具有防水窗口的研磨垫 【技术领域】
本发明涉及一种半导体工艺组件，特别是有关于一种用于化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的具有防水窗口的研磨垫(Polishing Pad)。背景技术
随着集成电路不断地朝向线幅细小化及高积集度化发展，芯片表面已经无法提供足够的面积来制作所需的内联机(Interconncets)，需要在已形成的各层薄膜上再形成各种材料层及结构，以进行多重金属内联机的制作。然而，每一形成的薄膜表面具有高低起伏的不规则表面，对后续的工序会造成重大影响。例如，在具有高低落差的不平坦表面进行曝光时，会造成曝光散射及显影不良，无法达到精密的导线图案转移，而导致芯片良率不佳。因此，在半导体组件的制造过程中，需对各薄膜层的表面进行平坦化(Planarization)处理，以达到高可靠度及高成功率的多层化组件配线，从而提升制作良率及组件性能。
平坦化为一种将芯片表面轮廓的突出部分加以削平的半导体工艺技术。目前，半导体厂最常使用的平坦化方法大致有两种，一为旋涂式玻璃法(Spin-on Glass，SOG)，另一为化学机械研磨法(ChemicalMechanical Polishing，CMP)。旋涂式玻璃法是以旋涂方式，覆盖一层液态溶液于芯片表面，以使芯片表面达到局部性(Local)平坦化，而化学机械研磨法则是利用类似磨刀的机械式研磨原理，配合适当的化学助剂(Reagent)，将芯片表面上高低起伏不一的轮廓加以磨平的一种全面性(Global)平坦化技术。化学机械研磨法可以研磨的材料包括有例如铝、钨及铜等地金属材料，以及例如氧化硅、氮化硅及其它介电材料等的非金属材料，只要各种工艺参数控制得当，使用化学机械研磨法可以提供高达90％以上的平坦度。由于化学机械研磨法能提供良好的均匀度、表面平坦度及控制度，加上组件已进入深次微米世代及金属镶嵌(Damascene)技术的发展需求，化学机械研磨法已广泛地应用于金属层及低介电质常数(Low-k)介电层的工艺上，成为现今半导体工艺中最重要的一种平坦化技术。
在进行化学机械研磨工序时，最常遭遇到的一问题是：很难决定研磨工序是否完成，即芯片是否已研磨达到所需的平坦度或厚度。造成材料移除速率改变的因素大致有芯片的起始厚度不一、研浆组成、研磨垫状态、研磨垫与芯片之间的相对速度及芯片上的负载等等。这些因素使得达到研磨终点所需的时间无法用研磨时间函数来决定。因此，在CMP工艺中通常利用一种终点侦测器(End Point Detector)来侦测研磨终点。
请参照图1，其中显示的是一个现有的用来进行化学机械研磨工艺的设备的示意图，此设备通常包括一个用来进行芯片研磨的研磨台10(Polishing Platen)，以及一个用来抓持需研磨芯片的握柄(Holder)20。在研磨时，握柄20抓持芯片30的背面，并使芯片30的需研磨表面压抵于研磨台10上所铺设的一研磨垫50(Polishing Pad)上，研磨台10和握柄20各自顺着一定的方向旋转而产生相对运动，同时研浆40(Slurry)供应至芯片30与研磨垫50之间。研浆一般由约10～30％的SiO2研磨粉末以及约70％的去离子水组成。通过研浆40所提供的化学反应及芯片30在研磨台10上所承受的机械研磨，便可将芯片表面的高低不平部分平坦化。研磨垫50通常由一材质较硬的顶层52及一材质较软的底层54构成，然而，某些研磨垫只具有顶层且没有底层。一透明的窗口56嵌置于研磨垫顶层中以作为终点侦测窗口。一终点侦测系统60设置于研磨台10下方的一适当位置处，用于侦测芯片的研磨状态。
典型地，终点侦测系统60由光源、接收器及处理器组成。当研磨台10转动至适当位置时，由光源发射的一光束62通过研磨台10的孔洞12与研磨垫50中的窗口56而投射至芯片30上，自芯片30反射回来的光束由接收器所接收，接着利用处理器分析反射光强度对时间的变化，便可监控芯片的研磨状态及决定研磨终点。
