CN109693174A - 一种研磨头和化学机械研磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种研磨头和化学机械研磨装置，所述研磨头包括限位环，所述限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面。根据本发明的研磨头和化学机械研磨装置，将限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面，有效减少了化学机械研磨过程中，限位环底部表面与研磨垫的接触，减少了限位环底部表面微小起伏对研磨垫的刮擦损伤，从而减少了研磨垫刮擦损伤对半导体晶圆的化学机械研磨的影响，提升了化学机械研磨质量，有效提升了产品良率，同时也减少了生产成本。同时，也减少了研磨副产物在限位环内侧或导流槽入口端的累积，减少了研磨副产物对化学机械研磨的影响，进一步提升了化学机械研磨的质量。

Description

一种研磨头和化学机械研磨装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体而言涉及一种研磨头和化学机械研磨装置。

背景技术

随着集成电路制造过程中特征尺寸的缩小和金属互联的增加，对晶圆表面平整度的要求也越来越高。化学机械研磨(CMP)是将机械研磨和化学腐蚀结合的技术，是目前最有效的晶圆平坦化方法。化学机械研磨采用旋转的研磨头夹持住晶圆，并将其以一定压力压在旋转的研磨垫上，通过研磨浆料的作用，使晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。

通常，半导体领域所使用的研磨装置包括研磨垫及设置于研磨垫上的研磨头。在对晶圆进行化学机械研磨时，研磨头吸附待研磨晶圆使待研磨晶圆的待研磨表面与研磨垫接触，在研磨头带动下，待研磨晶圆相对研磨垫旋转，同时在研磨液的作用下，完成对晶圆的研磨，其中研磨头通过限位环对研磨晶圆进行限制和固定。然而，限位环上往往存在微小起伏，这些微小起伏与研磨垫接触的过程中对研磨垫产生不同程度的刮擦损伤，使得研磨垫对后续晶圆的化学机械研磨造成损伤。同时，在限位环底部往往设置有用于将研磨副产物由晶圆表面从限位环内导出到限位环外的导流槽，在化学机械研磨过程中，往往在其倒流入口处形成不同程度的研磨副产物的累积，累积的副产物在后续研磨过程中不同程度的脱落，也对半导体晶圆化学机械研磨的研磨质量产生重要影响。

为此，本发明提供了一种新的研磨头和化学机械研磨装置，用以解决现有技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种研磨头，所述研磨头包括限位环，所述限位环的底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面。

示例性的，所述限位环的底部的外端部设置为弧形。

示例性的，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为2°-5°。

示例性的，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为3.5°-3.8°。

示例性的，所述限位环的内径设置为较待研磨晶圆的直径大0.1mm-0.2mm。

示例性的，所述限位环底部设置有导流槽。

示例性的，所述导流槽设置为均匀分布在所述限位环底部的若干直线凹槽。

示例性的，所述导流槽设置为与限位环半径成一定夹角的直线凹槽，所述导流槽螺旋排布在所述限位环的底部。

示例性的，所述导流槽螺旋排布的方向与化学机械研磨过程中所述研磨头的转动方向一致。

本发明还提供了一种化学机械研磨装置，所述装置包括研磨头，所述研磨头包括底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面的限位环。

根据本发明的研磨头和化学机械研磨装置，将限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面，有效减少了化学机械研磨过程中，限位环底部表面与研磨垫的接触，减少了限位环底部表面微小起伏对研磨垫的刮擦损伤，从而减少了研磨垫刮擦损伤对半导体晶圆的化学机械研磨的影响，提升了化学机械研磨质量，有效提升了产品良率，同时也减少了生产成本。同时，将限位环底部表面设置成沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面也减少了研磨副产物在限位环内侧或导流槽入口端的累积，减少了研磨副产物对化学机械研磨的影响，进一步提升了化学机械研磨的质量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A为一种化学机械研磨装置中的研磨头的结构示意图；

