研磨垫及其形成方法、研磨监测方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种研磨垫及其形成方法、研磨监测方法。

背景技术：

化学机械研磨(chemicalmechanicalpolish，cmp)是半导体器件制造过程中的一道重要制程，由化学机械研磨机台完成，主要用于晶圆表面的平坦化处理。研磨垫是在化学机械研磨过程中重要的工具之一。研磨垫在应用时需要被粘在化学机械研磨机台的研磨平台上，然后将研磨头压住晶圆在研磨垫上研磨。

在研磨过程中，研磨垫会有损耗。随着研磨垫的损耗程度增加，研磨速率下降，因此需要经常更换研磨垫以保持研磨速率的稳定性。为此，对研磨垫的损耗程度的监测非常必要，通过监测的信号来决定是否需要更换研磨垫。

然而，现有技术中对研磨垫损耗程度的监测使得研磨垫的有效利用率较低。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种研磨垫及其形成方法、研磨监测方法，使得研磨垫的有效利用率最大化。

为解决上述问题，本发明提供一种研磨垫，包括：研磨层，所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面，所述第四表面用于研磨待研磨面；阻挡层，嵌在研磨层内，所述阻挡层与第四表面之间的距离大于零，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。

可选的，所述阻挡层相对于待研磨面的摩擦系数大于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层相对于待研磨面的摩擦系数小于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层的反射率大于研磨层的反射率；或者所述阻挡层的反射率小于研磨层的反射率。

可选的，所述阻挡层的硬度小于所述研磨层的硬度。

可选的，所述阻挡层的材料为聚甲醛。

可选的，所述阻挡层表面与第四表面之间的距离中具有最小距离，所述最小距离为0.8um～1mm。

可选的，所述研磨层中具有凹槽，所述凹槽分布于阻挡层之间。

可选的，所述凹槽的底部表面与第四表面之间的距离大于所述最小距离。

可选的，所述研磨层由聚氨酯树脂构成。

可选的，所述研磨层内具有多个孔洞。

可选的，还包括基质层，所述基质层具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面和第三表面接触。

可选的，还包括粘接层，所述粘结层与第一表面接触。

本发明还提供一种研磨垫的形成方法，包括：形成研磨层，所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面，所述第四表面用于研磨待研磨面；在形成研磨层的过程中形成阻挡层，所述阻挡层嵌在研磨层内，所述阻挡层与第四表面之间的距离大于零，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。

可选的，形成研磨层和阻挡层的工艺为：提供基质层；提供阻挡材料层，所述阻挡材料层中具有多个分立的开口；将阻挡材料层置于基质层上，所述开口朝向基质层；将阻挡材料层置于基质层上后，在所述开口中形成第二研磨材料层；去除高于第二研磨材料层顶部表面的阻挡材料层，形成阻挡层；在第二研磨材料层和阻挡层的顶部表面形成第三研磨材料层，第三研磨材料层和第二研磨材料层构成研磨层，所述第四表面对应第三研磨材料层的顶部表面。

可选的，还包括：在基质层上形成第一研磨材料层；将阻挡材料层置于基质层和第一研磨材料层上，所述开口朝向基质层和第一研磨材料层；第一研磨材料层、第二研磨材料层和第三研磨材料层构成研磨层。

可选的，还包括：对所述研磨层进行表面处理，在研磨层中形成多个孔洞。

可选的，还包括：在研磨层中形成凹槽，所述凹槽位于阻挡层之间。

可选的，所述阻挡层相对于待研磨面的摩擦系数大于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层相对于待研磨面的摩擦系数小于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层的反射率大于研磨层的反射率；或者所述阻挡层的反射率小于研磨层的反射率。

本发明还提供一种采用上述研磨垫进行研磨监测的方法，包括：采用研磨垫进行研磨，研磨过程包括依次进行的第一研磨阶段和第二研磨阶段，第一研磨阶段未暴露出阻挡层，第二研磨阶段暴露出阻挡层；获取研磨垫表面的特征信息，所述特征信息适于判断研磨过程处于第一研磨阶段或是处于第二研磨阶段；当特征信息的变化量大于阈值时，判断研磨过程由第一研磨阶段进入第二研磨阶段；第一研磨阶段进入第二研磨阶段后，研磨停止并更换研磨垫。

