专利名称：双终点检测控制sti cmp工艺氮化硅厚度稳定性的方法
技术领域：
本发明属集成电路工艺技术领域，具体涉及一种控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法。
背景技术：
在半导体集成电路工艺中，传统的隔离技术是自对准场氧化隔离技术，即以硬掩膜掩蔽有源区，将场区的衬底硅暴露，然后用热氧化的方法，产生隔离区氧化硅。这种方法简单，生产性强，所用生产工艺成熟，缺点是会在有源区边界形成‘鸟嘴’区，如图1所示成为深亚微米工艺的发展中提高集程度的瓶颈。
实践中，‘鸟嘴’的尺寸很难减少到0.1μm以下。因此，当微电子工艺的特征尺寸减小到0.35μm，场氧化工艺逐渐被浅槽隔离技术(STI)工艺所代替。用硬掩膜的保护有源区，将场区刻槽，再用CVD的方法在槽中形成隔离介质，如图2所示STI工艺的优点是明显的，可以最有效的利用有源区的线宽，提高集程度。结合化学机械抛光工艺的STI技术可以做到极高的表面平坦化，增加后道布线的层数。但是，STI工艺也存在工艺复杂，不易控制的问题。常见的有，STI氧化硅过磨削(Dishing)和有源区硬掩膜过磨削(Erosion)。
STI氧化硅过磨削(Dishing)问题由于图形密度的影响，CMP工艺在不同图形区域的磨削速率不同，在有源区图形密度较大的区域相对于密度较小的区域，磨削速度较低。因此当有源区图形密度较低的区域，有源区上浅槽隔离氧化硅已经磨削完成，但图形密度较高的区域将有氧化硅残留。为了清除残留氧化硅，CMP(化学机械抛光)工艺需要一定时间的过磨削。这种过磨削会造成隔离槽中的氧化硅损失，槽宽增加，这种现象越严重，使氧化硅平面低于有源区平面。这就是‘Dising’现象。
STI有源区硬掩膜过磨削(Erosion)问题在CMP工艺中，为保护有源区不受影响，需在有源区淀积硬掩膜层。虽然工艺中采用的浆料对硬掩膜有选择性，但由于工艺过程中的机械作用，硬掩膜层也会有磨削现象，特别是如上所述的过磨削。因硬掩膜层需要支持整个过磨削过程，损失较为严重，尤其是在有源区图形密度低的区域，有源区边缘有可能被磨到从而导致器件的出现某些问题。这就是‘Erosion’现象。
无论Dishing或Erosion，这两种现象，都将导致隔离槽中的氧化硅降低，在经过后续的湿法工艺后影响到有源区和场区的高度差即‘Overhead’，如图3所示。‘Overhead’现象将对后续的栅堆工程的多晶刻蚀工艺产生很大影响，保证‘Overhead’被稳定的控制在一定的范围内是浅槽隔离技术的重要指标。因场区中损失的氧化硅与损失的氮化硅有定量关系所以工艺中常用的方法是，监控有源区上氮化硅的厚度。
为控制氮化硅膜厚稳定，终点检测系统在多种CMP机台上被使用，其基本原理是以当CMP膜厚和膜种发生变化，造成反馈的光电信号变化，则变化点即可被设定为检测终点，从而使工艺过程停止。
其效果反映为每片硅片在工艺完成后，将得到稳定的终点状态，其膜厚和膜种控制较为稳定，具体往往采用分步磨削的方法1、在标定为‘main polish step’的磨削步骤中固定研磨时间，在无终点检测的研磨盘上预磨削一定厚度，残留膜厚由磨削时间和再线研磨速率决定；2、硅片转到启动终点检测系统的研磨盘上，标定为‘main polish step’研磨步骤的时间改为终点检测系统控制。此时由于前膜淀积和第一阶段固定时间研磨中CMP研磨速率偏差引入的残膜变化，由终点检测系统改变研磨时间来控制最终的残膜膜厚；3、缓冲和表面状态调整研磨阶段和清洗，其对残留膜厚无影响；但是，受生产中实际情况的影响，终点检测系统有可能发生以下问题1.误检出，即在工艺过程中正常检出波形未到，终点检测系统因检到相似波形而触发，常用的方法是在前一步固定研磨是将可能出现相似波形的厚度磨过；2.为防止偶发因素而产生漏检，在终点检测系统中设定最大检出时间，使工艺自动终止，但有时由于研磨速率较低未能在最大检出时间内达到检出点。如图4所示，为在整个工艺过程中检出信号的变化轨迹，若选择下降沿检出，以点5为检出点，则点6即有可能成为误检出点；如果点5在最大研磨时间7用尽后，仍未到达，则工艺过程自动终止。无论是误检出或最大时间耗尽，都将造成残余氮化硅厚度变化而影响到下一步的工艺进行，甚至造成硅片废弃。
造成这些现象的问题主要来自四个方面1、CMP机台受工作时间、耗材更换和机台状况等因素的影响，造成批次间研磨速率的不稳定，这是造成误检出点出现和最大工艺时间耗尽的主要原因。但如果收紧工艺控制规范将使工艺成本升高；2、在一个批次中，由于连续磨削硅片，造成研磨垫状况发生变化而引起的研磨速率不稳定，因为变化范围较小可以依靠终点检测段控制；3、不同批次间淀积膜厚度变化
4、同一批次中，不同位置的淀积膜厚度变化；研究中发现点6在一定的残膜厚Tf出现，点5在氧化硅磨尽且有一定氮化硅过研磨时出现，设氧化硅前膜厚度为Ts，研磨速率控制的中间值为Rave，则为保证终点检测系统工作在点6与点5之间的区段，则必须设定终点检测前的固定研磨时间t0＝(Ts+Tf)/2Rave，此时固定研磨的结束点为点5与点6的中点。但研磨速率包括批次间和批次内的不稳定性都将有一定波动，设这个波动范围为Rx则为保证终点检测正常工作，(Rave-Rx/2)t0＞Tf且(Rave+Rx/2)t0＜Ts。由此可以推知可以正常工作的Rx/Rave＜2(Ts-Tf)/(Ts+Tf)。这个假设是在前膜厚度不变的假设上，前膜厚度的变化会缩小这个工作区间。
