CN112405335A - 化学机械平坦化工具 - Google Patents

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廖高锋
何信颖
萧钧文
庄胜超
张庭熏
黄富明
林均洁
张简鹏崇
崔骥
陈亮光
陈志宏
陈科维
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Abstract

本公开实施例提供一种化学机械平坦化工具，其包括平台以及附接至前述平台的研磨垫。研磨垫远离平台的第一表面包括第一研磨区和第二研磨区，其中前述第一研磨区是位在前述研磨垫的第一表面中心处的圆形区域，而前述第二研磨区是在前述第一研磨区周围的环形区域。前述第一研磨区和第二研磨区具有不同的表面性质。

Description

化学机械平坦化工具
技术领域
本公开实施例涉及一种化学机械平坦化工具，尤其涉及一种研磨垫的表面具有不同表面性质的化学机械平坦化工具。
背景技术
一般而言，半导体装置包括形成于基板上的有源元件(例如：晶体管)。可在基板上方形成任何数量的互连层，其将有源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)介电材料层和金属沟槽/通孔制成。
当形成装置的膜层时，可进行平坦化工艺以将层平坦化，有助于后续的层形成。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。此不均匀的表面形貌可能会造成后续层形成的问题。举例而言，不均匀的表面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，将装置的表面平坦化是有利的。
在集成电路的制造中，一般使用的平坦化方法为化学机械研磨(chemicalmechanical polishing；CMP)。化学机械研磨利用物理力和化学力的加乘作用来研磨晶片。在晶片倚靠于研磨垫上的同时，通过向晶片背面施加负载力来执行此操作。研磨垫紧靠晶片放置。接着旋转研磨垫和晶片，同时使包含磨料和反应性化学品的浆料在研磨垫和晶片之间通过。化学机械研磨是实现晶片整体平坦化的有效方法。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种化学机械平坦化工具，以解决上述至少一个问题。
本公开实施例提供一种化学机械平坦化工具，包括：平台以及附接至前述平台的研磨垫。研磨垫远离平台的第一表面包括第一研磨区和第二研磨区，其中前述第一研磨区是位在前述研磨垫的第一表面中心处的圆形区域，而前述第二研磨区是在前述第一研磨区周围的环形区域。前述第一研磨区和第二研磨区具有不同的表面性质。
本公开实施例提供一种化学机械平坦化工具，包括：承载座、平台、浆料分配器以及附接至前述平台的研磨垫。承载座是用以固持晶片。研磨垫面向承载座的第一表面具有多个同心研磨区，且前述同心研磨区具有不同的表面性质。
本公开实施例提供一种化学机械平坦化工具的操作方法，包括：旋转附接有研磨垫的平台，其中前述研磨垫远离平台的第一表面具有多个同心研磨区，且前述同心研磨区具有不同的表面性质；利用承载座固持晶片；利用浆料分配器将浆料分配于前述研磨垫的第一表面上；以及将前述晶片向前述研磨垫的第一表面施压。
附图说明
根据以下的详细说明并配合所附附图以更好地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。在通篇说明书及附图中以相似的标号标示相似的特征。
图1示出根据一些实施例的化学机械平坦化设备的立体图。
图2示出如图1所示的化学机械平坦化设备的俯视图。
图3示出根据一些实施例的研磨头的剖视图。
图4A及图4B分别示出根据一些实施例的研磨头的俯视图和剖视图。
图5A及图5B分别示出根据一些实施例的研磨头的俯视图和剖视图。
图6A至图6G示出如图5A及图5B所示的研磨头的各种沟槽图案。
图7A及图7B分别示出根据一些实施例的研磨头的俯视图和剖视图。
图8示出根据一些实施例的操作化学机械平坦化设备的方法的流程图。
附图标记如下：
100:化学机械研磨装置
105:平台
115,115A,115B,115C:研磨垫
115AX,115BX,115CX:中心轴
116:基底层
118A,118B,118C:顶层
120:研磨头
125:承载座
127:保持环
129:感测器
130:垫修整臂
135:垫修整头
137:垫修整器
140:浆料分配器
150:浆料
200,220:点
215,225,235,237:双头箭头
300:晶片
305:最底层
307:覆盖层
310:薄膜
411,413,415,417:研磨区
511,513,515,517:研磨区
711,713,715,717,719:研磨区
1000:流程图
1010,1020,1030,1040:步骤
A-A,B-B,C-C:截面
D:直径
T,T1,T2,T3:厚度
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。举例而言，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，除非另外说明，在所有公开内容中，不同附图中以相同的参考标号标示相同或相似的元件。
