CN102034697A - 用于半导体晶片抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于抛光半导体晶片的方法，其使用包含结合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫，并且提供碱性抛光剂，其中抛光过程中抛光剂的体积流速大于或等于5升/分钟，并且抛光剂在抛光剂回路中循环。

Description

用于半导体晶片抛光的方法
技术领域
本发明涉及用于抛光半导体晶片的方法。
背景技术
半导体晶片、尤其是硅晶片、被用于制作诸如微处理器或存储芯片的大规模集成电子元器件。在此情况下，对于要在其上生产电子元器件的硅晶片的正面的平整度有特别的严格要求。在元器件制作期间，为了最大程度地减少硅晶片在曝光过程(平版印刷术)中和中间抛光处理过程(“化学机械抛光”，CMP)中的一些问题，这种要求很有必要。
对半导体晶片的表面进行抛光是为了实现从半导体晶片的表面除去材料的目的，以便形成尽可能均匀的平面表面。其结果是，可以除去不需要的表面形貌和表面缺陷，如粗糙表面、晶格损坏或划痕，并可为后续的进一步加工获得均匀的表面。
因此，根据现有技术，在研磨、清洗和蚀刻步骤后，半导体晶片的表面通过去除材料式抛光变得平滑。
在双面抛光(DSP)的情况下，半导体晶片被松散地引入到所谓的载体中，并在正面和背面上同时抛光，抛光的方式是借助于抛光溶胶，“自由漂浮”在抛光垫覆盖的上抛光板和下抛光板之间。支撑部件提供能将半导体晶片压在抛光支撑部件上的可控压力。
在现有技术中，通过晶片和抛光垫之间在压力下的相对运动以及所提供的抛光剂(浆液)进行抛光。抛光剂例如可以是胶态分散的二氧化硅溶胶。抛光垫不含研磨剂。然后，二氧化硅溶胶的机械研磨作用和碱性抛光剂的化学侵蚀的组合作用使材料得以清除，从而导致晶片表面变平滑。
硅晶片DSP的一个示范性实施方案已在US 2003054650A中公开。用于这类DSP抛光的合适装置已在DE 100 07 390A1中给出。
相比之下，在CMP抛光的情况下，只有正面被抛光，例如通过软抛光垫。
在传统的抛光剂制备方法中，抛光剂组分以浓缩液和/或固体得到。然而，固体一般要在用于单独的制备步骤之前用超纯水溶解。这些抛光剂组分和超纯水在主要的制备步骤中进一步处理，以形成成品的抛光剂或形成部分混合物。这样制得的溶液通常临时贮存在合适的容器中。待用的混合物通过环形管线输送给消耗装置。然后通过支线抽出抛光剂用于工艺步骤。随后丢弃用过的抛光剂。
传统上，除了胶态分散的二氧化硅溶胶还使用碱性缓冲液，例如K2CO3或KOH溶液。
在现有技术已知的应用中，人们怀疑碱性缓冲液会在半导体晶片上导致金属污染。
发明内容
本发明的目的是为了避免这一点。
本发明涉及用于抛光半导体晶片的方法，其使用含结合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫，并且提供碱性抛光剂，其中抛光过程中抛光剂的体积流速大于或等于5升/分钟，并且抛光剂在抛光剂回路中循环。
碱性抛光剂优选含有诸如以下化合物的超纯水或去离子水：碳酸钠(Na2CO)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、或这些化合物的任何所需混合物。
尤其优选使用TMAH。
抛光剂的pH值优选10～12。
抛光剂溶液中所述化合物的比例优选为0.01～10wt％，尤其优选0.01～0.2wt％。
抛光剂溶液可以进一步含有一种或多种其它的添加剂，例如诸如润湿剂和表面活性剂的表面活性添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、防腐剂、抗微生物剂、醇和络合剂。
在此情况下，抛光剂中不含固体。
抛光剂还可以是含研磨剂的悬浮液。
抛光剂悬浮液中研磨材料的比例优选为0.25～20wt％，尤其优选0.25～1wt％。
研磨物颗粒的粒径分布优选明显为单峰的。
