TWI339146B - Polishing pad having slurry utilization enhancing grooves and polishing method and polishing system using the same - Google Patents

Description

1339146 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致關於化學機械研磨之領域。更特別地，本發 明係關於一種具有可促進漿液利用之溝槽之研磨塾g 【先前技術】 在積體電路及其他電子裝置之製造中，將多層導電 '半 導電及介電材料沈積於或自半導體晶圓之表面去除^導 電、半導電及介電材料薄層可藉許多種沈積技術沈積。現 代晶圓處理常用之沈積技術包括亦已知為濺射之物理蒸氣 沈積（PVD)、化學蒸氣沈積（CVD)、電漿增強化學蒸氣沈積 (PECVD)、及電化學電鍍。常用之去除技術包括濕及乾等 向性與非等向性蝕刻等。 因材料層係循序地沈積及去除，晶圓之最上表面變成不 平坦。因為後續半導體處理（例如，金屬化）須為晶圓具有平 坦表面，需要將晶圓平坦化„平坦化可用於去除不欲之表 面地形及表面缺陷，如粗表面、黏聚材料、晶格損壞、刮 痕、及污染層或材料。 化學機械平坦化，或化學機械研磨（CMp)，為一種用於 將工件（如半導體晶圓）平坦化之常用技術。在習知CMp中， 將曰a圓載具，或研磨頭，安裝在載具組件上。研磨頭夾持 aa圓且將晶圓定位而接觸(：1^1>裝置内研磨墊之研磨層。載 具組件在晶圓與研磨墊之間提供可控制壓力。同時使漿液 或其他研磨介質流至研磨墊上及晶圓與研磨層間之間隙 中。為了進行研磨，使研磨墊及晶圓彼此相對地移動，一 96931.doc 般為轉動。藉研磨層與激液在表面上之化學及機械作用而 研磨晶圓表面。 °又汁研磨層之重要考量包括跨越研磨層面之漿液分布、 研磨區域中之新鮮毁液流動'離開研磨區域之使用後聚液 机動、及本質上未利用之流經研磨區之漿液量等。一種解 決1^些考量之方法為對研磨層提供溝槽。數年來，已實施 相當多種之不同溝槽圖案及組態，先行技藝溝槽圖案包括 輻射形、同心圓、笛卡兒格線及螺旋等。先行技藝溝槽組 態包括其中在所有溝槽中’所有溝槽之深度均一之組態， 及其中在各溝槽中，溝槽之深度彼此不同之組態。 CMP工作者通常認為特定之溝槽圖案造成高漿液消耗， 而其他則達成相近之材料去除率。不連接研磨層外圍之圓 形溝槽趨於消耗較輻射形溝槽（其提供漿液在墊轉動力下 到達墊周圍之最短可能路徑）少之漿液β提供各種長度之到 達研磨層外圍之路徑之笛卡兒格線溝槽介於其中。 先行技藝中已揭示各種溝槽圖案，其嚐試減少漿液消耗 g 及使漿液在研磨層上之利用最大化。例如，Nakajima之美 國專利第6，159,088號揭示一種研磨塾，其具有通常迫使聚 液自墊之中央區域與外圍部份朝向晶圓轨道之溝槽。在一 個具體實施例中’各溝槽具有自墊中心輻射地延伸至晶圓 軌道之縱向中心線之第一部份。各溝槽之第二部份自第一 部份之中心線终點大致朝向墊轉動方向延伸至塾之外圍。 一對溝槽突起存在於各溝槽中由第一與第二部份之交叉形 成之分叉處。在將墊轉動時，這些突起可使在分叉處收集 96931.doc 丄奶146 寿】用之溝槽112之研磨層108。為了方便，在以下之叙述中 使用名词「晶圓」。然而，熟悉此技藝者應了解，晶圓以外 之工件在本發明之範圍内。以下詳述研磨墊104及其獨特特 點。

