JP7306234B2

JP7306234B2 - ウェーハの研磨方法及びシリコンウェーハ

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Inventors: 和明小佐々; 勝久杉森; 一樹西岡; 剛史森田
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Description

本発明は、ウェーハの研磨方法に関し、特に、表面にナノトポグラフィが形成されたシリコンウェーハの研磨方法に関する。また本発明はそのような研磨方法により研磨されたシリコンウェーハに関する。

半導体デバイスの基板材料としてシリコンウェーハが広く用いられている。シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴットに外周研削、スライス、ラッピング、エッチング、両面研磨、片面研磨、洗浄等の工程を順次行うことにより製造される。このうち、片面研磨工程は、ウェーハ表面の凹凸やうねりを除去して平坦度を高めるために必要な工程であり、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）による鏡面加工が行われる。

通常、シリコンウェーハの片面研磨工程では枚葉式のウェーハ研磨装置（ＣＭＰ装置）が用いられる。このウェーハ研磨装置は、研磨パッドが貼り付けられた回転定盤と、研磨パッド上のウェーハを押圧しながら保持する研磨ヘッドとを備えており、スラリーを流しながら回転定盤及び研磨ヘッドをそれぞれ回転させることによりウェーハの片面を研磨する。

近年、シリコンウェーハにおいては「ナノトポグラフィ」と呼ばれる表面の微細な凹凸が問題となっている。このナノトポグラフィは、「BOW」や「Warp」よりも波長が短く、「表面粗さ」よりも波長が長いウェーハ表面の周期的なうねり成分であり、波長は０．２～２０ｍｍ、振幅（Peak to Valley値）は数十ｎｍレベルである。ナノトポグラフィが適正レベルを超えると、デバイスプロセスにおけるＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）の歩留まりが悪化し、閾値電圧Ｖ_Ｔ等のデバイス特性のばらつきが大きくなる。

ナノトポグラフィに関し、例えば特許文献１には、ナノトポグラフィ効果を補償しうる化学的機械研磨用スラリー組成物及びこれを利用した半導体素子の表面平坦化方法が記載されている。

国際公開第２００４／１００２４３号パンフレット

近年のデバイスプロセスの微細化に伴い、隣り合う素子の間隔が非常に狭くなってきているため、例えばＣＭＰ加工時の取り代の変動に伴う素子の高さ寸法の変動など、ナノトポグラフィがデバイスの寸法精度に及ぼす影響はますます大きくなっている。そのため、今後はナノトポグラフィ特性をさらに厳しい規格に収める必要があり、特に２ｍｍスクエア（２ｍｍ×２ｍｍ）という非常に小さな領域内のナノトポグラフィ特性を改善することが求められている。

したがって、本発明の目的は、ウェーハの表面の２ｍｍスクエア又はこれと同等の小さな面積を有するサイト内のナノトポグラフィ特性を改善することが可能なウェーハの研磨方法及び当該研磨方法によって研磨されたシリコンウェーハを提供することにある。

本願発明者らは、ナノトポグラフィが発生するメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、取り代が０．５μｍ前後の片面研磨工程で発生する研磨ムラが２ｍｍスクエアのナノトポグラフィを発生させており、研磨ムラの原因は、研磨パッドの不均一な厚みであることが明らかとなった。これまで、研磨パッドの面内の厚みばらつきは、研磨パッドとウェーハの被加工面との間にスラリーを留めて研磨効率を促進させるために多少は必要であると考えられていた。しかし、２ｍｍスクエアという非常に小さな領域内のうねり成分まで考慮した場合には、研磨パッドの面内の厚みばらつきを十分に小さくする必要があることを見出した。さらに、従来の２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィの評価に用いる９９．９５％スレシホールド値や９９．５％スレシホールド値ではなく、従来使用されていなかった２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を用いることが、デバイス特性のばらつきを低減する効果があることを見出した。

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるウェーハの研磨方法は、研磨レートが異なる２段以上の研磨ステップによりウェーハの表面を化学的機械研磨する方法であって、取り代が０．３μｍ以上の研磨ステップで使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、研磨パッドの厚みばらつきに起因するウェーハの表面の２ｍｍスクエアのナノトポグラフィを改善することができる。特に２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を１．０ｎｍ以下に抑えることにより、ウェーハ面内でのデバイス特性のばらつきを低減することができ、均一なデバイス特性を持つ半導体チップを製造することができる。

