CN102922415B

CN102922415B - 延长研磨垫使用周期的化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102922415B
Application number: CN201110228135.XA
Authority: CN
Inventors: 范怡平; 黄勇; 张礼丽; 杨贵璞
Original assignee: CSMC Technologies Corp
Current assignee: CSMC Technologies Corp
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102922415A

Abstract

本发明提供一种延长研磨垫使用周期的化学机械研磨（CMP）方法，属于半导体制造技术领域。该CMP方法包括第一CMP阶段和第二CMP阶段，在第二CMP阶段应用光学终止点检测装置时存在终止点抓取的准备时间段（t_p2）；其中，在第二CMP阶段的研磨前准备步骤设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式，以准备时间段（t_p2）从第二CMP阶段的主研磨步骤中前移至所述研磨前准备步骤中；并且，延长第一CMP阶段的主研磨步骤的时间（t_p1），以使在该延长的时间（t_p1）内的研磨厚度基本等于第二CMP阶段的主研磨在该准备时间段内（t_p2）的研磨厚度。该CMP方法容易与现有CMP制程兼容，效率高。

Description

延长研磨垫使用周期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，涉及一种化学机械研磨（Chemical-Mechanism Polishing, CMP）方法。

背景技术

CMP广泛应用于半导体制造的平坦化过程，其依赖于晶圆表面与研磨垫（Pad）之间的化学机械作用而实现晶圆表面平坦化。通常地，对于某些晶圆表面，为缩短CMP的时间并减小其成本，采用分阶段研磨的方式进行CMP。以钨栓塞制造过程的CMP为例，其包括第一CMP阶段和第二CMP阶段；其中，第一CMP阶段用于研磨晶圆的层间介质层之上的主要部分钨金属层，其通过控制时间模式（by time mode）来判断研磨的结束点，该过程研磨的速率高、研磨时间相对较短；第二CMP阶段用于研磨剩余部分钨金属层至研磨终止点（Endpoint），其需要通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（by time/endpoint mode）来判断研磨的结束点，该过程研磨速率低，研磨时间相对较长。因此，分阶段研磨方式进行CMP时，第一CMP阶段所使用的第一研磨垫（以下简称为“P1”）的研磨时间大大短于第二CMP阶段所使用第二研磨垫（以下简称为“P2”）的研磨时间（第一CMP阶段和第二CMP阶段分别采用不同的研磨垫），其导致同样CMP装置上的P1的使用周期与P2的使用周期相互不对称。

在对CMP装置进行PM（Prevent Maintenance，预防维护）时，通常是根据其中任意一个研磨垫的寿命是否到期来更换P1和P2，即P1和P2同时更换（如果分别更换P1和P2，导致研磨垫的PM过程复杂、PM时间长、大大降低生产效率）。由于P2每次CMP时间长，在PM时，通常P2寿命基本到期而P1还能继续使用。这样，导致P1的使用周期过短、利用率低，造成浪费。

为克服以上问题，现有技术中，提出了以下几种方法。

第一种，通过实验等方法来改变第二CMP阶段的主研磨（main polish）的参数等，来使P2获得更好的研磨性能、从而延长P2的使用周期；

第二种，从P2的材料本身出发，去选择寿命更长的研磨垫作为P2。

以上第一种方法中，不可避免地需要修改CMP的一些关键工艺参数（例如压力等等），因此需要修改制程（recipe）；第二种方法中，由于研磨垫的更换，为适用新的研磨垫材质，也需要修改CMP的一些关键参数（例如压力等等），也需修改制程。而在半导体芯片制造厂中，修改CMP的制程通常是一个复杂而耗时的过程。

有鉴于此，本发明提出一种新的方法来克服以上问题。

发明内容

本发明的目的在于，提高在分阶段的CMP中各阶段所对应的各个研磨垫的利用率。

本发明的还一目的在于，延长研磨垫的使用周期。

为实现以上目的或者其它目的，本发明提供一种CMP方法，其包括第一化学机械研磨阶段和第二化学机械研磨阶段，在所述第二化学机械研磨阶段应用光学终止点检测装置时存在终止点抓取的准备时间段；其中，

