TWI433226B - 用於拋光具有應力鬆弛Ｓｉ1＿ｘＧｅｘ層之半導體晶圓之方法 - Google Patents

用於拋光具有應力鬆弛Ｓｉ1＿ｘＧｅｘ層之半導體晶圓之方法 Download PDF

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Description

用於拋光具有應力鬆弛Si 1-x Ge x 層之半導體晶圓之方法
本發明關於一種用於拋光具有應力鬆弛Si1-x Gex 層之半導體晶圓的方法。
微電子的現代應用例如資訊和通信技術需要例如基本微電子元件之更高的集成密度及更短的回應時間及時鐘中斷(clock break)。這些元件的例子是記憶單元、轉換和控制元件、電晶體、邏輯門等。這些是從由半導體材料所構成之基材所製得。半導體材料包括元素半導體，例如矽，偶爾還有鍺，或化合物半導體，例如砷化鎵(GaAs)。轉換速度的一個測量方法是電荷載子(自由電子、電洞)的遷移率。遷移率是電荷載子相對於所施加電場(單位距離的電壓)在半導體材料晶格中的平均遷移速度。純矽的電子遷移率明顯比例如GaAs的遷移率低。然而，由於許多優點，矽是微電子中的標準材料。矽可以便利、容易並且實際上無限制地得到，且是無毒的，可以非常清潔地生產，能被良好地加工，在很大程度上沒有缺陷並且具有穩定的氧化物(電介質)。因此，在矽技術的基礎上同樣希望實現特別快速的元件。
對於給定的材料，僅通過人為改變晶格的性質來增加電荷載子的遷移率是可能的。從理論研究可知，特別是晶格的應力(延伸、變形)可增加遷移率。與矽同系之鍺的平均原子間隙(晶格常數)比矽大約4%。因此結合鍺原子的矽晶體比純矽具有更高的晶格常數。其係藉由在沒有缺陷、平坦且純的矽初始表面上沉積一鍺之比例隨層厚度緩慢增加的矽層來製備。這是自在表面上藉含鍺前驅物(如GeH4 、GeCl4 和GeHCl3 )之熱解(“化學氣相沉積”，CVD)之氣相來實現，或者藉由使用粒子束的氣相沉積(分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE))來實現。具有可變之Si/Ge化學計量的梯度層使得由於矽和鍺在晶體生長過程中產生之晶格失配而積聚的應力減弱。藉由最終沉積化學計量常數固定之緩衝層實現進一步的鬆弛，該緩衝層具有Si1-x Gex 梯度層之最後一層中之鍺比例。整個層結構被稱作鬆弛層(“應力-鬆弛層”)。
如果將很小層厚的純矽沉積在鬆弛層上，則該層將限制其於矽原子上之原子間距。沉積的矽層橫向延伸，因此被稱作晶格應力的矽(“應力矽”)。以這樣的應力矽層構建的元件具有根據應力程度以及由此根據鬆弛層中鍺之比例而增加的電荷載子遷移率。
功能元件具有較短的轉換和載流子轉移時間的首要條件是在應力矽層中實質上沒有缺陷。已經發現由於晶格失配所導致之Si1-x Gex 梯度層的部分應力是以規則出現之晶格缺陷的形式釋放。後者在生長表面的穿孔點處形成被稱為位錯缺陷(螺型位錯)的網路。該缺陷網路導致表面之規則高度調製(height modulation)。在較佳的Si(100)基材中，這些缺陷類似於表面的長斜方形修補(patching)，因此被稱為“網格(cross-hatch)缺陷圖案”。
因此，Six Ge1-x 層的表面通常以由位錯所導致的圖案為特徵，該圖案被稱作“網格”，並且在其上沉積一或多個其他層之前，其通常必須被平滑化。
US 6,475,072以及Sawano等在Materials Science and Engineering B89(2002)406-409描述了旨在平滑Si1-x Gex 層的拋光方法。該方法涉及化學機械拋光(CMP)，其中通過施加拋光壓力，使半導體晶圓在具有拋光墊的旋轉拋光板上移動，同時在拋光墊和將要拋光之Si1-x GeX 層之間提供一拋光劑。相對於面積為10微米×10微米的測量格，通過原子力顯微鏡法(atomic force microscopy，AFM)測量的剩餘粗糙度的最好情況是5埃()均方根(RMS)。然而，這種方式拋光的表面具有煩人的刮痕，由於它們在次微米(submicron)範圍內的典型寬度和深度，其通常被稱作“奈米刮痕”。相應地，根據已知方法平坦化的Si1-x Gex 層依然太粗糙，以至於不能夠在其上沉積供特殊要求用途之實質上無缺陷之光滑並且平坦的應力矽層。
