专利名称：化学机械抛光衬垫和化学机械抛光方法
技术领域：
本发明涉及一种化学机械抛光衬垫和化学机械抛光方法。
现有技术的说明在半导体器件的制造中，化学机械抛光(通常缩写为CMP)作为能够为硅衬底或者具有在其上形成线路或者电极的硅衬底(以下称为″半导体晶片″)形成极平的表面的抛光技术，一受关注。化学机械抛光是这样一种技术，通过在使抛光衬垫和物体待抛光表面互相滑动接触时、使用于化学机械抛光的水基分散体(磨料粒的水基分散体)在化学机械抛光衬垫表面上流过。大家都知道抛光结果较大地受在该化学机械抛光中的化学机械抛光衬垫的形状和性能的影响，并且有人建议各种化学机械抛光衬垫。
例如，很久以前就已经知道的一种化学机械抛光衬垫，该化学机械抛光衬垫由包含微小单元的泡沫聚氨基甲酸酯制成，用来通过将用于化学机械抛光的水基分散体保持在开向衬垫表面的孔(以下称为“孔隙”)中来进行抛光(参看JP-A11-70463，JP-A8-216029和JP-A8-39423)(这里使用的术语“JP-A”表示“特许公开的未审日本专利申请”)。
最近，已经公开一种包含分散在基质树脂中的水溶性聚合物的抛光衬垫，该抛光衬垫不使用泡沫就能够形成孔隙(JP-A 8-500622、JP-A 2000-34416、JP-A2000-33552和JP-A 2001-334455)。在该技术中，通过分散在基质树脂中的水溶性聚合物在抛光的时候与用于化学机械抛光的水基分散体或者水接触时溶解来形成孔隙。
在待抛光表面的化学机械抛光中，当包含在用于所用的化学机械抛光的水基分散体中的磨料粒聚集成粗颗粒时，它作为异物在表面上引起所谓“刮痕”的缺陷。希望对此进行改善。当抛光衬垫的成分硬或者当磨料粒聚集并且抛光衬垫的成分硬时，同样产生刮痕。也希望对此进行改善。
为了解决上述问题，有人提出一种多层衬垫，该多层衬垫在衬垫背面(非抛光表面)上包括软的缓冲层(参看JP-A 2002-36097)。但是，虽然上述多层衬垫在一定程度上改善上述问题，但是不能完全解决它。大家都知道它的生产过程复杂，从而提高成本并引起质量控制问题。
同时，为改善半导体器件性能起见，使用具有较低介电常数的绝缘膜来代替传统的绝缘膜(SiO2膜)正在引起关注。作为这种低介电绝缘膜，例如，到目前为止，已经发展了硅环氧乙二烷(silsesquioxane)(介电常数大约2.6到3.0)、添氟的SiO2(介电常数大约3.3到3.5)、聚酰亚胺基树脂(介电常数大约2.4到3.6，Hitachi化学有限公司的PIQ(商品名)，联合信号有限公司的FLARE(商品名))、苯并环丁烯(介电常数大约2.7，Dow化学有限公司的BCB(商品名))、含氢的SOG(介电常数大约2.5到3.5)和有机SOG(介电常数大约2.9，Hitachi化学有限公司的HSGR7(商品名))绝缘膜。但是，由于这些绝缘膜具有低机械强度，并且比SiO2膜更软和更脆，当通过使用传统已知的化学机械抛光衬垫来进行化学机械抛光时，与抛光传统已知的绝缘膜相比，容易产生更多的刮痕，而且在作为待抛光表面的低介电绝缘膜和底层之间的界面处发生剥离。
对通过在具有低介电绝缘膜的半导体基板整个表面上沉积作为布线材料的金属来涂覆的物体进行如上所述的化学机械抛光时，形成凹槽和阻挡金属膜，在低介电绝缘膜没有暴露到待抛光表面，也就是说，仅仅对作为布线材料的金属进行化学机械抛光的阶段，下面的低介电绝缘膜可能在和上层或下层的界面处发生剥离。
发明综述本发明的目的是提供一种化学机械抛光衬垫解决了上述问题，该化学机械抛光衬垫可以抑制在物体抛光面上产生刮痕，并且抑制低介电绝缘膜在化学机械抛光步骤中剥离，并且还可以提供高质量的抛光面和化学机械抛光方法，该化学机械抛光方法通过使用上述化学机械抛光衬垫提供高质量的抛光面。
首先，根据本发明，通过以下化学机械抛光衬垫实现本发明的上述目的，在以下条件下测量抛光基板在30℃和60℃下的储存弹性模量(storage elasticmoduli)时，该化学机械抛光衬垫在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)小于或等于120MPa，而且在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)与在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)的比(E′(30℃)/E′(60℃))大于或等于2.5，条件如下初始负荷100g最大偏移0.01％
频率0.2Hz。
