CN105563301B

CN105563301B - 化学机械抛光方法、其抛光时间制程的设置方法及晶圆

Info

Publication number: CN105563301B
Application number: CN201410542490.8A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 李一斌
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: CN105563301A

Abstract

本申请公开了一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法、化学机械抛光方法及晶圆。其中，该设置方法包括以下步骤：建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b，其中Y为抛光时间，X为抛光垫使用时间，b为刚开始使用抛光垫时对应的抛光时间，a为抛光时间的补偿系数，且a＞0；按照关系式Y＝aX+b设置抛光机台中的抛光时间制程，以使得抛光机台随着抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整。该设置方法实现了随着所述抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，进而减少了化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

Description

化学机械抛光方法、其抛光时间制程的设置方法及晶圆

技术领域

本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法、化学机械抛光方法及晶圆。

背景技术

在半导体集成电路的制作过程中，通常需要在晶圆上沉积材料层(例如金属层、氧化层、多晶硅层等)以形成所需器件。然而，所形成的材料层的表面很容易出现不平整的问题，进而在后续的工艺过程中产生缺陷。因此，在晶圆上形成器件之后，需要对形成有器件的晶圆表面进行平坦化。目前已经开发出多种平坦化技术主要包括反刻、旋涂膜层以及化学机械抛光(CMP))等。其中，化学机械抛光是最有效的全局平坦化技术。化学机械抛光是采用旋转的抛光头夹持住晶圆，并将其以一定压力压在旋转的抛光垫上，由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫之间流动，晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。

化学机械抛光所采用的设备为抛光机台，采用抛光机台对晶圆上的器件进行抛光的步骤通常包括：首先，将晶圆置于抛光机台的抛光垫上；然后，在抛光机台上设置抛光时间制程(及抛光所需要的时间)；最后，对晶圆进行抛光的步骤。其中，晶片是放置在抛光机台的抛光垫上，且被研磨的一面朝向下方的抛光垫，此抛光垫布满胶体硅土或矾土研磨液。抛光垫的大小通常会是晶圆的几倍，且晶圆的旋转轴和抛光垫的旋转轴平行设置。晶圆在化学机械抛光工艺中的研磨均匀度与研磨压力、研磨速度以及研磨液的浓度相关。

现有技术中设置抛光时间制程的方法通常为给出抛光时间的上限值(T_max)和下限值(T_min)，通常只要实际的抛光时间在上限值与下限值之间，就说明该次抛光所获得的晶圆符合要求。而且，在上述化学机械抛光的过程中，抛光时间制程(包括上限值与下限值)通常在抛光进行之前是预先设置好的，在抛光垫的使用寿命内所进行的抛光进行过程中是几乎不变的。然而，技术人员在实际抛光过程中发现，抛光速率随着抛光垫使用时间(在抛光垫的使用寿命内)的增加而逐渐降低，导致抛光所需时间逐渐增大。为了保证在抛光垫的后期使用过程中获得符合要求的晶圆，现有技术中通常扩大抛光时间制程。但是，这又导致在抛光垫的前期使用过程中晶圆被过度抛光的几率增大，从而无法有效地挑选出不合格晶圆。针对上述问题，目前还没有有效的解决方法。

发明内容

本申请旨在提供一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法、化学机械抛光方法及晶圆，以减少化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

为了实现上述目的，本申请提供了一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法，该设置方法包括以下步骤：建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b，其中Y为抛光时间，X为抛光垫使用时间，b为刚开始使用抛光垫时对应的抛光时间，a为抛光时间的补偿系数，且a＞0；按照关系式Y＝aX+b设置抛光机台中的抛光时间制程，以使得抛光机台随着抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整。

进一步地，上述设置方法中，关系式Y＝aX+b中，a为0.03～0.04，b为91.0～94.0。

进一步地，上述设置方法中，关系式Y＝aX+b中，a＝0.0335，b＝92.546。

进一步地，上述设置方法中，建立关系式Y＝aX+b的步骤包括：获取不同抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据；对统计数据进行拟合，以获得关系式Y＝aX+b。

