雙終點檢測控制sticmp工藝氮化矽厚度穩定性的方法
2023-10-25 17:37:22 1
專利名稱：雙終點檢測控制sti cmp工藝氮化矽厚度穩定性的方法
技術領域：
本發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後氮化矽殘膜厚度穩定性的方法。
背景技術：
在半導體集成電路工藝中，傳統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，將場區的襯底矽暴露，然後用熱氧化的方法，產生隔離區氧化矽。這種方法簡單，生產性強，所用生產工藝成熟，缺點是會在有源區邊界形成『鳥嘴』區，如圖1所示成為深亞微米工藝的發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，當微電子工藝的特徵尺寸減小到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，將場區刻槽，再用CVD的方法在槽中形成隔離介質，如圖2所示STI工藝的優點是明顯的，可以最有效的利用有源區的線寬，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，增加後道布線的層數。但是，STI工藝也存在工藝複雜，不易控制的問題。常見的有，STI氧化矽過磨削(Dishing)和有源區硬掩膜過磨削(Erosion)。
STI氧化矽過磨削(Dishing)問題由於圖形密度的影響，CMP工藝在不同圖形區域的磨削速率不同，在有源區圖形密度較大的區域相對於密度較小的區域，磨削速度較低。因此當有源區圖形密度較低的區域，有源區上淺槽隔離氧化矽已經磨削完成，但圖形密度較高的區域將有氧化矽殘留。為了清除殘留氧化矽，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矽損失，槽寬增加，這種現象越嚴重，使氧化矽平面低於有源區平面。這就是『Dising』現象。
STI有源區硬掩膜過磨削(Erosion)問題在CMP工藝中，為保護有源區不受影響，需在有源區澱積硬掩膜層。雖然工藝中採用的漿料對硬掩膜有選擇性，但由於工藝過程中的機械作用，硬掩膜層也會有磨削現象，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，尤其是在有源區圖形密度低的區域，有源區邊緣有可能被磨到從而導致器件的出現某些問題。這就是『Erosion』現象。
無論Dishing或Erosion，這兩種現象，都將導致隔離槽中的氧化矽降低，在經過後續的溼法工藝後影響到有源區和場區的高度差即『Overhead』，如圖3所示。『Overhead』現象將對後續的柵堆工程的多晶刻蝕工藝產生很大影響，保證『Overhead』被穩定的控制在一定的範圍內是淺槽隔離技術的重要指標。因場區中損失的氧化矽與損失的氮化矽有定量關系所以工藝中常用的方法是，監控有源區上氮化矽的厚度。
為控制氮化矽膜厚穩定，終點檢測系統在多種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。
其效果反映為每片矽片在工藝完成後，將得到穩定的終點狀態，其膜厚和膜種控制較為穩定，具體往往採用分步磨削的方法1、在標定為『main polish step』的磨削步驟中固定研磨時間，在無終點檢測的研磨盤上預磨削一定厚度，殘留膜厚由磨削時間和再線研磨速率決定；2、矽片轉到啟動終點檢測系統的研磨盤上，標定為『main polish step』研磨步驟的時間改為終點檢測系統控制。此時由於前膜澱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，由終點檢測系統改變研磨時間來控制最終的殘膜膜厚；3、緩衝和表面狀態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，終點檢測系統有可能發生以下問題1.誤檢出，即在工藝過程中正常檢出波形未到，終點檢測系統因檢到相似波形而觸發，常用的方法是在前一步固定研磨是將可能出現相似波形的厚度磨過；2.為防止偶發因素而產生漏檢，在終點檢測系統中設定最大檢出時間，使工藝自動終止，但有時由於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7用盡後，仍未到達，則工藝過程自動終止。無論是誤檢出或最大時間耗盡，都將造成殘餘氮化矽厚度變化而影響到下一步的工藝進行，甚至造成矽片廢棄。
造成這些現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定，這是造成誤檢出點出現和最大工藝時間耗盡的主要原因。但如果收緊工藝控制規範將使工藝成本升高；2、在一個批次中，由於連續磨削矽片，造成研磨墊狀況發生變化而引起的研磨速率不穩定，因為變化範圍較小可以依靠終點檢測段控制；3、不同批次間澱積膜厚度變化
