CN100468646C

CN100468646C - 化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN100468646C
Application number: CNB2005100062422A
Authority: CN
Inventors: 朱辛堃; 蔡腾群; 杨凯钧; 李志岳
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: CN1815696A

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨方法，用以改善一高选择性研磨浆料化学机械研磨工艺的研磨效果。其主要在利用高选择性研磨浆料进行一化学机械研磨工艺一预定时间后，提供去离子水于研磨垫上以继续进行化学机械研磨工艺，以提高研磨速度和效果。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及一种化学机械研磨方法，用以改善高选择性研磨浆料(highselective slurry，HSS)的化学机械研磨工艺(chemical-mechanical polishing，CMP)效果的方法，特别是涉及一种加入去离子水于CMP工艺中以改善HSSCMP研磨效果的方法。

背景技术

在半导体工艺中，化学机械研磨(CMP)技术是目前最普遍被使用，同时也是最重要的一种平坦化技术。

一般而言，CMP技术利用适当的研磨浆料以及机械研磨的方式，来均匀地去除一半导体芯片上具有不规则表面的目标薄膜层(target thin film)，以使半导体芯片在经过CMP处理后能够具有一平坦且规则(regular and planar)的表面。其中，研磨浆料一般由化学助剂以及研磨粉体所构成，而化学助剂可能为pH值缓冲剂、氧化剂或界面活性剂等，至于研磨粉体则可能为硅土或铝土等成分。藉由化学助剂所提供的化学反应，以及研磨粉体和晶片与研磨垫间产生的机械研磨效应，可有效平坦化晶片表面。

目前CMP工艺已广泛应用于浅沟绝缘(shallow trench isolation，STI)的工艺中。请参考图1至图3，图1至图3为现有一浅沟绝缘的工艺示意图。如图1所示，基底10上包括一垫氧化层12以及一氮化硅层(Si₃N₄)14，而基底10中还包括一浅沟16，并以化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)等方法填入二氧化硅(SiO₂)层18作为介电层。接着，对浅沟16外(overburden)二氧化硅层18进行一CMP工艺，使研磨终止于氮化硅层14，如图2所示。接着请参考图3，移除氮化硅层14和垫氧化层12，在理想状况下，沟渠16内的二氧化硅层18会与邻近的有源区(active region)的基底表面具有一高低差ΔD，在优选情况下，若CMP工艺能平坦化并均匀移除沟渠外二氧化硅层18，且确实研磨终止于氮化硅层14上，则高低差ΔD距离应为正，即浅沟16内的二氧化硅层18高于有源区的基底表面，能有效抑制漏电流(leakage)。

然而，在实际工艺中，为了达到使高低差ΔD为正，CMP工艺平坦化及研磨终点的决定一直是CMP技术的一项挑战，其影响因素包括有二氧化硅层的特性(例如致密性)、二氧化硅层表面均一性(uniformity)、研磨浆料(slurry)的组成以及pH值、研磨垫(polishing pad)的组成、平台转速(platen rotationspeed)、晶片载具下压力(head down force)等等。

在浅沟绝缘工艺中，为了确保将氮化硅层14之上的浅沟16外二氧化硅层18完全移除，且避免在研磨时氮化硅层14被磨穿而损及有源区域的元件，因此必须提高二氧化硅/氮化硅的研磨选择比。业界的解决方法是使用一种高选择性研磨浆料(high selective slurry，HSS)，取代传统二氧化硅砥粒(silicaabrasive)的碱性水溶液浆料来进行CMP工艺，以提高二氧化硅/氮化硅的研磨选择比，避免过渡蚀刻氮化硅层14而暴露基底10。目前此种高选择性研磨浆料已被应用于130纳米(nm)的STI CMP工艺中，以制造出具有较高可靠度的元件。

然而，尽管高选择性研磨浆料可改善STI CMP工艺的效果，但相较于传统二氧化硅砥粒研磨浆料具有每分钟3000埃(angstrom，)的研磨速度，使用高选择性研磨浆料的STI CMP工艺会有研磨速度较慢的问题存在。请参考图4，图4显示现有使用高选择性研磨浆料进行STI CMP工艺的研磨速度对研磨时间的曲线，随着研磨时间越长，研磨速度就越慢，因此很难达到每分钟1500埃的研磨速度。此外，高选择性研磨浆料的CMP工艺亦容易产生研磨浆料残留、对晶片产生微刮痕(microscratch)以及二氧化硅层残留于氮化硅屏蔽层之上等问题，甚而影响到沟渠外二氧化硅层厚度的限制以及工艺宽裕度(process window)。

