JP3441142B2

JP3441142B2 - 半導体ウェーハーの研磨方法

Info

Publication number: JP3441142B2
Application number: JP01286994A
Authority: JP
Inventors: 吉恭鹿島; 宏行高木; 則和大沢
Original assignee: Nissan Chemical Corp
Current assignee: Nissan Chemical Corp
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 2003-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JPH07221059A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コロイダルシリカに
よる半導体ウェーハーの研磨方法の改良に関する。特
に、本発明の研磨方法は、珪素等単体の半導体、ガリウ
ム砒素等化合物の半導体などのウェーハーを高速度で鏡
面状に磨き上げるのに好適である。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造には、鏡面状の平滑
度を有する半導体ウェーハーが用いられている。このよ
うな鏡面を有するウェーハー、例えば、珪素ウェーハー
は、単結晶珪素棒を薄い円板状に切断した後、逐次、こ
の薄い円板を鏡面状を呈するまで磨き上げて行くことに
より造られている。通常、この研磨には、上記切断直後
の粗い表面に施されるラッピング工程と、これに続く精
密研磨のためのポリシング工程が採用されている。そし
てこのポリシング工程において、粗研磨と最終研磨が行
われ、鏡面状を呈する半導体ウェーハーが造られてい
る。上記ラッピング工程には主としてアルミナ粉末等が
使用されるが、上記粗研磨及び最終研磨にはコロイダル
シリカ、特にシリカゾルが使用されることが多い。そし
てこの粗研磨と最終研磨では、通常、研磨布とウェーハ
ー表面とを圧接下に相対運動させながら、この接触面に
シリカゾルを供給する方法でウェーハー表面の研磨が行
われる。

【０００３】米国特許第4462188 号明細書には、珪素ウ
ェーハー等を、４〜100 ナノメートル (以下、nmで表
す。) の粒子径を有するシリカゾルと水溶性アミンと第
４級アンモニウム塩基又はその塩とを含有する研磨剤で
研磨することによって、研磨速度を高めるという改良さ
れた方法が開示されている。特開平 4-313224 号公報に
は、珪素ウェーハーの研磨効率の低下を防止できる改良
された研磨剤として、７〜100 nmの粒子径を有するシリ
カゾルと水溶性アミンと弱酸のアルカリ金属塩を含有す
る組成物が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記米国特許第4462
188 号明細書に開示の研磨剤には、研磨速度を高めるた
めにシリカゾル中にアミンや第４級アンモニウム塩基又
はその塩が添加されているが、この研磨剤を、上記鏡面
を有するウェーハーを造るための粗研磨及び最終研磨に
使用しても、十分な研磨速度が得られない。上記特開平
4-313224 号公報に開示の研磨剤を使用してもやはり同
様である。

【０００５】本発明は、シリカゾルによる半導体ウェー
ハーの粗研磨及び最終研磨において、これら研磨工程に
要する時間を短縮できる如き改良された研磨剤及び研磨
方法を提供しようとするものである。特に、研磨後の半
導体ウェーハーが鏡面を呈する高精度に、このウェーハ
ーを短時間に研磨することができるような安定なシリカ
ゾルからなる研磨剤を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体ウェー
ハーの研磨方法は、７〜1000 nm の長径と 0.3〜0.8 の
短径／長径比を有するコロイダルシリカ、好ましくはそ
の安定なゾルを用いて研磨することを特徴とする。本発
明の研磨方法に用いられるコロイダルシリカ粒子は、電
子顕微鏡写真に現れた画像により容易に観察することが
できる。このコロイダルシリカ粒子は球形ではなく、短
い径と長い径を有する歪な形状を有する。このコロイダ
ルシリカの短い径と長い径の比は、短径／長径の比で表
して 0.3〜0.8 、特に 0.5〜0.8 程度が好ましい。そし
てこのコロイダルシリカ粒子としては、７〜1000 nm 、
特に10〜500 nmの長径を有する粒子が好ましい。コロイ
ダルシリカの大きさは、比表面積によっても表すことが
でき、10〜550 m²/gの比表面積を有するコロイダルシリ
カが好ましい。

