JP5839783B2 - 半導体ウェーハのエッジを研磨する方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハのエッジを研磨する方法に関する。

通常、半導体ウェーハは、シリコンウェーハ又はシリコンから誘導される層状構造（例えばシリコン−ゲルマニウム）を有する基板である。このシリコンウェーハは特に、半導体部品、例えばメモリ（ＤＲＡＭ）、マイクロプロセッサ、センサ、発光ダイオード及び更に他に多くのものの製造に使用される。

半導体ウェーハのエッジに要求される品質は、特に半導体ウェーハの直径が大きい（直径≧３００ｍｍ）場合、ますます高くなってきている。特に半導体ウェーハのエッジは、出来る限り汚染されておらず、且つ低い粗さを有するべきである。その上、エッジは、取り扱う際の高められた機械的応力に対して耐性を持っているべきである。単結晶からスライスされた半導体ウェーハの未処理のエッジは、比較的粗く、且つ不均一な表面を有する。それは機械的な負荷がかかる場合に頻繁に割れ、且つパーティクルの妨害源である。それゆえエッジを再研削し、それによって結晶中での割れ及び損傷を取り除き、且つ該エッジに所定のプロファイルを付与することが慣例的である。

適した研削装置は、先行技術から公知である。通常、半導体ウェーハは、回転テーブル上に固定され、且つ該ウェーハのエッジが、同様に回転する加工ツールの作業面に対して位置決め(delivering)されるのが慣例的である。その際に使用される加工ツールは、たいていディスクとして形成されており、それは主軸に固定されており、且つ半導体ウェーハのエッジの加工のための作業面として作用する円周面を有する。通常、材料を除去する粒子は、加工ツールの作業面に固定されている。通常使用される粒子は、粗粒を有する。通常、"粒度"は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ ６００１：１９９８によるメッシュにおいて記載される。

このメッシュ数から、平均粒径が算出され得る。

細粒を有する研削ディスクが使用される場合、しばしば精密研削も使用される。そのような精密研削ディスクは、例えばＤｉｓｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている１０００メッシュ〜４０００メッシュの粒子を有する。粒径に換算される場合、例えば１２００メッシュは９．５μｍの平均粒径に、５０００メッシュは２．５μｍの平均粒径に、及び８０００メッシュは１．２μｍの平均粒径に相当することになる。

精密研削の間の平均粒径は、約３μｍから１０μｍまでである。粗粒を有する研削ディスクが使用される場合、平均粒度は１０μｍより大きく、且つ通常は１５μｍまでである。

これらの研削−加工ツールは、ラウンドエッジを有する半導体ウェーハを準備することに適している。しかしながら、通常は、エッジのラウンディング後に、ある程度の最小粗さがエッジ表面上に残る。

後の加工工程において、研削され、且つエッチング媒体で処理されたウェーハのエッジは、それゆえ普通は研磨される。

その際、中心で回転する半導体ウェーハのエッジは、中心で回転する研磨ドラムに所定の力（接触圧）で押し付けられる。ＵＳ５，９８９，１０５は、該研磨ドラムがアルミニウム合金を有し、且つ研磨パッドが適用されている、この種のエッジ研磨方法を開示する。半導体ウェーハは、通常、平坦なウェーハホルダ、いわゆるチャック上に固定されている。半導体ウェーハのエッジは、チャックから突き出ているため、該エッジは研磨ドラムに自由に接触可能である。

これらの慣例のエッジ研磨方法において、特に半導体ウェーハのエッジ領域中での局所的形状に悪影響が及ぶ。これは、この場合に使用される比較的"軟質なエッジ研磨パッド"（通常は、比較的軟質且つシリカゾルが適用されている研磨パッドが使用される）により、エッジそれ自体だけでなく、半導体ウェーハの前面及び／又は裏面の外側部分も同様に研磨されることに関連しており、これは研磨剤スラリーが適用されている研磨パッド中への硬質エッジの"沈み込み"によって説明されることができる。これにより、実際のエッジの領域中のみならず、前面及び／又は裏面の隣接する領域中でも除去が行われる。

