TWI400139B - 具有不均勻間隔之溝槽的cmp墊 - Google Patents
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Description
本發明大體而言係關於化學機械研磨(chemical mechanical polishing,簡稱CMP)之領域。更特定言之,本發明係關於具有不均勻間隔之溝槽的CMP墊。
在半導體晶圓上之積體電路與其他電子裝置的製造中,複數層的導體材料、半導體材料、與介電材料係沈積到該晶圓的表面上並從該晶圓蝕刻。該等材料之薄層可利用多種沈積技術來沈積。目前晶圓製程的一般沈積技術包括物理氣相沈積(physical vapor deposition,PVD)(亦稱濺鍍)、化學氣相沈積(CVD)、電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)與電化學電鍍。一般蝕刻技術包括濕式與乾式等向性與非等向性蝕刻等。
隨著該等材料層的相繼沈積與蝕刻,晶圓表面變得不平坦。因為在後續半導體製程(例如,微影製程(photolithography))需要晶圓具有平坦表面,因此晶圓需要經週期性平坦化。平坦化係用於去除不期望的表面形貌與表面缺陷如粗糙的表面、結塊的材料、結晶晶格的損壞、刮傷及受污染的層或材料。
化學機械平坦化、或化學機械研磨(CMP)為用於平坦化半導體晶圓或其他工作之常見技術。在使用雙軸旋轉研磨機的習知CMP中,晶圓載具或研磨頭係裝設於載具組合件上。該研磨頭固持該晶圓並將晶圓定位成與研磨機中之研磨墊的研磨層接觸。該研磨墊的直徑比欲平坦化之晶圓的直徑大兩倍以上。在研磨的過程中,研磨墊和晶圓會沿著各自的同心圓圓心(concentric center)旋轉,同時晶圓與研磨層囓合。該晶圓的旋轉軸對應於研磨墊的旋轉軸係偏移了大於晶圓半徑的距離,藉此,使得該研磨墊的旋轉在研磨墊的研磨層上掃出環狀的『晶圓軌跡(wafer track)』。當晶圓的移動僅為旋轉時,晶圓軌跡的寬度等於晶圓直徑。然而,在某些雙軸研磨機中,該晶圓在垂直於其旋轉軸之平面震盪。在此種情況下,該晶圓軌跡的寬度會比該晶圓的直徑還寬,增加之寬度則是因震盪產生之位移所造成。該載具組合件提供了該晶圓與研磨墊之間可控制的壓力。在研磨過程中,研磨液或其他研磨介質係流動於該研磨墊上且流入晶圓與研磨層之間的間隙中。該晶圓表面係藉由研磨層與表面上的研磨介質之化學與機械作用而研磨變得平坦。
為了致力於將研磨墊的設計最適化,已逐漸增加對CMP期間之研磨層、研磨介質與晶圓表面間的交互作用之研究。過去幾年來,大多數研磨墊之開發在本質上係以經驗為主。多數研磨表面或層之設計已著重在提供具有不同空隙圖案與溝槽配置之層,其主張可增加研磨液之利用與研磨均勻度。經過多年,已有相當數量的不同溝槽和空隙的圖案與配置被實施。先前技術之溝槽圖案包括放射狀、同心圓、笛卡兒格網(Cartesian grid)與螺旋狀等。先前技術之溝槽構形包括所有溝槽的寬度與深度皆一致之構形,以及溝槽的寬度與深度彼此各不相同之構形。
更精確地說,在為數不少的先前技術中,用於旋轉研磨墊的溝槽圖案係包含自接近於或位於該研磨墊之同心圓圓心的位置延伸至接近於或位於研磨墊之外緣的位置之溝槽。此種具放射狀溝槽與螺旋狀溝槽之圖案實例係見於Muldowney的美國專利案第6,783,436號中。於Muldowney之專利案中揭露所有放射狀與螺旋狀溝槽圖案皆以圍繞各墊之方向具有固定角度的槽距(constant angular pitch),為此類溝槽圖案之典型。Muldowney之專利案亦揭露具有笛卡兒格網狀與同心圓狀之溝槽圖案之研磨墊。於該兩種圖案的溝槽皆具有固定槽距,亦即,相鄰溝槽的間隔為相同。Bennett等人的美國專利案第5,984,769號揭露具同心圓溝槽之研磨墊實例,溝槽係配置為使溝槽之槽距視該溝槽於該墊上所座落之位置而改變。在另一實例中,Bennett等人之專利案揭露一研磨墊,其中,在單一螺旋狀溝槽的相鄰片段間的槽距視該溝槽於該墊上所座落之位置而改變。