【０００７】本発明の研磨方法に用いられるコロイダル
シリカとしては、その粒子の短径／長径比と長径がなる
べく揃っていることが好ましい。上記のような歪な形状
を有するコロイダルシリカ粒子の他に、0.8 以上の短径
／長径比と1000 nm 以下の長径を有する球状〜略球状の
コロイダルシリカ粒子、或いは 0.3以下の短径／長径比
と1000 nm 以下の長径を有する細長いコロイダルシリカ
粒子などの異粒子が混在していてもよいが、その混在粒
子数はなるべく少ないのがよく、上記歪な形状を有する
コロイダルシリカ粒子の数が全粒子中50％以上を占める
ようなコロイダルシリカが好ましい。このような粒子数
の割合は、コロイダルシリカの電子顕微鏡写真の画像解
析により求めることができる。

【０００８】本発明の研磨方法には、コロイダルシリカ
を、安定なゾルの形態で、特に、安定な水性ゾルとして
用いるのが好ましい。この安定なゾルのSiO₂濃度として
は、0.5〜50重量％程度、特に 0.5〜30重量％が好まし
い。そしてこの安定なゾルとしては、好ましい研磨が達
成される限り、任意の成分、例えば、溶解したアルカリ
性物質、溶解した酸性物質、溶解した塩などを含有する
ことができる。

【０００９】珪素半導体ウェーハーの研磨には、上記歪
な形状を有するコロイダルシリカを７〜11.5、特に 8.5
〜11.5のpHを有するアルカリ性の安定な水性ゾルとして
用いるのが好ましい。このようなアルカリ性の水性ゾル
は、例えば、NaOHなどアルカリ金属水酸化物、アンモニ
ア、モノエタノールアミンなどアミン類、テトラメチル
アンモニウム水酸化物など第４級アンモニウム水酸化物
類等、シリカゾルに通常加えられる水溶性のアルカリ性
物質をゾル中に含有させることにより得られる。

【００１０】本発明の研磨方法に用いられるアルカリ性
の安定な水性ゾルは、種々の方法で造ることができる。
その例としては、水ガラスなどのアルカリ金属珪酸塩の
水溶液を脱陽イオン処理することにより得られるSiO₂濃
度２〜６重量％程度の活性珪酸の酸性水溶液に、アルカ
リ土類金属、例えば、Ca、Mg、Baなどの塩をその酸化物
換算で上記活性珪酸のSiO₂に対し 100〜1500 ppmの重量
比に添加し、更にこの液中SiO₂/M₂O (M は、アルカリ金
属原子、NH₄又は第４級アンモニウム基を表す。) モル
比が20〜150 となる量の上記アルカリ物質を添加するこ
とにより得られる液を当初ヒール液とし、上記同様にし
て得られる２〜６重量％のSiO₂濃度と20〜150 のSiO₂/M
₂O (M は、上記に同じ。) モル比を有する活性珪酸水溶
液をチャージ液として、60〜150 ℃で上記当初ヒール液
に上記チャージ液を、１時間当たり、チャージ液SiO₂／
当初ヒール液SiO₂の重量比として0.05〜1.0 の速度で、
液から水を蒸発除去しながら又はせずに、添加する方法
が挙げられる。上記の水を蒸発除去しながら造る方法で
は、加えられたチャージ液とヒール液の全容積が一定と
なるような速度でチャージ液を添加するのが好ましい。

【００１１】別の例としては、水ガラス等のアルカリ金
属珪酸塩の水溶液を脱陽イオン処理することにより得ら
れるSiO₂濃度２〜６重量％程度の活性珪酸の酸性水溶液
に、アルカリ土類金属、例えば、Ca、Mg、Baなどの塩を
その酸化物換算で上記活性珪酸のSiO₂に対し 100〜1500
ppmの重量比に添加し、更にこの液中SiO₂/M₂O (M は、
上記に同じ。) モル比が20〜200 となる量の上記アルカ
リ物質を添加した後、70〜150 ℃で加熱することにより
一旦シリカゾルを生成させ、最後にこのシリカゾルにア
ルカリ金属水酸化物、水溶性有機塩基等を加え、そして
このアルカリ添加のシリカゾルを70〜150 ℃に保ちなが
ら、攪拌下に、上記と同じ活性珪酸の酸性水溶液を上記
ゾル中のSiO₂に対し活性珪酸のSiO₂の重量比が、１時間
当たり、0.01〜10となる速度でゾル中のSiO₂/M₂O (M
は、上記に同じ。) モル比が20〜200 となるまで加える
方法が挙げられる。

