JP4110801B2 - 半導体ウェーハの研磨方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コストで超高平坦度を得ることができる半導体ウェーハの研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ、例えばシリコンウェーハの製造工程は、引上げたシリコン単結晶インゴットから切出し、スライスして得られたウェーハを面取り、機械研磨（ラッピング）、エッチング、鏡面研磨（ポリッシング）及び洗浄する工程から構成され、高精度の平坦度を有するウェーハとして生産される。これらの工程は目的により、その一部の工程が入替えられたり、複数回繰返されたり、或いは熱処理、研削等他の工程が付加、置換されたりして種々の工程が行われる。
【０００３】
このうち鏡面研磨は、光学的光沢をもち加工歪みのない鏡面ウェーハを製造するプロセスである。従来、一般的にシリコンウェーハの鏡面研磨は片面研磨法により行われていた。
【０００４】
しかしながら半導体デバイスの微細化と高集積化が進むに従って、更に高精度の平坦度を有するシリコンウェーハ製造が要求されており、従来のシリコンウェーハの片面鏡面研磨方法では限界が指摘されている。この問題を解決する１つの方策としてシリコンウェーハの両面鏡面研磨方法が提案された。これは、シリコンウェーハを仕上げ厚さより若干薄いキャリアの中に装填し、両面ラッピングと同様の機構で鏡面研磨する方法である。この両面研磨装置によりウェーハの表裏面ともに鏡面研磨され、極めて高精度の平坦度、均一厚みが得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記両面研磨装置による鏡面研磨方法は高精度の平坦度が得られるため非常に有用な方法であるが、現状の半導体デバイスプロセスでは片面のみを鏡面研磨した、片面鏡面ウェーハを使用することが殆どであり、両面同時研磨で得られる両面鏡面ウェーハはウェーハの表裏面を同時に鏡面研磨することにより作製されるため、表裏面の区別がつき難く、例えば、デバイスプロセスでの搬送系でのウェーハ有無の検知が裏面が研磨されているために、検査困難や誤検知する等の問題を生じていた。
【０００６】
このため、ウェーハ表裏面が鏡面研磨されたものではなく、片面のみが鏡面研磨され、両面鏡面研磨されたものと同様の高い平坦度を有するウェーハが要望されている。このような要望に対応するため、高平坦化加工法として有効である両面研磨装置を用い、片面のみを研磨する技術が提案されている。例えば、両面鏡面研磨を施す前にウェーハの非研磨予定面に酸化膜又は窒化膜を形成し、ウェーハに両面研磨を施してウェーハの予定面のみに鏡面加工を行う方法が提案されている（特開平１０−３０３１５４）。この方法では、保護膜である酸化膜又は窒化膜をＣＶＤ法や熱酸化処理により形成している。
【０００７】
しかし、上記公報に示された研磨技術では、成膜及び除去の工程が追加されるため製造コストが増大し、スループットが低下してしまう問題があった。また、熱工程による汚染や膜除去時のパーティクルの発生等の問題が生じるおそれもあった。
【０００８】
一方、研磨に用いられる研磨布は、通常その研磨能力を備えるために親水性にされている。しかし両面研磨装置を用いて片面のみを研磨する際に、研磨布と非研磨予定面との間に水素結合を生じて、研磨時の接触抵抗が大きくなり、加工における安定性が低下する不具合を生じていた。
【０００９】
本発明の目的は、低コストで高精度の平坦度を有する片面鏡面ウェーハを得ることができる半導体ウェーハの研磨方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、キャリアプレート１６に形成されたキャリアホール１６ａ内に自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜を両面に有する半導体ウェーハ１９を保持し、研磨液をウェーハ１９表面に供給しながら、第１研磨布１３が貼り付けられた上定盤１１及び第２研磨布１４が貼り付けられた下定盤１２の間で、キャリアプレート１６の表面と平行な面内でプレート１６を運動させてウェーハ１９を平面研磨する半導体ウェーハの研磨方法の改良である。この特徴ある構成は、ウェーハ１９の表裏面の薄膜のうち下定盤１２と接するウェーハ裏面に薄膜を残留させて、上定盤１１と接するウェーハ表面の薄膜を除去する工程を含み、研磨液はウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高く、第１研磨布１３が親水性を有し、第２研磨布１４が撥水性を有するところにある。
請求項２に係る発明は、キャリアプレートに形成されたキャリアホール内に自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜を両面に有する半導体ウェーハを保持し、研磨液をウェーハ表面に供給しながら、第１研磨布が貼り付けられた上定盤及び第２研磨布が貼り付けられた下定盤の間で、キャリアプレートの表面と平行な面内でプレートを運動させてウェーハを平面研磨する半導体ウェーハの研磨方法の改良である。その特徴ある構成は、ウェーハの表裏面の薄膜のうち上定盤と接するウェーハ裏面に薄膜を残留させて、下定盤と接するウェーハ表面の薄膜を除去する工程を含み、研磨液はウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高く、第１研磨布が撥水性を有し、第２研磨布が親水性を有するところにある。
