(57)【要約】【課題】  半導体ウェハを研磨するための方法を提供する。【解決手段】  半導体ウェハの研磨方法は、研磨パッドを用いて半導体ウェハの表面を研磨するステップを含む。第１のステップにおいては、研磨材を含む研磨スラリーを供給し、次いで研磨スラリーの供給を止め、第２のステップにおいては、固体を含まず１２以上のｐＨ値を有する研磨液を供給する。使用される研磨パッドは、半導体ウェハのうち研磨されるべき面と接触する側に隆起部を含む表面構造を有している。研磨パッドは、研磨作用を有する物質を含んでいない。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハを研磨するための方法であって、
研磨パッドを用いて半導体ウェハの表面を研磨するステップを含み、第１のステップにおいては、研磨材を含む研磨スラリーを供給し、次いで研磨スラリーの供給を止め、第２のステップにおいては、固体を含まず１２以上のｐＨ値を有する研磨液を供給し、
使用される研磨パッドは、半導体ウェハのうち研磨されるべき面と接触する側に隆起部を含む表面構造を有しており、研磨パッドは、研磨作用を有する物質を含んでいない、方法。
【請求項２】
第１のステップにおいて用いられる研磨スラリーは、アルミニウム、セリウムおよびシリコンといった要素の酸化物からなる群のうち１つ以上から選択される研磨材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１のステップにおいて用いられる研磨スラリーはコロイド状シリカである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
使用される研磨パッドは多孔質基材を有する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
使用される研磨パッドは、熱可塑性または耐熱性のポリマーからなる、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
使用される研磨パッドは、角錐状もしくはタイル状の構造、円形、楕円形もしくは六角形の隆起部または溝を含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
研磨パッドの表面は、化学エッチング、研削（バフ研磨）、焼結または溝加工によって構造化される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
研磨液を供給しながら研磨する第２のステップにおいては、研磨パッドが半導体ウェハの表面上に押し当てられる研磨圧は、第１のステップにおいて用いられる研磨圧に対して低減される、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハを研磨するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
さまざまな研磨方法が先行技術において公知である。
いわゆる両面研磨（ＤＳＰ：double-side polishing）が、たとえばＵＳ３６９１６９４に記載されている。
【０００３】
ＥＰ２０８３１５Ｂ１に記載されるＤＳＰの一実施例に従うと、金属またはプラスチックからなり適切な寸法の切欠が設けられた「キャリアプレート」における半導体ウェハが、研磨ゾルを含有する研磨パッドで覆われた２つの回転する研磨プレートの間で、機械および工程のパラメータによって予め定められた経路上を移動させられ、これにより研磨される。
【０００４】
ＤＥ１０００４５７８Ｃ１に記載されるように、ＤＳＰは、従来、均質な多孔質ポリマー発泡体からなる研磨パッドを用いて実行される。ＤＥ１０００４５７８Ｃ１には、たとえば、上方の研磨プレートに接着された研磨パッドが経路網によって広く行き渡らされ、下方の研磨プレートに接着された研磨パッドがこのような組織構造のない滑らかな表面を有していることも開示されている。このような方策は、第１に、研磨中に用いられる研磨剤が均一に分散されることを確実にし、第２に、研磨の終了後に上方の研磨プレートが持ち上げられたときに半導体ウェハが上方の研磨パッドに付着するのを防ぐよう意図されたものである。
【０００５】
ＤＳＰに加えて、先行技術においては、いわゆるＣＭＰ研磨は、欠陥をなくし、表面粗さを減らすのに必要とされる。ＣＭＰの場合、ＤＳＰの場合よりもより軟質の研磨パッドが用いられる。さらに、半導体ウェハの片面、すなわち、後に構成要素が作製されることが意図される面だけ、がＣＭＰによって研磨される。先行技術はまた、研磨仕上げについても言及している。ＣＭＰ法は、たとえばＵＳ２００２−００７７０３９およびＵＳ２００８−０３０５７２２に開示されている。
【０００６】
ドイツ特許出願ＤＥ１０２００７０３５２６６Ａ１は、シリコン材料からなる基板を研磨するための方法を開示している。この方法は、ＦＡＰタイプの２つの研磨ステップを含む。この２つの研磨ステップは以下の点で異なっている。すなわち、一方の研磨ステップでは、固体としての非結合研磨材料を含む研磨スラリーが基板と研磨パッドとの間に投入される一方で、第２の研磨ステップでは、研磨スラリーが、固体を含まない研磨液と置換えられている。ＦＡＰとは、固定砥粒研磨を指しており、固定砥粒を含む研磨パッドを用いる研磨方法を表わすものである。
【０００７】
このように、先行技術では、研磨材を含まない研磨パッドを用いた研磨方法が開示されている。この場合、研磨ゾル状の研磨材が供給される。先行技術ではまた、研磨材を含む研磨パッドを用いた研磨方法も開示されており、この場合、研磨ゾルを供給する必要はない。
【０００８】
先行技術において公知のすべての方法は、研磨されたウェハの幾何学的形状および／またはナノトポロジーに関しては不利である。ＤＳＰおよびＣＭＰでは、エッジの厚さが薄くなってしまう（エッジロールオフ（Ｅｄｇｅ  Ｒｏｌｌ−Ｏｆｆ））。ＦＡＰは表面粗さに関しては不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＵＳ３６９１６９４
