TW202222489A - 一種拋光頭、化學機械拋光裝置和方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種拋光頭、化學機械拋光裝置和方法。所述拋光頭包括主體部，用以夾持晶圓並使所述晶圓的待拋光表面朝下以進行化學機械拋光；其中，在所述主體部上設置有邊緣供液回路，所述邊緣供液回路用以在化學機械拋光過程中向所述晶圓的邊緣提供液體以改變所述晶圓的邊緣處的拋光液的濃度。根據本發明的拋光頭和化學機械拋光方法，通過在拋光過程中從晶圓的邊緣處引入液體，改變晶圓邊緣的拋光液濃度，從而控制晶圓邊緣的化學機械拋光速率，改善了晶圓在化學機械拋光製程中的拋光均勻性。

Description

一種拋光頭、化學機械拋光裝置和方法

本發明係關於半導體技術領域，具體而言係關於一種拋光頭、化學機械拋光裝置和方法。

在半導體製造過程中，化學機械拋光製程是對晶圓進行拋光，以改善晶圓平坦度的重要手段。

然而，典型的拋光製程中，由於晶圓在拋光過程中的受力和研磨液的分佈均勻性等的影響，往往使晶圓極端邊緣處的厚度難以控制，以300 mm晶圓為例，在半徑為145-149 mm處的厚度往往無法達到拋光要求。

為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種拋光頭、化學機械拋光裝置和方法。

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。此發明內容一節並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。

為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種拋光頭，包括：主體部，用以夾持晶圓使所述晶圓的待拋光表面朝下以進行化學機械拋光製程；其中，在所述主體部上設置有邊緣供液回路，所述邊緣供液回路用以在化學機械拋光過程中向所述晶圓邊緣提供液體以改變所述晶圓邊緣的拋光液的濃度。

示例性地，所述邊緣供液回路包括邊緣供液槽以及在所述邊緣供液槽底部與所述邊緣供液槽連通設置的邊緣供液孔，所述液體從所述邊緣供液槽通過所述邊緣供液孔供給到所述晶圓的邊緣。

示例性地，所述邊緣供液槽呈環形設置，所述邊緣供液孔包括在所述邊緣供液槽底部均勻分佈多個通孔。

示例性地，所述邊緣供液孔的出口對準所述晶圓的邊緣。

示例性地，所述主體部包括對晶圓進行限位的限位環，所述邊緣供液孔包括在所述限位環中設置的傾斜通孔。

示例性地，還包括邊緣供液管道，用以向所述邊緣供液槽提供所述液體。

示例性地，所述邊緣供液槽的截面設置為倒梯形。

示例性地，所述液體包括去離子水和/或研磨液，其中所述研磨液的濃度可調整。

本發明提供了一種化學機械拋光裝置，包括如上任意一項所述的拋光頭。

本發明提供了一種化學機械拋光方法，包括：在執行化學機械拋光製程以對晶圓進行化學機械拋光的過程中，向所述晶圓邊緣提供液體以改變所述晶圓邊緣的拋光液的濃度。

根據本發明的拋光頭、化學機械拋光裝置和方法，通過在拋光過程中從晶圓的邊緣處引入液體，改變晶圓邊緣的拋光液濃度，從而控制晶圓邊緣的化學機械拋光速率，改善了晶圓在化學機械拋光製程中的拋光均勻性。

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域習知的一些技術特徵未進行描述。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的描述，以說明本發明的拋光頭。顯然，本發明的施行並不限於半導體領域技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

應予以注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或元件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、元件和/或它們的組合。

現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。

實施例一

為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種拋光頭，包括： 主體部，用以夾持晶圓並使所述晶圓的待拋光表面朝下以進行化學機械拋光；其中， 在所述主體部上設置有邊緣供液回路，所述邊緣供液回路用以在化學機械拋光過程中向所述晶圓的邊緣提供液體以改變所述晶圓的邊緣處的拋光液的濃度。

