CN109605210A - 一种研磨头及化学机械研磨设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种研磨头及化学机械研磨设备，用于晶片的承载的主体部件、连接部件、金属卡环以及接地线；其中，所述连接部件固定于所述主体部件，所述连接部件包括导电材料；卡环，所述卡环设置于所述主体部件的外周，卡环为导电材料，电连接所述连接部件的金属材料以及卡环的电连接线。通过电连接线，可以将研磨时反应产生的副产物而导致的晶片上分布不均匀的电荷导至地端，从而，避免由不均匀电荷而导致的平坦化缺陷，提高平坦化程度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，特别涉及一种研磨头及化学机械研磨设备。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization，CMP)是半导体制造过程中，对晶片表面进行平坦化的工艺。在化学机械研磨过程中，将晶片放置于研磨头上，将晶片的抛光面朝向研磨垫，通过研磨头给晶片施加压力，同时晶片与研磨垫之间供给有研磨液，通过晶片与抛光垫之间的相对运动以及与研磨液之间的化学反应，实现晶片表面的平坦化。
在研磨过程中，在填充区域往往容易出现碟陷(dishing)和侵蚀(erosion) 的缺陷，随着集成电路技术的不断发展以及集成度不断提高，对制造工艺的要求也越来越苛刻，例如在3D NAND的铜制造工艺中，对CMP的dishing 和erosion的标准(spec)就远远小于200-300埃的普通标准，而现有的CMP 设备的平坦化程度无法满足该要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种研磨头及化学机械研磨设备，提高平坦化程度。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种研磨头，包括：用于晶片的承载的主体部件、连接部件、卡环以及接地线；其中，
所述连接部件固定于所述主体部件，所述连接部件包括导电材料；
卡环，所述卡环设置于所述主体部件的外周，所述卡环为导电材料；
一条或多条电连接线，用于电连接所述连接部件与所述卡环。
可选地，所述电连接线一部分位于所述主体部件上部，另一部分穿过所述通孔并在所述主体部件内部连接至卡环。
可选地，所述电连接线沿所述主体部件的外表面连接至卡环。
可选地，所述连接部件和/或所述卡环的导电材料为金属材料。
可选地，所述主体部件中设置有多个同心且彼此隔离的空腔，所述空腔用于压力控制。
可选地，所述空腔通过隔膜形成，所述隔膜通过所述主体内部的定心夹具固定。
可选地，所述定心夹具为导电材料，所述电连接线经由主体部件内部依次电连接至所述定心夹具与所述卡环。
可选地，所述主体部件上还设置有晶片探测器。
可选地，所述电连接线为多条，多条电连接线沿所述卡环的轴向平均分布。
一种化学机械研磨设备，包括底座、研磨液供给装置以及上述任一的研磨头。
本发明实施例提供的研磨头及化学机械研磨设备，用于晶片的承载的主体部件、连接部件、金属卡环以及接地线；其中，所述连接部件固定于所述主体部件，所述连接部件包括导电材料；卡环，所述卡环设置于所述主体部件的外周，卡环为导电材料，电连接所述连接部件的金属材料以及卡环的电连接线。通过电连接线，可以将研磨时反应产生的副产物而导致的晶片上分布不均匀的电荷导至地端，从而，避免由不均匀电荷而导致的平坦化缺陷，提高平坦化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为研磨工艺示意图；
图2示出了研磨过程示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的研磨头的俯视结构示意图；
图4示出了根据本发明另一实施例的研磨头的俯视结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的研磨头的剖面结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的化学机械研磨设备的俯视结构示意图。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，在化学机械研磨过程中，在填充区域往往容易出现碟陷(dishing)和侵蚀(erosion)的缺陷，随着集成电路技术的不断发展以及集成度不断提高，对制造工艺的要求也越来越苛刻，而现有的CMP设备的平坦化程度无法满足该要求。
