TWI424487B - 半導體晶圓背面研磨製程、其控制系統、及其缺陷的降低方法 - Google Patents

半導體晶圓背面研磨製程、其控制系統、及其缺陷的降低方法 Download PDF

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Description

半導體晶圓背面研磨製程、其控制系統、及其缺陷的降低方法
本發明係關於減少製程缺陷如晶圓破損或翹曲，更特別關於在背面研磨製程中使半導體晶圓具有一致的厚度。
持續縮減半導體尺寸的趨勢面臨多重挑戰。在積體電路的量產製程中，縮減尺寸的方法之一為採用極薄半導體晶圓。有部份已知的本領域發明人採用背面研磨法，以縮減半導體晶圓的厚度。實際上操作為先完成半導體晶圓的正面(或稱主動面)元件，再由晶圓背面移除多餘基材。
在背面研磨製程中，先將晶圓置於工作檯上，接著以研磨輪移除多餘基材。某些系統可具有多個分開的研磨輪，某一研磨輪研磨生產線上的某一晶圓，而其他研磨輪可同時研磨其他晶圓。目前已知背面研磨製程的控制與參數量測相關，比如驅動研磨輪的電流以及研磨輪的軸心轉速兩者的量測組合。由上述參數可知研磨輪與晶圓之間的摩擦力是否控制在可接受的範圍。其他方法則量測晶圓與晶圓上電容板之間的電容。
本發明一實施例提供一種半導體晶圓背面研磨的控制系統，包括：工作檯，具有表面以在背面研磨製程時支撐半導體晶圓，其中工作檯具有孔洞定義於表面中；感測器位於孔洞中以監測背面研磨製程之參數；以及計算機製程控制工具，耦接至感測器以接收輸出訊號，並以輸出訊號為基準控制背面研磨製程。
本發明另一實施例提供一種半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，包括：將半導體晶圓固定於工作檯上，其中工作檯具有表面，且半導體晶圓之正面位於表面上，且其中工作檯具有孔洞於表面中，且感測器係置於孔洞中；進行研磨步驟，研磨至少部份半導體晶圓之背面；在研磨步驟中監測感測器測得之參數；以及依據參數調整研磨步驟。
本發明又一實施例提供一種半導體晶圓背面研磨製程，係用以改良半導體晶圓厚度之均勻性，其採用具有上表面之工作檯，其中工作檯具有孔洞垂直鑽入上表面，並具有壓力電轉換器置於孔洞中，包括：將半導體晶圓固定於工作檯之上表面上，使壓力電轉換器直接接觸半導體晶圓；進行背面研磨製程，使研磨輪施加壓力至晶圓；以壓力電轉換器量測研磨輪施加至晶圓之壓力；將壓力電轉換器量測的數據轉換為統計製程控工具可讀之系列數值；以及當系列數值超出特定範圍時暫停背面研磨製程，或當系列數值位於特定範圍時持續背面研磨製程直到晶圓達到所需厚度。
在下述說明中，不同段落中的「一實施例」指的不一定是單一實施例，其結構可實施於至少一實施例中。一般來說，會採用相同標號標示類似結構，但這並不表示每一實施例中具有相同標號的元件均具有相同結構。此外，圖示中的結構並非完全依比例繪示，因此圖示尺寸並非用以限制下述系統。
在下述說明及附圖中，至少一半導體晶圓20(見第1A圖)之背面被研磨以移除多餘基材。在將半導體晶圓20置於背面研磨裝置上之前，先以裝置(未圖示或標示)將研磨膠帶(未圖示)貼在半導體晶圓正面22。位於半導體晶圓正面22的研磨膠帶可保護半導體晶圓20上的主動電路。接著以背面研磨裝置進行背面研磨製程，自半導體晶圓背面24移除多餘基材。在生產線的背面研磨製程中，對單一半導體晶圓20進行的輸送製程為部份的系列步驟。在背面研磨後，將半導體晶圓移至一或多個其他機械進行拋光、移除研磨膠帶、以及與之前或之後的步驟相關之其他製程步驟。在多重同步的背面研磨製程中，背面研磨裝置可同時或實質上同時背面研磨兩個或更多的半導體晶圓20。
