TWI271795B - Activated slurry CMP system and methods for implementing the same - Google Patents

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TWI271795B
TWI271795B TW090124597A TW90124597A TWI271795B TW I271795 B TWI271795 B TW I271795B TW 090124597 A TW090124597 A TW 090124597A TW 90124597 A TW90124597 A TW 90124597A TW I271795 B TWI271795 B TW I271795B
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Description

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五、 發明說明 ：1) [ 發 明背 景 ] 發 明 領域 本發 明 係有關 化 學機械 平 坦化糸統（C Μ P，c h e m i c a 1 mechanical planari zat i on ) 與用以改善CMP操作性能及 效 率 之技 術 。特別 是 ，本發 明 係用於增進金屬CMP系統之 性 能 〇 相 關 技術 說 明 作 在半 導 體元件 之 製造過 程 中’通常需要使用CMP操 例如 平 坦化、 拋 光及晶 圓 清洗。一般而言，積體電路 元 件 係以 多 層結構 之 形式構成 。在基板層中，形成有具擴 散 區 域之 電 晶體元 件 。在後 續 之層結構中，内連接金屬化 連 線 會被 圖 案化並 與 電晶體 元 件形成電性連接，以定義屮 預 定 功能 元 件。如 同 習知之 技術，圖案化之導電層係利用 介 電 材料 5 例如二 氧 化矽， 與 其他導電層隔離。而隨著愈 來 愈 多金 屬 化層及 相 關介電 層 之形成，平坦化介電材料之 需 求 亦隨 之 增加。 若 無平坦 化 製程，外加之金屬化層的剪 作 將 會因 為 表面形 狀 (surf ace topography )之多變性， 而 變 得相 當 困難。 在 其他應 用 中，金屬化連線圖案係形成 於 介 電材 料 中，之 後 再進行 金 屬CMP操作以移除多餘之金 屬 化 結構 0 而當其 他 技術無 法 形成Cu插塞及Cu線時，Cu CMP成為- 一種可完成上述製程之Cu雙層鑲嵌技術。 CMP系統通常會運用旋轉 、帶狀物、轨道或刷子等 1271795 五、發明說明（2) 站，以利用帶狀物、研磨墊或刷子來擦洗、拋光或研磨一 晶圓之一侧或兩侧。一般而言，多餘之介電層或金屬化層 會在加工之晶圓表面的原處（in〜sitlj)化學修整工作中 移除，使晶圓表面更適於進行材料的清除。研漿即被利用 於此CMP操作中之化學修整工作。研漿通常會注入至一移 動之準備表面，例如一研磨墊，並散佈至此準備表面上， =同欲拋光、研磨或CMP製程所準備之半導體晶圓表面一 樣。此研聚之分佈可藉由準備表面之移動、半導體 ?動：及半導體晶圓與準備表面間之摩擦 整之多餘金屬層及介電層會自晶圓表面 Π全=層與介電層各自具有不同之化學特性， 因此金屬化層之化學機械平坦化操作會異於 機械平坦化操作。以下為此二種c 、電曰之化子 介電層之化學機械平坦化操作，传乍葬之由間人 電層溶解於熱水中，以產生多=酸；藉由在壓力下將介 (P〇lyhydr〇silicates )。之後，此客〜 圓表面輕易地移除。相對地，金屬化芦：=鹽將可自晶 層之移除變得幾乎不可能。相對：電子位^將使金屬化 ^ ^, 屬70素之共彳貝電子並非位於一對；f + ，& 會產生-"導電帶"、"電子雲"或：原子之間，且 由金屬離子將會被吸引至電子層。是故，^。因此’自 可輕易地沿著金屬化層表面移動，= 屬原子將 鍵結或電子带齢列、s a 1不而使金屬原子間的 农斷裂。通f ’此稱為金屬之延展本質，亦即
MHIII 第6頁 1271795
附著之最終金屬原子不需使其與金屬化層間之金 裂，即可輕易地自其於金屬化層表面之平衡位置J 土移能力。反之，就具有配位電子之非金屬元 吕，猎由改變2〇%〜30%之原子角度即可使其分子鍵斷裂。 ::金屬化層上進行CMP操作而言，金屬化層 八有分子鍵之化合物（例如，氧化物等）。換句 說，最終金屬原子與金屬化層之間的金屬鍵必須變為1 分子鍵，其中，電子係配置於二個特定原子之間。所 在金屬CMP操作中，金屬化層會被氧化，並因此形成氣化 層。由於氧化物分子具有分子鍵，所以氧化層可輕易地 機械力加以去除。 1知CMP系統1 〇〇之例子顯示於圖1中。圖1之CMP系 統J0為-帶型系統，此一名詞定義係因其準備表面為二 種裱狀研磨墊108，此研磨墊ι〇8配置於二個滾輪114之 上，而此二滾輪114會利用轉動之方式，以研磨墊轉動方 向116帶動研磨墊108。一晶圓1〇2係配置於一支撐架1〇4 上。士撐架1 0 4係以方向1 〇 6轉動。此轉動之晶圓丨〇 2會以 一力里F壓放於此轉動之研磨墊1〇8之上，以完成一 CMp製 耘。某些CMP製程需要施加明顯之力量F。一平台丨12係設 置以穩定此研磨墊108，並提供施加於晶圓1〇2之固體表 面。根據所欲移除之多餘材料的種類，一包含水溶液如 NH40H或DI水與分散狀之磨蝕粒子之研漿丨18，會自晶圓 1 0 2之上游方向注入。 如同金屬CMP操作中，金屬化層必須先氧化一樣，研
