JP2010010358A - 半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハの巨視的な平坦度を従来と同等以上の保持しつつ、半導体ウェーハの微視的な平坦度（ナノトポ）を改善する。
【解決手段】第１の主面と第２の主面に両面研磨を施した半導体ウェーハを製造する半導体ウェーハの製造方法であって、前記半導体ウェーハの反りの向きを判別する判別工程（ステップＳ２）と、前記半導体ウェーハの第１の主面を上側、第２の主面を下側として、両主面をラップ加工するラップ工程（ステップＳ３）と、ラップ加工した前記半導体ウェーハの主面を反転させ、前記第１の主面を下側、前記第２の主面を下側として、両主面を研磨加工する研磨工程（ステップＳ４）とを含み、前記半導体ウェーハの反りの向きが、前記研削工程では上側に凸であり、前記研磨工程では下側に凸であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハの製造方法に関し、特にウェーハ主面のナノトポロジー（Nanotopography）（微視的な平坦度）を高めることができる製造方法に関する。

シリコンウェーハは、シリコンインゴットよりスライスされ、ウェーハエッジに面取り加工を施されたあと、所定の厚みにラップ（LAP）加工され、エッチング工程（またはエッチング工程および表面研削工程）を経たあと、さらに研磨（POLISH）加工される。このようなシリコンウェーハには、主としてウェーハの巨視的な平坦度を高めるために、その両主面（表面と裏面、あるいは上面と下面）がラップおよび研磨されるものがある。両面ラップ加工においては、上定盤および下定盤の間にウェーハをセットして両主面をラップする両面ラップ装置が使用される。同様に、両面研磨加工においては、上定盤および下定盤の間に、ラップ加工されたウェーハをセットして両主面を研磨する両面研磨装置が用される。

従来のラップ加工および研磨加工では、ウェーハの反りの向き（いずれの主面側に凸となる反りを生じているか）については考慮されていなかった。このため、ウェーハの反りの向きがラップ装置および研磨装置の上定盤側に凸となるようにウェーハをそれぞれの装置にセットして両面ラップ加工および両面研磨加を施すか、あるいは逆に、ウェーハの反りの向きが下定盤側に凸となるようにそれぞれの装置にセットして両面ラップ加工および両面研磨加を施していた。なお、両面研磨は主としてウェーハの平坦度を高めるためのものであり、片面の研磨のみでは現在必要とされている平坦度を実現することは困難である。
特許第３７１１４１６号公報

デバイスのデザインルールの狭小化に伴って、ウェーハ表面のワープ（WARP）（巨視的な平坦）のみならず、ウェーハ表面のナノトポロジー（微視的な平坦度（高低あるいは凹凸））の条件がシビアになった。さらに、デバイス製造においてウェーハ表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）するようになったことにより、ナノトポロジー（以下、ナノトポとも言う）の問題がよりクローズアップされるようになった。

デバイスの製造で使用されるＣＭＯＳプロセスでは、シリコンウェーハ表面上にシリコン酸化膜を形成し、さらにその上にシリコン窒化膜を形成したあと、ＣＭＰをかける。このＣＭＰのやり方によって、ウェーハ表面に同心円状の縞模様や斑模様ができることがあった。このような縞模様や斑模様を軽減するため、特にナノトポの改善が望まれるようになった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、半導体ウェーハの巨視的な平坦度を従来と同等以上の保持しつつ、半導体ウェーハの微視的な平坦度（ナノトポ）を改善する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するものである。

本発明の半導体ウェーハの製造方法は、第１の主面と第２の主面に両面研磨を施した半導体ウェーハを製造する半導体ウェーハの製造方法であって、前記半導体ウェーハの第１の主面を上側、第２の主面を下側として、両主面をラップ加工するラップ工程と、ラップ加工した前記半導体ウェーハの主面を反転させ、前記第１の主面を下側、前記第２の主面を下側として、両主面を研磨加工する研磨工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の第２の半導体ウェーハの製造方法は、上記本発明の第１の半導体ウェーハの製造方法において、前記半導体ウェーハの反りの向きが、前記ラップ工程では上側に凸であり、前記研磨工程では下側に凸であることを特徴とする。

