CN109590895B - 化学机械研磨方法及清洁研磨垫的方法 - Google Patents

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Abstract

研磨装置的研磨平台包括：平板、研磨垫、及设置于平板与研磨垫之间的电场元件。研磨装置还包括控制器，用以施加电压至电场元件。对电场元件施加第一电压，以将研磨浆料的带电颗粒朝研磨垫吸引。被吸引的颗粒会减少显现于工件的研磨表面的整体形貌变异，以进行研磨。对电场元件施加第二电压，以将研磨浆料的额外的带电颗粒朝研磨垫吸引。额外被吸引的颗粒会更进一步减少显现于工件的研磨表面的整体形貌变异。对电场元件施加第三电压，以将研磨浆料的带电颗粒排斥远离研磨垫，改善研磨垫的清洁。

Description

化学机械研磨方法及清洁研磨垫的方法
技术领域
本公开实施例涉及一种化学机械研磨方法及清洁研磨垫的方法，特别涉及一种对电场元件施加电压的化学机械研磨的方法。
背景技术
一般而言，半导体装置包括形成于基板上的主动元件(例如：晶体管)。可在基板上方形成任何数量的互连层，其将主动元件互相连接并连接至其他装置。互连层可由低介电系数(low-k)介电材料层制成，并设有金属沟槽/通孔。当形成装置的层时，装置有时会进行平坦化。举例而言，在基板或金属层中形成金属部件可能会造成不均匀的表面形貌。此不均匀的形貌可能会造成后续层形成的问题。在一些情况下，不均匀的形貌可能会干扰后续用以在装置中形成各种部件的光刻工艺。因此，在形成各种部件或层之后，理想的是平坦化装置的表面。
一般使用的平坦化方法为化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)。通常而言，化学机械研磨涉及将晶圆放置于承载头中，其中晶圆是通过保持环固持定位。之后，在对晶圆朝研磨垫施加向下的压力的情况下，承载头与晶圆旋转。化学溶液(称之为浆料)沉积于研磨垫的表面上，以利于平坦化。可利用机械与化学机制的组合来平坦化晶圆的表面。
发明内容
本公开实施例提供一种化学机械研磨的方法，包括：在工件上方设置研磨平台，研磨平台包括平板、研磨垫、以及电场元件，研磨垫是设置于平板下方，且电场元件介于平板与研磨垫之间。在研磨垫与工件的显露表面之间引入研磨浆料，研磨浆料包括带电颗粒。对电场元件施加第一电压，以及研磨工件的显露表面。
本公开实施例提供一种化学机械研磨的方法，包括：从研磨平台移除工件，研磨平台包括平板、研磨垫、以及电场元件，电场元件介于平板与研磨垫之间。在从研磨平台移除工件之后，从研磨垫排出研磨浆料，研磨浆料包括带电颗粒。在排出研磨浆料之后，对电场元件施加第一电压，以及在对电场元件施加第一电压之后，清洗研磨垫。
本公开实施例提供一种清洁研磨垫的方法，包括：从研磨垫移除浆料，对电场元件施加第一电压，其中电场元件邻接于研磨垫，以及在施加第一电压期间进行研磨垫的第一清洗。
附图说明
根据以下的详细说明并配合说明书附图以更加了解本公开实施例的概念。应注意的是，根据本产业的标准惯例，附图中的各种部件未必按照比例绘制。事实上，可能任意地放大或缩小各种部件的尺寸，以做清楚的说明。
图1代表性地示出根据一些实施例的研磨装置的四分之三等角视图。
图2代表性地示出根据一些实施例的研磨装置的平面图。
图3代表性地示出根据一些实施例的抛光头的立面剖面图。
图4至图6代表性地示出根据一些实施例的研磨装置与研磨方法的立面剖面图。
图7和图8代表性地示出根据一些实施例的研磨装置与清洗方法的立面剖面图。
图9示出根据一些实施例的研磨浆料材料的电动电荷分布与酸碱值的函数。
图10代表性地示出根据一些实施例的研磨方法的流程图。
图11代表性地示出根据一些实施例的清洗/清洁方法的流程图。
图12代表性地示出根据一些实施例的用以执行研磨及清洗方法的电压控制器的电压图。
图13代表性地示出根据一些实施例的化学机械研磨系统的方框图。
附图标记说明：
100～化学机械研磨装置；
105～平板；
110～电场元件；
115～研磨垫；
120～抛光头；
125～承载座；
127～保持环；
130～垫修整臂；
135～垫修整头；
137～垫修整器；
140～浆料分配器；
150～浆料；
200～点；
215、225、235、237～双头箭头；
300～晶圆；
305～底层；
307～覆盖层；
310～薄膜；
400～吸座；
450、550、650、750、850～排列；
890～清洁溶液；
900～图表；
1000、1100～流程图；
1010、1020、1030、1040、1050、1060、1070、1080、1110、1120、1130、1140、1150、1160、1170、1180～步骤。
1200～电压轮廓；
1205～电压；
1210～时间；
1220～零电压；
1223～第一电压；
1225～第二电压；
1227～第三电压；
1230～第一时间段；
1240～第二时间段；
1250～第三时间段；
1260～第四时间段；
1270～第五时间段；
1280～第六时间段。
具体实施方式