4、同一批次中，不同位置的澱積膜厚度變化；研究中發現點6在一定的殘膜厚Tf出現，點5在氧化矽磨盡且有一定氮化矽過研磨時出現，設氧化矽前膜厚度為Ts，研磨速率控制的中間值為Rave，則為保證終點檢測系統工作在點6與點5之間的區段，則必須設定終點檢測前的固定研磨時間t0＝(Ts+Tf)/2Rave，此時固定研磨的結束點為點5與點6的中點。但研磨速率包括批次間和批次內的不穩定性都將有一定波動，設這個波動範圍為Rx則為保證終點檢測正常工作，(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)。這個假設是在前膜厚度不變的假設上，前膜厚度的變化會縮小這個工作區間。
發明內容
本發明的目的在於提出一種控制STI CMP工藝中氮化矽厚度穩定性的方法，以滿足在較大的批次間研磨速率不穩定的情況下，避免誤檢出和最大時間耗盡。
本發明提出的控制在淺槽隔離工藝中化學機械拋光後氮化矽殘膜厚度穩定性的方法，是一種兩次分步終點檢測方法，由第一次的終點檢測結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檢測中不發生誤檢出的現象，由第二次的終點檢測結果來確定最終研磨時間。
上述的第一次終點檢測最大時間為tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts為有源區上CMP前氧化矽厚度；Tf為第一檢出點對應的膜厚；Rave為生產控制的中心研磨速率；Rx為生產控制所允許的研磨速率的變化範圍。上述的第二次終點檢測最大時間為tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf為第一檢出點對應的膜厚；Rave為生產控制的中心研磨速率；Rx為生產控制所允許的研磨速率的變化範圍。
由於CMP機臺批次間研磨速率的變動範圍較大，無法保證如圖4檢測曲線中的點6，在終點檢測前的固定研磨階段已經經過，進入終點檢測階段後導致誤檢出而使終點檢測系統無法正常工作。因此，本發明將第一階段的固定研磨改變為採用終點檢測指定研磨時間的研磨方案，且以點6為檢出點。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，避免了誤檢出情況的發生；同時，由於兩步終點檢測的控制，不存在固定研磨造成的殘餘膜厚的變化，只要設定最大檢出時間(點7)，tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，對研磨速率控制的區間沒有要求，而且，可以用前膜厚度的變化的上限計算tmax1，即前膜厚的不穩定性也被控制在該範圍內。
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，2為場氧化工藝的『鳥嘴』現象，3為淺槽隔離技術的場氧化矽，4為淺槽隔離工藝後『Overhead』現象，5為終點檢測系統檢出點，6為造成誤檢出點，7為最大檢出時間。
具體實施例方式
1、對研磨機臺做研磨速率和顆粒度做日常監控，開啟所有研磨盤中的終點檢測系統，包括原做固定時間研磨的研磨盤，和原做終點檢測的研磨盤；2、製品矽片CMP前澱積膜厚測量，測量內容包括有源區上氧化矽/氮化矽膜厚測量，場區內氧化矽膜厚測量；3、製品矽片投入，在原固定時間研磨階段的研磨盤上，由終點檢測系統控制工藝停止時間t1，當檢測曲線檢出點6時，工藝自動停止，此時，t1＜tmax1；4、矽片不變換研磨盤，進行一短時間的固定時間研磨；5、矽片轉入原終點檢測的研磨盤，由終點檢測系統控制停止時間t2，當檢測曲線檢出點5時，工藝自動停止，此時，t2＜tmax2；6、緩衝和表面狀態調整的研磨階段和清洗，其對殘餘膜厚無影響。
權利要求
1.一種控制在淺槽隔離工藝中化學機械拋光後氮化矽殘膜厚度穩定性的方法，其特徵在於，由第一次的終點檢測結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檢測中不發生誤檢出的現象，由第二次的終點檢測結果來確定最終研磨時間。
2.根據權利要求1所述的控制氮化矽殘膜厚度穩定性的方法，其特徵在於設定上述第一次終點檢測最大時間為tmax1＞(Ts-Tf)/(Rave-Rx/2)，其中Ts為有源區上CMP前氧化矽厚度；Tf為第一檢出點對應的膜厚；Rave為生產控制的中心研磨速率；Rx為生產控制所允許的研磨速率的變化範圍。
3.根據權利要求1所述的控制氮化矽殘膜厚度穩定性的方法，其特徵在於上述的第二次終點檢測最大時間為tmax2＞Tf/(Rave-Rx/2)，其中Tf為第一檢出點對應的膜厚；Rave為生產控制的中心研磨速率；Rx為生產控制所允許的研磨速率的變化範圍。
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展，而產生的一種新興的場區隔離技術。該技術具有特徵尺寸小、集成度高、隔離效果好的特點。但是，該技術同時存在工藝複雜、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』在一定的範圍內，要求CMP工藝後有穩定的氮化矽厚度，本發明採用兩步終點檢測系統的控制方法，解決了採用一步終點檢測系統，由於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 優先權日2003年11月25日
發明者金虎, 金 虎 申請人:上海華虹(集團)有限公司, 上海集成電路研發中心有限公司