專利名稱：提高隔離氧化物cmp均勻性的方法及其專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法及其專用設(shè)備，特別是涉及一種提高隔離氧化物化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)均勻性的方法及其專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
從O. 25um技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入淺溝槽隔離(STI)技術(shù)以來(lái)，使得器件高密度隔離成為可能。隨技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷縮小，為提高器件密度和隔離效果，淺溝槽本身的縱深比(aspectratio，簡(jiǎn)稱AR)隨之不斷增加。高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDP-CVD)是填充淺溝槽的主流技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)邊淀積邊刻蝕的循環(huán)工藝，克服了溝槽頂部可能存在的封口難題，采用氧化硅完成對(duì)大AR溝槽結(jié)構(gòu)的填充，其結(jié)合沉積和濺射完成工藝見(jiàn)附圖I所示，其中提供沉積能量為源功率(source power),派射提供附加的偏置功率(bias)。通過(guò)控制反應(yīng) 壓力、淀積速率和濺射速率比等工藝參數(shù)來(lái)控制沉積和濺射的相對(duì)過(guò)程，使得對(duì)高縱深比(Aspect Ratio，以下簡(jiǎn)稱AR)的溝槽能夠做到?jīng)]有孔洞的填充。隨淺溝槽AR的不斷增大，在HDP-CVD后，淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)與非淺溝槽隔離區(qū)(激活區(qū))上方的氧化硅厚度落差變得越來(lái)越大。如附圖2所示，其中硅襯底I上依次形成有墊氧化層和氮化硅層2，蝕刻形成有多個(gè)AR較大的STI后采用HDP-CVD 二氧化硅填充這些STI，沉積的氧化硅與墊氧化層的二氧化硅連接起來(lái)，形成氧化硅層3。由圖2可見(jiàn)，頂部的氧化硅層存在較大的厚度差，這為下一步淺溝槽隔離化學(xué)機(jī)械平坦化(STI CMP)工藝對(duì)晶圓芯片內(nèi)部均勻性的控制提出了很大挑戰(zhàn)。由于存在大的氧化硅厚度落差(圖2中氧化硅層3的頂部的高度差H1’，例如為1000- 5000A)，在STI CMP工藝中，這種厚度落差無(wú)法直接通過(guò)CMP工藝消除，并會(huì)一直遺傳到CMP工藝結(jié)束，造成淺溝槽內(nèi)部分氧化硅磨掉，形成凹陷(dishing)缺陷(凹陷深度H2’例如為100 500人)，造成器件電學(xué)性能下降，甚至良率的降低，見(jiàn)附圖3。除了 STI面臨該問(wèn)題之外，其余的采用HDP填充高縱深比孔洞的工藝或產(chǎn)品，例如金屬沉積前介質(zhì)層(PMD)、層間介質(zhì)層(ILD)、金屬層間介質(zhì)層(IMD)等等，均面臨了 CMP處理時(shí)的凹陷缺陷問(wèn)題。此外，在IC制造CMP工藝中對(duì)整片晶圓研磨前值薄膜的均勻性，厚度分布要求較高，通常在HDP制程之后，不同的CVD腔體獲得了不同的均勻性和厚度分布前值，如圖4所示。具體地，圖4A所示為外側(cè)邊緣以及中心凸出、其余部分下凹的W型厚度分布示意圖，圖4B所示為外側(cè)邊緣以及中心下凹、其余部分凸出的M型厚度分布示意圖，圖4C所示為外側(cè)邊緣凸出中心下凹的凹型厚度分布示意圖，圖4D所示為外側(cè)邊緣下凹中心凸出的凸型厚度分布示意圖。值得注意的是，這里的邊緣、中心、中部不是絕對(duì)位置的某一點(diǎn)，而是相對(duì)的一定的范圍，在晶片上的分布。不同公司不同型號(hào)的HDP腔體在通過(guò)工藝調(diào)整后，都可以很容易獲得W型和M型，由于不同淀積設(shè)備進(jìn)氣管路以及氣體分配設(shè)計(jì)的不同所以淀積的薄膜無(wú)法獲得相同的厚度分布(profile)。為此，CMP需要選擇不同的程式去研磨，特別是在大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)時(shí)間和設(shè)備的產(chǎn)能，而且容易發(fā)生誤操作，造成CMP后值的均勻性更差甚至產(chǎn)品的報(bào)廢。