TW200815153A - Method for polishing a semiconductor wafer and polished semiconductor wafer producible according to the method - Google Patents

Description

200815153 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種拋光半導體晶圓（尤其是矽半導體晶圓）的 方法，其目的在於提供一種特別在邊緣區域中具有迄今還不能達 到之平整度改良的半導體晶圓。本發明尤其關於一種在上拋光盤 與下拋光盤間拋光-半導體晶圓的方法’其係當該半導體晶圓位 於一載具的空腔中，藉由提供一拋光劑以雙面拋光該半導體晶 圓，本發明亦關於-種半導體晶圓，尤其是料導體晶圓，該半 導體晶圓具有改良的平整度，該平整度係以局部正面最小平方焦 面 fe 圍值（site frontside least squares focal piane range，SFQR )及 局部背面理想焦面範圍值（site backside ideal f〇cal ρ1_ ， SBIR)的形式來表達。 【先前技術】

半導體晶圓的平整度是一個重要的品質參數，該品質參數係 來評估半導體晶圓作為—用於製造最新_代電子元件之基材的 本合適性。具有彼此平行對置且完全平整之側面的理想平整半 體晶圓在製造元件的微影㈣期間不會產生步進機聚焦_。 此人們盡可能進行接近該理想形狀之嘗試。為此㈣，從一個 體上分割下來的半導體晶圓經歷—系列加工步驟，尤盆是在過 開始時藉由研磨及/或磨削側面以使其成型的機械加卫。隨後的 驟如半導體晶圓祕刻及側面的拋光，主要用於㈣機械加工/ &成的表㈣傷及用於平滑側面。同時這些隨後的步驟決定 影響半導體„的平紐並且财努力的目標在於対能地㈣ 6 200815153 由機械加工步驟所達到的平整度。已知該目標可藉由結合同時進 行之半導體晶圓雙面拋光而最有效地實現，該雙面拋光在以下稱 為DSP拋光。例如在de 100 07 390 A1中描述了 一適合Dsp拋光 的钱器。在DSP抛光期間，半導體晶圓位於一作為導向籠（㊁以如 cage )之載具的空腔中，並且位於一個上抛光盤與一個下抛光盤 之間，該空腔係為半導體晶圓所設置。轉動至少一個拋光盤及載 具，且當提供一拋光劑時，半導體晶圓在一由滾動凸輪所預定的 φ 執運上相對於以拋光布覆蓋的拋光盤移動。拋光盤壓在半導體晶 圓上的拋光壓力及拋光持續時間乃共同決定由拋光所導致之材料 去除量的關鍵參數。 DE 199 56 250 C1描述一種方法，在該方法中，經機械加工及蝕 刻的矽半導體晶圓係先經DSp拋光且接著進行品質管制，在品質 官制中檢驗其平整度並與設定值相比較。若還未達到所要求的平 整度，則以另一較短暫的Dsp拋光進行再拋光。 根據WO 00/47369所載，DSP拋光係在第一拋光步驟中進行， 春以使半導體晶圓得到一個不同於理想形狀的凹面形狀。接著藉由 早面拋光來消除經拋光侧面的凹面形狀，該單面抛光在以下稱為 CMP拋光。此係利用以下事實：用於平坦侧面上㈣cMp抛光具有 產生-經凸出式拋光之側面的傾向，因此若待拋光之側面係一凹 面的形狀，則經CMP拋光之後可產生一平坦之侧面。 如本發明之發明人已確定的，前面提及之方法的缺點為：用該 方法在晶ϋ邊職域帽可㈣平整度不充分_面。因此咖 拋光降低《域中已藉DSp拋光所達到的局部平整度。但晶圓邊 7 200815153 緣區域對於電子元件的製造者而言愈來愈重要，因為人們試圖利 用傳統的邊緣排除使經拋光之侧面的可用面積擴大，該可用面積 在以下稱為FQA (固定品質區域，Fixed Quality Area)，該邊緣排 除在以下稱為EE (Edge Exclusion)。半導體晶圓之邊緣區域中側 面的不平整尤其歸因於邊緣下降，該邊緣下降在以下稱為Er〇 (Edge R〇ll-〇ff)。Kimura等人在「曰本應用物理雜認（jpn,

