JP5309692B2 - シリコンウェーハの研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の固定砥粒を有する研磨パッドの表面に、実質的に砥粒を含まない研磨液を塗布し、シリコンウェーハに対し前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨する、シリコンウェーハの研磨方法に関するものである。

シリコンウェーハの表面を研磨するために用いられる研磨液としては、従来から遊離砥粒としてのシリカ粒子をアルカリ液中に含有させたものが広く使用されている。また、シリコンウェーハの研磨には、砥粒としてのシリカ微粒子を含有する研磨液と、軟質の人工皮革ポリシャを用いた湿式の化学機械研磨（メカノケミカル研磨）が一般的であり、この研磨方法は、シリカ微粒子による機械的研磨作用と、アルカリ液による化学的研磨作用とを複合させたものであり、優れた平滑性及び結晶性を有する鏡面が得られることが知られている。

しかしながら、上記のような砥粒を含有する研磨液を用いて、シリコンウェーハの研磨を行った場合、高い加工速度や、ある程度のウェーハの平坦度を得ることはできるものの、研磨を行った際、前記砥粒がシリコンウェーハの表面を傷付けるため、ウェーハ表面に加工歪みが発生するという問題があった。

一方、上記加工歪みを防止するための研磨方法として、実質的に砥粒を含まないアルカリ水溶液を研磨液として用いる化学研磨法が知られている。しかし、単純な化学研磨だけでは、研磨された表面の形状精度が劣るというという問題や、シリコンウェーハの研磨に用いた場合、ウェーハ表面に自然に成長する酸化膜を完全に除去することができないか、除去するまでの時間が長くかかりすぎるため、研磨速度が大幅に劣化するという問題があった。

そのため、上記課題を解決すべく、例えば特許文献１に開示されているように、シリコンの研磨プロセスを、酸化層の除去と、シリコン面の研磨の２段階に分け、前記酸化層の除去については遊離砥粒を含んだ研磨液を用いて研磨し、シリコン面の研磨については、前記砥粒を実質的に含まない研磨液を用いる方法、いわゆる２段階研磨法が挙げられる。この方法を用いれば、酸化層の除去については研磨時間の短縮を図るとともに、シリコンウェーハ表面については、加工歪みの発生を抑制することができるという効果を奏する。

しかしながら、特許文献１に記載の研磨法を用いた場合、砥粒及び研磨液の供給や均一化の制御が困難であることから、シリコンウェーハの一部分では研磨量が相対的に多くなり、他の部分では研磨量が相対的に少なくなる結果、研磨後のシリコンウェーハについての平坦度が十分に得られない恐れがあった。この傾向は、直径が大きなウェーハの場合に特に顕著である。
特開平９−３０６８８１号公報

本発明の目的は、従来の研磨方法と同様の研磨速度及び研磨精度を有し、特に大口径のウェーハに対しても、優れた平坦度を維持することができるシリコンウェーハの研磨方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するため検討を重ねた結果、所定の固定砥粒を有する研磨パッドの表面に、実質的に砥粒を含まない研磨液を塗布し、シリコンウェーハに対し前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨するシリコンウェーハの研磨方法であって、前記シリコンウェーハ表面と前記研磨パッドの表面との間に供給される前記研磨液がハイドロプレーン層を形成し、その厚みを制御することにより、前記固定砥粒を有する研磨パッドによりシリコンウェーハ表面を均一研磨できるとともに、前記ハイドロプレーン層の厚み制御によって研磨状態（砥粒を用いた研磨又は砥粒を用いない研磨）を変化させることができるため、良好な研磨速度及び研磨精度を有しつつ、優れた平坦度を実現することができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）所定の固定砥粒を有する研磨パッドの表面に、実質的に砥粒を含まない研磨液を塗布し、シリコンウェーハに対し前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨するシリコンウェーハの研磨方法であって、前記シリコンウェーハ表面と前記研磨パッドの表面との間に供給される前記研磨液のハイドロプレーン層を形成し、前記ハイドロプレーン層の厚みを薄くして、前記シリコンウェーハの表面に形成した酸化膜を除去する工程と、前記ハイドロプレーン層の厚みを厚くして、前記シリコンウェーハ表面を仕上げ研磨する工程とを具えることを特徴とするシリコンウェーハの研磨方法。

（２）前記ハイドロプレーン層の厚み制御は、前記シリコンウェーハの表面に対して垂直方向の前記研磨パッドに加える圧力、前記研磨パッドの相対摺動速度、及び／又は前記研磨液の粘性により制御する上記（１）に記載のシリコンウェーハの研磨方法。

