CN108247528B

CN108247528B - 一种研磨垫的处理方法

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Publication number: CN108247528B
Application number: CN201611251521.XA
Authority: CN
Inventors: 唐强; 张溢钢
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2036-12-29
Also published as: CN108247528A

Abstract

本发明提供一种研磨垫的处理方法，包括以下步骤：将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上；提供虚拟晶圆，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理；用氧化性溶液对所述研磨垫的表面进行处理。根据本发明的处理方法，降低了研磨垫上沟槽的深度差，改善了研磨垫的平整性，从而改善凹陷缺陷，进而改善由凹陷缺陷引起的腐蚀，提高产品良率。

Description

一种研磨垫的处理方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体而言涉及一种研磨垫的处理方法。

背景技术

随着超大规模集成电路(ULSI，Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变的越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术利用芯片的垂直空间，并在多层布线之间实现金属互连，以进一步提高器件的集成密度。例如，采用TSV(Through Silicon Via，硅通孔)的技术代替了2D互连技术，通过在芯片之间、晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间的互连，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。一般来说，在硅通孔产品的制造工艺中，在刻蚀通孔、沉积绝缘层及填充材料后，需要进行化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)的方式平坦化晶圆表面，以进行后面的工艺。填充的材料包括铜、钨、多晶硅等，目前铜逐渐成为主流互连技术。

在硅通孔的铜化学机械研磨工艺中，腐蚀缺陷已经成为最具挑战性的问题之一，尤其是由研磨垫使用前处理不合理引起的腐蚀，其中一种常见的腐蚀现象是凹陷(Dishing)缺陷，即在硅通孔的金属铜内部出现凹陷。如果腐蚀问题严重，那么晶圆将会被报废。

因此，有必要提出一种新的研磨垫的处理方法，以解决上述技术问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提供一种研磨垫的处理方法，包括以下步骤：将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上；提供虚拟晶圆，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理；用氧化性溶液对所述研磨垫的表面进行处理。

进一步，在所述研磨处理的步骤之前，还包括提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上，以对所述研磨垫表面进行研磨的步骤。

进一步，在提供氧化性溶液至所述研磨垫表面之后，所述方法还包括用去离子水对所述研磨垫表面进行清洗的步骤。

进一步，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理的步骤包括：对所述虚拟晶圆进行研磨处理的同时提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上。

进一步，在所述化学机械研磨液对所述研磨垫进行研磨的步骤中，所述化学机械研磨液的流量为200ml/min-210ml/min，研磨时间为5秒-7秒，研磨盘对所述研磨垫施加的压力为6.5psi-7psi。

进一步，在使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理的步骤中，研磨头的转速为30rpm/min‐35rpm/min，所述化学机械研磨液的流量为150ml/min-165ml/min，所述虚拟晶圆的总研磨时间为250秒-280秒。

进一步，所述氧化性溶液包括双氧水。

进一步，所述双氧水的浓度为30wt.％-32wt.％；处理时间为8秒‐10秒。

进一步，所述去离子水的流量为200ml/min‐220ml/min，清洗时间为100秒-120秒。

进一步，所述化学机械研磨液为硅通孔研磨液。

进一步，所述虚拟晶圆为未进行任何器件加工工艺的晶圆。

综上所述，根据本发明的方法，降低了研磨垫上沟槽的深度差，改善了研磨垫的平整性，从而改善凹陷缺陷，进而改善由凹陷缺陷引起的腐蚀，提高产品良率。

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为用于化学机械研磨的研磨装置的示意图；

图2为按照现有工艺的研磨垫的处理方法的流程图；

图3为根据本发明的研磨垫的处理方法的流程图；

图4为按照本发明实施例的方案处理研磨垫的流程图；

图5A为分别采用经现有技术的方法和本发明实施例的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程后的凹陷缺陷对比的示意图；

图5B为分别采用经现有技术的方法和本发明实施例的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程后的表面粗糙度对比的示意图；

图6为采用本发明实施例的研磨垫使用前的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程，测得的研磨后不同位置处晶圆表面的研磨速率曲线图。

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步骤，以便阐释本发明提出的一种研磨垫的处理方法。显然，本发明的施行并不限定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。

如图1所示，用于化学机械研磨的研磨装置包括研磨台(Platen)、固定在所述研磨台表面的研磨垫(Polish Pad)101、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(Polish Head)102，对研磨垫进行修整、使研磨垫在研磨的过程中始终保持粗糙度的研磨盘(Condition Disk)103，供应研磨液(Slurry)的研磨液供应管(Slurry Tube)104和向研磨垫的表面喷洒清洗液的清洗装置。

按照现有工艺中的一种研磨垫处理方法的流程图如图2所示，其包括以下主要步骤：

在步骤S201中，将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上。

在步骤S202中，提供化学机械研磨液，以对研磨垫表面进行处理。示例性地，化学机械研磨液的流量为200ml/min-210ml/min，处理时间为400秒-420秒，研磨盘压力为6.5psi-7.0psi。

