CN1484567A - 使用表面面积减少的抛光片使半导体晶片抛光和平坦化的***和方法 - Google Patents

使用表面面积减少的抛光片使半导体晶片抛光和平坦化的***和方法 Download PDF

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约翰M·博伊德
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Abstract

一种用于使半导体晶片抛光的***和方法包括：可变部分片－晶片重叠抛光机，其具有减少的表面面积；固定研磨抛光片；以及抛光机，其具有非研磨抛光片，用于与研磨浆料一起使用。该方法包括：首先使用可变部分片－晶片重叠抛光机和固定研磨抛光片来使晶片抛光，然后在分散研磨处理中使晶片抛光，直到达到期望的晶片厚度。

Description

使用表面面积减少的抛光片使半导体晶片抛光 和平坦化的***和方法
相关申请的交叉参考
本申请是2000年1月28日提交的申请号为09/493,978美国专利申请的后续申请。前述美国申请的所有公开内容结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及使用化学机械平坦化技术进行半导体晶片的平坦化。更具体地说，本发明涉及一种用于使用可变部分片-晶片重叠技术并采用固定研磨和分散研磨抛光介质使半导体晶片平坦化的改进***和方法。
背景技术
半导体晶片通常采用多种复制的期望集成电路设计来制造，然后将进行分离并制成单个芯片。一种用于在半导体晶片上形成电路的常用技术是光刻法(photolithography)。光刻法处理的一部分需要专用照相机在晶片上聚焦，以便把电路的图像投影到晶片上。照相机在晶片表面聚焦的能力经常由于晶片表面的不一致性或不均匀性而受到不利影响。该敏感性由更小、更高度集成的电路设计的电流驱动器来增强，这些设计不会容许晶片上的具体模(die)内或多个模间的某些不均匀情况。由于晶片上的半导体电路通常采用分层结构，其中，在第一层生成电路的一部分，并且导电通路使该部分与下一层的电路的一部分连接，因而各层均可在晶片上附加或生成构形(topography)，该构形必须在生成下一层之前消除。化学机械平坦化(氧化物-CMP)技术用于使晶片各层平坦化和抛光。该CMP(金属-CMP)也广泛用于使模内金属插头和导线成形，同时从晶片表面消除多余金属，并使金属仅留在晶片上的要求的插头和沟道内。通常被称为晶片抛光机的可用CMP***经常使用旋转晶片保持器，其对于最常规的旋转CMP机来说，该晶片保持器使晶片与在要进行平坦化的晶片表面的平面内旋转的抛光片接触。把包含微研磨剂和表面改良的化学物质的化学抛光剂或浆料施加给抛光片以使晶片抛光。然后，晶片保持器使晶片紧贴旋转抛光片并进行旋转，以使晶片抛光和平坦化。某些可用晶片抛光机使用轨道运动或线性皮带而不是旋转表面来载运抛光片。在所有情况下，经常使晶片表面完全由抛光片覆盖并与抛光片接触，以便同时使整个表面抛光。
使整个表面同时抛光的一个缺点在于，即使晶片极平坦的开始CMP处理，晶片上的各种电路也可以具有对CMP处理的不同响应。这可能是由于沉积在晶片各部分上的材料的不同类型或者晶片的某一部位上的材料密度所致。由于不同的材料特性，整个表面的同时抛光使清除晶片的某些斑点的速度也经常比其他方式快。不均匀的清除会导致晶片某些区域的过度抛光。此外，在晶片形成中使用的各种材料处理对使晶片进行均匀CMP抛光提出了明确挑战。诸如铜双波纹处理那样的某些处理对在用于使晶片的整个表面同时抛光的抛光机中可能发生的过度抛光特别敏感。
对直径较大的晶片进行处理的趋势由于需要较大表面面积的均匀性而给CMP处理增加了难度。采用使晶片整个表面由抛光片覆盖的传统CMP技术，较大直径的晶片显著增加对抛光片或晶片的装载分布要求，以避免晶片表面上的压力变化，这与采用较小直径的晶片实现的一样。有时，需要固定的研磨抛光片来执行抛光处理的某些具体阶段，然而，固定的研磨抛光片可需要比常规非研磨抛光片更大的压力，以便充分利用固定研磨材料的平坦化能力。
因此，需要一种能解决这些问题的用于进行化学机械平坦化和抛光的方法和***。
附图说明
图1是根据一优选实施例的半导体晶片抛光***的侧剖视图；
图2是适合于在图1的***中使用的晶片载体组件的上平面图；
图3是沿图2的线3-3所取的断面图；
图4是适合于在图1的***中使用的抛光片载体组件和工具变换器的分解断面图；
图5A～5D示出了适合于在图1的***中使用的片修整组件表面的不同实施例的上平面图；
图6是示出在微处理器和图1的抛光机的各部件之间的通信线路的方框图；
图7是示出图1的***各部件的移动的上平面图；
图8是示出设有图1的晶片抛光机的晶片处理***的图；
图9是根据一优选实施例在图1的抛光机中使用的固定研磨可旋转抛光片；
图10是根据第二优选实施例在图1的抛光机中使用的固定研磨可旋转抛光片；
图11是根据第三优选实施例在图1的抛光机中使用的固定研磨可旋转抛光片；
图12是根据第四优选实施例在图1的抛光机中使用的固定研磨可旋转抛光片；
图13是根据一优选实施例在图1的抛光机中与分散研磨剂一起使用的非研磨可旋转抛光片；
图14是适合于在半导体晶片抛光中使用的线性皮带抛光机的透视图；以及
图15示出了一种使用图1和图8的抛光机和抛光***来处理半导体晶片的方法。
具体实施方式