以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本公开实施例的不同部件。以下叙述构件及配置的特定范例，以简化本公开实施例的说明。当然，这些特定的范例仅为示范并非用以限定本公开实施例。例如，在以下的叙述中提及第一部件形成于第二部件上或上方，即表示其可包括第一部件与第二部件是直接接触的实施例，亦可包括有附加部件形成于第一部件与第二部件之间，而使第一部件与第二部件可能未直接接触的实施例。另外，在以下的公开内容的不同范例中可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以指定所讨论的不同实施例及/或结构之间的关系。
此外，在此可使用与空间相关用词。例如“底下”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，以便于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(些)元件或部件之间的关系。除了在附图中示出的方位外，这些空间相关用词意欲包括使用中或操作中的装置的不同方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，且在此使用的空间相关词也可依此做同样的解释。
以下公开的各种实施例涉及化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)装置与使用化学机械研磨装置来平坦化工件的方法。在代表性的实施例中，工件可包括用以供化学机械研磨加工的半导体晶圆。
图1示出根据代表性的实施例的化学机械研磨装置100的四分之三等角视图。在一些实施例中，化学机械研磨装置100包括平板105，且研磨垫115放置在平板105上方。电场元件110(后续将例如参照图4至图8进行更详细的说明)设置于平板105与研磨垫115之间。
在一些实施例中，研磨垫115可包括单一层或复合材料层例如：毛毡、注入聚合物的毛毡、多孔聚合物薄膜、微孔人造皮革、填充聚合物薄膜、未填充的具纹理的聚合物薄膜、前述的组合、或其他类似的材料。代表性的聚合物可包括聚氨酯(polyurethane)、聚烯烃(polyolefin)、或其他类似的聚合物。
在一些实施例中，抛光头120是放置于研磨垫115上方。抛光头120包括承载座125及保持环127。在一些实施例中，保持环127是利用机械紧固件(例如：螺丝)或任何其他适合的附接工具安装至承载座125。在化学机械研磨工艺期间，位于承载座125内的工件(例如半导体晶圆；未示出于图1中)是由保持环127所支撑。在一些实施例中，保持环127大致上为环状，并具有大致上中空的中心。工件是放置于保持环127的中心，使得保持环127在化学机械研磨工艺期间将工件固持定位。工件是定位成使得待研磨的表面向下朝向研磨垫115。承载座125是用以施加向下的力或压力促使工件与研磨垫115接触。抛光头120是用以在平坦化/研磨期间在研磨垫115上方旋转工件。
在一些实施例中，化学机械研磨装置100包括浆料分配器140，用以使浆料150沉积至研磨垫115上。平板105是用以旋转，造成浆料150通过多个位于保持环127内的沟槽(未图示)分布于工件与平板105之间，其中前述沟槽可由保持环127的外侧壁延伸至保持环127的内侧壁。浆料150的特定组成取决于待研磨或移除的材料种类。举例而言，浆料150可包括反应物、磨料、介面(界面)活性剂及溶剂。反应物可以是会与工件材料产生化学反应的化学品(例如：氧化剂或水解剂)，以帮助研磨垫115磨去/移除材料。在一些待移除的材料包括钨的实施例中，反应物可以是例如过氧化氢，但亦可替代性地、结合地或按序地应用任何其他合适的反应物，例如：羟胺(hydroxylamine)、过碘酸(periodic acid)、过硫酸铵(ammoniumpersulfate)、其他过碘酸盐(periodates)、碘酸盐(iodates)、过氧单硫酸盐(peroxomonosulfates)、过氧单硫酸(peroxymonosulfuric acid)、过硼酸盐(perborates)、丙二酰胺(malonamide)、前述的组合、或其他类似的反应物，以有助于材料的移除。可使用其他的反应物以移除其他种类的材料。举例而言，在一些待移除的材料包括氧化物的实施例中，反应物可包括硝酸、氢氧化钾、氢氧化铵、前述的组合、或其他类似的反应物。
磨料可包括任何适合与研磨垫115结合，并用以研磨/平坦化工件的颗粒。在一些实施例中，磨料可包括二氧化硅、氧化铝、氧化铈、多晶钻石、聚合物颗粒(例如聚甲基丙烯酸盐(polymethacrylate)或其他类似的聚合物)、前述的组合、或其他类似的磨料。在代表性的实施例中，可选择或以其他方式配置磨料颗粒，使其带有例如作为浆料150的水合氢离子浓度(pH值)的负对数的函数的电动电荷，后续将参照图12进行讨论。
