CN101573212A - 用于电化学机械抛光NiP基底的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于微电子应用的电化学机械抛光(ECMP)的设备和方法。所述电化学机械抛光的设备和方法可以用于使NiP基底平坦化,所述基底用于磁存储介质和用于使得以受控的表面修整和一套相应的抛光电解液和浆液进行抛光的工艺。
Description
作为参考引入
本申请主张2006年11月8日提交的美国临时申请60/846,812的优先权。任何先前的申请,以及其中或在审批它们期间引用的所有文献(″申请引用的文献″)和在申请引用的文献中引用或参考的所有文献,和文中引用或参考的所有文献(″文中引用的文献″),和文中引用的文献中引用或参考的所有文献,与任何生产商对文中或文中通过参考引入的任何文献中提到的任何产品的说明、描述、产品书说明和产品图片(sheets)一起并入本文,以作参考,并且可以用于本发明的实施中。
技术领域
本发明涉及用于微电子应用的电化学机械抛光(ECMP)的设备和方法。具体而言,可使用所述电化学机械抛光的设备和方法以使NiP基底平坦化,所述基底用于磁存储介质和用于允许以受控的表面修整(surface finish)和一套相应的抛光电解液和浆液进行抛光的工艺。
背景技术
化学机械抛光(CMP-也被称作化学机械平坦化或化学机械蚀刻)已成为用于制造半导体器件、磁介质基底和硬圆盘驱动的记录头的基本技术。例如参见Chemical-Mechanical Processing(Springer Series in Materials Science),Michael R.Oliver,Springer Publ.,(2006年3月24日);Microchip Fabrication,PeterVan Zant,McGraw-Hill(2004);Chemical Mechanical Polishingin Silicon Processing,Volume 63(Semiconductors andSemimetals),Eds.Shin Hwa Li和Robert O.Miller,AcademicPress (1999);Chemical Mechanical Planarization ofMicroelectronic Materials,Steigerwald等人,John Wiley & Sons(1997)。
在典型的化学机械抛光(CMP)工艺中,要抛光的基底通过旋转的支架或抛光头保持,将垫安装在旋转的台板或台上,并将浆液输送到晶片和垫之间的空间中。通常,空白(blanket)或者带有图案的基底,具有金属、氧化物、多晶硅或其它材料的薄膜。表面上带有凹槽和凹凸不平的垫使浆液与晶片接触,并将除去的残余物从抛光区带走。
用于CMP的浆液通常含有多种可选的化学添加剂,如研磨剂颗粒、氧化剂、配位剂、抑制剂、钝化剂、表面活性剂和pH调节剂。
氧化剂起到软化基底表面的作用。钝化剂起到保护基底膜免受会导致各向同性溶解的化学侵蚀(attrack)的作用。钝化剂的保护导致仅使在突出区域中的基底材料通过经由垫和垫所保持的研磨剂颗粒用机械力而选择性除去(因此产生台阶高度降低)。无研磨的浆液也是已知的(例如,美国专利号6,800,218和6,451,697),其中除去研磨剂颗粒。机械作用主要由抛光垫提供。
代替氧化剂,通过电化学手段来实现要抛光的表面的化学改性。在所谓的电化学抛光(ECP)中,要抛光的表面用用作电极的导电基底和垫之间的电势进行电化学腐蚀。从基底上除去材料主要通过化学溶解来实现。可以通过突出区域和凹进区域之间不同的溶解速率来实现平坦化。具体而言,突出区域常常具有略微高的溶解速率。除了基底表面的电化学改性外,基底和垫之间直接接触可以明显提高平坦化效率。
