专利名称：采用化学机械抛光的半导体晶片再利用的利记博彩app
采用化学机械抛光的半导体晶片再利用优先权本申请要求2009年10月30日提交的题为“采用化学机械抛光的半导体晶片再利用”的美国专利申请第12/609768号的优先权。
背景技术：
本发明涉及采用改进的绝缘体上半导体(SOI)制备方法制造绝缘体上半导体(SOI)结构。迄今，最广泛用于绝缘体上半 导体结构的半导体材料是硅。文献中将这种结构称作绝缘体上硅结构，并将縮写“SOI”用于这种结构。SOI技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和诸如有源矩阵显示器之类的显示器越来越重要。SOI结构可包含绝缘材料上的基本上是单晶硅的薄层。获得SOI结构的各种方法包括在晶格匹配的基片上外延生长硅(Si)。另ー种方法包括将单晶硅晶片与另ー个其上已生长SiO2的氧化物层的硅晶片结合，然后将上面的晶片向下抛光或蚀刻至例如O. 05-0. 3微米的单晶硅层。另ー些方法包括离子注入法，在所述方法中注入氢离子或者氧离子，在注入氧离子的情况下形成嵌埋在硅晶片中的氧化物层，其上覆盖Si，或者在注入氢离子的情况下分离(剥离)一个薄的Si层，结合到具有氧化物层的另一 Si晶片上。用这些方法制造SOI结构的成本很高。涉及氢离子注入的后ー种方法已经引起一些注意，并被认为好于前ー种方法，因为氢离子注入法需要的注入能量小于氧离子注入法的50%,并且所需剂量小两个量级。美国专利第7176528号掲示了生产SOI结构的阳极结合法。其步骤包括⑴对硅晶片表面进行氢离子注入，产生结合表面；(ii)使该晶片的结合表面与玻璃基片接触；
(iii)在该晶片和玻璃基片上施加温度和电压，促进它们之间的结合(还可施加压力)；
(iv)冷却该结构至常温；以及(V)将玻璃基片和硅薄层从硅晶片分离。在SOIエ艺中，从给体半导体晶片上除去第一硅薄层(或其它半导体材料)之后，由于该エ艺除去的硅薄层可小于I微米，约95%或以上的给体半导体晶片仍可继续使用。给体半导体晶片的再利用对生产SOI结构的成本有较大影响，特别是大面积SOI结构。给体半导体晶片的再利用——可以是影响エ艺成本的主要因素——决定了在生产SOI结构的众多结合エ艺中，给定的给体半导体晶片可以使用多少次。当使用侧向设置在给定的玻璃基片上的独立半导体层结构[所谓的平铺法(tiling)]生产大面积SOI时，再利用因素甚至更加重要。对于这种エ艺，再利用给定的给体半导体晶片的次数宜尽可能多。为了进行再利用，必须使给体半导体晶片的结合表面恢复到相对没有损伤的状态——至少是ー种与给体晶片未使用过的表面(最初表面)无法区分的状态。这已经通过利用常规化学机械抛光(CMP)技术除去一定厚度的给体半导体晶片得到实现，所述给体半导体晶片因注入和剥离(分离)过程而受到离子污染和损伤。虽然CMP技术在文献中有很好的记载，并且现有设备容易得到，但对于阳极结合/剥离エ艺中的半导体再利用，现有的CMP技术还有许多问题。常规CMP技术花费高，因为在半导体再利用的情况中，需要多种设备装置。ー种给定的CMP装置包括旋转抛光垫(具有一定的研磨特性)、浆料(也具有一定的研磨特性)以及将半导体晶片压向抛光垫和浆料的旋转卡盘或头。根据常规CMP技术，为了得到在再利用情况下具有令人满意的表面特性的半导体晶片，需要多个抛光垫(參见例如美国专利7510974)。这需要人工操作步骤更换给定的一台设备上的抛光垫，或者需要多台设备，每台设备具有不同的抛光垫。不管哪种途径，都给制造エ艺增加了成本，对SOI结构的商业活力和终端应用造成不利影响。现有CMP抛光规程要求侵蚀性地除去材料，这增加了每个再利用周期都有可能用尽预算厚度的风险，因此增加了对再利用成本目标失去控制的风险。同时，这种侵蚀性的规程増加了因对薄得多(并且可能更易碎)的晶片的相关处理而造成破裂的风险。
常规CMP规程在给体半导体晶片表面上并不是均匀地除去材料。圆形半导体晶片表面不均匀度(标准偏差/平均除去厚度)的现有技术水平通常是除去的材料厚度的5-10%。半导体材料被除去得越多，厚度变化相应地越糟。与常规CMPエ艺相关的ー个问题是，在抛光非圆形半导体晶片(例如具有尖锐转角的半导体晶片，如矩形晶片)时，它们具有特别差的结果。确实，与中心部分相比，给体半导体晶片的转角部分存在的上述表面非均匀性扩大。通过这种CMP规程对给体半导体晶片进行的多次再利用导致给定晶片的再利用寿命过早结束，因为表面几何特点(例如转角附近)超过再利用功能限制。例如，若需要从给体半导体晶片的结合表面除去O. 150微米的实际损伤，则为了确保从整个表面上完全除去受损和受污染的层(考虑到前述CMP规程的非均匀特性)，除去的目标厚度可能至少为I. O微米。因此，为了保证除去所有损伤，除去了超过实际损伤的五倍的厚度。这是非常浪费的，并且意味着显著的不利成本。虽然制备SOI结构的制造エ艺日趋成熟，但生产这种结构以及生产采用这种结构的最终产品的成本部分地受到有效利用(和再利用)给体半导体晶片的能力的影响。因此，需要继续推进与再利用给体半导体晶片相关的技术，如CMP，以控制SOI结构的制造成本。
发明内容