J. AppL

Phys·)」第38卷（1999年）第38至39頁中指出，可由局部區（pai1ial φ sltes )的SFQR值導出ER〇。SFQR值係描述一確定尺寸（例如面 積為20毫米χ20毫米）之測量區的局部平整度，具體而言係以半 導體晶圓正面與一具有相同尺寸之參考面的最大高度偏差的形式 來描述，該最大面度偏差係以最小平方極小化（least squares minimization)力α以獲得。局部區為邊緣區域中的測量區，該些測 量區不再完全是FQA的一部分，但這些測量區的中心仍位於FQA 中。局部區的SFQR值在以下稱為局部區正面最小平方焦面範圍 (partial site frontside least squares focal plane range j PSFQR) ° φ 除了局部平整度之外，同時仍必須考慮總體平整度，尤其是因 為在元件製造過程中CMP拋光需要良好的總體平整度。用於此估 算之標準化參數是總體背面焦面理想範圍（global backside ideal focal plane range，GBIR)值及與其相關的SBIR值。這兩個值表 示半導體晶圓的正面相對於假設為理想平整之背面的最大高度偏 差並且區別在於··在GBIR值的情況下以FQA來計算且在SBIR 值的情況下則以被限制在測量區的面積來計算。如果這裏提供的 定義與SEMI標準的定義、尤其是現行版本中的標準M59、Ml及 8 200815153 M1530的定義有所不同，則該標準的定義具有優先地位。 本發明之目的在於，提供一種用於拋光半導體晶圓的方法，該 方法全面地改善半導體晶圓的平整度，且非不適當地以半導體晶 圓之4體平整度或尤其是邊緣區域中之局部平整度為代價來實 現0 【發明内容】 本發明係關於一種在上拋光盤與下拋光盤間拋光一半導體晶圓 的方法，其係當該半導體晶圓位於一載具之空腔中，藉由提供一 拋光劑以雙面拋光該半導體晶圓，該方法包含： 在一第一拋光步驟中雙面拋光該半導體晶圓，該步驟係以一個 負凸出作為結束，該凸出係指於該第一拋光步驟之後，該半導體 晶圓厚度與該載具厚度之間的差值；以及 在一第二拋光步驟中雙面拋光該半導體晶圓，其中從該半導體 晶圓側面所拋除的材料係小於1微米。 • 藉由該方法成功地在第二拋光步驟中保持在第一拋光步驟後所 達到的局部平整度（尤其是邊緣區域中的局部平整度）並且改善 總體平整度，其中，整體而言得到滿足具有32奈米（nm)線寬之 7L件世代所要求的平整度。這是個出人意料的結果，因為在上述 DE 199 56 250 C1及w〇 〇〇/47369中所說明的方法均無法達到此 效果。在DE 199 56 25〇 C1的情況中，雖然在第二抛光步驟之後 保持了在第一拋光步驟中所設定的局部平整度，但在第一拋光步 驟中所達到的總體平整度卻在第二拋光步驟中降低。在 69的If况中，其第一拋光步驟減小了第一撤光步驟所達到 9 200815153 的局部平整度（尤其是邊緣區域中的局部平整度）。 根據本發明之方法所製造的矽半導體晶圓具有先前未能達到的 平整度。因此，本發明亦關於一種矽半導體晶圓，其具有一經拋 光的正面及一經拋光的背面，且具有一以局部背面理想焦面範圍 隶大值（maximum site backside ideal focal plane range，SBIRmax) 表示小於100奈米（nm)的正面總體平整度，且在一邊緣區域中 具有一以PSFQR値表示不大於35奈米（nm )的正面局部平整度， 0 在每一情況中均考量2毫米之邊緣排除。此外，SBIRmax值係關 於一 26毫米χ33毫米的測量區面積以及具有在义及y方向上各為 13耄米及16.5毫米之偏移量的測量區柵格設置。smRmax值係指 所有測量區中最大的SBIR值。PSFQR值的規範係關於一 2〇毫米 x20毫米的測量區面積以及具有在义及y方向上皆為1〇毫米之偏 移置的測S區柵格設置。PSQR値由局部區之PSFQR值的總和除 以其數量而得到。 該方法的初始產物較佳係由晶體'尤佳是由用矽單晶體上分割 春下來的半導體晶圓，該半導體晶圓業經機械加工，其加工方式係 研磨及/或磨削其側® (即，半導體晶圓的正面及背面）。該正面係 指用於形成提供電子元件結構之表面的側面。半導體晶圓的棱邊 可經修圓，以使該半導體晶圓對於衝擊損傷之敏感性降低。此外， 由先前機械加X職成之表面損傷已藉由在酸性及/錢性银刻劑 中進行餘刻而大量地消除。另外，該半導體晶圓也可進行其他加 工步驟，尤其S清洗步驟或邊緣拋光。根據所請方法，半導體晶 圓在第-拋光步驟中同時抛光其雙面，其中為了提高生產率，㈣ 200815153 抛光較佳係以多晶圓拋光之方式來進行，在該多晶圓拋光 複數個載具，這些载具各具有多個用於半導體晶圓的空腔。第 DSP拋光的—㈣Μ產生—負凸出，其中該凸出係、指在完絲 先後的半《晶圓厚度卿與料抛光半導體晶圓 =的差值（Dlw飢）。該凸出之範_佳為小Η微米至Γ4 Μ米，尤佳為小於_〇·5微米至_4外止 l 似木至4试未’且自側面所磨損的總材料 去除量較佳為15微米至30微求。第-抛光步驟的效用為：使得 半導體晶圓以水平對稱的方式凹入彎曲，使得sbir值處於一被視 為不利的大於100夺来r nm、沾# 、靶圍内；並且描述半導體晶圓之 局部平整度的SFQR值，尤其DSFQR值已經處於一被視為有利 之不大於35奈米（nm)的範圍内。