专利名称：制造半导体晶片的方法
技术领域：
本发明涉及制造半导体晶片的方法，其包括拉伸由半导体材料组成的单晶，将单 晶切割成半导体晶片，以及抛光该半导体晶片，其中抛光垫包含牢固粘结的发挥磨料作用 的固体材料，所加入的抛光剂不包含发挥磨料作用的固体材料。
背景技术：
对于电子、微电子和微机电领域而言，需要对于整体和局部平面度、参考单面的 局部平面度(纳米形貌)、粗糙度和清洁度具有极高要求的半导体晶片作为起始材料(基 材)。半导体晶片是由半导体材料，尤其是由诸如砷化镓的化合物半导体和诸如硅和有时使 用的锗的主要的元素半导体组成的晶片。根据现有技术，半导体晶片是在多个相继的加工 步骤中制造的，它们通常可以划分为以下的组a)制造单晶半导体棒(晶体生长)；b)将该棒切割成单个晶片；c)机械加工；d)化学加工；e)化学机械加工；f)任选制造层结构。通过从硅熔体拉伸和旋转预定取向的单晶种子(坩埚拉伸法、Czochralski法)， 或者通过沿着利用感应线圈产生的缓慢地以轴向引导通过晶体的熔融区使由气相沉积的 多晶晶体重结晶(区熔法)，从而实现晶体生长。坩埚拉伸法在使用频率方面和对于本发明 而言是特别重要的。下面更详细地加以描述。在坩埚拉伸法中，利用气相沉积由三氯硅烷获得的高纯度多晶硅在保护气氛中在 石英玻璃坩埚中在添加掺杂剂的情况下进行熔化。将预先由单晶硅棒获得的种晶利用X射 线衍射在所期望的晶体学生长方向上取向，浸入熔体中，并在旋转单晶通常还额外地旋转 熔化坩埚的情况下缓慢地由熔体拉伸。通过电阻加热及任选额外的感应加热实现熔化加 热。采用对所形成的单晶棒进行温度调节、隔绝和屏蔽的各种不同的方法，该单晶棒非期望 地由熔体导出热量，以确保由熔体经由固/液相界面层直至进一步冷却的棒的开始端的低 应力晶体生长，及由此避免形成应力诱发的晶体损伤(晶体位错)。此外，在现有技术中描 述了贯穿熔体及因此进一步影响对流和传质现象的磁场的应用。DE 100 25 870 AUDE 102 50 822 AUDE 102 50 822 Al 或 DE 101 18 482 B4
描述了依据现有技术的坩埚拉伸法的实例。在现有技术中已知，在熔融对流和扩散、在生长界面处的掺杂剂偏析以及熔体和 棒的热传导和热辐射的复杂的相互作用中，形成反映各个加工参数的特征的生长界面形 状。在此，对流理解为由于不均勻加热产生的密度波动导致的材料移动；扩散理解为在熔 体中由浓度梯度驱动的(小范围)原子移动；偏析理解为由于在液相或固相中在半导体材 料中不同的溶解度而导致的掺杂剂在棒或熔体中的累积。通过改变晶体拉伸装置的运行参数(拉伸速率、温度分布等)，可以在宽的界限内改变生长界面的形状，即在半导体材料的 液相与固相之间的界面的形状。图1所示为在拉伸坩埚中由半导体材料组成的单晶和熔体，其具有基本上为平面 的相界面5、凹面的相界面fe和凸面的相界面W。此外，在现有技术中已知，在熔体中和在相界面处材料沉积期间复杂的材料传输 现象导致在生长的半导体单晶中沉积的掺杂剂在空间上波动的浓度。由于拉伸过程、拉伸 装置和生长的半导体棒的旋转对称性，掺杂剂浓度波动基本上是径向对称的，即他们沿着 半导体单晶的对称轴形成波动的掺杂剂浓度的同轴环。这些掺杂剂浓度波动也称作“条纹”。图加所示为由半导体材料组成的单晶和熔体，其具有基本上为平面的液/固相界 面5，该界面具有径向波动的掺杂剂浓度6。在沿着切割面切割半导体晶体之后，这些“条 纹”作为同轴环覆盖所得的半导体晶片9(图2b)。其可以通过测量局部表面电导率或者在 缺陷刻蚀处理之后在结构上作为不平度而变得可见。在现有技术中同样已知，掺杂剂浓度 波动在空间上的频率取决于在晶体生长期间固/液界面的平面度。在弯曲的界面的情况 下，在界面的倾斜度大的区域内以空间上特别地短波长(空间上高频)的序列形成条纹。浓 度波动环彼此紧密地排列。与此不同，在生长界面基本上为平面的区域内，掺杂剂浓度仅非 常缓慢地波动。波动环彼此远离地排列，而浓度波动的幅度小。