TW529977B - Polishing head for wafer, and method for polishing - Google Patents
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Description
r529977 五、發明說明（1) 發明ijg 本發明一般而言與一種用於製造半導體晶圓的設備與方 法有關，且特別與一種用於化學機械研磨法（CMP)的拋光 頭有關。
製造超高密度積體電路時，化學機械研磨（「CMp」、 「研磨」’有時稱為「平坦化」）製程會從晶圓表面除去 材料、。在一典型的CMP製程中，晶圓在受控制的化學、壓 力速度和⑽·度條件下，暴露於研磨劑中。傳統的研磨劑 包括研磨漿溶液及拋光墊。研磨漿溶液一般而言含有合刮 磨晶圓表面的研磨性微小顆粒’以及會腐蝕及/或氧化曰晶 圓表面的化學藥品。拋光墊一般而言是以相當多孔的材料 ，例如吹製聚合銨基鉀酸酯製成的平墊，且拋光墊也可能 含有會刮磨晶圓表面的研磨性顆粒。因此，當墊及/咬曰 圓彼此相對移動時，材料會被墊内的研磨性顆粒機械5性地 移除，以及被研磨漿中的化學藥品以化學性的方式移除。 關於CMP的應用和先前技藝的設計，以下的參考文H 有用·頒給Robinson的美國專利第5，879，226號（「灸考文 獻1」）；同樣是頒給Robinson的美國專利第5, 8 68, 8 9 6號 (「參考文獻2」），以及頒給jackson的美國專利第 5，643’061號（「參考文獻3」）。 圖1說明一傳統CMP機臺1〇1的簡圖，其具有平臺12〇 (或 厂桌面」）、晶圓載具1〇〇(或「拋光頭」）、、拋光"墊14〇: 以及拋光墊140上的研磨漿丨44。通常驅動總成191會以箭
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529977 五、發明說明（3) 的。事實上，表面並非均勻平坦的晶圓上，可能有幾個裝 置有瑕疵。因此，CMP製程必須製造一高度均勻的平坦表 面。就座標系統而言，拋光提供了在整個正面1 5 1上固定 的高度Z(Z與X和Y無關）。 為達到精確的拋光結果，拋光頭1 0 0可視為最關鍵性的 零件。不規則性（特別是在晶圓1 5 0背面或構件1 3 4上者）可 能會導致頭1 0 0將晶圓1 5 0不均勻地壓在墊1 4 0上，因而產 生不想要的非均勻拋光。 本發明試圖提供一改進的拋光頭與方法，以減輕或避免 先前技藝的這些與其他缺點和限制。 ’ 圖式之簡要說明 圖1顯示一傳統化學機械研磨機臺的簡圖； 圖2顯示一具有正面和背面之晶圓的簡圖； 圖3顯示根據本發明之拋光頭的簡圖； 圖4 A、B顯示圖3之抛光頭内一電極配置的簡圖； 圖5顯示圖3之頭内，由電極配置提供的壓力與電極和晶 圓距離之關係的簡圖； 圖6顯示對晶圓施加靜電力造成的壓力與施加電壓之關 係的簡圖； 圖7顯示本發明之較佳具體實施例中，圖3之頭的細部情 況的圖形； 圖8 A、B、C顯示電極配置的其他電極型態；以及 圖9顯示使用圖3和7之頭的拋光設備的簡圖。 較佳具體實施例的詳細說明