本発明において、前記２段以上の研磨ステップは、前記ウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨する第１研磨ステップと、前記第１研磨ステップよりも低い研磨レートで前記ウェーハの表面を研磨する第２研磨ステップを含み、前記第１研磨ステップで使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下であることが好ましい。この場合において、前記第１研磨ステップにおける前記ウェーハの研磨レートは５０ｎｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。第１研磨ステップにおける研磨ムラはウェーハの表面のナノトポグラフィに影響を与えるが、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を２．０μｍ以下に抑えることにより研磨ムラを抑えて２ｍｍスクエアのナノトポグラフィを改善することができる。

本発明において、前記第１及び第２研磨ステップにより研磨された前記ウェーハの表面の少なくとも一方向の寸法が２ｍｍ且つ面積が２ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下の領域からなるサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値は１．０ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、ナノトポグラフィの５０％スレシホールド値とは、ウェーハの面内のサイト毎のナノトポグラフィ値の累積値の上位５０％を除外したときの、残りの５０％の累積値の最大値のことを言う。前記サイトのサイズは、２ｍｍスクエア（２ｍｍ×２ｍｍ）であることがさらに好ましい。ウェーハの表面の２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を１．０ｎｍ以下にすることにより、ナノトポグラフィ特性をさらに良好にすることができる。したがって、ウェーハ面内でのデバイス特性のばらつきを低減することができ、均一なデバイス特性を持つ半導体チップを製造することができる。

本発明において、前記第１研磨ステップにおける前記研磨パッドに対する前記ウェーハの相対速度は０．３ｍ／ｓ以下であり、前記第１研磨ステップで使用する前記研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）は１．６μｍ以下であることが好ましい。さらに、前記第１及び第２研磨ステップにより研磨された前記ウェーハの最外周から内側に１ｍｍの位置におけるＲＯＡ（Roll Off Amount：ロールオフ量）は２０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、研磨パッドの厚みばらつきに起因するウェーハの表面の２ｍｍスクエアのナノトポグラフィを改善できるだけでなく、ウェーハ外周部の平坦度も向上させることができる。

また、本発明によるウェーハの研磨方法は、ウェーハの化学的機械研磨に使用する研磨パッドの面内の厚みばらつきを測定して当該厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下か否かを評価する研磨パッド厚み評価ステップと、前記研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下でない場合に当該厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下となるように前記研磨パッドの厚み分布を調整する研磨パッド厚み調整ステップとをさらに備え、面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下である前記研磨パッドを用いて前記ウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨することが好ましい。これにより、ウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨する研磨ステップで使用する研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を必ず２．０μｍ以下にすることができ、シリコンウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィ特性を確実に改善することができる。

さらにまた、本発明によるシリコンウェーハは、少なくとも一方向の寸法が２ｍｍ且つ面積が２ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下の領域からなるサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値が１．０ｎｍ以下であることを特徴とする。この場合において、前記ウェーハの最外周から内側に１ｍｍの位置におけるＲＯＡが２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、前記サイトのサイズは２ｍｍスクエアであることがさらに好ましい。本発明によれば、ウェーハ面内でのデバイス特性のばらつきを低減することができ、均一なデバイス特性を持つ半導体チップを製造することができる。

本発明によれば、ウェーハの表面の２ｍｍスクエア又はこれと同等の小さな面積を有するサイト内のナノトポグラフィ特性を改善することが可能なウェーハの研磨方法及び当該研磨方法によって研磨されたシリコンウェーハを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコンウェーハの研磨方法を説明する模式図である。図２は、図１における研磨ヘッドと研磨パッドとの関係を説明する模式図である。図３は、図１の片面研磨装置を使用して行うシリコンウェーハの研磨方法を説明するフローチャートである。図４は、研磨パッドの厚み分布のばらつき（標準偏差）と２ｍｍスクエアのナノトポグラフィ値との関係を示すグラフである。図５は、ウェーハの研磨取り代と２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィとの関係を示すグラフである。図６は、ウェーハとパッドとの相対速度と２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィとの関係を示すグラフである。図７は、ウェーハとパッドとの相対速度とウェーハ外周部のＲＯＡとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコンウェーハの研磨方法を説明する模式図である。

