专利名称：防止晶圆边缘器件良率低的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种化学机械研磨方法。
背景技术：
化学机械研磨(CMP)工艺是一种能提供硅片全局和局部平坦化的工艺技术。化学机械研磨工艺已被广泛用于层间介质，金属层，如钨栓塞、或铜连线，浅沟槽隔离的去除和平整，成为半导体制造工艺中重要的工艺。集成电路制造流程中，在晶圆上制作元件结构或图案化的金属导线后，会先在基底上沉积一层介电材料，然后再进行后续金属层的沉积，依功能上的不同，这层用来隔离金属导线与元件的介电层通常被称为层间介电层，而用来隔离金属导线与其他金属导线的介电层通常被称为金属层间介电层(Inter-Metal Dielectrics, IMD)，此介电层结构通常由化学气相沉积法所沉积的氧化层所组成，常见如二氧化硅(SiO2)、经掺杂的二氧化硅，或为低介电常数材料。由于此介电层并非完全平坦而是随着晶圆表面的图案高低起伏，因此通常采用化学机械研磨法(CMP)加以平坦化来提升半导体基底表面的平坦度，以利后续的制造流程。CMP的机理是在一定的压力下通过晶圆和一个研磨垫之间的相对运动来平坦化晶圆表面，其中晶圆固定在研磨头上，并面向研磨平台上的研磨垫；研磨垫上有大量含有研磨颗粒的研磨液，晶圆表面材料与研磨液发生化学反应，生成一层相对容易去除的表面层， 在研磨液中的研磨颗粒的作用下，在与研磨垫的相对运动中被机械地磨掉。通常，研磨头包含一主体，一定位环(Retaining Ring)与一隔膜(Membrane)，其中定位环用以固定待研磨的晶圆的位置，其一面紧密结合待研磨的晶圆防止其在研磨旋转过程中自研磨头下方脱离。隔膜通常由弹性材料的圆形片状组件组成，研磨时对该弹性隔膜加压以使待研磨的晶圆贴紧，形成弹性隔膜与晶圆紧密接触。通常采用研磨均勻性来评价CMP效果，现有技术，例如公开号为CN141^69A的中国专利申请，公开了一种改良的用于化学机械研磨的研磨头，可有效提高研磨均勻性，该研磨头具有弹性膜延伸至支撑板外缘，而弹性膜的外缘与刀口相差一定距离，该研磨头可增加晶片表面的整体平坦度、降低集成电路制程的困难及提高制程优良率。然而采用上述技术需要更换研磨头，成本较高，在实际工艺中，还可以根据研磨头所施加的压力调节对晶圆的边缘薄膜材料的移除速率从而提高研磨均勻性，比如调节研磨头所施加的压力，如调节定位环、隔膜的压力，然而，受限于研磨头的主体、定位环、隔膜等耗材影响，上述压力调整随着研磨时间的进行而改变。也就是说，虽然调节研磨头压力能够调整对晶圆边缘的研磨从而使研磨均勻，但研磨头结构的材料容易损耗，对于改善研磨均勻性的效果不稳定，从而会导致位于晶圆边缘的器件的良率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是针对研磨后厚度分布呈现边缘薄中间厚的情况，当边缘薄到一定程度将会导致良率下降。因此提供一种防止CMP过度研磨导致晶圆边缘器件良率低的方法，可改善在化学机械研磨中边缘性能不佳的问题，获得较佳的平坦化效果。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种防止晶圆边缘器件良率低的方法所述晶圆边缘区域介质层由于过度研磨导致良率降低，该方法包括在半导体晶圆表面上形成待研磨的材料层；对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨；其中，所述晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率。可选地，对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨包括确定研磨平台和研磨头的转速步骤，所述确定研磨平台和研磨头的转速步骤进一步包括获取研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值；依据所述材料层的待研磨厚度以及研磨后的均勻性，确定所述研磨平台与研磨头的转速差的第二特定值，所述第二特定值大于所述第一特定值；依据所述第二特定值，确定所述研磨平台与研磨头的转速。可选的，所述获取研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值包括提供光片；对所述光片进行研磨，根据光片的移除速率和均勻性获得研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值。