TW555617B - High uniformity wafer polishing method - Google Patents

Description

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發明背景

發明範I 本發明有關於半導體製程，以及更特別地有關於化學_ 機械研磨（CMP)方法均勻度的改進。 關技藝說明 在半導體晶圓及積體電路的製造中，提供晶圓表面平坦 度的均勻性是很重要的，在該關聯中，當使用微影方法時 ，所使用的這些方法鄰近解析度的極限，同時為；精確地 聚焦電磁或其他輻射以用來產生在單層中的積體電路、晶 圓表面#要南度平坦，因此可在晶圓的整體表面提供精 確的影像，一波浪形或彎曲或楔形的半導體圓片，當在圓 片表面施加一光阻且曝光時會導致不清楚的定義。 據此，要製造極高密度積體電路是需要達到平坦的程度 故使用化學-機械平坦化方法，這些化學機械平坦化或 研磨（CMP)方法包括在一移動的研磨表面壓上一半導體晶 圓，此移動的研磨表面含有一磨耗性材料或被具化學反應 性，磨耗性漿料加以潤溼，該漿料不是鹼性就是酸性且可 以包含氧化鋁，氧化矽或其他磨耗性顆粒，典型地，該研 磨表面疋由軟而多孔的材料所製作的平坦墊，其材料為聚 氨基甲酸脂泡泡或不織物，同時墊子通常固定在一平面壓 盤上。 一種在半導體晶圓上使用市售研磨工具實施有效的研磨 f作的傳統方法。該晶圓以真空固定在一載具平板上（或 曰曰圓載具上），或可能地以某些其他方法如黏著劑加以固 297公釐）

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定。以一壓力板經過載具施加一負載到晶圓上，將晶圓壓 下與固定在一正迴轉的轉盤上之研磨墊做磨擦接觸。在研 磨工具上的該晶圓載具包括一插入或承載背膜，其被用做 在晶圓於研磨墊上來回移動及研磨時的固定裝置。可能的 承載背膜材料包括Rodel DF-200及R〇gers ρΟΓΟη，其 具有類似海綿的組成。 已知在研磨製程期間，施加在晶圓上所負載是不均勻的 ，並會引起晶圓中心至邊緣厚度的不均句及平坦度。在研 磨期間，研磨布的表面壽命也會影響磨擦晶圓的平坦度。 並且，在晶圓表面所產生的磨擦熱會加速研磨液的化學作 用因而增加研磨速率。然而，除非磨擦熱會傳佈在整個晶 圓的表面，否則磨擦熱可能引起平坦度的問題（典型地， 研磨系統利用冷卻系統以控制研磨操作的溫度）。 在化學-機械研磨中一種已知的現象是邊緣球珠效應， 該邊緣球珠效應於研磨後的氧化物C μ ρ中被發現，其中 在距晶圓邊緣3至7毫米（mm)的環形區域之殘留氧化物厚 度大於其餘晶圓的部份。當要求有效的平坦化而使用剛性 墊在可增進均勻度的軟性墊上面時，該問題會更加惡化。 而且，在一 200毫米的晶圓上，使用傳統墊及背膜的cMp 在一半徑60至80毫来的環形區域具有高研磨速率。 該不均勻厚度引起良率的損失，例如，當在一反應性離 子蝕刻（RIE)方法時，無法獲得晶圓邊緣厚氧化物的全部 均勻性。 在CMP領域的工作者已發現邊緣球珠效應的起源是"墊 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董)_ 555617 A7 B7 五、發明説明（3 衝（"pad dlve”）或研磨墊的傾斜’氧化物CMp的標準方 法是使用一用做良好平坦化的硬墊堆疊在一用做良好全面 均勻度的軟墊之上。研磨作用在延伸超過周圍載具表面之 晶圓表面上。當墊子從載具及晶圓之下經過時，邊緣力使 墊子局部傾斜。墊子作用在晶圓外緣2毫米處之壓力很高 ，但離Βθ圓3至7耄米内則很低。該低壓力導致低研磨速率 ，墊子愈硬，傾斜區域愈大。 標準晶圓背膜具有軟而多孔的頂層，其允許作用到晶圓 背面的空氣可經由膜的外緣脫離。當研磨2〇〇毫米的晶圓 時，較性泡沫承受作用在内徑97毫米環形區域内的壓縮力 ，因而必需常常更換。 美國專利5,885, 135號揭露一種研磨半導體晶圓的方法 ,其包含穩固晶圓至晶圓載具構件之下表面，其中當以一 研磨墊施加一力作用到晶圓载具的上表面以接觸晶圓時， 該下表面具有一非均勻表面，晶圓載具提供一力沿著晶圓 表面改變，以致促進該研磨方法提供一平坦的研磨晶圓表 面。 美國專利5，941，758號揭露一種半導體晶圓化學機械研 磨的方法及裝置，其中被研磨的基板面向下置放直接與移 動中的研磨墊接觸。在研磨期間，基板的第一部份以保持 在直接作用到基板背面的第一部份之第一壓力中的第一流 體對著研磨墊壓下。基板的第二部份以保持第二壓力的第 二流體直接作用到基板的背面之第二部份對著研磨墊將之 壓下，在研磨期間旋轉基板以幫助促進均句的研磨。

