专利名称：化学机械抛光的方法
技术领域：
本发明涉及一种晶片平坦化的方法，尤其涉及一种化学机械抛光的方法。
背景技术：
在半导体工艺技术中，没有高低落差的平坦表面才能避免曝光散射，才能达成精密的图案转移(pattern transfer)，因此表面平坦化是处理高密度光刻的一项重要技术。其中，化学机械抛光技术是提供现阶段集成电路工艺“全面性平坦化”(global planarization)的一项重要技术。
化学机械抛光主要是利用研浆中的化学助剂(reagent)，在晶片的正面上产生化学反应，形成一易抛光层，再配合晶片在抛光垫上，通过研浆中的研磨颗粒(abrasive particles)辅助的机械抛光，将易抛光层的凸出部份抛光，反复上述化学反应与机械抛光，即可形成平坦的表面。而影响化学机械抛光工艺的变量有抛光头所施的压力、晶片的平坦度、晶片与抛光垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度以及抛光垫的材料与磨损性等等。
在一般化学机械抛光工艺中，通常会使用两次以上不同研浆的抛光工艺完成，举例来说，浅沟槽隔离结构的抛光中，会先使用硅酸盐类研浆(silicatebase slurry)，如SS25(由Cabot Microelectronics制造)做外观轮廓的调整，接着再使用高选择性研浆(high selective slurry，HSS)，例如铈氧类研浆(Ceria baseslurry)，如Silect6000(由Cabot Microelectronics制造)，抛光对终止处的判断更精确，最后使用去离子水来清除晶片上的残留物。而每一种研浆内通常皆具有抛光作用的成分，例如研磨颗粒，其可以是氧化铝、氧化硅或氧化铈。
值得注意的是，上述的研浆SS25的pH值(酸碱值)为10～11，而研浆Silect6000的pH值为5～6，因此当SS25残留在晶片上，直接进入下一抛光工艺，而与Silect6000混和，会造成酸碱冲击(pH shock)，而使氧化铈与氧化硅集结成块。而且两种不同研浆的混和，也会造成交叉污染(crosscontamination)。另外，氧化铈带正电，而氧化硅在pH值5的环境下带负电则，当SS25的残留与接触到Silect6000(pH＝5)，则可能因电荷相吸，而结成块状残留形成大型颗粒。
如图1所示的颗粒大小(横轴)与出现频率(纵轴)关系图，曲线1表示Silect6000中所含的研磨颗粒；曲线2为SS25所含的研磨颗粒；曲线3表示残留的SS25对Silect6000的比例为1∶100时，混合液内研磨颗粒以及结块的颗粒；而曲线4则为残留的SS25对Silect6000的比例为1∶1000时，混合液内研磨颗粒以及结块的颗粒。由图中A区块可知，一旦有残留的SS25在晶片上时，当其与Silect6000混和便会出现大型颗粒，而这些大型颗粒会造成被抛光的晶片出现刮伤(scratch)的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种化学机械抛光的方法，以防止酸碱冲击与交叉污染的发生。
本发明的另一目的是提供一种化学机械抛光的方法，以避免刮伤被抛光的晶片。
本发明提出一种化学机械抛光的方法，包括先以第一硬抛光垫对晶片进行第一抛光工艺，并使用第一研浆。接着，以第一软抛光垫与清洗剂对晶片进行缓冲工艺，以缓冲第一抛光工艺的pH值，并通过与第一软抛光垫的接触去除至少部分的第一研浆与清洗剂。然后，以第二硬抛光垫对晶片进行第二抛光工艺，并使用第二研浆，且缓冲工艺后的pH值介于第一研浆的pH值与第二研浆的pH值之间。
依照本发明的一实施例所述，上述的第一软抛光垫的材料包括Polytex(由Rohm and Haas制造)。
依照本发明的一实施例所述，于缓冲工艺的步骤中，第一软抛光垫的下压力(downforce)例如是介于0.1至5psi(磅/平方英寸)之间，而工艺时间例如是介于1至100秒之间。
依照本发明的一实施例所述，于第二抛光工艺之后，还包括以第二软抛光垫清洗晶片。
依照本发明的一实施例所述，上述的第一研浆包括具抛光作用的成分，例如是氧化铝(alumina)、氧化硅(silicon dioxide)或氧化铈(cerium oxide)。
依照本发明的一实施例所述，上述的第二研浆包括具抛光作用的成分，例如是氧化铝、氧化硅或氧化铈。
依照本发明的一实施例所述，上述的缓冲工艺使用加压方式注入该清洗剂。