为了解决上述现有技术的缺陷，以下揭示了一种晶片抛光***，该***不仅可使抛光性能和灵活性得到提高，而且可避免过度抛光，并可协助改善诸如使用铜处理制造的晶片那样的在难以使分层平坦化的情况下制造的晶片的抛光均匀性。晶片抛光***实施可变部分片-晶片重叠(VaPO)技术，也称为子孔径(sub-aperture)抛光技术，该技术保持晶片和抛光片之间的部分重叠轮廓，从而与完全重叠轮廓相比，可以在晶片和抛光片之间增加压力，并可使施加给片或晶片的力增加很小或不增加。并且，揭示了一种表面面积减少的抛光片，用于进一步增加施加给晶片的压力，并提高现有晶片抛光机***在消除速率方面的灵活性。
图1示出了晶片抛光机10的一优选实施例。该抛光机10包括：晶片载体组件12，片载体组件14以及片修整组件16。优选的是，晶片载体组件12和片修整组件16安装在框架18内。晶片载体组件包括晶片头20，该晶片头20安装在以可旋转方式与电动机24连接的轴22上。在一优选实施例中，晶片头20被设计成保持刚性平面表面，当从片载体组件14接收抛光压力时，该刚性平面表面将不会挠曲或弯曲。优选的是，圆形支承物26，或者其他类型的支撑物沿着晶片头20的圆周设置在晶片头20和框架18的上表面28之间，以便为晶片头20提供附加支撑。或者，晶片载体组件20可以由具有充分强度的轴22构成，以避免任何偏转。
以下将参照图2和图3，对晶片载体组件12的晶片头20作进一步说明。晶片头20优选地具有晶片接收区域30，用于在抛光过程中在固定位置接收和保持半导体晶片。晶片接收区域30可以是图3所示的凹陷的(recessed)区域，也可以是以晶片头20的旋转中心为中心的区域。用于在CMP处理过程中保持晶片和晶片头20之间接触的许多公知方法中的任何一种都可以实施。在优选实施例中，晶片头20的晶片接收区域30包括多个空气道(air passage)32，用于提供空气流，或者接收真空，这在保持晶片或使晶片与晶片头20松脱方面是有用的。多孔陶瓷或金属材料也可以用于允许把真空应用于晶片。可以采用用于使晶片保持成紧贴晶片载体，例如粘着剂、圆周定向的夹具、或者保持来自液体的表面张力的其他方法。一个或多个晶片提升轴34以可移动方式设置在晶片头内的凹陷位置和远离晶片头20的晶片接收区域30延伸的位置之间，以协助从诸如机器人那样的晶片输送机构装载或卸载晶片。各晶片提升轴均可以气动、液动、电动、磁动操作或者通过任何其他装置操作。在另一优选实施例中，晶片头20可以制造成不带任何晶片提升轴34，并且可以使用真空协助方法从晶片头装载或卸载晶片。
再参照图1，片载体组件14包括抛光片36，其装设到片载体头38的片支撑表面40上。抛光片36可以是适合于使半导体晶片平坦化和抛光的许多公知抛光材料中的任何一种。抛光片可以是与研磨浆料一起使用的类型的片，例如，可从Rodel Corporation of Delaware获得的IC 1000片。或者，片可以采用不需要包含研磨剂的浆料的固定研磨材料构成。尽管抛光片36的直径优选地等于或大体等于晶片W的直径，然而可考虑抛光片和晶片的其他直径比率。在一个实施例中，抛光片尺寸可以是晶片上的单个模(die)尺寸到两倍于晶片面积的面积范围内的任何尺寸。面积大于晶片面积的片修整表面可以有利于形成抛光片的较大范围的运动，例如在抛光片采用以下方式移动的场合，该方式将使抛光片的中心离开在晶片中心和片修整表面中心之间形成的虚线。在考虑单个以上的片修整头的实施例中，片修整头的面积优选地足以调整和支撑所用的抛光片。
片载体头38优选地通过工具变换器48的阳和阴44、46部分装设到心轴42上。工具变换器优选地允许片载体头38之间的可互换性，从而可以通过变换晶片头和任何相关类型的研磨抛光化学物质，把不同的CMP处理应用于相同晶片。
如图4所示，片36可以通过通道50从片载体头38和工具变换器44、46接收研磨浆料，该研磨浆料是由可以位于心轴42内的一个或多个浆料施加线路52提供的。心轴以可旋转方式安装在心轴驱动组件54内，该心轴驱动组件54安装到心轴输送机构56上。该输送机构可以是具有可控往复或轨道运动或旋转臂机构的许多机械、电气或气动装置中的任何一种，这些装置能够在抛光操作过程中使抛光片移动到晶片上的多个分离位置。
心轴驱动组件54被设计成使抛光片36在抛光片载体头38上旋转，并且被设计成允许心轴移动，以使抛光片朝向或远离晶片W的平面移动，并在CMP处理过程中向晶片施加完整控制的抛光压力。而且它还允许容易接触到片载体，并有助于抛光片组件自动更换。任何合适的心轴驱动组件，例如，诸如在可从Lam Research Corporation inFremont，California获得的TERESTM抛光机中使用的心轴驱动组件，都可以用于完成该任务。心轴输送机构56可以是能够在与正在抛光的晶片W共面的方向输送心轴的许多机械或电气装置中的任何一种。这样，根据需要，抛光片36可以在沿着晶片W的半径的任何具***置附近精确设置和/或摆动。
片修整/整理组件16优选地设置成与晶片载体组件邻接并与片载体组件14对置。片修整组件16被设计成提供抛光片表面36的现场内(in-situ)/现场外(ex-situ)整理和清洗。
在一个实施例中，片修整组件16的有效表面58的大小优选地与抛光片的面积大体相同。在其他实施例中，片修整组件的有效表面也可以大于或小于抛光片的面积。此外，在其他实施例中，片修整组件也可以由多个可旋转表面构成。