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一種靠調整在一護環上之適當接觸壓力以增加研磨均勻 度的晶圓研磨裝置揭露在美國專利5,584,75i中。頂住研 磨墊護環的接觸壓力以操作環壓調整機構加以調整，該環 壓調整機構與載具壓力調整機構個別存在，因此防止研磨 塾的波浪變形以避免晶圓外緣周邊部份的溫度研磨。 美國專利5,916,0 16號揭露在一化學機械研磨操作期間 可程式控制經由一晶圓載具作用到晶圓背面之壓力的方法 與裝置。該系統包括一機械臂及一載具本體，該本體的結 構可藕和到機械臂，該載具本體具有一凹陷部份用來保護 半導體晶圓與該凹陷部份具有一直接與半導體晶圓背面接 觸之承載膜。 美國專利5,762,539號與5,791，973號揭露研磨一晶圓 的裝置及方法，其中該裝置具有提供壓力流體之來源及選 擇性的開孔，因此可容許縱然當基板厚度各部份的變化不 同時也可均勻研磨半導體基板。 需要一種方法既簡單又便宜以在各種不同研磨工具上完 成達到晶圓的高研磨均勻度，進一步，也需要有晶圓背膜 做為密封晶圓背面邊緣的氣漏。關於這點，請注意該 R 〇 d e 1 D F - 2 0 0材料假如沒有充分壓縮會使空氣向外流出 。假如D F - 2 0 0材料使用了太高的背面氣壓，可能在晶圓 邊緣導致無法控制及不穩定的空氣釋放，而得到不均勻空 氣壓力的結果與於是得到晶圓的不均勻研磨。一種獲得在 晶圓邊緣的密封效果的方式是使用由兩種不同材料所組成 的載具背膜，其中在背膜外緣的材料此位在中心的材料有 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂

線 555617 A7 B7 五、發明説明（5 較少的孔隙。然而，組合各背膜需要許多製程步驟及技巧 ，在本發明中，我們描述在晶圓邊緣產生密封效果的背膜 (backing film)但其製造是較簡單的。 發明概述 本發明提供一種方法用在化學機械平坦化或研磨製程中 以獲得高均句度，藉由均勻地與區域性地施加晶圓壓力在 研磨墊上而不用雙材料晶圓承載膜。因此可避免伴隨雙材 料膜不可忽略的處理及再現性問題。 根據本發明，經製造實際氣密晶圓邊緣的背膜來修正一 種單一材料的晶圓承载膜。方式^ :以機械式地研磨 耗在中心的單片/單材料背膜以增加在晶圓邊圓的壓力來 修正單片/單材料背膜；使該單片/單材料背膜邊緣承受一 熱/化學處理以得到增加材料厚度，較少孔隙度及較平坦 的表面"吏用-種類膠物質在單片/單材料背膜邊緣以阻 止空氣流出；或機械方式成型該單材料背膜使該膜實際上 在晶圓邊緣氣密。 根據本發明的另一方面，提供一種使用在化學-機械研 :(CMP)裝置中的晶圓背膜，其包含一種單片多孔材料至 ^在？一表面上具有一種表皮。該片多孔材料具有-内部 二衣幵V外°卩，並且在内部上的一部份表皮經過處理以致 谷許空氣流過該片多孔材料。在内部的表皮可以經磨碎、 片碎粒或打孔加以處理或者加以移除；據此，在外緣 的該膜厚度可以大於在中心者。 根據本發明進—步的特點’用在化學·機械研磨（CMP) 本紙張尺度 555617 A7

