CN104827382A

CN104827382A - 化学机械研磨的方法

Info

Publication number: CN104827382A
Application number: CN201410045890.8A
Authority: CN
Inventors: 王贤超; 奚民伟
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2014-02-08
Filing date: 2014-02-08
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2034-02-08
Also published as: CN104827382B

Abstract

本发明公开一种化学机械研磨的方法。所述方法包括：对基片进行第一研磨，直到所述基片的边缘区域的厚度达到第一预定值且所述基片的所述边缘区域的厚度小于所述基片的中心区域的厚度；对所述基片进行第二研磨，直到所述基片的所述中心区域的厚度达到第二预定值，在所述第二研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比小于在所述第一研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比；以及对所述基片进行第三研磨，在所述第三研磨过程中所述基片往复移动。根据本发明的化学机械研磨的方法能够提高研磨后的片内均匀性。同时，该方法不需要对现有的化学机械研磨设备进行改进，能够节省成本。

Description

化学机械研磨的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种化学机械研磨的方法。

背景技术

化学机械研磨是一种常用的实现表面全局平坦化的方法，其是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术。现有的化学机械研磨的方法一般是将基片夹持在研磨头上，并通过研磨头向基片施加一定的压力，使其在研磨头的带动下在研磨盘上旋转而研磨。在该过程中，基片的中心区域内各处的研磨速率基本相等，而随着时间的延长，基片的边缘区域的研磨速率会大于中心区域的研磨速率。举例来说，当研磨时间达到240秒时，基片的边缘区域的最大去除量约等于中心区域的去除量的1.28倍，因此，很容易导致基片的边缘区域比中心区域薄，而影响基片的片内均匀性。

因此，有必要提出一种化学机械研磨的方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种化学机械研磨的方法。所述方法包括：对基片进行第一研磨，直到所述基片的边缘区域的厚度达到第一预定值且所述基片的所述边缘区域的厚度小于所述基片的中心区域的厚度；对所述基片进行第二研磨，直到所述基片的所述中心区域的厚度达到第二预定值，在所述第二研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比小于在所述第一研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比；以及对所述基片进行第三研磨，在所述第三研磨过程中所述基片往复移动。

优选地，所述第一研磨包括：对所述基片进行初研磨，直到所述基片上任何一个位置处的厚度达到大于所述第一预定值的预定厚度，在所述初研磨过程中所述基片往复移动；以及对所述基片进行再研磨，直到所述边缘区域的厚度达到所述第一预定值，其中在所述再研磨过程中所述基片的中心位置不变且使所述基片旋转。

优选地，所述预定厚度为3μm～6μm，和/或第一预定值为3μm～5μm。

优选地，所述第二预定值为2μm～4μm。

优选地，在所述第一研磨过程中，对所述边缘区域施加的压力大于对所述中心区域施加的压力。

优选地，所述边缘区域包括靠近所述基片的最外沿的第一区域和位于所述第一区域和所述中心区域之间的第二区域，在所述第二研磨过程中对所述第一区域的施加的压力为在所述第一研磨过程中对所述第一区域施加的压力的85%～90%；且在所述第二研磨过程中对所述第二区域施加的压力为在所述第一研磨过程中对所述第二区域施加的压力的70%～80%。

优选地，在所述第二研磨过程中对所述中心区域施加的压力与在所述第一研磨过程中对所述中心区域施加的压力相等。

优选地，在所述第一研磨过程中施加至所述第一区域、所述第二区域和所述中心区域的压力分别为210～350g/cm²、210～350g/cm²和130～220g/cm²。

优选地，在所述第二研磨过程中施加至所述第一区域、所述第二区域和所述中心区域的压力分别为185～305g/cm²、140～280g/cm²和130～220g/cm²。

优选地，所述第三研磨的时间为10秒～30秒。

根据本发明的化学机械研磨的方法，在研磨过程中，通过对施加至不同区域的压力的大小进行调整，提高研磨后的片内均匀性。同时，该方法不需要对现有的化学机械研磨设备进行改进，能够节省成本。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是根据本发明的一个实施例的化学机械研磨方法的流程图；

图2A-2D是图1中示出的化学机械研磨的方法的各个步骤的示意图；以及

图3是根据本发明的一个实施例的基片内的各个区域的示意图。

具体实施方式

接下来，将结合附图更加完整地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其他元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。

本发明提供一种化学机械研磨的方法。图1示出了根据本发明一个实施例的化学机械研磨的方法的流程图，图2A-2D示出了根据图1中示出的化学机械研磨的方法的各个步骤的示意图，图3示出了根据本发明的一个实施例的基片内的各个区域的示意图。下面将结合图1、图2A-2D以及图3详细描述本发明。

