CN102205521B - 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，其是利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的SiO2的牢固粘结磨料的抛光垫在送入包含碱性成分、不含固体且具有11至13.5的可变pH值的抛光剂水溶液的情况下进行的，其中所述抛光剂溶液在抛光过程中的pH值小于13，将所述pH值提高到13至13.5以结束抛光过程。
Description
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
根据现有技术，在研磨、清洁和蚀刻步骤之后通过去除材料式抛光而对半导体晶片的表面实施磨光。
在单面抛光（SSP）的情况下，在加工期间半导体晶片背面利用粘合剂、通过真空或利用粘结而固定在载体盘上。
在双面抛光（DSP）的情况下，半导体晶片松散地插入薄的旋转圆盘（
）内，并在覆盖有抛光垫的上下抛光盘之间以“自由浮动”的方式同时抛光正面和背面。该抛光法是在送入含有磨料的抛光剂悬浮液（浆料）的情况下进行的，其通常是基于硅溶胶。
DE10007390A1公开了一种适合的双面抛光机。
在与此不同包括在使用更柔软的抛光垫仅对正面（“元件面”）进行的最终抛光作为所谓的无光雾抛光（“最后加工”）的化学机械抛光（CMP）的情况下，同样以抛光剂悬浮液的形式送入磨料。
待抛光的半导体晶片通常是硅晶片或者具有衍生自硅的层结构（例如硅锗）的基材。所述硅晶片尤其是用于制造半导体元件，如存储芯片（DRAM）、微处理器、传感器、发光二极管等。
对于尤其是用于制造存储芯片和微处理器的硅晶片的要求变得越来越严格。这首先涉及晶体特性本身（例如在缺陷密度、捕获金属杂质的内部吸除性方面），但尤其是还涉及晶片的几何形状和平坦度。值得期待的是，硅晶片具有两个理想地面平行的面，尤其是在硅晶片的待制造元件的面上具有优异的平坦度，以及低的表面粗糙度。此外，可以使用元件面的整个表面也是值得期待的，这目前由于在晶片边缘处的厚度下降以及在边缘区域内差的几何形状而是不可能的。
已知用于抛光半导体晶片的传统方法是造成该边缘下降现象（“塌边”，Edge Roll-off）的原因。
边缘几何形状通常是通过指定一个或多个塌边参数而量化的，这些参数通常是涉及硅晶片的整体厚度或其正面和/或背面的边缘几何形状，并由此可以表征经常观察到的硅晶片在其边缘区域内的厚度下降现象或者硅晶片同样在其边缘区域内的正面和/或背面的平坦度。Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999),pp38-39描述了用于测量硅晶片的塌边现象的方法。
此外，已知利用“固定磨料抛光（Fixed Abrasive Polishing，FAP）”对半导体晶片的抛光，其中半导体晶片在抛光垫上进行抛光，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。
DSP和CMP两者与FAP的区别尤其是在于，在DSP和CMP的情况下，抛光垫不包含磨料，始终是以抛光剂悬浮液的形式送入磨料。
德国专利申请DE102007035266A1描述了一种用于抛光由硅材料组成的基材的方法，其包括两个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材与抛光垫之间，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。
发明内容
本发明的目的是提供可选择的抛光方法，其在经抛光的半导体晶片的边缘几何形状方面是有利的。
本发明的目的是通过用于抛光半导体晶片的方法实现的，其是利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的牢固粘结的SiO2磨料的抛光垫在送入包含碱性成分、不含固体且具有11至13.5的可变pH值的抛光剂水溶液的情况下进行的，其中所述抛光剂水溶液在抛光期间的pH值小于13，将所述pH值提高到13至13.5以结束抛光过程。
