TWI492291B

TWI492291B - 化學機械研磨修整器及其製造方法

Info

Publication number: TWI492291B
Application number: TW101123208A
Authority: TW
Inventors: Yen Kang Liu; Nan Huang Liu
Original assignee: Kinik Co
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2015-07-11
Also published as: TW201401352A

Description

化學機械研磨修整器及其製造方法

本發明係關於一種化學機械研磨修整器及其製造方法，尤指一種適用於使半導體晶圓表面平坦化之修整器、其製造方法、以及使用其之化學機械平坦化製程。

對於矽晶圓表面上的微細銅電路或層間鎢電路，乃至絕緣電路的氧化膜介電層，皆必須經過平坦化製程使其表面平坦以利後續的製程步驟。目前半導體晶圓上製造積體電路(Interconnected Circuits，IC)的過程中，最受矚目的平坦化技術則屬化學機械研磨法(chemical-mechanical Polishing，CMP)，其是將晶圓壓於旋轉的拋光墊上研磨使其表面平坦。

在化學機械研磨過程中，穩定且均勻地輸送磨漿至晶圓與拋光墊之間，使拋光墊表面浸滿了磨漿(Slurry)，此磨漿內含有化學藥劑(如酸液及氧化劑)用以侵蝕晶圓表面的薄膜，磨漿內也含無數的奈米陶瓷(如SiO₂ 、Al₂ O₃ 、CeO₂ )磨粒，可刺入並刮除微量薄膜，同時進行化學蝕刻與機械磨削作用，移除晶片上突出的沉積層，藉以拋光晶圓的表面，達成平坦化的目的。

修整器是化學機械研磨過程必要的耗材，其功能為修整(Condition)拋光墊(Pad)。所謂修整，包括切削(Shave)拋光墊表面，移除拋光墊表面累積的廢棄物，藉此保持拋光墊表面的粗糙度。此外，修整器亦可使表面產生微量的隆起及凹陷，其即所謂絨毛(Asperities)的高低差，這樣觸壓拋光墊的面積可以大幅縮小，一旦接觸面積越小，接觸壓力就越大，接觸點處的磨漿才能擠壓晶圓的突出部位，磨漿內的化學藥劑(如H₂ O₂ )則會氧化而軟化或侵蝕晶圓。

然而，若化學機械研磨過程中，所產生的廢棄物，包括晶圓的磨屑，如銅導線、鎢填孔、氧化膜、磨漿、磨粒、拋光墊碎屑等，該些磨屑通常會堆積在拋光墊表面而受擠壓成硬層(Glaze)，一旦形成硬層後，拋光墊即變滑而難以維持研磨力，因此拋光每一片晶圓常需要使用修整器，達成製程之研磨效率(如拋光速度)與平坦度(如晶圓鍍膜的厚度分佈)，進而穩定晶圓品質。

然而，習知的鑽石修整器，通常是將鑽石顆粒以結合劑固定於金屬台盤表面，雖適合用於整修拋光墊，但對於更精密的化學機械研磨製程，如線寬小於45奈米以下的化學機械研磨製程，卻因拋光墊表面粗糙，容易造成晶圓的刮傷(scratch)、局部的過拋(dishing)、下陷(erosion)及厚度的不均勻(non-uniformity)。隨著積體電路的線寬要求日趨縮減，對於晶圓表面平坦度的需求即隨之提升，進而對於修整器的要求亦隨之提高，造成習知的鑽石修整器無法滿足45奈米以下化學機械平坦化製程的先進要求。

有鑑於此，專利早期公開案US 6,054,183揭示一種以化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)製造之修整器及其製法，其中係以CVD法於覆有鑽石顆粒之修整器之金屬台盤上沉積一層鑽石膜；專利早期公開案US 6,872,127則揭示以CVD法於具有圖案化表面之修整器之金屬台盤上沉積一層類鑽碳膜。上述專利申請案皆為透過金屬台盤表面於CVD鍍膜前已具備適當之不規則表面或圖案化表面以達到使金屬台盤經沉積鑽石層或類鑽碳層後即完成所使用之修整器。然而，上述之方式，其修整器之研磨尖點係藉由覆於金屬台盤上之鑽石顆粒或台盤上之圖案化形狀控制，縱使該金屬台盤於進行CVD前具有合適之研磨尖點，仍需精準地控制各種操作參數才能於其表面沉積所需之圖案化鑽石或類鑽碳膜。再者，該修整器在使用過程中，仍然會因為與拋光墊及研磨廢棄物接觸產生之應力導致研磨尖點斷裂或表面沉積之類鑽碳層剝離而加速修整器損毀，甚至，所斷裂或剝離碎屑可能刮傷晶圓造成良率下降。此外，專利早期公開案TW 95115836雖揭示以燒結法形成一多晶鑽石研磨層並切割成所需之研磨單元之形狀，然而以燒結法形成之多晶鑽石研磨層仍有其強度不足之缺點。

