CN101417407A - 化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨方法，包括步骤：提供待研磨晶片；将所述待研磨晶片吸附于研磨头下；将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上；对所述研磨头施加低的下压力，其中，对研磨头的边缘区域与中央区域施加的下压力间的比值在1.5至3倍之间；令所述转盘及所述研磨头旋转，对所述待研磨晶片进行研磨。采用本发明的化学机械研磨方法，减小了研磨头上的总下压力，加大了中央区域与边缘区域间的下压力的比例差，可以在改善边缘区域易残留氧化物的问题的同时，提高研磨工艺的均匀性及一致性。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术

随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。但多层布线技术的应用会造成硅片表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，需要对不规则的晶片表面进行平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨法(CMP，Chemical Mechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进亚微米(sub-micron)领域后，化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。

化学机械研磨法(CMP)是一种复杂的工艺过程，它是通过晶片和研磨垫之间的相对运动平坦化晶片表面的。图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图，如图1所示，化学机械研磨时，通过转动的研磨头101将晶片102以一定的下压力(通常利用气体供给装置110得到)压置于旋转的转盘104上的研磨垫103上，混有极小磨粒的研磨液105通过研磨液输送管106滴落于研磨垫103上，并在研磨垫103的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布于其上，在晶片102和研磨垫103之间形成一层流体薄膜，流体中的化学成分与晶片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶片表面去除，溶入流动的流体中带走，从而获得光滑无损伤的平坦化表面。

衡量化学机械研磨工艺的一个重要的指标是平坦化后晶片表面的均匀性及一致性。随着晶片尺寸不断增大，平坦化后晶片表面的均匀性、一致性的实现难度进一步加大，而随着晶片内器件尺寸的不断缩小，晶片上因平坦化不均匀、不一致导致的小的瑕疵对器件性能的影响更加显著，对平坦化后晶片表面的均匀性、一致性要求进一步提高了。

平坦化晶片出现不均匀、不一致的现象主要是在晶片边缘区域及中央区域之间，如，当晶片中央区域已研磨到位时，在晶片边缘区域还可能残留有部分待研磨层未去除干净，可能引起该现象的原因有：通过研磨头施加到晶片上的下压力对于晶片边缘与中央区域的作用大小不同；沉积薄膜时的薄膜厚度的不均匀(因边缘效应常会导致晶片边缘沉积厚度较厚)等。

为了改善上述平坦化晶片时出现的问题，现有技术中，对研磨头进行了改进，采用了对晶片边缘区域及中央区域施加不同大小的下压力的方法。如，于2005年7月27日授权的公告号为CN2712547Y的中国专利，及于2005年6月15日公开的公开号为CN1626313A的中国专利申请中分别公开了两种不同的研磨头，其采用了不同的结构，但都可以实现分别对研磨头下所附着的晶片的边缘区域及中央区域所施加的下压力进行调整，以提高晶片边缘区域及中央区域间平坦化后的均匀性。

但是，实际上，采用该类研磨头后，如何对晶片边缘区域及中央区域施加不同下压力以提高平坦化晶片的均匀性也是化学机械研磨工艺中的一个难点问题。如，当平坦化后的晶片边缘总是研磨不到位时，仅仅采用增加晶片边缘区域的下压力以增大该处的研磨速率的方法，并不能解决这一问题，还需要结合其它相关的因素，对研磨工艺的各个条件进行具体的摸索才能真正改善这一问题。

发明内容

本发明提供一种化学机械研磨方法，以改善采用现有的研磨方法对晶片进行平坦化处理后，晶片的边缘区域易残留部分待研磨层未去除干净的现象，提高晶片平坦化后的均匀性及一致性。

