JP2007149923A - 半導体ウェーハの平坦化加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平坦度の指標の一つであるＳＦＱＲｍａｘを改善し、ウェーハを効率よく平坦化する平坦化加工方法の提供。
【解決手段】鏡面研磨工程、表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程をこの順で行う半導体ウェーハの平坦化加工方法である。鏡面研磨工程では、研磨布を貼付した定盤と保持具に保持された半導体ウェーハとに相対的な回転を与えるとともに、研磨組成物を供給しながら半導体ウェーハを鏡面研磨加工する。表面形状測定工程では、鏡面研磨工程を経た半導体ウェーハの表面形状を測定する。局所ドライエッチング工程では、プラズマ発生器から流下する間に電気的に中性となった中性活性種ガスを相対移動可能なノズルを通して被加工物の表面に吹き付けるとともに、計測された表面形状に応じて相対速度、被加工物とノズルとの距離、プラズマ発生器のプラズマ出力及びガス流量のうち、少なくとも一つを制御しながら、表面から材料を除去する。
【選択図】図４（ａ）

Description

本発明は、被加工物の鏡面研磨工程、被加工物の表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程を有する半導体ウェーハの平坦化加工方法であって、半導体ウェーハの表面形状品質を示すＳＦＱＲｍａｘ（後述）を改善するための半導体ウェーハの平坦化加工方法に関する。

シリコンウェーハや化合物ウェーハなどの半導体ウェーハは、単結晶のインゴットからスライスされた後、ラッピングもしくはグラインディングにより厚みを整え、鏡面研磨（ポリッシング）工程を経て、その片面もしくはその両面が鏡面に仕上げられる。半導体ウェーハの製造工程の中で、半導体ウェーハの平坦化は長年の課題であり、ウェーハサイズの大型化、エッジエクスクルージョン（半導体ウェーハの周囲の無効領域、通常エッジからの距離であらわされる。）の削減要求、デバイス配線の微細化要求などの課題をふまえて開発が進められている。

半導体ウェーハサイズの大型化とエッジエクスクルージョンを減少させることによりチップの取れる有効面積率は増大し、半導体チップの収率は向上する。このため、エッジエクスクルージョンの幅については２００−３００ｍｍサイズのシリコンウェーハでエッジエクスクルージョンの幅を２ｍｍ以下に抑えることが近年求められている。

さらに、デバイス配線の微細化に関しては、国際半導体技術ロードマップ（International Technology Roadmap for Semiconductors）によれば、デバイスの配線幅の目標値として２００４年９０ｎｍ、２００７年６５ｎｍ、２０１０年５０ｎｍ、２０１３年３５ｎｍが示され、デバイスの配線幅の微細化要求が年々顕著になってきている。

デバイスの配線幅の微細化が進むにつれ半導体ウェーハの平坦度に対しても一段と高い品質が要求されている。半導体ウェーハの求められる平坦度のうち、ＳＦＱＲｍａｘは配線幅とほぼ同じレベルの値が要求されており、デバイスの配線幅の微細化を進めるにあたり、半導体ウェーハのＳＦＱＲｍａｘの品質向上が必須の課題となっている。

ＳＦＱＲ（Site Front Least Squares Range）とは、表面基準のサイト内の各点の表面位置を示す全データから最小二乗法によりサイト内の基準平面（回帰平面）を計算し、この平面からのずれの最大値と最小値の和をとったものであり、各ウェーハについてサイトの数だけ存在する。ＳＦＱＲｍａｘはウェーハ内全サイトのＳＦＱＲの最大値を示し、各ウェーハについて一つの値が存在する。

半導体ウェーハの平坦度を悪化させる原因は、Ｒａなどに代表される波長の短い面粗さ等がある。ここで、Ｒａ（算術平均粗さ）とは、粗さ曲線から基準長さLを抜き取り、この部分の平均線から粗さ曲線までの偏差の絶対値を積算し、基準長さLで除した値をいう。

