JP4551167B2

JP4551167B2 - 半導体ウェーハの研磨装置及びこれを用いた研磨方法

Info

Publication number: JP4551167B2
Application number: JP2004266179A
Authority: JP
Inventors: 邦明前島; 慎介宮部; 昌宏泉
Original assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd
Current assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006086144A

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハ研磨工程における半導体ウェーハの重金属汚染を効果的に防止することを可能とした半導体ウェーハの研磨装置及び研磨方法に関する。

半導体ウェーハの研磨は、研磨装置を用い、パッドを貼った定盤を回転させ、アルカリ性のコロイダルシリカ分散溶液等（以下研磨スラリーと記載する）を流しながら、ウェーハをパッドに押し付けることにより行なわれる。該研磨スラリーは研磨スラリータンク（以下スラリータンクと記載する）から定盤上のパッドにポンプによって圧送され研磨に供された後、スラリータンクに戻されて再びポンプによって圧送し研磨に供される（以下循環使用と記載する）。

研磨装置は研磨スラリー等との接液部は金属が露出しないようテフロン（登録商標）コーティング等の工夫はされてはいるが、その他の部分では金属露出部分が存在する。また、コーティングの損傷、摩耗は避けられず、研磨装置から金属汚染は避けられない。したがって、研磨スラリーを循環使用する場合、研磨スラリー中に研磨装置から溶出した重金属イオンが濃縮されてウェーハが金属汚染される可能性がある。特許文献１には、ポンプによって圧送された研磨スラリーをキレート樹脂カラムに通す手段による重金属の除去方法が記載されている。

また、珪酸アルカリを原料としたコロイダルシリカは、原料の珪酸アルカリ水溶液に含まれる金属性不純物Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等を含有し、特にＣｕ、Ｎｉといったイオンはシリコン中での拡散係数が大きくウェーハを汚染しやすいため、研磨工程でのこれらの濃度を極力低減する必要がある。特許文献２には、キレート剤を添加した研磨スラリーの使用による重金属の除去方法が記載されている。一方、特許文献３には、キレート効果のあるアミンを配合した研磨スラリーの使用が金属汚染を受けやすく、キレート効果のないアミンを配合した研磨スラリーの使用で金属汚染を改善する方法が記載されている。

特開平9-314466号公報第２頁、特許請求の範囲特開2000-173956号公報第２頁、特許請求の範囲特開2002-105440号公報第２頁

特許文献１の方法では、イオン化して液相に存在する重金属成分の除去はできるが、溶解度の小さい水酸化物固体や酸化物固体などの微細粒子は除去することができない。また、コロイダルシリカの粒子表面に吸着されている重金属イオンも除去できない。特許文献２ではウェーハ表面への重金属イオンの接近をキレート剤が防いでいるが、特許文献３に記載されるように、キレート剤は研磨装置の金属部分や、水酸化物固体や酸化物固体などの微細粒子となっている重金属成分を溶解し、液相の重金属濃度を高めるという逆効果を生じる。

本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、研磨工程、特に鏡面研磨工程における半導体ウェーハの重金属汚染を効果的に防止することができるようにした半導体ウェーハの研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の研磨装置は、回転可能に設けられた定盤を有する研磨装置本体と、該定盤上の半導体ウェーハに研磨スラリー供給装置を介して供給されるキレート剤含有研磨スラリーを貯留する研磨スラリータンクとを具備する半導体ウェーハの研磨を行なう装置であって、
上記研磨スラリー供給装置に該研磨スラリー中の重金属キレート陰イオンを除去する装置を設け、該除去装置より後にキレート剤供給装置を設け、
重金属キレート陰イオンを除去する上記装置が、強塩基性陰イオン交換樹脂を封入充填したカラムからなることを特徴とする。

