TWI740065B - 化學機械研磨方法及清潔研磨墊的方法 - Google Patents

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Abstract

研磨裝置的研磨平台包括：平板、研磨墊、及設置於平板與研磨墊之間的電場元件。研磨裝置更包括控制器，用以施加電壓至電場元件。對電場元件施加第一電壓，以將研磨漿料的帶電顆粒朝研磨墊吸引。被吸引的顆粒會減少顯現於工件之研磨表面的整體形貌變異，以進行研磨。對電場元件施加第二電壓，以將研磨漿料之額外的帶電顆粒朝研磨墊吸引。額外被吸引的顆粒會更進一步減少顯現於工件之研磨表面的整體形貌變異。對電場元件施加第三電壓，以將研磨漿料的帶電顆粒排斥遠離研磨墊，改善研磨墊的清潔。

Description

化學機械研磨方法及清潔研磨墊的方法
本揭露實施例係有關於一種化學機械研磨方法及清潔研磨墊的方法，特別是有關於一種對電場元件施加電壓之化學機械研磨的方法。
一般而言，半導體裝置包括形成於基板上的主動元件(例如：電晶體)。可在基板上方形成任何數量的互連層，其將主動元件互相連接並連接至其他裝置。互連層可由低介電係數(low-k)介電材料層製成，並設有金屬溝槽/通孔。當形成裝置的層時，裝置有時會進行平坦化。舉例而言，在基板或金屬層中形成金屬部件可能會造成不均勻的表面形貌。此不均勻的形貌可能會造成後續層形成的問題。在一些情況下，不均勻的形貌可能會干擾後續用以在裝置中形成各種部件的微影製程。因此，在形成各種部件或層之後，理想的是平坦化裝置的表面。
一般使用的平坦化方法為化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)。通常而言，化學機械研磨涉及將晶圓放置於承載頭中，其中晶圓係藉由保持環固持定位。之後，在對晶圓朝研磨墊施加向下的壓力的情況下，承載頭與晶圓旋轉。化學溶液(稱之為漿料)沉積於研磨墊的表面上，以 利於平坦化。可利用機械與化學機制的組合來平坦化晶圓的表面。
本揭露實施例提供一種化學機械研磨的方法，包括：在工件上方設置研磨平台，研磨平台包括平板、研磨墊、以及電場元件，研磨墊係設置於平板下方，且電場元件介於平板與研磨墊之間。在研磨墊與工件的顯露表面之間引入研磨漿料，研磨漿料包括帶電顆粒。對電場元件施加第一電壓，以及研磨工件的顯露表面。
本揭露實施例提供一種化學機械研磨的方法，包括：從研磨平台移除工件，研磨平台包括平板、研磨墊、以及電場元件，電場元件介於平板與研磨墊之間。在從研磨平台移除工件之後，從研磨墊排出研磨漿料，研磨漿料包括帶電顆粒。在排出研磨漿料之後，對電場元件施加第一電壓，以及在對電場元件施加第一電壓之後，清洗研磨墊。
本揭露實施例提供一種清潔研磨墊的方法，包括：從研磨墊移除漿料，對電場元件施加第一電壓，其中電場元件鄰接於研磨墊，以及在施加第一電壓期間進行研磨墊的第一清洗。
100‧‧‧化學機械研磨裝置
105‧‧‧平板
110‧‧‧電場元件
115‧‧‧研磨墊
120‧‧‧拋光頭
125‧‧‧承載座
127‧‧‧保持環
130‧‧‧墊修整臂
135‧‧‧墊修整頭
137‧‧‧墊修整器
140‧‧‧漿料分配器
150‧‧‧漿料
200‧‧‧點
215、225、235、237‧‧‧雙頭箭頭
300‧‧‧晶圓
305‧‧‧底層
307‧‧‧覆蓋層
310‧‧‧薄膜
400‧‧‧吸座
450、550、650、750、850‧‧‧排列
890‧‧‧清潔溶液
900‧‧‧圖表
1000、1100‧‧‧流程圖
1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080、1110、1120、1130、1140、1150、1160、1170、1180‧‧‧步驟
1200‧‧‧電壓輪廓
1205‧‧‧電壓
1210‧‧‧時間
1220‧‧‧零電壓
1223‧‧‧第一電壓
1225‧‧‧第二電壓
1227‧‧‧第三電壓
1230‧‧‧第一時間段
1240‧‧‧第二時間段
1250‧‧‧第三時間段
1260‧‧‧第四時間段
1270‧‧‧第五時間段
1280‧‧‧第六時間段
根據以下的詳細說明並配合所附圖式以更加了解本揭露實施例的概念。應注意的是，根據本產業的標準慣例，圖式中的各種部件未必按照比例繪製。事實上，可能任意地放大或縮小各種部件的尺寸，以做清楚的說明。
第1圖代表性地繪示根據一些實施例之研磨裝置的四分之三等角視圖。
第2圖代表性地繪示根據一些實施例之研磨裝置的平面圖。
第3圖代表性地繪示根據一些實施例之拋光頭的立面剖面圖。
第4至6圖代表性地繪示根據一些實施例之研磨裝置與研磨方法的立面剖面圖。
第7和8圖代表性地繪示根據一些實施例之研磨裝置與清洗方法的立面剖面圖。
第9圖繪示根據一些實施例之研磨漿料材料的電動電荷分布與酸鹼值的函數。
第10圖代表性地繪示根據一些實施例之研磨方法的流程圖。
第11圖代表性地繪示根據一些實施例之清洗/清潔方法的流程圖。
第12圖代表性地繪示根據一些實施例之用以執行研磨及清洗方法的電壓控制器的電壓圖。
