CN102528646A

CN102528646A - 一种半导体研磨方法

Info

Publication number: CN102528646A
Application number: CN2010106204610A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种半导体研磨方法，包括以下步骤：提供固结磨料研磨垫，所述固结磨料研磨垫放置在研磨台上；提供第一溶液，对所述固结磨料研磨垫进行活化处理；提供晶圆，并在固结磨料研磨垫上研磨；进一步，研磨结束后，用第二溶液对固结磨料研磨垫进行清洗处理。本发明的研磨方法能够改善晶圆表面研磨速率的不均衡性，以及固结磨料研磨垫表面的清洗效果，提高晶圆的研磨平整度，从而提高晶圆的研磨效果及生产良率。

Description

一种半导体研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制备工艺，特别是一种半导体研磨方法。

背景技术

在半导体制备工艺中，平整的晶圆表面对于器件的小型化和高密度化极其重要，传统平坦化晶圆表面的方法为化学机械研磨法(CMP)。该方法在晶圆表面与研磨垫之间加入研磨液，利用机械力的作用和研磨液与晶圆表面产生的化学反应，平坦化晶圆表面。由于在化学机械研磨法中研磨液随机分布，密度不均匀，研磨效果比较差，而且研磨液利用率低，研磨液废液容易污染环境，因此逐渐被固结磨料研磨法(Fixed Abrasive Polishing)取代。

固结磨料研磨法，是将磨料和研磨垫结合起来，形成表面具有规则凹凸形状的固结磨料研磨垫，如美国专利20020049027中所介绍的固结磨料研磨垫，然后将固结磨料研磨垫放置在研磨台上，将晶圆放置在固结磨料研磨垫的研磨面进行研磨。现有的固结磨料研磨法的研磨过程，如图1所示，输入滚筒1051和输出滚筒1052将固结磨料研磨垫102输送到研磨台101上，并用研磨剂润湿固结磨料研磨垫102表面；将晶圆103吸附固定在研磨头104上，并使其表面与固结磨料研磨垫102表面相接触；启动动力驱动，研磨台101在轴承100的旋转带动下旋转，晶圆103也在旋转的研磨头104带动下旋转，其与固结磨料研磨垫102作相对运动，使得晶圆103表面不断与固结磨料研磨垫102表面摩擦而被研磨。

在上述固结磨料研磨法中，晶圆表面的研磨速率具有不均衡性。如图2所示，以直径为300毫米的空白晶圆为例，横坐标沿晶圆的直径，从左至右由-150毫米至150毫米递增，晶圆中心为0毫米；纵坐标表示研磨速率；由研磨速率分布曲线Q可以看出，在晶圆中心和四周研磨速率高，可达2000埃/分钟以上；而在其他区域，研磨速率则比较低，小于1000埃/分钟。这种不均衡的研磨速率会导致晶圆表面不平整，影响后续工艺，甚至无法进行后续工艺，引起晶圆报废。而且，在现有研磨方法中，研磨结束后，固结磨料研磨垫102表面上研磨过程中产生的杂质很难被清洗完全去除，影响下一晶圆的研磨，降低了生产良率和效率。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体研磨方法，解决现有研磨方法中由于晶圆表面研磨速率的不均衡导致晶圆表面无法研磨平整，以及固结磨料研磨垫表面杂质很难被去除得问题，改善晶圆的研磨质量，防止晶圆因研磨效果差而影响生产良率和效率的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种半导体研磨方法，包括以下步骤：提供固结磨料研磨垫，所述固结磨料研磨垫放置在研磨台上；用第一溶液对所述固结磨料研磨垫进行活化处理，使固结磨料研磨垫表面具有亲水性；将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨。

优选的，所述第一溶液为阳离子表面活性剂溶液，浓度为重量百分比0.5～10％。

优选的，所述第一溶液阳离子表面活性剂为季铵盐。

优选的，所述第一溶液为碱性溶液，pH值大于等于8。

优选的，所述活化处理方法为：研磨台旋转速度小于20转/分钟，活化时间大于30秒，第一溶液流量大于300毫升/分钟。

优选的，所述研磨台旋转速度为15转/分钟，润湿时间为50秒，第一溶液流量为400毫升/分钟。

优选的，在将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨后，还包括步骤：用第二溶液对固结磨料研磨垫进行清洗处理。

