TWI463555B

TWI463555B - 半導體晶圓的製造方法

Info

Publication number: TWI463555B
Application number: TW099132152A
Authority: TW
Inventors: 尤爾根史卻汪德納; 湯瑪士巴士察哈德; 狄亞哥菲糾; 麥克柯斯坦; 喬治皮茲奇; 甘特史瓦伯
Original assignee: 世創電子材料公司
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2014-12-01
Also published as: SG170662A1; US8685270B2; KR101230112B1; CN102069448B; KR20110046269A; JP5548583B2; JP2011097055A; DE102009051008B4; US20110097975A1; DE102009051008A1; CN102069448A; TW201118938A

Description

半導體晶圓的製造方法

本發明係關於半導體晶圓的製造方法。

根據現有技術，半導體晶圓在複數個連續的加工步驟中製造，其通常可以再劃分成以下的組：

a)　製造由半導體材料組成的單晶(拉晶)；

b)　將半導體單晶分割成單獨的晶圓(“切片”、“鋸割”)；

c)　機械加工半導體晶圓；

d)　化學加工半導體晶圓；

e)　化學機械加工半導體晶圓；

f)　熱處理半導體晶圓和/或磊晶塗覆半導體晶圓。

此外還有複數個二次步驟，如清潔、測量和封裝。

通常藉由從熔體拉伸單晶(CZ法或“丘克拉斯基(Czochralski)”法)或者藉由由多晶半導體材料組成的棒材的再結晶(FZ法或“浮區”法)來製造半導體單晶。

已知的分割法包括線鋸割(“多線切割”，MWS)以及內徑鋸割(internal-diameter sawing)。

在線鋸割中，在一個加工過程中從一個晶體塊切割出複數個半導體晶圓。

機械加工用於去除鋸割波紋，用於去除掉經由較粗糙的鋸割過程在晶體方面損傷的表面層、或者被鋸線污染的表面層，且主要是用於半導體晶圓的整體整平(leveling)。在此已知表面研磨(單面、雙面)及研光(lapping)，以及邊緣機械加工步驟。

在單面研磨中，將半導體晶圓的背面放置在支架(“卡盤(chuck)”)上，並用杯狀研磨盤在旋轉支架和研磨盤及緩慢地徑向進給的情況下，對正面進行整平。例如US-3,905,162及US-5,400,548或者EP-0955126公開了用於對半導體晶圓進行表面研磨的方法和裝置。在此情況下，將半導體晶圓的一個表面固定在晶圓固定器上，同時藉由旋轉晶圓固定器和研磨盤並將其彼此壓緊，而用研磨盤加工其相對的表面。在此，將半導體晶圓固定在晶圓固定器上，從而使其中心基本上對應於晶圓固定器的旋轉中心。此外，定位研磨盤，從而使半導體晶圓的旋轉中心到達加工區域或者由研磨盤的齒所形成的邊緣區域。由此可以研磨半導體晶圓的整個表面，無需在研磨平面內移動。

在同時進行雙面研磨(“雙盤研磨”，DDG)時，將半導體晶圓以自由浮動的方式在兩個安裝在相對的共線的轉軸上的研磨盤之間同時進行雙面加工，並在此程序中，晶圓以基本上無約束力的方式，在作用在晶圓正面和背面上的水墊(流體靜力學原理)或氣墊(空氣靜力學原理)之間以軸向方向引導，並避免晶圓由周圍的薄的引導環或者各別的徑向輪幅在徑向上鬆散地漂移開。

在研光的情況下，半導體晶圓在上、下加工盤之間供應有包含磨料材料的漿料的情況下，在一特定壓力下移動，加工盤通常由鋼組成，並通常提供有用於更佳地分配研光劑的溝槽，從而去除半導體材料。

DE 103 44 602 A1和DE 10 2006 032 455 A1公開了以類似於研光的移動順序、同時同步地研磨複數個半導體晶圓兩面的方法，但是其特徵在於，使用牢固地粘結在加工層(“薄膜”、“墊”)中的磨料，該加工層係施加在加工盤上。此類方法稱作“利用研光動力學的精細研磨”或“軌道運行式墊研磨(Planetary Pad Grinding，PPG)”。

例如US 6,007,407 A和US 6,599,177 B2描述了在PPG中採用的粘結在兩個加工盤上的加工層。在加工期間，將半導體晶圓插入薄的引導籠(guide cage)(即所謂的載體)中，其具有用於接收半導體晶圓的相應的開口。該載體具有外鋸齒(outer toothing)，其接合在包含內部和外部的齒圈的滾動裝置中，並利用所述滾動裝置在上、下加工盤之間形成的加工間隙中移動。

通常還對包含任何存在的機械痕跡(如定位切口(orientation notch))的半導體晶圓的邊緣進行加工(“邊緣圓整”、“邊緣切口研磨”)。為此採用利用成形研磨盤(profiled grinding disk)的傳統研磨步驟或者利用連續或週期性的工具進給的帶研磨法。

需要這些邊緣圓整法，因為未經加工的狀態下的邊緣尤其具有斷裂敏感性，而即使在邊緣區域內的輕微的壓力和/或溫度負荷也會損害半導體晶圓。

在後續的加工步驟中，通常對經研磨的、且用蝕刻介質處理過的晶圓邊緣進行拋光。在此，以一特定的力(接觸壓力)將繞中心旋轉的半導體晶圓的邊緣壓在繞中心旋轉的拋光筒上。US 5,989,105公開了用於邊緣拋光的此類方法，其中拋光筒由鋁合金組成，並將拋光墊施加在其上。半導體晶圓通常固定在平坦的晶圓固定器(即所謂的卡盤)上。半導體晶圓的邊緣凸出於卡盤之上，從而使其自由地到達拋光筒。

