CN102246279B - 控制研磨速率的载具头膜粗糙度 - Google Patents

控制研磨速率的载具头膜粗糙度 Download PDF

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Abstract

一种设备，包含可挠性膜，用于与基材化学机械研磨设备的载具头一起使用，该膜包含外表面，其提供基材接收表面，其中该外表面具有中心部分及环绕该中心部分的边缘部分，其中该中心部分具有第一表面粗糙度而该边缘部分具有第二表面粗糙度，该第一表面粗糙度大于该第二表面粗糙度。

Description

控制研磨速率的载具头膜粗糙度
技术领域
本发明关于化学机械研磨，更详细言是关于用于化学机械研磨的载具头的挠性膜。
背景技术
集成电路一般通过相继沉积导体、半导体或绝缘层而形成于基材上，特别是于硅晶圆上。在各层沉积后，其经受蚀刻以生成电路特征结构。当一系列的层相继沉积并蚀刻时，基材外层或最上层的表面(即基材的曝露表面)逐渐变得非平面。此非平面的表面在集成电路制造过程的光微影(photolithographic)步骤中存在问题。因此，需要周期性地平坦化基材表面。此外，在研磨回(polish back)填充层时(例如以金属填充介电层中的沟槽时)亦需要平坦化。
化学机械研磨(CMP)是一种被接受的平坦化方法。此平坦化方法一般需要将基材架设在载具或研磨头上。基材的曝露表面放置于抵靠研磨垫处，该研磨垫诸如圆形垫或线性带，其可相对于基材移动。载具头在基材上提供可控制的负载以将其推至抵靠研磨垫处。某些载具头包含提供基材架设表面的挠性膜以及保持环(retaining ring)以固持基材于架设表面下方。将挠性膜后的腔室加压或排空可控制基材上的负载。诸如带有磨蚀颗粒的浆料的研磨液被供给至研磨垫的表面。
CMP中复发的问题是非一致性的研磨，即遍及基材表面的研磨速率的变化。举例而言，研磨可彻底地在某些区域移除导体材料，而在其它区域留下导体材料残余物。
发明内容
在一方面中描述与基材化学机械研磨设备的载具头一起使用的膜。该膜具有提供基材接收表面的外表面。该外表面具有中心部分以及环绕中心部分的边缘部分。该中心部分具有第一表面粗糙度而该边缘部分具有第二表面粗糙度，该第一表面粗糙度大于该第二表面粗糙度。
该膜的实施例可包含一个或多个下述特征结构。膜的外表面的边缘部分进一步包含从外表面向上延伸的周边部分。第二表面粗糙度小于约5微英寸。第一表面粗糙度大于约15微英寸。边缘部分的宽度小于中心部分的宽度的约25％。该膜进一步包含以下特征结构：在中心部分之上具有第一平均间距以及在边缘部分之上具有第二平均间距。在中心部分中的特征结构大致上是球状凸出，而边缘部分中的特征结构的尺寸可忽略。该膜包含至少一种构成以下群组的材料：氯丁二烯、硅以及乙烯丙烯二烯M等级橡胶(ethylene propylene diene M-class rubber)，而该膜的结构特征由与膜相同的材料所构成。边缘部分以及中心部分由该相同材料构成。
这里描述的膜可与带有保持环的载具头一起使用。该膜包含形成加压腔室边界的内表面。该保持环环绕该挠性膜。
提供一种使用膜的方法。该方法包含以载具头施加负载至基材。施加负载时，在基材和研磨垫之间生成相对运动。相对运动造成研磨基材且第二表面粗糙度造成基材边缘以一定速率研磨，该速率大于用具有膜的载具头研磨基材的速率，该膜具有遍及整个外表面的第一粗糙度。基材从膜释放。挠性膜的中心部分使基材能够从膜释放。
附图说明
图1是载具头的概要剖面视图。
图2是用于载具头的挠性膜的说明图。
图3是用于载具头的挠性膜的部分的概要剖面视图。
