TWI458591B - 高速溝槽圖案 - Google Patents

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Description

高速溝槽圖案
本發明大體上係關於用於化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)之研磨墊之領域。尤其是，本發明係針對改善研磨效能之研磨墊溝槽。
於半導體晶圓上製造積體電路和其他的電子裝置時，係將多層導電、半導電、和介電材料沉積至並蝕刻自晶圓。可以藉由許多的沉積技術沉積這些材料之薄層。現代晶圓製程中常見的沉積技術包含物理氣相沉積(PVD)(亦稱為濺鍍)、化學氣相沉積(CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、和電化學電鍍。常見的蝕刻技術除了別的以外尚包含濕式和乾式等向性(isotropic)和非等向性(anisotropic)蝕刻。
當材料層接續地沉積並蝕刻，晶圓之表面變成不平坦。因為後續的半導體製程(例如，光學微影術)要求晶圓具有平坦之表面，因此晶圓須要被週期性地平坦化。平坦化用來去除不需要的表面形貌(topography)以及表面缺陷，譬如粗糙表面、結塊材料、晶格損壞、刮痕、和受汙染之層或材料。
化學機械平坦化，或者化學機械研磨(CMP)為用來平坦化半導體晶圓和其他的工件的常見的技術。於習知使用雙軸旋轉研磨機之CMP中，晶圓載體，或者研磨頭係安裝在載體組合件上。研磨頭固持晶圓和定位晶圓使之與研磨機內的研磨墊之研磨層接觸。研磨墊具有大於被平坦化之晶圓直徑二倍之直徑。於研磨過程中，當晶圓與研磨層接合時，研磨墊和晶圓關於他們的各自的同心圓之中心旋轉。晶圓之旋轉軸相對於研磨墊之旋轉軸偏移大於晶圓半徑之距離，而使得研磨墊之旋轉墊之研磨層上掃出環狀的(annular)「晶圓軌跡」。當晶圓唯一之運動為旋轉時，晶圓軌跡之寬度等於晶圓的直徑。然而，於一些雙軸研磨機中，晶圓會於垂直於其旋轉軸之平面上振盪。於此種情況下，晶圓軌跡之寬度比晶圓直徑寬了因振盪所產生之位移之量。載體組合件於晶圓與研磨墊之間提供可控制的壓力。於研磨過程中，漿料或其他的研磨媒介流至研磨墊並且進入晶圓與研磨層之間之間隙中。藉由研磨層和晶圓表面上之研磨媒介的化學和機械動作而研磨晶圓表面並使其平坦。
於CMP過程中，研磨層、研磨媒介和晶圓表面間之交互作用已經由愈來愈多之研究努力，以最佳化研磨墊之設計。多數的研磨墊經若干年發展後在本質上已經成為經驗。許多研磨表面或者層之設計已經將焦點放在為這些層提供各種的空隙(voids)圖案和溝槽的配置，而據稱因而提升了漿料之利用性或者調整了研磨的均勻性(uniformity)。經過這些年，已很少再有不同的溝槽和空隙之圖案和配置被實施出來。先前技術中溝槽樣式除了其他之外尚包含有徑向狀(radial)、同心圓式、直角格狀式(Cartesian grid)和螺旋形。先前技術中溝槽組構包含其中所有的溝槽之寬度和深度在所有的溝槽之間為不變的組構，和其中溝槽之寬度和深度彼此間有變化之組構。然而這些溝槽圖案和組構忽略了與具有主動晶圓載體環之CMP研磨機相關之漿料使用。
最近，G. P. Muldowney於美國專利公開第2008/0182493號中揭示了一種淺漿料槽，該淺漿料槽藉由在複數個位置之上將研磨墊溝槽對準載體環中通道以增加漿料使用而作用。此專利案教示研磨墊和載體環組合，該組合減少了於晶圓前緣之刮漿板效應(squeegee effect)，其中於墊紋理上之許多的液體膜(例如漿料)被載體環所掃離(swept off)。該專利案進一步敘述「此種潛在性可使用漿料的損失也許會降低研磨製程之效率和可預測性，同時導致明顯增加的製程成本」。
雖然Muldowney之淺漿料槽樣式增加漿料使用並且減少刮漿板效應，但對CMP研磨製程而言，當使用不具通道之載體環時仍有需要提供具有改善研磨效能之有效的移除率。研磨墊的設計者正持續地尋求提升移除率以增加工具產率(throughput)，和促使用來增進晶圓產量改善之研磨效能的溝槽圖案和研磨方法。
本發明之一個態樣提供一種於研磨媒介存在下之有效用於以研磨墊研磨磁性、光學、和半導體基板至少其中之一的研磨墊，該研磨墊包括：中心、環繞該中心之內部區域、從該內部區域連接溝槽至環繞該內部區域之外部區域的轉變區域，該外部區域具有多個溝槽，而該多個溝槽具高速率路徑，且至少50%之該高速率路徑是在極座標之溝槽軌跡(γ)之20%內，該極座標係相對於(referenced to)該研磨墊之同心圓的中心並且依據：(1)該研磨墊之該同心圓的中水與待研磨之該基板之該旋轉中心間之距離R，(2)該載體夾具之該半徑Rc ，以及(3)於該載體夾具中溝槽之該局部角(local angle)θc0 定義，以溝槽方程式定義如下：
