CN102922411B

CN102922411B - 防止晶片滑片的化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102922411B
Application number: CN201110228134.5A
Authority: CN
Inventors: 范怡平; 曾明; 李万山; 蔡宗成
Original assignee: CSMC Technologies Corp
Current assignee: CSMC Technologies Corp
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102922411A

Abstract

本发明提供一种防止晶片滑片的化学机械研磨（CMP）方法，属于半导体制造技术领域。该CMP方法包括研磨前准备步骤，在所述研磨前准备步骤被延长为包括第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，卡环（RR）的压力参数设置大于膜片（MM）的压力参数设置。该CMP方法可实现防止晶片滑片，并且方法简单，成本低。

Description

防止晶片滑片的化学机械研磨方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种防止被研磨的晶片（wafer）滑片的化学机械研磨（Chemical-Mechanism Polishing, CMP）方法。

背景技术

CMP技术在半导体芯片制造过程中广泛使用，其基本原理是，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装置的基本结构的示意图。该CMP装置主要包括研磨平台（platen）10、置于研磨平台上面并可与其同步转动的研磨垫（polishing pad）20、研磨头（polishing head）30、浆料传送装置（Slurry delivery）90。浆料传送装置90用以供应研磨浆料91至研磨垫20，晶片40被定于固定于研磨头30上，其置于研磨头30与研磨垫20之间；研磨头30向晶片40施加一定下压力（Downforce），并相对研磨垫转动和摆动（sweep），从而实现CMP过程。

图2所示为研磨头的基本结构示意图。通常地，研磨头包括卡环（Retaining Ring，以下简称“RR”）、膜片（Membrane，以下简称“MM”）以及内部胎管（Inner Tube，以下简称“IT”）。在图2所示实施例的研磨头结构中，RR 31用于在研磨过程中定位固定晶片40，其通过加压气室311向RR 31施加压力，该压力的控制通过第三导气管343所连接的气体压力控制装置实现；MM 32用于直接承载晶片40并向晶片40提供下压力以控制研磨速率，其通过加压气室321向MM 32施加压力、再传递给晶片40，该压力的控制通过第二导气管342所连接的气体压力控制装置实现；IT 33用于检测晶片40是否定位并结合MM所施加的压力来控制对晶片40的下压力的均匀性。在CMP的过程中，晶片40置于MM 32与研磨垫20之间，通过控制RR 31、MM 32、IT 33的压力参数来实现各个步骤的研磨过程。

通常地，CMP包括研磨前准备（Ramp Up）步骤、预研磨（Pre-Polish）步骤、主研磨（Main Polish）步骤以及边缘研磨步骤（Edge Polish）。在CMP过程中，通常会存在晶片滑片（Wafer slip out）现象，也即晶片40从研磨头30中滑出，该现象容易导致晶片破碎而造成很大损失，因此，现有技术中，需要尽量避免晶片滑片现象。

中国专利申请号为CN200410017414.1、申请人为上海宏力半导体制造有限公司、题为“化学机械研磨机台滑片检测方法”的专利中，提出了一种利用终点侦测系统来监测是否滑片的方法，该方法同样是利用传感器监测出是否滑片进而通过机台进一步采取相关措施（例如终止CMP）来防止晶片破碎，其并不能从根本上防止晶片滑片的现象，并且该方法会导致CMP操作人员工作负担加重、效率降低。

有鉴于此，有必要提出一种新型的CMP方法来避免晶片滑片现象。

发明内容

本发明的目的在于，降低CMP过程中晶片滑片的可能性。

为实现以上目的或者其它目的，本发明提一种CMP方法，包括研磨前准备步骤，在所述研磨前准备步骤被延长为包括第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，卡环（RR）的压力参数设置大于膜片（MM）的压力参数设置。

按照本发明提供的CMP方法的一实施例中，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，MM的压力参数设置基本为0。

较佳地，所述第二研磨前准备步骤中的RR的压力参数设置大于所述第一研磨前准备步骤中的RR的压力参数设置。

可选地，所述第一研磨前准备步骤中的RR的压力参数设置的范围为0.01-2磅/平方英寸，所述第二研磨前准备步骤中的RR的压力参数设置的范围为2-10磅/平方英寸。

可选地，所述第一研磨前准备步骤的时间设置在1-4秒范围，所述第二研磨前准备步骤的时间设置在1-4秒范围。

按照本发明提供的CMP方法的又一实施例中，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，RR的压力参数设置大于IT的压力参数设置。

