CN108475627A - 晶圆抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆抛光方法，即使在已形成纳米形貌的晶圆上，也可以抑制其影响，对于各压力区施以适当的抛光压力，由此提高晶圆的平坦度。一种晶圆抛光方法，其使用具备多区加压方式的抛光头的晶圆抛光装置对晶圆表面进行镜面抛光，所述多区加压方式的抛光头将晶圆的按压面划分为多个压力区并能够独立地对各压力区进行加压控制，所述晶圆抛光方法具有：测定步骤(步骤S1)，测定晶圆表面的纳米形貌图；及抛光步骤(步骤S2、S3)，根据所述纳米形貌图的测定结果，针对各压力区设定所述抛光头对于所述晶圆的抛光压力，以实施抛光加工。

Description

晶圆抛光方法
技术领域
本发明涉及一种晶圆抛光方法，尤其涉及一种在表面已形成纳米形貌的晶圆的抛光方法。
背景技术
硅晶圆被广泛用作半导体器件的基板材料。通过对单晶硅锭依次进行如下工序来制造硅晶圆：外周磨削、切片、研磨(lapping)、蚀刻、双面抛光、单面抛光、清洗等。其中，单面抛光工序为去除晶圆表面的凹凸或起伏以提高平坦度的必要工序，使用CMP(ChemicalMechanical Polishing：化学机械抛光)法进行镜面加工。
通常，在硅晶圆的单面抛光工序中使用单片式的晶圆抛光装置(CMP装置)。该晶圆抛光装置具备贴附了抛光垫的旋转平台及按压并保持抛光垫上的晶圆的抛光头，一边供给浆料，一边使旋转平台及抛光头分别旋转，由此抛光晶圆的单面。
为了提高晶圆的平坦度，已知有一种晶圆抛光装置，其具备多区加压方式的抛光头，所述多区加压方式的抛光头将晶圆的按压面分割为多个压力区，并能够独立地对各压力区进行加压控制。例如，专利文献1中记载了一种晶圆抛光装置，其具有被划分为同心圆状的第1～第3压力区(压力室)。
近年来，在硅晶圆上称为“纳米形貌”的表面的起伏成分成为问题。该纳米形貌为波长比“翘曲”或“扭曲(Warp)”短，波长比“表面粗糙度”长，且为波长λ＝0.2～20mm的起伏成分，PV值(峰-谷(Peak to Valley)值)为0.2μm以下的浅起伏。当纳米形貌值超过适当值时，会对器件工艺中的STI(浅槽隔离(Shallow Trench Isolation))的产率造成很大影响。
为了改善晶圆的纳米形貌，例如专利文献2中记载了一种晶圆的磨削方法，其事先求出纳米形貌的平均值成分的凹凸量与用于将该凹凸平坦化的磨石的倾斜调整量及偏移调整量之间的关系式，根据该关系式，进行后续磨削工序中的磨石的倾斜调整及偏移调整。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-120160号公报
专利文献2：日本特开2007-95987号公报。
采用多区加压方式的以往的晶圆抛光装置，是以与抛光垫对置的晶圆表面为基准来设定抛光压力，并且对应于晶圆的厚度来调整各压力区的抛光压力，以使晶圆厚度大的地方的抛光压力较强，因此能够去除晶圆表面的凹凸或起伏而提高平坦度。
然而，在以往的晶圆抛光装置中，即使是在各压力区设定均匀的抛光压力的情况下，仍有如下问题：在存在纳米形貌的区域中施加了与设定值不同的抛光压力，由此使得晶圆厚度的均匀性恶化。如图6(a)所示，在没有纳米形貌的晶圆上，由于对晶圆整个面施加如设定值那样的均匀的压力，因此加工后的晶圆能够维持加工前的晶圆的厚度均匀度。但是，如图6(b)所示，当晶圆表面存在纳米形貌的情况下，即使晶圆的厚度均匀度和图6(a)的晶圆相同，也会有与设定值不同的抛光压力施加到晶圆的背面侧。若在此状态下抛光晶圆，则抛光压力会集中在晶圆表面的凸部，由于抛光压力高的部分的抛光率较高，因此会如图示那样，加工后的晶圆的厚度变得不均匀，晶圆的平坦度也随之恶化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种晶圆抛光方法，即使在已形成纳米形貌的晶圆上，也能够抑制其影响，对于各压力区施以适当的抛光压力，由此提高晶圆的平坦度。
