专利名称：一种化学机械研磨方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是涉及一种化学机械研磨方法。
背景技术：
随着超大规模集成电路(Ultra Large Scale Intergration, ULSI)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，器件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积的元件数量不断增加，平面布线已难满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成
山/又ο但多层布线技术的应用会造成硅片表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，需要对不平坦的晶片表面进行平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polishing, CMP)是达成全局平坦化的最佳方法,尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub micron)领域后,化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。化学机械研磨法(CMP)是通过化学反应和机械研磨相结合的方式将半导体结构表面的材料层去除的一种平坦化方法。请参见图1，图I是一种现有的化学机械研磨装置。该装置包括外壳101,表面贴有研磨垫(polish pad)的转台(platen) 102,研磨头103a、103b和用于输送研磨液(slurry) 105的研磨液供应管104。研磨时，先将待研磨的晶圆吸附在研磨头103上，通过在研磨头103上施加压力，使晶圆紧压到研磨垫上；然后，表面贴有研磨垫的转台102在电机的带动下旋转，研磨头103也进行同向转动，实现机械研磨；同时,研磨液105通过研磨液供应管104输送到研磨垫上，并利用转台旋转的离心力均匀的分布在研磨垫上，在待研磨晶圆和研磨垫之间形成一层液体薄膜，该薄膜与待研磨晶圆的表面发生化学反应，生成易去除的产物，该产物再在机械研磨作用下被去除。研磨工艺一般需要分数个阶段进行，例如粗磨、细磨等。当完成一阶段的研磨进入下一阶段的研磨时，往往会使用一块新的研磨垫以方便研磨液的更换等步骤。为了简化工艺，工厂端在整个研磨工艺中使用的研磨垫往往具有同一规格的表面形状，同时出于机械控制上的原因，研磨头会在两块研磨垫上以相同的运动方式和运动路劲进行研磨，这种方式会对研磨效果带来一些负面影响，因为晶圆在一次研磨过程中，无可避免的会在晶圆表面某些区域出现研磨加强区，而某些区域则出现研磨减弱区，如果前后两次研磨使用的研磨垫表面形状相同，且晶圆在研磨垫上走过的路径也相同的话，则上述晶圆表面研磨被加强的区域再次被加强，容易产生过磨的现象，而上述晶圆表面研磨被减弱的区域依旧没有办法有效的研磨到，使这些地方研磨不充分。这些问题对研磨工艺来说是无法接受的
发明内容
·
有鉴于此，本发明提出一种化学机械研磨方法，可以实现在不同研磨垫上执行研磨所产生的研磨效果能够互补，即在第一研磨阶段造成的研磨加强区，在第二研磨阶段则形成研磨减弱区，在第一阶段造成的研磨减弱区，在第二阶段则形成研磨加强区。以此实现研磨量的平均分布，避免过磨或者研磨不足的现象出现。
根据上述目的提出的一种化学机械研磨方法，包括步骤
I)提供具有第一研磨垫和第二研磨垫的研磨设备，将待研磨的晶圆材料装载到研磨头上；
2)研磨头携带晶圆移动到第一研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触第一研磨垫表面；
3)在第一研磨垫和晶圆之间注入研磨液，旋转所述第一研磨垫和所述研磨头；
4)研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第一研磨路径进行来回的周期性移动，以完成第一阶段的研磨；
5)研磨头携带晶圆移动到第二研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触第二研磨垫表面；
6)在第二研磨垫和晶圆之间注入研磨液，旋转所述第二研磨垫和所述研磨头；
7)研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第二研磨路径进行来回的周期性移动，以完成第二阶段的 研磨。
