CN102528640A - 一种化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种化学机械研磨方法，包括：以第一软研磨垫进行第一研磨工艺；接着，以第一硬研磨垫进行第二研磨工艺。本发明有效地防止破裂或者剥落的待研磨材料对晶圆表面产生划痕的缺陷，从而提高了最终产品的质量和性能。

Description

一种化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体装置领域，特别涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术

在半导体工艺领域，化学机械研磨技术(CMP技术)兼具有机械式研磨与化学式研磨两种作用，可以使整个晶圆表面达到平坦化，以便于后续进行薄膜沉积等工艺。在进行CMP的过程中，通过研磨头将待研磨的晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转，而研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时，通过研磨浆料输送装置将所需的研磨浆料添加到晶圆与研磨垫之间，然后，随着研磨垫和待研磨晶圆之间的高速方向运转，待研磨晶圆表面的反应产物被不断地剥离，反应产物随着研磨浆料被带走。进一步地，待研磨晶圆的新表面又会发生化学反应，反应产物再被剥离出来，这样循环往复，在机械研磨和化学腐蚀的共同作用下，使晶圆表面平坦化。

但是，在现有的CMP制程中常常会使晶圆表面产生划痕(scratch)，影响产品的优良率。所述划痕包括微划痕(Micro-scratch)和电弧擦伤(arc-scratch)。通常认为造成晶圆表面Micro-scratch和Arc-scratch的主要原因是研磨过程中的微粒与晶圆表面的摩擦所造成，这些微粒主要来自于研磨液中研磨粒的聚集，以及研磨机台或外界环境在研磨过程中所造成的污染。

浅沟槽隔离技术(Shallow Trench Isolation，STI)是一种器件隔离技术，其具体工艺包括：提供半导体衬底以及位于所述半导体底表面的刻蚀停止层(stoplayer)；采用刻蚀工艺，去除部分刻蚀停止层和半导体衬底，形成浅沟槽，所述浅沟槽用于隔离衬底上的有源区；在刻蚀停止层上以及浅沟槽内填入介质层，所述介质材料可以为氧化硅；对所述介质进行退火；用化学机械研磨法(ChemicalMechanical Polishing，CMP)平坦化所述介质层至暴露出刻蚀停止层。所述的化学机械研磨法通常包括至少两个步骤：以第一硬研磨垫进行第一研磨工艺；接着，以第一软研磨垫进行第二研磨工艺。

所述的化学机械研磨法会在研磨过程中产生严重的微划痕和电弧擦伤缺陷，造成产品的良率下降。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种化学机械研磨方法，防止在晶圆表面产生划痕。

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：以第一软研磨垫进行第一研磨工艺；接着，以第一硬研磨垫进行第二研磨工艺。

其中，所述待研磨层为介质层。

可选的，第一研磨工艺去除的待研磨层的厚度为待研磨层总厚度的20-50％。

可选的，所述第一软研磨垫的硬度低于50萧氏硬度。执行第一研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min。

可选的，所述第一硬研磨垫的硬度范围为50-70萧氏硬度。执行第二研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明调整使用硬研磨垫和软研磨垫的顺序，首先使用软研磨垫进行研磨，其次使用硬研磨垫进行研磨，避免首先采用硬研磨垫时对待研磨材料的尖角或者狭窄部分产生的破裂或者剥落，有效地防止破裂或者剥落的待研磨材料对晶圆表面产生划痕的缺陷，从而提高了最终产品的质量和性能。

附图说明

图1是本发明浅沟槽隔离结构执行CMP工艺时的结构示意图。

图2是浅沟槽隔离结构执行CMP工艺时产生破裂的投射电子显微镜图。

图3是包含四个旋转手臂和四个研磨区域的化学机械研磨设备结构示意图。

图4是图3所示的一个研磨区域进行化学机械研磨时的具体结构图以及研磨流程图。

具体实施方式

本发明的发明人发现，采用现有的化学机械研磨方法，首先用硬研磨垫进行研磨，然后用软研磨垫进行研磨，会产生微划痕和电弧擦伤缺陷，这是因为开始采用硬研磨垫进行研磨时，待研磨材料中存在的尖角或者狭窄部分在与硬研磨垫接触时，会产生破裂或者剥落，这些破裂或者剥落的待研磨材料在随后的研磨工艺中成为划伤晶圆产生划痕的主要原因。

以浅沟槽隔离结构的CMP工艺为例，参考附图1所示，附图中100为半导体衬底，通常为硅，硅锗或者绝缘体上硅，110为位于半导体衬底上的刻蚀停止层，通常为氮化硅，位于半导体衬底内的浅沟槽120，填充浅沟槽120并且覆盖刻蚀停止层的介质层130，所述的介质层130通常采用化学气相沉积工艺形成，例如高密度等离子体沉积，等离子体化学气相沉积等等工艺，由于化学气相沉积工艺的特性，在相邻沟槽之间的介质层130会存在尖角140，在平面图上会成为狭窄的有源线(Active line)；在进行化学机械研磨时，所述的晶圆在研磨头210的作用下，使介质层130的表面接触研磨垫220，在研磨头向下的力，研磨垫，研磨液的共同作用下，对介质层130实施平坦化工艺，由于首先是采用硬研磨垫进行研磨，所以尖角140部分比较容易发生破裂或者剥落，参考附图2所示，即为由于硬研磨垫以及研磨头向下的力的共同作用下产生的破裂缺陷，所述缺陷在继续进行化学机械研磨的过程中会在晶圆表面产生划痕。

