CN116394151A - 一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，步骤：在抛光机中加入抛光液，CMP抛光表面具有PSG层硅片，得到PSG图形硅片；其中CMP抛光过程是：固定硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力，并控制抛光头转速小于抛光盘转速进行第一次平坦化；然后施加第二工作压力，其他条件不变，进行第二次平坦化；抛光头在抛光盘外侧的工作压力大于抛光头在抛光盘中心的工作压力；在第一工作压力中控制抛光头在抛光盘中心的工作压力为2.7‑2.9psi，在第二工作压力中控制抛光头在抛光盘中心的工作压力为1‑1.5psi；本发明可实现较好的平坦化效果，所得PSG图形硅片台阶高低差小、犬牙缺陷小、粗糙度低。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法。
背景技术
化学机械平坦化是一种表面全局平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间有磨料，并同时施加压力。抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的摩擦实现3～10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛，使晶圆抛光后表面达到超高平整度和超低表面粗糙度。硅片的平整度和均匀性的概念在描述CMP的作用方面很重要。平整度描述从微米到毫米范围内的硅片表面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的，反映整个硅片膜层厚度的变化，因此，一个硅片可以是平整的，但不一定是均匀的，反之亦然。因此平整度是相对于CMP之前的某处台阶高度而言的。然而控制CMP工艺是困难的，因为影响平整性和均匀性的许多不同参数之间的相互作用，对不同的应用场合，需要对CMP工艺进行探索。
磷硅玻璃(PSG)作为多层互连的层间和金属介电膜，已经被广泛地应用于双极和CMOS器件的制造。当有源器件在晶圆表面制作完成后，硅晶圆表面会沉积一层绝缘的介电膜，为金属层和有源器件之间提供可靠的绝缘保护。刚沉积完PSG薄膜的硅表面不仅粗糙度大，而且凹凸不平，不利于后续的聚焦光刻、金属沉积等制程。因此，需要对PSG图形片进行化学机械抛光，以获得平坦化好、粗糙度低、犬牙缺陷(Fang Defect)以及无颗粒的沾污表面。
现有技术中，主要采用含有SiO2磨料的抛光液来抛光PSG层和硅衬底，其中以气相二氧化硅为磨料的碱性抛光液对Si去除速率较快、对PSG去除速率较慢，最终会导致PSG图形凸起；而以硅溶胶为磨料的酸性抛光液对PSG去除速率较快，对Si去除速率较慢，最终会导致PSG图形严重凹陷。另外，在采用酸性抛光液修正凸起的PSG图形过程中，以及采用碱性抛光液修正凹陷的PSG图形时，都会导致碟形凹陷(Dishing)、犬牙缺陷(Fang Defect)增大，这将会在后续的工艺中严重影响薄膜的沉积质量。
CN 106206280 B和CN 114883190 A均公开了一种通过腐蚀液去掉PSG层的办法，使其表面粗糙度小于50nm。然而该方法获得的表面粗糙度仍然较大，不能满足现有的技术要求。
发明内容
为了获得台阶高低差小、犬牙缺陷小、粗糙度低的PSG图形硅片，而提供一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法。采用本发明方法能够协调PSG层和硅片之间去除速率，实现对具有PSG层的硅片产生较好的平坦化效果。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有PSG层硅片进行CMP抛光，得到PSG图形硅片；
其中所述CMP抛光的过程是：固定硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力，并控制抛光头转速小于抛光盘转速，进行第一次平坦化；然后施加第二工作压力，其他条件不变，进行第二次平坦化；
所述第一工作压力和所述第二工作压力均包括所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，且所述抛光头在所述抛光盘外侧的工作压力大于所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力；在所述第一工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为2.7-2.9psi，在所述第二工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为1-1.5psi。
进一步地，所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5；
其中所述第一工作压力中Z1＝6.8-7.2psi、Z2＝6.0-6.8psi、Z3＝3.0-4.0psi、Z4＝2.9-3.0psi、Z5＝2.7-2.9psi；所述第一次平坦化的抛光时间为100-200s；