可选的，获取所述特征信息的方法为：获取研磨垫表面的摩擦系数。

可选的，获取所述特征信息的方法为：获取研磨垫表面的反射率。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的研磨垫包括嵌在研磨层内的阻挡层，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。由于阻挡层的特征信息和研磨层的特征信息具有差异，使得在利用研磨垫进行研磨的过程中，当研磨至暴露出阻挡层时，研磨垫表面的特征信息会发生显著的改变，因此能够根据研磨垫表面的特征信息的变化量识别研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断研磨垫的损耗程度。若研磨过程暴露出阻挡层，达到研磨垫的损耗极限，判断需要更换研磨垫。避免了研磨垫使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

本发明提供的研磨垫的形成方法，形成了研磨层和嵌在研磨层内的阻挡层，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。由于阻挡层的特征信息和研磨层的特征信息具有差异，使得在利用研磨垫进行研磨的过程中，当研磨至暴露出阻挡层时，研磨垫表面的特征信息会发生显著的改变，因此能够根据研磨垫表面的特征信息的变化量识别研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断研 磨垫的损耗程度。若研磨过程暴露出阻挡层，达到研磨垫的损耗极限，判断需要更换研磨垫。避免研磨垫使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

本发明提供的研磨监测方法，根据研磨垫表面的特征信息的改变量判断研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断是否需要更换研磨垫，使得在研磨监测过程中利用研磨垫实现研磨过程的自身控制，能够准确监测研磨垫的使用情况。避免了研磨垫的使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

附图说明

图1是一实施例中研磨垫的结构示意图；

图2至图10是本发明一实施例中研磨垫形成过程的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中研磨垫的有效利用率较低。

在一个实施例中，研磨垫的损耗程度根据以下方式判断：(1)根据研磨垫的使用时间判断研磨垫的损耗程度；(2)根据使用研磨垫研磨的晶圆个数判断研磨垫的损耗程度；(3)根据研磨垫的使用时间和使用研磨垫研磨的晶圆个数中的先达到者判断研磨垫的损耗程度。

相应的，研磨垫，参考图1，包括：粘结层100；基质层110，位于粘结层100上；研磨层120，位于基质层110上。

研究发现，上述实施例中研磨垫的有效利用率低的原因在于：

对研磨垫的损耗程度的监测主要依靠监测研磨垫的使用时间、研磨垫研磨的晶圆个数、或者研磨垫的使用时间和研磨垫研磨的晶圆个数中的先到达者。在不同研磨工艺中研磨参数不相同，使得不同研磨工艺对研磨垫的损耗速率不同。因此研磨垫的使用时间和研磨垫研磨的晶圆个数均不能准确反映研磨垫损耗情况，会出现研磨垫使用不充分或者研磨垫的使用超过研磨垫的 使用极限的情况。若研磨垫使用不充分，会造成研磨垫的浪费；若研磨垫的使用超过研磨垫的使用极限，会造成对所研磨的晶圆的损坏。从而使得研磨垫的有效利用率较低。

另外，对研磨垫的损耗程度的监测受限于研磨垫的结构，不能结合研磨垫自身的特征信息来有效监测研磨垫的使用情况。具体的，在利用研磨层进行研磨过程中，研磨垫表面的特征信息基本不变，不能根据研磨垫表面的特征信息识别研磨层的消耗程度。当研磨层消耗完，会暴露出基质层，而基质层会损坏所对应研磨的晶圆，得知晶圆损坏后，才能判断研磨层已经消耗完。

在此基础上，本发明提供一种研磨垫的形成方法，包括：形成研磨层，所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面，所述第四表面用于研磨待研磨面；在形成研磨层的过程中形成阻挡层，所述阻挡层嵌在研磨层内，所述阻挡层与第四表面之间的距离大于零，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。由于所述研磨垫具有阻挡层，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号，使得对研磨垫的有效利用率最大化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2至图10是本发明一实施例中研磨垫形成过程的结构示意图。

参考图2，提供基质层201。

所述基质层201为后续形成研磨层提供支撑作用。

所述基质层201具有相对的第一表面和第二表面。

所述基质层201的材料可以为pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。

本实施例中，还形成有粘结层200，所述粘结层200与第一表面接触。

所述粘结层200适于将研磨垫粘附在研磨平台上。

接着，在基质层201上形成研磨层和嵌在研磨层内的阻挡层，所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面，所述第四表面用于研磨待研磨面，所述阻挡层与第四表面之间的距离大于零，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。

