TWI730154B - 研磨頭、具有研磨頭的cmp研磨裝置以及使用該cmp研磨裝置的半導體積體電路裝置的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種研磨頭、CMP研磨裝置以及半導體積體 電路裝置的製造方法。在CMP研磨裝置的研磨頭中，在研磨墊上之晶圓，與壓住晶圓之氣囊之間，配置有金屬或陶瓷製應力分散板，並在應力分散板，與其下方的晶圓之間，設置衝擊吸收片，藉由壓縮空氣以使氣囊加在晶圓上的壓力均勻化。

Description

研磨頭、具有研磨頭的CMP研磨裝置以及使用 該CMP研磨裝置的半導體積體電路裝置的製造方法
本發明是有關於一種用以均勻地平坦化晶圓內面之CMP研磨裝置的研磨頭構造、具有該研磨頭的CMP研磨裝置、以及使用該CMP研磨裝置的半導體積體電路裝置的製造方法。
近年來，隨著半導體積體電路(以下，稱之為LSI)的高積體化、高性能化，伴隨而來的新微細加工技術也被開發著。化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，以下取第一字稱之為CMP)即為其中一例，且是LSI製程，尤其是多層配線形成製程中的層間絕緣層平坦化、金屬插塞(plug)、埋入配線之形成等當中會頻繁使用的技術。
CMP研磨裝置的基本構造包含：供研磨墊所要貼付的旋轉定盤、晶圓保持頭、磨漿供應噴嘴，並進一步具有研磨墊的再生裝置(調理器conditioner)。供研磨墊貼付的旋轉定盤未必只有一個，也有一種由多數旋轉定盤組成，且這些會進行自我公轉的機構。相反地，一個研磨墊也可以有數個研磨頭。
又，用以控制CMP裝置的參數，除了研磨方式外，還有：研磨荷重、定盤旋轉速度、研磨頭旋轉速度、磨漿之選擇與供應 方法、調理之條件與頻率等。
如圖8所示，在一使晶圓固定的頭部中，有一種方法是對氣囊進行加壓(例如，參照專利文獻1)。
又，也有一種方法是在對氣囊加壓之際，藉由將晶圓區域加以細分化來給予分壓的方法，以促進研磨的均勻化的方法(例如，參照專利文獻2)
〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開2005-268566號公報
〔專利文獻2〕日本特開2007-005463號公報
以下說明專利文獻1所示使用氣囊加壓來固定晶圓的研磨頭構造。亦即，受到加壓的氣囊的壓力在氣囊外圍部會有局部性的高壓，與該部分相接的晶圓區域，在和其他區域相較之下，將會對研磨墊給予比較強的推壓，且與其他晶圓區域相較，被研磨的絕緣材料將會受到較多的切削。由於晶圓部分區域的被研磨絕緣材料受到過度切削，晶圓內面的研磨均勻性即有落差，結果，晶圓內面之絕緣材料膜厚度不齊狀況即產生。發生膜厚不齊之晶圓區域的電氣特性將產生差異，依狀況會有電氣特性上的異常發生。
圖9顯示其圖解圖，上段是剖面圖解圖，中段是平面圖解圖，下段是顯示研磨速度(實線)與研磨後的殘留膜厚(虛線)。如圖9所示，在習知技術中，為了壓住晶圓1，會導入壓縮空氣，氣囊的外圍部上局部空氣高壓力會加到區域6上，其壓力比中心 部還高。在高壓力部被從上壓住的晶圓1中成為高加壓區域X之壓力較強區域的絕緣膜研磨率會增大，比起從上方被壓住之壓力較小的中心部，其會受到較多的切削，於是在高加壓區域X，絕緣膜材料平坦化後的晶圓1面內均勻度即惡化了。
又，在一種如專利文獻2所示採用了在對氣囊加壓之際細分化晶圓區域再予以分壓之方法的研磨頭構造中，由於是一種需要多個空氣分壓用調節裝置的構造，裝置的規模將變大，而成為一個複雜的控制機構。
本發明為一有鑑於上述狀況而成者，其目的在提供一種具有簡易構成且具有研磨均勻性的研磨頭、具有該研磨頭的CMP研磨裝置，以及使用該CMP研磨裝置的半導體積體電路裝置製造方法。
為了解決上述課題，本發明使用以下手段，亦即，為了使被研磨材的晶圓所受來自CMP研磨裝置之研磨頭氣囊的應力均勻分散，1.在氣囊下方配置了一由金屬或陶瓷所構成的應力分散板，並在應力分散板與下方的晶圓之間，設置一衝擊吸收片；2.將該應力分散板作成層積體；3.將該應力分散板表面作成球面形狀。
藉由單獨或組合上述手段，即可作出一能均勻地壓住晶圓整面的構造。