第1A圖係本發明一或多個實施例中，在晶圓背面研磨製程的生產線流程中，控制系統100之高層次圖。在控制系統100中，某些實施例採用即時控制系統，並於工作檯110上背面研磨單一半導體晶圓20。在多種實施例中，將半導體晶圓20固定於工作檯110上的方法可為物理鉗夾機制如吸力固定，或其他合適方法以避免晶圓移動。為簡明起見，並未圖示這些固定方法。
在移除多餘基材之背面研磨製程中，研磨輪150可於垂直方向施加壓力P至半導體晶圓背面24。在某些實施例中，工作檯110與研磨輪150之旋轉方向相同，比如均為逆時鐘方向或順時鐘方向。在其他實施例中，工作檯110與研磨輪150之旋轉方向相反，比如一者之旋轉方向為順時鐘，而另一者之旋轉方向為逆時鐘。
在工作檯上表面110s上，定義有至少一孔洞114。在某些實施例中，工作檯110含有多個垂直於工作檯上表面110s之孔洞114。孔洞114亦垂直於背面研磨製程中的半導體晶圓正面22。接著在一或多個孔洞114中，置入對應的一或多個感測器112。在某些實施例中，感測器112為位於美國麻州安多佛市的MKS儀器所售之BARATRON壓力電轉換器。在其他實施例中，可採用其他本技藝人士熟知的其他感測器。在某些實施例中，孔洞114並非垂直於工作檯上表面110s。然而在孔洞114垂直於工作檯上表面110s的模式中，自然垂直的孔洞與感測器可省略或減少量測壓力所需的水平構件，這將簡化量測及/或後續製程。
藉由直接接觸，半導體晶圓20可施加壓力至感測器112，及/或將研磨輪150施加之壓力傳送至感測器112。在某些實施例中，感測器112稍微突出於工作檯上表面110以直接接觸半導體晶圓20(或可能採用的背面研磨帶)，如第1A圖中虛線框之局部放大圖(第1B圖)所示。感測器112之凸出部份可定義晶圓正面22與工作檯上表面110s之間的空間115。
位於工作檯110上的半導體晶圓20，其重量將施加初始壓力於感測器112。上述及下述內容中，將研磨輪150施加於感測器112之壓力與初始壓力的總合，減去初始壓力即得壓力P。換句話說，背面研磨製程其壓力P的量測已排除初始壓力，因此只監控研磨輪150所施加之壓力。
感測器112連接至控制盒130，使感測器112接收的訊號傳輸至計算機製程控制工具140。舉例來說，某些實施例中的控制盒130將感測器112之訊號，自電壓讀數轉換為數位訊號，並數位顯示壓力P。在其他實施例中測量壓力P時，壓力電轉換器提供電流訊號而非電壓訊號至控制盒130。
在某些實施例中，感測器112為壓力電轉換器，其測量的壓力準確度可達1牛頓。在至少某些實施例中，控制盒130係用以將10牛頓至100牛頓之間的讀數轉換為數位顯示。上述讀數範圍設定可接受的背面研磨壓力上下限，比如25牛頓至75牛頓之間。在其他實施例中，用以量測壓力之多個感測器112具有不同等級的準確度，或不同的壓力量測範圍。在某些實施例中，控制盒130係整合至一或多個感測器112。在其他實施例中，控制盒130係整合至計算系統(如第6圖所示標號600的元件)，以執行計算機製程控制工具140如下述。
計算機製程控制工具140係一組用以執行計算機實施的統計製程控制(SPC)之儀器。計算元件600(第6圖)可執行SPC以監控製程的每一步驟。某些SPC控制的製程其參數之依據為統計數據，比如平均數值可用以確認製程是否在可接受的範圍中。其他製程如背面研磨製程之操作則以臨界電壓值或臨界電壓範圍為依據。
在半導體製程中，計算機製程控制工具140可接收控制盒130及/或其他工具與機械之資料(如壓力讀數)。SPC將測量結果(如壓力讀數)整理為系列數值(如趨勢圖)，並以系統化與內部相關的方式監測製程參數。如此一來，若量測到的製程參數不在特定範圍內，將暫停製程。舉例來說，若控制盒130接收到的數值顯示壓力讀數過高或過低，將調整研磨輪150施加的壓力，比如升高或降低研磨輪150。當施加壓力過高時可中斷背面研磨製程，以避免或減少晶圓破損或翹曲。相同地，特別是在研磨製程的研磨輪150相對於半導體晶圓背面24之旋轉方向為順時鐘或逆時鐘時，壓力維持在可接受的特定範圍內可讓晶圓具有更一致的厚度。施加壓力P至晶圓的均勻性，與晶圓的總厚度變異(TTV,Total thickness variation)相關。當背面研磨製程施加壓力P至晶圓的均勻性越高，整片晶圓之TTV越小。