本发明提供利用被引入垫中的SiO2磨料的FAP抛光过程。
在抛光过程中送入不含固体的抛光剂水溶液。
抛光剂水溶液是含有碱性成分的水溶液。
抛光剂水溶液优选包含在半导体工业中常用纯度的去离子水。
抛光剂水溶液在抛光半导体晶片时优选包含化合物作为碱性成分，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。
所述化合物在抛光剂水溶液中的比例优选为0.01至10重量％，更优选为0.01至0.2重量％。
特别优选使用碳酸钾。
抛光剂水溶液的pH值为至少11且最高13.5。
此外，抛光剂水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、抗微生物剂、醇和络合剂。
在本发明方法中，在抛光过程中使用抛光垫（FA布或FA垫），其包含粘结在抛光垫中的SiO2。
该抛光垫可以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）例如可以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WO92/13680A1和US2005/227590A1中包含该抛光垫的更详细的描述。
在FAP抛光垫中所含的SiO2磨料的平均粒径优选为0.1至1.0μm，更优选为0.1至0.6μm，特别优选为0.2至0.4μm。
如同DSP和CMP或某些FAP法的现有技术中，不送入抛光剂悬浮液。
抛光剂水溶液的pH值在实施所述方法期间是可变的。
pH值是通过包含碳酸钾和/或一种其他的上述化合物的碱性成分加以调节的。
提供仅通过改变抛光剂水溶液的pH值而控制抛光去除材料的量。
可以作为单面抛光实施本发明。
同时抛光半导体晶片的两面同样是优选的。
抛光剂水溶液的pH值在抛光过程中优选以如下方式改变，获得不具有楔形偏差或晶片边缘不平坦度（例如塌边）的尽可能平坦的半导体晶片。这是通过相应地送入抛光剂水溶液的碱性成分而实施的。
优选通过在各个抛光盘和/或抛光垫上以局部受限的方式合适地送入抛光剂而控制抛光剂水溶液的pH值。这能够送入具有局部不同的pH值的抛光剂水溶液。
因此例如可以选择送入半导体晶片的外部区域（边缘区域）中的抛光剂水溶液的pH值为约11.5至约12，以在半导体晶片的边缘区域内实现最大的材料去除速率，同时在半导体晶片的其他区域例如内部区域中送入具有明显更高的pH值的抛光剂水溶液。
通过局部送入pH约为13至13.5的抛光剂水溶液，使抛光在局部减小至几乎为零甚至是可以想象的。
连同SiO2-FA垫，在约为13至13.5的pH值下实现最小的材料去除速率–近似为0μm/min。
对于在约11.5至约12的范围内的pH值实现最大的材料去除速率。
此处的温度取决于多个参数。此外除了化学反应（pH值）以外，抛光压力、FA垫本身（摩擦力）、送入的抛光剂的量等也发挥作用。
根据本发明的抛光优选在约25℃至约41℃的温度范围内进行。
在作为参考压力的270hPA的抛光压力下，达到约28至约37℃的温度。在11.5至12的pH值范围内及在大于或等于31℃的温度下可以实现最大的材料去除速率。
从停止抛光的时间点开始，即从pH值上升至大于或等于13的时间点开始，抛光温度明显下降。在以270hPA的抛光压力进行抛光时，抛光温度历时1min的时间例如下降了约1.5℃。
在更高的抛光温度下，例如在以更高的抛光压力（例如400hPa）进行抛光时，温度下降甚至更加明显（仅在15秒之后温度已经下降超过5℃）。
关于本发明方法有利的是，具有前述组成（理想地：碳酸钾或者对于大于或等于12的pH值还可以是碳酸钾和氢氧化钾的混合物）的碱性抛光剂水溶液的pH值可以非常良好且精确地在11至13.5的范围内改变。
在本发明方法中，在改变材料去除速率的情况下的抛光优选在保持所有其他抛光参数恒定的情况下进行，如抛光压力、固定环和区域的压力、抛光运动学（转速）、抛光剂的量和类型、外部调节的（盘）温度。
