專(zhuān)利名稱(chēng)：用于拋光半導(dǎo)體晶片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于拋光半導(dǎo)體晶片的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在研磨、清潔和蝕刻步驟之后通過(guò)去除材料式拋光而對(duì)半導(dǎo)體晶片的表面實(shí)施磨光。在單面拋光(SSP)的情況下，在加工期間半導(dǎo)體晶片背面利用粘合劑、通過(guò)真空或利用粘結(jié)而固定在載體盤(pán)上。在雙面拋光(DSP)的情況下，半導(dǎo)體晶片松散地插入薄的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán) (LSuferscheiben)內(nèi)，并在覆蓋有拋光墊的上下拋光盤(pán)之間以“自由浮動(dòng)”的方式同時(shí)拋光正面和背面。該拋光法是在送入含有磨料的拋光劑懸浮液(漿料)的情況下進(jìn)行的，其通常是基于硅溶膠。DE 100 07 390 Al公開(kāi)了一種適合的雙面拋光機(jī)。在與此不同包括在使用更柔軟的拋光墊僅對(duì)正面(“元件面”)進(jìn)行的最終拋光作為所謂的無(wú)光霧拋光(“最后加工”)的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的情況下，同樣以拋光劑懸浮液的形式送入磨料。待拋光的半導(dǎo)體晶片通常是硅晶片或者具有衍生自硅的層結(jié)構(gòu)(例如硅鍺)的基材。所述硅晶片尤其是用于制造半導(dǎo)體元件，如存儲(chǔ)芯片(DRAM)、微處理器、傳感器、發(fā)光二
極管等。對(duì)于尤其是用于制造存儲(chǔ)芯片和微處理器的硅晶片的要求變得越來(lái)越嚴(yán)格。這首先涉及晶體特性本身(例如在缺陷密度、捕獲金屬雜質(zhì)的內(nèi)部吸除性方面)，但尤其是還涉及晶片的幾何形狀和平坦度。值得期待的是，硅晶片具有兩個(gè)理想地面平行的面，尤其是在硅晶片的待制造元件的面上具有優(yōu)異的平坦度，以及低的表面粗糙度。此外，可以使用元件面的整個(gè)表面也是值得期待的，這目前由于在晶片邊緣處的厚度下降以及在邊緣區(qū)域內(nèi)差的幾何形狀而是不可能的。已知用于拋光半導(dǎo)體晶片的傳統(tǒng)方法是造成該邊緣下降現(xiàn)象(“塌邊”，Edge Roll-off)的原因。邊緣幾何形狀通常是通過(guò)指定一個(gè)或多個(gè)塌邊參數(shù)而量化的，這些參數(shù)通常是涉及硅晶片的整體厚度或其正面和/或背面的邊緣幾何形狀，并由此可以表征經(jīng)常觀察到的硅晶片在其邊緣區(qū)域內(nèi)的厚度下降現(xiàn)象或者硅晶片同樣在其邊緣區(qū)域內(nèi)的正面和/或背面的平坦度。jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38 (1999), pp 38-39描述了用于測(cè)量硅晶片的塌邊現(xiàn)象的方法。此外，已知利用“固定磨料拋光(Fixed Abrasive Polishing, FAP) ”對(duì)半導(dǎo)體晶片的拋光，其中半導(dǎo)體晶片在拋光墊上進(jìn)行拋光，該拋光墊包含粘結(jié)在拋光墊中的研磨劑 (固定磨料墊"fixed-abrasive pad”)。下面將其中采用該FAP拋光墊的拋光步驟簡(jiǎn)稱(chēng)為FAP步驟。