参见图1所示，以铜工艺为例进行CMP工艺的说明，其中被填充层为介质层10，填充材料层为铜层20，如图1中(A)所示，先在介质层10上填充铜层20，而后，进行CMP工艺，在CMP工艺之后，填充区域的铜层20会被更多地去除掉，使得其低于介质层10，从而形成碟陷和侵蚀的缺陷，如图 1中(B)所示。
在CMP的一个应用中，例如在3D NAND的铜(Cu)制造工艺中，对 CMP的dishing和erosion的标准(spec)就远远小于200-300埃的普通标准，一方面现有的CMP设备的平坦化程度无法满足该要求，另一方面，在发明人研发过程中发现，在晶片的中心、中部以及边缘区域的碟陷(dishing)和侵蚀(erosion)的缺陷存在差异，从中心区域具有更为严重的缺陷分布。
而在问题解决的过程中，发明人从化学机械研磨的原理上进行了分析，找到了导致中心区域缺陷严重的原因。可以知道，化学机械研磨是利用化学反应和机械研磨这两方面同时作用，而进行的平坦化工艺，在化学机械研磨过程中，将晶片放置于研磨头上，将晶片的抛光面朝向研磨垫，通过研磨头给晶片施加压力，同时晶片与研磨垫之间供给有研磨液，通过晶片与抛光垫之间的相对运动以及与研磨液之间的化学反应，实现晶片表面的平坦化。而在进行Cu的CMP时，进行的化学反应如下：
2Cu+H2O2＝Cu2O+H2O
Cu2O+H2O2＝2CuO+H2O
CuO+2H2O→2Cu(OH)2
Cu(OH)2→Cu2+2OH-
可以看到，Cu经过化学反应之后的副产物为溶于水的铜离子，而研磨液中的有效成分会被反应副产物稀释而降低效率，而结合研磨过程中研磨液的流向分析，中心区域具有更为严重的缺陷分布，是由该副产物分布不均匀而导致研磨液浓度不均匀而导致的。参考图1所示，研磨液由研磨液供给装置提供新鲜的研磨液至基座上，基座处于旋转状态，研磨头下晶片上的Cu不断与研磨液发生反应，在离心力的作用下，反应产生的副产物被甩出基座，晶片周围的副产物会随研磨液更容易被甩出，而不断补充的新鲜研磨液直接流向晶片中心区域，导致中心区域与边缘区域研磨液的反应效率不一样，进而导致中心区域具有更为严重的缺陷分布。
为此，本申请提供了一种研磨头，参考图2-4所示，用于晶片的承载的主体部件100、连接部件120、卡环130以及接地线122；其中，连接部件120 固定于所述主体部件100，所述连接部件120包括导电材料；卡环130，所述卡环130设置于所述主体部件100的外周，所述卡环130为导电材料；一条或多条电连接线122，用于电连接所述连接部件120与所述卡环130。
在该方案中，通过电连接线，可以将研磨时反应产生的副产物而导致的晶片上分布不均匀的电荷导至地端，从而，避免由不均匀电荷而导致的平坦化缺陷，提高平坦化程度。
在该方案中，通过接地线，可以将研磨时反应产生的副产物而导致的晶片上分布不均匀的电荷导至地端，从而，避免由不均匀电荷而导致的平坦化缺陷，提高平坦化程度。
在具体的应用中，电连接线122可以具有多种连接方式。在一些实施例中，参考图2所示，主体部件100上部设置有通孔121，电连接线122的一部分设置于主体部件100的上部，另一部分穿过通孔121并在主体部件100内部连接至卡环130。在另一些实施例中，参考图3所示，电连接线122可以沿主体部件100的外表面连接至卡环130。
其中，主体部件100为承载晶片的部件，也就是在研磨过程中，给晶片向研磨垫施加压力的部件。在具体的应用中，主体部件可以通过设置空腔来进行压力控制，具体的，该主体部件100中可以设置有多个同心且彼此隔离的空腔110-1、110-2、110-3，空腔110-1、110-2、110-3用于压力的控制，空腔110-1、110-2、110-3内的压力可以改变，该压力可以通过气体的压力来控制，这些空腔110-1、110-2、110-3对应于晶片的不同区域，通过控制不同空腔气体的压力，进而可以控制施加于晶片不同区域上的压力。
空腔110-1、110-2、110-3的数量可以根据具体的需要来设置，空腔数量例如可以为3或4或5等，数量越多越利于更为精确地控制晶片上不同区域的压力。该多个空腔包括中心的圆形腔110-1以及沿主体部件100径向依次分布的环形腔110-2、110-3。
在具体的应用中，可以通过具有隔膜的腔体来形成该主体部件，隔膜可以通过定心夹具140来固定，通常地，定心夹具140为金属材料，例如为金属铁。
在主体部件100支撑面一侧设置有卡环130，该卡环130用于防止承载晶片在横向方向上的移动，该卡环130为导电材料，例如可以为金属材料，金属材料例如可以为金属钛(Ti)，其具有良好的刚性及耐磨性能。