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。
以下描述有关于化学机械研磨工具的各种代表性实施例，特别是化学机械研磨工具的研磨垫的各种设计以及使用具有研磨垫的化学机械研磨工具的方法。在一些实施例中，研磨垫的上表面具有多个同心研磨区，其包括圆形的中心研磨区和围绕前述中心研磨区的一或多个环形研磨区。每个研磨区可具有不同的表面性质，以为化学机械研磨工艺提供不同的研磨特性。举例而言，每个研磨区可使用不同的材料(例如有机材料、无机材料或有机材料和无机材料的混合物)来形成，以及/或者可具有不同的沟槽图案。在化学机械研磨过程中，基于对晶片表面条件的实时测量，化学机械研磨工具的控制器可将承载座从研磨垫上方的第一位置移动至研磨垫上方的第二位置，以提高被研磨的晶片表面的平面性。
化学机械平坦化(CMP)是一种在制造半导体装置中产生平坦化部件的方法。此方法将反应性化学浆料中的研磨材料与研磨垫结合。研磨垫的直径通常大于半导体晶片的直径。在化学机械研磨工艺期间对研磨垫和晶片一起施压。此工艺移除材料并倾向均匀化不规则的表面形貌，进而使晶片平坦或大致上平坦。这使晶片准备以形成其他位于上方的电路元件。举例而言，化学机械平坦化可使整个晶片表面处于光刻系统的给定景深内。典型的景深规格约为例如埃等级。在一些实施例中，亦可采用化学机械平坦化以根据材料在晶片上的位置选择性地移除材料。
在化学机械研磨工艺中，将晶片放置在承载座头(也被称作承载座)中，通过保持环将晶片固持在适当的位置。接着，当将向下的压力施加至晶片上以将晶片压在研磨垫上时，承载头和晶片旋转。将反应性化学溶液分配在研磨垫的接触表面上以帮助平坦化。因此，可使用机械和化学机制的组合来将晶片的表面平坦化。
图1示出根据一些实施例的化学机械研磨设备100的立体图。在一些实施例中，化学机械研磨设备100包括平台105以及位于平台105上方的研磨垫115。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。
如图1所示，研磨头120放置于研磨垫115上方。研磨头120包括承载座125及保持环127。保持环127利用机械紧固件(例如：螺丝或其他类似的元件)或任何其他适合的附接工具安装至承载座125。在代表性的化学机械研磨工艺期间，工件(例如半导体晶片；未示出于图1中但将配合图3作说明)位于承载座125内且由保持环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。将工件定位以使得待研磨的表面朝向(例如向下)研磨垫115。承载座125用以施加向下的力或压力促使工件与研磨垫115接触。研磨头120用以在平坦化/研磨期间在研磨垫115上方旋转工件，由此进行机械研磨的动作以影响工件的接触表面的平坦化或研磨。
在一些实施例中，化学机械研磨设备100包括浆料分配器140，用以使浆料150沉积至研磨垫115上。平台105用以旋转，造成浆料150通过多个位于保持环127内的沟槽分布于工件与平台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、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例如钨的实施例中，反应物可以是例如过氧化氢、Cr2O7、MnO4、OsO4，但亦可替代性地、结合地或依序地应用任何其他适合的反应物，例如：羟胺(hydroxylamine)、过碘酸(periodic acid)、其他过碘酸盐(periodates)、碘酸盐(iodates)、过硫酸铵(ammonium persulfate)、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。在其他实施例中，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例如氧化物的实施例中，反应物可包括硝酸(HNO3)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、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的相对机械运动配合，并用以研磨/平坦化工件的颗粒。在一些实施例中，磨料包括胶体氧化铝。在一些实施例中，磨料包括氧化硅、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。
可利用界面活性剂以协助分配浆料150内的反应物与磨料，并防止(或减少发生的机率)磨料在化学机械研磨工艺期间凝聚。在一些实施例中，界面活性剂可包括聚乙二醇(polyethylene glycol；PEG)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、聚丙烯酸的钠盐、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(sulfonatedamides)、醇类的硫酸盐(sulfates of alcohols)、烷基芳基磺酸盐(alkylanylsulfonates)、羧化醇(carboxylated alcohols)、烷基氨基丙酸(alkylamino propionicacids)、烷基亚氨基二丙酸(alkyliminodipropionic acids)、前述的组合或其他类似的界面活性剂。然而，此些代表性的实施例并非用以限制所述的界面活性剂，可以替代地、结合地或依序地使用任何适合的界面活性剂。