步骤S110：对基片进行第一研磨，直到基片的边缘区域的厚度达到第一预定值且基片的边缘区域的厚度小于基片的中心区域的厚度。

如图2A-2B所示，对基片210进行第一研磨。基片210可以是任何待研磨的基片，例如，半导体基片、石英片、玻璃片或上述材料的复合片等，半导体基片可以为以下所提到的材料中的任何一种：硅片、绝缘体上硅（SOI）、绝缘体上层叠硅（SSOI）、绝缘体上层叠锗化硅（S-SiGeOI）、绝缘体上锗化硅（SiGeOI）以及绝缘体上锗（GeOI）等等。基片210可以包括边缘区域211和中心区域212，如图3所示。

应当注意，这里所说的“边缘区域”和“中心区域”是一个相对概念，边缘区域211不仅仅包括基片210的最外沿的区域，还可以从基片210的最外沿的区域向基片210的最中心延伸一定距离。类似地，中心区域212不仅仅包括基片210的最中心的区域，还可以从基片210的最中心的区域向基片210的最外沿延伸一定距离。基片210的边缘区域211和中心区域212的划分与研磨过程中的研磨速率有关，具体地，中心区域212内各处的研磨速率基本相等，而随着时间的延长，边缘区域211内的研磨速率会大于中心区域的研磨速率。而基片210上各处的研磨速率与研磨设备等有很大关系。例如，在使用TITAN-I型研磨设备的研磨直径为8英寸（203.2mm）的基片210的情况下，中心区域212可以定义为包括距离基片的中心点0-70mm的区域，而剩余部分为边缘区域211。本领域的技术人员可以理解的是，在使用不同的研磨设备研磨不同的基片时，上述边缘区域211和中心区域212的划分可能会改变，并且研磨参数的改变也可能会影响基片上各处的研磨速率的分布，因此，在使用本发明提供的方法之前，最好针对所使用的研磨设备以及待研磨基片能够通过实验来确定基片上的区域划分情况。

第一研磨可以在现有的化学机械研磨设备上进行。其中，该化学机械研磨设备上设置有检测器，该检测器可以为任何能够检测基片210的厚度的检测器，例如终点检测器（endpoint detected system）。检测器可以设置在研磨盘之内。研磨垫上对应的部分可以使用透光材料制作，从而形成能够透光的窗口。用于化学机械研磨的研磨垫可以是固结研磨浆料的研磨垫，此时，研磨浆料被固定于研磨垫上。用于化学机械研磨的研磨垫还可以是非固结研磨浆料的研磨垫，此时，研磨浆料可以呈颗粒状态并悬浮于液体载剂中，并通过专门的研磨浆料传输装置输送至研磨垫上。

如前所述的，在化学机械研磨过程中，研磨时间越长，基片的边缘区域211的研磨速率越大。因此，基片210的边缘区域211一般会先达到一个预定值。在本发明中，当基片的边缘区域211的厚度达到第一预定值时，停止第一研磨。此时，基片的边缘区域211的厚度小于基片的中心区域212的厚度。第一预定值可以根据实际情况确定。例如，在根据本发明的一个实施例中，第一预定值可以为3～5μm，例如4μm。

虽然在一般情况下，当研磨时间较长时，基片的边缘区域211的研磨速率比中心区域212的研磨速率大，然而在实践中，有可能会由于其他因素，例如时间不够长等因素，导致边缘区域211的研磨速率比中心区域212的研磨速率小。由于这种不确定因素的存在，导致无法判断在第一研磨结束时，基片的边缘区域211和中心区域212的厚度的大小关系，因此，随后进行第二研磨时，不好选择研磨时对基片的边缘区域211和中间区域212施加的压力的大小。因此，在本发明的一个优选实施例中，在第一研磨过程中，对边缘区域211施加的压力可以大于对中心区域212施加的压力，例如，对边缘区域211施加的压力可以为280g/cm²，对中心区域212施加的压力可以为175g/cm²，以确保在第一研磨过程结束时，基片210的边缘区域211的厚度小于基片的中心区域212的厚度。

在根据本发明的一个实施例中，第一研磨可以分两步进行。如图2A所示，首先对基片210进行初研磨，以缩短整个研磨工艺的时间。对基片210进行的初研磨过程直到基片210上的任何一个位置处的厚度达到一个预定值时结束。该预定值需大于第一研磨过程结束时的第一预定厚度，具体数值可以根据实际情况合理地选择。在根据本发明的一个优选实施例中，在第一预定厚度为3μm～5μm的情况下，该预定值可以为3μm～6μm，例如3.5μm。申请人发现，当预定值在该范围内时，可以获得较好的初研磨表面质量，同时可以给后期的研磨过程中留出合适的研磨量。

