CN107052984A - 化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其步骤为：使用膜厚测量仪测量晶圆的表面形貌，计算并对比边缘区域及中心区域的膜厚均值；在1#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行全局粗抛；在2#抛光盘上采用调整保持环压力及改变抛光盘与抛光头之间转速差相结合的分步平坦化方式进行边缘区域平整度改善精抛；在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面。在1#、2#抛光盘上晶圆边缘区域的改善策略为：根据晶圆边缘膜厚与中心膜厚值，调整保持环压力并改变抛光盘与抛光头之间转速差。本发明提供的晶圆边缘区域平整度优化方法，步骤合理，有效改善边缘区域平整度和片内均匀性。

Description

化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法
技术领域
本发明涉及化学机械平坦化技术领域，尤其涉及化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法。
背景技术
化学机械平坦化技术（Chemical MechanicalPlanarization，简称CMP）是目前集成电路制造中最有效的晶圆全局平坦化方法，它利用化学与机械的协同作用，实现晶圆表面的超精密抛光。化学机械平坦化后的晶圆表面平整度和均匀性是化学机械平坦化的关键评价指标。
化学机械平坦化过程参数及影响因素众多（包括抛光时间、抛光头压力、抛光头及抛光盘转速、抛光液组分流量及落点等），相互作用机理复杂，因此，改善晶圆表面平整度和均匀性是一项系统优化工程。
现有技术中多从单一硬件、耗材及工艺参数入手，针对单一特定因素改善抛光工艺，例如从硬件角度入手，对抛光头进行分区域压力控制，将Titan Head升级为ProfilerHead和Contour Head；或对保持环（Retainer Ring）进行结构优化，改善抛光过程中晶圆边缘区域的应力突变；或在抛光液中加入添加剂（Additive），配合落点位置，改善边缘形貌。
以上从硬件、耗材及单一因素角度优化的技术方案，各具特点，但都在CMP工艺系统中引入了新条件和因素，具有实施成本高、验证周期长等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供了化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其步骤合理，有效改善晶圆边缘区域的平整度和片内表面均匀性，提高晶圆表面可利用面积，有助于改善产品良率。
本发明的技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供的化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，具体包括以下步骤：
S1，使用膜厚测量仪测量晶圆的表面形貌，计算并对比边缘区域及中心区域的膜厚均值；
S2，在1#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行全局粗抛；
S3，在2#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行边缘区域平整度改善精抛；
S4，在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面。
进一步地，根据S1量测对比结果，所述晶圆边缘区域的膜厚值高于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，降低保持环的压力并增大抛光盘与抛光头之间的转速差。
进一步地，根据S1量测对比结果，所述晶圆边缘区域的膜厚值低于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，提高保持环的压力并缩小抛光盘与抛光头之间的转速差。
进一步地，步骤S3中，晶圆边缘区域平整度改善的方法还包括单独调整保持环的压力，单独改变抛光盘与抛光头之间的转速差。
进一步地，保持环的压力调整范围为0.5～1.5psi。
进一步地，抛光盘与抛光头之间的转速调整范围为1～5rpm，在化学机械抛光过程中，采用抛光盘的转速不变，改变抛光头的转速的方法，实现转速差的调整。
本发明有益效果：
本发明提供的化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其步骤合理，有效改善了边缘区域的平整度和片内表面均匀性，其具体效果如下：
（1）采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的方式，有效改善了晶圆边缘区域的平整度；
（2）采用晶圆边缘区域平整度优化方法，有效提高了晶圆表面可利用面积，改善了产品良率。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
图1是本发明所述化学机械平坦化的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法进行详细说明。
在此记载的实施例为本发明特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本发明提供的化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其流程图，如图1所示。其具体包括以下步骤，
S1，使用膜厚测量仪测量晶圆的表面形貌，计算并对比边缘区域及中心区域的膜厚均值；
具体地，使用标准离线或在线膜厚仪，在扣除去边值的情况下，采用linear或polar测量方法，对晶圆表面形貌进行预判，分别计算并对比边缘区域和中心区域膜厚平均值。
S2，在1#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行全局粗抛；
S3，在2#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行边缘区域平整度改善精抛；
在该步骤中，晶圆边缘区域平整度改善的方法还包括单独调整保持环的压力，单独改变抛光盘与抛光头之间的转速差。
S4，在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面。
在本申请中，根据S1量测对比结果，所述晶圆边缘区域的膜厚值高于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，降低保持环的压力并增大抛光盘与抛光头之间的转速差；所述晶圆边缘区域的膜厚值低于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，提高保持环的压力并缩小抛光盘与抛光头之间的转速差。
