CN101961852B - 层间介质层的化学机械研磨方法 - Google Patents

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Abstract

一种层间介质层的化学机械研磨方法，包括：第一步、在第一研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第一研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI；第二步、在第二研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第二研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI，所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤去除大部分的待研磨材料；第三步、在第三研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，进一步提高表面平坦化程度，其中，第三研磨垫与晶圆之间的压强为2.0～3.0PSI。上述方法可以有效地减少层间介质层化学机械研磨的划痕，提高产品良率。

Description

层间介质层的化学机械研磨方法
技术领域
本发明涉及一种化学机械研磨(chemical～mechanical polishing，CMP)方法，特别是涉及一种对层间介质层进行化学机械研磨的方法。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺就是在无尘室的大气环境中，利用机械力对晶圆表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，使晶圆表面趋于平坦化，以便进行后续的工艺步骤(如光刻)。而这部分必须籍由研磨液中的化学物质通过反应来增加其蚀刻的效率。CMP制程中最重要的两大组件便是研磨液(slurry)和研磨垫(platen)。研磨液通常是将一些很细的氧化物粉粒分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安酯制成。在CMP制程中，先让研磨液填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶圆在高速旋转下和研磨垫与研磨液中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。而研磨液、晶圆与研磨垫之间的相互作用，便是CMP中发生反应的焦点。
现有的CMP抛光工艺包括三个研磨过程：第一步、在第一研磨垫(Platen1)上对晶圆上的待研磨材料进行粗加工研磨，通过较大的材料去除率(MaterialRemoval rate，MRR)形成初步平坦化，其中，第一研磨垫与晶圆之间的压强大约为2～3PSI，对晶圆的研磨速率为1500～2500埃/分钟左右；第二步、在第二研磨垫(Platen2)上用和第一研磨垫(Planten1)相同的MRR对晶圆上的待研磨材料进行研磨，其中，第二研磨垫与晶圆之间的压强大约为2～3PSI，对晶圆的研磨速率为1500～2500埃/分钟左右，所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤主要是为了去除大部分的待研磨材料，但是研磨后的待研磨材料的平坦度较差，容易留下较大的刮痕；第三步、在第三研磨垫(Platen3)上对晶圆上的待研磨材料进行研磨，以进一步提高表面平坦化程度，减少缺陷，其中，第三研磨垫与晶圆之间的压强大约为0.8～1.5PSI，对晶圆的研磨速率为300～700埃/分钟左右。其中，构成第一研磨垫和第二研磨垫的材料硬度要大于构成第三研磨垫的材料。
晶圆表面在经过CMP处理后往往会出现划痕(Scratch)缺陷。划痕主要来源有两类，一是由研磨液粉粒导致；二是由于研磨垫磨损形成的颗粒导致。其中第一类划痕的尺寸较小，但数量众多，在所有划痕中占据绝大部分。以下所述划痕如未作专门说明，均为上述第一类划痕。划痕的数目以及尺寸会严重影响晶圆的良品率。
半导体制造工艺中，金属层间介电绝缘体(Intermetal Dielectrics，IMD)和内层介电绝缘体(Interlayer Dielectrics，ILD)都可以被称为层间介质层。对于后继的半导体制作工艺步骤而言，具有均匀平坦的层间介质层是非常重要的，但是，经过化学机械研磨之后，层间介质层的划痕会对产品良率造成很大的影响，参考附图1所示，为采用现有技术的方法对层间介质层进行CMP之后晶圆表面的缺陷示意图，图中的黑点表示缺陷点，从图中可以看出，缺陷数量很多，因此，对化学机械研磨工艺进行改善和优化以减少层间介质层由于化学机械研磨产生的划痕是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种化学机械研磨方法，可有效减少晶圆层间介质层化学机械研磨后产生的划痕，以减少晶圆层间介质层的缺陷，有效提高产品的良率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种层间介质层的化学机械研磨方法，包括：第一步、在第一研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第一研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI；第二步、在第二研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第二研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI，所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤去除大部分的待研磨材料；第三步、在第三研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，进一步提高表面平坦化程度，其中，第三研磨垫与晶圆之间的压强为2.0～3.0PSI。
可选的，第一步或者第二步中层间介质层的研磨速率为500～1200埃/分钟。
可选的，第三步中层间介质层的研磨速率为100～1800埃/分钟。
可选的，第一步或者第二步的研磨时间为30～50秒。可选的，第三步的研磨时间为30～60秒。
可选的，所述的层间介质层为氧化硅，所述研磨液为氧化硅型研磨液。
通过上述方法，在第一步研磨和第二步研磨中对晶圆施加较小的向下压力、减小对层间介质层的研磨速率，来减少晶圆表面大刮痕的产生，同时在第三步的研磨中对第三研磨盘施加较大的向下压力、增加对层间介质层的研磨速率，来保证整体对层间介质层的研磨效率，就可以有效地减少层间介质层化学机械研磨后的划痕，提高产品良率。