为便于陈述，下面的讨论有时按SOI结构展开。对这种特定类型的SOI结构的引述是为了方便解释本文所述的实施方式，而不是为了限制，也不应从限制的意义上解读。本文使用SOI縮写来总体上指称绝缘体上半导体结构，包括但不限于玻璃上半导体(SOG)结构、绝缘体上硅(SOI)结构和玻璃上硅(SiOG)结构，也包括玻璃陶瓷上硅结构。本文所述的给体半导体晶片再利用方法的实施方式解决了常规CMP技术的问题，如为了从给定的给体半导体晶片生产多块高质量半导体膜而恢复给体半导体晶片表面(甚至是非圆形、任意几何形状的表面)时的重现性、可靠性和成本。已经发现，若确立和/或改变CMPエ艺參数的具体組合，可成功实现上述给体半导体晶片的再利用。这些參数可包括下面ー种或多种抛光下压カ(polishing down force)、抛光机动力学參数(例如抛光盘和抛光头速度)、处理温度、浆料特性(例如浓度、粒度、添加剂和流速)、抛光垫、约束抛光基片的方法以及循环时间。重要的是，已经证明这种CMPエ艺可在现有的抛光机上进行，只须装配ー个抛光台和抛光垫，因而不需要获取昂贵、复杂的娃抛光技术和相关设备。就此而言，本文所述的实施方式包括从所关注的表面上除去在前面的离子注入/剥离周期中引入的基本上所有的表面损伤；恢复所关注的表面，使得由其产生的半导体膜与从最初的纯净半导体表面产生的半导体膜不可区分；通过每个再利用重修表面(resurfacing)周期控制材料的去除，使再利用的次数多且所得的成本效率高；在所关注的整个表面上均匀地除去材料，特别是在具有矩形几何特点的给体半导体晶片表面上；以及通过单个抛光台和抛光垫实现上述一条或多条(优选全部)。本文所述的ー个或多个实施方式可包括将CMP方法用于具有任意几何形状(圆形、非圆形、矩形等)的给体半导体晶片，以便能够恢复先前进行过离子注入/剥离的表面，从而能够在随后的离子注入/剥离处理中重复利用给体晶片。CMPエ艺采用三个基本要素抛光垫，对其特性(研磨性、组成等)加以选择，以适合抛光应用；含有颗粒的浆料(也是专用的，并且与抛光介质的选择相适应)；以及抛光对象(在此情况中为给体半导体晶片)。给体晶片以一定方式连于卡盘或抛光头，从而有控制地将受损表面压到顺应性抛光垫上，所述抛光垫被稳定供应的浆料所饱和，并且稳定供应的浆料不断送来。同时进行的表面间化学和机械相互作用使基片形貌減少，并形成全域平坦度，通过有策略地选择诸如抛光垫之类的消耗品、浆料颗粒性质和包括添加剂在内的相关化学物质，可控制所述化学和机械相互作用。为控制材料的去除和实现表面恢复，以特定的组合方式选择抛光垫、浆料颗粒的化学特性、浆料浓度、浆料流速、浆料添加剂、抛光下压カ和动力学參数、温度、抛光持续时间以及约束抛光基片的方法。一个或多个实施方式的特征在于一系列处理步骤，其中在各步有策略地减小抛光下压力、浆料浓度和浆料粒度，各步之间通过用大量的去离子水洗涤加以隔开——所有步骤使用単一抛光垫。根据本文所述的ー个或多个实施方式，用来減少半导体给体晶片的表面损伤的方法和装置包括(a)旋转抛光垫，旋转半导体给体晶片，向抛光垫施加抛光浆料，将半导体给体晶片和抛光垫压在一起；以及(b)旋转抛光垫和半导体给体晶片，中断施加抛光浆料，向抛光垫施加清洗液，并将半导体给体晶片和抛光垫压在一起。步骤(a)和步骤(b)至少依次进行两次，在步骤(a)的至少两个相继时段中，减小以下至少ー个參数(i)将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力，(ii)抛光浆料中磨料的平均粒度，以及(iii)浆料在水和稳定剂中的浓度。本领域技术人员在结合附图阅读对本文所述的实施方式的描述之后，将清楚地了解本发明的其它方面、特征、优点等。
为了说明本文所述的实施方式的各方面，在附图中示出目前优选的形式，但是，应理解，本发明不限于所示的精确配置和手段。图I是说明本文所述的ー个或多个实施方式中SOG器件结构的简化侧视图；图2是说明本文所述的ー个或多个实施方式中用来形成多个图I所示SOG器件的 给体半导体晶片的再利用简图；图3-5是说明用本文所述的生产图I所示SOG器件的エ艺形成的中间结构的简化示意图；图6A显示了经过离子注入/剥离的给体半导体晶片表面的损伤深度；图6B显示了经过离子注入/剥离的给体半导体晶片表面的表面粗糙度和形貌特征；图7是适用于根据本文所述的ー个或多个实施方式进行CMPエ艺的一台设备的简图；图8是卡盘或抛光头的ー些特征的简图，所述卡盘或抛光头用来将半导体给体晶片夹持在图7所示并与本文所述的ー个或多个实施方式相联系的设备中；图9是抛光垫的ー些特征的简图，所述抛光垫适合用在图7所示并与本文所述的一个或多个实施方式相联系的设备中； 图10是说明实验过程中采用的エ艺參数矩阵的表，用来鉴别对材料的去除和表面粗糙度最有影响的重要处理变量；图IlA是说明结合图10所示參数进行的实验的统计结果的图线，该统计结果与材料的去除相关；图IlB是说明结合图10所示參数进行的实验的统计结果的图线，该统计结果与表面粗糙度相关；图12A说明根据本文所述的ー个或多个实施方式进行CMP再利用处理之后的给体半导体晶片表面没有损伤；图12B说明根据本文所述的ー个或多个实施方式进行CMP再利用处理之后的给体半导体晶片表面的表面粗糙度和形貌特征；以及图12C显示了尚未经过离子注入/剥离的纯净给体半导体晶片表面的表面粗糙度和形貌特征；以及图12D显示了根据本文所述的ー个或多个实施方式进行CMP再利用处理之后的最初给体半导体晶片表面的表面粗糙度和形貌特征。
