TWI460777B - 用於研磨半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Description

用於研磨半導體晶圓的方法
本發明係關於一種用於研磨半導體晶圓的方法。
半導體晶圓的機械加工係用來去除鋸切波紋、去除被較粗糙的鋸切加工中所破壞的表層(在晶體形狀(crystalline fashion)上)或由鋸線污染的表層，並主要用來對半導體晶圓進行整體整平。表面研磨(單面，雙面)及研光(lapping)係已為習知的，機械邊緣處理步驟也亦為習知的。
在單面研磨的情況下，半導體晶圓的背面被固定在一載台(卡盤)上，在旋轉載台和研磨盤之情況下及以慢速徑向靠近(deliver)的方式，藉由杯式(cup)研磨盤整平其正面。用於半導體晶圓表面研磨的方法和裝置係從例如美國專利第3,905,162號和美國專利第5,400,548號或歐洲專利第0955126號中習知。在此情況下，半導體晶圓係以其一個表面穩固地固定在晶圓固定器上，且使用一研磨盤，在旋轉晶圓固定器及研磨盤且彼此壓迫的方式下，處理晶圓的相對表面。在此情況下，半導體晶圓係使其中心實質上對準晶圓固定器的旋轉中心的方式固定在晶圓固定器上。此外，研磨盤係以使半導體晶圓的旋轉中心接觸到工作區或由研磨盤的齒所形成之邊緣區的方式定位。就結果言之，可在研磨平面毫無位移的情況下，研磨半導體晶圓的整個表面。
在同步雙面研磨(雙盤研磨，DDG)的情況下，半導體晶圓係在於兩個安裝於對向共線軸體上的研磨盤之間，以自由浮動的方式進行同步雙面處理，並以在作用於晶圓正面和背面的一水墊(流體靜力學的原理)或氣墊(氣體靜力學的原理)間實質上無軸向約束力的方式進行該處理，並藉由圍繞的薄導向環或單獨的徑向輻條防止晶圓鬆散地徑向漂離。
在單面和雙面研磨方法二者所採用的研磨程序期間，有必要冷卻研磨工具和/或經處理的半導體晶圓。一般係使用水或去離子作為冷卻劑。市面上的研磨機，例如Disco Corp.的DFG 8540型和DFG 8560型(Grinder 800系列)，這兩種型號分別適合用於研磨直徑為100毫米至200毫米，以及200毫米至300毫米的晶圓，且彼等研磨機在工廠中係配備有一真空單元，以在研磨過程中保證1公升/分鐘(等於公升每分鐘)或3公升/分鐘的恆定冷卻劑流速，其係取決於冷卻劑的溫度(低於22℃的溫度係恆定在1公升/分鐘，大於22℃的溫度則恆定在3公升/分鐘)。
雙面研磨機還可從如Koyo Machine Industries Co. Ltd.取得。DXSG320型係合適用於例如直徑為300毫米之晶圓的DDG研磨。垂直以及水平軸體兩者均可與特定的金剛石研磨工具組合使用。這些研磨工具係經過設計的，使其能僅切割邊緣，且結合有幾乎不散發熱量的快速進給速度。以靜水壓墊從二面將待處理的半導體晶圓固定在輸送環中。晶圓僅藉由一個小拖柄(lug)驅動，該小拖柄嚙合到半導體晶圓的取向缺口中。用這種方法可以保證半導體晶圓以無應力之方式安裝。
在研光(lapping)的情況下，在上工作盤和下工作盤之間提供含研磨材料的漿料的情況下，以特定的壓力使半導體晶圓移動，從而除去半導體材料，其中工作盤通常由鋼組成，並且一般配備有溝槽(channel)，以使研光劑分散較佳。然而，研光並不是本發明主旨的一部分。
德國專利第103 44 602 A1號和德國專利第10 2006 032 455 A1號公開了用於同時對多個半導體晶圓的兩面進行同步研磨的方法，其中的運動順序類似於研光，但其特徵在於使用了磨料，該磨料係牢固地結合在施加至工作盤上的工作層(薄膜；墊)中。在處理過程中，係將半導體晶圓插入到薄的引導盒(guide cage，亦稱為「載體」)中，引導盒係具有相應的開口以容納半導體晶圓。載體係具有一外齒(out toothing)，外齒係嚙合到一包括內齒環和外齒環的滾動裝置中，且載體藉由該滾動裝置在上下工作盤之間所形成的工作間隙中移動。載體具有開口，經由開口，冷卻劑可以在下工作盤和上工作盤之間交換，以使上工作層和下工作層總是處於相同的溫度。