用于解决技术问题的方案
为了解决上述技术问题，基于本发明的晶圆抛光方法使用具备将晶圆的按压面划分为多个压力区并能够独立地对各压力区进行加压控制的多区加压方式的抛光头的晶圆抛光装置以对晶圆表面进行镜面抛光，所述晶圆抛光方法的特征在于，具有：测定步骤，测定晶圆表面的纳米形貌图；及抛光步骤，根据所述纳米形貌图的测定结果，针对各压力区设定所述抛光头对于所述晶圆的抛光压力，以实施抛光加工。
使用多区加压方式的抛光头实施晶圆的镜面抛光时，因为是以晶圆表面为基准进行对应于晶圆厚度的抛光压力控制，所以在纳米形貌较大的区域中，晶圆会被过度抛光，因此使得晶圆的厚度的均匀性恶化，有可能会使晶圆的平坦度降低。但是，根据本发明，能够抑制在纳米形貌较大的区域中的抛光压力的增加，避免因消除量(removal amount)增加而造成晶圆厚度的均匀性的恶化，而能够提高晶圆的平坦度。
基于本发明的晶圆抛光方法，优选控制该抛光压力，使得对于纳米形貌越大的区域，对该区域的所述抛光压力越小。如此一来，设定与纳米形貌的大小成反比例的抛光压力，使得在纳米形貌的凸部的高低差越大的区域的抛光压力越小，能够抑制在纳米形貌较大区域中的抛光压力的增加，避免因消除量增加而造成晶圆的厚度的均匀性恶化，而能够提高晶圆的平坦度。
基于本发明的晶圆抛光方法，优选事先准备纳米形貌的大小及对于已形成该纳米形貌的晶圆的适当的抛光压力的换算式，由所述纳米形貌图的测定结果和所述换算式计算各压力区的抛光压力。使用定义了对应于纳米形貌大小的适当的抛光压力的换算式，由此用较少的运算量就能够简单地由纳米形貌图的测定结果计算并设定各压力区的适当的抛光压力。
基于本发明的晶圆抛光方法，优选由属于同一个压力区的多个格点(site)纳米形貌的平均值计算该压力区的抛光压力。在此情况下，可以将由同一个压力区内的多个格点纳米形貌的平均值计算出的抛光压力作为该压力区的抛光压力。或者，也可以将由同一个压力区内的多个格点纳米形貌分别计算出的多个抛光压力的平均值作为该压力区的抛光压力。不论在何种情况下，都能够对于各压力区设定适当的抛光压力，避免因消除量增加而造成晶圆的厚度的均匀性恶化，而能够提高晶圆的平坦度。
在本发明中，所述多个压力区优选被划分为同心圆状。在研磨工序中产生的纳米形貌大多呈现环状的图案，通过将抛光头的压力区配置为同心圆状，能够设定适合环状的纳米形貌图案的适当的抛光压力。
发明效果
如上所述，根据本发明，能够提供一种晶圆抛光方法，即使在已形成纳米形貌的晶圆上，也能够抑制其影响，对于各压力区施以适当的抛光压力，由此提高晶圆的平坦度。
附图说明
图1为概略地表示基于本发明的实施方式的晶圆抛光装置的结构的图，其中图1(a)为剖视图，图1(b)为构成晶圆的按压面的膜(membrane)的仰视图。
图2为说明使用了图1的晶圆抛光装置的晶圆抛光方法的流程图。
图3为表示纳米形貌图的一例的图。
图4为表示纳米形貌和抛光压力的关系的换算式的一例的曲线图。
图5为表示晶圆面内的纳米形貌和抛光量(消除量)的关系的曲线图，其中图5(a)为表示用以往的加压控制方式抛光晶圆的情况，图5(b)为表示用本发明的加压控制方式抛光晶圆的情况。
图6为用于说明以往的晶圆抛光方法的问题点的示意图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的优选的实施方式进行详细说明。
