JP5074845B2 - 半導体ウェハの研削方法、及び半導体ウェハの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハの平面研削方法、及び半導体ウェハの加工方法に関する。

シリコンウェハ等の半導体ウェハを製造する場合、チョクラルスキー法等で引き上げられた半導体インゴットを、ワイヤーソー等で切断スライスして薄円板状の半導体ウェハに加工する。
次に、半導体ウェハの外周縁の面取りを行い、ラッピングにより半導体ウェハの表裏面を同時に研削し、さらに、片面ずつを平面研削した後、半導体ウェハ表層に残留した加工歪みをエッチングにより除去する。
最後に、半導体ウェハ表面をＣＭＰ等で鏡面化し、洗浄により、研磨加工で付着した研磨剤や異物等の汚染物を除去している。
また、さらに必要に応じてこれらの工程の他に熱処理や研削等の工程が加わったり、工程順が入れ換えられたり、同じ工程を複数回行う場合もある。

近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体ウェハの表面粗さ（微細なうねり）の品質が重視され、このような表面粗さを表すパラメータとしてナノトポグラフィが用いられている。
従来、このナノトポグラフィは、一般にＡＤＥ社製Nanomapper、Raytex社製NanoPro等のナノトポグラフィ測定装置で測定することができるが、これらの装置は光学式で、半導体ウェハ表面の表面反射を利用して測定しているため、半導体ウェハの表面を、鏡面に近い状態に作り込まなければ測定することはできない。
これに対して、製造段階の初期で半導体ウェハのナノトポグラフィを評価する方法として、研磨前の半導体ウェハの断面形状から、半導体ウェハの厚さ方向の中心を基準として半導体ウェハの反りの変化の傾きの最大値を求め、求めた最大値に基づいてナノトポグラフィを評価する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、前記特許文献１の方法では、半導体ウェハの断面を、切断方向にそって複数のデータ区間に区画し、各データ区間の断面形状を移動平均値法等によりスムージング処理した後、反りの変化の傾きの最大値を求めている。

特開２００６−２９４７７４号公報

しかしながら、前記特許文献１の方法では、移動平均によって削除されるデータがあるため、高い精度でナノトポグラフィを評価することが必ずしもできないという問題がある。

本発明の目的は、半導体ウェハの鏡面研磨を行わずに、高い精度で半導体ウェハ表面のナノトポグラフィを評価することのできる、半導体ウェハの評価方法を利用した、半導体ウェハの平面研削方法、及び半導体ウェハの加工方法を提供することにある。

本発明に係る半導体ウェハの研削方法は、
半導体ウェハの研削を行う半導体ウェハの研削方法であって、
前記半導体ウェハの表裏面の研削加工後、
表面形状測定手段を用いて、力を作用させないフリーな状態で、研削工程後の前記半導体ウェハの外周端部から内側の一定寸法の領域の表面形状を測定する手順と、
前記表面形状測定手段による測定結果に基づいて、前記半導体ウェハの端部表面形状を与える曲線を表す近似関数を求める手順と、
求められた近似関数に基づいて、前記半導体ウェハの端部から内側の一定寸法の領域の反り量を算出し、前記半導体ウェハのナノトポグラフィを評価する手順とを実施することにより、前記半導体ウェハの表裏面の反りを評価した後、
反りの少ない面を基準として前記半導体ウェハをチャッキングし、平面研削工程を実施することを特徴とする。

ここで、表面形状測定手段としては、レーザ式変位計、触針式形状測定装置、静電容量式形状測定装置等を採用することができる。
半導体ウェハの研削は、ラッピング、両頭研削、平面研削、両面研削等による両面粗研削加工の後、半導体ウェハの片面を真空吸着等でチャッキングし、片面平面研削が行われる。その後、最終的な両面研磨、仕上研磨を行って、鏡面研磨状態に仕上げられる。
この鏡面仕上研磨した半導体ウェハを、前述したナノトポグラフィ測定装置によって測定すると、ナノトポグラフィの良好な半導体ウェハは、図１のマップに示されるように、濃淡の少ない状態が観察される。
一方、ナノトポグラフィの悪い半導体ウェハは、図２のマップに示されるように、リング状の濃淡が現れてしまう。