藉由使用上述手段，按壓晶圓的研磨頭部，將可以透過氣囊與應力分散板及衝擊吸收片而傳遞均勻的加壓應力，使晶圓整面受到均勻的按壓，而能提供一種晶圓之被研磨材料的晶圓面內膜厚不齊狀況有減少的研磨頭，以及具有該研磨頭的CMP研磨裝置，和使用該CMP研磨裝置的半導體積體電路裝置製造方法。
1:晶圓
2:頂環
3:維持環
4:氣囊
5:研磨墊
6、X:高加壓區域
8:空氣流出入口
101、201、301、401、501、601、701:應力分散板
102:衝擊吸收片
圖1是顯示本發明之第一實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖2是顯示本發明之第二實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖3是顯示本發明之第三實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖4是顯示本發明之第四實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖5是顯示本發明之第五實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖6是顯示本發明之第六實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖7是顯示本發明之第七實施例的CMP研磨裝置之研磨頭的圖解剖面圖。
圖8是習知CMP研磨裝置之研磨頭的圖解平面圖與圖解剖面 圖。
圖9是一顯示出以習知CMP研磨裝置研磨後之晶圓內面殘膜不齊狀況的圖解圖。
以下，根據本發明之實施例所示圖式來說明各個實施例。
圖1是本發明之第一實施例的圖解剖面圖。尤其是圖解地顯示CMP研磨裝置之頭部部分的剖面構造。如前所述，在圖9所示習知技術中，當壓縮空氣被導入氣囊之後，在氣囊外圍部的區域6，會受到局部性的空氣高壓力，比中心部受到較高的壓力。晶圓1之在高加壓區域6處所受來自上方推壓之壓力較強區域的被研磨材料(例如絕緣膜)之研磨率即增大，比起受到上方推壓壓力較小的中央部位，被切削更多，平坦化後晶圓1的高加壓區域6所在被研磨材料的內面均勻性即惡化了。
在圖1之CMP研磨裝置中，其構造是在表面朝下而被載置於研磨墊5上且表面有多數半導體積體電路裝置之晶圓1的背面上，配置有氣囊4，藉由將壓縮空氣送入氣囊4，而從上方壓住晶圓1而固定之。並配置有維持環3，用以從側面圍住晶圓1和氣囊4，且配置有頂環2用以將這些圍住。在晶圓1的下方配置有研磨墊5，包含晶圓1在內的頂環2會在研磨墊5上旋轉，邊使晶圓1表面的被研磨材(例如絕緣膜)被研磨而平坦化。
又，如圖1所示，在氣囊4的下方，是一配置有金屬或 是陶瓷等材料之單一素材或是複合材料所作成的板狀應力分散板101，以及更下方之衝擊吸收片102(例如凝膠狀片等)，然後才按壓晶圓1的構造。此時，由於應力分散板101設法調整最適當條件使其具有一能充分擋住氣囊4之壓力的硬度，以及均勻的厚度，因而能夠頂住來自氣囊4的壓力(或是應力)，並均勻地將壓力向下部傳。
又，在應力分散板101下方，配置有衝擊吸收片102，因而能夠緩和下傳給晶圓1的壓力衝擊，並能均勻地將壓力傳給晶圓整面。其中，最好將應力分散板101與衝擊吸收片102的平面形狀作成相同，且具有一比晶圓1還大的平面形狀。
氣囊4是一種在橡膠等柔軟性材料中充填有壓縮空氣的東西，其楊氏係數相當小。相對於此，設置於其下方的應力分散板101所用的金屬或陶瓷的楊氏係數若為銅是120GPa，鉬是330GPa，鎢是400GPa，碳化矽是600GPa，碳化鎢是550GPa，與氣囊4的楊氏係數相比，是非常高的。
因此，來自氣囊4之局部施加壓力將不再是垂直方向，而是水平方向分散，應力分散板101不會有局部應變，而是均勻地應變。又，因應力分散板101之應變所致的應力，會透過設於其下方的衝擊吸收片102，而被傳到晶圓1，晶圓1而接著被研磨。此時，即不會有因受局部施加之壓力所致晶圓周邊部位研磨速度極高的情形。
