用於處理半導體晶片的方法和設備的製作方法
2023-06-13 11:31:46 1
專利名稱：用於處理半導體晶片的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過具有局部不同氧化速率的氧化作用處理半導體晶片的方法和設備。
背景技術：
半導體晶片，尤其是用於半導體工業中的單晶矽晶片，必須具有高平面度，尤其是為了考慮製造集成電路的要求。據普遍認可的經驗，半導體晶片的SFQRmax值必須不大於在半導體晶片上製造的組件的線寬度。為了能夠集成儘可能多的數量的電路，所要求的平面度必須特別地確保儘可能地接近於正面的邊緣，其中正面被定義為應在其上製造組件的面。這意味著以非常小的邊緣排除區域測量平面度，所謂的完全位點(Full Sites)及部分位點(Partial Sites)均必須滿足特定的平面度數值。(完全位點是完整組件可以在其上製造的所有表面元件，而部分位點是其上沒有足夠空間用於完整組件的晶片邊緣處的表面元件。)在定義半導體晶片的平面度時，根據SEMI標準M1-94區分整體平面度和局部平面度。整體平面度涉及除去待確定的邊緣排除區域之外的整個晶片表面。其通過GBIR加以描述(「參考整個背面的理想平面/範圍」＝對於半導體晶片的整個正面的參考背面的理想平面的正偏差和負偏差的範圍)，其對應於以前常用的術語TTV(「總厚度變化」)。局部平面度涉及半導體晶片上的有限的面積，這通常對應於設置於其上的組件的面積。其通常表示為SFQR(「參考位點正面的最小二乘/範圍」＝對於確定尺寸的面積由誤差二次最小化確定的正面的正偏差和負偏差的範圍)。變量SFQRmax是指在特定半導體晶片上的所有組件面積的最高SFQR值。在SFQR的情況下，總是指給定的值涉及該面積，例如涉及按照ITRS路標的26×8mm2的面積。
另一個平面度參數是所謂的納米形貌，其定義為在預定表面元件中峰至谷的偏差，例如2×2mm2。該納米形貌是使用諸如ADE CR 83SQM、ADE PhaseShift Nanomapper或KLA Tencor SNT的測量單元進行測量的。
半導體晶片的邊緣區域內的平面度決定性地受所謂的「邊緣下降現象(Edge Roll off)」影響。「A New Method for the Precise Measurement ofWafer Roll off of Silicon Polished Wafer」，Jpn.J.Appl.Phys.，第38卷(1999)，38-39頁，描述了「晶片下降現象」(＝邊緣下降現象)的測量。該邊緣下降現象可以發生於半導體晶片的正面和背面上，其明顯地影響位於晶片邊緣處的表面元件的SFQR值。邊緣下降現象尤其是在半導體晶片的情況下進行幹擾，該半導體晶片例如用於製造SOI晶片並與其他半導體晶片相連接(粘結)，因為相互連接的晶片表面的邊緣下降現象對晶片邊緣處的粘結品質有重要影響。
現在，用作製造微電子組件的基底的半導體晶片通常按照以下常規加工順序製造鋸、研磨和/或磨光、溼化學蝕刻、材料去除拋光和最終拋光(包括「鏡面拋光」)。這表明該加工順序不能確保持續降低線寬度所需的平面度。
在EP 798766A1中，在常規加工順序中於材料去除拋光和最終拋光之間插入按照PACE法(「等離子輔助化學蝕刻」)的氣相蝕刻步驟和隨後的熱處理，以改善半導體晶片的平面度。基於直徑為200mm的矽晶片的加工，表明所述的加工順序能夠產生0.2至0.3μm的GBIR結果。該文獻沒有給出任何局部平面度的數據。此外，也沒有說明用於測量平面度的邊緣排除區域的尺寸。
EP 961314A1給出了一種類似的方法，其中在鋸、磨光、PACE和最終拋光之後，達到最佳0.14μm的GBIR值和最佳0.07μm的SFQRmax值。
EP 961314A1中建議的PACE法導致經拋光的晶片的粗糙度變差，這可以通過在PACE之前立即實施額外的疏水化步驟部分地減輕。PACE必須在真空中實施，這使得該方法在設備技術方面是複雜的。此外，如EP 1100117A2所述，該半導體晶片還被用於蝕刻的氣體的分解產物汙染，這需要額外的清潔步驟。此外，該方法不是在整個表面上，而是通過掃描該半導體晶片實施的。這一方面非常消耗時間，另一方面導致有關掃描重疊區域中的納米形貌的問題以及有關半導體晶片中直至晶片邊緣約5mm的距離的外圍區域內的平面度(SFQRmax及邊緣下降)的問題。一個可能的原因是由於在真空中實施而在半導體晶片邊緣處發生增強的吸氣作用，以及由此引起的蝕刻介質的減少。掃描中所需的重疊在重疊位置處尤其是使納米形貌變差。用於供應蝕刻介質的噴嘴的直徑越大，則該變差的情況越明顯。但出於經濟上的原因，不能任意地選擇小的噴嘴直徑。
因此，現有技術中已知的方法無法滿足等於或小於65nm的線寬度的組件的幾何要求，即SFQRmax值最高為65nm。在此情況下，最嚴重的問題發生在半導體晶片的邊緣區域內，這是因為當前為3mm的邊緣排除區域(線寬度為90nm的情況下)在將來線寬度為65nm或更小時減小至2mm或1mm，並且在評估平面度時考慮了部分位點。
