CN102059640B - 用于抛光半导体晶片的方法 - Google Patents

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Abstract

用于抛光半导体晶片的方法，包括使用抛光垫对半导体晶片第一面进行FAP(固定研磨剂抛光)，所述抛光垫包括平均粒径为0.1～1.0μm的固定接合的研磨剂，向FAP抛光的半导体晶片第一面涂敷厚度至多为3μm的胶合层，通过FAP抛光的第一面将半导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且还对半导体晶片的第二面进行单面化学机械抛光。

Description

用于抛光半导体晶片的方法
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
CMP是通常用于降低半导体晶片正面粗糙度的单面抛光方法。因此也称为镜面抛光。CMP过程中，半导体晶片要抛光的面通过旋转的抛光头压在旋转的抛光垫上，并在存在提供的抛光剂时进行平滑处理。除了其它因素，抛光过程中产生的材料去除取决于半导体晶片压在抛光垫上的压力。还有可能在不同的区域选择不同的抛光压力，从而产生能带来不均匀轮廓的材料去除，如果认为材料去除是沿着半导体晶片的直径的。可以借助压力室或压力环建立起压力区域。举例而言，US5,916,016描述了能再分到压力区域中的含载具的抛光头。相应地CMP也可以用于以目标方式影响半导体晶片的几何结构，也就是说影响描述局部和全局平整度的半导体晶片的参数。例如CMP方法在US2002-0077039以及US2008-0305722中公开。
除了CMP，DSP（双面抛光）也在半导体晶片的抛光中起重要作用。在DSP过程中，通常多个半导体晶片同时抛光。DSP过程中，半导体晶片位于载盘切口中配备有抛光垫的两个抛光板之间，并且借助于所提供的抛光剂在两个面上抛光。特别地，DSP的任务是通过半导体晶片打磨和/或研磨减少成型机械加工后遗留在表面区域中的破坏情况。DSP过程中的材料去除，通常总体去除10～30μm，明显大于CMP的情况。因此，DSP也常常称为材料去除抛光。
此外，所谓的“固定研磨剂抛光”（FAP）技术已经为人所知，在该技术中半导体晶片在含接合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫（“固定研磨剂垫”）上抛光。其中使用这类FAP抛光垫的抛光步骤在下文中简称为FAP步骤。
德国专利申请DE102007035266A1描述了用于抛光由硅材料构成的基底的方法，包括两个FAP类型的抛光步骤，其不同之处在于，在一个抛光步骤过程中，含有未结合的研磨材料的抛光剂浆液作为固体材料引入到基底和抛光垫之间，而在第二抛光步骤过程中，用没有固体的抛光剂溶液代替抛光剂浆液。
通常通过DSP抛光的半导体晶片的厚度朝边缘方向明显降低。该边缘下降（roll-off）可能在边缘区域不利地影响全局平整度和局部平整度。因此，希望尽可能将边缘下降限制在边缘排除区域。
一组多个半导体晶片的单面抛光（“单面批量抛光”）过程中，半导体晶片通过一个面安装到载板的正面上，其方法包括借助在该面和载板之间产生的正锁定（positively locking）和强锁定（force locking）连接，例如通过粘接、粘合、胶合或利用真空。
在载板和半导体晶片之间产生粘合连接的方法见述于DE19816150A1。
应当指出，所有已知类型的粘合连接和固定方法在下文中用“胶合的”和“胶合在...上”以及“胶合”表达。
通常，半导体晶片应这样安装到载板上，也即其方式应能使半导体晶片形成同心环或同心环的图案。然而，也有其中仅一个单独的半导体晶片安装到载板上的抛光方法。载板的背面通过加压柱塞支撑，在下文中称为抛光头。安装之后，自由的晶片面以特定的抛光力压在抛光板上，抛光垫在抛光板上展开，用提供的抛光剂进行抛光。在此情况下，载板和抛光板通常以不同的速度旋转。必要的抛光力从抛光头传递到载板的背面。许多使用的抛光机这样设计，也即应能使其有多个抛光头并且可以相应地容纳多个载板。例如，这种类型的抛光机见述于文献US5908347。
批量方法中的该单面抛光（SSP）过程中，会发生典型的局部几何结构缺陷，称为“下降（roll off）”。这是在半导体晶片前侧面的边缘下降，其位置在相对载板朝向外面的地方，也就是说在离载板边缘距离最短的地方。在其中仅有一个相应的半导体晶片安装到载板上的情况下，也可以类似地发生边缘下降，然而，并不限于发生在半导体晶片的一个位置上，而是可能发生在晶片的整个周边。
