JP2001239452A - 半導体ウェーハの仕上げ研磨方法 - Google Patents

半導体ウェーハの仕上げ研磨方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハ表面のマイクロラフネスを短時間で
低減しかつ最終的な面質を安定にする。 【解決手段】 半導体ウェーハと研磨布との間に研磨ス
ラリーを介在させてウェーハを研磨してウェーハの表面
の最終的な面質を決定する半導体ウェーハの仕上げ研磨
方法で、圧縮率１０％未満の不織布又は発泡ポリウレタ
ン素材からなる第１研磨布と添加有機物の含有率が１０
ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いてウェーハを研磨
する第１研磨工程か、或いは圧縮率５％以上の表層がス
ウェードからなる第２研磨布と添加有機物の含有率が１
０ｐｐｍ未満の第２研磨スラリーを用いてウェーハを研
磨する第２研磨工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェーハ
に代表される半導体ウェーハの仕上げ研磨方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に半導体ウェーハの製造工程は、単
結晶インゴットをスライスして薄円板状のウェーハを得
るスライス工程と、スライス工程によって得られたウェ
ーハの割れ、欠けを防止するためにその外周部を面取り
する面取り工程と、このウェーハを平面化するラッピン
グ工程と、面取り及びラッピングされたウェーハに残留
する加工歪みを除去するエッチング工程と、このウェー
ハの表面を鏡面にする研磨工程と、研磨されたウェーハ
を洗浄してこれに付着した研磨剤や異物を除去する洗浄
工程からなる。この鏡面研磨工程では、研磨布とウェー
ハ間に研磨スラリーを用い、いわゆる、メカノケミカル
研磨法（機械化学複合研磨法）でウェーハを研磨してい
る。これは機械研磨が持つ力学的作用とエッチングによ
る化学的作用とを複合させ、その相乗効果で高能率、高
精度の面質を得る方法で、その研磨特性は研磨時の機械
的要素と化学的要素の配分により左右される。またこの
鏡面研磨工程には、エッチングによる表面の凹凸を除去
するための粗研磨工程と、この粗研磨の後のウェーハ表
面の最終的な面質を決定する仕上げ研磨工程がある。従
来、この仕上げ研磨工程では、研磨布には圧縮率５％以
上の比較的柔らかい布が、研磨スラリーにはＳｉＯ2系
微粒子その他の砥粒を弱アルカリ液中に懸濁させた液が
使用される。仕上げ研磨スラリーには、通常更に添加有
機物が１０ｐｐｍ以上含有されており、この添加有機物
は化学反応を抑制・制御し、また液粘性を高め、ヘイズ
・スクラッチを防止する効果を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した研磨
布と研磨スラリーを用いた仕上げ研磨では、粗研磨後に
残存するエッチングに起因した５μｍ〜１ｍｍの範囲の
波長成分の凹凸の除去効率が悪く、この範囲のマイクロ
ラフネスを低減するためには長時間の研磨が必要であっ
た。また、仕上げ研磨に使用される研磨スラリーは研磨
面に成長した自然酸化膜や研磨時に付着した有機物の影
響を受ける。そのため、研磨反応を開始する時間が遅
れ、短時間の研磨では面質が不安定になる問題があっ
た。本発明の目的は、ウェーハ表面のマイクロラフネス
を短時間で低減しかつ最終的な面質を安定にする半導体
ウェーハの仕上げ研磨方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
半導体ウェーハと研磨布との間に研磨スラリーを介在さ
せてウェーハを研磨してウェーハの表面の最終的な面質
を決定する半導体ウェーハの仕上げ研磨方法において、
圧縮率１０％未満の不織布又は発泡ポリウレタン素材か
らなる第１研磨布と添加有機物の含有率が１０ｐｐｍ以
上の第１研磨スラリーを用いてウェーハを研磨する第１
研磨工程、或いは圧縮率５％以上の表層がスウェードか
らなる第２研磨布と上記添加有機物の含有率が１０ｐｐ
ｍ未満の第２研磨スラリーを用いてウェーハを研磨する
第２研磨工程を含むことを特徴とする半導体ウェーハの
仕上げ研磨方法である。請求項１に係る発明では、研磨
布の圧縮率及び研磨スラリーの含有有機物に注目し、従
来の仕上げ研磨で使用していた組合せとは異なる、圧縮
率１０％未満の不織布又は発泡ポリウレタン素材からな
る比較的硬い第１研磨布と添加有機物の含有率が１０ｐ
ｐｍ以上の第１研磨スラリーにより仕上げ研磨を行う。
この組合せでは、従来より圧縮率の低い１０％未満の研
