抛光垫以及抛光半导体晶片的方法

专利名称：抛光垫以及抛光半导体晶片的方法
技术领域：
本发明涉及抛光垫以及抛光半导体晶片的方法。
背景技术：
待抛光的半导体晶片通常是硅片或具有由硅衍生的层状结构的衬底(例如 硅-锗)。所述硅片特别用于生产半导体元件，如储存器片(DRAM)、微处理器、传感器、发光
二极管等等。用硅片制造尤其是储存器片和微处理器的要求越来越严格。这首先涉及硅片自身 的晶体性质(如有关缺陷密度、用于捕获金属杂质的内部吸除剂)，但是特别地还涉及晶片 的几何学和平面度。理想的是硅片具有两个完全平行面，特别是在其上要制造元件的硅晶 片的那面上有优越平面度，并且具有低的表面粗糙度。而且，期望能够利用元件面的全部区 域，这在目前由于晶片边缘的厚度下降以及边缘区域的不良几何学是不可能的。已知的是，抛光半导体晶片的传统方法造成这种塌边。所述传统方法首先包括双 面抛光(DSP)，其用供给抛光浆的抛光垫同时对半导体晶片的两面进行抛光，即去除抛光； 以及化学机械抛光(CMP)，相对比，其包括使用较软的抛光垫仅对正面(“元件面”)进行最 终抛光，即所谓的无雾抛光(“精整抛光”)。在这两种抛光方法中，均以抛光剂浆料的形式 提供磨料。在半导体晶片的抛光中相对新颖的但是在元件工业中相当长的时间以来是已知 的和理解得很好的，是所谓的“固着磨料抛光”(FAP)技术，其中半导体晶片在含有粘合在抛 光垫中的磨料物质的抛光垫(“固着磨料垫”)上抛光。以下，将使用所述FAP抛光垫的抛光步骤简称为FAP步骤。与DSP和CMP的基本差别是在DSP和CMP中，抛光垫不含磨料。德国专利申请DE 102 007 035 266 Al描述了一种抛光由硅材料构成的衬底的 方法，其包括两个FAP类型的抛光步骤，这两个抛光步骤的不同之处在于，在一个抛光步骤 中，在衬底和抛光垫之间引入含有固体物质形式的非粘合磨料物质的抛光剂浆料，而在第 二个抛光步骤中，抛光剂浆料被替换成不含固体物质的抛光剂溶液。如上所提及的，依据现有技术抛光的半导体晶片在其边缘区域的厚度上展示出不 期望的降低(塌边)。边缘几何通常通过确定一个或多个塌边参数而量化，所述参数通常涉及硅片的 总厚度或其正面和/或背面的边缘几何，并可以用于表征通常观察到的硅片在边缘区域 的厚度或硅片正面和/或背面同样在边缘区域的平面度的降低。在jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38(1999)，pp. 38-39中描述了测量硅片塌边的方法。

发明内容
本发明的目的通过一种抛光半导体晶片的方法达到，在所述方法中，在第一步中， 用包含粒径为0. 1-1.0 μ m的固着磨料的抛光垫并在供应不含固体物质的PH值为至少11. 8的抛光剂的情况下抛光半导体晶片的背面，以及，在第二步中，抛光半导体晶片的正面，其 中提供PH值小于11. 8的抛光剂。
具体实施例方式本发明人已经认识到，当用包含固着磨料的抛光垫和pH大于或等于11.8的不含 磨料的抛光剂抛光半导体晶片的背面时，没有发生在传统抛光方法中观察到的半导体晶片 厚度的塌边，相反，以这种方式抛光的半导体晶片边缘的厚度甚至会增加了。已经发现，抛 光剂的PH值在这方面是至关重要的标准。通过随后用pH值必须小于11. 8的抛光剂抛光正面的步骤，可以得到半导体晶片 突出的边缘几何，不管抛光垫是否含有固着磨料或是否不含磨料(就像传统CMP抛光垫一 样)。这是因为使用pH小于11. 8的抛光剂的FAP法，以类似于传统CMP抛光法的方式 (其很大程度上不依赖抛光剂的pH)，倾向于产生塌边。然而，由于之前在背面抛光期间在边缘处产生了增厚，正面的抛光使得这两种效 应相互补偿。这样产生了厚度上没有塌边的半导体晶片。因此长期存在的需求得到满足，尤其是恰恰由于晶片的边缘区域中的塌边和不良 几何导致不是全部晶片区域，而仅仅是减去特定的边缘排除(2-3mm)的晶片区域能被用于 元件生产。