CN109877699A - 一种化学机械研磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨装置及方法，包括：研磨平台；以及，温控机构，与所述研磨平台连接，用于对所述研磨平台的表面温度进行控制，并在所述装置执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

Description

一种化学机械研磨装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种化学机械研磨装置及方法。

背景技术

随着半导体工艺技术的发展，器件尺寸逐渐缩小，这对半导体器件各材料层表面的平坦程度要求越来越高。化学机械研磨(Chemical Mechanical Polish，CMP)是现阶段最为常用的一种平坦化处理工艺，其综合了化学研磨和机械研磨的优势，在待研磨的材料层表面发生化学反应而生成特定层，接着以机械方式将此特定层移除，从而可以在保证材料去除效率的同时，获得较完美的表面，并且可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。

CMP研磨速率是CMP工艺中的一项重要指标参数，如何提高研磨速率、提高产能、降低生产成本一直是本领域技术人员所致力研究的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种化学机械研磨装置及方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种化学机械研磨CMP装置，包括：

研磨平台；以及，

温控机构，与所述研磨平台连接，用于对所述研磨平台的表面温度进行控制，并在所述装置执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

上述方案中，所述温控机构包括加热单元，所述加热单元用于升高所述研磨平台的表面温度。

上述方案中，所述温控机构包括流体循环单元，所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道，所述温控机构基于在所述流体通道内循环的流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

上述方案中，所述温控机构包括加热单元以及流体循环单元，其中，

所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道；

所述加热单元位于流体流向所述流体通道的位置区间内，并用于对所述流体进行加热。

上述方案中，所述预设温度范围为50-55℃。

本发明实施例还提供了一种化学机械研磨CMP方法，所述方法包括以下步骤：

对研磨平台的表面温度进行控制；在执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

上述方案中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

对所述研磨平台进行加热，以使所述研磨平台的表面温度升温至预设温度范围。

上述方案中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，基于所述流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

上述方案中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，在所述流体流向所述流体通道的位置区间内对所述流体进行加热；

根据预设时间条件和/或研磨平台表面温度反馈结果，判断所述研磨平台的表面温度是否达到预设温度范围；

当所述研磨平台的表面温度达到预设温度范围时，对加热所述流体的条件进行控制，以使所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围。

上述方案中，所述预设温度范围为50-55℃。

本发明实施例所提供的化学机械研磨装置及方法，包括：研磨平台；以及，温控机构，与所述研磨平台连接，用于对所述研磨平台的表面温度进行控制，并在所述装置执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。如此，通过增设控温机构，实现了对CMP工艺温度的控制与调节，并基于CMP工艺温度对研磨速率的影响，可以获得较高的研磨速率，从而可以提高产能，降低生产成本。

附图说明

图1为研磨平台表面处于三种不同温度条件时，钨的去除厚度随时间的变化关系曲线图；

图2为本发明实施例提供的化学机械研磨装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的控温机构的结构示意图；

图4为本发明具体示例提供的化学机械研磨装置的剖面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

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；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在化学机械研磨过程中，由于化学反应的发生以及机械研磨摩擦力的存在，在研磨界面将会产生大量的热量，从而使得研磨平台的表面温度升高。本领域中普遍认为产生的热量会对化学机械研磨的进行产生不利影响，温度过高时甚至会影响结构的稳定性，因此，需要尽量避免温度因素造成的影响。然而，发明人通过大量研究试验发现，材料层在研磨过程中，研磨速率会由于工艺温度的变化而改变；当研磨平台的表面温度处于一定温度范围内时，研磨速率有明显升高。