图1为概略地表示基于本发明的实施方式的晶圆抛光装置的结构的图，其中图1(a)为剖视图，图1(b)为构成晶圆的按压面的膜的仰视图。
如图1所示，晶圆抛光装置1具备贴附了抛光垫22的旋转平台21及按压并保持载置于旋转平台21上的晶圆W的多区加压方式的抛光头10。贴附了抛光垫22的旋转平台21的主面与抛光头10的按压面对置，且相比该按压面具有足够大的平面尺寸。一边浆料供给至抛光垫22上，一边使旋转平台21及抛光头10分别旋转，由此能够抛光与抛光垫22相接触的晶圆W的单面。
抛光头10具备旋转轴11、设置于旋转轴11的下端的加压凸缘12、设置于加压凸缘12的底面的独立加压方式的加固套(retainer ring)14及安装在加压凸缘12上的膜16，并且构成经由膜16对晶圆W进行气体加压的晶圆加压机构。
加固套14为设置于加压凸缘12的底面的外周部的引导件。加固套14和膜16同样构成为能够按压抛光垫22的上表面，加固套14的底面与抛光垫22接触(接地)。将加固套14的底面向抛光垫22按压使其接触，由此能够确实限制晶圆W在水平方向的移动，能够防止晶圆向抛光头10的外侧飞出。具备这种独立加压方式的加固套14的抛光头10，因为在维持着晶圆的形状的情况下进行按压，所以其抛光压力容易受到晶圆表面的纳米形貌的影响。
膜16的底面与晶圆的背面(上表面)的整个面接触。膜16与膜加压线18连接，气体被送入膜16的内部。从膜加压线18将气体供给至膜16内而使膜16膨胀，由此将晶圆W向下方按压。膜16的内部空间被分隔为多个压力区，通过从膜加压线18供给至膜16内的气体，分别控制各压力区内的压力。如图1(b)所示，虽然并未特别限定，但是在本实施方式中，设置了被划分为同心圆状的第1～第7压力区Z1～Z7，通过分别地设定供给至各压力区Z1～Z7的气体的压力，能够对于与膜16接触的晶圆W施以配合其表面凹凸形状的适当的按压力。
图2为说明使用图1的晶圆抛光装置1的晶圆抛光方法的流程图。
如图2所示，基于本实施方式的晶圆抛光方法的特征在于，在用多区加压方式的抛光头10按压晶圆并对晶圆进行镜面抛光的工序之前，事先测定晶圆表面的纳米形貌图，针对抛光头的各压力区，由该测定结果计算对于晶圆的适当的抛光压力，利用该计算结果控制晶圆的抛光压力，并实施抛光工序。因此，首先测定作为加工对象的晶圆的表面的纳米形貌图(步骤S1)。
作为加工对象的晶圆为用线锯从由CZ法生长的单晶硅锭切出并经过研磨(双面磨削)后的晶圆。这是因为，纳米形貌产生于晶圆的加工工序(切片～抛光)中，用多区加压方式的抛光头对已形成纳米形貌的晶圆进行单面抛光时，有时会造成晶圆的厚度的均匀性恶化。
纳米形貌图能够用光学干涉式平坦度/纳米形貌测定装置来测定。这些装置为光学式，利用晶圆的表面反射来测定纳米形貌。通过迈克尔逊干涉仪(michelsoninterferometer)获取的硅晶圆的面内数据，在经过噪声去除等处理后，将通过设定确定的窗口尺寸在晶圆面内移动，将窗口内的PV值置换为该窗口的中心值，由此得到纳米形貌的数据。
图3为表示纳米形貌图的一例的图。
如图3所示，纳米形貌图表示晶圆面内的纳米形貌的强度分布，表示在分隔为格子状的区域(格点)内的纳米形貌(格点纳米形貌)的大小。图3以不同颜色表示格点纳米形貌的大小，颜色最浅的区域为与基准面的偏差较小(0～8nm)的位置，接下来颜色较浅的区域为与基准面的偏差较大(8～12nm)的位置，颜色最深的区域为与基准面的偏差更大(12～15nm)的位置。图3的纳米形貌图表示外周部的偏差较大，且形成了环状的纳米形貌图案的晶圆。已知这种环状的纳米形貌图案，大多是在晶圆的研磨工序中形成的。