由于上述的特殊性能，SiO2-FA垫连同pH大于或等于11的碱性抛光剂水溶液适合于在机械作用的抛光参数的恒定实施过程中调节材料去除速率的抛光过程。
这通过典型的CMP抛光是不可能的，因为在高pH值下溶胶颗粒聚集而发生溶胶的胶凝作用导致硅溶胶在该pH值范围（尤其是pH值大于12.5）内的不稳定性，涉及后续的问题，如形成刮痕、在晶片表面上产生缺陷（初始蚀刻）、抛光剂管线的污染和结壳、过滤单元的堵塞。
在SiO2-FA垫的情况下，取决于以如何的pH值进行抛光，SiO2颗粒的碱性加载、生长和聚集的作用在抛光垫表面本身上进行。
然而，比较硬的FA垫可以迅速地再生，因为抛光剂并不储存在垫中，并且与DSP和CMP不同，没有“结块的”抛光剂悬浮液在该过程中或者在装置中移动。
因此，抛光剂水溶液的pH值在11至约13.5的范围内，及通过相应地添加所述化合物而在该pH值范围内改变。所述化合物如碳酸钾在抛光剂水溶液中的比例优选为0.01至10重量％，更优选为0.01至0.2重量％。
特别优选将在约11.5至约12的范围内良好的材料去除速率与从pH值为13开始去除材料的量下降至近似为零相结合。
为此，在可作为单面抛光或双面抛光的抛光过程的第一步骤中，送入pH为11至小于13、优选为11至12.5、更优选在约11.5至约12的范围内的所述组成的抛光剂水溶液。
在达到所期望的去除材料的量之后，不同于通常通过添加改变抛光剂粘度的添加剂而近似机械的方式加以抑制的现有技术，通过提高碱性成分到至少13、理想地约为13.5而提高抛光剂水溶液的pH值，从而在第二步骤中停止抛光过程。
因此，通过改变抛光剂水溶液的pH值而停止抛光过程。
对于某些应用有利的是，在第三步骤中又添加pH值小于或等于11.5的抛光剂水溶液。若在利用SiO2磨料的FA抛光之后应当接着在送入抛光剂悬浮液（浆料）的情况下实施传统抛光，则该步骤用于准备浆料抛光。
然后在包含SiO2磨料的同一抛光垫上实施该浆料抛光。其又可以也是单面抛光（例如CMP）或者同时双面抛光半导体晶片如DSP。在浆料抛光时，代替抛光剂水溶液，送入包含选自硅、铝和铈的元素的氧化物的磨料的抛光剂悬浮液。
浆料抛光优选包括两个步骤。
在第一步骤中送入磨料的平均尺寸为10至30nm的上述组成的抛光剂悬浮液，而在第二步骤中送入磨料的平均尺寸为35至50nm的所述组成的抛光剂悬浮液。该悬浮液的pH值优选为小于或等于11.5。
本发明方法的应用可能性和优点是多方面的。
可以通过相应地调节局部送入的抛光剂水溶液的pH值而局部原位控制去除材料的量，以改善半导体晶片的几何形状和纳米形貌。
通过提高抛光剂水溶液的pH值到约13至13.5可以停止抛光过程，这实现了晶片表面的几何形状和纳米形貌的改善和最优化。
该方法优选用于单面抛光，其中半导体晶片的背面是利用晶片固定系统（导板、载体）固定的。
依次应用在半导体晶片的正面和背面上时，获得经双面抛光的半导体晶片。因为可以局部控制去除材料的量，所以可以针对性地使两个依次的抛光过程彼此一致。
优选还在使用SiO2抛光垫和碱性抛光剂水溶液的情况下利用精研运动学或行星运动学实施同时双面抛光。在此，半导体晶片位于利用内部和外部的齿轮圈旋转的载体圆盘的切口中，半导体晶片以摆线轨迹运动。
在本发明的范畴内，在抛光直径为450mm的半导体晶片时，特别优选以轨道运动学进行双面抛光。轨道运动学是指半导体晶片位于在圆形路径上运动的晶片固定系统的切口中，但是不同于行星运动学并不围绕其自身的轴旋转。
在利用比较小的抛光盘的轨道抛光法中，因为该抛光运动学与利用行星运动学和比较大的抛光盘的抛光法相比导致更大的局部去除材料的量的偏差，所以存在晶片的整体楔形度问题的风险。该缺点可以通过局部不同地调节抛光介质的pH值而加以抑制。
特别优选将去除材料的量的调节与晶片厚度的原位测量相结合，以针对性地影响晶片的几何形状。这基本上可以是自动化的，因为除了抛光剂水溶液的pH值以外可以保持所有其他的工艺参数恒定。
