JP4388454B2 - ワーク保持板並びに半導体ウエーハの製造方法及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、主にワーク保持板に関し、特に高い平坦度が要求される半導体ウエーハの研磨に好適に使用することができるワーク保持板、並びに半導体ウエーハの製造方法及び研磨方法に関する。

シリコンウエーハ等の半導体ウエーハを製造する場合、重要な工程の一つにウエーハの表面粗さを改善するとともに、平坦度を高めるための研磨工程がある。
近年のデバイスの高精度化に伴ない、デバイス作製に用いられる半導体ウェーハは非常に高精度に平坦化することが要求されている。このような要求に対し、半導体ウェーハの表面を平坦化する技術として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が用いられている。

化学機械研磨を行う場合、従来、ウエーハの研磨する側の面（被研磨面）とは反対側の面を、ワックス等の接着剤を介してガラスプレート等に貼り付けて保持する方法がある。
一方、ワックス等の接着剤を用いずにウエーハを保持して研磨を行う、いわゆるワックスフリー研磨（ワックスレス研磨とも呼ばれる）方式の一つとして、軟質樹脂製の発泡シート等からなるバッキングパッドを備えた保持板を用いる方法がある。

例えば、図５に示したような研磨装置３８において、セラミックス等からなる円形状の保持板本体３２に、バッキングパッド３４と、ウエーハＷを囲む円形孔を有するテンプレート３５を貼り付けた保持板３１を用い、ウエーハＷの片面をバッキングパッド３４に水を介して密着させて保持する。そして、回転定盤３７に貼り付けられた研磨布３６に研磨スラリー３３を供給するとともに、定盤３７と保持板３１をそれぞれ回転させながらウエーハＷの被研磨面を研磨布３６に押し付けて摺接させる。これにより、ウエーハＷの被研磨面を鏡面状に仕上げることができる。

このようなワックスフリー研磨方式では、研磨後、ガラスプレート等からウエーハＷを剥離するといった作業が不要であり、ワックス等の接着剤によりウエーハＷが汚染されるおそれもない。
しかし、バッキングパッドを用いてウエーハＷの研磨を行う場合、ウエーハＷの中央部が薄くなり、平坦度が悪化する場合がある。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は、一般的なバッキングパッドを備えた保持板でウエーハを保持して研磨を行った場合のウエーハの形状をモデル的に示している。
この保持板４１では、本体を構成するセラミックスプレート４２に、両面粘着テープ４３を介してバッキングパッド４４が貼り付けられている。また、バッキングパッド４４のウエーハＷを保持する側には、ウエーハＷを収容して位置決めするための円形孔を有するテンプレート４５が設けられている。
バッキングパッド４４は発泡構造となっており、パッド４４の内部、及びウエーハＷとパッド４４との間には気泡（エア）４７及び水等が存在する（図６（Ａ））。

そして、このような保持板４１でウエーハＷを保持し、研磨布４６上に研磨スラリー４０を供給しながら研磨を行うと、研磨布４６との摩擦により被研磨面の温度が上昇し、被研磨面側の膨張によりウエーハＷの形状が変化する。その結果、エア４７及び水等がバッキングパッド４４との間のウエーハ中央部付近に閉じ込められる（図６（Ｂ））。

さらに、被研磨面側から被保持面側に熱が伝達し、バッキングパッド４４が断熱材として機能して蓄熱される。そして、ウエーハＷとバッキングパッド４４との間に溜まったエア４７ａが熱により膨張することで、ウエーハＷの中央部付近が研磨布側にさらに押し下げられた状態で研磨が行われる（図６（Ｃ））。

その結果、研磨終了時には、ウエーハＷは、中央部が薄くなった状態、すなわち凹状に仕上げられることになる（図６（Ｄ））。
このように、従来の一般的なバッキングパッドを用いて研磨を行った場合、ウエーハの中央部が凹状になり、平坦度を悪化させるという問題がある。