图1B为一种研磨头的限位环在化学机械研磨过程中和研磨垫接触状态示意图；

图1C为一种限位环底部导流槽在化学机械研磨过程中累积副产物的状态示意图；

图2A为根据本发明的一个实施例的研磨头的结构示意图；

图2B为根据本发明的一个实施例的限位环的底部示意图；

图3A为一种研磨头的限位环在化学机械研磨过程中与晶圆碰撞示意图；

图3B为根据本发明的一个实施例的限位环在化学机械研磨过程中与晶圆碰撞示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述研磨头和化学机械研磨装置。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和 /或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

在对晶圆进行化学机械研磨时，研磨头吸附待研磨晶圆使晶圆的待研磨表面与研磨垫接触，在研磨头带动下，待研磨晶圆相对研磨垫旋转，在研磨液的作用下，完成对晶圆的研磨。图1A示出了一种化学机械研磨装置中的研磨头的结构示意图，研磨头通过设置在研磨头上的晶圆载具系统102支撑晶圆100，使晶圆 100的待研磨表面与研磨垫接触，同时通过限位环101将晶圆100固定以防止晶圆在研磨头内的位置发生偏移，其中限位环101与研磨头本体(未示出)相连。然而，限位环的底部表面不可避免的有一些微观上的微小起伏，这些微小起伏并不能通过制作工艺完全避免，从而在化学机械研磨过程中与研磨垫的接触过程中对研磨垫造成损伤。图1B示出了一种研磨头的限位环在化学机械研磨过程中和研磨垫接触状态示意图，如图1B所示，限位环101与研磨垫103接触的表面1011 上不可避免的存在微观上的微小起伏10111，这些微小起伏与研磨垫103接触的过程中对研磨垫103产生不同程度的刮擦损伤，使得研磨垫对后续晶圆的化学机械研磨造成损伤。

同时，现有化学机械研磨的过程中，研磨产生的副产物需要及时从研磨晶圆的表面排出到研磨晶圆表面以外，往往通过设置在限位环底部的导流槽实现。然而，研磨过程中往往形成研磨副产物排除不及时或受阻，造成在晶圆边缘的堆积，这些堆积副产物导致后续研磨过程中对晶圆边缘造成不同程度损伤，从而导致晶圆边缘的过研磨，导致产品良率降低。如图1C所述，1012为设置在限位环101 底部的导流槽，其入口端10121(即研磨副产物由研磨晶圆的表面从限位环内部排出端)往往形成导流槽输入端的拐角处副产物堆积，如图1C所示的副产物颗粒A。这些堆积副产物导致后续研磨过程中不同程度的脱落，也对后续化学机械研磨造成不同程度损伤，从而导致晶圆边缘的过研磨，导致产品良率降低。

为此，本发明提供了一种研磨头，所述研磨头包括：

限位环，所述限位环底部设置有导流槽，并且所述限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面。

下面参看图2A、2B、3A和3B对根据本发明的一个实施例的研磨头的结构进行描述，其中，图2A为根据本发明的一个实施例的研磨头的结构示意图；图 2B为根据本发明的一个实施例的限位环的底部示意图；图3A为一种研磨头的限位环在化学机械研磨过程中与晶圆碰撞示意图；图3B为根据本发明的一个实施例的限位环在化学机械研磨过程中与晶圆碰撞示意图。

如图2A所示，研磨头包括限位环201，和晶圆载具系统202。所述晶圆载具系统下方吸附有待研磨晶圆200，所述晶圆载具系统202用以吸附待研磨晶圆 200并使所述带研磨晶圆200的待研磨表面与研磨垫接触，同时在研磨过程中对待研磨晶圆施加一定的压力，使待研磨晶圆200在压力和研磨液的作用下以一定速率进行研磨以去除一定厚度的待研磨层。示例性的，所述晶圆载具系统为真空载具系统。示例性的，所述真空载具系统包括载具真空室、吸附薄膜等，所述真空室用于调整真空载具系统施加在晶圆上的压力，所述吸附薄膜用于吸附晶圆。所述晶圆载具系统可以是任意类型的用以支撑晶圆并调整施加在晶圆上压力的承载系统，本领域技术人员可以根据需要进行选择，在此并不限定。同时，需要理解的是，本实施例的研磨头具备现有技术中研磨头支撑待研磨晶圆与研磨垫接触、带动待研磨晶圆旋转研磨，并对研磨中的晶圆施加不同压力以控制研磨速度的各种功能，本领域技术人员可以根据需要进行选择，在此并不一一列举。