可利用介面活性剂以协助分配浆料150内的反应物与磨料，并防止(或减少)磨料在化学机械研磨工艺期间凝聚。在一些实施例中，介面活性剂可包括聚丙烯酸(polyacrylic acid)的钠盐、油酸钾(potassium oleate)、磺基琥珀酸盐(sulfosuccinates)、磺基琥珀酸盐衍生物(sulfosuccinate derivatives)、磺化胺(sulfonated amines)、磺化酰胺(sulfonated amides)、醇类的硫酸盐(sulfates ofalcohols)、烷基芳基磺酸盐(alkyl aryl sulfonates)、羧化醇(carboxylatedalcohols)、烷基氨基丙酸(alkylamino propionic acids)、烷基亚氨基二丙酸(alkyliminodipropionic acids)、前述的组合、或其他类似的介面活性剂。然而，此些代表性的实施例并非用以限制所述的介面活性剂，可以替代地、结合地或按序地使用任何合适的介面活性剂。
浆料150的剩余部分可包括溶剂，用以结合一或多个反应物、磨料及介面活性剂，并允许混合物移动且分配至研磨垫115上。在一些实施例中，浆料150的溶剂可包括例如：去离子(deionized；DI)水或醇类。然而，可以替代地、结合地或按序地使用任何合适的溶剂。
在一些实施例中，化学机械研磨装置100包括垫修整器137，垫修整器137附接至垫修整头135。垫修整头135是用以在研磨垫115上方旋转垫修整器137。在一些实施例中，垫修整器137是利用机械紧固件(例如螺丝)或通过任何其他适合的工具安装至垫修整头135。垫修整臂130是附接至垫修整头135，用于以扫描式的动作移动垫修整头135及垫修整器137横跨研磨垫115的区域。在一些实施例中，垫修整头135是利用机械紧固件(例如螺丝)或通过任何其他适合的工具安装至垫修整臂130。在一些实施例中，垫修整器137包括基板，其中磨料颗粒的阵列是利用例如电镀的方式结合至基板上方。垫修整器137在化学机械研磨工艺期间从研磨垫115移除累积的晶圆碎片及过量的浆料。在一些实施例中，垫修整器137也作为用于研磨垫115的磨料，以产生想要的纹理(例如：沟槽或其他类似的纹理)，且可依上述纹理来研磨工件。
如图1代表性地示出，化学机械研磨装置100具有单一抛光头(例如：抛光头120)及单一研磨垫(例如：研磨垫115)。然而，在其他实施例中，化学机械研磨装置100具有多个抛光头及/或多个研磨垫。在一些实施例中，化学机械研磨装置100具有多个抛光头及单一研磨垫，可同时研磨多个工件(例如：半导体晶圆)。在其他实施例中，化学机械研磨装置100具有单一抛光头及多个研磨垫，化学机械研磨工艺可以是多步骤的工艺。在此实施例中，第一研磨垫可用以从晶圆移除块体(bulk)材料，第二研磨垫可用于晶圆整体的平坦化，且第三研磨垫可用以抛光晶圆表面。在一些实施例中，可对不同的化学机械研磨阶段使用不同的浆料组成。在另一些实施例中，可对所有的化学机械研磨阶段使用相同的浆料组成。
图2代表性地示出根据一些实施例的化学机械研磨装置100的上视/平面图。平板105是用以围绕通过置中点200(平板105的中心点)延伸的轴以顺时针或逆时针的方向旋转，如双头箭头215所示。抛光头120是用以围绕通过点220(抛光头120的中心点)延伸的轴以顺时针或逆时针的方向旋转，如双头箭头225所示。通过点200的轴可与通过点220的轴平行。通过点200的轴可与通过点220的轴分隔。在一些实施例中，垫修整头135是用以围绕通过点230(垫修整头135的中心点)延伸的轴以顺时针或逆时针的方向旋转，如双头箭头235所示。通过点200的轴可与通过点230的轴平行。垫修整臂130是用以在平板105旋转期间以有效圆弧(effective arc)移动垫修整头135，如双头箭头237所示。
图3代表性地示出根据一些实施例的抛光头120的立面剖面图。在一些实施例中，承载座125包括薄膜310，用以在化学机械研磨工艺期间与晶圆300交于界面。在一些实施例中，化学机械研磨装置100包括真空系统(未图示)，耦接至抛光头120，且薄膜310是用以利用真空抽吸法拾取晶圆300并支撑于薄膜310上。在一些实施例中，晶圆300可以是半导体晶圆，包括例如：半导体基板(例如包括硅、三五半导体材料或其他类似的材料)、位于半导体基板上的主动装置(例如晶体管或其他类似的装置)、以及/或者各种互连结构。代表性的互连结构可包括导电部件，电性连接主动装置以形成功能电路。在各种实施例中，可在制造的任一阶段期间对晶圆300施加化学机械研磨处理，以平坦化或移除晶圆300的部件(例如：介电材料、半导体材料、导电材料、或其他类似的材料)。晶圆300可包括上述部件的任何子集合以及其他部件。在代表性的实施例中，晶圆300包括一或多个底层305、以及一或多个覆盖层307。在一些实施例中，在化学机械研磨工艺期间对底层305进行研磨/平坦化。在一些底层305包括钨的实施例中，可研磨底层305以形成例如接触晶圆300的各种主动装置的接触插塞(contact plugs)。在一些底层305包括铜的实施例中，可研磨底层305以形成例如晶圆300的各种内连结构。在一些底层305包括介电材料的实施例中，可研磨底层305以例如在晶圆300上形成浅沟槽隔离(shallow trench isolation；STI)结构。