下面具体介绍形成研磨层和阻挡层的工艺。

参考图3，提供阻挡材料层210，所述阻挡材料层210中具有多个分立的开口211。

采用注塑成型工艺形成具有开口211的阻挡材料层210。

所述阻挡材料层210的材料可以为聚甲醛。

由于开口211之间的阻挡材料层210后续构成阻挡层，故开口211的形状定义出后续阻挡层的形状。本实施例中，以开口211的剖面形状为矩形为示例进行说明。在其它实施例中，开口的剖面形状可以呈不规则的形状。

参考图4，将阻挡材料层210置于基质层201上，所述开口211朝向基质层201。

具体的，将阻挡材料层210置于基质层201的第二表面上，开口211朝向第二表面。

可以在基质层201的第二表面涂覆粘结材料层，然后将阻挡材料层210置于基质层201的第二表面上，使得阻挡材料层210能够固定在基质层201上，使得在后续形成第二研磨材料层220的过程中，阻挡材料层210不会相对基质层201移动。

在后续形成第二研磨材料层220的过程中，也可以在基质层201和阻挡材料层210之间施加外力，从而使得阻挡材料层210不会相对基质层201移动。

参考图5，将阻挡材料层210置于基质层201上后，在所述开口211(参考图4)中形成第二研磨材料层220。

第二研磨材料层220的材料可以为聚氨酯树脂。

形成第二研磨材料层220的工艺为涂覆工艺，具体的，提供第二研磨初始材料，将第二研磨初始材料加热使第二研磨初始材料融化；将融化后的第二研磨初始材料注入开口211中，将开口211填充满；第二研磨初始材料填充满开口211后，固化第二研磨初始材料；固化第二研磨初始材料后，去除开口211以外的第二研磨初始材料，从而在开口211中形成第二研磨材料层 220。

将融化后的第二研磨初始材料注入开口211中后，第二研磨初始材料与基质层201表面充分接触，使得第二研磨初始材料固化后与基质层201之间的粘附力较强。

参考图6，形成第二研磨材料层220后，去除高于第二研磨材料层220顶部表面的阻挡材料层210(参考图5)，形成阻挡层212。

去除高于第二研磨材料层220顶部表面的阻挡材料层210的工艺为切削工艺，或者对高于第二研磨材料层220顶部表面的阻挡材料层210进行切削后对第二研磨材料层220和阻挡层212的表面进行打磨。通过对第二研磨材料层220和阻挡层212的表面进行打磨，使得第二研磨材料层220和阻挡层212的表面光滑，利于后续形成第三研磨材料层。

所述阻挡层212的材料可以为聚甲醛。

所述阻挡层212位于第二研磨材料层220中。

参考图7，在第二研磨材料层220和阻挡层212的顶部表面形成第三研磨材料层230，第三研磨材料层230和第二研磨材料层220构成研磨层，所述第四表面对应第三研磨材料层的顶部表面。

第三研磨材料层230的材料可以为聚氨酯树脂。

形成第三研磨材料层230的工艺可以为涂覆工艺。

本实施例中，还可以包括：在基质层201上形成第一研磨材料层(未图示)；将阻挡材料层210置于基质层201和第一研磨材料层上，所述开口211朝向基质层201和第一研磨材料层；第一研磨材料层、第二研磨材料层220和第三研磨材料层230构成研磨层。

具体的，在基质层201的第二表面上形成第一研磨材料层，然后将阻挡材料层210置于基质层201和第一研磨材料层上，开口211朝向第一研磨材料层和基质层201；形成第三研磨材料层230后，第一研磨材料层、第二研磨材料层220和第三研磨材料层230构成研磨层。

当形成第一研磨材料层时，将融化后的第二研磨初始材料注入开口211 中后，第二研磨初始材料与第一研磨材料层表面充分接触，使得第二研磨初始材料固化后与第一研磨材料层之间的粘附力较强。

所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面。

第三表面和所述第二表面接触。

所述第四表面对应第三研磨材料层230的顶部表面，所述第四表面用于研磨待研磨面。

当没有形成第一研磨材料层时，第三表面对应第二研磨材料层的底部表面；当形成第一研磨材料层时，第三表面对应第一研磨材料层的底部表面。

需要说明的是，所述阻挡层212相对于待研磨面的摩擦系数大于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层212相对于待研磨面的摩擦系数小于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层212的反射率大于研磨层的反射率；或者所述阻挡层212的反射率小于研磨层的反射率。