可选的，所述第一特定值范围为Orpm 6rpm。可选的，所述依据第二特定值，确定所述研磨平台与研磨头的转速包括调整研磨平台与研磨头的转速，使研磨平台与研磨头的转速差等于所述第二特定值。可选的，所述第二特定值大于或等于20rpm。可选的，所述第二特定值范围为所述第二特定值范围为大于20rpm并小于研磨平台的转速。可选的，所述待研磨的材料层的边缘厚度相对于中心区域厚度薄。可选的，所述材料层包括层间介电层或金属层间介电层。可选的，所述材料层包括二氧化硅(Si02，USG)、氟掺杂的SiO2 (FSG，F-doped Si02)、磷掺杂的 Si02(PSG，P_doped SiO2)或硼、磷掺杂的 SiO2 (BPSG，B，P-doped SiO2)。由于半导体制造工艺过程中，可能出现在研磨前晶圆的层间介质层中间厚而边缘薄的情况，从而在研磨过程中易出现边缘过度研磨现象甚而出现两金属层短路等缺陷。现有技术根据在光片上具有最佳的研磨均勻性而获得研磨平台与研磨头转速差的特定值，并且将此特定值应用在实际工艺中，比如采取研磨平台与研磨头转速差小于等于该特定值进行研磨，但是这样操作会导致位于晶圆边缘的器件的良率降低。与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点1、通过采用对所述晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率的研磨方式，解决了晶圆边缘过度研磨现象，提高晶圆边缘器件生产良率。2、克服了固有的研磨方式，通过调整研磨平台与研磨头之间的转速差，使之大于第一特定值，在不降低对晶圆中心区域的研磨移除速率条件下，降低了对晶圆边缘的研磨移除速率，提高研磨均勻性；并且本发明可以根据生产工艺的需要，依据晶圆边缘厚度不同的情况，通过改变研磨平台与研磨头之间转速差的大小，可以获得不同的边缘研磨移除速率效果。
图1是晶圆表面形成的金属层间介电层在研磨前的形貌示意图；图2是本发明的一个实施例的防止晶圆边缘器件良率低的方法的流程示意图；图3是本发明的一个实施例的确定研磨平台和研磨头的转速的方法的流程示意图；图4-图6分别显示了采用三种不同研磨方案晶圆膜厚变化示意图；图7是本发明一实施例中三种不同的研磨平台与研磨头转速差方案下，晶圆研磨移除速率；图8是图7中方案2和方案3中的晶圆研磨后膜厚值情况。
具体实施例方式在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。在半导体器件制造工艺中，经常存在晶圆边缘器件良率降低的情况，发明人经过分析发现，晶圆边缘器件良率低的主要原因在于在平坦化工艺之后，晶圆边缘会被过度研磨，进而出现短路从而导致晶圆边缘器件良率低。下面进行详细说明。在形成金属互连工艺中，通常需要采用光刻胶形成细微图案，其中旋涂光刻胶在晶圆表面建立均勻的光刻胶膜。然而，在晶圆的涂胶过程中，由于旋转产生的离心力，使得晶圆上的光刻胶逐渐向晶圆边缘散布，导致累积在晶圆的边缘的光刻胶形成突起物残留， 所述突起物残留容易发生剥离(Peeling)，从而影响其它部分的图形，进而影响后续工艺。 为了去除累积于晶圆边缘的光刻胶残留，通常引入洗边工艺，也称作边缘光刻胶去除工艺 (Edge Bead Removal,EBR)，以去除晶圆边缘的光刻胶残留物。然而，通常的情况是，由于工艺的误差，使得在洗边工艺中无法确保晶圆厚度一致性，从而产生晶圆上的金属层出现中间厚而边缘趋薄的现象。若后续在此中间厚而边缘趋薄的金属层上形成金属层间介电层，仍然会出现中间厚而边缘趋薄的现象，如图1给出了晶圆表面形成的金属层间介电层在研磨前的形貌，由图1可以看出，位于晶圆11表面上的金属层间介电层(IMD) 12在化学机械研磨前存在中间厚而边缘趋薄的现象，如图1中A处所示。因此，需要对该表面不平坦的金属层间介电层12 进行化学机械研磨加以平坦化，然而在受到相同研磨压力的作用下，由于晶圆边缘的速度快、受力面积小，研磨的作用效果明显。根据晶圆表面的移除速率(removal rate)计算公式，可以用I^reston公式表达RR = η XPXV其中RR指移除速率，单位时间内磨去的厚度，单位通常是纳米每分钟(nm/min) 或埃每分钟(A/min)；η是I^eston系数，是与设备和工艺环境以及研磨浆等有关的参数；P指晶圆表面所受到的压力；
