TWI470684B - 拋光由半導體材料所構成之基材的方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種拋光由半導體材料所構成之基材的方法,其包括至少兩個不同的方法步驟。該方法的至少一個步驟為拋光步驟,借助該步驟將該基材在一拋光墊上拋光,該拋光墊包含一經黏結於該拋光墊中的磨料。
WO 99/55491 A1中描述了一種兩階段拋光法,其包括一第一拋光步驟,其中將該基材在一拋光墊上拋光,該拋光墊包含一經黏結於該拋光墊中的磨料。其中使用此種拋光墊即「固定研磨墊(fixed-abrasive pad)」的拋光步驟在下文中簡稱為FAP步驟。隨後的兩階段拋光法中的第二拋光步驟,是在一不包含經黏結的磨料的拋光墊上化學機械拋光該基材。在此,將磨料以漿料(slurry)的形式施加至該基材與該拋光墊之間。此拋光步驟在下文中簡稱為CMP步驟。其用於根據WO 99/55491 A1的兩階段拋光法中,尤其是為了除去FAP步驟在該基材的經拋光表面上所留下的刮痕。
EP 1 717 001 A1是當將表面上尚未形成任何元件結構的半導體晶圓拋光時,也使用FAP步驟的一個實例。在該半導體晶圓之拋光期間,首先重要的是產生至少一個側面,該側面係特別平的且具有盡可能小的微觀粗糙度和奈米形貌(nanotopography)。
本發明的目的是提供由半導體材料所構成之基材的經改進的拋光方法,該方法尤其是開創了關於微觀粗糙度的特低值。
該目的是借助一種拋光由半導體材料所構成之基材的方法實現的,該方法包括至少一個拋光步驟A,借助該步驟將該基材在一拋光墊上拋光,該拋光墊包含一經黏結於該拋光墊中的磨料,其中在該拋光步驟中將一拋光劑溶液施加至該基材與該拋光墊之間;以及至少一個拋光步驟B,借助該步驟將該基材在一拋光墊上拋光,該拋光墊包含一經黏結在該拋光墊中的磨料,其中在該拋光步驟中將一包含未經黏結的磨料的拋光劑漿料施加至該基材與該拋光墊之間。
拋光步驟A和B均為FAP步驟。它們的區別在於,在拋光步驟B中,將一包含固體形式的未經黏結的磨料的拋光劑漿料施加至該基材與該拋光墊之間,而在拋光步驟A中,使用一種如術語本身已說明的拋光劑溶液(即不含固體)代替拋光劑漿料。術語拋光劑在下文中用作拋光劑漿料和拋光劑溶液的通稱。
磨料在拋光劑漿料中的比例較佳為0.25至20重量%。較佳地,磨料顆粒的粒徑分佈本質上為單峰模式(monomodal)。平均粒徑為5至300奈米,特別佳為5至50奈米。磨料包含一機械性除去基材材料的材料,較佳為元素鋁、鈰或矽的一種或多種氧化物。特別佳的為包含膠體分散的矽酸的拋光劑漿料。拋光劑漿料的pH值較佳在9至11.5的範圍內,且較佳地藉由添加劑如碳酸鈉(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)或這些
化合物的任意混合物而加以調整。此外,該拋光劑漿料可包含一或多種其他添加劑,例如表面活性添加劑,如潤濕劑和表面活性劑,作為保護膠體的穩定劑、防腐劑、除生物劑、醇類和錯合劑。
在最簡單的情況下拋光劑溶液是水,較佳為具有半導體工業中慣用純度的去離子水(DIW)。但該拋光劑溶液也可包含化合物如碳酸鈉(Na2
CO3
)、碳酸鉀(K2
CO3
)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH4