雖然先前技術包含了具有廣泛種類的溝槽圖案之研磨墊,但此等溝槽圖案之效用係隨著各種圖案而有不同,以及隨著各種研磨製程而有不同。研磨墊設計者仍持續尋找相對於先前技術的研磨墊更有效並更有用之研磨墊的溝槽圖案。
在本發明之一態樣中,研磨墊係包括:組構成用以在研磨介質存在下研磨磁性、光學與半導體基材中之至少一者之研磨層,該研磨層包含具有同心圓圓心的研磨表面、在晶圓研磨期間於該研磨層上所定義之晶圓軌跡、以及外緣(outer periphery),該晶圓軌跡具有內側邊界以及與內側邊界間隔開之外側邊界;位於研磨表面之複數個溝槽,該複數個溝槽之各個溝槽係延伸通過該晶圓軌跡,以便橫越過各個內側邊界及外側邊界,該複數個溝槽具有有角度之槽距(angular pitch),該有角度之槽距係依預定方式變化,其中對晶圓軌跡內所有相鄰溝槽而言,自同心圓圓心至外緣沿著放射方向所量測之該等溝槽間的放射狀槽距都不相等;以及位於晶圓軌跡中的複數個溝槽組,該複數個溝槽組之各組係由複數個溝槽所形成。
在本發明之另一態樣中,研磨墊係包括:組構成用以在研磨介質存在下研磨磁性、光學與半導體基材中之至少一者之研磨層,該研磨層包含具有同心圓圓心的研磨表面、在晶圓研磨期間於該研磨層上定義之晶圓軌跡、以及外緣,該晶圓軌跡具有內側邊界以及與內側邊界間隔開之外側邊界;位於研磨表面之複數個溝槽,該複數個溝槽之各個溝槽係延伸通過該晶圓軌跡,以便橫越過各內側邊界及外側邊界,該複數個溝槽具有有角度之槽距,該有角度之槽距係依預定方式變化,其中對晶圓軌跡內所有相鄰溝槽而言,自同心圓圓心至外緣沿著放射方向所量測之該等溝槽間的放射狀槽距都不相等;以及於晶圓軌跡中的複數個溝槽組,該複數個溝槽組中的各組係由至少三個溝槽所形成且該晶圓軌跡包含至少三個溝槽組。
參照圖式,第1至3圖說明依據本發明所製得之研磨墊100,如下文所詳述者,其可用於CMP研磨機器。如第2圖所示,研磨墊100包括具有研磨表面108之研磨層104。研磨層104可由背層(backing layer)112所支撐,該背層可與研磨層整體地形成或可與研磨層個別地形成。研磨層104可由任何適用於研磨該欲研磨物件之材料所製成,該欲研磨物件為例如半導體晶圓114(圖示);磁性媒介物件如電腦硬碟之碟片;或光學物件如折射透鏡、反射透鏡、平面反射器或可穿透平面物件等。用於研磨層104之材料實例包含(該等實例係用於說明目的而非用於限制)各種聚合物塑料,如聚胺基甲酸酯、聚丁二烯、聚碳酸酯、與聚甲基丙烯酸酯等。
如第1圖所示,研磨墊100典型具有圓形盤狀形狀,以使研磨表面108具有同心圓圓心116與環狀外緣120。使用期間,欲研磨之物件(在此,係指以輪廓114所表示之晶圓,其典型為、但非必要為半導體晶圓)在研磨表面108上掃出環狀研磨(晶圓)軌跡124。研磨軌跡124為研磨期間該欲研磨物件所面對的研磨表面部分。研磨軌跡124一般以內側邊界124A及外側邊界124B來界定。熟悉該項技藝者應可輕易了解到晶圓軌跡124之內側與外側邊界124A-B主要為圓形,但在對欲研磨之物件及/或研磨墊100提供軌道移動或震動移動的研磨機之情況下,則可視為波狀。
