CN107953259B - 抛光垫修整方法及包含其的化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抛光垫修整方法及包含其的化学机械抛光方法，涉及化学机械抛光领域，该抛光垫修整方法，沿抛光垫的径向方向，修整器在所述抛光垫的边缘和所述抛光垫的中心之间做往复运动对所述抛光垫进行修整；沿抛光垫的径向方向，所述抛光垫从边缘至中心依次划分不同的修整区域，修整器不同修整区域内的相对修整时间和下压压力不同，以缓解利用现有修整方法容易导致抛光垫表面过抛，容易导致晶圆平整度下降和表面缺陷增加的问题，达到延长抛光垫使用寿命和降低晶圆表面缺陷的目的。

Description

抛光垫修整方法及包含其的化学机械抛光方法
技术领域
本发明涉及晶圆的化学机械抛光技术领域，尤其是涉及一种抛光垫修整方法及包含其的化学机械抛光方法。
背景技术
随着半导体器件特征尺寸的减小，如果晶圆表面出现过大的起伏，那么后续的一系列的工艺对线宽的控制将会变得越来越困难。因此，在半导体工艺流程中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)是非常重要的一道工序，有时也称之为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，简称CMP)。所谓化学机械抛光，它是采用化学与机械综合作用从半导体硅片上去除多余材料，并使其获得平坦表面的工艺过程。
化学机械平坦化是半导体制程中实现多种材料全局平坦化的关键工艺，平坦化后晶圆表面平整度、均匀性及缺陷数量是评价化学机械平坦化制程优劣的关键指标，其工艺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、抛光垫表面特性及形貌等)，相互作用机理复杂。
在实际化学机械平坦化工艺过程中，抛光垫在使用后期，其沟槽及表面形貌开始恶化，经常出现边缘区域沟槽过抛的现象，从而导致抛光后的晶圆的平整度下降，晶圆表面缺陷增加。已有技术方案从硬件、耗材及特定工艺参数入手改善化学机械平坦化工艺，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Profiler Head和Contour Head；或对保持环进行结构优化，改善平坦化过程中晶圆边缘区域的应力突变；或从耗材组分入手，开发不同成分的抛光液，优化微观平坦化机理。以上从硬件、耗材及单一因素角度优化的技术方案，具有实施成本高、与现有设备工艺兼容性差、重复性及稳定性低等缺点，不利于实际生产过程中的晶圆全局平整度及表面缺陷的优化。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种抛光垫修整方法，以缓解利用现有修整方法容易导致抛光垫边缘过抛，容易导致晶圆平整度下降和表面缺陷增加的问题。
本发明的第二目的在于提供一种化学机械抛光方法，利用该抛光方法可以减少抛光垫边缘区域厚度消耗量，控制抛光垫表面形貌，进而提高抛光后晶圆的平整度，减少晶圆的表面缺陷。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种抛光垫修整方法，沿抛光垫的径向方向，修整器在所述抛光垫的边缘和所述抛光垫的中心之间做往复运动对所述抛光垫进行修整；
沿抛光垫的径向方向，所述抛光垫从边缘至中心依次划分第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的相对修整时间先逐渐降低再逐渐升高；相应地，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的下压压力先逐渐增大再逐渐降低；
其中，N≥3。
进一步的，所述修整器在第一修整区域内的相对修整时间为3～6，修整器的下压压力为3～7lbf；
优选地，所述修整器在第N修整区域内的相对修整时间为2～4，修整器的下压压力为4～7.5lbf；
优选地，所述修整器在第二修整区域至第N-1修整区域内的相对修整时间独立地为1～3，修整器的下压压力独立地为5～10lbf。
进一步的，N的取值范围为5～20，优选为6～17，进一步优选为7～15。
进一步的，修整器的转速为30～80rpm/s；
优选地，修整器的修整频率为3～12次/min。
一种化学机械抛光方法，在进行抛光的同时，用上述抛光垫修整方法对抛光垫进行修整。
进一步的，所述抛光过程中包括用倾斜去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤；
优选地，所述倾斜去离子水射流的流速为100～500ml/min，优选为150～450ml/min，进一步优选为200～400ml/min。
进一步的，所述倾斜去离子水射流与所述抛光垫的夹角为15～45°，优选为20～40°，进一步优选为20～35°。
进一步的，所述抛光过程中包括用垂直去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤；
优选地，所述垂直去离子水射流的流速为100～300ml/min。
进一步的，抛光过程中所用抛光液的流速为80～250ml/min。
