CN1597254A - 研磨垫以及研磨晶圆的方法 - Google Patents

Abstract

一种研磨晶圆的方法，此方法是首先提供第一研磨垫，此第一研磨垫包括复数个研磨颗粒。之后，于第一研磨垫上进行第一研磨步骤以使晶圆表面平坦。接着，提供第二研磨垫，第二研磨垫包括复数个研磨颗粒且其与晶圆接触的表面为凹凸表面。然后，于第二研磨垫上进行第二研磨步骤。由于此方法提供具有凹凸表面的第二研磨垫进行第二次研磨，因此可以有效改善公知被研磨物过于平坦而导致研磨效率下降的问题。

Description

研磨垫以及研磨晶圆的方法

技术领域

本发明是有关于一种研磨垫以及研磨晶圆的方法，且特别是有关于一种可有效改善研磨效率的研磨垫以及研磨晶圆的方法。

背景技术

在存储器晶圆(memory wafer)或逻辑晶圆(logic wafer)等半导体元件的制作中，为了提高电子元件的集成度以及降低生产成本，所以近来在工艺上有逐渐提高深宽比(aspect ratio)且增加导线层(conductive circuit layer)的堆栈层数的趋势。不过，在制作此多层导线层结构时，随着堆栈层数的增加，于晶片表面所产生的凹凸或扭曲等不平坦的现象会日益显著，因此能在工艺中消除晶圆表面的不平坦并达到所谓的完全平坦化(global planarity)的技术成为众所瞩目的焦点。使用此完全平坦化技术不但可以在元件上使用多层的导线结构，而且还能确保所制得的元件的合格率。最早提出完全平坦化的技术是美国IBM公司，其利用完全平坦化技术之一的化学机械研磨法(chemicalmechanical polishing，CMP)来进行埋入式导线之间金属镶嵌(damascene)工艺。在化学机械研磨的过程中，其是通过研磨粒子(abrasive particle)以及具有适当的弹性(elasticity)与硬度(hardness)的的研磨垫，在晶圆表面彼此进行相对运动以达成平坦化的目的。

然而，利用具有研磨粒的研磨液来进行浅沟渠隔离区(shallowtrench isolation，STI)的化学机械研磨以去除主动区的氮化硅上的介电材料(例如：氧化硅)时，会于氧化硅表面产生碟陷(dishing)，且此碟陷现象至今一直无法获得解决。因此，近来较常采用的方式为一种不需研磨液的化学机械研磨，此方法称为砂布式化学机械研磨法(fixedabrasive CMP，简称FA-CMP)，其是将研磨粒固定于研磨垫中，意即使研磨垫如砂布(或砂纸)一般具有研磨颗粒因此具有研磨的功能，此方法的优点具有高介电材料(例如：氧化硅)对氮化硅的选择比，且其平坦化效率(planarization efficiency)佳，而且可以有效降低浅沟渠内氧化硅发生碟陷的现象。

图1A至图1C，其为公知一种研磨晶圆的流程剖面示意图。请参照图1A，提供一研磨机台100，研磨机台100包括研磨载具102、研磨垫104与研磨台106，其中研磨垫104位于研磨台106上，且研磨垫104是由一颗颗包括研磨粒108与黏结剂110，且呈三角锥、六角锥或圆柱状与矩阵式排列的固定式研磨颗粒111所构成，另外，研磨载具102系握持覆盖有氧化硅层112(其例如是浅沟渠隔离工艺中用以填充沟槽的氧化硅)的图案化晶圆114。

接着，请参照图1B，进行研磨工艺以移除晶圆114上的部分氧化硅层112以使氧化硅层112表面完全平坦，在此步骤中，由于开始进行研磨的晶圆114表面的氧化硅层112为非平坦的表面，因此可以将研磨垫104中的黏结剂110移除，而使研磨粒108裸露出来达到研磨的效果。

然后，请参照图1C，继续进行研磨工艺以使晶圆114上的氧化硅层112表面完全平坦。然而，由于氧化硅层112逐渐平坦之后，氧化硅层112表面粗糙度(roughness)下降，所以其去除研磨垫104的黏结剂110的效率降低，甚至氧化硅层112表面的粗造度已不足以将研磨垫104中的黏结剂110去除而使研磨粒108无法外露，所以要使氧化硅层112表面完全平坦势必需花费很多的时间才可达到效果，甚至是氧化硅无法完全被去除而造成在主动区上残留氧化硅的情形。

