CN101934494A

CN101934494A - 一种化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN101934494A
Application number: CN2009100543755A
Authority: CN
Inventors: 孙涛
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: CN101934494B

Abstract

一种化学机械研磨方法，按照如下步骤确定研磨浆注入位置：用多个规定厚度的同种控片在研磨盘上以同样的工艺研磨同样的时间，每个控片分别对应研磨盘的径向上距其中心不同距离的研磨浆注入位置；测定各控片的研磨速率；选择平均研磨速率在控制的范围而且研磨速率标准偏差最小的控片；根据所选择的控片对应的研磨浆注入位置注入研磨浆。以这种方式注入研磨浆可以减少化学机械研磨过程中的晶片上材料厚度的不均匀性和由此导致的缺陷。

Description

一种化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及一种化学机械研磨的方法，特别是涉及调节研磨浆注入位置来减少研磨晶片厚度差和缺陷的化学机械研磨方法。

背景技术

半导体器件的制造过程包括很多道工序，如在一片晶片上必须进行数百个制程，以完成集成电路的制作。这些制程包括在晶片上沉积电介质和导体材料，通过光刻、蚀刻和显影等形成电路图案，而且通常还包括经过研磨操作使表面变得平坦。常用的研磨操作如化学机械研磨。

在化学机械研磨中，研磨剂悬浮液或浆液分配到研磨垫表面。在研磨垫表面和晶片之间的相对移动对晶片表面产生机械和化学的混合效果，从而在晶片上形成平坦表面。

如图1所示，化学机械研磨机台包括研磨头和研磨盘，每个研磨盘上贴有研磨垫，被研磨的晶片的正面朝下，而且置于研磨盘上方晶片握柄的下面，该晶片握柄将把晶片压在贴有一整块研磨垫的转盘上。在研磨过程中，研磨用的研磨剂悬浮液或浆液是通过该设备上的研浆注入臂(slurry arm)流到研磨垫上。为了让化学机械研磨过程能够均匀，晶片握柄除了会转动之外，还会左右平移，以使晶片与研磨垫之间的接触不会局限在某一特定区域，并让新鲜与经使用的研磨浆，能呈现一稳定的供应和代谢的关系，使化学机械研磨的研磨速率和均匀度能够平稳。

化学研磨机台MirraMesa包括三个研磨盘。研浆注入臂是研磨盘上面的一个装置，通过该研浆注入臂，研磨浆可以流到研磨垫上来研磨晶片。

通常，化学机械研磨机台MirraMesa从最初装机开始，三个研磨盘上的研浆注入臂位置就没有进行科学的定义。因此，研磨浆流到研磨垫上的位置是随机的，由于研磨浆流到研磨垫上的不同位置会影响到研磨速率和晶片表面平坦化的程度，因此，这种研磨方式不能确保晶片表面材料的厚度均匀性、不产生或少产生缺陷状况。

因此，有必要调整确定研磨浆流出的较佳位置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种化学机械研磨方法，这种方法可在化学机械研磨中减少材料的研磨厚度不均匀性和缺陷状况。

本发明所采用的技术方案是在研磨之前先确定研浆注入臂的位置，以在化学机械研磨中减少材料的研磨厚度不均匀性和缺陷状况。

在半导体领域中，“控片(Dummy Wafer)”还称为“假片”、“试机片”等，凡是产品晶片(QC片)以外的全部可以称为dummy wafer。本发明中的“控片”是指在晶片上沉积了与待进行化学机械研磨的材料层相同材料的晶片。

