CN110625460A - 一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，实现基片表面为异种材质，非单一材质，特别是由金属材质和胶类材质的组成的表面结构的减薄抛光。减薄抛光的主要步骤有机械减薄、机械抛光、化学机械抛光。本发明解决了由于异质结构的硬度、密度不同，造成在平坦化过程中异质结构的切削速率不同，导致晶圆基片表面异质结构的高度差较大问题。采用本发明工艺方法，平坦化后的晶圆基片表面整体平整度可控制在(3～10)μm以内，其表面异质结构间高度差在1μm以内，表面金属材质区域的粗糙度小于1nm。

Description

一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法
技术领域
本发明涉及一种晶圆级异质结构结构的平坦化工艺方法，特别是半导体晶圆基片表面由多层堆叠的金属材料和光刻胶类材料组成的器件结构表面的减薄抛光的工艺。
背景技术
随着半导体工艺的飞速发展，电子器件尺寸逐渐缩小，结构越加复杂。多层堆叠的结构器件的设计应用越来越广泛。晶圆基片堆叠层数增加时，基片表面起伏将更加显著。表面起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽尺寸失去控制，后续工艺难以在表面厚度不均匀的光刻胶上制作图形，直接影响器件的使用性能。
半导体晶圆的平坦化工艺，是对晶圆基片表面同质或异质结构进行研磨、抛光处理，去掉一定厚度材料，确保晶圆基片表面不同材质结构高度一致，使得表面成为一个平面。
常规机械减薄抛光方式，在标准的晶片减薄机上进行，通过采用研磨盘与基片对磨的方式实现，磨料为微米级的氧化铝与专用分散溶剂的混合物。研磨的去除速率较快，根据不同结构层设定不同的研磨时间。针对表面结构为单一材质的基片，其减薄均匀性、粗糙度、平整性较好。但就表面结构为两种或两种以上的异种材质的基片，尤其是金属材质与胶类材质，两种材质由于其硬度的差异性，导致胶类材质的切削速率快于金属材质的切削速率，造成基片表面的金属结构高于胶类结构，使其整体的平整度较差，减薄均匀性较差。
化学机械抛光是将晶圆由旋转的抛光头夹持，并将其以一定压力压在旋转的抛光垫上，由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫之间流动，晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。针对异种材质的基片，尤其是金属材质与胶类材质，由于化学溶液抛光对金属材质的影响大于胶类材质物质，其主要切削表面金属材质，进而缩减金属材质与胶类材质结构的高度差。但化学机械片抛光，由于受其化学影响，导致其切削速率较慢，针对表面结构高度差别较大的晶圆基片，需消耗大量工时。此外，过长时间的减薄抛光，基片表面应力较大，影响基片的稳定性。故针对去除量大于20μm的基片表面，单一使用化学机械抛光工艺进行，不可行。
专利CN104128879A提出硬质材料减薄抛光的工艺方法，其特征是利用合成铜盘研磨盘和研磨液；硬质材料的待减薄抛光面与合成铜盘研磨盘充分接触，对硬质材料进行家中；合成铜盘研磨盘转动对硬质材料进行减薄抛光；合成铜盘研磨盘转动时，同时滴加研磨液。针对该方法，其表面材质为单一硬质材料，不能覆盖表面为同材料的基片，表面由两种不同材质(金属材料和胶类材料)的基片不能进行该工艺加工；此外，其单一硬质材料的减薄抛光工艺指标过低，对硬质材料进行减薄、抛光，使产品的表面平整度可以有效控制在5μm以内，产品去除速率达2-3.5μm/min，产品表面粗糙度<0.2μm。对于后续进行微加工工艺，如光刻、键合等，其平整度5μm，将极大影响光刻涂胶的均匀性，光刻图形线条精度，以及键合致密性等。
