CN102689267B - 化学机械研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学机械研磨方法，该方法用于对多个前端器件结构依次进行化学机械研磨，前端器件结构均包括具有测试沟槽的层间介电层以及形成在层间介电层上的待研磨金属材料层，其特征在于，利用前一晶片的实际研磨时间、前一晶片研磨前与研磨后的测试沟槽横截面积的变化值以及下一晶片研磨后的测试沟槽横截面积的目标值来计算下一晶片的实际研磨时间，并且第1个前端器件结构的研磨时间t1是预定值。由于沟槽中填充有金属从而形成钨塞结构或者铜互连结构，而通过研磨时间来控制研磨去除的测试沟槽的面积大小，从而可以更好地控制研磨后的测试沟槽的电阻率，取得更好的研磨效果。

Description

化学机械研磨方法
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺，特别是涉及一种化学机械研磨的方法。
背景技术
在集成电路的制造过程中，通常在前端器件结构上依次沉积半导体层、导电层、氧化层等多种层结构。在沉积了每一层之后，会需要蚀刻工艺以形成所需的图案，从而形成电路元件。蚀刻工艺会导致沉积的层表面出现不平整或不均匀的问题，从而在后续的工艺步骤期间产生缺陷。因此需要对器件的表面进行平整化。
化学机械研磨是一种常见的用于使器件表面平整化的工艺手段。在大马士革工艺、STI（浅槽隔离）氧化硅研磨、LI（局部互连）氧化硅研磨、LI钨研磨、ILD（层间介质）氧化硅研磨、钨塞研磨等CMP工艺中，尽管研磨的目标位置各有不同，但都可采用化学机械研磨设备来实施化学机械研磨。
通常在一批晶片中，应该尽量保证晶片之间的一致性，从而保证产品的质量。在现有的化学机械研磨工艺中，通常是在晶片的层间介电层中形成有测试沟槽，利用被研磨去除的测试沟槽的高度或者氧化物的损耗量来控制研磨时间。如图1所示，例如经过研磨后的半导体器件中的测试沟槽100的高度是HP，那么其它经过研磨的晶片中的测试沟槽100的高度也应该是HP，但是由于半导体工艺的制程通常在纳米级别，因此各个晶片上的测试沟槽100的尺寸和形状很难保证完全一致，因此，研磨后虽然各晶片中测试沟槽100的高度一致，但是测试沟槽100的横截面积不完全一致。由于沟槽中填充有金属从而形成钨塞或者铜互连结构，而研磨之后需要检测钨塞或者铜互连结构的电阻率，电阻率跟测试沟槽的横截面积是相关联的，测试沟槽的横截面积不完全一致将导致电阻率也无法一致，也就是说，仅以测试沟槽的去除高度作为研磨程度的参考量是存在缺陷的，从而导致无法保障同一批次中的各晶片之间的一致性。
为了提高研磨后晶片对晶片（wafer-to-wafer）的一致性，改善研磨质量和晶片质量，提高半导体器件的可靠性，有必要对研磨时间的控制方法进行改进。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
一种化学机械研磨方法，所述方法用于对多个前端器件结构依次进行化学机械研磨，所述前端器件结构均包括具有测试沟槽的层间介电层以及形成在所述层间介电层上的待研磨金属材料层，其特征在于，所述方法还包括：
a）对第n个前端器件结构进行时间长度为t n 的化学机械研磨，n为正整数；
b）对第n+1个前端器件结构进行时间长度为t n+1 的化学机械研磨，所述t n+1 =f n  ×t n ×(S E(n+1)-S 0 )/(S En -S Pn )，其中，f n 的取值范围为0.5~5，S En 和S Pn 分别是所述第n个前端器件结构的测试沟槽研磨前与研磨后的横截面积，S E(n+1) 是所述第n+1个前端器件结构的测试沟槽研磨前的横截面积，S 0 是所述测试沟槽研磨后的横截面积的目标值。
根据本发明的另一方面，第1个前端器件结构的研磨时间t 1 是预定值。
根据本发明的另一方面，所述测试沟槽的横截面积=（顶部宽度+底部宽度）                                                高度/2。 
根据本发明的另一方面，所述顶部宽度、底部宽度和高度均采用光学关键尺寸测量。
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种化学机械研磨的方法，所述方法利用前一晶片中测试沟槽横截面被研磨去除的面积大小、前一晶片的研磨时间以及后一晶片研磨后的测试沟槽横截面积的目标值，计算得到后一片晶片的实际研磨时间，以便更好地控制研磨后的测试沟槽的电阻率，从而取得更好的研磨效果。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1为现有的化学机械研磨方法研磨前后晶片的对比示意图；
图2为根据本发明的化学机械研磨方法研磨前后晶片的对比示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来讲显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明的化学机械研磨方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供一种化学机械研磨方法，该方法具体步骤如下：
