JP2016100477A - 化学機械研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板を酸化剤を用いて研磨する化学機械研磨方法において、短時間で研磨可能な化学機械研磨方法を提供する。
【解決手段】少なくとも酸化剤を含むスラリーを基板Ｗに供給する工程と、基板Ｗのステップテラス構造を昇る方向Ｄ１と基板の研磨方向Ｄ２とを略一致させた状態で前記基板を研磨する研磨工程と、を含む化学機械研磨方法であり、炭化ケイ素のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させることにより、炭化ケイ素基板がスムーズに研磨されるため、炭化ケイ素基板を短時間で研磨することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、化学機械研磨方法に関し、特に、ステップテラス構造を有する炭化ケイ素の基板を研磨する化学機械研磨方法に関する。

半導体デバイスには、非常に硬く安定した物性を示す炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板が用いられることがある。炭化ケイ素基板を平坦に研磨する化学機械研磨方法（ＣＭＰ）は、長時間かけて研磨処理が行われるため、非常に高コストになりがちである。そこで、炭化ケイ素基板の研磨の際には、酸化材を含むスラリーを用いることがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の研磨方法は、過マンガン酸塩等の酸化剤を含むスラリーを用いて、炭化ケイ素基板を研磨するものである。過マンガン酸塩等の強い酸化剤を用いることにより、従来のようなコロイダルシリカを用いた研磨と比較して、短時間で研磨することが可能になった。

特表２０１１−５１３９９１号公報。

しかしながら、上述したような酸化剤を用いた研磨方法であっても、依然として炭化ケイ素基板の研磨には長時間を要するという問題があった。

そこで、炭化ケイ素基板を短時間で研磨するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本発明者が鋭意研究を重ねた結果、ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板を研磨する際に、ステップテラス構造に対する研磨方向が炭化ケイ素基板の研磨レートに影響することを発見し、ステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させた状態で研磨するときの研磨レートが最も良好であることを見出した。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板を研磨する化学機械研磨方法において、少なくとも酸化剤を含むスラリーを前記基板に供給する工程と、前記基板のステップテラス構造を昇る方向と前記基板の研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する研磨工程と、を含む化学機械研磨方法を提供する。

この方法によれば、炭化ケイ素のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させることにより、炭化ケイ素基板がスムーズに研磨されるため、炭化ケイ素基板を短時間で研磨することができる。なお、「ステップテラス構造」とは、炭化ケイ素の単結晶インゴットを結晶面に対して斜めに切断した際に現れる結晶面の階段状構造をいう。また、「ステップテラス構造を昇る方向」とは、ウェハの表面に沿って、且つケイ素原子が露出する面を階段の踏み面と見立てると階段を昇る方向をいう。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の化学機械研磨方法の構成に加えて、前記研磨工程は、前記プラテンを所定の回転方向に回転させ、前記基板のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する１次研磨工程と、前記研磨された基板の内周側と外周側とを入れ替える工程と、前記プラテンを前記所定の回転方向と逆向きに回転させ、前記基板のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する２次研磨工程と、を含む化学機械研磨方法を提供する。

この方法によれば、自転するプラテンで炭化ケイ素基板を研磨する際に、回転するプラテンにおける径方向の線速度に依存した研磨量のバラつきが低減されるため、精度良く研磨することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の化学機械研磨方法の構成に加えて、前記１次研磨工程の研磨時間と前記2次研磨工程の研磨時間とは略同一である化学機械研磨方法を提供する。

この方法によれば、自転するプラテンで炭化ケイ素基板を研磨する際に、回転するプラテンにおける径方向の線速度に依存した研磨量のバラつきが更に低減されるため、精度良く研磨することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の化学機械研磨方法の構成に加えて、前記研磨工程の後に、前記基板と前記プラテンとを夫々自転させた状態で接触させ、前記基板を仕上げ研磨する仕上げ研磨工程を含む化学機械研磨方法を提供する。

この方法によれば、平面を滑らかに研磨することができる。

本発明は、炭化ケイ素のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させることにより、炭化ケイ素基板がスムーズに研磨されるため、炭化ケイ素基板を短時間で研磨することができる。

本発明の一実施例に係る化学機械研磨方法を適用するＣＭＰ装置の構成を示す模式図。 炭化ケイ素基板を示す平面図。 炭化ケイ素基板のステップテラス構造を示す模式図。 研磨レートの評価試験時のＣＭＰ装置を示す平面図。 研磨レートの評価試験における研磨方向を示す模式図。 化学機械研磨方法の手順を示す模式図。

本発明に係る化学機械研磨方法は、炭化ケイ素基板を短時間で研磨するという目的を達成するために、ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板を研磨する化学機械研磨方法において、少なくとも酸化剤を含むスラリーを基板に供給する工程と、基板のステップテラス構造を昇る方向と基板の研磨方向とを略一致させた状態で基板を研磨する研磨工程と、を含むことにより実現する。

