CN101362313B - 化学机械研磨设备及化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨设备，包括外壳、转台、研磨垫、冲洗装置和主控机，还包括保湿装置，所述保湿装置具有与去离子水管相连的送水管，所述送水管围绕所述外壳的内上沿安装，其具有控制其处于开启或关闭状态的开关，且所述送水管在面向所述转台周边的侧壁上开有复数个开口。本发明还公开了相应的化学机械研磨方法，采用本发明的化学机械研磨设备及化学机械研磨方法，可以在停止研磨后，对设备转台的周边进行保湿处理，减少了飞溅的研磨液干燥后在衬底表面造成的擦痕。

Description

化学机械研磨设备及化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨设备及化学机械研磨方法。

背景技术

随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。但多层布线技术的应用会造成衬底表面起伏不平，对图形制作极其不利，为此，常需要对衬底进行表面平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨法(CMP，Chemical Mechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，其已成为一项不可或缺的制作工艺技术。

化学机械抛光(CMP)是利用混有极小磨粒的化学溶液与加工表面发生化学反应来改变其表面的化学键，生成容易以机械方式去除的产物，再经机械摩擦去除化学反应物获得超光滑无损伤的平坦化表面的。

图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图，如图1所示，该装置包括：外壳101，表面贴有研磨垫(polish pad)的转台(platen)102，研磨头103a和103b和用于输送研磨液(slurry)105的研磨液供应管(tube)104。研磨时，先将待研磨的衬底的待研磨面向下附着在研磨头103上，通过在研磨头103上施加下压力，使衬底紧压到研磨垫上；然后，表面贴有研磨垫的转台102在电机的带动下旋转，研磨头103也进行同向转动，实现机械研磨；同时，研磨液105通过研磨液供应管(tube)104输送到研磨垫上，并利用转台旋转的离心力均匀地分布在研磨垫上，在待研磨衬底和研磨垫之间形成一层液体薄膜，该薄膜与待研磨衬底的表面发生化学反应，生成易去除的产物。这一过程结合机械作用和化学反应将衬底表面的材料去除。

化学机械研磨中需要加入大量的研磨液，并旋转转台和研磨头，使研磨液能均匀分布在研磨垫上，在这一旋转过程中，必然会有部分研磨液被甩出，而现有的化学机械研磨设备中，对设备内部并没有很好的隔离措施，这就使得研磨旋转时，研磨液会飞溅到设备内的各个部位，不但难以清理，而且这些研磨液干燥后为粉末状，其会在设备内部形成颗粒污染源，造成研磨后衬底的表面擦痕(Scratch)。

在化学机械研磨(CMP)过程中，最关键的问题之一就是防止研磨后衬底的表面出现擦痕，该擦痕其易在金属间引起短路或开路现象，大大降低产品的成品率。图2为说明衬底表面擦痕引起金属间短路的示意图，如图2所示，因为衬底表面存在的擦痕201，造成了连接孔202和203之间的电短路。

申请号为02120608.2的中国专利中公开了一种可减少擦痕的钨金属的化学机械研磨方法，该方法通过在研磨的前段和后段分别采用了标准的酸性钨研磨液和氧化物研磨液进行研磨，实现了钨金属研磨表面擦痕的减少。但是该发明未解决研磨过程中飞溅的研磨液导致的擦痕问题，使用该方法后衬底表面仍会存在研磨后的表面擦痕。

发明内容

本发明提供一种化学机械研磨设备及化学机械研磨方法，以改善现有的化学机械研磨过程中易在研磨后衬底表面造成擦痕的问题。

本发明提供的一种化学机械研磨设备，包括外壳、转台、研磨垫、冲洗装置和主控机，还包括保湿装置，所述保湿装置具有与去离子水管相连的送水管，所述送水管围绕所述外壳的内上沿安装，并具有控制其处于开启或关闭状态的开关，且所述送水管在面向所述转台周边的侧壁上开有复数个开口，所述保湿装置在研磨停止后开启，对所述转台的周边进行保湿处理，令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润状态，防止所述研磨液干燥后形成颗粒污染源。

