研磨液分配臂及其化学机械研磨方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种研磨液分配臂及其化学机械研磨方法。

背景技术：

在晶圆制造中，随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻技术对晶圆表面的平坦程度的要求越来越高，化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)技术得到了快速发展，被大量应用于半导体产业。化学机械研磨亦称为化学机械抛光，是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。

随着化学机械研磨的广泛应用和制造工艺的开发，在半导体制造中，需要对基材先后进行铜的化学电镀和铜的化学机械研磨。但是，在生产能力上，化学机械研磨的生产相比铜的化学电镀来说比较慢，因此，化学机械研磨已经成为制约半导体制造工艺产能的一个瓶颈。

为提高化学机械研磨的生产能力，可考虑改进半导体化学机械研磨设备：扩大研磨盘的面积或者增加研磨头的数量。研磨盘越来越大，可以在研磨盘上研磨的研磨头也越来越来越多，使得相应的重要耗材---研磨液的使用量也越来越大，随之而来的，研磨过程的清洗要求也越来越高。

因此，如何提高晶圆在研磨过程中的清洗能力是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能提高化学机械研磨清洗能力的装置或方法，以减少研磨时的冲洗时间，进提高化学机械研磨的生产能力。

为了达到上述目的，本发明提供了一种研磨液分配臂，所述研磨液分配臂向研磨盘提供研磨液和清洗液，研磨液分配臂内设有研磨液输送管道，所述研磨液分配臂的一端设有与研磨液输送管道相连的研磨液输送管头，所述研磨液分配臂中还设有一具有多个喷嘴的清洗液输送管道，所述清洗液经由多个所述喷嘴沿所述研磨盘旋转方向的反向倾斜向下喷射到所述研磨盘上。

可选的，所述清洗液经由多个所述喷嘴沿所述研磨盘旋转方向的反向倾斜20-70度角向下喷射到所述研磨盘上。

可选的，所述研磨液输送管头上设有多个研磨液喷射口。

可选的，所述研磨液输送管道为塑料材质输送管道。

可选的，所述多个喷嘴均匀分布在所述研磨液分配臂的底部。

可选的，所述多个喷嘴位于所述研磨盘的盘面上方10-20mm处。

可选的，所述研磨液分配臂还包括设置在所述喷嘴上方的挡板。

可选的，所述清洗液输送管道的管径为4-5英分。

可选的，所述研磨液分配臂的另一端与一驱动装置相连，所述驱动装置带动所述研磨液分配臂转动。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种化学机械研磨方法，包括：

提供晶圆；

向所述晶圆的表面上输送研磨液，并进行研磨；

逆向倾斜向下冲洗所述晶圆。

可选的，所述方法还包括：停止输送研磨液，继续研磨以去除所述晶圆上的缺陷及剩余研磨液。

在本发明的研磨液分配臂中，清洗液经由多个喷嘴沿研磨盘旋转方向的反向倾斜向下喷射到研磨盘上；本发明的化学机械研磨方法中采用逆向倾斜向下冲洗晶圆。与现有技术相比，本发明把化学机械研磨中的垂直喷水冲洗改为逆向倾斜向下冲洗，提高了化学机械研磨时的清洗能力，减少了化学机械研磨的清洗时间，提高了化学机械研磨的产能；随着清洗能力与清洗效率的提高，能及时有效地清除研磨残留物，可防止研磨盘上的研磨残留物对后续研磨的影响，减少后续研磨的缺陷。

此外，研磨液输送管头下分出多个研磨液喷射口，且多个清洗液喷嘴均匀分布在研磨液分配臂的底部，可保证研磨液和清洗液分布地比较均匀，也能减少产品缺陷；在本发明的化学机械研磨方法中，最后需要停止输送研磨液，及时清洗之后再研磨，可进一步减少产品缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例研磨液分配臂的侧视图；

