CN102601722A - 一种研磨方法和研磨装置 - Google Patents

Abstract

一种研磨方法和研磨装置，所述研磨方法包括以下步骤：将晶圆放置在位于研磨台上的固结磨料研磨垫上；向固结磨料研磨垫上加入研磨液，研磨晶圆；用电极吸附研磨过程产生的固体颗粒，所述电极的极性与固体颗粒所带电荷相反；所述研磨装置，包括研磨台、固结磨料研磨垫、溶液输送管，以及带有电极的电极修整器。本发明通过在研磨过程中去除研磨中产生的固体颗粒，避免了晶圆在研磨过程中被刮伤，提高晶圆研磨良率和效率。

Description

一种研磨方法和研磨装置

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别是涉及一种研磨方法和研磨装置。

背景技术

在半导体制造工艺中，平坦化晶圆是形成半导体器件的重要步骤之一。目前平坦化晶圆的方法一种是采用化学机械研磨法，利用研磨液与晶圆表面产生化学反应及机械研磨力平坦化晶圆表面；另一种是固结磨料研磨法，所述固结磨料研磨法如美国专利20010044271中所公开的：将磨料颗粒制成磨料层，并固定粘结在刚性层上制成研磨垫，，然后将研磨垫放置于研磨台上，使其表面与晶圆表面接触，进行研磨。

然而，化学机械研磨法，由于在研磨过程中研磨液随机分布，导致密度不均匀，研磨效果差，而且研磨液利用率低，研磨液废液容易污染环境。因此，固结磨料研磨法由于磨料利用率高、研磨精度高的特点，逐渐被取代化学机械研磨法，在半导体制造工艺中被广泛应用。

图1a和图1b是现有技术的固结磨料研磨法研磨晶圆示意图。如图1a所示，固结磨料研磨垫102固定在研磨台101上，所述固结磨料研磨垫102磨料层具有由磨料固结形成的小突起；晶圆103吸附固定在研磨头104上，其表面与固结磨料研磨垫102的磨料层相接触；研磨的时候，固结磨料研磨垫102在承载台101的旋转带动下旋转，晶圆103也在旋转的研磨头104带动下旋转，其与固结磨料研磨垫102作相对运动，使得晶圆103表面不断与磨料层摩擦而被研磨。如图1b所示，由于固结磨料研磨垫102的磨料层110材料主要是二氧化铈、二氧化硅等固体颗粒，因此在研磨过程中，固结磨料研磨垫102的磨料层110与晶圆103表面不断摩擦，在机械力的作用下会产生大量固体颗粒，如二氧化硅颗粒201、二氧化铈颗粒202，这些固体不仅影响研磨效果，而且很容易造成晶圆103表面刮伤，导致晶圆报废。现有的处理方法，只是在晶圆研磨完成后，用去离子水冲洗固结磨料研磨垫102表面去除研磨过程产生的固体颗粒，以便减小固体颗粒刮伤下一片晶圆。但是这种方法并不能防止固体颗粒在研磨过程中刮伤晶圆。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种减少晶圆研磨刮伤的方法，避免用固结磨料研磨法研磨晶圆过程中，因产生固体颗粒，刮伤晶圆，导致晶圆报废，影响生产良率和效率。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种研磨方法，包括以下步骤：将晶圆放置在位于研磨台上的固结磨料研磨垫上；向固结磨料研磨垫上加入研磨液，研磨晶圆；用电极吸附研磨过程产生的固体颗粒，所述电极的极性与固体颗粒所带电荷相反。

优选的，其特征在于，所述研磨液为脯氨酸、丙胺酸和氨基乙酸的一种或多种。

优选的，所述研磨液的pH值为10～11。

优选的，所述固体颗粒包含二氧化硅、二氧化铈。

一种的研磨装置，包括研磨台、位于研磨台上的固结磨料研磨垫、工作时将研磨液输送至固结磨料研磨垫上的溶液输送管，还包括：带有电极的电极修正器，研磨时位于固结磨料研磨垫上方且与固结磨料研磨垫具有间隙，所述电极工作时与固结磨料研磨垫上的研磨液接触。

