CN102554757A

CN102554757A - 化学机械研磨装置

Info

Publication number: CN102554757A
Application number: CN2010106166290A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉; 黎铭琦
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种化学机械研磨装置，包括：研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定；研磨垫，所述研磨垫固定于所述研磨垫手臂的非固定端，并且可以在研磨垫手臂的带动下，相对于所提供的晶圆运动，研磨垫手臂确定运动期间该研磨垫与所提供的晶圆接触；研浆供应路线，所述研浆供应路线在研磨期间在研磨垫与被研磨晶圆之间供应研浆；研磨检测装置，研磨期间，所述研磨检测装置同步检测整个晶圆的研磨状态。利用本发明所提供的化学机械研磨装置可以提高研磨检测的同步性。

Description

化学机械研磨装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及化学机械研磨装置。

背景技术

化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)工艺由IBM于1984年引入集成电路制造工业，并首先用于后道工艺的金属间绝缘介质(IMD，InterMetal Dielectric)的平坦化，然后通过设备和工艺的改进用于钨的平坦化，随后用于浅沟槽隔离(STI)和铜的平坦化处理。化学机械研磨为近年来IC制程中很活跃的一项技术。

化学机械研磨的机理是被研磨晶片的表面材料与研浆发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，所述表面层通过研浆中的研磨剂以及施加在被研磨晶片上的研磨压力，在与研磨垫的相对运动中被机械地磨去。

由于CMP可精确并均匀地把晶片平坦化为需要的厚度和平坦度，已经成为半导体制造过程中应用最广泛的一种表面平坦化技术。

实际生产当中，通常采用终点检测来衡量CMP是否已经将材料研磨至所需厚度。有些CMP应用有研磨终止层存在，比如平坦化钨覆盖层时，由于钨和下面介质层材料间具有不同的平坦化速率，平坦化过程会在介质层材料处停下来，此时，介质层作为金属钨层平坦化的研磨终止层存在。但对于无研磨终止层平坦化过程而言，通常利用原位终点检测弥补平坦化速率的变化并提供平坦化均匀性的检测。现行的两种最常用的原位终点检测方法为电机电流终点检测法和光学终点检测法。

电机电流终点检测法通过检测研磨头或者研磨盘电机中的电流量监控平坦化速率。平坦化量的变化(及电机负载)会导致电机电流量的变化，由于研磨头是匀速旋转的，为了补偿电机负载的变化，电机电流会有相应变化，即电机电流对晶圆表面粗糙程度的变化是敏感的。由此，通过检测电机电流量的变化可实现平坦化程度的检测。更多详细信息请参考公开号为CN1670923A的中国专利申请。

光学终点检测法是一种基于光反射原理的终点检测方法，光从膜层上反射，不同的反射率与膜层材料和膜层厚度相关，若膜层材料或厚度发生变化，光学终点检测可测量从平坦化膜层反射的紫外光或可见光之间的干涉，利用干涉信号处理算法连续地测量平坦化中膜层厚度的变化，可测定平坦化速率。

具体请参考图1，现有的化学机械研磨装置的研磨单元是一个可以旋转的研磨垫106以及一个晶圆握把104，提供的晶圆110会被晶圆握把104抓住，而晶圆握把104的位置是可以调节的，晶圆握把104可以施力在晶圆110上，在研磨期间，晶圆握把104会确定晶圆110有接触到研磨垫106。在研磨盘102上方放置有一个研浆供应路线108，可以提供研磨用的研浆112，所述研浆112包含反应物和研磨剂，反应物用于与被研磨晶圆110的表面材料发生反应生成相对容易磨去的材料，研磨剂用于研磨垫106与晶圆110之间的机械研磨。在研磨垫上形成透光区域103，激光器102发出的探测光经由透光区域103照射在晶圆110的表面，然后采用干涉式膜厚测量装置采集干涉信号。更多信息可以参考公开号为CN1717785A的中国专利。

但是现有的光学终点检测法激光器位置固定，只能在晶圆转动的过程中，对晶圆表面进行逐步扫描，在时间上会有延迟性，并且扫描整个晶圆所需要的时间随着晶圆尺寸的增加而增加，所以随着晶圆尺寸的增加，这种时间上的延迟性所造成的影响越来越大。此外，所述透光区域的透光率对测量结果的影响也很大，受透光区域透光率的限制，检测的误差比较大。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种化学机械研磨装置，可以同时对整个晶圆的研磨状态进行检测，提高了检测的及时性，并且有利于本发明所提供的化学机械研磨装置的小型化。

