CN112677033B - 一种抛光头、化学机械抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛光头、化学机械抛光装置和方法。所述抛光头包括主体部，用以夹持晶圆并使所述晶圆的待抛光表面朝下以进行化学机械抛光；其中，在所述主体部上设置有边缘供液回路，所述边缘供液回路用以在化学机械抛光过程中向所述晶圆的边缘提供液体以改变所述晶圆的边缘处的抛光液的浓度。根据本发明的抛光头和化学机械抛光方法，通过在抛光过程中从晶圆的边缘处引入液体，改变晶圆边缘的抛光液浓度，从而控制晶圆边缘的化学机械抛光速率，改善了晶圆在化学机械抛光工艺中的抛光均匀性。

Description

一种抛光头、化学机械抛光装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种抛光头、化学机械抛光装置和方法。

背景技术

在半导体制造过程中，化学机械抛光工艺是对晶圆进行抛光，以改善晶圆平坦度的重要手段。

然而，典型的抛光工艺中，由于晶圆在抛光过程中的受力和研磨液的分布均匀性等的影响，往往使晶圆极端边缘处的厚度难以控制，以300mm晶圆为例，在半径为145-149mm处的厚度往往无法达到抛光要求。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种抛光头、化学机械抛光装置和方法。

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。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种抛光头，包括：

主体部，用以夹持晶圆使所述晶圆的待抛光表面朝下以进行化学机械抛光工艺；其中，

在所述主体部上设置有边缘供液回路，所述边缘供液回路用以在化学机械抛光过程中向所述晶圆边缘提供液体以改变所述晶圆边缘的抛光液的浓度。

示例性地，所述边缘供液回路包括边缘供液槽以及在所述边缘供液槽底部与所述边缘供液槽连通设置的边缘供液孔，所述液体从所述边缘供液槽通过所述边缘供液孔供给到所述晶圆的边缘。

示例性地，所述边缘供液槽呈环形设置，所述边缘供液孔包括在所述边缘供液槽底部均匀分布多个通孔。

示例性地，所述边缘供液孔的出口对准所述晶圆的边缘。

示例性地，所述主体部包括对晶圆进行限位的限位环，所述边缘供液孔包括在所述限位环中设置的倾斜通孔。

示例性地，还包括边缘供液管道，用以向所述边缘供液槽提供所述液体。

示例性地，所述边缘供液槽的截面设置为倒梯形。

示例性地，所述液体包括去离子水和/或研磨液，其中所述研磨液的浓度可调。

本发明提供了一种化学机械抛光装置，包括如上任意一项所述的抛光头。

本发明提供了一种化学机械抛光方法，包括：

在执行化学机械抛光工艺以对晶圆进行化学机械抛光的过程中，向所述晶圆边缘提供液体以改变所述晶圆边缘的抛光液的浓度。

根据本发明的抛光头、化学机械抛光装置和方法，通过在抛光过程中从晶圆的边缘处引入液体，改变晶圆边缘的抛光液浓度，从而控制晶圆边缘的化学机械抛光速率，改善了晶圆在化学机械抛光工艺中的抛光均匀性。

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1为根据一个实施例的一种化学机械抛光装置的结构示意图；

图2A-图2B为根据本发明的一个实施例的一种抛光头的结构示意图；

图3为采用根据本发明的一个实施例的一种化学机械抛光装置的进行化学机械抛光工艺的示意图；

图4为采用根据一种化学机械抛光装置进行化学机械抛光工艺之后晶圆表面厚度分布与采用根据本发明的一个实施例的一种化学机械抛光装置的进行化学机械抛光工艺之后晶圆表面厚度分布的对比图。

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，以说明本发明的抛光头。显然，本发明的施行并不限于半导体领域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。

实施例一

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种抛光头，包括：

主体部，用以夹持晶圆并使所述晶圆的待抛光表面朝下以进行化学机械抛光；其中，

在所述主体部上设置有边缘供液回路，所述边缘供液回路用以在化学机械抛光过程中向所述晶圆的边缘提供液体以改变所述晶圆的边缘处的抛光液的浓度。

下面参看图1、图2A-图2B和图3对根据本发明的一种抛光头进行示例性说明。其中，图1为根据一个实施例的一种化学机械抛光装置的平面布置示意图；图2A为根据本发明的一个实施例的抛光头的结构示意图；图2B为从图2A的箭头P方向观测的抛光头的结构示意图；图3为采用根据本发明的一个实施例的化学机械抛光装置进行化学机械抛光工艺的示意图。