第2圖係控制系統100中工作檯110之上視圖，顯示孔洞114(與對應之感測器112)的位置。此圖中感測器112之數目為9，位於工作檯110之邊緣、中心、及邊緣與中心之中間等位置。上述配置中的感測器112係位於工作檯上的不同位置，以利多重準確測量。若其中一個感測器量測到超高壓力，其鄰近之感測器亦應量測到超高壓力，則代表偵測到的壓力確實偏高。若某一感測器量測到超高壓力讀數，但其他鄰近的感測器卻未量測到壓力升高，則此超高壓力讀數應來自於感測器錯誤而非實際壓力升高。如前所述，其他實施例可採用較多或較少數目的感測器。在某些實施例中，可採用單一感測器。
在某些實施例中，可採用計算機數目控制(CNC)車床(未圖示)於工作檯110中鑽出孔洞114。在第1-2圖所示之實施例中，孔洞114係形成於工作檯110之中心、邊緣、及中心與邊緣的中間等位置。在某些實施例中，孔洞114僅形成於工作檯110接近中心的位置。在其他實施例中，孔洞114係形成於工作檯靠近邊緣的位置。在另一實施例中不偏離本發明之精神下，可採用本技藝人士熟知的任何態樣，形成孔洞114於工作檯110中不同的位置。在其他實施例中，不需在工作檯110中鑽出孔洞114。舉例來說，可在製造工作檯110的同時，一起定義一或多個孔洞114。在符合本發明概念的情況下，本技藝人士自可採用其他方法形成工作檯110與放置感測器112之孔洞114。
第3圖係本發明一或多個實施例中，多重同步之晶圓背面研磨製程流程中的控制系統300之示意圖。在某些實施例中，控制系統300可即時監控多重同步的晶圓背面研磨製程。控制系統300有不少結構與第1A圖之控制系統100類似，比如與感測器112類似之感測器312、與控制盒130類似之控制盒330、以及與計算機製程控制工具類似140之計算機製程控制工具340。然而在控制系統300具有許多表面區310a、310b、及310c，以放置多個半導體晶圓20a、20b、及20c於工作檯310上。控制系統300亦具有多重研磨輪350。
工作檯310上的每一表面區310a、310b、及310c可配有一或多個對應的感測器312於其中。感測器312為壓力電轉換器，可將量測到的壓力轉換為對應的電壓或電流。以第3圖的結構為例，在每一表面區310a、310b、310c下分別設有單一感測器312。為了前述優點，可在其他實施例中採用多重感測器。與第1A圖之孔洞114類似之孔洞314可用以置入感測器312。孔洞314之形成方法如前所述，可採用CNC車床於工作檯310鑽出孔洞，或與工作檯310一同形成。
第4圖係背面研磨製程中，避免半導體晶圓產生製程缺陷如破損及/或翹曲的方法400之流程圖。方法400可採用控制系統100或類似的系統，比如在晶圓之背面研磨製程生產線採用即時控制系統。如此一來，這些製程將與半導體晶圓20、工作檯110、計算機製程控制工具140、研磨輪150、或其他類似元件有關。在其他實施例中，方法400採用控制系統300或類似的系統。
在步驟410中，半導體晶圓20係置於工作檯110上。工作檯110具有一或多個孔洞114以置入用以量測壓力的感測器112。
在步驟420中，感測器112可量測半導體晶圓置於工作檯110(即感測器112)上所產生的初始壓力。上述初始壓力的量測在研磨輪150施加壓力於半導體晶圓20前。在某些實施例中，採用真空或吸力裝置(未圖示)將半導體晶圓20固定於工作檯110上。在其他實施例中，採用機械裝置如一或多個鉗子(未圖示)固定半導體晶圓20。在其他實施例中，凹槽可避免晶圓於背面研磨製程中旋轉或移動，但不會施加向下壓力於晶圓上。初始壓力值包括(i)半導體晶圓20施加於感測器112上的重量，與(ii)任何用以固定晶圓的向下壓力。
