JP2016134488A

JP2016134488A - 研磨装置および半導体ウェハの研磨方法

Info

Publication number: JP2016134488A
Application number: JP2015007898A
Authority: JP
Inventors: 視紅磨加藤; Shiguma Kato; 雄一郎藤山; Yuichiro Fujiyama; 琢視高橋; Takumi Takahashi; 拓丸尾; Hiroshi Maruo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-07-25
Also published as: US20160207165A1; US9550273B2

Abstract

【課題】半導体ウェハの裏面研磨の状況を詳細に把握することを可能とする。
【解決手段】実施形態によれば、研磨装置は、ステージと、研磨部と、歪み測定部を備える。ステージは、半導体ウェハを載置して回転する。研磨部は、ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する。歪み測定部は、ステージに設けられ、半導体ウェハの研磨中、半導体ウェハの半径方向への歪みと、半導体ウェハの回転方向への歪みを測定する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、研磨装置および半導体ウェハの研磨方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウェハの裏面外周部に発生した不要な膜（バリ）を除去するために、裏面研磨が実施されることがある。半導体ウェハの裏面研磨の状況は、例えば、半導体ウェハを載置するステージの回転トルクの変化により判定することができる。しかしながら、この手法では、裏面研磨の状況をマクロ的で大雑把に把握することができるに留まり、必ずしも正確に判定することができないのが実情である。

特開平９−１３９３６７号公報特開平７−２０１７９０号公報特開２０１３−１０３３１８号公報

実施形態は、半導体ウェハの裏面研磨の状況を詳細に把握することを可能とする研磨装置および半導体ウェハの研磨方法を提供することを目的とする。

実施形態によれば、研磨装置は、ステージと、研磨部と、歪み測定部を備える。ステージは、半導体ウェハを載置して回転する。研磨部は、ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する。歪み測定部は、ステージに設けられ、半導体ウェハの研磨中、半導体ウェハの半径方向への歪みと、半導体ウェハの回転方向への歪みを測定する。

図１は、実施形態にかかる研磨装置の構成を示す側面図である。図２は、図１に示す研磨装置の一部を省略した底面図である。図３は、歪みゲージによる歪みの測定結果の第１の例を示す図である。図４は、歪みゲージによる歪みの測定結果の第２の例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる研磨装置および半導体ウェハの研磨方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態にかかる研磨装置１の構成を示す図である。図２は、図１に示す研磨装置の一部を省略した底面図である。図示するとおり、研磨装置１は、ステージ２と、複数の研磨部３，４と、複数の歪み測定部５〜８と、判定部９を備える。ステージ２は、例えば、図示されない真空吸着機構を備えており、上面２ａに載置される半導体ウェハ１０を真空吸着によって保持することができる。ステージ２は、図示されないモータ等の回転機構から回転力を付与されると、軸Ａ１を中心にして高速回転し、上面２ａに載置された半導体ウェハ１０を高速回転させる。軸Ａ１は、上面２ａに対して略垂直である。半導体ウェハ１０は、裏面１０ａをステージ２の上面２ａに載置され、裏面１０ａとは反対側に位置する表面１０ｂに素子や配線を備えたチップ領域が形成される。半導体ウェハ１０の裏面１０ａの外周部には凹凸を有するバリ（図示せず）が形成されている。バリは、半導体ウェハ１０の表面に形成された複数層の反応生成物（デポジット膜）が半導体ウェハ１０の側面を経て回り込むことによって形成される。