在一些实施例中，浆料150包括溶剂，用以结合一或多个反应物、磨料及界面活性剂，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：去离子水(deionized water；DIW)、醇类或前述的共沸混合物。然而，可以替代地、结合地或依序地使用其他一或多种适合的溶剂。
另外，如果需要，亦可添加其他添加剂以帮助控制或以其他方式帮助化学机械研磨工艺进行。举例而言，可添加腐蚀抑制剂以帮助控制腐蚀。在一些特定的实施例中，腐蚀抑制剂可以是氨基酸(例如甘氨酸)，但也可使用任何适合的腐蚀抑制剂。
在另一些实施例中，将一或多种螯合剂加入至浆料150中。此螯合剂可以是例如乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid；EDTA)、C6H8O7、C2H2O4、前述的组合或其他类似的螯合剂，但也可以使用任何适合的螯合剂。
在又一些实施例中，浆料150包括pH调节剂以便控制浆料150的pH值。举例而言，可将pH调节剂(例如HCl、HNO3、H3PO4、C2H2(COOH)2、KOH、NH4OH、前述的组合或其他的化学品)等添加至浆料150中，以向上或向下调节浆料150的pH值。
另外，亦可添加其他添加剂以帮助控制和管理化学机械研磨工艺。举例而言，亦可添加下压力(down-force)增强剂(例如有机化合物)、研磨速率抑制剂或其他类似的添加剂。可使用可能对研磨工艺有帮助的任何适合的添加剂，且所有此类的添加剂完全意图在包括在实施例的范围内。
在一些实施例中，化学机械研磨设备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用以在研磨垫115上方旋转垫修整器137。垫修整器137利用机械紧固件(例如螺丝或其他类似的元件)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附接至垫修整头135，且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利用机械紧固件(例如螺丝或其他类似的元件)或通过任何其他适合的工具安装至垫修整臂130。垫修整器137包括基板，其中磨料颗粒的阵列结合至基板上方。垫修整器137在化学机械研磨工艺期间从研磨垫115移除累积的晶片碎片及过量的浆料150。在一些实施例中，垫修整器137也作为用于研磨垫115的磨料，以恢复或产生想要的纹理(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所示，化学机械研磨设备100具有单一研磨头(例如：研磨头120)及单一研磨垫(例如：研磨垫115)。然而，在其他实施例中，化学机械研磨设备100具有多个研磨头或多个研磨垫。在一些实施例中，化学机械研磨设备100具有多个研磨头及单一研磨垫，可同时研磨多个工件(例如：半导体晶片)。在其他实施例中，化学机械研磨设备100具有单一研磨头及多个研磨垫，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片移除块体(bulk)材料，第二研磨垫可用于晶片整体的平坦化，且第三研磨垫可用以例如研磨晶片表面。在一些实施例中，可对化学机械研磨工艺的不同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示出根据一些实施例的化学机械研磨设备100的俯视图(或平面图)。平台105(位于图2中的研磨垫115下方)用以围绕通过置中点200(平台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。研磨头120用以围绕通过点220(研磨头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的轴分隔开。垫修整头135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用以在平台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示出根据一些实施例的研磨头120的剖视图。承载座125包括薄膜310，用以在化学机械研磨工艺期间与晶片300交于界面。在一些实施例中，化学机械研磨设备100包括真空系统，耦接至研磨头120，且薄膜310用以利用例如真空抽吸法拾取晶片300并将晶片300固持于薄膜310上。
在一些实施例中，晶片300可以是半导体晶片，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)、形成在半导体基板中或在半导体基板上的有源装置(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，其与有源装置电性连接以形成功能电路。在各种实施例中，可在制造的任一阶段期间对晶片300施加化学机械研磨工艺，以平坦化或移除晶片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)。晶片300可包括上述部件的任何子集合以及其他部件。
