CN103346078A - 化学机械研磨的方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨方法和半导体结构，其中所述化学机械研磨方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力；采用化学机械研磨工艺平坦化所述待研磨层。使平坦化后的待研磨层的表面较为平整。

Description

化学机械研磨的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种化学机械研磨的方法。

背景技术

随着超大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration，ULSI)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细，也对半导体衬底上形成的半导体器件的电学稳定性要求也越来越高。而在半导体器件的过程中，膜层表面的起伏不平（不规则）对后续形成的半导体器件的稳定性和器件的集成度具有较大的影响，因此，在半导体衬底上形成膜层后，需要对起伏不平的膜层表面进行平坦化(Planrization)处理。

目前，在半导体的制作过程中，化学机械研磨（Chemical MechanicalPolishing，CMP）技术是目前最普遍使用，同时也是最重要的一种平坦化技术。

一般而言，CMP技术利用适当的研磨浆料以及机械研磨方式，来均匀的去除半导体衬底上的待研磨膜层的不规则表面，以使剩余的膜层具有较好的表面平整度。研磨过程中使用的研磨浆料一般有化学助剂以及研磨粉体组成，化学助剂可以为PH值缓冲剂、氧化剂或界面活性剂等，研磨粉体则可以为硅土或铝土。在进行化学机械研磨时，化学助剂与待研磨材料发生化学反应，研磨粉体和待研磨材料和研磨垫之间产生机械研磨效应，从而有效的平坦化待掩膜层表面。

多晶硅材料作为半导体制造过程中的最基本的材料，被广泛的应用于制作MOS晶体管的栅极。

现有技术形成MOS晶体管的栅极的过程为：在半导体衬底上沉积一层多晶硅层；采用化学机械研磨工艺平坦化所述多晶硅层；刻蚀平坦化后的多晶硅层，形成MOS晶体管的栅极。

但是，现有平坦化后的多晶硅层的表面平整度较差，影响刻蚀形成的栅极的性能。

发明内容

本发明解决的问题是如何提高化学机械研磨过程中待研磨层表面的平整度。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种化学机械研磨方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力；采用化学机械研磨工艺平坦化所述待研磨层。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料相同，且厚度相同。

可选的，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同，且大小相等。

可选的，所述应力互补层用于抵消待研磨层对半导体衬底施加的横向应力。

可选的，所述应力为压缩应力或拉伸应力。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、硅锗或氮化钛。

可选的，所述待研磨层和应力互补层在同一工艺步骤中形成，在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层的同时，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅时，所述同一工艺步骤采用LPCVD炉管工艺。

可选的，所述LPCVD炉管工艺采用的气体为硅烷，硅烷流量为10～500标准毫升/分钟，腔室压力位10～500毫托，腔室温度为500～900摄氏度。

可选的，所述待研磨层与应力互补层对半导体衬底施加的应力的范围为10000～100000牛顿/平方厘米。

可选的，平坦化所述待研磨层时的化学机械研磨工艺采用的研磨液的主体成分为氢氧化钾以及氧化硅，稀释剂为去离子水，研磨液的PH值为9～11，研磨液的流量为50～500毫升每分钟，研磨垫的转速为50～200转/每分钟，研磨头的转速为50～200转/每分钟，抛光工艺的压力为100～500托。

可选的，所述待研磨层和应力互补层在不同的工艺步骤中形成。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料不相同，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

可选的，平坦化所述待研磨层后，去除所述半导体衬底第二表面上的应力互补层。

本发明技术方案还提供了一种半导体结构，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料相同，且厚度相同。

可选的，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、硅锗或氮化钛。

可选的，所述待研磨层与应力互补层的材料不相同，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的化学机械研磨的方法，半导体衬底包括第一表面和第一表面相对的第二表面，在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，相应的在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力，即半导体衬底的第一表面受到的应力与第二表面受到的应力相互抵消，防止半导体衬底的变形（比如：边缘的翘曲），使化学机械研磨平坦化后的待研磨层具有较佳的表面平整度。并且，针对不同的产品或者待研磨结构均可以在半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，可以减小现有技术的针对不同产品和待研磨结构需要采用不同优化工艺参数和工艺菜单时的工艺的负担，有利于提高研磨设备的产能。

进一步，所述待研磨层和应力互补层材料相同，所述待研磨层和应力互补层在同一工艺步骤中形成，即在半导体衬底的第一表面上形成待研磨层的同时，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，不但节省工艺步骤，而且容易使得形成的待研磨层和应力互补层的厚度相同或接近，当将半导体衬底从高温将至低温时，待研磨层和应力互补层收缩的方向和收缩程度是相同，从而使得待研磨层与半导体衬底的第一表面的界面产生的应力和应力互补层与半导体衬底的第二表面的界面产生的应力（或者所述待研磨层对半导体衬底施加的应力与应力互补层对半导体衬底施加的应力）性质相同，且大小相等，即半导体衬底的第一表面受到的应力刚好抵消第二表面受到的应力，从而更有效的防止了半导体衬底在待研磨层形成之后发生的变形（边缘的翘曲）。

