專利名稱：化學機械研磨設備及研磨方法
技術領域：
本發(fā)明 涉及集成電路制造領域，尤其涉及一種化學機械研磨(CMP)設備及其相 應研磨方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成度日益增大，采用多層金屬技術使得單個集成電路中上 億晶體管和支持元件的內部互連成為可能。隨著金屬布線層數的增多或填充深度比較大 的凹槽，會使得晶片表面呈現大的表面起伏。表面起伏的主要負面影響是在光刻時對線 寬的控制減弱，使得整個晶片上線寬的均一度降低，此時就需要采用研磨工藝對起伏表 面進行平坦化處理?；瘜W機械研磨(CMP)工藝，相比傳統(tǒng)的反刻、玻璃回流、旋涂膜層 等平坦化工藝具有能夠獲得全局平坦化、能夠減小嚴重的表面起伏、能夠改善金屬臺 階覆蓋等多重優(yōu)勢，因而成為目前晶片制造業(yè)用于研磨的優(yōu)選方法?，F有的傳統(tǒng)CMP設備可以參見圖1，一片(也可以是多片，圖中以一片為例說 明)晶片⑵的待研磨面朝下被夾在磨頭⑴上，轉盤⑷上的拋光墊(3)與晶片⑵接 觸，磨頭(1)在旋轉，轉盤(4)也在旋轉，且磨頭(1)的旋轉中心線相對轉盤(4)的旋轉 中心線具有相對平移，磨料噴頭(6)向拋光墊(3)上噴灑磨料(5)，轉盤(4)底部還具有 磨料回收系統(tǒng)(7)。磨料(5)與晶片(2)發(fā)生化學反應，生成一層較容易去除的表面層， 該表面層借助磨料中的研磨劑和研磨壓力被拋光墊以相對運動機械地磨去。盡管CMP工藝是一種較為先進的研磨工藝，但該工藝中還是存在晶片表面均勻 性容易受到影響的問題，隨著晶片尺寸越來越大，晶片表面均勻性的問題將更加突出， 導致晶片表面均勻性差的原因主要是晶片尺寸較大，磨料在大面積拋光墊上噴撒的均勻 度不夠十分穩(wěn)定從而造成在研磨頭及拋光墊在高速旋轉時晶片表面磨料更新速度不夠 快。當磨料受到大顆粒雜質污染，大顆粒雜質不能及時排出，會導致晶片表面產生較多 劃痕，尤其是晶片中央不容易接觸新的磨料而表面更易被雜質劃傷；晶片表面磨料更新 速度不夠，研磨產生的熱量散發(fā)不出去，金屬電極吸熱之后研磨速度更加加劇，金屬電 極表面更容易產生凹陷。例如，對于12英寸(300毫米直徑)晶片，將至少使用1500毫 米直徑拋光墊，如果要保證拋光墊上磨料的均勻性，就需要配置較多的磨料噴頭并投入 較多磨料，否則，晶片表面很容易產生各種缺陷。而且因為晶片對磨料品質的敏感性非 常高，磨料回收系統(tǒng)收集的磨料不可過濾再使用。眾所周知，用于CMP的磨料價格昂 貴，為確保產品品質，廠家必須在CMP工藝上投入較大成本。另外，大尺寸的晶片，壓在拋光墊上之后，晶片中央相對晶片邊緣與拋光墊的 貼和更緊密、研磨速度更快，為了避免晶片呈現中央凹、邊緣凸的形狀，需要在晶片中 央使用低壓力、邊緣使用高壓力，壓力控制比較復雜。同時，現有化學機械研磨設備還 存在研磨效率不高的問題，因為磨頭在設計時邊緣需要開設研磨液通道以確保研磨液能 夠深入晶片內部，這就使得磨頭的把持力降低，因此晶片與拋光墊的相對運動速度差不 能太大，由此限制了研磨效率。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是現有大尺寸晶片CMP工藝均勻性容易受到影響的 不足，提供一種成本降低且均勻性能夠保證的化學機械研磨設備。本發(fā)明所采用的 技術手段是一種化學機械研磨設備，包括灌有磨料的容 器；轉動設置在容器內的用于夾持晶片的磨頭、轉盤以及設置在轉盤上用于研磨所述的 晶片的拋光墊；與容器連通的用于注入磨料的磨料噴頭和用于磨料回收的磨料回收系 統(tǒng)；所述磨頭位于容器內的高度為使得晶片至少完全淹沒在磨料內的高度；所述磨頭具 有與晶片貼合的貼合面，該貼合面朝上；所述拋光墊相對轉盤朝下。