具有抛光垫温度控制的半导体衬底抛光的制作方法

具有抛光垫温度控制的半导体衬底抛光
1.相关申请案交叉参考
2.本技术案主张于2020年6月17日提出申请的美国专利申请案第16/946,340号的权益，所述美国专利申请案出于所有相关及一致目的而以引用方式并入本文中。
技术领域
3.本公开的领域涉及对半导体衬底进行抛光，且特定来说，涉及涉及控制抛光垫的温度的方法及系统。


背景技术：

4.半导体晶片通常用于在其上印刷电路系统的集成电路(ic)芯片的生产中。电路系统首先以小型化形式印刷到晶片的表面上。接着将晶片分解成电路芯片。此小型化电路系统需要每一晶片前表面及后表面极其平坦及平行，以确保能将电路系统适当地印刷在晶片的整个表面之上。为实现此，抛光工艺通常用以在从晶锭切割晶片之后改进晶片的前表面及后表面的平坦性及平行性。当对晶片进行抛光以准备通过电子束光刻或光学光刻工艺(下文中称为“光刻”)在晶片上印刷小型化电路时，需要尤其良好光洁度。待在其上印刷小型化电路的晶片表面必须是平坦的。
5.双侧抛光可包含对晶片的前表面及后表面进行同时抛光。具体来说，上部抛光垫对晶片的顶部表面进行抛光，而下部抛光垫对晶片的底部表面进行同时抛光。然而，抛光工艺可致使半导体晶片的轮廓由于整个抛光工艺期间的不一致抛光垫温度而不均匀。举例来说，整个抛光工艺期间抛光垫温度的改变可使抛光垫的形状发生变化且可使晶片的轮廓发生变化。
6.存在对用于对半导体衬底进行抛光的方法及系统的需要，所述方法及系统在整个抛光工艺期间提供一致抛光垫温度。
7.本部分打算向读者介绍可与下文所描述及/或主张的本公开的各种方面有关的技术的各种方面。据信，此论述有助于为读者提供背景信息以促进对本公开的各种方面的较佳理解。因此，应理解，应以此观点来阅读这些叙述，而非作为对现有技术的认可。


技术实现要素：

8.本公开的一个方面是针对一种对半导体晶片抛光系统的抛光垫进行预热的方法。所述方法包含将流体加热到第一预定温度。所述方法还包含将所述流体施加到所述抛光垫。所述方法进一步包含旋转所述抛光垫使得所述流体覆盖所述抛光垫。所述流体使抛光垫温度增加到第二预定温度。
9.本公开的另一方面是针对一种利用晶片抛光系统对半导体晶片进行抛光的方法。所述晶片抛光系统包含预热系统及抛光头。所述预热系统包含加热器，且所述抛光头包含抛光垫。所述方法包含利用所述加热器将流体加热到第一预定温度。所述方法还包含将所述流体施加到所述抛光垫。所述方法进一步包含旋转所述抛光垫使得所述流体覆盖所述抛
光垫。所述流体使抛光垫温度增加到第二预定温度。所述方法还包含将所述晶片放置在所述晶片抛光系统中。所述方法进一步包含利用所述抛光垫对所述晶片进行抛光。
10.本公开的又另一方面是针对一种用于对半导体晶片进行抛光的晶片抛光系统。所述晶片抛光系统包含：抛光头，其包含抛光垫；及预热系统，其用于对所述抛光垫进行预热。所述预热系统包含用于将流体加热到第一预定温度的加热器。所述预热系统将所述流体导流到所述抛光垫，且所述流体使抛光垫温度升高到第二预定温度。
11.关于本公开的上文所提及方面所述的特征存在各种改进形式。其它特征还可同样地并入于本公开的上文所提及方面中。这些改进形式及额外特征可个别地或以任组合形式存在。举例来说，下文所论述的关于本公开的所图解说明实施例中的任一者的各种特征可单独地或以任组合形式并入到本公开的上文所描述方面中的任一者中。
附图说明
12.图1是晶片抛光系统的示意图。
13.图2是对抛光头进行预热的方法的流程图。
14.图3是对晶片进行抛光的方法的流程图。
