專利名稱：雙終點(diǎn)檢測控制sti cmp工藝氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成電路工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制在淺槽隔離工藝中化學(xué)機(jī)械拋光后氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體集成電路工藝中，傳統(tǒng)的隔離技術(shù)是自對準(zhǔn)場氧化隔離技術(shù)，即以硬掩膜掩蔽有源區(qū)，將場區(qū)的襯底硅暴露，然后用熱氧化的方法，產(chǎn)生隔離區(qū)氧化硅。這種方法簡單，生產(chǎn)性強(qiáng)，所用生產(chǎn)工藝成熟，缺點(diǎn)是會在有源區(qū)邊界形成‘鳥嘴’區(qū)，如圖1所示成為深亞微米工藝的發(fā)展中提高集程度的瓶頸。
實(shí)踐中，‘鳥嘴’的尺寸很難減少到0.1μm以下。因此，當(dāng)微電子工藝的特征尺寸減小到0.35μm，場氧化工藝逐漸被淺槽隔離技術(shù)(STI)工藝所代替。用硬掩膜的保護(hù)有源區(qū)，將場區(qū)刻槽，再用CVD的方法在槽中形成隔離介質(zhì)，如圖2所示STI工藝的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，可以最有效的利用有源區(qū)的線寬，提高集程度。結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光工藝的STI技術(shù)可以做到極高的表面平坦化，增加后道布線的層數(shù)。但是，STI工藝也存在工藝復(fù)雜，不易控制的問題。常見的有，STI氧化硅過磨削(Dishing)和有源區(qū)硬掩膜過磨削(Erosion)。
STI氧化硅過磨削(Dishing)問題由于圖形密度的影響，CMP工藝在不同圖形區(qū)域的磨削速率不同，在有源區(qū)圖形密度較大的區(qū)域相對于密度較小的區(qū)域，磨削速度較低。因此當(dāng)有源區(qū)圖形密度較低的區(qū)域，有源區(qū)上淺槽隔離氧化硅已經(jīng)磨削完成，但圖形密度較高的區(qū)域?qū)⒂醒趸铓埩?。為了清除殘留氧化硅，CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝需要一定時間的過磨削。這種過磨削會造成隔離槽中的氧化硅損失，槽寬增加，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，使氧化硅平面低于有源區(qū)平面。這就是‘Dising’現(xiàn)象。
STI有源區(qū)硬掩膜過磨削(Erosion)問題在CMP工藝中，為保護(hù)有源區(qū)不受影響，需在有源區(qū)淀積硬掩膜層。雖然工藝中采用的漿料對硬掩膜有選擇性，但由于工藝過程中的機(jī)械作用，硬掩膜層也會有磨削現(xiàn)象，特別是如上所述的過磨削。因硬掩膜層需要支持整個過磨削過程，損失較為嚴(yán)重，尤其是在有源區(qū)圖形密度低的區(qū)域，有源區(qū)邊緣有可能被磨到從而導(dǎo)致器件的出現(xiàn)某些問題。這就是‘Erosion’現(xiàn)象。
無論Dishing或Erosion，這兩種現(xiàn)象，都將導(dǎo)致隔離槽中的氧化硅降低，在經(jīng)過后續(xù)的濕法工藝后影響到有源區(qū)和場區(qū)的高度差即‘Overhead’，如圖3所示?！甇verhead’現(xiàn)象將對后續(xù)的柵堆工程的多晶刻蝕工藝產(chǎn)生很大影響，保證‘Overhead’被穩(wěn)定的控制在一定的范圍內(nèi)是淺槽隔離技術(shù)的重要指標(biāo)。因場區(qū)中損失的氧化硅與損失的氮化硅有定量關(guān)系所以工藝中常用的方法是，監(jiān)控有源區(qū)上氮化硅的厚度。
為控制氮化硅膜厚穩(wěn)定，終點(diǎn)檢測系統(tǒng)在多種CMP機(jī)臺上被使用，其基本原理是以當(dāng)CMP膜厚和膜種發(fā)生變化，造成反饋的光電信號變化，則變化點(diǎn)即可被設(shè)定為檢測終點(diǎn)，從而使工藝過程停止。
其效果反映為每片硅片在工藝完成后，將得到穩(wěn)定的終點(diǎn)狀態(tài)，其膜厚和膜種控制較為穩(wěn)定，具體往往采用分步磨削的方法1、在標(biāo)定為‘main polish step’的磨削步驟中固定研磨時間，在無終點(diǎn)檢測的研磨盤上預(yù)磨削一定厚度，殘留膜厚由磨削時間和再線研磨速率決定；2、硅片轉(zhuǎn)到啟動終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，標(biāo)定為‘main polish step’研磨步驟的時間改為終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制。