第13圖代表性地繪示根據一些實施例之化學機械研磨系統的方塊圖。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本揭露實施例的不同部件。以下敘述構件及配置的特定範例，以簡化本揭露實施例的說明。當然，這些特定的範例僅為 示範並非用以限定本揭露實施例。例如，在以下的敘述中提及第一部件形成於第二部件上或上方，即表示其可包括第一部件與第二部件是直接接觸的實施例，亦可包括有附加部件形成於第一部件與第二部件之間，而使第一部件與第二部件可能未直接接觸的實施例。另外，在以下的揭露內容的不同範例中可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰之目的，並非用以指定所討論的不同實施例及/或結構之間的關係。
此外，在此可使用與空間相關用詞。例如「底下」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，以便於描述圖式中繪示的一個元件或部件與另一個(些)元件或部件之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包括使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，且在此使用的空間相關詞也可依此做同樣的解釋。
以下揭露的各種實施例涉及化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)裝置與使用化學機械研磨裝置來平坦化工件的方法。在代表性的實施例中，工件可包括用以供化學機械研磨加工的半導體晶圓。
第1圖繪示根據代表性的實施例之化學機械研磨裝置100的四分之三等角視圖。在一些實施例中，化學機械研磨裝置100包括平板105，且研磨墊115放置在平板105上方。電場元件110(後續將例如參照第4至8圖進行更詳細的說明)設置於平板105與研磨墊115之間。
在一些實施例中，研磨墊115可包括單一層或複合材料層例如：毛氈、注入聚合物的毛氈、多孔聚合物薄膜、微孔人造皮革、填充聚合物薄膜、未填充之具紋理的聚合物薄膜、前述的組合、或其他類似的材料。代表性的聚合物可包括聚氨酯(polyurethane)、聚烯烴(polyolefin)、或其他類似的聚合物。
在一些實施例中，拋光頭120係放置於研磨墊115上方。拋光頭120包括承載座125及保持環127。在一些實施例中，保持環127係利用機械緊固件(例如：螺絲)或任何其他適合的附接工具安裝至承載座125。在化學機械研磨製程期間，位於承載座125內的工件(例如半導體晶圓；未繪示於第1圖中)係由保持環127所支撐。在一些實施例中，保持環127大致上為環狀，並具有大致上中空的中心。工件係放置於保持環127的中心，使得保持環127在化學機械研磨製程期間將工件固持定位。工件係定位成使得待研磨的表面向下朝向研磨墊115。承載座125係用以施加向下的力或壓力促使工件與研磨墊115接觸。拋光頭120係用以在平坦化/研磨期間在研磨墊115上方旋轉工件。
在一些實施例中，化學機械研磨裝置100包括漿料分配器140，用以使漿料150沉積至研磨墊115上。平板105係用以旋轉，造成漿料150通過複數個位於保持環127內的溝槽(未圖示)分布於工件與平板105之間，其中前述溝槽可由保持環127的外側壁延伸至保持環127的內側壁。漿料150的特定組成取決於待研磨或移除的材料種類。舉例而言，漿料150可包括反應物、磨料、介面活性劑及溶劑。反應物可以是會與工件材 料產生化學反應的化學品(例如：氧化劑或水解劑)，以幫助研磨墊115磨去/移除材料。在一些待移除的材料包括鎢的實施例中，反應物可以是例如過氧化氫，但亦可替代性地、結合地或依序地應用任何其他合適的反應物，例如：羥胺(hydroxylamine)、過碘酸(periodic acid)、過硫酸銨(ammonium persulfate)、其他過碘酸鹽(periodates)、碘酸鹽(iodates)、過氧單硫酸鹽(peroxomonosulfates)、過氧單硫酸(peroxymonosulfuric acid)、過硼酸鹽(perborates)、丙二醯胺(malonamide)、前述的組合、或其他類似的反應物，以有助於材料的移除。可使用其他的反應物以移除其他種類的材料。舉例而言，在一些待移除的材料包括氧化物的實施例中，反應物可包括硝酸、氫氧化鉀、氫氧化銨、前述的組合、或其他類似的反應物。
磨料可包括任何適合與研磨墊115結合，並用以研磨/平坦化工件的顆粒。在一些實施例中，磨料可包括二氧化矽、氧化鋁、氧化鈰、多晶鑽石、聚合物顆粒(例如聚甲基丙烯酸鹽(polymethacrylate)或其他類似的聚合物)、前述的組合、或其他類似的磨料。在代表性的實施例中，可選擇或以其他方式配置磨料顆粒，使其帶有例如作為漿料150的水合氫離子濃度(pH值)的負對數的函數之電動電荷，後續將參照第12圖進行討論。
