高穩(wěn)定性聚氨基甲酸酯拋光墊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本說明書涉及適用于對襯底進行拋光和平面化的拋光墊，并且尤其涉及具有恒定 電介質(zhì)去除速率的平面化拋光墊。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚氨基甲酸酯拋光墊是用于多種要求高的精密拋光應(yīng)用的主要墊類型。這些聚氨 基甲酸酯拋光墊有效用于拋光硅晶片、圖案化晶片、平板顯示器以及磁存儲盤。具體來說， 聚氨基甲酸酯拋光墊為用以制造集成電路的大部分拋光操作提供機械完整性和耐化學(xué)性。 舉例來說，聚氨基甲酸酯拋光墊具有較高的抗撕裂強度;避免拋光期間磨損問題的抗磨損 性；以及抗強酸性和強堿性拋光溶液侵蝕的穩(wěn)定性。
[0003] 半導(dǎo)體的生產(chǎn)典型地涉及若干化學(xué)機械平面化(CMP)工藝。在每一CMP工藝中，拋 光墊以及拋光溶液(如含研磨劑的拋光漿料或不含研磨劑的反應(yīng)性液體）以平面化或維持 平坦度以用于接收后續(xù)層的方式去除過量物質(zhì)。這些層的堆疊以形成集成電路的方式組 合。這些半導(dǎo)體裝置的制造由于對操作速度更高、泄漏電流更低以及功率消耗降低的裝置 的需求而不斷變得更復(fù)雜。在裝置架構(gòu)方面，這相當(dāng)于更精細(xì)的特征幾何結(jié)構(gòu)和增加的金 屬化水平。在一些應(yīng)用中，這些越來越嚴(yán)格的裝置設(shè)計需求驅(qū)使與介電常數(shù)更低的新介電 材料結(jié)合采用增加數(shù)量的鎢互連插頭或通孔。減少的物理特性(時常與低k和超低k材料相 關(guān)）以及裝置增加的復(fù)雜性已經(jīng)產(chǎn)生對CMP消耗品（如拋光墊和拋光溶液)的更大需求。
[0004] 為了維持恒定的晶片產(chǎn)出量，半導(dǎo)體制造商已經(jīng)多年實踐使用金剛石盤進行原位 修整。原位修整在拋光期間切割拋光墊頂表面。百分之百原位修整工藝在整個拋光工藝期 間進行金剛石修整。百分之五十原位修整工藝在二分之一拋光工藝內(nèi)進行修整。這種修整 工藝在使拋光表面粗糙化以通過防止拋光墊起釉(glazing)來維持去除速率方面是必需 的。另外，這些墊必須在數(shù)百個晶片上以恒定速率拋光。
[0005] 已經(jīng)證實，將聚氨基甲酸酯澆鑄成餅并且將所述餅切割成若干薄拋光墊是用于制 造具有恒定可再現(xiàn)拋光特性的拋光墊的有效方法。萊因哈特(Re inhardt)等人在美國專利 第5,578,362號中公開聚合微球體在維持低缺陷度的同時改良平面化的用途。不幸的是，所 產(chǎn)生的具有這種結(jié)構(gòu)的商業(yè)聚氨基甲酸酯墊通常具有對金剛石修整器和修整工藝靈敏的 速率。具體來說，隨著金剛石在修整器上磨損，其在拋光墊中切割出較淺槽道，并且這些較 淺槽道可能導(dǎo)致較低的拋光去除速率。
[0006] 在使用煙霧狀二氧化娃衆(zhòng)料的層間介電質(zhì)（interlayer dielectric，ILD)拋光 中，拋光墊的去除速率(removal rate，RR)對金剛石修整極靈敏。在不進行原位修整的情況 下，RR在拋光幾個晶片內(nèi)迅速地惡化，參見圖1。盡管百分之百原位修整典型地使用煙霧狀 二氧化硅漿料來用于ILD拋光中，但對修整的高RR靈敏度仍可能在墊壽命內(nèi)導(dǎo)致由于修整 圓盤磨損的性能變化。因此，需要在不犧牲其拋光效率的情況下對修整的靈敏度降低的拋 光墊。此外，需要開發(fā)一種用于制造這些和其它CMP拋光墊的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一方面提供一種適用于對半導(dǎo)體、光學(xué)和磁性襯底中的至少一者進行平 面化的拋光墊，所述拋光墊包含由異氰酸酯封端的分子和固化劑形成的澆注聚氨基甲酸酯 聚合基質(zhì)，所述澆注聚氨基甲酸酯聚合基質(zhì)在所述異氰酸酯封端的分子中含有4.2到7.5重 量％流體填充微球體，所述流體填充微球體是聚合的并且平均直徑是10到80μπι，所述拋光 墊的修整器靈敏度(CS)是0到2.6，CS如下定義：
