JP2004148411A

JP2004148411A - 化学機械研磨方法

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Publication number: JP2004148411A
Application number: JP2002313213A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oishi; 弘大石
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP4366627B2

Abstract

【課題】既存の研磨装置を使用しつつも、ウェーハの平坦度を犠牲にすることなく生産性を向上させることができる化学機械研磨方法を提供する。
【解決手段】ウェーハＷと研磨布１０との間に研磨剤１２を供給しながら研磨を行う（第一の研磨段階）。続いて、ウェーハＷと研磨布１０との相対運動を継続しながら、研磨剤１２の粘度を増大させて研磨を行う（第二の研磨段階）。これにより、ウェーハＷと研磨布１０との間隙が拡がり、リップルが低減される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学機械研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）を平坦化する技術として化学機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）法はよく知られている（たとえば、特許文献１）。ＣＭＰ法は、ウェーハと研磨布とに研磨剤（研磨スラリー）を介在させつつ、ウェーハと研磨布との間に荷重と相対速度を与えることにより、ウェーハを研磨する方法である。
【０００３】
たとえば、単結晶インゴットから切り出され、面取り、研削、化学エッチングなどの加工が施されたウェーハの表面には、平坦度に影響をおよぼすようなミリメートルオーダーの長周期のうねりに相当する成分のほか、１００μｍ以下の波長を持ち、Ｐ−Ｖ値が１０ｎｍ以下の微小な粗さ成分が存在している。このような微小な表面粗さは、しばしばマイクロラフネスと呼ばれている。中でも、波長が約１〜１００μｍの成分のものは、リップルと呼ばれている。リップルよりも短波長成分の表面粗さは、ヘイズと呼ばれている。このような表面粗さを低減ないし除去するために、ＣＭＰ法によりウェーハが鏡面研磨される。
【０００４】
ＣＭＰ法によるウェーハの鏡面研磨工程に関していえば、主にウェーハを平坦化する工程（１次研磨）、主にリップルを低減する工程（２次研磨）、リップルを低減しつつヘイズを除去する工程（仕上研磨）というように、研磨布や研磨剤を交換しながら３回に分けて行うのが一般的である。
【０００５】
その一方で、生産性向上のために、上記した２次研磨工程を省略して全体で２段階の工程により鏡面研磨を行う試みもある（たとえば、特許文献２）。このようにする場合、１次研磨工程だけでウェーハを平坦化し、しかもリップルを十分に低減する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−９２６３２号公報
【特許文献２】
特開平９−３８８４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ウェーハの平坦化に有効な研磨布や研磨剤はリップル低減に不利、リップル低減に有効な研磨布や研磨剤はウェーハの平坦化に不利という理由から、工程数を減らすと逆に研磨効率が悪くなってしまったり、研磨が不十分になったりする。研磨圧力や相対速度の調整で対応しようとすると、装置の改造が必要になるので好ましくない。
【０００８】
そこで本発明は、既存の研磨装置を使用しつつも、ウェーハの平坦度を犠牲にすることなく生産性を向上させることができる化学機械研磨方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明は、半導体ウェーハと研磨布との間に研磨剤を供給しながら、半導体ウェーハと研磨布とを相対運動させて半導体ウェーハを化学機械研磨する方法において、相対運動を継続しつつ、研磨剤の粘度を増大させることを特徴とする。
