CN102069448B - 半导体晶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造半导体晶片的方法，其包括：(a)利用包含磨料的研磨圆盘对半导体晶片进行边缘导圆；(b)在2个加工圆盘之间对半导体晶片同时进行双面去除材料式加工，每个加工圆盘具有包含磨料的加工层；(c)在2个加工圆盘之间对半导体晶片同时进行双面去除材料式加工，每个加工圆盘具有包含磨料的加工层，磨料的粒径小于步骤(a)中采用的粒径；(d)利用包含磨料的研磨圆盘对半导体晶片进行边缘导圆，磨料的粒径小于步骤(a)中采用的粒径；(e)用蚀刻介质处理半导体晶片的两面；(f)利用包含磨料的抛光垫对半导体晶片的至少一面进行抛光；(g)对半导体晶片的边缘进行抛光；(h)至少对正面进行化学机械抛光。

Description

半导体晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体晶片的制造方法。
背景技术
根据现有技术，半导体晶片在多个连续的加工步骤中制造，其通常可以划分成以下的组：
a)制造半导体材料的单晶(拉晶)；
b)将半导体单晶切割成单个晶片(“切片”、“锯割”)；
c)机械加工半导体晶片；
d)化学加工半导体晶片；
e)化学机械加工半导体晶片；
f)热处理半导体晶片和/或外延涂覆半导体晶片。
此外还有许多二次步骤，如清洁、测量和包装。
通常通过从熔体拉伸单晶(CZ法或Czochralski法)或者通过多晶半导体材料的棒材的再结晶(FZ法或浮区法)来制造半导体单晶。
已知钢丝锯割(多线切割，MWS)以及内径锯割作为切割法。
在钢丝锯割中，在一个加工过程中从一个晶体块切割成许多半导体晶片。
机械加工用于去除锯割波纹，用于去除掉通过更粗糙的锯割过程在结晶方面损伤的或者被锯线污染的表面层，主要是用于半导体晶片的整体找平。在此已知表面研磨(单面、双面)及精研，以及边缘机械加工步骤。
在单面研磨中，将半导体晶片的背面放置在底座(卡盘chuck)上，并用罐式研磨圆盘(Topfschleifscheibe)在旋转底座和研磨圆盘及缓慢地径向进给的情况下对正面进行找平。例如US-3,905,162及US-5,400,548或者EP-0955126公开了用于对半导体晶片进行表面研磨的方法和装置。在此情况下，将半导体晶片的一个表面固定在晶片保持器上，同时通过旋转晶片保持器和研磨圆盘及将其彼此压紧，而用研磨圆盘加工其相对的表面。在此，将半导体晶片固定在晶片保持器上，从而使其中心基本上对应于晶片保持器的旋转中心。此外，定位研磨圆盘，从而使半导体晶片的旋转中心到达加工区域内或者研磨圆盘的由齿形成的边缘区域。由此可以研磨半导体晶片的整个表面，无需在研磨平面内移动。
在同时进行双面研磨(双圆盘研磨，DDG)时，将半导体晶片以自由浮动的方式在两个安装在相对的共线的转轴上的研磨圆盘之间同时进行双面加工，并在此以基本上无约束力的方式在作用在正面和背面上的水垫(流体静力学原理)或气垫(空气静力学原理)之间轴向通过，并避免在径向上由周围的薄的引导环或者各个径向轮幅松散地由此漂移。
在精研的情况下，半导体晶片在上下加工圆盘之间引入包含研磨剂的悬浮液(浆料)的情况下在特定压力下移动，加工圆盘通常由钢组成并通常具有用于更佳地分配精研剂的槽，从而去除半导体材料。
DE 10344602A1和DE 102006032455A1公开了以类似于精研的移动顺序同时同步研磨多个半导体晶片的两面的方法，但是其特征在于，使用牢固地粘结在加工层(“薄膜”、“垫”)中的研磨剂，其施加在加工圆盘上。此类方法称作“以精研运动学的精细研磨”或“行星式研磨(Planetary Pad Grinding，PPG)”。
例如US 6,007,407A和US 6,599,177B2描述了在PPG中采用的粘结在两个加工圆盘上的加工层。在加工期间，将半导体晶片插入薄的引导笼即所谓的载体圆盘中，其具有用于接收半导体晶片的相应的开口。该载体圆盘具有外啮合(Auβenverzahnung)，其啮合在包含内部和外部的齿轮圈的滚动装置中，并利用所述滚动装置在上下加工圆盘之间形成的加工间隙中移动。
通常还对包含任选存在的机械标记如取向刻痕(notch)的半导体晶片的边缘进行加工(边缘倒圆，边缘刻痕研磨“edge-notch-grinding”)。为此采用具有压型研磨圆盘的传统研磨步骤或者具有连续或周期性的工具进给的带式研磨法。
需要这些边缘倒圆法，因为未经加工的状态下的边缘具有特别的断裂敏感性，而即使在边缘区域内的轻微的压力和/或温度负荷也会损害半导体晶片。
在后续的加工步骤中，通常对经研磨的、用蚀刻介质处理过的晶片边缘进行抛光。在此，以特定的力(压紧力)将绕其中心旋转的半导体晶片的边缘压在绕其中心旋转的抛光滚筒上。US 5,989,105公开了用于边缘抛光的此类方法，其中抛光滚筒由铝合金组成，并将抛光垫施加在其上。半导体晶片通常固定在平面的晶片保持器，即所谓的卡盘上。半导体晶片的边缘凸出于卡盘，从而使其自由地到达抛光滚筒。
化学加工步骤的组通常包括湿式化学的清洁步骤和/或蚀刻步骤。
