CN106425833B - 研磨头、cmp研磨装置以及导体集成电路的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供研磨头、CMP研磨装置以及导体集成电路的制造方法。提高了研磨均匀性。研磨头具备：研磨盘上的晶片；气囊，其与晶片的背面抵接，将晶片的正面按压于研磨盘；以及顶环，其包围气囊和所述晶片，其中，使与晶片的外周部抵接的气囊的膜厚比与晶片的中心部抵接的气囊的膜厚大。

Description

研磨头、CMP研磨装置以及导体集成电路的制造方法
技术领域
本发明涉及用于使晶片表面内均匀地平坦化的CMP研磨装置的研磨头的构造、具有该研磨头的CMP研磨装置以及使用CMP研磨装置的半导体集成电路的制造方法。
背景技术
近年来，伴随半导体集成电路(以下称作LSI)的高集成化、高性能化，开发出了新的微细加工技术。化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing的略写，以下称作CMP)法也是其中之一，是一种在LSI制造工序、尤其是多层布线形成工序中的层间绝缘膜的平坦化、金属插头形成、埋入布线形成中频繁使用的技术。CMP研磨装置的基本构造具有粘贴有研磨盘的旋转平板、晶片保持头、悬浊液供给喷嘴，还具备盘的再生装置(调节器)。研磨盘侧未必是旋转平板，对于头还存在多个外壳，相反，还有时对于一个盘具有多个头。此外，作为控制CMP研磨装置的参数，除了研磨方式以外，还具有研磨载荷、平板的旋转速度、头的旋转速度、悬浊液的选择/供给方法、调节器的条件/频率等，已知如图13那样在固定晶片的头部对气囊(air bag)进行加压的方式(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-268566号公报
但是，在利用使用了专利文献1所示的气囊的加压来对晶片进行固定的头构造中，具有以下所示的不良情况。即，被加压后的气囊的压力在气囊的外周部局部地变为高压，与该部分相接的晶片区域与其他区域相比被较强按压于研磨盘，与其他晶片区域相比，被研磨绝缘材料被较多地磨削掉。由于晶片的一部分区域的被研磨绝缘材料被过多地磨削掉，晶片表面内的研磨均匀性发生了偏差，其结果是，产生晶片表面内的绝缘材料的膜厚偏差。产生了膜厚偏差的晶片区域在电气特性中产生偏差，有时会发生电气特性上的异常。
图14表示膜厚偏差的示意图。如图14所示，在现有技术中，为了对晶片1进行按压而导入压缩空气，会在气囊的外周部局部地施加空气的高压力6，从而施加了高于中心部的压力。在被高压力部从上方按压的晶片1中，高加压区域X即压力较强的区域的绝缘膜的研磨速率增大，相比被从上方按压的压力较小的中心部被更多地磨削掉，在高加压区域X中，绝缘膜材料的平坦化后的晶片1的面内均匀性劣化。
发明内容
本发明是鉴于上述不良情况而完成的，其课题在于提供提高了研磨均匀性的CMP研磨装置。
为了解决上述课题，本发明采用以下手段。即，CMP研磨装置的头的气囊具有以下特征。
1.使与晶片的外周部抵接的袋体的厚度比与晶片的中心部抵接的袋体的厚度大。
2.对气囊进行分割。
3.使气囊为管状。
通过单独或者组合使用上述的手段，制造出具有能够均匀地进行加压并均匀地按压晶片整个表面的研磨头的CMP研磨装置。
发明效果
通过使用上述手段，能够提供一种半导体集成电路的制造方法，能够使按压晶片的气囊被均匀地加压，从而均匀地按压晶片整个表面，减小了晶片的绝缘材料在晶片表面内的膜厚偏差。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施例的CMP研磨装置的研磨头的示意性剖视图。
图2是示出本发明的第2实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图3是示出本发明的第3实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图4是示出本发明的第4实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图5是示出本发明的第5实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图6是示出本发明的第6实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图7是示出本发明的第7实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图8是示出本发明的第8实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图9是示出本发明的第9实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图10是示出本发明的第10实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图11是示出本发明的第11实施例的CMP研磨装置的研磨头的气囊的示意性俯视图和剖视图。
图12是示出本发明的第12实施例的CMP研磨装置的研磨头的示意性剖视图。
图13是以往的CMP研磨装置的研磨头的示意性俯视图和示意性剖视图。
图14是示出利用以往的CMP研磨装置进行研磨后的晶片表面内的残余膜的偏差的示意图。