进一步的，抛光台的转速为50～120rpm/s，抛光头的转速为50～120rpm/s，抛光台的转速-抛光头的转速＝(5～7)rpm/s；
优选地，抛光头压力为3～7psi；
优选地，抛光时间为30～60s。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的抛光垫修整方法，通过将抛光垫沿径向进行分区，并在不同的区域施加不同的压力和相对修整时间，即在抛光垫的中心区域采用较长相对修整时间和中等下压压力的组合，在抛光垫的中间区域采用较短相对修整时间和较大的下压压力的组合，在抛光垫的边缘区域采用较长相对修整时间和较小下压压力的组合，以改善抛光垫边缘区域过抛及严重磨损的问题。
在抛光时，利用本发明提供的抛光垫修整方法，在抛光垫使用寿命的中后期，其边缘区域厚度消耗量能够减小10％～20％；当抛光垫使用45h后，抛光后的晶圆表面平整度控制在3％以内，抛光后的晶圆表面缺陷数减少了30％～50％，从而使抛光垫的使用寿命延长了10％～20％。
本发明提供的修整方法和抛光方法是从优化抛光垫全周期的表面形貌变化规律着手，通过分区设定修整压力和时间，在全周期内减少抛光垫边缘区域厚度消耗量，控制抛光垫表面形貌，从而达到延长抛光垫使用寿命，提高化学机械平坦化的全局平整度，减少晶圆表面缺陷的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的化学机械抛光方法中修整器的移动路线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面提供了一种抛光垫修整方法，沿抛光垫的径向方向，修整器在所述抛光垫的边缘和所述抛光垫的中心之间做往复运动对所述抛光垫进行修整；
沿抛光垫的径向方向，所述抛光垫从边缘至中心依次划分第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的相对修整时间先逐渐降低再逐渐升高；相应地，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的下压压力先逐渐增大再逐渐降低；
其中，N≥3。
本发明提供的抛光垫修整方法，通过将抛光垫沿径向进行分区，并在不同的区域施加不同的压力和相对修整时间，即在抛光垫的中心区域采用较长相对修整时间和中等下压压力的组合，在抛光垫的中间区域采用较短相对修整时间和较大的下压压力的组合，在抛光垫的边缘区域采用较长相对修整时间和较小下压压力的组合，以改善抛光垫边缘区域过抛及严重磨损的问题。
在抛光时，利用本发明提供的抛光垫修整方法，在抛光垫使用寿命的中后期，其边缘区域厚度消耗量能够减小10％～20％；当抛光垫使用45h后，抛光后的晶圆表面平整度控制在3％以内，抛光后的晶圆表面缺陷数减少了30％～50％，从而使抛光垫的使用寿命延长了10％～20％。
本发明提供的修整方法和抛光方法是从优化抛光垫全周期的表面形貌变化规律着手，通过分区设定修整压力和时间，在全周期内减少抛光垫边缘区域厚度消耗量，控制抛光垫表面形貌，从而达到延长抛光垫使用寿命，提高化学机械平坦化的全局平整度，减少晶圆表面缺陷的目的。
修整区域的划分是从边缘至中心沿抛光垫的径向方向分布的，每个修整区域的划分尺寸可以根据具体的操作过程中的抛光垫的磨损程度进行具体划分，对于边缘磨损面积较大的抛光垫而言，可以将边缘对应的修整区域的尺寸扩展的稍微大一些，相反，可以将尺寸划分地稍小一些。修整区域划分的越精确，其修整效果越好。
本发明中，第n修整区域的实际停留时间＝(总修整时间/各修整区域相对修整时间之和)×第n修整区域的相对修整时间。例如，设置总修整时间为30秒，修整区域设置为10个，而且10个修整区域的相对修整时间都设置1，那么各修整区域相对修整时间之和为10，其中相对修整时间1代表的就是3秒；如果其中一个修整区域的相对修整时间改为3，那么总修整时间变为12，其中相对修整时间1代表的就是2.5秒。以此类推。
修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的相对修整时间先逐渐降低再逐渐升高，构成一个上开口抛物线形的变化曲线或U形曲线，而修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的下压压力先逐渐增大再逐渐降低，形成一个下开口抛物线形的变化曲线或n形曲线。其中，相对修整时间可以在第N/2修整区域或第(N+1)/2修整区域或第(N+2)/2修整区域取最小值，也可以在第N/2修整区域附近的几个修整区域同时取最小值；下压压力可以在第N/2修整区域或第(N+1)/2修整区域或第(N+2)/2修整区域取最大值，也可以在第N/2修整区域附近的几个修整区域同时取最大值。
作为本发明优选的实施方式，所述修整器在第一修整区域内的相对修整时间为3～6，修整器的下压压力为3～7lbf。其中，修整器在第一修整区域内的相对修整时间例如可以为3、4、5或6；修整器的下压压力例如可以为3lbf、4lbf、5lbf、6lbf或7lbf。
