CN103394994B - 一种晶圆的抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明的晶圆的抛光方法，在1个抛光盘上和在线监测曲线的监控下完成整个抛光过程，包括：在高压力和高转速的条件下对晶圆表面进行第一次抛光；当在线监测曲线的变化量为最高强度和抛光终点强度的差值的2/3时，停止抛光，用清洗液对晶圆表面进行第一次清洗，同时用抛光垫修复盘对抛光垫进行修复；在中等压力和中等转速的条件下对晶圆表面进行第二次抛光；当在线监测曲线捕捉到抛光终点时，停止抛光，用清洗液对晶圆表面进行第二次清洗；采用低压力和中等转速对晶圆表面进行过抛光，将绝缘层上的半导体材料完全去除掉；用清洗液对晶圆表面进行第三次清洗。本发明有效降低了晶圆表面残留物的沉积和腐蚀，过程简单可控，提高了晶圆良率。

Description

一种晶圆的抛光方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种晶圆的抛光方法。

背景技术

化学机械抛光（CMP）是半导体制造中的重要关键工艺之一，它是通过对具有图形化的晶片表面的半导体材料，绝缘材料和金属材料进行研磨和材料去除，实现晶片表面全局平坦化的一种工艺。在抛光过程中，抛光垫被固定在抛光平台上，待抛光的晶片被固定在抛光载体上，具有研磨颗粒和化学溶液的抛光液施加在抛光垫上，通过抛光液中的化学物质使晶片表面的材料氧化生成较软的氧化层，再通过抛光垫、抛光液中的研磨颗粒以及晶片之间接触摩擦作用，去除前期形成的氧化层。最后，经多孔结构的抛光垫通过抛光液的携带作用，将抛光去除的材料带离晶片表面，露出新生表面，再形成氧化层并去除，将晶片表面凸起部分全部去除，达到表面平坦化。

传统的晶圆的抛光方法，请参阅图1，图1为传统的晶圆的抛光方法的流程示意图，包括：

步骤S11：在第一抛光盘中，在高压力和高转速条件下采用第一抛光液对晶圆表面进行抛光；

步骤S12：对晶圆表面进行清洗，将晶圆转换到第二抛光盘中；

步骤S13：在第二抛光盘中，采用第一抛光液继续抛光，直至在线监测曲线捕捉到抛光终点；

步骤S14：对晶圆表面进行清洗，将晶圆转换到第三抛光盘中；

步骤S15：在第三抛光盘中，采用第二抛光液对晶圆表面进行抛光；

步骤S16：对晶圆表面进行清洗。

随着晶片尺寸越来越大，工艺技术代越来越小，为了改善器件性能和新型器件的产生，引入了很多新型材料需要使用抛光工艺。这些新材料如果采用传统的抛光工艺方法会产生以下问题：1）由于这些新材料在抛光过程中的产物大多溶解性较低，在使用传统的抛光工艺时，抛光生成物无法及时被抛光液带走，导致这些生成物会再沉积于晶片表面，造成晶片表面残留等缺陷。而这种残留在后续的清洗过程中很难被洗去，因而最终会影响到器件性能和良率；2）传统的抛光工艺会使用2到3个抛光盘进行不同抛光液的抛光，而对于新材料而言，在不同抛光盘抛光转换等待过程中，晶片表面的化学试剂残留对材料的静态腐蚀也会造成抛光表面的缺陷；3）由于抛光去除量的降低和器件结构的不同，传统的抛光工艺中最后一个抛光盘对绝缘层抛光的抛光会导致新材料表面的划痕，残留等缺陷。如图2所示，图2为采用传统的晶圆抛光方法对晶圆表面抛光后的晶圆表面的缺陷示意图，a为抛光后晶圆表面的残留物，b为晶圆表面被腐蚀的部分。

因此，需要有一种抛光方法来有效改善和消除这种抛光过程中生成物残留的问题，并且防止材料的腐蚀和其他缺陷的产生。

发明内容

为了克服上述问题，本发明旨在改进传统的晶圆抛光方法，在同一个抛光盘中完成整个抛光过程，从而达到消除晶圆上的抛光残留物和对晶圆的腐蚀，提高抛光效率的目的。

本发明提供一种晶圆的抛光方法，所述晶圆包括绝缘层和位于所述绝缘层上的半导体材料，其中在1个抛光盘上和在线监测曲线的监控下完成整个抛光过程，包括：

步骤S01：在高压力和高转速的条件下对所述晶圆表面进行第一次抛光;

步骤S02：当所述在线监测曲线的变化量为所述曲线上显示的最高强度和抛光终点强度的差值的2/3时，停止抛光，用清洗液对所述晶圆表面进行第一次清洗，同时用抛光垫修复盘对所述抛光垫进行修复；

