CN1204141A

CN1204141A - 化学机械抛光衬垫调理装置

Info

Publication number: CN1204141A
Application number: CN 98108726
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·普莱斯尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 1999-01-06

Abstract

调理化学/机械抛光系统的抛光衬垫的抛光衬垫调整理装置与方法。该装置包括:一主体;在主体下表面上安装的至少一个调理元件,其包括调理表面和与该表面邻接的开口;与调理元件内开口工作连通的真空源。该方法包括:保持该装置与抛光衬垫表面的接触;在衬垫上施加真空源,使真空源与调理元件工作连通;调理抛光衬垫表面,同时从其上真空吸去颗粒。

Description

化学机械抛光衬垫调理装置

本发明涉及半导体元件制造，具体地说涉及到改进的半导体晶片的化学机械抛光(“CMP”)，它带来了半导体元件制造的更大的功效。

电子元件的进展通常包括使形成集成电路的元件尺寸减小，集成电路包括诸如存储芯片，逻辑元件等等。采用较小的电路元件就可以提高半导体晶片每单位面积的价值。这是因为改进了可以使用IC元件的所有晶片面积的能力。为了恰当地形成采用更高的可使用晶片面积的比例的集成电路，关键的问题是在半导体晶片表面上的污染物微粒数必须要减小到先前能接受的水平以下。例如，小于0．2微米的氧化物和金属的细微颗粒对于许多普遍较先进的电路设计来说是不可接受的，这是因为它们会使两条或更多的导线短接。为了清洁半导体晶片并除去不需要的微粒，一种名为化学机械抛光(“CMP”)的工艺已取得了普遍的成功。

通常，CMP系统是把半导体晶片与抛光衬垫相接触，而后者可以相对于半导体晶片运动。半导体晶片可以静止不动或者也可以在固定晶片的载体上转动。在半导体晶片与抛光衬垫之间，CMP系统中常常使用抛光液。抛光液是一种具有润滑在半导体晶片与抛光衬垫之间运动界面能力的液体，它用一种抛光剂诸如二氧化硅或氧化铝来柔和地研磨和抛光半导体晶片表面。

在CMP处理时，由于抛光衬垫与半导体晶片接触，通常使得抛光衬垫的表面最后被不均匀地腐蚀或磨损。因此，抛光衬垫必须定期地用调理部件来加以调理。调理部件一般包括在它的调理表面上的一组金刚石，并横过抛光衬垫以均匀地调理衬垫的表面。

与常用的CMP系统有关联的基本问题之一是在抛光衬垫表面上微粒与碎屑的积聚，它们一般会阻碍抛光过程与调理过程。这些微粒与碎屑由于他们能刮伤半导体晶片的表面，因此会对抛光过程造成不良影响，与污染物一样，他们又能够有害地影响到形成的集成电路的运行。

另一个与常用的CMP系统有关的问题是抛光衬垫的表面会不均匀磨损，由于晶片一般对准在抛光衬垫表面上的一个位置上，由此也有害地影响到抛光均匀度。一种克服这类问题的办法是使常用的衬垫调理装置具有可以横穿衬垫表面移动的能力。但是，它们没有一种可以调整调理元件与衬垫之间相对位置的装置，以使调理强度最佳。

因此就需要一种调理CMP系统的抛光衬垫的改进方法与装置，用以去除衬垫表面上的微粒与碎屑，以能使调理强度达到最优化。

本装置和方法包括一个抛光衬垫调理装置，它克服了常用CMP系统中存在的问题。抛光衬垫调理装置包括：限定一上表面与下表面的主体；在主体下表面上安装的至少一个调理元件，该调理元件包括调理表面和与调理表面邻接的开口；以及在调理元件内与开口工作连通的真空源。抛光衬垫调理装置还可以包括附在主体上表面的撑臂，通过撑臂的通道，真空源可以与调理元件内的开口工作连通。

在另一个实例中，所提供的抛光衬垫调理装置包括：限定一空腔的主体；包围空腔的柔性膜；安装在柔性膜上的至少一个调理元件；以及调整空腔内部压力的装置。调整空腔内部压力的装置可包括一流体源，使得柔性膜的轮廓随着空腔内部压力的减少或增加而变化，以使调理过程最佳。在另一实例中，还提供了调理抛光衬垫的方法，它包括如下一些步骤：固定抛光衬垫调理装置，该调理装置包括调理元件，在其上的调理表面，以及在调理元件内邻近调理表面的开口，其邻近抛光衬垫表面；将真空源施加在衬垫上，真空源与调理元件中的开口工作连通；调理抛光衬垫的表面并同时真空除去其上的微粒。

