(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハを収納するキャリアプレートと、このキャリアプレートを上下方向から挟持し、下面に硬質の研磨布が貼張された上定盤および上面に別の硬質の研磨布が貼張された下定盤とを備えた両面研磨装置により、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を前記これらの研磨布に供給しながら、シリコンウェーハと前記これらの研磨布とを相対的に回転させて、研磨量が１μｍ〜２０μｍとなるように前記シリコンウェーハの表裏面を同時に粗研磨するシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項２】
前記水溶性高分子は、ノニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種、または、アニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項３】
前記水溶性高分子は、ヒドロキシエチルセルロースである請求項２に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項４】
前記研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの濃度は、１ｐｐｍ〜２００ｐｐｍである請求項３に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項５】
前記アルカリ性水溶液中のアルカリ剤の含有量は１００〜１０００ｐｐｍで、
該アルカリ性水溶液は、アルカリ剤として塩基性アンモニウム塩、塩基性カリウム塩、塩基性ナトリウム塩のうち、何れかが添加されたアルカリ性水溶液、または炭酸アルカリ水溶液、またはアミンが添加されたアルカリ性水溶液である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項６】
前記研磨布はポリエステル製の不織布からなるものもしくはポリウレタン製のものである請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項７】
前記粗研磨後の前記シリコンウェーハの厚みが、前記キャリアプレートの厚みより大きくなるように研磨する請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項８】
粗研磨時のシリコンウェーハの研磨レートは、０．４１〜１μｍ／分である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【請求項９】
前記研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの濃度は、１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍである請求項４に記載のシリコンウェーハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコンウェーハの研磨方法、詳しくはアルカリ性水溶液に遊離砥粒を含む研磨液を供給しながら、シリコンウェーハと研磨布とを相対的に回転させて、シリコンウェーハの表裏面のうち、被研磨面となる少なくとも表面を研磨するシリコンウェーハの研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンウェーハの表面を研磨する方法としては、シリカ粒子などの遊離砥粒をアルカリ性水溶液中に含有させた研磨液を供給しながら、シリコンウェーハと、研磨布とを相対的に回転させて行うＣＭＰ（化学的機械的研磨）が一般的である。ＣＭＰは、遊離砥粒による機械的研磨作用と、アルカリ性水溶液による化学的研磨作用とを複合させることで、シリコンウェーハの表面に対して高い平坦度が得られることが知られている。このシリコンウェーハのＣＭＰ処理は、通常、粗研磨から仕上げ研磨へと複数の段階を経て研磨が行われる。【０００３】
初期段階の粗研磨は、所望とする厚みまでシリコンウェーハを研磨することを目的に行われ、ウレタン樹脂などを固めた硬質素材の研磨布を用いて研磨速度が比較的速い条件で研磨を行い、研磨後のシリコンウェーハの厚さのバラツキを小さく、平坦化するように研磨が行われる。この粗研磨工程では、研磨布の種類や遊離砥粒サイズを変更して、シリコンウェーハの研磨量（取り代量）を複数段階（例えば１〜３段階）に分けながら研磨処理が行われることもある。
最終段階の仕上げ研磨は、シリコンウェーハの表面の粗さを改善することを目的に行われ、スエードのような軟質の研磨布および微小サイズの遊離砥粒を使用して、マイクロラフネスやヘイズといったシリコンウェーハの表面上の微小な面粗さのバラツキを低減するように研磨が行われる。この仕上げ研磨工程も粗研磨工程と同様に、研磨布の種類や遊離砥粒サイズを変更しながら、複数段階に分けて研磨処理が行われることもある。【０００４】
ところで、近年のデバイスの微細化およびシリコンウェーハのデバイス形成領域の拡大の観点から、シリコンウェーハの最外周付近でも高い平坦度が要求され、ウェーハの最外周付近の平坦度および表面変位量に対しての関心が高まっている。これに伴い、シリコンウェーハの最外周の形状を評価するため、ウェーハ外周部のダレ量と跳ね上げ量を定量的に表したＲＯＡ（Ｒｏｌｌ  Ｏｆｆ  Ａｍｏｕｎｔ）という指標が知られている。【０００５】