其中
γ值為從(R-Rc )至(R+Rc )該轉變區域鄰接該外部區域，且落在如下定義之距中心之半徑範圍內：r TR =0.7r *至1.3r *
其中以及其中自該內部區域開始之連續溝槽不中斷地延伸至該外部區域。
於另一個態樣中，本發明提供一種於研磨媒介存在下有效用於以研磨墊研磨磁性、光學、和半導體基板至少其中一的研磨墊，該研磨墊包括：中心、環繞該中心之內部區域、從該內部區域連接溝槽至環繞該內部區域之外部區域的轉變區域，該外部區域具有多個溝槽，而該多個溝槽 具有高速率路徑，且至少50%之該高速率路徑是在極座標之溝槽軌跡(γ)之10%內，該極座標係相對於該研磨墊之同心圓的中心並且依據：(1)該研磨墊之該同心圓的中心與待研磨之該基板之該旋轉中心之間之距離R，(2)該載體夾具之該半徑Rc ，以及(3)於該載體夾具中溝槽之該局部角θc0 定義，以溝槽方程式定義如下：
其中
γ值為從(R-Rc )至(R+Rc )該轉變區域鄰接該外部區域，且落在如下定義之距中心之半徑範圍內定義如下：r TR =0.8r *至1.2r *
其中以及其中自該內部區域開始之連續溝槽不中斷地延伸至該外部區域，而該轉變區域具有25%至75%之溝槽面積對總面積比(面積溝槽 /面積總 )。
本發明發現以具有三區域溝槽結構(three-region groove structure)之CMP研磨墊能夠改善速率和研磨均勻性(uniformity)。研磨墊使用三區域溝槽結構，該結構包含外高速率區域、轉變區域、和內部區域。轉變區域具經定義之位置，於此處連續不中斷之溝槽連接內部區域溝槽至外部區域溝槽。此三個區域組合以提供一種具有改善之晶圓內研磨均勻性之高速率研磨墊。
現在參照圖式，第1圖顯示依照本發明製成之研磨墊100的一個實施例。如下列之討論，研磨墊100配合對應之具有載體環108之各別載體104(例如，晶圓載體)而特別協同設計，該載體環108包含於研磨期間面對該研磨墊之複數個載體溝槽112。尤其是，研磨墊100包含複數個組構成與載體溝槽112協作之墊溝槽116，以便當研磨墊於載體104下方掃過時讓如漿料之研磨媒介(未顯示)更容易到達被研磨之物件(例如，半導體晶圓120)。一般而言，墊溝槽116與載體溝槽112間之協作會發生的形式為，於當研磨墊100與載體104分別以預定方向DPAD 、DCARRIER 旋轉時，載體溝槽與墊溝槽之各溝槽沿著前緣124之至少一部分彼此對準。為了此說明書之目的，墊溝槽與載體溝槽之對準(alignment)代表的是研磨期間之瞬間狀況，其間藉由將載體環溝槽之全長以其至少部分之寬度與研磨墊溝槽重疊，而形成自載體環外側研磨墊表面至該載體環內側基板之連續路徑；而使得用於讓研磨媒介從載體環外側流至內側之流體通道的有效高度(available height)大於該載體溝槽單獨之高度。由於當二個溝槽對準時較沒有此種對準時增加各溝槽之溝槽容積，墊溝槽116與載體溝槽112之對準有效地提供較大之橫越載體環108流體通道。以下說明於研磨墊100上墊溝槽116之各種例示幾何形狀以適合在載體環108上不同幾何形狀(geometry)之載體溝槽112的細節。然而，在說明墊溝槽116及其他例示實施例中類似溝槽的幾何形狀演變之前，接著將說明的是研磨墊100之某些物理性質。
參照第2圖亦參照第1圖，研磨墊100可以復包含具有研磨表面132之研磨層128。於一個實例中，可以藉由背層(backing layer)136而支持研磨層128，該背層136可以與研磨層128為整體形成，或者可以與研磨層128分離形成。研磨墊100典型上具有圓盤形狀，而使得研磨表面132具有同心圓的中心O 和圓形的外周緣140。外周緣140可以位於離O 一徑向距離處，如由特定長度之半徑RPAD 所示。載體可相容(carrier-compatible)溝槽116之至少部分具有徑向或者彎曲徑向形狀。為了說明書之目的，徑向狀或者彎曲徑向形狀在沿著半徑RPAD 長度上之至少一個位置上與研磨墊100之半徑RPAD 相切。可以用適合研磨被研磨物件之任何的材料製造研磨層128，該被研磨物件除了別的以外尚有譬如半導體晶圓、磁性媒體物件(例如，電腦硬碟機之磁碟)、或者光學元件(例如，折射透鏡、反射透鏡、平面反射器或者透明平面物)。為了說明而非限制之目的，用於研磨層128之材料的例子包含各種的聚合物塑膠，除了許多其他的材料之外尚有如聚胺甲酸脂、聚丁二烯、聚碳酸脂、和聚丙烯酸甲脂。
