一种化学机械抛光装置和抛光方法

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光装置和抛光方法。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。

在进行化学抛光时，晶圆边缘部分的抛光速率大于晶圆中心部分的抛光速率，这会导致晶圆的抛光均匀性变差。尤其在一些晶圆制程中，晶圆的某些区域会出现局部减薄处理的情况，这对晶圆的全局平坦化提出更高的要求，如何控制晶圆不同区域的抛光速率，实现晶圆的全局平坦化始终是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的第一个方面提供了一种化学机械抛光装置，其包括：

抛光盘，其顶面设置有凹槽；

承载头，用以接收并加载晶圆于抛光盘上侧的抛光垫；

使得承载头可以旋转并在抛光垫表面移动，通过控制晶圆与所述凹槽之间的水平距离来调节晶圆边缘的去除速率。

作为优选实施例，所述凹槽为环状结构，其与抛光盘同心设置，使得抛光垫在受压状态下回弹高度降低。

作为优选实施例，所述凹槽的数量为一个，其靠近抛光盘的边缘或中心设置；或者，所述凹槽的数量为两个及以上，其靠近抛光盘的边缘和/或中心设置。

作为优选实施例，还包括调节件，其设置于凹槽的内侧壁或外侧壁，所述调节件延伸至所述抛光盘顶面。

作为优选实施例，所述调节件为环状薄壁件，其厚度为2mm-10mm。

作为优选实施例，所述调节件竖直方向的弹性模量与所述抛光盘的弹性模量不同。

作为优选实施例，所述凹槽的内侧壁与抛光盘中心的距离为200mm-360mm，所述凹槽的宽度为3mm-30mm，所述凹槽的深度为3mm-30mm。

本发明实施例的第二个方面提供了一种化学机械抛光方法，使用上面所述的化学机械抛光装置，其包括以下步骤：

将晶圆加载于旋转的抛光垫；

实施化学机械抛光并检测晶圆表面形貌；

根据晶圆表面形貌及材料去除速率控制晶圆相对于凹槽的水平距离，以调节晶圆边缘的去除速率。

作为优选实施例，当晶圆边缘的去除速率高于设定去除速率时，控制晶圆朝向凹槽移动。

作为优选实施例，晶圆在抛光垫表面移动，晶圆外沿在凹槽宽度的1/2以内移动。

本发明的有益效果包括：在抛光盘的顶部设置环形的凹槽，凹槽上侧的抛光垫在受压状态下的应力分布得到优化，凹槽上侧的抛光垫回弹高度降低；根据晶圆表面形貌及材料去除速率曲线确定晶圆的水平位置及在该位置的抛光时间，以调节晶圆边缘部分的材料去除量，实现晶圆的全局平坦化。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：

图1是本发明所述化学机械抛光装置100的结构示意图；

图2是本发明所述承载头30的结构示意图；

图3是本发明配置有抛光垫20的抛光盘10的示意图；

图4是图3对应的俯视图；

图5(a)是本发明所述凹槽的棱边设置圆角的示意图及其上的抛光垫的变形趋势图；

图5(b)是本发明所述凹槽的棱边设置直角的示意图及其上的抛光垫的变形趋势图；

图5(c)是本发明所述凹槽的截面为梯形的示意图及其上的抛光垫的变形趋势图；

图6是本发明所述凹槽的内部配置调节件的示意图及其上的抛光垫的变形趋势图；

图7(a)是现有技术中晶圆W抵压于抛光垫时晶圆边缘部分的抛光垫的变形情况；

图7(b)是发明中晶圆W抵压于抛光垫时晶圆边缘部分的抛光垫的变形情况；

图8是本发明所述晶圆边缘部分的材料去除速率曲线；

图9是现有技术与本发明对应的材料去除速率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本发明中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)”也称为“化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization,CMP)”，晶圆(Wafer,W)也称基板(Substrate),其含义和实际作用等同；材料去除速率(Material Remove Rate,MRR)；晶圆边缘部分也可称为晶圆边缘。

图1是本发明所述的化学机械抛光装置的示意图，化学机械抛光装置100包括抛光盘10、抛光垫20、承载头30、修整器40以及供液部50；抛光垫20设置于抛光盘10上表面并与其一起沿轴线Ax旋转；可水平移动的承载头30设置于抛光垫20上方，其下表面接收有待抛光的晶圆；修整器40包括修整臂及修整头，其设置于抛光盘10的一侧，修整臂带动旋转的修整头摆动以修整抛光垫20的表面；供液部50设置于抛光垫20的上侧，以将抛光液散布于抛光垫20的表面。

