TWI431678B - 拋光半導體晶圓邊緣的方法 - Google Patents

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Description

拋光半導體晶圓邊緣的方法
本發明涉及一種拋光半導體晶圓邊緣的方法。
半導體晶圓通常為矽晶圓或由矽所衍生之層狀結構的基材(如矽-鍺)。該矽晶圓特別用於生產半導體元件，如記憶體晶片(DRAM)、微處理器、感測器、發光二極體等。
對半導體晶圓邊緣的品質要求始終不斷提高，特別係大直徑的半導體晶圓(直徑毫米)。特定言之，半導體晶圓的邊緣應該盡可能沒有污染並具有低粗糙度。再者，其應該對加工期間所增加的機械應力具有忍受度。從單晶上切下的半導體晶圓之未經處理的邊緣具有相對粗糙和不均勻的表面。其在機械負載下經常剝落且為干擾顆粒的來源。因此，通常對邊緣再研磨，以消除晶體中之剝落和損壞，並為其提供特定輪廓。
自先前技術中習知適合的研磨設備。半導體晶圓通常被固定在轉臺上，將其邊緣驅向一同樣旋轉之加工工具的工作表面上。在這種情況下所使用的加工工具通常係盤狀，其被固定在一軸上，並具有作為加工半導體晶圓邊緣之工作表面的周表面。材料去除性的顆粒通常被固定在該加工工具的工作表面上。所使用的顆粒通常具有粗顆粒。通常根據日本工業標準JIS R 6001:1998所規定之篩目表示粒徑的。
可以由篩目表中計算平均粒徑。
如果使用具有細顆粒的研磨盤，通常也使用術語「精磨」。此種精磨盤具有從1000目至4000目的顆粒，例如由Disco Corporation所販售者。在轉化為粒子尺寸時，其顯示為，例如，1200目相當於9.5微米的平均粒徑；5000目相當於2.5微米的平均粒徑和8000目相當於1.2微米的平均粒徑。
精磨期間的平均粒徑約在3微米至10微米。如果使用具有粗粒的研磨盤，平均粒徑係大於10微米，並通常最高達15微米。
該等研磨加工工具適用於提供具圓形邊緣之半導體晶圓。然而，在邊緣圓整之後，通常在邊緣表面上留下一定的最小粗糙度。
因此，在後續的加工步驟中，通常將經研磨和用刻蝕介質處理過的晶圓邊緣拋光。
在此情況下，以一特定之作用力(接觸壓力)將一中心旋轉之半導體晶圓的邊緣壓至一中心旋轉的拋光鼓輪(drum)上。US 5,989,105公開此種類型的邊緣拋光方法，其中拋光鼓輪包含鋁合金，且在所述之拋光鼓輪上施有一拋光墊。半導體晶圓通常被固定在一平面晶圓固定器上，即所謂的卡盤。半導體晶圓的邊緣伸出卡盤外，以使其自由地接觸拋光鼓輪。
在該等常見的邊緣拋光方法中，特別在半導體晶圓的邊緣區域的局部幾何結構係受負面影響的。這與以下事實相關，即在此種情況下使用相對「軟性邊緣拋光墊」(通常使用施有二氧化矽溶膠之相關的軟拋光墊)，不僅其邊緣自身，且半導體晶圓的正面和/或背面上的外緣部分同時也被拋光，這可以被解釋為硬質邊緣「浸入」到施有拋光劑漿料的拋光墊中。其效果在於不僅在真正的邊緣區域，且在正面和/或背面上的鄰近區域都產生了去除。
本發明之一目的旨在提供此種情況的解決方案，並避免先前技術中之缺點。
本發明的目的可以藉由一種拋光半導體晶圓的邊緣的方法所達成，該方法包括：(a)提供一在其側表面經拋光並具有一經圓整之邊緣的半導體晶圓；(b)藉由以下步驟拋光該半導體晶圓邊緣：將該半導體晶圓固定在中心旋轉的卡盤上，驅動(delivering)該半導體晶圓與一中心旋轉的拋光鼓輪，並使該半導體晶圓和該拋光鼓輪彼此施壓，同時持續供應一不含固體的拋光劑溶液，其中該拋光鼓輪係相對於該卡盤傾斜且其上連續施有一含有固著研磨物的拋光墊。
本發明的較佳之實施態樣係請求於專利請求範圍中或描述於下文中。
本發明係基於一根據固定研磨物拋光技術之連續邊緣拋光。
藉由固定研磨物拋光技術，可以針對之方式影響晶圓邊緣而不損害半導體晶圓的正面和/或背面上的鄰近區域，藉此僅如在晶圓邊緣上設定所欲的幾何結構和表面性能。
