CN102452039A

CN102452039A - 化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102452039A
Application number: CN2010105186314A
Authority: CN
Inventors: 李协吉
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明提供了一种化学机械研磨方法，包括：提供晶片和化学机械研磨设备，所述晶片具有停止层，停止层上方具有待研磨层，所述化学机械研磨设备具有研磨垫；对所述研磨垫进行修整；利用修整后的研磨垫对晶片进行多步研磨步骤，所述各步研磨步骤的时间小于等于最佳研磨时间，所述各个研磨步骤的时间之和大于最佳研磨时间；在各步研磨步骤之后，采用所述化学机械研磨设备检测所述停止层，若未检测到所述停止层，则对所述研磨垫进行修整；若检测到所述停止层，则停止研磨步骤。所述方法使得改善了研磨后晶片表面的膜厚均匀度和色差，减少研磨工艺对晶片表面的划伤。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及化学机械研磨方法。

背景技术

随着超大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration，ULSI)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，元件的特征尺寸不断减小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已经难以满足元件高密度的要求，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。但是多层布线技术的应用会造成晶片表面起伏不平，对图形制作非常不利。因此，需要对起伏不平的晶片表面进行平坦化(Planrization)处理。目前，化学机械研磨(Chemical MechanicalPolishing)工艺是达成全局平坦化的最佳方法之一，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(Sub-micron)领域后，化学机械研磨成为一项重要的工艺技术。

化学机械研磨工艺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。请参考图1，为现有的化学机械研磨设备结构示意图。现有的化学机械研磨设备包括：研磨头(Polish Head)101、置于旋转的转盘104上的研磨垫(Polish Pad)103、研磨液输送管106、气体供给装置110。

在进行化学机械研磨时，所述研磨头101将晶片102以一定的下压力压置于旋转的转盘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1 03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，从而获得光滑无损上的平坦化表面。

在授权公告号为CN 100467219C的中国专利中可以发现更多关于现有的化学机械研磨工艺的信息。

为了保证化学机械研磨工艺的质量，通常对现有的化学机械研磨工艺进行检测，所述检测包括目测和利用膜厚测试仪对晶片的表面膜层的厚度均匀性进行检测。

在实际中发现，化学机械研磨工艺后晶片表面存在较明显的色差，并且利用膜厚测试仪的晶片表面膜层厚度均匀性不好，部分晶片表面的待研磨层未被研磨去除，造成待研磨层残留。

发明内容

本发明解决的问题是提供了一种化学机械研磨的方法，所述方法改善了化学机械研磨工艺后晶片表面色差以及晶片表面膜层厚度均匀性不好的问题，提高了化学机械研磨工艺的稳定性。

为解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨方法，包括：

提供晶片和化学机械研磨设备，所述晶片具有停止层，停止层上方具有待研磨层，所述化学机械研磨设备具有研磨垫；

对所述研磨垫进行修整；

利用修整后的研磨垫对晶片进行多步研磨步骤，所述各步研磨步骤的时间小于等于最佳研磨时间，所述各个研磨步骤的时间之和大于最佳研磨时间；

在各步研磨步骤之后，采用所述化学机械研磨设备检测所述停止层，若未检测到所述停止层，则对所述研磨垫进行修整；若检测到所述停止层，则停止研磨步骤。

可选地，所述修整步骤为利用钻石轮进行。

可选地，所述最佳研磨时间为20～80秒。

可选地，所述修整步骤的时间为5～30秒。

可选地，所述化学机械研磨设备具有终点检测模块，所述终点检测模块利用终点检测技术检测停止层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明利用修整后的研磨垫对晶片进行多步研磨步骤，经过所述修整步骤的研磨垫具有一定的粗糙度，从而使得所述研磨垫在修整后的最佳研磨时间内保持该粗糙度，从而在最佳研磨时间内保持均匀的研磨速率，避免研磨垫由于粗糙度下降，使得研磨速率下降，造成研磨后晶片表面的色差以及晶片表面膜层厚度的不均匀，甚至部分应当被去除的待研磨介质层未被研磨去除，出现残留的情况；由于修整步骤去除了研磨工艺中的副产物、残留的研磨液等，使得研磨垫表面保持一定的洁净度，避免了研磨垫表面的副产物和残留的研磨液对晶片的划伤，防止划伤晶片；