化學加工步驟的類組通常包括濕式化學的清潔步驟和/或蝕刻步驟。

化學機械加工步驟的類組包括拋光步驟，其中透過部分化學反應和部分機械去除材料(磨削，abrasion)而使表面平滑化，並去除表面的殘留損傷。

單面加工的拋光法(single-side polishing)通常導致更差的平面平行度，而利用作用於雙面的拋光法(double-side polishing)則可以製造具有改善的平面度的半導體晶圓。

根據現有技術，在研磨步驟、清潔步驟和蝕刻步驟之後，藉由去除拋光使半導體晶圓的表面平滑。在單面拋光(SSP)的情況下，在加工期間利用粘合劑、藉由真空或者藉由粘結將半導體晶圓的背面保持在支撐板上。在雙面拋光(DSP)的情況下，將半導體晶圓鬆散地插入薄的齒盤中，並在覆蓋有拋光墊的上、下拋光盤之間以“自由浮動”的方式同時對正面和背面進行拋光。

此外，半導體晶圓的正面通常以無光霧(haze-free)的方式(例如利用軟性拋光墊藉助鹼性拋光溶膠)進行拋光。在文獻中通常將該步驟稱作CMP拋光(“化學機械拋光”)。例如US 2002/0077039和US 2008/0305722公開了CMP法。

在現有技術中同樣已知所謂的“固定磨料拋光(Fixed Abrasive Polishing，FAP)”技術，其中矽晶圓在拋光墊上進行拋光，但是該拋光墊包含粘結在拋光墊(“固定磨料墊”)中的磨料材料。下文將其中採用該FAP拋光墊的拋光步驟簡稱為FAP步驟。

WO 99/55491 A1中描述了一種兩階段拋光法，其包括第一FAP拋光步驟及後續的第二CMP拋光步驟。在CMP中，拋光墊不包含粘結的磨料材料。在此，如同DSP步驟，磨料材料以漿料的形式引入矽晶圓與拋光墊之間。該兩階段拋光法尤其是用於消除由FAP步驟所殘留在經拋光的基材表面上的刮痕。

德國專利申請案DE 102 007 035 266 A1中描述了一種用於拋光由矽材料組成的基材的方法，其包括兩個FAP型拋光步驟，區別在於，在一個拋光步驟中將包含固體形式的未粘結的磨料材料的拋光劑漿料引入基材與拋光墊之間，而在第二拋光步驟中用不含固體的拋光劑溶液替換該拋光劑漿料。

半導體晶圓通常提供有磊晶層，即，提供有具相同晶體取向且以單晶方式生長的層，隨後在晶圓上施加半導體元件。與由均質材料組成的半導體晶圓相比，此類經磊晶塗覆的半導體晶圓具有特定的優點，例如避免在雙極CMOS電路中的電荷反轉(charge reversal)及隨後的元件短路(“佇鎖(Latch-up)”問題)、更低的缺陷密度(例如減少的COP(“晶體原生顆粒(crystal-originated particles)”數量)、以及沒有明顯的氧含量，藉此可以排除因為在與元件相關的區域內的氧析出物所造成的短路風險。

如何在用於製造半導體晶圓的製程步驟中，安排如前所述的機械及化學機械方法步驟、或者純化學的方法步驟是至關重要的。

已知諸如SSP、DSP和CMP的拋光步驟、蝕刻處理以及磊晶步驟導致半導體晶圓，尤其是在邊緣區域內的平坦度變差。

因此，在現有技術中努力嘗試在拋光過程中使去除材料的量盡可能少，從而還將平坦度的劣化限制在最小的程度。

US 5,942,445 A建議將晶體切割(鋸割)成半導體晶圓，對半導體晶圓的邊緣進行圓整，隨後實施可以包括對半導體晶圓的正面和背面進行雙面研磨和單面研磨的研磨步驟，再對半導體晶圓進行鹼性濕法蝕刻，及最後利用DSP對半導體晶圓進行拋光。遷可用研光步驟代替雙面研磨。在濕蝕刻之後還可實施電漿蝕刻。最後可以用電漿蝕刻代替研磨步驟和濕蝕刻。

通過該方法獲得的利用DSP拋光的半導體晶圓，由於採用濕式化學處理以及由電漿協助的化學蝕刻(PACE)而在邊緣區域內具有不令人滿意的幾何形狀。因此，若總是以至少為2毫米的邊緣排除區域(edge exclusion)(參見ITRS“路標”)為基礎，則至少可提供具有可接受的平坦度數值的半導體晶圓。尤其是蝕刻法對奈米形貌(nanotopology)有負面影響。在DSP中需要增加材料去除量，以改善蝕刻步驟之後的奈米形貌，但是在後續這又對邊緣區域內的幾何形狀反而有負面影響。

為了能夠提供用於未來技術世代的、可滿足對於半導體晶圓的邊緣區域的嚴格要求的半導體晶圓，即，為了例如對即使晶圓的最外邊緣區域實施現代的光刻(lithographic)法(浸沒式光刻)，需要其他的手段。

由所述問題領域給出本發明的目的在於，提供一種用於製造尤其是直徑為450毫米的半導體晶圓的新穎製程步驟。

本發明的目的是藉由用於製造半導體晶圓的方法實現的，其包含：(a)藉由一含有平均粒徑為20.0至60.0微米的磨料的研磨盤對一由單晶切割出的半導體晶圓的邊緣進行圓整(rounding)；(b)對該半導體晶圓同時進行雙面材料去除加工，該半導體晶圓以可自由移動的方式，位於複數個藉由一滾動裝置而旋轉的載體之其中一者的切口(cutout)中，並由此以擺線軌跡移動，其中該半導體晶圓在兩個旋轉的環形加工盤之間進行加工，其中各加工盤包含一含有平均粒徑為5.0至20.0微米的磨料的加工層；(c)對該半導體晶圓同時進行雙面材料去除加工，該半導體晶圓以可自由移動的方式，位於複數個藉由一滾動裝置而旋轉的載體之其中一者的切口中，並由此以擺線軌跡移動，其中該半導體晶圓在兩個旋轉的環形加工盤之間進行加工，其中各加工盤包含一含有平均粒徑為0.5至15.0微米的磨料的加工層；(d)藉由一含有平均粒徑為0.5至20.0微米的磨料的研磨盤對該半導體晶圓的邊緣進行圓整；(e)用一蝕刻介質處理該半導體晶圓的兩面，且該半導體晶圓各面的材料去除量係不多於1微米；(f)使用一含有粒徑為0.1至1.0微米的磨料的拋光墊對該半導體晶圓的至少一面進行拋光；(g)對該半導體晶圓的邊緣進行拋光；(h)至少對正面進行化學機械拋光。

