JP2007096000A

JP2007096000A - 半導体ウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2007096000A
Application number: JP2005283565A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oishi; 弘大石; Keiichi Okabe; 啓一岡部; Naoki Kadosawa; 直樹角沢
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd; Naoetsu Electronics Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd; Naoetsu Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP4429995B2

Abstract

【課題】半導体ウェーハの研削工程時の研削条件の調整を、非熟練作業員でも簡便かつ確実に行うことができる半導体ウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、原料ウェーハを研削する研削工程を有し、該研削工程により研削されたウェーハ面のナノトポグラフィを測定し、このウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を求め、前記平均する前のナノトポグラフィ測定値から前記平均値成分を差し引いて残差成分を求め、前記平均値成分および残差成分に基づいて前記研削工程の研削条件を調整することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体ウェーハの製造方法に関し、特に研削工程後のウェーハ面のナノトポグラフィの測定値に基いて研削工程の研削条件を調整する方法に関するものである。

半導体シリコン基板ウェーハ（以下, ウェーハと記す）においては、近年、「ナノトポグラフィ」と呼ばれる表面うねり成分の大小が問題となっている。このナノトポグラフィは、ウェーハの表面形状の中から「そり」や「Warp」より波長が短く、「表面粗さ」よりは波長の長い、λ= 0.2〜20mmの波長成分を取り出したものであり、PV値は0.1〜0.2μm以下の極めて浅いうねりである。
ナノトポグラフィは一般に「光学干渉式」の測定機（商標名 ; Nanomapper（ADE Corp.）やDynasearch（（株）レイテックス））によって測定されており、図１０に測定例を示す。図１０(a) はナノトポグラフィ・マップであり、その濃淡でナノトポグラフィの強度を定性的に表している。一方, 図１０(b) は45°おきに測定した4断面（直径)上のナノトポグラフィの形状と定量的な強度を表しており、グラフの山谷はナノトポグラフィ・マップの濃淡に対応している。なお、図１１はナノトポグラフィ・マップとナノトポグラフィ断面形状の対応を模式的に説明したものである。

このナノトポグラフィはデバイス製造におけるSTI（Shallow Trench Isolation）工程の歩留まりに影響するといわれている。ナノトポグラフィはウェーハの加工工程（スライス〜研磨）中で作り込まれるものであり、研削加工、特に両頭研削の影響が強い。

両頭研削の概略を図１２に模式的に示す。図１２(a)に示すように、原料ウェーハＷ（スライス・ウェーハ）は、左右2枚の保持板である静圧パッド１１、２１の間に、静圧パッドとウェーハの間隙ｈを有するように保持される。図１２(c)に示すように、静圧パッドは、その表面にランド１３（土手部分）とポケット１４（凹部）を有する。図１２(d)に示すように、ポケット１４には静圧水が供給され、これによってウェーハＷを回転自在に保持している。図１２(c)に示すように静圧パッドの一部は切り抜いてあり、ここに研削砥石１２、２２を挿入して、図１２(b)に示すようにウェーハＷおよび研削砥石１２、２２を回転させ、ウェーハＷを左右両面から同時に研削する。研削中、ウェーハＷは、例えばエッジ部分に駆動ローラを押し当てたり、ノッチ部にツメを引っかけて駆動することにより、数10rpmで回転する。

この両頭研削中にウェーハ両面の切削加重のアンバランス等により研削されたウェーハに反りが発生することがあり、この反りの発生を抑えるためにウェーハと砥石の相対位置の調整を行う両頭研削方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなウェーハＷと砥石１２、２２の位置関係の調整方法の具体例を図１３に示す。ひとつは「シフト調整」と呼ばれ、ウェーハ面に対して垂直方向に砥石１２、２２を平行移動させる調整であり（図１３(a)）、もう一つは「チルト調整」と呼ばれ、ウェーハ面と砥石１２、２２の相対角度を変化させる調整である（図１３(b)）。

しかし、研削後のウェーハを現在市販されているナノトポグラフィ測定機で測定したデータを元に、このようなウェーハと砥石の位置関係を調整するには、熟練した作業員の経験と勘を要し、研削装置の立ち上げや段取り替え時に長い調整時間と多数の調整用ダミー・ウェーハとを消費するという問題があった。

