CN101733699B - 用于抛光具有应变松弛Si1-xGex层的半导体晶片的方法及该方法的用途 - Google Patents

用于抛光具有应变松弛Si1-xGex层的半导体晶片的方法及该方法的用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于抛光具有Si1-xGex应变松弛层的半导体晶片的方法，该方法包括使用含有粒径为0.55μm或更小的固定粘结的研磨剂材料的抛光垫在抛光机中对半导体晶片的Si1-XGex层进行机械加工的第一步骤，以及使用抛光垫并且提供含有研磨剂材料的抛光剂浆料对该半导体晶片前面已经机械加工的Si1-XGex层进行化学机械加工的第二步骤。

Description

用于抛光具有应变松弛Si1-xGex层的半导体晶片的方法及该方法的用途
技术领域
本发明涉及一种用于抛光具有应变松弛Si1-xGex层的半导体晶片的方法。 
背景技术
微电子的现代应用例如信息和通信技术需要底层微电子元件更高的集成密度、更短的响应时间及时钟中断。这些元件的例子是记忆单元、转换和控制元件、晶体管、逻辑门等等。这些是由半导体材料构成的基底制得的。半导体材料包括元素半导体例如硅，偶尔还有锗或者化合物半导体，例如砷化镓(GaAs)。转换速度的一个测量方法是载流子(自由电子、空穴)的迁移率。迁移率是相对于所施加电场(单位距离的电压)载流子在半导体材料晶格中的平均迁移速度。例如，纯硅的电子迁移率明显比GaAs的迁移率低。然而，由于具有很多优点，硅是微电子中的标准材料。硅可以便利、容易并且实际上无限制地得到，并且其是无毒的，可以非常清洁地生产，能够很好地加工，在很大程度上没有缺陷并且具有稳定的氧化物(电介质)。因此，希望在硅技术的基础上同样实现特别快速的元件。 
对于给定的材料，有可能仅仅通过人为改变晶格的性质来增加载流子的迁移率。从理论研究可知，特别是晶格的应变(延伸、变形)可增加迁移率。与硅同系的锗的平均原子间隙(晶格常数)比硅大约4％。因此结合了锗原子的硅晶体比纯硅具有更高的晶格常数。其通过在没有缺陷、平坦且纯的硅初始表面上沉积其中锗的比例随着层厚度缓慢增加的硅层来制备。这是由气相通过在表面上热解(“化学气相沉积”，CVD)气态的含锗前体来实现的，如沉积GeH4、GeCl4和GeHCl3，或者通过使用粒子束的气相沉积(分子束外延MBE)来实现的。具有可变的Si/Ge化学计量的该梯度层使得由于硅和锗在晶体生长过程中产生的晶格失配而积聚的应变减弱。进一步的松弛通过最终沉积化学计量常数的缓冲层实现，该缓冲层具有Si1-xGex梯度 层的最后一层中的锗的比例。整个层结构被称作松弛层(“应变-松弛层”)。 
如果将很小层厚的纯硅沉积在松弛层上，则该层将限制硅原子上的其原子间距。沉积的硅层横向延伸，因此被称作晶格应变的硅(“应变硅”)。以这样的应变硅层构建的元件具有根据应变程度以及由此根据松弛层中锗的比例而增加的载流子迁移率。 
功能元件具有较短的转换和载流子转移时间的首要条件是在应变硅层中本质上没有缺陷。已经发现由于晶格失配所导致的Si1-xGex梯度层的部分应变是以规则出现的晶格缺陷的形式释放的。后者在生长表面的穿孔点处形成了被称为位错缺陷(螺型位错)的网络。该缺陷网络导致表面的规则的高度调制(height modulation)。在优选的Si(100)基底中，这些缺陷类似于表面的长斜方形修补(patching)，因此被称为“网格(cross-hatch)缺陷图案”。 
因此，SixGe1-x层的表面通常以由位错所导致的图案为特征，该图案被称作“网格”，并且在其上沉积一个或多个其它层之前，其通常必须被弄平滑。 
US 6,475,072以及Sawano等在Materials Science and Engineering B89(2002)406-409描述了旨在平滑Si1-xGex层的抛光方法。该方法涉及化学机械抛光(CMP)，其中通过施加抛光压力，使半导体晶片在具有抛光垫的旋转抛光板上移动，同时在抛光垫和将要抛光的Si1-xGeX层之间应用抛光剂。相对于面积为10μm×10μm的测量格，通过AFM(“原子力显微镜法”)测量的剩余粗糙度的最好情况是 RMS(“均方根值”)。然而，这种方式抛光的表面具有烦人的刮痕，由于它们在亚微米范围内的典型宽度和深度，其通常被称作“纳米刮痕”。相应地，根据已知方法平滑的Si1-xGex层依然太粗糙，以至于不能够在其上沉积用于特殊要求用途的基本没有缺陷的、光滑并且平坦的应变硅层。 