根据现有技术，通过在径向外区适当调节抛光垫，可以将该几何结构缺陷将至最低。例如，垫的这类调节见述于JP11-226860A。然而，该方法不能够完全消除边缘下降。
US2003/0022495A1提出，为了减少边缘下降，首先抛光半导体晶片的背面，使其能产生一个基准面。为了此目的，将其正面吸（“夹”）到硬的载具上，并在其背面完成材料去除，所述材料去除优选累计为3～8μm。此后，抛光半导体晶片的正面。
以前没有公开过的文献参考号为102008045534.2的德国专利申请，公开了用于抛光半导体晶片的方法，包括通过CMP抛光半导体晶片的背面，其中产生沿半导体晶片直径轮廓的材料去除，根据该去除在背面的中心区域比背面的边缘区域材料去除得更多；以及通过CMP抛光半导体晶片的正面，其中产生沿半导体晶片直径轮廓的材料去除，根据该去除在正面的中心区域比正面的边缘区域材料去除得更少。
该方法的不利之处在于，正面的CMP抛光过程中，半导体晶片的背面是CMP抛光的，因此其具有非常光滑表面，当半导体晶片通过其背面固定在载具上时，就防止半导体晶片在抛光过程中由此漂离而言，这会导致问题。
该问题领域导致产生了本发明的所述目的。
发明内容
通过根据权利要求1的方法可实现此目的。
本发明要求，首先使用抛光垫进行一个面的抛光，所述抛光垫包括固定接合的平均粒径为0.1～1.0μm的研磨剂，其目的是设定抛光面的规定表面粗糙度，该规定表面粗糙度大于CMP抛光之后得到的表面粗糙度，随后通过已用该方法抛光的面将半导体晶片固定到抛光机的载板上，其中使用厚度至多为3μm的均匀的薄胶合层来固定，并且最后使半导体晶片的非抛光面经过抛光。
具体实施方式
在用于生产半导体晶片的程序中，该方法优选如下集成：
在机械方法步骤（研磨或打磨）和化学方法步骤（清洗或蚀刻）之后，首先如上所述完成半导体晶片正面的FAP抛光，通过其正面将半导体晶片胶合到载板上，并且实现半导体晶片背面的化学机械抛光。
此后，半导体晶片的背面经过FA抛光并且半导体晶片通过其背面胶合在载板上，最后，半导体晶片的正面经过传统的CMP抛光。
已经发现优选半导体晶片的两个面进行顺序抛光。半导体晶片的两面可以针对其几何结构以目标方式通过顺序抛光彼此协调。用于相应抛光步骤的载板具体形状（凹面、凸面、平面）的选择在此作为示例提及。
因此可以避免现有技术中观察到的不利的边缘对称，例如利用行星齿轮运动、抛光浆液（硅溶胶）、和传统抛光垫常规双面抛光后形成的边缘下降。
作为特别优选可以提及的是，有可能在例如半导体晶片背面的第一抛光步骤之后完成几何结构的测量，以及相应地用于例如在半导体晶片的正面上第二抛光步骤的方法优化，以及例如相应地协调由此形成的载板的选择。
首先实现的FA抛光步骤使得可以在要胶合的半导体晶片部位上实行一种粗糙化，用此方法抛光的表面因其极其均匀的表面粗糙度而显得不同，但粗糙度窗口相对于小于或等于250μm的空间波长范围，相对较宽，大约为0.3nm～4.5nm RMS。这一点从文献参考号为102009030295.6的德国专利申请可以知道，该文献以前没有公开过，在此引入作为参考。
已经表明，用该方法表面粗糙化的结果是，半导体表面与胶合薄膜之间的实际接触表面区域增加了，结果是，粘合力（范德华力）也相应地提高了。
这使半导体晶片可以固定地通过薄胶合层固定，而不会有漂浮的危险。
在背表面纯机械处理的情况下，例如在研磨或打磨后，抛光过程中映射到半导体晶片正面上的表面粗糙度过高的危险会增加。FAP抛光会降低表面粗糙度，但没有CMP抛光这样大的幅度。
薄胶合层对半导体晶片的几何结构有正面的效果，因为半导体晶片可以更好地承载在优选的几何结构已优化的载板表面上，并且没有因胶合层本身不均匀造成的其它高度变化差异。
原则上，在此描述的方法当然也可以作为单面抛光实施，其中，相应地，晶片背面通过FAP抛光，而晶片正面通过提供抛光浆液实施单面抛光（CMP仅对正面）。
也应当指出，与FAP抛光处理一起，也总应该在其后实施晶片清洗，以消除可能的颗粒污染，这由变粗糙的要胶合的晶片面所引起，因为否则会有生产凹痕的危险。
FAP抛光过程中使用含接合在抛光垫（FAP垫）中的研磨材料的抛光垫。
例如，合适的研磨材料包括元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒，以及诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬材料颗粒。
尤其合适的抛光垫具有通过复制的微观结构成型的表面形貌。这些微观结构（“柱”）具有，例如，圆柱形或多边形截面的柱子形式或锥体或截锥体的形式。