具体实施例方式參考附图，附图中相同的附图标记表示相同的部分。图I显示了本文所述的ー个或多个实施方式中的SOI结构(尤其是SOG结构)100。SOG结构100包含绝缘体基片(如玻璃或玻璃陶瓷基片)102和半导体层104。SOG结构100可应用于显示器[包括有机发光ニ极管(OLED)显示器和液晶显示器(IXD)]、集成电路、光伏器件、薄膜晶体管应用等。层104的半导体材料可以是基本为单晶材料的形式。在描述层104时所用的术语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少ー些固有的或有目的加入的内部缺陷或表面缺陷的事实，如晶格缺陷或少量晶粒边界。该术语“基本上”还反映了以下事实某些掺杂剂会扭曲或者以其它方式影响半导体材料的晶体结构。为了便于讨论，假设半导体层104是由硅形成的。但应理解，所述半导体材料可以是基于硅的半导体或者是其他任何类型的半导体，如半导体类III-V，II-IV，II-IV-V等。这些材料的例子包括娃(Si)、掺杂锗的硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、神化镓(GaAs)、GaP 和 InP。參考图2，在制造エ艺中需要形成许多这样的SOG结构，或者作为独立的产品，或者用于需要多个SOG结构的集成器件。无论在哪种情况下，ー种生产多个SOG结构100的方法是在将给体半导体晶片120的相应结合表面121结合到相应的玻璃基片102上的过程中，从给体半导体晶片120上剖离(分离或剥离)出多个薄的半导体材料剥离层122A、122B、122C等。从给体半导体晶片120上除去(例如剥离、剖离或分离)第一个半导体材料剥离层122A之后，显著量的给体半导体晶片120 (可能有95 %或更多)仍可供继续使用。给体半导体晶片120的再利用对生产多个SOG结构100的成本有较显著的影响，尤其是大面积SOG结构。后文将要更详细地讨论，有必要将给体半导体晶片120剰余部分的剖离、剥离表面(以及下面的受损、受污染层)121A恢复为合适的后续结合表面121，该结合表面处于相对没有离子污染和损伤的状态。然后，将所述后续结合表面121用于后续结合和剥离过程，将第二个剥离层122B转移和结合到第二个玻璃基片102上。为了从每个给体半导体晶片120获得最大产量，通过再精整给体半导体晶片120的剖离表面121A，将给体半导体晶片120的这种“再利用”或“更新”过程重复尽可能多的次数，以便将第二、第三、第四个剥离层122B、122B、122D等转移和结合到相应的玻璃基片102上。再精整剖离表面(以及下面的层)121A并预备将其用于结合和剥离过程的具体技术可能也对生产SOG结构100的总成本有显著影响。这些技术将在后文更详细地描述。
现在參考图3-5，它们呈现了为生产SOG结构100而可能形成的中间结构。先看图3，通过例如抛光、清洁等制备给体半导体晶片120的结合表面121，产生较平坦和均匀的结合表面121，该结合表面121适合结合到玻璃或玻璃陶瓷基片102上。出于讨论的目的，半导体晶片120可以是基本上为单晶的硅晶片，但如上面所讨论，可采用其它任何合适的半导体材料。对结合表面121进行一次或多次离子注入处理，在给体半导体晶片120的结合表面121下面产生弱化区(由虚线126概略地示出)，从而产生剥离层122。虽然本文所述的实施方式不限于形成剥离层122的任何具体方法，一种合适的方法规定给体半导体晶片120的结合表面121可以经过氢离子注入处理，以至少在给体半导体晶片120中产生弱化区126。可采用常规技术调节注入能量，以获得一般厚度的剥离层122，如约300-500纳米。例如，可以采用氢离子注入，尽管可以采用其他离子或多种离子，例如硼+氢，氦+氢，或者从有关剥离的文献获知的其它离子。同样，可以采用其它任何已知的或者日后开发出来的适合形成剥离层122的技木。无论注入的离子物质的性质如何，将离子注入弱化区126中的效果都是使晶格中的原子从其正常位置转移。当晶格中的原子被离子击中时，该原子被迫离开原来的位置，产生初次缺陷，空位和间隙原子，它们被称作弗伦克尔对(Frenkel pair)。若注入操作在接近室温的温度下进行，初次缺陷的组分移动并产生许多类型的二次缺陷，如空位簇等。參考图4，可用任何已知的或日后开发的技术将玻璃基片102结合到剥离层122的结合表面121上。例如，可利用热结合エ艺将玻璃基片102结合到剥离层122上。或者，可利用电解エ艺(本文也称作阳极结合エ艺)将玻璃基片102结合到剥离层122上。合适的电解结合エ艺的基础知识可參见美国专利第7176528号，其完整内容通过參考结合于此。下面讨论该エ艺的几个部分。在阳极结合エ艺中，对玻璃基片102(和剥离层122，如果还未进行)进行适当的表面清洁。然后，使中间结构直接或间接接触，实现图4所简要示出的排列。因此，所得中间结构是堆叠体，包括给体半导体晶片120的本体材料层、剥离层122和玻璃基片102。在所述接触之前或之后，对包括给体半导体晶片120、剥离层122和玻璃基片102的结构进行加热。将玻璃基片102加热至高于给体半导体晶片120和剥离层122的温度。玻璃基片102和给体半导体晶片120的温度可以在玻璃基片102的应变点的约+/-150°C 内。然后，在中间组件上施加电压，例如，以给体半导体晶片120为正极，以玻璃基片102为负扱。也可施加压力，将给体半导体晶片120压到玻璃基片102上。中间组件在上述条件下保持一段时间(例如约I小时或更短)，撤除电压，使中间组件冷却至室温。參考图5，在冷却之前、期间和/或之后，将给体半导体晶片120与玻璃基片102分离，若它们尚未完全相互脱离，可进行一定的剥离，得到具有较薄的剥离层122的玻璃基片102，所述剥离层122由结合到玻璃基片102上的给体半导体晶片120的半导体材料形成。 剥离层122的分离可通过给体半导体晶片120因热应カ和内压应カ而沿弱化区126发生的断裂实现。作为另选方式或附加方式，可利用机械应カ或能量如水射流压カ或切割(或其它机械接触或切割力)，张カ或剪切力，或者化学蚀刻引发和/或促进剥离层122与给体半导体晶片120的分离。给体半导体晶片120新露出的剖离表面(和下面的层)121A可能具有注入和剥离过程所帯来的离子污染和过分的表面粗糙度或损伤。