JP7513071B2 - シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法に関する。

従来、半導体デバイスの基板として、シリコンウェーハが広く用いられている。シリコンウェーハは、一般的に、シリコン単結晶インゴットの引き上げ工程に始まり、スライス工程、ラッピング工程、エッチング工程および研磨工程、最終洗浄工程などを経て、ポリッシュドウェーハに加工される。

シリコンウェーハの研磨工程では、粗研磨工程、仕上げ研磨工程など複数の工程が行われることが一般的である。これらの研磨工程に際して使用される研磨装置としては、上面に研磨布が貼設された回転定盤と、研磨されるシリコンウェーハを下面に固定した研磨ヘッドとを備えた枚葉式の片面研磨装置を用いることができる。なお、回転定盤と研磨ヘッドの上下関係は逆であってもよい。研磨工程は、例えば、まず、粗研磨工程にて比較的研磨取代の大きい研磨を行い、シリコンウェーハの平坦度を高める。次いで、仕上げ研磨工程を行い、シリコンウェーハの表面を滑らかに仕上げる。仕上げ研磨工程では、粗研磨工程により生じ得る加工ダメージを除去し、また、シリコンウェーハの被研磨面の表面粗さを改善する。仕上げ研磨工程ではシリコンウェーハの平坦度が少し悪化するものの、研磨取代が小さいため、平坦度の悪化の程度は微小である。

ここで、従来の枚葉式の片面研磨工程について説明する。図１は、枚葉式片面研磨装置の一例の模式図を示している。図１に示した片面研磨装置１００は、シリコンウェーハＷを保持する研磨ヘッド１１と、研磨布１２ａが貼設された回転定盤１２と、研磨布１２ａに研磨液Ｌを供給する研磨液供給手段１３とを有する。なお、図示されていないが、片面研磨装置１００は、研磨ヘッド１１を回転させる回転機構と、研磨ヘッド１１を回転定盤１２の内外に移動させる移動機構とをさらに備えている。

片面研磨装置１００においては、研磨ヘッド１１がシリコンウェーハＷを保持しつつ回転定盤１２の上面に貼設された研磨布１２ａに対してシリコンウェーハＷの被研磨面である片面（すなわち、回転定盤１２側の面）を押圧し、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の双方を回転させて研磨ヘッド１１と回転定盤１２とを相対運動させつつ、研磨液供給手段１３から研磨液Ｌを研磨布１２ａに供給して、シリコンウェーハＷの片面を化学機械研磨する。

図２は、枚葉式片面研磨装置１００を上方から見た図である。なお、回転定盤１２および研磨ヘッド１１に付された矢印は、それぞれの回転方向を示している。研磨ヘッド１１は、１つであってもいいし、図２のように複数設けられていてもよい。

上述のような枚葉式片面研磨方法について、本願出願人は、特許文献１において、シリコンウェーハＷと研磨布１２ａとの間の相対速度を高速化し、ウェーハ表面粗さを改善する方法を提案している。

特開２０００－１５５７１号公報

ところで近年、シリコンウェーハの大口径化および該シリコンウェーハを用いて形成される半導体デバイスの微細化が益々進行しており、片面研磨工程による仕上げ研磨後のシリコンウェーハについて、表面の平坦性および表面粗さに対する要求が益々厳しくなっている。特許文献１に記載の技術により、シリコンウェーハ表面の粗さを改善することができる。しかし、本発明者による検討の結果、ウェーハ面内に研磨ムラが生じて平坦度が悪化することが判明し、この点について改善の余地がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ウェーハ面内の研磨ムラを低減することができるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法を提案することにある。

上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
［１］シリコンウェーハの片面に対して研磨を行う枚葉式片面研磨方法において、
研磨ヘッドと研磨布が貼り付けられた回転定盤とを備える枚葉式研磨機において、前記研磨ヘッドにより前記シリコンウェーハを保持して前記回転定盤の前記研磨布に前記シリコンウェーハの前記片面を押圧し、前記研磨布に研磨液を供給しつつ、前記研磨ヘッドおよび前記回転定盤の双方を第１方向に回転させて前記シリコンウェーハの前記片面を研磨する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記枚葉式研磨機において、前記研磨ヘッドおよび前記回転定盤の双方を前記第１方向とは逆の第２方向に回転させて前記シリコンウェーハの前記片面を研磨する第２工程と、
を有することを特徴とするシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。