所述阻挡层212的硬度小于所述研磨层的硬度，使得当采用研磨垫进行研磨直至暴露出阻挡层212时，阻挡层212不会对所研磨的晶圆造成损坏。

所述阻挡层212表面与第四表面之间的距离中具有最小距离，所述最小距离为0.8um～1mm。所述最小距离的范围选择0.8um～1mm的意义为：若所述最小距离过小，导致研磨层可使用的厚度较小；若所述最小距离过大，需要形成较厚的第三研磨材料层230，若第三研磨材料层230较厚，需要利用研磨垫进行研磨的时间增加，随着使用时间的增加，研磨副产物容易积累较多，进而导致被研磨的晶圆表面出现划伤。

形成研磨层后，还可以包括：参考图8，对所述研磨层进行表面处理，在研磨层中形成多个孔洞231。

所述表面处理的方法为表面发泡工艺。

本实施例中，在第三研磨材料层230中形成多个孔洞231。在其它实施例中，可以在第三研磨材料层和第二研磨材料层中均形成多个孔洞。当形成第一研磨材料层时，可以在第三研磨材料层230、第二研磨材料层220和第一研磨材料层中均形成孔洞。

需要说明的是，在其它实施例中，可以在形成第三研磨材料层的同时形成位于第三研磨材料层的孔洞；在形成第二研磨材料层的同时形成位于第二研磨材料层中的孔洞；在形成第一研磨材料层的同时形成位于第一研磨材料层中的孔洞。

所述孔洞231的作用为：在研磨的过程中存储研磨液，并将研磨液粒子均匀的分散，同时能够容纳研磨所移除的残渣和失效的研磨浆液。

所述孔洞231越大越能促使研磨液中的粒子分散均匀，容纳研磨所移除的残渣和失效的研磨浆液的能力越大，但是孔洞231过大则无法维持一致的研磨压力，导致研磨过程中研磨垫表面的平坦程度降低。故所述孔洞231的尺寸为100nm～0.5um。

在其它实施例中，可以不形成孔洞231。

形成研磨层后，还可以包括：在研磨层中形成凹槽，所述凹槽位于阻挡层212之间。

参考图9，图9为在图8基础上形成的示意图，形成孔洞231后，在研磨层中形成凹槽240，所述凹槽240位于阻挡层212之间。

参考图10，图10为图9对应的俯视图，图10示出了研磨垫中凹槽240的分布情况，凹槽240纵横交错。在其它实施例中，可以选择凹槽240具有其它的排布。

所述凹槽240的作用为：利于容纳较多的研磨液且利于研磨残液排出。

形成凹槽240的工艺可以为切削工艺。

本实施例中，在第三研磨材料层230和部分第二研磨材料层220中形成凹槽240，使得凹槽240的底部表面与第四表面之间的距离大于所述最小距离。当形成第一研磨材料层时，可以在第三研磨材料层230、第二研磨材料层220和部分第一研磨材料层中形成凹槽，此时，凹槽的底部表面与第四表面之间的距离大于所述最小距离。

由于凹槽240的底部表面与第四表面之间的距离大于所述最小距离，使得从开始使用研磨垫进行研磨直至暴露出阻挡层212的过程中，凹槽240均 能容纳研磨液且用作研磨残液排出的通道。

在其它实施例中，可以使得凹槽240的底部表面与第四表面之间的距离小于等于所述最小距离。

为了配合某些制程终点侦测技术的应用，还可以形成窗口241(结合参考图9和图10)，所述窗口241贯穿研磨层、基质层201和粘结层200。

具体的，将部分区域的研磨垫切掉，形成一个适当大小的窗口241，以便镭射光线全部透过窗口241照射到所研磨的晶圆的表面上。

窗口241一般开设在研磨垫的中心附近，或者根据需要设置窗口241的具体位置。

本实施例中，以窗口241的开口形状为圆形为示例。在其它实施例中，窗口的开口形状可以为矩形或者其它形状。

窗口241的大小可根据研磨平台上出射镭射光线的透明区域的大小进行设定。

相应的，本发明还提供一种采用上述实施例提供的研磨垫的形成方法形成的研磨垫，请参考图9，包括：研磨层，所述研磨层具有相对的第三表面和第四表面，所述第四表面用于研磨待研磨面；阻挡层212，嵌在研磨层内，所述阻挡层212与第四表面之间的距离大于零，所述阻挡层212适于给出更换研磨垫的信号。

