JP2011086704A - 半導体ウェーハ研磨システムおよび半導体ウェーハ研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨布の状態を適正に評価することにより、ウェーハ表面の特性のバラツキを低減させ、また、研磨布を効率的に使用することにより、製造コストおよび環境負荷を低減させることにある。
【解決手段】 遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、研磨布でダミーウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定するステップと、前記測定により得られた吸光度およびパーティクル個数を用いて、前記研磨布の状態を評価する第一評価ステップとを具えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体ウェーハ研磨システムおよび半導体ウェーハ研磨方法に関し、特に、半導体シリコンウェーハの仕上げ研磨に用いられる研磨布の状態を評価する技術に関する。

近年、高機能化および高性能化が求められる半導体デバイスの分野において、その材料となる半導体ウェーハにも高品質化が望まれている。このような半導体ウェーハを製造するためのプロセスは、主に、単結晶インゴットを作製するための単結晶引上工程および作製された単結晶インゴットの加工工程からなる。この加工工程は、一般に、スライス工程、ラッピング工程、面取り工程、エッチング工程、鏡面研磨工程、洗浄工程等を含み、これら工程を経ることにより、表面が鏡面加工された半導体ウェーハが製造される。

これら工程のうち、鏡面研磨工程は、ウェーハの表面を平滑で無歪の鏡面にするために行われ、半導体ウェーハの最終形状が作り込まれるため、非常に厳しい品質が要求される。一例として、図１に、鏡面研磨工程で用いられる一般的な半導体ウェーハ研磨装置１０を示す。この半導体ウェーハ研磨装置１０は、回転テーブル(下盤)１１、この回転テーブル上に設けられた研磨布１２、上盤１３およびノズル１４を具え、このノズル１４から供給される研磨液１５を介して、研磨布１２によりウェーハ１６を研磨する構成を有する。

研磨液１５は、主に、アルカリ溶液中に焼成シリカやコロイダルシリカ等を分散させたものが用いられ、アルカリ溶液によってウェーハ表面に軟質なシリカ水和膜が形成され、その水和膜が研磨剤粒子によって除去されて加工が進むと考えられている。

また、この鏡面研磨工程では、粗研磨や仕上げ研磨などの多段階の鏡面研磨処理が行われ、粗研磨工程ではウェーハ表面の加工ダメージ除去や平坦化調整を主目的に、研磨布１２として、発泡ウレタンシートやポリエステル等不織布にウレタン樹脂を含浸させた硬質な研磨布を用い、研磨液１５として、研磨促進剤を添加した高能率の研磨剤などが用いられる。一方、仕上げ研磨工程では、ウェーハ表面のラフネス(粗さ)を改善することを主目的に、研磨布１２として、不織布の基布の上にウレタン樹脂などを発泡させたスエード状の研磨布を用い、研磨液１５として、ウェーハ表面上のくもりを抑制するための添加剤を加えた研磨剤などが用いられる。

このような鏡面研磨工程は、上述したように、ウェーハの表面を平滑で無歪の鏡面にするために行われるものではあるものの、ウェーハ表面状態を評価する技術が発達したことに伴い、ウェーハ表面に、研磨布起因のダメージが発生していることがわかってきた。

一般に、未使用の研磨布には、研磨布の製造過程で種々の不純物が付着している。これら不純物は、ウェーハ表面にダメージを与える原因となる。従って、製品ウェーハを最適な研磨布状態で研磨加工するために、従来、未使用の研磨布を使用する際には、図２に示すように、この研磨布を予洗い(温水洗浄、ブラシ洗浄、Jet噴流洗浄等)した後、製品としては出荷されないダミーウェーハを所定量だけ研磨(ダミーラン研磨)し、研磨後のダミーウェーハ表面を評価してその表面性状に異常がないことを確認した後、製品として出荷される製品ウェーハの研磨が行われていた。また、研磨布表面の樹脂は研磨によって徐々に磨耗していくため、研磨布の使用限界は、トータルの研磨工程時間や製品研磨枚数によって制限され、使用限界が近付いたら新しい研磨布への交換が行われていた。

特許文献１は、研磨布状態の適正化を図るために、亜鉛化合物の含有量が少ない研磨布を用いる技術が開示されている。この技術は、亜鉛化合物の含有量を少なくすることでウェーハ表面に与えるダメージを小さくし、また、研磨布の親水性が増すことでダミーウェーハの研磨枚数を減らし、作業効率を向上させるものである。