同樣以抛光來進行之第 二拋光步驟的目的在於改善總體平整度以及保持或改善已經達到 的局部平整度，尤其是邊緣區財的局部平整度。㈣二贈抛 光的-個特殊的特徵為所欲作用係以自半導體晶圓的兩側拋除總 ^小於1微米的材料而實現。平均材料去除量在—小於i微米的 祀圍内’較佳在0.2微米至小於！微米的範圍内。不應超出所給出 的上限値’因為將對半導體晶®的總體平整度產生不利影響。此 …車又佳係達至ij不小於〇微米的凸出，其中該凸出係抛光後之 半導體晶圓厚度D2W與用於拋光半導體晶圓之載具厚度肌的 ，值D2W_；D2L。該凸出尤佳為〇微米至2微米。第二拋光步驟之 政用為.SBIR值處於_被視為有利的小於刚奈米的範圍 内、，且描述局部平整度# SFQR值，尤其是psFQR值係處於一被 硯為有利之不大於35奈米（nm)的範圍内。 200815153 【實施方式】 根據本發明之-較佳實施例，經第—拋光步驟之後測得由此達 到之半導體晶圓凹度，其方式例如是測4G脆值。所測得之值係 作為計算第二拋光步驟之持續時間的輸入參數，藉由該持續時間 又確定出第二拋光步驟將實現的材料去除量。以此方式，進一步 將半導體晶圓的平整度最適化。第二拋光步驟的最佳持續時間d 鲁較佳根據下述公式來計算：D= (GBIR : RT) +〇ffset，其中，RT 疋所用拋光機以微米/分鐘為單位的典型去除量速率，是校 正值，其與所使用的拋光過程相關並且因此必須以經驗來確定。 以下藉由附圖及比較例來詳細描述本發明。 第1A至1C圖中圖示出在本發明之方法的不同時間下，位於抛 光盤内之半導體晶圓。在第一 DSP拋光開始的時刻a)(第1A圖）， 半導體晶圓1具有一厚度DW，該厚度係大於載具21的厚度D1L。 在弟一抛光步驟中’半導體晶圓在一上抛光盤3與一下抛光般4 φ 之間，使用特定拋光壓力及提供一拋光劑加以拋光，直至達到時 刻b )(第16圖），在該時刻，經拋光之半導體晶圓厚度〇1^與 載具21厚度D1L的差值變成一負值。半導體晶圓接著藉由載具 22進行一第二DSP拋光，該第二DSP拋光係在時刻c)(第⑴圖） 結束。 第一拋光步驟和第二拋光步驟作用的不同係圖示於第2圖及第 3圖，這些圖顯示沿半導體晶圓直徑進行的線性掃描（Li^ scans)。在第一拋光步驟（第2圖）之後，半導體晶圓具有一凹入 形狀，這基本上應歸因於一向内延伸約100毫米之區域中的材料 12 200815153 凸起。在FQA之外邊緣上僅還存在些微的邊緣下降。半導體晶圓 的凹度使得總體平整度不能令人滿意。此在第二拋光步驟（第3 圖）之後發生變化，該第二拋光步驟利用雙面拋光的起始效應， 即對總體平整度產生不利影響的材料凸起被優先消除，並保持其 邊緣區域中的局部平整度不受影響。 實例與比較例： 具有300毫米直徑的矽半導體晶圓從一個單晶體上分割下來並 • 且各以相同方式通過機械加工及蝕刻預處理。接著，這些半導體 晶圓在Peter Wolters股份公司出產型號為AC 2000的雙面拋光機 中抛光’直至達到一負凸出（欠量（underhang ))(實例E及比較 例C2)或直至達到一正凸出（比較例C1 )。一部分半導體晶圓（C1 ) 接著進行第二DSP拋光，該第二DSP拋光以一正凸出及大於1微 米的材料去除量作為結束。另一部分半導體晶圓（C2)進行一 CMP 抛光’該CMP拋光以小於1微米的材料去除量作為結束。剩餘部 分半導體晶圓（13)也進行一第二DSp拋光，該DSp拋光以一小 ® 於1微米的材料去除量作為結束。在這些拋光步驟之後用ade公 司出產型號為AFS之非接觸測量的測量儀器所進行的平整度測量 結果彙編在下列表袼中。 用於SBIR測量及SFqr測量的參數： FQA=296 毫米 EE=2毫米 用於SBIR測量的參數： 測量區面積=26亳米X33毫米 13 200815153 在X方向上柵袼區的偏移量=13毫米 在y方向上栅格區的偏移量二16·5毫米 用於PSFQR測量的參數： 測量區面積=20毫米χ20毫米 在X方向上栅格區的偏移量=10毫米 在y方向上柵格區的偏移量=10毫米 表格： 第一拋光步驟 材料去除量 [微米] 凸出 [微米] GBIR [微米] SBIRmax [微米] PSFQR [微米] C1 26.8 + 1.3 0.51 0.27 0.090 C2，E 27.6 -2.7 0.78 0.19 0,034 第二拋光步雙 材料去除量 [微米] 凸出 [微米] GBIR [微米] SBIRmax [微米] PSFQR [微米] C1 4.3 + 1.0 0.76 0.43 0.060 _ C2 0.3 0.93 0.23 0.059 E 0.72 0.56 0.111 0.08 0.035 【圖式簡單說明】 第1A至1C圖係在本發明方法的不同時間下，位於拋光盤内之 半導體晶圓的示意圖。 第2圖係為根據本發明之第一抛光步驟後，沿著半導體晶圓之 半徑的線性掃描圖。 第3圖係為根據本發明之第二抛光步驟後，沿著半導體晶圓之 14 200815153 半徑的線性掃描圖。 【主要元件符號說明】 1 半導體晶圓 3 上拋光盤 4 下拋光盤 21，22 載具