由于在化学机械研磨期间，作为化学助剂的研浆40不断地供应于芯片30与研磨垫50之间，研浆中的水分会沿着研磨垫顶层52与窗口56之间的接合处渗入研磨垫内，渗入的水汽是聚集在顶层与底层之间的窗口表面58，使得窗口胡涂不清，导致由终点侦测系统发射的光束无法精确地透过窗口来观查研磨情形，特别是在进行氧化层的化学机械研磨工序时，例如制作浅沟渠隔离(Shallow Trench Isolation)结构时，氧化层的终点更不易观察，导致工艺良率不佳。此外，由于渗有水汽的研磨垫会对终点侦测造成干扰，因此需要时常更换新的研磨垫以提供良好的终点观察窗口，如此增加了工艺成本。
因此，亟需发展一种新的研磨垫，以解决上述水分渗入研磨垫内及聚集于窗口表面所导致的终点侦测困难及需时常更换研磨垫等问题，以提高工艺良率及节省工艺成本。发明内容
鉴于上述的发明背景中，在化学机械研磨期间，研浆中的水分易渗入研磨垫内而聚集在窗口表面上，使得终点侦测系统不易经由窗口而侦测研磨终点，影响终点侦测的准确率，造成工艺良率不佳及需时常更换研磨垫等问题。因此，本发明在此提供一种具防水窗口的研磨垫，可防止或减少水汽聚集在窗口表面，延长研磨垫的使用寿命及工艺良率。
本发明的目的为提供一种具防水窗口的研磨垫，可以阻止渗入研磨垫的水分及吸收聚集在研磨垫的窗口表面的水分，以提高终点侦测良率及改善研磨垫的使用寿命。
本发明的另一目的为提供一种化学机械研磨工艺的研磨垫，可以提供良好的终点侦测观察窗口，解决研磨期间水分聚集于窗口表面所造成的侦测干扰的问题。
根据以上所述的目的，本发明揭示一种具防水窗口的研磨垫，适用于化学机械研磨工艺中研磨一芯片，至少包括：一顶层，具有一研磨表面以与芯片的一需研磨表面接触，顶层具有一第一孔洞；一与顶层邻接的底层，此底层具有一第二孔洞，第二孔洞同轴地对齐第一孔洞且第二孔洞的尺寸比第一孔洞的尺寸小；一实质为透明的窗口，密封地设置于顶层的孔洞中；一第一吸水区，设置于顶层中的窗口周围，第一吸水区内填充有一可吸收水分的第一吸水材料；以及一第二吸水区，设置于底层的孔洞周围，第二吸水区内填充有一可吸收水分的第二吸水材料，第二吸水区与窗口的一下表面部分地接触。其中，顶层的硬度比底层的硬度大。窗口利用胶黏材料而密封地固定于顶层的第一孔洞中。第二吸水区的尺寸比第一吸水区的尺寸大。第一吸水材料与第二吸水材料具有不同的吸水率。第一吸水材料与第二吸水材料具有相同的吸水率。
本发明还揭示一种用于化学机械研磨工艺的研磨垫，至少包括有：一垫体，具有一研磨表面及一孔洞；一透明窗口，设置于垫体的孔洞中，窗口的上表面与研磨表面为共平面；以及至少一吸水区，设置于垫体内的窗口周围，吸水区内填充有至少一种可吸水的吸水材料。其中，垫体由一第一垫层与一第二垫层所组成，第一垫层具有研磨表面，而第二垫层邻接于第一垫层。第一垫层的硬度比第二垫层的硬度大。窗口利用胶黏材料而密封地固定于垫体的孔洞中。
下面结合附图和实施例，对本发明的结构及其优点作进一步的说明。附图说明
图1所示为一现有的用来进行化学机械研磨工艺的设备的示意图；以及
图2所示为根据本发明的一具防水窗口的研磨垫的剖面示意图。具体实施方式
本发明揭示一种具防水窗口的研磨垫，可以防止或减少渗入研磨垫内及聚集于窗口表面的水分，以提高研磨终点侦测的良率及延长研磨垫的使用寿命，以下将以一个较佳实施例，说明本发明的研磨垫。
请参照第图2，其中显示的是根据本发明的一实施例的研磨垫的剖面示意图。研磨垫100由一顶层102及一底层104所组成，其中顶层102具有一与欲研磨芯片接触的研磨表面101及一孔洞106，而底层104与顶层102相邻且具有一孔洞108。较佳地，顶层孔洞106与底层孔洞108同轴地对齐着，且顶层孔洞106的尺寸比底层孔洞108的尺寸大，因此底层104具有延伸超出顶层孔洞106的突出部109。研磨垫可使用具备耐酸碱及持久稳定性的材料制作，例如，可使用Rodel公司所生产的Suba系列或IC系列的研磨垫材料。Suba系列研磨垫的材料为填充有聚胺酯的聚酯毛毡(Polyurethane ImpregnatedPolyester Felts)，此种材料具有多孔性及一定的硬度。而IC系列的研磨垫材料为开口细胞海绵状的聚氨酯(Polyurethane)，具有较低的压缩性及较高的硬度，可有效地提升平坦化的效果，但对均匀度的控制却较差。较佳地，本实施例的研磨垫的顶层102使用IC 1000，而底层104则使用Suba IV，此种结合IC 1000及Suba IV的研磨垫可在CMP工艺中达到良好的平坦度及均匀度。