図１に示すように、シリコンウェーハの研磨方法は、枚葉式の片面研磨装置１００を用いてシリコンウェーハの片面を化学的機械研磨する方法である。加工対象となるシリコンウェーハ１０は、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶インゴットからワイヤソーにより切り出され、ラッピング（両面研削）及び両面研磨が施されたウェーハである。

片面研磨装置１００は、シリコンウェーハ１０を把持する研磨ヘッド１２０と、研磨パッド１５０が貼付された回転定盤１４０とを有する。また片面研磨装置１００は、研磨ヘッド１２０を回転させる回転機構と、研磨ヘッド１２０を回転定盤１４０の内外に移動させる移動機構を備えている。

研磨パッド１５０の構造は特に限定されず、不織布にポリウレタンを含侵させた下地層の上にＮＡＰ層（ポリウレタンの発泡層）が形成された２層構造の研磨パッドであってもよく、あるいは硬質ＮＡＰ層と軟質ＮＡＰ層の２層構造からなるスエードタイプの研磨パッドであってもよい。

片面研磨装置１００においては、研磨ヘッド１２０がシリコンウェーハ１０を保持しつつ回転定盤１４０の上面に貼付された研磨パッド１５０に対してシリコンウェーハ１０の被研磨面（すなわち、回転定盤１４０側の面）を押圧し、研磨ヘッド１２０と回転定盤１４０を共に回転させることにより研磨ヘッド１２０と回転定盤１４０とを相対運動させ、スラリー供給手段１６０からスラリー１７０を供給しながらシリコンウェーハ１０の被研磨面を化学的機械研磨する。

図２は、図１における研磨ヘッド１２０と研磨パッド１５０との関係を説明する模式図である。

図２に示すように、研磨ヘッド１２０はシリコンウェーハ１０をチャックするバッキングプレート１２２を備え、該バッキングプレート１２２の周縁部に研磨中のシリコンウェーハ１０の飛び出しを防止するリテーナリング１２４が設けられている。シリコンウェーハ１０の片面（被研磨面）は、リテーナリング１２４の下端面１２４Ａよりも突出した状態で片面研磨が行われ、弾性体である研磨パッド１５０は研磨ヘッド１２０からの押圧により、シリコンウェーハ１０の下方において沈み込む。研磨パッド１５０上に供給されるスラリー１７０は、回転定盤１４０の回転による遠心力により、回転定盤１４０及び研磨パッド１５０の中心から周縁方向へと流れ、シリコンウェーハ１０及びリテーナリング１２４と、研磨パッド１５０との僅かな間隙に沈入して流れ込む。

図３は、図１の片面研磨装置１００を使用して行うシリコンウェーハの研磨方法を説明するフローチャートである。

図３に示すように、本実施形態によるシリコンウェーハの研磨方法は、研磨パッドの厚みばらつきを予め測定する研磨パッド厚み評価ステップＳ１０と、評価後の研磨パッドを用いてシリコンウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨する第１研磨ステップＳ１１と、第１研磨ステップＳ１１で研磨されたシリコンウェーハの表面を第１研磨ステップＳ１１よりも低い研磨レートでさらに研磨する第２研磨ステップＳ１２と、研磨後のシリコンウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィを測定する２ｍｍスクエアナノトポグラフィ評価ステップＳ１３とを有している。

第１研磨ステップＳ１１は、エッチングレートが高いスラリーを用いて第２研磨ステップＳ１２よりも高い研磨レートでシリコンウェーハを研磨する、いわゆるセミファイナル研磨ステップである。第１研磨ステップＳ１１における研磨レート（第１研磨レート）は５０ｎｍ／ｍｉｎ以上であり、１００ｎｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。

第１研磨ステップＳ１１で使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）は２．０μｍ以下とする。このように、第１研磨ステップＳ１１では、シリコンウェーハの面内の厚みばらつき（標準偏差）を２．０μｍ以下に制限して化学的機械研磨を実施しているので、０．３μｍ以上の取り代を確保するだけでなく、２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィを１．０ｎｍ以下に抑えることができる。

