CN103100968B - 化学机械研磨装置及使用该装置对硅片进行研磨的方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨装置，包括：转盘；固定于所述转盘上的抛光垫；抛光头，其端面用于与所述抛光垫配合使用研磨硅片；管道，其上设置有出口，用于提供研磨所需的液体；其中，抛光垫包括位于转盘中心区域的第一抛光垫及环绕第一抛光垫的第二抛光垫，第二抛光垫的表面至少可以容纳抛光头，第一抛光垫与第二抛光垫之间具有间隙；该出口至少两个，一个用于对第一抛光垫提供研磨所需液体，另一个用于对第二抛光垫提供研磨所需液体，该研磨所需液体至少包括研磨液与去离子水。本发明同时提供了两种采用该装置对硅片进行研磨的方法。采用本发明提供的技术方案，可以满足现有的CMP装置无法实现单独对硅片边缘区域进行研磨的需求。

Description

化学机械研磨装置及使用该装置对硅片进行研磨的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种化学机械研磨装置及使用该装置对硅片进行研磨的方法。

背景技术

化学机械研磨(CMP)是一种表面全局平坦化技术，它通过抛光头11携带硅片20向下贴压在研磨垫13上，研磨液14同时由管道15上设置的研磨液出口喷出在研磨垫13上，如图1所示。硅片20和研磨垫13之间通过自身旋转以及硅片20在研磨垫13上的水平方向运动，利用硅片20表面与研磨垫13之间的作用，达到平坦化的目的。CMP装置也通常称为抛光机。在一台抛光机中，硅片20放在一个硅片固定器或载片头(未图示)上，并面向转盘12上的抛光垫13。硅片20和抛光垫13之间的相对运动可以进行不同的控制。大部分抛光机都采用旋转运动或轨道运动。

CMP采用比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得均匀的硅片表面。由于它能大致均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度，已经成为一种最广泛采用的技术。此外，CMP还能用适当设计的研磨液和抛光垫，来抛光多层金属化互连结构中的介质和金属层。

随着半导体器件的集成化，对各个工艺的实现条件的精准控制变得至关重要，在半导体元器件制造过程中，经常出现CMP研磨中间区域与边缘区域研磨掉厚度不均匀，需要对硅片的边缘再进行研磨，或硅片的边缘制作某些分立的器件，需要再进行研磨去除多余残留物。针对这些新需求，显然再采用图1中的用于研磨整个硅片的CMP装置会出现中间区域出现过研磨的现象。

有鉴于此，实有必要提出一种新的化学机械研磨装置及使用该装置对硅片进行研磨的方法，以满足现有的CMP装置无法实现单独对硅片边缘区域进行研磨的需求。

发明内容

本发明解决的问题是提出一种新的化学机械研磨装置及使用该装置对硅片进行研磨的方法，以满足现有的CMP装置无法实现单独对硅片边缘区域进行研磨的需求。

为解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨装置，包括：

转盘；

固定于所述转盘上的抛光垫；

抛光头，所述抛光头的端面用于与所述抛光垫配合使用研磨硅片；

管道，其上设置有出口，用于提供研磨所需的液体；

其中，所述抛光垫包括位于转盘中心区域的第一抛光垫，及环绕第一抛光垫的第二抛光垫，所述第二抛光垫的表面至少可以容纳所述抛光头，所述第一抛光垫与所述第二抛光垫之间具有间隙；所述出口至少两个，一个用于对第一抛光垫提供研磨所需液体，另一个用于对第二抛光垫提供研磨所需液体，所述研磨所需液体至少包括研磨液与去离子水。

可选地，所述间隙由位于转盘内的凹槽形成，所述第二抛光垫下方的转盘内形成有连通所述凹槽与该转盘的侧边外界的通道。

可选地，所述通道为多个。

可选地，所述通道为1个，所述凹槽上设置多个孔，所述多个孔与所述通道连通。

可选地，所述凹槽的宽度范围为0.5厘米-2厘米，所述凹槽的深度范围为0.5厘米-2厘米。

可选地，所述出口为喷头，所述用于对第一抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第一抛光垫的正上方，所述用于对第二抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第二抛光垫的正上方。