连接部件120固定于主体部件100的非支撑面一侧上，该连接部件120 通常用于与压力控制部件连接，连接部件120中可以设置有通道(图未示出)，通道的数量可以与空腔的数量相匹配，通道分别流体性连接至空腔，以便为空腔提供压力控制。该连接部件120包括导电材料，导电材料例如可以为金属材料，连接部件可以整体为导电材料形成，也可以仅外部由导电材料形成，导电材料例如为金属钛(Ti)或不锈钢等。
连接部件120的导电材料以及卡环130连接有电连接线122，该电连接线 122的数量可以为一个或多个，更优地，电连接线122为多条，例如可以为4 条，多条电连接线122沿卡环130的周向分布，该电连接线122可以依次电连接连接部件120的导电材料以及卡环130，该电连接线122可以进一步接至地端。优选的，所述电连接线122沿卡环130的周向分布方式为平均分布，平均分布有助于电荷被均匀、快速地导至地端。
在一些实施例中，在主体部件100中设置有定心夹具140，进一步地，该电连接线122还可以电连接至定心夹具140。更优地，每条电连接线可以从连接部件120的金属材料经由主体部件内部依次电连接至定心夹具、卡环，这样，通过一条电连接线贯穿研磨头上所有导电材料，以将研磨头的电荷导出。
以上对本申请实施例的研磨头进行了详细的描述，此外，本申请还提供了一种化学机械研磨设备，参考图4所示，包括底座200、研磨液供给装置 210以及上述的研磨头100。
底座200为用于承载研磨头100施加的压力的部件，也可以称为压盘，底座200上设置有研磨垫，研磨垫为可更换的部件，研磨头100与研磨垫之间即为待研磨的晶片。研磨液供给装置210用于提供研磨液，该供给装置210 例如可以为伸向底座200的研磨液臂，从研磨液臂输出研磨液。
在具体的应用中，可以通过控制主体部件的压力，从而控制施加向晶片的压力，在一些应用中，主体部件内设置有空腔，可以通过控制空腔中气体从而实现压力控制，在该压力下以及晶片与研磨垫之间供给研磨液，通过晶片与抛光垫之间的相对运动以及与研磨液之间的化学反应，实现晶片表面的平坦化。由于连接部件的导电材料以及卡环连接有电连接线，可以将研磨时反应产生的副产物而导致的晶片上分布不均匀的电荷导至地端，从而，避免由不均匀电荷而导致的平坦化缺陷，提高平坦化程度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种研磨头，其特征在于，包括：用于晶片的承载的主体部件、连接部件、卡环以及接地线；其中，
所述连接部件固定于所述主体部件，所述连接部件包括导电材料；
卡环，所述卡环设置于所述主体部件的外周，所述卡环为导电材料；
一条或多条电连接线，用于电连接所述连接部件与所述卡环。
2.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述电连接线一部分位于所述主体部件上部，另一部分穿过所述通孔并在所述主体部件内部连接至卡环。
3.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述电连接线沿所述主体部件的外表面连接至卡环。
4.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述连接部件和/或所述卡环的导电材料为金属材料。
5.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述主体部件中设置有多个同心且彼此隔离的空腔，所述空腔用于压力控制。
6.根据权利要求5所述的研磨头，其特征在于，所述空腔通过隔膜形成，所述隔膜通过所述主体内部的定心夹具固定。
7.根据权利要求6所述的研磨头，其特征在于，所述定心夹具为导电材料，所述电连接线经由主体部件内部依次电连接至所述定心夹具与所述卡环。
8.根据权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述主体部件上还设置有晶片探测器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的研磨头，其特征在于，所述电连接线为多条，多条电连接线沿所述卡环的轴向平均分布。
10.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括底座、研磨液供给装置以及如权要求1-9中任一项所述的研磨头。
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