TW201432803A - 改良式化學機械平坦化平台 - Google Patents

Abstract

一種平坦化或研磨半導體晶圓的方法及系統。此系統包含適用於承載半導體晶圓的載體、一研磨墊以及一平台，此平台具有與研磨墊接觸之實質平坦表面，且平坦表面具有散布的孔洞。這些散布的孔洞係操作來連接到提供真空壓力的真空系統，藉以在系統運作期間，將研磨墊靠著平台托住。載體與研磨墊的相對運動用來平坦化晶圓的表面。

Description

改良式化學機械平坦化平台

本發明是有關於一種平坦化機台，且特別是有關於一種化學機械平坦化平台。

化學機械平坦化或研磨(以下簡稱「CMP」)是一種透過化學蝕刻以及物理研磨的方式來平坦化半導體晶圓之表面的整體過程。在一示範CMP的步驟中，在CMP製程期間，半導體晶圓是固定在旋轉的研磨頭上。研磨頭一般是以不同旋轉軸旋轉來移除晶圓上的物質，甚至是消除不規則的表面地形。旋轉的研磨頭將半導體晶圓壓抵於貼附在平台上的旋轉研磨墊。將含有化學蝕刻劑以及膠質顆粒的研磨漿施加在研磨墊上，因而移除晶圓表面上之不規則處，進而得達到半導體晶圓之平坦化。

習知的CMP機器或系統是透過壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesion)將研磨墊貼附在平台。然而，這樣的研磨墊貼附方式易於導致異常的研磨墊磨耗、起泡事件以及研磨的表面缺陷。任何這些或其他有害的影響都會對半導體晶圓的表面地形以及其上之元件效果造成負面衝擊。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種化學機械平坦化系統、半導體研磨系統與研磨半導體晶圓之方法，其係藉由在平台上設置多個散布的孔洞，以利真空系統透過這些孔洞來對研磨墊施加真空壓力，故可使研磨墊的研磨表面獲得受控制的平坦度。

根據本發明之上述目的，提出一種化學機械平坦化系統，包含載體、研磨墊以及平台。載體適於承載半導體晶圓。平台具有與研磨墊接觸之實質平坦表面，且實質平坦表面具有複數個散布之孔洞。這些散布之孔洞係操作來連接到提供真空壓力之真空系統，藉以在化學機械平坦化系統運作期間，將研磨墊靠著平台托住。其中，載體與研磨墊之間的相對運動用來平坦化半導體晶圓之表面。

依據本發明之一實施例，上述研磨墊之材料係選自由聚氨酯塊、聚氨酯切片或聚氨酯浸漬的聚酯氈所組成之一群組。

依據本發明之另一實施例，上述半導體晶圓係以欲平坦化之半導體晶圓之表面面朝研磨墊的方式倒置的承載在載體中。

依據本發明之又一實施例，上述半導體晶圓係藉由真空或背膜而承載在載體上。

依據本發明之再一實施例，上述真空系統係外加於化學機械平坦化系統上。

依據本發明之再一實施例，上述散布之孔洞係依圖 案而提供在平台之表面上，圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。

依據本發明之再一實施例，上述每一散布之孔洞的幾何圖形係選自由三角形、正方形、圓形及其組合所組成之一群組。

依據本發明之再一實施例，上述每一散布之孔洞的寬度為從0.1毫米至2.5毫米。

依據本發明之再一實施例，上述散布之孔洞係對稱。

根據本發明之上述目的，另提出一種半導體研磨系統，包含晶圓載體、平台以及真空系統。平台具有與研磨墊之最近表面接觸之實質平坦表面，且實質平坦表面具有複數個散布之孔洞。真空系統連接至每一散布之孔洞。其中，研磨墊的遠端表面保持實質平坦，以提供藉由這些散布之孔洞將均勻分布之真空壓力施加於研磨墊之最近表面的功能。

依據本發明之一實施例，上述晶圓載體與研磨墊之間的相對運動用以研磨承載於晶圓載體之晶圓之表面。

依據本發明之另一實施例，上述散布之孔洞係依圖案而提供在平台之表面上，圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。