优选的是，片修整组件16具有表面58，该表面58与正在处理的晶片W的表面共面(片修整组件的有效面积大小至少与抛光片36的一样大，抛光片36由单个头或小型多个头构成)。将片修整组件16的表面58附着到片修整头60上，该片修整头60装设到在电动机64内以可旋转方式安装的轴62上。为了协助保持片修整表面58与晶片W的共面性，可以使用平面调整机构66来调整片修整组件16的位置。
在一个实施例中，平面调整机构66可以是机械装置，该机械装置可以在CMP处理操作之间松开、调整以补偿高度变化并重新拧紧。在一个替代实施例中，平面调整机构可以是有效机械或电气驱动装置，例如弹簧或气压缸，该装置向片修整头60连续施加向上压力，这样，片载体组件14对片修整表面58的压力将使片修整表面保持为与安装在晶片载体组件12上的晶片W成共面关系。在另一实施例中，具有三个单独高度可调轴的三点平衡装置可以用于对片修整表面和/或晶片载体头的平面进行调整。与晶片载体组件12一样，片修整头60可以由圆形支承物支撑，也可以仅由轴62支撑。
参照图5A～D，示出了设置在片修整头60上的优选的片修整表面的多个实施例。在图5A中，片修整表面可以完全覆盖有固定研磨介质70，例如，可从3M和Diamonex获得的氧化铝、二氧化铈或金刚石。此外，用于输送诸如去离子水、浆料或其他期望的化学喷雾的液体的多个喷孔72分散在表面两端之间。
片修整组件的有效表面可以由诸如金刚石涂敷板或片那样的单个修整部件构成，也可以由若干种不同材料的组合构成。在其他优选实施例中，片修整头的表面被分成多个部分，并包括一组各种标准尺寸的片整理部分，例如，固定的研磨装置，刷和喷雾装置，喷雾器和其他类型的公知的片修整装置。根据期望的片修整性能，片修整头表面的各部分均可以具有：独立可控调节器，其实现旋转运动和上/下运动；以及液体供应孔。
如图5B所示，片修整表面可以具有：固定研磨剂74，其在表面的一部分上；清洁片76，其在表面的另一部分上；以及一系列流体分配喷孔78，其沿着清洁片部分设置。清洁片可以是微孔材料，例如可从Rodel Corporation获得的Polytex。在另一优选实施例中，片修整表面可以包含：一条金刚石磨料80，尼龙刷82，其沿着另一半径设置；以及多个流体喷孔84，其与尼龙刷和金刚石介质条垂直，如图5C所示。图5D示出了另一优选实施例，其中，固定研磨物质86设置在表面的四分之一的对置区域上，同时多个流体喷孔88和清洁片90各自均设置在表面的剩余两个四分之一的区域中的一个区域上。用于研磨和整理片的研磨材料、用于冲洗片的流体、和/或清洁片材料的许多构成中的任何一种都可以利用。此外，任何合适的固定研磨剂或流体都可以使用。
图1～5的抛光机10优选地由晶片载体组件和片修整组件构成，晶片载体组件和片修整组件在其各自表面之间具有共面关系。如上所述，共面性可以手动调整，也可以自调整。而且，片修整头和晶片载体头优选地设置成尽可能径向靠近，从而将对最大量的抛光片材料进行整理。优选的是，片修整头的表面足够大并且设置成足够靠近晶片载体，从而在片的一个完整旋转之后对整个抛光片进行整理。在其他实施例中，多个片修整装置可以用于对片的相同或不同部分进行整理。在这些替代的片修整实施例中，各片修整组件的表面可以相对于晶片载体头径向排列，也可以采用任何其他期望的方式排列。
在一优选实施例中，晶片载体、片载体和片修整组件中的各方均可以构成为非万向头。在另一实施例中，片载体头可以是万向头，例如在该行业中公知的万向头，用于补偿在互作用晶片表面、抛光片和片修整表面对准时的微小不准确性。而且，晶片载体头和片修整头优选地定向成使其各自表面的面朝上，而使片载体头面朝下。该晶片上向构成的优点在于，它可有助于改善现场表面检验、端点检测和把液体直接提供给晶片表面。在其他实施例中，晶片和片修整头以及对置的片载体头可以定向成与诸如垂直平面那样的非水平平面平行，或者甚至根据空间和安装约束条件而完全颠倒(即：抛光片面朝上，并且晶片和片修整表面的面朝下)。
如图6所示，抛光机10可由微处理器(CPU)65根据存储在可编程存储器67内的指令来控制。这些指令可以是与晶片特定抛光方案有关的指令列表，这些抛光方案是由用户根据由抛光机的各种部件检测或保持的操作参数的组合来输入或计算的。这些参数可以包括：片、晶片和片修整部件的载体头的旋转速度，来自心轴驱动组件54的位置/力信息，来自心轴线性输送机构56的径向片位置信息，以及由CPU保持并根据来自端点检测器61在处理过程中调整的抛光时间。CPU优选地与抛光机的不同部件中的各方进行通信。
以下将参照以上在图1～6中所述的抛光机10，对抛光机的操作进行说明。如图7所示，在把晶片装载到晶片载体上之后，使用心轴驱动组件来降低抛光片，从而使抛光片与晶片表面的仅一部分重叠。尽管抛光机可操作用于使晶片表面由片来完全覆盖，然而片优选地在任何给定时间仅覆盖晶片表面的一部分并与该部分接触。而且，没有覆盖晶片的抛光片的一部分优选地覆盖片修整组件表面并与该表面接触。这样，当抛光片的一部分旋转并紧贴旋转晶片的一部分时，抛光片的另一部分紧贴片修整组件的旋转表面旋转，以便在晶片处理过程中清洗和整理抛光片。片修整组件也可以用于在晶片处理后清洗和整理片，或者甚至可以在晶片处理过程中和晶片处理后使用。优选的是，在抛光和片整理的这个连续处理中使用整个抛光片。