化学机械加工步骤的组包括抛光步骤，其中通过部分化学反应和部分机械去除材料(磨削，Abrasion)而使表面光滑化，并去除表面的残留损伤。
单面加工的抛光法(single-side polishing)通常导致更差的平面平行度，而利用双面作用的抛光法(double-side polishing)可以制造具有改善的平面度的半导体晶片。
根据现有技术，在研磨步骤、清洁步骤和蚀刻步骤之后，通过去除材料式抛光对半导体晶片的表面实施光滑化。在单面抛光(SSP)的情况下，在加工期间利用粘合剂、通过真空或者通过粘结将半导体晶片的背面保持在载体圆盘上。在双面抛光(DSP)的情况下，将半导体晶片松散地插入薄的齿盘中，并在覆盖有抛光垫的上下抛光圆盘之间以“自由浮动”的方式同时对正面和背面进行抛光。
此外，半导体晶片的正面通常以无光雾的方式例如利用柔软的抛光垫借助碱性抛光溶胶进行抛光。在文献中通常将该步骤称作CMP抛光(化学机械抛光)。例如US 2002/0077039和US 2008/0305722公开了CMP法。
在现有技术中同样已知所谓的“固定磨料抛光(Fixed AbrasivePolishing，FAP)”技术，其中硅晶片在抛光垫上进行抛光，但是该抛光垫包含粘结在抛光垫中的研磨剂(固定磨料垫“fixed-abrasive pad”)。下面将其中采用该FAP抛光垫的抛光步骤简称为FAP步骤。
WO 99/55491A1中描述了一种两步抛光法，其包括第一FAP抛光步骤及后续的第二CMP抛光步骤。在CMP中，抛光垫不包含粘结的研磨剂。在此，如同DSP步骤，研磨剂以悬浮液的形式引入硅晶片与抛光垫之间。该两步抛光法尤其是用于消除由FAP步骤残留在经抛光的基底表面上的刮痕。
德国专利申请DE 102007035266A1中描述了一种用于抛光由硅材料组成的基底的方法，其包括2个FAP型抛光步骤，区别在于，在一个抛光步骤中将包含固体形式的未粘结的研磨剂的抛光剂悬浮液引入基底与抛光垫之间，而在第二抛光步骤中用不含固体的抛光剂溶液替换抛光剂悬浮液。
半导体晶片通常设置有外延层，即以相同晶体取向单晶生长的层，随后在其上施加半导体元件。与由均质材料组成的半导体晶片相比，此类经外延涂覆的半导体晶片具有特定的优点，例如避免在双极CMOS电路中的电荷反转及随后的元件短路(闩锁“Latch-up”问题)，更低的缺陷密度(例如减少的COP(晶体原生颗粒，crystal-originated particles)数量)，以及不存在明显的氧含量，由此通过在与元件相关的区域内的氧析出物可以排除短路风险。
如何在用于制造半导体晶片的工艺步骤中设置如前所述的机械方法步骤及化学机械方法步骤或者纯化学的方法步骤是决定性的。
已知诸如SSP、DSP和CMP的抛光步骤、蚀刻处理以及外延步骤导致半导体晶片，尤其是在边缘区域内的平面度变差。
因此，在现有技术中努力尝试在抛光时保持去除材料的量尽可能少，从而还将平面度的变差限制在最小的程度。
US 5,942,445A建议将晶体切割(锯割)成半导体晶片，对半导体晶片的边缘进行导圆，随后实施可以包括对半导体晶片的正面和背面进行双面研磨和单面研磨的研磨步骤，对半导体晶片进行碱性湿法蚀刻，及最后利用DSP对半导体晶片进行抛光。还可用精研步骤代替双面研磨。在湿法蚀刻之后还可实施等离子蚀刻。最后可以用等离子蚀刻代替研磨步骤和湿法蚀刻。
通过该方法获得的利用DSP抛光的半导体晶片由于采用湿式化学处理以及由等离子促进的化学蚀刻(PACE)而在边缘区域内具有不令人满意的几何形状。由此，若总是基于至少为2mm的边缘排除区域，参见ITRS“蓝图”，则可在最佳情况下提供具有可接受的平面度数值的半导体晶片。尤其是蚀刻法对纳米形貌有负面影响。在DSP中需要增加材料去除量，以改善蚀刻步骤之后的纳米形貌，但是这又对边缘区域内的几何形状有负面影响。
为了能够提供用于未来一代技术的半导体晶片，其满足对于半导体晶片的边缘区域的严格要求，即为了例如对即使晶片的最外边缘区域实施现代光刻法(浸没式光刻)，需要其他的方法。
发明内容
由所述问题给出本发明的目的在于，提供用于制造尤其是直径为450mm的半导体晶片的新型工艺步骤。
本发明的目的是通过用于制造半导体晶片的方法实现的，其包括：
(a)利用包含平均粒径为20.0至60.0μm的磨料的研磨圆盘对由单晶切割的半导体晶片的边缘进行导圆；
(b)对半导体晶片同时进行双面去除材料式加工，所述半导体晶片以可自由移动的方式位于多个利用滚动装置旋转的载体圆盘之一的凹坑中，并由此以摆线轨迹移动，其中半导体晶片在2个旋转的环形加工圆盘之间进行加工，每个加工圆盘具有包含平均粒径为5.0至20.0μm的磨料的加工层；
(c)对半导体晶片同时进行双面去除材料式加工，所述半导体晶片以可自由移动的方式位于多个利用滚动装置旋转的载体圆盘之一的凹坑中，并由此以摆线轨迹移动，其中半导体晶片在2个旋转的环形加工圆盘之间进行加工，每个加工圆盘具有包含平均粒径为0.5至15.0μm的磨料的加工层；
(d)利用包含平均粒径为1.0至20.0μm的磨料的研磨圆盘对半导体晶片的边缘进行导圆；