しかしながら、通常、未使用の研磨布に付着した不純物の量は、研磨布毎にそれぞれ異なるものであり、上記予洗いやダミーウェーハの研磨をどの程度行うべきか一義的に決定することは難しい。不純物量の異なる研磨布に対して同一の処理を施した場合、過剰な処理は作業効率を低下させ、さらに、研磨布を無駄に消費し、一方、不十分な処理は、製品ウェーハの表面の特性にバラツキを生じさせることに繋がる。

研磨布毎の最適状態を知る方法としては、実際に製品ウェーハを研磨加工し、製造されたウェーハ表面のダメージ、ここでは、レーザー表面検査装置で検出される輝点であるLPD(light point defect)の個数を評価する方法が挙げられるが、この方法では、研磨されたウェーハを洗浄工程まで進めなければならず、時間的効率が悪く、また、貴重なウェーハを数十枚使用しないといけないため無駄が多く、廃棄物が増加することから、環境への負荷も大きいという問題があった。

特再公表ＷＯ０１／０１５８６０号公報

本発明の目的は、研磨布の状態を適正に評価することにより、ウェーハ表面の特性のバラツキを低減させ、また、研磨布を効率的に使用することにより、製造コストおよび環境負荷を低減させることにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、研磨布でダミーウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定するステップと、前記測定により得られた吸光度およびパーティクル個数を用いて、前記研磨布の状態を評価する第一評価ステップとを具えることを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。

（２）前記第一評価ステップ後、遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら前記研磨布で製品ウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液のパーティクル個数を測定するステップと、前記測定により得られたパーティクル個数を用いて、前記研磨布の状態を評価する第二評価ステップとを具える上記（１）に記載の半導体ウェーハの研磨方法。

（３）前記第一評価ステップは、製品ウェーハの研磨開始タイミングを決定することを含む上記（１）または（２）に記載の半導体ウェーハの研磨方法。

（４）前記第二評価ステップは、前記研磨布の交換タイミングを決定することを含む上記（２）または（３）に記載の半導体ウェーハの研磨方法。

（５）遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、研磨布でダミーウェーハを研磨する半導体ウェーハ研磨装置、該半導体ウェーハ研磨装置からの使用済み研磨液の吸光度を測定する吸光度測定装置、および、前記半導体ウェーハ研磨装置からの使用済み研磨液のパーティクル個数を測定するパーティクル個数測定装置を具えることを特徴とする半導体ウェーハ研磨システム。

（６）前記吸光度測定装置は、紫外線吸光光度計である上記（５）に記載の半導体ウェーハ研磨システム。

（７）前記パーティクル個数測定装置は、光遮断式液中パーティクルカウンターである上記（５）または（６）に記載の半導体ウェーハ研磨システム。

本発明は、使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定し、研磨布の状態を評価することにより、ウェーハ表面の特性のバラツキを低減させることができ、また、研磨布の効率的な使用が可能となることから、製造コストおよび環境負荷を低減させることができる。

図１は、鏡面研磨工程で用いられる一般的な半導体ウェーハ研磨装置を示す。 図２は、一般的な半導体ウェーハ研磨工程のフローを示す。 図３は、半導体ウェーハ研磨システムを模式的に表した概略図を示す。 図４は、研磨布の界面活性剤含有量と、製造された半導体ウェーハ上のＬＰＤの個数との関係を示したグラフを示す。 図５は、研磨布のウレタン粉末含有量と、製造された半導体ウェーハ上のＬＰＤの個数との関係を示したグラフを示す。 図６は、使用済み研磨液の吸光度と界面活性剤含有量との関係を示したグラフを示す。 図７は、使用済み研磨液のパーティクル個数とウレタン含有量との関係を示したグラフを示す。 図８は、半導体ウェーハの研磨時間とパーティクル個数との関係を示したグラフを示す。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法および半導体ウェーハ研磨システムの実施形態について図面を参照しながら説明する。

図３は、半導体ウェーハ研磨システムを模式的に示した概略図である。本発明に従う半導体ウェーハ研磨システム１００は、一例として図３に示されるように、半導体ウェーハ研磨装置１０、吸光度測定装置２０、パーティクル個数測定装置３０を具える。

この半導体ウェーハ研磨装置１０は、図１で示したように、回転テーブル１１、この回転テーブル上に設けられた研磨布１２、上盤１３およびノズル１４を具える。本発明の半導体ウェーハ研磨システムは、遊離砥粒を含む研磨液１５を供給しながら、研磨布１２でダミーウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定する。なお、吸光度測定装置２０とパーティクル個数測定装置３０を配置する順番は逆であっても良い。