由于在每一研磨步骤之后，采用所述化学机械研磨设备检测所述停止层，若未检测到所述停止层，则对所述研磨垫进行修整，利用修整后的研磨垫进行修整步骤，从而修整后的研磨垫在后续的研磨步骤中具有一定的粗糙度，使得研磨垫在修整后的最佳研磨时间内保持该粗糙度，由于每一研磨步骤的时间均小于最佳研磨时间，从而每一研磨步骤的研磨垫保持所述粗糙度，从而每一研磨步骤的研磨垫的研磨速率均匀，防止研磨后晶片表面的色差以及晶片表面膜层厚度不均匀的情况。

修整

所述修整步骤的时间5～30秒，防止修整时间过长，造成对研磨垫的损伤，或者修整时间过短，造成研磨垫的粗糙度和洁净度不能满足工艺要求等。

附图说明

图1是现有的化学机械研磨设备结构示意图。

图2是晶片表面膜层结构示意图。

图3是本发明的化学机械研磨方法流程示意图。

图4～图6是本发明的化学机械研磨方法剖面结构示意图。

具体实施方式

现有的化学机械研磨工艺后晶片表面存在较明显的色差，利用膜厚测试仪获得的晶片表面膜层厚度均匀性不好。经过发明人研究发现，晶片表面存在色差以及晶片表面膜厚均匀性不好的原因是：化学机械研磨设备终点检测模块的终点检测(end point detection)不准确，导致化学机械研磨工艺的停止时间不准确，部分不应当被去除的膜层被研磨或/和部分应当被去除的膜层未被去除，使得晶片表面的膜层厚度不均匀、存在色差。

为了说明现有的化学机械研磨设备终点检测原理，请参考图2，图2为晶片表面膜层结构示意图。晶片10表面形成有介质层11，介质层11内形成有开口13，所述晶片10上还覆盖有填充满所述开口13的金属层12，位于介质层11上方的金属层12是需要进行化学机械研磨去除的。其中介质层11作为化学机械研磨的停止层。现有的化学机械研磨设备的终点检测模块在研磨过程中采用终点检测技术，其将介质层11作为停止层，当终点检测模块检测到停止层，化学机械研磨设备就会停止化学机械研磨工艺。

在化学机械研磨工艺过程中，如果研磨速率(remove rate，RR)均匀，则介质层11表面的金属层12将被均匀的去除。但是如果研磨速率不均匀，则会导致介质层11表面的某部分金属层12去除较快，而另一部分的金属层12去除较慢，而部分应该被去除的金属层12未被去除而残留在介质层11表面，这样可能在所述某部分金属层12先暴露出下方的介质层11时，而另一部分的金属层12还残留在介质层11的表面，而化学机械研磨设备的终点检测技术将所述部分暴露出的介质层11当作停止层，使得化学机械研磨停止，最终使得部分金属层12未被完全去除，晶片表面存在色差，并且晶片表面膜层厚度不均匀。

需要说明的是，上述化学机械研磨仅为示意性说明，在实际中，晶片表面待研磨去除的物质不限于金属层，晶片表面的停止层不限于介质层，例如晶片表面待研磨去除的物质可以为介质层，晶片表面的停止层可以为金属层等。

本发明所述的研磨速率是指单位时间内去除的膜层的厚度，所述研磨速率不均匀，是指在化学机械研磨工艺过程中，不同的时刻的研磨速率不相同或偏差过大。

现有的化学机械研磨工艺研磨速率不均匀造成研磨后晶片表面色差以及膜厚不均匀的问题。发明人进一步研究发现，造成现有的化学机械研磨速率不均匀的原因是由于现有化学机械研磨方法设置不合理造成的。

由于化学机械研磨设备的研磨垫是由多孔、有弹性的聚合物制成，并且研磨垫具有一定的硬度、耐用性、可再生性和填充性，能够充分吸收研磨液并在下压力作用下输送至晶片表面。为了保证一定的研磨速率，研磨垫与晶片接触的表面还应具有一定的粗糙度。在研磨过程中，研磨垫的表面粗糙度会随着与晶片表面的多次相对摩擦使得研磨垫原本粗糙的表面变得光滑，使得研磨速率会逐渐下降。并且研磨过程中产生的副产物等以颗粒形式与研磨液混合，可能会造成晶片表面的划伤等缺陷。

现有技术通常在化学机械研磨工艺开始前，利用钻石轮(Pad ConditioningDisk)对研磨垫进行修整，所述修整步骤用于去除上一次研磨工艺中残留的副产物、残留的研磨液，使得研磨垫表面具有一定的粗糙度和洁净度。利用修整后的研磨垫进行研磨，直至终点检测到停止层，化学机械研磨工艺结束。

