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18. 发明专利

TWI325800B 研磨墊及半導體裝置之製造方法有权
简体标题：研磨垫及半导体设备之制造方法
公开(公告)号：TWI325800B
公开(公告)日：2010-06-11
申请号：TW092133347
申请日：2003-11-27
申请人：東洋橡膠工業股份有限公司
发明人：中森雅彥 , 下村哲生 , 山田孝敏 , 小川一幸 , 數野淳 , 渡邊公浩
IPC分类号： B24B
CPC分类号： B24B37/205 , B24B37/013
摘要：本發明之目的係提供一種可於進行研磨之狀態下進行高精度之光學終點檢測，藉此，可具有優異之研磨特性(表面均一性、面內均一性等)之研磨墊，更提供一種可得到廣範圍之晶圓研磨輪廓之研磨墊。第1本發明之研磨墊係透光領域於波長400~700nm之全領域中之透光率為50%以上。第2本發明之研磨墊係透光領域之厚度為0.5~4mm，且透光領域於波長600~700nm之全領域中之透光率為80%以上。第3本發明之研磨墊係透光領域設置於研磨墊之中心部與周端部之間，且直徑方向之長度(D)為圓周方向長度(L)之3倍以上。【創作特點】發明之揭示
發明人有鑑於前述現狀，反覆銳意研究之結果，發現藉由使用具有一特定透光率之透光領域來作為研磨墊用透光領域，可解決前述問題。
即，第1本發明係有關於一種研磨墊，其係用於化學機械磨光且具有研磨領域及透光領域者，又，前述透光領域於波長400~700nm之全領域中之透光率為50%以上。
前述透光領域宜為以下式表示之於波長400~700nm中之透光率之變化率為50%以下者。
變化率(%)={(於400~700nm中之最大透光率-於400~700nm中之最小透光率)/於400~700nm中之最大透光率}×100
一般而言，通過研磨墊之透光領域之光強度衰減愈少，則愈可提高研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度，因此，所使用測定光之波長中之透光率程度係決定研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度，故變得重要。
第1本發明之透光領域係於短波長側之透光率衰減小，且可於廣波長範圍內高度維持檢測精度。
第1本發明之研磨墊中使用之透光領域係於波長400~700nm之全領域中之透光率為50%以上，較佳者為70%以上。若透光率小於50%，則研磨中因漿體層之影響或修整痕量之影響等，通過透光領域之光強度之衰減增加，且研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度降低。
又，透光領域以上式表示於波長400~700nm中之透光率之變化率宜為30%以下。若透光率之變化率大於50%，則通過於短波長側之透光領域之光強度之衰減增加，且干涉光之振幅縮小，因此有研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度降低之傾向。
前述透光領域於波長400nm中之透光率宜為70%以上。若於波長400nm中之透光率為70%以上，則可進一步提高研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度。
又，前述透光領域於波長500~700nm之全領域中之透光率宜為90%以上，且以95%以上尤佳。若透光率為90%以上，則可極度地提高研磨終點之檢測精度或膜厚之測定精度。