可利用介面活性劑以協助分配漿料150內的反應物與磨料，並防止(或減少)磨料在化學機械研磨製程期間凝聚。在一些實施例中，介面活性劑可包括聚丙烯酸(polyacrylic acid)的鈉鹽、油酸鉀(potassium oleate)、磺基琥珀酸鹽(sulfosuccinates)、磺基琥珀酸鹽衍生物(sulfosuccinate derivatives)、磺化腔(sulfonated amines)、磺化醯胺(sulfonated amides)、醇類的硫酸鹽(sulfates of alcohols)、烷基芳基磺酸鹽(alkyl aryl sulfonates)、接化醇(carboxylated alcohols)、烷基氨基丙酸(alkylamino propionic acids)、烷基亞氨基二丙酸(alkyliminodipropionic acids)、前述的組合、或其他類似的介面活性劑。然而，此些代表性的實施例並非用以限制所述的介面活性劑，可以替代地、結合地或依序地使用任何合適的介面活性劑。
漿料150的剩餘部分可包括溶劑，用以結合一或多個反應物、磨料及介面活性劑，並允許混合物移動且分配至研磨墊115上。在一些實施例中，漿料150的溶劑可包括例如：去離子(deionized；DI)水或醇類。然而，可以替代地、結合地或依序地使用任何合適的溶劑。
在一些實施例中，化學機械研磨裝置100包括墊修整器137，墊修整器137附接至墊修整頭135。墊修整頭135係用以在研磨墊115上方旋轉墊修整器137。在一些實施例中，墊修整器137係利用機械緊固件(例如螺絲)或藉由任何其他適合的工具安裝至墊修整頭135。墊修整臂130係附接至墊修整頭135，用於以掃描式的動作移動墊修整頭135及墊修整器137橫跨研磨墊115的區域。在一些實施例中，墊修整頭135係利用機械緊固件(例如螺絲)或藉由任何其他適合的工具安裝至墊修整臂130。在一些實施例中，墊修整器137包括基板，其中磨料 顆粒的陣列係利用例如電鍍的方式結合至基板上方。墊修整器137在化學機械研磨製程期間從研磨墊115移除累積的晶圓碎片及過量的漿料。在一些實施例中，墊修整器137也作為用於研磨墊115的磨料，以產生想要的紋理(例如：溝槽或其他類似的紋理)，且可依上述紋理來研磨工件。
如第1圖代表性地繪示，化學機械研磨裝置100具有單一拋光頭(例如：拋光頭120)及單一研磨墊(例如：研磨墊115)。然而，在其他實施例中，化學機械研磨裝置100具有多個拋光頭及/或多個研磨墊。在一些實施例中，化學機械研磨裝置100具有多個拋光頭及單一研磨墊，可同時研磨多個工件(例如：半導體晶圓)。在其他實施例中，化學機械研磨裝置100具有單一拋光頭及多個研磨墊，化學機械研磨製程可以是多步驟的製程。在此實施例中，第一研磨墊可用以從晶圓移除塊體(bulk)材料，第二研磨墊可用於晶圓整體的平坦化，且第三研磨墊可用以拋光晶圓表面。在一些實施例中，可對不同的化學機械研磨階段使用不同的漿料組成。在另一些實施例中，可對所有的化學機械研磨階段使用相同的漿料組成。
第2圖代表性地繪示根據一些實施例之化學機械研磨裝置100的上視/平面圖。平板105係用以圍繞通過置中點200(平板105的中心點)延伸的軸以順時針或逆時針的方向旋轉，如雙頭箭頭215所示。拋光頭120係用以圍繞通過點220(拋光頭120的中心點)延伸的軸以順時針或逆時針的方向旋轉，如雙頭箭頭225所示。通過點200的軸可與通過點220的軸平行。通過點200的軸可與通過點220的軸分隔。在一些實施例中，墊 修整頭135係用以圍繞通過點230(墊修整頭135的中心點)延伸的軸以順時針或逆時針的方向旋轉，如雙頭箭頭235所示。通過點200的軸可與通過點230的軸平行。墊修整臂130係用以在平板105旋轉期間以有效圓弧(effective arc)移動墊修整頭135，如雙頭箭頭237所示。
第3圖代表性地繪示根據一些實施例之拋光頭120的立面剖面圖。在一些實施例中，承載座125包括薄膜310，用以在化學機械研磨製程期間與晶圓300交於界面。在一些實施例中，化學機械研磨裝置100包括真空系統(未圖示)，耦接至拋光頭120，且薄膜310係用以利用真空抽吸法拾取晶圓300並支撐於薄膜310上。在一些實施例中，晶圓300可以是半導體晶圓，包括例如：半導體基板(例如包括矽、三五半導體材料或其他類似的材料)、位於半導體基板上的主動裝置(例如電晶體或其他類似的裝置)、以及/或者各種互連結構。代表性的互連結構可包括導電部件，電性連接主動裝置以形成功能電路。在各種實施例中，可在製造的任一階段期間對晶圓300施加化學機械研磨處理，以平坦化或移除晶圓300的部件(例如：介電材料、半導體材料、導電材料、或其他類似的材料)。晶圓300可包括上述部件的任何子集合以及其他部件。在代表性的實施例中，晶圓300包括一或多個底層305、以及一或多個覆蓋層307。在一些實施例中，在化學機械研磨製程期間對底層305進行研磨/平坦化。在一些底層305包括鎢的實施例中，可研磨底層305以形成例如接觸晶圓300之各種主動裝置的接觸插塞(contact plugs)。在一些底層305包括銅的實施例中，可 研磨底層305以形成例如晶圓300之各種內連結構。在一些底層305包括介電材料的實施例中，可研磨底層305以例如在晶圓300上形成淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)結構。