以上所提及的所有研磨方法都會在半導體晶圓上留下十分明顯的破壞。破壞應該理解為是指由於機械加工造成的表面附近的晶體破壞(次表面破壞)。研磨之後半導體晶圓表面上的刮痕及其他由機械引發的缺陷也都視為是這類破壞。此晶體破壞必須藉由後續的蝕刻方法才能消除。然而，如本領域之技藝人士所知，這些蝕刻方法會負面地影響半導體晶圓的幾何結構，尤其是邊緣幾何結構和奈米形貌。由於蝕刻後的奈米形貌差，為了實現所欲的奈米形貌，必須要做更久的去除拋光處理。
因此，本領域技藝人士設法使研磨之後的破壞最小化，並能在研磨之後提供具有最佳幾何結構和奈米形貌的半導體晶圓，但主要仍在於明顯減少破壞。這有可能使蝕刻方法可以全部省略。然而，主要是使得在拋光過程中的加工時間有可能更短，因為獲得 最佳的表面粗糙度乃是最首要的，並非修正奈米形貌。
德國專利第102007030958主張一種用於研磨半導體晶圓的方法，其中半導體晶圓藉由至少一個研磨工具，以移除材料的方式在晶圓之一面或雙面上進行處理，在各個情況下，冷卻劑都會供應到半導體晶圓與至少一個研磨工具之間的接觸區中，其中，在每個情況下，冷卻劑流速係根據該至少一個研磨工具的研磨齒的高度來進行選擇，且該冷卻劑的流速隨著研磨齒高度的降低而減小，藉此可以實現工件與研磨工具之間的接觸區的恆定冷卻，因為實際上冷卻劑係聚集在研磨齒前面，並且流動繞至後側，且根據研磨齒的高度，冷卻劑渦漩進入工件與研磨工具之間的接觸區。根據德國專利第102007030958號，到達該接觸區的冷卻劑的量對於研磨結果(次表面破壞)及研磨工具的使用壽命係至關重要的。
德國專利第102007030958號中所述的方法的缺點在於，該方法須於研磨過程中自始至終地對研磨齒的高度進行測定，以便能相對地調整冷卻劑的流速。這是因為與標準的方法相比，德國專利第102007030958號係以明顯提高的冷卻劑流速進行，因此該冷卻劑的流速也必須隨著齒高度降低而減小，不然的話，不變的高冷卻劑流速會不可避免地導致水飄(aquaplaning)效應。
總之，對軌道運行式墊研磨(planetary pad grinding,PPG)而言，德國專利第102007030958號所描述的方法不能適用，因為使用的研磨工具不是齒合的研磨盤(齒合輪(toothed wheel))，而是包括具有結合磨料於其中之工作層的工作盤。
本發明之一目的在於找到一種能避免習知技術之缺點的新穎研磨方法。
該目的藉由一種用於處理半導體晶圓的方法來實現，其中係使至少一研磨工具和至少一半導體晶圓的側面彼此靠近，而藉此從該至少一半導體晶圓上除去材料，其中係將一黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺‧秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺‧秒的液體介質置於該至少一個研磨工具和該至少一半導體晶圓之間，以及將該至少一研磨工具和該至少一半導體晶圓彼此移開，而結束該處理操作。
本發明提供用於改進傳統的研磨步驟，其可為單面研磨或雙面研磨，其方式使得在研磨步驟接近結束時，加入黏度更增大的介質，以抑制在單面或雙面研磨的過程中，由研磨工具所致的機械去除。除了在結束研磨過程中移出研磨工具和半導體晶圓的程序以外，研磨中並不會使用到提高黏度的介質或添加劑，因為首先在實際的去除研磨過程期間，使用低黏度的介質，例如沒有添加劑或具有低黏度的添加劑的水(冷卻劑)，將能更方便地執行研磨；其次，藉由該低黏度介質，處理過程中產生的「研磨切屑」能更好地被移出，並維持研磨工具的切割能力。在結束研磨的過程中藉由加入比水黏度更高的介質，正好是用來減弱甚至消除研磨工具的切割能力。
用這種方法處理的半導體晶圓顯示不具有研磨細溝、沒有抬起(lift-off)痕跡(傳統的單面研磨在接近結束時的研磨盤抬起)，並且研磨之後沒有研磨刮痕。
在半導體晶圓處理接近結束時提供黏稠介質。
在單面研磨的情況下，在獲得特定的材料去除後，於研磨處理結束之後，且於半導體晶圓和研磨工具彼此移開之前，藉由以一返回速度將研磨工具帶回之方式，在半導體晶圓和研磨工具之間引入該介質。
在同步雙面研磨(DDG)的情況下，亦採取類似的程序：在研磨處理結束後，且於半導體晶圓和兩個研磨工具彼此移開之前，在半導體晶圓和研磨工具之間引入該介質。