參照第1至3圖,研磨墊100包含在研磨層104中所形成之複數個溝槽128,以定義出溝槽圖案132。各個溝槽128實際上可具有所欲適合於特定組之設計標準的任何截面形狀與截面尺寸。因此,如第2圖所具體說明,溝槽128的矩形截面和相對應的截面尺寸僅為例示用。熟知此項技藝者應可理解,設計者可提供本發明研磨墊(如研磨墊100)之溝槽128寬廣範圍的形狀與尺寸。熟知此項技藝者亦可輕易理解該溝槽128的截面形狀與尺寸可隨著各溝槽的長度或溝槽與溝槽間的長度或兩者而變化。
各個溝槽128延伸通過研磨軌跡124,橫越過包括內側邊界124A與外側邊界124B。於具體實施例中顯示,各個溝槽128皆是自最靠近同心圓圓心116之點以相同方式向研磨表面108的外緣120延伸。當然,熟知此項技藝者將可理解,所顯示之對應於同心圓圓心116與外緣120之溝槽128的延伸僅為例示性而非限制性。舉例言之,可考慮特別之設計,可使部分或全部之溝槽128以相同方式自同心圓圓心116延伸出,以及可使部分或全部之溝槽終止於短於外緣120之處。
溝槽圖案132在該等溝槽圖案中為獨一無二的,在該等溝槽圖案中溝槽128的有角度之槽距係以預定方式沿研磨表面108的同心圓圓心116之圓形外切方向而變化。用於本文及後附申請專利範圍中的『有角度之槽距』係定義為落於以同心圓圓心116成圓的圓環140上之成對緊接相鄰溝槽128(第3圖)之兩相稱點間(如點136A-B)的距離,且經測量,分別連接136A-B至同心圓圓心116之兩直線144A-B間的『槽距角度』為α。以預定之方式係意指槽距的變化為蓄意設計選擇的結果,而非人為疏失(例如在研磨墊100之設計佈局或製造期間,不精確的製造或誤設一個或多個溝槽128)的結果。此外,在該晶圓軌跡124內的所有相鄰溝槽128之間的放射狀槽距並不相等。『放射狀槽距』意指自同心圓圓心116至外緣120以放射狀方向測量溝槽128的相稱特徵(like feature)間(例如前側壁(front sidewall)至前側壁間)的間隔。雖然此概念非常廣泛且包含了下述溝槽圖案:其中該圖案中的有角度之槽距似乎是任意地變化、或該變化使得沒有兩個變數是相同的;但該概念係典型的、而非必要地被實施,以使該有角度之槽距的變化為可重複者。
舉例言之,最佳參見第1圖與第3圖,溝槽圖案132係以具有螺旋形狀及有角度之槽距的十五個溝槽128所定義,該有角度之槽距為在研磨墊100之同心圓圓心116附近以整個360°曲線連續通過三個不同槽距角度α、β、γ的圓環。各個溝槽128的螺旋形狀可依上述於先前技術中所提及之Muldowney的專利案所揭露者來設計。儘管溝槽128顯示為具有螺旋形狀,但該溝槽仍可具有其他形狀,如第6與7圖所示之片段放射狀-曲線-放射狀形狀,以及第8與9圖所示之片段放射狀-曲線形狀。
在所示之具體例中,對圓環140之直徑提出說明,α=13°、β=26°以及γ=39°。由於γ明顯大於α與β,因此人們感知會傾向將十五個溝槽128以每組三個溝槽分成五組148。當以此方式分成組148時,亦即,以所有重複個溝槽角度中最大的槽距角度(或當只有兩個槽距角度時,則使用較大的槽距角度)來分組時,可變的有角度之槽距包括一或多個組內(intra-set)槽距角度(在本例中,為槽距角度α與β)與組間(inter-set)槽距角度(在本例中,為槽距角度γ)。於所示之具體例中,五個組148的相似組內槽距角度α、β係與其他組相同,且出現的5個組間槽距角度γ亦與其他組近乎相同。須注意的是,在其他的具體例中則無須如此。亦即,任何一個或多個槽距角度α、β、γ可在該等組148之中以及在任兩相鄰組之間變化。通常,要維持視覺上可區分之以三個溝槽128成一組的組148,則必須使槽距角度γ充分大於各個槽距角度α、β,如此才可使每組的三個溝槽與另一組有所區隔。槽距角度γ的增加亦會使相鄰溝槽128之間的放射狀槽距或間隔增加。此放射狀槽距或間隔的增加亦可用於區隔組148。
