專利名稱：研磨墊以及研磨晶圓的方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種研磨墊以及研磨晶圓的方法，且特別是有關于一種可有效改善研磨效率的研磨墊以及研磨晶圓的方法。
背景技術：
在存儲器晶圓(memory wafer)或邏輯晶圓(logic wafer)等半導體元件的制作中，為了提高電子元件的集成度以及降低生產成本，所以近來在工藝上有逐漸提高深寬比(aspect ratio)且增加導線層(conductive circuit layer)的堆棧層數(shù)的趨勢。不過，在制作此多層導線層結構時，隨著堆棧層數(shù)的增加，于晶片表面所產生的凹凸或扭曲等不平坦的現(xiàn)象會日益顯著，因此能在工藝中消除晶圓表面的不平坦并達到所謂的完全平坦化(global planarity)的技術成為眾所矚目的焦點。使用此完全平坦化技術不但可以在元件上使用多層的導線結構，而且還能確保所制得的元件的合格率。最早提出完全平坦化的技術是美國IBM公司，其利用完全平坦化技術之一的化學機械研磨法(chemicalmechanical polishing，CMP)來進行埋入式導線之間金屬鑲嵌(damascene)工藝。在化學機械研磨的過程中，其是通過研磨粒子(abrasive particle)以及具有適當?shù)膹椥?elasticity)與硬度(hardness)的的研磨墊，在晶圓表面彼此進行相對運動以達成平坦化的目的。
然而，利用具有研磨粒的研磨液來進行淺溝渠隔離區(qū)(shallowtrench isolation，STI)的化學機械研磨以去除主動區(qū)的氮化硅上的介電材料(例如氧化硅)時，會于氧化硅表面產生碟陷(dishing)，且此碟陷現(xiàn)象至今一直無法獲得解決。因此，近來較常采用的方式為一種不需研磨液的化學機械研磨，此方法稱為砂布式化學機械研磨法(fixedabrasive CMP，簡稱FA-CMP)，其是將研磨粒固定于研磨墊中，意即使研磨墊如砂布(或砂紙)一般具有研磨顆粒因此具有研磨的功能，此方法的優(yōu)點具有高介電材料(例如氧化硅)對氮化硅的選擇比，且其平坦化效率(planarization efficiency)佳，而且可以有效降低淺溝渠內氧化硅發(fā)生碟陷的現(xiàn)象。
圖1A至圖1C，其為公知一種研磨晶圓的流程剖面示意圖。請參照圖1A，提供一研磨機臺100，研磨機臺100包括研磨載具102、研磨墊104與研磨臺106，其中研磨墊104位于研磨臺106上，且研磨墊104是由一顆顆包括研磨粒108與黏結劑110，且呈三角錐、六角錐或圓柱狀與矩陣式排列的固定式研磨顆粒111所構成，另外，研磨載具102系握持覆蓋有氧化硅層112(其例如是淺溝渠隔離工藝中用以填充溝槽的氧化硅)的圖案化晶圓114。
接著，請參照圖1B，進行研磨工藝以移除晶圓114上的部分氧化硅層112以使氧化硅層112表面完全平坦，在此步驟中，由于開始進行研磨的晶圓114表面的氧化硅層112為非平坦的表面，因此可以將研磨墊104中的黏結劑110移除，而使研磨粒108裸露出來達到研磨的效果。