化学机械抛光工艺是一种典型的对晶圆进行平坦化的工艺。如图1所示，化学机械抛光装置包括抛光垫1，抛光垫1承载在抛光台(未示出)上，在化学机械抛光工艺中沿着箭头A所示的方向运动；抛光头2，抛光头2用以承载晶圆(未示出)使晶圆的待抛光表面朝下与抛光垫1相对运动，如图1所示，抛光头2沿着箭头B所示的方向运动；抛光液供给装置3，抛光液供给装置3提供抛光液至抛光垫1表面，当晶圆与抛光垫1做相对运动时，在抛光液的作用下晶圆表面被研磨去除，从而实现平坦化；以及抛光垫修整器4，抛光垫修整器4用以对抛光垫1进行修整，其沿着如图中箭头C1和箭头C2所示的方向运动。由于受到抛光头施加到晶圆上的压力分布、抛光液在抛光垫抛光头对晶圆边缘的限制、晶圆表面待抛光材料差异等的影响，晶圆的抛光速率在径向上往往分布不均匀，典型的分布趋势是晶圆边缘处的抛光速率明显高于或者低于其他部分的抛光速率，导致化学机械抛光后的晶圆表面平台度达不到要求。

为此，本发明提供了一种抛光头，通过在抛光头的上设置边缘供液回路，在抛光过程中从晶圆的边缘处引入液体，改善抛光液在晶圆边缘的分布，从而控制晶圆边缘的化学机械抛光速率，改善了晶圆在化学机械抛光工艺中的抛光均匀性。

具体的，如图2A所示，根据本发明的抛光头包括主体部200，主体部200用以夹持晶圆，使晶圆的待抛光表面朝下以进行化学机械抛光工艺。在根据本发明的抛光头中，在主体部200中还设置有边缘供液回路，用以向所述晶圆的边缘提供液体以改变所述晶圆边缘的化学机械抛光速率。

采用边缘供液回路向晶圆边缘提供液体的液体包括去离子水或者抛光液，其中采用边缘供液回路向晶圆边缘提供去离子水，用以稀释晶圆边缘的抛光液，从而减小晶圆边缘的抛光速率；采用边缘供液回路向晶圆边缘提供抛光液，抛光液的浓度根据晶圆边缘的抛光速率可以调整。例如，当晶圆边缘的抛光速率偏低时，采用边缘供液回路向晶圆边缘提供浓度较抛光液供给装置提供的抛光液的浓度高的抛光液，从而提高化学机械抛光过程中晶圆边缘的抛光液的浓度，进而提高晶圆边缘的抛光速率；反之，当晶圆边缘的抛光速率偏高时，采用边缘供液回路向晶圆边缘提供浓度较抛光液供给装置提供的抛光液的浓度低的抛光液，从而降低化学机械抛光过程中晶圆边缘的抛光液的浓度，进而降低晶圆边缘的抛光速率，这一过程与采用边缘供液回路向晶圆边缘提供去离子水以稀释晶圆边缘的抛光液的效果类似，均可以减小晶圆边缘的抛光速率。

示例性的，所述边缘供液回路包括边缘供液槽以及在所述边缘供液槽底部与所述边缘供液槽连通设置的边缘供液孔，所述液体从所述边缘供液槽通过所述边缘供液孔供给到所述晶圆的边缘。

边缘供液槽和边缘供液孔的设置，可以直接在抛光头上进行设置，结构简单，易于实现。

如图2A所示，研磨头主体部200上设置有边缘供液槽2001和边缘供液孔2002，边缘供液槽2001用以收集液体，边缘供液孔2002与边缘供液槽2001连通设置，液体从边缘供液槽2001通过边缘供液孔2002供给到晶圆的边缘处。

示例性的，所述边缘供液槽呈环形设置，所述边缘供液孔包括环绕所述晶圆均匀分布多个通孔。

将边缘供液槽设置为环形，通过在环形的边缘供液槽底部均匀分布的多个通孔将液体导入到晶圆的边缘，使液体在晶圆边缘的分布均匀，进而使晶圆边缘通过液体改变的抛光液的浓度变化均匀，从而使晶圆边缘的抛光速率整体同时改变，进而保证晶圆边缘的抛光均匀性。

参看图2B，其示出了从图A的箭头P方向观测的研磨头的结构示意图，其中在研磨头的主体部200上设置的环形边缘供液槽2001，并在环形边缘供液槽2001底部均匀设置了8个底部供液孔2002，通过在底部均匀设置的8个底部供液孔2002，环形边缘供液槽2001中的液体可以均匀分布到晶圆的边缘处。

