CN108262684B - 一种化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨方法。所述方法包括：提供待研磨的半导体晶圆；以及对所述半导体晶圆执行化学机械研磨，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆。根据本发明的化学机械研磨方法，在化学机械研磨工艺中，通过将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，可有效减小研磨垫对半导体边缘包覆，减少研磨过程中半导体晶圆边缘的过度研磨，从而减少半导体晶圆研磨后中部和边缘的研磨厚度差异，有效提升半导体晶圆的研磨均匀性，改善半导体晶圆的研磨质量。

Description

一种化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体而言涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术

随着集成电路制造过程中特征尺寸的缩小和金属互连的增加，以及对晶圆表面平整度的要求越来越高，采用化学机械研磨对半导体晶圆进行减薄和实现半导体晶圆表面的平坦化成为半导体工艺中常用的工艺。

对半导体晶圆进行化学机械研磨，就是利用机械力对半导体晶圆表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，在相应化学腐蚀试剂的作用下，使晶圆减薄并平坦化的过程。一般的，在化学机械研磨中，化学机械研磨装置固定半导体晶圆，并将晶圆的待研磨表面与研磨垫全面接触并在两者之间产生一定的作用力，同时研磨垫与半导体晶圆相对运动，从而对半导体晶圆进行研磨。所述研磨垫可以为置于半导体晶圆上方的研磨垫，也可以是置于半导体晶圆下方的研磨垫。示例性的，化学机械研磨装置中，采用压盘吸附研磨垫置于待研磨的半导体晶圆待研磨表面上方，采用卡盘吸附半导体晶圆固定于研磨垫下方，研磨过程中，将研磨垫向下接触待研磨晶圆待研磨表面并对待研磨晶圆施加向下的压力。然而，在实际生产中往往存在研磨垫对半导体晶圆边缘的过度研磨，导致研磨后半导体晶圆整片厚度分布不均匀。

如何在化学机械研磨中，减少研磨垫对半导体晶圆边缘的过度研磨，提高半导体晶圆边缘的研磨质量，提升化学机械研磨的均匀性，是半导体制造厂商所长期关心与重视的问题。

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。

本发明提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：

提供待研磨的半导体晶圆；以及

对所述半导体晶圆执行化学机械研磨，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆。

示例性地，还包括在所述研磨过程中采用去离子水对所述半导体晶圆与安装所述半导体晶圆的卡盘的接触界面进行实时清洗。

示例性地，将所述研磨垫边缘位置设定在距所述半导体晶圆边缘0～2mm位置。

示例性地，将所述研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的同时，设定研磨浆流速，以调整研磨速率。

示例性地，所述研磨垫边缘与所述半导体晶圆边缘之间的距离越小，设定所述研磨浆流速越大。

示例性地，在对所述半导体晶圆执行化学机械研磨之前还包括去除所述待研磨的半导体晶圆的具有倾斜表面的边缘部分的步骤。

示例性地，对所述待研磨的半导体晶圆进行边缘修剪工艺以去除所述具有倾斜表面的边缘部分。

示例性地，所述半导体晶圆为键合晶圆。

综上所述，根据本发明所描述的化学机械研磨方法，可减少研磨过程中半导体晶圆边缘的过度研磨，从而减少半导体晶圆研磨后中部和边缘的研磨厚度差异，有效提升半导体晶圆的研磨均匀性，改善半导体晶圆的研磨质量。

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1A～1D为现有技术中涉及化学机械研磨中研磨垫和半导体晶圆相对位置示意图，以及研磨垫对半导体晶圆边缘形成的包覆示意图；

图2A～2C为现有技术中涉及化学机械研磨中卡盘与晶圆接触界面间存在杂质造成研磨垫对半导体晶圆边缘过度研磨示意图；

图3A～3D为现有技术中涉及键合晶圆的研磨过程的各步骤的键合晶圆的结构示意图；

图4A～4B为本发明一个实施例中半导体晶圆的结构示意图；

图4C为本发明的一个实施例中研磨垫和待研磨晶圆的相对位置水平示意图；

图4D为本发明的一个实施例中研磨垫和待研磨晶圆的相对位置截面示意图；

图4E为本发明的一个实施例中去离子水喷头与半导体晶圆的相对位置示意图；

图5A～5B为现有技术中化学机械研磨后半导体晶圆均匀性数据与根据本发明的方法进行化学机械研磨后半导体晶圆均匀性数据对比效果图。

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描述，以说明本发明所述化学机械研磨方法。显然，本发明的施行并不限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。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，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。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

下面将以键合晶圆的化学机械研磨为具体实施例来解释本发明所涉及的原理。实施例以键合晶圆的化学机械研磨为示例，其并不是要对本发明的技术方案进行限定，显然本发明的技术方案还可以应用于其它半导体晶圆需要进行化学机械研磨的工艺中。