在所謂的SOI晶片的情況下出現了額外的問題。這些半導體晶片具有位於載體晶片(基礎晶片或處理晶片)表面上的半導體層。該半導體層的厚度根據待加工的組件變化。通常，區分所謂的「薄層」(厚度小於100nm)與所謂的「厚層」(厚度為100nm至約80μm)。載體晶片完全由電絕緣材料(例如玻璃、石英、藍寶石)組成，或者例如可由半導體材料，優選由矽組成，並且僅通過電絕緣層與半導體層分離。該電絕緣層例如可由氧化矽組成。
SOI晶片對於製造微電子組件非常重要。SOI晶片的半導體層直至最外部的邊緣區域都必須具有非常均勻的厚度。特別是在半導體層的厚度為100nm或更小時，諸如閾值電壓的電晶體特性在層厚度不均勻時變化非常顯著。具有薄半導體層和厚半導體層的SOI晶片的絕對厚度公差取決於層厚度。用於測量層厚度的方法優選為橢圓偏光光譜法、反射光譜法或幹涉光譜法。
此外，為了能夠集成儘可能多的數量的電路，所需層厚度均勻性必須確保儘可能接近於正面的邊緣。這還意味著非常小的邊緣排除區域。
為了改善層厚度均勻性的目的的SOI晶片的後處理的方法也是已知的。在此情況下通常是包括掃描SOI晶片的局部蝕刻法，在具有更大層厚度的位置上更多地蝕刻去除材料按照US 2004/0063329 A1，在幹蝕刻法中利用噴嘴對SOI晶片的表面進行掃描，經該噴嘴局部通入氣體蝕刻介質。EP 488642A2和EP 511777A1描述了如下方法其中SOI晶片的半導體層的整個表面暴露在蝕刻介質下。然而，該蝕刻介質必須以掃描表面(光化學蝕刻)的方式通過雷射束或光源利用光學系統聚焦的光束進行局部活化。
必須掃描半導體層的表面以得到局部不同的蝕刻去除量的所有方法都非常耗時，並因而是成本昂貴的。此外，掃描一方面需要光源或噴嘴的複雜運動，或者另一方面需要SOI晶片的複雜運動。
此外，額外的層厚度不均勻性特別地發生在晶片的邊緣區域內，即距離晶片邊緣最大5mm的區域內以及在掃描過程中發生重疊的區域內。在層厚度為520nm時，按照EP 488642A2，達到10nm的層厚度均勻性，但沒有任何關於邊緣排除區域的數據。根據EP 511777A1，在層厚度為108nm時，可以達到8nm的層厚度均勻性，但沒有任何關於邊緣排除區域的數據。
因此，儘管存在複雜的方法，但是仍然無法達到所需的特別是在SOI晶片的邊緣區域內的層厚度均勻性。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供(特別是在邊緣區域內)具有改進的平面度和納米形貌的半導體晶片，其適用於製造65nm或更小線寬度的組件。在此，術語「半導體晶片」還包括SOI晶片。本發明的另一個目的在於提供特別是在邊緣區域內具有改進的層厚度均勻性的SOI晶片。
該目的是通過用於處理半導體晶片的方法實現的，該方法包括下列步驟a)以位置相關的方式測量表徵所述半導體晶片的參數以測定所述參數在所述半導體晶片的整個表面上的與位置相關的數值，b)在氧化劑的作用下同時在照射所述整個表面的情況下氧化所述半導體晶片的整個表面，氧化速率和所得的氧化物層的厚度取決於所述半導體晶片的表面上的光強度，及c)去除所述氧化物層，其中，以位置相關的方式預先給定步驟b)中的光強度，從而通過步驟b)中由與位置相關的光強度導致的與位置相關的氧化速率和後續的步驟c)中所述氧化物層的去除而減小步驟a)中測得的所述參數的與位置相關的數值的差異。
本發明涉及用於通過氧化半導體晶片的至少一個表面並去除氧化物層而處理半導體晶片的方法。在該方法中，半導體晶片的表面(在SOI晶片的情況下，半導體層)不同於現有技術，不是以點的形式或掃描的方式進行處理，而是處理其整個表面。通過步驟b)中氧化物層的與位置相關的生長速率(下文中也稱作氧化速率)對步驟a)中以位置相關的方式測得的參數進行校正。由此導致位置相關而不同的氧化物層厚度，隨後在步驟c)中優選完全除去所述氧化物層。通過氧化和去除氧化物層，以位置相關的方式除去不同的量的材料。通過局部不同的光強度而實現校正所需的局部不同的氧化速率。光強度的局部分布是通過預先測定的參數的局部數值確定的。在步驟a)中測量應在根據本發明的方法中最優化的參數。由此得到的測量值用於控制局部光強度。
根據本發明的方法可以應用於所有半導體晶片，其例如由鍺，優選由矽鍺或碳化矽組成。應用於矽是特別優選的。如上所述，若要改善此類半導體晶片的正面的平面度，則相對於特定的理想平面的高度偏差適合作為該方法的步驟a)中測得的參數。所述高度偏差可以利用常規的幾何測量裝置加以測定。
若要最優化半導體晶片的整體平面度(GBIR)，則在步驟a)中測定晶片正面相對於由晶片背面確定的理想平面的偏差，並在步驟b)中控制局部光強度，從而在局部升高處得到高氧化速率，而在局部下降的位置得到低氧化速率。
相反地，若要最優化半導體晶片的局部平面度(SFQR)，則應在步驟a)中測定晶片正面相對於參照例如尺寸為26×8mm2的特定測量窗的理想平面的偏差，並在步驟b)中控制局部光強度，從而在局部升高處得到高氧化速率，而在局部下降的位置得到低氧化速率。
