JP2010062561A - 半導体ウェーハを研磨する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】おもて面と裏面とを有する半導体ウェーハを研磨する方法。
【解決手段】前記半導体ウェーハの裏面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記裏面のエッジ領域よりも前記裏面の中心領域においてより高い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含む；及び前記半導体ウェーハのおもて面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記おもて面のエッジ領域におけるよりも前記おもて面の中心領域においてより低い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて半導体ウェーハを研磨する方法に関する。

ＣＭＰは、半導体ウェーハのおもて面の粗さを低下させるために通常使用される片面研磨(single-side polishing)である。ＣＭＰは故に鏡面研磨とも呼ばれる。前記ＣＭＰ中に、前記半導体ウェーハは研磨されるべき面で、回転する研磨ヘッドにより回転する研磨布に対してプレスされ、かつ供給される研磨剤の存在で滑らかにされる。研磨の際に生じる材料除去はとりわけ、前記半導体ウェーハが研磨布に対してプレスされる圧力に依存する。研磨圧力を異なる帯域において異なって選択する可能性も存在し、それにより、材料除去を前記半導体ウェーハの直径に沿って見た場合に、不均一なプロファイルをまねく材料除去を生じさせる。圧力帯域は、例えば圧力室又は圧力リングによって、確立されることができる。圧力帯域へ細分することを可能にするキャリアを有する研磨ヘッドは、例えば米国特許(US)第5,916,016号明細書に記載されている。前記ＣＭＰは、それに応じて、前記半導体ウェーハの幾何形状に、すなわちローカルフラットネス及びグローバルフラットネスを記載する前記半導体ウェーハのパラメータに、意図的に影響を及ぼすために使用されることもできる。

ＣＭＰに加えて、ＤＳＰ（"両面研磨(double side polishing)"）は、半導体ウェーハの研磨において重要な役割を果たす。ＤＳＰは一般的に、同時に研磨される複数の半導体ウェーハを含む。前記ＤＳＰ中に、半導体ウェーハは、キャリアの切欠内の研磨布が設けられた２枚の研磨プレートの間にあり、かつ供給される研磨によって両面研磨される。ＤＳＰは、前記半導体ウェーハのラッピング及び／又は研削による機械的成形加工(shaping mechanical machining)後に残った表面の領域における損傷を取り除くという課題を特に有する。前記材料除去は、通常１０〜３０μmの全除去を有するＤＳＰの場合に、ＣＭＰの場合のそれよりも有意により高い。故にＤＳＰはしばしば一次研磨(stock removal polishing)とも呼ばれる。

標準化されたパラメータは、半導体ウェーハの幾何形状の定量的なキャラクタリゼーションに利用可能である。これは前記半導体ウェーハのおもて面のエッジ領域にも当てはまり、ここでおもて面が通常、電子部品の集積化の基礎として使用される半導体ウェーハの面を意味する。

電子部品の製造者は、できるだけ包括的にエッジ領域を使用可能な面積ＦＱＡ（"平坦度適用領域(Fixed Quality Area)"）に含めることも努力している。それに応じて、規定された許容周辺部除外領域ＥＥは、ますます小さくなっている。現時点で要求の厳しい仕様は、１mmの周辺部除外領域のみを許容する。

非平坦性は、パラメータＳＦＱＲにより記載されることができる。ＳＦＱＲは、特定の寸法、例えば２０mm×２０mmの面積を有する測定帯域における、より詳しくいえば二乗誤差最少化により得られる同じ寸法を有する基準面積に対する測定帯域における前記半導体ウェーハのおもて面の最大高度偏差の形の、ローカルフラットネスを表す。パーシャルサイトは、前記エッジ領域における、もはやＦＱＡの完全に一部ではないが、しかしその中心は依然としてＦＱＡ内にある測定帯域である。パラメータＰＳＦＱＲは、パラメータＥＳＦＱＲと同じように、パーシャルサイトにおけるローカルフラットネスを表す。後者は、より包括的な計量(metric)に基づいている。

