混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法技术

本发明专利技术提供一种混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，首先提供一混合式化学机械抛光系统，包含第一抛光平台及第二抛光平台，分别为不同类型研磨抛光垫。提供一批次的待抛光产品晶片，其上已形成图案化结构，及第一介电层沉积在该图案化结构及第二介电层上。依序在该第一抛光平台上抛光该批次中至少３片的先行产品晶片，线上进行该先行产品晶片上剩余介电层厚度的量测，建立起一线性的抛光速率表，再依据该抛光速率表，依序在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片，将该第一介电层厚度抛光至目标厚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)工艺，特别是涉及一种混合式(hybrid)化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中应用了两种不同类型的研磨抛光垫，尤其可应用在沟槽绝缘(shallow trench isolation，STI)工艺中，将晶片上的介电层准确地抛光到所要的目标厚度，以避免过度抛光(over-polish)、碟形抛光(dishing)现象、快磨带(fast-band)现象或者氮化硅垫层(pad nitride)的耗损，藉此提高STI工艺的可靠度，同时增加设备产出能力并降低生产成本。
技术介绍
在半导体工艺中，化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)技术是目前提供超大规模集成电路的全面性平坦化最重要的技术之一，已被广泛地应用于在许多不同的半导体工艺领域中，例如，集成电路工艺前段的沟槽绝缘(shallow trench isolation，STI)工艺，以及集成电路工艺后段的金属内连线工艺。在制作集成电路的过程中，不可避免地需要在一晶片上沉积数层不同材料的堆叠结构。化学机械抛光技术可用来均匀地去除晶片上不规则表面(topographical)的目标薄膜层(target thin film)，使晶片在经过化学机械抛光工艺处理后能够具有一平坦且规则(regular and planar)的表面，以确保在后续的黄光工艺中的聚焦深度(depth of focus，DOF)。而为了控制所移除的目标薄膜层的厚度，化学机械抛光工艺终点必须被精确的侦测并且被迅速地决定，以即时停止化学机械抛光工艺。简言之，化学机械抛光技术是将一待抛光晶片面朝下压于一研磨抛光垫(polishing pad)上，此待抛光晶片由一称为抛光头(carrier head)的圆盘状机构所固定。在抛光阶段，抛光头带动待抛光晶片以一固定转轴旋转，而研磨抛光垫则以另一转轴旋转，然后通过化学或机械方式得以将晶片表面待去除的介电层或金属层抛光掉。一般而言，为了避免过度抛光，化学机械抛光工艺的目标薄膜层厚度控制主要仰赖一设置于目标薄膜层下方的抛光停止层(stop layer)判断是否应停止化学机械抛光工艺。抛光停止层的抛光速率(removal rate)通常需小于其上的目标薄膜层，换句话说，目标抛光层被抛光的速率需大于目标抛光层下方的抛光停止层。然而，有时在实际应用上，部分进行化学机械抛光工艺的目标薄膜层并未具有抛光停止层，因此，无法通过抛光停止层决定化学机械抛光工艺终点，在此状况下若产生过度抛光的状况，则必须进行一再沉积(re-deposition)工艺，以于化学机械抛光后的目标薄膜层上再沉积相同的薄膜层，藉使目标薄膜层的厚度达到预定要求。如前所述，化学机械抛光技术可以应用于在前段的STI工艺中。由于STI结构用来电性隔离制作在晶片上的晶体管元件以及晶体管的漏极或源极区域等，因此其重要性可想而知。所谓的STI工艺通常是先在晶片表面上形成硅氧垫层以及氮化硅垫层，然后以光刻及蚀刻工艺在氮化硅垫层与晶片中蚀刻出沟槽，然后在沟槽内以及晶片表面上全面沉积一硅氧介电层，接着再以化学机械抛光工艺抛光掉在沟槽外、氮化硅垫层上方的硅氧介电层，如此即形成STI结构。其中，氮化硅垫层除了可以作为在蚀刻沟槽时的蚀刻硬掩模，同时也在随后的在化学机械抛光过程中，扮演抛光停止层的角色。在化学机械抛光过程中，为避免损及下方的材料层或元件，工艺上皆会要求使氮化硅垫层的耗损越少越好。由此可知，化学机械抛光技术具有低成本、高产出能力以及高均匀性及效率等优点。然而，化学机械抛光技术亦有其缺点，例如，在抛光时，硅氧层对氮化硅层的选择性不足，因而造成硅氧层的抛光不足或者过度抛光现象。