根據本發明的方法包括在步驟(b)和(c)中對半導體晶圓的正面和背面的兩次同時雙面加工，其中第一步驟提供粗研磨，而第二步驟提供精研磨，在此期間半導體晶圓以類似於研光和DSP的方式而位於載體的切口中。此外，在半導體晶圓表面的加工方面，對半導體晶圓的正面實施至少一次FAP拋光及至少一次CMP拋光。

根據本發明，所述方法不含有任何機械的全面的表面加工，其中利用晶片固定器(例如真空卡盤)將半導體晶圓固定在其一面上，同時藉由進給旋轉的研磨盤而加工另一面。

在步驟(b)和(c)中半導體晶圓以無約束力的方式，並不將半導體晶圓固定地夾緊在架座(卡盤)上，即以“自由浮動”的方式進行雙面同時加工。

其優點在於，避免在“卡盤加工”期間的半導體晶圓的變形。所有與去除相關的表面加工步驟具有軌道運行式動力學以及對半導體晶圓表面的全面加工。這些方法允許相對溫和地改變半導體晶圓與加工盤之間的相對速率，還允許平衡且均勻地損耗加工盤的加工層。

該方法不包括現有技術中已知的單面研磨(SSG)過程，既不是以粗研磨的形式，也不是以精研磨的形式。

此外，在根據本發明的方法中不提供同時的雙面研磨(DDG)。

此避免諸如(僅列舉一些)在SSG和DDG之後在半導體晶圓中心的研磨臍(grinding navel)、在DDG中的“火花痕跡(spark-out mark)”、以及在SSG中的研磨痕跡的缺陷。

如後所述，還可在分成兩部分的自由浮動法中實施步驟(f)和(h)，其中使用習知的雙面拋光機，從而可以對在載體中以自由浮動方式引導的半導體晶圓的兩面進行同時同步地拋光，其將習知的DSP和CMP相結合。因此，以無約束力的方式同時對雙面實施全部的化學機械表面加工或純機械的表面加工。

下面詳細闡述根據本發明的方法的主要步驟及其較佳的實施態樣。

首先從利用CZ或FZ生長的由半導體材料組成的單晶切割出半導體晶圓。較佳利用線鋸切割半導體晶圓。例如以US 4,655,191、EP 522 542 A1、DE 39 42 671 A1或EP 433 956 A1公開的方式，利用線鋸切割半導體晶圓。

所生長的由半導體材料組成的單晶較佳為由矽組成的單晶。半導體晶圓較佳為單晶矽晶圓。

所述方法較佳係以根據本發明方法的步驟(a)至(h)的指定順序來實施。根據步驟(g)的邊緣拋光可以在步驟(h)之前或之後實施。較佳還實施兩次邊緣拋光程序，其中第一邊緣拋光程序在步驟(f)與步驟(h)之間實施，而第二邊緣拋光程序在步驟(h)之後實施，其中第二邊緣拋光程序較佳係利用軟性去除材料的二氧化矽溶膠(silica sol)(軟性邊緣拋光)實施。

步驟(a)─使用粗磨料對半導體晶圓的邊緣進行圓整

在步驟(a)中半導體晶圓係提供有經圓整的邊緣。

為此，將半導體晶圓固定在旋轉的桌上，並以其邊緣對同樣旋轉的加工工具的加工面相對地進給。在此使用的加工工具可為盤，其固定在轉軸上並具有用作加工面以加工半導體晶圓邊緣的圓周面。

例如DE 195 35 616 A1公開了適合於此目的的裝置。

半導體晶圓較佳係提供有相對於晶圓中心平面對稱的輪廓，其在晶圓正面和晶圓背面上具有相同類型的面，或者係提供有不對稱的邊緣輪廓，其在正面和背面上具有不同的面寬度。在此，半導體晶圓邊緣獲得在幾何形狀上與目標輪廓相似的輪廓。

所用的研磨盤較佳具有溝槽輪廓。DE 102 006 048 218 A1公開了一種較佳的研磨盤。

加工面還可以研磨布(abrasive cloth)的形式或者以研磨帶來實施。

去除材料的顆粒，較佳為金剛石，可以牢固地錨定在加工工具的加工面中。所用的顆粒具有粗的粒度。根據JIS R 6001:1998，粒度(篩號，目)為#240至#800。

平均粒徑為20至60微米，較佳為25至40微米，尤其較佳為25至30微米或30至40微米。

步驟(b)─利用粗磨料對由單晶切割出的半導體晶圓進行雙面去除材料加工

在根據本發明方法的步驟(b)中，對半導體晶圓的兩面進行去除材料加工。

PPG是對複數個半導體晶圓進行同時雙面研磨的方法，其中各個半導體晶圓以可自由移動的方式位於複數個藉由一滾動裝置旋轉的載體之其中一者的切口(cutout)中，並由此以擺線軌跡移動，其中半導體晶圓在兩個旋轉的加工盤之間進行去除材料式加工，其中各加工盤包含一含有粘結的磨料的加工層。

莫氏硬度(Mohs hardness)6的硬質材料係較佳作為粘結在加工層中的磨料。適合的磨料材料較佳為金剛石、碳化矽(SiC)、二氧化鈰(CeO₂ )、剛玉(氧化鋁，Al₂ O₃ )、二氧化鋯(ZrO₂ )、氮化硼(BN；立方氮化硼，CBN)、其他的二氧化矽(SiO₂ )、碳化硼(B₄ C)、直至明顯較軟性的物質，如碳酸鋇(BaCO₃ )、碳酸鈣(CaCO₃ )或碳酸鎂(MgCO₃ )。但是，尤其較佳為金剛石、碳化矽(SiC)和氧化鋁(Al₂ O₃ ；剛玉)。