因此由上可知，砂布式研磨垫若被研磨物的表面过于平坦时，则其研磨速率会降低，且研磨效率也会降低，因此必须限定被研磨物的厚度(例如：小于1000埃)，但是此限制在现今90纳米以及次90纳米工艺上会使得浅沟渠填充(STI gap-fill)工艺宽度受到限制，亦会使砂布式化学机械研磨法能否顺利应用于下一代半导体工艺的重要关键。因此，如何维持原有的高选择比并解决公知的碟陷问题已成为砂布式化学机械研磨法重要的发展课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种研磨垫，以有效提高砂布式化学机械研磨法的研磨速率。

本发明的又一目的就是在提供一种研磨晶圆的方法，以解决公知被研磨的厚度受到限制的问题。

本发明的再一目的就是在提供一种研磨晶圆的方法，以提升浅沟渠填充(STI gap-fill)的工艺宽度。

本发明的另一目的就是在提供一种研磨晶圆的方法，可以在研磨晶圆时，实时(in-situ)在研磨垫上的研磨颗粒表面上形成凹凸表面。

本发明提出一种研磨垫，此研磨垫包括复数个研磨颗粒，而每一研磨颗粒包括黏结剂以及均匀分布于黏结剂中的复数个研磨粒，其中这些研磨粒例如是氧化铈(CeO2)，除此之外，这些研磨颗粒与晶圆接触的表面为凹凸表面。

本发明提出一种研磨晶圆的方法，此方法首先提供第一研磨垫，此第一研磨垫包括复数颗由黏结剂与均匀分布于此黏结剂中的研磨粒所构成的研磨颗粒，其中这些研磨粒例如是氧化铈(CeO2)。之后，于第一研磨垫上进行第一研磨步骤以使晶圆表面平坦。接着，提供第二研磨垫，此第二研磨垫包括复数颗由黏结剂与均匀分布于此黏结剂中的研磨粒所组成的研磨颗粒，其中每一研磨颗粒的表面为凹凸的表面，且研磨粒例如是氧化铈(CeO2)。然后，于第二研磨垫上进行第二研磨步骤。

本发明提出另一种研磨晶圆的方法，此方法首先提供一研磨载具其适于抓取晶圆，且此研磨载具的保持环(retaining ring)上具有沟槽，其中沟槽的图案例如是十字形、同心圆形、螺旋形或包含十字形、同心圆形与螺旋形的复合型态。之后，提供一研磨垫，此研磨垫包括复数个研磨颗粒，其中每一研磨颗粒包括黏结剂与均匀分布于该黏结剂中的复数个研磨粒。接着，将抓取有该晶圆的研磨载具压附于研磨垫上进行研磨，其中于进行研磨的同时，沟槽与研磨颗粒接触，并通过沟槽将研磨颗粒与晶圆接触的表面形成凹凸表面。

由上述可知，由于本发明利用具有凹凸表面的研磨垫(研磨颗粒)来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，因此可以解决因公知当被研磨物表面粗糙度下降，研磨效率会降低的问题，如此可以缩短完全平坦化工艺的时间，并避免产生残留物的问题。

而且，由于本发明利用具有凹凸表面的研磨垫(研磨颗粒)来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，因此在进行砂布式化学机械研磨法时，被研磨物的厚度将不再受到限制，此外，利用本发明还可解决浅沟渠填充(STI gap-fill)工艺宽度受到限制的问题。

另外，本发明是利用一个在保持环上具有沟槽的晶圆载具来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，通过晶圆载具的保持环上的沟槽实时地将研磨垫(研磨颗粒)表面刮出凹凸不平的表面，因此即使被研磨物表面粗糙度下降，研磨垫的表面可以持续保有粗糙度。

