专利名称：具有用于使卡环从晶片脱离的槽的晶片托架的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学机械平面化(CMP)，更具体而言，涉及利用CMP方法在晶片处理过程中减小边缘效应的晶片托架。
背景技术：
由半导体晶片制造半导体器件除了别的以外通常需要对晶片进行化学机械平面化(CMP)，抛光，和清洁。通常现代集成电路器件由多级结构形成。例如在基底级形成晶体管器件。在随后的级中，形成互连金属喷镀线图案，并电连接到晶体管器件以限定所需的功能器件。众所周知，形成图案的导电部件通过绝缘材料彼此绝缘，例如二氧化硅。当形成更多的金属喷镀级和相关联的绝缘层时，对绝缘材料进行平面化的需求就增加了。在不进行平面化的情况下，因为表面外形的较大变化，附加的金属喷镀层的制造变得很困难。在其它应用中，金属喷镀线图案由绝缘材料形成，然后进行金属CMP操作以去除过度的喷镀金属。
图1为在半导体晶片102上进行的化学机械平面化(CMP)处理100的原理图。在该处理100中，在CMP系统104中对晶片102进行CMP加工。然后，该半导体晶片102在晶片清洁系统106中被清洁。然后继续对半导体晶片102进行后CMP加工108，在此处晶片102经历不同顺序的加工处理，包括附加层的沉积，喷镀，光刻和相应的蚀刻。
典型地，CMP系统104包括用于对晶片102的表面外形进行处理和平面化的系统元件。这种系统元件可以是例如，轨道或旋转抛光垫，或线性带式抛光垫。典型地是该垫本身由一种弹性聚合材料制成。为了对晶片102的表面外形进行平面化，垫被置于运动状态，且涂布一种浆料并铺展在垫的表面上。一旦带有浆料的垫以所需速率进行运动，被安装在晶片托架上的晶片102下降到垫的表面上，从而对晶片表面的外形进行平面化。
在旋转或轨道CMP系统中，抛光垫位于一旋转平面上，浆料被引导到抛光垫上。在轨道器械中，经垫轨道运动和晶片托架的旋转引入速度，经抛光垫中的多个孔，浆料被从晶片的下面导入。经过这些处理，所需晶片表面被抛光以提供一光滑平面。然后晶片被送到晶片清洁系统106进行清洁。
CMP系统的一个主要目的是保证在晶片表面上均匀去除率(removal rate)分布。众所周知，去除率由普雷斯顿方程定义去除率＝KpPV，其中材料的去除率是增压压力(loading pressure)P和相对速度V的函数。项Kp为普雷斯顿系数，其是由浆料的成分，加工温度和垫表面确定的常数。
不理想的是，传统的CMP系统通常受边缘效应影响，其对去除率进行再分布，从而在晶片表面上变得不均匀。通常边缘效应是由在CMP加工过程中晶片边缘和抛光垫之间的边界条件而产生的。图2A为一部分传统的晶片102和抛光垫104之间的边缘效应的静态模型的截面图。在该静态模型中，一均匀压力以向下压力的形式被施加在晶片102上，该压力由矢量106表示。然而，该向下的压力106使垫104产生一个基本上是横向(即法向)的变形，其由矢量112表示，但是在晶片102的边缘108附近产生了一个基本上呈纵向-横向的扰动区域。这样，该变形导致在边缘108附近产生了一低压区110。晶片102的边缘108产生了高压，由矢量111表示，从而在边缘108附近产生了不均匀的压力区域。
交替的压力区域的形成导致了横过晶片上的不均匀去除率。图2B为一部分晶片102和抛光垫104之间的边缘效应的动态模式的截面图。一部分卡环116将晶片102保持在适当位置，从而将晶片102保持在控制晶片102的运动的晶片托架(未示出)上。在该结构中，晶片102相对于抛光垫104是运动的，由矢量Vrel表示。垫104通常是弹性的。由于晶片102在垫104上以相对速度Vrel运动，这样就在垫104的表面上产生了弹性扰动。
根据常规的波产生原理，晶片102的平移运动和弹性扰动在抛光垫104的表面116上产生了一纵向-横向的垫变形波。由于延伸的晶片表面的抑制作用和垫材料的高粘性，通常变形波是一种快速的松弛波(fast relaxing wave)。这就导致了晶片102的边缘108附近的载荷和压力的局部重新分配。例如，低压区120，122和124形成在垫104的表面114上，且压力相对于与晶片102的边缘108的距离而逐渐升高。