所述阻挡层212相对于待研磨面的摩擦系数大于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层212相对于待研磨面的摩擦系数小于研磨层相对于待研磨面的摩擦系数；或者所述阻挡层212的反射率大于研磨层的反射率；或者所述阻挡层212的反射率小于研磨层的反射率。

所述阻挡层212的硬度小于所述研磨层的硬度。

所述阻挡层212的材料为聚甲醛。

所述阻挡层212表面与第四表面之间的距离中具有最小距离，所述最小距离为0.8um～1mm。

所述研磨垫还包括基质层201，所述基质层201具有相对的第一表面和第 二表面，所述第二表面和第三表面接触。

所述研磨层包括第二研磨材料层220和位于第二研磨材料层220表面的第三研磨材料层230，第二研磨材料层220位于基质层201和第三研磨材料层230之间。

所述研磨层还可以包括第一研磨材料层。当研磨层包括第一研磨材料层时，所述第二研磨材料层位于第一研磨材料层和第三研磨材料层之间，所述第一研磨材料层位于基质层201和第二研磨材料层之间。

所述第四表面对应第三研磨材料层230与基质层201相背的表面；所述第三表面对应第一研磨材料层与基质层201相对的表面或者第二研磨材料层220与基质层201相对的表面。

所述研磨层由聚氨酯树脂构成。

所述阻挡层212位于第二研磨材料层220中。

所述研磨层中还具有凹槽240，所述凹槽240分布于阻挡层212之间。

本实施例中，所述凹槽240的底部表面与第四表面的距离大于所述最小距离。在其它实施例中，凹槽240的底部表面与第四表面的距离小于等于所述最小距离。

本实施例中，所述研磨垫还包括粘结层200。所述粘结层200与第一表面接触。

所述研磨垫还开设有窗口241，所述窗口241贯穿研磨层、基质层201和粘结层200。

所述研磨层内具有多个孔洞231。

相应的，本发明还提供一种采用上述实施例提供的研磨垫进行研磨监测的方法，包括：采用研磨垫进行研磨，所述研磨过程包括依次进行的第一研磨阶段和第二研磨阶段，第一研磨阶段未暴露出阻挡层212，第二研磨阶段暴露出阻挡层212；获取研磨垫表面的特征信息，所述特征信息适于判断研磨过程处于第一研磨阶段或是处于第二研磨阶段；当特征信息的变化量大于阈值时，判断研磨过程由第一研磨阶段进入第二研磨阶段；第一研磨阶段进入第 二研磨阶段后，研磨停止并更换研磨垫。

获取所述特征信息的方法为：获取研磨垫表面的摩擦系数或者获取研磨垫表面的反射率。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的研磨垫包括嵌在研磨层内的阻挡层，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。由于阻挡层的特征信息和研磨层的特征信息具有差异，使得在利用研磨垫进行研磨的过程中，当研磨至暴露出阻挡层时，研磨垫表面的特征信息会发生显著的改变，因此能够根据研磨垫表面的特征信息的变化量识别研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断研磨垫的损耗程度。若研磨过程暴露出阻挡层，达到研磨垫的损耗极限，判断需要更换研磨垫。避免了研磨垫使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

本发明提供的研磨垫的形成方法，形成了研磨层和嵌在研磨层内的阻挡层，所述阻挡层适于给出更换研磨垫的信号。由于阻挡层的特征信息和研磨层的特征信息具有差异，使得在利用研磨垫进行研磨的过程中，当研磨至暴露出阻挡层时，研磨垫表面的特征信息会发生显著的改变，因此能够根据研磨垫表面的特征信息的变化量识别研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断研磨垫的损耗程度。若研磨过程暴露出阻挡层，达到研磨垫的损耗极限，判断需要更换研磨垫。避免研磨垫使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

本发明提供的研磨监测方法，根据研磨垫表面的特征信息的改变量判断研磨过程是否暴露出阻挡层，从而判断是否需要更换研磨垫，使得在研磨监测过程中利用研磨垫实现研磨过程的自身控制，能够准确监测研磨垫的使用情况。避免了研磨垫的使用不充分而造成研磨垫浪费，或者避免了研磨垫的使用超过使用极限而造成对所研磨的晶圆的损坏；从而使得研磨垫的有效利用率达到最大化。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。