DSP和CMP兩者與FAP的區(qū)別尤其是在于，在DSP和CMP的情況下，拋光墊不包含磨料，始終是以拋光劑懸浮液的形式送入磨料德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 10 2007 035 266 Al描述了一種用于拋光由硅材料組成的基材的方法，其包括兩個(gè)FAP型拋光步驟，區(qū)別在于，在一個(gè)拋光步驟中將包含固體形式的未粘結(jié)的研磨劑的拋光劑懸浮液引入基材與拋光墊之間，而在第二拋光步驟中用不含固體的拋光劑溶液替換拋光劑懸浮液。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可選擇的拋光方法，其在經(jīng)拋光的半導(dǎo)體晶片的邊緣幾何形狀方面是有利的。本發(fā)明的目的是通過(guò)用于拋光半導(dǎo)體晶片的方法實(shí)現(xiàn)的，其是利用包含平均粒徑為0. 1至1. 0 μ m的牢固粘結(jié)的SiO2磨料的拋光墊在送入包含堿性成分、不含固體且具有 11至13. 5的可變pH值的拋光劑水溶液的情況下進(jìn)行的，其中所述拋光劑溶液在拋光期間的PH值小于13，將所述pH值提高到13至13. 5以結(jié)束拋光過(guò)程。本發(fā)明提供利用被引入墊中的SiO2磨料的FAP拋光過(guò)程。在拋光過(guò)程中送入不含固體的拋光劑溶液。拋光劑溶液是含有堿性成分的水溶液。拋光劑溶液優(yōu)選包含在半導(dǎo)體工業(yè)中常用純度的去離子水。拋光劑溶液在拋光半導(dǎo)體晶片時(shí)優(yōu)選包含化合物作為堿性成分，如碳酸鈉 (Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或其任意的混合物。所述化合物在拋光劑溶液中的比例優(yōu)選為0. 01至10重量％，更優(yōu)選為0. 01至
0. 2重量％。特別優(yōu)選使用碳酸鉀。拋光劑溶液的pH值為至少11且最高13. 5。此外，拋光劑溶液可以包含一種或多種其他的添加劑，例如表面活性添加劑如潤(rùn)濕劑和表面活性劑、發(fā)揮保護(hù)膠體作用的穩(wěn)定劑、防腐劑、抗微生物劑、醇和絡(luò)合劑。在本發(fā)明方法中，在拋光過(guò)程中使用拋光墊(FA布或FA墊)，其包含粘結(jié)在拋光墊中的SiO2。該拋光墊可以具有顯示為重復(fù)的顯微結(jié)構(gòu)的表面形貌。所述顯微結(jié)構(gòu)(柱狀物， posts)例如可以具有圓柱或多角形截面的柱的形狀，或者具有棱錐或截棱錐的形狀。例如WO 92/13680A1和US 2005/227590A1中包含該拋光墊的更詳細(xì)的描述。在FAP拋光墊中所含的SiO2磨料的平均粒徑優(yōu)選為0. 1至1. 0 μ m，更優(yōu)選為0. 1 至0. 6 μ m，特別優(yōu)選為0. 2至0. 4 μ m。如同DSP和CMP或某些FAP法的現(xiàn)有技術(shù)中，不送入拋光劑懸浮液。拋光劑溶液的pH值在實(shí)施所述方法期間是可變的。pH值是通過(guò)包含碳酸鉀和/或一種其他的上述化合物的堿性成分加以調(diào)節(jié)的。提供僅通過(guò)改變拋光劑溶液的pH值而控制拋光去除材料的量?？梢宰鳛閱蚊鎾伖鈱?shí)施本發(fā)明。
同時(shí)拋光半導(dǎo)體晶片的兩面同樣是優(yōu)選的。 拋光劑溶液的pH值在拋光過(guò)程中優(yōu)選以如下方式改變，獲得不具有楔形偏差或晶片邊緣不平坦度(例如塌邊)的盡可能平坦的半導(dǎo)體晶片。這是通過(guò)相應(yīng)地送入拋光劑溶液的堿性成分而實(shí)施的。優(yōu)選通過(guò)在各個(gè)拋光盤(pán)和/或拋光墊上以局部受限的方式合適地送入拋光劑而控制拋光劑溶液的PH值。這能夠送入具有局部不同的pH值的拋光劑溶液。因此例如可以選擇送入半導(dǎo)體晶片的外部區(qū)域(邊緣區(qū)域)中的拋光劑溶液的PH 值為約11. 5至約12，以在半導(dǎo)體晶片的邊緣區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的材料去除速率，同時(shí)在半導(dǎo)體晶片的其他區(qū)域例如內(nèi)部區(qū)域中送入具有明顯更高的PH值的拋光劑溶液。