TWI417956B - 拋光半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Description

拋光半導體晶圓的方法
本發明係關於一種用於抛光半導體晶圓的方法。
CMP是一種常用來降低半導體晶圓正面粗糙度之單面抛光方法，因此亦稱為鏡面抛光(mirror polishing)。在CMP過程中，係將半導體晶圓中欲進行抛光的面壓在一藉由旋轉的抛光頭而旋轉的拋光墊上，並在存在抛光劑之情況下進行平滑化。除了其它因素外，抛光過程中所產生的材料移除係取决於半導體晶圓壓在拋光墊上的壓力。如果考慮半導體晶圓直徑上之材料移除，亦可在不同的區域選擇不同的抛光壓力，以產生不均勻輪廓的材料移除。舉例言之，可以在壓力室或壓力環之協助下建立壓力區域。舉例言之，US 5,916,016揭露一種具有一能細分成數個壓力區域之載台的拋光頭。據此，CMP亦可用來以目標方式影響半導體晶圓的幾何結構，即影響勾勒局部和全域平坦度的半導體晶圓參數。例如US 2002-0077039及US 2008-0305722所揭露之CMP方法。
除CMP之外，雙面抛光(double-side polishing，DSP)亦在半導體晶圓抛光中扮演重要角色。在DSP過程中，通常係同時對多個半導體晶圓進行拋光。在DSP過程中，半導體晶圓係置於兩個配有拋光墊之拋光板間，並置於一載盤之切口中，隨後，在提供拋光劑之協助下進行雙面拋光。DSP之目的尤其在於消除在半導體晶圓研光(lapping)及/或研磨之定型機械加工後殘留於表面區域之損壞。DSP過程中所造成之材料移除(一般總移除量為10微米至30微米)係明顯大於CMP所造成者。因此，雙面拋光通常亦稱為材料移除抛光。
此外，所謂的「固定磨料抛光(fixed abrasive polishing，FAP)」技術為已知技術，其中，半導體晶圓係在一包含研磨材料(黏著在拋光墊中)的拋光墊(固定磨料墊)上抛光。在下文中，使用此種固定磨料拋光墊的抛光步驟簡稱為FAP步驟。
德國專利申請案DE 102 007 035 266 A1揭露一種抛光由矽材料所構成之基材的方法，其包含兩個固定磨料抛光形式之抛光步驟，其不同之處在於：在第一抛光步驟過程中，係將含有作為固體材料之未經黏著研磨材料的抛光劑漿料引入至基材和拋光墊之間；而在第二抛光步驟過程中，係以不含固體之抛光劑溶液代替抛光劑漿料。
一般而言，利用雙面抛光之半導體晶圓厚度會明顯地朝邊緣方向降低。此邊緣下降(edge roll-off)可能會不利地影響全域平坦度及邊緣區域之局部平坦度。因此，盡可能地限制邊緣排除區域之邊緣下降乃為所欲的。
在一组複數個半導體晶圓之單面抛光(單面批式抛光)過程中，半導體晶圓係藉由一個面而安裝至載板的正面上，其係藉由在該面和該載板間所產生的正鎖定(positively locking)連結及應力鎖定(force locking)連結，例如黏接、黏結、黏合或真空應用。
在載板和半導體晶圓間產生黏結接合的方法係描述於DE 198 16 150 A1中。
在下文中，應當注意所有已知的黏結接合類型和固定手段係以「黏合」表達。
一般而言，半導體晶圓係以形成同心圓或形成同心圓圖案之方式安裝在載板上。然而，也有僅在一載板上安裝單個半導體晶圓之抛光方法。載板的背面係以一加壓柱塞支撐(在下文中稱為抛光頭)。安裝之後，自由晶圓之側係以特定的抛光力壓向抛光板(拋光墊係撐張於其上)上，並在提供抛光劑之情況下進行抛光。在此情况下，載板和抛光板通常以不同的速度旋轉。必要的抛光力係從抛光頭傳遞至載板的背面。許多已使用的拋光機係設計為具有複數個抛光頭並可以相應地容納複數個載板。此種類型的拋光機係描述於如文獻US 5908347。
