採用化學機械拋光的半導體晶片再利用的製作方法

2023-09-10 03:28:50 2

專利名稱：採用化學機械拋光的半導體晶片再利用的製作方法
採用化學機械拋光的半導體晶片再利用優先權本申請要求2009年10月30日提交的題為「採用化學機械拋光的半導體晶片再利用」的美國專利申請第12/609768號的優先權。
背景技術：
本發明涉及採用改進的絕緣體上半導體(SOI)製備方法製造絕緣體上半導體(SOI)結構。迄今，最廣泛用於絕緣體上半 導體結構的半導體材料是矽。文獻中將這種結構稱作絕緣體上矽結構，並將縮寫「SOI」用於這種結構。SOI技術對高性能薄膜電晶體、太陽能電池和諸如有源矩陣顯示器之類的顯示器越來越重要。SOI結構可包含絕緣材料上的基本上是單晶矽的薄層。獲得SOI結構的各種方法包括在晶格匹配的基片上外延生長矽(Si)。另ー種方法包括將單晶矽晶片與另ー個其上已生長SiO2的氧化物層的矽晶片結合，然後將上面的晶片向下拋光或蝕刻至例如O. 05-0. 3微米的單晶矽層。另ー些方法包括離子注入法，在所述方法中注入氫離子或者氧離子，在注入氧離子的情況下形成嵌埋在矽晶片中的氧化物層，其上覆蓋Si，或者在注入氫離子的情況下分離(剝離)一個薄的Si層，結合到具有氧化物層的另一 Si晶片上。用這些方法製造SOI結構的成本很高。涉及氫離子注入的後ー種方法已經引起一些注意，並被認為好於前ー種方法，因為氫離子注入法需要的注入能量小於氧離子注入法的50%,並且所需劑量小兩個量級。美國專利第7176528號掲示了生產SOI結構的陽極結合法。其步驟包括⑴對矽晶片表面進行氫離子注入，產生結合表面；(ii)使該晶片的結合表面與玻璃基片接觸；
(iii)在該晶片和玻璃基片上施加溫度和電壓，促進它們之間的結合(還可施加壓力)；
(iv)冷卻該結構至常溫；以及(V)將玻璃基片和矽薄層從矽晶片分離。在SOIエ藝中，從給體半導體晶片上除去第一矽薄層(或其它半導體材料)之後，由於該エ藝除去的矽薄層可小於I微米，約95%或以上的給體半導體晶片仍可繼續使用。給體半導體晶片的再利用對生產SOI結構的成本有較大影響，特別是大面積SOI結構。給體半導體晶片的再利用——可以是影響エ藝成本的主要因素——決定了在生產SOI結構的眾多結合エ藝中，給定的給體半導體晶片可以使用多少次。當使用側向設置在給定的玻璃基片上的獨立半導體層結構[所謂的平鋪法(tiling)]生產大面積SOI時，再利用因素甚至更加重要。對於這種エ藝，再利用給定的給體半導體晶片的次數宜儘可能多。為了進行再利用，必須使給體半導體晶片的結合表面恢復到相對沒有損傷的狀態——至少是ー種與給體晶片未使用過的表面(最初表面)無法區分的狀態。這已經通過利用常規化學機械拋光(CMP)技術除去一定厚度的給體半導體晶片得到實現，所述給體半導體晶片因注入和剝離(分離)過程而受到離子汙染和損傷。雖然CMP技術在文獻中有很好的記載，並且現有設備容易得到，但對於陽極結合/剝離エ藝中的半導體再利用，現有的CMP技術還有許多問題。常規CMP技術花費高，因為在半導體再利用的情況中，需要多種設備裝置。ー種給定的CMP裝置包括旋轉拋光墊(具有一定的研磨特性)、漿料(也具有一定的研磨特性)以及將半導體晶片壓向拋光墊和漿料的旋轉卡盤或頭。根據常規CMP技術，為了得到在再利用情況下具有令人滿意的表面特性的半導體晶片，需要多個拋光墊(參見例如美國專利7510974)。這需要人工操作步驟更換給定的一臺設備上的拋光墊，或者需要多臺設備，每臺設備具有不同的拋光墊。不管哪種途徑，都給製造エ藝增加了成本，對SOI結構的商業活力和終端應用造成不利影響。現有CMP拋光規程要求侵蝕性地除去材料，這增加了每個再利用周期都有可能用盡預算厚度的風險，因此增加了對再利用成本目標失去控制的風險。同時，這種侵蝕性的規程増加了因對薄得多(並且可能更易碎)的晶片的相關處理而造成破裂的風險。
常規CMP規程在給體半導體晶片表面上並不是均勻地除去材料。圓形半導體晶片表面不均勻度(標準偏差/平均除去厚度)的現有技術水平通常是除去的材料厚度的5-10%。半導體材料被除去得越多，厚度變化相應地越糟。與常規CMPエ藝相關的ー個問題是，在拋光非圓形半導體晶片(例如具有尖銳轉角的半導體晶片，如矩形晶片)時，它們具有特別差的結果。確實，與中心部分相比，給體半導體晶片的轉角部分存在的上述表面非均勻性擴大。通過這種CMP規程對給體半導體晶片進行的多次再利用導致給定晶片的再利用壽命過早結束，因為表面幾何特點(例如轉角附近)超過再利用功能限制。例如，若需要從給體半導體晶片的結合表面除去O. 150微米的實際損傷，則為了確保從整個表面上完全除去受損和受汙染的層(考慮到前述CMP規程的非均勻特性)，除去的目標厚度可能至少為I. O微米。因此，為了保證除去所有損傷，除去了超過實際損傷的五倍的厚度。這是非常浪費的，並且意味著顯著的不利成本。雖然製備SOI結構的製造エ藝日趨成熟，但生產這種結構以及生產採用這種結構的最終產品的成本部分地受到有效利用(和再利用)給體半導體晶片的能力的影響。因此，需要繼續推進與再利用給體半導體晶片相關的技術，如CMP，以控制SOI結構的製造成本。

發明內容
