CN112706071A - 研磨设备及研磨方法 - Google Patents

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郑雯
郭顺华
曾明
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Abstract

本发明提供一种研磨设备及研磨方法。研磨方法包括步骤：1)提供待研磨的晶圆，将所述晶圆放置于研磨设备中进行化学机械研磨；2)对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；3)对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度，并根据所述离子浓度判断研磨终点。本发明通过在研磨过程中对研磨产生的废液进行采样并检测废液中的离子类型和离子浓度，依据检测到的离子浓度判断研磨终点，有助于提高研磨终点判断的准确性，提高晶圆研磨质量及晶圆回收良率，有助于降低生产成本。本发明的研磨设备结构简单、使用方便，有助于提高生产效率和良率。

Description

研磨设备及研磨方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造领域，特别是涉及一种研磨设备及研磨方法。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing,简称CMP)是半导体芯片制造过程中非常重要的一道工艺，其原理是利用化学腐蚀作用和机械去除作用相结合以实现晶圆表面平坦化。随着器件特征尺寸的日益缩小以及器件密集度的日益增加，对晶圆表面平坦度的要求越来越高，化学机械研磨工艺的应用也越来越广，其不仅用于薄膜沉积后的膜层平坦化，同时也被用于晶圆回收(wafer reclaim)，即将晶圆表面的不良注入离子层通过化学机械研磨去除以使晶圆恢复至近裸晶圆(bare wafer)的状态以实现晶圆的回收利用。现有的晶圆回收工艺中，对于研磨过程并没有较好的终点控制系统和方法，一般是通过研磨速率(Removal rate)以及植入离子的深度确定研磨时间来进行研磨。但是研磨速率受研磨垫和研磨液等因素影响较大，在研磨过程中很难维持恒定不变，因而这种依据研磨速率和植入离子深度来确定研磨时间的方法准确性不高，容易导致研磨不足或过研磨；这两种情况都会导致研磨后的晶圆无法真正回收利用，导致资源的浪费和生产成本的上升。现有的根据电机电流的终点检测方法和基于膜厚的光学检测方法也容易受研磨垫和研磨液的干扰，使得难以实现准确的研磨终点检测，导致研磨后的晶圆不符合生产要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种研磨设备及研磨方法，用于解决现有技术中依据研磨速率和植入离子深度来确定研磨时间以检测研磨终点等方法准确性不高，容易导致研磨不足或过研磨，导致研磨后的晶圆不符合要求，导致资源的浪费和生产成本的上升等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种研磨方法，包括：
1)提供待研磨的晶圆，将所述晶圆放置于研磨设备中进行化学机械研磨；
2)对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；
3)对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度，并根据所述离子浓度判断研磨终点。
可选地，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度。
可选地，对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度的过程包括使所述试样溶液雾化以使所述试样溶液中含有的原子加速离子化。
可选地，在前一次采样和当前采样之间还包括对所述研磨设备和所述晶圆进行清洗的步骤。
可选地，对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液的过程分为第一采样阶段和第二采样阶段，所述第二采样阶段晚于所述第一采样阶段，且所述第二采样阶段的采样间隔小于所述第一采样阶段的采样间隔。
更可选地，所述第一采样阶段的采样间隔为1s～5s，所述第二采样阶段的采样间隔为0.1s～0.5s。
