TW201707855A - 研磨頭、具有研磨頭的cmp研磨裝置以及使用上述的半導體積體電路的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種研磨均勻性提高的CMP研磨裝置的研磨頭。本發明的研磨頭包括：研磨墊上的晶圓；抵接於晶圓的背面且將晶圓的表面按壓至研磨墊的氣袋，以及包圍氣袋與所述晶圓的頂環，於本發明的研磨頭中，使抵接於晶圓的外周部的氣袋的膜厚較抵接於晶圓的中心部的氣袋的膜厚更厚。

Description

研磨頭、具有研磨頭的CMP研磨裝置以及使用上述的半導體積體電路的製造方法
本發明是有關於一種用以將晶圓面內均勻地平坦化的化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）裝置的研磨頭的構造、具有該研磨頭的構造的CMP研磨裝置以及使用了CMP研磨裝置的半導體積體電路的製造方法。
近年來，伴隨半導體積體電路（以下，稱作大規模積體電路（large-scale integration，LSI））的高積體化、高性能化而開發出新的微細加工技術。化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing的簡稱，以下稱作CMP）法亦為上述技術之一，且為LSI製造步驟、尤其是多層配線形成步驟中的層間絕緣膜的平坦化、金屬插塞（plug）形成、埋入配線形成中所頻繁利用的技術。CMP研磨裝置的基本構造具有貼附有研磨墊的旋轉壓盤、晶圓保持頭、漿料供給噴嘴，進而具備墊的再生裝置（調節器（conditioner））。研磨墊側未必為旋轉壓盤，且亦有相對於頭而具有多個墊的情況，相反，亦有相對於一個墊而具有多個頭的情況。而且，作為控制CMP研磨裝置的參數，除研磨方式外，亦具有研磨負載、壓盤的旋轉速度、頭的旋轉速度、漿料的選擇·供給方法、調節的條件·頻率等，如圖13般，有對使晶圓固定的頭部加壓氣袋（air bag）的方式（例如參照專利文獻1）。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-268566號公報
[發明所欲解決之課題] 然而，在藉由專利文獻1所示的使用了氣袋的加壓來固定晶圓的頭構造中，具有以下所示的不良情況。即，經加壓的氣袋的壓力在氣袋的外周部會局部地增高，與該部分接觸的晶圓區域較之其他區域而更強力地壓抵研磨墊，從而較之其他晶圓區域，被研磨絕緣材料被更多地切削。因晶圓的一部分區域的被研磨絕緣材料被過度切削，而導致晶圓面內的研磨均勻性不均，其結果，產生晶圓面內的絕緣材料的膜厚不均。產生膜厚不均的晶圓區域的電性特性產生不均，從而視情況會發生電性特性上的異常。
圖14中表示膜厚不均的示意圖。如圖14所示，現有技術中，為了擠壓晶圓1而導入壓縮空氣，空氣的高壓力6局部地施加至氣袋的外周部，從而較之中心部而壓力增高。被高壓力部自上方擠壓的晶圓1中，成為高加壓區域X的壓力強的區域的絕緣膜的研磨速率增大，較之自上方壓抵的壓力小的中心部而被更多地切削，在高加壓區域X，絕緣膜材料的平坦化後的晶圓1的面內均勻性劣化。
本發明鑒於所述不良情況而完成，以提供一種研磨均勻性提高的CMP研磨裝置作為其課題。 [解決課題之手段]
為了解決所述課題，本發明中使用以下的手段。即，使CMP研磨裝置的頭的氣袋具有以下的特徵。 1.使抵接於晶圓的外周部的袋體的厚度較抵接於晶圓的中心部的袋體的厚度更厚。 2.將氣袋分割。 3.將氣袋設為軟管（hose）狀。
藉由單獨或組合使用所述手段，而形成具有能夠均勻地加壓而均勻地壓抵晶圓整個面的研磨頭的CMP研磨裝置。 [發明的效果]
藉由使用所述手段，可提供一種半導體積體電路的製造方法，該製造方法中能夠使壓抵晶圓的氣袋得到均勻地加壓，而均勻地壓抵晶圓整個面，從而使晶圓的絕緣材料的晶圓面內膜厚不均得以減少。
以下，基於圖式說明本發明的實施形態各自的實施例。
圖1是表示本發明的第1實施例的示意剖視圖，且表示尤其示意性地示出了研磨頭部分的剖面構造的CMP研磨裝置。如所述般，圖14中表示的現有技術中，若為了擠壓晶圓1而導入壓縮空氣，則因氣袋的形狀等的影響而高壓力6局部地施加至外周部，從而較中心部施加更高的壓力。自上方由高壓力部擠壓的晶圓1的壓力強的高加壓區域X的絕緣膜的研磨速率增大，從而較自上方壓抵的壓力小的中心部被更多地切削。其結果，絕緣膜材料的平坦化後的晶圓1面內均勻性劣化。