抛光作业时，承载头30将晶圆的待抛光面抵压于抛光垫20的表面，承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除；同时抛光盘10旋转，供液部50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20摩擦以进行抛光。

由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫20之间流动，抛光液在抛光垫20的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫20之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。

在化学机械抛光期间，修整器40用于对抛光垫20表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。

为了提高集成度，逻辑芯片特征线宽已经降到10nm以下，如7nm、5nm，甚至3nm；存储芯片的堆叠层数也从64层发展到128层以上。芯片集成度的提升对抛光的均匀性提出了更高的要求。

为了满足抛光均匀性的要求，目前使用具有多个腔室的承载头实施化学机械抛光，承载头30的示意图，如图2所示。承载头30配置有具有多个腔室的弹性膜，以精确调整晶圆各个部分的抛光压力，控制晶圆的材料去除量，实现全局平坦化。图2中，承载头30配置的弹性膜具有5个腔室，可以理解的是，弹性膜的腔室数量也可以为3个、6个、7个、9个等。

然而由于抛光过程中晶圆边缘部分的线速度较晶圆中心位置的线速度大，且晶圆边缘部分更容易与抛光液接触，致使晶圆的边缘部分的去除速率大于晶圆中心位置的去除速率。此外，由于相邻腔室的叠加效应，仅仅通过增加弹性膜边缘部分的腔室来提升晶圆边缘部分的压力调控能力，无形中增加了压力调控的难度，几乎无法准确控制晶圆边缘部分的去除速率。

针对上述技术问题，本发明从抛光垫入手，控制抛光垫在受压状态下的回弹高度，提高晶圆边缘部分的压力调控能力，提升晶圆的抛光均匀性。

本发明所述抛光盘10的剖视图，如图3所示，抛光盘10的上部设置有抛光垫20。抛光盘10的顶面配置有凹槽10a，凹槽10a为环状结构，其与所述抛光盘10同心设置。图4是图3示出的抛光盘10的俯视图。

作为本发明的一个实施例，凹槽10a的数量至少一个，其可设置于靠近抛光盘10的边缘位置，如图3所示。可以理解的是，凹槽10a也可设置在靠近抛光盘10的中心位置。作为本发明的一个变体，抛光盘10的顶面可以配置两个凹槽10a，一个凹槽10a靠近抛光盘10的边缘位置设置，另一个凹槽10a靠近抛光盘10的中心位置设置。

图4所示的实施例中，凹槽10a的数量为一个，其靠近抛光盘10的边缘位置设置。凹槽10a的内侧壁与抛光盘10中心的距离为260mm。凹槽10a的位置可根据晶圆的抛光工艺灵活配置，凹槽10a内侧壁与抛光盘10中心的距离可以为200mm-360mm。图4中，凹槽10a的宽度为15mm，可以理解的是，凹槽10a的宽度要涵盖晶圆的边缘位置及承载头30的保持环的作用位置，凹槽10a的宽度可以大于3mm且不大于30mm。凹槽10a的深度为3mm-30mm，优选地，凹槽10a的深度为12-15mm。

在一些实施例中，抛光盘10的中心位置设置凹槽10a，凹槽10a的内侧壁与抛光盘10中心的距离为20mm-100mm。中心位置的凹槽10a对应的深度及宽度尺寸与边缘位置的凹槽10a的尺寸基本一致。

图3中，凹槽10a上侧的抛光垫10在受压状态的变形趋势使用虚线表示。图中采用的夸张的手法表示了抛光垫10的变形趋势。化学机械抛光时，抛光垫的变形量在10um左右。

凹槽10a的设置有效改善了位于其上的抛光垫20在受压状态下的应力分布，降低或消除了抛光垫20的回弹高度，有利于降低抛光垫20对晶圆的反作用力，改善晶圆边缘部分的应力集中，提升晶圆边缘部分的压力控制能力，均衡晶圆边缘部分与中心部分的去除速率。控制晶圆相对于凹槽10a的水平位置，使晶圆移动至抛光垫回弹高度适中的区域，以调节晶圆边缘部分的去除速率。

