JPH0945644A

JPH0945644A - 半導体基板を研磨する方法

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Publication number: JPH0945644A
Application number: JP8186875A
Authority: JP
Inventors: Fernando A Bello; フェルナンド・エー・ベロ; James B Hall; ジェームス・ビー・ホール; Otto Luedke; オットー・ルーデュク; Earl W O'neal; イエール・ダブリュ・オニール
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1997-02-14
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: DE19629756A1; US5643405A; JP3447477B2

Abstract

(57)【要約】【課題】より優れた平坦度を有する基板を生産する改
善された方法を提供する。【解決手段】半導体基板を研磨する改善された方法
は、基板１９の１つの主表面２４上に保護層２１を形成
して被保護面を形成する段階と、基板１９の保護されて
いない表面２６を両面研磨装置１１で研磨する段階とを
含む。研磨工程中は、保護されていない面２６の材料
が、保護されている面の材料よりも速い速度で除去され
る。本方法により、平面度特性が改善された片面が研磨
された基板１９が提供される。他の実施例においては、
異なる表面接触特性を有する研磨パッド１３，２３を用
いて、工程の自動化に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に半導体処理に関
し、さらに詳しくは、半導体基板を研磨する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】半導
体産業では、ますます小型化され、より複雑な幾何学形
状を備える集積回路（ＩＣ）装置が設計されている。そ
の結果、このような装置を製造するために用いられる材
料および設備に課せられる制約は、ますます厳しくなり
つつある。たとえば、ＩＣ装置を構築するために用いら
れる半導体基板またはウェーハは、欠陥の集中度が低
く、きわめて平坦でなければならない。

【０００３】半導体基板を作成する技術は周知のもので
ある。半導体材料のインゴットは成長および整形され
て、個々の基板に切り出され、その後でラップ研磨また
は研削工程を経て、より平坦で平行なものになる。次
に、エッジ研削工程を用いて、基板のエッジが丸められ
る。エッジ研削の後で、基板はエッチングを受けて、加
工上の損傷と汚染が除去される。次に、基板は片面また
は両面が研磨され、洗浄およびこすり洗いがなされ、Ｉ
Ｃ装置の製造が可能な状態の開始基板（starting subst
rate）となる。

【０００４】通常、基板の平面度は、総厚変動（TTV: t
otal thickness variation）および地点焦点面偏差（SP
FD: site focal plane deviation）などのパラメータに
より決定される。基板のTTV とは、基板表面の両端で測
定した最小厚と最大厚の値の差である。SFPDは、選択さ
れた焦点面の上方または下方の最大距離で、前面基準
（front side reference）または背面基準（back side
reference ）のいずれか一方を用いて測定する。通常、
基板上の多くの地点を測定して焦点面偏差を求め、指定
された焦点面偏差値（たとえば０．５ミクロン未満）を
満たす地点の数により収率（yield ）が決定される。背
面基準のSPFD（前面基準SPFDよりも厳しい基準となる）
では、焦点面偏差は基板の背面に平行で、測定される地
点の中心を含む基準面に基づいて計算される。

【０００５】半導体基板の片面を研磨する場合、製造業
者は、片面研磨装置または両面研磨装置のいずれか一方
を用いるが、両面研磨装置のほうが片面研磨装置と比較
して平面度特性が改善されている。しかし、より平坦な
半導体基板を達成することにおいて進歩してはいるが、
より小型でより複雑な幾何学形状をもつＩＣ設計を対す
る半導体産業の取り組みを支援するために、より優れた
平面度をもつ基板を生産する改善された方法が依然とし
て必要とされる。また、対費用効果が優れ、再現可能な
方法でこのような基板が製造できると有利である。さら
に、この方法が、基板の直径に関わらず平面度が優れた
基板を製造できると、利点はさらに多い。

【０００６】

【実施例】より小型の幾何学形状を有する装置に対する
半導体産業の取り組みに関して、半導体チップ製造業者
の中には、開始基板（すなわち研磨を終えた処理済みの
基板）が背面基準を用いて０．５ミクロン未満のSPFDに
対し１００％の収率を呈することを求めるものがある。
すなわち、開始基板は、１００％の被測定地点において
焦点面偏差が０．５ミクロン未満でなければならない。
将来的な仕様は、約０．３５ミクロン未満に対し１００
％の収率を要求すると予測される。従来技術による作成
方法では、このような厳格な要件を、再現可能に、対費
用効果の優れた方法で満足することはできない。