本发明中的“晶片”是指在半导体制程中，待进行化学机械研磨用于生产产品的晶片。

根据本发明的一种化学机械研磨方法，按照如下步骤确定研浆注入位置：

用至少三个规定厚度的同一种控片在研磨盘上以相同工艺研磨相同的时间，每个控片分别对应研磨盘的径向上距中心不同距离的研磨浆注入位置；

测定每个控片的研磨速率；

选择平均研磨速率在控制的范围内，而且研磨速率偏差最小的控片；

根据所选择的控片对应的研磨浆注入位置注入研磨浆。

优选的是，在测定每个控片的研磨速率时，在每个控片的任一直径方向上取至少三个，优选9个以上的点测定这些点的研磨速率。

优选地，所述控片的材料层厚度为至少1μm；所述的控片在研磨盘上研磨的时间为1分钟。

其中，控片上的材料层与待研磨的材料相同，如，在铜化学机械研磨中，所述控片为铜材料控片。

在本发明中，控片材料层厚度标准是以在研磨垫上不会被磨光为准，优选地厚度至少为1μm左右；控片的材料与机台制程有关，如根据制程可以是铜、铝或钨等金属，也可以是氧化薄膜等电介质材料；对控片在研磨垫上的研磨时间没有特别限定，以能测出研磨速率为准，优选为1分钟左右；每个控片对应一个研浆注入臂的位置，即研浆注入臂距研磨垫中心不同距离的位置。

测量出每个控片剩余材料的厚度，要以直径或者全图测量，目的是为了比较晶片边缘和中心的研磨速率，从而计算并比较不同研浆注入臂位置下的研磨速率和不均匀程度。

有最小不均匀度和正常研磨速率的位置作为最终选择。选择好最佳位置之后，任选地，可以在研浆注入臂后端进行标记。一般，对于每一个制程都有一个适合该制程的最佳研浆注入位置。

按照本发明的方法进行化学机械研磨，可以确定对于每个化学机械研磨制程适合的最佳研浆注入位置，通过由选择的最佳研浆注入位置注入研浆，从而可以在化学机械研磨过程中减少研磨的晶片上材料厚度的不均匀性以及减少由此导致的缺陷。

附图说明

通过以下结合附图的对非限定性实施例的描述，本发明的其它目的、特征和优点将变得更为明显和突出。其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的装置或部件。

图1是化学机械研磨过程示意图。

图2是MirraMesa化学机械研磨机台中研浆注入臂的可调范围示意图。

图3是根据本发明的方法，在一个MirraMesa研磨机台上实施，调节研浆注入臂位置后测得的，不同注入位置上平均研磨速率和研磨速率标准偏差比较。

图4是根据本发明的方法，在另一个MirraMesa研磨机台上实施，调节研浆注入臂位置后测得的，不同注入位置上平均研磨速率和研磨速率标准偏差比较。

图5是根据本发明的一个实施方式，得到的一个较佳研浆注入位置上的控片直径上不同点测得的研磨速率结果。

图6是根据本发明的另一个实施方式，得到的不同研浆注入臂位置上的控片直径上不同点测得的研磨速率结果对比。

图7是未调节研浆注入臂位置进行化学机械研磨后的晶片缺陷图。

图8是根据本发明的方法调节并确定研浆注入臂位置进行化学机械研磨后的晶片缺陷图和晶片上的半导体图案。

图9是未调节研浆注入臂位置进行化学机械研磨后的成品率图和缺陷率图。

图10是根据本发明的方法调节并确定研浆注入臂位置后进行化学机械研磨后的产品成品率图和缺陷率图。

附图标记说明

1 研磨盘或研磨辊

2 研磨垫

3 研磨头

4 晶片

5 研浆注入臂

6 研浆注入臂位置可调节范围

具体实施方式

以下结合附图对本发明示例性的实施方式进行较为详细的说明。在不偏离本发明的构思及精神范围的情况下，本领域的技术人员可以实施本发明的这些或其他的改进和变化。

图1是化学机械研磨过程示意图。通常研浆注入臂5的注入位置在研浆注入位置范围内是随意的。由于研磨浆流到研磨垫上的不同位置会影响到研磨速率和晶片表面平坦化的程度，因此，这种研磨方式不能确保晶片表面材料的厚度均匀性以及不产生或少产生缺陷状况。

