JP2968443B2 - 半導体ウェーハの研磨加工精度の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェーハの表面
を研磨加工する際に、該表面を基準とした研磨の均一性
を容易かつ精度よく測定することができる研磨加工精度
の測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、以前半導体ウェーハの表面
基準研磨装置の提案を行った（特願平６―４９５６８
号）。この研磨装置によれば、半導体ウェーハの裏面
（研磨面の裏面）を基準として半導体ウェーハの研磨を
行い、裏面からの高さを一定にするのではなく、表面基
準で研磨を行い、表面から所定の深さを均一に研磨する
ことができるので、研磨面の平坦度を高めることができ
る。

【０００３】かかる半導体ウェーハの研磨装置について
説明すると、図７はこの半導体ウェーハの研磨装置を示
す要部断面図、図８は図７に示した半導体ウェーハの研
磨装置を示す要部断面図であって研磨中の様子を示す図
である。この研磨装置では、図７に示すように、研磨す
べき半導体ウェーハＷを保持する保持プレート１と砥面
（後述する研磨布）３が形成された研磨用定盤２とが対
向して配置されており、相対的に保持プレート１と、研
磨用定盤２とが接近離反移動可能になっている。

【０００４】この場合、研磨用定盤２を上下方向に固定
とし、保持プレート１を上下移動可能に設けても、ある
いはその逆、あるいは両者共に移動可能に設けてもよ
い。図７に示す下方に設けられた研磨用定盤２は、例え
ば高純度石英などのセラミックス製剛体からなり、その
表面には不飽和ポリエステル等の繊維からなる研磨布
（クロス）３が均一に接着されている。

【０００５】半導体ウェーハＷの研磨を行う場合には、
この研磨布３に研磨剤を供給する。ただし、本研磨装置
では、このような研磨布を用いた研磨以外にも、セラミ
ックス製剛体定盤を用いて半導体ウェーハＷを直接的に
研磨してもよい。一方、研磨用定盤２の上方に設けられ
た保持プレート１の下面にはシリコンゴムやシリコン発
泡体などの弾性体からなるバッキング部材４が固着され
ており、半導体ウェーハＷは半導体ウェーハＷが入る空
隙部に純水で濡らして張り付け水膜により固着保持され
ることになる。

【０００６】また、図８に示すように、保持プレート１
と研磨用定盤２とを接近させて半導体ウェーハＷを研磨
布３に押し当てたときには、このバッキング部材４が有
する弾性力によって、半導体ウェーハＷがバッキング部
材内に沈み込んで半導体ウェーハＷに作用する加圧力が
均一となり、後述する表面基準プレート５の規制のみに
よって半導体ウェーハＷの研磨が行われることになる。

【０００７】バッキング部材４の下面には、半導体ウェ
ーハＷが嵌まり込む開口を有する規制プレート６が固着
されている。この規制プレート６は、例えば繊維強化プ
ラスチックス（ＦＲＰ）からなり、半導体ウェーハＷの
厚さより薄く形成されている。

【０００８】なお、後述する表面基準プレート５を当該
規制プレート６に固定する場合には、この規制プレート
６の厚さを精度よく管理する必要がある。また、規制プ
レート６を構成する材料はＦＲＰ以外にも、半導体ウェ
ーハＷが重金属で汚染されず、研磨布３により研磨され
ない程度の硬度を有する材料であれば、他の任意の材料
を用いることも可能である。

【０００９】一方、図７に示すように、規制プレート６
にはその周縁に、円板状に形成された表面基準プレート
５が固着されている。この表面基準プレート５も規制プ
レート６と同様に、例えば繊維強化プラスチックス（Ｆ
ＲＰ）など、半導体ウェーハＷが重金属で汚染されず、
研磨布３により研磨されない程度の硬度を有する材料か
ら構成されている。特にこの表面基準プレート５は上述
した規制プレート６とともに、その厚さを精度よく管理
しながら作製する必要がある。

【００１０】この表面基準プレート５によれば、表面基
準プレート５が研磨用定盤２の研磨布３に当接し、この
表面基準プレート５の研磨布３との当接面が研磨の基準
面となって半導体ウェーハＷの研磨が行われ、半導体ウ
ェーハＷの裏面ではなく表面を基準とした研磨が行われ
る。

【００１１】この研磨装置の作用について述べると、ま
ず、弾性体からなるバッキング部材４に半導体ウェーハ
Ｗを吸着保持するとともに、半導体ウェーハＷを包囲す
るようにバッキング部材４に対して繊維強化プラスチッ
クスからなる規制プレート６と表面基準プレート５とを
位置固定に設ける。この状態で半導体ウェーハＷを研磨
用定盤２の研磨布３に押しつけて、保持プレート１と研
磨用定盤２とを相対的に回転させる。