例如，如果使用研磨W型的CMP程式去研磨M型的，將會(huì)使薄的地方更薄，厚的地方更厚。特別是前值的厚度差較大時(shí)，這種效應(yīng)就會(huì)很明顯。但是對(duì)微凹和微凸形貌，就不會(huì)有這種現(xiàn)象?？偠灾?dāng)前的HDP-CVD填充高AR比的隔離氧化物結(jié)構(gòu)時(shí)，較大的氧化硅厚度差使得CMP均勻性降低，造成器件缺陷；而現(xiàn)有的CMP設(shè)備無(wú)法采用統(tǒng)一的程式獲得統(tǒng)一的厚度前值，CMP工藝窗口較小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提高隔離氧化物CMP均勻性以提高器件的可靠性，同時(shí)采用統(tǒng)一的CMP程式避免不同CVD設(shè)備和腔體帶來(lái)的CMP研磨的前值的差異，增大了 CMP工藝的窗口，減少對(duì)前值形貌的選擇。 本發(fā)明提供了一種提高隔離氧化物CMP均勻性的方法，包括在襯底上形成隔離氧化物層；在隔離氧化物層上形成犧牲層，犧牲層的頂部高度差小于隔離氧化物層的頂部高度差；采用相同的CMP工藝，依次對(duì)犧牲層以及隔離氧化物層進(jìn)行CMP處理，直至暴露襯
。其中，隔離氧化物層采用HDPCVD方法形成，頂部為W型、M型、凹型或凸型。其中，犧牲層的頂部高度差是隔離氧化物層的頂部高度差的1/6 1/5。其中，隔離氧化物層頂部高度差為600 ΙΟΟΟΑ，犧牲層頂部高度差為100 200A。其中，犧牲層材料包括酸鹽基化合物、硅氧烷化合物、含摻雜劑的有機(jī)化合物。其中，采用旋涂方法形成犧牲層，并加熱使得犧牲層回流固化。其中，加熱溫度為80°C 至 250 °C。本發(fā)明還提供了一種上述方法所用的設(shè)備，包括第一傳送裝置、旋涂裝置、烘烤裝置、清洗干燥裝置、第二傳送裝置以及多個(gè)研磨腔體，其中第一傳送裝置用于從晶圓盒中抽取晶圓并送入旋涂裝置經(jīng)過(guò)在晶圓表面旋涂犧牲層之后再送入烘烤裝置回流固化，第二傳送裝置用于從烘烤裝置中取出晶圓并送入清洗干燥裝置去除多余的犧牲層之后再送入研磨腔體，在研磨腔體中采用相同的CMP工藝對(duì)晶圓進(jìn)行CMP處理。其中，旋涂裝置包括能順時(shí)針和/或逆時(shí)針旋的基座以及頂部的噴頭。其中，晶圓盒中裝載有多個(gè)表面形態(tài)不同的晶圓，其中晶圓表面為W型、M型、凹型或凸型。依照本發(fā)明的提高隔離氧化物CMP均勻性的方法及其專用設(shè)備，在提高生產(chǎn)效率過(guò)程中改善了產(chǎn)品質(zhì)量可以提高全局平坦化，即整片晶圓的片內(nèi)均勻性(with inwafer)，減小片與片的差異；可以獲得統(tǒng)一的CMP前值，避免不同CVD設(shè)備和腔體帶來(lái)的CMP研磨的前值的差異，CMP可以用相同的程式獲得平坦的后值形貌，增大了 CMP工藝的窗口，避免對(duì)前層膜厚表面形貌的選擇；可以在局部可以獲得較小的氧化層落差，增大CMP在整片晶圓內(nèi)的工藝窗口，減少凹陷(dishing)缺陷的發(fā)生。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請(qǐng)獨(dú)立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實(shí)施例限定在獨(dú)立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中圖I顯示了現(xiàn)有技術(shù)的HDP-CVD工藝原理圖；圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的填充高AR的STI的剖面示意圖；圖3顯示了現(xiàn)有技術(shù)的STI CMP的剖面示意圖；圖4A至4D顯示了不同的CVD腔體淀積后的厚度分布圖；圖5A至圖7顯示了依照本發(fā)明的CMP各步驟在整片晶圓上的剖面示意圖；圖8至圖10顯示了依照本發(fā)明的CMP各步驟在局部微觀上的剖面示意圖；以及圖11顯示了依照本發(fā)明的CMP專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖?！?br> 具體實(shí)施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開(kāi)了提高隔離氧化物CMP均勻性的方法及其專用設(shè)備。