專利名稱：用于化學機械平整化的功能分級墊的合成的制作方法
技術領域：
本發明涉及適于半導體晶片的化學機械平整化(CMP)的拋光墊。具體地說，本發明涉及合成用以提供材料性質/摩擦學性質的空間分級的拋光墊。這些微分分級可以用于在硅集成電路(IC)加工過程中獲得不同電介質膜和金屬膜的自定義拋光。
背景技術：
化學機械平整化(CMP)被用于在集成電路(IC)制造過程中平整化半導體晶片上的單獨層(電介質層或金屬層)。CMP可除去所述晶片上IC的不希望的形貌特征，例如大馬士革工藝(damascene process)之后的金屬淀積物。CMP可用于除去在淺溝槽隔離(shallow trench isolation)步驟中產生的過量氧化物和平整化層間電介質(ILD)以及金屬間電介質(IMD)(包括那些具有低介電常數(低k)的材料在內)。
CMP通常使用反應液體介質和拋光墊表面的組合，以提供適于獲得平整性的機械和化學控制。所述反應液體和拋光墊的拋光表面之一或二者可以包含無機顆粒(通常為納米尺寸的)以增強晶片上CMP工藝的化學反應性和/或機械活性。目前常用的拋光墊通常由實質上剛性的微孔聚氨酯材料構成，選擇所述材料以同時實現以下功能提供均勻的漿料傳輸、提供所得微粒產物的分布和去除、以及提供施加到晶片上的壓力的均勻分布。
在CMP工藝中，所述漿料流與晶片的化學相互作用導致在拋光表面處形成化學改性層。同時，該漿料中的研磨劑與所述化學改性表面層發生機械相互作用，從而導致材料去除。所述研磨劑顆粒通常通過機械摩擦作用參與材料去除步驟。當從納米水平考慮時，薄表面層的形成動力學和隨后去除動力學可控制CMP的生產效率，即去除速率(RR)、表面平整性、表面缺陷性、以及漿料選擇性。因此，所述拋光墊局部的材料性質/摩擦學性質/機械性質對于CMP工藝過程中的局部和整體平整化而言均是重要的。
在CMP工藝中的材料去除速率(RR)是若干因素的函數，但尤其是漿料研磨劑濃度和在拋光墊/漿料/晶片界面區中的平均摩擦系數(“f”)的函數。CMP過程中的法向力和切向力以及“實時f”的程度依賴于拋光墊的摩擦學特性和漿料的流變學特性。近來研究(ref.1&2)表明墊材料的順應性(compliance)、晶片和漿料研磨劑顆粒之間的接觸面積、以及所述系統的潤滑程度在任何CMP工藝過程中都起著重要的作用。
作為定性這些因素在CMP工藝中的作用的方法，可以采用Stribeck曲線。作為背景技術，Stribeck曲線是平均摩擦系數“f”與Sommerfield數So[So＝μV/p·deff]的曲線圖，并示出了晶片、旋轉墊和被包封的研磨劑顆粒之間的接觸程度。(其中μ＝漿料粘度、V＝相對墊-晶片速率以及deff＝α·Ra+[1-α]·d溝槽，其中Ra是拋光墊平均粗糙度，d溝槽是拋光墊溝槽深度，以及‘α’(衡量晶片壓力的無量綱面積參數)＝A向上特征/A平整墊；Peff＝p/α。)圖1中提供的一般Stribeck曲線示出了三種不同狀態“邊界潤滑狀態”、“過渡狀態”和“流體動壓潤滑狀態”。首先，在“邊界潤滑狀態”中，所有固體與漿料研磨劑顆粒密切接觸，以及“f”隨著“So”保持恒定。在該狀態中，出現“f”和“RR”的較大值。
其次，對于中間“So”值或在“部分潤滑狀態”或“過渡區狀態”中，由于存在流體膜層或可能部分地由于拋光墊的粗糙性，拋光墊和晶片不直接接觸。在該過渡狀態中，“f”的斜率為負。
最后，在“流體動壓潤滑”狀態或在較大的So值下，較厚流體層的存在會導致較小的“RR”和“f”值。隨著So的增加“f”的任何微小增加均可能由于在流體流動場中出現漩渦(f＝k·Soβ，其中k是常數，β是該潤滑狀態的摩擦學機制指標)而引起。對于β＞0，邊界潤滑機制占主導。對于負β值，部分潤滑狀態顯著并且RR較低(RR＝KPr·Peff·V，其中KPr是Preston常數，其依賴于該工藝的化學-機械方面特性)。