第4至9圖說明了其他研磨墊200、300、400,該等研磨墊係依據上述所討論的有關第1至3圖之研磨墊100的原理來製造。更特定言之,第4與5圖說明研磨墊200包含具有20個溝槽208之研磨表面204,該溝槽208的有角度之槽距係於槽距角度α ’=14°與槽距角度β ’=22°之間交替。此種可變之槽距提供了將該等溝槽208分成十個組212之視覺印象,其中每組212含有兩個溝槽,而各組係藉由組內槽距角度α ’所間隔開。同樣地,具有兩個此種溝槽208之各組212係藉由組間槽距角度β ’所間隔開。如同第1至3圖的溝槽128,第4與5圖的各個溝槽208亦具有螺旋形狀。各個溝槽208在截面形狀與尺寸方面(圖中並未特別顯示),亦可相似於第1至3圖的溝槽128。關於第4與5圖所說明之研磨墊200,須注意的是,此研磨墊之實際樣本顯示出,與由相同材質所製備但具固定角度與放射狀槽距的溝槽圖案的習知IC1010TM研磨墊(購自羅門哈斯電子材料CMP公司,Phoenix,Arizona)相比較時,此研磨墊樣本的移除速率增進14%而缺陷減少54%。
雖然第1至5圖的研磨墊100、200包含具有螺旋形狀的溝槽128、208,但如上所述者,本發明之研磨墊並不需要具備螺旋狀溝槽。雖然溝槽128、208的各者具有通過晶圓軌跡之固定的有角度之槽距,但仍可改變晶圓軌跡內的有角度之槽距。第6至9圖說明了多種螺旋狀溝槽之替代者的其中兩種。更特定言之,第6與7圖顯示了研磨墊300,其具有二十對(組)304均勻分佈在研磨表面312各處的溝槽308。在圓環316處(其與研磨墊中心318成同心圓),各對304內之溝槽308間的組內槽距角度α ”約為5.3°,且在緊接相鄰對的緊接相鄰溝槽之間的組間槽距角度β ”約為12.7°。該等槽距角度α ”、β ”係各自繞著圓環316重複二十次,以在該等溝槽308的二十對304之內與之間提供均等的間隔。
在此實施例中,如第6圖所示,各個溝槽308包含第一直線放射狀片段308A、第二直線放射狀片段308C、以及經由相對應的過渡區域308D-E來連接各個第一放射狀片段與第二放射狀片段的螺旋片段308B。各個溝槽308係延伸橫越過晶圓軌跡320,並橫越過晶圓軌跡的各個內側與外側邊界320A-B。
第8與9圖說明另一個依據本發明之揭示內容所製得之研磨墊400。研磨墊400大致上係近似於第6與7圖的研磨墊300,因為溝槽404另由組內槽距角度α '''(第9圖)與組間槽距角度β '''所分隔,且各自繞著研磨墊400重複十五次,而使該等溝槽404在視覺上可定義為十五對(組)408。在此具體例中,各個溝槽404包含直線放射狀片段404A與螺旋片段404B,其兩者以過渡片段404C相連接,而組內槽距角度α '''約為9°且組間槽距角度β '''約為15°。
第10圖說明適合與研磨墊504併用而用以研磨物件例如晶圓508之研磨機500,該研磨墊可為第1至9圖的研磨墊100、200、300、400中之一者,或為本發明之其他研磨墊。研磨機500可包含平台512,其上固定有研磨墊504。利用平台驅動器(未圖示)使平台512繞轉軸A1旋轉。研磨機500可進一步包含晶圓載具520,其係繞著轉軸A2旋轉並在研磨過程中支撐晶圓508,其中該轉軸A2係平行於平台512的轉軸A1且與平台512的轉軸A1呈間隔。晶圓載具520可以懸掛式連結件(gimbaled linkage)(未圖示)為其特徵,該懸掛式連結件呈現使晶圓508對研磨墊504的研磨表面524呈非常輕微的不平行之態樣,在此實例中,轉軸A1、A2可相對於彼此呈非常輕微的歪斜。晶圓508包含面向於研磨表面524並在研磨過程中被平坦化之欲研磨表面528。晶圓載具520可由載具支撐組合件(未圖示)來支撐以轉動晶圓508,並提供向下力量F以使欲研磨表面528抵壓研磨墊504而在研磨過程中於欲研磨表面與研磨墊之間存在所欲壓力。研磨機500亦可包含研磨介質注入口532以提供研磨介質536至研磨表面524。