DE 102 007 019 565 A1公開了用於單面拋光具有鬆弛Si1-x Gex 層之半導體晶圓的方法，其包括在多個拋光通道(pass)中拋光多個半導體晶圓，其中一個拋光通道包括至少一個拋光步驟，在每個拋光通道的末端，多個半導體晶圓中的至少一個獲得經拋光的Si1 -x GeX 層；在至少一個拋光步驟中通過對具有拋光墊之旋轉拋光板施加拋光壓力來使至少一個半導體晶圓移動，且在拋光墊和至少一個半導體晶圓之間提供拋光劑，其中係供應含有鹼性成分和溶解鍺之成分的拋光劑。
含有鍺且在化學機械拋光之條件下溶解矽所留下來的粒子，被認為是引起相對高的粗糙度以及在根據上述已知方法拋光後留下奈米劃痕的原因。根據DE 102 007 019 565A1，其不足以在例如調整拋光墊的過程中機械地除去這些粒子。此外，有必要在拋光過程中盡可能早地化學溶解這些粒子。
本發明目的是提供DE 102 007 019 565A1所提出方法的替代方案。
該目的是通過單面拋光具有應力鬆弛的Si1-x Gex 層的半導體晶圓的方法來實現的，包含一使用含有粒徑為0.55微米或更小之固定黏結之研磨材料的拋光墊在拋光機中對半導體晶圓的一面進行機械加工的第一步驟，該步驟是通過提供不含固體的拋光劑溶液進行的，以及一使用一拋光墊及提供一含有研磨材料的拋光劑漿料對先前已經機械加工過之該半導體晶圓的那一面進行化學機械加工的第二步驟。
原則上，借助於拋光頭，半導體晶圓係以欲拋光的面區域(其具有Si1-x Gex 層)與位於拋光板上的拋光墊壓在一起。
拋光頭還包括橫向圍住基材並且防止其在拋光過程中從拋光頭滑落的固定環。
在現代拋光頭的情況下，半導體晶圓遠離拋光墊的那一面區域具有傳送所施加之拋光壓力的彈性膜。該膜是形成氣體或液體緩衝之一可能次分割室系統(possibly subdivided chamber system)的一部分。
然而，亦可使用以彈性支撐件(“背襯墊”)來代替膜的拋光頭。該彈性支撐件通常應用於堅固製作的板(“背襯板”)上。在“背襯墊”和該晶圓的背面之間，可以視需要在半導體晶圓之背面的不同區域上產生氣墊。此外，還使用了借助於稱為“模板(template)”，即借助於“背襯板”和應用於彈性支撐件(“背襯墊”)之固定環來拋光半導體晶圓的拋光頭。具有限定厚度的固定環確保半導體晶圓在拋光過程中保持其於載具中的位置。可以選擇固定環的厚度，以使其比半導體晶圓自身厚-這後來被稱作所謂的“晶圓懸掛不足(underhang)”-或者比半導體晶圓自身薄，在這種情況下，涉及到所謂的晶圓懸垂過度(wafer overhang)。
半導體晶圓是通過在基材和拋光墊之間提供拋光劑，並且通過拋光頭和拋光板的旋轉來拋光的。
在這種情況下，拋光頭另外還可以在拋光墊上平移，從而更加廣泛地利用拋光墊區域。
此外，根據本發明的方法可以等同地在單板和多板拋光機上進行。
使用具有較佳二個、尤佳三個拋光板和拋光頭之多板拋光機是較佳的。在這種情況下還可以使用不同的拋光板和不同的拋光劑。
本方法的第一步驟相當於使用一含有黏結形式之極細研磨料之拋光墊的機械超細研磨。該方法不同於部分地使用於矽技術中之傳統單或雙面細研磨，例如使用細粒度研磨盤的DDG(“雙盤研磨”)步驟，因為a)加工是在拋光機中進行的(不同的運動學，未提供研磨盤)，且b)在細研磨情況下之研磨盤具有相較於所用之具有研磨材料之拋光墊顯著較高的粒度。用於半導體晶圓表面研磨的方法和裝置是已知的，例如從US 5,400,548或者從EP 0955126可以獲知。於這些方法中通常使用粒度為2000至8000目的研磨盤(根據日本工業標準JIS R 6001：1998之粒徑)。根據JIS標準，2000至8000目之研磨盤的平均粒徑為1至7微米。對比起來，在根據本發明方法之第一步驟中，小於或等於0.55微米的平均粒徑則相應於JIS為10 000目或更細的粒度。尤其本發明之方法尤佳要求0.1至0.3微米的範圍，該範圍對應於15 000至30 000目(JIS)的粒度。