［２］前記第１工程から前記第２工程への移行は、前記シリコンウェーハと前記回転定盤との間の相対的な運動を維持した状態で行う、前記［１］に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。

［３］前記第１工程から前記第２工程への移行期間に、前記研磨ヘッドの回転数がゼロである第１期間および前記回転定盤の回転数がゼロである第２期間を有し、前記第１期間と前記第２期間とが重複していない、前記［２］に記載のシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。

本発明によれば、枚葉式の片面研磨方法において、ウェーハ面内の研磨ムラを低減することができる。

枚葉式片面研磨装置の一例の模式図である。 本発明による枚葉式片面研磨方法の特徴を説明する図である。 研磨ヘッドおよび回転定盤の回転方向を逆転させる際の研磨ヘッドおよび回転定盤の回転速度変化の一例を示す図である。 従来例および発明例について、シリコンウェーハのＳＦＱＲを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明によるシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法は、シリコンウェーハの片面に対して研磨を行う枚葉式片面研磨方法である。ここで、研磨ヘッドと研磨布が貼り付けられた回転定盤とを備える枚葉式研磨機において、研磨ヘッドによりシリコンウェーハを保持して回転定盤の研磨布にシリコンウェーハの片面を押圧し、研磨布に研磨液を供給しつつ、研磨ヘッドおよび回転定盤の双方を第１方向に回転させてシリコンウェーハの上記片面を研磨する第１工程と、上記第１工程の後に、上記枚葉式研磨機において、上記研磨ヘッドおよび上記回転定盤の双方を上記第１方向とは逆の第２方向に回転させてシリコンウェーハの上記片面を研磨する第２工程とを有することを特徴とする。

上述のように、特許文献１に記載された方法により、シリコンウェーハ表面の粗さを改善することができる。しかしながら、本発明者による検討の結果、ウェーハ面内に研磨ムラが生じ、平坦度が悪化することが判明した。

特許文献１に記載されているように、片面研磨工程は、複数の工程で構成するのが一般的であり、例えば、シリコンウェーハＷの片面（シリコンウェーハＷの一方の表面）の平坦度を高める粗研磨工程と、粗研磨が施されたシリコンウェーハＷの上記片面に対して表面を滑らかに仕上げる仕上げ研磨工程とで構成することができる。

なお、上記粗研磨工程および仕上げ研磨工程のいずれにおいても、図２（ａ）に示すように、研磨ヘッド１１（すなわち、シリコンウェーハＷ）および回転定盤１２の双方を同一の方向（図２（ａ）においては第１の方向（反時計回り））に回転させつつ、研磨液Ｌを研磨布１２ａに供給してシリコンウェーハＷの片面の研磨を行うのが一般的である。これは、研磨ヘッド１１と回転定盤１２とを互いに逆方向に回転させると、シリコンウェーハＷの外周部の摺動速度が高くなり、ウェーハ外周部が中心部よりも大きく研磨されてしまうためである。

本発明者は、特許文献１に記載された方法において、ウェーハ面内の研磨ムラが生じた原因について鋭意検討を行った。その結果、ウェーハ面内の研磨ムラは、研磨を繰り返し行ったことに伴い、（１）研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向に依存して研磨液Ｌの研磨布１２ａへの回り込み（すなわち、研磨液Ｌの研磨布１２ａへの拡がり）の偏りが生じ、また（２）研磨ヘッド１１および回転定盤１２の形状および傾きに偏りが生じ、研磨布１２ａの目詰まりの癖や表面形状の偏りが生じたことによるものであることが判明した。

そこで、本発明者は、上記研磨液Ｌの研磨布１２ａへの回り込みの偏り、および研磨ヘッド１１および回転定盤１２の形状および傾きの偏りを低減する方途について鋭意検討した。その結果、同一の枚葉式片面研磨装置において、研磨工程を二段構成とし、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を第１方向に回転させて研磨を行う第１工程と、第１方向とは逆方向の第２方向に回転させた研磨を行う第２工程とを行うことが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させたのである。

このように、本発明によるシリコンウェーハＷの枚葉式の片面研磨方法は、同一の枚葉式片面研磨装置において、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向を変えて複数段階の研磨工程を行うことを特徴とするものであり、その他の構成については、従来公知の構成を適切に利用することができ、限定されない。以下、粗研磨工程を２段階の工程で構成し、仕上げ研磨工程を一段階の工程で構成する場合を例として、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。