在一些实施例中，由于在形成底层305的期间经历了工艺变异，底层305可具有不一致的厚度(例如底层305显露出的表面所显现的拓扑(topological)变异)。举例而言，根据代表性的实施例，可通过利用化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)工艺沉积钨以形成底层305。由于化学气相沉积工艺的变异，底层305可能会具有不一致的厚度，介于约100nm至约500nm的范围内，其平均值为约250nm，标准差为约25nm。
在一些实施例中，可利用椭圆偏振技术(ellipsometry)、干涉测量法(interferometry)、反射测量术(reflectometry)、皮秒超声波(picosecond ultrasonic)、原子力显微术(atomic force microscopy；AFM)、扫描穿隧显微术(scanning tunnelingmicroscopy；STM)、扫描电子显微术(scanning electron microscopy；SEM)、透射电子显微术(transmission electron microscopy；TEM)、或其他类似的技术测量底层305的厚度轮廓。在一些实施例中，厚度测量装置(未图示)可位于化学机械研磨装置100以外，且可在将晶圆300装载至化学机械研磨装置100之前，测量或判定底层305的厚度轮廓。在其他实施例中，厚度测量装置(未图示)可以是化学机械研磨装置100的一部分，且可在将晶圆300装载至化学机械研磨装置100之后，测量或判定底层305的厚度轮廓。
如图4代表性地示出，平板105是附贴至吸座400。在一些实施例中，旋转吸座400以进行平板105的旋转215。电场元件110是介于平板105及研磨垫115之间。在一些实施例中，电场元件110可包括平板、网格、前述的组合、或其他类似的结构。晶圆300是位于研磨垫115上方，且浆料的磨料颗粒设置于晶圆300与研磨垫115之间(见带电磨料颗粒的排列450)。磨料颗粒是用以在化学机械研磨处理期间从晶圆300机械地磨去材料。
研磨垫115、电场元件110及平板105可共同形成研磨平台。通过旋转抛光头120及/或研磨垫115/电场元件110/平板105(研磨平台)以研磨晶圆300，分别如图2的双头箭头225及215所示。在一些实施例中，抛光头120及研磨平台可以相同的方向旋转。在其他实施例中，抛光头120及研磨平台可以相反的方向旋转。通过将晶圆300抵接于研磨平台的研磨垫115进行旋转，研磨垫115会机械地磨去晶圆300的底层305，以从底层305移除不想要的材料。
浆料150是通过浆料分配器140(如图2所示)分配于研磨垫115的顶面上。在一些实施例中，在保持环127与研磨垫115之间可设置间隙，以允许浆料150分布于晶圆300的底层305下方。在其他实施例中，保持环127可接触研磨垫115，且浆料150可利用延伸自保持环127的外侧壁至其内侧壁的一或多个沟槽(未图示)分布于晶圆300的底层305下方。
垫修整臂130可在研磨垫115的区域上方以扫描式的动作移动垫修整头135及垫修整器137。可使用垫修整器137以从研磨垫115移除累积的晶圆碎片及/或过量的浆料，亦可应用垫修整器137以赋予研磨垫115想要的纹理，并可依此机械地磨去晶圆300。在一些实施例中，垫修整头135/垫修整器137可以双头箭头235所指示的方向旋转。在一些实施例中，垫修整头135/垫修整器137及平板105/电场元件110/研磨垫115可以相同的方向旋转。在其他实施例中，垫修整头135/垫修整器137及研磨平台可以相反的方向旋转。在一些实施例中，垫修整臂130可以双头箭头237所示的有效圆弧移动垫修整头135/垫修整器137。在一些实施例中，圆弧的范围对应于承载座125的尺寸。举例而言，承载座125的直径可大于300mm，以容纳300mm的晶圆。因此，圆弧会从平板105/电场元件110/研磨垫115的周边向内延伸至少300mm的距离。这确保研磨垫115可能与晶圆300接触的任何部分皆被适当地修整。本发明所属技术领域中技术人员将可理解此处所提供的数字是代表性的，而承载座125的实际尺寸及有效圆弧所对应的范围可取决于待研磨/平坦化的晶圆300的尺寸来变化。
在代表性的实施例中，可选择浆料150中的磨料颗粒或将其配置为具有(正极性或负极性的)电动电荷。举例而言，在想要磨料颗粒带正电的实施例中，磨料颗粒可以是氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化硅(SiO2)、前述的组合、或其他类似的材料。在想要磨料颗粒带负电的其他实施例中，磨料颗粒可以是氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、前述的组合、或其他类似的材料。在没有电压(例如零电压1220；图12)施加至电场元件110的实施例中，带电磨料颗粒的排列450具有相对于研磨垫115的顶面的准随机分布，如图4代表性地示出。