本发明还提供一种研磨设备，包括：研磨模块、研磨液供应模块、采样模块、检测模块及控制模块；所述研磨模块包括研磨垫及研磨头，所述研磨垫用于承载待研磨的晶圆，所述研磨头位于所述研磨垫的上方，用于对所述晶圆进行研磨；所述研磨液供应模块包括研磨液供应管路和研磨液供应源，所述研磨液供应管路一端与所述研磨液供应源相连接，另一端延伸至所述研磨垫的上方以向所述研磨垫中供应研磨液；所述采样模块用于对研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；所述检测模块与所述采样模块相连接，用于对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度；所述控制模块与所述检测模块和所述研磨模块相连接，用于根据所述离子浓度控制所述研磨模块的停止时点。
可选地，所述采样模块包括采样管路及雾化器，所述采样管路连接于所述研磨垫和所述雾化器之间，所述雾化器与所述检测模块相连接。
可选地，所述检测模块包括电感耦合等离子体发射光谱仪。
可选地，所述控制模块还与所述采样模块相连接，用于控制所述采样模块的采样间隔。
可选地，所述研磨设备还包括清洗模块，所述清洗模块包括清洗液供应管路和清洗液供应源，所述清洗液供应管路一端与所述清洗液供应源相连接，另一端延伸到所述研磨垫的上方，用于向所述晶圆和所述研磨垫供应清洗液。
如上所述，本发明的研磨设备及研磨方法，具有以下有益效果：本发明通过在研磨过程中对研磨产生的废液进行采样并检测废液中的离子类型和离子浓度，依据检测到的离子浓度判断研磨终点，有助于提高研磨终点判断的准确性，提高晶圆研磨质量及晶圆回收良率，有助于降低生产成本。本发明的研磨设备结构简单、使用方便，有助于提高生产效率和良率。
附图说明
图1显示为本发明的研磨方法的流程图。
图2显示为本发明的研磨设备的结构示意图。
元件标号说明
11 研磨模块
111 研磨垫
112 研磨头
12 研磨液供应模块
121 研磨液供应管路
122 研磨液供应源
13 采样模块
131 采样管路
132 雾化器
133 采样罩
134 阀门
14 检测模块
15 控制模块
16 清洗模块
161 清洗液供应管路
162 清洗液供应源
171 第一驱动单元
172 第二驱动单元
S01～S03 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种研磨方法，包括步骤：
S01：提供待研磨的晶圆，将所述晶圆放置于研磨设备中进行化学机械研磨；
S02：对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；
S03：对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度，并根据所述离子浓度判断研磨终点。
本发明通过在研磨过程中对研磨产生的废液进行采样并检测废液中的离子类型和离子浓度，依据检测到的离子浓度判断研磨终点，有助于提高研磨终点判断的准确性，提高晶圆研磨质量及晶圆回收良率，有助于降低生产成本。
需要说明的是，具体的检测判断标准可以根据需要设置，比如，如果待研磨层是单一元素的金属层，比如为铜金属层，则可以在采样检测到铜离子浓度为零时判断为研磨终点；如果待研磨层是复合材质层，比如为TiN层，则可以根据检测的Ti离子和/或N离子的浓度确定检测终点，且可以设置浓度警戒值，在到达该浓度警戒值时可以降低所述研磨垫111和/或研磨头112的旋转速率，以及/或者降低研磨液的输送量以降低研磨速率，以准确检测到离子浓度转变为零的临界点，避免产生研磨不足或过研磨等不良。本实施例中对检测标准并不严格限制。
在晶圆回收作业中，由于所述晶圆的基底通常为硅，其表面可以形成有单层或多层膜层，待研磨的膜层与研磨后的晶圆表面所含有的离子成分和浓度具有差异。比如，待研磨的晶圆表面具有离子植入层，植入离子类型包括但不限于Ge、As和P中的一种或多种，如果研磨目标是将晶圆表面的离子注入层全部去除直至暴露出晶圆基底，那在研磨过程中就可以通过检测研磨过程中产生的废液的离子类型以及相应离子的浓度来判断研磨终点，比如如果检测到植入离子的浓度逐渐减小至零的时候就可以判断离子注入层已全部去除，可以停止研磨。为提高检测精度，在研磨后期可以逐渐放缓研磨速度并增加采样频率。本发明的研磨方法尤其适用于晶圆回收，即将晶圆表面的膜层全部去除直至暴露出晶圆基底的研磨过程中的终点检测。当然本发明同样可以用于一般的研磨工艺，但待研磨层和目标残留层的成分(包括离子成分和离子浓度)需要有较大差异，比如待研磨层为金属层而目标残留层为氧化层或待研磨层为氧化层而目标残留层为金属层。
所述步骤S02中，对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液的过程可以采用任何适宜的仪器/方法进行，比如可以由作业人员对研磨时产生的废液进行采样并送至实验室进行检测分析，也可以采用与研磨设备相连接的仪器进行自动采样，本实施例中对此过程并不严格限制，但本实施例中推荐采用本发明的研磨设备进行采样，该研磨设备自动采样并自动分析，可以降低工作人员的劳动强度、降低人力成本，同时通过提高采样的自动化水平，避免人为作业以及溶液转移过程中的干扰，可显著提高后续的检测分析结果的准确性，最终有助于提高研磨终点的判断准确性。对该研磨设备的介绍将在后续内容中详细展开，具体请参考后续内容。
