一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法与流程

本发明涉及化学机械抛光，具体涉及一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法。

背景技术：

1、化学机械平坦化是一种表面全局平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间有磨料，并同时施加压力。抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的摩擦实现3～10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛，使晶圆抛光后表面达到超高平整度和超低表面粗糙度。硅片的平整度和均匀性的概念在描述cmp的作用方面很重要。平整度描述从微米到毫米范围内的硅片表面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的，反映整个硅片膜层厚度的变化，因此，一个硅片可以是平整的，但不一定是均匀的，反之亦然。因此平整度是相对于cmp之前的某处台阶高度而言的。然而控制cmp工艺是困难的，因为影响平整性和均匀性的许多不同参数之间的相互作用，对不同的应用场合，需要对cmp工艺进行探索。

2、磷硅玻璃(psg)作为多层互连的层间和金属介电膜，已经被广泛地应用于双极和cmos器件的制造。当有源器件在晶圆表面制作完成后，硅晶圆表面会沉积一层绝缘的介电膜，为金属层和有源器件之间提供可靠的绝缘保护。刚沉积完psg薄膜的硅表面不仅粗糙度大，而且凹凸不平，不利于后续的聚焦光刻、金属沉积等制程。因此，需要对psg图形片进行化学机械抛光，以获得平坦化好、粗糙度低、犬牙缺陷(fang defect)以及无颗粒的沾污表面。

3、现有技术中，主要采用含有sio2磨料的抛光液来抛光psg层和硅衬底，其中以气相二氧化硅为磨料的碱性抛光液对si去除速率较快、对psg去除速率较慢，最终会导致psg图形凸起；而以硅溶胶为磨料的酸性抛光液对psg去除速率较快，对si去除速率较慢，最终会导致psg图形严重凹陷。另外，在采用酸性抛光液修正凸起的psg图形过程中，以及采用碱性抛光液修正凹陷的psg图形时，都会导致碟形凹陷(dishing)、犬牙缺陷(fang defect)增大，这将会在后续的工艺中严重影响薄膜的沉积质量。

4、cn 106206280 b和cn 114883190 a均公开了一种通过腐蚀液去掉psg层的办法，使其表面粗糙度小于50nm。然而该方法获得的表面粗糙度仍然较大，不能满足现有的技术要求。

技术实现思路

1、为了获得台阶高低差小、犬牙缺陷小、粗糙度低的psg图形硅片，而提供一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法。采用本发明方法能够协调psg层和硅片之间去除速率，实现对具有psg层的硅片产生较好的平坦化效果。

2、为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有psg层硅片进行cmp抛光，得到psg图形硅片；

4、其中所述cmp抛光的过程是：固定硅片在抛光头上并使表面具有psg层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力，并控制抛光头转速小于抛光盘转速，进行第一次平坦化；然后施加第二工作压力，其他条件不变，进行第二次平坦化；

5、所述第一工作压力和所述第二工作压力均包括所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力，且所述抛光头在所述抛光盘外侧的工作压力大于所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力；在所述第一工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为2.7-2.9psi，在所述第二工作压力中控制所述抛光头在所述抛光盘中心的工作压力为1-1.5psi。

6、进一步地，所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力分别为z1、z2、z3、z4、z5；

7、其中所述第一工作压力中z1＝6.8-7.2psi、z2＝6.0-6.8psi、z3＝3.0-4.0psi、z4＝2.9-3.0psi、z5＝2.7-2.9psi；所述第一次平坦化的抛光时间为100-200s；

8、其中所述第二工作压力中z1＝3.1-3.5psi、z2＝2-2.5psi、z3＝1-1.8psi、z4＝1-1.8psi、z5＝1-1.5psi；所述第二次平坦化的抛光时间为1-10s。

9、优选地，所述第一工作压力中z1＝6.9psi、z2＝6.6psi、z3＝3.3psi、z4＝3.0psi、z5＝2.85psi；所述第一次平坦化分三步抛光进行，所述第一次平坦化的第一步抛光时间为100-150s、第二步抛光时间为160-200s、第三步抛光时间为160-200s；

