一種減小晶圓表面粗糙度的方法

一種減小晶圓表面粗糙度的方法
【專利摘要】本發明涉及半導體生產和制造領域。具體涉及一種減小晶圓表面粗糙度的方法：包括化學機械研磨工藝，化學機械研磨工藝至少包括主研磨工序和去離子水清洗工序，主研磨工序中使用帶有研磨顆粒的化學制劑為研磨液對晶圓進行研磨，且去離子水清洗工序中采用的下壓力與主研磨工序中采用的下壓力相同，以獲得表面粗糙度符合要求的晶圓。其中，晶圓的初始平均粗糙度為Ra1，晶圓經過化學機械研磨后所期望達到的預期平均粗糙度為Ra2，在去離子水清洗工序中，化學機械研磨工藝以去離子水為研磨液繼續對晶圓進行研磨，以去離子水為研磨液對所述晶圓進行研磨的研磨速率為RR，去離子水清洗工序中對晶圓進行研磨的時間至少為△T＝6*(Ra1-Ra2)/RR。
【專利說明】
_種減小晶圓表面粗糖度的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及半導體生產和加工領域，更具體的說，涉及一種在CMP研磨過程中減 小晶圓表面粗糙度的方法。
【背景技術】
[0002] 半導體集成電路行業發展到了一個新的階段，隨著集成電路特征尺寸的減小、低k 介質的引入及晶圓尺寸的增加，如何保證在低壓條件下完成大尺寸銅互連線平坦化已經 成為集成電路制造工藝發展的關鍵。
[0003] 化學機械研磨工藝（CMP工藝）和無應力拋光工藝（SFP工藝）在對晶圓進行平 坦化處理方面，各具優勢，且可以相互配合以達到更好的平坦化效果，例如對一片表面膜層 厚度達10()00/\的晶圓進行拋光，通常會采用CMP工藝和SFP工藝相結合的方法對晶圓進行 處理，首先由CMP工藝研磨掉約8000A的絕大部分晶圓表面的厚度，再由SFP工藝對剩余的 2000A的厚度進行拋光，最終實現晶圓表面平坦化的目的。之所以選用CMP工藝與SFP工藝 結合而對晶圓進行處理，是因為當晶圓表面被拋掉大部分厚度之后，晶圓變薄且更加脆弱， 此時如果繼續用存在較大機械壓力的CMP工藝進行處理，很有可能壓碎晶圓或損傷互連結 構，所以晶圓表面剩余的部分有必要采用無機械壓力的SFP工藝進行拋光，以實現最終的 平坦化目的。
[0004] 然而，SFP工藝拋光過的晶圓相較于CMP工藝研磨過的晶圓，其表面的平均粗糙度 值Ra將會有所上升，相應的，也將造成晶圓表面的最大粗糙度值Rt上升，也就是說CMP工 藝拋光出的晶圓具有更好的Ra值和Rt值，但是如果采用傳統的CMP方法，使用帶有研磨顆 粒的化學制劑作為研磨液對已經被研磨至很薄的晶圓繼續進行CMP研磨處理，由于過快的 研磨速率，CMP研磨壓碎晶圓或損傷銅互連結構的情形大量出現就變得在所難免。
[0005] 在本申請的附圖1-2中舉出了這樣的實例。圖1展示的是一片肉眼看起來非常平 整的晶圓，經過顯微鏡放大后的俯視時的晶圓表面的示意圖。圖中可以看到，晶圓表面存在 各種黑灰相間的斑點，這說明晶圓表面看似平整，實際上則凹凸不平，有的地方凸起，有的 地方凹陷，從而具有一定的粗糙度。在半導體行業中，通常用Ra值（平均粗糙度）和Rt值 (最大峰谷垂直距離）衡量晶圓表面粗糙度的大小。
[0006] 圖2展示的是現有技術使用CMP工藝和SFP工藝相結合的方法對晶圓進行研磨的 示意圖。在該現有技術中的晶圓由表面膜層201(通常是銅層）和基底202組成，其中晶圓 的表面膜層201的厚度約100Q0A，表面膜層201具有較大的粗糙度，需要通過研磨和拋光 加以去除并平坦化。圖2中（a)圖所示的晶圓為晶圓未被研磨和拋光的初始狀態，此時表面 膜層201最厚，在經過CMP工藝處理后達到（b)圖所示的狀態，表面膜層201的厚度大幅度 減小，約留存有2000A左右的厚度，這剩余的2000A厚度的表面膜層將經由SFP工藝加以拋 光去除并最終達到（c)圖所示的狀態。