第二，通过使用上述化学机械抛光衬垫来进行化学机械抛光的化学机械抛光方法来实现本发明的上述目的。
优选实施方案详述本发明的化学机械抛光衬垫至少包括抛光基板，并且当在以下条件下测量抛光基板在30℃和60℃下的储存弹性模量时，在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)小于或等于120MPa，并且在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)与在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)的比(E′(30℃)/E′(60℃))大于或等于2.5初始负荷100g最大偏移0.01％频率0.2Hz。
在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)优选30-120MPa，并且在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)与在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)的比(E′(30℃)/E′(60℃))优选2.5-10。在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)优选3-48MPa。
本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板优选具有大于或等于35的肖氏D硬度。该肖氏D硬度更优选35-100，最优选35-70。通过将肖氏D硬度设定在该范围内，可以使待抛光物体上的负荷压力变大，因此可以提高抛光速率。
本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板可以由任何材料制成，只要它满足上述要求并且可以用作化学机械抛光衬垫。除化学机械抛光衬垫的功能以外，具有在化学机械抛光期间保持用于化学机械抛光的水基分散体而且在抛光之后暂时保持碎屑的功能的气孔(小洞)优选在抛光的时候形成。因此，抛光基板优选含有(I)包括不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的水溶性颗粒的材料或者(II)包括不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的气孔的材料。
在上述材料中的上述材料(I)中，用于化学机械抛光的水基分散体可以保持在气孔中，这些气孔由水溶性颗粒在不溶于水的成分中形成，这些水溶性颗粒和用于化学机械抛光的水基分散体接触时溶解或者膨胀从而在化学机械抛光步骤中被除去。同时，在材料(II)中，形成为气孔的部分具有保持用于化学机械抛光的水基分散体的能力。
下面将详细描述这些材料。
(I)包括不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的水溶性颗粒的材料
(A)不溶于水的成分构成不溶于水的成分(A)的材料没有特别限制，但是优选使用有机材料，因为它容易模制成具有预定形状和预定性能，并且可以提供适当的硬度和适当的弹性。例如，该有机材料是热塑性树脂、高弹体或者天然橡胶或者可固化的树脂。
上述热塑性树脂的例子包括烯烃基树脂(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯基树脂(例如聚苯乙烯)、丙烯酸树脂(例如(甲基)丙烯酸酯基树脂)、乙烯基酯树脂(不包括(甲基)丙烯酸酯基树脂在内)、聚酯树脂(不包括乙烯基酯树脂在内)、聚酰胺树脂、氟树脂、聚碳酸树酯和聚缩醛树脂。
上述高弹体或者天然橡胶的例子包括二烯基高弹体(例如1，2-聚丁二烯)、烯烃基高弹体(例如乙丙橡胶和聚丙烯树脂的动态交联产物)、氨基甲酸乙酯基高弹体、氨基甲酸乙酯基橡胶(例如聚氨酯橡胶)、苯乙烯基高弹体(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(以下可以称为“SBS”)及其氢化产物(以下可以称为“SEBS”))、共轭二烯基橡胶(例如高顺(high-cis)丁二烯橡胶、低顺(low-cis)丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、丁苯橡胶、苯乙烯-异戊二烯橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶)、乙烯-α-烯烃橡胶(例如乙丙橡胶、乙烯-丙烯-非共轭二烯橡胶)、丁基橡胶及其它橡胶(例如硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯、丙烯酸橡胶、氯醇橡胶和聚硫橡胶)。上述可固化的树脂例子包括热固性树脂和可光致固化的树脂例如聚氨酯附脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯-脲树脂、尿素树脂、硅树酯和酚荃树脂。