下面參看圖1、圖2A-圖2B和圖3對根據本發明的一種拋光頭進行示例性說明。其中，圖1為根據一個實施例的一種化學機械拋光裝置的平面佈置示意圖；圖2A為根據本發明的一個實施例的拋光頭的結構示意圖；圖2B為從圖2A的箭頭P方向觀測的拋光頭的結構示意圖；圖3為採用根據本發明的一個實施例的化學機械拋光裝置進行化學機械拋光製程的示意圖。

化學機械拋光製程是一種典型的對晶圓進行平坦化的製程。如圖1所示，化學機械拋光裝置包括拋光墊1，拋光墊1承載在拋光台（未示出）上，在化學機械拋光製程中沿著箭頭A所示的方向運動；拋光頭2，拋光頭2用以承載晶圓（未示出）使晶圓的待拋光表面朝下與拋光墊1相對運動，如圖1所示，拋光頭2沿著箭頭B所示的方向運動；拋光液供給裝置3，拋光液供給裝置3提供拋光液至拋光墊1表面，當晶圓與拋光墊1做相對運動時，在拋光液的作用下晶圓表面被研磨去除，從而實現平坦化；以及拋光墊修整器4，拋光墊修整器4用以對拋光墊1進行修整，其沿著如圖中箭頭C1和箭頭C2所示的方向運動。由於受到拋光頭施加到晶圓上的壓力分佈、拋光液在拋光墊拋光頭對晶圓邊緣的限制、晶圓表面待拋光材料差異等的影響，晶圓的拋光速率在徑向上往往分佈不均勻，典型的分佈趨勢是晶圓邊緣處的拋光速率明顯高於或者低於其他部分的拋光速率，導致化學機械拋光後的晶圓表面平台度達不到要求。

為此，本發明提供了一種拋光頭，通過在拋光頭的上設置邊緣供液回路，在拋光過程中從晶圓的邊緣處引入液體，改善拋光液在晶圓邊緣的分佈，從而控制晶圓邊緣的化學機械拋光速率，改善了晶圓在化學機械拋光製程中的拋光均勻性。

具體的，如圖2A所示，根據本發明的拋光頭包括主體部200，主體部200用以夾持晶圓，使晶圓的待拋光表面朝下以進行化學機械拋光製程。在根據本發明的拋光頭中，在主體部200中還設置有邊緣供液回路，用以向所述晶圓的邊緣提供液體以改變所述晶圓邊緣的化學機械拋光速率。

採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供液體的液體包括去離子水或者拋光液，其中採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供去離子水，用以稀釋晶圓邊緣的拋光液，從而減小晶圓邊緣的拋光速率；採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供拋光液，拋光液的濃度根據晶圓邊緣的拋光速率可以調整。例如，當晶圓邊緣的拋光速率偏低時，採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供濃度較拋光液供給裝置提供的拋光液的濃度高的拋光液，從而提高化學機械拋光過程中晶圓邊緣的拋光液的濃度，進而提高晶圓邊緣的拋光速率；反之，當晶圓邊緣的拋光速率偏高時，採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供濃度較拋光液供給裝置提供的拋光液的濃度低的拋光液，從而降低化學機械拋光過程中晶圓邊緣的拋光液的濃度，進而降低晶圓邊緣的拋光速率，這一過程與採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供去離子水以稀釋晶圓邊緣的拋光液的效果類似，均可以減小晶圓邊緣的拋光速率。

示例性的，所述邊緣供液回路包括邊緣供液槽以及在所述邊緣供液槽底部與所述邊緣供液槽連通設置的邊緣供液孔，所述液體從所述邊緣供液槽通過所述邊緣供液孔供給到所述晶圓的邊緣。

邊緣供液槽和邊緣供液孔的設置，可以直接在拋光頭上進行設置，結構簡單，易於實現。

如圖2A所示，拋光頭主體部200上設置有邊緣供液槽2001和邊緣供液孔2002，邊緣供液槽2001用以收集液體，邊緣供液孔2002與邊緣供液槽2001連通設置，液體從邊緣供液槽2001通過邊緣供液孔2002供給到晶圓的邊緣處。

