單晶硅片抗機械力的提高的制作方法

專利名稱：單晶硅片抗機械力的提高的制作方法
技術領域：
本發明與單晶硅片上半導體器件的制造有關。
為了制造分立或集成硅半導體器件，首先要把單晶硅錠切成在上面通常要做出許多相同器件的圓片。圓片通常要拋光，以使得表面光滑和平行，來滿足以后的圓片工藝。
然后，拋光的圓片進行不同的摻雜工藝，根據制作的器件圖形生成具有不同摻雜水平的半導體區域。根據應用，通常就集成電路來說，器件做在圓片所謂的“正面”，并且所有相應的金屬接觸孔也在正面。對于功率或高壓器件，器件做在硅片正面和背面上，并且在硅片的背面還包括一個或幾個接觸。
半導體器件制造的不同步驟(掩膜，隔離淀積或生長，注入/擴散，清洗，等等)要求對圓片分批或單片進行多項處理。然而，硅片非常脆(易碎)，并且這種處理會帶來很高的碎片危險。此外，表面越大，對于一定厚度的圓片就更容易碎。
為了解決這個脆性問題，圓片要根據它們的直徑確定最小厚度。硅片的目前直徑在100um到200um的范圍內，而且還有望更大的直徑。例如，對于制造集成電路直徑為200mm的圓片，厚度一般在800um的數量級。
大多時候，在劃片以及將電路封在管殼中之前，必須將硅片進行背面減薄(修整)。這種修整有幾個目的。
第一個目的是考慮到管殼的尺寸，這些管殼放置較小尺寸晶體管組成的電路(這樣厚度更小)。
第二個目的是減少或去除背面的寄生注入/擴散，它們很可能產生工作缺陷。
這種在圓片工藝結束時修整的方法減少了全部圓片在加工第一步破碎的危險。然而，減薄的圓片對于以后的步驟(金屬化，清洗，芯片切割，等等)以及所需的處理來說就變得極其脆弱。此外，這種機械脆性也體現在做好的集成電路芯片中。
目前在集成電路制造工藝結束時，減薄圓片采用的方法包括采用金鋼研磨輪對圓片背面進行修整，從而減小它們的最終厚度。
為制造功率器件，硅圓片從其兩個表面進行摻雜。這樣圓片的最終厚度必須在器件制作各步之前確定。這樣，硅片將以初始化的修整被減到最終襯底厚度(根據圓片直徑通常在200um到400um之間)。在這項技術中，一般采用能夠得到比研磨或化學腐蝕方法(等其它修整方法)更好的表面光滑度的機械-化學拋光法。
可期望能夠進一步減少圓片厚度，尤其是這會有利于圓片厚度中注入/擴散的工作。然而，目前厚度的這種減少不是導致脆性的原因。事實上，目前圓片厚度的限制是由最小可接受的不會由于處理而帶來許多損失的抗機械力指標決定。就目前200um到400um間的厚度來說，對于用來做集成電路來說，硅片已是極為易脆。
本發明的一個目的是提供一個比現有圓片脆性小，具體說就是不易碎的新硅片。
本發明的另一個目的是提供一個具有厚度基本均勻的硅片。
本發明的另一個目的是提供一個改善圓片上制造集成電路時抗機械力的硅片。
本發明的一個特征是提供一種將圓片厚度減薄到小于大約80um的減薄方法。
當現有技術中因為薄厚度圓片的脆性而要求厚度增加時，本發明卻相反地使得圓片厚度減少。事實上，使用者已經發現，厚度降到80um水平以下時，硅片不再易碎。它變得柔韌。
參照其它的材料，可以認為，對于硅來說，其脆性與厚度相關。事實上，目前做成極薄厚度(從幾百埃到幾個微米)的二氧化硅(SiO2)仍很容易碎。為了使二氧化硅不易碎，有必要在其中加入添加劑，生成在一定厚度下并且根據采用的添加劑而變得不易脆的玻璃。然而，這種添加劑不易與半導體領域中硅的使用相兼容。
這樣，相對于現有技術來說，本發明至少具有三個顯著效果。
第一個顯著效果就是，在承受機械應力時，厚度小于80um的圓片會彎曲，而不是破裂。
第二個顯著效果就是，一旦機械應力消失，圓片就會重新恢復它的起始平面形狀，并且不會留有缺陷痕跡。