附图说明

图1A至图1C是公知的一种研磨晶圆的流程剖面示意图；

图2A至图2D是依照本发明的一较佳实施例的一种研磨晶圆的流程剖面示意图；

图3所示为在使用不同的固定式研磨颗粒的情况之下，对于氧化硅/氮化硅研磨速率的影响的示意图；

图4A至图4B是依照本发明的一较佳实施例的另一种研磨晶圆的流程剖面示意图；

图5A至图5C是图4A中的具有沟槽的保持环的俯视示意图；

图6所示为在使用不同的固定式研磨颗粒的情况之下，对于氧化硅/氮化硅研磨速率的影响的示意图。

100、200、300、400：研磨机台

102、202：研磨载具

104、204、216、302：研磨垫

106、206：研磨台

108、208：研磨粒

110、210：黏结剂

111、211、217、311：研磨颗粒

112、212：氧化硅层

114、214：晶圆

203：保持环

203a：沟槽

具体实施方式

以下是以氧化硅此种介电材料之加以说明本发明，但本发明并不限定于以下实施例的应用，任何需要进行砂布式化学机械研磨法工艺亦可利用本发明的方法。

图2A至图2D，其为依照本发明一较佳实施例的一种研磨晶圆的流程剖面示意图。

请参照图2A，首先提供一研磨机台200，研磨机台200包括研磨载具202、第一研磨垫204与研磨台206。其中第一研磨垫204位于研磨台206上，且第一研磨垫204包括复数颗研磨颗粒211，其中此些研磨颗粒211呈三角锥、六角锥或圆柱状与矩阵式排列，并且每一研磨颗粒211是由黏结剂210与均匀分布于此黏结剂210中的研磨粒208所构成，而黏结剂210例如是黏结树脂(resin)。除此之外，上述的第一研磨垫204下方更包括有研磨衬垫(sub pad)(未绘示)与研磨盘(platen)(未绘示)依序配置，其中研磨盘的材质例如是铝合金或不锈钢材质，而研磨衬垫的材质例如是塑料、橡胶、或压克力等材质。另外，研磨载具202握持覆盖有氧化硅层212的图案化晶圆214。值得一提的是，若被研磨物为氧化硅，则所使用的研磨粒208较佳者为氧化铈(CeO2)，其对于氧化硅有较高的选择比。

之后，请参照图2B，于第一研磨垫204上进行第一研磨步骤以使晶圆214上氧化硅层212的表面平坦。在此步骤中，由于开始进行研磨的晶圆214表面的氧化硅层112为非平坦的表面，因此可以将研磨颗粒211中的黏结剂210移除，而使研磨粒208(例如是：氧化铈(CeO2))裸露出来，这些裸露出的研磨粒208具有研磨晶圆214表面的氧化硅层212的能力，并重复发生以下的活化(activation)：(1)具有表面高低差的氧化硅层212表面移除黏结剂210并使研磨粒208裸露出来，(2)利用研磨粒208进行研磨并降低氧化硅层212表面的高低差，而且研磨粒208会逐渐钝化，(3)仍具有表面高低差的氧化硅层212表面继续移除黏结剂210并使新鲜的研磨粒208裸露出来直到氧化硅层212表面平坦为止。

然而，由于氧化硅层212逐渐平坦之后，氧化硅层212表面粗糙度(roughness)下降，所以其去除研磨垫204的黏结剂210的效率会降低，如此会导致研磨速率下降，因此，在后续步骤中提供具有凹凸表面的研磨垫来解决此问题。

接着，请参照图2C，提供一研磨机台300，研磨机台300的构件与研磨机台300相同，唯一的差别在于所提供的第二研磨垫216具有凹凸的研磨表面，此第二研磨垫216包括复数个呈三角锥、六角锥、圆柱状或矩阵式排列的研磨颗粒217，其中每一研磨颗粒217是由黏结剂210与均匀分布于此黏结剂中的研磨粒208所构成，并且此些研磨颗粒217的表面为凹凸的表面，其凹凸的形状例如是锥状或是圆柱状。值得一提的是，若被研磨物为氧化硅，则所使用的研磨粒208较佳者为氧化铈(CeO2)，其对于氧化硅有较高的选择比。此外，第二研磨垫204下方更包括有研磨衬垫(sub pad)(未绘示)与研磨盘(platen)(未绘示)依序配置，其中研磨衬垫的材质例如是铝合金、研磨衬垫的材质例如是塑料、橡胶、或压克力等材质。

然后，请参照图2D，于第二研磨垫216上进行第二研磨步骤，以使晶圆214上氧化硅层212的表面平坦。在此步骤中，虽然氧化硅层212的表面已近乎平坦，无法有效将第二研磨垫216中的黏结剂210去除而裸露出研磨粒208，但是由于第二研磨垫216中的研磨颗粒217的表面为凹凸表面，因此仍具有研磨的能力，所以研磨效率并不会因为被研磨物(如：氧化硅层212)的表面逐渐平整而有所改变，因此在进行平坦结构之研磨时，仍可保持良好的研磨速率。