V指在晶圆表面某点晶圆和研磨垫的相对速度。因此，对晶圆边缘的研磨移除速率大于中心的移除速率，也就是说，现有技术的化学机械研磨方法通常沿着晶圆的边缘产生高的移除速率，而在晶圆的中心产生相对低的移除速率。再加之晶圆表面存在的中间厚而边缘趋薄的现象，极易出现金属层问介电层边缘被过度研磨，甚而出现金属层问介电层边缘消失的现象，从而引起两金属层短路故障，导致晶圆边缘器件良率降低。除了前述的移除速率(RR)之外，通常还采用研磨的均勻性(uniformity)或非均勻性(non-uniformity)等检测参数来描述CMP的作用，其反映整个晶圆上膜层厚度的变化。目前在化学机械研磨工艺中，对上述主要检测参数的控制主要是通过监控光片 (又称为控片)移除速率的大小和均勻性来实现。所述光片，即控片，是在半导体衬底(如硅衬底)上生长材料层形成的没有图形的晶圆，其是用于测试机台的移除速率和均勻性的晶圆。现阶段，为了获得较好的研磨均勻性，通常使研磨平台与研磨头的转速差小于等于某一特定值，例如目前业界普遍采用的最好是小于等于6rpm(每分钟转数)，也就是研磨平台转速相对于研磨头转速快6rpm。举例而言，当研磨头的转速为102rpm时，研磨平台的转速小于等于IOSrpm，就能在光片上获得较好的研磨均勻性。但是对于已形成有图案的晶圆，特别是待研磨晶圆层间介电层上存在中间厚边缘薄的现象，若仍然采用上述通过监控光片获得的研磨平台与研磨头的转速差值，例如使研磨平台与研磨头的转速差小于等于6rpm的方法，虽然在光片上获得了较佳的研磨均勻性， 但对于实际的产品来说，由于晶圆边缘的待研磨材料本身比较薄以及由于化学机械研磨的本身固有的对晶圆边缘研磨速度比对晶圆中心研磨速度快的特性，晶圆边缘处的厚度会明显薄于中心区域，使得研磨之后的晶圆出现更多缺陷，如可能使金属层间介电层因过度研磨而消失，导致两金属导线层短路从而降低晶圆边缘器件良率。为解决上述技术问题，本发明提供一种防止晶圆边缘器件良率低的方法，所述晶圆边缘区域介质层由于过度研磨导致良率降低，该方法包括步骤Si，在半导体晶圆表面上形成待研磨的材料层；步骤S2，对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨；其中，所述晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率。本发明的发明人经过长期研究发现，针对待研磨晶圆层间介电层上存在中间厚边缘薄的现象，使晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率，将能够解决现有技术中存在的晶圆边缘器件良率低的问题。通过采用较大的研磨平台与研磨头的转速差，也就是，研磨平台相对于研磨头的转速更快，获得对晶圆边缘较低的移除速率。下面结合附图对本发明的防止晶圆边缘器件良率低的方法具体实施方式
做详细说明。结合图1所示，本发明实施例以八寸OOOmm)晶圆为例，在半导体晶圆11表面上形成待研磨的材料层，本实施例中在晶圆金属薄膜上淀积一层金属层间介电层(IMD) 12，并且该金属层间介电层12存在中间厚而边缘趋薄，如图A处。下面结合图7进一步说明本发明防止晶圆边缘器件良率低的方法。
图7显示了三种不同的研磨平台与研磨头转速差方案下，晶圆研磨移除速率。其中，横轴代表晶圆上的位置信息，单位是毫米，其中晶圆的中心位于位置0，晶圆最左边边缘位于位置-100，而晶圆最右边边缘位于位置100。纵轴代表移除速率，单位是埃/分钟。图7中包括三种不同的研磨平台与研磨头转速差方案，分别是方案1代表研磨平台与研磨头的转速差为0时的移除速率，以菱形图显示；方案2代表研磨平台与研磨头的转速差为15rpm时的移除速率，以三角形图显示；方案3代表研磨平台与研磨头的转速差为 35rpm时的移除速率，以方形图显示。本实施例是为了说明转速差对于移除速率的影响，不同的方案仅仅是转速差不同，其他研磨因素相同。从图7中可以看出，三条曲线在晶圆中心区域取值比较集中，表明转速差情况对于晶圆中心区域的移除速率几乎未产生影响；而在晶圆边缘区域，三条曲线的取值较为分散，并且对于方案2和方案3，在晶圆边缘的取值呈下降的趋势，表明移除速率减小，而且越靠近晶圆边缘处表现的越明显，即，转速差值的大小对于晶圆中心区域与边缘区域的移除速率具有不同影响，即，研磨平台与研磨头的转速差越大，晶圆边缘的移除速率越低。