CN110690114A - Cmp研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种CMP研磨方法，包括：提供一前端器件，所述前端器件包括结构层、位于所述结构层中的沟槽、位于所述结构层上表面的氮化硅层和填充所述沟槽并覆盖所述氮化硅层的氧化硅层；采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层；采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂研磨所述氧化硅层和氮化硅层；采用第三研磨剂研磨所述氮化硅层，以去除颗粒缺陷。通过采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层研磨，提高了氮化硅层的平整度，通过第三研磨剂对所述氮化硅层研磨，去除了颗粒缺陷。

Description

CMP研磨方法
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种CMP研磨方法。
背景技术
化学机械研磨(CMP)频繁使用在半导体集成电路制造工序中，实现半导体器件的表面平坦化。高质量的CMP工艺是获得半导体器件的平整表面的保证。
半导体器件例如图像传感器(CIS，Cmos Image Sensor)中形成有沟槽，半导体器件的表面形成有氮化硅层，所述沟槽中填充有氧化硅层，所述氧化硅层还延伸覆盖所述氮化硅层。BSLR(Backside Layer Remove，背面层去除)-CMP是图像传感器(CIS，Cmos ImageSensor)中研磨沟槽上方的氧化硅层和所述氮化硅层的一道工艺制程，该工艺特点为：氮化硅层的面积比氧化硅层大，氮化硅层的损耗较大，研磨最终停在氮化硅层上。这道制程的目的是通过CMP去除填充后多余的氧化硅层，并停在氮化硅层，实际工艺CMP之后氮化硅层的平整度较差，而且氮化硅层表面颗粒缺陷较严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMP研磨方法，提高氮化硅层平整度，且减少氮化硅层表面颗粒缺陷。
本发明提供一种CMP研磨方法，包括：
提供一前端器件，所述前端器件包括结构层、位于所述结构层中的沟槽、位于所述结构层上表面的氮化硅层和填充所述沟槽并覆盖所述氮化硅层的氧化硅层；
采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层；
采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂继续研磨所述氧化硅层和氮化硅层；
采用第三研磨剂进一步研磨所述氮化硅层。
进一步的，采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂继续研磨所述氧化硅层和氮化硅层，具体包括：
第一次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的所述第二研磨剂研磨所述氧化硅层；
采用去离子水研磨所述氧化硅层和氮化硅层；
第二次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的所述第二研磨剂研磨所述氧化硅层和氮化硅层。
进一步的，采用去离子水研磨所述氧化硅层和氮化硅层的时间大于8秒。
进一步的，所述第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层的选择比范围为：20/1～40/1。
进一步的，所述第一研磨剂包括：氧化硅、去离子水和碱性溶液。
进一步的，所述第二研磨剂包括：氧化铈。
进一步的，所述氧化铈的颗粒大小为60～80nm，pH值为10～12。
进一步的，所述第三研磨剂包括：碱性溶液、氧化硅、有机物和去离子水。
进一步的，所述碱性溶液的PH值为9～12，所述氧化硅的质量含量为5～15％,所述有机物质量含量小于5％。
进一步的，所述结构层包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆和所述第二晶圆通过互连层电连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层研磨，提高了氮化硅层的平整度，通过第三研磨剂对所述氮化硅层研磨，去除了颗粒缺陷。
进一步的，通过第二研磨剂分两次研磨所述氧化硅层和氮化硅层，并且中间加入采用去离子水作为研磨剂研磨，有效改善研磨剂残留，覆盖面相对平坦，提高了研磨速度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种CMP研磨方法示意图。
图2至图6为本发明实施例的CMP研磨方法各步骤示意图。
其中，附图标记如下：
A-前端器件；10-结构层；20-沟槽；30-氮化硅层；40-氧化硅层；
11-第一晶圆；12-键合膜层；13-第二晶圆；13a-衬底；13b-功能层；
14-互连层；15-第一金属层；16-第二金属层。
具体实施方式
基于上述研究，本发明实施例提供了一种CMP研磨方法。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供了一种CMP研磨方法，如图1所示，包括：