如图5代表性地示出，当对电场元件110施加第一电压(例如第一电压1223；图12)时，于电场元件110之中/之上产生电荷(例如与带电磨料颗粒相反的极性)。在实施例中，第一电压可介于约10V至约50V，例如约30V，并可通过将导电元件与电场元件110电性接触，对电场元件110施加第一电压。举例而言，吸座400可包括电刷接点，用以将电压控制器(例如电压控制器1305，后续将参照图13代表性示出的化学机械研磨系统1300来说明)与电场元件110电性连接。于电场元件110之中/之上产生的电荷会将极性相反的磨料颗粒朝研磨垫115静电吸引(至少部分填入研磨垫115的各种表面形貌的低洼区域)。因此，减少由研磨垫115与被静电吸引的带电颗粒的排列550所形成的研磨表面的整体形貌变异。
如图6代表性地示出，当对电场元件110施加比第一电压更大(但极性相同)的第二电压(例如第二电压1225；图12)时，于电场元件110之中/之上产生额外的电荷。在实施例中，第二电压可介于约10V至约100V，例如约50V。于电场元件110之中/之上积存的额外电荷会将相反极性的带电磨料颗粒朝研磨垫115静电吸引(至少部分填入研磨垫115的各种表面形貌的低洼区域)。因此，更进一步减少由研磨垫115与被静电吸引的带电颗粒的排列650所形成的研磨表面的整体形貌变异，以提供更平坦的研磨表面。
在代表性的实施例中，可调控或配置施加于电场元件110的第一电压以吸引单层的带电磨料颗粒(例如图5代表性地示出)。在另一代表性的实施例中，可调控或配置施加于电场元件110的第二电压以吸引另外一单层的带电磨料颗粒(例如图6代表性地示出)。在一些实施例中，可选择、调控或配置施加于电场元件110的第一及/或第二电压，以吸引一或多个单层的带电磨料颗粒。
在研磨表面(例如包括研磨垫115及一或多个单层的带电磨料颗粒)的整体形貌变异减少之后，通过旋转抛光头120及/或研磨垫115/电场元件110/平板105(研磨平台)来研磨晶圆300，分别如图2的双头箭头225及215所示。在一些实施例中，抛光头120与研磨平台可以相同的方向旋转。在其他实施例中，抛光头120与研磨平台可以相反的方向旋转。通过将晶圆300抵接于研磨垫115进行旋转，研磨垫115会机械地磨去晶圆300的底层305，以移除底层305显露出的材料。减少研磨表面的影响研磨/平坦化晶圆300的整体形貌变异会导致更为一致地研磨/平坦化底层305。亦即，举例而言，减少研磨表面的整体形貌变异会导致减少工件的待平坦化/研磨的表面的形貌变异。
在实施例中，研磨时间可介于约1秒至约500秒，例如介于约60秒至约140秒(例如为约100秒)。研磨工艺可维持在介于约10℃至约60℃的温度下，例如介于约10℃至约50℃(例如为约30℃)。浆料流可维持在介于约50cc/分钟至约450cc/分钟的速率，例如介于约200cc/分钟至约400cc/分钟(例如为约300cc/分钟)。
在一些实施例中，化学机械研磨工艺可以是单一步骤的化学机械研磨工艺(例如使用单一研磨垫115)，或者为多重步骤的化学机械研磨工艺。在多重步骤的化学机械研磨工艺中，可在块体(bulk)的化学机械研磨工艺期间使用研磨垫115。在此实施例中，可从研磨垫115移除晶圆300，并转移至第二研磨垫(未图示)。第二研磨垫可执行与上述相似的化学机械研磨工艺，为了简洁起见，在此不再重复叙述。在一些实施例中，第二研磨垫可包括柔性缓冲垫，其可用以在相较于第一研磨垫更慢且更能控制的速率下研磨晶圆300，同时可缓冲及消除在块体的化学机械研磨工艺期间所产生的缺陷及刻痕。可延续缓冲化学机械研磨工艺直到已从晶圆300的底层305移除想要的量的材料为止。在一些实施例中，可使用定时或光学终点检测方法，以判定何时终止研磨晶圆300。
在清洗操作的准备中，从研磨平台105/110/115移除晶圆300，且没有电压(例如零电压1220，图12)施加至电场元件110。在代表性的实施例中，当没有施加电压时，电场元件110可被认为是“关机”。因此，带电磨料颗粒(未被研磨垫115吸引或排斥)的排列750具有相对于研磨垫115的顶面的准随机分布，如图7代表性地示出(亦见在移除/抬起晶圆300之前的图4)。
如图8代表性地示出，对电场元件110施加具有与浆料150的带电颗粒相同极性的电压。于电场元件110之中/之上产生的电荷(与浆料150的带电颗粒的极性相同)将浆料150的带电颗粒(排列850)排斥远离研磨垫115。同时或者后续地，可以清洁溶液890清洗研磨垫115，借此移除被排斥的带电颗粒(排列850)。清洁溶液890可包括水、去离子水(DI water)、醇类、前述成分的共沸混合物、有机溶剂、介面活性剂、前述的组合、或其他类似的溶液。