进一步，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅，所述待研磨层与应力互补层在同一工艺步骤中形成，所述同一工艺步骤采用LPCVD炉管工艺，所述LPCVD炉管工艺采用的气体为硅烷，硅烷流量为10～500标准毫升/分钟，腔室压力位10～500毫托，腔室温度为500～900摄氏度，处理时间为10分钟～20小时，使半导体衬底的第一表面上沉积形成的待研磨层和半导体衬底的第二表面上沉积形成的应力互补层的厚度相等或差异较小，降温后，待研磨层对半导体衬底施加的应力的与应力互补层对半导体衬底施加的应力性质相同、大小相等或相差很小。

本发明的半导体结构，在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，相应的在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力，应力互补层的存在能够防止待研磨层带来的半导体衬底的形变。

附图说明

图1～图2为现有技术研磨多晶硅层的结构示意图；

图3～图6为本发明实施例化学机械研磨方法的结构示意图。

具体实施方式

参考图1，发明人在采用现有的化学机械研磨工艺在研磨多晶硅层中发现，研磨后的多晶硅层101的边缘容易产生凹陷缺陷11，凹陷缺陷11的存在影响了多晶硅层101表面的平整度，当刻蚀多晶硅层101形成栅极时，半导体衬底100的中间区域上形成的栅极和边缘区域上形成的栅极的表面平整度的差异较大，影响了制作工艺的稳定性。

参考图2，发明人对多晶硅研磨过程进行进一步研究发现，现有技术采用沉积工艺在半导体衬底100上形成的多晶硅层101时，腔室的温度较高（一般大于400摄氏度），当沉积工艺完成后将半导体衬底100降到室温时，由于多晶硅材料与半导体衬底材料（比如：单晶硅）的热膨胀系数不一样，在多晶硅层100和半导体衬底100的接触界面上会产生一个从半导体衬底100的边缘指向半导体衬底100中心的压缩压力12，该压缩应力12的大小甚至可以达到上万牛/平方厘米，该压缩应力12的存在会使得半导体衬底100的边缘向上翘曲，使得半导体衬底100的边缘区域上的多晶硅层的表面会高于半导体衬底100的中间区域的多晶硅层的表面，因此在进行化学机械研磨时，研磨垫对边缘的多晶硅层的施加的压力会较大，使得研磨垫对半导体衬底100的边缘区域上的多晶硅层的研磨速率会远大于对半导体衬底100的中间区域上的多晶硅层的研磨速率，在研磨结束时，在多晶硅层101的边缘产生如图1所示的凹陷缺陷11。

发明人还发现，可以通过优化化学机械研磨时的工艺参数（比如调整研磨液的流量、研磨垫/研磨头的转速或抛光工艺的压力等）以减少多晶硅层101边缘的凹陷缺陷11的产生，但是对于不同产品和待研磨结构需要采用不同优化工艺参数和工艺菜单，极大的增大了工艺的负担，影响了研磨设备的产能。

为此，本发明提供了一种化学机械研磨的方法，半导体衬底包括第一表面和第一表面相对的第二表面，在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，相应的在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力，即半导体衬底的第一表面受到的应力与第二表面受到的应力相互抵消，防止半导体衬底的变形（比如：边缘的翘曲），使化学机械研磨平坦化后的待研磨层具有较佳的表面平整度。

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例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图3～图6为本发明实施例化学机械研磨方法的结构示意图。

首先，请参考图3，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200具有第一表面21（或正面）和第一表面21相对的第二表面22（或背面）。

所述半导体衬底200的第一表面21作为后续进行工艺处理的平台，第二表面22作为半导体衬底200与工艺腔室或传动装置的接触面。

所述半导体衬底200的材料可以为单晶硅（Si）、单晶锗（Ge）、或硅锗（GeSi）、碳化硅（SiC）；也可以是绝缘体上硅（SOI），绝缘体上锗（GOI）；或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。本实施例中所述半导体衬底的材料为单晶硅。

所述半导体衬底200可以为单层或多层堆叠结构。半导体衬底200为多层结构时，所述半导体衬底200至少包括基底和位于基底上的介质层材料层或者金属层。

接着，请参考图4，在所述半导体衬底200的第一表面21上形成待研磨层201，在所述半导体衬底200的第二表面22上形成应力互补层202，所述应力互补层202对半导体衬底200施加的应力抵消待研磨层202对半导体衬底200施加的应力。