--- —_B7 五、發明説明（6 ) 裝置_的種晶圓背膜g己置在裝置的背板與晶圓之間。此 :配置包括-晶圓背膜(一種單片多孔材料)及位於背膜與 背板之間的環形夹片。該夹片位在晶圓背膜的外緣提供-邊緣月膜厚度大於中心的膜厚 胤示簡要説 本發明以參考下列詳細說明與附圖將容易了解。 圖表示種先别技藝具有空氣洞使背塵通過一標準載 具/背膜及到達晶圓基板上。 圖2 A表不本發明的一具體實施例製作實際上氣密的背 膜’藉磨損在中心的一種單片/單材料背膜以增加在晶圓 邊緣的壓力。 圖2B表示一種晶圓背膜包含一片多孔泡沫具有一種表 皮’該表皮在中心部份根據本發明另一具體實施例加以移 除或處理。 圖2C表示-種晶圓背膜配置包括—晶圓背膜及一環形 夾片，根據本發明進一步的具體實施例提供一升高的邊緣 剖面。 圖3表示本發明修正一種單片/單材料背膜使其已承受一 ’…/化于處理以增加材料厚度及提供較少孔隙度與在膜之 外緣的平坦表面。 圖4表示本發明修正的單片/單材料背膜以製作該膜氣密 在晶圓邊緣’其氣密乃藉使用類膠物質在背膜邊緣以防止 空氣流出。 圖5表示本發明修正一種罝g /留 悝早片/早材枓背膜以一種機械式 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)_ 555617 A7 B7 五、發明説明（7 成型以使背膜氣密在晶圓邊緣。 毯-鱼具體實施例的詳細說明 一般在半導體晶圓的製程中實施研磨操作是利用具有晶 圓載具的研磨機，如圖1所示之先前技藝的描述。在圖1中 ’晶圓載具1 0包括一由金屬或陶瓷材料所做成的背板i J ’及一具有類海絲組成的晶圓背膜1 2，如R 〇 d e 1 D F - 2 0 0 。典型地，使用一種可移除的黏著劑14將背膜黏貼到背板 。該載具/背膜是一種固定裝置可以固定在研磨墊上前後 來回移動之晶圓13。空氣孔15的配置是使背壓作用到整 體的載具/背膜以得到所需的氣壓分佈。 參考圖2A，其中所示的晶圓載具/背膜配置之背膜2〇是 根據本發明的一個具體實施例，前後所示之膜2 〇其中心已 經機械式地磨耗。該背膜中心的機械或研磨減少膜中心相 對於邊緣的厚度，以致背膜在晶圓的邊緣具有一升高的剖 面。所使用的可移除的黏著劑是用來固定背膜到载具背板 上。 在另-個具體實施例中，如圖2B所示，$圓背膜2〇包 種皁片多孔泡沫’在其面對晶圓的表面具有表皮”， —種用在這具體實施例中的材料是RQgers p_n具有的 整體厚度為’該膜的中心部份2ie上表皮被加以 ，除或處理以致露出多孔泡珠，如圖2B之簡圖所示；而 =邊緣的表皮（周邊環形區域21a)仍舊未被加以處理。在 = 之多孔泡沫可利用除表丨，穿孔或對表皮切 S以’、他各種處理將其露出。據此’膜2 0的邊緣至少

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與其中心之厚度相同。當以該方法處理時，晶圓背膜可以 周邊部份21a的表皮密封背面空氣，在中心部份2u，空 氣通道1 4經面對晶圓露出的多孔泡沫引導空氣，所以背面 空氣壓力分佈至整體晶圓，該背面空氣確保一均勻的向下

