[发明专利]在金属和多晶硅化学机械研磨中减少大图案凹陷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺中的化学机械研磨制程，具体涉及一种减少化学机械研磨过程中图案凹陷的方法。

背景技术

半导体器件制造工艺中，广泛使用化学机械研磨(CMP，ChemicalMechanical polishing)系统进行平整处理。研磨装置一般包括研磨台(其上铺有研磨垫)和研磨头(其上有需研磨的半导体晶片)。半导体晶片被固定在研磨头上，研磨垫面对要抛光的半导体晶片，在研磨半导体晶片时，研磨垫在具有研磨粒子的研磨液存在下，以一定压力接触和研磨半导体晶片，使其表面趋于平整。

化学机械研磨制程通常会涉及金属和多晶硅的研磨，由于CMP制程耗材的特征，CMP制程的耗材包括：研磨垫，研磨液等，这些耗材的特性使化学机械研磨会引起大图案凹陷(dishing)。即使在设计规则里尽量避免出现所述的大图案，也会导致巨大的良率损失。随着集成电路制造技术的发展，对大图案的需求增加，有些时候图案尺寸甚至超过10000μm×10000μm，而由于上述问题的存在，这些大图案区域将出现大于的凹陷，这会引起器件失效。

图1a和图1b显示了金属图案密集区域在化学机械研磨前后的晶片纵切面对比示意图，图中数字1表示材料SiO₂，2表示材料钨。经过化学机械研磨，上层覆盖的钨被研磨至SiO₂层露出，形成钨和SiO₂互相交错的图案，但是中心区域有一定程度的凹陷。

相对于图案密集区域，其周边通常会存在大图案区域，化学机械研磨后的差异更明显，图2a和图2b显示了大图案区域在化学机械研磨前后的晶片纵切面对比示意图，图中数字1表示SiO₂，2表示钨。可以看到，由于钨为整块图案，研磨后其凹陷情况比图1a及图1b显示的更严重。

图3a和图3b显示了多晶硅研磨制程中，图案密集的有源区(cell area)在化学机械研磨前后的晶片纵切面对比示意图，图中数字1表示SiO₂，3表示硅衬底，4表示多晶硅。经过化学机械研磨，上层的多晶硅和SiO₂形成互相交错的图案，研磨区域出现一定程度的凹陷。

相对于图案密集的有源区，其周边区域为多晶硅大图案区域，图4a和图4b显示了多晶硅大图案区域在化学机械研磨前后的晶片纵切面对比示意图，图中数字1表示SiO₂，3表示硅衬底，4表示多晶硅。由于被研磨的多晶硅为整块图案，其凹陷情况比图3更严重。

上述的大图案区域在化学机械研磨后严重凹陷的问题由于研磨制程本身的特性而不可避免，而随着集成电路制造技术不断发展，此问题越来越显得突出，因此有必要找到行之有效的解决方法。

发明内容

为了减少在金属以及多晶硅的CMP制程中出现的大图案区域凹陷，降低集成电路器件失效的风险，最终提升产品良率而提出本发明。

本发明的目的在于，提供一种减少大图案区域凹陷的方法，对金属或者多晶硅进行化学机械研磨时，用光刻胶保护具有大图案的周边区域，用回蚀的方式使未被光刻胶保护的部分被蚀刻一定厚度后再进行修饰性的化学机械研磨，最后的研磨结果可以大大降低大图案凹陷的程度。

本发明提供的技术方案，是整合于成熟的半导体制造工艺中，各种在前的光刻，沉积形成器件图案特征或者去除光刻胶等工艺均采用现有技术，在应用本发明之前，应已完成需要研磨的金属层，例如钨(W)，或者多晶硅层的沉积。

本发明的具体技术方案包括下列步骤：

1)在需要研磨的晶片上涂覆光刻胶，曝光显影，使大图案区域被光刻胶覆盖，露出其余图案密集的有源区域；

2)对露出的区域进行回蚀(etch back)，留下约被研磨材料层；

3)用高温烧结去胶(ashing)或者湿式蚀刻(wet etch)的方式剥离残留的光刻胶，对晶片进行修饰性化学机械研磨(touch up CMP)，结束后可以使晶片进入后续制程。

在本发明中，光刻制程以及后续去除光刻胶的手段均可以参考成熟的现有技术，其中光刻胶的涂覆厚度视步骤2)中需要回蚀的材料厚度而定，光刻胶的厚度应保证在回蚀之后，周边的大图案区域仍有光刻胶残留，使大图案区域不被蚀刻。

上述步骤2)中，所述的回蚀采用干性蚀刻，具体对于金属蚀刻而言，例如钨(W)，采用的蚀刻气体为六氟化硫(SF₆)；对于多晶硅蚀刻，所用蚀刻气体为氯气(C1₂)或溴化氢(HBr)。