这些有机材料可以单独使用或者两个或两个以上结合使用。
这些有机材料可以改性为具有合适的官能团。合适的官能团的例子包括具有酸酐结构、羧基、羟基、环氧基和氨基的基团。
优选地，该有材料部分地或者完全地交联。当该不溶于水的成分包含交联的有机材料时，会给不溶于水的成分提供适当的弹性回复力，并且可以抑制由于在化学机械抛光期间施加给化学机械抛光衬垫的剪应力引起的位移。此外，可以有效地防止气孔由于不溶于水的成分在化学机械抛光步骤中或者在整理(化学机械抛光衬垫的整理和化学机械抛光交替进行或同时进行)的时候过分地伸展时的塑性变形而被充满，并且防止化学机械抛光衬垫的表面过分地起毛。因此，可以获得这样的化学机械抛光衬垫，该化学机械抛光衬垫即使在整理的时候也可以有效地形成气孔、可以防止在抛光期间保持用于化学机械抛光的水基分散体的能力下降、很少起毛、并且可以长期保持抛光平坦。
上述交联的有机材料优选包含选自交联热塑性附脂和交联高弹体或者交联橡胶(在这里使用的″交联橡胶″是指上述″天然橡胶″的交联产物)的至少一种，更优选包含选自交联二烯基高弹体、交联苯乙烯基高弹体和交联共轭二烯基橡胶的至少一种，更加优选包含选自交联1，2-聚丁二烯、交联SBS、交联SEBS、交联丁苯橡胶、交联苯乙烯-异戊二烯橡胶和交联丁腈橡胶的至少一种，特别优选包含选自交联1，2-聚丁二烯、交联SBS和交联SEBS的至少一种。
当部分有机材料交联而其它部分不交联时，非交联的有机材料优选包含选自非交联热塑性树脂和非交联高弹体或者天然橡胶的至少一种，更优选包含选自非交联烯烃基树脂、非交联苯乙烯基树脂、非交联二烯基高弹体、非交联苯乙烯基高弹体、非交联共轭二烯基橡胶和非交联丁基橡胶的至少一种，更加优选包含选自非交联聚苯乙烯、非交联1，2-聚丁二烯、非交联SBS、非交联SEBS、非交联丁苯橡胶、非交联苯乙烯-异戊二烯橡胶和非交联丁腈橡胶的至少一种，特别优选包含选自非交联聚苯乙烯、非交联1，2-聚丁二烯、非交联SBS和非交联SEBS的至少一种。
当部分有机材料交联而其它部分不交联时，在不溶于水的成分中交联的有机材料的含量优选大于或等于30质量％，更优选大于或等于50质量％，特别优选大于或等于70质量％。
当有机材料部分地或者完全地交联时，交联没有特别限制，但是优选化学交联、辐射交联或者光学交联。上述化学交联可以通过使用有机过氧化物、硫或者硫化合物作为交联剂来进行。上述辐射交联可以通过使用电子束来进行。上述光学交联可以通过使用紫外线辐射来进行。
在这些当中，优选化学交联，并且优选使用有机过氧化物，因为它易于操纵并且在化学机械抛光步骤中不污染待抛光物体。该有机过氧化物的例子包括过氧化二枯基、过氧化二乙基、过氧化二叔丁基、过氧化二乙酰和过氧化二酰。
就化学交联而言，以100质量份不溶于水的成分进行交联反应为基础，交联剂的含量优选0.01到0.6质量份。当交联剂的含量属于上述范围时，可以获得在化学机械抛光步骤中抑制产生刮痕的化学机械抛光衬垫。
构成不溶于水的成分的材料可以完全交联，或者部分构成不溶于水的成分的材料可以交联，然后和其它的混合。通过各自不同的方法形成的几种交联产物可以混合在一起。
此外，通过在化学交联时调整交联剂数量和交联条件或者在辐射交联时控制辐射剂量，可以在一次交联操作时容易地获得具有交联部分和非交联部分的有机材料。
不溶于水的成分(A)可以包含适当的相容剂(compatibilizing agent)以控制它与后面将说明的水溶性颗粒(B)的相容性，以及水溶性颗粒(B)在不溶于水的成分中的分散能力。例如，该相容剂是非离子表面活性剂或者偶合剂。
(B)水溶性颗粒水溶性颗粒(B)具有当它们接触到用于化学机械抛光的水基分散体从而从在化学机械抛光衬垫中的水不溶性成分中除去时就在该不溶于水的成分中形成气孔的功能，而且还具有提高化学机械抛光衬垫的抛光基板的刻痕硬度和给抛光基板提供上述肖氏D硬度的功能。
上述除去是由于在和用于化学机械抛光的水基分散体中包含的水或者含水混合介质接触时发生溶解或者膨胀引起的。