また、半導体ウェーハのほとんどは湿式の鏡面研磨により仕上げられるため、ロールオフなどとも呼ばれる外周部のリング状のダレも原因の一つに上げられている。これら、半導体ウェーハの平坦度を改善する目的で以下の特許文献１乃至１０に示すようなさまざまな技術が開発されてきている。

特開２００２−１６０４９号公報 特開２００４−２２６７６号公報 特開平１１−２６０７７１号公報 特開２００３−３２４０８１号公報 特開２００２−２３１７００号公報 特開２００１−１７６８４５号公報 特開２００１−２１０６２６号公報 特願２００４−２５８７７９号公報 特開２０００−７５４号公報 特開平１１−２３５６６２号公報

しかし、国際半導体技術ロードマップに示されるようにデバイス配線の微細化の進歩は著しく、一段と高い平坦度が要求されることが確実視されている。本発明の課題は、平坦度の指標の一つであるＳＦＱＲｍａｘを改善し、ウェーハを効率よく平坦化するための平坦化加工方法の提供にある。

上記課題は、以下の手段によって解決される。すなわち、第１番の発明の解決手段は、被加工物の鏡面研磨工程、被加工物の表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程をこの順で行う半導体ウェーハの平坦化加工方法であって、上記鏡面研磨工程は、研磨布を貼付した定盤と保持具に保持された半導体ウェーハとに相対的な回転を与えるとともに、研磨組成物を供給しながら半導体ウェーハを鏡面研磨加工する工程であり、上記表面形状測定工程は、上記鏡面研磨工程を経た半導体ウェーハの表面形状を測定する測定工程であり、さらに上記局所ドライエッチング工程は、プラズマ発生器から流下する間に電気的に中性となった中性活性種ガスを相対移動可能なノズルを通して被加工物の表面に吹き付けるとともに、上記表面形状測定工程により計測された表面形状に応じて上記相対速度、被加工物とノズルとの距離、プラズマ発生器のプラズマ出力及びガス流量のうち、少なくとも一つを制御しながら、被加工物の表面から材料を除去することにより被加工物の表面形状を修正するドライエッチング工程であることを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法である。

第２番の発明の解決手段は、第１番目の発明の半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記鏡面研磨工程が、片面研磨又は両面研磨による鏡面研磨工程であることを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法である。

第３番の発明の解決手段は、第１番目、もしくは第２番目の発明の半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記半導体ウェーハの表面に形成された酸化膜によって上記局所ドライエッチング工程におけるエッチングレートが影響を受けることを防止するために、上記鏡面研磨工程の後であって上記局所ドライエッチング工程の直前には上記酸化膜を除去するための化学エッチング工程を行うことを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法である。

鏡面研磨工程終了後、半導体ウェーハ表面には、時間の経過とともに表面のシリコンが酸化され一般に自然酸化膜とよばれる酸化ケイ素の被膜が形成される。半導体ウェーハ表面に自然酸化膜が形成されるとこの酸化膜により後工程の局所ドライエッチング工程において、エッチングレートの不均一が発生しやすい、半導体ウェーハ表面にヘイズが発生しやすいなどの問題が解決される。

第４番の発明の解決手段は、第１乃至３番目の発明の半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記局所ドライエッチング工程を、半導体ウェーハの形状を部分的に修正する工程としたことを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法である。

この発明では、局所ドライエッチング工程が半導体ウェーハを部分的に修正する。上記鏡面研磨工程において製造された半導体ウェーハの各サイトのＳＦＱＲ値分布を検討すると、半導体ウェーハ外周部などの限定的なサイトにおいて、ＳＦＱＲ値が増大する傾向が判明した。