ＵＳ５，９８９，１０５

本発明の目的は、これに対して解決手段を提供し、且つ従来技術の欠点を回避することであった。

本発明の目的は、
（ａ）端面が研磨されており、且つラウンドエッジを有する半導体ウェーハを準備すること；（ｂ）中心で回転するチャック上に該半導体ウェーハを固定し、該半導体ウェーハと、チャックに対して傾斜されており、固定砥粒を含有する研磨パッドが適用されている、中心で回転する研磨ドラムとを位置決めし、固体を含有しない研磨剤溶液を連続的に供給しながら半導体ウェーハと研磨ドラムとを互いに押し付けることによって半導体ウェーハのエッジを研磨することを有する、半導体ウェーハのエッジを研磨する方法によって達成される。

本発明の有利な態様は、従属請求項の形で特許保護を請求されているか、又は以下で説明される。

本発明は、固定砥粒研磨技術が基礎の連続的なエッジ研磨を基礎とする。

これによって、半導体ウェーハの前面及び／又は裏面の隣接する領域を損なわずにウェーハエッジに適切に影響を及ぼし、ひいては例えば所望の形状特性及び表面特性をウェーハエッジ上でのみ調節することが可能である。

使用されるＦＡＰパッドは、はるかに硬質であり、且つ標準的に使用される研磨パッドよりずっと圧縮され得難く、そのうえアルカリシリカゾルなしに−例えばアルカリ性溶液の使用によってのみ−除去を起こすという利点を提供し、このことは、そのうえウェーハ前面上での研磨剤連行と、それによるウェーハ表面の−初期のエッチングに基づく、例えば高められた歩留まり、例えばＬＬＳ（局所光散乱体）の形での−付加的な悪影響を回避する。

エッジ粗さ及びエッジ歩留まりの減少を実現するために、引き続き、必要に応じて同じＦＡ研磨パッド上で、穏やかに除去するシリカゾルを用いた短時間の軟質研磨工程を行ってよい。

２つの研磨工程は、ウェーハ前面及びウェーハ裏面のウェーハパーシャルサイトに悪影響が及ぼされることなく、ウェーハエッジ形状及びウェーハエッジ表面に良い影響が適切に及ぼされ得るように互いに適合させることができる。

まず、ＤＳＰ（両面研磨方法）によって研磨された半導体ウェーハが準備される。該半導体ウェーハは、ラウンドエッジ（前で従来技術について述べたエッジ研削方法によって作製された）を有する。

この半導体ウェーハは、固定砥粒を有する、硬質であり、且つほとんど圧縮され得ない研磨パッドがその表面に接着剤結合された研磨ドラムによって、アルカリ性溶液を供給しながら研磨される。

好ましくは、引き続き、第２の工程において同じ研磨パッド上で、シリカゾル、例えばＳｉＯ₂約１質量％を有するＧｌａｎｚｏｘ ３９００を供給しながら平滑化工程が行われる。

Ｇｌａｎｚｏｘ ３９００は、Ｆｕｊｉｍｉ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｊａｐａｎによって、濃縮液として販売される研磨剤スラリーの製品名である。この濃縮液の基礎となる溶液はｐＨ１０．５を有し、且つ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。

本発明による方法によって、従来技術において観察される半導体ウェーハのエッジ領域中での局所的形状の欠陥が回避されることがわかった。

更なる一利点は、エッジ研磨の除去工程における研磨剤連行、ひいてはウェーハ表面の無制御の初期のエッチングに基づく表面欠陥の出現が回避されるという点である。

特に本発明は、３００ｍｍ以上の直径、極めて有利には４５０ｍｍの直径を有する半導体ウェーハの加工に向けられている。

半導体材料としてシリコンが特に有利である。

エッジ研磨中に使用される研磨剤溶液は、最も簡単なケースでは、半導体工業において使用するための通常の純度を有する水、好ましくは脱イオン水（ＤＩＷ）である。

しかしながら、該研磨剤溶液は、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）のような化合物又はこれらの任意の所望の混合物も含有してよい。