根據本發明的方法還可應用於SOI晶片，其中SOI晶片的半導體層例如可由鍺組成。優選應用於由矽鍺或碳化矽組成的半導體層；特別優選應用於矽。若要改善該半導體層的層厚度均勻性，則在本發明方法的步驟a)中測量所述的層厚度。半導體層的厚度可以位置相關的方式例如利用橢圓偏振計、幹涉計或反射計進行測量。在後續的步驟b)中，控制局部光強度，從而在層厚度大的位置上實現高氧化速率，而在層厚度小的位置上實現低氧化速率。
所需的材料去除量是根據步驟a)中對半導體晶片表面上的每個點的測量而確定的。氧化處理所需的時間和半導體晶片表面上的每個點所需的光強度均是取決於光強度由氧化速率計算得出的，該氧化速率針對相關的半導體材料得到所用的蝕刻介質，還決定材料的去除量。
測量點的數量和位置通常取決於所期望的解析度。最大可能的測量點的數量取決於測量探針的尺寸。例如，在測量裝置ADE 9500(直徑為200mm的半導體晶片)和ADE AFS(直徑為300mm的半導體晶片)的情況下，測量探針的尺寸為2×2mm2。
隨後，由測量值計算出所需的局部光強度。下面根據幾何數據，即為了最優化GBIR或SFQR，描述一種合適的方法，但該方法經過必要的修改也可應用於SOI晶片情況下的半導體層的納米形貌數據或層厚度。
幾何測量裝置利用尺寸為A×A(通常為4×4mm2或2×2mm2)的測量探針測量直徑為D的半導體晶片的厚度t的完整的圖。在此情況下，厚度t嚴格地說是相對於由半導體晶片背面確定的理想平面的高度偏差。這些數據可以作為原始數據從幾何測量裝置輸送至計算機。若現在通過半導體晶片的中心設置笛卡爾坐標系，則對於每個點x，y存在厚度值t(x，y)。在此情況下，x和y在測量窗尺寸的柵格中變化，這意味著將t(x，y)理解為厚度在由x-A/2至x+A/2及y-A/2至y+A/2確定的長方形上的平均值。照射裝置具有B×B像素的解析度，例如1024×1024。將來自原始的厚度矩陣的對應數值藉助於尺寸為B×B的計算機內部矩陣指定為各個矩陣元素M(a，b)M(a，b)＝t(|-D/2+a×D/B|，|-D/2+b×D/B|)(1)在此情況下，||表示絕對值。可以使用絕對值是因為照射裝置的解析度通常大於原始厚度數據的解析度。在與此相反的情況下，可以簡單地進行原始數據的幾何平均。
通過該轉化，使數據平滑。存在平均半徑R作為控制參數。坐標為i，j的像素指定為在圍繞點i，j的半徑為R的圓中的所有像素的平均值。當滿足下列條件時，點x，y精確地落在圍繞點i，j的圓中(i-x)×(i-x)+(j-y)×(j-y)≤ R×R(2)
由所有滿足上述條件的M(x，y)的平均值計算出新的數值M平滑(i，j)＝平均值(M(x1，y1)，M(x2，y2)，M(x3，y3)，...M(xn，yn)) (3)基於原始的坐標系，R通常在0.1cm至2cm之間，並用作調節參數。
然而，除了該幾何平滑以外，還可進行EDP中常用的用於平滑的所有其他標準方法。
矩陣M平滑的最大值MaxM和最小值MinM產生用於照射半導體晶片的灰度矩陣像素i，j的透明度分量＝(M平滑(i，j)-MinM)×(MaxM-MinM)×100％(4)像素i，j的黑色分量＝100％-(M平滑(i，j)-MinM)×(MaxM-MinM)×100％(5)通過該算式表明半導體晶片的特別厚的位置是透明的，從而對這些位置以高光強度照射。相反地，最薄的位置用黑色表示，因此不進行照射或僅以低光強度照射。
本發明利用了特定氧化反應的速率與入射光線的強度和波長的關係。這在下面的矽的實施例中具體地進行描述。然而，本發明還可應用於其他半導體材料。
矽的熱氧化速率基本上通過如下步驟加以確定1)形成反應性氧化物質，2)所述物質以生長進行矽晶片中的方式從晶片表面擴散至矽與氧化矽之間的界面，及3)在所述界面處形成氧化矽。已知通過射入具有適當波長的光線可以加快這些反應步驟中的一個或多個以及氧化反應的速率。
Young等人和Kazor等人描述了光強度和波長的影響以及基本的氧化模型(Young等人，Applied Physic Letters(50(2)(1987)，80頁；Kazor等人，Applied Surface Science 54(1992)，460-464頁)。
步驟b)中所用的氧化劑優選為氣態。一種特別優選的氧化劑是氧氣(O2)。諸如一氧化二氮(N2O)的氮的氧化物也是合適的。該氣氛可以額外地含有其他的諸如氫氣(H2)或氯氣(Cl2)的反應性氣體以及諸如氮氣(N2)或惰性氣體的非反應性氣體。其還可含有水蒸氣(H2O)，在此情況下稱作溼氧化。氧化例如還可在空氣中進行。
若氧化劑是氧氣，則波長小於250nm的UV光的照射導致氧氧鍵的斷裂，從而產成反應性非常高的單原子氧(O)和臭氧(O3)。隨著波長的減小該效果增強，因此若使用氧氣作為氧化劑，則優選使用波長小於200nm的光線。單原子氧(O)和臭氧(O3)是比分子氧(O2)明顯更強的氧化劑。因此，可以通過用上述波長範圍內的UV光的照射顯著加速氧化速率。Boyd等人描述了該影響(Boyd等人，Nuclear Instruments andMethods in Physic Research B 121(1997)，349-356頁)。
臭氧和單原子氧具有非常短暫的壽命，隨著溫度的升高其壽命進一步縮短。步驟b)中的氧化處理優選在100至1100℃，更優選300至500℃的溫度下進行。在該溫度下，所述反應性氧物質的壽命短，從而在它們產生之後所述物質不會發生明顯的擴散。