所述第二化学机械研磨阶段的研磨前准备步骤被设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式，以使所述准备时间段从所述第二化学机械研磨阶段的主研磨步骤中前移至所述研磨前准备步骤中；

并且，延长所述第一化学机械研磨阶段的主研磨步骤的时间，以使在所述延长的时间内的研磨厚度基本等于第二化学机械研磨阶段的主研磨步骤在所述准备时间段内的研磨厚度。

具体地，所述终止点抓取的准备时间段可以为15秒左右；所述延长的时间可以为5秒左右。

较佳地，在第二化学机械研磨阶段的主研磨步骤的开始时间点开始终止点的抓取。

较佳地，所述化学机械研磨方法用于对钨栓塞进行研磨。

本发明的技术效果是，巧妙地运用了CMP在制程的允许修改范围，延长第一CMP阶段中使用P1的时间并延长第二CMP阶段中使用P2的时间，从而缩短P1与P2之间的研磨时间差，这样，在进行PM维护时，P2的CMP使用次数得到增加，P1的利用率得到提高，整体上延长了P2和P1的使用周期。并且，该CMP方法容易与现有CMP制程兼容，CMP的效率高。

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是本发明中改进CMP方法过程的示意图，其中，图1（a）所示为光学终止点检测装置在第二CMP阶段检测的光反射率的变化曲线示意图，图1（b）所示为第一CMP阶段的主研磨步骤的时间段示意图。

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。

在本文中，“第一CMP阶段”是指仅通过控制时间模式（by time mode）来判断是否中止研磨的阶段；“第二CMP阶段”是指包括通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（by time/endpoint mode）来判断是否停止研磨的阶段。

该实施例提供的CMP方法中，在分阶段的研磨过程中，第二CMP阶段也包括主研磨步骤以及主研磨（main polish）步骤之前的研磨前准备步骤（也即Ramp up步骤，其用来使CMP装置进入研磨状态）。在该实施例中，控制该CMP方法过程的CMP装置使用Mirra®软件控制研磨的参数，研磨终止点的检测采用光学终止点检测装置（检测光反射率的变化），其具有使用ISRM®软件控制光学终止点检测装置。在通过Mirra®软件将主研磨步骤设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（by time/endpoint mode）时，ISRM®软件开始控制光学终止点检测装置着手准备终止点的抓取。然而，我们发现，在第二CMP阶段的主研磨步骤开始后，通常需要15秒左右的时间才开始着手进行终止点的抓取，这段时间即为终止点抓取的准备时间段。

以CMP形成钨栓塞为例（但不限于该示例），如果以Mirra®软件针对第二CMP阶段的主研磨步骤所预定设置的参数进行主研磨，假设在主研磨开始至着手进行终止点的抓取的时间段t_p2（即终止点抓取的准备时间段，例如15秒）内所研磨的钨的厚度为X。在该发明中，将第一CMP阶段的主研磨阶段的研磨时间延长t_p1，以使在该延长的t_p1时间段内研磨厚度基本同样为X的钨；同时，充分利用第二CMP阶段的研磨前准备步骤的时间段，在研磨前准备步骤即设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（通常为通过控制时间模式），从而使ISRM®软件开始控制光学终止点检测装置在研磨前准备步骤的开始阶段即着手准备终止点的抓取，使着手准备终止点的抓取时间（t_p2）段基本在研磨前准备步骤中完成。因此，在研磨前准备步骤之后的主研磨过程中，主研磨开始时即同时通过光学终止点检测装置进行终止点的抓取，抓取终止点的时间点在主研磨步骤中得到提前。

因此，通过以上CMP方法，可以使第二CMP阶段的主研磨步骤缩短t_p2，同时，第一CMP阶段的主研磨步骤延长t_p1；从而，在一次CMP过程中，P1与P2之间的研磨时间差缩短了（t_p2+ t_p1）。这样，在进行PM维护时，P2的CMP使用次数得到增加，P1的利用率得到提高，整体上延长了P2和P1的使用周期。