墊溝槽116可以用多種適當的方法之任一種配置於研磨表面132上。於一個實例中，複數墊溝槽116可以是周邊圍繞著同心圓的中心O 之單一溝槽形狀重複(例如使用固定的角度間距(angular pitch))之結果。於第1圖中顯示之另一個實例中，複數墊溝槽116可配置於至少一個溝槽組144中，該溝槽組144重複地周邊圍繞著(例如以固定的角度間距)同心圓的中心O 。於一個實例中，溝槽組144包括複數個墊溝槽116，這些溝槽共用相似形狀，但是延長之量不同。有利的情況是，個別墊溝槽116之區別在於其與鄰接溝槽間的間距。這些溝槽有可能與另一個溝槽(譬如圓形(circular)、螺旋形、或X-Y溝槽)相交。然而有利的情況是，這些鄰接的溝槽不與晶圓軌跡中之其他溝槽相交。如將會瞭解到的，由於研磨墊100其圓形之本質，從鄰近墊之同心圓的中心O 延伸接近或至該墊之外周緣140並具有固定的角度間距之多個溝槽間之間距會自然地朝墊之外周緣方向增加。因此，為了提供更均勻的溝槽，於一些設計中，當間距超過某一量時會希望所提供之研磨墊100具有更多、但是較短之墊溝槽1160。可容易了解到的是，可依需要形成數個溝槽組144圍繞著同心圓的中心O 。
再者，配合第1圖再參照第2圖，複數個溝槽116之各者可以用任何適當的方式在研磨層132中形成，如藉由銑削(milling)、模鑄、雷射切割等。複數個墊溝槽116之各者可依需要形成具有剖面形狀148，以適配一組特定之設計準則。於一個實例中，複數個溝槽116之各者可以具有距形剖面形狀，例如溝槽剖面形狀148a(第2圖)。於另一個實例中，各墊溝槽116之剖面形狀148可以沿著溝槽之長度改變。又於另一個實例中，剖面形狀148可於一個墊溝槽116與另一個墊溝槽116之間變化。又於另一個實例中，若設有多個溝槽組144，則剖面形狀148可於一個溝槽組與另一個溝槽組間變化。所屬技術領域具有通常將了解到於實行墊溝槽116之剖面形狀148時設計者具有廣泛之剖面形狀適用範圍。
現在參照第1至3圖，各墊溝槽116(第1圖)均設置有載體可相容溝槽之形狀152。於高水平位置上，載體可相容溝槽之形狀152可以藉由描述各對應之溝槽116之方向、位置、和輪廓之複數個點156加以定義。任一點156可藉由於軸(譬如，像是水平軸160)間形成之角度Φ，和從研磨墊100之同心圓的中心O 伸出的半徑γ加以定位。於一個實例中，載體可相容溝槽形狀152可於整個，或者實質上整個研磨表面132之半徑距離(亦即，RPAD )定義。於另一個實例中，載體可相容溝槽之形狀152可以與被研磨之物件(例如，晶圓120)之位置間的關係加以定義。又於另一個實例中，載體可相容溝槽之形狀152可以定義於研磨表面132(第2圖)上之研磨軌跡164之一部分內(亦即，於研磨過程中面對晶圓120或者其他被研磨之物件之研磨表面的區域)。典型的情況是，當從中心O 之徑向方向測量時載體可相容溝槽佔據至少50%之晶圓軌跡。有利的情況是，當從中心O 之徑向方向測量時載體可相容溝槽佔據至少三分之二之晶圓軌跡。最有利的情況是，載體可相容溝槽佔據整個晶圓軌跡。研磨軌跡164可以藉由內邊界164a和外邊界164b界定。所屬技術領域具有通常知識者將很快了解到，雖然內和外邊界164a、164b基本上為圓形，但是這些邊界於研磨器施予軌線的或者振動的運動至研磨之物件或研磨墊100之情況時會發生起伏(undulated)。
載體可相容溝槽之形狀152定義為三個幾何學參數之函數。第一個參數是研磨墊100之同心圓的中心O 與待研磨之基板120之旋轉中心O’ 之間之距離R。於下述情況，載體104於垂直於其旋轉軸之平面上振盪，距離R為時間之週期函數，而用來決定載體可相容溝槽之形狀152的R值可以是最小值、最大值、或者中間值；較佳是使用R的時間平均值(time-average value)。第二個參數是載體104之半徑Rc 。典型的情況是，當從旋轉中心O’ 測量時，載體半徑Rc 將表示載體環108之外徑。然而，所屬技術領域具有通常知識者所屬技術領域具有通常知識者將瞭解到，載體半徑Rc 可以另外表示從旋轉中心O’ 至載體環108上另一個位置(譬如，像是載體環108之中間寬度(mid-width)或者載體環108之內徑)之徑向距離，如第3圖中所示。第三個參數是載體溝槽112之角度θc0 。可以考慮將載體溝槽112以形成相對於一軸(譬如，像是水平軸160)之局部角θc 的方式定向於載體環108上。於此情況，其中載體溝槽112如所示般加以定向，載體溝槽112a之局部角θc 為0°，載體溝槽112b之局部角θc 為45°，而載體溝槽112c之局部角θc 為-45°。所屬技術領域具有通常知識者將容易了解到，如何對於所示之其餘可能載體溝槽112決定其局部角θc 。具有其他載體溝槽方位的其他載體環之載體溝槽的局部角θc ，可以相同的方式輕易決定。用來決定載體可相容溝槽之形狀152的基底局部角(base local angle)θc0 為形成於交叉點114之角，於該交叉點114處載體溝槽112在對應於載體半徑Rc 之距離處橫越水平軸160。依定義，基底局部角θc0 可為正、負、或0。
