化学机械研磨方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术：
平坦化是半导体制造工艺中的重要工艺，现有技术利用化学机械研磨工艺进行半导体的平坦化工艺。通常，化学机械研磨设备利用研磨垫与半导体衬底之间进行相对运动来达到平坦化的效果。具体而言，研磨垫设置在研磨太和转轴上方，而来自于研磨液端口的研磨液以一定速率流到研磨垫表面，研磨头在半导体衬底的背面施加一定的压力，使得半导体衬底的正面贴近研磨垫，研磨头带动半导体衬底和研磨垫同方向转动，在半导体衬底的正面与研磨垫之间产生机械摩擦。在研磨过程中通过一系列复杂的机械和化学作用去除半导体衬底正面的待研磨材料层，从而实现平坦化的效果。现有的化学机械研磨过程后半导体衬底的片间厚度均匀性(wafertowaferuniformity)无法满足工艺的要求，表现为同一批次或者两个批次之间的半导体衬底在研磨后的厚度波动较大，导致频繁出现化学机械研磨返工。

技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供了一种化学机械研磨方法，改善了化学机械研磨后半导体衬底的片间厚度均匀性，减少了化学机械研磨的返工步骤。为了解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨方法，包括：启动步骤，用于使得研磨液设置、研磨压力设置、研磨垫转速设置参数自初始值到达预设值；主研磨步骤，用于基于所述预设值对半导体表面的待研磨材料层进行研磨；清洗步骤，用于在所述主研磨步骤结束后，停止研磨液供应并对半导体衬底和研磨垫的表面进行清洗；还包括：冷却步骤，研磨压力不超过主研磨步骤的研磨压力的1/2，研磨垫的转速不超过主研磨步骤的研磨垫转速的1/2，半导体衬底的转速不超过主研磨步骤半导体衬底转速的1/2，清洗步骤中利用流速不小于3L/min的高压水进行清洗，用于对清洗步骤后的研磨垫进行冷却。可选地，进行所述冷却步骤时，研磨压力为主研磨步骤研磨压力的1/4-1/3。可选地，所述冷却步骤时，研磨压力不超过1.5psi。可选地，所述冷却步骤中所述高压水的流速5.5L/min。可选地，所述冷却步骤的持续时间为10-25秒。可选地，所述清洗步骤利用高压水进行。可选地，所述清洗步骤中所述高压水的流速3.5-5.5L/min。可选地，所述冷却步骤中，研磨压力范围为1.0-1.5psi。可选地，所述主研磨步骤的研磨压力范围为3.6-5.6psi。可选地，所述主研磨研磨的研磨垫的转速范围为80-102rpm，冷却过程中研磨垫的转速范围为60-70rpm。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在每一片半导体衬底的化学机械研磨工艺结束后，对研磨垫进行冷却，以控制化学机械研磨设备的热平衡问题，使得研磨垫的温度稳定且受控，避免研磨垫的温度上升过快引起的下一片半导体衬底的主研磨步骤的研磨速率上升。附图说明图1是现有技术的化学机械研磨工艺在不同半导体衬底之间的化学机械研磨速率的趋势图；图2是采用本发明的化学机械研磨工艺的方法在不同的半导体之间的化学机械研磨速率的趋势图。具体实施方式现有的化学机械研磨工艺的问题是，同一批次或者不同批次之间的半导体衬底在研磨后的半导体衬底上的半导体材料层的厚度波动较大，导致频繁出现化学机械研磨返工。经过发明人研究发现，此种厚度波动现象常发于化学机械研磨设备从空闲(idle)到开始研磨的一段时间内，通常在该段时间内，研磨垫的速率逐渐升高，直至稳定，随着研磨垫速率的稳定，研磨后的半导体材料层的厚度才会稳定。造成上述过程的原因是：在化学机械研磨设备的研磨过程中的热平衡问题，即研磨垫的温度在从起始阶段开始逐渐升高，直至稳定，研磨垫的温度会影响研磨速率，使得研磨速率从起始阶段逐渐升高，直至稳定。具体而言，以化学机械研磨设备从起始状态开始为例，现有的半导体衬底的化学机械研磨工艺过程包括如下步骤：不稳定步骤，研磨工艺的研磨液速率从起始值上升至预设值，研磨垫与半导体衬底之间的压力以及研磨垫的转速从起始值上升至预设值；主研磨步骤，用于对半导体衬底上的待研磨材料进行研磨去除，此时，研磨液的速率、研磨垫与半导体衬底之间的压力、研磨垫的转速保持预设值；清洗步骤，在稳定步骤对待研磨材料层的主研磨步骤结束后，停止研磨液的供应，以高压水为介质对研磨垫和半导体衬底进行清洗，目的是去除半导体衬底表面的颗粒和研磨副产物，而为保证清洗效率，在清洗步骤时，研磨垫与半导体衬底之间的压力和研磨垫的转速仍然维持较高的水平。上述清洗步骤，由于研磨垫与半导体衬底之间的大量颗粒物和研磨副产物的摩擦作用，会在研磨垫与半导体衬底之间形成大量的热量，导致研磨垫的温度上升，该研磨垫的温度甚至超过了主研磨步骤的研磨垫的温度，使得经过清洗步骤后的研磨垫的速率上升。在进行下一片半导体衬底化学机械研磨工艺时，研磨垫仍然保持较高速率，并且会随着研磨工艺的进行逐渐升高，直至经过若干片半导体衬底的研磨，研磨垫的温度稳定。