继续参看图2A，限位环201底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面2011。将限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面，从而在化学机械研磨过程中减少了限位环底部表面和研磨垫接触的面积，从而有效减少了限位环底部表面微小起伏与研磨垫接触的过程中对研磨垫产生不同程度的刮擦损伤，从而减少了研磨垫刮擦损伤对半导体晶圆的化学机械研磨的影响，提升了化学机械研磨质量，有效提升了产品良率，同时也减少了生产成本。同时，将限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面，在研磨过程中产生的研磨副产物通过倒流槽导出的过程中，容易根据底面的倾斜方向由研磨晶圆表面从限位环内导出到限位环外部，减少了研磨副产物在导流槽导出口的累积，从而减少了研磨副产物对晶圆边缘的研磨影响，提升了研磨质量，提升了产品良率。

示例性的，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为2°-5°。如图2A所示，斜面 2011相对于水平面倾斜的角度θ设置为2°-5°。可以理解，随着角度设置的增加，限位环与底部接触的面积将减小，但同时带来限位环底部斜面过高超出晶圆研磨表面高度的问题。将斜面相对于水平面倾斜的角度设置为2°-5°，避免角度设置过小对减少限位环底面与研磨垫表面接触的效果改善不明显，同时避免角度设置过大使限位环底部线面高度超出对晶圆的限制高度。需要理解的是，本领域技术人员可以根据实际应用的需要对斜面相对于水平面的角度进行设置，在不同的角度设置下有不同的技术效果，其并不脱离本发明的范围。在一个示例中，所述斜面相对于水平面倾斜的角度设置为2.5度，从而限位环底部斜面与研磨垫表面接触的面积相对于平面接触时减小。在另一个示例中，所述斜面相对于水平面倾斜的角度设置为4.5°，限位环底部斜面与研磨垫表面接触的面积进一步减小，但未超出限位环对晶圆的限制高度。

示例性的，为了避免设置为倾斜斜面后在限位环的外侧边缘引起应力集中，将限位环底部外端部设置为弧形，如图2A所示，在限位环201的底部斜面2011 的外端部P点处设置为弧形，从而在化学机械研磨过程中增加底部斜面2011的外端部与研磨垫接触的面积，减少应力集中，避免应力集中对研磨垫的刮擦损伤。

如图2B，示出了根据本发明的一个实施例的限位环的底部示意图，如图2B 所示，底部设置为斜面2011的限位环201上设置有导流槽2012，其中，位于图 2B中的四条箭头标线表示限位环201的底部设置为沿半径方向由外向内向上倾斜(即沿半径方向由内向外向下倾斜)。所述导流槽用以将研磨副产物由晶圆内部表面从限位环内侧导出到限位环外侧。

示例性的，所述导流槽设置为均匀分布在所述研磨环底部的若干直线凹槽，多个之间凹槽有利于增加导流槽导出研磨副产物的效率。示例性的，所述导流槽设置为与限位环半径成一定夹角的直线凹槽，所述导流槽螺旋排布在所述限位环的底部。继续参看图2B，导流槽2012与限位环201的半径2013成一定的夹角，从而在限位环201上呈现螺旋排布的状态。在化学机械研磨过程中由于研磨头带动晶圆旋转，研磨副产物导出方向不沿着半径方向，而是与半径成一定角度向外排除，将导流槽设置为与半径成一定夹角，有利于研磨副产物的导出。示例性的，所述导流槽螺旋排布的方向与化学机械研磨中所述研磨头转动的方向一致。示例性的，在化学机械研磨中，研磨头顺时针方向旋转，则导流槽螺旋排布的方向设置为顺时针方向，从而与研磨副产物由晶圆表面内部排出到晶圆外部的方向保持一致，进一步改善研磨副产物排出的效果。

