CN1316571C

CN1316571C - 化学机械研磨工艺及装置

Info

Publication number: CN1316571C
Application number: CNB031481116A
Authority: CN
Inventors: 洪永泰; 刘裕腾; 施学浩; 陈光钊
Original assignee: Macronix International Co Ltd
Current assignee: Macronix International Co Ltd
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: CN1567539A

Abstract

一种化学机械研磨工艺及装置，其中的工艺适于利用研浆研磨一基底上的待研磨物，其特征在于利用一研磨垫对基底进行化学机械研磨之前，先利用一软质研磨垫对基底进行一预研磨工艺，以去除待研磨物的凸出部。由于软质研磨垫能够增加与突出部的接触面积，并且使研磨粒嵌在软质研磨垫表面的孔隙中，而能够直接进行待研磨物的研磨，进而能够缩短工艺时间以及减少研磨粒的消耗，大幅降低成本。

Description

化学机械研磨工艺及装置

技术领域

本发明是有关于一种化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing，简称CMP)工艺，且特别是有关于一种能够降低工艺时间以及成本(cost)的化学机械研磨工艺及装置。

背景技术

在半导体工艺中，随着元件尺寸持续缩减，微影曝光分辨率也相对增加，且伴随着曝光景深的缩减，对于晶圆表面的高低起伏程度的要求更为严苛。因此，目前晶圆的平坦化工艺(planarization)都是依赖化学机械研磨工艺来完成，它独特的非等向性磨除性质除了用于晶圆表面轮廓的平坦化之外，亦可应用于垂直及水平金属内联机(interconnects)的镶嵌结构的制作、前段工艺中元件浅沟渠隔离制作及先进元件的制作、微机电***平坦化和平面显示器制作等。

在浅沟渠隔离结构的工艺中，在使用高密度化学气相沉积法将氧化硅填入沟渠中后，接着系采用化学机械研磨工艺回磨氧化层至适当厚度以使的平坦化。一般而言，此处是使用硅土(Silica)以作为研磨氧化层的研浆，然而，当氧化层的图案疏密不均时，图案密度高的地区移除速率会较快，再加上硅土具有对氧化硅与位于其下方的氮化硅(硬罩层)的研磨选择比不高的问题，往往会造成图案密度高地区的氧化层与氮化硅(硬罩层)被过度移除而造成碟陷(dishing)现象，严重影响元件的均匀度。因此，公知避免此问题的方法，是在氧化层上形成反相光罩(Reverse-tone mask)以使其图案密度均匀化。然而，采用此法却具有必须增加一道微影蚀刻工艺以形成反相光罩，使得工艺复杂化及成本增加的问题。

因此，一种新的研浆被使用于研磨浅沟渠隔离结构的沟填氧化层，其中此种研浆的主要材质为氧化铈(CeO₂)，并且此种研浆对氧化硅与氮化硅具有极高的研磨选择比，因此，即使不进行反转罩幕的工艺，亦不会产生氮化硅层(硬罩层)被过度移除的情形。

然而，使用氧化铈研浆却具有下述的问题，图1A至图1C是公知一种使用此氧化铈研浆进行化学机械研磨工艺的流程剖面示意图。请参照图1A，提供一基底100，且于基底100上具有待研磨层102，且待研磨层102为具有高低起伏的表面。接着，将基底100具有待研磨层102的那一面朝向一研磨机的研磨垫110放置，同时将具有氧化铈研磨粒120的研浆供应到研磨垫110上。

然后，请参照图1B，进行化学机械研磨，此时对待研磨层102的突出部的研磨与将研磨粒120填入待研磨层102之间的空隙的步骤为同时进行的。然而，对于此氧化铈研浆而言，事实上此时的研磨几乎没有产生效果，而是进行将研磨粒120填入空隙的动作。

最后，请参照图1C，当氧化铈研磨粒120将待研磨层102之间的空间填满后，此时才会实际对待研磨层102产生研磨的功效。

在上述的化学机械研磨工艺中，由于必须耗费大量时间以使研磨粒能完全填入待研磨层的空隙后才会进行研磨，使得研浆的使用量亦较高，因此，不论是从时间面或是成本面观之，都需要较长的时间与较高的成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种化学机械研磨工艺及装置，可减少研磨粒的消耗。