通過(guò)局部送入pH約為13至13. 5的拋光劑溶液，使拋光在局部減小至幾乎為零甚至是可以想象的。連同SiO2-FA墊，在約為13至13. 5的pH值下實(shí)現(xiàn)最小的材料去除速率-近似為 0 μ m/min。對(duì)于在約11. 5至約12的范圍內(nèi)的pH值實(shí)現(xiàn)最大的材料去除速率。此處的溫度取決于多個(gè)參數(shù)。此外除了化學(xué)反應(yīng)(pH值)以外，拋光壓力、FA墊本身(摩擦力)、送入的拋光劑的量等也發(fā)揮作用。根據(jù)本發(fā)明的拋光優(yōu)選在約25°C至約41°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在作為參考?jí)毫Φ?70hPA的拋光壓力下，達(dá)到約28至約37°C的溫度。在11. 5至 12的pH值范圍內(nèi)及在大于或等于31°C的溫度下可以實(shí)現(xiàn)最大的材料去除速率。從停止拋光的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，即從PH值上升至大于或等于13的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，拋光溫度明顯下降。在以270hPA的拋光壓力進(jìn)行拋光時(shí)，拋光溫度歷時(shí)Imin的時(shí)間例如下降了約 1. 5°C。在更高的拋光溫度下，例如在以更高的拋光壓力(例如400hPa)進(jìn)行拋光時(shí)，溫度下降甚至更加明顯(僅在15秒之后溫度已經(jīng)下降超過(guò)5°C )。關(guān)于本發(fā)明方法有利的是，具有前述組成(理想地碳酸鉀或者對(duì)于大于或等于 12的pH值還可以是碳酸鉀和氫氧化鉀的混合物)的堿性拋光劑溶液的pH值可以非常良好且精確地在11至13. 5的范圍內(nèi)改變。在本發(fā)明方法中，在改變材料去除速率的情況下的拋光優(yōu)選在保持所有其他拋光參數(shù)恒定的情況下進(jìn)行，如拋光壓力、固定環(huán)和區(qū)域的壓力、拋光運(yùn)動(dòng)學(xué)(轉(zhuǎn)速)、拋光劑的量和類(lèi)型、外部調(diào)節(jié)的(盤(pán))溫度。由于上述的特殊性能，SiO2-FA墊連同pH大于或等于11的堿性拋光劑溶液適合于在機(jī)械作用的拋光參數(shù)的恒定實(shí)施過(guò)程中調(diào)節(jié)材料去除速率的拋光過(guò)程。這通過(guò)典型的CMP拋光是不可能的，因?yàn)樵诟遬H值下溶膠顆粒聚集而發(fā)生溶膠的膠凝作用導(dǎo)致硅溶膠在該P(yáng)H值范圍(尤其是pH值大于12. 5)內(nèi)的不穩(wěn)定性，涉及后續(xù)的問(wèn)題，如形成刮痕、在晶片表面上產(chǎn)生缺陷(初始蝕刻)、拋光劑管線的污染和結(jié)殼、過(guò)濾單元的堵塞。在SiO2-FA墊的情況下，取決于以如何的PH值進(jìn)行拋光，SiO2顆粒的堿性加載、生長(zhǎng)和聚集的作用在拋光墊表面本身上進(jìn)行。然而，比較硬的FA墊可以迅速地再生，因?yàn)閽伖鈩┎⒉粌?chǔ)存在墊中，并且與DSP和CMP不同，沒(méi)有“結(jié)塊的”拋光劑 懸浮液在該過(guò)程中或者在裝置中移動(dòng)。因此，拋光劑溶液的pH值在11至約13. 5的范圍內(nèi)，及通過(guò)相應(yīng)地添加所述化合物而在該P(yáng)H值范圍內(nèi)改變。所述化合物如碳酸鉀在拋光劑溶液中的比例優(yōu)選為0. 01至10 重量％，更優(yōu)選為0. 01至0. 2重量％。