本发明提供的一种化学机械研磨方法，包括步骤：

提供待研磨晶片；

将所述待研磨晶片吸附于研磨头下；

将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上；

对所述研磨头施加低的下压力，其中，对研磨头的边缘区域与中央区域施加的下压力间的比值在1.5至3倍之间；

令所述转盘及所述研磨头旋转，对所述待研磨晶片进行研磨。

其中，对所述待研磨晶片进行研磨，具体包括步骤：

对所述待研磨晶片进行主研磨；

待检测到研磨终点后，对所述待研磨晶片进行过研磨。

优选地，所述过研磨时间为所述主研磨时间的30％至50％。

其中，所述中央区域占所述研磨头面积的60％至80％之间。

其中，对所述待研磨晶片进行的是浅沟槽隔离结构的平坦化处理。

其中，所述待研磨晶片表面的待研磨层为氧化硅层。

其中，所述待研磨晶片的边缘区域具有栅氧完整性检测单元，且所述栅氧完整性检测单元的面积在800×800μm至1200×1200μm之间。

优选地，所述转盘的转速在60至100rpm之间，所述研磨头的转速在80至120rpm之间。

本发明具有相同或相应技术特征的另一种化学机械研磨方法，包括步骤：

提供待研磨晶片；

将所述待研磨晶片吸附于研磨头下；

将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上；

对所述研磨头中央区域施加1.5至3psi之间的下压力；

对所述研磨头边缘区域施加4至6psi之间的下压力；

令所述转盘及所述研磨头旋转，对所述待研磨晶片进行研磨。

其中，对所述待研磨晶片进行研磨，具体包括步骤：

对所述待研磨晶片进行主研磨；

待检测到研磨终点后，对所述待研磨晶片进行过研磨。

优选地，所述过研磨时间为所述主研磨时间的30％至50％。

其中，所述中央区域占所述研磨头面积的60％至80％之间。

其中，对所述待研磨晶片进行的是浅沟槽隔离结构的平坦化处理，且所述待研磨晶片表面的待研磨层为氧化硅层。

其中，优选地，所述转盘的转速在60至100rpm之间，所述研磨头的转速在80至120rpm之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的化学机械研磨方法，将研磨头中央区域的下压力设置在1.5至3psi之间，将研磨头边缘区域的下压力设置在4至6psi之间，减小了总的下压力，加大了中央区域与边缘区域间的下压力的比例差，可以在改善边缘区域易残留部分待研磨层的问题的同时，提高研磨结果的均匀性及一致性。

本发明的化学机械研磨方法，还将过研磨时间设置为主研磨时间的30％至50％，进一步确保了待研磨晶片在中央区域与边缘区域都达到较好的研磨效果。

附图说明

图1为现有的化学机械研磨设备的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中的待研磨晶片结构剖面图；

图3为本发明具体实施例中的化学机械研磨方法的流程图；

图4为本发明具体实施例中出现过量研磨时的器件剖面示意图；

图5为本发明具体实施例中研磨正常时的器件剖面示意图；

图6为采用本发明具体实施例的化学机械研磨方法前后的研磨结果比较图。

具体实施方式

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

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明的具体实施例中的待研磨晶片为具有已填充氧化物后的浅沟槽隔离(STI，Shallow Trench Isolation)结构的晶片，图2为本发明具体实施例中的待研磨晶片结构剖面图，结合图2说明该浅沟槽隔离结构的形成过程：首先在硅衬底201上沉积薄层的缓冲氧化层(图中未示出)；然后在该缓冲氧化层上沉积停止层203，其材料通常为氮化硅；接着，利用光刻技术在该停止层203上形成浅沟槽隔离结构的图案，对停止层203、缓冲氧化层和硅衬底201进行刻蚀，形成浅沟槽隔离结构中的沟槽；再接着，沉积一层厚的氧化硅层205作为该沟槽的填充物。

在形成图2中所示的浅沟槽隔离结构后，还需要对该待研磨晶片进行平坦化处理以去除晶片表面多余的填充物——氧化硅层205。本发明的具体实施例就是说明如何利用本发明的化学机械研磨方法实现对该待研磨晶片的平坦化处理。

采用传统的化学机械研磨方法对图2中所示的晶片进行平坦化处理后，常发现在晶片边缘区域表面残留有部分氧化硅层未去除。这一方面可能是因为晶片边缘区域与中央区域的研磨速率不同，或沉积的氧化硅层的薄膜厚度不均匀导致，另一方面也是因为为了提高成品率，该部分边缘区域通常会设计为用于测试的结构，如用于测试栅氧完整性的检测单元。该类检测单元的面积较大，通常在800×800μm至1200×1200μm之间，因负载效应，其区域表面的氧化硅研磨速率较慢，易在其表面出现氧化硅层未去除干净的现象。而该检测区域表面氧化硅层的去除不干净会影响到后面利用该部分检测单元进行检测的结果，需要尽量避免。