このようなウエーハの平坦度の悪化を防ぐため、図７（Ａ）に示したような多数の溝５９を格子状に形成したバッキングパッド５４が提案されている（特許文献１参照）。そして、図７（Ｂ）に示されるように、上記のようなバッキングパッド５４を備えた保持板５１を用いれば、バッキングパッド５４とウエーハＷとの間に溜まったエア５７及び水等を溝５９から逃しながらウエーハＷを研磨することができる。

しかし、多数の溝５９を設けたバッキングパッド５４は、溝５９の部分が劣化しやすく、寿命が短いほか、溝５９の部分が劣化した場合、エア及び水等を排出し難くなるという問題がある。
また、溝加工したバッキングパッド５４を備えた保持板５１を用いてウエーハの研磨を行うと、バッキングパッド５４の溝パターンがウエーハＷに転写して高い平坦度が達成できないという問題もある。
なお、このような平坦度の問題は、デバイス製造工程において、半導体ウエーハの表面に形成したシリコン酸化膜等の層間絶縁膜を研磨により平坦化する場合も同様である。

特開平９−２０１７６５号公報

本発明は上記のような問題に鑑み、半導体ウエーハ等のワークを高い平坦度で研磨することができ、また、寿命が長いワーク保持板を提供することを主な目的とする。

本発明によれば、ワークを研磨する際に該ワークを保持するための保持板であって、少なくとも保持板本体と、該保持板本体に貼り合わされたバッキングパッドとを有し、前記保持板本体におけるバッキングパッドが貼り合わされた側には溝が設けられ、前記バッキングパッドには前記保持板本体の溝の位置に合わせて貫通孔が設けられており、前記パッキングパッドに前記ワークの被研磨面とは反対側の面を密着させることにより該ワークを保持して研磨を行うものであることを特徴とするワーク保持板が提供される。

このようなワーク保持板であれば、ワークとバッキングパッドとの間に溜まったエアのほか、水や研磨スラリーを、バッキングパッドの貫通孔と保持板本体の溝を通じて保持板の外側に排出することができるものとなる。そして、このような保持板でワークを保持して研磨を行えば、ワークへの凹凸の転写を防ぎ、高平坦度のワークに仕上げることができる。
また、バッキングパッドには、貫通孔が形成されているだけで溝のような複雑な凹凸は形成されていないので、劣化し難く、寿命が長いものとなる。

この場合、前記バッキングパッドのワークと密着させる側に、該ワークの位置決めをするテンプレートが設けられていることが好ましい。
このようなテンプレートを備えていれば、研磨の際、ワークのズレやハズレを確実に防ぎ、安定して研磨を行うことができるものとなる。

前記バッキングパッドには、前記貫通孔が１０〜１５ｍｍの範囲内の間隔で設けられていることが好ましく、また、前記バッキングパッドの貫通孔の直径が、０．５〜１．５ｍｍの範囲内にあることが好ましい。
バッキングパッドに上記のような貫通孔が設けられていれば、エア及び水等の排出が確実に行われるとともに、研磨中、バッキングパッドの貫通孔に基づく凹凸がウエーハに転写することを確実に防ぐことができるものとなる。また、上記のような貫通孔であれば、バッキングパッドの劣化も確実に防止あるいは抑制することができる。

前記保持板本体の溝の幅は、０．５〜１．５ｍｍの範囲内にあることが好ましく、また、前記保持板本体の溝の深さは、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
保持板本体に上記のような溝が設けられていれば、エア及び水等の排出が確実に行われるとともに、研磨中、溝パターンがウエーハに転写することを確実に防ぐことができるものとなる。