水溶性颗粒(B)优选是固体，以确保上述化学机械抛光衬垫的抛光基板的刻痕硬度。因此，该水溶性颗粒特别优选是固体以确保化学机械抛光衬垫中有足够高的刻痕硬度。
构成水溶性颗粒(B)的材料没有特别限制，但是可以是有机水溶性颗粒或者无机水溶性颗粒。上述有机水溶性颗粒的例子包括糖类(多糖(例如淀粉、糊精和环糊精)、乳糖和甘露糖醇))、纤维素(例如羟丙基纤维素和甲基纤维素)、蛋白质、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚环氧乙烷、水溶性感光树脂、磺化聚异戊二烯和磺化聚异戊二烯共聚物。上述无机水溶性颗粒的例子包括乙酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钾、溴化钾、磷酸钾和硝酸镁。在这些当中，优选有机水溶性颗粒、更优选多糖、更加优选环糊精，并且特别优选β-环糊精。
上述材料可以单独使用，或者两种或两种以上结合使用，以形成水溶性颗粒。此外，它们可以由一种既定材料或者两种或两种以上不同材料组合形成。
水溶性颗粒(B)的平均粒径优选0.1-500μm，更优选0.5-100μm。当水溶性颗粒(B)具有上述粒径范围时，通过除去水溶性颗粒(B)形成的气孔的尺寸可以控制到适当的范围，因此可以获得具有保持用于化学机械抛光的水基分散体的性能和在化学机械抛光步骤中的抛光速率以及机械强度优良的化学机械抛光衬垫。
水溶性颗粒(B)的数量占不溶于水的成分(A)和水溶性颗粒(B)的总数的优选1-90体积％，更优选1-60体积％，特别优选3-40体积％。当水溶性颗粒(B)的数量属于上述范围时，可以获得在机械强度和抛光速率之间具有好的平衡的化学机械抛光衬垫。
优选地，上述水溶性颗粒(B)只有当它暴露于和化学机械抛光衬垫中用于化学机械抛光的水基分散体接触的表层时才溶于水或者遇水膨胀而被除去，并且它在抛光基板内部不吸收水分。因此，水溶性颗粒(B)可以具有外壳层，以用于抑制在它至少一部分的最外层部分上的水分吸收。该外壳层可以物理上吸附到该水溶性颗粒，化学上键合到该水溶性颗粒，或者物理上和化学上附着于该水溶性颗粒上。用于形成该外壳层的材料是环氧树脂、聚酰亚胺、聚酰胺或者多硅酸酯。
(II)由不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的气孔组成的材料当本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板由不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的气孔组成时，该抛光基板的材料是泡沫聚氨基甲酸二酯、三聚氰胺树脂、聚酯、聚砜或者聚醋酸乙烯酯。
分散在上述不溶于水的成分中的气孔的平均直径优选0.1-500μm，更优选0.5-100μm。
本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板的外形没有特别限制，但是可以是圆盘状或者多边形的杆状。可以根据和本发明化学机械抛光衬垫一起使用的抛光机适当地选择。
抛光基板的尺寸没有特别限制。在圆盘状化学机械抛光衬垫的情况下，抛光基板具有150-1200mm的直径，特别是500-800mm，具有1.0-5.0mm的厚度，特别是1.5-3.0mm。
本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板在抛光面上可以具有凹槽。该凹槽保持在化学机械抛光的时候提供的用于化学机械抛光的水基分散体，将其均匀地分布到抛光面，暂时保持废料例如抛光后的碎片和使用过的水基分散体，并用作将它们排泄到外面的通道。
上述凹槽的外形没有特别限制，但是可以是螺旋形的、同心的或者放射状的。
本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板在非抛光面(背面)上可以具有凹坑。该凹坑具有减轻可能在化学机械抛光期间发生的局部过高应力的功能，并具有有效地抑制在抛光面上产生表面缺陷例如刮痕的功能。
上述凹坑的外形没有特别限制，但是可以是圆形的、多边形的、螺旋形的、同心的或者放射状的。
