CN114473855A - 一种研磨垫及化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种研磨垫及化学机械抛光设备，涉及半导体器件加工技术领域，用于实现在同一研磨垫上形成至少两个研磨区域，在研磨头压力不变的情况下，使得研磨垫具有两种以上的材料去除率。研磨垫包括：至少两个研磨区域，至少两个研磨区域中，任意两个相邻的研磨区域的表面硬度或材料中至少一项不相同。化学机械抛光设备包括上述技术方案所提的研磨垫。本发明提供的化学机械抛光设备用于对半导体器件进行加工。

Description

一种研磨垫及化学机械抛光设备

技术领域

本发明涉及半导体器件加工技术领域，尤其涉及一种研磨垫及化学机械抛光设备。

背景技术

在制造半导体器件过程中，在形成如浅槽隔离层或金属互连层后，通常需要对硅片上已形成的结构进行化学机械抛光，以实现平坦化的目的。

相关技术提出一种实现化学机械抛光的研磨垫，实现对上述已形成的结构的抛光。上述结构在抛光垫进行研磨抛光的时候，由于研磨头的转动，硅片内外转动的线速度差异大。导致外部研磨较快，内部研磨较慢，硅片上的结构研磨后的存在内外厚度差。

为了解决上述技术问题，相关技术提出一种化学机械抛光的方法，当采用相关技术提供的研磨垫对上述已形成的结构进行抛光时，调整研磨头施加在硅片内外的压力，以实现硅片内外材料去除率一致的目的。但是，上述方法存在操作复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研磨垫及化学机械抛光设备，在同一研磨垫上形成至少两个研磨区域，以确保在研磨头的压力不变的情况下，使得研磨垫具有两种以上的材料去除率，硅片在研磨过程中，可以调整硅片的各个区域的研磨速率，从而实现硅片的内外材料去除率一致，达到厚度一致的效果并实现简化抛光操作的效果。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种研磨垫。该研磨垫包括至少两个研磨区域，至少两个研磨区域中，任意两个相邻的研磨区域的表面硬度或材料中至少一项不相同。

与现有技术相比，该研磨垫包括至少两个研磨区域。在此基础上，任意两个相邻的研磨区域的材料去除率不相同。当将本发明提供的研磨垫应用在化学机械抛光设备，以实现对硅片的化学机械抛光时，硅片的中心与边缘受到的研磨效果不同。因此，本发明提供的研磨垫，在不改变研磨头施加在研磨垫上的压力的情况下，实现同一研磨垫对硅片具有不同的材料去除率的同时，可以调整硅片的各个区域的研磨速率，从而实现硅片的内外材料去除率一致，达到厚度一致的效果并具有简化研磨操作的效果。

第二方面，本发明还提供一种化学机械抛光设备，包括第一方面提供的研磨垫。

与现有技术相比，第二方面提供的化学机械抛光设备的有益效果可以参考第一方面的实现方式描述的研磨垫的有益效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的研磨垫对应的表面硬度与材料去除率的曲线示意图。

附图标记：

1-第一研磨区域， 2-第二研磨区域， 3-第三研磨区域，

4-第四研磨区域， 5-内部研磨区域， 6-外部研磨区域，

61-内环研磨区域， 62-外环研磨区域。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在制造半导体器件过程中，涉及如浅槽隔离层、层间介质层等膜层的淀积，以及用于实现半导体器件内部互连的金属塞以及金属互连层的形成。在形成上述膜层、金属塞以及金属互连层的过程中，通常需要利用化学机械抛光设备对已形成的结构(已形成的结构包括但不限于膜层、金属塞材料层和金属互连材料层)进行表面平坦化处理。

相关技术提供的化学机械抛光设备一般包括转盘、研磨头、抛光液输送装置和研磨垫。

上述研磨垫可以通过粘贴的方式设置在转盘的承载面上。上述研磨头可以通过真空吸附的方式承载需要研磨的上述已形成的结构。上述抛光液输送装置在平坦化过程中向研磨垫输入研磨液。

在实际使用过程中，承载有已形成的结构的研磨头可以以一定的压力压在由转盘带动的转动的研磨垫上。此时，抛光液输送装置持续不断地向研磨垫提供抛光液。抛光液在研磨垫离心力的作用下均匀分布在研磨垫的表面。在已形成的结构和研磨垫之间形成一层液体薄膜，抛光液中的化学成分与已形成的结构发生反应，以将不溶物质转化为易溶物质。通过微粒的微机械摩擦将上述易溶物质从已形成的结构表面去除，并随抛光液流出研磨垫，以实现已形成的结构表面平坦化的目的。

为了确保在硅片上的结构在进行化学机械抛光过程中，硅片上的结构的内部与外部区域具有相同的材料去除率，相关技术提出一种通过改变研磨头施加在硅片上不同区域的压力的方式。但是，这种方式存在操作复杂的问题。

