专利名称：化学机械研磨设备及使用该化学机械研磨设备的研磨方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术的领域，特别涉及一种化学机械研磨设备及使用该化学机械研磨设备的研磨方法。
背景技术：
随着半导体器件日益减小，由于多层互连或填充深度比较大的沉积过程带来晶片表面过大的起伏，引起光刻工艺聚焦困难，对线宽控制能力减弱，从而降低整个晶片上的线宽的一致性。由此，业界引入用于平坦化晶片的化学机械研磨技术，该化学机械研磨(CMP， Chemical Mechanical Planarization)技术以其全局平坦化优势快速发展，广泛应用于深槽填充的平面化、接触孔和过孔中的金属接头的平面化以及中间步骤包含的氧化层和金属间电介质层的平面化等众多领域。CMP工作原理为将晶片固定于一研磨头上，并使晶片表面朝下与一研磨垫接触， 通过晶片表面和研磨垫之间的相对运动使得晶片表面平坦化。在CMP过程中，上述的晶片表面和研磨垫之间供给有磨料，磨料通过晶片表面和研磨垫之间的相对转动，均勻分布在晶片表面和研磨垫之间的缝隙中，并和晶片表面欲除去的材料层发生化学反应而生成容易去除的材料，接着通过晶片表面和研磨垫相对运动产生的机械作用将晶片表面发生化学反应而生成的相对容易去除的材料除去。由于晶片表面高处的图形更容易和研磨垫接触而被除去，使得晶片表面高处的图形比低处的图形能够更快地被去除，达到整个晶片表面平坦化的效果。因此，该CMP技术能够精确并均勻地把晶片抛光为实际需要的厚度和平坦度，进而成为一种广泛应用的研磨技术。然而业界对于半导体器件结构高性能、低成本与高成品率的追求是不会间断的， 对其有直接影响的CMP技术也在不断地改进中。许多提高CMP效率与平坦度的设备与方法不断涌现。如下图1所示出的具有多个研磨垫结构的CMP设备。该CMP设备包括底座100与传送盘200。其中底座100上设置有晶片装卸载装置 110以及多个研磨站120a、120b和120c，而每个研磨站上均设置有对应的旋转台121，以及对应的研磨垫122位于旋转台121之上，以在旋转台121带动下旋转，而多个磨料供给装置 123分别设置于所述底座100上并能够向各自的研磨垫122供给磨料。多个研磨垫整理器 130 一端固定于底座100上，另一端为活动端用于调节研磨垫122上的磨料。传送盘200上形成有研磨头旋转装置230，研磨头210设置在研磨头旋转装置230上，且研磨头旋转装置 230控制研磨头210转动，通过研磨垫122和研磨头210之间的相对转动将晶片表面需要去除的材料层研磨掉。研磨过程为晶片首先被送入晶片装卸载装置110，并装载于所述研磨头210上， 晶片表面即含有材料层的表面朝下，然后通过研磨头旋转装置230将所述研磨头210置于所述研磨垫122上，同时磨料供给装置123向研磨垫122供给磨料，依靠研磨垫122和研磨头210 (所述晶片固定于研磨头210上)之间的相对转动，从而使所述晶片表面的材料被移除，实现对晶片表面的平坦化处理。通常，晶片的CMP研磨包含多次研磨步骤，故上述CMP设备设置有多个研磨垫。随着半导体器件的集成度越来越高，晶片的结构越来越小，使得需要研磨的晶片表面接近于微米级别。故在实际的CMP研磨过程中，研磨垫整理器130在调节研磨垫122 表面磨料的时候，容易与相对研磨垫转动的研磨头210发生碰撞，从而导致整个CMP设备停止运作，并且容易造成晶片表面的刮伤。如此使得上述研磨垫整理器130和研磨头210容易被损坏，同时降低了 CMP设备的研磨效率和机台的使用寿命，同时也因为刮伤现象降低了半导体器件结构的性能，从而影响了半导体器件结构的出厂效率。因此在晶片的研磨过程中，降低研磨垫整理器和研磨头发生碰撞的几率成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为了有效解决上述问题，本发明提出了一种化学机械研磨设备，包括研磨头，用于固定待研磨的晶片；旋转台和固定在所述旋转台表面的研磨垫，其中所述旋转台旋转所述研磨垫，使得所述研磨垫与所述研磨头之间相对运动，以对所述晶片进行研磨；磨料供给装置，用于供给磨料至所述研磨垫上；研磨垫整理器，用于调节供给至所述研磨垫上的所述磨料的分布；以及检测器，用于检测所述研磨垫整理器与所述研磨头之间的距离，以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。