さらに、本発明の第３の半導体ウェーハの製造方法は、上記本発明の第２の半導体ウェーハの製造方法において、前記ラップ工程の前に、前記半導体ウェーハの反りの向きを判別する判別工程をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハを両面ラップしたあと、このウェーハの主面を反転させて（上面と下面とをひっくり返して）、両面研磨をすることにより、ウェーハのワープ品質を従来と同等以上に保持しつつ、ウェーハのナノトポ品質を従来よりも改善することができる。

さらに、本発明によれば、ウェーハの反りの向きを判別し、凸面を上側にして両面ラップしたあと、このウェーハの主面を反転させて（上面と下面とをひっくり返して）、両面研磨をすることにより、ウェーハのナノトポ品質およびワープ品質を改善することができる。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

図１は本発明の半導体ウェーハの製造方法においてのラップ（LAP）加工および研磨（POLISH）加工の手順を説明する図である。図１において、（ａ）はラップ研磨手順Ａ、（ｂ）はラップ研磨手順Ｂ、（ｃ）ラップ研磨手順Ｃ、（ｄ）はラップ研磨手順Ｄである。

図１の手順Ａ〜Ｄは、両面ラップ装置１０の上定盤１０ａと下定盤１０ｂの間にセットされるウェーハｗの反りの向きと、両面研磨装置２０の上定盤２０ａと下定盤２０ｂの間にセットされるラップ加工済みのウェーハｗの反りの向きとの組合せが互いに異なる。手順Ａは、以下に説明する本発明の実施の形態１のラップおよび研磨手順に相当し、手順ＡおよびＢは、以下に説明する本発明の実施の形態２のラップおよび研磨手順に相当する。

実施の形態１
図２は本発明の実施の形態１の半導体ウェーハの製造手順を説明するフローチャートである。ここで、半導体ウェーハは、シリコンウェーハであるものとする。

［インゴットのスライス］
まず、シリコンインゴットを、複数枚のウェーハにスライスする（図２のステップＳ１）。そして、これらスライスされたウェーハにウェーハエッジの面取り加工を施し、さらにエッチング（またはエッチングおよび研削）する。

シリコンインゴットは、一般にワイヤソー（wire-saw）を使用してウェーハにスライスされる。このように、ワイヤソーによってインゴットをスライスした場合には、同じインゴットからスライスされたウェーハの反りの向きは揃う傾向にある。

［ウェーハの反りの向きの判別］
次に、上記スライスしたウェーハの反りの向き（２つの主面のいずれの向きに凸なっているか）を判別する（図２のステップＳ２）。ここでは、バウ（Bow）を計測し、バウの計測値をもとに反りの向きを判別する。バウとは、反りを表現する指標の１つであり、ウェーハ中心においての基準面からウェーハ中点においての中心面までの変位量の数値である。スライスウェーハの主面は、Ｓ字型やＷ字型の巨視的な凹凸を生じることもあるが、バウの計測値を使用すれば、ウェーハ全体としての反りの向きを表現できる。

また、上記のように、ワイヤソーによってウェーハをスライスした場合には、同じインゴット、従って１つのロットを構成する複数枚のウェーハの反りの向きは揃う傾向にある。このため、１ロット中の複数のウェーハから数枚のウェーハ（例えば５枚のウェーハ）を抜き取ってバウを計測し、その抜き取り検査の結果をもとに、そのロット全体のウェーハの反りの向きを判別することによって、検査効率を上げる。例えば、５枚の内、３枚以上が同じ向きならば、その向きを１ロット全体のウェーハの反りの向きと判別する。なお、全数検査をして、反りの向きを判別することも、勿論可能である。

［ウェーハのラップ加工］
次に、両面ラップ装置１０の上定盤１０ａと下定盤１０ｂの間に、上記反りの向きを判別したウェーハｗをセットし、ウェーハが所定の厚みになるように、ウェーハの両面をラップ加工する（ステップＳ３）。このラップ加工では、ウェーハｗの反りが上定盤１０ａ側に凸となるように（ウェーハの両主面の内、凸と判別した側の一方の主面（第１の主面）が上側、凹と判別した他方の主面（第２の主面）が下側となるように）、ウェーハをラップ装置にセットする。

