特許 7435634 両面研磨装置、半導体シリコンウェーハの両面研磨方法及び両面研磨シリコンウェーハの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-13

(45)【発行日】2024-02-21

(54)【発明の名称】両面研磨装置、半導体シリコンウェーハの両面研磨方法及び両面研磨シリコンウェーハの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20240214BHJP

   B24B 37/28 20120101ALI20240214BHJP

   B24B 37/24 20120101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 621A

B24B37/28

B24B37/24 E

B24B37/24 C

H01L21/304 622F

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022001288

(22)【出願日】2022-01-06

(65)【公開番号】P2023092412

(43)【公開日】2023-07-03

【審査請求日】2023-08-08

(31)【優先権主張番号】P 2021207453

(32)【優先日】2021-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000190149

【氏名又は名称】信越半導体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102532

【弁理士】

【氏名又は名称】好宮 幹夫

(74)【代理人】

【識別番号】100194881

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 俊弘

(74)【代理人】

【識別番号】100215142

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 徹

(72)【発明者】

【氏名】吉田 容輝

【審査官】渡井 高広

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１０５３０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０３９１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７２８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９６０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９５６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０５７５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１００２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１３６８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｂ２４Ｂ ３７／２８

Ｂ２４Ｂ ３７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤と、該上下定盤間にスラリーを供給するスラリー供給機構と、前記上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた半導体シリコンウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアを備えた両面研磨装置であって、
前記両面研磨装置用キャリアは、前記研磨布と接触する表裏面の純水に対する接触角が５０°以上、８０°以下の金属製キャリアであり、
前記研磨布は、純水に対する接触角が１００°以上、１５０°以下かつ圧縮率が５．０％以上、１５％以下のものであることを特徴とする両面研磨装置。

【請求項2】

前記研磨布は、ショアＡ硬度が７０以上の発泡ウレタン系又は不織布系の研磨布であることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。

【請求項3】

研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に、両面研磨装置用キャリアを配設し、該両面研磨装置用キャリアに形成された保持孔に前記半導体シリコンウェーハを保持して、前記上下定盤間にスラリーを供給しつつ両面研磨を行う半導体シリコンウェーハの両面研磨方法であって、
請求項１又は２に記載の両面研磨装置を用いることを特徴とする半導体シリコンウェーハの両面研磨方法。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体シリコンウェーハの両面研磨方法により両面研磨シリコンウェーハを製造することを特徴とする両面研磨シリコンウェーハの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、両面研磨装置、半導体シリコンウェーハの両面研磨方法、両面研磨シリコンウェーハの製造方法及び両面研磨シリコンウェーハに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体シリコンウェーハ（以下、単に「シリコンウェーハ」又は「ウェーハ」ともいうこともある）の両面をポリッシング等で同時に研磨する際、両面研磨装置用キャリアによってウェーハを保持している。両面研磨装置用キャリアは、ウェーハより薄い厚さに形成され、ウェーハを保持するための保持孔を備えている。ウェーハはこの保持孔に挿入されて保持され、このキャリアが両面研磨装置の上定盤と下定盤の間の所定位置に配設される。この上定盤と下定盤に研磨布を貼付してウェーハの上下表面を挟み込み、上下定盤間に研磨剤（スラリー）を供給しながら両面研磨を行う（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１２３５５３号公報

【文献】特開２０１５－００９３１５号公報

【文献】国際公開第２０１８／１０５３０６号

【文献】特開２００６－０４５７５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

現在一般的に行われている両面研磨では、研磨レートやウェーハ取り代とウェーハの面の品質はトレードオフになるため、高い面品質のウェーハを作製することは困難であった。このような問題を解決するために、研磨部材や研磨条件の調整など様々な試みがなされてきた。これまでに、両面研磨工程における研磨部材の濡れ性調整によって研磨レートの上昇や部材の摩耗を抑制するなど、様々な効果について報告がされてきた（特許文献２，３等）。その中には、特許文献４に記載されているように研磨布表面の接触角を６０°以上１３０°未満にすることで、研磨時のスクラッチを低減できるといった報告もある。