ローカルフラットネスに加えて、前記半導体ウェーハのおもて面のグローバルフラットネスを考慮することも常に必要である。グローバルフラットネスを記載するために標準化されたパラメータは、ＧＢＩＲ及びこの値と相関するＳＢＩＲである。双方のパラメータは、前記半導体ウェーハの − 理想的に平坦であると仮定して − 裏面に対する前記おもて面の最大の高度偏差を表現し、かつＦＱＡがＧＢＩＲの場合における計算のために使用され、かつ測定帯域に限定された面積がＳＢＩＲの場合における計算のために使用されることが相違する。

前記のパラメータの定義及び前記のパラメータを測定する方法の記載は、関連ＳＥＭＩ規格、特にM1、M67及びM1530規格に含まれる。

ＤＳＰを用いて研磨された半導体ウェーハの厚さは通常、前記エッジに向かって有意に減少する。このエッジロールオフは、パーシャルサイトにおけるグローバルフラットネス及びローカルフラットネスを損ないうる。故に、できる限りエッジロールオフを周辺部除外領域の範囲に制限することが望ましい。

US2003/0022495 A1は、エッジロールオフを減少させるために、最初に半導体ウェーハの裏面を、基準平面が生じるように研磨することを提案する。このためには、おもて面は、堅いキャリアに対して吸引され、かつ好ましくは３〜８μmである材料除去が裏面上でもたらされる。その後、前記半導体ウェーハのおもて面が研磨される。

米国特許(US)第5,916,016号明細書 US2003/0022495 A1

本発明の課題は、特に半導体ウェーハのおもて面のエッジ領域における、グローバルフラットネス及びローカルフラットネスの双方の有意な改善をもたらす半導体ウェーハを研磨する方法を記載することにある。

本発明は、おもて面と裏面とを有する半導体ウェーハを研磨する方法に関するものであり、前記方法は：
前記半導体ウェーハの裏面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記裏面のエッジ領域よりも前記裏面の中心領域においてより高い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含む；及び
前記半導体ウェーハのおもて面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記おもて面のエッジ領域におけるよりも前記おもて面の中心領域においてより低い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含む
ことを特徴とする。

より多くの材料が、エッジ領域よりも中心領域において除去されるようにして実施される裏面のＣＭＰは、直接的に、エッジ幾何形状の改善、特にパラメータＰＳＦＱＲ及びＥＳＦＱＲの改善をもたらす。しかしながら、グローバル幾何形状、特にパラメータＧＢＩＲ及びＳＢＩＲの劣化もまねく、それというのも、半導体ウェーハの中心領域とエッジ領域との間の厚さの差は、不均一な材料除去のために増加するからである。より少ない材料が、エッジ領域よりも中心領域において除去されるようにして実施されるおもて面のその後のＣＭＰは、グローバル幾何形状が、エッジ幾何形状を損なうことなく再びより良くなるという効果を主に有する。ＧＢＩＲ、ＳＢＩＲ、ＥＳＦＱＲ及びＰＳＦＱＲのような全てのパラメータの改善が結果として生じる。前記方法を用いて達成されることができる半導体ウェーハの幾何形状の改善は、ちょうど１mmの周辺部除外領域が要求される場合ですら達成される。

中心領域は、半導体ウェーハの中心及び半導体ウェーハの半径の少なくとも５０％である半径を有する円形面積を含んでなる。エッジ領域は、半導体ウェーハのエッジからその中心の方向へ延在し、かつ半導体ウェーハの半径の少なくとも５％である幅を有する。

好ましくは、半導体ウェーハの裏面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルは、前記半導体ウェーハのおもて面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルのパターンに対して鏡像(mirror-inverted)であるパターンを有する。これを達成するために、半導体ウェーハの裏面をＣＭＰを用いて研磨した後に、ターゲットプロファイルを決定することは有利であり、その際に前記のターゲットプロファイルは、おもて面をＣＭＰを用いて研磨する際に得られるべき材料除去を記載する。前記ターゲットプロファイルは、裏面のＣＭＰ後に、前記半導体ウェーハの直径に沿った平面からの裏面の高度偏差を測定し、かつ前記高度偏差のパターンを前記ターゲットプロファイルのパターンと同一視することによって決定される。前記おもて面のその後のＣＭＰの際の前記ターゲットプロファイルの実現は、おもて面のＣＭＰ中に異なる圧力を前記半導体ウェーハに適用する圧力帯域を用いて、前記ターゲットプロファイルに相応するプロファイルを有する材料除去を生じるようにして、達成される。