通過UV光的與位置相關的強度，可以在不同的位置產生不同量的所述反應性氧物質。因為所述物質的擴散實際上不發揮作用，所以由此得到所述物質與位置相關而不同的濃度，因而得到與位置相關的氧化速率。
即使使用波長更長的光線，通過對氧化反應的步驟2)和3)的影響仍然可以得到氧化速率的位置相關性。然而，通過小於250nm，尤其是小於200nm的波長和對氧化反應的步驟1)的影響可以獲得最大的效果。
吸收的光譜相關性對於選擇合適的光源以實施本發明是重要的。例如弧光燈的特徵在於光譜寬和強度高，它們可以良好地用於照射整個半導體晶片。通過使用合適的濾光片(高通、低通)可以調節合適的波長範圍。但基本上可以使用適合於實現上述效果的光線的所有光源。例如低壓汞燈或鈉蒸氣燈、氘氣燈、準分子燈、雷射或LED也是合適的。若要在使用氧氣作為氧化劑時通過與位置相關的照射主要影響反應性氧物質(如上所述)的產生，則優選為發射一部分波長小於250nm或者甚至小於200nm的光線的光源，例如氘氣燈、準分子燈或低壓汞燈。
還存在可以在根據本發明的方法的步驟b)中實現位置相關而不同的照射的更多的可能性例如可以使用具有單一光源的照射裝置，照射的位置相關性是通過具有與位置相關的透射率的濾光片或通過具有與位置相關的反應率的鏡子實現的。計算的灰度值的矩陣可以通過照射裝置藉助於合適的光學排列清晰地投射在半導體晶片的表面上，從而用於控制局部光強度。若在光源和半導體晶片之間不存在具有與位置相關的透射率的濾光片或具有與位置相關的反射率的鏡子，則優選以如下方式設置該光學排列儘可能均勻地照射在待處理的半導體晶片的整個表面上，即優選偏差小於±10％。選擇性地，由光源或光學排列引起的照射不均勻性可以在用於計算灰度值的算式中加以考慮，並以此方式進行補償。
在本發明的一個實施方式中，步驟a)中得到的半導體晶片的測量值用於製造精確地配合所述半導體晶片的濾光片，其隨後用於照射該半導體晶片。濾光片的灰度值可以利用上述算式進行計算。濾光片本身可以不同的方式製得，例如通過在印刷法中製造過濾薄膜。將用於照射半導體晶片而製得的濾光片以合適的方式及正確的取向設置在光源與半導體晶片之間，從而使濾光片精確地投影在半導體晶片上。
選擇性地，還可使用LCD濾光片，其中透射率可以通過施加電壓而以位置相關的方式改變。
但原則上可以實現約1至100％的透射率並且可以實現合適的局部解析度的所有類型的濾光片都是合適的。
代替具有局部不同的光透射率的濾光片，還可使用相應地製造的具有局部不同的反射率的鏡子。
在各種情況下僅可用於半導體晶片的濾光片或鏡子的製造是非常複雜的。因此，波長≥250nm的下列本發明的實施方案是特別優選的藉助於控制單元，優選計算機，由步驟a)中測得的參數的與位置相關的數值計算灰度圖。為此可以使用上述算式。步驟b)中半導體晶片的照射是通過將所述灰度圖的圖像投影到半導體晶片的表而上的投影裝置進行的。在此情況下，照射裝置是可將所述灰度圖的圖像直接投影到半導體晶片上而無需使用固定的濾光片或鏡子的投影裝置。該投影裝置優選按照數據投影儀或視頻投影儀(所謂的「光束器(Beamer)」)的原理工作。在此情況下，由可驅動的鏡子晶片(在尺寸為幾個平方釐米的晶片上具有成百上千個微小鏡子的矩陣)使來自投影燈的光線轉向。此類目前可商購的投影裝置例如可以1024×768像素的解析度控制0至100％範圍內的光線透射率。這使得在待處理的直徑為300mm的半導體晶片的表面上產生約為6.5點/mm2的密度。
對於更短的波長，特別是小於250nm的波長，更加難以發現合適的鏡子材料。在此情況下，通過許多彼此相鄰排列的光源的陣列產生光強度的局部差別是特別有利的，其中該光源直接地或者通過額外的濾光片照射半導體晶片。單獨地或者成組地控制光源，從而使作用在半導體晶片的表面上的各個位置上的光強度與步驟a)中所測參數的與位置相關的數值具有確定的關係。光源的陣列還可在波長更長的情況下，即波長大於250nm的情況下使用。
在各個所述的實施方案中選擇光源，使得氧化速率所期望的局部差別足以在半導體材料與氧化物之間產生非常平的界面。氧化速率取決於溫度、波長、光強度以及氧化劑的種類和濃度。
氧化劑或氣氛的組成與所用的光波長範圍相結合地並取決於半導體材料加以選擇，使得氧化速率與光強度和波長之間具有足夠強的相關性。Kazor等人(Applied Surface Science 54(1992)，460-464頁)和Ishikawa等人(Jpn.J.Appl.Phys.30(1991)L661)描述了典型的低溫(低於550℃)的氧化條件。Young等人(Applied Physics Letters 50(2)(1987)，12頁)描述了氧化速率與波長的關係。
氧化處理的合適的參數集合可以通過預先的試驗加以確定(Kazor等人，Applied Surface Science 54(1992)，460-464頁；Boyd等人，NuclearInstruments and Methods in Physics Research B 121(1997)，349-356頁)。
