TWI450793B - 化學機械研磨裝置用之研磨墊及包含其之裝置 - Google Patents

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Description

化學機械研磨裝置用之研磨墊及包含其之裝置
本案主張2010年9月15日向韓國智慧財產局申請之韓國專利申請號10-2010-0090747之優先權，並且其內容完全併入本發明中，以供參酌。
本發明係關於一種化學機械研磨用之研磨墊，尤其是一種化學機械研磨(CMP)用之研磨墊，其在研磨過程中，可使研磨液(slurry)均勻地分散於全部面積，以提供改善研磨均勻性，並適當地控制研磨液之停留時間以提高研磨速率。
近年來，在半導體裝置(如，一DRMA，快閃記憶體裝置，或其類似裝置)間之電性隔離可利用一淺溝槽隔離法(shallow trench isolation,STI)而達成。該STI法包括蝕刻一半導體基板，其研磨墊係由一氮化物薄膜和其類似物形成一溝槽，且形成一由填充溝槽用之氧化矽薄膜所組成之填充用氧化薄膜，然後進行平坦化加工以移除由於過多氧化物所產生的台階高度。
之前，用於平坦化加工的各種方法，如，回流(reflow)，SOG，回蝕，及其類似方法已被使用。然而，根據半導體裝置高集成度和高性能的趨勢，這些方法無法表現滿意的效果。基於此原因，一化學機械研磨(CMP)方法已被最廣泛地用於平坦化加工。
CMP方法，係為將半導體基板放置與研磨裝置之研磨墊接觸之方法，且它們係相對地移動，同時在研磨墊和半導體基板間供給一含有研磨顆粒和各種化學成份之研磨液組成物以機械研磨一薄膜。
一般而言，在化學機械研磨過程中，一薄膜係固定於一載具頭以進行研磨，並設置使其相對於旋轉研磨墊。該載具頭施加壓力以旋轉研磨墊，同時固定被研磨的薄膜，因而進行研磨。此外，該載具頭可以旋轉，以便在基板和研磨表面提供額外的移動。
在化學機械研磨過程中，提供一平坦基板表面可藉由選擇一適當的研磨墊和研磨液以產生高研磨速度。然而，在化學機械拋光過程中，藉由研磨墊之旋轉而產生離心力，因而使研磨液的排放速度朝向研磨墊之邊緣而增加。此外，在CMP過程中，壓力自施加於一被拋光之薄膜，且薄膜接觸於研磨墊，然而研磨液不容易移動至待研磨的薄膜中心處以進行研磨，因此在中心處的研磨不足夠。也就是說，由於被研磨薄膜之中心處和邊緣為不同的研磨速度，使現有的CMP研磨墊可能會產生研磨不均勻，且因為在研磨過程中的不均勻分佈，將可能會造成研磨效率變差。
因此，需要發展一種方法，可以使研磨液均勻地分散於全部面積，且被研磨薄膜之全部面積能夠均勻研磨。
本發明之目的係提供一種CMP用之研磨墊，以及包括該研磨墊之CMP裝置，其在研磨過程中，可使研磨液均勻地分散於全部面積以提供改善研磨均勻性，並適當地控制研磨液之停留時間以提高研磨速率。
本發明係提供一種CMP用之研磨墊，係具有連結2個相鄰凹處(valley)之3個或以上之半橢圓或半圓曲線形狀在平面上相連結，且包括2個或以上之改良圖案，其以一預定厚度形成於研磨墊上，其中一改良圖案之尖端(peak)和另一改良圖案之凹處相鄰，並連續地位在同一線上。
本發明係另外提供一種配備有CMP用之研磨墊的CMP裝置。
在此下文，根據本發明具體實施例將描述一種CMP用之研磨墊以及一種CMP裝置。
根據本發明之一實施例，係提供一種CMP用之研磨墊，係具有連結2個相鄰凹處之3個或以上之半橢圓或半圓曲線形狀在平面上相連結，且包括2個或以上之改良圖案，其以一預定厚度形成於研磨墊上，其中一改良圖案之尖端和另一改良圖案之凹處相鄰，並連續地位在同一線上。
藉由一連結半橢圓或半圓曲線構成之改良圖案形成於研磨墊上，使研磨液在研磨期間通過圖案之全體面積，且排放程序可大幅增加，相較於現有含有同心圖案之研磨墊，本發明因而容易控制研磨液之停留時間，且研磨液研磨過程中可均勻地分散於全部面積以實現改善研磨均勻性和高研磨速率。
術語“圖案(pattern)”係指在研磨墊上以一預定深度和寬度形成凹痕(dent)。
該半橢圓或半圓曲線，係指以橢圓或圓形連結之曲線，該連接的兩點(如一起點和一終點)位在自研磨墊中心處之相同距離。該半橢圓或半圓形狀不一定必需為一完全半橢圓或半圓，而可以為一部分半橢圓或半圓。
3個或以上之半橢圓或半圓曲線可連結形成一改良圖案，而每一曲線之起點和終點可相互連接以形成圖案。圖1係藉由8個半橢圓曲線相互連結而形成之改良圖案示意圖。然而，圖1係為一改良圖案之實施例，但其改良圖案並不限於此，且可以另外作出各種的改良。例如，如圖1所示在半橢圓或半圓曲線之凹處為一不連續線之連結點，或如圖2所示該連結點可為一連續線經過。