示例性的，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为3.5°-3.8°。继续参看图2A，斜面2011相对与水平面倾斜的角度θ设置为3.5°-3.8°。将限位环底部设置为由内而外向下倾斜的斜面，在减少限位环底部与研磨垫表面接触面积的同时，也对导流槽导出研磨副产物产生影响。将斜面的倾斜角度设置在3.5°-3.8°，一方面；避免角度过小(小于3.5°)而对导流效果改善不明显，另一方面避免角度过大避免角度过大(大于3.8°)而使导流槽入口端高于研磨垫过多，而使研磨副产物累积在导流槽中段导出，这样对倒流效果的改善效果不明显。在一个示例中，所述斜面相对于水平面倾斜的角度设置为3.6°，其中所述斜面在限位环底部由内而外向下倾斜，减少限位环对研磨垫的刮擦同时避免对晶圆限制作用效果的影响，同时对导流效果也有明显改善。需要理解的是，将斜面相对于水平面的角度设置在3.5°-3.8°，是综合考虑限位环的限位作用，限位环底部对研磨垫的摩擦以及限位环底部导流槽的导流作用后所作的选择，并不是要对本发明进行限定，任何底部设置为相对于水平面沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面的限位环均适用于本发明。

示例性的，所述限位环内径设置为较晶圆直径大0.1mm-0.2mm。现有限位环内径设置为较晶圆直径大0-0.1mm，如图2A所示，限位环101直径D2较待研磨晶圆100直径D1大0-0.1mm，而研磨过程中晶圆和限位环常常发生不同程度的震动，当震动方向和幅度达到一定程度，往往发生碰撞，如图3A所示，在限位环震动和晶圆震动同时达到F-F位置时，发生限位环和晶圆的碰撞，这种碰撞在研磨过程中使得晶圆边缘受力不均匀，不同程度的引起边缘的研磨损伤，为此，本发明将限位环内径设置为较带研磨的晶圆直径大0.1mm-0.2mm，如图2A，所示，限位环201直径D4较待研磨晶圆200的直径D3大0.1mm-0.2mm。从而，增加限位环震动区域，使得限位环震动于晶圆震动不易达到一致的位置，如图3B所示，从而减少限位环与带研磨晶圆的碰撞，减少半导体晶圆边缘研磨损伤，进一步提升化学研磨质量，提升产品良率。

本发明还提供了一种化学机械研磨装置，所述装置包括研磨头，所述研磨头包括底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面的限位环。其中所述限位环还可设置成如上文所描述的任何一种形式。

综上所述，根据本发明的研磨头和化学机械研磨装置，将限位环底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面，有效减少了化学机械研磨过程中，限位环底部表面与研磨垫的接触，减少了限位环底部表面微小起伏对研磨垫的刮擦损伤，从而减少了研磨垫刮擦损伤对半导体晶圆的化学机械研磨的影响，提升了化学机械研磨质量，有效提升了产品良率，同时也减少了生产成本。同时，将限位环底部表面设置成沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面也减少了研磨副产物在限位环内侧或导流槽入口端的累积，减少了研磨副产物对化学机械研磨的影响，进一步提升了化学机械研磨的质量。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种研磨头，其特征在于，所述研磨头包括限位环，所述限位环的底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面。

2.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述限位环的底部的外端部设置为弧形。

3.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为2°-5°。

4.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述斜面相对于水平面倾斜的角度为3.5°-3.8°。

5.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述限位环的内径设置为较待研磨晶圆的直径大0.1mm-0.2mm。

6.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述限位环的底部设置有导流槽。

7.如权利要求6所述的研磨头，其特征在于，所述导流槽设置为均匀分布在所述限位环的底部的若干直线凹槽。

8.如权利要求7所述的研磨头，其特征在于，所述导流槽设置为与限位环的半径成一定夹角的直线凹槽，所述导流槽螺旋排布在所述限位环的底部。

9.如权利要求8所述的研磨头，其特征在于，所述导流槽螺旋排布的方向与化学机械研磨过程中所述研磨头的转动方向一致。

10.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括研磨头，所述研磨头包括底部设置为沿半径方向由内而外向下倾斜的斜面的限位环。