在本申请中，保持环的压力调整范围为0.5～1.5psi。如保持环的压力可以由6psi，降低至5psi或增加至6.5psi。
进一步地，抛光盘与抛光头之间的转速调整范围为1～5rpm，在化学机械抛光过程中，采用抛光盘的转速不变，改变抛光头的转速的方法，实现转速差的调整。
根据本发明所述的优化方法，当晶圆边缘区域的膜厚值高于中心区域膜厚值时，具体的平坦化工艺方法为：
第一步：在抛光盘1上进行粗抛，其关键工艺参数如下：
（1）全局粗抛
保持环/内腔/背膜的压力：6/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：93/87rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
（2）优化边缘粗抛
保持环/内腔/背膜的压力：5/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：93/83rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
第二步：在抛光盘2上对边缘区平整度优化精抛
（1）全局精抛
保持环/内腔/背膜的压力：6/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/57rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
（2）优化边缘精抛
保持环/内腔/背膜的压力：5/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/53rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
第三步：在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面
保持环/内腔/背膜的压力：2/1.5/1.51psi（主压力：1~2psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/57rpm（50~120rpm）；
低压等离子水；
修整器的下压力：3lbf（2~5lbf），修整时间（30~90s）。
当晶圆边缘区域的膜厚值低于中心区域膜厚值时，具体的平坦化工艺方法为：
第一步：在抛光盘1上进行粗抛，其关键工艺参数如下：
（1）全局粗抛
保持环/内腔/背膜的压力：6/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：93/87rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
（2）优化边缘粗抛
保持环/内腔/背膜的压力：6.5/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：93/90rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
第二步：在抛光盘2上对边缘区优化精抛
（1）全局精抛
保持环/内腔/背膜的压力：6/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/57rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
（2）优化边缘精抛
保持环/内腔/背膜的压力：6.5/4/4psi（主压力：3~4.5psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/60rpm（50~120rpm）；
抛光液的流量：120ml/min（80~180ml/min）；
修整器的下压力：5lbf（5~10lbf），修整时间（30~90s）。
第三步：在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面
保持环/内腔/背膜的压力：2/1.5/1.51psi（主压力：1~2psi）；
抛光盘/抛光头的转速：63/57rpm（50~120rpm）；
低压等离子水；
修整器的下压力：3lbf（2~5lbf），修整时间（30~90s）。
本申请提供的化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其步骤合理，有效改善晶圆边缘区域的平整度，可将片内表面不均匀度降至2%以内，提高了晶圆表面可利用面积，有助于改善产品良率。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，使用膜厚测量仪测量晶圆的表面形貌，计算并对比边缘区域及中心区域的膜厚均值；
S2，在1#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行全局粗抛；
S3，在2#抛光盘上采用调整保持环的压力及改变抛光盘与抛光头之间的转速差相结合的分步平坦化方式进行边缘区域平整度改善精抛；
S4，在3#抛光盘上使用低压等离子水冲洗晶圆表面。
2.根据权利要求1所述化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，根据S1量测对比结果，所述晶圆边缘区域的膜厚值高于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，降低保持环的压力并增大抛光盘与抛光头之间的转速差。
3.根据权利要求1所述化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，根据S1量测对比结果，所述晶圆边缘区域的膜厚值低于中心区域膜厚值时，在步骤S2粗抛及步骤S3精抛过程中，提高保持环的压力并缩小抛光盘与抛光头之间的转速差。
4.根据权利要求1所述化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，步骤S3中，晶圆边缘区域平整度改善的方法还包括单独调整保持环的压力，单独改变抛光盘与抛光头之间的转速差。
5.根据权利要求1所述化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，保持环的压力调整范围为0.5～1.5psi。
6.根据权利要求1所述化学机械平坦化工艺中晶圆边缘区域平整度优化方法，其特征在于，抛光盘与抛光头之间的转速调整范围为1～5rpm。
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