在圖2的（a)-(c)圖所示的晶圓的各個狀態中，經 由CMP工藝研磨過的（b)圖所示狀態下的晶圓具有最小的粗糙度，而在經歷了 SFP工藝拋 光后，晶圓表面的粗糙度反而有所上升。但是按照現有的技術，不能期望在表面膜層201僅 留存2000A厚度的情況下繼續對晶圓進行長時間的CMP研磨以達到降低粗糙度的目的。其 原因在于CMP研磨過程中使用的研磨液是帶有研磨顆粒的化學溶劑，去除速率非常快，繼 續研磨下去，在機械壓力的作用下非常容易粉碎晶圓或損傷銅互連線路；但是通過CMP研 磨來降低晶圓表面的粗糙度又是非常必要的。所以防止損傷晶圓與降低晶圓粗糙度的兩個 目的，便成了一個魚和熊掌，不可得兼的困難抉擇。
[0007] 因此業內人士一直希望找到一種既可以順利去除晶圓表面的膜層又能夠保持有 較低的Ra值和Rt值的工藝方法，來對晶圓進行效果良好且穩定可靠的平坦化處理。

【發明內容】

[0008] 經過上下求索，本專利的發明人在尋求效果良好且穩定可靠的平坦化方法時找到 了一條可行的道路，即仍然通過CMP工藝的技術手段，在CMP工藝的結尾以去離子水（DIW) 作為研磨液研磨一段時間，在不大幅減薄晶圓的情況下獲得較為平整的晶圓表面，之后再 交由SFP工藝進行處理，從而在不損傷晶圓的情況下大大降低了晶圓表面的Ra值和Rt值。
[0009] 為了達到上述目的，本發明申請特提供了一種可行的技術方案，其具體內容如 下：
[0010] -種減小晶圓表面粗糙度的方法，包括化學機械研磨工藝，所述化學機械研磨工 藝至少包括主研磨工序和去離子水清洗工序，所述主研磨工序中使用帶有研磨顆粒的化學 制劑為研磨液對所述晶圓進行研磨，其中，在所述去離子水清洗工序中，所述化學機械研磨 工藝以去離子水為研磨液繼續對所述晶圓進行研磨，所述去離子水清洗工序中采用的下壓 力與所述主研磨工序中采用的下壓力相同，以獲得表面粗糙度符合要求的晶圓。
[0011] 優選地，所述去離子水清洗工序中對晶圓進行研磨的時間至少為Λ T = 6*(Ral-Ra2)/RR，其中Ral為所述晶圓的初始平均粗糙度，Ra2為所述晶圓經過所述化學機 械研磨后所期望達到的預期平均粗糙度，RR為所述以去離子水為研磨液對所述晶圓進行研 磨的研磨速率。
[0012] 優選地，所述去離子水清洗工序中對晶圓進行研磨的時間為10~25s。
[0013] 優選地，所述去離子水清洗工序中對所述晶圓進行研磨的研磨速率RR為1~5 A /s。
[0014] 可選地，所述Ral的范圍為10~3〇A，所述Ra2的范圍為5~1 5八。
[0015] 進一步地，所述化學機械研磨工藝依次包括啟動工序、主研磨工序和去離子水清 洗工序。
[0016] 優選地，所述主研磨工序進行的時間為40~90s。
[0017] 可選地，所述主研磨工序進行的過程中其拋光速率為250()-.8000戎/min。
[0018] 優選地，所述化學機械研磨工藝進行的時間為60~120s。
[0019] 進一步地，所述晶圓由化學機械研磨工藝加工完成后，進一步接受無應力拋光工 藝的加工處理。。
[0020] 優選地，由所述無應力拋光工藝去除的晶圓表面的厚度為:500~2QO〇A。
[0021] 本申請所提供的技術方案，對現有的半導體晶圓的平坦化工藝進行了改進，通過 改進后的CMP工藝對晶圓進行平坦化處理，不僅降低了晶圓的低Ra值和Rt值，同時也避免 了 CMP工藝中機械壓力損傷晶圓的以外事故發生，最大限度的維護了半導體廠商的利益。
【附圖說明】
[0022] 圖1是經由顯微鏡放大后的晶圓表面粗糙度情況的示意圖；
[0023] 圖2是現有技術采用CMP工藝和SFP工藝對晶圓進行處理的粗糙度結果示意圖；
[0024] 圖3是本發明第一【具體實施方式】中對晶圓進行CMP工藝和SFP工藝處理的流程 圖；