第三個顯著效果就是，圓片的柔韌性并沒有改變單晶硅作為半導體材料的功能。
此外，這些特點與得到圓片的硅錠所形成的晶面無關。
本發明的另一個目的是提供一種尤其適用于獲得很薄和厚度基本均勻的硅片減薄方法。
為了達到這個目的，本發明的特征是提供只在圓片和它的支承座間靠分子真空將圓片固定于支承座上的機械-化學拋光步驟。
更具體地說，本發明提供了一個具有小于80um厚度的單晶硅片。
根據本發明的優點，硅片柔韌而且富有彎曲彈性。
根據本發明的一個實施方法，硅片具有25到60um間的一定厚度范圍。
根據本發明的一個實施方法，硅片形成一個制作半導體功率器件的襯底。
根據本發明的一個實施方法，硅片正面包括確定集成電路的元件。
本發明還提供了一種減薄單晶硅的方法，它包括將圓片減到80um以下的厚度。
根據本發明的一個實施方法，該方法包括至少對硅片第一面進行機械-化學拋光修整，以及只靠圓片第二面和固定設備的平面支承座間產生的分子真空將圓片懸掛到相對于拋光氈以擺線旋轉運動方式驅動的固定設備上。
根據本發明的一個實施方法，該方法包括在機械-化學拋光前至少在圓片第一面進行化學腐蝕，本發明還提供了一個包括厚度小于80um硅襯底的半導體功率器件。
本發明還提供了厚度小于80um的集成電路芯片。
專利申請DD-A-217 246闡述了厚度小于50um用于X射線分析的硅片。該文件不同于任何拋光制造，并指出所用的制造方法導致±10um的厚度變化。這種圓片具有標稱50um厚度的方法，使得有些地方厚度為40um，而其它地方厚度為60um。所以，圓片不足以滿足形成半導體器件襯底。
相比之下，根據本發明的拋光方法的一個優點是提供厚度基本均勻的圓片。
上述本發明的目的，特點以及優點將在下面特定實施方法的非限制描述中詳細討論。
下面將描述的減薄方法是尤其適用于得到非常薄硅片的方法。
這個方法采用傳統設備，如已知商標為“MECAPOL 660E”的設備，來完成機械-化學拋光步驟。
這個設備一般由尺寸相對大的平板組成，并且在上面粘有拋光氈。拋光硅片放在可以懸掛在平板上面的圓片舟中，以便拋光硅片表面能與拋光氈接觸。圓片粘在固定于圓片舟中的固定圓盤上被掛到支承座上面。這個圓盤一般靠圓片舟中的吸附固定。
在拋光過程中，平板旋轉。通過旋轉臂懸掛于一個驅動機械上的圓片舟，以外擺線和交替十字運動方式旋轉，并且降低，以便圓片與氈接觸。
支承座主要在于選擇的材料，以使得避免了橫向運動的圓片，靠相對于拋光面表面的表面張力保持與支承座間的固定。事實上，表面光滑，尤其是當表面拋光時，會使得圓片表面對表面地垂直粘附在支承座上。然而，已經知道，雖然合適的拋光面可與另一平面粘附，但兩個表面相互間會滑動。
這樣，傳統的機械-化學拋光設備一般包括固定在支承座或圓盤上的外圍框架，這個框架有足夠的高度超出支承座，從側向固定圓片。
為了能夠使得硅片一直減薄到80um以下，根據本發明采用的設備沒有橫向圓片固定框。橫向固定框的省略，對于與拋光面相對的圓片表面來說，避免了厚度容限，從而可以進行機械-化學拋光，以得到很薄的厚度。
選擇的支承座固定盤要堅固，并且在支承的一面要盡可能的平。例如，可采用不銹鋼圓盤，或者為了重量輕，可采用鋁圓盤，兩種材料都適合得到平整表面。
根據本發明，選取的支承座要有下列特性。
第一，這個支承座要有足夠的韌性來容許堅固的圓盤以及與拋光面相對的另一圓片表面的表面光滑誤差。如果，圓片兩面都要進行拋光，那么，第一面進行拋光過程中掩蓋的另一面不會表現出很好的表面光滑性。
此外，在對已完成集成電路制造的硅片用拋光方法進行減薄的例子中，無需修整的圓片正面由于電路制造的步驟而會變得很不平整。