但是，发明人发现，在修整后的一段时间内，研磨垫可以保持一定的粗糙度和洁净度，使得化学机械研磨工艺在一段时间内保持符合工艺要求的研磨速率。为了便于说明，将修整后化学机械研磨工艺保持符合工艺要求的研磨速率的时间段称为最佳研磨时间。在修整后超过最佳研磨时间，如果不及时对研磨垫进行重新修整，则可能造成研磨垫光滑、研磨垫中有颗粒残留等物质，即研磨垫的粗糙度和洁净度下降，使得研磨工艺无法保持原有的研磨速率，并且研磨速率持续下降，使得终点检测模块无法检测到停止层或过早提前检测到停止层，使得晶片表面的部分不应当被去除的膜层被去除或/和晶片表面的部分应当被去除的膜层未被去除。并且由于研磨垫的洁净度下降，研磨垫表面的副产物等颗粒可能造成晶片损伤。

对应地，本发明的发明人提出一种方法，所述方法在化学机械研磨工艺中对研磨垫进行多次修整的步骤，所述修整在研磨速率下降前进行，使得修整后的研磨垫具有一定的粗糙度，从而使得修整后进行的研磨工艺的研磨速率保持一定的研磨速率，防止研磨速率下降造成晶片表面的色差以及晶片表面膜厚的均匀度不好；并且修整后的研磨垫具有一定的洁净度，避免研磨垫表面的颗粒、残留的研磨液对晶片造成损伤。

请参考图3，为本发明的化学机械研磨方法流程示意图，所述方法包括：

步骤S1，提供晶片和化学机械研磨设备，所述晶片具有停止层，停止层上方具有待研磨层，所述化学机械研磨设备具有研磨垫；

步骤S2，对所述研磨垫进行修整；

步骤S3，利用修整后的研磨垫对晶片进行多步研磨步骤，所述各步研磨步骤的时间小于等于最佳研磨时间，所述各个研磨步骤的时间之和大于最佳研磨时间；在各步研磨步骤之后，采用所述化学机械研磨设备检测所述停止层，若未检测到所述停止层，则对所述研磨垫进行修整；若检测到所述停止层，则停止研磨步骤。

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。请结合图4～图6，为本发明的化学机械研磨方法剖面结构示意图。

参考图4，提供晶片20，所述晶片20上具有介质层21，所述介质层21内形成有开口23，所述晶片20上还覆盖有填充满所述开口23的金属层22，位于介质层22上方的金属层22作为待研磨层，需要进行研磨工艺去除。所述介质层21作为研磨工艺的停止层。晶片表面的停止层和待研磨层的材质不限于上述的介质层和金属层。

所述化学机械研磨设备具有研磨头，所述研磨头吸附晶片，通过研磨头的运动带动晶片与研磨垫之间保持相对摩擦，使得研磨垫将晶片上待研磨层去除。去除待研磨层的原理与现有技术相同，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。

所述化学机械研磨设备具有研磨垫，所述研磨垫与现有技术的研磨垫相同，在此不做详细的说明。所述研磨垫在修整后一段时间保持最佳状态，所述一段时间成为最佳研磨时间。所述最佳研磨时间是指，在修整后研磨垫表面保持一定的洁净度和粗糙度的一段时间，在所述的一段时间内，研磨工艺对待研磨层的研磨速率在一定的范围内保持稳定，例如在所述的一定的研磨时间段内，所述研磨工艺的研磨速率保持某一研磨速率的80％～120％。

发明人发现，由于研磨垫的研磨速率与待研磨层的材料、待研磨层的厚度、研磨垫的材质、研磨液的成分、研磨垫表面的粗糙程度均有关系，由于在实际中，待研磨层的材料、待研磨层的厚度、研磨垫的材质、研磨液的成分通常不变，而研磨垫的粗糙程度会随着研磨过程与晶片表面的摩擦下降，所述粗糙度下降，引起研磨速率下降。

发明人基于特定的待研磨层的材料、待研磨层的厚度、研磨垫的材质、研磨液的成分一定的情况下进行了多次实验，所述最佳研磨时间的时间范围为修整后的20～80秒。具体的最佳研磨时间可以根据研磨工艺的要求进行设置。