锯割半导体棒以切割成单个半导体晶片导致所得的半导体晶片的接近表面的层 (13)的单晶体性受损(图2c)。这些受损的层随后通过化学加工和化学机械加工而去除。 化学加工的实例是碱性或酸性刻蚀；化学机械加工的实例是用碱性胶体状分散的硅溶胶进 行抛光。最后，在现在技术中已知，在化学加工或化学机械加工半导体晶片的表面时，去除 材料的速率取决于半导体表面的局部化学特性或电子学特性。这是因为引入的掺杂剂原子 的不同浓度以电子学方式改变半导体主晶格(局部原子价、导电性)或者由于尺寸错配在 结构上通过扭曲加以改变，这在化学加工或化学机械加工时导致取决于掺杂剂浓度的优先 去除材料。对应于掺杂剂浓度波动，在半导体晶片的表面中形成环形的不平度。表面的这 一同轴高度变化在化学加工或化学机械加工之后同样被称作“条纹”。DE 102 007 035 266 Al描述了一种对由半导体材料组成的基材进行抛光的方 法，其包括2个FAP型抛光步骤，区别在于，在一个抛光步骤中在基材与抛光垫之间引入包 含作为固体的非粘结磨料的抛光剂浆料，而在第二抛光步骤中用不含固体的抛光剂溶液代 替抛光剂浆料。适合作为要求特别严格地应用于电子、微电子或微机电领域的基材的半导体晶 片，其表面必须具有特别高等级的平面度和均勻性。这是因为基材晶片的平面度决定性地 限制了典型的多层元件的单个电路平面可达到的平面度，这些元件随后在其上以光刻法进 行结构化。若起始平面度不足，则随后在对单个线路平面进行各种不同的平整化加工时，导 致击穿所施加的绝缘层，由此导致短路，及因此导致如此制得的元件的故障。因此，在现有技术中优选为具有尽可能弱且长波长的掺杂剂浓度波动7的半导体 晶片(图2b)。在现有技术中，这仅能通过晶体拉伸过程实现，其中生长面5尽可能是平面 (图加)。
此类拉伸过程特别缓慢、复杂地控制，因此非常不经济。通过现有技术中已知的晶体拉伸过程和随后的化学加工过程和化学机械加工过 程，仅能制造可达到的平面度受限制的半导体晶片，其不适合于将来对平面度有特别高的 要求的应用。此外，这些制造方法非常昂贵且复杂，因为在晶体生长期间必须保持特别平的 生长界面，在该界面处半导体材料仅非常缓慢地由熔体生长成为单晶。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供成本低廉地通过操作简单的晶体拉伸过程以高的产 率制造单晶的方法，其能够通过适当的表面加工制成具有不受掺杂剂浓度波动限制的特别 高的最终平面度的、缺陷含量少的半导体晶片。该目的是通过制造半导体晶片的第一方法实现的，其包括拉伸由半导体材料组成 的单晶(3)，由单晶(3)切割半导体晶片(9)并且抛光所述半导体晶片(9)，其特征在于，在 此使用的抛光垫包含牢固粘结的发挥磨料作用的固体材料，向在半导体晶片的待抛光的表 面与抛光垫之间形成的工作间隙加入不包含发挥磨料作用的固体材料并且PH值在9. 5至 12. 5之间的抛光剂。该目的尤其还是通过制造半导体晶片的第二方法实现的，其包括由熔体( 拉伸 由半导体材料组成的单晶(3)，由单晶(3)切割半导体晶片(9)并且抛光所述半导体晶片 (9)，其特征在于，利用包含牢固粘结的发挥磨料作用的固体材料的抛光垫进行抛光，在抛 光期间添加的抛光剂不包含发挥磨料作用的固体材料并且PH值在9. 5至12. 5之间，在晶 体生长期间以强烈的且空间上高频的波动的掺杂剂浓度产生单晶( 的边缘区域，而以低 的且空间上低频的波动的掺杂剂浓度产生中心区域。尚未预先公开的第 10 2008 053 610. 5 号、第 10 2009 025 243. 6 号、第 10 2009 030四7.2号和第10 2009 030四2. 1号德国专利申请公开了相应的用于FAP抛光的方法 (利用包含牢固粘结的发挥磨料作用的固体材料的抛光垫对半导体晶片进行抛光)，在此 并入它们所公开的全部内容作为参考。这些申请没有公开FAP抛光的特别适合的方法能够 实现本发明的目的。对于本发明重要的是，不实施传统的化学机械抛光，如DSP或CMP。用FAP抛光代 替 DSP。重要的尤其是，在抛光期间不添加包含发挥磨料作用的固体材料的抛光剂。根据本发明仅使用不含固体的抛光剂溶液。该方法与DE 102 007035 266 Al中 所述方法的明显的区别还在于，在此处请求保护的两部分FAP抛光中，在添加抛光剂浆料 的情况下的FAP步骤被阐述为必要的。以此方式或者采用化学机械DSP均无法实现本发明 的目的。抛光剂溶液的pH值优选通过添加氢氧化钾溶液(KOH)或碳酸钾(K2CO3)来调节。