每个低压区120，122和124由局部最小和最大压力区域限定，这导致了表面形状的不均匀平面化。例如，低压区120的局部最小压力区126引起较低的去除率，这就导致了表面形状的局部低平面化。相反地，低压区120的局部最大压力区128引起较高的去除率，这就导致了表面形状的局部过平面化。这样，晶片102的总体平面化效果基本上降低。
此外，在常规的CMP系统中，锋面波最大值在晶片的边缘产生了密封效果，这就基本上减少了浆料进入晶片下面。图2C为一部分晶片102和抛光垫104之间的密封效果的截面图。最初，浆料被铺在抛光垫104的表面114上。由于晶片102相对于抛光垫104以速度Vrel运动，晶片的边缘108产生了由矢量152所表示的高压。该高压导致了浆料150的载荷集中在晶片102的边缘108，从而限制了浆料在晶片102下面的输送。另外，边缘102处的高载荷可能将浆料挤出抛光垫104的孔和槽，从而产生浆料的不足状况。结果是，晶片表面的内部提供的浆料量可能不足以有效完成CMP加工。
另外，低压区激化再沉积过程，但可能导致表面缺陷的增加。特别是，常规的CMP系统应用溶解和表面改性反应，通常这将减小通过高压激化的体积型反应。在这些反应中，压力下降使反应逆向，使溶解的副产品再沉淀回晶片表面。典型的是再沉淀材料具有不可控制的成分，并将其它颗粒粘到晶片表面上。这使得晶片的清洁实际上变得更加困难。
考虑到上述问题，需要一种晶片托架，其可以在减小浆料密封效果的同时在CMP加工过程中使边缘效应最小化。
发明概述一般地说，本发明通过提供一晶片托架满足这些需求，该托架通过掩蔽将要抛光的晶片边缘而提供均匀的去除率。该晶片托架容许卡环和晶片独立地与抛光垫的表面对准，从而基本上消除边缘损坏和封闭效果。应理解的是，本发明可以以多种方式实现，包括作为一种工艺，一种装置，一种系统，一种设备或一种方法。下文将对本发明的几个实施例进行说明。
在一个实施例中，本发明提供一种用于化学机械平面化装置的晶片托架，该晶片托架包括一真空夹盘和一卡环。该真空夹盘被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化。该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区，还包括一槽，该槽适合于使所述内区和所述外区相脱离。真空夹盘的所述内区和所述外区被放置成沿着与抛光垫的抛光表面相垂直的方向独立地移动。所述卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，在这种构造中，脱离的卡环和晶片被布置成独立地移动，并在CMP加工过程中与抛光垫的抛光表面对齐。
在另一实施例中，公开了一种用于化学机械平面化装置的晶片托架。该晶片托架包括一真空夹盘和一卡环。该真空夹盘被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化，该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区。所述真空夹盘为弹性体，并包括一槽，该槽适合于使所述内区和所述外区相脱离。真空夹盘的所述内区和所述外区被放置成沿着与抛光垫的抛光表面相垂直的方向独立地移动。所述卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，所述脱离的卡环和晶片被布置成独立地移动，并在CMP加工过程中与限定抛光垫的抛光表面的平面对齐。
在又一实施例中，本发明提供一种用于化学机械平面化装置的晶片托架。该晶片托架包括一真空夹盘，一卡环和一真空口。该真空夹盘被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片进行抛光，该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区。该真空夹盘还包括一槽，该槽适用于使所述内区和所述外区相脱离，其中真空夹盘的所述内区和所述外区被布置成彼此独立地移动。所述真空口被构造成为真空夹盘提供真空力。所述卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片。在这种构造中，脱离的卡环和晶片被布置成沿着与抛光垫的抛光表面垂直的方向独立地移动，这样，所述卡环和晶片与抛光垫的抛光表面相对齐。