现有技术并没有建议本发明。虽然DE102007035266A1公开了采用以在pH为10至12的碱性范围内的抛光剂的FAP。但是在此请求保护的方法必须设定两次FAP抛光，在半导体晶片的一面及在同一面上一次使用及一次不使用包含磨料的抛光剂。根据本发明的方法必须在不使用包含磨料的抛光剂的情况下实施。
特别优选为利用具有牢固粘结的SiO2磨料的抛光垫依次抛光背面和正面的两步FAP。
两次抛光，即背面抛光和正面抛光，在此可以彼此一致，从而可以特别地在晶片边缘区域内针对性地影响晶片几何形状和晶片纳米形貌。
利用SiO2抛光垫在送入pH值至少为11、优选至少为11.2、更优选至少为11.5的抛光剂水溶液的情况下抛光半导体晶片的两个面。
本发明方法能够改善半导体晶片的外部边缘区域内、尤其是在距半导体晶片边缘的距离为小于或等于10mm的范围内、更优选在小于或等于5mm的范围内的几何形状。
原则上，借助抛光头将半导体晶片以待抛光的侧面压在位于抛光盘上的抛光垫上。
抛光头还包含固定环，其从侧面包围基材并避免在抛光期间抛光头的滑动。
在新型抛光头的情况下，硅晶片背离抛光垫的侧面位于传递所施加的抛光压力的弹性薄膜上。该薄膜是形成气体垫或液体垫的需要时细分的室系统的部件。
但是也使用抛光头，在此情况下代替薄膜使用弹性支撑（“衬垫（backing pad）”）。
在此，抛光头也可以额外地在抛光垫上平移，由此更加全面地利用抛光垫表面。
此外，本发明方法可以同样地在单盘抛光机和多盘抛光机上实施。
优选使用优选具有2个、更优选3个抛光盘和抛光头的多盘抛光机。
例如Peter Wolters公司，Rendsburg（德国）的AC2000型抛光机适合于根据本发明双面抛光半导体晶片。
该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运动。所述设备包括下抛光盘和上抛光盘，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切口中及在两个转动且对其施加有特定的抛光压力的抛光盘之间，同时连续地送入pH为11至13.5的抛光剂水溶液。在此，优选还通过转动的销钉轮圈使载体圆盘移动，该销钉轮圈啮合在载体圆盘的圆周上的齿中。
Claims (10)
1.用于抛光半导体晶片的方法，其是利用包含平均粒径为0.1至1.0μm的牢固粘结的SiO2磨料的抛光垫在送入包含碱性成分、不含固体且具有11至13.5的可变pH值的抛光剂水溶液的情况下进行的，其中所述抛光剂水溶液在抛光过程中的pH值小于13，将所述pH值提高到13至13.5以结束抛光过程。
2.根据权利要求1的方法，其中所述抛光剂的碱性成分包含一种或多种选自以下组中的化合物：碳酸钠（Na2CO3）、碳酸钾（K2CO3）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化铵（NH4OH）、氢氧化四甲基铵（TMAH）。
3.根据权利要求1或2的方法，其中仅抛光半导体晶片的一个面。
4.根据权利要求1或2的方法，其中依次抛光半导体晶片的两个面。
5.根据权利要求1或2的方法，其中同时同步抛光半导体晶片的两个面。
6.根据权利要求5的方法，其中使用行星运动学抛光机。
7.根据权利要求5的方法，其中使用轨道运动学抛光机。
8.根据权利要求1或2的方法，其中在抛光过程中所述抛光剂水溶液的pH值为11.5至12，将所述pH值提高到13至13.5以结束抛光过程。
9.根据权利要求1或2的方法，其中在抛光过程中测量半导体晶片的厚度，并基于所测得的厚度分布调节所述抛光剂水溶液的pH值。
10.根据权利要求9的方法，其中将抛光剂水溶液在半导体晶片待抛光的表面与抛光垫之间局部送入半导体晶片的所述表面的至少一个内部区域中及至少一个外部区域中，该抛光剂水溶液在所述至少一个内部区域中及在所述至少一个外部区域中具有不同的pH值。
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