阅读说明：本技术 研磨垫修整方法 (Polishing pad dressing method ) 是由 唐强 于 2018-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及研磨垫修整方法,利用研磨垫修整器的修整盘对研磨垫进行修整,其中,在修整所述研磨区期间,沿所述研磨垫的中心朝向边缘的方向,所述修整盘施加在所述研磨区上的下压力逐渐降低,不同的下压力对研磨垫的修整程度不同,本发明的研磨垫修整方法可以改善现有CMP工艺中研磨垫经过一段时间的研磨过程之后均一性变差的问题,有利于研磨液均匀分布在研磨垫中的沟槽中,可以提高研磨去除率,延长研磨垫的使用寿命。(The invention relates to a method for dressing a grinding pad, which utilizes a dressing disk of a grinding pad dresser to dress the grinding pad, wherein during dressing the grinding area, along the direction from the center of the grinding pad to the edge, the downward pressure exerted on the grinding area by the dressing disk is gradually reduced, and the dressing degrees of the grinding pad by different downward pressures are different.)

研磨垫修整方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，尤其涉及一种研磨垫修整方法。

背景技术

随着大规模集成电路的发展，半导体元件以高密度聚集制造在晶圆表面，并且需要对晶圆进行精细地研磨。化学机械研磨(CMP)即是一种对晶圆同步进行机械研磨和化学研磨的研磨工艺。

现有的CMP装置中，研磨平台上的研磨垫(pad)设置为与研磨平台一起旋转，晶圆被研磨头(polish head)吸附后与研磨垫接触并被加压，在设定的区域(例如沿着研磨垫的半径方向)作往复运动并旋转，通过摩擦对晶圆进行机械研磨，另外，通过研磨液供给单元(slurry delivery)向研磨垫上供给研磨液，研磨垫修整器(pad conditioner)通过与旋转臂(arm)的修整盘(diamond disk)在研磨垫上进行往复运动，使得涂覆于研磨垫上的研磨液在研磨垫上均匀扩散的同时向晶圆流入，并且，研磨垫修整器的研磨盘在往复运动中被施加一定压力，以对研磨垫进行机械修整(dressing)使研磨垫保持一定的研磨面。

通常来说，当研磨垫的磨损达到一定程度之后，则研磨垫对晶圆的研磨厚度的控制能力变差并且研磨品质降低，需要对其进行更换。但是，现有的CMP工艺中，由于研磨垫表面的磨损程度不一致，研磨垫靠近边缘的区域往往磨损程度较大，而靠近中心区域的磨损程度较小，使得研磨垫的均一性变差，如此一来，研磨液无法均匀分布在研磨垫上的凹槽(groove)中，导致研磨效率和研磨品质下降，以及研磨液对晶圆的研磨去除率(removerate)降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题主要是现有CMP工艺中研磨垫表面均一性变差导致研磨去除率降低的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种研磨垫修整方法，其特征在于，利用一研磨垫修整器的修整盘修整研磨垫的研磨区，其中，在修整所述研磨区期间，沿所述研磨垫的中心朝向边缘的方向，所述修整盘施加在所述研磨区上的下压力逐渐降低。

可选的，所述研磨区包括沿所述研磨垫的中心向边缘的方向依次连接的第一研磨区、第二研磨区以及第三研磨区，修整所述研磨区包括：所述修整盘以第一下压力在所述第一研磨区进行第一往复运动；所述修整盘以第二下压力在所述第二研磨区进行第二往复运动；以及所述修整盘以第三下压力在所述第三研磨区进行第三往复运动；其中，所述第一下压力大于所述第二下压力，所述第二下压力大于所述第三下压力。

可选的，所述修整盘依次进行所述第一往复运动、所述第二往复运动和所述第三往复运动。

可选的，所述第一下压力的范围为5.05psi～5.15psi，所述第二下压力的范围为4.95psi～5.05psi，所述第三下压力的范围为4.85psi～4.95psi。

可选的，所述第一往复运动持续的时间为2.8秒～3.2秒，所述第二往复运动持续的时间为2.5秒～2.8秒，所述第三往复运动持续的时间为2.2秒～2.5秒。

可选的，所述第一研磨区、所述第二研磨区以及所述第三研磨区在所述研磨区的占比均相等。

可选的，所述修整盘在一旋转臂的带动下进行所述第一往复运动、所述第二往复运动以及所述第三往复运动，所述旋转臂的转动速率为45～55转每分钟；和/或，所述研磨垫以位于所述研磨垫中心的法线为轴进行旋转，所述研磨垫的旋转速率为100～110转每分钟。