第二步驟較佳為傳統的CMP拋光。
根據本發明方法的第二步驟，研磨材料在拋光劑漿料中的比例較佳為0.25至20重量%，尤佳為0.25至1重量%。
研磨劑材料粒子的尺寸分佈較佳是單型態性質的。
平均粒徑為5至300奈米，尤佳為5至50奈米。
研磨材料包括機械去除基材材料的物質，較佳為一種或多種元素鋁、鈰或矽的氧化物。
含膠體分散之矽酸(矽溶膠)的拋光劑漿料是尤佳的，例如，一般習知之“Glanzox 3900”拋光劑漿料。
“Glanzox 3900”是由日本的Fujimi Incorporated以濃縮物形式提供之拋光劑漿料的產品名稱。pH為10.5之該濃縮物含有約9重量%之平均粒徑為30至40奈米的膠體SiO2 。
拋光劑漿料的pH值較佳在9至11.5的範圍內，且pH值較佳通過添加劑如碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲銨(TMAH)或者任何所欲之該些化合物的混合物。使用碳酸鉀是尤佳的。
該拋光劑漿料可以進一步含有一或多種其他添加劑，舉例言之，例如潤濕劑和表面活性劑等表面活性添加劑、作為保護膠的穩定劑、防腐劑、生物殺滅劑、醇類和複合劑。
根據本發明方法的第二步驟較佳在一含有固定黏結的研磨材料的拋光墊上進行。
使用不含黏結研磨料的傳統可拆卸拋光墊同樣係較佳的。舉例言之，典型的CMP拋光墊(“修飾墊”)例如來自的SPM 3100適合於該目的。
於第一步驟中，該拋光墊較佳為含有粒度為0.55微米或更小，更佳為0.1至0.55微米，尤佳0.1至0.3微米之細研磨料的拋光墊。
尤佳在一個且相同的拋光板上使用相同的拋光墊進行這二個步驟，這二個加工步驟的主要區別在於在第一步驟中加入了不含固體且不含拋光化學試劑(其將引起化學變化，即，例如蝕刻研磨)的拋光劑溶液，也就是說，第一個步驟引起純機械材料去除，而在常規CMP的第二步驟中加入了拋光劑漿料，即，第二步驟的加工意味著同時進行化學和機械去除。
根據本發明方法之第一步驟的拋光劑溶液最簡單的情況是水，較佳是具有用於半導體工業之常規純度的去離子水(deionized water，DIW)。
然而，該拋光劑溶液還可以含有化合物，例如碳酸鈉(Na2 CO3 )、碳酸鉀(K2 CO3 )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4 OH)、氫氧化四甲銨(TMAH)或者其任何所欲之混合物。使用碳酸鉀是尤佳的。在這種情況下，拋光劑溶液的pH值較佳在10至12.5的範圍內，且所提及的化合物在拋光劑溶液中的比例較佳為0.01至10重量%，尤佳為0.01至0.2重量%。
該拋光劑溶液可進一步含有一或多種其他添加劑，舉例言之，例如潤濕劑和表面活性劑等表面活性添加劑、作為保護膠體的穩定劑、防腐劑、生物殺滅劑、醇類和複合劑。
第一步驟涉及使用含有平均粒徑為0.55微米或更小之黏結研磨材料的拋光墊，研磨料較佳具有大於或等於0.1微米且小於或等於0.55微米的平均粒徑，或者將其轉換為另一種方式，根據JIS為30 000至10 000目。
合適的研磨材料包括，例如元素鈰、鋁、矽、鋯、鐵、鉻的氧化物的顆粒，以及硬質材料如碳化矽、氮化硼和金剛石的顆粒。
尤佳的拋光墊具有由重複微結構成型的表面構形。這些微結構(“柱(post)”)具有例如圓柱的或者多邊形橫截面之柱狀，或棱錐或截棱錐狀。
此種拋光墊，亦稱作FAP拋光墊(FAP=“固定研磨拋光”)，其更詳細的描述可於例如WO 92/13680 A1或者US 2005/227590A1獲得。
使用由氧化鋁所構成之研磨料的拋光墊(棱錐形式的微重複結構)，0.3微米的平均粒徑是特別合適的。這樣的拋光墊可以從美國的3M Corp.得到。