まず、エッチングが施されたシリコンウェーハＷの片面（すなわち、シリコンウェーハＷの一方の表面）を粗研磨する（粗研磨工程）。粗研磨工程は、研磨ヘッド１１（すなわち、シリコンウェーハＷ）および回転定盤１２を第１の方向（図２（ａ）では、反時計回り）に回転させてシリコンウェーハＷの片面を研磨する第１工程と、研磨ヘッド１１（すなわち、シリコンウェーハＷ）および回転定盤１２を第１の方向とは逆の第２の方向（図２（ｂ）では、時計回り）に回転させてシリコンウェーハＷの上記片面を研磨する第２工程とを有する。

粗研磨工程を行う際には、研磨布１２ａとしては、例えば、ベロアタイプやスエードタイプのものを採用することができる。中でも、研磨レートを高める観点からは、比較的、硬度の高いものを選択することが望ましい。

また、研磨液Ｌとしては、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液を用いることができる。遊離砥粒としては、コロイダルシリカ、セリア、ダイヤモンド、アルミナなどが挙げられる。また、研磨液Ｌとしては、ｐＨ８～ｐＨ１３に調整されたアルカリ性水溶液を用いることが望ましい。アルカリ剤としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、ピペラジンが代表的なものであるが、その他、炭酸アンモニウム水溶液、その他特定アミンが添加されたアルカリ性水溶液などを用いることができる。

研磨ヘッド１１の構成は、片面研磨装置１００に用いられる一般的なものを用いることができる。例えば、シリコンウェーハＷの保持方式は、特許文献１に記載された方法のような真空チャック方式や、水等の液体による表面張力による吸着方式とすることができる。

粗研磨工程では、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を第１方向（例えば、反時計回り）に回転させて、所定の研磨代（第１研磨代）までシリコンウェーハＷの片面を研磨した後、図２（ｂ）に示すように、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を第１方向とは逆方向の第２方向（図２（ｂ）では、時計回り）に回転させて、所定の研磨代（第２研磨代）までシリコンウェーハＷの上記片面を研磨する。その際、第２工程は、第１工程と同一の枚葉式片面研磨装置１００で行う。これにより、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向に依存した研磨液Ｌの研磨布１２ａへの回り込みの偏りを抑制して、研磨布１２ａの目詰まりの癖や表面形状の偏りを平均化して、ウェーハ外周部の研磨ムラを抑制することができる。また、上記研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向を反転させることにより、研磨布１２ａのライフを延長させることもできる。さらに研磨ヘッド１１の表面に微小な傾きがあった場合にも、研磨代の偏りを抑制することもできる。

ところで、第１工程を終了して第２工程に移行する際に、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の双方を減速させて一旦停止し、第１方向とは逆の第２方向に回転させる。その際、シリコンウェーハＷが回転定盤１２に対して静止して相対的な運動が停止すると、研磨布１２ａがシリコンウェーハＷに対して与える摩擦力が動摩擦力から静止摩擦力に変化する。一般に、静止摩擦力は動摩擦力よりも大きいため、第２工程において研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転を開始すると、シリコンウェーハＷが研磨ヘッド１１から放出され、装置１００の外部に飛び出して破損する、いわゆるクラッシュが発生するおそれがある。そこで、上記第１工程から第２工程への移行は、シリコンウェーハＷと回転定盤１２との間の相対的な運動を維持した状態で行うことが好ましい。これにより、研磨布１２ａかシリコンウェーハＷに対して与える摩擦力が静止摩擦力に変化しないため、上記クラッシュの発生を防止することができる。

なお、本明細書において、「シリコンウェーハＷと回転定盤１２との間の相対的な運動を維持した状態」とは、シリコンウェーハＷの研磨を施す片面上の任意の点と、回転定盤１２（すなわち、研磨布１２ａ）上の任意の点とが、相対的に静止しないことを意味している。

図３は、第１工程から第２工程への移行の際に、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向を逆転させる際の研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転速度変化の一例を示している。図３に示した例においては、まず、減速開始時点から、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転速度を同一とした状態で３．０～６．０ｒｐｍ／ｓで減速する。次いで、回転定盤１２の回転速度を８～１２ｒｐｍで維持した状態で、研磨ヘッド１１の回転のみを１．０ｒｐｍ／ｓで減速する。すると、減速開始時点からある時点で回転速度はゼロとなる。研磨ヘッド１１の回転速度がゼロとなった状態を５秒維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで研磨ヘッド１１を第１方向とは逆向きの第２方向へ回転させる。

