一种研磨盘、化学机械抛光设备、系统及方法与流程

1.本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别是涉及一种研磨盘、化学机械抛光设备、系统及方法。


背景技术：

2.化学机械抛光(chemical mechanical polishing，缩写为cmp)是一种表面全局平坦化技术。
3.半导体器件的制造涉及薄膜的淀积，以及形成有源器件和无源器件之后的金属互连层的淀积或电镀等。在形成薄膜和金属互连层过程中，会出现表面起伏的现象。此时，需要利用cmp技术对呈起伏状的表面进行平坦化处理。
4.在平坦化过程中，晶圆由磨头带动旋转，随磨头转动的晶圆边缘区域的线速度大于晶圆中心区域的线速度，此时，会出现对晶圆边缘区域的研磨速度大于对晶圆中心区域的研磨速度。基于此，在一个研磨周期内，会出现晶圆中心区域的厚度大于晶圆边缘区域的厚度。为了确保在一个研磨周期内，晶圆中心区域和边缘区域具有一致的表面平整度，相关技术提出一种通过控制化学机械抛光设备所包括的磨头中心区域和边缘区域的压力，控制对晶圆中心区域和边缘区域的一致性去除，以使得平坦化后的晶圆表面的不同区域具有一致的平整度。但是，上述方法存在操作复杂的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种研磨盘、化学机械抛光设备、系统及方法，在不改变磨头各个区域压力的情况下，确保平坦化后的晶圆表面的不同区域具有一致的平整度。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种研磨盘，研磨盘包括转盘、研磨垫和压力调节组件。研磨垫设置在转盘的表面，研磨垫具有至少两个研磨区域。压力调节组件用于调节向上施加在至少两个研磨区域上的压力，以使至少两个研磨区域的硬度不同。
7.与现有技术相比，本发明提供的研磨盘所包括的研磨垫具有至少两个研磨区域，可以利用压力调节组件调节向上施加在至少两个研磨区域上的压力。当施加在至少两个研磨区域上的压力不同时，至少两个研磨区域所具有的硬度不同。具体的，当施加在其中一个研磨区域上的压力大于施加在另外一个研磨区域上的压力时，具有较大压力的研磨区域所具有的张力较大，此时，具有较大张力的研磨区域的硬度比具有相对较小张力的研磨区域的硬度小。另外，在一个硬度阈值内，研磨垫的硬度与材料去除率呈反比，也就是说，硬度越大则材料去除率越小，反之，硬度越小则材料去除率越大。
8.基于上述原理可知，将本发明提供的研磨盘应用在晶圆研磨时，可以利用压力调节组件增大与晶圆边缘区域相对的研磨垫所具有的边缘研磨区域的压力，使得边缘研磨区域的硬度大于研磨垫所具有的中心研磨区域的硬度。基于此，晶圆边缘区域的材料去除率小于晶圆中心区域的材料去除率，以此来平衡由于晶圆边缘区域的线速度大于晶圆中心区域的线速度，而造成的研磨后晶圆边缘区域较中心区域薄的问题。基于此，在不改变化学机
械抛光设备所包括的磨头不同区域压力的情况下，使得被研磨后的晶圆表面的中心区域和边缘区域具有一致的平整度。
9.本发明还提供一种化学机械抛光设备，包括上述技术方案提供的研磨盘。
10.与现有技术相比，本发明提供的化学机械抛光设备的有益效果与上述技术方案提供的研磨盘的有益效果相同，在此不做赘述。
11.本发明还提供一种化学机械抛光系统，该化学机械抛光系统应用于晶圆研磨，晶圆具有至少两个待研磨区域。该化学机械抛光系统包括处理单元、通信单元和本发明提供的化学机械抛光设备。处理单元用于确定与待研磨区域相对应的研磨垫所具有的研磨区域所需的压力控制信号。通信单元与处理单元通信连接，用于接收压力控制信号。化学机械抛光设备所包括的压力调节组件在压力控制信号的控制下，调节与待研磨区域相对的研磨区域的压力，以使研磨垫所具有的至少两个研磨区域的硬度不同。
12.与现有技术相比，本发明提供的化学机械抛光系统的有益效果与上述技术方案的研磨盘的有益效果相同，在此不做赘述。
13.本发明还提供一种化学机械抛光方法，包括：
14.确定晶圆的待研磨区域。
15.根据晶圆的待研磨区域确定与待研磨区域相对应的研磨垫所具有的研磨区域所需的压力控制信号。
16.向化学机械抛光设备所包括的硬度调节组件提供压力控制信号，压力调节组件在压力控制信号的控制下，调节与待研磨区域相对的研磨区域的压力，以使研磨垫所具有的至少两个研磨区域的硬度不同。
17.与现有技术相比，本发明提供的化学机械抛光方法的有益效果与上述技术方案的研磨盘的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