1271795 五、發明說明（4) 聚118之組成係為令厪ρ 用之研浆= 操作中重要的一環以外，所選 含氧化劑與酸液之金\ =面造成腐蝕或缺陷。就一般包 加速金屬化層;:：屬氧 高穩定度以及：：ί:特ί本ί先這 活化。就此而t，金屬；ΐ之：當高之能量進行 當低之氧化迷率，因间穩疋度特性將會產生一相 故，在金屬CMP製程所Γ眷W之移^除效率就會降低。是 此降低其生產率。匕、、時間就會明顯地增加，並因 就上述觀點可知，現今將需一 並具有較高生產率之加強型化學機械用研装、
發明概I 簡而言之，本發明藉由改變研 促進晶圓表面上多餘層別之移除速而滿足上述 中，一化學機械平坦化（CMP)系统而求。在一實施例 所使用之研漿來促進多餘層別之移除屋率，係藉由活化 實施例中，一晶圓表面金屬化層之移.、丰、:提咼。在較佳 抑制型之CMP系統t，透過光誘導研雙H率，係在一自我 此，自我抑制型之CMP系統係定義為氧化化而提高。在 金屬-氧化物溶解速率2CMp系統。本务形成速率大於 以實施，包括一製程、一設備、—系統月可以多種方式加 法。本發明數個實施例將說明如下。、裳置或一種方 1271795 五、發明說明（5) 在一實施例中，係揭露一種化學機械平坦化系統。此 CMP系統包含用以接收一研漿化學品之研磨墊。 更包含用以固定具有一金屬表面層之一晶磨圓墊之一 此支撐頭及研磨墊係設置成在透過此研漿化學品研磨此金 屬表面層時’ 一者會機械性地接合。此系統包含一照 射單元’此照射單元係設置用以在一研漿輸送位置之後、 研磨墊移至晶圓下方前之位置，作用於此研磨墊之上。此 照射單元用以在此晶圓之金屬表面層與此研磨墊產生機械 接合之前’使此研漿化學品曝露於此照射下。 /在另一實施例中，係揭露一化學機械平坦化系統。此 CMP系。統包含用以旋轉之一研磨墊，以及用以固定一欲研 磨晶圓之一支撐架。此研磨墊係設置為，當其在部分該 撐架與部分該調節墊之上方旋轉時，其亦會移動，俾以逐 漸地完全離開該支撐架及完全覆蓋該調節墊。此CMP系統 亦包含二研漿輸送單元。此輸送單元係設置用以供給研漿 至此卩墊之上，使此研磨墊旋轉時可供給研漿至此晶圓 與研“墊之間。此CMp系統更包含照射源，用以照射欲 給至日日圓與研磨塾之間之該研漿。 ’、 备ί :—實施例中’係提供一種用以促進化學機械平坦 化糸、.死甲，一晶圓之一晶圓層之移除方法。此方法 供給研展至此晶圓層之前，照射此一定量研漿。 而在另一實施例中，係揭露一種化學機械平坦化系 統。此CMP系統包含用以接收一研漿化學品之一研磨墊、。 此CMP系統亦包含用以固定具有一金屬表面層之一晶圓之
第9頁 1271795 五、發明說明（6) 一支撐頭。此支撐頭及研磨墊係設置成在透過此研漿化學 品研磨此金屬表面層時，二者會機械性地接合。此CMp系 統更包含一照射單元，此照射單元係設置用以在一研漿輸 送位置後之位置’作用於此研磨塾之上。此照射單元用以 在此晶圓之金屬表面層與此研磨墊產生機械接合之前，使 此研漿化學品曝露於此照射下。 本舍明之優點相當多。最為顯著者，取代所使用之研 漿’本發明在照射此研漿時，同步活化此研漿並因此促進 CMP系統中之金屬的移除速率。因此，本發明透過所使用 之照射，例如UV或IR曝光，施加能量，將有利於促進研漿 與多餘層別間化學反應之活化能障的突破。是故，在使用 專里之驾用研聚與相同的時間，本發明之實施例將可獲得 較高之產率，且不會對晶圓表面造成污染。在一實施例 中，顯示使用一多段式之光源結構係是有利的，因為此種 結構允許此CMP系統在欲處理晶圓之不同部位上，具有不 同的移除速率，並因此可此晶圓表面上獲得一理却的平坦 輪廊。此多段式光源之結構亦能重新分佈本發明Z活化效 率，且可相對於其它部位，選擇性地增加一部位導體^ 移除速率。本發明實施例之另一優點為可使用 化劑與氣態氧，因此容許研漿可設計成具有較長:貨架週 在參考下列詳細說明與 附圖之後，將可更清楚 本發明其它實施態樣與優點， 用以解說本發明原理之實例所用的 明瞭。