無論在單面研磨情況下還是在雙面研磨情況下，介質都是通過研磨工具的中心被引入。研磨工具通常具有開口，以俾使研磨工具和/或被處理的半導體晶圓能被加以冷卻。傳統上用水或去離子水作為冷卻劑。在處理操作接近結束時，係將抑制機械去除的介質引入以代替冷卻劑。
在利用研光動力學進行研磨的情況下，介質係經由載體中的開口引入。在習知技術中，這些開口是提供用來將冷卻劑經由該等開口而輸送到工作盤。在本發明中，在處理操作接近結束時，再一次地經由載體中的該等開口，引入抑制機械去除的介質，以代替冷卻劑。
由此可見，本發明的方法不需要對傳統的研磨機械作任何變更。
選擇抑制機械去除的介質係至關重要的。
該介質為黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺‧秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺‧秒(毫帕‧秒)的液體介質。該介質的黏度較佳為3×10-3 至80×10-3 牛頓/平方公尺‧秒，尤其較佳為3×10-3 至60×10-3 牛頓/平方公尺‧秒，特別較佳為3×10-3 至40×10-3 牛頓/平方公尺‧秒。
眾所周知，黏度是對流體黏性的測量。黏度的倒數是流動性係數(fluidity)，其係對流體流動性的測量。黏度越大，流體越黏(更不流動)；黏度越低，流體越不黏(更能流動)。
較佳地，介質係包含多羥基醇類(polyhydric alcohols)(多羥基(polyhydric)的含義為「多於一個羥基」)。
較佳地，多羥基醇類係選自以下群組：甘油、單體二醇類、寡聚體二醇類、聚二醇類和多元醇類(polyalcohols)。
存在多於一個羥基可使形成氫橋鍵(hydrogen bridge bond)的可能性更大，即更強的分子間相互作用，其最終將使黏度提高。
較佳地，介質包含少量的界面活性劑。
較佳地，介質含有多羥基醇類、多元醇類和界面活性劑。
較佳地，介質含有短鏈或更長鏈的聚乙二醇類、溶膠類或凝膠類。
較佳地，介質包含甘油。
較佳地，介質包含聚醚多元醇(polyether polyol)和聚乙烯醇。
使用甘油-水混合物是尤其較佳的。
表1顯示為在20℃的溫度、各種甘油比例下甘油-水混合物的黏度變化(其中資料根據：WEAST，R. C. [Ed.]: "CRC Handbook of Chemistry and Physics"，56th Ed.，CRC Press，Boca Raton)。
純甘油黏度在室溫下可高達1500毫帕‧秒，且以目標方式將去離子水的黏度提高到3至100毫帕‧秒，而去離子水的黏度原來僅為約1毫帕‧秒。
較佳地，在20℃的溫度下甘油比例為約50重量%至約85重量%。
此外，黏度與溫度極為相關：對純甘油而言，在T=20℃時黏度為約1.760帕‧秒，而在T=25℃時則下降到約0.934帕‧秒。純水的黏度也與溫度有關。
因此當使用甘油-水的混合物時，應該考慮在20℃的溫度下提供該介質。
如果打算使介質在明顯更高的溫度下，為了保證所欲的黏度，較佳係將甘油比例提高到85重量%以上。
較佳地，介質為一由甘油、丁醇和一界面活性劑所組成的含水混合物。
使用漿料亦為尤其較佳的，其中可藉由固體的比例確保所欲的介質黏度。
該漿料可以與上述增加黏度的混合物組合使用，也可以以純漿料的形式使用，亦即，舉例言之，使用傳統的氧化矽溶膠(silica sol)形式(無添加增加黏度的成分)，在此情況下，藉由適當選擇經溶解之溶膠顆粒的濃度來設定所要求的黏度。
使用這類漿料涉及到一附加效果。藉由該等具有精密機械效果的溶膠顆粒，可以降低被處理表面的表面粗糙度。此在使用相對較高濃度的漿料時特別明顯。為了防止在提供介質的管線上發生乾燥或結晶以及後續相關的結垢(encrustation)，在研磨步驟結束之後(特別是在使用高濃度的溶膠來終止典型的去除研磨時)，建議用水進行徹底的清洗以清除溶膠。
尤其較佳係使用由二氧化矽或氧化鈰顆粒組成的膠態分散體。
非晶質(amorphous)的二氧化矽膠態分散含水溶液係包括二氧化矽，其係呈表面上含有羥基之未相互交聯的球形單獨顆粒的形式。
