JP5453378B2 - 半導体材料から構成された基板を研磨する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体材料から構成された基板を研磨する方法に関し、この方法は、少なくとも２つの異なる工程からなる。この方法の少なくとも１つの工程は、研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨する研磨工程である。
ＷＯ ９９／５５４９１Ａ１には、研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨する第１の研磨工程を有する２工程の研磨法が記載されている。このような研磨パッド、これは"固定された研磨パッド"とも呼ばれている、が使用される研磨工程は、以下、略してＦＡＰ工程と呼称される。その後の２工程の研磨法の第２の研磨工程は、結合された研磨材を含有しない研磨パッド上での基板の化学機械的研磨である。本明細書中、研磨材は、スラリーの形で基板と研磨パッドとの間に導入される。このような研磨工程は、以下、略してＣＭＰ工程と呼称される。この研磨工程は、ＷＯ ９９／５５４９１Ａ１の記載によれば、殊に基板の研磨された表面上にＦＡＰ工程によって残された掻き傷を除去するために、２工程の研磨法で使用される。
欧州特許出願公開第１７１７００１号明細書Ａ１の記載は、任意の部品構造形を表面上に未だ有していなかった半導体ウェーハを研磨する際に、ＦＡＰ工程も使用されるという事実の１例である。このような半導体ウェーハの研磨中に、主に、特に平坦でありかつ最小の微小荒さおよびナノトポグラフィーを有する少なくとも１つの側面を形成させることは、重要である。
本発明の目的は、半導体材料から構成された基板に対して改善された研磨法を規定することであり、この方法は、殊に微小荒さに関連して特に低い値をもたらす。
この目的は、
研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨し、研磨剤溶液が研磨工程中に基板と研磨パッドとの間に導入される、タイプＡの少なくとも１つの研磨工程；および
研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨し、結合されていない研磨材を含有する研磨剤スラリーが研磨工程中に基板と研磨パッドとの間に導入される、タイプＢの少なくとも１つの研磨工程を有する、半導体材料から構成された基板を研磨する方法により達成される。
研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨し、研磨剤溶液が研磨工程中に基板と研磨パッドとの間に導入される、タイプＡの少なくとも１つの研磨工程；および
研磨パッド中に結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨し、結合されていない研磨材を含有する研磨剤スラリーが研磨工程中に基板と研磨パッドとの間に導入される、タイプＢの少なくとも１つの研磨工程を有する、半導体材料から構成された基板を研磨する方法により達成される。
タイプＡおよびタイプＢの研磨工程は、それぞれＦＡＰ工程である。これらのタイプは、タイプＢの研磨工程で結合されていない研磨材を含有する研磨剤スラリーを基板と研磨パッドとの間に導入する点と、一方で、タイプＡの研磨工程で研磨剤スラリーを、既述した表現として固体を含有しない研磨剤溶液によって代替する点で相違する。
研磨剤の表現は、以下、研磨剤スラリーおよび研磨剤溶液に関する一般的な用語として使用される。
研磨剤スラリー中の研磨材の割合は、有利に０．２５〜２０質量％である。研磨材粒子の粒径分布は、好ましくは性質上、単峰性である。平均粒径は、５〜３００ｎｍ、特に好ましくは５〜５０ｎｍである。研磨材は、基板材料、好ましくは元素のアルミニウム、セリウムまたはケイ素の酸化物の１つ以上を機械的に除去する材料を含有する。コロイド分散系珪酸を含有する研磨剤スラリーは、特に好ましい。研磨剤スラリーのｐＨは、好ましくは９〜１１．５の範囲内にあり、好ましくは添加剤、例えば炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）または前記化合物の任意の望ましい混合物によって設定される。更に、研磨剤スラリーは、１つ以上の他の添加剤、例えば表面活性添加剤、例えば湿潤剤および界面活性剤、保護コロイドとして作用する安定剤、防腐剤、殺菌剤、アルコールおよび錯形成剤を含有することができる。
研磨剤溶液は、最も簡単な場合には、水であり、好ましくは、半導体工業に使用するために常用の純度を有する脱イオン水（ＤＩＷ）である。しかし、研磨剤溶液は、化合物、例えば炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、テトラアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）またはこれらの任意の望ましい混合物を含有していてもよい。この場合、研磨剤溶液のｐＨは、好ましくは１０〜１２の範囲内にあり、研磨剤溶液中の前記化合物の割合は、好ましくは０．０１〜１０質量％である。更に、研磨剤溶液は、１つ以上の他の添加剤、例えば表面活性添加剤、例えば湿潤剤および界面活性剤、保護コロイドとして作用する安定剤、防腐剤、殺菌剤、アルコールおよび錯形成剤を含有することができる。