為便於陳述，下面的討論有時按SOI結構展開。對這種特定類型的SOI結構的引述是為了方便解釋本文所述的實施方式，而不是為了限制，也不應從限制的意義上解讀。本文使用SOI縮寫來總體上指稱絕緣體上半導體結構，包括但不限於玻璃上半導體(SOG)結構、絕緣體上矽(SOI)結構和玻璃上矽(SiOG)結構，也包括玻璃陶瓷上矽結構。本文所述的給體半導體晶片再利用方法的實施方式解決了常規CMP技術的問題，如為了從給定的給體半導體晶片生產多塊高質量半導體膜而恢復給體半導體晶片表面(甚至是非圓形、任意幾何形狀的表面)時的重現性、可靠性和成本。已經發現，若確立和/或改變CMPエ藝參數的具體組合，可成功實現上述給體半導體晶片的再利用。這些參數可包括下面ー種或多種拋光下壓カ(polishing down force)、拋光機動力學參數(例如拋光碟和拋光頭速度)、處理溫度、漿料特性(例如濃度、粒度、添加劑和流速)、拋光墊、約束拋光基片的方法以及循環時間。重要的是，已經證明這種CMPエ藝可在現有的拋光機上進行，只須裝配ー個拋光臺和拋光墊，因而不需要獲取昂貴、複雜的娃拋光技術和相關設備。就此而言，本文所述的實施方式包括從所關注的表面上除去在前面的離子注入/剝離周期中引入的基本上所有的表面損傷；恢復所關注的表面，使得由其產生的半導體膜與從最初的純淨半導體表面產生的半導體膜不可區分；通過每個再利用重修表面(resurfacing)周期控制材料的去除，使再利用的次數多且所得的成本效率高；在所關注的整個表面上均勻地除去材料，特別是在具有矩形幾何特點的給體半導體晶片表面上；以及通過單個拋光臺和拋光墊實現上述一條或多條(優選全部)。本文所述的ー個或多個實施方式可包括將CMP方法用於具有任意幾何形狀(圓形、非圓形、矩形等)的給體半導體晶片，以便能夠恢復先前進行過離子注入/剝離的表面，從而能夠在隨後的離子注入/剝離處理中重複利用給體晶片。CMPエ藝採用三個基本要素拋光墊，對其特性(研磨性、組成等)加以選擇，以適合拋光應用；含有顆粒的漿料(也是專用的，並且與拋光介質的選擇相適應)；以及拋光對象(在此情況中為給體半導體晶片)。給體晶片以一定方式連於卡盤或拋光頭，從而有控制地將受損表面壓到順應性拋光墊上，所述拋光墊被穩定供應的漿料所飽和，並且穩定供應的漿料不斷送來。同時進行的表面間化學和機械相互作用使基片形貌減少，並形成全域平坦度，通過有策略地選擇諸如拋光墊之類的消耗品、漿料顆粒性質和包括添加劑在內的相關化學物質，可控制所述化學和機械相互作用。為控制材料的去除和實現表面恢復，以特定的組合方式選擇拋光墊、漿料顆粒的化學特性、漿料濃度、漿料流速、漿料添加劑、拋光下壓カ和動力學參數、溫度、拋光持續時間以及約束拋光基片的方法。一個或多個實施方式的特徵在於一系列處理步驟，其中在各步有策略地減小拋光下壓力、漿料濃度和漿料粒度，各步之間通過用大量的去離子水洗滌加以隔開——所有步驟使用単一拋光墊。根據本文所述的ー個或多個實施方式，用來減少半導體給體晶片的表面損傷的方法和裝置包括(a)旋轉拋光墊，旋轉半導體給體晶片，向拋光墊施加拋光漿料，將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起；以及(b)旋轉拋光墊和半導體給體晶片，中斷施加拋光漿料，向拋光墊施加清洗液，並將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起。步驟(a)和步驟(b)至少依次進行兩次，在步驟(a)的至少兩個相繼時段中，減小以下至少ー個參數(i)將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力，(ii)拋光漿料中磨料的平均粒度，以及(iii)漿料在水和穩定劑中的濃度。本領域技術人員在結合附圖閱讀對本文所述的實施方式的描述之後，將清楚地了解本發明的其它方面、特徵、優點等。


為了說明本文所述的實施方式的各方面，在附圖中示出目前優選的形式，但是，應理解，本發明不限於所示的精確配置和手段。圖I是說明本文所述的ー個或多個實施方式中SOG器件結構的簡化側視圖；圖2是說明本文所述的ー個或多個實施方式中用來形成多個圖I所示SOG器件的 給體半導體晶片的再利用簡圖；圖3-5是說明用本文所述的生產圖I所示SOG器件的エ藝形成的中間結構的簡化示意圖；圖6A顯示了經過離子注入/剝離的給體半導體晶片表面的損傷深度；圖6B顯示了經過離子注入/剝離的給體半導體晶片表面的表面粗糙度和形貌特徵；圖7是適用於根據本文所述的ー個或多個實施方式進行CMPエ藝的一臺設備的簡圖；圖8是卡盤或拋光頭的ー些特徵的簡圖，所述卡盤或拋光頭用來將半導體給體晶片夾持在圖7所示並與本文所述的ー個或多個實施方式相聯繫的設備中；圖9是拋光墊的ー些特徵的簡圖，所述拋光墊適合用在圖7所示並與本文所述的一個或多個實施方式相聯繫的設備中； 圖10是說明實驗過程中採用的エ藝參數矩陣的表，用來鑑別對材料的去除和表面粗糙度最有影響的重要處理變量；圖IlA是說明結合圖10所示參數進行的實驗的統計結果的圖線，該統計結果與材料的去除相關；圖IlB是說明結合圖10所示參數進行的實驗的統計結果的圖線，該統計結果與表面粗糙度相關；圖12A說明根據本文所述的ー個或多個實施方式進行CMP再利用處理之後的給體半導體晶片表面沒有損傷；圖12B說明根據本文所述的ー個或多個實施方式進行CMP再利用處理之後的給體半導體晶片表面的表面粗糙度和形貌特徵；以及圖12C顯示了尚未經過離子注入/剝離的純淨給體半導體晶片表面的表面粗糙度和形貌特徵；以及圖12D顯示了根據本文所述的ー個或多個實施方式進行CMP再利用處理之後的最初給體半導體晶片表面的表面粗糙度和形貌特徵。