磨料的平均粒徑為5至20微米，較佳為5至15微米，尤其較佳為5至10微米。研磨顆粒較佳係單獨地或者作為聚集體(cluster)而粘結在加工層的粘結基體中。在聚集體粘結的情況下，較佳的粒徑涉及聚集體組成的主要顆粒的粒徑。

較佳係使用以陶瓷粘結的加工層，尤其較佳為合成樹脂粘結；在具有聚集體的加工層的情況下，還可以是雜混粘結的系統(在聚集體中的陶瓷粘結和在聚集體與加工層基體之間的合成樹脂粘結)。

在加工期間較佳係使在加工層之間形成的加工間隙中的溫度保持恆定。為此，載體可以具有開口，通過開口可以在下加工盤與上加工盤之間交換冷卻潤滑劑，從而使上、下加工層總是具有相同的溫度。這抵消了由於在交替變化負荷下，因熱膨脹使加工層或加工盤變形，而導致在加工層之間形成的加工間隙產生不欲的變形。此外，改善了粘結在加工層中的磨料的冷卻，且冷卻變得更加均勻，由此延長了磨料的有效壽命。

較佳係在研磨期間測定在加工層之間形成的加工間隙的形狀，並取決於所測得的加工間隙的幾何形狀，以機械或熱的方式改變至少一個加工盤的加工面的形狀，從而使加工間隙具有預定的形狀。

半導體晶圓較佳在加工期間暫時以其表面的一部分離開由加工層所限定的加工間隙，其中在徑向方向上的最大偏移量為大於半導體晶圓直徑的0%且最大為20%，偏移量係定義為相對於加工盤在徑向方向上測得的的長度(半導體晶圓在研磨期間在特定的時間點突出於加工間隙的內邊緣或外邊緣的長度)。

在加工快要結束時，較佳係將粘度至少為3×10^-3 牛頓/平方公尺‧秒且最高為100×10^-3 牛頓/平方公尺‧秒的液體介質經由載體的開口引入加工盤與半導體晶圓之間。至少在加工盤與半導體晶圓分離時，應當存在該介質，從而減少被加工層機械去除的量。由此可以避免在現有技術中觀察到的研磨缺陷，如劃痕、刮痕或剝除(lift-off)痕跡。這在未預先公開的德國專利申請第10 2009 048 436.1號中有所述及，在此將其全部內容併入本申請作為參考。

作為所述介質較佳係考慮以下物質：

●　包含多元醇(甘油、單體二醇、寡聚體二醇、聚二醇和多元醇)的含水混合物

●　甘油、丁醇和界面活性劑的含水混合物

●　漿料，其中藉由固體比例確保所需的介質粘度(由二氧化矽或鈰氧化物顆粒組成的膠體分散體)，較佳係取決於固體比例之額外的提高粘度的介質(例如醇類)。

步驟(c)─使用更細的磨料對由單晶切割出的半導體晶圓進行雙面去除材料加工

在步驟(c)中同樣實施半導體晶圓的PPG研磨，其中使用具有比步驟(b)中更細的粒度的研磨布。

磨料的平均粒徑為0.5至10微米，較佳為0.5至7微米，尤其較佳為0.5至4微米，特別較佳為0.5至2微米。

在藉由根據本發明方法的步驟(b)進行加工之前的起始厚度較佳為500至1000微米。對於直徑為300毫米的矽晶圓，起始厚度尤其較佳為775至950微米。

在根據本發明方法之步驟(c)後之加工後的半導體晶圓最終厚度較佳為500至950微米，且特別較佳為775至870微米。

經由步驟(b)和(c)的總材料去除量，即半導體晶圓的雙面各別的材料去除量之總和，較佳為7.5至120微米，尤其較佳為15至90微米。

步驟(d)─使用更細的磨料對邊緣進行圓整

在步驟(d)中，實施第二邊緣圓整步驟。但是使用具有更細的粒度的研磨工具。

為此，再次將半導體晶圓固定在旋轉的桌上，並以其邊緣與同樣旋轉的加工工具的加工面相對地進給。在此使用的加工工具可以盤來實施，其固定在轉軸上並具有用作加工面以加工半導體晶圓邊緣的圓周面。

加工面還可以研磨布的形式或者以研磨帶來實施。

去除材料的顆粒，較佳為金剛石，可以牢固地錨定在加工工具的加工面中。

所用的顆粒具有細的粒度。根據JIS R 6001:1998，粒度應當小於#800，較佳為#800至#8000。

平均粒徑為0.5至20微米，較佳為0.5至15微米，尤其較佳為0.5至10微米，特別較佳為0.5至5微米。

步驟(e)─蝕刻或清潔半導體晶圓

在根據本發明方法的步驟(e)中，用一蝕刻介質處理半導體晶圓的兩面，且半導體晶圓各面的材料去除量不多於1微米。

半導體晶圓每面的最小材料去除量較佳為1單分子層(monolayer)，即約0.1奈米。

較佳係使用酸性介質對半導體晶圓實施濕式化學處理。

適合的酸性介質包括氫氟酸、硝酸或乙酸的含水溶液。

特別較佳係使用含有氟化氫和至少一種氧化半導體晶圓表面的氧化劑的氣態介質來處理半導體晶圓。在此情況下，特別有利的是氣態介質以40毫米/秒至300公尺/秒的相對速率迎流半導體晶圓的表面。

因此，氣態介質含有氟化氫和至少一種氧化劑。氧化劑必須能夠氧化半導體材料，例如矽。

在對矽表面進行氧化時，例如產生矽氧化物，較佳為二氧化矽。其進而被氟化氫進行化學攻擊，產生六氟矽酸(H₂ SiF₆ )、四氟化矽(SiF₄ )和水作為反應產物，其被氣態介質的流排出。氣態介質可以進一步包含其他成分，例如惰性載氣，如氮氣或氬氣，以影響流動條件和去除材料的速率。