所用的FAP墊明顯地較標準的拋光墊堅硬並更不具壓縮性，此外，係提供優勢，如在不用鹼性裝填的二氧化矽溶膠之情況下即產生去除，如僅藉由使用鹼性溶液，此額外避免將拋光劑夾帶到晶圓的正面上，以避免了由於初期刻蝕對晶片表面產生的負面影響，例如增加缺陷率如LLS(局部光散射物)。
隨後可根據需要在同一個FA拋光墊上進行一使用溫和去除性矽膠的短時間軟性拋光步驟，以實現邊緣粗糙度和邊緣缺陷率之降低。
這兩個拋光步驟可以彼此協調，以使對晶圓邊緣幾何結構和表面產生一針對性的正面影響，而沒有對晶圓正面和晶圓背面上的晶圓部分位置產生負面影響。
首先，提供藉由雙面拋光(double-side polishing,DSP)所拋光之半導體晶圓。該半導體晶圓具有經圓整邊緣(藉由先前在先前技術中所說明的邊緣研磨法產生)。
藉由一拋光鼓輪拋光，在其上黏接有一硬質和非常不具壓縮性、包含固著拋光物之拋光墊，同時在供應鹼性溶液之情況下，拋光該半導體晶圓。
較佳地，隨後在一第二步驟中，在同一個拋光墊上，同時供應二氧化矽溶膠(如含有約1重量%的SiO2 的Glanzox 3900)之情況下實施一平滑步驟。
Glanzox 3900是由Fujimi Incorporated，Japan所生產之拋光劑漿料濃縮液的商品名。該濃縮液的基礎溶液pH為10.5，並含有約9重量%的，平均粒徑為30奈米至40奈米的膠體SiO2 。
已經發現，藉由本發明的方法避免如先前技術中觀察到之半導體晶圓邊緣區域中之局部幾何結構的損傷。
另一個優勢在於避免在邊緣拋光的去除步驟中之拋光劑夾帶及因此由不受控制的初期刻蝕所產生之表面缺陷。
本發明特別涉及加工直徑為300毫米或更大，特佳係直徑為450毫米的半導體晶圓。
特佳以矽作為半導體材料。
在邊緣拋光期間所使用的拋光劑溶液在最簡單的情況下係水，較佳係具有通常供半導體工業用之純度的去離子水(DIW)。
然而，該拋光劑溶液也可以含有化合物如碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或前述中任何所欲的混合物。
特佳係使用碳酸鉀。
該拋光劑溶液的pH值較佳係10至12，並且所述之化合物在拋光劑溶液中的比例較佳係0.01重量%至10重量%，特佳係0.01重量%至0.2重量%。
此外，該拋光劑溶液可以含有一或多種其他添加物，舉例言之，如潤濕劑和表面活性劑之表面活性添加物、作為保護性膠體的穩定劑、防腐劑、殺菌劑、醇和配位劑。
在較佳之邊緣拋光的第二步驟中係使用一含有研磨物的拋光劑。
拋光劑漿料的pH值較佳為9至11.5。
舉例而言，可藉由選自以下群組的添加物調配該拋光劑漿料的pH值：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)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或前述化合物之任何所欲的混合物。
拋光劑漿料中研磨材料的比例較佳係0.25重量%至20重量%，特佳係0.25重量%至1重量%。
該研磨材料之顆粒的粒徑分布較佳為明顯的單峰。
平均粒徑為5奈米至300奈米，特佳為5奈米至50奈米。
該研磨材料包括以機械形式去除基材材料之材料，較佳為鋁、鈰或矽元素之一或多種氧化物。
特佳係含有膠體分散二氧化矽的拋光劑漿料。
在邊緣拋光的第二步驟中，與第一步驟相反，較佳係不添加如碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)之添加物。
然而，該拋光劑漿料可含有一或多種其他添加物，舉例言之，如潤濕劑和表面活性劑之表面活性添加物、作為保護性膠體的穩定劑、防腐劑、殺菌劑、醇和配位劑。
根據本發明的方法使用一含黏著有研磨材料於該拋光墊上的拋光墊(FAP墊或FA墊)。
適合的研磨材料包括如鈰、鋁、矽、鋯元素的氧化物的顆粒和如碳化矽、氮化硼和金剛石的硬質材料的顆粒。
特別合適的拋光墊具有一特徵為多個重複的微結構之表面形貌。這些微結構(柱)具有如圓柱形或多邊形之橫截面的柱狀或者角錐狀或平截頭角錐狀。