本发明的化学机械抛光衬垫除了抛光部分之外还可以含具有另一种功能的部分。例如，具有另一种功能的部分是用于通过使用光学终点检测器检测终点的窗口部分。该窗口部分可以由在其厚度为2mm时100-300nm波长的透射率优选为大于或等于0.1％的材料制成，更优选为大于或等于2％，或者由在其100-300nm波长的积分透射率(integral transmittance)优选为大于或等于0.1％的材料制成，更优选为大于或等于2％。如果窗口部分的材料具有上述光学特性就没有特别限制，但是可以和上述抛光基板的材料相同。
构成本发明化学机械抛光衬垫的抛光基板的制造方法没有特别限制，并且抛光基板可能选择性地带有的凹槽和凹坑(以下两个都称为“凹槽等等”)的形成方法没有特别限制。例如，制备将成为化学机械抛光衬垫的抛光基板的用于化学机械抛光衬垫的组合物，并模制成所需形状，通过切害在模制产品中形成凹槽等等。作为选择，通过使用具有将成为凹槽等等的图案的金属模具模制用于化学机械抛光衬垫的组合物。因此可以在形成抛光基板的同时形成凹槽等等。
获得用于化学机械抛光衬垫的组合物的方法没有特别限制。例如，它可以通过捏合机一起捏合所需的包括预定有机材料的材料来获得。可以使用通常已知的捏合机例如辊、捏合机、班伯里密炼机和挤出机(单螺旋的或者双螺旋的)。
例如，通过一起捏合不溶于水的基料、水溶性颗粒及其它添加剂，可以获得用于获得包含水溶性颗粒的抛光衬垫的组合物，该组合物用于获得包含水溶性颗粒的抛光衬垫。通常，它们通过加热一起捏合，因此它们可以在捏合期间容易加工，并且优选水溶性颗粒在该加热温度下是固体。当水溶性颗粒是固体时，它们无论是否和不溶于水的基料相容都可以以上述优选的平均粒径分散。因此，该水溶性颗粒的种类优选根据使用的不溶于水的基料的加工温度来选择。
本发明的化学机械抛光衬垫可以单独由上述抛光基板构成或者可以是在上述抛光基板非抛光面上具有支撑层的多层衬垫。
上述支撑层是在与抛光面相对的背面上用于支撑抛光基板的层。该支撑层的特征性能没有特别限制但是优选比抛光基板更软。因为本发明的化学机械抛光衬垫具有软的支撑层，所以即使当抛光基板薄时，例如，小于或等于1.0mm，它也可以防止抛光基板在抛光期间上移或者抛光层的表面弯曲，因此可以稳定地进行抛光。该支撑层的硬度优选小于或等于抛光基板硬度的90％，更优选是抛光基板硬度的50-90％，最优选是抛光基板硬度的50-80％，特别优选是抛光基板硬度的50-70％。
该支撑层可以是多孔的(泡沫)或者无孔的。此外，支撑层的平面外形没有特别限制，并且可以和抛光层的平面外形相同或者不同。支撑层的平面外形可以是圆形的或者多边形的(正方形等等)。支撑层的厚度没有特别限制，但是优选0.1-5mm，更优选0.5-2mm。
构成支撑层的材料没有特别限制，但是优选有机材料，因为它可以容易地模制成具有预定形状和性能，并且提供适当弹性。
本发明的上述化学机械抛光衬垫可以抑制在抛光面上产生刮痕并提供高质量的抛光面。
本发明的化学机械抛光衬垫安装在市场上可买到的抛光机上，因此它可以通过已知的方法用于化学机械抛光步骤。
本发明的化学机械抛光衬垫可用于制造半导体器件的多种化学机械抛光步骤。
可以通过使用本发明化学机械抛光衬垫进行化学机械抛光的物体是如布线材料的金属、阻挡金属或者绝缘膜。上述金属的例子包括钨、铝、铜及其合金。上述阻挡金属的例子包括钽、氮化钽、钛、氮化钛和氮化钨。上述绝缘膜的例子包括氧化硅膜(例如通过真空法例如化学气相沉积形成的PETEOS膜(等离子体增强的TEOS膜)、HDP膜(高密度等离子体增强的TEOS膜)和通过热CVD获得的氧化硅膜)、通过向SiO2添加少量硼和磷形成的硼磷硅酸盐膜(BPSG膜)、通过用氟掺杂SiO2获得的所谓FSG的绝缘膜(氟掺杂硅酸盐玻璃)、所谓SiON的绝缘膜(氮氧化硅)、氮化硅膜和低介电绝缘膜。
上述低介电绝缘膜的例子包括由通过存在氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、氩、H2O、臭氧或者氨的情况下的等离子体聚合含硅化合物例如烷氧基硅烷、硅烷、烷基硅烷、芳基硅烷、硅氧烷或者烷基硅氧烷获得的聚合物制成的绝缘膜、由聚硅氧烷、聚硅氨烷、聚亚芳基醚、聚苯并噁唑、聚酰亚胺或者硅环三氧乙二烷制成的绝缘膜以及具有低介电常数的氧化硅基绝缘膜。
虽然本发明的化学机械抛光衬垫可用于如上所述的多种化学机械抛光步骤，但是它在用于形成由铜制成的金属镶嵌线路的步骤时尤其方便。形成由铜制成的金属镶嵌线路的步骤包括以下子步骤从在其上沉积了作为布线材料的铜的待抛光物体除去过多的铜(第一抛光步骤)，除去除凹槽之外的部分的阻挡金属(第二抛光步骤)，以及在阻挡金属层形成在其中凹槽形成在布线部分的绝缘膜的凹槽部分中和除凹槽以外的部分之后，稍微磨光绝缘膜部分(第三抛光步骤)，因此获得平坦的金属镶嵌线路。本发明的化学机械抛光衬垫可以用于上述第一到第三抛光子步骤的任何一个使用的化学机械抛光步骤。