18.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：
19.图1是相关技术提供的研磨后的晶圆的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的研磨盘的结构示意图；
21.图3是本发明实施例提供的研磨盘的使用状态下的结构示意图；
22.图4是本发明实施例提供的待研磨的晶圆的结构示意图；
23.图5是不同类型的研磨垫的硬度与材料去除率之间的关系示意图；
24.图6是本发明实施例提供的化学机械抛光系统的结构示意图。
25.其中：
26.1-晶圆，
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10-凹陷区域，
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11-凸起区域，
27.2-研磨盘，
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20-转盘
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200-旋转轴，
28.201-转盘本体，
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21-研磨垫，
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210-第一研磨区域，
29.211-第二研磨区域，
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22-压力调节组件，
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220-供气单元，
30.221-旋转接头，
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222-供气管路，
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2220-供气主路，
31.2221-供气支路，
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3-晶圆，
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30-第一待研磨区域，
32.31-第二待研磨区域；
33.4-通信单元，
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5-处理单元。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
36.以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。
39.化学机械抛光是一种表面平坦化技术，其利用化学机械抛光设备实现晶圆表面平坦化的目的。
40.半导体器件的制造涉及采用如淀积工艺在晶圆上形成如浅槽隔离层或层间介质层等薄膜，以及在晶圆上形成有源器件和/或无源器件之后，半导体器件的制造还涉及金属互连层的淀积或电镀等。在形成上述薄膜和金属互连层的过程中，会出现表面起伏的现象。此时，需要利用cmp技术对呈起伏状的表面进行平坦化处理。
41.当利用装载有相关技术提供的研磨盘的化学机械抛光设备研磨晶圆时，晶圆由磨头带动旋转，随磨头转动的晶圆边缘区域的线速度大于晶圆中心区域的线速度，此时，会出现对晶圆边缘区域的研磨速度大于对晶圆中心区域的研磨速度。基于此，会出现晶圆中心区域的厚度大于晶圆边缘区域的厚度。
42.参见图1，采用装载有相关技术提供的研磨盘的化学机械抛光设备研磨晶圆1时，研磨后的晶圆1会出现靠近晶圆边缘区域的凹陷区域10和靠近晶圆中心区域的凸起区域11，此时，研磨后的晶圆表面的平整度不一致，影响研磨效果。
43.为了避免研磨后的晶圆的表面出现上述凹陷区域和凸起区域，以确保研磨后的晶圆表面的具有一致的平整度。需要调节或控制化学机械抛光设备所包括的磨头不同区域的压力。例如，减小磨头作用在晶圆边缘区域的压力，增大磨头作用在晶圆中心区域的压力。此时，研磨盘对晶圆边缘区域的材料去除率小于对晶圆中心区域的材料去除率。基于此，可以提高晶圆表面的平整度，以优化研磨目的。
44.相关技术提供的上述研磨方法，虽然可以达到研磨目的，但是，存在操作复杂的问题。