在一改良圖案中，曲線形狀可以為相同或不同，但較佳為可連續連結的相同形狀之半橢圓或半圓曲線。
術語“凹處”係指在一改良圖案中，由研磨墊之中心處最短距離之位置，透過其可連接半橢圓或半圓曲線；術語“尖端”係指在一改良圖案中，由研磨墊之中心處最長距離之位置。
其間，於CMP用之研磨墊上可形成複數個改良圖案，使一改良圖案之尖端和另一改良圖案之凹處相鄰，並自中心連續地位在同一線上。在複數個改良圖案中，一改良圖案之尖端和另一改良圖案之凹處相鄰，並由研磨墊中心處之最外層方位設置一線。具體而言，如圖3所示，儘管每一個改良圖案具有相同的中心處，如果在研磨墊中心處和位在最內層之改良圖案尖端間的線延伸，其可以連結至周圍改良圖案之另一改良圖案之凹處，之後再連接至下一個改良圖案之尖端，其可以重複的設置，因此在研磨墊上形成複數個改良圖案。
具體而言，一含有相對改良圖案之研磨墊，即2個或以上之圖案，其中一改良圖案之尖端和另一改良圖案之凹處相鄰，且重複地設置於來自中心處之線上，使其比起現有的圖案將在研磨墊上更均勻地分散研磨液，且因為尖端和凹處為連續地和交替地設置於一線上，將可以防止研磨液在某些部位(certain part)長時間停留，因而實現改善研磨均勻性和高研磨速率。
在使用現有含有同心圖案之研磨墊時，研磨液不容易移動至被研磨的薄膜中心處，因此在中心處的研磨不足夠。相對地，因為改良圖案之一尖端和一凹處係重複地交替設置於該CMP用之研磨墊，研磨液在相鄰改良圖案間可容易地移動，且研磨液可均勻地分佈，甚至是在研磨墊之中心處，因此進行研磨時，被研磨的薄膜中心處之研磨速率會增加，並大幅提升研磨之均勻性。
此外，根據本發明實施例之CMP用之研磨墊，尖端和凹處之密度朝向研磨墊中心處增加，使在研磨墊中心處之研磨液，在研磨過程中其停留時間會增加，因而防止由於薄膜研磨時之中心處的研磨不足夠而產生的不均勻研磨。
具體而言，在改良圖案之尖端和凹處為交替地和重複地設置於一線上時，CMP用之研磨液可以由一圖案之尖端移動至相鄰另一圖案之凹處，使其在研磨過程中向外側方位移動，且移動研磨液沿著圖案之溝槽(在半橢圓或半圓曲線之凹處或尖端間之線)而移動，然後又由該尖端再移動至相鄰圖案之凹處，並可以重複的進行。因此，根據本發明實施例之CMP用之研磨墊，該CMP用之研磨液具有一較長的排放路徑，且可以在各個方向均勻地排放，同時確保適當的停留時間。
相對地，如圖5所示，在研磨墊中，每一圖案之尖端(或凹處)係設置於來自中心處之線上，該CMP研磨液係藉由研磨期間產生的離心力而沿著相鄰圖案之尖端(或凹處)之線方向而排出，因此存在相對較短的排放路徑，且一部分產生具有相對較短的停留時間。
該CMP用之研磨墊含有第一至nth 改良圖案，且在平面上具有一kth 改良圖案圍繞於一k-1th 改良圖案。在此，n可以為2或以上之整數，較佳為由5至1000之整數，而k可以為2kn之整數。因此，一來自研磨墊中心處之線，其經過k-1th 改良圖案之尖端(或凹處)而延伸，並可以經過kth 改良圖案之凹處。
其間，改良圖案間之寬度和深度，和改良圖案間的距離，可根據被研磨的薄膜之種類、物質、或使用領域而進行適當的控制。例如，改良圖案具有一10 μm至1 cm之寬度，且在研磨墊上形成一10 μm至2 mm之深度。若圖案形成的太深，其可能會阻礙在研磨過程中研磨液之流動，並藉由研磨薄膜物質之聚集而產生大粒子，且該研磨液會殘留於圖案內部而造成刮痕。
在研磨墊中，在改良圖案之尖端和另一相鄰改良圖案之凹處間之距離可為1 mm至10 mm。如果在尖端和凹處間之距離變得太窄，則無法確保研磨液有足夠的時間可以停留於研磨墊上，而如果在尖端和凹處間之距離變得太遠，則研磨均勻性就無法有效提升，且研磨性能會下降。
在研磨墊中心處和每一改良圖案間之距離，被認為可適當地控制研磨性能或改良圖案數量，及其類似特性。
改良圖案深度之截斷面外形，可包括任何形狀，沒有特別限制，只要是CMP用之研磨墊已知的應用就可以，例如，可以為一矩形，一正方形或一U形，但不侷限於此。
其間，該研磨墊更可以包括一預定深度所形成之同心圖案。根據研磨性能、研磨均勻性，和被研磨的薄膜之性質，至少有一同心圖案可形成於研磨墊之某些部位(certain part)，例如，其可以形成於相鄰改良圖案之間或同時重疊於改良圖案之某些部位。圖4係為一研磨墊之實施例，其中一改良圖案和一同心圖案重疊。
具體而言，至少一同心圖案可形成於自研磨墊中心處之研磨墊1/2半徑之外側，用以控制由於研磨過程中之離心力，研磨液向研磨墊之邊緣進行較高的排放速度。
該同心圖案可以為圓形或橢圓形，且較佳為圓形，即其在研磨墊中心處和在同心圖案上所有點之間的距離為相同的。此外，同心圖案可為一連續連結線，或是由某些點或圖案之部分所構成之虛線。