所述步骤S03中，对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度的过程可以采用任何合适的方法和/或仪器进行。为提高检测精度和速度，该过程还包括使所述试样溶液雾化以使所述试样溶液中含有的原子加速离子化，之后再进行检测。雾化和检测的过程可以在不同的设备中分开进行也可以在同一设备中连续进行。本实施例中，作为示例，该检测过程包括3个阶段，比如先将所述试样溶液放置于等离子体炬中以将所述试样溶液离子化，之后将离子化后的所述试样溶液通过一分析单元，比如一四重极性质量分析仪以使所述试样溶液中含有的不同的离子进行分离，最后让分离后的离子通过一检测单元即可检测出离子的类型和每种离子的浓度(当然浓度是基于离子的数量与所述试样溶液的体积得到的，故为保持检测结果的准确性，每次采样的标准，包括采样位置、采样容量、采样时长等参数尽量保持一致)。在本实施例的进一步示例中，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对所述试样溶液进行检测，因为电感耦合等离子体发射光谱仪包含上述3个阶段中所需的功能单元，因此检测过程可以连续进行，且电感耦合等离子体发射光谱仪可检测出包括Fe,Cu,Ni,B等70多种离子类型，可以提高检测效率和检测精度。此外ICP-OES的操作更简单，且具有105以上的线性动态范围(LDR)且抗盐份能力强，可进行痕量及主量元素的测定，尤其是在测量一些普通的轻元素(如S、Ca、Fe、K、Se)时表现出很好的抗干扰能力，有助于提高检测准确度。具体地，采用电感耦合等离子体发射光谱仪对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度(检测离子类型和相应离子的浓度)的过程中，先由plasma提供能量使所述试样溶液蒸发、形成气态原子、并进一步使气态原子激发而产生光辐射；将光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线，形成光谱；由检测单元检测出光谱中谱线的波长和强度。由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对试样溶液中的原子/离子进行定性分析；而根据待测元素原子/离子的浓度不同，因此发射强度不同，可实现元素的定量测定。具体的检测结果根据膜层属性、膜厚以及研磨阶段的不同而不同。采用OES全波段分析，不同元素的峰值完全不同，因而通过确定波峰的位置即可确定具体是哪种元素；而同一元素在不同浓度时的峰强不同，比如发明人在某次研磨试验过程中对同一元素的两次取样监测分析发现，前一次取样的最强信号出现在387nm处，而另一次取样的强度在387nm下降25％，这表明前后两次测试，同一元素的峰强是有变化的，通过这个变化确定溶液中元素浓度的变化，从而确定研磨终点。当然，在其他示例中，根据待研磨层的材质不同，也可以使用诸如电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)或其他仪器，或者各检测阶段也可以使用各自独立的检测仪器，本实施例中不做严格限制。
作为示例，本实施例中，在前一次采样和当前采样之间还包括对所述研磨设备和所述晶圆进行清洗的步骤，以避免前一个研磨阶段中的原子/离子残留对当前次的采样测试结果造成干扰，且在研磨后期可以加强清洗力度和/或清洗频率。所述清洗过程在每次采样完成后进行，具体可采用去离子水(DI water)进行清洗。
作为示例，本实施例中，对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液的过程分为第一采样阶段和第二采样阶段，所述第二采样阶段晚于所述第一采样阶段，且所述第二采样阶段的采样间隔小于所述第一采样阶段的采样间隔，所述第一采样阶段和所述第二采样阶段的间隔时点可由工作人员事前设定，具体可根据研磨速率、研磨垫111、研磨液以及待研磨的膜层的厚度等参数综合确定，根据每个半导体厂内的工艺参数(recipe)的不同而不同。但发明人在实际工作中经过大量实验发现，所述第一采样阶段的采样间隔为1s～5s(秒)，比如具体每隔1s、2s或其他时长进行一次采样(优选为1s)，所述第二采样阶段的采样间隔为0.1s～0.5s，比如为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s或任意两个数值中的中间值的设定基本适用于常规的膜层研磨。通过不同的采样间隔的设置，既可以避免采样间隔过短(也即采样频率太大)造成工作量的增大，同时能避免采样间隔过长(也即采样频率太小)造成难以准确确定研磨终点的缺陷。尤其是到研磨后期，通过缩短采样间隔(即提高采样频率)有利于提高研磨终点的检测准确率。且在不同的采样阶段，研磨设备的研磨速率也可以相应调整，比如在所述第一采样阶段的研磨速率大于所述第二采样阶段的研磨速率(具体的研磨速率根据工艺生产参数确定)，以准确确定研磨终点的临界点。