各研磨部３，４は、ステージ２の側方であって、ステージ２の上面２ａに載置された半導体ウェハ１０の裏面１０ａの外周部に配置される。各研磨部３，４は、研磨テープ１１と、複数のガイドローラ１２と、ヘッド１３とを備える。研磨テープ１１は、図示されない供給リールからヘッド１３と半導体ウェハ１０の裏面１０ａの間に供給される。各研磨部３，４において、研磨テープ１１は、ガイドローラ１２に係回され、複数のガイドローラ１２の間でヘッド１３から所定の圧力を加えられ、半導体ウェハ１０の裏面１０ａの外周部に接触し、裏面１０ａを研磨圧力Ｆ１，Ｆ２で押圧する。研磨圧力Ｆ１，Ｆ２は、半導体ウェハ１０の裏面１０ａから表面１０ｂの方向の力である。研磨テープ１１は、半導体ウェハ１０との接触面には、ダイヤモンド等の砥粒が固定されている。研磨テープ１１は、当該接触面と高速回転する半導体ウェハ１０の裏面１０ａとの間に発生する摩擦によって、裏面１０ａの外周部を研磨し、バリを除去する。研磨テープ１１は、図示されない供給リールから回収リールに向けて所定の速度で走行し、裏面１０ａの研磨によって摩耗した接触面が回収リールに回収される。研磨部３，４は、半導体ウェハ１０の半径方向Ｄ１（図２において、略円形状の半導体ウェハ１０の中心（軸Ａ１に相当）から外周に向かう方向またはその逆方向）に移動可能であって、半導体ウェハ１０の裏面１０ａでの研磨位置を調整することが可能となっている。研磨装置１は、図示するように複数の研磨部３，４を備えることで、裏面１０ａの研磨時間を短縮することができる。

各歪み測定部５〜８は、ステージ２の下面２ｂに固定され、一対の歪みゲージ１４，１５を備える。歪みゲージ１４は、半径方向Ｄ２（図２において、略円形状のステージ２の下面２ｂの中心（軸Ａ１に相当）から外周に向かう方向）へのステージ２の歪みε₁を測定することによって半導体ウェア１０の半径方向に沿った歪みを検出する。歪みε₁は、ステージ２の下面の半径方向に沿った元の長さ（Ｌ１）に対する変形長さ（ΔＬ１）の比（ΔＬ１/Ｌ２）として表される。この実施形態では、歪みε₁をパーセント（％）で表す。半導体ウェハ１０は、図１に示すように裏面１０ａを研磨圧力Ｆ１，Ｆ２で押圧されると、点線Ｌ１で示すように裏面１０ａから表面１０ｂに向かって反るように変形する。前述したとおり、ステージ２は、上面２ａが半導体ウェハ１０を吸着している。このため、ステージ２は、半導体ウェハ１０の変形に連動して図１に点線Ｌ２で示すように下面２ｂから上面２ａに向かって反るように変形する。図２に示す半径方向Ｄ２への歪みε₁は、このようなステージ２の変形によって生じる。歪みε₁は、研磨圧力Ｆ１，Ｆ２に応じて変化し、研磨圧力Ｆ１，Ｆ２が大きい程、大きくなる。したがって、歪みゲージ１４によって測定される歪みε₁からは、研磨圧力Ｆ１，Ｆ２の大きさを判定することが可能となる。また、歪みゲージ１４は、歪みε₁の測定結果を公知の通信手段により判定部９へ送信する。

歪みゲージ１５は、ステージ２の回転方向Ｄ３へのステージ２の歪みε₂を測定することによって半導体ウェア１０の回転方向に沿った歪みを検出する。歪みε_２は、ステージ２の下面の回転方向に沿った元の長さ（Ｌ２）に対する変形長さ（ΔＬ２）の比（ΔＬ２/Ｌ２）として表される。この実施形態では、歪みε_２をパーセント（％）で表す。歪みε₂は、半導体ウェハ１０の裏面１０ａと研磨部３の接触部分に発生する摩擦力Ｆ３，Ｆ４によって生じる。摩擦力Ｆ３，Ｆ４は、図１に示すように半導体ウェハ１０の裏面１０ａが回転しながら研磨圧力Ｆ１，Ｆ２で押圧されることで生じる。歪みε₂は、摩擦力Ｆ３，Ｆ４の大きさに応じて変化する。前述したように、バリは複数層のデポジット膜で構成されており、各層の膜質は異なっている。このため、研磨の進行に伴って研磨対象の層が異なると、摩擦力Ｆ３，Ｆ４が変化する。したがって、歪みゲージ１５によって測定される歪みε₂からは、半導体ウェハ１０の裏面の研磨量もしくは研磨深さを判定することが可能となる。また、歪みゲージ１５は、歪みε₂の測定結果を公知の通信手段により判定部９へ送信する。