可选的，所述研磨垫修整方法还包括：在修整所述研磨区之前，在所述研磨区进行预修整，在所述预修整期间，所述修整盘施加在所述研磨区上的下压力为恒定值；和/或在修整所述研磨区之后，在所述研磨区进行后修整，在所述后修整期间，所述修整盘施加在所述研磨垫上的下压力为恒定值。

可选的，所述预修整持续的时间为10秒～12秒，所述后修整持续的时间为8秒～10秒。

可选的，所述研磨垫修整方法还包括：对所述研磨区进行所述后修整之后，在所述第二研磨区和所述第三研磨区进行补充修整，在所述补充修整期间，所述修整盘施加在所述研磨垫上的下压力为恒定值。

发明人研究发现，利用现有的研磨垫修整方式仍旧不能使得研磨垫表面均一性达到要求的原因在于：经一段时间的CMP工艺后，研磨垫整体都产生了磨损，但是磨损程度不一，其中，研磨垫上靠近中心的区域的磨损程度较小，沿中心向边缘的方向，研磨垫的磨损程度逐渐变得严重，在靠近边缘的区域，磨损程度最大，而目前研磨垫修整器在研磨垫上进行的是均一的往复运动，从而对研磨垫的修整程度较为一致，造成了研磨垫磨损程度的不均一。

本发明提供的研磨垫修整方法，利用一研磨垫修整器的修整盘修整研磨垫的研磨区，其中，在修整所述研磨区期间，沿所述研磨垫的中心朝向边缘的方向，所述修整盘施加在所述研磨区上的下压力逐渐降低。由于不同的下压力对研磨垫的修整程度不同，可以改善现有CMP工艺中研磨垫经过一段时间的研磨过程之后研磨垫靠近边缘的区域磨损程度较大而靠近中心的区域的磨损程度较小导致的均一性变差的问题，有利于研磨液均匀分布在研磨垫中的沟槽中，可以提高研磨去除率。此外，利用本发明的研磨垫修整方法，有助于提高研磨垫的均一性，减小研磨垫边缘磨损的程度，因而也有利于延长研磨垫的使用寿命，降低研磨垫更换频率，从而减少成本。

附图说明

图1是一种研磨垫和研磨垫修整器的示意图。

图2a是未进行过CMP工艺的研磨垫的剖面示意图。

图2b为经一段时间的CMP工艺后研磨垫的剖面示意图。

图3是本发明实施例的研磨垫修整器和研磨垫的示意图。

图4是本发明实施例的研磨垫修整方法的流程图。

图5是本发明实施例经一段时间的CMP工艺后研磨垫的剖面示意图。

附图标记说明：

20-研磨垫；21-沟槽；10-晶圆；10a-晶圆旋转方向、20a-研磨垫旋转方向；40a-修整盘旋转方向；30-供给单元；40、400-研磨垫修整器；41、410-旋转臂；42、420-修整盘。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的研磨垫修整方法作进一步详细说明。根据下面的说明，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，另外，部分附图中的构件与其他附图中的构件可能相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件以相同标号标于每一图中。

目前化学机械研磨(CMP)设备广泛被用于半导体元件的制造工艺中，例如对半导体制程中的晶圆(wafer)表面同步进行机械研磨和化学研磨以得到平坦的表面。图1是一种研磨垫和研磨垫修整器的示意图。其中，研磨垫20在研磨平台的带动下以研磨垫旋转方向20a按照一定速率旋转，晶圆10与研磨垫20接触并被加压，同时在研磨垫20上以晶圆旋转方向10a旋转，供给单元30通过供给口向研磨垫20供给研磨液，研磨垫20表面与晶圆10表面接触并相对运动进行机械和化学研磨，从而进行精密地使其平坦化的研磨工艺。图2a是未进行过CMP工艺的研磨垫(即新的研磨垫)的剖面示意图。如图2a所示，研磨垫20中形成有多个沟槽21，沟槽21用来使散布于研磨垫20上的研磨液均匀分布在研磨垫20和晶圆10之间。未进行过CMP工艺的研磨垫20的厚度约3mm。在经过一段时间的CMP工艺之后，研磨垫20(通常为聚氨酯材质)会发生磨损，研磨垫20的表面会变得光滑(glaze)，且研磨垫20上容易有残留颗粒堆积聚集。