在一些實施例中，由於在形成底層305的期間經歷了製程變異，底層305可具有不一致的厚度(例如底層305顯露出的表面所顯現的拓樸(topological)變異)。舉例而言，根據代表性的實施例，可藉由利用化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)製程沉積鎢以形成底層305。由於化學氣相沉積製程的變異，底層305可能會具有不一致的厚度，介於約100nm至約500nm的範圍內，其平均值為約250nm，標準差為約25nm。
在一些實施例中，可利用橢圓偏振技術(ellipsometry)、干涉測量法(interferometry)、反射量測術(reflectometry)、皮秒超聲波(picosecond ultrasonic)、原子力顯微術(atomic force microscopy；AFM)、掃描穿隧顯微術(scanning tunneling microscopy；STM)、掃描電子顯微術(scanning electron microscopy；SEM)、透射電子顯微術(transmission electron microscopy；TEM)、或其他類似的技術量測底層305的厚度輪廓。在一些實施例中，厚度測量裝置(未圖示)可位於化學機械研磨裝置100以外，且可在將晶圓300裝載至化學機械研磨裝置100之前，量測或判定底層305的厚度輪廓。在其他實施例中，厚度測量裝置(未圖示)可以是化學機械研磨裝置100的一部分，且可在將晶圓300裝載至化學機械研磨裝置100之後，量測或判定底層305的厚度輪廓。
如第4圖代表性地繪示，平板105係附貼至吸座400。在一些實施例中，旋轉吸座400以進行平板105的旋轉215。電場元件110係介於平板105及研磨墊115之間。在一些實施例中，電場元件110可包括平板、網格、前述的組合、或其他類似的結構。晶圓300係位於研磨墊115上方，且漿料的磨料顆粒設置於晶圓300與研磨墊115之間(見帶電磨料顆粒的排列450)。磨料顆粒係用以在化學機械研磨處理期間從晶圓300機械地磨去材料。
研磨墊115、電場元件110及平板105可共同形成研磨平台。藉由旋轉拋光頭120及/或研磨墊115/電場元件110/平板105(研磨平台)以研磨晶圓300，分別如第2圖的雙頭箭頭225及215所示。在一些實施例中，拋光頭120及研磨平台可以相同的方向旋轉。在其他實施例中，拋光頭120及研磨平台可以相反的方向旋轉。藉由將晶圓300抵接於研磨平台的研磨墊115進行旋轉，研磨墊115會機械地磨去晶圓300的底層305，以從底層305移除不想要的材料。
漿料150係透過漿料分配器140(如第2圖所示)分配於研磨墊115的頂面上。在一些實施例中，在保持環127與研磨墊115之間可設置間隙，以允許漿料150分布於晶圓300的底層305下方。在其他實施例中，保持環127可接觸研磨墊115，且漿料150可利用延伸自保持環127的外側壁至其內側壁的一或多個溝槽(未圖示)分布於晶圓300的底層305下方。
墊修整臂130可在研磨墊115的區域上方以掃描式的動作移動墊修整頭135及墊修整器137。可使用墊修整器137 以從研磨墊115移除累積的晶圓碎片及/或過量的漿料，亦可應用墊修整器137以賦予研磨墊115想要的紋理，並可依此機械地磨去晶圓300。在一些實施例中，墊修整頭135/墊修整器137可以雙頭箭頭235所指示的方向旋轉。在一些實施例中，墊修整頭135/墊修整器137及平板105/電場元件110/研磨墊115可以相同的方向旋轉。在其他實施例中，墊修整頭135/墊修整器137及研磨平台可以相反的方向旋轉。在一些實施例中，墊修整臂130可以雙頭箭頭237所示的有效圓弧移動墊修整頭135/墊修整器137。在一些實施例中，圓弧的範圍對應於承載座125的尺寸。舉例而言，承載座125的直徑可大於300mm，以容納300mm的晶圓。因此，圓弧會從平板105/電場元件110/研磨墊115的周邊向內延伸至少300mm的距離。這確保研磨墊115可能與晶圓300接觸的任何部分皆被適當地修整。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將可理解此處所提供的數字是代表性的，而承載座125的實際尺寸及有效圓弧所對應的範圍可取決於待研磨/平坦化之晶圓300的尺寸來變化。
在代表性的實施例中，可選擇漿料150中的磨料顆粒或將其配置為具有(正極性或負極性的)電動電荷。舉例而言，在想要磨料顆粒帶正電的實施例中，磨料顆粒可以是氧化鋁(Al2O3)、氧化鈰(CeO2)、氧化矽(SiO2)、前述的組合、或其他類似的材料。在想要磨料顆粒帶負電的其他實施例中，磨料顆粒可以是氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、前述的組合、或其他類似的材料。在沒有電壓(例如零電壓1220；第12圖)施加至電場元件110的實施例中， 帶電磨料顆粒的排列450具有相對於研磨墊115的頂面之準隨機分布，如第4圖代表性地繪示。
