TWI244691B - Process for polishing a semiconductor wafer - Google Patents

Description

1244691 發明說明（1) —、【發明所屬之技術領域】 預定適用於製作線寬低於或等於〇 .丨 邊乃所習知之半導體晶圓奈米位相。$重要< 純 ，，奈米禮材料」（湖）對，，奈米位相”或 办門、、念真二9 η \疋義疋：整個晶圓正面之平坦化偏差在 二間波長0 · 2至2 0公厘（側而相關 ^ 區"内（FCU .固定、翁田 相關長度）圍内並位於"適用 面接Q \ Ϊ區域；產品規範所要求特性之表面 =必須合格）。奈米位相之量測係藉整個晶圓表面之完 =描及利用不同大小量測場（面積；範圍）之重疊。在該 内t發現表面内高度變化(峰至谷)可超過整個晶 51所要求之取大值。量測場之大小視規範而定，舉例言之 ，經界定為2x 2平方公厘、5χ 5平方公厘及1〇χ 1〇平^公 厘。 …半導體晶圓之最終奈米位相係由拋光加工形成。為改 良半導體晶圓之平整度，用以同時拋光半導體晶圓正、反 兩面之器具及方法均日益進步並持續發展。 二、【先前技術】

舉例言之，美國專利US 3 6 9 1 6 9 4中曾述及所謂之雙面 拋光。依照歐洲專利ΕΡ 208 3 1 5Β1中所述雙面拋光之具體 實施例，附有適當尺寸切割框之載具盤内之半導體晶圓係 在兩個覆以拋光布之旋轉拋光盤之間、在有拋光流體存在 之情況下、沿機器及加工參數所預定之路徑移動，因而加 以拋光（在專家文獻中，載具盤亦稱作模板）。

第4頁 1244691 五、發明說明（2) 舉例言之，德國專利DE 1 0 0 045 78C1中曾述及··雙面 拋光步驟之實施係利用一由均勻、多孔聚合物泡棉製成、 硬度為60至90(蕭耳A)之拋光布。該文獻亦曾揭示：附在 上拋光盤之拋光布具有凹槽網，附在下拋光盤之拋光布則 無任何該種質地。該量測之目的是：其一，確保拋光過程 中所用拋光研磨劑之均勻分佈，其二，防止拋光工作完成 後上拋光盤舉起時半導體晶圓黏附在上拋光布上。 為實施雙面拋光，半導體晶圓係以適當方法置入載具 盤（托運板）内之切割框中，俾半導體晶圓之背面係立於下 拋光盤上。所以，在拋光過程中，半導體晶圓之背面係由 黏附在下拋光盤上之無紋路拋光布拋光，半導體晶圓之正 面係由黏附在上拋光盤上之有紋路拋光布拋光。該半導體 之正面係預定在其上面製作電子元件之表面。拋光步驟之 後’該等半導體晶圓通常係轉移至一水浴内，例如：藉助 於一真空吸氣裝置。 既有技術之此種方法不能滿足：實施雙面拋光供未來 世代元件、有關半導體晶圓曰益增加之要求。所以，本發 明之目的係提供一種方法，該方法可製得一具有改良奈米 位相之半導體晶圓，俾可滿足製作特殊需要元件之要求。 三、【發明内容】 本發明之内容係一種拋光半導體晶圓之方法，該方法 可達成拋光半導體晶圓之改良奈米構形。此類半導體晶圓 適用於半導體工業，尤其適用於電子元件之製作。 本發明之技術内容是：一種在供有拋光流體之情況下

第5頁 1244691 五、發明說明（3) 、於兩個覆以拋光布之旋轉拋光盤之間同時拋光半導體晶 圓正面及背面之方法，下拋光盤之抛光布具有一平、、骨表面 及上抛光盤之抛光布之表面由凹槽加以間隔，半導體曰圓 係位於一載具切割框内且固定在一界定之幾何路彳查上，其 中’在拋光過程中，半導體晶圓之正面係與下拋光盤之拋 光布接觸，而在拋光過程中，半導體晶圓之背面係^上拋 光盤之拋光布接觸。 〃 四、【實施方式】 、 加工之起始產品係以習知方法自一晶體分割而成之半 導體晶圓，例如：自一矽晶體分離出來，經切成_定長度 ’並藉研磨加以圓邊，其正面及/或背面業經藉助於研磨 或精研步驟加以切削。半導體晶圓之邊緣亦可在加工順序 之某處藉助於一適當分佈之研磨輪加以磨圓。再者，繼研 磨步驟之後亦可將半導體晶圓之表面加以蝕刻。 依照本發明，準備實施雙面拋光時，以適當之方式， 將半導體晶圓置入載具（托運板）之切割框内，俾其正面支 撐在下拋光盤之拋光布上。所以，在實施雙面拋光之過程 中半導體晶圓之正面係與下拋光盤之平滑拋光布接觸， 而半導體晶圓之背面係與上拋光盤之有紋路拋光布接觸。 否則’雙面抛光加工係依照精於此項技術者習知之方式實 施〇 、 本方法所得最終產品係業經實施雙面拋光及業經獲致 大幅改良奈米位相之半導體晶圓。 原則上本發明之方法可用以製造晶圓形狀之物體，該