为了进一步优化凹槽10a上侧的抛光垫20的应力分布，改善抛光垫在受压状态下的回弹高度，凹槽10a的顶部棱边设置有圆角或倒角，如图5(a)及图5(b)所示。图5(a)中，凹槽10a的顶部棱边设置有圆角；图5(b)中，凹槽10a的顶部棱边设置有倒角。圆角或倒角的设置，晶圆边缘部分对应抛光垫的回弹高度降低30％-50％，有利于提升晶圆边缘部分的压力控制能力。

作为本发明的另一个实施例，凹槽10a的截面形状为梯形，凹槽10a的上部宽度大于其下部宽度，如图5(c)所示。梯形凹槽10a的设置能够优化凹槽10a上侧的抛光垫20的受压状态下的应力分布，使得抛光垫在受压状态下局部区域存在回弹高度降低的区域。只需控制晶圆的水平位置，使得晶圆边缘部分与抛光垫回弹高度偏低的区域接触，即可控制晶圆边缘部分的材料去除量。可以理解的是，凹槽10a的截面形状也可以为矩形、三角形或半圆形等形状，以改善凹槽10a上侧抛光垫的应力分布，控制晶圆的材料去除速率，这里不再赘述。

可以理解的是，凹槽10a也可以为非环状结构，如其沿抛光盘10的顶面阵列，其横向截面为圆形、矩形或三角形等，以控制安装在抛光盘10上部的抛光垫20的局部区域的回弹高度，参与晶圆抛光去除速率的控制。

为了提高抛光垫20与抛光盘10在凹槽10a处的粘接强度，可以沿凹槽10a外周侧对应的抛光盘10的顶面毛化处理，以增加该区域的粗糙度。毛化处理区域可以设置为环形面，其与凹槽10a同心设置。作为本发明的一个实施例，可以为抛光盘10顶面的毛化处理区域不设置非金属涂层，其他区域正常涂覆如聚四氟乙烯的非金属涂层，以在不影响抛光垫更换拆卸便捷性的前提下，保证抛光垫20粘接于抛光盘10上的可靠性。

图6是本发明所述抛光盘10对应的凹槽10a另一个实施例的示意图。化学机械抛光装置还包括调节件60，其设置于所述凹槽10a中；所述调节件60的突出部60a的顶面与抛光盘10的顶面平齐，即调节件60沿竖直方向延伸至抛光盘10的顶面。

本发明中，调节件60竖直方向的弹性模量与抛光盘10的弹性模量不同，以控制调节件60上部的抛光垫20的回弹高度。作为本实施例的一个方面，当凹槽10a靠近抛光盘10的边缘位置设置时，调节件60竖直方向的弹性模量小于抛光盘10的弹性模量。优选地，调节件60由聚氨酯制成。可以理解的是，调节件60也可以由其他弹性模量低于抛光盘10的弹性模量的非金属材料和/或金属材料制成。作为本发明的一个实施例，调节件60选用非金属材料，如聚四氟乙烯。一般抛光盘60由金属材料制成，调节件60使用非金属材料，有效避免金属与金属之间相互摩擦或振动发生离子扩散而相互黏连，避免化学机械抛光装置产生金属离子污染。

在一些实施例中，凹槽10a也可以靠近抛光盘10的中心位置设置；为了适应材料去除速率的调节，调节件60的竖直方向的弹性模量要大于抛光盘10的弹性模量。

作为本实施例的一个方面，突出部60a的顶面也可以略低于抛光盘10的顶面，如两者的高度差为3mm-5mm，以便控制凹槽10a上侧的抛光垫在受压状态下的回弹变形。

作为本实施例的另一个方面，所述突出部60a的宽度为凹槽10a宽度的1/10-1/5。突出部60a的宽度与其弹性模量有关，可根据调节件60的材料灵活确定突出部60a的宽度。

图7(a)示出了现有技术中晶圆W抵压于抛光垫20时晶圆边缘部分的抛光垫的变形趋势，抛光垫20在该部分的形变使用虚线表示。由于抛光垫20存在回弹现象，抛光垫20在晶圆边缘部分隆起，进而影响该部分的抛光压力，影响材料去除速率。

与此相比较，图7(b)示出了本发明中晶圆W抵压于抛光垫20时晶圆边缘部分的抛光垫的变形情况。由于抛光盘10的顶面设置凹槽10a，凹槽10a上侧的抛光垫20的应力分布得到优化，晶圆边缘部分的隆起变低或向前移动，进而提升了晶圆边缘部分的压力控制能力。