如第5圖代表性地繪示，當對電場元件110施加第一電壓(例如第一電壓1223；第12圖)時，於電場元件110之中/之上產生電荷(例如與帶電磨料顆粒相反的極性)。在實施例中，第一電壓可介於約10mV至約50V，例如約30V，並可藉由將導電元件與電場元件110電性接觸，對電場元件110施加第一電壓。舉例而言，吸座400可包括電刷接點，用以將電壓控制器(例如電壓控制器1305，後續將參照第13圖代表性繪示之化學機械研磨系統1300來說明)與電場元件110電性連接。於電場元件110之中/之上產生的電荷會將極性相反的磨料顆粒朝研磨墊115靜電吸引(至少部分填入研磨墊115的各種表面形貌的低窪區域)。因此，減少由研磨墊115與被靜電吸引之帶電顆粒的排列550所形成的研磨表面的整體形貌變異。
如第6圖代表性地繪示，當對電場元件110施加比第一電壓更大(但極性相同)的第二電壓(例如第二電壓1225；第12圖)時，於電場元件110之中/之上產生額外的電荷。在實施例中，第二電壓可介於約10mV至約100V，例如約50V。於電場元件110之中/之上積存的額外電荷會將相反極性的帶電磨料顆粒朝研磨墊115靜電吸引(至少部分填入研磨墊115的各種表面形貌的低窪區域)。因此，更進一步減少由研磨墊115與被靜電吸引之帶電顆粒的排列650所形成的研磨表面的整體形貌變異，以提供更平坦的研磨表面。
在代表性的實施例中，可調控或配置施加於電場 元件110的第一電壓以吸引單層的帶電磨料顆粒(例如第5圖代表性地繪示)。在另一代表性的實施例中，可調控或配置施加於電場元件110的第二電壓以吸引另外一單層的帶電磨料顆粒(例如第6圖代表性地繪示)。在一些實施例中，可選擇、調控或配置施加於電場元件110的第一及/或第二電壓，以吸引一或多個單層的帶電磨料顆粒。
在研磨表面(例如包括研磨墊115及一或多個單層的帶電磨料顆粒)的整體形貌變異減少之後，藉由旋轉拋光頭120及/或研磨墊115/電場元件110/平板105(研磨平台)來研磨晶圓300，分別如第2圖的雙頭箭頭225及215所示。在一些實施例中，拋光頭120與研磨平台可以相同的方向旋轉。在其他實施例中，拋光頭120與研磨平台可以相反的方向旋轉。藉由將晶圓300抵接於研磨墊115進行旋轉，研磨墊115會機械地磨去晶圓300的底層305，以移除底層305顯露出的材料。減少研磨表面之影響研磨/平坦化晶圓300的整體形貌變異會導致更為一致地研磨/平坦化底層305。亦即，舉例而言，減少研磨表面的整體形貌變異會導致減少工件之待平坦化/研磨的表面的形貌變異。
在實施例中，研磨時間可介於約1秒至約500秒，例如介於約60秒至約140秒(例如為約100秒)。研磨製程可維持在介於約10℃至約60℃的溫度下，例如介於約10℃至約50℃(例如為約30℃)。漿料流可維持在介於約50cc/分鐘至約450cc/分鐘的速率，例如介於約200cc/分鐘至約400cc/分鐘(例如為約300cc/分鐘)。
在一些實施例中，化學機械研磨製程可以是單一步驟的化學機械研磨製程(例如使用單一研磨墊115)，或者為多重步驟的化學機械研磨製程。在多重步驟的化學機械研磨製程中，可在塊體(bulk)的化學機械研磨製程期間使用研磨墊115。在此實施例中，可從研磨墊115移除晶圓300，並轉移至第二研磨墊(未圖示)。第二研磨墊可執行與上述相似的化學機械研磨製程，為了簡潔起見，在此不再重複敘述。在一些實施例中，第二研磨墊可包括軟性緩衝墊，其可用以在相較於第一研磨墊更慢且更能控制的速率下研磨晶圓300，同時可緩衝及消除在塊體的化學機械研磨製程期間所產生的缺陷及刻痕。可延續緩衝化學機械研磨製程直到已從晶圓300的底層305移除想要的量的材料為止。在一些實施例中，可使用定時或光學終點偵測方法，以判定何時終止研磨晶圓300。
在清洗操作的準備中，從研磨平台105/110/115移除晶圓300，且沒有電壓(例如零電壓1220，第12圖)施加至電場元件110。在代表性的實施例中，當沒有施加電壓時，電場元件110可被認為是「關機」。因此，帶電磨料顆粒(未被研磨墊115吸引或排斥)的排列750具有相對於研磨墊115之頂面的準隨機分布，如第7圖代表性地繪示(亦見在移除/抬起晶圓300之前的第4圖)。
如第8圖代表性地繪示，對電場元件110施加具有與漿料150的帶電顆粒相同極性的電壓。於電場元件110之中/之上產生的電荷(與漿料150的帶電顆粒的極性相同)將漿料150的帶電顆粒(排列850)排斥遠離研磨墊115。同時或者後 續地，可以清潔溶液890清洗研磨墊115，藉此移除被排斥的帶電顆粒(排列850)。清潔溶液890可包括水、去離子水(DI water)、醇類、前述成分的共沸混合物、有機溶劑、介面活性劑、前述的組合、或其他類似的溶液。
