專利名稱：拋光半導體晶片的方法
技術領域：
本發明涉及一種拋光半導體晶片的方法，該方法可得到拋光半導體晶片的改良納米位相。此類半導體晶片適用于半導體工業，尤其適用于電子元件的制作。
背景技術：
預定適用于制作線寬低于或等于0.1微米的電子元件的半導體晶片必須具有許多特定性能。其中最重要的一個性能為公知的半導體晶片納米位相。
“國際半導體設備及材料”(SEMI)對“納米位相”(nanotopology)或“納米構形”(nanotopography)一詞的定義是整個晶片正面(前表面)的平坦度偏差在空間波長0.2至20毫米(側面相關長度)的范圍內并位于“適用區”內(FQA固定適用區域；必須滿足產品規范所要求特性的表面區域)。納米位相通過整個晶片表面的完全掃描以及利用不同大小的量測場的重疊進行測量。在這些量測場內未發現表面高度變化(峰至谷)可超過整個晶片所要求的最大值。量測場的大小視規范而定，舉例而言，可被界定為2×2平方毫米、5×5平方毫米及10×10平方毫米。
半導體晶片的最終納米位相由拋光加工形成。為改良半導體晶片的平整度，用以同時拋光半導體晶片正、反兩面的裝置及方法日益進步并持續發展。
舉例而言，美國專利US 3691694中曾述及所謂的雙面拋光。根據歐洲專利EP 208315 B1中所述雙面拋光的一具體實施例，在有拋光液體存在的情況下，位于具有適當尺寸的切割框(或切槽)并由金屬或塑料制成的載具盤內的半導體晶片在兩個覆以拋光布的旋轉拋光盤之間沿機器以及加工參數所預定的路徑移動，因而加以拋光(在專家文獻中，載具盤也稱作模板)。
舉例而言，德國專利DE 10004578 C1中曾述及利用一由均勻、多孔聚合物泡沫材料制成、硬度為60至90(肖氏A)的拋光布實施雙面拋光步驟。該文獻還公開了以下內容，即粘附在上拋光盤上的拋光布具有凹槽網，粘附在下拋光盤上的拋光布則具有平滑表面而無任何這類紋理或結構。該措施的目的在于，其一，確保拋光過程中所用拋光研磨劑的均勻分布；其二，防止拋光工作完成后上拋光盤舉起時半導體晶片粘附在上拋光布上。
為實施雙面拋光，半導體晶晶片以這樣的方式置入載具盤內的切割框中，以使半導體晶片的背面(或反面)擱置于下拋光盤上。因此，在拋光過程中，半導體晶片的背面由粘附在下拋光盤上的無紋路拋光布拋光，半導體晶片的正面由粘附在上拋光盤上的有紋路拋光布拋光。該半導體的正面是預定在其上面制作電子元件的表面。在拋光步驟之后，該半導體晶片通常例如借助于一真空抽吸裝置被轉移至一水浴內。
現有技術的這種方法不能滿足對已經實施雙面拋光以供未來世代新型元件使用的半導體晶片的納米位相的日益增長的要求。因此，本發明的目的是提供一種方法，該方法可制得具有改良納米位相的半導體晶片，以可滿足制作特殊需求元件的要求。
發明內容
本發明提出一種在供有拋光流體的情況下于兩個覆以拋光布的旋轉拋光盤之間同時拋光半導體晶片的正面及背面的方法，下拋光盤的拋光布具有一平滑表面，上拋光盤的拋光布的表面由凹槽加以間隔，半導體晶片位于一載具盤的切割框內且保持在一確定的幾何路徑上，其中，在拋光過程中，半導體晶片的正面與下拋光盤的拋光布接觸，且在拋光過程中，半導體晶片的背面與上拋光盤的拋光布接觸。
被加工的起始產品為以公知方法自一晶體分割而成的半導體晶片，其例如自一硅單晶分離出來，被切成一定長度并通過研磨加以圓邊，其正面和/或背面已借助于研磨或精研步驟進行加工。半導體晶片的邊緣也可在加工順序的某處借助于一適當輪廓的研磨輪加以磨圓。再者，繼研磨步驟之后，也可將半導體晶片的表面加以蝕刻。