现有的化学机械研磨方法中，已经可以通过研磨头对晶片的中央区域及边缘区域分别采用不同的下压力。为改善上述现象，较为方便的方法是加大晶片边缘区域的下压力，令其研磨速率加快，实现边缘区域与中央区域同时研磨到位。

然而，大量实验数据证实，单纯地加大边缘区域的下压力并不能对上述问题有所改善。如，现有的研磨过程中，对晶片中央区域所加的下压力为4psi左右，边缘区域所加的下压力为7psi，当加大边缘区域的下压力时(如9psi)，实验结果证实并不能改善晶片边缘区域残留有部分氧化硅的现象，而且还可能会引发其它的问题，如研磨结果的整体均匀性下降等。

为了改善晶片边缘区域易残留部分待研磨层(本实施例中为氧化硅层)的问题，提高晶片表面在化学机械研磨后的均匀性及一致性，经过大量的实验摸索，对传统的化学机械研磨方法进行了适当的改进，得到了本发明的化学机械研磨方法。

图3为本发明具体实施例中的化学机械研磨方法的流程图，下面结合图3对本发明的具体实施例进行详细介绍。

首先，提供待研磨晶片(S301)。本实施例中，提供的待研磨晶片为图2中所示的晶片，本实施例中进行的是该晶片的浅沟槽隔离结构的平坦化处理，即将晶片表面的氧化硅层205研磨去除。

然后，将待研磨晶片吸附于研磨头下(S302)。通常的化学机械研磨设备具有多个研磨头，可以同时对多个待研磨晶片进行研磨处理，此时，可以将多个待研磨晶片分别吸附于各个研磨头下，如3个。

接着，将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上(S303)。如果有多个待研磨晶片，本步中需将吸附有各待研磨晶片的各研磨头均移至转盘上的相应位置，为后面晶片的研磨作好准备。

再接着，对研磨头施加低的下压力，同时调整研磨头中央区域与边缘区域间的下压力比值：如可以对研磨头的中央区域施加1.5至3psi之间的下压力(S304)，对研磨头的边缘区域施加4至6psi之间的下压力(S305)。本实施例中所用的研磨头具有多个同心圆区域，如五个，其可以通过对各个区域施加不同的下压力来调整研磨的效果。其中，位于研磨头中间(即待研磨晶片的中间)的三个同心圆区域占了研磨头面积(或者说待研磨晶片面积)的60％至80％之间，如70％，本实施例中将该三个同心圆所在区域定义为中央区域。

本实施例中，在该中央区域内利用压缩空气施加了1.5至3psi之间的下压力，如为2psi；在边缘区域(研磨头边缘的两个同心圆所在区域)利用压缩空气施加了4至6psi的下压力，如为5psi。其具体的调整思路为：将中央区域的下压力下调至传统的中央区域的下压力(通常在4psi左右)的40％至60％左右，如50％，同时，将边缘区域的下压力下调至传统的边缘区域的下压力(通常在7psi左右)的65％至90％左右，如70％。这样，可以令边缘区域与中央区域间的下压力的比值由原来通常的1.1至1.5倍左右变为了1.5至3倍左右，使得二者间的下压力比例差明显加大，但同时又可以确保二者间的数值差并不明显增大。

采用本实施例中的下压力参数后，在减小研磨头上各区域的下压力的同时，加大了研磨头中央区域与边缘区域所施加的下压力间的比例差(即加大了二者间的研磨速率比例差)，减小了边缘区域与中央区域到达研磨终点所需的时间差距(即当检测到研磨终点时，两个区域上的氧化层的厚度差减小了)，改善了晶片边缘区域(本实施例中具体为栅氧完整性的检测单元区域)易残留部分氧化层未去除的现象。

另外，本实施例中无论研磨头的中央区域还是边缘区域均采用了较小的下压力，令整体的研磨速率进一步下降，进一步提高了研磨的均匀性及一致性。

然后，令转盘及研磨头旋转，对待研磨晶片进行研磨(S306)。该转盘上装有研磨垫，研磨液会输送至该研磨垫上，并通过转盘带动研磨垫的旋转令研磨液均匀分布于研磨垫上。前一步在研磨头上施加了下压力，将研磨头下附着的待研磨晶片压置于研磨垫上，本步中转盘及研磨头开始旋转时，在待研磨晶片和研磨垫之间会形成一层研磨液的薄层，其与晶片产生化学反应，将晶片表面的待研磨层转化为易溶物质，再通过研磨液中磨粒的微机械摩擦将其去除，实现了对待研磨晶片表面的待研磨层的平坦化去除。