較佳係使用至少一種選自以下群組中的氧化劑：二氧化氮、臭氧和氯氣。在使用純氯氣時，需要添加水蒸汽以對矽表面進行氧化。在使用二氧化氮和氯氣以及臭氧和氯氣的混合物時，添加氯氣用於將在氟化氫與二氧化矽的反應中釋放的水用於對矽表面進行進一步氧化，並由此避免即使在低的流速和溫度下在反應中釋放的水發生冷凝。尤其較佳係使用臭氧，這是因為其高的氧化潛力、反應產物不會出現任何問題、以及藉由在半導體工業中廣泛使用的臭氧產生器而容易供應。

為了產生氣態介質，可以所期望的量的比例將各成分加以混合。通常選擇氟化氫與氧化劑的比例為1：1至4：1的範圍。

可以藉由將各別組分直接通入加工室內或藉由連結在其上游的混合器內，或者藉由使氣態氧化劑通過適當濃度的氟化氫的液態含水溶液來供應氣態介質。這例如可以在所謂的洗滌瓶或相當的裝置中進行。在氣態氧化劑經過含水溶液時，其富含水和氟化氫，從而產生所需的氣態介質。

在相同的方法參數以及氟化氫與氧化劑的恆定比例下，溫度的升高及濃度的升高表現出促進反應的作用。

在氣相中的蝕刻用於降低半導體晶圓的粗糙度，從而可以減少所需的拋光去除材料的量，此外可去除雜質和減少晶體結構的表面缺陷。

較佳係以單晶片處理的方式實施所述清潔法和蝕刻法。

尤其是對於在根據本發明方法範疇內特別較佳的直徑為450毫米的半導體晶圓而言，美國Solid State Equipment公司的針對尺寸最大為500毫米×500毫米的基材所設計的SSEC 3400 ML適合於此目的。

步驟(f)─對半導體晶圓的至少一面實施FAP拋光

在步驟(f)中，使用一含有平均粒徑為0.1至1.0微米的磨料的拋光墊對半導體晶圓的至少一面進行拋光。

在步驟(f)中較佳係對半導體晶圓的正面和背面同時同步進行拋光。習知的DSP拋光機適合於此，其中所用的拋光墊包含磨料。

在步驟(f)中較佳係僅拋光半導體晶圓的正面。

在該拋光步驟期間，較佳係將不含固體物質的拋光劑溶液引入半導體晶圓的待拋光的面與拋光墊之間。

在最簡單的情況下，拋光劑溶液是水，較佳為去離子水(DIW)，其具有適用於半導體工業中的純度。

但是拋光劑溶液還可以包含化合物，如碳酸鈉(Na₂ CO₃ )、碳酸鉀(K₂ CO₃ )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH₄ OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或其任意所欲的混合物。特別較佳係使用碳酸鉀。在此情況下，拋光劑溶液的pH值較佳為10至12，拋光劑溶液中所述化合物的比例較佳為0.01至10重量%，尤其較佳為0.01至0.2重量%。

拋光劑溶液可以進一步包含一種或多種其他的添加劑，例如表面活性添加劑，如潤濕劑和界面活性劑、發揮保護膠體作用的穩定劑、防腐劑、殺生物劑、醇類和錯合劑。

所用的拋光墊包含粘結在拋光墊(FAP墊或FA墊)中的磨料材料。

合適的磨料材料例如包含元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物的顆粒以及諸如碳化矽、氮化硼和金剛石的硬質材料的顆粒。

特別合適的拋光墊具有特徵為重複的微結構的表面形貌。所述微結構(柱狀物(posts))例如具有圓柱或多角形截面的柱的形狀，或者具有棱錐或截棱錐的形狀。

例如WO 92/13680 A1和US 2005/227590 A1中包含這類拋光墊的更詳細的描述。

尤其較佳係使用具有牢固地粘結在其中的鈰氧化物磨料的拋光墊，例如在US 6,602,117 B1中所述者。

磨料的平均粒徑尤其較佳為0.1至0.6微米。

平均粒徑特別較佳為0.1至0.25微米。

對於FA拋光較佳係以各面大於或等於1微米的材料去除量進行加工，其中在此尤其較佳係在1至3微米的範圍內，特別較佳在1.5至2微米的範圍內進行加工。

在步驟(f)中較佳係同時同步地用FA拋光墊對半導體晶圓的正面及用CMP拋光墊對半導體晶圓的背面進行拋光。傳統的DSP拋光機同樣適合於此目的，其中一個拋光盤配備有FA拋光墊，而第二拋光盤配備有傳統的CMP拋光墊。

步驟(g)─對半導體晶圓的邊緣進行拋光

在步驟(g)中對半導體晶圓的邊緣進行拋光。

可商購的自動邊緣拋光單元適合於實施根據本發明方法的步驟(g)。

US 5,989,105公開了所述用於邊緣拋光的裝置，其中拋光筒係由鋁合金組成並配備有拋光墊。

半導體晶圓通常固定在平坦的晶圓固定器，即所謂的卡盤上。半導體晶圓的邊緣突出於卡盤上，從而使其可以自由地達到拋光筒(drum)。相對於卡盤傾斜特定角度的、繞中心旋轉的、配備有拋光墊的拋光筒與裝有半導體晶圓的卡盤係相互地進給，並以一特定的接觸壓力在連續提供有拋光劑的情況下相互壓緊。

在邊緣拋光時，卡盤連同固定在其上的半導體晶圓繞中心旋轉。

卡盤旋轉一周較佳係持續20至300秒，尤其較佳為50至150秒(旋轉時間)。

較佳以300至1500/分鐘，尤其較佳以500至1000/分鐘的轉速繞中心旋轉的、覆蓋有拋光墊的拋光筒與卡盤相互進給，其中拋光筒以相對於半導體晶圓的設定角度傾斜地設置，半導體晶圓固定在卡盤上，從而使半導體晶圓輕微地突出於卡盤上，並因此可以達到拋光筒。