【００１２】そうすると、半導体ウェーハＷは弾性体か
らなるバッキング部材４に吸着保持されているので、反
りが矯正されて半導体ウェーハＷの表面が研磨用定盤の
研磨布３に押しつけられることになる。このとき、図８
に示すように、当該半導体ウェーハＷを包囲するように
設けられた表面基準プレート５が研磨布３に当接し、こ
の表面基準プレート５の研磨布３との当接面が研磨の基
準面Ｆとなって半導体ウェーハの研磨が行われる。つま
り、半導体ウェーハＷの裏面ではなく、その表面を基準
とした研磨が行われる。これにより、表面基準プレート
５（表面基準プレートと規制プレート）の厚さ精度を確
保しておけば、凸面が多く研磨された後は半導体ウェー
ハ全体が均一に研磨されて、半導体ウェーハＷの研磨面
の平坦度を高めることができる。

【００１３】この表面基準プレート５は繊維強化プラス
チックスから構成されているので、上述した研磨布３と
の当接面の精度出しが容易であり、しかも研磨され難い
ので寿命の点でも有利である。また、半導体ウェーハに
対する重金属による汚染の心配もない。

【００１４】さらに、バッキング部材４と表面基準プレ
ート５との間に半導体ウェーハＷの移動を規制する繊維
強化プラスチックスからなる規制プレート５を設けてい
るので、半導体ウェーハＷを研磨布３に押しつけて相対
的な回転を与えても、半導体ウェーハＷが研磨面内でス
ライドすることはない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た研磨装置には、調整が比較的難しいという問題があ
る。この点について図９および図１０を参照しながら説
明すると、まず、半導体ウェーハＷの研磨面と表面基準
プレート５の表面との差については、以下のように考え
ることができる。

【００１６】この差（Ｔ−ｔ）が大きいと、図９（Ａ）
に示すように半導体ウェーハＷの周縁に、いわゆる面だ
れが生じてしまう。逆に、図９（Ｃ）に示すように、こ
の差（Ｔ−ｔ）が小さいと、半導体ウェーハＷの中央部
が研磨し過ぎてしまうことになるため、図９（Ｂ）に示
す適切な差（Ｔ−ｔ）を設定しておく必要がある。

【００１７】また、半導体ウェーハＷの周縁との隙間Ｓ
についても、この隙間Ｓが小さいと図１０（Ａ）に示す
ように半導体ウェーハＷの中央部が研磨し過ぎてしま
い、逆に図１０（Ｄ）に示すように隙間Ｓが大きいと半
導体ウェーハＷの周縁に面だれが生じてしまう。

【００１８】従って、図１０（Ｂ）や図１０（Ｃ）に示
すように適切な隙間Ｓとする必要がある。ただし、この
隙間Ｓは上述した差（Ｔ−ｔ）、および加圧力やバッキ
ング部材４の弾性力と相まって研磨の仕上げ精度に影響
することから、これらを総合的に検証することが重要で
ある。

【００１９】このように、上記研磨装置には、半導体ウ
ェーハＷの研磨面と表面基準プレート５の表面との差、
半導体ウェーハＷの周縁と表面基準プレート５の周縁と
の隙間、半導体ウェーハへの加圧力、バッキング部材の
弾性力など平坦度に影響する因子が多い。

【００２０】かかる半導体ウェーハの表面基準研磨装置
による研磨方法においては、例えば、実際に張り合わせ
ＳＯＩ製品を研磨し、絶縁層の厚さ（活性層厚さ）を実
測する必要がある。また、デバイス形成途中で凹凸段差
を平坦化して光リソグラフィの焦点深度を稼ぐ高集積デ
バイスに使用されるＣＰＭ（化学的機械研磨）加工も、
表面基準で研磨しなければならず、この研磨による平坦
化が不均一になれば、ウェーハ全体から製品がとれなく
なり、歩留まりが低下するので、ウェーハ全体に均一に
平坦化が行われる必要がある。

【００２１】従来、ウェーハ段階で平坦研磨が達成され
ていることを確認する手段としては、凹凸のあるパター
ンを持つ半導体ウェーハを研磨し、その形状を観察する
か、又はウェーハの全面の厚さ分布（ＴＴＶ）が１μｍ
以下のウェーハを研磨し、研磨前後のＴＴＶの変化で間
接的に測定する以外に方法がなく、このため、表面基準
で平坦に研磨されているか否かの測定を容易にかつ精度
よく測定できる方法が要望されていた。