【０００７】一般に、本発明は、両面研磨装置を用い
て、非常に平坦で、片面だけが研磨される半導体ウェー
ハを設けるための改善された方法を提供する。さらに詳
しくは、基板の１つの主表面上に保護層を形成して被保
護面を形成し、次に基板を両面研磨装置上に置く。研磨
工程の間は、保護されていない面の材料が、保護された
面の材料より高速で除去される。好適な実施例において
は、異なる表面張力特性を有する研磨パッドを用いて、
工程の自動化に対応する。

【０００８】半導体基板を製造する方法は周知のもので
あり、単結晶半導体インゴットの成長，インゴットの整
形，平面形成，切り出し，ラップ研磨，エッジ丸め処
理，加工上の損傷／汚染物の除去，研磨および最終的な
洗浄の段階が含まれる。研磨工程中に、未研磨の基板の
片面は、化学的−機械的方法を用いて研磨され、反射性
が高く、傷がなく、損傷がない表面が製造される。

【０００９】片面だけが研磨される基板またはウェーハ
（すなわち片面研磨）を製造する技術は、当産業では周
知である。通常、製造業者は、ウェーハの片面を一度に
１枚ずつ研磨する装置を用いて、片面が研磨されたウェ
ーハを製造する。ウェーハ・ホルダまたはチャックがウ
ェーハを把持して、回転する研磨パッドにウェーハを押
し付け、その間、研磨用スラリが研磨パッド上に滴下さ
れて、研磨が行われる。

【００１０】通常、研磨用スラリは、水酸化ナトリウム
の水溶液中にシリカ（ＳｉＯ₂ ）の微粒子を含むコロイ
ド懸濁液である。摩擦による発熱のもとで、水酸化ナト
リウムがＯＨ^- 基で半導体基板（たとえばシリコン）を
酸化する（化学的段階）。次に、スラリ内のシリカ微粒
子が酸化された半導体材料を剥す（機械的段階）。研磨
速度と表面の完成度は、圧力，パッドの特性，回転速度
およびスラリ組成の複雑な関数となる。

【００１１】片面研磨装置には、処理能力が低いなど欠
点がいくつかあり、単ウェーハ処理装置では毎時１０枚
のウェーハ生産が普通である。また、片面研磨装置で
は、通常、ＩＣ製造業者が必要とする平面度を示すウェ
ーハができない。

【００１２】両面研磨装置は、片面研磨装置よりはるか
に高い処理能力（毎時約８０枚のウェーハ）をもち、ま
た、片面研磨装置で研磨されたウェーハと比較して優れ
た平面度を有するウェーハが生産される。しかし、両面
研磨装置は、ウェーハの両面を平行して研磨するよう設
計されている。ここに１つの試みがなされる。すなわ
ち、両面研磨装置を備えて、ウェーハの片面だけを研磨
しながら、高い処理能力と優れたウェーハ平面度を達成
する方法を提供することである。さらに、欠陥や半導体
装置の性能の阻害を招くウェーハの固有の材料特性に対
する影響を避けることも課題とする。さらに、最終的な
ウェーハの平面度に影響を与えずにこれを行うことも課
題とする。さらに、これを対費用効果の良い方法で行う
ことも課題とする。

【００１３】図１は、本発明に用いられる典型的な両面
研磨装置の一部分の上面図である。本発明に用いるのに
適した両面研磨装置の例としては、P.R.Hoffman 社製
（たとえば4800シリーズ），Peter Wolters 社製（たと
えばモデル番号AC1400）およびSpeedfam社製の装置があ
る。両面研磨装置の部分１１は、下研磨パッド１３を有
する底面１２（図２に図示），内側または太陽歯車１
４，外側歯車１６およびウェーハ・キャリア１７を備え
る。ウェーハ・キャリア１７には、半導体基板，基板ま
たはウェーハ１９を把持または保持する穴または開口部
１８がある。用いられるウェーハの数は、これより多く
ても少なくても構わない。

【００１４】ウェーハ１９の各々には、主表面または主
面２４上の保護層２１（図２に図示）が含まれ、被保護
面を形成する。保護層２１は、特に、主表面２４が研磨
工程中に研磨されることを防ぐ役割を果たす。各ウェー
ハ１９の主表面または主面２６は、保護されない状態の
ままになる（すなわち主表面２６は、未保護主表面とな
る）ので、主表面２６が研磨工程中に研磨されることに
なる。好ましくは、主表面２６は、下研磨パッド１３に
隣接する。任意で、主表面２６または研磨される表面
は、上研磨パッドに隣接することもある。