例如，图5和6A中的剖离表面和下面的层121A显示了给体半导体晶片120的损伤和离子污染的深度，该深度可以等于或大于200纳米。图6B显示了给体半导体晶片120的剖离表面121A的表面粗糙度和形貌特征。根据本文所述的ー个或多个实施方式，对给体半导体晶片120的剖离表面(和下面的层)121A进行一次或多次CMP循环处理，除去损伤和离子污染，产生更新的结合表面121 (图2)，该结合表面121适合进一步生产SOG结构100。可以设想，将产生剥离层122、结合剥离层122与基片102、分离剥离层122和随后对结合表面进行更新处理——以修复给体半导体晶片120的剖离表面(和下面的层)121A——的步骤重复多次，以利用大部分给体半导体晶片120产生相应的剥离层122A、122B、122C等，从而降低材料成本。參考图7，该图显示了一种合适的系统200，用来进行CMP处理的实施方式，从给体半导体晶片120上除去受损的剖离表面(和下面的层)121A。该系统包含抛光盘202、抛光垫204和卡盘或抛光头206。抛光盘202随着轴208和旋转接头210以受控的速率旋转。合适且可控的旋转驱动源(未示出)给轴208提供所需的旋转扭矩。抛光盘202可包含供加热/冷却流体212从其中流过的内部网路(webbing)或通道。例如，调温水可以可观的流量(约10-20升/分钟)流过抛光盘中的网路。可控制水温(如约26°C )，使抛光垫204的表面上能维持最高抛光温度(如不超过约39°C )。在整个抛光过程中，抛光垫204的表面温度可通过装在其上的光学高温计(未示出)測量。抛光垫204可具有任何合适的构造，但已经发现，当它包含下文要讨论的某些特征时，可实现ー些优点。有策略地设置将浆料递送到抛光垫204上的源214，以可调节的速率递送浆料。下面将更详细地讨论，也可通过源214或者通过单另的独立源(未示出)将清洗液(如去离子水)递送到抛光垫204上。在设备200的运行过程中，用卡盘或抛光头206夹持给体半导体晶片120，从而将其压到抛光垫204上。抛光头206也可在合适的电动机和连接机构(未示出)作用下旋转。如图8所示，给体半导体晶片120可具有矩形截面。抛光头206可包含刚性块体230，其上安装有复合材料模板232。所述复合材料模板232可包含毛细作用垫底层(例如基于小山羊皮的精整层)和塑料或纤维玻璃顶层。可通过顶层机械加工出给体半导体晶片120的形状因子(例如矩形凸起)，露出底层。例如，材料模板232的特征可以是直径为15英寸、标称厚度为O. 170英寸的圆盘，已通过顶层在其中机械加工出具有转角凸起的矩形凹腔。例如，所述圆盘可以是购自富兰克林纤维-拉米特公司(Franklin Fibre-Lamitex Corporation)的材料，如具有毛细作用底层和塑料或纤维玻璃顶层的双层材料。材料模板232的构造可以是，当两个复合层彼此连接时，凹陷区的尺寸和形状严格按照给体半导体晶片120形成。当用清洁的去离子水湿润材料模板232的凹陷区，从而湿润毛细作用底层时，轻轻地将给体半导体晶片120的背侧相对于湿底层压入凹陷。毛细作用将晶片120垂直地固定在凹陷区，其方向使得晶片120和抛光垫204被压在一起。上层中凹陷区的侧面用来将给体半导体晶片120侧向约束在转轴中。
为了得到所需的结果，包括合适的表面粗糙度、合适的均一性、合适的材料去除和低成本(就剥离エ艺中给体半导体晶片的再利用而言)，仔细控制CMP过程和仔细选择处理參数是很关键的。这不是例行的优化參数和可预测结果的问题，而是已经通过辛苦的实验和统计分析发现，在循环过程中，有些处理參数应保持不变，而其它參数应改变。基于上文所述，在一系列实验中利用设备200确定合适的循环參数。已发现对平坦度、表面质量和给体半导体晶片120的材料去除速率有影响的CMPエ艺參数包括抛光下压カ(将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压カ)、浆料流速和浆料组分类型、动力学參数(抛光盘202和抛光头206的转速以及相对方向)、稀释剂流速、エ艺温度控制、抛光持续时间、抛光垫204类型的选择以及在抛光过程中安装和约束晶片120的方法。对于已经过离子注入和剥离的给体半导体晶片120的再利用，通过应用根据统计设计的实验方法测试エ艺变量。对实验进行了广泛筛选，在较宽的范围内评价了六(6)个影响材料的去除和表面质量的处理效应。根据“实验设计”(D0E)统计方法，测试了エ艺參数的高度分化矩阵。具体而言，用增添了有策略地设置的中心点的两种不同类型的抛光垫进行了两组实验。设计实验，将对材料的去除和表面粗糙度影响最大的那些抛光エ艺參数隔离出来，这两种响应据信对成功的半导体更新处理至关重要。图10示出了エ艺參数矩阵，所标记的參数Pl是标准顺序，P2是运行顺序，P3是中心点，P4是下压力(psi)，P5是浆料流速(毫升/分钟)，P6是抛光盘速度(rpm)，P7是抛光头速度(rpm)，P8是去离子水流速(毫升/分钟)，P9是抛光垫类型。使用市售软件对利用图10所列矩阵參数进行实验的结果展开统计分析。分析揭示了图IlA和IlB所示的图形信息，它们是半正态图，Y轴是百分数，X轴是參数的绝对标准影响。每幅图中的拟合线代表给定參数的统计影响基本上为零。换句话说，若数据点落在线上，则该数据点代表的參数对系统200的结果没有影响。偏离该线的数据点被认为具有统计意义，也就是这种数据点代表的系统參数对系统200的结果具有显著影响。图IlA是材料的去除的半正态图，图IlB是表面粗糙度的半正态图。具体參考图11A，可以看到參数A (下压力)、C (抛光盘速度)、D (抛光头速度)和F(抛光垫类型)对材料的去除有显著影响，而其它參数没有显著影响。