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本發明的較诖具體實施例示於各圖，其中相同的號碼將 用來參照各圖中相似或對應的部份。 ；b 為方便起見’撇號表示某一量（例如力F、壓力p或面積 A)與晶圓的單一部份有關（參見圖2的丨5 3 —丨5 5部份）；指示 與整個晶圓有關的量時，則不加撇號。在各圖中，指入紙 面的方向將以圓圈中的叉號②表示。術語「上」和「下」 分別為Z座標中已示出之第一和第二方向便利的縮寫。 簡言之，本發明可描述為一用於化學機械研磨機臺（圖 9)’並支樓一半導體晶圓頂著拋光墊的拋光頭（圖2 )。該 頭包含一夾頭（參見圖2中的夾頭295)，其具有壓力室（圖 中的2 1 0 )’俾於晶圓背面施加一大致上相等之向下力；以 及在壓力室内，與晶圓同平面的電極配置（參見圖2中的 2 7 0 )，俾藉由施加一補償力（例如Fs，），且此補償力具有 對應於不規則性之分力的分佈（亦即fy =f (χ，γ))，而提供 不規則性（例如晶圓、夾頭）的補償。現在吾人將詳細解釋 本發明。 圖2顯示具有正面1 5 1和背面1 5 2之半導體晶圓1 5 0的簡圖 (參見圖1 )。為方便起見，圖2也顯示ΧΥΖ座標。ΧΥ格線指 示晶圓1 5 0的部份1 5 3 - 1 5 5。格線實際上並不存在，因此顯♦ 示為虛線。假設每一部份具有相同的面積Α，，此面積可為 無窮小’再進^一步假設晶圓1 5 0如背景部份所解釋，被固 定於一拋光頭，並以正面1 5 1接觸墊1 4 0。以圓形晶圓解釋 本發明很方便，但並非必要。熟悉本技藝之人士可根據此 處的教導，將本發明改造成適用於其他的晶圓形狀，而不
第8頁 529977 五、發明說明（5) 偏離其範圍 口人現在不出部份1 5 5的力F，與壓力p，，嗲邱 (-z ；；! ； ；!# ^ f"155( ,：VV? ^ ^ C與Z轴反向的並、s μ j卜力 p， 丄η 曰通前頭）；部份155(在正面^]疮、F2 至1 14〇 ’成為正面力Fi，（虛線箭頭） ：傳遞言亥 =」/在以下的描述中，II由參照壓力P，（例如%為。、光 Γ丁 ΐ的力Γ)，將諸力標準化，有時是很方便：早=面 =下壓力Ρ2與正向或拋光壓力Ρι,。以壓力來二= 處 '，亦即諸量成為標準化，目此與面積無關。？有一好 為了從正面151均勻地除去材料，最好將拋光力F，均等 ，施加於背面152的每一部份15卜153之拋光墊14〇 :也就 是說與X和Υ座標無關。 對一理想的晶圓和一理想的拋光頭而言，各部份的向下 力乙大致上是相同的。使用「不是··.的函數」語句，可 將此情況陳述如下： 均勻的向下力） (2) (3) V 妾 f(X，Y) - 常數 力會均勻地傳遞到墊上，也就是說 再者，在理想情況下 151
Fi ’ t F2’ （均勻傳遞） （4) 而，真實晶圓會呈現不均勻性（在背面1 5 2及/或正面 ’而妨礙均勻的壓力傳遞（參見陳述（4))。這些不規 則性可能是來自先前對晶圓進行的製程步驟、來自預先層 ’或來自吾人不想要的材料沉積。熟悉本技藝的人士可偵
529977 五、發明說明（6) 測出不規則性及其座標，而不需要此處進_步的解釋 根據先前技藝的C Μ P機臺（例如圖1 )，拋光頭可能益、 供均勻的向下力（參見陳述（2 ))。這有許多原因。^列、如法提 吾人很難均勻地壓縮構件1 3 4 (參見圖1 )。或者，若構 1 34為一隨每一批晶圓而改變的膜，則膜的品質也會隨' 一批而變化。再者，研磨漿浸潰會污染膜。換句話說 晶圓150壓在墊140上的力Fs(或壓力Ρ2)，其局部性差&異會1f 造成不同的局部部材料移除（每一部份均不同）。 曰 因此，以上的陳述（2 )、（ 3 )、（ 4 )不再有效，且對真實 的晶圓而言，它們變成： · ^ F2’ = f(X，Y) (非均勻向下力） （6)