在半导体晶圆的化学机械研磨中往往存在研磨垫对半导体晶圆边缘的过渡研磨，导致研磨后半导体晶圆整片厚度分布不均匀。如图1A和1B，示出了研磨过程中研磨垫和研磨晶圆相对位置平面示意图和侧面剖视图。研磨垫100置于半导体晶圆101的待研磨表面的上方，与待晶圆待研磨表面接触并对其施加有向下的压力P。在不接触的过程中，研磨垫和半导体晶圆待研磨表面相对平行，如图1C所示，研磨垫100与半导体晶圆101的表面相对平行。在化学机械研磨过程中，设定研磨垫边缘与半导体晶圆边缘距离较远的情况下，如设定两者边缘距离50mm位置，当研磨垫与半导体晶圆接触并向其施加压力的过程中，由于研磨垫为软性材质，其对半导体晶圆边缘有一个包覆，如图1D所示，研磨垫100对半导体晶圆100的边缘有一个包覆，导致研磨后半导体晶圆边缘较中部研磨得多，从而导致边缘偏薄。同时，在化学机械研磨中往往导致卡盘与晶圆之间的边缘接触界面存在研磨过程中产生的杂质，从而导致对晶圆的吸附过程中，形成晶圆边缘凸起，如图2A所示，卡盘201的边缘在研磨过程中引入杂质204导致对半导体晶圆边缘堆起，其中半导体晶圆由支撑晶圆和器件晶圆203键合而成，在研磨后中，器件晶圆203边缘因边缘存在凸起，导致表面平坦化后，器件晶圆边缘被研磨得多，而中间被研磨得少，因此形成器件晶圆边缘厚度较中部偏薄。如图2C所示，因卡盘边缘堆起，导致器件晶圆203边缘厚度d1较中心部分厚度d2小。

在键合晶圆的化学机械研磨工艺中，常将器件晶圆正面和支撑晶圆进行键合后，再将器件晶圆背面研磨至厚度约20μm或者更薄。由于晶圆边缘存在一个斜面，常常造成研磨后，边缘斜面由于研磨导致斜面处较中部显著偏薄，且容易发生应力集中，一方面影响晶圆边缘附近的器件，另一方面容易发生边缘碎裂。如图3A～3B示出了器件键合晶圆在研磨过程中由于器件晶圆边缘存在的边缘斜面导致器件晶圆边缘碎裂过程的示意图。键合晶圆300由器件晶圆302和支撑晶圆301键合形成，如图3A所示。经过化学机械研磨后，器件晶圆302边缘斜面变薄，导致边缘容易碎裂，如图3B所示。

为此，在键合晶圆的研磨过程中，常采用对器件晶圆边缘进行处理以去除待研磨的器件晶圆的具有倾斜表面的边缘部分。如图3A、图3C和图3D示出了键合晶圆在采用边缘处理去除待研磨的器件晶圆的具有倾斜表面的边缘部分后研磨过程中的各步骤中结构示意图。首先，将器件晶圆302与支撑晶圆301键合，形成键合晶圆，如图3A所示；接着，对器件晶圆302对器件晶圆边缘进行处理以去除待研磨的器件晶圆的具有倾斜表面的边缘部分，形成如图3C所示的键合晶圆结构；最后，对键合晶圆进行研磨，形成如图3D所示的研磨后的键合晶圆结构。然而，在研磨过程中无法避免研磨垫对器件晶圆边缘的包覆，以及研磨过程中的晶圆边缘的堆起，即使在对器件晶圆边缘进行处理除去具有倾斜表面的边缘部分后，仍形成研磨后器件晶圆边缘较中部偏薄2～3μm。由于研磨垫对器件晶圆边缘的包覆或晶圆吸附过程中边缘堆起，形成研磨后器件晶圆边缘斜面或偏薄，使得背研磨后的其他工艺(如刻蚀工艺)均匀性的得不到控制。

为此，有必要引入新的研磨工艺改善研磨过程中晶圆边缘的研磨缺陷。

本发明提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：

提供待研磨的半导体晶圆；以及

对所述半导体晶圆执行化学机械研磨，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆。

根据本发明所描述的化学机械研磨方法，可减少研磨过程中半导体晶圆边缘的过度研磨，从而减少半导体晶圆研磨后中部和边缘的研磨厚度差异，有效提升半导体晶圆的研磨均匀性，改善半导体晶圆的研磨质量。