其中，所述保湿装置还具有送水管控制器，所述送水管控制器与所述送水管的开关及所述主控机相连，接受所述主控机发出的信号，控制所述送水管的开关处于开启或关闭状态。

其中，所述冲洗装置具有与所述主控机相连的控制器，所述冲洗装置的控制器与所述送水管的开关相连；所述控制器接受所述主控机的信号，控制所述冲洗装置及所述送水管的开关同时处于开启或关闭状态。

其中，所述送水管为3/8”管，所述送水管各开口的位置上下交错。

其中，所述送水管的开关为电磁阀开关。

其中，所述送水管处于开启状态时，所述送水管内的去离子水流量在2l/min至4l/min之间，压力在20至50psi之间。

本发明具有相同或相应技术特征的一种化学机械研磨方法，包括步骤：

将待研磨衬底吸附于研磨头下；

输送研磨液，对所述衬底进行研磨；

停止研磨；

利用去离子水对所述衬底进行在线冲洗处理；

利用去离子水对所述转台周边进行在线保湿处理；

停止所述冲洗和所述保湿处理。

其中，所述保湿处理时，通入的去离子水的流量在2l/min至4l/min之间，压力在20至50psi之间。

其中，所述冲洗处理和所述保湿处理设置为同时启动及停止。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的化学机械研磨设备，在传统设备的基础上增加了保湿装置，可以在停止研磨后，开启该保湿装置，对设备转台的周边进行保湿处理，令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润状态，防止其干燥后形成颗粒污染源，也就避免了因其导致的研磨后衬底的表面擦痕。

本发明的化学机械研磨方法，在停止研磨后，除了利用去离子水对研磨后衬底进行冲洗外，还同时对设备转台的周边进行了喷射去离子水保湿的处理，令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润，防止其干燥后形成颗粒污染源，减少了研磨后衬底表面的擦痕。

附图说明

图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图；

图2为说明衬底表面擦痕引起金属间短路的示意图；

图3为本发明第一实施例中的化学机械研磨设备的示意图；

图4为本发明第一实施例中送水管上各开口的局部放大图；

图5为本发明第二实施例中的保湿装置的示意图；

图6为本发明第三实施例中的保湿装置的示意图；

图7为本发明的化学机械研磨方法的具体实施例的流程图。

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。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示设备结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

研磨过程中，飞溅出来的研磨液易附着于化学机械研磨设备的转台周边，当其干燥后形成了粉末状，就在设备中形成了颗粒污染源，易在研磨后的衬底表面造成擦痕，导致产品的成品率下降。为避免上述情况的发生，需要对转台的周边所附着的飞溅出来的研磨液进行清洗，至少是令其湿润化，以阻止其粉末化形成颗粒污染源。然而，传统的化学机械研磨设备虽然具有在线清洗待研磨衬底的去离子水冲洗装置，但对于转台周边(包括转台的侧壁及周边的其它装置)则没有任何在线清洗的装置。

现有技术中，通常会在生产的间隙，对转台的周边进行人工的手动清洗，但是该方法存在两点不足：一则，干燥后的研磨液难以清洗去除，需要较长的清洗时间，这降低了设备的利用率，影响了生产的正常进行；二则，在两次清洗的间隙中，可能有溅出的研磨液干燥后变成粉末状，形成颗粒污染源，在研磨后的衬底表面上造成擦痕。

为克服上述不足之处，本发明对传统的化学机械研磨设备进行了改造，实现对转台周边的保湿处理，该保湿处理可以防止研磨液干燥后形成颗粒污染源，避免在研磨后的衬底表面出现擦痕。另外，虽然该保温处理不能将飞溅出的研磨液完全在线清洗干净，但经过了保湿处理后，一方面可以明显减少所需的清洗次数；另一方面由于剩余的湿润状态的研磨液更易清除，也缩短了清洗时间；这些均有利于设备利用率及生产效率的提高。

