專利名稱：用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法，其中固定在晶圓保持器上的半導(dǎo)體晶圓以及位于其對面的磨輪相互獨立地旋轉(zhuǎn)，該磨輪相對于半導(dǎo)體晶圓橫向偏置地設(shè)置，并且以這樣的方式定位，即該半導(dǎo)體晶圓的軸向中心進入磨輪的工作范圍中，該磨輪以進給速率(infeed rate)朝著半導(dǎo)體晶圓的方向移動，結(jié)果當(dāng)半導(dǎo)體晶圓以及磨輪圍繞平行軸線旋轉(zhuǎn)時，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，于是半導(dǎo)體晶圓的表面被研磨，在去除一定量的材料之后，磨輪以回退速率移動返回。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體晶圓的制造包括從晶體上將半導(dǎo)體晶圓切割下來，接下來是許多連續(xù)的去除材料的加工步驟。這些加工步驟是為了獲得盡可能光滑的表面、半導(dǎo)體晶圓的平行側(cè)面以及提供具有倒圓棱邊的半導(dǎo)體晶圓。通?？紤]的去除材料的加工步驟包含半導(dǎo)體晶圓的棱邊倒圓、研磨或雙面研磨、蝕刻及拋光。加工步驟例如雙面研磨并且尤其是研磨會增加對晶圓表面的損傷，在隨后的步驟(蝕刻、拋光)中必需去除大量的材料。
通過半導(dǎo)體晶圓的精密研磨，即通過利用具有細(xì)小粒度的磨輪的平面研磨可防止發(fā)生這種情形。這種步驟將先前的加工步驟所造成的半導(dǎo)體晶圓的損傷減至最低，并且意味著在隨后的蝕刻過程中僅需要去除少量材料，或者甚至蝕刻步驟可以省去。這又意味著通常與蝕刻相聯(lián)系的平面度的惡化減至最低，并且在隨后的拋光步驟過程中需要去除的材料也減少。
例如從美國專利US 3,905,162、US 5,400,548或歐洲專利EP0955126可得知用于平面研磨半導(dǎo)體晶圓的方法及裝置。其中，半導(dǎo)體晶圓的一個表面保持固定在晶圓保持器上，同時由于晶圓保持器和磨輪旋轉(zhuǎn)以及相互施壓的原因，相對的表面利用磨輪被加工。半導(dǎo)體晶圓以這樣的方式被固定到晶圓保持器，即其中心與該晶圓保持器的旋轉(zhuǎn)中心基本一致。另外，該磨輪以這樣的方式定位，即使得該半導(dǎo)體晶圓的旋轉(zhuǎn)中心進入由磨輪的齒形成的加工區(qū)域或邊緣區(qū)域中。結(jié)果，不必在研磨平面中作任何運動即可研磨該半導(dǎo)體晶圓的整個表面。
歐洲專利EP 1004399中公開這樣的事實當(dāng)在研磨表面上實施這種類型的方法時，可以觀察到彼此距離恒定不變的研磨條紋。所產(chǎn)生的研磨條紋之間的距離根據(jù)研磨參數(shù)而定，尤其是晶圓保持器以及磨輪的轉(zhuǎn)速。
研磨條紋之間的距離與隨后的拋光步驟中需要去除的材料的數(shù)量之間有一定的關(guān)系，其中所述拋光步驟是為了完全消除研磨條紋。為了將拋光需要去除的材料的數(shù)量減至最少，需要使用晶圓保持器的低轉(zhuǎn)速并且研磨條紋之間的距離為1.6毫米或更小，其中半導(dǎo)體晶圓位于所述晶圓保持器上。
但是，當(dāng)測量利用晶圓保持器的低轉(zhuǎn)速研磨的半導(dǎo)體晶圓的總體平面度時，發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體晶圓的中心處有缺陷。該總體平面度涉及半導(dǎo)體晶圓減去邊緣的整個表面，其中所述邊緣待限定。它以GBIR(“總體背面-基準(zhǔn)理想平面/范圍”＝半導(dǎo)體晶圓的整個正面與背面-基準(zhǔn)理想平面的正、負(fù)偏差范圍)進行描述，這對應(yīng)于以前慣用的專門名詞TTV(“總厚度變化”)。
所以現(xiàn)有技術(shù)所公開的方法在幾何形狀及納米波紋方面具有缺點(半導(dǎo)體晶圓表面上納米范圍的不平坦)。歐洲專利EP-1004399中所述的方法導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓中心處的局部幾何形狀惡化，這是特別不合適的，因為半導(dǎo)體晶圓中心的這種缺陷不能通過利用拋光去除少量材料而消除。這抵消了平面研磨的主要優(yōu)點，即在隨后的拋光操作過程中僅需要去除少量材料。

發(fā)明內(nèi)容