特別優(yōu)選將在約11. 5至約12的范圍內(nèi)良好的材料去除速率與從pH值為13開(kāi)始去除材料的量下降至近似為零相結(jié)合。為此，在可作為單面拋光或雙面拋光的拋光過(guò)程的第一步驟中，送入pH為11至小于13、優(yōu)選為11至12. 5、更優(yōu)選在約11. 5至約12的范圍內(nèi)的所述組成的拋光劑溶液。在達(dá)到所期望的去除材料的量之后，不同于通常通過(guò)添加改變拋光劑粘度的添加劑而近似機(jī)械的方式加以抑制的現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)提高堿性成分到至少13、理想地約為13.5 而提高拋光劑溶液的PH值，從而在第二步驟中停止拋光過(guò)程。因此，通過(guò)改變拋光劑溶液的pH值而停止拋光過(guò)程。對(duì)于某些應(yīng)用有利的是，在第三步驟中又添加pH值小于或等于11. 5的拋光劑溶液。若在利用SiO2磨料的FA拋光之后應(yīng)當(dāng)接著在送入拋光劑懸浮液(漿料)的情況下實(shí)施傳統(tǒng)拋光，則該步驟用于準(zhǔn)備漿料拋光。然后在包含SiO2磨料的同一拋光墊上實(shí)施該漿料拋光。其又可以也是單面拋光 (例如CMP)或者同時(shí)雙面拋光半導(dǎo)體晶片如DSP。在漿料拋光時(shí)，代替拋光劑溶液，送入包含選自硅、鋁和鈰的元素的氧化物的磨料的拋光劑懸浮液。漿料拋光優(yōu)選包括兩個(gè)步驟。在第一步驟中送入磨料的平均尺寸為10至30nm的上述組成的拋光劑懸浮液，而在第二步驟中送入磨料的平均尺寸為35至50nm的所述組成的拋光劑懸浮液。該懸浮液的 PH值優(yōu)選為小于或等于11. 5。本發(fā)明方法的應(yīng)用可能性和優(yōu)點(diǎn)是多方面的?？梢酝ㄟ^(guò)相應(yīng)地調(diào)節(jié)局部送入的拋光劑溶液的pH值而局部原位控制去除材料的量，以改善半導(dǎo)體晶片的幾何形狀和納米形貌。通過(guò)提高拋光劑溶液的pH值到約13至13. 5可以停止拋光過(guò)程，這實(shí)現(xiàn)了晶片表面的幾何形狀和納米形貌的改善和最優(yōu)化。該方法優(yōu)選用于單面拋光，其中半導(dǎo)體晶片的背面是利用晶片固定系統(tǒng)(導(dǎo)板、 載體)固定的。依次應(yīng)用在半導(dǎo)體晶片的正面和背面上時(shí)，獲得經(jīng)雙面拋光的半導(dǎo)體晶片。因?yàn)榭梢跃植靠刂迫コ牧系牧?，所以可以針?duì)性地使兩個(gè)依次的拋光過(guò)程彼此一致。優(yōu)選還在使用SiO2拋光墊和堿性拋光劑溶液的情況下利用精研運(yùn)動(dòng)學(xué)或行星運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)施同時(shí)雙面拋光。在此，半導(dǎo)體晶片位于利用內(nèi)部和外部的齒輪圈旋轉(zhuǎn)的載體圓盤(pán)的切口中，半導(dǎo)體晶片以擺線軌跡運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明的范疇內(nèi)，在拋光直徑為450mm的半導(dǎo)體晶片時(shí)，特別優(yōu)選以軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行雙面拋光。軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)是指半導(dǎo)體晶片位于在圓形路徑上運(yùn)動(dòng)的晶片固定系統(tǒng)的切口中，但是不同于行星運(yùn)動(dòng)學(xué)并不圍繞其自身的軸旋轉(zhuǎn)。