需要说明的是，在初研磨的过程中，基片210可以在研磨头的带动下如图2A所示地在研磨垫220上以箭头A所示的方向往复移动。由于基片210在研磨垫上往复移动，因此检测器在不同时刻检测到的是基片210上的不同区域的厚度。

然后，如图2B所示，对基片210进行再研磨，直到基片210的边缘区域的厚度达到第一预定值。与初研磨的过程中不同的是，在再研磨的过程中，基片210在研磨垫220上旋转，但是基片210的中心位置不变。由于在再研磨过程中，需要确定基片210的边缘区域211的厚度的值，因此，在根据本发明的一个实施例中，可以将基片210的边缘区域211对准位于研磨盘和研磨垫220之间的检测器230，以使检测器230检测基片210的边缘区域211的厚度。

在第一研磨过程（包括如上所述的初研磨和再研磨过程）中，施加到基片210的边缘区域211和中心区域212的压力也可以根据实际情况确定。在根据本发明的一个优选实施例中在第一研磨过程中，施加至边缘区域211的压力可以为210～350g/cm²，例如280g/cm²。施加至中心区域212的压力可以为130～220g/cm²。申请人发现，当第一预定值和施加至边缘区域211和中心区域212的压力选在上述范围内时，在第一研磨结束时，基片210的表面研磨质量好，且边缘区域211的厚度小于中心区域212的厚度。

步骤S120：对基片进行第二研磨，直到基片的中心区域的厚度达到第二预定值，在第二研磨过程中对边缘区域和中心区域的施加的压力比小于在第一研磨过程中对边缘区域和中心区域的施加的压力比。

如图2C所示，对基片210进行第二研磨，直到基片210的中心区域212的厚度达到第二预定值。在第二研磨中，可以将基片210的中心区域对准检测器230，以通过检测器230检测基片210的中心区域212的厚度。由于在第一研磨过程结束后，基片210的边缘区域211的厚度小于中心区域212的厚度，因此，在第二研磨过程中可以调节施加至中心区域212和/或施加至边缘区域211的压力，以使对基片210的边缘区域211和中心区域212的施加的压力比小于在第一研磨过程中对基片210的边缘区域211和中心区域212的施加的压力比。例如，在第二研磨过程中，可以减小对基片210的边缘区域211施加的压力。

然而，在研磨过程中，为了防止基片210在水平方向上滑出，基片210的外围通常设置有定位环（retaining ring），研磨头对定位环施加较大的压力，将研磨垫220的位于定位环下方的部分压下去，导致该部分周围的研磨垫（即位于基片210的最外沿下方的研磨垫）向上翘。向上翘的研磨垫220会给基片210的最外沿施加一个较大的作用力。一般来说，即使需要减小对基片210的边缘区域211施加的压力时，对基片210的最外沿区域施加的压力也不能太小。

因此，可以将边缘区域211分为两部分，当需要减小对边缘区域211施加的压力时，最外沿的一部分的压力通常存在下限，而另一部分（位于该最外沿区域和中心区域之间的区域）可以减小得相对较多，这样既能保证减小了对边缘区域211施加的压力，而又可以使最外沿区域保持较大的压力而防止基片210跑偏或飞出研磨垫220。在根据本发明的一个优选实施例中，如图3所示，基片210的边缘区域211可以分成两个区域，即靠近基片210的最外沿的第一区域211A以及位于中心区域212和第一区域211A之间的第二区域211B。换句话说，将基片210沿着从其中心到最外沿的方向包括中心区域212、第二区域211B和第一区域211A。以直径为8英寸的基片210为例，中心区域212例如为距离基片210的中心0-70mm范围内的区域，第二区域212B例如为从距离基片210的中心70-90mm范围内的区域，而剩余的靠近最外沿的区域为第一区域211A。