因此，為因應半導體元件微小化而對拋光墊精細程度需求逐漸增長，發展一能精準控制修整器之圖案化表面進而提升該修整器於化學機械研磨過程之準確及穩定性之鑽石修整器亟為所需。

本發明之主要目的係在於提供一種化學機械研磨修整器，俾能精準控制該修整器之圖案化表面進而提升該修整器於化學機械研磨過程之精準性及穩定性，以滿足精細拋光墊之需求。

為達成上述目的，本發明係以化學氣相沉積法於一基材上沉積一鑽石材料並透過平坦化及圖案化處理製得所需之化學機械研磨修整器。

據此，本發明之一態樣係提供一種化學機械研磨修整器，包括一基材，以及一以化學氣相沉積法沉積於該基材上之研磨層，其中該研磨層包括複數個研磨單元，且該些研磨單元具有一個或複數個凹槽、一頂點、及在每一凹槽及該頂點間所形成之斜面。

再者，由於本發明中所使用之基材可為矽、碳化鎢、不鏽鋼或其類似物，因此，考量以化學氣相沉積法沉積之研磨層與基材之膨脹係數或晶格尺寸差異可能導致研磨層不易附著於基材上，本發明之另一態樣更提供一種包括中間層之化學機械研磨修整器以提高研磨層與基材之間之附著強度，其中，該中間層之材料可為金屬氧化物、金屬氮化物、陶瓷化合物或其組合，例如：氧化鋁、碳化矽、氮化鋁或其組合，但本發明並不特別以此為限。

於本發明上述化學機械研磨修整器中，於基材上形成中間層的方法可為物理或化學氣相沉積法、軟焊或硬焊，而無特別限制，任何本技術領域習知之方法皆可使用，本發明並未侷限於此。

於本發明上述化學機械研磨修整器中，該研磨層之組成材料可為單晶鑽石、多晶鑽石、類鑽碳材料或其組合，較佳則為多晶鑽石並且其結晶尺寸可為5奈米至50微米，較佳則為10奈米至20微米。

於本發明上述化學機械研磨修整器中，該些研磨單元可具有一錐狀外型或一柱狀外型。其中，該錐狀外型可以為具有三個凹槽及三個斜面所組成之三面金字塔外型，或四個凹槽及四個斜面所組成之四面金字塔外型，或多個凹槽及多個斜面所組成之多面金字塔外型；此外，前述之柱狀外型可以為圓柱狀、三角形柱狀或四方形柱狀，但本發明並不以此為限；此外，為使該修整器可根據所對應之拋光墊材質及精細程度不同而變化，該修整器之研磨層之該些研磨單元之頂點更可為有方向性排列之尖點或平面，且該些研磨單元之該頂點及該凹槽間距離為10微米至8000微米，較佳則為20微米至5000微米。

本發明之另一目的係在於提供一種化學機械研磨修整器之製備方法，其中係利用化學氣相沉積法於一修整器之台盤上沉積一層鑽石材料，並透過平坦化處理以及圖案化處理該層鑽石材料以精準控制其圖案化表面進而提升該修整器於化學機械研磨過程之精準及穩定性，以滿足精細拋光墊之需求。

為達成上述目的，本發明之另一態樣提供一種化學機械研磨修整器之製造方法，包括以下步驟：提供一基材；於該基材表面形成一研磨層，其中，該研磨層係為化學氣相沉積之鑽石材料，且該研磨層具有一粗糙之表面；於該研磨層表面進行平坦化處理，使該研磨層具有一平坦化之表面；以及於該研磨層表面進行圖案化處理以形成複數個研磨單元，其中，該些研磨單元具有一個或複數個凹槽、一頂點、及在每一凹槽及該頂點間所形成之斜面。

再者，由於本發明中所使用之基材可為矽、碳化鎢、不鏽鋼或其類似物，因此，考量以化學氣相沉積法沉積之研磨層與基材之膨脹係數或晶格尺寸差異可能導致研磨層不易附著於基材上，本發明之另一態樣一種包括可提高研磨層與基材之間之附著強度之中間層之化學機械研磨修整器之製造方法，包括以下步驟：提供一基材；於該基材表面形成一中間層；於該中間層上形成一研磨層，其中，該研磨層係為化學氣相沉積之鑽石材料，且該研磨層具有一粗糙之表面；於該研磨層表面進行平坦化處理，使該研磨層具有一平坦化之表面；以及於該研磨層表面進行圖案化處理以形成複數個研磨單元，其中，該些研磨單元具有一個或複數個凹槽、一頂點、及在每一凹槽及該頂點間所形成之斜面。