进一步地，上述设置方法中，采用MATLAB对统计数据进行拟合。

进一步地，上述设置方法中，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将aX+b+c作为抛光时间制程的上限值，将aX+b-c作为抛光时间制程的下限值，其中1≤c≤3。

进一步地，上述设置方法中，在设置抛光时间制程的步骤中，将(100％+d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的上限值，将(100％-d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的下限值，其中1％≤d≤3％。

进一步地，上述设置方法中，采用抛光机台中的应用软件系统设置抛光时间制程。

本申请还提供了一种化学机械抛光方法，包括将晶圆置于抛光机台的抛光垫上，设置抛光时间制程，以及对晶圆进行抛光的步骤，其中设置抛光时间制程的方法为本申请上述的设置方法。

同时，本申请还提供了一种晶圆，该晶圆经本申请上述的化学机械抛光方法抛光而成。

应用本申请的技术方案，通过建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式，并按照该关系式设置抛光机台中的抛光时间制程，从而实现了随着所述抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，进而减少了化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施方式所提供的化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法的流程示意图；以及

图2示出了在本申请实施方式所提供的化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法中，对抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据进行拟合后的关系图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。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，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所介绍的，由于抛光速率随着抛光垫使用时间(在抛光垫的使用寿命内)的增加而逐渐降低，因此为了保证在抛光垫的后期使用过程中获得符合要求的晶圆需要扩大抛光时间制程，然而这又导致在抛光垫的使用过程中晶圆被过度抛光的几率增大。

为了解决上述问题，本申请的发明人进行了深入的研究。首先，发明人针对现有技术中抛光速率随着抛光垫使用时间(在抛光垫的使用寿命内)的增加而逐渐降低的现象进行了研究。经过大量理论和数据数据分析研究之后，发明人发现抛光速率降低的主要原因在于抛光垫发生磨损消耗，导致抛光垫的机械研磨功能下降。然后，发明人继续对抛光垫使用时间、抛光垫的磨损以及抛光速率的关系进行深入研究。在一次偶然的机会中，发明人发现抛光时间和抛光垫使用时间呈现线性关系。由此，发明人受到启发，可以通过建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式，并按照该关系式设置抛光机台中的抛光时间制程。

通过上述研究，发明人提出了一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法。如图1所示，该设置方法包括以下步骤：建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b，其中Y为抛光时间，X为抛光垫使用时间，b为刚开始使用抛光垫时对应的抛光时间，a为抛光时间的补偿系数，且a＞0；按照关系式Y＝aX+b设置抛光机台中的抛光时间制程，以使得抛光机台随着抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整。其中，抛光垫使用时间是指抛光垫研磨过的晶圆的数量(PCS)，其单位为“个”。

上述方法通过建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式，并按照该关系式设置抛光机台中的抛光时间制程，从而实现了随着所述抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，进而减少了化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由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方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

正如上述分析所言，按照上述方法能够解决化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率增大的问题。然而，以及如何准确获取参数a和b的数值，成为摆在发明人面前的又一个问题。经过对该问题进行不断研究分析，发明人提出了一种建立关系式Y＝aX+b的优选实施方法。该优选实施方法包括以下步骤：获取不同抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据；对统计数据进行拟合，以获得关系式Y＝aX+b。

在上述优选实施方法中，可以通过调出抛光机台进行抛光的历史记录数据，以获取不同抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据。其中，可以在每个抛光垫使用时间段内选取多个抛光时间的记录数据值，以便于更加准确地分析出抛光时间和抛光垫使用时间的关系式。同时，还可以剔除每个抛光垫使用时间段内所对应的抛光时间中较大和较小的记录数据值，以便于进一步准确地分析抛光时间和抛光垫使用时间的关系式。

获取不同抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据之后，对统计数据进行拟合的方法有很多种。本领域的技术人员可以根据本申请的教导以及现有技术，选择对统计数据进行拟合的方法。在一种优选的实施方式中，可以采用MATLAB对统计数据进行拟合。MATLAB是一种强大的数据分析软件，可以更加准确地拟合出抛光时间和抛光垫使用时间的关系式。