研磨液１５は、アルカリ性水溶液に砥粒を分散させたものを使用する。具体的には、ｐＨ８〜１４の範囲内に調整したアルカリ性水溶液であって、ｐＨ調整剤として、アンモニア水溶液、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムの水酸化アルカリ性の水溶液、炭酸アルカリ性の水溶液、ヒドラジンやアミン類の水溶液などが添加されたものである。更に、研磨液１５に界面活性剤やキレート剤なども添加してもよい。砥粒(遊離砥粒)の素材としては、例えばコロイダルシリカ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどを採用することができる。

研磨布１２は、ポリウレタンを使用することが望ましく、ウェーハ表面の鏡面化精度に優れる発泡性ポリウレタンを用いることが望ましい。その他、スエードタイプのポリウレタンやポリエステル製の不織布なども採用することができる。一般的には、発泡性ポリウレタンが採用されるが、この発泡性ウレタンは、不織布にポリウレタンを含浸させた後、ウレタンを内部発泡させ、発泡により形成した気泡部分が表面に露出するようにサンドペーパー等で表面を削り取るようにして表層部に多数のナップ層を有している。このため、ウレタンの発泡時に用いられた界面活性剤や、表面を削り取った際に生じたウレタンの微小な粉末が研磨布１２表面のナップ層内に混入している。

ウェーハの研磨工程において、研磨布１２上に供給される研磨液１５は、上記界面活性剤と交じり合うと、研磨液１５中のコロイダルシリカが界面活性剤をバインダーとして異常凝集し、数１００ｎｍのサイズの大きな粗大粒子となる傾向がある。この粗大粒子は、半導体ウェーハの表面(研磨面)を研磨加工中に傷つけ、また、粒子そのものがウェーハ上に付着・固着し、ＬＰＤの原因となる。図４は、研磨布１２の界面活性剤含有量と製造された半導体ウェーハ上のＬＰＤの個数との関係を示したグラフである。この界面活性剤の含有量は、JIS K0102に示される測定法を用い、使用前の研磨布の一部を水で洗い、蒸留水に浸漬後、上澄み液を分析することにより測定されたものであり、ＬＰＤの個数は、研磨加工後の半導体ウェーハの表面をレーザーパーティクルカウンタで測定することにより得られたものである。図４から、研磨布に含まれる界面活性剤の量が少ないほど、研磨加工終了後のウェーハ表面のＬＰＤの個数も少ないことがわかる。

また、上記ウレタン粉末も、コロイダルシルカの粗大粒子同様、ウェーハ上に付着してＬＰＤの原因となる。図５は、研磨布１２のウレタン粉末含有量と製造された半導体ウェーハ上のＬＰＤの個数との関係を示したグラフである。このウレタン粉末の含有量は、使用前の研磨布の一部を水で洗い、蒸留水に浸漬後、超音波洗浄し、蒸留水中のウレタンをメンブレン濾紙に濾過させ、濾紙を顕微鏡観察し、単位面積あたりの個数をカウントしたものであり、ＬＰＤの個数は、研磨加工後の半導体ウェーハの表面をレーザーパーティクルカウンタで測定することにより得られたものである。図５から、研磨布に含まれるウレタン粉末の量が少ないほど、研磨加工終了後のウェーハ表面のＬＰＤの個数も少ないことがわかる。

図４および図５に示した研磨布１２の界面活性剤およびウレタン粉末の含有量は、使用前の研磨布の一部を用いる破壊検査により測定されたものであるが、これらは、使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定することにより、間接的に把握することができる。図６は、使用済み研磨液の吸光度と界面活性剤含有量との関係を示したグラフであり、図７は、使用済み研磨液のパーティクル個数とウレタン粉末含有量との関係を示したグラフである。いずれも、界面活性剤含有量およびウレタン粉末含有量が少ないほど、それぞれ吸光度およびパーティクル個数も少ないことがわかる。したがって、図４〜図７で示されるように、製造された半導体ウェーハ上のＬＰＤの個数は、使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定することにより間接的に求めることができる。

一例として図３で示された本発明の吸光度測定装置２０は、半導体ウェーハ研磨装置１０からの使用済み研磨液の吸光度を測定する。吸光度測定装置２０は、波長が短く、微粒子測定に適している点で、紫外線吸光光度計とするのが好ましい。