图9代表性地示出各种材料(例如：四乙氧基硅烷(tetrathylorthosilane；TEOS)、代表性化学机械研磨的研磨材料、及氮化硅(SiN))的界面电位(zeta potential)的图表900，其中界面电位与化学机械研磨浆料组成的H3O+离子浓度的负对数(pH值)为函数关系。界面电位是测量浆料组成颗粒的电动电荷。为了增加化学机械研磨浆料组成的pH值，如图9所示的浆料颗粒一般而言具有增加的负电荷。pH值5左右的垂直线显示氮化硅大致上没有净电荷(例如氮化硅的等电点)，而在相同的pH值下，代表性的研磨浆料(例如以胶体二氧化硅磨料进行表面处理的浆料(用于吸附表面上的阴离子聚合物或化学处理具高电负度元素的表面)、以及用以为了稳定性而调整亲水性、最佳化研磨速率的选择性、避免碰撞及/或抗菌的添加剂)材料(界面电位为约-60mV)具有大于四乙氧基硅烷颗粒(TEOS)(例如界面电位为约-20mV)约三倍的净负电荷。本发明所属技术领域中技术人员将可理解的是，可对应地调控或配置(结合一或多个施加于电场元件110的电压)浆料溶液的pH值，以产生想要的静电吸引电位，进而使浆料的带电颗粒填入研磨垫的低洼区域，以减少研磨表面显现于晶圆的整体形貌变异，提供优选的平坦化。举例而言，代表性的浆料溶液所含有的磨料颗粒包括胶体氧化硅(SiO2)，且浆料溶液的pH值为约3.5。可对电场元件施加介于约50伏特至约100伏特的电压。还可理解的是，可对应地调控或配置(结合一或多个施加于电场元件110的电压)浆料溶液的pH值，产生想要的静电排斥电位，以改善研磨垫115的清洁或清洗。举例而言，代表性的浆料溶液所含有的磨料颗粒包括胶体氧化硅，且浆料溶液的pH值为约3.5。可通过施加介于约-50伏特至约-100伏特的电压，利用研磨平台的电场元件以产生静电排斥电位。
如图10代表性地示出，用以改善工件(例如半导体晶圆)的平坦化(或研磨)的方法1000包括选择性的预处理(例如：准备平坦化的晶圆、将晶圆装载至抛光头的保持环、装填浆料流动线、执行各种化学机械研磨装置构件的维护、前述的组合、或其他类似的工艺)的步骤。在步骤1020中，研磨平台(例如平板105/电场元件110/研磨垫115)是位于工件(例如晶圆300)上方。在步骤1030中，将研磨浆料引入研磨平台的研磨垫与工件显露出的表面之间。在代表性的实施例中，研磨浆料包括带电颗粒。在步骤1040中，对研磨平台的电场元件施加第一电压(例如具有与浆料的带电颗粒相反的极性)。在电场元件之中/之上产生电荷(具有与浆料的带电颗粒相反的极性)，以吸引浆料的带电颗粒填入研磨垫的低洼表面区域，借此减少显现于工件且用于平坦化工件的合并研磨表面(例如由研磨垫及被吸引的浆料的带电颗粒所形成)的整体形貌变异。在步骤1050中，通过例如浆料成分的化学/机械作用，磨去并移除工件显露出的材料，来研磨/平坦化工件。在选择性的步骤1060中，可对研磨平台的电场元件施加第二电压(例如具有与浆料的带电颗粒相反的极性，并大于第一电压)。在电场元件之中/之上产生额外的电荷(具有与浆料的带电颗粒相反的极性)，以吸引浆料的额外带电颗粒更进一步填入研磨垫的低洼表面区域，借此更进一步减少显现于工件且用于平坦化工件的合并研磨表面的整体形貌变异。在选择性的步骤1070中，可通过浆料成分的化学/机械作用，磨去并移除工件显露出的材料，以更进一步地研磨或平坦化工件。之后，在步骤1080中，可进行选择性的后处理步骤(例如从抛光头移除晶圆、冲洗浆料进料线、执行各种化学机械研磨装置构件的维护、修整研磨垫、清洗研磨垫、更换研磨垫、前述的组合、或其他类似的工艺)。
如图11代表性地示出，清洗或清洁研磨垫115的方法1100包括选择性的预处理(例如：准备要清洁的研磨垫、修整研磨垫、准备清洗溶液、装填清洗或清洁溶液的流动线、前述的组合、或其他类似的工艺)的步骤1110。在步骤1120中，从工件(例如晶圆300)移除研磨平台(例如平板105/电场元件110/研磨垫115)。在步骤1130中，从研磨平台的研磨垫与工件之间排出浆料。在代表性的实施例中，浆料包括带电颗粒。在步骤1140中，对电场元件施加第一电压(例如具有与浆料的带电颗粒相同的极性)。在电场元件之中/之上产生(与浆料的带电颗粒极性相同的)电荷，以将浆料的带电颗粒排斥远离研磨垫。在步骤1150中，以清洁溶液清洗研磨垫。清洁/清洗溶液可包括水、去离子水(DI water)、醇类、前述成分的共沸混合物、有机溶剂、介面活性剂、前述的组合、或其他类似的溶液。在选择性的步骤1160中，对电场元件施加第二电压(例如具有与浆料的带电颗粒相同的极性，且大于第一电压)，以更进一步将浆料的带电颗粒排斥远离研磨垫。在选择性的步骤1170中，可更进一步以清洁溶液清洗研磨垫。在选择性的第二清洗步骤1170中的清洁溶液可与第一清洗步骤1150中使用的清洁溶液相同或不同。之后，在步骤1180中，可进行选择性的后处理步骤(例如从抛光头移除晶圆、冲洗浆料进料线、冲洗清洗进料线、执行各种化学机械研磨装置构件的维护、前述的组合、或其他类似的工艺)。
图12代表性地示出根据一些实施例的由电压控制器产生的电压曲线1200，显示在化学机械研磨工艺期间对电场元件110施加的电压1205的变异与时间(1210)的函数关系。举例而言，在第一时间段1230期间，有约15秒的时间，没有电压(零电压1220)施加至研磨平台的电场元件110。在代表性的实施例中，第一时间段1230可对应于电场元件110“关闭”的状态。之后，在约40秒的第二时间段1240期间，对电场元件110施加第一电压1223(例如约+30伏特)，以例如将浆料150的具相反电性的一或多个单层(排列550)的磨料颗粒朝研磨垫115吸引，如图5代表性地示出。在代表性的实施例中，第二时间段1240可对应于电场元件110“开启”的状态。在一些实施例中，可在第二时间段1240期间研磨/平坦化晶圆300的底层305。