在此批式方法之單面抛光(single-side polishing，SSP)過程中會發生一種稱為「下降(roll off)」之典型局部幾何缺陷。此為半導體晶圓正面的邊緣下降，以相對於載板之面向而言，其位於外側之處，即離載板邊緣距離最短之處。而在載板中僅安裝單一半導體晶圓之情况下亦會發生類似的邊緣下降，然而，其並不限於發生在半導體晶圓的一個位置上，可能是發生在整個晶圓的周邊。
根據習知技術，此種幾何缺陷得藉由適當調節徑向外區上之拋光墊而最小化。此種墊調節係描述於如JP 11-226860 A。然而，該方法無法完全消除邊緣下降。
為達到減少邊緣下降之目的，US 2003/0022495 A1建議先抛光半導體晶圓的背面，以此方式產生一基準面。為此目的，係將其正面吸(夾)到一剛性載台上，並於其背面產生材料移除，該材料移除較佳係達3微米至8微米。之後，再對半導體晶圓的正面進行拋光。
未經早期公開之DE 102008045534.2揭露抛光半導體晶圓的方法，其包含藉由CMP抛光半導體晶圓的背面，產生沿半導體晶圓直徑輪廓的材料移除，根據該移除在背面中心區域上之材料移除比背面邊緣區域上之材料移除來得多；以及藉由CMP抛光半導體晶圓的正面，產生一沿半導體晶圓直徑輪廓的材料移除，根據該移除在正面中心區域上之材料移除比正面邊緣區域上之材料移除來得少。
該方法的不利之處在於，在正面CMP抛光過程中，半導體晶圓的背面是已經過CMP抛光的，因此其具有非常光滑表面，然而半導體晶圓係藉由其背面固定在載台上，此在避免半導體晶圓在抛光過程中漂離(floating away)上會產生問題。
該問題引導出本發明的目的。
該目的可藉由如請求項1所述之方法實現。
本發明首先使用拋光墊進行一個面的抛光，該拋光墊包含平均粒徑為0.1微米至1.0微米的固著磨料，其目的是為經抛光之面設定一特定的表面粗糙度，該特定表面粗糙度係大於CMP抛光之後所得到的表面粗糙度；隨後藉由經上述方法抛光之面將半導體晶圓固定到一拋光機的載板上，其中係使用厚度最多為3微米之均勻的薄黏合層來固定；以及最後對半導體晶圓中未抛光之面進行抛光。
在生產半導體晶圓的順序中，該方法較佳係統整如下：在機械(研磨或研光)和化學處理步驟(清洗或蝕刻)後，首先以如上述方法對半導體晶圓正面進行FAP抛光；藉由其正面將半導體晶圓黏合到一載板上；以及對半導體晶圓的背面實現一化學機械抛光。
此後，對半導體晶圓的背面進行FAP抛光；藉由半導體晶圓之背面將其黏合在載板上；最後，對半導體晶圓的正面進行傳統的CMP抛光。
已經發現較佳係對半導體晶圓的兩個面依序抛光。藉由依序抛光，半導體晶圓的兩面可以目標方式使其幾何結構彼此協調。在此應例示針對各別拋光步驟之特殊構形載板(凹面、凸面、平面)的選擇。
藉此，可避免在習知技術中所觀察到之不欲的邊緣對稱，例如在利用行星齒輪運動、抛光漿料(矽溶膠)、和傳統拋光墊所進行之傳統雙面抛光後所形成的邊緣下降。
特別好處可能在於，舉例言之，可在例如半導體晶圓背面之第一抛光步驟之後進行幾何結構的測量，並對應地最佳化例如半導體晶圓正面之第二抛光步驟的規劃(prescription)，以及對應地協調選擇於第二抛光步驟中所用的載板。
藉由首先實現的FAP拋光步驟，可在待黏合的半導體晶圓位置上實施一特定型態之粗糙化，經此方法抛光的表面因其極均勻的表面粗糙度而顯得不同，但相對於小於或等於250微米的空間波長範圍而言，其粗糙度窗口相對較寬，大约為0.3奈米至4.5奈米均方根。這可從未曾公開之DE 102009030295.6中得知，該文獻係併於此處以供參考。
如以此方法來進行表面粗糙化的结果所示，半導體表面與黏合薄膜之間的實際接觸表面區域係有所增加，且黏合力(凡得瓦力)也隨之相對提高。