在第二研磨过程中，当需要通过减小对边缘区域211施加的压力来降低边缘区域211和中心区域212的压力比时，对第一区域211A施加的压力可以为在第一研磨过程中对第一区域211A施加的压力的85%～90%，例如87.5%。在第二研磨过程中对第二区域211B施加的压力可以为在第一研磨过程中对第二区域211B施加的压力的70%～80%，例如75%。通过减小对边缘区域211施加的压力来降低边缘区域211和中心区域212的压力比时，优选地，可以保持对中心区域212施加的压力不变，以避免增加过多的研磨参数修改步骤。此外，研磨基片210时所施加的压力不宜过高，否则会损坏基片210，并且还可能由于研磨速度过快而很难控制去除的厚度，但是设置得过低会影响整个研磨工艺的时间。在该优选实施例中，对中心区域212施加的压力在第一和第二研磨过程中保持不变，可以将整个研磨的初始阶段就将对基片210施加的压力设置得相对较高，这样可以加快研磨工艺所消耗的时间。例如，在根据本发明的一个优选实施例中，在第一研磨过程中施加至第一区域211A、第二区域211B和中心区域212的压力分别可以为210～350g/cm²、210～350g/cm²和130～220g/cm²。而在第二研磨过程中，施加至第一区域211A、第二区域211B和中心区域212的压力分别可以为185～305g/cm²、140～280g/cm²和130～220g/cm²。

第二研磨过程结束时，去除厚度的主要步骤已经结束，因此第二预定值可以根据实际情况进行确定。也就是说，第二预定值可以根据实际需要的基片210的最终厚度来设置。例如，在根据本发明的一个优选实施例中，第二预定值可以为2μm～4μm，例如2.5μm。

步骤S130：对基片进行第三研磨，在第三研磨过程中基片往复移动。

经过第二研磨过程之后，基片210的边缘区域211和中心区域212已经比较平坦，然而边缘区域211和中心区域212的交界处局部可能还不平坦，因此，在第二研磨过程之后，还可以对基片210进行第三研磨。如图2D所示，在第三研磨过程中，基片210可以以箭头A所示的方向往复移动，以使基片210整体表面平坦。优选地，第三研磨的时间可以为10秒～30秒，例如15秒。由于研磨头和研磨垫220从静止状态到旋转状态，需要一个加速的过程，因此如果第三研磨的时间选择过短，例如小于8秒，则在这么短的时间内，研磨头和研磨垫220的转速可能很低，因此，研磨速率很低，研磨量很小，不一定能实现基片210的表面整体平坦化。而如果第三研磨的时间选择过长，例如大于30秒，则可能会导致研磨量过多，又可能导致基片210的表面重现厚度不均匀的情况。在第三研磨过程中，可以仅通过研磨时间来控制第三研磨结束的时间，因此，可以将检测器230关闭。

综上所述，根据本发明的化学机械研磨的方法，在研磨过程中，通过对施加至不同区域的压力的大小进行调整，提高研磨后的片内均匀性。同时，该方法不需要对现有的化学机械研磨设备进行改进，能够节省成本。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种化学机械研磨的方法，其特征在于，所述方法包括：

对基片进行第一研磨，直到所述基片的边缘区域的厚度达到第一预定值且所述基片的所述边缘区域的厚度小于所述基片的中心区域的厚度；

对所述基片进行第二研磨，直到所述基片的所述中心区域的厚度达到第二预定值，在所述第二研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比小于在所述第一研磨过程中对所述边缘区域和所述中心区域施加的压力比；以及

对所述基片进行第三研磨，在所述第三研磨过程中所述基片往复移动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一研磨包括：

对所述基片进行初研磨，直到所述基片上任何一个位置处的厚度达到大于所述第一预定值的预定厚度，在所述初研磨过程中所述基片往复移动；以及

对所述基片进行再研磨，直到所述边缘区域的厚度达到所述第一预定值，其中在所述再研磨过程中所述基片的中心位置不变且使所述基片旋转。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定厚度为3μm～6μm，和/或第一预定值为3μm～5μm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定值为2μm～4μm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一研磨过程中，对所述边缘区域施加的压力大于对所述中心区域施加的压力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边缘区域包括靠近所述基片的最外沿的第一区域和位于所述第一区域和所述中心区域之间的第二区域，在所述第二研磨过程中对所述第一区域的施加的压力为在所述第一研磨过程中对所述第一区域施加的压力的85%～90%；且在所述第二研磨过程中对所述第二区域施加的压力为在所述第一研磨过程中对所述第二区域施加的压力的70%～80%。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第二研磨过程中对所述中心区域施加的压力与在所述第一研磨过程中对所述中心区域施加的压力相等。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一研磨过程中施加至所述第一区域、所述第二区域和所述中心区域的压力分别为210～350g/cm²、210～350g/cm²和130～220g/cm²。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二研磨过程中施加至所述第一区域、所述第二区域和所述中心区域的压力分别为185～305g/cm²、140～280g/cm²和130～220g/cm²。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三研磨的时间为10秒～30秒。