专利CN1255741A提出表面平坦化的方法，其特征是在进行化学机械研磨法平坦化半导体晶片的表面之前，在绝缘层上方涂敷一层旋涂式玻璃，并进行热烘烤步骤，使半导体晶片表面较为平坦，再以化学机械研磨法研磨半导体晶片表面。针对该方法，其主要是解决化学机械抛光过程中基片表面上的疏松元件区相比密集元件区切削速率快，造成表面化学机械抛光后不平整。通过在基片上表面涂敷一层旋涂式玻璃，对基片表面进行补偿找平操作。经过烘烤基片，使其固化，进行化学机械抛光中，缓解基片表面疏松元件区和密集元件区切削速率不同造成的高度差。针对表面均匀分布的结构，采用该方法不适用，此外基片表面涂敷一层旋涂式玻璃，且进行高温烘烤，针对晶圆基片器件的使用性能，所承受的温度，不能完全适用。在文章中也未说明采用该方法后，其表面不同元件区高度差数值。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对半导体基片表面异质结构的减薄抛光工艺，提供一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，本方法适用于表面结构成分非单一材质，由不同材质组成表面结构的晶圆基片，该平坦化工艺方法能够有效提高基片表面的平整度，缩减表面上的异质结构间高度差，优化表面粗糙度，同时针对大尺寸厚度高平整度要求晶圆基片的平坦化工艺，保证其具有有效地去除速率。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，包括如下步骤：
(1)机械研磨，经过微工艺加工，在晶圆基片表面形成异质结构，使用晶片减薄机，对该晶圆基片表面进行机械减薄，去除表面厚度，缩减晶圆基片表面异质结构间的高度差；
(2)测厚，采用测厚仪对机械研磨后的晶圆表面异质结构进行厚度测量；若表面异质结构之间测量厚度差值超出预设厚度，则重复进行步骤(1)，直至测量厚度符合要求；
(3)机械抛光，使用晶片减薄机，对机械研磨后的晶圆表面进行机械抛光，进一步缩小晶圆基片表面异质结构件的高度差；
(4)测厚，采用测厚仪对机械抛光后的晶圆表面异质结构进行厚度测量；若表面异质结构之间测量厚度差值超出预设厚度，则重复进行步骤(3)，直至测量厚度符合要求；
(5)化学机械抛光，使用化学机械抛光设备，对机械研磨、抛光后的晶圆基片表面进行化学机械抛光，使得晶圆基片表面异质结构间的高度一致，晶圆基片表面成为一个平面；
(6)测厚，采用探针式轮廓仪测量化学机械抛光后的晶圆基片表面异质结构间的高度差，若满足预设厚度，则完成对晶圆级异质结构的平坦化，否则重复步骤(5)直至满足要求。
进一步的，晶圆级异质结构包括表面金属材质、表面胶类材质和基底晶圆；表面金属材质为成蜂窝状分布的、垂直于基底晶圆的多个圆柱体，且相邻圆柱体之间均为表面胶类材质，表面金属材质和表面胶类材质之间存在高度差。
进一步的，经过机械研磨、机械抛光和化学机械抛光之后的晶圆基片，去除的总厚度大于1μm。
进一步的，所述步骤(2)中的机械研磨后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异质结构高度差控制在20μm以内。
进一步的，所述步骤(4)中的机械抛光后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异质结构高度差控制在10μm以内。
进一步的，所述步骤(6)中的化学机械抛光后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异种材质结构高度差控制在1μm以内，晶圆基片表面整体平整度控制在5μm以内，表面为金属材质的结构区域粗糙度控制在1nm以内。
进一步的，进行步骤(1)机械研磨前，还包括：
粘片，打开自动粘片设备，待热盘加热至设置好温度，将玻璃板放在热盘上加热3min，然后用蜡涂满整个玻璃板，将待加工基片放置在玻璃板中心，进行粘片，待粘片完毕后从自动粘片设备取出玻璃板和基片；
校盘，打开晶片减薄机，摆臂一侧手臂与铸铁盘边缘的间距为1～3cm，校盘采用钢制校盘器进行校盘，校盘时间为30～60min,铸铁盘转速为40～80转/min；
进行机械研磨时，将所述粘好的基片放在吸片工装中心，并用真空吸上，根据工艺要求选择适合的研磨液进行研磨，研磨转速为30～60转/min，并把基片研磨到相应的厚度，研磨完后取下基片，用去离子水冲洗干净，氮气枪吹扫干净。
进一步的，进行步骤(3)机械抛光时，将晶片减薄机的铸铁盘卸下，换上抛光盘，安装好摆臂，抛光液料筒，将研磨好的基片安在吸片工装之上，并在吸片工装上加放配重块，转速为40～80转/min，抛光液采用3μm粒径氧化铈悬浊液滴加在抛光盘上。
进一步的，进行步骤(5)化学机械抛光时，具体为：
化学机械抛光设备修盘，开启化学机械抛光设备，安装修盘器，采用去离子水修盘，压力-15～-5磅，时间20～40min；
