化學機械研磨方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種化學機械研磨方法。

背景技術：
平坦化是半導體制造工藝中的重要工藝，現有技術利用化學機械研磨工藝進行半導體的平坦化工藝。通常，化學機械研磨設備利用研磨墊與半導體襯底之間進行相對運動來達到平坦化的效果。具體而言，研磨墊設置在研磨太和轉軸上方，而來自于研磨液端口的研磨液以一定速率流到研磨墊表面，研磨頭在半導體襯底的背面施加一定的壓力，使得半導體襯底的正面貼近研磨墊，研磨頭帶動半導體襯底和研磨墊同方向轉動，在半導體襯底的正面與研磨墊之間產生機械摩擦。在研磨過程中通過一系列復雜的機械和化學作用去除半導體襯底正面的待研磨材料層，從而實現平坦化的效果。現有的化學機械研磨過程后半導體襯底的片間厚度均勻性(wafertowaferuniformity)無法滿足工藝的要求，表現為同一批次或者兩個批次之間的半導體襯底在研磨后的厚度波動較大，導致頻繁出現化學機械研磨返工。

技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供了一種化學機械研磨方法，改善了化學機械研磨后半導體襯底的片間厚度均勻性，減少了化學機械研磨的返工步驟。為了解決上述問題，本發明提供一種化學機械研磨方法，包括：啟動步驟，用于使得研磨液設置、研磨壓力設置、研磨墊轉速設置參數自初始值到達預設值；主研磨步驟，用于基于所述預設值對半導體表面的待研磨材料層進行研磨；清洗步驟，用于在所述主研磨步驟結束后，停止研磨液供應并對半導體襯底和研磨墊的表面進行清洗；還包括：冷卻步驟，研磨壓力不超過主研磨步驟的研磨壓力的1/2，研磨墊的轉速不超過主研磨步驟的研磨墊轉速的1/2，半導體襯底的轉速不超過主研磨步驟半導體襯底轉速的1/2，清洗步驟中利用流速不小于3L/min的高壓水進行清洗，用于對清洗步驟后的研磨墊進行冷卻。可選地，進行所述冷卻步驟時，研磨壓力為主研磨步驟研磨壓力的1/4-1/3。可選地，所述冷卻步驟時，研磨壓力不超過1.5psi。可選地，所述冷卻步驟中所述高壓水的流速5.5L/min。可選地，所述冷卻步驟的持續時間為10-25秒。可選地，所述清洗步驟利用高壓水進行。可選地，所述清洗步驟中所述高壓水的流速3.5-5.5L/min。可選地，所述冷卻步驟中，研磨壓力范圍為1.0-1.5psi。可選地，所述主研磨步驟的研磨壓力范圍為3.6-5.6psi。可選地，所述主研磨研磨的研磨墊的轉速范圍為80-102rpm，冷卻過程中研磨墊的轉速范圍為60-70rpm。與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明在每一片半導體襯底的化學機械研磨工藝結束后，對研磨墊進行冷卻，以控制化學機械研磨設備的熱平衡問題，使得研磨墊的溫度穩定且受控，避免研磨墊的溫度上升過快引起的下一片半導體襯底的主研磨步驟的研磨速率上升。附圖說明圖1是現有技術的化學機械研磨工藝在不同半導體襯底之間的化學機械研磨速率的趨勢圖；圖2是采用本發明的化學機械研磨工藝的方法在不同的半導體之間的化學機械研磨速率的趨勢圖。具體實施方式現有的化學機械研磨工藝的問題是，同一批次或者不同批次之間的半導體襯底在研磨后的半導體襯底上的半導體材料層的厚度波動較大，導致頻繁出現化學機械研磨返工。