在步驟430中，計算機製程控制工具140可採用連續的壓力量測之取樣迴圈。在某些實施例中，感測器112將類比訊號傳輸至控制盒130，控制盒130再將量測之類比訊號轉換成數位值。在某些實施例中，計算機製程控制工具140可即時或類即時的接收數位訊號，並只分析電流讀數。在這種情況下，取樣速率將有效的變成感測器112如壓力電轉換器之取樣頻率。在其他實施例中，計算機製程控制工具140可採用不同於感測器112的取樣速率之特定取樣速率，以分析特定區間的壓力量測值。在一實施例中，壓力量測頻率為每秒一次。在其他實施例中，取樣速率可大於或小於上述頻率。
在某些實施例中，計算機製程控制工具140分析特定時段中的壓力平均值。舉例來說，特定時段可為過去的三秒鐘。採用上述壓力平均值，可減少因感測器故障或變異所產生的錯誤。在其他實施例中，感測器112位於半導體晶圓20下平均分散的鄰近區域中。因為研磨輪150太大而無法施加特別高的壓力於晶圓上的特定點，研磨輪150無法施加特別不同的壓力於晶圓之某一區域而非全部區域中，而鄰近的感測器112所量測之平均值可減少感測器失誤。
在步驟440中，研磨輪150研磨半導體晶圓背面24的製程將施加壓力至半導體晶圓20。由於步驟430採用連續的量測迴圈，計算機製程控制工具140可接收研磨輪150施加於半導體晶圓20上的壓力量測值。
在步驟450中，計算機製程控制工具140可分析研磨輪150施加之壓力，以確認量測壓力值是否超出特定臨界值。同樣地，若量測為即時的採樣及/或平均值，則需以連續方式確認壓力量測值。若壓力量測值超出特定臨界值，則進行步驟455以減低研磨輪150施加之壓力，比如稍微提高研磨輪150。
若壓力量測值未超出(比如位於或低於)特定臨界值，將進行步驟460，其計算機製程控制工具140將確認半導體晶圓20是否達到正確的厚度。在某些實施例中，計算機製程控制工具140的判斷標準為研磨輪150是否在特定時間中施加符合限制的壓力。舉例來說，若研磨時間未完，製程將回到步驟440使研磨輪150繼續施加壓力至半導體晶圓20。若研磨時間足夠，半導體晶圓20應具有所需厚度，而製程將停止於步驟470。其他實施例可採用其他方式確認晶圓厚度，比如監測驅動研磨輪150所用的電流，或監測晶圓與晶圓上電容板之間的電容以進一步得知晶圓厚度。
第5圖係本發明一或多個實施例之背面研磨製程中，增加半導體晶圓厚度之一致性的方法500之流程圖。方法500在背面研磨製程中，採用工作檯如第1及2圖所揭露之控制系統100的工作檯110。
方法500之起始步驟505將半導體晶圓20置於工作檯110上。在步驟510中，背面研磨製程中的研磨輪150將施加壓力至半導體晶圓20如前所述。在步驟515中，置於工作檯110中的一或多個感測器112如壓力電轉換器，可量測研磨輪150施加於半導體晶圓20之壓力。
在步驟520中，感測器112如壓力電轉換器之測量值，可轉換為一系列統計製程控制(SPC)工具如計算機製程控制工具140所能讀取的數值。在某些實施例中，若任何製程參數落在特定範圍以外，比如製程參數高於上限或低於下限，將停止或暫停製程以進行調整。舉例來說，背面研磨製程之壓力下限可為50牛頓，而其壓力上限可為60牛頓。當讀數低於50牛頓或高於60牛頓時，計算機製程控制工具140將暫停製程，並調整研磨輪150施加於半導體晶圓20之壓力。此外，背面研磨製程將持續到晶圓達到所需厚度為止。
雖然上述內容著重於背面研磨製程，但本發明之一或多個實施例亦可應用於一般研磨製程。
