专利名称：用于抛光半导体晶片的方法
技术领域：
本发明涉及用于抛光半导体晶片的方法。
背景技术：
CMP是通常用于降低半导体晶片正面粗糙度的单面抛光方法。因此也称为镜面抛 光。CMP过程中，半导体晶片要抛光的面通过旋转的抛光头压在旋转的抛光垫上，并在存在 提供的抛光剂时进行平滑处理。除了其它因素，抛光过程中产生的材料去除取决于半导体 晶片压在抛光垫上的压力。还有可能在不同的区域选择不同的抛光压力，从而产生能带来 不均勻轮廓的材料去除，如果认为材料去除是沿着半导体晶片的直径的。可以借助压力室 或压力环建立起压力区域。举例而言，US 5，916，016描述了能再分到压力区域中的含载具 的抛光头。相应地CMP也可以用于以目标方式影响半导体晶片的几何结构，也就是说影响 描述局部和全局平整度的半导体晶片的参数。例如CMP方法在US 2002-0077039以及US 2008-0305722 中公开。除了 CMP，DSP(双面抛光)也在半导体晶片的抛光中起重要作用。在DSP过程中， 通常多个半导体晶片同时抛光。DSP过程中，半导体晶片位于载盘切口中配备有抛光垫的两 个抛光板之间，并且借助于所提供的抛光剂在两个面上抛光。特别地，DSP的任务是通过半 导体晶片打磨和/或研磨减少成型机械加工后遗留在表面区域中的破坏情况。DSP过程中 的材料去除，通常总体去除10 30 μ m,明显大于CMP的情况。因此，DSP也常常称为材料 去除抛光。此外，所谓的“固定研磨剂抛光”(FAP)技术已经为人所知，在该技术中半导体晶片 在含接合在抛光垫中的研磨材料的抛光垫(“固定研磨剂垫”)上抛光。其中使用这类FAP 抛光垫的抛光步骤在下文中简称为FAP步骤。德国专利申请DE 102 007 035 266 Al描述了用于抛光由硅材料构成的基底的方 法，包括两个FAP类型的抛光步骤，其不同之处在于，在一个抛光步骤过程中，含有未结合 的研磨材料的抛光剂浆液作为固体材料引入到基底和抛光垫之间，而在第二抛光步骤过程 中，用没有固体的抛光剂溶液代替抛光剂浆液。通常通过DSP抛光的半导体晶片的厚度朝边缘方向明显降低。该边缘下降 (roll-off)可能在边缘区域不利地影响全局平整度和局部平整度。因此，希望尽可能将边 缘下降限制在边缘排除区域。—组多个半导体晶片的单面抛光(“单面批量抛光”)过程中，半导体晶片通过一 个面安装到载板的正面上，其方法包括借助在该面和载板之间产生的正锁定(positively locking)和强锁定(force locking)连接，例如通过粘接、粘合、胶合或利用真空。在载板和半导体晶片之间产生粘合连接的方法见述于DE 198 16 150A1。应当指出，所有已知类型的粘合连接和固定方法在下文中用“胶合的”和“胶合 在...上”以及“胶合”表达。通常，半导体晶片应这样安装到载板上，也即其方式应能使半导体晶片形成同心环或同心环的图案。然而，也有其中仅一个单独的半导体晶片安装到载板上的抛光方法。载 板的背面通过加压柱塞支撑，在下文中称为抛光头。安装之后，自由的晶片面以特定的抛光 力压在抛光板上，抛光垫在抛光板上展开，用提供的抛光剂进行抛光。在此情况下，载板和 抛光板通常以不同的速度旋转。必要的抛光力从抛光头传递到载板的背面。许多使用的抛 光机这样设计，也即应能使其有多个抛光头并且可以相应地容纳多个载板。例如，这种类型 的抛光机见述于文献US 5908347。批量方法中的该单面抛光(SSP)过程中，会发生典型的局部几何结构缺陷，称为 “下降(roll off)”。这是在半导体晶片前侧面的边缘下降，其位置在相对载板朝向外面的 地方，也就是说在离载板边缘距离最短的地方。在其中仅有一个相应的半导体晶片安装到 载板上的情况下，也可以类似地发生边缘下降，然而，并不限于发生在半导体晶片的一个位 置上，而是可能发生在晶片的整个周边。根据现有技术，通过在径向外区适当调节抛光垫，可以将该几何结构缺陷将至最 低。例如，垫的这类调节见述于JP 11-226860 A。然而，该方法不能够完全消除边缘下降。US 2003/0022495 Al提出，为了减少边缘下降，首先抛光半导体晶片的背面，使其 能产生一个基准面。为了此目的，将其正面吸(“夹”)到硬的载具上，并在其背面完成材料 去除，所述材料去除优选累计为3 8μπι。此后，抛光半导体晶片的正面。以前没有公开过的文献参考号为102008045534. 