熟悉該項技藝者應可領會研磨機500可包含其他組件(未圖示),如系統控制器、研磨介質儲存與分配系統、加熱系統、沖洗系統以及用來控制研磨製程之各方面的各種控制組,如:(1)用於控制晶圓508與研磨墊504之單方或雙方轉速的速度控制器與選擇器;(2)用於改變研磨介質536輸送至研磨墊的速度與位置的控制器與選擇器;(3)用於控制施用在晶圓與研磨墊之間的力量F之強度的控制器與選擇器;(4)用於控制晶圓轉軸A2相對於研磨墊轉軸A1之位置的控制器、促動器與選擇器等。熟悉該項技藝者應可理解如何建構與裝置此等組件,因此無須詳加解釋,熟悉該項技藝者即可瞭解並實施本發明。
在研磨過程中,研磨墊504與晶圓508依各自的轉軸A1、A2旋轉,且研磨介質536自研磨介質注入口532分散至旋轉中的研磨墊上。研磨介質536噴灑遍佈於研磨表面524,包含於晶圓508與研磨墊504間的間隙中。研磨墊504與晶圓508係典型地、但非必須地以選定的速度0.1 rpm至150 rpm旋轉。力量F係典型地、但非必須地以選定之強度於晶圓508與研磨墊504之間引發0.1 psi至15 psi(6.9至103 kPa)之所欲壓力。
在放射狀方向上具有變化的有角度之槽距與不相等的間隔之複數個溝槽,相較於具有相同尺寸但具相等間隔之溝槽的研磨墊,可增加研磨移除速率。再者,在晶圓軌跡內重複該等溝槽成一系列重複溝槽組,係有助於晶圓內的研磨均勻度。較佳地,該晶圓軌跡包含至少三組溝槽組,而在溝槽組中該溝槽具有變化的放射狀槽距。
100、200、300、400、504...研磨墊
104...研磨層
108、204、312、524...研磨表面
112...背層
114...半導體晶圓
116...同心圓圓心
120...外緣
124、320...晶圓軌跡
124A、320A...內側邊界
124B、320B...外側邊界
128、208、308、404...溝槽
132...溝槽圖案
136A、136B...點
140、316...圓環
144A、144B...直線
148、212、304、408...組
318...研磨墊中心
308A...第一直線放射狀片段
308B...螺旋片段
308C...第二直線放射狀片段
308D、308E...過渡區域
404A...直線放射狀片段
404B...螺旋片段
404C...過渡片段
500...研磨機
508...晶圓
512...平台
520...晶圓載具
528...欲研磨之表面
532...研磨介質注入口
536...研磨介質
A1...平台轉軸
A2...晶圓載具之轉軸
F...力量
α、α’、α”、α”’、β、β’、β”、β”’、γ...槽距角度
第1圖為依據本發明所製得之研磨墊的平面圖。
第2圖為沿著第1圖之線2-2的第1圖研磨墊之放大截面圖。
第3圖為顯示第1圖研磨墊之中央部分的放大平面圖。
第4圖為依據本發明所製得之另一研磨墊的平面圖。
第5圖為顯示第4圖研磨墊之中央部分的放大平面圖。
第6圖為依據本發明所製得之又另一研磨墊的平面圖。
第7圖為顯示第6圖研磨墊之中央部分的放大平面圖。
第8圖為依據本發明所製得之再另一研磨墊的平面圖。
第9圖為顯示第8圖研磨墊之中央部分的放大平面圖。