本发明可以预期生产量的大量提高，因为，通过本发明，边缘排除实际上被降至 零，全部区域可以得到利用的半导体晶片首次可以实现。现有技术中没有本发明的教导。尽管从DE 102 007 035 266 Al中已知使用pH 10-12的碱性范围内的抛光剂进行FAP，在该方法必须提供两次FAP抛光加工，在半导体晶 片的同-面上，一次使用含磨料的抛光剂而另一次不使用含磨料的抛光剂。在半导体晶片 背面上一次FAP抛光加工与正面上第二次FAP或CMP抛光加工的组合并未被公开。而且，现有技术中并没有认识到，在大于或等于11. 8的pH下，由于在半导体晶片 的边缘区域去除的材料比例如半导体晶片的中心的更少，从而进行选择性材料去除。也没 有原因进行这方面的调查，因为之前本领域技术人员认为在FAP的情况下和CMP的情况下 PH值都不具有这样的选择性效果，而是在FAP情况下，在化学上支持或增强通过粘合在抛 光垫中的磨料进行的机械去除以及在CMP情况下，在化学上支持或增强通过含在抛光剂中 的磨料材料进行的机械去除，而所述化学支持或增强在整个晶片区域上是均勻发生的。在FAP情况下结果明显不同和抛光剂的pH值使得可以进行选择性去除的事实是 令人惊奇的。FAP技术可以适于实际上完全消除在所有抛光法中总是发生的塌边的事实是 绝不可预见的。本领域技术人员先前认为，在任何抛光法中都必须保持材料去除尽可能小， 并且通过半导体晶片的凸面或凹面抛光，试图尽可能远地将塌边限制在最外侧边缘区域。因此，抛光晶片中的塌边被这样接受。在随后的外延步骤中，现有技术中尝试在外延反应器中在预处理步骤中补偿所述 塌边。其它通过边缘研磨去除边缘区域的不良几何的尝试不构成适合的解决方案，尤其 是由于在操作期间，在边缘上产生的损伤是实际上很难处理的问题，也就是说边缘研磨之后在任何情况下都必须进行边缘抛光加工。尽管这适于在DSP后去除塌边，但是在随后的 CMP步骤后会再次产生塌边，使得这几乎也是不经济的。因此，唯有本发明的方法可提供精细抛光晶片(正面的CMP或FAP之后)而在正 面抛光后没有塌边并且无需任何额外措施。越来越重要的是，在生产具有突出几何和纳米拓扑性能的晶片的过程中，尤其在 22nm设计规则要求(依据ITRS = “国际半导体技术路线图”)的情况下，以及关于晶片直 径的逐渐增大(由300nm变为450nm)，开发满足这些要求的抛光方法是重要的。尤其是在得到需要的几何学，在此主要是晶片边缘几何和纳米拓扑的情况下，在 工艺学上去除材料的传统化学机械抛光(CMP)不再能够达到这些要求，特别是在半导体晶 片的塌边方面，和与之相关的边缘排除或在需要的几何性质上可利用的半导体晶片区域方 面(本领域技术人员也使用术语“质量保证区”)，这在相当长的时间已经是显然的。依据本发明使用包含固着磨料的抛光垫在要求的pH值范围下的抛光法或者仅对 背面的单面抛光进行或者对同时双面抛光进行。在所述方法中，依据要被抛光的半导体晶片的起始几何，PH值可以不同或设定为
恒定值。通过包含固着磨料的抛光垫进行的两阶段FAP实施为对背面和正面的顺序抛光 是特别优选的。在这种情况下，两个抛光过程，即背面抛光和正面抛光，可以彼此协调，从而可以 对晶片几何和晶片纳米拓扑进行目标影响，尤其是在晶片边缘区域。 为此，依据本发明，必须用与正面不同的pH值抛光背面。因此，通过叠置两个抛光轮廓(正面和背面)，特别是可以产生非常特定的边缘轮 廓，并且塌边可以理想地被降为零。从而依据本发明，用pH值的变化来改变外侧晶片边缘的厚度轮廓。相比之下，不同的化学机械抛光法，不管其实施的方式(双面抛光、单面抛光、去 除或无雾抛光)，都是用固定的PH值实施。从而排除了对半导体晶片的边缘区域中几何学 的目标影响。