【００１２】化合物半導体ウェーハーの研磨には、上記
歪な形状を有するアルカリ性ゾルのみならず、酸性の、
好ましくは 1.5〜５のpHを有する安定な水性ゾルとして
用いることもできる。このような酸性の水性ゾルは、上
記アルカリ性の水性ゾルに、例えば、水溶性の酸性物質
を含有させることにより、或いは上記アルカリ性の水性
ゾルを脱陽イオン処理することにより得られる。更に、
上記アルカリ性又は酸性の水性シリカゾルに水溶性のア
ルミニウム塩やジルコニウム塩などを添加して、コロイ
ダルシリカ表面をこれらアルミニウムイオンやジルコニ
ウムイオンなどで被覆した安定なゾルも使用することが
できる。

【００１３】本発明による研磨の対象とする半導体とし
ては、珪素、ゲルマニウムなどの単体からなる半導体、
ガリウム砒素等化合物からなる半導体など従来から知ら
れているものでよい。本発明の半導体ウェーハーの研磨
方法は、通常の半導体ウェーハーの研磨装置を使用して
行うことができる。例えば、上方に設置された回転でき
るセラミックス製定盤と下方に設置された研磨布張設の
回転ディスクからなる研磨装置を使用して、このセラミ
ックス製定盤に半導体ウェーハーを固定した後、このウ
ェーハーの表面が 0.1〜1.0 kg/cm²程度の圧力を受ける
ように、ウェーハー表面と研磨布とを接触させ、この研
磨布上に上記シリカゾルを供給しながら、セラミックス
製定盤とディスクを回転させる方法で行うことができ
る。

【００１４】

【作用】通常、球形を有するコロイダルシリシカのゾ
ルが市販され、半導体ウェーハーの研磨にも、この球形
のコロイダルシリカのゾルが使用されていたが、これに
替えて、上記歪な形状を有するコロイダルシリカのゾル
を半導体ウェーハーの研磨に使用すると、粗研磨及び最
終研磨において研磨速度が顕著に向上することが見出さ
れた。

【００１５】この意外な効果は、恐らく、上記のように
研磨布と半導体ウェーハーとが圧接下相対運動するとき
に、この布材料表面とウェーハー表面との間に挟まれて
介在するコロイダルシリカ粒子は回転するが、その際、
この歪形状のコロイダルシリカ粒子は、球形のコロイダ
ルシリカ粒子に比べて回転しにくいので、その結果、布
材料表面とウェーハー表面との間の摩擦力が著しく増大
する。しかし、研磨布と半導体ウェーハーとの圧接下の
相対運動速度は一定に保たれるから、この増大した摩擦
力によってウェーハー表面の研磨量が顕著に高まるもの
と考えられる。

【００１６】けれども、 0.3〜0.8 の短径／長径の比は
有していても、1000 nm より大きい長径を有するコロイ
ダルシリカは、1000 nm より小さい長径のコロイダルシ
リカに比べて、同一SiO₂濃度では、研磨速度を増加させ
ない。コロイダルシリカ粒子の長径が小さい程、そのコ
ロイダルシリカは研磨速度を増加せしめるが、７nmより
小さい長径を有するコロイダルシリカでは、繰り返し使
用の場合の安定性に乏しい。0.3 より小さい短径／長径
比を有するコロイダルシリカも、研磨速度を顕著には増
加させない。

【００１７】半導体ウェーハーの研磨に、50重量％を越
える程の高濃度にSiO₂を含有するシリカゾルを使用する
と、このようなゾルは研磨中にゲル化を起こし易く、好
ましくは30重量％以下のSiO₂濃度を有するシリカゾルを
使用するのがよい。しかし、0.5 重量％以下のSiO₂濃度
を有するシリカゾルを使用すると、やはり十分な研磨速
度が得られない。