所述待研磨层201和应力互补层202材料相同，所述待研磨层201和应力互补层202在同一工艺步骤中形成，即在半导体衬底200的第一表面21上形成待研磨层201的同时，在所述半导体衬底200的第二表面22上形成应力互补层202，不但节省工艺步骤，而且容易使得形成的待研磨层201和应力互补层202的厚度相同或接近，当将半导体衬底200从高温将至低温时，待研磨层201和应力互补层202收缩的方向和收缩程度是相同，从而使得待研磨层201与半导体衬底200的第一表面21的界面产生的应力和应力互补层202与半导体衬底200的第二表面22的界面产生的应力（或者所述待研磨层201对半导体衬底200施加的应力与应力互补层202对半导体衬底200施加的应力）性质相同，且大小相等，即半导体衬底200的第一表面21受到的应力刚好抵消第二表面22受到的应力，从而更有效的防止了半导体衬底200在待研磨层形成之后发生的变形（边缘的翘曲）。

由于横向应力（应力方向与半导体衬底200表面平行）是导致半导体衬底200的变形（边缘的翘曲）的主要因素，因此，所述应力互补层202用于抵消待研磨层201对半导体衬底200施加的横向应力。

所述应力互补层202对半导体衬底200施加的应力和待研磨层202对半导体衬底200施加的应力包括压缩应力（应力方向从半导体衬底边缘指向中心）和拉伸应力（（应力方向从半导体衬底中心指向边缘），应力互补层202对半导体衬底200施加的应力和待研磨层202对半导体衬底200施加的应力性质相同，即应力互补层202对半导体衬底200施加的应力为压缩应力时，待研磨层202对半导体衬底200施加的应力也为压缩应力，反之亦然。

所述待研磨层201与应力互补层202的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、硅锗或氮化钛，所述待研磨层201与应力互补层202还可以为其他会对半导体衬底200产生应力的材料。所述待研磨层201与应力互补层202的材料为多晶硅、氮化钛、氮化硅或硅锗时，待研磨层201与应力互补层202容易对半导体衬底200产生压缩应力，所述待研磨层201与应力互补层202的材料为碳化硅、或氮化硅，待研磨层201与应力互补层202容易对半导体衬底200产生拉伸应力。所述待研磨层201和应力互补层202与半导体衬底200的第一表面21和第二表面22之间的界面产生应力产生的原因可以是高温到低温两者材料的热膨胀系数不同（比如多晶硅、氮化钛或氮化硅与单晶硅之间），也可以是两者材料在接触面的晶格的失配（比如碳化硅、硅锗与单晶硅之间）。

本实施例中，所述待研磨层201与应力互补层202的材料为多晶硅，所述待研磨层201与应力互补层202在同一工艺步骤中形成，所述同一工艺步骤采用LPCVD炉管工艺，LPCVD炉管工艺形成待研磨层201与应力互补层202的过程为：首先将半导体衬底200置于晶舟上；然后将晶舟置于LPCVD炉管的反应腔室中，晶舟上的半导体衬底200的第一表面21和第二表面22均暴露在反应腔室的环境中；然后向反应腔室中通过硅烷气体，硅烷气体在高温环境下发生热分解，从而在半导体衬底200的第一表面21上沉积形成待研磨层201，在半导体衬底200的第二表面22上沉积形成应力互补层202；最后将半导体衬底200将至室温。

具体的，所述LPCVD炉管工艺采用的气体为硅烷，硅烷流量为10～500标准毫升/分钟，腔室压力位10～500毫托，腔室温度为500～900摄氏度，处理时间为10分钟～20小时，使半导体衬底200的第一表面21上沉积形成的待研磨层201和半导体衬底200的第二表面22上沉积形成的应力互补层202的厚度相等或差异较小，降温后，待研磨层201对半导体衬底200施加的应力的与应力互补层202对半导体衬底200施加的应力性质相同、大小相等或相差很小。

所述待研磨层201与应力互补层202对半导体衬底施加的应力的范围为10000～100000牛顿/平方厘米。

在本发明的其他实施例中，所述待研磨层与应力互补层相同时，所述待研磨层和应力互补层在不同的工艺步骤中形成，可以现在半导体衬底的第一表面形成待研磨层，然后再半导体衬底的第二表面形成应力互补层。

在本发明的其他实施例中，所述待研磨层与应力互补层的材料不相同，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同，大小相等。

在本发明的其他实施例中，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力略小于待研磨层对半导体衬底施加的应力，在研磨过程中，使得剩余的待研磨层对半导体衬底施加的应力的大小与应力互补层对半导体衬底施加的应力的大小越来越接近，以避免或减弱研磨过程中由于半导体衬底的第一表面和第二表面上受到的应力的差距变大而引起的翘曲。所述应力互补层对半导体衬底施加的应力的大小为待研磨层对半导体衬底施加的应力的大小的80%～95%。

