专利名称：一种用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法
技术领域：
本发明涉及晶圆制造技术领域，尤其涉及一种用于浅沟槽隔离结构(ShallowTrench Isolation, STI)的化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing/Planarization, CMP)方法。
背景技术：
在半导体制造エ艺中，浅沟槽隔离(Shallow Trenchlsolation, STI)结构作为一种器件隔离技术被广泛使用。浅沟槽隔离结构的原理是用氧化层隔开各个门电路，从而使得各个门电路之间互不导通。STIエ艺流程通常是在硅衬底上依次沉积ニ氧化硅和氮化硅，其中，ニ氧化硅作为硅衬底的保护层，氮化硅作为后续刻蚀和化学机械抛光エ艺的阻挡层。然后依次通过光刻和刻蚀在硅衬底上形成具有一定深度的浅沟槽。接着在沟槽的内壁以·热氧化法生成ニ氧化硅保护层并对沟槽底部的尖角圆化。再通过化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)在沟槽中填充ニ氧化娃。由于化学气相沉积的特性,在上述填充过程中，会在氮化硅阻挡层的表面也沉积一定厚度的ニ氧化硅层，因此，需要使用化学机械研磨技术将晶圆表面平坦化，研磨取出在氮化硅表面的ニ氧化硅。最后再通过湿法刻蚀将氮化硅以及氮化硅下层的ニ氧化硅去除，形成浅沟槽隔离结构。化学机械研磨方法是在含有研磨粒子以及化学制剂的研磨液的帮助下研磨晶圆表面使其平坦化的方法。图I是现有的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法(STI-CMP)的方法流程图。如图I所示，所述方法包括步骤100、利用具有较低选择比的研磨液进行研磨，完成ニ氧化硅的快速去除；其中，研磨液的选择比是表征研磨液对不同材料的选择性的參数，其指对于不同的材料所具有的不同的研磨速率的比值，对于STI-CMPエ艺流程，其研磨液的选择比指研磨液对ニ氧化硅的研磨速率与研磨液对氮化硅的研磨速率的比值。在初始阶段，由于研磨过程不会研磨到氮化硅，因此，使用选择比较低的研磨液可以实现快速去除表层的ニ氧化硅。步骤200、利用具有较高选择比的研磨液进行研磨，完成残余氧化硅的完全去除，并增加一段时间的over polish (过研磨)以确保有源区表面没有任何氧化硅残留；在步骤200中，由于是CMP的后续步骤，最后研磨垫会研磨到氮化硅层，为了防止氮化硅层被研磨掉，使用选择比较高的研磨液实现保护氮化硅层的目的。步骤300、用水清洗晶圆表面。但是，由于高选择比研磨液对STI区域的氧化硅研磨速率较快，对有源区氮化硅的研磨速率很慢，这会导致有源区和STI区域交界处承受较大的应力，从而造成浅沟槽隔离结构凹陷(divot)缺陷，即在STI —侧出现凹陷，如图2所示，该缺陷可以造成器件失效，降低半导体器件制造的成品率。由此，亟需ー种能够改善浅沟槽隔离结构凹陷(divot)缺陷的化学机械研磨方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在用于浅沟槽结构的化学机械研磨中减少凹陷缺陷的出现，提闻集成电路制造成品率。本发明公开了ー种用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，包括利用具有第一选择比的研磨液进行研磨；利用具有第二选择比的研磨液进行研磨， 直到研磨垫接触氮化硅层；利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的过研磨；用水清洗晶圆表面；其中，所述选择比为研磨液对ニ氧化硅的研磨速率与研磨液对氮化硅的研磨速率的比值，所述第二选择比高于所述第一选择比和第三选择比。优选地，所述第一选择比等于第三选择比。优选地，所述第二选择比大于等于50: I。优选地，所述第一选择比和第三选择比大于等于2:1小于等于4:1。优选地，所述具有第二选择比的研磨液为旭硝子公司的型号为CES333的研磨液。优选地，所述具有第一选择比的研磨液为Cabot微电子公司的型号为Semi-Sperse 25 的研磨液。优选地，研磨台通过传感器检测研磨表面的反光率或研磨应カ判断研磨垫是否接触到氮化硅层，如果是，则发出信号停止使用所述具有第二选择比的研磨液研磨。优选地，所述利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的过研磨包括通过控制所述预定时间将氮化硅层研磨至预定厚度。优选地，所述利用具有第一选择比的研磨液进行研磨包括利用具有第一选择比的研磨液按设定时间进行研磨。本发明实施例通过降低STI-CMPエ艺流程中高选择比研磨液的研磨时间，仅完成有源区表面ニ氧化硅的去除后，就終止使用高选择比研磨液进行研磨，转而采用低选择比的研磨液完成过研磨エ艺步骤，从而消除因应カ损伤而造成的STI凹陷缺陷，提高了集成电路制造的成品率。