(e)在半导体晶片的每面的材料去除量不多于1μm的情况下，用蚀刻介质处理半导体晶片的两面；
(f)利用包含粒径为0.1至1.0μm的磨料的抛光垫对半导体晶片的至少一面进行抛光；
(g)对半导体晶片的边缘进行抛光；
(h)至少对正面进行化学机械抛光。
根据本发明的方法包括在步骤(b)和(c)中对半导体晶片的正面和背面的2次同时双面加工，其中第一步骤提供粗研磨，而第二步骤提供精研磨，在此期间半导体晶片类似于精研和DSP位于载体圆盘的凹坑中。此外，在半导体晶片表面的加工方面，对半导体晶片的正面实施至少一次FAP抛光及至少一次CMP抛光。
根据本发明，所述方法绝不包括全面的表面机械加工，其中利用晶片保持器(例如真空卡盘)将半导体晶片固定在其一面上，同时通过旋转的研磨圆盘的进给而加工另一面。
在步骤(b)和(c)中半导体晶片以无约束力的方式，并不将半导体晶片固定地夹紧在保持器(卡盘)上，即以“自由浮动”的方式进行双面同时加工。
其优点在于，避免在“卡盘加工”中半导体晶片的变形。所有与去除材料相关的表面加工步骤包括行星式运动学以及对半导体晶片表面的全面加工。该方法允许相对温和地改变半导体晶片与加工圆盘之间的相对速率，还允许平衡且均匀地利用加工圆盘的加工层。
该方法不包括现有技术中已知的单面研磨(SSG)过程，既不是以粗研磨的形式，也不是以精研磨的形式。
此外，在根据本发明的方法中不设置同时的双面研磨(DDG)。
由此避免在SSG和DDG之后在半导体晶片中心的诸如研磨脐(Schleifnabel)的缺陷，在DDG中的“修光标记(Ausfeuermarken)”以及在SSG中的研磨划痕(Schleifriefen)，从而仅列举一些。
如后所述，还可在分成2部分的自由浮动法(Free-Floating-Prozess)中实施步骤(f)和(h)，其中使用传统的双面抛光机，从而可以对在载体晶片中自由浮动地引导的半导体晶片的两面进行同时同步地抛光，其将传统的DSP和CMP相结合。由此以无约束力的方式同时对双面实施全部的化学机械表面加工或纯机械的表面加工。
具体实施方式
下面详细阐述根据本发明的方法的主要步骤及其优选的实施方案。
首先将利用CZ或FZ生长的由半导体材料组成的单晶切割成半导体晶片。优选利用钢丝锯切割半导体晶片。例如US 4,655,191、EP 522542A1、DE 3942671A1或EP 433956A1公开了利用钢丝锯切割半导体晶片。
所生长的由半导体材料组成的单晶优选为由硅组成的单晶。半导体晶片优选为单晶硅晶片。
所述方法优选以根据本发明方法的步骤(a)至(h)的指定的顺序实施。根据步骤(g)的边缘抛光可以在步骤(h)之前或之后实施。优选还实施2次边缘抛光，其中第一边缘抛光在步骤(f)与步骤(h)之间实施，而第二边缘抛光在步骤(h)之后实施，第二边缘抛光优选利用温和地去除材料的硅溶胶实施(温和边缘抛光，Soft-Kantenpolitur)。
步骤(a)——利用粗研磨剂对半导体晶片的边缘进行导圆
在步骤(a)中半导体晶片设置有经导圆的边缘。
为此，将半导体晶片固定在旋转的桌上，并以其边缘与加工工具的同样旋转的加工面相对地进给。在此使用的加工工具可以作为圆盘构成，其固定在转轴上并具有用作加工面以加工半导体晶片边缘的圆周面。
例如DE 19535616A1公开了适合于此的装置。
半导体晶片优选设置有相对于晶片中心平面对称的轮廓，其在晶片正面和晶片背面上具有同类的小面(Facetten)，或者设置有不对称的边缘轮廓，其在正面和背面上具有不同的小面宽度。在此半导体晶片边缘获得在几何上与目标轮廓相似的轮廓。
所用的研磨圆盘优选具有沟槽轮廓。DE 102006048218A1公开了一种优选的研磨圆盘。
加工面还可以研磨垫的形式或者作为研磨带构成。
去除材料的颗粒，优选为金刚石，可以牢固地锚定在加工工具的加工面中。所用的颗粒具有粗的粒度。根据JIS R 6001：1998，粒度(筛号，目)为#240至#800。
平均粒径为20至60μm，优选为25至40μm，更优选为25至30μm或30至40μm。
步骤(b)——利用粗研磨剂对由单晶切割的半导体晶片进行双面去除材料式加工
在本发明方法的步骤(b)中，对半导体晶片的两面进行去除材料式加工。
PPG是对多个半导体晶片进行同时双面研磨的方法，其中各个半导体晶片以可自由移动的方式位于多个利用滚动装置旋转的载体圆盘之一的凹坑中，并由此以摆线轨迹移动，其中半导体晶片在2个旋转的加工圆盘之间进行去除材料式加工，每个加工圆盘具有包含粘结的研磨剂的加工层。
莫氏硬度≥6的硬质材料优选作为粘结在加工层中的研磨剂。作为研磨剂优选考虑金刚石、碳化硅(SiC)、二氧化铈(CeO2)、刚玉(氧化铝，Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)、氮化硼(BN；立方氮化硼，CBN)、其他的二氧化硅(SiO2)、碳化硼(B4C)直至明显更柔软的物质，如碳酸钡(BaCO3)、碳酸钙(CaCO3)或碳酸镁(MgCO3)。但是特别优选为金刚石、碳化硅(SiC)和氧化铝(Al2O3；刚玉)。