さらに、本発明によれば、半導体ウエーハを製造する方法であって、少なくとも前記ワーク保持板を用い、前記半導体ウエーハの片面を前記バッキングパッドと密着させて保持し、研磨布に研磨剤を供給しながら、前記ウエーハの被研磨面を前記研磨布に摺接させることにより研磨する工程を含むことを特徴とする半導体ウエーハの製造方法が提供される。
本発明に係るワーク保持板を用いて半導体ウエーハの研磨を行えば、ウエーハ中央部の凹形状や溝パターンの転写を防止して極めて高い平坦度を達成することができ、デバイス歩留りの向上につながる半導体ウエーハを製造することができる。

また、本発明では、層間絶縁膜が形成された半導体ウエーハを研磨する方法であって、前記ワーク保持板を用い、前記半導体ウエーハの片面を前記バッキングパッドと密着させて保持し、研磨布に研磨剤を供給しながら、前記ウエーハに形成された層間絶縁膜を前記研磨布に摺接させることにより研磨することを特徴とする半導体ウエーハの研磨方法も提供される。
すなわち、半導体デバイス作製工程においてウエーハの表面に層間絶縁膜を形成した後、その表面を平坦化するためにＣＭＰが行われる場合があるが、このようなデバイス工程でのウエーハの研磨にも本発明に係るワーク保持板を用いることにより極めて高い平坦度を達成することができる。

本発明に係るワーク保持板は、保持板本体に溝が設けられ、バッキングパッドには保持板本体の溝の位置に合わせた貫通孔が設けられている。このようなワーク保持板で半導体ウエーハ等のワークを保持して研磨を行えば、研磨中、ワークとバッキングパッドとの間に溜まったエア及び水等を、バッキングパッドの貫通孔と保持板本体の溝を通じて保持板の外側に排出することができる上、バッキングパッドの凹凸をウエーハに転写することなく、高平坦度のワークに仕上げることができる。
また、バッキングパッドには、溝のような複雑で大きな凹凸は形成されていないので、劣化し難く、寿命の長いものとなる。

以下、本発明について添付の図面に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、本発明の完成に先立ち、バッキングパッドを用いてシリコンウエーハの研磨を行った場合のウエーハの平坦度等について調査を行った。その結果、格子状に溝を形成したバッキングパッドを設けた保持板を用いてシリコンウエーハを研磨した場合、溝が形成されていない一般的なバッキングパッドを備えた保持板を用いた場合よりも、研磨後のウエーハの平坦度は向上していた。

しかし、研磨後のウエーハを魔鏡（魔鏡像）で観察したところ、図８に示したような溝パターンの転写が見られ、研磨ムラが生じていることが判明した。その原因として、バッキングパッドとウエーハとの間の空気等が排除されると、ウエーハはバッキングパッドと強く密着した状態で研磨され、溝パターンの凹凸がウエーハに転写すると考えられる。

そこで、本発明者らは、このようなバッキングパッドの凹凸の転写を効果的に防ぐため、鋭意研究を重ねた結果、保持板本体に溝を設けるとともに、バッキングパッドには保持板本体の溝の位置に合わせた貫通孔を設けた保持板でウエーハを保持して研磨を行えば、バッキングパッドの貫通孔と保持板本体の溝を通じてエア等を排出することができる上、バッキングパッドの凹凸の転写がなく、平坦度が極めて高いシリコンウエーハに仕上げることができることを見出し、本発明を完成させた。

図１は、本発明に係るワーク保持板の一例を示している。この保持板１は、保持板本体２と、バッキングパッド４とを有し、バッキングパッド４は、両面粘着テープ（ＰＥＴ）３を介して保持板本体２に貼り合わされている。
保持板本体２は、セラミックス、ガラス等、加工精度が良好であり、硬質で平坦度の高いプレートにより構成することができる。そして、保持板本体２のバッキングパッド４が貼り合わされた側には、エア９及び水等を保持板１の外側に排除することができるように、本体２の側面で開放する溝７が形成されている。