可选地，位于第一抛光垫的正上方的喷头设置在所述第一抛光垫的边缘区域。

可选地，位于第二抛光垫的正上方的喷头在高度方向上靠近所述第一抛光垫与所述抛光头的用于固定硅片的端面。

可选地，所述第一抛光垫与所述抛光头的用于固定硅片的端面、位于第二抛光垫的正上方的喷头之间的距离范围为1厘米-10厘米。

可选地，所述管道至少为两个，其中一个管道用于提供所述研磨液，另一个管道用于提供所述去离子水。

可选地，所述研磨所需液体还包括化学液。

可选地，所述管道至少为三个，其中一个管道用于提供所述研磨液，一个管道用于提供所述去离子水，另外一个管道用于提供所述化学液。

本发明还提供一种对硅片进行研磨的方法，包括：

将安装硅片的抛光头置于第二抛光垫上，对第二抛光垫提供研磨液，对整个硅片进行研磨；

使用去离子水对第二抛光垫进行冲洗；

将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，对硅片的边缘区域进行研磨。

本发明还提供另外一种对硅片进行研磨的方法，包括：

将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，对硅片的边缘区域进行研磨。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将现有技术中的一整块抛光垫设置成两块，其中，第一抛光垫位于中心区域，第二抛光垫环绕第一抛光垫，第一抛光垫与第二抛光垫不为一体，两者之间具有间隙，且第二抛光垫的表面至少可以容纳所述抛光头；对应地，现有技术中的一个出口也设置为至少两个，一个用于对第一抛光垫提供研磨所需液体，另一个用于对第二抛光垫提供研磨所需液体，所述研磨所需液体至少包括研磨液与去离子水。采用上述提供的CMP装置，当需要对整个硅片进行抛光时，首先将安装硅片的抛光头置于第二抛光垫上，对第二抛光垫提供研磨液以对整个硅片进行研磨；接着使用去离子水对第二抛光垫进行冲洗，避免了之后硅片仍有部分区域位于第二抛光垫上，而转盘在转动过程中若之前步骤中的研磨液不清洗会造成对非边缘区域的硅片也进行了研磨，这不是本发明所希望的；然后将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，且使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，对硅片的边缘区域进行研磨，如此可以实现由于CMP研磨不均匀引起的需要单独对硅片边缘进行研磨的目的。当仅需要对硅片边缘区域进行抛光时，将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，这样可以实现对硅片的边缘区域进行研磨。

进一步地，第一抛光垫与第二抛光垫之间的间隙由位于转盘内的凹槽形成，第二抛光垫下方的转盘内形成有连通所述凹槽与该转盘的侧边外界的通道，用于将第一抛光垫上的研磨所需液体收集后通过其流出。

进一步地，所述出口为喷头，用于对第一抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第一抛光垫的正上方，用于对第二抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第二抛光垫的正上方，各自喷头喷出研磨所需液体后溅射在各自的抛光垫上。

进一步地，位于第一抛光垫的正上方的喷头靠近所述第一抛光垫的边缘，由于对硅片的边缘区域进行研磨时，位于第一抛光垫上的硅片区域很小，大部分区域仍位于第二抛光垫上，因此，当喷头靠近间隙这端时，可以有效地喷在硅片的边缘区域，如此可以节省研磨所需液体。