本発明により研磨される適当な基板は、殊に材料、例えばケイ素、ヒ化ガリウム、ＳｉxＧｅ1-x、サファイアおよび炭化ケイ素から構成された半導体ウェーハを含む。特に好ましい基板は、ケイ素から構成された半導体ウェーハおよびこのケイ素に由来する基板である。ケイ素から構成された半導体ウェーハの研磨すべき表面は、結晶からの半導体ウェーハの分離後、半導体ウェーハのラッピング後、半導体ウェーハの研削後、半導体ウェーハのエッチング後または既に行なわれた半導体ウェーハの研磨後に生じるような状態で存在することができる。ケイ素から構成された半導体ウェーハに由来する基板は、殊に１つの層構造を有する基板、例えばエピタキシーにより析出された層を有する半導体ウェーハ、ＳＯＩ基板（"silicon on insulator"）およびｓＳＯＩ基板（"strained silicon on insulator"歪みＳＯＩ基板）およびその中間製品を意味するものと理解すべきである。中間製品は、ドナー半導体ウェーハをも含み、この場合このドナー半導体ウェーハの層は、殊にＳＯＩ基板の製造中に他の基板に移行している。再使用することができるようにするために、層移行によって覆われていないドナー半導体の表面は、比較的粗く、端部で特徴のある段を有し、したがってこの表面は、平坦化されなければならない。基板の研磨すべき表面は、ケイ素である必要はないし、ケイ素だけから構成されていない。例示的に、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を構成する層、例えばヒ化ガリウム、またはケイ素とゲルマニウムから構成された合金（ＳｉxＧｅ1-x）が含まれていてよい。更に、例は、リン化インジウム、窒化ガリウムおよびヒ化アルミニウムガリウムから構成された層である。ＳｉxＧｅ1-x層の表面は、しばしば転位によって引き起こされたパターンによって特徴付けられており、"クロスハッチ（cross hatch）"として公知であり、一般に1つ以上の他の層が前記表面上に析出されうる前に平坦化されなければならない。
ゲルマニウムまたはＳｉxＧｅ1-xの層を有する基板が本発明により研磨されうるならば、研磨剤スラリーまたは研磨剤溶液、またはこれら双方は、酸化剤を他の添加剤として含有することができる。適当な酸化剤は、過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）およびオゾン（Ｏ3）である。この添加剤は、ゲルマニウムを水溶性化合物に変換する。添加剤なしの場合には、ゲルマニウム含有粒子が研磨中に生じる可能性があり、研磨された表面に掻き傷を生じうる。
本発明による方法は、原理的に両面研磨の形で実施されうる。この場合、半導体ウェーハの両面は、同時に研磨される。しかし、特に好適な適用範囲は、片面研磨される。この場合、大きな直径を有する基板、例えば３００ｍｍの直径を有するケイ素から構成された半導体ウェーハは、通常、片面研磨される。前記半導体ウェーハは、研磨ヘッドを利用して、研磨すべき側面によって研磨板上に存在する研磨パッドに対し圧縮される。また、研磨板は、基板を側方で包囲しかつ研磨中に研磨による滑りから基板を回避させるスナップリングを含む。現在の研磨ヘッドの場合には、研磨パッドから離れた半導体ウェーハの側面は、発揮される研磨圧力を伝導する弾性膜を支持する。この膜は、気体または液体のクッションを形成するできるだけ細分割されたチャンバー系の一部分である。しかし、研磨ヘッドは、弾性支持体（"裏面パッド"）が膜の代わりに使用される場合にも使用される。基板は、基板と研磨パッドとの間への研磨剤の供給ならびに研磨ヘッドおよび研磨板の回転で研磨される。この場合、研磨ヘッドは、最初に、研磨パッドの上を平行移動してもよく、それによって研磨パッド領域のよりいっそう包括的な使用が得られる。
更に、本発明による方法は、シングルプレートポリシング機（single-plate polishing machine）およびマルチプレートポリシング機（multi-plate polishing machine）上で同様に実施されてよい。好ましくは２または３個の研磨板および研磨ヘッドを有するマルチプレートポリシング機の使用が好ましく、このような場合には、相応する数の基板を同時に研磨することができる。この場合には、異なる研磨パッドおよび異なる研磨剤が使用されてもよい。