接着，针对抛光头的各压力区，从纳米形貌图的测定结果计算晶圆面内的抛光压力(图2的步骤S2)。关于各压力区的适当的抛光压力，能够使用换算式计算，该换算式是将格点纳米形貌的大小与其所对应的适当的抛光压力一对一对应。关于各压力区的抛光压力，是求出同一个压力区内多个格点纳米形貌的平均值之后，将由该平均值求出的抛光压力用作该压力区内的适当的抛光压力。或者，也可以从各个格点纳米形貌的值求出该格点内的适当的抛光压力之后，再将从同一个压力区内的多个抛光压力的平均值换算求出的抛光压力用作该压力区内的适当的抛光压力。在计算对应于格点纳米形貌的大小的适当的抛光压力时，能够使用事先作成的换算式。
图4为表示纳米形貌和抛光压力的关系的换算式的一例的曲线图，横轴表示格点纳米形貌值，纵轴表示抛光压力比。其中“抛光压力比”以下述比值来表示：与晶圆表面的纳米形貌的大小成反比例的适当的抛光压力相对于抛光无纳米形貌的晶圆的表面时所需的抛光压力的比。
如图4所示，为了抑制纳米形貌的影响并提高晶圆的平坦度，需要控制晶圆的抛光压力，使得纳米形貌越大时抛光压力越小。即，抛光压力比必须为与纳米形貌成反比例的值。例如图示那样，用于求出相对于纳米形貌值x的适当的抛光压力比y的换算式为y＝-0.0167x+1.1。
使用像这样的换算式计算对应于格点纳米形貌的抛光压力比，由此能够抑制在纳米形貌值较大的区域中的抛光压力的增加，能够避免发生因消除量的增加而使晶圆的平坦度恶化的情况。
接着，将针对各压力区计算出的抛光压力设定在膜抛光头的各压力区之后，利用晶圆抛光装置1执行晶圆的抛光加工(图2的步骤S3)。晶圆抛光装置1具备多区加压方式的抛光头10，在一边按压晶圆一边执行抛光加工时，针对各压力区进行抛光压力控制，并且事先减少因受到纳米形貌的影响而使抛光压力增加的位置的抛光压力，因此能够防止因为受到纳米形貌的影响而使晶圆被过度抛光的情况，由此能够确保晶圆厚度的均匀性。
如以上说明，基于本实施方式的晶圆抛光方法是根据晶圆表面的纳米形貌图的测定结果，针对抛光头的各压力区设定对于晶圆的抛光压力，因此能够抑制在纳米形貌较大的区域中的抛光压力的增加，避免因消除量增加而造成晶圆厚度的均匀性的恶化，而能够提高晶圆的平坦度。并且，使用定义了纳米形貌的大小及对于已形成该纳米形貌的晶圆的适当的抛光压力的换算式，计算各压力区的抛光压力，由此用较少的运算量就能够容易地计算并设定各压力区的适当的抛光压力。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更，这些当然也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中将多个压力区设定为同心圆状，但压力区的形状并不一定要是同心圆状，能够设定为任意形状。并且，作为抛光对象的晶圆并不限定于硅晶圆，能够以各种材料的晶圆为对象。
实施例
对已形成纳米形貌的晶圆进行镜面抛光时，评价抛光头的加压控制方式对于晶圆的平坦度造成何种影响。评价试验中，首先准备2个已经过双面磨削加工的直径300mm的单晶硅晶圆(双面抛光后的晶圆)的样本，测定它们的纳米形貌图。纳米形貌图的测定是采用光学干涉式平坦度/纳米形貌测定装置(KLA Tecnor公司：“WaferSight3”)。晶圆面内的格点尺寸为26mm×8mm，分别求出各格点的纳米形貌的大小并绘成图。