這些包括空間上未交聯的顆粒的漿料的黏度是濃度和粒徑或比表面積的函數。
例如，可藉由移液管或落球式黏度計準確測定黏度。混合物或漿料的黏度較佳係在將其使用於本發明的方法之前測量。
對較小顆粒而言，黏度通常會更高。黏度隨著固體的體積含量增加而增加，如此一來，就顆粒之自由流動性(內摩擦)而言，顆粒裝填將更加緊密且受到限制。此外，單獨顆粒之間的相互作用和碰撞也會增加。
較低固體體積含量的漿料的行為大約類似於牛頓流體。
黏度與剪切速率無關。
較佳係使用包括窄粒徑分佈之顆粒的漿料。平均粒徑較佳係5奈米至50奈米。
二氧化矽或氧化鈰的固體比例較佳係大於1重量%且最高達50重量%。
如果降低半導體晶圓之經處理表面的表面粗糙度係所欲的，較佳的固體比例則為20重量%至50重量%。
在1重量%至小於20重量%的較低固體比例時，舉例言之，較佳係藉由如前述的黏度改進添加劑之其中一者(例如甘油)來提高黏度。
提供抑制機械去除的介質可保證在半導體晶圓上產生較少的次表面破壞，尤其是不會產生抬起痕跡、明顯的研磨細溝和明顯的研磨刮痕。這是因為黏度較水高的介質可在研磨過程接近結束時，減少作用在半導體晶圓表面上的機械力。
習知技術中會發生抬起痕跡(尤其是在DDG之後)，此對幾何結構和奈米形貌係至關重要的。根據習知技術，在單面研磨情況下會產生研磨細溝，其對幾何結構和奈米形貌亦具有類似的負面影響。根據習知技術，刮痕會在所有研磨方法中產生，且其對於半導體晶圓的幾何結構和表面性質係十分關鍵的。
藉由根據本發明的方法，這些缺陷都可被完全消除。
如上所述，該方法可以在所有具有平面板和對應的介質分配裝置的機器類型上進行。
對於具有軌道運行(planetary)動力學(研光動力學)特性的雙面平面研磨，傳統的雙面拋光機械是合適的，其中使用對應的研磨墊(工作盤的工作層)代替不含磨料的拋光墊。
以下介紹實施本方法的尤其較佳的程序參數。
單面研磨：
˙(以金剛石、CeO2 、Al2 O3 、SiC或BaCO3 作為磨料)具有精細顆粒尺寸為#2000或更細的研磨盤
˙研磨盤的旋轉速度為1000轉/分鐘至5000轉/分鐘，尤其較佳為2000轉/分鐘至4000轉/分鐘
˙半導體晶圓的旋轉速度為50轉/分鐘至300轉/分鐘，尤其較佳為200轉/分鐘至300轉/分鐘
˙進給速度為10微米/分鐘至20微米/分鐘
˙冷卻劑：水(0.1公升/分鐘至5公升/分鐘)
˙處理接近結束時，以0.1公升/分鐘至5公升/分鐘，尤其較佳以3公升/分鐘至5公升/分鐘之流速，提供一黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質
雙面研磨：
˙研磨盤的顆粒為4微米至50微米，以金剛石作為磨料(陶瓷或金屬黏結的)
˙軸體旋轉速度為1000轉/分鐘至12000轉/分鐘，尤其較佳為4000轉/分鐘至8000轉/分鐘
˙軸體靠近速度為15微米/分鐘至300微米/分鐘(相對於兩個軸體)
˙半導體晶圓的旋轉速度為5轉/分鐘至100轉/分鐘，尤其較佳 為25轉/分鐘至50轉/分鐘
˙用水(0.1公升/分鐘至5公升/分鐘)冷卻潤滑
˙處理接近結束時，以0.1公升/分鐘至5公升/分鐘，尤其較佳以3公升/分鐘至5公升/分鐘之流速，提供一黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質
舉例言之，一由丁醇、甘油和一界面活性劑組成的含水混合物適合用來提供一黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質。介質的體積流速為5公升/分鐘。甘油比例為1重量%，丁醇比例為1重量%。此外，加入一比例為0.07重量%的界面活性劑。
界面活性劑係以烷基苯磺酸和乙氧基化胺(amine ethoxylate)為基質的配方。
研磨處理接近結束時，添加SiO2 濃度為30重量%的氧化矽溶膠作為半導體晶圓上的黏性保護層係同樣適合的。

Claims (16)