优选的，还包括清洗装置和电源，所述清洗装置通过底座固定于研磨台一侧，并通过开关与电源一端连接；所述电源另一端通过开关与所述电极修整器连接。

优选的，所述电源电压为0～30伏。

优选的，所述电极材料为不导电材料

优选的，所述电极表面覆有金属膜。

优选的，所述电极材料为导电材料。

优选的，所述电极表面覆有绝缘薄膜。

优选的，所述电极为圆柱形或长条形。

优选的，所述溶液输送管输送的研磨液为碱性溶液。

优选的，所述电极工作时，所述电源一端通过开关与电极修整器连接，电源另一端通过开关与研磨台连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在研磨过程中，将电极修整器置于固结磨料研磨垫上方且与固结磨料研磨垫具有间隙，电极修整器上的电极与固结磨料研磨垫上的研磨液接触，并使电极极性与固体颗粒所带电荷相反，吸附固体颗粒。由于所述固体颗粒主要为二氧化铈、二氧化硅，其等电点比较低，在碱性溶液，所述固体颗粒带有负电荷；而所述电极带有正电荷，因此当二者接触时，根据电荷的异性相吸原理，固体颗粒会被吸附到电极上。本发明的方法可以去除研磨过程中产生的固体颗粒，防止固体颗粒在研磨过程中刮伤晶圆，提高了生产的良率和效率。

附图说明

图1a和图1b是现有技术的固结磨料研磨法研磨晶圆示意图；

图2是本发明提供的研磨方法的具体实施例流程图；

图3a和图3b是本发明的提供的研磨装置结构示意图；

图4至图8是本发明的研磨方法具体实施例示意图。

具体实施方式

发明人在现有固结磨料研磨法中，固结磨料研磨垫的磨料层是由二氧化硅、二氧化铈等固体颗粒粘结组成，在研磨过程中，由于与晶圆表面不断摩擦、挤压，在横向和纵向剪切力的作用下，二氧化硅、二氧化铈等固体颗粒逐渐游离出来；随着研磨的进行，产生的固体颗粒越来越多，越来越容易将晶圆表面刮伤。现有的做法，只是在晶圆研磨结束后，用去离子水冲洗固结磨料研磨垫，去除研磨过程中产生的固体颗粒，尽量减少下次研磨时，晶圆表面被固体颗粒刮伤。但是这种方法作用有限，特别是对于研磨过程中晶圆表面的刮伤无法避免。

针对上述问题，发明人提出一种解决方案，具体为：如图2所示，执行步骤S11，将晶圆放置在位于研磨台上的固结磨料研磨垫上；执行步骤S12，向固结磨料研磨垫上加入研磨液，研磨晶圆；执行步骤S13，用电极吸附研磨过程产生的固体颗粒，所述电极的极性与所述固体颗粒所带电荷相反。

本发明的研磨方法，利用固结磨料研磨法中研磨产生的固体颗粒，主要为二氧化硅、二氧化铈，其等电点比较小，在碱性研磨液中带负电荷的特性，在研磨过程中，使用带有正电荷的电极与研磨液接触，根据电荷的异性相吸原理，使固体颗粒吸附在电极上，从而可以在研磨过程中去除固体颗粒，减少固体颗粒对研磨中晶圆的刮伤，提高晶圆研磨的良率和效率。

本发明还提供了应用于上述研磨方法的研磨装置。图3a和图3b为本发明提供的研磨装置俯视示意图。如图3a所示，研磨装置包括研磨台(未示出)、固结磨料研磨垫102、溶液输送管108以及电极修整器105；其中，所述固结磨料研磨垫102放置于研磨台上，通过固定于与研磨台同一底座的输入和输出滚筒(未示出)进行移动，研磨过程中，固结磨料研磨垫102与研磨台相对静止；所述溶液输送管108通过连接装置(未示出)固定于这个研磨装置的侧壁或底部，所述溶液输送管108出口位于固结磨料研磨垫102上方，靠近所述固结磨料研磨垫102中心；所述电极修整器105通过支撑结构(未示出)固定于研磨台旁边，所述电极修整器105与所述支撑结构活动连接，使得电极修整器105能够旋转移动于固结磨料研磨垫102上方，并与固结磨料研磨垫102表面形成一定间隙；所述电极修整器105一端为电极1051。

进一步地，所述研磨装置还包括电源200、开关2001和清洗装置106；所述电源200、开关2001和清洗装置106通过底座(未示出)固定于研磨台旁边；所述电源200一端通过开关2001与电极修整器105连接，电源200另一端通过开关2001与研磨台相连接；所述电极修整器105可以旋转移动至所述清洗装置106中。

继续参考图3a，研磨时，将所述电极修整器105移至固结磨料研磨垫102上方，并使电极修整器105的电极1051与固结磨料研磨垫102上的溶液接触；所述电源200向电极修整器105提供电源，使电极修整器105的电极1051带上电荷，所述电荷极性和固体颗粒所带电荷相反。根据电荷的异性相吸原理，固体颗粒被吸附在电极修整器105的电极1051上。