【００１８】珪素半導体ウェーハーの研磨には、コロイ
ダルシリカによる研磨が行われる限り、酸性、アルカリ
性のいずれのゾルも使用できるが、8.5 以下のpHを有す
るシリカゾルを使用すると、化学研磨に貢献するアルカ
リ分が不足し、十分な研磨速度が得られない。ゾル中の
アルカリ分が多いゾル程、そのようなゾルは大きい研磨
速度を与えるが、そのpHが11.5を越える程の強アルカリ
性のシリカゾルを使用すると、研磨中に、この強アルカ
リによってゾル中のコロイダルシリカが溶解することが
あり、ゾルの増粘を引き起こす原因となるばかりでな
く、珪素半導体ウェーハー表面に新たな荒れを生じさせ
易い。

【００１９】一般に、長径が小さくなる程シリカゾルの
安定性は低下する傾向にあり、20〜30 nm 程度の長径を
有するコロイダルシリカをSiO₂として20重量％程度以上
に含有するシリカゾルは、pH５〜７の中性付近で不安定
であるが、SiO₂として20重量％以下であればpH５〜７を
有していても使用することができる。また、30nmより大
きい長径を有するコロイダルシリカのゾルでは、20重量
％以上の高濃度でも、pH５〜７の中性付近で使用するこ
とができる。

【００２０】化合物半導体ウェーハーの研磨には、７〜
11.5のpHを有するアルカリ性シリカゾル又は 1.5〜５の
pHを有する酸性シリカゾルを使用するのが好ましい。
1.5以下のpHを有するシリカゾルは、その強い酸性によ
って研磨装置に用いられている鉄材に腐蝕を起こさせ易
く好ましくない。

【００２１】

【実施例】

実施例１この例では、半導体ウェーハーの研磨に使用するための
下記６種類のシリカゾル(S₁)、(S₂)、(S₃)、(S₄)、(S₅)
及び(S₆)が調製された。シリカゾル(S₁)の調製：29.8重量％のSiO₂濃度と9.6 重
量％のNa₂O濃度を有する市販の水ガラス溶液に水を加え
ることにより、 4.0重量％のSiO₂濃度を有する珪酸ナト
リウム水溶液を調製した。

【００２２】次いで、この珪酸ナトリウム水溶液を、陽
イオン交換樹脂のカラムに通すことにより、 2.6のpHと
4.0 重量％のSiO₂濃度を有する活性珪酸水溶液を調製し
た。この活性珪酸水溶液に、塩化マグネシウム水溶液を
MgO として上記活性珪酸のSiO₂に対し400 ppm の重量比
に添加し、更に水酸化ナトリウムを加えることにより、
90のSiO₂/Na₂O モル比を有するアルカリ安定化活性珪酸
水溶液(A) を調製した。

【００２３】この水溶液(A) からその900gをヒール液と
してガラス製反応器に投入し、加熱することにより液の
沸点の温度に到達させた。次いで、別途採取された上記
水溶液(A) をチャージ液として、攪拌下のこのヒール液
中に、１時間当たり85g の添加速度で48時間にわたり連
続的に添加することによりシリカゾルを調製した。この
間、反応器内の液容積が一定となるように液から水を蒸
発除去した。

【００２４】得られたシリカゾルは、1.131 の比重、2
0.5重量％のSiO₂濃度、9.7 のpH、3.0cp の25℃粘度及
び160m²/g の比表面積を有していた。このゾルのコロイ
ダルシリカ粒子を電子顕微鏡写真に撮影し、画像解析装
置を使用して形状を解析したところ、 0.3〜0.8 の短径
／長径比を有するコロイダルシリカ粒子の数は71％を占
めていた。残りのコロイダルシリカ粒子は殆どが球形に
近いものであった。この写真に撮影されたコロイダルシ
リカ粒子は、20〜40nmの範囲の長径を有していた。