ナノトポグラフィ測定は、本来半導体ウェハ表面の微小な凹凸を評価するものであるが、半導体ウェハの表面の形状変化が大きい場合、これがナノトポグラフィに影響してしまう。
すなわち、このリング状の濃淡は、半導体ウェハの大きな表面形状の変化に起因して生じており、図３に示されるように、研削加工された状態で平坦度の高い半導体ウェハＷ１は、良好なナノトポグラフィとなり、図４に示されるように、研削加工された状態で平坦度の低い、反りが入ったような表面形状の半導体ウェハＷ２は、リング状の濃淡が出易い傾向にあるという知見が得られた。
この半導体ウェハの大きな表面形状の変化は、ラッピング等の研削工程により両面研削を行った後、さらに片面研削を行った際に、真空吸着によるチャッキングの基準面の形状が片面研削により研削面側に転写されることにより生じている。

この発明によれば、半導体ウェハの研削工程において、ナノトポグラフィを測定できるため、従来のように半導体ウェハの鏡面研磨後、ナノトポグラフィ測定装置で測定しなくとも、半導体ウェハの外周端部の形状変化が小さく、ナノトポグラフィの良好な半導体ウェハのみを選択的に研磨することができ、ナノトポグラフィの良好な半導体ウェハの製造歩留まりが向上する。
また、ラッピング等の両面研削加工後にナノトポグラフィの良否を判断できるので、両面研削加工状態の把握、加工条件へのフィードバックを適時に行うことが可能となり、歩留まり向上と、そのための所要時間を削減することができる。
さらに、半導体ウェハ表面の大きな形状変化を、曲線を表す近似関数として求めることにより、移動平均値法を用いた場合のように、測定データの一部が削除され、データの精度が悪化することを防止できるため、半導体ウェハ外周端部の大きな形状変化をより正確に認識することができる。
そして、ラッピング等による両面研削工程の後、前述した評価方法によって半導体ウェハの表裏面の反り量（表面形状）を測定し、反り量の少ない面を基準としてチャッキングして、平面研削工程を実施することにより、反りの少ない、つまり端部における平坦度の高い面を基準として平面研削工程を実施することができるので、チャッキングによる基準面の表面形状が研削面に転写されることを少なくして、より平坦度の高い半導体ウェハを得ることができる。

以上において、前記近似関数を求める手順は、二次関数を用いるのが好ましい。
この発明によれば、曲線を表す近似関数を単純な二次関数で表現することにより、半導体ウェハの外周端部から内側の一定寸法の領域の表面形状を、単純な式で表現できるため、近似関数を簡単に求めることができる。

本発明では、前記反り量は、前記表面形状測定手段による表面形状測定の開始位置における前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置と、終了位置における前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置とを結ぶ直線上の前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置と、前記近似関数から求められる前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置との距離が最も大きくなるピーク高さとして算出されるのが好ましい。
この発明によれば、求められた二次関数のピーク高さにより、半導体ウェハのナノトポグラフィを評価することができるため、極めて簡単に評価することができる。

また、本発明は、鏡面研磨された半導体ウェハを加工する半導体ウェハの加工方法としても成立し、前述した半導体ウェハの研削方法を実施した後、仕上研磨を行うことを特徴とする。
この発明によれば、前述した作用によりナノトポグラフィの良好な半導体ウェハを得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図５には、本発明の実施形態に係る半導体ウェハの加工方法を表すフローチャートが示されている。
本実施形態に係る半導体ウェハの加工方法は、まず、チョクラルスキー法等により引き上げられたシリコンインゴットを、ワイヤソー等でスライスして、所定の厚さの円板状の半導体ウェハを作製する（工程Ｓ１）。
次に、スライスした半導体ウェハを、外周端部の角隅部の面取りを行って、以下の研削工程において、角隅部の欠け等が発生するのを防止する（工程Ｓ２）。

次に、半導体ウェハの形状を整えるための粗研削としての両面ラッピングを行う（工程Ｓ３）。ラッピング装置は、図示を略したが、キャリア内に収納した半導体ウェハを下定盤及び上定盤で挟持し、半導体ウェハ及び下定盤面の間、半導体ウェハ及び上定盤の間に研削用の砥粒を供給しながら、下定盤及び上定盤を相対的に回転させることで、半導体ウェハの研削が行われる。
この際、下定盤の回転中心にはサンギアが設けられ、下定盤の外周にはインターナルギアが設けられ、これらのギアがキャリアの外周に形成されたギアと噛合し、定盤の回転によって、キャリアはサンギア周りに公転しつつ、キャリア自体も自転しながら研削が行われる。