国際公開第００／６７９５０号パンフレット

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェーハの研削工程時の研削条件の調整を、非熟練作業員でも簡便かつ確実に行うことができる半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的としたものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、原料ウェーハを研削する研削工程を有し、該研削工程により研削されたウェーハ面のナノトポグラフィを測定し、このウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を求め、前記平均する前のナノトポグラフィ測定値から前記平均値成分を差し引いて残差成分を求め、前記平均値成分および残差成分に基づいて前記研削工程の研削条件を調整することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法を提供する（請求項１）。

このようにして、平均値成分と残差成分に分離したナノトポグラフィのデータに基づけば、非熟練作業員であっても研削条件の調整を、調整時間や調整用ダミー・ウェーハを多大に消費することなく簡便かつ確実に行うことができる。

この場合、前記研削工程を両頭研削工程とすることが好ましい（請求項２）。

ナノトポグラフィはウェーハの加工工程（スライス〜研磨）中で作り込まれるものであり、特に両頭研削の影響が強いので、本発明により両頭研削工程を調整することで、ウェーハのナノトポグラフィをより改善することができる。

また、前記ウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を、前記ウェーハ面の４本の直径または半径上あるいは８本の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値とするのが好ましい（請求項３）。

このように、ウェーハ面の４本の直径または半径上あるいは８本の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を用いれば、簡単かつ正確に研削条件を調整することができる。

また、前記研削工程の研削条件の調整を、ウェーハ面に対して垂直方向に砥石を平行移動させるシフト調整および／またはウェーハ面と砥石の相対角度を変化させるチルト調整により行うのが好ましい（請求項４）。

このようにシフト調整および／またはチルト調整により研削条件を調整すれば、これらはナノトポグラフィに与える影響が大きく、ウェーハを適切な条件で研削することができ、ウェーハのナノトポグラフィを改善することができる。

以上説明したように、本発明によれば、研削後のウェーハのナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離することで、これらに基づいた研削工程の装置調整を的確に行うことができるようになり、非熟練作業員でも調整時間や調整用ダミー・ウェーハの枚数を大幅に低減することができ、ウェーハのナノトポグラフィの改善を容易に行うことができる。

以下、本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、加工されたウェーハのナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離し、これをウェーハの加工条件にフィードバックすれば、ナノトポグラフィの改善を容易に行うことができることに想到し、本発明を完成させた。

すなわち本発明の半導体ウェーハの製造方法は、少なくとも、原料ウェーハを研削する研削工程を有し、該研削工程により研削されたウェーハ面のナノトポグラフィを測定し、このウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を求め、前記平均する前のナノトポグラフィ測定値から前記平均値成分を差し引いて残差成分を求め、前記平均値成分および残差成分に基づいて前記研削工程の研削条件を調整するものである。

この場合、ナノトポグラフィはウェーハの加工工程（スライス〜研磨）中で作り込まれるものであり、特に両頭研削の影響が強いので、本発明により両頭研削工程を調整することで、ウェーハのナノトポグラフィをより改善することができる。

上記のようにナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離する方法の一例を図１のフローチャートを参照して説明する。

まず、測定の対象となる、研削工程により研削されたウェーハを準備し、そのウェーハ面のナノトポグラフィを測定機により測定し、得られた数値データを直接または記録媒体を介して、演算プログラムへ入力する（図１(a)）。

ナノトポグラフィの測定機は特に限定されないが、たとえばNanomapper（ADE Corp.）やDynasearch（（株）レイテックス）を用いることができる。これらの装置は光学式で、ウェーハの表面反射を利用してナノトポグラフィを測定する。Nanomapperはマイケルソン干渉計を用いており、この干渉計によって取り込まれたシリコンウェーハの面内データは、ノイズ除去等の処理が行われた後、設定によって決まるウィンドウサイズをウェーハ面内で移動させ、ウィンドウ内のPV値（最大値-最小値）をそのウィンドウの中心値に置き換えることで、ナノトポグラフィーのデータとなる。

演算プログラムにより、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値、すなわち８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を得る（図１(b)）。