力作用到整個晶圓的中心部份。並且，使用可移除黏著劑 固定膜到載具背板上。 H 利用邊緣具有升高剖面的背膜，增加在晶圓邊緣的壓力 (一即是晶圓對著研磨㈣向下力），並改善了在晶圓邊緣的 密封效果。該密封效果引起經過在膜中的孔14之空氣壓力 作用均等分佈在晶圓背面的中心部份，因而得到整體晶圓 則面的均勻研磨。在晶圓邊緣，背膜升高的部份作用足夠 的壓力以補償對墊子的切挖，因此確保晶圓邊緣與中心部 份有相似的研磨速率。因而可清除邊緣球珠及高研磨速率 而不增加製程時間，複雜度或成本。 一背膜的升高邊緣剖面可以減少背膜中心的厚度而獲得 如圖2A所示，或者，如圖2C所示，可以在背膜2〇與晶圓 載具的背板1 1之間置放一環形夾片22，該配置有效地增 加膜20邊緣的厚度。例如，當研磨一 2〇〇毫米晶圓時，在 距中心95至100毫米的區域，厚度至少應該增加〇 5毫英 吋（mU)。如此增加載具邊緣穿透到背膜的壓力，導致晶 圓岔合研磨墊並且導致晶圓邊緣3毫米内的均勻研磨。該 夾片在邊緣的厚度及半徑可以改變，通常當研磨一 2〇〇毫 米直徑的晶圓時，夾片邊緣的厚度應該在〇5至2〇毫英吋 的範圍以及内半徑應該在90至95毫米的範圍。夾片可以 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規4(210 X 297公董)一

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:正成具有錐度’圓度或其他非平坦剖面較為有利，用在 足具體實施例的較佳材料是Rodel DF_200。纟於在外緣 的膜壓縮限制了空氣的外流出。 、 =明的另一具體實施例，其中晶圓背膜在晶圓邊緣做 成如圖3所示。在這具體實施例中，使一種單片/單 材料背膜30之邊緣區域承受一熱/化學以獲得增加材料的 厚度’降低錢度及平坦的表面D。未處理之油胸〇〇 材，之粗趟度約20微米（轉）。經處理的背膜材料邊緣區 域容許在晶圓背面上建立高度均勻的空氣壓力，然後藉著 將載具固定晶圓到研磨墊上使能夠達到高研磨均勻度。曰 在圖4中，一種單片/單材料背膜4〇在其邊緣區域沿上 類膠物質區使晶圓邊緣做成氣密。這樣防晶圓邊緣的空氣 外流，如前面的具體實施例，這樣容許在晶圓的背面建立 高度均勻的空氣壓力，然後藉著將載具固定晶圓到研磨墊 上使能夠達到高均勻度。用在這具體實施例的一較佳材料 是 Rodel DF-200。 種月膜50之邊緣區域之材料以機械方式成型為f，如 圖5所示，該機械成型使在晶圓邊緣的背膜氣密，靠著在 晶圓背面高度均勻的壓力容許高研磨均勻度。 本發明的一個好處是晶圓背膜是單片單材料，不同於一 種兩片，雙材料背膜，其中的的材料具有不同壓縮性及厚 度。 本發明方法利用修正單片/單材料背膜使高度均勻的空 氣壓力作用在晶圓背面，保持氣流在晶圓背後及將其限制 -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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B7 五、發明説明（1Q ) 在日日圓與晶圓背肢_ 、息 月膜的邊緣；如此便提高研磨均句度。 、發月的具施罪著：（1)固著一可迴轉工作的上表面到 載具的下表面，該载具包括一金屬或陶瓷材料的上表面 ^種單片/單材料背膜構件的下附著表面；其中 j片/單材料月膜構件被修正為提供一氣密功能及/或增 加單片/單材料背膜構件的邊緣落差高度；⑺在施加迴轉 力到載具的上表面之前，使迴轉工件與單片/單材料背膜 構件的接觸，（3)作用_迴轉力到載具的上表面；及⑷把 迴轉工件推至研麼執I» · / r \ t W魔登上，以及（5)作用足夠空氣壓力到晶 圓背面以引起晶圓整體的均勻研磨。 本發明已結合特別的較佳具體實施例加以說明，對那些 熟知此項技藝的人士是極為明顯的可以做許多的取代，修 正及變化並不會偏離本發明的範圍及精神。據此，本發明 希望包含所有如此的取代，修正及變化都落在本發明的範 圍與精神及下面的申請專利範圍之内。 -η _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1..-種工件使用-研磨裝置的化學/機械研磨方法，提供 較高研磨均句度的改善是靠使用—種修正的單片/單材 料背膜以使背膜氣密在其邊緣及/或增加m高度而 使背壓能夠作用到工件上以獲得於研 上的均勻壓力，包括·· 件 將工件的上表面黏著到載具的下表面，該載具包括— 金屬或陶曼材料的上表面之構造與單片/單材料背膜構 件的下附著表面’該單片/單材料f膜構件被修正為提 2在該單片/單材料背膜構件邊緣的氣密功能及/或增加 洛差Γ%度； 將該工件與該單片/單材料背膜構件相接觸； 之後引起該載具與該研磨墊間的相對運動；將該工件 接觸到該研磨墊以致其相對運動影響該工件的研磨。 2·如申請專利範圍第w之方法，其中該單片/單材料背膜 構件包含一多孔材料D 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該工件是__晶圓。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該修正的單片/單材 料背膜靠磨損背膜中㈣增加其邊緣的壓力加以修正。 5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該背膜的修正以熱/ 化學處理邊緣區域以獲得增加材料厚纟，較低孔隙度及 較無不均勻的表面。 6·如申請專利範圍第3項的方法’其中該背膜的修正是靠 使用一種類膠物質在一邊緣區域以防止氣流。 7.如申請專利範圍第3項的方法，其中該背膜的修正是 555617 A8 B8 C8

