專利名稱：減小表面粗糙度的半導體晶片的粗拋方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及半導體晶片的粗拋方法，特別涉及一種減小晶片表面粗糙度的粗拋硅片的方法。
拋光的半導體晶片是由單晶錠塊制備的，錠塊在切成單片之前，要經過去毛邊、定向修平。磨圓晶片的邊緣以避免在后序加工過程中損傷晶片。然后用磨料漿處理晶片(研磨)，以去掉切片工藝所引起的表面損傷，并使各片形成平整且平行的兩相對面。在研磨工藝后，使晶片經化學腐蝕，以去掉前邊整形步驟中所產生的機械損傷。用膠態(tài)石英漿料和化學腐蝕劑至少拋光晶片的一側表面，以確保晶片具有高反射的無損傷表面。然后清洗晶片并在包裝之前進行檢驗。
對原片的磨削(stock removal)一般采用粗拋緊接著細拋的兩步方法拋光硅片，以降低非鏡面反射光(霧狀)。非經拋光的晶片的表面上具有粗糙度的高、低頻成分。由于霧狀產生的高頻粗糙度引起來自表面的高的光散射。粗拋和隨后的細拋步驟使高、低頻表面粗糙度降至最低，并減少了霧狀。
用蠟將晶片粘到一陶瓷拋光砣上，然后，將拋光砣裝在拋光設備的臂上，以準備拋光硅片。拋光機包括以硬聚亞胺酯浸漬的氈墊覆蓋的陶瓷轉盤。在普通的兩步拋光工藝中，將拋光機臂降到氈墊上，而在轉盤旋轉的同時將鈉穩(wěn)定的膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑分散到氈墊表面上。對晶片表面粗拋8-10分鐘，從晶片表面去掉15-20μm硅(Si<100>)。
拋光是通過壓力、溫度、機械研磨力和化學反應的綜合作用達到的。施加于硅片上的膠態(tài)研磨和壓力(對裸露的硅表面約為9磅/英寸2)，使溫度升至50-55℃，以便于化學反應，而堿性腐蝕劑加速原片磨削。當原片磨削完成后，停止供給膠態(tài)石英漿料和堿腐蝕劑。用酸性抑制(quench)溶液處理晶片，再用水清洗和沖洗。后來，抬起拋光臂、卸下陶瓷砣，用水沖洗，傳遞到細拋光機。
在細拋光工藝過程中，將陶瓷砣裝到細拋光機臂上，下降至陶瓷轉盤上的軟聚亞胺酯墊上。旋轉轉盤，同時把氨穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑分散到氈墊上。用對硅約5磅/英寸2的壓力和30-37℃的條件對晶片表面細拋光4-6分鐘，以從晶片表面上去掉0.2-0.5μm的硅(Si<100>)。然后，停止供給膠態(tài)石英漿料和堿腐蝕劑。晶片用前述的酸抑制溶液處理并用水清洗。抬起拋光臂，卸下陶瓷砣。用水清洗晶片，從砣上卸下片子然后裝入聚四氟乙烯盒中，傳遞清潔的片子。
用兩步方法拋光的硅片的表面粗糙度和霧狀大于用三步方法拋光的晶片。在三步方法中，在細拋之前，使片子經過中拋。進行中拋以進一步降低粗糙度的低頻部分，提供較平滑的晶片。在讓轉盤旋轉并對片子施加鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料之際，在35-45℃、4.3-5.7磅/英寸2的條件下，經20分鐘，完成對Si<100>15-20μm的毛坯磨削。在晶片經抑制和水洗之后，將陶瓷砣卸下并傳送到另一拋光機，以進行中間毛坯磨削。中間拋光是使用較軟的墊料在2.1-2.8磅/英寸2的低壓力、28-32℃的較低溫度下進行的，經過10分鐘去掉2-4μm的<100>硅。在陶瓷砣卸下并傳送到細拋機前晶片經抑制及水洗。再用氨水穩(wěn)定的膠態(tài)石英漿在高級細毛氈墊上對晶片細拋8-10分鐘(28-32℃，1.4磅/英寸2，30rpm)，以獲得清晰的晶片表面。然后用酸抑制溶液處理晶片，再用水清洗。抬起拋光臂，卸下陶瓷砣，用水清洗晶片，從砣取下晶片，將晶片存貯、傳遞以便清洗。
三步拋光法改善了拋光晶片的表面粗糙度霧狀。與三步工藝相關的缺點是中拋工藝導致的額外成本，而且由于附加的拋光操作使工藝變得復雜。