載體可相容溝槽之形狀152在各處均完善界定於研磨軌跡164之寬度內，也就是說，在等於或者大於內邊界164a之半徑和小於或等於外邊界164b之半徑之任何半徑處。內邊界164a可以由從同心圓的中心O 繪出之半徑γ=R-Rc 定義，此處若載體104振盪的話，γ和R為時間平均值，否則為固定值。外邊界164b可以由從同心圓的中心O 繪出之半徑γ=R+Rc 定義，此處若載體104振盪的話，γ和R為時間平均值，否則為固定值。用於定義載體可相容溝槽形狀152之從同心圓的中心O 繪出之γ值因此取值從(R-Rc )開始和至(R+Rc )結束之半徑之間距。於此半徑區間外，亦即於小於(R-Rc )或者大於(R+Rc )值之處，墊溝槽116較理想情況是依循下列軌跡：於斜率等於或者相似於在研磨軌跡164之對應較接近邊界斜率處，由外插(extrapolating)載體可相容溝槽之形狀152所獲得的軌線。
再者，沿著載體可相容溝槽形狀152之一部分、或者全部之每一點156，亦可以藉由關於位在水平軸160正對之晶圓載體104之旋轉中心O’ 所測量並且由載體半徑Rc 所包夾之載體角Φc 加以描述。因此就整體極座標(γ，Φ)而言相對於同心圓的中心O ，或者就局部極座標(θc ，Φc )而言相對於旋轉的中心O ’，可以定位給定的點156。從此幾何上的均等，可推演出一種用於提供改善研磨效能之載體可相容溝槽之軌線的表現法，給定方程式1如下：
方程式1
γ值為從(R-Rc )至(R+Rc )
一個由方程式1所給定的軌線之重要特徵為奇異點(singularity)，其為一個在離該墊中心特定的半徑γ* 處之無限導數dΦ/dγ。奇異點的半徑γ* 為該積分式之分母通過0處之γ值，其可以由給定的方程式2決定：
方程式2
該半徑γ* 自然地將方程式1所给定之全部溝槽軌線劃分成一內部區域和一外部區域。亦可能在內部區域與外部區域間確認出一轉變區域，其中當從任一側接近半徑γ* 時，由方程式1所描述之溝槽在非常小的半徑γ區間內橫越大範圍之角度Φ，於是形成緊密纏繞之螺旋線。非常接近半徑γ* 時，鄰接之該螺旋線的繞線變得比溝槽寬度更靠近在一起，而多個溝槽結合成(merge into)一圓形凹槽(circular trough)中。確切來說，第4和4A圖顯示於溝槽軌線中之不連續，其發生於研磨墊400之區塊4-4內的轉變區域中。於此轉變區域中，從外部區域接近之溝槽116a和從內部區域接近之溝槽116b匯合(converge)形成具增加之有效溝槽寬度的圓形凹槽117。溝槽116a和116b兩者均由方程式1給定且為相同軌線之一部分，但於由方程式2所給定之半徑γ*處，它們兩者結合成圓形凹槽117而不再維持橫越此區域的一個直接連續的流體路徑。
本發明發現自然形成於方程式1所給定的軌線之轉變區域中之高的溝槽面積(high groove area)對於CMP效能是很有幫助的。第4和4A圖中之實施例具有57.6%之溝槽面積對總面積比(面積溝槽 /面積總 )，而其於某些晶圓區域能夠選擇性地改變研磨率以增加全部的移除率並減少晶圓內不均勻性(within-wafer-non-uniformity)。然而，於橫越此轉變區域之流通路徑的不連續則不欲見，而且因為溝槽間之薄且漸細區域容易變形，所以匯合軌線使得研磨墊溝槽之製造變得複雜。因此較佳的實施例為一種三區域溝槽結構，其中於內部區域和外部區域中之溝槽使用由方程式1所給定的軌線，轉變區域中之溝槽則不按照方程式1而是選擇平滑地連接內部和外部區域中溝槽之路徑並且提供橫越此轉變區域之高的溝槽面積。有利的情況是，轉變區域發生在γTR =0.7γ*至1.3γ*之半徑內。最有利的情況是，轉變區域發生在γTR =0.8γ*至1.2γ*之半徑內。轉變區域溝槽可以佔據轉變區域之全部或部分，但是這些溝槽從至少內部區域之邊緣穿過該轉變區域而進入外部區域確實連續著而不中斷。此外，此轉變區域較佳具有佔總表面積至少25%之溝槽表面積【面積溝槽 /面積總 ＞25%】。為了此說明書之目的，表面積比表示於研磨層之平面所測量的表面積。較佳的情況是，此面積具有佔總表面積25%至75%之溝槽表面積【25%至75%之面積溝槽 /面積總 】。此外，最佳的情況是，外部區域和轉變區域具有相同的溝槽表面積對總表面積比。
於較佳實施例中，當載體環108和研磨墊100旋轉時，各載體溝槽112在多個鄰接晶圓120前緣之位置上，有利地對準各個外部區域之墊溝槽116b。舉例而言，載體溝槽112可以於不同的時間點在晶圓軌跡164內數個不同位置處對準鄰接晶圓120前緣的外部區域之墊溝槽116b。當研磨墊100與載體環108二者以反時鐘方向旋轉時，外部區域之一給定的墊溝槽116b與後續的多個載體溝槽112間之瞬時對準點(instantaneous point of alignment)將有利地起始於接近於大於γTR 半徑處之轉變區域，向外遷移橫過晶圓軌跡164然後趨近周緣140。相似情況，當研磨墊100與載體環108二者於順時鐘方向旋轉時，外部區域之一給定的墊溝槽116b與後續的多個載體溝槽112間之瞬時對準點將有利地起始於接近於大於γTR 半徑處之轉變區域，向外遷移橫過晶圓軌跡164然後趨近周緣140。