在又一个实例中，提供复合抛光衬垫调理装置，其把本发明的所有特征包括于一个装置中。

所有种种目的、特征与优点将从参照附图的说明性的实施例的详尽介绍中会更加清晰。

为了进一步了解本CMP衬垫调理装置，结合附图对示范性的实施例作如下介绍，附图中：

图1是化学／机械抛光半导体晶片表面装置的俯视图；

图2是类似于图1所示装置的侧视图，其中显示了本CMP调理装置的部分剖视图；

图3是根据第一实施例抛光衬垫调理装置的部分侧剖视图；

图4是根据另一个实施例的具有内凹柔性膜的抛光衬垫调理装置的侧剖视图；

图5是图4具有外凸柔性膜的抛光衬垫调理装置的侧剖视图；

图6是说明一组调理元件几何结构的仰视图；以及

图7是说明一组调理元件另一种几何结构的仰视图。

一般说来，本发明涉及抛光衬垫调理装置以及用以调理化学／机械抛光系统的抛光衬垫的方法。在一个实施例中，抛光衬垫调理装置包括：主体部分；至少一个调理元件，包括调理表面；以及与调理元件内开口工作连通的真空源。在另一个实施例中，抛光衬垫调理装置包括：限定了一个空腔的主体部分；包围空腔的柔性膜；安装于其上的至少一个调理元件；以及用以调整空腔内部压力以改变柔性膜轮廓的装置。本抛光衬垫调理装置的优点通常包括半导体晶片产出率更大。具体说，抛光衬垫调理装置提供了从抛光衬垫表面去除碎屑与微粒的手段以及使调理过程最优化的装置。

现在详尽地参阅附图，图1说明了在应用本发明的实施例的典型半导体晶片CMP处理中的一个过程。

过程起始，与机器人撑臂24相连的晶片载体22从容纳大量半导体晶片的寄存箱中取出半导体晶片(图中未画)。半导体晶片包括诸如逻辑元件或包括动态RAMS(DRAMS)，静态RAMS(SRAMS)以及同步DRAMS(SDRAMS)的随机存取存储器(RAMS)的一组集成电路IC。在晶片上的IC可处于不同的加工阶段。半导体晶片一般由真空吸力保持在晶片载体22的底部表面上。晶片载体22然后被传送到图1所示的位置，在这里通过在晶片载体22与抛光衬垫26之间施加的压力，载体22保持半导体晶片的表面与抛光衬垫26的表面相邻。

抛光衬垫26可以安装在使衬垫26转动的平台上，在本例中以反时针方向转动。在抛光时，晶片载体22也可以转动，这样当每一个都转动时可以使半导体晶片的表面与抛光衬垫26接触。虽然晶片载体22图示与抛光衬垫26以同一方向转动(也就是反时针方向)，它也可以与抛光衬垫26相反的方法转动。旋转力，以及衬垫26的抛光表面和抛光液28的润滑与研磨特性一起作用抛光了半导体晶片。抛光液供给机构30供给需要量的抛光液以覆盖衬垫26。虽然这个过程是以其中抛光衬垫26转动来介绍的，但抛光衬垫26以横向方向移动或横向与转向组合的运动也可以。

由于抛光衬垫26在其表面上最后会被腐蚀或磨损，这就要提供抛光衬垫调理装置32来调理抛光衬垫26的表面，以保持恒定的抛光率与均匀的抛光处理。抛光衬垫调理装置32可以与抛光衬垫26相同的或相反的方向旋转。而且抛光衬垫调理装置32也可以在机器人撑臂34的控制下，在衬垫26的上方横向地，径向地运动，以便建立一个比抛光衬垫调理装置32直径为大的抛光衬垫的外廓。

在完成了半导体晶片表面的抛光以后，机器人撑臂24把晶片载体22以及半导体晶片传送到清洗部(图中未画)，在这里残留的抛光液被由水溶液喷淋从半导体晶片上除去。水溶液例如包括pH值控制化合物，用以控制抛光液的预定的pH值，并从半导体晶片上除去抛光液。溶液也可以包括在Hempel的美国专利No．5，597，443中的浓NH₄OH混合物，在此将其作为本申请的参考文献。之后半导体晶片被传送到卸载箱，在这里可能要经过下一步的处理。