上文的术语“铜”应该理解为包括红铜和铜与铝或者硅的合金，该合金中包含大于或等于95质量％的铜。
根据本发明，提供一种化学机械抛光衬垫和化学机械抛光方法，该化学机械抛光衬垫可以抑制在化学机械抛光步骤中在抛光面上产生刮痕，并且可以提供高质量的抛光面，该化学机械抛光方法通过使用该化学机械抛光衬垫提供高质量的抛光面。
实施例实施例1(1)化学机械抛光衬垫的制造(1-1)用于化学机械抛光衬垫组合物的制备72.2质量份1，2-聚丁二烯(JSR公司制造，商品名称JSR RB830)和27.2质量份β-环糊精(横滨Bio Research公司制造，商品名称Dexy Pearl β-100，平均粒径20μm)通过设置为160℃的挤出机捏合在一起2分钟。其后，添加0.45质量份(相应于以100质量份1，2-聚丁二烯为基础的0.25质量份过氧化二枯基)PercumylD40(商品名称，由NOF公司制造，包含40质量％过氧化二枯基)，并在120℃下以60转/分的速度和上述捏合产物一起捏合2分钟，以获得用于化学机械抛光衬垫的组合物的小球。
(1-2)测量抛光基板的储存弹性模量该小球在170℃的金属模具中加热18分钟以交联，从而获得直径600mm和厚2.5mm的圆盘状模制产物。其后，该模制产物用Dumbbell有限公司的平行移动切割机(SDL-200STT)切割成宽2.5mm、长30mm和厚1.0mm的条，作为样品，通过使用粘弹性测量仪器(Rheometric Scientific有限公司制造，RSAIII型)，测量其在30℃和60℃、100g初始负载、0.01％最大偏移和0.2Hz频率的拉伸模式下的储存弹性模量。它在30℃下的储存弹性模量是89MPa，在60℃下的储存弹性模量是23MPa，并且它们的比是3.9。
(1-3)用于窗口部分的成分的制备97质量份1，2-聚丁二烯(JSR公司制造，商品名称JSR RB830)和3质量份β-环糊精(横滨Bio Research公司制造，商品名称Dexy Pearl β-100，平均粒径20μm)通过设置在160℃的挤出机捏合2分钟。其后，添加1.19质量份(相应于以100质量份1，2-聚丁二烯为基础的0.5质量份过氧化二枯基)Percumyl D40(商品名称，由NOF公司制造，包含40质量％过氧化二枯基)，并在120℃下以60转/分的速度和上述捏合产物一起捏合2分钟，以获得用于化学机械抛光衬垫的组合物的小球。该小球在170℃的金属模具中加热18分钟以交联，从而获得直径600mm和厚2.4mm的圆盘状模制产物。此外，通过Dumbbell有限公司的哑铃冲压机(SDL-200型)从该模制产物获得宽20mm、长58mm和厚2.4mm的用于窗口部分的冲压部件。当用UV吸收计(Hitachi有限公司制造，U-2010型)测量该部件670nm波长的透射率时，它是40％。
(1-4)化学机械抛光衬垫的制造以和上述段落(1-2)同样的方法获得直径600mm、厚2.5mm的圆盘状模制产物。其后，通过使用市场上可买到的切割机在该模制产物的抛光面上形成宽0.5mm、间距2.0mm和深1.0mm的同心凹槽(具有矩形的截面形状)。此外，在离模制产物中心72mm的位置形成宽21mm、长59mm的通孔。在与凹槽形成表面相对的整个表面上粘附双层涂布带(Sekisui Chemical有限公司制造，商品名称Double Tack Tape#512)，并且在上述段落(1-3)中制备的用于窗口部分的部件插入上述通孔中。此外，沿着该同心凹槽将该模制产物切割成直径508mm以获得化学机械抛光衬垫。
(2)化学机械抛光性能的测定(2-1)其中具有由铜和低介电绝缘膜组成的图案的晶片被抛光的例子如上面的段落(1)所述生产的化学机械抛光衬垫放置在配备光学终点检测器(Applied Materials公司制造)的Mirra/Mesa化学机械抛光机器的台板上，从而在以下条件下分两个阶段进行Sematech800BDM001(商品名称，由InternationalSEMATECH公司制造，通过按所述顺序在硅基板上形成碳化硅层、在该层除了线路部分之外的部分上形成Black Diamond低介电绝缘膜(商品名称，由AppliedMaterials有限公司制造)和在该低介电绝缘膜上淀积钽作为阻挡金属和铜作为布线材料，从而获得的测试晶片)的化学机械抛光。