上記キレート剤供給装置から供給するキレート剤は、金属の多座配位子として金属と結合し、陰イオン錯体を形成するものであれば、本発明の効果を損なわない限り、任意のものを用いることができる。キレート剤は、キレート剤を含有する研磨スラリー中で、重金属イオンの多座配位子として、重金属イオンと結合し、陰イオン錯体を形成するが、そのためには、キレート剤が重金属イオンの陽電荷を満たしてなお余りある陰電荷を有することが必要である。キレート剤としては、分子中にイミノ二酢酸骨格を構造の一部に有する化合物又は水溶性の有機リン酸が好ましい。

キレート剤としては、具体的には、例えば、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸、ジヒドロキシエチルエチレンジアミン二酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、１，３−プロパンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ジピコリン酸、ニトリロトリメチレンホスホン酸若しくはヒドロキシエタンジホスホン酸、又はこれらの誘導体若しくはこれらの塩の水溶液である。

上記重金属キレート陰イオンを除去する装置としては、陰イオン交換樹脂が封入充填されたカラムを用いる。また、陰イオン交換樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂を用いることができ、イオン交換基の対イオン種が水酸イオン（ＯＨ⁻）であるＯＨ形が好ましい。特に、ウェーハを汚染しやすいＣｕ、Ｎｉの除去にはＣｕキレート陰イオン錯体、Ｎｉキレート陰イオン錯体を強力に捕捉する強塩基性陰イオン交換樹脂が好適である。

陰イオン交換樹脂を封入充填したカラム等の重金属除去装置を設置し、該除去装置より後にキレート剤供給装置を設けたことにより、研磨装置から溶出した重金属イオン、また、研磨スラリー中の重金属イオンは該樹脂に捕捉され、定盤上の半導体ウェーハには、キレート剤を含み重金属イオンを含まない研磨スラリーが供給される。よって、ウェーハの重金属イオンによる汚染が抑制される。前記研磨スラリーが研磨処理使用後研磨スラリータンクに回収され、再び研磨に供されるようにした循環使用可能な構造としておけば、研磨スラリーを繰り返し使用でき、経済的観点からも好適である。

本発明の半導体ウェーハの研磨方法は、上記した研磨装置を用いて研磨スラリー中の重金属イオンを除去しつつ半導体ウェーハの研磨を行なうことを特徴とする。また、研磨スラリー中の粒子はコロイダルシリカであることが好ましい。

本発明によれば、陰イオン交換樹脂を封入充填したカラム等の重金属除去装置を設置し、該除去装置より後にキレート剤供給装置を設けたことにより、研磨装置から溶出した重金属イオン、また、研磨スラリー中の重金属イオンは該樹脂に捕捉され、定盤上の半導体ウェーハには、キレート剤を含み重金属イオンを含まない研磨スラリーが供給される。よって、ウェーハの重金属イオンによる汚染が抑制される。

以下に本発明の実施の形態を添付図面を用いて説明する。図１は本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置の１例を示す概略側面説明図である。

図１において、１ａは本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置で、研磨装置本体３と該研磨装置本体３で用いられる研磨スラリー（コロイダルシリカを分散させた強アルカリ性溶液）４を貯留する研磨スラリータンク５を具備している。

該研磨装置本体３は、上面を開放した平皿状のスラリー受け９を有している。該スラリー受け９の上面中央部には回転軸１０が立設されている。該回転軸１０の上端部には定盤本体１８が回転可能に取りつけられている。１１は該定盤本体１８の上面を被覆するように貼着されたパッドである。定盤は定盤本体１８とパッド１１によって構成される。

１２は該定盤の上面に載置されるウェーハ２を上方から下方に向かってパッド１１にウェーハ２を押しつけるように作用するデッドウェイトである。１３は研磨スラリー供給管で、その基端開口部は該スラリータンク５内下部に位置し、その中間部にポンプ装置６を設置し、かつその先端開口部は研磨スラリー４に浸されている。

上記研磨スラリータンク５に貯留された研磨スラリー４は、研磨スラリー供給管１３を介し、研磨スラリー供給口から研磨装置本体３の定盤上パッド１１の研磨加工位置に供給される。