又，前述透光領域係以於波長500~700nm中之各透光率之差為5%以內者為佳，更為理想的是3%以內。若於各波長之透光率之差為5%以內，則在分光解析晶圓之膜厚時，可朝晶圓照射一定之入射光，且可算出正確之反射率，因此，可提高檢測精度。
第2本發明係有關於一種研磨墊，其係用於化學機械磨光且具有研磨領域及透光領域者，又，前述透光領域之厚度係0.5~4mm，且前述透光領域於波長600~700nm之全領域中之透光率為80%以上。
如前所述，由於一般使用之研磨裝置係使用雷射，且該雷射包含具有600~700nm附近之發送波長之檢測光，因此，若於該波長領域之透光率為80%以上，則可得到高反射光，且可提昇膜厚檢測精度。若透光率小於80%，則反射光會縮小且膜厚檢測精度有降低之傾向。
第2本發明中，透光領域於波長600~700nm之全領域中之透光率宜為90%以上。
另，前述第1及第2本發明中之透光領域之透光率係透光領域之厚度為1mm時之值，或是換算為1mm之厚度時之值。一般而言，透光率係利用Lambert-Beer之法則而依照透光領域之厚度變化。由於厚度愈大則透光率愈低，因此算出固定厚度時之透光率。
第3本發明係有關於一種研磨墊，其係用於化學機械磨光且具有研磨領域及透光領域者，又，前述透光領域係設置於研磨墊之中心部與周端部之間，且直徑方向之長度(D)為圓周方向長度(L)之3倍以上。
如前所述，藉由使透光領域構成為直徑方向之長度(D)相較於研磨墊圓周方向之長度(L)為3倍以上，於晶圓研磨時透光領域不會僅集中、接觸晶圓之某一部分而可均一地接觸晶圓之全面，因此，可均一地研磨晶圓，且可提昇研磨特性。又，研磨時藉由於具有透光領域之範圍內使雷射干涉計朝直徑方位適度移動，可得到廣範圍之晶圓研磨輪廓，因此可準確且簡易地判斷研磨處理之終點。
在此，所謂直徑方向之長度(D)係指通過透光領域之重心，且連結研磨墊之中心與周端部之直線與透光領域重疊之部分之長度。又，所謂圓周方向之長度(L)係指通過透光領域之重心，且與連結研磨墊之中心與周端部之直線正交之直線與透光領域構成最大重疊之部分之長度。
於第3本發明中，透光領域係設置於研磨墊之中心部與周端部之間。一般而言，由於晶圓之直徑小於研磨墊之半徑，因此若將透光領域設置於研磨墊之中心部與周端部之間，則可充分得到廣範圍之晶圓研磨輪廓，且若將透光領域構成比研磨墊之半徑長或者與直徑相等之長度，則會使研磨領域減少且研磨效率降低，因此較不理想。
又，於第3本發明中，若透光領域之直徑方向長度(D)小於圓周方向長度(L)之3倍，則直徑方向之長度不足且光束可照射至晶圓上之部分僅限於一定範圍，因此，晶圓之膜厚檢測不足，且若充分增加直徑方向之長度，結果圓周方向之長度(L)亦會變長且研磨領域減少，因此研磨效率有降低之傾向。
又，於第3本發明中，若由可簡易地製造之觀點來看，則透光領域之形狀宜為長方形。
於第3本發明中，前述透光領域之直徑方向長度(D)宜為被研磨體直徑之1/4~1/2倍。若小於1/4倍，則由於光束可照射至被研磨體(晶圓等)之部分僅限於一定範圍，因此，晶圓之膜厚檢測不足，或有研磨不均一之傾向。另一方面，若大於1/2倍，則由於研磨領域減少，因此研磨效率有降低之傾向。另，研磨墊中至少有1個透光領域即可，亦可設置2個以上。
又，前述透光領域之厚度誤差宜為100μm以下。
於第1～第3本發明中，研磨領域及透光領域之形成材料宜為聚胺基甲酸酯樹脂。又，為研磨領域形成材料之聚胺基甲酸酯樹脂與為透光領域形成材料之聚胺基甲酸酯樹脂宜為含有相同種類之有機異氰酸酯、多元醇及鏈延伸劑者。藉由以相同種類之材料構成研磨領域與透光領域，於進行研磨墊之修整處理時可將修整量構成相同程度，藉此，於研磨墊全面可得到高平坦性。另一方面，未藉由相同種類之材料構成時，由於修整量不同，因此有損害研磨墊平坦性之傾向，此時，宜將研磨領域與透光領域之硬度或修整量調整為相同程度。