所以，緒論所述的用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法是基于改善加工過的半導(dǎo)體晶圓的幾何形狀的目的。
在用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法中，其中固定在晶圓保持器上的半導(dǎo)體晶圓以及位于其對面的磨輪互相獨立地旋轉(zhuǎn)，該磨輪相對于半導(dǎo)體晶圓橫向偏置地設(shè)置，并且以這樣的方式定位，即使得半導(dǎo)體晶圓的軸向中心進入磨輪的工作范圍，該磨輪以進給速率朝著半導(dǎo)體晶圓的方向移動，結(jié)果在半導(dǎo)體晶圓以及磨輪圍繞平行軸線旋轉(zhuǎn)時，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，于是半導(dǎo)體晶圓的表面被研磨，在去除一定量的材料后，磨輪以回退速率后移，借助于下述事實實現(xiàn)了該目標(biāo)，即在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進0.03至0.5微米的距離。
半導(dǎo)體晶圓以及磨輪相互對置，并且圍繞著平行軸線旋轉(zhuǎn)，同時磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，并且半導(dǎo)體晶圓的表面被研磨。
磨輪以及半導(dǎo)體晶圓以進給速率R朝著彼此推進。由下面的進給速率R與半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可得到磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離xx=Rn]]>在半導(dǎo)體晶圓轉(zhuǎn)動一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進距離x。
應(yīng)當(dāng)理解，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離x是指在研磨過程中，半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈之后，半導(dǎo)體晶圓上形成的研磨臺階(grinding step)的高度。
若推進的距離太大，那么在研磨操作的過程中，磨輪或磨輪的作用區(qū)域也就是與半導(dǎo)體晶圓接觸并且導(dǎo)致去除材料的磨輪的區(qū)域在該半導(dǎo)體晶圓上在磨輪的前方擠壓出研磨臺階。在這種情況下，該磨輪主要通過它的側(cè)面中的一個進行研磨，并且因此該磨輪的側(cè)面被磨損。因此在這種情況下，該磨輪的側(cè)面成為該磨輪的主要作用區(qū)域；應(yīng)當(dāng)理解，主要作用區(qū)域一詞是指磨輪的負(fù)責(zé)去除大部分材料的作用區(qū)域或工作區(qū)域的部分。
若推進距離x選擇成足夠小，則可避免這種情形，因為這會使形成的研磨臺階的尺寸減小。在這種情況下，磨輪的主要作用區(qū)域不再是該磨輪的側(cè)面，相反基本上是該磨輪的整個表面或其與半導(dǎo)體晶圓接觸的工作區(qū)域。因為推進距離雖然小但卻不是零，不過在試磨(run-in)階段過后磨輪仍然會存在一定的單側(cè)磨損。這種磨損會導(dǎo)致磨輪的主要作用區(qū)域的移動。
磨輪與半導(dǎo)體晶圓之間的推進距離可以以這種方式選擇，即在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪的主要作用區(qū)域正好與半導(dǎo)體晶圓的表面上的每個點接觸一次，即在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，半導(dǎo)體晶圓的表面上的每一個點僅被研磨一次。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，這通過這樣的事實而實現(xiàn)，即在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪與半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進0.03至0.5微米的距離。