在图3的范例中，晶片300包括一或多个最底层305以及一或多个覆盖层307。在化学机械研磨工艺期间对最底层305进行研磨/平坦化。在一些最底层305包括钨的实施例中，可研磨最底层305以形成例如接触晶片300的各种有源装置的接触插塞(contact plugs)。在一些最底层305包括铜的实施例中，可研磨最底层305以形成例如晶片300的各种内连结构。在一些最底层305包括介电材料的实施例中，可研磨最底层305以例如在晶片300上形成浅沟槽隔离(shallow trench isolation；STI)结构。
在一些实施例中，由于在形成最底层305的期间经历了工艺变异，最底层305可具有不一致的厚度(例如最底层305显露出的表面所显现的拓朴(topological)变异)。举例而言，在被平坦化的最底层305包括钨的实施例中，可通过利用化学气相沉积(chemicalvapor deposition；CVD)工艺将钨沉积至通过介电层的开口中以形成最底层305。由于化学气相沉积工艺的变异，最底层305可能会具有不一致的厚度。
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最底层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设备100以外，且可在将晶片300装载至化学机械研磨设备100之前，测量或判定最底层305的厚度轮廓。在其他实施例中，厚度测量装置可以是化学机械研磨设备100的一部分，且可在将晶片300装载至化学机械研磨设备100之后，测量或判定最底层305的厚度轮廓。
在测量之后，可通过化学机械平坦化设备100平坦化最底层305。在特定实施例中，可降低研磨头120，使得晶片300的最底层305与研磨垫115物理接触。另外，亦将浆料150引入至研磨垫115上，使得浆料150会与最底层305的暴露表面接触。可因此使用机械力和化学力的组合来将晶片300的表面(例如最底层305)平坦化。
图3更示出承载座125中的多个感测器129。感测器129可附接至承载座125的下表面(或薄膜310的上表面)，如图3所示。感测器129可替代地附接至薄膜310的下表面或其他适合的位置。在一些实施例中，感测器129用于实时测量在化学机械研磨工艺期间施加在晶片300的不同区域中的负载(也被称作负载力)。举例而言，晶片300的表面可被划分为五至七个不同的区域，且每个区域由对应的感测器129测量以监控(例如测量)此区域的负载。来自感测器129的测量结果可用于改善晶片表面的均匀性(例如平坦度)并改善研磨垫的寿命，以下将进行详细的说明。
例如，由于晶片上集成电路的设计，晶片表面上不同区域中的图案密度可能会有所不同。晶片的不同区域中的不同图案密度可能会在化学机械研磨工艺期间造成负载效应。举例而言，与具有低图案密度的区域相比，具有高图案密度的晶片表面的区域在化学机械研磨工艺期间可具有较慢的移除速率(例如也被称作蚀刻速率)，这可能会在晶片表面上造成不均匀性。不均匀的晶片表面可能会造成在晶片的不同区域中的负载力产生变化，并可能导致浆料在晶片表面上的分布不均匀。浆料的不均匀分布又会加剧晶片表面的不均匀性。传统的研磨垫可具有均质的表面，例如研磨垫表面可由相同的材料形成并且具有相同的沟槽图案，因此不能有效地解决上述问题。
本公开各种实施例的研磨垫(例如115A、115B、115C)，其具有包括多个研磨区的非均质表面，其中每个研磨区是由不同的材料形成及/或具有不同的凹槽图案。因此，研磨垫的每个研磨区具有不同的表面特性(例如：硬度、粗糙度、摩擦系数或其他类似的参数)，这会在每个研磨区中产生不同的研磨特性(例如：不同的负载、不同的摩擦系数或不同的蚀刻速率)。回想一下，承载座125(参见图3)具有感测器129，用于监控晶片不同区域中的负载。化学机械研磨工具的控制器(例如处理器)可使用感测器129的测量结果来判定晶片在研磨垫115(例如：115A、115B、115C)上方的位置，使得晶片的不同区域被不同地研磨(例如通过研磨垫的不同研磨区)以补偿晶片的负载效应，从而提高被研磨晶片的均匀度。以下将详细说明。
图4A和图4B分别示出根据一些实施例的研磨垫115A的俯视图和剖视图。图4B是沿图4A的截面A-A的剖视图。研磨垫115A可用作图1至图3中的研磨垫115。
在一些实施例中，研磨垫的直径D介于约10英寸至约50英寸之间。如图4B所示，研磨垫115A具有基底层116和形成在基底层116上方的顶层118A。基底层116可以由块体(bulk)材料(例如塑胶)形成，以提供结构支撑并达到目标的刚性程度。基底层116的范例材料包括环氧树脂、聚氨酯、聚酯树脂和聚酰亚胺。在一些实施例中，在形成基底层116(例如由块体塑胶材料所形成的垫)之后，基底层116的表面可能不是完全平坦的。举例而言，基底层116的绒毛厚度可介于约0.1mm至约5mm之间。接着，将基底层116的表面研磨成平坦的，以准备形成顶层118A。作为范例，基底层116的厚度T(例如在研磨之后)可介于约10mm至约100mm之间。