研磨パッドに対するウェーハの相対速度を０．３ｍ／ｓ以下の低速にする場合、第１研磨ステップＳ１１で使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）は１．６μｍ以下であることが好ましい。研磨ヘッド及び回転定盤を低速回転させて研磨パッドに対するウェーハの相対速度を小さくした場合、ウェーハ外周部の平坦度を向上させることができるが、ナノトポグラフィが悪化しやすい。しかし、研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）を１．６μｍ以下にした場合には、ウェーハの最外周から内側に１ｍｍの位置におけるＲＯＡを２０ｎｍ以下、また２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィを１．０ｎｍ以下にすることができる。すなわち、ウェーハ外周部の平坦度とナノトポグラフィを両立することができる。

第２研磨ステップＳ１２は、エッチングレートが低いスラリーを用いて第１研磨レートよりも低い第２研磨レートでシリコンウェーハの表面を研磨する、いわゆるファイナル研磨ステップであることが好ましい。第２研磨ステップＳ１２における研磨レートは１０ｎｍ／ｍｉｎ以下であり、５ｎｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。第２研磨ステップＳ１２では、上層ＮＡＰと下層不織布で構成されたスウェードパッドを用いるが、研磨レートが低いため、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）は２０μｍ以下のものを使用することができる。

本実施形態においては、第１研磨ステップＳ１１を開始する前に、第１研磨ステップＳ１１で使用する研磨パッドの面内の厚み分布を測定し、当該研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下か否かを予め検査する研磨パッド厚み評価ステップＳ１０を実施することが好ましい。厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下である研磨パッドは合格品として第１研磨ステップＳ１１でそのまま使用することができる。一方、厚みばらつきが２．０μｍよりも大きい研磨パッドは、厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下となるように厚み分布を調整する必要がある。このようにすることで、厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下の研磨パッドを第１研磨ステップＳ１１で必ず使用することができ、研磨後のシリコンウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィ特性を改善することができる。

本実施形態においては、第１研磨ステップＳ１１及び第２研磨ステップＳ１２の終了後に当該シリコンウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィを評価する２ｍｍスクエアナノトポグラフィ評価ステップＳ１３を実施することが好ましい。そしてシリコンウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値が１．０ｎｍ以下の場合、当該シリコンウェーハはナノトポグラフィ特性に関して合格と判定し、１．０ｎｍよりも大きい場合には不合格と判定する。ここで、ナノトポグラフィの５０％スレシホールド値（５０％Ｔｈ）とは、累積確率が５０％のナノトポグラフィ値のことを言い、上位５０％のナノトポグラフィを除外して比較的小さなナノトポグラフィだけを対象としたときの最大値である。

ナノトポグラフィの測定では、まずウェーハの表面の凹凸の大きさを示すハイトマップを作成し、フィルタリングによってハイトマップからミクロンオーダーの反りやうねりを除去してハイトマップを平坦化する。次に、ウェーハの表面のフィルタリング済みハイトマップを任意のサイズ（ここでは２ｍｍスクエア）のサイトに分割し、各サイトのＰＶ（Peak to Valley）値を算出する。そして上記のように、全サイトのＰＶ値のうち累積確率が５０％であるＰＶ値を当該ウェーハの表面のナノトポグラフィ値とする。

このように第１研磨ステップＳ１１及び第２研磨ステップＳ１２を経た後のシリコンウェーハのナノトポグラフィ特性が不合格となった場合、第１研磨ステップＳ１１で当該不合格ウェーハの研磨に使用した研磨パッドの厚みを調整する研磨パッド厚み調整ステップを実施した後、不合格ウェーハの研磨のやり直しを実施することが好ましい。あるいは、第１研磨ステップＳ１１で使用した研磨パッドよりも厚みばらつきが小さい新たな研磨パッドを用いて不合格ウェーハの研磨のやり直しを実施してもよい。さらにまた、不合格ウェーハではなく、次のバッチのシリコンウェーハの第１研磨ステップＳ１１を実施するときに新たな研磨パッドを使用してもよい。この場合、不合格ウェーハのナノトポグラフィは改善されないが、次のバッチにおいてシリコンウェーハの２ｍｍスクエアナノトポグラフィ（５０％スレシホールド値）を１．０ｎｍ以下にすることができる。ナノトポグラフィ値が１．０ｎｍ以下であれば、これまでに得られているパッド厚み分布の改善品の最良のものを使用しつつ、ＲＯＡ≦２０ｎｍの特性と両立できる。