【0005】

ウェーハの両面研磨においては、従来課題とされてきた高精度な平坦化だけでなく、近年では半導体デバイスの歩留まり改善等のために、高い面品質が要求されている。面品質の評価基準としては表面欠陥やヘイズが挙げられる。表面欠陥は主に研磨中に砥粒などによって付けられたキズによって出来る加工変質層のことであり、ヘイズはウェーハ表面の曇り度合いのことを指す。これらの品質を向上するために有効な部材や条件の選択が重要であり、最適な部材や条件の選択が課題となっている。

【0006】

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハ及びこのような両面研磨シリコンウェーハを得ることが可能な両面研磨装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤と、該上下定盤間にスラリーを供給するスラリー供給機構と、前記上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた半導体シリコンウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアを備えた両面研磨装置であって、前記両面研磨装置用キャリアは、前記研磨布と接触する表裏面の純水に対する接触角が５０°以上の金属製キャリアであり、前記研磨布は、純水に対する接触角が１００°以上かつ圧縮率が５．０％以上のものである両面研磨装置を提供する。

【0008】

このような両面研磨装置によれば、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものとなる。

【0009】

このとき、前記研磨布は、ショアＡ硬度が７０以上の発泡ウレタン系又は不織布系の研磨布とすることができる。

【0010】

これにより、安定して高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものとなる。

【0011】

このとき、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に、両面研磨装置用キャリアを配設し、該両面研磨装置用キャリアに形成された保持孔に前記半導体シリコンウェーハを保持して、前記上下定盤間にスラリーを供給しつつ両面研磨を行う半導体シリコンウェーハの両面研磨方法であって、上記両面研磨装置を用いる半導体シリコンウェーハの両面研磨方法とすることができる。

【0012】

このような半導体シリコンウェーハの両面研磨方法によれば、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができる。

【0013】

このとき、上記半導体シリコンウェーハの両面研磨方法により両面研磨シリコンウェーハを製造する両面研磨シリコンウェーハの製造方法とすることができる。

【0014】

これにより、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを製造することができる。

【0015】

本発明は、また、光散乱式パーティクルカウンターにより検出される９０ｎｍ以上の表面欠陥が直径３００ｍｍウェーハ換算で１０個以下かつヘイズが１．０ｐｐｍ以下のものである両面研磨シリコンウェーハを提供する。

【0016】

このような両面研磨シリコンウェーハは、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有するものであり、半導体デバイスの歩留まり改善等に資するものとなる。

【発明の効果】

【0017】

以上のように、本発明の両面研磨装置によれば、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものとなる。本発明の半導体シリコンウェーハの両面研磨方法によれば、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができる。また、本発明の両面研磨シリコンウェーハは、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有するものであり、半導体デバイスの歩留まり改善等に資するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る両面研磨装置の一例を示す縦断面図である。

【図2】平面視による両面研磨装置の一例を示す内部構造図である。

【図3】比較例１，２について表面欠陥数を比較した結果を示す。

【図4】比較例１，２についてヘイズレベルを比較した結果を示す。

【図5】実施例２及び比較例３～５で用いたキャリアの接触角の測定結果を示す。

【図6】実施例２及び比較例３～５で用いた研磨布の接触角の測定結果を示す。

【図7】実施例１，２及び比較例３～５について表面欠陥数を比較した結果を示す。

【図8】実施例１，２及び比較例３～５についてヘイズレベルを比較した結果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0020】

上述のように、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハ及びこのような両面研磨シリコンウェーハを製造することが可能な両面研磨装置が求められていた。

