CN103128650A - 一种化学机械研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学机械研磨方法，其特征在于，所述方法包括：对介质层执行第一阶段化学机械研磨以使其初步平坦化；在初步平坦化的介质层表面沉积修补层；以及对所述修补层执行第二阶段化学机械研磨以将所述修补层的高于所述介质层表面的部分去除。本发明所提供的方法消耗小，流程短，效率高并且具有很强的操作性。通过采用本发明的方法可以大大减少由一般的化学机械研磨所造成的凹陷，有效避免了半导体器件的电路失效，从而减少晶片报废的情况并且大大提高产品的良率。

Description

一种化学机械研磨方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制作工艺，更具体地涉及一种化学机械研磨（CMP）方法。
背景技术
当今电子元器件的集成度越来越高，例如奔腾IV就集成了四千多万个晶体管，要使这些晶体管能够正常工作，就要对每一个晶体管施加一定的电压或电流，而这就需要通过引线来将如此多的晶体管连接起来。然而，要将这么多晶体管连接起来，平面布线是不可能的，只能够采用立体布线或者多层布线。在制造这些连线的过程中，层与层之间会变得不平以至不能多层迭加。因此，平坦化是半导体器件制作过程中很重要的一个步骤。
目前在半导体器件制作工艺中，广泛使用化学机械研磨（CMP, Chemical Mechanical Polishing）来进行平坦化处理，其利用具有腐蚀作用的研磨剂和研磨垫配合机械研磨动作来磨平多层架构半导体器件中各层表面多余的任何材料（例如氧化物介电层、阻挡层等等），从而实现全面平坦化，减少设计布局限制，提升配线密度。一般而言，研磨装置包括研磨台（其上铺有研磨垫）和研磨头，半导体晶片被固定在研磨头上，研磨垫面对要抛光的半导体晶片。在研磨半导体晶片时，研磨垫在具有研磨粒子的研磨液的存在下，以一定压力接触和研磨半导体晶片，从而使其表面趋于平整。
就半导体器件的整个制作过程而言，在例如化学机械研磨的平坦化工艺之前一般先执行薄膜沉积工艺。然而，目前的工艺较容易在所沉积的薄膜中夹杂可能呈凸出状态的颗粒状物质，而若这样的颗粒在后续的化学机械研磨过程中被整体移除，则将不可避免地在该层表面产生凹陷。在图1中示意性地示出了这种凹陷，由标号10指示。在后续的工艺中，这些凹陷将被其他物质填充，进而影响电路正常工作，这是目前在半导体器件制作工艺中非常致命的问题。
目前，在遇到产生凹陷的情况下，主要有两种处理方法：一种是直接放行，这将以损失良率为代价；另一种是将晶片直接报废，这是非常不经济的做法。由此，所希望的是尽量避免这种凹陷的产生。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于通过改进化学机械研磨的工艺过程来有效地减少所述凹陷的产生，从而大大提高产品的良率。
为实现上述目的，本发明提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：对介质层执行第一阶段化学机械研磨以使其初步平坦化；在初步平坦化的介质层表面沉积修补层；以及对所述修补层执行第二阶段化学机械研磨以将所述修补层的高于所述介质层表面的部分去除。
优选地，在所述第二阶段化学机械研磨期间通过控制研磨时间而以预先设置的研磨速率将所述修补层的高于所述介质层表面的部分去除。
优选地，所述修补层的高于所述介质层表面的部分的厚度在3000Å ~ 5000Å之间。
优选地，在所述第一和第二阶段化学机械研磨均包含主研磨步骤以及边缘研磨步骤，并且在所述第一和第二阶段的化学机械研磨期间设置相同的研磨平台转速、研磨头转速、卡环压力、膜片压力以及内部胎管压力。
优选地，在所述主研磨步骤中，所述研磨平台转速被设置为大约93转/分钟，所述研磨头转速被设置为大约87转/分钟，所述卡环压力被设置在5.22~6.38磅/平方英寸范围内，所述膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，所述内部胎管压力被设置在4.05~4.95磅/平方英寸范围内；并且在所述边缘研磨步骤中，所述研磨平台转速被设置为大约93转/分钟，所述研磨头转速被设置为大约87转/分钟，所述卡环压力被设置在2.7~3.3磅/平方英寸范围内，所述膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，所述内部胎管压力被设置在0.9~1.1磅/平方英寸范围内。
优选地，修补层由与所述介质层相同的材料构成。
在本发明的一些实施例中，所述介质层为金属前介质层（PMD层）。
在本发明的一些实施例中，所述介质层为二氧化硅层。
优选地，通过沉积正硅酸乙酯TEOS与氧气反应所生成的二氧化硅来生成所述修补层。
在本发明的一些实施例中，采用离子增强型化学气相沉积PECVD工艺来沉积所述修补层。
在本发明的另一些实施例中，采用高密度等离子化学气相沉积HDPCVD工艺来沉积所述修补层。
本发明所提供的方法消耗小，流程短，效率高并且具有很强的操作性。通过采用本发明的方法可以大大减少由一般的化学机械研磨所造成的凹陷，有效避免了半导体器件的电路失效，从而减少晶片报废的情况并且大大提高产品的良率。
附图说明
以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
其中：图1示意性地示出了由CMP过程所造成的凹陷。
图2a和2b示意性地示出了常用的CMP装置的基本结构。
