CN104894634A - 新型电化学抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种新型电化学抛光装置，包括：晶圆夹盘、电解液供应装置及抛光电源回路构成装置。晶圆夹盘夹持晶圆，晶圆表面分布有金属层。电解液供应装置包括喷嘴，喷嘴向晶圆表面的金属层喷射电解液。抛光电源回路构成装置包括抛光盘及电源，抛光盘由导电材料制成，抛光盘的底面与晶圆表面平行布置，抛光盘与喷嘴同步移动，电源的阳极与晶圆夹盘电连接，电源的阴极与抛光盘电连接。本发明通过设置抛光盘，并使抛光盘与电源电连接，从而能够保证在晶圆表面的任一区域，抛光盘与晶圆之间均可以形成稳定的电场，且抛光盘与晶圆之间通过电解液形成电流回路，提高了晶圆表面抛光均匀性。

Description

新型电化学抛光装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造装置，尤其涉及一种新型电化学抛光装置。

背景技术

随着半导体技术的飞速发展，低介电常数的介质应用于集成电路的制造中。然而，低介电常数介质的应用给传统的化学机械抛光技术带来了不小的挑战，低介电常数介质的脆弱性难以承受传统的化学机械抛光技术所施加的机械力。因此，寻求新的平坦化技术以解决低介电常数介质的平坦化问题势在必行。

电化学抛光技术由于其能够克服传统的化学机械抛光技术在超微细特征尺寸集成电路制造中的缺陷而被逐渐应用在极大规模集成电路和超大规模集成电路的制造中。电化学抛光能够无机械应力的对金属互连结构进行平坦化。常见的电化学抛光装置包括夹持晶圆的晶圆夹盘、驱动晶圆夹盘转动和移动的马达，该马达受控于运动控制器、向晶圆夹盘上的晶圆喷射电解液的喷嘴以及电连接晶圆夹盘和喷嘴的电源，其中，电源的阳极与晶圆夹盘电连接，通过晶圆夹盘向晶圆表面的金属层供电，电源的阴极与喷嘴电连接，通过喷嘴使电解液带电荷。电化学抛光时，马达驱动晶圆夹盘旋转和移动的同时，喷嘴向晶圆夹盘上的晶圆喷射电解液，通过电化学反应实现对晶圆表面平坦化。然而，当抛光晶圆中心或晶圆边缘时，由于喷射至晶圆中心或晶圆边缘的液柱形状较难稳定控制，因而导致抛光结果不太稳定，致使整片晶圆内的抛光均匀性不甚理想。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种结构简单、能够提高晶圆表面抛光均匀性的新型电化学抛光装置。

为实现上述目的，本发明提出的新型电化学抛光装置，包括：晶圆夹盘、电解液供应装置及抛光电源回路构成装置。晶圆夹盘夹持晶圆，晶圆表面分布有金属层。电解液供应装置包括喷嘴，喷嘴向晶圆表面的金属层喷射电解液。抛光电源回路构成装置包括抛光盘及电源，抛光盘由导电材料制成，抛光盘的底面与晶圆表面平行布置，抛光盘与喷嘴同步移动，电源的阳极与晶圆夹盘电连接，电源的阴极与抛光盘电连接。

在一个实施例中，电化学抛光时，抛光盘与晶圆表面的金属层之间间隔一预定距离。预定距离在0mm到10mm之间。

在一个实施例中，电化学抛光时，抛光盘与晶圆表面的金属层接触。

在一个实施例中，喷嘴邻近于抛光盘的边缘布置。

在一个实施例中，抛光盘的中心开设有通孔，喷嘴收容于该通孔中。

在一个实施例中，抛光盘的底面开设有网格状的沟槽或开设有由中心向外发散的沟槽。

在一个实施例中，抛光盘绕其自身的中心轴旋转。

在一个实施例中，电解液供应装置还包括电解液供应管道，电解液供应管道具有旋转端和与旋转端相对的末端，电解液供应管道能够绕电解液供应管道的旋转端转动，喷嘴设置在电解液供应管道的末端，抛光电源回路构成装置还包括旋转摆臂，旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，旋转摆臂能够绕旋转摆臂的旋转端转动，抛光盘设置在旋转摆臂的末端，旋转摆臂的旋转端和电解液供应管道的旋转端与一致动器连接，致动器驱动旋转摆臂和电解液供应管道同步摆动以带动抛光盘和喷嘴同步移动。