【0021】

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤と、該上下定盤間にスラリーを供給するスラリー供給機構と、前記上下定盤の間に配設され、研磨の際に前記上下定盤の間に挟まれた半導体シリコンウェーハを保持するための保持孔が形成された両面研磨装置用キャリアを備えた両面研磨装置であって、前記両面研磨装置用キャリアは、前記研磨布と接触する表裏面の純水に対する接触角が５０°以上の金属製キャリアであり、前記研磨布は、純水に対する接触角が１００°以上かつ圧縮率が５．０％以上のものである両面研磨装置により、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものとなることを見出し、本発明を完成した。

【0022】

本発明者らは、また、光散乱式パーティクルカウンターにより検出される９０ｎｍ以上の表面欠陥が直径３００ｍｍウェーハ換算で１０個以下かつヘイズが１．０ｐｐｍ以下のものである両面研磨シリコンウェーハにより、半導体デバイスの歩留まり改善等に資するものとなることを見出し、本発明を完成した。

【0023】

以下、図面を参照して説明する。

【0024】

［両面研磨装置］
まず、本発明に係る両面研磨装置について説明する。図１は本発明に係る両面研磨装置の一例の縦断面図であり、図２は平面視による両面研磨装置の内部構造図である。図１、２に示すように、本発明に係る両面研磨装置２は、上下に相対向して設けられた下定盤３と上定盤４を備えており、各定盤３、４の対向面側には、それぞれ研磨布５が貼付されている。また、上定盤４の上部には、上定盤４と下定盤３の間にスラリーを供給するスラリー供給機構６（ノズル７及び上定盤４の貫通孔８）が設けられている。スラリーとしては、例えば、コロイダルシリカを含有した無機アルカリ水溶液を用いることができる。

【0025】

図１、２に示す態様では、上定盤４と下定盤３の間の中心部にはサンギア９が、周縁部にはインターナルギア１０が設けられており、４ｗａｙ式の両面研磨装置である。なお、本発明に係る両面研磨装置においては、このような遊星歯車方式のものに限定されず、揺動方式のものとすることも可能である。

【0026】

半導体シリコンウェーハＷは両面研磨装置用キャリア１の保持孔１１に保持され、上定盤４と下定盤３の間に挟まれている。この両面研磨装置用キャリア１は金属製であり、研磨布５と接触する表裏面の純水に対する接触角（以下、単に「接触角」ということがある）が５０°以上のものである。接触角が５０°未満の場合は、表面欠陥数が多くなる。なお、接触角の上限は特に限定されず、接触角が大きいほど、すなわち、撥水性が高いほど好ましいが、例えば、８０°以下とすることができる。また、キャリアは金属製であればよく、金属としては例えば、ＳＵＳ、チタンなどが挙げられる。金属製キャリアを用いることで、研磨レートを高くすることができる。なお、キャリア表裏面の接触角は、金属母材の変更により調整することができる。より好ましい接触角は６０±５°である。

【0027】

研磨布５としては、純水に対する接触角が１００°以上かつ圧縮率が５．０％以上のものを用いる。接触角が１００°未満の場合は、十分なヘイズレベルの低下が期待できない。また、圧縮率が５．０％未満の場合は、表面欠陥数が多くなる。

【0028】

研磨布の接触角の上限は特に限定されず、接触角が大きいほど、すなわち、撥水性が高いほど好ましいが、例えば、１５０°以下とすることができる。研磨布の接触角は、研磨布作製時の添加材等により調整することができる。より好ましい接触角は、１２０±１０°である。

【0029】

また、研磨布の圧縮率の上限は特に限定されず、圧縮率が大きいほど好ましいが、例えば、１５％以下とすることができる。研磨布の圧縮率は、研磨布作製時の添加剤等により調整することができる。より好ましい圧縮率は、５．０％以上、１０．０％以下である。なお、研磨布の圧縮率は、ＪＩＳ Ｌ １０９６で規定されるものである。

【0030】

また、研磨布５としては、例えば、発泡ウレタン系又は不織布系の研磨布を用いることができ、ショアＡ硬度が７０以上のものであれば好ましい。安定して高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものとなるからである。