图4是遍及基材的晶粒地图。
图5是挠性膜的外表面的概要底视图。
在各图中类似的组件符号是指类似的组件。
具体实施方式
CMP中复发的问题是在基材的边缘部分研磨不足。诸如于研磨时施加额外的负载至基材边缘之类的各种解决方法可均等化遍及基材的研磨速率，而该解决方法经常需要再设计用于研磨的非消耗部分，即载具头。研磨期间用于支撑(back)基材并具有减少的粗糙度的区域的膜可控制基材区域(以其它方式将被过度研磨)中的研磨速率。带有基材支撑表面的膜可提供遍及基材一致的研磨而不需修改载具头本身，而其支撑表面具有环绕粗糙区域的平滑区域。
参考图1，一个或多个基材10可通过包含载具头100的化学机械研磨(CMP)设备研磨。类似的CMP设备的描述可于美国专利号5,738,574中找到，其全文在此并入作为参考。
参考图1，示范性载具头100包含外壳102、基座104、平衡机构106、负载腔室200、保持环110、以及带有基材接收表面的挠性膜118，该表面具有不同表面粗糙度的区域。可与此类膜一并使用的载具头的描述可于美国专利申请案公开号2008-0119118、美国专利号6,857,945、美国专利号6,422,927、美国专利号6,277,014、美国专利号6,183,354或美国专利号6,146,259中找到，其全文在此并入作为参考。带有不同部件其它类型的载具头可交替地使用，而载具头100仅描述作为一种类型的载具头的范例。
挠性膜118在基座104之下延伸以为基材提供架设表面274。加压位于基座104之下的腔室276迫使挠性膜118向下以挤压基材使之抵靠研磨垫。挠性膜118进一步于图2说明。挠性膜118通常是圆形薄片，其由挠性及弹性材料所形成，该类材料诸如氯丁二烯、乙烯丙烯共聚物、硅以及乙烯丙烯二烯M等级橡胶或硅胶等聚合物。挠性膜118的周围部分固定至基座，例如在保持环110及基座104之间钳紧。珠状物254环绕边界形成，例如，在挠性膜118的周围部分的外边缘。在某些实施例中，一个或多个圆柱状舌片从膜的主要部分208向上延伸，而珠状物254位于圆柱状舌片252的末端。
图3示出部分挠性膜118的直径上的剖面。回头参考图1，挠性膜118的底表面或架设表面274在研磨期间与基材10接触。在挠性膜118及基座104之间的密封空间界定加压腔室276。泵(未图示)可流体性地连接至腔室276以控制腔室中的压力以及基材上挠性膜向下的力。在操作中，抽吸流体进入腔室276以控制由抵靠基材中心部分的挠性膜118所施加的向下压力。当加压腔室276时，挠性膜118也可在侧向上向外扩张。
如前所提，CMP中复发的问题是基材边缘处的研磨不足。此研磨不足的结果示出于图4。图中每一方格代表晶圆基材上的晶粒(die)。在基材的中心区域完成研磨后，基材边缘部分上带有“X”的边缘晶粒343代表带有导体材料残余物的部分，诸如铜残余物。倘若基材研磨得够久以从边缘晶粒343移除所有残余物，在中心晶粒360处会发生过度研磨。过度研磨会导致晶粒呈碟状或者导致在需要有导体特征结构处导体材料不够充足。研磨完成意味着标靶层(例如铜)已经从某些区域移除，诸如非导体区域以及晶粒上特征结构之间。
研磨速率可受挠性膜118的外表面的表面粗糙度影响。在某些实施例中，小于5微英寸的表面粗糙度具有高于更高表面粗糙度值的膜的研磨速率。带有多样表面粗糙度区块的膜可用以解决晶圆上不同区块的研磨需求。