研磨剂的平均粒径为5至20μm，优选为5至15μm，更优选为5至10μm。研磨颗粒优选单独地或者作为聚集体粘结在加工层的粘结基体中。在聚集体粘结的情况下，优选的粒径涉及聚集体成分的初级颗粒的粒径。
优选使用陶瓷粘结的加工层，特别优选为合成树脂粘结；在具有聚集体的加工层的情况下，还可以是杂混粘结的系统(在聚集体中的陶瓷粘结和在聚集体与加工层基体之间的合成树脂粘结)。
在加工期间优选使在加工层之间形成的加工间隙中的温度保持恒定。为此，载体圆盘可以具有开口，通过开口可以在下加工圆盘与上加工圆盘之间交换冷却润滑剂，从而使上下加工层总是具有相同的温度。这抵消了在交替变化的负荷下由于热膨胀通过加工层或加工圆盘的变形而导致的在加工层之间形成的加工间隙的非期望的变形。此外，改善了粘结在加工层中的磨料的冷却，并且变得更加均匀，由此延长了其有效的寿命。
优选在研磨期间确定在加工层之间形成的加工间隙的形状，并取决于所测的加工间隙的几何形状以机械或热的方式改变至少一个加工圆盘的加工面的形状，从而使加工间隙具有预定的形状。
半导体晶片优选在加工期间暂时以其面的一部分离开由加工层限定的加工间隙，其中在径向方向上的最大偏移量为大于半导体晶片直径的0％且最大为20％，偏移量定义为相对于加工圆盘在径向方向上测得的、半导体晶片在研磨期间在特定的时间点凸出于加工间隙的内边缘或外边缘的长度。
在加工快要结束时优选将粘度至少为3×10-3N/m2·s且最高为100×10-3N/m2·s的液体介质经由载体圆盘的开口引入加工圆盘与半导体晶片之间。至少在加工圆盘与半导体晶片分离时，应当存在该介质，从而减少被加工层机械去除的量。由此可以避免否则在现有技术中观察到的研磨缺陷，如划痕、刮痕或提升标记(Abhebemarken)。这在未预先公开的第102009048436.1号德国专利申请中有所述及，在此将其全部内容并入本申请作为参考。
作为所述介质优选考虑：
·包含多元醇(甘油、单体二醇、低聚二醇、聚二醇和多元醇)的含水混合物
·甘油、丁醇和表面活性剂的含水混合物
·悬浮液，其中通过固体含量确保所需的介质粘度(包含二氧化硅或铈氧化物颗粒的胶体状分散体)，优选取决于固体含量额外包含提高粘度的介质(例如醇)。
步骤(c)——利用更细的研磨剂对由单晶切割的半导体晶片进行双面去除材料式加工
在步骤(c)中同样实施半导体晶片的PPG研磨，其中使用具有比步骤(b)中更细的粒度的研磨垫。
研磨剂的平均粒径为0.5至10μm，优选为0.5至7μm，更优选为0.5至4μm，特别优选为0.5至2μm。
在通过本发明方法的步骤(b)进行加工之前的起始厚度优选为500至1000μm。对于直径为300mm的硅晶片，起始厚度特别优选为775至950μm。
通过步骤(b)和(c)的总的材料去除量，即半导体晶片的双面单独的材料去除量之和，优选为7.5至120μm，更优选为15至90μm。
步骤(d)——利用更细的研磨剂对边缘进行导圆
在步骤(d)中，实施第二边缘导圆步骤。但是使用具有更细的粒度的研磨工具。
为此，再次将半导体晶片固定在旋转的桌上，并以其边缘与加工工具的同样旋转的加工面相对地进给。在此使用的加工工具可以作为圆盘构成，其固定在转轴上并具有用作加工面以加工半导体晶片边缘的圆周面。
加工面还可以研磨垫的形式或者作为研磨带构成。
去除材料的颗粒，优选为金刚石，可以牢固地锚定在加工工具的加工面中。
所用的颗粒具有细的粒度。根据JIS R 6001：1998，粒度应当小于#800，优选为#800至#8000。
平均粒径为0.5至20μm，优选为0.5至15μm，更优选为0.5至10μm，特别优选为0.5至5μm。
步骤(e)——蚀刻或清洁半导体晶片
在本发明方法的步骤(e)中，在半导体晶片的每面的材料去除量不多于1μm的情况下用蚀刻介质处理半导体晶片的两面。
半导体晶片的每面的最小材料去除量优选为1个单分子层，即约0.1nm。
优选利用酸性介质对半导体晶片实施湿式化学处理。
氢氟酸、硝酸或乙酸的水溶液适合作为酸性介质。
特别优选利用包含氟化氢和至少一种氧化半导体晶片表面的氧化剂的气态介质处理半导体晶片。在此情况下，特别有利的是气态介质以40mm/s至300m/s的相对速率迎流半导体晶片的表面。
因此，气态介质包含氟化氢和至少一种氧化剂。氧化剂必须能够氧化半导体材料，例如硅。
在对硅表面进行氧化时，例如产生硅氧化物，优选为二氧化硅。其转而被氟化氢化学攻击，产生六氟硅酸(H2SiF6)、四氟化硅(SiF4)和水作为反应产物，其被气态介质的流排出。此外，气态介质可以包含其他成分，例如惰性载气，如氮气或氩气，以影响流动条件和去除材料的速率。
优选使用至少一种选自以下组中的氧化剂：二氧化氮、臭氧和氯气。在使用纯氯气时，需要添加水蒸汽以对硅表面进行氧化。在使用二氧化氮和氯气以及臭氧和氯气的混合物时，添加氯气用于将在氟化氢与二氧化硅的反应中释放的水用于对硅表面进行进一步氧化，并由此避免即使在低的流速和温度下在反应中释放的水发生冷凝。特别优选使用臭氧，这是因为其高的氧化电位、毫无问题的反应产物以及通过在半导体工业中广泛使用的臭氧发生器而容易供应。