第6頁 1244691 五、發明說明（4) $ =體係由使用常用化學—機械雙面拋光方法可以加工之 豆;、'' 二二成舉例s之，此類材料（半導體工業主要實施 /、、 , 且不限於此種特殊應用場合）包含：石夕、 ^鍺一氧化矽、氮化矽、砷化鎵及其他冚—v半導體。 動式之石夕(例如：藉左科拉斯基拉晶法或浮 佳。尤以具有（100)、⑴0)或 」nn本方法尤其特別適於製造直徑2 0 0公厘、300公厘、 f /ifoo及^5+〇公厘及厚度自數百微米至數公分（尤以40 0微 米至1200微米更祛、+ ^ 作製作半導體元件之之夕Ba®。該等半導體晶圓可直接用 拋光步驟之後及/或智二'料，或依照既有技術實施最終 矽或其他適當半導體材If/·/層（❹：f面密封層或用 藉助於熱處理實施調；塗層)之後及/或 兹藉製造石夕晶圓為供作預定之用途。 ^ P1I, ^ ®為例，將本發明方法作進一步說明。 及鑛割方法種法㈣丨而成及（視直徑 區域之石夕晶圓可直接^/ϋ。晶格子深達1 〇至4 〇微米 在實施雙面拋光之前，最二二轭以雙面拋光步驟。但’ 輪）將清晰界定及（戶斤以）機^助f適#外形之研磨盤（砂 圓。再者，為改良幾饤;Λ鬲度敏感之晶圓邊緣加以磨 該矽晶圓施以機械研磨牛 移除又扣日日體層，可對 本發明拋光步驟内之如··精研或研磨），以減低 難免受損之晶圓表面及邊之=日為移除機械加工步驟内 緣之、、、〇日日區域及移除可能出現之

1244691 發明說明（5) 任何雜貝（例如.文扣部分連在—起之金屬雜質），此處可 繼之以蝕刻步驟。該蝕刻步驟之實施方式可以是··於一鹼 性或酸性蝕刻混合物内矽晶圓之湯化學處理或電漿處理。 舉例言之，美國電腦製造公司（IBM)技術報告以 22. 234 2中曾述及一種可商購、適當尺寸之雙面拋光機， =面拋光機可用以實施本發明之拋光步驟。該拋光機主