45.针对上述技术问题，本发明实施例提供一种研磨盘。图2示出了本发明实施例提供的研磨盘的结构示意图，图3示出了本发明实施例提供的研磨盘的使用状态下的结构示意图。如图2和图3所示，上述研磨盘2包括转盘20、研磨垫21和压力调节组件22。研磨垫21设置在转盘20的表面，当转盘20转动时，研磨垫21可以跟随转盘20转动。研磨垫21至少具有两个研磨区域，实际应用时，一个研磨区域对应晶圆表面所具有的一个待研磨区域。压力调节组件22用于调节向上施加在至少两个研磨区域上的压力，以使至少两个研磨区域的硬度不同。具体的，在施加在至少两个研磨区域上的压力不同的情况下，至少两个研磨区域的硬度不同。
46.图5示出了不同类型的研磨垫硬度与材料去除率之间的关系示意图。如图5所示，当研磨垫的硬度小于或等于7.5pa(可以定义为研磨垫的硬度阈值)时，研磨垫硬度与材料去除率呈反比，例如，随着研磨垫硬度的增加，材料去除率呈现出2-3倍减小的趋势。
47.参见图3和图4，基于上述原理，将本发明实施例提供的研磨盘2应用在晶圆3研磨时，在晶圆3具有至少两个待研磨区域，而且，至少两个待研磨区域的厚度分布特性不同的情况下。为了便于阐述，以晶圆3具有两个待研磨区域为例。其中，将靠近晶圆3边缘的待研磨区域定义为第一待研磨区域30，将与第一待研磨区域30相邻且靠近晶圆3中心的待研磨区域定义为第二待研磨区域31。定义研磨垫21上与第一待研磨区域30相对应的为第一研磨区域210，与第二待研磨区域31相对应的为第二研磨区域211。应理解，以上定义仅为了便于阐述，不作为对本发明实施例的限定。
48.参见图3和图4，在实际应用中，可以利用化学机械抛光设备所具有的磨头以真空吸附的方式夹持晶圆3，晶圆3的待研磨面与设置在转盘20上的研磨垫21相对。具体的，晶圆3的待研磨面上的第一待研磨区域30与研磨垫21的第一研磨区域210相对。晶圆3的待研磨面上的第二待研磨区域31与研磨垫21的第二研磨区域211相对。磨头带动晶圆3向靠近研磨垫21的方向移动，以使晶圆3的待研磨面压在研磨垫21上。随后，转盘20带动研磨垫21转动，磨头带动晶圆3转动，在转动过程中，不断的向研磨垫21供应研磨液(图中未示出)，以对晶圆3实时化学机械抛光作业。
49.参见图3和图4，在作业过程中，或者是在作业前，可以利用压力调节组件22调节向上施加在研磨垫21所具有的第一研磨区域210和第二研磨区域211上的压力，在改变第一研磨区域210和第二研磨区域211的张力的情况下，以使第一研磨区域210和第二研磨区域211具有不同的硬度。
50.参见图3和图4，具体的，由于晶圆3所具有的第一待研磨区域30容易形成凹陷区域、第二待研磨区域31容易形成凸起区域。此时，需要确保第一待研磨区域30的材料去除率小于第二待研磨区域31的材料去除率。基于此，可以利用压力调节组件22使施加在研磨垫21所具有的第一研磨区域210上压力大于第二研磨区域211上压力，此时，第一研磨区域210的张力大于第二研磨区域211的张力，使得第一研磨区域210的硬度大于第二研磨区域211的硬度。前文述及，当研磨垫21的硬度阈值小于或等于7.5pa时，随着研磨垫21硬度的增加，材料去除率呈现出2-3倍减小的趋势。因此，与晶圆3的第一待研磨区域30相对的第一研磨区域210的材料去除率小于与晶圆3的第二待研磨区域31相对的第二研磨区域211的材料去
除率。在相同的研磨周期内，可以使晶圆3的第一待研磨区域30和第二待研磨区域31同时达到相同的表面平整度，以达到研磨的目的。
51.参见图3和图4，上述转盘20可以是现有技术提供的任意一种转盘，在此不做具体限定。转盘20可以在如电机的驱动下以一定的旋转速度旋转。
52.参见图3和图4，上述研磨垫21可以是现有技术提供的任意一种研磨垫，其形状可以与转盘20的形状一致，可以通过粘贴的方式固定在转盘20上。其材料可以是聚亚安酯等，当然，不仅限于此。
53.参见图3，上述压力调节组件22可以包括供气单元220、旋转接头221和供气管路222。其中，旋转接头221同时与供气单元220所具有的出气口，以及供气管路222所具有的进气口连通。供气单元220用于储存具有一定压力的气体。旋转接头221将供气单元220储存的气体分配至各个供气管路222。为了精准调整研磨垫21所具有的每一研磨区域的硬度，对应每一研磨区域均设置一个供气管路222。
54.参见图3，上述供气管路222可以包括供气主路2220和与供气主路2220连通的多个供气支路2221。其中，每一个供气主路2220所具有的入口与旋转接头221连通，每一个供气主路2220所具有的出口与多个供气支路2221所具有的入口连通。多个供气支路2221所具有的出口对应设置在研磨区域内。