为了产生气态介质，可以所期望的量的比例将各成分加以混合。通常选择氟化氢与氧化剂的比例为1∶1至4∶1。可以通过将各种组分直接导入加工室内或设置在其上游的混合器内，或者通过引导气态氧化剂经过氟化氢的适当浓度的液态水溶液，从而引入气态介质。这例如可以在所谓的洗涤瓶或可比较的装置中进行。在气态氧化剂经过水溶液时，其富含水和氟化氢，从而产生所需的气态介质。
在相同的方法参数以及氟化氢与氧化剂的恒定比例下，温度的升高及浓度的升高表现出促进反应的作用。
在气相中的蚀刻用于降低半导体晶片的粗糙度，从而可以减少所需的抛光去除材料的量，此外用于去除杂质和减少晶体结构的表面缺陷。
优选以单晶片处理的方式实施所述清洁法和蚀刻法。
特别是对于在本发明方法范畴内特别优选的直径为450mm的半导体晶片而言，美国Solid State Equipment公司的针对尺寸最大为500mm×500mm的基底设计的SSEC 3400ML适合于此。
步骤(f)——对半导体晶片的至少一面实施FAP抛光
在步骤(f)中，利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的磨料的抛光垫对半导体晶片的至少一面进行抛光。
在步骤(f)中优选对半导体晶片的正面和背面同时同步进行抛光。传统的DSP抛光机适合于此，其中所用的抛光垫包含磨料。
在步骤(f)中优选仅抛光半导体晶片的正面。
在该抛光步骤中，优选将不含固体物质的抛光剂溶液引入半导体晶片的待抛光的面与抛光垫之间。
在最简单的情况下，抛光剂溶液是水，优选为去离子水(DIW)，其具有对于半导体工业中的应用通常的纯度。
但是抛光剂溶液还可以包含化合物，如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)或其任意的混合物。特别优选使用碳酸钾。在此情况下，抛光剂溶液的pH值优选为10至12，抛光剂溶液中所述化合物的比例优选为0.01至10重量％，更优选为0.01至0.2重量％。
此外，抛光剂溶液可以包含一种或多种其他的添加剂，例如表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂、发挥保护胶体作用的稳定剂、防腐剂、杀生物剂、醇和络合剂。
所用的抛光垫包含粘结在抛光垫中的研磨剂(FAP垫或FA垫)。
合适的研磨剂例如包含元素铈、铝、硅、锆的氧化物的颗粒以及诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬质材料的颗粒。
特别合适的抛光垫具有显示为重复的显微结构的表面形貌。所述显微结构(柱状物，posts)例如具有圆柱或多角形截面的柱的形状，或者具有棱锥或截棱锥的形状。
例如WO 92/13680A1和US 2005/227590A1中包含该抛光垫的更详细的描述。
特别优选使用具有牢固地粘结在其中的铈氧化物磨料的抛光垫，例如在US 6,602,117B1中所述。
该磨料的平均粒径优选为0.1至0.6μm。
平均粒径特别优选为0.1至0.25μm。
对于FA抛光优选以每面大于或等于1μm的材料去除量进行加工，其中在此更优选在1至3μm的范围内，特别优选在1.5至2μm的范围内进行加工。
在步骤(f)中优选同时同步地用FA抛光垫对半导体晶片的正面及用CMP抛光垫对半导体晶片的背面进行抛光。传统的DSP抛光机同样适合于此，其中一个抛光圆盘配备有FA抛光垫，而第二抛光圆盘配备有传统的CMP抛光垫。
步骤(g)——对半导体晶片的边缘进行抛光
在步骤(g)中对半导体晶片的边缘进行抛光。
可商购的自动边缘抛光机适合于实施本发明方法的步骤(g)。
US 5,989,105公开了所述用于边缘抛光的装置，其中抛光滚筒由铝合金组成并配备有抛光垫。
半导体晶片通常固定在平面的晶片保持器，即所谓的卡盘上。半导体晶片的边缘凸出于卡盘，从而使其可以自由地达到抛光滚筒。相对于卡盘倾斜特定角度的、绕中心旋转的、配备有抛光垫的抛光滚筒与装有半导体晶片的卡盘相互进给，并以特定的压紧力在连续送入抛光剂的情况下相互压紧。
在边缘抛光时，卡盘连同保持在其上的半导体晶片绕中心旋转。
卡盘旋转一周优选持续20至300秒，更优选为50至150秒(旋转时间)。
优选以300至1500min-1，更优选500至1000min-1的转速绕中心旋转的、覆盖有抛光垫的抛光滚筒与卡盘相互进给，其中抛光滚筒以相对于半导体晶片的装配角倾斜地设置，半导体晶片固定在卡盘上，从而使半导体晶片轻微地凸出于卡盘，并因此可以达到抛光滚筒。
装配角优选为30°至50°。
半导体晶片和抛光滚筒以特定的压紧力在以优选为0.1至1升/min，更优选为0.15至0.40升/min的抛光剂流量连续地送入抛光剂的情况下相互压紧，其中压紧力可以通过在滚筒上承受的重量加以调节，优选为1至5kg，更优选为2至4kg。
优选在半导体晶片或装有半导体晶片的卡盘旋转2至20周，更优选2至8周之后，抛光滚筒和半导体晶片相互分离。