所述垫可以通过机械作用而有助于除去突出区域的材料。该方法被称为电化学机械抛光(ECMP)。已公开几件关于ECMP方法用于使硅晶片基底平坦化的专利和科学报导,例如参见美国专利6,977,036;6,858,531;6,811,680。
以上引用的这些工艺和设备涉及用于在硅晶片上在活性成分之间形成相互连接的铜CMP和ECMP。尽管常规的CMP已用于使NiP基底平坦化,但由于以下事实几乎不考虑使用ECMP:NiP基底必须在两侧同时被抛光,这不允许在基底上直接进行任何电接触。来自两个电极的电流必须与来自垫侧的NiP基底局部接触。
典型的CMP抛光机设备主要包括三个部件:支架、台板和浆液输送体系。除了保持住晶片外,支架还具有旋转晶片和调节向下力&后压力的功能。台板使垫旋转,从而抛光晶片,其通常位于要抛光的晶片下方。在轨道式CMP抛光机中,垫作轨道式运动,因此垫上的每个点都沿着轨道画个圆。晶片和垫之间的相对运动对于从晶片表面上的每个点均匀除去材料而言是重要的。理想地,期望晶片上的每个点相对于垫而言获得相同或类似的速度,这可以在旋转式抛光机中通过将支架和台板两者维持相同或类似的转速和相同的旋转方向而实现。
对于ECMP设备,必须将要抛光的金属膜电连接,并且必须将电势设置于要抛光的表面和(导电)垫之间。而常规的CMP浆液设计必须考虑氧化剂、配位剂、钝化剂和研磨剂颗粒之间的相互作用,用于ECMP工艺的电解液的焦点在于在基底上形成有效膜,其能够使得突出区域中材料有效除去并且凹进区域中得到保护。
在用于NiP基底的常规CMP中,为了缩短处理时间,在第一步骤中使用更有机械侵蚀性(aggresive)的浆液。该步骤通常留下包埋的颗粒和有关的缺陷,如划痕。为了获得期望的最终的表面修整,在第二步骤中使用机械性柔软的浆液。尽管该第二步骤通常可以实现整体平坦化的需要,但仍会存在很多缺陷,如由于存在剩余的胶质研磨剂和抛光碎屑而导致的纳米级凸凹不平。这种纳米级凸凹不平对于经线磁记录器件(longitudemagnetic recording device)(LMR)有时可以在沉积磁材料之前的织造步骤期间除去。
然而,随着垂直磁记录(PMR)的引入,消除了织造步骤,这对用来将纳米级凸凹不平最小化的传统第二步骤NiP抛光提出了更大的挑战。ECMP通过电化学手段调节抛光速率和平坦化效率,并将两个抛光步骤合并成一个。由于抛光碎屑和纳米级凸凹不平通过静电荷被吸向NiP,因此可通过以振荡方式调制基底的电荷来达到消除所述缺陷。这将消除很多与颗粒有关的缺陷。此外,在本发明中,将公开一组相应的电解液,这将进一步减少在用于NiP基底的常规CMP工艺中通常看到的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供用于NiP基底的电化学机械抛光(ECMP)的设备和方法。
本发明的该目的和其它目的通过一种用于ECMP的设备实现,所述用于ECMP的设备包括抛光机、NiP基底的支架和与电源电连接的独特设计的垫。
本发明又一目的是提供一种NiP基底的EMCP的方法,该方法包括一套独特设计的电解液,其提高电流在台阶高度(stepheight)降低效率和降低最终(at end)纳米级凸凹不平方面的作用。
本发明又一目的是提供一种用于在NiP基底的EMCP中输送电解液的剪切敏感的超分子结构。
注意,在该公开内容和尤其是在权利要求和/或段落中,术语如″含有″等可以具有美国专利法中所指的含义;例如,它们可以意指″包括″;术语如“基本上由...组成”和“基本上由...构成”具有美国专利法所指的含义,例如,它们允许有未明确述及的要素,但排除在现有技术中发现的要素或者影响本发明基本特征或新颖特征的要素。
注意,如在本说明书和所附的权利要求中使用的,单数形式包括复数对象,除非清楚和明确地限定为一个对象。