【００２２】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、半導体ウェーハを表面基準で研磨する際、均一に研
磨されていることの確認を容易にかつ精度よく測定する
ことができる方法を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、下記の測定方法を提供する。 （１）半導体ウェーハの研磨すべき平坦面表面に膜厚の
相違によって色調が同じとなる等高線が現れる透光性の
試験研磨層を形成し、該試験研磨層を表面を基準とする
研磨装置により研磨した後、該研磨面に生じる色調が同
じとなる等高線の数を測定することによって表面を基準
とした研磨の均一性を測定することを特徴とする半導体
ウェーハの研磨加工精度の測定方法。 （２）試験研磨層が多結晶シリコン層又は酸化シリコン
層である上記（１）記載の半導体ウェーハの研磨加工精
度の測定方法。

【００２４】

【作用】本発明の半導体ウェーハの研磨加工精度の測定
方法は、半導体ウェーハの研磨すべき平坦面に予め多結
晶シリコン層等の膜厚の相違によって色調が同じとなる
等高線が現れる透光性の試験研磨層を形成しておき、こ
の半導体ウェーハの試験研磨層を表面基準で試験的に研
磨する。そして、研磨後の半導体ウェーハの研磨面に例
えば白色光を当てると、試験研磨層の研磨後の厚さが不
均一であれば光が透過干渉することによって白色光のス
ペクトルが変化することを利用し、例えば多結晶シリコ
ン層であれば、厚さ方向に対して理論上約６０ｎｍごと
に１本の割合で干渉縞が現れ、１μｍ（１０００ｎｍ）
の厚さの多結晶シリコン層では約１６本の干渉縞が潜在
的に発生する。例えば、研磨が偏り、１μｍの偏りがあ
ったとすると、研磨面は多結晶シリコン層の全厚さに亘
って横切り、その結果１μｍから０μｍまでの厚さの多
結晶シリコン層が形成し、約１６本の干渉縞が目視で観
察できる。一方、研磨の偏りが６０ｎｍ以内であれば干
渉縞は１本も観察されないことになる。

【００２５】従って、試験研磨層の干渉縞の本数を目視
で観察することにより、容易に研磨の平滑度を精度よく
測定することができる。そのため、直ちに研磨装置の調
整を行い、平滑な研磨が得られるようにフィードバック
が可能になり、研磨作業を容易にすることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の半導体ウェーハの研磨加工精
度の測定方法の実施例について、図面を参照しながら具
体的に説明する。本発明の研磨加工精度の測定方法は、
まず、図１、図２（Ａ）に示すように、半導体ウェーハ
１０の一方の面に多結晶シリコン層１１を形成した試験
ウェーハ２０を作製する。この場合、半導体ウェーハ１
０がシリコンウェーハであれば、ウェーハ１０の表面を
酸化膜１２で被覆しておくことが望ましい。多結晶シリ
コン層１１の膜厚Ｄは、白色光に対して干渉縞が約６０
ｎｍ毎に表れるので、約１２０ｎｍ〜約１００μｍ、好
ましくは１μｍ程度とする。多結晶シリコン層は、通常
のＣＶＤにより形成することができる。また、酸化膜１
２の厚さは０．１μｍ程度とすることが好ましい。な
お、半導体ウェーハとしては、全面の厚さ分布が０．５
μｍ以下の平坦度の高いウェーハを用いることが好まし
く、このような平坦度の高いウェーハは両面研磨法を用
いることにより容易に得ることができる。このような両
面研磨ウェーハは、表裏の区別が付かないため一般には
用いられていない。

【００２７】多結晶シリコン層１１には、図１に示すよ
うに、光が透過干渉することによって、色調が同じとな
る等高線（干渉縞）が現れ、白色光に対して約６０ｎｍ
の深さｄ毎に干渉縞Ｉが（図１中破線で示した）発生す
る。この試験ウェーハを上述した表面基準研磨装置にセ
ットして、試験ウェーハ表面の多結晶シリコン層１１の
研磨を行い、図２（Ｂ）に示すように表面のシリコン多
結晶層が所定の深さまで研磨された研磨面１１ａを有す
る試験ウェーハ２０ａを得る。