DE 102 007 019 565 A1公开了用于单面抛光具有松弛Si1-xGex层的半导体晶片的方法，其包括在多个抛光通道(pass)中抛光多个半导体晶片，其中一个抛光通道包括至少一个抛光步骤，在每个抛光通道的末端，多个半导体晶片中的至少一个获得抛光的Si1-xGeX层；在至少一个抛光步骤中通过对具有抛光垫的旋转抛光板施加抛光压力来使至少一个半导体晶片移动，且在抛光垫和至少一个半导体晶片之间提供抛光剂，其中供应的是含 有碱性成分和溶解锗的成分的抛光剂。 
含有锗并且在化学机械抛光的条件下硅被溶解后所留下来的粒子被认为是引起相对高的粗糙度以及在根据上述已知方法抛光后留下纳米划痕的原因。根据DE 102 007 019 565A1，其不足以例如在调整抛光垫的过程中机械地除去这些粒子。此外，有必要在抛光的过程中尽可能早的化学溶解这些粒子。 
本发明目的是提供DE 102 007 019 565A1所提出方法的替代方案。 
发明内容
该目的是通过单面抛光具有应变松弛的Si1-xGex层的半导体晶片的方法来实现的，该方法包括使用含有粒径为0.55μm或更小的固定粘结的研磨剂材料的抛光垫在抛光机中对半导体晶片的一面进行机械加工的第一步骤，该步骤是通过提供不含固体的抛光剂溶液进行的，以及使用抛光垫并且提供含有研磨剂材料的抛光剂浆料对该半导体晶片前面已经机械加工的那一面进行化学机械加工的第二步骤。 
具体实施方式
原则上，借助于抛光头，半导体晶片将要抛光的那一面区域(其具有Si1-xGex层)被相对于位于抛光板上的抛光垫压在一起。 
抛光头还包括横向围住基底并且防止其在抛光过程中从抛光头滑落的固定环。 
在现代抛光头的情况下，半导体晶片远离抛光垫的那一侧面具有传送所施加的抛光压力的弹性膜。该膜是形成气体或液体缓冲的可能细分的腔室体系的一部分。 
然而，还使用了用弹性支撑件(“背衬垫”)来代替膜的抛光头。该弹性支撑件通常应用于坚固制作的板(“背衬板”)上。在所述“背衬垫”和该晶片的后侧之间，可以任选在半导体晶片后侧上的不同区域上产生气垫。此外，还使用了借助于所谓“模板”，也就是借助于“背衬板”和应用于弹性支撑件(“背衬垫”)的固定环来抛光半导体晶片的抛光头。具有限定厚度的固定环确保了半导体晶片在抛光过程中保持其在载具中的位置。可以对所述固定 环的厚度进行选择，以使其比半导体晶片自身厚-这后来被称作所谓的“晶片悬挂不足(underhang)”-或者比半导体晶片自身薄，在这种情况下，涉及到所谓的晶片悬垂过度(wafer overhang)。 
该半导体晶片是通过在基底和抛光垫之间提供抛光剂，并且通过抛光头和抛光板的旋转来抛光的。 
在这种情况下，抛光头另外还可以在抛光垫上平移，从而更加综合地利用了抛光垫区域。 
此外，根据本发明的方法可以等同地在单板和多板抛光机上进行。 
使用优选具有两个、特别优选具有三个抛光板和抛光头的多板抛光机是优选的。在这种情况下还可以使用不同的抛光板和不同的抛光剂。 
本方法的第一步骤相应于使用含有粘结状态的极细研磨剂的抛光垫的机械超细研磨。该方法不同于在硅技术中部分地作为例如使用细粒度砂轮片的DDG(“双盘研磨”)步骤的常规单侧或双侧细研磨，因为：a)加工是在抛光机中进行的(不同的运动学，未提供研磨砂轮片)，并且b)在细研磨的情况下砂轮片与所使用的具有研磨剂材料的抛光垫相比具有显著较高的粒化度。用于半导体晶片表面研磨的方法和装置是已知的，例如从US5,400,548或者从EP 0955126可以获知。粒度(这些粒径是根据日本工业标准JIS R 6001：1998)为2000-8000目的砂轮片通常用于这些方法中。根据JIS标准，2000-8000目的砂轮片的平均粒径为1-7μm。对比起来，在根据本发明方法的第一个步骤中，小于或等于0.55μm的平均粒径则相应于JIS为10000目或更细的粒度。特别地，本发明的方法特别优选要求0.1-0.3μm的范围，该范围相应于15000-30000目(JIS)的粒度。 