以下结合图1所示对以上所述的本发明一实施例的CMP方法进行说明。

图1所示为本发明中改进CMP方法过程的示意图，其中，图1（a）所示为光学终止点检测装置在第二CMP阶段检测的光反射率的变化曲线示意图，图1（b）所示为第一CMP阶段的主研磨步骤的时间段示意图。

如图1（a）所示，虚线曲线11为改进前的CMP方法中在第二CMP阶段检测的光反射率的变化曲线，曲线21为改进后的CMP方法中在第二CMP阶段检测的光反射率的变化曲线。在T_p21时间点，第二CMP阶段的研磨前准备步骤开始；在T_p22时间点，第二CMP阶段的研磨前准备步骤结束、主研磨步骤开始；在T_p24时间点，改进后的CMP中的第二CMP阶段结束；在T_p25时间点，改进前的CMP中的第二CMP阶段结束。

在改进前，在T_p21 - T_p22时间段，用Mirra®软件设置为通过控制时间模式（by time mode）；并且，在T_p22之后主研磨阶段，用Mirra®软件设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（by time/endpoint mode），此时，由于光学终止点检测装置在抓取终止点时需要一定的终止点抓取的准备时间段，因此，在T_p23时间点才开始抓取终止点，也即可以测得光反射率。

在改进后，在T_p21 - T_p22时间段，用Mirra®软件设置为通过时间控制和终止点检测控制结合的模式（by time/endpoint mode），如曲线21所示，开始抓取终止点的时间点前移，在该实施例中，可以在研磨前准备步骤阶段开始抓取终止点。需要理解的是，根据研磨前准备步骤的时间长短（其一般大于终止点抓取的准备时间段），开始抓取终止点的时间点也可能恰好前移至T_p22时间点。这样，在其后的主研磨阶段时，根据终止点的检测信号来控制是否结束研磨。

结合图1（b）所示，虚直线13表示改进前的CMP方法中在第一CMP阶段的时间段，直线23为改进后的CMP方法中在第一CMP阶段的时间段。在T_p12时间点，第一CMP阶段的主研磨步骤开始；在T_p13时间点，改进前的第一CMP阶段的主研磨步骤结束；在T_p14时间点，改进后的第一CMP阶段的主研磨步骤结束。因此，第一CMP阶段的主研磨步骤被延长t_p1（例如5秒）。t_p1的具体选择根据第二CMP阶段在t_p2（例如15秒）时间内所研磨的钨的厚度以及第一CMP阶段的工艺参数决定，设置t_p1使第一CMP阶段的主研磨过程在该t_p1时间段内的研磨厚度基本等于第二CMP阶段在t_p2时间内所研磨的厚度。因此，整体上，原来在t_p2时间内的研磨过程被等同地移至第一CMP阶段的主研磨过程，曲线21的终止时间点也前移至T_p24。

需要说明的是，整个CMP过程中，其它关键的工艺参数不需要改变，以上改进点仅在类似Mirra®软件和ISRM®软件中作细微的修改即可；因此，不需要修改制程（recipe）来延长研磨点P1和P2的使用周期，容易与现有CMP制程兼容。并且，由于一般第一CMP阶段的主研磨比第二CMP阶段的主研磨的速率要快，因此，一次CMP的时间也缩短，CMP效率提高。

需要说明的是，以上仅对CMP过程中本发明的改进之处进行了详细描述，CMP过程中所包括的其它详细过程以及详细关键参数（例如第一CMP阶段和第二CMP阶段的各个压力参数、浆料流速参数、旋转速度参数、摆动周期参数的设置）为本领域技术人员所熟悉，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，包括第一化学机械研磨阶段和第二化学机械研磨阶段，所述第一化学机械研磨阶段是指通过控制时间模式来判断是否中止研磨的阶段，所述第二化学机械研磨阶段是指通过时间控制与终端点检测控制相结合的模式来判断是否停止研磨的阶段，在所述第二化学机械研磨阶段应用光学终止点检测装置时存在终止点抓取的准备时间段；其特征在于，

2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述终止点抓取的准备时间段为15秒。

3.如权利要求1或2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述延长的时间为5秒。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在第二化学机械研磨阶段的主研磨步骤的开始时间点开始终止点的抓取。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述化学机械研磨方法用于对钨栓塞进行研磨。