其中所述第二工作压力中Z1＝3.1-3.5psi、Z2＝2-2.5psi、Z3＝1-1.8psi、Z4＝1-1.8psi、Z5＝1-1.5psi；所述第二次平坦化的抛光时间为1-10s。
优选地，所述第一工作压力中Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi；所述第一次平坦化分三步抛光进行，所述第一次平坦化的第一步抛光时间为100-150s、第二步抛光时间为160-200s、第三步抛光时间为160-200s；
其中所述第二工作压力中Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi；所述第二次平坦化的抛光时间为3-5s。
进一步地，所述抛光头转速80-90rpm，所述抛光盘转速90-98rpm；所述抛光液的流量为220-280mL/min。优选地，所述抛光头转速85-87rpm，所述抛光盘转速92-95rpm。
进一步地，所述抛光液包括如下重量份材料：硅溶胶600-750份、金属螯合剂7-9份、表面活性剂0.01-0.10份、去离子水233.90-387.99份，pH调节剂调制所述抛光液的pH值为9-10。
再进一步地，所述硅溶胶的中的胶体颗粒粒径为80-120nm范围内单一粒径或多种粒径的复配，例如硅溶胶中的胶体颗粒粒径包括80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm、110nm、115nm、120nm等中的一种或多种粒径复配；
所述金属螯合剂包括二乙烯三胺五乙酸、乙二胺四乙酸中的一种或多种；
所述表面活性剂包括脂肪醇醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种；
所述pH调节剂包括氢氧化钾、四乙基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、二乙烯三胺、三乙烯四胺、酒石酸、柠檬酸、甘氨酸、乳酸中的一种或多种。
有益技术效果：本发明对于PSG图形的精抛过程，通过采用较大粒径的碱性硅溶胶抛光液，以及对CMP关键工艺参数进行调整，可协调PSG层和硅片之间去除速率，实现对Si去除速率/PSG去除速率比值接近1:1，更容易实现台阶平坦化，而且不易导致犬牙缺陷增大的问题，还能简化CMP工艺；本发明工艺能够实现对具有PSG层的硅片产生较好的平坦化效果，获得台阶高低差小
(-30nm＜dishing＜30nm，指中心与相邻平面高低差)、犬牙缺陷小(＜15μm)、粗糙度低(＜0.6nm(10×10μm))的PSG图形硅片。
附图说明
图1为实施例1CMP后硅片表面的台阶高低测试图；
图2是实施例2CMP后硅片表面的台阶高低测试图；
图3是对比例1CMP后硅片表面的台阶高低测试图；
图4是对比例2CMP后硅片表面的台阶高低测试图。
以上图中的横坐标和纵坐标的单位均为微米。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定压力等术语，仅仅是为了便于对步骤中的压力等进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。
以下所用表面具有PSG层硅片为：N型高阻Si衬底(＞7000Ω)，其表面的PSG层厚度为4.8-5.2μm，表面坑深3.7～3.88μm。
实施例1
一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有PSG层的硅片进行CMP抛光，其中所述CMP抛光的过程是：
采用华海清科U300B抛光机，IC1010抛光垫，固定该硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi，Z1至Z5依次为抛光头从抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，控制抛光头转速87rpm、抛光盘转速93rpm，同时使抛光液的流量为250mL/min，在这些条件下进行第一次平坦化的第一步抛光120s、再进行第二步抛光180s、最后进行第三步抛光180s；
然后施加第二工作压力Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi，其他条件不变，进行第二次平坦化的抛光5s，即得到PSG图形硅片；
其中抛光液的配制：取7.9g二乙烯三胺五乙酸、0.04g脂肪醇醚磷酸酯(APE-4P)溶于378.2g去离子水中，采用氢氧化钾调节体系pH在10左右，制成预混液；搅拌状态下在预混液中加入608g浓度为40wt％的硅溶胶(其中的胶体二氧化硅粒子粒径为80nm)，最后调节体系pH＝10，即得本实施例抛光液，。
实施例2
一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有PSG层的硅片进行CMP抛光，其中所述CMP抛光的过程是：
采用华海清科U300B抛光机，IC1010抛光垫，固定该硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi，Z1至Z5依次为抛光头从抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，控制抛光头转速87rpm、抛光盘转速93rpm，同时使抛光液的流量为250mL/min，在这些条件下进行第一次平坦化的第一步抛光120s、再进行第二步抛光180s、最后进行第三步抛光180s；