本发明的研磨方法尤其适用于晶圆的回收，通过准确判断研磨终点以将晶圆基底上的膜层全部去除而不损伤基底的硅层，有助于提高回收晶圆的品质，避免过度研磨造成回收晶圆的报废或因研磨不足导致返工。
如图2所示，本发明还提供一种研磨设备，所述研磨设备可用于实施前述任一项所述的研磨方法，故前述对所述研磨方法的描述可全部引用到用于对所述研磨设备的描述，具体请参考前述内容，出于简洁的目的尽量不赘述。所述研磨设备包括：研磨模块11、研磨液供应模块12、采样模块13、检测模块及控制模块15；所述研磨模块11包括研磨垫111及研磨头112，所述研磨垫111用于承载待研磨的晶圆，所述研磨头112位于所述研磨垫111的上方，用于对所述晶圆进行研磨；所述研磨液供应模块12包括研磨液供应管路和研磨液供应源122，所述研磨液供应管路一端与所述研磨液供应源122相连接，另一端延伸至所述研磨垫111的上方以向所述研磨垫111中供应研磨液；所述采样模块13用于对研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液，其可以与所述研磨垫111相连接或不连接(比如位于所述研磨垫111的外围以收集来自所述研磨垫111的废液)；所述检测模块与所述采样模块13相连接，用于对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度；所述控制模块15与所述检测模块和所述研磨模块11相连接，用于根据所述离子浓度控制所述研磨模块11的停止时点。
作为示例，所述研磨模块11还包括第一驱动单元171和第二驱动单元172，所述第一驱动单元171与所述研磨垫111相连接，用于在研磨过程中驱动所述研磨垫111旋转；所述第二驱动单元172与所述研磨头112相连接，用于在研磨过程中驱动所述研磨头112旋转。研磨过程中，待研磨的晶圆可被固定于所述研磨头112与所述研磨垫111相邻的表面(当然也可以直接放置于所述研磨垫111上)，通过所述研磨头112和所述研磨垫111的接触旋转产生机械摩擦，并结合研磨液的化学腐蚀作用将所述晶圆表面的目标研磨层去除。
本实施例中，作为示例，所述采样模块13包括采样管路131及雾化器132，所述采样管路131连接于所述研磨垫111和所述雾化器132之间，所述雾化器132与所述检测模块相连接。在进一步的示例中，所述采样模块13还包括采样罩133，所述采样罩133罩设于所述研磨垫111的外围，且与所述采样管路131相连接。设置所述采样罩133有利于研磨废液的收集，同时可以避免研磨过程中研磨液挥发和/或飞溅造成环境的污染以及影响检测准确性。所述采样管路131上可以设置阀门134，所述阀门134可以进一步与所述控制模块15相连接，根据需要开启或关闭所述阀门134以开始采样或停止采样。
作为示例，所述检测模块包括电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，采用电感耦合等离子体发射光谱仪有助于提高检测效率和检测准确性。
所述控制模块15可以与前述的第一驱动单元171和第二驱动单元172相连接，由此控制研磨过程的起止时点以及所述研磨垫111和/或所述研磨头112的旋转频率以改变研磨速率。在一示例中，所述控制模块15还与所述采样模块13相连接，用于控制所述采样模块13的采样间隔(也即采样频率)。
在一示例中，所述研磨设备还包括清洗模块16，所述清洗模块16包括清洗液供应管路161和清洗液供应源162，所述清洗液供应管路161一端与所述清洗液供应源162相连接，另一端延伸到所述研磨垫111的上方，用于向所述晶圆和所述研磨垫111供应清洗液。所述清洗液可以为去离子水。所述清洗模块16可以与所述控制模块15相连接，通过所述控制模块15控制清洗液的供应时点。具体地，在每次采样完成后可以开启所述清洗模块16以供应清洗液对所述研磨垫111(还包括所述研磨头112)和所述晶圆进行清洗，以将研磨后产生的杂质离子完全去除，避免对下一次的采样检测结果造成干扰。当然，需要特别说明的是，所述清洗模块16和所述研磨液供应模块12可采用同一供应管路，根据不同的需要切换到不同的液体源，本实施例中对此并不严格限制。