示例性的，所述边缘供液孔的出口对准所述晶圆的边缘。

将边缘供液孔的出口对准晶圆的边缘，可以减少液体供给到晶圆边缘时的流通路径，精准改变晶圆边缘的研磨浆的浓度，使效果更加显著；同时也避免对晶圆边缘以外的抛光液的浓度造成影响，使晶圆边缘的抛光速率得到精准调节。

在化学机械抛光过程中，抛光头主要起以下作用：对晶圆施加压力；带动晶圆旋转并传递转矩；保证晶圆与抛光垫始终贴合良好，不掉片、碎片。此外，在高端CMP装备中抛光头最好能在不借助外界条件的情况下依靠自身结构夹持晶圆，以提高生产效率。抛光头对晶圆进行夹持往往通过提供一吸引力将晶圆的与待研磨表面相对的背面吸附，从而实现对晶圆的加持和固定作用。在实际结构中，抛光头往往包括真空装置、真空吸盘或者多区气囊等提供加持力，其结构复杂，难以改造。

在根据本发明的抛光头中，可以直接在现有的抛光头上进行改造设置形成供液回路。如图2A所示，抛光头主体部200包括第一主体部201、第二主体部202、第三主体部203和第四主体部204，其中第一主体部201和第二主体部202用以与化学机械抛光装置连接，连接真空装置、带动晶圆旋转和上下驱动等控制。第三主体部203用以提供对晶圆的限位，其通常为限位环。第四主体部204用以提供对晶圆的压力等。在本发明的一个实施例中，在在第一主体部201上设置边缘供液槽2001，在第二主体部202上设置垂直通孔和第三主体部203(限位环)上设置倾斜通孔构成出口对准晶圆边缘的边缘供液孔2002。

上述对边缘供液槽和边缘供液孔的设置方式仅仅是示例性的，本领域技术人员应当理解，边缘供液槽和边缘供液孔还可以设置成任何形式，只要能向晶圆边缘提供改变抛光液浓度的液体，其均适用于本发明。

示例性的，继续参看图2A，根据本发明的抛光头还包括边缘供液管道2003，边缘供液管道2003用以边缘供液槽2001提供用以改变晶圆边缘的抛光液浓度的液体。如图2A所示，边缘供液管道2003的供液出口对准边缘供给槽2001。

在根据本发明的一个实施例中，边缘供液管道2003与研磨头主体部200相连，并随着研磨头主体部的运动而运动。

在根据本发明的一个实施例中，边缘供液管道2003单独设置，由于研磨头主体部在化学机械抛光过程中持续绕轴旋转，边缘供液管道2003通过环形的边缘供液槽2001持续向边缘供液槽2001提供液体以改变晶圆边缘的抛光液浓度的液体。

继续参看图2A，边缘供给槽2001的截面设置为倒梯形。

边缘供给槽2001的截面设置为倒梯形有利于边缘供给槽2001收集来自边缘供液管道2003的液体，并将其导入到边缘供液孔2002中。

以上，是对根据本发明的一个实施例的一种抛光头的示例性介绍，需要理解的是，上述对抛光头上设置的边缘供液回路的具体结构的示例仅仅是示例性的，本领域技术人员应当理解，在抛光头上设置的任何能够在化学机械抛光过程中向晶圆边缘提供用以改变晶圆边缘的抛光液浓度的液体的边缘供液回路均适用于本发明。

参看图3，其示出了采用包含本实施例的抛光头的化学机械抛光装置进行化学机械抛光的示意图。

如图3所示，化学机械抛光装置包括抛光垫1、抛光头2和抛光液供给装置3。其中，抛光头2加持晶圆4的待抛光表面与抛光垫1接触。在执行化学机械抛光工艺的过程中，抛光液供给装置3提供抛光液31至抛光垫1的表面，使晶圆4与抛光垫1之间充满抛光液，同时，抛光头2通过其边缘供液回路(包括边缘供液管道2003、边缘供液槽2001和边缘供液孔2002)向晶圆4的边缘提供液体21，液体21改变晶圆4边缘的抛光液31的浓度。当晶圆4边缘的抛光速率偏低时，采用边缘供液回路向晶圆4边缘提供浓度较抛光液3供给装置提供的抛光液31的浓度高的液体21，从而提高化学机械抛光过程中晶圆4边缘的抛光液的浓度，进而提高晶圆4边缘的抛光速率。反之，当晶圆4边缘的抛光速率偏高时，采用边缘供液回路向晶圆4边缘提供浓度较抛光液供给装置3提供的抛光液31的浓度低的液体21或者液体21直接为去离子水，从而降低化学机械抛光过程中晶圆边缘的抛光液的浓度，进而降低晶圆边缘的抛光速率。