因此，需要一種簡單、經濟的能提供具有較小表面粗糙度的晶片的粗拋方法。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種既改善晶片表面的粗糙度又不降低工藝的處理量的拋光半導體晶片的方法。就此而論，本發(fā)明的相關目的在于在完成原片磨削之際提供改善了的晶片表面粗糙度、當細拋之際提供表現出霧狀降低的晶片。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡單、經濟的粗拋半導體晶片的方法，無需將晶片傳送給另一拋光機以完成原片磨削階段。
從下面詳細說明，將明了本發(fā)明的其它目的及優(yōu)點。
根據本發(fā)明，提供一種在細拋之前降低晶片表面的粗糙度的粗拋半導體晶片的方法來實現前述目的，該方法包括將一種拋光溶液加于拋光材料上；隨著晶片相對于拋光材料的運動使拋光材料和拋光液與晶片表面接觸，以降低晶片的低頻表面粗糙度；將第二種拋光溶液施加于該拋光材料，隨著晶片相對于拋光材料的運動，使拋光材料和第二種拋光液與晶片表面接觸，以進一步降低低頻表面粗糙度，其中晶片的平均表面粗糙度不大于1.0nm Ra，這是在粗拋之后用光干涉儀按1mm×1mm掃描測得的。
在一優(yōu)選實施例中，半導體晶片由硅組成。拋光液包括鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑。第二種拋光液包括氨水穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料。以硬聚亞胺酯浸漬的氈墊作拋光材料。在第一步粗拋后，低頻表面粗糙度最好降低到不大于2.0mm Ra，在第二步拋光后，進一步降低到不大于1.0mm Ra。
該方法可以包括將酸性溶液施加到晶片上、然后用水清洗的步驟，以在粗拋晶片之后抑制第二拋光液。在把第二種拋光液施加到拋光材料上之前最好不用酸性溶液處理，也不用水沖洗。
堿性腐蝕劑最好是pH值范圍為11-14的胺加強的苛性堿溶液。優(yōu)選的腐蝕劑包括氫氧化鉀和亞乙基二酰胺。優(yōu)選的酸性溶液包含一種有機酸或無機酸和聚醚多羥基化合物。


圖1表示每批拋光片的平均粗糙度，圖中的1A-8A代表用本發(fā)明的方法拋光的晶片，1B-8B代表以常規(guī)的方法拋光的晶片。
圖2表示每個晶片上大于0.15μm的光點缺陷(LPD)的量，其中□代表用常規(guī)方法拋光的晶片，而■代表用本發(fā)明的方法拋光的晶片。
圖3描繪每個晶片上大于0.15μm的LPD數，其中■代表用常規(guī)方法拋光的晶片，而□代表用本發(fā)明的方法粗拋的晶片。
根據本發(fā)明，披露了可在細拋光之前，采用兩步原片磨削步驟在同一拋光機上拋光半導體晶片的技術。如此拋光后的半導體晶片的表面粗糙度小于常規(guī)方法拋光的晶片，并可快速拋光。用本發(fā)明的方法粗拋光的晶片，當用光學干涉儀進行1mm×1mm掃描測量時，表現出的平均表面粗糙度小于1.0nm Ra。
下面指出的拋光時間適用于由晶向為<100>的硅構成的p型半導體晶片。如果采用取向為<111>的硅，則其拋光更為困難，將要求較長時間的拋光。取向為<110>的硅比取向為<100>的硅容易拋光，要求較短的拋光時間。n-型晶片也要求較短的拋光時間，因為它比p型晶片腐蝕得快些。但是，對n+型晶片將要較長的拋光時間，因為它的腐蝕速度較低。
本發(fā)明側重于半導體晶片(如硅片)在細拋之前的粗拋光方法。在對硅片粗拋之前，用蠟將它粘在陶瓷拋光砣上，再把砣裝在粗拋光機的臂上。當粗拋開始時，使拋光臂下降直至與拋光機的陶瓷轉盤上的硬墊相接觸。然后使轉盤旋轉，同時將鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑分散到氈墊的表面上。對于p型晶片，在約9磅/英寸2、約50-55℃的條件下粗拋晶片表面約400-600秒。這第一次粗拋從晶片表面去掉約16-18μm的硅(Si<100>)，將晶片的低頻表面粗糙度降到2.0nm Ra以下。在此拋光步驟中最好使低頻表面粗糙度降至1.2nm Ra-2.0nmRa。為了本發(fā)明的目的，用Nomars-ki顯微鏡(放大率50X)或用帶有一個10倍的放大頭的Wyko-2D顯微鏡所觀測的低頻表面粗糙度，橫向寬度為100μm～1mm，縱向峰谷比測量不超過15nm。用光散射儀器或AFM測量到的高頻表面粗糙度為霧狀，其橫向寬度約在1μm-10μm，縱向峰谷比測量不超過3mm。
鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料在本領域中是公知的，并公開于US專利No.3,170,273中。Syton HT-50，一種優(yōu)選的鈉穩(wěn)定的漿料(E.I.dupont de Nemours & Company產，市售品)，其石英含量在49.2-50.5％，粒度為35-50μm。鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料以約50-80毫升/分的流量分散。
堿性腐蝕劑最好是胺加強的苛性堿溶液，其pH值約在11-14范圍內。適用的腐蝕液可包括重量百分比為約1.0-約1.5的氨氧化鉀和重量百分比為約0.5-約1.3的亞乙基二酰胺，余量為蒸餾水。在膠態(tài)石英漿料開始流入約12秒之后，開始流入堿性腐蝕劑，并在膠態(tài)石英漿料流停止后再延續(xù)約60秒。所提供的堿性腐蝕劑流量在約80-約120毫升/分的范圍內。雖然在原片磨削之后不要求使用堿性腐蝕劑，但在同一粗拋機上不用堿性腐蝕所拋光的晶片之間的原片磨削上卻存在很大差異。
最好將鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑分散到硬聚亞胺酯浸漬的氈墊上，諸如Suba H2墊(Rodel of Scottsdale，Arizona產，市售品)。適且于粗拋或細拋的拋光墊是公知的現有技術。
當停止鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料時，立刻在9磅/英寸2、59-60℃的條件下將氨水穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料引入到硬墊上約60-約150秒。第二粗拋步驟從晶片表面上去掉約2-約4μm的硅<100>，并進一步使低頻表面粗糙度減小到不大于1.0nm Ra。最好把低頻表面粗糙度降到約0.5-約0.8nm Ra。
將在粗拋過程的第二步驟用的漿料與堿性腐蝕劑一起施加到晶片上，持續(xù)約60秒。然后，減緩腐蝕劑的流動，以使由腐蝕劑所能引起的晶片表面的劣化減至最小。漿料可持續(xù)供給約90秒。對p+型晶片漿料的供應時間最好更長些，而對p-型晶片用中等長度的供應時間。若漿料提供短于60秒，則漿料對晶片粗糙度的影響可忽略不計。
在粗拋過程的第二步驟中繼續(xù)使用同一硬墊不會加速該氈墊的劣化或降低拋光晶片的質量。第二拋光步驟進一步降低了表面粗糙度的低頻成分，提供了比經過常規(guī)的兩步工藝的粗拋步驟的晶片更光滑的晶片。
優(yōu)選的氨穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料是Glanzox 3900(Fujimi In-corporated of Aichi Pref.452，Japan，市售品)。Glanzox3900的石英含量為約8-約10％，顆粒大小為約0.025-0.035μm。在使用前，若不稀釋氨穩(wěn)定石英漿料，拋光過的晶片將不如以稀釋的漿料處理過的晶片平滑。但該晶片仍比用常規(guī)兩步方法粗拋得到的晶片平滑。若漿料被過度稀釋，晶片表面的機械研磨將失效。約1份石英漿料比約10份水的稀釋是優(yōu)選的。漿料最好以約150-約250毫升/分的流量供給，而使用1份漿料對10份水的溶液。
用過氨穩(wěn)定漿料，粗拋過程也就完成了。然后用酸性抑制溶液對晶片處理約10-約40秒，中和晶片上的堿性腐蝕劑和漿料。再用流量約為100-1000毫升/分的水沖洗晶片約10-30秒。酸性抑制溶液和水沖洗可以同時施加，也可先后施加。然后抬起拋光臂、卸下陶瓷砣、沖洗晶片，將其傳遞到細拋光機。
