CN102814725A

CN102814725A - 一种化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102814725A
Application number: CN2011101517971A
Authority: CN
Inventors: 杨贵璞; 张礼丽; 李万山; 李飞; 徐娟
Original assignee: CSMC Technologies Corp; Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Current assignee: CSMC Technologies Corp
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-08
Also published as: CN102814725B

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨（CMP）方法，属于半导体制造技术领域。该CMP方法用于对在集成电路的后端互连结构制备过程中的晶圆上的硅玻璃层进行平坦化处理，其包括以下步骤：主要对所述晶圆的边缘进行研磨；第一冲洗；主要对所述晶圆的中央进行研磨；以及第二冲洗。使用该CMP方法处理的晶圆的研磨面缺陷少，并且成本低、省时省力。

Description

一种化学机械研磨方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种化学机械研磨（Chemical-Mechanism Polishing, CMP）方法。

背景技术

随着集成电路的飞速发展，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，集成电路的器件的特征尺寸不断变小，集成度越来越高，平面布线已难以满足器件高密度分布的要求，因此，常常采用多层互连的后端结构来提高器件的集成度。但是，多层互连后端结构的制备过程中，需要形成平坦的表面来进一步进行精细图形制作，例如，布线层之间的层间介质层（Inter-Middle Layer。IMD），在沉积完成之后，需要平坦化（Planarization）处理。当前，CMP是常见的一种平坦化处理方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米领域以后，其已经称为集成电路制造中的必不可少的制备工艺。

CMP是利用混有极小磨粒的化学溶液与加工表面发生化学反应来改变表面的化学键，生成容易以机械方式去除的产物，再经过机械摩擦去除化学反应物来获得超光滑无损伤的平坦表面。

图1所示为现有技术的CMP设备的基本结构的俯视图。该CMP设备主要包括研磨平台（图中未示出）、置于研磨平台上面的研磨垫（Pad）140、研磨头（Polishing head）130、浆料传送装置（Slurry delivery）120以及研磨垫调整装置（Pad Conditioner）110。在进行CMP时，将需要平坦化处理的晶圆置于研磨头130中，在研磨头的一定下压力（Down force）的作用下，使待平坦化的晶圆表面紧压到研磨垫上；然后，研磨平台在动力装置的带动下旋转，研磨头130也进行同向旋转（例如均为逆时针方向旋转），从而在浆料的同时作用下实现化学机械研磨。

但是，在CMP处理晶圆的后端结构时，例如，硅玻璃的层间介质层时，会在研磨垫等上面残留浆料残余物（Slurry residue）及其它杂质颗粒等，这会导致在晶圆研磨面上形成刮痕、表面粒子等缺陷，从而影响芯片的良率，甚至可能导致晶圆报废。

当前，主要通过改进CMP设备结构的方法来防止缺陷的产生。例如，在中国专利申请号为CN200810037311.X的、名称为“一种用于化学机械抛光的研磨垫调整装置”的专利中，通过改进研磨垫调整装置的结构来减少CMP产生的缺陷。另外，也可以通过增加清理研磨垫、调整CMP装置的清洗部分的化学流量等方法来减少缺陷，但是这些方法存在相对费时费力、易损坏化学流量计、缺陷减少不明显等不足。

发明内容

本发明的目的在于，通过改进CMP方法来减少CMP所产生的缺陷。

为实现以上目的或者其它目的，本发明提一种化学机械研磨方法，用于对在集成电路的后端互连结构制备过程中的晶圆上的硅玻璃层进行平坦化处理，所述方法包括以下步骤：

（1）主要对所述晶圆的边缘进行研磨；

（2）第一冲洗；

（3）主要对所述晶圆的中央进行研磨；以及

（4）第二冲洗。

按照本发明提供的化学机械研磨方法的一实施例中，在所述第（1）和/或第（3）步骤中，所述晶圆置于化学机械研磨装置的研磨头中，所述研磨头相对所述研磨装置的研磨垫做正弦曲线运动。

较佳地，所述研磨头的运动速率设置可以为44转/分钟

较佳地，所述第（1）步骤中所述研磨头中的内部块的压力大于所述第（3）步骤中所述研磨头中的内部块的压力。其中，所述第（1）步骤中所述研磨头中的内部块的压力可以设置为5.2磅/平方英寸，所述第（3）步骤中所述研磨头中的内部块的压力可以设置为3.0磅/平方英寸。

较佳地，所述第（1）步骤中，所述研磨头中的垫环的压力可以设置为4.5磅/平方英寸，所述研磨头中的膜组件的压力可以设置为0.5磅/平方英寸。所述第（3）步骤中，所述研磨头中的垫环的压力可以设置为3.3磅/平方英寸，所述研磨头中的膜组件的压力可以设置为3.0磅/平方英寸。