1271795 五、發明說明（7) 較佳實施例之說明 以下將就一化學機械平坦化系統之實施例加以說明， 此化學機械平坦化系統係藉由加強晶圓表面之多餘層結構 的移除速率，以最適化系統生產率。在一較佳實施例中， 此CMP系統係藉由使用一種活化研漿以增進移除效率。在 一貫施例中，此研漿係透過紅外線（IR )或紫外光（uv) 恥射而活化。較佳之情況是，在一自我抑制之金屬CMP系 統中’活化包含複數種氧化劑之研漿，俾以加速氧化劑與 金屬化層間之化學反應。因此，將可形成一金屬氧化層， 而此金屬氧化層可較輕易地以機械動作，例如藉由研磨 2:研漿2晶圓間之交互作用’自晶圓表面去。就較佳 =鈿=而έ ，此照光之金屬CMP系統的氧化物形成速率會 率系統，因此將可增進照光CMP系統之移除速 _在以下之敘述中，將提及數個特殊之細 说明本發明。然而，熟知 : /月边也 本發明亦可以略去部分特殊細節 =^白的疋， 例子中，習知之製程操作 式加以只施。在其它 要地模糊本發明。 ， 坪、、、田地說明，以避免不必 貫施例，由於金屬化屏 係代表依據本發明^ 生—溶解金屬肖金屬冑產物 1之化學反應 施例中，在-晶圓之金屬：上果。如式1所*，於- 屬化層Muyer的金屬CMP操作中， 五、發明說明（8) 於複數種氧彳卜& 、 交互作用，將I#溶解劑及金屬化層u之化學反應及 所構成之溶液;ί 2由所可： 屬化合輯一d及副產物 成逮率:二―：基本連續之階段進行。在-具有氧化物形 〇x之初始氧化階段中，一固離金屬M ^ Μ - ^ * 種孔化劑產生 U匕、金屬Μ⑷係與一或數 M'〇xicle(s)。接菩干j因此產生一固態金屬氧化物 中，一 者，在/、有溶解速率Rdis之溶解階段 產生-ίΪίΐ解劑會與所產生之金屬氧化綱-〇xide (s) 物。化子反應，之後產生一溶解金屬溶液U副產㈠ 由於此CMP操作之目的係為獲得一大體上平坦之表 CMp\因&此所產生之固態金屬氧化物M-〇Xide(“最好以此 作之機械部位而不是由其化學部位加以移除。關於 固恕金屬氧化物為何較適合用機械方式進行移除之理由 ，以下數點。第一，此CMP操作之機械部位為壓力感應 ，，而其化學部位不是。亦即，在一機械力拋光一晶圓 日守’此晶圓之形狀（topography )特性越高，在研磨表面 所產生之壓力就愈大，並增加固態金屬氧化物Μ — 〇χ丨^e㈠） 自此特性頂端之去除效果，因此將可獲得一平坦之形 第二，若是此CMP操作運用速率大於氧化物產生速率Rqx之 溶解速率Rdis，則此CMP操作可能導致不樂見之晶圓銅^蝕 現象。參照圖2 A之表1 5 0式3，將可更明瞭此點。如式3所 示，當氧化物緩慢生成時，氧化物之產生速率Ιζχ會低於溶 解速率Rdis。在此情況下，由於沒有任何可以防止銅持續 1271795 五、發明說明（9) 右疋 氧化/腐#的東西，因此銅可能會產生腐钱。仄之 2 氧化物快速地生成’氧化物生成速率大於溶解速率
Rdis ’則當一不可穿透之氧化膜形成時，即可抑制並實質 上，全終止此反應。因此，為達到使用機械力移除固態金 屬氧化物MQXide，且不會造成銅腐蝕之目的，氧化物形成速 率R〇x最好大於溶解速率Rdis。 疋故，在較佳實施例中，本發明之CMp操作為自我抑 制型，其CMP製程之金屬層氧化速率係大於所獲得之固態 金屬^化物層之溶解速率。然而，在此CMP系統中，獲得 2 ?金ΐ氧化物層最好立刻㈣，否則，此獲得之固態 、:氧化曰會完全覆蓋晶圓表面，並因此使此氧化過程終 i。=就澄式㈣製程而言，其較不適於金屬⑽操 圖2=::化物生成速率低於其溶解速率。以下將參照 圖2B就虱化物之生成速率作—詳細之說明。 鑒於此處係使用—ό # 4/ ^ , 有適當組成之研i:較製程，挑選-具 包含氧化齊"例如，ί二優斤以使用之研漿最好 氧化劑（例如，過氧化.中’可在研漿中使用多種不同之 氧、溶解氣=錢鐵、過錢鹽、溶解氣態 一較佳實施例中，過氧^ A硝酸銅及重絡酸舒等）。在 雖然幾乎所有的研襞都勺ί為—種相當有效的氧化銅劑。 匕a過氧化物，但是某些公司會加
1271795 五、發明說明（10) -- 入用以氧化其它金屬化層Mlayer之氧化劑。 與圖2B =根據本發明一實施例，顯示圖2乂中表之化 學式’在溫度上升時，造成跨越活化能障所需之能量降低 ，，形。如圖所不，此圖之垂直軸代表適用於分析系統之 旎夏=化，而其水平軸則代表化學反應路徑的不同步驟。 在一實施例中，圖形l50a，自一個點152開始，此點152代 表未照光金屬化層Mlayer與氧化劑之最小位能面。一般而 言，分子間的互斥力會防止金屬化層與氧化劑的分子 產生化學反應。因此，為使此反應得以進行並協助其克服 這些排斥力，必須外加大量的能量至此系統。如圖所示， 圖形1 5 0 a之一最咼點1 5 6即代表此系統在進入一產物狀態 兩’所需克服之位能面。需要加入此系統以克服分子間排 斥力之大量能量’通常稱之為一活化能或一活化能障。只 有在分子具有大於此活化能障之能量時，才能進入產物狀 態。此活化能障愈高，就愈少分子可克服此活化能障，而 金屬化層Mlayer與氧化劑間之反應就會愈慢。 如圖所示，一Eact 150a”代表金屬化層吣…與氧化劑 之間，進行化學反應所需之能量。大體上，就一氧化反應 而言，Eact 150an代表使氧化劑間之特定分子鍵斷裂所需〜 之能量，其中分子鍵斷裂可釋放出一具活性之氧原子，以 自由地與金屬化層Mlayer反應。如圖所不，只有在跨越此活 化能障時，此系統才能自發地產生氧化銅物（S )及相關 的副產物。因此，具有最高能量的分子將可藉由克服此活 化能障，而彼此產生反應，並決定此反應速率。如圖所