在美国专利案号第6,132,294号中，揭露了一种改善CMP工艺的方法，以使晶片在CMP工艺后能轻易脱离研磨垫而不易产生刮伤或损坏。其方法是在以传统二氧化硅或氧化铝为研磨浆料的CMP工艺结束后，停止供应研磨浆料，并将水通入，同时提高研磨垫的旋转速度，以使晶片能顺利脱离研磨垫而进行下一工艺。然而，此现有技术并未提及有关高选择性研磨浆料的CMP工艺情形，亦未提及如何解决高选择性研磨浆料针对浅沟隔离工艺时研磨速度较慢而影响工艺宽裕度等问题。

因此，如何改善高选择性研磨浆料应用于CMP工艺的研磨速度和效果，仍为需要研发的重要议题。

发明内容

因此本发明的主要目的在于提供一种化学机械研磨方法，用以改善高选择性研磨浆料的CMP工艺的研磨效果，其利用在CMP工艺的后段通入去离子水(deionized，DI)，以继续进行研磨工艺，而解决上述现有高选择性研磨浆料的CMP工艺中所产生的问题。

根据本发明，揭露一种化学机械研磨方法，用以改善一高选择性研磨浆料CMP工艺的研磨效果。首先提供一研磨垫(polishing pad)以及一晶片载具(head)，并将晶片装载于晶片载具上。接着提供一高选择性研磨浆料于研磨垫上，再对晶片载具施予一晶片载具下压力(head down force)，以使晶片接触研磨垫而进行一化学机械研磨工艺。然后在研磨一段时间后，提供去离子水于研磨垫上，并利用去离子水持续进行研磨工艺。

本发明还提供一种化学机械研磨方法，用以改善高选择性研磨浆料化学机械研磨工艺的研磨效果，该方法包括:

利用一第一研磨垫以及一晶片载具，对一晶片进行一第一化学机械研磨工艺，且在该第一化学机械研磨工艺中通入一第一高选择性研磨浆料；

于该第一化学机械研磨工艺的后段通入去离子水以稀释该第一高选择性研磨浆料；

停止该第一化学机械研磨工艺；

利用一第二研磨垫对该晶片进行一第二化学机械研磨工艺，且在该第二化学机械研磨工艺中通入一第二高选择性研磨浆料；以及

于该第二化学机械研磨工艺的后段提供去离子水以稀释该第二高选择性研磨浆料。

由于本发明在CMP工艺的后段提供去离子水以进行研磨工艺，因此去离子水能稀释高选择性研磨浆料的浓度，增加CMP工艺的研磨速度，同时降低晶片微刮痕伤害，有效改善工艺宽裕度以及缺陷控制(defectivitycontrol)。

附图说明

图1至图3为现有一浅沟绝缘的工艺示意图。

图4显示现有使用高选择性研磨浆料进行STI CMP工艺的研磨速度对研磨时间的曲线，

图5至图9为本发明改善一高选择性研磨浆料CMP工艺研磨效果的方法的工艺示意图。

图10为本发明方法的二氧化硅层移除量对加入去离子水后的研磨时间的曲线图。

图11为氮化硅层移除量对加入去离子水后的研磨时间的曲线图。简单符号说明

10 基底 12 垫氧化层

14 氮化硅层 16 浅沟

18 二氧化硅层 50 第一研磨垫

52 第一研磨平台 54 晶片载具

56 晶片 58、62、70、74 进料管

60 第一高选择性研磨浆料

64 去离子水 66 第二研磨垫

68 第二研磨平台 72 第二高选择性研磨浆料

具体实施方式

请参考图5至图9，图5至图9为本发明改善一高选择性研磨浆料CMP工艺研磨效果的方法的工艺示意图，在此实施例中，CMP工艺应用于一浅沟绝缘的工艺中，以移除沟渠外二氧化硅层。如图5所示，首先提供一第一研磨垫50以及一晶片载具54，其中第一研磨垫50设置于一第一研磨平台(platen)52之上，而晶片载具54用于固定一晶片56。晶片56优选为一半导体晶片，其上制作有半导体等集成电路元件，而晶片56以可分离的方式固定于晶片载具54上。