炭酸カリウムを使用することが、極めて有利である。

該研磨剤溶液のｐＨ値は、好ましくは１０〜１２の範囲内にあり、且つ該研磨剤溶液中の上記化合物の割合は、好ましくは０．０１〜１０質量％、特に有利には０．０１〜０．２質量％である。

更にまた該研磨剤溶液は、１つ以上の更なる添加剤、例えば表面活性添加剤、例えば湿潤剤及び界面活性剤、保護コロイドとして作用する安定化剤、保存剤、殺生剤、アルコール及び錯化剤を含有してよい。

エッジ研磨の有利な第２の工程において、砥粒を含有する研磨剤が使用される。

研磨剤スラリー中の研磨材料の割合は、好ましくは０．２５〜２０質量％、特に有利には０．２５〜１質量％である。

研磨材料の粒度分布は、好ましくは際立って単峰性である。

平均粒径は５〜３００ｎｍ、特に有利には５〜５０ｎｍである。

該研磨材料は、基板材料を機械的に除去する材料を有し、好ましくはアルミニウム、セリウム又はケイ素の元素の１つ以上の酸化物を有する。

コロイド分散性シリカを含有する研磨剤スラリーを使用することが特に有利である。

エッジ研磨の第２の工程においては、第１の工程とは違って、好ましくは炭酸ナトリウム（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）のような添加剤は添加されない。

しかしながら、該研磨剤スラリーは、１つ以上の更なる添加剤、例えば表面活性添加剤、例えば湿潤剤及び界面活性剤、保護コロイドとして機能する安定化剤、保存剤、殺生剤、アルコール及び錯化剤を含有してよい。

本発明による方法において、研磨パッドに固定された研磨材料を含有する研磨パッド（ＦＡＰパッド又はＦＡパッド）が使用される。

適した研磨材料は、例えば、セリウム、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウムの元素の酸化物の粒子及び硬質材料、例えば炭化ケイ素、窒化ホウ素及びダイヤモンドの粒子を有する。

特に適した研磨パッドは、反復微細構造によって特徴付けられる表面トポグラフィーを有する。これらの微細構造（"ｐｏｓｔｓ"）は、例えば、円柱状又は多角形の断面を有する支柱の形又はピラミッド又は切頭ピラミッドの形を有する。

このような研磨パッドの詳細な説明は、例えばＷＯ９２／１３６８０Ａ１及びＵＳ２００５／２２７５９０Ａ１に含まれている。

研磨パッドに固定された酸化セリウム粒子の使用（ＵＳ６６０２１１７Ｂ１も参照のこと）が特に有利である。

ＦＡＰ研磨パッドの平均粒径は、好ましくは０．１〜１．０μｍ、特に有利には０．１〜０．２５μｍである。

本方法の実施に特に適しているのは、砥粒を含有する層、剛性プラスチックからの層並びに柔軟性の(compliant)不織布層を有する、多層構造を有する研磨パッドであり、その際、該層は感圧接着剤層によって互いに結合されている。

剛性プラスチックからなる層は、好ましくはポリカーボネートを有する。

該研磨パッドは、ポリウレタンフォームからなる付加的な層を含有してよい。

その際、研磨パッドの層の１つは柔軟性である。

柔軟層は、好ましくは不織布層である。

柔軟層は、好ましくはポリエステル繊維を有する。特に適しているのは、ポリウレタンで浸漬されているポリエステル繊維からなる層である（"不織布"）。

柔軟層によって、パッド高さを適合させることができ、且つ連続的な移行を生じることができる。

柔軟層は、好ましくは研磨パッドの最下層に相当する。その上に、好ましくは、接着剤層によって柔軟層上に固定されている、例えばポリウレタンからなるフォーム層が存在する。該ＰＵフォームの上には、より硬質な剛性材料からなる層、好ましくは硬質プラスチックからなる層が存在しており、該層のために、例えばポリカーボネートが適している。この剛性層の上には、微細反復構造を有する層、すなわち実際の固定砥粒層が存在する。