OH)、氫氧化四甲銨(TMAH)或其任意的混合物。在此情況下,拋光劑溶液的pH較佳在10至12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%。此外,拋光劑溶液還可包含一或多種其他的添加劑,例如表面活性添加劑,如潤濕劑和表面活性劑,作為保護膠體的穩定劑、防腐劑、除生物劑、醇類和錯合劑。
根據本發明進行拋光的合適基材尤其包含由材料如矽、砷化鎵、SixGe1-x
、藍寶石和碳化矽所構成的半導體晶圓。特別適合的基材是由矽所構成的半導體晶圓及由其所衍生的基材。由矽所構成的半導體晶圓之待拋光的表面可在如下狀態中呈現:產生於半導體晶圓從一晶體分離之後、研磨(lapping)半導體晶圓之後、磨光(grinding)半導體晶圓之後,蝕刻半導體晶圓之後或者在半導體晶圓拋光已產生作用之後。由一矽所構成的半導體晶圓所衍生的基材應理解為尤其是具有一層結構的基材,例如具有一借助磊晶法所沉積的層的半導體晶圓、SOI基材(「絕緣層上覆矽」)和sSOI基材(絕緣層上覆應變矽)及其中間產物。該中間產物還包括施體半導體晶圓,由該施體半導體晶圓將層轉移至其他基材
上,尤其是在生產SOI基材的過程中。為了能夠重複使用,必須磨平該施體半導體晶圓之藉由層轉移而暴露的表面,該表面係相對粗糙且在邊緣區域內具有一特徵步驟。待拋光的基材表面不須或者不僅由矽組成。例如可涉及由如砷化鎵之III-V族化合物半導體或由矽和鍺(Six
Ge1-x
)所構成的合金所組成之層。其他實例是由磷化銦、氮化鎵和砷化鋁鎵所構成的層。Six
Ge1-x
層表面的特徵通常在於一稱作「交叉線(cross hatch)」的由鍺位所引起的圖案,並且一般必須在其上可沉積一或更多其他層之前進行磨平。
若根據本發明拋光具有由鍺或Six
Ge1-x
構成的層的基材,則拋光劑漿料或拋光劑溶液或兩者均可包含一氧化劑作為其他添加劑。適合的氧化劑是過氧化氫(H2
O2
)和臭氧(O3
)。該添加劑將鍺轉化為水溶性化合物。不使用添加劑時,會在拋光期間產生含鍺的顆粒,且其會刮傷經拋光的表面。
根據本發明的方法原則上可以雙面拋光的形式進行。在此情況下,同時拋光半導體晶圓的兩面。但特別適合的應用範圍是單面拋光。在此情況下,大直徑的基材,例如直徑為300毫米的由矽所構成的半導體晶圓,通常係單獨地進行拋光。借助於拋光頭,將其待拋光的側面壓在該位於拋光板上的拋光墊上。拋光頭還包括側向圍住基材並防止基材在拋光期間從拋光頭滑動的固定環。在新型拋光頭的情況下,將遠離拋光墊的半導體晶圓的側面壓在一傳遞所施加的拋光壓力的彈性薄膜上。該薄膜是形成一氣墊或液墊的可經細分的室系統的組成部分。但拋光頭亦可用於使用彈性支撐物(「襯墊」)代替薄膜的情況。利用在基材與拋光墊之間
加入拋光劑並旋轉拋光頭和拋光板從而拋光基材。在此情況下,拋光頭一開始還可在拋光墊上方變換移動,從而可更廣泛地使用該拋光墊區域。
此外,根據本發明的方法同樣可以在單板和多板拋光機上實施。較佳的是使用較佳具有兩個或三個拋光板和拋光頭的多板拋光機,如此可同時拋光相應數量的基材。在此還可使用不同的拋光墊和不同的拋光劑。
根據本發明的方法使用至少一拋光墊,該拋光墊包含一經黏結於該拋光墊中的磨料。適合的磨料包括例如元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物顆粒以及硬質材料如碳化矽、氮化硼和鑽石的顆粒。特別適合的拋光墊具有一由經複製的微結構所產生的表面形貌。例如,這些微結構(「柱」)具有圓柱形或多邊形截面的柱體形狀或者錐體或截錐體的形狀。此類拋光墊是可商購的,例如由美國3M公司提供。該拋光墊的更詳細描述例如包含於WO 92/13680 A1和US 2005/227590 A1中。