具體實施例方式參考附圖，附圖中相同的附圖標記表示相同的部分。圖I顯示了本文所述的ー個或多個實施方式中的SOI結構(尤其是SOG結構)100。SOG結構100包含絕緣體基片(如玻璃或玻璃陶瓷基片)102和半導體層104。SOG結構100可應用於顯示器[包括有機發光ニ極管(OLED)顯示器和液晶顯示器(IXD)]、集成電路、光伏器件、薄膜電晶體應用等。層104的半導體材料可以是基本為單晶材料的形式。在描述層104時所用的術語「基本上」是考慮到半導體材料通常含有至少ー些固有的或有目的加入的內部缺陷或表面缺陷的事實，如晶格缺陷或少量晶粒邊界。該術語「基本上」還反映了以下事實某些摻雜劑會扭曲或者以其它方式影響半導體材料的晶體結構。為了便於討論，假設半導體層104是由矽形成的。但應理解，所述半導體材料可以是基於矽的半導體或者是其他任何類型的半導體，如半導體類III-V，II-IV，II-IV-V等。這些材料的例子包括娃(Si)、摻雜鍺的矽(SiGe)、碳化矽(SiC)、鍺(Ge)、神化鎵(GaAs)、GaP 和 InP。參考圖2，在製造エ藝中需要形成許多這樣的SOG結構，或者作為獨立的產品，或者用於需要多個SOG結構的集成器件。無論在哪種情況下，ー種生產多個SOG結構100的方法是在將給體半導體晶片120的相應結合表面121結合到相應的玻璃基片102上的過程中，從給體半導體晶片120上剖離(分離或剝離)出多個薄的半導體材料剝離層122A、122B、122C等。從給體半導體晶片120上除去(例如剝離、剖離或分離)第一個半導體材料剝離層122A之後，顯著量的給體半導體晶片120 (可能有95 %或更多)仍可供繼續使用。給體半導體晶片120的再利用對生產多個SOG結構100的成本有較顯著的影響，尤其是大面積SOG結構。後文將要更詳細地討論，有必要將給體半導體晶片120剰餘部分的剖離、剝離表面(以及下面的受損、受汙染層)121A恢復為合適的後續結合表面121，該結合表面處於相對沒有離子汙染和損傷的狀態。然後，將所述後續結合表面121用於後續結合和剝離過程，將第二個剝離層122B轉移和結合到第二個玻璃基片102上。為了從每個給體半導體晶片120獲得最大產量，通過再精整給體半導體晶片120的剖離表面121A，將給體半導體晶片120的這種「再利用」或「更新」過程重複儘可能多的次數，以便將第二、第三、第四個剝離層122B、122B、122D等轉移和結合到相應的玻璃基片102上。再精整剖離表面(以及下面的層)121A並預備將其用於結合和剝離過程的具體技術可能也對生產SOG結構100的總成本有顯著影響。這些技術將在後文更詳細地描述。
現在參考圖3-5，它們呈現了為生產SOG結構100而可能形成的中間結構。先看圖3，通過例如拋光、清潔等製備給體半導體晶片120的結合表面121，產生較平坦和均勻的結合表面121，該結合表面121適合結合到玻璃或玻璃陶瓷基片102上。出於討論的目的，半導體晶片120可以是基本上為單晶的矽晶片，但如上面所討論，可採用其它任何合適的半導體材料。對結合表面121進行一次或多次離子注入處理，在給體半導體晶片120的結合表面121下面產生弱化區(由虛線126概略地示出)，從而產生剝離層122。雖然本文所述的實施方式不限於形成剝離層122的任何具體方法，一種合適的方法規定給體半導體晶片120的結合表面121可以經過氫離子注入處理，以至少在給體半導體晶片120中產生弱化區126。可採用常規技術調節注入能量，以獲得一般厚度的剝離層122，如約300-500納米。例如，可以採用氫離子注入，儘管可以採用其他離子或多種離子，例如硼+氫，氦+氫，或者從有關剝離的文獻獲知的其它離子。同樣，可以採用其它任何已知的或者日後開發出來的適合形成剝離層122的技木。無論注入的離子物質的性質如何，將離子注入弱化區126中的效果都是使晶格中的原子從其正常位置轉移。當晶格中的原子被離子擊中時，該原子被迫離開原來的位置，產生初次缺陷，空位和間隙原子，它們被稱作弗倫克爾對(Frenkel pair)。若注入操作在接近室溫的溫度下進行，初次缺陷的組分移動並產生許多類型的二次缺陷，如空位簇等。參考圖4，可用任何已知的或日後開發的技術將玻璃基片102結合到剝離層122的結合表面121上。例如，可利用熱結合エ藝將玻璃基片102結合到剝離層122上。或者，可利用電解エ藝(本文也稱作陽極結合エ藝)將玻璃基片102結合到剝離層122上。合適的電解結合エ藝的基礎知識可參見美國專利第7176528號，其完整內容通過參考結合於此。下面討論該エ藝的幾個部分。在陽極結合エ藝中，對玻璃基片102(和剝離層122，如果還未進行)進行適當的表面清潔。然後，使中間結構直接或間接接觸，實現圖4所簡要示出的排列。因此，所得中間結構是堆疊體，包括給體半導體晶片120的本體材料層、剝離層122和玻璃基片102。在所述接觸之前或之後，對包括給體半導體晶片120、剝離層122和玻璃基片102的結構進行加熱。將玻璃基片102加熱至高於給體半導體晶片120和剝離層122的溫度。玻璃基片102和給體半導體晶片120的溫度可以在玻璃基片102的應變點的約+/-150°C 內。然後，在中間組件上施加電壓，例如，以給體半導體晶片120為正極，以玻璃基片102為負扱。也可施加壓力，將給體半導體晶片120壓到玻璃基片102上。中間組件在上述條件下保持一段時間(例如約I小時或更短)，撤除電壓，使中間組件冷卻至室溫。參考圖5，在冷卻之前、期間和/或之後，將給體半導體晶片120與玻璃基片102分離，若它們尚未完全相互脫離，可進行一定的剝離，得到具有較薄的剝離層122的玻璃基片102，所述剝離層122由結合到玻璃基片102上的給體半導體晶片120的半導體材料形成。 剝離層122的分離可通過給體半導體晶片120因熱應カ和內壓應カ而沿弱化區126發生的斷裂實現。作為另選方式或附加方式，可利用機械應カ或能量如水射流壓カ或切割(或其它機械接觸或切割力)，張カ或剪切力，或者化學蝕刻引發和/或促進剝離層122與給體半導體晶片120的分離。給體半導體晶片120新露出的剖離表面(和下面的層)121A可能具有注入和剝離過程所帯來的離子汙染和過分的表面粗糙度或損傷。例如，圖5和6A中的剖離表面和下面的層121A顯示了給體半導體晶片120的損傷和離子汙染的深度，該深度可以等於或大於200納米。