これは、例えば直径３００ｍｍのシリコンウェーハが平坦と考えられるウェーハの中心から１２４ｍｍ〜１３５ｍｍ位置（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ａｒｅａ）のウェーハ形状から仮想の基準平面を求め、例えば、ＲＯＡ１ｍｍにあっては、ウェーハ外縁より１ｍｍ内側の位置までの距離として定義される。このとき、基準平面の高さを０とし、これよりウェーハ外縁までがダレた形状であれば、その変位量は−の値（ロールオフ）となり、逆に跳ね上げた形状であれば＋の値（ロールアップ）となる。また、ロールオフおよびロールアップの絶対値が小さいほど、最外周付近でも平坦度が高いと評価される。【０００６】
通常、粗研磨工程では、仕上げ研磨工程よりもシリコンウェーハの研磨量が多いため、研磨布の粘弾性の影響を大きく受け、ウェーハ外周部分が過剰に研磨されてしまい、粗研磨後のシリコンウェーハには、ロールオフが発生する不具合がある。
このため、例えば、特許文献１に記載される発明では、研磨前のシリコンウェーハの厚みよりも厚みが大きいキャリアプレートを使用し、このキャリアプレート内にシリコンウェーハを収容し、研磨布を貼張した上定盤および下定盤によりキャリアプレートを挟み込んだ状態で、シリコンウェーハの表裏面を同時に研磨する両面研磨方法が提案されている。【０００７】
確かに、シリコンウェーハの厚みをキャリアプレートの厚みと同等またはそれ以下の厚みとなるまでウェーハ表裏面を研磨すれば、キャリアプレートによって、研磨布によるウェーハ外周部分の研磨そのものが抑制されるため、ロールオフの発生量を低減することはできる。しかしながら、特許文献１に記載された発明では、キャリアプレートによって研磨布が押し込まれると、キャリアプレートのウェーハ保持穴（つまり、ウェーハ保持穴に保持されたウェーハ）に位置する部分の研磨布が盛り上がる。盛り上がった研磨布がウェーハ外周部分に強く接触する結果、ウェーハ外周部分が研磨されるため、そのロールオフの低減効果は十分なものではなかった。
また、キャリアプレートそのものを研磨してしまうため、キャリアプレートの交換頻度が増加し、生産コストの上昇を招いたり、キャリアプレートが研磨されることによりキャリアプレートが振動し、研磨処理中にキャリアプレートからシリコンウェーハが飛び出してしまう問題などもあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１５８７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した粗研磨工程におけるシリコンウェーハのロールオフ発生の問題に鑑み、発明者らは鋭意研究の結果、シリコンウェーハの表面の粗研磨において、ポリウレタンなどの硬質の研磨布を使用し、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を供給しながらウェーハ表面を研磨すれば、高い研磨レートを維持できるとともに、添加する水溶性高分子の濃度を調整することで、シリコンウェーハの外周部をロールオフしない形状にできることを知見し、この発明を完成させた。【００１０】
この発明は、シリコンウェーハの被研磨面を高い研磨レートで研磨できるとともに、ウェーハ外周部のロールオフを防止することができるシリコンウェーハの研磨方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、シリコンウェーハを収納するキャリアプレートと、このキャリアプレートを上下方向から挟持し、下面に硬質の研磨布が貼張された上定盤および上面に別の硬質の研磨布が貼張された下定盤とを備えた両面研磨装置により、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を前記これらの研磨布に供給しながら、シリコンウェーハと前記これらの研磨布とを相対的に回転させて、研磨量が１μｍ〜２０μｍとなるように前記シリコンウェーハの表裏面を同時に粗研磨するシリコンウェーハの研磨方法である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記水溶性高分子は、ノニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種、または、アニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記水溶性高分子は、ヒドロキシエチルセルロースである請求項２に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの濃度は、１ｐｐｍ〜２００ｐｐｍである請求項３に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記アルカリ性水溶液中のアルカリ剤の含有量は１００〜１０００ｐｐｍで、該アルカリ性水溶液は、アルカリ剤として塩基性アンモニウム塩、塩基性カリウム塩、塩基性ナトリウム塩のうち、何れかが添加されたアルカリ性水溶液、または炭酸アルカリ水溶液、またはアミンが添加されたアルカリ性水溶液である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。【００１６】