图15是示出通过本发明实施例制造的半导体集成电路的俯视图。
标号说明
1：晶片；2：顶环；3：固定环；4：气囊；5：研磨盘；6、X：局部的高加压部位；7：由局部的高加压部位导致的晶片的品质异常区域；8：半导体集成电路；101：气囊；201：内气囊；202：外气囊；301：内气囊；302：外气囊；401：小型气囊；501：管状气囊螺旋模具；601：内气囊；602：外气囊；701：内气囊；702：外气囊；801：小型气囊；802：较厚的小型气囊；901：内气囊；902：管状气囊螺旋模具；1001：内管状气囊螺旋模具；1002：外管状气囊螺旋模具；1101：小型管状气囊螺旋模具；1201：冲击吸收(凝胶状)片。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式的各个实施例进行说明。
图1是示出本发明的第1实施例的示意性剖视图，表示特别地示意性示出了研磨头部分的截面构造的CMP研磨装置。如上所述，在图14所示的现有技术中，当为了对晶片1进行按压而导入压缩空气时，由于气囊的形状等的影响而导致对外周部局部地施加高压力6，从而施加了高于中心部的压力。在被高压力部从上方按压的晶片1中，压力较强的高加压区域X的绝缘膜的研磨速率增大，相比被从上方按压的压力较小的中心部被更多地磨削掉。其结果是，绝缘膜材料的平坦化后的晶片1表面面内的均匀性发生劣化。
图1的CMP研磨装置为以下构造：在晶片1的背面上配置气囊101，晶片1以使正面朝下的方式载置在研磨盘5上，压缩空气被送入到气囊101，由此，从上方按压晶片1，以将晶片1的正面按压于研磨盘5的方式进行固定。以从侧面包围晶片1和气囊101的方式配置有固定环(retainer ring)3，以包围晶片1、气囊101和固定环3的方式配置有顶环(top ring)2。在晶片1的下方配置有研磨盘5，包含晶片1的顶环2一边在研磨盘5上旋转，一边对晶片1的正面的绝缘材料进行研磨而使其平坦化。
这里，构成为使构成气囊101的袋体的膜厚越从中心部朝向外侧越厚。这时，具有厚度的范围可以如下地进行设计：根据CMP研磨装置的结构和晶片1的形状来确认晶片表面内的各个点的研磨速率，使从研磨速率变快的区域朝向气囊101的外侧具有最佳的厚度。这时，可以使用以利用现有技术获得的高压力进行按压而研磨速率变高的区域宽度的实际测量值。与以往的厚度时相比，具有厚度的部位的对晶片1的压力被分散。
在以往的厚度时，存在对气囊的外周部局部地施加高压力，研磨速率增大而绝缘材料被过多磨削掉的问题，然而，通过使气囊101的厚度随着朝向外侧而成为最佳厚度，从而具有以下优点：仅对气囊101的外侧局部地施加的高压力被分散，按压晶片1的气囊101的压力在中心部与外周部变得均等，其结果是，在晶片1的整个表面均匀且高品质地形成绝缘膜材料。
如以上所说明那样，本发明的第1实施例具有以下特征：使气囊101的厚度朝向外侧而成为最佳厚度，由此能够使空气压力均匀地分散，从而均匀地按压晶片1。
接着，图2是示出本发明的第2实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。首先，如图14所示，在现有技术中，能够掌握被局部施加空气的高压力的区域的绝缘膜材料的研磨速率增大而平坦化的均匀性发生劣化的区域。进一步地，作为气囊的压力朝向外侧升高的主要原因，可以举出气囊由1个部件构成这一方面、以及由于头进行旋转而离心力发挥作用这一方面等。
因此，在图2的实施例中，将气囊分为2个袋体。即，圆形的内气囊201和以包围内气囊的方式配置的圆环形状的外气囊202。如上所述，在现有技术中，判断出由于外侧的空气高压力区域而研磨速率增大的区域，因此，将外气囊的宽度设定为覆盖该区域的宽度的程度即可。内气囊201和外气囊202能够各自进行压力控制。如以上所说明那样，第2实施例具有以下特征：利用能够各自进行压力控制的2个袋体来构成气囊，能够使施加到晶片1的中心部的来自气囊的按压的压力、和施加到外周部的来自气囊的按压的压力均匀地分散，从而均匀地按压晶片。
接着，图3是示出本发明的第3实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。虽然与第2实施例同样，在内气囊301的周围配置外气囊302，但是，使外气囊302的形状为小圆形。通过使外气囊302的形状为小圆形，具有以下优点：能够比第2实施例的圆环形状更均匀地施加空气压力，其结果是，能够均匀地按压晶片1。如以上所说明那样，第3实施例具有以下特征：以2种圆形构成气囊，相比第2实施例，能够使施加到晶片1的中心部的来自气囊的按压的压力和施加到外周部的来自气囊的按压的压力更均匀地分散，从而均匀地按压晶片。这里，内侧的大的圆形气囊和外侧的小的气囊能够各自进行压力控制。
接着，图4是示出本发明的第4实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。与第3实施例中说明的在内气囊301的周围配置外气囊302相比，构成为由下述的小型气囊401构成，该小型气囊401是使由1个气袋构成的内气囊301为与所有外气囊302相同的大小进行配置而成的。与第3实施例相比，由于全部由小型气囊401构成，因此，与大的气囊相比，具有均匀地施加空气压力的优点。这里，各个气囊能够各自进行压力控制。