具体參考图11B，可以看到參数A(下压力)、B(浆料流速)、C (抛光盘速度)和F (抛光垫类型)，特别是A (下压カ)、C (抛光盘速度)和F (抛光垫类型)对表面粗糙度有显著影响，而其它參数没有显著影响。从这些实验和统计分析中发现，抛光垫204的选择、抛光下压カ的水平和抛光盘速度对材料的去除和表面粗糙度具有強烈影响。另外发现，抛光垫204的选择与抛光盘202的速度在涉及所关注的两种响应时具有建设性的相互作用，但在抛光下压カ的情况中具有破坏性的相互作用。有鉴于此种情形，当涉及下压カ时必须采取折中措施，并且采用有序的周期性材料去除途径，以实现上述再利用目标。由于希望在整个材料去除和表面粗糙度处理的 过程中仅使用ー块抛光垫204，以实现简单、有效的エ艺，所以对其性质给予了特殊考虑。一般地，CMPエ艺中所用的抛光垫是聚合物，但在诸如硬度、压缩率、滲透性、绒毛厚度、孔结构、表面轮廓和回弹率之类的物理性质上变化很大，导致性能特点各异。在当前的CMP实施方式中，抛光垫204是关键要素，因为以其孔结构为例，它起导管作用，几乎同时实现浆料化学物质的分布和所产生的抛光副产物的排出。因此，为实现所需的エ艺结果，抛光垫产品的选择对CMP的具体应用至关重要。通过可观的实验和统计分析发现，当抛光垫204是浸溃了聚氨酯的毡基类型的抛光垫时，可获得ー些优点。抛光垫204可具有约I. 25毫米的标称厚度、较低的以垫标准计的压缩率(如约2. 9%的压缩率)、可观的硬度[约85，奥斯卡(Asker) C型硬度计]和低空气渗透阻力。參考图9，接触给体半导体晶片120的抛光垫204的表面220优选具有深的凹槽或沟道222。例如，凹槽222可在笛卡尔坐标平面内垂直交叉排列。已经发现，当凹槽222的深度约等于或大于I毫米且交叉尺寸在约21毫米X 21毫米的数量级上时，可获得有利的结果。合适的抛光垫204可购自罗门哈斯公司(Rohm-Haas Incorporated),现在以SUBA 840PAD 48，，D PJ ;XA25 (供应商材料号10346084)销售。凹槽222也可具有其它图案，如菱形凹槽、螺旋形凹槽、径向和/或周向延伸的凹槽等。对于其它处理參数，分有序阶段进行CMPエ艺，在为除去注入和剥离过程带来的损伤和离子污染、恢复给体半导体晶片120的受损剖离表面(和下面的层)121A而在单块抛光垫204上进行的步骤序列中，有策略地减小抛光下压力、浆料浓度和浆料粒度。与耗费劳カ的常规多垫CMPエ艺相比，通过使用单块抛光垫(或仅用2块抛光垫)，整个エ艺可自动化，显著減少循环时间和为换垫而花费的劳力。CMPエ艺的一个或多个实施方式包含以下主要步骤(a)旋转抛光垫204 (借助抛光盘202)，旋转半导体给体晶片120 (借助抛光头206)，将抛光浆料施加到抛光垫204上(借助源214)，并将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起；以及(b)清洗步骤，其中抛光垫204和半导体给体晶片120继续旋转和接触，但中断施加抛光浆料，以便给抛光垫204施加清洗流体。CMP序列可通过执行初始“热身”エ艺步骤(a)来开始(启动阶段)，其中抛光垫204和半导体给体晶片120各自旋转(例如均沿顺时针方向)，将抛光浆料施加到抛光垫204上，并将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起。在启动过程中，用胶体ニ氧化硅浆料润湿和饱和抛光垫204，所述浆料的平均粒度约为60-80纳米(如70纳米)，在去离子水和化学稳定剂中的总体稀释比(分配到抛光垫204上)约为30 1-50 1，如约40 1，pH 为 8. 0-9. O。对于エ艺和系统200的给定參数，应当选择浆料流速，以实现抛光目标。这样的參数包括例如抛光盘202的尺寸、抛光垫204的尺寸和/或剖离表面121A的表面积。实际上，相比于直径较大的抛光盘202和抛光垫204(通常涉及エ业规模的抛光机)，直径较小的抛光盘202和抛光垫204 (如实验室规模的抛光机中的那些抛光盘和抛光垫)需要的浆料少得多。此外，抛光垫204的表面特征(例如凹槽图案、频率和凹槽深度)可显著影响最小浆料流速。实际上，相比于浅的和/或低浓度的凹槽，抛光垫204中深的和/或高浓度的凹槽倾向于从抛光区导走明显更多的浆料。作为采用更高或更低的浆料流速的替代方式或附加方式，可采用増大或减小额外的、独立的去离子水流速的办法。可以设想，浆料的流速应落在250-2500毫升/分钟的范围内。合适的浆料产品可以是购自纳尔科公司(Nalco)的部件编号为2360的胶体ニ氧化硅抛光浆料。抛光盘202 (因此包括抛光垫204)的转速可逐步增大到约50-70rpm的数值，同时抛光头206 (因此包括给体半导体晶片120)的转速可逐步增大到约15-25rpm。下压カ(将半导体给体晶片120和抛光垫204压 在一起的压カ)可逐步增大到约10-20psi的中等水平。启动阶段可持续约30秒。上述启动阶段可无缝过渡到持续时间较长(例如约200-300秒，或者200-600秒，如约240秒)的去除较多或大量材料的阶段。例如，这可代表在上面启动阶段所述的エ艺设置下进行的“第一”抛光步骤(ん)。在此阶段，可完全除去剥离损伤，形成具有改进的粗糙度水平的新表面。反应活性浆料化学物质中的碱性组分开始侵蚀给体半导体晶片120的剖离表面，从而将其破坏，形成水合硅酸盐副产物。抛光下压カ的作用是将晶片120均匀地压在共形抛光垫204上，同时旋转机械动作与浆料颗粒协同作用，除去抛光副产物，露出新的半导体材料，重新接受化学侵蚀。