可选的，所述第一研磨垫或者第二研磨垫的表面具有多条沟槽和凸岛，所述沟槽和凸岛以同心圆结构间隔排列。
可选的，所述第一研磨垫和第二研磨垫具有不同的表面结构，在所述第一研磨垫的表面为沟槽的区域，在所述第二研磨垫上则为凸岛；在所述第一研磨垫的表面为凸岛的区域，在所述第二研磨垫上则为沟槽。
可选的，所述第一研磨垫或者第二研磨垫的表面具有多条沟槽和凸岛，所述沟槽为以圆心向外发散性的条形沟槽，或者密布在研磨垫表面的圆孔型沟槽。
可选的，所述第一研磨路径或第二研磨路径在一个周期下的运动轨迹为直线摆动。
可选的，所述晶圆沿第一研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于凸岛上；所述晶圆沿第二研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于沟槽上。
可选的，所述晶圆沿第一研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于沟槽上；所述晶圆沿第二研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于凸岛上。
可选的，所述第一研磨路径或第二研磨路径在一个周期下的运动轨迹为直线摆动、圆周摆动、圆弧摆动、S形曲线摆动、矩形摆动或三角形摆动中的一个。
可选的，所述第一研磨路径的起点、运动轨迹或运动方向中的一个或多个与所述第二研磨路径的不同，使得晶圆在第一研磨垫上的第一研磨效果与第二研磨垫上的第二研磨效果具有互补的作用。
上述的化学机械研磨方法，通过改变第二研磨路径，与第一研磨路径不同，或者通过改变第二研磨垫上的表面结构，与第一研磨垫不同，来实现第一阶段研磨对晶圆表面造成第一研磨效果与第二阶段的研磨对晶圆表面造成第二研磨效果互补的作用，从而实现研磨量的平均分布，避免过磨或者研磨不足的现象出现。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是一种现有的化学机械研磨装置。图2是本发明的化学机械研磨方法的步骤流程图。。图3A-3B是一种现有的同心圆结构的研磨垫。图4是在圆心位于凸岛上时，晶圆各个位置上对应的研磨量的曲线图。图5是在圆心位于沟槽上时，晶圆各个位置上对应的研磨量的曲线图。 图6是晶圆的圆心处线速度随时间的变化曲线图。图7是两次研磨后，研磨效果的叠加示意图。图8是实施例二中两种不同表面结构的研磨垫对比图
具体实施例方式正如背景技术部分所述，现有的研磨工艺，由于在不同阶段使用的研磨垫具有相同的表面结构，且研磨时，研磨头携带晶圆在研磨垫表面走过相同的路径，使得晶圆表面研磨加强的区域被反复加强，容易产生过磨的现象，而晶圆表面研磨减弱的区域则始终没有办法进行有效的研磨，使这些地方研磨不充分。针对这一情况，本发明提出了一种化学机械研磨方法，该化学机械研磨方法通过两种改进方式，第一种是改进前后两块研磨垫上的研磨路径，比如改变第一研磨路径和第二研磨路径的起始点、运动轨迹或者运动方向中的一个或多个；第二种是改变两块研磨垫的表面结构，比如改变第一研磨垫和第二研磨垫表面沟槽和凸岛的位置，或者改变沟槽的形状和分布等。使得在研磨过程中，晶圆在前后两块研磨垫上产生的研磨量能被有效的互补，即在第一块研磨垫上被研磨加强的区域，在第二块研磨垫上则研磨减弱，而在第一块研磨垫上被研磨减弱的区域，则在第二块研磨垫上被研磨加强。如此一来，整个晶圆表面的研磨量更加均匀，也不会产生过磨和研磨不充分的问题。下面将结合附图，对本发明的具体实施方式
做详细说明。请参见图2，图2是本发明的化学机械研磨方法的步骤流程图。如图所示，该化学机械研磨方法包括步骤S10:提供具有第一研磨垫和第二研磨垫的研磨设备，将待研磨的晶圆材料装载到研磨头上。Sll :研磨头携带晶圆移动到第一研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触
第一研磨垫表面。S12 :在第一研磨垫和晶圆之间通入第一研磨液，旋转所述第一研磨垫和所述研磨头。S13:研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第一路径进行来回的周期性平移，以完成第一阶段的研磨。S14:研磨头携带晶圆移动到第二研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触第二研磨垫表面。
S15 :在第二研磨垫和晶圆之间通入第二研磨液，旋转所述第二研磨垫和所述研磨头。