在利用比較小的拋光盤(pán)的軌道拋光法中，因?yàn)樵搾伖膺\(yùn)動(dòng)學(xué)與利用行星運(yùn)動(dòng)學(xué)和比較大的拋光盤(pán)的拋光法相比導(dǎo)致更大的局部去除材料的量的偏差，所以存在晶片的整體楔形度問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。該缺點(diǎn)可以通過(guò)局部不同地調(diào)節(jié)拋光介質(zhì)的PH值而加以抑制特別優(yōu)選將去除材料的量的調(diào)節(jié)與晶片厚度的原位測(cè)量相結(jié)合，以針對(duì)性地影響晶片的幾何形狀。這基本上可以是自動(dòng)化的，因?yàn)槌藪伖鈩┤芤旱腜H值以外可以保持所有其他的工藝參數(shù)恒定?，F(xiàn)有技術(shù)并沒(méi)有建議本發(fā)明。雖然DE 10 2007 035 266 Al公開(kāi)了采用以在pH 為10至12的堿性范圍內(nèi)的拋光劑的FAP。但是在此請(qǐng)求保護(hù)的方法必須設(shè)定兩次FAP拋光，在半導(dǎo)體晶片的一面及在同一面上一次使用及一次不使用包含磨料的拋光劑。根據(jù)本發(fā)明的方法必須在不使用包含磨料的拋光劑的情況下實(shí)施。特別優(yōu)選為利用具有牢固粘結(jié)的SiO2磨料的拋光墊依次拋光背面和正面的兩步 FAP。兩次拋光，即背面拋光和正面拋光，在此可以彼此一致，從而可以特別地在晶片邊緣區(qū)域內(nèi)針對(duì)性地影響晶片幾何形狀和晶片納米形貌。利用SiO2拋光墊在送入pH值至少為11、優(yōu)選至少為11. 2、更優(yōu)選至少為11. 5的拋光劑溶液的情況下拋光半導(dǎo)體晶片的兩個(gè)面。本發(fā)明方法能夠改善半導(dǎo)體晶片的外部邊緣區(qū)域內(nèi)、尤其是在距半導(dǎo)體晶片邊緣的距離為小于或等于IOmm的范圍內(nèi)、更優(yōu)選在小于或等于5mm的范圍內(nèi)的幾何形狀。原則上，借助拋光頭將半導(dǎo)體晶片以待拋光的側(cè)面壓在位于拋光盤(pán)上的拋光墊上。拋光頭還包含固定環(huán)，其從側(cè)面包圍基材并避免在拋光期間拋光頭的滑動(dòng)。在新型拋光頭的情況下，硅晶片背離拋光墊的側(cè)面位于傳遞所施加的拋光壓力的彈性薄膜上。該薄膜是形成氣體墊或液體墊的需要時(shí)細(xì)分的室系統(tǒng)的部件。但是也使用拋光頭，在此情況下代替薄膜使用彈性支撐(“襯墊(backing pad) ”)。在此，拋光頭也可以額外地在拋光墊上平移，由此更加全面地利用拋光墊表面。此外，本發(fā)明方法可以同樣地在單盤(pán)拋光機(jī)和多盤(pán)拋光機(jī)上實(shí)施。優(yōu)選使用優(yōu)選具有2個(gè)、更優(yōu)選3個(gè)拋光盤(pán)和拋光頭的多盤(pán)拋光機(jī)。例如Peter Wolters公司，Rendsburg(德國(guó))的AC2000型拋光機(jī)適合于根據(jù)本發(fā)明雙面拋光半導(dǎo)體晶片。該拋光機(jī)配備有外輪圈和內(nèi)輪圈的銷(xiāo)釘嚙合(Stiftverzahrumg)用于驅(qū)動(dòng)載體圓盤(pán)。所述設(shè)備可以設(shè)計(jì)用于一個(gè)或多個(gè)載體圓盤(pán)。由于通過(guò)量更大，優(yōu)選為用于多個(gè)載體圓盤(pán)的設(shè)備，例如在DE-100 07 390 Al中所述，其中載體圓盤(pán)在行星式路徑上圍繞設(shè)備中心運(yùn)動(dòng)。所述設(shè)備包括下拋光盤(pán)和上拋光盤(pán)，它們可以水平地自由轉(zhuǎn)動(dòng)并覆蓋有拋光墊。 在拋光期間半導(dǎo)體晶片位于載體圓盤(pán)的切口中及在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)且對(duì)其施加有特定的拋光壓力的拋光盤(pán)之間，同時(shí)連續(xù)地送入pH為11至13. 5的拋光劑溶液。在此，優(yōu)選還通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的銷(xiāo)釘輪圈使載體圓盤(pán)移動(dòng)，該銷(xiāo)釘輪圈嚙合在載體圓盤(pán)的圓周上的齒中。