在这些常用的边缘抛光法中，通常对在半导体晶片的边缘区域内的局部几何形状有负面影响。这涉及，在此使用的相对“较柔软的边缘抛光垫”(通常使用相对较柔软的配备有硅溶胶的抛光垫)不仅抛光边缘本身，而且还抛光半导体晶片的正面和/或背面的外部，这可以通过将硬质边缘“浸入”配备有抛光剂悬浮液的抛光垫中而加以解释。这确实是不仅在实际的边缘区域内而且在正面和/或背面的相邻区域内去除材料。
因此，在根据本发明的方法中，优选通过将半导体晶片固定在绕中心旋转的卡盘上，将半导体晶片和相对于卡盘倾斜的、绕中心旋转的、配备有包含牢固地粘结的磨料的抛光垫(FAP抛光垫)的抛光滚筒进给，并将半导体晶片与抛光滚筒在连续地送入不含固体物质的抛光剂溶液的情况下相互压紧，从而对半导体晶片进行边缘抛光。
由此可以针对性地影响晶片边缘，而不会损害半导体晶片的正面和/或背面的相邻区域，并由此例如仅在晶片边缘上调节所期望的几何特性和表面特性。
与根据标准使用的抛光垫相比，所用的FAP垫明显更硬且更不易被压缩，此外提供无需碱性装载的硅溶胶例如仅通过使用碱性溶液而实施材料去除的优点，这额外地避免了在晶片正面上传播抛光剂(Poliermittelverschleppung)，并由此避免了由于初始侵蚀对晶片表面的额外的负面影响，其例如是提高的缺陷率，如LLS(局部光散射体)的形式。
额外地可以接着在相同的FAP抛光垫上使用温和地去除材料的硅溶胶实施短的抛光步骤，以降低边缘粗糙度和边缘缺陷率。
这两个抛光步骤可以相互协调，从而针对性地积极影响晶片边缘几何形状和表面，而不会对晶片正面和晶片背面上的晶片部分位点有负面影响。
因此，原则上优选利用其表面上粘结有包含牢固地粘结的磨料的、不易压缩的、硬的抛光垫的抛光滚筒在送入碱性溶液的情况下对半导体晶片进行抛光。
随后优选在第二步骤中在相同的抛光垫上在送入硅溶胶如包含约1重量％的SiO2的Glanzox 3900*的情况下实施光滑化步骤。
*Glanzox 3900是由日本Fujimi公司作为浓缩物提供的抛光剂悬浮液的产品名。该浓缩物的基础溶液的pH值为10.5，并包含约9重量％的平均粒径为30至40nm的胶体SiO2。
已发现通过所述利用FAP垫进行的边缘抛光完全避免了在现有技术中观察到的在半导体晶片的边缘区域内的局部几体形状变差现象。
另一个优点在于，避免了在边缘抛光的去除材料步骤中传播抛光剂(Poliermittelverschleppungen)，及因此避免了由于在晶片表面上不受控制的初始侵蚀而产生表面缺陷。
在最简单的情况下，在边缘抛光时所用的抛光剂溶液是水，优选为去离子水(DIW)，其具有对于半导体工业中的应用通常的纯度。
但是抛光剂溶液还可以包含化合物，如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)或其任意的混合物。
特别优选使用碳酸钾。
抛光剂溶液的pH值优选为10至12，抛光剂溶液中所述化合物的比例优选为0.01至10重量％，更优选为0.01至0.2重量％。
此外，抛光剂溶液可以包含一种或多种其他的添加剂，例如表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂、发挥保护胶体作用的稳定剂、防腐剂、杀生物剂、醇和络合剂。
在边缘抛光的优选的第二步骤中，使用包含磨料的抛光剂。该步骤优选在步骤(h)之后实施，其中第一边缘抛光过程在步骤(f)与步骤(h)之间实施。
在抛光剂悬浮液中研磨剂的比例优选为0.25至20重量％，更优选为0.25至1重量％。
研磨剂颗粒的粒径分布优选表示为单峰。
平均粒径为5至300nm，优选为5至50nm。
研磨剂包含机械去除基底材料的材料，优选包含一种或多种元素铝、铈或硅的氧化物。
抛光剂悬浮液特别优选包含胶体状分散的二氧化硅。
在边缘抛光的任选实施的第二步骤中，与第一步骤不同，优选不加入添加剂，如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)。
但是所述抛光剂悬浮液可以包含一种或多种其他的添加剂，例如表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂、发挥保护胶体作用的稳定剂、防腐剂、杀生物剂、醇和络合剂。
在本发明方法的步骤(g)中使用的抛光垫优选包含粘结在抛光垫中的研磨剂(FAP垫或FA垫)。
合适的研磨剂例如包含元素铈、铝、硅、锆的氧化物的颗粒以及诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬质材料的颗粒。
特别合适的抛光垫具有显示为重复的显微结构的表面形貌。所述显微结构(柱状物，posts)例如具有圆柱或多角形截面的柱的形状，或者具有棱锥或截棱锥的形状。
FAP抛光垫的平均粒径优选为0.1至1.0μm，更优选为0.1至0.6μm，特别优选为0.1至0.25μm。
具有多层结构的抛光垫特别适合于实施所述方法，其包括一层具有磨料的层、一层硬塑料层以及柔性非织物的层，其中利用压力敏感性粘结层相互粘结所述层。
硬塑料层优选包含聚碳酸酯。
抛光垫可以包含一层额外的聚氨酯泡沫层。
在此，抛光垫中的一层是柔性的。
柔性层优选为非织物层。