下面参考图4A～4D来描述本发明的一个实施例提出的一种化学机械研磨方法，其中，图4A～4B为本发明一个实施例中半导体晶圆的结构示意图。图4C为本发明的一个实施例中研磨垫和待研磨晶圆的相对位置水平示意图，图4D为本发明的一个实施例中研磨垫和待研磨晶圆的相对位置截面示意图，图4E为本发明的一个实施例中去离子水喷头与半导体晶圆的相对位置示意图。

首先，提供半导体晶圆。

示例性的所示半导体晶圆可以包括任何半导体材料，也可是半导体材料与支撑晶圆键合而成的键合晶圆。如图4A，示出了本发明的一个实施例中的半导体晶圆的结构，所述半导体晶圆300由支撑晶圆302和器件晶圆301键合形成。需要理解的是，本实施例以键合晶圆的化学机械研磨为实施例并不是要对本发明进行限定，任何半导体工艺中需要进行化学机械研磨的晶圆都可以应用于本发明。

进一步，所述半导体材料可包括但不限于：Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GeAs、InAs、InP、NDC(Nitrogen dopped Si1icon Carbite，氮掺杂的碳化硅)，以及其它Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。所述支撑晶圆可是是硅、玻璃等半导体工业中常用的键合晶圆。在本发明的一个实施例中，半导体晶圆400为Si晶圆401与支撑晶圆玻璃402键合而成的键合晶圆。

接着，对所述半导体晶圆进行边缘处理，以去除所述待研磨晶圆的具有倾斜表面的边缘部分。

如图4B，示出了对键合晶圆进行边缘处理，去除了所述待研磨晶圆的具有倾斜表面的边缘部分后的示意图。对键合晶圆进行边缘处理，去除待研磨器件晶圆401边缘部分后，有效减少边缘斜面由于研磨导致斜面处较中部显著偏薄的现象，防止研磨后器件晶圆边缘偏薄对边缘附近器件的影响，同时进一步减少研磨后边缘碎裂的发生。

示例性的，所述对器件晶圆边缘进行处理，以去除所述待研磨的半导体晶圆的具有倾斜表面的边缘部分的方法采用边缘修剪工艺。所述边缘修剪工艺可以是半导体工艺中任意切除晶圆边缘的方法，如，激光切割，等离子体去除等方法。所述方法为本领域技术人员所通用的方法，在此不再赘述。

接着，对所述半导体晶圆执行化学机械研磨，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆。

对半导体晶圆进行化学机械研磨，就是利用机械力对半导体晶圆表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，在相应化学腐蚀试剂的作用下，使晶圆减薄并平坦化的过程。一般的，在化学机械研磨中，化学机械研磨装置固定半导体晶圆，并将晶圆的待研磨表面与研磨垫全面接触并在两者之间产生一定的作用力，同时研磨垫与半导体晶圆相对运动，从而对半导体晶圆进行研磨。所述研磨垫可以为置于半导体晶圆上方的研磨垫，也可以是置于半导体晶圆下方的研磨垫。本实施例中，仍采用研磨垫置于半导体晶圆上方的方式对本发明进行说明，具体的，压盘吸附研磨垫置于半导体晶圆待研磨表面上方，采用卡盘吸附半导体晶圆固定于研磨垫下方的研磨。需要理解的是，本实施例以研磨垫在半导体晶圆上方为实施例进行说明并不是要对本发明进行限定，任何研磨方式，如研磨垫置于半导体晶圆下方的研磨方式，也适用于本发明。

示例性的，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆。如图4C，示出了半导体晶圆与研磨垫相对位置的平面示意图，将研磨垫403边缘位置设定在半导体晶圆400的边缘的外侧位置，研磨垫403将晶圆400待研磨表面全面覆盖。图4D示出了半导体晶圆与研磨垫相对位置的截面示意图，研磨垫403将晶圆400待研磨表面全面覆盖，同时保证研磨垫403边缘与半导体晶圆400的边缘保持相近，示例性的，研磨垫边缘与半导体晶圆边缘距离为0～2mm。将研磨垫边缘位置设定在半导体晶圆的边缘的外侧位置，有效减小了研磨垫与半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对半导体晶圆边缘的包覆，从而减小了研磨过程中对器件边缘的过度研磨，有效提升半导体晶圆研磨的均匀性，提升研磨质量。一般的，将所述研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘后，会导致研磨速率的变化，可进一步设定研磨浆流速，以调整研磨速率，改善因研磨垫位置变化导致对半导体晶圆表面研磨形貌的影响。一般的，所述研磨垫边缘与所述半导体晶圆边缘之间的距离越小，设定所述研磨浆流速越大。在一个示例中，将研磨垫边缘相对于晶圆边缘的位置从晶圆边缘50mm处设置到边缘1mm处，使得研磨垫边缘接近晶圆边缘，同时设定研磨浆流速从0.2L/min变化到0.5L/min，改善因为研磨垫位置变化后对晶圆表面研磨形貌的影响。

