專利名稱：一種化學機械研磨方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置領域，特別涉及一種化學機械研磨方法。
技術背景
在半導體工藝領域，化學機械研磨技術(CMP技術)兼具有機械式研磨與化學式研磨兩種作用，可以使整個晶圓表面達到平坦化，以便于后續進行薄膜沉積等工藝。在進行 CMP的過程中，通過研磨頭將待研磨的晶圓壓在研磨墊上并帶動晶圓旋轉，而研磨墊則以相反的方向旋轉。在進行研磨時，通過研磨漿料輸送裝置將所需的研磨漿料添加到晶圓與研磨墊之間，然后，隨著研磨墊和待研磨晶圓之間的高速方向運轉，待研磨晶圓表面的反應產物被不斷地剝離，反應產物隨著研磨漿料被帶走。進一步地，待研磨晶圓的新表面又會發生化學反應，反應產物再被剝離出來，這樣循環往復，在機械研磨和化學腐蝕的共同作用下， 使晶圓表面平坦化。
但是，在現有的CMP制程中常常會使晶圓表面產生劃痕(scratch)，影響產品的優良率。所述劃痕包括微劃痕(Micro-scratch)和電弧擦傷(arc-scratch)。通常認為造成晶圓表面Micro-scratch和Arc-scratch的主要原因是研磨過程中的微粒與晶圓表面的摩擦所造成，這些微粒主要來自于研磨液中研磨粒的聚集，以及研磨機臺或外界環境在研磨過程中所造成的污染。
淺溝槽隔離技術(Shallow Trench Isolation，STI)是一種器件隔離技術，其具體工藝包括提供半導體襯底以及位于所述半導體底表面的刻蝕停止層(stoplayer)；采用刻蝕工藝，去除部分刻蝕停止層和半導體襯底，形成淺溝槽，所述淺溝槽用于隔離襯底上的有源區；在刻蝕停止層上以及淺溝槽內填入介質層，所述介質材料可以為氧化硅；對所述介質進行退火；用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing, CMP)平坦化所述介質層至暴露出刻蝕停止層。所述的化學機械研磨法通常包括至少兩個步驟以第一硬研磨墊進行第一研磨工藝；接著，以第一軟研磨墊進行第二研磨工藝。
所述的化學機械研磨法會在研磨過程中產生嚴重的微劃痕和電弧擦傷缺陷，造成產品的良率下降。發明內容
本發明解決的問題是提供一種化學機械研磨方法，防止在晶圓表面產生劃痕。
為解決上述問題，本發明提供了一種化學機械研磨方法，包括以第一軟研磨墊進行第一研磨工藝；接著，以第一硬研磨墊進行第二研磨工藝。
其中，所述待研磨層為介質層。
可選的，第一研磨工藝去除的待研磨層的厚度為待研磨層總厚度的20-50%。
可選的，所述第一軟研磨墊的硬度低于50蕭氏硬度。執行第一研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-aiiin。
可選的，所述第一硬研磨墊的硬度范圍為50-70蕭氏硬度。執行第二研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-aiiin。
與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明調整使用硬研磨墊和軟研磨墊的順序，首先使用軟研磨墊進行研磨，其次使用硬研磨墊進行研磨，避免首先采用硬研磨墊時對待研磨材料的尖角或者狹窄部分產生的破裂或者剝落，有效地防止破裂或者剝落的待研磨材料對晶圓表面產生劃痕的缺陷，從而提高了最終產品的質量和性能。


圖1是本發明淺溝槽隔離結構執行CMP工藝時的結構示意圖。
圖2是淺溝槽隔離結構執行CMP工藝時產生破裂的投射電子顯微鏡圖。
圖3是包含四個旋轉手臂和四個研磨區域的化學機械研磨設備結構示意圖。
圖4是圖3所示的一個研磨區域進行化學機械研磨時的具體結構圖以及研磨流程圖。
具體實施方式
本發明的發明人發現，采用現有的化學機械研磨方法，首先用硬研磨墊進行研磨， 然后用軟研磨墊進行研磨，會產生微劃痕和電弧擦傷缺陷，這是因為開始采用硬研磨墊進行研磨時，待研磨材料中存在的尖角或者狹窄部分在與硬研磨墊接觸時，會產生破裂或者剝落，這些破裂或者剝落的待研磨材料在隨后的研磨工藝中成為劃傷晶圓產生劃痕的主要原因。
以淺溝槽隔離結構的CMP工藝為例，參考附圖1所示，附圖中100為半導體襯底， 通常為硅，硅鍺或者絕緣體上硅，110為位于半導體襯底上的刻蝕停止層，通常為氮化硅，位于半導體襯底內的淺溝槽120，填充淺溝槽120并且覆蓋刻蝕停止層的介質層130，所述的介質層130通常采用化學氣相沉積工藝形成，例如高密度等離子體沉積，等離子體化學氣相沉積等等工藝，由于化學氣相沉積工藝的特性，在相鄰溝槽之間的介質層130會存在尖角140，在平面圖上會成為狹窄的有源線(Active line)；在進行化學機械研磨時，所述的晶圓在研磨頭210的作用下，使介質層130的表面接觸研磨墊220，在研磨頭向下的力，研磨墊，研磨液的共同作用下，對介質層130實施平坦化工藝，由于首先是采用硬研磨墊進行研磨，所以尖角140部分比較容易發生破裂或者剝落，參考附圖2所示，即為由于硬研磨墊以及研磨頭向下的力的共同作用下產生的破裂缺陷，所述缺陷在繼續進行化學機械研磨的過程中會在晶圓表面產生劃痕。
因此，針對上述問題，本發明提供了一種化學機械研磨方法，首先以第一軟研磨墊進行第一研磨工藝；接著，以第一硬研磨墊進行第二研磨工藝。避免剛開始研磨時硬研磨墊對待研磨材料的尖角或者狹窄部分進行擠壓產生的破裂現象，有效地防止散落在研磨墊上的待研磨材料對晶圓表面產生劃痕的缺陷，從而提高了最終產品的質量和性能。
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