第6圖係本發明一或多個實施例中，與電腦製程控制工具140相連之計算元件600的高層次方塊圖。計算元件600含有匯流排618以耦接至處理器612、記憶體616、及輸入/輸出構件614。耦接至匯流排610的記憶體616可儲存資料如計算元件操作的指令。記憶體616亦可用於儲存計算元件600執行指令時的暫存資料或其他中間資訊。記憶體616亦可含有唯讀記憶體(ROM)或其他靜態儲存元件耦接至匯流排618，以儲存計算元件600的靜態資料或指令。記憶體616可含有靜態及/或動態的儲存元件，比如光學、磁性、及/或電子媒介、及/或上述之組合。
輸入/輸出構件614之作用為連接至網路。在至少某些實施例中，輸入/輸出構件614可含有線路及/或無線連接機制。在至少某些實施例中，計算元件600可藉由輸入/輸出構件614連接至其他計算元件如計算機系統。輸入/輸出構件614可為串聯及/或並聯的機制。舉例來說，輸入/輸出構件614包含但不限定於無線通用序列匯流排(USB)介面、乙太網路介面、WiFi或WiMAXTM 或藍牙介面、或手機介面等等。
部份的記憶體616(或稱為計算機可讀媒介)為製程控制工具140。收到的參數142與可接受的範圍144為部份的製程控制工具140。舉例來說，可接受的範圍144為背面研磨製程中，施加於晶圓上之壓力其可接受的範圍。可接受的範圍144將用於比較收到的參數142(比如來自感測器112之壓力讀數)，讓計算機製程控制工具140確認其監控的背面研磨製程是否繼續或暫停。在某些實施例中，可接受的範圍144含有第1A圖所示之生產線流程其背面研磨製程之壓力值。在其他實施例中，可接受的範圍含有第3圖所示之多重同步流程其背面研磨製程之壓力值。在某些實施例中，可接受的範圍144含有上限值，若製程參數到達或超過上限值時，將暫停背面研磨製程以避免製程缺陷(比如晶圓破損或翹曲)，如第4圖所示之方法。在其他實施例中，可接受的範圍144含有上限值與下限值以提供參數範圍，這將改善TTV如第5圖所示之方法。在又一實施例中，可接受的範圍144含有參數值以應用於上述兩種方法，或應用於符合本發明之範疇與精神的其他方法。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
P．．．壓力
20、20a、20b、20c．．．半導體晶圓
22．．．半導體晶圓正面
24．．．半導體晶圓背面
100、300．．．控制系統
110、310．．．工作檯
110s．．．工作檯上表面
112、312．．．感測器
114、314‧‧‧孔洞
115‧‧‧晶圓正面與工作檯上表面之間的空間
130、330‧‧‧控制盒
140、340‧‧‧計算機製程控制工具
142‧‧‧收到的參數
144‧‧‧可接受的範圍
150、350‧‧‧研磨輪
310a、310b、310c‧‧‧表面區
400、500‧‧‧方法
410、420、430、440、450、455、460、505、515、520、525‧‧‧步驟
600‧‧‧計算元件
612‧‧‧處理器
614‧‧‧輸入/輸出構件
616‧‧‧記憶體
618‧‧‧匯流排
第1A圖係本發明一或多個實施例中，在晶圓背面研磨製程的生產線流程中，控制系統100之高層次圖；
第1B圖係第1A圖之虛線框部份之局部放大圖；
第2圖係本發明一或多個實施例中，工作檯之上視圖；
第3圖係本發明一或多個實施例中，多重同步之晶圓背面研磨製程流程中的控制系統之高層次圖；
第4圖係本發明一或多個實施例之背面研磨製程中，避免半導體晶圓產生製程缺陷如破損及/或翹曲的方法流程圖；
第5圖係本發明一或多個實施例之背面研磨製程中，增加半導體晶圓厚度之一致性的方法流程圖；以及
第6圖係本發明一或多個實施例中，與電腦製程控制工具相連之計算機系統的高層次方塊圖。
P．．．壓力
20．．．半導體晶圓
22．．．半導體晶圓正面
24．．．半導體晶圓背面
100．．．控制系統
110．．．工作檯
110s．．．工作檯上表面
112．．．感測器
114．．．孔洞
130．．．控制盒
140．．．計算機製程控制工具
150．．．研磨輪