有利的是，脱离的卡环有效地掩蔽晶片的边缘，从而在CMP加工过程中使有害的边缘效应最小化，并提高均匀去除率。优选的是，卡环的前缘被成型为圆形形状，以减小压力，从而在卡环304的下面形成的低压区域被减到最小。这也使不理想的浆料密封效果减到最小，并进一步提高了均匀去除率，从而提高了晶片的均匀平面化程度。通过下文的对本发明的原理的示例详细说明，并参照附图，本发明的其它方面和优点将变得清楚。
通过下文的详细说明并结合附图本发明将易于理解。为了利于说明，相同的附图标记指示相同的构件。
图1为在半导体晶片上实施的化学机械平面化(CMP)处理的原理图。
图2A为一部分晶片和抛光垫之间的常规边缘效应的静态模型的截面图。
图2B为一部分晶片和抛光垫之间的边缘效应的动态模型的截面图。
图2C为一部分晶片和抛光垫之间的密封效果的截面图。
图3A为按照本发明的一个实施例的示范性晶片托架的截面图。
图3B为按照本发明的一个实施例的带有改进的卡环的晶片托架的截面图。
图4为按照本发明的一个实施例的晶片托架的分解图。
图5A为一截面图，示出了按照本发明的一个实施例的被安装用于掩蔽晶片的边缘效应的一部分晶片和卡环。
图5B为一截面图，示出了按照本发明的一个实施例的被安装用于减小卡环的边缘效应的一部分晶片和卡环。
优选实施例的详细说明本发明提供一种晶片托架，该托架在CMP加工过程中可以从晶片上脱离卡环，从而容许卡环和晶片自动与抛光垫的抛光表面对准。在下文的说明中，为了全面地理解本发明，阐述了许多具体细节。然而，本领域普通技术人员能够理解，在缺少上述一些细节或所有细节的情况下本发明也能够被实施。在其它实例中，为了避免不必要地混淆本发明，对公知的处理操作没有进行详细说明。
图3A为按照本发明的一个实施例的用作示范的晶片托架300的截面图。该晶片托架300被放置成在CMP加工过程中保持晶片308并使其旋转。具体的说，该晶片托架包括一真空夹盘302，一活动卡环304，和一真空口306。所述真空夹盘302最好是圆形的并具有弹性，且由弹性材料例如橡胶制成。所述卡304环绕弹性体真空夹盘302设置并在CMP加工过程中将晶片308保持在适当位置。优选的是，所述卡环304被这样布置，其底面312基本上是抛光或平滑的，且带有将被抛光的晶片表面314。
一脱离槽310(例如，沟槽，槽道等)被形成在真空夹盘302的外边缘附近，并在真空夹盘302中限定一对区域316和318。卡环304被设置在区域316上，并围绕着真空夹盘302的外缘。借助通过真空口306提供的真空力，晶片被置于真空夹盘302的内部区域上的区域318上。
在该结构中，脱离槽310被构造成有效地从弹性体真空夹盘314中的区域316和318中脱离。区域316和318的脱离容许附着的卡环304和晶片308独立地与抛光垫上的抛光表面的平面对准。这是因为真空夹盘302的弹性容许晶片308和卡环304沿着与晶片308垂直的方向彼此独立移动。这样脱离后，卡环304和晶片308在抛光压力的作用下单独地与抛光表面对准。卡环304和晶片308的这种自对准特征在CMP加工过程中有效地遮盖了晶片314的边缘，从而基本上消除了不理想的边缘效应，这将在下文中详细讨论。
为了进一步保证消除剩余的边缘效应，卡环304可以被构造成抑制由卡环304的边缘产生的边缘效应。图3B为一截面图，示出了按照本发明的一个实施例的带有改进的卡环352的晶片托架350。除了卡环之外，该晶片托架350类似于如图3A所示的晶片托架300。具体的说，卡环352的前缘354呈圆形，以消除如图3A所示的卡环304的陡边缘。卡环352的圆形边缘354的曲率的作用是将压力分配在一个较大的表面区域上，这样就大体上减小了与卡环有关的边缘效应。
图4为按照本发明的一个实施例的晶片托架300的分解图。应当注意，本发明的晶片托架可以与任何适合的CMP系统一起使用，例如直线CMP装置或旋转CMP装置。该晶片支架300包括真空夹盘302，卡环304，真空口306，真空夹盘主体402和真空歧管404。真空夹盘主体402优选是圆柱形的，并容纳一真空分布板406。该真空分布板406被构造成从真空口306分配真空力。优选的是，真空歧管404由多孔材料制成，并包含许多孔。该真空歧管404被布置在真空分布板406之上，从而通过孔传递真空力。