顶层118A通过例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、旋转涂布等适合的形成方法形成在基底层116上方，且可具有介于约10mm至约100mm的厚度T1。顶层118A的不同区域(例如研磨区)可由不同的材料形成并且具有不同的表面特性，以下将进一步说明。在一些实施例中，在将新的研磨垫安装在化学机械研磨工具上之后，研磨垫会经历磨合期，在该磨合期中修整盘会拂掠(例如刮除)新研磨垫的顶层(例如118A)表面，以暴露出研磨垫内部的孔，这些孔可帮助储存在化学机械研磨过程中使用的浆料。如果顶层的厚度T1大于约100mm，则因修整工艺的进行，磨合期可能是艰难的(例如更长)。如果厚度T1小于约10mm，则垫寿命可能受到负面的影响(例如缩短)，且可能会有研磨垫过度磨损的疑虑。
如图4A和图4B所示，顶层118A包括多个研磨区，例如研磨区411、413、415和417。研磨区411是位于顶层中心的圆形区域118A。图4B显示围绕研磨垫115A的中心轴115AX设置的研磨区411。研磨区413、415和417是在研磨区411周围形成的环形区域。换句话说，研磨区411、413、415和417是同心的，如图4A所示。应注意的是，作为非限制性的范例，在图4A和图4B中显示四个研磨区。如本技术领域中技术人员能轻易理解的，可在顶层118A中形成其他数量的研磨区，例如两个、三个或四个以上的研磨区。在一些实施例中，研磨垫115A的研磨区的数量介于2至15之间。
在图4A和图4B的范例中，研磨区411、413、415和417中的每一者均由不同的材料所形成，使得研磨区的表面特性(例如硬度，粗糙度，摩擦系数或其他类似的参数)与其他研磨区不同。在一些实施例中，研磨垫115A的顶层118A至少具有第一研磨区和第二研磨区，其中第一研磨区是由有机材料所形成，第二研磨区是由无机材料所形成。作为范例，有机材料可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、甲基纤维素、氢丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素马来酸共聚物、聚丙烯酸、聚氨酯或其他类似的材料。在一些实施例中，有机材料的分子量介于约1000g/mol至约1000000/mol之间，例如介于约100000g/mol至约1000000g/mol之间。作为范例，无机材料可以是氧化钛(例如TiO2)、氧化硅(例如SiO2)、氧化铝(例如Al2O3)、氧化铜(例如CuO)、过氧化锌(例如ZnO2)、二氧化锆(例如ZrO2)、铂(例如Pt)、金(例如Au)或钛酸钙(例如CaTiO3)。
在一些实施例中，无机材料的颗粒(也被称作无机材料颗粒)的尺寸小于约100nm，例如介于约1nm至约100nm之间。由于无机材料通常比有机材料更硬，因此选择无机材料颗粒的尺寸以避免或减少在化学机械研磨操作期间无机材料颗粒从研磨垫115A脱落时(例如由于研磨垫的磨损)刮伤晶片的可能性。尺寸小于约100nm的无机材料颗粒可能会大幅减少刮伤晶片表面的机会。
在一些实施例中，除了第一研磨区(例如由有机材料形成)和第二研磨区(例如由无机材料形成)之外，研磨垫115A的顶层118A具有额外的研磨区。在此情况下，每个额外的研磨区可由有机材料或无机材料形成。在一些实施例中，顶层118A的每个研磨区是由不同的材料形成，例如以上列出的有机或无机材料。在一些实施例中，研磨垫115A具有多个研磨区，其中至少第一研磨区是由有机材料形成，第二研磨区是由无机材料形成，且至少两个研磨区是由相同材料(例如相同的有机或无机材料)形成。
研磨垫115A的研磨区的数量和研磨区的材料可具有任何适合的组合以形成包括多个具有不同表面性质的研磨区的研磨垫。举例而言，靠近研磨垫115A中心的研磨区，例如研磨区411，可由有机材料(例如具有更高的摩擦系数)形成，而靠近研磨垫115A边缘的研磨区，例如研磨区417，可由无机材料(例如具有较低的摩擦系数)形成。在范例实施例中，研磨垫115A具有两个研磨区，其中中心研磨区(例如圆形区域)是由有机材料形成，并且外部研磨区(例如围绕中心研磨区的环形区域)是由无机材料形成。在另一实施例中，研磨垫115A具有两个以上的研磨区，为每个研磨区选择材料，使得摩擦系数沿着研磨垫的径向从研磨垫的中心到研磨垫的边缘降低。在又一实施例中，研磨垫115A具有三个或更多个研磨区，为每个研磨区选择材料，使得摩擦系数沿着径向方向从研磨垫的中心到研磨垫的边缘交替地降低和增加。这可例如通过在研磨区中交替使用有机材料和无机材料来达成。
如上所述，研磨垫115A具有多个研磨区，每个研磨区由有机材料或无机材料形成。因此，研磨垫115A也被称为混合复合材料垫(hybrid-composite material pad；HCMP)。研磨垫115A的研磨区具有不同的表面性质，这允许晶片在化学机械研磨工艺期间被移动至研磨垫115A的不同区域以达到不同的研磨特性(例如，不同的负载、不同的摩擦系数或不同的蚀刻速率)，以补偿晶片的负载效应。