本实施例中，将转盘的转速设置在60至100rpm之间，如为80rpm；将研磨头的转速设置在80至120rpm之间，如为100rpm。另外，提供的研磨液的流量可以设置在200至300ml/min之间，如为250ml/min。

本步研磨的目的是去除掉晶片表面多余的氧化硅层，实现晶片表面的平坦化。如果在研磨时，对研磨的终点控制不佳，就会出现过量研磨或研磨不足的现象。为了实现对研磨终点的自动控制，本步CMP工艺是利用STI的填充物——氧化硅层及停止层——氮化硅层之间存在的较大的研磨速率差来获取研磨终点的(即，当检测到晶片的研磨速率出现了大的变化时，自动发出信号表明已研磨至氮化硅层)。

为确保对研磨终点的良好控制，通常将本步的研磨过程分为主研磨和过研磨两步。其中，在检测到研磨终点之前的研磨过程称为主研磨，检测到研磨终点之后至研磨结束之间的研磨过程称为过研磨。晶片上不同区域(如密集度不同的区域或位置不同的区域)间的研磨速率会有所差别，当某一研磨速率较快的区域检测到研磨终点时，其它大部分区域的表面仍会残留部分氧化硅层，为了将其去除，有必要在主研磨处理结束后，再增加一定时间的过研磨处理。

本实施例中，在检测到研磨终点时，再将研磨时间延长了30％至50％左右，以实现过研磨。如，当检测到研磨终点时，其研磨了60秒(主研磨时间)，则可以再延长20秒作为过研磨处理。此时，因研磨速率较快的区域表面露出的是研磨速率较慢的氮化硅层，其可以容忍一定时间的过研磨，而不会损伤到下层的结构。但注意过研磨处理的时间不能过长，否则会导致浅沟槽内填充的氧化硅向内凹陷，造成氧化硅过磨削(Dishing)，影响器件的性能。

图4为本发明具体实施例中出现过量研磨时的器件剖面示意图，如图4所示，当过研磨过多时出现了过量研磨现象：其硅衬底201上的停止层——氮化硅层203已被研磨去除较多，因浅沟槽内所填充的氧化硅的研磨速率远大于氮化硅层，浅沟槽内的氧化硅出现了凹陷401，这对器件的性能不利。

图5为本发明具体实施例中研磨正常时的器件剖面示意图，如图5所示，当研磨正常时，硅衬底201上的停止层——氮化硅层203被研磨去除的不多，其与浅沟槽内所填充的氧化硅的研磨速率差未明显表现出来，浅沟槽内的氧化硅层501仍能保持填充的较为平整。

本实施例中，主研磨与过研磨过程采用了相同的工艺条件，在本发明的其它实施例中，也可以分别对其采用不同的工艺条件。

综上所述，本发明的化学机械研磨方法，通过将研磨头中央区域的下压力设置在1.5至3psi之间，将研磨头边缘区域的下压力设置在4至6psi之间，加大了中央区域与边缘区域间的下压力的比例差，解决了晶片边缘易残留部分氧化物的问题。

下面分析一下为何采用单纯地加大研磨头边缘区域的下压力的条件后不能改善边缘区域残留部分氧化层，而采用本发明的上述条件后却可以改善的原因：

对于前者，虽然加大了研磨头的中央区域与边缘区域间的下压力的比例差，但在该种方法下，研磨头上总的下压力较大，研磨的速率也较快，这导致当检测到研磨终点时，往往只有中央的小部分区域的氧化硅层去除干净，而其它边缘部分仍会残留较厚的氧化硅层。此时，即使进行了过研磨处理，边缘区域的氧化硅层也难以完全去除干净。(因为过研磨处理的时间是有限的，如果过研磨的处理时间过长，主研磨时已研磨到位的区域的浅沟槽内的氧化硅会因过量研磨而形成凹槽，影响器件的性能。)