步骤S03：在中等压力和中等转速的条件下对所述晶圆表面进行第二次抛光；

步骤S04：当所述在线监测曲线捕捉到抛光终点时，停止抛光，用所述清洗液对所述晶圆表面进行第二次清洗；

步骤S05：采用低压力和中等转速对所述晶圆表面进行过抛光，将所述绝缘层上的半导体材料完全去除掉；

步骤S06：用所述清洗液对所述晶圆表面进行第三次清洗。

优选地，

所述步骤S01中，所述高压力为2-4psi，所述高转速为70-100rpm；

所述步骤S02中，所述第一次清洗的时间为30-60秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min；

所述步骤S03中，所述中等压力为1.5-3psi，所述中等转速为60-90rpm；

所述步骤S04中，所述第二次清洗的时间为60-90秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min；

所述步骤S05中，所述低压力为0.5-2psi，所述中等转速为50-70rpm；

所述步骤S06中，所述第三次清洗的时间为30-90秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min。

优选地，步骤S05中，所述的过抛光的时间是所述捕捉到抛光终点所消耗的时间的10%-30%。

优选地，所述步骤S01、S03和S05中，所采用的抛光液的pH值为2-5。

优选地，所述步骤S01、S03和S05中，所采用的研磨颗粒包括烧结二氧化硅颗粒、胶体二氧化硅颗粒、氧化铈颗粒、以及二氧化硅和氧化铈的复合研磨颗粒四者中的一种，所采用的氧化剂含量为0.1-3.0%。

优选地，所述的在线监测曲线为摩擦系数曲线，光学参数曲线，电机电流参数曲线，或抛光垫温度参数曲线。

优选地，所述步骤S04中，所述抛光终点是指所述在线监测曲线从倾斜到趋于平坦时的拐点。

优选地，所述的半导体材料是金属氧化物或硫系化合物。

本发明的晶圆的抛光方法，在1个抛光盘上，通过在线监测曲线上数据的变化来监测晶圆表面的抛光程度以及根据此变化来进行抛光和清洗的之间的转换，有效降低了晶圆表面残留物的沉积和表面的腐蚀；通过在不同的压力和转速条件下，对晶圆表面进行三次抛光，并且在每次抛光之后都对进行晶圆清洗，从而消除晶圆表面的残留物，即达到原位抛光和清洗的效果，其中，第一次抛光采用的压力和转速都较其它两次抛光的高，这样可以在第一次抛光后，就可以去除大部分的位于绝缘层上的半导体材料，比如硫系化合物薄膜等，然后进行第一次清洗，因为在第一次抛光后，在抛光垫上会产生大量的抛光生成物，用清洗液进行清洗，可以将这些抛光生成物溶解到清洗液中，从而将其清洗掉，这样就避免了后续的抛光过程中这些抛光生成物沉积于晶圆的表面；第二次抛光采用的压力和转速都较第一次抛光的低，这样，可以起到对晶圆进行精细抛光的作用，第二次抛光之后，位于绝缘层上的半导体材料很大一部分被去除，那么第二次清洗需要的时间较第一次长，可以有效防止抛光生成物沉积于晶圆表面并保证晶圆表面的洁净度；第三次抛光，是一个过抛光的过程，是为了将绝缘层上的所有的半导体材料比如硫系化合物都去除，那么，此过程中产生的抛光生成物较前两次少，所以，第三次清洗时间不宜过长，否则清洗液会对晶圆表面造成腐蚀。

附图说明

图1为传统的晶圆的抛光方法的流程示意图

图2为采用传统的晶圆抛光方法对晶圆表面抛光后的晶圆表面的缺陷示意图

图3为本发明的一个较佳实施例的晶圆的抛光方法的流程示意图

图4为本发明的上述较佳实施例的各个抛光步骤所对应的在线监测曲线示意图以及各个抛光步骤所对应的晶圆表面抛光效果示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

以下结合附图3和4，通过具体实施例对本发明的晶圆的抛光方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的一个较佳实施例中，所采用的晶圆可以为8寸或12寸晶圆；在晶圆上通常包括绝缘层和位于绝缘层上的半导体材料，在本发明的一个较佳实施例中，半导体材料可以是金属氧化物或硫系化合物；特别地，金属氧化物可以是氧化铜，氧化钽和氧化钛三者中的一种；特别地，硫系化合物可以是锗锑碲，硅锑碲，锗锑和锑碲四者中的一种。

