DE102008045534A1

DE102008045534A1 - Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE102008045534A1
Application number: DE102008045534A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Zapilko; Thomas Dr. Jäschke; Makoto Tabata; Klaus Dr. Röttger
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: KR20100027960A; US20100056027A1; JP5322856B2; TW201013770A; KR101032932B1; CN101670546A; CN101670546B; US8157617B2; SG159465A1; USRE44986E1; TWI409869B; JP2010062561A; DE102008045534B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe, die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist. Das Verfahren umfasst das Polieren der Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Rückseite höher ist, als in einem Randbereich der Rückseite; und das Polieren der Vorderseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Vorderseite niedriger ist, als in einem Randbereich der Vorderseite.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe mittels chemisch-mechanischer Politur (CMP).
Die CMP ist eine Einseiten-Politur, die üblicherweise dazu verwendet wird, um die Rauhigkeit der Vorderseite einer Halbleiterscheibe zu reduzieren. Sie wird daher auch als Glanzpolitur (engl. „mirror polishing”) bezeichnet. Während der CMP wird die Halbleiterscheibe mit der zu polierenden Seite von einem sich drehenden Polierkopf gegen ein sich drehendes Poliertuch gedrückt und in Gegenwart eines zugeführten Poliermittels geglättet. Der beim Polieren bewirkte Materialabtrag hängt unter anderem vom Druck ab, mit dem die Halbleiterscheibe gegen das Poliertuch gedrückt wird. Es besteht auch die Möglichkeit den Polierdruck in verschiedenen Zonen unterschiedlich zu wählen, so das ein Materialabtrag bewirkt wird, der zu einem uneinheitlichen Profil führt, wenn der Materialabtrag entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe betrachtet wird. Druckzonen können beispielsweise mit Hilfe von Druckkammern oder Druckringen eingerichtet werden. Ein Polierkopf mit einem Träger (engl. „carrier”) der eine Unterteilung in Druckzonen ermöglicht, ist beispielsweise in der US 5,916,016 beschrieben. Die CMP kann demzufolge auch dafür verwendet werden, die Geometrie der Halbleiterscheibe gezielt zu beeinflussen, also die Parameter der Halbleiterscheibe, die die lokale und globale Ebenheit beschreiben.
Neben der CMP spielt die DSP (engl. „double side polishing”) eine wichtige Rolle bei der Politur von Halbleiterscheiben. Bei der DSP werden in der Regel mehrere Halbleiterscheiben gleichzeitig poliert. Eine Halbleiterscheibe liegt während der DSP zwischen zwei mit Poliertuch versehenen Poliertellern in einer Aussparung einer Läuferscheibe und wird mit Hilfe eines zugeführten Poliermittels beidseitig poliert. Die DSP hat insbesondere die Aufgabe, Beschädigungen im Bereich der Oberfläche zu beseitigen, die nach einer formgebenden mechanischen Bearbeitung durch Läppen und/oder Schleifen der Halbleiterscheibe zurückgeblieben sind. Der Materialabtrag ist bei der DSP mit üblicherweise 10 bis 30 µm Gesamtabtrag deutlich höher, als der bei der CMP. Die DSP wird daher häufig auch als Abtragspolitur (engl. „stock removal polishing”) bezeichnet.
Zur quantitativen Charakterisierung der Geometrie von Halbleiterscheiben stehen genormte Parameter zur Verfügung. Dies gilt auch für den Randbereich der Vorderseite der Halbleiterscheibe, wobei mit Vorderseite üblicherweise diejenige Seite einer Halbleiterscheibe gemeint ist, die als Grundlage für die Integration von elektronischen Bauelementen verwendet wird.
Die Hersteller von elektronischen Bauelementen sind bestrebt, auch den Randbereich möglichst umfassend in die nutzbare Fläche FQA, (engl. „Fixed Quality Area”) einzubeziehen. Dementsprechend wird der spezifizierte erlaubte Randausschluss EE (engl. „Edge Exclusion”) immer kleiner. Anspruchsvolle Spezifikationen erlauben derzeit nur noch einen Randausschluss von 1 mm.