此周期迅速、持续重复，直至完成对适量材料的清除。在此CMP阶段进行的中间研究表明，在这些抛光条件下形成了约4. 5-5埃(均方根)的表面粗糙度(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上測量)。在启动阶段和第一阶段均成功采用了化学侵蚀性更强(高PH)的ニ氧化硅浆料(基于热解颗粒和胶体颗粒)，如Nalco 2358或富士美公司(Fujimi)的Planerlite 4219,缩短了处理时间，并稍微降低了表面质量，例如表面更粗糙ー些。因此，侵蚀性更强的抛光可更快地除去大量材料，但这会以表面质量下降为代价，使得最后的修平或磨光操作可能需要更长的时间。在下ー个阶段，进行清洗步骤(C)，其中抛光垫204和半导体给体晶片120继续旋转并接触，但中断施加抛光浆料，以便给抛光垫204施加去离子水。去离子水的流速可在约5600毫升/分钟的数量级上。在此清洗阶段，相比于前面的抛光步骤(ん)，下压カ可显著减小。例如，将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压カ可在约1-3磅/英寸2之间，这比前面的抛光步骤(h)期间低约70% -90%。抛光垫204和给体半导体晶片120的转速可分别保持在约50-70rpm和约15_25rpm。例如，此清洗步骤(b)可进行约20-50秒，如约30秒。一般地，CMP规程要求抛光步骤(Id1)和清洗步骤(C)至少依次进行两次，其中在抛光步骤(b)的至少两个相继时段中减小以下參数中的至少ー个參数(i)将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压力，(ii)抛光浆料中磨料的平均粒度，以及(iii)浆料在水和稳定剂中的浓度。较佳的是，抛光步骤(b)和清洗步骤(C)的所有时段都在不换抛光垫204的情况下进行。例如，在下一个阶段或第二阶段，可进行修平操作，其中可进行另ー个(或“第二个”)抛光步骤(b2)。在此第二抛光步骤(b2)中，相比于前面的清洗步骤(C)，下压カ提高，但相比于第一抛光步骤(bi)，下压カ减小。例如，在此第二抛光步骤(b2)中，将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压カ可减至约5-15磅/英寸2 (如12psi)，它比第一抛光步骤(bj约低25%。抛光垫204和给体半导体晶片120的转速可分别维持在约50_70rpm和约15-25rpm。在此修平抛光步骤中，可采用相同的胶体ニ氧化硅浆料(平均粒度约为70纳米，在去离子水和化学稳定剂中的总体稀释比约为40 I)。例如，此抛光步骤(b2)可进行约150-220秒，如约180秒。抛光下压カ的减小改善了表面粗糙度。在此修平抛光步骤上进行的中间研究表明，形成的表面粗糙度约为3. 6-4. O埃(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上測量)。在下ー个阶段，可进行另ー个清洗步骤(C)，它基本上类似于前面的清洗步骤。抛光垫204和半导体给体晶片120继续旋转和接触，给抛光垫204施加去离子水。与前面的第二个抛光步骤(b2)相比，可采用同样减小的约l_3psi的下压力。例如，此清洗步骤(c)也可进行约30秒。
在下ー个阶段，可进行最后的或者“磨光”抛光操作，其中可进行另ー个(或者“第三个”)抛光步骤(b3)。相比于前面的清洗步骤(C)，下压カ提高，但相比于第一和第二抛光步骤(も)和(b2)，下压カ减小。例如，在此第三抛光步骤(b3)中，将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压カ可减至约1-5磅/英寸2 (如3psi)，它比第二抛光步骤(b2)约低65-85%。抛光垫204和给体半导体晶片120的转速可分别维持在约50_70rpm和约15-25rpm。在此磨光步骤,采用比第一抛光步骤(Id1)和/或第二抛光步骤(b2)显著减小的胶体ニ氧化硅浆料粒度。例如，采用在约30-40纳米之间(如约35纳米)的平均粒度，它比前面的抛光步骤(ん)和(b2)约小40%-60%。例如，合适的浆料产品可购自富士美公司，SPGlanzox3950 (包含4. 5重量％平均粒度为35纳米的高纯胶体ニ氧化硅的精整浆料产品)。此外，采用比第一和/或第二抛光步骤Od1)和(b2)显著减小的胶体ニ氧化硅浆料浓度。例如，所述浓度可以在约600 1-1000 I的总体稀释比(在去离子水和化学稳定剂中)的数量级上，它比前面的抛光步骤(h)或(b2)中的至少ー个步骤约低1000% -3000%。例如，此磨光抛光步骤(b3)可进行约150-220秒，如约180秒。在此エ艺步骤上进行的中间研究表明，在这些抛光条件下形成接近3. O埃(均方根)，如3. 3-3. 5埃之间的表面粗糙度(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上測量)。在下ー个阶段，可进行另ー个清洗步骤(C)，它基本上类似于前面的清洗步骤，用来从抛光表面(抛光垫204和晶片120)上清除在前面的步骤中使用的浆料组分。可任选采用额外的处理步骤，以进一歩改善結果。例如，可进行另ー个清洗步骤(c)时段，其中⑴该时段持续约50-70秒(如60秒)，(ii)将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压カ约为1-3磅/英寸2，(iii)抛光垫204和半导体给体晶片120的转速约为25-45rpm(如35rpm),以及(iv)清洗流体是清洗剂。清洗剂可包括次级化学物质(例如具有更低的PH——通常用中性化学物质，但也可采用酸性化学物质)，包括用来减小晶片120与抛光垫204之间的表面张カ的化学组分。此化学物质钝化晶片120，产生有助于下游清洁的亲水性表面。例如，可采用罗门哈斯电子材料CMP公司(Rohm-Haas ElectronicMaterials CMP Incorporated)制造的Rodelene清洗剂，它由ニ氧化娃、异丙醇和こニ醇在去离子水中组成。