圖6B顯示了給體半導體晶片120的剖離表面121A的表面粗糙度和形貌特徵。根據本文所述的ー個或多個實施方式，對給體半導體晶片120的剖離表面(和下面的層)121A進行一次或多次CMP循環處理，除去損傷和離子汙染，產生更新的結合表面121 (圖2)，該結合表面121適合進一步生產SOG結構100。可以設想，將產生剝離層122、結合剝離層122與基片102、分離剝離層122和隨後對結合表面進行更新處理——以修復給體半導體晶片120的剖離表面(和下面的層)121A——的步驟重複多次，以利用大部分給體半導體晶片120產生相應的剝離層122A、122B、122C等，從而降低材料成本。參考圖7，該圖顯示了一種合適的系統200，用來進行CMP處理的實施方式，從給體半導體晶片120上除去受損的剖離表面(和下面的層)121A。該系統包含拋光碟202、拋光墊204和卡盤或拋光頭206。拋光碟202隨著軸208和旋轉接頭210以受控的速率旋轉。合適且可控的旋轉驅動源(未示出)給軸208提供所需的旋轉扭矩。拋光碟202可包含供加熱/冷卻流體212從其中流過的內部網路(webbing)或通道。例如，調溫水可以可觀的流量(約10-20升/分鐘)流過拋光碟中的網路。可控制水溫(如約26°C )，使拋光墊204的表面上能維持最高拋光溫度(如不超過約39°C )。在整個拋光過程中，拋光墊204的表面溫度可通過裝在其上的光學高溫計(未示出)測量。拋光墊204可具有任何合適的構造，但已經發現，當它包含下文要討論的某些特徵時，可實現ー些優點。有策略地設置將漿料遞送到拋光墊204上的源214，以可調節的速率遞送漿料。下面將更詳細地討論，也可通過源214或者通過單另的獨立源(未示出)將清洗液(如去離子水)遞送到拋光墊204上。在設備200的運行過程中，用卡盤或拋光頭206夾持給體半導體晶片120，從而將其壓到拋光墊204上。拋光頭206也可在合適的電動機和連接機構(未示出)作用下旋轉。如圖8所示，給體半導體晶片120可具有矩形截面。拋光頭206可包含剛性塊體230，其上安裝有複合材料模板232。所述複合材料模板232可包含毛細作用墊底層(例如基於小山羊皮的精整層)和塑料或纖維玻璃頂層。可通過頂層機械加工出給體半導體晶片120的形狀因子(例如矩形凸起)，露出底層。例如，材料模板232的特徵可以是直徑為15英寸、標稱厚度為O. 170英寸的圓盤，已通過頂層在其中機械加工出具有轉角凸起的矩形凹腔。例如，所述圓盤可以是購自富蘭克林纖維-拉米特公司(Franklin Fibre-Lamitex Corporation)的材料，如具有毛細作用底層和塑料或纖維玻璃頂層的雙層材料。材料模板232的構造可以是，當兩個複合層彼此連接時，凹陷區的尺寸和形狀嚴格按照給體半導體晶片120形成。當用清潔的去離子水溼潤材料模板232的凹陷區，從而溼潤毛細作用底層時，輕輕地將給體半導體晶片120的背側相對於溼底層壓入凹陷。毛細作用將晶片120垂直地固定在凹陷區，其方向使得晶片120和拋光墊204被壓在一起。上層中凹陷區的側面用來將給體半導體晶片120側向約束在轉軸中。
為了得到所需的結果，包括合適的表面粗糙度、合適的均一性、合適的材料去除和低成本(就剝離エ藝中給體半導體晶片的再利用而言)，仔細控制CMP過程和仔細選擇處理參數是很關鍵的。這不是例行的優化參數和可預測結果的問題，而是已經通過辛苦的實驗和統計分析發現，在循環過程中，有些處理參數應保持不變，而其它參數應改變。基於上文所述，在一系列實驗中利用設備200確定合適的循環參數。已發現對平坦度、表面質量和給體半導體晶片120的材料去除速率有影響的CMPエ藝參數包括拋光下壓カ(將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓カ)、漿料流速和漿料組分類型、動力學參數(拋光碟202和拋光頭206的轉速以及相對方向)、稀釋劑流速、エ藝溫度控制、拋光持續時間、拋光墊204類型的選擇以及在拋光過程中安裝和約束晶片120的方法。對於已經過離子注入和剝離的給體半導體晶片120的再利用，通過應用根據統計設計的實驗方法測試エ藝變量。對實驗進行了廣泛篩選，在較寬的範圍內評價了六(6)個影響材料的去除和表面質量的處理效應。根據「實驗設計」(D0E)統計方法，測試了エ藝參數的高度分化矩陣。具體而言，用增添了有策略地設置的中心點的兩種不同類型的拋光墊進行了兩組實驗。設計實驗，將對材料的去除和表面粗糙度影響最大的那些拋光エ藝參數隔離出來，這兩種響應據信對成功的半導體更新處理至關重要。圖10示出了エ藝參數矩陣，所標記的參數Pl是標準順序，P2是運行順序，P3是中心點，P4是下壓力(psi)，P5是漿料流速(毫升/分鐘)，P6是拋光碟速度(rpm)，P7是拋光頭速度(rpm)，P8是去離子水流速(毫升/分鐘)，P9是拋光墊類型。使用市售軟體對利用圖10所列矩陣參數進行實驗的結果展開統計分析。分析揭示了圖IlA和IlB所示的圖形信息，它們是半正態圖，Y軸是百分數，X軸是參數的絕對標準影響。每幅圖中的擬合線代表給定參數的統計影響基本上為零。換句話說，若數據點落在線上，則該數據點代表的參數對系統200的結果沒有影響。偏離該線的數據點被認為具有統計意義，也就是這種數據點代表的系統參數對系統200的結果具有顯著影響。圖IlA是材料的去除的半正態圖，圖IlB是表面粗糙度的半正態圖。具體參考圖11A，可以看到參數A (下壓力)、C (拋光碟速度)、D (拋光頭速度)和F(拋光墊類型)對材料的去除有顯著影響，而其它參數沒有顯著影響。具體參考圖11B，可以看到參數A(下壓力)、B(漿料流速)、C (拋光碟速度)和F (拋光墊類型)，特別是A (下壓カ)、C (拋光碟速度)和F (拋光墊類型)對表面粗糙度有顯著影響，而其它參數沒有顯著影響。