同樣尤佳的是使用由金剛石構成、且平均粒徑為0.1至0.55微米之研磨料的拋光墊；由氧化鋁(“白色氧化鋁”)構成且具有0.1至0.55微米平均粒徑之研磨料的拋光墊；或者由碳化矽(“綠色碳化矽”)構成且具有0.1至0.55微米平均粒徑之研磨料的拋光墊。
這種類型的拋光墊由例如Nihon Micro Coating股份有限公司提供，但是其並非用於拋光矽或者矽-鍺，而是特別用於拋光玻璃(LCD玻璃板/纖維光學件)。因此，這些拋光墊，除非按要求不同地生產，否則其具有不適合用於常規矽拋光機之尺寸及/或形狀。然而，這可以通過將這些墊切割成一定的尺寸，並且黏附到例如FAP拋光墊上來進行修正，該FAP墊的最頂層，即具有微相重複結構(重複的微結構)的部件被預先除去。
使用含有選自由金剛石、氧化鋁和碳化矽所組成之群組、且平均粒徑為0.1至0.55微米之研磨料的拋光墊對矽-鍺層進行機械加工，就其本性而言，被認為是新且具有創造性的。
已顯示根據本發明之方法特別適合於平面化具有高比例Ge之Si1-x Gex 層。由於希望更大程度地將特定的層結構沉積在這樣的Si1-x Gex 層上的事實，具有高比例Ge之晶圓越來越引起人們的注意。
通過本發明方法加工的半導體晶圓較佳是由具有應力鬆弛Si1-x Gex 層的單晶矽構成的晶圓。
Ge在應力鬆弛的Si1-x Gex 層中的比例較佳至少20%，也就是說x是大於或等於0.2。
Ge在由該方法加工之半導體晶圓的應力鬆弛Si1-x Gex 層中的比例較佳大於或等於20%，且小於或等於80%。
對於具有如此高比例Ge的晶圓，傳統的CMP拋光不足以達到要求的平面度、幾何形狀和奈米拓撲結構。然而，根據本發明之方法現在提供了這方面的解決方案。
實質上是機械超細研磨步驟的第一加工步驟，使得達到必要的晶圓幾何形狀成為可能，接下來的化學機械加工步驟通過在機械超細研磨後降低粗糙度和消除晶圓表面的缺陷，來具體影響Si1-x Gex 層的表面性能。
尤其已經顯示，與不同的去除行為相關之矽及鍺的不同性能具有化學的本性，其在本發明方法之第一步驟的純機械去除中不起實際作用。這是令人意外的。其顯示出該去除行為是顯著地更加均勻地進行的。並未觀察到Si和Ge的選擇性去除。其他拋光化學試劑，例如在現有技術中用於溶解鍺的試劑(例如，過氧化氫、臭氧、次氯酸鈉、高氯酸鈉、氯酸鈉或其他氧化劑)是不必要的，這使得與最接近的先前技術相比，本方法能更加容易地控制且更加節約成本。本發明方法總體上導致了就表面幾何形狀和納米拓撲結構而言的良好性能、良好的粗糙度且不具缺陷。
如上所述，單板和多板二種拋光機都適合用來實施本發明的方法。
舉例言之，來自Strasbaugh Inc.的“nHance 6EG”型CMP機器是合適的。多板機例如來自Applied Materials Inc.的AMAT Reflection同樣是合適的。
來自Strasbaugh Inc.的拋光裝置具有一個帶拋光墊的拋光板和一個拋光頭，其全自動地加工半導體晶圓。拋光頭是萬向安裝的，並且包括一個塗佈“背襯墊”的固定基板和可移動固定環。通過基板中的孔，可以在二個同心壓力區，即內部區和外部區建立氣墊，該半導體晶圓在拋光過程中浮於該氣墊上。可以通過壓縮氣袋向可移動固定環施加壓力，從而在與半導體晶圓接觸時預拉伸該拋光板，並且保持其平面。
相比之下，AMAT Reflection具有三個拋光板，每個拋光板可以承載不同的拋光墊，並且包括承載多個拋光頭的轉動架，其相互之間固定排列並且各自接收半導體晶圓。這些半導體晶圓可以進一步從一個拋光板同步移動到下一個拋光板，並且在每種情況下都可以相繼在三個拋光板中的一個拋光板上被加工。該拋光機包括一5-區域之膜載具，其允許該載具的壓力分佈在五個區中不同地設置。
拋光參數取決於用來進行本發明方法的拋光機。對於拋光半導體晶圓領域的技術人員來說，常規拋光機的常規工藝設值是已知的。