图3为本发明第一实施例中的化学机械研磨设备的示意图，如图3所示，本发明的化学机械研磨设备，除了包括外壳301、表面有研磨垫的转台302、研磨头303a和303b、用于输送研磨液305的研磨液供应管304、去离子水冲洗装置(图中未示出)和主控机(图中未示出)以外，还包括保湿装置，该保湿装置具有与去离子水管相连的送水管310，该送水管310围绕外壳301的内上沿安装，其与去离子水管(图中未示出)之间具有控制其开关状态的开关(本图中未示出)，且所述送水管在面向转台302周边的侧壁上开有复数个开口311。

当向送水管310通入去离子水时，送水管310内的去离子水会由面向于转台302周边的复数个开口311喷射至转台302的周边，如图中箭头320所示(实际操作中也可以喷射至比图中所示的更高或更低的位置)。为防止破坏正常研磨的进行，这一喷射去离子水至转台周边的操作要在研磨停止后进行(以防止稀化研磨液)，通常可以在进行衬底的在线冲洗的同时打开送水管310的开关，由送水管310的各开口向转台的周边喷射去离子水，以令研磨过程中飞溅出来的研磨液保持湿润状态，防止其干燥后形成颗粒污染源。

本实施例中，化学机械研磨设备的外壳301是圆形的，对应地，所用的送水管310也依该外壳的内上沿形成了圆环状。在本发明的其它实施例中，设备的外壳还可以是方形的或矩形的，此时，其所用的送水管310既可以依外壳的内上沿形成方环形或矩环形，也可以不严格按外壳的内上沿的形状安装，而只依外壳内上沿的大致形状形成圆环形、椭圆环形或其它形状等。

为了得到更好的保湿效果，本实施例中还可以将送水管310外壳上的各开口311设置为位置上下交错的。图4为本发明第一实施例中送水管上各开口的局部放大图，如图4所示，送水管310(为清楚起见，未示出送水管310的弯曲度)上的各开口上下交错，有的位置偏上，如图中311a所示，有的位置偏下，如图中311b所示。另外，在本发明的其它实施例中，也可以根据具体设备的转台周边的具体情况，针对重点的地方设置开口的位置，如对于应进行重点保湿的地方，可以将开口位置设置为直接对准该区域，也可以增加该区域开口的个数，以加大对其的冲洗力度及保湿范围。

本实施例中，所用的送水管为3/8”管，其可以由各种塑料材料制成。为达到较好的保湿效果，该送水管处于开启状态时，送水管内的去离子水流量可以设置在2l/min至4l/min之间，去离子水压力可以设置在20至50psi之间。为了对其流量及压力进行调节及控制，本实施例中还可以在去离子水管与开关间增设一个流量调节器。

此外，送水管的开关控制既可以由人工手动控制，也可以利用化学机械研磨设备的主控机进行自动控制，本发明的第二实施例就介绍了一种由主控机自动控制其开启及关闭状态的保湿装置。

图5为本发明第二实施例中的保湿装置的示意图，如图5所示，本实施例中，保湿装置除了包括送水管510外，还包括送水管控制器514，其中，送水管510仍是围绕设备的外壳(图中未示出)的内上沿安装，其与去离子水管520之间具有控制其开关状态的开关512，且该送水管510在面向转台(图中未示出)周边的侧壁上开有复数个开口511。所述送水管控制器514与送水管的开关512(本实施例中其可以为由电信号控制开关的电磁阀开关等)及设备的主控机521相连，接受主控机521发出的信号，控制送水管的开关512处于开启或关闭状态。