一透明窗口110安装于研磨垫顶层102的孔洞106中，窗口110的上表面与顶层102的研磨表面共平面，而窗口的两侧底端低靠于研磨垫底层104的突出部109上方。窗口110的形状可以为任何适当的形状，例如圆形、矩形或椭圆形。窗口110与顶层102的孔洞相配合且彼此之间是密封的，以防止研浆流入至研磨垫内。可以使用适当的黏着剂将窗口102密封地固定于顶层102的孔洞106内，或者窗口102可以用模制的方式形成于顶层102的孔洞106中。
由于在化学机械研磨中，作为化学助剂的研浆不断地供应至研磨垫与芯片之间，研浆中的水分会沿着窗口与顶层孔洞之间的接合处渗入研磨垫中，渗入的水分会聚集在窗口表面，造成终点侦测不易及降低研磨垫使用寿命等问题。因此，本发明的研磨垫中填充有吸水剂(Moisture Absorbent)或疏水剂(Hydrophobic Agent)，以吸收或阻止渗入或聚集于窗口表面的水汽。如图2所示，在研磨垫100的顶层102与底层104分别具有顶层吸水区120及底层吸水区122。例如，可于研磨垫的顶层102及底层104中的孔洞周围的适当位置处形成多个沟槽或凹口以用于填充吸水剂或疏水剂。每一吸水区内填充有吸水剂或疏水剂之类的吸水材料。较佳地，顶层吸水区120设置于窗口110的周围，而底层吸水区122设置于孔洞108的周围，其中底层吸水区122的尺寸比顶层吸水区120的尺寸大，且底层吸水区122部分地延伸至突出部109中，使得窗口110的下表面112两侧部分接触底层吸水区122。当进行化学机械研磨时，渗入至窗口110与顶层孔洞106之间的水分可由顶层吸水区120内的吸水材料吸收或阻止，而聚集于窗口表面112的水分可通过毛细现象被底层吸水区122中的吸水材料吸收，以减少水分聚集于窗口表面112及保持窗口的清晰度。
在本文中所使用的“吸水剂”或“疏水剂”材料界定为可吸收诸如液态水分或水汽的可吸水材料，可包括干燥剂及其它适当的吸湿剂或除湿材料。本发明的研磨垫中可以填充各种适当的市售有机或无机吸水材料。无机的吸水材料可包括钙盐类、吸水黏土、硅土及硅胶凝体等等，而有机的吸水材料可包括天然材料，例如石花菜、果胶、瓜尔豆胶(Guar Gum)及人工的合成材料，例如各种合成水胶(SyntheticHydrogel Polymers)。此类的吸水材料可使用能吸水膨胀的粉末，例如原本为干燥的，当曝露于潮湿环境时，便会吸收水分而膨胀变大成为胶状。典型地，水胶聚合物材料具有至少可吸收约其本身重量15倍的水分，较佳地可吸收至少约25～50倍的水分。
进一步地，研磨垫内可以填充至少一种吸水剂或疏水剂，每一种吸水剂或疏水剂具有不同的吸水率。例如顶层吸水区中的吸水剂的吸水率可较底层吸水区内的吸剂的吸水率为高，当顶层的吸水剂达到饱和时，底层吸水区中的吸水剂可以缓慢地吸收自顶层渗入及聚集在窗口表面的水分，以保持窗口的清晰度。此外，也可使用其它不同吸水率组合的吸水剂或疏水剂。熟悉此项技术者应可理解的是，本发明具防水窗口的研磨垫并非限制于上述举例的双层研磨垫，也可应用于单层或是多层组合的研磨垫，可在研磨垫内及窗口周围的任意适当位置填入吸水剂或疏水剂，以吸收或阻止水分渗入研磨垫及聚集于窗口表面。
如上所述，本发明提供一种具防水窗口的研磨垫，此研磨垫内及窗口周围提供适当的吸水剂或疏水剂，在化学机械研磨期间，研磨垫的窗口表面上聚集的水分或蒸汽可利用吸剂或疏水剂而吸收或阻止，因而可阻止大部分的水汽及延长研磨垫的使用寿命。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利保护范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在下述的专利保护范围内。