化学机械抛光，卸下修盘器，安好晶片夹持工装，吸附机械抛光后的基片至工装上，采用抛光液对晶片进行化学机械抛光，抛光盘转速40～80转/min，夹持工装转速30～60转/min，抛光液配比为，氧化硅抛光液：双氧水：水＝1:1:2，抛光时间20～40min，抛光压力-20～-10磅。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用机械研磨、机械抛光与化学机械抛光相组合的加工方法，利用机械研磨、抛光对晶圆基片初始状态进行初级平坦化处理，快速的去除表面的金属结构，粗略的将金属与胶类物质减薄到相同水平，保证晶片在进行化学机械抛光前的基础表面平整度和粗糙度，使得表面异质结构间高度差缩减。利用机械研磨、机械抛光磨削速率快的优点，提升减薄速率。为晶片进一步进行的化学机械抛光做准备。化学机械抛光，采用机械作用以及和抛光产物有一定化学去除作用的抛光液同时作用在被抛光基片表面，使得化学和机械作用协同作用于基片表面，用较快的速度去除高图形结构以获得均匀的表面异质结构，可有效缩减表面异质结构间的不同磨削速率对基片表面的影响。最终得到的晶圆基片表面异质结构高度差在1μm以内，表面的粗糙度小于1nm，表面整体平整度在(3～10)μm以内。
附图说明
图1为本发明涉及的晶圆基片异质结构表面的俯视示意图。
图2为本发明涉及的晶圆基片异质结构表面的剖视图示意图。
图3为本发明涉及的机械研磨、抛光后晶圆基片异质结构表面的剖视图示意图。
图4为本发明涉及的化学抛光后晶圆基片异质结构表面的剖视图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1、2所示，晶圆级异质结构包括表面金属材质1、表面胶类材质2和基底晶圆3；表面金属材质1为成蜂窝状分布的、垂直于基底晶圆3的多个圆柱体，且相邻圆柱体之间均为表面胶类材质2，表面金属材质1和表面胶类材质2之间存在高度差。由于异质结构的硬度、密度不同，造成在平坦化过程中异质结构的切削速率不同，导致晶圆基片表面异质结构的高度差较大问题。
(1)粘片，打开自动粘片设备，待热盘加热至设置好温度(50～120)℃，将玻璃板放在热盘上加热3min，然后用蜡涂满整个玻璃板，将待加工基片放置在玻璃板中心，盖子盖上，并锁紧，启动粘片功能。待粘片完毕后从自动粘片单元取出玻璃板和基片。
(2)校盘，打开晶片减薄机，选择合适的研磨液，并将摆臂安装好，摆臂一侧手臂与铸铁盘边缘的间距应为(1～3)cm，校盘采用钢制校盘器进行校盘，校盘时间为(30～60)min,铸铁盘转速为(40～80)转/min。
(3)研磨，将步骤(1)中所述粘好的基片在放在吸片工装中心，并用真空吸上，根据工艺要求选择适合的研磨液进行研磨，研磨转速为(30～60)转/min，并把片子研磨到相应的厚度，研磨完后取下片子，在用去离子水冲洗干净，氮气枪吹扫干净。
(4)测厚，采用测厚仪对步骤(3)中所述研磨后的基片进行厚度测量，得到预设要求的基片厚度，且基片表面异质结构高度差控制在20μm以内。如测量厚度过大，则应重复进行步骤(3)，直至测量厚度符合要求。
(5)机械抛光，将晶片减薄机的铸铁盘卸下，换上抛光盘，安装好摆臂，抛光液料筒，将步骤(3)中所述研磨好的基片安在吸片工装之上，并在吸片工装上加放配重块，转速为(40～80)转/min，抛光液采用3μm粒径氧化铈悬浊液滴加在抛光盘上。
(6)测厚，采用测厚仪对步骤(5)中所述机械抛光后的基片厚度进行测量，得到基片厚度应在预设要求的基片厚度，且基片表面异质结构高度差控制在10μm以内，如图3所示。
本发明利用机械研磨、抛光对晶圆基片初始状态进行初级平坦化处理，快速的去除表面的金属结构，粗略的将金属与胶类物质减薄到相同水平，保证晶片在进行化学机械抛光前的基础表面平整度和粗糙度，使得表面异质结构间高度差缩减。
利用机械研磨、机械抛光磨削速率快的优点，提升减薄速率。为晶片进一步进行的化学机械抛光做准备。
(7)下片，打开自动粘片单元设备，待热盘加热至设置好温度(50～120)℃，将步骤(6)中所述的基片放上，(10～20)min过后取下片子，氮气枪吹干放在专用盒子里。
(8)化学机械抛光(CMP)设备修盘，开启化学机械抛光设备，安装修盘器，采用去离子水修盘，压力(-15～-5)lb，时间(20～40)min；
(9)化学机械抛光，卸下修盘器，安好晶片夹持工装，吸附步骤(7)中所述的基片至工装上，采用抛光液对晶片进行化学机械抛光抛光盘转速(40～80)转/min，夹持工装转速(30～60)转/min，抛光液配比为氧化硅抛光液：双氧水：水＝1:1:2，抛光时间(20～40)min，抛光压力(-20～-10)lb。