Fi # F2’ (非均勻傳遞) (8) 根據本發明’吾人可選擇從拋光頭對晶圓以大致上無接 觸的方式施加一力F2，，以求接近一均勻向下力，而減輕 此問題（參見陳述（2));並至少從晶圓部份155局部性地^再 施加一力f3，，以抵消力f2 ,。 圖2以一在力F2’之相反方向的普通箭頭表示力匕，（或壓 力P3’）。F3’的量較F2，的量為小，亦即 丨 V I < IF2, I (10) 造成力F i ’減少，亦即 1 F1丨=I V 丨-丨 F3’ I (12) 換句話說，藉由局部性地產生力F3，，吾人可達到將力 從晶圓1 5 〇大製上均勻地施加到墊；[4 0。 即使上述條件（2 )和（4 )不滿足（非理想晶圓），本發明也
第10頁 529977 五、發明說明（7) 具有肖b k供大致上均勻之抛光力’的優點。 下面解釋本發明之改良拋光法如何施加力6，和h，。 圖3顯示根據本發明之拋光頭2 〇 〇的簡圖。圖3中以虛線 圓指示的零件3〇〇，其細部構造將示於圖7。先前在圖卜2 中已介紹過參考號碼為1 4 0 (墊）、1 5 0、1 5 1、1 5 2 (晶圓）， 且不屬於頭2 0 0的元件。為方便起見，研磨漿未顯示。吾 人可用抛光頭2 0 0 (參見圖3-9)取代機臺1〇1(參見圖1)的拋 光頭1 0 0 ’而提供一根據本發明的C Μ p機臺。 拋光頭200有外殼295(或夾頭）圍住壓力室21〇。夾頭 2 9 5使晶圓1 5 0停留在墊1 4 0的頂端。壓力室2 1 〇充滿了壓力_ 傳輸ρ介質2 6 0 (以點表示，細節容後說明）。晶圓丨5 〇的邊緣 1 5 9最好加以密封，讓壓力室2丨〇保持在受壓狀態。 β、拋光時，壓力室210内的壓力ρ大於拋光頭2〇〇外的空氣 壓力，因此介質2 6 0會壓住晶圓1 5 〇，使其頂住拋光墊丨4 〇 (細節容後說明）。換句話說，壓力室210提供向下 見圖。 2 :據本發明’電極配置270 (最好位於墨.力室21〇内）係配 2與晶01j〇同平面。為得到上述的修正力匕，晶圓15〇 ，電耦合至弟一電位（例如地電位），例如 電研磨漿142(未顯示，參見圖〗）。另外，吾 以透ζ 電接觸點290將第-電位施加於晶圓15〇上，例如在4 150的邊緣!59(參見圖7)。電極配置2 位(例如電⑽，並藉由介質2 6 0，大致上；=二-電 。施加電厂堅時，晶圓/電極電容器會提供靜電曰 529977 五、發明說明（8) 且 背面152與電極配置2 70之間的距離D視所加電壓v而定 必須夠小，以提供足夠的靜電力匕。 力f3與f2屬於不同的類型；F最好為一 壓或液壓力。 烀屯力，而h馮虱 換句話說，本發明藉由將晶圓150的正面151壓在墊140 提供—用於抛光半導體晶圓150的抛光頭2 0 0。頭 :Λέ(1)一第一裝置，用於將第一力（亦即ν)大致上 2:地施加於晶圓的背®，以及一第二裴置，用於局部性 第二力（亦即V)，此力會抵消第一力，使晶圓15〇 被t成的第三力（亦即V，參見陳述(12))壓在彻上。 弟-裝置最好以具有壓力室21〇的夾頭2 9 5實作，且 衣:最好以電極配置2 70實作，以靜電方式提供第二力。一 毛極配置270最好具有凹處’讓介質26〇可 在圖4A、B内）。傳輸介質2 6 0 (參見圖…刪構上，、即， =-膜）讓力F2(亦即壓力P)從夾頭邮以無 傳遞到背面152。介質2 6 0為介電質。 式 介質260基本上有兩種選擇。熟知本技藝 這些選擇單獨或混合製作，而不需此處的詳細解了。以將 在第-種選擇中，介質260為氣態，因 方式施加於晶圓150的背面152。例如潔淨 氣都很有用。 Τ 粍知二虱或氮 在第二種選擇巾，介質2 6 0為液態，因 方式施加於晶圓150的背面152。例如去 ’二夜壓 等很有用。 卞W為介電質）