磨布を仕上げ研磨工程に用いることで粗研磨後に残存す
るエッチングに起因した５μｍ〜１ｍｍの範囲の波長成
分の凹凸の除去効率を高めることができる。また圧縮率
５％以上の表層がスウェードからなる第２研磨布と添加
有機物の含有率が１０ｐｐｍ未満の第２研磨スラリーに
より仕上げ研磨を行う。この組合せでは、化学反応の抑
制をする添加有機物の含有量が１０ｐｐｍ未満の研磨ス
ラリーを用いることで研磨反応開始が速まり、また比較
的柔らかい研磨布を用いることで、短時間の研磨でウェ
ーハの最終的な面質が安定する。
【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、第１研磨工程に続いて、圧縮率５％以上の
表層がスウェードからなる第２研磨布と添加有機物の含
有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いてウェ
ーハを研磨する第３研磨工程とを含む仕上げ研磨方法で
ある。請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であ
って、第２研磨工程に続いて、圧縮率５％以上の表層が
スウェードからなる第２研磨布と添加有機物の含有率が
１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いてウェーハを
研磨する第３研磨工程とを含む仕上げ研磨方法である。
請求項２及び３に係る発明では、第１或いは第２研磨工
程を行った後に従来の仕上げ研磨である第３研磨工程を
行うことで、よりマイクロラフネスを低減できる。
【０００６】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、添加有機物がポリビニル
アルコール又はヒドロキシエチルセルロースを少なくと
も１種含む研磨方法である。請求項４に係る発明では、
研磨スラリーが上記有機物を含むことにより、より効果
的に研磨反応を抑制し、制御することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
説明する。本発明の研磨布は不織布、発泡ポリウレタン
素材、スウェードが挙げられる。不織布の材質はポリエ
ステル類が通常用いられる。またスウェードの基布はポ
リウレタン類が通常用いられる。研磨布の圧縮率は、Ｊ
ＩＳ Ｌ−１０９６に準拠した方法で求められる。具体
的には公知の自動圧縮率測定器を使用し、初荷重Ｌ
0（３００ｇ／ｃｍ2）を付加してその１分後の厚さＴ1
を計測し、この計測と同時に荷重をＬ1（１８００ｇ／
ｃｍ2）に増加させて、その１分後に厚さＴ2を計測し、
前記Ｔ1とＴ2に基づいて下記式（１）により圧縮率が求
められる。
【０００８】 圧縮率（％）＝｛（Ｔ1−Ｔ2）／Ｔ1｝×１００ ……（１） 本発明の仕上げ研磨方法には、通常片面研磨方法が用い
られる。図１に基づいて片面研磨方法について述べる。
この研磨装置１０は回転定盤１１とウェーハ保持具１２
を備える。回転定盤１１は大きな円板であり、その底面
中心に接続されたシャフト１３によって回転する。回転
定盤１１の上面には研磨布１４が貼付けられる。ウェー
ハ保持具１２は加圧ヘッド１２ａとこれに接続して加圧
ヘッド１２ａを回転させるシャフト１２ｂからなる。加
圧ヘッド１２ａの下面には研磨プレート１６が取付けら
れる。研磨プレート１６の下面には複数枚の半導体ウェ
ーハ１７が貼付けられる。回転定盤１１の上部には研磨
スラリー１８を供給するための配管１９が設けられる。
この研磨装置１０により半導体ウェーハ１７を研磨する
場合には、加圧ヘッド１２ａを下降して半導体ウェーハ
１７に所定の圧力を加えてウェーハ１７を押さえる。配
管１９から研磨スラリー１８を研磨布１４に供給しなが
ら、加圧ヘッド１２ａと回転定盤１１とを同一方向に回
転させて、ウェーハ１７の表面を平坦に研磨する。
【０００９】次にこのような装置による仕上げ研磨につ
いて説明する。請求項１に係る仕上げ研磨は、前述した
第１研磨工程のみで行われるか、或いは前述した第２研
磨工程のみで行われる。また請求項２に係る仕上げ研磨
は、この第１研磨工程と前述した第３研磨工程とを組合
せて行われる。更に請求項３に係る仕上げ研磨は、この
第２研磨工程と前述した第３研磨工程とを組合せて行わ
れる。各研磨工程について述べる。 (a) 第１研磨工程 研磨布に圧縮率１０％未満の不織布又は発泡ポリウレタ
ン素材からなる第１研磨布を、研磨スラリーに添加有機
物の含有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用い
