专利名称：循环渐进平坦化方法及用于该方法的半导体研磨清洁装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学机械研磨制程的研磨方法及应用于该方法的装置，尤指一种循环 渐进平坦化方法及用于该方法的半导体研磨清洁装置。
背景技术：
20世纪，多层金属化技术被引入到集成电路(Integrated Circuit, IC)制程中， 该多层金属化技术使得芯片的垂直空间得以有效的被利用，因此提高了芯片上电子元件的 集成度，但这项技术使得晶圆的表面不平整度加剧，由此引发的一系列问题(例如引起光 阻厚度不均，进而导致光微影受限)严重影响了大规模集成电路(ULSI)的发展。针对上述的问题，业界先后开发了多种平坦化晶圆表面的技术，例如回蚀刻、玻 璃回流或旋涂膜层等技术，然而这些技术效果并不理想，直至80年代末，IBM公司将化学机 械研磨(ChemicalMechanical Planarization, CMP)技术进行了发展，并应用此化学机械研 磨技术于晶圆表面的平坦化，其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改 善，从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。化学机械研磨技术是晶圆表面全部平坦化技术中的一种，其可以认为是化学增强 型机械抛光，也可以认为是机械增强型化学湿刻蚀，在化学机械研磨技术使用具有研磨性 和腐蚀性的研磨液(Slurry)，并配合使用抛光垫(Pad)和支撑环，其中抛光垫的尺寸通常 比晶圆要大，且抛光垫和晶圆被一个可活动的抛光头压在一起，而支撑环则用于保持晶圆 的位置，晶圆和抛光垫同时转动(通常是以同向同速转)，但是它们的中心并不重合。在这 个过程中晶圆表面的材料和不规则结构都被除去，从而达到平坦化的目的。而平面化后的晶圆表面使得干式蚀刻(Dry Etching)中的图样的成型更加容易， 且平滑的晶圆表面还使得使用更小的金属图样成为可能，从而能够提高集成度。然而，目前化学机械研磨技术却有以下缺点1、化学机械研磨技术是在一预定的时间中，持续对晶圆表面进行平坦化，此时，平 坦化的过程中，晶圆的表面可能会被过度研磨，而导致晶圆表面上的电路受破坏；亦或研磨 程度不够，晶圆表面上的电路仍然被包覆，使得晶圆无法进行下一道制程。2、在化学机械研磨的过程中，由于受化学机械研磨机台与抛光垫设计的影响，大 约只有2%至25%的研磨液可以进入晶圆与抛光垫所接触的区域来进行化学蚀刻，而无法 对晶圆进行化学蚀刻的剩余75 %的研磨液则自抛光垫上流失，如此造成了制程成本的提 升。3、持续化学机械研磨的过程中，研磨下来的废弃物也须以研磨液清除，使研磨和 清除须配合的同时，也使晶圆平坦化程度的控制更不容易，而无法进一步提升良率及先进 制程的须求。本发明人有感上述缺陷的可改善之处，且依据多年来从事此方面的相关经验，悉 心观察且研究，并配合学理的运用，而提出一种设计合理且有效改善上述缺陷的本发明。
发明内容
本发明的一目的是提出一种容易结合于目前化学机械研磨设备内，并于晶圆表面 研磨平坦化过程中，达到清洁研磨表面目的的半导体研磨清洁装置。本发明的另一目的是提出一种循环渐进平坦化方法，其以渐进研磨清洁方式平坦 化晶圆的表面，从而能精准控制晶圆表面平坦化的程度，达到降低表面平坦化的差异、减少 不必要的晶圆材料和研磨液的浪费，同时亦降低操作控制成本。