CN1080620C

CN1080620C - 化学机械研磨机台

Info

Publication number: CN1080620C
Application number: CN98118900A
Authority: CN
Inventors: 刘尹智; 李森楠
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2002-03-13
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: CN1247118A

Abstract

一种化学机械研磨机台，包括多个研磨台，呈同心圆环状配置，彼此以一间距相邻，设于旋转座上，并以同一方向旋转；在各研磨台上，装有形状相符的研磨垫；以及一分送管，置于研磨垫上方，分送管未与研磨垫相接触，分送管包括分送管柄与分送管面，分送管面上有多个孔洞，用以输送研浆至研磨垫上，各研磨台具有相同的切线速度，以提高晶片表面的研磨均匀度，各研磨垫材料之间可略有差异，包括材料密度、粗糙程度与化学成份方面。

Description

化学机械研磨机台

本发明涉及一种化学机械研磨(chemical-mechanical polishing-CMP)机台，特别是涉及一种具有提高晶片表面研磨均匀度(uniformity)的化学机械研磨机台。

当半导体元件的集成度(integration)愈来愈高后，为了配合金属氧化物半导体晶体管(MOS)缩小后所增加的内连线需求，两层以上的金属层设计，便逐渐地成为许多集成电路所必须采用的方式。而金属内连线结构中，通常都具有层间介电层(inter-layer dielectrics-ILD)或金属层间的介电层(inter-metaldielectrics-IMD)等，用作金属线间的绝缘。所以，当元件的设计原则(designrules)趋于高密度化时，对这些层间介电层(ILD)或层间金属层间介电层(IMD)的质量要求如平坦化要求也会随之提高。

然而，为了使多重金属内连线的制作较容易进行，且经转移的道线图案较为精确，因此如何使晶片(wafer)高低起伏的表面加以平坦化是非常重要的。此外，晶片平坦化是影响对准系统准确度的主要因素，假若晶片平坦化做不好，那么不仅对准系统无法准确地使光掩模(mask)对准晶片，而且会增加制造中的错误机会。

在半导体的制造技术中，表面平坦化是处理高密度光刻的一项重要技术，因没有高低落差的平坦表面才能避免曝光散射，而达到精密的图案转移(pattern transfer)。平坦化技术主要有旋涂式玻璃法(spin-on glass-SOG)与化学机械研磨法(以下简称CMP)等两种；但在半导体制作工艺技术进入毫微米(sub-half-micron)之后，旋涂式玻璃法已无法满足所需求的平坦度，所以CMP是现在唯一能提供超大规模集成电路(very-large scale integration-VLSI)和极大规模集成电路(ultra-large scale integration-ULSI)的制作工艺，“全面平坦化(global planarization)”的一种技术。

CMP主要就是利用类似“磨刀”这种机械式研磨的原理，配合适当的化学试剂(reagent)，来把晶片表面高低起伏不一的轮廓，一同时加以“磨平”的一种平坦化技术。在CMP的制作工艺上，我们通常以研浆或研磨液来称呼所使用的化学试剂。CMP所使用的研浆，主要是由呈胶体状(colloidal)的硅土(silica)，或呈分散状(dispersed)的铝土(alumina)，和碱性的氢氧化钾(KOH)或氢氧化铵(NH₄OH)等溶液所混合而成的。这些硬度极高的研磨颗粒，在研浆内的大小分布，约在0.1～2.0μm之间。基本上，我们就是利用研浆内的这些研磨性极高的微粒，来进行晶片的表面研磨。此外，研浆在输送至CMP机台的研磨垫(polishing pad)上进行晶片表面研磨制作工艺前，通常会先通过一过滤装置将其过滤，以避免研浆内的杂质刮伤晶片，甚至造成制作工艺的失败。

