JP4116583B2

JP4116583B2 - 基板処理方法

Info

Publication number: JP4116583B2
Application number: JP2004087418A
Authority: JP
Inventors: 現豊田; 厚重田; 博之矢野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005277051A; US20050245174A1; US7241205B2

Description

本発明は、半導体ウェハなどの被処理基板の周縁部に発生する表面荒れや基板周縁部に付着して汚染源となる膜を除去するための基板処理方法に係わり、特に被処理基板のノッチ（Notch）部の側壁面を研磨するための基板処理方法に関する。

近年、半導体素子の微細化、半導体装置の高密度化に伴い、パーティクルの管理は益々重要になりつつある。パーティクルを管理する上での大きな問題の１つとして、半導体装置の製造工程中に半導体ウェハ（基板）のベベル部及びエッジ部に生じる表面荒れに起因する発塵がある。ここで、ベベル部とは、半導体ウェハの端部において断面が曲率を有する部分を意味し、エッジ部とは、ベベル部からウェハの内周側に向かった数ｍｍ程度の表面が平坦な部分を意味する。

例えば、トレンチキャパシタのトレンチ（ディープトレンチ）をＳｉウェハの表面に形成するＲＩＥ（Reactive Ion Etching）工程においては、エッチング中に生じる副生成物がＳｉウェハの周縁部（ベベル部及びエッジ部）に付着する。そして、これがエッチングのマスクとして作用するため、Ｓｉウェハの周縁部に針状突起が形成されることがある（図３（ｂ）参照：図中の３５が針状突起）。特に、マスクの開口径がサブミクロンオーダーであり、アスペクト比が数十と非常に高いディープトレンチを精度良く形成しようとした場合には、そのプロセス条件により上述した針状突起が周縁部に必然的に発生してしまう。

針状突起の高さは位置によりバラツキがあるが、最大で１０μｍ近くにもなり、Ｓｉウェハの搬送時或いはプロセス時に破損してパーティクルが発生する原因となる。このようなパーティクルは歩留りの低下につながるため、周縁部に形成された針状突起を除去する必要がある。また、半導体装置の製造工程中においては、ウェハの周縁部に付着した材料膜が汚染源となるため、これらの材料膜を除去する必要がある。

このような針状突起や材料膜を除去するために、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）法や研磨法が用いられている。特に、研磨法では、ウェハの周縁部に発生する表面荒れや周縁部に付着し汚染源となる膜を、短時間で除去することができる点で有利である。

ところで、Ｓｉウェハには、アライメントの際のマークとして、更にはウェハ主面上の結晶方位を認識できるように、ウェハの周辺の一部にノッチと称される切れ目を入れる場合がある。このようなノッチ部に関しても周縁部と同様に研磨する必要が生じる。

ノッチ部内の基板側面研磨では、研磨粒子を内蔵した研磨テープを、ノッチ部の側壁面に接触・加圧し、研磨テープを水平方向のウェハ表面に対して垂直方向へ上下運動させることが、現在最も一般的な方法となっている。しかし、水平配置されたウェハに対して行われる、研磨テープの接触・加圧、加えて垂直方向への上下運動によって、ウェハに結晶欠陥を引き起こす場合があり、その結果、半導体装置の信頼性や歩留まり等の劣化を招く問題があった。

一方、ノッチ部の側壁面にウェハ表面と垂直方向の軸を中心とする研磨ヘッドを当て、この研磨ヘッドを回転させることによりノッチ部を研磨する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、基板のベベル形状に対応した溝を有する砥石ホイールを用い、このホイールの溝をウェハの周縁部に合わせた状態でホイールを回転させることにより、ノッチ部を研磨する。この方法では、ウェハ表面と垂直方向の軸を中心にホイールを回転させるため、ウェハに対し垂直方向の力が加わることがなくなり、結晶欠陥が入りにくい。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題があった。即ち、砥石ホイールの溝形状をベベル形状に合わせているため、各種のウェハに対する汎用性が低い。また、砥石ホイールは、常に溝内のみが研磨面として使用されるため、溝内の劣化が大きく耐久性が不十分であり、ある程度劣化すると交換する必要が生じることから、作業効率の低下を招く問題があった。
特開２００３−２３４３１４