图1 在拉伸坩埚中由半导体材料组成的单晶和熔体，其具有基本上为平面的、凹 面的或凸面的固/液相界面；图加在拉伸坩埚中由半导体材料组成的单晶和熔体，其具有平面的固/液相界面和均勻分布的掺杂剂浓度波动；图2b 半导体晶片的平面图(穿过图加的单晶的截面)，其具有径向均勻分布的 掺杂剂浓度波动；图2c:在切割单晶(锯切)之后穿过半导体晶片的截面，其具有受损的表面区域；图2d 在切割单晶及随后利用非本发明的化学机械抛光法去除受损的表面区域 之后穿过半导体晶片的截面，其具有所得的大的表面不平度；图2e 在切割单晶及随后利用本发明的“固定磨料”抛光法去除受损的表面区域 之后穿过半导体晶片的截面，其具有所得的降低的表面不平度；图3a 在拉伸坩埚中由半导体材料组成的单晶和熔体，其具有近似为梯形的凹面 的固/液相界面，在边缘区域具有短波长波动的掺杂剂浓度，而在半导体晶片的中心区域 具有基本上恒定的掺杂剂浓度；图北半导体晶片的平面图(穿过图3a的单晶的截面)，其在边缘区域具有短波 长波动的掺杂剂浓度，而在半导体晶片的中心区域具有基本上恒定的掺杂剂浓度；图3c:在切割单晶(锯切)之后穿过半导体晶片的截面，其具有受损的表面区域；图3d 在切割单晶及随后利用非本发明的化学机械抛光法去除受损的表面区域 之后穿过半导体晶片的截面，其具有所得的大的表面不平度；图3e 在切割单晶及随后利用本发明的“固定磨料”抛光法去除受损的表面区域 之后穿过半导体晶片的截面，其具有所得的大幅降低的表面不平度。附图标记1拉伸坩埚(石英坩埚)2熔体(液相)3单晶(固相)4硅熔体表面(液/气界面)5基本上为平面的液-固界面(生长面)5a具有基本上恒定的曲率的凹面的生长面5b具有基本上恒定的曲率的凸面的生长面6掺杂剂浓度增加的区域7掺杂剂浓度波动的空间频率7a掺杂剂浓度以长波长波动的区域7b掺杂剂浓度以短波长波动的区域8穿过单晶的截面9半导体晶片10由于取决于掺杂剂浓度的材料去除量导致的不平度11由于取决于掺杂剂浓度的材料去除量导致的轻微减少的不平度12由于取决于掺杂剂浓度的材料去除量导致的大幅减少的不平度13半导体晶片的晶体性受损的表面层14梯形凹面形状的生长面。
具体实施例方式下面依照附图详细地阐述本发明。图1所示为单晶棒拉伸装置的基本单元，其包括熔融坩埚1、由半导体材料组成 的熔体2(液相)、拉伸的由半导体材料组成的单晶3(固相)、熔体的表面4和各种不同的 液-固界面，即生长面，在此处由熔体通过沉积进行晶体生长一个基本上为平面5、一个凹 面5a和一个凸面5b。图加所示为根据现有技术的对比例，其中优选为尽可能是平面的生长面，因为在 此处，引入晶体晶格的掺杂剂的浓度6发生最小的变化，这些变化以空间上长波长的方式 发生。例如沿着所示切割面8切割棒3，从而获得单个半导体晶片9。
该半导体晶片9示于图2b的平面图。在对比例中所示的由根据现有技术拉伸的单晶获得的半导体晶片9具有均勻距 离7的掺杂剂波动。此类晶体拉伸过程非常耗费时间，非生产性且昂贵。由250kg的熔体 称重拉伸300mm的硅单晶的时间例如约为58小时。图2c所示为在切割棒之后获得的半导体晶片9的侧面图。由于切割过程加工材 料的作用损害接近表面的晶体层13的晶体性。在去除受损的层及通过机械加工(研磨、磨 平)和化学加工(刻蚀)对表面进行进一步找平期间，但尤其是在根据现有技术利用碱性 胶体状分散的硅溶胶进行最终抛光期间，掺杂剂浓度波动由于优先去除材料而产生半导体 表面的严重不平度10 (图2d)。