可进行最后的清洗步骤(C)，其中(i)该时段持续约5-20秒，(ii)最大程度减小将半导体给体晶片120和抛光垫204压在一起的压力，(iii)抛光垫204和半导体给体晶片120的转速约为25-45rpm，以及(iv)清洗流体是水。参考图12A、12B、12C和12D，观察到前述CMP工艺的结果。图12A表明，经过注入和剥离的给体半导体晶片120进行本文所述的CMP更新处理之后，给体表面121上没有损伤。图12B显示了经过剥离之后进行了本文所述的CMP再利用处理的给体半导体晶片120的表面121的表面粗糙度和形貌特征(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上测量)。图12C显示了未经过离子注入/剥离的纯净给体半导体晶片120的表面121的表面粗糙度和形貌特征(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上测量)。图12D显示了未经过剥离但已根据本文所述的一个或多个实施方式进行了 CMP再利用处理的最初给体半导体晶片的表面121的表面粗糙度和形貌特征(用AFM在5微米X 5微米的图像区域上测量)。比较(i)经过剥离之后进行了本文所述的CMP更新处理的给体半导体晶片120(图12B)和(ii)未经过剥离但已进行了本文所述的CMP更新处理的最初给体半导体晶片120(图12D)，结果表明，各表面121具有几乎相同的表面粗糙度和形貌。根据观察，本文所述的实施方式将半导体晶片120的表面粗糙度和形貌完全恢复到适合再次剥离的水平。已经证明，当使用精整垫进行本发明所述的实施方式时，很容易实现对表面粗糙度的进一步改善，包括将先前经过剥离的表面完全恢复到最初表面状态。实际上，当用富士美SSWl精整抛光垫和Nalco 2358 (粒度为70纳米)+清洗+施加Glanzox 3950 (粒度为35纳米)的顺序浆料组合进行前述实施方式时，AFM均方根表面粗糙度测量值达到低于I埃的水平。虽然已经参考具体的特征和仪器描述了本文的实施方式，但应当理解，这些实施方式仅仅是对所需原理和应用的说明。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以作出其它安 排。
权利要求
1.一种减少半导体给体晶片表面损伤的方法，所述方法包括以下步骤 (a)旋转抛光垫，旋转半导体给体晶片，向所述抛光垫施加抛光浆料，将所述半导体给体晶片和所述抛光垫压在一起；以及 (b)旋转所述抛光垫和所述半导体给体晶片，中断施加所述抛光浆料，向所述抛光垫施加清洗流体，并将所述半导体给体晶片和所述抛光垫压在一起， 其中步骤(a)和步骤(b)至少依次进行两次，在步骤(a)的至少两个相继时段中减小以下至少一个参数 (i)将所述半导体给体晶片和所述抛光垫压在一起的压力， ( )所述抛光浆料中磨料的平均粒度，以及 (iii)所述浆料在水和稳定剂中的浓度。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(a)和(b)的所有时段都在不换抛光垫的情况下进行。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下至少一个特征 与在步骤(a)的前面第一个时段中相比，在步骤(a)的第二个时段中，所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力至少约低25% ;以及 将所述半导体给体晶片和所述抛光垫压在一起的压力是(i)在步骤(a)的第一个时段中约为10-20磅/英寸2 ;以及(ii)在步骤(a)的后面第二个时段中约为5-15磅/英寸2。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下至少一个特征 与在步骤(a)的前面第二个时段中相比，在步骤(a)的第三个时段中，所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约低65-85% ;以及 在步骤(a)的后面第三个时段中，所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力是(iii)约1-5磅/英寸2。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下至少一个特征 与在前面步骤(a)的时段中相比，在后面步骤(b)的时段中，所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力至少约低70% -90% ;以及 在步骤(b)的时段中，所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下至少一个特征 与在步骤(a)的前面的时段中相比，在步骤(a)的后一个时段中，所述浆料的平均粒度约小40% -60% ;以及 所述浆料的平均粒度(i)在步骤(a)的一个时段中约为60-80纳米；以及(ii)在步骤(a)的后一个时段中约为30-40纳米。