於第1～第3本發明中，前述透光領域之形成材料宜為無發泡體。若為無發泡體，則可抑制光散射，因此可檢測正確之反射率，且可提高研磨之光學終點檢測精度。
又，於前述透光領域之研磨側表面宜不具有用以保持、更新研磨液之凹凸結構。若透光領域之研磨側表面具有巨觀之表面凹凸，則含有磨料等添加劑之漿體滯留於凹部中，且產生光之散射、吸收，對檢測精度有造成影響之傾向。再者，透光領域之其他面側表面亦以不具有巨觀之表面凹凸為佳，若具有巨觀之表面凹凸，則容易產生光散射，且有對檢測精度造成影響之虞。
於第1～第3本發明中，前述研磨領域之形成材料宜為微細發泡體。
又，於第1～第3本發明中，於前述研磨領域之研磨側表面宜設有溝。
又，前述微細發泡體之平均氣泡徑宜為70μm以下，且以50μm以下尤佳。若平均氣泡徑為70μm以下，則可平面性(平坦性)良好。
又，前述微細發泡體之比重宜為0.5~1.0g/cm 3 ，且以0.7~0.9g/cm 3 為佳。若比重小於0.5/cm 3 ，則研磨領域之表面強度降低且被研磨對象物之可平面性降低，又，若大於1.0g/cm 3 ，則研磨領域表面之微細氣泡數減少且可平面性良好，然而，研磨速度卻有縮小之傾向。
又，前述微細發泡體之硬度係以於亞斯卡(ASKER)D硬度中為45~65度者為佳，較為理想的是45~60度。若亞斯卡D硬度小於45度，則被研磨對象物之可平面性降低，若大於65度，則雖然可平面性良好，然而，被研磨對象物之一致性(均一性)卻有降低之傾向。
又，前述微細發泡體之壓縮率宜為0.5~5.0%，較為理想的是0.5~3.0%。若壓縮率位於前述範圍內，則可充分兼顧可平面性與一致性。另，壓縮率係利用下式所算出之值。
壓縮率(%)={(T1-T2)/T1}×100
T1：微細發泡體保持60秒鐘從無負荷狀態至30KPa(300g/cm 2 )之應力之負荷時之微細發泡體厚度
T2：保持60秒鐘從T1狀態至180KPa(1800g/cm 2 )之應力之負荷時之微細發泡體厚度
又，前述微細發泡體之壓縮復原率宜為50~100%，較為理想的是60~100%。若小於50%，則研磨中隨著反覆荷重作用於研磨領域，研磨領域之厚度會顯現巨大變化，且研磨特性之安定性有降低之傾向。另，壓縮復原率係利用下式所算出之值。
壓縮復原率(%)={(T3-T2)/(T1-T2)}×100
T1：微細發泡體保持60秒鐘從無負荷狀態至30KPa(300g/cm 2 )之應力之負荷時之微細發泡體厚度
T2：保持60秒鐘從T1狀態至180KPa(1800g/cm 2 )之應力之負荷時之微細發泡體厚度
T3：從T2狀態至無負荷狀態中保持60秒，然後保持60秒鐘30KPa(300g/cm 2 )之應力之負荷時之微細發泡體厚度
又，前述微細發泡體之40℃、1Hz之儲存模數宜為200MPa以上，且以250MPa以上尤佳。若儲存模數小於200MPa，則研磨領域之表面強度降低，且被研磨對象物之可平面性有降低之傾向。另，所謂儲存模數係指動黏彈性測定裝置中使用拉伸試驗用工模並加上正弦波振動而對微細發泡體所測定之彈性係數。
又，第1～第3本發明係有關於一種半導體裝置之製造方法，其係包含有使用前述研磨墊研磨半導體晶圓表面之程序。
圖式簡單說明
第1圖係顯示習知CMP研磨中使用之研磨裝置之一例之概略構造圖。
第2圖係顯示習知具有透光領域之研磨墊之一例之概略圖。
第3圖係顯示習知具有透光領域之研磨墊之其他例之概略圖。
第4圖係顯示第3本發明之具有透光領域之研磨墊之一例之概略圖。
第5圖係顯示第3本發明之具有透光領域之研磨墊之其他例之概略圖。
第6圖係顯示第3本發明之具有透光領域之研磨墊之其他例之概略圖。
第7圖係顯示本發明研磨墊之一例之概略截面圖。