次に、図１(b)で得られた８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を、下記表１に示すように半径方向の各位置における８点で平均し、「平均値成分」とする（半径方向の位置は図１４参照）。また、半径方向の平均値成分を反対方向へ折り返して、ウェーハ中心点に対して左右対称の波形としてもよい（図１(c)）。

次に、下記表１に示すように、図１(b)で得られた８本の半径上のナノトポグラフィ測定値から、図１(c)で得た平均値成分を半径方向の各位置における８点で差し引いて「残差成分」とする（図１(d)）。

このようにしてナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離することができるが、ナノトポグラフィ測定値が平均される直径または半径の本数は特に限定されず、たとえば４本の直径または半径あるいは８本の直径または半径であってもよい。

上記方法で分離されたナノトポグラフィ測定値の平均値成分と残差成分を図２に示す。
ここで、平均値成分はウェーハ面にリング状に形成される表面うねり成分に対応し、すなわちリング状成分あるいは点対称成分と言うことができ、残差成分はナノトポグラフィ測定値からリング状成分を除いたウェーハ面内のばらつき成分と言うことができる。

そして、このリング状成分とウェーハ面内のばらつき成分はそれぞれ独立したものであることがわかった。たとえば、図３の例１と例２のように、ばらつき成分（残差成分）は共に小さいが、リング状成分（平均値成分）が大きく異なる場合がある。逆に、図３の例１と例３のように、ばらつき成分が大きく異なり、リング状成分は共に小さいという場合もある。従って、これらはそれぞれ原因が異なり、全体のナノトポグラフィのみから研削条件を改善することはできないことが判る。

さらに、リング状成分（平均値成分）についてみても、図２に示すように、ウェーハ中心からの距離によって両頭ヘソ、中央部凹凸、中間リング、最外周リング等に分けられることが分かった。これらについても、その原因は必ずしも同じではなく、例えば両頭ヘソが小さいからといって中間リング等が必ずよいという訳ではない。従ってよりきめ細かな研削条件の調整が必要である。

この知見を基に発明者らが調査した結果、これらリング状成分（平均値成分）とウェーハ面内のばらつき成分（残差成分）が生じる原因として、下記表２に示されるようなものが考えられることがわかった。

従って、ナノトポグラフィ測定値を平均値成分（リング状成分）と残差成分（ばらつき成分）に分離して、改善すべき成分を突き止めた後、表２に示すようにその成分に応じて研削条件を調整すれば、確実にウェーハのナノトポグラフィを改善することができる。

表２に示したように、ナノトポグラフィ測定値の平均値成分（リング状成分）と残差成分（ばらつき成分）に基いた研削条件の調整方法は多岐にわたり、ウェーハ面に対して垂直方向に砥石を平行移動させるシフト調整や、ウェーハ面と砥石の相対角度を変化させるチルト調整、最適砥石（砥石特性）の選定、最適なランドパターンの静圧パッドの選定、左右砥石の軸ずれ調整等が挙げられ、必要に応じてこれらを単独で又は組み合わせて研削条件の調整を行うことができる。ここでは一例として、シフト調整およびチルト調整について述べる。

図４にシフト調整により研削条件を調整した例について示した。シフト調整前に測定したウェーハのナノトポグラフィ測定値からリング状成分を求め図４の上段に示した。次に、図４の中段に示すようにそれぞれシフト調整を行い、シフト調整後に測定したウェーハのナノトポグラフィ測定値のリング状成分を図４の下段に示した。シフト調整によって「中央部凹凸」と「最外周リング」のナノトポグラフィの向きと大きさが変化していることがわかる。

図５および図６にチルト調整により研削条件を調整した例について示した。図５に示すように中立位置から垂直方向・水平方向でチルト調整を行い、チルト調整前およびチルト調整後に測定したウェーハのナノトポグラフィ測定値のリング状成分を図６に示した。チルト調整によって特に「最外周リング」のナノトポグラフィの向きが変化していることがわかる。このように、シフト調整、チルト調整を行うことにより、特定のナノトポグラフィの成分を変えることができる。