[0009] 其中CS定義為75 %原位修整下的毯覆式TE0S去除速率(RR75%i__)與50 %原位修 整下的毯覆式TE0S去除速率(RR5Q%原a嫌)的差值除以50 %部分原位修整下的毯覆式TE0S去 除速率，使用12.5wt%濃度的pH是10.5的具有0. Ιμπι平均粒度的煙霧狀二氧化硅漿料，以及 修整器下壓力是91bs (或4.08Kg)的具有150μηι平均粒度、400μηι節(jié)距和100μπι突起的金剛石 修整器。
[0010] 本發(fā)明的另一方面提供一種適用于對半導(dǎo)體、光學(xué)和磁性襯底中的至少一者進行 平面化的拋光墊，所述拋光墊包含由未反應(yīng)NC0是8.95到9.25?七％的!112101/^01與聚四亞 甲基醚二醇(PTMEG)的氨基甲酸酯預(yù)聚物和固化劑形成的澆注聚氨基甲酸酯聚合基質(zhì)，所 述澆注聚氨基甲酸酯聚合基質(zhì)在所述氨基甲酸酯預(yù)聚物中含有4.2到7.5重量％流體填充 微球體，所述流體填充微球體是聚合的并且平均直徑是10到80μπι，所述拋光墊的修整器靈 敏度(CS)是0到2.6，CS如下定義：
[0012] 其中CS定義為75 %原位修整下的毯覆式TE0S去除速率(RR75%|__)與50 %原位修 整下的毯覆式TE0S去除速率(RR5Q%原a嫌)的差值除以50 %部分原位修整下的毯覆式TE0S去 除速率，使用12.5wt%濃度的pH是10.5的具有0. Ιμπι平均粒度的煙霧狀二氧化硅漿料，以及 修整器下壓力是91bs (或4.08Kg)的具有150μηι平均粒度、400μηι節(jié)距和100μπι突起的金剛石 修整器。
【附圖說明】
[0013] 圖1是在停止Semi-SperseTM 25E(SS25)煙霧狀二氧化硅漿料原位修整之后，以 A/min為單位的去除速率對比晶片數(shù)目的曲線圖。（Semi Sperse是卡巴特微電子公司 (Cabot Microelectronics Corporation)的商標(biāo)。)
[0014] 圖2是ILD拋光中以A:niin為單位的平均去除速率與晶片內(nèi)非均勻性(￥^1^11-wafer non-uniformity，WIW_NU) ( % )的曲線圖。
[0015] 圖3是濃度為8wt%的預(yù)膨脹和未膨脹流體填充微球體的SEM。
[0016]圖4是用MbOCA固化劑形成的濃度為5.25wt%的預(yù)膨脹和未膨脹流體填充微球體 的 SEM〇
[0017]圖4A是對圖4拋光墊以微米為單位測量的直徑的大小分布圖。
[0018] 圖5是用MbOCA固化劑與多官能性多元醇摻合形成的濃度為5.25wt%的預(yù)膨脹和 未膨脹流體填充微球體的SEM。
[0019] 圖5A是對圖5拋光墊以微米為單位測量的直徑的大小分布圖。
[0020] 圖6是根據(jù)經(jīng)修改的愛因斯坦-古斯-戈爾德方程式（Einstein-Guth-Gold equat i on)的相對粘度對比固體體積分?jǐn)?shù)的曲線圖。
[0021] 圖7是相對粘度對比預(yù)膨脹、未膨脹、和預(yù)膨脹與未膨脹聚合微球體摻合物的聚合 微球體重量百分比的曲線圖。
【具體實施方式】
[0022] 本發(fā)明提供一種適用于對半導(dǎo)體、光學(xué)和磁性襯底中的至少一者進行平面化的拋 光墊。拋光墊具有頂部拋光表面，包含異氰酸酯封端的預(yù)聚物和固化劑系統(tǒng)的反應(yīng)產(chǎn)物。頂 部拋光層進一步以介于預(yù)聚物的高于4重量％與小于8重量％之間的含量包含聚合微球體。 這些拋光墊具有較高去除速率，較好晶片內(nèi)均勻性，以及降低的對修整工藝的靈敏度。