例如，在WO92/13680A1和US2005/227590A1中有这类抛光垫的更详细说明。
特别优选使用含铈氧化物颗粒的抛光垫；也可参考US6602117B1以及其中描述的抛光垫。
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。
如果要求30～45埃的高背面粗糙度，优选使用粒径为0.5～1.0μm的FAP垫。
如果要求3～10埃的低背面粗糙度，优选使用粒径为0.1～0.25μm的FAP垫。
因此可以通过FAP抛光建立规定的表面粗糙度。
抛光机的载板或抛光板涂敷累计0.5～3.0μm的薄胶合层，优选0.5～2.0μm，尤其优选0.5～1.5μm。
用于胶合以及适合胶合蜡的方法见述于US4316757。
举例来说，South Bay Technology,Inc.的MWM070或MWH135蜡适合用作胶合蜡（“安装蜡”）。
使用之前，蜡用合适的溶液液化。
然而，也可以如下制备各个胶合溶液：
将马来树脂溶解于醇中。优选多元醇用于此目的。优选加入诸如结晶紫的三苯甲烷染料。进一步优选的添加剂为氨、IMBENTIN T/400G（有40个环氧乙烷单元的乙氧基化三癸醇，可从Dr.W.Kolb AG,Hedingen,Switzerland获得）以及超纯水。已经发现，若胶合溶液有大约30mm2/s的粘度则具有优势。
载板上涂敷胶合溶液，并且使载板旋转几秒，优选8～12秒，转速为300～400rpm，从而在载板上形成均匀的薄膜。随后加热含蜡溶液的载板，结果溶剂蒸发，例如，从US5,256,599所知。
先前FAP抛光的半导体晶片的面压到此胶合层上。
然后，抛光垫压在半导体晶片上，用抛光头抛光半导体晶片的另一面，其中抛光头和抛光板在旋转。
该抛光可以为去除材料的单面抛光，包括提供抛光浆液（硅溶胶）并且使用材料去除抛光垫。
所述抛光还可以为CMP抛光，使用更软的无雾抛光垫，包括提供抛光剂（例如胶态分散硅溶胶）。
抛光之后，如现有技术中所知，对半导体晶片进行脱胶和清洗，例如通过15%浓度的蚁酸或ICB GmbH&Co.KG,Berlin的Puratron-11和Puratron-67，特别用于除去可能的颗粒杂质（胶合残留物）。
FAP抛光优选分三个步骤实现。因此可以在宽的粗糙度范围内甚至更好地调整半导体晶片的FAP抛光面所要求的粗糙度。
在第一步骤中，在此情况下，通过提供不含固体的抛光剂实现FAP抛光，而在第二和第三步骤中则提供含研磨剂的抛光剂。在每一情况下，抛光剂都引入到抛光垫与要抛光的半导体晶片的面之间。在第一和第二步骤中，抛光压力（含抛光垫的抛光头压到半导体晶片上的压力）为8～15psi，在第三步骤中压力则减至0.5～5psi。
通过三个步骤中这样的FAP抛光，可以产生根据Chapman（含250μm的过滤器）为3～45埃的平均表面粗糙度Ra。其涵盖的范围为DSP/CMP方法所能得到的10倍以上。
有各种类型的抛光机适合用于实施本方法，例如Applied Materials Inc.的“反射”类型的3板单面抛光机，或Peter Wolters的“Apollo”型的2板抛光机，或Strasbaugh的“nHance(6EG)"型的1板抛光机。
FAP抛光之后，半导体晶片在FAP抛光的面上，相对小于或等于250μm的空间波长，优选有0.3～4.5nm的平均表面粗糙度Ra。
在最简单情况下，在根据本发明的方法中，半导体晶片各个面，例如背面，在FAP抛光第一步骤中的抛光剂溶液为水，优选有硅工业中常用纯度的去离子水（DIW）。
然而，抛光剂溶液还可以含有诸如以下的化合物：碳酸钠（Na2CO3）、碳酸钾（K2CO3）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化铵（NH4OH）、四甲基氢氧化铵（TMAH）或其任何希望的混合物。
尤其优选使用碳酸钾。
在此情况下，抛光剂溶液的pH值为10～12，并且所述化合物在抛光剂溶液中的比例优选为0.01～10重量%，尤其优选0.01～0.2重量%。
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化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。
含研磨剂的抛光剂用于半导体晶片各个面如背面的FAP抛光的第二步骤中。
抛光剂浆液中研磨材料的比例优选为0.25～20重量%，尤其优选0.25～1重量%。
研磨材料颗粒的粒径分布优选实际上为单峰的。
