CN105364699B - 一种化学机械研磨方法和化学机械研磨设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种化学机械研磨方法和一种化学机械研磨设备。所述化学机械研磨方法包括：步骤S1：提供待研磨的顶层为Al栅极层的晶圆；步骤S2：将所述晶圆置于化学机械研磨设备中，用研磨垫和研磨液对所述晶圆的Al栅极层进行化学机械研磨；步骤S3：待将所述Al栅极层研磨至目标位置时，去除所述化学机械研磨时在所述晶圆背面施加的压力，将所述晶圆解除卡紧；步骤S4：在所述晶圆为解除卡紧的状态下，将所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液喷洒在所述研磨垫上，以对所述研磨垫进行清洗；步骤S5：清洗完成后，从所述研磨垫中将所述晶圆移出。本发明的CMP法，与常规的CMP法相比，使得晶圆表面的划痕缺陷减少了50％以上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造中的化学机械研磨(CMP)领域，特别涉及一种化学机械研磨方法和化学机械研磨设备。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，半导体器件的尺寸不断减小。32nm以下的高k金属栅极逐渐成为当前半导体技术发展的主流方向。其中，铝栅极由于其优异的特性而受到人们的青睐。
Al栅极的化学机械研磨(CMP)制程是形成铝栅极的最重要的制程之一，化学机械研磨技术兼具有机械式研磨与化学式研磨两种作用，可以使整个晶圆表面达到平坦化，从而精确地控制Al栅极台阶(step)。
但是，在常规的CMP制程中常常会在晶圆表面上造成许多缺陷，这些缺陷主要包括划痕(scratch)、微粒、研磨液残留物等，其中特别引起关注的是划痕，因为它们通常是晶圆的致命的缺陷，会极大程度地降低晶圆的总的良率。
因此，为了在Al栅极的CMP制程中减少晶圆表面上的划痕缺陷，亟需提出一种新的化学机械研磨方法和化学机械研磨设备。
发明内容
为了减少Al栅极的CMP制程在晶圆表面上产生的划痕缺陷，本发明提供了一种化学机械研磨方法和化学机械研磨设备。
在本发明的第一方面，提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：
步骤S1：提供待研磨的顶层为Al栅极层的晶圆；
步骤S2：将所述晶圆置于化学机械研磨设备中，用研磨垫和研磨液对所述晶圆的Al栅极层进行化学机械研磨；
步骤S3：待将所述Al栅极层研磨至目标位置时，去除所述化学机械研磨时在所述晶圆背面施加的压力，将所述晶圆解除卡紧(de-chucking)；
步骤S4：在所述晶圆为解除卡紧的状态下，将所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液喷洒在所述研磨垫上，以对所述研磨垫进行清洗；
步骤S5：清洗完成后，从所述研磨垫中将所述晶圆移出。
可选地，所述步骤S2中的化学机械研磨包括依次进行的第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨，其中，在所述第三化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，执行所述步骤S3和S4。
可选地，在所述第二化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也执行所述步骤S3和S4。
可选地，在所述第一化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也执行所述步骤S3和S4。
可选地，所述第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨分别在三个不同的研磨垫上进行。
可选地，所述第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨的研磨速率依次减小。
可选地，使所述步骤S4中的晶圆解除卡紧的状态保持1-8s。
可选地，所述步骤S4中的研磨液或研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
可选地，所述步骤S4中的研磨液和H2O2的混合液的浓度为10％～100％。
在本发明的第二方面，提供了一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备用于对晶圆进行化学机械研磨，所述化学机械研磨设备包括研磨台、固定在所述研磨台表面的研磨垫、固定所述晶圆并将所述晶圆按压在所述研磨垫上的研磨头和向研磨垫的表面喷洒清洗液的清洗装置，其中，所述清洗装置包括一个以上的喷头，所述喷头用于在晶圆解除卡紧时向研磨垫的表面喷洒研磨液或研磨液和H2O2的混合液。
可选地，所述喷头向研磨垫的表面喷洒的研磨液或研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
本发明的CMP法，在将顶层的Al栅极研磨至目标位置后，在去除晶圆背面的压力的条件下，通过使用研磨液或研磨液和H2O2的混合液代替去离子水洗涤研磨垫，避免了使用去离子水时从研磨液中析出并聚集在研磨垫上的Al2O3在晶圆表面上产生划痕，与常规的CMP法相比，使得晶圆表面的划痕缺陷减少了50％以上。本发明的化学机械研磨设备可以在机械化学平坦化后，在晶圆的背面未受到压力时，对研磨垫表面进行清洗以去除研磨副产物等各种微粒，避免了由于这些微粒的存在而在晶圆的表面产生划痕。
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。
附图中：
图1为本发明CMP法的一具体实施例中所用的化学机械研磨设备的结构示意图；
图2为本发明CMP法的示意性流程图；