按照建立关系式Y＝aX+b的上述优选实施方法，发明人对晶圆进行化学机械抛光的工艺过程中抛光时间和抛光垫使用时间的关系进行了大量实验研究。然而，发明人发现由于被抛光材料(可以为金属、多晶硅或氧化物等)的不同以及抛光垫的材质的不同，抛光垫使用时间和抛光时间的关系式也会略有不同。为此，发明人进行了大量理论分析和实验研究，终于确定了关系式Y＝aX+b中参数a和b的最佳优选取值范围。在此优选取值范围中，进一步地，上述设置方法中，关系式Y＝aX+b中，a为0.03～0.04，b为91.0～94.0。其中，抛光垫使用时间X的单位为“个”，抛光时间Y的单位为秒。在此取值范围内，抛光垫使用时间和抛光时间的关系式更加准确，有利于减少化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。应当注意的是，关系式Y＝aX+b中，X的单位为pcs，Y的单位为s。

图2示出了按照本申请提供的方法对抛光垫使用时间和相应抛光时间的统计数据进行拟合后，抛光时间和抛光垫使用时间的关系图。从图2可以得出，在该优选实施方式中，刚开始使用抛光垫时对应的抛光时间b＝92.546，抛光时间的补偿系数a＝0.0335。发明人按照该优选实施方式提供的关系式Y＝0.0335X+92.546进行了后续实验研究，即，按照该优选实施方式提供的关系式设置了抛光机台中的抛光时间制程，并对晶圆进行化学机械抛光。实验结果表明，采用该关系式设实现了随着抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，且该优选实施方式将晶圆被过度抛光的几率降低了80％。

完成建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b的步骤之后，即可按照关系式Y＝aX+b设置抛光机台中的抛光时间制程，以使得抛光机台随着抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整，以实现减少化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率的目的。

本领域的技术人员可以通过设置抛光机台中抛光时间制程的参数，以实现设置抛光机台中的抛光时间制程的目的。具体地，技术人员可以对抛光机台中的应用软件系统(I-EMS)进行升级，以采用抛光机台中的应用软件系统设置抛光时间制程。当然，设置抛光机台中抛光时间制程的参数的方法还有其他方法，并不仅限于上述方法。

上述抛光时间制程的参数可以包括抛光时间的上限值(T_max)和下限值(T_min)，只要实际的抛光时间在上限值与下限值之间，就说明该次抛光所获得的晶圆符合要求。本领域的技术人员可以在获得抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b之后，按照关系式Y＝aX+b设定上限值和下限值。在一种优选的实施方式中，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将aX+b+c 作为抛光时间制程的上限值，将aX+b-c作为抛光时间制程的下限值，其中1≤c≤3。举例来说，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将aX+b+2作为抛光时间制程的上限值，将aX+b-2作为抛光时间制程的下限值。发明人按照该优选实施方式抛光时间制程，然后对晶圆进行了化学机械抛光。实验结果表明，该优选实施方式将晶圆被过度抛光的几率降低了84％。

在另一种优选的实施方式中，在设置抛光时间制程的步骤中，将(100％+d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的上限值，将(100％-d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的下限值，其中1％≤d≤3％。举例来说，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将102％aX+102％b作为抛光时间制程的上限值，将98％X+98％b作为抛光时间制程的下限值。发明人按照该优选实施方式抛光时间制程，然后对晶圆进行了化学机械抛光。实验结果表明，该优选实施方式将晶圆被过度抛光的几率降低了82％。

同时，本申请还提供了一种化学机械抛光方法，包括将晶圆置于抛光机台的抛光垫上，设置抛光时间制程，以及对晶圆进行抛光的步骤，其中设置抛光时间制程的方法为本申请上述的设置方法。

该化学机械抛光方法通过建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式，并按照该关系式设置抛光机台中的抛光时间制程，从而实现了随着所述抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，进而减少了化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

