專利名稱：防止晶圓邊緣器件良率低的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造工藝技術領域，尤其涉及一種化學機械研磨方法。
背景技術：
化學機械研磨(CMP)工藝是一種能提供硅片全局和局部平坦化的工藝技術?；瘜W機械研磨工藝已被廣泛用于層間介質，金屬層，如鎢栓塞、或銅連線，淺溝槽隔離的去除和平整，成為半導體制造工藝中重要的工藝。集成電路制造流程中，在晶圓上制作元件結構或圖案化的金屬導線后，會先在基底上沉積一層介電材料，然后再進行后續(xù)金屬層的沉積，依功能上的不同，這層用來隔離金屬導線與元件的介電層通常被稱為層間介電層，而用來隔離金屬導線與其他金屬導線的介電層通常被稱為金屬層間介電層(Inter-Metal Dielectrics, IMD)，此介電層結構通常由化學氣相沉積法所沉積的氧化層所組成，常見如二氧化硅(SiO2)、經摻雜的二氧化硅，或為低介電常數(shù)材料。由于此介電層并非完全平坦而是隨著晶圓表面的圖案高低起伏，因此通常采用化學機械研磨法(CMP)加以平坦化來提升半導體基底表面的平坦度，以利后續(xù)的制造流程。CMP的機理是在一定的壓力下通過晶圓和一個研磨墊之間的相對運動來平坦化晶圓表面，其中晶圓固定在研磨頭上，并面向研磨平臺上的研磨墊；研磨墊上有大量含有研磨顆粒的研磨液，晶圓表面材料與研磨液發(fā)生化學反應，生成一層相對容易去除的表面層， 在研磨液中的研磨顆粒的作用下，在與研磨墊的相對運動中被機械地磨掉。通常，研磨頭包含一主體，一定位環(huán)(Retaining Ring)與一隔膜(Membrane)，其中定位環(huán)用以固定待研磨的晶圓的位置，其一面緊密結合待研磨的晶圓防止其在研磨旋轉過程中自研磨頭下方脫離。隔膜通常由彈性材料的圓形片狀組件組成，研磨時對該彈性隔膜加壓以使待研磨的晶圓貼緊，形成彈性隔膜與晶圓緊密接觸。通常采用研磨均勻性來評價CMP效果，現(xiàn)有技術，例如公開號為CN141^69A的中國專利申請，公開了一種改良的用于化學機械研磨的研磨頭，可有效提高研磨均勻性，該研磨頭具有彈性膜延伸至支撐板外緣，而彈性膜的外緣與刀口相差一定距離，該研磨頭可增加晶片表面的整體平坦度、降低集成電路制程的困難及提高制程優(yōu)良率。然而采用上述技術需要更換研磨頭，成本較高，在實際工藝中，還可以根據(jù)研磨頭所施加的壓力調節(jié)對晶圓的邊緣薄膜材料的移除速率從而提高研磨均勻性，比如調節(jié)研磨頭所施加的壓力，如調節(jié)定位環(huán)、隔膜的壓力，然而，受限于研磨頭的主體、定位環(huán)、隔膜等耗材影響，上述壓力調整隨著研磨時間的進行而改變。也就是說，雖然調節(jié)研磨頭壓力能夠調整對晶圓邊緣的研磨從而使研磨均勻，但研磨頭結構的材料容易損耗，對于改善研磨均勻性的效果不穩(wěn)定，從而會導致位于晶圓邊緣的器件的良率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的技術問題是針對研磨后厚度分布呈現(xiàn)邊緣薄中間厚的情況，當邊緣薄到一定程度將會導致良率下降。因此提供一種防止CMP過度研磨導致晶圓邊緣器件良率低的方法，可改善在化學機械研磨中邊緣性能不佳的問題，獲得較佳的平坦化效果。為解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供一種防止晶圓邊緣器件良率低的方法所述晶圓邊緣區(qū)域介質層由于過度研磨導致良率降低，該方法包括在半導體晶圓表面上形成待研磨的材料層；對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨；其中，所述晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率?？蛇x地，對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨包括確定研磨平臺和研磨頭的轉速步驟，所述確定研磨平臺和研磨頭的轉速步驟進一步包括獲取研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值；依據(jù)所述材料層的待研磨厚度以及研磨后的均勻性，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速差的第二特定值，所述第二特定值大于所述第一特定值；依據(jù)所述第二特定值，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速?？蛇x的，所述獲取研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值包括提供光片；對所述光片進行研磨，根據(jù)光片的移除速率和均勻性獲得研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值?？