在对比例中所示的通过根据现有技术进行晶体生长和硅溶胶抛光获得的半导体晶 片由于严重的不平度而不适合作为用于电子、微电子或微机电领域的要求特别高的基材。图加所示为半导体晶片的截面，其来自根据现有技术的拉伸法但是在根据本发 明的第一方法的“固定磨料抛光”法(FAP)进行最后抛光之后。在FAP中，以去除材料的方 式在抛光垫上的压力下通过移动半导体晶片而同时或依次地、单面或顺序地或双面同步地 加工一个或多个半导体晶片。在此情况下，将发挥磨料作用的固体材料牢固地粘结在FAP 抛光垫中，并在加工期间向在抛光垫与半导体晶片表面之间形成的工作间隙加入的抛光剂 不包含发挥磨料作用的固体材料且pH值在9. 5至12. 5之间。适合用于FAP抛光垫的磨料例如包括元素铈、铝、硅、锆的氧化物颗粒以及诸如碳 化硅、氮化硼和金刚石的硬质材料的颗粒。特别适合的抛光垫具有特征在于重复的微结构的表面形貌。这些微结构(“柱”) 例如具有圆柱形或多边形截面的柱体形状或者具有棱锥或截棱锥的形状。例如WO 92/13680 Al和US 2005/227590 Al中更详细地描述了此类抛光垫。特别优选使用粘结在抛光垫中的氧化铈颗粒，还参见US 6，602，117B1。在FAP抛光垫中所含的磨料的平均粒径优选为0. 1至Ι.Ομπι，更优选为0. 1至 0. 6 μ m，特别优选为0. 1至0. 25 μ m。图2e所示为通过此类根据本发明的加工过程使所得的半导体表面的不平度相对 于现有技术明显降低11。与根据现有技术以比较的方式加工的半导体晶片相比，如此根据本发明的第一方 法加工的半导体晶体更适合作为用于电子、微电子或微机电领域的要求更高的基材。图3根据第二方法阐述本发明。
图3a所图示为采用特别迅速的拉伸法获得的半导体单晶3。与对于根据现有技术 拉伸的、同样称重的、具有平面的液-固生长界面的晶体所需的58小时相比，在根据本发明 的本实施例中，由250kg的熔体称重拉伸300mm的晶体的时间仅为42小时。图3a中的生长界面14特别强烈地弯曲，并且具有近似为梯形的轮廓。图北所示为通过沿着图3a中的切割面8切割而获得的半导体晶片9的平面图。 由于在晶体边缘区域内的生长界面具有大的倾斜度，在晶体边缘区域内的生长界面处引入 的掺杂剂的径向浓度波动特别高，并以在空间上高的频率变化7b (浓度最大值的径向距离 小)。在棒3的内部(图3a)，生长界面基本上为平面，因此半导体晶片9的中心区域(图 3b)仅具有小的波动幅度，而掺杂剂浓度的最大值的距离7a非常宽。图3c所示为穿过半导体晶片9的截面，其具有由于切割单晶棒成为单个半导体晶 片而受损的接近表面的区域13。作为对比例，图3d所示为根据现有技术通过使用碱性胶体状分散的硅溶胶的化 学机械抛光(DSP)的非本发明的加工过程。半导体晶片的掺杂剂浓度在空间上高频率改变的边缘区域优先去除材料导致在 半导体晶片9的表面的边缘区域7b中在空间上短波长的大的不平度11，而在中心区域7a 中低频率的不平度。图3e所示为通过根据本发明的第二方法利用最后的固定磨料抛光(FAP)加工之 后的半导体晶片的截面。与根据现有技术的用于硅溶胶抛光的抛光垫相比，用于FAP中的抛光垫明显更 硬。因此及由于磨料被牢固地粘结在FAP垫中而且并不被包含在半导体晶片表面与抛光垫 之间的液体薄膜中，它们具有基本上不确定的相互作用，在FAP期间基本上以路线确定的 方式，即确定性地沿着通过压力、抛光垫几何形状和半导体晶片几何形状以及加工动力学 预先确定的、牢固粘结的磨料在半导体晶片表面上的路线，进行去除材料。因此，根据本发明的方法用确定性的以路线确定方式的工件加工过程代替根据现 有技术的化学机械抛光的优先去除材料。特别是在半导体晶片的电子学特性、化学特性或 结构特性在空间上短波长变化的情况下，例如由于在晶体生长期间形成“条纹”而导致的掺 杂剂波动所发生的情况，根据本发明确定性地以路线确定的方式去除材料的硬质的FA抛 光并不导致工件表面的不平度，而是对其进行找平。在中心区域中，变化幅度较小，而掺杂 剂最大值之间的距离大，因此确定性的以路线确定方式的FA抛光同样导致特别平的表面。本发明所述的单晶优选为硅单晶。半导体晶片优选为单晶硅晶片。