請求項６に記載の発明は、前記研磨布はポリエステル製の不織布からなるものもしくはポリウレタン製のものである請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。【００１７】
請求項７に記載の発明は、前記粗研磨後の前記シリコンウェーハの厚みが、前記キャリアプレートの厚みより大きくなるように研磨する請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、粗研磨時のシリコンウェーハの研磨レートは、０．４１〜１μｍ／分である請求項１に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、前記研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの濃度は、１ｐｐｍ〜２０ｐｐｍである請求項４に記載のシリコンウェーハの研磨方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のシリコンウェーハの研磨方法および研磨液によれば、高い研磨レートを維持しながら、ウェーハ外周部のロールオフの低減、ひいてはロールオフとロールアップとを含めたウェーハ外周部の平坦度（ＲＯＡ）の制御を図ることができる。また、加工ダメージの発生や砥粒凝集に起因したマイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥発生も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明に係る実施例１のシリコンウェーハの研磨方法に用いられる無サンギヤ方式の両面研磨装置の斜視図である。
【図２】この発明に係る実施例１のシリコンウェーハの研磨方法に用いられる無サンギヤ方式の両面研磨装置の要部縦断面図である。
【図３】この発明に係る実施例１のシリコンウェーハの研磨方法により研磨されたシリコンウェーハにおいて、水溶性高分子の添加量に応じたシリコンウェーハの外周部形状を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明のシリコンウェーハの研磨方法は、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加された研磨液を硬質の研磨布に供給しながら、シリコンウェーハと前記研磨布とを相対的に回転させて、前記シリコンウェーハの被研磨面に粗研磨を行うことを特徴とするシリコンウェーハの研磨方法である。
【００２６】
この発明のシリコンウェーハの研磨方法によれば、アルカリ性水溶液によるエッチング作用と、遊離砥粒による研削作用と、水溶性高分子によるシリコンウェーハの外周部のエッチング抑制作用により、高い研磨レートを維持しながら、ウェーハ外周部のロールオフを防止することができる。
また、遊離砥粒を含むものの水溶性高分子が存在しない研磨液を使用した従来の研磨方法では、研磨の進行に伴いウェーハ外周部のロールオフが促進されるのに対し、この発明の場合には、上述した水溶性高分子によるシリコンウェーハの外周部のエッチング抑制作用により、例えば研磨時間を長くして研磨量を増やすことで、ウェーハ外周部をロールアップ形状とすることも可能となる。そのため、例えば仕上げ研磨時のウェーハ外周部のロールオフを想定し、ウェーハ外周部に理想的な平坦形状を実現することもできる。
【００２７】
なお、ロールオフが防止（低減）される理由としては、以下のような現象が起きているものと推測される。
研磨処理中、研磨液の水溶性高分子はシリコンウェーハの表面に吸着され、ウェーハ表面は水溶性高分子により覆われた状態となる。研磨液中の遊離砥粒は、研磨布からの圧力（研磨定盤の回転）やシリコンウェーハからの圧力(シリコンウェーハの回転)を受ける。これにより、遊離砥粒は活性的に流動してウェーハと接触し、シリコンウェーハの被研磨面（研磨される面）に形成された高分子膜を吸着しながら、被研磨面系外に流れ出る。高分子膜が除去された被研磨面は反応が活性であるため、アルカリ性水溶液によりケミカルエッチングされる。この水溶性高分子の吸着、高分子膜の除去、アルカリエッチングおよび遊離砥粒による研削の繰り返しにより研磨が進行しているものと考えられる。
一方、研磨されないシリコンウェーハの端部(面取り部)にも水溶性高分子が付着する。しかしながら、この部分に吸着された高分子膜が遊離砥粒によって除去される確率が極めて少ない。このシリコンウェーハの端部に吸着した水溶性高分子膜により、ウェーハ外周部でのエッチング反応が抑制され、ロールオフ量が低減されるものと推測される。
【００２８】
本発明のシリコンウェーハの研磨方法では、研磨液として遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液を使用する。ここで、「遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液」とは、研磨液の主剤であるアルカリ性水溶液中に、例えば、コロイダルシリカ（砥粒）、ダイヤモンド砥粒、アルミナ砥粒などの遊離砥粒が混入されたものをいう。遊離砥粒を含んでいることにより、被研磨面に付着した高分子膜を効果的に除去することができ、アルカリ性水溶液によるシリコンウェーハの表面のエッチング作用を高めることができる。また、粗研磨工程前のシリコンウェーハの表面には、前段の洗浄処理または高純度の大気雰囲気に曝されることで、通常、５〜２０Å程度の自然酸化膜が存在する。しかしながら、遊離砥粒を含むことにより、酸化膜を除去しながら粗研磨することができる。このため、フッ酸などの薬液を用いたエッチング処理により酸化膜を除去する工程などを設ける必要がない。
