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
技術領域：
本發(fā)明屬集成電路工藝技術領域，具體涉及一種控制在淺槽隔離工藝中化學機械拋光后氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法。
背景技術：
在半導體集成電路工藝中，傳統(tǒng)的隔離技術是自對準場氧化隔離技術，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，產生隔離區(qū)氧化硅。這種方法簡單，生產性強，所用生產工藝成熟，缺點是會在有源區(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。
實踐中，‘鳥嘴’的尺寸很難減少到0.1μm以下。因此，當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(STI)工藝所代替。用硬掩膜的保護有源區(qū)，將場區(qū)刻槽，再用CVD的方法在槽中形成隔離介質，如圖2所示STI工藝的優(yōu)點是明顯的，可以最有效的利用有源區(qū)的線寬，提高集程度。結合化學機械拋光工藝的STI技術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磨削完成，但圖形密度較高的區(qū)域將有氧化硅殘留。為了清除殘留氧化硅，CMP(化學機械拋光)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，都將導致隔離槽中的氧化硅降低，在經過后續(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生很大影響，保證‘Overhead’被穩(wěn)定的控制在一定的范圍內是淺槽隔離技術的重要指標。因場區(qū)中損失的氧化硅與損失的氮化硅有定量關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，終點檢測系統(tǒng)在多種CMP機臺上被使用，其基本原理是以當CMP膜厚和膜種發(fā)生變化，造成反饋的光電信號變化，則變化點即可被設定為檢測終點，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、首先固定一研磨時間，在無終點檢測的研磨盤上預磨削一定厚度，其殘留膜厚由磨削時間和再線研磨速率決定；2、然后，硅片轉到啟動終點檢測系統(tǒng)的研磨盤上，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，可由終點檢測系統(tǒng)自動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)調整研磨階段和清洗，其對殘留膜厚無影響；但是，受生產中實際情況的影響，終點檢測系統(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)因素而產生漏檢，在終點檢測系統(tǒng)中設定最大檢出時間，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達到檢出點。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5為檢出點，則點6即有可能成為誤檢出點；如果點5在最大研磨時間點7用盡后，仍為到達，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機臺受工作時間、耗材更換和機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，因為變化范圍較小可以依靠終點檢測段控制；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補償系統(tǒng)，根據(jù)根據(jù)生產監(jiān)控硅片得到的拋光機臺的拋光速率和產品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計算所需的拋光時間，然后自動將工藝時間平均分配到磨削過程中被標定為‘main polish step’(主清洗步驟)的研磨步驟中，由于自動生產補償系統(tǒng)的優(yōu)先級高于機臺本身的終點檢測系統(tǒng)，此時終點檢測系統(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機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機械拋光后氮化硅殘膜厚度穩(wěn)定性的方法，是采用自動生產控制補償系統(tǒng)與拋光機臺本身自帶終點檢測系統(tǒng)相結合的辦法，控制硅片批次間和批次內殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性。
上述的自動生產補償系統(tǒng)，可以根據(jù)生產監(jiān)控硅片得到的拋光機臺的拋光速率和產品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計算所需的研磨時間，且可以自動指定拋光機臺的研磨時間。上述的終點檢測系統(tǒng)包括光學，轉子電流等所有用于CMP拋光機臺的終點檢測系統(tǒng)。
首先，由于CMP機臺批次間研磨速率的變動范圍較大，導致終點檢測系統(tǒng)無法正常工作。因此在終點檢測系統(tǒng)啟動前，引入由自動生產補償系統(tǒng)根據(jù)生產監(jiān)控硅片得到的拋光機臺的拋光速率，和產品片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)的目標厚度，計算所需拋光時間，并依據(jù)計算結果平均分配到各個研磨盤上標定為‘mainpolish step’的研磨步驟中。
第二，由于自動生產補償系統(tǒng)將覆蓋所有的‘main polish step’，因此在有終點檢測系統(tǒng)的研磨盤上，在‘main polish step’后增加一步無標定的研磨步驟，由終點檢測系統(tǒng)控制其工藝研磨時間，以達到終點檢測控制的效果這樣，自動生產補償系統(tǒng)解決了問題1、3，對生產控制產生的影響；終點檢測系統(tǒng)控制由問題2、4帶來的殘余氮化硅厚度不穩(wěn)定。
圖1是自對準場氧化工藝示意圖。
圖2是淺槽隔離技術示意圖。
圖3柵堆工程前的‘Overhead’。
圖4終點檢測曲線。
標號說明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為淺槽隔離技術的場氧化硅、4為淺槽隔離工藝后‘Overhead’現(xiàn)象、5為終點檢測系統(tǒng)檢出點、6為造成誤檢出點、7為最大檢出時間。
具體實施例方式
1、在自動生產補償系統(tǒng)‘online’狀態(tài)下，測量和研磨生產監(jiān)控硅片，系統(tǒng)計算得到設備的研磨速率備用；2、測量部分產品片，得到淀積膜厚的大約范圍；3、生產片投入，在無終點檢測系統(tǒng)的研磨盤上，由自動生產補償系統(tǒng)指定標定為‘mainpolish step’的研磨步驟的工藝時間；4、在無終點檢測系統(tǒng)的研磨盤上，‘main polish step’步驟后，增加短時間的固定時間研磨步驟；5、硅片轉入啟動終點檢測系統(tǒng)的研磨盤，由自動生產補償系統(tǒng)指定標定為‘main polishstep’的研磨步驟時間；6、在啟動終點檢測系統(tǒng)的研磨盤上，‘main polish step’后，進入由終點檢測系統(tǒng)控制研磨時間的工藝步驟；7、緩沖和表面狀態(tài)調整的研磨階段和清洗，其對殘余膜厚無影響。
權利要求
1.一種控制在淺槽隔離技術中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控制補償系統(tǒng)與拋光機臺本身自帶終點檢測系統(tǒng)相結合的辦法，控制硅片批次間和批次內殘余氮化硅厚度穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權利要求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補償系統(tǒng)，是根據(jù)生產監(jiān)控硅片得到的拋光機臺的拋光速率和產品片CMP前測量的有源區(qū)上氧化硅厚度自動計算所需的研磨時間，且可以自動指定拋光機臺的研磨時間。
3.根據(jù)權利要求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檢測系統(tǒng)包括光學，轉子電流等所有用于CMP拋光機臺的終點檢測系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求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補償系統(tǒng)指定主研磨步驟的工藝時間，同時在研磨過程中增加終點檢測的工藝步驟。
全文摘要
淺槽隔離技術(STI)是隨著深亞微米集成電路技術的發(fā)展，而產生的一種新興的場區(qū)隔離技術。該技術具有特征尺寸小、集成度高、隔離效果好的特點。但是，該技術同時存在工藝復雜、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‘overhead’產生影響，為了控制‘Overhead’在一定的范圍內，要求CMP工藝后有穩(wěn)定的氮化硅厚度，本發(fā)明采用自動生產補償系統(tǒng)和終點檢測系統(tǒng)相結合的控制方法，解決了只采用終點檢測系統(tǒng)的誤檢出和最大時間自動終止的問題，也消除了只采用自動生產補償系統(tǒng)無法控制批次內的穩(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)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