【００１０】
図７の概念図に示すように、リップルは、ウェーハＷの表面に研磨布１０の表面粗さが転写されたものであることが知られている。すなわち、研磨布１０の表面粗さの凸部は研削加工での切れ刃に相当し、研磨布１０とウェーハＷとの間に相対速度が与えられると、切れ刃による条痕が発生する。この条痕が幾重にも重ね合わされることにより、リップル成分の粗さが生成すると考えられている。したがって、研磨布１０の表面粗さがウェーハＷの表面に切り込む深さを低減させることができれば、リップルを低減することが可能である。
【００１１】
一方、研磨中においては、図８に示すようにウェーハと研磨布の間に研磨剤層が形成されていると考えることができる。このような研磨剤層の厚さは、ナビエ・ストーク方程式を、図８に示す２次元モデルについて解くことにより得られる下記近似式（１）から知ることができる。
ｈ＝ｋ（μＵ／Ｐ）^１／２…（１）
但し、ｈ：研磨剤層厚さ
Ｐ：研磨圧力
Ｕ：ウェーハと研磨布間の相対速度
ｋ：任意定数
μ：研磨剤の粘度
【００１２】
上記の近似式（１）より、研磨剤層の厚さは、研磨剤の粘度μの平方根に比例することが分かる。このことから本発明者は、研磨剤の粘度を増大させればウェーハと研磨布との間隙が拡大し、研磨布の表面粗さ（切れ刃）がウェーハの研磨面に切り込む深さを低減させることができる、という知見を得て本発明を完成させるに至ったのである。つまり、表面の粗い硬質な研磨布を用いて研磨を行う場合であっても、研磨の途中で研磨剤の粘度を増大させることにより、研磨布の表面粗さがウェーハの研磨面に転写されることを十分に抑制することが可能なのである。
【００１３】
ただし、ウェーハと研磨布との相対運動を継続しながら、研磨剤の粘度を増大させることが重要である。研磨剤を介して両者が接して相対運動を継続する限り、研磨剤の供給を間断させることはできないので、研磨開始当初は低粘度の研磨剤を研磨布の上に供給し、その後に高粘度の研磨剤を供給する。
【００１４】
上記本発明の方法によれば、粗い研磨布を使用しつつも、研磨布の表面粗さがウェーハの研磨面に転写されることを抑制した緻密な研磨を行うことができる。これにより、従来は２回に分けて行っていた研磨工程を１回の工程に短縮することが可能となり、生産性の向上、加工コストの低減が期待できる。また、研磨を継続しながら研磨剤の粘度を増大させるだけでよいので、装置の大幅な改良を必要としない。したがって、既存の研磨装置をそのまま使用でき、設備費がかさむこともない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、一般的なＣＭＰ装置の模式図である。ＣＭＰ装置２００は、研磨が行われる本体部１００と研磨剤供給ユニット１０１とを含んで構成されている。本体部１００には、円盤状の研磨定盤１４が水平配置されている。研磨定盤１４の上面には、研磨布１０が貼り付けられている。研磨布１０の鉛直上方には、ウェーハＷを保持しつつ研磨圧力を付与する研磨ヘッド１６、および研磨剤１２を供給するためのノズル２０が設けられている。研磨定盤１４および研磨ヘッド１６，１６は、モータ等により個別に回転駆動される。ウェーハＷは、研磨ヘッド１６に保持された状態で、かつ研磨ヘッド１６と研磨定盤１４とが水平面内における同方向に回転している状態で、研磨剤１２に浸された研磨布１０に押し付けられる。これにより、ウェーハＷと研磨布１０とが相対運動し、ウェーハＷが研磨される。
【００１６】
研磨布１０は、不織布にウレタン樹脂を含浸させたものや、ウレタンを発泡させたものが一般的であり、研磨対象あるいは目的に応じた硬さや表面粗さを持つものが選んで使用される。
【００１７】
研磨剤１２は、たとえばコロイダルシリカを分散させたアルカリ水溶液である。このような研磨剤１２は、研磨剤供給ユニット１０１に設けられた第一貯留槽２２および第二貯留槽２４より供給配管３４を通じてノズル２０から研磨布１０の表面上に供給される。貯留槽２２，２４は、その各々に研磨剤１２ａ，１２ｂを個別に収容することができる。また、各貯留槽２２，２４に対応して、開閉弁を兼用した流量調整ポンプ３０，３２が設けられている。流量調整ポンプ３０，３２は、コントローラ２６にプログラムされた研磨シーケンスに従って制御される。これにより、研磨剤１２ａ，１２ｂが別々に、あるいは所定の割合で混合されて本体部１００に向けて供給される。