优选的，所述第二溶液为阳离子表面活性剂溶液，浓度为重量百分比0.5～10％。

优选的，所述阳离子表面活性剂为季铵盐。

优选的，所述第二溶液为碱性溶液，pH值大于等于8。

优选的，所述清洗处理方法为：研磨台旋转速度小于20转/分钟，清洗时间大于60秒，第二溶液流量大于300毫升/分钟。

优选的，所述研磨台旋转速度为10转/分钟，清洗时间为80秒，第二溶液流量为400毫升/分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过在研磨前，先用第一溶液对固结磨料研磨垫进行活化处理，使固结磨料研磨垫表面具有很好的亲水性，研磨剂能够均匀分布在固结磨料研磨垫表面上；然后开始研磨晶圆；达到提高晶圆表面研磨速率的均衡性的目的。

进一步，研磨结束后，利用第二溶液清洗固结磨料研磨垫表面，所述第二溶液能够改善固结磨料研磨垫表面的亲水性，对研磨中产生、附着在固结磨料研磨垫表面上的杂质具有良好的清洗效果，提高了后续晶圆的研磨质量，从而提高晶圆的研磨良率和效率。

附图说明

图1是现有固结磨料研磨法的示意图；

图2是现有固结磨料研磨法中研磨速率在晶圆表面的分布曲线图；

图3是本发明半导体研磨方法的具体实施例流程图；

图4是固结磨料研磨垫结构剖面示意图。

具体实施方式

本发明人发现现有固结磨料研磨法中，研磨速率在晶圆表面分布的不均衡性是由于研磨过程中，研磨剂不能够均匀分布在晶圆表面引起的。这是因为：固结磨料研磨垫与晶圆接触的磨料层是由有机聚合物(organic polymer)和研磨颗粒，比如二氧化铈(ceria)，混合压制而成，使得固结磨料研磨垫表面具有较强的疏水性；而固结磨料研磨法使用的研磨剂为水溶液，无法很好地润湿疏水性的固结磨料研磨垫表面，不能均匀分布在整个固结磨料研磨垫表面上，使得研磨时，晶圆表面与固结磨料研磨垫接触后，晶圆表面的中心和四周区域研磨剂较少，导致晶圆表面的中心和四周区域研磨速率比其他区域快，无法获得平整的研磨表面。进一步，在研磨结束后，由于固结磨料研磨垫表面的疏水性也使得研磨过程产生的杂质很难用去离子水清洗去除，影响了下一晶圆的研磨。因此，现有的研磨法对晶圆的生产良率和效率产生不利的影响。

发明人针对上述问题，经过不断研究分析，提出一种解决方案，具体为：提供固结磨料研磨垫，所述固结磨料研磨垫放置在研磨台上；用第一溶液对所述固结磨料研磨垫进行活化处理，使固结磨料研磨垫表面具有亲水性；将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨。本发明的半导体研磨方法，在进行晶圆研磨之前，先用第一溶液活化固结磨料研磨垫表面，改善固结磨料研磨垫表面的亲水性，使得后续研磨时，添加的研磨剂能够均匀分布在固结磨料研磨垫表面上，保证晶圆表面与固结磨料研磨垫接触后，研磨剂均匀分布在整个晶圆表面，提高晶圆表面研磨速率的均衡性。

进一步，研磨结束后，用第二溶液对固结磨料研磨垫进行清洗处理，所述第二溶液能够改善固结磨料研磨垫表面的亲水性，使得研磨过程中残留在固结磨料研磨垫上的杂质可以被完全清洗去除，避免影响下一晶圆的研磨。

图3为本发明半导体研磨方法的具体实施例流程图。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

步骤S11，提供固结磨料研磨垫，所述固结磨料研磨垫放置在研磨台上。

图1是现有固结磨料研磨法的示意图。结合图1，通过输入滚筒1051和输出滚筒1052配合滚动，将所述固结磨料研磨垫102送入到研磨台101上，并展开固定在研磨台101上。在研磨过程中，输入滚筒1051和输出滚筒1052不滚动，固结磨料研磨垫102相对研磨台101静止；研磨结束后，输入滚筒1051和输出滚筒1052滚动，使固结磨料研磨垫102相对研磨台101移动一小段距离，以便进行后续晶圆研磨；所述固结磨料研磨垫102固定在与研磨台101相同的底座(未示出)上，二者相对静止。