15.图4是当抛光垫的预热工艺的持续时间发生变化时抛光垫的温度的改变的图表。
16.图5是当抛光垫的预热工艺的持续时间发生变化时经精抛光晶片的锥度的改变的方框图。
17.尽管可在一些图式而不是其它图式中展示各种实例的具体特征，但此仅是出于方便目的。可结合任何其它图式的任特征参考及/或主张任何图式的任何特征。
18.除非另有指示，否则图式打算图解说明本公开的实例的特征。据信，这些特征可适用于包括本公开的一或多个实例的多种系统中。图式并不打算包含所属领域的技术人员已知的用于实践所揭示的所揭示实例所需的所有常规特征。
具体实施方式
19.适合衬底(其可称为半导体或硅“晶片”)包含单晶硅衬底，单晶硅衬底包含通过从由柴可拉斯基法(czochralski process)形成的晶锭将晶片切片而获得的衬底。每一衬底包含中心轴线、前表面及平行于前表面的后表面。一般来说，前表面及后表面垂直于中心轴线。周向边缘连结前表面与后表面。
20.在一个实例中，预热步骤使抛光垫的温度增加到预定温度。在此实例中，加热去离子(“di”)水且接着将di水施加到抛光垫，并且旋转抛光垫使得抛光垫的温度变得大体上均匀。di水增加抛光垫的温度，且经加热抛光垫用以对半导体晶片进行抛光。在对晶片进行抛光之前增加抛光垫的温度会使抛光垫的温度增加到小于或大约等于对晶片进行抛光期间抛光垫的温度的温度。在已对抛光垫进行预热之后，执行其中对结构的前表面及/或后表面进行抛光(即，执行单侧或双侧抛光)的一或多个抛光步骤。
21.对抛光垫进行预热导致抛光工艺期间更一致的抛光垫温度。抛光工艺期间一致抛光垫温度导致抛光工艺期间更均匀的硅移除。在化学机械抛光工艺期间，抛光垫温度会因晶片-抛光垫界面处的摩擦力而增加。预热工艺在抛光工艺之前增加抛光垫温度，使得抛光垫温度在整个抛光工艺期间是一致的且晶片的移除轮廓是均匀的。
22.参考图1，晶片抛光系统100包含抛光机102、预热系统104及浆料供应系统106。在抛光工艺期间，抛光机102对晶片108进行抛光，且浆料供应系统106将浆料提供到抛光机。预热系统104在抛光工艺之前对抛光机102进行预热，以便使抛光机的温度增加到小于或大约等于抛光工艺期间抛光机的抛光温度的温度。
23.抛光机102包含附接到第一轴件112的第一抛光头(上部抛光头)110及附接到第二轴件116的第二抛光头(下部抛光头)114。第一轴件112旋转第一抛光头110，且第二轴件116旋转第二抛光头114。第一抛光头110包含第一板(上部板)118及附接到第一板的第一抛光垫(上部抛光垫)120。第一抛光头110还包含抛光垫温度传感器122及多个流体分布管124。抛光垫温度传感器122测量第一抛光垫120及第二抛光垫128的温度，且流体分布管124将第一流体施加到第一抛光垫及第二抛光垫。在所图解说明实施例中，抛光垫温度传感器122是电阻温度检测器。然而，抛光垫温度传感器122可为使得抛光机102能够如本文中所描述地操作的任何类型的温度传感器。类似地，第二抛光头114包含第二板(下部板)126及附接到第二板的第二抛光垫(下部抛光垫)128。
24.抛光机102是对晶片108进行粗糙抛光或精抛光的双侧抛光机。粗糙抛光及精抛光可通过例如化学机械平坦化(cmp)来实现。cmp通常涉及将晶片108浸入由浆料供应系统106供应的研磨浆料中且通过第一抛光垫120及第二抛光垫128对晶片进行抛光。经由化学行为与机械行为的组合，使晶片108的表面平滑化。通常执行抛光直到实现化学及热稳定状态为止且直到晶片108已实现其目标形状及平坦性为止。