10、其中所述第二工作压力中z1＝3.2psi、z2＝2psi、z3＝1.2psi、z4＝1.2psi、z5＝1.2psi；所述第二次平坦化的抛光时间为3-5s。

11、进一步地，所述抛光头转速80-90rpm，所述抛光盘转速90-98rpm；所述抛光液的流量为220-280ml/min。优选地，所述抛光头转速85-87rpm，所述抛光盘转速92-95rpm。

12、进一步地，所述抛光液包括如下重量份材料：硅溶胶600-750份、金属螯合剂7-9份、表面活性剂0.01-0.10份、去离子水233.90-387.99份，ph调节剂调制所述抛光液的ph值为9-10。

13、再进一步地，所述硅溶胶的中的胶体颗粒粒径为80-120nm范围内单一粒径或多种粒径的复配，例如硅溶胶中的胶体颗粒粒径包括80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm、110nm、115nm、120nm等中的一种或多种粒径复配；

14、所述金属螯合剂包括二乙烯三胺五乙酸、乙二胺四乙酸中的一种或多种；

15、所述表面活性剂包括脂肪醇醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种；

16、所述ph调节剂包括氢氧化钾、四乙基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、二乙烯三胺、三乙烯四胺、酒石酸、柠檬酸、甘氨酸、乳酸中的一种或多种。

17、有益技术效果：本发明对于psg图形的精抛过程，通过采用较大粒径的碱性硅溶胶抛光液，以及对cmp关键工艺参数进行调整，可协调psg层和硅片之间去除速率，实现对si去除速率/psg去除速率比值接近1:1，更容易实现台阶平坦化，而且不易导致犬牙缺陷增大的问题，还能简化cmp工艺；本发明工艺能够实现对具有psg层的硅片产生较好的平坦化效果，获得台阶高低差小

18、(-30nm＜dishing＜30nm，指中心与相邻平面高低差)、犬牙缺陷小(＜15μm)、粗糙度低(＜0.6nm(10×10μm))的psg图形硅片。

技术特征：

1.一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：在抛光机中加入抛光液，对表面具有psg层硅片进行cmp抛光，得到psg图形硅片；

2.根据权利要求1所述的一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光头从所述抛光盘外侧位移至中心时所施加的一组压力分别为z1、z2、z3、z4、z5；

3.根据权利要求2所述的一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述第一工作压力中z1＝6.9psi、z2＝6.6psi、z3＝3.3psi、z4＝3.0psi、z5＝2.85psi；所述第一次平坦化分三步抛光进行，所述第一次平坦化的第一步抛光时间为100-150s、第二步抛光时间为160-200s、第三步抛光时间为160-200s；

4.根据权利要求1所述的一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光头转速80-90rpm，所述抛光盘转速90-98rpm；所述抛光液的流量为220-280ml/min。

5.根据权利要求1所述的一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述抛光液包括如下重量份材料：硅溶胶600-750份、金属螯合剂7-9份、表面活性剂0.01-0.10份、去离子水233.90-387.99份，ph调节剂调制所述抛光液的ph值为9-10。

6.根据权利要求5所述的一种表面具有psg层硅片的化学机械平坦化方法，其特征在于，所述硅溶胶的中的胶体颗粒粒径为80-120nm范围内单一粒径或多种粒径的复配；

技术总结
本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种表面具有PSG层硅片的化学机械平坦化方法，步骤：在抛光机中加入抛光液，CMP抛光表面具有PSG层硅片，得到PSG图形硅片；其中CMP抛光过程是：固定硅片在抛光头上并使表面具有PSG层的一面与抛光盘接触，施加第一工作压力，并控制抛光头转速小于抛光盘转速进行第一次平坦化；然后施加第二工作压力，其他条件不变，进行第二次平坦化；抛光头在抛光盘外侧的工作压力大于抛光头在抛光盘中心的工作压力；在第一工作压力中控制抛光头在抛光盘中心的工作压力为2.7‑2.9psi，在第二工作压力中控制抛光头在抛光盘中心的工作压力为1‑1.5psi；本发明可实现较好的平坦化效果，所得PSG图形硅片台阶高低差小、犬牙缺陷小、粗糙度低。

技术研发人员：雷双双,张俊华,井锋,田建颖
受保护的技术使用者：江苏山水半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13