图4是固结磨料研磨垫结构剖面示意图。结合图4，所述固结磨料研磨垫102由表面的磨料层1022和基底的刚性层1021构成，所述磨料层1022由研磨颗粒和有机聚合物混合压制而成。常用的研磨颗粒有二氧化硅、二氧化铈、三氧化二铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆、金刚石等固体颗粒；所述有机聚合物将研磨颗粒粘结在一起，并固定粘结在刚性层1021上，比如选用聚丙烯酸酯类聚合物。所述磨料层1022表面压制成规则的凹凸形状，比如六棱状、圆柱状，以起到研磨作用。所述固结磨料研磨垫102可以由磨料层1022和多层其他材料构成。

步骤S12，用第一溶液对所述固结磨料研磨垫进行活化处理，使固结磨料研磨垫表面具有亲水性。

本实施例中，所述第一溶液由表面活性剂和去离子水混合形成，浓度为重量百分比0.5～10％，优选为2％；溶液呈碱性，pH值大于等于8，优选9；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，优选季铵盐。例如，作为一实例，第一溶液选用季铵盐作为表面活性剂，浓度为2％，pH值为9。

所述表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为亲油基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而亲油基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。经过表面活性剂活化处理后，固结磨料研磨垫表面变得很容易被水溶液润湿。

考虑到半导体制造工艺所要求的洁净度以及固结磨料研磨法中所用的研磨剂大都呈碱性，本实施例中，所述表面活性剂选用能够在碱性溶液中稳定存在的阳离子表面活性剂。所述阳离子表面活性剂，是其分子溶于水发生电离后，与亲油基相连的亲水基是带阳电荷的面活性剂；亲油基一般是长碳链烃基，亲水基为含氮原子的阳离子，根据氮原子在分子中的位置不同分为胺盐、季铵盐和杂环型三类，本实施例中，优选季铵盐。

本实施例中，用第一溶液对固结磨料研磨垫进行活化处理的参数为：研磨台转速小于20转/分钟，活化时间大于30秒，第一溶液流量大于300毫升/分钟，优选的，磨盘旋转速度为15转/分钟，活化时间为50秒，第一溶液流量为400毫升/分钟。作为本发明的一实例，所述磨盘旋转速度为15转/分钟，活化时间为50秒，第一溶液流量为400毫升/分钟。所述第一溶液的流量配合研磨台的转速，使第一溶液能够覆盖研磨台上的固结磨料研磨垫的整个表面，所述活化时间确保固结磨料研磨垫表面被完全活化，形成亲水性表面。

步骤S13，将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨。

在研磨过程中，所述固结磨料研磨垫表面用研磨剂润湿。由于在步骤S12中，已经用第一溶液处理固结磨料研磨垫表面，使其具有亲水性，因此在步骤S13中，研磨剂可以均匀分布在固结磨料研磨垫表面。继续参考图1，研磨过程具体为：首先，将晶圆103吸附固定在研磨设备的研磨头104上，使晶圆的待研磨面朝向固结磨料研磨垫102表面；通过输送管(未示出)将研磨剂输送到固结磨料研磨垫102上，并润湿固结磨料研磨垫102整个表面；将晶圆103的待研磨面与固结磨料研磨垫102表面接触；然后通过控制装置，驱动研磨设备工作。具体是，通过研磨头104对晶圆103施加一个向下的压力，并使其按一定的速度旋转；同时，驱动与研磨台101相连接的转轴100转动，带动研磨台101和固结磨料研磨垫102一起按预定速度旋转；晶圆103和固结磨料研磨垫102二者形成相对运动，使晶圆103表面按预期速度研磨。

本实施例中，由于第一溶液对固结磨料研磨垫表面进行活化处理，改善固结磨料研磨垫表面的亲水性，使后续添加的研磨剂水溶液能够均匀分布在固结磨料研磨垫表面，保证晶圆表面研磨速率的均衡性，提高晶圆的研磨质量。