而对于后者，是在减小总压力的前提下，加大研磨头的中央区域与边缘区域间的下压力差。此时总的研磨速率较低，虽然不同区域间的研磨速率的比例差加大，但不同区域间的研磨速率的数值差相对较小，此时的研磨终点的检测更为准确：当检测到研磨终点时，往往已有较大部分的中央区域的氧化硅层被去除干净，且其它边缘部分所残留的氧化硅层也相对较薄(即各区域残留的氧化硅层的厚度差距并不大)，这样，只要在主研磨后增加适量的过研磨处理就可以将晶片上残留的部分氧化硅层去除干净，而不会在已研磨到位的中央区域造成氧化硅过磨削。

另外，采用本发明的化学机械研磨方法，还可以有效提高研磨结果的均匀性及一致性。图6为采用本发明具体实施例的化学机械研磨方法前后的研磨结果比较图，如图6所示，图中的横坐标代表了不同的工艺条件，纵坐标代表了研磨后图形密集度不同的小区域间的厚度差。其中，填充斜线的方框用于表示位于晶片中央区域内，研磨后图形密集度不同的各位置间的厚度差情况，填充点状物的方框用于表示位于晶片边缘区域内，研磨后图形密集度不同的各位置间的厚度差情况，未填充的方框用于表示整个晶片内，研磨后图形密集度不同的各位置间的厚度差的平均值情况。

图中的600代表了工艺条件1：采用传统的化学机械研磨方法的下压力条件时的各区域在研磨后的厚度差情况；610代表了工艺条件2：采用本发明具体实施例中的化学机械研磨方法的下压力，且过研磨时间为主研磨时间的30％时的各区域在研磨后的厚度差情况；620代表了工艺条件3：采用本发明具体实施例中的化学机械研磨方法的下压力，且过研磨时间为主研磨时间的40％时的各区域在研磨后的厚度差情况；610代表了工艺条件4：采用本发明具体实施例中的化学机械研磨方法的下压力，且过研磨时间为主研磨时间的50％时的各区域在研磨后的厚度差情况。

由图6可以看到，采用本发明的化学机械研磨方法后，在晶片的不同区域内，研磨后的图形密集度不同的各位置间的厚度差情况均有所改善，即平坦化后的晶片表面的均匀性、一致性得到了有效的提高。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (18)

1、一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤：

提供待研磨晶片；

将所述待研磨晶片吸附于研磨头下；

将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上；

对所述研磨头施加低的下压力，其中，对研磨头的边缘区域与中央区域施加的下压力间的比值在1.5至3倍之间；

令所述转盘及所述研磨头旋转，对所述待研磨晶片进行研磨。

2、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行研磨，具体包括步骤：

对所述待研磨晶片进行主研磨；

待检测到研磨终点后，对所述待研磨晶片进行过研磨。

3、如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述过研磨时间为所述主研磨时间的30％至50％。

4、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述中央区域占所述研磨头面积的60％至80％之间。

5、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行的是浅沟槽隔离结构的平坦化处理。

6、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述待研磨晶片表面的待研磨层为氧化硅层。

7、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述待研磨晶片的边缘区域具有栅氧完整性检测单元。

8、如权利要求7所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述栅氧完整性检测单元的面积在800×800μm至1200×1200μm之间。

9、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述转盘的转速在60至100rpm之间。

10、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨头的转速在80至120rpm之间。

11、一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤：

提供待研磨晶片；

将所述待研磨晶片吸附于研磨头下；

将附着待研磨晶片的所述研磨头移至转盘上；

对所述研磨头中央区域施加1.5至3psi之间的下压力；

对所述研磨头边缘区域施加4至6psi之间的下压力；

令所述转盘及所述研磨头旋转，对所述待研磨晶片进行研磨。

12、如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行研磨，具体包括步骤：

对所述待研磨晶片进行主研磨；

待检测到研磨终点后，对所述待研磨晶片进行过研磨。

13、如权利要求12所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述过研磨时间为所述主研磨时间的30％至50％。

14、如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述中央区域占所述研磨头面积的60％至80％之间。

15、如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行的是浅沟槽隔离结构的平坦化处理。

16、如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述待研磨晶片表面的待研磨层为氧化硅层。

17、如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述转盘的转速在60至100rpm之间。

18、如权利要求11所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨头的转速在80至120rpm之间。

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