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529977 五、發明說明（9) 為介於5 方便的F2值（整片晶圓的總值）若以壓力p2表示 至8 0仟巴斯卡。 本發明的好處之一為拋光頭2 〇 〇不需要旋轉（參見圖丄中 的C方向）。拋光頭2 0 0使用於具有旋轉桌（參見圖1中 120 ’ B方向）的CMP機臺時，正面151與墊14〇之間的棒、 會強迫晶圓150以大致上和墊14〇相同的轉速旋轉。盔^ 方式可使夾頭2 9 5和背面1 52之間大致上沒有摩捧力:=觸 非常希望晶圓與桌以大致上相同的速度旋鯉不> ° 口人 于斧、例如舟公絲 1 0…2 0 0轉或更快），因為晶圓與墊之間的相 晶圓表面上大致相等，因此可支援均句的好 I又在正個 ^柯料移除。 圖4 ΑΒ顯示圖3的拋光頭2 0 0内之電極配晉9 7 π 氣ζ〖0的簡圖，# 兩圖可方便地從圖3中（Υ方向，圖4 A)以及^ 圖4B)觀看而得。圖4AB的目的為用於解釋的非 七 二、 :熟悉本技藝的人士可將此處的教導應用刹 限疋性範例 例。 其他的具體實 配置2 7 0包含一此為一共心配置一環狀的 J内電極27 1 ( 「 區段指標A」）和外電極（「區段指標B」）2 7 2 見圖3)示於中心處，但它亦可置於他處。 °凹處2 74 (參 電極之間的間隙2 79 (寬度為W)提供了電極 力 間隙279亦可當做凹處2 74。熟悉本技藝的人之間的，緣。 隙和蔓延距離列入考慮，計算寬度W和距離D (戾可將取小空 以避免冒出電火花或其他有害的效應。 I見圖3) ’ 配置2 7 0之間，參 & _製成的絕緣 為增加距離D兩端的絕緣（在背面1 5 2和 見圖3 )，電極配置2 7 0最好塗佈例如聚酿
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529977 五、發明說明（10) 層 2 73。 電極的形狀對應於欲補償的不規則性（例七 J邓曰曰圓1 5 ϋ 、夾 頭2 9 5或介質2 1 〇 )。因此圖4 Β的環形結構，甘α 丹目的僅為便 於解釋之用的非限定性範例’但對本發明而言並非必要。 熟悉本技藝的人士可提供其他電極，例如 一 开有三角形、矩 形（例如正方形）、六角形或其他多邊形。 圖8 ABC中給出。 J祀列在 本發明的重要優點之一，是具有至少兩個獨立電極Μ 與2 72 (區段A、Β)，如此可使電極2 71提供的靜带 電極2 72提供的靜電力F3B，不同。 砰包3a與 由於F3’取決於施加電壓v(參見圖3)和距齙n ‘内民U , 古文 [> 'j.' γ欠 件可藉由單獨或混合變化電壓與距離而達成 & 11本 數）。 人、Γ 2假纟又為常 例如，對一大於電壓心（電極2 72，力^，）的電壓
，力L )而言，其所產生的拋光力，彼此 I 為丨VI <IVK參見陳述（12))。換句話說Μ γ係 中央部份提供的拋光，其程度低於對邊緣部份^的對 。因此晶圓的不規則性得以被補償。 扶（、的拋光 如此可讓 五改：距離D(例如Da<Db)也可得到類似的結果 〇人廷擇適合某一批晶圓的電極配置。 以下的圖5 —6指示在⑴配置27〇具有單 與晶圓150相同（p3 =&/( 柽，其直徑 釐）和（i i )介質2 6 0為去離子水=列如直= 3 0 〇公 的關係（圖5)，以及壓力p :段設下，壓力6與電， 匕與距離的關係（圖6 )。 529977 五、發明說明（11) 圖5顯示對晶圓150施加靜電力 J之：係的簡圖。有用㈣值範圍為5到電 轴用的壓力值範圍則為5觸仟巴斯卡(ST 圖6顯示圖3之頭2〇〇内， 車由）。 電極到晶圓的距離D之關係的簡圖。 以、的堡力，與 卡f直軸^不M加3 ’單位為彳千巴斯卡（最高到350仟巴斯 :匕水，員，晶圓背面丨52與電極2?。之間的距二巴： V — 2〇H^^V=10仔伏特時的關係以實線給出，電厣 V-20仟伙特時的關係則以虛線給出。 