【0031】

なお、キャリアや研磨布の接触角測定には、例えば協和界面科学株式会社のＰＣＡ－１１を用いることができる。測定は、例えば評価面に純水２．０μＬの液滴を滴下し、画像解析から接触角を求めることができる。ただし、接触角測定方法は、これに限定されず、適宜決定することができる。

【0032】

そして、図１、２に示すように、サンギア９及びインターナルギア１０の各歯部にはキャリア１の外周歯が噛合しており、上定盤４及び下定盤３が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア１は自転しつつサンギア９の周りを公転する。このとき半導体シリコンウェーハＷはキャリア１の保持孔１１で保持されており、上下の研磨布５により両面を同時に研磨される。なお、研磨時には、ノズル７から貫通孔８を通してスラリーが供給される。

【0033】

このような両面研磨装置は、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができるものである。

【0034】

［両面研磨方法及び両面研磨シリコンウェーハの製造方法］
本発明に係る半導体シリコンウェーハの両面研磨方法は、上述の本発明に係る両面研磨装置を用いて行う方法である。すなわち、本発明に係る両面研磨装置を用い、研磨布がそれぞれ貼付された上下定盤の間に、両面研磨装置用キャリアを配設し、該両面研磨装置用キャリアに形成された保持孔に半導体シリコンウェーハを保持して、上下定盤間にスラリーを供給しつつ両面研磨を行う。

【0035】

具体的には、例えば図１、２に示すように、両面研磨装置２の上下定盤３、４間に半導体シリコンウェーハＷを保持するキャリア１を挿入する。次に、キャリア１の保持孔１１内に半導体シリコンウェーハＷを保持する。そして、スラリー供給装置６でスラリーを研磨面に供給しつつ、上下定盤３、４を回転させながらキャリア１を自転及び公転させる。このようにして半導体シリコンウェーハＷの両面を研磨布５に摺接させることで、半導体シリコンウェーハＷの両面研磨をすることができる。

【0036】

本発明に係る半導体シリコンウェーハの両面研磨方法を用いれば、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを製造することができる。

【0037】

［両面研磨シリコンウェーハ］
上記のような、本発明に係る両面研磨装置を用いて行う半導体シリコンウェーハの両面研磨方法により、高い面品質を有する両面研磨シリコンウェーハを得ることができる。具体的には、光散乱式パーティクルカウンターにより検出される９０ｎｍ以上の表面欠陥が直径３００ｍｍウェーハ換算で１０個以下かつヘイズが１．０ｐｐｍ以下の両面研磨シリコンウェーハである。このような両面研磨シリコンウェーハは、表面欠陥が少なく低いヘイズレベルの、高い面品質を有するものであり、半導体デバイスの歩留まり改善等に資するものである。なお、シリコンウェーハの直径、導電型、主面の面方位等は特に限定されない。

【実施例】

【0038】

以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

【0039】

（共通実験条件）
両面研磨装置として、４ウェイ方式の両面研磨装置である不二越機械製ＤＳＰ－２０Ｂを用いた。研磨布にはショアＡ硬度７８の発泡ウレタンパッドを採用し、スラリーは、シリカ砥粒含有・平均粒径３５ｎｍ・砥粒濃度１．０ｗｔ％・ｐＨ１０．５・ＫＯＨベースを用いた。両面研磨加工対象は、主面が（１００）、直径３００ｍｍのＰ型シリコンウェーハとし、合計５枚の両面研磨処理加工を行った。加工後のウェーハに対しては、ＳＣ－１洗浄を、条件ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ ＝ １：１：１５で行った。

【0040】

キャリアや研磨布の接触角については、協和界面科学株式会社製のポータブルタイプ接触角計で測定した。表面欠陥やヘイズといった両面研磨シリコンウェーハの面品質については、ＫＬＡ製のレーザー散乱式パーティクルカウンターＳＰ５で測定を行った。測定条件は、ＤＷ－２チャンネルにて測定したヘイズを参照することとした。

