TWI446428B - 用於拋光半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Description

用於拋光半導體晶圓的方法
本發明涉及一種用於拋光半導體晶圓的方法。
在現有技術中已知各種不同的拋光方法。
例如US 3,691,694描述了所謂的雙面拋光(DSP)。
根據在EP 208315 B1中描述的DSP的一個實施態樣，半導體晶圓在由金屬或塑膠組成的、具有適當尺寸切口的「載盤(carrier plates)」中，在二個旋轉的、覆蓋有拋光墊的拋光盤之間於存在拋光溶膠的情況下，藉由機械參數和加工參數預先確定的路徑上移動，並由此進行拋光。
例如在DE 10004578 C1中所述，DSP通常是使用由均質的多孔聚合物泡沫體組成的拋光墊而實施的。在此還揭露黏結在上拋光盤上的拋光墊滲透有溝槽網路，而黏結在下拋光盤上的拋光墊具有不含此類紋理的光滑表面。此措施應當一方面在拋光期間確保所用的拋光劑均勻分布，另一方面在結束拋光之後提起上拋光盤時，避免半導體晶圓黏結在上拋光墊上。
在現有技術中，除了DSP還需要實施所謂的CMP拋光，以消除缺陷及降低表面粗糙度。在CMP的情況下，使用比DSP時更柔軟的拋光墊。此外，藉由CMP僅拋光半導體晶圓的一個面，即隨後在其上製造元件的面。現有技術還涉及精整拋光(finish polishing)。CMP方法已揭露於例如US 2002/0077039及US 2008/0305722中。
德國專利申請DE 10 2007 035 266 A1描述了一種用於拋光由矽材料組成的基材的方法，其包括二個FAP型拋光步驟，它們的區別在於，在一個拋光步驟中將包含固體形式的未黏結的研磨劑的拋光劑漿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漿液。FAP是指固定研磨拋光(Fixed Abrasive Polishing)，其描述一種拋光方法，其中使用包含牢固黏結磨料的拋光墊。
在現有技術中，還揭露了在使用不含磨料拋光墊的情況下的拋光方法，其中在此情況下供應拋光溶膠形式的磨料，以及在使用包含磨料拋光墊的情況下的拋光方法，其中不必供應拋光溶膠。
所有在現有技術中已知的方法在經拋光的晶圓的幾何形狀和/或奈米形貌方面均是不利的。DSP和CMP造成邊緣厚度下降現象(塌邊，Edge Roll-Off)。FAP在表面粗糙度方面是不利的。
本發明的目的在於提供一種代替現有技術中已知方法的其他選擇。
本發明的目的是藉由一種用於拋光半導體晶圓的方法實現的，其包括在使用拋光墊及在第一步驟中供應包含磨料的拋光劑漿液、隨後結束供應拋光劑漿液及在第二步驟中供應pH值大於或等於12不含固體的拋光劑溶液的情況下拋光半導體晶圓的表面，其中所用的拋光墊在與半導體晶圓待拋光的表面接觸的面上具有包含凸起的表面結構，且該拋光墊不含具有研磨作用的物質。
在第一步驟中所用的拋光劑漿液較佳包含選自以下群組之一種或多種的磨料：元素鋁的氧化物、元素鈰的氧化物和元素矽的氧化物。
較佳地，研磨物質顆粒的尺寸分布實際上顯示為單峰。
平均粒徑為5至300奈米，更佳為5至50奈米。
研磨物質在拋光劑漿液中的比例較佳為0.25至20重量%，更佳為0.25至1重量%。
特別較佳係使用膠體二氧化矽作為拋光劑漿液。
例如可以使用購自Bayer AG的200及購自Fujimi公司的Glanzox的含水拋光劑。
拋光劑漿液可以包含添加劑，如碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲銨(TMAH)。
但是拋光劑漿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濕劑和表面活性劑、具有保護膠體作用的穩定劑、防腐劑、殺生物劑、醇類和錯合劑。
在第二步驟中所用的拋光劑溶液較佳為水或以下化合物的水溶液：碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲銨(TMAH)或其所欲的混合物。
所述化合物在拋光劑溶液中的比例較佳為0.01至10重量%。
拋光劑溶液的pH值為大於或等於12。
所用的拋光墊較佳具有多孔基體。