Claims (1)

1. 200815153 十、申請專利範圍： 一半導體晶圓之方法，其

   後，該半導體晶圓厚度與該载具厚度之間的差值；及 1 · 一種在上拋光盤與下拋光盤間拋光 在一第二抛光步驟中雙面拋光該半導體晶圓，其中從該 半導體晶圓側面所拋除的材料係小於丨微米。

   微米至-4微米的負凸出作為結束。 3·如凊求項1或2之方法，其中在該第二拋光步驟中從該半導 體晶圓侧面所拋除的材料係在〇·2微米至小於丨微米的範圍 4·如睛求項1或2之方法，其中在該第一拋光步驟之後測量該 半導體晶圓的凹度，且在該第二拋光步驟中所產生的拋光磨 損係取決於所測得之凹度。 5. 一種石夕半導體晶圓，其具有一經拋光的正面及一經拋光的背 面，該半導體晶圓具有一以局部背面理想焦面範圍最大值 (maximum site backside ideal f0cai piane range，SBIRmax)表 示小於100奈米（nm)的正面總體平整度，且在一邊緣區域 中具有一以邊緣區正面最小平方焦面範圍值（panial site frontside least squares focal plane range，PSFQR)表示不大於 35奈米（nm)的正面局部平整度，在每一情況中均考量2毫 16 200815153 米之邊緣排除。 6. 如請求項5之半導體晶圓，其直徑為200毫米或300毫米。