該拋光墊之更詳細的描述載於如WO 92/13680 A1和US 2005/227590 A1中。
特佳係使用黏著在拋光墊上的氧化鈰顆粒，同參US 6602117 B1。
FAP拋光墊的平均粒徑較佳為0.1微米至1.0微米，特佳為0.1微米至0.25微米。
一具有多層結構的拋光墊特別適於實施本方法，其包含一含研磨物的層、一由硬塑膠所構成的層以及一應力緩衝(compliant)非織造層，其中這些層藉由壓感黏著層彼此黏合。
該由硬塑膠構成的層較佳係包含聚碳酸酯。
該拋光墊可包含一由聚氨酯發泡體所構成的附加層。
在此情況下，拋光墊中之一層係應力緩衝的。
應力緩衝層較佳係非織造層。
應力緩衝層較佳係包含聚酯纖維。一由浸漬有聚氨酯的聚酯纖維所構成的層係特別適合的(非織造)。
藉由應力緩衝層，墊的高度可以調節和連續轉變。
應力緩衝層較佳係對應於拋光墊的最底層。位於其上者較佳係如一由聚氨酯所構成的發泡體層，其藉由一粘著層固定在該應力緩衝層上。位於PU發泡體上者係由一更硬的硬質材料所構成的層，較佳係由一硬塑膠所構成的，對此如聚碳酸酯是適合的。位於該硬質層上者係具有微複結構(microreplicated structures)的層，即真正的固定研磨物層。
然而，應力緩衝層也可以位於泡沫層和硬質層之間，或直接位於固定研磨物層之下。
較佳係藉由壓感黏合層(PSA)將各個層彼此固定。
經本發明人發現，不含有通常存在於先前技術的FAP拋光墊中之PU泡沫層的拋光墊能得到良好的結果。
在此情況下，拋光墊係包含一具有微複結構的層、一應力緩衝和一由硬塑膠(如聚碳酸酯)所構成的層，其中該應力緩衝層可以在該拋光墊的中間，或者在該拋光墊的最底層。
這些新穎的拋光墊特別適用於一多板拋光機(產自Applied Materials，Inc.的AMAT Reflection)。此拋光機係包含5區膜載具，其允許在5個區中設定不同的壓力分布。與應力緩衝拋光墊結合，在拋光晶圓的幾何結構上得到顯著的結果。
所用之FAP拋光墊的粒徑較佳係大於或等於0.1微米並小於或等於1.0微米，特佳係0.1微米至0.25微米。
市售自動邊緣拋光機係適合實施本發明的方法。
在這種情況下，將半導體晶圓係固定在一中心旋轉的卡盤上，該半導體晶圓伸出卡盤外。將一以特定角度相對卡盤傾斜並在其上施有FAP拋光墊的中心旋轉拋光鼓輪與裝有半導體晶圓的卡盤彼此驅近並以一特定接觸壓力彼此施壓，同時連續供應一拋光劑。
在邊緣拋光期間，於其上具有半導體晶圓的卡盤係中心旋轉的。
較佳地，卡盤的一次旋轉持續20秒至300秒，特佳係50秒至150秒(旋轉時間)。
覆蓋有拋光墊且較佳以300/分鐘至1500/分鐘，特佳以500/分鐘至1000/分鐘的轉速中心旋轉的拋光鼓與卡盤彼此靠近，該拋光鼓輪係以一設定角度相對半導體晶圓傾斜設定且該半導體晶圓係以使其略微伸出卡盤外，以藉此通達拋光鼓輪之方式固定在卡盤上。
該設定的角度較佳為30°至50°。
半導體晶圓和拋光鼓輪用一特定的接觸壓力彼此施壓，同時連續供應一拋光劑，該拋光劑的流速較佳為0.1公升/分鐘至1公升/分鐘，特佳係0.15公升/分鐘至0.40公升/分鐘，其中接觸壓力可以根據附在輥上的砝碼設定，較佳係1公斤至5公斤，特佳為係2公斤至4公斤。拋光鼓輪和半導體晶圓較佳在半導體晶圓(或裝有半導體晶圓的卡盤)旋轉2轉至20轉，特加在2轉後8轉之後彼此遠離。
實施例
對於Speedfam EP300-IV型的邊緣拋光機，舉例言之，以下之設定參數係適於實施本發明的方法(如果適當的話，當實施本發明的方法時之較佳的範圍係表示在括弧中)：
-　拋光期間的接觸壓力：3.0公斤(1.0公斤至5.0公斤)
-　拋光鼓的旋轉速度：800轉/分鐘(300轉/分鐘至1500轉/分鐘)
-　卡盤/半導體晶圓的旋轉速度：85秒/轉(20秒/轉至300秒/轉)
-　半導體晶圓的轉數：4(2轉至20轉)
-　拋光劑流速：300毫升/分鐘(100毫升/分鐘至1000毫升/分鐘)
-　拋光劑濃度：如0.8%之K2 CO3 (不重要，任何其他所欲之的濃度也可以)