如上所述，伴随常用CMP系统的问题是在抛光衬垫26的表面上，由抛光过程与调理过程二者产生的碎屑与微粒的积累，它们导致进行抛光的半导体晶片表面上的缺陷。

参阅图2，显示了根据本发明一个实施例的抛光衬垫调理装置。图中所示有抛光衬垫调理装置40，连接在机器人撑臂44上的晶片载体42以及抛光衬垫46。抛光衬垫调理装置40包括在机器人撑臂48中的一组通道，它与抛光衬垫调理装置40的主体部分50的近端相沟通。两个外侧通道52的每一个远端都与真空源工作连通，它对抛光衬垫46的表面提供真空，下面还将更详细讨论。中间通道54的远端与流体源工作连通，用以改变位于抛光衬垫调理装置主体部分50内部的柔性膜的位置，下面也将给以更详尽的讨论。图2所示的抛光衬垫调理装置40的实施例是复合型的，它包括了将参考图3至7讨论的实施例中的至少一个特征。

参阅图3，抛光衬垫调理装置60介绍了一种实施例，它包括与在机器人撑臂68中形成的通道62，64与66中至少一个通道的远端相工作连通的真空源(图中未画)。中间通道64通过撑臂68延伸向由主体部分76的下表面，调理元件80以及抛光衬垫70表面形成的空腔开口。两个外侧通道62和66与主体部分76内的通道72和74，以及在调理元件80内的开口78沟通。这样，真空源与抛光衬垫70的表面工作连通，按图示箭头方向从中除去碎屑与微粒。当然也可以用单一通道把抛光衬垫70的表面与真空源连通，而不是如上所述的一组通道。最好真空力可调整到有效地除去微粒而在抛光衬垫70上留下足够量的抛光液。而且当调理元件80的调理表面82在调理抛光衬垫70的表面时，表面82将在衬垫70的表面上形成密封，使得保持真空力，又可以有效地除去调理过程中形成的碎屑与微粒。

虽然也可以采用其它的一些结构，图3的调理元件80的优选几何结构示于图6。这样，图3所示的抛光衬垫调理装置可以同时进行调理过程和除去碎屑与微粒，以及相互接在一起，减少或消除了对要进行化学／机械抛光处理的半导体晶片的表面产生不良影响的碎屑与微粒的量。

如图4与5所示，本抛光衬垫调理装置的另一实施例包括：限定一空腔92的主体部分90。柔性膜94用以包围空腔92，且它的四周被固定。通道96的近端通向在柔性膜94上表面上的空腔92，它的远端与流体源工作连通，用以在通道96与空腔92中间产生增高或降低的压力。

如图4所示，柔性膜94的中央将按箭头方向响应空腔92与通道96中压力减少而向上弯曲。这样柔性膜94的轮廓将相对于抛光衬垫内凹。如图所示，装在膜94底部表面上的调理元件98将从抛光衬垫的表面上被拉起，从而改变了调理强度，并提供了控制衬垫轮廓的能力。在一实施例中，衬垫轮廓调整得能得到最佳的抛光均匀度。在空腔92与通道96中减少的压力例如最好处于0psig至5psig。当然也可应用其它压力来形成要求的衬垫轮廓。

如图5所示，柔性膜94的中央部分按箭头方向响应空腔92与通道96内的压力增加而向下弯曲。这样柔性膜94的轮廓将相对于抛光衬垫来说外凸。如图所示，安装在柔性膜94底部表面上的调理元件98将向外朝抛光衬垫的表面伸出，通过控制衬垫轮廓，改变了调理强度，并导致最佳抛光均匀度。在空腔92与通道96内压力的增高值一般在例如0psig至5psig范围。当然也可采用其它压力来形成所要求的抛光衬垫轮廓。

采用柔性膜的目的是为了控制衬垫轮廓，由此可取得最佳调理过程。虽然已经介绍了引用典型的与气压，液压或真空压沟通的通道来改变柔性膜94的轮廓，但也可以采用诸如压电等其它技术。在调理元件98与抛光衬垫之间所加的压力也可以通过机器人撑臂由改变主体部分90与所处的抛光衬垫的距离来控制，以进一步优化抛光均匀度。尽管由流体源或其它方式来产生压力的增减，但柔性膜也可以机械地通过机器人撑臂改变主体部分90上的受力来弯曲。也可以调整抛光衬垫调理装置以保持与衬垫表面的接触，并补偿由于腐蚀导致衬垫厚度的损失。