圖1的CMP研磨裝置中，於表面向下載置於研磨墊5之上的晶圓1的背面上，配置著氣袋101，壓縮空氣被送入至氣袋101中，藉此成為以自上方壓抵晶圓1而將晶圓1的表面按壓至研磨墊5的方式固定的構造。以自側面包圍晶圓1與氣袋101的方式配置著護環（retainer ring）3，以包圍該些的方式配置著頂環2。研磨墊5配置於晶圓1的下方，包含晶圓1的頂環2一面在研磨墊5上旋轉，一面研磨晶圓1的表面的絕緣材料而使其平坦化。
此處，設為使構成氣袋101的袋體的膜厚隨著自中心部朝向外側而變厚的構造。此時，關於維持厚度的範圍，宜根據CMP研磨裝置的構成或晶圓1的形狀來確認晶圓面內的各點的研磨速率，而設計成自研磨速率快的區域朝向氣袋101的外側維持最佳的厚度。此時，宜使用現有技術中獲得的以高壓力壓抵而研磨速率增高的區域範圍的實測值。具有厚度的部位對晶圓1的壓力較現有的厚度的情況而有所分散。
當為先前的厚度時，存在高壓力局部地施加至氣袋的外周部，研磨速率增大，而絕緣材料被過度切削的問題，藉由使氣袋101的厚度隨著朝向外側而成為最佳厚度，而使僅局部施加至氣袋101的外側的高壓力得到分散，壓抵晶圓1的氣袋101的壓力在中心部與外周部變得均勻，結果，具有絕緣膜材料可均勻且高品質地形成於晶圓1的整個面的優點。
如以上說明般，本發明的第1實施例具有下述特徵：藉由使氣袋101的厚度朝向外側而成為最佳厚度，空氣壓力得以均勻地分散，從而可均勻地擠壓晶圓1。
接下來，圖2是表示本發明的第2實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。首先，如圖14所示般，於現有技術中，可掌握空氣的高壓力局部地施加的區域的絕緣膜材料的研磨速率增大而平坦化的均勻性劣化的區域。進而，關於氣袋的壓力朝向外側增高的主要因素，可列舉氣袋由一個構件構成的方面、因頭旋轉故離心力發揮作用的方面等。
因此，圖2的實施例中，將氣袋分為兩個袋體。為圓形的內部氣袋201、及以包圍內部氣袋的方式配置的圓環形狀的外部氣袋202。如先前敍述般，已判明現有技術中因外側的空氣高壓力區域而出現研磨速率增大的區域，故宜以覆蓋該區域的範圍的程度來設定外部氣袋的範圍。內部氣袋201與外部氣袋202可個別地進行壓力控制。如以上說明般，第2實施例具有下述特徵：使氣袋包含分別能夠進行壓力控制的兩個氣袋，可使施加至晶圓1的中心部的來自氣袋的壓抵壓力與施加至外周部的來自氣袋的壓抵壓力均勻地分散從而均勻地擠壓晶圓。
接下來，圖3是表示本發明的第3實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。與第2實施例同樣地，在內部氣袋301的周圍配置外部氣袋302，但將外部氣袋302的形狀設為小圓形。藉由將外部氣袋302的形狀設為小圓形，而較第2實施例的圓環形狀，更均勻地施加空氣壓力，其結果具有均勻地壓抵晶圓1的優點。如以上說明般，第3實施例具有下述特徵：使氣袋以兩種圓形構成而可使施加至晶圓1的中心部的來自氣袋的壓抵壓力與施加至外周部的來自氣袋的壓抵壓力較第2實施例更均勻地分散，從而均勻地擠壓晶圓。此處內側的大圓形的氣袋與外側的小氣袋能夠分別進行壓力控制。
接下來，圖4是表示本發明的第4實施例的示意剖視圖，僅簡易表示CMP研磨裝置的氣袋。設為如下構造：較第3實施例中說明的在內部氣袋301的周圍配置外部氣袋302，使構成為一個的內部氣袋301全部由配置成與外部氣袋302相同大小的小型氣袋401構成。較之第3實施例，因全部由小型氣袋401構成，故較之大氣袋，具有空氣壓力均勻地施加的優點，且此處各個氣袋能夠分別進行壓力控制。
如以上說明般，第4實施例具有下述特徵：藉由使氣袋全部由小型氣袋401構成，而較之大氣袋，空氣壓力更均勻地施加，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖5是表示本發明的第5實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。如現有技術圖13或第1實施例中說明般，若由一個大的氣袋構成，則存在空氣壓力局部地分散，而使壓抵晶圓的壓力變得不均勻的不良情況。因此，如圖5般為使氣袋的形狀為軟管狀，且呈螺旋狀配置的軟管狀氣袋螺旋型501。螺旋的方向可選擇向左或向右的最佳方向。藉由將氣袋縮小為軟管狀，而具有空氣壓力均勻地施加的優點。如以上說明般，第5實施例具有下述特徵：藉由使氣袋由軟管狀氣袋螺旋型501構成，而較之現有技術圖13或實施例1更均勻地施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。而且，本實施例中，藉由使抵接於晶圓外周部的軟管狀氣袋的粗細度較抵接於晶圓中心部的軟管狀氣袋的粗細度細，而可使壓抵晶圓的壓力更為均勻。