过去为了解决这些问题，可以利用额外的步骤补偿之，例如，利用所谓的反相光掩模或者逆掩模(reverse mask)。最近已有针对STI工艺所发展出来的一种直接抛光法，采用所谓的混合式化学机械抛光工艺，应用两种不同类型的研磨抛光垫，例如包括高选择性(high-selectivity-slurry，HSS)研磨抛光垫以及固定研磨粒(fixed-abrasive，FA)研磨抛光垫，优点是结合HSS研磨抛光垫对于沟槽填充材料所具有的高选择性，以及FA研磨抛光垫所能提供的高均匀度抛光能力。在这种混合式化学机械抛光工艺中，晶片先被送至第一个抛光平台上并利用HSS研磨抛光垫进行研磨抛光，其中在HSS研磨抛光垫上用的通常是含有二氧化铈(CeO2)的高选择性抛光液。将晶片表面上的介电层抛光至一目标厚度后，再将晶片送至第二个抛光平台上，利用FA研磨抛光垫进行研磨抛光，去除剩下厚度的介电层。在前述的混合式化学机械抛光工艺中，当晶片进入第二个抛光平台，并利用FA研磨抛光垫进行研磨抛光之前，必须要严格控制晶片表面上的硅氧层进前厚度(incoming oxide thickness)。硅氧层进前厚度的控制对于较大尺寸的晶片如12寸晶片的抛光尤其重要，这是因为所谓的“快磨带(fast-band)现象”会造成当晶片在利用FA研磨抛光垫进行研磨抛光时的工艺余裕降低，使得若抛光时间稍一拉长，即导致氮化硅垫层耗损(通常快磨带出现在晶片周围带状区域)，但若抛光时间稍短，即导致在晶片上留下硅氧残留物(通常在非快磨带区域，例如较靠近晶片中间位置)。当晶片利用HSS研磨抛光垫进行研磨抛光时，过去是采用时间模式(timemode)使晶片上的硅氧层进前厚度能刚好落在抛光目标点，其抛光时间的长短是依据预先产生的空白抛光速率表(blanket removal rate table)来判断，此空白抛光速率表是利用多片空白晶片，其上覆盖与待抛光晶片上相同的介电层，分别以不同抛光时间在HSS研磨抛光垫上进行抛光，并依序进行抛光后介电层厚度的量测所得到的。然而这种作法的缺点是利用空白晶片所制作出来的空白抛光速率表，其针对HSS研磨抛光垫所得到对于硅氧介电层的抛光速率并非一个固定值，如图1所示，从抛光厚度对抛光时间的作图可以发现(H1及H2代表不同HSS研磨抛光垫所得结果)，不同的抛光时间可能有不同的抛光速率，因此若依据此空白抛光速率表来判断抛光时间，极可能产生不准确的结果。由上述可知，现有技艺混合式化学机械抛光技术在应用到STI工艺时所面临的最大挑战之一即是如何控制HSS研磨抛光垫的抛光时间，使晶片上的硅氧层进前厚度能刚好落在抛光目标点，而过去利用空白晶片所制作出来的空白抛光速率表显然不够精确，容易造成工艺余裕以及产品的降低，而仍有进一步改善的空间。
技术实现思路
本专利技术的主要目的即在提供一种，其中应用了两种不同类型的研磨抛光垫，尤其可应用在沟槽绝缘(STI)工艺中，将晶片上的介电层准确地抛光到所要的目标厚度，以避免过度抛光、碟形抛光现象、快磨带现象或者氮化硅垫层的耗损，藉此提高STI工艺的可靠度，同时增加设备产出能力并降低生产成本。根据本专利技术的优选实施例，本专利技术提供一种，首先，提供一混合式化学机械抛光系统，包括至少一第一抛光平台以及一第二抛光平台，其中该第一抛光平台以及该第二抛光平台上分别设有不同类型的研磨抛光垫。接着，提供一批次的待抛光产品晶片，其中各该待抛光产品本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，包括以下的步骤：提供混合式化学机械抛光系统，包括至少一第一抛光平台以及一第二抛光平台，其中该第一抛光平台以及该第二抛光平台上分别设有不同类型的研磨抛光垫；提供一批次的待抛光产品晶片， 其中各该待抛光产品晶片上皆已形成有图案化结构，以及第一介电层沉积在该图案化结构以及第二介电层上；依序在该第一抛光平台上抛光该批次的待抛光产品晶片中的至少３片的先行产品晶片，分别去除各该先行产品晶片上面不同厚度的该第一介电层； 线上进行各该先行产品晶片上剩余介电层厚度的量测，并针对该第一抛光平台上的研磨抛光垫构成相对应的抛光厚度对抛光时间的作图，建立起线性的抛光速率表；以及依据该先行产品晶片所建立起来的该抛光速率表，依序在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的 产品晶片，将剩下的各该产品晶片上的该第一介电层厚度抛光控制在预定的目标厚度。

【技术特征摘要】