在一个实施例中，旋转摆臂和电解液供应管道集成在一个摆轴中，摆轴与致动器连接，致动器驱动摆轴转动以带动旋转摆臂和电解液供应管道同步转动。

综上所述，本发明通过设置抛光盘，并使抛光盘与电源电连接，从而能够保证在晶圆表面的任一区域，抛光盘与晶圆之间均可以形成稳定的电场，且抛光盘与晶圆之间通过电解液形成电流回路，提高了晶圆表面抛光均匀性。

附图说明

图1揭示了根据本发明的第一实施例的新型电化学抛光装置抛光晶圆时的剖面结构示意图。

图2揭示了根据本发明的第一实施例的新型电化学抛光装置的俯视图。

图3A揭示了根据本发明的新型电化学抛光装置的抛光盘的一实施例的仰视图。

图3B揭示了根据本发明的新型电化学抛光装置的抛光盘的又一实施例的仰视图。

图4揭示了根据本发明的第一实施例的新型电化学抛光装置抛光晶圆时的又一剖面结构示意图。

图5揭示了根据本发明的第二实施例的新型电化学抛光装置抛光晶圆时的剖面结构示意图。

图6揭示了根据本发明的第二实施例的新型电化学抛光装置的抛光盘的仰视图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

参阅图1和图2，根据本发明的第一实施例的新型电化学抛光装置包括抛光腔体110、晶圆夹盘120、电解液供应装置及抛光电源回路构成装置。

抛光腔体110具有底壁及侧壁，抛光腔体110的侧壁向外延伸形成台阶部111。晶圆夹盘120位于抛光腔体110内，晶圆夹盘120设置在抛光腔体110的底壁上，晶圆夹盘120水平夹持晶圆130，晶圆130的待抛光面向上。晶圆夹盘120可以选用真空夹盘。晶圆夹盘120在驱动装置（图中未示）的驱动下，能够绕其中心轴旋转或垂直上升或下降。

电解液供应装置包括电解液供应管道140和喷嘴150。电解液供应管道140具有旋转端和与旋转端相对的末端，电解液供应管道140的旋转端设置在抛光腔体110侧壁的台阶部111上，电解液供应管道140能够绕电解液供应管道140的旋转端转动。喷嘴150设置在电解液供应管道140的末端，喷嘴150向晶圆夹盘120上的晶圆130的待抛光面喷射电解液。

抛光电源回路构成装置包括旋转摆臂160、抛光盘170及电源（图中未示）。旋转摆臂160具有旋转端和与旋转端相对的末端，旋转摆臂160的旋转端设置在抛光腔体110侧壁的台阶部111上，旋转摆臂160能够绕旋转摆臂160的旋转端转动。抛光盘170设置在旋转摆臂160的末端，抛光盘170能够绕其自身的中心轴旋转，抛光盘170由石墨等导电材料制成，抛光盘170与喷嘴150相邻布置，喷嘴150邻近于抛光盘170的边缘布置。抛光盘170的尺寸小于晶圆130的尺寸，抛光盘170的尺寸一般不大于所抛光晶圆的尺寸，较佳地，抛光盘170的尺寸在5mm到抛光晶圆尺寸的0.5倍范围内。电源的阳极与晶圆夹盘120电连接，通过晶圆夹盘120向晶圆130表面的金属层供电，电源的阴极与抛光盘170电连接。

在电化学抛光过程中，抛光盘170与喷嘴150在晶圆130的待抛光面的上方同步摆动，抛光盘170由晶圆130的待抛光面的中心向晶圆130的待抛光面的边缘移动，如图2所示，图2中的虚线为抛光盘170移动的轨迹。为了实现抛光盘170与喷嘴150同步摆动，在一个实施例中，旋转摆臂160的旋转端和电解液供应管道140的旋转端与一致动器180连接，致动器180驱动旋转摆臂160和电解液供应管道140同步摆动，从而带动抛光盘170和喷嘴150同步移动。致动器180可以选用马达。为了便于控制，可以将旋转摆臂160和电解液供应管道140集成在一个摆轴中，摆轴与致动器连接，致动器驱动摆轴转动，从而带动旋转摆臂160和电解液供应管道140一起转动。本领域的技术人员可以理解的是，除了采用一个致动器同时控制旋转摆臂160和电解液供应管道140的摆动外，也可以分别控制旋转摆臂160和电解液供应管道140的摆动。