依据上述的目的，本发明提出一种半导体研磨清洁装置，应用于化学机械研磨 (Chemical Mechanical Planarization, CMP)制程中，该半导体研磨清洁装置接触一晶圆 的表面，以清洁该晶圆平坦研磨中的表面，而该半导体研磨清洁装置包含有一底座体；以 及三个刷头元件，设置于所述底座体上，且其中二个刷头元件接合于所述底座体的两端，而 剩余一个刷头元件接合于所述底座体上并位于所述底座体两端之间，其中该三个刷头元件 皆位于同一平面并接触该晶圆的表面，且接合于所述底座体两端的刷头元件的排列方向垂 直于位于所述底座体两端之间的刷头元件的排列方向。依据上述的目的，本发明提出一种循环渐进平坦化方法，其应用上所述的半导体 研磨清洁装置，该方法步骤包括如下预估晶圆总平坦化时间；依据所述晶圆总平坦化时 间，决定研磨清洁平坦化制程的循环次数；决定每一次研磨清洁平坦化制程的参数；执行 研磨清洁制程来平坦化晶圆的表面；每一次研磨清洁制程后，得判断晶圆表面平坦化程度 是否达到所需程度；当晶圆表面平坦化程度达到所需程度时，停止执行平坦化制程；或当 晶圆表面平坦化程度未达到所需程度时，重新执行研磨清洁平坦化制程，随后再次判断晶 圆表面平坦化程度，借此渐进地平坦化晶圆的表面，直至晶圆表面平坦化程度达到所需程 度或总平坦化时间。因此，本发明的循环渐进平坦化方法及用于该方法的半导体研磨清洁装置具有以 下有益效果对于本发明的半导体研磨清洁装置，其于化学机械研磨制程中，提供清洁的功能， 除上述有益效果外，该半导体研磨清洁装置能与目前业界使用的化学机械研磨设备互相组 装结合，故更方便使用。再者，对于不同尺寸晶圆皆可应用本发明的半导体研磨清洁装置来加以清洁晶圆 平坦研磨制程中的表面；另外，本发明以渐进方式对晶圆表面进行平坦化，因此能精准控制 晶圆表面平坦化的程度，降低操作控制成本，以及减少不必要的晶圆材料和研磨液的浪费。为了能更进一步了解本发明为达成既定目的所采取的技术、方法及功效，请参阅 以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且 具体的了解，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1为本发明的半导体研磨清洁装置的立体结构示意图；图2为本发明的半导体研磨清洁装置的侧视示意图；图3为本发明的半导体研磨清洁装置的仰视示意图；图4为循环渐进平坦化方法的步骤流程示意图。主要元件附图标记说明
1半导体研磨清洁装置 11底座体
111连接部 12刷头元件 121本体
1211刮刷单元 1212液体喷出口 122液体输入单元
具体实施例方式本发明提出一种半导体研磨清洁装置，该半导体研磨清洁装置1使用于化学机械 研磨(Chemical Mechanical Planarization, CMP)制程中，且可轻易的结合组装于目前业 界所使用的化学机械研磨设备内，而该半导体研磨清洁装置1于化学机械研磨制程中接触 一晶圆的表面，以清洁晶圆平坦研磨制程中的表面。请参阅图1与图2所示，该半导体研磨清洁装置1包含有一底座体11与三个刷头 元件12，其中该三个刷头元件12设置于该底座体11上，且该三个刷头元件12位于同一平 面，更具体而言，设置于该底座体11上的刷头元件12接触该晶圆(图未示)的表面，借该 三个刷头元件12来清洁平坦研磨制程中晶圆的表面。请参阅图3并配合图1或图2所示，该底座体11的两端各接合所述刷头元件12， 而剩余一个刷头元件12接合于该底座体11上并位于该底座体11两端之间，且其中接合于 所述底座体11两端的刷头元件12的排列方向与位于所述底座体11两端之间的刷头元件 12的排列方向互相垂直，更具体而言，接合于该底座体11上的所有刷头元件12呈现出十字 形方向排列，借此当所述刷头元件12接触晶圆表面，且晶圆随抛光头(图未示)旋转时，如 此十字形排列方式将使所述刷头元件12能无死角地清洁晶圆的表面。