然后如图6所示，对晶片载具54提供一晶片载具下压力F₁，以使晶片56与设于第一研磨平台52上的第一研磨垫50接触，并藉由进料管(slurryfeed)58将一第一高选择性研磨浆料60通入至第一研磨垫50上，以进行一第一CMP工艺。在第一CMP工艺中，晶片载具54以及第一研磨垫50各具有一晶片载具转速以及一第一研磨垫转速，分别朝箭头A与箭头B的方向旋转。

接着，请参考图7，在进行一预定时间的第一CMP工艺后，利用另一进料管62提供去离子水64于第一研磨垫50，并持续进行第一CMP工艺数秒，优选为5～60秒，然后停止第一CMP工艺，使晶片56脱离第一研磨垫50。值得注意的是，因为提高晶片载具转速与第一研磨垫转速会造成研磨速度降低，因此本发明方法在通入去离子水64而持续进行第一CMP工艺时，皆并未增加晶片载具转速与第一研磨垫转速，以确保在去离子水64通入后，能持续提高第一CMP工艺的研磨速度。

然后如图8所示，提供一第二研磨垫66设置于一第二研磨平台68上，以预备进行一第二CMP工艺。另一方面，第二研磨垫66也可选择性以第一研磨垫50取代，其方法是先利用晶片载具54将晶片56移开第一研磨垫50表面，接着再利用一调器(conditioner)以及去离子水来对第一CMP工艺中的第一研磨垫50进行清洗，以使清洗干净的第一研磨垫50代替第二研磨垫66而作为第二CMP工艺的研磨垫使用。在第二CMP工艺中，提供一晶片载具下压力F₂，以使晶片56接触第二研磨垫66，同时利用进料管70提供一第二高选择性研磨浆料72给第二研磨垫66，并藉由使晶片载具54朝方向A具有一晶片载具转速，以及第二研磨垫66朝方向C具有一第二研磨垫转速，以对晶片56研磨工艺。

接着，在进行一预定时间的第二CMP工艺后，例如50～80秒，停止通入第二高选择性研磨浆料72，而藉由进料管74通入去离子水64，并维持原来的晶片载具转速以及第二研磨垫转速，持续进行第二CMP工艺数秒，优选为5～60秒。然后停止第二化学机械研磨工艺。

在本发明中，第一高选择性研磨浆料60与第二高选择性研磨浆料72为一含铈(ceric-base)浆料或一含锆浆(zirconic-base)料浆料，例如为包括二氧化铈(ceria，CeO₂)或二氧化锆(zirconia，ZrO₂)的浆料。

此外，根据本发明方法，可依据工艺需要，在进行第一或第二化学机械研磨工艺时，选择性降低晶片载具下压力F₁或F₂，以调整研磨工艺于一优选的工艺条件。再者，若工艺需要，可还提供第三、第四研磨垫，分别对晶片56进行一第三与第四化学机械研磨工艺，而为了提高高选择性研磨浆料的研磨速度，在每次化学机械研磨工艺的后段皆可通入去离子水，已稀释高选择性研磨浆料的浓度，进而改善研磨速度和研磨效果。

由于本发明方法在高选择性研磨浆料的浅沟绝缘CMP工艺后段中通入去离子水(不论是否停止持续通入高选择性研磨浆料)，因此稀释后的高选性研磨浆料的黏滞度会降低，提高研磨速度，同时减少浆料残留而避免在晶片表面产生刮痕。请参考图10与图11，图10为本发明方法的二氧化硅层移除量对加入去离子水后的研磨时间的曲线图，图11则为氮化硅层移除量对加入去离子水后的研磨时间的曲线图。如图10所示，加入去离子水后约10秒，二氧化硅层的移除量大幅增加，显示利用本发明方法可有效提高高选择性研磨浆料的浅沟绝缘CMP速度，而从图11可知，加入去离子水后对于氮化硅层的移除速度并未明显增加，可维持CMP工艺中二氧化硅/氮化硅的高选择比。