如以上所说明那样，第4实施例具有以下特征：通过全部由小型气囊401来构成气囊，与大的气囊相比，能够更均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图5是示出本发明的第5实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。如在现有技术的图13或者第1实施例中所说明那样，当由1个大的气囊构成时，存在空气压力被局部分散而按压晶片的压力变得不均匀的不良情况。因此，如图5那样，管状气囊螺旋模具501使气囊的形状为管状，并配置成螺旋状。螺旋的朝向可以是左也可以是右，选择最佳的一方即可。通过使气囊呈管状地变小，具有均匀地施加空气压力的优点。如以上所说明那样，第5实施例具有以下特征：通过由管状气囊螺旋模具501构成气囊，相比现有技术的图13或者实施例1，能够均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。此外，在本实施例中，通过使与晶片外周部抵接的管状气囊的粗细比与晶片中心部抵接的管状气囊的粗细细，能够使按压晶片的压力更均匀。
接着，图6是示出本发明的第6实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例1与实施例2双方的特征，内气囊601构成为圆形，以包围内气囊601的方式配置有圆环形状的外气囊602。使构成外气囊602的材料较厚。由于CMP研磨装置的头进行旋转而产生圆周力，配置于外侧的气囊受到来自中心部的气囊的压力。通过使气囊的材料比中心部的材料厚，具有以下优点：能够均匀地施加空气压力，从而均匀地按压晶片1。如以上所说明那样，第6实施例具有以下特征：通过由材料较厚的外气囊602构成，相比实施例2，能够均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图7是示出本发明的第7实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例1与实施例3双方的特征，以包围圆形的内气囊701的方式配置有小的圆形的外气囊702。使外气囊702的构成材料较厚。由于CMP研磨装置的头进行旋转而产生的圆周力，配置于外侧的气囊受到来自中心部的气囊的压力。通过使气囊的材料比中心部的材料厚，具有以下优点：能够均匀地施加空气压力，从而均匀地按压晶片1。如以上所说明那样，第7实施例具有以下特征：通过由材料较厚的外气囊702构成，相比实施例3，能够均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图8是示出本发明的第8实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例1与实施例4双方的特征，配置有小型气囊801。使配置于最外周的较厚的小型气囊802的构成材料较厚。由于CMP研磨装置的头进行旋转而产生的圆周力，配置于外侧的气囊受到来自中心部的气囊的压力。通过使气囊的材料比中心部的材料厚，具有以下优点：能够均匀地施加空气压力，从而均匀地按压晶片1。如以上所说明那样，第8实施例具有以下特征：通过由材料较厚的外气囊802构成，相比实施例4，能够均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图9是示出本发明的第9实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例2与实施例5双方的特征，以包围圆形的内气囊901的方式配置有管状气囊螺旋模具902。管状气囊螺旋模具902的螺旋可以是右旋也可以是左旋，选择最佳的一方即可。如在表示现有技术的图13中所说明那样，如果是由一个气囊构成，则气囊的外周部的空气压力高于气囊的中心部的空气压力，以高压力按压晶片1，由此存在外周部的研磨速率增大，绝缘膜过多地被磨削掉而平坦化的均匀性发生劣化的问题，但是，利用管状气囊螺旋模具902来形成通过现有技术获得的外周部的研磨速率增大的区域，构成2个气囊，由此具有以下的优点：使中心部的压力和外周部的压力变得均匀，按压晶片1的压力在晶片1的整个表面变得均匀。如以上所说明那样，第9实施例具有以下特征：构成为以包围圆形的内气囊901的方式配置有管状气囊螺旋模具902，由此，相比实施例2，能够均匀地施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图10是示出本发明的第10实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例3与实施例5双方的特征，以包围圆形且管状的内管状气囊螺旋模具1001的方式形成有小型的外管状气囊螺旋模具1002。内管状气囊螺旋模具1001和外管状气囊螺旋模具1002的螺旋可以是右旋也可以是左旋，选择最佳的一方即可。如在表示现有技术的图13中所说明那样，如果是由一个气囊构成，则气囊的外周部的空气压力高于气囊的中心部的空气压力，以高压力按压晶片1，由此存在外周部的研磨速率增大，绝缘膜过多地被磨削掉而平坦化的均匀性发生劣化的问题，但是，利用内管状气囊螺旋模具1001和外管状气囊螺旋模具1002的管状的螺旋模具气囊来形成根据现有技术的实际测量值获得的外周部的研磨速率增大的区域，由此，具有比实施例5提高了中心部和外周部的空气压力的均匀性的优点。