第二步骤优选是常规的CMP抛光。 
根据本发明方法的第二步骤，抛光剂浆料中研磨剂材料的比例优选为0.25-20重量％，特别优选0.25-1重量％。 
研磨剂材料粒子的尺寸分布优选是单峰性质的。 
平均粒径是5-300nm，特别优选5-50nm。 
研磨剂材料包括机械去除基质材料的物质，优选是元素铝、铈或硅的氧化物中的一种或多种。 
含胶体分散硅酸(硅溶胶)的抛光剂浆料是特别优选的，例如，以牌号 “Glanzox 3900”为公众所知的抛光剂浆料。 
“Glanzox 3900”是由日本的Fujimi Incorporated以浓缩物提供的用于抛光剂浆料的产品名称。pH为10.5的浓缩物含有约9重量％的平均粒径为30-40nm的胶体SiO2。 
抛光剂浆料的pH值优选在9-11.5的范围内，并且该pH值优选通过添加剂如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)，氢氧化铵(NaOH)、氢氧化四甲铵(TMAH)或者这些化合物任意需要的混合物设定。使用碳酸钾是特别优选的。 
该抛光剂浆料可以进一步含有一种或多种其它添加剂，例如表面活性添加剂，例如润湿剂和表面活性剂，作为保护胶的稳定剂，防腐剂，生物杀灭剂，醇类和复合剂。 
根据本发明方法的第二步骤优选在含有固定粘结的研磨剂材料的抛光垫上进行。 
同样优选使用不含粘结研磨剂的常规可拆卸抛光垫。作为例子，典型的CMP抛光垫(“修饰垫”)例如来自 的SPM 3100适合于该目的。 
在第一步骤中时，该抛光垫优选是含有粒度为0.55μm或更小，特别优选0.1-0.55μm，尤其优选0.1-0.3μm的细研磨剂的抛光垫。 
特别优选在一个并且相同的抛光板上使用相同的抛光垫进行这两个步骤，这两个加工步骤的主要区别在于在第一步骤中加入了不含固体并且不含抛光化学试剂(其将引起化学变化，即，例如蚀刻研磨)的抛光剂溶液，也就是说，第一个步骤引起纯机械材料去除，而在常规CMP的第二步骤中加入了抛光剂浆料，即，第二步骤的加工意味着同时进行化学和机械去除。 
根据本发明方法的第一步骤的抛光剂溶液最简单的情况是水，优选是具有用于半导体工业的常规纯度的去离子水(DIW)。 
然而，该抛光剂溶液还可以含有化合物，例如碳酸钠(Na2CO3)，碳酸钾(K2CO3)，氢氧化钠(NaOH)，氢氧化钾(KOH)，氢氧化铵(NH4OH)，氢氧化四甲铵(TMAH)或者它们任意希望的混合物。使用碳酸钾是特别优选的。在这种情况下，抛光剂溶液的pH值优选在0-12.5的范围内，并且所提及的化合物在抛光剂溶液中的比例优选为0.01-10重量％，特别优选0.01-0.2重量％。 
该抛光剂溶液可以进一步含有一种或多种其它添加剂，例如表面活性添加剂，如润湿剂和表面活性剂，作为保护胶体的稳定剂，防腐剂，生物杀灭剂，醇类和复合剂。 
第一步骤涉及使用含有平均粒径为0.55μm或更小的粘结研磨剂材料的抛光垫，优选研磨剂具有大于或等于0.1μm并且小于或等于0.55μm的平均粒径，或者将其转换为另一种方式，根据JIS为30000-10000目。 
合适的研磨剂材料包括，例如元素铈、铝、硅、锆、铁、铬的氧化物的粒子，以及硬质材料如碳化硅、氮化硼和金刚石的粒子。 
特别优选的抛光垫具有由重复的微结构成型的表面构形。例如，这些微结构(“柱(post)”)具有圆柱的或者多边形横截面柱状物的形状，或者棱锥或截棱锥的形状。
对这样的也被称作FAP抛光垫(FAP＝“固定研磨剂抛光”)的抛光垫，其更详细的描述可以通过例如WO 92/13680 A1或者US 2005/227590A1获得。 
使用由氧化铝构成的研磨剂的抛光垫(棱锥形式的微重复结构)，0.3μm的平均粒径是特别合适的。这样的抛光垫可以从美国的3M Corp.得到。 
同样特别优选的是使用由金刚石构成、且平均粒径为0.1-0.55μm的研磨剂的抛光垫，由氧化铝(“白色氧化铝”)构成的、且具有0.1-0.55μm平均粒径的研磨剂的抛光垫，或者由碳化硅构成的(“绿色碳化硅”)、且具有0.1-0.55μm平均粒径的研磨剂的抛光垫。 