S16:研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第二路径进行来回的周期性平移，以完成第二阶段的研磨。
所述第一阶段研磨对晶圆表面造成第一研磨效果，所述第一研磨效果为晶圆某些区域为研磨加强区，即该区域得到的研磨量比较大，某些区域为研磨减弱区，即该区域得到的研磨量比较小。所述第二阶段的研磨对晶圆表面造成第二研磨效果，所述第二研磨效果与第一研磨效果互补，即在第一研磨阶段造成的研磨加强区，在第二研磨阶段则形成研磨减弱区，在第一阶段造成的研磨减弱区，在第二阶段则形成研磨加强区。
所述第一研磨垫和第二研磨垫可以具有相同规格的表面结构，也可以具有不同规格的表面结构。
当第一研磨垫和第二研磨垫的表面结构相同时，所述第一路径与所述第二路径具有不同的起始点、运动轨迹或者运动方向中的一个或多个，并且这种不同导致了第二研磨效果和第一研磨效果互补的作用。
当第一研磨垫和第二研磨垫的表面结构不同时，所述第一路径与所述第二路径可以具有不同的起始点、运动轨迹或运动方向中的一个或多个，也可以具有相同的起始点、运动轨迹和运动方向。无论第一路径与第二路劲是否相同，其选择的目的都是使得产生的第二 研磨效果和第一研磨效果具有互补的作用。
下面，在以几个具体的实施方式对上述本发明的化学机械研磨方法做进一步的说明。
实施方式一
实施例一是采用相同的研磨垫，不同的研磨路径对本发明的化学机械研磨方法进行说明，所采用的研磨垫为具有同心圆结构的研磨垫。
请参考图3A-3B，图3A-3B是一种现有的同心圆结构的研磨垫。如图所示，在研磨垫110表面，设有多条同心圆结构的沟槽111和凸岛112，所述沟槽111与凸岛112间隔的排列在研磨垫110上。通过这些沟槽111，可以改善研磨液在研磨垫110上的分布、新鲜研磨液在研磨区内的流动、用过的研磨液从研磨区流出的流动和流过研磨区而基本未被使用的研磨液的比重等。
具体地，以研磨8寸晶圆(直径约200mm)为例,通常研磨垫的直径大于500mm,此时，可以选取沟槽111的宽度为IOmm,凸岛112的宽度为20mm。
先考虑最简单的运动方式，假设研磨头120在研磨垫110上没有平移的运动，则此时所考虑的运动就是研磨头120的转动和研磨垫110的转动。此时当研磨头120携带晶圆 130在研磨垫上研磨时，晶圆的圆心会有两种情况
第一种情况是是圆心位于研磨垫的凸岛112上，则此时晶圆圆心处始终与研磨垫机械接触处于机械研磨状态然而，圆心处的研磨量为最大，视为100%的研磨。按研磨垫的径向方向往外，在离圆心半个凸岛的宽度处(假设圆心正好落在凸岛112的中间位置)，来到一个沟槽111所对应的位置，在沟槽111的上方是不会对晶圆有研磨作用的，因此在这个区域的晶圆研磨量为极小值。但是应该注意的是，此处研磨量并非为零，因为晶圆在研磨头的带动下自身有转动，同时研磨垫也在做转动，因此晶圆距离圆心半个凸岛宽度的地方是一会处于凸岛上、一会处于沟槽上交替变化的。考察晶圆上距离圆心半个凸岛宽度到一个沟槽宽度的圆环上的某一点的研磨量时，其计算方法应该为晶圆相对研磨垫转动一周，处于凸岛上的时间/处于沟槽上的时间 *100%。依次类推，可以计算出整个晶圆在径向方向上的研磨量曲线，参考图4,图4是在圆心位于凸岛上时，晶圆各个位置上对应的研磨量的曲线图。如图所示，其中横坐标是晶圆直径，纵坐标是研磨量。在晶圆圆心位置(即横坐标的O点位置)处的研磨量最大，而圆心两侧出现的第一研磨量极小值所对应的位置正好是研磨垫上沟槽出现的位置，然后按凸岛-沟槽-凸岛…的顺序依次出现研磨量极大值和极小值，且极大值和极小值依次振荡且逐步缩小第二种情况是晶圆的圆心位于沟槽111上，此时正好与上一种情况相反，晶圆的圆心始终没有被研磨到，其研磨量记为0%。请参考图5，图5是晶圆的圆心位于沟槽上时，晶圆各个位置上对应的研磨量曲线图。如图所示，其中横坐标是晶圆直径，纵坐标是研磨量。在晶圆圆心位置(即横坐标的O点位置)处的研磨量最小，而圆心两侧出现的第一研磨量极大值所对应的位置正好是研磨垫上凸岛出现的位置，然后按沟槽-凸岛-沟槽…的顺序依次出现研磨量极小值和极大值，且极小值和极大值依次振荡且逐步缩小。而当研磨头120携带晶圆130在研磨垫上还沿研磨垫的径向方向做来回的直线摆动时，研磨垫对晶圆的研磨量除了要考虑圆心在研磨垫上位置因素外，还需要考虑在某一时刻圆心处的线速度。如果圆心的线速度越大，则单位时间里产生的研磨量越大，反之，则研磨量越小。如图6所示，图6是晶圆的圆心处线速度随时间的变化曲线图。