实施例二

本发明还提供了一种化学机械抛光装置，其包括如实施例一所述的抛光头。

根据本发明的化学抛光装置，其在化学机械抛光过程中，通过抛光头向晶圆边缘提供液体改变晶圆边缘的抛光液浓度，从而改变晶圆边缘的抛光速率，从而控制晶圆边缘的化学机械抛光速率，改善了晶圆在化学机械抛光工艺中的抛光均匀性。

实施例三

本发明还提供了一种化学机械抛光方法，具体的包括：在执行化学机械抛光工艺以对晶圆进行化学机械抛光的过程中，向所述晶圆边缘提供液体以改变所述晶圆边缘的抛光液的浓度。

所述液体包括去离子水和/或研磨液，其中所述研磨液的浓度可调。

向晶圆边缘提供液体的液体包括去离子水或者抛光液，其中向晶圆边缘提供去离子水，用以稀释晶圆边缘的抛光液，从而减小晶圆边缘的抛光速率；向晶圆边缘提供抛光液，抛光液的浓度根据晶圆边缘的抛光速率可以调整。例如，当晶圆边缘的抛光速率偏低时，向晶圆边缘提供浓度较抛光液供给装置提供的抛光液的浓度高的抛光液，从而提高化学机械抛光过程中晶圆边缘的抛光液的浓度，进而提高晶圆边缘的抛光速率；反之，当晶圆边缘的抛光速率偏高时，向晶圆边缘提供浓度较抛光液供给装置提供的抛光液的浓度低的抛光液，从而降低化学机械抛光过程中晶圆边缘的抛光液的浓度，进而降低晶圆边缘的抛光速率，这一过程与采用边缘供液回路向晶圆边缘提供去离子水以稀释晶圆边缘的抛光液的效果类似，均可以减小晶圆边缘的抛光速率。

参看图4，示出了根据一种化学机械抛光装置进行化学机械抛光工艺之后晶圆表面厚度分布与采用根据本发明的一个实施例的一种化学机械抛光装置的进行化学机械抛光工艺之后晶圆表面厚度分布的对比图。其中，L1示出为采用常规抛光液供给装置的提供抛光液进行化学机械抛光后在晶圆半径R方向上的移除量H分布趋势，其中，在140mm-150mm处的边缘部分晶圆移除量显著增加。L2示出为采用本发明的化学机械抛光装置在采用抛光液供给装置的提供抛光液的同时采用抛光头供给去离子水进行化学机械抛光后在晶圆半径R方向上的移除量H分布趋势，其中，在140mm-150mm处的边缘部分晶圆移除量显著降低。可见采用本发明的抛光头，通过在晶圆边缘提供去离子水可以显著降低晶圆边缘的化学机械抛光速率

根据本发明的化学机械抛光方法，通过在抛光过程中从晶圆的边缘处引入液体，改变晶圆边缘的抛光液浓度，从而控制晶圆边缘的化学机械抛光速率，改善了晶圆在化学机械抛光工艺中的抛光均匀性。

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 (8)

1.一种抛光头，其特征在于，包括：

主体部，用以夹持晶圆并使所述晶圆的待抛光表面朝下以进行化学机械抛光；其中，

在所述主体部上设置有边缘供液回路，所述边缘供液回路用以在化学机械抛光过程中向所述晶圆的边缘提供液体以改变所述晶圆的边缘处的抛光液的浓度；

所述边缘供液回路包括边缘供液槽以及在所述边缘供液槽底部与所述边缘供液槽连通设置的边缘供液孔，所述液体通过所述边缘供液孔供给到所述晶圆的边缘，所述边缘供液槽呈环形设置，所述边缘供液孔包括在所述边缘供液槽底部均匀分布的多个通孔。

2.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述边缘供液孔的出口对准所述晶圆的边缘。

3.根据权利要求2所述的抛光头，其特征在于，所述主体部还包括对晶圆进行限位的限位环，所述边缘供液孔包括在所述限位环中设置的倾斜通孔。

4.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，还包括边缘供液管道，用以向所述边缘供液槽提供所述液体。

5.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述边缘供液槽的截面设置为倒梯形。

6.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述液体包括去离子水和/或研磨液，其中所述研磨液的浓度可调。

7.一种化学机械抛光装置，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意一项所述的抛光头。

8.一种化学机械抛光方法，采用如权利要求1-6中任意一项所述的抛光头，其特征在于，包括：

在执行化学机械抛光工艺以对晶圆进行化学机械抛光的过程中，向所述晶圆边缘提供液体以改变所述晶圆的边缘的抛光液的浓度。

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