第10圖為依據本發明之研磨系統之示意圖。
100...研磨墊
116...同心圓圓心
128...溝槽
132...溝槽圖案
136A、136B...點
140...圓環
144A、144B...直線
148...組
α、β、γ...槽距角度
Claims (9)
- 一種研磨墊,包括:(a)研磨層,其係組構成用以在研磨介質存在下研磨磁性、光學與半導體基材中之至少一者,該研磨層包含具有同心圓圓心的研磨表面、在晶圓研磨期間於該研磨層上所定義之晶圓軌跡、以及外緣,該晶圓軌跡具有內側邊界以及與內側邊界間隔開之外側邊界;(b)位於研磨表面的複數個溝槽,該複數個溝槽之各個溝槽係延伸通過該晶圓軌跡,以橫越過各內側邊界及外側邊界,該複數個溝槽具有有角度之槽距,該有角度之槽距係依預定方式變化,其中,對該晶圓軌跡內所有相鄰溝槽而言,自該同心圓圓心至該外緣沿著放射方向所測量之溝槽間的放射狀槽距並不相等;以及(c)於晶圓軌跡中的複數個溝槽組,該複數個溝槽組之各組係由該複數個溝槽所形成,其中,該複數個溝槽組分別具有至少一個組內槽距角度,該複數個溝槽組具有相鄰的組間槽距角度,至少部分組內槽距角度不同於至少部分複數個溝槽組之至少一個組間槽距角度。
- 如申請專利範圍第1項之研磨墊,其中,該至少一個組內槽距角度在該複數個組中為實質上相同。
- 如申請專利範圍第2項之研磨墊,其中,該組間槽距角 度與其他組間槽距角度為實質上相同。
- 一種研磨墊,包括:(a)研磨層,其係組構成用以在研磨介質存在下研磨磁性、光學與半導體基材中之至少一者,該研磨層包含具有同心圓圓心的研磨表面、在晶圓研磨期間於該研磨層上所定義之晶圓軌跡、以及外緣,該晶圓軌跡具有內側邊界以及與內側邊界間隔開之外側邊界;(b)位於研磨表面的複數個溝槽,該複數個溝槽之各個溝槽係延伸通過該晶圓軌跡,以橫越過各內側邊界及外側邊界,該複數個溝槽具有有角度之槽距,該有角度之槽距係依預定方式變化,其中,對該晶圓軌跡內所有相鄰溝槽而言,自該同心圓圓心至該外緣沿著放射方向所測量之溝槽間的放射狀槽距並不相等;以及(c)於晶圓軌跡中的複數個溝槽組,該複數個溝槽組之各組係由該複數個溝槽所形成,其中,該複數個溝槽係配置為複數個溝槽組,各組具有互不相同的複數個組內槽距角度。
- 如申請專利範圍第4項之研磨墊,其中,該複數個組內槽距角度在複數個溝槽組中為重複者。
- 如申請專利範圍第1或4項之研磨墊,其中,該複數個溝槽的各個溝槽係在晶圓軌跡中界定出具有固定的有角度之槽距之螺旋狀曲線。
- 一種研磨墊,包括:(a)研磨層,其係組構成用以在研磨介質存在下研磨磁性、光學與半導體基材中之至少一者,該研磨層包含具有同心圓圓心的研磨表面、在晶圓研磨期間於該研磨層上所定義之晶圓軌跡、以及外緣,該晶圓軌跡具有內側邊界以及與內側邊界間隔開之外側邊界;(b)位於研磨表面的複數個溝槽,該複數個溝槽之各個溝槽係延伸通過該晶圓軌跡,以橫越過各內側邊界及外側邊界,該複數個溝槽具有有角度之槽距,該有角度之槽距係依預定方式變化,其中,對該晶圓軌跡內所有相鄰溝槽而言,自該同心圓圓心至該外緣沿著放射方向所測量之溝槽間的放射狀槽距並不相等;以及(c)於晶圓軌跡中的複數個溝槽組,該複數個溝槽組之各組係由至少三個溝槽所形成且該晶圓軌跡包含至少三個溝槽組。
- 如申請專利範圍第7項之研磨墊,其中,該至少一個組內槽距角度具有一數值,該數值於該複數個溝槽組中的各組為重複者。
- 如申請專利範圍第7項之研磨墊,其中,該複數個溝槽的各個溝槽係在晶圓軌跡中界定出具有固定的有角度之槽距之螺旋狀曲線。
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