此時由于前膜淀積和第一階段固定時間研磨中CMP研磨速率偏差引入的殘膜變化，由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)改變研磨時間來控制最終的殘膜膜厚；3、緩沖和表面狀態(tài)調(diào)整研磨階段和清洗，其對殘留膜厚無影響；但是，受生產(chǎn)中實(shí)際情況的影響，終點(diǎn)檢測系統(tǒng)有可能發(fā)生以下問題1.誤檢出，即在工藝過程中正常檢出波形未到，終點(diǎn)檢測系統(tǒng)因檢到相似波形而觸發(fā)，常用的方法是在前一步固定研磨是將可能出現(xiàn)相似波形的厚度磨過；2.為防止偶發(fā)因素而產(chǎn)生漏檢，在終點(diǎn)檢測系統(tǒng)中設(shè)定最大檢出時間，使工藝自動終止，但有時由于研磨速率較低未能在最大檢出時間內(nèi)達(dá)到檢出點(diǎn)。如圖4所示，為在整個工藝過程中檢出信號的變化軌跡，若選擇下降沿檢出，以點(diǎn)5為檢出點(diǎn)，則點(diǎn)6即有可能成為誤檢出點(diǎn)；如果點(diǎn)5在最大研磨時間7用盡后，仍未到達(dá)，則工藝過程自動終止。無論是誤檢出或最大時間耗盡，都將造成殘余氮化硅厚度變化而影響到下一步的工藝進(jìn)行，甚至造成硅片廢棄。
造成這些現(xiàn)象的問題主要來自四個方面1、CMP機(jī)臺受工作時間、耗材更換和機(jī)臺狀況等因素的影響，造成批次間研磨速率的不穩(wěn)定，這是造成誤檢出點(diǎn)出現(xiàn)和最大工藝時間耗盡的主要原因。但如果收緊工藝控制規(guī)范將使工藝成本升高；2、在一個批次中，由于連續(xù)磨削硅片，造成研磨墊狀況發(fā)生變化而引起的研磨速率不穩(wěn)定，因?yàn)樽兓秶^小可以依靠終點(diǎn)檢測段控制；3、不同批次間淀積膜厚度變化
4、同一批次中，不同位置的淀積膜厚度變化；研究中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)6在一定的殘膜厚Tf出現(xiàn)，點(diǎn)5在氧化硅磨盡且有一定氮化硅過研磨時出現(xiàn)，設(shè)氧化硅前膜厚度為Ts，研磨速率控制的中間值為Rave，則為保證終點(diǎn)檢測系統(tǒng)工作在點(diǎn)6與點(diǎn)5之間的區(qū)段，則必須設(shè)定終點(diǎn)檢測前的固定研磨時間t0＝(Ts+Tf)/2Rave，此時固定研磨的結(jié)束點(diǎn)為點(diǎn)5與點(diǎn)6的中點(diǎn)。但研磨速率包括批次間和批次內(nèi)的不穩(wěn)定性都將有一定波動，設(shè)這個波動范圍為Rx則為保證終點(diǎn)檢測正常工作，(Rave-Rx/2)t0＞Tf且(Rave+Rx/2)t0＜Ts。由此可以推知可以正常工作的Rx/Rave＜2(Ts-Tf)/(Ts+Tf)。這個假設(shè)是在前膜厚度不變的假設(shè)上，前膜厚度的變化會縮小這個工作區(qū)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種控制STI CMP工藝中氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法，以滿足在較大的批次間研磨速率不穩(wěn)定的情況下，避免誤檢出和最大時間耗盡。
本發(fā)明提出的控制在淺槽隔離工藝中化學(xué)機(jī)械拋光后氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法，是一種兩次分步終點(diǎn)檢測方法，由第一次的終點(diǎn)檢測結(jié)果來確定第一階段的研磨時間，以保證在第二階段的最終研磨的終點(diǎn)檢測中不發(fā)生誤檢出的現(xiàn)象，由第二次的終點(diǎn)檢測結(jié)果來確定最終研磨時間。
上述的第一次終點(diǎn)檢測最大時間為tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts為有源區(qū)上CMP前氧化硅厚度；Tf為第一檢出點(diǎn)對應(yīng)的膜厚；Rave為生產(chǎn)控制的中心研磨速率；Rx為生產(chǎn)控制所允許的研磨速率的變化范圍。上述的第二次終點(diǎn)檢測最大時間為tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf為第一檢出點(diǎn)對應(yīng)的膜厚；Rave為生產(chǎn)控制的中心研磨速率；Rx為生產(chǎn)控制所允許的研磨速率的變化范圍。