溝パターンは特に限定されないが、例えば溝が格子状に保持板本体の最外周部に連通して形成されていれば、エアや研磨スラリーを保持板全体から確実に排出することができる。ただし、放射状、らせん状、あるいはランダムな溝パターンとしても良い。
溝７の断面形状も特に限定されないが、例えばＵ字形状とすれば、砥粒等が溝７に詰まることを効果的に防ぐことができる。

溝７の幅は０．５〜１．５ｍｍの範囲内にあることが好ましく、特に１ｍｍ程度とすることが好ましい。上記範囲内の溝幅であれば、研磨スラリー中の砥粒や研磨カスが溝７に詰まることを防ぎ、エアや研磨スラリーを確実に排出することができるとともに、保持板本体２の溝パターンのウエーハＷへの転写を確実に防ぐことができる。
また、溝７の深さは、溝の断面形状や幅にもよるが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ程度の範囲内であれば、エア９及び水等を確実に排出することができ、好ましい。

一方、バッキングパッド４は、例えばポリウレタンの発泡体等からなるシート状弾性発泡体により構成することができる。そして、バッキングパッド４には保持板本体２の溝７の対応する位置に合わせて貫通孔８が形成されている。
バッキングパッド４の貫通孔８は、保持板本体２の溝７に合わせた位置に設けられるので、その大きさや間隔は保持板本体２の溝７の幅や間隔にもよるが、バッキングパッド４に大きな貫通孔が形成されていると、貫通孔とその他の部分による凹凸がウエーハに転写するおそれがある。一方、貫通孔が小さすぎると、エア９及び水等が速やかに通過しなくなるおそれがある。従って、貫通孔８の直径は０．５〜１．５ｍｍの範囲内、特に０．８ｍｍ程度とすることが好ましい。

バッキングパッド４に上記のような貫通孔８が形成されていれば、バッキングパッド４自体に溝が形成されている場合に比べ、ウエーハＷとの接触面積ははるかに大きくなる。従って、バッキングパッド４にウエーハＷを密着させて研磨を行っても、バッキングパッド４の凹凸によるウエーハＷへの影響を効果的に抑えることができる。
ただし、バッキングパッド４に必要以上に多数の貫通孔８が形成されていると、バッキングパッド４の凹凸がウエーハＷに転写するおそれがある。また、貫通孔８を多数形成させるとなると、保持板本体２の溝７の間隔は狭くする必要があるが、その場合、本体の溝とバッキングパッドの貫通孔との位置合わせが難しくなるおそれがある。従って、バッキングパッド４には、１０〜１５ｍｍの範囲内の間隔で貫通孔８が設けられていることが好ましい。なお、貫通孔８は、必ずしも保持板本体２の全ての溝に沿って設けられている必要はなく、気泡や水を有効に排出できる範囲で溝に合わせて適宜設けられていれば良い。エア、水等はウエーハの中心部に溜まり易いので、パッド４の貫通孔８は、例えばウエーハの中心部付近（例えば半径１／２の領域）では比較的短い間隔とし、周辺部では広い間隔となるように設けても良い。

このような本発明に係る保持板１を製造する方法は特に限定されないが、例えば、以下のような手順で好適に製造することができる。
まず、保持板本体となるセラミックス製の円形プレートを用意し、プレートのウエーハを保持する側に、ダイヤモンドホイール等の工具を用いてＵ字形、凹形等の溝を格子状に形成する。
次いで、溝を形成した側に両面粘着テープ、両面粘着シート、接着剤等を介してバッキングパッドを貼り付ける。その後、図２に示したようにピン１２を用い、保持板本体２の溝７の位置に合わせて、バッキングパッド４に所定の間隔で貫通孔をあける。