なお、使用する遊離砥粒の平均粒径は３０〜２００ｎｍが望ましく、特に、平均粒径５０〜１５０ｎｍのものを使用することが望ましい。平均粒径が３０ｎｍ未満では、砥粒が凝集してマイクロスクラッチなどの加工起因の欠陥を誘発し易く、２００ｎｍ超ではコロイド分散が困難となり濃度バラツキを生じやすい。
【００２９】
アルカリ性水溶液中のアルカリ剤の含有量は、１００〜１０００ｐｐｍである。１００ｐｐｍ未満ではアルカリ剤によるシリコンウェーハの表面のエッチング力が十分でなく、所定の厚みまでシリコンウェーハを研磨するのに長時間を要してしまう。１０００ｐｐｍを超えれば、研磨液そのものの取り扱いが困難となり、また、過度のエッチング反応によりウェーハ表面に面荒れを生じやすくなる。
アルカリ性水溶液のアルカリ剤（ｐＨ調整剤）としては、例えば、塩基性アンモニウム塩、塩基性カリウム塩、塩基性ナトリウム塩の何れかが添加されたアルカリ性水溶液もしくは炭酸アルカリ水溶液、あるいはアミンが添加されたアルカリ性水溶液である。その他、ヒドラジンやアミン類の水溶液を採用することができる。研磨レートを高める観点から、アンモニアを除いたアルカリ、特にアミンを用いることが望ましい。
【００３０】
水溶性高分子としては、アニオン系とその両性およびノニオン系の各ポリマーおよび各モノマーなどを使用することができる。具体的には、水溶性高分子としては、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコールを使用することが望ましい。特に、ヒドロキシエチルセルロースは、高純度のものを比較的容易に入手でき、ウェーハ表面で高分子膜を形成し易いため、アルカリによるエッチング反応を抑制する効果が高いという特性を有する。ただし、各種の水溶性高分子のうち、アルカリ性水溶液によるシリコンウェーハのエッチングを促進させるものは不適当である。水溶性高分子は、１種類だけを使用しても、複数種類を使用してもよい。
【００３１】
また、水溶性高分子に代えて、界面活性剤または脂肪族アルコールでもよい。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどを採用することができる。また、脂肪族アルコールとしては、例えば、ポリビニルアルコールなどを採用することができる。
【００３２】
研磨液中の水溶性高分子の濃度は、１ｐｐｍ〜２００ｐｐｍの濃度範囲で設定すればよく、特に１００ｐｐｍ以下が好ましい。水溶性高分子としてヒドロキシエチルセルロースを採用した場合も、添加量１００ｐｐｍ以下が好ましい。過剰に水溶性高分子を添加すれば、シリコンウェーハの研磨レートが大きく低下し、生産性が低下してしまう。
【００３３】
シリコンウェーハとしては、例えば単結晶シリコンウェーハ、多結晶シリコンウェーハなどを採用することができる。また、シリコンウェーハの直径としては、例えば１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍなどが挙げられる。
【００３４】
粗研磨用の研磨布としては硬質のものを使用する。これにより、シリコンウェーハの外周部でのロールオフ量の低減を図ることができる。すなわち、研磨処理はシリコンウェーハを研磨布に押し付けた状態で行われるため、仮に軟質の研磨布を使用すれば、シリコンウェーハは研磨布内に沈み込んでしまい、ウェーハ外周部において研磨布が元に戻ろうとする反力の作用が大きく、シリコンウェーハの外周部に吸着された水溶性高分子膜が積極的に剥ぎ取られてしまい、ロールオフが発生し易くなる。また、硬質の研磨布であれば、研磨布の沈み込みが小さいため、研磨されないシリコンウェーハの端部に吸着された水溶性高分子を維持しつつ、シリコンウェーハの被研磨面に吸着した水溶性高分子を効率良く除去することができ、高い研磨レートと高いロールオフ抑制効果とを同時に得ることができる。
【００３５】
硬質の研磨布としては、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３−１９９７／ＩＳＯ  ７６１９により規定されたショアＡ硬度で７０°〜９０°、圧縮率が０．５〜５％、特に２〜４％の研磨布を採用することが望ましい。ショアＡ硬度で７０°未満では、シリコンウェーハの外周縁から３ｍｍまでの間の研磨レートが高まり、ウェーハ外周部にロールオフが発生し易くなる。また、ショアＡ硬度で９０°を超えれば、ウェーハ表面に研磨傷が発生し易くなるおそれがある。
【００３６】
具体的な硬質の研磨布としては、ポリエステル製の不織布からなる研磨布、ポリウレタン製の研磨布などが挙げられる。特に、シリコンウェーハの研磨面の鏡面化精度に優れた発泡性ポリウレタン製の研磨布が望ましい。仕上げ研磨で使用されるような軟質でシリコンウェーハの外周形状に追従し易いスエード製の研磨布を用いた場合には、ウェーハ外周部におけるエッチングが促進され、ロールオフを生じてしまう。
【００３７】
粗研磨は、シリコンウェーハと研磨布とを相対的に回転させることにより行われる。「相対的に回転させる」とは、シリコンウェーハを回転させる、研磨布を回転させる、あるいはシリコンウェーハと研磨布との両方を回転させることをいう。シリコンウェーハおよび研磨布の回転方向は任意である。例えば、両方を回転させる場合のシリコンウェーハと研磨布との回転方向は、同一でも異なってもよい。ただし、回転方向が同一の場合には、回転速度を異ならせる必要がある。