そのため、半導体ウェーハ外周部などの限定的なサイトの急激な形状変化を緩和することにより、ＳＦＱＲｍａｘが改善される。

本発明の半導体ウェーハの平坦化加工方法によれば、ＳＦＱＲｍａｘが大幅に改善され、これにより、生産効率が極めて良好な平坦化加工方法を確立することができた。

本発明は、以下に説明する鏡面研磨工程、被加工物の表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程をこの順で行う半導体ウェーハの平坦化加工方法である。

上記鏡面研磨工程では、研磨布を貼付した定盤と保持具に保持された半導体ウェーハとに相対的な回転を与えるとともに、水に分散した酸化ケイ素粒子よりなる高い導電率とアルカリ性を示す研磨用組成物などを供給しながら上記半導体ウェーハ表面から材料の除去を行う。一般に、上記鏡面研磨工程には、片面研磨方法と両面研磨方法の２つの手段がある。上記鏡面研磨工程に使用する研磨布は、片面研磨工程では軟質、両面研磨工程では硬質の研磨布が好ましい。

本発明の研磨工程に用いる研磨用組成物としては、特に限定されないが、水に分散させた酸化ケイ素を含有する組成物であり、ｐＨが１０．０から１１．５の範囲にあり、研磨用組成物の２５℃における導電率が、酸化ケイ素粒子１重量％あたり３０ミリＳ／ｍ（単位Ｓはジーメンス、ｍはメートル）以上であることが好ましい。

さらに酸化ケイ素の一次粒子径が１００ｎｍ以下でかつ酸化ケイ素の濃度は６重量％以下が好ましい。研磨組成物の物性が本領域を外れると、研磨速度の低下、エッチングによる被加工物の面質の悪化、被加工物の外周部に生じるリング状のダレの深さが増大する。

上記半導体ウェーハの表面形状測定手段は静電容量を測定する方法、レーザーの反射により変位を測定する方法等が採用できるが、ナノメーターレベルの変位を精度良く測定できればよく、特にこれらの特定の測定手段に限定されものではない。

上記局所ドライエッチング工程では、六フッ化硫黄（ＳＦ６）等のフッ素化合物ガスをプラズマ発生器内に導き、マイクロ波を照射する等によりこのガスをプラズマ化する。プラズマ発生器から流下する間に電気的に中性となった中性活性種Ｆラジカルを含む中性活性種ガスを相対移動可能なノズルを通して被加工物の表面に吹き付ける。

これとともに、上記表面形状測定工程により計測された表面形状に応じて上記相対速度、被加工物とノズルとの距離、プラズマ発生器のプラズマ出力及びガス流量のうち、少なくとも一つを制御する。被加工物の表面の材料は、中性活性種と反応して気体化合物となって流れ去るため、材料を除去することができる。各位置における材料除去量の調整は、通常、上記相対速度（スキャン速度）の制御により行われ、これにより被加工物の表面形状が修正される。

本課題を解決するにあたり、片面及び両面研磨装置で製造した高平坦度ウェーハの凹凸形状とＳＦＱＲ分布を詳細に検討した。

図１（ａ）は、一般的な片面研磨装置にて製造した半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布であり、図１（ｂ）は、上記図１（ａ）の断面形状をグラフ化したものの例である。図２（ａ）は、一般的な両面研磨装置にて製造した半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布であり、図２（ｂ）は、上記図２（ａ）の断面形状をグラフ化したものの例である。

これらの図から分かるように、図１及び図２の半導体ウェーハではＳＦＱＲｍａｘを含むＳＦＱＲ目標値を満たさない領域（ＳＦＱＲ３０ｎｍ以下に設定、図中網掛け部分）がある。半導体ウェーハの直径は、３００ｍｍ、測定は、ＡＤＥ社製測定器によるものである。

以上より、研磨機にて平坦化された高平坦度ウェーハの多くについて、不均一な面を持つことが他のサンプルでも確認されている。したがって、各半導体ウェーハのＳＦＱＲｍａｘを含むＳＦＱＲ目標値を満たさない領域のＳＦＱＲを低くするための加工を付加すれば、ＳＦＱＲｍａｘも低くすることができることになる。