发明内容
本发明的目的在于提出一种控制STI CMP工艺中氮化硅厚度稳定性的方法，以满足在较大的批次间研磨速率不稳定的情况下，避免误检出和最大时间耗尽。
本发明提出的控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法，是一种两次分步终点检测方法，由第一次的终点检测结果来确定第一阶段的研磨时间，以保证在第二阶段的最终研磨的终点检测中不发生误检出的现象，由第二次的终点检测结果来确定最终研磨时间。
上述的第一次终点检测最大时间为tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts为有源区上CMP前氧化硅厚度；Tf为第一检出点对应的膜厚；Rave为生产控制的中心研磨速率；Rx为生产控制所允许的研磨速率的变化范围。上述的第二次终点检测最大时间为tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf为第一检出点对应的膜厚；Rave为生产控制的中心研磨速率；Rx为生产控制所允许的研磨速率的变化范围。
由于CMP机台批次间研磨速率的变动范围较大，无法保证如图4检测曲线中的点6，在终点检测前的固定研磨阶段已经经过，进入终点检测阶段后导致误检出而使终点检测系统无法正常工作。因此，本发明将第一阶段的固定研磨改变为采用终点检测指定研磨时间的研磨方案，且以点6为检出点。这样保证了第二阶段的主研磨中，只会有一个可能的检出点，避免了误检出情况的发生；同时，由于两步终点检测的控制，不存在固定研磨造成的残余膜厚的变化，只要设定最大检出时间(点7)，tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，对研磨速率控制的区间没有要求，而且，可以用前膜厚度的变化的上限计算tmax1，即前膜厚的不稳定性也被控制在该范围内。
图1是自对准场氧化工艺示意图。
图2是浅槽隔离技术示意图。
图3栅堆工程前的‘Overhead’。
图4终点检测曲线。
标号说明1为场氧化工艺的隔离区，2为场氧化工艺的‘鸟嘴’现象，3为浅槽隔离技术的场氧化硅，4为浅槽隔离工艺后‘Overhead’现象，5为终点检测系统检出点，6为造成误检出点，7为最大检出时间。
具体实施例方式
1、对研磨机台做研磨速率和颗粒度做日常监控，开启所有研磨盘中的终点检测系统，包括原做固定时间研磨的研磨盘，和原做终点检测的研磨盘；2、制品硅片CMP前淀积膜厚测量，测量内容包括有源区上氧化硅/氮化硅膜厚测量，场区内氧化硅膜厚测量；3、制品硅片投入，在原固定时间研磨阶段的研磨盘上，由终点检测系统控制工艺停止时间t1，当检测曲线检出点6时，工艺自动停止，此时，t1＜tmax1；4、硅片不变换研磨盘，进行一短时间的固定时间研磨；5、硅片转入原终点检测的研磨盘，由终点检测系统控制停止时间t2，当检测曲线检出点5时，工艺自动停止，此时，t2＜tmax2；6、缓冲和表面状态调整的研磨阶段和清洗，其对残余膜厚无影响。
权利要求
1.一种控制在浅槽隔离工艺中化学机械抛光后氮化硅残膜厚度稳定性的方法，其特征在于，由第一次的终点检测结果来确定第一阶段的研磨时间，以保证在第二阶段的最终研磨的终点检测中不发生误检出的现象，由第二次的终点检测结果来确定最终研磨时间。
2.根据权利要求1所述的控制氮化硅残膜厚度稳定性的方法，其特征在于设定上述第一次终点检测最大时间为tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts为有源区上CMP前氧化硅厚度；Tf为第一检出点对应的膜厚；Rave为生产控制的中心研磨速率；Rx为生产控制所允许的研磨速率的变化范围。
3.根据权利要求1所述的控制氮化硅残膜厚度稳定性的方法，其特征在于上述的第二次终点检测最大时间为tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf为第一检出点对应的膜厚；Rave为生产控制的中心研磨速率；Rx为生产控制所允许的研磨速率的变化范围。
全文摘要
浅槽隔离技术(STI)是随着深亚微米集成电路技术的发展，而产生的一种新兴的场区隔离技术。该技术具有特征尺寸小、集成度高、隔离效果好的特点。但是，该技术同时存在工艺复杂、控制困难的问题，其中较为突出的是在CMP工艺中的Dishing和Erosion的问题，对浅槽隔离工艺的重要指标‘Overhead’产生影响，为了控制‘Overhead’在一定的范围内，要求CMP工艺后有稳定的氮化硅厚度，本发明采用两步终点检测系统的控制方法，解决了采用一步终点检测系统，由于批次间研磨速率和批次间膜厚变化造成的误检出和最大时间自动终止的问题。
文档编号G01N33/40GK1544940SQ200310108838
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者金虎, 金 虎 申请人:上海华虹(集团)有限公司, 上海集成电路研发中心有限公司