設定角較佳為30°至50°。

半導體晶圓和拋光筒以特定的接觸壓力在以較佳為0.1至1公升/分鐘，尤其較佳為0.15至0.40公升/分鐘的拋光劑流速連續地提供拋光劑的情況下相互壓緊，其中接觸壓力可以藉由附著於滾筒上的砝碼加以調節，且較佳為1至5公斤，尤其較佳為2至4公斤。

較佳在半導體晶圓或固定有半導體晶圓的卡盤旋轉2至20周，尤其較佳為2至8周之後，使拋光筒和半導體晶圓相互分離。

在這些常用的邊緣拋光法中，通常對在半導體晶圓的邊緣區域內的局部幾何形狀有負面影響。這涉及，在此使用的相對“較軟性的邊緣拋光墊”(通常使用相對較軟性的、施加有二氧化矽溶膠的拋光墊)不僅拋光邊緣本身，而且還拋光半導體晶圓的正面和/或背面的外面部分，這可以藉由將硬質邊緣“浸入”施加有拋光劑漿料的拋光墊中而加以解釋。這確實具有不僅在實際的邊緣區域內而且在正面和/或背面的相鄰區域內去除材料的效果。

因此，在根據本發明的方法中，較佳係藉由以下方式對半導體晶圓邊緣拋光：將半導體晶圓固定在繞中心旋轉的卡盤上，將半導體晶圓和相對於卡盤傾斜的、繞中心旋轉的、配備有包含牢固地粘結的磨料的拋光墊(FAP拋光墊)的拋光筒進給，並將半導體晶圓與拋光筒在連續地提供有不含固體物質的拋光劑溶液的情況下相互壓緊。

由此可以針對性地影響晶圓邊緣，而不會損害半導體晶圓的正面和/或背面的鄰接區域，並由此例如僅在晶圓邊緣上確定所欲的幾何特性和表面特性。

與根據標準使用的拋光墊相比，所用的FAP墊明顯更硬且更不易被壓縮，此外提供無需鹼性裝載的二氧化矽溶膠(例如僅藉由使用鹼性溶液)而實施材料去除的優點，這額外地避免了在晶圓正面上的拋光劑流動挾帶(entrainment)，並由此避免了由於初始侵蝕對晶圓表面的額外的負面影響，其例如是提高的缺陷率，如LLS(局部光散射體(localized light scatterer))的形式。

額外地可以接著在相同的FAP拋光墊上使用溫和地去除材料的二氧化矽溶膠以實施短的拋光步驟，以降低邊緣粗糙度和邊緣缺陷率。

這兩個拋光步驟可以相互協調，從而針對性且正面性地影響晶圓邊緣幾何形狀和表面，而不會對晶圓正面和晶圓背面上的晶圓部分位點有負面影響。

因此，原則上較佳係利用其表面上粘結有包含牢固地粘結的磨料的、不易壓縮的、硬的拋光墊的拋光筒，在提供鹼性溶液的情況下對半導體晶圓進行拋光。

隨後較佳係在第二步驟中在相同的拋光墊上，在供應二氧化矽溶膠(如包含約1重量%的SiO₂ 的Glanzox 3900*)的情況下實施平滑化步驟。

*Glanzox 3900是由日本Fujimi公司作為濃縮物提供的拋光劑漿料的產品名。該濃縮物的基礎溶液的pH值為10.5，並包含約9重量%的平均粒徑為30至40奈米的膠體SiO₂ 。

已發現藉由所述利用FAP墊進行的邊緣拋光完全避免了在現有技術中觀察到的在半導體晶圓的邊緣區域內的局部幾何形狀變差的現象。

另一個優點在於，避免了在邊緣拋光的去除材料步驟中拋光劑之流動挾帶，及因此避免了由於在晶圓表面上不受控制的初始侵蝕而產生的表面缺陷。

在最簡單的情況下，在邊緣拋光時所用的拋光劑溶液是水，較佳為去離子水(DIW)，其具有適用於半導體工業中的純度。

但是拋光劑溶液還可以包含化合物，如碳酸鈉(Na₂ CO₃ )、碳酸鉀(K₂ CO₃ )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH₄ OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)或其任意所欲的混合物。

特別較佳係使用碳酸鉀。

拋光劑溶液的pH值較佳為10至12，拋光劑溶液中所述化合物的比例較佳為0.01至10重量%，尤其較佳為0.01至0.2重量%。

拋光劑溶液可以進一步包含一種或多種其他的添加劑，例如表面活性添加劑如潤濕劑和界面活性劑、發揮保護膠體作用的穩定劑、防腐劑、殺生物劑、醇類和錯合劑。

在邊緣拋光的較佳的第二步驟中，使用包含磨料的拋光劑。該步驟較佳係在步驟(h)之後實施，其中第一邊緣拋光過程在步驟(f)與步驟(h)之間實施。

在拋光劑漿料中磨料材料的比例較佳為0.25至20重量%，尤其較佳為0.25至1重量%。

磨料材料顆粒的粒徑分佈較佳為明顯的單峰。

平均粒徑為5至300奈米，較佳為5至50奈米。

磨料材料包含機械去除基材材料的材料，較佳包含一種或多種元素鋁、鈰或矽的氧化物。

拋光劑漿料尤其較佳係包含膠體狀分散的二氧化矽。

在邊緣拋光的視需要實施的第二步驟中，與第一步驟不同的是，較佳係不加入如碳酸鈉(Na₂ CO₃ )、碳酸鉀(K₂ CO₃ )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH₄ OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)的添加劑。