2的德国专利申请，公开了用于 抛光半导体晶片的方法，包括通过CMP抛光半导体晶片的背面，其中产生沿半导体晶片直 径轮廓的材料去除，根据该去除在背面的中心区域比背面的边缘区域材料去除得更多；以 及通过CMP抛光半导体晶片的正面，其中产生沿半导体晶片直径轮廓的材料去除，根据该 去除在正面的中心区域比正面的边缘区域材料去除得更少。该方法的不利之处在于，正面的CMP抛光过程中，半导体晶片的背面是CMP抛光 的，因此其具有非常光滑表面，当半导体晶片通过其背面固定在载具上时，就防止半导体晶 片在抛光过程中由此漂离而言，这会导致问题。该问题领域导致产生了本发明的所述目的。通过根据权利要求1的方法可实现此目的。本发明要求，首先使用抛光垫进行一个面的抛光，所述抛光垫包括固定接合的平 均粒径为0. 1 Ι.ομπι的研磨剂，其目的是设定抛光面的规定表面粗糙度，该规定表面粗 糙度大于CMP抛光之后得到的表面粗糙度，随后通过已用该方法抛光的面将半导体晶片固 定到抛光机的载板上，其中使用厚度至多为3 μ m的均勻的薄胶合层来固定，并且最后使半 导体晶片的非抛光面经过抛光。在用于生产半导体晶片的程序中，该方法优选如下集成在机械方法步骤(研磨或打磨)和化学方法步骤(清洗或蚀刻)之后，首先如上 所述完成半导体晶片正面的FAP抛光，通过其正面将半导体晶片胶合到载板上，并且实现 半导体晶片背面的化学机械抛光。此后，半导体晶片的背面经过FA抛光并且半导体晶片通过其背面胶合在载板上， 最后，半导体晶片的正面经过传统的CMP抛光。已经发现优选半导体晶片的两个面进行顺序抛光。半导体晶片的两面可以针对其 几何结构以目标方式通过顺序抛光彼此协调。用于相应抛光步骤的载板具体形状(凹面、凸面、平面)的选择在此作为示例提及。因此可以避免现有技术中观察到的不利的边缘对称，例如利用行星齿轮运动、抛 光浆液(硅溶胶)、和传统抛光垫常规双面抛光后形成的边缘下降。作为特别优选可以提及的是，有可能在例如半导体晶片背面的第一抛光步骤之后 完成几何结构的测量，以及相应地用于例如在半导体晶片的正面上第二抛光步骤的方法优 化，以及例如相应地协调由此形成的载板的选择。首先实现的FA抛光步骤使得可以在要胶合的半导体晶片部位上实行一种粗糙 化，用此方法抛光的表面因其极其均勻的表面粗糙度而显得不同，但粗糙度窗口相对于小 于或等于250 μ m的空间波长范围，相对较宽，大约为0. 3nm 4. 5nm RMS。这一点从文献参 考号为102009030295.6的德国专利申请可以知道，该文献以前没有公开过，在此引入作为参考。已经表明，用该方法表面粗糙化的结果是，半导体表面与胶合薄膜之间的实际接 触表面区域增加了，结果是，粘合力(范德华力)也相应地提高了。这使半导体晶片可以固定地通过薄胶合层固定，而不会有漂浮的危险。在背表面纯机械处理的情况下，例如在研磨或打磨后，抛光过程中映射到半导体 晶片正面上的表面粗糙度过高的危险会增加。FAP抛光会降低表面粗糙度，但没有CMP抛光 这样大的幅度。薄胶合层对半导体晶片的几何结构有正面的效果，因为半导体晶片可以更好地承 载在优选的几何结构已优化的载板表面上，并且没有因胶合层本身不均勻造成的其它高度
变化差异。原则上，在此描述的方法当然也可以作为单面抛光实施，其中，相应地，晶片背面 通过FAP抛光，而晶片正面通过提供抛光浆液实施单面抛光(CMP仅对正面)。也应当指出，与FAP抛光处理一起，也总应该在其后实施晶片清洗，以消除可能的 颗粒污染，这由变粗糙的要胶合的晶片面所引起，因为否则会有生产凹痕的危险。FAP抛光过程中使用含接合在抛光垫(FAP垫)中的研磨材料的抛光垫。例如，合适的研磨材料包括元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒，以及诸如碳化硅、氮 化硼和金刚石的硬材料颗粒。尤其合适的抛光垫具有通过复制的微观结构成型的表面形貌。这些微观结构 (“柱”)具有，例如，圆柱形或多边形截面的柱子形式或锥体或截锥体的形式。例如，在WO 92/13680 Al和US 2005/227590 Al中有这类抛光垫的更详细说明。特别优选使用含铈氧化物颗粒的抛光垫；也可参考US 6602117B1以及其中描述 的抛光垫。所用的FAP抛光垫的粒径优选大于或等于0. 1 μ m且小于或等于1. 0 μ m。如果要求30 45埃的高背面粗糙度，优选使用粒径为0. 5 1. 0 μ m的FAP垫。如果要求3 10埃的低背面粗糙度，优选使用粒径为0. 1 0. 25 μ m的FAP垫。因此可以通过FAP抛光建立规定的表面粗糙度。抛光机的载板或抛光板涂敷累计0. 5 3. 0 μ m的薄胶合层，优选0. 5 2. 0 μ m， 尤其优选0. 5 1. 5 μ m。用于胶合以及适合胶合蜡的方法见述于US 4316757。