於本發明上述化學機械研磨修整器之製造方法中，該中間層可選自由之材料可為金屬氧化物、金屬氮化物、陶瓷化合物或其組合，例如：氧化鋁、碳化矽、氮化鋁或其組合，但本發明並不特別以此為限。

於本發明上述化學機械研磨修整器之製造方法中，形成中間層的方法可為物理或化學氣相沉積法、軟焊或硬焊，而無特別限制，任何本技術領域習知之方法皆可使用，本發明並未侷限於此。

於本發明上述化學機械研磨修整器之製造方法中，該研磨層之組成材料可為單晶鑽石、多晶鑽石、類鑽碳材料或其組合，較佳則為多晶鑽石並且其結晶尺寸可為5奈米至50微米，較佳則為10奈米至20微米。

於本發明上述化學機械研磨修整器之製造方法中，為使沉積之研磨層具有較佳之修整效益，其可再以機械或化學之研磨及拋光方式處理，使該研磨層具有一平坦化之表面，接著再以光罩蝕刻、微影曝光、化學蝕刻、或電漿蝕刻方式處理該研磨層表面，使其表面形成一方向性排列之複數研磨單元之圖案化結構。

據此，本發明之化學機械研磨修整器，可利用化學氣相沉積法提供更高強度之鑽石研磨層，並依據研磨需求而設計具有不同錐狀外型或柱狀外型之研磨單元，可提供使用者更佳的研磨效率與品質，並減少化學機械研磨修整器對拋光墊之破壞。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。

請參考圖1係本發明第一實施例之化學機械研磨修整器之示意圖。如圖1A所示，首先提供一基材10，其材質為一矽；接著，藉由化學氣相沉積法於一基材10表面沉積一係由多晶鑽石材料組成之研磨層12，且其具有粗糙之一上表面12a，如圖1B所示；接著，藉由機械或化學之研磨及拋光方式對該上表面12a進行平坦化處理，使該上表面12a具有一平坦表面，如圖1C；之後，再利用光罩蝕刻對已完成平坦化處理研磨層12進行圖案化處理以形成複數個研磨單元120，如圖1D，其中，該些研磨單元120係包括一具有尖點之頂點122、斜面123及凹槽121所構成之金字塔錐狀外型。此外，在本發明之化學機械研磨修整器中，為了提升研磨加工之平坦度，在圖案化處理時，可藉由另一光罩蝕刻研磨層12之頂部，如圖1E，使該研磨單元120形成一具有平面之頂點124、斜面123及凹槽121構成之金字塔錐狀外型。

請參考圖2係本發明第二實施例之化學機械研磨修整器之示意圖，本實施例之結構與第一實施例大致相同，除了在基材20及研磨層22之間設置一中間層21，其主要係考量研磨層22與基材20兩者之膨脹係數或晶格尺寸差異，可能導致研磨層22與基材20間的附著強度不足，造成研磨層22在研磨過程中剝離，故可以物理或化學氣相沉積法、軟焊法或硬焊法等各種方式於基材20表面形成一中間層21，接著再以化學氣相沉積法於該中間層21之表面沉積一鑽石研磨層22；如圖2A所示，首先提供一基材20，其材質為一碳化鎢材質；接著，於該基材20表面形成一由碳化矽組成之中間層21，如圖2B所示；之後，藉由化學氣相沉積法於一基材20表面沉積一係由多晶鑽石材料組成之研磨層22，且其具有粗糙之一上表面22a，如圖2C所示；再藉由機械或化學之研磨及拋光方式對該上表面22a進行平坦化處理，使該上表面22a具有一平坦表面，如圖2D；之後，再利用光罩蝕刻對已完成平坦化處理研磨層22進行圖案化處理以形成複數個研磨單元220，如圖2E，其中，該些研磨單元220係包括一具有尖點之頂點222、斜面223及凹槽221所構成之金字塔錐狀外型。此外，在本發明之化學機械研磨修整器中，為了提升研磨加工之平坦度，在圖案化處理時，可藉由另一光罩蝕刻研磨層22之頂部，如圖2F，使該研磨單元220形成一具有平面之頂點224、斜面223及凹槽221構成之金字塔錐狀外型。