接下來，圖6是表示本發明的第6實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例1與實施例2兩者的特徵，內部氣袋601以圓形構成，以包圍內部氣袋601的方式配置圓環形狀的外部氣袋602。使構成外部氣袋602的原材料增厚。因CMP研磨裝置的頭旋轉，故藉由圓周力而配置於外側的氣袋較之中心部的氣袋，會更被施加壓力。藉由使氣袋的原材料較中心部的原材料更厚，而具有均勻地施加空氣壓力，從而均勻地壓抵晶圓1的優點。如以上說明般，第6實施例具有下述特徵：藉由包含增厚了原材料的外部氣袋602，而較實施例2更均勻地施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖7是表示本發明的第7實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例1與實施例3的兩者的特徵，以包圍圓形的內部氣袋701的方式配置小圓形的外部氣袋702。使構成外部氣袋702的原材料增厚。因CMP研磨裝置的頭旋轉，故藉由圓周力而配置於外側的氣袋較之中心部的氣袋，會更被施加壓力。藉由使氣袋的原材料較中心部的原材料更厚，而具有均勻地施加空氣壓力，從而均勻地壓抵晶圓1的優點。如以上說明般，第7實施例具有下述特徵：藉由包含增厚了原材料的外部氣袋702，而較之實施例3，更均勻地施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖8是表示本發明的第8實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例1與實施例4兩者的特徵，配置有小型氣袋801。使構成配置於最外周的小型厚氣袋802的原材料增厚。因CMP研磨裝置的頭旋轉，故藉由圓周力而配置於外側的氣袋較之中心部的氣袋，會更被施加壓力。藉由使氣袋的原材料較中心部的原材料更厚，而具有均勻地施加空氣壓力，從而均勻地壓抵晶圓1的優點。如以上說明般，第8實施例具有下述特徵：藉由包含增厚了原材料的外部氣袋802，較之實施例4，更均勻地施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖9是表示本發明的第9實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例2與實施例5兩者的特徵，以包圍圓形的內部氣袋901的方式配置著軟管狀氣袋螺旋型902。軟管狀氣袋螺旋型902的螺旋選擇向左或向右中的最佳方向即可。若如表示現有技術的圖13中說明般，為構成為一個的氣袋，則較之氣袋的中心部而外周部的空氣壓力增高，因以高壓力壓抵晶圓1，而導致外周部的研磨速率增大，絕緣膜被過度切削，從而存在平坦化的均勻性劣化的問題，但由軟管狀氣袋螺旋型902形成現有技術中獲得的外周部的研磨速率增大的區域，並使氣袋構成為兩個，藉此具有中心部的壓力與外周部的壓力變得均勻，從而壓抵晶圓1的壓力在晶圓1整個面變得均勻的優點。如以上說明般，第9實施例具有下述特徵：藉由設為下述構成，即，以包圍圓形的內部氣袋901的方式配置軟管狀氣袋螺旋型902，從而較之實施例2，更均勻地施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖10是表示本發明的第10實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例3與實施例5兩者的特徵，以包圍圓形且軟管狀的內部軟管狀氣袋螺旋型1001的方式，形成著小型的外部軟管狀氣袋螺旋型1002。內部軟管狀氣袋螺旋型1001與外部軟管狀氣袋螺旋型1002的螺旋選擇向左或向右的最佳方向即可。