依据本发明的方法对于具有450mm直径的新一代技术的半导体晶片的抛光特别 具有优势，尤其是由于使用传统抛光方法的边缘区域中的几何问题在所述大直径的情况下 被强化。本发明的方法中控制PH的抛光消除了这些问题。依据本发明的方法改进了半导体晶片的外侧边缘区域的几何学，特别是在相对于 半导体晶片的边缘小于或等于10mm，特别优选小于或等于5mm的距离范围内。在半导体晶片的背面的抛光期间抛光剂溶液优选包含化合物如碳酸钠(Na2CO3)、 碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲铵(TMAH) 或任何期望的混合物。所述混合物在所述抛光剂溶液中的比例优选为0.01-10重量％，特别优选 0. 01-0. 2 重量 ％。尤其优选使用碳酸钾。抛光剂溶液的pH值为至少11. 8。而且，抛光剂溶液可以含有一种或多种其它添加剂，例如表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂、作为保护性胶体的稳定剂、防腐剂、生物杀灭剂、醇和配位剂。在依据本发明的方法中，在背面抛光过程中使用含有其中粘合有磨料物质的抛光 垫(FAP或FA垫)。适合的磨料物质包括例如元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒，以及硬质物质如碳化 硅、氮化硼或金刚石的颗粒。特别合适的抛光垫具有多个重复的微结构赋予的表面形貌。这些微结构(“柱”) 具有例如横截面为圆柱形或多边形的柱状或者角锥状或平截头角锥状。例如在WO 92/13680 Al和US 2005/227590 Al中有对这样的抛光垫更详细的描 述。特别优选使用氧化铈颗粒粘合在抛光垫中，也参见US 6602117 Bi。FAP抛光垫中含有的磨料的平均粒径优选为0. 1-1. Oym,特别优选0. 1-0. 6 μ m, 和由其优选0. 1-0. 25 μ m。具有多层结构的抛光垫特别适于实施本方法。在此情况下，抛光垫的其中一层是 顺应的。因而可以调节和随后连续转变垫的高度。顺应层优选是无纺层。由浸渍聚氨酯的 聚酯纤维构成的层是特别优选的(“无纺”)。顺应层优选对应于抛光垫的最底层。位于其上的优选是例如由聚氨酯构成的泡沫 层，其通过粘合剂层固定在所述顺应层上。位于PU泡沫上的是由更硬的硬质材料构成的 层，优选由硬塑料构成的层，例如聚碳酸酯是适合的。位于该硬质层上的是具有微重复结构 的层，即真正的固着磨料层。然而，顺应层也可以位于泡沫层和硬质层之间，或直接位于固着磨料层之下。优选通过压敏粘合剂层(PSA)将各个层彼此固定在一起。本发明人认识到，不含有通常存在于现有技术的FAP抛光垫中的PU泡沫层的抛光 垫能得到良好的结果。在这种情况下，抛光垫包含具有微重复结构的层、顺应层和由硬塑料如聚碳酸酯 构成的层，其中所述顺应层可以是抛光垫的中间层，或者是抛光垫的最底层。这些新颖的抛光垫特别适用于多板抛光机(产自Applied Materials, Inc.的 AMAT Reflection) 0所述抛光机包括5区膜行星轮，其允许在5个区中设定不同的压力分 布。这与顺应抛光垫结合得到抛光的晶片突出的几何结果。在半导体晶片的正面抛光期间，优选使用含有磨料的抛光剂。磨料在抛光剂浆料中的比例优选为0. 25-20重量％，特别优选0. 25-1重量％。磨料颗粒的粒径分布优选为单峰分布。平均粒径为5-300nm，特别优选5_50nm。磨料包括机械去除衬底材料的材料，优选元素铝、铈或硅的一种或多种氧化物。含有胶体分散二氧化硅的抛光剂浆料是特别优选的。抛光剂浆料优选含有添加剂如碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、 氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲铵(TMAH)。然而，抛光剂浆料可以含有一种或多种其它添加剂，例如表面活性添加剂如润湿 剂和表面活性剂、作为保护性胶体的稳定剂、防腐剂、生物杀灭剂、醇和配位剂。在正面的抛光期间pH值必须小于11. 8。