较佳地，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，IT的压力参数设置基本保持不变。

可选地，在所述第一研磨前准备步骤中，IT的压力参数设置的范围为1-2磅/平方英寸；在所述第二研磨前准备步骤中，IT的压力参数设置的范围为2-4磅/平方英寸。

按照本发明提供的CMP方法的再一实施例中，所述化学机械研磨方法还包括预研磨步骤、主研磨步骤和边缘研磨步骤。

较佳地，在所述预研磨步骤、主研磨步骤和边缘研磨步骤中，RR的压力参数设置大于MM的压力参数设置，并且，RR的压力参数设置大于IT的压力参数设置。

本发明的技术效果是，通过延长研磨前准备步骤的时间、设置RR的压力参数大于MM的压力参数，从而使RR对应的气阀有足够的时间来响应加压，避免了RR的实际压力小于MM的压力的可能，进而可以更好地实现RR的固定定位作用，防止晶片滑片；同时该CMP方法通过修改制程参数即可实现防止晶片滑片，方法简单，成本低。

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装置的基本结构的示意图。

图2是研磨头的基本结构示意图。

图3是按照本发明实施例提供的CMP方法的流程示意图。

图4是按照图3所示CMP方法研磨时的压力监测曲线实例示意图。

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。

参阅图2，申请人通过对晶片滑片现象的研究发现，在实际操作过程中，晶片滑片很大部分是由于CMP机台的老化所导致的，特别是由于控制第三导气管343（如图2所示）是否导通的气阀（例如，Burklet 气阀）在研磨前准备步骤中来不及打开，导致RR 31的固定定位功能并不能完全实现。简单地通过更换CMP机台明显具有费用相当昂贵、费时的缺点，更换该气阀的成本相对也很高。

通过对RR 31、MM 32、IT 33的压力监测发现，在研磨前准备步骤中，由于第三导气管343所连接的气阀在在由关闭转换为打开时，由于该气阀响应速度慢导致打开比较慢，进而导致RR的压力实际上小于MM的压力，在研磨头30旋转或加速旋转时，晶片容易滑出研磨头。

针对于此，该发明的CMP方法主要是对研磨前准备步骤进行改进。

图3所示为按照本发明实施例提供的CMP方法的流程示意图，图4所示为按照图3所示CMP方法研磨时的压力监测曲线实例示意图，其中，51为RR的压力监测曲线，52为IT的压力监测曲线，53为MM的压力监测曲线。以下结合图3和图4详细说明该实施例的CMP方法过程。

首先，步骤S110，第一研磨前准备（Ramp up 1）步骤。

在该步骤中，MM的压力参数设置为0，RR的压力参数设置大于MM和IT的压力参数设置。各个参数（包括压力参数）的设置可以通过CMP装置的控制软件实现（例如，Mirra®软件）。具体地，在该实例中，RR的压力参数可以设置在0.01-2psi（磅/平方英寸）范围，例如1.5psi左右；IT的压力参数设置可以设置在1-2psi 范围，例如1psi；MM所对应的加压气室（如图2中所示的321）可以设置为真空，从而使其压力参数对应基本设置为0；该第一研磨前准备步骤的时间可以具体设置在1-4秒范围，例如为3秒。

同样地，在该步骤中还可以设置研磨头的转速、加速度、浆料流量等参数，以使CMP装置各个部件开始准备运转，这些为本领域技术人员所悉知的内容，在此不再一一描述。

结合图4所示，在进入步骤S110时，CMP装置中的用于控制各个导气管是否导通的气阀（例如，导气管341、342、343分别所对应的气阀）按照以上参数设置动作，其中，由于RR气阀所对应的导气管的气阀动作可能相对较慢，其没有迅速加压至设定参数值（例如2psi），而是在3s时间内逐渐加压。

进一步，步骤S120，第二研磨前准备（Ramp up 2）步骤。

在该步骤中，同样地，MM的压力参数设置为0，RR的压力参数设置大于MM和IT的压力参数设置。具体地，在该实例中，RR的压力参数可以设置在2-10psi范围，优选地，该步骤中的RR的压力参数大于第一研磨前准备步骤中的RR压力参数，例如由1.5psi变为4psi；IT的压力参数设置可以设置在1-4psi 范围，优选地，该步骤中的IT的压力参数继续相对于第一研磨前准备步骤中的IT压力参数设置不变，例如为1psi；MM所对应的加压气室（如图2中所示的321）可以设置为真空，从而使其压力参数对应基本设置为0；该第一研磨前准备步骤的时间可以具体设置在0-2秒范围，例如为3秒。