第１研磨ステップＳ１１で使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）を２．０μｍ以下とする場合、２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を１．０ｎｍ以下に抑制できるが、例えば９９．５％スレシホールド値に対する抑制効果は小さい。ナノトポグラフィを９９．５％のスレシホールドレベルで区切るとＣＭＰでは修正できない前工程起因の大きなうねりを含んでしまうので、ＣＭＰ条件を変えても変化が見えない。しかし、５０％スレシホールド値のうねりならばＣＭＰで制御することができ、ナノトポグラフィを改善可能である。５０％スレシホールドレベルのサイトはナノトポグラフィ分布の中央値であり、その値付近のサイトは数多く分布しているので、多数のサイトのナノトポグラフィを改善できる。

一般的に、スレシホールド値を０％から１００％まで変化させたときのナノトポグラフィの変化（スレシホールドカーブ）は、ナノトポグラフィのサイトサイズによって大きく異なる。すなわち、２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィは、１０ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィと全く異なるスレシホールドカーブを描く。例えば１０ｍｍスクエアのナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値が２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの１％スレシホールド値よりも小さいことはあり得るが、１０ｍｍスクエアのナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値が２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの１０％スレシホールド値よりも小さくなる確率は非常に低く、２ｍｍスクエアの５０％スレシホールド値よりも小さくなる確率はほとんどゼロである。

また、同じ２ｍｍスクエアのナノトポグラフィであっても５０％スレシホールド値は９９．５％スレシホールド値よりも十分に小さく、通常は０．４倍以下である。すなわち、２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの５０％スレシホールド値が１．０ｎｍである場合、２ｍｍスクエアのナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値は２．５ｎｍ以上である。

以上説明したように、本実施形態によるシリコンウェーハの研磨方法は、取り代が０．３μｍ以上の第１研磨ステップＳ１１で使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）を２．０μｍ以下としたので、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）に起因するウェーハの表面の２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィを改善することができ、特に２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を１．０ｎｍ以下に抑えることができる。したがって、ウェーハ面内でのデバイス特性のばらつきを低減することができ、均一なデバイス特性を持つ半導体チップを製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態によるウェーハの研磨方法は、研磨レートが異なる２段の研磨ステップからなるが、本発明において研磨ステップ数は２段に限定されず、３段以上の研磨ステップで構成されていてもよい。また、上記実施形態ではシリコンウェーハの研磨方法を例に挙げたが、本発明はシリコン以外の他のウェーハの研磨方法に適用することができる。

また、上記実施形態においては、ウェーハ上に２ｍｍスクエアのサイトを設定し、各サイトのナノトポグラフィを評価しているが、本発明においてサイトサイズは２ｍｍスクエアに限定されず、例えば２ｍｍ×１ｍｍといったサイズであってもよく、あるいは２ｍｍφの円形の領域であってもよい。すなわち、サイトサイズは、その少なくとも一方向の寸法が２ｍｍ且つ面積が２ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下の領域であればよい。

研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）がナノトポグラフィに与える影響を評価した。まず、研磨パッドのサンプル＃１～＃５を用意し、これらの面内厚み分布を測定した。サンプル＃１～＃３は、ポリウレタンで結合された不織布の下地層の上にＮＡＰ層が形成されたものであり、厚みばらつきが小さくなるように不織布の表面を平滑処理してその厚みを＃１＞＃２＞＃３の順で異ならせたものである。サンプル＃４及び＃５はＮＡＰ層のみで成型されたパッドであり、特にサンプル＃４はＮＡＰを２枚重ねた２層ＮＡＰ構造、サンプル＃５はＮＡＰを１枚だけ用いた単層ＮＡＰ構造である。

次に、研磨パッドのサンプル＃１～＃５の厚み分布を測定した。研磨パッドの厚み測定にはショッパー型厚さ測定器を用い、８０×８０ｃｍの領域内の厚みを２ｃｍ間隔で測定してマッピングした。研磨パッドの厚み測定にはショッパー型厚さ測定器を用いた。研磨パッド＃１～＃５の厚み分布の評価結果を表１に示す。