酸性抑制溶液包括聚醚多羥基化合物，其平均分子量為約100,000-1,000,000，還包括一種有機酸或無機酸或其混合物。有代表性的抑制溶液是由重量百分比為約0.01-0.1的聚醚多羥基化合物、重量百分比為約0.2-0.5的異丙醇、重量百分比為約0.5-5的過氧化氫稀釋在水中，用乙酸或硫酸將pH值調節(jié)在約3.4-約3.6范圍內組成的。適用的聚醚多羥基化合物是Polyox WSR N-3000，這是一種水溶性樹脂(Union Carbide產，市售品)其分子量約為400,000。該酸性抑制溶液以約400-800毫升/分的流量供給。
這些粗拋過的晶片然后可用上面討論過的常規(guī)兩步工藝方法進行細拋。然而，為補償此粗拋過程的第二步所需的額外的拋光時間，最好縮短細拋時間。對p+型晶片，一般細拋約300秒，接著是抑制階段。對p-型晶片，一般的細拋時間約240秒。
通過先將陶瓷砣裝到細拋機的臂上，再使臂降至陶瓷轉盤上的軟墊上，并在以相對低的溫度和壓力提供氨穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑的同時旋轉轉盤來細拋硅片。在5磅/英寸2、30-37℃的條件下細拋晶片表面，從晶片表面除去約0.2-0.5μm的硅<100>。通過將酸性抑制溶液和水沖洗溶液施加于晶片，可完成細拋過程。抬高拋光臂，卸下陶瓷砣。用水沖洗晶片，從砣上取下晶片，然后存入Teflon盒中，送去清洗。
半導體工業(yè)中一般所用的任何拋光機均可用于實施本發(fā)明的方法。適用的市售拋光機是Speedfam，R.H.Straushburgh &Westech Systems制造的。其操作條件，如拋光時間、壓力和溫度將隨所用的拋光機而變化。
為描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案和實用性，舉出下面的實施例，但這不意味對本發(fā)明的限制，除非在所附的權利要求中另加說明。
實施例1在MEMC Mark IX拋光機上，用常規(guī)的兩步拋光方法對五批p-型晶片和三批p+型晶片進行拋光。用兩臺粗拋機和一臺細拋機拋光晶片(200mm)。然后將這些拋光機加以改造，用于本發(fā)明的方法，對五批p-型晶片和三批p+型晶片進行拋光。對常規(guī)方法和本發(fā)明的方法，為粗拋和細拋設定相同的流體流量。下面的流體流量的設定用于粗拋。
對用常規(guī)的兩步方法所拋光的晶片，使用Syton HT-50在約9磅/英寸2和50-55℃的條件下粗拋約8分鐘。然后急冷晶片約40秒，同時用水沖洗約30秒，然后傳送至細拋機。使用Glanzox3900對p+型晶片細拋約300秒，對p-型晶片細拋約240秒，運作條件為5磅/英寸2、30-37℃。使晶片急冷約60秒，同時用水沖洗約30秒。粗拋和細拋分別使用Suba H2和Politex墊。
對用本發(fā)明的方法所拋光的晶片，使用Syton HT-50，在9磅/英寸2、50-55℃的條件下粗拋光約400秒。然后停止供給SylonHT-50，換成供給Glanzox 3900流。使用相同的壓力和拋光墊在59-60℃用Glanzox 3900對晶片拋光約120秒。粗拋之后，使晶片急冷約40秒，同時用水沖洗約30秒，然后傳送至細拋機。通過與用于常規(guī)拋光晶片的相同過程細拋晶片。
用放大鏡頭為10倍的Wyko-2D顯微鏡測量每批中的六個晶片的粗糙度。測量每個晶片上的五個區(qū)域，四個在周邊，距晶片邊緣2-3cm，一個在晶片中部。
圖1表明了每批拋光晶片的平均粗糙度，其中用本發(fā)明的方法所拋光的晶片用1a-8a表示，常規(guī)拋光的片用1b-8b表示。批號5、6及8是p+型晶片，而其余各批為p-型晶片。圖1指明了用本發(fā)明的方法所拋光的晶片始終如一地比用常規(guī)方法所拋光的晶片平滑。本發(fā)明的晶片的平均粗糙度近似為0.72nm Ra，幾乎是常規(guī)拋光片平均粗糙度(近似1.3nm Ra)的一半。在這些晶片上生長外延層時，對用本發(fā)明的方法所拋光的晶片來說，外延層也始終如一地平滑。