第14頁 1271795 五、發明說明（π) 示，當系統溫度愈高時’將有愈多的分子可克服此活化能
Pf。或者，在任何溫度時，若是活化能障愈低，則有愈大 篁的分子得以跨越此活化能障。 反應速率可藉由催化速率提高作用，亦或激發反應物 使反應速率加快。在催化速率提高之作用中，如圖形 150b，所示，跨越活化能障所需之能量會因催化劑的作用 :降，。如圖所示，到達圖形15〇b，之頂點158所需之能 里，，質上低於到達圖形15〇&，之最高點156所需之能量。 ^ 說，-催化速率提高系統之活化能μ 15〇b，f係 貝負上低於一未催化系統之活化能j 5 〇 a ”。 、亦或，在一不同之實施例中，可藉由透過激發反應物 以增加系統能量之方式，使反應速率增加。此例可利用圖 ^之圖形150c,加以說明。如圖所示，圖形15〇c，係由一狀 = 154開始，其中標示為激發能量心^⑸之外加能量係利 夕处1部能1^源輸入至此系統中。如圖所示，加入此系統 1 里愈夕，活化能Eact -ex. 1 5〇C’丨（註：跨越活化能障 “4所需之能量）就愈低，而其反應速率就愈高。因此， 猎增加金屬化層Mlayer與氧化劑之初始能量，將可明顯 =要用以克服活化能障之能量，並因此增加氧化二^ 速率與最終之CMP移除效率。 將透，一利用具有過氧化氫（註·· 或H — 0 — 0 —Η )之研 二相為氧化劑之銅CMP系統的例子，將可更明瞭此種降低 ^」活，能障所需之能量的方法。眾所皆知，過氧化氫具 一個氧原子，其中之一必須被分開以進行金屬化層M /、 【layer
1271795 五、發明說明（12) 之氧化過程。因此，將需要用以斷裂或至少使適當分子鍵 變弱之能量’俾以釋放氧原子並使其自由地與銅金屬化層 Mlayer進入一化學反應中。因此，為使金屬化層與過氧 化氫之間產生化學反應，將需要用以減弱或斷裂7此過氧化 物之分子鍵的能量。在一實施例中，金屬化層吣州與氧化 劑間之化學反應，亦可藉由進一步利用紅外線（I r )或紫 外線（UV )照射以活化此氧化劑。I R照射係用以造成研漿 中分子的激發轉移及振盪動作，而uv照射則是透過激發共 價電子以及減弱，甚至斷裂反應物分子内之化學鍵，來增 加反應速率。 圖3A-1為本發明一實施例之一帶型CMp系統2〇〇a之簡 化上視圖，圖中顯示在透過研磨墊2〇8接觸到一晶圓的接 觸表面前，一研漿之活化作用。如圖所示，晶圓2〇2會放 置至研磨墊208上，而此研磨墊208係以方向216轉動。一 研漿218則在晶圓202之接觸表面與研磨墊2〇8接觸之前， 供給至研磨墊2 1 8之一表面上。此研漿21 8係以可大體上覆 蓋研磨墊208之寬度且可使研磨墊2 〇8變濕之方式，供給至 此研磨墊208上。一照射器220係實質上配置於移動中之研 磨墊2 0 8上方，且其位置係使研漿2 1 8在到達晶圓2 〇 2與研 磨墊2 0 8之研磨表面前，會被其照射到。此照射器2 2 〇最好 是I R照射器或UV照射器。然而，在一不同之實施例中，此 照射器2 2 0可以是任何一種照射器或照射單元，只要其可 提供足以活化研漿之能量，且不會造成銅腐蝕或晶圓2〇2 表面之缺陷即可。在一實施例中，此研漿21 8最好包含過
第16頁 1271795 五、發明說明（13) 氧化氫或溶解氧。然而，在一 包含任何一種氧化劑。 不冋之實施例中，此研聚可 如此結構所示，不同於習 之研％ 2 1 8孫▲凡罢# n 、 鋼C Μ P糸統’此實施例 〜W水Ζ 1 8係没置成可快速地赫τ 射而、$ I ^ . 疋也破IR先照射或UV照射器220照 河丁向居化。一般說來，在習 越活化能障之於旦、豪^ 口山用銅CMP系統中，需要用以跨 供給至：：i= 機械部位形成。亦即，當研漿 之務叙r蚀/、府之研磨介面時’研磨塾、晶圓與研黎 之移動會使研磨塾介面的溫声斗 隆夕八^ w d ，皿度升兩，並使可跨越此活化能 ρ早之分子數增加。因此，在此_ 化判Η夕外與“ ϊ ΐ隋下，金屬化層1與氧 ?間之化學反應在一長時間内可能都不會發生。甚者， :需要用以克服活化能障之時間相當長時，需要在金屬化 :Mlayer上用以形成氧化銅物之時間亦會相當長，因而會造 成金屬氧化物之整體移除效率（例如，在銅CMp製程中） 降低。由於花費於整體CMP製程之時間變長，對生產率來 說就會形成反效果。 相對於習知之銅CMP製程，本發明可達到一相當高之 移除效率。在本發明一實施態樣中，uv光之光子所產生之 ，當可觀的能量，係足以使所使用之過氧化物或任何其他 氧化劑之原子間的鍵結斷裂，因此加速銅CMp操作之氧化 物的生成速率。當移動中之研磨墊208應用於晶圓202上 時，包含過氧化物的活化研漿21 8會與晶圓202之銅層進行 一化學反應。當此研漿2 1 8經過活化後，包含自由氧原子 之活化研漿21 8，會快速地與晶圓20 2之金屬化層Mlayer產生 化學反應，並因此迅速地於銅層上形成一層氧化銅物。亦