[0025] 圖4是本發明第一【具體實施方式】中采用CMP工藝和SFP工藝對晶圓進行處理的粗 糙度結果示意圖
[0026] 圖5是本發明第二【具體實施方式】中采用CMP工藝對晶圓進行處理的粗糙度結果示 意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面將結合附圖3-5的內容介紹本發明的【具體實施方式】，以供大眾理解：
[0028] 附圖3是本發明第一【具體實施方式】的流程圖。與現有技術相比，本發明的具體實 施方式同樣采用了先由CMP工藝對晶圓進行研磨并去除絕大部分表面膜層301，之后轉換 為SFP工藝對剩下的較少部分的表面膜層301加以拋光去除的技術思路。所不同的是，本 發明中的CMP工藝包括了啟動工序、主研磨工序和去離子水清洗工序，且為了保證較好的 粗糙度，本實施方式中在CMP工藝的去離子水清洗工序中，以去離子水為研磨液，增加了一 定時間的對晶圓表面的CMP研磨，且去離子水清洗工序的研磨過程中所采用的下壓力與主 研磨工序中采用的下壓力相同。由于去離子水中不含有研磨顆粒，這段時間當中CMP研磨 的去除速率將大大降低，不會迅速地導致晶圓的減薄，從而保證了晶圓的厚度足以承受CMP 研磨的機械壓力；去離子水清洗工序中采用的下壓力與主研磨工序中的下壓力相同，保證 了去離子水工序中這段時間內雖然研磨速率下降，但總體還是會對晶圓表面有一定的研磨 作用；因此，在此狀態下可以通過CMP工藝的持續研磨逐步地提高晶圓表面的Ra值和Rt 值，而不致損傷銅互連結構或壓碎晶圓。由于在本【具體實施方式】的CMP工藝中最大限度的 降低了晶圓表面的粗糙度，在切換為SFP工藝后，晶圓的粗糙度只會在此較小的基數上有 所爬升，這樣，在遍歷了本實施方式的CMP工藝和SFP工藝后，最終獲得的晶圓表面粗糙度 相較于現有技術處理后獲得的晶圓表面粗糙度將大幅度降低，晶圓的表面會十分平整。
[0029] 為了達到期望的粗糙度值，需要對去離子水清洗工序中以水為研磨液對晶圓 進行研磨的時間Λ T加以控制，本發明中對Λ T的取值給出了相應的公式加以限制： Λ Τ彡6*(Ral-Ra2)/RR，其中Ral是圖3中的晶圓未經受CMP工藝和SFP工藝處理時的初 始平均粗糙度，Ra2是圖3中的晶圓經過本實施方式的CMP工藝處理后所期望達到的預期平 均粗糙度。由于平均粗糙度Ra的值遵循正態分布，所以平均粗糙度Ra的值與最大峰谷垂 直距離Rt的值存在對應關系：Rt = 6Ra。如果去離子水清洗工序中對晶圓進行研磨的速率 為RR，則可以推得要達到相應的粗糙度要求，此工序中至少要對晶圓研磨Λ T的時長，Λ T =6* (Ral-Ra2)/RR。經過實驗，去離子水清洗工序中的研磨速率一般在1~5 A /s的范圍內， 而根據研磨速率的不同，去離子水清洗工序中以去離子水作為研磨液進行研磨的時間一般 控制在10~25s為宜。如果此階段的研磨時間過短，則達不到降低粗糙度的目的，過長則 同樣又會對晶圓的結構產生不利影響。
[0030] 表1給出了本發明第一【具體實施方式】中CMP研磨工藝的操作參數，其中既包含設 備的設置參數，也包括一些實際的工藝參數。
[0031]
[0032] 在該【具體實施方式】中，CMP研磨工藝共分為啟動工序、主研磨工序和去離子水清洗 工序，在各道工序中涉及到的設備參數包括研磨轉盤的轉速、研磨頭的轉速、研磨液的有無 以及去離子水的有無等；涉及到的工藝參數包括各道工序的持續時間。控制好上述因素對 獲得較好粗糙度的晶圓表面有著非常重要的意義。