較佳的情況是研磨之進行係以載體夾具或者環108，且研磨墊100於相同的方向旋轉。例如於Φc (γ)為負時，當從研磨表面132上方觀看時研磨墊100和載體環108皆以逆時鐘方向旋轉。例如於Φc (γ)為正時，當從研磨表面132上方觀看時研磨墊100和載體環108皆以順時鐘方向旋轉。有利的情況是，研磨係以高速率溝槽路徑在具有-90度至90度的θc0 角之上述溝槽方程式之20%以內進行。為了此說明書之目的，所謂方程式之20%以內意指於一相對於同心圓的中心O 之給定半徑γ下該溝槽路徑之全域角Φ之值介於使用上述方程式於相同的半徑γ下計算之全域角Φ之值的0.8至1.2倍之間，而所謂方程式之10%以內意指於一相對於同心圓的中心O 之給定半徑γ下該溝槽路徑之全域角Φ之值介於使用上述方程式於相同的半徑γ下計算之全域角Φ之值的0.9至1.1倍之間。
最有利的情況是，研磨係以高速率溝槽路徑在具有-30度至90度之θc0 角之上述溝槽方程式之10%以內。再者，有利的情況是至少50%之各高速率溝槽路徑維持在高速率溝槽方程式之20%以內。再者，最有利的情況是至少50%之各高速率溝槽路徑維持在高速率溝槽方程式之10%以內。為了此說明書之目的，保留在方程式內之高速率溝槽路徑之百分比關聯於當從同心圓的中心O 至外周緣140所測量之徑向的百分比。更有利的情況是，研磨係以高速率溝槽路徑在具有0度至90度之θc0 角之溝槽方程式之20%以內進行。最有利的情況是，研磨係以高速率溝槽路徑在具有30度至60度之θc0 角(譬如40度、45度或者47.5度)之溝槽方程式之20%以內進行。尤其是，以高速率路徑在具有40度至50度之θc0 角之溝槽方程式之20%以內進行研磨，已經證明具有優越的結果。
參照第5圖，研磨墊500具有包圍研磨墊500之中心的內部區域502，該內部區域範圍從同心圓的中心O 向外至轉變半徑RTR1 。內部區域502可選擇性地包含溝槽，但也可不包含溝槽。轉變區域504從RTR1 延伸至RTR2 。當內部區域502不包含溝槽時，其建構一無溝槽中心平台(ungrooved central landing)，而此中心平台之外徑為轉變區域504之溝槽的起始。尤其是，各溝槽508初始於RTR1 並且通過RTR2 進入外部區域506。溝槽508於轉變區域504中具有弧形或者U形，然後於外部區域506中按照方程式1成為溝槽510(此情況相似於第1圖之溝槽)。此外，轉變區域504包含寬圓形溝槽512以確保足夠的溝槽表面積並且用於平衡轉變區域504與外部區域506間之溝槽表面積比例。於此情況，圓形溝槽512其特徵為寬的，因為其寬度大於溝槽508和510之寬度。
第5A圖顯示具選擇性(optional)轉變區域之實施例，其具有寬度4.0mm之寬圓形溝槽512A，而可達到具有32mm之RTR1 和42mm之RTR2 的56.8%面積溝槽 /面積總 。於轉變區域中，溝槽508A和508B表示繞著寬圓形溝槽512A之對應弧形。此外，溝槽508A、508B之弧形共同形成一橫越寬圓形溝槽512A之連續的流通路徑。於延伸穿過轉變區域後，溝槽508B依照方程式1所定義之溝槽路徑繼續穿過外部區域至墊之周圍(未顯示)。有利的情況是，外部區域將另外包含源自外部區域內之較短的溝槽以平衡橫越晶圓軌跡之面積溝槽 /面積總 。這些溝槽可以視需要具交錯之起始位置、不一致的角溝槽間距(angular groove spacings)、重複之群組樣式(repeating group patterns)、或者這些特徵之組合。
第5B圖顯示具選擇性轉變區域之實施例，其具有寬度2.4mm之寬圓形溝槽512B，而可達到具有32mm之RTR1 和42mm之RTR2 的39.3%面積溝槽 /面積總 。於轉變區域中，溝槽508C和508D代表繞著寬圓形溝槽512B之對應弧形。此外，溝槽508C、508D之弧形共同形成一橫越寬圓形溝槽512B之連續的流通路徑。於延伸穿過轉變區域後，溝槽508D依照方程式1所定義之溝槽路徑繼續穿過外部區域至墊之周圍(未顯示)。有利的情況是，外部區域將另外包含源自外部區域內之較短的溝槽以平衡橫越晶圓軌跡之面積溝槽 /面積總 。這些溝槽可以視需要具交錯之起始位置、不一致的角溝槽間距、重複之群組樣式、或者這些特徵之組合。