采用上述技術能夠提高晶片與磨料的接觸面積，使晶片表面能與磨料在整個研 磨過程中保持充分完全地接觸，更加有利于促進磨料的更新速度，降低傳統(tǒng)研磨機上的 晶片對磨料的敏感度及解決傳統(tǒng)研磨機因機器研磨料流速的不穩(wěn)定而造成晶片的平整度 達不到規(guī)范要求的問題，更能夠有效避免因磨料及拋光墊表面的污染帶來的晶片表面硬 性劃傷問題，而且比傳統(tǒng)研磨機更有利于晶片及拋光墊表面的散熱，從而更加加強及提 高晶片表面在拋光過程中的均勻性。作為一種優(yōu)選的實施方式，所述的磨料回收系統(tǒng)包括入口與容器連通、用于 將容器中的磨料抽出的泵；入口與泵的出口連通的磨料評估裝置，該磨料評估裝置用于 評估磨料能否繼續(xù)利用，該磨料評估裝置具有第一出口和第二出口，第一出口與過濾器 的入口連通，第二出口與廢棄池連通，當磨料被評估為再利用時，第一出口打開、第二 出口關閉，當磨料被評估為不再利用時，第一出口關閉、第二出口打開；過濾器的出口 與磨料噴頭連通。以上結構能夠合理的節(jié)約磨料、降低成本。本發(fā)明的又一目的是提供一種上述化學機械研磨設備的研磨方法，它包括如下 步驟首先，將晶片待研磨面朝上的夾持在磨頭上，用磨料噴頭灌入磨料至淹沒晶 片；其次，開啟磨頭與轉盤，使得磨頭與轉盤旋轉，保持磨料噴頭注入磨料，開啟 磨料回收系統(tǒng)，且保持磨料回收系統(tǒng)的抽走流量與磨料噴頭的注入流量相等；再次，使得轉盤的轉動中心相對磨頭的轉動中心平移，完成研磨。本發(fā)明提供了一種降低晶片對磨料雜質敏感度的研磨設備及研磨方法，能夠提 高晶片均勻性，尤其適合大尺寸晶片的研磨。作為優(yōu)先的方案，所述磨頭轉速為60 70轉/分鐘，所述轉盤轉速為90 100 轉/分鐘。由于晶片淹沒在磨料中，磨頭上不必開設磨料通道，磨頭在設計時只需要考 慮把持力，則把持力能夠提高，由此磨頭與轉盤的轉速差異可以比傳統(tǒng)研磨機的限定數 值大很多，也更具更大的靈活性在轉速差異參數的設定，從而提高研磨效率。
圖1為現有技術的一種CMP設備立體示意圖；圖2為本發(fā)明提出的一種CMP設備立體示意圖3為本發(fā)明提出的又一種CMP設備立體示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā) 明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠 以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。其次，本發(fā)明 利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說 明，器件結構會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應限制 本發(fā)明保護的范圍。實施例中與背景技術相同的部件采用同樣標號。[實施例一]參見圖2，本發(fā)明提出一種新的化學機械研磨設備，與現有技術中磨頭在上、轉 盤在下的設備不同之處是，該設備包括灌有磨料5的容器8、轉動設置在容器8內用于夾 持晶片2的磨頭1、轉動設置在容器8內的轉盤4、設置在轉盤4上用于研磨晶片2的拋 光墊3、與容器8連通的磨料噴頭6和磨料回收系統(tǒng)7。所述磨頭1具有與晶片2貼合的 貼合面(圖2中，貼合面與晶片2重合，不可見)，該貼合面朝上設置，所述拋光墊3相 對轉盤4朝下對晶片2進行研磨；且該磨頭1位于容器8內的高度為使得晶片2至少能完 全淹沒在磨料5的高度；所述拋光墊3的直徑小于晶片2的直徑；所述轉盤4的轉動中心 線還能夠相對磨頭1的轉動中心線平移。