接着，参考图5，采用化学机械研磨工艺平坦化所述待研磨层201（参考图4），形成材料层203。

本实施例中，由于应力互补层202的存在，应力互补层202对半导体衬底200的第二表面22施加的应力抵消了待研磨层201对半导体衬底200的第一表面施加的应力，从而使得化学机械研磨前的半导体衬底200的边缘没有翘曲，因此在化学机械研磨的过程中，研磨头施加在待研磨层201边缘区域的压力和施加在待研磨层201中间区域的压力相等或相近，使得研磨后的形成材料层203的边缘不会产生凹陷缺陷，表面的平整度较好。并且本发明实施例中，针对不同的产品或者待研磨结构均可以在半导体衬底200的第二表面22上形成应力互补层202，可以减小现有技术的针对不同产品和待研磨结构需要采用不同优化工艺参数和工艺菜单时的工艺的负担，有利于提高研磨设备的产能。

具体的，平坦化所述待研磨层201时的化学机械研磨工艺采用的研磨液的主体成分为氢氧化钾以及氧化硅，稀释剂为去离子水，研磨液的PH值为9～11，研磨液的流量为50～500毫升每分钟，研磨垫的转速为50～200转/每分钟，研磨头的转速为50～200转/每分钟，抛光工艺的压力为100～500托，有利于减小待研磨层201的不同区域的研磨速率差异，使研磨后形成的材料层203具有较好的表面平整度。

最后，请参考图6，去除所述半导体衬底200的第二表面22上的应力互补层202（参考图5）。

去除应力互补层202的工艺为化学机械研磨或刻蚀。

去除应力互补层202后，后续可以对半导体衬底200的第一表面21上的材料层进行刻蚀或其他工艺处理以形成需要的半导体结构。

本发明实施例还提供了一种半导体结构，请参考图4，所述半导体结构，包括：

提供半导体衬底200，所述半导体衬底200包括第一表面21和第一表面21相对的第二表面22；

在所述半导体衬底200的第一表面21上形成待研磨层201，在所述半导体衬底200的第二表面22上形成应力互补层202，所述应力互补层202对半导体衬底200施加的应力抵消待研磨层201对半导体衬底200施加的应力。

具体的，所述待研磨层201与应力互补层202的材料相同，且厚度相同所述待研磨层201对半导体衬底200施加的应力的性质与应力互补层202对半导体衬底200施加的应力的性质相同，大小相等。

在本发明的其他实施例中，所述待研磨层201与应力互补层202的材料不相同，所述待研磨层201对半导体衬底200施加的应力的性质与应力互补层202对半导体衬底200施加的应力的性质相同。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；

在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力；

采用化学机械研磨工艺平坦化所述待研磨层。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料相同，且厚度相同。

3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同，且大小相等。

4.如权利要求3所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述应力互补层用于抵消待研磨层对半导体衬底施加的横向应力。

5.如权利要求3所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述应力为压缩应力或拉伸应力。

6.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、硅锗或氮化钛。

7.如权利要求6所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层和应力互补层在同一工艺步骤中形成，在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层的同时，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层。

8.如权利要求7所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅时，所述同一工艺步骤采用LPCVD炉管工艺。

9.如权利要求8所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述LPCVD炉管工艺采用的气体为硅烷，硅烷流量为10～500标准毫升/分钟，腔室压力位10～500毫托，腔室温度为500～900摄氏度。

10.如权利要求8所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层对半导体衬底施加的应力的范围为10000～100000牛顿/平方厘米。

11.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，平坦化所述待研磨层时的化学机械研磨工艺采用的研磨液的主体成分为氢氧化钾以及氧化硅，稀释剂为去离子水，研磨液的PH值为9～11，研磨液的流量为50～500毫升每分钟，研磨垫的转速为50～200转/每分钟，研磨头的转速为50～200转/每分钟，抛光工艺的压力为100～500托。

12.如权利要求6所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层和应力互补层在不同的工艺步骤中形成。

13.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料不相同，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

14.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，平坦化所述待研磨层后，去除所述半导体衬底第二表面上的应力互补层。

15.一种半导体结构，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；

在所述半导体衬底的第一表面上形成待研磨层，在所述半导体衬底的第二表面上形成应力互补层，所述应力互补层对半导体衬底施加的应力抵消待研磨层对半导体衬底施加的应力。

16.如权利要求15所述的半导体结构，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料相同，且厚度相同。

17.如权利要求16所述的半导体结构，其特征在于，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

18.如权利要求16所述的半导体结构，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料为多晶硅、氮化硅、碳化硅、硅锗或氮化钛。

19.如权利要求15所述的半导体结构，其特征在于，所述待研磨层与应力互补层的材料不相同，所述待研磨层对半导体衬底施加的应力的性质与应力互补层对半导体衬底施加的应力的性质相同。

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