括：一下拋光盤（可在水平面上自由旋轉），及一上拋 士 1、可在水平面上自由旋轉），該等拋光盤均經覆以拋光 布’並且可對半導體晶圓（此處即矽晶圓）之兩面施以材料 移除拋光作用，同時連續供以適當化學組成物之拋光流體 可 同時抛 定。該 拋光機 具有足 銷齒輪 一通常 ，因而 拋 徑之參 光盤、 矽 曰曰 多矽晶 能僅拋光 光多個石夕 等矽晶圓 及載具盤 以容納石夕 傳動或漸 反向（對） 載具盤在 光操作過 數實例包 下拋光盤 圓，矽晶 圓偏心地 一個矽晶 晶圓為佳 係固定在 在拋光過 晶圓尺寸 開線齒輪 轉動外銷 兩個抛光 程中，影 含：拋光 及載具盤 圓則沿圍 安置在一 圓。但，通常，為節省成本，以 ’貫際數目則視拋光機之結構而 一幾何形狀路徑上，該路徑係由 程中之加工參數界定，該載具盤 之切割框。舉例言之，藉助於針 傳動（經由一轉動内銷或齒環及 或齒環）使載具盤與拋光機接觸 盤之間旋轉運動。 響石夕晶圓相關上及下拋光盤之路 盤之尺寸’載具盤之設計及上拋 之轉速。若載具盤之中央總是有 繞抛光機中心之圓環移動。若許 載具盤内’載具盤圍繞本身軸線 1244691 五、發明說明（6) 之轉動則形成一内擺線路徑。 =為佳。尤以同時使用四至六個二先力:工以内擺線 有至少三個石夕晶圓、間隔規律、配置；；路母：载具盤載 原則上，本發明方法所用載 仫上）更佳。 該等材料對驅動所引起機 ^ f/ 壬何材料製得， γ足夠之機械穩定性。再 1負; 體及抛光布之重大化學及機械侵室，以受所用拋 足夠使用壽命並防止拋光後矽晶圓遭i污毕：載具盤之 料必須適於製造高度平I、無應力及 伏：者，該材 期厚度及幾何形狀之載具盤。原則上：舉例：=、具有預 :盤可由金屬、塑膠、玻璃纖維強化 U塑 鋼製之載具盤更佳。 仏。尤以不銹 載具盤具有一個或更多個切割框 圓。為確保…可在 内自由移動，士刀割框之直#必須較待拋光石夕晶圓者略大。 以直徑略大〇. 1至2公厘為佳，尤以直徑略大〇. 3至丨3公厘 更佳。為防止拋光過程中晶圓邊緣遭受載具盤中切割框内 緣，傷，如歐洲專利EP 2083 1 5B1中所建議：切割框之内 側最好加上一層與載具盤同樣厚之塑膠襯墊。 如德國專利DE 1 990 573 7A1中所述，本發明拋光加工 所用載具盤之厚度以400至1 20 0微米為佳，尤以視經拋光 石夕晶圓之最終厚度而定則更佳。拋光步驟内之石夕移除量以 5至100微米為佳，但以丨〇微米至60微米較佳，尤以2〇至5〇 1244691 五、發明說明（7) 微米更佳。

在有關正面朝下半導體晶圓定向所作說明之背景範圍 内’雙面拋光步驟最好係以精於此項技術者習知之方式實 施。具有廣泛性能範圍之拋光布均可商購。最好利用可商 購、硬度為40至120(蕭耳A)聚胺甲酸酯拋光布實施拋光作 用。尤以混以聚乙烯纖維、硬度為6 〇至9 〇 (蕭耳A )之聚胺 甲酸酯布料更佳。若係拋光矽晶圓類，建議連續供以酸度 值為9至12(尤以10至11更佳）、包括1至1〇%重量比（尤以1 至5 %重置比更佳）水中S i 〇2之抛光流體、拋光壓力以〇 . 〇 5至 0.5巴為佳，尤以0.1至〇·3巴更佳。石夕移除速率以至 1.5微米/分鐘為佳，尤以〇·4至〇·9微米/分鐘更佳。 將拋光後之半導體晶圓自下拋光盤上卸下時，最好將 该等半導體晶圓置於標準加工支架上，俾進一步將其加以 處理俾其表面在隨後之加工步驟中呈正確定向。與傳統雙 面拋光（其中半導體晶圓拋光時係正面朝上）相較，若容納 半導體晶圓之支架係配置得旋轉1 8 0。，則儘量避免需將半 導體晶圓旋轉1 8 0。。此項工作可用手動卸下或機器人自動 卸下均可獲得同樣優良效果。將半導體晶圓裝在下拋光盤 上時，此種性質之工作亦屬可能。

拋光後之半導體晶圓可用手動或藉助於一自動移動（ 去除）裝置自下拋光盤上取下；在該兩種情況下，以使用 真空吸氣器具為佳。德國專利DE 1 9 958077Α1(第6頁，第 23至30行）曾述及一種適當之真空吸氣器具。自拋光盤上 取下之後’隶後將半導體晶圓送入一液體浴内（尤以水性

