專利名稱：一種控制sti cmp工藝中殘余氮化硅厚度穩(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(shí)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(gè)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、首先固定一研磨時(shí)間，在無終點(diǎn)檢測的研磨盤上預(yù)磨削一定厚度，其殘留膜厚由磨削時(shí)間和再線研磨速率決定；2、然后，硅片轉(zhuǎn)到啟動終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，此時(shí)由于前膜淀積和第一階段固定時(shí)間研磨中CMP研磨速率偏差引入的殘膜變化，可由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)自動改變研磨時(shí)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(shí)間，使工藝自動終止，但有時(shí)由于研磨速率較低未能在最大檢出時(shí)間內(nèi)達(dá)到檢出點(diǎn)。如圖4所示，為在整個(gè)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(shí)間點(diǎn)7用盡后，仍為到達(dá)，則工藝過程自動終止。無論是誤檢出或最大時(shí)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(gè)方面1、CMP機(jī)臺受工作時(shí)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(shí)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(gè)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、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；以上問題可以使用自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)，根據(jù)根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控硅片得到的拋光機(jī)臺的拋光速率和產(chǎn)品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計(jì)算所需的拋光時(shí)間，然后自動將工藝時(shí)間平均分配到磨削過程中被標(biāo)定為‘main polish step’(主清洗步驟)的研磨步驟中，由于自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)先級高于機(jī)臺本身的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)，此時(shí)終點(diǎn)檢測系統(tǒng)對‘main polishstep’控制無效。此方案可以解決問題1、3，但是無法解決問題2，4帶來的殘余氮化硅厚度的不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以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。
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，是采用自動生產(chǎn)控制補(bǔ)償系統(tǒng)與拋光機(jī)臺本身自帶終點(diǎn)檢測系統(tǒng)相結(jié)合的辦法，控制硅片批次間和批次內(nèi)殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性。
上述的自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)，可以根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控硅片得到的拋光機(jī)臺的拋光速率和產(chǎn)品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計(jì)算所需的研磨時(shí)間，且可以自動指定拋光機(jī)臺的研磨時(shí)間。上述的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)包括光學(xué)，轉(zhuǎn)子電流等所有用于CMP拋光機(jī)臺的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)。
首先，由于CMP機(jī)臺批次間研磨速率的變動范圍較大，導(dǎo)致終點(diǎn)檢測系統(tǒng)無法正常工作。因此在終點(diǎn)檢測系統(tǒng)啟動前，引入由自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控硅片得到的拋光機(jī)臺的拋光速率，和產(chǎn)品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度，及保證誤檢出波形不會出現(xiàn)的目標(biāo)厚度，計(jì)算所需拋光時(shí)間，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果平均分配到各個(gè)研磨盤上標(biāo)定為‘mainpolish step’的研磨步驟中。
第二，由于自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)將覆蓋所有的‘main polish step’，因此在有終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，在‘main polish step’后增加一步無標(biāo)定的研磨步驟，由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制其工藝研磨時(shí)間，以達(dá)到終點(diǎn)檢測控制的效果這樣，自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)解決了問題1、3，對生產(chǎn)控制產(chǎn)生的影響；終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制由問題2、4帶來的殘余氮化硅厚度不穩(wěn)定。


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(shí)間。
具體實(shí)施例方式
1、在自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)‘online’狀態(tài)下，測量和研磨生產(chǎn)監(jiān)控硅片，系統(tǒng)計(jì)算得到設(shè)備的研磨速率備用；2、測量部分產(chǎn)品片，得到淀積膜厚的大約范圍；3、生產(chǎn)片投入，在無終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，由自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)指定標(biāo)定為‘mainpolish step’的研磨步驟的工藝時(shí)間；4、在無終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，‘main polish step’步驟后，增加短時(shí)間的固定時(shí)間研磨步驟；5、硅片轉(zhuǎn)入啟動終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤，由自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)指定標(biāo)定為‘main polishstep’的研磨步驟時(shí)間；6、在啟動終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研磨盤上，‘main polish step’后，進(jìn)入由終點(diǎn)檢測系統(tǒng)控制研磨時(shí)間的工藝步驟；7、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技術(shù)中CMP工藝后殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于采用自動生產(chǎn)控制補(bǔ)償系統(tǒng)與拋光機(jī)臺本身自帶終點(diǎn)檢測系統(tǒng)相結(jié)合的辦法，控制硅片批次間和批次內(nèi)殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于所述的自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)，是根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控硅片得到的拋光機(jī)臺的拋光速率和產(chǎn)品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計(jì)算所需的研磨時(shí)間，且可以自動指定拋光機(jī)臺的研磨時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于所述的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)包括光學(xué)，轉(zhuǎn)子電流等所有用于CMP拋光機(jī)臺的終點(diǎn)檢測系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3所述的控制殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性的方法，其特征在于用自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)指定主研磨步驟的工藝時(shí)間，同時(shí)在研磨過程中增加終點(diǎn)檢測的工藝步驟。
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(shí)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)明采用自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)和終點(diǎn)檢測系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法，解決了只采用終點(diǎn)檢測系統(tǒng)的誤檢出和最大時(shí)間自動終止的問題，也消除了只采用自動生產(chǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)無法控制批次內(nèi)的穩(wěn)定性的問題。
文檔編號H01L21/70GK1545141SQ200310108840
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, 張震宇, 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, 上海華虹Nec電子有限公司