第9圖代表性地繪示各種材料(例如：四乙氧基矽烷(tetrathylorthosilane；TEOS)、代表性化學機械研磨的研磨材料、及氮化矽(SiN))的界面電位(zeta potential)的圖表900，其中界面電位與化學機械研磨漿料組成的H3O+離子濃度的負對數(pH值)為函數關係。界面電位係量測漿料組成顆粒的電動電荷。為了增加化學機械研磨漿料組成的pH值，如第9圖所示的漿料顆粒一般而言具有增加的負電荷。pH值5左右的垂直線顯示氮化矽大致上沒有淨電荷(例如氮化矽的等電點)，而在相同的pH值下，代表性的研磨漿料(例如以膠體二氧化矽磨料進行表面處理的漿料(用於吸附表面上的陰離子聚合物或化學處理具高電負度元素的表面)、以及用以為了穩定性而調整親水性、最佳化研磨速率之選擇性、避免碰撞及/或抗菌的添加劑)材料(界面電位為約-60mV)具有大於四乙氧基矽烷顆粒(TEOS)(例如界面電位為約-20mV)約三倍的淨負電荷。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將可理解的是，可對應地調控或配置(結合一或多個施加於電場元件110的電壓)漿料溶液的pH值，以產生想要的靜電吸引電位，進而使漿料的帶電顆粒填入研磨墊的低窪區域，以減少研磨表面顯現於晶圓的整體形貌變異，提供更佳的平坦化。舉例而言，代表性的漿料溶液所含有的磨料顆粒包括膠體氧化矽(SiO2)，且漿料溶液 的pH值為約3.5。可對電場元件施加介於約50伏特至約100伏特的電壓。更可理解的是，可對應地調控或配置(結合一或多個施加於電場元件110的電壓)漿料溶液的pH值，產生想要的靜電排斥電位，以改善研磨墊115的清潔或清洗。舉例而言，代表性的漿料溶液所含有的磨料顆粒包括膠體氧化矽，且漿料溶液的pH值為約3.5。可藉由施加介於約-50伏特至約-100伏特的電壓，利用研磨平台的電場元件以產生靜電排斥電位。
如第10圖代表性地繪示，用以改善工件(例如半導體晶圓)的平坦化(或研磨)之方法1000包括選擇性之預處理(例如：準備平坦化的晶圓、將晶圓裝載至拋光頭的保持環、裝填漿料流動線、執行各種化學機械研磨裝置構件的維護、前述的組合、或其他類似的製程)的步驟。在步驟1020中，研磨平台(例如平板105/電場元件110/研磨墊115)係位於工件(例如晶圓300)上方。在步驟1030中，將研磨漿料引入研磨平台的研磨墊與工件顯露出的表面之間。在代表性的實施例中，研磨漿料包括帶電顆粒。在步驟1040中，對研磨平台的電場元件施加第一電壓(例如具有與漿料的帶電顆粒相反的極性)。在電場元件之中/之上產生電荷(具有與漿料的帶電顆粒相反的極性)，以吸引漿料的帶電顆粒填入研磨墊的低窪表面區域，藉此減少顯現於工件且用於平坦化工件之合併研磨表面(例如由研磨墊及被吸引之漿料的帶電顆粒所形成)的整體形貌變異。在步驟1050中，藉由例如漿料成分的化學/機械作用，磨去並移除工件顯露出的材料，來研磨/平坦化工件。在選擇性的步驟1060中，可對研磨平台的電場元件施加第二電壓(例如具有 與漿料的帶電顆粒相反的極性，並大於第一電壓)。在電場元件之中/之上產生額外的電荷(具有與漿料的帶電顆粒相反的極性)，以吸引漿料的額外帶電顆粒更進一步填入研磨墊的低窪表面區域，藉此更進一步減少顯現於工件且用於平坦化工件之合併研磨表面的整體形貌變異。在選擇性的步驟1070中，可藉由漿料成分的化學/機械作用，磨去並移除工件顯露出的材料，以更進一步地研磨或平坦化工件。之後，在步驟1080中，可進行選擇性的後處理步驟(例如從拋光頭移除晶圓、沖洗漿料進料線、執行各種化學機械研磨裝置構件的維護、修整研磨墊、清洗研磨墊、更換研磨墊、前述的組合、或其他類似的製程)。
如第11圖代表性地繪示，清洗或清潔研磨墊115的方法1100包括選擇性的預處理(例如：準備要清潔的研磨墊、修整研磨墊、準備清洗溶液、裝填清洗或清潔溶液之流動線、前述的組合、或其他類似的製程)的步驟1110。在步驟1120中，從工件(例如晶圓300)移除研磨平台(例如平板105/電場元件110/研磨墊115)。在步驟1130中，從研磨平台的研磨墊與工件之間排出漿料。在代表性的實施例中，漿料包括帶電顆粒。在步驟1140中，對電場元件施加第一電壓(例如具有與漿料的帶電顆粒相同的極性)。在電場元件之中/之上產生(與漿料的帶電顆粒極性相同的)電荷，以將漿料的帶電顆粒排斥遠離研磨墊。在步驟1150中，以清潔溶液清洗研磨墊。清潔/清洗溶液可包括水、去離子水(DI water)、醇類、前述成分的共沸混合物、有機溶劑、介面活性劑、前述的組合、或其他類似 的溶液。在選擇性的步驟1160中，對電場元件施加第二電壓(例如具有與漿料的帶電顆粒相同的極性，且大於第一電壓)，以更進一步將漿料的帶電顆粒排斥遠離研磨墊。在選擇性的步驟1170中，可更進一步以清潔溶液清洗研磨墊。在選擇性之第二清洗步驟1170中的清潔溶液可與第一清洗步驟1150中使用的清潔溶液相同或不同。之後，在步驟1180中，可進行選擇性的後處理步驟(例如從拋光頭移除晶圓、沖洗漿料進料線、沖洗清洗進料線、執行各種化學機械研磨裝置構件的維護、前述的組合、或其他類似的製程)。