优选的是，抛光机10能够以晶片为单位适应均匀性的区域变化。该功能是通过首次获得有关各晶片的轮廓信息，然后计算抛光机的抛光策略以适应各晶片的具体非均匀性来实现的。晶片轮廓信息可以从在具体晶片的早期处理中确定的早期测量结果获得，也可以在处理晶片之前明确测量。许多公知的轮廓测量技术中的任何一种都可以用于获得必要的轮廓数据。例如，在从晶片中心到边缘的各点可以进行使用四点探头的电阻测量，也可以进行声速测量，以确定轮廓特性。这些特性可以与抛光片的事先测定特性(例如，在沿着抛光片半径的各点的测定抛光响应)一起使用，以便计算最佳抛光方案(例如，抛光片路径，晶片和片的旋转速度，施加给片的向下力，以及在抛光路径上的各点的时间)并把这些指令存储在抛光机存储器内，以供CPU执行。
在晶片抛光前后，使晶片载体组件12中的晶片提升轴34激活，以便从晶片接收表面提升晶片，并把该晶片传送到晶片载运机器人或从晶片载运机器人传送晶片。而且，在具体晶片上的CMP处理过程中，优选的是，晶片、抛光片和片修整表面都在相同方向旋转。可考虑旋转方向的其他组合，并且各组件的旋转速度可以改变，并可以在具体抛光操作中有目的地改变。
一旦确定和存储了抛光方案并把晶片正确安装在晶片载体内，就可以根据预定抛光方案进行抛光。该片、晶片和片修整表面都将以期望的速度旋转。片、晶片和片修整表面的合适旋转速度可以在0～700转每分(r.p.m.)范围内。也可考虑旋转速度的任何组合以及大于700r.p.m.的旋转速度。心轴的线性输送机构将使片边缘设置在沿着晶片半径的第一点，并且心轴驱动组件将使片降低直到其到达晶片表面，并且施加期望的压力。该抛光片优选地仅覆盖晶片的一部分并继续使晶片抛光直到期望的抛光时间终止。优选的是，可以作为具有一个或多个发射机/接收机节点63的端点检测器61(图1)的处理状态检验***与CPU进行通信，以便提供有关晶片的目标区域的抛光进度的现场信息，并更新原始抛光时间估计。许多公知的表面检验和端点检测方法(光，声，热等)中的任何一种都可以采用。尽管预定的抛光方案可以应用于各晶片，然而来自表面检验工具的信号可以用于对由各位置的抛光片所花时间进行精确调整。
在使晶片的第一区域抛光之后，线性索引机构(linear indexmechanism)使抛光片移动到下一位置，并在该下一区域继续抛光。抛光片在移动到下一径向位置时，优选地保持与晶片表面接触。此外，尽管抛光机可以使抛光片从抛光片边缘在晶片中心开始的第一位置移动到顺次与中心径向远离的后续位置，直到到达晶片边缘，然而通过在不同方向或在非径向路径上移动，可以最佳调整具体晶片的轮廓。例如，第一抛光操作可以在晶片的中心和边缘之间的一点从抛光片的边缘开始，并且抛光机可以使抛光片移动到沿着晶片半径朝向边缘的位置，并且在晶片中心完成片边缘的最终抛光。
在抛光过程中，抛光片优选地与片修整组件的表面恒定接触。片修整组件可对片进行整理，以便提供期望表面，并可清除由抛光处理产生的副产物。在片修整组件表面上的研磨材料优选地激活片表面，同时通过表面内的喷孔并紧贴片来喷射加压去离子水或其他合适的化学清洁剂。
使用CPU来对由心轴施加给片载体头的压力进行监视，并以可控方式使片载体头和晶片旋转，进行抛光处理，直到端点检测器表示抛光机以完成一个区域为止。一旦收到来自端点检测器的信息，CPU就指示心轴线性输送机构56来使抛光片相对于晶片中心作径向运动，以便拉动抛光片远离晶片中心，并在晶片的下一环状区域聚焦。优选的是，当朝向晶片边缘径向抽出片时，片和晶片保持接触。在一优选实施例中，心轴线性输送机构56仅可以在分离的步骤对片的运动进行索引。在另一优选实施例中，心轴机构56可以在各位置间进行索引，并可以围绕各索引位置径向前后摆动，以协助晶片上的各抛光区域间的顺利过渡。
在另一实施例中，线性心轴输送机构可以在分离的步骤移动，可以在各步骤后使心轴保持在固定径向位置，并可以利用与抛光片载体的旋转中心偏移的抛光片来提供片和晶片之间的摆动式运动。从图中可知，抛光片不仅保持与晶片恒定接触，还保持与片修整组件表面恒定接触。抛光片的每次旋转均使其首先通过晶片，然后与片修整组件表面的各部分接触。
抛光机10可以构成为允许片与晶片完全重叠，然而片优选地在相对于晶片的各种部分重叠位置之间进行索引，以协助跟踪期望的材料间隙或材料厚度轮廓。该构成和处理的优点包括能够在晶片的消除一定量材料的各种环状部分上聚焦，以便提供较大抛光控制，同时避免经常与晶片的整个表面抛光相关的非均匀性和过度抛光的问题。并且，部分重叠构成允许同时和连续的整片检验和现场片整理。
尽管示出了单个片修整组件，然而也可以实施多个片修整组件。本抛光机10的优点在于，根据晶片和抛光片优选地不完全重叠这一事实，可以与现场表面检验和上层厚度测量/端点检测同时进行现场片整理。此外，通过在不大于抛光片半径的点开始片和晶片的重叠，每次旋转都可以对抛光片进行完全整理。并且，通过充分利用抛光片的表面，可以实现成本节省。与抛光片显著大于正在抛光的晶片的多个现有***不同，抛光片的整个表面可得到利用。
在其他实施例中，图1～7所示的抛光机10可以用作图8所示的较大晶片处理***110中的模块100。在图8的***中，多个模块串联连接，以增加晶片通过量。晶片处理***110优选地构成为接收在标准输入盒112内装载的需要平坦化和抛光的半导体晶片。晶片输送机器人114可以用于把各晶片从盒传送到第一模块100以进行抛光。如参照图1的抛光机10所述，一旦在第一模块处完成处理，就可以使用第二晶片输送机器人把晶片传送到下一模块。***110可以根据需要具有多达100个模块，以满足晶片的具体抛光需求。例如，各模块均可使用相同类型的片和浆料组合来实施，如果使用固定研磨技术，则也可不使用浆料来实施，并且将在各模块处使各晶片部分地平坦化，这样，在晶片在最后模块接收其最终部分抛光之后，各抛光的累积效应将产生完全抛光的晶片。