按照本发明提供的化学机械研磨方法的又一实施例，其中，在所述第（1）步骤和/或第（3）步骤之后，还包括步骤：

化学机械研磨装置的研磨垫调整装置的摆动清除步骤。

按照本发明提供的化学机械研磨方法的再一实施例，其中，在所述第（3）步骤中对每片晶圆的研磨时间可以设置为23秒。

具体地，所述硅玻璃可以为硼磷硅酸玻璃或者磷硅玻璃。

较佳地，所述硅玻璃层用作所述后端互连结构的层间介质层。

本发明的技术效果是，主要通过先进行边缘研磨、再进行中央研磨的方式来进行CMP，避免了进行边缘研磨时压力过于集中边缘而产生过多缺陷，大大减少了CMP所产生的缺陷，并且通过改进CMP方法方式减少缺陷，相对具有成本低、省时省力的优点。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是现有技术的CMP设备的基本结构的俯视图。

图2是按照本发明实施例提供的CMP方法的流程示意图。

图3是晶圆在CMP之后、其上面形成缺陷的示意图，其中图3（a）为先进行主研磨再进行边缘研磨的CMP方法所形成的研磨面上的缺陷，图3（b）为先进行边缘研磨再进行主研磨的CMP方法所形成的研磨面上的缺陷。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在该发明中，主要针对集成电路的后端互连结构制备过程中的晶圆进行CMP处理，例如，对用作IMD的硅玻璃层进行CMP处理。具体地，该硅玻璃可以为BPSG（硼磷硅酸玻璃）或者PSG（磷硅玻璃）等。例如，在BPSG沉积回流形成以后，需要通过平坦化来形成IMD层，从而为下一层的金属布线制备作准备。

图2所示为按照本发明实施例提供的CMP方法的流程示意图。以下结合图1及图2对该发明实施例的CMP方法进行详细说明。

首先，步骤S11，进行研磨前的准备步骤

在该步骤中，首先需要将待研磨的晶圆装入研磨头130中，以使待磨面可操作地与研磨垫相接触。然后，研磨头开始做准备研磨的动作，并且此时，研磨平台可以按预定速率开始转动、研磨头也可以按预定速率开始转动130、浆料传送装置120也可以开始按预定流量开始输送浆料。需要理解的是，本领域技术人员基本了解研磨前的各种细节准备步骤，在此不再一一详述。

进一步，步骤S12，主要对晶圆的边缘进行研磨。

在该步骤中，主要对晶圆的边缘部分进行研磨，也即边缘研磨（Edge Polish）步骤。在施加下压力时，其主要施加于研磨头的边缘，从而晶圆的边缘部分与研磨垫之间的压力相对较大，在研磨的过程中，边缘部分研磨速率相对较快，中央部分相对较慢。具体地，在该实施例中，研磨头130以正弦曲线（sinusoidal）轨迹在研磨垫上摆动运动，其运动速率范围可以为5次摆动/分钟（sweeps/min），同时研磨头130在研磨垫上高速旋转，例如旋转速度是44转/分钟；旋转运动和正弦曲线轨迹摆动运动两个动作同时进行。研磨头130中的内部块的压力相对增加，例如，设置为5.2磅/平方英寸；另外，研磨头中的垫环（Retaining Ring，RR）可以设置为4.5磅/平方英寸，研磨头中的膜组件（Membrane）的压力可以设置为0.5磅/平方英寸。在研磨的过程中，浆料传送装置120也按预定速率（150毫升/分钟）不停地输送浆料。在边缘研磨进行一定时间后（在该实施例中通过时间终止法来终止研磨过程），终止该边缘研磨过程，在该终止过程中，主要通过CMP装置中的先进工艺控制模块（Advance Process Controller，APC）来实现。应理解的是，在其它实施例中，也可以采用其它方法实现终止，例如终止点检测法。

优选地，在步骤S12结束后，还包括研磨垫调整装置110的摆动（sweep）清除步骤来去除研磨垫上残余浆料以及浆料残余物等。研磨垫调整装置110的摆动的过程中，向研磨垫调整装置110施加一定的下压力，可以有效去除研磨垫上的残余浆料以及浆料残余物，从而有助于在后续研磨过程中减少缺陷的形成。

进一步，步骤S13，冲洗。

在该步骤中，可以冲洗掉研磨垫的上的残余浆料等。在该实施例中，可以以新鲜浆料来冲洗，例如，在该过程中，浆料传送装置120也按预定速率（150毫升/分钟）继续输送浆料。