进一步地，所述检测器位于所述研磨垫整理器上。进一步地，所述化学机械研磨设备包括底座，且所述研磨垫整理器的一端固定在所述底座上，形成固定端，另一端绕着所述固定端转动，形成自由端，所述检测器设置于所述自由端上。进一步地，所述检测器在检测到所述研磨垫整理器和所述研磨头之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。进一步地，所述预定值为0.05英寸。进一步地，所述检测器电连接至控制器，所述控制器接收所述预警信号，并依据所述预警信号停止所述化学机械研磨设备的运行。进一步地，所述检测器为超声波检测器或电磁波检测器。根据本发明的另一方面，本发明还提供一种使用上述的化学机械研磨设备的研磨方法，所述方法包括下列步骤提供待研磨的晶片；采用所述研磨头固定所述晶片；将所述研磨头移动至所述研磨垫上，所述旋转台旋转所述研磨垫，使得所述研磨垫与所述研磨头之间相对运动，以对所述晶片进行研磨；采用所述磨料供给装置向所述研磨垫上供给磨料；采用所述研磨垫整理器调节供给至所述研磨垫上的所述磨料的分布，以及
采用所述检测器检测所述研磨垫整理器与所述研磨头之间的距离，以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。进一步地，当所述检测器检测到所述研磨垫整理器和所述研磨头之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。进一步地，通过与所述检测器电连接的控制器接收所述预警信号，并依据所述预警信号停止所述化学机械研磨设备的运行。本发明中的化学机械研磨设备在晶片研磨过程中能够降低研磨垫整理器和研磨头发生碰撞的几率，提高研磨头及研磨垫整理器的使用寿命，同时提高了 CMP设备的使用寿命。另外使用本发明的化学机械研磨设备不会出现由于研磨垫整理器和研磨头碰撞导致的晶片表面刮伤的现象，从而可以提高晶片的出厂效率。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1是现有技术中的化学机械研磨设备的结构示意图；图2A和图2B是本发明的实施例中的化学机械研磨设备的俯视图；图3是使用本发明的实施例中的化学机械研磨设备的研磨方法的流程图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。本发明提供一种化学机械研磨设备，该设备增加可检测所述研磨头与所述研磨垫整理器之间距离的检测器，当检测到上述距离小于预定值时，发出预警信号以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。本发明实施例中的化学机械研磨设备能够有效地防止研磨垫整理器和研磨头的碰撞，有效地保护化学机械研磨设备的正常运转。参考图2A所示，图2A是本发明的实施例中的化学机械研磨设备310的俯视图。该 CMP设备310包括底座300与传送盘307。其中底座300上设置有晶片装卸载装置309以及至少一个研磨站。在每一个研磨站上设置有可以旋转的旋转台，该旋转台上固定有研磨垫302，研磨垫302在旋转台带动下绕着一个方向旋转。为了方便描述，图2A中只显示一个研磨站，相应地，图2A中对应该研磨站的其它部件也都显示一个，需要说明的是本发明中的研磨站和相应于该研磨站的各个部件可以不止一个。传送盘307上设置有至少一个可以旋转的研磨头旋转装置306，该研磨头旋转装置306在靠近研磨垫302的一端固定连接研磨头304，且研磨头304随着研磨头旋转装置 306的旋转而旋转，所述待研磨的晶片固定于所述研磨头304上，其中晶片需要研磨的表面朝向所述研磨垫302的方向。使旋转台上的研磨垫302与所述研磨头304之间相对运动 (包括同向或逆向旋转)，以对所述晶片进行研磨。在本实施例中，以一个研磨头旋转装置 306举例说明，本发明中不限制该研磨头旋转装置306的数量，可以依据实际的工艺需求设定。另外，安装于研磨头中的晶片的表面包括材料层或多层金属化互连结构中的介质和金属层。具体地，晶片装卸载装置309将所需要研磨的第一晶片303安装于所述研磨头304 上，且将需要研磨的晶片表面朝向研磨垫302(即背离研磨头304)。