部分潤滑狀態(或過渡區狀態)可提供延長的墊壽命。然而，在邊界潤滑狀態中的操作可提供較高的穩定性、控制和RR的可預見性以及晶片均勻性。‘f和‘β’與KPr呈線性關系，從而與RR呈線性關系。KPr與拋光墊的儲能模量成反比。因此具有較高壓縮性的較軟拋光墊提供較大RR，而具有較低壓縮性的較硬拋光墊提供較小RR。在拋光過程中，較軟拋光墊會在晶片的前緣處經歷較大切向力，因為其被相對更大程度地壓縮，并從而產生晶片在其運動過程必須持續克服的阻擋。就微觀而言，在晶片/拋光墊界面處拋光墊的粗糙性被削弱，因此增大了切向力、f和β的分量。
所述墊材料的順應性、微摩擦學和納米摩擦學連同漿料流變學、種類、潤滑性、溝槽或穿孔的結構、研磨劑濃度、pH以及溫度分別可以改變特定Stribeck曲線的形狀，并可以改變不同潤滑狀態的相對程度以及KPr、f和β的值。
本文描述的拋光墊具有不同的墊摩擦學區。通過調節墊摩擦學和針對這些被調節的或不同的區選擇具有Stribeck曲線潤滑性的合適操作狀態，可以同時獲得局部和整體平整化，甚至對于如下材料而言也是如此具有不同材料疊層(例如可以在金屬/阻擋層、氧化物/氮化物結構中見到的，如在淺溝槽隔離(STI)中見到的)的晶片、或者具有通過亞90nm技術層疊的材料(例如低k和應變-Si材料和絕緣體上硅(SOI)結構)的那些、以及具有復雜器件設計和結構(例如“系統芯片”(SoC)中所見的那些以及多種垂直柵極結構(例如FinFET))的那些。針對具有寬變化范圍的圖案密度和芯片尺寸的晶片可以設計本發明的被調節的或功能分級的拋光墊。
具有基本上均勻的摩擦學、化學和摩擦特性的常規開孔和閉孔聚合物墊已經適用于CMP中。然而，250nm CMOS技術的引入探究了這些墊的適用性的限制。對于亞250nm技術，例如具有增加的設計(例如SoC)、工藝(例如SOI，FinFET)或材料(例如Cu或低k材料)的復雜性的技術，尤其當與芯片圖案密度的實質變化和增大的芯片尺寸結合時，這些常規開孔和閉孔均勻聚合物墊的使用與在早期晶片中的相同措施相比已經伴有芯片產量、器件性能和器件可靠性的下降。
改變墊厚度(層疊或未層疊的)和墊表面結構(例如穿孔、K-溝槽、X-Y溝槽和K-溝槽/X-Y溝槽的組合)的多種嘗試未能特別地解決芯片圖案密度、芯片尺寸、結構復雜性和電介質/金屬工藝流程對集成電路的最終產量、器件性能和可靠性的影響。
本文描述的具有墊摩擦學特性/材料特性空間變化的功能分級墊適于將CMP工藝用于這些新技術、甚至是使用亞130nm技術節點的那些。
發明內容
本文描述了一種用于CMP工藝的功能分級拋光墊，其由具有用于拋光含硅晶片的拋光表面并設計用于CMP工藝的拋光墊構成，其中所述拋光表面為大體平整的整體(one piece)，并包含至少兩個具有不同物理特性的區域。所述至少兩個區域可以具有不連續的邊界，或者由組分聚合物的混合物形成的邊界。所述至少兩個區域可以分別包含組成不同的聚合物材料，并且這些區域之間的區可以包含所述組成不同的聚合物材料的混合物。
所述至少兩個區域中至少一個的形狀可以為環狀、島狀或任意形狀。所述至少兩個區域分別包含具有不同物理參數的不同聚合物材料，并且所述至少兩個區域之間的組成變化可以是階梯式變化、連續變化或兩者的組合。該拋光墊可以包括邊緣和中心，該邊緣占據一個區域而該中心占據另一個區域，所述邊緣和中心之間的組成變化可以是連續的、階梯的或其它形式。