這樣，利用公知的方法在半導(dǎo)體晶圓中心所產(chǎn)生的缺陷可以顯著降低。這是因為當(dāng)實施現(xiàn)有技術(shù)公知的方法時，半導(dǎo)體晶圓的中心總是被研磨，并且因此持續(xù)地被去除材料，然而在根據(jù)本發(fā)明的方法中，磨輪的主要作用區(qū)域的直徑變得更小，在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，半導(dǎo)體晶圓的每個點僅與磨輪接觸一次，并且因此半導(dǎo)體晶圓上的每個點基本上去除等量材料。
在無火花研磨操作之后，研磨臺階被消除，其中在兩個工作臺仍然在旋轉(zhuǎn)時，通過緩慢的退出，即通過磨輪以回退速率緩慢回退，終止磨輪與半導(dǎo)體晶圓朝著彼此的推進。
下表給出了在不同轉(zhuǎn)速n及進給速率R的情況下的磨輪的推進距離x的值的概括。該進給速率在10至20微米/分鐘的范圍中，并且半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速在每分鐘5至300轉(zhuǎn)的范圍中。


下面將參考圖1至10對本發(fā)明進行更詳細(xì)的說明。
附圖的簡單說明圖1示出了適合實施上述方法的裝置。
圖2示出了具有研磨表面以及研磨臺階的半導(dǎo)體晶圓。
圖3示出了在推進距離大的情況下磨輪的齒、半導(dǎo)體晶圓的片段以及磨輪的齒的主要作用區(qū)域。
圖4示出了在推進距離大的情況下并且在磨輪的齒磨損之后磨輪的齒、半導(dǎo)體晶圓的片段以及一個研磨點。
圖5示出了在推進距離小的情況下磨輪的齒、半導(dǎo)體晶圓的片段以及磨輪的齒的主要作用區(qū)域。
圖6示出了在推進距離小的情況下并且在磨輪的齒磨損之后磨輪的齒、半導(dǎo)體晶圓的片段以及一個磨點。
圖7示出了在推進距離小的情況下半導(dǎo)體晶圓以及磨輪的主要作用區(qū)域。
圖8示出了在推進距離大的情況下半導(dǎo)體晶圓以及磨輪的主要作用區(qū)域。
圖9示出了在利用低的推進距離進行研磨之后在半導(dǎo)體晶圓上實施GBIR測量的結(jié)果。
圖10示出了在利用高的推進距離進行研磨之后在半導(dǎo)體晶圓上實施GBIR測量的結(jié)果。
具體實施例方式
圖1示出了一種適于實施上述方法的裝置。半導(dǎo)體晶圓1位于晶圓保持器3上。其上方是磨輪2，該磨輪2被固定在工作臺4上。另外，磨輪2的齒21示于圖中。晶圓保持器3以及工作臺4各自獨立地旋轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體晶圓1以這樣的方式固定到晶圓保持器3，即它的中心與該晶圓保持器3的旋轉(zhuǎn)中心一致，也就是該半導(dǎo)體晶圓的軸向中心與晶圓保持器的旋轉(zhuǎn)軸線5一致。工作臺4橫向偏置地設(shè)置，并且以這樣的方式定位，即半導(dǎo)體晶圓1的軸向中心5進入由齒21形成的磨輪2的工作區(qū)域。工作臺4與磨輪2圍繞旋轉(zhuǎn)軸線6旋轉(zhuǎn)，同時晶圓保持器3連同該半導(dǎo)體晶圓1圍繞旋轉(zhuǎn)軸線5旋轉(zhuǎn)。由于垂直方向的運動，工作臺4與磨輪2被擠壓在位于晶圓保持器3上的半導(dǎo)體晶圓1上，結(jié)果磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，并且半導(dǎo)體晶圓1的表面被研磨。
圖2示出了在半導(dǎo)體晶圓1旋轉(zhuǎn)一圈后具有研磨表面以及研磨臺階的半導(dǎo)體晶圓1。在半導(dǎo)體晶圓1旋轉(zhuǎn)這一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進一段距離x。
圖3示出了半導(dǎo)體晶圓1和磨輪2的齒21的一個片段。磨輪2在其前面擠壓出一個研磨臺階。如果磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離大，例如2微米，即發(fā)生此種情形。磨輪2的齒的主要作用區(qū)域以陰影表示。
圖4示出了在試磨階段之后，如果選擇大的推進距離，磨輪2的齒21如何變得磨損。該圖還示出了這如何導(dǎo)致磨輪的齒21的主要作用區(qū)域或研磨點7的移動。該研磨點7是磨輪2的齒21上首先接觸半導(dǎo)體晶圓1的點。