600．．．計算元件

Claims (10)

  1. 一種半導體晶圓背面研磨的控制系統，包括：一工作檯，具有一表面以在一背面研磨製程時支撐一半導體晶圓，其中該工作檯具有一或多個孔洞定義於該表面中；一研磨輪，用以接觸半導體晶圓的背面；一或多個感測器位於該或該些孔洞中以監測該背面研磨製程之參數；以及一計算機製程控制工具，耦接至該或該些感測器以接收一或多個輸出訊號，並以該或該些輸出訊號為基準控制該背面研磨製程。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓背面研磨的控制系統，其中該或該些感測器包括一或多個壓力電轉換器，該或該些壓力電轉換器係用以量測施加於一背面研磨製程生產線中的單一晶圓之壓力，或用以量測施加於一多重同步背面研磨製程中的多個晶圓之壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓背面研磨的控制系統，其中該計算機製程控制工具在該或該些輸出訊號在一可接受的讀數之預定範圍時持續該背面研磨製程，並在該或該些輸出訊號不在該可接受的讀數之預定範圍時暫停該背面研磨製程。
  4. 一種半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，包括：將一半導體晶圓固定於一工作檯上，其中該工作檯具有一表面，且該半導體晶圓之正面位於該表面上，且 其中該工作檯具有一或多個孔洞於該表面中，且一或多個感測器係置於該或該些孔洞中；進行一研磨步驟，以一研磨輪研磨至少部份該半導體晶圓之背面；在該研磨步驟中監測該或該些感測器測得之參數；以及依據該參數調整該研磨步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，其中該或該些感測器係一或多個壓力電轉換器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，其中在該研磨步驟中監測該或該些感測器測得之參數的步驟包括：在該或該些壓力電轉換器取樣時，即時監測該或該些壓力電轉換器輸出的壓力讀數。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，其中在該研磨步驟中監測該或該些感測器測得之參數的步驟包括：在該或該些壓力電轉換器取樣時，週期性監測該或該些壓力電轉換器輸出的壓力讀數，且監測週期不同於該或該些壓力電轉換器的取樣速率。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，其中在該研磨步驟中監測該或該些感測器測得之參數的步驟包括：將一特定時段中該或該些壓力電轉換器所輸出的壓 力讀數平均，並將平均後之壓力讀數作為該參數。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之半導體晶圓背面研磨製程之缺陷的降低方法，係晶圓背面研磨生產線製程或多重同步的晶圓背面研磨製程。
  10. 一種半導體晶圓背面研磨製程，係用以改良半導體晶圓厚度之均勻性，其採用具有一上表面之一工作檯，其中該工作檯具有一或多個孔洞垂直鑽入該上表面，並具有一或多個壓力電轉換器置於該或該些孔洞中，包括：將一半導體晶圓固定於該工作檯之該上表面上，使該或該些壓力電轉換器直接接觸該半導體晶圓；進行一背面研磨製程，使一研磨輪施加一壓力至該晶圓；以該或該些壓力電轉換器量測該研磨輪施加至該晶圓之該壓力；將該或該些壓力電轉換器量測的數據轉換為一統計製程控工具可讀之系列數值；以及當該系列數值超出一特定範圍時暫停該背面研磨製程，或當該系列數值位於該特定範圍時持續該背面研磨製程直到該晶圓達到所需厚度。
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