依照本发明的一实施例所述，上述的第一研浆的pH值小于7。第二研浆的pH值大于7。而清洗剂可以是去离子水(DI water)、含有氢氧化钾(KOH)或氨(NH3)的去离子水或水或其它pH值大于7的化学物质。
依照本发明的一实施例所述，上述的第一研浆的pH值大于7。第二研浆的pH值小于7。清洗剂可以是去离子水、含有二氧化碳(CO2)、柠檬酸(citricacid)或草酸(oxalic acid)的去离子水或水或其它pH值介于6到7之间的化学物质。
依照本发明的一实施例所述，上述的化学机械抛光的方法是用于浅沟槽隔离结构的化学机械抛光工艺(STI CMP)。而且，当本发明的化学机械抛光的方法是用于浅沟槽隔离结构，则在其中的缓冲工艺中，氧化物移除量(oxideremoval amount)约小于200埃或等于零。
依照本发明的一实施例所述，上述的化学机械抛光的方法是铜化学机械抛光工艺(Cu-CMP)。
本发明另提出一种化学机械抛光的方法，包括先于晶片上提供材料层，且材料层具有第一表面。接着，进行第一抛光工艺，移除部分材料层以暴露材料层的第二表面，其中第一抛光工艺使用第一研浆。然后，进行缓冲工艺，以清洗剂清洗第二表面，用以缓冲第一抛光工艺的pH值，并移除至少部分第一研浆与清洗剂。继之，进行第二抛光工艺，以第二研浆移除部分材料层以暴露材料层的第三表面。于缓冲工艺后的pH值介于第一研浆的pH值与第二研浆的pH值之间。
依照本发明的另一实施例所述，上述缓冲工艺的工艺时间例如是介于1至100秒之间。
依照本发明的另一实施例所述，上述的第一研浆包括一具抛光作用的成分，例如是氧化铝、氧化硅或氧化铈。
依照本发明的另一实施例所述，上述的第二研浆包括一具抛光作用的成分，例如是氧化铝、氧化硅或氧化铈。
依照本发明的另一实施例所述，上述的缓冲工艺使用加压方式注入清洗剂。
依照本发明的另一实施例所述，上述的第一研浆的pH值小于7。第二研浆的pH值则大于7。而清洗剂为去离子水、含有氢氧化钾或氨的去离子水或水或其它pH值大于7的化学物质。
依照本发明的另一实施例所述，上述的第一研浆的pH值大于7。第二研浆的pH值则小于7。而清洗剂为去离子水、含有二氧化碳、柠檬酸或草酸的去离子水或水或其它pH值介于6到7之间的化学物质。
依照本发明的另一实施例所述，上述的化学机械抛光的方法是浅沟槽隔离结构的化学机械抛光工艺。而且，当本发明的化学机械抛光的方法是用于浅沟槽隔离结构，则在其中的缓冲工艺中，氧化物移除量约小于200埃或等于零。
依照本发明的另一实施例所述，上述的化学机械抛光的方法是铜化学机械抛光工艺。
本发明在两步抛光工艺的步骤之间，进行清洗剂的缓冲步骤，一方面洗净抛光后晶片上的残留物，一方面中和并洗净前一步骤遗留在晶片上的研浆，所以可避免两种不同研浆直接混和，发生酸碱冲击与交叉污染，因此晶片上不会有残留的颗粒污染甚至刮伤晶片表面。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。
图1为纯研浆或混和研浆中的颗粒大小与发生频率的关系图；图2A-1、图2B-1和图2C-1是化学机械抛光机器的俯视图；图2A-2、图2B-2和图2C-2分别是图2A-1、图2B-1和图2C-1中的晶片在抛光流程中的结构剖面示意图。
简单符号说明1、2、3、4曲线200化学机械抛光机器202机械手臂204晶片出入区206、210抛光区208缓冲区
212抛光头220、260硬抛光垫230、270研浆232管件240软抛光垫250清洗剂300晶片302基底304、310材料层312第一表面314第二表面316第三表面A区块具体实施方式
图2A至图2C为依照本发明的一实施例所绘示的化学机械抛光流程图，其中图2A-1、图2B-1和图2C-1是化学机械抛光机器的俯视图，而图2A-2、图2B-2和图2C-2分别是图2A-1、图2B-1和图2C-1中的晶片在抛光流程中的结构剖面示意图。
首先，请同时参照图2A-1与图2A-2。本实施例的化学机械抛光机器200例如是包括一个四轴旋转手臂202与四个工艺区块，且其分别为晶片出入区204、抛光区206、缓冲区208以及抛光区210。除此之外，本发明亦可应用于其它类型的化学抛光机器，而不局限于本图所述。而上述旋转手臂202的四个端点皆具有抛光头212，抛光头212的下方可以吸住一晶片300。此晶片300的基底302上已形成数层膜层，例如是不同材料的材料层304与材料层310，其中，材料层310需被平坦化。因此，在晶片300由晶片出入区204进入化学机械抛光机器200(此步骤未绘示)之后，晶片300被吸附在抛光头212下方，由旋转手臂202置入抛光区206进行抛光工艺。