附图说明

图1是现有的化学机械研磨装置的立体结构示意图；

图2是图1中结构的截面示意图；

图3是图1中结构的俯视图；

图4是实施例一提供的化学机械研磨装置的俯视图；

图5是图4中结构的截面示意图；

图6是采用实施例一提供的装置对硅片进行研磨的流程图；

图7是实施例二提供的化学机械研磨装置的俯视图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，CMP虽然是一种广泛采用的平坦化的手段，然而，如图2与图3中的现有的CMP装置在研磨过程中的截面图及俯视图所示，CMP在平坦化过程是对整个硅片20进行平坦化，因此，会出现同一片硅片中间区域研磨掉厚度较大，边缘区域研磨掉的厚度较小的情况，例如在GSTCMP工艺中，边缘较易产生GST残留。另外，在其它工艺中，对硅片边缘区域的控制经常比中心区域的控制复杂(例如薄膜的淀积工艺中，边缘区域的薄膜粘着性差，因此，该区域的薄膜如果不去除，容易在后续工艺中出现剥落现象)，因而，需要对边缘的残留物进行单独去除，现有的CMP装置也无法解决这种问题。本发明人仔细研究了现有的CMP装置，提出将现有技术中的一整块抛光垫设置成两块，其中，第一抛光垫位于中心区域，第二抛光垫环绕第一抛光垫，第一抛光垫与第二抛光垫不为一体，两者之间具有间隙，且第二抛光垫的表面至少可以容纳所述抛光头；对应地，将现有技术中的出口变更为至少两个，一个用于对第一抛光垫提供研磨所需液体，另一个用于对第二抛光垫提供研磨所需液体，所述研磨所需液体至少包括研磨液与去离子水。采用上述提供的CMP装置，当需要对整个硅片进行抛光时，首先将安装硅片的抛光头置于第二抛光垫上，对第二抛光垫提供研磨液以对整个硅片进行研磨；接着使用去离子水对第二抛光垫进行冲洗，避免了之后硅片仍有部分区域位于第二抛光垫上，而转盘在转动过程中，若之前步骤中的研磨液不清洗会造成对非边缘区域的硅片也进行了研磨，这不是本发明所希望的；然后将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，且使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对硅片的边缘区域进行研磨，如此可以实现由于CMP研磨不均匀引起的需要单独对硅片边缘进行研磨的目的。当仅需要对硅片边缘区域进行抛光时，将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，而对第二抛光垫提供去离子水，这样可以实现对硅片的边缘区域进行研磨。

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。由于本发明重在解释原理，因此，未按比例制图。

实施例一

图4与图5所示为本实施例一提供的化学机械研磨装置的俯视图与截面示意图。结合图4与图5所示，该装置包括：

转盘22；

固定于转盘22上且位于中心区域的第一抛光垫231及环绕第一抛光垫231的第二抛光垫232，该第一抛光垫231与第二抛光垫232之间具有间隙，第一抛光垫231与第二抛光垫232统称抛光垫；本实施例一中，该间隙由位于转盘22内的凹槽26形成；

抛光头21，该抛光头21的端面用于与第一抛光垫231、第二抛光垫232配合使用研磨硅片20；需要说明是，该第二抛光垫232的表面的尺寸至少可以容纳抛光头21；

管道25，如图4中的虚线所示，其上设置有两个出口，具体地，两个喷头251、252；其中，喷头251位于第一抛光垫231的正上方，用于对第一抛光垫231提供研磨所需的液体；喷头252位于第二抛光垫232的正上方，用于对第二抛光垫232提供研磨所需的液体，该研磨所需的液体包括研磨液与去离子水。在研磨过程中，各自喷头喷出研磨所需液体后溅射在各自的抛光垫上，不会造成两个抛光垫上的研磨所需的液体产生干扰。

如图5所示，在具体使用过程中，转盘22由转轴(未标示)带动而转动。

进一步优化地，位于第一抛光垫231的正上方的喷头251设置在第一抛光垫231的边缘区域，即靠近凹槽26的一端，这是因为对硅片20的边缘区域进行研磨时，位于第一抛光垫231上的硅片区域很小，大部分区域仍位于第二抛光垫232上，因此，当喷头251靠近凹槽26这端时，可以有效地喷在硅片20的边缘区域，如此可以节省研磨所需液体。

此外，位于第二抛光垫232的正上方的喷头252靠近所述第一抛光垫231与所述抛光头21的用于固定硅片20的端面，即硅片20所在的区域，使得喷头252喷出研磨所需的液体后溅射在第二抛光垫232上，不会造成对第一抛光垫231上的研磨所需的液体产生干扰。本发明人发现，当上述第一抛光垫231与所述抛光头21的端面与位于第二抛光垫232的正上方的喷头252的距离范围为1厘米-10厘米时，控制干扰效果较好。

在具体研磨过程中，由于一般情况下，抛光头21带动硅片20逆时针转动，转盘22也为逆时针转动，为使得第一喷头251喷出的液体更快地达到硅片20与第一研磨垫231的接触面而避免浪费，管道25及其上设置的第一喷头251与带动硅片20转动的抛光头21的位置关系优选为：在转盘22逆时针转动过程中，研磨所需液体从第一喷头21喷出后溅射在第一抛光垫231上时，尽快达到抛光头21的端面。

