粘度受控的cmp浇注方法
【专利说明】粘度受控的CMP浇注方法
【背景技术】
[0001] 本说明书涉及制造适用于对半导体、光学和磁性衬底进行抛光和平坦化的抛光 垫。
[0002] 聚氨酯抛光垫是用于多种高要求精密抛光应用的主要垫类型。这些聚氨酯抛光垫 有效用于抛光硅晶片、图案化晶片、平板显示器以及磁存储盘。确切地说，聚氨酯抛光垫为 用于制造集成电路的大多数抛光操作提供机械完整性和耐化学性。举例来说，聚氨酯抛光 垫具有较高的抗撕裂强度;避免抛光期间磨损问题的抗磨损性；以及抗强酸性和强碱性抛 光溶液侵蚀的稳定性。
[0003] 半导体的生产典型地涉及若干化学机械平坦化（chemical mechanical planarization，CMP)工艺。在每一CMP工艺中，抛光垫与抛光溶液(如含研磨剂的抛光浆料 或不含研磨剂的反应性液体)组合以平坦化或维持平度以便接收后续层的方式去除过量材 料。这些层的堆叠以形成集成电路的方式组合。这些半导体装置的制造由于对操作速度较 高、泄漏电流较低并且功率消耗降低的装置的需求而不断变得更复杂。在装置架构方面，这 转变为更精细的特征几何结构和增加的金属化水平。在一些应用中，这些越来越严格的装 置设计需求驱使与介电常数较低的新介电材料结合采用增加数量的钨互连插头或通孔。减 少的物理特性(时常与低k和超低k材料相关)与装置增加的复杂性组合已产生对CMP消耗品 (如抛光垫和抛光溶液)的更大需求。
[0004] 为了维持恒定的晶片产出量，半导体制造商已经多年实践使用金刚石盘进行原位 修整。原位修整在抛光期间切割抛光垫顶部表面。百分之百原位修整工艺在整个抛光工艺 期间进行金刚石修整。百分之五十原位修整工艺在二分之一抛光工艺内进行修整。这种修 整工艺在使抛光表面粗糙化以通过防止抛光垫起釉(glazing)来维持去除速率方面是必需 的。另外，这些垫必须在数百个晶片上以恒定速率抛光。
[0005] 已经证实，将聚氨酯浇注成饼并且将所述饼切割成若干薄抛光垫为用于制造具有 恒定可再现抛光特性的抛光垫的有效方法。莱因哈特(Reinhardt)等人在美国专利第5， 578,362号中公开聚合微球体在维持低缺陷度的同时改良平坦化的用途。不利的是，所产生 的具有这种结构的商业聚氨酯垫常常具有对金刚石修整器和修整工艺敏感的速率。确切地 说，随着金刚石在修整器上磨损，其在抛光垫中切割出较浅槽道，并且这些较浅槽道可能导 致较低的抛光去除速率。
[0006] 在使用烟雾状二氧化娃衆料的层间介电质（interlayer dielectric，ILD)抛光 中，抛光垫的去除速率(removal rate，RR)对金刚石修整极敏感。在不进行原位修整的情况 下，RR在抛光几个晶片内迅速地恶化，参见图1。尽管百分之百原位修整典型地使用烟雾状 二氧化硅浆料来用于ILD抛光中，但对修整的高RR敏感性仍可能在垫寿命内导致由于修整 圆盘磨损的性能变化。因此，需要在不牺牲其抛光效率的情况下对修整的敏感性降低的抛 光垫。此外，需要开发一种用于制造这些和其它CMP抛光垫的有效方法。
【发明内容】
[0007]本发明的一个方面提供一种制造适合于对半导体、光学和磁性衬底中的至少一种 进行平坦化的抛光垫的方法，所述方法包含以下：获得由异氰酸酯封端的分子和固化剂形 成的液体聚氨酯材料，所述液体聚氨酯材料具有T|?温度并且在所述异氰酸酯封端的分子 中含有4.2到7.5重量百分比的流体填充聚合微球体，所述流体填充聚合微球体是预膨胀与 未膨胀流体填充聚合微球体掺合物，所述预膨胀和未膨胀流体填充聚合微球体各自具有 Τ?台温度，其中所述预膨胀和未膨胀流体填充聚合微球体的直径在等于或高于所述温度 的温度下增加，并且所述未膨胀流体填充聚合微球体的所述温度小于所述液体聚氨酯 材料的所述Τι?温度;浇注含有所述预膨胀与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物的所述液 体聚氨酯材料，所述液体聚氨酯材料含有相对粘度
为1.1到7的所述预膨胀与未膨胀流体 填充聚合微球体掺合物，其中
[0009] 其中μ是填充系统的粘度，是末填充材料的粘度，
是相对粘度，并且Φ是填料 的体积分数;将所述液体聚氨酯材料和所述预膨胀与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物加 热到至少为所述未膨胀流体填充聚合微球体τ起^的温度并且使之固化，以增加所述未膨胀 流体填充聚合微球体的直径并且形成预膨胀与膨胀流体填充聚合微球体在所述液体聚氨 酯材料中的掺合物，并且随后使所述液体聚氨酯材料固体化成含有所述预膨胀和膨胀流体 填充聚合微球体的聚氨酯基质；以及由含有所述预膨胀和膨胀流体填充聚合微球体的所述 聚氨酯基质形成所述抛光垫。