示例性的，所述邊緣供液槽呈環形設置，所述邊緣供液孔包括環繞所述晶圓均勻分佈多個通孔。

將邊緣供液槽設置為環形，通過在環形的邊緣供液槽底部均勻分佈的多個通孔將液體導入到晶圓的邊緣，使液體在晶圓邊緣的分佈均勻，進而使晶圓邊緣通過液體改變的拋光液的濃度變化均勻，從而使晶圓邊緣的拋光速率整體同時改變，進而保證晶圓邊緣的拋光均勻性。

參看圖2B，其示出了從圖A的箭頭P方向觀測的拋光頭的結構示意圖，其中在拋光頭的主體部200上設置的環形邊緣供液槽2001，並在環形邊緣供液槽2001底部均勻設置了8個底部供液孔2002，通過在底部均勻設置的8個底部供液孔2002，環形邊緣供液槽2001中的液體可以均勻分佈到晶圓的邊緣處。

示例性的，所述邊緣供液孔的出口對準所述晶圓的邊緣。

將邊緣供液孔的出口對準晶圓的邊緣，可以減少液體供給到晶圓邊緣時的流通路徑，精準改變晶圓邊緣的研磨漿的濃度，使效果更加顯著；同時也避免對晶圓邊緣以外的拋光液的濃度造成影響，使晶圓邊緣的拋光速率得到精準調節。

在化學機械拋光過程中，拋光頭主要起以下作用：對晶圓施加壓力；帶動晶圓旋轉並傳遞轉矩；保證晶圓與拋光墊始終貼合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 裝備中拋光頭最好能在不借助外界條件的情況下依靠自身結構夾持晶圓，以提高生產效率。拋光頭對晶圓進行夾持往往通過提供一吸引力將晶圓的與待研磨表面相對的背面吸附，從而實現對晶圓的加持和固定作用。在實際結構中，拋光頭往往包括真空裝置、真空吸盤或者多區氣囊等提供加持力，其結構複雜，難以改造。

在根據本發明的拋光頭中，可以直接在現有的拋光頭上進行改造設置形成供液回路。如圖2A所示，拋光頭主體部200包括第一主體部201、第二主體部202、第三主體部203和第四主體部204，其中第一主體部201和第二主體部202用以與化學機械拋光裝置連接，連接真空裝置、帶動晶圓旋轉和上下驅動等控制。第三主體部203用以提供對晶圓的限位，其通常為限位環。第四主體部204用以提供對晶圓的壓力等。在本發明的一個實施例中，在在第一主體部201上設置邊緣供液槽2001，在第二主體部202上設置垂直通孔和第三主體部203（限位環）上設置傾斜通孔構成出口對準晶圓邊緣的邊緣供液孔2002。

上述對邊緣供液槽和邊緣供液孔的設置方式僅僅是示例性的，本領域技術人員應當理解，邊緣供液槽和邊緣供液孔還可以設置成任何形式，只要能向晶圓邊緣提供改變拋光液濃度的液體，其均適用於本發明。

示例性的，繼續參看圖2A，根據本發明的拋光頭還包括邊緣供液管道2003，邊緣供液管道2003用以邊緣供液槽2001提供用以改變晶圓邊緣的拋光液濃度的液體。如圖2A所示，邊緣供液管道2003的供液出口對準邊緣供給槽2001。

在根據本發明的一個實施例中，邊緣供液管道2003與拋光頭主體部200相連，並隨著拋光頭主體部的運動而運動。

在根據本發明的一個實施例中，邊緣供液管道2003單獨設置，由於拋光頭主體部在化學機械拋光過程中持續繞軸旋轉，邊緣供液管道2003通過環形的邊緣供液槽2001持續向邊緣供液槽2001提供液體以改變晶圓邊緣的拋光液濃度的液體。

繼續參看圖2A，邊緣供給槽2001的截面設置為倒梯形。

邊緣供給槽2001的截面設置為倒梯形有利於邊緣供給槽2001收集來自邊緣供液管道2003的液體，並將其導入到邊緣供液孔2002中。

以上，是對根據本發明的一個實施例的一種拋光頭的示例性介紹，需要理解的是，上述對拋光頭上設置的邊緣供液回路的具體結構的示例僅僅是示例性的，本領域技術人員應當理解，在拋光頭上設置的任何能夠在化學機械拋光過程中向晶圓邊緣提供用以改變晶圓邊緣的拋光液濃度的液體的邊緣供液回路均適用於本發明。