举例来说，SouthBay Technology, Inc.的 MWM 070 或 MWH Π5 蜡适合用作胶合 蜡(“安装蜡”)。使用之前，蜡用合适的溶液液化。然而，也可以如下制备各个胶合溶液将马来树脂溶解于醇中。优选多元醇用于此目的。优选加入诸如结晶紫的三苯甲 烷染料。进一步优选的添加剂为氨、IMBENTIN T/400G(有40个环氧乙烷单元的乙氧基化 三癸醇，可从Dr. W. Kolb AG，Hedingen，Switzerland获得)以及超纯水。已经发现，若胶合 溶液有大约30mm2/S的粘度则具有优势。载板上涂敷胶合溶液，并且使载板旋转几秒，优选8 12秒，转速为300 400rpm,从而在载板上形成均勻的薄膜。随后加热含蜡溶液的载板，结果溶剂蒸发，例如，从 US 5，256，599 所知。先前FAP抛光的半导体晶片的面压到此胶合层上。然后，抛光垫压在半导体晶片上，用抛光头抛光半导体晶片的另一面，其中抛光头 和抛光板在旋转。该抛光可以为去除材料的单面抛光，包括提供抛光浆液(硅溶胶)并且使用材料 去除抛光垫。所述抛光还可以为CMP抛光，使用更软的无雾抛光垫，包括提供抛光剂(例如胶态 分散硅溶胶)。抛光之后，如现有技术中所知，对半导体晶片进行脱胶和清洗，例如通过15%浓度 的蚁酸或 ICB GmbH & Co. KG, Berlin 的 Puratron-11 和 Riratron-67，特别用于除去可能 的颗粒杂质(胶合残留物)。FAP抛光优选分三个步骤实现。因此可以在宽的粗糙度范围内甚至更好地调整半 导体晶片的FAP抛光面所要求的粗糙度。在第一步骤中，在此情况下，通过提供不含固体的抛光剂实现FAP抛光，而在第二 和第三步骤中则提供含研磨剂的抛光剂。在每一情况下，抛光剂都引入到抛光垫与要抛光 的半导体晶片的面之间。在第一和第二步骤中，抛光压力(含抛光垫的抛光头压到半导体 晶片上的压力)为8 15psi，在第三步骤中压力则减至0. 5 5psi。通过三个步骤中这样的FAP抛光，可以产生根据Chapman (含250 μ m的过滤器) 为3 45埃的平均表面粗糙度Ra。其涵盖的范围为DSP/CMP方法所能得到的10倍以上。有各种类型的抛光机适合用于实施本方法，例如Applied Materials Inc.的“反 射”类型的3板单面抛光机，或Peter Wolters的“Apollo”型的2板抛光机，或Mrasbaugh W"nHance(6EG)"型的1板抛光机。FAP抛光之后，半导体晶片在FAP抛光的面上，相对小于或等于250 μ m的空间波 长，优选有0. 3 4. 5nm的平均表面粗糙度Ra。在最简单情况下，在根据本发明的方法中，半导体晶片各个面，例如背面，在FAP 抛光第一步骤中的抛光剂溶液为水，优选有硅工业中常用纯度的去离子水(DIW)。然而，抛光剂溶液还可以含有诸如以下的化合物碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾 (K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或其 任何希望的混合物。
尤其优选使用碳酸钾。在此情况下，抛光剂溶液的pH值为10 12，并且所述化合物在抛光剂溶液中的比 例优选为0.01 10重量％，尤其优选0.01 0.2重量％。抛光剂溶液可以进一步含有一种或多种其它的添加剂，例如诸如润湿剂和表面活 性剂的表面活化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。含研磨剂的抛光剂用于半导体晶片各个面如背面的FAP抛光的第二步骤中。抛光剂浆液中研磨材料的比例优选为0. 25 20重量％，尤其优选0. 25 1重量％。研磨材料颗粒的粒径分布优选实际上为单峰的。平均粒径为5 300nm，尤其优选5 50nm。研磨材料由能机械去除基底材料的材料组成，优选一种或多种元素铝、铈或硅的 氧化物。特别优选含有胶态分散氧化硅的抛光剂浆液。在各个面如背面的FAP抛光第二步骤中，与第一步骤相比，优选没有加入诸如以 下的添加剂碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵 (NH4OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)。