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、被処理基板のノッチ部の側壁面の研磨に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができ、且つ研磨ヘッドを連続して長時間使用することができ、半導体装置の信頼性や製造歩留まりの向上と共に作業効率の向上等に寄与し得る基板処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様に係わる基板処理方法は、軸芯を中心に回転可能な円柱状の研磨ヘッドの一方端側に回転可能な研磨テープ供給部が研磨ヘッドの回転により公転可能に取り付けられ、他方端側に回転可能な研磨テープ巻き取り部が研磨ヘッドの回転により公転可能に取り付けられ、研磨テープ供給部から研磨テープ巻き取り部まで連続する研磨テープが研磨ヘッドの周面に螺旋状に装着された研磨機構を用い、前記研磨ヘッドの軸芯を被処理基板の表面と直交する方向にし、前記研磨ヘッドに装着された前記研磨テープを、被処理基板のノッチ部に接触・加圧させた状態で、前記研磨ヘッドを回転させることによりノッチ部を研磨し、前記研磨テープ供給部及び研磨テープ巻取り部によって、前記ノッチ部に対して、研磨使用前の研磨テープの供給と同時に研磨使用後の研磨テープの巻き取りを行うことを特徴とする。

本発明によれば、円柱状の研磨ヘッドを用い、この研磨ヘッドを被処理基板の基板表面と略直交する方向の軸を中心に回転させることにより、被処理基板のノッチ部の側壁面を研磨することができる。そしてこの場合、被処理基板のノッチ部の側壁面と研磨ヘッドとの摺動方向が基板表面と垂直方向ではなく水平方向となるため、被処理基板に対して上下方向の力を加えることが無くなり、被処理基板内に結晶欠陥が入るのを抑制することができる。また、研磨ヘッドが円柱状であることから、研磨ヘッドの周面全体を研磨面として使用することができ、これにより研磨ヘッドの耐久性向上をはかり、作業効率の向上をはかることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態方法に使用した研磨装置の概略構成を示す斜視図である。

図中の１１は基板保持機構であり、この基板保持機構１１上に半導体ウェハ等の被処理基板１２が基板表面を水平方向にして保持される。基板保持機構１１の直径は基板１２のそれよりも小さく、従って基板１２の周辺部は基板保持機構１１よりも外側に突出する状態になる。そして、被処理基板１２のノッチ部１２ａは基板保持機構１１よりも外側に位置するものとなっている。

また、図中の１３は垂直方向の軸２０を中心に回転可能に設けられた円柱状研磨ヘッド機構である。この研磨ヘッド機構１３は、水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動可能であり、さらに軸２０の角度をＸ，Ｙ方向に任意の角度で変化させることが可能となっている。そして、研磨ヘッド機構１３を被処理基板１２のノッチ部１２ａ内の側壁面に対して、接触・加圧すると共に、研磨ヘッド機構１３を回転させることにより、ノッチ部１２ａを研磨するものとなっている。

また、図中の１４は純水供給ノズルであり、基板１２と研磨ヘッド機構１３との接触部に純水を供給できるようになっている。ここで、純水の代わりに研磨液を用いることも可能である。

図２は、研磨ヘッド機構１３の具体的構成を示す拡大斜視図である。垂直方向の軸２０を中心に円柱状の研磨ヘッド２１が回転自在に設けられ、この研磨ヘッド２１の周面に弾性体２２が装着され、更にその外側に研磨テープ２３が装着されている。研磨ヘッド２１は、その軸方向の長さが例えば１０ｃｍであり、被処理基板１２の厚さよりも格段に長いものである。

弾性体２２としては、例えば天然ゴム，シリコーンゴム，ウレタンゴム，ブチレンゴム，ポリビニルアルコールなどを用いることができる。

研磨テープ２３としては、研磨面となるその片面（例えばＰＥＴフィルム）に、例えばダイヤモンド砥粒やＳｉＣをウレタンタイプ接着剤で接着したものを用いることができる。研磨テープ１３に接着する砥粒は、基板の種類や要求される性能に応じて選択されるが、例えば粒度＃２０００〜＃３００００のダイヤモンドや粒度＃２０００〜＃２００００のＳｉＣを用いることができる。

次に、上記構成の研磨装置を用いた基板処理方法について説明する。ここでは、ＲＩＥ法によりトレンチキャパシタのディープトレンチを半導体ウェハ（Ｓｉウェハ）の表面に形成し、このときに半導体ウェハのノッチ部の表面に生じる荒れを除去する方法について説明する。ここで、ノッチ部もウェハの周辺であることには変わりなく、以下に示すノッチ部の断面構造はノッチ部以外のウェハ周縁部と同じとなっている。即ち、ノッチ部にもベベル部及びエッジ部が存在することになる。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ３１上にＳｉＯ₂膜３２とＳｉＮ膜３３の積層膜からなるハードマスクを形成する。ここで、例えばＳｉＯ₂膜３２の厚さは９０ｎｍ、ＳｉＮ膜３３の厚さは２００ｎｍとした。