所述功能分級的拋光墊可以通過至少兩種聚合物組分的順序或同時注射成型以形成所述至少兩個區域的方法制造。該功能分級的拋光墊可以具有包含嵌段共聚物的至少兩個聚合物組分中的至少一個，其中所述嵌段共聚物中可能在該嵌段共聚物中隨著距離(over distance)具有不同組成聚合物組分。
在分級墊中，所述關鍵的墊機械性質(例如尤其是硬度和模量)和物理性質(例如孔隙率)可在空間上變化。可以構思若干類型的分級，其包括可被分類成環狀分級、島狀分級和階梯狀分級的圖案。取決于操作類型，許多其它分級圖案也是可以的。基于包括在CMP過程中的晶片清掃和停留時間分布、摩擦系數及其它物理性質在內的參數采用模擬方法可以形成用于特定操作的最合適的墊分級。
圖1描述了表示在不同潤滑狀態中旋轉晶片、旋轉墊和被包封的研磨劑顆粒之間接觸程度的示意性的一般Stribeck曲線。
圖2圖解性地描述了當將異氰酸酯、多聚胺/多元醇、擴鏈劑和其它添加劑全部混合在一起時制造分級拋光墊的單步技術。
圖3圖解性地描述了用于制造分級拋光墊的預聚物或“兩步”技術。
圖4圖解性地描述了一種階梯分級墊，其具有一種配方的外環和摩擦學特性不同的另一配方的內部區域。
圖5描述了一種階梯分級墊，其具有一種聚合物配方的島狀物和摩擦學特性不同的聚合物基質的周圍區域。
圖6描述了一種復雜分級的分級墊，其具有不同的形狀、尺寸和摩擦學特性材料。
圖7表示一種連續分級的墊，其中所述中心包含在該中心處的第一配方，所述邊緣包含第二配方。在該變化分案中，兩種配方完全混溶。
圖8表示一種分級墊，其中該分級是采用注射嵌段共聚物或接枝共聚物形成的微相疇(micro-domain)形態結構。
圖9圖解性地描述了具有不同平衡結構(bcc、hcp和片層)的嵌段共聚物的(溫度-組成)相圖。
發明詳述功能分級的拋光墊下面對適合在CMP工藝中用于拋光上述含硅晶片的拋光墊進行描述。這些墊在鄰近被拋光硅晶片的拋光表面上具有至少兩個區域，其具有不同的材料特性。這些區域可以是不連續的并且是由清晰邊界良好界定的。這些區域可以是其中材料特性隨著距離而變化的類型。本發明的拋光墊包含一種或多種聚合物材料，其分別含有以下的一種或多種具有特定分子量或分子量分布的純聚合物、一種或多種聚合物的混合物或合金、兩種或更多物種的共聚物、以及兩種或更多物種的嵌段共聚物。該聚合物組分可以填充有其它聚合物或非聚合物材料(例如聚合物纖維、天然纖維)、顆粒材料(例如聚合物材料的離散“小碎片”)等。
本發明描述的拋光墊的鄰近被拋光晶片表面的表面可以在完成了這里描述的合成步驟之后是大體上平整的。凹陷和突起的表面具有這里指出的特性。
適合所述CMP拋光墊的材料包括很寬范圍的眾多聚合物，其例如包括聚氨酯、聚脲、聚碳酸酯、尼龍、多種其它聚酯、聚砜和多種聚縮醛等。這些聚合物材料及其化學相關的類似物可以用于制造所述CMP墊。當然，也可以采用其它聚合物化學。采用這些材料的配方必須涉及對聚合物材料結構和所得物理性質之間關系的一定理解。其包括不同組分和復合材料的加工特性，例如在不同區域之間的聚合物間的相容性、反應性和粘度。
具有重要的科學、工程和商業歷史的一種聚合物體系是聚氨酯和聚脲化學體系。這些聚合物制品常常包括異氰酸酯、多元醇、多聚胺和擴鏈劑等。從商業上說，超過90％的異氰酸酯為甲苯-二異氰酸酯(TDI)或二苯甲烷-二異氰酸酯(MDI)及其衍生物。其它包括聚亞甲基聚苯基異氰酸酯(PAPI)。異氰酸酯官能團是重要的，因為其可導致交聯以及由此導致的硬度和其它墊順應性。多聚胺/多元醇反應物的尺寸和分子量可對所得聚合物的柔韌性、低溫度特性、親水性、光穩定性和加工特性產生影響。