第8圖係顯示本發明研磨墊之其他例之概略截面圖。
第9圖係顯示本發明研磨墊之其他例之概略截面圖。
第10圖係顯示本發明研磨墊之其他例之概略截面圖。
第11圖係顯示比較例3之研磨墊之概略圖。
第12圖係顯示具有本發明終點檢測裝置之CMP研磨裝置之一例之概略構造圖。
简体摘要：本发明之目的系提供一种可于进行研磨之状态下进行高精度之光学终点检测，借此，可具有优异之研磨特性(表面均一性、面内均一性等)之研磨垫，更提供一种可得到广范围之晶圆研磨轮廓之研磨垫。第1本发明之研磨垫系透光领域于波长400~700nm之全领域中之透光率为50%以上。第2本发明之研磨垫系透光领域之厚度为0.5~4mm，且透光领域于波长600~700nm之全领域中之透光率为80%以上。第3本发明之研磨垫系透光领域设置于研磨垫之中心部与周端部之间，且直径方向之长度(D)为圆周方向长度(L)之3倍以上。【创作特点】发明之揭示发明人有鉴于前述现状，反复锐意研究之结果，发现借由使用具有一特定透光率之透光领域来作为研磨垫用透光领域，可解决前述问题。即，第1本发明系有关于一种研磨垫，其系用于化学机械磨光且具有研磨领域及透光领域者，又，前述透光领域于波长400~700nm之全领域中之透光率为50%以上。前述透光领域宜为以下式表示之于波长400~700nm中之透光率之变化率为50%以下者。变化率(%)={(于400~700nm中之最大透光率-于400~700nm中之最小透光率)/于400~700nm中之最大透光率}×100 一般而言，通过研磨垫之透光领域之光强度衰减愈少，则愈可提高研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度，因此，所使用测定光之波长中之透光率程度系决定研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度，故变得重要。第1本发明之透光领域系于短波长侧之透光率衰减小，且可于广波长范围内高度维持检测精度。第1本发明之研磨垫中使用之透光领域系于波长400~700nm之全领域中之透光率为50%以上，较佳者为70%以上。若透光率小于50%，则研磨中因浆体层之影响或修整痕量之影响等，通过透光领域之光强度之衰减增加，且研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度降低。又，透光领域以上式表示于波长400~700nm中之透光率之变化率宜为30%以下。若透光率之变化率大于50%，则通过于短波长侧之透光领域之光强度之衰减增加，且干涉光之振幅缩小，因此有研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度降低之倾向。前述透光领域于波长400nm中之透光率宜为70%以上。若于波长400nm中之透光率为70%以上，则可进一步提高研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度。又，前述透光领域于波长500~700nm之全领域中之透光率宜为90%以上，且以95%以上尤佳。若透光率为90%以上，则可极度地提高研磨终点之检测精度或膜厚之测定精度。又，前述透光领域系以于波长500~700nm中之各透光率之差为5%以内者为佳，更为理想的是3%以内。若于各波长之透光率之差为5%以内，则在分光解析晶圆之膜厚时，可朝晶圆照射一定之入射光，且可算出正确之反射率，因此，可提高检测精度。第2本发明系有关于一种研磨垫，其系用于化学机械磨光且具有研磨领域及透光领域者，又，前述透光领域之厚度系0.5~4mm，且前述透光领域于波长600~700nm之全领域中之透光率为80%以上。