然而，抛光剂浆液可以含有一种或多种其它的添加剂，例如诸如润湿剂和表面活 性剂的表面活化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。含研磨剂的抛光剂类似地用于半导体晶片各个面如背面的FAP抛光的第三步骤中。与第一和第二步骤相比，抛光压力从8 15psi降至0. 5 5psi。抛光剂浆液中研磨材料的比例优选为0. 25 20重量％，尤其优选0. 25 1重量％。研磨材料颗粒的粒径分布优选实际上为单峰的。平均粒径为5 300nm，尤其优选5 50nm。研磨材料由能机械去除基底材料的材料组成，优选一种或多种元素铝、铈或硅的 氧化物。特别优选含有胶态分散氧化硅的抛光剂浆液。在晶片各个面如背面的FAP抛光第三步骤中，与第一步骤相比，优选没有加入诸 如以下的添加剂碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧 化铵(NH4OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)。然而，抛光剂浆液可以含有一种或多种其它的添加剂，例如诸如润湿剂和表面活 性剂的表面活化添加剂、起保护性胶体作用的稳定剂、保护剂、抗微生物剂、醇和络合剂。
权利要求
1.用于抛光具有第一面和第二面的半导体晶片的方法，其包括使用抛光垫对半导体晶 片第一面进行FAP (固定研磨剂抛光)，所述抛光垫包括平均粒径为0. 1 1. 0 μ m的固定接 合的研磨剂，向FAP抛光的半导体晶片第一面涂敷厚度至多为3 μ m的胶合层，随后通过包 括胶合层的FAP抛光第一面将半导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且还对半导体晶片的 第二面进行单面化学机械抛光。
2.权利要求1的方法，其中半导体晶片第二面的化学机械抛光为CMP抛光。
3.权利要求1或2的方法，其中，在实施第一面的FAP之前，首先使用抛光垫使半导体 晶片的第二面经过FAP，所述抛光垫包括平均粒径为0. 1 1. 0 μ m的固定接合的研磨剂，向 FAP抛光的半导体晶片第二面涂敷厚度至多为3 μ m的胶合层，通过FAP抛光的第二面将半 导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且对半导体晶片的第一面实施化学机械抛光。
4.权利要求1 3之一的方法，其中半导体晶片第一面或第二面的FAP抛光在每种情 况下都分三个步骤实现，并且在所有三个步骤过程中每种情况都使用含接合在抛光垫中的 研磨材料的抛光垫，并且以抛光压力将其压到半导体晶片的背面上，其中抛光剂在第一步 骤中不含固体，而第二和第三步骤中抛光剂含研磨材料，在抛光垫与半导体晶片要通过FAP 抛光的那一面之间引入所述抛光剂，其中第一和第二步骤中为8 15psi的抛光压力在第 三步骤中减至0. 5 5psi。
5.权利要求4的方法，其中抛光半导体晶片背面的第一步骤过程中的抛光剂溶液含去 离子水(DIff)。
6.权利要求4或5的方法，其中抛光剂溶液含有诸如以下的化合物碳酸钠(Na2CO3)、 碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、四甲基氢氧化铵 (TMAH)或它们的任何希望的混合物。
7.权利要求4的方法，其中第二抛光步骤中的抛光剂浆液包括元素铝、铈或硅的氧化 物中的一种或多种的颗粒。
8.权利要求1 7之一的方法，其中用于背面抛光的抛光垫含有固定接合的研磨材料， 其形式为元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒，或诸如碳化硅、氮化硼和金刚石的硬材料颗粒。
9.权利要求1 8之一的方法，其中胶合层的厚度为0.5 2. Ομπι。
10.权利要求1 8之一的方法，其中胶合层的厚度为0.5 1.5μ m。
全文摘要
用于抛光半导体晶片的方法，包括使用抛光垫对半导体晶片第一面进行FAP(固定研磨剂抛光)，所述抛光垫包括平均粒径为0.1～1.0μm的固定接合的研磨剂，向FAP抛光的半导体晶片第一面涂敷厚度至多为3μm的胶合层，通过FAP抛光的第一面将半导体晶片胶合在抛光机的载板上，并且还对半导体晶片的第二面进行单面化学机械抛光。
文档编号H01L21/304GK102059640SQ201010294189
公开日2011年5月18日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年11月11日
发明者J·施万德纳 申请人:硅电子股份公司