依據本發明之又一實施例，上述每一散布之孔洞的幾何圖形係選自由三角形、正方形、圓形及其組合所組成之一群組。

依據本發明之再一實施例，上述每一散布之孔洞的寬度為從0.1毫米至2.5毫米。

依據本發明之再一實施例，上述散布之孔洞係對稱。

根據本發明之上述目的，又提出一種研磨半導體晶圓之方法，包含下列步驟。承載半導體晶圓在載體中。利用從平台施加均勻分布真空壓力於研磨墊之最近表面，將研磨墊承載於平台上。提供載體與研磨墊之間的相對運動，以研磨半導體晶圓之表面。

依據本發明之一實施例，上述提供相對運動之步驟更包含以不同旋轉軸旋轉載體以及旋轉平台。

依據本發明之另一實施例，上述承載研磨墊之步驟更包含提供複數個散布之孔洞在接觸研磨墊之最近表面的平台之一表面上，而且這些散布之孔洞適於施加均勻分布真空壓力於研磨墊之最近表面上。

依據本發明之又一實施例，上述散布之孔洞係依圖案而提供在平台之表面上，圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。

依據本發明之再一實施例，上述承載半導體晶圓之步驟更包含以真空或背膜承載半導體晶圓於載體中。

100‧‧‧化學機械平坦化或研磨系統

101‧‧‧平坦化模組

102‧‧‧平台

103‧‧‧平坦化站

104‧‧‧研磨墊

108‧‧‧載體、研磨頭或轉軸

109‧‧‧背膜

110‧‧‧研磨漿導引機構

111‧‧‧固定環

112‧‧‧研磨墊調節器

115‧‧‧研磨漿

120‧‧‧晶圓

130‧‧‧工廠介面

132‧‧‧卡匣

140‧‧‧清潔模組

150‧‧‧孔洞

152‧‧‧輻射線

154‧‧‧同心圓

156‧‧‧格線

160‧‧‧乾式機器手臂

165‧‧‧濕式機器手臂

170‧‧‧負載杯

180‧‧‧真空系統

400‧‧‧方法

410、420、430‧‧‧步驟

從下列結合所附圖式所作的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需強調的是，根據業界的標準實務， 各特徵並未依比例繪示，且目的僅係用以說明。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

第1圖係繪示化學機械平坦化工具之上視圖。

第2圖係繪示在第1圖中之工具的平台、研磨墊以及研磨頭構件的透視圖。

第3a圖至第3c圖係繪示依照本揭露之示範化學機械平坦化之平台或工作台之上視圖。

第4圖係繪示本揭露之一些實施例之方塊圖。

可了解的是，以下的揭露提供了許多不同的實施例或例子，以實現各種實施例之不同特徵。以下所描述之構件與安排的特定例子係用以簡化本揭露。當然這些例子僅供例示，並非用以作為限制。本揭露可能會在各例子中重複參考數字及/或文字。這樣的重複係基於簡單與清楚之目的，以其本身而言並非用以指定所討論之各實施例及/或配置之間的關係。

在此所使用的詞彙僅是用來描述特定實施例，並非用來限制所附之申請專利範圍。例如，除非特別限制，否則單數型式之「一」或「該」也可表示複數型式。如「第一」及「第二」的詞彙用來描述不同的裝置、區域或是層等等，雖然這些詞彙僅是用來區分一裝置、一區域或一層與另一裝置、另一區域或另一層。因此，在不背離所主張 之標的的精神下，第一區域也可以稱為第二區域，其他同理可得。再者，空間方向的詞彙如「之下」、「之上」、「上」、「下」等等，是用來描述在圖中一裝置或一特徵與另一裝置或另一特徵的關係。應注意的是，除了在圖中所繪示之裝置的方向外，空間方向詞彙可以包含裝置的不同方向。例如，如果在圖中的裝置被翻轉，原本此裝置位於另一裝置或特徵「之下」或「以下」就會被重新調整為位於另一裝置或特徵「之上」。因此，空間方向詞彙「之下」可能包含「以上」及「以下」兩種方向。