-　拋光劑類型：如5%之SiO2 (LevasilTM 200，產自Bayer)，眾多其他型者亦可行。
-　相對於晶圓設定的拋光鼓輪的角度：40°(30°至50°)
-　拋光墊：固定研磨物拋光墊，如包含氧化鈰顆粒，粒徑為0.1微米至0.25微米
-　拋光持續時間：340秒(150秒至600秒)

Claims (19)

  1. 一種用於拋光半導體晶圓邊緣的方法，包括：(a)提供一在其側表面經拋光並具有一經圓整之邊緣的半導體晶圓；(b)藉由以下步驟拋光該半導體晶圓邊緣：將該半導體晶圓固定在一中心旋轉的卡盤上，驅動(delivering)該半導體晶圓與一中心旋轉的拋光鼓輪(drum)，並使該半導體晶圓和該拋光鼓輪彼此施壓，同時持續供應一不含固體的拋光劑溶液，其中該拋光鼓輪係相對於該卡盤傾斜且其上施有一含有固著研磨物的拋光墊。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該拋光劑溶液為水、或者為以下化合物的水溶液：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)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或前述之任何所欲的混合物。
  3. 如請求項2所述的方法，其中該拋光劑溶液的pH值為10至12，且該化合物在該拋光劑溶液中的比例為0.01重量%至10重量%。
  4. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中在一第一邊緣拋光後，進行一第二邊緣拋光，但供應一含有研磨物的拋光劑漿料。
  5. 如請求項4所述的方法，其中該研磨物在該拋光劑漿料中的比例0.25重量%至20重量%。
  6. 如請求項4所述的方法，其中該在拋光劑漿料中的該研磨物包含一或多種鋁、鈰或矽元素的氧化物。
  7. 如請求項6所述的方法，其中該拋光劑漿料含有膠體分散二氧化矽。
  8. 如請求項7所述的方法，其中該拋光劑漿料的pH值為9至11.5。
  9. 如請求項8所述的方法，其中係藉由選自以下群組的添加物調配該拋光劑漿料的pH值：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)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或前述化合物之任何所欲的混合物。
  10. 如請求項1至3任一項所述的方法，其中所用的該拋光墊係含研磨材料，其係選自鈰、鋁、矽或鋯元素之氧化物的顆粒或硬質材料的顆粒。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該硬質材料係碳化矽、氮化硼或金剛石
  12. 如請求項10所述的方法，其中該拋光墊含有氧化鈰顆粒。
  13. 如請求項10所述的方法，其中該研磨材料的平均粒徑為0.1微米至1微米。
  14. 如請求項13所述的方法，其中該研磨材料的平均粒徑為0.1微米至0.25微米。
  15. 如請求項10所述的方法，其中該拋光墊在一含有研磨材料之層的一側係包含一由硬塑膠所構成的層以及一應力緩衝(compliant)非織造應力緩衝非織造層，其中該等層係藉由壓感(pressure-sensitive)黏著層彼此黏合。
  16. 如請求項15所述的方法，其中該由硬塑膠所構成的層包含聚碳酸酯。
  17. 如請求項15所述的方法，其中該拋光墊包含一由聚氨酯發泡體所構成的附加層。
  18. 如請求項15所述的方法，其中該應力緩衝層包含聚酯纖維。
  19. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中該半導體晶圓係一直徑為300毫米或更大、由單晶矽所構成的晶圓。
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