CMP系統100可包括可藉平台驅動器128圍繞軸126轉動 之研磨平台124。平台124可具有其上安裝研磨墊丨〇4之上表 面132»可圍繞轴14〇轉動之晶圓載具丨％可支撐在研磨層 108上。晶圓載具136可具有連接晶圓120之下表面144。晶 圓120具有面對研磨層1〇8且在研磨時平坦化之表面148。晶 圓載具136可藉載具支撐組件152支撐，其適於將晶圓120 轉動且提供向下力F以將晶圓表面148針對研磨層1〇8壓 ^使彳于在研磨時在晶圓表面與研磨層之間存在所需壓力。

CMP系統1〇〇亦可包括用於將漿液116供應至研磨層ι〇8 之漿液供應系統156。漿液供應系統156可包括容納漿液1 i 6 之貯器160 ’例如，經溫度控制貯器。導管164可將漿液U6 自貯器160運送至相鄰研磨墊1〇4之位置，在此將漿液分配 至研磨層108上。流動控制閥168可用以控制研磨墊ι〇4上之 漿液116分配。 CMP系統1〇〇可具有用於在裝載、研磨及卸載操作時控制 系統各組件（如漿液供應系統156之流動控制閥丨68、平台驅 動器128、及載具支撐組件152等）之系統控制器172。在例 示具體實施例中，系統控制器i 72包括處理器丨76 '連接處 理器之記憶體1 80、及支援處理器、記憶體及系統控制器其 他組件之操作之支援電路1 8 4。 96931.doc 1339146 在研磨操作時，系統控制器172造成平台124及研磨墊104 轉動且致動漿液供應系統156而將漿液116分配至轉動之研 磨墊上。漿液散佈於研磨層1〇8上，包括晶圓120與研磨墊 104之間之間隙。系統控制器172亦可造成晶圓載具136以選 擇速度轉動’例如，0 rpm至150 rpm，使得晶圓表面148相 對研磨層108移動。系統控制器172亦控制晶圓載具136而提 供向下力F以在晶圓120與研磨墊104之間誘發所需壓力，例 如，〇 psi至15 psi。系統控制器172進一步控制研磨平台124 之轉速’其一般以0至150 rpm之速度轉動。 圖2顯示例示研磨塾200 ’其可作為圖1之研磨墊1〇4或用 於利用類似整之其他研磨系統。研磨势200包括研磨層 204 ’其含在研磨時面對晶圓表面（未示）之研磨區域2〇8。在 所示之具體實施例中’研磨塾200係設計為用於圖1之CMP 系統1 00 ’其中晶圓120係以相對自轉之平台124之固定位置 轉動。因而研磨區域208為環形且具有等於對應晶圓（例 如，圖1之晶圓120)直徑之寬度W。在一個具體實施例中， 其中晶圓不僅轉動亦以平行研磨層204之方向擺動，研磨區 域208同樣地為環形，但是寬度W因擺動包絡線而大於晶圓 直徑。在其他具體實施例中，研磨區域2〇8可延伸跨越全部 研磨層204。 研磨層204包括多個用於因各種原因，如增加漿液在研磨 區域内之停留時間，而促進漿液（未示）在全部研磨區域208 之分布及流動之溝槽212。在所示之具體實施例中，溝槽212 通常為彎曲形且可稱為大致由研磨層之中心線216向外轄 96931.doc -10- 射。雖然如此顯示溝槽212，熟悉此技藝者易於了解，以下 之本發明概念可用於在研磨層2 04内界定任何形狀及圖案 之溝槽。例如，溝槽212可為以上討論以外之任何其他形 狀’即’輻射形、圓形、笛卡兒格線、及螺旋等。 研磨墊200可具有任何習知或其他型式之構造。例如，研 磨墊200可由細孔聚胺基甲酸酯等材料製成，而且視情況地 包括柔順或堅硬之襯墊（未示）以在研磨時對塾提供適當之 支撐《溝槽21 2可使用任何適合製造墊所使用材料之製程在 研磨墊200中形成《例如，可將溝槽212模塑至研磨墊2〇〇 _或在已形成墊後將墊切開等方式。熟悉此技藝者應了解 依照本發明應如何製造研磨墊2〇〇。 