1271795 五、發明說明（14) 即，由於此化學反應之結果，銅層之金屬鍵已 遍存在於氧化銅物内之分子鍵。是故，本發明j為更普 形式的能量來突破此活化能障。第一種形^的能二種 202表面相對於銅CMP系統之研磨墊2〇8之機械性里為曰曰圓 生之能量。第二種形式的能量為IR照射或uv照射所所產 能量。利用此二種能量’本發明提高所產生之固熊之 金屬層的形成速率’並因此增加氧化物形成速率f β ，，整體用於晶圓202之銅CMP操作的時間，即顯^地二
此外，所產生之固態氧化-金屬層的移除效率係直 與銅層的氧化物形成速率R〇x有關。因此，氧化物形 Rox愈大，所產生之固態氧化-金屬層即可以較快的速 銅表面移除。同樣地，後續之氧化_金屬層亦同。特別 是，此銅CMP操作之整體移除效率係受限於此銅層的氧化 物形成速率，而此銅層的氧化物形成速率則直接與研漿 218的活化速率有關。以下，將利用圖3(>1及圖3c_5，就 氧化物形成速率與銅CMP系統之整體移除效率之間的依附 關係作詳細之說明。
圖3人-2為圖3人-1所示〇»^系統2〇(^之一簡化之部分橫 剖面圖，圖中顯示根據本發明之一實施例，利用單一照射 器活化研漿之情形。如圖所示，此單一照射器22〇係設置 以運用IR或UV大致均勻地照射至研漿218上，以活化此研 漿218。所設置之照射器220的長度大約介於61、吋至121/2 吋，且最好稍大於此晶圓的尺寸。如同上述，活化研漿
1271795
218’係設置以包含增量的活化氧化劑分子，俾以與晶 202之磨蝕活化銅層產生化學反應，以形成氧化層'。曰曰 圖3B-1為一帶型CMP系統200a，之一簡化部分\視圖， 其中一研漿係利用複數種具有不同強度之照射器（例Z， 亦能利用強度進行程控之照射器）進行活化。如圖所示， 當研磨墊208以移動方向216移動時，一研漿218係供給^ 研磨塾2 1 8之上。一側照射器2 2 0 a、一中心照射器2 2 〇 b及 一側照射器220c係實質地配置於研磨墊之上，亦一側辟射 器220a、中心照射器220b及侧照射器220(：係以依循一；；所 相同之垂直線，以並排之方式配置。在一實施例中，戶^酉貝己 置之側照射器220a、中心照射器22〇b及侧照射器22〇c各自 具有不同之照射強度，以產生相對具有不同活化強度之活 化研漿。同樣地，在圖3B-1中，研漿218係在其到達晶圓 202與研磨墊208間之研磨介面前，快速地活化。當研漿在 到達研磨介面前以UV活化時，研漿活性的活化作用並不合 影響任何其他CMP製程消耗品或者晶圓表面的熱性質。舉曰 例來說，將研磨墊2 0 8維持於一儘可能低的溫度下是有益 的，而本發明則以不會增加研磨墊2〇8溫度的方式， 研漿的活性。 圖3B-2為圖3B-1所示之CMP系統2〇〇a，的局部分解橫剖 面圖，圖中顯示根據本發明之實施例，得以產生具有不同 活化程度之研漿的情形。如圖所示，具有一照射強度 220a之側照射器220a係用以活化預朝向晶圓2〇2之一侧部 位下方移動之研漿218，並產生一活化侧研漿218a。中心
第19頁 1271795 五、發明說明（16) 照射器22Ob具有活化強度220b，，並設置用以活化預朝向 晶圓202之中心部位下方移動之研漿218，以產生活化中心 研漿218b。側照射器220C具有活化強度22〇c，，係用以活 化預朝向晶圓2 0 2 —侧部位下方移動之研漿，並產生活化 側研漿218c。在此示範用之實施例中，照射器強度 220a 、220b及220c，係設置為可程控選擇的，同時，強 度220b’係大於強度220a，及22〇(：，，而強度22〇c,則大於 度 220a’。 使用多段式光源結構的優點在於此種結構允許銅CMp 系統在欲研磨晶圓之不同部位上，具有不同之研磨速率， 口此可在欲研磨之特定層上完成理想的平坦表面。眾所皆 知，從晶圓邊緣至晶圓中心的晶圓表面形狀，有時會不一 樣。本發明實施例所提供之方法，將可以選擇性地異於其 他j位而增加一部位之移除效率（例如，相對於晶圓μ 2 之、緣。卩位，曰曰圓中心2 〇 2部位的移除效率較高）。雖麸 :實施例係利用了三個獨立的照射器，熟知本發明之技術 者亦可採用任何數目的照射器或多段式單元，以活化研 曰圖3C 1至3C-5為根據本發明一實施例，於一具有銅層 :ί立ϊ部位上’進行化學機械平坦化之不同階段的局 ?η9刀β二:面圖。圖3C-1顯不此晶圓202具有一介電部位 區二02, ：：202上。在圖3C —2中，顯示晶圓202之-上層 ^ A 、刀解検剖面圖。雖然此圖顯示在銅層2〇2b中有 數層虛線標出之層另,卜但是當銅被磨除時，只有最上層的