【００３８】
粗研磨時のシリコンウェーハの研磨レートは、０．０５〜１μｍ／分にすることが望ましい。０．０５μｍ／分未満では研磨レートが低く、研磨に長時間を要する。また、１μｍ／分を超えれば、アルカリの高濃度化および遊離砥粒の添加量の増加によりシリコンウェーハ表面の面荒れなどが生じやすくなる。
シリコンウェーハの回転速度、研磨布の回転速度、研磨圧などは、上記した研磨レートの範囲となるように設定すればよく、例えば、シリコンウェーハおよび研磨布の各回転速度は、５〜１００ｒｐｍの範囲内で選択し、研磨圧は、３０〜５００ｇ／ｃｍ２の範囲内で設定すればよい。
なお、粗研磨による研磨量は、所望とするシリコンウェーハの厚みを考慮して設定すればよく、１μｍ〜２０μｍの範囲内で設定される。粗研磨後に行う仕上げ研磨による研磨量は、１μｍ以下の範囲内で設定すればよい。
【００３９】
シリコンウェーハの粗研磨では、枚葉式の研磨装置を使用しても、複数枚のシリコンウェーハを同時に研磨するバッチ式の研磨装置を使用してもよく、表面のみの片面研磨でも、ウェーハ表面とウェーハ裏面とを同時に研磨する両面研磨でもよい。
特に、ウェーハ表裏面を同時に粗研磨するにあたっては、シリコンウェーハを収納するキャリアプレートと、このキャリアプレートを挟む研磨布を貼張した上定盤および下定盤とを備えた両面研磨装置を用いて研磨することが望ましい。これにより、一度の研磨処理でウェーハ表面だけでなく、ウェーハ裏面の高平坦化までを達成することができ、低コストで高平坦度な鏡面シリコンウェーハの提供に有効となる。
【００４０】
遊離砥粒を含む研磨液を用いてシリコンウェーハの表裏面を両面研磨する際、粗研磨後のシリコンウェーハの厚みが、前記キャリアプレートの厚みより大きくなるように研磨することが望ましい。これにより、研磨布によるキャリアプレートの研磨が抑制され、キャリアプレートの劣化を防止することができる。しかも、研磨処理中、シリコンウェーハやキャリアプレートの振動が抑制され、キャリアプレートからのシリコンウェーハの飛び出しを防止することができる。
この両面研磨装置としては、サンギヤ（遊星歯車）方式のもの、または、キャリアプレートに自転をともなわない円運動をさせる無サンギヤ方式のものを採用することができる。
【００４１】
粗研磨後のシリコンウェーハの研磨面には、仕上げ研磨が施されることが望ましい。これにより、マイクロラフネスやヘイズを低減することができる。
仕上げ研磨とは、シリコンウェーハの研磨工程の最終段階で、ウェーハ表面を鏡面化する工程をいう。
仕上げ研磨布としては、不織布からなる基布の上にウレタン樹脂を発泡させたスエードタイプのパッドなどを採用することができる。また、仕上げ研磨剤としては、アルカリ溶液中に平均粒径２０〜１００ｎｍ程度の遊離砥粒が添加されたものを採用することができる。シリコンウェーハの粗研磨面の仕上げ研磨量は、０．１μｍ以上１μｍ未満である。
【００４２】
この発明の研磨液は、シリコンウェーハの表裏面のうち、被研磨面となる少なくとも表面を粗研磨する際に使用される研磨液において、遊離砥粒を含むアルカリ性水溶液を主剤とし、該アルカリ性水溶液に水溶性高分子が添加されたものである。
この研磨液によれば、アルカリ性水溶液によるエッチング作用と、遊離砥粒による研削作用と、水溶性高分子によるシリコンウェーハの外周部のエッチング抑制作用により、高い研磨レートを維持しながら、ウェーハ外周部のロールオフを防止することが可能となる。
また、遊離砥粒を含むものの水溶性高分子が存在しない研磨液を使用した従来の研磨方法では、研磨の進行に伴いウェーハ外周部のロールオフが促進される。これに対して、この発明の場合には、上述した水溶性高分子によるシリコンウェーハの外周部のエッチング抑制作用により、例えば研磨時間を長くして研磨量を増やすことで、ウェーハ外周部をロールアップ形状とすることも可能になる。そのため、例えば仕上げ研磨時のウェーハ外周部のロールオフを想定し、ウェーハ外周部に理想的な平坦形状を実現することもできる。
【００４３】
また、この研磨液は、アルカリ性水溶液中のアルカリ成分の含有量を、１００〜１０００ｐｐｍに設定することが望ましい。１００ｐｐｍ未満ではアルカリによるシリコンウェーハの表面のエッチング力が十分でなく、所定の厚みまでシリコンウェーハを研磨するために長時間を要してしまう。１０００ｐｐｍを超えると、研磨液そのものの取り扱いが困難であり、また、過度のエッチング反応によりウェーハ表面に面荒れを生じやすくなる。
アルカリ性水溶液は、アルカリ剤として塩基性アンモニウム塩、塩基性カリウム塩、塩基性ナトリウム塩のうち、何れかが添加されたアルカリ性水溶液、または炭酸アルカリ水溶液、またはアミンが添加されたアルカリ性水溶液とするとともに、水溶性高分子は、ノニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種、または、アニオン系のポリマーおよびモノマーのうちの１種もしくは複数種で構成することが望ましい。これにより、シリコンウェーハの表面にスクラッチ、傷などの加工起因の欠陥が発生せず、研磨液の取り扱いも容易で、シリコンウェーハの高い研磨（エッチング）レートが得られる。
【００４４】