以下、本発明の一実施例に係る化学機械研磨方法を適用するＣＭＰ装置１について、図１に基づいて説明する。図１は、ＣＭＰ装置１の装置構成を示す模式図である。

ＣＭＰ装置１は、プラテン２と、研磨パッド３と、キャリア４と、スラリー供給手段５と、を備えている。なお、図１中の符号６は、研磨パッド３を目立てするコンディショナーである。

プラテン２は、図示しない駆動装置上に載置されて中央の駆動軸回りに自転可能である。

研磨パッド３は、プラテン２の上面に保持されており、プラテン２の自転に応じて基板Ｗとの接触面が摩耗することにより基板Ｗが研磨される。なお、研磨パッド３は、本実施例のように円形に形成されて研磨パッド３の中央の回転軸回りに回転運動するものに限定されず、例えば、無端ベルト状に形成されて直線運動するものであっても構わない。

キャリア４は、プラテン２の上方に配置されており、基板Ｗを真空吸着して基板Ｗと一体化される。キャリア４は、図示しない駆動装置によってキャリア４の中央の回転軸回りに自転可能である。

スラリー供給手段５は、スラリー７を研磨パッド３上に吐出する。スラリー７は、プラテン２の自転に応じて研磨パッド３上に広がり、基板Ｗと研磨パッド３との接触領域に供給される。

スラリー７は、水等の液体キャリアと酸化剤とを含み、好ましくは、砥粒を更に含んでいる。スラリー７は、酸化剤及び研磨材の他に、添加剤を含むものであっても構わない。酸化剤は、例えば、過マンガン酸塩であるが、これに限定されるものではない。

次に、ＣＭＰ装置１で研磨する基板Ｗについて図面に基づいて説明する。図２は、基板Ｗを示す平面図であり、図３は、基板Ｗのステップテラス構造を示す模式図である。

基板Ｗは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の単結晶インゴットを切断して構成されている。基板Ｗには、第１のオリフラＯＦ１と平行にステップテラス構造が形成されている。ここで、「ステップテラス構造」とは、図３に示すように、単結晶インゴットを結晶面に対して斜めに切断した際に現れる階段状構造をいい、本実施例にかかる基板Ｗでは、ケイ素（Ｓｉ）原子及び炭素（Ｃ）原子の配列が結晶面に対する傾き、所謂、オフカット角が４度に設定されている。また、「ステップテラス構造を昇る方向Ｄ１」とは、ウェハＷの表面に沿って、且つＳｉ原子が露出する面を階段の踏み面と見立てると階段を昇る方向をいい、本実施例では図２の紙面左から右に向かう方向に一致する。なお、以下では、「ステップテラス構造を降りる方向」とは、ウェハＷの表面に沿って、且つＳｉ原子が露出する面を階段の踏み面と見立てると該階段を下りる方向とする。

次に、ステップテラス構造を昇る方向Ｄ１に対する研磨方向Ｄ２の向きを変えて行った研磨レートの評価試験について説明する。図４は、評価試験時のプラテン２、キャリア４、スラリー供給手段５の配置関係を示すものである。図５（ａ）〜（ｄ）は、評価試験時のステップテラス構造と研磨方向Ｄ２との関係を示す模式図である。

評価試験は、ステップテラス構造に対する研磨方向Ｄ２の向きを変えて基板Ｗを研磨することで行った。評価試験では、プラテン２の回転数を１００ｒｐｍ、キャリア４の回転数を０ｒｐｍ、キャリア加重を４ｐｓｉ、スラリー流量を１００ｃｃ／ｍｉｎに設定した。その結果、図５（ａ）に示すように、研磨方向Ｄ２をステップテラス構造を昇る方向Ｄ１に略一致させた場合には、研磨レートが最大値（３．１４μｍ／ｈ）になった。また、図５（ｂ）に示すように、研磨方向Ｄをステップテラス構造を降りる方向に一致させた場合には、研磨レートが最小値（１．２５μｍ／ｈ）になった。なお、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように研磨方向Ｄ２をステップテラス構造を横切る方向に一致させた場合には、前者の場合の研磨レートが１．８１μｍ／ｈ、後者の場合の研磨レートが１．８２μｍ／ｈとなった。なお、キャリアを１０３ｒｐｍで自転させた場合の研磨レートは、２．１８μｍ／ｈであった。なお、「研磨方向Ｄ２をステップテラス構造を昇る方向Ｄ１に略一致させた」とは、研磨レートが著しく低下しない範囲内で、研磨方向Ｄ２をステップテラス構造を昇る方向Ｄ１から傾けても構わないことを意味する。

このように、ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板Ｗを研磨する際には、研磨方向Ｄ２をステップテラス構造を昇る方向Ｄ１と略一致に設定することにより、通常のようなキャリアを自転させながら行う研磨と比較して、効率的に研磨を行えることが分かった。

次に、炭化ケイ素基板Ｗの化学機械研磨方法について図６に基づいて説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は、化学機械研磨方法の各工程を示す模式図である。