结合图4所示，在进入步骤S120时（3-6秒阶段），CMP装置中的用于控制各个导气管是否导通的气阀（例如，导气管341、342、343分别所对应的气阀）按照以上参数设置动作，其中，由于RR气阀所对应的导气管的气阀动作可能相对较慢，其也是在3s时间内逐渐加压。

需要说明的是，在该步骤中，优选地，压力参数之外的其它参数的设置可以相对于第一研磨前准备步骤不变化，例如，浆料流速、研磨头旋转速度、旋转加速度等。

进一步，步骤S130，预研磨（Pre-Polish）步骤。

在该步骤中，MM的压力参数设置小于RR的压力参数设置，IT的压力参数设置也小于RR的压力参数设置。具体地，MM的压力参数可以设置在1-4psi范围，例如，1psi；IT的压力参数可以设置在1-4psi范围，例如，3psi；RR的压力参数可以设置在2-7psi范围，例如，5psi。结合图4所示，步骤S130中（6-9秒阶段），在各自压力增加的过程中，RR的压力大于MM的压力，也大于IT的压力。

进一步，步骤S140，主研磨（Main Polish）步骤。

在该步骤中，MM的压力参数设置小于RR的压力参数设置，IT的压力参数设置也小于RR的压力参数设置。结合图4所示，步骤S140中（9-47秒阶段），RR的压力大于MM的压力，也大于IT的压力，三者的压力基本恒定不变。

进一步，步骤S150，边缘研磨步骤（Edge Polish）。

在该步骤中，MM的压力参数设置小于RR的压力参数设置，IT的压力参数设置也小于RR的压力参数设置。结合图4所示，步骤S150中（47-53秒阶段），RR的压力大于MM的压力，也大于IT的压力，三者的压力基本恒定不变。

至此，CMP过程基本结束。本领域技术人员理解的是，CMP过程中还包括其它常规步骤（例如，清洗步骤），在此不再一一描述。

图3所示实施例的CMP方法中，研磨前准备步骤由原来的单个研磨前准备步骤变为两个研磨前准备步骤，研磨前准备步骤时间被延长（例如为原来的2倍），通过设置RR的压力参数大于MM的压力参数（MM的压力参数基本设置为0），从而使RR对应的气阀有足够的时间来响应加压，避免了RR的实际压力小于MM的压力的可能，进而可以更好地实现RR的固定定位作用，防止晶片滑片。

在较佳实施例中，也可以设置RR的压力参数大于IT的压力参数，避免了RR的实际压力小于IT的压力的可能，进一步避免了晶片滑片的可能。

因此，通过以上方法避免晶片滑片时，仅通过修改CMP方法的制程（recipe）参数即可，方法简单，成本低。

需要说明的是，在该CMP方法中主要通过设置压力参数、改变研磨前准备步骤的时间来实现目的，根据具体CMP的要求来设置CMP方法的其它方面的参数是本领域技术人员所熟悉的，在此不再一一详述。

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，包括研磨前准备步骤，其特征在于，在所述研磨前准备步骤被延长为包括第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤以使卡环所对应的气阀有足够的时间来响应加压，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，膜片的压力参数设置基本为0，卡环的压力参数设置大于膜片的压力参数设置，并且所述第二研磨前准备步骤中的卡环的压力参数设置大于所述第一研磨前准备步骤中的卡环的压力参数设置。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一研磨前准备步骤中的卡环的压力参数设置的范围为0.01-2磅/平方英寸，所述第二研磨前准备步骤中的卡环的压力参数设置的范围为2-10磅/平方英寸。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一研磨前准备步骤的时间设置在1-4秒范围，所述第二研磨前准备步骤的时间设置在1-4秒范围。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，卡环的压力参数设置大于内部胎管的压力参数设置。

5.如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在第一研磨前准备步骤和第二研磨前准备步骤中，内部胎管的压力参数设置保持不变。

6.如权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第一研磨前准备步骤中，内部胎管的压力参数设置的范围为1-2磅/平方英寸；在所述第二研磨前准备步骤中，内部胎管的压力参数设置的范围为2-4磅/平方英寸。

7.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述化学机械研磨方法还包括预研磨步骤、主研磨步骤和边缘研磨步骤。

8.如权利要求7所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述预研磨步骤、主研磨步骤和边缘研磨步骤中，卡环的压力参数设置大于膜片的压力参数设置，并且，卡环的压力参数设置大于内部胎管的压力参数设置。