对本说明书的目的而言,除非另有说明,在本说明书和权利要求书中使用的表达成分数量、反应条件和其它参数的所有数值在所有情况下都应理解为用术语″约″来修饰。因此,除非有相反说明,在以下说明书和所附的权利要求书中提出的数值参数是近似的,其可以根据由本发明要求获得的期望性质而改变。最低限度,并且不试图限制将等同原则应用到权利要求书的范围,每个数值参数至少应根据所报导的有效数字的数值并通过采用普通的四舍五入法加以解释。
文中所有数值范围包括在所引用的数值范围内的所有数值和所有数值范围。尽管提出本发明宽范围的数值范围和参数是近似的,但具体实施例中提出的数值尽可能准确报导。不过,任何数值都固有地包含在它们各自实验测量中发现的由标准偏差必然导致的某些误差。
所有″重量%″都是基于组合物、溶液或浆液的总重量,除非有其它说明。
还要注意,本发明并不意图在本发明范围内包括任何先前公开的产品、制备该产品的工艺或使用该产品的方法,这满足USPTO(35 U.S.C.112,第一段)或EPO(EPC法第83条)的书写说明书和授予权利的要求,因此申请人保留该权利,因而公开了放弃任何先前描述的产品、制备该产品的方法或使用该产品的方法。
本文提出的本发明多种实施方案和实施例应理解为是为了说明本发明,而不是限定本发明,并且对本发明的范围也是非限定性的。
公开这些和其它实施方案,其从以下详细描述是显而易见的并由以下详细描述所包含。
附图说明
图1表示带有旋转垫和基底支架的常规CMP抛光机的示意图。将浆液供给到垫。
图2表示用于NiP圆盘的ECMP抛光机,其中,要抛光的基底和垫朝相同方向旋转。
图3表示在塑料电路板(PCB)上电网络化的辅助垫(sub-pad)的设计。
图4表示在具有连接到交流电线(alternating line)的背电极的塑料电路板(PCB)上电网络化的辅助垫的设计案。
图5表示局部通过电解液的典型的电流。
图6表示通过电解液和小部分NiP基底的局部电流。
图7表示离子载体如脂质体的破坏,这使得突出区域的连通性更大,其导致台阶高度降低效率更大。
图8表示在ECMP抛光机上用本发明第一步浆液抛光,然后用本发明第二步浆液抛光的NiP基底的表面粗糙度的AFM图片。
图9表示剪切或压力敏感的超分子体系的工作原理。
图10表示双侧抛光机的代表性设计,其中,要抛光的圆盘通过夹持件并经由通过垫上的孔的电解液电连接于侧面上。
具体实施方式
本发明教导了使用一套匹配的设备和电解液而使NiP基底平坦化的ECMP方法的用途,所述NiP基底应用于计算机硬驱动磁存储介质上。除了基本性能要求如材料除去率、晶片内不均匀性、表面品质(平滑性,没有划痕、腐蚀和斑点),IC(集成电路)工业中的金属CMP工艺的关键性能标准涉及到在特征水平如碟形化、侵蚀、边缘上侵蚀等方面对整体和局部形貌的控制。而材料除去率对NiP CMP工艺而言也是重要的属性,关键的性能如微观波度和塌边(edge roll-off)的要求涉及到表面修整的平滑性和全部形貌控制。
与常规抛光机和抛光工艺的设计不同,在本发明中所描述的新设计聚焦于要抛光的基底和机械作用源之间的电化学相互作用。
本发明描述了通过电化学机械抛光(ECMP)有效地使基底平坦化及其相应的设备。
在本发明一个实施方案中,用于EMCP的设备和EMCP的方法用于NiP基底。
在本发明一个实施方案中,图1中示出用于EMCP的设备,将基底固定在位于抛光垫上方的支架上,其中所述垫有两层。顶层是具有很多孔的穿孔垫,使得抛光浆液或电解液与底层直接接触。底层是导电的并用作阴极。另一电极连接至NiP圆盘的背面。