一方、回転定盤１２の回転速度を８～１２ｒｐｍで数秒間維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで減速を再開する。すると、減速開始時点からある時点で、回転定盤１２の回転速度がゼロとなる。回転定盤１２の回転速度がゼロとなった状態を数秒維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで回転定盤１２を第１方向とは逆向きの第２方向へ回転させる。

そして、研磨ヘッド１１の第２方向への回転速度が８～１２ｒｐｍに達するが、研磨ヘッド１１の回転速度を８～１２ｒｐｍに維持する。一方、回転定盤１２は、回転速度が研磨ヘッド１１の回転速度と同じ８～１２ｒｐｍに達する。その後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の双方を３．０～６．０ｒｐｍ／ｓで所定の回転速度になるまで加速させる。こうして、シリコンウェーハＷと回転定盤１２との間の相対的な運動を維持した状態で、第１工程から第２工程に移行することができる。

なお、図３に示した例においては、研磨ヘッド１１の回転を逆転した後に、回転定盤１２の回転を逆転させているが、回転定盤１２の回転を逆転させた後に、研磨ヘッド１１の回転を逆転させてもよい。また、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の減速、加速の際の回転速度のプロファイルは、図３に示した例に限定されず、適切に設定することができる。

また、図３に示したように、第１工程から第２工程への移行期間に、研磨ヘッド１１の回転速度がゼロである第１期間および回転定盤１２の回転速度がゼロである第２期間を有し、第１期間と第２期間とが重複していないことが好ましい。これにより、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の駆動系に過剰な負荷が印加されるのを抑制することができる。

なお、本発明において、「第１工程から第２工程への移行期間」とは、研磨ヘッド１１および回転定盤１２のいずれか一方の回転速度がゼロになった時点から、双方の回転速度がゼロを超えるまでの時点までの期間（図３では、２４秒～３５秒までの期間）を意味している。

また、研磨液Ｌとしては、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液を用いることができる。遊離砥粒としては、コロイダルシリカ、ダイヤモンド、アルミナなどの砥粒が混入されたものを採用することができる。遊離砥粒の平均粒径は、マイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥を発生させないように、砥粒が凝集しない粒径範囲で選定すればよく、平均粒径が１０～５０ｎｍのものを使用することが好ましい。また、研磨液Ｌとしては、ｐＨ８～ｐＨ１３に調整されたアルカリ性水溶液を用いることが望ましい。アルカリ剤としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、ピペラジンが代表的なものであるが、その他、炭酸アンモニウム水溶液、その他特定アミンが添加されたアルカリ性水溶液などを用いることができる。

こうして、ウェーハ面内の研磨ムラを抑制しつつ、シリコンウェーハの片面を研磨することができる。

なお、上記説明においては、粗研磨工程を２段階の工程で構成したが、３段階以上の工程で構成することもできる。その際には、各工程間で、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転方向を逆転させることが好ましい。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。

（従来例）
図１に示した枚葉式片面研磨装置１００を用いて、エッチングが施されたシリコンウェーハＷ（直径２００ｍｍ）に対して片面研磨を行った。具体的には、粗研磨工程を１段階で実施した。

まず、粗研磨工程において、研磨ヘッド１１にシリコンウェーハＷを保持した。次いで、研磨ヘッド１１に保持したシリコンウェーハＷを回転定盤１２の研磨布１２ａに押圧した後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を所定の回転速度まで加速するとともに、研磨布１２ａに水酸化カリウムなどからなるアルカリ性の研磨液Ｌを供給し、所定の回転速度となった時点で約６００秒間維持した。その後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を減速させて停止させた。

上記片面研磨を７５枚のシリコンウェーハＷに対して行った。

（発明例）
従来例と同様に、エッチングが施されたシリコンウェーハＷに対して片面研磨を行った。ただし、粗研磨工程を２段階の工程で構成した。具体的には、粗研磨工程を第１工程および第２工程で構成し、以下のように粗研磨工程を行った。まず、第１工程では、研磨ヘッド１１にシリコンウェーハＷを保持した。次いで、研磨ヘッド１１に保持したシリコンウェーハＷを回転定盤１２の研磨布１２ａに押圧した後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を１０～２０ｒｐｍ／ｓで加速させるとともに、研磨布１２ａに水酸化カリウムなどからなるアルカリ性の研磨液Ｌを供給し、回転速度が６０～７０ｒｐｍとなった時点で６００秒間維持した。その後、シリコンウェーハＷと回転定盤１２との相対的な運動を維持した状態で、第１工程から第２工程への移行を行った。