本发明的再一目的是提供一种化学机械研磨工艺及装置，以大幅降低制造成本与时间。

本发明的另一目的是提供一种化学机械研磨工艺及装置，以防止碟陷的现象发生。

根据上述与其它目的，本发明提出一种化学机械研磨工艺，适于利用研浆研磨一基底上的数个待研磨物，其特征在于，利用一研磨垫对基底进行化学机械研磨之前，先利用一软质研磨垫对基底进行一预研磨工艺，用以去除待研磨物的凸出部，其中软质研磨垫的材质密度较一般研磨垫的材质密度低。

于本发明的实施方式中，研浆的材质可选用氧化铈研浆。而且，本发明可采用具有不同材质的同一研磨垫来进行预研磨工艺以及化学机械研磨。

本发明另外提出一种半导体元件的平坦化工艺，适于平坦化一基底上的数个待研磨物，其步骤包括供应氧化铈研浆于一第一研磨垫上，其中第一研磨垫的材质为可变形材质。之后，利用第一研磨垫对待研磨物进行一第一阶段研磨，以去除待研磨物的凸出部。随后，等到待研磨物的凸出部被去除后，利用一第二研磨垫对基底进行一第二阶段研磨，其中第二研磨垫较第一研磨垫硬。

本发明又提出一种旋转式化学机械研磨装置，包括一第一研磨台、一第二研磨台、一第一研磨垫、一第二研磨垫以及一研磨头。其中，第一研磨垫配置于第一研磨台表面，而第二研磨垫是配置于第二研磨台表面，其中第二研磨垫的硬度大于第一研磨垫的硬度。研磨头则是配置于研磨台上方，用以固定一待研磨晶圆，其中该第一研磨垫的材质的孔隙率高于该第二研磨垫的材质的孔隙率。

本发明再提出一种线性式化学机械研磨装置，包括一第一循环式研磨垫、一第二循环式研磨垫以及一研磨头，其中第二循环式研磨垫的硬度大于第一循环式研磨垫的硬度，且研磨头配置于第一与第二循环式研磨垫上方，用以固定一待研磨晶圆，其中该第一研磨垫的材质的孔隙率高于该第二研磨垫的材质的孔隙率。

本发明由于在利用一般研磨垫进行化学机械研磨之前，先利用一可略微变形且密度低的软质研磨垫，以使略变形的软质研磨垫能够增加与突出部的接触面积，并且使研浆中的研磨粒嵌在软质研磨垫表面的孔隙中，而能够直接进行待研磨物之研磨。因此，本发明可节省公知花费在等研磨粒填满待研磨层之间的大量时间，并且减少研浆的消耗量。而众所周知研浆中所添加的研磨粒是一种高成本的对象，所以本发明可以大幅缩减制造成本。

另外，当本发明应用于常见的浅沟渠隔离结构(shallow trenchisolation，简称STI)时，可采用氧化铈(CeO2)研磨粒，由于其对氮化硅/氧化物具有极高的研磨选择比，因此，即使不进行反相光罩工艺，亦能够避免碟陷现象的发生以形成具有良好平坦性的氮化硅层，同时并可以省略反相光罩工艺所需施行的微影蚀刻工艺，从而能够降低工艺的复杂度以及制造成本。

附图说明

图1A至图1C是公知一种使用氧化铈研浆进行化学机械研磨工艺的流程剖面示意图；以及

图2A至图2C是依照本发明的一较佳实施例的半导体元件的平坦化制造流程剖面示意图；

图3为依照本发明的一较佳实施的旋转式化学机械研磨装置的示意图；以及

图4为依照本发明的一较佳实施的线性式化学机械研磨装置的示意图。

100、200：基底

102：待研磨层

110、210、304、402：研磨垫

120：氧化硅研磨粒

202：氮化硅层

204：氧化硅层

206：沟渠

208：氧化层

209：凸出部

212、302、400：软质研磨垫

220：研磨粒

300：研磨台

306：研磨头

308：晶圆

具体实施方式

本发明提供一种化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)，可以应用于各种半导体元件的平坦化工艺上，例如制作浅沟渠隔离结构(shallow trench isolation，简称STI)期间的平坦化工艺(planarization)，然本发明可因应各种情况而使用于其它不同结构的平坦化工艺，凡符合本发明的精神，皆适用于本发明的范畴。