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或工藝步驟。這些修飾除非特別說(shuō)明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或工藝步驟的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。圖11顯示了依照本發(fā)明的CMP專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)備至少包括第一傳送裝置、旋涂裝置、烘烤裝置、清洗干燥裝置、第二傳送裝置以及多個(gè)研磨腔體，其中第一傳送裝置用于從裝載有至少一個(gè)晶圓的晶圓盒中抽取至少一個(gè)晶圓并送入旋涂裝置經(jīng)過(guò)在晶圓表面旋涂犧牲層之后再送入烘烤裝置固化，第二傳送裝置用于從烘烤裝置中取出晶圓并送入清洗干燥裝置去除多余的犧牲層之后再送入研磨腔體，在研磨腔體中對(duì)晶圓進(jìn)行CMP處理。第一和第二傳送裝置為機(jī)械手臂，通過(guò)與設(shè)備相連的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)操作。旋涂裝置包括基座、基座上方(頂部)的旋涂噴嘴(或噴頭)、驅(qū)動(dòng)基座旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置，其中驅(qū)動(dòng)裝置可以驅(qū)動(dòng)基座順時(shí)針和/或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以提高涂敷的均勻性，此外，噴嘴或噴頭也可以在另外的驅(qū)動(dòng)下相對(duì)于基座而順時(shí)針和/或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。烘烤裝置為烘箱或烘爐，通過(guò)插入箱體或與箱體耦合的加熱裝置來(lái)烘烤晶圓表面的旋涂物質(zhì)使其固化。清洗干燥裝置例如包括噴射清洗液和/或干燥氣體的噴頭，用于清除晶圓表面多余的旋涂物質(zhì)。研磨腔體為CMP處理單元，采用統(tǒng)一的程式對(duì)不同表面形態(tài)的晶圓進(jìn)行統(tǒng)一 CMP處理。以上各個(gè)裝置的內(nèi)部具體組成結(jié)構(gòu)為業(yè)界公知，在此不再贅述，而其具體的操作過(guò)程以及CMP方法如下所述。首先，參照?qǐng)D5A、5B，形成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖5A所示為W型厚度分布的晶圓剖面示意圖，圖5B為M型厚度分布的晶圓剖面示意圖。其中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括襯底I以及位于襯底I之上和/或之中的隔離氧化物層(gap fill)3，并優(yōu)選包括位于襯底I上的墊層2，局部細(xì)節(jié)可一并參考圖8。其中襯底I例如為體硅、絕緣體上硅(SOI)、體鍺、絕緣體上鍺(GeOI)或其他化合物半導(dǎo)體材料，例如GaAs、SiGe, InSb等等，襯底材質(zhì)依照半導(dǎo)體器件類型需要而設(shè)定。墊層2包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等等及其組合，組合方式可以是混雜包含或?qū)盈B夾設(shè)，用于提供溝槽定義以及蝕刻阻擋。利用墊層2進(jìn)行光刻/刻蝕形成高AR的溝槽，然后采用HDP-CVD以二氧化硅填充高AR的溝槽。通過(guò)載氣攜帶反應(yīng)劑進(jìn)入HDPCVD反應(yīng)爐中，其中載氣不與反應(yīng)劑反應(yīng)，例如He、Ar等惰性氣體,載氣稍后將作為等離子濺射的氣體(也即載氣構(gòu)成等離子體原料氣)對(duì)材料進(jìn)行局部刻蝕。其中反應(yīng)劑包括含硅的還原劑以及含氧的氧化劑，還原劑例如為硅烷(SiH4)、正硅酸四乙酯(TEOS)等，氧化劑例如氧氣(O2)、氧化氮(Νχ0，χ為I或2)、臭氧(O3)等，此外依照摻雜需要還可以在反應(yīng)劑中加入PH3、B2H6、硼酸三甲酯(TMB)、磷酸三甲酯(TMP)乃至含N、C的其他雜質(zhì)源等等。