柔性层优选包含聚酯纤维。特别合适为用聚氨酯浸渍的聚酯纤维层(非织物)。
通过柔性层可以适应垫的高度，并遵循连续的过渡。
柔性层优选对应于抛光垫的最底层。例如由聚氨酯组成的泡沫层优选位于其上，泡沫层利用粘结层固定在柔性层上。由更硬的硬质材料，优选由硬塑料组成的层位于PU泡沫之上，例如聚碳酸酯适合于此。具有重复的显微结构的层，即真正的固定磨料层，位于所述硬质层之上。
但是柔性层还可以位于泡沫层与硬质层之间，或者在固定磨料层的直接下方。
优选利用压力敏感性粘结层(PSA)相互固定不同的层。
抛光垫优选包含具有重复的显微结构的层、柔性层和由硬塑料如聚碳酸酯组成的层，其中柔性层可以是抛光垫的中间层或者是最底层。
所用的多层FAP抛光垫的粒径优选为大于或等于0.1μm且小于或等于1.0μm，更优选为0.1至0.6μm，特别优选为0.1至0.25μm。
步骤(h)——至少对正面进行化学机械抛光
在所述方法的步骤(h)中，至少对半导体晶片的正面进行CMP抛光。
在该步骤中，优选利用CMP对半导体晶片的两面进行抛光。传统的DSP抛光机适合于此，但是在所述机器中代替传统的DSP去除材料式抛光垫而使用更软的CMP抛光垫。
所用的CMP抛光垫是具有多孔基体的抛光垫。
所述抛光垫优选由热塑性或热可硬化的聚合物组成。作为所述材料可以考虑许多物质，例如聚氨酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚酯等。
抛光垫优选包含固体微孔聚氨酯。
优选还使用由发泡的圆盘或毛毡基底或纤维基底组成的抛光垫，其用聚合物浸渍过。
还可以构成经涂覆/浸渍的抛光垫，从而在基底中具有不同于涂层中的其他的孔径分布和孔径尺寸。
抛光垫可以基本上是平面的，或者还可以是打孔的。
可以将填料引入抛光垫中，以控制抛光垫的孔隙率。
可商购的抛光垫例如是Rodel公司的SPM 3100或者Rohm & Haas的DCP系列的垫以及商标为IC1000TM、PolytexTM或SUBATM的垫。
在步骤(h)中，优选同时同步地利用FA抛光垫即具有牢固粘结的磨料的抛光垫对半导体晶片的背面以及利用CMP抛光垫(不含磨料)对半导体晶片的正面进行抛光。传统的DSP抛光机同样适合于此，例如Rendsburg(德国)的Peter Wolters公司的AC2000型机器，其中一个抛光圆盘配备有FA抛光垫，而第二抛光圆盘配备有传统的CMP抛光垫。
在此情况下，通过首先在正面/背面上及随后在背面/正面上同时实施FAP抛光和CMP抛光，从而由步骤(f)和(h)提供结合的同步双面抛光过程。
省略掉传统的DSP步骤和后续的分离的CMP步骤。
Rendsburg(德国)的Peter Wolters公司的AC2000型抛光机配备有外轮圈和内轮圈的销钉啮合(Stiftverzahnung)用于驱动载体圆盘。所述设备可以设计用于一个或多个载体圆盘。由于通过量更大，优选为用于多个载体圆盘的设备，例如在DE-10007390A1中所述，其中载体圆盘在行星式路径上围绕设备中心移动。所述设备包括下抛光圆盘和上抛光圆盘，它们可以水平地自由转动并覆盖有抛光垫。在抛光期间半导体晶片位于载体圆盘的凹坑中，在2个转动的且施加有特定的抛光压力的抛光圆盘之间，同时连续地送入抛光剂。在此，还使载体圆盘移动，优选通过转动的销钉轮圈，其啮合在载体圆盘的圆周上的齿中。
典型的载体圆盘包含用于接收3个半导体晶片的凹坑。在凹坑的圆周上具有应当保护半导体晶片的断裂敏感性边缘的衬垫，尤其是防止从载体圆盘体释放金属。载体圆盘体例如可以由金属、陶瓷、塑料、纤维增强的塑料或者涂覆有塑料或类金刚石碳层(DLC层)的金属组成。但是优选为钢材，特别优选为不锈铬钢。凹坑优选设计用于接收直径至少为200mm，优选为300mm，更优选为450mm且厚度为500至1000μm的奇数个半导体晶片。
在结合的同步双面抛光(FAP+CMP)中，送入包含磨料的抛光剂悬浮液。
研磨剂颗粒的粒径分布优选表示为单峰。
平均粒径为5至300nm，优选为5至50nm。
研磨剂包含机械去除基底材料的材料，优选包含一种或多种元素铝、铈或硅的氧化物。
在抛光剂悬浮液中研磨剂的比例优选为0.25至20重量％，更优选为0.25至1重量％。
特别优选使用胶体状分散的二氧化硅作为抛光剂悬浮液。
例如使用Bayer股份公司的200和Fujimi公司的Glanzox型含水抛光剂。
抛光剂优选包含添加剂，如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)。
但是所述抛光剂悬浮液可以包含一种或多种其他的添加剂，例如表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂、发挥保护胶体作用的稳定剂、防腐剂、杀生物剂、醇和络合剂。
所用的FAP抛光垫优选具有(f)中所述的特性。
优选在步骤(h)之后重新实施边缘抛光，特别优选作为精细研磨，其利用与步骤(g)中相比更柔软的抛光垫或者利用包含与步骤(g)中所述FA抛光垫相比更细的磨料的抛光垫。
特别优选的实施方案