这种类型的抛光垫由例如Nihon Micro Coating Co.，Ltd.提供，但是其并非用于抛光硅或者硅-锗，而是特别用于抛光玻璃(LCD玻璃板/纤维光学件)。因此，这些抛光垫，除非按要求不同地生产，否则其具有不适合用于常规硅抛光机的尺寸和/或形状。然而，这可以通过将这些垫切割成一定的尺寸，并且粘附到例如FAP抛光垫上来进行修正，该FAP垫的最顶层，即具有微相重复结构(重复的微结构)的部件被预先除去。 
使用含有选自由金刚石、氧化铝和碳化硅组成的组中、并且平均粒径为0.1-0.55μm的研磨剂的抛光垫对硅-锗层进行机械加工，就其本性而言，被认为是新的和具有创造性的。 
已经显示了根据本发明的方法特别适合使具有高比例Ge的Si1-xGex层的平面化。具有高比例Ge的晶片越来越引起人们的注意，这是由于希望在 更大的程度上将特定的层结构沉积在这样的Si1-xGex层上的事实。 
通过本发明方法加工的半导体晶片优选是由具有应变松弛Si1-xGex层的单晶硅构成的晶片。 
Ge在应变松弛的Si1-xGex层中的比例优选至少20％，也就是说x是大于或等于0.2。 
Ge在由该方法加工的半导体晶片的应变松弛Si1-xGex层中的比例优选大于或等于20％，并且小于或等于80％。 
对于具有如此高比例Ge的晶片，常规的CMP抛光不足以达到要求的平面度、几何形状和纳米拓扑结构。然而，现在根据本发明的方法提供了对这方面的解决方案。 
作为本质上是机械超细研磨步骤的第一加工步骤，其使得能够达到必要的晶片几何形状，而接下来的化学机械加工步骤通过在机械超细研磨后降低粗糙度和消除晶片表面的缺陷，来具体影响Si1-xGex层的表面性能。 
尤其是已经显示，与不同的去除行为相关的硅和锗的不同性能具有化学的本性，其在本发明方法的第一步骤的纯机械去除中不起实际作用。这是令人意外的。其显示出该去除行为是显著地更加均匀地进行的。不能观察到Si和Ge的选择性去除。其它抛光化学试剂例如在现有技术中用于溶解锗的试剂(例如，过氧化氢、臭氧、次氯酸钠、高氯酸钠、氯酸钠或其它氧化剂)是不必要的，这使得与最接近的现有技术相比，本方法更加容易地控制并且更加节约成本。这样，本发明方法总体上导致了就表面几何形状和纳米拓扑结构而言的良好性能、良好的粗糙度和没有缺陷。 
如上所述，单板和多板两种抛光机都适合用来实施本发明的方法。 
作为例子，来自Strasbaugh Inc.的“nHance 6EG”型CMP机器是合适的。多板机例如来自Applied Materials Inc.的AMAT Reflection同样合适。 
来自Strasbaugh Inc.的抛光装置具有一个带抛光垫的抛光板和一个抛光头，其全自动地加工半导体晶片。抛光头是万向安装的，并且包括一个涂布了“背衬垫”的固定基板和可移动固定环。通过基板中的孔，可以在两个同心压力区，即内部区和外部区建立气垫，该半导体晶片在抛光过程中浮于所述气垫上。可以通过压缩气袋向可移动固定环施加压力，从而在与半导体晶片接触时预拉伸该抛光板，并且保持其平面。 
相比之下，AMAT Reflection具有三个抛光板，每个抛光板可以承载不同的抛光垫，并且包括承载多个抛光头的转动架，其相互之间固定排列并且各自接收半导体晶片。这些半导体晶片可以进一步从一个抛光板同步移动到下一个抛光板，并且在每种情况下都可以相继在三个抛光板中的一个抛光板上被加工。该抛光机包括5-区域的膜载具，其允许该载具的压力分布在五个区中不同地设置。 
抛光参数取决于用来进行本发明方法的抛光机。对于抛光半导体晶片领域的技术人员来说，常规抛光机的常规工艺设值是已知的。 
当使用AMAT Reflection抛光机时特别合适的工艺参数以及与如果使用nHance 6EG时所要选择的参数的主要差别显示如下。具体的参数范围详细说明了顺利实施根据本发明方法的可操作的工艺窗口，但其不以任何方式来限制本发明的一般概念。 
在根据本发明方法的第一和第二步骤中，AMAT Reflection的膜载具的优选压力分布在约3-约4psi。固定环的接触压力是7-8psi。 
当使用来自Strasbaugh Inc.的“nHance 6EG”型抛光机的时候，所选择的抛光压优选为3-7psi，特别优选6-7psi。 