【００２５】このシリカゾルに水を加えることにより、
2.0重量％のSiO₂濃度と9.3 のpHを有するシリカゾル(S
₁)を調製した。シリカゾル(S₂)の調製：ゾル(S₁)の調製と同様にして得
られた 2.6のpHと4.0 重量％のSiO₂濃度を有する活性珪
酸水溶液2000g に、攪拌下、10重量％の塩化マグネシウ
ム水溶液を1.8gを加えた後、更に10重量％の水酸化ナト
リウム水溶液13.3g を加えることにより、80のSiO₂/Na₂
O モル比を有する変性された活性珪酸水溶液を調製し
た。この変性された水溶液を３リットルのステンレス製
オートクレーブに仕込み、150 ℃で６時間の加熱を行う
ことにより第１段のシリカゾルを生成させた。

【００２６】次いで、この生成ゾルを冷却後、限外ろ過
装置により、SiO₂濃度20.5重量％まで濃縮した。この濃
縮ゾル138gと水762gを、攪拌機及び蒸発管を備えたがラ
ス製反応器に投入し、更にゾル(S₁)の調製に用いられた
SiO₂濃度4.0 重量％の珪酸ナトリウム水溶液29.4g を除
々に投入した後、反応器内を沸騰状態に保った。この反
応器中へ、上記調製直後の活性珪酸の水溶液を、１時間
当たり100gの速度で7.2 時間を要して添加すると同時
に、容器内の水を蒸発除去することにより容器内の液量
を一定に保った。この添加終了後、0.5 時間同温度で加
熱を行うことにより第２段のシリカゾルを生成させた。

【００２７】次いで、この反応器中の第２段のゾルに、
上記と同じ珪酸ナトリウム水溶液52.1g を除々に添加
し、上記調製直後の活性珪酸の水溶液を、１時間当たり
100gの速度で14時間を要して添加すると同時に、容器内
の水を蒸発除去することにより容器内の液量を一定に保
った。この添加終了後、0.5 時間同温度で加熱を行うこ
とにより第３段のシリカゾルを生成させた。

【００２８】次いで、この反応器中の第３段のゾルに、
上記と同じ珪酸ナトリウム水溶液48.8g を除々に添加
し、上記調製直後の活性珪酸の水溶液を、１時間当たり
100gの速度で15.8時間を要して添加すると同時に、容器
内の水を蒸発除去することにより容器内の液量を一定に
保った。この添加終了後、２時間同温度で加熱を行うこ
とにより最終のシリカゾルを生成させた。

【００２９】得られた最終のシリカゾルは、1.130 の比
重、20.4重量％のSiO₂濃度、10.5のpH、2.1cp の25℃粘
度、及び75m²/gの比表面積を有していた。上記同様にし
て、コロイダルシリカ粒子の形状を解析したところ、
0.3〜0.8の短径/ 長径比を有するコロイダルシリカ粒子
の数は58％を占めていた。残りのコロイダルシリカ粒子
は、殆どが球形に近いものであった。電子顕微鏡写真に
撮影されたコロイダルシリカ粒子は45〜80nmの範囲の長
径を有していた。

【００３０】このゾルに水を加えることにより、4.0 重
量％のSiO₂濃度と10.3のpHを有するシリカゾル(S₂)を調
製した。シリカゾル(S₃)の調製：ゾル(S₁)の調製と同様にして得
られた20.5重量％のSiO₂濃度を有するシリカゾルに、モ
ノエタノールアミンを加えることにより、20重量％のSi
O₂濃度と11.1のpHを有するシリカゾル(S₃)を調製した。

【００３１】シリカゾル(S₄)の調製：上記同様にして調
製されたシリカゾル(S₁)を陽イオン交換樹脂で処理し
て、アルカリの一部を除去することにより、 2.0重量％
のSiO₂濃度と7.8 のpHを有するシリカゾル(S₄)を調製し
た。シリカゾル(S₅)の調製：ゾル(S₁)の調製と同様にして得
られた20.5重量％のSiO₂濃度を有するシリカゾルに、水
とNaOHを加えることにより、 8.0重量％のSiO₂濃度と1
1.8のpHを有するシリカゾル(S₅)を調製した。

