[发明专利]化学机械抛光的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及化学机械抛光方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)是一种常见的用于使器件表面平面化的工艺手段。CMP技术是利用旋转平台与气压驱动研磨头做结合而运转，该工艺基本上是研磨晶片的前表面或组件表面至平坦，以便为下一步工艺做准备。在此过程中，常常对晶片进行一次或多次地研磨，以使晶片的前表面尽可能地平坦。晶片是用载具放置在CMP装置中，且被研磨的一面朝向下方的研磨头，此研磨头布满胶体硅土或矾土研磨液。一般有两层研磨垫覆盖旋转平台，且研磨垫的外层为弹性层。这些层通常是由聚合材料构成的，如聚氨基甲酸酯，而且还可以包含填充剂来控制这些层尺寸的稳定度；在一般的旋转CMP中，研磨垫的大小通常会是晶片的几倍。晶片的旋转轴和研磨垫的旋转轴可以不在同一直线上，但两轴必须平行。晶片在CMP工艺中的研磨均匀度与研磨压力、研磨速度以及研磨液的浓度相关。

图1A示出了传统的化学机械抛光设备的工作原理。将要进行抛光的晶片100置于工作台101上，通过夹持头102固定住晶片100。工作台101上设置有抛光垫103，抛光垫103上开设有多个储液槽，用于贮存通过抛光液输送装置104输送的抛光液或抛光浆料105，从而通过工作台101的旋转将抛光液105均匀运送到被抛光的工件表面区域。

图1B进一步示出了传统的CMP装置的局部放大视图。CMP装置110包括基座111，位于基座111上的三个研磨台板第一台板132a、第二台板132b和第三台板132c，以及清洁头载入载出(Head Clean Load/Unload，简称HCLU)台140。HCLU台140包括载入杯141，用于将晶片载入到研磨垫上进行研磨，并在研磨之后将晶片载出。研磨台板第一台板132a、第二台板132b和第三台板132c可以同时工作，从而在短时间内同时处理多个晶片的抛光，以提高CMP的抛光效率。研磨垫调节器112a、112b和112c设置在基座111上。在基座111上还设置有三个研磨浆供给器122a、122b和122c，用于为其各自的研磨垫提供研磨浆料。

在实际生产过程中，通常采用终点检测来衡量CMP是否已经将材料研磨至所需厚度。有些CMP应用对终点检测来说是简单的，如抛光钨覆盖层时由于金属钨和下面介质层间具有不同的抛光速率，抛光过程会在介质层材料处停下来，此时，介质层作为金属钨层抛光的终止层存在。但对于无终止层的抛光过程而言，通常利用的原位终点检测方法为电机电流终点检测法和光学终点检测法。

电机电流终点检测法通过检测磨头或转盘电机中的电流量监控抛光速率。抛光量的变化(即电机负载)会导致电机电流量的变化，由于磨头是匀速旋转的，为补偿电机负载的变化，电机电流量会有相应地变化，即电机电流对晶片表面粗糙度的变化是敏感的。由此，通过电机电流量的变化可提供抛光均匀性的检测。光学终点检测法是一种基于光反射原理的检测方法，光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和膜层厚度相关，若膜层材料厚度变化，光学终点检测可测量到从抛光膜层反射的紫外光或可见光之间的干涉。利用干涉信号处理算法连续的测量抛光膜层厚度的变化，可测定抛光速率。

CMP操作是受控的，抛光的终点用设置在抛光台板中的光学激光器和光辐射探测器来检测。透明窗被嵌入台板表面用于辐射透射。每个台板的抛光垫有一个允许激光辐射透射材料的相配的嵌入垫(“窗垫”)。该窗垫与台板对准以使得辐射可以穿射台板窗和窗垫而透射。对准的台板窗和窗垫整体被叫做“终点窗”。随着台板的转动，每转一次，终点窗与晶片相遇一次，允许辐射穿过窗并从晶片反射回穿过窗到探测器。

在被覆盖于不透明衬底上的透明膜(例如覆盖在硅上的二氧化硅)抛光期间，探测器的辐射强度显示出随着膜从表面除去的周期性。周期性决定于方程式d＝λ/(2ncosθ)，其中d是峰的极大值穿过膜的距离，n是膜对于辐射波长的折射率，θ是收集角，而λ是辐射波长。反射光强度对抛光时间的图表得出一干涉测量曲线，该曲线可用于抛光终点的检测。该曲线被称为“终点跟踪”。终点跟踪的标记图是膜厚和抛光率的特征。从将提供的跟踪标记图、抛光率和膜厚度之间的关系的信息，在跟踪中的特定的节点或其附近可确定抛光“终点”。