擴鏈劑常常是低分子量的二胺或二醇，其用于提高最終聚合物中的脲/氨基甲酸酯的含量。它們與所述異氰酸酯反應并成為所得聚合物中的“硬段”部分，并且常常影響著硬度以及彈性順從性。許多可獲得的擴鏈劑還可以改變加工特性例如膠凝時間和粘度累積(viscosity build-up)。最終制品的強度也常常受到影響。交聯劑的特征在于分子量和官能度。低分子量分子對交聯基于摩爾的聚合物基質是有效的，并且可實現提高的耐受溶脹性、低溫柔韌性和加工動力學特性。
存在兩種公知的配制聚脲/聚氨酯的方法。它們被稱為(i)“單步”技術，以及(ii)“兩步”技術。圖2圖解性地表示所述單步技術。概括而言，將所述組分(例如，長鏈二醇、二異氰酸酯、以及如果需要的擴鏈劑)在一起混合并反應。然而，該技術難以控制。在反應混合物中反應物的局部濃度和隨機的溫度控制有時會導致大大地改變聚合物產物的特性。
圖3圖解性地描述了兩步技術。在第一步中，將異氰酸酯與長鏈二胺/二醇預反應以形成高分子量異氰酸酯，一般稱之為“預聚物”。該官能化的預聚物隨后與二胺/二醇固化劑或擴鏈劑進一步反應以完成聚脲/聚氨酯的形成。該工藝更容易控制，但需要更高的加工溫度，常常在100℃左右。
應當顯見的是本發明的拋光墊可以包含純聚合物(如上面剛剛討論的聚氨酯或聚脲材料)，或者可以在拋光面的不同區域包含兩種或更多種不同分子量產物的聚氨酯或聚脲材料。
對制備聚氨酯或聚脲材料的這兩種方法的解釋既應看作制備這些聚合物的一個實例，又應看作是在分級墊合成中采用其它聚合物的一個實例。不應當認為所述實例是對本公開范圍的限定。
多重注射成型用于制造功能分級墊的該工藝的另一變換方案包括已知為多點注射成型的工藝(也稱為共注射夾層成型)。多重注射成型是一種其中采用兩種或更多種聚合物材料的順序工藝，然而每一種材料在不同的時間被注射入模具中。該工藝不同于下文描述的原位多重注射成形工藝。
下面是合成其中采用兩種不同聚合物組成(每個區域采用一種)的兩區域分級墊工藝的一個實例。如圖4所示，采用注射成型工藝使得成型所述墊的第一外環。隨后將完成的外環放置在第二模具中，隨后向該墊環的中心填充第二聚合物材料。重申一下在第一和第二成型步驟中，采用兩種不同的材料，從而在所得墊中具有不同(機械和物理)性質的兩個不同區域。在兩種材料之間界面處的適當粘結可能需要選擇彼此相容的材料。這方面的信息在公開文獻中容易獲得。兩種聚合物之間的界面相容性通常良好。
也可以采用該方法形成具有多于兩個區域和具有多于兩個階梯的分級墊。此外，該方法可以用于實現從最簡單、最容易定義的環狀圖案到最復雜和隨機的圖案的任意階梯狀分級圖案。
圖5和圖6表示可以通過該工藝制造的更復雜的圖案。通過十字形模子或隔離體將如圖5所示的十字(區域2)圍住以使得沒有聚合物進入其它空間。在所述一個或另一區域填充之后，從部分成型的墊中除去該十字形模具或模子。
圖6表示在CMD拋光墊(200)上定義多種被選定區域的一系列不規則圖案，所述選定區為橢圓(202、203、204)和旗形(205)。在每一個指定區域中，相應的聚合物可以分別為上面討論的類型的不同聚合物，或者至少兩種不同聚合物。另外，所述圖案可以采用適當模具幾何形狀來實現。
多重原位(live-feed)注射成型也可以使用包括多重原位注射澆料口的模具來制造分級墊。在該方法中，選擇的模具具有用于注射聚合物的至少兩個澆料口，一般是獨立的。在相同注射步驟中，常常是同時，通過所述澆料口注射至少兩種不同聚合物以填充所述模具。根據墊所需要的分級要求，可以使用通常的聚合物工程計算方法來計算選擇適當注射點和不同聚合物被供入模具的注射速率所需要的流體流量和傳熱作用。