或者，可在各模块处使用不同片或浆料。如以上参照图1的抛光机所述，各抛光机模块100均可以通过使用工具变换器来变换抛光片载体。这种附加的灵活性可在图8的***中通过使用片机器人118来获得，该片机器人118可以与各模块的心轴驱动组件合作，以便在各片间自动切换，而无需拆卸整个***。新片120和旧片122的多隔室片载体头存储箱可以设置成与各模块邻接，以便能用具有新片的片载体头来有效变换附属于磨损片的片载体头。使用编目(cataloging)机构，例如简单条形码扫描技术，可以对具有不同类型的片的晶片片载体进行编目，并将其放置在各模块上，从而可以把众多组合的片组装在***100内。
在平坦化后，第二晶片机器人116可以把晶片传递到各种后CMP模块124进行清洗和抛光(buffing)。该后CMP模块可以是旋转缓冲器、双面洗涤器、或其他期望的后CMP装置。当抛光和清洗完成时，第三晶片机器人126从后CMP模块上取下各晶片，并将其放置在输出盒内。
在图1的抛光机的一替代实施例中，使用由固定研磨材料构成的抛光片，其中，固定研磨材料形成有圆形外圆周并沿着通向形成环状形状的片的中心的通路的一部分向内径向延伸。没有固定研磨抛光材料的区域由固定研磨材料接合。优选的是，该没有固定研磨抛光材料的区域是相对于抛光片直径对称的。与整个表面大体由抛光片材料占用的标准旋转片相比，没有固定研磨材料的区域将减少抛光片的总表面面积，因而可提供一种增加点负荷压力(point-load pressure)的方式，该点负荷压力可以根据从抛光机获得的相同量的下力施加给半导体晶片。
在一个优选实施例中，如图9所示，抛光片200具有采用固定研磨材料的环状区域202，其中，无固定研磨材料的中心区域204是大体圆形的。图10示出了另一种抛光片206，该抛光片206在片的周边部分208的上方具有固定研磨材料。在本实施例中，固定研磨材料具有大体圆形外圆周，并定义没有固定研磨材料的采用星状图形形状的中心区域210。诸如图11～12的固定研磨抛光片212、214那样的其他构成也可以用于减少固定研磨材料的表面面积，并更改抛光片的消除速率特性。优选的是，选择一种表面面积减少的抛光片，其表面面积的具体减少将使得与晶片接触，以使装载量获得期望的增加。可以对抛光片的具体形状进行整理，以满足对具体处理的非均匀性要求。
固定研磨材料可以是适合于使半导体晶片平坦化的市场上可购得的许多固定研磨材料中的任何一种。这些类型的固定研磨材料的例子包括从3M Corporation of St.Paul，Minnesota获得的无浆料CMP材料。图9～12所示的固定研磨片可以使用许多标准粘结剂中的任何一种粘结到片载体头23上。
在图9的环状抛光片实施例中，优选的是，固定研磨环状片的外径大于或等于要进行平坦化的晶片的直径。环状片的厚度T可以选择成与激活固定研磨介质所需的压力以及心轴驱动组件的力施加限制条件或者期望的消除轮廓对应。这样，知道固定研磨介质所固有的压力要求以便从固定研磨介质获得最佳平坦化特性，并且知道心轴驱动组件可施加给抛光片载体的力的范围，可选择厚度T，以便提供允许在晶片处理过程中在最佳压力范围内操作抛光片的接触面积。在一个实施例中，环状片的厚度可以在0.5英寸至3.0英寸范围内。图9～12的表面面积减少的固定研磨抛光片的优点在于，可在高的向下力时获得改善的模水平性能，这通常是使用常规晶片缩小(wafer scale)抛光平台所无法获得的。
优选的是，用于图9～12的表面面积减少的片的片修整组件16与以上参照图1所述相同。片修整头60可以包括研磨剂和流体喷孔的任何数量的组合，这些组合适合于在抛光片上制备固定研磨抛光材料，并适合于从抛光片上消除松脱的固定研磨材料以减少缺陷。固定研磨材料的修整也可以采用该方法完成，以保持新固定研磨剂的暴露。
如上所述，固定研磨环状抛光片的优点在于，接触面积小于标准圆形/旋转片的面积。较小接触面积允许针对施加给片载体头的给定量的力，使施加给晶片的压力增加。在一优选实施例中，使用固定研磨抛光片把15～30磅每平方英寸(p.s.i.)的压力施加给8英寸晶片的晶片表面。相反，一般分散的研磨处理需要小于15p.s.i.的压力。通过使用承载断面比晶片面积小的环状片，可获得高的局部向下力，以便从固定研磨介质中获得良好的平坦化效率。固定研磨环状抛光片的环状形状允许使用现有心轴驱动组件，并可有助于避免功能更强大的向下力机构的成本、尺寸和重量。
尽管在图1的抛光机10中可以使用参照图9～12所述的固定研磨抛光片以使半导体晶片具有高度平坦化的光洁度，然而分散研磨处理的低缺陷晶片抛光光洁度特性经常是期望的。根据优选实施例，诸如图8的抛光***110那样的抛光***包括：VaPO抛光模块100，其表面面积减少；固定研磨抛光片；以及分散研磨(dispersed-abrasive)抛光模块100，用于第二步骤。分散研磨步骤可以在带有与半导体晶片表面完全重叠的抛光片的标准旋转抛光机、抛光皮带宽度大于晶片宽度的线性抛光模块、或者诸如图1所示那样的VaPO抛光机上执行，其中，非研磨的抛光片的仅一部分采用分散研磨浆料介质与半导体晶片接触。在另一优选实施例中，分散研磨步骤可以在诸如图1所示的用于固定研磨步骤的相同VaPO抛光台执行。这可以通过使用片机器人118来完成，以便用具有非研磨抛光片的片载体组件取代具有固定研磨片的片载体组件。