图1所示的EMCP设备是台面式抛光机的实例。通过在下部使用大得多的台板和垫,并放置可以与保持多个圆盘的更大支架,该设计可以被放大成车间模型(floor model)(工业规模)。此外,圆盘支架可以放置在与阴极电连接的两个台板之间。这样一来,NiP圆盘的两个侧面同时得以抛光。对于该生产级别的抛光机而言,阳极和圆盘之间的电连接必须在圆盘的外边缘和/或内边缘上。所有情况下,必须将垫适当开槽,从而使得抛光流体充分地传送,使其流到垫和圆盘之间。更重要的是,抛光碎屑不会堆积在导电垫和NiP基底之间的孔中。为了检验本发明描述的观念,构造了包括可变速度12″研磨机-抛光机和电源头的ECMP设备。研磨机-抛光机包括在所有负荷条件下都维持恒定速度的重型1Hp DC电动机,其提供10rpm增量的50到500rpm的可变速度,以及显示轮速的数字LED读数和用于监控电动机负荷的数字LED柱状图。时间、力、支架方向、台板速度和流体分配通过微处理器控制,并由位于电力头的前仪表板上的LED显示。时间可以以1秒的增量从0变化到99分钟59秒。样品力可以用1/20Hp DC电动机以1lb的增量从1变化到60lb。支架方向可以为以60rpm的恒定速度在顺时针或逆时针方向。用电接触改进标准晶片支架,从而维持与NiP表面电连接。此外,石墨圆片堆积有多孔垫,从而作为阴极提供电接触。
本发明设备一种可选的设计示于图2。在该特别的设计中,在旋转的支架上处理该圆盘,所述支架行进通过两个抛光带(前面和后面)。所述带由具有薄聚合物涂层的导电材料制成。所述涂层应该是多孔的,并且其本身性质不导电。导电部分必须耐腐蚀并且是柔性的。多孔性使得所述带能将足够的抛光电解液或浆液载带到NiP圆盘上。该设计的显著优点在于与图1所示的大的多孔双层垫相关的这种抛光带的低成本。此外,该设计将NiP基底制备步骤(搭接、抛光和织造)一体化,表明了抛光工艺的简化。
在常规CMP中,要抛光的膜的表面电荷主要由浆液中存在的氧化剂的性质和操作pH来控制。然而在ECMP工艺中,相应的表面电荷主要受施加到表面上的电势控制。这种差别的实际后果是这样的浆液/电解液设计其中不存在氧化剂,要抛光的表面膜上钝化层的特性必须足够强足以保护凹进的区域不流入浆液或电解液,但又足够软足以允许在突出区域处有效除去。
电解液设计的指导原则是使用溶解/抑制双重方法。具体而言,加入配位剂,以有助于氧化的金属离子溶解,并将这些离子输送到抛光下游液流。为了相反的效果,加入钝化剂以形成保护层,该保护层使得能够根据表面材料形貌位置而将它们有差别地除去。结果获得更好的台阶高度降低效率。在纳米级别上,台阶高度降低效率可以部分解释为精加工表面的平滑性。在微米级别上,这种台阶高度降低产生较低的微观波度。
对于有效配位剂的两个最重要的属性是与要除去的金属离子的生成常数大并且这种配合物的水溶解性高。
对于有效的钝化剂而言,对生成常数的要求是相同的。配合物的水溶解性或试剂本身在水中的溶解性必须低。由于很多包括它们的金属配合物的有机物质的水溶解性受到pH的严重影响,所以对于特定的配位剂和钝化剂对,经常存在最佳的pH。另一方面,对于给定的pH,需要选择特定的配位剂和钝化剂对。金属膜的氧化通过EMCP中的电化学反应进行,不象常规的CMP浆液那样,因此,氧化工艺通常不干扰配位层和钝化层的生成。此外,ECMP工艺相对于常规CMP浆液工艺具有以下优点的至少一个或多个:
1.电解液可以在不腐蚀工具和处理设备的更温和pH范围内配制。
2.ECMP工艺可以在导致后CMP清洗更容易和更有效的pH下进行。
3.ECMP工艺可以抛光基底如NiP而不改变浆液。例如,对于CMP工艺,当NiP是基底时,用更粗糙(coarser)的(第一)浆液进行第一抛光步骤,以除去通过电化学沉积工艺留下的大量表面形貌,然后用精细的(第二)浆液进行第二抛光步骤,以获得所希望的表面平滑性和微观波度。然而,对于ECMP工艺而言,两种工艺都可以使用相同的浆液连续进行。在抛光工艺的第一部分中,可以调节施加的电流,以获得高的除去率和更大的台阶高度降低效率。在抛光工艺的第二部分中,可以调节电压,使抛光慢下来,以获得所希望的表面修整状态。在EMCP工艺中,抛光工艺的第一部分和第二部分是连续的,不需要改变浆液。