但是所述拋光劑漿料可以包含一種或多種其他的添加劑，例如表面活性添加劑如潤濕劑和界面活性劑、發揮保護膠體作用的穩定劑、防腐劑、殺生物劑、醇類和錯合劑。

因此，在根據本發明方法的步驟(g)中較佳係使用含有粘結在拋光墊(FAP墊或FA墊)中的磨料材料的拋光墊。

特別合適的拋光墊具有特徵為重複的微結構的表面形貌。所述微結構(柱狀物)例如具有圓柱或多角形截面的柱的形狀，或者具有棱錐或截棱錐的形狀。

FAP拋光墊的平均粒徑較佳為0.1至1.0微米，更佳為0.1至0.6微米，尤其較佳為0.1至0.25微米。

具有多層結構的拋光墊特別適合於實施所述方法，其包含一層具有磨料的層、一層由硬塑膠組成的層以及一柔性(compliant)非織物的層，其中利用壓力敏感性之粘結層使彼等層相互粘結。

由硬塑膠組成的層較佳係包含聚碳酸酯。

拋光墊可以包含一層額外的由聚氨酯(polyurethane)泡沫組成的層。

在此，拋光墊的層中的其中一層是柔性的。

柔性層較佳為非織物層。

柔性層較佳係包含聚酯纖維。特別合適為由經聚氨酯浸漬的聚酯纖維組成的層(非織物)。

藉由柔性層可以調整墊的高度，並遵循連續的過渡。

柔性層較佳係相當於拋光墊的最底層。例如由聚氨酯組成的泡沫層較佳係位於其上，泡沫層利用粘結層固定在柔性層上。由更硬的硬質材料，較佳由硬塑膠組成的層位於聚氨酯(PU)泡沫之上，例如聚碳酸酯適合於硬塑膠。具有微重複的結構的層，即真正的固定磨料層，係位於所述硬質層之上。

但是柔性層還可以位於泡沫層與硬質層之間，或者直接在固定磨料層的下方。

較佳利用壓力敏感性粘結(PSA)層使各層相互固定。

拋光墊較佳係包含具有微重複結構的層、柔性層和由硬塑膠如聚碳酸酯組成的層，其中柔性層可以是拋光墊的中間層或者是最底層。

所用的多層FAP拋光墊的粒徑較佳為大於或等於0.1微米且小於或等於1.0微米，更佳為0.1至0.6微米，尤其較佳為0.1至0.25微米。

步驟(h)─至少對正面進行化學機械拋光

在所述方法的步驟(h)中，至少對半導體晶圓的正面進行CMP拋光。

在該步驟中，較佳係利用CMP對半導體晶圓的兩面進行拋光。傳統的DSP拋光機適合於此目的，但是在所述機器中使用更軟的CMP拋光墊代替傳統的DSP去除材料的拋光墊。

所用的CMP拋光墊是具有多孔基體的拋光墊。

所述拋光墊較佳係包含熱塑性或熱可硬化的聚合物。作為所述材料可以考慮許多物質，例如聚氨酯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚丙烯酸酯、聚酯等。

拋光墊較佳係包含固體微孔聚氨酯。

較佳地，還使用由經發泡的盤或毛氈基底或纖維基底組成的拋光墊，其係經聚合物浸漬過。

還可以構成經塗覆/浸漬的拋光墊，從而在基底中具有不同於塗層中的孔分佈和孔尺寸。

拋光墊可以基本上是平坦的，或者還可以是多孔的。

可以將填料引入拋光墊中，以控制拋光墊的孔隙率。

可商購的拋光墊例如是Rodel公司的SPM 3100或者Rohm & Haas的DCP系列的墊以及商標為IC1000^TM 、Polytex^TM 或SUBA^TM 的墊。

在步驟(h)中，較佳係同時同步地利用FA拋光墊(即具有牢固粘結的磨料的拋光墊)對半導體晶圓的背面以及利用CMP拋光墊(不含磨料)對半導體晶圓的正面進行拋光。傳統的DSP拋光機同樣適合於此目的，例如Rendsburg(德國)的Peter Wolters公司的AC2000型機器，其中一個拋光盤配備有FA拋光墊，而第二拋光盤配備有傳統的CMP拋光墊。

在此情況下，藉由首先在正面/背面上及隨後在背面/正面上同時實施FAP拋光和CMP拋光，從而由步驟(f)和(h)提供結合的同步雙面拋光過程。

省略掉傳統的DSP步驟和後續的分離的CMP步驟。

Rendsburg(德國)的Peter Wolters公司的AC2000型拋光機配備有外環和內環的銷式互鎖，以用於驅動載體。所述裝置可以設計用於一個或多個載體。由於輸出量更大，較佳為用於複數個載體的裝置，例如在DE-100 07 390 A1中所述者，其中載體在軌道路徑上圍繞裝置中心移動。所述裝置包括下拋光盤和上拋光盤，它們可以水平地自由旋轉並覆蓋有拋光墊。在拋光期間半導體晶圓位於載體的切口中，且在兩個轉動的且施加有一特定的拋光壓力至晶圓上的拋光盤之間，其中同時連續地提供有拋光劑。在此，還使載體移動，較佳係藉由轉動的銷環來移動，其接合在載體的圓周上的齒中。

典型的載體包含用於接收三個半導體晶圓的切口。在切口的圓周上具有應當保護半導體晶圓的斷裂敏感性邊緣的鑲嵌物(inlay)，尤其是包括防止金屬從載體本體釋放的鑲嵌物。載體本體例如可以包含由金屬、陶瓷、塑膠、纖維所增強的塑膠，或者塗覆有塑膠或類金剛石碳層(DLC層)的金屬。但是較佳為鋼，尤其較佳為不鏽鉻鋼。切口較佳係設計用於接收直徑至少為200毫米，較佳為300毫米，尤其較佳為450毫米且厚度為500至1000微米的奇數個半導體晶圓。