请继续参照图2A-1与图2A-2。上述抛光工艺例如用抛光头212将晶片300压在抛光区206内的硬抛光垫220上，使材料层310的第一表面312接触硬抛光垫220，同时由一管件232输送研浆230，并使其均匀分布于硬抛光垫220与晶片300之间，接着抛光头212带动晶片300旋转，而硬抛光垫220则以相反的方向旋转对晶片300进行抛光。其中，硬抛光垫220的材料例如是具有类似绒布柔软性的聚合材料，如掺有聚胺甲酸酯的聚脂纤维，聚脂纤维的硬度明显较聚胺甲酸酯高，而聚脂纤维具有孔洞、聚胺甲酸酯没有孔洞，因此可以依需求而调整两者比例。而研浆230例如是可以快速抛光移除材料层310并调整其外观轮廓的研浆，且pH值例如是大于7，例如硅酸盐类研浆，如SS25，其pH值约介于10到11之间。此外，研浆230内必须具有抛光作用的成分，例如研磨颗粒，其可以是氧化铝、氧化硅或氧化铈。在抛光工艺之后，部分材料层310会被移除，而暴露材料层310的第二表面314。
继之，请同时参照图2B-1与图2B-2。晶片300被送入缓冲区208进行缓冲工艺，以缓冲晶片300表面的pH值。而缓冲工艺例如是以软抛光垫240对晶片300进行清洗，其方法例如是使用加压方式注入清洗剂250于软抛光垫240上，而其下压力例如是介于0.1至5psi之间，并旋转软抛光垫240使清洗剂250均匀分布。缓冲工艺的工艺时间例如是介于1至100秒之间。软抛光垫240的材料的柔软性需比硬抛光垫220更佳，例如是由Rohm and Haas所制造的Polytex。举例来说，软抛光垫240的材料的密度例如是低于0.8g/cm3(克/立方厘米)；或其硬度例如是低于50SHORE D(萧氏硬度D)，如聚乙烯。此外，软抛光垫240的材料还可例如是由Rodel公司制造的PolitexEmbossed Pad。
随后，晶片300上材料层310的第二表面314接触软抛光垫240，使软抛光垫240上的清洗剂250能够清洗第二表面314。另外，通过与软抛光垫240的接触还可以去除至少部分研浆230与清洗剂250。值得一提的是，上述清洗剂250例如是去离子水、含有二氧化碳、柠檬酸或草酸的去离子水或水或其它pH值介于6到7之间的化学物质。清洗剂250的功用不仅要清除上一道抛光工艺所遗留的残留颗粒，并且完全清除研浆230以避免与下一抛光工艺的研浆形成交叉污染，进而产生大型颗粒(如现有所述)。另外，清洗剂针对上一道抛光工艺(如图2A)与下一步抛光工艺，而设计为能中和两道抛光工艺的工艺参数的差异，如调节晶片表面残液的pH值，以免两次的抛光工艺所使用的研浆pH值差异过大，造成酸碱冲击。
然后，请同时参照图2C-1与图2C-2。晶片300被送入抛光区210，进行另一抛光工艺。而这道抛光工艺的方法例如是与上一道抛光工艺(如图2A)相同，故于此不赘述。两者不同处在于本图的抛光工艺所使用的研浆270可具有高选择性，能够对抛光终止位置高度敏感，其pH值例如是小于7；优选为高选择性研浆，例如铈氧类研浆，如Silect6000，其pH值约介于5到6之间。而研浆270亦可以包括研磨颗粒，例如是氧化铝、氧化硅或氧化铈。随后，部分材料层310被移除，以暴露材料层310的第三表面316。硬抛光垫260与硬抛光垫220的材料可以是相同，例如是具有类似绒布柔软性的聚合材料，如掺有聚胺甲酸酯的聚脂纤维，亦可以依需求而调整两者比例。
另外，于图2C的抛光工艺之后，还可以再以另一软抛光垫(未绘示)清洗晶片300。
上述化学机械抛光流程，还可以依照晶片上的被抛光材料，而变换研浆的材料以及使用顺序。举例来说，在另一实施例中，当材料层310是金属层，例如钨、铜或铝，研浆230则可以是氧化剂，例如过氧化氢或碘酸盐类，将金属层氧化以便移除。
在又一实施例中，图2A-1的抛光工艺使用的研浆230的pH值例如是小于7，图2B-1的缓冲工艺中使用的清洁剂250，可以清除晶片上残留的任何颗粒与研浆230。然后，进行图2C-1的抛光工艺，其使用研浆270的pH值则例如是大于7。因此，清洗剂250除了清除残留物的功能外，也必须配合其前后的抛光工艺所使用的研浆230、270做更动，例如是去离子水、含有氢氧化钾或氨的去离子水或水或其它pH值大于7的化学物质。
重要的是，缓冲工艺后的PH值会介于研浆230与研浆270的PH值之间，以达到缓冲前后两次抛光工艺的PH值的功效。当然，上述的缓冲工艺并不限定于实施例中提及的描述与顺序，缓冲工艺例如是在进行某一道抛光工艺之后，或是可以在进行某一道抛光工艺之前进行。另外，上述化学机械抛光的次数，还可以根据晶片300上的被抛光的材料层310而有不同设计。