第1圖係繪示化學機械平坦化機台之上視圖。第2圖係繪示第1圖所示之機台的平台、研磨墊以及研磨頭構件的透視圖。請參照第1及2圖，可透過一示範化學機械平坦化或研磨(CMP)系統100來進行一或多個半導體晶圓的化學機械平坦化或研磨製程。示範化學機械平坦化或研磨系統100通常包含工廠介面130、清潔模組140以及研磨或平坦化模組101。在一些實施例中，提供乾式機器手臂160來將基板或晶圓在工廠介面130及清潔模組140之間傳送，以及提供濕式機器手臂165來將基板或晶圓在清潔模組140及平坦化模組101之間傳送。另外，雖未繪示出，但在其他實施例中，可配置濕式機器手臂165來將基板或晶圓在工廠介面130、清潔模組140及/或研磨模組101之間傳送。

工廠介面130通常包含乾式機器手臂160，乾式機器手臂160配置來在一或多個卡匣132及清潔模組140之 間傳送基板或晶圓。在第1圖所繪示的實施例中，顯示有四個儲存卡匣132，然而，根據本揭露的實施例不應如此受限，而可設想有任何數量的卡匣。乾式機器手臂160一般具有足夠的移動範圍，以便於在儲存卡匣132與清潔模組140之間傳送。選擇地，藉由對機器手臂增加額外的連桿或是將機器手臂設置在軌道機構上，可增加乾式機器手臂160的移動範圍。如圖所繪示，乾式機器手臂160亦配置來接收來自清潔模組140的基板或晶圓，並將已清潔、研磨過的基板或晶圓回送至基板儲存卡匣132。濕式機器手臂165通常具有足夠的移動範圍，以在清潔模組140與設置在平坦化模組101上的一或多個負載杯170之間傳送基板或晶圓。藉由對機器手臂增加額外的連桿或是將機器手臂設置在軌道機構上，亦可增加濕式機器手臂165的移動範圍。

平坦化模組101包含複數個平坦化站103，其各具有研磨墊104覆蓋的一或多個旋轉工作台或平台102。在本揭露的一些實施例中，研磨墊104透過外加或內建在化學機械平坦化或研磨系統100的真空系統180而貼附在平台102。平台102可供有連續散布的孔洞(未繪示)，這些孔洞操作來與真空系統180連接，以使研磨墊104可受到適當的真空。真空度可以利用內建或外加在平坦化模組101之傳統壓力監測器或設備來加以監控及/或控制，以沿著研磨墊104的下側均勻地分布真空，並將研磨墊104貼附於平台102，藉以使每一研磨表面獲得受控制的平坦度。在本揭露的各種實施例中，真空可維持在接近或大於1000百帕的 壓力值。當然，真空可變更且可小於1000百帕，以控制或調整研磨墊104表面的平坦度，此一示範壓力值不應限縮所附加申請專利範圍的範圍。可設想的是，本揭露之實施例採用應用在工業中任何適合的真空系統，來將研磨墊104附著在平台102上。

示範研磨墊104可以由聚氨酯塊或切片、聚氨酯浸漬的聚酯氈(polyurethane impregnated polyester felt)或另一適合的材料組成。欲研磨之晶圓120一般是倒置的安裝在載體、研磨頭或轉軸108中。載體、研磨頭或轉軸108適用於自負載杯170接收晶圓以及將晶圓送回負載杯170。晶圓120可藉由真空或是背膜109而承載在載體、研磨頭或轉軸108上。在一些實施例中，晶圓120被固定環111包圍。研磨漿115也可以透過研磨漿導引機構110導引至研磨墊104上。示範研磨漿115依據製程需求而包含懸浮在鹼性、中性或酸性溶液中的研磨料，例如化學蝕刻劑或膠體顆粒。