然后施加第二工作压力Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi，其他条件不变，进行第二次平坦化的抛光5s，即得到PSG图形硅片；
其中抛光液的配制：取7.2g二乙烯三胺五乙酸、0.04g脂肪醇醚磷酸酯(APE-4P)溶于342.4g去离子水中，采用氢氧化钾调节体系pH在10左右，制成预混液；搅拌状态下在预混液中加入645g浓度为40wt％的硅溶胶(其中的胶体二氧化硅粒子粒径为100nm)，最后调节体系pH＝10，即得本实施例抛光液。
实施例3
一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有PSG层的硅片进行CMP抛光，其中所述CMP抛光的过程是：
采用华海清科U300B抛光机，IC1010抛光垫，固定该硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力Z1＝7.1psi、Z2＝6.8psi、Z3＝3.5psi、Z4＝2.9psi、Z5＝2.7psi，Z1至Z5依次为抛光头从抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，控制抛光头转速80rpm、抛光盘转速90rpm，同时使抛光液的流量为280mL/min，在这些条件下进行第一次平坦化的第一步抛光100s、再进行第二步抛光160s、最后进行第三步抛光200s；
然后施加第二工作压力Z1＝3.4psi、Z2＝2psi、Z3＝1.4psi、Z4＝1.6psi、Z5＝1.8psi，其他条件不变，进行第二次平坦化的抛光5s，即得到PSG图形硅片；
其中抛光液的配制：取8.2g二乙烯三胺五乙酸、0.05g脂肪醇醚磷酸酯(APE-4P)溶于387g去离子水中，采用氢氧化钾调节体系pH在9左右，制成预混液；搅拌状态下在预混液中加入700g浓度为40wt％的硅溶胶(其中的胶体二氧化硅粒子粒径为110nm)，最后调节体系pH＝9，即得本实施例抛光液。
对比例1
本对比例的抛光液的配制为：取10g柠檬酸、0.01g脂肪醇醚磷酸酯溶于239.99g去离子水中，制成预混液；搅拌状态下在预混液中加入750g浓度为40wt％的胶体二氧化硅(其中的胶体二氧化硅粒子粒径为40nm)，即得本对比例抛光液，体系pH＝3；定义本对比例抛光液为D1；
本对比例的CMP抛光方法如下：
采用华海清科U300B抛光机，IC1010抛光垫，固定该硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi，Z1至Z5依次为抛光头从抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，控制抛光头转速87rpm、抛光盘转速93rpm，同时使本对比例抛光液(D1)的流量为250mL/min，在这些条件下进行第一次平坦化的第一步抛光120s、再进行第二步抛光180s、再进行第三步抛光180s、最后进行第四步抛光90s；
然后采用下述对比例2的抛光液(D2)，施加第二工作压力Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi，其他条件不变，进行第二次平坦化的抛光55s，即得到PSG图形硅片。
对比例2
本对比例抛光液的配制为：取20g三乙烯四胺、0.01g脂肪醇醚磷酸酯溶于272.99g去离子水中，采用氢氧化钾调节体系pH在11左右，制成预混液；搅拌状态下在预混液中加入700g浓度为40wt％的胶体二氧化硅(其中的胶体二氧化硅粒子粒径为120nm)，最后调节体系pH＝11，即得本对比例抛光液；定义本对比例抛光液为D2；
本对比例的CMP抛光方法如下：
采用华海清科U300B抛光机，IC1010抛光垫，固定该硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi，Z1至Z5依次为抛光头从抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，控制抛光头转速87rpm、抛光盘转速93rpm，同时使本对比例抛光液(D2)的流量为250mL/min，在这些条件下进行第一次平坦化的第一步抛光120s、再进行第二步抛光210s、再进行第三步抛光100s、最后进行第四步抛光80s；
然后采用上述对比例1的抛光液(D1)，施加第二工作压力Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi，其他条件不变，进行第二次平坦化的抛光25s，即得到PSG图形硅片。
对以上实施例及对比例得到的PSG图形硅片的表面特性进行测试，测试结果如下表1以及图1-图4。
表1实施例及对比例得到的PSG图形硅片表面特性