這使半導體晶圓可利用薄黏合層穩固地固定，而不會有漂出(floating)的危險。
在純機械處理之背面(例如在研磨或研光後)的情况中，在抛光過程中會增加過高表面粗糙度反映到半導體晶圓正面上的風險。FAP抛光雖會降低表面粗糙度，但仍不及CMP抛光之程度。
薄黏合層對半導體晶圓的幾何結構有正面效果，因為半導體晶圓可以更好地承載在經較好幾何結構最佳化之載板表面上，且没有因黏合層本身不均勻所造成的其它高度變化差異。
原則上，在此描述的方法當然也可以單面抛光進行，據此，晶圓背面係藉由FAP抛光進行抛光，而晶圓正面則進行提供有抛光漿料之單面抛光(僅正面之CMP)。
同樣地，在此須注意到，固定磨料抛光處理後總需要伴隨晶圓清洗，以消除由經粗糙化之待黏合晶圓面所引起之可能的顆粒污染，否則會有生產凹痕的危險。
在FAP抛光過程中係使用於含有黏著在其上之研磨材料的拋光墊(FAP抛光墊)。
舉例言之，適合的研磨材料包含：元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物顆粒，以及諸如碳化矽、氮化硼和金剛石的硬質材料顆粒。
特別適合的拋光墊係具有以重複微結構構形之表面形貌。此等微結構(柱)係呈圓柱形截面或多邊形截面之長柱、或呈椎體或截頭椎體。
此種拋光墊之更詳细說明係見述如WO 92/13680 A1及US 2005/227590 A1中。
使用含鈰氧化物顆粒的拋光墊係特別佳的；也可參考US 6602117 B1中所述的拋光墊。
所用的FAP拋光墊的粒徑較佳為大於或等於0.1微米且小於或等於1.0微米。
若所欲之高背面粗糙度為30埃至45埃，則較佳係使用粒徑為0.5微米至1.0微米的FAP抛光墊。
若所欲之低背面粗糙度為3埃至10埃，則較佳使用粒徑為0.1微米至0.25微米的FAP抛光墊。
因此，可以藉由FAP抛光建立特定的表面粗糙度。
將厚度達0.5微米至3.0微米，較佳達0.5微米至2.0微米，特別佳達0.5微米至1.5微米的薄黏合層施用至一拋光機的載板或抛光板上。
黏合方法以及適合的黏合蠟係描述於US 4316757。
舉例言之，由South Bay Technology,Inc.所製造的蠟MWM 070或MWH 135係適合用作黏合蠟(安裝蠟)。
於使用前，係使用適當的溶液將蠟液化。
然而，相關的黏合溶液也可以如下方式製備：將馬來樹脂溶解於醇中。為此目的，較佳係使用多元醇。較佳係添加如结晶紫的三苯甲烷染料。更佳的添加劑為氨、IMBENTIN T/400 G(有40個環氧乙烷單元的乙氧基化三癸醇(可從Dr. W. Kolb AG(黑丁恩，瑞士)獲得)以及超纯水。已經發現，黏度為约30平方毫米/秒之黏合溶液係有利的。
將黏合溶液施加至一載板上，並且將該載板旋轉幾秒，較佳係8秒至12秒，轉速為300轉/分鐘至400轉/分鐘，以在載板上形成均勻的薄膜。隨後，如從US5,256,599中所知，對該含蠟溶液的載板進行加熱，使溶劑蒸發。
將半導體晶圓中先前經過FAP抛光的面壓至此黏合層上。
然後，藉由具有拋光墊之拋光頭壓在半導體晶圓上並利用抛光頭和抛光板之旋轉拋光半導體晶圓的另一面。
在提供抛光漿料(矽溶膠)且使用材料移除拋光墊之情況下，此抛光可以為移除材料之單面抛光。
在提供抛光劑(例如膠態分散體矽溶膠)之情況下，該抛光亦可為使用軟質無霧拋光墊之CMP抛光。
於抛光後，以習知技術中所知之方法對半導體晶圓進行脫膠(decementing)和清洗，例如藉由15%之強蟻酸或由ICB GmbH ＆ Co. KG(柏林)所製造的Puratron-11和Puratron-67，其專門用於除去可能的顆粒雜質(黏合殘留物)。