歪みゲージ１４，１５は、回転するステージ２に固定されるため、ステージ２の回転と共に回転する。したがって、歪みゲージ１４，１５の研磨部３，４に対する位置は、この回転により周期的に変化する。これにより歪みゲージ１４，１５は、研磨部３，４の各移動位置における歪みε₁，ε₂を測定することができる。

判定部９は、歪みゲージ１４，１５からの歪みε₁，ε₂の測定結果を受信すると、歪みε₁，ε₂に基づき、半導体ウェハ１０の研磨状況として、後述するように、半導体ウェハ１０の各研磨部３，４による研磨量もしくは研磨深さを判定する。また、判定部９は、例えば、歪みε₁の変動具合に基づき、半導体ウェハ１０の研磨状況として、後述するように、各研磨部３，４の稼働状態の良否を判定する。

図３は、歪みゲージ１４，１５による歪みε₁，ε₂の測定結果の第１の例を示す図である。図３（ａ）は、図２に示す複数の歪み測定部５〜８のうちいずれか１つにおける歪みゲージ１４，１５による歪みε₁，ε₂の測定結果の一例を示し、横軸が時間、縦軸が歪みを示す。また、図３（ａ）は、歪みゲージ１４の測定結果（歪みε₁）を実線で示し、歪みゲージ１５の測定結果（歪みε₂）を点線で示す。図３（ａ）の例では、歪みε₁，ε₂の各ピークは、交互に、研磨部３から強く影響を受けるピークと研磨部４から強く影響を受けるピークとなる。具体的には、時間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８，Ｔ１０，Ｔ１２，Ｔ１４でのピークが研磨部３から強く影響を受けるピークを示し、時間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ１１，Ｔ１３でのピークが研磨部４から強く影響を受けるピークを示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示される複数のピークから研磨部３から強く影響を受けるピークを抜き出してプロットした図である。図３（ｂ）の実線で結ばれた菱型の点は、このように抜き出されたピークのうち、歪みε₁のピークに対応する。図３（ｂ）の点線で結ばれた四角型の点は、このように抜き出されたピークのうち、歪みε₂のピークに対応する。図３（ｃ）は、図３（ａ）に示される複数のピークから研磨部４から強く影響を受けるピークを抜き出してプロットした図である。図３（ｃ）の実線で結ばれた菱型の点は、このように抜き出されたピークのうち、歪みε₁のピークに対応する。図３（ｃ）の点線で結ばれた四角型の点は、このように抜き出されたピークのうち、歪みε₂のピークに対応する。

図３（ｂ）に示すように、研磨部３から強く影響を受ける半導体ウェハ１０の歪みε₁が一定である場合、研磨部３は、一定の研磨圧力Ｆ１で半導体ウェハ１０を研磨していると判定することができる。また、このように一定の研磨圧力Ｆ１で半導体ウェハ１０を研磨すると、図３（ｂ）に示す歪みε₂の変化は、半導体ウェハ１０の研磨層の変化を表す。したがって、この歪みε₂の変化から、半導体ウェハ１０の研磨部３による研磨量もしくは研磨深さを判定することができる。図３（ｂ）の例からは、研磨部３によって、時間Ｔ２〜Ｔ６において半導体ウェハ１０のバリの第１の層、時間Ｔ８において半導体ウェハ１０のバリの第２の層、時間Ｔ１０〜Ｔ１４において半導体ウェハ１０のバリの第３の層を研磨していると判定することができる。図１に示す判定部９は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す研磨部３からの強い影響を受ける歪みε₂のピークを、予め設定されているデータと比較することで、半導体ウェハ１０の研磨部３による研磨量もしくは研磨深さを判定する。