本实施例一中，该管道25为两个，其中一个管道25用于提供所述研磨液，其中另一个管道25用于提供所述去离子水。在其它实施例中，该研磨所需的液体还可以包括化学液，起保护或清洗作用，例如苯并三唑(BTA)。对应地，管道25为三个，其中一个管道25用于提供所述研磨液，一个管道25用于提供所述去离子水，另外一个管道25用于提供所述化学液。可以理解的是，该管道25还可以根据需要多于3个。

在具体实施过程中，所述第二抛光垫232下方的转盘22内形成有连通所述凹槽26与该转盘22的侧边外界的通道27，溅射在第一研磨垫231上的研磨所需液体汇聚进凹槽26后，通过通道27流出，避免了两研磨垫的研磨所需液体间相互干扰。需要说明的是，图4中通道27采用了虚线示意，以区别研磨装置的俯视图中可以看出的凹槽26。

本实施例一中，该通道27为3个，也可以根据需要设置多个。

在具体实施过程中，该凹槽26的宽度不能过大，过大会影响第一抛光垫231与第二抛光垫232的表面面积，该凹槽26的宽度也不能过小，过小第一研磨垫231上的研磨所需液体在随转盘22旋转过程中来不及被收集到凹槽26中被导出，仍会干扰第二研磨垫232的工作。本发明人发现当凹槽的宽度范围为0.5厘米-2厘米，深度范围为0.5厘米-2厘米时，两研磨垫的研磨所需液体间无相互干扰且不影响第一抛光垫231与第二抛光垫232的表面面积。

针对现有的CMP在平坦化过程是对整个硅片20进行平坦化，会造成同一片硅片中间区域研磨掉厚度较大，边缘区域研磨掉的厚度较小的情况，以下详细描述采用本实施例一提供的CMP装置以解决上述的问题的方法。

如图6所示的对硅片进行研磨的方法的流程图，首先，执行步骤S11，将安装硅片20的抛光头21置于第二抛光垫232上，如图4与图5中的虚线所示的硅片区域，对第二抛光垫232提供研磨液，第一抛光垫231，第二抛光垫232在转盘22的带动下逆时针转动，抛光头21带动硅片20也逆时针转动，但两者转速不同，实现对整个硅片20进行研磨；此时，第一抛光垫231若不进行其它用途，例如不进行自身修复(提高研磨垫的粗糙度，以避免对一批硅片进行研磨时，在后处理的硅片由于研磨垫的粗糙度降低，进而相同时间内研磨的厚度与在先处理的硅片相比，厚度变小)，出于节省研磨所需液体的目的，不对第一抛光垫231提供任何液体。

步骤11对硅片20整体研磨完毕后，执行步骤S12，使用去离子水对第二抛光垫232进行冲洗。本步骤避免了步骤S13执行过程中，硅片20仍有部分区域位于第二抛光垫232上，而转盘22在转动过程中若步骤S11中残留的研磨液不清洗会造成步骤S13执行时，对非边缘区域的硅片20也进行了研磨，这不是本发明所希望的。

接着执行S13，如图4与图5中的实线所示的硅片区域，将安装硅片20的抛光头21置于第一抛光垫231与第二抛光垫232上，使硅片20的边缘区域位于所述第一抛光垫231上，对第一抛光垫231提供研磨液，对第二抛光垫232提供去离子水，对硅片20的边缘区域进行研磨。

本实施例一中，步骤S13执行完毕后，即对一片硅片研磨完毕后，对第一研磨垫231与第二研磨垫232同时进行自身修复，以提高其粗糙度。

针对需要对硅片20边缘区域的残留物进行单独去除，以下详细描述采用本实施例一提供的CMP装置以解决上述的问题的方法。

仍参照图6所示的流程图，只需执行步骤S13，如图4与图5中的实线所示的硅片区域，将安装硅片20的抛光头21置于第一抛光垫231与第二抛光垫232上，使硅片20的边缘区域位于第一抛光垫231上，对第一抛光垫231提供研磨液，对第二抛光垫232提供去离子水，第一抛光垫231，第二抛光垫232在转盘22的带动下逆时针转动，抛光头21带动硅片20也逆时针转动，但两者转速不同，实现对硅片20的边缘区域进行研磨。

