CN111331505A - 一种提高晶圆研磨速率均一性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，所述方法不需要改变化学机械研磨机台的参数设置，只需要将保持环的厚度减小0.4‑0.6mm，就可以达到改善晶圆边缘研磨速率的效果，有效提高晶圆研磨速率均一性，使其相对标准偏差＜6％，还具有操作简单，成本较低，适用范围广泛的特点。

Description

一种提高晶圆研磨速率均一性的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种提高晶圆研磨速率均一性的方法。

背景技术

随着超大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration，ULSI)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(Feature Size)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来利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。为此，在芯片制备过程中的晶圆(Wafer)加工阶段，往往需要采用沉积技术形成薄膜，以此作为实现多层布线技术的基础。常见的沉积技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和电化学电镀等。

然而，随着薄膜层的依次沉积，晶圆的表面变得起伏不平，对后续的图形制作极其不利，为此，通常需要对晶圆进行表面平坦化(Planarization)处理。平坦化处理可以有效地改善表面形貌，去除表面缺陷，如粗糙表面、聚结材料、晶格损坏、刮痕和被污染的层或材料等。

目前，化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是达成晶圆表面整体平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，CMP已成为一项不可或缺的制作工艺技术。CMP是利用混有极小磨粒的化学溶液与晶圆表面发生化学反应来改变其表面的化学键，生成容易以机械方式去除的产物，再经机械摩擦去除化学反应物，获得超光滑无损伤的平坦化表面。化学机械研磨技术综合了化学研磨和机械研磨的优势。单纯的化学研磨，表面精度较高，损伤低，完整性好，不容易出现表面/亚表面损伤，但是研磨速率较慢，材料去除效率较低，表面平整度比较低，研磨一致性比较差；单纯的机械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出现表面层/亚表面层损伤，表面粗糙度值比较低。化学机械研磨吸收了两者各自的优点，可以在保证材料去除效率的同时，获得较平整的表面，得到的平整度比单纯使用这两种研磨要高出1-2个数量级，并且可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。

但是，在采用CMP技术对晶圆进行平坦化处理中，往往存在晶圆研磨速率均一性差的问题，即晶圆表面薄膜的去除量不均匀，主要反映在晶圆边缘处的去除量和晶圆中心处的去除量相差较大，导致晶圆的利用率降低，甚至良品率降低。

针对晶圆研磨速率均一性差的问题，现有技术公开了一些解决办法：

例如CN101456150公开了一种化学机械抛光方法，包括两个研磨步骤，第一步，以晶圆速率与研磨垫速率的比值在1:0.9至1:1.1的范围条件下进行研磨；第二步，在晶圆速率与研磨垫速率的比值在5：1至20：1的范围条件下进行研磨。所述研磨方法通过在主研磨之后加入一步增大晶圆对研磨垫(Polishing pad)的相对转速的步骤，使晶圆相对研磨垫的线速沿半径方向增加，从而使晶圆上各点的研磨速率沿中心向周边提高，提高晶圆残膜的面内均一性。但是，所述研磨方法仍然存在晶圆边缘处和晶圆中心处的去除量相差较大，存在研磨速率均一性差的问题。

例如CN102909651A公开了一种用于化学研磨装置的研磨头及其化学研磨装置，所述研磨头包括具有独立研磨子区域的同心环形研磨区域，所述同心环形研磨区域以所述研磨头的圆心为中心并对称分布，所述同心环形研磨区域内分别设置独立研磨子区域。该研磨头可以根据晶圆表面不同区域的薄厚差异，调节施加在不同区域的压力，从而提高对薄膜厚度在所述晶圆内呈非对称性分布的研磨均一性。CN110270924A公开了一种CMP研磨方法，所述研磨方法根据晶圆中心区域和边缘区域的膜厚，对膜厚较大者执行较大的研磨去除率，完成第一次研磨工艺；然后根据第一次研磨结果，对膜厚较小者执行较大的研磨去除率，完成第二次研磨工艺。所述研磨方法通过两次不同研磨去除率的研磨工艺，改善了研磨后薄膜厚度的均一性。

前述两篇现有技术，均是通过调节施加于晶圆的压力，来实现晶圆不同区域具有不同的研磨速率，进而提高晶圆薄膜厚度的均一性。但是，一方面，CMP机台的压力参数的调节空间有限，存在规格上限，往往无法有效实现针对性的压力调节；另一方面，晶圆存在多种规格，有的晶圆直径仅为50mm(2英寸)，针对尺寸较小的晶圆很难做到对不同区域施加不同压力。因此，根据施加压力来调节研磨速率的方法不具有普适性。