また、図３（ｃ）に示すように、研磨部４から強く影響を受ける半導体ウェハ１０の歪みε₁が一定である場合、研磨部４は、一定の研磨圧力Ｆ２で半導体ウェハ１０を研磨していると判定することができる。このように一定の研磨圧力Ｆ２で半導体ウェハ１０を研磨すると、図３（ｃ）に示す歪みε₂の変化は、半導体ウェハ１０の研磨層の変化を表す。したがって、この歪みε₂の変化から、半導体ウェハ１０の研磨部４による研磨量もしくは研磨深さを判定することができる。図３（ｃ）の例からは、研磨部４によって、時間Ｔ１〜Ｔ５において半導体ウェハ１０のバリの第１の層、時間Ｔ７において半導体ウェハ１０のバリの第２の層、時間Ｔ９〜Ｔ１３において半導体ウェハ１０のバリの第３の層を研磨していると判定することができる。図１に示す判定部９は、図３（ａ）および図３（ｃ）に示す研磨部４からの強い影響を受ける歪みε₂のピークを、予め設定されているデータと比較することで、半導体ウェハ１０の研磨部４による研磨量もしくは研磨深さを判定する。

このように、実施形態の歪みゲージ１４，１５による歪みε₁，ε₂の測定結果から、半導体ウェハ１０の各研磨部３，４による研磨量もしくは研磨深さを区別して把握することが可能となる。即ち、半導体ウェハ１０の研磨量もしくは研磨深さを詳細に把握できる。これに対して、比較例として、半導体ウェハ１０の研磨量もしくは研磨深さをステージ２のテーブルトルクによって判定するケースを考える。比較例の場合、テーブルトルクの変化によって、半導体ウェハ１０の全体としての研磨量の変化もしくは研磨深さの変化を把握することができるが、実施形態とは異なり、各研磨部３，４による研磨量もしくは研磨深さを区別して把握することまではできない。つまり、比較例の場合、研磨量もしくは研磨深さを半導体ウェハ１０の全体としてマクロ的で大雑把に把握することができるに留まる。これでは、例えば、各研磨部３，４が半導体ウェハ１０の半径方向Ｄ１の異なる部位を研磨するとすれば、必ずしも研磨部３，４が半導体ウェハ１０をどの程度研磨したかを判定することができない。

図４は、歪みゲージ１４，１５による歪みε₁，ε₂の測定結果の第２の例を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）の図示方法については、図３（ａ）〜図３（ｃ）と共通するため重複した説明を省略する。図４（ａ）は、図２に示す複数の歪み測定部５〜８のうちいずれか１つにおける歪みゲージ１４，１５による歪みε₁，ε₂の測定結果の一例を示す。図３（ａ）と図４（ａ）を比較すると、時間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８，Ｔ１０，Ｔ１２，Ｔ１４（研磨部３から強く影響を受けるピーク）での歪みε₁，ε₂の変化が異なる。図４（ａ）から、研磨部３から強く影響を受ける歪みε₁，ε₂を抜き出してプロットすると図４（ｂ）に示すとおりとなる。

図４（ｂ）に示すように、研磨部３から強く影響を受ける歪みε₁は、時間Ｔ２〜Ｔ１４において不規則に変化する。このような不規則な歪みε₁が測定される場合、研磨部３は、研磨圧力Ｆ１を変動させながら半導体ウェハ１０を研磨していることになる。したがって、研磨部３は、例えば、故障等の異常が疑われる。判定部９は、研磨部３が一定の研磨圧力Ｆ１で半導体ウェハ１０を研磨するように設定されているにも関わらず、このような不規則な歪みε₁の測定結果を受信する場合には、研磨部３の稼働状態を不良と判定する。図４（ｂ）に示すように歪みε₁が変動する場合、研磨部３は、一定の研磨圧力Ｆ１で半導体ウェハ１０を研磨していないことになる。したがって、図４（ｂ）に示す半導体ウェハ１０の歪みε₂の変化は、研磨圧力Ｆ１の変化に起因するのか、研磨層の変化に起因するのか定かでない。このため、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す歪みε₂のピークから、研磨部３による半導体ウェハ１０の研磨量もしくは研磨深さを判定することはできない。

図４（ｃ）は、図４（ａ）に示される複数のピークから研磨部４から強く影響を受けるピーク（時間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ１１，Ｔ１３でのピーク）を抜き出してプロットした図であり、図３（ｃ）に示す内容と同様である。図４（ｃ）に示す歪みε₁は、一定であり、規則性が見られる。判定部９は、このような規則性のある歪みε₁を受信する場合、研磨部４の稼働状態を良と判定する。この場合、判定部９は、前述したように研磨部３の稼働状態を不良と判定しても、図４（ａ）および図４（ｃ）に示す研磨部４から強く影響を受ける歪みε₂のピークから研磨部４による研磨量もしくは研磨深さを判定する。