１５は研磨スラリー供給管１３の中間部に取りつけられた重金属キレート陰イオンを除去する装置で、具体的には陰イオン交換樹脂が封入充填されたカラムである。この重金属キレート陰イオン除去装置と研磨スラリー供給口の中間部において、研磨スラリー供給管１３にはキレート剤供給装置が接続される。該キレート剤供給装置はキレート剤を貯留するキレート剤タンク７と、キレート剤を研磨スラリー供給管１３内の研磨スラリー４に供給するポンプ装置８を具備している。この重金属キレート陰イオン除去装置１５とキレート剤供給装置によって、純化され且つキレート剤を含有する研磨スラリーはウェーハの重金属汚染を効率的に抑制する。

上記重金属キレート陰イオン除去装置としては、陰イオン交換樹脂を充填したカラムをあげることができる。特に、ウェーハを汚染しやすいＣｕ、Ｎｉの除去にはこれらを強力に捕捉する強塩基性陰イオン交換樹脂が好適である。カラム１５に充填された陰イオン交換樹脂は再生剤を通過させることにより、重金属キレート陰イオンを除去して再生させることができる。再生剤供給管１７と再生剤排出管１６を供えた研磨装置１ｂを図２に示す。再生剤としては水酸化ナトリウム水溶液やアンモニア水溶液等のアルカリを使用することができ、樹脂をＯＨ形とする。カラム１５に充填された陰イオン交換樹脂を再生する別の方法としては、再生剤供給管１７は閉じておき、再生剤排出管１６だけを使用して、再生することもできる。陰イオン交換樹脂に吸着された重金属キレート陰イオンは研磨スラリー中のＯＨ陰イオンにより、徐々に再生剤排出管１６の取付位置に移動してくるので、再生剤排出管１６の取付位置付近で研磨スラリーのｐＨを検知し、中性に近づいた時点で、研磨スラリーを再生剤排出管１６から排出することで、簡易な再生を行っても良い。

上記キレート剤としては、イミノ二酢酸骨格を有する化合物の水溶液又は水溶性の有機リン酸の水溶液が好ましい。具体的には、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸、ジヒドロキシエチルエチレンジアミン二酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、１，３−プロパンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ジピコリン酸、ニトリロトリメチレンホスホン酸若しくはヒドロキシエタンジホスホン酸、又はこれらの誘導体若しくはこれらの塩の水溶液である。この水溶液はポンプ装置６と同期したポンプ装置８により研磨スラリーに均等に注入される。

１４は研磨スラリー回収管で、その基端開口部はスラリー受け９に連通し、その先端開口部は、研磨スラリー供給タンク５の上部に開口している。

上記の構成により、研磨スラリー供給口から研磨スラリー４をポンプ６によって定盤上のパッド１１に圧送供給しつつデッドウェイト１２の重量によりウェーハ２を該定盤上のパッド１１上面に押しつけることによって、該ウェーハ２の鏡面研磨が行なわれる。

本発明の研磨装置においては、研磨装置自体から溶出した重金属イオン、また、研磨スラリー中の重金属イオンは研磨スラリー４に添加されたキレート化剤により重金属キレート陰イオンとなり、スラリータンク４に戻り、循環使用で再びポンプ６から押し出された研磨スラリー４は重金属キレート陰イオン除去装置１５を通過することにより捕捉除去され、定盤上には重金属を含まない研磨スラリー４が供給される。したがって、研磨されるウェーハ２の重金属イオンによる汚染は抑制される。

そして、定盤上のパッド１１に供給された研磨スラリー４はスラリー受け９に集められ、スラリー回収管１４を通って研磨スラリータンク５に回収され、循環使用される。

図３には重金属キレート陰イオン除去装置１５を２基並列に具備した研磨装置１ｃを記載した。重金属キレート陰イオン除去装置を交互に使用することにより、再生のための研磨停止時間を無くすことができる。