作为本发明优选的实施方式，所述修整器在第N修整区域内的相对修整时间为2～4，修整器的下压压力为4～7.5lbf。其中，修整器在第N修整区域内的相对修整时间例如可以为2、3或4；修整器的下压压力例如可以为4lbf、5lbf、6lbf、7lbf或7.5lbf。
作为本发明优选的实施方式，所述修整器在第二修整区域至第N-1修整区域内的相对修整时间独立地为1～3，修整器的下压压力独立地为5～10lbf。其中，相对修整时间例如可以为：1、2或3；下压压力例如可以为：5lbf、6lbf、7lbf、8lbf、9lbf或10lbf。通过进一步限定具体的修整器的压力和时间可以进一步提高抛光垫的修整效果。
作为本发明优选的实施方式，N的取值范围为5～20，优选为6～17，进一步优选为7～15。其中，N典型但非限制性的例如可以为：5、6、7、8、9、10、12、14、16、18或20。通过进一步限定N的取值范围，既在保证修整效果的同时还可以降低修整成本。
作为本发明优选的实施方式，修整器的转速为30～80rpm/s；优选地，修整器的修整频率为3～12次/min。其中，修整器的转速非限制性地例如可以为30rpm/s、40rpm/s、50rpm/s、60rpm/s、70rpm/s或80rpm/s；修整器的修整频率非限制性地例如可以为3次/min、5次/min、7次/min、8次/min、10次/min或12次/min。
本发明的第二个方面提供了一种化学机械抛光方法，在进行抛光的同时，用上述抛光垫修整方法对抛光垫进行修整。将上述抛光垫修整方法用于化学机械抛光中可以减少抛光垫的边缘磨损，延长抛光垫的使用寿命。
作为本发明优选的实施方式，所述抛光过程中包括用倾斜去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤；优选地，所述倾斜去离子水射流的流速为100～500ml/min，优选为150～450ml/min，进一步优选为200～400ml/min。
抛光垫在使用后期，经常出现抛光垫中心区域沟槽堵塞的情况，进而影响晶圆的抛光质量。在抛光过程中增加用倾斜去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤可以有效解决抛光垫中心区域沟槽堵塞的情况，进而提高晶圆的抛光质量。
作为本发明优选的实施方式，所述倾斜去离子水射流与所述抛光垫的夹角为15～45°，优选为20～40°，进一步优选为20～35°。通过优化倾斜去离子水射流与抛光垫的夹角，可以使中后期抛光垫中心区域沟槽堵塞范围减少50％～80％。其中，倾斜去离子水射流与抛光垫的夹角非限制性的例如可以为：15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°。
作为本发明优选的实施方式，所述抛光过程中包括用垂直去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤；优选地，所述垂直去离子水射流的流速为100～300ml/min。
作为本发明优选的实施方式，抛光过程中所用抛光液的流速为80～250ml/min。进一步的，抛光台的转速为50～120rpm/s，抛光头的转速为50～120rpm/s，抛光台的转速-抛光头的转速＝(5～7)rpm/s；优选地，抛光头压力为3～7psi；优选地，抛光时间为30～60s。
下面将结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例是一种化学机械抛光方法，其中，其抛光过程及工艺参数列于表1中，修整工艺参数列于表2中。该实施例中的抛光垫的半径尺寸为254mm，修整器的尺寸为108mm。
表1抛光过程及工艺参数
表2修整过程工艺参数
说明，表2中区域尺寸划分中，起点20mm处是抛光垫的边缘处，该尺寸是以修整器的原点为基准划分的，以修整器的坐标看，抛光垫的边缘与修整器的原点距离20mm。修整器的移动路线图如图1所示。
对比例1
本对比例是一种化学机械抛光方法，其中，其抛光过程及工艺参数列于表3中，修整过程采用传统的修整工艺，即在采用同一压力对抛光垫进行加压修整，修整过程中修整器的修整速度为匀速，总的修整时间为17s，修整过程的下压压力为7lbf。该对比例中的抛光垫的半径尺寸为254mm，修整器的尺寸为108mm。
表3抛光过程及工艺参数
对比例2
本对比例是一种化学机械抛光方法，其中，其抛光过程及工艺参数列于表4中，修整过程采用传统的修整工艺，即在采用同一压力对抛光垫进行加压修整，修整过程的下压压力为7lbf，具体的修整工艺参数列于表5中。该对比例中的抛光垫的半径尺寸为254mm，修整器的尺寸为108mm。
表4抛光过程及工艺参数
表5修整过程工艺参数
区域 区域尺寸划分/mm 相对修整时间 下压压力/lbf
第一修整区域 20～38 4.2 7
第二修整区域 38～56 2 7
第三修整区域 56～74 1 7
第四修整区域 74～92 1 7
第五修整区域 92～110 1 7
第六修整区域 110～128 1 7
第七修整区域 128～146 1 7
第八修整区域 146～164 1 7
第九修整区域 164～182 1.4 7
第十修整区域 182～200 2.8 7