25.预热系统104包含预热槽134、预热泵136、预热流动控制器138及加热器140。预热槽134含纳第一流体，且预热泵136将第一流体从槽泵送到预热流动控制器138、加热器140及第一抛光头110。预热流动控制器138控制来自预热泵136的第一流体的流动，且加热器140在将第一流体传送到第一抛光头110及第二抛光头114之前增加第一流体的温度。
26.预热槽134包含含纳第一流体的非金属槽。举例来说，在此实施例中，预热槽134包含聚四氟乙烯(ptfe)槽。在替代实施例中，预热槽134包含使得预热系统104能够如本文中所描述地操作的任何类型的槽，包含金属槽。预热泵136包含适合于将第一流体从预热槽134泵送到第一抛光头110的任何泵，包含但不限于离心泵、正排量泵及/或任何其它流体动力装置。预热流动控制器138包含控制第一流体的流动的任何流动控制装置。加热器140包含增加第一流体的温度的任何加热装置，包含但不限于电加热器、气体加热器、热交换器及/或任何其它加热装置。
27.在此实施例中，第一流体包含去离子水。更具体来说，第一流体包含大体上不含二氧化硅的非研磨流体，例如去离子水。在替代实施例中，第一流体可包含使得预热系统104及抛光机102能够如本文中所描述地操作的任何流体。
28.浆料供应系统106包含浆料槽130、浆料泵132、浆料流动控制器152及加热器140。浆料槽130含纳第二流体，且浆料泵132将第二流体从浆料槽泵送到浆料流动控制器152、加热器140及第一抛光头110。浆料流动控制器152控制来自浆料泵132的第二流体的流动，且加热器140在将第二流体传送到第一抛光头110之前增加第二流体的温度。
29.浆料槽130包含含纳第二流体的非金属槽。举例来说，在此实施例中，浆料槽130包含ptfe槽。在替代实施例中，浆料槽130包含使得浆料供应系统106能够如本文中所描述地操作的任何类型的槽，包含金属槽。浆料泵132包含适合于将第二流体从浆料槽130泵送到
第一抛光头110的任何泵，包含但不限于离心泵、正排量泵及/或任何其它流体动力装置。浆料流动控制器152包含控制第二流体的流动的任何流动控制装置。浆料供应系统106使用与预热系统104相同的加热器140来增加第二流体的温度。
30.在抛光工艺期间，浆料供应系统106将第二流体提供到抛光机。在此实施例中，第二流体是浆料。在替代实施例中，第二流体可包含使得抛光机102能够如本文中所描述地操作的任何流体。举例来说，可在抛光工艺中单独地或以组合形式使用的适合浆料包含：第一抛光浆料，其包括一定量的硅石颗粒；第二抛光浆料，其为碱性的(即，腐蚀性的)且通常不含纳硅石颗粒；及第三抛光浆料，其为去离子水。就此来说，应注意，如本文中所提及的术语“浆料”表示各种悬浮液及溶液(包含其中不具有颗粒的溶液，例如腐蚀溶液及去离子水)且不限于暗指液体中存在颗粒。第一浆料的硅石颗粒可为胶体硅石，且可将颗粒囊封在聚合物中。
31.晶片抛光系统100还可包含控制抛光机102、预热系统104及浆料供应系统106的控制器142。举例来说，控制器142可控制抛光机102的旋转速度、第一流体的流动速率、第一流体的温度及/或预热持续时间。
32.在操作期间，预热系统104对抛光机102进行预热，且抛光机在第一抛光垫120及第二抛光垫128的温度已增加之后对晶片108进行抛光。具体来说，抛光工艺通过将第一流体从预热槽134泵送到预热流动控制器138及具有预热泵136的加热器140开始。预热流动控制器138控制第一流体的流动，且加热器140使第一流体的温度增加到第一预定温度。在此实例中，第一预定温度是约20℃。在替代实例中，第一预定温度可为使得预热系统104能够如本文中所描述地操作的任何温度。