また、ナノトポグラフィ測定値のリング状成分とシフト調整値およびチルト調整値の関係式を求めて調整を行う例を以下に説明する。前述のように研削工程後のウェーハのナノトポグラフィ測定値を平均値成分（リング状成分）と残差成分（ばらつき成分）に分離し、リング状成分から「中央部の凹凸量Ｃ_０」と「最外周リング部の凹凸量Ｅ_０」を読み取る（図１６参照）。そして、研削工程後のナノトポグラフィをできるだけ零に近づけるためのチルト調整量をΔX、シフト調整量をΔYとする。実験により予め研削に用いる装置におけるＣ_０、Ｅ_０とΔX、ΔY の関係を求めて図７(a)と図７(b)に示すようなグラフを得る。

図７のグラフから各回帰直線の傾きを求めると、以下のようになる。
「垂直チルト調整量ΔX」と「中央部の凹凸量Ｃ_０」の比例係数 : −0.0200
「垂直チルト調整量ΔX」と「最外周リング部の凹凸量Ｅ_０」の比例係数 : −0.0161
「シフト調整量ΔY」と「中央部の凹凸量Ｃ_０」の比例係数 : −0.0190
「シフト調整量ΔY」と「最外周リング部の凹凸量Ｅ_０」の比例係数 : −0.0087

上記の比例係数は、垂直チルト調整量またはシフト調整量に対する凹凸量の変化量である。すなわち、ウェーハ中央部と最外周リング部の凹凸変化量ΔＣ_０、ΔＥ_０それぞれに及ぼす効果が、垂直チルト調整量ΔXとシフト調整量ΔYとでは異なることを利用して下記の連立方程式 (1a) および (1b) を解く。ここでは、凹凸変化量ΔＣ_０、ΔＥ_０に対してΔXとΔYはそれぞれ独立に効果を及ぼすと仮定している。
ΔC₀ = −0.0200 ΔX −0.0190 ΔY 式(1a)
ΔE₀ = −0.0161 ΔX −0.0087 ΔY 式(1b)

連立方程式(1a)、(1b)を解いて、下記の式(2a)(2b)の解を得る。

ΔX = (0.0087 ΔC₀ − 0.0190 ΔE₀ ) / 1.319×10⁻⁴ 式(2a)
ΔY = ( −0.0161 ΔC₀ ＋ 0.0200 ΔE₀ ) / 1.319×10⁻⁴ 式(2b)

測定で得た凹凸量がＣ_０、Ｅ_０である場合、これらを零とするために目標とする凹凸変化量ΔＣ_０、ΔＥ_０はそれぞれ−Ｃ_０、−Ｅ_０である。従って、上記式(2a)(2b)から下記式(3a)(3b)を導くことができる。
ΔX = (−0.0087 C₀ ＋ 0.0190 E₀ ) / 1.319×10⁻⁴ 式(3a)
ΔY = (0.0161 C₀ − 0.0200 E₀ ) / 1.319×10⁻⁴ 式(3b)

上記関係式にＣ_０、Ｅ_０を入力することで、下記表３（一部を抜粋したもの）に示すようにΔX、ΔYを計算することができる。

そして、上記表に基づいてΔX、ΔYだけチルト調整、シフト調整を手動、ないしはモータ駆動によって自動的に行うことで、非熟練作業員でもナノトポグラフィの改善を的確かつ容易に行うことができる。

さらに、研削条件の調整の一例として、砥石の交換を説明する。図１５に砥石の交換により研削条件を調整した例について示した。砥石の交換前に測定したウェーハのナノトポグラフィ測定値からばらつき成分を求め図１５の上段に示した。次に、砥石をφ6.0mm大形チップ砥石から結合度を最適化したφ3.6mm小形チップ砥石に交換し、砥石の交換後に測定したウェーハのナノトポグラフィ測定値のばらつき成分を図１５の下段に示した。砥石の交換によってばらつき成分のナノトポグラフィが変化していることがわかる。

また、上記製造方法で得られた半導体ウェーハであれば、そのナノトポグラフィは良好で、デバイス製造におけるＳＴＩ工程の歩留まりが良い、高品質な半導体ウェーハとすることができる。