使用上述新型电化学抛光装置抛光晶圆的过程如下：将晶圆130固定在晶圆夹盘120上，晶圆130的待抛光面向上。将抛光盘170移动至晶圆130的待抛光面的中心上方，抛光盘170与晶圆130的待抛光面之间间隔一预定距离，该预定距离在0mm到10mm之间，较佳的，在0.1mm到5mm之间。晶圆夹盘120和抛光盘170保持旋转状态，喷嘴150向邻近晶圆130的待抛光面的中心喷射电解液。在离心力的作用下，晶圆130的整个待抛光面上均匀分布有电解液。打开电源，抛光盘170与晶圆130之间通过电解液形成电流回路，从而实现对晶圆130的待抛光面的中心进行电化学抛光。电源的阴极直接与抛光盘170相连接，这样电流是通过抛光盘170以及与之正对的晶圆130上的金属层部分进行导通，由于抛光盘170具有良好的导电性，抛光盘170面内的电场分布均匀，因此对应的晶圆130表面上的金属层的去除也会很均匀，克服了纯液体导电的抛光方式中液体形状不稳定导致的电场不均匀问题。沿着预设的轨迹移动抛光盘170和喷嘴150，以实现对晶圆130的整个待抛光面进行电化学抛光。通过设置抛光盘170，使得抛光盘170与晶圆130的待抛光面之间形成有稳定的电场，从而提高晶圆130表面抛光均匀性。

为了增强抛光盘与晶圆的待抛光面之间的电解液的流动性，减少电化学作用引起的气泡，提高抛光均匀性，进一步地，可以对抛光盘朝向晶圆的待抛光面的底面进行一定的优化设计。如图3A所示，揭示了根据本发明的新型电化学抛光装置的抛光盘的一实施例的仰视图。在该实施例中，抛光盘270的底面开设有网格状的沟槽。如图3B所示，揭示了根据本发明的新型电化学抛光装置的抛光盘的又一实施例的仰视图。在该实施例中，抛光盘370的底面开设有由中心向外发散的沟槽。

在一个实施例中，使用上述新型电化学抛光装置抛光晶圆时，抛光盘170与晶圆130的待抛光面也可以接触，如图4所示。在不损伤晶圆130的结构层的前提下，可以通过抛光盘170向晶圆130的待抛光面施加一定的下压力以抛光晶圆130的表面，提高去除率。

参阅图5，揭示了根据本发明的第二实施例的新型电化学抛光装置抛光晶圆时的剖面结构示意图。根据本发明的第二实施例的新型电化学抛光装置包括抛光腔体410、晶圆夹盘420、电解液供应装置及抛光电源回路构成装置。

抛光腔体410具有底壁及侧壁，抛光腔体410的侧壁向外延伸形成台阶部411。晶圆夹盘420位于抛光腔体410内，晶圆夹盘420设置在抛光腔体410的底壁上，晶圆夹盘420水平夹持晶圆430，晶圆430的待抛光面向上。晶圆夹盘420可以选用真空夹盘。晶圆夹盘420在驱动装置（图中未示）的驱动下，能够绕其中心轴旋转或垂直上升或下降。

电解液供应装置包括电解液供应管道440和喷嘴450。电解液供应管道440具有旋转端和与旋转端相对的末端，电解液供应管道440的旋转端设置在抛光腔体410侧壁的台阶部411上，电解液供应管道440能够绕电解液供应管道440的旋转端转动。喷嘴450设置在电解液供应管道440的末端，喷嘴450向晶圆夹盘420上的晶圆430的待抛光面喷射电解液。

抛光电源回路构成装置包括旋转摆臂460、抛光盘470及电源（图中未示）。旋转摆臂460具有旋转端和与旋转端相对的末端，旋转摆臂460的旋转端设置在抛光腔体410侧壁的台阶部411上，旋转摆臂460能够绕旋转摆臂460的旋转端转动。抛光盘470设置在旋转摆臂460的末端，抛光盘470能够绕其自身的中心轴旋转，抛光盘470由石墨等导电材料制成，抛光盘470的尺寸小于晶圆430的尺寸，抛光盘470的尺寸一般不大于所抛光晶圆的尺寸，较佳地，抛光盘470的尺寸在5mm到抛光晶圆尺寸的0.5倍范围内。抛光盘470的中心开设有通孔471，如图6所示。喷嘴450收容于该通孔471中。电源的阳极与晶圆夹盘420电连接，通过晶圆夹盘420向晶圆430表面的金属层供电，电源的阴极与抛光盘470电连接。