請求項１又は２に係る発明では、ウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高い研磨液を供給して半導体ウェーハの表面側を選択的に研磨することにより、薄膜が残留するウェーハ裏面側は研磨レートが低く、研磨は殆ど進行しないのに対して、薄膜が除去されたウェーハ表面側は研磨レートが高く、良好な研磨が行われる。更に、第２研磨布１４に撥水性を持たせることにより、この非研磨面である薄膜が残留するウェーハ裏面との間に水素結合を生じることがないため、研磨時の薄膜との接触抵抗を小さくすることができる。従って、自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜でも保護膜として十分に機能し、特に酸化膜を設ける工程を必要としないため、成膜や除去における工程追加によるコストの増大を抑制でき、熱工程による汚染や膜除去に伴うパーティクルの発生も抑えることができる。その結果、加工における安定性が向上し、高精度の平坦度を有するウェーハを高収率で得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいてシリコンウェーハの研磨を例に挙げて説明する。
図１に示すように、両面研磨装置１０は、相対する上定盤１１及び下定盤１２に上定盤１１には第１研磨布１３を下定盤１２には第２研磨布１４をそれぞれ貼付け、その間に自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜を有するシリコンウェーハを仕上げ厚さより若干薄いキャリアプレート１６と称する薄円盤を定盤全体で４〜５枚セットする。図１中の符号２１は上定盤と下定盤との間に研磨液を供給する配管を示す。キャリアプレートは、図２に示すように、ウェーハ外径より０．５〜２ｍｍ程度大きい直径のキャリアホール１６ａが４個設けられ、このキャリアホール１６ａ内にウェーハ１９が装填可能な構造をとっている。
図３に示すように、キャリアプレート１６は定盤１２の中心に位置するサンギア１７と定盤の外周周囲に位置するインターナルギア１８とそれぞれかみ合って保持される。そのキャリアホール１６ａにシリコンウェーハ１９をセットした後、上定盤１１と下定盤１２の間にウェーハ１９を挟んで所定圧力を加えながら、上下定盤の回転、キャリアの公転及びウェーハ自体の自転という複雑な運動を利用してウェーハの表裏面の研磨を行う。なお図３では、定盤に保持されたキャリアプレートは１枚のみ示している。
【００１２】
本発明の特徴ある構成は、ウェーハ１９の表裏面の薄膜のうち下定盤１２と接するウェーハ裏面に薄膜を残留させて、上定盤１１と接するウェーハ表面の薄膜を除去する工程を含み、研磨液はウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高く、第１研磨布１３が親水性を有し、第２研磨布１４が撥水性を有するところにある。
【００１３】
研磨を施す前のオゾン洗浄等による洗浄や自然酸化により生じたシリコンウェーハの酸化膜のうち、上定盤１１と接するウェーハ表面の酸化膜はフッ酸系エッチング液により予め除去される。この酸化膜は、極めて薄い酸化膜であるので、フッ酸系エッチング液で容易に除去できる。ウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高い研磨液としては、研磨砥粒濃度が１重量％以下のアルカリ性溶液が使用される。この研磨液は、砥粒による機械的研磨作用が殆どなく、アルカリ性溶液による化学的研磨作用即ち、エッチング作用のみを有するため、この研磨液を用いて研磨を施してもウェーハ裏面に残留する酸化膜は殆ど研磨されず、酸化膜を除去して露出したウェーハ表面のみが研磨される。
【００１４】
研磨装置は、通常上定盤及び下定盤に貼り付けた研磨布は研磨能力を持たせるために親水性とされている。従って、研磨布に親水性を持たせず、逆に撥水性とすることにより研磨時における抵抗を小さくできる。そこで、ウェーハ１９裏面と接触する下定盤１２に貼付された第２研磨布１４を撥水性とし、ウェーハ表面と接触する上定盤１１に貼付された第１研磨布１３を親水性とすることにより、ウェーハ１９裏面に残留する酸化膜１９ａと第２研磨布１４との間には水素結合を生じることなく研磨抵抗は小さくなるため、研磨による酸化膜１９ａの脱離や欠落等を抑制でき、ウェーハ１９表面は親水性を有する第１研磨布１３との間に大きな研磨抵抗が得られるため、鏡面に研磨される。従って、高精度の平坦度を維持した一方のみが鏡面研磨されたウェーハを作製することができる。
本発明の撥水性の研磨布は不織布にフッ素系樹脂を含浸させた不織布やその表面をフッ素系樹脂によりコーティングされた不織布、発泡ウレタン、スエード等が挙げられる。親水性の研磨布は樹脂加工或いは化学薬品加工を特別に施さない不織布、発泡ウレタン、スエード等が挙げられる。スエードとはスエード皮に似せた表面仕上げを施した織物又は編物や、ポリエステルフェルトにポリウレタンを含浸させたシート等を用いた基材にポリウレタンを積層し、ポリウレタン内に発泡層を成長させ、表面部位を除去して発泡層に羽毛状の開口部を設けたものをいう。
【００１５】
