[发明专利]高平坦化效率化学机械抛光垫和制备方法

说明书

提供一种用于抛光半导体衬底的含有抛光层的化学机械抛光垫，所述抛光层包含其包含固化剂和多异氰酸酯预聚物的反应混合物的聚氨酯反应产物，所述多异氰酸酯预聚物的未反应的异氰酸酯(NCO)浓度为8.3wt％到9.8wt％并且由聚丙二醇(PPG)和聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)以及含有聚乙二醇或氧化乙烯重复单元的亲水性部分的多元醇掺合物、甲苯二异氰酸酯以及一种或多种异氰酸酯增量剂形成，其中所述聚氨酯反应产物呈现出比干燥聚氨酯反应产物的肖氏D硬度小10％到20％的湿肖氏D硬度。

本发明涉及化学机械抛光垫以及制备和使用其的方法。更具体地说，本发明涉及包含反应混合物的聚氨酯反应产物的抛光层或顶部抛光表面的化学机械抛光垫，所述反应混合物包含固化剂，如一种或多种多元胺和多异氰酸酯预聚物，所述多异氰酸酯预聚物由聚丙二醇(PPG)、聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)、聚乙二醇的多元醇掺合物、甲苯二异氰酸酯以及一种或多种异氰酸酯增量剂如二乙二醇形成，并且其中抛光垫中聚氨酯反应产物根据ASTM D2240-15(2015)的肖氏D硬度为65到80并且呈现出比干燥时聚氨酯反应产物的肖氏D硬度小10％到20％或优选地至少小11％的湿肖氏D硬度。

在制造任何半导体中，可需要若干化学机械抛光(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)组合以使半导体衬底平坦化或维持半导体衬底的平度的方式去除过量材料。在半导体中多层的堆叠以形成集成电路的方式组合。这类半导体装置的制造由于对操作速度更高、泄漏电流更低以及功率消耗降低的装置的需求而不断变得更复杂。就装置结构而言，这转变成更精细的特征几何结构和增加的金属化层级或层数。这类日益严格的装置设计需求推动采用图案密度和装置复杂性相应增加的较小线条间距。这些趋势已经导致对CMP消耗品如抛光垫和抛光溶液的更大需求。此外，随着在半导体中特征尺寸降低并且变得更复杂，CMP引起的缺陷如刮擦成为更大的问题。

仍然不断需要具有增加去除速率以及可接受缺陷性能和层均匀性的抛光垫。具体来说，需要适合于层间电介质(ILD)抛光的具有加速的氧化物去除速率以及可接受的平坦化和缺陷抛光性能的抛光垫。然而，在工业中一直保持平坦化效率(PE)与更大PE导致更多缺陷的缺陷率之间的性能折衷。

Kulp等人的美国专利第8,697,239B2号公开聚氨酯抛光垫，所述聚氨酯抛光垫包含总计15wt％到77wt％的聚丙二醇和聚四亚甲基醚乙二醇的多元醇掺合物混合物、8wt％到50wt％的多元胺或多元胺混合物以及15wt％到35wt％的甲苯二异氰酸酯的聚氨酯反应产物，其中在多元醇掺合物中聚丙二醇与聚四亚甲基醚乙二醇的重量比在20:1到1:20范围内。甲苯二异氰酸酯可部分地与多元醇预反应以制备预聚物。在Kulp的抛光垫能够改善缺陷率的情况下，那些抛光垫的平坦化效率(PE)需要改善。

本发明人已经寻求解决提供有效的化学机械抛光垫的问题，所述化学机械抛光垫提供改善(降低)的缺陷率而平坦化效率(PE)不相应下降。

发明内容

1.根据本发明，用于抛光选自磁性衬底、光学衬底以及半导体衬底中的至少一种的衬底的化学机械(CMP)抛光垫包含适宜于抛光衬底的抛光层，所述抛光层为包含固化剂，如一种或多种多元胺和未反应的异氰酸酯(NCO)浓度为8.3wt％到9.8wt％的多异氰酸酯预聚物或优选地8.6wt％到9.3wt％的多异氰酸酯预聚物的反应混合物的聚氨酯反应产物，所述多异氰酸酯预聚物由聚丙二醇(PPG)与聚四亚甲基醚乙二醇(PTMEG)以及含有亲水性部分(其可为聚乙二醇或氧化乙烯重复单元)的多元醇掺合物、甲苯二异氰酸酯以及一种或多种异氰酸酯增量剂如二乙二醇的反应物形成，其中以用于制备多异氰酸酯预聚物的反应物的总wt％计，用于形成多异氰酸酯预聚物的甲苯二异氰酸酯(TDI)的量在33wt％到46wt％或优选地大于35wt％到45wt％的范围内，并且另外其中，抛光垫中聚氨酯反应产物根据ASTM D2240-15(2015)的肖氏D硬度为65到80并且呈现出比聚氨酯反应产物的(干燥)肖氏D硬度小10％到20％或优选地至少小11％的湿肖氏D硬度。