［ウェーハの研磨加工］
さらに、上記両面ラップ加工を完了したウェーハｗの第１の主面と第２の主面の上下を反転させて、両面研磨装置２０の上定盤２０ａと下定盤２０ｂの間にセットし、このウェーハの両面を研磨加工する（ステップＳ４）。このとき、ウェーハｗの主面の上下は上記ラップ時とは反転させているので、ウェーハｗの反りが下定盤２０ｂ側に凸となるように（ウェーハの両主面の内、凸と判別した側の一方の主面（第１の主面）が下側、凹と判別した他方の主面（第２の主面）が上側となるように）、ウェーハは研磨装置にセットされ、研磨加工されることになる。そして、研磨加工したウェーハを洗浄する。

以上の実施の形態１によれば、スライスされたウェーハの反りの向きを判別し、凸面を上側にして両面ラップしたあと、このウェーハの主面を反転させて（上面と下面とをひっくり返して）、両面研磨をすることにより、ウェーハのナノトポロジーおよびワープを改善することができる。

実施の形態２
上記実施の形態１では、ラップ加工および研磨加工をする前に、スライスされたウェーハの反りの向きをあらかじめ判別し、ラップ装置の上定盤側をウェーハの凸面にして両面ラップ加工を施し、そのあとウェーハの第１の主面と第２の主面とを反転させて、研磨装置の下定盤側をウェーハの凸にして両面研磨加工を施した。しかし、この実施の形態２では、スライスされたウェーハの反りの向きを判別せずに、ウェーハに両面ラップ加工を施し、そのあとウェーハの主面を反転させて、両面研磨加工を施す。このようにしても、ウェーハのナノトポ品質を改善することができる。

図３は本発明の実施の形態２の半導体ウェーハの製造手順を説明するフローチャートである。ここで、半導体ウェーハは、シリコンウェーハであるものとする。なお、図２と同様の手順には同じ符号を付してある。

まず、上記実施の形態１と同様に、シリコンのインゴットを、例えばワイヤソーを使用して複数枚のウェーハにスライスする（図３のステップＳ１）。そして、これらスライスされたウェーハにウェーハエッジの面取り加工を施し、さらにエッチング（またはエッチングおよび研削）する。

次に、上記スライスしたウェーハｗを両面ラップ装置１０の上定盤１０ａと下定盤１０ｂの間にセットし、ウェーハが所定の厚みになるように、ウェーハの両面をラップ加工する（図３のステップＳ１３）。そして、ラップ加工したウェーハを洗浄する。この実施の形態２のラップ加工では、上記実施の形態１のように上定盤１０ａ側を反りの凸面にしてウェーハをラップ装置にセットしてもよいし、これとは逆に下定盤１０ｂ側を反りの凸面にしてウェーハをラップ装置にセットしてもよい。

従って、この実施の形態２では、上記実施の形態１とは異なり、バウによる反りの向きの判別をした場合に、ウェーハの第１の主面（ラップのときに上側となる面）が凸面である場合と、ウェーハの第２の主面（ラップのときに下側となる面）が凸面である場合とがある。

さらに、上記両面ラップ加工を完了したウェーハｗの第１の主面と第２の主面の上下を反転させて両面研磨装置２０にセットし、このウェーハを両面研磨加工する（図３のステップＳ１４）。この実施の形態２では、上定盤１０ａ側を凸にしてラップ加工されたウェーハは、下定盤２０ｂ側を凸にして研磨加工されることになり、逆に下定盤１０ｂ側を凸にしてラップ加工されたウェーハは、上定盤２０ａ側を凸にして研磨加工されることになる。そして、研磨加工したウェーハを洗浄する。

以上のように本発明の実施の形態２によれば、スライスされたウェーハを両面ラップしたあと、このウェーハの主面を反転させて（上面と下面とをひっくり返して）、両面研磨をすることにより、ウェーハのワープ品質を従来と同等以上に保持しつつ、ウェーハのナノトポロジーを従来よりも改善することができる。

