CN102009383A - 化学机械研磨设备及研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨设备，包括：灌有磨料的容器；转动设置在容器内的用于夹持晶片的磨头、转盘以及设置在转盘上用于研磨所述的晶片的抛光垫；与容器连通的用于注入磨料的磨料喷头和用于磨料回收的磨料回收***；所述磨头位于容器内的高度为使得晶片至少完全淹没在磨料内的高度；所述磨头具有与晶片贴合的贴合面，该贴合面朝上；所述抛光垫相对转盘朝下。采用上述技术能够提高晶片与磨料的接触面积，促进磨料的更新，降低晶片对磨料的敏感度，能够避免磨料污染带来的晶片表面反复划伤问题，而且有利于散热，能够提高晶片的均匀性。

Description

化学机械研磨设备及研磨方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种化学机械研磨(CMP)设备及其相应研磨方法。

背景技术

随着半导体器件的集成度日益增大，采用多层金属技术使得单个集成电路中上亿晶体管和支持元件的内部互连成为可能。随着金属布线层数的增多或填充深度比较大的凹槽，会使得晶片表面呈现大的表面起伏。表面起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽的控制减弱，使得整个晶片上线宽的均一度降低，此时就需要采用研磨工艺对起伏表面进行平坦化处理。化学机械研磨(CMP)工艺，相比传统的反刻、玻璃回流、旋涂膜层等平坦化工艺具有：能够获得全局平坦化、能够减小严重的表面起伏、能够改善金属台阶覆盖等多重优势，因而成为目前晶片制造业用于研磨的优选方法。

现有的传统CMP设备可以参见图1，一片(也可以是多片，图中以一片为例说明)晶片(2)的待研磨面朝下被夹在磨头(1)上，转盘(4)上的抛光垫(3)与晶片(2)接触，磨头(1)在旋转，转盘(4)也在旋转，且磨头(1)的旋转中心线相对转盘(4)的旋转中心线具有相对平移，磨料喷头(6)向抛光垫(3)上喷洒磨料(5)，转盘(4)底部还具有磨料回收***(7)。磨料(5)与晶片(2)发生化学反应，生成一层较容易去除的表面层，该表面层借助磨料中的研磨剂和研磨压力被抛光垫以相对运动机械地磨去。

尽管CMP工艺是一种较为先进的研磨工艺，但该工艺中还是存在晶片表面均匀性容易受到影响的问题，随着晶片尺寸越来越大，晶片表面均匀性的问题将更加突出，导致晶片表面均匀性差的原因主要是晶片尺寸较大，磨料在大面积抛光垫上喷撒的均匀度不够十分稳定从而造成在研磨头及抛光垫在高速旋转时晶片表面磨料更新速度不够快。当磨料受到大颗粒杂质污染，大颗粒杂质不能及时排出，会导致晶片表面产生较多划痕，尤其是晶片中央不容易接触新的磨料而表面更易被杂质划伤；晶片表面磨料更新速度不够，研磨产生的热量散发不出去，金属电极吸热之后研磨速度更加加剧，金属电极表面更容易产生凹陷。例如，对于12英寸(300毫米直径)晶片，将至少使用1500毫米直径抛光垫，如果要保证抛光垫上磨料的均匀性，就需要配置较多的磨料喷头并投入较多磨料，否则，晶片表面很容易产生各种缺陷。而且因为晶片对磨料品质的敏感性非常高，磨料回收***收集的磨料不可过滤再使用。众所周知，用于CMP的磨料价格昂贵，为确保产品品质，厂家必须在CMP工艺上投入较大成本。

另外，大尺寸的晶片，压在抛光垫上之后，晶片中央相对晶片边缘与抛光垫的贴和更紧密、研磨速度更快，为了避免晶片呈现中央凹、边缘凸的形状，需要在晶片中央使用低压力、边缘使用高压力，压力控制比较复杂。同时，现有化学机械研磨设备还存在研磨效率不高的问题，因为磨头在设计时边缘需要开设研磨液通道以确保研磨液能够深入晶片内部，这就使得磨头的把持力降低，因此晶片与抛光垫的相对运动速度差不能太大，由此限制了研磨效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有大尺寸晶片CMP工艺均匀性容易受到影响的不足，提供一种成本降低且均匀性能够保证的化学机械研磨设备。

本发明所采用的技术手段是：一种化学机械研磨设备，包括：灌有磨料的容器；转动设置在容器内的用于夹持晶片的磨头、转盘以及设置在转盘上用于研磨所述的晶片的抛光垫；与容器连通的用于注入磨料的磨料喷头和用于磨料回收的磨料回收***；所述磨头位于容器内的高度为使得晶片至少完全淹没在磨料内的高度；所述磨头具有与晶片贴合的贴合面，该贴合面朝上；所述抛光垫相对转盘朝下。