请参阅图3，图3为本发明的一个较佳实施例的晶圆的抛光方法的流程示意图，本发明的晶圆的抛光方法，改进了上述传统抛光工艺，使多个抛光过程能够在1个抛光盘中完成，并且能够有效消除晶圆表面的化学物质残留以及降低晶圆遭受到腐蚀的概率。需要说明的是，本发明的本实施例中，采用12英寸晶圆，晶圆表面包括绝缘层以及位于绝缘层上的硫系化合物——300nm锗锑碲薄膜为例进行说明，但这不用于限制本发明的范围。

在本发明的一个较佳实施例中在1个抛光盘中和在线监控曲线的监控下进行抛光的过程如下：

步骤S01：在高压力和高转速的条件下对晶圆表面进行第一次抛光，这里，本实施例中，所采用的高压力为2-4psi，高转速为70-100rpm；

本发明中，第一次抛光时，所采用的研磨颗粒可以包括烧结二氧化硅颗粒、胶体二氧化硅颗粒、氧化铈颗粒以及二氧化硅和氧化铈的复合研磨颗粒四者中的一种，采用的抛光液所采用的氧化剂含量为0.1-3.0%，此外，采用的抛光液的PH值为2-5；例如，本实施例中，采用的抛光液可以为胶体二氧化硅抛光液，抛光液的PH值为3，氧化剂浓度为0.5%；此外，本实施例中，可以采用压力为2psi，转速为93-87rpm进行第一次抛光，将一大部分的锗锑碲薄膜去除。

步骤S02：当在线监测曲线的变化量为该曲线上显示的最高强度和抛光终点强度的差值的2/3时，停止抛光，用清洗液对晶圆表面进行第一次清洗，同时用抛光垫修复盘对抛光垫进行修复；其中，本实施例中，第一次清洗的时间为30-60秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min。

本实施例中，在线监测曲线可以为摩擦系数曲线，光学参数曲线，电机电流参数曲线，或抛光垫温度参数曲线的一种。请参阅图4，图4为本发明的上述较佳实施例的各个抛光步骤所对应的在线监测曲线示意图以及各个抛光步骤所对应的晶圆表面抛光效果示意图，以反射率曲线为例，图4中(1)表示第一次抛光过程的反射率曲线，可以根据采集到的数据：在线监测的反射率曲线的最高强度为78，抛光终点强度为18，进行反射率变化量的测量；这里，最高强度和抛光终点强度的差值为60，那么再乘以2/3后得到值为40，也即是，当在线监测曲线的反射率变化量为40时，停止抛光；然后，可以采用CTS100清洗液对晶圆表面进行第一次清洗，此时的清洗时间可以为30秒，清洗液流量可以为200ml/min。

本实施例中，由于采用300nm锗锑碲薄膜，所以，第一次抛光结束后，绝缘层表面剩余的锗锑碲薄膜大约为50-100nm，从图4的（1）所对应的晶圆表面示意图可以看到，经第一次抛光后，晶圆表面的半导体材料大幅度减少，露出了很小部分的绝缘层；

这里，由于第一次抛光采用的压力和转速都较高，不可避免会对抛光垫产生一定的变性和磨损，所以用抛光垫修复盘对抛光垫进行修复，来修正抛光垫的平面度。

步骤S03：在中等压力和中等转速的条件下对晶圆表面进行第二次抛光，这里，本实施例中，所述的中等压力为1.5-3psi，中等转速为60-90rpm；

本实施例中，可以采用压力为1.5psi，转速为83-77rpm进行第二次抛光，第二次抛光后，有大约90%的锗锑碲薄膜被去除；

第二次抛光所采用的抛光液种类、PH值以及氧化剂浓度可以与第一次抛光时的相同，这里不再赘述。

请参阅图4，(2)表示第二次抛光过程的反射率曲线，此过程中，晶圆表面的反射率急剧下降，表明晶圆表面的锗锑碲薄膜明显减少，而绝缘层大部分已经暴漏出来，如图4中(2)所对应的晶圆表面示意图。

步骤S04：当在线监测曲线捕捉到抛光终点时，停止抛光，用清洗液对晶圆表面进行第二次清洗，其中，本实施例中，第二次清洗的时间为60-90秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min；

抛光终点是指在线监测曲线从倾斜到趋于平坦时的拐点，如图4中，(2)和(3)交界处的拐点即为抛光终点。

本实施例中，当在线监测曲线捕捉到抛光终点时，不可避免的需要一段时间来停止抛光，比如18秒左右。然后采用与第一次清洗相同的清洗液进行清洗，较佳地，清洗时间可以为60秒，清洗液流量可以为300ml/min。