[0033] 在本【具體實施方式】中，要求晶圓表面的初始粗糙度Ral=l〇A ,經過CMP工藝處理 后的預期粗糙度Ra2=5A而研磨速率控制在RR=2 Λ/s,所以根據前述公式，在去離子水清 洗工序中，需要以去離子水為研磨液對晶圓進行CMP研磨至少ΔΤ = 6*(10-5)/2 = 15s， 即至少要在此道工序中對晶圓研磨15s，本【具體實施方式】中在此工序中實際對晶圓研磨了 20s，以保證晶圓進一步達到較低的粗糙度。同時，表1中也給出了 CMP工藝中各道工序進行 過程中，研磨轉盤和研磨頭的轉速，以控制研磨速率和研磨時間。其中，尤屬主研磨工序中 的研磨速率和研磨時間最為重要，主研磨工序的研磨速率最好控制在2500-8000 A /min， 這樣能夠保持一個較高的研磨效率，而主研磨的時間相應的控制在40~90s為宜，這樣可 以保證剩余交由SFP工藝拋去的晶圓表面的厚度在500~2000a左右，且在這之前的CMP研 磨不會對晶圓造成不利影響。為此，在本實施方式中，給出了研磨過程中研磨轉盤和研磨頭 的具體轉速，以實現上述目的，確保CMP工藝進行的高效、穩定。由于CMP工藝中至少包括 了主研磨工序和去離子水清洗工序，去離子水工序的時間約在10~25s，主研磨工序的時 間在40~90s，二者其間還可穿插其他工序，因此CMP工藝的總體時間一般會控制在60~ 120s左右。
[0034] 同時，表1還給出了本實施方式在CMP研磨過程中添加研磨液（帶有研磨顆粒的 研磨液）和去離子水的時機。在去離子水清洗工序中，去離子水一方面作為清洗液沖刷掉 研磨過程中產生的雜質顆粒；另一方面，在本發明申請中，去離子水還進一步充當了研磨 液，由于去離子水中不摻雜研磨顆粒，相較帶有研磨顆粒的研磨液大幅延緩了研磨速率，從 而保證了 CMP工藝繼續以一個較慢的速率對晶圓進行減薄，同時對晶圓的表面繼續進行平 坦化處理，以進一步地降低了晶圓表面的粗糙度。
[0035] 圖4展示的是本發明第一【具體實施方式】中，工藝進行前后的晶圓的粗糙度結果示 意圖。其中的晶圓包括表面膜層401和基底402兩部分。在研磨和拋光工藝開始之前，表 面膜層401具有較大的粗糙度，存在許多凸起，經過CMP研磨之后，晶圓的表面膜層401的 粗糙度得到了大幅度的修正，而且，與圖2中現有技術的CMP研磨相比，由于本實施方式中 還以去離子水為研磨液延長了 CMP研磨的時間，其對表面膜層401的粗糙度的修正效果有 了很大的提高，明顯優于現有技術。在CMP工藝結束之后，晶圓需要進一步接受了 SFP工藝 的處理，在此過程中晶圓表面的粗糙度雖然有所增大，但由于粗糙度的基數較小，且其增幅 相比現有技術也比較小，因而最終獲得所獲得的晶圓也擁有較小的粗糙度，晶圓表面相較 現有技術有了明顯的改善，顯得更加平整。
[0036] 以上主要是針對表面沒有圖形的晶圓進行平坦化處理的【具體實施方式】。對于表面 具有圖形的晶圓，可以參考圖5以及以下的本發明申請的第二【具體實施方式】。
[0037] 圖5展示的是本發明申請中的方法應用于帶有圖形的晶圓時的情況。該晶圓包括 銅膜501和基底502,在基底502中開設有圖形線槽，圖形線槽被銅膜501填充。圖5中（a) 圖展示的是晶圓未接受CMP研磨之前的狀態示意圖，而圖5中（b)圖展示的則是晶圓由CMP 研磨處理之后的狀態示意圖。
[0038] 第二【具體實施方式】中的CMP工藝包括啟動工序、主研磨工序、拋邊工序和去離子 水清洗工序，其初始表面粗糙度Ral=30 A，.預期表面粗糙度Ra2=l() A，去離子水清洗 工序中的研磨速率RR=5:A /s:，則根據公式Λ T = 6*(Ral-Ra2)/RR = 6*(30-10)/5 = 24s。 也就是說，在去離子水清洗工序中至少要采用CMP工藝對晶圓表面繼續研磨24s才能達到 期望獲得的預期表面粗糙度Ra2,在本實施方式中，以去離子水作為研磨液對晶圓進行研 磨，實際進行了 25s的時間，以保證獲得的粗糙度符合預期。