また、図１に示したように、本発明に係る保持板１には、ウエーハＷの位置決めをするテンプレート５を設けることもできる。研磨するウエーハＷの大きさに応じた円形孔１１を有するテンプレート５を、両面粘着テープ等を介して所定の位置に貼り付ければ良い。
なお、テンプレートを設ける場合は、バッキングパッドはテンプレートの円形孔内でのみウエーハと接することになるので、テンプレートをバッキングパッドに貼り付けた後、円形孔の内側に位置する部分に貫通孔を形成しても良い。
また、テンプレートの円形孔は１つに限らず、保持板本体の大きさ、研磨するウエーハの大きさ等に応じ、複数の円形孔を有するテンプレートを設けることもできる。

本発明に係る保持板を用いて半導体ウエーハを研磨する場合、例えば図５に示したような研磨装置３８に上記保持板１を取り付ける。
そして、図１のように半導体ウエーハＷの被研磨面とは反対側の面をバッキングパッド４と密着させて保持し、保持板１と定盤をそれぞれ回転させるとともに、研磨布６に研磨剤１０を供給しながらウエーハＷの被研磨面を研磨布６に摺接させる。研磨中、バッキングパッド４とウエーハＷとの間にエア等が存在あるいは発生しても、バッキングパッド４の貫通孔８と保持板本体２の溝７を通じて保持板１の外側に速やかに排出されることになる。

従って、上記のような本発明に係る保持板を用いた研磨工程を経てシリコンウエーハを製造すれば、研磨中、バッキングパッドとウエーハとの間に溜まったエア及び水等によりウエーハの中央部が薄く仕上がってしまうことを防止することができる。また、バッキングパッドの凹凸の転写を効果的に抑制することができるので、平坦度が極めて高い半導体ウエーハを製造することができる。
さらに、軟質のバッキングパッドには貫通孔だけが形成されているので、劣化し難く、長寿命のものとなる。また、従来の研磨装置において、保持板さえ本発明の保持板と交換すれば、継続して使用することができるので、コスト面でも有利である。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。
チョクラルスキー法により直径２００ｍｍ、方位＜１００＞のシリコン単結晶を引上げ、これをスライスして同一製造ロットのエッチングウェーハを５枚用意した。

保持板本体となるセラミックスプレートに、開口幅１ｍｍ、深さ１ｍｍのＵ字溝を１０ｍｍ間隔で格子状に形成した。
また、市販のバッキングパッド（フジボウ社製１０００ＤＭ）を両面粘着テープ（材質ＰＥＴ）を介して上記セラッミクスプレートに貼り付けた。
さらに、テンプレートとして、ウエーハを５枚保持できるように５つの円形孔を有するものを用意し、バッキングパッドのウエーハを保持する側に貼り付けた。
そして、図３に示されるように、テンプレート２６の５つの円形孔２１，２２，２３，２４，２５のうち、３つの円形孔２１，２３，２５の内側のバッキングパッドに対し、本体を構成するセラミックスプレートの溝の位置に合致するとともに、それぞれ間隔が１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍとなるようにピンで押し刺して貫通孔（直径０．８ｍｍ）２７を形成した。

このようにして作製した保持板２０を用いて前記５枚のシリコンウエーハをテンプレートの各円形孔内で保持し、研磨を行った。研磨は、１次、２次、仕上げ、の各工程に分けて行い、各工程では、コロイダルシリカを含有したアルカリ溶液の研磨剤を用いた。また、研磨布としては、１次、２次研磨では、硬質研磨クロスを用い、仕上げ研磨ではスエードタイプの研磨クロスを用い、研磨代は合計で１０μｍ程度とした。

仕上げ研磨終了後、各ウエーハの平坦度を測定した。ウェーハ平坦度の測定は、ＡＤＥ社製フラットネス測定装置ＵｌｔｒａＧａｇｅ９８００（ウェーハ周縁より３ｍｍ除外）のＧＢＩＲ（Ｇｌｏｂａｌ Ｂａｃｋ−ｓｉｄｅ Ｉｄｅａｌ Ｒａｎｇｅ）、ＳＦＱＲ（Ｓｉｔｅ Ｆｌａｔｎｅｓｓ Ｆｒｏｎｔ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ Ｒａｎｇｅ）（セルサイズ２５×２５ｍｍ、オフセット１２．５×１２．５ｍｍ）で評価した。
その結果を図４に示した。