【００２８】この研磨で、例えば図３中ののような態
様で研磨され、図９（Ａ）又は図１０（Ｄ）に示したよ
うな比較的小さな面だれが生じた場合、この面だれによ
り、研磨面は２本の干渉縞を横切っているので、この試
験ウェーハに好ましくは白色光を当てると、図４の如
く、多結晶シリコン層の研磨面１１ａには同心円状の２
本の環状の干渉縞Ｉが目視で観察できる。従って、２本
の干渉縞が環状に観察されることにより、約１２０ｎｍ
の高さの面だれが生じたことが容易にわかる。

【００２９】また、図３中ので示したように、ほぼ研
磨加工が平坦で、偏差が６０ｎｍ以下であれば、研磨面
は１本の干渉縞も横切らないので、図５に示す如く研磨
面１１ａには干渉縞Ｉは全く観察されないことになり、
干渉縞がないことにより、６０ｎｍ以下の偏差で研磨加
工が行われたことがわかる。

【００３０】更に、図３中ののように大きな面だれが
生じた場合、この研磨面は５本の干渉縞を横切っている
ので、図６に示す如く研磨面１１ａには同心円状の５本
の環状の干渉縞Ｉが観察されることになり、約３００ｎ
ｍの高さの面だれが生じたことが容易にわかる。

【００３１】従って、研磨加工の終わった試験ウェーハ
２０ａの研磨面に見える干渉縞の数を数えることによ
り、研磨の加工精度を容易に測定できる。その結果、試
験ウェーハの平坦面と表面基準プレート５の表面との差
（Ｔ−ｔ）が大きすぎるか、あるいは試験ウェーハの周
面と表面基準プレートの端縁との隙間Ｓが大きすぎるこ
とが容易にわかり、その結果に基づいて、表面基準プレ
ートの位置や高さを調整することができる。

【００３２】本発明の半導体ウェーハの研磨加工精度の
測定方法は、上記実施例に限定されるものではなく、例
えば多結晶シリコン層は、酸化シリコン等の膜厚の相違
によって色調が同じとなる等高線が現れるものに置き換
えてもよく、また、表面基準研磨方法は、上述した表面
基準研磨装置を使用するものに限定されるものではな
く、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の半導体ウェーハの研磨加工精度
の測定方法によれば、表面を基準とした研磨の平坦度を
容易かつ精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨加工精度の測定方法に用いる半導
体ウェーハの部分断面図である。

【図２】本発明の研磨加工精度の測定方法に用いる半導
体ウェーハの部分断面図で、（Ａ）は、研磨前、（Ｂ）
は研磨後を示す。

【図３】研磨加工の態様によって干渉縞が表れる状態を
説明する断面図である。

【図４】図３中のの研磨態様の場合の干渉縞の表れる
状態を示す平面図である。

【図５】図３中のの研磨態様の場合の干渉縞の表れる
状態を示す平面図である。

【図６】図３中のの研磨態様の場合の干渉縞の表れる
状態を示す平面図である。

【図７】本発明の研磨加工に用いる研磨装置を示す要部
断面図である。

【図８】図７に示した研磨装置を示す要部断面図であっ
て、研磨中の様子を示す図である。

【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ表面基準プレート
の研磨基準面とウェーハの研磨面との相対的高さの違い
による平坦度の違いを説明するための断面図である。

【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ表面基準プレート
とウェーハの周縁との隙間の違いによる平坦度の違いを
説明するための断面図である。

【符号の説明】

Ｗ 半導体ウェーハ １ 保持プレート ２ 研磨用定盤 ３ 研磨布（研磨面） ４ バッキング部材 ５ 表面基準プレート ６ 規制プレート １０ 半導体ウェーハ １１ 多結晶シリコン層（試験研磨層） １１ａ 研磨面 １２ 酸化膜 ２０ 半導体ウェーハ Ｄ 多結晶シリコン層厚さ ｄ 干渉縞の間隔 Ｉ 干渉縞

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/304 ３２１ Ｈ０１Ｌ 21/304 ３２１Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 B23Q 17/24 B24B 41/00 - 51/00 H01L 21/304 321

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェーハの研磨すべき平坦面表面に
   膜厚の相違によって色調が同じとなる等高線が現れる透
   光性の試験研磨層を形成し、該試験研磨層を表面を基準
   とする研磨装置により研磨した後、該研磨面に生じる色
   調が同じとなる等高線の数を測定することによって表面
   を基準とした研磨の均一性を測定することを特徴とする
   半導体ウェーハの研磨加工精度の測定方法。
2. 【請求項２】試験研磨層が多結晶シリコン層又は酸化シ
   リコン層である請求項１記載の半導体ウェーハの研磨加
   工精度の測定方法。