第20頁 1271795 五、發明說明（17) 任一點皆被活化。記住此點，而活化研漿2丨8，係供給至銅 層202b之上。為說明之便，圖3C_2所示之銅層2〇2b係以虛 線分隔為複數種銅深度，如深度1 2〇2bdi、深度2 2〇21^、 深度3 202bd3、深度4 202bd4及深度5 202bd5 ;深度1 202bdl為最靠近晶圓202表面之銅深度，而深度5 2〇2bd^!J 為最靠近晶圓介電部位2〇2a之深度。如圖3C-2所示，活化 研漿係透過研磨墊之機械力接觸，供給至深度2〇2、之上 表面。 參見圖3C-3的實施例，銅層深度1 2〇2bdi已與活化研 漿2 18’反應並產生一氧化銅研漿膜2〇2c。如圖所示，此氧 化銅研聚膜2 02c係大體上覆蓋於晶圓202的整體表面上。 此時’深度1 202bdl會被移除，且不會產生前述習知金屬 CMP之問題。亦即，銅之移除會實質上相當於氧化物之移 除’而不似易延展金屬之移除。如圖所示，此時圖3C_3的 銅層202b係包含深度2 202bd2、深度3 202bd3、深度4 2=21½及深度5 202bd5。圖3C-4顯示當晶圓202在活化研漿 施加於銅層深度3 2 0 2 bd3表面的情形。在此實施例中，銅 層深，3 202‘會與活化研漿反應，並產生靠近晶圓表面 之一氧化銅研漿膜202c。如圖所示，此時，圖3C-4的銅層 包含深度4 202bd4及深度5 202bd5。因此，深度202bdl 及202bd2已與活化研漿218’反應，且被機械移除。最後， 在圖3C-5之實施例中，銅層2〇2b大體上已被移除，留下大 致上光滑平坦的晶圓介電部位2〇2a。如圖所示，銅CMP系 統之移除效率係依附於晶圓202表面銅-氧化層之形成速
第21頁 1271795 五、發明說明（18) 率。圖中亦顯示，活化研漿2 1 8’在一特定時間内只能與部 分深度之活化銅層20 2b起反應。因此，銅CMP系統之整體 效果係依附於氧化物生成速率。亦即，銅-氧化層形成得 愈快，金屬化層Mlayer即可愈快地自晶圓2 0 2表面移除。 圖4本發明一實施例之一可變局部重疊（Variable
Part ial Over lapping，亦即，次孔徑）CMP 系統2 00b 之簡 化橫剖面圖。圖4之實施例包含一研磨頭2 0 8 ’，此研磨頭 2 08’係設置成當其以研磨旋轉方向216旋轉、以及以一移 動方向216’自晶圓202中心移至晶圓202邊緣時，用以研磨 此晶圓202表面。此研磨頭208’更設置成可以一振盪方向 2 1 6 ’’前後移動，以產生一振盪動作。如圖所示，在此實施 例中，一支撐架2 0 6係配置於此研磨頭2 0 8 ’之下。此支撐 架2 0 6係設置成用以透過一護圈204接合此晶圓202。如圖 所示，在一實施例中，此護圈204係設置用以在此晶圓202 被研磨頭208’研磨時，與此晶圓20 2維持一共平面的關 係。在此實施例中，晶圓曝露出之表面係面向研磨頭 208’ 。在一實施例中，一平衡環22 2係配置於支撐架206之 下，用以在CMP製程中使支撐架206對準於一移動中之研磨 頭208’ 。此平衡環222係設置於以晶圓轉動方向207旋轉之 延伸軸2 2 4上。此延伸軸2 2 4係設置用以施加一力量ρ至支 撐架20 6。 一調節頭210係配置於支撐架2 〇6右侧（或任一侧）， 且位於研磨頭2 0 8 ’下方，用以調節研磨頭2 〇 8 ’ 。與研磨頭 2 0 8 ’相似，此調節頭21 0亦以與研磨頭2 〇 8，相同之旋轉方
1271795 五、發明說明（19) 向旋轉（亦即’研磨旋轉方向2丨6 )。調節頭2丨〇係設置於 一調節軸226上。而此調節軸226則係配置用以施加一力量 F至調節頭210。裝於容器219a内之研漿218會透過一研漿 輸送單元219b，直接供給至調節頭21〇表面。一照射器22〇 係設置於調節頭210上方之位置，用以在研漿218被引導至 調節頭2 1 0與研磨頭2 〇 8 ’間之調節介面，以及後續至研磨 頭208’與晶圓202間之研磨介面時，活化此研漿218。而在 另一實施例中’一活化型之研漿可以透過設置於研磨頭 2 0 8 ’内之一輸送導管，供給至晶圓表面。在一實施例中， 照射器220可以是一IR或UV照射器。 雖然在此實施例中，研漿是在其被引導至調節頭21() 時才被活化，而在一不同之實施例中，供給之研漿21 §亦 可在其於容器219a内時，加以活化。之後，只要研漿218 被活化後，此活化研漿21 8，即可供給至調節頭21 〇，並因 此透過此調節介面供給至研磨介面。此種將用以照射研漿 21 8之光線，投射在調節頭2 1 〇而不是研磨頭2 〇 8的方式具 有較大的優點，因為此種方式可以使研磨頭2 〇 8，維持在一 儘可能低的溫度。 前述已提及IR及UV照射器對於活化研漿相當有效，然 而，熟知此項技術者應可在一CMP系統中，利用其它種類 之光照射系統來活化研漿。此外，照射器之強度可隨應用 方式之不同，加以控制調節以達到所需求之R〇x相對於Rdi 之程度。 雖然為了方便明瞭之目的，前述發明已詳細地加以說