在本发明一种实施方案中,抛光工艺导致约1.0-2.5(/最大振幅)的微观波度和1.0-2.5的表面粗糙度。在本发明另一实施方案中,抛光工艺导致约1.0-1.5(/最大振幅)的微观波度和1.0-1.5的表面粗糙度。
在本发明另一实施方案中,用于输送电解液的剪切敏感的超分子结构,其包括但不限于脂质体和环糊精,且用于对于NiP基底的ECMP工艺中。该超分子的基本工作原理在图9中说明,该图说明剪切或压力敏感的超分子体系的工作原理。在剪切或强的向下力下,超分子结构破坏,并将活性成分释放到局部抛光区域,这加速了突出区域的材料除去。
将超分子结构负载有电解液或离子。超分子结构可以被破坏并释放囊封的离子。由于这种破坏主要受剪切力调节,因此可以预期,在凸凹不平与垫接触更多的基底表面上突出区域中离子泄漏更多。离子的释放增加了局部的导电性。导电性的突然增加导致突出区域的除去增加。该体系的优点之一在于,由于导电性和电流在NiP基底的局部区域中是自调节的,因此ECMP操作可以简化成一步。
由于必须对基底的两侧进行平坦化,因此必须设计抛光流程以使得电化学反应在NiP圆盘的两侧发生。图10说明双侧抛光机的代表性设计,其中,要抛光的圆盘在该侧上通过夹持件并经由通过在垫上的孔的电解液来电连接。
以上实施方案的不同组合也在本发明的范围内。现在通过以下非限定性实施例进一步描述本发明。
实施例1(CMP第1步,对比)
通过将2%过氧化氢、1%乳酸和3%氧化铝颗粒(100nm平均直径)水中混合来制得浆液。然后使用硝酸或氢氧化钾调节浆液至pH=4。然后以流速100mL/min将浆液供给到抛光机(Speedfam/IPEC 372抛光机,配备有改进的支架以支持95mmNiP圆盘)的垫上。垫的转速为75rpm,支架/圆盘的转速为65rpm。抛光3分钟后,从支架上除去NiP圆盘,用DI水清洗并空气干燥。使用分析天平将材料除去率(MRR)作为抛光后的重量损失来计算出。表面粗糙度(Ra)是使用AFM(原子力显微镜)测得的。在Zygo 5000 3D光学表面光度计上测定微观波度。结果在表1中记为″第1步CMP之后″。
实施例2(CMP第2步,对比)
用通过将2%过氧化氢、1%乳酸和12%胶质颗粒(20nnm平均直径)在水中混合而制得的浆液重复实施例1中描述的工艺。结果在表1中被记为″第2步CMP之后″。
实施例3
用通过混合1%乳酸、2%磷酸钠和0.1%硝酸铵而制得的电解液重复实施例1中描述的工艺。表1中所列的结果被记为″使用第1步ECMP电解液而没有通电″。实际上没有除去基底材料。
实施例4
用通过使用与实施例3中所述相同的电解液制得的电解液来重复实施例1中描述的工艺。抛光向下的力从3psi降低到1psi。用ECMP垫代替抛光垫。垫的构造示于图1中。从图1看到,电接触的阴极和阳极两者都放在多孔垫的后面。电路使用电解液和NiP基底来完成。表1中所列的抛光结果被记为″第1步ECMP之后″。对该步骤而言,电流较高。典型的电流在8伏特下为24mA。
实施例5
类似于实施例3和4,使用相同的电解液进行一组实验。在该组实验中,类似于实施例3,首先使用ECMP电解液在没有通电的情况下以较低的向下力进行抛光。在实施例4中抛光的圆盘用作最初的起始基底。结果被记为″使用第2步ECMP电解液而没有通电″。除去率非常低,表面微观波度和粗糙度实际上没有改变。
在第二个实验中,抛光也在预先使用实施例4中描述的步骤来抛光的圆盘上进行。抛光在1psi和低电流(在4伏特下12mA)下进行。将结果记为″第2步ECMP之后″。从表1可见,除去率低于实施例4中所述的除去率。整个表面修整是所有圆盘中最好的。
实施例6