33.将经加热第一流体导流到至少部分地位于第一轴件112内的导管144。导管144将第一流体导流到流体分布管124，所述流体分布管又将经加热第一流体施加到第一抛光垫120及第二抛光垫128。第一流体降落到第二抛光垫128上，从而增加第二抛光垫的温度。第一轴件112及第二轴件116同时旋转第一抛光头110及第二抛光头114，以将第一流体涂覆在第一抛光垫120及第二抛光垫128上。第一流体使第一抛光垫120及第二抛光垫128的温度增加到第二预定温度。将第一流体施加到第一抛光垫120及第二抛光垫128达预定时间，使得第一流体对第一抛光垫120及第二抛光垫128进行预热达预定时间。在此实施例中，预定时间是约8分钟。在替代实施例中，预定时间是使得抛光机102能够如本文中所描述地操作的任何量的时间。
34.替代地，第二抛光头114还可包含在将第一流体同时导流到第一抛光头110的同时将第一流体导流到第二抛光头114的流体分布管。另外，第二抛光头114还可包含测量第二抛光垫128的温度的抛光垫温度传感器。
35.第一预定温度是基于第二预定温度，且第二预定温度是基于抛光温度。具体来说，抛光温度是通过当晶片108已实现其目标形状及平坦性时实现的化学及热稳定状态来确定。热稳定状态确定抛光温度。在此实例中，抛光垫温度维持在抛光温度的
±
0.4℃内，且选择第一预定温度及第二预定温度使得抛光垫温度维持在抛光温度的
±
0.4℃内。在此实施例中，抛光温度是约42℃到约43℃。更具体来说，在此实施例中，抛光温度是约42.5℃。在替代实施例中，抛光温度可为使得抛光机102能够如本文中所描述地操作的任何温度。
36.第二预定温度小于或大约等于抛光温度。更具体来说，第二预定温度是约42℃到
约43℃。更具体来说，在此实施例中，第二预定温度是约42.5℃。
37.基于第二预定温度计算第一预定温度。具体来说，在预热工艺期间，设定第一预定温度使得抛光垫温度增加到小于或大约等于第二预定温度。较低第一预定温度增加预热持续时间，且较高第一预定温度减少预热持续时间。在此实施例中，第一预定温度是约20℃。在另一实施例中，第一预定温度是约20℃到约45℃、约40℃到约45℃、约42℃到约43℃或者约42.5℃。
38.抛光垫温度传感器122在预热工艺期间测量第一抛光垫120及第二抛光垫128的所测量温度且将所测量温度发送到控制器142。控制器142基于所测量温度而控制抛光机102及预热系统104。具体来说，控制器142可控制抛光机102的旋转速度、第一流体的流动速率、第一流体的温度及/或预热持续时间。举例来说，控制器142可基于所测量温度使用预热流动控制器138使第一流体的流动速率发生变化、基于所测量温度使用加热器140使第一流体的温度发生变化、基于所测量温度使预定时间发生变化及/或基于所测量温度使抛光机102的旋转速度发生变化。使上文所列出的操作参数发生变化使得控制器142能够控制抛光垫温度，从而使得抛光垫温度在利用抛光机102进行抛光之前处于第二预定温度是稳定的。举例来说，如下文实例1中所展示，增加预定时间会导致更一致的抛光垫温度。另外，增加第一流体的流动速率可减少预定时间，且同时增加第一流体的第一温度及流动速率可进一步减少预定时间。