相比于现有技术，本发明方法在每段高选择性研磨浆料的CMP工艺后段提供去离子水，使去离子水与高选择性研磨浆料混合以持续进行CMP工艺，而在加入去离子水后，是否持续通入高选择性研磨浆料则可依实际研磨需要而做调整。根据本发明方法，可大幅提高CMP工艺对氧化层的研磨速度，进而提高二氧化硅/氮化硅的研磨选择比，且可改善研磨浆料残留、刮伤晶片等问题，而不会加速氮化硅层的移除。因此，本发明方法能有效改善工艺宽裕度以及工艺成品率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，用以改善高选择性研磨浆料的化学机械研磨工艺的研磨效果，该方法包括:

提供一研磨垫以及一晶片载具，该晶片载具上装载有一晶片；

提供一高选择性研磨浆料于该研磨垫上，并提供一晶片载具下压力于该晶片载具，以使该晶片接触该研磨垫而进行一化学机械研磨工艺，其中该研磨垫以及该晶片载具分别具有一研磨垫转速以及一晶片载具转速；以及

提供去离子水于该研磨垫上，并利用去离子水持续进行该研磨工艺。

2.如权利要求1所述的方法，其中该方法包括在提供去离子水于该研磨垫之前，先停止对该研磨垫提供该高选择性研磨浆料。

3.如权利要求1所述的方法，其中在提供去离子水于该研磨垫时，该高选择性研磨浆料持续提供于该研磨垫。

4.如权利要求1所述的方法，其中在提供去离子水于该研磨垫时，该研磨垫转速以及该晶片载具转速维持不变。

5.如权利要求1所述的方法，其中在提供去离子水于该研磨垫时，该晶片载具下压力维持不变。

6.如权利要求1所述的方法，其中在提供去离子水于该研磨垫时，同时减小该晶片载具下压力。

7.如权利要求1所述的方法，其中在提供去离子水后，该研磨工艺持续进行5～60秒后停止。

8.如权利要求1所述的方法，其中该高选择性研磨浆料为一含铈浆料或一含锆浆料。

9.如权利要求5所述的方法，其中该高选择性研磨浆料为一包括二氧化铈或二氧化锆的浆料。

10.如权利要求1所述的方法，其中该化学机械研磨工艺应用于一浅沟绝缘工艺。

11.一种化学机械研磨方法，用以改善高选择性研磨浆料化学机械研磨工艺的研磨效果，该方法包括:

利用一第一研磨垫以及一晶片载具，对一晶片进行一第一化学机械研磨工艺，且在该第一化学机械研磨工艺的前段通入一第一高选择性研磨浆料；

停止该第一化学机械研磨工艺；

利用一第二研磨垫对该晶片进行一第二化学机械研磨工艺，且在该第二化学机械研磨工艺的前段通入一第二高选择性研磨浆料；以及

12.如权利要求11所述的方法，其中在以去离子水稀释该第一高选择性研磨浆料时，停止通入该第一高选择性研磨浆料。

13.如权利要求11所述的方法，其中在以去离子水稀释该第一高选择性研磨浆料时，持续通入该第一高选择性研磨浆料。

14.如权利要求11所述的方法，其中在以去离子水稀释该第二高选择性研磨浆料时，停止通入该第二高选择性研磨浆料。

15.如权利要求11所述的方法，其中在以去离子水稀释该第二高选择性研磨浆料时，持续通入该第二高选择性研磨浆料。

16.如权利要求11所述的方法，其中在提供去离子水进行该第一或该第二化学机械研磨工艺时，该第一研磨垫转速或该第二研磨垫转速，以及该晶片载具转速维持不变。

17.如权利要求11所述的方法，其中在提供去离子水于该第一研磨垫或该第二研磨垫时，该晶片载具的下压力维持不变。

18.如权利要求11所述的方法，其中在提供去离子水于该第一研磨垫或该第二研磨垫时，同时减小该晶片载具的下压力。

19.如权利要求11所述的方法，其中在提供去离子水后，该第一化学机械研磨工艺或该第二化学机械研磨工艺持续进行5～60秒后停止。

20.如权利要求11所述的方法，其中该第一以及该第二高选择性研磨浆料为一含铈浆料或一含锆浆料。

21.如权利要求20所述的方法，其中该第一以及该第二高选择性研磨浆料为一包括二氧化铈或二氧化锆的浆料。

22.如权利要求11所述的方法，其中该化学机械研磨工艺应用于一浅沟绝缘工艺。