ラッピングが終了したら、表面測定装置としてのレーザ式変位計により、半導体ウェハの表面形状測定を行う（工程Ｓ４）。測定箇所は、半導体ウェハの外周端部から内側の所定寸法、例えば、半導体ウェハの外周端部から内側にＬ１＝３０ｍｍ〜４０ｍｍ入った部分の表面形状測定を行う。この際、半導体ウェハには、真空吸着等の外部の力が作用しないフリーな状態で表面形状を測定することが重要である。
表面形状の測定結果としては、例えば、図６に示されるように、粗さ３μｍ程度ののデータが取得される。尚、図６において、図６（Ａ）は、ラッピングの際、上定盤で研削された面（ウェハ表面）であり、図６（Ｂ）は下定盤で研削された面（ウェハ裏面）である。

図６で測定された結果に基づいて、求めた近似曲線が図７に示すグラフＧ１、Ｇ２である。
図７に示す表面形状は、測定点１０点を単位として表面形状の測定結果の平均値を示したものである。これは、表面形状の凹凸に比較して、曲線が小さいため、便宜上、グラフを見やすくするための処理であって、図６で測定された結果から、直接近似関数を求めることも可能である。
このグラフＧ１、Ｇ２を表す近似関数を求める場合、本実施形態では、二次関数として、
ｙ＝ａｘ^２＋ｂ…（１）
を設定し、それぞれのグラフＧ１、Ｇ２の近似関数を求める（工程Ｓ５）。尚、ｙは表面形状の厚さ方向位置、ｘは、半導体ウェハの外周端部から半導体ウェハ表面に沿って内側に向かう距離である。

得られたグラフＧ１、Ｇ２からナノトポグラフィを評価するに当たっては、まず、図８に示されるように、表面形状測定に際してのフィッティング開始位置（測定開始位置）における半導体ウェハの厚さ方向位置（ｙ０）、フィッティング終了位置（測定終了位置）における半導体ウェハの厚さ方向位置（ｙ１）を求め、これらを結んだ直線Ｇ３を与える一次関数を算出する。
次に、直線Ｇ３と二次関数として近似されたグラフＧ１、Ｇ２の差分をとり、直線Ｇ３とグラフＧ１、Ｇ２の差分が最も大きくなる点をピーク高さとし、これを半導体ウェハの外周端部の反り量として評価する（工程Ｓ６）。
図７（Ａ）、（Ｂ）を比較すると、グラフＧ１の方がピーク高さが小さくなっているので、半導体ウェハの表面側の方が反り量が小さいことが判る。

前述の工程Ｓ４乃至工程Ｓ６によりナノトポグラフィの評価が終了したら、半導体ウェハの平面研削（仕上研削）を実施する（工程Ｓ７）。
平面研削は、最初に大きな形状変化の少ない面、つまり、ナノトポグラフィの評価における評価の良好なグラフＧ１の面を基準面とし、チャッキング部材の吸着面とする。
従来の平面研削方法では、下定盤側の研削面を基準面としており、図９（Ａ）のように、半導体ウェハＷの形状変化の大きな面（ウェハ裏面）を基準面とすることがあり、ウェハ裏面を吸着面としてチャッキング部材で真空吸着していたが、形状変化の大きな面を基準面とすると、半導体ウェハが平坦な吸着面に倣うように変形し、本来平坦であった加工面が中央部が凸状となるように反った状態でチャッキングされることとなる。

この状態で平面研削を行い、チャッキング部材による真空吸着を解除すると、基準面側は元に戻るが、加工面側は、半導体ウェハＷの中央部がより多く研削され、外周部は研削されにくくなり、除荷した状態で半導体ウェハの加工面は、図９（Ｂ）に示されるように、研削前は平坦度の高い面であったものが基準面の形状変化に応じた凹形状の面となってしまう。つまり、平面研削を行うと、基準面の形状変化が加工面に転写されることとなる。
さらに、半導体ウェハＷを反転させて半導体ウェハＷの裏面側の平面研削を実施すると、図９（Ｃ）に示されるように、今度は研削により凹形状となった面を基準面として真空吸着しているため、吸着状態では半導体ウェハＷの中央部が吸着面に密着し、加工面が一見平坦な状態となり、研削による平坦化を行うことができない。