參看圖3，其示出了採用包含本實施例的拋光頭的化學機械拋光裝置進行化學機械拋光的示意圖。

如圖3所示，化學機械拋光裝置包括拋光墊1、拋光頭2和拋光液供給裝置3。其中，拋光頭2加持晶圓4的待拋光表面與拋光墊1接觸。在執行化學機械拋光製程的過程中，拋光液供給裝置3提供拋光液31至拋光墊1的表面，使晶圓4與拋光墊1之間充滿拋光液，同時，拋光頭2通過其邊緣供液回路（包括邊緣供液管道2003、邊緣供液槽2001和邊緣供液孔2002）向晶圓4的邊緣提供液體21，液體21改變晶圓4邊緣的拋光液31的濃度。當晶圓4邊緣的拋光速率偏低時，採用邊緣供液回路向晶圓4邊緣提供濃度較拋光液3供給裝置提供的拋光液31的濃度高的液體21，從而提高化學機械拋光過程中晶圓4邊緣的拋光液的濃度，進而提高晶圓4邊緣的拋光速率。反之，當晶圓4邊緣的拋光速率偏高時，採用邊緣供液回路向晶圓4邊緣提供濃度較拋光液供給裝置3提供的拋光液31的濃度低的液體21或者液體21直接為去離子水，從而降低化學機械拋光過程中晶圓邊緣的拋光液的濃度，進而降低晶圓邊緣的拋光速率。

實施例二

本發明還提供了一種化學機械拋光裝置，其包括如實施例一所述的拋光頭。

根據本發明的化學拋光裝置，其在化學機械拋光過程中，通過拋光頭向晶圓邊緣提供液體改變晶圓邊緣的拋光液濃度，從而改變晶圓邊緣的拋光速率，從而控制晶圓邊緣的化學機械拋光速率，改善了晶圓在化學機械拋光製程中的拋光均勻性。

實施例三

本發明還提供了一種化學機械拋光方法，具體的包括：在執行化學機械拋光製程以對晶圓進行化學機械拋光的過程中，向所述晶圓邊緣提供液體以改變所述晶圓邊緣的拋光液的濃度。

所述液體包括去離子水和/或研磨液，其中所述研磨液的濃度可調整。

向晶圓邊緣提供液體的液體包括去離子水或者拋光液，其中向晶圓邊緣提供去離子水，用以稀釋晶圓邊緣的拋光液，從而減小晶圓邊緣的拋光速率；向晶圓邊緣提供拋光液，拋光液的濃度根據晶圓邊緣的拋光速率可以調整。例如，當晶圓邊緣的拋光速率偏低時，向晶圓邊緣提供濃度較拋光液供給裝置提供的拋光液的濃度高的拋光液，從而提高化學機械拋光過程中晶圓邊緣的拋光液的濃度，進而提高晶圓邊緣的拋光速率；反之，當晶圓邊緣的拋光速率偏高時，向晶圓邊緣提供濃度較拋光液供給裝置提供的拋光液的濃度低的拋光液，從而降低化學機械拋光過程中晶圓邊緣的拋光液的濃度，進而降低晶圓邊緣的拋光速率，這一過程與採用邊緣供液回路向晶圓邊緣提供去離子水以稀釋晶圓邊緣的拋光液的效果類似，均可以減小晶圓邊緣的拋光速率。