經過發明人研究發現，此種厚度波動現象常發于化學機械研磨設備從空閑(idle)到開始研磨的一段時間內，通常在該段時間內，研磨墊的速率逐漸升高，直至穩定，隨著研磨墊速率的穩定，研磨后的半導體材料層的厚度才會穩定。造成上述過程的原因是：在化學機械研磨設備的研磨過程中的熱平衡問題，即研磨墊的溫度在從起始階段開始逐漸升高，直至穩定，研磨墊的溫度會影響研磨速率，使得研磨速率從起始階段逐漸升高，直至穩定。具體而言，以化學機械研磨設備從起始狀態開始為例，現有的半導體襯底的化學機械研磨工藝過程包括如下步驟：不穩定步驟，研磨工藝的研磨液速率從起始值上升至預設值，研磨墊與半導體襯底之間的壓力以及研磨墊的轉速從起始值上升至預設值；主研磨步驟，用于對半導體襯底上的待研磨材料進行研磨去除，此時，研磨液的速率、研磨墊與半導體襯底之間的壓力、研磨墊的轉速保持預設值；清洗步驟，在穩定步驟對待研磨材料層的主研磨步驟結束后，停止研磨液的供應，以高壓水為介質對研磨墊和半導體襯底進行清洗，目的是去除半導體襯底表面的顆粒和研磨副產物，而為保證清洗效率，在清洗步驟時，研磨墊與半導體襯底之間的壓力和研磨墊的轉速仍然維持較高的水平。上述清洗步驟，由于研磨墊與半導體襯底之間的大量顆粒物和研磨副產物的摩擦作用，會在研磨墊與半導體襯底之間形成大量的熱量，導致研磨墊的溫度上升，該研磨墊的溫度甚至超過了主研磨步驟的研磨墊的溫度，使得經過清洗步驟后的研磨墊的速率上升。在進行下一片半導體襯底化學機械研磨工藝時，研磨墊仍然保持較高速率，并且會隨著研磨工藝的進行逐漸升高，直至經過若干片半導體襯底的研磨，研磨墊的溫度穩定。因此，需要解決化學機械研磨設備的熱平衡問題，使得每一次化學機械研磨工藝對一片半導體襯底的研磨工藝結束后，研磨墊的溫度能夠穩定且受控。為了解決上述問題，本發明提供一種化學機械研磨方法，包括：啟動步驟，用于使得研磨液設置、研磨壓力設置、研磨墊轉速設置參數自初始值到達預設值；主研磨步驟，用于基于所述預設值對半導體表面的待研磨材料層進行研磨；清洗步驟，用于在所述主研磨步驟結束后，停止研磨液供應并對半導體襯底和研磨墊的表面進行清洗；還包括：冷卻步驟，利用很低的研磨壓力、較低的研磨墊和半導體襯底轉速，同時用高壓噴水，用于對清洗步驟后的研磨墊進行冷卻。具體而言，所述較低的研磨壓力是指，在進行冷卻步驟的研磨壓力為研磨壓力不超過主研磨步驟的研磨壓力的1/2，而較低的研磨墊和半導體襯底轉速具體是指，研磨墊的轉速不超過主研磨步驟的研磨墊轉速的1/2，半導體襯底的轉速不超過主研磨步驟半導體襯底轉速的1/2，清洗步驟中利用流速不小于3L/min的高壓水進行清洗對于化學機械研磨設備從閑置(idle)狀態，在啟動步驟開始后，研磨液逐步從零開始加大至預設值，而研磨壓力以及研磨墊轉速也是從零開始加大至預設值，在啟動步驟中，研磨液的流速及流量、研磨壓力和研磨墊轉速在此過程中并不穩定。接著，對半導體襯底表面的待研磨材料層進行主研磨步驟，根據研磨的材質不同，需要相應選擇不同的研磨液設置(該設置包括流速及流量，以及研磨液本身的成分構成)、研磨墊壓力設置、研磨墊轉速設置。在主研磨過程中，研磨墊與半導體襯底上的待研磨材料層的表面相對摩擦運動，在研磨液的作用下發生復雜的化學反應和機械反應，將待研磨材料層部分或全部去除。