为解决上述问题，本发明一种化学机械研磨装置，所述化学机械研磨装置包括：

研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；

研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定；

研磨垫，所述研磨垫固定于所述研磨垫手臂的非固定端，并且可以在研磨垫手臂的带动下，相对于所提供的晶圆运动，研磨垫手臂确定运动期间该研磨垫与所提供的晶圆接触；

研浆供应路线，所述研浆供应路线在研磨期间在研磨垫与被研磨晶圆之间供应研浆；

研磨检测装置，研磨期间，所述研磨检测装置同步检测整个晶圆的研磨状态。

优选地，所述研磨检测装置包括与所提供的晶圆相对设置的探测光源，所述探测光源对晶圆提供入射光，以及探测所述入射光在晶圆表面的反射光的光传感器。

优选地，所述探测光源的数目至少为1。

优选地，所述化学机械研磨装置还包括清洗部件，所述清洗部件在研磨期间向所提供晶圆喷洒去离子水，冲洗所提供的晶圆表面的研磨副产品。

优选地，所述研磨检测装置包括收集研磨副产品的副产品收集器，以及分析所述副产品的组分的成分分析装置。

优选地，所述研磨检测装置用于检测有研磨停止层的化学机械研磨过程。优选地，所述收集装置是吸液器，所述吸液器有一个开口，所述开口连接一条管道，研磨产生的研磨副产品通过所述管道进入吸液器中。

优选地，所述成分分析装置是荧光分析器。

优选地，所述研磨垫手臂通过夹在非固定端的研磨头固定所述研磨垫。优选地，研磨垫手臂向所述晶圆施加一压力，并通过调节研磨垫手臂的高度调节所述压力的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所提供的化学机械研磨装置包含研磨检测装置，在研磨过程中，所述研磨检测装置可以基本同步地对被研磨晶圆整体进行检测，从而提高了检测的及时性。

本发明采用光学系统对研磨进行检测，因为光波传播速度快、无污染，所以采用光学系统对研磨进行检测具有速度快、无污染的优点，减小了研磨进程与检测之间时间上的延迟，提高了检测的及时性。

本发明收集研磨副产品，并通过分析研磨副产品的组分对研磨进行监控，因为研磨副产品的出孔均匀地分布在研磨盘表面，所以一旦副产品中包含研磨停止层的组分，所述副产品就会经由最近的副产品出孔流入副产品收集器，并被检测到，从而实现了研磨进程与检测的同步进行，提高了检测的及时性。

本发明用研磨盘承载待研磨的晶圆，且研磨垫的尺寸小于待研磨的晶圆，在晶圆尺寸增加的情况下，研磨垫的尺寸不变，只需要增加研磨盘的尺寸，从而有利于实现器件的小型化。

附图说明

图1是现有的化学机械研磨装置的结构示意图。

图2是本发明一个实施例所提供的化学机械研磨装置的俯视图。

图3是本发明一个实施例所提供的化学机械研磨装置的检测装置的结构示意图。

图4是本发明一个实施例所提供的待研磨晶圆研磨前结构示意图。

图5是本发明一个实施例所提供的待研磨晶圆研磨后结构示意图。

图6是本发明另一个实施例所提供的化学机械研磨装置的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的化学机械研磨装置在对研磨进行检测时有时间延迟，并且随着晶圆尺寸的增加，所述延迟造成的影响越来越明显；此外，为了采用现有研磨检测装置进行研磨检测，必须在研磨垫上形成透明区域，因为入射光要通过所述透明区域入射在晶圆表面，所以所述透明区域的位置与透光率对检测精度的影响很大，从而容易因为投射区域的透光率不均匀或者透光率不够高而影响检测的精度。本发明的发明人针对上述问题进行研究，在本发明中提供一种化学机械研磨装置。

本发明所提供的化学机械研磨装置包括化学机械研磨检测装置，所述化学机械研磨检测装置包括两部分，一部分是相对待研磨晶圆设置的光源，所述光源可以直接扫描晶圆任意部位，消除了由于研磨垫的透明区域的透光率所引起的误差，以及与晶圆相对研磨垫的旋转速度相关的延迟；另一部分适用于有研磨停止层的情况，在研磨过程中收集研磨中产生的副产品，并对副产品的成分进行分析，如果监测到研磨停止层的成分，则研磨可以停止。以上两部分可以择一使用，也可以同时使用。