所述真空夹盘302被放置在真空夹盘区域402上，并包括卡环部分408，脱离槽310，晶片部分410和真空栅格412。所述脱离槽310使卡环部分408与真空夹盘的晶片部分410相脱离，使其独立地与抛光垫表面对齐，卡环304被放置在真空夹盘302的卡环部分408上，另一方面，晶片部分410限定晶片308借真空力附着的区域。为此，真空栅格412包括有真空口，用于从真空歧管404为晶片308施加真空压力，这样晶片就被牢固地保持在晶片托架300中的适当位置。
图5A为一截面图，示出了按照本发明的一个实施例的一部分晶片308和卡环304，该晶片308和卡环304被安置成掩蔽晶片308的边缘效应。所述晶片308和卡环304被放置在抛光垫502上，在这种布置中，卡环304和晶片308相脱离，从而都与抛光垫502上的抛光表面504的平面对齐。卡环304的存在将高压边缘点从晶片308上移到卡环308的外缘510(即前缘)上。同样地，脱离的卡环304将低压区512从晶片308上移到卡环304的前缘附近的位置。这样，当施加由矢量506表示的向下压力时，晶片308下的法向压力矢量508的大小和方向基本上是均匀的。以这种方式，卡环304通过将边缘效应从晶片308的边缘转移到卡环304的前缘510而掩蔽晶片308的边缘发生不理想的边缘效应。又通过消除晶片308下的边缘效应，从而使浆料更加均匀地铺于晶片308的下面。因此，晶片308的平面化效果被大大提高。
如上图3B所示，卡环304的前缘510也可以被构造成进一步提高平面化效果。图5B为一截面图，示出了按照本发明的一个实施例的一部分晶片308和卡环304，该晶片和卡环被放置成减小卡环304的边缘效应。所述晶片308和卡环304被放置在抛光垫502上，并被脱离，从而它们都与抛光垫502上的抛光表面504的平面对齐。卡环304的前缘被成型为使压力最小化。在用于示范的实施例中，所述前缘呈圆形，以减少压力，从而在卡环304下形成的低压区被最小化。这就使不理想的浆料的密封效果降到最小，从而提高了晶片508的均匀平面化程度。
虽然本发明已通过几个优选实施例进行说明，但应当理解，本领域普通技术人员在阅读了前述说明书并研究了附图的情况下可实现其多种改变，增加，置换和等同替代。因此本发明旨在包括所有的这些属于本发明的真实精神和领域范畴的改变，增加，置换和等同替代。
权利要求
1. 一种用于化学机械平面化装置的晶片托架，包括一真空夹盘，其被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化，该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区，该真空夹盘具有一槽，该槽适用于使所述内区和所述外区相脱离，其中，真空夹盘的所述内区和所述外区被放置成沿着与抛光垫的抛光表面相垂直的方向独立地移动；一卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，其中，脱离的卡环和晶片被布置成独立地移动，从而在CMP加工过程中与抛光垫的抛光表面对齐。
2.如权利要求1所述的晶片托架，其特征在于，所述真空夹盘是弹性体的，从而允许脱离的卡环和晶片独立地移动。
3.如权利要求1所述的晶片托架，其特征在于，所述真空夹盘为具有圆形表面的圆柱体，其中，所述卡环被放置成呈环形结构环绕真空夹盘的边缘。
4.如权利要求1所述的晶片托架，其特征在于，所述抛光表面限定了一平面，其中，所述真空夹盘被安置成与脱离的卡环对齐，并且所述晶片与抛光表面的相同平面对齐。
5.如权利要求1所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环被构造成掩蔽晶片上的边缘效应。
6.如权利要求1所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环包括掩蔽晶片边缘的前缘。
7.如权利要求6所述的晶片托架，其特征在于，卡环的前缘呈圆形。
