專利名稱：在金屬和多晶硅化學機械研磨中減少大圖案凹陷的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及半導體制造工藝中的化學機械研磨制程，具體涉及一種減少化學機械研磨過程中圖案凹陷的方法。
背景技術(shù)：
半導體器件制造工藝中，廣泛使用化學機械研磨(CMP，ChemicalMechanical polishing)系統(tǒng)進行平整處理。研磨裝置一般包括研磨臺(其上鋪有研磨墊)和研磨頭(其上有需研磨的半導體晶片)。半導體晶片被固定在研磨頭上，研磨墊面對要拋光的半導體晶片，在研磨半導體晶片時，研磨墊在具有研磨粒子的研磨液存在下，以一定壓力接觸和研磨半導體晶片，使其表面趨于平整。
化學機械研磨制程通常會涉及金屬和多晶硅的研磨，由于CMP制程耗材的特征，CMP制程的耗材包括研磨墊，研磨液等，這些耗材的特性使化學機械研磨會引起大圖案凹陷(dishing)。即使在設計規(guī)則里盡量避免出現(xiàn)所述的大圖案，也會導致巨大的良率損失。隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，對大圖案的需求增加，有些時候圖案尺寸甚至超過10000μm×10000μm，而由于上述問題的存在，這些大圖案區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)大于2000的凹陷，這會引起器件失效。
圖1a和圖1b顯示了金屬圖案密集區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖，圖中數(shù)字1表示材料SiO2，2表示材料鎢。經(jīng)過化學機械研磨，上層覆蓋的鎢被研磨至SiO2層露出，形成鎢和SiO2互相交錯的圖案，但是中心區(qū)域有一定程度的凹陷。
相對于圖案密集區(qū)域，其周邊通常會存在大圖案區(qū)域，化學機械研磨后的差異更明顯，圖2a和圖2b顯示了大圖案區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖，圖中數(shù)字1表示SiO2，2表示鎢?？梢钥吹?，由于鎢為整塊圖案，研磨后其凹陷情況比圖1a及圖1b顯示的更嚴重。
圖3a和圖3b顯示了多晶硅研磨制程中，圖案密集的有源區(qū)(cell area)在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖，圖中數(shù)字1表示SiO2，3表示硅襯底，4表示多晶硅。經(jīng)過化學機械研磨，上層的多晶硅和SiO2形成互相交錯的圖案，研磨區(qū)域出現(xiàn)一定程度的凹陷。
相對于圖案密集的有源區(qū)，其周邊區(qū)域為多晶硅大圖案區(qū)域，圖4a和圖4b顯示了多晶硅大圖案區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖，圖中數(shù)字1表示SiO2，3表示硅襯底，4表示多晶硅。由于被研磨的多晶硅為整塊圖案，其凹陷情況比圖3更嚴重。
上述的大圖案區(qū)域在化學機械研磨后嚴重凹陷的問題由于研磨制程本身的特性而不可避免，而隨著集成電路制造技術(shù)不斷發(fā)展，此問題越來越顯得突出，因此有必要找到行之有效的解決方法。
發(fā)明內(nèi)容
為了減少在金屬以及多晶硅的CMP制程中出現(xiàn)的大圖案區(qū)域凹陷，降低集成電路器件失效的風險，最終提升產(chǎn)品良率而提出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的在于，提供一種減少大圖案區(qū)域凹陷的方法，對金屬或者多晶硅進行化學機械研磨時，用光刻膠保護具有大圖案的周邊區(qū)域，用回蝕的方式使未被光刻膠保護的部分被蝕刻一定厚度后再進行修飾性的化學機械研磨，最后的研磨結(jié)果可以大大降低大圖案凹陷的程度。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案，是整合于成熟的半導體制造工藝中，各種在前的光刻，沉積形成器件圖案特征或者去除光刻膠等工藝均采用現(xiàn)有技術(shù)，在應用本發(fā)明之前，應已完成需要研磨的金屬層，例如鎢(W)，或者多晶硅層的沉積。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案包括下列步驟1)在需要研磨的晶片上涂覆光刻膠，曝光顯影，使大圖案區(qū)域被光刻膠覆蓋，露出其余圖案密集的有源區(qū)域；2)對露出的區(qū)域進行回蝕(etch back)，留下約200～700被研磨材料層；3)用高溫燒結(jié)去膠(ashing)或者濕式蝕刻(wet etch)的方式剝離殘留的光刻膠，對晶片進行修飾性化學機械研磨(touch up CMP)，結(jié)束后可以使晶片進入后續(xù)制程。