若如表示現有技術的圖13中說明般為構成為一個的氣袋，則較之氣袋的中心部而外周部的空氣壓力增高，因以高壓力壓抵晶圓1，而導致外周部的研磨速率增大，絕緣膜被過度切削，從而存在平坦化的均勻性劣化的問題，但藉由以內部軟管狀氣袋螺旋型1001與外部軟管狀氣袋螺旋型1002的軟管狀的螺旋型氣袋來形成根據現有技術的實證值獲得的外周部的研磨速率增大的區域，而具有中心部與外周部的空氣壓力的均勻性較實施例5提高的優點。如以上說明般，第10實施例具有下述特徵：以包圍圓形且軟管狀的內部軟管狀氣袋螺旋型1001的方式，形成著小型的外部軟管狀氣袋螺旋型1002，藉此較之實施例3，空氣壓力更均勻地施加至中心部與外周部，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖11是表示本發明的第11實施例的示意剖視圖，僅簡易地表示CMP研磨裝置的氣袋。具有實施例4與實施例5兩者的特徵，由小型軟管狀氣袋螺旋型1101形成。螺旋選擇向左或向右的最佳方向即可。若如實施例4中說明般為構成為一個的氣袋，則較之氣袋的中心部而外周部的空氣壓力增高，因以高壓力壓抵晶圓1，而導致外周部的研磨速率增大，絕緣膜被過度切削，從而存在平坦化的均勻性劣化的問題，但藉由以小型軟管狀氣袋螺旋型1101形成根據現有技術的實證值獲得的外周部的研磨速率增大的區域與中心部，而具有中心部與外周部的空氣壓力的均勻性較實施例4提高的優點。如以上說明般，第11實施例具有下述特徵：由小型軟管狀氣袋螺旋型1101形成，藉此較實施例4更均勻地對中心部與外周部施加空氣壓力，結果，壓抵晶圓1的壓力可更均勻化地擠壓晶圓1整個面。
接下來，圖12是表示本發明的第12實施例的示意剖視圖，簡易地表示CMP研磨裝置的頭部分的構造。是在實施例1的特徵中，在晶圓1與氣袋101之間具有衝擊吸收（凝膠狀）片材1201。
晶圓1與氣袋101之間夾持的衝擊吸收（凝膠狀）片材1201具有即便在自氣袋101產生局部壓力的情況下亦可將壓力緩和分散，且將壓抵的壓力均勻地向晶圓1傳遞的優點。如以上說明般，第12實施例具有下述特徵：晶圓1與氣袋101之間夾持的衝擊吸收（凝膠）片材1201將來自氣袋的壓力緩和分散，藉此可傳遞均勻地壓抵晶圓1的壓力。
而且，雖省略圖示，但亦可於第2實施例～第11實施例中，藉由於晶圓1之上設置衝擊吸收（凝膠狀）片材1201，而可期待獲得與實施例12相同的效果。而且，本實施已例如利用氣袋進行了記述說明，但亦可藉由將氣袋轉換為耐水耐壓性者，而充分期待自利用空氣的壓力施加方式向利用液體的壓力施加方式的靈活應用。
圖15是表示藉由至此所示的實施例製造的半導體積體電路8的平面圖。將半導體積體電路8稍微保留周圍而二維地在晶圓1的表面配置多個。半導體積體電路8的製造步驟中，CMP研磨裝置藉由將半導體積體電路8的表面化學機械研磨而平坦化，並將接下來形成的金屬膜或絕緣膜配置於平坦的面。根據半導體積體電路8的構造，CMP研磨裝置在其製造步驟中，有時會使用多次，當然要求晶圓整個面的平坦度良好。
1‧‧‧晶圓
2‧‧‧頂環
3‧‧‧護環
4、101‧‧‧氣袋
5‧‧‧研磨墊
6、X‧‧‧局部高加壓部位
7‧‧‧因局部高加壓部位所致的晶圓的品質異常區域
8‧‧‧半導體積體電路
201、301、601、701、901‧‧‧內部氣袋
202、302、602、702‧‧‧外部氣袋
401、801‧‧‧小型氣袋
501、902‧‧‧軟管狀氣袋螺旋型
802‧‧‧小型厚氣袋
1001‧‧‧內部軟管狀氣袋螺旋型
1002‧‧‧外部軟管狀氣袋螺旋型
1101‧‧‧小型軟管狀氣袋螺旋型
1201‧‧‧衝擊吸收（凝膠狀）片材
圖1是表示本發明的第1實施例的CMP研磨裝置的研磨頭的示意剖視圖。 