FAP抛光較佳係由三個步驟實現。因此，可甚至調整所欲之半導體晶圓之經FAP抛光之面的粗糙度至更好的寬粗糙度範圍內。
在第一步驟中，係在提供不含固體之抛光劑的情況下實現FAP抛光，而在第二和第三步驟中則在提供含磨料的抛光劑之情況下實現。在各種情况下，抛光劑都引入到拋光墊與半導體晶圓待抛光的面之間。在第一和第二步驟中，抛光壓力(含拋光墊的抛光頭壓到半導體晶圓上的壓力)為8磅/吋至15磅/吋，在第三步驟中則减至0.5磅/吋至5磅/吋。
根據Chapman(含250微米的過濾器)，藉由此三個步驟之固定磨料抛光抛光，可以產生3埃至45埃的平均表面粗糙度Ra。其涵盖範圍為DSP/CMP方法所及者的10倍以上。
各種類型的拋光機都適合用於實施本方法，例如由Applied Materials Inc.所製造的「反射型」三板單面拋光機，或由Peter Wolters所製造的「Apollo型」雙板拋光機，或由Strasbaugh所製造的「nHance(6EG)型」單板拋光機。
在FAP抛光之後，相對於小於或等於250微米的空間波長而言，半導體晶圓中經FAP抛光之面的平均表面粗糙度Ra較佳為0.3奈米至4.5奈米。
在最簡單情况中，在本發明的方法中，對半導體晶圓之各別面(如背面)之FAP抛光之第一步驟的抛光劑溶液為水，較佳係具有矽工業常用纯度之去離子水(deionized water，DIW)。
然而，抛光劑溶液還可以含有諸如以下的化合物：碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、四甲基氫氧化銨(TMAH)或其任何所欲之前述混合物。
使用碳酸鉀係特別佳的。
在此情况下，抛光劑溶液的pH值較佳係介於10至12，並且上述之化合物在抛光劑溶液中的比例較佳為0.01重量至10重量%，特別佳為0.01重量%至0.2重量%。
抛光劑溶液可以進一步含有一或多種其它添加劑，例如諸如濕潤劑和界面活性劑的表面活化添加劑、作為保護性膠體的穩定劑、保護劑、殺菌劑、醇和錯合劑。
對半導體晶圓各別面(如背面)進行FAP抛光的第二步驟中係使用含磨料的抛光劑。
抛光劑漿料中研磨材料的比例較佳為0.25重量%至20重量%，特別佳為0.25重量%至1重量%。
研磨材料顆粒的粒徑分布較佳係實質上為單峰的。
平均粒徑為5奈米至300奈米，特別佳為5奈米至50奈米。
研磨材料係由能機械移除基材材料的材料所组成，較佳係由元素鋁、鈰或矽之氧化物中的一或多者所組成。
含有膠態分散體氧化矽的抛光劑漿料係特別佳的。
對各別面(如背面)進行FAP抛光之第二步驟中，與第一步驟相反，較佳係没有加入諸如以下的添加劑：碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、四甲基氫氧化銨(TMAH)。
然而，抛光劑漿料可以含有一或多種其它添加劑，例如諸如濕潤劑和界面活性劑的表面活化添加劑、作為保護性膠體的穩定劑、保護劑、殺菌劑、醇和錯合劑。
在對半導體晶圓各別面(如背面)進行FAP抛光之第三步驟中同樣係使用含磨料之抛光劑。
與第一及第二步驟相比，抛光壓力從8磅/吋至15磅/吋降至0.5磅/吋至5磅/吋。
抛光劑漿料中研磨材料的比例較佳為0.25重量%至20重量%，特別佳為0.25重量%至1重量%。
研磨材料顆粒的粒徑分布較佳係實質為單峰的。
平均粒徑為5奈米至300奈米，特別佳為5奈米至50奈米。
研磨材料係由能機械移除基材材料的材料组成，較佳係由元素鋁、鈰或矽之氧化物中的一或多者所組成。
含有膠態分散體氧化矽的抛光劑漿料係特別佳的。
對晶圓中各別面(如背面)進行固定磨料抛光之第三步驟中，與第一步驟相反，較佳係没有加入諸如以下的添加劑：碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、四甲基氫氧化銨(TMAH)。