本発明は、このような知見に基づいたものであり、また、除去量が３０〜４０ｎｍ程度と非常にわずかの除肉量（エッチングレート）を設定できる局所ドライエッチング法が上記加工に最適であるため、これを採用することとした。

以下実施例をもって、本発明の半導体ウェーハの平坦化加工方法を具体的に説明するが、これにより限定を受けるものではない。本発明は、鏡面研磨工程、被加工物の表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程がこの順で行われる。場合により、局所ドライエッチング工程の直前には、半導体ウェーハ表面の酸化膜を除去するための化学エッチング工程が介在させられる。

鏡面研磨工程
本実施例では一般的な研磨装置として、両面研磨装置では、スピードファム社製両面研磨装置を使用した。研磨布はＭＨＳ−１５Ａ（ニッタ・ハース社製）を使用した。研磨組成物は自社で調製して使用した。片面研磨装置では、スピードファム社製片面研磨装置を使用した。研磨布はＳｕｂａ８００（ニッタ・ハース社製）を使用した。研磨組成物は自社で調整して使用した。

＜水性研磨組成物＞
テトラメトキシシランを加水分解して製造したコロイダルシリカを使用し水性研磨組成物を調製した。水性研磨組成物の物性は、ｐＨ１１．３、一次粒子径１８．３ｎｍ、酸化ケイ素濃度１．０％、導電率３８ｍＳ／ｍ／ｋｇ−ＳｉＯ２であった。本組成物には、ヒドロキシエチルセルロースを０．１％になるよう添加した。

表面形状測定工程
研磨後、ＡＤＥ社製測定器を使用して、半導体ウェーハの表面測定をし、ＳＦＱＲを求めた。その結果は、既に図１及び図２で示したものである。

化学エッチング工程
両面研磨工程終了後、具体的には更に表面形状測定工程終了後、化学エッチング工程によって、半導体ウェーハ表面に生じた酸化膜を除去した。本実施例では、１．０％フッ化水素酸水溶液を用い、室温にて６０秒間エッチング処理を実施した。これは、半導体ウェーハ表面には、時間の経過とともに表面のシリコンが酸化され一般に自然酸化膜とよばれる酸化ケイ素の被膜が形成される。本工程はこの自然酸化膜の除去を目的としている。

半導体ウェーハ表面に自然酸化膜が形成されるとこの酸化膜により後工程の局所ドライエッチング工程において、エッチングレートの不均一が発生しやすい、半導体ウェーハ表面にヘイズが発生しやすいなどの問題が生じるので、この酸化膜を除去するためである。

通常では、研磨工程終了後、具体的には更に表面形状測定工程終了後、局所ドライエッチング工程を行うまで相当の時間が経過することになるので、この例でも化学エッチング工程を介在させた。自然酸化膜はごく薄いものであるが、後の局所ドライエッチング工程における除去量もわずかであるため、自然酸化膜の除去をする／しないがＳＦＱＲの改善の程度に大きな差となって現れるからである。

局所ドライエッチング工程
局所ドライエッチングには、ＤＣＰ−３００Ｘプラズマエッチング装置（スピードファム社製）を使用した。図５の表１には、局所ドライエッチング工程における諸条件を示す。上記表面形状測定工程における測定結果から、局所ドライエッチングによって各位置において除去すべき除去量、つまり、スキャン速度を計算し、スキャン速度を制御しながらドライエッチングする。また、スキャン速度を制御する以外に、半導体ウェーハとノズルとの距離、プラズマ発生器からのプラズマ出力及びガス流量を制御してもよい。

プラズマ発生器に供給するエッチング用のガスには、ヘリウムガス、窒素ガスを大量に混入させ、六フッ化硫黄（ＳＦ６）の割合を落とすことによりエッチングレートを引き下げた。