接着，用以往以及本发明的加压控制方式，分别对其中一个和另一个晶圆样本进行镜面抛光加工，得到经抛光晶圆的比较例样本及实施例样本。即，在以往的加压控制方式中，不论纳米形貌如何，都以晶圆表面基准设定抛光压力并对晶圆进行抛光加工，得到经抛光晶圆。另一方面，在本发明的加压控制方式中，如上所述，针对抛光头的各压力区，由纳米形貌图的测定结果计算晶圆的抛光压力，利用该计算结果，针对各压力区设定晶圆的抛光压力并对晶圆进行抛光加工，得到经抛光晶圆。使用图1所示的具备具有第1～第7加压区的多区加压方式的抛光头的晶圆抛光装置作为晶圆抛光装置。
然后，使用光学干涉式平坦度/纳米形貌测定装置(KLA Tecnor公司：“WaferSight3”)，测定经抛光晶圆的抛光量(消除量)的面内分布。
图5(a)及图5(b)为表示晶圆面内的纳米形貌及抛光量(消除量)的关系的曲线图，其中图5(a)为表示用以往的加压控制方式抛光晶圆的情况，图5(b)为表示用本发明的加压控制方式抛光晶圆的情况。图5(a)及图5(b)的曲线图的横轴表示自晶圆中心的半径方向的距离(mm)，左侧的纵轴表示消除量(nm)，右侧的纵轴表示纳米形貌(nm)。
如图5(a)所示，基于以往的加压控制方式的晶圆抛光方法中，在距离晶圆中心±125mm以上的晶圆外周部中，纳米形貌从基准水准观察时在正侧(凸侧)变大至约10nm，并配合纳米形貌的增加使消除量也大幅增加。在距离晶圆中心±100mm的范围内的消除量为约480nm，而在距离晶圆中心±125mm以上的范围内的消除量最大为约500nm。
另一方面，如图5(b)所示，基于本发明的加压控制方式的晶圆抛光方法中，在距离晶圆中心±125mm以上的晶圆外周部中，纳米形貌从基准水准观察时在正侧(凸侧)变大至约7nm，但在图1所示的压力区Z2中进行了使抛光压力比以往还低约10％的加压控制，其结果使消除量的变化量变小而不随着纳米形貌的增加而改变。即，在距离晶圆中心±50mm的范围内的消除量为约500nm，而距离晶圆中心±125mm以上的范围内的消除量最大为约495nm。由该结果可以确认到，根据本发明的抛光方法，能够避免如以往的抛光方法那样因为在纳米形貌值较大的区域中的消除量的增加而使晶圆的平坦度恶化。本发明虽然并未使得纳米形貌品质较以往更为提高，但具有如下优点，即，稍微牺牲纳米形貌品质的提高，但能够实现提升晶圆的平坦度。
附图标记说明
1-晶圆抛光装置，10-抛光头，11-旋转轴，12-加压凸缘，14-加固套，16-膜，18-膜加压线，21-旋转平台，22-抛光垫，W-晶圆，Z1-Z7-压力区。

Claims (5)

1.一种晶圆抛光方法，其使用具备多区加压方式的抛光头的晶圆抛光装置对晶圆表面进行镜面抛光，所述多区加压方式的抛光头将晶圆的按压面划分为多个压力区并能够独立地对各压力区进行加压控制，所述晶圆抛光方法的特征在于，具有：
测定步骤，测定晶圆表面的纳米形貌图；及
抛光步骤，根据所述纳米形貌图的测定结果，针对各压力区设定所述抛光头对于所述晶圆的抛光压力，以实施抛光加工。
2.根据权利要求1所述的晶圆抛光方法，其特征在于，
控制该抛光压力，使得对于纳米形貌越大的区域，对该区域的所述抛光压力越小。
3.根据权利要求1或2所述的晶圆抛光方法，其特征在于，
事先准备纳米形貌的大小及对于已形成该纳米形貌的晶圆的适当的抛光压力的换算式，由所述纳米形貌图的测定结果和所述换算式计算各压力区的抛光压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的晶圆抛光方法，其特征在于，
由属于同一个压力区的多个格点纳米形貌的平均值计算该压力区的抛光压力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的晶圆抛光方法，其特征在于，
所述多个压力区被划分为同心圆状。
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