【００１５】好ましくは、保護層２１は、付着された誘
電体層（たとえば酸化シリコン，窒化シリコンなど）の
付着された保護層により構成される。付着酸化物などの
付着誘電体層などの薄膜は、低温（約摂氏４５０度ない
し約６５０度）で形成され、これがウェーハ１９内の欠
陥形成を抑えるので、このような誘電体層が好ましい。
二酸化シリコンなどの熱成長薄膜は、ウェーハ１９の固
有特性に影響を与えやすく、このために半導体装置の性
能および信頼性を損なうことがある。

【００１６】図２は、装置１１を図１の基準線２−２で
切断した断面図で、上面２２，上研磨パッド２３および
スラリ３３が追加されている。動作中、スラリ３３は上
研磨パッド２３と保護層２１との間と、下研磨パッド１
３と各ウェーハ１９の主表面２６との間に供給される。
内側歯車１４および外側歯車１６が、上研磨パッド２３
と下研磨パッド１３との間でウェーハ・キャリア１７を
駆動し、ウェーハ１９は、ヘビ状パターンを描いて移動
する。研磨パッドは、スラリを保持および分配して、主
表面２６および保護層２１から材料を除去するための媒
体とする。

【００１７】通常、上面２２は、矢印３１により示され
る第１方向に回転し、底面１２は固定されるか、あるい
は矢印３２で示される方向に回転し、内側歯車１４と外
側歯車１６は上面２２と同じ方向に回転する。従来の技
術においては、上面２２，内側歯車１４，外側歯車１６
および底面１２（回転する場合）が回転する速度は、ウ
ェーハの両面から材料が同じ速度で除去されるようにな
っていた。これは、ウェーハの両面を等しく研磨するた
めに両面研磨装置が用いられるのが普通であったからで
ある。

【００１８】反射度が高く、傷や損傷のない表面を設け
るために、一次研磨工程中に約２５ミクロンの材料が主
表面２６から除去されるのが普通である。主表面２４が
研磨されないようにするために、保護層２１が付着酸化
シリコンなどの付着誘電体により構成される場合、保護
層２１は約１．１ミクロン超の厚みとしなければならな
い。保護層２１は、研磨中に主表面２６の基準面となる
ので、その厚みは、最終的なウェーハの平面度に影響を
与えることを避けるために、主表面２４全体で実質的に
均一（たとえば、約±２．５％未満の変動）でなければ
ならない。このような均一性を得るためには、保護層２
１が付着酸化物により構成される場合、約１．０ミクロ
ン未満、好ましくは約０．５ミクロン未満の厚みでなけ
ればならない。しかし、保護層２１のこの好適な厚み範
囲は、従来の両面研磨法を用いる場合には、主表面２４
の研磨を回避するには充分な厚みではない。

【００１９】本発明では、材料が主表面２６から除去さ
れるより遅い速度で、保護層２１から材料を除去するこ
とにより、この問題が解決される。言い換えると、主表
面２６の研磨中に除去選択性が用いられる。たとえば、
主表面２６の材料は、保護層２１から材料が除去される
速度より約１０ないし４０倍速い範囲の速度で除去され
る。好ましくは、主表面２６の材料は、保護層２１から
材料が除去される速度より約１８ないし２０倍速い範囲
の速度で除去される。従来の技術を用いると、主表面２
６の材料は、保護層２１が除去される速度より約６倍速
い速度で除去される。

【００２０】この除去選択性により、保護層２１の厚み
は、１．０ミクロン未満とすることができ、均一な厚み
を持つ保護層を提供することができる。またこれにより
研磨中に、主表面２６に対して平坦な基準面が提供され
る。さらに、保護層２１は、依然として、主表面２４が
研磨されることを防ぐ。選択的除去では、保護層２１が
付着酸化シリコンにより構成される場合、保護層２１
は、好ましくは約３，０００ないし約５，０００オング
ストロームの厚みを有する。主表面２６上に、エピタキ
シャル層を実質的に成長させる場合、保護層２１は、好
ましくは、約８，０００オングストロームの厚みを有す
る付着酸化シリコンにより構成される。

【００２１】好ましくは、選択的除去速度は、上面２
２，内側歯車１４，外側歯車１６および底面１２（回転
する場合）が回転する速度を調節することにより得られ
る。従来の技術においては、これらの速度は、研磨中に
主表面２６上の摩擦力が主表面２４上の摩擦力と等しく
釣り合って、結果的にウェーハ１９に応力が加わらず、
等しい材料除去速度が得られるように選択される。

【００２２】ウェーハ１９に過剰な応力が加わると、直
接的損傷と潜在的損傷の両方がウェーハに起こることが
ある。また、過剰な応力により、ウェーハ１９がキャリ
ア１７の穴１８から外れて、ウェーハが壊れたり、さら
に／あるいはキャリアやパッドが損傷することがある。
従って、上面２２，内側歯車１４，外側歯車１６および
底面に関して選択される速度は、異なる除去速度を得な
がら、結果的にウェーハ１９に加わる応力を最小限に抑
えるよう選択される。