研磨液中の水溶性高分子の濃度は、１〜２００ｐｐｍの濃度範囲で設定することが望ましい。研磨液中の水溶性高分子の濃度を１ｐｐｍ未満の濃度範囲に日常管理することは極めて困難で、２００ｐｐｍを超えれば、シリコンウェーハの研磨レートが大きく低下し、また、シリコンウェーハの外周部がロールアップし過ぎてしまい、粗研磨後に行う仕上げ研磨による研磨量を著しく増大させなければならない。
【００４５】
水溶性高分子としては、ヒドロキシエチルセルロースを含有させることが特に望ましい。ヒドロキシエチルセルロースは、高純度のものを比較的容易に入手でき、ウェーハ表面で高分子膜を形成し易いため、アルカリによるエッチング反応を抑制する効果が高いという特性を有する。
【００４６】
また、研磨液に含まれる金属イオンを除去する観点から、研磨液中にキレート（ｃｈｅｌａｔｅ）剤を添加することが望ましい。キレート剤の添加により、金属イオンが捕獲、錯体化され、その後、これを廃棄することで、研磨後のシリコンウェーハの金属汚染の度合いを低減することができる。キレート剤としては、金属イオンに対するキレート能力を有する物質であれば任意である。キレートとは、複数の配位座を有する配位子による金属イオンへの結合（配位）をいう。
【００４７】
キレート剤の種類としては、例えばホスホン酸系キレート剤、アミノカルボン酸系キレート剤などを採用することができる。ただし、アルカリ性水溶液への溶解性を考慮した場合には、アミノカルボン酸系キレート剤が好ましい。さらに、重金属イオンのキレート能力を考慮した場合には、エチレンジアミン四酢酸ＥＤＴＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ  Ｄｉａｍｉｎｅ  Ｔｅｔｒａａｃｅｔｉｃ  Ａｃｉｄ）またはジエチレントリアミン五酢酸ＤＴＰＡ（Ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ  Ｔｒｉａｍｉｎｅ  Ｐｅｎｔａａｃｅｔｉｃ  Ａｃｉｄ）などのアミノカルボン酸塩がより好ましい。その他、ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）でもよい。キレート剤は０．１ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度範囲で添加することが好ましい。これにより、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属イオンなどを捕獲することができる。
【００４８】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、表面と裏面とが研磨された両面研磨シリコンウェーハの製造方法およびその研磨液について説明する。
【実施例１】
【００４９】
この発明の実施例１に係るシリコンウェーハの研磨方法およびその研磨液を説明する。この実施例１では、粗研磨工程である１次研磨後に仕上げ研磨を行う構成とし、１次研磨工程では、１次研磨布と、遊離砥粒および水溶性高分子を含有した研磨液とを用いて粗研磨を行い、仕上げ研磨工程では、シリコンウェーハの平坦化を達成するために、仕上げ研磨布と、仕上げ研磨用の遊離砥粒を含有した研磨液とを用いて仕上げ研磨を行った。
表面および裏面が鏡面研磨された両面研磨シリコンウェーハは、以下の各工程を経て作製される。
すなわち、坩堝内でボロンが所定量ドープされたシリコンの溶融液から、チョクラルスキー法により直径３０６ｍｍ、直胴部の長さが２５００ｍｍ、比抵抗が０．０１Ω・ｃｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単結晶シリコンインゴットが引き上げられる。【００５０】
次に、１本の単結晶シリコンインゴットが、複数の結晶ブロックに切断された後、各結晶ブロックの外周研削が行われる。次いで、三角配置された３本のグルーブローラにワイヤによりシリコン単結晶から、直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍの多数枚のシリコンウェーハがスライスされる。
その後、回転中の面取り用砥石をシリコンウェーハの外周部に押し付けて面取りし、次に両面ラッピング装置によりシリコンウェーハの両面を同時にラッピングする。次いで、エッチング槽内の酸性エッチング液に、ラッピング後のシリコンウェーハを浸漬してエッチングし、面取りおよびラッピングによるダメージを除去する。その後、シリコンウェーハの表裏面に対して、上述した１次研磨および仕上げ研磨が順次施される。【００５１】
１次研磨工程では、無サンギヤ方式の両面研磨装置を用い、１次研磨液を使用してシリコンウェーハの表裏面を同時に１次研磨する。１次研磨液には、コロイダルシリカ中の平均粒径７０ｎｍのシリカ粒子（遊離砥粒）を５重量％と、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ；水溶性高分子）を１０ｐｐｍとが添加されたピペリジン水溶液（ピペリジン；０．０８重量％）を使用した。【００５２】
以下、図１および図２を参照して、無サンギヤ方式の両面研磨装置１０を具体的に説明する。
