CN100352034C - 一种控制sti cmp工艺中残余氮化硅厚度稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

浅槽隔离技术(STI)是随着深亚微米集成电路技术的发展，而产生的一种新兴的场区隔离技术。该技术具有特征尺寸小、集成度高、隔离效果好的特点。但是，该技术同时存在工艺复杂、控制困难的问题，其中较为突出的是在CMP工艺中的氧化硅过磨削和硬掩膜过磨削测的问题，对浅槽隔离工艺的重要指标“高度差”产生影响，为了控制“高度差”在一定的范围内，要求CMP工艺后有稳定的氮化硅厚度，本发明采用自动生产补偿系统和终点检测系统相结合的控制方法，解决了只采用终点检测系统的误检出和最大时间自动终止的问题，也消除了只采用自动生产补偿系统无法控制批次内的稳定性的问题。

Description

一种控制STI CMP工艺中残余氮化硅厚度稳定性的方法

技术领域

本发明属集成电路工艺技术领域，具体涉及一种控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法。

背景技术

在半导体集成电路工艺中，传统的隔离技术是自对准场氧化隔离技术，即以硬掩膜掩蔽有源区，将场区的衬底硅暴露，然后用热氧化的方法，产生隔离区氧化硅。这种方法简单，生产性强，所用生产工艺成熟，缺点是会在有源区边界形成‘鸟嘴’区，如图1所示成为深亚微米工艺的发展中提高集程度的瓶颈。

实践中，‘鸟嘴’的尺寸很难减少到0.1μm以下。因此，当微电子工艺的特征尺寸减小到0.35μm，场氧化工艺逐渐被浅槽隔离技术(STI)工艺所代替。用硬掩膜的保护有源区，将场区刻槽，再用CVD的方法在槽中形成隔离介质，如图2所示STI工艺的优点是明显的，可以最有效的利用有源区的线宽，提高集程度。结合化学机械抛光工艺的STI技术可以做到极高的表面平坦化，增加后道布线的层数。但是，STI工艺也存在工艺复杂，不易控制的问题。常见的有，STI氧化硅过磨削(Dishing)和有源区硬掩膜过磨削(Erosion)。

STI氧化硅过磨削(Dishing)问题：由于图形密度的影响，CMP工艺在不同图形区域的磨削速率不同，在有源区图形密度较大的区域相对于密度较小的区域，磨削速度较低。因此当有源区图形密度较低的区域，有源区上浅槽隔离氧化硅已经磨削完成，但图形密度较高的区域将有氧化硅残留。为了清除残留氧化硅，CMP(化学机械抛光)工艺需要一定时间的过磨削。这种过磨削会造成隔离槽中的氧化硅损失，槽宽增加，这种现象越严重，使氧化硅平面低于有源区平面。这就是‘STI氧化硅过磨削’现象。

STI有源区硬掩膜过磨削(Erosion)问题：在CMP工艺中，为保护有源区不受影响，需在有源区淀积硬掩膜层。虽然工艺中采用的浆料对硬掩膜有选择性，但由于工艺过程中的机械作用，硬掩膜层也会有磨削现象，特别是如上所述的过磨削。因硬掩膜层需要支持整个过磨削过程，损失较为严重，尤其是在有源区图形密度低的区域，有源区边缘有可能被磨到从而导致器件的出现某些问题。这就是‘有源区硬掩膜过磨削’现象。

无论STI氧化硅过磨削或有源区硬掩膜过磨削，这两种现象，都将导致隔离槽中的氧化硅降低，在经过后续的湿法工艺后影响到有源区和场区的高度差，如图3所示。‘高度差’现象将对后续的栅堆工程的多晶刻蚀工艺产生很大影响，保证‘高度差’被稳定的控制在一定的范围内是浅槽隔离技术的重要指标。因场区中损失的氧化硅与损失的氮化硅有定量关系所以工艺中常用的方法是，监控有源区上氮化硅的厚度。

为控制氮化硅膜厚稳定，终点检测系统在多种CMP机台上被使用，其基本原理是以当CMP膜厚和膜种发生变化，造成反馈的光电信号变化，则变化点即可被设定为检测终点，从而使工艺过程停止。

其效果反映为每片硅片在工艺完成后，将得到稳定的终点状态，其膜厚和膜种控制较为稳定，具体往往采用分步磨削的方法：

1、首先固定一研磨时间，在无终点检测的研磨盘上预磨削一定厚度，其残留膜厚由磨削时间和再线研磨速率决定；

2、然后，硅片转到启动终点检测系统的研磨盘上，此时由于前膜淀积和第一阶段固定时间研磨中CMP研磨速率偏差引入的残膜变化，可由终点检测系统自动改变研磨时间来控制最终的残膜膜厚；

3、缓冲和表面状态调整研磨阶段和清洗，其对残留膜厚无影响；

但是，受生产中实际情况的影响，终点检测系统有可能发生以下问题：1.误检出，即在工艺过程中正常检出波形未到，终点检测系统因检到相似波形而触发，常用的方法是在前一步固定研磨是将可能出现相似波形的厚度磨过；2.为防止偶发因素而产生漏检，在终点检测系统中设定最大检出时间，使工艺自动终止，但有时由于研磨速率较低未能在最大检出时间内达到检出点。如图4所示，为在整个工艺过程中检出信号的变化轨迹，若选择下降沿检出，以点5为检出点，则点6即有可能成为误检出点；如果点5在最大研磨时间点7用尽后，仍为到达，则工艺过程自动终止。无论是误检出或最大时间耗尽，都将造成残余氮化硅厚度变化而影响到下一步的工艺进行，甚至造成硅片废弃。