上記図１の４つの手順Ａ〜Ｄについて、１つの手順を複数のロットずつ実施した。それぞれのロットは、所定枚数のシリコンウェーハによって構成されており、上記図２のステップＳ２によってあらかじめ反りの向きを判別してある。手順Ａ〜Ｄのそれぞれについて、ラップ研磨後のナノトポを評価するとともに、ラップ研磨によるワープ改善率（研磨後ワープ計測値／ラップ前ワープ計測値）を評価した。なお、ナノトポは、ウェーハ主面の微視的凹凸であり、ウェーハ面内の例えば２ｍｍ□あるいは１０ｍｍ□の領域内においての凹凸の高さである。また、ワープは、ウェーハ主面の巨視的凹凸（うねり）であり、ウェーハの基準面から第１の主面側の中心面までの最大変位値と、上記基準面から第２の主面側の中心面までの最大変位値の合計値である。

図１において、手順Ａは、上記実施の形態１で説明したラップ研磨手順に相当するものであって、ラップ加工では反りの凸面をラップ装置１０の上定盤１０ａ側とし、研磨加工ではウェーハの主面を反転させて反りの凸面を研磨装置２０の下定盤２０ｂ側とするものである。また、手順Ｂは、上記手順Ａとともに上記実施の形態２で説明したラップ研磨手順に相当するものであって、上記手順Ａとは逆に、ラップ加工では反りの凸面をラップ装置１０の下定盤１０ｂ側とし、研磨加工ではウェーハの主面を反転させて反りの凸面を研磨装置２０の上定盤２０ａ側とするものである。

これに対し、図１の手順Ｃは、反りの凸面をラップ装置１０上定盤１０ａ側および研磨装置２０の下定盤２０ａ側にして、両面ラップおよび両面研磨をする手順である。逆に、図１の手順Ｄは、反りの凸面をラップ装置１０の下定盤１０ｂ側および研磨装置２０の下定盤２０ｂ側にして、両面ラップおよび両面研磨をする手順である。つまり、手順ＣおよびＤは、ラップ加工と研磨加工でウェーハの反りの向きを反転させない手順である。

［ナノトポの改善評価］
図４は図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのナノトポを示す図であり、（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは手順Ａ〜Ｄによるラップ研磨後のナノトポである。ナノトポの計測装置には、ＡＤＥ社製のＳＱＭを使用し、計測単位は１０ｍｍ□に設定した。図４において、横軸は測定値であり、縦軸左側はその測定値の度数（Freq.）、縦軸右側は測定値０からの度数累計（Cum.）である。

ラップ加工と研磨加工とでウェーハの凸面を上側にしたまま反転しない手順Ｃ（図４（ｃ））においてのラップ研磨後のナノトポの計測値平均は３８．４ｎｍであり、同じくラップ加工と研磨加工とでウェーハの凸面を下側にしたまま反転しない手順Ｄ（図４（ｄ））においてのラップ研磨後のナノトポの計測値平均は３８．２ｎｍであった。

これに対し、ラップ加工ではウェーハの凸面を上側とし、研磨加工ではウェーハを反転させて凸面を下側とする手順Ａ（図４（ａ））においてのラップ研磨後のナノトポの計測値平均は２６．９ｎｍであった。また、これとは逆に、ラップ加工ではウェーハの凸面を下側とし、研磨加工ではウェーハを反転させて凸面を上側とする手順Ｂ（図４（ｂ））においてのラップ研磨後のナノトポの計測値平均は２９．５ｎｍであった。

図５は図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのナノトポの様子を示す写真（ＳＱＭマップ）であり、（ａ）は手順ＡまたはＢによってラップ研磨した８枚のウェーハ、（ｂ）は手順ＣまたはＤによってラップ研磨した８枚のウェーハである。

ウェーハの反りの向きを反転しないでラップ加工および研磨加工をする手順ＣまたはＤによる図５（ｂ）では、特にウェーハエッジから１５ｍｍほど内側の円環領域のナノトポの悪化が認められる。しかし、ラップ加工と研磨加工とでウェーハの反りの向きを反転させた上記実施の形態１または２の手順（図１の手順ＡまたはＢ）による図５（ａ）では、上記図５（ｂ）と比較して、ナノトポ、特にウェーハエッジ近傍の円環パターンが改善されている様子が判る。