举例而言，由感测器129所测量出较大的负载力可指出晶片的对应区域具有高的图案密度和缓慢的移除速率。例如，如果感测器129的测量值在晶片300的不同区域中具有较大的负载差异，则当晶片的不同区域中的负载力之间的差异(例如，最大负载差异)超过预定阈值时，化学机械研磨工具的控制器可将承载座125(和晶片)移动到研磨垫115上方的不同位置，使得具有高负载力测量值的晶片区域被移动到具有高移除率(例如，高摩擦系数或较高的表面粗糙度)的研磨区，以降低晶片的不平整度并减少负载差。作为另一范例，如果晶片的第一区域中的负载力超过预定阈值，则化学机械研磨工具的控制器可将晶片移动到研磨垫上方的不同位置，使得晶片的第一区域被具有高移除率的研磨区所研磨，以减少第一区域中的负载力。
在一些实施例中，为了促使利用研磨垫的特定研磨区来研磨晶片的特定区域，在研磨垫115旋转时的化学机械研磨工艺期间，承载座125的旋转可暂时停止一段时间。举例而言，当晶片的区域中的负载力超过预定阈值时，或者当晶片的不同区域之间的负载差超过预定阈值时，可暂时停止承载座125的旋转，且将承载座125移动到不同的位置(如上所述)，以使晶片的不同区域使用不同的研磨区进行研磨，直到负载力或负载差降至预定阈值以下，此时承载座125可能会再次开始旋转。
图5A和图5B分别示出根据一些实施例的研磨垫115B的俯视图和剖视图。图5B是沿图5A的截面B-B的剖视图。研磨垫115B可用作第1至3图中的研磨垫115。
在图5A和图5B的范例中，研磨垫115B具有基底层116和顶层118B。研磨垫115B的直径D、基底层116的厚度T以及基底层116的材料可与研磨垫115A相同或相似，故不再赘述。顶层118B的厚度T2介于约10mm至约100mm之间。
参照图5A和图5B，顶层118B具有多个研磨区，例如研磨区511、513、515和517。在顶层118B中心的研磨区511为圆形(例如在研磨垫115B的中心轴115BX周围)，且研磨区513、515和517为环形且与研磨区511同心。应注意的是，在图5A和图5B中示出四个研磨区，以作为非限制性的范例。本技术领域中技术人员能轻易理解可在顶层118B中形成其他数量的研磨区，例如两个、三个或四个以上的研磨区。在一些实施例中，研磨垫115B的研磨区的数量介于2至15之间。
在所示的实施例中，顶层118B的不同研磨区是由相同材料形成，但是在研磨区中具有不同的凹槽图案。因此，研磨垫115B也可被称为混合图案凹槽垫(hybrid-patterngroove pad；HPGP)。凹槽图案的范例示出于图6A至图6G中，以下将更详细地说明。
在一些实施例中，顶层118B的材料是有机材料，例如聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯、甲基纤维素、氢丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素马来酸共聚物、聚氨酯或其他类似的材料。在一些实施例中，有机材料的分子量介于约1000g/mol至约1000000g/mol之间，例如介于约100000g/mol至约1000000g/mol之间。在一些实施例中，顶层118B的材料是无机材料，例如氧化钛(例如TiO2)、氧化硅(例如SiO2)、氧化铝(例如Al2O3)、氧化铜(例如CuO)、过氧化锌(例如ZnO2)、二氧化锆(例如ZrO2)、铂(例如Pt)、金(例如Au)或钛酸钙(例如CaTiO3)。在一些实施例中，无机材料颗粒的尺寸小于约100nm。
在所示的实施例中，研磨垫115B的每个研磨区具有不同的凹槽图案，借以在不同的研磨区中提供不同的表面特性。举例而言，不同的凹槽图案为每个研磨区提供不同的摩擦系数。另外，可将凹槽图案设计成在不同的研磨区中产生不同的浆料流动模式。对于具有均质的表面性质的传统研磨垫，例如由于晶片的负载效应，可能难以在研磨垫上达到大致上均匀的浆料流场(例如浆料的流动模式)。本公开的研磨垫115B具有不同的凹槽图案，允许在不同的研磨区中使用不同的凹槽图案来微调浆料流场，进而达到大致上均一的浆料流场并提高被研磨的晶片表面的均匀度。
在一些实施例中，化学机械研磨工具例如使用成像装置来测量研磨垫115B的上表面上方的浆料流场。基于所测量的浆料流场，化学机械研磨工具的控制器可将浆料分配器140(参见图2)于特定研磨区上从第一位置移动至第二位置。当将浆料分配至特定研磨区中时，特定研磨区的凹槽图案可用一些方式改变浆料流场，以补偿例如晶片的负载效应，进而在研磨垫上产生大致上均一的浆料流场。
在一些实施例中，图6A至图6F示出图5A和图5B所示的研磨垫115B的各种凹槽图案的俯视图。在一些实施例中，图6G示出用于研磨垫115B的凹槽图案的透视图。研磨垫115B的每个研磨区可具有不同的凹槽图案，例如图6A至图6G所示的凹槽图案的其中一者。尽管图5A显示在每个研磨区中具有不同的凹槽图案，但是研磨垫115B的一些(但不是全部)研磨区可以具有相同的凹槽图案，这些图案和其他变形完全意图要包括在本公开的范围内。可通过图案化顶层118B的材料(例如，无机材料或有机材料)来形成凹槽图案。可使用任何适合的图案化方法，例如光刻和蚀刻、模制(例如使用模具)或其他类似的方法。
图6A示出凹槽图案包括在中间是中空的圆形结构的范例。图6B和图6C的凹槽图案分别包括多边形结构和三角形结构。图6D的凹槽图案包括线形结构，其中，线形结构的纵向是沿着研磨垫的径向或沿着研磨垫的切线方向(例如，与径向正切)。图6E的凹槽图案包括波浪线形结构，并且图6F的凹槽图案包括点形结构。图6G示出凹槽图案包括由顶层118A中的孔所分隔开的柱形结构的范例。