通過(guò)控制氣體流量、能量的功率值(包括影響沉積的源功率以及影響濺射的偏置功率)、爐內(nèi)壓力(可以由通入的載氣來(lái)控制)來(lái)調(diào)整沉積速率和濺射速率的比值R，可以通過(guò)調(diào)整R來(lái)控制使得HDPCVD過(guò)程中沒(méi)有孔洞，以及通過(guò)R來(lái)控制所形成的材料層頂部的高度差，不同的HDP工藝以及設(shè)備形成的隔離氧化物層3頂表面形態(tài)均不同。圖5A以及圖5B中僅示意性地示出了中心、外緣的凸出以及中部的凹陷，局部細(xì)節(jié)如圖8所示，凸起和凹陷為多個(gè)，其中隔離氧化物層3的頂部的高度差Hl例如為600 ΙΟΟΟΑ。沉積完隔離氧化物層3的晶圓隨后按照不同HDP工藝設(shè)備分類也即按照不同的表面形態(tài)(例如W、M、凹、凸)被分別輸送至圖11所示的第一傳送裝置入口處的不同的晶圓盒內(nèi)，或者也可以不分類而直接混裝，特別是當(dāng)采用下述的犧牲層回流固化以抹平頂部厚度差的處理之后。其次，第一傳送裝置將表面形態(tài)不同的晶圓送入旋涂裝置，參照?qǐng)D6A和圖6B，在 隔離氧化物層3上旋涂一層犧牲層4，以減緩隔離氧化物層3頂部厚度差。犧牲層4的材質(zhì)可包括硅酸鹽基化合物(如836、？36、8 36)、硅氧烷化合物(如硅油、硅橡膠、硅酮樹(shù)脂等，具體可包括聚二甲基硅氧烷、環(huán)甲基硅氧烷、氨基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚硅氧烷共聚物、八甲基環(huán)四硅氧烷等等)、含摻雜劑的有機(jī)化合物(如摻雜聚酰亞胺，摻雜劑可包括納米硅、氧化鋁、有機(jī)粘土、正硅酸乙酯等等)。犧牲層4用于填充、抹平隔離氧化物層3頂部的厚度差，便于后續(xù)CMP統(tǒng)一加工。 然后，第一傳送裝置將旋涂了犧牲層的晶圓送入烘烤裝置，參照?qǐng)D6A和圖6B以及局部放大8，通過(guò)加熱使得犧牲層4回流并固化，從而減小頂部的厚度差。根據(jù)犧牲層4材質(zhì)不同以及需要控制的厚度差范圍不同，加熱溫度從80°C至250°C不等?；亓鞴袒蟮臓奚鼘?頂部厚度差H2為隔離氧化物層3頂部厚度差Hl的1/6 1/5，具體可例如為100 200A，如果H2太大，則后續(xù)CMP過(guò)程中仍將產(chǎn)生不必要的凹陷(dishing)，如果H2太小，則旋涂的犧牲層4耗費(fèi)量較大、耗時(shí)較多而造成成本上升，經(jīng)過(guò)多批量的測(cè)試得知，H2為Hl的1/6 1/5范圍內(nèi)可使得產(chǎn)品的良率(例如，最終CMP之后表面粗糙度Ra小于等于Inm的比例)上升9. 2%而成本僅增加I. 7%,從而獲得較佳的平衡(trade-off)。接著，第二傳送裝置將回流固化之后的晶圓從烘烤裝置去除并送入清洗干燥裝置，經(jīng)過(guò)清洗干燥之后，再送入研磨腔體進(jìn)行統(tǒng)一的CMP處理。如圖7以及局部放大9、圖10所示，采用旋轉(zhuǎn)的拋光墊在研磨液作用下依次平坦化犧牲層4、隔離氧化物層3，直至露出襯底I或露出作為CMP停止層的墊層2 (如果墊層2有的話)。CMP可采用硬拋光墊或者軟拋光墊，例如O. 08英寸厚的Rodel IC1000與O. 05英寸厚的SUBA IV襯墊疊加，研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速約為25 90r/min,壓力在3 8psi。CMP的研磨液可以是SiO2基研磨液,也可以是CeO2基研磨液，研磨液流量約為50 125mL/min，其中可加入KOH以軟化氧化硅。由于經(jīng)過(guò)犧牲層4的填平處理，隔離氧化物結(jié)構(gòu)頂部的高度差被大大縮減，從而在研磨過(guò)程中，不會(huì)將厚度落差遺傳給溝槽內(nèi)的隔離氧化物層3，減小淺溝槽內(nèi)氧化物的凹陷，見(jiàn)圖10，可知最終得到的隔離氧化物的平整度優(yōu)于如圖3所示的傳統(tǒng)CMP方法得到的結(jié)果，最終的表面完全或基本完全平整，凹陷深度小于10人。由于采用統(tǒng)一的CMP程式，可以不用對(duì)于晶圓表面形態(tài)分類而直接處理，因此提高了效率。以上參照附圖顯示了 STI CMP的改進(jìn)，但是其余的采用HDP填充高縱深比孔洞的工藝或產(chǎn)品，例如金屬沉積前介質(zhì)層(PMD)、層間介質(zhì)層(ILD)、金屬層間介質(zhì)層(IMD)等等，也即那些面臨了 CMP處理時(shí)的凹陷缺陷問(wèn)題的產(chǎn)品、方法均可采用本發(fā)明公開(kāi)的提高均勻性的方法及其專用設(shè)備。