図１および図２に示すように、両面研磨装置１０の上定盤１２０は、上方に延びた回転軸１２ａを介して、上側回転モータ１６により水平面内で回転駆動される。また、上定盤１２０は軸線方向へ進退させる昇降装置１８により垂直方向に昇降させられる。昇降装置１８は、シリコンウェーハ１１をキャリアプレート１１０に給排する際等に使用される。なお、上定盤１２０および下定盤１３０のシリコンウェーハ１１の表裏面に対する研磨圧は３００ｇ／ｃｍ２で、上定盤１２０および下定盤１３０に組み込まれた図示しないエアバック方式等の加圧手段により加えられる。下定盤１３０は、その出力軸１７ａを介して、下側回転モータ１７により水平面内で回転する。キャリアプレート１１０は、厚さが７２５μｍで、かつそのプレート１１０自体が自転しないように、キャリア円運動機構１９によって、そのプレート１１０の表面と平行な面（水平面）内で円運動する。【００５３】
キャリア円運動機構１９は、キャリアプレート１１０を外方から保持する環状のキャリアホルダ２０を有している。キャリア円運動機構１９とキャリアホルダ２０とは、連結構造を介して連結されている。
キャリアホルダ２０の外周部には、９０°ごとに外方へ突出した４個の軸受部２０ｂが配設されている。各軸受部２０ｂには、小径円板形状の偏心アーム２４の上面の偏心位置に突設された偏心軸２４ａの先部が回転自在に挿入されている。また、これらの４個の偏心アーム２４の各下面の中心部には、回転軸２４ｂが垂設されている。各回転軸２４ｂは、環状の装置基体２５に９０°ごとに合計４個配設された軸受部２５ａに、それぞれ先端部を下方へ突出させた状態で回転自在に挿入されている。各回転軸２４ｂの下方に突出した先端部には、それぞれスプロケット２６が固着されている。各スプロケット２６には、一連にタイミングチェーン２７が水平状態で架け渡されている。これらの４個のスプロケット２６とタイミングチェーン２７とは、４個の偏心アーム２４が同期して円運動を行うように、４本の回転軸２４ｂを同時に回転させる。【００５４】
４本の回転軸２４ｂのうち、１本の回転軸２４ｂはさらに長尺に形成されており、その先端部がスプロケット２６より下方に突出している。この部分に動力伝達用のギヤ２８が固着されている。ギヤ２８は、円運動用モータ２９の上方へ延びる出力軸に固着された大径な駆動用のギヤ３０に噛合されている。
したがって、円運動用モータ２９を起動すれば、その回転力は、ギヤ３０，２８および長尺な回転軸２４ｂに固着されたスプロケット２６を順次経てタイミングチェーン２７に伝達される。このタイミングチェーン２７が周転することで、他の３個のスプロケット２６を介して、４個の偏心アーム２４が同期して回転軸２４ｂを中心に水平面内で回転する。これにより、各偏心軸２４ａに一括して連結されたキャリアホルダ２０、ひいてはこのホルダ２０に保持されたキャリアプレート１１０が、このプレート１１０に平行な水平面内で、自転をともなわない円運動を行う。【００５５】
すなわち、キャリアプレート１１０は上定盤１２０および下定盤１３０の軸線ｅから距離Ｌだけ偏心した状態を保って旋回する。両定盤１２０，１３０の各対向面には、硬度Ａが８０°、圧縮率が２．５％の発泡ポリウレタン樹脂製の研磨布１５が貼張されている。
前記距離Ｌは、偏心軸２４ａと回転軸２４ｂとの距離と同じである。この自転を伴わない円運動により、キャリアプレート１１０上の全ての点は、同じ大きさ（半径ｒ）の小円の軌跡を描く。これにより、キャリアプレート１１０に形成されたウェーハ収納部１１ａに収納されたシリコンウェーハ１１が、両研磨定盤１２０，１３０の回転方向を反対とし、研磨定盤１２０，１３０の回転速度、研磨圧（３００ｇ／ｃｍ２）、研磨時間などを調整して、研磨量が片面５μｍ（両面１０μｍ）となるように、両面同時１次研磨を行う。【００５６】
この両面１次研磨時、両研磨布１５には、０．０８重量％のピペリジン水溶液に、平均粒径が７０ｎｍのコロイダルシリカ中のシリカ粒子が５重量％添加され、かつ１０ｐｐｍのヒドロキシエチルセルロースを含む１次研磨液を、５リットル／分で供給しながら、研磨量が片面４．５〜５．５μｍ（表裏面９〜１１μｍ）となるように研磨時間を調整して１次研磨処理を行った。なお、１次研磨において、研磨液を使用し、かつキャリアプレート１１０によるウェーハ保持方式を採用すれば、研磨中にウェーハ収納部１１ａ内でシリコンウェーハ１１が移動することでキャリアプレート１１０が振動し、研磨中にシリコンウェーハ１１がウェーハ収納部１１ａから飛び出すおそれがある。そこで、１次研磨ではキャリアプレート１１０の厚みよりシリコンウェーハ１１の厚みが大きい状態で１次研磨を終了させた。【００５７】
このように、１次研磨用の研磨液として、遊離砥粒を含むピペリジン水溶液が添加されたものを採用したので、シリコンウェーハ１１の表裏面に存在する各１０Å程度の自然酸化膜を、主に遊離砥粒のメカニカル作用によって短時間で除去することができる。
しかも、表裏面の自然酸化膜の除去後、さらにシリコンウェーハ１１と研磨布１５とを相対的に回転させ、シリコンウェーハ１１の表裏面を片面約５μｍだけ研磨する。このとき、シリコンウェーハ１１の表裏面には、研磨圧の作用により研磨布１５が押し付けられる。これにより、シリコンウェーハ１１の表面に付着する研磨液中のヒドロキシエチルセルロース膜は、研磨布１５により、シリコンウェーハ１１の被研磨面から持ち去られる。その結果、シリコンウェーハ１１の外周部にはヒドロキシエチルセルロースが付着した状態で研磨が進行する。そのため、シリコンウェーハ１１の表裏面は遊離砥粒による研削作用と、アルカリ性水溶液のエッチング作用と、研磨布１５によるヒドロキシエチルセルロースの除去作用とにより、高平坦度を維持しながら０．５μｍ／分という高い研磨レートで研磨される。【００５８】