然后，对所述研磨垫进行修整步骤。所述修整步骤利用钻石轮进行。所述钻石轮是一个表面镶嵌有金刚石颗粒的圆片，其结构与现有技术相同。在对待研磨物质进行研磨前，利用钻石轮对研磨垫进行修整，使得修整后的研磨垫表面达到一定的粗糙表面，从而防止研磨速率出现明显的降低，并同时保证不同的晶片之间研磨效果的一致性。所述修整步骤还可以去除位于研磨垫表面的研磨过程中的副产物、残留的研磨液等。

发明人发现，若钻石轮为新的未使用过的钻石轮，可以对其进行预磨处理，即利用钻石轮对其他的不用的研磨垫进行长达10～30分钟的修整，以防止新的钻石轮将研磨垫刮伤。

所述修整步骤的时间越长，修整后的研磨垫的粗糙程度和洁净程度越高，但是修整步骤的时间越长，对研磨垫的磨损越快，可能降低研磨垫的使用寿命。在实际中，修整步骤的时间通常根据最佳研磨时间的时间长度进行具体的设置。最佳研磨时间的时间长度越长，修整步骤的时间越长。作为一个实施例，所述修整步骤的时间通常为5～30秒，在所述时间范围内，可以使研磨垫达到一定的粗糙度和洁净度。

在修整步骤时，化学机械研磨设备的研磨头及其吸附的晶片与研磨垫分离，钻石轮与研磨垫保持之间进行相对运动，利用钻石轮表面的金刚石颗粒对研磨垫进行修整，并利用纯水将修整过程产生的废弃物冲洗。

通常，修整后的研磨垫表面达到一定的粗糙度和洁净度，使得其在后续的研磨步骤中保持一定的研磨速率一段时间。

接着，请参考图5，利用修整后的研磨垫对晶片进行第一研磨步骤，所述第一研磨步骤的时间小于等于最佳研磨时间，去除晶片20表面的一部分金属层22。作为一个实施例，所述第一研磨步骤的时间为最佳研磨时间0.8倍、0.9倍或0.5倍，在此一一列举。

在所述第一研磨步骤过程中，化学机械研磨设备的终点检测装置进行终点检测，若检测到停止层21，则停止研磨，化学机械研磨工艺结束，若第一研磨步骤进行完毕，所述终点检测装置仍未检测到停止层21，则对化学机械研磨垫进行重新修整。修整的方法与第一研磨步骤之前的修整方法相同，在此不做详细的说明。

接着，请参考图6，利用修整后的研磨垫对晶片进行第二研磨步骤，所述第二眼膜步骤的时间小于等于最佳研磨时间。例如，所述第二研磨步骤的时间为最佳研磨时间的0.8倍、0.9倍或0.7倍、0.5倍等，在此不一一列举。

在所述第二研磨步骤过程中，化学机械研磨设备的终点检测装置进行终点检测，作为一个实施例，在第二研磨步骤中，化学机械研磨设备检测到停止层21，停止研磨步骤，化学机械研磨结束。

在其他的实施例中，若第二研磨步骤进行完毕，所述终点检测装置仍未检测到停止层21，则对化学机械研磨垫进行重新修整。修整的方法与第一研磨步骤之前的修整方法相同，并且在修整后进行进行第三研磨步骤，直至化学机械研磨设备检测到所述停止层。

综上，本发明提供的化学机械研磨方法，所述方法在化学机械研磨工艺中对研磨垫进行多次修整的步骤，所述修整在研磨速率下降前进行，使得修整后的研磨垫具有一定的粗糙度，从而使得修整后进行的研磨工艺的研磨速率保持一定的研磨速率，防止研磨速率下降造成晶片表面的色差以及晶片表面膜厚的均匀度不好；并且修整后的研磨垫具有一定的洁净度，避免研磨垫表面的颗粒、残留的研磨液对晶片造成损伤。

本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括：

对所述研磨垫进行修整；

利用修整后的研磨垫对晶片进行多步研磨步骤，所述各步研磨步骤的时间小于等于最佳研磨时间，所述各个研磨步骤的时间之和大于最佳研磨时间；在各步研磨步骤之后，采用所述化学机械研磨设备检测所述停止层，若未检测到所述停止层，则对所述研磨垫进行修整；若检测到所述停止层，则停止研磨步骤。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述修整步骤为利用钻石轮进行。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述最佳研磨时间为20～80秒。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述修整步骤的时间为5～30秒。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述化学机械研磨设备具有终点检测模块，所述终点检测模块利用终点检测技术检测停止层。