平均粒径为5～300nm，尤其优选5～50nm。
研磨材料优选由一种或多种以下元素的氧化物组成：铝、铈或硅。
尤其优选含有胶态分散的氧化硅的抛光剂悬浮液。
硅晶片或者可以借助抛光头将待抛光侧面压在抛光板上的抛光垫上，并以这种方法进行抛光，或者，以载体引导的方式进行自由漂浮式双面抛光。
在用抛光头抛光情况下，后者还优选包括从侧面包围基底，并防止其在抛光过程中从抛光头滑脱的固定环(retainer ring)。
在新型的抛光头中，远离抛光垫的硅晶片侧面位于传递所施加抛光压力的弹性膜上。该膜是可能再分为形成气体或液体缓冲体的室系统的一部分。
然而，抛光头还可以用于用弹性支架(“背垫”)代替膜的应用。
通过使用在基底和抛光垫之间提供的抛光剂，并且旋转抛光头和抛光板来抛光基底。
在此情况下，抛光头还可以另外被平移到抛光垫上，由此实现抛光垫区域的更综合的利用。
根据本发明的方法可以在单板和多板抛光机上同样进行；以单面和双面的抛光方法的两种形式均可。
优选的是，采用优选具有两个、尤其优选具有三个抛光板和抛光头的多板抛光机。
在根据本发明的方法中，使用含结合在抛光垫(FAP或FA垫)中的研磨材料的抛光垫。
合适的研磨材料包括，例如，元素铈、铝、硅、锆的氧化物的颗粒，和诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬物质颗粒。
尤其合适的抛光垫具有通过复制微结构而成型的表面形貌。这些微结构(柱)具有例如圆柱形或多边形截面的柱子形状，或锥体或截锥体的形状。
例如，在WO 92/13680A1和US 2005/227590A1中有这类抛光垫的更详细说明。
所用的FAP抛光垫的粒径优选大于或等于0.1μm，且小于或等于1.0μm。
原则上，抛光剂优选被引导通过抛光机，并且通过环形管线(抛光剂回路)循环。
抛光剂回路中循环的介质优选为冷却过的。冷却优选通过结合在抛光剂回路中的热交换器组件进行。
在抛光机附近，抛光剂优选通过分配器单元抽出，然后在抛光垫和半导体晶片之间引入。
所用抛光介质的流速优选通过如下的测量及调节回路来设定：通过带执行阀或针阀的流量控制器、或通过计量泵来设定抛光介质的流量。所述阀通过改变管线直径进行设定。例如，通过叶轮流量计测量流速。不用说，可以并且优选通过合适的软件来进行自动控制。
用这种方法调节的可以包括研磨抛光剂组分、溶液和水的介质可以被引导到混合单元(例如含静态混合元件的管)中，抛光剂在该混合单元中混合。
然后，可以将用这种方法混合的抛光剂首先引到保持站(holdingstation)中，或直接引导到保持容器中，所述保持容器用作循环保持容器和可能用于添满抛光剂的容器。
抛光剂优选从保持容器、通过环形管线输送到一个或多个消耗装置，并通过支线输送到抛光机。
没有使用的抛光剂流回到保持容器，并通过环形管线再次输送到一个或多个消耗装置。
抛光过程中消耗掉的抛光剂通过合适的收集系统收集，并通过管线系统返回到保持容器中。所述管线系统优选提供排出口，即，优选移出一部分消耗掉的抛光剂，并不返回到保持容器中。然后将相应量的未消耗的新鲜抛光剂输入到保持容器。
相应地，优选将一定部分的已经用过的抛光剂总是用新鲜的抛光剂取代。
优选地，用抛光剂的碱性组分添满所述的抛光剂。
优选地，保持容器中抛光剂的pH值总是通过在线分析来进行监测。如必要，通过排出消耗掉的抛光剂并在保持容器中添满抛光剂，相应地矫正pH值，优选为通过输入碱性溶液。
优选将保持容器的填充水平总保持在特定的最低水平。这通过相应地制备新鲜的抛光剂可以得到保证。
在根据本发明的方法中，优选在保持容器中收集限定量或浓度的抛光剂，然后重新使用，用新鲜的抛光剂替换限定量的消耗掉的抛光剂。进行的方法为首先制备新鲜的抛光剂，在其用过一次后，就将其引导到保持容器中。如果保持容器中的填充水平达到其最高水平，则处理方法完全改变为已使用过一次、且位于收集容器中的抛光剂上。取决于具体的应用，根据介质损耗/漂洗损耗、净化速度等结果，保持容器中的填充水平会下降。当保持容器中特定的填充水平达到时，或预先确定的使用期限或特定的晶片数量达到后，已经使用过一次或多次的抛光剂被从供应容器加入的新鲜抛光剂添满。