39.对第一抛光垫120及第二抛光垫128进行预热会在利用抛光机102对晶片108进行抛光之前使抛光垫的温度增加到第二预定温度。抛光工艺期间不一致的温度可使第一抛光垫120及第二抛光垫128的形状发生变化，且又可使晶片108上的移除轮廓发生变化。一致的抛光垫温度会导致抛光工艺期间均匀的硅移除且受第二流体的供应影响。
40.相比来说，在对晶片进行抛光的常规方法中，抛光机在抛光工艺之前是闲置的，且抛光垫温度在抛光工艺开始时通常小于抛光工艺期间实现的热稳定状态温度。在化学机械抛光工艺中，抛光垫温度会因晶片-抛光垫界面处的摩擦力而增加。接着，抛光垫温度在整个抛光工艺期间增加且在整个抛光工艺期间是时间相依及不一致的。不一致的抛光垫温度影响晶片平坦性或锥度。本文中所描述的预热系统104会在抛光工艺之前增加抛光垫温度，使得抛光垫温度在整个抛光工艺期间是一致的且晶片的移除轮廓是均匀的。
41.在已对抛光机102进行预热之后，将晶片108定位在载体146中，且将晶片及载体定位在抛光机102内。将第二流体(或浆料)导流到抛光机102，且执行其中通过双侧抛光来对晶片108的前表面148及后表面150进行抛光的第一抛光步骤。具体来说，将第二流体从浆料槽130泵送到浆料流动控制器152及具有浆料泵132的加热器140。浆料流动控制器152控制第二流体的流动，且在一些实例中，加热器140可增加第二流体的温度。将第二流体导流到至少部分地位于第一轴件112内的导管144。导管144将第二流体导流到流体分布管124，所述流体分布管又将第二流体施加到第一抛光垫120及第二抛光垫128。第二流体降落到第二抛光垫128上。第一轴件112及第二轴件116同时旋转第一抛光头110及第二抛光头114，以将第二流体涂覆在第一抛光垫120及第二抛光垫128上且对晶片108进行抛光。
42.在抛光工艺期间，第一抛光垫120及第二抛光垫128、晶片108与浆料之间的摩擦使抛光垫温度维持在第二预定温度。具体来说，在此实施例中，在抛光工艺期间，第一抛光垫120及第二抛光垫128、晶片108及浆料之间的摩擦使抛光垫温度维持在42℃与43℃之间。一
般来说，抛光是使晶片108的锥度减小到小于约60纳米(nm)到甚至低至约5nm或甚至约1nm的“粗糙”抛光。出于此规格的目的，锥度表达为跨越晶片的厚度变化的线性分量，其由如美国材料与试验协会(“astm”)f1241标准中所定义的晶片的前表面最佳拟合平面与理想平坦后表面之间的角度指示。
43.在粗糙抛光完成之后，可对晶片108进行冲洗及干燥。另外，晶片108可经受湿式清洗台或旋转清洗。在清洗之后，可执行第二抛光步骤。第二抛光步骤通常是“精”抛光或“镜面”抛光，其中衬底的前表面与附接到旋转台或压板的抛光垫接触。替代地，抛光机102可执行第二抛光步骤。精抛光使晶片108的锥度减小到小于约60纳米(nm)到甚至低至约5nm或甚至约1nm。
44.与用于对衬底进行抛光的常规方法相比，本公开的方法具有数个优点。在对晶片进行抛光之前对抛光垫进行预热会使抛光垫温度增加到抛光工艺期间实现的热稳定状态温度。在抛光工艺期间，晶片、抛光垫与浆料之间的摩擦使抛光垫温度维持在一致温度。抛光工艺期间的一致抛光垫温度导致抛光工艺期间晶片的经减小锥度及均匀硅移除。
45.图2是对半导体晶片抛光系统的抛光头进行预热的方法200的流程图。方法200包含将流体加热202到第一预定温度且将流体施加204到抛光垫。方法200还包含旋转206抛光垫使得流体覆盖抛光垫，且流体使抛光垫温度增加到第二预定温度。方法200还可包含：基于抛光垫的所测量温度使用流动控制器使流体的流动速率发生变化208；基于抛光垫的所测量温度使流体的温度发生变化210；基于抛光垫的所测量温度使预定时间发生变化212；利用流动控制器来控制214流体的流动速率；及使用216加热器将流体加热到第一预定温度。另外，将流体施加204到抛光垫还可包含将第一流体导流218到抛光垫达预定时间。