【００１８】
研磨されるウェーハＷとしては、特に限定されるものではないが、たとえばシリコン単結晶ウェーハ、燐化ガリウム単結晶ウェーハ、砒化ガリウム単結晶ウェーハなどを例示できる。これらの半導体ウェーハは、単結晶インゴットから切り出され、研削、面取り、化学エッチング等の処理が施されたものとすることができる。そして本発明は、そのような半導体ウェーハＷを効率良く鏡面研磨するのに好適である。
【００１９】
図４は、本発明にかかる化学機械研磨の要旨を表す概念図である。第一の研磨段階では、主にウェーハＷを平坦化することを目的としている。第二の研磨段階では、主にリップルを低減することを目的としている。そして第一の研磨段階と、第二の研磨段階とで、１次研磨を構成している。１次研磨のあと、研磨布を交換して仕上研磨を行う。
【００２０】
１次研磨で使用する研磨布１０には、ウェーハＷを十分に平坦化するのに適した硬さ、表面粗さに調整されたものが選択される。そのような研磨布１０の表面粗さは大きいので、ウェーハＷの研磨面には、研磨布１０の表面粗さが転写されたリップルが生成しやすい。
【００２１】
そこで図４に示す第二の研磨段階においては、研磨ヘッド１６に保持させたウェーハＷを研磨布１０から離間させず、かつウェーハＷと研磨布１０との相対運動を継続しつつ、ノズル２０より供給する研磨剤１２の粘度を第一の研磨段階よりも増大させる。これにより、ウェーハＷと研磨布１０との間隙がｄ_１からｄ_２に拡がるので、リップルを低減するための研磨を行うことができる。結局、緻密な表面粗さの研磨布を用いて研磨した場合と、同等の研磨レベルが達成される。
【００２２】
図２に示すように、鏡面研磨を行う前のウェーハＷの表面粗さは、面内方向の波長成分λごとに区分して捉えることができる。各波長成分λを持つ表面粗さは、図３の概念図に示すように互いに重畳しあっているので、大きい波長成分から順番に除去していく必要がある。図２に示す区分に従うとするならば、研磨布１０および研磨剤１２の種類を換えながら３回に分けて鏡面研磨を行うのが普通である。しかし、本発明によれば、ウェーハの平坦化とリップルの低減を図る１次研磨と、ヘイズの除去を図る仕上研磨とで鏡面研磨（化学機械研磨）を構成することができる。
【００２３】
上記のように、化学機械研磨を１次研磨と仕上研磨とで構成し、１次研磨の終了直前に、研磨剤１２の粘度を増大させることが好ましい。そうすれば、研磨初期においてウェーハＷを平坦化し、終了直前のわずかな時間でリップルを低減するので、生産性の向上が十分に期待できる。
【００２４】
具体的には、１次研磨の最後の１分以上３分以下の期間に、研磨剤１２の粘度を増大させると好適である。つまり、研磨剤の粘度を増大させた状態で１分以上３分以下の研磨を行う。粘度増大の時期が早すぎると、研磨時間の短縮に繋がらない恐れがあるし、遅すぎるとリップルを低減できない恐れがある。
【００２５】
また、ウェーハＷの研磨面のリップル成分の表面粗さＲ_ｙが概ね３ｎｍ以下の範囲に収まるまで研磨を継続するのが最適である。上記範囲内に収まるまで表面粗さＲ_ｙを低減させれば、続く仕上研磨を確実に行うことができ、最終的に高度に研磨された鏡面研磨ウェーハを実現できる。なお、本明細書中において表面粗さＲ_ｙは、ＪＩＳ：Ｂ０６０１（１９９４）に準拠する最大高さを表し、ウェーハのＰ−Ｖ値（ＰｅａｋｔｏＶａｌｌｅｙ）を意味するものとする。
【００２６】
また、研磨継続中においては、ウェーハＷと研磨布１０との相対速度および研磨圧力はほぼ一定に保つことも重要な点である。相対速度や研磨圧力が変化すると、研磨剤１２の粘度を増大させることの効果が損なわれる恐れがある。
【００２７】