化学机械抛光，采用机械作用以及和抛光产物有一定化学去除作用的抛光液同时作用在被抛光基片表面，使得化学和机械作用协同作用于基片表面，用较快的速度去除高图形结构以获得均匀的表面异质结构，可有效缩减表面异质结构间的不同磨削速率对基片表面的影响。
(10)下片，将步骤(9)中所述的基片取下，并用去离子水冲洗基片，氮气枪吹扫干净。
(11)检查，采用探针式轮廓仪测量步骤(10)中所述的基片化学机械片抛光后的表面异质结构间高度差，应低于1μm，整体平整度应控制在(3～10)μm，表面的粗糙度小于1nm。放置在专用盒子里，进行后续工艺，如图4所示。
本发明经过机械研磨、机械抛光和化学机械抛光之后的晶圆基片，去除的总厚度大于1μm。
下面给出本发明实施例：
本实施例晶圆级异质结构的平坦化工艺方法按以下步骤实施。
(1)粘片，打开自动粘片设备，待热盘加热至设置好温度90℃，将玻璃板放在热盘上加热3min，然后用蜡涂满整个玻璃板，将待加工基片放置在玻璃板中心，盖子盖上，并锁紧，启动粘片功能。待粘片完毕后从自动粘片单元取出玻璃板和基片。采用测厚仪对粘好的基片进行厚度测量，得到初始厚度，采用五点法测量，表面整体厚度约为(230～300)μm。
(2)校盘，打开晶片减薄机，选择氧化铝研磨液，并将摆臂安装好，摆臂一侧手臂与铸铁盘边缘的间距应为3cm，校盘采用钢制校盘器进行校盘，校盘时间为40min,铸铁盘转速为40转/min。
(3)研磨，将步骤(1)中所述粘好的基片在放在吸片工装中心，并用真空吸上，根据工艺要求选择氧化铝研磨液进行研磨，研磨转速为30转/min，并把片子研磨到200μm厚度，研磨完后取下片子，在用去离子水冲洗干净，氮气枪吹扫干净。
(4)测厚，采用测厚仪对步骤(3)中所述研磨后的基片进行厚度测量，得到预设要求的(200～220)μm基片厚度，且基片表面异质结构高度差控制在20μm以内。如测量厚度过大，则应重复进行步骤(3)，直至测量厚度符合要求。
(5)机械抛光，将晶片减薄机的铸铁盘卸下，换上抛光盘，安装好摆臂，抛光液料筒，将步骤(3)中所述研磨好的基片安在吸片工装之上，并在吸片工装上加放配重块，转速为50转/min，抛光液采用3μm粒径氧化铈悬浊液滴加在抛光盘上。
(6)测厚，采用测厚仪对步骤(5)中所述机械抛光后的基片厚度进行测量，得到基片厚度应在(180～185)μm范围，且基片表面异质结构高度差控制在10μm以内。
(7)下片，打开自动粘片单元设备，待热盘加热至设置好温度90℃，将步骤(6)中所述的基片放上，10min过后取下片子，氮气枪吹干放在专用盒子里。
(8)化学机械抛光(CMP)设备修盘，开启化学机械抛光设备，安装修盘器，采用去离子水修盘，压力-10磅，时间30min；
(9)化学机械抛光，卸下修盘器，安好晶片夹持工装，吸附步骤(7)中所述的基片至工装上，采用抛光液对晶片进行化学机械抛光抛光盘转速40转/min，夹持工装转速30转/min，抛光液配比为氧化硅抛光液：双氧水：水＝1:1:2，抛光时间20min，抛光压力-10磅。
(10)下片，将步骤(9)中所述的基片取下，并用去离子水冲洗基片，氮气枪吹扫干净。
(11)检查，采用探针式轮廓仪测量步骤(10)中所述的基片化学机械片抛光后的表面异质结构间高度差，低于1μm，整体平整度应控制在5μm，表面的粗糙度小于1nm。放置在专用盒子里，进行后续工艺。
从以上结果可以看出，本发明经过机械研磨、机械抛光和化学机械抛光之后的晶圆基片，大大缩小了表面异质结构的高度差，可达到1μm以下。此外提高了基片表面的平整度，可控制在(3-10)μm以内。使用原子力显微镜测量晶圆表面粗糙度，采用五点测量法，最大粗糙度数值仅为0.8nm。
本发明所平坦化后的晶圆基片表面质量较之前几种平坦化方法所制备的有大幅度提高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)机械研磨，经过微工艺加工，在晶圆基片表面形成异质结构，使用晶片减薄机，对该晶圆基片表面进行机械减薄，去除表面厚度，缩减晶圆基片表面异质结构间的高度差；
(2)测厚，采用测厚仪对机械研磨后的晶圆表面异质结构进行厚度测量；若表面异质结构之间测量厚度差值超出预设厚度，则重复进行步骤(1)，直至测量厚度符合要求；
(3)机械抛光，使用晶片减薄机，对机械研磨后的晶圆表面进行机械抛光，进一步缩小晶圆基片表面异质结构件的高度差；