示例性的，在研磨过程中，还可以采用去离子水对晶圆边缘进行实时清洗。参看4E，示出了在半导体晶圆边缘采用去离子水对半导体晶圆进行实时清洗时的去离子喷嘴、半导体晶圆和研磨垫的相对位置示意图。化学机械研磨装置基座406上采用卡盘405安装吸附半导体晶圆400，其中半导体晶圆400由支撑晶圆402和器件晶圆401键合形成。研磨垫403置于半导体晶圆400的器件晶圆401的上方，去离子水喷嘴404置于半导体晶圆400的边缘，并使其喷出的去离子水对准半导体晶圆400的边缘。在研磨过程中，对半导体晶圆400边缘采用去离子水404进行实时清洗。所述采用去离子水对半导体晶圆进行实时清洗是为了去除研磨过程中产生的杂质，防止研磨过程中产生的杂质附着于卡盘或晶圆边缘表面导致研磨垫对晶圆边缘的过度研磨，从而改善半导体晶圆边缘的研磨质量，改善研磨均匀性。同时，采用去离子水对研磨垫边缘进行实时清洗减少了研磨过程中杂质对研磨转台边缘的影响，还可减少对研磨腔室维护频率，延长研磨转台寿命。

示例性的，所述采用去离子水对晶圆边缘进行清洗采用高精度去离子水喷嘴。所述高精度去离子水喷嘴是相对普通去离子水喷嘴而言的，所述高精度去离子水喷嘴通过将去离子水以液柱形式高速喷出，实现去离子水的精确定位。采用高精度去离子水喷嘴实时清洗半导体晶圆的边缘，去离子水对准度高，清洗效率高，可以进一步提升去除半导体晶圆边缘杂质的效率，进一步减少半导体晶圆研磨过程中的杂质在卡盘和半导体晶圆表面的残留，有效减小研磨垫对半导体晶圆的过度研磨，从而有效提升半导体晶圆的研磨质量，提升研磨的均匀性。

图5A～5B示出了现有技术中化学机械研磨后半导体晶圆均匀性数据与根据本法的化学机械研磨后半导体晶圆均匀性数据对比效果图。其以一个8寸晶圆研磨后剩余厚度为20μm为实施例，进行研磨后的半导体晶圆的整片厚度沿直径方向上的数据展示，横坐标上显示晶圆直径上的位置，纵坐标上显示半导体晶圆研磨后厚度的数据，整体上显示沿直径方向上部较边缘厚。其中，图5A为未采用本发明的方法的现有技术中进行化学机械研磨后晶圆厚度整面均匀性数据，由图可知，现有技术中未采用本发明的方法对半导体晶圆进行研磨后，晶圆边缘较中部偏薄2～3μm；图5B为根据本发明的方法进行化学机械研磨后的晶圆厚度整面均匀性数据，由图可知，根据本发明的方法对半导体晶圆进行研磨后，晶圆边缘与中部厚度差距显著减小到1～1.5μm。同时，实验效果经多次重复实验可验证。因此，根据本发明的方法，有效减少了化学机械研磨过程中半导体晶圆中部和边缘的研磨厚度差异，提升了半导体晶圆研磨后的整片均匀性，改善了研磨质量。

综上所述，根据本发明所描述的化学机械研磨方法，可减少研磨过程中半导体晶圆边缘的过度研磨，从而减少半导体晶圆研磨后中部和边缘的研磨厚度差异，有效提升半导体晶圆的研磨均匀性，改善半导体晶圆的研磨质量。

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 (7)

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，所述方法包括：

提供待研磨的半导体晶圆；以及

对所述半导体晶圆执行化学机械研磨，在研磨过程中将研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的外侧位置，以减少所述研磨垫与所述半导体晶圆待研磨表面接触的过程中对所述半导体晶圆边缘的包覆，其中，将所述研磨垫边缘位置设定在靠近所述半导体晶圆边缘的同时，设定研磨浆流速，以调整研磨速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述研磨过程中采用去离子水对所述半导体晶圆与安装所述半导体晶圆的卡盘的接触界面进行实时清洗。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述研磨垫边缘位置设定在距所述半导体晶圆边缘0～2mm的位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨垫边缘与所述半导体晶圆边缘之间的距离越小，设定所述研磨浆流速越大。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述半导体晶圆执行化学机械研磨之前还包括去除所述待研磨的半导体晶圆的具有倾斜表面的边缘部分的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述待研磨的半导体晶圆进行边缘修剪工艺以去除所述具有倾斜表面的边缘部分。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体晶圆为键合晶圆。

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