圖3A顯示通過圖2研磨墊2〇〇之溝槽212之一之縱切面 圖。溝槽212包括多個混合結構22〇(大致以另外之剖面顯 示）’其位於沿溝槽長度以界定溝槽底部224。混合結構22〇 通常界定一系列之峰228(或如下所述，高原）與谷232，其擾 亂溝槽下部240中之漿液236流動足以抑制此流動層化之 量。在將混合結構220適當地成形及制定大小時，此擾流造 成一些溝槽212上部244令之漿液236與溝槽下部240中之漿 液間混合之手段。 如果合結構220不存在，如以上先前技術部份所述，則 溝槽212上部244中之漿液236活躍地參與研磨，而溝槽下部 240中之漿液一般因研磨墊2〇〇轉動及研磨墊2〇〇與晶圓（例 如，圖1之晶圓120)之相對運動造成之離心力而略過研磨區 域208(圖2)，未活躍地參與研磨。然而，混合結構22〇存在， 96931 .doc -II - 則因而誘發之擾流造成來自溝槽212之上與下部244，240之 漿液236彼此混合。即，此擾流混合來自上部244之「使用 後」t液236與來自下部240之「新鮮」漿液，使得較新鮮 衆液獲得活躍地參與研磨之機會，而且所得之緊鄰晶圓表 面之榮·液中活性化學物種穩定狀態濃度較高。如圖3B所 示’溝槽212包括隔開之壁248，其可如所示垂直研磨層表 面252 ’或者可與此表面形成不為90。之角度。亦如圖3B所 示’溝槽212可具有實質上平行表面252，或者可與此表面 形成非零角度之底部。 再度參考圖3A ’混合結構220可相對溝槽212之公稱深度 D而界定。公稱深度〇為研磨層208之表面252與將各谷232 上之最低點連接至各緊鄰谷上之最低點而得之線之間之垂 直距離。在圖3 A之實例中可見到，谷232上之最低點距研磨 層208之表面252為相同之距離。結果，沿溝槽212長度之公 稱深度D均一。然而，如圖3C所示，溝槽212，之公稱深度D 可視所使用混合結構220'之組態而改變。圖3D描述在多個 大小及節距均一之混合結構22〇"存在下，公稱深度〇沿溝槽 2 12”長度如何線性地改變。熟悉此技藝者易於了解許多種 公稱深度D可視各種大小及形狀之混合結構之選擇及使用 而改變之方式。 混合結構’例如，圖3A之混合結構220,在其相對公稱深 度D之高度η(圖3 A)在特定範圍内且混合結構沿溝槽212之 節距Ρ在特定範圍内時，通常最有效。這些範圍隨混合結構 220及所得谷232之形狀而改變。由於有許多可能之形狀’ 9693 l.doc 提供確實之範圍不切實際，但可提供一般設計原則。混合 結構2 2 0之两度Η通常必須大到足以進行至少一些混合，但 不大到足以使谷232太深而使流動在此處分離及停滞。混合 結構220之節距ρ必須大到足以使谷232經歷流動，但是小到 足以新鮮與使用後漿液之混合不微弱且沿顯著之溝槽212 長度發生。在一個具體實施例中，其中混合結構22〇對溝槽 2 12之底部224提供如圖3 Α所示之蜿蜒、週期性橫切面形 狀，預期造成良好混合力之混合結構220之高度H及節距ρ 為’高度為公稱深度D之10。/。至50%及深度為公稱深度d之 一至四倍，而且高度較佳為公稱深度D之丨5%至3〇%。熟悉 此技藝者應了解，這些範圍僅為例示且不排除其他之範圍。 此外應注意，雖然混合結構22〇示為週期性且彼此相同， 其並非必然。而是可改變混合結構22〇之節距p、高度Η、形 狀、或其任何組合。此外，雖然混合結構22〇—般係沿溝槽 212全長提供，其可提供於一或多個最需要混合漿液之 指定區域。例如，混合結構22〇可僅存在於研磨層2〇4之研 磨區域208。類似地，雖然研磨墊2〇〇上之所有溝槽212均可 具有混合結構220 ’其並非必然。