ノズル２０から供給される研磨剤１２の粘度を、低粘度から高粘度に変化させる方法にはいくつかある。１つには、図１に示した貯留槽２２，２４にそれぞれ第一の研磨剤１２ａと、該第一の研磨剤１２ａよりも高粘度の第二の研磨剤１２ｂとを予め準備しておく方法である。第一の研磨段階では、低粘度に調整された第一の研磨剤１２ａだけを使用する。そして、第二の研磨段階では、両方の研磨剤１２ａ，１２ｂを混合して供給するか、第一の研磨剤１２ａから第二の研磨剤１２ｂに切り換えて供給する。この場合、第二の研磨剤１２ｂは、第一の研磨剤１２ａに粘度調整剤を混入して粘度を増大させたものとすることができる。特に、第一の研磨剤１２ａから第二の研磨剤１２ｂに切り換えて供給する方法は、粘度調整の容易性という観点において優れているので好適である。
【００２８】
また、第二の研磨剤１２ｂのかわりに、第一の研磨剤１２ａに混入すべき粘度調整剤のみを貯留槽２４に収容させておく方法もある。この場合、第一の研磨段階では第一の研磨剤１２ａだけを使用し、第二の研磨段階においては第一の研磨剤１２ａと粘度調整剤とを混合しながら供給することになる。いずれにしても、研磨剤に粘度調整剤を混入して粘度を増大させることができる。これにより比較的簡単に、ノズル２０より供給される研磨剤１２の粘度増大を図ることができる。
【００２９】
１次研磨における第一の研磨剤１２ａとしては、アルカリ水溶液、コロイダルシリカおよび添加剤などからなり、その粘度が水にほぼ等しく調整されたものを使用することができる。そして、粘度調整剤には、第一の研磨剤１２ａに対して不活性な水溶性のものを使用するとよい。ここでいう不活性とは、第一の研磨剤１２ａの水素イオン濃度を変化させたり、コロイダルシリカの凝集を招いたりすることがほとんどないことを意味する。水素イオン濃度が大きく変化すると、研磨剤の持つ化学的な研磨作用と機械的な研磨作用とのバランスが変化するので好ましくない。また、コロイダルシリカが凝集すると、ウェーハ表面の微小な粗さ成分（ヘイズ）の増大を招く。
【００３０】
具体的に、上記のような粘度調整剤としては、多価アルコールおよび／またはその誘導体を使用することができる。多価アルコールは、化学的にも不活性、安価、研磨後の洗浄も容易、などの利点を持つので好適である。たとえばメタノールやエタノールといった一価のアルコール類では、所期の粘度向上効果を望めない。
【００３１】
具体的に多価アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびグリセリンから選択される１種以上を使用することができる。これらは、化学安定性、コストパフォーマンスおよび研磨後の洗浄容易性の点について特に優れるものである。
【００３２】
また、図４に示す第一の研磨段階から第二の研磨段階に移る際には、５０ｍＰａ・ｓ以上１５０ｍＰａ・ｓ以下の範囲内に収まるようにノズル２０から吐出される研磨剤１２の粘度を増大させることが好ましい。粘度増大の度合いが小さすぎると、間隙を十分に広げることができず、リップルの発生を十分に抑制できない。逆に大きすぎると、研磨速度が低下して、生産性の向上が見込めなくなる。
【００３３】
１次研磨の手順について、より具体的に説明する。
図５に示すのは、研磨剤１２の粘度を段階的に増大させる場合の研磨シーケンス図である。縦軸が研磨剤１２の粘度μ、横軸は研磨時間ｔとなっている。図５に示す実施形態では、研磨を開始してｔ_１までが第一の研磨段階であり、ｔ_１からｔ_４が第二の研磨段階とされる。ｔ_４は１次研磨の終了時期を示している。また、図５に示す実施形態では、研磨剤１２の粘度増大を開始するまでの研磨時間ｔ_１よりも、開始したあとの研磨時間（ｔ_４−ｔ_１）のほうが短くなるように設定している。第二の研磨段階に費やす時間（ｔ_４−ｔ_１）は、前述したように１分以上３分以下とする。
【００３４】
さらに、図５に示す実施形態では研磨剤１２の粘度μが急激に増大していることからも分かるように、低粘度の研磨剤（第一の研磨剤１２ａ）の供給を停止すると同時に、高粘度の研磨剤（第二の研磨剤１２ｂ）の供給を開始している。そして、供給開始／供給停止の切り換えをほぼ同時に行うことから、ノズル２０から研磨剤１２が途切れることなく研磨布１０の表面上に供給されることとなる。したがって、ウェーハＷを研磨布１０から離間させる必要がない。なお、使用する研磨剤の切り換えは、流量調整ポンプ３０，３２を制御することによって容易に実現される（図１参照）。