在步骤S203中，提供去离子水，以对研磨垫表面进行清洗。示例性地，去离子水的流量为180ml/min-190ml/min，清洗时间为80秒-85秒。

使用这种方法处理的研磨垫进行研磨，会出现腐蚀问题，形成凹陷缺陷，严重时会使晶圆报废。

鉴于以上问题，本发明提出了一种研磨垫的处理方法，如图3所示，其包括以下主要步骤：

在步骤S301中，将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上。

在步骤S302中，提供虚拟晶圆，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理。

在步骤S303中，用氧化性溶液对所述研磨垫的表面进行处理。

使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理的步骤包括：对所述虚拟晶圆进行研磨处理的同时提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上。需要说明的是，本发明的虚拟晶圆是指未进行任何器件加工工艺的晶圆。

根据本发明的处理方法，降低了研磨垫上沟槽的深度差，改善了研磨垫的平整性，从而改善凹陷缺陷，进而改善由凹陷缺陷引起的腐蚀，提高产品良率。

示例性实施例

示例性地，本实施例提供对TSV产品的铜化学机械研磨的研磨垫进行处理的流程，本实施例为其它研磨对象的化学机械研磨工艺中所用的研磨垫的处理方法提供参考。图4所示为按照本发明实施例的方案对研磨垫进行处理的流程图，其包括以下主要步骤：

在步骤S401中，将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上。示例性地，所述研磨垫为未使用过的新研磨垫。所述研磨垫的表面设有若干个沟槽，因此在所述研磨垫旋转时，研磨产生的废液能够很容易被排出。所述研磨垫包括研磨区域及透光区域的研磨层，所述研磨区域上具有沟槽，所述研磨垫由多孔的、有弹性的聚合物材料制成，如氨基甲酸酯类、无纺布类、仿鹿皮类等。研磨垫可以通过粘贴的方式固定在所述研磨台上。

在研磨过程中，先将待研磨晶圆的待研磨面向下附着在研磨头上，通过在研磨头上施加向下的压力，使晶圆紧压到研磨垫上；然后，表面固定有研磨垫的研磨台在电机的带动下旋转，研磨头也进行同向转动，实现机械研磨；同时，研磨液通过研磨液供应管输送到研磨垫上，并利用研磨台旋转的离心力均匀地分布在研磨垫上，在待研磨晶圆和研磨垫之间形成一层液体薄膜，该薄膜与待研磨晶圆的表面发生化学反应，生成易去除的产物。这一过程结合机械作用和化学反应将晶圆表面的材料去除。

在步骤S402中，提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上，以对所述研磨垫表面进行研磨。示例性地，化学机械研磨液的流量为200ml/min-210ml/min，研磨时间为5秒-7秒，研磨盘压力为6.5psi-7.0psi。所述化学机械研磨液为硅通孔研磨液，示例性地，所述硅通孔研磨液为二氧化硅研磨液。进一步，所述研磨液由多种成分构成，主要包括研磨颗粒、氧化剂、腐蚀抑制剂以及其他一些化学添加物质等。其中，psi为压强单位，其含义为磅每平方英寸。与现有技术的处理方法相比，研磨液的流量和研磨盘的压力相同，而研磨液的处理时间缩短了。该数值是为了举例说明的目的，本领域技术人员可以根据具体情况进行调整。这一步骤的目的是对研磨垫进行初步处理，以使研磨垫上的沟槽的深度差大体一致，而用化学机械研磨进行研磨除了机械作用外，还能起到化学作用，达到更好的预研磨效果。

在步骤S403中，提供虚拟晶圆，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理。进一步，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理的步骤包括：对所述虚拟晶圆进行研磨处理的同时提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上。示例性地，将虚拟晶圆固定于研磨装置的夹持环上，然后，研磨装置的研磨头在旋转的同时向虚拟晶圆施加压力进行研磨，同时使化学机械研磨液在研磨垫上流动。所述化学机械研磨液为硅通孔研磨液，所述化学机械研磨液的流量为150ml/min‐165ml/min，所述研磨头的转速为30rpm/min-35rpm/min，总研磨时间为250秒-280秒。该数值是为了举例说明的目的，本领域技术人员可以根据具体情况进行调整。这一步骤的作用在于，在用研磨垫研磨产品前，用虚拟晶圆在研磨垫上进行预研磨，能减少产品的相关缺陷，如刮伤、腐蚀等。

与研磨头相关的压力包括夹持环(RR，retaining ring)压力、内部供应管(IT，inner tube)压力和薄膜(MM，membrane)压力。其中，所述夹持环压力是由所述夹持环固定晶圆的压力，所述内部供应管压力是由所述研磨液供应管内的研磨液产生的压力，所述薄膜压力是由所述待研磨晶圆和所述研磨垫之间形成一层液体薄膜产生的压力。所述夹持环压力为4.5psi-5.0psi，优选4.8psi；所述内部供应管压力为2.0psi-3.0psi，优选2.5psi；所述薄膜压力为4.0psi-5.0psi，优选4.5psi。该数值是为了举例说明的目的，本领域技术人员可以根据具体情况进行调整。