7
pH值优选位于10-11. 5的范围内。在抛光加工期间优选使用不包含固着磨料的抛光垫。传统的CMP抛光垫适于此目 的。所用的CMP抛光垫是具有多孔基质的抛光垫。抛光垫优选包含热塑性或热固性聚合物。多种材料都是适用的，例如聚氨酯、聚碳 酸酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚酯等。抛光垫优选包含多微孔的固体聚氨酯。使用由浸渍有聚合物的泡沫板或毡或纤维基材构成的抛光垫也是优选的。涂覆/浸渍的抛光垫也可以设计成在基材上与在涂层中具有不同的孔分布和孔径。抛光垫可以是基本平面的，或者是多孔的。为了控制抛光垫的多孔性，可以在抛光垫中加入填料。市售抛光垫为例如产自Rodel Inc.的SPM 3100或产自Rohm & Hass的DCP系列 垫和商标为IC1000 、Polytex 或SUBA 的垫。然而，代替所述抛光垫，可以使用FAP垫，例如在背面抛光期间使用的垫，这同样 是优选的。原则上，借助抛光头，将半导体晶片要抛光的表面对着位于抛光板上的抛光垫对 半导体晶片进行压制。抛光头还包含扣环，其横向围绕衬底，防止其在抛光期间滑向抛光头。对于现代抛光头，远离抛光垫的硅片的那一面位于传送所施加的抛光压的弹性膜 上。所述膜是形成气垫或液垫的可以细分的腔室系统的一部分。然而，在使用弹性支撑(“背垫”)代替膜的情况下也使用抛光头。用在衬底和抛光垫之间供应的抛光剂抛光衬底，同时旋转抛光头和抛光板。在这种情况下，抛光头额外还可以平移越过抛光垫，从而更全面地利用抛光垫区 域。而且，依据本发明的方法可以同样在单板或多板抛光机上实施。优选使用具有优选两个，尤其优选三个抛光板和抛光头的多板抛光机。实施例在第一步中，通过包含牢着磨料的抛光垫并供应设定特定的pH值的抛光液下，直 径为300mm的硅片背面被抛光使得在边缘处产生特定的厚度轮廓。所述抛光垫包含平截头角锥状的微重复结构，其含有氧化铈(CeO2)颗粒。粒径为0. 1-1. Ομπι。仅通过提高碱性溶液的pH值，不使用硅溶胶，FAP抛光法能够将否则预期的塌边 转变为边缘提高，也就是说以需要的反方向产生弯曲。用pH值为至少11. 8的无磨料抛光溶液抛光背面的结果是，在晶片边缘区域产生 边缘提高，从而产生偏斜，其补偿了随后在PH为11. 2下发生的抛光晶片正面的过程中倾向 于形成的塌边，从而形成了平面的晶片边缘区域。在这种情况下，正面的抛光可以实施为传统的CMP步骤或在小于11. 8的pH值下 的固着磨料抛光。这两种抛光方法都导致形成塌边。依据本发明的方法成功地用于这两种 类型的正面抛光。
在实验中发现，为了设定晶片背面的期望表面粗糙度，用适合的硅溶胶例如 Glanzox 3900*实施第二部分抛光步骤是有利的，这同样在FAP抛光垫上产生。*Glanzox 3900是产自Fujimi Incorporated，Japan的作为浓缩液提供的抛光剂 浆料的商品名。PH为10. 5的浓缩液含有约9重量％的胶体SiO2，平均粒径为30-40nm。可以在任何时间添加其它典型的传统CMP抛光步骤(软质垫+碱性硅溶胶)作为 无雾抛光法用于少量去除以进一步降低表面粗糙度并降低缺陷密度(例如LLS = “局部光 散射物”)，但这不是本发明成功的本质。
权利要求
一种抛光半导体晶片的方法，其中，在第一步中，通过包含粒径为0.1 1.0μm的固着磨料的抛光垫并在供应不含固体材料的pH值为至少11.8的抛光剂的情况下抛光所述半导体晶片的背面，以及，在第二步中，抛光该半导体晶片的正面，其中供应pH值小于11.8的抛光剂。