为了确保CMP工艺的质量，CMP设备上通常设置有研磨垫修整器(或调节器)40，研磨垫修整器40包括旋转臂41以及被旋转臂41带动而在研磨垫20上做往复运动的修整盘42，该往复运动使研磨液在研磨垫20上均匀扩散。另外，修整盘42通常包括配置于底面的金刚石颗粒，通过该往复运动可以刮除研磨垫20的表面，使研磨垫20恢复适当的粗糙度，以维持研磨垫20对晶圆10的去除率与稳定度。

然而，发明人研究发现，利用现有的研磨垫修整方式，研磨垫20在经过一段时间的CMP工艺之后，研磨垫20面内均一性较差，图2b为经一段时间的CMP工艺后研磨垫的剖面示意图。如图2b所示，经一段时间的CMP工艺后，研磨垫20整体都产生了磨损，但是磨损程度不一，其中，研磨垫20上靠近中心O的区域的磨损程度较小，沿中心O向边缘的方向，研磨垫20的磨损程度逐渐变得严重，在靠近边缘的区域，磨损程度最大。由于晶圆10与研磨垫20间的摩擦力与晶圆10与研磨垫20的中心点O的距离有关，当晶圆10处在研磨垫20半径方向的不同位置时，该摩擦力不同会造成研磨垫20不同程度的磨损，而目前研磨垫修整器40在研磨垫20上进行的是均一的往复运动，从而对研磨垫20的修整程度较为一致，造成了研磨垫20磨损程度的不均一。

研磨垫20的面内不均一性对CMP工艺不利。一方面，由于研磨垫20中心区域和边缘区域的厚度不一致，在中心点O的不同半径内的沟槽21的深度也不同，尤其是边缘区域的沟槽21深度较小，使得研磨液在边缘区域较少保留，会导致研磨效果变差；另一方面，在研磨过程中产生的残留颗粒也会溢出凹槽21，可能会进入研磨垫20表面与晶圆10表面之间，这些残留颗粒容易在研磨的过程中在晶圆10的表面造成刮痕(scratch)，进而影响晶圆10的后续工艺；再一方面，通常研磨垫20经一段时间的CMP工艺后厚度逐渐减小，当减小到一定程度则需要更换新的研磨垫20，例如，可设定当研磨垫20的平均厚度降到1.6mm时对其更换，但是，如图2b中研磨垫20的面内不均一性，会造成在中心区域的厚度仍在可继续使用范围而边缘区域的厚度却提前光滑化(glazing)的情况，如此一来会严重影响研磨垫20对晶圆10的去除率和研磨过程的稳定度，并且使研磨垫20的寿命降低，增加了工艺成本。因此，现有CMP工艺有待改进以改善上述研磨垫20的面内不均一性。

针对上述问题，本发明实施例通过改进研磨垫修整器的修整方法以提高研磨垫的面内均一性。以下将结合附图对本实施例的研磨垫的修整方法进行说明。

图3是本发明实施例的研磨垫修整器和研磨垫的示意图。如图3所示，研磨垫修整器400包括互相连接的旋转臂410和修整盘420，修整盘420与研磨垫20接触并在旋转臂410的带动下修整研磨垫20的研磨区Z4，沿所述研磨垫的中心朝向边缘的方向，在在修整研磨区Z4期间，修整盘420施加在研磨垫20上的下压力逐渐降低。

进一步的，由旋转臂410的最大旋转范围(或横跨范围、运动范围)确定的修整盘420的研磨区Z4包括从研磨垫20的中心O向边缘的方向依次连接的第一研磨区Z1、第二研磨区Z2以及第三研磨区Z3，本实施例中，旋转臂410的最大旋转角度约45度，而对应的修整盘420在研磨区Z4的运动范围可以包括研磨垫20的中心点O和边界的弧线轨迹。