第23頁 1271795
明，然而下 變化與修改 學機械平坦 械平坦化操 此處描述之 而，此處需 當適用於研 金屬或合金 α上說明内 範圍内加以 外曱請 °例如 4匕；然 作亦相 貫施例 明白的 磨任何 )〇因 容，同 修改。 專利範圍 ，此處之 而，此處 當適用於 係主要應 是，本發 種類之介 此，本發 時可在下 之範圍 實施例 需明白 其它基 用於銅 明之化 電層或 明雖已 列申請 主要係 的是， 板之研 化學機 學機械 金屬（ 加以說 專利範 應用於晶圓之 >[匕 本發明之化學機 磨製程。此外， 械平坦化；然 平坦化操作亦相 例如，鶴及其它 明但並不受限於 圍之範圍及相等
第24頁 1271795 圖式簡單說明 參見下列詳細說明與附圖德，脸 其中，相同的參考符號係代表二::=解本發明， 圖1顯示一示範用之習用CMp系統。 圖2A為本發明一實施例之戎早 因為其與複數種氧化劑間之化學反 =不一金屬化層 金屬副產物之式子。 干反應，而產生溶解金屬與 實施产A:=學匕圖$ ’顯示根據本發明之-降低。 又升寺斤而用以克服活化能障之能量會 另—=^為帶型CMP系統之上視圖，顯示根據本發明 活化之研浆透過研磨塾到達-晶圓表面之前， 之情形。 另貝轭例，利用一單一燈管活化研漿 化、】Ϊ — 1為本發明一實施態樣之一帶型系統之簡 度之二二t視圖中研漿係利用複數個具有不同照射強 < &官進行活化。 顯示1所示cmp系統之局部分解橫剖面圖， 程度另—實施態樣’得以產生具有不同活化 局部：3解明又另一實施例之具有一銅層之晶圓的 1271795 圖式簡單說明 圖3C-2為本發明另一實施態樣之具有一活化銅層之晶 圓上層部位的局部分解橫剖面圖，其中，此活化銅層具有 複數種深度。 圖3C-3為本發明又一實施例之具有一活化銅層之晶圓 上層部位的局部分解橫剖面圖，其中，此活化銅層的複數 種深度之一已與活化研漿反應。 圖3C-4為本發明又一實施例之具有一活化銅層之晶圓 上層部位的局部分解橫剖面圖，其中，此活化銅層的深度 之一已被移除。 圖3C-5為本發明另一實施例之具有一活化銅層之晶圓 上層部位的局部分解橫剖面圖，其中，此活化銅層的複數 種深度已全部被移除。 圖4顯示本發明實施方法之一種可變局部重疊（亦 即，次孔徑）CMP系統。 符號說明 100 CMP系統 10 2 晶圓 104 支撐架 106 支撐架旋轉方向 108 研磨墊 112 平台 114 滾輪 116 研磨墊轉動方向
第26頁 1271795 圖式簡單說明 118 研漿 20 0a CMP 系統 200b 可變局部重疊CMP系統 2 0 2 晶圓 2 0 2’ 晶圓上層部位 202a介電部位 202b銅層 202bdl 深度 1 202bd2 深度 2 202bd3 深度 3 202bd4 深度 4 202bd5 深度 5 202c氧化銅研漿膜 204 護圈 20 6 支撐架 207 晶圓轉動方向 2 08 研磨頭 208 研磨墊 210 調節頭 216 研磨墊旋轉方向 216’ 研磨墊移動方向 216’’研磨墊振動方向 218 研漿 218’ 活化研漿
第27頁 1271795 圖式簡單說明 2 1 8 a側研漿 218b 中心研漿 218c側研漿 219a 容器 219b研漿輸送單元 220 照射器 220a側照射器 220a,側照射器強度 220b 中心照射器 220b’中心照射器強度 2 2 0 c 侧照射器 220c，側照射器強度 222 平衡環 224 延伸軸 226 調節軸
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Claims (1)

1271795 _件·^綱 案號 90124597 久f年？月>/曰 修正 六、申請專利範圍 1. 一種化κ學機械平坦化 (CMP ) 系 統 5 係 包 含 ·· 一研磨墊 ，設置用以 接 收 一 研 漿 化 學 品 一支撐頭 ，設置用以 固 定 具 有 一 金 屬 表 面 層之一晶 圓 ，此支樓頭 及該研磨墊 係 設 置 成 在 透 過 該 研 漿化學品研 磨 該金屬表面 層時，二者 會 機 械 性 地 接 合 以 及 一照射單 元，設置用 以 在 一 研 漿 輸 送 位 置 之後、研磨 墊 移至晶圓下 方前之位置 作 用 於 研 磨 墊 之 上 ，俾以在該 晶 圓之金屬表 面層與該研 磨 塾 間 之 機 械 接 合 之 前，使該研 )漿 4匕學品曝露 於此照射下 其 中 以 加 熱 研 漿 化 學品但不會 加 熱研磨墊的 方式照射該 研 漿 化 學 品 〇 2. 根據申請專利範圍第1 項 之 化 學 機 械 平 坦 化 (CMP )系 統 ，其中，該 照射單元係 為 一 紅 外 線 ( IR ) 昭 射器及紫外 線 (UV )照射 器其中之一 〇 3. 