【００３５】
次に図６に示すのは、図５と同様の研磨シーケンス図であるが、研磨剤１２の粘度を連続的に増大させる実施形態を表している。研磨剤１２の粘度増大を開始する時期、すなわち第二の研磨段階の開始時期は、低粘度の研磨剤（第一の研磨剤１２ａ）を用いた研磨を開始して時間ｔ_２が経過した時点とされる。つまり、図６に示す実施形態においては、研磨を開始してｔ_２までが第一の研磨段階であり、ｔ_２からｔ_４までが第二の研磨段階である。ｔ_４は１次研磨の終了時期を示している。また、図６に示す実施形態は図５の形態と同様に、研磨剤１２の粘度増大を開始するまでの研磨時間ｔ_２よりも、開始したあとの研磨時間（ｔ_４−ｔ_２）のほうが短くなるように設定している。第二の研磨段階に費やす時間（ｔ_４−ｔ_２）は、前述したように１分以上３分以下とする。
【００３６】
図６に示す実施形態によれば、ノズル２０から吐出される研磨剤１２の粘度は、所定の粘度に到達するｔ_３まで徐々に増大される。このようにする方法としては、低粘度の研磨剤（第一の研磨剤１２ａ）の供給量を徐々に少なくする一方、高粘度の研磨剤（第二の研磨剤１２ｂ）の供給量を徐々に増加する方法がある。あるいは、貯留槽２２，２４の一方に第一の研磨剤１２ａを収容させ、他方に前述した粘度調整剤のみを収容させておき、粘度調整剤の供給量を徐々に増やしていくという方法がある。この方法だと、予め準備する研磨剤１２の種類としては、１種のみでよいことになる。ただし、粘度を安定させるという観点では、予め２種類の研磨剤１２ａ，１２ｂを混合調整しておき、一方から他方に切り換えて使用する方法が有利である。
【００３７】
なお、本明細書は半導体ウェーハの鏡面研磨を例にして記載されているが、本発明がこれに限定されるわけではない。つまり、化学機械研磨方法を必要とするどのような場面にも本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ装置の模式図。
【図２】表面粗さと波長成分の対応を説明する図。
【図３】さまざまな波長成分の表面粗さが重畳されたウェーハ表面の模式図。
【図４】本発明のＣＭＰ法の要旨を表す概念図。
【図５】研磨剤の粘度を段階的に増大させる場合の研磨シーケンス図。
【図６】研磨剤の粘度を連続的に増大させる場合の研磨シーケンス図。
【図７】リップルの生成を説明するための概念図。
【図８】研磨剤の粘度と研磨剤層の厚さとの関係を導く２次元モデル。
【符号の説明】
１０研磨布
１２研磨剤
Ｗウェーハ

Claims

半導体ウェーハと研磨布との間に研磨剤を供給しながら、前記半導体ウェーハと前記研磨布とを相対運動させて前記半導体ウェーハを化学機械研磨する方法において、前記相対運動を継続しつつ、前記研磨剤の粘度を増大させることを特徴とする化学機械研磨方法。
前記化学機械研磨を１次研磨と仕上研磨とで構成し、前記１次研磨の終了直前に、前記相対運動を継続しつつ、前記研磨剤の粘度を増大させることを特徴とする請求項１記載の化学機械研磨方法。
前記１次研磨の最後の１分以上３分以下の期間に、前記研磨剤の粘度を増大させることを特徴とする請求項２記載の化学機械研磨方法。
前記研磨剤に粘度調整剤を混入して粘度を増大させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の化学機械研磨方法。
前記粘度調整剤は、多価アルコールおよび／またはその誘導体を含むことを特徴とする請求項４記載の化学機械研磨方法。
前記多価アルコールが、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびグリセリンから選択される１種以上であることを特徴とする請求項５記載の化学機械研磨方法。
５０ｍＰａ・ｓ以上１５０ｍＰａ・ｓ以下の範囲内に収まるように前記研磨剤の粘度を増大させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の化学機械研磨方法。