第6圖顯示具選擇性轉變區域之實施例，其具有0.76mm寬度和間距3.6mm之二個窄圓形溝槽610、612，而可達到具有32mm之RTR1 和42mm之RTR2 的28.9%面積溝槽 /面積總 。於轉變區域中，溝槽608代表與圓形溝槽610與612相交之連續弧形。於延伸穿過轉變區域後，溝槽608依照方程式1所定義之溝槽路徑繼續穿過外部區域至墊之周圍(未顯示)。有利的情況是，外部區域將另外包含源自外部區域內之較短的溝槽以平衡橫越晶圓軌跡之面積溝槽 /面積總 。這些溝槽可以視需要具交錯之起始位置、不一致的角溝槽間距、重複之群組樣式、或者這些特徵之組合。
第7圖顯示具選擇性轉變區域之實施例，其具有寬度0.76mm寬度和間距1.2mm之五個窄圓形溝槽710、712、714、716、和718，而可達到具有32mm之RTR1 和42mm之RTR2 的50.5%面積溝槽 /面積總 。於轉變區域中，溝槽708代表與圓形溝槽710、712、714、716、和718相交之連續弧形。於延伸穿過轉變區域後，溝槽708依照方程式1所定義之溝槽路徑繼續穿過外部區域至墊之周圍(未顯示)。有利的情況是，外部區域將另外包含源自外部區域內之較短的溝槽以平衡橫越晶圓軌跡之面積溝槽 /面積總 。這些溝槽可以視需要具交錯之起始位置、不一致的角溝槽間距、重複之群組樣式、或者這些特徵之組合。
第8圖顯示具選擇性轉變區域之實施例，其具寬度0.76mm之重複巢式弧形段，而可達到具有32mm之RTR1 和42mm之RTR2 的37.2%面積溝槽 /面積總 。於轉變區域中，溝槽808分裂成多個溝槽弧形810、812、814、816、與818。此外，溝槽弧形810、812、814、816、與818最有利的情況是代表圍繞γ＊ 之鏡像(mirror images about γ＊ )。於延伸穿過轉變區域後，溝槽808依照方程式1所定義之溝槽路徑繼續穿過外部區域至墊之周圍(未顯示)。有利的情況是，外部區域將另外包含源自外部區域內之較短的溝槽以平衡橫越晶圓軌跡之面積溝槽 /面積總 。這些溝槽可以視需要具交錯之起始位置、不一致的角溝槽間距、重複之群組樣式、或者這些特徵之組合。
參照第9和9A圖，研磨墊900包含溝槽908設計用於具有0°載體溝槽904(例示一個)之載體環902。對於0°載體溝槽904，研磨墊900包含相當大的內部區域。因此，溝槽908A依照方程式1延伸穿過內部區域、穿過如弧形溝槽908B之轉變區域、並且依照方程式1穿過如溝槽908C之外部區域。於轉變區域，溝槽908B延伸穿過圓形溝槽910和912。或者，內部區域可包含螺旋形溝槽，如等面積螺旋形溝槽。但是該內部區域最有利的情況是包含依照方程式1之溝槽。
參照第10和10A圖，研磨墊1000包含溝槽1008設計用於具有-38°載體溝槽1004(例示出一個)之載體環1002。對於-38°載體溝槽，研磨墊1000包含延伸越過大於晶圓軌跡上方寬度一半以上的內部區域。因此，溝槽1008A依照方程式1延伸穿過內部區域、穿過如弧形溝槽1008B之轉變區域、並且依照方程式1穿過如溝槽1008C之外部區域。於轉變區域，溝槽1008B延伸穿過圓形溝槽1010和1012。或者，內部區域可包含螺旋形溝槽，如等面積螺旋形溝槽。但是該內部區域最有利的情況是包含依照方程式1之溝槽。
第11圖顯示適合使用研磨墊1104之研磨器1100，該研磨墊1104可以是第5至10圖之研磨墊，或者是用於本發明所揭示之其他研磨墊，用來研磨如晶圓1108之物件。研磨器1100可以包含其上安裝有研磨墊1104之平台1112。平台1112可以藉由平台驅動器(未顯示)而繞旋轉軸A1旋轉。研磨器1100尚可以包含晶圓載體1120，該晶圓載體1120可繞著平行於平台1112之旋轉軸A1且與之間隔開的旋轉軸A2旋轉，並且於研磨過程中支撐晶圓708。晶圓載體1120可載有平衡環結合結構(未顯示)，該平衡環結合結構可以使晶圓1108可採取(assume)極些微不平行於研磨墊1104之研磨表面1124的態樣，於該情況下旋轉軸A1、A2可以極此微彼此相對歪斜(askew)。晶圓1108包含面對研磨表面1124之研磨表面1128，該研磨表面1128於研磨過程中被平坦化。晶圓載體1120可藉由調適以旋轉晶圓1108之載體支撐組合件(未顯示)加以支撐，並且提供向下之力F以壓靠研磨表面1128至研磨墊1104，而使得於研磨過程中所希望之壓力存在於研磨表面與墊之間。研磨器1100亦可以包含研磨媒介入口1132用來供應研磨媒介1136至研磨表面。