如图所示，其中横坐标是晶圆运动的时间，纵坐标是晶圆圆心处的现速度。假设研磨头携带晶圆做来回运动的周期为6秒，运动的最大位移是50mm。在60秒的时间内，研磨头携带着晶圆共做了 10次来回摆动。其线速度最大值出现在晶圆移动到研磨垫的最外侧时，而线速度的最小值则出现在晶圆移动到距离研磨垫圆心最近的地方。如果圆心的起始点是靠近研磨垫的圆心侧，且研磨方向是沿研磨垫径向往外。则根据研磨量和圆心线速度的关系，圆心越往外移动，它的线速度越大，研磨量就越大。因此判断一个周期后总体研磨量的大小，主要依赖圆心位于最外侧时，即摆动半个周期时的终点处，研磨垫的表面是凸岛还是沟槽。如果终点是凸岛，则整体研磨量与圆心只在在凸岛上研磨时的情况相似，即圆心处的研磨量最大，研磨量极大值和极小值依次振荡且逐步缩小。如果终点是沟槽，则整体研磨量与圆心只在在沟槽上研磨时的情况相似，即圆心处的研磨量最小，研磨量的极小值和极大值依次振荡且逐步缩小。如果圆心的起始点是远离研磨垫的圆心外侧，且研磨方向是沿研磨垫径向往里。则根据研磨量和圆心线速度的关系，圆心越往里移动，它的线速度越小，研磨量就越小。因此判断一个周期后总体研磨量的大小，主要依赖圆心位于最外侧时，即直线摆动起点处，研磨垫的表面是凸岛还是沟槽。如果起点是凸岛，则整体研磨量与圆心只在在凸岛上研磨时的情况相似，即圆心处的研磨量最大，研磨量极大值和极小值依次振荡且逐步缩小。如果起点是沟槽，则整体研磨量与圆心只在在沟槽上研磨时的情况相似，即圆心处的研磨量最小，研磨量的极小值和极大值依次振荡且逐步缩小。根据上述分析，当本实施例中的研磨垫运用到本发明的化学机械方法时，第一研磨垫上的第一研磨路径如果使得晶圆上第一研磨效果的分布呈现圆心处研磨量最大，研磨量极大值和极小值依次振荡且逐步缩小，即晶圆圆心处和研磨量极大值处是研磨加强区， 晶圆的研磨量极小值处是研磨减弱区时，则在第二研磨垫上的第二研磨路径选择使得晶圆上的第二研磨效果具有和第一研磨效果互补的方式进行，即圆心处研磨量最小，研磨极小值和极大值依次震荡且逐步缩小，如图7所示，图7是两次研磨后，研磨效果的叠加示意图。 其中实线表示第一研磨路径下产生的研磨量分布图，虚线表示第二研磨路径下产生的研磨量分布图，中间的实线表示两次研磨合成后的研磨量分布图。
具体的选择第二研磨路径的方式，可以根据起点和研磨方向的不同或者半周期后终点的位置不同等决定。
进一步的，研磨头携带晶圆在研磨垫上的研磨路径并非仅限于来回的直线摆动， 其一个周期下的运动轨迹也可以是圆周摆动、圆弧摆动、S形曲线摆动、矩形摆动、三角形摆动等等。此时，考虑晶圆的圆心处线速度的变化情况，还需加入研磨路径的轨迹方程作为其考量因素，具体的计算方法将不做展开，本领域技术人员可以根据数学的矢量合成方法计算出线速度的具体情况，然后根据研磨量的总体判断方法，在第一研磨路径和第二研磨路径的研磨轨迹上，按照本发明的主旨做出具体的选择。
实施方式二
实施例二是采用不同的两块研磨垫，相同或不同的研磨路径作出的一种化学机械研磨方法。该实施例二实质是实施例一的一种变形。即第一研磨垫210和第二研磨垫210’ 沟槽和凸岛的分布正好相反，在第一研磨垫210上是沟槽的位置，在第二研磨垫210’上恰好是凸岛，在第一研磨垫210上是凸岛的位置，在第二研磨垫210’上正好是沟槽。如图8 所示，图8是实施例二中两种不同表面结构的研磨垫对比图。这种情况下，即使不改变第一研磨路径和第二研磨路径的轨迹，所产生的研磨效果也能起到互补的作用。
进一步的，如果沟槽和凸岛的变化不仅有位置上的不同，还有宽度上的不同时，可以计算具体的研磨路径，采用不同的起点或者终点，或者研磨的具体轨迹不同，使得第二研磨效果与第一研磨效果形成互补的作用。
值得一提的是，除了上述同心圆结构的研磨垫外，其他规格的研磨垫，比如沟槽的形状是以圆心向外发散性的条形沟槽，或者密布在研磨垫表面的圆孔型沟槽，也可以根据本发明的主旨，得到具体的研磨路径的选择，使得第一研磨效果和第二研磨效果具有互补的作用。
另外，本发明中只列举了两块研磨垫的情况，在实际应用中，也有可能使用超过两块研磨垫的情况，这时，本发明的化学机械研磨方法则演变为每一块研磨垫产生的研磨效果，与其它所有研磨垫产生的研磨效果互补。