图1示出了研磨平台表面处于三种不同温度条件时，钨的去除厚度随时间的变化关系曲线。如图所示，在2.5psi(磅/平方英寸)的压力条件下对金属钨进行化学机械研磨，随着研磨时间增长，钨被逐渐去除；在研磨平台表面为37℃、45℃和51℃三种不同温度条件时，钨的去除厚度在相同的时间内并不相等。具体地，以研磨60分钟为例，在37℃条件下，钨的去除厚度在(埃)左右；而在45℃条件下，钨的去除厚度在左右；在51℃条件下，钨的去除厚度达到了左右。由此可见，在研磨平台的表面温度为51℃时，相同时间内钨的去除厚度更大，也即对钨的研磨速率更高。

应当理解地，以上仅以金属钨为例，说明温度对钨的研磨速率产生影响；但是研磨速率会由于温度的变化而改变的这一规律并不仅限于钨，亦不仅限于金属。温度条件对化学机械研磨反应的进行以及化学机械研磨装置本身的运作产生作用；试验表明，合适的温度条件更有利于化学机械研磨装置实现高的研磨速率。

基于此，本发明实施例提供了一种化学机械研磨CMP装置；请参考图2，所述装置包括：

研磨平台；以及，

温控机构，与所述研磨平台连接，用于对所述研磨平台的表面温度进行控制，并在所述装置执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

可以理解地，本发明实施例通过增设控温机构，实现了对CMP工艺温度的控制与调节，并基于CMP工艺温度对研磨速率的影响，可以获得较高的研磨速率。

在一可选实施例中，所述温控机构包括加热单元，所述加热单元用于升高所述研磨平台的表面温度。

可以理解地，在本实施例中，通过设置加热单元，干预研磨平台的表面温度使其升高；此时，所述预设温度范围为高于室温的范围，即所述预设温度至少高于25℃；在CMP工艺开始前或者在CMP工艺开始时，开启所述加热单元，对所述研磨平台进行加热，以使所述研磨平台的表面温度升温至预设温度范围。当所述研磨平台的表面温度需要保持在所述预设温度范围内时，控制所述加热单元的加热功率降低，或者间歇式开启或关闭所述加热单元，以保持所述温度。

这里，所述加热单元例如为电阻线圈加热单元、灯照加热单元，或者为本领域中已知的其他能够实现加热功能的单元。

在一可选实施例中，所述温控机构包括流体循环单元，所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道，所述温控机构基于在所述流体通道内循环的流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

可以理解地，在本实施例中，通过设置流体循环单元，通道内循环的流体与研磨平台进行热量交换，从而实现对所述研磨平台的表面温度的控制。当所述研磨平台的表面温度需要保持在所述预设温度范围内时，所述通道内循环的流体可以具有与所述预设温度范围相对应的第一温度。

在一可选实施例中，所述温控机构包括加热单元以及流体循环单元，其中，所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道；所述加热单元位于流体流向所述流体通道的位置区间内，并用于对所述流体进行加热。

本实施例提供的控温机构的具体结构可以如图3所示。可以理解地，在本实施例中，所述CMP装置既包括加热单元，又包括流体循环单元；此时，所述流体循环单元内流体可以为冷却流体。加热单元加热所述冷却流体，通过加热后的流体将热量传递至所述研磨平台；或者，加热单元停止加热，所述冷却流体吸收所述研磨平台的热量；通过二者的协同作用，将所述研磨平台的表面温度保持在所述预设温度范围内。

在上述实施例中，可以根据预设时间条件和/或研磨平台表面温度反馈结果，判断所述研磨平台的表面温度是否达到预设温度范围，实现对所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围的控制。换言之，所述温控机构还可以包括控制单元，所述控制单元包括计时器和/或温度测量元件；所述计时器，用于反馈CMP工艺执行的时间；所述温度测量元件，用于反馈所述研磨平台的表面温度；所述控制单元用于根据所述计时器反馈的所述CMP工艺执行的时间和/或所述温度测量元件反馈的所述研磨平台的表面温度，实现所述控温机构对所述研磨平台的表面温度的控制。

在一可选实施例中，所述预设温度范围为35-55℃，优选为50-55℃。研究表明，当预设温度范围处于35-55℃之间时，金属材料层的研磨速率有明显提高；当预设温度范围处于50-55℃之间时，金属材料层的研磨速率最快。

