CN105990122B - 一种减小晶圆表面粗糙度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产和制造领域。具体涉及一种减小晶圆表面粗糙度的方法：包括化学机械研磨工艺，化学机械研磨工艺至少包括主研磨工序和去离子水清洗工序，主研磨工序中使用带有研磨颗粒的化学制剂为研磨液对晶圆进行研磨，且去离子水清洗工序中采用的下压力与主研磨工序中采用的下压力相同，以获得表面粗糙度符合要求的晶圆。其中，晶圆的初始平均粗糙度为Ra1，晶圆经过化学机械研磨后所期望达到的预期平均粗糙度为Ra2，在去离子水清洗工序中，化学机械研磨工艺以去离子水为研磨液继续对晶圆进行研磨，以去离子水为研磨液对所述晶圆进行研磨的研磨速率为RR，去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的时间至少为△T＝6*(Ra1‑Ra2)/RR。

Description

一种减小晶圆表面粗糙度的方法

技术领域

本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体的说，涉及一种在CMP研磨过程中减小晶圆表面粗糙度的方法。

背景技术

半导体集成电路行业发展到了一个新的阶段，随着集成电路特征尺寸的减小、低k介质的引入及晶圆尺寸的增加,如何保证在低压条件下完成大尺寸铜互连线平坦化已经成为集成电路制造工艺发展的关键。

化学机械研磨工艺（CMP工艺）和无应力抛光工艺（SFP工艺）在对晶圆进行平坦化处理方面，各具优势，且可以相互配合以达到更好的平坦化效果，例如对一片表面膜层厚度达10000 Å的晶圆进行抛光，通常会采用CMP工艺和SFP工艺相结合的方法对晶圆进行处理，首先由CMP工艺研磨掉约8000 Å的绝大部分晶圆表面的厚度，再由SFP工艺对剩余的2000 Å的厚度进行抛光，最终实现晶圆表面平坦化的目的。之所以选用CMP工艺与SFP工艺结合而对晶圆进行处理，是因为当晶圆表面被抛掉大部分厚度之后，晶圆变薄且更加脆弱，此时如果继续用存在较大机械压力的CMP工艺进行处理，很有可能压碎晶圆或损伤互连结构，所以晶圆表面剩余的部分有必要采用无机械压力的SFP工艺进行抛光，以实现最终的平坦化目的。

然而，SFP工艺抛光过的晶圆相较于CMP工艺研磨过的晶圆，其表面的平均粗糙度值Ra将会有所上升，相应的，也将造成晶圆表面的最大粗糙度值Rt上升，也就是说CMP工艺抛光出的晶圆具有更好的Ra值和Rt值，但是如果采用传统的CMP方法，使用带有研磨颗粒的化学制剂作为研磨液对已经被研磨至很薄的晶圆继续进行CMP研磨处理，由于过快的研磨速率，CMP研磨压碎晶圆或损伤铜互连结构的情形大量出现就变得在所难免。

在本申请的附图1-2中举出了这样的实例。图1展示的是一片肉眼看起来非常平整的晶圆，经过显微镜放大后的俯视时的晶圆表面的示意图。图中可以看到，晶圆表面存在各种黑灰相间的斑点，这说明晶圆表面看似平整，实际上则凹凸不平，有的地方凸起，有的地方凹陷，从而具有一定的粗糙度。在半导体行业中，通常用Ra值（平均粗糙度）和Rt值（最大峰谷垂直距离）衡量晶圆表面粗糙度的大小。

图2展示的是现有技术使用CMP工艺和SFP工艺相结合的方法对晶圆进行研磨的示意图。在该现有技术中的晶圆由表面膜层201（通常是铜层）和基底202组成，其中晶圆的表面膜层201的厚度约10000 Å，表面膜层201具有较大的粗糙度，需要通过研磨和抛光加以去除并平坦化。图2中（a）图所示的晶圆为晶圆未被研磨和抛光的初始状态，此时表面膜层201最厚，在经过CMP工艺处理后达到（b）图所示的状态，表面膜层201的厚度大幅度减小，约留存有2000 Å左右的厚度，这剩余的2000 Å厚度的表面膜层将经由SFP工艺加以抛光去除并最终达到（c）图所示的状态。在图2的（a）-（c）图所示的晶圆的各个状态中，经由CMP工艺研磨过的（b）图所示状态下的晶圆具有最小的粗糙度，而在经历了SFP工艺抛光后，晶圆表面的粗糙度反而有所上升。但是按照现有的技术，不能期望在表面膜层201仅留存2000 Å厚度的情况下继续对晶圆进行长时间的CMP研磨以达到降低粗糙度的目的。其原因在于CMP研磨过程中使用的研磨液是带有研磨颗粒的化学溶剂，去除速率非常快，继续研磨下去，在机械压力的作用下非常容易粉碎晶圆或损伤铜互连线路；但是通过CMP研磨来降低晶圆表面的粗糙度又是非常必要的。所以防止损伤晶圆与降低晶圆粗糙度的两个目的，便成了一个鱼和熊掌，不可得兼的困难抉择。