蛇x的，所述第一特定值范圍為Orpm 6rpm?？蛇x的，所述依據(jù)第二特定值，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速包括調整研磨平臺與研磨頭的轉速，使研磨平臺與研磨頭的轉速差等于所述第二特定值。可選的，所述第二特定值大于或等于20rpm?？蛇x的，所述第二特定值范圍為所述第二特定值范圍為大于20rpm并小于研磨平臺的轉速?？蛇x的，所述待研磨的材料層的邊緣厚度相對于中心區(qū)域厚度薄?？蛇x的，所述材料層包括層間介電層或金屬層間介電層?？蛇x的，所述材料層包括二氧化硅(Si02，USG)、氟摻雜的SiO2 (FSG，F(xiàn)-doped Si02)、磷摻雜的 Si02(PSG，P_doped SiO2)或硼、磷摻雜的 SiO2 (BPSG，B，P-doped SiO2)。由于半導體制造工藝過程中，可能出現(xiàn)在研磨前晶圓的層間介質層中間厚而邊緣薄的情況，從而在研磨過程中易出現(xiàn)邊緣過度研磨現(xiàn)象甚而出現(xiàn)兩金屬層短路等缺陷?，F(xiàn)有技術根據(jù)在光片上具有最佳的研磨均勻性而獲得研磨平臺與研磨頭轉速差的特定值，并且將此特定值應用在實際工藝中，比如采取研磨平臺與研磨頭轉速差小于等于該特定值進行研磨，但是這樣操作會導致位于晶圓邊緣的器件的良率降低。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實施例具有以下優(yōu)點1、通過采用對所述晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率的研磨方式，解決了晶圓邊緣過度研磨現(xiàn)象，提高晶圓邊緣器件生產良率。2、克服了固有的研磨方式，通過調整研磨平臺與研磨頭之間的轉速差，使之大于第一特定值，在不降低對晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率條件下，降低了對晶圓邊緣的研磨移除速率，提高研磨均勻性；并且本發(fā)明可以根據(jù)生產工藝的需要，依據(jù)晶圓邊緣厚度不同的情況，通過改變研磨平臺與研磨頭之間轉速差的大小，可以獲得不同的邊緣研磨移除速率效果。


圖1是晶圓表面形成的金屬層間介電層在研磨前的形貌示意圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例的防止晶圓邊緣器件良率低的方法的流程示意圖；圖3是本發(fā)明的一個實施例的確定研磨平臺和研磨頭的轉速的方法的流程示意圖；圖4-圖6分別顯示了采用三種不同研磨方案晶圓膜厚變化示意圖；圖7是本發(fā)明一實施例中三種不同的研磨平臺與研磨頭轉速差方案下，晶圓研磨移除速率；圖8是圖7中方案2和方案3中的晶圓研磨后膜厚值情況。
具體實施例方式在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。在半導體器件制造工藝中，經常存在晶圓邊緣器件良率降低的情況，發(fā)明人經過分析發(fā)現(xiàn)，晶圓邊緣器件良率低的主要原因在于在平坦化工藝之后，晶圓邊緣會被過度研磨，進而出現(xiàn)短路從而導致晶圓邊緣器件良率低。下面進行詳細說明。在形成金屬互連工藝中，通常需要采用光刻膠形成細微圖案，其中旋涂光刻膠在晶圓表面建立均勻的光刻膠膜。然而，在晶圓的涂膠過程中，由于旋轉產生的離心力，使得晶圓上的光刻膠逐漸向晶圓邊緣散布，導致累積在晶圓的邊緣的光刻膠形成突起物殘留， 所述突起物殘留容易發(fā)生剝離(Peeling)，從而影響其它部分的圖形，進而影響后續(xù)工藝。 為了去除累積于晶圓邊緣的光刻膠殘留，通常引入洗邊工藝，也稱作邊緣光刻膠去除工藝 (Edge Bead Removal,EBR)，以去除晶圓邊緣的光刻膠殘留物。然而，通常的情況是，由于工藝的誤差，使得在洗邊工藝中無法確保晶圓厚度一致性，從而產生晶圓上的金屬層出現(xiàn)中間厚而邊緣趨薄的現(xiàn)象。若后續(xù)在此中間厚而邊緣趨薄的金屬層上形成金屬層間介電層，仍然會出現(xiàn)中間厚而邊緣趨薄的現(xiàn)象，如圖1給出了晶圓表面形成的金屬層間介電層在研磨前的形貌，由圖1可以看出，位于晶圓11表面上的金屬層間介電層(IMD) 12在化學機械研磨前存在中間厚而邊緣趨薄的現(xiàn)象，如圖1中A處所示。因此，需要對該表面不平坦的金屬層間介電層12 進行化學機械研磨加以平坦化，然而在受到相同研磨壓力的作用下，由于晶圓邊緣的速度快、受力面積小，研磨的作用效果明顯。根據(jù)晶圓表面的移除速率(removal rate)計算公式，可以用I^reston公式表達RR = η XPXV其中RR指移除速率，單位時間內磨去的厚度，單位通常是納米每分鐘(nm/min) 或埃每分鐘(A/min)；η是I^eston系數(shù)，是與設備和工藝環(huán)境以及研磨漿等有關的參數(shù)；P指晶圓表面所受到的壓力；