通过用该化学机械抛光机器的光学终点检测器监测激光束的反射率，将在第一阶段抛光中的抛光时间设定为是从开始抛光到反射率变化(也就是说，阻挡金属暴露)时的时间的1.2倍。在这个例子的第一阶段抛光中的抛光时间是150秒。
第一阶段抛光的条件用于化学机械抛光的水基分散体iCue5003(商品名称，由CabotMicroelectronics有限公司制造，包含作为磨料粒的二氧化硅)和30质量％的过氧化氢水以11∶1的体积比混合的混合物水基分散体的供应速率300ml/min台板的转速120转/分机头的转速108转/分机头压力挡圈(Retainer ring)压力5.5磅/英寸(psi)膜板(Membrane)压力4.0磅/英寸内管压力3.0磅/英寸第二阶段抛光的条件用于化学机械抛光的水基分散体通过向CMS-8301(商品名称，由JSR公司制造)添加1质量％的30质量％双氧水制备的分散体水基分散体的供应速率200ml/min台板的转速60转/分机头的转速54转/分机头压力挡圈(Retainer ring)压力5.5磅/英寸(psi)膜板压力3.0磅/英寸内管压力0.0磅/英寸抛光时间100秒当通过使用晶片缺陷检查装置(由KLA-Tencor有限公司制造，商品名称KLA2351)测量抛光后晶片的整个抛光面上的刮痕数目时，在铜线路上有3个刮痕，在低介电绝缘膜上有3个刮痕。
KLA2351测量条件光谱模式可见光象素尺寸(Pixel size)0.62μm阈(Threshold)50拼接(Merge)100过滤器(sieve)尺寸1μm2(3)测定低介电绝缘膜外围的剥离(当抛光该低介电绝缘膜的表面时)(3-1)低介电绝缘膜的制造(i)聚硅氧烷溶胶的制备在60℃下加热包括101.5g甲基三甲氧基硅烷、276.8g甲基甲氧基丙酸酯和9.7g四异丙氧基钛/乙烷基乙酰醋酸盐复合体的溶液。112.3g γ-丁内酯和水(重量比4.58∶1)的混合物在1小时内以滴状添加到该溶液。在添加该混合物后，该混合物在60℃下反应1小时，以获得包含15质量％聚硅氧烷的聚硅氢烷溶胶。
(ii)聚苯乙烯颗粒的生产100质量份苯乙烯、2质量份偶氮基聚合引发剂(由Wako Pure ChemicalIndustries有限公司制造，商品名称V60)、0.5质量份十二烷基苯磺酸钾和400质量份离子交换水注入到烧瓶中，再在搅动的情况下在70℃下的氮气氛中加热，并在该温度下保持搅拌6小时。过滤该反应混合物并干燥，以获得数均粒径为150nm的聚苯乙烯颗粒。
(iii)低介电绝缘膜的生产15g在(i)中获得的聚硅氧烷溶胶和1g在(ii)中获得的聚苯乙烯颗粒混合在一起，并且获得的混合物通过旋涂涂覆在具有热氧化膜(由Asahibi Sangyo有限公司制造)的8英寸直径硅基板上，并且在80℃下加热5分钟，以形成厚1.39μm的涂层。其后，该涂层膜在200℃下加热5分钟，然后在340℃、360℃和380℃下和5torr的压力下各加热30分钟，并且还在450℃下加热1小时，以形成无色的透明膜(厚2,000)。
在通过扫描电子显微镜观察该膜的截面时，证实形成了气孔。该膜的介电常数为1.98，弹性模量为3GPa，孔隙率为15体积％。
(3-2)低介电绝缘膜的抛光当待抛光表面在以下条件下时，在如上所述制造的低介电绝缘膜上进行化学机械抛光。以下抛光试验是在低介电绝缘膜容易发生剥离的条件下的加速试验。
化学机械抛光机器Mirra/Mesa(由Applied Materials公司制造)用于化学机械抛光的水基分散体的类型CMS-8301(商品名称，由JSR公司制造，包含作为磨料粒的胶态氧化硅)用于化学机械抛光的水基分散体的供应速率100ml/min台板的转速60转/分机头的转速54转/分机头压力挡圈压力6.5磅/英寸膜板压力；5.0磅/英寸内管压力0.0磅/英寸抛光时间15秒在通过光学显微镜观察抛光面时，在低介电绝缘膜的外围存在剥离。
当低介电绝缘膜发生剥离时，发生剥离处离绝缘膜外围的最大值示于表3。最大值“0”表示未发生剥离。
(4)测定低介电绝缘膜外围的剥离(当该金属膜是待抛光表面并且该低介电绝缘膜是底层时)(4-1)化学机械抛光性能的测定在以下条件下对ATDF800LKD003(商品名称，由Advanced TechnologyDevelopment Facility公司制造，通过按所述顺序在硅基板上形成碳化硅层、在该层除了布线部分之外的部分上形成LKD5109低介电绝缘膜(商品名称，由JSR公司制造)以及在该低介电绝缘膜上淀积作为阻挡金属的钽和作为布线材料的铜来制备测试晶片)进行化学机械抛光。以下抛光试验是在低介电绝缘膜容易发生剥离的条件下的加速试验。