（３）前記ハイドロプレーン層の厚みは、10nm〜10μmの範囲である上記（１）又は（２）に記載のシリコンウェーハの研磨方法。

（４）前記シリコンウェーハは、直径450mm以上の大口径シリコンウェーハである上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの研磨方法。

この発明によれば、良好な研磨速度及び研磨精度を有し、特に、大口径のウェーハに対しても、優れた平坦度を維持することができるシリコンウェーハの研磨方法の提供が可能となった。

本発明によるシリコンウェーハの研磨方法は、所定の固定砥粒を有する研磨パッドの表面に、実質的に砥粒を含まない研磨液を塗布し、シリコンウェーハに対し前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨するシリコンウェーハの研磨方法である。以下に、各構成についての詳細を述べる。

本発明の研磨パッドは、所定の固定砥粒を有する。ここで、固定砥粒とは、研磨パッド表面に固定された、研磨パッド母材とは材質の異なる固体のことをいい、例えば、シリカやアルミナなどのセラミックス類、ダイヤモンドやシリコンカーバイドなどの単体または化合物類又はポリエチレンやポリプロピレンなどの高分子重合体等からなるものを用いることができる。また、その形状は、粒子状に限られず、固体であっても、ゲル状などであっても構わない。さらに、前記シリカの種類としては、例えば、乾式法（燃焼法・アーク法）、湿式法（沈降法・ゾルゲル法）で作製したもの、いずれでも用いることができる。

本発明の研磨液は、前記研磨パッドに塗布する（装置構成としては、回転する研磨盤状にノズルを介して滴下されてゆく）ものであり、研磨液としての機能を果たせば、その種類は特に限定する必要はないが、実質的に砥粒を含まない研磨液を用いる必要がある。砥粒を含んだ研磨液を用いた場合、前記シリコンウェーハの表面に加工歪みが生じる恐れがあり、さらに、研磨後のウェーハ表面の平坦度が悪化する恐れがあるためである。前記研磨液の種類としては、例えば、pH8〜11程度のアンモニア水溶液、KOH水溶液又はアミン類の水溶液等のアルカリ水溶液を用いることができる。ここで、「実質的に砥粒を含まない」とは、不可避的に前記研磨液に含有する砥粒成分について含む可能性はあるものの、積極的に前記砥粒成分を含有させることがない研磨液をいう。

また、本発明の研磨方法は、前記シリコンウェーハに対して、前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨する。その摺動方法は、特に限定する必要はなく、前記研磨パッドのみ、又は、前記シリコンウェーハのみを動かすことにより摺動させてもいいし、前記研磨パッド及び前記シリコンウェーハの双方を相対的に動かすことによって摺動させても構わない。

そして、本発明の研磨方法は、前記シリコンウェーハ表面と前記研磨パッドの表面との間に供給される前記研磨液がハイドロプレーン層を形成し、該ハイドロプレーン層の厚みを制御することにより、前記シリコンウェーハ表面の研磨状態を変化させることを特徴とする。ここで、ハイドロプレーン層とは、本発明の場合、前記研磨液の存在によって、前記固定砥粒と前記ウェーハ表面との間にあって、それぞれが接触状態となり上滑りするような現象（ハイドロプレーン現象）を引き起こす層であり、前記研磨液がハイドロプレーン層を形成すれば、表面に前記固定砥粒が設けられた前記研磨パッドを用いて研磨を施した場合であっても、ある時には、前記ハイドロプレーン層の作用によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハ表面が接触しない状態で研磨を行うことができ、また別の時には、前記ハイドロプレーン層の作用を小さくして、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハ表面が接触した状態で研磨を行うことができる結果、前記研磨パッドや前記研磨液を変更することなく、実質的に２段研磨プロセスと同様の効果を奏し、さらに、前記シリコンウェーハ表面について優れた平坦度を実現することができる点で有効な手段である。

また、本発明のシリコンウェーハの研磨方法は、前記ハイドロプレーン層の厚みを薄くして、前記シリコンウェーハの表面に形成した酸化膜を除去する工程と、前記ハイドロプレーン層の厚みを厚くして、前記シリコンウェーハ表面を仕上げ研磨する工程とを有する。上述したように、前記ハイドロプレーン層の制御によって研磨状態を変化することが可能となり、具体的には、前記ハイドロプレーン層の厚みが薄い場合には、前記酸化膜に対して砥粒を用いた研磨を行えるため、良好な研磨速度を有しつつ、平坦度にすぐれた研磨が可能となり、一方、前記ハイドロプレーン層の厚みが厚い場合には、前記固定砥粒と前記ウェーハ表面とが接触しない、実質的に無砥粒での研磨と同様の研磨が行えるため、ウェーハ表面の加工歪みの発生を抑制できるからである。