针对上述问题，本发明实施例提供一种研磨垫。图1示出了本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图。如图1所示，上述研磨垫包括至少两个研磨区域。至少两个研磨区域中，其中任意两个相邻的研磨区域的材料去除率不相同。于是，至少两个研磨区域中，至少包含了两种材料去除率不同的研磨区域。为了便于描述，可以以本发明实施例提供的抛光垫具有相邻的第一研磨区域1和第二研磨区域2为例，而且将靠近研磨垫中心的定义为第一研磨区域1，靠近研磨垫边缘的定义为第二研磨区域2。第一研磨区域1和第二研磨区域2具有不同的材料去除率。

将具有第一研磨区域1和第二研磨区域2的研磨垫应用在化学机械抛光设备时，硅片可以在上述两个研磨区域中进行研磨，实现硅片中心区域与外部区域受到不同的研磨效果。根据上述不同的半导体器件所需要的材料去除率，在第一研磨区域1与第二研磨区域2上实现对硅片中心与外部的同时研磨，从而保证硅片进行化学机械抛光后，其中心与外部之间不存在厚度差。

传统的研磨头的压力调整，需要高精度传感器来保证压力调整的精度保证。但是由于采用不同的研磨垫，被研磨的不同结构，采用抛光液等多种因素的影响下，并不能保证压力调整后就能实现准确的材料去除率的改变。同时，又因为同一个研磨垫，材料去除率与压力并不是线性变化的。因此调整研磨头的压力，需要反复调整，操作上也较为复杂。

与现有技术相比，该研磨垫包括至少两个研磨区域。在此基础上，任意两个相邻的研磨区域的材料去除率不相同。当将本发明提供的研磨垫应用在化学机械抛光设备，以实现对硅片或半导体器件的化学机械抛光。在不改变研磨头施加在研磨垫上的压力的情况下，实现同一研磨垫对硅片具有不同的材料去除率的同时，具有简化研磨操作的效果。

上述研磨垫中，位于研磨垫外部的研磨区域的材料去除率可以小于等于位于研磨垫内部的研磨区域的材料去除率。因为由于研磨头的转动，硅片内外转动的线速度差异大。导致外部研磨较快，内部研磨较慢，硅片上的结构研磨后的存在内外厚度差。为了解决这个问题，本发明实施例提供的研磨垫，为了通用在现有设备上，在半径尺寸应该与传统的研磨垫一样，研磨垫的半径与硅片的半径比大约是2:1。因此硅片的边缘或外部区域，与抛光垫的边缘或外部研磨区域接触的最多。因此通过限制研磨区域的材料去除率是内大外小，才能实现硅片研磨后不存在厚度差。

本发明实施例提供的研磨垫所具有的研磨区域多种多样，例如，图2示出了本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图。如图2所示，本发明提供的研磨垫可以包含有四个研磨区域，为了便于描述，自研磨垫的中心向边缘的方向依次定义为第一研磨区域1、第二研磨区域2、第三研磨区域3与第四研磨区域4。

在研磨垫具有上述四个研磨区域的情况下，任意两个相邻的研磨区域的材料去除率不同指的是：

第二研磨区域2的材料去除率与第一研磨区域1以及第三研磨区域3的材料去除率不同，第一研磨区域1与第三研磨区域3的材料去除率可以相同也可以不同。第四研磨区域4与第三研磨区域3的材料去除率不相同，但与第二研磨区域2的材料去除率可以相同也可以不同。因此，上述四个研磨区域，至少包含有两种材料去除率，至多包含有四种材料去除率。

其中，上述四个研磨区域，其材料去除率可以为四个均不一样，且从内向外依次减小，可以是形成梯度变化。当硅片置于上述研磨垫时，硅片可以进行梯度的材料去除率的抛光研磨，克服内外厚度差的问题。在传统的研磨过程中，硅片上的厚度差是连续的。针对这一点，研磨头可以在抛光垫上来回运动，使得梯度变化的材料去除率，在移动的作用下，可以形成连续变化的材料去除率的作用。

还例如，参见图3，研磨垫可以包括位于研磨垫中心的内部研磨区域5，以及位于内部研磨区域5外的外部研磨区域6。为了便于描述，将研磨垫1/2半径以内的研磨区域定义为内部研磨区域5，1/2半径以外的研磨区域定义为外部研磨区域6。其中，内部研磨区域5和外部研磨区域6各自均可以具有一个或多个研磨区域，也就是说研磨垫具有至少两个研磨区域。外部研磨区域6的效率去除率小于内部研磨区域5的材料去除率，外部研磨区域6在自身线速度大于内部研磨区域5的前提下，使得硅片的外部在外部研磨区域6上的研磨速度与硅片的内部在内部研磨区域5的研磨速率能一致。