提供一前端器件，所述前端器件包括结构层、位于所述结构层中的沟槽、位于所述结构层上表面的氮化硅层和填充所述沟槽并覆盖所述氮化硅层的氧化硅层；
采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层；
采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂继续研磨所述氧化硅层和氮化硅层；
采用第三研磨剂进一步研磨所述氮化硅层。
本发明实施例通过采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层研磨，提高了氮化硅层的平整度，通过第三研磨剂进一步对所述氮化硅层研磨，去除了颗粒缺陷。
下面结合图2至图6介绍本发明实施例的CMP研磨方法的各步骤。
如图2所示，提供一前端器件A，所述前端器件A包括结构层10、位于所述结构层10中的沟槽20、位于所述结构层10上表面的氮化硅层30和填充所述沟槽20并覆盖所述氮化硅层30的氧化硅层40。
如图3所示，采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层40。第一研磨剂包括：氧化硅、去离子水和碱性溶液。第一研磨剂例如采用氧化硅的碱性制剂，其对材质腐蚀小，属于抛光非金属，特别是硅等氧化物及光阻材料。同时由于呈碱性，材质的原子和分子间结合力减弱，容易被去除，抛光效率高。pH值决定了最基本的加工环境，会对表面膜的形成、材料的去除分解及溶解度、粘性等方面造成影响，第一研磨剂的pH值例如为10～11.5。所述制剂通过NaOH，KOH或NH4OH调整控制其pH值的范围。该原料成本低，几乎没有后续残留。本步骤采用氧化硅的碱性制剂，可溶性好，抛光效率高，适用于硅等氧化物材质的加工。
如图3和图4所示，采用对氧化硅层40和氮化硅层30高选择比的第二研磨剂研磨所述氧化硅层40和氮化硅层30。对氧化硅层40和氮化硅层30高选择比的第二研磨剂，即第二研磨剂对所述氧化硅层4和氮化硅层30的研磨速度比充分大。具体包括：
第一次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂研磨剩余厚度的所述氧化硅层40，在此过程中部分区域已经露出了氮化层30。
采用去离子水作为研磨剂研磨所述氧化硅层40和氮化硅层30；采用去离子水研磨所述氧化硅层和氮化硅层的时间大于8秒。研磨剂仅采用去离子水进行研磨时，依然会依靠物理的作用磨去氮化层和氧化层混合层，主要是去除研磨产生的副产物，同时还起到清洗作用，采用本步骤研磨后有效改善研磨剂残留，覆盖面相对平坦，大幅节省工艺加工成本，可操作性非常强，提高了研磨速度。
第二次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂研磨所述氧化硅层和氮化硅层。先研磨掉上一步没有磨完的氧化层，再研磨大面积的氮化层，沟槽中的氧化层也会被研磨少许量。
所述第二研磨剂对所述氧化硅层40和氮化硅层30的选择比范围为：20/1～40/1。第二研磨剂研包括：氧化铈(CeO2)浆料，例如氧化铈的颗粒大小为60～80nm，pH值为10～12。采用氧化铈粒子作为研磨粒子的氧化铈浆料。因为氧化铈粒子的硬度低，所以研磨后的膜表面不容易发生伤痕等的缺陷。氧化铈粒子作为强氧化剂，具有化学活性的性质，所以氧化铈浆料在对氧化硅膜等的无机绝缘膜用的化学机械研磨(CMP)有效。
通过采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层研磨，提高了氮化硅层的平整度，同时研磨过程中氮化硅层的损耗较小，最终氮化硅层保留了一定的厚度。通过第二研磨剂分两次研磨所述氧化硅层和氮化硅层，并且中间加入仅用去离子水作为研磨剂研磨，有效改善研磨剂残留，覆盖面相对平坦，提高了研磨速度。
如图5所示，采用第三研磨剂对所述氮化硅层30研磨，以去除颗粒缺陷。第三研磨剂可采用化学研磨剂，化学研磨剂对氮化硅层表面改性，去除颗粒。所述第三研磨剂包括：碱性溶液、氧化硅、有机物和去离子水。所述碱性溶液的PH值为9～12，所述氧化硅的质量含量为5～15％,所述有机物质量含量小于5％。
进一步的，如图6所示，所述结构层10包括相互键合的第一晶圆11和第二晶圆13(倒置)；第一晶圆11和第二晶圆13之间形成有键合膜层12，键合膜层12例如为氧化硅层；第二晶圆13包括衬底13a和形成于衬底13a表面的功能层13b；第一晶圆11和第二晶圆13通过位于TSV(硅通孔)中的互连层14电连接，互连层14的材质例如为铜或钨；第二晶圆13中形成有电连接的第一金属层15和第二金属层16，第一金属层15例如为铝，第二金属层16例如为铜。
本发明实施例的第一研磨剂、第二研磨剂和第三研磨剂中均需要研磨粒子。作为研磨粒子，可以举出例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、氧化锗、碳化硅等无机物研磨粒子，聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚氯乙烯等有机物研磨粒子。这些物质中优选二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、氧化锗，特别优选二氧化硅或氧化铝。二氧化硅或氧化铝中，尤其优选在CMP用研磨液中分散稳定性良好、由CMP产生的研磨损伤(刮伤)的发生次数少、平均粒径为70nm以下的胶体二氧化硅或胶体氧化铝；更优选平均粒径为40nm以下的胶体二氧化硅或胶体氧化铝。这些研磨粒子可以一种单独使用、或者两种以上混合使用。