前記ＣＭＰの材料除去は、全部で（裏面からの除去及びおもて面からの除去）、１．５μm以下である。故に、前記方法は特に経済的でもある。裏面のＣＭＰの際に、材料除去は、裏面の中心領域において好ましくは０．２〜０．８μmである。前記材料除去は、裏面のエッジ領域において好ましくは０．０２〜０．２μmだけより低い。おもて面のＣＭＰの際に、材料除去は、おもて面の中心領域において好ましくは０．２〜０．８μmである。前記材料除去は、おもて面のエッジ領域において好ましくは０．０２〜０．２μmだけより高い。

裏面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルは好ましくは、凸状パターン(convex course)を有し、かつおもて面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルは好ましくは、凹状パターン(concave course)を有する。材料除去のプロファイルは、それぞれ、厳密に凸状であるか又は厳密に凹状である必要はない。故に、一例として、前記材料除去の最大値が、前記半導体ウェーハのエッジの前に既に達するパターン、又は前記材料除去の有意な減少又は有意な増加が、前記半導体ウェーハの中心からの距離が前記半導体ウェーハの半径の少なくとも５５％である裏面又はおもて面の領域においてのみ達するパターンも可能である。

図１〜４は、除去プロファイルのそれぞれ２つの例を示し、より詳しくいえば、おもて面のＣＭＰについて傾向的に凹状であるパターンを有するプロファイル（図１及び２）及び裏面のＣＭＰについて傾向的に凸状であるパターンを有するプロファイル（図３及び４）を示す。

本発明による方法は、予めＤＳＰにかけた半導体ウェーハを用いて好ましくは実施される。さらに、別のＣＭＰ段階が、裏面及び／又はおもて面を研磨するために実施されることができる。おもて面の最初のＣＭＰの後におもて面の粗さを減少させる目的で実施される、前記半導体ウェーハのおもて面の少なくとも１つの別のＣＭＰが特に好ましい。

除去プロファイルのそれぞれ２つの例、より詳しくいえばおもて面のＣＭＰについて傾向的に凹状であるパターンを有するプロファイルを示す図。 除去プロファイルのそれぞれ２つの例、より詳しくいえばおもて面のＣＭＰについて傾向的に凹状であるパターンを有するプロファイルを示す図。 除去プロファイルのそれぞれ２つの例、より詳しくいえば裏面のＣＭＰについて傾向的に凸状であるパターンを有するプロファイルを示す図。 除去プロファイルのそれぞれ２つの例、より詳しくいえば裏面のＣＭＰについて傾向的に凸状であるパターンを有するプロファイルを示す図。 測定された除去プロファイルを示す図。

本発明の成果は以下に、実施例に基づいて及び比較例に基づいて示される。

３００mmの直径を有するケイ素を含んでなる半導体ウェーハを、ＤＳＰ後に、最初に裏面のＣＭＰに及びついでおもて面のＣＭＰにかけた。製造者Applied Materials、USA製の型式Reflexion LK CMPの研磨機が、前記ＣＭＰを実施するために利用可能であった。

傾向的に凸状であるプロファイルを有する材料除去を、裏面のＣＭＰのために選択した。中心における材料除去は０．６５μmであり、かつエッジから２mmの距離の位置でのエッジ領域における材料除去は０．５５μmであった。

傾向的に凹状であるプロファイルを有する材料除去を、おもて面のＣＭＰのために選択した。中心における材料除去は０．２５μmであり、かつエッジから２mmの距離の位置でのエッジ領域における材料除去は０．３５μmであった。

測定された除去プロファイルは図５に示されている。

幾何形状パラメータＥＳＦＱＲ_avg、ＰＳＦＱＲ_max、ＳＢＩＲ_max、ＧＢＩＲ及びＳＦＱＲ_maxは、以下の第１表にまとめられており、その際に１mmの周辺部除外領域を考慮している。挙げた値（Δ）は、裏面のＣＭＰ前及び後、及び裏面のＣＭＰ及びおもて面のＣＭＰ前及び後のそれぞれのパラメータの変化を示す。