图I是现有的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法的方法流程图；图2是现有的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法造成的凹陷缺陷的晶圆表面照片；图3是本发明实施例的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法的方法流程图；图4A是本发明实施例中在进行化学机械研磨前晶圆的截面示意图；图4B是本发明实施例中在进行步骤100’研磨后晶圆的截面示意图；图4C是本发明实施例中在进行步骤200’研磨后晶圆的截面示意图；图4D是本发明实施例中在进行步骤300’研磨后晶圆的截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施方式
来进ー步说明本发明的技术方案。
图3是本发明实施例的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法的方法流程图。如图3所示，所述方法包括步骤100’、利用具有第一选择比的研磨液进行研磨，完成ニ氧化硅的快速去除。其中，步骤100’的研磨是按照预先设定的时间来进行研磨从而去除上层覆盖的大
部分ニ氧化硅。其中，所述第一选择比为较低的选择比，即研磨液在研磨ニ氧化硅和氮化硅时的研磨速率差异较小。在本发明的一个实施例中，选择ニ氧化硅氮化硅的研磨率范围在2:1至4:1的研磨液作为具有第一选择比的研磨液。在本发明的另ー个优选实施例中，选择Cabot微电子公司(CabotMicroelectronic)生产的型号为Semi-Sperse SS25的研磨液作为具有第一选择比的研磨液进行研磨。步骤200’、利用具有第二选择比的研磨液进行研磨，直到研磨垫接触到氮化硅阻 隔层的表面。因为氮化硅和ニ氧化硅有不同的反光率和研磨应力，研磨台可以根据两种材料反光率或者研磨应カ的不同，在ニ氧化娃刚好磨完，研磨垫(polish pad)开始接触到氮化娃表面的时候，研磨台的传感器通过反光率或研磨应カ或其它參数探测到材质的变化，从而自动发出指令，停止步骤200’的研磨，然后将晶圆传递到第三步研磨台的位置，进行步骤300’的研磨。其中，所述第二选择比为较高的选择比，即研磨液在研磨ニ氧化硅和氮化硅时的研磨速率差异较大。在本发明的一个实施例中，选择ニ氧化硅氮化硅的研磨率比值大于等于50:1的研磨液作为具有第二选择比的研磨液。在本发明的一个优选实施例中，选用旭硝子公司(ASAHI GLASS Co. Ltd)的型号为CES333的研磨液作为具有第二选择比的研磨液。步骤300 ’、利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的研磨，进行过研磨(overpolishing)。过研磨的目的是为了把氮化硅表面的氧化物残留清除干净，同时研磨掉一定的厚度的氮化硅，使其保留固定的厚度，从而满足器件设计的功能。所述预定时间根据所采用的エ艺条件以及需要保留的氮化硅层厚度換算确定，在本发明的一个实施例中，所述预定时间在一定エ艺条件下选择为例如20秒。其中，第三选择比为较低的选择比，即研磨液在研磨ニ氧化硅和氮化硅时的研磨速率差异较小。第三选择比和第一选择比可以相同，也可以不同，也即，步骤100’和步骤300’中可以选择不同的研磨液，只要都具有较低的选择比即可。在本发明的一个实施例中，所述第三选择比为ニ氧化硅氮化硅的研磨率比值范围在2:1至4: I。在本发明的ー个优选实施例中，优选选择具有与第一选择比接近的选择比的研磨液作为所述第三选择比的研磨液。在本发明的另ー个实施例中，也可在步骤300’选择与步骤100’中相同的研磨液，从而简化生产控制的复杂性。步骤400’、用水清洗晶圆表面。需要说明的是，上述第一、第二、第三选择比并不限于上述实施例中所列举的范围，实际上，在过研磨阶段使用的研磨液只要具有比步骤200’的研磨液相对低的选择比即可有效降低过研磨阶段在STI交界区域的应力，一定程度地降低出现凹陷缺陷的几率。图4A-4C是按本发明实施例进行研磨的晶圆在不同エ艺步骤的截面示意图。图4A是在进行化学机械研磨前的晶圆的截面示意图。如图4A所示，在研磨前晶圆包括形成有浅沟槽硅衬底1，浅沟槽即硅衬底表面的氧化物保护层2，位于有源区的氮化硅阻挡层3以及填充在所述浅沟槽结构中并覆盖整个晶圆表面的ニ氧化硅填充层4。