然后，請參照圖1C，繼續(xù)進行研磨工藝以使晶圓114上的氧化硅層112表面完全平坦。然而，由于氧化硅層112逐漸平坦之后，氧化硅層112表面粗糙度(roughness)下降，所以其去除研磨墊104的黏結劑110的效率降低，甚至氧化硅層112表面的粗造度已不足以將研磨墊104中的黏結劑110去除而使研磨粒108無法外露，所以要使氧化硅層112表面完全平坦勢必需花費很多的時間才可達到效果，甚至是氧化硅無法完全被去除而造成在主動區(qū)上殘留氧化硅的情形。
因此由上可知，砂布式研磨墊若被研磨物的表面過于平坦時，則其研磨速率會降低，且研磨效率也會降低，因此必須限定被研磨物的厚度(例如小于1000埃)，但是此限制在現(xiàn)今90納米以及次90納米工藝上會使得淺溝渠填充(STI gap-fill)工藝寬度受到限制，亦會使砂布式化學機械研磨法能否順利應用于下一代半導體工藝的重要關鍵。因此，如何維持原有的高選擇比并解決公知的碟陷問題已成為砂布式化學機械研磨法重要的發(fā)展課題之一。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種研磨墊，以有效提高砂布式化學機械研磨法的研磨速率。
本發(fā)明的又一目的就是在提供一種研磨晶圓的方法，以解決公知被研磨的厚度受到限制的問題。
本發(fā)明的再一目的就是在提供一種研磨晶圓的方法，以提升淺溝渠填充(STI gap-fill)的工藝寬度。
本發(fā)明的另一目的就是在提供一種研磨晶圓的方法，可以在研磨晶圓時，實時(in-situ)在研磨墊上的研磨顆粒表面上形成凹凸表面。
本發(fā)明提出一種研磨墊，此研磨墊包括復數(shù)個研磨顆粒，而每一研磨顆粒包括黏結劑以及均勻分布于黏結劑中的復數(shù)個研磨粒，其中這些研磨粒例如是氧化鈰(CeO2)，除此之外，這些研磨顆粒與晶圓接觸的表面為凹凸表面。
本發(fā)明提出一種研磨晶圓的方法，此方法首先提供第一研磨墊，此第一研磨墊包括復數(shù)顆由黏結劑與均勻分布于此黏結劑中的研磨粒所構成的研磨顆粒，其中這些研磨粒例如是氧化鈰(CeO2)。之后，于第一研磨墊上進行第一研磨步驟以使晶圓表面平坦。接著，提供第二研磨墊，此第二研磨墊包括復數(shù)顆由黏結劑與均勻分布于此黏結劑中的研磨粒所組成的研磨顆粒，其中每一研磨顆粒的表面為凹凸的表面，且研磨粒例如是氧化鈰(CeO2)。然后，于第二研磨墊上進行第二研磨步驟。
本發(fā)明提出另一種研磨晶圓的方法，此方法首先提供一研磨載具其適于抓取晶圓，且此研磨載具的保持環(huán)(retaining ring)上具有溝槽，其中溝槽的圖案例如是十字形、同心圓形、螺旋形或包含十字形、同心圓形與螺旋形的復合型態(tài)。之后，提供一研磨墊，此研磨墊包括復數(shù)個研磨顆粒，其中每一研磨顆粒包括黏結劑與均勻分布于該黏結劑中的復數(shù)個研磨粒。接著，將抓取有該晶圓的研磨載具壓附于研磨墊上進行研磨，其中于進行研磨的同時，溝槽與研磨顆粒接觸，并通過溝槽將研磨顆粒與晶圓接觸的表面形成凹凸表面。
由上述可知，由于本發(fā)明利用具有凹凸表面的研磨墊(研磨顆粒)來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，因此可以解決因公知當被研磨物表面粗糙度下降，研磨效率會降低的問題，如此可以縮短完全平坦化工藝的時間，并避免產生殘留物的問題。
而且，由于本發(fā)明利用具有凹凸表面的研磨墊(研磨顆粒)來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，因此在進行砂布式化學機械研磨法時，被研磨物的厚度將不再受到限制，此外，利用本發(fā)明還可解決淺溝渠填充(STI gap-fill)工藝寬度受到限制的問題。