当CMP设备310运行时，研磨头旋转装置304将固定有第一晶片303的研磨头304向下压向所述研磨垫302，同时控制所述研磨头旋转装置304和旋转台旋转，如可以使研磨垫302和研磨头304相互同向旋转(同向旋转时，研磨垫302的旋转速率和研磨头304的旋转速率是不同的)或者使其相互逆向旋转，进而可以将第一晶片303表面的不平坦的材料层去除，在本实施例中，优选使用研磨垫302和研磨头304相互逆向旋转研磨第一晶片303的表面。另外，底座300上还设置有磨料供给装置305，该磨料供给装置305用于给研磨垫 302供给磨料，该磨料在研磨垫302和研磨头304的作用下，与第一晶片303表面的材料层反应，进而快速去除第一晶片303表面的材料层。此外，如图2A所示，底座上还设置有研磨垫整理器301，该研磨垫整理器301 —端固定在底座上(形成固定端)，另一端可以绕固定端转动(形成自由端)，该研磨垫整理器 301的自由端用于调节磨料供给装置305供给至研磨垫302上的磨料的分布，或可用以清除研磨垫302上多余的磨料，防止研磨垫302和研磨头304之间存在多余的磨料划伤第一晶片的表面，以使研磨垫和研磨头可以对第一晶片表面进行有效研磨。进一步地，该研磨垫整理器301还可用于将研磨垫302上面的磨料均勻分布。在本实施例中，该研磨垫整理器301上设置有检测器308，用于检测研磨垫整理器 301与研磨头304之间的距离，以防止研磨垫整理器301与研磨头304接触。优选地，检测器308设置在研磨垫整理器301的自由端上，检测器308随着研磨垫整理器301启动而启动。当检测器308检测到研磨垫整理器301与研磨头304之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。另外，该检测器308还可电连接于控制所述CMP设备310运行的控制器311。 当检测器308检测到研磨垫整理器301与研磨头304之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号，同时检测器308传送该预警信号至控制器311，控制器311接收所述预警信号，并执行该预警信号停止运行化学机械研磨设备310，即停止研磨垫302与研磨头304之间的相对运动。在实际的设备中，检测器308电连接于控制CMP设备310运行的控制器311内，且使研磨垫整理器301、研磨头304、研磨垫302位于相对比较密闭的空间，由此检测器308可以优选使用超声波检测器，如超声波测距仪，超声波雷达探测器等，其中控制所述CMP设备运行的控制器311可以是控制终端，如计算机或单片机等。此外，本实施例中的预定值可以为0. 05英寸，当检测到上述距离小于预定值0. 05英寸时，发出预警信号。当然，在其它的实施例中，预定值可以依据实际的化学机械研磨设备的要求而设定，本发明对此不限定。进一步地，检测器308可以是电磁波检测器，例如红外电磁探测仪。检测器308可为如带有显示装置的传感器，该传感器包括有发射装置、接收装置和显示器。当检测器308检测到上述研磨垫整理器301和研磨头304之间的距离小于等于预定值时，该发射装置发送信号至接收装置，该接收装置接收信号并通过显示器显示可以警报的信号/图像。优选地，图2A中所示的检测器308安装在研磨垫整理器301的自由端上。在实际的化学机械研磨设备中，检测器308还可以安装于研磨垫整理器301的其它位置、底座上、 研磨头侧边上或整个CMP设备310的其它位置，其能够实现检测研磨头304与研磨垫整理器301之间的距离即可。此外，本实施例中对检测器308的大小和形状不进行限制，只要能够安装在研磨垫整理器301的自由端上即可，例如检测器308的形状可以是矩形，其长宽可以是3_*6(^或如111*如111。一般情况下，检测器的斜对角线的长度优选小于15cm，检测器 308的重量优选在2千克以下。图2A中所示的化学机械研磨设备的使用可以为首先通过该晶片装卸载装置309 将第一晶片303装载于研磨头304上，并且将该第一晶片303中待研磨的表面背离研磨头 304固定，然后通过研磨头旋转装置306将所述研磨头304压向于所述研磨垫302上，即第一晶片303与研磨垫302接触，同时磨料供给装置305向研磨垫302供给磨料，依靠研磨垫 302和研磨头304(所述第一晶片303固定于与研磨头304上)之间的相对转动将第一晶片303的表面进行研磨。