圖7表示采用該工藝通過從模具外周(212)注射第一聚合物并同時從中心注射第二聚合物材料而制得的連續分級聚合物墊(210)。
嵌段共聚物可以采用嵌段共聚物體系來制造分級墊。圖8表示以功能方式描述最終制品的嵌段共聚物組成(相對％組分)與晶體結構(BCC、HCP等)之間關系的相圖。為了得到性質上的分級，嵌段共聚物的組成是逐步變化的。因此，以可控方式，通過空間變化在嵌段共聚物中實現幾何形狀的差別。因為幾何形狀和(A或B)的百分比隨著空間而變化，以及A和B為不同的單元這一事實，因此該變化提供了在物理性質(例如硬度、模量、孔隙率(通過對A或B進行溶液脫除)、粗糙度和粗糙性)上的分級。
具體地，硬度分級可以通過改變嵌段共聚物的分子單元隨著距離的濃度來實現，因為用于制造所述墊的兩個分子單元A和B可以具有不同的硬度值。此外，如圖9所示由組成關系導致的所制造的晶體結構的變化產生了物理參數上另外的可控變化。
適合于涉及嵌段共聚物的這些工藝的分子單元包括例如苯乙烯、異戊二烯、丁二烯、氨基甲酸酯/脲、長鏈二醇和二胺等材料。
氣體輔助注射成型一種制造其中包含微孔的分級墊的方法應當在注射成型步驟中包括氣體以在聚合物拋光墊中得到孔隙率的功能分級。可以從不同澆料口以不同的流率將氣體分散到和注射到模具中，從而實現分級。所得的拋光墊可以在不同位置包含不同量的被包封氣體并實現硬度或密度上的差別。
反應注射成型(RIM)特殊的聚合物體系(例如聚氨酯)可以經受采用RIM工藝的成型步驟。在該成型工藝中，代替注射預先合成的聚合物，添加組分單體材料、適當的交聯劑(例如丙三醇)及引發劑和擴鏈劑，在成型的同時聚合所得的混合物。為了制造分級墊，使用多個澆料口注射兩種或更多種類型的單體單元(以及相應的擴鏈劑)以實現化學結構上的分級。化學結構上的分級可以導致機械和物理性質上的分級。
通過有差別地向模具中添加所述單體，該方法可以用于制造上面討論的連續墊以及階梯狀分級墊。
層狀注射成型通過使用已經預先擠出(可能以層狀形式)的聚合物混合物，在例如上面討論的注射成型工藝中，可以制造具有分級特性的拋光墊。這種制造聚合物的簡單物理混合物的方法是直接的并且容易根據制造者而改變需求。所得的分級特性將取決于單個聚合物的機械和物理性質。
該方法可以得到微相疇分級。
微孔(Mucell成型)在該工藝中，將被成型的聚合物流體與空氣混合以形成溶液混合物。采用兩種或更多種具有不同化學性質的所述溶液可同時得到機械性質和孔隙率的分級。
采用用于CMP工藝的分級墊的目的是允許以選擇的方式使待拋光晶片的不同區域曝露在聚合物墊的不同選擇區域上。例如，將晶片的外周曝露在拋光墊的較軟區域(其摩擦切向力比拋光墊的較硬區域更高)可能是有利的；與之相比，將晶片的內部區域曝露在拋光墊的較硬區域以得到更高的平整化長度可能是有利的。由于在任何CMP工藝中晶片和拋光墊都在運動(旋轉、振蕩)，采用這些分級聚合物墊聯合停留時間分布模型將可以同時實現局部和整體平整化。該晶片的材料去除速率、缺陷率、腐蝕率和凹陷以及有效的CMP工藝平整化長度取決于拋光墊材料的局部摩擦學特性(硬度、順應性)和物理性質(孔尺寸和密度、粗糙度)。本發明的功能分級拋光墊允許選擇局部和整體的拋光墊物理參數以使得能夠改善這些CMP工藝的不足。
權利要求
1.一種用于CMP工藝的功能分級拋光墊，其包括具有用于拋光含硅晶片的拋光表面并設計用于CMP工藝的拋光墊，其中所述拋光表面為大體平整的整體，并包含至少兩個具有不同物理特性的區域。
2.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域具有不連續的邊界。