在本發明方法的範疇內，為了與位置相關地使矽氧化，例如氧氣適合作為氧化劑。其優選以100至1000cm3/分鐘，更優選150至600cm3/分鐘的流速通入氧化室中。優選的壓力範圍取決於光波長。在波長為185nm或更大時，可以在大氣壓下或低壓下工作。在波長更短時，因為氧氣提高了吸收率，所以優選為低壓，更優選小於100hPa。在UV照射下由氧分子產生的臭氧的壽命在低壓下更長；另一方面，由於更短的壽命，臭氧濃度的位置相關性在大氣壓下更容易確定。因此，可以調整具體的條件以適應目標。
取決於氧化處理的其他參數，選擇入射光線的強度，從而達到所期望的氧化速率。可以是0W/cm2至10W/cm2的(雷射)的局部強度，優選為0W/cm2至100W/cm2，更優選為0W/cm2至30W/cm2。用於使矽氧化的優選的光源是在185至254nm的波長下發射的低壓汞燈。
為了達到足夠的氧化速率，在氧化處理中優選為300至500℃的溫度。在所述溫度下，取決於光強度，2至6nm每小時的氧化速率是可能的。為了達到通常所需的氧化物層厚度，需要約1至4小時的處理時間。
為了進一步提高氧化速率，還可採用500℃至1100℃範圍內的更高的溫度(Oren等人，Journal of Applied Physics 42(2)(1971)，752-756頁；Young等人，Applied Physics Letters，50(2)(1987)，80頁)。
可能發生的氧化劑的流動不均勻性會導致半導體晶片的邊緣處的材料去除量產生偏差，但這可以通過局部光強度的相應校正進行補償。
隨後在步驟c)中除去氧化物層。優選在步驟c)中完全除去氧化物層。這優選通過合適的蝕刻法加以實施。蝕刻法可為氣相蝕刻法、溼化學蝕刻法或等離子蝕刻法。優選地選擇條件，使得蝕刻法僅侵蝕氧化物，而不是半導體材料本身。若該半導體材料是矽，則這可以通過使用含有氟化氫(HF)的水溶液實現。在不存在氧化劑時，氟化氫僅侵蝕氧化矽，而不是矽。
因為氧化反應和氧化物層的去除均是在整個表面上進行的，所以可以避免耗時的表面掃描。因此，可以低成本的方式實施根據本發明的方法。因為可以非常精細地選擇與位置相關的光強度的等級和空間解析度，所以可以避免根據現有技術進行掃描時產生的重疊效應。
該方法具有如下優點直至半導體晶片的邊緣進行局部校正，從而直至晶片邊緣均具有所需的品質。特別地，可以在2mm或更小的邊緣排除區域及包括部分位點的情況下達到所要求的平面度或層厚度。
該方法適合於消除SOI晶片的半導體層的不均勻性，以及消除包括邊緣下降現象的半導體晶片的不均勻性。因此，藉助於根據本發明的方法處理的半導體晶片還非常適合於與其他半導體晶片相連接(粘結)，因為特別是在邊緣處，粘結品質受SFQR值和邊緣下降現象影響。經濟上的巨大優點在於晶片表面在製造組件方面的更高的可用性。由於明顯更高的製造成本，這在SOI晶片的情況下具有特別顯著的效果。
在SOI晶片的情況下，根據本發明的方法通常僅在正面(＝載有半導體層的面)上實施，而在半導體晶片不含層結構時，優選在正面上實施根據本發明的方法。若邊緣下降現象也在背而上減少，則該方法還必須應用於背面。在此情況下，該方法可以依次應用於正面和背面，或者同時應用於兩面。
優選在根據本發明的方法之後不進行拋光，從而不再次降低平面度或層厚度均勻性。特別是在SOI晶片具有小於1μm的矽層厚度時，不應實施拋光。若需要用於降低表面粗糙度的後續拋光，則應儘可能少地通過拋光去除材料，以保持表面的平面度或層厚度的均勻性。
在通過將半導體層從供體晶片轉移至載體晶片上而製得SOI晶片時，該方法在連接晶片並將層與剩餘的供體晶片分離之後實施。在SOI晶片的情況下，根據本發明的方法可與一個或更多個用於平滑表面或用於增強粘結力的熱過程和/或一個或更多個用於使半導體層變薄的氧化處理相結合。
根據本發明的方法能夠製造具有非常平整的表面的半導體晶片以及具有優異的層厚度均勻性的SOI晶片。
特別地，根據本發明的方法能夠製造如下半導體晶片其正面的GBIR最大為0.09μm，在邊緣排除區域為2mm的情況下包括部分位點時於26×8mm2的測量窗內的SFQRmax最大為0.05μm，正面上的邊緣下降現象最大為0.2μm，其是在距離半導體晶片邊緣1mm至3mm之間的範圍內測得的。
優選地，根據本發明製得的半導體晶片的特徵在於在邊緣排除區域為2mm的情況下在包括部分位點時於26×8mm2的測量窗內的SFQRmax最大為0.03μm。
本發明還能夠製造如下的半導體晶片，其正面的納米形貌(峰至谷)在邊緣排除區域為2mm的情況下於2×2mm2的測量窗內最大為16nm。
根據本發明製得的非常平整的半導體晶片，特別是由單晶矽組成的半導體晶片，適用於半導體工業中，特別適合於製造65nm或更小線寬度的電子組件。其還特別適合作為用於製造粘結的SOI晶片的供體晶片或載體晶片，特別是因為即使在非常小的邊緣排除區域僅為2mm時仍然能夠確保包括邊緣下降現象的平面度。
本發明還能夠製造如下的SOI晶片，其包括半導體層和載體晶片，其中該半導體層的厚度小於100nm，而在邊緣排除區域為2mm的情況下半導體層的平均厚度的相對標準偏差最高為3％。半導體層厚度的相對標準偏差在下文中還稱作層厚度均勻性。