根據申請專利範圍第1 項 之 化 學 機 械 平 坦 化 (CMP )系 統 ，其中，該 研磨墊為一 帶 型 墊 ， 且 該 研 漿 送位置係設 於 一晶圓供給 位置之上游 而 該 昭 射 單 元 則 配 置於該研漿 输 送位置與該 晶圓供給位 置 之 間 〇 4. 根據申請專利範圍第1 項 之 化 學 機 械 平 坦 化 (CMP )系 統 ，其中，該 研磨墊係為 一 旋 轉 型CMP墊： ，且該研漿輸送 位 置係設於一 晶圓供給位 置 之 上 游 而 該 昭 〇、、 射 單元則配置 於 該研漿輸送 位置與該晶 圓 供 給 位 置 之 間 〇 5. 根據申請專利範圍第3 項 之 化 學 機 械 平 坦 化 (CMP )系 統 ，其中，該 照射單元為 一 多 段 式 單 元 該 夕夕 段式單元之 每 一段係設置 用以供應一 不 同 或 相 同 之 昭 射 程 度至在該帶
第29頁 1271795 —-一 90124597 车 月 _^ 修正 六、申請專利範圍 —— — 型墊上移動之化學研漿。 ， 6·根據申請專利範圍第1項之化學機械平坦化（CMp)系 統’其中，該金屬表面層係為銅及鎢其中之一。 7· —種化學機械平坦化（CMP )系統，係包含： 一研磨墊，設置用以旋轉； 一支撐架，設置用以固定一欲研磨之晶圓； ，一調節墊，配置於該支撐架旁，該研磨墊係設置為， 當其在部分該支撐架與部分該調節墊之上方旋轉時，其亦 會移動，俾以逐漸地完全離開該支撐架及完全覆蓋該調節 -墊； 一研聚输送單元，此研聚輸送單元係設置用以供給研 裝至该調節塾之上’使該研磨墊旋轉時可供給該研漿至該 晶圓與該研磨塾之間；以及 一照射源’此照射源係設置用以照射欲供給至晶圓與 研磨墊之間之該研漿； 其中以加熱研漿化學品但不會加熱研磨墊的方式照射 該研漿化學品。 一'' 8 ·如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化（CMP )系 統’其中’該照射源係設置用以活化該研漿&妙 9·如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化，其中， 該照射源係為一紅外線（I r )照射器及紫外線（U v )照射 器其中之一。 ^ , 1〇·如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，當該研漿供給至該晶圓與該研磨墊之間時，所
1271795 案號卯124597_年 月 日_«_ 六、申請專利範圍 使用之照射會照射至該研漿。 11.如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，該晶圓具有一金屬表面層，該金屬表面層係設 置用以經歷由於使用照射曝光過之研漿研磨，因而產生之 變大的氧化程度。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，該金屬表面層係為銅及鶬其中之一。 13. 如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，該研磨墊係設置成以一可程控之速率振動，此 -振動則設定成使該研磨墊在其部分位於該支撐架上方、而 部分位於該調節墊上方之位置，與其完全遠離支撐架並完 全覆蓋在該調節墊上之位置之間移動。 14. 如申請專利範圍第7項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，所使用之照射係在該研漿透過該研漿輸送單元 供給至該調節墊上之前，照射至該研漿上。 1 5 · 如申請專利範圍第1 0項之化學機械平坦化（CMP )系 統，其中，該金屬表面層之一氧化層的機械移除程度，係 設定成會因為該金屬表面層的氧化程度增加而增加。 16. 一種在化學機械平坦化系統中用以促進一晶圓之晶圓 層移除的方法’此方法包含： 照射一定量之研漿，此動作係在該研漿供給至晶圓層 之前；其中以加熱研漿但不會加熱研磨墊的方式照射該研 漿。 17, 如申請專利範圍第1 6項之在化學機械平坦化系統中用
第31頁
1271795
第32頁 1271795 __案號90124597 年 月 日 修正 六、申請專利範圍 2 1.如申請專利範圍第1 9項之在化學機械平坦化系統中用 以促進一晶圓之晶圓層移除的方法，其中，供給該照射曝 光過之研漿至該金屬表面層，以產生一上表面層之步驟更 包含： 氧化該金屬表面層，以產生一氧化金屬表面層。 2 2.如申請專利範圍第21項之在化學機械平坦化系統中用 以促進一晶圓之晶圓層移除的方法，其中，供給照射曝光 過之研漿至該金屬表面層係為使該金屬表面層之機械移除 程度，隨該金屬表面層之氧化程度增加而增加。
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