如前所述，由于一般使用之研磨设备系使用激光，且该激光包含具有600~700nm附近之发送波长之检测光，因此，若于该波长领域之透光率为80%以上，则可得到高反射光，且可提升膜厚检测精度。若透光率小于80%，则反射光会缩小且膜厚检测精度有降低之倾向。第2本发明中，透光领域于波长600~700nm之全领域中之透光率宜为90%以上。另，前述第1及第2本发明中之透光领域之透光率系透光领域之厚度为1mm时之值，或是换算为1mm之厚度时之值。一般而言，透光率系利用Lambert-Beer之法则而依照透光领域之厚度变化。由于厚度愈大则透光率愈低，因此算出固定厚度时之透光率。第3本发明系有关于一种研磨垫，其系用于化学机械磨光且具有研磨领域及透光领域者，又，前述透光领域系设置于研磨垫之中心部与周端部之间，且直径方向之长度(D)为圆周方向长度(L)之3倍以上。如前所述，借由使透光领域构成为直径方向之长度(D)相较于研磨垫圆周方向之长度(L)为3倍以上，于晶圆研磨时透光领域不会仅集中、接触晶圆之某一部分而可均一地接触晶圆之全面，因此，可均一地研磨晶圆，且可提升研磨特性。又，研磨时借由于具有透光领域之范围内使激光干涉计朝直径方位适度移动，可得到广范围之晶圆研磨轮廓，因此可准确且简易地判断研磨处理之终点。在此，所谓直径方向之长度(D)系指通过透光领域之重心，且链接研磨垫之中心与周端部之直线与透光领域重叠之部分之长度。又，所谓圆周方向之长度(L)系指通过透光领域之重心，且与链接研磨垫之中心与周端部之直线正交之直线与透光领域构成最大重叠之部分之长度。于第3本发明中，透光领域系设置于研磨垫之中心部与周端部之间。一般而言，由于晶圆之直径小于研磨垫之半径，因此若将透光领域设置于研磨垫之中心部与周端部之间，则可充分得到广范围之晶圆研磨轮廓，且若将透光领域构成比研磨垫之半径长或者与直径相等之长度，则会使研磨领域减少且研磨效率降低，因此较不理想。又，于第3本发明中，若透光领域之直径方向长度(D)小于圆周方向长度(L)之3倍，则直径方向之长度不足且光束可照射至晶圆上之部分仅限于一定范围，因此，晶圆之膜厚检测不足，且若充分增加直径方向之长度，结果圆周方向之长度(L)亦会变长且研磨领域减少，因此研磨效率有降低之倾向。又，于第3本发明中，若由可简易地制造之观点来看，则透光领域之形状宜为长方形。于第3本发明中，前述透光领域之直径方向长度(D)宜为被研磨体直径之1/4~1/2倍。若小于1/4倍，则由于光束可照射至被研磨体(晶圆等)之部分仅限于一定范围，因此，晶圆之膜厚检测不足，或有研磨不均一之倾向。另一方面，若大于1/2倍，则由于研磨领域减少，因此研磨效率有降低之倾向。另，研磨垫中至少有1个透光领域即可，亦可设置2个以上。又，前述透光领域之厚度误差宜为100μm以下。于第1～第3本发明中，研磨领域及透光领域之形成材料宜为聚胺基甲酸酯树脂。又，为研磨领域形成材料之聚胺基甲酸酯树脂与为透光领域形成材料之聚胺基甲酸酯树脂宜为含有相同种类之有机异氰酸酯、多元醇及链延伸剂者。借由以相同种类之材料构成研磨领域与透光领域，于进行研磨垫之修整处理时可将修整量构成相同程度，借此，于研磨垫全面可得到高平坦性。另一方面，未借由相同种类之材料构成时，由于修整量不同，因此有损害研磨垫平坦性之倾向，此时，宜将研磨领域与透光领域之硬度或修整量调整为相同程度。于第1～第3本发明中，前述透光领域之形成材料宜为无发泡体。若为无发泡体，则可抑制光散射，因此可检测正确之反射率，且可提高研磨之光学终点检测精度。又，于前述透光领域之研磨侧表面宜不具有用以保持、更新研磨液之凹凸结构。若透光领域之研磨侧表面具有巨观之表面凹凸，则含有磨料等添加剂之浆体滞留于凹部中，且产生光之散射、吸收，对检测精度有造成影响之倾向。