Unebenheiten können durch den Parameter SFQR beschrieben werden. Der SFQR bezeichnet die lokale Ebenheit in einem Messfeld einer bestimmten Dimension, beispielsweise einer Fläche von 20 mm × 20 mm, und zwar in Form der maximalen Höhenabweichung der Vorderseite der Halbleiterscheibe im Messfeld zu einer durch Fehlerquadratminimierung gewonnenen Referenzfläche mit gleicher Dimension. Randfelder, die auch „partial sites” genannt werden, sind Messfelder im Randbereich, die nicht mehr vollständig Bestandteil der FQA sind, deren Zentrum jedoch noch in der FQA liegt. Der Parameter PSFQR bezeichnet die lokale Ebenheit in Randfeldern, ebenso wie der Parameter ESFQR. Letzterer beruht auf einer umfassenderen Metrik.
Neben der lokalen Ebenheit muss immer auch die globale Ebenheit der Vorderseite der Halbleiterscheibe beachtet werden. Genormte Parameter zur Beschreibung der globalen Ebenheit sind der GBIR und der mit diesem Wert korrelierende SBIR. Beide Parameter drücken die maximale Höhenabweichung der Vorderseite bezogen auf eine als ideal eben angenommene Rückseite der Halbleiterscheibe aus und unterscheiden sich dadurch, dass im Fall des GBIR die FQA und im Fall des SBIR die auf ein Messfeld beschränkte Fläche zur Berechnung herangezogen wird.
Definitionen der genannten Parameter und Beschreibungen von Verfahren zur Messung dieser Parameter sind in den einschlägigen SEMI-Standards enthalten, insbesondere in den Standards M1, M67 und M1530.
Die Dicke einer mittels DSP polierten Halbleiterscheibe nimmt üblicherweise zum Rand hin deutlich ab. Dieser Randabfall (engl. „edge roll-off”) kann die globale Ebenheit und die lokale Ebenheit in Randfeldern beeinträchtigen. Es ist daher wünschenswert, den Randabfall möglichst auf den Bereich des Randausschlusses zu begrenzen.
In der US 2003/0022495 A1 wird zur Verringerung des Randabfalls vorgeschlagen, zunächst die Rückseite der Halbleiterscheibe so zu polieren, dass eine Referenzebene entsteht. Zu diesem Zweck wird die Vorderseite an einen steifen Träger gesaugt und ein Materialabtrag auf der Rückseite herbeigeführt, der vorzugsweise 3 bis 8 µm beträgt. Im Anschluss daran wird die Vorderseite der Halbleiterscheibe poliert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe anzugeben, das zu einer deutlichen Verbesserung sowohl der globalen Ebenheit als auch der lokalen Ebenheit, insbesondere im Randbereich der Vorderseite der Halbleiterscheibe führt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe, die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, umfassend:
das Polieren der Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Rückseite höher ist, als in einem Randbereich der Rückseite; und
das Polieren der Vorderseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Vorderseite niedriger ist, als in einem Randbereich der Vorderseite.
Die CMP der Rückseite, die so ausgeführt wird, dass im Zentrumsbereich mehr Material abgetragen wird, als im Randbereich, führt unmittelbar zu einer Verbesserung der Randgeometrie, insbesondere zu einer Verbesserung der Parameter PSFQR und ESFQR. Sie führt aber auch zu einer Verschlechterung der globalen Geometrie, insbesondere der Parameter GBIR und SBIR, weil wegen des ungleichmäßigen Materialabtrags der Dickenunterschied zwischen dem Zentrumsbereich und dem Randbereich der Halbleiterscheibe zunimmt. Die folgende CMP der Vorderseite, die so ausgeführt wird, dass im Zentrumsbereich weniger Material abgetragen wird, als im Randbereich, erreicht in erster Linie, dass die globale Geometrie wieder besser wird, ohne die Randgeometrie zu beinträchtigen. Im Ergebnis resultieren Verbesserungen bei sämtlichen Parametern, wie GBIR, SBIR, ESFQR und PSFQR. Die durch das Verfahren zu erreichende Verbesserung der Geometrie der Halbleiterscheibe gelingt auch dann, wenn ein Randausschluss von nur 1 mm gefordert ist.
Der Zentrumsbereich umfasst das Zentrum der Halbleiterscheibe und eine Kreisfläche mit einem Radius, der mindestens 50% des Radius der Halbleiterscheibe beträgt. Der Randbereich erstreckt sich vom Rand der Halbleiterscheibe in Richtung zu deren Zentrum und hat eine Breite, die mindestens 5% des Radius der Halbleiterscheibe beträgt.