如图3b所示，将吸附固体颗粒的电极修整器105移至清洗装置106里，并将电源200一端通过开关2001与电极修整器105连接，电源200另一端通过开关2001与清洗装置106连接，由电源200向电极修整器105提供反向电压，使电极修整器105的电极1051极性与固体颗粒所带电荷相同。根据电荷的同性相斥原理，原本吸附在电极修整器105电极1051上的固体颗粒脱离电极，向清洗装置106移动，从而使电极修整器105的电极1051表面干净，以便继续进行吸附固体颗粒。

本发明提供的研磨装置，通过电源200可以方便地是电极修整器105的电极1051极性带上与固体颗粒所带电荷相反，从而快速将固体颗粒吸附在电极1051上；然后将电极修整器105移至清洗装置，并利用电源200向电极修整器105提供反向电压，使其电极1051极性与固体颗粒所带电荷一致，快速去除电极吸附的固体颗粒，使电极修整器105的电极1051表面干净，以便继续使用。

下面结合附图对本发明的研磨方法具体实施方式作详细说明。

如图4所示，将晶圆103放置在位于研磨台上的固结磨料研磨垫102上，具体过程为：将晶圆103吸附固定在研磨头(未示出)上，将固结磨料研磨垫102设置在研磨台101上，使晶圆103的待研磨面与固结磨料研磨垫102接触；通过研磨头向晶圆103施加向下的压力，使晶圆103与固结磨料研磨垫102的接触面产生预期的研磨压力。

本实施例中，所述固结磨料研磨垫102从底层至上层依次为刚性层、粘结层、磨料层，所述固结磨料研磨垫102中的磨料层由二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石等固体颗粒固结形成，常用的固体颗粒为二氧化硅和二氧化铈；所述磨料层表面具有规则的凹凸形状，以提高研磨晶圆103的效率。

如图5所示，向固结磨料研磨垫102上加入研磨液104，研磨晶圆103；

所述研磨液104通过溶液输送管108输出到固结磨料研磨垫102表面，使研磨液104充满在晶圆103与固结磨料研磨垫102之间。所述研磨液104包括但不限于脯氨酸、丙胺酸、氨基乙酸中的一种或它们的组合，pH值为10～11，例如，研磨液104选用脯氨酸溶液，pH为10.5。

本实施例中，本领域技术人员理解，具体的研磨过程是：通过动力驱动，使研磨台作旋转运动，使得所述固结磨料研磨垫102一起旋转；同时，驱动研磨头转动，带动研磨头上吸附的晶圆103旋转，从而使晶圆103与固结磨料研磨垫102作相对运动，进行研磨。

如图6所示，研磨过程中，晶圆103和固结磨料研磨垫102之间产生固体颗粒201、202，并在研磨液104中带上负电荷。

本实施例中，由于在研磨过程中，磨料层与晶圆103表面相互接触，不断摩擦、挤压，在摩擦、挤压产生的横向和纵向的剪切力作用下，晶圆103表面不断被磨平。根据力的相互作用原理，磨料层也同样受到横向和纵向的剪切力作用，因此，在研磨过程中，磨料层中的部分固体颗粒201、202，如二氧化硅、二氧化铈，会逐渐脱离磨料层，游离在晶圆103与固结磨料研磨垫102之间。在持续的研磨过程中，这些固体颗粒201、202很容易将晶圆103表面刮伤。

本实施例中，所述固体颗粒201、202的等电点比较低，例如二氧化硅的等电点为2.2，二氧化铈等电点为6.8。所谓的等电点，是指两性离子所带电荷因溶液的pH值不同而改变，当两性离子正负电荷数值相等时，溶液的pH值即其等电点；当溶液的pH值大于等电点时，离子将带负电荷；当溶液pH值小于等电点时，离子将带正电荷。由于加入的研磨液104为碱性，pH值高于固体颗粒201、202的等电点，因此，浸没在研磨液104中的固体颗粒201、202带上负电荷。

如图7所示，用电极1051吸附研磨过程产生的固体颗粒，所述电极1051的极性与所述固体颗粒201、202所带电荷相反。

本实施例中，所述固体颗粒201、202所带电荷为负电荷，所述电极1051的极性为正极。具体吸附过程为：将所述电极修整器105移至固结磨料研磨垫102上方，与固结磨料研磨垫102具有一定间隙，并使电极1051与固结磨料研磨垫102上的研磨液104接触；所述电源200正极与电极1051连接，使电极1051带上正电荷；电源200负极与研磨台101连接，使研磨台101带上负电荷，则在电极1051与研磨台101之间形成电场(图中虚线箭头所示)，所述电场方向指向研磨台101。根据电荷的异性相吸原理，所述固体颗粒201、202向电极1051移动并吸附在电极1051表面上。