用Tencor 6200測量，檢驗一批中的p+型片，以確定其表面上的顆粒缺陷。圖2給出了每片上的尺寸從大于0.15μm到小于2.0μm范圍的光點缺陷(LPD)總數。用本發(fā)明的方法拋光得到的晶片的平均數為約33LPD，相比之下，每個常規(guī)拋光的晶片上約為175LPD。對生長了外延層的晶片也進行了LPD測試，結果如圖3所示。常規(guī)拋光晶片的平均值約為每片9LPD。用本發(fā)明的方法拋光的晶片的平均值約為每片7LPD。
用本發(fā)明的工藝所拋光的晶片平均LPD小于常規(guī)拋光片，顆粒缺陷尺寸范圍如下列表1所示。
表1
在此測試中，考查了本發(fā)明的133片和常規(guī)拋光的637片晶片。對兩種方法，其霧狀的情況不相上下。
雖然通過實施例表示并詳述了具體的實施方案，但本發(fā)明可以有各種變化和替代形式。應予理解，描述具體實施例的意圖不是將本發(fā)明限制在所公開的個別形式上，其本意在于包羅所有的落入由所附權利要求書所限定的本發(fā)明精神和范疇內的改型、等價方案和替代方法。
權利要求
1.一種在細拋半導體晶片之前粗拋晶片以降低晶片表面粗糙度的方法，該方法包括下列各步驟a)向拋光材料上加拋光溶液；b)隨著晶片相對于拋光材料運動，使拋光材料和拋光溶液與晶片表面接觸，以降低晶片的低頻表面粗糙度；c)向拋光材料上加第二種拋光溶液；d)隨著晶片相對于拋光材料運動，使拋光材料和第二種拋光溶液與晶片表面接觸，以進一步降低晶片的低頻表面粗糙度，在粗拋之后，用光學干涉儀按1mm×1mm作掃描測量，其中晶片的平均表面粗糙度不大于1.0nm Ra。
2.如權利要求1的方法，其中的低頻表面粗糙度，在(b)步驟中被降至不大于2.0nm Ra，在(d)步驟進一步被降至不大于1.0nm Ra。
3.如權利要求1或2中任一項的方法，其中的拋光溶液包括鈉穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑。
4.如權利要求1到3中任一項的方法，其中的第二拋光溶液包括氨穩(wěn)定膠態(tài)石英漿料和堿性腐蝕劑。
5.如權利要求1-4中任一項的方法，進一步包括對晶片加酸性溶液和用水沖洗晶片的步驟，以便在粗拋之后抑制第二拋光溶液。
6.如權利要求1-4中任一項的方法，其中的晶片在向拋光材料上加第二溶液之前，不用酸性溶液處理。
7.如權利要求3或4中任一項的方法，其中的堿性腐蝕劑是一種胺加強的苛性堿溶液，其pH值約為11-14。
8.如權利要求5的方法，其中的酸性溶液包括一種有機酸或無機酸和一種聚醚多羥基化合物。
9.如權利要求1-8中任一項的方法，其中的半導體晶片是硅片，在步驟(b)過程中去掉約16μm-18μm的硅，在步驟(d)中，去掉約2μm-4μm的硅。
10.如權利要求1-9中任一項的方法，其中的低頻表面粗糙度在步驟(b)被降至約1.2nm Ra一約2.0nm Ra，在步驟(d)被進一步降至約0.5nm Ra-約0.8nm Ra。
全文摘要
本發(fā)明提供一種粗拋方法，以降低細拋之前晶片的表面粗糙度，包括將拋光液施加于拋光材料；在晶片相對于拋光材料運動時，使拋光材料和拋光液與晶片表面接觸，以降低晶片的低頻表面粗糙度；將第二種拋光液施加于拋光材料；在晶片相對于拋光材料運動時，使拋光材料和第二種拋光液與晶片表面接觸，以進一步降低低頻表面粗糙度，其中在粗拋之后，以光干涉儀按1mm×1mm作掃描所測得的晶片平均表面粗糙度不大于1.0nm Ra。
文檔編號H01L21/02GK1117203SQ9510630
公開日1996年2月21日 申請日期1995年5月17日 優(yōu)先權日1994年5月18日
發(fā)明者維波·克里斯納, 邁克爾·S·威斯尼斯基, 洛伊斯·伊利希 申請人:Memc電子材料有限公司