在本發(fā)明中，光刻制程以及后續(xù)去除光刻膠的手段均可以參考成熟的現(xiàn)有技術(shù)，其中光刻膠的涂覆厚度視步驟2)中需要回蝕的材料厚度而定，光刻膠的厚度應保證在回蝕之后，周邊的大圖案區(qū)域仍有光刻膠殘留，使大圖案區(qū)域不被蝕刻。
上述步驟2)中，所述的回蝕采用干性蝕刻，具體對于金屬蝕刻而言，例如鎢(W)，采用的蝕刻氣體為六氟化硫(SF6)；對于多晶硅蝕刻，所用蝕刻氣體為氯氣(Cl2)或溴化氫(HBr)。
所述的修飾性化學機械研磨(touch up CMP)，實質(zhì)上是一種優(yōu)化的化學機械研磨方法，在實施過程中控制低的研磨頭壓力，低的研磨臺和研磨頭轉(zhuǎn)速，能達到更好的研磨表面平坦化效果。
對照圖5所示的流程圖可以更清楚了解上述步驟，在前置步驟后，形成開放有源區(qū)的光罩進行曝光顯影，使大圖案區(qū)域被光刻膠覆蓋，露出其余圖案密集的有源區(qū)域，然后對開放的有源區(qū)填充物進行回蝕(etch back)，留下約200～700被研磨材料層，去除光刻膠，經(jīng)修飾性化學機械研磨后即可進入后續(xù)制程。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過上述的方法，可以明顯降低大圖案區(qū)域在CMP后凹陷的程度，例如尺寸超過10000μm×10000μm的大圖案，按本發(fā)明方法進行化學機械研磨后其凹陷從原來的大于2000到小于500。這種方法既可以使一個晶片的圖案密集的有源區(qū)性能良好，也可以使周邊大圖案區(qū)域的凹陷問題減少，另外這種方法也有利于提升晶片的均勻性。下表1為按照本發(fā)明方法處理后對晶片隨機取樣測量得到的均勻性數(shù)據(jù)表，可以看到不管是晶片中心還是邊緣區(qū)域，周邊大圖案區(qū)域與圖案密集的有源區(qū)在研磨后的膜厚度差別都很小，分別為249和291。
表1
為了更容易理解本發(fā)明的目的、特征以及其優(yōu)點，下面將配合附圖和實施例對本發(fā)明加以詳細說明。
本申請中包括的附圖是說明書的一個構(gòu)成部分，附圖與說明書和權(quán)利要求書一起用于說明本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，用于更好地理解本發(fā)明。
圖1a和圖1b顯示了現(xiàn)有技術(shù)中金屬圖案密集區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖；圖2a和圖2b顯示了現(xiàn)有技術(shù)中大圖案區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖；圖3a和圖3b顯示了現(xiàn)有技術(shù)的多晶硅研磨制程中，圖案密集的有源區(qū)(cell area)在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖；圖4a和圖4b顯示了現(xiàn)有技術(shù)中多晶硅大圖案區(qū)域在化學機械研磨前后的晶片縱切面對比示意圖；圖5為本發(fā)明所提供方法的流程圖；圖6a表示應用實施例1所提供方法前，晶片有源區(qū)，即圖案較小區(qū)域的縱切面示意圖；圖6b為應用實施例1所提供方法前，晶片周邊大圖案區(qū)域的縱切面示意圖；圖7a和圖7b所示分別為實施例1所提供方法的回蝕步驟后，有源區(qū)和周邊區(qū)域的晶片縱切面示意圖；圖8a和圖8b所示分別為按照實施例1所提供方法的修飾性化學機械研磨步驟后有源區(qū)和周邊區(qū)域的晶片縱切面示意圖；圖9a所示為實施例2中前置步驟之后的晶片縱切面示意圖；圖9b所示為實施例2中用光刻膠覆蓋保護晶片上大圖案區(qū)域后的晶片縱切面示意圖；圖9c所示為實施例2中對晶片進行回蝕后的晶片縱切面示意圖；圖9d所示為實施例2中對晶片進行修飾性化學機械研磨后的晶片縱切面示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明的工藝，下面結(jié)合本發(fā)明的具體實施例作進一步說明，但其不限制本發(fā)明。