Das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Rückseite der Halbleitescheibe mittels CMP erzeugt wird, hat vorzugsweise einen Verlauf, der spiegelbildlich ist zum Verlauf des Profils des Materialabtrags, das beim Polieren der Vorderseite der Halbleiterscheibe mittels CMP erzeugt wird. Um dies zu erreichen ist es vorteilhaft, nach dem Polieren der Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP ein Zielprofil zu ermitteln, das den Materialabtrag beschreibt, der beim Polieren der Vorderseite mittels CMP erzielt werden soll. Das Zielprofil wird ermittelt, indem nach der CMP der Rückseite die Höhenabweichung der Rückseite von einer Ebene entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe gemessen und der Verlauf der Höhenabweichung dem Verlauf des Zielprofils gleichgesetzt wird. Die Umsetzung des Zielprofils bei der folgenden CMP der Vorderseite wird durch Druckzonen erreicht, durch die die Halbleiterscheibe während der CMP der Vorderseite mit unterschiedlichen Drücken so beaufschlagt wird, dass ein Materialabtrag mit einem dem Zielprofil entsprechendem Profil bewirkt wird.
Der Materialabtrag der CMP beträgt in der Summe (Abtrag von der Rückseite und Abtrag von der Vorderseite) nicht mehr als 1,5 µm. Das Verfahren ist daher auch besonders wirtschaftlich. Bei der CMP der Rückseite beträgt der Materialabtrag im Zentrumsbereich der Rückseite vorzugsweise 0,2 bis 0,8 µm. Im Randbereich der Rückseite ist der Materialabtrag vorzugsweise um 0,02 bis 0,2 µm niedriger. Bei der CMP der Vorderseite beträgt der Materialabtrag im Zentrumsbereich der Vorderseite vorzugsweise 0,2 bis 0,8 µm. Im Randbereich der Vorderseite ist der Materialabtrag vorzugsweise um 0,02 bis 0,2 µm höher.
Das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Rückseite mittels CMP erzeugt wird, hat vorzugsweise einen konvexen Verlauf, und das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Vorderseite mittels CMP erzeugt wird, hat vorzugsweise einen konkaven Verlauf. Das Profil des Materialabtrags muss nicht streng konvex beziehungsweise streng konkav sein. So ist beispielsweise auch ein Verlauf möglich, bei dem das Maximum des Materialabtrags schon vor dem Rand der Halbleiterscheibe erreicht wird, oder ein Verlauf, bei dem ein deutlicher Abfall beziehungsweise ein deutlicher Anstieg des Materialabtrags erst in einem Bereich der Rückseite beziehungsweise der Vorderseite erreicht wird, dessen Abstand vom Zentrum der Halbleiterscheibe mindestens 55% des Radius der Halbleiterscheibe beträgt.
In den 1 bis 4 sind je zwei Beispiele von Abtragsprofilen gezeigt und zwar Profile mit tendenziell konkavem Verlauf (1 und 2) für die CMP der Vorderseite und solche mit tendenziell konvexem Verlauf (3 und 4) für die CMP der Rückseite.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit Halbleiterscheiben durchgeführt, die zuvor einer DSP unterzogen wurden. Darüber hinaus können weitere CMP-Schritte durchgeführt werden, um die Rückseite und/oder die Vorderseite zu polieren. Besonders bevorzugt ist mindestens eine weitere CMP der Vorderseite der Halbleiterscheibe, die nach der ersten CMP der Vorderseite mit dem Ziel durchgeführt wird, die Rauhigkeit der Vorderseite zu reduzieren.
Der Erfolg der Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel und an Vergleichsbeispielen gezeigt:
Beispiel:
Eine Halbleiterscheibe aus Silizium mit einem Durchmesser von 300 mm wurde im Anschluss an eine DSP erst einer CMP der Rückseite und dann einer CMP der Vorderseite unterzogen. Zur Durchführung der CMP stand eine Poliermaschine vom Typ Reflexion LK CMP des Herstellers Applied Materials, USA zur Verfügung.
Für die CMP der Rückseite wurde ein Materialabtrag mit einem tendenziell konvexen Profil gewählt. Der Materialabtrag im Zentrum lag bei 0,65 µm, der im Randbereich bei einer Position im Abstand von 2 mm vom Rand bei 0,55 µm.
Für die CMP der Vorderseite wurde ein Materialabtrag mit einem tendenziell konkaven Profil gewählt. Der Materialabtrag im Zentrum lag bei 0,25 µm, der im Randbereich bei einer Position im Abstand von 2 mm vom Rand bei 0,35 µm.
Die gemessenen Abtragsprofile sind in 5 dargestellt.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind unter Berücksichtigung eines Randausschlusses von 1 mm die Geometrie-Parameter ESFQR_avg, PSFQR_max, SBIR_max, GBIR und SFQR_max zusammengestellt. Die angegebenen Werte (Δ) zeigen die Veränderung des jeweiligen Parameters vor und nach der CMP der Rückseite, beziehungsweise vor und nach der CMP der Rückseite und der CMP der Vorderseite, an. Tabelle 1:

	Δ (CMP der Rückseite) [µm]	Δ (CMP der Rückseite und der Vorderseite) [µm]
ESFQR_avg	0,044	0,042
PSFQR_max	0,023	0,022
SBIR_max	–0,003	0,032
GBIR	–0,056	0,017
SFQR_max	0,025	0,022

Die CMP der Rückseite führte zu einer deutlichen Verbesserung des durchschnittlichen ESFQR um 44 nm. Der Parameter PSFQR verbesserte sich um 23 nm. Demgegenüber nahmen SBIR und GBIR ab, nämlich um 3 nm, beziehungsweise um 56 nm. Nach der CMP der Rückseite und der Vorderseite waren alle betrachteten Geometrie-Parameter verbessert.
Vergleichsbeispiel 1:
Zum Vergleich wurde eine weitere, DSP polierte Halbleiterscheibe erst einer CMP der Rückseite und dann einer CMP der Vorderseite unterzogen. Für die CMP der Rückseite wurde ein Materialabtrag mit einem tendenziell konvexen Profil gewählt. Der Materialabtrag im Zentrum lag bei 0,65 µm, der im Randbereich bei einer Position im Abstand von 2 mm vom Rand bei 0,58 µm. Für die CMP der Vorderseite wurde ein Materialabtrag mit einem ebenfalls tendenziell konvexen Profil gewählt, mit denselben Eigenschaften, die bei der CMP der Rückseite erzielt wurden.

Das Ergebnis der Geometrie-Messung ist in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengestellt: Tabelle 2:

	Δ (CMP der Rückseite) [µm]	Δ (CMP der Rückseite und der Vorderseite) [µm]
ESFQR_avg	–0,015	0,01
PSFQR_max	–0,011	0,004
SBIR_max	0,026	–0,075
GBIR	0,032	–0,13
SFQR_max	–0,012	0,011

Mit der gewählten Gestaltung der CMP der Rückseite und der Vorderseite der Halbleiterscheibe konnte praktisch keine Verbesserung der Geometrie-Parameter erreicht werden. Das galt auch für eine abgewandelte Gestaltung des Experiments, als für die CMP der Rückseite und der Vorderseite jeweils ein Materialabtrag mit einem tendenziell konkaven Profil gewählt wurde.
Vergleichsbeispiel 2:
Zum Vergleich wurde eine weitere, DSP polierte Halbleiterscheibe erst einer CMP der Rückseite und dann einer CMP der Vorderseite unterzogen. Für die CMP der Rückseite wurde ein gleichmäßiger Materialabtrag im Bereich von 0,4 µm gewählt, so dass das Profil im Wesentlichen flach war. Für die CMP der Vorderseite wurde ein Materialabtrag im Bereich von 0,45 µm mit einem tendenziell konvexen Profil gewählt.

Das Ergebnis der Geometrie-Messung ist in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengestellt: Tabelle 3:

	Δ (CMP der Rückseite) [µm]	Δ (CMP der Rückseite und der Vorderseite) [µm]
ESFQR_avg	0,002	0,004
PSFQR_max	0,001	0,003
SBIR_max	–0,003	–0,023
GBIR	0,007	–0,002
SFQR_max	0	0,011

Die CMP der Rückseite mit dem Materialabtrag von 0,4 µm und dem flachen Profil hatte kaum Auswirkungen auf die Geometrie der Halbleiterscheibe. Die Parameter schwankten um weniger als 10 nm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5916016 [0002]
- US 2003/0022495 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Polieren einer Halbleiterscheibe, die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, umfassend das Polieren der Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Rückseite höher ist, als in einem Randbereich der Rückseite; und das Polieren der Vorderseite der Halbleiterscheibe mittels CMP, wobei ein Materialabtrag mit einem Profil entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe erzeugt wird, demzufolge der Materialabtrag in einem Zentrumsbereich der Vorderseite niedriger ist, als in einem Randbereich der Vorderseite.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag im Zentrumsbereich der Rückseite 0,2 bis 0,8 µm beträgt und im Randbereich der Rückseite 0,02 bis 0,2 µm niedriger ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag im Zentrumsbereich der Vorderseite 0,2 bis 0,8 µm beträgt und im Randbereich der Vorderseite 0,02 bis 0,2 µm höher ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Rückseite der Halbleitescheibe mittels CMP erzeugt wird, einen Verlauf hat, der spiegelbildlich ist zum Verlauf des Profils des Materialabtrags, das beim Polieren der Vorderseite der Halbleiterscheibe mittels CMP erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zielprofil des Materialabtrags zum Polieren der Vorderseite mittels CMP nach dem Polieren der Rückseite der Halbleiterscheibe mittels CMP ermittelt wird, indem die Höhenabweichung der Rückseite von einer Ebene entlang des Durchmessers der Halbleiterscheibe gemessen und der Verlauf der Höhenabweichung dem Verlauf des Zielprofils gleichgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Rückseite mittels CMP erzeugt wird, einen konvexen Verlauf hat und das Profil des Materialabtrags, das beim Polieren der Vorderseite mittels CMP erzeugt wird, einen konkaven Verlauf hat.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend mindestens eine weitere CMP der Vorderseite der Halbleiterscheibe, durch die die Rauhigkeit der Vorderseite verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Polieren der Halbleiterscheibe mittels DSP, wobei die DSP vor der CMP der Rückseite der Halbleiterscheibe durchgeführt wird.