第12圖代表性地繪示根據一些實施例之由電壓控制器產生的電壓曲線1200，顯示在化學機械研磨製程期間對電場元件110施加的電壓1205的變異與時間(1210)的函數關係。舉例而言，在第一時間段1230期間，有約15秒的時間，沒有電壓(零電壓1220)施加至研磨平台的電場元件110。在代表性的實施例中，第一時間段1230可對應於電場元件110「關閉」的狀態。之後，在約40秒之第二時間段1240期間，對電場元件110施加第一電壓1223(例如約+30伏特)，以例如將漿料150之具相反電性的一或多個單層(排列550)的磨料顆粒朝研磨墊115吸引，如第5圖代表性地繪示。在代表性的實施例中，第二時間段1240可對應於電場元件110「開啟」的狀態。在一些實施例中，可在第二時間段1240期間研磨/平坦化晶圓300的底層305。在約20秒之第三時間段1250期間，對電場元件110施加約+50伏特的第二電壓1225，以例如將漿料150之具相反電性的額外一或多個單層(排列650)的磨料顆粒朝研磨墊115吸引， 如第6圖代表性地繪示。在一些實施例中，第二電壓1225具有與第一電壓1223相同的極性(例如正電壓)，且第二電壓1225的量值大於第一電壓1223。在一些實施例中，可在第三時間段1250期間更進一步研磨/平坦化晶圓300的底層305。在10秒的第四時間段1260期間，為了以去離子水清洗，關閉對電場元件110施加的電壓(0伏特)。之後，在約10秒之第五時間段1270期間，對電場元件110施加約-50伏特的第三電壓1227，以例如將漿料150的帶電磨料顆粒(排列850)排斥遠離研磨墊115，如第8圖代表性地繪示。在一些實施例中，可在第五時間段1270期間對研磨墊115施加清潔溶液890。在一些實施例中，相較於第一電壓1223與第二電壓1225，第三電壓1227具有相反的極性(例如負電壓)，藉此在電場元件110上產生具有與帶電磨料顆粒(見排列850)相同極性的電荷。在第六時間段1280期間，關閉對電場元件110施加的電壓(0伏特)。
第13圖代表性地繪示根據一些實施例之化學機械研磨系統1300的方塊圖，化學機械研磨系統1300包括電壓控制器1305，且電壓控制器1305操作地連接至化學機械研磨裝置100的電場元件110。
以上各種實施例可提供數個優勢。舉例而言，可平坦化工件(例如半導體晶圓)以顯現更為一致或改良的厚度，其介於約8nm至約2nm的範圍內，平均值為約4nm，標準差為約1.5nm。各種實施例更允許減少研磨時間，並改良化學機械研磨裝置的每小時晶圓(wafer-per-hour；WPH)處理量。
在代表性的實施例中，化學機械研磨方法包括下 列步驟：在工件上方設置研磨平台，研磨平台包括平板、研磨墊、以及電場元件，研磨墊係設置於平板下方，且電場元件介於平板與研磨墊之間。在研磨墊與工件的顯露表面之間引入研磨漿料，研磨漿料包括帶電顆粒。對電場元件施加第一電壓，以及研磨工件的顯露表面。施加第一電壓會將複數個帶電顆粒朝研磨墊靜電吸引。在施加第一電壓之後，帶電顆粒的至少一單層係設置於研磨墊上。研磨墊具有第一整體形貌變異。前述至少一單層及研磨墊包括第一研磨表面。第一研磨表面具有第二整體形貌變異。第二整體形貌變異小於第一整體形貌變異。前述化學機械研磨方法更包括對電場元件施加第二電壓的步驟，第二電壓具有與第一電壓相同的極性，且第二電壓大於第一電壓。在施加第二電壓之後，帶電顆粒的至少另一單層係設置於前述至少一單層上。前述至少另一單層及研磨墊包括第二研磨表面。第二研磨表面具有第三整體形貌變異。第三整體形貌變異係小於第二整體形貌變異。電場元件包括導電板或導電網格。
在另一代表性的實施例中，化學機械研磨方法包括下列步驟：從研磨平台移除工件，研磨平台包括平板、研磨墊、以及電場元件，電場元件介於平板與研磨墊之間。在從研磨平台移除工件之後，從研磨墊排出研磨漿料，研磨漿料包括帶電顆粒。在排出研磨漿料之後，對電場元件施加第一電壓，以及在對電場元件施加第一電壓之後，清洗研磨墊。前述化學機械研磨方法更包括下列步驟：在從研磨平台移除工件之前，在研磨墊與工件的顯露表面之間引入研磨漿料。在引入研磨漿 料之後，對電場元件施加第二電壓，第二電壓與第一電壓不同。在施加第二電壓之後、以及在從研磨平台移除工件之前，研磨工件的顯露表面。第二電壓具有與第一電壓相反的極性。施加第二電壓將複數個帶電顆粒靜電吸引至研磨墊。施加第一電壓將複數個帶電顆粒靜電排斥遠離研磨墊。電場元件包括導電板或導電網格。
在又一代表性的實施例中，研磨裝置包括研磨平台及控制器。研磨平台包括：平板、研磨墊、及介於平板與研磨墊之間的電場元件。控制器係用以施加第一電壓來將電場元件充電。控制器係更進一步用以施加第二電壓來將電場元件充電，第二電壓係不同於第一電壓。第一電壓的第一量值小於第二電壓的第二量值。第一電壓的第一極性係相反於第二電壓的第二極性。此研磨裝置更包括介於控制器與電場元件之間的導電元件。電場元件包括導電板或導電網格。
在又一代表性的實施例中，清潔研磨墊的方法包括下列步驟：從研磨墊移除漿料，對電場元件施加第一電壓，其中電場元件鄰接於研磨墊，以及在施加第一電壓期間進行研磨墊的第一清洗。前述清潔研磨墊的方法更包括在進行研磨墊的第一清洗之後，對電場元件施加不同於第一電壓的第二電壓。前述清潔研磨墊的方法更包括在施加第二電壓期間，進行研磨墊的第二清洗。漿料包括複數個帶電磨料顆粒。第一電壓具有與帶電顆粒相同的極性。第二電壓具有與帶電顆粒相同的極性。