  1. 一種用於處理半導體晶圓的方法，其中係使至少一研磨工具和至少一半導體晶圓的側面彼此靠近而藉此從該至少一半導體晶圓上除去材料，其中係將一黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質置於該至少一研磨工具和該至少一半導體晶圓之間，並於研磨處理接近結束時添加氧化矽溶膠以及將該至少一研磨工具和該至少一半導體晶圓彼此分開而結束該處理操作。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該液體介質包含一多羥基醇(polyhydric alcohol)。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該多羥基醇係選自以下群組：甘油、單體二醇類、寡聚體二醇類、聚二醇類和多元醇類(polyalchohols)。
  4. 如請求項2或3所述之方法，其中該多羥基醇之比例為0.01體積%至10體積%。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該液體介質包含甘油。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該液體介質包含聚醚多元醇(polyether polyol)和聚乙烯醇。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該液體介質包含界面活性劑。
  8. 如請求項5所述之方法，其中該液體介質係一甘油比例為50重量%至85重量%之甘油-水的混合物。
  9. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該液體介質係一 含有甘油、丁醇和一界面活性劑之含水混合物。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該液體介質包含呈二氧化矽或氧化鈰顆粒形式的固體。
  11. 如請求項10所述之方法，其中二氧化矽或氧化鈰的平均粒徑為5奈米至50奈米。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該固體的比例為大於1重量%至最高為50重量%。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該固體的比例為1重量%至30重量%。
  14. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該半導體晶圓係以其一表面穩固地固定在一晶圓固定器上，且使用一呈研磨盤形式的研磨工具，在旋轉該晶圓固定器和該研磨盤及彼此壓迫的方式下處理其相對表面，其中經由該研磨盤中的開口，在該研磨盤與該半導體晶圓之間引入該黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質。
  15. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中使該半導體晶圓在兩個安裝於對向共線軸體上的研磨工具之間，以自由浮動的方式，對該半導體晶圓進行同步雙面處理，且其中係使作用在其正面和背面的一水墊或氣墊間實質上無軸向約束力的方式進行該處理，其中經由該兩個研磨工具中的開口，在該研磨工具與該半導體晶圓之間引入該黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質。
  16. 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中將複數個半導體晶圓進行同步處理，其中各半導體晶圓以可自由移動的方式位於複數個載體之其中一者的一切口(cutout)中，藉由一環形的外驅動環和一環形的內驅動環以使該等載體旋轉，藉此使半導體晶圓在一擺線軌跡上移動，而該半導體晶圓則在兩個研磨工具之間以材料去除的方式進行處理，該等研磨工具為旋轉的、包含工作層的環狀工作盤的形式，其中經由該等載體中的開口，在該工作盤和該半導體晶圓之間引入該黏度最低為3×10-3 牛頓/平方公尺．秒且最高為100×10-3 牛頓/平方公尺．秒的液體介質。
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