なお、前記ハイドロプレーン層の厚み制御は、前記シリコンウェーハの表面に対して垂直方向の前記研磨パッドに加える圧力、前記研磨パッドの相対摺動速度、及び／又は前記研磨液の粘性により制御することが好ましい。その他の方法によって前記ハイドロプレーン層の制御を行う場合、前記ハイドロプレーン層の厚さに与える影響が小さなファクターであるため、十分な制御を行うことができない恐れがあるからである。

さらに、上記研磨パッドに加える圧力、研磨パッドの相対摺動速度、及び／又は研磨液の粘性の大きさによる制御に加えて、前記ハイドロプレーン層の厚み制御は、前記研磨パッドの硬度、及び／又は前記固定砥粒と前記シリコンウェーハ表面との接触面積の大きさによる制御を併用することが、より高い厚み制御が可能となる点で好ましい。

そして、前記ハイドロプレーン層の厚み制御により、その厚みが、10nm〜10μmの範囲であることが好ましい。10nm未満の場合には、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハ表面との間隔が小さくなることにより、前記固定砥粒による摩擦力が大きくなりすぎるため、前記シリコンウェーハ表面に加工歪みが生じる恐れがあり、一方、10μｍを超える場合、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハ表面との間隔が大きくなることにより、前記酸化膜の除去に時間を要することになるためである。

また、本発明に用いられる前記シリコンウェーハは、直径450mm以上の大口径シリコンウェーハであることが好ましい。前記大口径ウェーハでは、従来の研磨方法によって研磨を施した場合、平坦度が悪化する恐れがあることから、本発明による効果が顕著に発揮できるためである。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例１）
実施例１は、直径が450mm、表面の結晶方位が（１００）であるシリコンウェーハに対して、シリカを含有する固定砥粒を有するポリウレタンからなる研磨パッドの表面に、砥粒を含まないKOH水溶液及び水溶性ヒドロキシエチルセルロースを含有する研磨液（粘度：1.5cps）を塗布し、研磨条件を、前記シリコンウェーハが載置されたステージ及び前記研磨パッドの回転速度を60rpmとし、前記研磨パッドに加える圧力を、300gf／cm²（酸化膜の除去を目的(1分)）→150gf／cm²（シリコン表面の研磨を目的(9分)）へと変化させて、前記研磨パッドを前記シリコンウェーハに対して相対的に摺動させることにより、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、前記研磨パッドに加える圧力の調整によって、前記酸化膜（膜厚：約1nm）を除去する間（1分）は前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触した状態（ハイドロプレーン層の厚さ：1μm）で研磨が行われ、前記シリコンウェーハ表面の研磨する間（9分）は、ハイドロプレーン層（厚さ：5μm）によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触していないことが確認できた。

（実施例２）
実施例２は、研磨条件として、前記研磨パッドに加える圧力を150gf／cm²で固定し、前記シリコンウェーハが載置されたステージ及び前記研磨パッドの回転速度を、30rpm（酸化膜の除去を目的(1分)）→60rpm（シリコン表面の研磨を目的(9分)）と変化させること以外は、実施例１と同様の条件により、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、前記研磨パッドに加える圧力の調整によって、前記酸化膜（膜厚：約1nm）を除去する間（1分）は前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触した状態（ハイドロプレーン層の厚さ：1μm）で研磨が行われ、前記シリコンウェーハ表面の研磨する間（9分）は、ハイドロプレーン層（厚さ：5μm）によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触していないことが確認できた。

（比較例１）
比較例１は、実施例１と同様の研磨パッドの表面に、シリカを含有する遊離砥粒を含んだKOH水溶液及び水溶性ヒドロキシエチルセルロースを含有する研磨液（粘度：1.5cps）を塗布し、研磨条件として、前記研磨パッドに加える圧力を150gf／cm²で固定したこと以外は、実施例１と同様の条件により、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、前記研磨パッドに加える圧力及び前記研磨パッドの回転数の調整によって、研磨中（10分間）は、常に、前記研磨液のハイドロプレーン層によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触していない状態（ハイドロプレーン層の厚さ：5μm）であることが確認できた。