次いで、図３（ｂ）に示すように、上記ハードマスクをマスクにしてＳｉウェハ３１をＲＩＥ法にてエッチングしてディープトレンチ３４を形成する。例えば、ディープトレンチの開口径は０．２５μｍ、深さは７μｍである。このＲＩＥ工程によって、半導体ウェハ３１の周縁部の表面には、針状突起３５が形成される。

より具体的には、エッチング中に生じる副生成物がＳｉウェハ３１のノッチ部に位置するベベル部及びエッジ部に付着し、これがエッチングのマスクとして作用して、Ｓｉウェハ３１のベベル部及びエッジ部に針状突起３５が形成される。特に、開口径がサブミクロンオーダーであり、アスペクト比が数十と非常に高いディープトレンチ３４を精度良く形成しようとした場合には、そのプロセス条件により上述した針状突起３５がベベル部及びエッジ部に必然的に発生してしまう。本実施形態では、この針状突起３５を上述した研磨装置を用いて除去する。

研磨の前に、図３（ｃ）に示すように、基板表面保護のためにベベル部及びエッジ部を除いてレジスト３６を塗布形成する。このレジスト３６は、後述する研磨による研磨片がトレンチ３４内に入るのを防ぐ役割も果たすことになる。

図３（ｃ）に示す構造を被処理基板１２とし、この基板１２を前記図１に示す研磨装置の基板保持機構１１上に保持する。そして、研磨ヘッド機構１３を基板１２のノッチ部内に移動させ、研磨ヘッド機構１３を基板１２側に押圧する。このとき、研磨ヘッド機構１３の弾性体２２の存在により研磨テープ２３が変形するため、基板１２のノッチ部側面が研磨ヘッド機構１３の研磨テープ２３によって挟み込まれるようになる。そして、研磨ヘッド機構１３を回転させることにより、基板１２のノッチ部側面と研磨テープ２３とを摺接させて基板１２のノッチ部側面を研磨する。このとき、純水供給ノズル１４から純水が基板１２のノッチ部と研磨テープ２３との接触・加圧部に供給される。

ここで、ノッチ部全体の側壁面を研磨するために、研磨ヘッド機構１３の軸を垂直に保ったまま、研磨ヘッド機構１３をノッチ部の側壁面に沿ってＸ，Ｙ方向に平行移動させる。さらに、ベベル部のみではなくエッジ部を確実に研磨するために、研磨ヘッド機構１３の軸２０の角度をＸ，Ｙ方向に任意の角度で変化させて研磨を行うようにしてもよい。また、一定時間の研磨処理により研磨テープ２３の性能低下が見られる場合は、研磨ヘッド機構１３を軸方向に少しだけ移動し、新たなテープ面を研磨に使用する。

上記の研磨処理により、図３（ｄ）に示すように、Ｓｉウェハ３１の周縁部は突起が無くなり、平滑面となる。このノッチ部の研磨に際して、基板１２と研磨テープ２３との摺動方向がウェハ表面と平行方向であるため、ウェハ３１に結晶欠陥が入ることはなかった。なお、ノッチ部以外のウェハ周辺の研磨も前記図１に示す研磨装置で行うことも可能であるが、他の研磨装置を用いてノッチ部以外の周縁部を研磨しても良い。

研磨が終了したら、基板表面に対しブラシスクラブや超音波洗浄等の物理洗浄処理を施し、レジスト３６の表面に付着したパーティクル等を除去する。本実施形態の場合、基板表面がレジスト３６で保護されているため、レジスト３６上に残ったパーティクル等を化学エッチングで除去することも可能である。その後、図３（ｅ）に示すように、酸素ガス等を用いたアッシングによりレジスト３６を除去する。

このように本実施形態によれば、ＲＩＥ法によりトレンチキャパシタのディープトレンチが形成されたＳｉウェハ３１に対し、そのノッチ部の研磨処理を施す際に、円柱状の研磨ヘッド機構１３を用い、この研磨ヘッド機構１３をノッチ部側面に接触・加圧した状態で回転させることにより、ノッチ部側面を水平方向の摺動により研磨することができる。従って、被処理基板１２に結晶欠陥が入るのを防止して良好な研磨処理を行うことができ、半導体装置の信頼性及び製造歩留まりの向上をはかることができる。