该底座体11具有三连接部111，而所述连接部111对应所述刷头元件12，亦即所 述连接部111分别设置于该底座体11的两端与两端之间，且所述连接部111与所述刷头元 件12彼此互相接合。值得一提的是，所述刷头元件12设置于该底座体11的方式并不限定，所述刷头元 件12可以“一体成型”或“单独设置并彼此连接”的方式接合于该底座体11的连接部111 ； 此外，所述刷头元件12的数量并不限制，其数量的决定是依据是否能达到让所述刷头元件 12无死角地清洁晶圆的表面，因此依据使用需求，所述刷头元件12的数量可以为多个，而 于本实施例中，所述刷头元件12的数量为三个。所述刷头元件12包括有一本体121以及设置于该本体121上的液体输入单元 122，而该液体输入单元122连接于所述连接部111与该本体121之间，其中该底座体11内 设有一液体管道(图未示)，且该液体管道、该液体输入单元122与该本体121彼此连通。请参阅图3所示，具体而言，所述刷头元件12以该本体121来接触晶圆(图未示) 的表面，而该本体121接触该晶圆的一面具有一刮刷单元1211与至少一液体喷出口 1212， 该刮刷单元1211可拆卸地凸设于该本体121上，借该刮刷单元1211来接触晶圆，以刷晶圆 的表面，其中该刮刷单元1211的材料可选择使用橡胶(Rubber)、化学机械抛光垫材料(CMPpad material)或化学机械研磨后清洁晶圆用的清洁刷材料(CMP brush material) 0另外，所述液体喷出口 1212开设于该本体121，且所述液体喷出口 1212位于该刮 刷单元1211旁，而所述液体喷出口 1212与该本体121互相连通，即该底座体11内的液体 管道(图未示)、该液体输入单元122、该本体121与所述液体喷出口 1212彼此连通，借此 当该底座体11内的液体管道注入有一清洁液(图未示)时，该清洁液能经由该液体输入单 元122进入该本体121，并由该本体121的液体喷出口 1212喷出至晶圆的表面，在此必须提 及的是，该清洁液可选择地使用去离子水(DI Water)、去离子水蒸气或任何具有化学清洁 添加物的溶剂，即清洁液的选择并不限定，且其可以为液体形式或气体形式。此外，所述液体喷出口 1212的形状亦不限定，其形状依使用需求来决定，故所述 液体喷出口 1212的形状可为圆形、三角形或其他任意形状，在本实施例中，为了使该清洁 液能强力地喷射出，所述液体喷出口 1212的形状选择为狭缝形样式(Narrow Line Type)； 另外，所述液体喷出口 1212的数量不限定，其数量可为一个、两个、三个亦或多个，而在本 实施例中，所述液体喷出口 1212的数量为两个，且该二液体喷出口 1212位于该刮刷单元 1211的两侧。必须一提的是，该半导体研磨清洁装置1可对不同尺寸的晶圆进行平坦研磨制程 中表面的清洁，更具体而言，晶圆的尺寸可为150mm、200mm、300mm或450mm。在化学机械研磨制程中，该半导体研磨清洁装置1是以所述刷头元件12来对晶圆 的表面进行清洁，当清洁时，晶圆随抛光头(图未示)开始旋转，而设置于该本体121的刮 刷单元1211则开始刮刷移除残留于晶圆表面的废弃物，同时该本体121上的液体喷出口 1212喷出清洁液，借助刮刷单元1211与清洁液的交互作用以确实清洁晶圆的表面。