圖2是表示本發明的第2實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖3是表示本發明的第3實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖4是表示本發明的第4實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖5是表示本發明的第5實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖6是表示本發明的第6實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖7是表示本發明的第7實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖8是表示本發明的第8實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖9是表示本發明的第9實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖10是表示本發明的第10實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖11是表示本發明的第11實施例的CMP研磨裝置的研磨頭中的氣袋的示意平面圖與剖視圖。 圖12是表示本發明的第12實施例的CMP研磨裝置的研磨頭的示意剖視圖。 圖13是現有的CMP研磨裝置的研磨頭的示意平面圖與示意剖視圖。 圖14是表示利用現有的CMP研磨裝置研磨後的晶圓面內殘膜不均的示意圖。 圖15是表示藉由本發明的實施例製造的半導體積體電路的平面圖。
1‧‧‧晶圓
2‧‧‧頂環
3‧‧‧護環
5‧‧‧研磨墊
101‧‧‧氣袋

Claims (12)

  1. 一種研磨頭，為化學機械研磨裝置的研磨頭，其包括： 研磨墊； 氣袋，抵接於載置在所述研磨墊的表面的晶圓的背面，將所述晶圓的表面按壓至所述研磨墊；以及 頂環，包圍所述氣袋及所述晶圓，並且 抵接於所述晶圓的外周部的所述氣袋的第2膜厚較抵接於所述晶圓的中心部的所述氣袋的第1膜厚更厚。
  2. 一種研磨頭，為化學機械研磨裝置的研磨頭，其包括： 研磨墊； 第1氣袋及第2氣袋，抵接於載置在所述研磨墊的表面的晶圓的背面，將所述晶圓的表面按壓至所述研磨墊；以及 頂環，包圍所述氣袋及所述晶圓，並且 抵接於所述晶圓的中心部的所述第1氣袋與抵接於所述晶圓的外周部的所述第2氣袋為不同的袋體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的研磨頭，其中 抵接於所述晶圓的外周部的所述第2氣袋的第2膜厚較抵接於所述晶圓的中心部所述第1氣袋的第1膜厚更厚。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為圓形的氣袋，所述第2氣袋為設置於所述圓形的氣袋的周圍的圓環形狀的氣袋。
  5. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為圓形的氣袋，所述第2氣袋為設置於所述第1氣袋的周圍且較所述圓形的氣袋小的多個圓形氣袋的集合體。
  6. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為多個圓形氣袋的集合體，所述第2氣袋為設置於所述第1氣袋的周圍的多個圓形氣袋的集合體。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為圓形的氣袋，所述第2氣袋為設置於所述圓形的氣袋的周圍的螺旋軟管形狀的氣袋。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為第1螺旋軟管形狀的氣袋，所述第2氣袋為設置於所述第1螺旋軟管形狀的氣袋的周圍且較所述第1螺旋軟管形狀的氣袋小的多個第2螺旋軟管形狀的氣袋的集合體。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的研磨頭，其中 俯視時，所述第1氣袋為多個螺旋軟管形狀的氣袋的集合體，所述第2氣袋為設置於所述第1氣袋的周圍的多個螺旋軟管形狀的氣袋集合體。
  10. 如申請專利範圍第1項至第3項及第7項至第9項中任一項所述的研磨頭，其在所述晶圓與所述氣袋之間設置著衝擊吸收片材。
  11. 一種化學機械研磨裝置，具有如申請專利範圍第1項至第3項及第7項至第9項中任一項所述的研磨頭。
  12. 一種半導體積體電路的製造方法，包括使用如申請專利範圍第11項所述的化學機械研磨裝置將晶圓表面平坦化的步驟。
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