步骤S14，用第二溶液对所述固结磨料研磨垫进行清洗处理。

结合图1，由于在研磨过程中，晶圆103与固结磨料研磨垫102的接触面会产生许多游离的研磨颗粒，外界也会带入一些其他杂质，这些杂质形成晶圆103表面和固结磨料研磨垫102表面的残留物，因此在晶圆研磨结束时，需要用去离子水清洗晶圆103表面和固结磨料研磨垫102表面，去除这些残留物。但由于固结磨料研磨垫102表面具有疏水性，去离子水不容易润湿，因此，很难完全去除固结磨料研磨垫102表面的残留物。本实施例中，采用第二溶液清洗固结磨料研磨垫102表面，可以将这些残留物去除干净。

本实施例中，所述第二溶液由表面活性剂与去离子水混合形成，呈碱性，pH值大于等于8，优选为9；所述第二溶液浓度为重量百分比0.5～10％，优选为3％；所述表面活性剂能够在碱性环境中稳定存在。本实施例中，表面活性剂选用阳离子表面活性剂，比如季铵盐。例如，作为一实例，第二溶液选用季铵盐作为表面活性剂，浓度为3％，pH值为9。由于所述第二溶液能够将固结磨料研磨垫102表面活化成亲水性表面，使得清洗固结磨料研磨垫102变得容易。

本实施例中，所述第二溶液对固结磨料研磨垫102的清洗处理参数为：研磨台101转速小于20转/分钟，清洗时间大于60秒，第二溶液流量大于300毫升/分钟，优选的，研磨台101旋转速度为10转/分钟，清洗时间为80秒，第二溶液流量为400毫升/分钟。作为一实例，所述研磨台101旋转速度为10转/分钟，清洗时间为80秒，第二溶液流量为400毫升/分钟。所述研磨台101转速配合第二溶液流量和清洗时间，能够充分去除研磨过程产生的残留在固结磨料研磨垫102上杂质，确保进行下一晶圆研磨前，固结磨料研磨垫102上表面干净，防止影响下一晶圆的研磨效果。

本实施例中，第二溶液不仅起到改善固结磨料研磨垫102表面的亲水性，还起到了清洗去除固结磨料研磨垫102表面残留杂质的作用。对于步骤S14，也可以先用第二溶液活化固结磨料研磨垫102表面，改善亲水性后，再用去离子水清洗固结磨料研磨垫102表面残留的杂质，同样可以清洗干净固结磨料研磨垫102。

本发明提供的半导体研磨方法，在晶圆研磨之前，先用第一溶液对固结磨料研磨垫表面进行活化处理，改善固结磨料研磨垫表面的亲水性，使后续添加的研磨剂水溶液能够均匀分布在固结磨料研磨垫表面，避免了晶圆与固结磨料研磨垫接触研磨时，因研磨剂分布不均匀而引起晶圆表面的研磨速率不均衡，造成晶圆表面研磨不平整。同时，在研磨结束后，用对固结磨料研磨垫表面具有活化作用的第二溶液清洗，可以解决因固结磨料研磨垫表面具有疏水性而无法用去离子水清洗干净的问题，防止固结磨料研磨垫表面因残留杂质影响后续晶圆的研磨。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种半导体研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供固结磨料研磨垫，所述固结磨料研磨垫放置在研磨台上；

用第一溶液对所述固结磨料研磨垫进行活化处理，使固结磨料研磨垫表面具有亲水性；

将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一溶液为阳离子表面活性剂溶液，浓度为重量百分比0.5～10％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一溶液阳离子表面活性剂为季铵盐。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一溶液为碱性溶液，pH值大于等于8。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活化处理方法为：研磨台旋转速度小于20转/分钟，活化时间大于30秒，第一溶液流量大于300毫升/分钟。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨台旋转速度为15转/分钟，润湿时间为50秒，第一溶液流量为400毫升/分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将晶圆放置于固结磨料研磨垫上进行研磨结束后，还包括步骤：用第二溶液对固结磨料研磨垫进行清洗处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二溶液为阳离子表面活性剂溶液，浓度为重量百分比0.5～10％。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阳离子表面活性剂为季铵盐。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二溶液为碱性溶液，pH值大于等于8。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述清洗处理方法为：研磨台旋转速度小于20转/分钟，清洗时间大于60秒，第二溶液流量大于300毫升/分钟。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述研磨台旋转速度为10转/分钟，清洗时间为80秒，第二溶液流量为400毫升/分钟。