图2为本发明实施例研磨液分配臂的主视图；

图3为本发明实施例研磨液分配臂的下视图；

图4为本发明实施例化学机械研磨方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

化学研磨机台(如AMAT LK机台)包括研磨盘、研磨头以及研磨液分配臂，在研磨盘和研磨头进行晶圆研磨的同时，通过设置在研磨液分配臂内的研磨液输送管道及与研磨液输送管道相连接的研磨液输送管头向研磨盘输送研磨液，以辅助研磨；同时，通过设置在研磨液分配臂内的清洗液输送管道及与清洗液输送管道相连的喷嘴向研磨盘输送清洗液，及时清除研磨残留物，减少晶圆在研磨过程中产生的缺陷。

发明人研究发现：利用现有的化学研磨机台在铜的化学机械研磨制程中，每小时的晶圆出片量(WPH)一直偏低，而很大一部分原因就是研磨后的清洗能力不足，而如果减少清洗时间，会造成清洗不干净，引起产品缺陷，因此，必须延长清洗时间，从而降低了化学机械研磨的产能。

基于此，本发明从研磨液分配臂的喷水角度、研磨液分配臂离研磨盘的高度、喷嘴的数量与分布、喷嘴的口径等角度出发，提出了一种能有效提高清洗能力的研磨液分配臂及化学机械研磨方法。

如图1所示，并结合图2和图3，本发明提供了一种研磨液分配臂，能向研磨盘提供研磨液和清洗液，其内设有研磨液输送管道(图中未画出)，研磨液分配臂的一端设有与研磨液输送管道相连的研磨液输送管头(图中未画出)，研磨液通过研磨液输送管头喷射到研磨盘上，以满足晶圆的研磨需求；研磨液分配臂中还设有一具有多个喷嘴A的清洗液输送管道1，清洗液经由多个喷嘴A沿研磨盘旋转方向的反向倾斜向下喷射到研磨盘上，对研磨后的研磨盘和晶圆进行冲洗。

可选的，研磨液输送管头上设有多个研磨液喷射口。可选的，研磨液输送管头具有彼此垂直连接的第一连接管部和第二连接管部，以构成T形，第一连接管部的一端与研磨液输送管道相连接，第二连接管部上开设有数个研磨液喷射口，数个研磨液喷射口在第二连接管部上均匀分布。

可选的，研磨液输送管道为塑料材质输送管道。化学机械研磨的研磨液一般由氧化剂、氧化金属溶解剂、保护膜形成剂、水溶性聚合物和去离子水等复杂物质构成，各种化学试剂对金属材料的腐蚀较大，故研磨液易被金属材料污染，进而影响研磨效果，故研磨液输送管道多采用塑料等非金属材质。

可选的，研磨液分配臂的另一端与一驱动装置相连，所述驱动装置带动研磨液分配臂转动。

考虑到传统研磨液分配臂采用垂直喷水方式清洗研磨盘，其清洗能力有限，本发明实施例提出一种逆向喷洗的研磨液分配臂。如图1所示，研磨液分配臂中设有一具有多个喷嘴A的清洗液输送管道1，清洗液经由多个喷嘴A沿研磨盘旋转方向的反向倾斜向下喷射到研磨盘上。相较于传统研磨液分配臂的垂直喷水，本发明实施例采用逆向喷水清洗，有效地提高了清洗能力。

可选的，清洗液输送管道1中的清洗液经由多个喷嘴A沿研磨盘旋转方向的反向倾斜45度角向下喷射到研磨盘上，此时，对残余研磨液的冲洗能力强。此外，倾斜角度也不一定要局限为45°，还可以是其它角度，如在20°至70°范围内选取30°、40°、50°或60°等，可视情况作调整。

可选的，多个喷嘴A均匀分布在研磨液分配臂的底部。如图2和图3所示，9个喷嘴A均匀密布在研磨液分配臂的底部。多个喷嘴A均匀分布，清洗液在整个研磨盘的盘面上分布比较均匀，清洗能力均匀，可有效减少因研磨盘清洗不干净不均匀而引起的后续研磨时的杂乱刮痕；多个喷嘴A分布在研磨液分配臂的底部，喷嘴距离研磨盘的盘面比较近，进一步加强了清洗液对研磨盘的冲洗能力。