图2A至图2C是依照本发明的一较佳实施例的半导体元件的平坦化制造流程剖面示意图。而且，于本实施例是以制作浅沟渠隔离结构期间的平坦化工艺为例。

请参照2A图，提供一基底200，且于基底200上具有一氮化硅层202，而于氮化硅层202与基底200之间有一氧化硅层204。此外，在基底200中也已形成有数个沟渠206，其中形成沟渠206的方法有很多种，譬如常见的方法有利用微影与蚀刻工艺去图案化氮化硅层202与氧化硅层204，再继续蚀刻基底200，以形成沟渠206。之后，于基底200上覆盖一层氧化层208，其中氧化层208譬如是高密度等离子(high density plasma，简称HDP)氧化层、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、硅酸四乙酯(TEOS)氧化层或是其它绝缘材质层。

然后，请参照图2B，将基底200具有待研磨物(氧化层208)的那一面朝向一软质研磨垫(soft polishing pad)212放置，同时将具有研磨粒(polishing particle)220的研浆(slurry)供应到软质研磨垫212上，其中所使用的研浆例如是氧化铈研浆，并且所使用的软质研磨垫212是一种可略微变形材质的研磨垫，且其较一般硬质研磨垫的密度低、孔隙率高，随后，使用软质研磨垫212进行第一段的化学机械研磨工艺(亦或是可以视为预研磨工艺)，此时当表面高低起伏的氧化层208接触到软质研磨垫212时，软质研磨垫212会如本图所示的略微变形，使得软质研磨垫212与氧化层208的突出部209的接触面积增加，而且，由于软质研磨垫212的孔隙率较高，使得研磨粒220会嵌在软质研磨垫212表面，因此，此时不需等待研磨粒220完全填入氧化层208的空隙，就会开始进行研磨而去除氧化层208的凸出部209。

之后，请参照图2C，当通过使用软质研磨垫212以将氧化层208的凸出部209去除之后，接着换用一般(硬质)的研磨垫210以对基底200进行第二段的化学机械研磨(亦或是可以视为一般研磨工艺)，其中研磨垫210的材质为较软质研磨垫212的材质密度高并且孔隙率低。此时，由于氧化层208的凸出部209已被去除，因此，研浆的研磨粒220能够作用于已被略平坦化的氧化层208而直接参与研磨，再加上此研浆系对氧化硅与氮化硅具有高研磨选择比，因而使得在氧化层208的研磨工艺后，氮化硅层202能够具有均匀的平坦度。另外，本发明可采用具有不同材质的同一研磨垫来进行实施例所描述的步骤，譬如在同一研磨台(polishing table)上同时具有软质研磨垫与一般研磨垫，如此一来将可以更有效率地达到平坦化目的。

此外，本发明还提出两种化学机械研磨装置，可用以实施前述工艺，请参考图3与图4。

图3为依照本发明的一较佳实施的旋转式化学机械研磨装置的示意图。请参照图3，其包括一研磨台(polishing table)300、一第一研磨垫302、一第二研磨垫304以及一研磨头306。其中，第一研磨垫302配置于研磨台300的部分表面，而第二研磨垫304是配置于研磨台300的另一部份表面，以更加有效率地达到平坦化目的。其中，第二研磨垫304的硬度大于第一研磨垫302的硬度，且第一研磨垫302的材质的孔隙率高于第二研磨垫304的材质的孔隙率。研磨头306则是配置于研磨台300上方，用以固定一待研磨晶圆308，其譬如是一待研磨层，如一氧化层，且此一氧化层可包括高密度等离子氧化层、硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或硅酸四乙酯(TEOS)氧化层。

而图4为依照本发明的一较佳实施的线性式化学机械研磨装置的示意图。请参照图4，其包括由透过如两滑轮(未绘示)传动的一第一循环式研磨垫400、一第二循环式研磨垫402以及一研磨头(如第3图所示)，其中第二循环式研磨垫402的硬度大于第一循环式研磨垫400的硬度，且研磨头配置于第一与第二循环式研磨垫400与402上方，用以固定一待研磨晶圆。