【００３２】シリカゾル(S₆)の調製：市販の水性シリカ
ゾル (日産化学工業株式会社製の商品名スノーテックス
-30)に水を加えることにより、 2.0重量％のSiO₂濃度と
9.4のpHを有するシリカゾル(S₆)を調製した。このゾル
のコロイダルシリカは、230m²/g の比表面積を有し、電
子顕微鏡写真に撮影された粒子の画像によれば、殆どの
粒子は球形に近く、そして画像解析の結果によれば、
0.3〜0.8 以下の短径／長径比を有する粒子の数は22％
であった。

【００３３】実施例２この例は、上記ゾル(S₁)〜(S₆)を研磨剤として使用し
て、珪素半導体ウェーハーを研磨した例である。従来か
ら使用されている通常の研磨装置が用意された。この装
置は、上方に設置された回転できるセラミックス製定盤
と下方に設置された研磨布張設の回転ディスクを備えて
いる。

【００３４】この研磨装置のセラミックス製定盤に、 5
00ミクロンの厚さと５インチの直径を有する珪素半導体
ウェーハーを取り付けた。研磨布に十分の研磨剤が保持
されるように研磨剤を注ぎながら、接触圧 350g/cm²で
20分間研磨を続けた後、研磨を停止して、研磨前後のウ
ェーハーの厚みの差から研磨厚さを測定し研磨量を算出
した。第１表には、用いられたゾルのSiO₂濃度 (％）、
pH、コロイダルシリカの比表面積(m²/g)、及び 0.3〜0.
8 の短径／長径比を有する歪な形状の粒子数の％と共
に、ゾル(S₆)の研磨量を 100としたときのゾル(S₁)〜(S
₅)の研磨量の相対値を示した。

【００３５】尚、ゾル(S₅)を使用した例では、研磨終了
後のウェーハー表面に新たな荒れが発生していた。第１表研磨剤研磨量ゾル SiO₂ (％） pH 比表面積(m²/g) 歪粒子の％ (S₁) 2.0 9.3 160 71 150 (S₂) 4.0 10.3 75 58 180 (S₃) 20.0 11.1 160 71 230 (S₄) 2.0 7.8 160 71 90 (S₅) 8.0 11.8 160 71 220 (S₆) 2.0 9.4 230 22 100

【００３６】

【発明の効果】７〜1000 nm の長径と 0.3〜0.8 の短
径／長径比を有する歪な形状のコロイダルシリカを研磨
剤として、半導体ウェーハーの精密研磨に使用すると、
単位時間当たりの研磨量が著しく増加し、研磨された半
導体ウェーハーの生産能率を顕著に高めることができ
る。そしてこの歪な形状のコロイダルシリカからなる研
磨剤は、従来の半導体ウェーハーの精密研磨に使用され
る装置に適用することがでる。

【００３７】この歪な形状のコロイダルシリカは、その
安定な水性ゾルの形態で研磨に提供することができる。
このゾルにアルカリ性物質を含有させることにより、半
導体ウェーハーの研磨に好ましいアルカリ性のゾルが得
られる。酸性のシリカゾルは、このアルカリ性のゾルに
水溶性酸性物質を添加することにより、或いはこのアル
カリ性のゾルを脱陽イオン処理することにより得られ、
化合物半導体ウェーハーの研磨に使用することができ
る。

【００３８】この歪な形状のコロイダルシリカは、球状
コロイダルシリカよりも研磨力が高いので、半導体ウェ
ーハーのみならず種々の材料、例えば、サファイア等基
板材料、リチウムタンタレート等電気光学材料、ガドリ
ニウムガリウムガーネット等磁気材料、磁気ディスク用
のアルミニウム、ガラス等の精密研磨にも有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−214022（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子顕微鏡写真の画像解析により求めら
れる７〜1000 nm の長径と 0.3〜0.8 の短径／長径比を
有するコロイダルシリカ粒子の数が全粒子中50％以上を
占めるコロイダルシリカで研磨することを特徴とする半
導体ウェーハーの研磨方法。
【請求項２】電子顕微鏡写真の画像解析により求めら
れる７〜1000 nm の長径と 0.3〜0.8 の短径／長径比を
有するコロイダルシリカ粒子の数が全粒子中50％以上を
占めるシリカの安定なゾルからなる半導体ウェーハーの
研磨剤。