てウェーハを研磨する。この第１研磨工程では圧縮率２
〜８％の不織布又は発泡ポリウレタン素材からなる第１
研磨布と添加有機物の含有率が１００ｐｐｍ〜１％の第
１研磨スラリーを用いてウェーハを研磨することが好ま
しい。圧縮率が１０％以上の研磨布は比較的柔らかい。
このため、ウェーハ表面の凹凸が大きい波長領域ではウ
ェーハ表面のラフネスに対して動的に倣ってしまい、粗
さ除去効率が低下する不具合がある。そこで、圧縮率１
０％未満の比較的硬い研磨布を用いてウェーハ表面の凹
凸の大きい波長領域のラフネスに対して動的に倣うこと
なく研磨する。この第１研磨工程で研磨することにより
ウェーハ表面の凹凸の５μｍ〜１ｍｍの波長成分の除去
効率を高めることができる。
【００１０】(b) 第２研磨工程 研磨布に圧縮率５％以上の表層がスウェードからなる第
２研磨布を、研磨スラリーに添加有機物の含有率が１０
ｐｐｍ未満の第２研磨スラリーを用いてウェーハを研磨
する。この第２研磨工程では圧縮率１０〜２０％の表層
がスウェードからなる第２研磨布と添加有機物の含有率
が１０ｐｐｍ未満の第２研磨スラリーを用いてウェーハ
を研磨することが好ましい。添加有機物含有率が１０ｐ
ｐｍを越えると化学反応の抑制効果が強くなり過ぎるた
め、研磨レートが低下し、ラフネス除去効率が低下する
不具合を生じる。この第２研磨工程で研磨することによ
り研磨面に成長した自然酸化膜や付着有機物の影響を速
やかに除去できる。
【００１１】(c) 第３研磨工程 上述した第１又は第２研磨工程に続いて、圧縮率５％以
上の表層がスウェードからなる第２研磨布と添加有機物
の含有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いて
ウェーハを研磨する第３研磨工程を行うことで更にウェ
ーハ表面のマイクロラフネスを低減できる。
【００１２】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 ＜実施例１＞先ず、半導体ウェーハとして粗研磨工程を
終えたシリコンウェーハを用意した。研磨に使用する研
磨布として、不織布又は発泡ポリウレタン素材の圧縮率
が１０％未満のもの（これを第１研磨布という。）、表
層がスウェードからなる圧縮率が５％以上のもの（これ
を第２研磨布という。）を用意した。また、研磨スラリ
ーには有機物が１００ｐｐｍ以上添加されているＳｉＯ
2の研磨粒子が分散した市販されている研磨用スラリー
原液を純水で３０倍に希釈して調製した（これを第１研
磨スラリーという。）、有機物が添加されていないＳｉ
Ｏ2の研磨粒子が分散した市販されている研磨用スラリ
ー原液を純水で３０倍に希釈して調製した（これを第２
研磨スラリーという。）をそれぞれ用意した。次にこの
シリコンウェーハを第１研磨布と第１研磨スラリーを用
いて図１に示す研磨装置により研磨圧力１．９６×１０
4Ｐａ、研磨布とウェーハの相対速度１．０ｍ／ｓで仕
上げ研磨を３分間行った。
【００１３】＜実施例２＞実施例１と同様に粗研磨され
たシリコンウェーハを用意し、第２研磨布と第２研磨ス
ラリーを用いて実施例１と同様の研磨条件で仕上げ研磨
を行った。 ＜実施例３＞実施例１と同様に粗研磨されたシリコンウ
ェーハを用意し、第１研磨布と第１研磨スラリーを用い
て図１に示す研磨装置により研磨圧力１．９６×１０4
Ｐａ、研磨布とウェーハの相対速度１．０ｍ／ｓで仕上
げ研磨を３分間行い、続いてこのシリコンウェーハを第
２研磨布と第１研磨スラリーを用いて上記と同様の研磨
条件で更に３分間仕上げ研磨を行った。 ＜実施例４＞実施例１と同様に粗研磨されたシリコンウ
ェーハを用意し、第２研磨布と第２研磨スラリーを用い
て図１に示す研磨装置により研磨圧力１．９６×１０4
Ｐａ、研磨布とウェーハの相対速度１．０ｍ／ｓで仕上
げ研磨を３分間行い、続いてこのシリコンウェーハを第
２研磨布と第１研磨スラリーを用いて上記と同様の研磨
条件で更に３分間仕上げ研磨を行った。
【００１４】＜比較例１＞実施例１と同様に粗研磨され
たシリコンウェーハを用意し、第２研磨布と第１研磨ス
ラリーを用いて図１に示す研磨装置により研磨圧力１．
９６×１０4Ｐａ、研磨布とウェーハの相対速度１．０
ｍ／ｓで仕上げ研磨を６分間行った。 ＜比較評価＞仕上げ研磨を終えたシリコンウェーハの表
面を光学的非接触式プロファイラを用いて表面粗さパワ
ースペクトル（Power Spectral Density、以下、ＰＳＤ
という。）を測定し、得られたＰＳＤより波長１００μ
ｍ以下の平方根平均ラフネス(root-mean-square roughn
ess、以下、Ｒｍｓという。)を求めた。実施例１〜４及