本发明所提供的化学机械研磨装置中，所提供的晶圆的待研磨表面朝上放置在研磨盘之上，研磨期间，研磨垫在待研磨晶圆表面与待研磨晶圆做相对运动，对待研磨表面进行研磨，从而在晶圆尺寸增加的时候，只需要增加承载晶圆的研磨盘的尺寸，所以有利于化学机械研磨装置的小型化。

为了进一步阐明本发明的精神和实质，在下文中结合附图和实施方式对本发明进行详细阐述。

图2是本发明一个实施例所提供的化学机械研磨装置的俯视图，包括：

研磨盘302，所述研磨盘302用于承载所提供的晶圆301；

研磨垫手臂305，所述研磨垫手臂305一端固定；

研磨垫304，所述研磨垫304固定于所述研磨垫手臂305的非固定端，并且可以在研磨垫手臂305带动下，相对于所提供的晶圆301运动，研磨垫手臂305确定运动期间该研磨垫304与所提供的晶圆301接触；

研浆供应路线309，所述研浆供应路线309在研磨期间在研磨垫304与被研磨晶圆301之间供应研浆(未示出)；

研磨检测装置，所述研磨检测装置在研磨期间检测研磨状态。

在本实施例中，示例性地以用于化学机械研磨设备的研磨单元有三个研磨垫手臂305，每个研磨垫手臂305与一个待研磨晶圆301相对应，每个研磨垫手臂305固定一个研磨垫304为例，比如以真空吸附的方式将研磨垫304吸附在研磨垫手臂305上。在本发明的其他实施例中，每个研磨垫手臂所固定的研磨垫的数目可以大于1，比如为2。研磨垫手臂305的数目也可以根据工艺需要进行设置，比如为了可以同时研磨4个晶片而设置4个研磨垫手臂305，每个研磨垫手臂305与一个待研磨晶圆301相对应。

所述研磨垫手臂305的另一端固定，并可以相对于所提供的晶圆运动，比如沿各个方向的移动以及围绕所述固定点的旋转。各个研磨垫手臂305独立运动。

所述研浆供应路线309相对于所述研磨垫手臂305设置，比如设置在所述研磨垫手臂305之内或者设置在所述研磨垫手臂305之外，所述研浆供应路线309在研磨期间向研磨垫304与被研磨晶圆301之间供应研浆(未示出)。

图3是本发明一个实施例所提供的研磨检测装置的示意图，本实施例中，所述研磨检测装置包括探测光源400和光传感器410。所述探测光源400可以是固定波长的激光器，比如氦氖激光器、氩离子激光器、一氧化碳激光器、二氧化碳激光器等气体激光器，也可以是全波长激光器，所述全波长激光器在使用时可以根据被研磨晶圆表面材料的光学性质选择探测光的波长，并通过设置激光器与晶圆之间滤波片的角度实现入射在晶圆表面的探测光的波长是上述所选择的波长。

在本实施例当中，通过探测光源400的平移运动或者旋转运动，或者探测光源400同时进行平移运动与旋转运动，探测光沿着箭头420所示的轨迹对整个晶圆表面进行扫描。在扫描的同时，入射光在晶圆表面发生反射，反射光进入光传感器410，光传感器410具有显示屏幕，所述光传感器410对所述光进行分析，并将分析结果显示在所述显示屏幕上。

请参考图4，在本发明的一个实施例中，所提供的晶圆包括，衬底200、在衬底200表面所形成的介质层210，所述介质层210形成开口，所述开口填满GST材料，所述GST材料还覆盖介质层210，需要通过研磨工艺去除位于介质层210表面的GST材料，形成如图5所示的结构。在本实施例中，在研磨过程中，所述研磨检测装置对整个晶圆进行扫描，在扫描的第一个阶段，探测光源400在整个晶圆表面扫描时，所述光传感器410的显示屏幕所显示的分析结果，比如光在衬底表面的反射率，是相同的。探测光源400在整个衬底表面扫描时，所述光传感器410的显示屏幕所显示的反射率相同的原因是入射光入射的表面的材料是相同的，即所显示的反射率是入射光在GST材料表面的反射率。

当探测光源400在整个晶圆表面扫描时，所述光传感器410的显示屏幕所显示的反射率发生变化时，说明探测光源400在整个晶圆表面扫描时，入射光入射的表面的材料发生了变化，进一步可以判断出所述研磨过程已经暴露介质层210，得到如图5所示的结构。