综上所述，本发明的化学机械研磨方法，在第一研磨垫和第二研磨垫上进行研磨时，由于研磨路径或者研磨垫表面结构的不同，使得前后两次研磨产生的研磨效果互补，即在第一研磨垫上研磨时，晶圆上研磨量加强的区域，在第二研磨垫上恰好处于研磨减弱区， 而在第一研磨垫上研磨时，晶圆上研磨量减弱的地方，在第一研磨垫上恰好处于研磨加强的区域。以此将前后两次研磨的研磨量平均化，使得晶圆表面即不会因研磨过度而造成器件损坏，也不会因研磨不充分而出现表面不均匀的现象。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱 离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种化学机械研磨方法，其特征在于所述化学机械研磨方法包括步骤 1)提供具有第一研磨垫和第二研磨垫的研磨设备，将待研磨的晶圆材料装载到研磨头上； 2)研磨头携带晶圆移动到第一研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触第一研磨垫表面； 3)在第一研磨垫和晶圆之间注入研磨液，旋转所述第一研磨垫和所述研磨头； 4)研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第一研磨路径进行来回的周期性移动，以完成第一阶段的研磨； 5)研磨头携带晶圆移动到第二研磨垫上，并向下施加压力，使得晶圆向下接触第二研磨垫表面； 6)在第二研磨垫和晶圆之间注入研磨液，旋转所述第二研磨垫和所述研磨头； 7)研磨头携带晶圆在转动的同时，在研磨垫表面沿第二研磨路径进行来回的周期性移动，以完成第二阶段的研磨。
2.如权利要求I所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨垫或者第二研磨垫的表面具有多条沟槽和凸岛，所述沟槽和凸岛以同心圆结构间隔排列。
3.如权利要求2所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨垫和第二研磨垫具有不同的表面结构，在所述第一研磨垫的表面为沟槽的区域，在所述第二研磨垫上则为凸岛；在所述第一研磨垫的表面为凸岛的区域，在所述第二研磨垫上则为沟槽。
4.如权利要求I所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨垫或者第二研磨垫的表面具有多条沟槽和凸岛，所述沟槽为以圆心向外发散性的条形沟槽，或者密布在研磨垫表面的圆孔型沟槽。
5.如权利要求I所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨路径或第二研磨路径在一个周期下的运动轨迹为直线摆动。
6.如权利要求5所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述晶圆沿第一研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于凸岛上；所述晶圆沿第二研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于沟槽上。
7.如权利要求5所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述晶圆沿第一研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于沟槽上；所述晶圆沿第二研磨路径到达研磨垫最外侧时，其圆心位于凸岛上。
8.如权利要求I所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨路径或第二研磨路径在一个周期下的运动轨迹为直线摆动、圆周摆动、圆弧摆动、S形曲线摆动、矩形摆动或三角形摆动中的一个。
9.如权利要求I所述的一种化学机械研磨方法，其特征在于所述第一研磨路径的起点、运动轨迹或运动方向中的一个或多个与所述第二研磨路径的不同，使得晶圆在第一研磨垫上的第一研磨效果与第二研磨垫上的第二研磨效果具有互补的作用。
全文摘要
一种化学机械研磨方法，该化学机械研磨方法是在两块研磨垫上分别执行不同阶段的研磨，其中通过该两块研磨垫的表面结构，或者改变不同阶段的研磨路径，使得第一阶段研磨对晶圆表面造成第一研磨效果与第二阶段的研磨对晶圆表面造成第二研磨效果互补，即在第一研磨阶段造成的研磨加强区，在第二研磨阶段则形成研磨减弱区，在第一阶段造成的研磨减弱区，在第二阶段则形成研磨加强区。以此实现研磨量的平均分布，避免过磨或者研磨不足的现象出现。
文档编号B24B37/04GK102922413SQ20111023174
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者张礼丽 申请人:无锡华润上华科技有限公司