请同时参照图1A与图1B，其分别绘出一种现有化学机械研磨机台的俯视与侧视图。其中包括：一研磨台10(polishing table)；一握柄11(holder)，用以抓住被研磨的晶片12；一研磨垫13，铺在研磨台10上；一管件14(tube)，用以输送研浆15(slurry)到研磨垫13上；一液泵16，用以将研浆15抽送到管件14中；以及一调节器17(conditioner)，用以刮平研磨垫13的表面。当进行化学机械研磨时，研磨台10与握柄11分别沿一定的方向旋转，如图中的箭号18a与18b所示，且握柄11抓住晶片12的背面19，将晶片12的正面20压在研磨垫13上。管件14将液泵16所打进来的研浆15，持续不断地供应到研磨垫13上。所以，CMP程序就是利用研浆15中的化学试剂，在晶片12的正面20上产生化学反应，使之形成一易研磨层，再配合晶片12在研磨垫13上由研浆15中的研磨粒(abrasive particles)辅助的机械研磨，将易研磨层的凸出部分研磨，重复上述化学反应与机械研磨，即可形成平坦的表面。基本上，化学机械研磨技术是利用机械抛光的原理，配合适当的化学试剂与研磨粒，将表面高低起伏不一的轮廓，同时加以“抛光”的平坦化技术。

其中，研磨台10沿着18a的方向，以一角速度进行旋转。但是，晶片12在研磨垫13上所接受的切线研磨速度，会随着距离研磨台10圆心的不同而改变。因为，切线研磨速度的大小为角速度与半径的乘积值，由研磨台10的圆心沿着一半径向外，所计算的切线研磨速度将越来越大，直至研磨台10的圆周外缘处出现最大值。因此，晶片12的正面20与研磨垫13的研磨部位不同，所承受的切线研磨速度也不同，至研磨后的平坦度有所差异。甚至晶片12本身在研磨垫13上，因与研磨台10圆心的距离不同，各部位所承受的切线研磨速度将有差异，造成晶片12在研磨后的平坦均匀度不佳，实为上述现有化学机械研磨机台的一大缺点。

本发明的目的在于提供一种化学机械研磨机台，能以相同的切线研磨速度，研磨晶片各部位，以提高晶片表面研磨的均匀度。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种化学机械研磨机台，该机台包括：多个研磨台，呈同心圆环状配置，彼此以一间距相邻，分别设于一旋转座上，并均以一方向旋转，该各研磨台具有相同的切线研磨速度；多个研磨垫，分别铺设于该各形状大小相同的研磨台上；以及一分送管，置于该各研磨垫上方，且该分送管未与该各研磨垫相接触。

该分送管包括一分送管柄与一分送管面，该分送管面上具有多个孔洞，用以输送一研浆至该各研磨垫上。

本发明装置的优点在于，其利用呈同心圆环状的多个研磨台，以一间距相邻，并以同一方向旋转，由此提供相同的切线研磨速度，使晶片表面研磨的均匀度提高。

下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：

图1A为现有一种化学机械研磨台整体结构的俯视图；

图1B为现有一种化学机械研磨台整体结构的侧视图；

图2A为本发明的一优选实施例，一种化学机械研磨机台整体结构的俯视图；

图2B为本发明的一优选实施例，一种化学机械研磨机台整体结构的剖面示意图。

请同时参照图2A与图2B，其为本发明的一优选实施例，一种化学机械研磨机台整体结构的俯视图与剖面示意图。其中包括：呈同心圆环状的多个研磨台，由内而外分别为100a、100b、100c、100d、100e与100f，彼此之间以相同间距105的距离分开，而间距105小于0.1毫米(millimeter)；一握柄110，用以抓住被研磨的晶片120；同心圆环状的多个研磨垫，铺在各形状大小相同的研磨台上，由内而外分别为130a、130b、130c、130d、130e和130f；一分送管140，用以输送研浆150到各研磨垫上，其置于各研磨垫上方，且未与各研磨垫相接触；在分送管140上具有许多的孔洞140a，可以使研浆150更有效率且均匀地输送到各研磨垫上；一液泵160，用以将研浆150抽送到分送管140中；以及一调节器170，置于各研磨垫上，用以刮平各研磨垫的表面，除去研磨完余留在各研磨垫的杂质，调节器170的材料例如为硬度较高的钻石。

当进行化学机械研磨时，研磨台100a、100b、100c、100d、100e和100f与握柄110分别沿一定的方向旋转，如图中的箭号180a与180b所示。而各研磨台的旋转角速度均不相同，但是切线研磨速度保持相同。其中，切线研磨速度的大小为角速度与半径的乘积值，也就是通过各研磨台的半径，调整各适当的角速度，以达成此一目的。