综上所述，本发明的特点在于在利用一般研磨垫进行化学机械研磨之前，先利用一可略微变形的软质研磨垫进行研磨，以使略变形的软质研磨垫能够增加与待研磨层的突出部的接触面积，并且使研磨粒嵌在软质研磨垫表面的孔隙中，而能够直接进行待研磨物的研磨。因此，本发明不必在最初进行研磨时耗费大量时间等待研磨粒完全填入待研磨层的空隙，所以能够大幅缩减工艺时间，并且减少研浆的消耗量。而众所周知研浆中所添加的研磨粒是一种高成本的对象，所以本发明亦能够大幅缩减制造成本。

此外，由于本发明应用于常见的浅沟渠隔离结构(STI)时，可采用氧化铈研磨粒，因为其对氮化硅/氧化物具有极高的研磨选择比，因此，即使不进行反相光罩工艺，亦能够避免碟陷现象的发生以形成具有良好平坦性的氮化硅层，同时并可以省略反相光罩工艺所需施行的微影蚀刻工艺，从而能够降低工艺的复杂度以及制造成本。

Claims

1.一种化学机械研磨工艺，适于利用一研浆研磨一基底上的多个待研磨物，其特征在于，利用一研磨垫对该基底进行化学机械研磨之前，先利用一软质研磨垫对该基底进行一预研磨工艺，以去除该些待研磨物的凸出部，其中该软质研磨垫的材质密度较该研磨垫的材质密度低。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其特征在于，该软质研磨垫的材质的孔隙率高于该研磨垫的材质的孔隙率。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其特征在于，该研浆包括氧化铈研浆。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其特征在于，该些待研磨物包括一氧化层。

5.如权利要求4所述的化学机械研磨工艺，其特征在于，该氧化层包括高密度等离子氧化层、硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或硅酸四乙酯氧化层。

6.一种半导体元件的平坦化工艺，适于平坦化一基底上的多个待研磨物，其特征在于，其步骤包括：

供应一氧化铈研浆于一第一研磨垫上，其中该第一研磨垫的材质为可变形材质；

利用该第一研磨垫对该些待研磨物进行一第一阶段研磨，去除该些待研磨物的凸出部；以及

利用一第二研磨垫对该基底进行一第二阶段研磨，其中该第二研磨垫的硬度大于该第一研磨垫的硬度。

7.如权利要求6所述的半导体元件的平坦化工艺，其特征在于，该第一研磨垫的材质的孔隙率高于该第二研磨垫的材质的孔隙率。

8.如权利要求7所述的半导体元件的平坦化工艺，其特征在于，该些待研磨物包括一氧化层。

9.如权利要求8所述的半导体元件的平坦化工艺，其特征在于，该氧化层包括高密度等离子氧化层、硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或硅酸四乙酯氧化层。

10.一种旋转式化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

一第一研磨台，具有一第一研磨垫，配置于该第一研磨台的表面；

一第二研磨台，具有一第二研磨垫，配置于该第二研磨台的表面，其中该第二研磨垫的硬度大于该第一研磨垫的硬度；以及

一研磨头，配置于该至少一研磨台上方，其固定一待研磨晶圆，其中该第一研磨垫的材质的孔隙率高于该第二研磨垫的材质的孔隙率。

11.如权利要求10所述的旋转式化学机械研磨装置，其特征在于，该待研磨晶圆包括一待研磨层。

12.如权利要求11所述的旋转式化学机械研磨装置，其特征在于，该待研磨层包括一氧化层。

13.如权利要求12所述的旋转式化学机械研磨装置，其特征在于，该氧化层包括高密度等离子氧化层、硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或硅酸四乙酯氧化层。

14.一种线性式化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

一第一循环式研磨垫；

一第二循环式研磨垫，配置于该第一循环式研磨垫旁，其中该第二循环式研磨垫的硬度大于该第一循环式研磨垫的硬度；以及

一研磨头，配置于该第一与该第二循环式研磨垫上方，其固定一待研磨晶圆，其中该第一研磨垫的材质的孔隙率高于该第二研磨垫的材质的孔隙率。

15.如权利要求14所述的线性式化学机械研磨装置，其特征在于，该待研磨晶圆包括一待研磨层。

16.如权利要求15所述的线性式化学机械研磨装置，其特征在于，该待研磨层包括一氧化层。

17.如权利要求16所述的线性式化学机械研磨装置，其特征在于，该氧化层包括高密度等离子氧化层、硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或硅酸四乙酯氧化层。