本实施例中，电源200的电压为0～30伏，优选为8伏。

本实施例中，电极修整器105的电极1051可以由导电材料制成，如铜、铝、钨材料，也可以由绝缘材料支撑，并在绝缘材料表面镀上一层金属膜，使其具有导电性；或者所述电极1051由导电材料制成，并在导电材料表面形成一层绝缘薄膜，比如特氟龙(Polytetrafluoroetylene)或碳化硅，以避免引入新的污染源为准。所述电极修整器105的形状可以是圆柱形或长条形或其他对称或不对称形状，以方便在研磨液104中吸附固体颗粒201、202为准。例如，作为一实例，电极1051采用铜材制成的长条状，长度为100毫米。

本实施例中，电极修整器105可以稳定在研磨液104的某一区域，利用研磨台101的旋转扫过一定区域，也可以在研磨液104中来回扫动，以便快速吸附更大区域中的固体颗粒201、202，但不得与晶圆103相接触。

如图8所示，将吸附好固体颗粒201、202的电极修整器105从研磨液104中移至清洗装置106里面，清洗吸附在电极1051上的固体颗粒。具体清洗过程如下：将吸附固体颗粒201、202的电极修整器105移到清洗装置106中，所述清洗装置106含有碱性溶液107，例如氢氧化钾或氨水，所述碱性溶液107的pH值为7～12，以使固体颗粒201、202在清洗装置中仍带有负电荷；断开电源200与电极修整器105的连接以及电源200与研磨台101的连接；将电源200的负极与电极修整器105连接，使电极1051带上负电荷；将电源200正极与清洗装置106连接，使清洗装置106带上正电荷。由于电极修整器105与清洗装置106分别带有负电荷和正电荷，因此在二者之间形成由清洗装置106指向电极修整器105的电场。根据电荷的异性相斥原理，带有负电荷的固体颗粒201、202与电极1051相斥，脱离电极1051表面，从而完成电极1051的清洗，以备下一次吸附固结磨料研磨垫102与晶圆103之间的固体颗粒201、202。

本实施例中，通过利用在研磨过程中产生的固体颗粒201、202在碱性研磨液104中，带有负电荷；根据电荷的异性相吸原理，将电极修整器105移至固结磨料研磨垫102上，并仅与研磨液104接触；同时，将电源200正极与电极修整器105连接，使电极带正电；电源200负极连接研磨台101；带有负电荷的固体颗粒201、202向带有正电荷的电极1051移动并吸附在电极1051表面上；将吸附固体颗粒201、202的电极修整器105移至清洗装置106中，并在电极修整器105和清洗装置106之间加上反向电压，使电极修整器105的电极1051带上负电荷，清洗装置106带上正电荷；固体颗粒201、202在相斥的电荷之间的作用力下，脱离电极1051，向清洗装置106移动，使得电极1051表面变干净，以备继续使用。本发明的方法有效避免了在研磨过程中，产生的固体颗粒刮伤晶圆，导致晶圆报废，降低生产良率和效率的问题。

本发明的方法适合于任何利用固结磨料研磨法研磨晶圆的情况，比如研磨浅沟槽隔离、研磨铜金属层或钨金属层。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，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 (14)

1.一种研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

将晶圆放置在位于研磨台上的固结磨料研磨垫上；

向固结磨料研磨垫上加入研磨液，研磨晶圆；

用电极吸附研磨过程产生的固体颗粒，所述电极的极性与固体颗粒所带电荷相反。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨液为脯氨酸、丙胺酸和氨基乙酸的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨液的pH值为10～11。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒包含二氧化硅、二氧化铈。

5.一种用于权利要求1所述方法的研磨装置，包括研磨台、位于研磨台上的固结磨料研磨垫、工作时将研磨液输送至固结磨料研磨垫上的溶液输送管，其特征在于，还包括：带有电极的电极修正器，研磨时位于固结磨料研磨垫上方且与固结磨料研磨垫具有间隙，所述电极工作时与固结磨料研磨垫上的研磨液接触。

6.根据权利要求5所述的研磨装置，其特征在于，还包括清洗装置和电源，所述清洗装置通过底座固定于研磨台一侧，并通过开关与电源一端连接；所述电源另一端通过开关与所述电极修整器连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电源电压为0～30伏。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电极材料为不导电材料。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电极表面覆有金属膜。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电极材料为导电材料。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电极表面覆有绝缘薄膜。

12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电极为圆柱形或长条形。

13.根据权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，所述溶液输送管输送的研磨液为碱性溶液。

14.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电极工作时，所述电源一端通过开关与电极修整器连接，电源另一端通过开关与研磨台连接。

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