[发明专利]化学机械研磨机台

说明书

本发明涉及一种化学机械研磨(chemical-mechanical polishing-CMP)机台，特别是涉及一种具有提高晶片表面研磨均匀度(uniformity)的化学机械研磨机台。

当半导体元件的集成度(integration)愈来愈高后，为了配合金属氧化物半导体晶体管(MOS)缩小后所增加的内连线需求，两层以上的金属层设计，便逐渐地成为许多集成电路所必须采用的方式。而金属内连线结构中，通常都具有层间介电层(inter-layer dielectrics-ILD)或金属层间的介电层(inter-metaldielectrics-IMD)等，用作金属线间的绝缘。所以，当元件的设计原则(designrules)趋于高密度化时，对这些层间介电层(ILD)或层间金属层间介电层(IMD)的质量要求如平坦化要求也会随之提高。

然而，为了使多重金属内连线的制作较容易进行，且经转移的道线图案较为精确，因此如何使晶片(wafer)高低起伏的表面加以平坦化是非常重要的。此外，晶片平坦化是影响对准系统准确度的主要因素，假若晶片平坦化做不好，那么不仅对准系统无法准确地使光掩模(mask)对准晶片，而且会增加制造中的错误机会。

在半导体的制造技术中，表面平坦化是处理高密度光刻的一项重要技术，因没有高低落差的平坦表面才能避免曝光散射，而达到精密的图案转移(pattern transfer)。平坦化技术主要有旋涂式玻璃法(spin-on glass-SOG)与化学机械研磨法(以下简称CMP)等两种；但在半导体制作工艺技术进入毫微米(sub-half-micron)之后，旋涂式玻璃法已无法满足所需求的平坦度，所以CMP是现在唯一能提供超大规模集成电路(very-large scale integration-VLSI)和极大规模集成电路(ultra-large scale integration-ULSI)的制作工艺，“全面平坦化(global planarization)”的一种技术。

CMP主要就是利用类似“磨刀”这种机械式研磨的原理，配合适当的化学试剂(reagent)，来把晶片表面高低起伏不一的轮廓，一同时加以“磨平”的一种平坦化技术。在CMP的制作工艺上，我们通常以研浆或研磨液来称呼所使用的化学试剂。CMP所使用的研浆，主要是由呈胶体状(colloidal)的硅土(silica)，或呈分散状(dispersed)的铝土(alumina)，和碱性的氢氧化钾(KOH)或氢氧化铵(NH₄OH)等溶液所混合而成的。这些硬度极高的研磨颗粒，在研浆内的大小分布，约在0.1～2.0μm之间。基本上，我们就是利用研浆内的这些研磨性极高的微粒，来进行晶片的表面研磨。此外，研浆在输送至CMP机台的研磨垫(polishing pad)上进行晶片表面研磨制作工艺前，通常会先通过一过滤装置将其过滤，以避免研浆内的杂质刮伤晶片，甚至造成制作工艺的失败。

请同时参照图1A与图1B，其分别绘出一种现有化学机械研磨机台的俯视与侧视图。其中包括：一研磨台10(polishing table)；一握柄11(holder)，用以抓住被研磨的晶片12；一研磨垫13，铺在研磨台10上；一管件14(tube)，用以输送研浆15(slurry)到研磨垫13上；一液泵16，用以将研浆15抽送到管件14中；以及一调节器17(conditioner)，用以刮平研磨垫13的表面。当进行化学机械研磨时，研磨台10与握柄11分别沿一定的方向旋转，如图中的箭号18a与18b所示，且握柄11抓住晶片12的背面19，将晶片12的正面20压在研磨垫13上。管件14将液泵16所打进来的研浆15，持续不断地供应到研磨垫13上。所以，CMP程序就是利用研浆15中的化学试剂，在晶片12的正面20上产生化学反应，使之形成一易研磨层，再配合晶片12在研磨垫13上由研浆15中的研磨粒(abrasive particles)辅助的机械研磨，将易研磨层的凸出部分研磨，重复上述化学反应与机械研磨，即可形成平坦的表面。基本上，化学机械研磨技术是利用机械抛光的原理，配合适当的化学试剂与研磨粒，将表面高低起伏不一的轮廓，同时加以“抛光”的平坦化技术。