しかしながら、該柔軟層は、フォーム層と剛性層との間又は固定砥粒層の真下に位置していてもよい。

種々の層の互いの固定は、好ましくは感圧接着剤層（ＰＳＡ）によって行われる。

本発明者は、ＦＡＰ研磨パッドの従来技術において常に存在するＰＵフォーム層を含まない研磨パッドが良好な結果をもたらすことを認めた。

この場合、該研磨パッドは、微細反復構造を有する層、柔軟層及び剛性プラスチック、例えばポリカーボネートからなる層を有し、その際、該柔軟層は、該研磨パッドの中間層又は最下層のいずれかであってよい。

これらの新規の研磨パッドは、マルチプレートポリシングマシーン(multi-plate polishing machine)（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＩｎｃのＡＭＡＴ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）における使用のために特に適している。このポリシングマシーンは、５つのゾーンのメンブランキャリア(membrane carrier)を有し、それは該キャリアの圧力プロファイルを５つのゾーンで異なるように調節することが可能である。これは柔軟性の研磨パッドとの組み合わせにおいて、研磨されたウェーハの形状に関して優れた結果をもたらす。

使用されるＦＡＰ研磨パッドの粒度は、好ましくは０．１μｍ以上であり、且つ１．０μｍ以下であり、特に有利には０．１〜０．２５μｍである。

本発明による方法の実施のために、市販の自動式エッジ研磨機が適している。

この場合、半導体ウェーハは、中心で回転するチャックに固定されており、その際、該半導体ウェーハは、該チャックから突き出ている。チャックに対して所定の角度で傾斜しており、中心で回転し且つＦＡＰ研磨パッドが適用されている研磨ドラムと、半導体ウェーハを有する該チャックとが互いに位置決めされ、且つ所定の接触圧で研磨剤が連続的に供給されながら互いに押し付けられる。

エッジ研磨の間、半導体ウェーハをその上に保持するチャックは中心で回転される。

好ましくは、チャックの回転は２０〜３００ｓ、特に有利には５０〜１５０ｓ（回転時間）続けられる。

研磨パッドで被覆されており、且つ好ましくは３００〜１５００ｍｉｎ^-1、特に有利には５００〜１０００ｍｉｎ^-1の回転速度にて中心で回転する研磨ドラムとチャックとが互いに位置決めされており、その際、該研磨ドラムは、半導体ウェーハに対する取り付け角のもと斜角に取り付けられ、且つ該半導体ウェーハは、それが該チャックから微かに突き出し、且つそのようにして該研磨ドラムに接触可能であるように固定されている。

該取り付け角は、好ましくは３０〜５０゜である。

半導体ウェーハと研磨ドラムとは、所定の接触圧で、研磨剤を連続的に供給しながら、好ましくは０．１〜１リットル／ｍｉｎ、特に有利には０．１５〜０．４０リットル／ｍｉｎの研磨剤流量で相互に押し付けられ、その際、該接触圧は、ローラに取り付けられた重りによって調節されることができ、且つ好ましくは１〜５ｋｇ、特に有利には２〜４ｋｇである。好ましくは、研磨ドラムと半導体ウェーハとは、該半導体ウェーハ又は該半導体ウェーハを保持するチャックの２〜２０回転後、特に有利には２〜８回転後に互いに遠ざけられる。