依照本發(fā)明的提高隔離氧化物CMP均勻性的方法及其專用設(shè)備，在提高生產(chǎn)效率過(guò)程中改善了產(chǎn)品質(zhì)量可以提高全局平坦化，即整片晶圓的片內(nèi)均勻性(with inwafer)，減小片與片的差異；可以獲得統(tǒng)一的CMP前值，避免不同CVD設(shè)備和腔體帶來(lái)的CMP研磨的前值的差異，CMP可以用相同的程式獲得平坦的后值形貌，增大了 CMP工藝的窗口，避免對(duì)前層膜厚表面形貌的選擇；可以在局部可以獲得較小的氧化層落差，增大CMP在 整片晶圓內(nèi)的工藝窗口，減少凹陷(dishing)缺陷的發(fā)生。盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無(wú)需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)工藝流程做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開(kāi)的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開(kāi)的特定實(shí)施例，而所公開(kāi)的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種提高隔離氧化物CMP均勻性的方法，包括 在襯底上形成隔離氧化物層； 在隔離氧化物層上形成犧牲層，犧牲層的頂部高度差小于隔離氧化物層的頂部高度差; 采用相同的CMP工藝，依次對(duì)犧牲層以及隔離氧化物層進(jìn)行CMP處理，直至暴露襯底。
2.如權(quán)利要求I的方法，其中，隔離氧化物層采用HDPCVD方法形成，頂部為W型、M型、凹型或凸型。
3.如權(quán)利要求I的方法，其中，犧牲層的頂部高度差是隔離氧化物層的頂部高度差的1/6 1/5。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，隔離氧化物層頂部高度差為600 1000人，犧牲層頂部高度差為100 200人。
5.如權(quán)利要求I的方法，其中，犧牲層材料包括酸鹽基化合物、硅氧烷化合物、含摻雜劑的有機(jī)化合物。
6.如權(quán)利要求I的方法，其中，采用旋涂方法形成犧牲層，并加熱使得犧牲層回流固化。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中，加熱溫度為80°C至250°C。
8.—種如權(quán)利要求I的方法所用的設(shè)備，包括第一傳送裝置、旋涂裝置、烘烤裝置、清洗干燥裝置、第二傳送裝置以及多個(gè)研磨腔體，其中第一傳送裝置用于從晶圓盒中抽取晶圓并送入旋涂裝置經(jīng)過(guò)在晶圓表面旋涂犧牲層之后再送入烘烤裝置回流固化，第二傳送裝置用于從烘烤裝置中取出晶圓并送入清洗干燥裝置去除多余的犧牲層之后再送入研磨腔體，在研磨腔體中采用相同的CMP工藝對(duì)晶圓進(jìn)行CMP處理。
9.如權(quán)利要求8的設(shè)備，其中，旋涂裝置包括能順時(shí)針和/或逆時(shí)針旋的基座以及頂部的嗔頭。
10.如權(quán)利要求8的設(shè)備，其中，晶圓盒中裝載有多個(gè)表面形態(tài)不同的晶圓，其中晶圓表面為W型、M型、凹型或凸型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高隔離氧化物CMP均勻性的方法，包括在襯底上形成隔離氧化物層；在隔離氧化物層上形成犧牲層，犧牲層的頂部高度差小于隔離氧化物層的頂部高度差；采用相同的CMP工藝，依次對(duì)犧牲層以及隔離氧化物層進(jìn)行CMP處理，直至暴露襯底。依照本發(fā)明的提高隔離氧化物CMP均勻性的方法及其專用設(shè)備，在提高生產(chǎn)效率過(guò)程中提高了全局平坦化，增大了CMP工藝的窗口，避免對(duì)前層膜厚表面形貌的選擇，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)減少凹陷缺陷的發(fā)生。
文檔編號(hào)H01L21/3105GK102969239SQ201110257878
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者王桂磊, 楊濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所