本实施例中，晶圆中心区域，大约是晶圆半径的2/3至4/5范围内(比如在半径 70mm范围内区域)，移除速率大约在2300A/min左右，三种不同的研磨平台与研磨头转速差情况对于晶圆中心区域的移除速率几乎未产生影响，也就是说，改变研磨平台与研磨头的转速差，对于晶圆中心区域与研磨垫的相对速度V不会造成太大改变。表1给出图7所示三种不同研磨方案下，晶圆边缘移除速率结果，根据表1所示的结果，改变研磨平台与研磨头的转速差，使之大于通过监控光片获得的转速差，将减少晶圆边缘移除速率；同时随着研磨平台与研磨头转速差逐渐增大，晶圆边缘具有随着转速差越大而移除速率越小的关系。也就是说，改变研磨平台与研磨头转速差值的大小，可以获得不同的边缘研磨移除速率效果。然而，前述通过调节研磨压力来改善晶圆边缘研磨的效果却非常有限，发明人通过长期实践发现，该传统方法所能达到的改善晶圆边缘研磨的效果最多如表2中方案2所示的程度，即，通过调节研磨压力，晶圆边缘研磨移除速率最多降低到约2000 A/min。表 1(图7所示三种不同研磨方案下，晶圆边缘移除速率结果)
权利要求
1.一种防止晶圆边缘器件良率低的方法，所述晶圆边缘区域介质层由于过度研磨导致良率降低，其特征在于在半导体晶圆表面上形成待研磨的材料层；对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨；其中，所述晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率。
2.如权利要求1所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨包括确定研磨平台和研磨头的转速步骤，所述确定研磨平台和研磨头的转速步骤进一步包括获取研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值；依据所述材料层的待研磨厚度以及研磨后的均勻性，确定所述研磨平台与研磨头的转速差的第二特定值，所述第二特定值大于所述第一特定值；依据所述第二特定值，确定所述研磨平台与研磨头的转速。
3.如权利要求2所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述获取研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值包括提供光片；对所述光片进行研磨，根据光片的移除速率和均勻性获得研磨平台与研磨头的转速差的第一特定值。
4.如权利要求2所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述第一特定值范围为Orpm 6rpm。
5.如权利要求2所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述依据第二特定值，确定所述研磨平台与研磨头的转速包括调整研磨平台与研磨头的转速，使研磨平台与研磨头的转速差等于所述第二特定值。
6.如权利要求2所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述第二特定值大于或等于20rpm。
7.如权利要求2所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述第二特定值范围为大于20rpm并小于研磨平台的转速。
8.如权利要求1-7任一项所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述待研磨的材料层的边缘厚度相对于中心区域厚度薄。
9.如权利要求1-7任一项所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述材料层包括层间介电层或金属层间介电层。
10.如权利要求9所述的防止晶圆边缘器件良率低的方法，其特征在于，所述材料层包括Si02、FSG、PSG 或 BPSG。
全文摘要
一种防止晶圆边缘器件良率低的方法，所述晶圆边缘区域介质层由于CMP过磨导致良率降低，该方法包括在半导体晶圆上形成待研磨的材料层；对所述待研磨的材料层进行化学机械研磨；其中，所述晶圆边缘研磨移除速率小于晶圆中心区域的研磨移除速率。本发明解决了晶圆边缘过度研磨现象，提高晶圆边缘器件生产良率。
文档编号B24B37/02GK102380817SQ20111032815
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者李儒兴, 李志国, 秦海燕, 陶仁峰 申请人:上海宏力半导体制造有限公司