然而，抛光劑漿料可以含有一或多種其它添加劑，例如諸如濕潤劑和界面活性劑的表面活化添加劑、作為保護性膠體的穩定劑、保護劑、殺菌劑、醇和錯合劑。

Claims (12)

  1. 一種抛光一具有一第一面和一第二面之半導體晶圓的方法，包含：使用一拋光墊對該半導體晶圓之第一面進行一固定磨料抛光(fixed abrasive polishing，FAP)，該拋光墊包含平均粒徑為0.1微米至1.0微米的固著磨料；對該經FAP之半導體晶圓的第一面施加一厚度最多為3微米的黏合層；隨後藉由該包含黏合層之經FAP的第一面，將該半導體晶圓黏合至一拋光機的載板上；以及對該半導體晶圓的第二面進行一單面化學機械抛光。
  2. 如請求項1之方法，其中該半導體晶圓之第二面的化學機械抛光為使用不含固定磨料之拋光墊的CMP抛光。
  3. 如請求項1或2之方法，其中，在實施該第一面的FAP之前，首先使用一拋光墊對該半導體晶圓的第二面進行一固定磨料拋光，該拋光墊包含平均粒徑為0.1微米至1.0微米的固著磨料；對該經FAP之半導體晶圓的第二面施加一厚度最多為3微米的黏合層；藉由該經FAP的第二面將該半導體晶圓黏合至一拋光機的載板上；以及對該半導體晶圓之第一面進行一化學機械抛光。
  4. 如請求項1或2之方法，其中在各種情况下該半導體晶圓之第一面或第二面的FAP抛光都是以三個步驟實現，且在三個步驟過程中，在各種情况下都使用一含有研磨材料的拋光墊，該研磨材料係黏著在該拋光墊上，其中在第一步驟中係導入一不含固體的抛光劑，而在第二步驟和第三步驟中係導入一含有研磨材料的抛光劑至該拋光墊與該半導體晶圓欲進行FAP的面之間，其中拋 光壓力在第一步驟和該第二步驟中為8磅/平方英寸至15磅/平方英寸，而在第三步驟中則減至0.5磅/平方英寸至5磅/平方英寸。
  5. 如請求項4之方法，其中在抛光該半導體晶圓欲進行FAP之面之第一步驟過程中，該抛光劑係一溶液且含有去離子水(deionized water，DIW)。
  6. 如請求項4之方法，其中該抛光劑溶液含有選自以下群組之化合物：碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4OH)、四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)及前述之混合物。
  7. 如請求項5之方法，其中該抛光劑溶液含有選自以下群組之化合物：碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4OH)、四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)及前述之混合物。
  8. 如請求項4之方法，其中在該第二抛光步驟中，該抛光劑係一漿料且包含一或多種元素鋁、鈰或矽的氧化物的顆粒。
  9. 如請求項1或2之方法，其中該用於該半導體晶圓欲進行FAP之面的拋光墊含有呈元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物的顆粒形式或硬質材料之顆粒形式的固著研磨材料。
  10. 如請求項9之方法，其中該硬質材料為碳化矽、氮化硼或金剛石。
  11. 如請求項1或2之方法，其中該黏合層的厚度為0.5微米至2.0微米。
  12. 如請求項1或2之方法，其中該黏合層的厚度為0.5微米至1.5微米。
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