此外，至少在拋光開始，圓片會有一定的厚度，在這種厚度下硅片很容易碎。結果，支承座和圓片間輕微的灰塵斑點或輕微的缺陷會在拋光過程中產生圓片破裂的危險。這樣支承座不得不通過其柔性為圓片形成一個墊子。
此外，選取的支承座要非常平整，以滿足兩圓片平面間的平行度。因為支承座柔性不會負面影響兩圓片表面的平行度，所以支承座最好要薄(例如，小于5mm的厚度)。
支承座的選取最好具有5到20％的可壓縮性以及小于2mm的厚度。
根據本發明的實施方法，支承座的表面由與可硬化單元相關的多微孔材料形成，以使它能夠與圓盤粘附。硬化后，該材料必須能夠讓表面不會堅固。例如，采用商標為“NEWMAN,pb100-AD8”已知材料，其厚度為1.5mm。
根據本發明的另一種優選實施方法，支承座由多孔聚酯/聚胺酯組成，通過薄粘附膜在低溫下固定在圓盤上。例如，采用商標為“RODELWB20”已知材料，其厚度一般，包括粘附膜其厚度在0.5mm數量級或更薄。
一個沒有用來形成支承座的材料例子，即商標為“RODEL DF200”已知材料，對于本發明來說，沒有足夠的多孔使得圓片粘附性能夠防止拋光過程中圓片橫向的運動。
根據本發明的減薄方法的實現按下列步驟進行。
圓片最好先進行化學腐蝕，例如對其背面進行以減薄厚度。然后，圓片至少在其背面進行機械-化學拋光。化學腐蝕終止時的圓片厚度最好相應于所期望的最終厚度，對要被拋光的每表面再加上至少25um。
在可能的研磨修整和機械-化學拋光間采用化學腐蝕的一個優點就是腐蝕可以幾百片地進行，而拋光只能一片一片地進行，或2到3片一組。因為一定厚度的減薄所持續的時間基本一致，所以平均到每片的處理時間減少了。此外，在拋光過程中與加熱相關的破裂危險可以避免，并且同一氈拋光的圓片數量通過限制負荷而增加。
當多微孔性支承座是新的時，為了提高圓片與支承座間的粘附性，在將硅片定位進行處理前要把它弄濕。此外，與圓盤相關的支承座最好用一個與拋光圓片直徑相同的硅片擠壓，以在支承座上形成很淺的凹槽，這個凹槽優化了將要放到支承座上拋光圓片的橫向固定。
新支承座的準備包括在設備圓盤上固定一個多孔性支承座。例如，如果是一個為支承座在低溫下固定的材料，就將支承座表面貼在圓盤的平面上，然后進行擠壓，將支承座與圓盤間可能存在的所有空氣小氣泡擠出。這里，為支承座采用多微孔性材料的另一個優點變得明顯。在擠壓過程中，支承座的自由面最好用干凈薄片保護，避免接下來圓片鍵合表面中灰塵的侵入。
圓片放置的進行，是把與拋光面相對的圓片表面放到支承座的自由面上。通過施加微小均勻壓力到硅片上，由于采用了多微孔性材料，在圓片和支承座之間會產生使得貼在支承座上的圓片被吸附的分子真空。當然，要注意不要施加太大的壓力，因為硅片脆弱，至少在加工前它是非常易碎的。
這個組合然后固定在圓片舟中。然后，通過靠一個分配器提供拋光液，如液膠質硅石和氫氧化鉀(KOH)溶液來進行傳統的表面機械-化學拋光。
圓片最終厚度直接與機械-化學拋光持續時間相關。根據本發明，最好進行機械-化學拋光，直到圓片厚度小于80um，并且最好在25到60um間也采用。
如果在硅片上做完電子器件后進行圓片減薄，那么修整是在單個平面上進行(器件相對的表面)，相反地，在做完器件之前減薄硅片是在兩面進行，尤其是制作功率器件。在這個例子中，圓片的第一面首先修整。然后圓片反過來修整第二面，直到期望的最終厚度。對于小于80um的最終厚度，圓片兩面的拋光修整相對于單面來說，會改善所得圓片翹曲容量。