在上述化学机械抛光方法中，晶片是放置在抛光机台的抛光垫上，且被研磨的一面朝向下方的抛光垫，此抛光垫布满胶体硅土或矾土研磨液。一般有两层抛光垫覆盖旋转平台，且抛光垫的外层为弹性层。这些层通常是由聚合材料构成的，如聚氨基甲酸酯，而且还可以包含填充剂来控制这些层尺寸的稳定度；在一般的旋转化学机械抛光中，抛光垫的大小通常会是晶圆的几倍。晶圆的旋转轴和抛光垫的旋转轴可以不在同一直线上，但两轴必须平行。

晶圆在化学机械抛光工艺中的研磨均匀度还与研磨压力、研磨速度以及研磨液的浓度相关。这些参数可以根据现有技术进行设定。可选地，研磨头上施加的压力为200～300g/cm²，研磨头的转速为50～200r/min，抛光液的流速100～300ml/min，抛光温度为20～45℃，抛光时间为30～120秒。另外，抛光液可以是市场销售的各种型号的抛光液，例如SiO₂抛光液。SiO₂抛光液一般由研磨剂、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，最具代表性的抛光浆液由SiO₂抛光剂和碱性组分水溶液组成，SiO₂粒度范围为1～100纳米，SiO₂浓度为5～50％，碱性组分一般使用KOH、氨水或有机胺，pH值为9.5～11。

另外，本申请还提供了一种晶圆，该晶圆经本申请上述的化学机械抛光方法抛光而成。该晶圆的制作过程中被过度抛光的几率得以降低，从而减少了晶圆中存在缺陷的几率。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：本申请通过建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式，并按照该关系式设置抛光机台中的抛光时间制程，从而实现了随着所述抛光垫使用时间的增加对抛光时间进行动态调整的目的，进而减少了化学机械抛光过程中由于抛光时间制程固定不变造成的晶圆被过度抛光的几率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种化学机械抛光的抛光时间制程的设置方法，其特征在于，所述设置方法包括以下步骤：

建立抛光垫使用时间和抛光时间的关系式Y＝aX+b，其中Y为所述抛光时间，单位为秒，X为所述抛光垫使用时间，单位为个，b为刚开始使用所述抛光垫时对应的所述抛光时间，单位为秒，a为所述抛光时间的补偿系数，单位秒/个且a＞0；

按照所述关系式Y＝aX+b设置抛光机台中的抛光时间制程，以使得所述抛光机台随着所述抛光垫使用时间的增加对所述抛光时间进行动态调整。

2.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，所述关系式Y＝aX+b中，a为0.03～0.04，b为91.0～94.0。

3.根据权利要求2述的设置方法，其特征在于，所述关系式Y＝aX+b中，a＝0.0335，b＝92.546。

4.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，建立所述关系式Y＝aX+b的步骤包括：

获取不同所述抛光垫使用时间和相应所述抛光时间的统计数据；

对所述统计数据进行拟合，以获得所述关系式Y＝aX+b。

5.根据权利要求4所述的设置方法，其特征在于，采用MATLAB对所述统计数据进行拟合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设置方法，其特征在于，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将aX+b+c作为所述抛光时间制程的上限值，将aX+b-c作为所述抛光时间制程的下限值，其中1≤c≤3，c单位为秒。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的设置方法，其特征在于，在设置所述抛光时间制程的步骤中，将(100％+d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的上限值，将(100％-d)(aX+b)作为所述抛光时间制程的下限值，其中1％≤d≤3％。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的设置方法，其特征在于，采用所述抛光机台中的应用软件系统设置所述抛光时间制程。

9.一种化学机械抛光方法，包括将晶圆置于抛光机台的抛光垫上，设置抛光时间制程，以及对所述晶圆进行抛光的步骤，其特征在于，设置所述抛光时间制程的方法为权利要求1至8中任一项所述的设置方法。

10.一种晶圆，其特征在于，所述晶圆经权利要求9所述的化学机械抛光方法抛光而成。