從這些實驗和統計分析中發現，拋光墊204的選擇、拋光下壓カ的水平和拋光碟速度對材料的去除和表面粗糙度具有強烈影響。另外發現，拋光墊204的選擇與拋光碟202的速度在涉及所關注的兩種響應時具有建設性的相互作用，但在拋光下壓カ的情況中具有破壞性的相互作用。有鑑於此種情形，當涉及下壓カ時必須採取折中措施，並且採用有序的周期性材料去除途徑，以實現上述再利用目標。由於希望在整個材料去除和表面粗糙度處理的 過程中僅使用ー塊拋光墊204，以實現簡單、有效的エ藝，所以對其性質給予了特殊考慮。一般地，CMPエ藝中所用的拋光墊是聚合物，但在諸如硬度、壓縮率、滲透性、絨毛厚度、孔結構、表面輪廓和回彈率之類的物理性質上變化很大，導致性能特點各異。在當前的CMP實施方式中，拋光墊204是關鍵要素，因為以其孔結構為例，它起導管作用，幾乎同時實現漿料化學物質的分布和所產生的拋光副產物的排出。因此，為實現所需的エ藝結果，拋光墊產品的選擇對CMP的具體應用至關重要。通過可觀的實驗和統計分析發現，當拋光墊204是浸潰了聚氨酯的氈基類型的拋光墊時，可獲得ー些優點。拋光墊204可具有約I. 25毫米的標稱厚度、較低的以墊標準計的壓縮率(如約2. 9%的壓縮率)、可觀的硬度[約85，奧斯卡(Asker) C型硬度計]和低空氣滲透阻力。參考圖9，接觸給體半導體晶片120的拋光墊204的表面220優選具有深的凹槽或溝道222。例如，凹槽222可在笛卡爾坐標平面內垂直交叉排列。已經發現，當凹槽222的深度約等於或大於I毫米且交叉尺寸在約21毫米X 21毫米的數量級上時，可獲得有利的結果。合適的拋光墊204可購自羅門哈斯公司(Rohm-Haas Incorporated),現在以SUBA 840PAD 48，，D PJ ;XA25 (供應商材料號10346084)銷售。凹槽222也可具有其它圖案，如菱形凹槽、螺旋形凹槽、徑向和/或周向延伸的凹槽等。對於其它處理參數，分有序階段進行CMPエ藝，在為除去注入和剝離過程帶來的損傷和離子汙染、恢復給體半導體晶片120的受損剖離表面(和下面的層)121A而在單塊拋光墊204上進行的步驟序列中，有策略地減小拋光下壓力、漿料濃度和漿料粒度。與耗費勞カ的常規多墊CMPエ藝相比，通過使用單塊拋光墊(或僅用2塊拋光墊)，整個エ藝可自動化，顯著減少循環時間和為換墊而花費的勞力。CMPエ藝的一個或多個實施方式包含以下主要步驟(a)旋轉拋光墊204 (藉助拋光碟202)，旋轉半導體給體晶片120 (藉助拋光頭206)，將拋光漿料施加到拋光墊204上(藉助源214)，並將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起；以及(b)清洗步驟，其中拋光墊204和半導體給體晶片120繼續旋轉和接觸，但中斷施加拋光漿料，以便給拋光墊204施加清洗流體。CMP序列可通過執行初始「熱身」エ藝步驟(a)來開始(啟動階段)，其中拋光墊204和半導體給體晶片120各自旋轉(例如均沿順時針方向)，將拋光漿料施加到拋光墊204上，並將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起。在啟動過程中，用膠體ニ氧化矽漿料潤溼和飽和拋光墊204，所述漿料的平均粒度約為60-80納米(如70納米)，在去離子水和化學穩定劑中的總體稀釋比(分配到拋光墊204上)約為30 1-50 1，如約40 1，pH 為 8. 0-9. O。對於エ藝和系統200的給定參數，應當選擇漿料流速，以實現拋光目標。這樣的參數包括例如拋光碟202的尺寸、拋光墊204的尺寸和/或剖離表面121A的表面積。實際上，相比於直徑較大的拋光碟202和拋光墊204(通常涉及エ業規模的拋光機)，直徑較小的拋光碟202和拋光墊204 (如實驗室規模的拋光機中的那些拋光碟和拋光墊)需要的漿料少得多。此外，拋光墊204的表面特徵(例如凹槽圖案、頻率和凹槽深度)可顯著影響最小漿料流速。實際上，相比於淺的和/或低濃度的凹槽，拋光墊204中深的和/或高濃度的凹槽傾向於從拋光區導走明顯更多的漿料。作為採用更高或更低的漿料流速的替代方式或附加方式，可採用増大或減小額外的、獨立的去離子水流速的辦法。可以設想，漿料的流速應落在250-2500毫升/分鐘的範圍內。合適的漿料產品可以是購自納爾科公司(Nalco)的部件編號為2360的膠體ニ氧化矽拋光漿料。拋光碟202 (因此包括拋光墊204)的轉速可逐步增大到約50-70rpm的數值，同時拋光頭206 (因此包括給體半導體晶片120)的轉速可逐步增大到約15-25rpm。下壓カ(將半導體給體晶片120和拋光墊204壓 在一起的壓カ)可逐步增大到約10-20psi的中等水平。啟動階段可持續約30秒。上述啟動階段可無縫過渡到持續時間較長(例如約200-300秒，或者200-600秒，如約240秒)的去除較多或大量材料的階段。例如，這可代表在上面啟動階段所述的エ藝設置下進行的「第一」拋光步驟(ん)。在此階段，可完全除去剝離損傷，形成具有改進的粗糙度水平的新表面。反應活性漿料化學物質中的鹼性組分開始侵蝕給體半導體晶片120的剖離表面，從而將其破壞，形成水合矽酸鹽副產物。拋光下壓カ的作用是將晶片120均勻地壓在共形拋光墊204上，同時旋轉機械動作與漿料顆粒協同作用，除去拋光副產物，露出新的半導體材料，重新接受化學侵蝕。此周期迅速、持續重複，直至完成對適量材料的清除。在此CMP階段進行的中間研究表明，在這些拋光條件下形成了約4. 5-5埃(均方根)的表面粗糙度(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。