请参阅图4并搭配图1、图2及图3所示，本发明提出一种程循环渐进平坦化方法， 该方法是以渐进研磨清洁方式平坦化晶圆的表面，其步骤包含如下A、预先估计晶圆总平坦化时间，其中晶圆的尺寸可为150mm、200mm、300mm或 450mmoB、然后，依据晶圆总平坦化时间，决定研磨清洁平坦化制程的循环次数，其中所述 平坦化制程是指以化学机械研磨方式平坦化晶圆的表面，接着以所述半导体研磨清洁装置 1的刷头元件12刷晶圆的表面，且该刷头元件12进一步喷出一清洁液来清洁所述晶圆的表 面；更具体而言，化学机械研磨方式平坦化晶圆的表面是将晶圆压置于一抛光垫(Pad)上， 并借着旋转所述晶圆与所述抛光垫来产生机械研磨，同时将一研磨液(Slurry)添加至晶 圆与抛光垫之间来产生化学蚀刻，而以化学蚀刻搭配机械研磨来平坦化晶圆的表面；另外 需要说明的是，所述抛光垫与研磨液的种类并不限定，其是依据使用需求来决定的(例如 借助选择抛光垫的粗糙程度、研磨液内研磨颗粒的大小、或研磨液的种类来对晶圆表面进 行研磨)。C、而后，决定每一次研磨清洁平坦化制程的参数，其中平坦化制程的参数为晶圆 压置于抛光垫的压力、研磨液的流量、晶圆旋转速度、抛光垫旋转速度、化学机械研磨的时 间、清洁晶圆表面的时间或清洁液的流量。D、接着，开始执行研磨清洁平坦化制程来平坦化晶圆的表面。E、每一次研磨清洁制程后，得判断晶圆表面平坦化程度是否达到所需程度，其中 判断晶圆表面平坦化的方式为终点侦测(End-PointDetection)、电位差检测或U V光光学检测。F、当晶圆表面平坦化程度达到所需程度时，停止平坦化制程。G、当晶圆表面平坦化程度未达到所需程度时，重新依序执行步骤D与步骤E，借此 渐进地平坦化晶圆的表面，直至晶圆表面平坦化程度达到所需程度或晶圆总平坦化时间。此外，本发明可以上述电位差检测或U V光光学检测等方式来检测晶圆表面平坦 化程度，同时本发明亦可以晶圆平坦化后所产生的废弃物来进行检测晶圆表面平坦化程 度，此即为上述终点侦测(End-PointDetection)方法，具体而言，当对晶圆进行平坦化制 程时，晶圆的表面会产生废弃物，而所述废弃物通常为具有金属离子的液体，借此以所述具 有金属离子的液体来进行检测，一旦检测到液体内的金属离子改变(即液体内多出另一种 金属离子)，此即表示晶圆表面已达所需平坦化的程度，而可停止平坦化制程。综合以上所述，本发明的循环渐进平坦化方法及应用于该方法的半导体研磨清洁 装置可产生以下有益效果1、本发明的半导体研磨清洁装置可以轻易的结合组装于目前市售的化学机械研 磨设备内，更方便使用。2、本发明的半导体研磨清洁装置可以使用于不同尺寸晶圆平坦化制程中表面的清洁。3、本发明的方法，是以渐进方式进行晶圆表面的平坦化，能减少过度研磨或研磨 程度不够，达到精准控制晶圆表面平坦化的程度。4、使用本发明进一步提升目前化学机械研磨的良率及先进制程研磨须求的能力。5、本发明的方法，是以研磨清洁循环，研磨和清除无需配合同时，得以极低的压力 研磨晶圆以达到平坦化。6、本发明的方法，是以研磨清洁循环，研磨和清除无需配合同时，因此于化学机械 研磨的过程中，研磨液并不会被大量的浪费，故可以降低制程成本。7、本发明的方法，能较佳降低抛光垫受压的应力作用，因此可以延长抛光垫的使 用寿命。但，上述所揭示的附图、说明，仅为本发明的实施例而已，凡本领域技术人员当可 依据上述的说明作其他种种的改良，而这些改变仍属于本发明的发明精神及所界定的保护 范围之内。
权利要求
一种半导体研磨清洁装置，应用于化学机械研磨制程中，该半导体研磨清洁装置接触一晶圆的表面，以清洁该晶圆平坦研磨中的表面，其特征在于，该半导体研磨清洁装置包含有一底座体；以及三个刷头元件，设置于所述底座体上，且其中二个刷头元件接合于所述底座体的两端，而剩余一个刷头元件接合于所述底座体上并位于所述底座体两端之间，其中该三个刷头元件皆位于同一平面并接触该晶圆的表面，且接合于所述底座体两端的刷头元件的排列方向垂直于位于所述底座体两端之间的刷头元件的排列方向。
2.如权利要求1所述的半导体研磨清洁装置，其特征在于，所述刷头元件以一体成型 或单独设置并彼此连接的方式连接于所述底座体上。