具体的には、まず、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の回転速度を同一とした状態で４．０～５．０ｒｐｍ／ｓで減速した。次いで、回転定盤１２の回転速度を１０～１２ｒｐｍで維持した状態で、研磨ヘッド１１の回転のみを１．０ｒｐｍ／ｓで減速した。すると、減速開始時点からある時点で回転速度はゼロとなった。研磨ヘッド１１の回転速度がゼロとなった状態を数秒維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで研磨ヘッド１１を第１方向とは逆向きの第２方向へ回転させた。一方、回転定盤１２の回転速度を１０～１２ｒｐｍで数秒間維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで減速を再開した。すると、減速開始時点からある時点で、回転定盤１２の回転速度がゼロとなった。回転定盤１２の回転速度がゼロとなった状態を５秒維持した後、１．０ｒｐｍ／ｓで回転定盤１２を第１方向とは逆向きの第２方向へ回転させた。そして、研磨ヘッド１１の第２方向への回転速度が１０～１２ｒｐｍに達した段階で、研磨ヘッド１１の回転速度を１０～１２ｒｐｍに維持した。一方、回転定盤１２は、回転速度が研磨ヘッド１１の回転速度と同じ１０～１２ｒｐｍに達した。その後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２の双方を４．０～５．０ｒｐｍ／ｓで所定の回転速度になるまで加速させた。そして、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を６０～７０ｒｐｍの回転速度で６００秒間維持し、第２工程を行った。その後、研磨ヘッド１１および回転定盤１２を１０～２０ｒｐｍ／ｓで減速させて停止させた。こうして、シリコンウェーハＷに対して片面研磨を行った。その他の条件は、従来例と全て同じである。

図４は、従来例および発明例のそれぞれについて、片面研磨を施した７５枚のシリコンウェーハＷのＳＦＱＲ（Site Front least sQuare Range）を示している。なお、ＳＦＱＲは、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社製の厚み測定機ＡＤＥを用いて測定し、測定セルサイズは２０ｍｍ×２０ｍｍとした。表１は、従来例および発明例のそれぞれについて、ＳＦＱＲの具体的なデータを示している。図４および表１から明らかなように、本発明の片面研磨方法により、ＳＦＱＲのばらつきおよび平均値の双方ともに低減されることが分かる。

本発明によれば、本発明によれば、枚葉式の片面研磨方法において、ウェーハ面内の研磨ムラを低減することができるため、半導体ウェーハ製造業において有用である。

１１ 研磨ヘッド
１２ 回転定盤
１２ａ 研磨布
１３ 研磨液供給手段
１００ 枚葉式片面研磨装置
Ｌ 研磨液
Ｗ シリコンウェーハ

Claims (1)

1. シリコンウェーハの片面に対して研磨を行う枚葉式片面研磨方法において、
   研磨ヘッドと研磨布が貼り付けられた回転定盤とを備える枚葉式研磨機において、前記研磨ヘッドにより前記シリコンウェーハを保持して前記回転定盤の前記研磨布に前記シリコンウェーハの前記片面を押圧し、前記研磨布に研磨液を供給しつつ、前記研磨ヘッドおよび前記回転定盤の双方を第１方向に回転させて前記シリコンウェーハの前記片面を研磨する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記枚葉式研磨機において、前記研磨ヘッドおよび前記回転定盤の双方を前記第１方向とは逆の第２方向に回転させて前記シリコンウェーハの前記片面を研磨する第２工程と、
   を有し、
   前記第１工程から前記第２工程への移行は、前記シリコンウェーハと前記回転定盤との間の相対的な運動を維持した状態で行い、
   前記第１工程から前記第２工程への移行期間に、前記研磨ヘッドの回転数がゼロである第１期間および前記回転定盤の回転数がゼロである第２期間を有し、前記第１期間と前記第２期間とが重複していないことを特徴とするシリコンウェーハの枚葉式片面研磨方法。

Images