适合于实施本方法的是半导体晶片用抛光装置，该装置具有能够在量和浓度的特定界限内替换抛光剂的手段。这类抛光装置优选具有至少一个用于已经使用的抛光剂的保持容器和一个用于新鲜抛光剂的容器，以及用于排出已消耗的抛光剂和添加新鲜抛光剂的手段。
用于半导体晶片的一种优选的抛光装置是带有调节器的一种，抛光剂根据化学消耗进行补充。这可通过这样的装置来实现，该装置在流出的抛光剂流中确定抛光方法过程中的化学消耗，然后相应地补给新鲜的抛光剂或特定的抛光剂组分。例如，化学消耗可通过电极确定。
用于半导体晶片的进一步优选抛光装置具有排出和替换限定量或浓度的抛光剂的手段。例如，这些手段为商业途径可得到的测量系统和泵。
用于半导体晶片的进一步优选抛光装置具有在保持容器中收集限定量或浓度的抛光剂以进行再利用的手段，以及用限定量的新鲜抛光剂替换已消耗抛光剂的手段。
本发明的优势在于以下的事实，即使在抛光剂再生的情况下，抛光剂的组成也能保持稳定。
抛光磨损速度实际上保持不变，并且不必重新调整抛光时间，在这样情况下，抛光时间也保持不变，并且例如就所要求的厚度而言可实现更好的质量。
根据本发明，使用大于或等于5升/分钟的相对较高的体积流速。优选地，抛光剂的体积流速为5～10升/分钟，特别优选5～9升/分钟，尤其优选6～8升/分钟。相对较高的体积流速可导致半导体晶片及其紧邻处有更好的散热，即抛光剂和抛光垫散热更好。
就过程优化、方法开发和方法扩充中的参数和变化而言，本发明可带来更高的灵活性。通过使用与方法相关的测量数据，本发明可以改变所述抛光剂的组成。
优选地，在要求三种介质的抛光顺序中，例如，所有三种介质都可以以所描述的方式重新使用、添满和/或更新。
由于本方法技术的预防措施，尤其是因为实际上含关键碱性组分的抛光剂是连续循环、添满和更新的，所以可以减少半导体晶片块体的金属污染物的进入。尤其关键的金属是铜和镍。
抛光剂的循环使用使得使用诸如TMAH的纯碱性介质也是经济的，这还可以进一步减少金属污染。
最后，通过冷却抛光剂回路，可以降低金属离子的扩散速率。

Claims (10)

1.一种用于抛光半导体晶片的方法，该方法使用含结合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫，并且提供碱性抛光剂，其中在抛光过程中所述抛光剂的体积流速大于或等于5升/分钟，并且该抛光剂在抛光剂回路中循环。
2.权利要求1的方法，其中所述碱性抛光剂为含诸如以下化合物的超纯水：碳酸钠(Na2CO)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、或这些化合物的任何需要的混合物。
3.权利要求1的方法，其中所述碱性抛光剂包括以下悬浮液，所述悬浮液含有选自元素铝、铈或硅的氧化物的一种或多种的研磨剂。
4.权利要求2或3的方法，其中所述抛光剂的pH值为10～12。
5.权利要求1～4之一的方法，其中所述抛光剂包括胶态分散的二氧化硅和TMAH。
6.权利要求1～5之一的方法，其中所述抛光垫包括研磨剂，所述研磨剂选自元素铈、铝、硅、锆的氧化物的颗粒，或诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬物质颗粒，并且其平均粒径大于或等于0.1μm，且小于或等于1.0μm。
7.权利要求1～6之一的方法，其中所述碱性抛光剂在抛光介质回路中循环，并且在其中冷却。
8.权利要求1～7之一的方法，其中以通过化学消耗进行调节的方式，补充限定量或浓度的抛光剂。
9.权利要求1～8之一的方法，其中将限定量或浓度的用过的抛光剂排出，并再次用新鲜的抛光剂将其替换。
10.权利要求1～9之一的方法，其中在保持容器中收集限定量或浓度的抛光剂，然后重新使用，其中限定量的已消耗的抛光剂用新鲜的抛光剂替换。
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