图7A和图7B分别示出根据一些实施例的研磨垫115C的俯视图和剖视图。图7B是沿图7A的截面C-C的剖视图。研磨垫115C可用作图1至图3中的研磨垫115。
在图7A和图7B的示例中，研磨垫115C具有基底层116和顶层118C。研磨垫115C的直径D、基底层116的厚度T以及基底层116的材料可与研磨垫115A相同或相似，故不再赘述。顶层118C的厚度T3介于约10mm至约100nm之间。与图4A和图4B的实施例相似的是，基底层116的绒毛厚度可介于约0.1mm至约5mm之间。
参照图7A和图7B，顶层118C具有多个研磨区，例如研磨区711、713、715、717和719。研磨区711位于顶层118C的中心且为圆形(例如，围绕研磨垫115C的中心轴115CX)，且研磨区713、715、717和719为环形并与研磨区711同心。应注意的是，在图7A和图7B中示出五个研磨区，作为非限制性的范例。本技术领域中技术人员能轻易理解的是，可在顶层118C中形成其他数量的研磨区，例如多于或少于五个研磨区。在一些实施例中，研磨垫115C的研磨区的数量介于2至15之间。
在一些实施例中，使用有机材料和无机材料的混合物形成研磨垫115C的不同研磨区，其中每个研磨区中的有机材料和无机材料之间的混合比(例如，有机材料和无机材料之间的体积比)沿着研磨垫115C的径向逐渐改变，使得顶层118C的摩擦系数沿径向具有梯度。因此，研磨垫115C也被称为梯度摩擦材料垫(gradient friction material pad；GFMP)。换句话说，研磨区711、713、715、717和719中的每一者对于有机材料和无机材料的混合物具有各自的混合比，且此混合比会从研磨垫115C的中心到研磨垫115C的边缘沿径向变化(例如降低)。
在范例实施例中，用于形成研磨垫115C的顶层118C的混合物包括有机材料A和无机材料B。研磨区711仅由有机材料A形成(包括100％的有机材料A和0％的无机材料B的混合物)，研磨区713由包括例如75％的有机材料A和25％的无机材料B的混合物形成，研磨区715由包括例如50％的有机材料A和50％的无机材料B的混合物形成，研磨区717由包括例如25％的有机材料A和75％的无机材料B的混合物形成，且研磨区719仅由无机材料B形成(例如，0％有机材料A和100％无机材料B)。由于有机材料可以具有比无机材料更高的摩擦系数，因此在以上范例中，研磨垫的研磨区的摩擦系数形成梯度，此梯度沿着径向从研磨垫的中心到研磨垫的边缘降低。在以上范例中使用的混合比仅仅是非限制性的范例，其他混合比也是可能的，且完全意图包括在本公开的范围内。作为另一范例，在本公开的范围内还可想到具有从研磨垫的中心到研磨垫的边缘沿着径向增加的摩擦系数梯度的研磨垫。
用于形成研磨垫115C的研磨区的混合物中的有机材料可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素马来酸共聚物、聚氨酯、聚丙烯酰胺或其他类似的材料。在一些实施例中，有机材料的分子量介于约1000g/mol至约1000000g/mol之间，例如介于约100000g/mol至约1000000g/mol之间。混合物中使用的无机材料可以是氧化钛(例如TiO2)、氧化硅(例如SiO2)、氧化铝(例如Al2O3)、氧化铜(例如CuO)、过氧化锌(例如ZnO2)、二氧化锆(例如ZrO2)、铂(例如Pt)、金(例如Au)或钛酸钙(例如CaTiO3)。在一些实施例中，无机材料颗粒的尺寸小于约100nm。
在另一些实施例中，可仅使用聚合物材料来形成研磨垫115C的不同研磨区，但是在每个研磨区中聚合物材料的分子量从研磨垫的中心到研磨垫的边缘沿径向改变(例如，降低)。由于具有大分子量的聚合物材料可以具有较高的摩擦系数，故在此范例中形成的研磨垫亦沿着研磨垫115C的径向呈现出摩擦系数的梯度。
具有研磨垫115C的化学机械研磨工具的操作可以与具有研磨垫115A的化学机械研磨工具相同或相似，故不再重复细节。在一些实施例中，基于所测量的负载条件，化学机械研磨工具的控制器可将承载座125从研磨垫115C上方的第一位置移动到第二位置，进而可通过不同的研磨区来研磨晶片300的不同区域，以减少晶片表面的不平整度并减小负载差。
对于所公开实施例的变型是可能的，且完全意图被包括在本公开的范围内。举例而言，图5A和图5B的实施例可与图4A和图4B(或图7A和图7B)的实施例结合以形成研磨垫，其中每个研磨区具有不同的凹槽图案且由不同的材料形成。
实施例可以达成优点。每个公开的研磨垫具有多个研磨区，并且每个研磨区的表面性质可被独立地调整。举例而言，每个研磨区中的材料及/或凹槽图案可独立于其他研磨区来设计，这允许对研磨垫进行设计和微调以达成各种研磨特性。可修改化学机械研磨工艺以利用由多个研磨区提供的多个表面特性，例如基于测量的负载条件及/或浆料流场来移动承载座及/或移动浆料分配器。如此一来，可达到更均匀分布的负载条件及/或大致上均一的浆料流场，这进而改善在化学机械研磨工艺之后晶片表面的均匀性。另一个优点是与具有一个研磨区或一个凹槽图案的传统研磨垫相比，延长了研磨垫的使用寿命。为了克服负载效应并达到改善的晶片表面平整度，使用传统研磨垫的化学机械研磨工具可能必须增加在晶片上的负载力，这会增加研磨垫的磨损。反之，本公开的研磨垫在不需要增加负载力的情况下达到更平衡的负载条件和改善的晶片表面平坦度，进而延长研磨垫的寿命并节省制造成本。