根據本發明，準備實施雙面拋光時，以這樣的方式將半導體晶片置入一載具盤(carrier plate)的切割框(cutout)內，以使其正面擱置于下拋光盤的拋光布上。因此，在實施雙面拋光的過程中，半導體晶片的正面與下拋光盤的平滑拋光布接觸，而半導體晶片的背面與上拋光盤的有紋路拋光布接觸。否則，雙面拋光加工根據精于此項技術者公知的方式實施。
本方法所得最終產品是已經實施雙面拋光并具有大幅改良納米位相的半導體晶片。
原則上，本發明的方法可用于制造呈晶片形狀的物體，其由采用化學-機械雙面拋光方法可以加工的材料所組成。舉例而言，這類材料被進一步加工以主要用于半導體工業中，但其并不限于此種特殊應用場合，并例如包括硅、硅-鍺、二氧化硅、氮化硅、砷化鎵及其他III-V半導體。其中，例如通過左科拉斯基拉晶法或浮動區帶拉晶法結晶的單晶形式的硅為佳。尤以具有(100)、(110)或(111)晶體取向的硅更佳。
本方法尤其適于制造直徑為200毫米、300毫米、400毫米、450毫米及厚度自數百微米至數厘米(尤以400微米至1200微米更佳)的硅晶片。該半導體晶片可直接用于制作半導體元件的起始材料，或根據現有技術實施最終拋光步驟之后和/或經涂敷若干層(例如背面密封層或用硅或其他適當半導體材料形成的正面外延涂層)之后和/或借助于熱處理進行處理之后，可用于預定的用途。
具體實施例方式
現以制造硅晶片為例，對本發明的方法做出進一步的說明。
原則上，經利用圓鋸或線鋸切割而成并視直徑及鋸割方法種類而定具有損及晶格深達10至40微米的區域的硅晶片可直接根據本發明施以雙面拋光步驟。但是，在實施雙面拋光之前，優選借助于適當輪廓或外形的砂輪將清晰界定(具有尖銳界面)及因此機械高度敏感的晶片邊緣加以磨圓。此外，為改良幾何形狀及部分移除受損晶體層，可對該硅晶片施以機械研磨步驟(例如精研或研磨)，以降低本發明拋光步驟內的材料移除量。為移除機械加工步驟中難免受損的晶片表面及邊緣的結晶區域以及移除可能出現的任何雜質(例如與受損部分粘連在一起的金屬雜質)，此處可繼之以蝕刻步驟。該蝕刻步驟的實施方式可以是在一堿性或酸性蝕刻混合物內對硅晶片進行濕化學處理或等離子體處理。
舉例而言，IBM公司的技術報告TR 22.2342中曾述及一種可商購的適當尺寸的雙面拋光機，該雙面拋光機可用于實施本發明的拋光步驟。該拋光機主要包括一可在水平面中自由旋轉的下拋光盤以及一可在水平面中自由旋轉的上拋光盤，上述拋光盤均覆以拋光布，并且可對半導體晶片(此處即硅晶片)的兩面施以材料移除拋光作用，同時連續供以適當化學組分的拋光流體。
可以僅拋光一個硅晶片。但是，通常，為節省成本，以同時拋光多個硅晶片為佳，實際數目則視拋光機的結構而定。這些硅晶片保持在一幾何路徑上，該路徑由拋光機及載具盤在拋光過程中的加工參數確定，該載具盤具有足以保持硅晶片的切割框。舉例而言，借助于針銷齒輪傳動或漸開線齒輪傳動(經由一轉動內銷或齒環及一大致相對的轉動外銷或齒環)使載具盤與拋光機接觸，因而載具盤可在兩個拋光盤之間旋轉運動。
在拋光操作過程中，影響硅晶片相關于上、下拋光盤的路徑的參數的例子包括拋光盤的尺寸、載具盤的設計以及上拋光盤、下拋光盤及載具盤的轉速。若載具盤的中央總是有一硅晶片，硅晶片則沿一圍繞拋光機中心的圓移動。若許多硅晶片偏心地安置在一載具盤內，載具盤圍繞自身軸線的轉動則形成一內擺線路徑。本發明的拋光加工以內擺線路徑為佳。尤以同時使用四至六個載具盤(每個載具盤載有至少三個以規則間隔布置在一圓形路徑上的硅晶片)更佳。