在使用CMP技术对晶圆进行研磨的过程中，需要通过保持环(Retainer Ring)对晶圆进行保护和固定，然后通过研磨头将晶圆压在研磨垫上，并对晶圆表面施加一定的压力，进而通过晶圆和研磨垫的相对旋转磨掉晶圆表面一定量的膜厚，达到晶圆表面平坦化的目的。

然而，如图1所示，由于晶圆、保持环和研磨垫三者之间存在相互作用的机械力，会在晶圆边缘区域造成一定的形变，进而影响该区域的研磨率，尤其使得晶圆边缘处的研磨速率较低。此时，如果增大保持环压力，将会一定程度上提高晶圆边缘处的研磨速率。但是，当给保持环施加较大压力，晶圆边缘的研磨速率仍然很低时，即使再加大施加压力，也无法提高晶圆边缘的研磨速率，反而会造成保持环和研磨垫的磨损，缩短了两者的使用寿命，增加了成本投入。

综上，目前亟需开发一种行之有效的提高晶圆研磨速率均一性的方法，尤其是能够有效提高晶圆边缘处的研磨速率的方法。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，所述方法仅仅更改了保持环的自身设计，不需要改变化学机械研磨机台参数设置，即可达到改善晶圆边缘研磨速率的效果。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的在于提供一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，所述方法包括：将保持环的厚度减小0.4-0.6mm。

本发明所述晶圆研磨速率均一性指的是，监测晶圆不同区域的研磨速率，并计算其相对标准偏差(Relative Standard Deviation，RSD)，如果RSD＜6％，则晶圆研磨速率具有均一性，可以有效保证晶圆整体区域的研磨速率在较小范围内波动。其中，RSD的计算公式如下：

本发明基于晶圆、保持环和研磨垫三者之间存在相互作用的复杂的机械力，通过减小保持环的厚度，并将厚度减小0.4-0.6mm，就可以达到改善晶圆边缘研磨速率的效果，有效提高晶圆研磨速率均一性，使其相对标准偏差＜6％，还具有操作简单，成本较低，适用范围广泛的特点。

本发明所述将保持环的厚度减小0.4-0.6mm，例如0.4mm、0.42mm、0.44mm、0.45mm、0.46mm、0.48mm、0.5mm、0.52mm、0.54mm、0.55mm、0.57mm、0.59mm或0.6mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，将所述保持环的厚度减小0.5mm。

作为本发明优选的技术方案，所述保持环的厚度为15-20mm，例如15mm、15.5mm、16mm、16.7mm、17mm、17.5mm、18mm、18.5mm、19mm、19.5mm或20mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，采用化学机械研磨法对所述晶圆进行研磨。

作为本发明优选的技术方案，所述晶圆的基底厚度为700-750μm，例如700μm、705μm、710μm、715μm、720μm、725μm、730μm、735μm、740μm、745μm或750μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述晶圆的基底厚度为725μm。

作为本发明优选的技术方案，所述晶圆的直径为200mm。

作为本发明优选的技术方案，所述保持环的材质为聚苯硫醚。

作为本发明优选的技术方案，所述晶圆研磨速率为550-800A/min，例如550A/min、600A/min、650A/min、700A/min、750A/min或800A/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述方法包括：

采用化学机械研磨法对直径为200mm的晶圆进行研磨，其中，所述晶圆的基底厚度为700-750μm，所述晶圆研磨速率为550-800A/min，材质为聚苯硫醚的保持环的厚度为15-20mm，将保持环的厚度减小0.4-0.6mm。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述方法不需要改变化学机械研磨机台的参数设置，只需要将保持环的厚度减小0.4-0.6mm，就可以达到改善晶圆边缘研磨速率的效果，有效提高晶圆研磨速率均一性，使其相对标准偏差＜6％，还具有操作简单，成本较低，适用范围广泛的特点。

附图说明

图1是在化学机械研磨技术中晶圆、保持环和研磨垫三者之间关系的示意图；

图2是本发明实施例1所述方法中晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线；

图3是本发明对比例1所述方法中晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线；

图4是本发明对比例2所述方法中晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线。

具体实施方式

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

本实施例提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，所述方法包括：

采用化学机械研磨法对直径为200mm的晶圆进行研磨，其中，所述晶圆的基底厚度为725μm，将材质为聚苯硫醚的保持环的厚度减小0.5mm，即从原来的16.7mm变为16.2mm。在研磨过程中，通过仪器监测得到了晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线，如图2所示。