采用本发明的研磨设备进行研磨并判断研磨终点时，具体的检测判断标准可以根据需要设置，比如，如果待研磨层是单纯的金属层，比如为铜金属层，则如果在采样检测到铜离子浓度为零时判断为研磨终点；如果待研磨层是复合材质层，比如为TiN层，则可以根据检测的Ti离子和N离子的浓度中的其中一种或两种确定检测终点，并且根据需要可以设置浓度警戒值，在到达该浓度警戒值时可以降低所述研磨垫和/或研磨头的旋转速率，以及/或者降低研磨液的输送量以降低研磨速率，以准确检测到离子浓度转变为零的临界点，避免产生研磨不足或过研磨等不良。
本发明的研磨设备结构简单，使用方便，可实现自动研磨、自动采样及自动分析，不仅有助于降低人力成本，同时有助于提高研磨终点的检测准确性，从而有助于生产效率和良率的提高。
综上所述，本发明提供一种研磨设备及研磨方法。研磨方法包括步骤：1)提供待研磨的晶圆，将所述晶圆放置于研磨设备中进行化学机械研磨；2)对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；3)对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度，并根据所述离子浓度判断研磨终点。本发明通过在研磨过程中对研磨产生的废液进行采样并检测废液中的离子类型和离子浓度，依据检测到的离子浓度判断研磨终点，有助于提高研磨终点判断的准确性，提高晶圆研磨质量及晶圆回收良率，有助于降低生产成本。本发明的研磨设备结构简单、使用方便，有助于提高生产效率和良率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种研磨方法，其特征在于，包括：
1)提供待研磨的晶圆，将所述晶圆放置于研磨设备中进行化学机械研磨；
2)对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；
3)对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度，并根据所述离子浓度判断研磨终点。
2.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度的过程包括使所述试样溶液雾化以使所述试样溶液中含有的原子加速离子化。
3.根据权利要求2所述的研磨方法，其特征在于：采用电感耦合等离子体发射光谱仪对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度。
4.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于：在前一次采样和当前采样之间还包括对所述研磨设备和所述晶圆进行清洗的步骤。
5.根据权利要求1-4任一项所述的研磨方法，其特征在于：对化学机械研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液的过程分为第一采样阶段和第二采样阶段，所述第二采样阶段晚于所述第一采样阶段，且所述第二采样阶段的采样间隔小于所述第一采样阶段的采样间隔。
6.根据权利要求5所述的研磨方法，其特征在于：所述第一采样阶段的采样间隔为1s～5s，所述第二采样阶段的采样间隔为0.1s～0.5s。
7.一种研磨设备，其特征在于，包括：
研磨模块，包括研磨垫及研磨头；所述研磨垫用于承载待研磨的晶圆，所述研磨头位于所述研磨垫的上方；
研磨液供应模块，所述研磨液供应模块包括研磨液供应管路和研磨液供应源，所述研磨液供应管路一端与所述研磨液供应源相连接，另一端延伸至所述研磨垫的上方以向所述研磨垫中供应研磨液；
采样模块，用于对研磨时产生的废液进行采样以获得试样溶液；
检测模块，与所述采样模块相连接，用于对所述试样溶液进行检测以确定所述试样溶液中待测离子的离子浓度；
控制模块，与所述检测模块和所述研磨模块相连接，用于根据所述离子浓度控制所述研磨模块的停止时点。
8.根据权利要求7所述的研磨设备，其特征在于：所述采样模块包括采样管路及雾化器，所述采样管路连接于所述研磨垫和所述雾化器之间，所述雾化器与所述检测模块相连接。
9.根据权利要求7所述的研磨设备，其特征在于：所述检测模块包括电感耦合等离子体发射光谱仪。
10.根据权利要求7所述的研磨设备，其特征在于：所述控制模块还与所述采样模块相连接，用于控制所述采样模块的采样间隔。
11.根据权利要求7-10任一项所述的研磨设备，其特征在于：所述研磨设备还包括清洗模块，所述清洗模块包括清洗液供应管路和清洗液供应源，所述清洗液供应管路一端与所述清洗液供应源相连接，另一端延伸到所述研磨垫的上方，用于向所述晶圆和所述研磨垫供应清洗液。
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