在电化学抛光过程中，抛光盘470与喷嘴450在晶圆430的待抛光面的上方同步摆动，抛光盘470与喷嘴450由晶圆430的待抛光面的中心向晶圆430的待抛光面的边缘移动。为了实现抛光盘470与喷嘴450同步摆动，在一个实施例中，旋转摆臂460的旋转端和电解液供应管道440的旋转端与一致动器480连接，致动器480驱动旋转摆臂460和电解液供应管道440同步摆动，从而带动抛光盘470和喷嘴450同步移动。为了便于控制，可以将旋转摆臂460和电解液供应管道440集成在一个摆轴中，摆轴与致动器连接，致动器驱动摆轴转动，从而带动旋转摆臂460和电解液供应管道440一起转动。

使用该新型电化学抛光装置抛光晶圆的过程如下：将晶圆430固定在晶圆夹盘420上，晶圆430的待抛光面向上。将抛光盘470和喷嘴450移动至晶圆430的待抛光面的中心上方，抛光盘470与晶圆430的待抛光面之间间隔一预定距离，该预定距离在0mm到10mm之间，较佳的，在0.1mm到5mm之间。晶圆夹盘420和抛光盘470保持旋转状态，喷嘴450向晶圆430的待抛光面的中心喷射电解液。打开电源，抛光盘470与晶圆430之间通过电解液形成电流回路，从而实现对晶圆430的待抛光面的中心进行电化学抛光。沿着预设的轨迹移动抛光盘470和喷嘴450，以实现对晶圆430的整个待抛光面进行电化学抛光。

本发明通过设置可移动和旋转的抛光盘，并使抛光盘与电源电连接，从而能够保证在晶圆的任一区域，抛光盘与晶圆之间均可以形成稳定的电场，且抛光盘与晶圆之间通过电解液形成电流回路，提高了晶圆表面抛光均匀性。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (10)

1.一种新型电化学抛光装置，其特征在于，包括：

晶圆夹盘，所述晶圆夹盘夹持晶圆，晶圆表面分布有金属层；

电解液供应装置，所述电解液供应装置包括喷嘴，所述喷嘴向晶圆表面的金属层喷射电解液；及

抛光电源回路构成装置，所述抛光电源回路构成装置包括抛光盘及电源，所述抛光盘由导电材料制成，抛光盘的底面与晶圆表面平行布置，抛光盘与所述喷嘴同步移动，所述电源的阳极与晶圆夹盘电连接，所述电源的阴极与抛光盘电连接。

2.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，电化学抛光时，所述抛光盘与晶圆表面的金属层之间间隔一预定距离。

3.根据权利要求2所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述预定距离在0mm到10mm之间。

4.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，电化学抛光时，所述抛光盘与晶圆表面的金属层接触。

5.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述喷嘴邻近于所述抛光盘的边缘布置。

6.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述抛光盘的中心开设有通孔，所述喷嘴收容于该通孔中。

7.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述抛光盘的底面开设有网格状的沟槽或开设有由中心向外发散的沟槽。

8.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述抛光盘绕其自身的中心轴旋转。

9.根据权利要求1所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述电解液供应装置还包括电解液供应管道，电解液供应管道具有旋转端和与旋转端相对的末端，电解液供应管道能够绕电解液供应管道的旋转端转动，所述喷嘴设置在电解液供应管道的末端，所述抛光电源回路构成装置还包括旋转摆臂，旋转摆臂具有旋转端和与旋转端相对的末端，旋转摆臂能够绕旋转摆臂的旋转端转动，所述抛光盘设置在旋转摆臂的末端，旋转摆臂的旋转端和电解液供应管道的旋转端与一致动器连接，致动器驱动旋转摆臂和电解液供应管道同步摆动以带动抛光盘和喷嘴同步移动。

10.根据权利要求9所述的新型电化学抛光装置，其特征在于，所述旋转摆臂和电解液供应管道集成在一个摆轴中，摆轴与致动器连接，致动器驱动摆轴转动以带动旋转摆臂和电解液供应管道同步转动。