根據本發明製得的SOI晶片在層厚度最高為100nm時的特徵在於，優選在邊緣排除區域為2mm時的層厚度均勻性最高為1％。
特別優選首先將根據本發明的方法應用在供體晶片和載體晶片上，然後將它們彼此相互連接，接著將具有半導體層的載體晶片與剩餘的供體晶片分離，隨後對如此製得的SOI晶片再次實施根據本發明的方法，以均勻化半導體層的厚度。如此製得的SOI晶片的特徵在於，除了上述特性之外，GBIR最大為0.1μm，在邊緣排除區域為2mm時包括部分位點的情況下於26×8mm2的測量窗內的SFQRmax最大為53nm，正面上的邊緣下降現象最大為0.25μm，其是在距離半導體晶片的邊緣1mm至3mm之間的範圍內測得的。
因為根據本發明的方法還可應用於具有厚的半導體層的SOI晶片，所以該方法還能夠製造如下的SOI晶片其包括半導體層和載體晶片，其中半導體層的厚度在0.1μm至80μm的範圍內，在邊緣排除區域為2mm時半導體層的平均厚度的相對標準偏差最高為4％。
優選地，根據本發明製得的具有厚的半導體層的SOI晶片的特徵在於在邊緣排除區域為2mm時層厚度均勻性最高為2％。
如上所述具有薄的半導體層的SOI晶片，若該SOI晶片是通過將根據本發明的方法應用於供體晶片和載體晶片上並隨後應用於SOI晶片上而製得的，則優選具有厚的半導體層的SOI晶片的特徵額外在於GBIR最大為0.11μm，在邊緣排除區域為2mm時包括部分位點的情況下於26×8mm2的測量窗內的SFQRmax最大為55nm，正面上的邊緣下降現象最大為0.3μm，其是在距離SOI晶片的邊緣1mm至3mm之間的範圍內測得的。
此外，根據本發明製得的具有厚或薄的半導體層的SOI晶片優選在邊緣排除區域為2mm時於2×2mm2的測量窗內具有最大為16nm，優選最大為8nm，特別優選最大為2nm的納米形貌(峰至谷)。
下面描述本發明方法的優選的實施方案，由此可以提高該方法的材料去除量在SOI晶片的情況下，期望通過根據本發明的方法改善層厚度的均勻性並且將層厚度減小至特定的目標值。在本發明方法的範疇內，這可以通過均勻地與位置相關地提高步驟b)和c)中達到的材料去除量而實現。為此，存在更多的可能性例如，除步驟b)以外，還可以與位置無關的均勻氧化速率實施其他的氧化處理。該其他的氧化處理可以在步驟b)之前，在步驟b)和c)之間或者在步驟c)之後實施。在第一種情況下，可以去除具有類似於步驟c)的均勻厚度的氧化物層，然後在步驟b)中開始與位置相關的氧化。在第二種情況下，在步驟c)中除去所有產生的氧化物層。在第三種情況下，後續去除具有類似於步驟c)的均勻厚度的額外的氧化物層。還可以多次重複這些步驟。可以實施額外的氧化處理以提高例如在完全照射半導體晶片時的氧化速率。但還可通過將外部產生的臭氧通入氧化室內而提高氧化速率。等離子體的產生也提高氧化速率。
然而，均勻化與薄化的組合也可單獨地通過步驟b)和c)實施。在此情況下，在計算局部不同的光強度時考慮需要去除材料直至所期望的最終厚度的總量。在步驟b)中，可以通過一般地提高光強度，通過提高溫度，通過同時通入外部產生的臭氧或者通過等離子體輔助(Plasmaunterstützung)而均勻地即與位置無關地提高氧化速率。通過在氧化室中實施的與位置相關的照射達到所需的氧化速率的位置相關性。
下面參考附圖描述特別適合於實施本發明方法的裝置圖1所示為具有多個單獨光源的根據本發明的裝置的結構示意圖。
圖2所示為另一個具有多個單獨光源的根據本發明的裝置的結構示意圖。
圖3所示為根據現有技術製得的SOI晶片的矽層的徑向厚度分布圖。
圖4所示為SOI晶片在實施根據本發明的方法之後的矽層的徑向厚度分布圖。
具體實施例方式
用於處理半導體晶片5的裝置尤其適合於實施根據本發明的方法，該裝置包括-用於與位置相關地測量表徵半導體晶片5的參數的測量裝置11，-用於接收半導體晶片5的氧化室6，其包括用於半導體晶片5的支撐裝置和用於導入和導出氧化劑的系統9，-照射裝置，其包括在與所述半導體晶片5的平面相平行的平面內彼此相鄰地排列的多個光源2，其中所述光源2能夠單獨地或者成組地加以控制，並對所述光源2進行排列使其能夠以與位置相關的光強度照射位於所述氧化室6內的所述半導體晶片5的一個面，及-用於將所述測量裝置11測得的參數的數值換算成用於控制所述照射裝置的指令並將該指令傳送至所述照射裝置的控制單元10。
可控的照射裝置包括多個光源2。這些單獨的光源在與半導體晶片5的平面相平行的平面內彼此相鄰地排列，並且可以單獨地或者成組地加以控制，從而使其可以與位置相關的光強度照射位於氧化室6內的半導體晶片5的一個面。單獨的光源可以具有各種不同的形式，例如環形、圓形、方形或帶形。光源可以具有相同的形式或不同的形式。單獨的光源2發射具有特定的功率和波長的光線。
例如，發射波長為185nm和254nm的光線的低壓汞燈可以用作該照射裝置的光源2。半導體晶片5的表面上與位置相關的光強度優選在0至30mW/cm2的範圍內。
光源2可以直接裝入氧化室6中(參見圖2)，或者裝入氧化室6外部的專門的外殼1內(參見圖1)。