此外，本发明的第二个方面提供了一种化学机械抛光方法，其使用上面所述的化学机械抛光装置，其包括以下步骤：

S1：接收有晶圆的承载头30旋转并将晶圆加载于旋转的抛光垫20；

具体地，承载头30的弹性膜将待抛光的晶圆吸合于承载头30的下部，承载头30水平移动至抛光垫20，承载头30与抛光垫20同向旋转并保持一定的速度差；承载头30将晶圆的待抛光面抵压于抛光垫20的表面，承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动，使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除。

S2：按照抛光工艺实施化学机械抛光并检测晶圆表面形貌；

根据抛光工艺智能调节弹性膜各个腔室的压力，同时，检测晶圆的表面形貌，即获取晶圆各个部分的材料去除信息。具体地，根据抛光工艺制定化学机械抛光的Recipe，控制晶圆各个部分的材料去除量。

S3：根据晶圆表面形貌及材料去除速率曲线控制晶圆相对于凹槽10a的水平距离，以调节晶圆边缘的去除速率。

作为本发明的一个实施例，当晶圆边缘的去除速率高于设定去除速率时，需要控制晶圆朝向凹槽移动。具体地，晶圆在抛光垫表面移动，晶圆外沿在凹槽宽度的1/2以内移动，以防止晶圆边缘的去除速率波动过大而影响晶圆抛光的均匀性。

具体地，所述材料去除速率曲线为晶圆相对于所述凹槽在不同水平位置时获取的材料去除速率曲线，其存储于控制部的存储模块。

由于化学机械抛光装置的工况，如抛光垫、抛光液、承载头及修整器等存在一定差异，因此，在进行化学机械抛光时，需要使用测试晶圆采集适用于目前化学机械抛光装置的材料去除速率曲线。可以理解的是，材料去除速率曲线可以采用离线的方式获取，也可以采用在线方式获取。由于在线检测时晶圆边缘部分的厚度采集误差较大，因此，在计算材料去除速率曲线时，推荐采用离线方式测量晶圆的膜厚。

图8示出了晶圆在不同水平位置对应的晶圆边缘部分的材料去除速率曲线。晶圆相对于凹槽10a的水平距离使用L表示，如图4所示。将晶圆边缘与凹槽10a的内侧壁重合的位置定位设定为零点，零点朝向抛光垫20的中心的方向设定为正方向，即晶圆边缘至抛光盘20的中心之间的水平位置为正值，晶圆边缘位于零点至抛光垫20的边缘位置之间的水平位置为负值。

在化学机械抛光时，控制部根据晶圆表面形貌及材料去除速率曲线，确定晶圆的水平位置及在该位置的抛光时间，以调节晶圆边缘部分的材料去除量，平衡晶圆中心部分与晶圆边缘部分的材料去除率，实现晶圆的全局平坦化。

图8中，L＝10mm、L＝20mm及L＝30mm时，晶圆边缘部分的材料去除速率曲线在145mm左右位置出现谷值；L＝10mm对应的材料去除速率曲线的谷值高于其他两个位置对应的谷值，即晶圆145mm左右位置的材料去除速率更加接近晶圆中心位置的材料去除速率；且在145mm至150mm之间的位置，材料的去除速率对应的极值降低，这有利于抛光的均匀性。

而L＝-10mm对应的材料去除速率曲线位于其他位置对应的材料去除速率曲线的下侧，因此，晶圆的水平位置在-10mm至20mm之间存在一个适当的位置，能够均衡晶圆中心部分与晶圆边缘部分的材料去除率。控制部控制承载头30的移动以改变晶圆的水平位置，能够降低晶圆边缘部分的材料去除量。

图9是现有技术与本发明对应的材料去除速率曲线，其中，实线为现有技术对应的材料去除曲线。由于在晶圆抛光时，晶圆边缘部分的线速度大于中心部分的线速度，且晶圆边缘部分更容易与抛光液结合，致使晶圆边缘部分的去除速率大于晶圆中心部分的去除速率。图9中，使用虚线表示本发明所述的化学机械抛光方法对应的材料去除速率曲线，由于抛光盘10的顶面设置凹槽10a，优化了凹槽10a处的抛光垫20的应力分布，降低或消除了抛光垫20在受压状态下的回弹高度，控制晶圆的水平位置，使得晶圆的边缘部分与回弹高度适中的位置接触并实施化学机械抛光，有效提升了晶圆边缘部分的压力调控能力，均衡了晶圆中间部分与边缘部分的去除速率，实现了晶圆的全局平坦化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。