如果需要，圖2之研磨墊 200中僅特定溝槽212可具有混合結構22〇。例如關於『 之溝槽2i2，可為每隔—個溝槽或每隔兩個溝槽不具有混合 結構220，或其他之可能性。 圖4A_4G顯示可用於研磨墊（例如，各為圖！與2之研磨塾 1〇4、200)溝槽内之混合結構之交替形狀樣品。在圖μ中， 各混合結構300為三角形而形成大致v形谷取。圖4B顯示 96931.doc •13· 1339146 各混合結構400為歪斜鋸齒形，而使溝槽4〇8底部4〇4產生不 等之上升及下降斜面之圖案。圖4〇顯示彼此交替，具有兩 種鬲度之丘形混合結構500，520。圖4D之混合結構6〇〇為界 定扇形谷604之形狀。圖4E之混合結構7〇〇各具有弧形上表 面704。圖4F之混合結構800為大致梯形而界定高原go#。圖 4G顯示具有混合結構間稍微無規率之形狀之混合結構 900。關於可用於本發明之混合結構之各種形狀，希望但未 必為由峰至谷之轉移為平滑而非陡峭。類似地，希望但未 必為谷底處之轉變同樣地為平滑且不陡ώ肖。 圖5A-5C顯示可用於本發明研磨墊之溝槽（例如，各為圖t 與2研磨塾之溝槽112、212)内之混合結構之另外交替形狀 樣品，特別是具有不僅隨沿溝槽之距離亦隨跨越溝槽之距 離而改變之高度Η之混合結構。圖5A顯示在兩個相同幾何 面942，944(其中溝槽946之側面接觸溝槽底部）沿溝槽長度 彼此相對地移動，而且在其對應處以直線948連接時造成之 混合結構940。圖5B顯示在兩個相同幾何面952, 954沿溝槽 g 956深度彼此相對地移動，而且在其對應處以直線958連接 時造成之混合結構950。圖5C顯示混合結構960，其由佔據 溝槽966之相反側之兩組不同結構962，964形成，使得通常 溝槽之橫切面形狀為高度不連續性。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明之化學機械研磨（CMP)系統之部份略示圖 及部份正視圖； 圖2為適合用於圖1之CMP系統之本發明研磨墊之平面 96931.doc •14· 1339146 isi · 園， 圖3 A為圖2之研磨墊沿溝槽之一之縱向中心線所取之放 大橫切面圖’其顯示多個在溝槽内排列之混合結構；圖3B 為圖2之研磨墊沿圖3A之線3B-3B所取之橫切面圖；圖3(：為 溝槽之放大縱切面圖，其中溝槽包括多個在溝槽内排列之 交替混合結構；圖3 D為溝槽之放大縱切面圖，其_溝槽包 括多個混合結構及沿溝槽深度線性變化之公稱深度； 圖4A-4G為本發明研磨墊溝槽之正視圖，其描述各種交 替混合結構；及 圖5 A-5C為本發明研磨墊溝槽之正視圖及對應橫切面 圖，其描述各種較複雜之混合結構。 【主要元件符號說明】 100 化學機械研磨（CMP)系統 104 、 200 ' 300 研磨墊 108 、 204 研磨層 112 ' 212 ' 212' ' 212" > 408 ' 946 、 956 、 966 溝槽 116 、 236 漿液 120 半導體晶圓 124 研磨平台 126 軸 128 平台驅動器 132 上表面 136 晶圓載具 96931.doc - 15 - 1339146 140 轴 144 下表面 148 晶圓表面 152 載具支撐組件 156 漿液供應 系統 160 貯器 164 導管 168 流動控制 閥 172 系統控制 器 176 處理器 180 記憶體 184 支援電路 208 研磨區域 216 中心線 220、 220, ' 220" ' 300 ' 混合結構 400、 500、 520 ' 600、 700、 800、 .900、 940 ' 950、 960、 962、 964 224、 404 底部 228 峰 232、 304、 604 谷 240 下部 244 上部 248 壁 96931.doc •16- 1339146 252 表面 700 上表面 804 高原 942 ' 944 ' 952 ' 954 幾何面 948、 958 直線