研磨墊調節器112也可以在化學機械平坦化或研磨製程期間、之前及/或之後，用來準備或適應研磨墊104的表面。研磨轉軸108通常會以不同的旋轉軸旋轉，以移除半導體晶圓120上的物質，甚至是消除不規則的表面地形。旋轉的研磨轉軸108將半導體晶圓120壓抵於旋轉的研磨墊104，且利用研磨漿導引機構110將含有化學蝕刻劑以及膠質顆粒的研磨漿115施加在研磨墊104上。在存在有研磨介質且受壓下，透過晶圓120在研磨平台102及研 磨墊104上主動旋轉，在一或多次的化學機械平坦化或研磨製程期間，可移除晶圓表面上的不規則，進而達成半導體晶圓120的平坦化。

示範化學機械平坦化或研磨系統100可在各個晶圓表面達成全面性的平坦化，且可用來平坦化所有類型的表面，包含但不限於，多材料表面。在一示範化學機械平坦化或研磨製程期間，化學反應促進了欲研磨之晶圓上的表面層的形成，表面層在反應性上較原來的表面軟。之後，透過研磨墊104的磨蝕來機械移除這些較軟性的表面。應該理解的是，一或多個化學機械平坦化或研磨製程可以包含化學機械平坦化或研磨製程的任何組合。舉例而言，在一些實施例中，可僅使用一次化學機械平坦化或研磨製程。在其他實施例中，此一或多個化學機械平坦化或研磨製程可包含第一以及第二化學機械平坦化或研磨製程，並且在進行第一以及第二化學機械平坦化或研磨製程時，使用不同類型的研磨漿。晶圓可以包含任何適合的半導體材料，包含但不限於，矽(Si)、鍺(Ge)、化合物半導體(compound semiconductor)以及絕緣底半導體(semiconductor-on-insulator；SOI)基板。化合物半導體可以是三五族半導體化合物，例如是砷化鎵(GaAs)。絕緣底半導體基板可以包含半導體位在如玻璃的絕緣體上。半導體元件的其他部分(未繪示)可以形成在晶圓上，這些部分包含但不限於，緩衝層、隔離層或如淺溝隔離(shallow trench isolation；STI)結構的隔離結構、通道層、源極區(source region)以及汲極區(drain region)。

第3a圖至第3c圖係繪示依照本揭露之示範化學機械平坦化之平台或工作台之上視圖。請參照第3a圖至第3c圖，示範化學機械平坦化的工作台或平台102包含連續散布的孔洞150，以使鄰近的研磨墊可以受到適當的真空。如第3a圖所示，孔洞150可以是輻射狀地散布在平台102的表面，例如沿著平台102的中央節點發出之複數個或連續的輻射線152散布。在一些實施例中，孔洞150可以同心圓地散布在平台102的表面，例如沿著以複數個同心圓154的圖形散布，如第3b圖所示。在其他實施例中，孔洞150可沿著格線156的圖案散布在平台102的表面上，如第3c圖所示。當然，第3a圖至第3c圖所繪示的實施例僅供示例，而不應用來將所附的申請專利範圍的範圍限制為本揭露中所想像之任何孔洞的形狀、孔洞的尺寸、孔洞的間距、孔洞的數目以及散布圖案。舉例而言，本揭露的實施例可以包含任何對稱以及不對稱的孔洞或其組合的圖案、可以包含各種孔洞的形狀(如圓形、三角形、正方形或其他適合的幾何圖形)、可以包含各種孔洞的大小或其組合(如0.1毫米至大約2.5毫米或更大)、可以包含各種孔洞的間距(亦即相鄰孔洞的相似邊或是點之間的距離)(如孔洞尺寸的2至5倍)、以及可以包含任何圖案之任何數量的孔洞或其組合的圖案。因此，藉由此示範平台102以及各自的孔洞散布，研磨墊104可以受到適當的真空，以提供一種自平台102表面貼附及/或移除此研磨墊的方法及系統，以及一種控制 研磨墊104的研磨表面平坦度或平坦化的方法或系統。