當將應力分散板101作成由複合材料組成的層積板時， 最好楊氏係數小的材料配置在氣囊側，楊氏係數大的材料配置在衝擊吸收片側。例如，當使用楊氏係數為70GPa左右的鋁與楊氏係數為400GPa左右的鎢所組成的層積體，來作成應力分散板101時，即最好將鋁接鄰氣囊4配置，藉由這樣的構成，將使局部壓力易於被分散，而能獲得更均勻的研磨。
圖2為一顯示本發明之第二實施例的圖解剖面圖。其僅簡示CMP研磨裝置之氣囊4以及其下方的應力分散板201，至於再其下方的衝擊吸收片等則省略圖示。首先，如圖9所示，在習知技術中，可以確定有一局部性受到空氣高壓力的高加壓區域6的被研磨材的研磨率增大，且平坦化的均勻性惡化的區域。這是因為氣囊4的壓力在接近空氣流出入口8以及維持環3部分會較高之故。
相對於在實施例1中使用一具有均勻厚度之應力分散板101的構造，在圖2所示的實施例中，為了分散高加壓區域6的壓力(或是應力)再將其傳向下部，是使用一種將應力分散板201的形狀作成從空氣流出入口8愈靠向晶圓1之中央部位方向愈緩緩增厚的構造。圖中雖然未顯示，但深度方向亦作成相同形狀，應力分散板201之與氣囊4相接的上表面是呈凸球面形狀，其中心部最高。至於與相反側之衝擊吸收片相接的部分，則仍維持平坦平面。
藉由如此作法，將可以更均勻分散該來自氣囊4之壓力(或應力)，並將之傳到下部。應力分散板201的厚度，可以試著 就每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至最適當的厚度形狀。又，圖中之應力分散板201內側的箭號，是用以圖示壓力(或是應力)分散的樣子。在以下的實施例中亦會以箭號來圖示分散的樣子。
其次，圖3為一顯示本發明之第三實施例的圖解剖面圖。相對於實施例一之具有均勻厚度的應力分散板101構造，為了使高加壓區域6之壓力(或是應力)予以分散並傳至下部，本例將應力分散板301的形狀，作成一僅在空氣流出入口8的正下方，部分性地具有一和緩曲線狀凸球面形狀的構造，使應力分散板301之厚度比其他區域還厚。
藉由如此作法，將可以更均勻地分散該來自氣囊4的壓力(或是應力)，並將之傳至下方部位。至於僅部分性地設在應力分散板301之空氣流出入口8正下方的和緩曲線狀凸球面形狀的厚度，也是可以試著就每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至最適當的厚度形狀。
其次，圖4為一顯示本發明之第四實施例的圖解剖面圖。相對於實施例一之具有均勻厚度的應力分散板101構造，為了使高加壓區域6之壓力(或是應力)予以分散並傳至下部，本例是將應力分散板401的形狀，作成一自空氣流出入口8，愈靠向中央部位其厚度愈緩緩變薄的構造，亦即作成一配合氣囊4的形狀，在應力分散板401之整個區域具有一和緩曲線狀之凹球面形狀的構造。
藉由如此作法，將可以更均勻地分散該來自氣囊4的壓力(或是應力)，並將之傳至下方部位。至於應力分散板401的厚度，也是可以試著就每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至最適當的厚度形狀。
其次，圖5為一顯示本發明之第五實施例的圖解剖面圖。相對於實施例一之具有均勻厚度的應力分散板101構造，為了使高加壓區域6之壓力(或是應力)予以分散並傳至下部，本例將應力分散板501的形狀，作成一僅在空氣流出入口8的正下方，部分性地具有一和緩曲線狀凹球面形狀的構造，使應力分散板501之厚度比其他區域還薄。而與相反側之衝擊吸收片相接的部分則維持平坦平面。
藉由如此作法，將可以更均勻地分散該來自氣囊4的壓力(或是應力)，並將之傳至下方部位。至於應力分散板501之僅部分性地設在空氣流出入口8正下方的和緩曲線狀凹球面形狀的厚度，也是可以試著就每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至最適當的厚度形狀。
其次，圖6為一顯示本發明之第六實施例的圖解剖面圖。相對於實施例一之具有均勻厚度的應力分散板101構造，為了使高加壓區域6之壓力(或是應力)予以分散並傳至下部，本例將應力分散板601的形狀，作成一將實施例二之凸球面形狀上下顛倒，而成一自空氣流出入口8向晶圓1中央部位緩和變厚的構造。