8.一种用于化学机械平面化装置的晶片托架，包括一真空夹盘，其被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化，该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区，该真空夹盘为弹性体并具有一适用于使所述内区和所述外区相脱离的槽，其中，真空夹盘的所述内区和所述外区被布置成沿着与抛光垫的抛光表面相垂直的方向独立地移动；一卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，其中，脱离的卡环和晶片被布置成独立地移动，从而在CMP加工过程中与限定抛光垫的抛光表面的平面对齐。
9.如权利要求8所述的晶片托架，其特征在于，所述真空夹盘为具有圆形表面的圆柱体，其中，所述卡环被放置成呈环形结构环绕真空夹盘的边缘。
10.如权利要求8所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环被构造成掩蔽晶片上边缘效应。
11.如权利要求8所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环包括掩蔽晶片边缘的前缘。
12.如权利要求11所述的晶片托架，其特征在于，卡环的前缘呈圆形。
13.一种用于化学机械平面化装置的晶片托架，包括一真空夹盘，其被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化，该真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区，该真空夹盘具有一槽，该槽适用于使所述内区和所述外区相脱离，其中，真空夹盘的所述内区和所述外区被安置成彼此独立地移动；一卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，其中，脱离的卡环和晶片被布置成沿着与抛光垫的抛光表面垂直的方向独立地移动，这样使得所述卡环和晶片与抛光垫的抛光表面相对齐。一真空口被构造成为真空夹盘提供真空力。
14.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，所述真空夹盘是弹性体的，从而允许脱离的卡环和晶片独立地移动。
15.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，所述真空夹盘为具有圆形表面的圆柱体，其中，所述卡环被构造成呈环形结构环绕真空夹盘的边缘放置。
16.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，所述抛光表面限定了一平面，其中，所述真空夹盘被安置成与脱离的卡环对齐，并且所述晶片与抛光表面的相同平面对齐。
17.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环被构造成掩蔽晶片上的边缘效应。
18.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，所述卡环包括掩蔽晶片边缘的前缘。
19.如权利要求18所述的晶片托架，其特征在于，卡环的前缘呈圆形。
20.如权利要求13所述的晶片托架，其特征在于，卡环由弹性材料形成。
全文摘要
本发明提供一种用于化学机械平面化装置的晶片托架，该晶片托架包括一真空夹盘和一卡环。所述真空夹盘被构造成保持一晶片并使该晶片旋转，从而在抛光垫上对晶片的表面外形进行平面化。所述真空夹盘包括一用于保持晶片的内区和一外区，另外还具有一槽，该槽适用于使所述内区和所述外区相脱离。真空夹盘的所述内区和所述外区被放置成沿着与抛光垫的抛光表面相垂直的方向独立地移动。所述卡环被放置在真空夹盘的外区上，并被构造成在CMP加工过程中保持晶片，在这种结构中，脱离的卡环和晶片被布置成独立地移动，以在CMP加工过程中与抛光垫的抛光表面对齐。
文档编号B24B37/04GK1489507SQ01814800
公开日2004年4月14日 申请日期2001年6月29日 优先权日2000年6月30日
发明者Y·戈特基斯, A·A·奥夫策尔茨, Y 戈特基斯, 奥夫策尔茨 申请人:兰姆研究有限公司