原則上，本發明方法所用載具盤可由任何材料制成，這些材料對驅動所引起的機械負荷(尤其是壓縮及拉伸負荷)具有足夠的機械穩定性。此外，該材料必須不受所用拋光流體及拋光布的重大化學及機械侵害，以確保載具盤的足夠使用壽命并防止拋光后硅晶片遭受污染。另外，該材料必須適于制造具有預期厚度及幾何形狀的高度平整、無應力及無起伏不平的載具盤。原則上，舉例而言，這些載具盤可由金屬、塑料、纖維強化塑料或涂覆塑料的金屬制成。優選的是，該載具盤由鋼或纖維強化塑料制成。更優選的是，該載具盤由不銹鋼制成。
載具盤具有一個或更多個切割框(尤以圓形為佳)，以保持或容納一個或更多個硅晶片。為確保硅晶片可在旋轉載具盤內自由移動，切割框的直徑必須較待拋光硅晶片略大。以直徑略大0.1至2毫米為佳，尤以直徑略大0.3至1.3毫米更佳。為防止拋光過程中晶片邊緣遭受載具盤中的切割框的內緣損傷，如歐洲專利EP 208315 B1中所建議，切割框的內側最好加上一層與載具盤同樣厚的塑料襯墊。
如德國專利DE 19905737 A1中所述，本發明的拋光方法所用載具盤的厚度以400至1200微米為佳，尤以視經拋光的硅晶片的最終厚度而定則更佳。拋光步驟中的硅移除量以5至100微米為佳，但以10微米至60微米較佳，尤以20至50微米更佳。
在針對正面朝下的半導體晶片取向進行說明的內容中，雙面拋光步驟最好以精于此項技術者公知的方式實施。具有廣泛性能范圍的拋光布均可商購。最好利用可商購、硬度為40至120(肖氏A)的聚氨基甲酸酯((即聚氨酯))拋光布實施拋光作用。尤以混以聚乙烯纖維、硬度為60至90(肖氏A)的聚氨基甲酸酯拋光布料更佳。在拋光硅晶片的情況下，建議連續供以pH值為9至12(尤以10至11更佳)的拋光流體，其在水中包括有重量百分比為1至10％(尤以重量百分比為1至5％更佳)的SiO2，拋光壓力以0.05至0.5巴為佳，尤以0.1至0.3更佳。硅移除速率以0.1至1.5微米/分鐘為佳，尤以0.4至0.9微米/分鐘更佳。
將拋光后的半導體晶片自下拋光盤上卸下時，最好將該半導體晶片置于一標準加工支架上，以進一步對其加以處理，并使其表面在隨后的加工步驟中呈正確定向。與傳統雙面拋光(其中半導體晶片拋光時正面朝上)相比，若容納半導體晶片的支架被配置成旋轉180°，則可避免需將半導體晶片旋轉180°。此工作用手動卸下或機器人自動卸下均可獲得同樣的優良效果。當將半導體晶片裝在下拋光盤上時，上述性質的工作也是可以想象到的。
拋光后的半導體晶片可通過手動或借助于一自動移動裝置自下拋光盤上取下；在這兩種情況下，以使用真空抽吸裝置為佳。德國專利DE19958077 A1(第6頁，第23至30行)曾述及一種適當的真空抽吸裝置。自拋光盤上取下之后，優選立即將半導體晶片送入一液體浴內(尤以水浴內更佳)。這樣，可有效防止拋光研磨劑變干及防止在真空抽吸裝置或更廣義地講移動裝置中形成印記。
拋光加工完成后，將任何附著的拋光流體自硅晶片上清洗掉并將晶片烘干。
視其進一步用途而定，這些晶片的正面可能需要根據現有技術施以最終拋光，例如利用一柔軟拋光布及借助于一SiO2基堿性拋光流體。
例子下列實驗例及比較例使用一可商購的AC 2000P2型雙面拋光機(彼德·華爾特斯公司出品，倫茲堡，德國)。該拋光機裝有五個不銹鉻鋼制、具有精研表面、厚度為720微米的載具盤，每個載具盤具有六個內徑為200.5毫米的圓形切割框，這些切割框以規律或相等的間距布置在一圓形路徑上并襯以聚偏二氟乙烯層，該拋光機每批可同時拋光30個直徑為200毫米的硅晶片。上、下拋光盤覆以可商購的由羅德爾公司制造、商標名稱為SUBA500、硬度為74(肖氏A)、用聚乙烯纖維強化的聚氨基甲酸酯拋光布。緊繃于下拋光盤上的拋光布具有平滑表面，緊繃于上拋光盤上的拋光布的表面具有銑削而成、寬度為1.5毫米及深度為0.5毫米、呈部分圓環狀的凹槽所形成的棋盤狀圖案，這些凹槽以30毫米的間距布置。