このように、実施形態の歪みゲージ１４，１５による歪みε₁の測定結果から、各研磨部３，４の稼働状態の良否を区別して把握することが可能となる。即ち、各研磨部３，４の稼働状態を詳細に把握できる。これに対して、先の比較例の場合、テーブルトルクの変化によって研磨部３，４の全体としての稼働状態の良否を把握することができるが、比較例とは異なり、各研磨部３，４の稼働状態の良否を区別して把握することまではできない。つまり、比較例の場合、研磨部３，４の稼働状態をマクロ的で大雑把に把握することができるに留まる。

次に、図１および図２に示す研磨装置１による半導体ウェハ１０の研磨方法について説明する。まず、研磨対象とする半導体ウェハ１０の裏面１０ａをステージ２の上面２ａに載置し、真空吸着によってステージ２に半導体ウェハ１０を保持する。続いて、ステージ２の回転により、半導体ウェハ１０を軸Ａ１の周りに高速回転させる。この際、半導体ウェハ１０の裏面１０ａの外周部に対して複数の研磨部３，４の研磨テープ１１を接触させ、裏面１０ａを研磨圧力Ｆ１，Ｆ２で押圧し、研磨テープ１１と裏面１０ａの間に摩擦力Ｆ３，Ｆ４を発生させる。この摩擦力Ｆ３，Ｆ４により、半導体ウェハ１０の裏面１０ａが研磨される。そして、半導体ウェハ１０の研磨を高精度に制御するために、裏面１０ａの研磨中、歪みゲージ１４，１５によりステージ２の歪みε₁，ε₂を測定し、歪みε₁，ε₂に基づいて、判定部９により半導体ウェハの研磨状況（半導体ウェハ１０の各研磨部３，４による研磨量もしくは研磨深さ、および、各研磨部３，４の稼働状態の良否）を判定する。

実施形態によれば、研磨装置１は、ステージ２の回転に連動して回転する歪みゲージ１４，１５で半導体ウェハ１０の歪みε₁，ε₂を測定し、歪みε₁，ε₂に基づいて半導体ウェハ１０の研磨状況を判定する。したがって、研磨装置１を利用して半導体ウェハ１０を研磨することで、半導体ウェハ１０の研磨状況を研磨部３，４ごとに区別して詳細に把握し、半導体ウェハ１０の研磨を高精度に制御することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１研磨装置、２ステージ、２ａ上面、２ｂ下面、３，４研磨部、５〜８歪み測定部、９判定部、１０半導体ウェハ、１０ａ裏面、１０ｂ表面、１１研磨テープ、１２ガイドローラ、１３ヘッド、Ａ１軸、Ｄ１，Ｄ２半径方向、Ｄ３回転方向、Ｆ１，Ｆ２研磨圧力、Ｆ３，Ｆ４摩擦力、ε₁，ε₂ 歪み

Claims

半導体ウェハを載置して回転するステージと、
前記ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する研磨部と、
前記ステージに設けられ、前記研磨中、前記半導体ウェハの半径方向への第１の歪みと、前記半導体ウェハの回転方向への第２の歪みを測定する歪み測定部と、
を備える研磨装置。
前記研磨部は、前記半導体ウェハの裏面の異なる箇所を同時に研磨する、請求項１に記載の研磨装置。
前記第１および第２の歪みに基づいて、前記半導体ウェハの研磨状況を判定する判定部を備える、請求項１または２記載の研磨装置。
半導体ウェハをステージに載置して回転させる工程と、
前記ステージに載置された半導体ウェハの裏面を押圧して研磨する工程と、
前記研磨中、前記半導体ウェハの半径方向への第１の歪みと、前記半導体ウェハの回転方向への第２の歪みを測定する工程と、
前記第１および第２の歪みに基づいて、前記半導体ウェハの研磨状況を判定する工程と、
を含む半導体ウェハの研磨方法。
前記半導体ウェハの裏面の異なる箇所を同時に研磨する、請求項４に記載の半導体ウェハの研磨方法。