一例として図３で示された本発明のパーティクル個数測定装置３０は、半導体ウェーハ研磨装置からの使用済み研磨液のパーティクル個数を測定する。パーティクル個数測定装置３０は、光遮断式液中パーティクルカウンターとするのが好ましい。

本発明の半導体ウェーハ研磨方法は、上述したようなシステムを用いた測定により得られた吸光度およびパーティクル個数を用いて、研磨布１２の状態を評価する第一評価ステップを具える。この第一評価ステップは、製品ウェーハの研磨開始タイミングを決定することができる。

製品ウェーハの研磨開始タイミングは、上記吸光度の値が０．０２以上０．０５未満となるタイミングとするのが好ましい。研磨布１２の使用初期段階では、研磨液１５中のコロイダルシリカが研磨布１２の発泡部分(ナップ層)に吸着されることにより、使用済みの研磨液中のコロイダルシリカ含有量は一時的に少なくなる。その後、ナップ層内でコロイダルシリカが飽和状態となり、使用済みの研磨液中のコロイダルシリカ含有量は増加する。また、一般に、鏡面研磨工程は、研磨液を用いる研磨加工と、この研磨液を洗い流す純水リンス処理を同じ研磨装置を用いて行う。よって、使用済み研磨液の濃度は常に一定とはならず、上記純水によって希釈されている場合がある。図６で示すように、使用済み研磨液の吸光度が０．０２未満では界面活性剤含有量がほとんどない状態にあり、半導体ウェーハの研磨処理が完了していない状態にあると判定でき、吸光度が０．０５以上では界面活性剤含有量が大きく増加している状態にあることが確認された。このため、吸光度の値が０．０２以上０．０５未満となるタイミングで製品ウェーハの研磨を開始することが有効となる。

さらに、上記製品ウェーハの研磨開始タイミングは、上記パーティクル個数の値が２０００個/ｍｌ未満となるタイミングとするのが好ましい。図７で示すように、パーティクル個数の値を２０００個/ｍｌ未満とすることにより、ウレタン粉末による半導体ウェーハの表面上のＬＰＤの個数を100個/cm^２以下の適正範囲とすることができる。

このように、本発明に従う半導体ウェーハ研磨方法は、研磨布ごとの使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定し、研磨布の状態を評価することにより、研磨布が異なることによるウェーハ表面の特性のバラツキを低減させることができ、また、過剰なダミーランを行うこともなくなり、研磨布の効率的な使用が可能となることから、製造コストおよび環境負荷を低減させることができる。

さらに、本発明の半導体ウェーハ研磨方法は、第一評価ステップ後、遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら前記研磨布で製品ウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液のパーティクル個数を測定するステップを有するのが好ましい。

研磨加工中も、研磨布は徐々に磨耗していくために、使用回数がある限度を超えると、ナップ部が磨耗してウレタン粉末個数も増加していく。これは、製造された半導体ウェーハのＬＰＤ個数の増加に繋がるため、本発明は、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液のパーティクル個数を測定し、測定により得られたパーティクル個数を用いて、研磨布の状態を評価する第二評価ステップを具えるのが好ましい。

この第二評価ステップは、研磨布の交換タイミングを決定することができる。上記パーティクル個数の計測により、所定量以上となったら、研磨布交換のタイミングであることが判断できるため、使用ライフの終了間際まで無駄を省くことができる。

異なる４枚の不織布に、それぞれポリウレタンを含浸させた後、ウレタンを内部発泡させ、さらにその発泡部分が表面に露出するようにバッフィングし、研磨布１〜４を用意した。

これら研磨布１〜４の各々を用いて、複数枚の半導体ウェーハ(ダミーウェーハおよび製品ウェーハ)を研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液中のパーティクル個数および吸光度を、それぞれ光遮断式液中パーティクルカウンター(リオン製,KS-71)および紫外線吸光光度計(島津製作所製,UVM-402)を用いて測定した。測定した。研磨液は、アルカリ溶液中に、粒径が数１０ｎｍのサイズのＳｉＯ_２粒子をコロイド状に分散させたものを用いた。

図８は、上記研磨布１〜４のそれぞれについて、半導体ウェーハの研磨時間と使用済み研磨液中のパーティクル個数との関係を示したグラフである。使用初期の状態がそれぞれ異なる研磨布１〜４について、それらパーティクル個数の時間的変化をリアルタイムで測定した。