由于CMP機(jī)臺批次間研磨速率的變動范圍較大，無法保證如圖4檢測曲線中的點(diǎn)6，在終點(diǎn)檢測前的固定研磨階段已經(jīng)經(jīng)過，進(jìn)入終點(diǎn)檢測階段后導(dǎo)致誤檢出而使終點(diǎn)檢測系統(tǒng)無法正常工作。因此，本發(fā)明將第一階段的固定研磨改變?yōu)椴捎媒K點(diǎn)檢測指定研磨時間的研磨方案，且以點(diǎn)6為檢出點(diǎn)。這樣保證了第二階段的主研磨中，只會有一個可能的檢出點(diǎn)，避免了誤檢出情況的發(fā)生；同時，由于兩步終點(diǎn)檢測的控制，不存在固定研磨造成的殘余膜厚的變化，只要設(shè)定最大檢出時間(點(diǎn)7)，tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，對研磨速率控制的區(qū)間沒有要求，而且，可以用前膜厚度的變化的上限計算tmax1，即前膜厚的不穩(wěn)定性也被控制在該范圍內(nèi)。


圖1是自對準(zhǔn)場氧化工藝示意圖。
圖2是淺槽隔離技術(shù)示意圖。
圖3柵堆工程前的‘Overhead’。
圖4終點(diǎn)檢測曲線。
標(biāo)號說明1為場氧化工藝的隔離區(qū)，2為場氧化工藝的‘鳥嘴’現(xiàn)象，3為淺槽隔離技術(shù)的場氧化硅，4為淺槽隔離工藝后‘Overhead’現(xiàn)象，5為終點(diǎn)檢測系統(tǒng)檢出點(diǎn)，6為造成誤檢出點(diǎn)，7為最大檢出時間。
具體實(shí)施例方式
1、對研磨機(jī)臺做研磨速率和顆粒度做日常監(jiān)控，開啟所有研磨盤中的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)，包括原做固定時間研磨的研磨盤，和原做終點(diǎn)檢測的研磨盤；2、制品硅片CMP前淀積膜厚測量，測量內(nèi)容包括有源區(qū)上氧化硅/氮化硅膜厚測量，場區(qū)內(nèi)氧化硅膜厚測量；3、制品硅片投入，在原固定時間研磨階段的研磨盤上，由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制工藝停止時間t1，當(dāng)檢測曲線檢出點(diǎn)6時，工藝自動停止，此時，t1＜tmax1；4、硅片不變換研磨盤，進(jìn)行一短時間的固定時間研磨；5、硅片轉(zhuǎn)入原終點(diǎn)檢測的研磨盤，由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制停止時間t2，當(dāng)檢測曲線檢出點(diǎn)5時，工藝自動停止，此時，t2＜tmax2；6、緩沖和表面狀態(tài)調(diào)整的研磨階段和清洗，其對殘余膜厚無影響。
權(quán)利要求
1.一種控制在淺槽隔離工藝中化學(xué)機(jī)械拋光后氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于，由第一次的終點(diǎn)檢測結(jié)果來確定第一階段的研磨時間，以保證在第二階段的最終研磨的終點(diǎn)檢測中不發(fā)生誤檢出的現(xiàn)象，由第二次的終點(diǎn)檢測結(jié)果來確定最終研磨時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于設(shè)定上述第一次終點(diǎn)檢測最大時間為tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts為有源區(qū)上CMP前氧化硅厚度；Tf為第一檢出點(diǎn)對應(yīng)的膜厚；Rave為生產(chǎn)控制的中心研磨速率；Rx為生產(chǎn)控制所允許的研磨速率的變化范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于上述的第二次終點(diǎn)檢測最大時間為tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf為第一檢出點(diǎn)對應(yīng)的膜厚；Rave為生產(chǎn)控制的中心研磨速率；Rx為生產(chǎn)控制所允許的研磨速率的變化范圍。
全文摘要
淺槽隔離技術(shù)(STI)是隨著深亞微米集成電路技術(shù)的發(fā)展，而產(chǎn)生的一種新興的場區(qū)隔離技術(shù)。該技術(shù)具有特征尺寸小、集成度高、隔離效果好的特點(diǎn)。但是，該技術(shù)同時存在工藝復(fù)雜、控制困難的問題，其中較為突出的是在CMP工藝中的Dishing和Erosion的問題，對淺槽隔離工藝的重要指標(biāo)‘Overhead’產(chǎn)生影響，為了控制‘Overhead’在一定的范圍內(nèi)，要求CMP工藝后有穩(wěn)定的氮化硅厚度，本發(fā)明采用兩步終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的控制方法，解決了采用一步終點(diǎn)檢測系統(tǒng)，由于批次間研磨速率和批次間膜厚變化造成的誤檢出和最大時間自動終止的問題。
文檔編號G01N33/40GK1544940SQ200310108838
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者金虎, 金 虎 申請人:上海華虹(集團(tuán))有限公司, 上海集成電路研發(fā)中心有限公司