由表1和图1-4可知，图1-图4分别为实施例1、实施例2、对比例1、对比例2的PSG图形硅片的表面台阶高低测试图，图中可见实施例1(图1)、实施例2(图2)、对比例1(图3)、对比例2(图4)的PSG图形硅片表面的台阶高度差(dishing缺陷)分别约为0nm、-9nm、-18nm、+27nm，可见本发明实施例1-2分别采用80nm和100nm粒径的硅溶胶结合本发明平坦化CMP工艺，可以同时协调Si去除速率和PSG去除速率，从而实现较好的PSG高低差平坦化效果，并且能够获得较低的表面粗糙度和较小的犬牙缺陷；另外实施例3采用110nm粒径的硅溶胶结合本发明平坦化CMP工艺也具有较好的平坦化效果。
对比例1先采用酸性抛光液再采用碱性抛光液、对比例2先采用碱性抛光液再采用酸性抛光液，虽然酸性硅溶胶抛光液对PSG去除速率较快，但由于其对Si去除速率极慢，因此在CMP平坦化过程中会造成PSG图形严重凹陷，而为了实现表面平坦化，必须再采用对Si去除速率较快、对PSG去除速率略慢的碱性硅溶胶抛光液在低压下进行dishing修正，但在修正过程中会造成犬牙缺陷增大的问题。对比例2中的碱性硅溶胶抛光液由于对Si去除速率较快于PSG的去除速率，因此，在CMP平坦化过程中，会导致PSG图形凸起，而为了实现表面平坦化，必须再用酸性硅溶胶抛光液在低压下进行dishing修正，同样地，在修正过程中会造成犬牙缺陷增大的问题。而本发明中，对于PSG图形的精抛过程，选择对Si去除速率/PSG去除速率比值接近1:1的抛光液不仅容易实现台阶平坦化，而且不易导致犬牙缺陷增大的问题，还能简化CMP工艺。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有PSG层硅片进行CMP抛光，得到PSG图形硅片；
其中所述CMP抛光的过程是：固定硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力，并控制抛光头转速小于抛光盘转速进行第一次平坦化；然后施加第二工作压力，其他条件不变，进行第二次平坦化；
所述第一工作压力和所述第二工作压力均包括所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，且所述抛光头在所述抛光盘外侧的工作压力大于所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力；在所述第一工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为2.7-2.9psi，在所述第二工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为1-1.5psi。
2.根据权利要求1所述的一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5；
其中所述第一工作压力中Z1＝6.8-7.2psi、Z2＝6.0-6.8psi、Z3＝3.0-4.0psi、Z4＝2.9-3.0psi、Z5＝2.7-2.9psi；所述第一次平坦化的抛光时间为100-200s；
其中所述第二工作压力中Z1＝3.1-3.5psi、Z2＝2-2.5psi、Z3＝1-1.8psi、Z4＝1-1.8psi、Z5＝1-1.5psi；所述第二次平坦化的抛光时间为1-10s。
3.根据权利要求2所述的一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述第一工作压力中Z1＝6.9psi、Z2＝6.6psi、Z3＝3.3psi、Z4＝3.0psi、Z5＝2.85psi；所述第一次平坦化分三步抛光进行，所述第一次平坦化的第一步抛光时间为100-150s、第二步抛光时间为160-200s、第三步抛光时间为160-200s；
所述第二工作压力中Z1＝3.2psi、Z2＝2psi、Z3＝1.2psi、Z4＝1.2psi、Z5＝1.2psi；所述第二次平坦化的抛光时间为3-5s。
4.根据权利要求1所述的一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光头转速80-90rpm，所述抛光盘转速90-98rpm；所述抛光液的流量为220-280mL/min。
5.根据权利要求1所述的一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光液包括如下重量份材料：硅溶胶600-750份、金属螯合剂7-9份、表面活性剂0.01-0.10份、去离子水233.90-387.99份，pH调节剂调制所述抛光液的pH值为9-10。
6.根据权利要求5所述的一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述硅溶胶的中的胶体颗粒粒径为80-120nm范围内单一粒径或多种粒径的复配；
所述金属螯合剂包括二乙烯三胺五乙酸、乙二胺四乙酸中的一种或多种；
所述表面活性剂包括脂肪醇醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种；
所述pH调节剂包括氢氧化钾、四乙基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、二乙烯三胺、三乙烯四胺、酒石酸、柠檬酸、甘氨酸、乳酸中的一种或多种。
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