顺着各磨台的旋转方向180a，晶片120、调节器170与分送管140在各研磨台上的相对位置，例如依照分布先后顺序，即先是晶片120、再者是调节器170、然后是分送管140，以改进分送管140的输送效率，让输入的研浆150能直接被晶片120所利用，然后才经过调节器170的处理，因此研浆150不会积存在调节器170上，由此可节省研浆150的使用量。

上述握柄110抓住晶片120的背面190，将晶片120的正面200压在研磨垫130c、130d与130e上。分送管140将液泵160所打进来的研浆150，持续不断地供应到各研磨垫上。所以，CMP就是利用研浆150中的化学试剂，在晶片120的正面200上产生化学反应，使之形成一易研磨层，再配合晶片120在相接触的各研磨垫上，通过研浆150中研磨粒(abrasive particles)辅助的机械研磨，将易研磨层的凸出部分研磨；重复上述化学反应与机械研磨，即可形成平坦的表面。若各制作工艺参数控制适当，例如研浆的均匀性与用量即是关键的制作工艺参数，CMP可以提供被研磨表面高达94％以上的平坦度。分送管140结构设计，可用以控制研浆的均匀性与用量，详细结构描述，请参照本人的另一件发明专利(申请号87109281)的说明。

本发明利用呈同心圆环状的多个研磨台，提供相同的切线研磨速度，使晶片表面各部位，达到接近线性研磨(linear polishing)的目的，使晶片表面研磨的均匀度较好。其中，同心圆环状的研磨台数目，将随着实际需要有所改变，而依照多次实验结果(数据未示出)，以6～12个同心圆环状的研磨台，其研磨效果最好。

另一方面，依照本发明的一优选实施例，各同心圆环状的研磨垫材料，可依实际需要加以改变，甚至彼此间略有差异。例如，可在材料的密度、粗糙程度与化学成份方面，针对所有的研磨垫或其中几个，做适当的改变，以提高研磨的均匀度。

此外，本发明也可在现有的单一研磨台上，装设不同材料或密度的相邻同心圆环状的研磨垫，虽然无法提供各部位相同的切线研磨速度，但是利用研磨垫上的变化，也可改善晶片表面的研磨均匀度。然而此后续的制作工艺为本领域技术人员所熟知，且不是涉于本发明的特点，故此处不再描述。

综上所述，本发明的特点在于：

1.本发明利用呈同心圆环状的多个研磨台，提供相同的切线研磨速度，使晶片表面各部位，达到接近线性研磨的目标，使晶片表面具有较好的研磨均匀度。

2.依照本发明的一优选实施例，各同心圆环状的研磨垫材料，可依实际需要加以改变，甚至彼此间可略有差异，例如，可在材料密度、粗糙程度与化学成份方面，针对所有的研磨垫或其中几个，做适当的改变，以提高研磨的均匀度。

3.本发明还利用在现有的单一研磨台上，装设不同材料或密度相邻的同心圆环状的研磨垫，虽然无法提供各部位相同的切线研磨速度，但是利用研磨垫上的变化，也可改善晶片表面的研磨均匀度。

虽然以上结合一优选实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种化学机械研磨机台，其特征在于，该机台包括：

多个研磨台，呈同心圆环状配置，彼此以一间距相邻，分别设于一旋转座上，并均以一方向旋转，该各研磨台具有相同的切线研磨速度；

多个研磨垫，分别铺设于该各形状大小相同的研磨台上；以及

一分送管，置于该各研磨垫上方，且该分送管未与该各研磨垫相接触。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该分送管包括一分送管柄与一分送管面，该分送管面上具有多个孔洞，用以输送一研浆至该各研磨垫上。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨台，其特征在于，还包括一握柄，用以抓住一晶片的背面，将该晶片的正面压在该研磨垫上。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，还包括一液泵，连接于该分送管上，用以将该研浆抽送到该分送管中。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该各研磨台的间距小于0.1毫米。

6.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该各研磨垫中的至少一个与其它研磨垫的材料密度不相同。

7.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该各研磨垫中的至少一个与其它研磨垫的材料表面的粗糙度不相同。

8.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该各研磨垫中的至少一个与其它研磨垫的材料化学成份不相同。