权利要求
1.制造半导体晶片的方法，其包括拉伸由半导体材料组成的单晶(3)，由单晶(3)切割 半导体晶片(9)并且抛光所述半导体晶片(9)，其特征在于，在此使用的抛光垫包含牢固粘 结的发挥磨料作用的固体材料，以及向在半导体晶片的待抛光的表面与抛光垫之间形成的 工作间隙加入不包含发挥磨料作用的固体材料并且PH值在9. 5至12. 5之间的抛光剂。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在由熔体(2)拉伸由半导体材料组成的单晶 (3)期间形成固相和液相，在液相与固相之间的界面(4)处由熔体( 通过沉积进行晶体生 长，该界面具有基本上是平面的形状(5)、凹面的形状(5a)或凸面的形状(5b)。
3.制造半导体晶片的方法，其包括由熔体( 拉伸由半导体材料组成的单晶(3)，由单 晶(3)切割半导体晶片(9)并且抛光所述半导体晶片(9)，其特征在于，利用包含牢固粘结 的发挥磨料作用的固体材料的抛光垫进行抛光，在抛光期间添加的抛光剂不包含发挥磨料 作用的固体材料并且PH值在9. 5至12. 5之间，以及在晶体生长期间以强烈的且空间上高 频的波动的掺杂剂浓度产生单晶(3)的边缘区域，而以低的且空间上低频的波动的掺杂剂 浓度产生中心区域。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，在由熔体(2)拉伸由半导体材料组成的单晶 (3)期间形成固相和液相，在液相与固相之间的界面(4)处由熔体( 通过沉积进行晶体生 长，该界面具有凹面的形状(5a)。
5.根据权利要求1或2或者根据权利要求3或4的方法，其特征在于，牢固粘结在抛光 垫中的发挥磨料作用的固体材料选自氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅、氮化硼和金 刚石。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，牢固粘结在抛光垫中的发挥磨料作用的固体 材料的平均粒径为0. 1至1. 0 μ m。
7.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，液相与固相之间的界面( 具有近似为梯 形的轮廓(14)。
8.根据权利要求3或4或者根据权利要求7的方法，其特征在于，在由熔体(2)拉伸的 单晶⑶的边缘区域内界面⑷的倾斜度大于单晶⑶的中心区域，从而在单晶⑶的边 缘区域内在液相与固相之间的界面( 处引入的掺杂剂的径向浓度波动大，而浓度最大值 之间的径向距离(7a)小。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在由熔体(2)拉伸的单晶(3)的中心的界面 (5)基本上为平面，从而在单晶C3)的中心在液相与固相之间的界面(4)处引入的掺杂剂的 径向浓度波动小，而浓度最大值之间的径向距离(7b)大。
10.半导体晶片，其是通过权利要求8或权利要求9的方法制得的。
全文摘要
本发明涉及制造半导体晶片的方法，其包括由熔体(2)拉伸由半导体材料组成的单晶(3)，由单晶(3)切割半导体晶片(9)并且抛光所述半导体晶片(9)，其特征在于，利用包含牢固粘结的发挥磨料作用的固体材料的抛光垫进行抛光，在抛光期间添加的抛光剂不包含发挥磨料作用的固体材料并且pH值在9.5至12.5之间，以及在晶体生长期间以强烈的且空间上高频的波动的掺杂剂浓度产生单晶(3)的边缘区域，而以低的且空间上低频的波动的掺杂剂浓度产生中心区域。
文档编号B28D5/00GK102126175SQ20101058357
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月9日
发明者G·皮奇, J·施万德纳, N·鲍诺什, W·黑克尔 申请人:硅电子股份公司