本発明による方法は、研磨パッド中に結合された研磨材を含有する少なくとも１つの研磨パッドを使用する。適当な研磨材は、例えば元素のセリウム、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウムの酸化物の粒子および硬質材料、例えば炭化ケイ素、窒化ホウ素およびダイヤモンドの粒子を含有する。特に好適な研磨パッドは、複製された微小構造によって造形された表面トポグラフィーを有する。前記の複数の微小構造（"複数のポスト"）は、例えば円筒形または多角形の断面を有する柱（column）の形または錐体または角錐台の形を有する。このタイプの研磨パッドは、商業的に入手可能であり、例えば３Ｍ Corp., USAによって提供されている。このような研磨パッドのよりいっそう詳細な記載は、例えばＷＯ ９２／１３６８０Ａ１およびＵＳ ２００５／２２７５９０Ａ１中に含まれている。
本発明による方法は、そのつどタイプＡおよびタイプＢの少なくとも１つの研磨工程を有する。前記の研磨工程は、同じ研磨パッドを含んでいてもよいし、異なる研磨パッドを使用することもできる。本方法の特に好ましい実施態様によれば、一時的に少なくとも３つの副次工程１、２および３に細分割され、この場合平均材料除去量（ＭＲ）を制御する処理パラメーター、例えば研磨材、研磨材流量および研磨工程時間は、副次工程１の平均材料除去量が副次工程２の平均材料除去量より大きく、副次工程２では、平均材料除去量が副次工程３の平均材料除去量より大きいかまたは副次工程３の平均材料除去量に等しい結果を生じるように制御される。副次工程１、２および３の中、少なくとも１つの副次工程は、タイプＡの研磨工程として構成され、少なくとも１つの副次工程は、タイプＢの研磨工程として構成される。副次工程１は、好ましくはタイプＡの研磨工程として具体化され、副次工程２は、好ましくはタイプＢの研磨工程として具体化され、副次工程３は、タイプＡの研磨工程として具体化されるかまたはタイプＢの研磨工程として具体化される。
更に、本発明による方法は、研磨工程、例えばＣＭＰ工程を有することができ、この工程は、本明細書中で、タイプＣの研磨工程と呼称される。このような研磨工程は、好ましくはタイプＡまたはタイプＢの研磨工程の後に実施される。更に、基板は、タイプＡまたはタイプＢの研磨工程の後に、例えばアルカリ性エッチング剤を用いておよび／または酸性のｐＨを有するエッチング剤を用いてエッチングされることができるかまたは清浄化されることができる。
微小荒さを減少させる努力は、対策を伴なうことによって支持されてよい。１つの好ましい対策は、研磨の最終段階で、好ましくは基板が研磨板から上昇する５〜３００秒前に研磨圧力を少なくとも１０％減少させ、この減少された研磨圧力で基板を、研磨板から上昇するまで研磨し続けることにある。更に、好ましい対策は、清浄剤を研磨パッド上に開放気泡フォーム体を利用して分布させることにより、研磨パッドを清浄剤を用いて清浄化することにある。この清浄化は、好ましくは原位置で、即ち基板の研磨中に行なわれる。この研磨パッドによる清浄化は、フォーム体がパッドに結合された任意の研磨材を含有しないという事実により、パッド状態調節と相違する。原理的に、開放気泡構造を有する任意の弾性プラスチックフォーム、例えばポリウレタンフォーム、ポリビニルアルコールフォーム、ポリスチレンフォーム、シリコーンフォーム、エポキシフォーム、尿素−ホルムアルデヒドフォーム、ポリイミドフォーム、ポリベンズイミダゾールフォーム、フェノール樹脂を基礎とするフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、ポリアクリル酸フォーム、ポリエステルフォームおよびビスコースフォームが適している。それぞれ研磨工程で使用される研磨材は、殊に清浄化剤として適している。
本発明は、好ましい例示的な実施多様の例により下記によりいっそう詳細に説明され、微小荒さの減少に関連する本発明の有利な作用効果は、比較実験により示されている。
基板は、３００ｍｍの直径を有するケイ素から構成され、かつＳｉ0.8Ｇｅ0.2の組成を有する弛緩型ケイ素ゲルマニウム合金から構成された上層を有する半導体ウェーハであった。この基板は、タイプnHance 6EGのStrasbaugh, Inc.社からの片面ポリシング機上で研磨され、その後に清浄化され、乾燥され、かつ研磨された表面を検査するための工程に通過された。殊に、開発研究のために構成された個々のウェーハのポリシング機は、１個の研磨ヘッドおよび１個の研磨板を装備している。研磨ヘッドは、カルダン的に（cardanically）取り付けられており、裏面パッドで被覆された固定型基板および移動可能なスナップリングを有する。クッションは、基板中の孔を通じて、２つの同心的な圧力帯域、内部帯域および外部帯域中に確立されることができ、この場合基板は、研磨中、エアクッション上を浮動する。圧力は、圧縮されたエアベローズにより移動可能なスナップリングに加えられ、こうして、基板との接触下に研磨パッドに予め張力が及ぼされかつ研磨パッドが平らに維持される。比較例および例示的な実施態様のために、３Ｍ Corp.社, USAからのFAPパッドが使用された。この場合、このパッドは、パッド中に結合された酸化セリウム（ＣｅＯ2）の研磨材粒子を有し、この研磨材粒子は、０．５５μｍの平均粒径を有する。