[0039] 從圖5中可以看到，該晶圓的圖形從左到右呈三級階梯狀，且位于最右側的圖形 線槽由于線寬較大而存在明顯的凹陷，但本實施方式中CMP研磨去除的厚度較少，并未抵 達最右側的第三級階梯的圖形線槽的深度，而僅抵達第二級階梯的厚度，因此只修正了第 一級階梯和第二級階梯的銅膜501的表面粗糙度。
[0040] 毋庸贅言地，本申請所公開的特定的【具體實施方式】僅僅描述了本發明中的技術方 案及其一般原理，其作用是傾向于釋明性的，而非自囿性的。因此，即使本領域技術人員在 該發明的基礎上作出了無實質性特點和顯著進步的更動和潤飾，使之方案貌似地區別于本 發明的精神實質，其仍然不能被劃歸在本發明申請的保護范圍之外。
【主權項】
1. 一種減小晶圓表面粗糖度的方法，包括化學機械研磨工藝，所述化學機械研磨工藝 至少包括主研磨工序和去離子水清洗工序，所述主研磨工序中使用帶有研磨顆粒的化學制 劑為研磨液對所述晶圓進行研磨，其特征在于，在所述去離子水清洗工序中，所述化學機械 研磨工藝W去離子水為研磨液繼續對所述晶圓進行研磨，所述去離子水清洗工序中采用的 下壓力與所述主研磨工序中采用的下壓力相同，W獲得表面粗糖度符合要求的晶圓。2. 根據權利要求1所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述去離子水清 洗工序中對晶圓進行研磨的時間至少為A T = 6*(Ral-Ra2)/RR，其中Ral為所述晶圓的初 始平均粗糖度，Ra2為所述晶圓經過所述化學機械研磨后所期望達到的預期平均粗糖度，RR 為所述W去離子水為研磨液對所述晶圓進行研磨的研磨速率。3. 根據權利要求2所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述去離子水清 洗工序中對晶圓進行研磨的時間為10~25s。4. 根據權利要求2所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述去離子水清 洗工序中對所述晶圓進行研磨的研磨速率RR為以5乂您。5. 根據權利要求2所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述Ral的范圍為 10…30a，所述Ra2的范圍為5~IOA。6. 根據權利要求2所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述化學機械研 磨工藝依次包括啟動工序、主研磨工序和去離子水清洗工序。7. 根據權利要求6所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述主研磨工序 進行的時間為40~90s。8. 根據權利要求7所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述主研磨工序 進行的過程中其拋光速率為2500.、.8()00A /min..9. 根據權利要求7所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述化學機械研 磨工藝進行的時間為60~120s。10. 根據權利要求2所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，所述晶圓由化學 機械研磨工藝加工完成后，進一步接受無應力拋光工藝的加工處理。11. 根據權利要求10所述的減小晶圓表面粗糖度的方法，其特征在于，由所述無應力 拋光工藝去除的晶圓表面的厚度為500~200§A。
【文檔編號】B24B37/04GK105990122SQ201510081887
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月15日
【發明人】楊貴璞, 王堅, 王暉
【申請人】盛美半導體設備（上海）有限公司