图8示出根据一些实施例的操作化学机械研磨工具的方法的流程图。应理解的是，图8所示的实施例方法仅是许多可能的实施例方法的范例。本技术领域中技术人员将可认知到许多变化、替代和修改。举例而言，可增加、移除、替换、重新排列和重复如图8所示的各个步骤。
参照图8，在步骤1010中，旋转附接有的研磨垫的平台，其中研磨垫的远离平台的第一表面具有表面性质不同的附属数个同心研磨区。在步骤1020，利用承载座固持晶片。在步骤1030，利用浆料分配器将浆料分配于研磨垫的第一表面上。在步骤1040，将晶片向研磨垫的第一表面施压。
根据一些实施例，一种化学机械平坦化工具包括平台以及附接至前述平台的研磨垫。研磨垫远离平台的第一表面包括第一研磨区和第二研磨区，其中前述第一研磨区是位在前述研磨垫的第一表面中心处的圆形区域，而前述第二研磨区是在前述第一研磨区周围的环形区域。前述第一研磨区和第二研磨区具有不同的表面性质。
在一些实施例中，前述第一研磨区和第二研磨区包括不同材料或具有不同的沟槽图案。
在一些实施例中，前述第一研磨区包括有机材料，且前述第二研磨区包括无机材料。
在一些实施例中，前述有机材料为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、甲基纤维素、氢丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素马来酸共聚物或聚氨酯。
在一些实施例中，前述无机材料为氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化铜、过氧化锌、二氧化锆、铂、金或钛酸钙。
在一些实施例中，前述第一研磨区包括有机材料和无机材料的第一混合物，且前述第二研磨区包括有机材料和无机材料的第二混合物，其中第一混合物具有有机材料和无机材料之间的第一混合比，第二混合物具有有机材料和无机材料之间的第二混合比，且前述第一混合比与第二混合比不同。
在一些实施例中，前述第一混合比大于前述第二混合比。
在一些实施例中，前述第一研磨区和第二研磨区包括相同的材料但具有不同的沟槽图案。
在一些实施例中，前述第一研磨区和第二研磨区包括不同材料且具有不同的沟槽图案。
在一些实施例中，前述第一研磨区包括具有第一分子量的聚合物材料，前述第二研磨区包括具有第二分子量的聚合物材料，且第一分子量与第二分子量不同。
在一些实施例中，前述第一分子量大于前述第二分子量。
根据一些实施例，一种化学机械平坦化工具包括承载座、平台、浆料分配器以及附接至前述平台的研磨垫。承载座用以固持晶片。研磨垫面向承载座的第一表面具有多个同心研磨区，且前述同心研磨区具有不同的表面性质。
在一些实施例中，前述同心研磨区包括第一研磨区和第二研磨区，第一研磨区位于前述研磨垫的第一表面的中心且为圆形，第二研磨区围绕前述第一研磨区且为环形。
在一些实施例中，前述第一研磨区的第一材料为有机材料。
在一些实施例中，前述第二研磨区的第二材料为无机材料。
在一些实施例中，前述同心研磨区还包括位于前述第一研磨区和第二研磨区之间的第三研磨区，第三研磨区为环形，且第三研磨区的第三材料为有机材料和无机材料的混合物。
在一些实施例中，前述第一研磨区和第二研磨区具有不同的沟槽图案。
根据一些实施例，一种化学机械平坦化工具的操作方法包括旋转附接有研磨垫的平台，其中前述研磨垫远离平台的第一表面具有多个同心研磨区，且前述同心研磨区具有不同的表面性质；利用承载座固持晶片；利用浆料分配器将浆料分配于前述研磨垫的第一表面上；以及将前述晶片向前述研磨垫的第一表面施压。
在一些实施例中，前述方法还包括监控施加在前述晶片的不同区域中的负载力；检测在前述晶片的不同区域中的负载力之间的差值超出预定值；以及根据前述检测，将前述晶片从前述研磨垫的第一表面的第一位置移动至前述研磨垫的第一表面的第二位置，以减少前述负载力之间的差值。
在一些实施例中，前述方法还包括测量在前述研磨垫的第一表面的浆料流场；以及根据所测量的浆料流场将前述浆料分配器从前述研磨垫上方的第一位置移动至前述研磨垫上方不同的第二位置，其中移动前述浆料分配器增加流场的均一性。
以上概述了许多实施例的特征，使本公开所属技术领域中技术人员可以更加理解本公开的各实施例。本公开所属技术领域中技术人员应可理解，可以本公开实施例为基础轻易地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。本公开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公开的精神与范围。在不背离随附权利要求的精神与范围的前提下，可对本公开实施例进行各种改变、置换及变动。

Claims (1)

1.一种化学机械平坦化工具，包括：
一平台；以及
一研磨垫，附接至该平台，其中该研磨垫远离该平台的一第一表面包括一第一研磨区和一第二研磨区，该第一研磨区是位在该研磨垫的该第一表面中心处的一圆形区域，该第二研磨区是在该第一研磨区周围的一环形区域，且该第一研磨区和该第二研磨区具有不同的表面性质。
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