研磨或抛光介质(水/抛光剂)的体积流速优选为约0.3-约1.0升/分钟。在Strasbaugh nHance 6EG的情况下，显著较高的高达3.0升/分钟的体积流速也是优选的。 
抛光时间优选在10秒至300秒的范围内。 
抛光板的旋转速度优选为60-200rpm。80-140rpm的范围是特别优选的。 

Claims (17)

1.用于抛光具有Si1-xGex应变松弛层的半导体晶片的方法，其包括使用含有粒径为0.55μm或更小的固定粘结的研磨剂材料的抛光垫在抛光机中对半导体晶片的Si1-XGex层进行机械加工的第一步骤，以及使用抛光垫及提供含有研磨剂材料的抛光剂浆料对该半导体晶片前面已经机械加工过的Si1-xGex层进行化学机械加工的第二步骤，其中根据该方法的第二步骤，研磨剂材料在抛光剂浆料中的比例是0.25-20重量%；并且，抛光剂浆料中的研磨剂材料的平均粒径是5-300nm，其中在该方法的第一步骤中使用了含有平均粒径大于或等于0.1μm、并且小于或等于0.55μm的粘结研磨剂的抛光垫。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据该方法的第二步骤，研磨剂材料在抛光剂浆料中的比例是0.25-1重量%。
3.根据权利要求1所述的方法，其中抛光剂浆料中的研磨剂材料的平均粒径是5-50nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中抛光剂浆料中的研磨剂材料包括元素铝、铈或硅的氧化物中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该抛光剂浆料含有胶体分散硅酸。
6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中该方法的第二步骤也在含有固定粘结的研磨剂材料的抛光垫上进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在该方法的第二步骤中，涉及到含有粒度为0.1-0.55μm的细研磨剂的抛光垫。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中在该方法的第二步骤中使用不含粘结研磨剂的可拆卸抛光垫。
9.根据权利要求7所述的方法，其中第一和第二加工步骤使用相同的抛光垫在抛光机的抛光板上进行。
10.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中机械加工的第一步骤是通过提供不含固体的抛光剂溶液进行的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中根据该方法第一步骤的抛光剂溶液是水。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述水是去离子水。
13.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中该抛光剂溶液含有选自以下的一种或多种化合物：碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲铵(TMAH)，其中所述化合物在抛光剂溶液中的比例是0.01-10重量%，并且，所述抛光剂溶液的pH值在10-12.5的范围内。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在该方法的第一步骤中使用了含有平均粒径大于或等于0.1μm、并且小于或等于0.3μm的粘结研磨剂的抛光垫。
15.根据权利要求1或14所述的方法，其中该抛光垫的研磨剂材料选自以下材料的粒子：碳化硅、氮化硼、金刚石及元素铈、铝、硅、锆、铁或铬的氧化物。
16.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中根据本发明方法加工的半导体晶片包括应变松弛的Si1-xGex层，其中x为大于或等于0.2。
17.根据权利要求1的抛光具有Si1-xGex应变松弛层的半导体晶片的方法用于机械加工硅-锗层的用途。
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