當使用AMAT Reflection拋光機時特別合適的工藝參數以及與如果使用nHance 6EG時所要選擇的參數的主要差別顯示如下。具體的參數範圍詳細說明了順利實施根據本發明方法之可操作的工藝視窗，但其不以任何方式來限制本發明的一般概念。
在根據本發明方法的第一和第二步驟中，AMAT Reflection的膜載具的較佳壓力分佈在約3至約4磅/平方英寸(psi)。固定環的接觸壓力是7至8磅/平方英寸。
當使用來自Strasbaugh Inc.的“nHance 6EG”型拋光機的時候，所選擇的拋光壓較佳為3至7磅/平方英寸，尤佳為6至7磅/平方英寸。
研磨或拋光介質(水/拋光劑)的體積流速較佳為約0.3至約1.0升/分鐘。在Strasbaugh nHance 6EG的情況中，顯著較高之高達3.0升/分鐘的體積流速也是較佳的。
拋光時間較佳在10秒至300秒的範圍內。
拋光板的旋轉速度較佳為60至200轉/分鐘(rpm)。80至140轉/分鐘的範圍是尤佳的。

Claims (19)

  1. 一種用於拋光具有應力鬆弛Si1-x Gex 層之半導體晶圓的方法，其中x係大於或等於0.2，包含一使用含有粒徑為0.55微米或更小之固定黏結之研磨材料的拋光墊及一不含固體之拋光劑溶液，在拋光機中對半導體晶圓之Si1-X Gex 層進行機械加工的第一步驟；以及一使用一拋光墊及提供一含有研磨材料的拋光劑漿料對先前已經機械加工過之該半導體晶圓之Si1-x Gex 層進行化學機械加工的第二步驟，其中於該拋光劑漿料中的平均粒徑為5至300奈米，且該研磨材料在該拋光劑漿料中的比例為0.25至20重量%。
  2. 如請求項1之方法，其中根據該方法之該第二步驟，該研磨材料在該拋光劑漿料中的比例為0.25至1重量%。
  3. 如請求項2之方法，其中於該拋光劑漿料中的平均粒徑為5至50奈米。
  4. 如請求項1之方法，其中該拋光劑漿料中之該研磨材料包含一或多種元素鋁、鈰或矽的氧化物。
  5. 如請求項4之方法，其中該拋光劑漿料包含膠體分散矽酸。
  6. 如請求項1之方法，其中該方法之該第二步驟也在一含有固定黏結研磨材料的拋光墊上進行。
  7. 如請求項6之方法，其中係涉及一含有粒度為0.55微米或更小之細研磨料的拋光墊。
  8. 如請求項1之方法，其中在該方法之該第二步驟中係使用不含黏結研磨料的可拆卸拋光墊。
  9. 如請求項7之方法，其中該第一及第二加工步驟係使用相同 的拋光墊在一拋光機之一拋光板上進行。
  10. 如請求項1之方法，其中根據該方法之該第一步驟的拋光劑溶液是水。
  11. 如請求項10之方法，其中係涉及去離子水。
  12. 如請求項1之方法，其中該拋光劑溶液包含一或多種選自以下群組之化合物：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)、氫氧化四甲銨(TMAH)。
  13. 如請求項12之方法，其中該化合物在該拋光劑溶液中的比例為0.01至10重量%。
  14. 如請求項1之方法，其中該拋光劑溶液之pH值係在10至12.5的範圍內。
  15. 如請求項1之方法，其中於該方法之該第一步驟中，係使用一含有平均粒徑大於或等於0.1微米且小於或等於0.55微米之黏結研磨料的拋光墊。
  16. 如請求項15之方法，其中於該方法之該第一步驟中，係使用一含有平均粒徑大於或等於0.1微米且小於或等於0.3微米之黏結研磨料的拋光墊。
  17. 如請求項15之方法，其中該拋光墊之研磨材料係選自由碳化矽、氮化硼及金剛石之顆粒及元素鈰、鋁、矽、鋯、鐵或鉻之氧化物所構成之群組。
  18. 如請求項16之方法，其中該拋光墊之研磨材料係選自由碳化矽、氮化硼及金剛石之顆粒及元素鈰、鋁、矽、鋯、鐵或鉻 之氧化物所構成之群組。
  19. 一種包含選自一由金剛石、氧化鋁和碳化矽所構成之群組且平均粒徑為0.1至0.55微米之研磨料之拋光墊的用途，係用於矽-鍺層的機械加工。
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