采用本发明第二实施例中的保湿装置，可以在研磨停止后，通过主控机521发出自动控制信号至送水管控制器514，令自动控制送水管的开关512处于开启状态，对化学机械研磨设备转台的周边进行去离子水的喷射，并在取出衬底前发出关闭信号至该送水管控制器514，令送水管的开关512处于关闭状态。这一送水管喷射去离子水的过程可以令研磨过程中飞溅出来的研磨液保持湿润状态，避免其在干燥后形成颗粒污染源。

本发明第二实施例中，所用的送水管可以为由各种塑料材料制成的3/8”管(送水管的具体尺寸可以依实际需要调整)。此外，为达到较好的保湿效果，该送水管的开关处于开启状态时，送水管内的去离子水流量可以设置在2l/min至4l/min之间，去离子水压力可以设置在20至50psi之间，如果需要，其同样可以在去离子水管与开关间增设一个流量调节器。。

本发明第二实施例中，除了送水管及其开关外，还需要额外地增加一个送水管控制器，对设备的改动较大，且其增加了对保湿装置的开启、关闭状态的控制，需要对主控机的控制程序进行改动，这都导致其实现起来不是很方便。

而通过对保湿过程进行分析，可以发现该保湿过程可以与在线冲洗待研磨衬底的去离子水冲洗装置(通常为高压冲洗装置)同时开启及关闭，因此，在本发明的第三实施例中，将第二实施例中用于控制保湿装置开关状态的送水管控制器去除，而直接利用原有的化学机械研磨设备中的在线冲洗装置的控制器同时对保湿装置中的送水管开关进行开启或关闭状态的控制。

图6为本发明第三实施例中的保湿装置的示意图，如图6所示，本实施例中，保湿装置包括与去离子水管相连的送水管610，该送水管610仍是围绕设备的外壳(图中未示出)的内上沿安装，其与去离子水管620之间具有控制其开关状态的开关612，且该送水管610在面向转台(图中未示出)周边的侧壁上开有复数个开口611。

注意到本实施例中，送水管的开关612(本实施例中其可以为由电信号控制开关的电磁阀开关等)与冲洗装置控制器614相连，其的开启及关闭控制信号是经由冲洗装置控制器614得到的。该冲洗装置控制器614与设备的主控机621相连，接受主控机621发出的信号，同时控制送水管的开关612及冲洗装置的开关(图中未示出)处于开启或关闭状态。由于冲洗装置控制器614是传统设备中就有的，本实施例中，只是将其的控制信号同时引至送水管的开关612即可，设备的改动很小，也不需要对主控机的程序进行额外的设置，具有操作简单、实现方便的优点。

本发明第三实施例中，所用的送水管可以为由各种塑料材料制成的3/8”管。此外，为达到较好的保湿效果，该送水管处于开启状态时，送水管内的去离子水流量可以设置在2l/min至4l/min之间，去离子水压力可以设置在20至50psi之间。为了实现对其流量及压力的调节及控制，本实施例中还可以在去离子水管与开关间增设一个流量调节器。

本发明还提供了一种化学机械研磨方法，图7为本发明的化学机械研磨方法的具体实施例的流程图，下面结合图7对本发明的化学机械研磨方法的具体实施例进行详细介绍。

首先，将待研磨衬底吸附于研磨头下(S701)，然后，输送研磨液，对所述衬底进行研磨(S702)。通过在研磨头上施加下压力，使待研磨衬底紧压到研磨垫上，转台及研磨头在电机的带动下进行同向转动，实现对待研磨衬底的机械研磨；同时，将研磨液输送到研磨垫上，利用转台旋转的离心力均匀地分布在研磨垫上，与待研磨衬底的表面发生化学反应，生成易去除的产物，待研磨衬底表面的材料就由上述机械及化学相结合的方法去除了。

当研磨至预计的厚度后，停止研磨(S703)。停止研磨时，停止研磨液的输送，抬起研磨头。

接着，利用去离子水对研磨后的衬底进行在线冲洗处理(S704)，同时可以利用去离子水对转台周边进行保湿处理(S705)。本步的保湿处理可以令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润，防止其干燥后形成粉末，减少了研磨后衬底表面的擦痕。