本发明所述的化学机械抛光的方法可以是浅沟槽隔离结构的化学机械抛光工艺，而当本发明的化学机械抛光的方法是浅沟槽隔离结构，则在其中的缓冲工艺中，氧化物移除量例如是小于200埃或甚至等于零。在另一实施例中，本发明的化学机械抛光的方法还可以是铜化学机械抛光工艺。
综上所述，本发明的化学机械抛光的方法，在两步骤抛光工艺之间进行缓冲步骤，一方面洗净抛光后晶片上的残留物，一方面中和并洗净前一步骤遗留在晶片上的研浆，避免两种不同研浆直接混和，发生酸碱冲击与交叉污染，因此晶片上不会有残留的颗粒，故不会污染甚至刮伤晶片表面。
虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种化学机械抛光的方法，包括以第一硬抛光垫对晶片进行第一抛光工艺，该第一抛光工艺使用第一研浆；以第一软抛光垫与清洗剂对该晶片进行缓冲工艺，以缓冲该第一抛光工艺的pH值，并通过与该第一软抛光垫的接触去除至少部分的该第一研浆与该清洗剂；以及以第二硬抛光垫对该晶片进行第二抛光工艺，该第二抛光工艺使用第二研浆，且该缓冲工艺后的pH值介于该第一研浆的pH值与该第二研浆的pH值之间。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该第一软抛光垫的材料包括Polytex。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中于该缓冲工艺的步骤中，该第一软抛光垫的下压力是介于0.1至5psi之间，工艺时间是介于1至100秒之间。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，于该第二抛光工艺之后，还包括以第二软抛光垫清洗该晶片。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆包括具抛光作用的成分。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光的方法，其中该具抛光作用的成分包括氧化铝、氧化硅或氧化铈。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆包括具抛光作用的成分。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光的方法，其中该具抛光作用的成分包括氧化铝、氧化硅或氧化铈。
9.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该缓冲工艺使用加压方式注入该清洗剂。
10.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆的pH值小于7。
11.如权利要求10所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆的pH值大于7。
12.如权利要求10所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为去离子水。
13.如权利要求10所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为pH值大于7的化学物质。
14.如权利要求10所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为含有氢氧化钾或氨的去离子水或水。
15.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆的pH值大于7。
16.如权利要求15所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆的pH值小于7。
17.如权利要求15所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为去离子水。
18.如权利要求15所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂包括含有二氧化碳、柠檬酸或草酸的去离子水或水。
19.如权利要求15所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为pH值介于6到7之间的化学物质。
20.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法是浅沟槽隔离结构的化学机械抛光工艺。