因此业内人士一直希望找到一种既可以顺利去除晶圆表面的膜层又能够保持有较低的Ra值和Rt值的工艺方法，来对晶圆进行效果良好且稳定可靠的平坦化处理。

发明内容

经过上下求索，本专利的发明人在寻求效果良好且稳定可靠的平坦化方法时找到了一条可行的道路，即仍然通过CMP工艺的技术手段，在CMP工艺的结尾以去离子水（DIW）作为研磨液研磨一段时间，在不大幅减薄晶圆的情况下获得较为平整的晶圆表面，之后再交由SFP工艺进行处理，从而在不损伤晶圆的情况下大大降低了晶圆表面的Ra值和Rt值。

为了达到上述目的，本发明申请特提供了一种可行的技术方案，其具体内容如下：

一种减小晶圆表面粗糙度的方法，包括化学机械研磨工艺，所述化学机械研磨工艺至少包括主研磨工序和去离子水清洗工序，所述主研磨工序中使用带有研磨颗粒的化学制剂为研磨液对所述晶圆进行研磨，其中，在所述去离子水清洗工序中，所述化学机械研磨工艺以去离子水为研磨液继续对所述晶圆进行研磨，所述去离子水清洗工序中采用的下压力与所述主研磨工序中采用的下压力相同，以获得表面粗糙度符合要求的晶圆。

优选地，所述去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的时间至少为△T=6*(Ra1-Ra2)/RR，其中Ra1为所述晶圆的初始平均粗糙度，Ra2为所述晶圆经过所述化学机械研磨后所期望达到的预期平均粗糙度，RR为所述以去离子水为研磨液对所述晶圆进行研磨的研磨速率。

优选地，所述去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的时间为10~25s。

优选地，所述去离子水清洗工序中对所述晶圆进行研磨的研磨速率RR为1-5 Å/s。

可选地，所述Ra1的范围为10-30 Å，所述Ra2的范围为5-15 Å。

进一步地，所述化学机械研磨工艺依次包括启动工序、主研磨工序和去离子水清洗工序。

优选地，所述主研磨工序进行的时间为40~90s。

可选地，所述主研磨工序进行的过程中其抛光速率为2500-8000 Å/min。

优选地，所述化学机械研磨工艺进行的时间为60~120s。

进一步地，所述晶圆由化学机械研磨工艺加工完成后，进一步接受无应力抛光工艺的加工处理。。

优选地，由所述无应力抛光工艺去除的晶圆表面的厚度为500-2000 Å。

本申请所提供的技术方案，对现有的半导体晶圆的平坦化工艺进行了改进，通过改进后的CMP工艺对晶圆进行平坦化处理，不仅降低了晶圆的低Ra值和Rt值，同时也避免了CMP工艺中机械压力损伤晶圆的以外事故发生，最大限度的维护了半导体厂商的利益。

附图说明

图1 是经由显微镜放大后的晶圆表面粗糙度情况的示意图；

图2是现有技术采用CMP工艺和SFP工艺对晶圆进行处理的粗糙度结果示意图；

图3是本发明第一具体实施方式中对晶圆进行CMP工艺和SFP工艺处理的流程图；

图4是本发明第一具体实施方式中采用CMP工艺和SFP工艺对晶圆进行处理的粗糙度结果示意图

图5是本发明第二具体实施方式中采用CMP工艺对晶圆进行处理的粗糙度结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图3-5的内容介绍本发明的具体实施方式，以供大众理解：

附图3是本发明第一具体实施方式的流程图。与现有技术相比，本发明的具体实施方式同样采用了先由CMP工艺对晶圆进行研磨并去除绝大部分表面膜层301，之后转换为SFP工艺对剩下的较少部分的表面膜层301加以抛光去除的技术思路。所不同的是，本发明中的CMP工艺包括了启动工序、主研磨工序和去离子水清洗工序，且为了保证较好的粗糙度，本实施方式中在CMP工艺的去离子水清洗工序中，以去离子水为研磨液，增加了一定时间的对晶圆表面的CMP研磨，且去离子水清洗工序的研磨过程中所采用的下压力与主研磨工序中采用的下压力相同。由于去离子水中不含有研磨颗粒，这段时间当中CMP研磨的去除速率将大大降低，不会迅速地导致晶圆的减薄，从而保证了晶圆的厚度足以承受CMP研磨的机械压力；去离子水清洗工序中采用的下压力与主研磨工序中的下压力相同，保证了去离子水工序中这段时间内虽然研磨速率下降，但总体还是会对晶圆表面有一定的研磨作用；因此，在此状态下可以通过CMP工艺的持续研磨逐步地提高晶圆表面的Ra值和Rt值，而不致损伤铜互连结构或压碎晶圆。由于在本具体实施方式的CMP工艺中最大限度的降低了晶圆表面的粗糙度，在切换为SFP工艺后，晶圆的粗糙度只会在此较小的基数上有所爬升，这样，在遍历了本实施方式的CMP工艺和SFP工艺后，最终获得的晶圆表面粗糙度相较于现有技术处理后获得的晶圆表面粗糙度将大幅度降低，晶圆的表面会十分平整。