图3示出了本发明的CMP法的一具体实施例中的化学机械研磨的三个化学机械研磨工序，并示出了晶圆伴随三个工序的进行所产生的变化；
图4a和4b分别示出了采用本发明的CMP法和常规的CMP法得到的晶圆的表面划痕缺陷的第一次检测结果和第二次检测结果；
图5示出了本发明所提供的化学机械研磨设备的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述半导体器件的制备方法。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
在Al栅极的常规CMP制程中，常常会在晶圆表面上造成许多缺陷，如划痕、微粒、研磨液残留物等，其中特别引起关注的是划痕，因为它们通常是晶圆的致命的缺陷，会极大程度地降低晶圆的总的良率。
尽管在常规的Al栅极的CMP制程中，通常在将Al栅极层研磨至目标位置后，在去除化学机械研磨时在晶圆背面施加的压力、将所述晶圆解除卡紧的情况下，使用去离子水对研磨垫进行清洗，以期望除去研磨过程中在研磨垫上产生的副产物等各种微粒，以避免这些微粒在晶圆移出研磨垫时对晶圆造成划痕，但由此得到晶圆仍具有严重的划痕缺陷。
为了解决上述技术问题，在Al栅极的CMP制程中减少晶圆表面的划痕缺陷，本发明提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：
步骤S1：提供待研磨的顶层为Al栅极层的晶圆，这里顶层为Al栅极层的晶圆的获得，采用本领域已知的方法即可，在此不作赘述。
步骤S2：将所述晶圆置于化学机械研磨设备中，用研磨垫和研磨液对所述晶圆的Al栅极层进行化学机械研磨。
示例性地，图1示出了步骤S2中的CMP设备的结构，所述CMP设备包括研磨垫11、研磨头12、研磨台13和研磨垫修整器(dresser)14，其中，所述研磨垫贴附于研磨台13的表面，研磨头12用于夹持、移动以及旋转晶圆15。研磨时将晶圆15固定于研磨头12，与研磨头相连的轴杆16对研磨头12向下施加一定的压力，将晶圆15的为Al栅极层的面压向所述研磨垫，当研磨台13在马达的带动下旋转时，研磨头12也进行相对运动，同时将研磨液输送到研磨垫11上，并通过离心力和研磨垫修整器14使所述研磨液均匀地分布在研磨垫11上，通过晶圆15的表面与所述研磨垫之间的相对运动将晶圆15表面平坦化。
步骤S3：待将所述Al栅极层研磨至目标位置时，去除所述化学机械研磨时在所述晶圆背面施加的压力，将所述晶圆解除卡紧。
具体地，去除与研磨头相连的轴杆16对研磨头12向下施加的压力，将晶圆15解除卡紧。
步骤S4：在所述晶圆为解除卡紧的状态下，将所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液喷洒在所述研磨垫上，以对所述研磨垫进行清洗。
具体地，在本发明的一具体实施例中，在所述晶圆背面没有受到压力的条件下，用所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液喷洒在所述研磨垫上，以对所述研磨垫进行清洗，以除去研磨产生的副产物等各种微粒，以避免这些微粒在晶圆移出研磨垫时对晶圆造成划痕，以及防止对后续的需要在所述研磨垫进行研磨的晶圆产生划痕。示例性地，使所述步骤S4中的晶圆解除卡紧的状态保持1-8s，亦即，用研磨液或研磨液与H2O2的混合液清洗的时间为1-8s，在用研磨液或研磨液与H2O2的混合液清洗时，可选地，所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
可选地，在使用研磨液和H2O2的混合液对研磨垫进行清洗时，所述步骤S4中的研磨液和H2O2的混合液的浓度为10％-100％，具体地，所述研磨液例如可以为美国的Cabot7100A/B slurry)。
本发明的发明人经过深入分析研究发现，由于在常规的Al栅极CMP制程中所使用的研磨液的pH值通常小于3，而去离子水的PH值为约7，因此，在将去离子水喷洒在研磨垫的表面对研磨垫进行清洗时，去离子水和研磨垫上的残留的研磨液混合后，会使残留的研磨液pH明显提高，从而从研磨液中析出Al2O3，并聚集在研磨垫上，而这些在研磨垫上聚集的Al2O3正是晶圆从研磨垫移出时以及对后续的晶圆进行研磨时产生划痕的原因。因此，本发明在该步骤中使用研磨液或研磨液与H2O2的混合液代替去离子水喷洒在研磨垫上，从而不会使残留的研磨液的pH发生明显的变化，不会析出并聚集在研磨垫上的Al2O3，同时，使用研磨液或研磨液与H2O2的混合液还能洗涤除去研磨垫上的研磨副产物等各种微粒。
步骤S5：清洗完成后，从所述研磨垫中将所述晶圆移出，从而避免了研磨垫上聚集的Al2O3与晶圆表面的摩擦所造成的划痕，使晶圆在CMP工艺后能轻易脱离研磨垫而不易产生刮伤或损坏。
可选地，所述步骤S2中的化学机械研磨包括依次进行的第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨，其中，在所述第三化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，执行所述步骤S3和S4。
具体地，如图3所示，所述第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨分别在三个不同的研磨垫上进行，研磨速率依次减小。当研磨头从晶圆承载台36上拾取到晶圆35后，首先通过研磨头传输装置33将研磨头32移动至第一研磨垫31处对晶圆进行第一化学机械研磨，所述第一化学机械研磨采用较高的研磨速率和力度对大部分Al栅极层进行平面化和研磨，如图3所示，第一化学机械研磨后去除了大部分的Al栅极层。第一研磨结束后，将研磨头32移动至第二研磨垫处对晶圆进行第二化学机械研磨，第二化学机械研磨对所述晶圆进行细研磨，研磨速率小于第一化学机械研磨，所述第二化学机械研磨去除了绝大部分的Al栅极层，如图3所示，第二研磨后的晶圆仅剩下极薄的Al栅极层；最后，将研磨头32移动至第三研磨垫处对晶圆进行第三化学机械研磨，第三化学机械研磨采用相较前两次化学机械研磨更低的研磨速度和力度彻底去除Al栅极层，对晶圆进行平坦化，如图3所示，第三研磨后的晶圆被完全去除了顶层的Al栅极层。