对本领域技术人员来说，凹陷缺陷是由晶圆不同位置处的研磨速率不同引起的，其中一个原因是研磨垫表面不平整，即研磨垫上沟槽的深度不一致，影响研磨液在研磨垫上的分布，进而影响研磨的均匀性。在步骤S403中，通过虚拟晶圆在研磨垫上的预研磨，在研磨头相关压力的作用下，降低了研磨垫上沟槽的深度差，改善了研磨垫的平整性。

在步骤S404中，用氧化性溶液对所述研磨垫的表面进行处理。进一步，所述氧化性溶液对所述研磨垫进行处理的步骤开始的时间为对所述虚拟晶圆的研磨处理进行到研磨时间为150秒-160秒时。示例性地，在对所述虚拟晶圆的研磨处理进行到研磨时间为150秒-160秒时，将研磨头升高后，使氧化性溶液在研磨垫上流动。所述氧化性溶液包括双氧水，所述双氧水的浓度为30wt.％-32wt.％，所述双氧水的流量为50ml/min-60ml/min，所述双氧水的处理时间为8秒-10秒。该数值是为了举例说明的目的，本领域技术人员可以根据具体情况进行调整。然后再将所述研磨头下降，继续虚拟晶圆的研磨处理。执行这一步骤的目的是将残留在研磨垫上和沟槽内的研磨颗粒和研磨残留物充分氧化，而形成的氧化层能保护研磨垫表面，以进一步减少由研磨垫的平整性引起的缺陷，提高产品良率。所述氧化性溶液还可以是其他具有氧化性的溶液，如卤酸盐等。在步骤S402中，用化学机械研磨液处理所述研磨垫表面，则能使氧化性溶液更好的在研磨垫表面形成钝化层，进而保护研磨垫表面。

在步骤S405中，用去离子水对所述研磨垫表面进行清洗。示例性地，所述去离子的流量为200ml/min-220ml/min，所述去离子水的清洗时间为100秒-120秒。该数值是为了举例说明的目的，本领域技术人员可以根据具体情况进行调整。用去离子水在所述研磨垫上流动的目的是去除所述研磨垫表面的残留物。

使用新的研磨垫的处理方法后，有效地改善了凹陷缺陷，进而改善了由凹陷缺陷引起的腐蚀。图5A所示为分别采用经现有技术的方法和本发明实施例的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程后的凹陷缺陷对比的示意图；图5B所示为分别采用经现有技术的方法和本发明实施例的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程后的表面粗糙度对比的示意图。如图5A和5B所示，在使用新方法后，凹陷缺陷和表面粗糙度均得到改善。

图6为采用本发明实施例的研磨垫使用前的方法处理的研磨垫，完成化学机械研磨过程，测得的研磨后不同位置处晶圆表面的研磨速率曲线图。如图6所示，在使用新的研磨垫的处理方法后，晶圆轮廓平滑，没有明显的凹陷缺陷。

综上所述，根据本发明实施例的方法，降低了研磨垫上沟槽的深度差，改善了研磨垫的平整性，从而改善凹陷缺陷，进而改善由凹陷缺陷引起的腐蚀，提高产品良率。

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

1.一种研磨垫的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待处理的研磨垫固定于研磨装置的研磨台上，所述研磨垫为未使用过的新研磨垫；

提供虚拟晶圆，使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理，所述研磨处理的同时提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上；

用氧化性溶液对所述研磨垫的表面进行处理；

在提供氧化性溶液至所述研磨垫表面之后，用去离子水对所述研磨垫表面进行清洗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述研磨处理的步骤之前，还包括提供化学机械研磨液至所述研磨垫表面上，以对所述研磨垫表面进行研磨的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述化学机械研磨液对所述研磨垫进行研磨的步骤中，所述化学机械研磨液的流量为200ml/min-210ml/min，研磨时间为5秒-7秒，研磨盘对所述研磨垫施加的压力为6.5psi-7psi。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用所述研磨垫对所述虚拟晶圆进行研磨处理的步骤中，研磨头的转速为30rpm/min-35rpm/min，所述化学机械研磨液的流量为150ml/min-165ml/min，所述虚拟晶圆的总研磨时间为250秒-280秒。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化性溶液包括双氧水。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述双氧水的浓度为30wt.％-32wt.％；处理时间为8秒-10秒。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去离子水的流量为200ml/min-220ml/min，清洗时间为100秒-120秒。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述化学机械研磨液为硅通孔研磨液。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟晶圆为未进行任何器件加工工艺的晶圆。