以上概述了許多實施例的部件，使本發明所屬技 術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露實施例的各實施例。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，可輕易地以本揭露實施例為基礎來設計或改變其他製程及結構，以實現與在此介紹的實施例相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例相同的優點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，這些相等的結構並未背離本發明的精神與範圍。在不背離本發明的精神與範圍之前提下，可對本揭露實施例進行各種改變、置換及變動。
1000‧‧‧流程圖
1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種化學機械研磨方法，包括：在一工件上方設置一研磨平台，該研磨平台包括一平板、一研磨墊、以及一電場元件，該研磨墊係設置於該平板下方，且該電場元件介於該平板與該研磨墊之間；在該研磨墊與該工件的一顯露表面之間引入一研磨漿料，其中該研磨漿料包括複數個帶電顆粒；對該電場元件施加一第一電壓；對該電場元件施加一第二電壓，該第二電壓具有與該第一電壓相同的極性，且該第二電壓大於該第一電壓，其中施加該第一電壓的時間大於施加該第二電壓的時間；研磨該工件的該顯露表面；對該電場元件施加一第三電壓；以及在施加該第三電壓期間進行該研磨墊的一第一清洗。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨方法，其中施加該第一電壓將該等帶電顆粒朝該研磨墊靜電吸引，且在施加該第一電壓之後，該等帶電顆粒的至少一單層係設置於該研磨墊上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之化學機械研磨方法，其中：該研磨墊具有一第一整體形貌變異；該至少一單層及該研磨墊包括一第一研磨表面；該第一研磨表面具有一第二整體形貌變異；以及該第二整體形貌變異係小於該第一整體形貌變異。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨方法，其中在施 加該第二電壓之後，該等帶電顆粒的至少另一單層係設置於該至少一單層上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之化學機械研磨方法，其中：該至少另一單層及該研磨墊包括一第二研磨表面；該第二研磨表面具有一第三整體形貌變異；以及該第三整體形貌變異係小於該第二整體形貌變異。
  6. 一種化學機械研磨方法，包括：在一工件上方設置一研磨平台，該研磨平台包括一平板、一研磨墊、以及一電場元件，該電場元件介於該平板與該研磨墊之間；在該研磨墊與該工件的一顯露表面之間引入一研磨漿料，其中該研磨漿料包括複數個帶電顆粒；對該電場元件施加一第一電壓；對該電場元件施加一第二電壓，該第二電壓具有與該第一電壓相同的極性，且該第二電壓大於該第一電壓；研磨該工件的該顯露表面；從該研磨平台移除該工件；在從該研磨平台移除該工件之後，從該研磨墊排出該研磨漿料；在排出該研磨漿料之後，對該電場元件施加一第三電壓，其中施加該第三電壓的時間小於施加該第一電壓的時間；以及在對該電場元件施加該第三電壓之後，清洗該研磨墊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之化學機械研磨方法，更包括： 在從該研磨平台移除該工件之前，在該研磨墊與該工件的該顯露表面之間引入該研磨漿料；在引入該研磨漿料之後，對該電場元件施加該第二電壓，該第二電壓與該第三電壓的極性相反；以及在施加該第二電壓之後、以及在從該研磨平台移除該工件之前，研磨該工件的該顯露表面。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之化學機械研磨方法，其中施加該第二電壓將該等帶電顆粒靜電吸引至該研磨墊。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之化學機械研磨方法，其中施加該第三電壓將該等帶電顆粒靜電排斥遠離該研磨墊。
  10. 一種化學機械研磨方法，包括：在一工件上方設置一研磨平台，該研磨平台包括一研磨墊以及一電場元件，該電場元件鄰接於該研磨墊；在該研磨墊與該工件之間引入一漿料；對該電場元件施加一第一電壓；對該電場元件施加一第二電壓，該第二電壓具有與該第一電壓相同的極性，且該第二電壓大於該第一電壓；研磨該工件；從該研磨墊移除該漿料；對該電場元件施加一第三電壓，其中在施加該第三電壓之前，維持該電場元件的電壓值為0，且施加該第三電壓的時間大致上等於維持該電場元件的電壓值為0的時間；以及在施加該第三電壓期間進行該研磨墊的一第一清洗。
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