图2是MirraMesa化学机械研磨机台中研浆注入臂的示意图。研浆注入臂5与研磨机台可转动地连接，研浆注入臂5能够以其与研磨机台的连接处为轴转动，因此，研浆注入臂5的注入位置是可以调节的。其可调节范围是如图2中6所示的研磨盘中心到边缘的范围。

本发明选择研浆注入臂5在图2中6所示的范围内调节研浆注入位置，并采用一定薄膜厚度的控片(即试验晶片)在研磨垫上进行一定时间的研磨，利用测量薄膜厚度的机台对薄膜研磨前后的厚度进行多点测量。其中多点要涵盖晶片中心和边缘。所得结果为对应测量点的两组数据，一组为前值，一组为后值，相应点的前后值相减除以研磨时间即为此点的研磨速率，取各点研磨速率的平均值为机台的研磨速率(removal rate，RR)。一组后值的标准偏差(standard deviation，STD)除以研磨速率(RR)即可得到不均匀度(non-uniformity，NU)，所以理论上NU越小越好，越小代表整个晶片各点的研磨速率越接近，那么晶片表面的残留缺陷就会越少。

下面以铜CMP为例检验在研浆注入臂位置与研磨速率之间是否有关系；并获得研磨速率相对于研浆注入臂位置的变化趋势；

试验设备：Mirra Mesa化学机械研磨机台；

晶片：5块1μm的Cu材料控片

研浆注入臂位置：选择9，11，13，15，17(指距离研磨盘中心的厘米数)点。

其结果，研浆注入臂位置与研磨速率之间的关系如图3和4所示。

图3是根据本发明的方法，在一个MirraMesa研磨机台上实施，调节研浆注入臂位置后测得的不同注入位置下研磨速率分布和研磨速率标准偏差比较。图中，横坐标是研浆注入位置距离研磨盘中心的厘米数；纵坐标(左)是平均研磨速率(RR，)；纵坐标(右)是研磨速率偏差(Profile Range，

)(同上述的标准偏差STD)。

由该图可见，在研磨去除速率控制范围内，研磨速率标准偏差越低越好，因此，研浆臂位置在距离研磨盘中心15厘米时是对于该制程和该机台的最佳研浆注入位置。

图4是根据本发明的方法，在另一个MirraMesa研磨机台上实施，调节研浆注入臂位置后测得的不同注入位置下研磨速率分布和研磨速率标准偏差比较。图中，横坐标是研浆注入位置距离研磨盘中心的厘米数；纵坐标(左)是平均研磨速率(RR)(

)；纵坐标(右)是研磨速率偏差(Profile Range)(

)(同上述的标准偏差STD)。

由该图可见，在研磨去除速率控制范围内，轮廓范围越低越好，因此，研浆臂位置在距离研磨盘中心13厘米时是对于该制程和该机台的最佳研浆注入位置。

由此可以了解，即使是同一个研磨制程，如果不是在同一个机台上，在进行研磨之前也有必要重新确定研浆注入位置。

表1及图5是根据本发明的一个具体实施方式，研磨后得到的一个较佳研浆注入位置上的控片上(以9点直径测量为例，就是在一条直径上平均取九个点测量厚度)测得的研磨速率值。以及由此计算得到的其平均研磨速率、研磨速率标准偏差以及不均匀度。

用1μm Cu试验晶片进行1min的研磨(其它研磨参数如研磨头的压力、研磨垫转速、研磨头的转速等等一定)，晶片厚度的一组前值为A1～A9，晶片研磨后的一组后值分别对应为B1～B9，如表1。则平均研磨速率RR＝[(B1-A1)+(B2-A2)+...+(B9-A9)]/9＝0.49998μm/min，而B1-A1，B2-A2...分别是各测量点对应的研磨速率。NU只针对研磨后的数值，NU＝STD(B1～B9)＝0.02％