本實施例所述的化學機械研磨方法，適用于任何現有的化學機械研磨設備，例如附圖3所示的包含四個旋轉手臂和四個研磨區域的化學機械研磨設備，包括研磨區域111， 112，113以及114，還包括旋轉手臂121。參考附圖4所示，為其中的一個研磨區域進行化學機械研磨時的具體結構圖以及研磨流程圖。參考附圖4所示，采用的研磨裝置包括研磨平臺(platen)、粘附于所述研磨平臺上的研磨墊(pad) 11、研磨頭(polishing head) 12和液體輸送管道13，所述液體輸送管道13包含研磨液輸送管131和去離子水(DIW)輸送管132。 在研磨過程中，所述研磨平臺帶動所述研磨墊11 一起旋轉(如圖4中的粗箭頭所示)，所述研磨液輸送管131向所述研磨墊11噴射研磨液，并通過所述研磨墊11旋轉產生的離心力使所述研磨液均勻地分布在所述研磨墊11上，所述研磨頭12吸附住待研磨晶圓，并將待研磨晶圓的待研磨面壓在所述研磨墊11的研磨表面上，所述研磨頭12帶動所述晶圓一起旋轉(如圖2中的細箭頭所示)，通過待研磨晶圓的待研磨面與所述研磨墊11的研磨表面之間的相對運動研磨待研磨晶圓的待研磨面。進行下一步研磨之前，所述去離子水輸送管 132噴射出去離子水對待研磨晶圓及研磨墊11進行清洗。
本實施例所述的化學機械研磨方法，首先以軟研磨墊進行第一研磨工藝，所述的軟研磨墊具有較好的柔韌性，可形變性以及較低的硬度，材料例如為Rohm and haas公司所制造的Polytex，還可以是聚乙烯，或者Rodel公司制造的Embossed pad。其硬度例如低于 50蕭氏硬度，其密度低于0. 5g/CM3。
本實施例中，進行研磨時，所述的待研磨面例如是STI工藝中待進行平坦化處理的介質層130，由于采用了軟研磨墊，軟研磨墊比較柔軟，可變形性也較好，即使介質層130 表面具有尖角，也可以避免介質層在研磨的開始階段發生破裂或者剝落。
若待研磨面為介質層130，執行研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為 4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-2min，采用所述的軟研磨墊，將所述的介質層去除總厚度的 20-50% ο
執行上述研磨工藝之后，以第一硬研磨墊進行第二研磨工藝。其進行化學機械研磨時的具體結構圖以及研磨流程與附圖3和附圖4所示相同，在此不再贅述。
所述的硬研磨墊的材料例如是具有類似絨布柔軟性的聚合材料，如摻有聚胺甲酸酯的聚酯纖維，聚酯纖維和聚胺甲酸酯的比例可以根據需要進行調節，其硬度范圍例如為 50-70蕭氏硬度，其密度例如為0. 5-0. 9g/CM3。
待研磨面為經過軟研磨墊研磨過的介質層130時，執行研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-2min，采用所述的硬研磨墊執行研磨工藝，直至暴露出刻蝕停止層。
在所述的第一研磨工藝和第二研磨工藝之間，還包括對晶圓以及研磨設備進行清洗的工藝，在一個優選的實施例中，所述的清洗工藝采用的清洗試劑包括硫酸，雙氧水，HF 等，清洗時間范圍為1-aiiin。
對本發明來說，所述的待研磨層可以是氧化硅，氮氧化硅等介質材料，適用的半導體工藝除了 STI工藝，還可以是其它任何溝槽平坦化工藝以及金屬連線層形成工藝等等， 所述的軟研磨墊和硬研磨墊的材料，研磨液的成分以及研磨工藝隨著不同的半導體工藝和待研磨材料進行調整。
本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種化學機械研磨方法，包括 以第一軟研磨墊進行第一研磨工藝； 接著，以第一硬研磨墊進行第二研磨工藝。
2.根據權利要求1所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述待研磨層為介質層。
3.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，第一研磨工藝去除的待研磨層的厚度為待研磨層總厚度的20% -50%。
4.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一軟研磨墊的硬度低于50蕭氏硬度。
5.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，執行第一研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-aiiin。
6.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一硬研磨墊的硬度范圍為50-70蕭氏硬度。
7.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，執行第二研磨工藝時，研磨頭向下的壓力范圍為4. 5-6. 5psi，研磨時間范圍為0-aiiin。
全文摘要
本發明提供了一種化學機械研磨方法，包括以第一軟研磨墊進行第一研磨工藝；接著，以第一硬研磨墊進行第二研磨工藝。本發明有效地防止破裂或者剝落的待研磨材料對晶圓表面產生劃痕的缺陷，從而提高了最終產品的質量和性能。
文檔編號B24B37/02GK102528640SQ201210030458
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者李儒興, 李志國, 石強, 陳海蓉 申請人:上海宏力半導體制造有限公司