拋光墊較佳由熱塑性或耐熱性聚合物組成，可以考慮多種材料作為所述材料，如聚氨酯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚丙烯酸酯、聚酯等。
拋光墊較佳包含固體微孔聚氨酯。
較佳還使用由用聚合物浸漬的、發泡的盤或氈基材或纖維基材組成的拋光墊。
經塗覆/浸漬的拋光墊還可以如下方式構成，其在基材中具有與在塗層中不同的孔分布和不同的孔徑。
可以將填料引入拋光墊中，以控制拋光墊的孔隙率。
可商購獲得的拋光墊在產生相應的表面形貌之後可以使用，例如是購自Rodel有限公司的SPM 3100或者購自Rohm & Haas的DCP系列的墊以及商標為IC1000TM 、PolytexTM 或SUBATM 的墊。
但是較佳使用硬質或非常硬的拋光墊。
蕭氏A(Shore A)硬度應當至少為80°。
例如購自Rohm & Haas的、蕭氏A硬度為84°的SUBATM 1200即適合於此。
購自Nitta Haas有限公司SUBATM 800T2型的拋光墊同樣也是合適的，而其代替物應當具有大於90的ASKER C硬度(SRIS 0101)。
特別較佳使用蕭氏A硬度為80至100°的拋光墊。
購自Nitta Haas有限公司的MH-S24A型的墊，例如具有最高為86的JIS-A硬度(JIS K 6253A)，其中JIS-A硬度對應於蕭氏A硬度。
拋光墊的蕭氏A硬度特別較佳為92至100°(非常硬的拋光墊)。
拋光墊較佳具有角錐或瓦片形狀的結構。因此，這些顯微構造例如可以具有圓柱或多角形截面的柱的形狀，或者具有角錐或截角錐的形狀。
拋光墊較佳具有圓形或橢圓形的凸起。
拋光墊較佳具有多角形例如六邊形的凸起。
該結構或凸起的高度較佳為大於或等於10微米至最大幾個毫米。
凸起的大小較佳為至少50微米至最大400微米，更佳為50至200微米。
特別較佳使用具有直徑為50至200微米的圓形凸起的拋光墊。
較佳在拋光墊上均勻地設置凸起。兩個相鄰的凸起之間的距離較佳為幾微米至約500微米。
拋光墊較佳具有凹槽或溝槽。凹槽或溝槽的深度較佳為10至200微米。兩個相鄰的溝槽或凹槽之間的距離較佳為幾微米至約500微米。
較佳利用化學蝕刻處理拋光墊的表面，以產生所述的結構、凸起、溝槽或凹槽。
較佳利用機械磨碾(grinding)或銑削(milling)處理拋光墊的表面，以產生所述的結構、凸起、溝槽或凹槽。
較佳利用燒結或開溝(furrowing)處理拋光墊的表面，以產生所述的結構、凸起、溝槽或凹槽。
較佳地，在供應拋光劑溶液的情況下進行的第二拋光步驟中，相對於第一步驟中所採用的拋光壓力，降低用於將拋光墊壓在半導體晶圓表面上的拋光壓力。
本發明還提供在供應具有大於或等於12的高pH值的拋光劑溶液的情況下的無研磨拋光。在第一拋光步驟中，供應拋光劑漿液。該第一步驟用於啟動拋光過程。一旦啟動拋光過程，則立即停止供應拋光劑漿液。
然後改供應鹼性拋光劑溶液。在供應拋光劑溶液的情況下進行的第二拋光步驟中的拋光時間較佳至少為總拋光時間的50%，更佳至少70%，特別較佳至少85%。較佳僅拋光半導體晶圓的正面，其中總材料去除量較佳為不超過1.0微米。
在供應拋光劑溶液的情況下進行的第二拋光步驟較佳在降低的拋光壓力下進行。在此，拋光壓力較佳為約70至約200百帕，而在該方法開始時，若供應拋光劑漿液，則拋光壓力最高達560百帕，較佳為250至400百帕。
傳統拋光機，例如購自Applied Materials有限公司的Reflection型拋光機，適合於實施該方法。
目前該拋光機尤其是用於CMP拋光中。其是多盤拋光機。該拋光機包括5區薄膜載體，其允許在5區中不同地調節載體的壓力分布。
在傳統的化學機械拋光方法中，在DSP和CMP的情況下均供應具有固定pH值的拋光劑漿液(矽溶膠)，以實現去除材料式拋光。在FAP的情況下，將磨料引入拋光墊本身之中。
在本發明的範疇內，僅需要添加磨料用於啟動拋光過程。直接在啟動去除材料式拋光後直至拋光結束，在不添加研磨物質且不使用包含磨料的拋光墊的情況下進行拋光。最初添加的拋光劑漿液僅作為用於啟動去除材料式拋光過程並隨後被鈍化的催化劑使用。
確定幾何形狀和形貌的拋光本身在不使用磨料的情況下進行，無論該磨料是外部供應的矽溶膠顆粒的形式還是引入拋光墊中的磨料顆粒的形式。
此外，在該方法中採用傳統的CMP加工參數。圓盤和拋光頭的轉速較佳約每分鐘30至150轉(rpm)。拋光劑的體積流量較佳為100至1000毫升/分鐘。在拋光期間較佳在拋光墊上以擺動方式移動具有導入其中的晶圓的拋光頭。