为了达到期望的粗糙度值，需要对去离子水清洗工序中以水为研磨液对晶圆进行研磨的时间△T加以控制，本发明中对△T的取值给出了相应的公式加以限制：△T≥6*(Ra1-Ra2)/RR，其中Ra1是图3中的晶圆未经受CMP工艺和SFP工艺处理时的初始平均粗糙度，Ra2是图3中的晶圆经过本实施方式的CMP工艺处理后所期望达到的预期平均粗糙度。由于平均粗糙度Ra的值遵循正态分布，所以平均粗糙度Ra的值与最大峰谷垂直距离Rt的值存在对应关系：Rt=6Ra。如果去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的速率为RR，则可以推得要达到相应的粗糙度要求，此工序中至少要对晶圆研磨△T的时长，△T=6*(Ra1-Ra2)/RR。经过实验，去离子水清洗工序中的研磨速率一般在1-5 Å/s的范围内，而根据研磨速率的不同，去离子水清洗工序中以去离子水作为研磨液进行研磨的时间一般控制在10~25s为宜。如果此阶段的研磨时间过短，则达不到降低粗糙度的目的，过长则同样又会对晶圆的结构产生不利影响。

表1给出了本发明第一具体实施方式中CMP研磨工艺的操作参数，其中既包含设备的设置参数，也包括一些实际的工艺参数。

在该具体实施方式中，CMP研磨工艺共分为启动工序、主研磨工序和去离子水清洗工序，在各道工序中涉及到的设备参数包括研磨转盘的转速、研磨头的转速、研磨液的有无以及去离子水的有无等；涉及到的工艺参数包括各道工序的持续时间。控制好上述因素对获得较好粗糙度的晶圆表面有着非常重要的意义。

在本具体实施方式中，要求晶圆表面的初始粗糙度Ra1=10 Å，经过CMP工艺处理后的预期粗糙度Ra2=5 Å而研磨速率控制在RR=2 Å/s,所以根据前述公式，在去离子水清洗工序中，需要以去离子水为研磨液对晶圆进行CMP研磨至少△T=6*（10-5）/2=15s，即至少要在此道工序中对晶圆研磨15s，本具体实施方式中在此工序中实际对晶圆研磨了20s，以保证晶圆进一步达到较低的粗糙度。同时，表1中也给出了CMP工艺中各道工序进行过程中，研磨转盘和研磨头的转速，以控制研磨速率和研磨时间。其中，尤属主研磨工序中的研磨速率和研磨时间最为重要，主研磨工序的研磨速率最好控制在2500-8000 Å/min，这样能够保持一个较高的研磨效率，而主研磨的时间相应的控制在40~90s为宜，这样可以保证剩余交由SFP工艺抛去的晶圆表面的厚度在500-2000 Å左右，且在这之前的CMP研磨不会对晶圆造成不利影响。为此，在本实施方式中，给出了研磨过程中研磨转盘和研磨头的具体转速，以实现上述目的，确保CMP工艺进行的高效、稳定。由于CMP工艺中至少包括了主研磨工序和去离子水清洗工序，去离子水工序的时间约在10~25s，主研磨工序的时间在40~90s，二者其间还可穿插其他工序，因此CMP工艺的总体时间一般会控制在60~120s左右。

同时，表1还给出了本实施方式在CMP研磨过程中添加研磨液（带有研磨颗粒的研磨液）和去离子水的时机。在去离子水清洗工序中，去离子水一方面作为清洗液冲刷掉研磨过程中产生的杂质颗粒；另一方面，在本发明申请中，去离子水还进一步充当了研磨液，由于去离子水中不掺杂研磨颗粒，相较带有研磨颗粒的研磨液大幅延缓了研磨速率，从而保证了CMP工艺继续以一个较慢的速率对晶圆进行减薄，同时对晶圆的表面继续进行平坦化处理，以进一步地降低了晶圆表面的粗糙度。