因此，需要解决化学机械研磨设备的热平衡问题，使得每一次化学机械研磨工艺对一片半导体衬底的研磨工艺结束后，研磨垫的温度能够稳定且受控。为了解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨方法，包括：启动步骤，用于使得研磨液设置、研磨压力设置、研磨垫转速设置参数自初始值到达预设值；主研磨步骤，用于基于所述预设值对半导体表面的待研磨材料层进行研磨；清洗步骤，用于在所述主研磨步骤结束后，停止研磨液供应并对半导体衬底和研磨垫的表面进行清洗；还包括：冷却步骤，利用很低的研磨压力、较低的研磨垫和半导体衬底转速，同时用高压喷水，用于对清洗步骤后的研磨垫进行冷却。具体而言，所述较低的研磨压力是指，在进行冷却步骤的研磨压力为研磨压力不超过主研磨步骤的研磨压力的1/2，而较低的研磨垫和半导体衬底转速具体是指，研磨垫的转速不超过主研磨步骤的研磨垫转速的1/2，半导体衬底的转速不超过主研磨步骤半导体衬底转速的1/2，清洗步骤中利用流速不小于3L/min的高压水进行清洗对于化学机械研磨设备从闲置(idle)状态，在启动步骤开始后，研磨液逐步从零开始加大至预设值，而研磨压力以及研磨垫转速也是从零开始加大至预设值，在启动步骤中，研磨液的流速及流量、研磨压力和研磨垫转速在此过程中并不稳定。接着，对半导体衬底表面的待研磨材料层进行主研磨步骤，根据研磨的材质不同，需要相应选择不同的研磨液设置(该设置包括流速及流量，以及研磨液本身的成分构成)、研磨垫压力设置、研磨垫转速设置。在主研磨过程中，研磨垫与半导体衬底上的待研磨材料层的表面相对摩擦运动，在研磨液的作用下发生复杂的化学反应和机械反应，将待研磨材料层部分或全部去除。作为一个实施例，所述主研磨步骤的研磨垫压力范围为3.6-5.6psi。所述主研磨的研磨垫的转速范围为80-102rpm。在主研磨步骤结束后，半导体衬底与研磨垫之间会有大量的颗粒和研磨副产物，此时，进行清洗步骤，停止研磨液供应并对半导体衬底和研磨垫的表面进行清洗，所述清洗步骤利用高压水进行。为了保证清洗的效果，所述清洗步骤利用的高压水的压力为12KG所述高压水的流速5.5l/min,所述高压水的流量为1L，在清洗过程中，研磨垫仍然与半导体衬底的正面(该正面为研磨后的半导体材料层的正面)接触，并且研磨垫与半导体衬底之间仍然有一定的压力，研磨垫与半导体衬底之间保持高速转动在清洗过程中，由于研磨垫与半导体之间的高速转动，以及两者之间的颗粒和研磨副产物的去除，在两者之间也会产生摩擦力，该摩擦力在研磨垫上形成大量的热量，导致研磨垫的温度上升，最终使得研磨垫的速率加大。如果依据现有技术，在清洗步骤完成后，直接进行下一片半导体衬底的工艺，则会使得下一半导体衬底的实际研磨速率比之前的研磨速率大，并且这种研磨速率增大的趋势会在化学机械研磨设备进行一段时间后才能趋于稳定。请参考图1所示的现有技术的化学机械研磨工艺在不同半导体衬底之间的化学机械研磨速率的趋势图。横轴为化学机械研磨设备在从闲置状态开始工艺的半导体衬底的片数，纵轴为化学机械研磨设备的实际研磨速率，所述半导体衬底的材质和结构相同，选择的化学机械研磨工艺的程序相同，化学机械研磨工艺的各个步骤以及每个步骤的参数均相同。在在从启动开始，从第1片半导体衬底开始，直至第20片半导体衬底，化学机械研磨设备的实际研磨速率的趋势为逐渐增大，并且中间出现波动。上述速率波动的原因正是因为主研磨和清洗步骤导致的研磨垫的温度升高且该研磨垫的温度不受控制引起。为了解决上述问题，本发明在清洗步骤后增加冷却步骤，利用很低的研磨压力、较低的研磨垫和半导体衬底转速，同时用高压喷水，用于对清洗步骤后的研磨垫进行冷却。进行所述冷却步骤时，研磨垫压力为主研磨步骤的研磨垫压力的1/4-1/3。作为优选的，在所述冷却步骤中，所述主研磨步骤的研磨垫压力范围为3.6-5.6psi。本发明的一个实施例中，进行所述冷却步骤时，研磨垫压力不超过1.5psi。请参考图2所示的采用本发明的化学机械研磨工艺的方法在不同的半导体之间的化学机械研磨速率的趋势图，图2中横轴为化学机械研磨设备在从闲置状态开始工艺的半导体衬底的片数，纵轴为化学机械研磨设备的实际研磨速率，由图2可以看出利用本发明的方法，化学机械研磨设备的研磨速率基本保持稳定。本实施例中，所述冷却步骤采用的高压水的压力为12KG，所述高压水的流速5.5l/min,所述高压水的流量为1L。为了保证冷却的效果，所述冷却步骤的持续时间为10-25s。所述主研磨的研磨垫的转速范围为80-102rpm，冷却过程中研磨垫的转速范围为60-70rpm。综上，本发明在每一片半导体衬底的化学机械研磨工艺结束后，对研磨垫进行冷却，以控制化学机械研磨设备的热平衡问题，使得研磨垫的温度稳定且受控，避免研磨垫的温度上升过快引起的下一片半导体衬底的主研磨步骤的研磨速率上升。因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。