造成这些现象的问题主要来自四个方面：

1、CMP机台受工作时间、耗材更换和机台状况等因素的影响，造成批次间研磨速率的不稳定，这是造成误检出点出现和最大工艺时间耗尽的主要原因。但如果收紧工艺控制规范将使工艺成本升高；

2、在一个批次中，由于连续磨削硅片，造成研磨垫状况发生变化而引起的研磨速率不稳定，因为变化范围较小可以依靠终点检测段控制；

3、同批次间淀积膜厚度变化

4、同一批次中，不同位置的淀积膜厚度变化；

以上问题可以使用自动生产补偿系统，根据根据生产监控硅片得到的抛光机台的抛光速率和产品片CMP前测量的有源区上氧化硅厚度自动计算所需的抛光时间，然后自动将工艺时间平均分配到磨削过程中被标定为主清洗步骤的研磨步骤中，由于自动生产补偿系统的优先级高于机台本身的终点检测系统，此时终点检测系统对‘主清洗步骤’控制无效。此方案可以解决问题1、3，但是无法解决问题2，4带来的残余氮化硅厚度的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法。

本发明提出的控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法，是采用自动生产补偿系统与抛光机台本身自带终点检测系统相结合的办法，控制硅片批次间和批次内残余氮化硅厚度稳定性。

上述的自动生产补偿系统，可以根据生产监控硅片得到的抛光机台的抛光速率和产品片CMP前测量的有源区上氧化硅厚度自动计算所需的研磨时间，且可以自动指定抛光机台的研磨时间。上述的终点检测系统包括光学，转子电流等所有用于CMP抛光机台的终点检测系统。

首先，由于CMP机台批次间研磨速率的变动范围较大，导致终点检测系统无法正常工作。因此在终点检测系统启动前，引入由自动生产补偿系统根据生产监控硅片得到的抛光机台的抛光速率，和产品片CMP前测量的有源区上氧化硅厚度，及保证误检出波形不会出现的目标厚度，计算所需抛光时间，并依据计算结果平均分配到各个研磨盘上标定为‘主清洗步骤’的研磨步骤中。

第二，由于自动生产补偿系统将覆盖所有的‘主清洗步骤’，因此在有终点检测系统的研磨盘上，在‘主清洗步骤’后增加一步无标定的研磨步骤，由终点检测系统控制其工艺研磨时间，以达到终点检测控制的效果

这样，自动生产补偿系统解决了问题1、3，对生产控制产生的影响；终点检测系统控制由问题2、4带来的残余氮化硅厚度不稳定。

附图说明

图1是自对准场氧化工艺示意图。

图2是浅槽隔离技术示意图。

图3栅堆工程前的‘高度差’。

图4终点检测曲线。

标号说明：1为场氧化工艺的隔离区、2为场氧化工艺的‘鸟嘴’现象、3为浅槽隔离技术的场氧化硅、4为浅槽隔离工艺后‘高度差’现象、5为终点检测系统检出点、6为造成误检出点、7为最大检出时间。

具体实施方式

1、在自动生产补偿系统‘在线’状态下，测量和研磨生产监控硅片，系统计算得到设备的研磨速率备用；

2、测量部分产品片，得到淀积膜厚的大约范围；

3、生产片投入，在无终点检测系统的研磨盘上，由自动生产补偿系统指定标定为‘主清洗步骤’的研磨步骤的工艺时间；

4、在无终点检测系统的研磨盘上，‘主清洗步骤’步骤后，增加短时间的固定时间研磨步骤；

5、硅片转入启动终点检测系统的研磨盘，由自动生产补偿系统指定标定为‘主清洗步骤’的研磨步骤时间；

6、在启动终点检测系统的研磨盘上，‘主清洗步骤’后，进入由终点检测系统控制研磨时间的工艺步骤；

7、缓冲和表面状态调整的研磨阶段和清洗，其对残余膜厚无影响。

Claims (3)

1、一种控制在浅槽隔离技术中CMP工艺后残余氮化硅厚度稳定性的方法，其特征在于采用自动生产补偿系统与抛光机台本身自带终点检测系统相结合的办法，控制硅片批次间和批次内残余氮化硅厚度稳定性，具体步骤如下：

(1)、在自动生产补偿系统‘在线’状态下，测量和研磨生产监控硅片，系统计算得到设备的研磨速率；

(2)、测量部分产品片，得到淀积膜厚的范围；

(3)、生产片投入，在无终点检测系统的研磨盘上，由自动生产补偿系统指定标定为‘主清洗步骤’的研磨步骤的工艺时间；

(4)、在无终点检测系统的研磨盘上，‘主清洗步骤’步骤后，增加短时间的固定时间研磨步骤；

(5)、硅片转入启动终点检测系统的研磨盘，由自动生产补偿系统指定标定为‘主清洗步骤’的研磨步骤时间；

(6)、在启动终点检测系统的研磨盘上，‘主清洗步骤’后，进入由终点检测系统控制研磨时间的工艺步骤。

2、根据权利要求1所述的控制残余氮化硅厚度稳定性的方法，其特征在于所述的自动生产补偿系统，是根据生产监控硅片得到的抛光机台的抛光速率和产品片CMP前测量的有源区上氧化硅厚度自动计算所需的研磨时间，且自动指定抛光机台的研磨时间。

3、根据权利要求1所述的控制残余氮化硅厚度稳定性的方法，其特征在于所述的终点检测系统为光学或转子电流的终点检测系统。

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