图4展示的是本发明第一具体实施方式中，工艺进行前后的晶圆的粗糙度结果示意图。其中的晶圆包括表面膜层401和基底402两部分。在研磨和抛光工艺开始之前，表面膜层401具有较大的粗糙度，存在许多凸起，经过CMP研磨之后，晶圆的表面膜层401的粗糙度得到了大幅度的修正，而且，与图2中现有技术的CMP研磨相比，由于本实施方式中还以去离子水为研磨液延长了CMP研磨的时间，其对表面膜层401的粗糙度的修正效果有了很大的提高，明显优于现有技术。在CMP工艺结束之后，晶圆需要进一步接受了SFP工艺的处理，在此过程中晶圆表面的粗糙度虽然有所增大，但由于粗糙度的基数较小，且其增幅相比现有技术也比较小，因而最终获得所获得的晶圆也拥有较小的粗糙度，晶圆表面相较现有技术有了明显的改善，显得更加平整。

以上主要是针对表面没有图形的晶圆进行平坦化处理的具体实施方式。对于表面具有图形的晶圆，可以参考图5以及以下的本发明申请的第二具体实施方式。

图5展示的是本发明申请中的方法应用于带有图形的晶圆时的情况。该晶圆包括铜膜501和基底502，在基底502中开设有图形线槽，图形线槽被铜膜501填充。图5中（a）图展示的是晶圆未接受CMP研磨之前的状态示意图，而图5中（b）图展示的则是晶圆由CMP研磨处理之后的状态示意图。

第二具体实施方式中的CMP工艺包括启动工序、主研磨工序、抛边工序和去离子水清洗工序，其初始表面粗糙度Ra1=30 Å，预期表面粗糙度Ra2=10 Å，去离子水清洗工序中的研磨速率RR=5 Å/s，则根据公式△T=6*(Ra1-Ra2)/RR=6*（30-10）/5=24s。也就是说，在去离子水清洗工序中至少要采用CMP工艺对晶圆表面继续研磨24s才能达到期望获得的预期表面粗糙度Ra2，在本实施方式中，以去离子水作为研磨液对晶圆进行研磨，实际进行了25s的时间，以保证获得的粗糙度符合预期。

从图5中可以看到，该晶圆的图形从左到右呈三级阶梯状，且位于最右侧的图形线槽由于线宽较大而存在明显的凹陷，但本实施方式中CMP研磨去除的厚度较少，并未抵达最右侧的第三级阶梯的图形线槽的深度，而仅抵达第二级阶梯的厚度，因此只修正了第一级阶梯和第二级阶梯的铜膜501的表面粗糙度。

毋庸赘言地，本申请所公开的特定的具体实施方式仅仅描述了本发明中的技术方案及其一般原理，其作用是倾向于释明性的，而非自囿性的。因此，即使本领域技术人员在该发明的基础上作出了无实质性特点和显著进步的更动和润饰，使之方案貌似地区别于本发明的精神实质，其仍然不能被划归在本发明申请的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种减小晶圆表面粗糙度的方法，包括化学机械研磨工艺，所述化学机械研磨工艺至少包括主研磨工序和去离子水清洗工序，所述主研磨工序中使用带有研磨颗粒的化学制剂为研磨液对所述晶圆进行研磨，其特征在于，在所述去离子水清洗工序中，所述化学机械研磨工艺以去离子水为研磨液继续对所述晶圆进行研磨，停止使用带有研磨颗粒的化学制剂为研磨液对晶圆进行研磨，所述去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的时间至少为△T=6*(Ra1-Ra2)/RR，其中Ra1为所述晶圆的初始平均粗糙度，Ra2为所述晶圆经过所述化学机械研磨后所期望达到的预期平均粗糙度，RR为所述以去离子水为研磨液对所述晶圆进行研磨的研磨速率，所述去离子水清洗工序中采用的下压力与所述主研磨工序中采用的下压力相同，以获得表面粗糙度符合要求的晶圆。

2.根据权利要求1所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述去离子水清洗工序中对晶圆进行研磨的时间为10~25s。

3.根据权利要求1所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述去离子水清洗工序中对所述晶圆进行研磨的研磨速率RR为1-5 Å/s。

4.根据权利要求1所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述Ra1的范围为10-30 Å，所述Ra2的范围为5-10 Å。

5.根据权利要求1所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述化学机械研磨工艺依次包括启动工序、主研磨工序和去离子水清洗工序。

6.根据权利要求5所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述主研磨工序进行的时间为40~90s。

7.根据权利要求6所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述主研磨工序进行的过程中其抛光速率为2500-8000 Å/min。

8.根据权利要求6所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述化学机械研磨工艺进行的时间为60~120s。

9.根据权利要求1所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述晶圆由化学机械研磨工艺加工完成后，进一步接受无应力抛光工艺的加工处理。

10.根据权利要求9所述的减小晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，由所述无应力抛光工艺去除的晶圆表面的厚度为500-2000 Å。

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