在约20秒的第三时间段1250期间，对电场元件110施加约+50伏特的第二电压1225，以例如将浆料150的具相反电性的额外一或多个单层(排列650)的磨料颗粒朝研磨垫115吸引，如图6代表性地示出。在一些实施例中，第二电压1225具有与第一电压1223相同的极性(例如正电压)，且第二电压1225的量值大于第一电压1223。在一些实施例中，可在第三时间段1250期间更进一步研磨/平坦化晶圆300的底层305。在10秒的第四时间段1260期间，为了以去离子水清洗，关闭对电场元件110施加的电压(0伏特)。之后，在约10秒的第五时间段1270期间，对电场元件110施加约-50伏特的第三电压1227，以例如将浆料150的带电磨料颗粒(排列850)排斥远离研磨垫115，如图8代表性地示出。在一些实施例中，可在第五时间段1270期间对研磨垫115施加清洁溶液890。在一些实施例中，相较于第一电压1223与第二电压1225，第三电压1227具有相反的极性(例如负电压)，借此在电场元件110上产生具有与带电磨料颗粒(见排列850)相同极性的电荷。在第六时间段1280期间，关闭对电场元件110施加的电压(0伏特)。
图13代表性地示出根据一些实施例的化学机械研磨系统1300的方框图，化学机械研磨系统1300包括电压控制器1305，且电压控制器1305操作地连接至化学机械研磨装置100的电场元件110。
以上各种实施例可提供数个优势。举例而言，可平坦化工件(例如半导体晶圆)以显现更为一致或改良的厚度，其介于约8nm至约2nm的范围内，平均值为约4nm，标准差为约1.5nm。各种实施例更允许减少研磨时间，并改良化学机械研磨装置的每小时晶圆(wafer-per-hour；WPH)处理量。
在代表性的实施例中，化学机械研磨方法包括下列步骤：在工件上方设置研磨平台，研磨平台包括平板、研磨垫、以及电场元件，研磨垫是设置于平板下方，且电场元件介于平板与研磨垫之间。在研磨垫与工件的显露表面之间引入研磨浆料，研磨浆料包括带电颗粒。对电场元件施加第一电压，以及研磨工件的显露表面。施加第一电压会将多个带电颗粒朝研磨垫静电吸引。在施加第一电压之后，带电颗粒的至少一单层是设置于研磨垫上。研磨垫具有第一整体形貌变异。前述至少一单层及研磨垫包括第一研磨表面。第一研磨表面具有第二整体形貌变异。第二整体形貌变异小于第一整体形貌变异。前述化学机械研磨方法还包括对电场元件施加第二电压的步骤，第二电压具有与第一电压相同的极性，且第二电压大于第一电压。在施加第二电压之后，带电颗粒的至少另一单层是设置于前述至少一单层上。前述至少另一单层及研磨垫包括第二研磨表面。第二研磨表面具有第三整体形貌变异。第三整体形貌变异小于第二整体形貌变异。电场元件包括导电板或导电网格。
在另一代表性的实施例中，化学机械研磨方法包括下列步骤：从研磨平台移除工件，研磨平台包括平板、研磨垫、以及电场元件，电场元件介于平板与研磨垫之间。在从研磨平台移除工件之后，从研磨垫排出研磨浆料，研磨浆料包括带电颗粒。在排出研磨浆料之后，对电场元件施加第一电压，以及在对电场元件施加第一电压之后，清洗研磨垫。前述化学机械研磨方法还包括下列步骤：在从研磨平台移除工件之前，在研磨垫与工件的显露表面之间引入研磨浆料。在引入研磨浆料之后，对电场元件施加第二电压，第二电压与第一电压不同。在施加第二电压之后、以及在从研磨平台移除工件之前，研磨工件的显露表面。第二电压具有与第一电压相反的极性。施加第二电压将多个带电颗粒静电吸引至研磨垫。施加第一电压将多个带电颗粒静电排斥远离研磨垫。电场元件包括导电板或导电网格。
在又一代表性的实施例中，研磨装置包括研磨平台及控制器。研磨平台包括：平板、研磨垫、及介于平板与研磨垫之间的电场元件。控制器是用以施加第一电压来将电场元件充电。控制器是更进一步用以施加第二电压来将电场元件充电，第二电压是不同于第一电压。第一电压的第一量值小于第二电压的第二量值。第一电压的第一极性是相反于第二电压的第二极性。此研磨装置还包括介于控制器与电场元件之间的导电元件。电场元件包括导电板或导电网格。
在又一代表性的实施例中，清洁研磨垫的方法包括下列步骤：从研磨垫移除浆料，对电场元件施加第一电压，其中电场元件邻接于研磨垫，以及在施加第一电压期间进行研磨垫的第一清洗。前述清洁研磨垫的方法还包括在进行研磨垫的第一清洗之后，对电场元件施加不同于第一电压的第二电压。前述清洁研磨垫的方法还包括在施加第二电压期间，进行研磨垫的第二清洗。浆料包括多个带电磨料颗粒。第一电压具有与带电颗粒相同的极性。第二电压具有与带电颗粒相同的极性。
以上概述了许多实施例的部件，使本发明所属技术领域中技术人员可以更加理解本公开实施例的各实施例。本发明所属技术领域中技术人员应可理解，可轻易地以本公开实施例为基础来设计或改变其他工艺及结构，以实现与在此介绍的实施例相同的目的及/或达到与在此介绍的实施例相同的优点。本发明所属技术领域中技术人员也应了解，这些相等的结构并未背离本发明的构思与范围。在不背离本发明的构思与范围的前提下，可对本公开实施例进行各种改变、置换及变动。

Claims (18)

1.一种化学机械研磨方法，包括：