采用上述技术能够提高晶片与磨料的接触面积，使晶片表面能与磨料在整个研磨过程中保持充分完全地接触，更加有利于促进磨料的更新速度，降低传统研磨机上的晶片对磨料的敏感度及解决传统研磨机因机器研磨料流速的不稳定而造成晶片的平整度达不到规范要求的问题，更能够有效避免因磨料及抛光垫表面的污染带来的晶片表面硬性划伤问题，而且比传统研磨机更有利于晶片及抛光垫表面的散热，从而更加加强及提高晶片表面在抛光过程中的均匀性。

作为一种优选的实施方式，所述的磨料回收***包括：入口与容器连通、用于将容器中的磨料抽出的泵；入口与泵的出口连通的磨料评估装置，该磨料评估装置用于评估磨料能否继续利用，该磨料评估装置具有第一出口和第二出口，第一出口与过滤器的入口连通，第二出口与废弃池连通，当磨料被评估为再利用时，第一出口打开、第二出口关闭，当磨料被评估为不再利用时，第一出口关闭、第二出口打开；过滤器的出口与磨料喷头连通。

以上结构能够合理的节约磨料、降低成本。

本发明的又一目的是提供一种上述化学机械研磨设备的研磨方法，它包括如下步骤：

首先，将晶片待研磨面朝上的夹持在磨头上，用磨料喷头灌入磨料至淹没晶片；

其次，开启磨头与转盘，使得磨头与转盘旋转，保持磨料喷头注入磨料，开启磨料回收***，且保持磨料回收***的抽走流量与磨料喷头的注入流量相等；

再次，使得转盘的转动中心相对磨头的转动中心平移，完成研磨。

本发明提供了一种降低晶片对磨料杂质敏感度的研磨设备及研磨方法，能够提高晶片均匀性，尤其适合大尺寸晶片的研磨。

作为优先的方案，所述磨头转速为60～70转/分钟，所述转盘转速为90～100转/分钟。由于晶片淹没在磨料中，磨头上不必开设磨料通道，磨头在设计时只需要考虑把持力，则把持力能够提高，由此磨头与转盘的转速差异可以比传统研磨机的限定数值大很多，也更具更大的灵活性在转速差异参数的设定，从而提高研磨效率。

附图说明

图1为现有技术的一种CMP设备立体示意图；

图2为本发明提出的一种CMP设备立体示意图；

图3为本发明提出的又一种CMP设备立体示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，器件结构会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。实施例中与背景技术相同的部件采用同样标号。

[实施例一]

参见图2，本发明提出一种新的化学机械研磨设备，与现有技术中磨头在上、转盘在下的设备不同之处是，该设备包括灌有磨料5的容器8、转动设置在容器8内用于夹持晶片2的磨头1、转动设置在容器8内的转盘4、设置在转盘4上用于研磨晶片2的抛光垫3、与容器8连通的磨料喷头6和磨料回收***7。所述磨头1具有与晶片2贴合的贴合面(图2中，贴合面与晶片2重合，不可见)，该贴合面朝上设置，所述抛光垫3相对转盘4朝下对晶片2进行研磨；且该磨头1位于容器8内的高度为使得晶片2至少能完全淹没在磨料5的高度；所述抛光垫3的直径小于晶片2的直径；所述转盘4的转动中心线还能够相对磨头1的转动中心线平移。

作为一个具体的例子，如果待研磨的晶片2是12英寸(直径300毫米)，容器8可以是长*宽＝600毫米*600毫米的立方体容器，高度根据转盘4调整，例如500毫米。

容器8底部用具有缝隙的隔板81隔出50～150毫米高的沉淀区82，容器8底面与磨料回收***7连通。研磨工艺中产生的一些较大的杂质颗粒在重力的作用下随着磨料5的流动被带到沉淀区82，沉淀区82内磨料5的流动比较缓和，杂质容易被磨料回收***7带走，能够提高净化效率。

容器8侧壁顶部与磨料喷头6连通，磨料喷头6往容器8中注入洁净的磨料5，磨料回收***7将沉淀区82中沉淀的具有杂质的磨料5回收。容器8内磨料5淹没晶片2的高度为200毫米～300毫米(以晶片的顶面至磨料液面计算)。将晶片2完全淹没在磨料5中，使得晶片2上的磨料5能够充分更新，磨料5得到充分更新，不仅避免污染带来的反复划伤而且有利于散热。

抛光垫3的直径为100毫米～200毫米。随着晶片2尺寸的增大，如果采用大尺寸的抛光垫3，二者接触面积较大，晶片2中心的磨料5渗透较边缘少，中心研磨较边缘慢，会导致片内不均匀性。减小二者接触面积，有利于磨料5的渗透、而且抛光垫变形较小，能够提高研磨均匀性，但是会降低研磨效率，本领域技术人员应当能够根据工艺条件合理选择。