3.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域分別包含組成不同的聚合物材料。
4.如權利要求3所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域分別包含具有不同物理參數的不同聚合物材料，并且其中所述區域之間的區包含組成不同的聚合物材料的混合物。
5.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域中的至少一個為環狀。
6.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域中的至少一個為島狀。
7.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域分別包含具有不同物理參數的不同聚合物材料，并且其中所述至少兩個區域之間的組成變化是階梯式變化。
8.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域分別包含具有不同物理參數的不同聚合物材料，并且其中所述至少兩個區域之間的組成變化是連續變化。
9.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩個區域分別包含具有不同物理參數的不同聚合物材料，并且其中所述拋光墊是具有邊緣和中心的環狀物，所述邊緣占據一個區域，所述中心占據另一個區域，其中所述邊緣與所述中心之間的組成變化是連續變化。
10.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其通過至少兩種聚合物組分的順序注射成型以形成所述至少兩個區域的方法制造。
11.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其通過至少兩種聚合物組分的同時注射成型以形成所述至少兩個區域的方法制造。
12.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩種聚合物組分中的至少一種包含嵌段共聚物。
13.如權利要求1所述的功能分級拋光墊，其中所述至少兩種聚合物組分中的至少一種包含嵌段共聚物，所述嵌段共聚物在該嵌段共聚物中隨著距離具有不同組成聚合物組分。
全文摘要
CMP工藝的材料去除速率、缺陷率、腐蝕性和凹陷以及有效平整化長度取決于拋光墊材料的局部摩擦學特性(硬度、順應性)和物理性質(孔尺寸和密度以及粗糙度)。分級墊表現出對適應于平整化的不同材料/摩擦學性質的空間調節(i)具有最小凹陷、腐蝕、過度拋光和納米形態的不同材料疊層，例如金屬/阻擋層或氧化物/氮化物[STI]；(ii)具有最小腐蝕、漿料選擇性的特定材料(低k、應變硅和SOI)；(iii)具有不同圖案密度和芯片尺寸的復雜設計和結構的裝置(單芯片系統和垂直柵極)。這里描述的若干類型的分級包括環狀、島狀、階梯狀和連續的分級。用于特殊漿料化學和墊上晶片清掃的CMP工藝用墊分級設計是基于局部墊材料(硬度、順應性、孔尺寸和粗糙度)性質的。預計所述功能分級聚合物墊對平整化級(小于100nm)的硅IC、盤驅動器、微機械(MEM)和納米復合襯底具有重大影響。
文檔編號B24B37/04GK1816422SQ200480018857
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年6月3日
發明者S·米斯拉, P·K·羅伊, M·德奧普拉 申請人:尼歐派德技術公司