一方、シリコンウェーハ１１の外周部においては、発泡ポリウレタン製の硬質の研磨布１５の使用により、研磨中、常にシリコンウェーハ１１の外周面（面取り面）への研磨布１５の付着が抑制される。これにより、ウェーハ外周面が研磨液中のヒドロキシエチルセルロースにより被われ、これがエッチングに対するウェーハ外周面の保護膜となる。その結果、シリコンウェーハ１１の外周縁から３ｍｍまでの間の研磨レートが低下し、ウェーハ外周部のロールオフの低減、ひいてはロールオフとロールアップとを含めたウェーハ外周部の平坦度の制御を図ることができる。なお、ある程度のウェーハ外周部のロールアップが発生してもよい理由は、その後の仕上げ研磨時において、あらかじめシリコンウェーハ１１の外周部のロールオフとの相殺を想定することができるためである。
これに対して、例えば１次研磨用の研磨布としてスェード製の軟質の研磨布を使用した場合には、上下配置された研磨布がシリコンウェーハ１１の外周面に接触するため、シリコンウェーハ１１の外周部のロールオフが助長されることになる。【００５９】
また、水溶性高分子としてヒドロキシエチルセルロースを採用したので、シリコンウェーハ１１の外周部において高分子膜を形成し、ピペリジン水溶液によるエッチング作用を抑制できるという効果が得られる。また、ピペリジン水溶液は非常に高純度であり不純物汚染の低減を図ることができる。【００６０】
さらに、仕上げ研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの濃度を１０ｐｐｍとしたので、シリコンウェーハ１１の表裏面に加工起因の欠陥が存在せず、かつウェーハ外周部のロールオフが低減されたシリコンウェーハ１１を短時間で研磨することができる。
アルカリ性水溶液として、ピペリジンの濃度を８００ｐｐｍに調整したものを採用したので、シリコンウェーハ１１の表面にスクラッチ、傷などの加工起因の欠陥が発生せず、研磨液の取り扱いも容易で、シリコンウェーハ１１の高い研磨レートが得られる。
また、両研磨布１５の素材として発泡ポリウレタン樹脂を採用したので、シリコンウェーハ１１の外周部でのロールオフ量の低減を図ることができる。【００６１】
研磨液に対するヒドロキシエチルセルロースの添加量を、０ｐｐｍ，１０ｐｐｍ，２０ｐｐｍ，５０ｐｐｍ，１００ｐｐｍ，２００ｐｐｍに変更し、その他は前述した１次研磨条件によってシリコンウェーハ１１を１次研磨したときの、シリコンウェーハ１１の外周形状の変化を調査した。その結果を図３のグラフに示す。
なお、シリコンウェーハ１１の外周部の形状測定には、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔを採用した。また、シリコンウェーハ１１の最外周の形状を評価するため、ウェーハ外周部のダレ量と跳ね上げ量を定量的に表したＲＯＡ（Ｒｏｌｌ  Ｏｆｆ  Ａｍｏｕｎｔ）を用いた。【００６２】
これは、直径３００ｍｍのシリコンウェーハ１１が平坦と考えられるウェーハの中心から１２４ｍｍ〜１３５ｍｍ位置（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ａｒｅａ）のウェーハ形状から仮想の基準平面を求め、ウェーハ外縁より１ｍｍ内側の位置までの距離である「ＲＯＡ１ｍｍ」として定義される。このとき、基準平面の高さを０とし、これよりウェーハ外縁までがダレた形状であれば、その変位量は−の値（ロールオフ）となり、逆に跳ね上げた形状であれば＋の値（ロールアップ）となる。また、ロールオフおよびロールアップの絶対値が小さいほど、最外周付近でも平坦度が高くなる。【００６３】
図３のグラフから明らかなように、ＲＯＡ１ｍｍにおいて、研磨液中のヒドロキシエチルセルロースの添加量が０ｐｐｍの場合のウェーハ外周部形状の変化量は−０．１３μｍ、１０ｐｐｍの場合は−０．０４μｍ、２０ｐｐｍの場合は約０μｍ、５０ｐｐｍの場合は＋０．０１μｍ、１００ｐｐｍの場合は＋０．０１５μｍ、２００ｐｐｍの場合は＋０．０２μｍであった。以上のことから、研磨液中にヒドロキシエチルセルロースを添加することでウェーハ外周部のロールオフが改善され、特に２０ｐｐｍの添加時には、ウェーハ表面は略全域にわたり平坦となった。また、２０ｐｐｍを超えた場合でも、若干のロールアップ現象は発生するものの、高い平坦性はウェーハ外周縁付近まで維持されることがわかった。【００６４】
さらに、表１に示すように、ヒドロキシエチルセルロースの添加量が増大するに従い、研磨時間は長くなり研磨レートは低下するものの、研磨量にはほとんど変化がないことも判明した。すなわち、シリコンウェーハ１１の外周部形状は、研磨時間が長くなっても悪化しないことがわかった。【００６５】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００６６】
この発明は、ウェーハ外周部のロールオフが低減したシリコンウェーハを高い生産性で製造する方法として有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  両面研磨装置、
１１  シリコンウェーハ、
１５  研磨布、
１１０  キャリアプレート、
１２０  上定盤、
１３０  下定盤。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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