在一工件上方设置一研磨平台，该研磨平台包括一平板、一研磨垫、以及一电场元件，该研磨垫是设置于该平板下方，且该电场元件介于该平板与该研磨垫之间；
在该研磨垫与该工件的一显露表面之间引入一研磨浆料，其中该研磨浆料包括多个带电颗粒，且该研磨垫将该研磨浆料与该电场元件分隔开；
对该电场元件施加一第一电压；
在施加该第一电压之后，对该电场元件施加一第二电压，该第二电压具有与该第一电压相同的极性，且该第二电压大于该第一电压，其中施加该第一电压的时间大于施加该第二电压的时间，且施加该第一电压的时间是施加该第二电压的时间的两倍；以及
研磨该工件的该显露表面。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中施加该第一电压将所述带电颗粒朝该研磨垫静电吸引。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其中在施加该第一电压之后，所述带电颗粒的至少一单层是设置于该研磨垫上。
4.如权利要求3所述的化学机械研磨方法，其中：
该研磨垫具有一第一整体形貌变异；
该至少一单层及该研磨垫包括一第一研磨表面；
该第一研磨表面具有一第二整体形貌变异；以及
该第二整体形貌变异小于该第一整体形貌变异。
5.如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其中在施加该第二电压之后，所述带电颗粒的至少另一单层是设置于该至少一单层上。
6.如权利要求5所述的化学机械研磨方法，其中：
该至少另一单层及该研磨垫包括一第二研磨表面；
该第二研磨表面具有一第三整体形貌变异；以及
该第三整体形貌变异小于该第二整体形貌变异。
7.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中该电场元件包括一导电板或一导电网格。
8.一种化学机械研磨方法，包括：
从一研磨平台移除一工件，该研磨平台包括一平板、一研磨垫、以及一电场元件，该研磨垫是设置于该平板下方，且该电场元件介于该平板与该研磨垫之间；
在从该研磨平台移除该工件之后，从该研磨垫排出一研磨浆料，该研磨浆料包括多个带电颗粒，且该研磨垫将该研磨浆料与该电场元件分隔开；
在排出该研磨浆料之后，对该电场元件施加一第三电压；
在对该电场元件施加该第三电压之后，清洗该研磨垫；
在从该研磨平台移除该工件之前，在该研磨垫与该工件的一显露表面之间引入该研磨浆料；
在引入该研磨浆料之后，对该电场元件施加一第一电压，该第一电压与该第三电压极性不同，其中施加该第三电压的时间小于施加该第一电压的时间，且施加该第三电压的时间是施加该第一电压的时间的四分之一；
在施加该第一电压之后，对该电场元件施加一第二电压，该第二电压具有与该第一电压相同的极性，且该第二电压大于该第一电压，其中施加该第一电压的时间大于施加该第二电压的时间，且施加该第一电压的时间是施加该第二电压的时间的两倍；以及
在施加该第一电压之后、以及在从该研磨平台移除该工件之前，研磨该工件的该显露表面。
9.如权利要求8所述的化学机械研磨方法，其中该第一电压具有与该第三电压相反的极性。
10.如权利要求9所述的化学机械研磨方法，其中施加该第一电压将所述带电颗粒静电吸引至该研磨垫。
11.如权利要求8所述的化学机械研磨方法，其中施加该第三电压将所述带电颗粒静电排斥远离该研磨垫。
12.如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其中该电场元件包括一导电板或一导电网格。
13.一种化学机械研磨方法，包括：
在一工件上方设置一研磨平台，该研磨平台包括一平板、一研磨垫、以及一电场元件，该研磨垫是设置于该平板下方，且该电场元件介于该平板与该研磨垫之间；
在该研磨垫与该工件的一显露表面之间引入一研磨浆料，其中该研磨浆料包括多个带电颗粒，且该研磨垫将该研磨浆料与该电场元件分隔开；
对该电场元件施加一第一电压；
在施加该第一电压之后，对该电场元件施加一第二电压，该第二电压具有与该第一电压相同的极性，且该第二电压大于该第一电压，其中施加该第一电压的时间大于施加该第二电压的时间，且施加该第一电压的时间是施加该第二电压的时间的两倍；
研磨该工件的该显露表面；
从该研磨垫移除该研磨浆料；
对一电场元件施加一第三电压，该电场元件邻接于该研磨垫；
在施加该第三电压期间进行该研磨垫的一第一清洗；以及
在施加该第三电压之前，维持该电场元件的电压值为0，其中施加该第三电压的时间等于维持该电场元件的电压值为0的时间。
14.如权利要求13所述的化学机械研磨方法，还包括在执行该研磨垫的该第一清洗之后，对该电场元件施加不同于该第三电压的一第一电压。
15.如权利要求14所述的化学机械研磨方法，还包括在施加该第一电压期间，执行该研磨垫的一第二清洗。
16.如权利要求15所述的化学机械研磨方法，其中该研磨浆料包括多个带电颗粒。
17.如权利要求16所述的化学机械研磨方法，其中该第三电压具有与所述带电颗粒相同的极性。
18.如权利要求17所述的化学机械研磨方法，其中该第一电压具有与所述带电颗粒相同的极性。
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