實施例1使用本發(fā)明的方法減少沉積的鎢在CMP后的凹陷程度首先按照現(xiàn)有技術(shù)正常進行形成溝道，沉積填充溝道等步驟，得到如圖6a及圖6b所示結(jié)構(gòu)，其中圖6a表示晶片有源區(qū)，即圖案較小區(qū)域的縱切面示意圖，圖6b為晶片周邊大圖案區(qū)域的縱切面示意圖。隨后按下列步驟處理1)在晶片上涂覆光刻膠，定義出有源區(qū)和周邊區(qū)域，曝光顯影后露出圖案密集的有源區(qū)域，而周邊區(qū)域仍被光刻膠覆蓋；2)對露出的有源區(qū)進行回蝕(etch back)，留下約200～700鎢層，所用的蝕刻方法為等離子體蝕刻，蝕刻反應氣體為六氟化硫(SF6)。周邊區(qū)域由于被光刻膠保護，鎢層沒有被蝕刻。有源區(qū)和周邊區(qū)域的晶片縱切面示意圖分別如圖7a和圖7b所示；3)用高溫燒結(jié)去膠(ashing)或者濕式蝕刻(wet etch)的方式剝離殘留的光刻膠，對晶片進行修飾性(touch up)化學機械研磨，控制低的研磨頭壓力，低的研磨臺和研磨頭轉(zhuǎn)速，以形成SiO2和鎢在一個共平面相互交錯的圖案；步驟1)中光刻膠的涂覆厚度視步驟2)中需要回蝕的材料厚度而定，光刻膠的厚度應保證在回蝕之后，周邊的大圖案區(qū)域仍有光刻膠殘留，使大圖案區(qū)域不被蝕刻。
修飾性化學機械研磨適用于所有化學機械研磨機臺，具體控制方案如下研磨臺的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的壓力為1.0磅每平方英寸到3.5磅每平方英寸之間。
研磨后有源區(qū)和周邊區(qū)域的晶片縱切面示意圖分別如圖8a和圖8b所示。結(jié)束后可以使晶片進入后續(xù)制程。
實施例2使用本發(fā)明的方法減少沉積的多晶硅在CMP后的凹陷程度首先按照現(xiàn)有技術(shù)正常進行形成溝道，沉積填充溝道等步驟，得到如圖9a所示晶片的縱切面示意圖，多晶硅層4沉積的厚度為1500～4000。隨后按下列步驟處理1)在晶片上涂覆光刻膠，定義出有源區(qū)和周邊區(qū)域，曝光顯影后露出圖案密集的有源區(qū)域，而周邊的大圖案區(qū)域仍被光刻膠層5覆蓋，如圖9b所示；2)對露出的有源區(qū)進行蝕刻，留下約200～700多晶硅層，所用的蝕刻方法為等離子體蝕刻，蝕刻反應氣體為氯氣(Cl2)或溴化氫(HBr)。周邊區(qū)域由于被光刻膠保護，多晶硅層沒有被蝕刻。如圖9c所示；3)用高溫燒結(jié)去膠(ashing)或者濕式蝕刻(wet etch)的方式剝離殘留的光刻膠，對晶片進行修飾性(touch up)化學機械研磨，控制低的研磨頭壓力，低的研磨臺和研磨頭轉(zhuǎn)速，以形成SiO2和多晶硅在一個共平面相互交錯的圖案；有源區(qū)以及周邊區(qū)域的晶片縱切面示意圖如圖9d所示。結(jié)束后可以使晶片進入后續(xù)制程。
步驟1)中光刻膠的涂覆厚度視步驟2)中需要回蝕的材料厚度而定，光刻膠的厚度應保證在回蝕之后，周邊的大圖案區(qū)域仍有光刻膠殘留，使大圖案區(qū)域不被蝕刻。
修飾性化學機械研磨適用于所有化學機械研磨機臺，具體控制方案如下研磨臺的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的壓力為1.0磅每平方英寸到3.5磅每平方英寸之間。
權(quán)利要求
1.一種在金屬和多晶硅化學機械研磨中減少大圖案凹陷的方法，其特征在于包括下列步驟1)在需要研磨的晶片上涂覆光刻膠，曝光顯影，使大圖案區(qū)域被光刻膠覆蓋，露出其余區(qū)域；2)對露出的區(qū)域進行回蝕，留下200～700被研磨材料層；3)對晶片進行修飾性化學機械研磨，結(jié)束后使晶片進入后續(xù)制程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟2)中蝕刻的方法是干性蝕刻，對于金屬蝕刻，所用蝕刻氣體為六氟化硫(SF6)；對于多晶硅蝕刻，所用蝕刻氣體為氯氣(Cl2)或溴化氫(HBr)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3)中修飾性化學機械研磨的條件控制為研磨臺的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘到70轉(zhuǎn)每分鐘之間，研磨頭的壓力為1.0磅每平方英寸到3.5磅每平方英寸之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在金屬和多晶硅化學機械研磨中減少大圖案凹陷的方法，主要通過以光刻和蝕刻技術(shù)結(jié)合修飾性化學機械研磨的方法，避免對大圖案的金屬或者多晶硅進行研磨時出現(xiàn)過度凹陷。這種方法既可以使一個晶片的有源區(qū)性能良好，也可以使周邊大圖案區(qū)域的凹陷問題減少，另外這種方法也有利于提升晶片的均勻性。
文檔編號H01L21/321GK101086965SQ20061002737
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者蔣莉, 鄒陸軍, 李紹彬, 許丹 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司