比較例在每種情況下，以手動方式將30個具有蝕刻表面、直徑為200毫米的硅晶片置入載具盤的切割框內，并使其正面朝上。在實施拋光加工過程中，連續供以水性拋光研磨劑(Levasil 200型、拜耳公司出品，列佛庫森，德國)，其具有重量百分比為3.1％的固定SiO2固體含量，pH值通過添加碳酸鉀及氫氧化鉀而設定為11.4。該拋光加工在壓力為0.2巴及上、下拋光盤溫度總是38℃的情況下實施，其材料移除速率為0.58微米/分鐘。自晶片的每個表面移除15微米的硅。在拋光晶片的厚度已經達到725微米之后，終止供應拋光研磨劑，并代之以供應停止劑(stoppingagent)，且歷時2分鐘。所用停止劑是日本藤見公司出品的Glanzox 3600型的重量百分比為1％的水溶液。在停止步驟終止之后，將設備打開，位于載具盤內的硅晶片則完全由停止液潤濕。利用可商購、彼德·華爾特斯公司制造的卸取站將硅晶片送至位于水浴內的支架中。之后，在一分批清洗設備內將這些硅晶片烘干，該設備的洗浴順序為氫氧化四甲基銨(TMAH)/H2O2；HF/HCl臭氧；HCl及利用一可商購的烘干裝置并根據瑪蘭格尼原理操作。經清洗晶片的納米位相利用量測場2毫米×2毫米(HCT 2×2)及10毫米×10毫米(HCT 10×10)在一ADE SQM CR83裝置上量測。總計拋光1968個硅晶片，隨后對其納米位相加以測定。
實驗例以類似于比較例的方式將總計2157個具有蝕刻表面、直徑為200毫米的硅晶片加以處理。唯一與比較例不同的是，置入載具盤切割框的硅晶片的正面朝下，之后沿此取向拋光。所得納米位相值的統計分析結果如下表中所示。
從上述結果中可以看出，若這些硅晶片以正面朝下的方式拋光，對兩種尺寸的量測場而言，硅晶片的納米位相均可獲得大幅改良。
權利要求
1.一種在供有拋光流體的情況下于兩個覆以拋光布的旋轉拋光盤之間同時拋光半導體晶片正面及背面的方法，下拋光盤的拋光布具有一平滑表面，上拋光盤的拋光布的表面由凹槽加以間隔，半導體晶片位于一載具盤的切割框內且保持在一確定的幾何路徑上，其中，在拋光過程中，半導體晶片的正面與下拋光盤的拋光布接觸，且在拋光過程中，半導體晶片的背面與上拋光盤的拋光布接觸。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，繼正面及背面同時拋光之后，借助于一真空抽吸裝置將該半導體硅晶片轉移至一水浴內。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，繼正面及背面同時拋光之后，對該半導體晶片的正面施以最終拋光。
全文摘要
本發明涉及一種在供有拋光流體的情況下于兩個覆以拋光布的旋轉拋光盤之間同時拋光半導體晶片正面及背面的方法，下拋光盤的拋光布具有一平滑表面，上拋光盤的拋光布的表面由凹槽加以間隔，半導體晶片位于一載具盤的切割框內且保持在一確定的幾何路徑上，其中，在拋光過程中，半導體晶片的正面與下拋光盤的拋光布接觸，且在拋光過程中，半導體晶片的背面與上拋光盤的拋光布接觸。
文檔編號H01L21/306GK1610069SQ20041004315
公開日2005年4月27日 申請日期2004年5月12日 優先權日2003年5月15日
發明者貢特爾·H·卡恩, 馬庫斯·施納普奧夫, 克里斯托夫·韋伯 申請人:硅電子股份公司