图3示出了根据本发明的CMP方法的流程图。
图4示意性地示出了使用本发明所提供的CMP方法得到的介质层表面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，以下结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。需要说明的是，附图中的各结构只是示意性的而不是限定性的，以使本领域普通技术人员能够最佳地理解本发明的原理，其不一定按比例绘制。
在图2a中示出了常用的CMP装置的基本结构。该CMP装置主要包括研磨平台（platen）10、置于研磨平台上面并可与其同步转动的研磨垫（polishing pad）20、研磨头（polishing head）30、浆料传送装置（Slurry delivery）90。浆料传送装置90用以供应研磨浆料91至研磨垫20，晶片40被定于固定于研磨头30上，其置于研磨头30与研磨垫20之间；研磨头30向晶片40施加一定下压力（downforce），并相对研磨垫转动和摆动（sweep），从而实现CMP过程。
图2b所示为研磨头的基本结构示意图。通常地，研磨头包括卡环（Retaining Ring，以下简称“RR”）、膜片（Membrane，以下简称“MM”）以及内部胎管（Inner Tube，以下简称“IT”）。在图2b所示实施例的研磨头结构中，RR 31用于在研磨过程中定位固定晶片40，其通过加压气室311向RR 31施加压力，该压力的控制通过第三导气管343所连接的气体压力控制装置实现；MM 32用于直接承载晶片40并向晶片40提供下压力以控制研磨速率，其通过加压气室321向MM 32施加压力、再传递给晶片40，该压力的控制通过第二导气管342所连接的气体压力控制装置实现；IT 33用于检测晶片40是否定位并结合MM所施加的压力来控制对晶片40的下压力的均匀性。在CMP的过程中，晶片40置于MM 32与研磨垫20之间，通过控制RR 31、MM 32、IT 33的压力参数来实现各个步骤的研磨过程。
如在背景技术中所提到的那样，利用这样的典型的CMP装置在执行CMP制程之后将不可避免地在其所处理的层表面产生凹陷，而本发明所提供的方法将在不改变现有装置结构的基础上充分利用CMP工艺的特点高效快捷地所述凹陷。以下结合图3来具体描述本发明所提供的CMP方法。
如图3所示，首先在步骤S110中执行第一阶段CMP。该第一阶段CMP大体上与现有技术中的CMP制程相似，其一般可以包括研磨前的准备步骤、主研磨步骤以及边缘研磨步骤。
在研磨前的准备步骤中，一般首先需要将待研磨的晶片装入研磨头中，使待磨面可操作地与研磨垫相接触。然后，研磨头开始做准备研磨的动作，同时研磨平台可以按预定速率开始转动，浆料传送装置也可开始按预定流量开始输送浆料。
在主研磨步骤中，主要对晶片的中央部分进行研磨。在施加下压力时，其主要施加于研磨头的中央部分，从而晶片的中央部分与研磨垫之间的压力相对较大。在研磨的过程中，中央部分研磨速率相对较快，边缘部分相对很慢。研磨头可以正弦曲线轨迹在研磨垫上摆动运动，同时研磨头在研磨垫上高速旋转，旋转运动和正弦曲线轨迹摆动运动两个动作同时进行。一般可以通过时间终止法、终止点检测法等来终止该主研磨过程。
边缘研磨步骤与主研磨步骤类似。区别主要在于，在边缘研磨步骤中，主要对晶圆的边缘部分进行研磨，在施加下压力时，其主要施加于研磨头的边缘，从而晶圆的边缘部分与研磨垫之间的压力相对较大。在边缘研磨终止时，晶片的研磨表面大体上可以达到预定的平面度要求。
需要理解的是，本领域技术人员了解基本的CMP制程的各个细节步骤，在这里将不做一一详述。
接着，在步骤S120中，在经过第一阶段CMP的介质层表面上沉积修补层。
在实践中，该修补层优选地可以由与介质层相同的材料构成，这样由第一阶段CMP所产生的凹陷将被填充以与该介质层本身相同的材料，但这不一定是必须的。下面以由二氧化硅构成的金属前介质层（PMD层）为例来说明沉积该修补层的优选实施例。
在介质层为二氧化硅层的情况下，可以通过沉积正硅酸乙酯TEOS与氧气反应所生成的二氧化硅来生成所述修补层。正硅酸乙酯又称四乙氧基硅品，英文缩写为TEOS，分子式可写作Si(OC2H5)4，一般可以通过低压热解正硅酸乙脂而在中温下淀积二氧化硅层间介质层，该方法具有较好的膜厚均匀性与重复性并且成本较低。该方法通常配合离子增强型化学气相沉积PECVD工艺来进行，PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD的各种工艺条件非常适于用TEOS来沉积二氧化硅的制程。另外，也可以通过高密度等离子化学气相沉积HDPCVD工艺用TEOS来沉积作为修补层的二氧化硅。
对于二氧化硅介质层而言，采用TEOS+PECVD/HDPCVD的方案非常有利于对凹陷的填补，其原因在于该二氧化硅沉积过程具有很好的流动性和台阶覆盖能力(step coverage)。
在这里仅是处于示例的目的描述了对于二氧化硅介质层的修补层的选料及制作过程，但这不是限定性的。对于二氧化硅介质层而言，也可以采用本领域中沉积介质层材料的其他工艺来制作该修补层。另外，对于除二氧化硅以外的其他材料的介质层，也可以在相似的概念下利用本领域中已有的各种技术来沉积相应的修补层。
在步骤S12中所沉积的修补层的高于介质层表面的部分的厚度可以被控制在3000Å ~ 5000Å之间，以有助于充分填充凹陷，但又不会导致费时费力的后续步骤。