下面结合具体示例对本发明再作进一步详细的说明；图4为本发明具体示例提供的化学机械研磨装置的剖面示意图。

如图4所示，所述装置包括：研磨平台11以及温控机构12；所述温控机构12包括加热单元126以及流体循环单元121-125，其中，所述流体循环单元具体包括流体入口121、流体进入管122、流体通道123、流体流出管124、流体出口125。所述温控机构12通过所述流体通道123与所述研磨平台11接触，从而通过流经所述流体通道123内的流体对研磨平台进行热量交换。所述加热单元126位于所述流体流向所述流体通道123的位置区间内，具体位于所述流体进入管122上，所述加热单元126用于对所述流体进行加热。当所述温控机构12需要升高所述研磨平台11的表面温度时，开启所述加热单元126，所述流体在所述流体循环单元内进行循环，具体地，所述流体从所述流体入口121流入，经过所述流体进入管122，通过所述加热单元126加热温度升高，在所述流体通道123内将热量传递给所述研磨平台11，然后经所述流体流出管124从所述流体出口125流出；当所述温控机构12需要降低所述研磨平台11的表面温度时，关闭所述加热单元126，在所述流体循环单元内进行冷却流体循环，具体地，所述流体从所述流体入口121流入，经过所述流体进入管122进入所述流体通道123，在所述流体通道123内吸收并带走所述研磨平台11的热量，最后经所述流体流出管124从所述流体出口125流出。通过协同作用，将所述研磨平台的表面温度保持在所述预设温度范围内。

本发明实施例还提供了一种化学机械研磨CMP方法，所述方法包括以下步骤：

对研磨平台的表面温度进行控制；在执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

在一可选实施例中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：对所述研磨平台进行加热，以使所述研磨平台的表面温度升温至预设温度范围。

在一可选实施例中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，基于所述流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

在一可选实施例中，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，在所述流体流向所述流体通道的位置区间内对所述流体进行加热；根据预设时间条件和/或研磨平台表面温度反馈结果，判断所述研磨平台的表面温度是否达到预设温度范围；当所述研磨平台的表面温度达到预设温度范围时，对加热所述流体的条件进行控制，以使所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围。

在一可选实施例中，所述预设温度范围为50-55℃。

需要说明的是，本发明实施例提供的化学机械研磨装置与化学机械研磨方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨CMP装置，其特征在于，包括：

研磨平台；以及，

温控机构，与所述研磨平台连接，用于对所述研磨平台的表面温度进行控制，并在所述装置执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温控机构包括加热单元，所述加热单元用于升高所述研磨平台的表面温度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温控机构包括流体循环单元，所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道，所述温控机构基于在所述流体通道内循环的流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温控机构包括加热单元以及流体循环单元，其中，

所述流体循环单元包括与所述研磨平台接触的流体通道；

所述加热单元位于流体流向所述流体通道的位置区间内，并用于对所述流体进行加热。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设温度范围为50-55℃。

6.一种化学机械研磨CMP方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

对研磨平台的表面温度进行控制；在执行CMP工艺时，控制所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围，以使所述CMP工艺的研磨速率基于所述预设温度范围而提高。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

对所述研磨平台进行加热，以使所述研磨平台的表面温度升温至预设温度范围。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，基于所述流体的温度对所述研磨平台的表面温度进行控制。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对研磨平台的表面温度进行控制，包括：

向与所述研磨平台接触的流体通道内通入流体，在所述流体流向所述流体通道的位置区间内对所述流体进行加热；

根据预设时间条件和/或研磨平台表面温度反馈结果，判断所述研磨平台的表面温度是否达到预设温度范围；

当所述研磨平台的表面温度达到预设温度范围时，对加热所述流体的条件进行控制，以使所述研磨平台的表面温度处于预设温度范围。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设温度范围为50-55℃。