作為一個具體的例子，如果待研磨的晶片2是12英寸(直徑300毫米)，容器8 可以是長*寬=600毫米*600毫米的立方體容器，高度根據轉盤4調整，例如500毫米。容器8底部用具有縫隙的隔板81隔出50 150毫米高的沉淀區(qū)82，容器8底面 與磨料回收系統(tǒng)7連通。研磨工藝中產生的一些較大的雜質顆粒在重力的作用下隨著磨 料5的流動被帶到沉淀區(qū)82，沉淀區(qū)82內磨料5的流動比較緩和，雜質容易被磨料回收 系統(tǒng)7帶走，能夠提高凈化效率。容器8側壁頂部與磨料噴頭6連通，磨料噴頭6往容器8中注入潔凈的磨料5， 磨料回收系統(tǒng)7將沉淀區(qū)82中沉淀的具有雜質的磨料5回收。容器8內磨料5淹沒晶片 2的高度為200毫米 300毫米(以晶片的頂面至磨料液面計算)。將晶片2完全淹沒在 磨料5中，使得晶片2上的磨料5能夠充分更新，磨料5得到充分更新，不僅避免污染帶 來的反復劃傷而且有利于散熱。拋光墊3的直徑為100毫米 200毫米。隨著晶片2尺寸的增大，如果采用大 尺寸的拋光墊3，二者接觸面積較大，晶片2中心的磨料5滲透較邊緣少，中心研磨較邊 緣慢，會導致片內不均勻性。減小二者接觸面積，有利于磨料5的滲透、而且拋光墊變 形較小，能夠提高研磨均勻性，但是會降低研磨效率，本領域技術人員應當能夠根據工 藝條件合理選擇。作為本領域公知技術，化學機械研磨設備應當還包括終點監(jiān)測裝置以及必要的 抽真空裝置等相關裝置，這些并非本發(fā)明要闡述的重點，因此不再贅述。上述化學機械研磨設備在使用時，首先，將晶片2夾持在磨頭1上，用磨料噴頭6灌入磨料5至淹沒晶片2大概200毫米 300毫米；其次，開啟磨頭1，以60 70轉 /分鐘的速度旋轉，例如65轉/分鐘，開啟轉盤4，以90 100轉/分鐘的速度旋轉， 例如93轉/分鐘，保持磨料噴頭6不斷注入新磨料5，開啟磨料回收系統(tǒng)7不斷抽走雜質 磨料5，注入流量與抽走流量相等；使得轉盤4的轉動中心相對磨頭1的轉動中心平移并 完成研磨，轉盤4在晶片2邊緣以較低平移速度運動，例如2厘米/秒，轉盤4在晶片2 中心以較高平移速度運動，例如5厘米/秒。[實施例二]實施例二與實施例一大致相同，區(qū)別在于對磨料回收系統(tǒng)7的改進。磨料回收系統(tǒng)7包括入口與容器8底部連通、用于將沉淀區(qū)82中的磨料5抽出的 泵71、入口與泵71的出口連通的磨料評估裝置72，所述磨料評估裝置72具有兩個出口 A、B，A連通到過濾器73的入口、B連通到廢棄池76，磨料評估裝置72對磨料5進行 質量評估，認為還能夠繼續(xù)使用，就打開A、關閉B，認為不能再循環(huán)使用，就打開B、 關閉A。過濾器73的出口連接到磨料噴頭6。所述的泵71的入口與容器8之間具有初 步過濾器74，防止雜質損傷泵71。所述的泵71的出口與磨料評估裝置72之間具有回收 系統(tǒng)流量表75，磨料噴頭6上還具有噴頭流量表(圖中未表示)，兩個表用于統(tǒng)計流出和 流入容器8的磨料5，使得相應的控制系統(tǒng)保持容器8中的磨料5呈固定高度。正是由于實施例一中的方案，降低晶片對磨料中雜質的敏感度，使得實施例二 中的磨料回收系統(tǒng)7的結構得以實施，并且該磨料回收系統(tǒng)7能夠確保容器8中磨料5 的潔凈度而且能夠充分利用潔凈度較高的磨料5。由此，相比于現有技術，只需要使用 20% 30%的新磨料5就能滿足要求而且達到良好的晶片均勻性。該技術可以滿足日后 更大尺寸晶片的需求，具有寬廣的應用前景。