作為一個實施例，所述主研磨步驟的研磨墊壓力范圍為3.6-5.6psi。所述主研磨的研磨墊的轉速范圍為80-102rpm。在主研磨步驟結束后，半導體襯底與研磨墊之間會有大量的顆粒和研磨副產物，此時，進行清洗步驟，停止研磨液供應并對半導體襯底和研磨墊的表面進行清洗，所述清洗步驟利用高壓水進行。為了保證清洗的效果，所述清洗步驟利用的高壓水的壓力為12KG所述高壓水的流速5.5l/min,所述高壓水的流量為1L，在清洗過程中，研磨墊仍然與半導體襯底的正面(該正面為研磨后的半導體材料層的正面)接觸，并且研磨墊與半導體襯底之間仍然有一定的壓力，研磨墊與半導體襯底之間保持高速轉動在清洗過程中，由于研磨墊與半導體之間的高速轉動，以及兩者之間的顆粒和研磨副產物的去除，在兩者之間也會產生摩擦力，該摩擦力在研磨墊上形成大量的熱量，導致研磨墊的溫度上升，最終使得研磨墊的速率加大。如果依據現有技術，在清洗步驟完成后，直接進行下一片半導體襯底的工藝，則會使得下一半導體襯底的實際研磨速率比之前的研磨速率大，并且這種研磨速率增大的趨勢會在化學機械研磨設備進行一段時間后才能趨于穩定。請參考圖1所示的現有技術的化學機械研磨工藝在不同半導體襯底之間的化學機械研磨速率的趨勢圖。橫軸為化學機械研磨設備在從閑置狀態開始工藝的半導體襯底的片數，縱軸為化學機械研磨設備的實際研磨速率，所述半導體襯底的材質和結構相同，選擇的化學機械研磨工藝的程序相同，化學機械研磨工藝的各個步驟以及每個步驟的參數均相同。在在從啟動開始，從第1片半導體襯底開始，直至第20片半導體襯底，化學機械研磨設備的實際研磨速率的趨勢為逐漸增大，并且中間出現波動。上述速率波動的原因正是因為主研磨和清洗步驟導致的研磨墊的溫度升高且該研磨墊的溫度不受控制引起。為了解決上述問題，本發明在清洗步驟后增加冷卻步驟，利用很低的研磨壓力、較低的研磨墊和半導體襯底轉速，同時用高壓噴水，用于對清洗步驟后的研磨墊進行冷卻。進行所述冷卻步驟時，研磨墊壓力為主研磨步驟的研磨墊壓力的1/4-1/3。作為優選的，在所述冷卻步驟中，所述主研磨步驟的研磨墊壓力范圍為3.6-5.6psi。本發明的一個實施例中，進行所述冷卻步驟時，研磨墊壓力不超過1.5psi。請參考圖2所示的采用本發明的化學機械研磨工藝的方法在不同的半導體之間的化學機械研磨速率的趨勢圖，圖2中橫軸為化學機械研磨設備在從閑置狀態開始工藝的半導體襯底的片數，縱軸為化學機械研磨設備的實際研磨速率，由圖2可以看出利用本發明的方法，化學機械研磨設備的研磨速率基本保持穩定。本實施例中，所述冷卻步驟采用的高壓水的壓力為12KG，所述高壓水的流速5.5l/min,所述高壓水的流量為1L。為了保證冷卻的效果，所述冷卻步驟的持續時間為10-25s。所述主研磨的研磨墊的轉速范圍為80-102rpm，冷卻過程中研磨墊的轉速范圍為60-70rpm。綜上，本發明在每一片半導體襯底的化學機械研磨工藝結束后，對研磨墊進行冷卻，以控制化學機械研磨設備的熱平衡問題，使得研磨墊的溫度穩定且受控，避免研磨墊的溫度上升過快引起的下一片半導體襯底的主研磨步驟的研磨速率上升。因此，上述較佳實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。