第１の連続試験で、第１の比較例の半導体ウェーハと第１の例示的な実施態様の半導体ウェーハの双方は、３工程の研磨法、研磨工程１、２および３に掛けられる。比較例の場合には、研磨工程１、２おおび３は、タイプＡの例外の研磨工程がない。これとは異なり、例示的な実施態様の半導体ウェーハは、研磨工程２および３がタイプＢの研磨工程である相応する研磨に掛けられた。
更に、実験パラメーターは、次の表中に纏められている。
＊）Glanzox 3900は、濃厚物として、Fujimi Incorporated社,日本、によって提供された研磨剤スラリーの商品名である。１０．５のｐＨを有する濃厚物は、３０〜４０ｎｍの平均粒径を有するコロイド状ＳｉＯ2約９質量％を含有する。表中に記載されたＳｉＯ2量は、研磨剤を基礎としている。
研磨後に、半導体ウェーハは、清浄化され、乾燥され、かつ残りの微小荒さについて検査された。この場合には、３つの異なる測定法が使用された。ＲＭＳ荒さ（"roor mean square, RMS"平方自乗平均）は、Chapman Instruments社, USA、からの位相差プロフィルメーターを用いて、荒さ値に影響を及ぼす種々の側方相関長（lateral correlation lengths）（フィルターの長さ、"空間的波長"）を考慮に入れて測定された。更に、暗野散乱光（"ヘイズ"）は、KLA-Tencor社, USA,からのSurfscan SP-1を用いて、種々の検出器の配置に対して測定された（チャンネルモード：Ｄ＝"暗野"；Ｎ＝"狭い"、Ｗ＝"幅広"、Ｏ＝"傾斜"、Ｎ＝"標準"）。第３の測定は、半導体ウェーハの端部から１ｍｍで中心部の１０μｍ×１０μｍの測定平方面積上でのＡＦＭ測定（"atomic force microscopy", AFM）であり、これは、同様にＲＭＳ荒さの測定にも使用される。
測定の結果は、第２表、第３表および第４表中に纏められている。
上記の表は、本発明により研磨を行なった場合に、著しく低い"ヘイズ"およびＲＭＳ荒さ値を予想することができることを示す。
第１の連続した実験（例示的な実施態様１および比較例１）での上記の実験は、研磨パッドの原位置での清浄化なしに実施された。更に、第２の連続した実験（例示的な実施態様２および比較例２）で、研磨パッドの原位置での清浄化が付加的に、清浄化剤としての研磨剤で含浸された、ポリエステルから構成された開放気泡スポンジを用いて実施されたことを除外して、同じタイプの半導体ウェーハは、同様に研磨された。
前記実験を示す第２表、第３表および第４表中の列は、微小荒さが前記の付加的な測定により減少させることができたことを明示する。
Claims (9)
- ケイ素から構成された基板又はケイ素とゲルマニウムの合金から構成された層を有するケイ素から構成された基板を研磨する方法であって、
結合された研磨材を含有する研磨パッド上で基板を研磨し、固体を含有しない研磨剤溶液が研磨工程Ａ中に基板と研磨パッドとの間に導入される、少なくとも１つの研磨工程Ａ、および
結合された研磨材を含有する研磨パッド上で研磨工程Ａに供された基板を研磨し、研磨工程Ｂ中に基板と研磨パッドとの間に研磨材を含有する研磨剤スラリーが導入される、少なくとも１つの研磨工程Ｂ
によって基板を研磨することを含み、
基板を結合された研磨材を含有しない研磨パッドを用いて研磨する少なくとも１つの研磨工程Ｃをさらに有し、研磨材を含有する研磨剤スラリーを研磨工程Ｃ中に基板と研磨パッドとの間に導入する、方法。 - 研磨工程Ａおよび研磨工程Ｂを同じ研磨板上で実施する、請求項１記載の方法。
- 研磨工程Ａおよび研磨工程Ｂを異なる研磨板上で実施する、請求項１記載の方法。
- 研磨剤スラリーは、元素のアルミニウム、セリウムまたはケイ素の１つ以上の酸化物を研磨材として含有する、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
- 研磨剤スラリーは、０．２５〜２０質量％の固体量を有する、請求項４記載の方法。
- 研磨剤スラリーは酸化剤を含有し、基板はケイ素とゲルマニウムの合金から構成された層を有するケイ素基板である、請求項４または５記載の方法。
- 固体を含有しない研磨剤溶液は酸化剤を含有し、基板はケイ素とゲルマニウムの合金から構成された層を有するケイ素基板である、請求項１記載の方法。
- 清浄剤を研磨パッド上に開放気泡フォーム体を利用して分布させることにより、研磨パッドを研磨工程中に清浄化する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
- 研磨工程Ａまたは研磨工程Ｂの後、またはこれら双方の研磨工程後に基板をエッチングするかまたは清浄化する、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
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