参见图3，内部研磨区域5的中心线可以与外部研磨区域6的中心线重合。结合实际使用场景，研磨垫跟随其底部的转盘进行转动，此时内部研磨区域5以及外部研磨区域6的中心线均与转盘的转动轴轴线重合。内部研磨区域5的形状为圆形或圆环形，外部研磨区域6的形状为圆环形。圆形或圆环形的研磨区域，在研磨垫转动的时候，上述研磨区域每一处地方都可以使用。因为研磨垫在不转动的时候，依靠研磨头的转动，也可以实现对硅片的研磨，需要的研磨时间更长。此时研磨垫的研磨区域可以是圆形或圆环形以外的形状。但是为了提高研磨效率，正常的化学机械研磨是需要研磨垫转动，配合研磨头的转动。为此，每一个研磨区域都应是采用圆形或圆环形的形状，以保证研磨垫转动过程中，硅片与同一研磨区域充分接触。

图4示出了本发明实施例提供的一种研磨垫的结构示意图。参见图4，外部研磨区域6包括至少一个圆环形的内环研磨区域61，以及一个圆环形的外环研磨区域62，外环研磨区域62位于内环研磨区域61外。为了便于描述，将外部研磨区域6中靠近研磨垫最外围的研磨区域定义为外环研磨区域62，而外部研磨区域6中其他研磨区域定义为内环研磨区域61。其中内环研磨区域61可以包含至少一个圆环形的研磨区域，可以用于参与常规的化学机械抛光，而外环研磨区域62可以用于修整半导体器件硅片的边缘。

参见图4，外环研磨区域62的外半径与内半径的差值大于30mm。在研磨区域的外半径与内半径的差值在30mm以下时，基于现阶段大多数半导体器件硅片的尺寸大于300mm，该研磨区域的材料去除作用很低，起不到充分研磨抛光效果。

用于实现任意相邻的研磨区域的材料去除率不同的方式多种多样，因为在研磨头相同压力下，其他工艺条件不变下，材料去除率是与研磨垫的表面硬度以及材料关联的，因此研磨区域想要实现不一样的材料去除率，就需要通过改变不同研磨区域的材料或者表面硬度来实现。

图5示出了本发明实施例提供的研磨垫对应的表面硬度与材料去除率的曲线示意图。参见图5，在化学机械研磨的各项工艺条件一样的情况下，可以通过改变研磨垫的材料和/或研磨垫的表面硬度，实现硅片在研磨头的转动下，同一研磨垫对硅片的内外区域具有相同的材料去除率。

例如，研磨垫可以由同一材料制成，通过调整同一研磨垫不同区域的表面硬度来改变其对应的材料去除率。

又例如，研磨垫的不同区域由不同的材料制成，在用于制成研磨垫的不同材料具有不同的材料去除率的情况下，通过改变研磨垫不同区域所对应的材料，实现同一研磨垫对硅片的内外区域具有相同的材料去除率。

再例如，研磨垫的不同研磨区域由不同的材料制成，而且，对由不同材料制成的不同研磨区域的硬度利用现有任意一种工艺进行调整，最终形成具有不同研磨区域，而且各个研磨区域的材料和硬度均不相同。以实现同一研磨垫对对硅片内外区域具有相同的材料去除率。

本发明实施例还提供一种化学机械抛光设备，包括上述研磨垫。通过采用上述研磨垫，根据需要进行研磨的结构，移动研磨头到指定的研磨区域。可以实现对硅片的均匀研磨，简化加工操作难度。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种研磨垫，其特征在于，所述研磨垫包括至少两个研磨区域，至少两个所述研磨区域中，任意两个相邻的所述研磨区域的材料去除率不相同。

2.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，位于所述研磨垫外部的研磨区域的材料去除率小于等于位于所述研磨垫内部的研磨区域的材料去除率。

3.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨垫包括位于所述研磨垫中心的内部研磨区域，以及位于所述内部研磨区域外的外部研磨区域。

4.根据权利要求3所述的研磨垫，其特征在于所述内部研磨区域的形状为圆形或圆环形，所述外部研磨区域的形状为圆环形，所述内部研磨区域的中心线与所述外部研磨区域的中心线重合。

5.根据权利要求4所述的研磨垫，其特征在于，所述外部研磨区域包括至少一个圆环形的内环研磨区域，以及一个圆环形的外环研磨区域，所述外环研磨区域位于所述内环研磨区域外。

6.根据权利要求5所述的研磨垫，其特征在于，所述外环研磨区域的外半径与内半径的差值大于30mm。

7.根据权利要求1至6任一项所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨垫所包括的任意两个相邻的所述研磨区域的材料相同且表面硬度不相同。

8.根据权利要求1至6任一项所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨垫所包括的任意两个相邻的所述研磨区域的材料不相同。

9.根据权利要求8所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨垫所包括的任意两个相邻的所述研磨区域的材料不相同且表面硬度不相同。

10.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的研磨垫。

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