同心圖案之寬度和深度及在改良圖案間之距離可根據被研磨的薄膜之種類、物質、或使用領域而進行適當的控制。例如，同心圖案可具有一10 μm至1 cm之寬度，且可形成一10 μm至2 mm之深度。
其間，根據本發明之另一實施例，係提供一種CMP裝置，其含有上述CMP用之研磨墊，包括：一供給部件，用於供給研磨液至研磨墊；一研磨頭部件，用於導引一晶圓至研磨墊上進行研磨；及一研磨修整器，用以移除晶圓研磨所產生之殘留物，並保持研磨墊為一固定狀態。
根據本發明，可提供一種CMP用之研磨墊，其在研磨過程中，可使研磨液均勻地分散於全部面積以提供改善研磨均勻性，並可適當地控制研磨液之停留時間以提高研磨速率。
實施例
在下文中，本發明將參考以下實施例而作解釋。然而，這些實施例僅係為了說明本發明，且本發明之範籌並不限於此。
一研磨墊之製備：實施例和比較例 實施例1
如圖3所示，在一種CMP用之研磨墊上，複數個改良圖案係形成1 mm之深度。在一改良圖案之尖端和另一相鄰改良圖案之凹處間之距離設定為2 mm。
實施例2
如圖4所示，一如同實施例1相同方法所製備之研磨墊，除了同心圖案(深度1 mm)另外形成於自研磨墊中心處之研磨墊半徑之2/3位置。
比較例
如圖5所示，一研磨墊係由複數個具有相同中心之圖案而製成，且由一規則間距設置而形成1 mm之深度。
實驗例
使用實施例和比較例之研磨墊進行研磨，因此可以確認，相較於比較例之研磨墊，實施例之研磨墊可使研磨液均勻地分散於全部面積以提供改善研磨均勻性，並可適當地控制研磨液之停留時間以進一步提高研磨速率。
研磨條件
一8英寸的二氧化矽(SiO2 )晶圓藉由HDP沉積6000，並在以下研磨條件下進行1分鐘研磨。
[研磨條件]
研磨裝置：Gnp Technology Poli-500 8英吋機器
壓板速度(platen rate)：87 rpm
載具速度：93 rpm
壓力：1.5 psi
研磨液流速：200ml/min
圖1係為連結8個半橢圓曲線構成之改良圖案之示意圖。
圖2係所示為2個改良圖案之實施例，其中每一圖案係由連結8個連續的半橢圓曲線構成而配置。
圖3係為實施例1由複數個改良圖案形成之研磨墊示意圖。
圖4係為實施例2由複數個改良圖案和一同心圖案形成之研磨墊示意圖。
圖5係為比較例1由具有相同中心和規則間距設置圖案形成之研磨墊示意圖。

Claims (9)

  1. 一種化學機械研磨用之研磨墊，係包括2個或以上之圖案，其以一預定厚度形成於研磨墊上，其中，該圖案分別具有連結2個相鄰凹處之3個或以上之半橢圓或半圓曲線形狀在平面上相連結，以及一圖案之每一尖端排列方式為：該尖端和另一圖案之凹處相鄰，並依序地位在由該研磨墊中心延伸之同一線上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中自研磨墊中心處至每一改良圖案凹處之距離為相同的，以及自研磨墊中心處至每一改良圖案尖峰之距離為相同的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中研磨墊含有第一至nth 改良圖案，且一kth 改良圖案圍繞於一(k-1)th 改良圖案，其限制條件為n為2或以上之整數，k為2kn之整數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中該(k-1)th 改良圖案之尖端和該kth 改良圖案之凹處係位在來自研磨墊中心處之相同線上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中在改良圖案之尖端和另一相鄰改良圖案之凹處間之距離為1mm至10mm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中該改良圖案具有一10μm至1cm之寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其中該改良圖案具有一10μm至2mm之深度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨用之研磨墊，其更包括一預定深度所形成之同心圖案。
  9. 一種化學機械研磨(CMP)裝置，包括：如申請專利範圍第1項之CMP用之研磨墊；一供給部件，用於供給研磨液至研磨墊；一研磨頭部件，用於導引一晶圓至研磨墊上進行研磨；以及一研磨修整器，用以移除晶圓研磨所產生之殘留物，並保持研磨墊為一固定狀態。
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