本揭露的一些實施例提供具有適於承載半導體晶圓之載體的化學機械平坦化或研磨系統。在一些實施例中，晶圓係以欲平坦化之晶圓之表面面朝各自之研磨墊的方式倒置的承載在載體中。晶圓可以藉由真空、背膜或是其他手段承載於載體。此系統也包含研磨墊以及具有接觸研磨墊的實質平坦表面的平台。研磨墊可由任何適合的物質組成，例如但不限於聚氨酯塊、聚氨酯切片、聚氨酯浸漬的聚酯氈。此平坦表面包含散布的孔洞，且這些孔洞操作來連接到提供真空壓力之真空系統，藉以在化學機械平坦化系統運作期間，將研磨墊靠著平台托住。在一些實施例中，真空系統是外加或內建於化學機械平坦化或研磨系統。這些散布之孔洞係依一圖案而提供在平台的表面上，圖案可以包含複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線或其他適合圖案。這些圖案可以是對稱或不對稱，且這些散布之孔洞可以各具有適合的幾何圖形，例如三角形、正方形、圓形等。再者，示範孔洞可以具有從大約0.1變化至大約2.5毫米的寬度。載體與研磨墊之間的相對運動將可用來平坦化晶圓的表面。

本揭露的其他實施例提供一種半導體研磨系統，包含晶圓載體；具有接觸研磨墊之最近表面的實質平坦表面之平台，此平坦表面具有散布之孔洞；以及連接到每一散布之孔洞的真空系統。研磨墊的遠端表面保持實質平坦，以提供藉由散布之孔洞將均勻分布真空壓力施加於研磨墊 之最近表面的功能。這些散布之孔洞係依一圖案而提供在平台之表面上，此圖案包含複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線或是其他適合的圖案。這些圖案可以是對稱或不對稱，且這些散布的孔洞可以各具有適合的幾何圖形，例如三角形、正方形、圓形等。再者，示範孔洞可以可具有從大約0.1毫米變化至大約2.5毫米的寬度。載體與研磨墊的相對運動用來研磨由晶圓載體承載的晶圓之表面。

第4圖係繪示本揭露之一些實施例之方塊圖。請參見第4圖，提供了一種研磨半導體晶圓的方法400。此方法400包含步驟410，將半導體晶圓承載在載體中。在其他實施例中，步驟410包含以真空或背膜將半導體晶圓承載在載體中。在步驟420中，利用從平台對研磨墊之最近表面施加均勻分布之真空壓力的方式，將研磨墊承載在平台上，並。在各個實施例中，步驟420包含提供散布之孔洞於接觸研磨墊之最近表面的平台之表面上，且這些散布的孔洞適於提供研磨墊之最近表面均勻分布真空壓力。在本揭露的補充實施例中，散布之孔洞係依各種圖案而提供在平台表面上，例如但不限於複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線或其他適合的圖形及其組合。在步驟430中，可提供載體與研磨墊之間的相對運動，以研磨晶圓之表面。在一些實施例中，步驟430包含以不同旋轉軸旋轉載體以及旋轉平台。

本揭露較廣泛的型式之一包含化學機械平坦化系統。此化學機械平坦化系統包含適於承載半導體晶圓的載 體、研磨墊以及具有接觸研磨墊的實質平坦表面之平台，此平坦表面具有散布之孔洞。這些散布之孔洞係操作來連接到提供一真空壓力之真空系統，藉以在系統運作期間，將研磨墊靠著平台托住，而載體與研磨墊之間的相對運動用來平坦化晶圓之表面。

本揭露另一種較廣泛的型式包含一半導體研磨系統。此半導體研磨系統包含晶圓載體；具有接觸研磨墊之最近表面的實質平坦表面之平台，此平坦表面具有散布之孔洞；以及連接到每一散布之孔洞的真空系統。研磨墊的遠端表面保持實質上地平坦，以提供藉由散布之孔洞將均勻分布真空壓力施加於研磨墊之最近表面的功能。

本揭露之又一種較廣泛的型式包含一種研磨半導體晶圓的方法。此方法包含下列步驟，承載半導體晶圓在載體中；利用從平台對研磨墊之最近表面施加均勻分布之真空壓力的方式，將研磨墊承載在平台上；以及提供載體與研磨墊之間的相對運動，以研磨晶圓之表面。