電〔 圖7顯示在本發明的—較 節部份的圖形。為方插Λ κ施例中，圖3之頭的細 m4$ 、二更起見，圖7也顯不座標系統XYZ。在 圖卜4和7中’茶考號碼膽_ 在 1 40/340 ^ 44/344 ^ 5 0/3 5 0 ^70/370^,4 2〇29〇/ 390和2 95/3 95代表類似的都处址 4 ^9〇/ r nr ^ ^ , , 1似的σ卩件。然而，由於此具體實施例 (以下將坪細解釋）的緣故，它們的功能可能不同。 抛ΑΊ3 0 0將晶圓3 5 0壓在平臺3 2 0的拋光墊340上。頭 —已έ。極配置3 7 0 (劃斜線\ \ \的部份，含凹處3 7 4 )、壓 至31古〇(例t充滿壓縮空氣）、定位環3 9 0、晶圓傳送夾頭 、、，、空/壓力室397、支撐元件396、空氣導管391、39δ 、活塞3 9 2和高壓線3 7 5。 壓力室310具有在電極37〇上方的部份311、介於晶圓35〇 和電極370之間的部份312，以及在晶圓35〇邊緣的部份313 。空氣導管391和活塞392將定位環39〇(最好具有導電性） 往下壓，以夾持住晶圓35〇。夾頭3 9 5 (例如鋼製）圍住室 第15頁 529977 五、發明說明（12) 310。晶圓350被另一片晶圓取代時，真空/壓力室397會將 夾頭3 9 5上下移動。元件3 9 6將晶圓3 5 0的邊緣壓在墊340 上’俾於其被空氣導管3 9 8壓下時，將晶圓3 5 〇緊密地密封 。調整導管391、3 98與室3 9 7的壓力在本技藝中為已知， 並可由熟知本技#的人士完成，而不需此處的詳細解釋。 電場最好透過連接到平臺3 2 0的接線3 2 5而施加至晶圓/ 電極電容器，導電研磨漿344可將第一電位提供給晶圓35〇 ’並透過接線3 7 5 ’將第二電位提供給電極配置3 了 〇。接線 3 7 5具有適當的電線數，以支援多重電極（參見圖4Ab，不 同的第二電位）。另外一種可能性是第一電位亦可透過環❿ 3 9 0 (由導電材料製成）直接施加。 圖8ABC顯示電極配置進一步的電極型態範例。吾人顯示 了具有扇形（A )、六角形（B)和多重圓環區段（c )的電極。 圖9顯示利用頭200/300(參見圖3和7)來拋光半導體晶圓 的拋光設備301。設備301包含被拋光墊34〇蓋住的拋光桌、 320，以及具有用於固定晶圓350的晶圓夾具Mg，且在夾 具3 9 5中至少具有一個電極37〇，俾於拋光頭3〇()與晶圓35〇 之間施加一靜電力。電極3 70最好包含幾個部份，這些部 份彼此絕緣，且分別自控制器3〇2獲得' 到'的電壓（相對暹_ 於晶圓3 5 0 )。吾人可選擇性地在晶圓35〇與拋光桌32〇之間 提供導電研磨漿，俾對晶圓施加一電位。 本發明也可描述為一種拋光半導體晶圓的方法，其中晶 圓的正面被壓到墊上。該法包含下列步驟（a)對背面（參見 圖2向下）大致上均等地施加第一力（參見圖2中的&，）及
第16頁 529977 五、發明說明（13) (b )局部性地在相反方向上（亦即向上）施加第二力（F3 ’ 以抵消第一力，讓晶圓被合成的第三力（Fj ’ ，（參見脖 (1 2 ))壓到墊上。第二力最好由介於晶圓與一和晶圓F 面的電極配置（參見圖3中的2 7 0 )之間的一電場施加。 雖然吾人已使用特殊結構、裝置和方法來描述本發 熟悉本技藝的人士根據此處的描述，將瞭解它不僅限 種範例，且本發明的完整範圍將由以下的申請專利範 當地決定。 述 ί平 明， 於此 圍適 529977
第18頁
Claims (1)