び比較例１で得られたＰＳＤを図２に、Ｒｍｓを表１に
示す。なお、図２には実施例１〜４及び比較例１のＰＳ
Ｄ曲線の他に粗研磨工程を終えた仕上げ研磨前のウェー
ハ表面より得られたＰＳＤを基準値をして示す。なお、
ＰＳＤとは、表面粗さプロファイルをフーリエ変換によ
って空間周波数ごとの成分に分解したものである。ま
た、Ｒｍｓはある空間周波数の範囲でＰＳＤを積分した
ものの平方根である。
【００１５】
【表１】
【００１６】表１より明らかなように比較例１に対して
実施例１〜４ではＲｍｓ値が減少しており、短時間の研
磨でウェーハ表面のラフネスが低減していることが判
る。第１又は第２研磨工程に続いて第３研磨工程で研磨
している実施例３及び４ではＲｍｓ値が一層減少してい
た。また、図２より比較例１に対して実施例１〜４では
空間周波数１×１０-2〜１×１０-1（μｍ-1）の範囲で
のＰＳＤ強度が小さくなっており、マイクロラフネスが
低減されていることがわかる。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、半
導体ウェーハの仕上げ研磨を圧縮率１０％未満の不織布
又は発泡ポリウレタン素材からなる第１研磨布と添加有
機物の含有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーの組
合せ、或いは圧縮率５％以上の表層がスウェードからな
る第２研磨布と添加有機物の含有率が１０ｐｐｍ未満の
第２研磨スラリーの組合せで行うようにしたので、ウェ
ーハ表面のマイクロラフネスを短時間で低減し、かつ最
終的な面質を安定にすることができる。特に、第１研磨
工程又は第２研磨工程の後で、従来の仕上げ研磨である
第３研磨工程を行うことにより、より一層最終的な面質
を安定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体基板の片面研磨装置の構成図。
【図２】実施例１〜４及び比較例１の空間周波数におけ
る表面粗さパワースペクトルを示す図。
【符号の説明】
１０ 片面研磨装置 １１ 回転定盤 １２ ウェーハ保持具 １２ａ 加圧ヘッド １２ｂ シャフト １３ シャフト １４ 研磨布 １６ 研磨プレート １７ 半導体ウェーハ １８ 研磨スラリー １９ 配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２Ｄ (72)発明者 近藤 英之 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社シリコン研究センター 内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 BA02 BA09 CB03 CB10 DA17

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェーハと研磨布との間に研磨ス
    ラリーを介在させて前記ウェーハを研磨して前記ウェー
    ハの表面の最終的な面質を決定する半導体ウェーハの仕
    上げ研磨方法において、 圧縮率１０％未満の不織布又は発泡ポリウレタン素材か
    らなる第１研磨布と添加有機物の含有率が１０ｐｐｍ以
    上の第１研磨スラリーを用いて前記ウェーハを研磨する
    第１研磨工程、或いは圧縮率５％以上の表層がスウェー
    ドからなる第２研磨布と前記添加有機物の含有率が１０
    ｐｐｍ未満の第２研磨スラリーを用いて前記ウェーハを
    研磨する第２研磨工程を含むことを特徴とする半導体ウ
    ェーハの仕上げ研磨方法。
  2. 【請求項２】 第１研磨工程に続いて、圧縮率５％以上
    の表層がスウェードからなる第２研磨布と添加有機物の
    含有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いて前
    記ウェーハを研磨する第３研磨工程とを含む請求項１記
    載の仕上げ研磨方法。
  3. 【請求項３】 第２研磨工程に続いて、圧縮率５％以上
    の表層がスウェードからなる第２研磨布と添加有機物の
    含有率が１０ｐｐｍ以上の第１研磨スラリーを用いて前
    記ウェーハを研磨する第３研磨工程とを含む請求項１記
    載の仕上げ研磨方法。
  4. 【請求項４】 添加有機物がポリビニルアルコール又は
    ヒドロキシエチルセルロースを少なくとも１種含む請求
    項１ないし３いずれか記載の研磨方法。
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