再者，透光领域之其他面侧表面亦以不具有巨观之表面凹凸为佳，若具有巨观之表面凹凸，则容易产生光散射，且有对检测精度造成影响之虞。于第1～第3本发明中，前述研磨领域之形成材料宜为微细发泡体。又，于第1～第3本发明中，于前述研磨领域之研磨侧表面宜设有沟。又，前述微细发泡体之平均气泡径宜为70μm以下，且以50μm以下尤佳。若平均气泡径为70μm以下，则可平面性(平坦性)良好。又，前述微细发泡体之比重宜为0.5~1.0g/cm 3 ，且以0.7~0.9g/cm 3 为佳。若比重小于0.5/cm 3 ，则研磨领域之表面强度降低且被研磨对象物之可平面性降低，又，若大于1.0g/cm 3 ，则研磨领域表面之微细气泡数减少且可平面性良好，然而，研磨速度却有缩小之倾向。又，前述微细发泡体之硬度系以于亚斯卡(ASKER)D硬度中为45~65度者为佳，较为理想的是45~60度。若亚斯卡D硬度小于45度，则被研磨对象物之可平面性降低，若大于65度，则虽然可平面性良好，然而，被研磨对象物之一致性(均一性)却有降低之倾向。又，前述微细发泡体之压缩率宜为0.5~5.0%，较为理想的是0.5~3.0%。若压缩率位于前述范围内，则可充分兼顾可平面性与一致性。另，压缩率系利用下式所算出之值。压缩率(%)={(T1-T2)/T1}×100 T1：微细发泡体保持60秒钟从无负荷状态至30KPa(300g/cm 2 )之应力之负荷时之微细发泡体厚度 T2：保持60秒钟从T1状态至180KPa(1800g/cm 2 )之应力之负荷时之微细发泡体厚度又，前述微细发泡体之压缩复原率宜为50~100%，较为理想的是60~100%。若小于50%，则研磨中随着反复荷重作用于研磨领域，研磨领域之厚度会显现巨大变化，且研磨特性之安定性有降低之倾向。另，压缩复原率系利用下式所算出之值。压缩复原率(%)={(T3-T2)/(T1-T2)}×100 T1：微细发泡体保持60秒钟从无负荷状态至30KPa(300g/cm 2 )之应力之负荷时之微细发泡体厚度 T2：保持60秒钟从T1状态至180KPa(1800g/cm 2 )之应力之负荷时之微细发泡体厚度 T3：从T2状态至无负荷状态中保持60秒，然后保持60秒钟30KPa(300g/cm 2 )之应力之负荷时之微细发泡体厚度又，前述微细发泡体之40℃、1Hz之存储模数宜为200MPa以上，且以250MPa以上尤佳。若存储模数小于200MPa，则研磨领域之表面强度降低，且被研磨对象物之可平面性有降低之倾向。另，所谓存储模数系指动黏弹性测定设备中使用拉伸试验用工模并加上正弦波振动而对微细发泡体所测定之弹性系数。又，第1～第3本发明系有关于一种半导体设备之制造方法，其系包含有使用前述研磨垫研磨半导体晶圆表面之进程。图式简单说明第1图系显示习知CMP研磨中使用之研磨设备之一例之概略构造图。第2图系显示习知具有透光领域之研磨垫之一例之概略图。第3图系显示习知具有透光领域之研磨垫之其他例之概略图。第4图系显示第3本发明之具有透光领域之研磨垫之一例之概略图。第5图系显示第3本发明之具有透光领域之研磨垫之其他例之概略图。第6图系显示第3本发明之具有透光领域之研磨垫之其他例之概略图。第7图系显示本发明研磨垫之一例之概略截面图。第8图系显示本发明研磨垫之其他例之概略截面图。第9图系显示本发明研磨垫之其他例之概略截面图。第10图系显示本发明研磨垫之其他例之概略截面图。第11图系显示比较例3之研磨垫之概略图。第12图系显示具有本发明终点检测设备之CMP研磨设备之一例之概略构造图。

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