另外，本發(fā)明是利用一個在保持環(huán)上具有溝槽的晶圓載具來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，通過晶圓載具的保持環(huán)上的溝槽實時地將研磨墊(研磨顆粒)表面刮出凹凸不平的表面，因此即使被研磨物表面粗糙度下降，研磨墊的表面可以持續(xù)保有粗糙度。


圖1A至圖1C是公知的一種研磨晶圓的流程剖面示意圖；圖2A至圖2D是依照本發(fā)明的一較佳實施例的一種研磨晶圓的流程剖面示意圖；圖3所示為在使用不同的固定式研磨顆粒的情況之下，對于氧化硅/氮化硅研磨速率的影響的示意圖；圖4A至圖4B是依照本發(fā)明的一較佳實施例的另一種研磨晶圓的流程剖面示意圖；
圖5A至圖5C是圖4A中的具有溝槽的保持環(huán)的俯視示意圖；圖6所示為在使用不同的固定式研磨顆粒的情況之下，對于氧化硅/氮化硅研磨速率的影響的示意圖。
100、200、300、400研磨機臺102、202研磨載具104、204、216、302研磨墊106、206研磨臺108、208研磨粒110、210黏結劑111、211、217、311研磨顆粒112、212氧化硅層114、214晶圓203保持環(huán)203a溝槽具體實施方式
以下是以氧化硅此種介電材料之加以說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于以下實施例的應用，任何需要進行砂布式化學機械研磨法工藝亦可利用本發(fā)明的方法。
圖2A至圖2D，其為依照本發(fā)明一較佳實施例的一種研磨晶圓的流程剖面示意圖。
請參照圖2A，首先提供一研磨機臺200，研磨機臺200包括研磨載具202、第一研磨墊204與研磨臺206。其中第一研磨墊204位于研磨臺206上，且第一研磨墊204包括復數(shù)顆研磨顆粒211，其中此些研磨顆粒211呈三角錐、六角錐或圓柱狀與矩陣式排列，并且每一研磨顆粒211是由黏結劑210與均勻分布于此黏結劑210中的研磨粒208所構成，而黏結劑210例如是黏結樹脂(resin)。除此之外，上述的第一研磨墊204下方更包括有研磨襯墊(sub pad)(未繪示)與研磨盤(platen)(未繪示)依序配置，其中研磨盤的材質例如是鋁合金或不銹鋼材質，而研磨襯墊的材質例如是塑料、橡膠、或壓克力等材質。另外，研磨載具202握持覆蓋有氧化硅層212的圖案化晶圓214。值得一提的是，若被研磨物為氧化硅，則所使用的研磨粒208較佳者為氧化鈰(CeO2)，其對于氧化硅有較高的選擇比。
之后，請參照圖2B，于第一研磨墊204上進行第一研磨步驟以使晶圓214上氧化硅層212的表面平坦。在此步驟中，由于開始進行研磨的晶圓214表面的氧化硅層112為非平坦的表面，因此可以將研磨顆粒211中的黏結劑210移除，而使研磨粒208(例如是氧化鈰(CeO2))裸露出來，這些裸露出的研磨粒208具有研磨晶圓214表面的氧化硅層212的能力，并重復發(fā)生以下的活化(activation)(1)具有表面高低差的氧化硅層212表面移除黏結劑210并使研磨粒208裸露出來，(2)利用研磨粒208進行研磨并降低氧化硅層212表面的高低差，而且研磨粒208會逐漸鈍化，(3)仍具有表面高低差的氧化硅層212表面繼續(xù)移除黏結劑210并使新鮮的研磨粒208裸露出來直到氧化硅層212表面平坦為止。