裏面のＣＭＰは、４４nmの平均ＥＳＦＱＲの有意な改善をもたらした。パラメータＰＳＦＱＲは２３nm改善した。対照的に、ＳＢＩＲ及びＧＢＩＲは減少した、すなわちそれぞれ３nm及び５６nm減少した。考慮された全ての幾何形状パラメータは、裏面及びおもて面のＣＭＰ後に改善された。

比較例１：
比較のために、ＤＳＰ研磨された別の半導体ウェーハを、最初に裏面のＣＭＰに、ついでおもて面のＣＭＰにかけた。傾向的に凸状であるプロファイルを有する材料除去を、裏面のＣＭＰのために選択した。中心における材料除去は０．６５μmであり、かつエッジから２mmの距離の位置でのエッジ領域における材料除去は０．５８μmであった。同様に傾向的に凸状であるプロファイルを有する材料除去を、裏面のＣＭＰの際に得られた同じ性質で、おもて面のＣＭＰのために選択した。

幾何形状測定の結果は、以下の第２表にまとめられている：

事実上、幾何形状パラメータの改善は、前記半導体ウェーハの裏面及びおもて面のＣＭＰの選択された配置を用いて達成されることはできなかった。このことは、傾向的に凹状であるプロファイルを有する材料除去をそれぞれ裏面及びおもて面のＣＭＰのために選択した場合の実験の改変された構成にも当てはまった。

比較例２：
比較のために、ＤＳＰ研磨された別の半導体ウェーハを、最初に裏面のＣＭＰに、ついでおもて面のＣＭＰにかけた。０．４μmの領域における均一な材料除去を、前記プロファイルが本質的に平坦であるように裏面のＣＭＰのために選択した。傾向的に凸状であるプロファイルを有する０．４５μmの領域における材料除去を、おもて面のＣＭＰのために選択した。

幾何形状測定の結果は、以下の第３表にまとめられている：

０．４μmの材料除去及び平坦なプロファイルを有する裏面のＣＭＰは、前記半導体ウェーハの幾何形状に殆ど作用を及ぼさなかった。前記パラメータは１０nm未満で揺動した。

Claims (8)

1. おもて面と裏面とを有する半導体ウェーハを研磨する方法であって、
   前記半導体ウェーハの裏面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記裏面のエッジ領域よりも前記裏面の中心領域においてより高い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含む；及び
   前記半導体ウェーハのおもて面を、ＣＭＰを用いて研磨し、前記研磨は、材料除去が、前記おもて面のエッジ領域におけるよりも前記おもて面の中心領域においてより低い、前記半導体ウェーハの直径に沿ったプロファイルを有する材料除去を生じさせることを含む
   ことを特徴とする、半導体ウェーハを研磨する方法。
2. 前記材料除去が、前記裏面の中心領域において０．２〜０．８μmであり、かつ前記裏面のエッジ領域において０．０２〜０．２μmだけより低い、請求項１記載の方法。
3. 前記材料除去が、前記おもて面の中心領域において０．２〜０．８μmであり、かつ前記おもて面のエッジ領域において０．０２〜０．２μmだけより高い、請求項１記載の方法。
4. 前記半導体ウェーハの裏面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルが、前記半導体ウェーハのおもて面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルのパターンに対して鏡像であるパターンを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記おもて面をＣＭＰを用いて研磨するための材料除去のターゲットプロファイルを、前記半導体ウェーハの裏面をＣＭＰを用いて研磨した後に、前記半導体ウェーハの直径に沿った平面からの前記裏面の高度偏差を測定し、かつ高度偏差のパターンを前記ターゲットプロファイルのパターンと同一視することによって決定される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記裏面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルが、凸状パターンを有し、かつ前記おもて面をＣＭＰを用いて研磨する際に生成される材料除去のプロファイルが、凹状パターンを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記おもて面の粗さを減少させる、前記半導体ウェーハのおもて面の少なくとも１つの別のＣＭＰを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記半導体ウェーハを、ＤＳＰを用いて研磨することを含み、その際に前記ＤＳＰを前記半導体ウェーハの裏面のＣＭＰの前に実施する、請求項１記載の方法。

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