图13示出了合适VaPO、非研磨抛光片216的例子。该片216包括同心凹槽218，用于在分散研磨处理过程中协助输送分散研磨浆料。施加给非研磨片的分散研磨浆料可以是基于二氧化铈、二氧化硅、氧化铝(Al2O3)的浆料，也可以是适合于正在抛光的晶片材料类型的其他公知的分散研磨浆料。
或者，可以使用线性皮带抛光机，而不是VaPO旋转装置或标准旋转抛光机。在完成优选抛光处理的固定研磨步骤和分散研磨步骤时使用的合适线性皮带抛光机是在可从Lam Research Corporation ofFremont，California获得的TERESTM CMP***中使用的线性皮带抛光模块。图14示出了线性皮带抛光机的一例。线性抛光机220利用皮带222，该皮带222相对于晶片221的表面作线性运动。皮带222是围绕辊(或心轴)223和224旋转的连续皮带，其中，一个辊或两个辊由诸如电动机那样的驱动装置来驱动，这样，辊223～224的旋转运动使皮带222在相对于晶片221所作的线性运动(由箭头226所示)中被驱动。抛光片225被附着到皮带222上的面向晶片221的外表面。
晶片221通常存在于晶片载体227上。晶片221由例如固定环229那样的机械固定装置保持就位，以便当晶片221设置成与片15啮合时，防止晶片水平运动。一般，包含晶片221的晶片载体227旋转，而皮带/片在线性方向226移动以使晶片221抛光。对于分散研磨处理步骤，线性抛光机220还包括浆料分配机构230，该浆料分配机构230把浆料231分配到片225上。通常使用片整理器(未示出)以对使用中的片225进行重新整理。用于对使用中的片225进行重新整理的技术在本领域是公知的，并且一般需要对片进行恒定修整，以便消除由用过的浆料和去除后的废料产生的残留堆积物。
支撑物或台板232设置在皮带222的下侧并与载体227对置，从而使皮带/片组件存在于台板232和晶片221之间。台板232在皮带222的下侧提供支撑平台，以确保片225与晶片221充分接触，用于均匀抛光。在操作中，用合适力使载体227向下紧贴皮带222和片225，从而使片225与晶片221充分接触，用于执行CMP。由于皮带222是挠性皮带并且当使晶片向下紧贴到垫225上时将压下，因而台板232对该向下力(也称为下力)提供必要反作用支撑。
台板232可以是固体平台，也可以是流体支承物。优选的是，使用流体支承物，以便可使用来自台板的流体流动来对在皮带222的下侧施加的力进行调整。这样，可对由片施加在晶片上的压力变化进行调整，以便提供晶片表面的更均匀的抛光速率。在第5,558,568号美国专利中揭示了合适流体台板的例子，该专利的整个揭示内容在此引用以供参考。有关适合于在本***中使用的线性皮带抛光模块的进一步详情，可以参见标题为“半导体晶片平坦化的线性抛光机和方法”(Linear Polisher and Method for Semiconductor Wafer Planarization)的第5,692,947号美国专利，该专利的整个揭示内容在此引用以供参考。
以下将参照图8和图15，对一种用于把固定研磨抛光技术和分散研磨抛光技术进行组合的半导体晶片平坦化的优选方法进行说明。首先把半导体晶片W安装在具有全尺寸或表面面积减少的(例如，环状)固定研磨片的VaPO抛光模块内(234)。使晶片和抛光片旋转并使其相互部分重叠接触，并且抛光片也与片修整组件表面部分地重叠。可以施加诸如在氧化物平坦化时的氢氧化钾或氢氧化铵，或者去离子(DI)水那样的非研磨流体来协助固定研磨平坦化处理。在旋转的抛光片和晶片之间保持第一压力(236)。如图7所示，抛光模块的片载体组件可以在平坦化过程中沿着晶片半径移动到与晶片的多个部分重叠位置。继续进行固定研磨平坦化处理直到把梯段高度减少到期望值(例如，原始梯段高度的80％)并达到第一覆盖层厚度为止(238)。这通常是由固定研磨处理的自停止能力来实现的，其中，一旦晶片层已平坦化，固定研磨材料就不再由于晶片的不均匀性而被激活。或者，这可以采用现场端点检测和晶片表面检验测量来检测，例如在一个优选实施例中采用标准光学检验装置来检测。优选的是，片修整元件被构成为充分研磨，以便对新固定研磨抛光片的表面进行预整理。此外，片修整元件被构成为在平坦化处理中，根据需要从抛光片上消除用过的研磨剂和平坦化副产物。
在固定研磨处理之后，对晶片进行分散研磨处理。分散研磨处理利用诸如由Rodel Corporation制造的IC 1000聚氨酯片那样的非研磨抛光片，以及常规抛光浆料。在优选实施例中，在单独抛光模块中执行分散研磨处理，从而使晶片机器人从第一抛光模块上取下晶片，然后将该晶片放置在用于第二分散研磨抛光模块的晶片保持器上。与第一固定研磨模块相同，使晶片和抛光机旋转并压紧在一起。分散研磨抛光模块优选地保持晶片和抛光片之间的压力，该压力小于在第一抛光模块上的固定研磨片和晶片之间保持的压力。当使分散研磨片紧贴晶片时，使抛光浆料沉积在片和/或晶片上，以便于抛光处理。选择用于非研磨片的片修整组件，以便对抛光片进行充分修整(即：恢复表面活性)，并随着抛光的进行消除抛光副产物。继续分散研磨抛光处理直到针对晶片层达到最终期望的厚度和/或表面状态(240)。