亦即，將應力分散板601與氣囊4相接的上表面，作成 平坦平面，而與相反側之衝擊吸收片相接的下表面則成凸球面形狀的構造。藉由如此作法，將可以更均勻地分散該來自氣囊4的壓力(或是應力)，並將之傳至下方部位。至於以應力分散板601之形狀為特徵的中央部位厚度，則也是可以試著就每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至最適當的厚度形狀。
最後，圖7為一顯示本發明之第七實施例的圖解剖面圖。相對於實施例一之具有均勻厚度的應力分散板101構造，為了使高加壓區域6之壓力(或是應力)予以分散並傳至下部，本例將應力分散板701的形狀，作成一與第五實施例所示形狀上下顛倒的形狀，藉此將可以更均勻地分散該來自氣囊4的壓力(或是應力)，並將之傳至下方部位。
至於應力分散板701之僅部分性地設在空氣流出入口8正下方的和緩部分凹球面形狀的厚度，也是可以試每個被研磨材實施研磨，再確認晶圓內面殘膜在研磨後的膜厚差，而調整至具有最適當厚度的形狀。
1:晶圓
2:頂環
3:維持環
4:氣囊
5:研磨墊
8:空氣流出入口
101:應力分散板
102:衝擊吸收片

Claims (13)

  1. 一種研磨頭，是CMP研磨裝置的研磨頭，其特徵在於包含：研磨墊；氣囊，用以從一被載置於所述研磨墊表面之晶圓的背面方向，將所述晶圓的表面，壓向所述研磨墊；維持環，用以圍住所述氣囊的側面；頂環，用以圍住所述氣囊與所述晶圓以及所述維持環；及應力分散板與衝擊吸收片，設置在所述氣囊與所述晶圓之間，其中所述應力分散板之與所述氣囊相接觸的上表面，具有球面形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的研磨頭，其中所述球面形狀是凸球面形狀。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的研磨頭，其中所述凸球面形狀，是部分性地設置於所述氣囊之空氣流出入口下方。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的研磨頭，其中所述球面形狀為凹球面形狀。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的研磨頭，其中所述凹球面形狀，是部分性地設置於所述氣囊之空氣流出入口下方。
  6. 一種研磨頭，是CMP研磨裝置的研磨頭，其特徵在於包含： 研磨墊；氣囊，用以從一被載置於所述研磨墊表面之晶圓的背面方向，將所述晶圓的表面，壓向所述研磨墊；維持環，用以圍住所述氣囊的側面；頂環，用以圍住所述氣囊與所述晶圓以及所述維持環；及應力分散板與衝擊吸收片，設置在所述氣囊與所述晶圓之間，其中所述應力分散板之與所述衝擊吸收片相接觸的下表面，具有球面形狀。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的研磨頭，其中所述球面形狀是凸球面形狀。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的研磨頭，其中所述球面形狀為凹球面形狀。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的研磨頭，其中所述凹球面形狀，是部分性地設置於所述氣囊之空氣流出入口下方。
  10. 如申請專利範圍第1至9項之任一項所述的研磨頭，其中所述應力分散板是金屬與陶瓷其中之一，或是二者以上的複合層所構成。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的研磨頭，其中所述複合層，是一種具不同楊氏係數之複數材料的層積體，且楊氏係數相對較小的材料鄰接所述氣囊。
  12. 一種CMP研磨裝置，具有如申請專利範圍第1至11項之任一項所述的研磨頭。
  13. 一種半導體積體電路裝置的製造方法，具有一使用請求項第12項所述CMP研磨裝置來進行晶圓表面平坦化的製程。
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