在啟動階段和第一階段均成功採用了化學侵蝕性更強(高PH)的ニ氧化矽漿料(基於熱解顆粒和膠體顆粒)，如Nalco 2358或富士美公司(Fujimi)的Planerlite 4219,縮短了處理時間，並稍微降低了表面質量，例如表面更粗糙ー些。因此，侵蝕性更強的拋光可更快地除去大量材料，但這會以表面質量下降為代價，使得最後的修平或磨光操作可能需要更長的時間。在下ー個階段，進行清洗步驟(C)，其中拋光墊204和半導體給體晶片120繼續旋轉並接觸，但中斷施加拋光漿料，以便給拋光墊204施加去離子水。去離子水的流速可在約5600毫升/分鐘的數量級上。在此清洗階段，相比於前面的拋光步驟(ん)，下壓カ可顯著減小。例如，將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓カ可在約1-3磅/英寸2之間，這比前面的拋光步驟(h)期間低約70% -90%。拋光墊204和給體半導體晶片120的轉速可分別保持在約50-70rpm和約15_25rpm。例如，此清洗步驟(b)可進行約20-50秒，如約30秒。一般地，CMP規程要求拋光步驟(Id1)和清洗步驟(C)至少依次進行兩次，其中在拋光步驟(b)的至少兩個相繼時段中減小以下參數中的至少ー個參數(i)將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓力，(ii)拋光漿料中磨料的平均粒度，以及(iii)漿料在水和穩定劑中的濃度。較佳的是，拋光步驟(b)和清洗步驟(C)的所有時段都在不換拋光墊204的情況下進行。例如，在下一個階段或第二階段，可進行修平操作，其中可進行另ー個(或「第二個」)拋光步驟(b2)。在此第二拋光步驟(b2)中，相比於前面的清洗步驟(C)，下壓カ提高，但相比於第一拋光步驟(bi)，下壓カ減小。例如，在此第二拋光步驟(b2)中，將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓カ可減至約5-15磅/英寸2 (如12psi)，它比第一拋光步驟(bj約低25%。拋光墊204和給體半導體晶片120的轉速可分別維持在約50_70rpm和約15-25rpm。在此修平拋光步驟中，可採用相同的膠體ニ氧化矽漿料(平均粒度約為70納米，在去離子水和化學穩定劑中的總體稀釋比約為40 I)。例如，此拋光步驟(b2)可進行約150-220秒，如約180秒。拋光下壓カ的減小改善了表面粗糙度。在此修平拋光步驟上進行的中間研究表明，形成的表面粗糙度約為3. 6-4. O埃(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。在下ー個階段，可進行另ー個清洗步驟(C)，它基本上類似於前面的清洗步驟。拋光墊204和半導體給體晶片120繼續旋轉和接觸，給拋光墊204施加去離子水。與前面的第二個拋光步驟(b2)相比，可採用同樣減小的約l_3psi的下壓力。例如，此清洗步驟(c)也可進行約30秒。
在下ー個階段，可進行最後的或者「磨光」拋光操作，其中可進行另ー個(或者「第三個」)拋光步驟(b3)。相比於前面的清洗步驟(C)，下壓カ提高，但相比於第一和第二拋光步驟(も)和(b2)，下壓カ減小。例如，在此第三拋光步驟(b3)中，將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓カ可減至約1-5磅/英寸2 (如3psi)，它比第二拋光步驟(b2)約低65-85%。拋光墊204和給體半導體晶片120的轉速可分別維持在約50_70rpm和約15-25rpm。在此磨光步驟,採用比第一拋光步驟(Id1)和/或第二拋光步驟(b2)顯著減小的膠體ニ氧化矽漿料粒度。例如，採用在約30-40納米之間(如約35納米)的平均粒度，它比前面的拋光步驟(ん)和(b2)約小40%-60%。例如，合適的漿料產品可購自富士美公司，SPGlanzox3950 (包含4. 5重量％平均粒度為35納米的高純膠體ニ氧化矽的精整漿料產品)。此外，採用比第一和/或第二拋光步驟Od1)和(b2)顯著減小的膠體ニ氧化矽漿料濃度。例如，所述濃度可以在約600 1-1000 I的總體稀釋比(在去離子水和化學穩定劑中)的數量級上，它比前面的拋光步驟(h)或(b2)中的至少ー個步驟約低1000% -3000%。例如，此磨光拋光步驟(b3)可進行約150-220秒，如約180秒。在此エ藝步驟上進行的中間研究表明，在這些拋光條件下形成接近3. O埃(均方根)，如3. 3-3. 5埃之間的表面粗糙度(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。在下ー個階段，可進行另ー個清洗步驟(C)，它基本上類似於前面的清洗步驟，用來從拋光表面(拋光墊204和晶片120)上清除在前面的步驟中使用的漿料組分。可任選採用額外的處理步驟，以進一歩改善結果。例如，可進行另ー個清洗步驟(c)時段，其中⑴該時段持續約50-70秒(如60秒)，(ii)將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓カ約為1-3磅/英寸2，(iii)拋光墊204和半導體給體晶片120的轉速約為25-45rpm(如35rpm),以及(iv)清洗流體是清洗劑。清洗劑可包括次級化學物質(例如具有更低的PH——通常用中性化學物質，但也可採用酸性化學物質)，包括用來減小晶片120與拋光墊204之間的表面張カ的化學組分。此化學物質鈍化晶片120，產生有助於下遊清潔的親水性表面。例如，可採用羅門哈斯電子材料CMP公司(Rohm-Haas ElectronicMaterials CMP Incorporated)製造的Rodelene清洗劑，它由ニ氧化娃、異丙醇和こニ醇在去離子水中組成。