可以实施分散研磨处理的多种变型。如上所述，通过切换该片保持器组件并把抛光浆料施加给为分散研磨处理所选的非研磨片，可以在与固定研磨处理相同的抛光模块上执行分散研磨处理。在使用两个或多个单独抛光模块的实施例中，可以使用与固定研磨步骤相同但具有表面减少的非研磨区域片的VaPO抛光机来完成分散研磨抛光步骤，或者也可以使用标准旋转式或线性皮带抛光机来完成该步骤。
上述的混合抛光技术优选地应用于模型的晶片，在这些技术中，一个或多个VaPO抛光机首先把固定研磨片应用于晶片，然后应用分散研磨剂。模型晶片在本文中被定义为具有一层或多层蚀刻的或沉积的电路的晶片。模型晶片可以具有一个或多个复制的相同电路设计。此外，混合抛光技术通过采用两种不同处理中的各处理进行平坦化，可实现作为对象的晶片的平坦化。优选地是，固定研磨处理和分散研磨处理中的各处理用于除去具体的晶片层的至少500～1000埃。也可考虑采用混合抛光技术中的两种处理中的各处理来进行其他量的消除，并可以按照具体模型晶片的类型或构成来整理该消除量。
在替代的实施例中，针对最初的固定研磨平坦化步骤和后续的分散研磨平坦化步骤，通过使用标准旋转式抛光机或者标准线性皮带抛光机，可以把上述混合式抛光技术应用于模型晶片。在本实施例中，晶片抛光机在固定研磨和分散研磨平坦化步骤中随时使用覆盖模型晶片整个表面的抛光片。标准端点检测技术可以用于自动确定何时已从模型晶片的给定层上除去期望的材料量。如上所述，已对能实现VaPO抛光机灵活性增强以便提供各种除去率分布的抛光***和方法作了说明。该灵活性可以通过提供能避免需要使用较大和较重抛光机来达到必要压力的表面面积减少的抛光片来实现。此外，还有一种用于处理模型晶片的方法，该方法把可以在VaPO抛光机上使用表面面积减少的固定研磨抛光片的最初固定研磨处理与后续的分散研磨处理相结合，并在保持较低缺陷的晶片表面光洁度的同时，可提高平坦化质量。
本发明可以在不背离本发明的精神或本质特性的情况下采用本文中具体揭示的形式以外的形式来实施。所述实施例在所有方面仅被认为是说明性而不是限制性的，并且本发明的范围将与所附权利要求相对应。

Claims (33)

1.一种半导体晶片抛光机，包括：
可旋转晶片载体，其具有晶片接收表面，用于以可松脱方式保留半导体晶片；
可旋转抛光片，其包含抛光片材料，该抛光片材料沿着抛光片的圆周设置，并从抛光片的半径的一部分向内径向延伸，其中，该抛光片材料定义无抛光片材料并相对于抛光片的直径是对称的中心区域；
可旋转抛光片载体，其定向成与晶片接收表面大体平行，并构成为以可移动的使抛光片相对于半导体晶片设置在部分重叠位置，其中，抛光片的一部分与半导体晶片表面的一部分接触并紧贴该部分旋转；以及
可旋转片修整组件，其表面设置成与晶片载体上的半导体晶片的表面基本共面，其中可旋转片修整组件旋转并与抛光片接触。
2.根据权利要求1所述的抛光机，其中，可旋转抛光片载体包括索引机构，其被设置为使抛光片相对于半导体晶片在线性、径向方向移动。
3.根据权利要求2所述的抛光机，其中，可抛光片载体进一步包括以可拆卸方式安装到心轴上的抛光片载体头。
4.根据权利要求3所述的抛光机，其中，抛光片载体进一步包括心轴驱动组件，其与索引机构和心轴连接，该心轴驱动组件被构成为使心轴旋转并使抛光片紧贴半导体晶片移动。
5.根据权利要求1所述的抛光机，其中，旋转式晶片载体的晶片接收表面包括多个流体喷孔，用于接收真空流体和加压流体中的一种，其中，半导体晶片能以可松脱方式安装到晶片接收表面上。
6.根据权利要求4所述的抛光机，其中所述索引机构被设置为使抛光片移动到在第一位置和第二位置之间的与半导体晶片表面和片修整表面部分重叠的多个位置，其中在第一位置，所述抛光片与半导体晶片的表面的接触的片的部分大于与片修整表面的接触，而在第二位置，所述抛光片与片修整表面的接触部分大于与半导体晶片的表面的接触。
7.根据权利要求1所述的抛光机，其中，抛光片材料包括固定研磨的抛光片材料。
8.根据权利要求7所述的抛光机，其中，抛光片材料包括环状表面。
9.根据权利要求1所述的抛光机，其中，抛光片材料包括非研磨的抛光片材料。
10.根据权利要求9所述的抛光机，其中，抛光片材料包括环状表面。
11.一种提供半导体晶片受控的区域抛光的方法，该方法包括：
把半导体晶片装载到可旋转晶片载体的晶片接收表面上，并旋转半导体晶片；以及
使安装在旋转式抛光片载体上的抛光片紧贴可旋转半导体晶片移动到部分重叠位置，其中，抛光片包括沿着抛光片的圆周设置、并从抛光片半径的一部分向内径向延伸的抛光片材料，并且其中，该抛光片材料定义了无抛光片材料并相对于抛光片的直径对称的中心区域；以及
保持部分重叠半导体晶片和抛光片之间的第一压力。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括使抛光片相对于半导体晶片移动到第二部分重叠位置，其中抛光片在其移动时与半导体晶片连续接触。
13.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括使抛光片相对于半导体晶片表面沿着半导体晶片的半径移动到第二部分重叠位置，其中抛光片在其移动时与半导体晶片连续接触。
14.根据权利要求12所述的方法，该方法进一步包括在抛光片的一部分与半导体晶片表面的一部分接触时，使片修整表面紧靠抛光片的一部分旋转，从而通过在每次旋转过程中进行的整理和清洗来连续重新激活抛光片。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，使抛光片在多个部分重叠位置中的各位置的预定路径上方摆动。