摇振超分子电解液直到获得澄清的胶束相(L1),所述超分子电解液为10重量%卵磷酯、30重量%二甲苯磺酸钠和60重量%DI水的混合物。用含有0.4%CuSO4的溶液稀释该胶束相。然后剧烈搅拌该混合物达3小时。为了除去位于脂质体结构外面的Cu++离子,使用由VWR International获得的分子/多孔膜管对样品进行透析。首先用DI水将该囊泡(vesicles)溶液稀释5倍,并放入透析管中。然后将该透析管浸入4000ml DI水中。在此过程中,每5分钟就搅动管,从而提高样品在透析管内的均匀性,同时持续搅动水。以1小时的间隔换水5次。然后该溶液准备使用。
抛光结果在表1中列在″单一步骤ECMP后″下。在该实验中使用未抛光的圆盘。从表1可见,最后的表面修整可与经历两步抛光的那些表面修整相比。该方法的一个优点在于高生产量。
表1.NiP圆盘的CMP和ECMP抛光
从这些数据可以看到,采用电学的EMCP在每个处理步骤之后在NiP基底的微观波度和表面粗糙度方面都胜过CMP。此外,与CMP工艺相比,单一步骤EMCP工艺能够消除一个处理步骤,同时仍然实现NiP基底优良的微观波度和表面粗糙度。
尽管为了说明的目的,以上已经描述了本发明特别的实施方案,但本领域技术人员显然可以对本发明的细节做出许多改变,而不偏离如所附权利要求定义的本发明。意欲通过所附权利要求和等同方案来定义本发明的范围。
Claims (14)
1.用于抛光NiP基底的电化学机械抛光设备,其包括:
(a)固定的支架,其中固定所述NiP基底;
(b)在支架下方并与NiP基底接触的抛光垫,其中所述垫具有两层:
(i)顶层,其是穿孔垫,所述穿孔垫使得抛光浆液或电解液与抛光垫的底层直接接触;和
(ii)底层,其是导电的并用作阴极;
(c)NiP基底,其用作阳极;和
(d)电源。
2.用于抛光NiP基底的电化学机械抛光设备,其包括:
(a)支架,其中固定NiP基底;
(b)第一抛光带,其抛光所述NiP基底的前面;
(c)第二抛光带,其抛光所述NiP基底的背面;
其中:
(i)使固定有NiP基底的支架在第一和第二抛光带之间旋转;
(ii)第一和第二抛光带包含具有薄多孔不导电聚合物涂层的导电材料,从而使得第一和第二带载带浆液或电解液;
(d)NiP基底,其用作阳极;
(e)阴极,其连接至支架上;和
(f)电源。
3.根据权利要求2所述的设备,其中,旋转的支架/NiP基底沿基本上垂直于所述第一和第二抛光带运动的方向运动。
4.剪切敏感的电解液输送体系,其为由5-15%卵磷酯、25-35%二甲苯磺酸钠和50-70%去离子水形成的脂质体,其囊封已加入至该脂质体中的源自0.2-0.5%CuSO4溶液的电解液。
5.一种抛光NiP基底的工艺,该工艺包括:使NiP基底固定于根据权利要求1所述的设备上,在加入浆液或电解液的情况下用抛光垫来抛光该基底,其中,所述基底的表面电荷通过施加于该NiP基底表面上的电势来控制。
6.一种抛光NiP基底的工艺,该工艺包括:使NiP基底固定于根据权利要求2所述的设备上,在加入浆液或电解液的情况下用第一带和第二带来抛光该基底,其中,所述表面电荷通过施加于NiP基底表面上的电势来控制。
9.根据权利要求8所述的工艺,其中,所述抛光工艺是连续工艺。
10.根据权利要求9所述的工艺,其中,所述电解液通过剪切敏感的电解液输送体系进行输送,所述电解液输送体系是由5-15%卵磷酯、25-35%二甲苯磺酸钠和50-70%去离子水形成的脂质体,其囊封已加入至该脂质体中的源自0.2-0.5%CuSO4溶液的电解液。
12.根据权利要求11所述的工艺,其中,所述抛光工艺导致约1.0-1.5(/最大振幅)的微观波度和1.0-1.5的表面粗糙度。
13.根据权利要求12所述的工艺,其中,所述抛光工艺是连续工艺。
14.根据权利要求13所述的工艺,其中,所述电解液通过剪切敏感的电解液输送体系进行输送,所述电解液输送体系是由5-15%卵磷酯、25-35%二甲苯磺酸钠和50-70%去离子水形成的脂质体,其囊封已加入该脂质体中的源自0.2-0.5%CuSO4溶液的电解液。
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