図４に示されるように、バッキングパッドに１０ｍｍまたは１５ｍｍの間隔で貫通孔を形成した円形孔２１，２３で保持したウエーハは、バッキングパッドに貫通孔が形成されていない円形孔２２，２４で保持したウエーハに比べ、ＧＢＩＲ、ＳＦＱＲとも約２分の１と良好であった。
また、バッキングパッドに２０ｍｍの間隔で貫通孔を形成した円形孔２５で保持したウエーハは、１０ｍｍ、１５ｍｍ間隔の場合ほどではないが、貫通孔が無い場合と比べるとＳＦＱＲは明らかに改善されており、平坦度の向上が見られた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、上記実施形態では半導体ウエーハを研磨する場合について説明したが、石英基板等、高い平坦度が要求される他のワークの研磨にも本発明の保持板を適用することができる。また、本発明の保持板は、デバイス工程において半導体ウエーハの表面に層間絶縁膜が形成した後、層間絶縁膜を研磨して膜厚を均一にする場合にも適用することができる。

本発明に係るワーク保持板の一例を示す概略図である。 バッキングパッドの貫通孔をあける方法の一例を示す説明図である。 実施例で使用した保持板を示す概略図である。 実施例における研磨後のウエーハの平坦度の測定結果を示す図である。 バッキングパッドを用いた片面研磨装置の一例を示す概略図である。 従来の保持板を用いた研磨中の半導体ウエーハをモデル的に示した説明図である。 バッキングパッドに溝を形成した保持板を示す概略図である。 研磨後のウエーハに転写したバッキングパッドの溝パターンを示す魔鏡像の図である。

符号の説明

１…保持板、 ２…保持板本体、 ３…両面粘着テープ、 ４…バッキングパッド、
５…テンプレート、 ６…研磨布、 ７…溝、 ８…貫通孔、 ９…気泡（エア）、
１０…スラリー。

Claims (7)

1. ワークを研磨する際に該ワークを保持するための保持板であって、少なくとも保持板本体と、該保持板本体に貼り合わされたバッキングパッドとを有し、前記保持板本体におけるバッキングパッドが貼り合わされた側には前記保持板本体の最外周部に連通した溝が設けられ、前記バッキングパッドには前記保持板本体の溝の位置に合わせて、直径が０．５〜１．５ｍｍの範囲内の貫通孔が設けられており、前記パッキングパッドに前記ワークの被研磨面とは反対側の面を密着させることにより該ワークを保持して研磨を行うものであることを特徴とするワーク保持板。
2. 前記バッキングパッドのワークと密着させる側に、該ワークの位置決めをするテンプレートが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のワーク保持板。
3. 前記バッキングパッドに、前記貫通孔が１０〜１５ｍｍの範囲内の間隔で設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のワーク保持板。
4. 前記保持板本体の溝の幅が、０．５〜１．５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のワーク保持板。
5. 前記保持板本体の溝の深さが、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のワーク保持板。
6. 半導体ウエーハを製造する方法であって、少なくとも前記請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のワーク保持板を用い、前記半導体ウエーハの片面を前記バッキングパッドと密着させて保持し、研磨布に研磨剤を供給しながら、前記ウエーハの被研磨面を前記研磨布に摺接させることにより研磨する工程を含むことを特徴とする半導体ウエーハの製造方法。
7. 層間絶縁膜が形成された半導体ウエーハを研磨する方法であって、前記請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のワーク保持板を用い、前記半導体ウエーハの片面を前記バッキングパッドと密着させて保持し、研磨布に研磨剤を供給しながら、前記ウエーハに形成された層間絶縁膜を前記研磨布に摺接させることにより研磨することを特徴とする半導体ウエーハの研磨方法。

Images