在結合的同步雙面拋光(FAP+CMP)期間，供應有含有磨料的拋光劑漿料。

磨料材料顆粒的粒徑分佈較佳為明顯的單峰。

平均粒徑為5至300奈米，較佳為5至50奈米。

磨料材料包含機械去除基材材料的材料，較佳係包含一種或多種元素鋁、鈰或矽的氧化物。

尤其較佳係使用膠體分散的二氧化矽作為拋光劑漿料。

例如使用Bayer AG公司的Levasil200和Fujimi公司的Glanzox 3900型含水拋光劑。

拋光劑較佳係包含添加劑，如碳酸鈉(Na₂ CO₃ )、碳酸鉀(K₂ CO₃ )、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化銨(NH₄ OH)、氫氧化四甲基銨(TMAH)。

所用的FAP拋光墊較佳係具有步驟(f)中所述的特性。

較佳地，在步驟(h)之後重新實施邊緣拋光，特別較佳係精細拋光，其利用與步驟(g)中相比更軟的拋光墊或者利用包含與步驟(g)中所述FA拋光墊相比更細的磨料的拋光墊。

尤其較佳的實施態樣

以下呈現根據本發明方法的尤其較佳的實施態樣A至E。上文解釋了所用的縮寫PPG、DDG、FAP和CMP。詞尾“_粗”是指使用具有粗的粒度的磨料(研磨盤、加工層)，而在具有詞尾“_細”的步驟中使用具有更細的粒度的磨料。上文解釋了在邊緣圓整和在PPG期間使用的磨料和較佳的粒徑。“邊緣拋光_細”是指利用溫和地去除材料的二氧化矽溶膠實施的溫和邊緣拋光。

A

從單晶切割出晶圓─邊緣圓整_粗─PPG_粗─PPG_細─邊緣圓整_細─蝕刻─對半導體晶圓的正面和背面實施FAP─邊緣拋光─對正面實施CMP

B

從單晶切割出晶圓─邊緣圓整_粗─PPG_粗─PPG_細─邊緣圓整_細─蝕刻─對半導體晶圓的正面和背面實施FAP─邊緣拋光─對半導體晶圓的正面和背面實施CMP

C

從單晶切割出晶圓─邊緣圓整_粗─PPG_粗─PPG_細─邊緣圓整_細─蝕刻─對正面實施FAP同時對背面實施CMP─對背面實施FAP同時對正面實施CMP─邊緣拋光

D

從單晶切割出晶圓─邊緣圓整_粗─PPG_粗─PPG_細─邊緣圓整_細─蝕刻─對正面實施FAP同時對背面實施CMP─邊緣拋光─對背面實施FAP同時對正面實施CMP─邊緣拋光_細

E

從單晶切割出晶圓─邊緣圓整_粗─PPG_粗─PPG_細─邊緣圓整_細─蝕刻─對正面實施FAP同時對背面實施CMP─邊緣拋光─對背面實施FAP同時對正面實施CMP

Claims

一種製造半導體晶圓的方法，其係包含：(a)藉由一含有平均粒徑為20.0至60.0微米的磨料的研磨盤對一由一單晶切割出的半導體晶圓的邊緣進行圓整(rounding)；(b)對該半導體晶圓同時進行雙面材料去除加工，該半導體晶圓以可自由移動的方式，位於複數個藉由一滾動裝置而旋轉的載體之其中之一者的切口(cutout)中，並由此以擺線軌跡移動，其中該半導體晶圓在兩個旋轉的環形加工盤之間進行加工，其中各環形加工盤包含一含有平均粒徑為5.0至20.0微米的磨料的加工層；(c)對該半導體晶圓同時進行雙面材料去除加工，該半導體晶圓以可自由移動的方式，位於複數個藉由一滾動裝置而旋轉的載體之其中之一者的切口中，並由此以擺線軌跡移動，其中該半導體晶圓在兩個旋轉的環形加工盤之間進行加工，其中各環形加工盤包含一含有平均粒徑為0.5至15.0微米的磨料的加工層，其中該粒徑係小於步驟(a)中採用的粒徑；(d)藉由一含有平均粒徑為0.5微米至最大為20.0微米的磨料的研磨盤對該半導體晶圓的邊緣進行圓整，其中該粒徑係小於步驟(a)中採用的粒徑；(e)用一蝕刻介質處理該半導體晶圓的兩面，且該半導體晶圓各面的材料去除量係不多於1微米； (f)使用一含有平均粒徑為0.1至1.0微米的磨料的拋光墊對該半導體晶圓的至少一面進行拋光；(g)對該半導體晶圓的邊緣進行拋光；(h)至少對正面進行化學機械拋光(CMP)。
如請求項1的方法，其中在步驟(f)中，使用一具有平均粒徑為0.1至1.0微米的經牢固粘結的磨料的拋光墊對該半導體晶圓的正面進行拋光，同時藉由化學機械拋光對該半導體晶圓的背面進行拋光。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(h)中，在對正面進行化學機械拋光的同時，使用一包含經牢固粘結的磨料的拋光墊對該半導體晶圓的背面進行拋光。
如請求項1或2的方法，其中該在步驟(f)中使用的拋光墊係包含選自以下群組的磨料顆粒：碳化矽、氮化硼、金剛石和元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(e)中，該半導體晶圓各面的材料去除量至少為0.1奈米，且最多為1微米。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(g)中，該中心旋轉的半導體晶圓的邊緣係以一特定的力被壓在一中心旋轉的拋光筒(drum)上，其中該拋光筒係配備有一含有經牢固粘結的磨料的拋光墊，並且連續地提供一不含固體的拋光劑溶液，其中，該所用的拋光墊係含有選自以下群組的磨料顆粒：碳化矽、氮化硼、金剛石和元素鈰、鋁、矽、鋯的氧化物。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(a)中，該研磨盤中之磨料的平均粒徑為25至30微米。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(a)中，該研磨盤中之磨料的平均粒徑為30至40微米。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(b)中，該加工層的磨料的平均粒徑為5至10微米。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(c)中，該加工層的磨料的平均粒徑為0.5至4微米。
如請求項1或2的方法，其中在步驟(d)中，該研磨盤中之磨料的平均粒徑為0.5至10微米。