1.一种混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，包括以下的步骤提供混合式化学机械抛光系统，包括至少一第一抛光平台以及一第二抛光平台，其中该第一抛光平台以及该第二抛光平台上分别设有不同类型的研磨抛光垫；提供一批次的待抛光产品晶片，其中各该待抛光产品晶片上皆已形成有图案化结构，以及第一介电层沉积在该图案化结构以及第二介电层上；依序在该第一抛光平台上抛光该批次的待抛光产品晶片中的至少3片的先行产品晶片，分别去除各该先行产品晶片上面不同厚度的该第一介电层；线上进行各该先行产品晶片上剩余介电层厚度的量测，并针对该第一抛光平台上的研磨抛光垫构成相对应的抛光厚度对抛光时间的作图，建立起线性的抛光速率表；以及依据该先行产品晶片所建立起来的该抛光速率表，依序在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片，将剩下的各该产品晶片上的该第一介电层厚度抛光控制在预定的目标厚度。2.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中在依据该先行产品晶片所建立起来的该抛光速率表，依序在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片之后，该方法还包括以下的步骤在该第二抛光平台上依序抛光该批次中剩下的该产品晶片，以去除剩下的该第一介电层厚度，暴露出下方的该第二介电层。3.如权利要求2所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中在该第二抛光平台上依序抛光该批次中剩下的该产品晶片之后，该方法还包括以下的步骤在第三抛光平台上，以过抛光的方式依序抛光该批次中剩下的该产品晶片，去除任何可能留在该第二介电层表面上的残留物。4.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中该不同类型的研磨抛光垫包括有高选择性研磨抛光垫以及固定研磨粒研磨抛光垫。5.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中该图案化结构包括有绝缘沟槽结构。6.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中该第一介电层包括有氧化硅。7.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中该第二介电层包括有氮化硅。8.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片，是利用在时间模式下进行。9.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片，是利用在抛光速率模式下进行。10.如权利要求1所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中该预定的目标厚度介于200埃至250埃之间。11.一种混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，包括以下的步骤提供混合式化学机械抛光系统，包括至少一第一抛光平台以及一第二抛光平台，其中该第一抛光平台以及该第二抛光平台上分别设有高选择性研磨抛光垫以及固定研磨粒研磨抛光垫；提供一批次的待抛光产品晶片，其中各该待抛光产品晶片上皆已形成有图案化结构，以及第一介电层沉积在该图案化结构以及第二介电层上；依序在该第一抛光平台上，利用该高选择性研磨抛光垫抛光该批次的待抛光产品晶片中3-8片的先行产品晶片，分别去除各该先行产品晶片上面不同厚度的该第一介电层；线上进行各该先行产品晶片上剩余介电层厚度的量测，并针对该第一抛光平台上的该高选择性研磨抛光垫构成相对应的抛光厚度对抛光时间的作图，建立起线性的抛光速率表；以及依据该先行产品晶片所建立起来的该抛光速率表，依序在该第一抛光平台上，利用该高选择性研磨抛光垫抛光该批次中剩下的产品晶片，将剩下的各该产品晶片上的该第一介电层厚度抛光控制在预定的目标厚度。12.如权利要求11所述的混合式化学机械抛光工艺的线上控制方法，其中在该第一抛光平台上抛光该批次中剩下的产品晶片之后，该方法还包括以下的步骤在该第二抛光平台上依序抛光该批次中剩下的该产品晶片，以去除剩下的该第一介电层厚度，暴露出下...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱辛堃，陈彦竹，蔡腾群，陈佳禧，
申请(专利权)人：联华电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]