接着，请参照图3，图3所示为在使用不同的固定式研磨颗粒的情况之下，对于氧化硅/氮化硅研磨速率的影响。其中■表示使用表面平坦的研磨垫(研磨颗粒)研磨氧化硅层。□表示使用表面凹凸的研磨垫(研磨颗粒)研磨氧化硅层。●表示使用表面平坦的研磨垫(研磨颗粒)研磨氮化硅层。○表示使用表面凹凸的研磨垫(研磨颗粒)研磨氮化硅层。由图中所示可知，无论是使用表面平坦或表面平坦凹凸的研磨垫研磨氮化硅层，其对氮化硅层的移除速率都十分的低，因此相当适用于浅沟渠隔离结构的磨除氧化硅层的化学机械研磨工艺，再者，将表面平坦的研磨垫与表面凹凸的研磨垫相较之下，表面凹凸的研磨垫对氧化硅层的移除速率明显的高出表面平坦的研磨垫甚多，因此，即使是晶圆表面的氧化硅已平坦化，亦能够使用表面凹凸的研磨垫进行研磨以提高研磨速率，并有效的去除氧化硅层。

图4A至图4B，其为依照本发明一较佳实施例的另一种研磨晶圆的流程剖面示意图。

请参照图4A，首先提供研磨机台400，其中研磨机台400例如是如上述实施例所述的机台200、300，其包括研磨载具202、研磨垫302与研磨台206。

其中值得注意的是，在研磨载具202的保持环203(retaining ring)的表面上具有沟槽203a，且其沟槽203a图案例如是十字形(如图5A所示)、同心圆形(如图5B所示)、螺旋形(如图5C所示)或包含十字形、同心圆形与螺旋形的复合型态其中之一，并且，保持环203上的沟槽203a在进行晶圆研磨时能够接触到研磨垫302。

此外，研磨垫302中包括复数个呈三角锥、六角锥、圆柱状或矩阵式排列的研磨颗粒311，其中每一研磨颗粒311是由黏结剂210与均匀分布于此黏结剂210中的研磨粒208所构成，另外，黏结剂210例如是黏结树脂(resin)。

另外，上述的研磨垫302下方更包括有研磨盘(platen)(未绘示)，此研磨盘的材质例如是铝合金或不锈钢材质。另外，研磨载具202握持覆盖有氧化硅层212的图案化晶圆214。值得一提的是，若被研磨物为氧化硅，则所使用的研磨粒208较佳者为氧化铈(CeO2)，其对于氧化硅有较高的选择比。

然后，请继续参照图4A，以研磨载具202抓取晶圆214，并压附于研磨垫302上进行第一研磨步骤以使晶圆214上的氧化硅层212表面平坦。在此步骤中，当研磨步骤不断进行时，氧化硅层212的表面会逐渐平坦，而逐渐失去将研磨垫302中的黏结剂210去除而裸露出研磨粒208的功能，然而，于此同时，晶圆载具202的保持环203上的沟槽203a将会与研磨颗粒311接触，而将研磨颗粒311刮出凹凸不平的表面。

然后，请参照图4B，继续进行研磨，此时由于通过晶圆载具202的保持环203上的沟槽203a实时(in-situ)地将研磨颗粒311刮出凹凸不平的表面，所以会使得研磨垫302的表面仍保持一定的粗糙度，所以仍具有良好研磨的能力，故研磨效率并不会因为被研磨物(例如：氧化硅层212)的表面逐渐平整而有所改变，因此在进行平坦结构的研磨时，仍可保持良好的研磨速率。

接着，请参照图6，图6所示为在使用不同的研磨载具的情况之下，对于氧化硅/氮化硅研磨速率的影响。其中■表示使用保持环表面平坦的研磨载具研磨氧化硅层。□表示使用保持环表面具沟槽的研磨载具研磨氧化硅层。●表示使用保持环表面平坦的研磨载具研磨氮化硅层。○表示使用保持环表面具沟槽的研磨载具研磨氮化硅层。由图中所示可知，无论是使用保持环表面平坦或是保持环表面具沟槽的研磨载具研磨氮化硅层，其对氮化硅层的移除速率都十分的低，因此相当适用于浅沟渠隔离结构的磨除氧化硅层的化学机械研磨工艺，再者，将使用保持环表面平坦的研磨载具研磨氧化硅层与使用保持环表面具沟槽的研磨载具研磨氧化硅层相较之下，使用保持环表面具沟槽的研磨载具研磨氧化硅层的氧化硅移除速率明显的高出使用保持环表面平坦的研磨载具研磨氧化硅层甚多，因此，即使是晶圆表面的氧化硅已平坦化，通过利用保持环表面具沟槽的研磨载具将研磨垫表面形成凹凸表面进行研磨，亦能够提高研磨速率，有效的去除氧化硅层。