參看圖4，示出了根據一種化學機械拋光裝置進行化學機械拋光製程之後晶圓表面厚度分佈，與採用根據本發明的一個實施例的一種化學機械拋光裝置的進行化學機械拋光製程之後晶圓表面厚度分佈的對比圖。其中，L1示出為採用常規拋光液供給裝置的提供拋光液進行化學機械拋光後在晶圓半徑R方向上的移除量H分佈趨勢，其中，在140 mm-150 mm處的邊緣部分晶圓移除量顯著增加。L2示出為採用本發明的化學機械拋光裝置在採用拋光液供給裝置的提供拋光液的同時，採用拋光頭供給去離子水進行化學機械拋光後在晶圓半徑R方向上的移除量H分佈趨勢，其中，在140 mm-150 mm處的邊緣部分晶圓移除量顯著降低。可見採用本發明的拋光頭，通過在晶圓邊緣提供去離子水可以顯著降低晶圓邊緣的化學機械拋光速率

根據本發明的化學機械拋光方法，通過在拋光過程中從晶圓的邊緣處引入液體，改變晶圓邊緣的拋光液濃度，從而控制晶圓邊緣的化學機械拋光速率，改善了晶圓在化學機械拋光製程中的拋光均勻性。

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不侷限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的申請專利範圍及其等效範圍所界定。

1:拋光墊

2:拋光頭

21:液體

200:主體部

201:第一主體部

202:第二主體部

203:第三主體部

204:第四主體部

2001:邊緣供液槽

2002:邊緣供液孔

2003:邊緣供液管道

3:拋光液供給裝置

31:拋光液

4:拋光墊修整器

A、B、C1、C2、P:方向

H:移除量

R:晶圓半徑

L1:常規拋光液供給裝置

L2:本發明的化學機械拋光裝置

圖1為根據一個實施例的一種化學機械拋光裝置的結構示意圖。

圖2A-圖2B為根據本發明的一個實施例的一種拋光頭的結構示意圖。

圖3為採用根據本發明的一個實施例的一種化學機械拋光裝置的進行化學機械拋光製程的示意圖。

圖4為採用根據一種化學機械拋光裝置進行化學機械拋光製程之後晶圓表面厚度分佈與採用根據本發明的一個實施例的一種化學機械拋光裝置的進行化學機械拋光製程之後晶圓表面厚度分佈的對比圖。

200:主體部

201:第一主體部

202:第二主體部

203:第三主體部

204:第四主體部

2001:邊緣供液槽

2002:邊緣供液孔

2003:邊緣供液管道

P:方向

Claims (10)

1. 一種拋光頭，包括： 主體部，用以夾持晶圓並使所述晶圓的待拋光表面朝下以進行化學機械拋光；其中， 在所述主體部上設置有邊緣供液回路，所述邊緣供液回路用以在化學機械拋光過程中向所述晶圓的邊緣提供液體以改變所述晶圓的邊緣處的拋光液的濃度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的拋光頭，其中，所述邊緣供液回路包括邊緣供液槽以及在所述邊緣供液槽底部與所述邊緣供液槽連通設置的邊緣供液孔，所述液體通過所述邊緣供液孔供給到所述晶圓的邊緣。
3. 如申請專利範圍第1項所述的拋光頭，其中，所述邊緣供液槽呈環形設置，所述邊緣供液孔包括在所述邊緣供液槽底部均勻分佈的多個通孔。
4. 如申請專利範圍第1項所述的拋光頭，其中，所述邊緣供液孔的出口對準所述晶圓的邊緣。
5. 如申請專利範圍第4項所述的拋光頭，其中，所述主體部還包括對晶圓進行限位的限位環，所述邊緣供液孔包括在所述限位環中設置的傾斜通孔。
6. 如申請專利範圍第2項所述的拋光頭，更包括邊緣供液管道，用以向所述邊緣供液槽提供所述液體。
7. 如申請專利範圍第2項所述的拋光頭，其中，所述邊緣供液槽的截面設置為倒梯形。
8. 如申請專利範圍第1項所述的拋光頭，其中，所述液體包括去離子水和/或研磨液，其中所述研磨液的濃度可調。
9. 一種化學機械拋光裝置，包括如申請專利範圍第1-8項任一項所述的拋光頭。
10. 一種化學機械拋光方法，包括： 在執行化學機械拋光製程以對晶圓進行化學機械拋光的過程中，向所述晶圓邊緣提供液體以改變所述晶圓的邊緣的拋光液的濃度。

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