また、研磨ヘッド機構１３に弾性体２２を設けて研磨部分に弾性を持たせることにより、接触面における圧力のバラツキを少なくして研磨量を均一にすることができる。さらにこの場合、研磨ヘッド機構１３を垂直面から傾けることにより、エッジ部をより確実に研磨することができる。

また、研磨ヘッド２１が円柱状であることから、研磨ヘッド機構１３を軸方向に移動させることにより、新たな研磨面を用いて研磨することができる。従って、研磨ヘッド２１を長期にわたって使用することができ、製造コストの低減をはかることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態方法に使用した研磨装置の概略構成を示す斜視図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。これは、研磨処理毎に新しい研磨テープの供給と、同時に古い研磨テープの巻き取りを行う場合の研磨ヘッド機構を示したものである。

円柱状研磨ヘッド２１に対し、研磨テープ供給・巻取り機構４０が設けられている。即ち、円柱状研磨ヘッド２１の下方部に供給部４１が、上方部に巻取り部４２が取り付けられている。供給部４１及び巻取り部４２は、その回転軸が研磨ヘッド２１に固定されており、研磨ヘッド２１の回転によって公転すると共に、それ自体で回転（自転）可能になっている。

研磨テープ２３は、研磨ヘッド２１の表面に螺旋状に装着され、一端側が供給部４１に巻回され、他端側が巻取り部４２に巻回されている。そして、研磨ヘッド２１自体の回転動作と、研磨テープ供給・巻取り機構４０による研磨テープ供給・巻取り動作は、個々に単独で行うことが可能となっている。

図４に示す装置を用いても、第１の実施形態と同様に被処理基板１２のノッチ部１２ａを研磨することができる。そしてこの場合、研磨ヘッド２１を軸方向に移動させることなく、研磨面の研磨テープ２３を交換することができる。従って、研磨テープ２３の長さを十分長くしておけば、研磨ヘッド２１の周面全体の面積よりも広い面積に相当する研磨面を使用できることになり、研磨ヘッド機構として更なる耐久性向上をはかることができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、研磨ヘッドに装着した研磨テープとの摺動によりノッチ部を研磨したが、研磨材として研磨テープの代わりに研磨パッドや研磨布を取り付け、純水の代わりに研磨粒子を含む研磨液を供給して基板のノッチ部を研磨するようにしても良い。

また、実施形態においては、基板としてＳｉウェハを用いた例を説明したが、ＳＯＩウェハ、ＳｉＧｅウェハ等の他の半導体ウェハ、デバイス形成面がＳｉＧｅで形成されたＳｉウェハ等を用いてもよい。

さらに、基板表面保護のためにレジスト以外の有機膜を用いてもよく、研磨終了後には有機膜を全部除去することなく、汚染された表面の一部のみを除去して、有機膜の残部は後のプロセス工程における保護膜としてそのまま利用しても良い。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態方法に使用した研磨装置の概略構成を示す斜視図。研磨ヘッド部の構成を拡大して示す斜視図。第１の実施形態に係わる基板処理方法を説明するための工程断面図。第２の実施形態方法に使用した研磨装置の概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１１…基板保持機構
１２…被処理基板
１３…研磨ヘッド機構
１４…純水供給ノズル
２０…軸
２１…研磨ヘッド
２２…弾性体
２３…研磨テープ
３１…Ｓｉウェハ
３２…ＳｉＯ₂膜
３３…ＳｉＮ膜
３４…トレンチ
３５…針状突起
３６…レジスト
４０…研磨テープ供給・巻取機構
４１…供給部
４２…巻取部

Claims

軸芯を中心に回転可能な円柱状の研磨ヘッドの一方端側に回転可能な研磨テープ供給部が研磨ヘッドの回転により公転可能に取り付けられ、他方端側に回転可能な研磨テープ巻き取り部が研磨ヘッドの回転により公転可能に取り付けられ、研磨テープ供給部から研磨テープ巻き取り部まで連続する研磨テープが研磨ヘッドの周面に螺旋状に装着された研磨機構を用い、
前記研磨ヘッドの軸芯を被処理基板の表面と直交する方向にし、前記研磨ヘッドに装着された前記研磨テープを、被処理基板のノッチ部に接触・加圧させた状態で、前記研磨ヘッドを回転させることによりノッチ部を研磨し、
前記研磨テープ供給部及び研磨テープ巻取り部によって、前記ノッチ部に対して、研磨使用前の研磨テープの供給と同時に研磨使用後の研磨テープの巻き取りを行うことを特徴とする基板処理方法。
前記ノッチ部の側壁面の形状に応じて前記研磨ヘッドの軸を傾けることを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。