表１に示すように、研磨パッドのサンプル＃１～＃５の厚み分布の平均値Ave（ｍｍ）は、サンプル＃１＞＃３＞＃２＞＃４＞＃５であった。一方、研磨パッドのサンプル＃１～＃５の厚み分布のレンジＲ（ｍｍ）及び標準偏差σ（ｍｍ）は、＃１＞＃２＞＃３＞＃４＞＃５の順となった。

次に、研磨パッドのサンプル＃１～＃５を用いて直径２００ｍｍのシリコンウェーハＷ１～Ｗ５の片面研磨加工をそれぞれ行った。その後、シリコンウェーハＷ１～Ｗ５の２ｍｍスクエアナノトポグラフィを測定した。ナノトポグラフィの測定には光学干渉式の平坦度・ナノトポグラフィ測定装置（KLA Tecnor社：Wafer Sight 2）を用いた。ウェーハのサイトサイズは２ｍｍスクエアとし、各サイトのナノトポグラフィ値をそれぞれ求めてマッピングした。さらに、ナノトポグラフィ分布から９９．５％スレシホールド値と５０％スレシホールド値をそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。

ここで、ナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値とは、累積確率が９９．５％のナノトポグラフィ値のことを言う。また上記のように、ナノトポグラフィの５０％スレシホールド値とは累積確率が５０％のナノトポグラフィ値のことを言う。すなわち、ナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値は、上位０．５％の非常に大きなナノトポグラフィの異常値を除外した上でのナノトポグラフィの最大値のことを言い、ナノトポグラフィの５０％スレシホールド値は、上位５０％のナノトポグラフィ値を除外して比較的小さなナノトポグラフィ値だけを対象としたときの最大値のことを言う。

図４は、表２に示した研磨パッドの厚み分布のばらつき（標準偏差）と２ｍｍスクエアのナノトポグラフィ値との関係を示すグラフである。

図４に示すように、ナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値は、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）と相関が小さく、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）は９９．５％スレシホールド値にほとんど影響を与えなかった。これに対し、５０％スレシホールド値は、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）と相関が大きく、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）が大きいほどナノトポグラフィの５０％スレシホールド値も大きくなった。すなわち、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を小さくすることで２ｍｍスクエアのサイトナノトポグラフィを小さくできることが明らかとなった。また図４のグラフから、２ｍｍスクエアのサイトナノトポグラフィの５０％スレシホールド値を１．０ｎｍ以下にするためには、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を２．０μｍ以下にする必要があることが読み取れる。

次に、研磨パッドに対するウェーハの相対速度がナノトポグラフィ特性に与える影響を評価した。

最初に、直径３００ｍｍ、厚さ７８０μｍのシリコンウェーハの研磨取り代を０．１μｍから０．５μｍまで０．１μｍずつ順に増やしたときのウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィ（５０％スレシホールド値（50%Th））を測定した。シリコンウェーハの研磨に使用した研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）は１．６μｍとした。その結果、図５に示すように、ウェーハの研磨取り代が大きくなるほど２ｍｍスクエアのナノトポグラフィ特性は悪化することが分かった。

次に、ウェーハの相対速度を０．２ｍ／ｓから１．１ｍ／ｓまで変化させたときのウェーハの２ｍｍスクエアのサイト内のナノトポグラフィ（５０％スレシホールド値（50%Th））を評価した。その結果を図６に示す。

図６に示すように、ウェーハを高速研磨するほどナノトポグラフィは小さくなり、逆にウェーハを低速研磨するほどナノトポグラフィは大きくなることが分かった。また、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）が大きくなるほどナノトポグラフィも大きくなった。

次に、ウェーハの相対速度を０．２ｍ／ｓから１．１ｍ／ｓまで変化させたときのウェーハ外周部のＲＯＡを評価した。ＲＯＡはウェーハ外周部の平坦度指標であり、ウェーハ中心から１２０～１４８ｍｍの区間を５°間隔で周方向に区切ることにより得られる矩形面積の最小二乗平面を基準面としたときの、ウェーハ中心から１４９ｍｍ（最外周から内側に１ｍｍ）の位置のロールオフ量として定義される。その結果を図７に示す。