V指在晶圓表面某點晶圓和研磨墊的相對速度。因此，對晶圓邊緣的研磨移除速率大于中心的移除速率，也就是說，現(xiàn)有技術的化學機械研磨方法通常沿著晶圓的邊緣產生高的移除速率，而在晶圓的中心產生相對低的移除速率。再加之晶圓表面存在的中間厚而邊緣趨薄的現(xiàn)象，極易出現(xiàn)金屬層問介電層邊緣被過度研磨，甚而出現(xiàn)金屬層問介電層邊緣消失的現(xiàn)象，從而引起兩金屬層短路故障，導致晶圓邊緣器件良率降低。除了前述的移除速率(RR)之外，通常還采用研磨的均勻性(uniformity)或非均勻性(non-uniformity)等檢測參數(shù)來描述CMP的作用，其反映整個晶圓上膜層厚度的變化。目前在化學機械研磨工藝中，對上述主要檢測參數(shù)的控制主要是通過監(jiān)控光片 (又稱為控片)移除速率的大小和均勻性來實現(xiàn)。所述光片，即控片，是在半導體襯底(如硅襯底)上生長材料層形成的沒有圖形的晶圓，其是用于測試機臺的移除速率和均勻性的晶圓?，F(xiàn)階段，為了獲得較好的研磨均勻性，通常使研磨平臺與研磨頭的轉速差小于等于某一特定值，例如目前業(yè)界普遍采用的最好是小于等于6rpm(每分鐘轉數(shù))，也就是研磨平臺轉速相對于研磨頭轉速快6rpm。舉例而言，當研磨頭的轉速為102rpm時，研磨平臺的轉速小于等于IOSrpm，就能在光片上獲得較好的研磨均勻性。但是對于已形成有圖案的晶圓，特別是待研磨晶圓層間介電層上存在中間厚邊緣薄的現(xiàn)象，若仍然采用上述通過監(jiān)控光片獲得的研磨平臺與研磨頭的轉速差值，例如使研磨平臺與研磨頭的轉速差小于等于6rpm的方法，雖然在光片上獲得了較佳的研磨均勻性， 但對于實際的產品來說，由于晶圓邊緣的待研磨材料本身比較薄以及由于化學機械研磨的本身固有的對晶圓邊緣研磨速度比對晶圓中心研磨速度快的特性，晶圓邊緣處的厚度會明顯薄于中心區(qū)域，使得研磨之后的晶圓出現(xiàn)更多缺陷，如可能使金屬層間介電層因過度研磨而消失，導致兩金屬導線層短路從而降低晶圓邊緣器件良率。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種防止晶圓邊緣器件良率低的方法，所述晶圓邊緣區(qū)域介質層由于過度研磨導致良率降低，該方法包括步驟Si，在半導體晶圓表面上形成待研磨的材料層；步驟S2，對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨；其中，所述晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率。本發(fā)明的發(fā)明人經過長期研究發(fā)現(xiàn)，針對待研磨晶圓層間介電層上存在中間厚邊緣薄的現(xiàn)象，使晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率，將能夠解決現(xiàn)有技術中存在的晶圓邊緣器件良率低的問題。通過采用較大的研磨平臺與研磨頭的轉速差，也就是，研磨平臺相對于研磨頭的轉速更快，獲得對晶圓邊緣較低的移除速率。下面結合附圖對本發(fā)明的防止晶圓邊緣器件良率低的方法具體實施方式
做詳細說明。結合圖1所示，本發(fā)明實施例以八寸OOOmm)晶圓為例，在半導體晶圓11表面上形成待研磨的材料層，本實施例中在晶圓金屬薄膜上淀積一層金屬層間介電層(IMD) 12，并且該金屬層間介電層12存在中間厚而邊緣趨薄，如圖A處。下面結合圖7進一步說明本發(fā)明防止晶圓邊緣器件良率低的方法。
圖7顯示了三種不同的研磨平臺與研磨頭轉速差方案下，晶圓研磨移除速率。其中，橫軸代表晶圓上的位置信息，單位是毫米，其中晶圓的中心位于位置0，晶圓最左邊邊緣位于位置-100，而晶圓最右邊邊緣位于位置100?？v軸代表移除速率，單位是埃/分鐘。圖7中包括三種不同的研磨平臺與研磨頭轉速差方案，分別是方案1代表研磨平臺與研磨頭的轉速差為0時的移除速率，以菱形圖顯示；方案2代表研磨平臺與研磨頭的轉速差為15rpm時的移除速率，以三角形圖顯示；方案3代表研磨平臺與研磨頭的轉速差為 35rpm時的移除速率，以方形圖顯示。本實施例是為了說明轉速差對于移除速率的影響，不同的方案僅僅是轉速差不同，其他研磨因素相同。從圖7中可以看出，三條曲線在晶圓中心區(qū)域取值比較集中，表明轉速差情況對于晶圓中心區(qū)域的移除速率幾乎未產生影響；而在晶圓邊緣區(qū)域，三條曲線的取值較為分散，并且對于方案2和方案3，在晶圓邊緣的取值呈下降的趨勢，表明移除速率減小，而且越靠近晶圓邊緣處表現(xiàn)的越明顯，即，轉速差值的大小對于晶圓中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的移除速率具有不同影響，即，研磨平臺與研磨頭的轉速差越大，晶圓邊緣的移除速率越低。