通过本实施例所述方法，有效提高了晶圆边缘处的研磨速率，将与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率提高至564A/min，将晶圆研磨速率稳定在550-800A/min范围内，使得相对标准偏差降至4.89％，有效提高了晶圆研磨速率均一性，达到了相对标准偏差＜6％的目标要求。

实施例2

本实施例提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，除了将保持环的厚度减小0.4mm，其他条件和实施例1完全相同。

通过本实施例所述方法，有效提高了晶圆边缘处的研磨速率，将与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率提高至552A/min，将晶圆研磨速率稳定在550-800A/min范围内，使得相对标准偏差降至5.01％，有效提高了晶圆研磨速率均一性，达到了相对标准偏差＜6％的目标要求。

实施例3

本实施例提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，除了将保持环的厚度减小0.6mm，其他条件和实施例1完全相同。

通过本实施例所述方法，有效提高了晶圆边缘处的研磨速率，将与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率提高至558A/min，将晶圆研磨速率稳定在550-800A/min范围内，使得相对标准偏差降至5.23％，有效提高了晶圆研磨速率均一性，达到了相对标准偏差＜6％的目标要求。

实施例4

本实施例提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，除了将“所述晶圆的基底厚度为725μm”修改为“所述晶圆的基底厚度为700μm”，其他条件和实施例1完全相同。

通过本实施例所述方法，有效提高了晶圆边缘处的研磨速率，将与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率提高至560A/min，将晶圆研磨速率稳定在550-800A/min范围内，使得相对标准偏差降至5.36％，有效提高了晶圆研磨速率均一性，达到了相对标准偏差＜6％的目标要求。

实施例5

本实施例提供了一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，除了将“所述晶圆的基底厚度为725μm”修改为“所述晶圆的基底厚度为750μm”，其他条件和实施例1完全相同。

通过本实施例所述方法，有效提高了晶圆边缘处的研磨速率，将与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率提高至559A/min，将晶圆研磨速率稳定在550-800A/min范围内，使得相对标准偏差降至5.41％，有效提高了晶圆研磨速率均一性，达到了相对标准偏差＜6％的目标要求。

对比例1

本对比例提供了一种晶圆研磨的方法，除了将保持环的厚度减小0.2mm，即从原来的16.7mm变为16.5mm，其他条件和实施例1完全相同。

在研磨过程中，通过仪器监测得到了晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线，如图3所示。

通过本对比例所述方法，无法将晶圆边缘处的研磨速率提高至550-800A/min范围内，与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率仅为471A/min，使得相对标准偏差高达7.03％，不满足晶圆研磨速率均一性的目标要求。

对比例2

本对比例提供了一种晶圆研磨的方法，除了将保持环的厚度减小0.1mm，即从原来的16.7mm变为16.6mm，其他条件和实施例1完全相同。

在研磨过程中，通过仪器监测得到了晶圆研磨速率与到晶圆中心距离的关系曲线，如图4所示。

通过本对比例所述方法，无法将晶圆边缘处的研磨速率提高至550-800A/min范围内，与晶圆中心距离为100mm处的研磨速率仅为432A/min，使得相对标准偏差高达11.26％，不满足晶圆研磨速率均一性的目标要求。。

综上所述，本发明所述方法不需要改变化学机械研磨机台的参数设置，只需要将保持环的厚度减小0.4-0.6mm，就可以达到改善晶圆边缘研磨速率的效果，有效提高晶圆研磨速率均一性，使其相对标准偏差＜6％，还具有操作简单，成本较低，适用范围广泛的特点。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种提高晶圆研磨速率均一性的方法，其特征在于，所述方法包括：将保持环的厚度减小0.4-0.6mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述保持环的厚度减小0.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述保持环的厚度为15-20mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，采用化学机械研磨法对所述晶圆进行研磨。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述晶圆的基底厚度为700-750μm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述晶圆的基底厚度为725μm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述晶圆的直径为200mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述保持环的材质为聚苯硫醚。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述晶圆研磨速率为550-800A/min。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用化学机械研磨法对直径为200mm的晶圆进行研磨，其中，所述晶圆的基底厚度为700-750μm，所述晶圆研磨速率为550-800A/min，材质为聚苯硫醚的保持环的厚度为15-20mm，将保持环的厚度减小0.4-0.6mm。

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