本发明实施例的研磨方法具体为：在圆形的研磨盘上贴附研磨垫，一边用研磨剂(各步骤采用不同研磨剂)浸渍研磨垫表面，一边将前端器件的被研磨面压在研磨垫表面，在从研磨垫的背面施加规定的研磨压力的状态下转动研磨盘，研磨盘与前端器件相对运动来研磨被研磨面(氧化硅层40/氮化硅层30)，利用研磨剂与被研磨面的的相对机械摩擦除去氧化硅层40。研磨盘的旋转数例如为：80-100转/分钟，具有被研磨面的前端器件压在研磨垫上的压力，例如为：10～100kPa，为了满足被研磨面均一性要求和图形的平坦性要求，优选为5～50kPa。研磨期间内，用泵等连续向研磨垫供给本发明的研磨剂。对该供给量没有限制，优选研磨垫的表面经常被研磨剂覆盖。研磨结束后的前端器件，优选在流水中充分洗净后，通过使用旋转式干燥法等将附着在表面水滴抖落来使其干燥。
为了以使研磨垫的表面状态经常保持一致的方式进行化学机械研磨，优选在研磨前加入研磨垫的修整工序。例如，通过将至少含有水的液体喷射于研磨垫，进行研磨垫的修整，接着进行本发明的研磨方法。
综上所述，本发明提供了一种CMP研磨方法，包括：提供一前端器件，所述前端器件包括结构层、位于所述结构层中的沟槽、位于所述结构层上表面的氮化硅层和填充所述沟槽并覆盖所述氮化硅层的氧化硅层；采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层；采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂研磨所述氧化硅层和氮化硅层；采用第三研磨剂研磨所述氮化硅层，以去除颗粒缺陷。通过采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层研磨，提高了氮化硅层的平整度。通过第二研磨剂分两次研磨所述氧化硅层和氮化硅层，并且中间加入仅用去离子水作为研磨剂研磨，有效改善研磨剂残留，覆盖面相对平坦，提高了研磨速度。第三研磨剂可采用化学研磨剂，化学研磨剂对氮化硅层表面改性，去除颗粒。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims (10)

1.一种CMP研磨方法，其特征在于，包括：
提供一前端器件，所述前端器件包括结构层、位于所述结构层中的沟槽、位于所述结构层上表面的氮化硅层和填充所述沟槽并覆盖所述氮化硅层的氧化硅层；
采用第一研磨剂研磨部分厚度的所述氧化硅层；
采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂继续研磨所述氧化硅层和氮化硅层；
采用第三研磨剂进一步研磨所述氮化硅层。
2.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的第二研磨剂继续研磨所述氧化硅层和氮化硅层，具体包括：
第一次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的所述第二研磨剂研磨所述氧化硅层；
采用去离子水研磨所述氧化硅层和氮化硅层；
第二次采用对氧化硅层和氮化硅层高选择比的所述第二研磨剂研磨所述氧化硅层和氮化硅层。
3.如权利要求2所述的CMP研磨方法，其特征在于，采用去离子水研磨所述氧化硅层和氮化硅层的时间大于8秒。
4.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述第二研磨剂对所述氧化硅层和氮化硅层的选择比范围为：20/1～40/1。
5.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述第一研磨剂包括：氧化硅、去离子水和碱性溶液。
6.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述第二研磨剂包括：氧化铈。
7.如权利要求6所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述氧化铈的颗粒大小为60～80nm，pH值为10～12。
8.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述第三研磨剂包括：碱性溶液、氧化硅、有机物和去离子水。
9.如权利要求8所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述碱性溶液的PH值为9～12，所述氧化硅的质量含量为5～15％,所述有机物质量含量小于5％。
10.如权利要求1所述的CMP研磨方法，其特征在于，所述结构层包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆和所述第二晶圆通过互连层电连接。
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