然而，由于氧化硅層212逐漸平坦之后，氧化硅層212表面粗糙度(roughness)下降，所以其去除研磨墊204的黏結劑210的效率會降低，如此會導致研磨速率下降，因此，在后續(xù)步驟中提供具有凹凸表面的研磨墊來解決此問題。
接著，請參照圖2C，提供一研磨機臺300，研磨機臺300的構件與研磨機臺300相同，唯一的差別在于所提供的第二研磨墊216具有凹凸的研磨表面，此第二研磨墊216包括復數(shù)個呈三角錐、六角錐、圓柱狀或矩陣式排列的研磨顆粒217，其中每一研磨顆粒217是由黏結劑210與均勻分布于此黏結劑中的研磨粒208所構成，并且此些研磨顆粒217的表面為凹凸的表面，其凹凸的形狀例如是錐狀或是圓柱狀。值得一提的是，若被研磨物為氧化硅，則所使用的研磨粒208較佳者為氧化鈰(CeO2)，其對于氧化硅有較高的選擇比。此外，第二研磨墊204下方更包括有研磨襯墊(sub pad)(未繪示)與研磨盤(platen)(未繪示)依序配置，其中研磨襯墊的材質例如是鋁合金、研磨襯墊的材質例如是塑料、橡膠、或壓克力等材質。
然后，請參照圖2D，于第二研磨墊216上進行第二研磨步驟，以使晶圓214上氧化硅層212的表面平坦。在此步驟中，雖然氧化硅層212的表面已近乎平坦，無法有效將第二研磨墊216中的黏結劑210去除而裸露出研磨粒208，但是由于第二研磨墊216中的研磨顆粒217的表面為凹凸表面，因此仍具有研磨的能力，所以研磨效率并不會因為被研磨物(如氧化硅層212)的表面逐漸平整而有所改變，因此在進行平坦結構之研磨時，仍可保持良好的研磨速率。
接著，請參照圖3，圖3所示為在使用不同的固定式研磨顆粒的情況之下，對于氧化硅/氮化硅研磨速率的影響。其中■表示使用表面平坦的研磨墊(研磨顆粒)研磨氧化硅層?！醣硎臼褂帽砻姘纪沟难心|(研磨顆粒)研磨氧化硅層?！癖硎臼褂帽砻嫫教沟难心|(研磨顆粒)研磨氮化硅層。○表示使用表面凹凸的研磨墊(研磨顆粒)研磨氮化硅層。由圖中所示可知，無論是使用表面平坦或表面平坦凹凸的研磨墊研磨氮化硅層，其對氮化硅層的移除速率都十分的低，因此相當適用于淺溝渠隔離結構的磨除氧化硅層的化學機械研磨工藝，再者，將表面平坦的研磨墊與表面凹凸的研磨墊相較之下，表面凹凸的研磨墊對氧化硅層的移除速率明顯的高出表面平坦的研磨墊甚多，因此，即使是晶圓表面的氧化硅已平坦化，亦能夠使用表面凹凸的研磨墊進行研磨以提高研磨速率，并有效的去除氧化硅層。
圖4A至圖4B，其為依照本發(fā)明一較佳實施例的另一種研磨晶圓的流程剖面示意圖。
請參照圖4A，首先提供研磨機臺400，其中研磨機臺400例如是如上述實施例所述的機臺200、300，其包括研磨載具202、研磨墊302與研磨臺206。
其中值得注意的是，在研磨載具202的保持環(huán)203(retaining ring)的表面上具有溝槽203a，且其溝槽203a圖案例如是十字形(如圖5A所示)、同心圓形(如圖5B所示)、螺旋形(如圖5C所示)或包含十字形、同心圓形與螺旋形的復合型態(tài)其中之一，并且，保持環(huán)203上的溝槽203a在進行晶圓研磨時能夠接觸到研磨墊302。
此外，研磨墊302中包括復數(shù)個呈三角錐、六角錐、圓柱狀或矩陣式排列的研磨顆粒311，其中每一研磨顆粒311是由黏結劑210與均勻分布于此黏結劑210中的研磨粒208所構成，另外，黏結劑210例如是黏結樹脂(resin)。