此外，在附加有磨料的研磨垫302、研磨头304对第一晶片303的表面进行研磨的过程中，需要采用研磨垫整理器301对研磨垫302表面的磨料进行清扫，使该磨料均勻分布于研磨垫表面，或去除不需要的磨料。当研磨垫整理器301启动时，检测器 308随之启动以检测研磨头304与研磨垫整理器301之间的距离，进而可以有效防止研磨头 304与研磨垫整理器301发生碰撞。参考图2B所示，图2B是本发明的另一实施例中的化学机械研磨设备的俯视图。 CMP设备320包括呈圆形对称分布的三个研磨站，该三个研磨站彼此以一定间距相邻，如图 2B中所示出的第一研磨站、第二研磨站和第三研磨站，相应地，每一个研磨站上设置有对应的旋转台、研磨垫、磨料供给装置、研磨垫整理器、检测器、研磨头旋转装置和研磨头等。上述的检测器分别设置在每一个研磨站相配合的研磨垫整理器的自由端上(如分别相对应第一研磨站、第二研磨站和第三研磨站的检测器可包括第一检测器，第二检测器和第三检测器)，在图2B所示的化学机械研磨设备中，该第一检测器独立地检测第一研磨站上的研磨垫整理器与对应该研磨垫整理器的研磨头之间的距离，第二检测器独立地检测第二研磨站上的研磨垫整理器与对应该研磨垫整理器的研磨头之间的距离，以及第三检测器独立地检测第三研磨站上研磨垫整理器与对应该研磨垫整理器的研磨头之间的距离。图2B中的第一检测器，第二检测器和第三检测器分别包含有相对应的独立的显示器，如第一显示器， 第二显示器和第三显示器。第一显示器，第二显示器和第三显示器分别用于实时显示其对应的第一检测器，第二检测器和第三检测器检测的信号/图像。当某一检测器检测到的所述信号/图像小于等于预定值(该处的预定值为对应该信号/图像的预定值)时，其对应的显示器显示警报。当然，该三个检测器可以共用一个显示器，对应每一个检测器有一个独立的显示区域(图未示出)，或者将该三个检测器相互独立地电连接至控制CMP设备320运行的控制器中，当任何一个检测器检测到的距离小于预定值时，可以发送信号至控制器，该控制器依据所述信号停止所述CMP设备320的运行。另外，该CMP设备320可以依次通过第一研磨站、第二研磨站和第三研磨站轮流对第一晶片进行研磨，如，利用第一研磨站，对第一晶片的材料层进行第一研磨步骤的研磨， 接着利用第二研磨站进行第二研磨步骤，以及在第二研磨步骤之后对上述的第一晶片再由第三研磨站继续第三研磨步骤。该第一研磨步骤、第二研磨步骤和第三研磨步骤的速率、磨料的分布可以自行设定，相应地每一个研磨步骤中的检测器均是相互独立的工作，其相互之间不会产生干扰现象。当然，上述CMP设备320还可以是第一研磨站、第二研磨站和第三研磨站分别对三个不同的晶片同时进行研磨。所述该第一研磨站、第二研磨站和第三研磨站的研磨速率、磨料的分布也可以相同或不同，以及对应第一研磨站、第二研磨站和第三研
7磨站的检测器也可以设置为不同的检测设备，但是需要保证的是各个检测器的工作是相互独立的，且不产生干扰现象。此外，在实际的CMP设备中，各研磨站的间距可以小于0. 1毫米。优选地，CMP设备中的研磨垫和研磨头之间的磨料可以含有矾土成分或者含有硅石等研磨剂成分，以及在研磨垫和研磨头之间可采用的压力大约为1至6磅/平方英尺 (psi) ο在实际的CMP设备研磨第一晶片的过程中，可以通过终点检测、电机电流检测或光学终点检测对所述第一晶片的厚度进行时时检测，当该第一晶片的厚度达到设定值时， 停止研磨。在本实施例中的研磨头旋转装置可以采用马达控制。参考图3所示，图3所示为使用上述实施例中的化学机械研磨设备的研磨方法的流程图，其步骤包括步骤401 提供待研磨的晶片；步骤402 采用所述研磨头固定所述晶片；步骤403 将所述研磨头移动至所述研磨垫上，所述旋转台旋转所述研磨垫，使得所述研磨垫与所述研磨头之间相对运动，以对所述晶片进行研磨；步骤404 采用所述磨料供给装置向所述研磨垫上供给磨料，采用所述研磨垫整理器调节供给至所述研磨垫上的所述磨料的分布；以及步骤405 采用所述检测器检测所述研磨垫整理器与所述研磨头之间的距离，以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。当所述检测器检测到所述研磨垫整理器和所述研磨头之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。