作为本领域公知技术，化学机械研磨设备应当还包括终点监测装置以及必要的抽真空装置等相关装置，这些并非本发明要阐述的重点，因此不再赘述。

上述化学机械研磨设备在使用时，首先，将晶片2夹持在磨头1上，用磨料喷头6灌入磨料5至淹没晶片2大概200毫米～300毫米；其次，开启磨头1，以60～70转/分钟的速度旋转，例如65转/分钟，开启转盘4，以90～100转/分钟的速度旋转，例如93转/分钟，保持磨料喷头6不断注入新磨料5，开启磨料回收***7不断抽走杂质磨料5，注入流量与抽走流量相等；使得转盘4的转动中心相对磨头1的转动中心平移并完成研磨，转盘4在晶片2边缘以较低平移速度运动，例如2厘米/秒，转盘4在晶片2中心以较高平移速度运动，例如5厘米/秒。

[实施例二]

实施例二与实施例一大致相同，区别在于对磨料回收***7的改进。

磨料回收***7包括入口与容器8底部连通、用于将沉淀区82中的磨料5抽出的泵71、入口与泵71的出口连通的磨料评估装置72，所述磨料评估装置72具有两个出口A、B，A连通到过滤器73的入口、B连通到废弃池76，磨料评估装置72对磨料5进行质量评估，认为还能够继续使用，就打开A、关闭B，认为不能再循环使用，就打开B、关闭A。过滤器73的出口连接到磨料喷头6。所述的泵71的入口与容器8之间具有初步过滤器74，防止杂质损伤泵71。所述的泵71的出口与磨料评估装置72之间具有回收***流量表75，磨料喷头6上还具有喷头流量表(图中未表示)，两个表用于统计流出和流入容器8的磨料5，使得相应的控制***保持容器8中的磨料5呈固定高度。

正是由于实施例一中的方案，降低晶片对磨料中杂质的敏感度，使得实施例二中的磨料回收***7的结构得以实施，并且该磨料回收***7能够确保容器8中磨料5的洁净度而且能够充分利用洁净度较高的磨料5。由此，相比于现有技术，只需要使用20％～30％的新磨料5就能满足要求而且达到良好的晶片均匀性。该技术可以满足日后更大尺寸晶片的需求，具有宽广的应用前景。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种化学机械研磨设备，包括用于夹持晶片(2)的磨头(1)、转盘(4)、设置在转盘(4)上用于研磨所述的晶片(2)的抛光垫(3)，其特征在于，还包括：

灌有磨料(5)的容器(8)，所述的磨头(1)和转盘(4)转动设置在容器(8)内；

与容器(8)连通的用于注入磨料(5)的磨料喷头(6)和用于磨料回收的磨料回收***(7)；

所述磨头(1)位于容器(8)内的高度为使得晶片(2)至少完全淹没在磨料(5)内的高度；

所述磨头(1)具有与晶片(2)贴合的贴合面，该贴合面朝上；

所述抛光垫(3)相对转盘(4)朝下。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述的容器底部设置有具有缝隙的隔板，所述隔板与容器底面的距离为50～150毫米，所述磨料回收***与容器底面连通。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述磨头位于容器内的高度为使得晶片被淹没在磨料内200～300毫米的高度。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述的抛光垫的直径小于晶片的直径。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述的磨料回收***包括：

入口与容器连通、用于将容器中的磨料抽出的泵；

入口与泵的出口连通的磨料评估装置，该磨料评估装置用于评估磨料能否继续利用，该磨料评估装置具有第一出口和第二出口，第一出口与过滤器的入口连通，第二出口与废弃池连通，当磨料被评估为再利用时，第一出口打开、第二出口关闭，当磨料被评估为不再利用时，第一出口关闭、第二出口打开；

过滤器的出口与磨料喷头连通。

6.一种如权利要求1所述的化学机械研磨设备的研磨方法，包括如下步骤：

首先，将晶片待研磨面朝上的夹持在磨头上，用磨料喷头灌入磨料至淹没晶片；

其次，开启磨头与转盘，使得磨头与转盘旋转，保持磨料喷头注入磨料，开启磨料回收***，且保持磨料回收***的抽走流量与磨料喷头的注入流量相等；

再次，使得转盘的转动中心相对磨头的转动中心平移，完成研磨。

7.如权利要求7所述的研磨方法，其特征在于：研磨时，所述磨料淹没晶片200～300毫米。

8.如权利要求7所述的研磨方法，其特征在于：所述磨头转速为60～70转/分钟，所述转盘转速为90～100转/分钟。

9.如权利要求7所述的研磨方法，其特征在于：所述转盘在晶片边缘的平移速度比在晶片中心的平移速度慢。

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