根據本發明的方法在各個情況中包括至少一個拋光步驟A和B。在這兩個拋光步驟中均使用FAP墊。這可以是同一拋光墊,或者可使用不同的拋光墊。根據該方法的一個特別佳的實施方案,拋光在時間上細分為至少三個子步驟1、2和3,其中將以如下方式控制平均材料去除量(MR)的過程參數如拋光劑、拋光劑流率和拋光步驟持續時間,而使子步驟1中的平均材料去除量多於子步驟2,並且子步驟2中的平均材料去除量等於或多於子步驟3。在子步驟1、2和3中,至少一個子步驟經配置為拋光步驟A,而至
少一個子步驟經配置為拋光步驟B。子步驟1較佳地作為A型拋光步驟,子步驟2較佳地作為拋光步驟B,而子步驟3作為拋光步驟A或者作為拋光步驟B。
根據本發明的方法可包括其他拋光步驟,例如CMP步驟,在此其稱為拋光步驟C。該拋光步驟較佳係在拋光步驟A或B之後實施。此外,例如可使用一鹼性蝕刻劑和/或使用一具有酸性pH的蝕刻劑,在拋光步驟A或B之後蝕刻或清洗基材。
以下措施有助於降低微觀粗糙度。一個較佳的措施在於,在拋光的結束階段,較佳係在將基材從拋光板提起之前的5至300秒,將拋光壓力減少至少10%,並以該經降低的拋光壓力繼續拋光基材直至從拋光板提起。另一個較佳的措施在於,借助於開孔泡沫體將清潔劑分佈在拋光墊上,從而用清潔劑清洗拋光墊。這較佳是在原位完成,即在拋光該基材的期間。鑑於泡沫體不包含任何經黏結於其中的磨料的優點,墊的清洗不同於墊的調整(conditioning)。原則上任何具有開放式單元(open cell)結構的彈性塑膠泡沫都是適合的,例如聚膠酯泡沫、聚乙烯醇泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚矽氧泡沫、環氧泡沫、脈-甲醛泡沫、聚醯亞胺泡沫、聚苯並咪唑泡沫、基於酚醛樹脂的泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚丙烯酸泡沫、聚酯泡沫和黏膠液泡沫。用於各個拋光步驟的拋光劑尤其適合作為清潔劑。
下面用較佳的具體實施方式更詳細地闡述本發明,並借助比較實驗陳述其關於降低微觀粗糙度的有利作用。
該基材是直徑為300毫米的由矽所構成的半導體晶圓,其具有一由組成為Si0.8
Ge0.2
的鬆弛型矽鍺合金所構成的上層。它們在Strasbaugh公司的nHance 6EG型單面拋光機上進行拋光,隨後清洗,乾燥並送入檢驗該經拋光表面的階段中。尤其是為開發工作所配置的單個晶圓拋光機裝配有一個拋光頭和一個拋光板。萬向地安裝該拋光頭,並包括一個覆蓋有襯墊(backing pad)的固定基板和一個可移動的固定環。經由基板中的孔可以在兩個同心壓力區,即內部區域和外部區域內形成氣墊,在拋光期間該基材浮於該氣墊上。借助壓縮空氣風箱(bellows)可向該可移動的固定環施加壓力,從而在與基材接觸時預先拉緊拋光墊並使其保持為平面。對於比較實例和具體實施方式,使用美國3M公司的FAP墊,其具有經黏結於其中且平均粒徑為0.55微米的氧化鈰(CeO2
)研磨顆粒。
在第一實驗系列中,第一比較實例的半導體晶圓和第一具體實施方式的半導體晶圓均進行三階段拋光法,即拋光步驟1、2和3。在比較實例的情況下,拋光步驟1、2和3無例外地都是拋光步驟A。相反的,具體實施方式的半導體晶圓進行對應的拋光,其中拋光步驟2和3為拋光步驟B。