图4是本发明实施例的研磨垫修整方法的流程示意图。下面参照图3和图4对本实施例的研磨垫修整方法进行说明。

在晶圆10被放置于研磨垫20上之后，供给单元30通过供给口向研磨垫20上供给研磨液，此时可以控制研磨垫修整器400通过接触于研磨垫20上的修整盘420对研磨垫20进行调节。

本实施例中，在供给单元30向研磨垫20上供给研磨液之后，修整盘420可以在旋转臂410的带动下在研磨区Z4(即研磨区的最大范围)先进行预修整(即步骤S1)，在进行所述预修整时，修整盘420可以以中心O和研磨垫20的边缘为两端做往复运动，使研磨液均匀分布于研磨垫20表面，具体而言，该过程可使研磨液中的研磨颗粒均匀分布于研磨垫20中的沟槽21内，以使晶圆10表面在与研磨垫20表面接触时被机械研磨和化学研磨。需要说明的是，本实施例重点说明研磨垫修整器400的修整方法，研磨垫20自身可依照原有方式以一固定转速进行旋转(以研磨垫旋转方向20a)，例如，研磨垫20以位于中心O的法线为轴进行旋转，研磨垫20旋转的转速例如是100至110转每分钟(rpm/min)。在另一实施例中，在研磨垫修整器400的修整盘420修整研磨垫20的研磨区的过程中，晶圆10自身以与研磨垫20转动方向相反的方向旋转(以晶圆旋转方向10a)，同时晶圆10可以是沿着研磨垫20的半径方向与研磨垫20进行相对运动。

本实施例中，修整盘420以修整盘旋转方向40a进行旋转，另外，修整盘420在研磨垫20上施加恒定的下压力在研磨区Z4进行预修整。预修整的下压力例如可以选择4.85psi至5.15psi范围内的一恒定值，预修整持续的时间为10至12秒(sec)。

为了克服因晶圆10在研磨过程中，晶圆10与研磨垫20之间的摩擦力由于晶圆10位于研磨垫上的不同位置所引起的研磨垫20的磨损程度不均匀，本实施例在预修整之后，修整盘420以不相等的下压力对研磨垫20的研磨区Z4内的不同区域进行修整。

具体的，首先，修整盘420在第一研磨区Z1以第一下压力进行第一往复运动(即步骤S2)，例如以第一研磨区Z1的两端为端点进行第一往复运动。第一研磨区Z1距离研磨垫20的中心点O较近，优选方式中，第一研磨区Z1覆盖了中心点O，例如，第一下压力可以选择5.05psi至5.15psi范围内的一恒定值或者非恒定值，修整盘420在第一研磨区Z1的运动距离约占研磨垫20径向长度(如中心点O与研磨垫20边缘之间的距离)的1/5至1/3。第一往复运动持续的时间约2.8秒至3.2秒。

接着，修整盘420在第二研磨区Z2以第二下压力进行第二往复运动(即步骤S3)，例如以第二研磨区Z2的两端为端点进行第二往复运动。第二研磨区Z2设置于研磨垫20的中心点O和边缘之间并与第一研磨区Z1相连接，修整盘420在第二研磨区Z2的运动距离约占研磨垫20径向长度的1/5至1/3。第二往复运动持续的时间约2.5秒至2.8秒。例如，第二下压力可以选择4.95psi至5.05psi范围内的一恒定值或者非恒定值，优选的，第二下压力的值较第一下压力的值减小。

然后，修整盘420横跨第三研磨区Z3以第三下压力进行第三往复运动(即步骤S4)，例如以第三研磨区Z3的两端为端点进行第三往复运动。第三研磨区Z3与第二研磨区Z2连接，修整盘420在第三研磨区Z3的运动距离可以是大于或等于研磨垫20径向长度的1/3，并且，第三研磨区域Z3可以覆盖研磨垫20的边缘。第三往复运动持续的时间约2.2秒至2.5秒。例如，第三下压力可以选择4.85psi至4.95psi范围内的一恒定值或者非恒定值，优选的，第三下压力的值较第二下压力的值进一步减小。

在此需要说明的是，上述以及下面即将提到的修整盘420在研磨区Z4、第一研磨区Z1、第二研磨区Z2以及第三研磨区Z3的下压力、运动时间和运动距离的具体数值仅仅是本发明的实施例的一个例子，在不同CMP设备、不同晶圆的CMP工艺中也可以采用具体的不同的下压力、运动时间和运动距离。