另外，上述的研磨墊302下方更包括有研磨盤(platen)(未繪示)，此研磨盤的材質例如是鋁合金或不銹鋼材質。另外，研磨載具202握持覆蓋有氧化硅層212的圖案化晶圓214。值得一提的是，若被研磨物為氧化硅，則所使用的研磨粒208較佳者為氧化鈰(CeO2)，其對于氧化硅有較高的選擇比。
然后，請繼續(xù)參照圖4A，以研磨載具202抓取晶圓214，并壓附于研磨墊302上進行第一研磨步驟以使晶圓214上的氧化硅層212表面平坦。在此步驟中，當研磨步驟不斷進行時，氧化硅層212的表面會逐漸平坦，而逐漸失去將研磨墊302中的黏結劑210去除而裸露出研磨粒208的功能，然而，于此同時，晶圓載具202的保持環(huán)203上的溝槽203a將會與研磨顆粒311接觸，而將研磨顆粒311刮出凹凸不平的表面。
然后，請參照圖4B，繼續(xù)進行研磨，此時由于通過晶圓載具202的保持環(huán)203上的溝槽203a實時(in-situ)地將研磨顆粒311刮出凹凸不平的表面，所以會使得研磨墊302的表面仍保持一定的粗糙度，所以仍具有良好研磨的能力，故研磨效率并不會因為被研磨物(例如氧化硅層212)的表面逐漸平整而有所改變，因此在進行平坦結構的研磨時，仍可保持良好的研磨速率。
接著，請參照圖6，圖6所示為在使用不同的研磨載具的情況之下，對于氧化硅/氮化硅研磨速率的影響。其中■表示使用保持環(huán)表面平坦的研磨載具研磨氧化硅層?！醣硎臼褂帽３汁h(huán)表面具溝槽的研磨載具研磨氧化硅層?！癖硎臼褂帽３汁h(huán)表面平坦的研磨載具研磨氮化硅層?！鸨硎臼褂帽３汁h(huán)表面具溝槽的研磨載具研磨氮化硅層。由圖中所示可知，無論是使用保持環(huán)表面平坦或是保持環(huán)表面具溝槽的研磨載具研磨氮化硅層，其對氮化硅層的移除速率都十分的低，因此相當適用于淺溝渠隔離結構的磨除氧化硅層的化學機械研磨工藝，再者，將使用保持環(huán)表面平坦的研磨載具研磨氧化硅層與使用保持環(huán)表面具溝槽的研磨載具研磨氧化硅層相較之下，使用保持環(huán)表面具溝槽的研磨載具研磨氧化硅層的氧化硅移除速率明顯的高出使用保持環(huán)表面平坦的研磨載具研磨氧化硅層甚多，因此，即使是晶圓表面的氧化硅已平坦化，通過利用保持環(huán)表面具溝槽的研磨載具將研磨墊表面形成凹凸表面進行研磨，亦能夠提高研磨速率，有效的去除氧化硅層。
因此由上可知，本發(fā)明利用具有凹凸表面的研磨墊(研磨顆粒)來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，因此可以解決因公知當被研磨物表面粗糙度下降，研磨效率會降低的問題，如此可以縮短完全平坦化工藝的時間，并避免產生殘留物的問題。
而且，由于本發(fā)明利用具有凹凸表面的研磨墊(研磨顆粒)來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，因此在進行砂布式化學機械研磨法時，被研磨物的厚度將不再受到限制，此外，利用本發(fā)明還可解決淺溝渠填充(STI gap-fill)工藝寬度受到限制的問題。
另外，本發(fā)明利用一個在保持環(huán)上具有溝槽的晶圓載具來進行砂布式化學機械研磨法的晶圓研磨，通過晶圓載具的保持環(huán)上的溝槽實時的將研磨墊(研磨顆粒)表面刮出凹凸不平的表面，因此即使被研磨物表面粗糙度下降，研磨墊的表面可以持續(xù)保有粗糙度。