図４および図５のように、ウェーハの反りの向きを、ラップ加工時と研磨加工時とで反転させることにより、ナノトポを大きく改善できることが判る。

［ワープの改善評価］
図６は図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのワープ改善効果を説明する図であり、（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは手順Ａ〜Ｄによるラップ研磨前後のワープである。ＡＤＥ社製の三点支持裏返し法による計測装置を使用して、ラップ加工前のワープおよび研磨加工後のワープをそれぞれ計測した。図６において、横軸はラップ加工前（スライス後）のワープ計測値、縦軸は研磨加工後のワープ計測値である。

ラップ加工ではウェーハの凸面を下側とし、研磨加工ではウェーハを反転させて凸面を上側とする手順Ｂ（図４（ｂ））においてのワープ改善率平均（研磨後ワープ計測値平均／ラップ前ワープ計測値平均）は０．９２２（図６（ｂ）のＬＢの傾き）であり、ラップ加工と研磨加工とでウェーハの凸面を下側にしたまま反転しない手順Ｄ（図４（ｄ））においてのワープ改善率平均は０．８６９（図６（ｂ）のＬＤの傾き）であった。

これに対し、ラップ加工ではウェーハの凸面を上側とし、研磨加工ではウェーハを反転させて凸面を下側とする手順Ａ（図４（ａ））においてのワープ改善率平均は０．５３９（図６（ａ）のＬＡの傾き）であった。また、ラップ加工と研磨加工とでウェーハの凸面を上側にしたまま反転しない手順Ｃ（図４（ｃ））においてのワープ改善率平均は０．５８４（図６（ｃ）のＬＣの傾き）であった。

図６のように、ラップ加工時のウェーハの反りの向きを上側（上定盤側）に凸とすることにより、ワープを改善できることが判る。なお、このワープについては、研磨加工時にウェーハの主面を反転させた場合にも、ウェーハを反転させずに上定盤側を凸面にしたままの場合にも、同様に改善することができる。

なお、ラップ加工時と研磨加工時でウェーハの反りの向きを反転させた研磨後（手順Ａ後または手順Ｂ後）のウェーハについて、バウ（BOW）、ウェーハ平坦度の指標の１つであるＳＢＩＲ、外観検査歩留、およびパーティクル検査歩留の評価をしたが、ラップ加工時と研磨加工時でウェーハの反りの向きを反転させなかった研磨後（手順Ｃ後または手順Ｄ後）のウェーハと同等以上の結果を得られた。

本発明の半導体ウェーハの製造方法においてのラップ加工および研磨加工の手順（手順ＡまたはＢ）を説明する図である。 本発明の実施の形態１の半導体ウェーハの製造手順を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態２の半導体ウェーハの製造手順を説明するフローチャートである。 図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのナノトポの計測結果を示す図である。 図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのナノトポの様子を示す写真である。 図１の手順Ａ〜Ｄによってラップ加工および研磨加工したシリコンウェーハのワープ改善効果を示す図である。

符号の説明

１０ ラップ装置、 １０ａ 上定盤、 １０ｂ 下定盤、 ２０ 研磨装置、 ２０ａ 上定盤、 ２０ｂ 下定盤。

Claims (3)

1. 第１の主面と第２の主面に両面研磨を施した半導体ウェーハを製造する半導体ウェーハの製造方法であって、
   前記半導体ウェーハの第１の主面を上側、第２の主面を下側として、両主面をラップ加工するラップ工程と、
   ラップ加工した前記半導体ウェーハの主面を反転させ、前記第１の主面を下側、前記第２の主面を下側として、両主面を研磨加工する研磨工程と
   を含むことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
2. 前記半導体ウェーハの反りの向きが、前記ラップ工程では上側に凸であり、前記研磨工程では下側に凸であ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。
3. 前記ラップ工程の前に、前記半導体ウェーハの反りの向きを判別する判別工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハの製造方法。

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