在本发明的另一实施例中，上述第一研磨区Z1、第二研磨区Z2以及第三研磨区Z3可以进一步包括更小的修整范围，即它们可以包括一个或多个子研磨区，并且本实施例的研磨垫修整方法还可以包括研磨垫修整器40在各个子研磨区的往复运动，并且，可以设置在与中心点O由近及远的子研磨区所对应的往复运动中修整盘420施加在研磨垫20上的下压力逐渐降低。

可以看出，在利用不同的下压力修整研磨区Z4期间，沿与中心点O由近及远的方向，可以将修整盘420的往复运动分为三个阶段：第一往复运动、第二往复运动以及第三往复运动，并且，在靠近中心点O的第一往复运动的第一下压力最大，在远离中心点O靠近并覆盖研磨垫20边缘的第三往复运动的第三下压力最小，而介于中心点O和研磨垫20边界之间的第二往复运动的第二下压力的值介于第一下压力和第三下压力之间。从而，相对于修整盘以相同的下压力对整个研磨区进行修整的方法，利用上述变化的下压力的修整方法可以增强对研磨垫20靠近中心的区域的修整力度，而对于研磨垫20的边缘区域，修整力度相对降低，即通过减弱研磨垫20边缘区域的磨损程度以及增加研磨垫20中心区域的磨损程度调整了研磨垫20的面内不均一性，有利于得到均一性较好的研磨垫20表面，使研磨垫20保持均一的粗糙表面，从而使得研磨垫20上的沟槽21深度相同或接近，则可以使研磨液中的研磨颗粒得以在研磨垫20上均匀分布，有利于提高研磨垫20对晶圆10的去除率和研磨稳定度。

优选方式中，在利用不同的下压力修整研磨区Z4之后，本实施例的研磨垫修整方法还可包括修整盘420在研磨区Z4(即研磨区的最大范围)进行的后修整(即步骤S5)，在后修整中对修整盘420施加的下压力的值约4.85psi至5.15psi(可选择该范围内的一恒定值)，后修整可以使研磨液均匀分布于研磨垫20表面，有利于研磨液到达晶圆10表面和研磨垫20表面之间以提高研磨去除率。本实施例中后修整的持续时间约8秒至10秒，在一些实施例中，后修整可以持续至对晶圆10的研磨过程结束(或晶圆10移离研磨垫20)。

优选方式中，在后修整之后，本实施例的研磨垫修整方法还可包括修整盘420在研磨垫20上进行的补充修整(即步骤S6)，在一些实施例中，补充修整可以在晶圆10移离研磨垫20之后而研磨垫20仍在旋转时进行，补充修整的目的是去除研磨垫20上的残留颗粒，这些残留颗粒有的是来自研磨液中的研磨颗粒，有的则可能是来自晶圆10表面上被研磨去除的薄膜材料所生成的副产物(by-product)，还可能包括研磨垫20或研磨垫修整器400上掉落的颗粒，残留颗粒可能会在后续研磨过程中对晶圆的表面造成刮痕，因而需减少研磨垫上的残留颗粒。由于前述修整过程中在第一研磨区Z1的第一下压力较大，残留颗粒较少，因而补充修整可以集中在第二研磨区Z2和第三研磨区Z3进行，补充修整例如包括以第二研磨区Z2靠近中心O的一端和第三研磨区Z3靠近边缘的一端为两端进行的往复运动，在补充修整中，应用于修整盘420的下压力可以选择4.85psi至5.15psi范围内的一恒定值或者非恒定值，补充修整持续的时间约5至10秒。

经过上述预修整、不同下压力的研磨区修整(包括第一往复运动、第二往复运动、第三往复运动)、后修整及补充修整，本实施例的修整盘420完成了对研磨垫20的修整过程。在整个修整过程中，修整盘420的自转速率以及受旋转臂410带动的转动速率可以保持恒定值即可，修整盘420的自转速率约25至30转/分钟，修整盘420在旋转臂41的带动下进行所述预修整、第一往复运动、第二往复运动、第三往复运动、后修整及补充修整，旋转臂410的转动速率(即往复运动的速率)约45至55转每分钟(rpm/min)。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。