其中，ニ氧化硅填充层4的表面为不规则形状，需要通过化学机械研磨エ艺实现晶圆表面的平坦化。图4B是在进行步骤100’研磨后晶圆的截面示意图。如图4B所示,通过利用具有第一选择比的研磨液进行研磨，去除覆盖在整个晶圆表面的大部分ニ氧化硅填充层。由于具有第一选择比的研磨液为低选择比的研磨液，因此，可以快速去除ニ氧化硅。图4C是在进行步骤200’研磨后晶圆的截面不意图。如图4C所不,通过利用具有 第二选择比的研磨液进行研磨，直到研磨垫接触到氮化硅阻隔层的表面。在步骤200’的研磨后，氮化硅层表面的ニ氧化硅基本被去除。而且，由于具有第二选择比的研磨液为高选择比的研磨液，因此，可以保护氮化硅层不被研磨棹。但是，由于高选择比研磨液研磨时会在浅沟槽隔离结构交界处的产生较高应力，会导致ニ氧化硅层出现一定程度的凹陷。图4D是在进行步骤300’研磨后的晶圆的截面示意图。如图4D所示，通过利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的研磨，将氮化硅层研磨掉一定厚度，从而彻底去除了氮化硅层上残留的ニ氧化硅。同吋，由于具有第三选择比的研磨液为低选择比的研磨液，其对于ニ氧化硅以及氮化硅的研磨率比较接近，因此可以避免在浅沟槽隔离结构交界处的凹陷缺陷出现，得到完全平坦化的晶圆表面。本发明实施例通过降低STI-CMPエ艺流程中高选择比研磨液的研磨时间，仅在完成有源区表面ニ氧化硅的去除后，就終止使用高选择比研磨液进行研磨，转而采用低选择比的研磨液完成过研磨エ艺步骤，从而消除因应カ损伤而造成的STI凹陷缺陷，提高了集成电路制造的成品率。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，包括 利用具有第一选择比的研磨液进行研磨； 利用具有第二选择比的研磨液进行研磨，直到研磨垫接触氮化硅层； 利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的过研磨； 用水清洗晶圆表面； 其中，所述选择比为研磨液对二氧化硅的研磨速率与研磨液对氮化硅的研磨速率的比值，所述第二选择比高于所述第一选择比和第三选择比。
2.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一选择比等于第三选择比。
3.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第二选择比大于等于50: I。
4.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一选择比和第三选择比大于等于2:1小于等于4:1。
5.如权利要求3所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述具有第二选择比的研磨液为旭硝子公司的型号为CES333的研磨液。
6.如权利要求4所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述具有第三选择比的研磨液为Cabot微电子公司的型号为Semi_Sperse25的研磨液。
7.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，研磨台通过传感器检测研磨表面的反光率或研磨应力判断研磨垫是否接触到氮化硅层，如果是，则发出信号停止使用所述具有第二选择比的研磨液研磨。
8.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的过研磨包括通过控制所述预定时间将氮化娃层研磨至预定厚度。
9.如权利要求I所述的用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，其特征在于，所述利用具有第一选择比的研磨液进行研磨包括利用具有第一选择比的研磨液按设定时间进行研磨。
全文摘要
本发明公开了一种用于浅沟槽隔离结构的化学机械研磨方法，包括利用具有第一选择比的研磨液进行研磨；利用具有第二选择比的研磨液进行研磨，直到研磨垫接触氮化硅层；利用具有第三选择比的研磨液进行预定时间的过研磨；用水清洗晶圆表面；其中，所述选择比为研磨液对二氧化硅的研磨速率与研磨液对氮化硅的研磨速率的比值，所述第二选择比高于所述第一选择比和第三选择比。本发明通过采用低选择比的研磨液完成过研磨工艺步骤，从而消除因应力损伤而造成的浅沟槽隔离结构凹陷缺陷，提高了集成电路制造的成品率。
文档编号B24B37/34GK102814727SQ201210287530
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者李健 申请人:无锡华润上华科技有限公司