図７に示すように、ウェーハを高速研磨するほどウェーハ外周部のＲＯＡは悪化することが分かった。また、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）はウェーハ外周部のＲＯＡに影響を及ぼさないことも確認できた。

以上の結果から、２ｍｍスクエアナノトポグラフィを１．０ｎｍ以下にするためには、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を１.６μｍ以下にする必要があり、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）が１．６μｍのときには、ウェーハの相対速度を０．５ｍ／ｓ以上にする必要があることが分かった。さらに、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）が１．６μｍ以下であれば、ウェーハの相対速度が０．２ｍ／ｓから１．１ｍ／ｓまでの広い範囲で２ｍｍスクエアナノトポグラフィを１．０ｎｍ以下にできることが分かった。一方、ウェーハ外周部のＲＯＡを２０ｎｍ以下にするためには、ウェーハの相対速度を０．４ｍ／ｓよりも小さくする必要があることが分かった。

したがって、２ｍｍスクエアナノトポグラフィを１．０ｎｍ以下とし、且つ、ウェーハ外周部のＲＯＡを２０ｎｍ以下とするためには、研磨パッドの厚みばらつき（標準偏差）を１．６μｍ以下、ウェーハの相対速度を０．３ｍ／ｓ以下にすることが好ましいことが分かった。

１０シリコンウェーハ
１００片面研磨装置
１２０研磨ヘッド
１２４リテーナリング
１２４Ａリテーナリングの下端面
１４０回転定盤
１５０研磨パッド
１６０スラリー供給手段
１７０スラリー

Claims

研磨レートが異なる２段以上の研磨ステップによりウェーハの表面を化学的機械研磨する方法であって、取り代が０．３μｍ以上の研磨ステップで使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下であることを特徴とするウェーハの研磨方法。
前記２段以上の研磨ステップは、
前記ウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨する第１研磨ステップと、
前記第１研磨ステップよりも低い研磨レートで前記ウェーハの表面を研磨する第２研磨ステップを含み、
前記第１研磨ステップで使用する研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下である、請求項１に記載のウェーハの研磨方法。
前記第１研磨ステップにおける前記ウェーハの研磨レートが５０ｎｍ／ｍｉｎ以上である、請求項２に記載のウェーハの研磨方法。
前記第１及び第２研磨ステップにより研磨された前記ウェーハの表面の少なくとも一方向の寸法が２ｍｍ且つ面積が２ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下の領域からなるサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値が１．０ｎｍ以下である、請求項２又は３に記載のウェーハの研磨方法。
前記サイトのサイズが、２ｍｍスクエアである、請求項４に記載のウェーハの研磨方法。
前記第１研磨ステップにおける前記研磨パッドに対する前記ウェーハの相対速度が０．３ｍ／ｓ以下であり、
前記第１研磨ステップで使用する前記研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が１．６μｍ以下である、請求項２乃至５のいずれか一項に記載のウェーハの研磨方法。
前記第１及び第２研磨ステップにより研磨された前記ウェーハの最外周から内側に１ｍｍの領域内のＲＯＡが２０ｎｍ以下である、請求項６に記載のウェーハの研磨方法。
ウェーハの化学的機械研磨に使用する研磨パッドの面内の厚みばらつきを測定して当該厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下か否かを評価する研磨パッド厚み評価ステップと、
前記研磨パッドの面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下でない場合に当該厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下となるように前記研磨パッドの厚み分布を調整する研磨パッド厚み調整ステップとをさらに備え、
面内の厚みばらつき（標準偏差）が２．０μｍ以下である前記研磨パッドを用いて前記ウェーハの表面を０．３μｍ以上研磨する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のウェーハの研磨方法。
少なくとも一方向の寸法が２ｍｍ且つ面積が２ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下の領域からなるサイト内のナノトポグラフィの５０％スレシホールド値が１．０ｎｍ以下、且つ、前記ナノトポグラフィの９９．５％スレシホールド値の０．４倍以下であることを特徴とするシリコンウェーハ。
最外周から内側に１ｍｍの位置におけるウェーハ外周部のＲＯＡが２０ｎｍ以下である、請求項９に記載のシリコンウェーハ。