化学機械研磨方法は、１次研磨工程と、基板の向きを変える工程と、２次研磨工程と、仕上げ研磨工程と、を含む。

１次研磨工程では、キャリア４を固定した状態でプラテン２のみを時計回りに自転させることにより、基板Ｗの研磨方向Ｄ２が図６（ａ）における紙面中の下方から上方に向かう方向に固定される。したがって、ステップテラス構造を昇る方向Ｄ１を研磨方向Ｄ２と略一致するように基板Ｗをキャリア４に位置決めする。本実施例では、基板Ｗは、第１のオリフラＯＦ１を内周側、第２のオリフラＯＦ２をプラテン２の回転方向の上流側に向けて位置決めされる。１次研磨工程の研磨条件を表１に示す。

ところで、基板Ｗの研磨量は、プラテン２の線速度の大小に応じて増減する。プラテン２の線速度は、内周側から外周側に向かう程早くなるため、基板Ｗの研磨量も、内周側から外周側に向かって大きくなる。すなわち、基板Ｗの研磨量は、プラテン２の径方向においてバラつきが生じ得る。そこで、以下の工程では、このような基板Ｗの径方向の研磨量のバラつきを解消する。

基板Ｗの向きを変える工程は、図６（ｂ）に示すように、キャリア４を反時計回りに１８０度回動させる。これにより、基板Ｗの内周側と外周側とが、キャリア４の回動前後で逆になる。また、ステップテラス構造を昇る方向Ｄ１は図６（ｂ）の紙面における上方から下方に向かう方向に一致する。

２次研磨工程は、図６（ｃ）に示すように、キャリア４を固定した状態でプラテン２のみを反時計回りに自転させて基板Ｗを研磨する。２次研磨工程の研磨条件は、プラテン２の自転方向を除いて１次研磨工程と同様である。基板Ｗの研磨方向Ｄ２は、図６（ｃ）の紙面における上方から下方に向かう方向に一致し、ステップテラス構造を昇る方向Ｄ１に一致する。

このようにして、１次研磨工程と２次研磨工程とで、基板Ｗの内周側と外周側とが逆になっていることにより、基板Ｗの径方向の研磨量のバラつきは解消され、基板Ｗは平坦に研磨される。１次研磨工程と２次研磨工程との研磨時間は、それぞれ同じ時間が好ましい。これにより、基板Ｗの径方向の研磨量のバラつきは更に解消される。

仕上げ研磨工程では、図６（ｄ）に示すように、プラテン２及びキャリア４を反時計回りにそれぞれ自転させる。仕上げ研磨工程の研磨条件を表２に示す。これにより、基板Ｗの被研磨面全面の研磨量が均一になる。

このような手順で研磨を行うことにより、従来のようにステップテラス構造を考慮せずに研磨する場合と比較すると、１μｍを研磨するのに必要な研磨時間を３０分から２０分に短縮することができた。

なお、基板の向きを変える工程及び２次研磨工程は、必ずしも必要ではなく、例えば、グラインダのような線速度にバラつきが生じにくい研磨であれば、これらの工程は省略しても構わない。

このようにして、上述した本実施例に係る化学機械研磨方法は、炭化ケイ素基板Ｗのステップテラス構造を昇る方向Ｄ１と研磨方向Ｄ２とを略一致させることにより、炭化ケイ素基板Ｗがスムーズに研磨されるため、炭化ケイ素基板Ｗを短時間で研磨することができる。

なお、本発明は、自転するプラテンにのみ適用されるものではなく、例えば、グラインダのような巻回された帯状の研磨手段で研磨されるものにも適用可能なことは言うまでもない。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１ ・・・ 化学機械研磨装置
２ ・・・ プラテン
３ ・・・ 研磨パッド
４ ・・・ キャリア
５ ・・・ スラリー供給手段
６ ・・・ コンディショナー
７ ・・・ スラリー
Ｄ１・・・ ステップテラス構造を昇る方向
Ｄ２・・・ 研磨方向

Claims (4)

1. ステップテラス構造を有する炭化ケイ素基板を研磨する化学機械研磨方法において、
   少なくとも酸化剤を含むスラリーを前記基板に供給する工程と、
   前記基板のステップテラス構造を昇る方向と前記基板の研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する研磨工程と、
   を含むことを特徴とする化学機械研磨方法。
2. 前記研磨工程は、
   前記プラテンを所定の回転方向に回転させ、前記基板のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する１次研磨工程と、
   前記研磨された基板の内周側と外周側とを入れ替える工程と、
   前記プラテンを前記所定の回転方向と逆向きに回転させ、前記基板のステップテラス構造を昇る方向と研磨方向とを略一致させた状態で前記基板を研磨する２次研磨工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の化学機械研磨方法。
3. 前記１次研磨工程の研磨時間と前記2次研磨工程の研磨時間とは略同一であることを特徴とする請求項２記載の化学機械研磨方法。
4. 前記研磨工程の後に、前記基板と前記プラテンとを夫々自転させた状態で接触させ、前記基板を仕上げ研磨する仕上げ研磨工程を含むことを特徴とする請求項２又は３記載の化学機械研磨方法。