（比較例２）
比較例２は、研磨条件として、前記研磨パッドに加える圧力を150gf／cm²で固定したこと以外は、実施例１と同様の条件により、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、前記研磨パッドに加える圧力及び前記研磨パッドの回転数の調整によって、研磨中（10分間）は、常に、前記研磨液のハイドロプレーン層によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触していない状態（ハイドロプレーン層の厚さ：5μm）であることが確認できた。

（比較例３）
比較例３は、研磨条件として、前記研磨パッドに加える圧力を300gf／cm²で固定したこと以外は、実施例１と同様の条件により、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、研磨中（10分間）は、常に、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触した状態（ハイドロプレーン層の厚さ：1μm）であることが確認できた。

（比較例４）
比較例４は、研磨条件として、前記研磨パッドに加える圧力を150gf／cm²で固定し、前記研磨パッドの回転速度を30rpmで固定したこと以外は、実施例１と同様の条件により、シリコンウェーハ表面の研磨を計10分間行った。
なお、研磨状態を確認したところ、研磨中（10分間）は、常に、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とが接触した状態（ハイドロプレーン層の厚さ：1μm）であることが確認できた。

（評価方法）
上記で作製した各評価用サンプルについて、（１）研磨量及び（２）スクラッチの状態について評価を行った。
（１）研磨量については、研磨によって減少したウェーハ厚（μm）を計測した。また、（２）スクラッチの状態については、研磨によってシリコンウェーハ表面に形成されたスクラッチ（加工による歪みも含む）の状態を、ＰＳＬ換算０．１μｍ以上のＬＰＤの数を計測することで、○：１０個以下、△：１１〜１００個、×：１０１個以上という基準に従って評価を行った。評価の結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１及び実施例２については、前記研磨パッドに加える圧力及び前記研磨パッドの回転数による研磨状態の制御によって、前記酸化膜（膜厚：約1nm）を除去する間（1分）は前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とを接触させた状態で研磨をし、前記シリコンウェーハ表面の研磨する間（9分）は、ハイドロプレーン層によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とを接触させずに研磨ができていることから、研磨量についてはウェーハ表面に酸化膜の膜厚と同程度で、さらに、研磨後のウェーハ表面については、スクラッチもほとんどなく表面状態が良好であった。
一方、比較例１については、前記ハイドロプレーン層によって、前記固定砥粒と前記シリコンウェーハの表面とを接触させずに研磨が行えたものの、研磨液中に含有する遊離砥粒によってウェーハの表面にスクラッチがいくつか見られた。また、比較例２については、砥粒が、前記研磨パッド及び前記研磨液のいずれにも含まれていないことから、前記シリコンウェーハの表面に形成された酸化膜を除去できず、研磨の効果が発揮されていないことがわかった。さらに、比較例３及び４については、前記研磨パッドに加える圧力及び前記研磨パッドの回転数による研磨状態の制御がうまくできていないため、前記ハイドロプレーン層を形成することができず、研磨量が多くなり、シリコンウェーハ表面のスクラッチも多く発生したことがわかる。

この発明によれば、良好な研磨速度及び研磨精度を有し、特に、大口径のウェーハに対しても、優れた平坦度を維持することができるシリコンウェーハの研磨方法を提供することが可能になった。

Claims (4)

1. 所定の固定砥粒を有する研磨パッドの表面に、実質的に砥粒を含まない研磨液を塗布し、シリコンウェーハに対し前記研磨パッドを相対的に摺動させることで、シリコンウェーハ表面を研磨するシリコンウェーハの研磨方法であって、
   前記シリコンウェーハ表面と前記研磨パッドの表面との間に供給される前記研磨液のハイドロプレーン層を形成し、前記ハイドロプレーン層の厚みを薄くして、前記シリコンウェーハの表面に形成した酸化膜を除去する工程と、前記ハイドロプレーン層の厚みを厚くして、前記シリコンウェーハ表面を仕上げ研磨する工程とを具えることを特徴とするシリコンウェーハの研磨方法。
2. 前記ハイドロプレーン層の厚み制御は、前記シリコンウェーハの表面に対して垂直方向の前記研磨パッドに加える圧力、前記研磨パッドの相対摺動速度、及び／又は前記研磨液の粘性により制御する請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
3. 前記ハイドロプレーン層の厚みは、10nm〜10μmの範囲である請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
4. 前記シリコンウェーハは、直径450mm以上の大口径シリコンウェーハである請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウェーハの研磨方法。