【0041】

（比較例１，２）
まず、研磨布の圧縮率のみを下記の通り変更し、研磨布の圧縮率以外は同条件とした。
比較例１：研磨布の圧縮率２．０％
比較例２：研磨布の圧縮率９．０％
とした。研磨布の圧縮率以外に面品質に影響を及ぼすキャリアやスラリー等の部材や研磨条件は統一して、研磨布の圧縮率の違いによる両面研磨シリコンウェーハの面品質への影響を調査した。なお、用いたキャリア、研磨布の接触角条件は、キャリア：３０°、研磨布：５０°とした。

【0042】

図３に表面欠陥数を比較した結果を示す。図４にヘイズレベルを比較した結果を示す。図３，４に示すように、比較例２の圧縮率９．０％の研磨布で研磨したウェーハの方が表面欠陥及びヘイズともに低く、比較例１の圧縮率が低い研磨布よりも適していることがわかる。

【0043】

（実施例１）
キャリアとして、ＳＵＳ製金属母材であり表裏面の接触角が５０°（撥水）のもの、研磨布として接触角が１００°（撥水）、圧縮率が５．０％のものを準備して、シリコンウェーハの両面研磨を行い、面品質を調査した。その結果、表面欠陥数は最大１６個、平均で９．８個であった。また、ヘイズレベルは、最大０．８８ｐｐｍ、平均で０．７１ｐｐｍであった。表面欠陥、ヘイズ共に低く良好な結果となった。

【0044】

（比較例３～５、実施例２）
上述の比較例１，２の結果を基に、実施例２と比較例３～５では、圧縮率９．０％の研磨布を使用した。キャリアと研磨布の接触角については、キャリア接触角が５０°未満（親水）のものと５０°以上（撥水）のもの、研磨布の接触角が１００°未満（親水）のものと１００°以上（撥水）のものを準備した。準備した２種類のキャリアの接触角の測定結果を図５に、準備した２種類の研磨布の接触角の測定結果を図６に示す。

【0045】

準備した上記のキャリアと研磨布を以下のような組み合わせとして、シリコンウェーハの両面研磨を行い、面品質を調査した。
比較例３：キャリア接触角５０°未満（親水）＋研磨布接触角１００°未満（親水）
比較例４：キャリア接触角５０°未満（親水）＋研磨布接触角１００°以上（撥水）
比較例５：キャリア接触角５０°以上（撥水）＋研磨布接触角１００°未満（親水）
実施例２：キャリア接触角５０°以上（撥水）＋研磨布接触角１００°以上（撥水）

【0046】

図７に表面欠陥数を比較した結果を示す。図８にヘイズレベルを比較した結果を示す。図７及び図８より、実施例２のウェーハが最も面品質が高いことがわかる。表面欠陥数については、実施例２のウェーハは最大値でも１０個未満であり（平均値で４．８個）、また、バラつきが少ないことがわかる。ヘイズレベルについても、実施例２のウェーハは最大値でも１．０ｐｐｍ未満（平均値で０．６４ｐｐｍ、）と、低いレベルであった。

【0047】

実施例１，２の研磨条件は、キャリアと研磨布のどちらも撥水性の高い条件のものであることから、両面研磨シリコンウェーハの面品質の向上には、撥水系の部材（キャリア接触角５０°以上、研磨布接触角１００°以上）と高い圧縮率を有した研磨布が最適であることが確認できた。

【0048】

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【符号の説明】

【0049】

１…両面研磨装置用キャリア、 ２…両面研磨装置、 ３…下定盤、 ４…上定盤、
５…研磨布、 ６…スラリー供給機構、 ７…ノズル、 ８…貫通孔、
９…サンギア、 １０…インターナルギア、 １１…保持孔。
Ｗ…半導体シリコンウェーハ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】