權(quán)利要求
1.用于拋光半導(dǎo)體晶片的方法，其是利用包含平均粒徑為ο.1至Ι.ομπι的牢固粘結(jié)的 SiO2磨料的拋光墊在送入包含堿性成分、不含固體且具有11至13. 5的可變PH值的拋光劑水溶液的情況下進(jìn)行的，其中所述拋光劑溶液在拋光過(guò)程中的PH值小于13，將所述ρΗ值提高到13至13. 5以結(jié)束拋光過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述拋光劑的堿性成分包含一種或多種選自以下組中的化合物碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨 (NH4OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中僅拋光半導(dǎo)體晶片的一個(gè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中依次拋光半導(dǎo)體晶片的兩個(gè)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中同時(shí)同步拋光半導(dǎo)體晶片的兩個(gè)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中使用行星運(yùn)動(dòng)學(xué)拋光機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中使用軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)拋光機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的方法，其中在拋光過(guò)程中所述拋光劑溶液的ρΗ值為約 11.5至約12，將所述ρΗ值提高到13至13.5以結(jié)束拋光過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的方法，其中在拋光過(guò)程中測(cè)量半導(dǎo)體晶片的厚度，并基于所測(cè)得的厚度分布調(diào)節(jié)所述拋光劑溶液的PH值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將拋光劑溶液在半導(dǎo)體晶片待拋光的表面與拋光墊之間局部送入半導(dǎo)體晶片的所述表面的至少一個(gè)內(nèi)部區(qū)域中及至少一個(gè)外部區(qū)域中，該拋光劑溶液在所述至少一個(gè)內(nèi)部區(qū)域中及在所述至少一個(gè)外部區(qū)域中具有不同的PH值。
全文摘要
用于拋光半導(dǎo)體晶片的方法，其是利用包含平均粒徑為0.1至1.0μm的SiO2的牢固粘結(jié)磨料的拋光墊在送入包含堿性成分、不含固體且具有11至13.5的可變pH值的拋光劑水溶液的情況下進(jìn)行的，其中所述拋光劑溶液在拋光過(guò)程中的pH值小于13，將所述pH值提高到13至13.5以結(jié)束拋光過(guò)程。
文檔編號(hào)B24B29/02GK102205521SQ201110084889
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者J·施萬(wàn)德納, R·柯普爾特 申請(qǐng)人:硅電子股份公司