圖5示出了半導(dǎo)體晶圓1以及磨輪2的齒21的一個片段。該圖同樣以陰影示出了如果磨輪和半導(dǎo)體晶圓朝著彼此的推進距離小例如0.1微米的情況下磨輪2的齒21的主要作用區(qū)域。原則上；與半導(dǎo)體晶圓1接觸的磨輪2的齒21的整個表面執(zhí)行研磨。
由圖6可以看出，在磨輪2和半導(dǎo)體晶圓1的推進距離小的情況中，磨輪2的齒21的表面變得磨損。該圖同樣示出了研磨點7，該研磨點7比圖4更靠右。在試磨階段之后，磨輪2的齒21變得磨損，導(dǎo)致研磨點7移動。形成已經(jīng)朝著磨輪2的齒21的中心微微移動的主要作用區(qū)域。但是與圖4相比較，該主要作用區(qū)域或研磨點7右移。這導(dǎo)致磨輪2的主要作用區(qū)域的直徑較短(比較圖7和圖8)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這是如果在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中磨輪和半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離為0.03至0.5微米的情形。
圖7和圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的方法對于該中心區(qū)域的影響。該圖示出了兩個半導(dǎo)體晶圓1以及在每一種情形中的磨輪的主要作用區(qū)域8；在圖7中，半導(dǎo)體晶圓1的每個點即包含該中心區(qū)域在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中與磨輪2僅接觸一次，這是磨輪2和半導(dǎo)體晶圓1朝著彼此推進的距離為0.03至0.5微米時的情形，但在圖8中，半導(dǎo)體晶圓1的中心區(qū)域與磨輪的主要作用區(qū)域8保持恒定的接觸，這發(fā)生在磨輪2和半導(dǎo)體晶圓1朝著彼此推進的距離較大的情況下。
原則上可以構(gòu)想，由根據(jù)本發(fā)明的方法所造成的磨輪的主要作用區(qū)域的移動也可以通過磨輪的旋轉(zhuǎn)軸的移動而實現(xiàn)。然而，這并不是對于所有常用的研磨機都是可以實現(xiàn)的，并且在一些情況中并不具有很大的優(yōu)勢，因此當(dāng)實施上述方法時這并非優(yōu)選的選擇。
利用上述方法加工的半導(dǎo)體晶圓優(yōu)選是由半導(dǎo)體材料硅、鍺、硅-鍺或化合物半導(dǎo)體例如砷化嫁所制成的晶圓、由單晶半導(dǎo)體材料制成的晶圓、具有外延沉積層的半導(dǎo)體晶圓、具有應(yīng)變層例如具有應(yīng)變硅層的半導(dǎo)體晶圓或S0I(絕緣體硅片)晶圓。
在上述方法中，優(yōu)選使用具有#2000或更微小的粒度(粒度是依照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS R 60011998而決定)的磨輪。
進給速率優(yōu)選為10至20微米/分鐘。
在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪和半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離優(yōu)選為0.03至0.1微米。
磨輪的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為每分鐘1000至5000轉(zhuǎn)。
在研磨過程中、在無火花研磨及磨輪回退(離開)的過程中，半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為每分鐘50至300轉(zhuǎn)，特別優(yōu)選為每分鐘200至300轉(zhuǎn)。
直徑300毫米的半導(dǎo)體晶圓借助于Disco公司生產(chǎn)的具有#2000細(xì)微的粒度(粒度5至6微米)的磨輪進行加工。進給速率在每種情況都是10微米/分鐘。
實例依照本發(fā)明對直徑300毫米的半導(dǎo)體晶圓進行加工，即低的推進距離x＝0.033微米，隨后測量粗糙度及GBIR。
半導(dǎo)體晶圓1，半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速n＝300/分鐘，推進距離x＝0.033微米。