参考图5，为了解决诸如在基材边缘部分的研磨不足，挠性膜118的外表面具有中心部分422以及环绕中心部分422且带有不同表面粗糙度值的边缘部分424。在某些实施例中，挠性膜118的外表面的中心部分具有超过挠性膜118的外表面的边缘部分的表面粗糙度。在某些实施例中，中心部分的表面粗糙度大于约15微英寸，例如大于20微英寸。在某些实施例中，边缘部分的表面粗糙度小于约10微英寸，例如小于约5微英寸，例如小于约3微英寸。边缘部分424的表面粗糙度小于中心部分的表面粗糙度，而在某些实施例中，中心部分的表面粗糙度足以防止膜免于黏着至基材的背侧。期望防止膜黏着于基材的精确的表面粗糙度可视膜材料而定。亦然，倘若膜与能够在研磨期间提供不同负载给基材不同部分的载具头结合使用，中心部分422以及边缘部分424在粗糙度上的差异不需如此巨大。举例而言，中心部分422可具有大于10微英寸的表面粗糙度，而边缘部分可具有小于10微英寸的表面粗糙度。可替换地，中心部分422可具有大于5微英寸的表面粗糙度而边缘部分可具有小于5微英寸的表面粗糙度。中心部分422可具有大于15微英寸的表面粗糙度而边缘部分可具有小于15微英寸的表面粗糙度。
带有减少的表面粗糙度的挠性膜118外表面的边缘部分可具有一定宽度，其小于约25％的挠性膜118外表面的中心部分的宽度，例如小于20％、小于15％、小于10％、或小于5％的中心部分的宽度。中心部分的宽度比率对边缘部分的宽度比率可视在边缘处需要增加研磨的基材区域而定。在某些实施例中，至少50％的膜表面具有大于15微英寸的粗糙度以减少膜和基材之间的表面张力以释开(dechuck)，如下所述。在某些实施例中，中心部分422及边缘部分424由相同材料所构成。亦即，没有异于膜的不同材料涂层形成膜上平滑或粗糙的区域。在某些实施例中，挠性膜118具有遍及该膜的表面粗糙度轮廓，以致，相对于从膜中心点的距离，表面粗糙度轮廓的梯度为负值。在某些实施例中，中心部分具有圆形形状而边缘部分具有环状形状。
表面粗糙度轮廓可通过模具产生，该模具经设计以在挠性膜118外表面上形成的多样尺寸及密度的特征结构。以此法，该特征结构可由与挠性膜118的特征结构相同的材料所形成。该模具可由诸如不锈钢的坚硬的材料所形成。一部分的模具可受研磨以形成平滑区域或者膜的区域，而一部分的模具可经例如砂磨的方式处理以形成膜较粗糙的区域。在某些实施例中，可打造模具以致由该模具所形成的挠性膜具有特征结构，该特征结构具有挠性膜外表面的中心部分的第一平均间距以及挠性膜外表面的边缘部分的第二平均间距。在某些实施例中，中心部分422中的该特征结构可采用球状凸起、金字塔型凸起、或线性凸起的形式，而边缘部分424中的特征结构的尺寸可忽略或边缘部分424缺乏凸起。
使用具有平滑边缘区域及较粗糙中心区域的挠性膜的载具头研磨基材包含：通过在部分由膜界定的可加压腔室内增加压力，以载具头施加负载至基材。如上所述，可通过将流体导入可加压腔室以造成压力的增加。
施加负载时，载具头随后在基材和研磨垫之间生成相对运动。当相对运动造成研磨基材时，挠性膜外表面的中心及边缘部分之间的粗糙度差异造成相对应的基材区域的研磨速率的差异。膜边缘处较大表面粗糙度造成基材边缘以一定速率研磨，该速率高于使用具有遍及整个外表面的一致粗糙度、以载具头研磨基材的速率。在趋于在一致的表面粗糙度轮廓下造成基材的边缘区域研磨不足的研磨过程中，此类多重区间的粗糙及平滑膜可导致遍及基材的一致研磨。
完成研磨基材后，载具头理想上会不破坏基材地释放基材。一般而言，释放基材可通过加压支撑基材的可加压腔室直到至少一部分基材从挠性膜分离来达成。挠性膜外表面的中心部分中增加的表面粗糙度导致较不黏着的表面。该较不黏着的表面能使基材从挠性膜分离并且容易释开。
上述的设备及方法通过许多实施例所描述。然而，该设备及方法不被限制在所描绘与描述的实施例。据此，其它实施例在权利要求的范畴内。