在本抛光衬垫调理装置中也可以采用具有不同几何结构的一组调理元件。图6与图7说明了它的两个实施例。如上所述，如图6所示，形成一组同心圆环的调理元件80可用于图3所示的抛光衬垫调理装置中。图7介绍的是具有一组基本为圆形的调理元件102的抛光衬垫调理装置100。在例如图3所示的实施例中采用基本为圆形的调理元件102的场合，在抛光衬垫调理装置100的外周边上可提供密封104，以保持真空吸力。在上两种的任一个的几何结构中，还可以在调理元件80与102的表面上安装一组金刚石，更有利于调理过程。

虽然已结合附图对实施例进行了介绍，但应该了解本发明不限于这些精良的实施例，本领域技术人员还可以对它们进行变动与修改，只要不超出本发明的精神或范围。所有这些变动与修改均包括在由所附权利要求书所限定的本发明范围之内。

Claims

1．一种化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，包括：

限定一上表面与下表面的主体；

在主体下表面上安装的至少一个调理元件，该调理元件包括调理表面和与调理表面邻接的开口；以及

在调理元件内与开口工作连通的真空源。

2．如权利要求1所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，还包括连在主体上表面上的撑臂，其中通过撑臂中的通道，真空源与调理元件中的开口工作连通。

3．如权利要求2所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，其中主体可相对于撑臂转动。

4．如权利要求1所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，其中调理表面包括有金刚石颗粒。

5．如权利要求1所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，其中在主体的下表面上安装一组基本为圆形的调理元件。

6．如权利要求1所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，其中在主体的下表面上安装一组由同心圆环形成的调理元件。

7．如权利要求1所述的化学／机械抛光系统用抛光衬垫调理装置，其中至少在主体一部分的下表面上包括柔性膜，以及在所述膜上至少装有一个调理元件。

8．用以抛光半导体晶片的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，包括：

限定一空腔的主体；

包围空腔的柔性膜；

在柔性膜上安装的至少一个调理元件；以及

调整空腔内部压力的装置，以改变膜相对于抛光衬垫的位置。

9．如权利要求8所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中调整空腔内部压力的装置包括流体源。

10．如权利要求9所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中由于空腔内部压力减少使柔性膜相对于抛光衬垫具有内凹轮廓。

11．如权利要求9所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中由于空腔内部压力增加使柔性膜相对于抛光衬垫具有外凸轮廓。

12．如权利要求8所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中调理元件包括在其上有金刚石颗粒的调理表面。

13．如权利要求8所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中在柔性膜上装有的至少一个调理元件基本为圆形。

14．如权利要求8所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，其中在柔性膜上装有一组由同心圆环形成的调理元件。

15．如权利要求8所述的化学／机械抛光系统用的抛光衬垫调理装置，还包括连在主体上表面上的撑臂，所述主体可以相对撑臂转动。

16．调理化学／机械抛光系统抛光衬垫的方法，包括以下步骤：

保持抛光衬垫调理装置与抛光衬垫表面接触，抛光衬垫调理装置包括调理元件，其上的调理表面以及在调理元件内与调理表面邻接的开口；

在所述抛光衬垫上施加真空源，使所述真空源与调理元件工作连通；以及

调理抛光衬垫表面，同时从其中真空吸去颗粒。

17．如权利要求16所述的调理化学／机械抛光系统的抛光衬垫的方法，还包括转动抛光衬垫调理装置的步骤。

18．如权利要求16所述的调理化学／机械抛光系统的抛光衬垫的方法，还包括在抛光衬垫的表面上移动抛光衬垫调理装置的步骤，用以建立一个比抛光衬垫调理装置直径为大的抛光衬垫轮廓。

19．用以抛光半导体晶片的化学／机械抛光系统，包括：

具有抛光表面的抛光衬垫，用以接受半导体晶片，并抛光晶片表面；

在所述抛光衬垫上施加抛光液的装置，以润滑半导体晶片与所述抛光衬垫之间的界面；

用以固定半导体晶片并与所述抛光衬垫接触的载体；

调理所述抛光表面的调理元件；以及

贯穿所述调理元件，与所述抛光衬垫工作连通的真空源。

20．如权利要求19所述的化学／机械抛光系统，还包括改变调理元件相对于抛光衬垫位置的装置。