化学机械抛光机器Mirra/Mesa(由Applied Materials公司制造)用于化学机械抛光的水基分散体iCue5003(商品名称，由CabotMicroelectronics有限公司制造，包含作为磨料粒的二氧化硅)和30质量％的过氧化氢水以11∶1的体积比混合的混合物水基分散体的供应速率100ml/min台板的转速120转/分机头的转速108转/分机头压力挡圈压力6.5磅/英寸膜板压力5.0磅/英寸内管压力4.0磅/英寸抛光时间15秒至于抛光后的抛光面，使用光学显微镜检查底部低介电绝缘膜外围处的剥离。
当低介电绝缘膜发生剥离时，发生剥离处离绝缘膜外围的最大值示于表3。
实施例2-10除了如表1所示改变在(1-1)用于化学机械抛光衬垫的组合物的制备中的原材料种类和数量之外，重复实施例1的方法。该测定结果示于表2和3。
表1中的缩写表示以下物质。表1中的数值是质量份。
RB8301，2-聚丁二烯(由JSR公司制造，商品名称JSR RB830)RB8101，2-聚丁二烯(由JSR公司制造，商品名称JSR RB810)TR2827苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(由Kraton JSR Elastomers KK股份有限公司制造，商品名称TR2827)HF55聚苯乙烯(由PS Japan有限公司制造，商品名称HF55)β-CDβ-环糊精(由横滨Bio Research公司制造，商品名称Dexy Pearl β-40，平均粒径20μm)D40由NOF公司制造，商品名称PercumylD40包含40质量％过氧化二枯基PHR以100质量份不溶于水的成分的原料为基础的有机过氧化物量(就纯的有机过氧化物产物而言的质量份)对比实施例1除了使用由Rodel&Nitta有限公司制造的IC1000作为化学机械抛光衬垫之外，以和实施例1同样的方法进行化学机械抛光和测定。该测定结果示于表2和3。因为IC1000没有用于透射光学终点检测器的检测光的窗口部分，并且不能使用光学终点检测器，所以根据实施例1将第一阶段抛光时间设定为150秒。
表1
表2
表权利要求
1.一种化学机械抛光衬垫，在以下条件下测量抛光基板在30℃和60℃下的储存弹性模量时，该化学机械抛光衬垫在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)小于或等于120MPa，而且在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)与在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)的比(E′(30℃)/E′(60℃)大于或等于2.5，条件如下初始负荷100g最大偏移0.01％频率0.2Hz。
2.根据权利要求1的化学机械抛光衬垫，其中该抛光基板由不溶于水的成分和分散在该不溶于水的成分中的水溶性颗粒组成，而且该不溶于水的成分包括通过以100重量份有机材料为基础用0.01-0.6质量份交联剂交联该有机材料获得的交联有机材料，或者包括这种交联有机材料和非交联有机材料。
3.一种化学机械抛光方法，包括通过使用权利要求1或2的化学机械抛光衬垫进行的化学机械抛光步骤。
4.根据权利要求3的化学机械抛光方法，其中该化学机械抛光步骤是形成由铜制成的金属镶嵌线路的步骤。
全文摘要
一种化学机械抛光衬垫，在以下条件下测量抛光基板在30℃和60℃下的储存弹性模量时，该化学机械抛光衬垫在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)小于或等于120MPa，而且在30℃下的储存弹性模量E′(30℃)与在60℃下的储存弹性模量E′(60℃)的比(E′(30℃)/E′(60℃))大于或等于2.5，条件如下初始负荷100g；最大偏移0.01％；频率0.2Hz。使用上述化学机械抛光衬垫的化学机械抛光方法。该化学机械抛光衬垫可以抑止在化学机械抛光步骤中在被抛光表面产生刮痕，并且可以提供高质量的抛光表面，而且该化学机械抛光方法通过使用该化学机械抛光衬垫而提供高质量的抛光表面。
文档编号B24B37/24GK1757483SQ20051011327
公开日2006年4月12日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月17日
发明者田野裕之, 西村秀树, 志保浩司 申请人:Jsr株式会社