21.如权利要求20所述的化学机械抛光的方法，于该缓冲工艺中，氧化物移除量小于200埃或等于零。
22.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法是铜化学机械抛光工艺。
23.一种化学机械抛光的方法，包括于晶片上提供材料层，该材料层具有第一表面；进行第一抛光工艺，移除部分该材料层以暴露该材料层的第二表面，其中该第一抛光工艺使用第一研浆；进行缓冲工艺，以清洗剂清洗该第二表面，用以缓冲该第一抛光工艺的pH值，并移除至少部分该第一研浆与该清洗剂；以及进行第二抛光工艺，以第二研浆移除部分该材料层以暴露该材料层的第三表面，且于该缓冲工艺后的pH值介于该第一研浆的pH值与该第二研浆的pH值之间。
24.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该缓冲工艺的工艺时间介于1至100秒之间。
25.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆包括具抛光作用的成分。
26.如权利要求25所述的化学机械抛光的方法，其中该具抛光作用的成分包括氧化铝、氧化硅或氧化铈。
27.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆包括具抛光作用的成分。
28.如权利要求27所述的化学机械抛光的方法，其中该具抛光作用的成分包括氧化铝、氧化硅或氧化铈。
29.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该缓冲工艺使用加压方式注入该清洗剂。
30.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆的pH值小于7。
31.如权利要求30所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆的pH值大于7。
32.如权利要求30所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为去离子水。
33.如权利要求30所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为pH值大于7的化学物质。
34.如权利要求30所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂包括含有氢氧化钾或氨的去离子水或水。
35.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法，其中该第一研浆的pH值大于7。
36.如权利要求35所述的化学机械抛光的方法，其中该第二研浆的pH值小于7。
37.如权利要求35所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为去离子水。
38.如权利要求35所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂包括含有二氧化碳、柠檬酸或草酸的去离子水或水。
39.如权利要求35所述的化学机械抛光的方法，其中该清洗剂为pH值介于6到7之间的化学物质。
40.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法是浅沟槽隔离结构的化学机械抛光工艺。
41.如权利要求40所述的化学机械抛光的方法，于该缓冲工艺中，氧化物移除量小于200埃或等于零。
42.如权利要求23所述的化学机械抛光的方法是铜化学机械抛光工艺。
全文摘要
一种化学机械抛光的方法，包括先以第一硬抛光垫对晶片进行第一抛光工艺，并使用第一研浆。接着，以第一软抛光垫与清洗剂对晶片进行缓冲工艺，以缓冲第一抛光工艺的pH值，并通过与第一软抛光垫的接触去除至少部分的第一研浆与清洗剂。然后，以第二硬抛光垫对晶片进行第二抛光工艺，并使用第二研浆。于缓冲工艺后的pH值介于第一研浆的pH值与第二研浆的pH值之间。此方法可以避免酸碱冲击以及交叉污染的产生，故不会形成颗粒刮伤晶片表面。
文档编号C09G1/18GK101073878SQ20061008186
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者李志岳, 杨凯钧, 庄子仪, 陈建勋, 叶敏豪 申请人:联华电子股份有限公司