- 529977 申請專利範圍 1 · 種拋 圓，該頭將 一第一裝 第一力；以 一第二裝 的第二力， 成的第三力 2.如申請 一夾頭 第一力 該 光頭， 該晶圓 置，用 及 置，用 該第二 壓到該 專利範 夾頭具 3.如申請專利範 一電極配置，具有 供該第 專利範 絕緣的 靜電方式提 4. 如申請 含數個彼此 規則性。 5. 如申請 同心配置。 6. 如申請 環形。 7. 如申請 該晶圓被一 8. 如申請 用於拋光一具有正面和背面的半導體晶 的該正面壓在一墊上，該頭包含： 於對該晶圓施加一實質上等於該背面之 於局部性地提供一與該第一力方向相反 力會抵消該第一力，使得該晶圓被一合 墊上。 圍第1項的拋光頭，其中該第一裝置為 有壓力室，俾利用壓力傳輸媒介傳遞該 圍第1項的拋光頭，其中該第二裝置為 至少一個與該晶圓同平面的電極，俾以 二力。 圍第3項的拋光頭，其中該電極裝置包 電極，且電極的形狀對應於欲補償的不 專利範圍第4項的拋光頭，其中該數個電極為 專利範圍第5項的拋光頭，其中該數個電極為 專利範 絕緣層 專利範 介為一介電質，且 圍第3項的拋光頭，其中該電極配置與 隔離。 圍第2項的拋光頭，其中該壓力傳輸媒 該第二力係由該夾頭内的一電極配置以第19頁 529977 六、申請專利範圍 靜電方式施加於該晶圓。 9.如申請專利範圍第3項的拋光頭，其中該晶圓藉由一 以導電材料製成的定位環，而電連接到一第一電位，且該 第一電位與該電極配置上的第二電位不同。 1 0.如申請專利範圍第3項的拋光頭，其中在該電極配置 與該晶圓之間施加一電壓，以調整該合成的第三力。 1 1.如申請專利範圍第1 0項的拋光頭，其中該電壓係介 於5和40仟伏特之間。 1 2.如申請專利範圍第1 0項的拋光頭，其中對每一電極 施加不同的偏壓，俾針對每一電極分別調整該第三力。 1 3.如申請專利範圍第4項的拋光頭，其中該數個電極到 該晶圓的距離不同。 1 4.如申請專利範圍第2項的拋光頭，其中對該晶圓施加 該第一力，俾透過一介質，將該晶圓的正面壓到一拋光墊 上，且相鄰電極提供與該第一力相反的不同之力，以局部 性地改變將該晶圓壓到該墊上的合成力。 1 5. —種拋光一具有正面和背面之半導體晶圓的方法， 其中該晶圓的該正面被壓到一墊上，該方法包含下列步驟 對該晶圓施加一實質上相等於該背面之一第一力；以及 在相反方向上局部性地施加一第二力，以抵消該第一力 ，使得該晶圓被一合成的第三力壓到該墊上。 1 6.如申請專利範圍第1 5項的方法，其中該第二力係由 在該晶圓與一電極配置（與該晶圓共平面）之間的一電場所第20頁 529977 六、申請專利範圍 施力口。 1 7. —種拋光設備，用於拋光一半導體晶圓，其包含： 一拋光桌，被一拋光墊覆蓋；以及 一拋光頭，其具有一可將晶圓定位的晶圓夾具，且在該 夾具上至少具有一電極，俾於拋光頭與晶圓之間施加一靜 電力。 1 8.如申請專利範圍第1 7項的拋光設備，其中該電極包 含數個彼此絕緣，且分別獲得電壓的部份。 1 9.如申請專利範圍第1 7項的拋光設備，在該晶圓與該 _ 拋光桌之間尚具有一導電研磨漿，俾將一電位施加於該晶 圓。 2 0. —種用於化學機械研磨機臺的拋光頭，其包含： 一夾頭，該夾頭具有一壓力室，俾將一實質等於晶圓背 面之向下力施加於晶圓；以及 一電極配置，位於該室内，與該晶圓同平面，藉由施加 一補償力（具有對應於不規則性之分佈的部份力），以提供 不規則性的補償。 2 1. —種拋光頭，用於拋光一半導體晶圓，該頭具有一 外殼與一將晶圓定位的定位環；該拋光頭的特徵為具有至Φ 少一個電極，俾於拋光頭與晶圓之間施加一靜電力。第21頁
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