进一步地，在步骤S130中对所沉积的修补层执行第二阶段CMP。该第二阶段CMP的目的在于去除为填充凹陷而额外沉积的介质层材料，以露出介质层本身的表面。由于CMP能够在去除冗余沉积的同时使留下的表面保持平整，因此只有高出所要的介质层表面的部分将会被去除，而其表面上的凹陷将被充分填平。
如在步骤S120中所提到的那样，优选地沉积与介质层相同的材料作为修补层。在这种情况下，优选地可以采用时间终止法在步骤S130中结束该第二阶段CMP。也就是说，在预先设定CMP研磨速率的情况下，根据修补层的高于介质层的部分的厚度，也就是需要被去除的部分的厚度确定研磨时间。然后，通过CMP装置中的工艺控制模块计数该研磨时间来控制其终止。应理解的是，也可以采用本领域中所已知的其他方法实现该第二阶段CMP的终止。
该第二阶段CMP可以采用与执行第一阶段CMP时所使用的完全相同的装置，并且优选地其可以包括与之前的CMP过程完全相同的步骤以及参数设置，包括研磨平台转速、研磨头转速、卡环压力、膜片压力以及内部胎管压力等等。根据本发明的一个实施例，可以在主研磨步骤和边缘研磨步骤中将研磨平台转速均保持为大约93转/分钟，而将研磨头转速保持为大约87转/分钟，浆料流量可以被设置为大约120毫升/分钟。相对地，卡环压力、膜片压力以及内部胎管压力在主研磨和边缘研磨步骤中分别被设置在不同的范围中。例如在主研磨步骤中，卡环压力被设置在5.22~6.38磅/平方英寸范围内，膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，内部胎管压力被设置在4.05~4.95磅/平方英寸范围内。在边缘研磨步骤中，则卡环压力被设置在2.7~3.3磅/平方英寸范围内，膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，内部胎管压力被设置在0.9~1.1磅/平方英寸范围内。
由此，对于本发明方法中所包括的前后两个阶段的CMP过程可以采用完全相同的设备和工艺条件，因此不需要增加过多额外的人力物力投入，具有很高的经济效率。
图4示意性地示出了使用本发明所提供的CMP方法得到的介质层表面。对比于图1所示的情况，可以看到经过本发明所提供的包含两个阶段的CMP方法所获得的介质表面已经看不到明显的凹陷。
以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (11)

1. 一种化学机械研磨方法，其特征在于，所述方法包括：
对介质层执行第一阶段化学机械研磨以使其初步平坦化；
在初步平坦化的介质层表面沉积修补层；以及
对所述修补层执行第二阶段化学机械研磨以将所述修补层的高于所述介质层表面的部分去除。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中在所述第二阶段化学机械研磨期间通过控制研磨时间而以预先设置的研磨速率将所述修补层的高于所述介质层表面的部分去除。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述修补层的高于所述介质层表面的部分的厚度在3000Å ~ 5000Å之间。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中在所述第一和第二阶段化学机械研磨均包含主研磨步骤以及边缘研磨步骤，并且在所述第一和第二阶段的化学机械研磨期间设置相同的研磨平台转速、研磨头转速、卡环压力、膜片压力以及内部胎管压力。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中在所述主研磨步骤中，所述研磨平台转速被设置为大约93转/分钟，所述研磨头转速被设置为大约87转/分钟，所述卡环压力被设置在5.22~6.38磅/平方英寸范围内，所述膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，所述内部胎管压力被设置在4.05~4.95磅/平方英寸范围内；并且
在所述边缘研磨步骤中，所述研磨平台转速被设置为大约93转/分钟，所述研磨头转速被设置为大约87转/分钟，所述卡环压力被设置在2.7~3.3磅/平方英寸范围内，所述膜片压力被设置在5.4~6.6磅/平方英寸范围内，所述内部胎管压力被设置在0.9~1.1磅/平方英寸范围内。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修补层由与所述介质层相同的材料构成。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质层为金属前介质层（PMD层）。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述介质层为二氧化硅层。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中通过沉积正硅酸乙酯TEOS与氧气反应所生成的二氧化硅来生成所述修补层。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中采用离子增强型化学气相沉积PECVD工艺来沉积所述修补层。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中采用高密度等离子化学气相沉积HDPCVD工艺来沉积所述修补层。
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