1244691 五、發明說明（8) 浴内更佳）。如此，則可有效地防止拋光研磨劑變乾及防 止真空吸氣器具或（一般名稱）卸除器材形成印記。 生抛光加工完成後，將任何附著之拋光流體自矽晶圓上 清洗掉並將晶圓烘乾。 視其進一步用途而定，該等晶圓之正面也許需要依照 既有技術施以最終拋光，例如··利用一柔軟拋光布及藉助 於一以S i 〇2為主要成分之鹼性拋光流體。 諸實驗例： 下列實驗例及比較例所使用者係一可商購、AC 2 0 0 0 =2型雙面拋光機，彼德、華特斯出品、倫茲堡、德國）。 _ 該拋光機裝有五個不銹鋼製、具有精研表面、厚度為72〇 微米之載具盤，每個載具盤具有六個内徑為2〇〇· 5公厘之 圓，切割框，該等切割框以等距配置在一圓形路徑上並襯 以聚二氣偏乙烯層，該機每批可同時拋光3〇個直徑2〇〇公 厘t矽晶圓。上、下拋光盤覆以可商購、羅德爾公司製、 商標2稱為SUBA 5 0 0、硬度為74(蕭耳A)、用聚乙烯纖維強 化之水胺曱酸g旨拋光布。緊繃於下拋光盤上之拋光布具有 3滑表面；緊繃於上拋光盤上之拋光布，其表面具有由壓 衣而成、見度1 · 5公厘及深度〇 · 5公厘、呈部分圓環狀之凹 槽所形成之棋盤狀圖案，該等凹槽之配置間距為3 〇公厘。_ 比較例 總是以手動方式將3 0個、具有蝕刻表面、直徑為2 0 0 么厘之石夕晶圓置入載具盤之切割框内，並使其正面朝下。 實施抛光加工時，連續供以水性拋光研磨劑（Levasi丨2〇〇

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，、拜耳公司出品，列佛庫森，德國），其固定s丨〇2固體含 莖為3 · 1 %重$比及其酸度值係藉添加碳酸鉀及氫氧化鉀而 設定在11. 4。。該拋光加工係在壓力〇·2巴及上、下拋光盤 溫度總疋3 8 C之情況下實施，其材料移除速率為〇 · 5 8微米 /分鐘。自晶圓每個面移除之矽為丨5微米。俟經拋光晶圓 之厚度達725微米之後，終止供應拋光研磨劑，並代之以 供應停止劑’歷時2分鐘。所用停止劑係日本藤見公司出 品、Glanzox 36 0 0型之1%重量比水溶液。俟停止步驟終止 之後’將设備打開，位於載具盤内之矽晶圓則完全由停止 液潤濕。利用可商購、彼德華爾特斯製之卸取站將矽晶圓 运至位於水浴内之框架内。之後，於一分批清洗設備内將 該等石夕晶圓烘乾，該設備之洗浴順序為：氫氧化四甲基銨 /¾¾ ; HF/HC1 ;臭氧；HC1及利用一可商賭之烘乾裝置並 依照瑪蘭格尼原理操作。經清洗晶圓之奈米位相係利用量 測場2公厘x2公厘（HCT 2><2)及10公厘χίο公厘（HCT 10 X 10)於一ADE SQM CR83裝置上量測。總計拋光1 96 8個矽 晶圓’隨後將其奈米位相加以鑑定。 實驗例 以類似於比較例之方法將總計2 1 5 7個、具有蝕刻表面 、直彳兰為2 0 〇公厘之矽晶圓加以處理。唯一與比較例不同 的疋·置入載具盤切割框之石夕晶圓，其正面係朝下’之後 沿此定向拋光。所得奈米值之統計分析結果如表内所示。

1244691 五、發明說明（10) 比較例： 19 6 8個矽晶圓 實驗例： 2157個矽晶圓 量測場 HCT 2x2 HCT 10x10 HCT 2x2 HCT 10x10 平均 18.50 40.48 15.24 33.06 標準偏差 4.87 9.65 2.06 5.66 若該等矽晶圓係以正面朝下之方式拋光，由比較顯示 :對兩種尺寸之量測場而言，矽晶圓之奈米位相獲得大幅 改良。 ❿

第13頁 1244691 圖式簡單說明 本申請案無圖式。 # 11111 第14頁

Claims (1)

1244691 六、申請專利範圍 1 · 一種在供有拋光流體之情況下、於兩個覆以拋光布之 旋轉拋光盤之間同時拋光半導體晶圓正面及背面之方法， 下拋光盤之拋光布具有一平滑表面及上拋光盤之拋光布之 表面由凹槽加以間隔，半導體晶圓係位於一載具盤切割框 内且固定在一界定之幾何路徑上，其中，在拋光過程中， 半導體晶圓之正面係與下拋光盤之拋光布接觸，而在拋光 過程中，半導體晶圓之背面係與上拋光盤之拋光布接觸。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，繼正面及背面 同時拋光之後，該半導體矽晶圓係藉助於真空吸氣裝置轉 移至一水浴内。 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，繼正面及背 面同時拋光之後，將該半導體晶圓之正面施以最終拋光。

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