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定權利要求，任何本領 域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā) 明的保護范圍應當以本 發(fā)明權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種化學機械研磨設備，包括用于夾持晶片(2)的磨頭(1)、轉盤(4)、設置在轉 盤(4)上用于研磨所述的晶片(2)的拋光墊(3)，其特征在于，還包括灌有磨料(5)的容器(8)，所述的磨頭(1)和轉盤(4)轉動設置在容器(8)內； 與容器(8)連通的用于注入磨料(5)的磨料噴頭(6)和用于磨料回收的磨料回收系統(tǒng)(7)；所述磨頭(1)位于容器(8)內的高度為使得晶片(2)至少完全淹沒在磨料(5)內的高度；所述磨頭(1)具有與晶片(2)貼合的貼合面，該貼合面朝上； 所述拋光墊(3)相對轉盤(4)朝下。
2.如權利要求1所述的化學機械研磨設備，其特征在于所述的容器底部設置有具 有縫隙的隔板，所述隔板與容器底面的距離為50 150毫米，所述磨料回收系統(tǒng)與容器 底面連通。
3.如權利要求1所述的化學機械研磨設備，其特征在于所述磨頭位于容器內的高 度為使得晶片被淹沒在磨料內200 300毫米的高度。
4.如權利要求1所述的化學機械研磨設備，其特征在于所述的拋光墊的直徑小于 晶片的直徑。
5.如權利要求1所述的化學機械研磨設備，其特征在于所述的磨料回收系統(tǒng)包括入口與容器連通、用于將容器中的磨料抽出的泵；入口與泵的出口連通的磨料評估裝置，該磨料評估裝置用于評估磨料能否繼續(xù)利 用，該磨料評估裝置具有第一出口和第二出口，第一出口與過濾器的入口連通，第二出 口與廢棄池連通，當磨料被評估為再利用時，第一出口打開、第二出口關閉，當磨料被 評估為不再利用時，第一出口關閉、第二出口打開； 過濾器的出口與磨料噴頭連通。
6.一種如權利要求1所述的化學機械研磨設備的研磨方法，包括如下步驟 首先，將晶片待研磨面朝上的夾持在磨頭上，用磨料噴頭灌入磨料至淹沒晶片； 其次，開啟磨頭與轉盤，使得磨頭與轉盤旋轉，保持磨料噴頭注入磨料，開啟磨料回收系統(tǒng)，且保持磨料回收系統(tǒng)的抽走流量與磨料噴頭的注入流量相等； 再次，使得轉盤的轉動中心相對磨頭的轉動中心平移，完成研磨。
7.如權利要求7所述的研磨方法，其特征在于研磨時，所述磨料淹沒晶片200 300毫米。
8.如權利要求7所述的研磨方法，其特征在于所述磨頭轉速為60 70轉/分鐘， 所述轉盤轉速為90 100轉/分鐘。
9.如權利要求7所述的研磨方法，其特征在于所述轉盤在晶片邊緣的平移速度比 在晶片中心的平移速度慢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種化學機械研磨設備，包括灌有磨料的容器；轉動設置在容器內的用于夾持晶片的磨頭、轉盤以及設置在轉盤上用于研磨所述的晶片的拋光墊；與容器連通的用于注入磨料的磨料噴頭和用于磨料回收的磨料回收系統(tǒng)；所述磨頭位于容器內的高度為使得晶片至少完全淹沒在磨料內的高度；所述磨頭具有與晶片貼合的貼合面，該貼合面朝上；所述拋光墊相對轉盤朝下。采用上述技術能夠提高晶片與磨料的接觸面積，促進磨料的更新，降低晶片對磨料的敏感度，能夠避免磨料污染帶來的晶片表面反復劃傷問題，而且有利于散熱，能夠提高晶片的均勻性。
文檔編號H01L21/02GK102009383SQ20091019519
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權日2009年9月4日
發(fā)明者常建光, 趙敬民 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司