步骤S05：采用低压力和中等转速对晶圆表面进行过抛光，将绝缘层上的半导体材料完全去除掉；其中，本实施例中，低压力为0.5-2psi，中等转速为50-70rpm；

本实施例中，如图4所示，（3）表示过抛光过程的反射率曲线，过抛光时，剩余的锗锑碲薄膜很少，过抛光前后的反射率曲线的强度变化不明显，从(3)对应的晶圆表面示意图中看出，绝缘层表面的锗锑碲薄膜已经完全去除，而绝缘层已经完全暴漏出来。

这样，通过在线监测曲线上数据的变化来监测晶圆表面的抛光程度和进行抛光和清洗的之间的转换，有效降低了晶圆表面残留物，同时不存在抛光液静态腐蚀晶圆表面的问题，防止了晶圆表面的腐蚀。

本实施例中，过抛光的时间是捕捉到抛光终点所消耗的时间的10%-30%；从图中看到，捕捉到抛光终点时总共消耗了120秒，那么可以进行12到36秒范围内的过抛光，较佳地，可以过抛光30秒；较佳地，所采用的压力可以为1psi，转速为73-67rpm。

步骤S06：用清洗液对晶圆表面进行第三次清洗，这里，本实施例中，第三次清洗的时间为30-90秒，所采用的清洗液流量为200-500ml/min。

本实施例中，第三次清洗采用的清洗液和前两次相同；由于过抛光过程中锗锑碲薄膜已经剩余的很少，因而抛光生成物的数量也很少，因此，第三次清洗时间不宜过长，以免对晶圆表面造成腐蚀；较佳的，第三次清洗的时间可以为30秒，清洗液流量为200ml/min。

综上，本发明的晶圆抛光方法，在1个抛光盘上，通过在线监测曲线上数据的变化来监测晶圆表面的抛光程度以及根据此变化来进行抛光和清洗的之间的转换，有效降低了晶圆表面残留物的沉积和表面的腐蚀；通过在不同的压力和转速条件下，对晶圆表面进行三次抛光，并且在每次抛光之后都对进行晶圆清洗，从而消除晶圆表面的残留物，即达到原位抛光和清洗的效果，并且清洗过程简单可控，提高了晶圆良率。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种晶圆的抛光方法，所述晶圆包括绝缘层和位于所述绝缘层上的半导体材料，其特征在于，在1个抛光盘上和在线监测曲线的监控下完成整个抛光过程，包括：

步骤S01：在高压力和高转速的条件下对所述晶圆表面进行第一次抛光；所述高压力为2-4psi，所述高转速为70-100rpm；

步骤S02：当所述在线监测曲线的变化量为所述曲线上显示的最高强度和抛光终点强度的差值的2/3时，停止抛光，用清洗液对所述晶圆表面进行第一次清洗，同时用抛光垫修复盘对所述抛光垫进行修复；所述第一次清洗时间为30-60秒，所采用清洗液流量为200-500ml/min；

步骤S03：在中等压力和中等转速的条件下对所述晶圆表面进行第二次抛光；所述中等压力为1.5-3psi，所述中等转速为60-90rpm；

步骤S04：当所述在线监测曲线捕捉到抛光终点时，停止抛光，用所述清洗液对所述晶圆表面进行第二次清洗；所述抛光终点是指所述在线监测曲线从倾斜到趋于平坦时的拐点；所述第二次清洗时间为60-90秒，所采用清洗液流量为200-500ml/min；

步骤S05：采用低压力和中等转速对所述晶圆表面进行过抛光，将所述绝缘层上的半导体材料完全去除掉；所述的过抛光的时间是所述捕捉到抛光终点所消耗的时间的10％-30％；所述低压力为0.5-2psi，所述中等转速为50-70rpm；

步骤S06：用所述清洗液对所述晶圆表面进行第三次清洗；所述第三次清洗时间为30-90秒，所采用清洗液流量为200-500ml/min。

2.根据权利要求1所述的晶圆的抛光方法，其特征在于，所述步骤S01、S03和S05中，所采用的抛光液的pH值为2-5。

3.根据权利要求1所述的晶圆的抛光方法，其特征在于，所述步骤S01、S03和S05中，所采用的研磨颗粒包括烧结二氧化硅颗粒、胶体二氧化硅颗粒、氧化铈颗粒、以及二氧化硅和氧化铈的复合研磨颗粒四者中的一种，所采用的氧化剂含量为0.1-3.0％。

4.根据权利要求1所述的晶圆的抛光方法，其特征在于，所述的在线监测曲线为摩擦系数曲线，光学参数曲线，电机电流参数曲线，或抛光垫温度参数曲线。

5.根据权利要求1所述的晶圆的抛光方法，其特征在于，所述的半导体材料是金属氧化物或硫系化合物。