在线冲洗及在线保湿处理之间的关系有两种：一种是设置为同时启动及停止，如，可以利用同一控制器接受设备主控机的控制信号，控制冲洗处理和保湿处理同时启动及停止；另一种是设置为不同时启动及停止，如，可以分别由不同的控制器接受设备主控机的不同的控制信号，分别控制冲洗处理和保湿处理的启动及停止；也可以直接通过人工手动的方法单独控制保湿处理的启动及停止。

为达到较好的保湿效果，且对其他区域影响较小(如果流量或压力过大，喷射的去离子水可能会乱溅)，在保湿处理时，通入的去离子水的流量可以在2l/min至4l/min之间，去离子水的压力可以在20至50psi之间。

停止冲洗和保湿处理(S706)。完成冲洗及保湿处理后，取下研磨后的衬底，完成对该衬底的平坦化处理。由于经过保湿处理后的转台周边可以保持较长时间的湿润，通常可以直至下一衬底研磨后进行保湿处理的时候，这样就有效避免了飞溅出来的研磨液干燥后形成颗粒污染源的问题，减少了因其引起的研磨后衬底表面的擦痕。另外，采用本发明的方法，保持转台周边的飞溅出来的研磨液的湿润化，还可以减少清洗次数，加快转台周边附着的研磨液的清除速度，提高了设备的利用率及生产效率。

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 (12)

1.一种化学机械研磨设备，包括外壳、转台、研磨垫、冲洗装置和主控机，其特征在于：还包括保湿装置，所述保湿装置具有与去离子水管相连的送水管，所述送水管围绕所述外壳的内上沿安装，并具有控制其处于开启或关闭状态的开关，且所述送水管在面向所述转台周边的侧壁上开有复数个开口，所述保湿装置在研磨停止后开启，对所述转台的周边进行保湿处理，令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润状态，防止所述研磨液干燥后形成颗粒污染源。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述保湿装置还具有送水管控制器，所述送水管控制器与所述送水管的开关及所述主控机相连，接受所述主控机发出的信号，控制所述送水管的开关处于开启或关闭状态。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述冲洗装置具有与所述主控机相连的控制器，所述冲洗装置的控制器与所述送水管的开关相连；所述控制器接受所述主控机的信号，控制所述冲洗装置及所述送水管的开关同时处于开启或关闭状态。

4.如权利要求1、2或3所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述送水管为3/8”管。

5.如权利要求1、2或3所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述送水管各开口的位置上下交错。

6.如权利要求2或3所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述送水管的开关为电磁阀开关。

7.如权利要求1、2或3所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述送水管处于开启状态时，所述送水管内的去离子水流量在2l/min至4l/min之间。

8.如权利要求1、2或3所述的化学机械研磨设备，其特征在于：所述送水管处于开启状态时，所述送水管内的去离子水的压力在20至50psi之间。

9.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤：

将待研磨衬底吸附于研磨头下；

输送研磨液，对所述衬底进行研磨；

停止研磨；

利用去离子水对所述衬底进行在线冲洗处理；

利用去离子水对转台周边进行在线保湿处理，所述在线保湿处理令研磨过程中飞溅至转台周边的研磨液保持湿润状态，防止所述研磨液干燥后形成颗粒污染源；

停止所述在线冲洗处理和所述在线保湿处理。

10.如权利要求9所述的研磨方法，其特征在于：所述在线保湿处理时，通入的去离子水的流量在2l/min至4l/min之间。

11.如权利要求9所述的研磨方法，其特征在于：所述在线保湿处理时，通入的去离子水的压力在20至50psi之间。

12.如权利要求9所述的研磨方法，其特征在于：所述在线冲洗处理和所述在线保湿处理设置为同时启动及停止。

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