可选的，多个喷嘴A位于研磨盘的盘面上方10-20mm处。传统的研磨液分配臂的喷嘴喷水高度(喷嘴距离研磨盘的盘面高度)为40mm，本发明实施例将喷嘴A与研磨盘的盘面距离减小到10-20mm，可有效增强清洗液对研磨残留物的清洗。

其中，喷嘴A与研磨盘的盘面距离可为14mm、16mm或18mm等，可根据实际工艺需要略作调整。

可选的，为进一步增强清洗液对研磨盘的清洗能力，考虑增加清洗液输送管道1的管径和喷嘴A的口径。现有研磨液分配臂的喷水管径为3英分，本发明实施例中将清洗液输送管道1的管径设为4-5英分，可根据需要适当调整管径，如2英分或3英分等；同时，相应地调整喷嘴A的口径。适当增大清洗液输送管道1的管径和喷嘴A的口径，能增加单位时间内清洗液的喷量，增强对研磨盘的清洗能力。

可选的，研磨液分配臂还包括一设置在喷嘴A上方的挡板(雨中未画出)。考虑到本发明实施例中喷嘴A的喷洗角度为逆向45°，清洗液容易溅洒出研磨盘的盘面之外，影响清洗效果和研磨作业的环境，本发明实施例在研磨液分配臂的清洗液喷嘴A的上方设有一挡板，以防止清洗液的大面积溅射、喷洗，能对研磨盘上固定面积的盘面进行喷洗，一定程度上增强了被清洗的盘面区域的清洗效果。

为配合上述研磨液分配臂的使用，本发明实施例还提供了一种化学机械研磨方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1、提供晶圆；

S2、向所述晶圆的表面上输送研磨液，并进行研磨；

S3、逆向倾斜向下冲洗所述晶圆。

可选的，所述方法还包括步骤S4：停止输送研磨液，继续研磨以去除所述晶圆上的缺陷及剩余研磨液。

在步骤S3中，逆向(如逆向45°)冲洗晶圆，能提高晶圆的化学机械研磨产能；在步骤S4中，在经过步骤S2-S3的研磨清洗之后，再次研磨，二次研磨采用低压力研磨，低压二次研磨不仅能够去除晶圆经上次研磨清洗后残留的缺陷(如残留的多晶硅)，还可解决研磨液残留的问题，彻底的清洗晶圆，提高晶圆的良率。

实际生产作业证明，从研磨液分配臂的喷水角度、研磨液分配臂离研磨盘的高度、喷嘴的数量与分布、清洗液输送管道的管径/喷嘴的口径等角度出发调整研磨液分配臂的结构，如垂直冲洗改为逆向45°冲洗，喷水高度由40mm改为14mm，喷嘴个数由6个改为9个，增加清洗喷水管径、喷水量由4-6升/分钟增加到9-12升/分钟，再进行化学机械研磨，增强了研磨液分臂的清洗能力，使得某个晶圆关于铜的化学机械研磨工艺(Cu CMP)的冲洗时间减少了12秒钟，产量由从原来的24片/秒钟提升到27片/秒钟，同时，还有效降低了晶圆的划伤缺陷。

综上所述，本发明实施例把化学机械研磨中的垂直喷水冲洗改为逆向反相倾斜向下冲洗，提高了化学机械研磨时的清洗能力，减少了化学机械研磨工艺的时间，提高了产能；随着清洗能力与清洗效率的提高，能及时清除研磨残留物，可防止研磨盘上的研磨残留物对后续研磨的影响，减少后续研磨的缺陷，提高了晶圆的良率。此外，调整研磨液分配臂离研磨盘的高度、喷嘴的数量及清洗液输送管道的管径/喷嘴的口径，能进一步增强清洗能力、提升产能；多个清洗液的喷嘴均匀分布在研磨液分配臂的底部，可保证清洗液分布地比较均匀，进而保证了清洗液对研磨残留物的清除比较均匀，能进一步减少后续因清洗不均匀、不到位而引起的产品研磨缺陷；在本发明实施例的化学机械研磨方法中，利用低压力的二次研磨能进一步去除晶圆的缺陷。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。