进一步地，通过与所述检测器电连接的控制器接收所述预警信号，并依据所述预警信号停止所述化学机械研磨设备的运行。此外，需要说明的是，以上步骤不必严格按照所述顺序进行，其中有些步骤的顺序可以颠倒或者同时进行。例如，步骤403和步骤404可以颠倒进行，步骤404和步骤405可以同时进行等等。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备包括 研磨头，用于固定待研磨的晶片；旋转台和固定在所述旋转台表面的研磨垫，其中所述旋转台旋转所述研磨垫，使得所述研磨垫与所述研磨头之间相对运动，以对所述晶片进行研磨； 磨料供给装置，用于供给磨料至所述研磨垫上； 研磨垫整理器，用于调节供给至所述研磨垫上的所述磨料的分布；以及检测器，用于检测所述研磨垫整理器与所述研磨头之间的距离，以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述检测器位于所述研磨垫整理器上。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备包括底座，且所述研磨垫整理器的一端固定在所述底座上，形成固定端，另一端绕所述固定端转动，形成自由端，所述检测器设置于所述自由端上。
4.如权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述检测器在检测到所述研磨垫整理器和所述研磨头之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。
5.如权利要求4所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述预定值为0.05英寸。
6.如权利要求4所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述检测器电连接至控制器， 所述控制器接收所述预警信号，并依据所述预警信号停止所述化学机械研磨设备的运行。
7.如权利要求1至6中任一项所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述检测器为超声波检测器或电磁波检测器。
8.一种使用如权利要求1所述的化学机械研磨设备的研磨方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤提供待研磨的晶片； 采用所述研磨头固定所述晶片；将所述研磨头移动至所述研磨垫上，所述旋转台旋转所述研磨垫，使得所述研磨垫与所述研磨头之间相对运动，以对所述晶片进行研磨； 采用所述磨料供给装置向所述研磨垫上供给磨料； 采用所述研磨垫整理器调节供给至所述研磨垫上的所述磨料的分布，以及采用所述检测器检测所述研磨垫整理器与所述研磨头之间的距离，以防止所述研磨垫整理器与所述研磨头接触。
9.如权利要求8所述的研磨方法，其特征在于，当所述检测器检测到所述研磨垫整理器和所述研磨头之间的距离小于等于预定值时，发出预警信号。
10.如权利要求9所述的研磨方法，其特征在于，通过与所述检测器电连接的控制器接收所述预警信号，并依据所述预警信号停止所述化学机械研磨设备的运行。
全文摘要
本发明公开了一种化学机械研磨设备(CMP)及使用该CMP的研磨方法，其中CMP包括用于固定待研磨的晶片的研磨头；旋转台和固定在所述旋转台表面的研磨垫，所述旋转台旋转研磨垫使得研磨垫与研磨头之间相对运动，以对晶片进行研磨；用于供给磨料至研磨垫上的磨料供给装置；用于调节供给至研磨垫上的磨料的分布的研磨垫整理器；以及用于检测研磨垫整理器与研磨头之间的距离的检测器，以防止研磨垫整理器与研磨头接触。当检测到所述距离小于等于预定值时，所述检测器发出预警信号。本发明中的化学机械研磨设备在晶片研磨过程中能够降低研磨垫整理器和研磨头发生碰撞的几率，提高研磨头及研磨垫整理器的使用寿命，同时提高了CMP设备的使用寿命。
文档编号B24B37/00GK102310358SQ20101022822
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者李芳 , 江志琴 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司