因此由上可知，本发明利用具有凹凸表面的研磨垫(研磨颗粒)来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，因此可以解决因公知当被研磨物表面粗糙度下降，研磨效率会降低的问题，如此可以缩短完全平坦化工艺的时间，并避免产生残留物的问题。

而且，由于本发明利用具有凹凸表面的研磨垫(研磨颗粒)来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，因此在进行砂布式化学机械研磨法时，被研磨物的厚度将不再受到限制，此外，利用本发明还可解决浅沟渠填充(STI gap-fill)工艺宽度受到限制的问题。

另外，本发明利用一个在保持环上具有沟槽的晶圆载具来进行砂布式化学机械研磨法的晶圆研磨，通过晶圆载具的保持环上的沟槽实时的将研磨垫(研磨颗粒)表面刮出凹凸不平的表面，因此即使被研磨物表面粗糙度下降，研磨垫的表面可以持续保有粗糙度。

除此之外，在本发明中若使用氧化铈(CeO2)作为研磨粒，则其对于氧化硅与氮化硅具有良好的选择比，所以可以将残存于氮化硅上的氧化硅完全去除。

此外，在本发明较佳实施例中，研磨垫是由复数颗研磨颗粒所构成，且每一颗研磨颗粒是由黏结剂与包含在黏结剂中的复数颗研磨粒所构成，然而本发明并不限定于此，本发明的研磨垫亦可以将黏结剂形成为一整层，并且在黏结剂层中包含有复数颗研磨粒。

Claims (10)

1.一种研磨垫，其特征是，包括：

复数个研磨颗粒，其中每一研磨颗粒包括：

一黏结剂；以及

复数个研磨粒，该些研磨粒均匀分布于该黏结剂中，

其中该些研磨颗粒与晶圆接触的表面为一凹凸表面。

2.如权利要求1所述的研磨垫，其特征是，该些研磨粒包括氧化铈。

3.如权利要求1所述的研磨垫，其特征是，该黏结剂包括树脂。

4.一种研磨晶圆的方法，其特征是，该方法包括：

提供一第一研磨垫，该第一研磨垫包括复数个第一研磨颗粒，其中每一第一研磨颗粒包括一黏结剂与均匀分布于该黏结剂中的复数个研磨粒；

于该第一研磨垫上进行一第一研磨步骤以使一晶圆表面平坦；

提供一第二研磨垫，该第二研磨垫包括复数个第二研磨颗粒，其中每一第二研磨颗粒包括该黏结剂与均匀分布于该黏结剂中的该些研磨粒，且该些第二研磨颗粒与晶圆接触的表面为一凹凸表面；以及

于该第二研磨垫上进行一第二研磨步骤。

5.如权利要求4所述的研磨晶圆的方法，其特征是，该些研磨粒包括氧化铈。

6.如权利要求4所述的研磨晶圆的方法，其特征是，该黏结剂包括树脂。

7.一种研磨晶圆的方法，其特征是，该方法包括：

提供一研磨载具，适于抓取一晶圆，其中该研磨载具的保持环上具有一沟槽；

提供一研磨垫，该研磨垫包括复数个研磨颗粒，其中每一研磨颗粒包括一黏结剂与均匀分布于该黏结剂中的复数个研磨粒；以及

将抓取有该晶圆的该研磨载具压附于该研磨垫上进行研磨，其中于进行研磨的同时，该沟槽与该些研磨颗粒接触，并通过该沟槽将该些研磨颗粒与该晶圆接触的表面形成凹凸表面。

8.如权利要求7所述的研磨晶圆的方法，其特征是，该沟槽的图案包括十字形、同心圆形、螺旋形以及包含十字形、同心圆形与螺旋形的复合型态其中之一。

9.如权利要求7所述的研磨晶圆的方法，其特征是，该些研磨粒包括氧化铈。

10.如权利要求7所述的研磨晶圆的方法，其特征是，该黏结剂包括树脂。

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