如以上所说明那样，第10实施例具有以下特征：构成为以包围圆形且管状的内管状气囊螺旋模具1001的方式形成小型的外管状气囊螺旋模具1002，由此，能够比实施例3更均匀地对中心部和外周部施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图11是示出本发明的第11实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的气囊。具有实施例4与实施例5双方的特征，利用小型管状气囊螺旋模具1101形成。螺旋可以是右旋也可以是左旋，选择最佳的一方即可。如在实施例4中所说明那样，如果是由一个气囊构成，则气囊的外周部的空气压力高于气囊的中心部的空气压力，以高压力按压晶片1，由此，存在外周部的研磨速率增大，绝缘膜过多地被磨削掉而平坦化的均匀性发生劣化的问题，但是，利用小型管状气囊螺旋模具1101来形成根据现有技术的实际测量值获得的外周部的研磨速率增大的区域和中心部，具有比实施例4提高了中心部和外周部的空气压力的均匀性的优点。如以上所说明那样，第11实施例具有以下特征：利用小型管状气囊螺旋模具1101来形成，由此，能够比实施例4更均匀地对中心部和外周部施加空气压力，其结果是，按压晶片1的压力能够更均匀地对晶片1的整个表面进行按压。
接着，图12是示出本发明的第12实施例的示意性剖视图，仅简单示出CMP研磨装置的头部分的构造。在实施例1的特征的基础上，在晶片1与气囊101之间具有冲击吸收(凝胶状)片1201。
夹在晶片1与气囊101之间的冲击吸收(凝胶状)片1201具有即使在产生了来自气囊101的局部压力的情况下也能够将压力缓和分散并将按压的压力均匀地传递到晶片1的优点。如以上所说明那样，第12实施例具有以下特征：夹在晶片1与气囊101之间的冲击吸收(凝胶)片1201将来自气囊的压力缓和分散，由此能够传递均匀地按压晶片1的压力。
此外，虽然省略图示，但是在第2～11实施例中也可以在晶片1上设置冲击吸收(凝胶状)片1201，从而期待获得与实施例12同样的效果。此外，本实施例以气囊进行了叙述说明，但是也可以将气囊置换为耐水耐压性的装置，从而能够充分期待从基于空气的压力施加方式向基于液体的压力施加方式的灵活应用。
图15是示出通过上述所示的实施例来制造的半导体集成电路8的俯视图。在晶片1的正面上以对周围稍微保留间隙的方式二维地配置有多个半导体集成电路8。在半导体集成电路8的制造工序中，CMP研磨装置对半导体集成电路8的正面进行化学机械研磨而使其平坦化，接着将形成的金属膜或者绝缘膜配置在平坦的面上。根据半导体集成电路8的构造，在CMP研磨装置的制造工序中，有时被使用多次，当然要求晶片整个表面的平坦度良好。

Claims (10)

1.一种研磨头，其为CMP研磨装置的研磨头，其特征在于，
该研磨头具有：
研磨盘；
第1气囊和第2气囊，该第1气囊和该第2气囊与载置于所述研磨盘的表面的晶片的背面抵接，将所述晶片的正面按压于所述研磨盘；以及
顶环，其包围所述第1气囊和所述第2气囊和所述晶片，
与所述晶片的中心部抵接的所述第1气囊和与所述晶片的外周部抵接的所述第2气囊是不同的袋体，所述第2气囊的第2膜厚比所述第1气囊的第1膜厚大。
2.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是圆形的气囊，所述第2气囊是设置于所述圆形的气囊的周围的圆环形状的气囊。
3.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是圆形的气囊，所述第2气囊设置于所述第1气囊的周围，并且是比所述圆形的气囊小的多个圆形的气囊的集合体。
4.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是多个圆形的气囊的集合体，所述第2气囊是设置于所述第1气囊的周围的多个圆形的气囊的集合体。
5.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是圆形的气囊，所述第2气囊是设置于所述圆形的气囊的周围的螺旋管形状的气囊。
6.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是第1螺旋管形状的气囊，所述第2气囊设置于所述第1螺旋管形状的气囊的周围，并且是比所述第1螺旋管形状的气囊小的多个第2螺旋管形状的气囊的集合体。
7.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，
在俯视时，所述第1气囊是多个螺旋管形状的气囊的集合体，所述第2气囊是设置于所述第1气囊的周围的多个螺旋管形状的气囊的集合体。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的研磨头，其特征在于，
在所述晶片与所述第1气囊以及所述第2气囊之间设置有冲击吸收片。
9.一种CMP研磨装置，其中，
该CMP研磨装置具有权利要求1～8中的任意一项所述的研磨头。
10.一种半导体集成电路的制造方法，其中，
该半导体集成电路的制造方法具有利用权利要求9所述的CMP研磨装置将晶片正面平坦化的工序。
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