其他實驗參數匯總於下表中。
*)Glanzox 3900是日本Fujimi公司以濃縮物形式提供的拋光劑漿料的產品名。pH為10.5的濃縮物包含約9重量%的平均粒徑為30至40奈米的膠體SiO2
。表中所顯示的SiO2
含量是基於拋光劑所計。
在拋光後,半導體晶圓進行清洗、乾燥並檢驗殘留的微觀粗糙度。在此情況下,採用三種不同的測量方法。用美國Chapman Instruments的MP2000型之相位對比表面測平儀測定RMS粗糙度(「均方根,RMS」),考慮影響粗糙度值的各種橫向相關長度(濾波器長度,「空間波長」)。此外,用美國KLA-Tencor的Surfscan SP-1在各種檢測器配置(通道模式:D=「暗視野」;N=「窄」、W=「寬」;O=「傾斜」、N=「垂直」)的情況下測量暗視野散射光(「濁度,haze」)。第三測量法是在中心處10微米×10微米的方形測量區上以及在距半導體晶圓邊緣1毫米處的AFM測量(「原子力顯微鏡」,AFM),其同樣用於測定RMS粗糙度。
測量結果總結於表2、3和4中。
這些表顯示,如果根據本發明進行拋光,可預期明顯較低的「濁度」和RMS粗糙度值。
第一實驗系列(具體實施方式1和比較實例1)的上述實驗在沒有原位清洗拋光墊的情況下實施。在第二實驗系列(具體實施方式2和比較實例2)中,將相同類型的其他半導體晶圓以相同的方式進行拋光,除了額外使用聚酯所構成的開孔海綿進行拋光墊的原位清洗,且該開孔海綿係以作為清潔劑的拋光劑加以浸漬。在顯示這些實驗結果的表2、3和4中所清楚表達的是,可借助這些額外的措施進一步降低微觀粗糙度。
Claims (9)
- 一種拋光矽基材的方法,該矽基材在一表面上包含一矽鍺合金層,該方法包括以至少一個拋光步驟A而進行之基材第一拋光來開始拋光,其中在該拋光步驟A中,係在一拋光墊上拋光該基材,該拋光墊包含一黏結(bonded)磨料,且係將一不含研磨顆粒之拋光劑溶液施加至該基材與該拋光墊之間;以及包括至少一個拋光步驟B,其中係在一拋光墊上拋光該經進行拋光步驟A之基材,該拋光墊包含一黏結磨料,且係將一包含未經黏結的磨料的拋光劑漿料施加至該基材與該拋光墊之間;其中,該拋光劑溶液或該拋光劑漿料或該兩者係包含過氧化氫或臭氧作為添加劑,以將鍺轉換為水溶性化合物。
- 如請求項1的方法,其中該拋光步驟B係在一第一壓力下進行,且在該拋光步驟B結束之前,該壓力係降至一第二壓力。
- 如請求項1或2的方法,其中該拋光步驟A和該拋光步驟B係在同一拋光板上實施。
- 如請求項1或2的方法,其中該拋光步驟A和該拋光步驟B係在不同的拋光板上實施。
- 如請求項1或2的方法,其包括至少一個拋光步驟C,其中在該拋光步驟C中,係在一拋光墊上拋光該基材,該拋光墊係不具有黏結磨料,且係將一包含未經黏結的磨料的拋光劑漿料施加至該基材與該拋光墊之間。
- 如請求項1或2的方法,其中該拋光劑漿料包含元素鋁、鈰或矽的一或多種氧化物作為磨料。
- 如請求項6的方法,其中該拋光劑漿料的固體含量為0.25至20重量%。
- 如請求項1或2的方法,其中用開放孔泡沫體將一清潔劑分佈在該拋光墊上,由此在拋光步驟中清洗該拋光墊。
- 如請求項1或2的方法,其中在拋光步驟A或B之後或者在這兩個拋光步驟之後蝕刻或清洗該基材。
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