之后进行对第一研磨垫231与第二研磨垫232同时进行自身修复，以提高其粗糙度。

实施例二

本实施例二与实施例一不同的地方在于，CMP装置上的通道27仅为1个，凹槽26上设置4个孔，所述4个孔通过设置在第一研磨垫231下方的通道在该研磨垫231的中心汇聚，该中心汇聚点所述通道27连通，如图7所示的结构。由于其它部件与实施例一相同，因此，本实施例二沿用与实施例一相同的标号。可以理解的是，该孔可以设置多个，多个孔通过设置在第一研磨垫231下方的通道在该研磨垫231的中心汇聚，该中心汇聚点与通道27连通，以将第一研磨垫231上的研磨所需液体导出。需要说明的是，图7中通道27及设置在第一研磨垫231下方的通道均采用了虚线示意，以区别研磨装置的俯视图中可以看出的凹槽26。

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 (12)

1.一种化学机械研磨装置，包括：

转盘；

固定于所述转盘上的抛光垫；

抛光头，所述抛光头的端面用于与所述抛光垫配合使用研磨硅片；

管道，其上设置有出口，用于提供研磨所需的液体；

其特征在于，所述抛光垫包括位于转盘中心区域的第一抛光垫，及环绕第一抛光垫的第二抛光垫，所述第二抛光垫的表面至少可以容纳所述抛光头，使得所述第二抛光垫能对整个硅片进行研磨以及能使硅片的大部分区域位于第二抛光垫上，小部分边缘区域位于所述第一抛光垫上以单独对硅片的边缘区域进行研磨，所述第一抛光垫与所述第二抛光垫之间具有间隙；所述出口至少两个，一个用于对第一抛光垫提供研磨所需液体，另一个用于对第二抛光垫提供研磨所需液体，所述研磨所需液体至少包括研磨液、去离子水与化学液。

2.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述间隙由位于转盘内的凹槽形成，所述第二抛光垫下方的转盘内形成有连通所述凹槽与该转盘的侧边外界的通道。

3.根据权利要求2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述通道为多个。

4.根据权利要求2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述通道为1个，所述凹槽上设置多个孔，所述多个孔与所述通道连通。

5.根据权利要求2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述凹槽的宽度范围为0.5厘米-2厘米，所述凹槽的深度范围为0.5厘米-2厘米。

6.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述出口为喷头，用于对第一抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第一抛光垫的正上方，用于对第二抛光垫提供研磨所需液体的喷头位于第二抛光垫的正上方。

7.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，位于第一抛光垫的正上方的喷头设置在所述第一抛光垫的边缘区域。

8.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，位于第二抛光垫的正上方的喷头在高度方向上靠近所述第一抛光垫与所述抛光头的用于固定硅片的端面。

9.根据权利要求8所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一抛光垫与所述抛光头的用于固定硅片的端面、位于第二抛光垫的正上方的喷头之间的距离范围为1厘米-10厘米。

10.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述管道至少为三个，其中一个管道用于提供所述研磨液，一个管道用于提供所述去离子水，另外一个管道用于提供所述化学液。

11.一种使用权利要求1所述的化学机械研磨装置对硅片进行研磨的方法，其特征在于，包括：

将安装硅片的抛光头置于第二抛光垫上，对第二抛光垫提供研磨液，对整个硅片进行研磨；

使用去离子水对第二抛光垫进行冲洗；

将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的大部分区域位于第二抛光垫上，小部分边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，单独对硅片的边缘区域进行研磨。

12.一种使用权利要求1所述的化学机械研磨装置对硅片进行研磨的方法，其特征在于，包括：

将安装硅片的抛光头置于第一抛光垫与第二抛光垫上，使硅片的大部分区域位于第二抛光垫上，小部分边缘区域位于所述第一抛光垫上，对第一抛光垫提供研磨液，对第二抛光垫提供去离子水，单独对硅片的边缘区域进行研磨。