46.图3是利用晶片抛光系统对半导体晶片进行抛光的方法300。晶片抛光系统包含预热系统及抛光头，预热系统包含加热器，且抛光头包含抛光垫。方法300包含利用加热器将流体加热302到第一预定温度且将晶片放置304在晶片抛光系统中。方法300还包含将流体施加306到抛光垫并旋转308抛光垫使得流体覆盖抛光垫，且流体使抛光垫温度增加到第二预定温度。方法300进一步包含将第二流体导流310到抛光垫且利用抛光垫对晶片进行抛光312。
47.实例
48.通过以下实例进一步图解说明本公开的工艺。不应在限制意义上看待这些实例。
49.实例1：使预热持续时间发生变化对晶片的平坦性或锥度的影响
50.在双侧抛光机中对晶片进行粗糙抛光。具体来说，如下文表1中所展示，执行了三次测试运行。在第一测试运行(测试运行1)中，在利用抛光垫对晶片进行抛光之前，在8分钟内将20℃下1.3公升/分钟(l/m)的di水导流到两个抛光垫。在第二测试运行(测试运行2)中，在利用抛光垫对晶片进行抛光之前，在4分钟内将20℃下1.3l/m的di水导流到抛光垫。在第三测试运行(测试运行3)中，在抛光之前不对抛光垫进行预热。
51.表1：对抛光垫进行预热的测试运行1到3
[0052] 测试运行1测试运行2测试运行3时间(分钟)840diw流动速率(公升/分钟)1.31.31.3diw温度(℃)202020
[0053]
图4是当抛光垫的预热工艺的持续时间发生变化时抛光垫的温度在抛光工艺期间的改变的图表400。如图4中所展示，使测试运行1期间抛光垫的温度维持在42℃与43℃之间，而测试运行2期间抛光垫的温度在40℃与43℃之间变化，且测试运行3期间抛光垫的温度在39℃与43℃之间变化。因此，较长预热持续时间使抛光垫温度在抛光工艺期间保持稳定，使得抛光垫温度在整个抛光工艺期间是一致的。相反地，不进行预热或较短预热持续时间会导致在整个抛光工艺期间不一致的抛光垫温度。
[0054]
图5是当抛光垫的预热工艺的持续时间发生变化时经抛光晶片的锥度的改变的方框图500。如图5中所展示，晶片在测试运行1期间产生的锥度是介于约0纳米(nm)与15nm之间，而晶片在测试运行2期间产生的锥度是介于约15nm与30nm之间，且晶片在测试运行3期间产生的锥度是介于约10nm与50nm之间。因此，较长预热持续时间会减小锥度并增加经抛光晶片的平坦性。
[0055]
如本文中所使用，当结合尺寸、浓度、温度或者其它物理或化学性质或特性的范围使用时，术语“约”、“大体上”、“基本上”及“大约”打算涵盖性质或特性的范围的上限及/或下限中可存在的变化，举例来说，包含舍入、测量方法或其它统计变化所引起的变化。
[0056]
当介绍本公开或其实施例的要素时，冠词“一(a、an)”、“所述(the)”及“所述(said)”打算意指存在所述要素中的一或多者。术语“包括”、“包含”、“含有”及“具有”打算是包含性的且意指除所列要素之外可能还存在其它要素。指示特定定向(例如，“顶部”、“底部”、“侧”等)的术语的使用是为方便描述目的且并不需要所描述项目的任何特定定向。
[0057]
由于可在不背离本公开的范围的情况下对上述构造及方法作出各种改变，因此打算应将以上描述中所含有及附图中所展示的所有事物解释为说明性的且不具有限制意义。