16.一种使半导体晶片平坦化和抛光的方法，该方法包括：
使第一抛光片围绕中心轴旋转，其中该抛光片具有抛光片材料，该抛光片材料沿着第一抛光片的圆周设置，并从第一抛光片半径的一部分向内径向延伸，并且其中该抛光片材料定义无抛光片材料并相对于第一抛光片的直径对称的中心区域；
使第一抛光片上的抛光片材料的一部分紧贴可旋转半导体晶片的一部分挤压，其中第一抛光片与半导体晶片部分地重叠；以及
在第一抛光片和半导体晶片之间维持第一压力。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，抛光片材料包括固定研磨材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述维持第一压力包括在抛光片和半导体晶片之间维持至少15磅每平方英寸的压力。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述维持第一压力包括在抛光片和半导体晶片之间维持至少2磅每平方英寸的压力。
20.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括：
使用第一抛光片使半导体晶片平坦，直到获得第一晶片薄膜厚度；
使第一抛光片与半导体晶片脱离；
把分散研磨抛光处理应用于半导体晶片，直到达到最终晶片薄膜厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中应用的分散研磨处理包括：
使半导体晶片紧压住第二抛光片；
在半导体晶片和第二抛光片相互紧贴着移动时，把化学浆料施加给第二抛光片；以及
在第二抛光片和半导体晶片之间维持第二压力。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，第二抛光片具有非研磨的抛光片材料，该非研磨的抛光片材料沿着第二抛光片的圆周设置，并从第二抛光片半径的一部分向内径向延伸，其中该抛光片材料定义了无抛光片材料并相对于第二抛光片的直径对称的中心区域。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，第二抛光片包括非研磨的抛光片材料。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，第二抛光片包括采用非研磨的抛光片材料构成的线性皮带。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述第二压力小于第一压力。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述抛光片材料包括环状表面。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述抛光片材料包括环状表面。
28.一种半导体晶片抛光***，该***包括：
第一晶片抛光机，该第一晶片抛光机包括：
可旋转晶片载体，其具有晶片接收表面，用于以可松脱方式保留半导体晶片；
可旋转抛光片，其包含固定研磨抛光片材料，该固定研磨抛光片材料沿着抛光片的圆周设置，并从抛光片半径的一部分向内径向延伸，其中，该固定研磨抛光片材料定义了无抛光片材料并相对于抛光片的直径对称的中心区域；
旋转式抛光片载体，其定向成与晶片接收表面基本平行，并构成为以可移动方式使抛光片相对于半导体晶片设置在部分重叠位置，其中抛光片与半导体晶片表面的一部分接触并紧贴该部分旋转；以及
可旋转片修整组件，其表面设置成与晶片载体上的半导体晶片的表面基本共面，其中，可旋转片修整组件旋转并接触抛光片的第一部分；
分散研磨处理台，该分散研磨处理台包括：
第二可旋转晶片载体，其具有晶片接收表面，用于以可松脱方式保留半导体晶片；以及
第二抛光片，其安装在抛光片输送装置上，该抛光片输送装置构成为使抛光片紧靠半导体晶片移动，该第二抛光片包括非研磨抛光片材料，该非研磨抛光片材料设置成用于接收抛光浆料并紧贴半导体晶片表面输送抛光浆料；
以及
半导体晶片传送机构，该机构在第一晶片抛光机和分散研磨处理台之间移动，其中，在第一晶片抛光机适用晶片的晶片抛光处理的第一部分，并且在分散研磨抛光台适用晶片抛光处理的第二部分。
29.根据权利要求28所述的晶片抛光***，其中，非研磨抛光片包括旋转式抛光片，并且抛光片输送装置包括可旋转抛光片载体，该可旋转抛光片载体定向成与晶片接收表面基本平行，并构成为以可移动方式使抛光片相对于半导体晶片设置在部分重叠位置上，其中抛光片与半导体晶片表面的一部分接触并紧贴该部分旋转。
30.根据权利要求29所述的晶片抛光***，其中，非研磨抛光片包括非研磨抛光片材料，该非研磨抛光片材料沿着抛光片的圆周设置，并从抛光片半径的一部分向内径向延伸，其中该非研磨抛光片材料定义无抛光片材料并相对于抛光片的直径对称的中心区域。
31.根据权利要求30所述的晶片抛光***，其中，非研磨抛光片包括环状表面。
32.根据权利要求28所述的晶片抛光***，其中，第二抛光片包括线性皮带，并且抛光片输送装置包括线性皮带抛光机。
33.根据权利要求28所述的晶片抛光***，其中，第一晶片抛光机和分散研磨处理台中的每个被设置为从晶片表面除去至少500埃的材料。
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