可進行最後的清洗步驟(C)，其中(i)該時段持續約5-20秒，(ii)最大程度減小將半導體給體晶片120和拋光墊204壓在一起的壓力，(iii)拋光墊204和半導體給體晶片120的轉速約為25-45rpm，以及(iv)清洗流體是水。參考圖12A、12B、12C和12D，觀察到前述CMP工藝的結果。圖12A表明，經過注入和剝離的給體半導體晶片120進行本文所述的CMP更新處理之後，給體表面121上沒有損傷。圖12B顯示了經過剝離之後進行了本文所述的CMP再利用處理的給體半導體晶片120的表面121的表面粗糙度和形貌特徵(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。圖12C顯示了未經過離子注入/剝離的純淨給體半導體晶片120的表面121的表面粗糙度和形貌特徵(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。圖12D顯示了未經過剝離但已根據本文所述的一個或多個實施方式進行了 CMP再利用處理的最初給體半導體晶片的表面121的表面粗糙度和形貌特徵(用AFM在5微米X 5微米的圖像區域上測量)。比較(i)經過剝離之後進行了本文所述的CMP更新處理的給體半導體晶片120(圖12B)和(ii)未經過剝離但已進行了本文所述的CMP更新處理的最初給體半導體晶片120(圖12D)，結果表明，各表面121具有幾乎相同的表面粗糙度和形貌。根據觀察，本文所述的實施方式將半導體晶片120的表面粗糙度和形貌完全恢復到適合再次剝離的水平。已經證明，當使用精整墊進行本發明所述的實施方式時，很容易實現對表面粗糙度的進一步改善，包括將先前經過剝離的表面完全恢復到最初表面狀態。實際上，當用富士美SSWl精整拋光墊和Nalco 2358 (粒度為70納米)+清洗+施加Glanzox 3950 (粒度為35納米)的順序漿料組合進行前述實施方式時，AFM均方根表面粗糙度測量值達到低於I埃的水平。雖然已經參考具體的特徵和儀器描述了本文的實施方式，但應當理解，這些實施方式僅僅是對所需原理和應用的說明。因此，應當理解，在不背離所附權利要求書所限定的本發明精神和範圍的前提下，可以對列舉的實施方式進行各種修改，並且可以作出其它安 排。
權利要求
1.一種減少半導體給體晶片表面損傷的方法，所述方法包括以下步驟 (a)旋轉拋光墊，旋轉半導體給體晶片，向所述拋光墊施加拋光漿料，將所述半導體給體晶片和所述拋光墊壓在一起；以及 (b)旋轉所述拋光墊和所述半導體給體晶片，中斷施加所述拋光漿料，向所述拋光墊施加清洗流體，並將所述半導體給體晶片和所述拋光墊壓在一起， 其中步驟(a)和步驟(b)至少依次進行兩次，在步驟(a)的至少兩個相繼時段中減小以下至少一個參數 (i)將所述半導體給體晶片和所述拋光墊壓在一起的壓力， ( )所述拋光漿料中磨料的平均粒度，以及 (iii)所述漿料在水和穩定劑中的濃度。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟(a)和(b)的所有時段都在不換拋光墊的情況下進行。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法包括以下至少一個特徵 與在步驟(a)的前面第一個時段中相比，在步驟(a)的第二個時段中，所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力至少約低25% ;以及 將所述半導體給體晶片和所述拋光墊壓在一起的壓力是(i)在步驟(a)的第一個時段中約為10-20磅/英寸2 ;以及(ii)在步驟(a)的後面第二個時段中約為5-15磅/英寸2。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述方法包括以下至少一個特徵 與在步驟(a)的前面第二個時段中相比，在步驟(a)的第三個時段中，所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約低65-85% ;以及 在步驟(a)的後面第三個時段中，所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力是(iii)約1-5磅/英寸2。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法包括以下至少一個特徵 與在前面步驟(a)的時段中相比，在後面步驟(b)的時段中，所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力至少約低70% -90% ;以及 在步驟(b)的時段中，所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法包括以下至少一個特徵 與在步驟(a)的前面的時段中相比，在步驟(a)的後一個時段中，所述漿料的平均粒度約小40% -60% ;以及 所述漿料的平均粒度(i)在步驟(a)的一個時段中約為60-80納米；以及(ii)在步驟(a)的後一個時段中約為30-40納米。
7.如權利要求7所述的方法，其特徵在於 在步驟(a)的第一個時段和步驟(a)的後面第二個時段中，所述漿料的平均粒度大致相同；以及 在步驟(a)的後面第三個時段中，所述漿料的平均粒度約小40% -60%。