[0023] 拋光墊在預(yù)聚物中含有4.2到7.5重量％流體填充微球體。優(yōu)選地，拋光墊在預(yù)聚 物中含有4.5到7.5重量％流體填充微球體。最優(yōu)選地，拋光墊在預(yù)聚物中含有5到7.5重 量％流體填充微球體。這產(chǎn)生具有受控孔隙大小的低密度或高孔隙率拋光墊。舉例來說，最 終密度可以是0.5到0.75g/cm 3。優(yōu)選地，最終密度是0.5到0.65g/cm3。
[0024] 填充微球體的流體可以是氣體、液體或氣體與液體的組合。如果流體是液體，那么 優(yōu)選的流體是水，如僅含有附帶雜質(zhì)的蒸餾水。出于本申請的目的，術(shù)語微球體包括具有小 于完美球形的殼層；舉例來說，這些殼層具有在切開并且用SEM查看時似乎為半半球形 (semi-hemispherical shape)的形狀。如果流體是氣體，那么空氣、氮氣、氬氣、二氧化碳或 其組合是優(yōu)選的。對于一些微球體，氣體可以是有機氣體，如異丁烷。優(yōu)選地，流體是異丁 烷、異戊烷或異丁烷與異戊烷的組合。取決于聚合殼層中的內(nèi)部壓力，滯留在聚合微球體中 的異丁烷在室溫(25°C)下和高于室溫下是氣體。滯留在聚合微球體中的異戊烷在室溫下是 液體與氣體的組合。取決于聚合殼層中的內(nèi)部壓力，在約30°C和更高的溫度下，異戊烷變?yōu)?氣體。聚合殼層容納流體;并且典型地，聚合殼層在壓力下容納氣體。聚合物殼層的特定實 例包括聚丙烯腈/甲基丙烯腈殼層和聚(偏二氯乙烯)/聚丙烯腈殼層。此外，這些殼層可以 并入有無機粒子，如硅酸鹽、含鈣或含鎂粒子。這些粒子促進聚合微球體的分離。這些流體 填充微球體在膨脹之后的平均最終平均直徑典型地是10到80μπι，并且優(yōu)選地是20到60μπι。 預(yù)膨脹的聚合微球體典型地增長10 %到60 %以達到20到150μπι的最終平均直徑。然而，未膨 脹的聚合微球體典型地增長1，〇〇〇 %到1 〇，〇〇〇 %以達到20到15〇μπι的最終直徑。所得的聚合 微球體在固體化聚合基質(zhì)中的摻合物在膨脹之后的最終平均直徑是10到80μπι，并且優(yōu)選地 是 20 到 60μπι。
[0025] 拋光墊任選地含有分布在每個聚合微球體內(nèi)的含二氧化硅或含堿土金屬(周期表 第ΙΙΑ族)氧化物的區(qū)域。這些含二氧化硅或含堿土金屬氧化物的區(qū)域可以是粒子，或具有 細(xì)長的含堿土金屬氧化物結(jié)構(gòu)。典型地，含堿土金屬氧化物的區(qū)域表示包埋或附接到聚合 微球體的粒子。含堿土金屬氧化物粒子的平均粒度典型地是0.01到3μπι。優(yōu)選地，含堿土金 屬氧化物粒子的平均粒度是0.01到2μπι。這些含堿土金屬氧化物粒子間隔開以涂布小于 50 %的聚合微球體外表面。優(yōu)選地，含堿土金屬氧化物的區(qū)域覆蓋1 %到40 %的聚合微球體 表面區(qū)域。最優(yōu)選地，含堿土金屬氧化物的區(qū)域覆蓋2%到30%的聚合微球體表面區(qū)域。含 二氧化硅或含堿土金屬氧化物的微球體的密度是5克/升到1，000克/升。典型地，含堿土金 屬氧化物的微球體的密度是10克/升到1，〇〇〇克/升。
[0026]典型聚合拋光墊基質(zhì)材料包括聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺、乙烯共聚物、聚醚、聚酯、 聚醚-聚酯共聚物、丙烯酸聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯共聚物、聚丁二烯、 聚乙烯亞胺、聚氨基甲酸酯、聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚酮、環(huán)氧化物、硅酮、其共聚物和其混合 物。優(yōu)選地，聚