平均粒径为5～300nm，尤其优选5～50nm。
研磨材料由能机械去除基底材料的材料组成，优选一种或多种元素铝、铈或硅的氧化物。
特别优选含有胶态分散氧化硅的抛光剂浆液。
在各个面如背面的FAP抛光第二步骤中，与第一步骤相比，优选没有加入诸如以下的添加剂：碳酸钠（Na2CO3）、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）。
然而，抛光剂浆液可以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化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。
含研磨剂的抛光剂类似地用于半导体晶片各个面如背面的FAP抛光的第三步骤中。
与第一和第二步骤相比，抛光压力从8～15psi降至0.5～5psi。
抛光剂浆液中研磨材料的比例优选为0.25～20重量%，尤其优选0.25～1重量%。
研磨材料颗粒的粒径分布优选实际上为单峰的。
平均粒径为5～300nm，尤其优选5～50nm。
研磨材料由能机械去除基底材料的材料组成，优选一种或多种元素铝、铈或硅的氧化物。
特别优选含有胶态分散氧化硅的抛光剂浆液。
在晶片各个面如背面的FAP抛光第三步骤中，与第一步骤相比，优选没有加入诸如以下的添加剂：碳酸钠（Na2CO3）、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）。
然而，抛光剂浆液可以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化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。

Claims (10)

1.用于抛光具有第一面和第二面的半导体晶片的方法，其包括使用抛光垫对半导体晶片第一面进行FAP（固定研磨剂抛光），所述抛光垫包括平均粒径为0.1～1.0μm的固定接合的研磨剂，向FAP抛光的半导体晶片第一面涂敷厚度至多为3μm的胶合层，随后通过包括胶合层的FAP抛光第一面将半导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且还对半导体晶片的第二面进行单面化学机械抛光。
2.权利要求1的方法，其中半导体晶片第二面的化学机械抛光为CMP抛光。
3.权利要求1或2的方法，其中，在实施第一面的FAP之前，首先使用抛光垫使半导体晶片的第二面经过FAP，所述抛光垫包括平均粒径为0.1～1.0μm的固定接合的研磨剂，向FAP抛光的半导体晶片第二面涂敷厚度至多为3μm的胶合层，通过FAP抛光的第二面将半导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且对半导体晶片的第一面实施化学机械抛光。
4.权利要求1或2的方法，其中半导体晶片第一面或第二面的FAP抛光在每种情况下都分三个步骤实现，并且在所有三个步骤过程中每种情况都使用含接合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫，并且以抛光压力将其压到半导体晶片的背面上，其中抛光剂在第一步骤中不含固体，而第二和第三步骤中抛光剂含研磨材料，在抛光垫与半导体晶片要通过FAP抛光的那一面之间引入所述抛光剂，其中第一和第二步骤中为8～15psi的抛光压力在第三步骤中减至0.5～5psi。
5.权利要求4的方法，其中抛光半导体晶片背面的第一步骤过程中的抛光剂溶液含去离子水（DIW）。
6.权利要求5的方法，其中抛光剂溶液含有以下的化合物：碳酸钠（Na2CO3）、碳酸钾（K2CO3）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化铵（NH4OH）、四甲基氢氧化铵（TMAH）或它们的任何希望的混合物。
7.权利要求4的方法，其中第二抛光步骤中的抛光剂浆液包括元素铝、铈或硅的氧化物中的一种或多种的颗粒。
8.权利要求1或2的方法，其中用于背面抛光的抛光垫含有固定接合的研磨材料，其形式为元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒，或碳化硅、氮化硼和金刚石的硬材料颗粒。
9.权利要求1或2的方法，其中胶合层的厚度为0.5～2.0μm。
10.权利要求1或2的方法，其中胶合层的厚度为0.5～1.5μm。
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