96931.doc •17-

Claims (1)

1339146 第93133219號專利申請案 99年12月27日修正替換頁 十、申請專利範圍： -— 1. -種可用於研磨羊導體基材表面之研磨墊，該研磨墊包 含： ⑷研磨層，其具有設計為研磨卫件表面之研磨區域；及 (b)多個位於研磨層中之溝槽，各溝槽： (i) 至少部份地延伸至研磨區域中；及 (ii) 设計為接收一部份研磨溶液； #多個溝槽之至少—些各包括設計為混合溝槽中之 研磨溶液之多個混合結構，該多個混合結構包括一系 列的峯及谷以界定該溝槽之底部。 2. 如申„月專利範圍第！項之研磨塾，其中多個溝槽之各對 應溝槽中之多個混合結構具有週期性節距。 .3‘如中請專利範圍第2項之研磨塾，其中多個溝槽之各對 應溝槽中之多個混合結構具有彼此相同之形狀。 4. 如申請專利範圍第丨項之研磨墊，其中含多個混合結構 之夕個溝槽之各溝槽具有公稱深度且週期性節距相當 於公稱深度至公稱深度之四倍。 5. 如_請專利範圍第丨項之研磨墊，其中含多個混合結構 之多個溝槽之各溝槽具有公稱深度，及此溝槽中之多個 混合結構具有等於該溝槽公稱深度之1〇%至5〇%之高 度。 6. —種化學機械研磨半導體基材之方法，其包括以下步 驟： (a)對研磨墊提供研磨溶液’該研磨墊包括具有研磨區域 18 93067L修正版 1339146 第93I332I9號專利申請案 99年12月27日修正替換頁 且包括多個溝槽之研磨層，各溝槽： (i)具有上部及下部； (11)至少部份地延伸至研磨區域中；及 (iii)接收一部份研磨溶液； 此多個溝槽之至少一些各包括設計為能有效地混合 溝槽中之研磨溶液之多個混合結構，該多個混合結構 包括一系列的峯及谷以界定該溝槽之底部； (b) 將半導體基材銜接研磨區域中之研磨層，·及 (c) 使研磨墊相對半導體基材轉動而在多個溝槽之各溝 槽中產生流動，其與多個混合結構之至少一些混合結 構乂互作用而混合位於溝槽下部之研磨溶液與位於 溝槽上部之研磨溶液。 7.如申請專利範圍第6項之方法，其中研磨塾具有中央區 域而步驟⑻包括於鄰近中央區域提供研磨溶液。 8·如申請專利範圍第6項之方法，其進—步包括提供研磨 墊之步驟’其中含多個混合結構之多個溝槽之各溝槽具 有公稱深度及週期性節距，且週期性節距相當於公稱深 度至公稱深度之四倍。 申請專利範圍第6項之方法，其進—步包括提供研磨 之步驟，其令含多個混合結構之多個溝槽之各溝槽具 :公私深度’及該溝槽中之多個混合結構具有等於此溝 槽公稱深度之10%至5〇%之高度。 1〇.—種與研磨溶液合用於研磨半導體基材表©之研磨系 統，其包含： 93067L修正版 19 (a)研磨墊，其包含: 第93133219號專利申請案 99年12月27日修正替換頁 W研磨層’其具有料為研磨半導體基材表面之研 磨區域；及 (ii)多個位於研磨層中之溝槽，各溝槽： (A) 至少部份地延伸至研磨區域令；及 (B) s又计為接收一部份研磨溶液· 此多個溝槽之至少-些各包括設計為混合溝槽中 之研磨溶液之多個混合結構’該多個混合結構包括 一系列的峯及谷以界定該溝槽之底部；及 (b)研磨溶液輸送系統，其用於將研磨溶液輸送至研磨 墊0 93067L修正版 20