•機械式地成型該材料以增加落差高度。 8· 一種根據申請專利範圍第丨項之方法所準備的工件，其 中一均勻壓力已作用在整體的工件上。 〃 9. 一種根據申請專利範圍第2項之方法準備之工件。 10. 一種根據申請專利範圍第3項之方法準備一矽晶圓。 11·一種用在化學-機械研磨（CMP)裝置的晶圓背膜，該晶 圓背膜包括： 種單片多孔材料具有一外緣與包括一内部份及一種 %形外部份具有的外緣是位於該片多孔材料的外緣；以 及 一種表皮位在該片多孔材料的一表面上，其中位在該 片多孔材料内部上的一部份表皮被加以處理以至允許空 氣流經過該片多孔材料。 12·如申請專利範圍第11項的晶圓背膜，其中該表皮以至少 疋磨損，切片，切碎粒，穿孔及蝕刻之一種加以處理。 13·如申請專利範圍第11項之晶圓背膜，其中在該片多孔材 料内部上的表皮部份被加以移除。 14·如申請專利範圍第11項的晶圓背膜，其中該表皮被加以 處理以致晶圓背膜的厚度在外緣部份比内部大。 15. 如申請專利範圍第11項的晶圓背膜，其中該片多孔材料 的表面在研磨製程期間面對晶圓，以致空氣流經該片多 孔材料·作用壓力在晶圓背面上。 16. 一種用在化學-機械研磨（CM P)裝置的晶圓背膜佈置， 且該佈置配置在該裝置的背板與晶圓之間，該晶圓背膜 -15 - 張尺度適用料(CNS) A4_21GX騰爱)-- ~~"~ .佈置包括： 以 及 種曰曰回背膜包含—單片多孔材料及具有-外緣； 外 層 缘片位在背膜與背板之間，該夹片具有-厚度佈置在外緣大於其在中心的厚产。的邊緣 17:ΓΓ::Γ第16項的晶圓背膜;置，其中該環形央 :具Γ外半徑約100毫米，-内半徑在90毫米至95毫 =圍’與在外緣的厚度在。，。5英叶至。·英付 該 ::學-機械研磨(⑽)裝置的晶圓背膜 其中 _種單片多孔材料具有—内部和—外環 外部加以處理以致防止空氣流經該片多孔材料。刀 二請=圍第18項的晶圓背膜，其中外環形部份C 成:加以處:理’化學處理，使用-_物質與編 -如申請專利範圍第18項的晶圓背膜，其中外環形部份永 以处理以致晶时膜的厚度在外部大於在㈣的