首先，提供多个前端器件结构，所述前端器件结构包括具有测试沟槽的层间介电层以及形成在所述层间介电层上的待研磨金属材料层，如图2所示，测试沟槽200的横截面呈梯形，也就是说，测试沟槽200的横截面积=（顶部宽度+底部宽度）高度/2，利用光学关键尺寸测量（OCD Optical Critical Dimension）的方法可测出第n个前端器件结构研磨前测试沟槽200顶部的宽度d ETn 、底部的宽度d EBn 和高度h En ，进而可以计算出第n个前端器件结构研磨之前测试沟槽200的横截面积S En ，所述n为正整数，
      S En =(d ETn +d EBn )×h En /2     （1）
然后，利用光学关键尺寸测量方法测量研磨后的第n个前端器件结构中测试沟槽200顶部的宽度d PTn 、底部的宽度d PBn 和高度h Pn ，从而计算出研磨之后测试沟槽200的横截面积S Pn ，
      S Pn =(d PTn +d PBn )×h Pn /2       （2）
也就是说，第n个前端器件结构在研磨前后测试沟槽200的横截面积的变化为ΔS n = S En - S Pn 。
然后，通过光学关键尺寸测量方法测出下一个前端器件结构，即第n+1个前端器件结构在研磨之前测试沟槽200顶部的宽度d ET(n+1)、底部的宽度d EB(n+1)和高度h E(n+1)，从而计算出第n+1个前端器件结构在研磨之前测试沟槽200的横截面积S E(n+1)，
     S E(n+1)=( d ET(n+1)+ d EB(n+1)) ×h E(n+1)/2 （3）
设定全部前端器件结构研磨之后的测试沟槽200横截面积是S 0 ，S 0 是一预定的指标值，对于同一批待研磨前端器件结构来说，各前端器件结构S 0 的取值大小均相等。
根据第n个前端器件结构的研磨时间t n ，利用公式（4）计算得出第n+1个前端器件结构的研磨时间t n+1 ，对第n+1个前端器件结构进行时间长度为t n+1 的化学机械研磨：
 t n+1 = f n ×t n ×(S E(n+1)-S 0 )/ΔS n
= f n ×t n ×(S E(n+1)-S 0 )/ (S En - S Pn ) （4）            
其中，f n 是调整因子，它的取值范围是0.5~5，本领域技术人员可以理解的是，研磨时的环境温度、研磨液的成分与含量、机台的转速、机台的型号或者生产厂家不同都可能会对t n+1 的计算结果产生影响，因此，需要用f n 作为调整因子来修正t n+1 ，以使下一个晶片研磨后的测试沟槽200横截面积接近S 0 。在实际操作时，f n 根据技术人员的经验确定。t n 是上一前端器件结构的研磨时间，当n=1时，第1个前端器件结构的研磨时间t 1 是预定值，即技术人员可以根据经验预定的时间长度。将t 1 带入上述公式计算得出第2个前端器件结构的研磨时间，依次类推，也就是说，从第2个前端器件结构开始的各前端器件结构的研磨时间均可以利用上述公式计算得出。
上述化学机械研磨方法可以但不限于适用于STI（浅槽隔离）氧化硅研磨、钨塞研磨和大马士革铜研磨工艺中。
上述化学机械研磨所采用的设备可以是市售的各种设备，例如AMAT（Applied Materials，位于美国的应用材料供应商）公司生产的各种设备。
综上所述，本发明的化学机械研磨的方法，利用上一前端器件结构中测试沟槽横截面积的磨损值、上一前端器件结构的研磨时间以及下一片前端器件结构的研磨后的理想测试沟槽横截面积值计算得到下一片前端器件结构的研磨时间，以计算得出的研磨时间长度对下一片前端器件结构进行研磨，以使研磨后的前端器件结构的测试沟槽的横截面积接近于理想电阻率所对应的面积值，从而便于控制电阻率的大小。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (4)

1.一种化学机械研磨方法，所述方法用于对多个前端器件结构依次进行化学机械研磨，所述前端器件结构均包括具有测试沟槽的层间介电层以及形成在所述层间介电层上的待研磨金属材料层，其特征在于，所述方法还包括：
a)对第n个前端器件结构进行时间长度为tn的化学机械研磨，n为正整数；
b)对第n+1个前端器件结构进行时间长度为tn+1的化学机械研磨，所述tn+1＝fn×tn×(SE(n+1)-S0)/(SEn-SPn)，其中，fn的取值范围为0.5～5，SEn和SPn分别是所述第n个前端器件结构的测试沟槽研磨前与研磨后的横截面积，SE(n+1)是所述第n+1个前端器件结构的测试沟槽研磨前的横截面积，S0是所述测试沟槽研磨后的横截面积的目标值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第1个前端器件结构的研磨时间t1是预定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试沟槽的横截面积＝(顶部宽度+底部宽度)×高度/2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述顶部宽度、底部宽度和高度均采用光学关键尺寸测量。
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