所屬技術領域具有通常知識者將了解到，研磨器1100可以包含其他的組件(未顯示)，譬如系統控制器、研磨媒介儲存器和分配系統、加熱系統、沖洗系統、和用來控制研磨製程各種方面之各種控制，除了其他的以外尚有譬如：(1)用於晶圓1108和研磨墊1104之一者或者二者之旋轉速率之速度控制器和選擇器；(2)用於變化速率和輸送研磨媒介1136至研磨墊之速率和位置控制器和選擇器；(3)用來控制施加於晶圓和研磨墊間之力F大小之控制器和選擇器；以及(4)用來控制晶圓之旋轉軸A2相對於研磨墊之旋轉軸A1位置之控制器、制動器和選擇器。所屬技術領域具有通常知識者將了解到這些組件是如何結構和執行，而使得不需對所屬技術領域具有通常知識者詳細說明這些組件來了解和實作本發明。
於研磨期間，研磨墊1104和晶圓1108對各自的旋轉軸A1、A2旋轉，而研磨媒介1136從研磨媒介入口1132分配至旋轉之研磨墊。研磨媒介1136散佈於整個研磨表面1124，包含晶圓1108與研磨墊1104間之間隙。研磨墊1104和晶圓1108典型上(但非必須)於0.1rpm至750rpm之選擇的速度旋轉。力F之大小典型上(但非必須)選擇引起晶圓1108與研磨墊1104間所希望之0.1psi至15psi(6.9至103kPa)壓力。於轉變區域中之載體溝槽與墊溝槽之對準和高溝槽面積能夠導致實質增加基板移除率。
[實例]
於此實例中，由位在美國德拉瓦州紐阿克市之羅門哈斯電子材料CMP技術公(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies)司所製造之具有具不同的轉變區域之溝槽樣式的IC 1000硬聚胺甲酸脂研磨墊，證明穿過轉變區域之連續溝槽和於該轉變區域中一大溝槽面積之功效。於此實例中，作為比較例的是直徑77.5公分之硬聚胺甲酸脂研磨墊其上刻劃出深度0.76mm和寬度0.76mm之溝槽。各種溝槽樣式研磨墊均測試二個。明確言之，用26.6kPa之向下力、120rpm之墊旋轉率、113rpm之載體旋轉率、和120毫升/分鐘(ml/min)之漿料流率研磨鎢毯覆晶圓(tungsten blanket wafer)，並得到表1之結果。平均值係指各類型之二個墊所獲得結果之算術平均。
相對於第4和4A圖之方程式1固有的包含匯合溝槽路徑之原始轉變區域溝槽樣式，第5和5A圖之轉變區域降低了平均終點研磨溫度3℃，平均晶圓與晶圓間之不均勻性比率變化從4.9%減少至1.5%，以及平均晶圓內之不均勻性從4.4%減少至3.8%。相似情況，第6和6A圖之轉變溝槽降低平均終點研磨溫度3℃，平均晶圓與晶圓間之比率變化從4.9%減少至4.1，以及平均晶圓內之不均勻性從4.4%減少至4.1%。於這些例子間平均移除率和平均跳痕數之變化視為不顯著。最後，第8圖之多弧形轉變區域溝槽增加平均移除率15%，降低平均終點研磨溫度6℃，平均晶圓與晶圓間之比率變化從4.9%減少至0.7%，以及平均晶圓內之不均勻性從4.4%減少至3.8%；於跳痕數增加數目1視為不顯著。
本發明之三區域研磨墊提供具有改善研磨特性之高移除率。舉例而言，研磨墊能夠增加移除率或者改善晶圓內不均勻性。此外，可能藉由調整於研磨墊中之溝槽面積比而調整移除率，以及藉由調整於轉變區域中之溝槽面積而微調(fine tune)移除率。
100．．．研磨墊
104．．．載體
108．．．載體環
112、112a、112b、112c．．．載體溝槽
114．．．交叉點
116、116a、116b．．．墊溝槽
117．．．圓形凹槽
120．．．晶圓
124．．．前緣
128．．．研磨層
132．．．研磨表面
136．．．背層
140．．．外周緣
144．．．溝槽組
148、148a．．．剖面形狀
152．．．載體可相容溝槽形狀
156．．．點
160．．．水平軸
164．．．研磨軌跡
164a．．．內邊界
164b．．．外邊界
400．．．研磨墊
500．．．研磨墊
502．．．內部區域
504．．．轉變區域
506．．．外部區域
508、508A、508B、508C、508D、510．．．溝槽
512．．．圓形溝槽
512A、512B．．．寬圓形溝槽
608．．．溝槽
610、612．．．窄圓形溝槽
708．．．溝槽
710、712、714、716、718．．．圓形溝槽
808．．．溝槽
810、812、814、816、818．．．溝槽弧形
900．．．研磨墊
902．．．載體環
904．．．0°載體溝槽
908、908A、908B、908C．．．溝槽
910、912．．．圓形溝槽
1000．．．研磨墊
1002．．．載體環
1004．．．-38°載體溝槽
1008、1008A、1008B、1008C．．．溝槽
1010、1012．．．圓形溝槽
1100．．．研磨器
1104．．．研磨墊
1108．．．晶圓
1112．．．平台
1120．．．晶圓載體
1124．．．研磨表面
1128．．．研磨表面
1132．．．媒介入口
1136．．．研磨媒介
A1、A2．．．旋轉軸
DPAD 、DCARRIER ．．．預定的方向
F．．．力
O ．．．研磨墊中心
O’ ．．．基板中心
R．．．距離