濾光片3可以設置在光源2與半導體晶片5之間。光線的波長範圍可以利用所述的濾光片進行過濾。但也可使用能夠調節與位置相關而變化的透射率的濾光片，如LCD濾光片。還可以組合使用這兩種濾光片。在圖2所示的情況下，濾光片還可位於氧化室6中。
在圖2所示的裝置中，濾光片保護同樣位於該氧化室內的光源2不被半導體晶片發射的熱輻射過度加熱。在圖1所示的排列方式中，光源2的過熱還可通過適當選擇對著光源的氧化室6的上部的材料而加以避免。例如可以使用對於光源發射的輻射4(優選為UV輻射)是透明的同時吸收半導體晶片發射的IR輻射12的玻璃。光源2的過熱例如可以通過空氣或水冷卻光源而加以避免。
半導體晶片5的表面上的光強度取決於光源2的孔徑角、光源2與半導體晶片5之間的距離以及施加在光源上的電壓。光源2發射的光線的傳播方向應基本上與半導體晶片5的表面垂直。為了確保足夠的空間解析度，照射裝置的單獨的光源2優選具有儘可能小的孔徑角，尤其是在光源2與半導體晶片5之間具有更大的距離時。半導體晶片5上的單獨光源2的錐形光束的重疊優選應限制在各個直接相鄰的光源上。為了實現該效果，可以使用合適的透鏡、反射器或光圈。這些額外的光學組件可以單獨地用於各個光源或者用於光源的組。孔徑角通常為0°至10°，而光源與半導體晶片之間的距離為1至50cm。
由單獨的光源2發射的光強度可以通過施加在光源上的電壓加以控制。取決於幾何邊界條件，如光源與半導體晶片之間的距離或者光源的孔徑角，半導體晶片的表面上的特定位置處所需的光強度通過施加在單獨的光源2上的電壓加以控制。單獨地控制各個光源是優選的，以在照射時達到儘可能最高的解析度(清晰度)。但也可一起控制單獨光源的組。
在使用根據本發明的如圖1和2所示的裝置時，基於本發明方法的步驟a)中獲得的測量值計算出的灰度矩陣對應於單個光源的功率矩陣。在錐形光束輕微重疊時，單個光源的功率與灰度矩陣中相應點的透明度分量成比例。
控制單元10除了可以控制照射裝置1及任選的可控制的濾光片3(例如LCD濾光片)以外，還可以控制該裝置的其他功能，例如利用機器人裝載和卸載半導體晶片；或者控制氧化處理的參數，如溫度(例如通過加熱裝置7)，氧化處理時間以及通過用於導入氧化劑的系統9控制氧化劑的流速。
用於氧化處理的氧化室6可以接收水平或垂直放置的半導體晶片5。為了達到均勻的氧化速率(除了局部不同的光強度以外)，可以移動半導體晶片5。例如可以旋轉半導體晶片5，但必須例如通過同時旋轉照射裝置1及任選的濾光片3而同時地實現。但優選不移動半導體晶片5。
此外，可以使用冷卻裝置使溫度均勻化。因為氧化處理通常在提高的溫度下進行，所以加熱裝置7是優選的，其是通過獨立的控制器8或者由控制單元10加以控制的。
將用於供應氧化劑的系統9連接至氧化室6，該系統9以所需的數量、計量和品質(任選過濾)輸送氧化劑。
可以使用集成的測量系統11原位測量氧化物層的厚度，其中實際的測量數據可以立即輸送至控制單元10並進行處理。
實施例對通過將矽層從供體晶片轉移至載體晶片上而製得的直徑為300nm的SOI晶片進行處理。晶片的厚度為735μm，矽氧化物層的厚度為80nm，位於矽氧化物層上的矽層的目標厚度為20nm。
在步驟a)中，矽層的厚度是以位置相關的方式通過幹涉計精確地測量的。2000個測量點的測量和1mm的邊緣排除區域得出21.9nm的平均層厚度，標準偏差為0.7nm，最大層厚度與最小層厚度之差為2.8nm。圖3所示為沿著直徑的厚度分布曲線，即以單位nm測量的矽層厚度tSOI作為以單位mm測量的徑向位置r的函數。將厚度測量值存儲在計算機中，並換算成灰度圖。在此情況下，具有更大層厚度的位置給出灰度圖上更透明的分量，從而在這些位置進行更多的照射，因此達到更高的除去速率，反之亦然。
隨後在步驟b)中進行氧化處理。將利用RCA法新鮮清洗的SOI晶片引入氧化室內，並在氮氣下加熱至500℃的加工溫度。在達到加工溫度時，通過切換至大氣壓下的流速為0.5升/分鐘的氧氣並打開以局部不同的強度在整個面積上的UV照射而開始加工。使用低壓汞燈陣列作為照射裝置，其中所用的發射的波長為185nm。光源至矽層表面的距離為10cm。現在將預先在步驟a)中計算出的灰度圖利用光源陣列投影到矽層的表面上，其中燈單獨地根據灰度圖進行控制。以此方式，以局部不同的光強度照射矽層的表面。矽層表面上的光強度在1至30mW/cm2之間以位置相關的方式變化。在氧化60分鐘之後，在最厚位置得到6.0nm的氧化物層厚度(對應於2.88nm被氧化的矽)，而在最薄位置得到1.8nm的氧化物層厚度(對應於0.86nm被氧化的矽)。在氧化結束之後，用氮氣衝洗氧化室，並將晶片從氧化室取出。隨後利用溼化學蝕刻完全除去氧化物層。為此，使用含有0.5％氟化氫(HF)並用20％氟化銨(NH3F)緩衝的水溶液。用該溶液進行處理不會導致矽層表面的可測的粗糙化。
然後，利用以與開始時相同的厚度測量方法測量矽層的與位置相關的厚度。現在平均層厚度為20.1nm，標準偏差為0.21nm，而最大層厚度與最小層厚度之差為0.65nm。圖4中沿著直徑的厚度分布曲線清楚地顯示出矽層的平滑性。
權利要求