本實施例中，晶圓中心區(qū)域，大約是晶圓半徑的2/3至4/5范圍內(比如在半徑 70mm范圍內區(qū)域)，移除速率大約在2300A/min左右，三種不同的研磨平臺與研磨頭轉速差情況對于晶圓中心區(qū)域的移除速率幾乎未產生影響，也就是說，改變研磨平臺與研磨頭的轉速差，對于晶圓中心區(qū)域與研磨墊的相對速度V不會造成太大改變。表1給出圖7所示三種不同研磨方案下，晶圓邊緣移除速率結果，根據(jù)表1所示的結果，改變研磨平臺與研磨頭的轉速差，使之大于通過監(jiān)控光片獲得的轉速差，將減少晶圓邊緣移除速率；同時隨著研磨平臺與研磨頭轉速差逐漸增大，晶圓邊緣具有隨著轉速差越大而移除速率越小的關系。也就是說，改變研磨平臺與研磨頭轉速差值的大小，可以獲得不同的邊緣研磨移除速率效果。然而，前述通過調節(jié)研磨壓力來改善晶圓邊緣研磨的效果卻非常有限，發(fā)明人通過長期實踐發(fā)現(xiàn)，該傳統(tǒng)方法所能達到的改善晶圓邊緣研磨的效果最多如表2中方案2所示的程度，即，通過調節(jié)研磨壓力，晶圓邊緣研磨移除速率最多降低到約2000 A/min。表 1(圖7所示三種不同研磨方案下，晶圓邊緣移除速率結果)
權利要求
1.一種防止晶圓邊緣器件良率低的方法，所述晶圓邊緣區(qū)域介質層由于過度研磨導致良率降低，其特征在于在半導體晶圓表面上形成待研磨的材料層；對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨；其中，所述晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率。
2.如權利要求1所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨包括確定研磨平臺和研磨頭的轉速步驟，所述確定研磨平臺和研磨頭的轉速步驟進一步包括獲取研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值；依據(jù)所述材料層的待研磨厚度以及研磨后的均勻性，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速差的第二特定值，所述第二特定值大于所述第一特定值；依據(jù)所述第二特定值，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速。
3.如權利要求2所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述獲取研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值包括提供光片；對所述光片進行研磨，根據(jù)光片的移除速率和均勻性獲得研磨平臺與研磨頭的轉速差的第一特定值。
4.如權利要求2所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述第一特定值范圍為Orpm 6rpm。
5.如權利要求2所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述依據(jù)第二特定值，確定所述研磨平臺與研磨頭的轉速包括調整研磨平臺與研磨頭的轉速，使研磨平臺與研磨頭的轉速差等于所述第二特定值。
6.如權利要求2所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述第二特定值大于或等于20rpm。
7.如權利要求2所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述第二特定值范圍為大于20rpm并小于研磨平臺的轉速。
8.如權利要求1-7任一項所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述待研磨的材料層的邊緣厚度相對于中心區(qū)域厚度薄。
9.如權利要求1-7任一項所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述材料層包括層間介電層或金屬層間介電層。
10.如權利要求9所述的防止晶圓邊緣器件良率低的方法，其特征在于，所述材料層包括Si02、FSG、PSG 或 BPSG。
全文摘要
一種防止晶圓邊緣器件良率低的方法，所述晶圓邊緣區(qū)域介質層由于CMP過磨導致良率降低，該方法包括在半導體晶圓上形成待研磨的材料層；對所述待研磨的材料層進行化學機械研磨；其中，所述晶圓邊緣研磨移除速率小于晶圓中心區(qū)域的研磨移除速率。本發(fā)明解決了晶圓邊緣過度研磨現(xiàn)象，提高晶圓邊緣器件生產良率。
文檔編號B24B37/02GK102380817SQ20111032815
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權日2011年10月25日
發(fā)明者李儒興, 李志國, 秦海燕, 陶仁峰 申請人:上海宏力半導體制造有限公司