測得的粗糙度值如下正面89.9?！?.5背面86.7?！?.5圖9示出了在該半導(dǎo)體晶圓上實施GBIR測量的結(jié)果。與所比較的實例相比，半導(dǎo)體晶圓的中心處的缺陷顯著減少。
比較實例在這種情況中，在推進距離x＝2微米的情況下，對直徑300毫米的半導(dǎo)體晶圓的表面同樣進行研磨，然后以同樣方式測量粗糙度以及GBIR。
半導(dǎo)體晶圓2，半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速n＝5/分鐘，推進距離x＝2微米。
測得的粗糙度值如下正面105.0?！?.1
背面99.0?！?.7圖10示出了在該半導(dǎo)體晶圓上實施GBIR測量的結(jié)果。可清楚地看到在半導(dǎo)體晶圓中心處有一明顯的缺陷。
所以，粒用磨輪以及半導(dǎo)體晶圓的低的推進距離x＝0.033微米可以獲得大幅改善的粗糙度值。本發(fā)明的方法不僅改善了半導(dǎo)體晶圓的幾何形狀，而且使該半導(dǎo)體晶圓的表面品質(zhì)更好。
權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法，其中固定在晶圓保持器上的半導(dǎo)體晶圓以及位于其對面的磨輪互相獨立地旋轉(zhuǎn)，該磨輪相對于半導(dǎo)體晶圓橫向偏置地設(shè)置，并且以這樣的方式定位，即使得半導(dǎo)體晶圓的軸向中心進入磨輪的工作范圍，該磨輪以進給速率朝著半導(dǎo)體晶圓的方向移動，結(jié)果在半導(dǎo)體晶圓以及磨輪圍繞平行軸線旋轉(zhuǎn)時，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，于是半導(dǎo)體晶圓的表面被研磨，在去除一定量的材料后，磨輪以回退速率后移，其中在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離為0.03至0.5微米。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有#2000或更微小粒度的磨輪。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，磨輪的轉(zhuǎn)速為每分鐘1000至5000轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，在研磨、無火花研磨以及在磨輪回退的過程中，半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速為每分鐘50至300轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體晶圓的轉(zhuǎn)速為每分鐘200至300轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，進給速率為10至20微米/分鐘。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離為0.03至0.1微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體晶圓的材料去除加工的方法，其中固定在晶圓保持器上的半導(dǎo)體晶圓以及位于其對面的磨輪相互獨立地旋轉(zhuǎn)，該磨輪相對于半導(dǎo)體晶圓橫向偏置地設(shè)置，并且以這樣的方式定位，即使得半導(dǎo)體晶圓的軸向中心進入磨輪的工作范圍，該磨輪以進給速率朝著半導(dǎo)體晶圓的方向移動，結(jié)果在半導(dǎo)體晶圓以及磨輪圍繞平行的軸線旋轉(zhuǎn)時，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進，于是半導(dǎo)體晶圓的表面被研磨，去除一定量的材料后，磨輪以回退速率移回，其中在半導(dǎo)體晶圓旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，磨輪以及半導(dǎo)體晶圓朝著彼此推進的距離為0.03至0.5微米。
文檔編號H01L21/02GK1833815SQ200610071810
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者亞歷山大·海爾邁爾, 羅伯特·德雷克斯勒, 安東·胡貝爾, 羅伯特·魏斯 申請人:硅電子股份公司