7.如权利要求7所述的方法，其特征在于 在步骤(a)的第一个时段和步骤(a)的后面第二个时段中，所述浆料的平均粒度大致相同；以及 在步骤(a)的后面第三个时段中，所述浆料的平均粒度约小40% -60%。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下至少一个特征 与在步骤(a)的前面的时段中相比，在步骤(a)的后一个时段中，所述浆料在水和稳定剂中的浓度约低1000% -3000% ;以及所述浆料在水和稳定剂中的浓度(i)在步骤(a)的一个时段中约为30 1-50 I ；以及(ii)在步骤(a)的后一个时段中约为600 1-1000 I。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于 在步骤(a)的第一个时段和步骤(a)的后面第二个时段中，所述浆料在水和稳定剂中的浓度大致相同；以及 在步骤(a)的后面第三个时段中，所述浆料在水和稳定剂中的浓度约低1000% -3000% O
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述抛光垫的转速约为40-80rpm，所述半导体给体晶片的转速约为10-30rpm。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法依次包含 步骤(a)的第一个时段，其中(i)所述时段约持续200-600秒，(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为10-20磅/英寸2，(iii)所述浆料的平均粒度约为60-80纳米，以及(iv)所述浆料在水和稳定剂中的浓度约为30 1-50 I ； 步骤(b)的第一个时段，其中(i)所述时段约持续20-50秒，以及(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2 ; 步骤(a)的第二个时段，其中(i)所述时段约持续150-220秒，(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为10-15磅/英寸2，(iii)所述浆料的平均粒度约为60-80纳米，以及(iv)所述浆料在水和稳定剂中的浓度约为30 1-50 I ； 步骤(b)的第二个时段，其中(i)所述时段约持续20-50秒，以及(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2 ; 步骤(a)的第三个时段，其中(i)所述时段约持续200-600秒，(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为2-5磅/英寸2，(iii)所述浆料的平均粒度约为30-40纳米，以及(iv)所述浆料在水和稳定剂中的浓度约为600 1-1000 : I;以及 步骤(b)的第三个时段，其中(i)所述时段约持续10-20秒，以及(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法还依次包含 步骤(b)的第四个时段，其中(i)所述时段持续约50-70秒，(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2，(iii)所述抛光垫和所述半导体给体晶片的转速约为25-45rpm，以及(iv)所述清洗流体是清洗剂；以及 步骤(b)的第五个时段，其中(i)所述时段持续约5-20秒，(ii)所述将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力约为1-3磅/英寸2，(iii)所述抛光垫和所述半导体给体晶片的转速约为25-45rpm,以及(iv)所述清洗流体是水。
13.如权利要求I所述的方法，其特征在于，给所述半导体给体晶片造成表面损伤的原因是其离子注入表面经历离子注入，结合到基片上，并经过剥离，露出给体半导体晶片的剖离表面，所述剖离表面就是受损表面。
14.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述半导体给体晶片具有矩形截面。
15.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述给体半导体晶片是单晶半导体晶片。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述给体半导体晶片选自下组硅(Si)、掺杂锗的硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、GaP和InP。
全文摘要
减少半导体给体晶片损伤的方法和装置包括以下步骤(a)旋转抛光垫，旋转半导体给体晶片，向抛光垫施加抛光浆料，将半导体给体晶片和抛光垫压在一起；以及(b)旋转抛光垫和半导体给体晶片，中断施加抛光浆料，向抛光垫施加清洗流体，并将半导体给体晶片和抛光垫压在一起，其中步骤(a)和步骤(b)至少依次进行两次，在步骤(a)的至少两个相继时段中减小以下至少一个参数(i)将半导体给体晶片和抛光垫压在一起的压力，(ii)抛光浆料中磨料的平均粒度，以及(iii)浆料在水和稳定剂中的浓度。
文档编号H01L21/304GK102668043SQ201080049837
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月30日
发明者J·班凯蒂斯, M·J·莫尔 申请人:康宁股份有限公司