為了在拋光周期結束時釋放圓片，例如可采用圓片與支承座間滑動的尼龍線，最好采用厚度薄(例如80um的數量級)的薄片，如非毛絨的紙片，它具有優越性，尤其是如果在圓片達到具有柔韌性的厚度之前要取下圓片，為了減少或減小圓片外圍裂痕的危險時更具有優越性。在這個例子中，粘附性導致取片阻力使得圓片不會僅靠紙片就可以移動，而是要對支承座和圓片沖洗，如用水，這使得取片通過水重新進入支承座氣孔而變得更容易。
根據本發明，采用厚度非常薄的硅片具有許多優點。
第一個優點是所得圓片的柔韌性。這個優點對于半導體器件制造來說具有許多有利之處。首先這種柔韌性使得圓片較小脆性，尤其是比傳統圓片要不易碎。這樣，在制造半導體器件時，不管分立或集成電路，所采用的在不同加工臺之間進行圓片處理所帶來的危險就會減小。
圓片的柔韌性隨著厚度的減少而增加。例如，根據本發明，直經為125mm以及厚度為50um的圓片可以在兩手指間夾住其邊緣，并且可以彎曲直到形成基本平行的U形。對于同一直徑，但厚度為25um的圓片，類似的操作可使得兩條對邊相接觸。
圓片的柔韌性導致所制造器件的柔韌性，尤其是一次性切割的集成電路芯片。現在，根據本發明，加到非常薄圓片上的各層金屬，表現出保持所做電路的柔韌性。為了制作一個柔韌的芯片，通常用作不同金屬層間的隔離的二氧化硅，可由更柔韌的材料取代，例如有機樹脂(例如聚酰亞胺)。
集成電路不僅柔韌，而且有彈性，這使得電路能夠恢復其結構以及電學特性，這種特性優點在于使得集成電路芯片可以變得更小的脆性。一個本發明尤為具有優越性的應用例子與所謂的“芯片”卡，“信用”卡或“預付”卡相關，在這些卡中，集成電路芯片包括在一個薄塑料卡中。在這樣一個應用中，采用了芯片插入卡中的方式，卡能夠保持柔韌，而且因為由于處理用戶而損壞芯片的危險減少或減小，所以使得卡的壽命延長。
本發明的另一個優點在于，對于非常薄的圓片，例如形成功率器件的襯底，比較容易，也比較快地得到相似的摻雜水平。此外，也很明顯，在襯底上形成隔離井的隔離墻制作非常簡單，并且速度加快。
另一個優點，尤其對于N型襯底中的MOS功率晶體管的制作來說，在于制作的晶體管的開態漏-源電阻減少或減小。
當然，本發明可能有各種變化，調整以及改進，它們為本領域的技術人員所認知。尤其是，盡管以上描述的機械-化學拋光形成了根據本發明的獲得極薄硅片的優選方法，但是，其它減薄方法也可以使用。此外，硅片最終厚度的選取，尤其要根據所期望的柔韌性以及/或者制作功率器件所期望的厚度。
這些變化，調整和改進將作為本摘要的部分，并且處于本發明的精神和范圍之內。因此，這之前的描述僅是示例性的，但不限于此。本發明僅限制在下列權利要求以及類似的要求中。
權利要求
1．一種作為半導體器件襯底的單晶硅片，所述硅片具有小于80um的均勻厚度，并且柔韌而且富有彎曲彈性。
2．權利要求1中的硅片，厚度選擇在25到60um間。
3．權利要求1中的硅片，其中硅片作為半導體功率器件制造的襯底。
4．權利要求1中的硅片，在正面包括組成集成電路的元件。
5．一種將圓片厚度減到80um以下的單晶硅減薄方法，它包括至少對硅片第一面進行機械-化學拋光修整，以及只靠圓片第二面和固定設備的平面支承座間產生的分子真空將圓片懸掛到相對于拋光氈以擺線旋轉運動方式驅動的固定設備上。
6．權利要求5中的方法，包括在進行機械-化學拋光之前至少對圓片的第一表面進行化學腐蝕。
7．一個半導體功率器件，包括厚度小于80um的硅襯底。
8．一個集成電路芯片，具有小于80um的厚度。
全文摘要
本發明與單晶硅片的減薄方法相關,以便圓片最終厚度小于80um。
文檔編號C30B33/00GK1215225SQ98121350
公開日1999年4月28日 申請日期1998年10月15日 優先權日1997年10月15日
發明者亞克維斯·萬德普特, 福勞里恩·博迪特 申請人:Sgs-湯姆森微電子公司