なお、本実施の形態ではサンギアが組み込まれた両面研磨装置を用いて説明したが、サンギアが組み込まれていない両面研磨装置を用いてもよい。
【００１６】
また、下定盤１２と接するウェーハ裏面に薄膜１９ａを残留させて、上定盤１１と接するウェーハ表面の薄膜を除去し、親水性を有する第１研磨布１３と撥水性を有する第２研磨布１４によりウェーハを研磨したが、上定盤１１と接するウェーハ裏面に薄膜１９ａを残留させて、下定盤１２と接するウェーハ表面の薄膜を除去し、撥水性を有する第１研磨布１３と親水性を有する第２研磨布１４によりウェーハを研磨しても良い。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ウェーハの材料に対する研磨速度が薄膜に対する研磨速度よりも高い研磨液を供給して半導体ウェーハの表面側を選択的に研磨することにより、薄膜が残留するウェーハ裏面側は研磨レートが低く、研磨は殆ど進行しないのに対して、薄膜が除去されたウェーハ表面側は研磨レートが高く、良好な研磨が行われる。更に、第２研磨布に撥水性を持たせることにより、この非研磨面である薄膜が残留するウェーハ裏面との間に水素結合を生じることがないため、研磨時の薄膜との接触抵抗を小さくすることができる。従って、自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜でも保護膜として十分に機能し、特に酸化膜を設ける必要がないため、成膜や除去における工程追加によるコストの増大を抑制でき、パーティクルの発生も抑えることができる。その結果、加工における安定性が向上し、高精度の平坦度を有するウェーハを高収率で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に用いる両面研磨装置の部分断面図。
【図２】両面研磨装置におけるキャリアの上面説明図。
【図３】両面研磨装置におけるキャリアをセットした定盤の上面説明図。
【符号の説明】
１０ 両面研磨装置
１１ 上定盤
１２ 下定盤
１３ 第１研磨布
１４ 第２研磨布
１６ キャリアプレート
１６ａ キャリアホール
１７ サンギア
１８ インターナルギア
１９ シリコンウェーハ
２１ 配管

Claims (8)

1. キャリアプレート(16)に形成されたキャリアホール(16a)内に自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜を両面に有する半導体ウェーハ(19)を保持し、研磨液を前記ウェーハ(19)表面に供給しながら、第１研磨布(13)が貼り付けられた上定盤(11)及び第２研磨布(14)が貼り付けられた下定盤(12)の間で、前記キャリアプレート(16)の表面と平行な面内で前記プレート(16)を運動させて前記ウェーハ(19)を平面研磨する半導体ウェーハの研磨方法において、
   前記ウェーハ(19)の表裏面の薄膜のうち下定盤(12)と接するウェーハ裏面に薄膜(19a)を残留させて、上定盤(11)と接するウェーハ表面の薄膜を除去する工程を含み、
   前記研磨液は前記ウェーハの材料に対する研磨速度が前記薄膜に対する研磨速度よりも高く、
   前記第１研磨布(13)が親水性を有し、前記第２研磨布(14)が撥水性を有する
   ことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
2. キャリアプレート (16) に形成されたキャリアホール (16a) 内に自然放置中又は洗浄中に生じた薄膜を両面に有する半導体ウェーハ (19) を保持し、研磨液を前記ウェーハ (19) 表面に供給しながら、第１研磨布 (13) が貼り付けられた上定盤 (11) 及び第２研磨布 (14) が貼り付けられた下定盤 (12) の間で、前記キャリアプレート (16) の表面と平行な面内で前記プレート (16) を運動させて前記ウェーハ (19) を平面研磨する半導体ウェーハの研磨方法において、
   前記ウェーハ(19)の表裏面の薄膜のうち上定盤(11)と接するウェーハ裏面に薄膜(19a)を残留させて、下定盤(12)と接するウェーハ表面の薄膜を除去する工程を含み、
   前記研磨液は前記ウェーハの材料に対する研磨速度が前記薄膜に対する研磨速度よりも高く、
   前記第１研磨布(13)が撥水性を有し、前記第２研磨布(14)が親水性を有する
   ことを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
3. 半導体ウェーハ(19)がシリコンウェーハであって、薄膜(19a)が酸化膜である請求項１又は２記載の研磨方法。
4. 研磨液は研磨砥粒濃度が１重量％以下のアルカリ性溶液である請求項１又は２記載の研磨方法。
5. ウェーハ(19)表面に生じた薄膜をフッ酸系エッチング液により除去する請求項１又は２記載の研磨方法。
6. 撥水性の研磨布が不織布にフッ素系樹脂を含浸させた不織布である請求項１又は２記載の研磨方法。
7. 撥水性の研磨布がその表面をフッ素系樹脂によりコーティングされた不織布、発泡ウレタン又はスエードである請求項１又は２記載の研磨方法。
8. 親水性の研磨布が不織布、発泡ウレタン又はスエードである請求項１又は２記載の研磨方法。

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