なお、先に示したことから分かるように、ＳＦＱＲｍａｘを含むＳＦＱＲ目標値を満たさない領域の平坦度を改善すれば半導体ウェーハのＳＦＱＲｍａｘを改善できることになるため、局所ドライエッチングでこの領域について加工を行えばよい。

以上より、ＳＦＱＲｍａｘを含むＳＦＱＲ目標値を満たさない領域のみを除去するため、半導体ウェーハ全面を走査するのに比べてスループットが向上する。さらに、除去能力の低いエッチングガスを使用するため、半導体ウェーハへ与えるダメージが少ない。

また、上記局所ドライエッチング工程の後に、半導体ウェーハの表面状態を改善するために条件を変えた局所ドライエッチングあるいは湿式研磨工程を更に行うことも可能である。

本実施例の結果と評価
本実施例の結果を示す。図３（ａ）は、局所ドライエッチング工程の後における半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布、図３（ｂ）は、上記図３（ａ）の断面形状を測定して得られたグラフ、図４（ａ）は、局所ドライエッチング工程の後における半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布、図４（ｂ）は、上記図４（ａ）の断面形状を測定して得られたグラフである。

各領域におけるＳＦＱＲは図３（ａ）、図４（ａ）に示されており、この図のようにＳＦＱＲｍａｘが改善されていることが分かる。

上述の通り、本発明の半導体ウェーハの平坦化方法によれば、一枚のシリコンウェーハからの製品の収率を格段に向上することができた。即ち、半導体関連の実生産においては、その資する所極めて大である。

一般的な片面研磨装置にて製造した半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布である。 図１（ａ）の断面形状をグラフ化したものの例である。 一般的な両面研磨装置にて製造した半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布である。 図２（ａ）の断面形状をグラフ化したものの例である。 図１の半導体ウェーハについて、局所ドライエッチング工程を行った半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布である。 （図３ａ）の断面形状を測定して得られたグラフである。 図２の半導体ウェーハについて、局所ドライエッチング工程を行った半導体ウェーハのＳＦＱＲ分布である。 図４（ａ）の断面形状を測定して得られたグラフである。 局所ドライエッチング工程における諸条件を示す表１である。

Claims (4)

1. 被加工物の鏡面研磨工程、被加工物の表面形状測定工程、及び、局所ドライエッチング工程をこの順で行う半導体ウェーハの平坦化加工方法であって、上記鏡面研磨工程は、研磨布を貼付した定盤と保持具に保持された半導体ウェーハとに相対的な回転を与えるとともに、研磨組成物を供給しながら半導体ウェーハを鏡面研磨加工する工程であり、上記表面形状測定工程は、上記鏡面研磨工程を経た半導体ウェーハの表面形状を測定する測定工程であり、さらに上記局所ドライエッチング工程は、プラズマ発生器から流下する間に電気的に中性となった中性活性種ガスを相対移動可能なノズルを通して被加工物の表面に吹き付けるとともに、上記表面形状測定工程により計測された表面形状に応じて上記相対速度、被加工物とノズルとの距離、プラズマ発生器のプラズマ出力及びガス流量のうち、少なくとも一つを制御しながら、被加工物の表面から材料を除去することにより被加工物の表面形状を修正するドライエッチング工程であることを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法。
2. 請求項１に記載された半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記鏡面研磨工程が、片面研磨又は両面研磨による鏡面研磨工程であることを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法。
3. 請求項１又は２に記載された半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記半導体ウェーハの表面に形成された酸化膜によって上記局所ドライエッチング工程におけるエッチングレートが影響を受けることを防止するために、上記鏡面研磨工程の後であって上記局所ドライエッチング工程の直前には上記酸化膜を除去するための化学エッチング工程を行うことを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された半導体ウェーハの平坦化加工方法において、上記局所ドライエッチング工程は、半導体ウェーハを部分的に修正する工程であることを特徴とする半導体ウェーハの平坦化加工方法。

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