半導體晶圓表面上的局部拋光壓力尤其是在半導體晶圓的局部形貌與拋光墊表面的局部凸起接觸的位置上升高。連同鹼性拋光劑溶液一起，對半導體晶圓實施取決於形貌的無磨料的去除材料式拋光過程。
這相對於傳統CMP拋光是有利的，其尤其是作為可自由移動的、鹼性載入的矽溶膠顆粒連同柔軟的精整拋光墊一起，即使在半導體晶圓表面上的低凹處仍然進一步去除材料。這可以藉由本發明方法加以消除，其改善了半導體晶圓表面的形貌。
特別較佳將本發明方法應用於拋光半導體晶圓的背面，作為在雙面拋光半導體晶圓與最後最終拋光半導體晶圓正面之間的中間步驟，即作為雙面拋光-無磨料拋光背面-拋光正面的加工順序。此外，根據本發明方法較佳以無磨料拋光的方式進行最後正面拋光。
已發現，在此請求保護的拋光方法在幾何形狀和奈米形貌方面是有利的。本發明的發明人將該基本上無磨料式拋光的有利特性歸因於由此消除了目前在DSP和CMP中所用的拋光漿液的干擾性特性。在DSP和CMP的情況下，發生晶圓、拋光墊和拋光漿液的三體相互作用。這造成在晶圓上非選擇性的材料去除量。在DSP和CMP的情況下，該材料去除量與晶圓形貌無關。
在根據本發明在購自Applied Materials的Reflection型拋光機上拋光矽晶圓的情況中，已發現具有輕微凹面的初始形狀的矽晶圓尤其是在局部可實現的幾何值方面獲得良好的拋光結果。為了實現這一目的，需要將拋光期間的平均去除材料速率確定在約0.05至0.15微米/分鐘的範圍內，這是藉由pH值大於12的拋光劑溶液加以確保的。
與FAP相比，藉由本發明方法可以觀察到晶圓表面粗糙度的明顯改善。試驗顯示，與FAP相比，在表面上可以觀察到明顯更少的刮痕和缺陷。
本發明的優點在於，可以使用甚至非常硬的拋光墊。
與此不同，在如同CMP一樣使用矽溶膠時，可採用的墊硬度向上受限，因為在CMP的情況下，盡可能均勻地去除材料是作為順從的拋光墊表面與由氫氧根離子(OH- )載入的溶膠顆粒的共同作用實現的，從而將其近似溫和地壓在晶圓表面上，並由此在同時進行化學侵蝕的情況下溫和地剪切掉及排出材料。
與此不同，在此請求保護的基本上無磨料式拋光中，藉由較佳非常硬的拋光墊之有紋理的表面結構而針對性地使氫氧根離子(OH- )與晶圓表面接觸，例如若拋光墊表面的局部凸起接觸到晶圓表面的突起，該拋光墊在具有最高的局部壓力的位置上產生局部受限的升高的材料去除速率。
由此實現了理想的材料去除特性，這實現了晶圓表面的最佳平面化，同時避免了晶圓表面的缺陷。
利用本發明方法拋光的半導體晶圓較佳為由矽、矽鍺、二氧化矽、氮化矽、砷化鎵以及其他所謂的III-V族半導體組成的晶圓。
較佳使用例如藉由切克勞斯基(Czochralski)法或浮區(float zone)法結晶化之單晶形式的矽。

Claims (7)

  1. 一種用於拋光半導體晶圓的方法，其包括在使用拋光墊及在第一步驟中供應包含磨料的拋光劑漿液、隨後結束供應拋光劑漿液及在第二步驟中供應pH值大於或等於12不含固體的拋光劑溶液的情況下拋光半導體晶圓的表面，其中所用的拋光墊之蕭氏A(Shore A)硬度為至少80°且在與半導體晶圓待拋光的表面接觸的面上具有包含凸起的表面結構，該拋光墊不含具有研磨作用的物質，且其中在供應拋光劑溶液的情況下進行的第二拋光步驟中，相對於第一步驟中所採用的拋光壓力，降低用於將拋光墊壓在半導體晶圓表面上的拋光壓力。
  2. 如請求項1的方法，其中在第一步驟中所用的拋光劑漿液包含選自以下群組之一種或多種的磨料：元素鋁的氧化物、元素鈰的氧化物和元素矽的氧化物。
  3. 如請求項1的方法，其中在第一步驟中所用的拋光劑漿液是膠體二氧化矽。
  4. 如請求項1至3中任一項的方法，其中所用的拋光墊具有多孔基體。
  5. 如請求項1至3中任一項的方法，其中所用的拋光墊是由熱塑性或耐熱性聚合物組成。
  6. 如請求項1至3中任一項的方法，其中所用的拋光墊具有角錐或瓦片形狀的結構、圓形或橢圓形或六邊形的凸起或凹槽。
  7. 如請求項1至3中任一項的方法，其中該拋光墊的表面是藉 由化學蝕刻、磨碾(grinding)(磨光(buffing))、燒結或開溝而結構化的。
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