可选地，在所述第二化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也执行可以所述步骤S3和S4，进一步地，在所述第一化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也可以执行所述步骤S3和S4，这样既可用研磨液或研磨液与H2O2的混合液除去研磨垫上产生的研磨副产物等各种微粒，以避免这些微粒与晶圆表面产生摩擦，造成较深的、穿透顶层的Al栅极层的划痕，以致在第三化学机械研磨后，仍在晶圆表面上留有划痕缺陷。
对采用本发明的CMP法得到的晶圆和常规的CMP法得到的晶圆的表面划痕缺陷进行检测，检测结果如图4a和4b所示。
图4a和4b分别示出了采用本发明的CMP法和常规的CMP法得到的晶圆的表面的划痕缺陷的第一次检测结果和第二次检测结果。由图中的检测结果可知，本发明的CMP法与常规的CMP法相比，使得晶圆表面的划痕缺陷减少了50％以上，在本发明的CMP法中通过使用研磨液或研磨液和H2O2的混合液代替去离子水洗涤研磨垫，明显地减少了得到的晶圆表面的划痕缺陷。
本发明的第二方面还提供了一种化学机械研磨设备，用于对晶圆进行化学机械研磨，示例性地，图5示出了化学机械研磨设备的结构示意图，所述化学机械研磨设备包括研磨台51、固定在所述研磨台表面的研磨垫53、固定晶圆并将所述晶圆按压在所述研磨垫上的研磨头52和向研磨垫53的表面喷洒清洗液的清洗装置54，其中，所述清洗装置包括一个以上的喷头55，喷头55用于在晶圆解除卡紧时向研磨垫53的表面喷洒研磨液或研磨液和H2O2的混合液。
具体地，所述喷头向研磨垫的表面喷洒的研磨液或研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
本发明的化学机械研磨设备可以在机械化学平坦化后，在晶圆的背面未受到压力时，对研磨垫表面进行清洗以去除研磨副产物等各种微粒，避免了由于污染物的存在而在晶圆的表面产生划痕。
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 (11)
1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：提供待研磨的顶层为Al栅极层的晶圆；
步骤S2：将所述晶圆置于化学机械研磨设备中，用研磨垫和研磨液对所述晶圆的Al栅极层进行化学机械研磨；
步骤S3：待将所述Al栅极层研磨至目标位置时，去除所述化学机械研磨时在所述晶圆背面施加的压力，将所述晶圆解除卡紧；
步骤S4：在所述晶圆为解除卡紧的状态下，将所述研磨液或所述研磨液和H2O2的混合液喷洒在所述研磨垫上，以对所述研磨垫进行清洗；
步骤S5：所述清洗完成后，从所述研磨垫中将所述晶圆移出。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述步骤S2中的化学机械研磨包括依次进行的第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨，其中，在所述第三化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，执行所述步骤S3和S4。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第二化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也执行所述步骤S3和S4。
4.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在所述第一化学机械研磨将所述Al栅极层研磨至目标位置时，也执行所述步骤S3和S4。
5.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨分别在三个不同的研磨垫上进行。
6.如权利要求5所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一化学机械研磨、第二化学机械研磨和第三化学机械研磨的研磨速率依次减小。
7.如权利要求1-4中任一项所述的化学机械研磨方法，其特征在于，使所述步骤S4中的晶圆解除卡紧的状态保持1-8s。
8.如权利要求1-4中任一项所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述步骤S4中的研磨液或研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
9.如权利要求1-4中任一项所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述步骤S4中的研磨液和H2O2的混合液的浓度为10％～100％。
10.一种化学机械研磨设备，用于对晶圆进行化学机械研磨，所述化学机械研磨设备包括研磨台、固定在所述研磨台表面的研磨垫、固定所述晶圆并将所述晶圆按压在所述研磨垫上的研磨头和向研磨垫的表面喷洒清洗液的清洗装置，其特征在于，所述清洗装置包括一个以上的喷头，所述喷头用于在晶圆解除卡紧时向研磨垫的表面喷洒研磨液或研磨液和H2O2的混合液作为所述清洗液以对所述研磨垫进行清洗。
11.如权利要求10所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述喷头向研磨垫的表面喷洒的研磨液或研磨液和H2O2的混合液的流体压力为1psi-20psi。
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