Rc ．．．載體夾具之半徑
RPAD ．．．研磨墊半徑
RTR1 、RTR2 ．．．轉變半徑
γ．．．定義溝槽形狀之從研磨墊中心繪出之距離
(γ，Φ)．．．極座標
Φc ．．．載體溝槽之局部角
θc0 ．．．基底局部角
第1圖為製造來適於使用溝槽載體環之習知技術研磨墊的示意上視圖；
第2圖為顯示沿著第1圖之線2-2，第1圖之研磨墊的誇大橫剖面圖；
第3圖為第1圖之研磨墊之示意上視圖，該研磨墊包含用來產生用於本發明之研磨墊的溝槽路徑之構形；
第4圖為第1圖高速率溝槽樣式之示意上視圖；
第4A圖為從第4圖之方塊4-4內用於高速率溝槽樣式之轉變區域的示意上視圖；
第5圖為高速率溝槽樣式用來插入於第4圖之方塊4-4；
第5A圖為第5圖之的溝槽之轉變區域具有廣的圓形的溝槽和弧狀的示意上視圖；
第5B圖為第5圖之的溝槽之轉變區域具有窄的圓形的溝槽和弧狀的示意上視圖；
第6圖為具有二個圓形的溝槽和弧狀的溝槽之轉變區域的示意上視圖；
第7圖為具有五個圓形的溝槽和弧狀的溝槽之轉變區域的示意上視圖；
第8圖為具有相互連接弧狀的溝槽之轉變區域的示意上視圖；
第9圖為具有0°之載體狹槽角之高速率溝槽樣式的示意上視圖；
第9A圖為第9圖之內部區域、轉變區域、和中間外部區域的示意上視圖；
第10圖為具有-38°之載體狹槽角之高速率溝槽樣式的示意上視圖；
第10A圖為第10圖之內部區域、轉變區域、和中間外部區域之示意上視圖；以及
第11圖為依照本發明之研磨系統的示意圖示。
1100．．．研磨器
1104．．．研磨墊
1108．．．晶圓
1112．．．平台
1120．．．晶圓載體
1124．．．研磨表面
1128．．．研磨表面
1132．．．媒介入口
1136．．．研磨媒介
A1．．．旋轉軸
F．．．力

Claims (10)

  1. 一種用於在研磨媒介存在下以研磨墊研磨磁性、光學、和半導體基板至少其中之一的研磨墊，該研磨墊包括：中心；環繞該中心之內部區域；從該內部區域連接溝槽至環繞該內部區域之外部區域的轉變區域，該外部區域具有多個溝槽，該多個溝槽具有高速率路徑，至少50%之該高速率路徑是在極座標之溝槽軌跡(γ)之20%內，該極座標係相對於該研磨墊之同心圓的中心並且依據：(1)該研磨墊之該同心圓的中心與待研磨之該基板之旋轉中心間之距離R，(2)載體夾具之半徑Rc ，以及(3)於該載體夾具中溝槽之局部角θc0 ，而定義，溝槽方程式如下： 其中γ值為從(R-Rc )至(R+Rc )該轉變區域鄰接該外部區域，且落在如下定義之距該中心之半徑範圍內：r TR =0.7r *至1.3r * 其中以及其中該內部區域起始連續的溝槽其不中斷地延伸 至該外部區域。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中，該轉變區域包含弧形溝槽。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中，該內部區域具有在該溝槽方程式之20%內之溝槽路徑。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨墊，其中，由該方程式定義之溝槽軌線為從0度至90度之θc0 。
  5. 一種用於在研磨媒介存在下以研磨墊研磨磁性、光學、和半導體基板至少其中之一的研磨墊，該研磨墊包括：中心；環繞該中心之內部區域：從該內部區域連接溝槽至環繞該內部區域之外部區域的轉變區域，該外部區域具有多個溝槽，該多個溝槽具有高速率路徑，至少50%之該高速率路徑是在極座標之溝槽軌跡(γ)之10%內，該極座標係相對於該研磨墊之同心圓的中心並且依據：(1)該研磨墊之該同心圓的中心與待研磨之該基板之旋轉中心間之距離R，(2)載體夾具之半徑Rc ，以及(3)於該載體夾具中溝槽之局部角θc0 ，而定義，溝槽方程式如下： 其中γ值為從(R-Rc )至(R+Rc )該轉變區域鄰接該外部區域，且落在如下定義之距該中心的半徑範圍內：r TR =0.8r *至1.2r * 其中以及其中該內部區域起始連續的溝槽其不中斷地延伸至該外部區域，而該轉變區域具有25%至75%之溝槽面積對總面積比。
  6. 如申請專利範圍第5項之研磨墊，其中，該轉變區域包含弧形溝槽。
  7. 如申請專利範圍第5項之研磨墊，其中，該內部區域具有在該溝槽方程式之百分之二十內之溝槽路徑。
  8. 如申請專利範圍第5項之研磨墊，其中，該轉變區域包含圓形溝槽。
  9. 如申請專利範圍第5項之研磨墊，其中，由該方程式定義之溝槽軌線為從30度至60度之θc0 。
  10. 如申請專利範圍第5項之研磨墊，其中，由該方程式定義之溝槽軌線為從40度至50度之θc0 。
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