可特別強調的是，上述的實施例中，特別是任何的「較佳」實施例，僅是可能的實施例子，僅提出來供清楚了解本揭露的原理。在實質不脫離本揭露之精神和原理下，當可對本揭露之上述實施例進行各種更動與潤飾。於此所進行之各種更動與潤飾將包含在本揭露之範圍以及本揭露中，且為下列的申請專利範圍所保護。

再者，前面已概述數個實施例之特徵，如此可使熟習此項技藝者更加了解詳細描述。熟習此項技藝者應領會 到，他們可輕易地使用本揭露作為基礎來設計或潤飾其他製程或結構，以實現與在此所介紹之實施例相同之目標及/或達到相同優點。熟習此項技藝者亦應可了解到，在不脫離本揭露之精神和範圍下，這樣的等效架構並未脫離本揭露之精神和範圍，且他們當可在不脫離本揭露之精神和範圍內進行各種改變、替代以及改造。

同樣地，雖然在圖式中以特定順序繪示出操作，但此不應理解為這樣的操作需要以所示之特定順序或以連續的順序進行，或者以所有的圖示之操作進行，才能達到想要的結果。在某些環境下，多工處理或同時進行更為有利。

如第1至4圖中所示之各種構造及實施例中，已描述各種改良式機械平坦化平台。

雖然已描述本標之較佳實施例，然可理解的是，所描述的實施例僅供例示，本發明的範圍已根據充分的均等範圍而僅由所附的申請專利範圍所界定，熟習此項技藝者在此細讀後，當可自然地進行許多變化及修飾。

400‧‧‧方法

410、420、430‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種化學機械平坦化系統，包含：一載體，適於承載一半導體晶圓；一研磨墊；以及一平台，具有與該研磨墊接觸之一實質平坦表面，且該實質平坦表面具有複數個散布之孔洞，其中，該些散布之孔洞係操作來連接到提供一真空壓力之一真空系統，藉以在該化學機械平坦化系統運作期間，將該研磨墊靠著該平台托住，其中，該載體與該研磨墊之間的相對運動用來平坦化該半導體晶圓之一表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械平坦化系統，其中該些散布之孔洞係依一圖案而提供在該平台之該表面上，該圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械平坦化系統，其中每一該些散布之孔洞的幾何圖形係選自由三角形、正方形、圓形及其組合所組成之一群組。
4. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械平坦化系統，其中每一該些散布之孔洞的寬度為從0.1毫米至2.5毫米。
5. 一種半導體研磨系統，包含： 一晶圓載體；一平台，具有與一研磨墊之一最近表面接觸之一實質平坦表面，且該實質平坦表面具有複數個散布之孔洞；以及一真空系統，連接至每一該些散布之孔洞；其中，該研磨墊的一遠端表面保持實質平坦，以提供藉由該些散布之孔洞將一均勻分布之真空壓力施加於該研磨墊之該最近表面的功能。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體研磨系統，其中該些散布之孔洞係依一圖案而提供在該平台之該表面上，該圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。
7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體研磨系統，其中每一該些散布之孔洞的幾何圖形係選自由三角形、正方形、圓形及其組合所組成之一群組。
8. 一種研磨半導體晶圓之方法，包含下列步驟：承載一半導體晶圓在一載體中；利用從一平台施加一均勻分布真空壓力於一研磨墊之一最近表面，將一研磨墊承載於一平台上；以及提供該載體與該研磨墊之間的相對運動，以研磨該半導體晶圓之一表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之研磨半導體晶圓之方法，其中該承載該研磨墊之步驟更包含提供複數個散布之孔 洞在接觸該研磨墊之該最近表面的該平台之一表面上，而且該些散布之孔洞適於施加該均勻分布真空壓力於該研磨墊之該最近表面上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之研磨半導體晶圓之方法，其中該些散布之孔洞係依一圖案而提供在該平台之該表面上，該圖案係選自由複數個輻射線、複數個同心圓、複數個格線及其組合所組成之一群組。