3.如权利要求1所述的半导体研磨清洁装置，其特征在于，所述底座体设有三连接部，而所述连接部分别对应所述刷头元件，且所述连接部接合 所述刷头元件；且所述刷头元件包括有一本体与一液体输入单元，而该液体输入单元连接于该本体与所 述连接部之间，所述本体接触该晶圆的一面凸设有一刮刷单元，且所述刮刷单元接触该晶 圆，以刷该晶圆的表面。
4.如权利要求3所述的半导体研磨清洁装置，其特征在于，所述刮刷单元由橡胶、化学 机械抛光垫材料或化学机械研磨后清洁晶圆用的清洁刷材料所制造而成。
5.如权利要求3所述的半导体研磨清洁装置，其特征在于，该本体设有该刮刷单元的 一面进一步开设有至少一液体喷出口，所述液体喷出口位于所述刮刷单元旁，且所述液体 喷出口喷出一清洁液，所述清洁液为去离子水、去离子水蒸气或任何具有化学清洁添加物 的溶剂，而所述液体喷出口的形状为圆形样式或狭缝形样式。
6.一种循环渐进平坦化方法，其应用如权利要求1所述的半导体研磨清洁装置，其特 征在于，该方法步骤包括如下预估晶圆总平坦化时间；依据所述晶圆总平坦化时间，决定研磨清洁平坦化制程的循环次数；决定每一次研磨清洁平坦化制程的参数；执行研磨清洁制程来平坦化晶圆的表面；每一次研磨清洁制程后，判断晶圆表面平坦化程度是否达到所需程度；当晶圆表面平坦化程度达到所需程度时，停止执行平坦化制程；或当晶圆表面平坦化程度未达到所需程度时，重新执行研磨清洁平坦化制程，随后再次 判断晶圆表面平坦化程度，借此渐进地平坦化晶圆的表面，直至晶圆表面平坦化程度达到 所需程度或晶圆总平坦化时间。
7.如权利要求6所述的循环渐进平坦化方法，其特征在于，该晶圆尺寸为150mm、 200mm、300mm 或 450mm。
8.如权利要求6所述的循环渐进平坦化方法，其特征在于，所述平坦化制程是指以化 学机械研磨方式平坦化所述晶圆的表面，结合以所述半导体研磨清洁装置清洁所述晶圆的 表面。
9.如权利要求8所述的循环渐进平坦化方法，其特征在于，所述半导体研磨清洁装置2以刷头元件刷晶圆的表面，且进一步喷出一清洁液来清洁所述晶圆的表面，而化学机械研 磨方式为将所述晶圆压置于一抛光垫上，并旋转所述晶圆与所述抛光垫来产生机械研磨， 同时将一研磨液添加至所述晶圆与所述抛光垫之间来产生化学蚀刻，借此以化学蚀刻搭配 机械研磨来平坦化所述晶圆的表面。
10.如权利要求9所述的循环渐进平坦化方法，其特征在于，平坦化制程的参数为晶圆压置于抛光垫的压力、研磨液的流量、晶圆旋转速度、抛光垫 旋转速度、化学机械研磨的时间、清洁晶圆表面的时间或清洁液的流量；而判断晶圆表面平坦化程度的方式有终点侦测、电位差检测或U V光光学检测，其中终点 侦测是以所述半导体研磨清洁装置以刷头元件刷晶圆的表面后产生的废弃物来进行侦测， 而所述废弃物为具有金属离子的液体。
全文摘要
一种循环渐进平坦化方法及用于该方法的半导体研磨清洁装置，该研磨清洁装置包括有一底座体以及三个设置于该底座体上的刷头元件，该底座体的两端接合所述刷头元件，而该底座体两端之间接合有一个刷头元件，其中该三个刷头元件位于同一平面，且接合于该底座体两端的刷头元件的排列方向垂直于位于该底座体两端之间的刷头元件的排列方向。本发明在化学机械研磨制程中，提供清洁的功能；能与目前业界使用的化学机械研磨设备互相组装结合，故更方便使用；对于不同尺寸晶圆皆可应用本发明来加以清洁晶圆平坦研磨制程中的表面；本发明的渐进方式能精准控制晶圆表面平坦化的程度，降低操作控制成本，减少不必要的晶圆材料和研磨液的浪费。
文档编号B08B3/00GK101879699SQ20091013753
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者陈庆昌 申请人:陈庆昌