[0010] 本发明的另一方面提供一种制造适合于使半导体、光学和磁性衬底中的至少一种 平坦化的抛光垫的方法，所述方法包含以下：获得由异氰酸酯封端的分子和固化剂形成的 液体聚氨酯材料，所述液体聚氨酯材料具有Τι?温度并且在所述异氰酸酯封端的分子中含 有4.2到7.5重量百分比的流体填充聚合微球体，所述流体填充聚合微球体是填充有异丁 烷、异戊烷或异丁烷与异戊烷混合物的预膨胀与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物，所述 预膨胀和未膨胀流体填充聚合微球体各自具有温度，其中所述预膨胀和未膨胀流体填 充聚合微球体的直径在等于或高于所述温度的温度下增加，并且所述未膨胀流体填充 聚合微球体的所述温度小于所述液体聚氨酯材料的所述Τ|?温度;浇注含有所述预膨胀 与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物的所述液体聚氨酯材料，所述液体聚氨酯材料含有相
为1.1到7的所述预膨胀与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物，其中
[0012]其中μ是填充系统的粘度，μ〇是末填充材料的粘度
是相对粘度，并且Φ是填料 的体积分数;将所述液体聚氨酯材料和所述预膨胀与未膨胀流体填充聚合微球体掺合物加 热到至少为所述未膨胀流体填充聚合微球体Τ起^的温度并且使之固化，以增加所述未膨胀 流体填充聚合微球体的直径并且形成预膨胀与膨胀流体填充聚合微球体在所述液体聚氨 酯材料中的掺合物，并且随后使所述液体聚氨酯材料固体化成含有所述预膨胀和膨胀流体 填充聚合微球体的聚氨酯基质；以及由含有所述预膨胀和膨胀流体填充聚合微球体的所述 聚氨酯基质形成所述抛光垫。
【附图说明】
[0013] 图1是在停止Semi-Sperse? 25E(SS25)烟雾状二氧化硅浆料原位修整之后，以 A,'mm为单位的去除速率对比晶片数目的曲线图。（Semi Sperse是卡巴特微电子公司 (Cabot Microelectronics Corporation)的商标。)
[0014] 图2是ILD抛光中以A/min为单位的平均去除速率和晶片内非均匀性&^1^11-wafer non-uniformity，WIW_NU)(%)〇
[0015] 图3是浓度为8wt%的预膨胀和未膨胀流体填充微球体的SEM。
[0016] 图4是用MbOCA固化剂形成的浓度为5.25wt%的预膨胀和未膨胀流体填充微球体 的 SEM〇
[0017] 图4A是对图4抛光垫以微米为单位测量的直径的大小分布图。
[0018] 图5是用与多官能性多元醇掺合的MbOCA固化剂形成的浓度为5.25wt%的预膨胀 和未膨胀流体填充微球体的SEM。
[0019] 图5A是对图5抛光垫以微米为单位所测量的直径的大小分布图。
[0020] 图6是根据修改的爱因斯坦-古斯-戈尔德等式的相对粘度对比固体体积分数的曲 线图。
[0021] 图7是相对粘度对比预膨胀、未膨胀、和预膨胀与未膨胀聚合微球体掺合物的聚合 微球体重量百分比的曲线图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供一种适合于对半导体、光学和磁性衬底中的至少一种进行平坦化的抛 光垫。抛光垫具有顶部抛光表面，包含异氰酸酯封端的预聚物和固化剂系统的反应产物。顶 部抛光层进一步以介于预聚物的高于4重量百分比与小于8重量百分比之间的含量包含聚 合微球体。这些抛光垫具有较高去除速率，较好晶片内均匀性，以及降低对修整工艺的敏感 性。
[0023] 抛光垫在预聚物中含有4.2到7.5重量百分比的流体填充微球体。优选地，抛光垫 在预聚物中含有4.5到7.5重量百分比的流体填充微球体。最优选地，抛光垫在预聚物中含 有5到7.5重量百分比的流体填充微球体。这产生具有受控孔隙大小的低密度或高孔隙度抛 光垫。举例来说，最终密度可以是0.5到0.75g/cm 3。优选地，最终密度是0.5到0.65g/cm3。
[0024] 填充微球体的流体可以是气体、液体或气体与液体的组合。如果流体是液体，那么 优选的流体是水，如仅含有附带杂质的蒸馏水。出于本申请的目的，术语微球体包括具有小 于完美球形的壳层；举例来说，这些壳层具有在切开并且用SEM查看时似乎为半半球形 (semi-he