請再參考圖3至圖4所示係本發明錐狀外型之研磨單元之立體示意圖，並一併參考圖1D說明；其中，圖3係為三角錐狀外型之研磨單元之立體示意圖，該研磨單元320包括一尖點之頂點322、四個斜面323、及四個凹槽321所構成；圖4所示係本發明另一錐狀外型之研磨單元之立體示意圖，該研磨單元420包括一尖點之頂點422、三個斜面423、及三個凹槽421所構成。

請參考圖5A至5C係本發明柱狀外型之研磨單元之立體示意圖，其中，圖5A係為圓柱狀之研磨單元之立體示意圖，該研磨單元520包括一圓形平面之頂點522及一環形圍繞之斜面523；圖5B係為四方形狀之研磨單元之立體示意圖，該研磨單元620包括一四方形平面之頂點622及四個斜面623；圖5C係為三角形狀之研磨單元之立體示意圖，該研磨單元720包括一三角形平面之頂點722及三個斜面723。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

10,20‧‧‧基材

12,22‧‧‧研磨層

12a,22a‧‧‧上表面

120,220,320,420,520,620,720‧‧‧研磨單元

121,221,321,421‧‧‧凹槽

122,124,222,224,322,422,522,622,722‧‧‧頂點

123,223,323,423,523,623,723‧‧‧斜面

21‧‧‧中間層

圖1係本發明第一實施例之化學機械研磨修整器之示意圖。

圖2係本發明第二實施例之化學機械研磨修整器之示意圖。

圖3係本發明錐狀外型之研磨單元之立體示意圖。

圖4係本發明錐狀外型之研磨單元之立體示意圖。

圖5係本發明柱狀外型之研磨單元之立體示意圖。

10‧‧‧基材

12‧‧‧研磨層

120‧‧‧研磨單元

121‧‧‧凹槽

122‧‧‧頂點

123‧‧‧斜面

Claims

一種化學機械研磨修整器，包括：一基材；以及一研磨層，其包括複數個研磨單元；其中，該研磨層係為化學氣相沉積之鑽石材料，而該些研磨單元係具有一個或複數個凹槽、一頂點、及在每一凹槽及該頂點間所形成之斜面；其中該些研磨單元係為一錐狀外型或一柱狀外型。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該柱狀外型係為圓柱、三角柱或四方柱。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該錐狀外型係為金字塔外型。
如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨修整器，其中該金字塔外型係具有三個凹槽及三個斜面。
如申請專利範圍第3項所述之化學機械研磨修整器，其中該金字塔外型係具有四個凹槽及四個斜面。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該些研磨單元之該頂點係為尖點或平面。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該些研磨單元之該頂點係具有方向性排列。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該研磨層係為化學氣相沉積之多晶鑽石材料。
如申請專利範圍第8項所述之化學機械研磨修整器，其中該多晶鑽石材料之結晶尺寸為10奈米至20微米。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該些研磨單元之該頂點及該凹槽間距離為10微米至8000微米。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中更包括在該基材及該研磨層間設置一中間層。
如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨修整器，其中該中間層係至少一選自由氧化鋁、碳化矽、氮化鋁所組成之群組。
一種化學機械研磨修整器之製備方法，包括以下步驟：提供一基材；於該基材表面形成一研磨層，其中，該研磨層係為化學氣相沉積之鑽石材料，且該研磨層具有一粗糙之表面；於該研磨層表面進行平坦化處理，使該研磨層具有一平坦化之表面；以及於該研磨層表面進行圖案化處理以形成複數個研磨單元，其中，該些研磨單元具有一個或複數個凹槽、一頂點、及在每一凹槽及該頂點間所形成之斜面。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該些研磨單元係為一錐狀外型或一柱狀外型。
如申請專利範圍第14項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該柱狀外型係為圓柱、三角柱或四方柱。
如申請專利範圍第14項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該錐狀外型係為金字塔外型。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該平坦化處理係利用機械或化學之研磨及拋光方式處理。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該圖案化處理係利用光罩蝕刻、微影曝光、化學蝕刻、或電漿蝕刻方式處理。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該研磨層係為化學氣相沉積之多晶鑽石材料。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中該些研磨單元之該頂點係具有方向性排列。
如申請專利範圍第13項所述之化學機械研磨修整器之製備方法，其中更包括在該基材及該研磨層間設置一中間層。
如申請專利範圍第21項所述之化學機械研磨修整器，其中該中間層係至少一選自由氧化鋁、碳化矽、氮化鋁所組成之群組。