除此之外，在本發(fā)明中若使用氧化鈰(CeO2)作為研磨粒，則其對于氧化硅與氮化硅具有良好的選擇比，所以可以將殘存于氮化硅上的氧化硅完全去除。
此外，在本發(fā)明較佳實施例中，研磨墊是由復數(shù)顆研磨顆粒所構成，且每一顆研磨顆粒是由黏結劑與包含在黏結劑中的復數(shù)顆研磨粒所構成，然而本發(fā)明并不限定于此，本發(fā)明的研磨墊亦可以將黏結劑形成為一整層，并且在黏結劑層中包含有復數(shù)顆研磨粒。
權利要求
1.一種研磨墊，其特征是，包括復數(shù)個研磨顆粒，其中每一研磨顆粒包括一黏結劑；以及復數(shù)個研磨粒，該些研磨粒均勻分布于該黏結劑中，其中該些研磨顆粒與晶圓接觸的表面為一凹凸表面。
2.如權利要求1所述的研磨墊，其特征是，該些研磨粒包括氧化鈰。
3.如權利要求1所述的研磨墊，其特征是，該黏結劑包括樹脂。
4.一種研磨晶圓的方法，其特征是，該方法包括提供一第一研磨墊，該第一研磨墊包括復數(shù)個第一研磨顆粒，其中每一第一研磨顆粒包括一黏結劑與均勻分布于該黏結劑中的復數(shù)個研磨粒；于該第一研磨墊上進行一第一研磨步驟以使一晶圓表面平坦；提供一第二研磨墊，該第二研磨墊包括復數(shù)個第二研磨顆粒，其中每一第二研磨顆粒包括該黏結劑與均勻分布于該黏結劑中的該些研磨粒，且該些第二研磨顆粒與晶圓接觸的表面為一凹凸表面；以及于該第二研磨墊上進行一第二研磨步驟。
5.如權利要求4所述的研磨晶圓的方法，其特征是，該些研磨粒包括氧化鈰。
6.如權利要求4所述的研磨晶圓的方法，其特征是，該黏結劑包括樹脂。
7.一種研磨晶圓的方法，其特征是，該方法包括提供一研磨載具，適于抓取一晶圓，其中該研磨載具的保持環(huán)上具有一溝槽；提供一研磨墊，該研磨墊包括復數(shù)個研磨顆粒，其中每一研磨顆粒包括一黏結劑與均勻分布于該黏結劑中的復數(shù)個研磨粒；以及將抓取有該晶圓的該研磨載具壓附于該研磨墊上進行研磨，其中于進行研磨的同時，該溝槽與該些研磨顆粒接觸，并通過該溝槽將該些研磨顆粒與該晶圓接觸的表面形成凹凸表面。
8.如權利要求7所述的研磨晶圓的方法，其特征是，該溝槽的圖案包括十字形、同心圓形、螺旋形以及包含十字形、同心圓形與螺旋形的復合型態(tài)其中之一。
9.如權利要求7所述的研磨晶圓的方法，其特征是，該些研磨粒包括氧化鈰。
10.如權利要求7所述的研磨晶圓的方法，其特征是，該黏結劑包括樹脂。
全文摘要
一種研磨晶圓的方法，此方法是首先提供第一研磨墊，此第一研磨墊包括復數(shù)個研磨顆粒。之后，于第一研磨墊上進行第一研磨步驟以使晶圓表面平坦。接著，提供第二研磨墊，第二研磨墊包括復數(shù)個研磨顆粒且其與晶圓接觸的表面為凹凸表面。然后，于第二研磨墊上進行第二研磨步驟。由于此方法提供具有凹凸表面的第二研磨墊進行第二次研磨，因此可以有效改善公知被研磨物過于平坦而導致研磨效率下降的問題。
文檔編號H01L21/304GK1597254SQ03156940
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月15日 優(yōu)先權日2003年9月15日
發(fā)明者蔡騰群, 呂曉玲, 朱辛堃, 李振仲 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司