下面给出本发明方法的特别优选的实施方案A至E。之前解释了所用的缩写PPG、DDG、FAP和CMP。词尾“_粗”是指使用具有粗的粒度的研磨剂(研磨圆盘、加工层)，而在具有词尾“_细”的步骤中使用具有更细的粒度的研磨剂。之前解释了在边缘导圆和在PPG中使用的研磨剂和优选的粒径。“边缘抛光_细”是指利用温和地去除材料的硅溶胶实施的温和边缘抛光(Soft-Kantenpolitur)。
A
从单晶切割晶片-边缘导圆_粗-PPG_粗-PPG_细-边缘导圆_细-蚀刻-对半导体晶片的正面和背面实施FAP-边缘抛光-对正面实施CMP
B
从单晶切割晶片-边缘导圆_粗-PPG_粗-PPG_细-边缘导圆_细-蚀刻-对半导体晶片的正面和背面实施FAP-边缘抛光-对半导体晶片的正面和背面实施CMP
C
从单晶切割晶片-边缘导圆_粗-PPG_粗-PPG_细-边缘导圆_细-蚀刻-对正面实施FAP同时对背面实施CMP-对背面实施FAP同时对正面实施CMP-边缘抛光
D
从单晶切割晶片-边缘导圆_粗-PPG_粗-PPG_细-边缘导圆_细-蚀刻-对正面实施FAP同时对背面实施CMP-边缘抛光-对背面实施FAP同时对正面实施CMP-边缘抛光_细
E
从单晶切割晶片-边缘导圆_粗-PPG_粗-PPG_细-边缘导圆_细-蚀刻-对正面实施FAP同时对背面实施CMP-边缘抛光-对背面实施FAP同时对正面实施CMP

Claims (10)

1.用于制造半导体晶片的方法，其包括：
(a)利用包含平均粒径为20.0至60.0μm的磨料的研磨圆盘对由单晶切割的半导体晶片的边缘进行导圆；
(b)对半导体晶片以全表面加工方式同时进行双面去除材料式加工，所述半导体晶片以可自由移动的方式位于多个利用滚动装置旋转的载体圆盘之一的凹坑中，并由此以摆线轨迹移动，其中半导体晶片在2个旋转的环形加工圆盘之间进行加工，每个加工圆盘具有包含平均粒径为5.0至20.0μm的磨料的加工垫；
(c)对半导体晶片以全表面加工方式同时进行双面去除材料式加工，所述半导体晶片以可自由移动的方式位于多个利用滚动装置旋转的载体圆盘之一的凹坑中，并由此以摆线轨迹移动，其中半导体晶片在2个旋转的环形加工圆盘之间进行加工，每个加工圆盘具有包含平均粒径为0.5至15.0μm的磨料的加工垫，粒径小于步骤(a)中采用的粒径；
(d)利用包含平均粒径为1.0μm至最大20.0μm的磨料的研磨圆盘对半导体晶片的边缘进行导圆，粒径小于步骤(a)中采用的粒径；
(e)在半导体晶片的每面的材料去除量不多于1μm的情况下，用蚀刻介质处理半导体晶片的两面；
(f)利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的磨料的抛光垫对半导体晶片的至少一面进行抛光；
(g)对半导体晶片的边缘进行抛光；
(h)至少对正面进行化学机械抛光。
2.根据权利要求1的方法，其中在步骤(f)中利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的牢固粘结的磨料的抛光垫对半导体晶片的正面进行抛光，同时利用化学机械抛光对半导体晶片的背面进行抛光。
3.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(h)中在对正面进行化学机械抛光的同时同步地利用包含牢固地粘结的磨料的抛光垫对半导体晶片的背面进行抛光。
4.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(f)中使用的抛光垫包含选自以下组中的磨料颗粒：碳化硅、氮化硼、金刚石和元素铈、铝、硅、锆的氧化物。
5.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(e)中半导体晶片的每面的材料去除量至少为0.1nm，且最多为1μm。
6.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(g)中绕中心旋转的半导体晶片的边缘以特定的力压在绕中心旋转的抛光滚筒上，抛光滚筒配备有包含牢固地粘结的磨料的抛光垫，并且不含固体物质的抛光剂溶液被连续地送入，所用的抛光垫包含选自以下组中的磨料颗粒：碳化硅、氮化硼、金刚石和元素铈、铝、硅、锆的氧化物。
7.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(a)中所述研磨圆盘的平均粒径为25至30μm或30至40μm。
8.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(b)中所述加工垫的磨料的平均粒径为5至10μm。
9.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(c)中所述加工垫的磨料的平均粒径为0.5至4μm。
10.根据权利要求1或2的方法，其中在步骤(d)中所述研磨圆盘的平均粒径为1.0至10μm。
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