进一步，步骤S14，主要对晶圆的中央部分进行研磨。

在该步骤中，主要对晶圆的中央部分进行研磨，也即主研磨（Main Polish）步骤。在施加下压力时，其主要施加于研磨头的中央部分，从而晶圆的中央部分与研磨垫之间的压力相对较大，在研磨的过程中，中央部分研磨速率相对较快，边缘部分相对很慢。具体地，在该实施例中，研磨头130以正弦曲线（sinusoidal）轨迹在研磨垫上摆动运动，其运动速率范围可以为5次摆动/分钟（sweeps/min），同时研磨头130在研磨垫上高速旋转，例如旋转速度是44转/分钟；旋转运动和正弦曲线轨迹摆动运动两个动作同时进行。研磨头130中的内部块（Inner Tuber，IT）上所设置的压力小于步骤（2）中的内部块上所设置的压力，例如，其范围可以设置为3.0磅/平方英寸；另外，研磨头中的垫环（Retaining Ring，RR）的压力范围可以设置为3.3磅/平方英寸；研磨头中的膜组件（Membrane）的压力范围可以设置为3.0磅/平方英寸。在研磨的过程中，浆料传送装置120也按预定速率（150毫升/分钟）不停地输送浆料。在进行边缘研磨一定时间后（在该实施例中通过时间终止法来终止研磨过程），终止该边缘研磨过程，在该终止过程中，主要通过CMP装置中的先进工艺控制模块（Advance Process Controller，APC）来实现。应理解的是，在其它实施例中，也可以采用其它方法实现终止，例如终止点检测法。主研磨终止时，晶圆的研磨表面达到预定的平面度要求。

优选地，在该步骤中，相对常规的主研磨步骤，降低每片晶圆的主研磨步骤的时间，例如，相对于常规的主研磨步骤降低5秒/片，设置为23秒/片，这样是由于选择本实施例的方法研磨晶圆时，由于缺陷减少，从而可以减少研磨的时间，进而可以提高研磨效率、节省研磨成本。

在再一优选实施例中，在步骤S14结束后，也还包括研磨垫调整装置110的摆动（sweep）清除步骤来去除研磨垫上残余浆料以及浆料残余物等。研磨垫调整装置110的摆动的过程中，向研磨垫调整装置110施加一定的下压力，可以有效去除研磨垫上的残余浆料以及浆料残余物，从而有助于在后续研磨过程中减少缺陷的形成。

进一步，步骤S15，冲洗。

在该步骤中，研磨头130继续以正弦曲线（sinusoidal）轨迹在研磨垫上摆动运动，其运动速率范围可以为5次摆动/分钟（sweeps/min），同时研磨头130在研磨垫上高速旋转，例如旋转速度是44转/分钟；旋转运动和正弦曲线轨迹运动两个动作同时进行。研磨头上偏置的下压力减小，同时可以通过浆料传送装置120按预定速率（150毫升/分钟）输送去离子水。通过该清洗步骤，可以在化学吸附形成前清除颗粒，并保护研磨表面不受二次污染，研磨垫上的残余物得到有效去除。

至此，一次CMP过程基本完成。在该过程中，采用两次研磨的方式（边缘研磨、主研磨）可以在避免晶圆的研磨面产生“碟形”（或边缘环形）缺陷的同时，先进行边缘研磨、再进行主研磨，避免了进行边缘研磨时压力过于集中边缘而产生过多缺陷，大大减少了CMP所产生的缺陷。

图3所示为晶圆在CMP之后、其上面形成缺陷的示意图，其中图3（a）为先进行主研磨再进行边缘研磨的CMP方法所形成的研磨面上的缺陷，图3（b）为先进行边缘研磨再进行主研磨的CMP方法所形成的研磨面上的缺陷。从其中可以看出，使用图２所示实施例的CMP方法后，通过改进CMP方法过程即可大大减少缺陷的形成，不需要增加或改进CMP设备的硬件结构，成本低。

以上例子主要说明了本发明的CMP方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1. 一种化学机械研磨方法，用于对在集成电路的后端互连结构制备过程中的晶圆上的硅玻璃层进行平坦化处理，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）主要对所述晶圆的边缘进行研磨；

（2）第一冲洗；

（3）主要对所述晶圆的中央进行研磨；以及

（4）第二冲洗。

2. 如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第（1）和/或第（3）步骤中，所述晶圆置于化学机械研磨装置的研磨头中，所述研磨头相对所述研磨装置的研磨垫做摆动运动，同时所述研磨头相对所述研磨垫做旋转运动。

3. 如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述摆动运动的速率设置为5次摆动/分钟，所述旋转运动的速率设置为44转/分钟。

4. 如权利要求1或2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第（1）步骤中所述研磨头中的内部块的压力大于所述第（3）步骤中所述研磨头中的内部块的压力。

5. 如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第（1）步骤中所述研磨头中的内部块的压力设置为5.2磅/平方英寸，所述第（3）步骤中所述研磨头中的内部块的压力设置为3.0磅/平方英寸。

6. 如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第（1）步骤中，所述研磨头中的垫环的压力设置为4.5磅/平方英寸，所述研磨头中的膜组件的压力设置为0.5磅/平方英寸。

7. 如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第（3）步骤中，所述研磨头中的垫环的压力设置为3.3磅/平方英寸，所述研磨头中的膜组件的压力设置为3.0磅/平方英寸。

8. 如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第（1）步骤和/或第（3）步骤之后，还包括步骤：

化学机械研磨装置的研磨垫调整装置的摆动清除步骤。

9. 如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第（3）步骤中对每片晶圆的研磨时间设置为23秒。

10. 如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述硅玻璃为硼磷硅酸玻璃或者磷硅玻璃。

11. 如权利要求1或10所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述硅玻璃层用作所述后端互连结构的层间介质层。