以下、本発明を実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。。
（実施例）
試料ウェーハとしてＣＺ法で製造された直径３００ｍｍの単結晶シリコンウェーハを用いた。両頭研削工程後のウェーハについて光学式の測定装置Nanomapperでナノトポグラフィの測定を行い、図８(a)に示すように、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離した。このようにして得られたデータを基に、両頭研削装置の左右の砥石を交換し、さらに砥石を図９に示すようにシフト調整およびチルト調整した。調整後の両頭研削装置を用いて両頭研削したウェーハについて、調整前と同様にNanomapperでナノトポグラフィの測定を行い、図８(b)に示すように、ウェーハ面の４本の直径上のナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離した。図から明らかなように、調整後ではナノトポグラフィマップに濃淡がなくなり、平均値成分、残差成分ともに改善されているのがわかる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
たとえばナノトポグラフィの測定は、光学干渉式の測定機以外に、静電容量式測定機やレーザ式センサで行ってもよい。また、本発明により製造されるウェーハは半導体シリコンウェーハに限られず、化合物半導体ウェーハであってもよい。

ナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離する方法の一例を示すフロー図である。ナノトポグラフィ測定値を平均値成分と残差成分に分離したグラフである。ナノトポグラフィ測定値のリング状成分とウェーハ面内ばらつき成分とが独立した成分であることを示すデータである。シフト調整を行った際のナノトポグラフィの平均値成分の変化を示すグラフである。チルト調整の調整方法を示す模式図である。図５のチルト調整を行った際のナノトポグラフィの平均値成分の変化を示すグラフである。 (a)はナノトポグラフィ値C₀、E₀とチルト調整量ΔXの関係を示すグラフであり、(b)はナノトポグラフィ値C₀、E₀とシフト調整量ΔYの関係を示すグラフである。 (a)はシフト調整、チルト調整等を行う前のウェーハのナノトポグラフィのデータであり、(b)は調整後のナノトポグラフィのデータである。実施例におけるシフト調整、チルト調整を示す概略図である。 (a)は濃淡でナノトポグラフィの強度を定性的に表すナノトポグラフィ・マップであり、(b) は45°おきに測定した4断面（直径)上のナノトポグラフィの形状と定量的な強度を表すグラフである。ナノトポグラフィ・マップとナノトポグラフィ断面形状の対応を説明する概略図である。 (a)は両頭研削の概略図であり、 (b)はウェーハと砥石の回転方向を示す概略図であり、(c)は静圧パッドのランドパターンを示す写真であり、(d)は静圧パッドの断面図である。 (a)はシフト調整を説明する概略図であり、 (b)はチルト調整を説明する概略図である。ウェーハ面の８本の半径上のナノトポグラフィ測定値を用いる場合の、半径方向の位置を示す概略図である。砥石の交換を行った際のナノトポグラフィのばらつき成分の変化を示すグラフである。ナノトポグラフィ測定値の平均値成分のグラフで、ウェーハ中央部の凹凸量Ｃ_０および最外周リング部の凹凸量Ｅ_０を示す。

符号の説明

１１…左静圧パッド、２１…右静圧パッド、１２…左砥石、２２…右砥石、
１３…ランド、１４…ポケット、ｈ…静圧パッドとウェーハの間隙、
Ｗ…ウェーハ、Ｃ_０…ウェーハ面の中央部の凹凸量、
Ｅ_０…ウェーハ面の最外周リング部の凹凸量。

Claims

半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、原料ウェーハを研削する研削工程を有し、該研削工程により研削されたウェーハ面のナノトポグラフィを測定し、このウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値を平均して平均値成分を求め、前記平均する前のナノトポグラフィ測定値から前記平均値成分を差し引いて残差成分を求め、前記平均値成分および残差成分に基づいて前記研削工程の研削条件を調整することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
前記研削工程を両頭研削工程とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
前記ウェーハ面の複数の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値が、前記ウェーハ面の４本の直径または半径上あるいは８本の直径または半径上のナノトポグラフィ測定値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体ウェーハの製造方法。
前記研削工程の研削条件の調整を、ウェーハ面に対して垂直方向に砥石を平行移動させるシフト調整および／またはウェーハ面と砥石の相対角度を変化させるチルト調整により行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの製造方法。