2.权利要求1所述的方法，其中在第一步中所述抛光剂是化合物碳酸钠(Na2CO3)、碳酸 钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲铵(TMAH)或 它们任何期望的混合物的水溶液。
3.权利要求2所述的方法，其中所述抛光剂溶液的ρΗ值为11.8-12. 5，所述化合物在 该抛光剂溶液中的比例为0.01-10重量％。
4.权利要求1-3之一所述的方法，其中在第二步中所述抛光剂是含有磨料的抛光剂浆 料，所述磨料在所述抛光剂浆料中的比例为0. 25-20重量％。
5.权利要求4所述的方法，其中所述磨料在所述抛光剂浆料中的比例为0.25-1重 量％。
6.权利要求5所述的方法，其中所述磨料的平均粒径为5-300nm。
7.权利要求6所述的方法，其中所述磨料的平均粒径为5-50nm。
8.权利要求4所述的方法，其中抛光剂浆料中的所述磨料包括元素铝、铈或硅的一种 或多种氧化物。
9.权利要求8所述的方法，其中所述抛光剂浆料含有胶体分散二氧化硅。
10.权利要求9所述的方法，其中所述抛光剂浆料的ρΗ值为10-11.5。
11.权利要求10所述的方法，其中用选自碳酸钠(Na2C03)、碳酸钾(K2C03)、氢氧化钠 (NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲铵(TMAH)或它们任何期望的混合 物的添加剂设定所述抛光剂浆料的PH值。
12.权利要求1-11之一所述的方法，其中在第一步中使用的所述抛光垫含有选自元素 铈、铝、硅或锆的氧化物颗粒，或者诸如碳化硅、氮化硼或金刚石的硬质材料的颗粒的磨料。
13.权利要求12所述的方法，其中在FAP抛光垫中含有的所述磨料的平均粒径为 0. 1-0. 6 μ m0
14.权利要求13所述的方法，其中在FAP抛光垫中含有的所述磨料的平均粒径为 0. 1-0. 25 μ m。
15.权利要求12-14之一所述的方法，其中在第二步中也使用所述含有磨料的抛光垫。
16.权利要求12-15之一所述的方法，其中所述含有磨料的抛光垫是多层的，并在包含 磨料颗粒的具有微重复结构的层的一侧包含顺应无纺层和硬塑料层。
17.权利要求1-16之一所述的方法，其中所述半导体晶片是直径为300mm或更大的硅片。
18.一种用于抛光半导体晶片的设备中的抛光垫，其包括含磨料层、由硬塑料构成的层 以及顺应无纺层，其中通过压敏粘合剂层将上述这些层彼此粘合。
19.权利要求18所述的抛光垫，其中所述由硬塑料构成的层包括聚碳酸酯。
20.权利要求18或19所述的抛光垫，其中所述抛光垫包括额外的由聚氨脂泡沫构成的层。
21.权利要求18-20之一所述的抛光垫，其中所述顺应层包括聚酯纤维。
22.权利要求18-21之一所述的抛光垫，其中所述含磨料层包含元素铈、铝、硅或锆的 氧化物颗粒，或者诸如碳化硅、氮化硼或金刚石的硬质材料的颗粒。
23.用权利要求18-22之一所述的含磨料的抛光垫抛光半导体晶片。
全文摘要
本发明涉及一种抛光半导体晶片的方法，其中，在第一步中，通过包含粒径为0.1-1.0μm的固着磨料的抛光垫并在供应不含固体材料的pH值为至少11.8的抛光剂的情况下抛光所述半导体晶片的背面，以及，在第二步中，抛光该半导体晶片的正面，其中供应pH值小于11.8的抛光剂。还涉及一种用于抛光半导体晶片的设备中的抛光垫，其包含含磨料层、由硬塑料构成层以及顺应无纺层，其中通过压敏粘合剂层将上述这些层彼此粘合。
文档编号H01L21/304GK101927455SQ20101015865
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月7日 优先权日2009年6月24日
发明者J·施万德纳, R·柯普尔特 申请人:硅电子股份公司