表1

点(site)	前值，A	后值，B	研磨速率(RR)
				1	1.0004	0.5001	0.5003
2	1.0003	0.5004	0.4999
				3	1.0002	0.5002	0.5
4	1.0001	0.5	0.5001
				5	1	0.5005	0.4995
6	1.0001	0.5003	0.4998

7	1	0.4999	0.4998
				8	1.0003	0.5004	0.4999
9	1.0004	0.5002	0.5002

NU＝STD(B1～B9)＝0.02％

RR＝0.499977778μm/min

在每一个研浆注入位置测量出一个RR和NU，选择RR profile较佳同时NU最小的一个作为最佳位置。RR profile较佳的判断标准为：两边对称。

具体地，分别用至少三片1μm厚度左右的铜控片，需要注意的是厚度标准以在研磨垫上不会被磨光为准，前值厚度须测量确定。将选择的控片拿到研磨垫上用相同的研磨程式研磨1分钟左右。对研磨时间没有特别限定，以能测出研磨速率为准，一般选择研磨一分钟。每个控片分别对应研浆注入臂的不同位置，即距离研磨盘中心不同程度的位置。

应了解的是除了铜材料晶片以外，还可以是任何可进行化学机械研磨的材料晶片，比如铝、钨或者其他金属，或者氧化薄膜等等。至于选择何种材料，主要与机台制程有关。

测量出每个控片剩余铜的厚度，从而计算并比较研磨臂在不同位置下的研磨速率分布和不均匀程度。测量可以是沿着直径上的不同点或者整个晶片上的不同点进行全图测量，目的是为了比较晶片边缘和中心的研磨速率。

图6是根据本发明的另一个具体实施方式，选择两个不同的注入位置，进行控片研磨后得到的控片上直径方向81个点的研磨速率值。图中，good profile是指较佳研浆注入位置得到的；poor profile是指较差研浆注入位置得到的。

根据本发明的方法，将不均匀度最小和正常研磨速率的位置作为最终选择。选择好最佳位置之后，可以在研浆注入臂后端做标记。然后按照标记的注入位置调节研浆臂来注入研浆，进行相应的化学机械研磨制程。

图7是未进行研浆注入臂位置调节的化学机械研磨时的残留缺陷图。图8是进行研浆注入臂位置调节后化学机械研磨时的正常缺陷图。

从图7和8清楚可见，调节研浆注入位置进行化学机械研磨后的晶片缺陷和半导体图案缺陷比未调节研浆注入位置进行化学机械研磨后的晶片缺陷和半导体图案缺陷明显改善。

图9是未调节研浆注入臂位置进行化学机械研磨后的成品率和缺陷率图。图10是调节研浆注入臂位置进行化学机械研磨后的成品率图和缺陷率图。

从图9和10中清晰可见，调节研浆注入位置进行化学机械研磨后的成品率和缺陷率比未调节研浆注入位置进行化学机械研磨后的成品率和缺陷率明显改善。

以上通过具体实施例对本发明的方法进行了具体说明，但不仅仅限于这些实施方式，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化或改进，而这些变化和改进都属于本发明的范围。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，按照如下步骤确定研磨浆注入位置：

用至少三个规定厚度的同一种控片在研磨盘上以相同工艺研磨相同的时间，每个控片分别对应研磨盘的径向上距其中心不同距离的研磨浆注入位置；

测定每个控片的研磨速率；

选择平均研磨速率在控制的范围而且研磨速率偏差最小的控片；

根据所选择的控片对应的研磨浆注入位置注入研磨浆。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测定每个控片的研磨速率时，在一个控片的任一直径上取至少三个点测量其研磨速率。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控片的厚度为至少1μm。

4.如权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述控片的厚度为1μm，所述控片在研磨盘上研磨的时间为1分钟。

5.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述控片材料与待研磨的材料相同。

6.如权利要求1～5任一所述的方法，其特征在于，在铜CMP中控片材料是铜。