55.参见图3，例如，当转盘20具有与电机的输出轴动力连接的旋转轴200，以及与旋转轴200同轴连接在一起的转盘本体201时，可以沿旋转轴200的轴向和转盘本体201靠近旋转轴200部分的轴向开设主通道(图中未示出)，沿转盘本体201的径向以及转盘本体201远离旋转轴200的部分的轴向开设副通道(图中未示出)，一个主通道与多个副通道连通。其中，主通道数量至少与供气主路2220的数量相等，即一个主通道内布设一个供气主路2220。副通道的数量至少与供气支路2221的数量相等，即一个副通道内布设一个供气支路2221。在一个供气管路222中，其包括的供气主路2220与旋转接头221连通后，沿其中一个主通道进入后，沿着与上述主通道连通的多个副通道依次布设多个与上述供气主路2220连通的供气支路2221，供气支路2221的出口位于研磨垫21的下方。具有一定压力的气体从供气单元220依次经旋转接头221、供气主路2220和供气支路2221传输至研磨垫21的下表面。可以通过调整向上施加至研磨垫21不同研磨区域上的气体的压力，调节不同研磨区域的张力，进而调节不同研磨区域的硬度。
56.参见图3，需要解释说明的是，当转盘20转动时，设置在转盘20内的供气主路2220和供气支路2221也会随之转动，而由于供气主路2220与旋转接头221连接，此时，可以利用旋转接头221的转动，避免不同供气主路2220之间的相互缠绕。
57.参见图3，当研磨垫21所具有的多个研磨区域呈同心圆环状分布时，对应设置在每一研磨区域内的多个供气支路2221可以沿圆环的周向均匀分布。此时，多个供气支路2221可以为同一研磨区域提供均衡的向上的压力。基于此，相同的研磨区域可以获得基本相同的硬度，以确保具有一致的材料去除率。
58.参见图3，通过压力调节组件22向上施加在研磨垫21不同研磨区域的压力可以根据实际情况确定，在此不做具体限定。例如，可以根据与研磨区域相对应的晶圆所具有的待研磨区域所需的材料去除率倒推研磨区域应该具有的硬度，进一步的倒推研磨区域所需要的向上的压力。向上施加在研磨垫21所具有的不同研磨区域上的压力可以大于或等于
0.1pis。此时，不同研磨区域的硬度可以大于或等于0.1pa。
59.本发明实施例还提供一种化学机械抛光设备，包括本发明实施例提供的研磨盘。
60.本发明实施例还提供一种化学机械抛光系统。图6示出了本发明实施例提供的化学机械抛光系统的结构示意图。如图4和图6所示，上述化学机械抛光系统应用于晶圆3研磨。晶圆3具有至少两个待研磨区域。上述化学机械抛光系统包括处理单元5、通信单元4以及与通信单元4通信连接的化学机械抛光设备。处理单元5用于确定晶圆3的待研磨区域所需的压力控制信号。通信单元4与处理单元5通信连接，用于接收压力控制信号。化学机械抛光设备所包括的压力调节组件在压力控制信号的控制下，调节与待研磨区域相对的研磨区域的压力，以使研磨垫21所具有的至少两个研磨区域的硬度不同。
61.参见图4和图6，在实际应用过程中，处理单元5中可以预存晶圆3的预设研磨厚度信息、晶圆3的直径信息、晶圆3在研磨过程中的旋转速度信息等，可以依据上述信息确定晶圆3的不同待研磨区域。再确定每一待研磨区域应该去除的材料量，基于此，确定每一待研磨区域的材料去除率。根据所需的材料去除率确定与每一待研磨区域相对应的研磨垫21所具有的研磨区域的硬度，进而根据每一研磨区域的硬度确定需要向上施加至每一研磨区域上的压力，最终确定与待研磨区域相对应的研磨垫21所具有的研磨区域所需的压力控制信号。
62.参见图4和图6，通信单元4可以接收并向化学机械抛光设备发送压力控制信号，化学机械抛光设备所包括的压力调节组件在压力控制信号的控制下，调节与待研磨区域相对的研磨区域的压力，以使研磨垫21所具有的至少两个研磨区域的硬度不同。
63.本发明实施例还提供一种化学机械抛光方法，该化学机械抛光方法包括：
64.参见图4和图6，可以利用处理单元5确定晶圆3的待研磨区域，以及与待研磨区域相对应的研磨垫21所具有的研磨区域所需的压力控制信号。处理单元5将上述压力控制信号发送至通信单元4。
65.参见图3和图6，通信单元4向化学机械抛光设备所包括的压力调节组件22提供压力控制信号，压力调节组件22在压力控制信号的控制下，调节与待研磨区域相对的研磨区域的压力，以使研磨垫21所具有的至少两个研磨区域的硬度不同。
66.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
67.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。