8.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法包括以下至少一個特徵 與在步驟(a)的前面的時段中相比，在步驟(a)的後一個時段中，所述漿料在水和穩定劑中的濃度約低1000% -3000% ;以及所述漿料在水和穩定劑中的濃度(i)在步驟(a)的一個時段中約為30 1-50 I ；以及(ii)在步驟(a)的後一個時段中約為600 1-1000 I。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於 在步驟(a)的第一個時段和步驟(a)的後面第二個時段中，所述漿料在水和穩定劑中的濃度大致相同；以及 在步驟(a)的後面第三個時段中，所述漿料在水和穩定劑中的濃度約低1000% -3000% O
10.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述拋光墊的轉速約為40-80rpm，所述半導體給體晶片的轉速約為10-30rpm。
11.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述方法依次包含 步驟(a)的第一個時段，其中(i)所述時段約持續200-600秒，(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為10-20磅/英寸2，(iii)所述漿料的平均粒度約為60-80納米，以及(iv)所述漿料在水和穩定劑中的濃度約為30 1-50 I ； 步驟(b)的第一個時段，其中(i)所述時段約持續20-50秒，以及(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2 ; 步驟(a)的第二個時段，其中(i)所述時段約持續150-220秒，(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為10-15磅/英寸2，(iii)所述漿料的平均粒度約為60-80納米，以及(iv)所述漿料在水和穩定劑中的濃度約為30 1-50 I ； 步驟(b)的第二個時段，其中(i)所述時段約持續20-50秒，以及(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2 ; 步驟(a)的第三個時段，其中(i)所述時段約持續200-600秒，(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為2-5磅/英寸2，(iii)所述漿料的平均粒度約為30-40納米，以及(iv)所述漿料在水和穩定劑中的濃度約為600 1-1000 : I;以及 步驟(b)的第三個時段，其中(i)所述時段約持續10-20秒，以及(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2。
12.如權利要求11所述的方法，所述方法還依次包含 步驟(b)的第四個時段，其中(i)所述時段持續約50-70秒，(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2，(iii)所述拋光墊和所述半導體給體晶片的轉速約為25-45rpm，以及(iv)所述清洗流體是清洗劑；以及 步驟(b)的第五個時段，其中(i)所述時段持續約5-20秒，(ii)所述將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力約為1-3磅/英寸2，(iii)所述拋光墊和所述半導體給體晶片的轉速約為25-45rpm,以及(iv)所述清洗流體是水。
13.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，給所述半導體給體晶片造成表面損傷的原因是其離子注入表面經歷離子注入，結合到基片上，並經過剝離，露出給體半導體晶片的剖離表面，所述剖離表面就是受損表面。
14.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述半導體給體晶片具有矩形截面。
15.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述給體半導體晶片是單晶半導體晶片。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述給體半導體晶片選自下組矽(Si)、摻雜鍺的矽(SiGe)、碳化矽(SiC)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、GaP和InP。
全文摘要
減少半導體給體晶片損傷的方法和裝置包括以下步驟(a)旋轉拋光墊，旋轉半導體給體晶片，向拋光墊施加拋光漿料，將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起；以及(b)旋轉拋光墊和半導體給體晶片，中斷施加拋光漿料，向拋光墊施加清洗流體，並將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起，其中步驟(a)和步驟(b)至少依次進行兩次，在步驟(a)的至少兩個相繼時段中減小以下至少一個參數(i)將半導體給體晶片和拋光墊壓在一起的壓力，(ii)拋光漿料中磨料的平均粒度，以及(iii)漿料在水和穩定劑中的濃度。
文檔編號H01L21/304GK102668043SQ201080049837
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月26日 優先權日2009年10月30日
發明者J·班凱蒂斯, M·J·莫爾 申請人:康寧股份有限公司