本领域技术人员应当明白，上述实施例只是本发明所提供的化学机械研磨装置的一个应用实施例，不应该依次限制本发明的保护范围，在本发明的其他实施例中，所提供化学机械研磨装置还可以用于实现其它研磨目的。比如，在本发明的另外一个实施例中，需要将形成在衬底表面的介质材料层研磨到一定厚度，可以预先计算出介质材料层的厚度达到预定值时(因为反射率+折射率+透射率＝1，而透射率、折射率与厚度相关，所以反射率也与厚度相关)，入射光在介质层表面的反射率，为便于说明命名为第一反射率，当所述光传感器410的显示屏幕所显示的反射率等于第一反射率时，结束研磨。

本实施例中，利用光学的方法对研磨进行检测。具有速度快，无污染的优点。

以上在本发明的其他实施例中，还可以通过分析其他参数对研磨进程进行监控。

图7是本发明另一个实施例所提供的所提供的研磨检测装置的示意图，化学机械研磨装置的其他部分可以参照前述实施例。本实施例所提供的研磨检测装置适用于有研磨停止层的研磨工艺。

请参考图7，晶圆301置于研磨盘302表面，所述研磨盘302表面形成有副产品出孔550，清洁部件500与晶圆301相对设置，清洁部件500与晶圆301之间可以如图7所示地连接起来，也可以彼此分离。清洁部件500内储存有去离子水510，清洁部件500与晶圆301之间的位置关系只需要满足：在研磨时，从清洁部件500的去离子水出孔520流出的去离子水510可以冲洗在晶圆301的表面。所述去离子水510对晶圆301进行冲洗，晶圆301表面的研磨副产品540经去离子水510冲洗，经由副产品出孔550流到副产品收集装置530，所述收集装置530包括吸液器，所述吸液器有一个开口，所述开口连接一条管道，研磨产生的研磨副产品通过所述管道进入吸液器中。所述副产品收集装置530还对收集到的副产品进行分析，在副产品中发现研磨停止层含有的元素，同时被研磨层不含有的元素，即表明研磨目标已完成，可以结束研磨。

因为副产品出孔550均匀地分布在研磨盘302表面，所述副产品经由最近的副产品出孔550流入副产品收集器530，所以一旦副产品中包含研磨停止层的组分，马上就可以被检测到，从而实现了研磨进程与检测的同步进行，减小了研磨进程与检测之间的时间上的延迟。

在本发明的优选实施例中，所述研磨停止层的材料为含氮材料，比如氮化硅、氮氧化硅等。

在本实施例中，采用成分分析装置是荧光分析器对收集到的副产品进行成分分析，所述成分分析的时间一般是1-20s。所以研磨过程中，暴露研磨停止层时，可以同步利用研磨检测装置检测到研磨停止层的组分，从而及时停止研磨。

需要说明的是，本发明两个实施例中所提供的研磨检测装置可以单独使用，也可以同时在化学机械研磨装置中使用。

本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种化学机械研磨装置，其特征在于，所述化学机械研磨装置包括：

研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；

研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定；

2.依据权利要求1的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨检测装置包括与所提供的晶圆相对设置的探测光源，所述探测光源对晶圆提供入射光，以及探测所述入射光在晶圆表面的反射光的光传感器。

3.依据权利要求1的化学机械研磨装置，其特征在于，所述探测光源的数目至少为1。

4.依据权利要求1的化学机械研磨装置，其特征在于，所述化学机械研磨装置还包括清洗部件，所述清洗部件在研磨期间向所提供晶圆喷洒去离子水，冲洗所提供的晶圆表面的研磨副产品。

5.依据权利要求4的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨检测装置包括收集研磨副产品的副产品收集器，以及分析所述副产品的组分的成分分析装置。

6.依据权利要求5的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨检测装置用于检测有研磨停止层的化学机械研磨过程。

7.依据权利要求5的化学机械研磨装置，其特征在于，所述收集装置是吸液器，所述吸液器有一个开口，所述开口连接一条管道，研磨产生的研磨副产品通过所述管道进入吸液器中。

8.依据权利要求5的化学机械研磨装置，其特征在于，所述成分分析装置是荧光分析器。

9.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫手臂通过夹在非固定端的研磨头固定所述研磨垫。

10.依据权利要求1的化学机械研磨装置，其特征在于，研磨垫手臂向所述晶圆施加一压力，并通过调节研磨垫手臂的高度调节所述压力的大小。