采用实施例和对比例提供的抛光工艺对晶圆进行抛光，抛光垫使用45h后对抛光垫使用情况进行观察分析，并检测此时晶圆的表面平整度及缺陷数，结果列于表6。
表6实施例和对比例的对比结果
45hrs参数对比 中心堵塞圈数 边缘沟槽剩余深度 去除率 平整度/％ 缺陷数
实施例1 3～4 0.32cm 3013A 3.12％ 23
对比例1 7～8 0.23cm 3128A 4.45％ 46
对比例2 6～7 0.21cm 3087A 4.34％ 38
从表6中的工艺实例数据结果可发现，通过优化抛光工艺和修整工艺，可缩小垫中心区域沟槽堵塞范围，减少抛光垫边缘区域厚度消耗量，延长抛光垫使用寿命，减少平坦化后晶圆表面缺陷数，晶圆表面平整度在3％左右。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种抛光垫修整方法，其特征在于，沿抛光垫的径向方向，修整器在所述抛光垫的边缘和所述抛光垫的中心之间做往复运动对所述抛光垫进行修整；
沿抛光垫的径向方向，所述抛光垫从边缘至中心依次划分第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的相对修整时间先逐渐降低再逐渐升高；相应地，修整器依次在第一修整区域、第二修整区域、……、第N修整区域内的下压压力先逐渐增大再逐渐降低；
其中，N≥3；
所述修整器在第一修整区域内的相对修整时间为3～6，修整器的下压压力为3～7lbf；
所述修整器在第N修整区域内的相对修整时间为2～4，修整器的下压压力为4～7.5lbf；
所述修整器在第二修整区域至第N-1修整区域内的相对修整时间独立地为1～3，修整器的下压压力独立地为5～10lbf。
2.根据权利要求1所述的抛光垫修整方法，其特征在于，N的取值范围为5～20。
3.根据权利要求2所述的抛光垫修整方法，其特征在于，N的取值范围为6～17。
4.根据权利要求2所述的抛光垫修整方法，其特征在于，N的取值范围为7～15。
5.根据权利要求1所述的抛光垫修整方法，其特征在于，修整器的转速为30～80rpm/s。
6.根据权利要求5所述的抛光垫修整方法，其特征在于，修整器的修整频率为3～12次/min。
7.一种化学机械抛光方法，其特征在于，在进行抛光的同时，用权利要求1-6任一项所述的抛光垫修整方法对抛光垫进行修整。
8.根据权利要求7所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光过程中包括用倾斜去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤。
9.根据权利要求8所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流的流速为100～500ml/min。
10.根据权利要求9所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流的流速为150～450ml/min。
11.根据权利要求9所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流的流速为200～400ml/min。
12.根据权利要求8-11任一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流与所述抛光垫的夹角为15～45°。
13.根据权利要求12所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流与所述抛光垫的夹角为20～40°。
14.根据权利要求12所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述倾斜去离子水射流与所述抛光垫的夹角为20～35°。
15.根据权利要求7所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光过程中包括用垂直去离子水射流对抛光垫进行清洗的步骤。
16.根据权利要求15所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述垂直去离子水射流的流速为100～300ml/min。
17.根据权利要求7-11、13-16任一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光过程中所用抛光液的流速为80～250ml/min。
18.根据权利要求7-11、13-16任一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光台的转速为50～120rpm/s，抛光头的转速为50～120rpm/s，抛光台的转速-抛光头的转速＝(5～7)rpm/s。
19.根据权利要求18所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光头压力为3～7psi。
20.根据权利要求18所述的化学机械抛光方法，其特征在于，抛光时间为30～60s。
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