附图说明
通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的，具体工艺特征和优点。
图1为现有技术层间介质层化学机械研磨后的缺陷示意图；
图2为本发明层间介质层化学机械研磨后的缺陷示意图；
图3为本发明层间介质层化学机械研磨工艺的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
本发明提供一种层间介质层的化学机械研磨方法，参考附图3所示的工艺流程图，包括：步骤S1，将晶圆置于第一研磨垫上，对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第一研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI，其中1psi≈6894.76Pa，优选的，第一研磨垫与晶圆之间的压强为1.5PSI。
本步骤中，对层间介质层的研磨速率为500～1200埃/分钟，研磨时间为30～50秒。优选的研磨速率为1000埃/分钟，研磨时间为40秒。
其中，所述研磨液应该根据层间介质层材料选取，为本领域技术人员熟知的常识，在此不再赘述，在一个具体实施例中，所述的层间介质层为氧化硅，所述研磨液的主要成分为氧化硅。
可选的，第一研磨垫的转速为60～90转/分钟，CMP设备的研磨头的转速为60～90转/分钟。
所述的第一研磨垫为硬研磨垫(hard mask)，可以是本领域技术人员常用的任意硬研磨垫，主要用于对待研磨材料进行快速研磨。
步骤S2，将晶圆置于第二研磨垫上，在第二研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第二研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI，所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤去除大部分的待研磨材料；优选的，第二研磨垫与晶圆之间的压强为1.5PSI。
本步骤中，对层间介质层的研磨速率为500～1200埃/分钟，研磨时间为30～50秒。优选的研磨速率为1000埃/分钟，研磨时间为45秒。可选的，第二研磨垫的转速为60～90转/分钟，CMP设备的研磨头的转速为60～90转/分钟。
所述的第二研磨垫为硬研磨垫(hard mask)，可以是本领域技术人员常用的任意硬研磨垫，主要用于对待研磨材料进行快速研磨。本实施例中，与第一研磨垫的材料相同。
本实施例中，步骤S1和步骤S2的工艺相同，主要是因为同一步研磨时间过长，工艺的稳定性就难以控制，因此，分成2步执行。另外，分成2步执行可以提高CMP设备的研磨效率。
所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤去除了大部分的待研磨材料，由于研磨速率和研磨垫与晶圆之间的压强都较现有技术小，因此，对晶圆上层间介质层的划痕明显减小。
步骤S3，将晶圆置于第三研磨垫上，在第三研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，进一步提高表面平坦化程度，其中，第三研磨垫与晶圆之间的压强为2.0～3.0PSI。优选的，第三研磨垫与晶圆之间的压强为2.3PSI。
本步骤中，对层间介质层的研磨速率为1000～1800埃/分钟，研磨时间为30～60秒。优选的研磨速率为1300埃/分钟，研磨时间为50秒。可选的，第二研磨垫的转速为60～90转/分钟，CMP设备的研磨头的转速为60～90转/分钟。
所述方法在第一步研磨和第二步研磨中对晶圆施加相对较小的向下压力、减小对层间介质层的研磨速率，来减少晶圆表面大刮痕的产生，同时在第三步的研磨中对第三研磨盘施加较大的向下压力、增加对层间介质层的研磨速率，来保证整体对层间介质层的研磨效率，就可以有效地减少层间介质层化学机械研磨的划痕，提高产品良率。参考附图2所示，为采用本发明所述的方法对层间介质层进行CMP之后晶圆表面的缺陷示意图，图中的黑点表示缺陷点，从图中可以看出，缺陷数量相对现有技术明显减少。
表1显示了采用现有技术对层间介质层进行化学机械研磨，以及采用本实施例所述的方法对层间介质层进行化学机械研磨后晶圆层间介质层表面划痕数、取样缺陷数以及晶圆上缺陷的总数对比情况。
从表1中可以看出，采用现有工艺研磨的晶圆层间介质层的缺陷总数为1659颗，其中，每50颗缺陷中划痕数为35颗；而采用本发明所述的工艺研磨的晶圆层间介质层，其缺陷总数为79颗，每50颗缺陷中划痕数仅为8颗，有效减少了晶圆层间介质层化学机械研磨后的缺陷和刮痕数目，显著提高了产品的良率。
表1
  工艺条件   现有工艺   本发明
  划痕数   35   8
  取样缺陷数   50   50
  晶圆上缺陷的总数   1659   79
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种层间介质层的化学机械研磨方法，包括：
第一步、在第一研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第一研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI；
第二步、在第二研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，其中，第二研磨垫与晶圆之间的压强为0.8～1.8PSI，所述的第一步和第二步化学机械研磨步骤去除大部分的待研磨材料；
第三步、在第三研磨垫上对晶圆的层间介质层进行研磨，进一步提高表面平坦化程度，其中，第三研磨垫与晶圆之间的压强为2.0～3.0PSI。
2.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，第一步或者第二步中层间介质层的研磨速率为500～1200埃/分钟。
3.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，第三步中层间介质层的研磨速率为1000～1800埃/分钟。
4.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，第一步或者第二步的研磨时间为30～50秒。
5.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，第三步的研磨时间为30～60秒。
6.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，所述的层间介质层为氧化硅。
7.根据权利要求1所述的层间介质层的化学机械研磨方法，其特征在于，第 一研磨垫和第二研磨垫的材料硬度要大于构成第三研磨垫的材料的硬度。 
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