従来は、使用済み研磨液中のパーティクル個数および吸光度を測定することなく、製品ウェーハの研磨開始タイミングおよび研磨布の交換タイミングを、トータルの研磨工程時間で一律に決定していたため、異なる状態の研磨布の全てに対して最適なタイミングを決定することはできなかった。例えば、図８からわかるように、製品ウェーハの研磨開始タイミングを１０分とした場合、研磨布２〜４を用いた研磨の使用済み研磨液中のパーティクル個数は減少しており、製品ウェーハを研磨するのに適切なタイミングであるが、研磨布１を用いた研磨の使用済み研磨液中のパーティクル個数は減少しておらず、ダミーランが不十分であることがわかる。同様に、研磨布の交換タイミングを５０００分とした場合、研磨布３を用いた研磨の使用済み研磨液中のパーティクル個数は減少しており、研磨布を交換するのに適切であることがわかり、研磨布１、２および４に対しては、製品ウェーハの研磨開始タイミングが早すぎることがわかる。これは、研磨布の相違による製品ウェーハの表面状態のバラツキに繋がる。

一方、本発明によれば、研磨布１〜４のそれぞれを用いた研磨の使用済み研磨液のパーティクル個数をリアルタイムで測定し、評価する。一例として、研磨布１〜４に関して言えば、ＬＰＤの個数を１ウェーハ当たり５０個未満となる、使用済み研磨液中のパーティクル個数は２０００個/ｍｌ未満で、かつ吸光度が０．０２以上０．０５未満となるのは、研磨布１については、製品研磨開始タイミングは、研磨開始から１０００分の時点、研磨布の交換タイミングは、研磨開始から５０００分の時点とする。また、研磨布２については、製品研磨開始タイミングは、研磨開始から１分の時点、研磨布の交換タイミングは、研磨開始から８０００分の時点とする。同様に、研磨布３については、製品研磨開始タイミングは、研磨開始から１００分の時点、研磨布の交換タイミングは、研磨開始から１０００分の時点とし、研磨布４については、製品研磨開始タイミングは、研磨開始から１０分の時点、研磨布の交換タイミングは、研磨開始から５０００分の時点とする。

従って、本発明は、異なる初期状態を有する研磨布の各々を用いた研磨の使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数をリアルタイムで測定し、評価することにより、使用初期の研磨布に対しては、十分かつ無駄のないようダミーランの終了、すなわち製品ウェーハの研磨開始タイミングを決定することができ、また、使用後期の研磨布に対しては、適切な研磨布の交換タイミングを決定することができる。

本発明によれば、使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定し、研磨布の状態を評価することにより、ウェーハ表面の特性のバラツキを低減させることができ、また、研磨布の効率的な使用が可能となることから、製造コストおよび環境負荷を低減させることができる。

１０ 半導体ウェーハ研磨装置
１１ 回転テーブル
１２ 研磨布
１３ 上盤
１４ ノズル
１５ 研磨液
１６ 半導体ウェーハ
２０ 吸光度測定装置
３０ パーティクル個数測定装置

Claims (7)

1. 遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、研磨布でダミーウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液の吸光度およびパーティクル個数を測定するステップと、
   前記測定により得られた吸光度およびパーティクル個数を用いて、前記研磨布の状態を評価する第一評価ステップと
   を具えることを特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
2. 前記第一評価ステップ後、遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら前記研磨布で製品ウェーハを研磨し、この研磨で使用し回収された使用済み研磨液のパーティクル個数を測定するステップと、
   前記測定により得られたパーティクル個数を用いて、前記研磨布の状態を評価する第二評価ステップと
   を具える請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
3. 前記第一評価ステップは、製品ウェーハの研磨開始タイミングを決定することを含む請求項１または２に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
4. 前記第二評価ステップは、前記研磨布の交換タイミングを決定することを含む請求項２または３に記載の半導体ウェーハの研磨方法。
5. 遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、研磨布でダミーウェーハを研磨する半導体ウェーハ研磨装置、
   該半導体ウェーハ研磨装置からの使用済み研磨液の吸光度を測定する吸光度測定装置、および、
   前記半導体ウェーハ研磨装置からの使用済み研磨液のパーティクル個数を測定するパーティクル個数測定装置
   を具えることを特徴とする半導体ウェーハ研磨システム。
6. 前記吸光度測定装置は、紫外線吸光光度計である請求項５に記載の半導体ウェーハ研磨システム。
7. 前記パーティクル個数測定装置は、光遮断式液中パーティクルカウンターである請求項５または６に記載の半導体ウェーハ研磨システム。

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