(4)测厚，采用测厚仪对机械抛光后的晶圆表面异质结构进行厚度测量；若表面异质结构之间测量厚度差值超出预设厚度，则重复进行步骤(3)，直至测量厚度符合要求；
(5)化学机械抛光，使用化学机械抛光设备，对机械研磨、抛光后的晶圆基片表面进行化学机械抛光，使得晶圆基片表面异质结构间的高度一致，晶圆基片表面成为一个平面；
(6)测厚，采用探针式轮廓仪测量化学机械抛光后的晶圆基片表面异质结构间的高度差，若满足预设厚度，则完成对晶圆级异质结构的平坦化，否则重复步骤(5)直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：晶圆级异质结构包括表面金属材质(1)、表面胶类材质(2)和基底晶圆(3)；表面金属材质(1)为成蜂窝状分布的、垂直于基底晶圆(3)的多个圆柱体，且相邻圆柱体之间均为表面胶类材质(2)，表面金属材质(1)和表面胶类材质(2)之间存在高度差。
3.根据权利要求2所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：经过机械研磨、机械抛光和化学机械抛光之后的晶圆基片，去除的总厚度大于1μm。
4.根据权利要求2所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：所述步骤(2)中的机械研磨后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异质结构高度差控制在20μm以内。
5.根据权利要求2所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：所述步骤(4)中的机械抛光后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异质结构高度差控制在10μm以内。
6.根据权利要求2所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：所述步骤(6)中的化学机械抛光后晶圆基片表面异质结构厚度测量，晶圆表面异种材质结构高度差控制在1μm以内，晶圆基片表面整体平整度控制在5μm以内，表面为金属材质的结构区域粗糙度控制在1nm以内。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：进行步骤(1)机械研磨前，还包括：
粘片，打开自动粘片设备，待热盘加热至设置好温度，将玻璃板放在热盘上加热3min，然后用蜡涂满整个玻璃板，将待加工基片放置在玻璃板中心，进行粘片，待粘片完毕后从自动粘片设备取出玻璃板和基片；
校盘，打开晶片减薄机，摆臂一侧手臂与铸铁盘边缘的间距为1～3cm，校盘采用钢制校盘器进行校盘，校盘时间为30～60min,铸铁盘转速为40～80转/min；
进行机械研磨时，将所述粘好的基片放在吸片工装中心，并用真空吸上，根据工艺要求选择适合的研磨液进行研磨，研磨转速为30～60转/min，并把基片研磨到相应的厚度，研磨完后取下基片，用去离子水冲洗干净，氮气枪吹扫干净。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：进行步骤(3)机械抛光时，将晶片减薄机的铸铁盘卸下，换上抛光盘，安装好摆臂，抛光液料筒，将研磨好的基片安在吸片工装之上，并在吸片工装上加放配重块，转速为40～80转/min，抛光液采用3μm粒径氧化铈悬浊液滴加在抛光盘上。
9.根据权利要求1所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：进行步骤(5)化学机械抛光时，具体为：
化学机械抛光设备修盘，开启化学机械抛光设备，安装修盘器，采用去离子水修盘，压力-15～-5磅，时间20～40min；
化学机械抛光，卸下修盘器，安好晶片夹持工装，吸附机械抛光后的基片至工装上，采用抛光液对晶片进行化学机械抛光，抛光盘转速40～80转/min，夹持工装转速30～60转/min，抛光液配比为，抛光液：双氧水：水＝1:1:2，抛光时间20～40min，抛光压力-20～-10磅。
10.根据权利要求9所述的一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，其特征在于：抛光液采用氧化硅抛光液。
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