[发明专利]混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)工艺，特别是涉及一种混合式(hybrid)化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中应用了两种不同类型的研磨抛光垫，尤其可应用在沟槽绝缘(shallow trench isolation，STI)工艺中，将晶片上的介电层准确地抛光到所要的目标厚度，以避免过度抛光(over-polish)、碟形抛光(dishing)现象、快磨带(fast-band)现象或者氮化硅垫层(pad nitride)的耗损，藉此提高STI工艺的可靠度，同时增加设备产出能力并降低生产成本。

背景技术

在半导体工艺中，化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)技术是目前提供超大规模集成电路的全面性平坦化最重要的技术之一，已被广泛地应用于在许多不同的半导体工艺领域中，例如，集成电路工艺前段的沟槽绝缘(shallow trench isolation，STI)工艺，以及集成电路工艺后段的金属内连线工艺。

在制作集成电路的过程中，不可避免地需要在一晶片上沉积数层不同材料的堆叠结构。化学机械抛光技术可用来均匀地去除晶片上不规则表面(topographical)的目标薄膜层(target thin film)，使晶片在经过化学机械抛光工艺处理后能够具有一平坦且规则(regular and planar)的表面，以确保在后续的黄光工艺中的聚焦深度(depth of focus，DOF)。而为了控制所移除的目标薄膜层的厚度，化学机械抛光工艺终点必须被精确的侦测并且被迅速地决定，以即时停止化学机械抛光工艺。

简言之，化学机械抛光技术是将一待抛光晶片面朝下压于一研磨抛光垫(polishing pad)上，此待抛光晶片由一称为抛光头(carrier head)的圆盘状机构所固定。在抛光阶段，抛光头带动待抛光晶片以一固定转轴旋转，而研磨抛光垫则以另一转轴旋转，然后通过化学或机械方式得以将晶片表面待去除的介电层或金属层抛光掉。

一般而言，为了避免过度抛光，化学机械抛光工艺的目标薄膜层厚度控制主要仰赖一设置于目标薄膜层下方的抛光停止层(stop layer)判断是否应停止化学机械抛光工艺。抛光停止层的抛光速率(removal rate)通常需小于其上的目标薄膜层，换句话说，目标抛光层被抛光的速率需大于目标抛光层下方的抛光停止层。然而，有时在实际应用上，部分进行化学机械抛光工艺的目标薄膜层并未具有抛光停止层，因此，无法通过抛光停止层决定化学机械抛光工艺终点，在此状况下若产生过度抛光的状况，则必须进行一再沉积(re-deposition)工艺，以于化学机械抛光后的目标薄膜层上再沉积相同的薄膜层，藉使目标薄膜层的厚度达到预定要求。

如前所述，化学机械抛光技术可以应用于在前段的STI工艺中。由于STI结构用来电性隔离制作在晶片上的晶体管元件以及晶体管的漏极或源极区域等，因此其重要性可想而知。所谓的STI工艺通常是先在晶片表面上形成硅氧垫层以及氮化硅垫层，然后以光刻及蚀刻工艺在氮化硅垫层与晶片中蚀刻出沟槽，然后在沟槽内以及晶片表面上全面沉积一硅氧介电层，接着再以化学机械抛光工艺抛光掉在沟槽外、氮化硅垫层上方的硅氧介电层，如此即形成STI结构。其中，氮化硅垫层除了可以作为在蚀刻沟槽时的蚀刻硬掩模，同时也在随后的在化学机械抛光过程中，扮演抛光停止层的角色。在化学机械抛光过程中，为避免损及下方的材料层或元件，工艺上皆会要求使氮化硅垫层的耗损越少越好。

由此可知，化学机械抛光技术具有低成本、高产出能力以及高均匀性及效率等优点。然而，化学机械抛光技术亦有其缺点，例如，在抛光时，硅氧层对氮化硅层的选择性不足，因而造成硅氧层的抛光不足或者过度抛光现象。过去为了解决这些问题，可以利用额外的步骤补偿之，例如，利用所谓的反相光掩模或者逆掩模(reverse mask)。