【００２３】好ましくは、ウェーハ１９に結果的に加え
られる応力を最小限に抑えて、１８ないし２０対１の除
去選択性を得るためには、上面２２は毎分約１１．０回
転（rpm ）の速度、内側歯車１４は約１４．０rpm の速
度、外側歯車１６は約１０．０rpm の速度、底面１２は
約２５．０rpm の速度で回転される（すなわち、上面の
速度は、底面の速度の約４５％）。底面が回転する両面
研磨装置（たとえばPeter Wolters 社製，モデル番号AC
1400）では、この設定値が適している。底面が回転しな
い装置では、上記の速度を相応に調節して所望の除去選
択製を得る。

【００２４】好ましくは、除去率の高いスラリ（たとえ
ばアリゾナ州スコッツデールのRodel 社製Nalco2350 ）
が用いられる。また、印加圧力は、１平方インチの半導
体材料（たとえばシリコン）あたり約１．０ポンドが好
ましい（半導体材料１平方メートル当り約７０３キログ
ラム）。上記の条件で、材料は主表面２６から毎分約
０．４３ミクロンの速さで除去される。通常、反射性が
高く、傷や損傷のない表面を得るには主表面２６から約
２５ミクロンの材料が除去される。その後の洗浄工程を
経て、ウェーハ１９は、ＩＣ製造に備えられるか、ある
いは周知の技術を用いるエピタキシャル層形成に備えら
れる。エピタキシャル層を成長させない場合は、保護層
２１は除去される。エピタキシャル層を成長させる場合
は、背面をシールするために保護層２１が残される。

【００２５】本発明による方法を用いると、１００％の
ウェーハが０．５ミクロン未満のSFPD要件に対して、１
００％の収率を示した。比較として、従来の技術を用い
て研磨されたウェーハは、０．５ミクロン未満のSFPD要
件に対して３５ないし４０％のウェーハが１００％の収
率を示した。さらに、本発明による方法では、０．３５
ミクロン未満のSFPD要件に対してもかなりの数のウェー
ハが１００％の収率を満足したのに対して、従来技術を
用いて研磨されたウェーハでこの要件を満たしたものは
ない。このように、本発明による方法は、従来の技術に
比べて優れた平面度を有するウェーハを提供する。ま
た、本発明による方法は、ウェーハの直径に依存しな
い。さらに、本方法は、付着された保護層を用いてお
り、これはウェーハの固有の材料特性に影響を与えな
い。

【００２６】主表面２６上にエピタキシャル層を後で成
長させる場合は、保護層２１は、主表面２６の研磨後に
約６，０００オングストロームの最終厚を有することが
好ましい。この最終厚により、保護層２１が付着酸化物
（たとえば付着酸化シリコン）により構成される場合、
エピタキシャル成長中に良好な背面シール保護が得られ
る。研磨後にこの最終厚を得るためには、保護層２１が
付着酸化物により構成される場合、保護層２１は好まし
くは約８，０００オングストロームの開始厚を有する。
本発明による除去選択性のために、所望の保護層２１の
最終厚が得られ、同時に過剰な厚みの開始保護層が避け
られるので、上記の不均一性／基準面の問題が回避され
る。従来の方法を用いると、保護層２１は、１．２ミク
ロン超の開始厚を必要とすることになる。この開始厚で
は、上記の不均一性／基準面の問題を避けることはでき
ない。

【００２７】図３は、主表面４４全体に延在せずに、未
保護のリングまたは部分４６を残す保護層４１を有する
ウェーハ３９の側面図である。言い換えると、ウェーハ
３９は、エッジのない保護層を有する。エッジのない保
護層４１は、後でエピタキシャル成長を行うウェーハに
好適である。エッジのない保護層４１は、エピタキシャ
ル層成長工程中に、ウェーハ３９の周縁部に多結晶性半
導体材料（たとえば多結晶シリコン）が形成されないよ
うにするために好適である。好ましくは、エッジのない
保護層４１は、付着酸化物（たとえば付着酸化シリコ
ン）により構成される。好ましくは、未保護部分４６
は、約５ミリメートル未満の幅４７を有する。エッジの
ない保護層４１を形成する方法は、当技術では周知であ
り、機械的な除去技術とフォトリソグラフィ／エッチン
グ技術とを含む。