1.用於處理半導體晶片的方法，該方法包括下列步驟a)以位置相關的方式測量表徵所述半導體晶片的參數以測定所述參數在所述半導體晶片的整個表面上的與位置相關的數值，b)在氧化劑的作用下同時在照射所述整個表面的情況下氧化所述半導體晶片的整個表面，氧化速率和所得的氧化物層的厚度取決於所述半導體晶片的表面上的光強度，及c)去除所述氧化物層，其中，以位置相關的方式預先給定步驟b)中的光強度，從而通過步驟b)中由與位置相關的光強度導致的與位置相關的氧化速率和後續的步驟c)中所述氧化物層的去除而減小步驟a)中測得的所述參數的與位置相關的數值的差異。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過光源和設置在所述光源與所述半導體晶片之間的濾光片實施所述半導體晶片的照射，所述濾光片具有與位置相關的光透射率，該光透射率與所述參數的與位置相關的數值具有特定的關係。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，藉助於計算機由步驟a)中測得的參數的與位置相關的數值計算灰度圖，並通過將所述灰度圖的圖像投影到所述半導體晶片的表面上的投影裝置實施步驟b)中所述半導體晶片的照射。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過多個在與所述半導體晶片(5)的平面相平行的平面內彼此相鄰地排列的光源(2)實施所述半導體晶片(5)的照射，其中所述光源單獨地或者成組地加以控制，從而使作用在所述半導體晶片(5)的表面上的各個位置的光強度與所述參數的與位置相關的數值具有特定的關係。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特徵在於，所述氧化劑為氣態。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述氧化劑是氧氣、臭氧或氮的氧化物。
7.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特徵在於，所述半導體晶片由選自以下組中的材料組成矽鍺及碳化矽。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述半導體晶片由矽組成。
9.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特徵在於，所述參數是相對於特定的理想平面的高度偏差。
10.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特徵在於，所述半導體晶片是包括電絕緣載體上的半導體層的SOI晶片。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述半導體層由選自以下組中的材料組成矽鍺及碳化矽。
12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述半導體層由矽組成。
13.根據權利要求10至12之一所述的方法，其特徵在於，所述參數是所述半導體層的厚度。
14.用於處理半導體晶片(5)的裝置，該裝置包括-用於與位置相關地測量表徵所述半導體晶片(5)的參數的測量裝置(11)，-用於接收所述半導體晶片(5)的氧化室(6)，其包括用於所述半導體晶片(5)的支撐裝置和用於導入和導出氧化劑的系統(9)，-照射裝置，其包括在與所述半導體晶片(5)的平面相平行的平面內彼此相鄰地排列的多個光源(2)，其中所述光源(2)能夠單獨地或者成組地加以控制，並對所述光源(2)進行排列使其能夠以與位置相關的光強度照射位於所述氧化室(6)內的所述半導體晶片(5)的一個面，及-用於將所述測量裝置(11)測得的參數的數值換算成用於控制所述照射裝置的指令並將該指令傳送至所述照射裝置的控制單元(10)。
15.根據權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述測量裝置(11)是用於測量層厚度的橢圓偏振計、幹涉計或反射計，或者用於測量相對於特定的理想平面的高度偏差的幾何測量裝置。
全文摘要
本發明涉及用於處理半導體晶片的方法，該方法包括下列步驟a)以位置相關的方式測量表徵所述半導體晶片的參數以測定所述參數在所述半導體晶片的整個表面上的與位置相關的數值；b)在氧化劑的作用下同時在照射所述整個表面的情況下氧化所述半導體晶片的整個表面，氧化速率和所得的氧化物層的厚度取決於所述半導體晶片的表面上的光強度；及c)去除所述氧化物層，其中，以位置相關的方式預先給定步驟b)中的光強度，從而通過步驟b)中由與位置相關的光強度導致的與位置相關的氧化速率和後續的步驟c)中所述氧化物層的去除而減小步驟a)中測得的所述參數的與位置相關的數值的差異。本發明還涉及用於實施根據本發明的方法的裝置。
文檔編號C30B33/00GK101092751SQ20071010183
公開日2007年12月26日 申請日期2007年4月25日 優先權日2006年5月18日
發明者布萊恩·墨菲, 迭戈·費若, 賴因霍爾德·瓦爾利希 申請人:矽電子股份公司