以下に本発明を実施例をあげて説明する。
（実施例１）
研磨装置：図２に示した研磨装置を用い、重金属イオン除去装置１５は強塩基性陰イオン交換樹脂（オルガノ社製、商品名アンバーライトＩＲＡ−４１０）を充填したＰＴＦＥ製のカラム（長さ約５０ｃｍ、直径約１０ｃｍ）を使用した。カラムは再生剤供給管１７と再生剤排出管１６を使用して５％ＮａＯＨ次いで純水にてＯＨ形に再生した。キレート剤タンク７には、エチレンジアミン四酢酸二ナトリウムの１０％水溶液を入れた。
試料ウェーハ：ＣＺ、ｐ型、８インチφ、シリコンウェーハ
研磨スラリー：平均粒子径が３０ｎｍでシリカ濃度２０％の市販のコロイダルシリカを研磨スラリー原料として用いた。このコロイダルシリカはＣｕ６０ppb、Ｎｉ１００ppbを含有する。研磨スラリーは、このコロイダルシリカをシリカ濃度２．５％に純水で希釈し、Ｃｕ１００ppb、Ｎｉ１００ppbとなる量の各塩を添加溶解し、次いで水酸化テトラメチルアンモニウムを添加してｐＨを約１１にして調製した。
研磨条件：研磨パッドに発泡ウレタン樹脂製パッドを使用し、研磨スラリー供給量１０Ｌ／分、研磨荷重２５０g/cm²、研磨時間１０分で行った。
上記した研磨装置、研磨スラリー、研磨条件で研磨試験を行なった。

（比較例１）
研磨装置として図４に示した研磨装置を用いたほかは、実施例１と同じ条件で研磨試験を行った。

上記故意汚染スラリーを用いて上記した研磨条件で研磨した場合（実施例１と比較例１）のシリコンウェーハ上のＮｉ及びＣｕ濃度を測定し、表１及び図５に示した。

故意汚染スラリー中のＮｉ及びＣｕが上記実施例では除去されＮｉ及びＣｕの濃度が低減されていることがわかる。

本発明の研磨装置は半導体ウェーハの研磨に用いることができ、本発明の装置を用いて半導体ウェーハの研磨を行うことにより、ウェーハの重金属イオンによる汚染が抑制される。

本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置の１例を示す概略側面説明図である。本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置の別の１例を示す概略側面説明図である。本発明に係る半導体ウェーハの研磨装置の別の１例を示す概略側面説明図である。従来技術に係る半導体ウェーハの研磨装置の１例を示す概略側面説明図である。実施例１と比較例１におけるウェーハ上の不純物濃度を示すグラフである。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ研磨装置
２ウェーハ
３研磨装置本体
４研磨スラリー
５研磨スラリータンク
６ポンプ装置
７キレート剤タンク
８ポンプ装置
９スラリー受け
１０回転軸
１１パッド
１２デッドウェイト
１３研磨スラリー供給管
１４スラリー回収管
１５重金属キレート陰イオン除去装置
１６再生剤排出管
１７再生剤供給管
１８定盤本体

Claims

回転可能に設けられた定盤を有する研磨装置本体と、該定盤上の半導体ウェーハに研磨スラリー供給装置を介して供給されるキレート剤含有研磨スラリーを貯留する研磨スラリータンクとを具備する半導体ウェーハの研磨を行なう装置であって、
上記研磨スラリー供給装置に該研磨スラリー中の重金属キレート陰イオンを除去する装置を設け、該除去装置より後にキレート剤供給装置を設け、
重金属キレート陰イオンを除去する上記装置が、強塩基性陰イオン交換樹脂を封入充填したカラムからなることを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。
上記カラムは、再生剤供給管と再生剤排出管を備え、上記強塩基性陰イオン交換樹脂の再生剤が該カラム中を通過可能になっている請求項１記載の研磨装置。
上記カラムを２基並列に具備し、各カラムを交互に使用するようになされている請求項２記載の研磨装置。
前記研磨スラリーが研磨処理使用後研磨スラリータンクに回収され、再び研磨に供されるようにした循環使用可能な構造となっている請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の研磨装置を用いて該研磨スラリー中の重金属キレート陰イオンを除去しつつ半導体ウェーハの研磨を行なう研磨方法。
請求項５に記載の研磨方法において、該研磨スラリー中の粒子がコロイダルシリカである半導体ウェーハの研磨方法。