【００２８】両面研磨装置を用いる際の別の問題点は、
研磨終了後に上面２２を取り出す際に、ウェーハが上研
磨パッド２３に付着してしまうことである。付着が起こ
ると、製造員は上研磨パッドから手でウェーハを取り出
さねばならない。これは、工程の自動化，処理能力およ
び品質に悪影響を及ぼす。工程の自動化に対応するため
には、ウェーハは下研磨パッド１３上に残って、自動ウ
ェーハ処理手段がウェーハを取り出し、ウェーハ・キャ
リアまたはカセット内に入れられるようにしなければな
らない。

【００２９】本発明により、下研磨パッド１３は、好ま
しくは、保護層２１と上研磨パッド２３との間の表面張
力に比べて、主表面２６と下研磨パッド１３との間に高
い表面張力を生成する材料または設計により構成され
る。たとえば、下研磨パッド１３は、表面積接触の高い
パッド（たとえばRodel H2またはSUBA 550の非エンボス
研磨パッド）により構成され、上研磨パッド２３は、表
面積接触の低いパッド（たとえばRodel H2E またはSUBA
550E エンボス・パッド）により構成される。エンボス
・パッドを用いると、パッド内に形成された溝のために
表面接触面積が小さくなる。

【００３０】以上、両面研磨装置を用いて半導体基板の
片面を研磨する、ウェーハの直径に依存しない方法が提
供されたことが理解頂けよう。保護されていない表面か
ら材料を除去するより遅い速度で、保護されている表面
から材料を除去することにより、優れた平面度特性を有
するウェーハが実現される。これらの特性は、再現性を
持ち、ウェーハの直径に依存しない。また、異なる除去
速度を用いることにより、付着酸化物などの付着保護薄
膜を用いることができ、それにより開始基板内に欠陥が
形成されるのを避けることができる。さらに、表面接触
特性の異なる研磨パッドを用いることにより、工程の自
動化に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられる両面研磨装置の一部分の上
面図である。

【図２】図１の装置の一部分を基準線２−２で切断した
断面図である。

【図３】本発明に用いられる半導体基板の好適な実施例
の断面図である。

【符号の説明】

１２底面１３，２３研磨パッド１４，１６歯車１７ウェーハ・キャリア１９基板２１保護層２２上面２４，２６主表面３１，３２回転方向３３スラリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者オットー・ルーデュクアメリカ合衆国アリゾナ州スコッツデール、イースト・ゲルディング・ドライブ 5311 (72)発明者イエール・ダブリュ・オニールアメリカ合衆国アリゾナ州スコッツデール、イースト・エアー・リブラー・レーン 6802

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板を研磨する方法であって：第１
主表面（２４）と前記第１主表面に対向する第２主表面
（２６）とを有する半導体基板（１９）であって、前記
第１主表面（２４）上に付着された保護層（２１）をさ
らに有して被保護表面を形成する半導体基板（１９）を
設ける段階；および前記被保護表面を第１除去速度で、
前記第２主表面を第２除去速度で平行して研磨する段階
であって、前記第２除去速度は前記第１除去速度より大
きく、前記被付着保護層（２１）が、前記第１主表面が
研磨されないだけの厚みを有する段階；によって構成さ
れることを特徴とする方法。
【請求項２】半導体ウェーハ（１９）の片面を研磨す
る方法であって：第１表面（２４）と、前記第１表面に
対向する第２表面（２６）と、前記第１表面（２４）上
に形成された被付着誘電体層（２１）とを有する半導体
ウェーハ（１９）を、上研磨パッド（２３）と下研磨パ
ッド（１３）とを備える両面研磨装置上に配置する段
階；および前記第２表面（２６）と前記被付着誘電体層
（２１）との両方から、材料を除去する段階であって、
前記第２表面（２６）の材料が第１速度で除去され、前
記被付着誘電体層（２１）の材料が第２速度で除去さ
れ、前記第１速度は前記第２速度より約１０ないし約４
０倍速い段階；によって構成されることを特徴とする方
法。
【請求項３】１つの主表面（２４）上に付着された保
護薄膜（２１）を有して保護された主表面とする基板
（１９）であって、前記被保護主表面に対向する保護さ
れない主表面（２６）をさらに有する基板（１９）を設
ける段階；および第１研磨パッド（２３）を有する第１
面（２２）と、第２研磨パッド（１３）を有する第２面
（１２）とを備え、前記第１面（２２）と前記第２面
（１２）が回転する両面研磨装置で、前記被保護主表面
と前記未保護主表面の両方から平行して材料を除去する
段階であって、前記未保護主表面（２６）が前記第２研
磨パッド（１３）に隣接し、前記第１面（２２）が前記
第２面（１２）よりも遅い速度で移動する段階；によっ
て構成されることを特徴とする研磨方法。