因此，针对上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨方法，首先以第一软研磨垫进行第一研磨工艺；接着，以第一硬研磨垫进行第二研磨工艺。避免刚开始研磨时硬研磨垫对待研磨材料的尖角或者狭窄部分进行挤压产生的破裂现象，有效地防止散落在研磨垫上的待研磨材料对晶圆表面产生划痕的缺陷，从而提高了最终产品的质量和性能。

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

本实施例所述的化学机械研磨方法，适用于任何现有的化学机械研磨设备，例如附图3所示的包含四个旋转手臂和四个研磨区域的化学机械研磨设备，包括研磨区域111，112，113以及114，还包括旋转手臂121。参考附图4所示，为其中的一个研磨区域进行化学机械研磨时的具体结构图以及研磨流程图。参考附图4所示，采用的研磨装置包括研磨平台(platen)、粘附于所述研磨平台上的研磨垫(pad)11、研磨头(polishing head)12和液体输送管道13，所述液体输送管道13包含研磨液输送管131和去离子水(DIW)输送管132。在研磨过程中，所述研磨平台带动所述研磨垫11一起旋转(如图4中的粗箭头所示)，所述研磨液输送管131向所述研磨垫11喷射研磨液，并通过所述研磨垫11旋转产生的离心力使所述研磨液均匀地分布在所述研磨垫11上，所述研磨头12吸附住待研磨晶圆，并将待研磨晶圆的待研磨面压在所述研磨垫11的研磨表面上，所述研磨头12带动所述晶圆一起旋转(如图2中的细箭头所示)，通过待研磨晶圆的待研磨面与所述研磨垫11的研磨表面之间的相对运动研磨待研磨晶圆的待研磨面。进行下一步研磨之前，所述去离子水输送管132喷射出去离子水对待研磨晶圆及研磨垫11进行清洗。

本实施例所述的化学机械研磨方法，首先以软研磨垫进行第一研磨工艺，所述的软研磨垫具有较好的柔韧性，可形变性以及较低的硬度，材料例如为Rohm and haas公司所制造的Polytex，还可以是聚乙烯，或者Rodel公司制造的Embossed pad。其硬度例如低于50萧氏硬度，其密度低于0.5g/CM3。

本实施例中，进行研磨时，所述的待研磨面例如是STI工艺中待进行平坦化处理的介质层130，由于采用了软研磨垫，软研磨垫比较柔软，可变形性也较好，即使介质层130表面具有尖角，也可以避免介质层在研磨的开始阶段发生破裂或者剥落。

若待研磨面为介质层130，执行研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min，采用所述的软研磨垫，将所述的介质层去除总厚度的20-50％。

执行上述研磨工艺之后，以第一硬研磨垫进行第二研磨工艺。其进行化学机械研磨时的具体结构图以及研磨流程与附图3和附图4所示相同，在此不再赘述。

所述的硬研磨垫的材料例如是具有类似绒布柔软性的聚合材料，如掺有聚胺甲酸酯的聚酯纤维，聚酯纤维和聚胺甲酸酯的比例可以根据需要进行调节，其硬度范围例如为50-70萧氏硬度，其密度例如为0.5-0.9g/CM³。

待研磨面为经过软研磨垫研磨过的介质层130时，执行研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min，采用所述的硬研磨垫执行研磨工艺，直至暴露出刻蚀停止层。

在所述的第一研磨工艺和第二研磨工艺之间，还包括对晶圆以及研磨设备进行清洗的工艺，在一个优选的实施例中，所述的清洗工艺采用的清洗试剂包括硫酸，双氧水，HF等，清洗时间范围为1-2min。

对本发明来说，所述的待研磨层可以是氧化硅，氮氧化硅等介质材料，适用的半导体工艺除了STI工艺，还可以是其它任何沟槽平坦化工艺以及金属连线层形成工艺等等，所述的软研磨垫和硬研磨垫的材料，研磨液的成分以及研磨工艺随着不同的半导体工艺和待研磨材料进行调整。

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 (7)

1.一种化学机械研磨方法，包括：

以第一软研磨垫进行第一研磨工艺；

接着，以第一硬研磨垫进行第二研磨工艺。

2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层为介质层。

3.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，第一研磨工艺去除的待研磨层的厚度为待研磨层总厚度的20％-50％。

4.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一软研磨垫的硬度低于50萧氏硬度。

5.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，执行第一研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min。

6.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一硬研磨垫的硬度范围为50-70萧氏硬度。

7.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，执行第二研磨工艺时，研磨头向下的压力范围为4.5-6.5psi，研磨时间范围为0-2min。

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