Claims (13)

1.一种用于化学机械研磨的设备，包含：
挠性膜，用于与基材化学机械研磨设备的载具头一起使用，所述膜包含：
外表面，其提供基材接收表面，其中所述外表面具有中心部分及环绕所述中心部分的边缘部分，其中所述中心部分具有第一表面粗糙度而所述边缘部分具有第二表面粗糙度，所述第一表面粗糙度大于所述第二表面粗糙度；以及，其中所述第二表面粗糙度小于5微英寸，并且所述第一表面粗糙度大于15微英寸。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述膜的所述外表面的所述边缘部分进一步包含周边部分，所述周边部分从所述外表面向上延伸。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述膜进一步包含数个特征结构，所述特征结构具有在所述中心部分之上的第一平均间距以及在所述边缘部分之上的第二平均间距。
4.根据权利要求3所述的设备，其中在所述中心部分中的所述特征结构是球状凸起，而在所述边缘部分中的所述特征结构的尺寸可忽略。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述膜包含至少一种材料，所述材料来自于以下物质所构成的群组：氯丁二烯、硅以及乙烯丙烯二烯M等级橡胶，且所述膜的所述特征结构由与所述膜相同的材料所构成。
6.一种用于化学机械研磨的设备，包含：
载具头，其包含：
保持环；以及
挠性膜，其装配以挤压基材抵靠研磨垫，所述膜包含内表面与外表面，所述内表面形成可加压腔室的边界，所述外表面提供基材接收表面；
其中，所述保持环环绕所述挠性膜且所述外表面包含中心部分及环绕所述中心部分的边缘部分，其中所述中心部分具有第一表面粗糙度而所述边缘部分具有第二表面粗糙度，所述第一表面粗糙度大于所述第二表面粗糙度；以及，其中所述第二表面粗糙度小于5微英寸，其中所述第一表面粗糙度大于15微英寸。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述膜进一步包含数个特征结构，所述特征结构具有在所述中心部分之上的第一平均间距以及在所述边缘部分之上的第二平均间距。
8.根据权利要求7所述的设备，其中在所述中心部分中的所述特征结构是球状凸起，而在所述边缘部分实质上不含有球状凸起。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述膜包含至少一种材料，所述材料来自于以下物质所构成的群组：氯丁二烯、硅以及乙烯丙烯二烯M等级橡胶，且所述膜的所述特征结构由与所述膜相同的材料所构成。
10.一种用于化学机械研磨的方法，包含以下步骤：
以载具头施加负载至基材，所述载具头包含：
保持环；以及
挠性膜，装配以挤压所述基材抵靠研磨垫，所述膜包含内表面与外表面，所述内表面形成可加压腔室的边界，所述外表面提供基材接收表面；
其中，所述保持环环绕所述挠性膜且所述外表面包含中心部分及环绕所述中心部分的边缘部分，其中所述中心部分具有第一表面粗糙度而所述边缘部分具有第二表面粗糙度，所述第一表面粗糙度大于所述第二表面粗糙度；
施加所述负载时，在所述基材和所述研磨垫之间生成相对运动，其中所述相对运动造成研磨所述基材并且所述第二表面粗糙度造成所述基材的边缘以一定速率被研磨，所述速率大于用具有膜的载具头研磨所述基材的速率，其中所述膜具有遍及整个外表面的所述第一表面粗糙度；以及
将所述基材从所述膜释放，其中所述挠性膜的所述中心部分能够将所述基材从所述膜释放。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述膜包含：
至少一种材料，所述材料来自于以下物质所构成的群组：氯丁二烯、硅以及乙烯丙烯二烯M等级橡胶；以及
数个特征结构，所述特征结构具有在所述中心部分之上的第一平均间距以及在所述边缘部分之上的第二平均间距；
其中所述膜的所述特征结构由与所述膜相同的材料所构成。
12.根据权利要求10所述的方法，其中研磨包含以下步骤：在所述可加压腔室内增加抵靠所述膜的所述内表面的压力。
13.根据权利要求10所述的方法，其中释放包含以下步骤：在所述可加压腔室内减少抵靠所述膜的所述内表面的压力直到至少一部分的所述膜从所述基材分离。
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