Ｓｐｅｅｄｆａｍ ＥＰ３００−ＩＶ型のエッジポリシングマシーンについて、例示的に次の設定パラメータが、本発明による方法の実施のために適している（括弧内には、適切な場合に、本発明による方法の実施の際に有利な範囲を記載している）：
− 研磨する間の接触圧：３．０ｋｇ（１．０〜５．０ｋｇ）
− 研磨ドラムの回転速度：８００ＲＰＭ（３００〜１５００ＲＰＭ）
− チャック／半導体ウェーハの回転速度：８５ｓｅｃ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（２０〜３００ｓｅｃ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）
− 半導体ウェーハの回転数：４（２〜２０回転）
− 研磨剤流量：３００ｍｌ／ｍｉｎ（１００〜１０００ｍｌ／ｍｉｎ）
− 研磨剤濃度：例えばＫ₂ＣＯ₃ ０．８％（重要でない、任意の他の所望の濃度も可能）
− 研磨剤の種類：例えばＳｉＯ₂ ５％ Ｂａｙｅｒ社のＬｅｖａｓｉｌ^TM２００、他の多数のものも考えられる
− ウェーハに対する研磨ドラムの取り付け角：４０゜（３０〜５０゜）
− 研磨パッド：例えば酸化セリウム粒子、粒径０．１〜２．５μｍを有する固定砥粒研磨パッド
− 研磨時間：３４０ｓｅｃ（１５０〜６００ｓｅｃ）

Claims (15)

1. 半導体ウェーハのエッジを研磨する方法であって、
   （ａ）端面が研磨されており、且つラウンドエッジを有する半導体ウェーハを準備すること、（ｂ）中心で回転するチャック上に該半導体ウェーハを固定し、該半導体ウェーハと、チャックに対して傾斜されており、且つ固定砥粒を含有する研磨パッドが適用されている、中心で回転する研磨ドラムとを位置決めし、及び固体を含有しない研磨剤溶液を連続的に供給しながら該半導体ウェーハと該研磨ドラムとを互いに押し付けることによって半導体ウェーハのエッジを研磨する第１のエッジ研磨と、（ｃ）該第１のエッジ研磨後に、第１のエッジ研磨の研磨パッドを用いて、第２のエッジ研磨を、砥粒を含有する研磨剤スラリーの供給下で行うことを有し、
   前記研磨剤溶液は、炭酸ナトリウム（Ｎａ ₂ ＣＯ ₃ ）、炭酸カリウム（Ｋ ₂ ＣＯ ₃ ）、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（ＮＨ ₄ ＯＨ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）又はこれらの混合物である添加剤を含み、前記研磨剤スラリーは前記添加剤を含まない、半導体ウェーハのエッジを研磨する方法。
2. 前記研磨剤溶液のｐＨ値が１０〜１２であり、且つ前記研磨剤溶液中の前記化合物の割合が０．０１〜１０質量％である、請求項１記載の方法。
3. 工程ｃ）に従った前記研磨剤スラリー中の研磨材料の割合が、０．２５〜２０質量％である、請求項１記載の方法。
4. 前記研磨剤スラリー中の研磨材料が、アルミニウム、セリウム又はケイ素の元素の１つ以上の酸化物を有する、請求項１又は３記載の方法。
5. 前記研磨剤スラリーがコロイド分散性シリカを含有する、請求項４記載の方法。
6. 前記研磨剤スラリーのｐＨ値が９〜１１．５の範囲内にある、請求項５記載の方法。
7. 使用される前記研磨パッドが、セリウム、アルミニウム、ケイ素、ジルコニウムの元素の酸化物の粒子又は、炭化ケイ素、窒化ホウ素又はダイヤモンドの粒子を含む硬質材料から選択される研磨材料を含有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記研磨パッドが酸化セリウム粒子を含有する、請求項７記載の方法。
9. 砥粒の平均粒径が０．１〜１μｍである、請求項７又は８記載の方法。
10. 砥粒の平均粒径が０．１〜０．２５μｍである、請求項９記載の方法。
11. 前記研磨パッドが、研磨材料を含有する層以外に、剛性プラスチックからなる層及び柔軟性の不織布層を有し、その際、前記層は感圧接着剤層によって互いに結合されている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 剛性プラスチックからなる層がポリカーボネートを有する、請求項１１記載の方法。
13. 前記研磨パッドが、ポリウレタンフォームからなる付加的な層を有する、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 前記柔軟層がポリエステル繊維を有する、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 前記半導体ウェーハが、３００ｍｍ以上の直径を有する単結晶シリコンから成る、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。