従って、工程Ｓ６のナノトポグラフィの評価において、ピーク高さの小さな、つまり表面形状に大きな変化のない方を基準面とすることにより、このような表面形状の大きな面の形状が良好な面に転写することを防止して、平面研削によって、半導体ウェハＷの表裏面の形状変化を小さくすることが可能となるのである。
半導体ウェハの平面研削が表面及び裏面両方とも終了したら、仕上研磨を実施して、半導体ウェハの表面を鏡面化する（工程Ｓ８）。

研磨工程Ｓ８の終了後の半導体ウェハを、ナノトポグラフィ測定装置で測定したところ、工程Ｓ４〜工程Ｓ６による評価を行って、形状変化が少ない面を基準面として研削を行った実施形態品の場合、外周端部における反り量のピーク高さが−０．０５μｍ〜−０．１５μｍであった。
これに対して、従来のように下定盤で研削された裏面側を基準面として研削した従来品では、ピーク高さが−０．１５μｍ〜−０．２２μｍと悪く、本発明の評価方法を用いることにより、鏡面研磨まで行わなくても、ナノトポグラフィの良否を判定することができることが確認された。

ナノトポグラフィの良好な半導体ウェハの状態を表すマップ。 ナノトポグラフィの悪い半導体ウェハの状態を表すマップ。 ラッピング加工後の半導体ウェハ形状を説明するための模式図。 ラッピング加工後の半導体ウェハ形状を説明するための模式図。 本発明の実施形態に係る半導体ウェハの加工方法を説明するためのフローチャート。 半導体ウェハの外周端部の表面形状測定結果を表すグラフ。 半導体ウェハの外周端部の表面形状測定結果から求められる近似関数を表すグラフ。 半導体ウェハの外周端部の表面形状測定結果から反り量を算出してナノトポグラフィを評価することを説明するための模式図。 従来の研削方法でナノトポグラフィが悪化する原因を説明するための模式図。 本実施形態の効果を説明するためのグラフ。

符号の説明

Ｓ１…インゴットをスライスする工程、Ｓ２…面取り工程、Ｓ３…ラッピング工程、Ｓ４…表面形状測定工程、Ｓ５…近似関数を設定する工程、Ｓ６…ナノトポグラフィを評価する工程、Ｓ７…平面研削工程、Ｓ８…仕上研磨工程、Ｗ、Ｗ１、Ｗ２…半導体ウェハ

Claims (4)

1. 半導体ウェハの研削を行う半導体ウェハの研削方法であって、
   前記半導体ウェハの表裏面の研削加工後、
   表面形状測定手段を用いて、力を作用させないフリーな状態で、研削工程後の前記半導体ウェハの外周端部から内側の一定寸法の領域の表面形状を測定する手順と、
   前記表面形状測定手段による測定結果に基づいて、前記半導体ウェハの端部表面形状を与える曲線を表す近似関数を求める手順と、
   求められた近似関数に基づいて、前記半導体ウェハの外周端部から内側の一定寸法の領域の反り量を算出し、前記半導体ウェハのナノトポグラフィを評価する手順とを実施することにより、前記半導体ウェハの表裏面の反りを評価した後、
   反りの少ない面を基準面として前記半導体ウェハをチャッキングし、平面研削工程を実施することを特徴とする半導体ウェハの研削方法。
2. 請求項１に記載の半導体ウェハの研削方法において、
   前記近似関数を求める手順は、二次関数を用いることを特徴とする半導体ウェハの研削方法。
3. 請求項２に記載の半導体ウェハの研削方法において、
   前記反り量は、前記表面形状測定手段による表面形状測定の開始位置における前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置と、終了位置における前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置とを結ぶ直線上の前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置と、前記近似関数から求められる前記半導体ウェハ表面の厚さ方向位置との距離が最も大きくなるピーク高さとして算出されることを特徴とする半導体ウェハの研削方法。
4. 鏡面研磨された半導体ウェハを加工する半導体ウェハの加工方法であって、
   請求項１に記載の半導体ウェハの研削方法を実施した後、
   仕上研磨を行うことを特徴とする半導体ウェハの加工方法。