【特許文献２】ＥＰ２０８３１５Ｂ１
【特許文献３】ＤＥ１０００４５７８Ｃ１
【特許文献４】ＵＳ２００２−００７７０３９
【特許文献５】ＵＳ２００８−０３０５７２２
【特許文献６】ＤＥ１０２００７０３５２６６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、先行技術において公知の方法の代替案を提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、半導体ウェハを研磨するための方法によって達成される。当該方法は、研磨パッドを用いて半導体ウェハの表面を研磨するステップを含み、第１のステップにおいては、研磨材を含む研磨スラリーを供給し、次いで研磨スラリーの供給を止め、第２のステップにおいては、固体を含まず１２以上のｐＨ値を有する研磨液を供給する。使用される研磨パッドは、半導体ウェハのうち研磨されるべき面と接触する側に隆起部を含む表面構造を有している。研磨パッドは、研磨作用を行なう物質を含んでいない。
【００１２】
好ましくは、第１のステップにおいて用いられる研磨スラリーは、アルミニウム、セリウムおよびシリコンといった要素の酸化物からなる群のうち１つ以上から選択される研磨材を含む。
【００１３】
研磨物質の粒子の粒径分布は、好ましくは、本質的にモノモーダルである。
平均粒径は５〜３００ｎｍであり、特に好ましくは５〜５０ｎｍである。
【００１４】
研磨スラリー中の研磨物質の割合は、好ましくは、０．２５〜２０重量パーセント、特に好ましくは０．２５〜１重量パーセントである。
【００１５】
コロイド状シリカを研磨スラリーとして用いることが特に好ましい。
一例として、水性研磨剤としてバイエルＡＧ（Ｂａｙｅｒ  ＡＧ）によるＬｅｖａｓｉｌ（登録商標）２００およびフジミ（Ｆｕｊｉｍｉ）によるＧｌａｎｚｏｘ  ３９００（登録商標）を用いることができる。
【００１６】
研磨スラリーは、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）などの添加剤を含み得る。
【００１７】
しかしながら、研磨スラリーは、１つ以上のさらなる添加剤、たとえば、湿潤剤および界面活性剤などの表面活性添加剤、保護コロイドとして作用する安定剤、防腐剤、殺生物剤、アルコールおよび錯化剤を含み得る。
【００１８】
第２のステップにおいて用いられる研磨液は、好ましくは、水であるか、または、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、炭酸カリウム（Ｋ2ＣＯ3）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ4ＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）といった化合物もしくはそれらのいずれかの所望の混合物の水溶液である。
【００１９】
研磨液中の上述の化合物の割合は、好ましくは、０．０１〜１０重量パーセントである。
【００２０】
研磨液のｐＨ値は１２以上である。
使用される研磨パッドは好ましくは多孔質基材を有する。
【００２１】
研磨パッドは、好ましくは、熱可塑性または耐熱性のポリマーからなる。材料として、多種多様な材料、たとえば、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリエステルなどが想定され得る。
【００２２】
研磨パッドは、好ましくは、固形の微孔性ポリウレタンを含む。
また、ポリマーを含浸させた発泡板もしくはフェルトまたは繊維基板からなる研磨パッドを用いることも好ましい。
【００２３】
コーティングされた／含浸させた研磨パッドはまた、コーティングの場合と比べて基板における細孔分布および孔径が異なったものになるように構成することもできる。
【００２４】
研磨パッドの気孔率を調整するために、充填剤を研磨パッドに投入することもできる。
対応する表面トポグラフィの作製後に使用することのできる市販の研磨パッドとして、たとえば、ロデル（Ｒｏｄｅｌ  Ｉｎｃ．）社によるＳＰＭ  ３１００、またはＤＣＰシリーズのパッド、およびローム・アンド・ハース（Ｒｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓ）社による商品名ＩＣ１０００TM、ＰｏｌｙｔｅｘTMもしくはＳＵＢＡTMを有するパッドが挙げられる。
【００２５】
しかしながら、硬質または非常に硬質の研磨パッドを用いることが好ましい。
ショアーＡに準じた硬度は少なくとも８０°となるはずである。
【００２６】
一例として、この目的のためには、ショアーＡに準じた８４°の硬度を有するローム・アンド・ハース社によるＳＵＢＡTM１２００が適している。
【００２７】
ニッタ・ハース（Ｎｉｔｔａ  Ｈａａｓ  Ｉｎｃ．）社によるＳＵＢＡTM８００Ｔ２タイプの研磨パッドも同様に適しており、その代替例は、９０を上回るＡＳＫＥＲ  Ｃ（ＳＲＩＳ  ０１０１）に準じた硬度を有していなければならない。
【００２８】
ショアーＡに準じた８０〜１００°の硬度を有する研磨パッドを用いることが特に好ましい。
【００２９】
ニッタ・ハース社によるＭＨ−Ｓ２４Ａタイプのパッドについて規定される硬度は、たとえば最大で８６ＪＩＳ−Ａとなる（ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３Ａ）。この場合、ＪＩＳ−Ａに準じた硬度はショアーＡに準じた硬度に相当する。
【００３０】
研磨パッドの硬度は、特に好ましくは、ショアーＡに準じた９２〜１００°となる（非常に硬質の研磨パッド）。
【００３１】
研磨パッドは、好ましくは、角錐状またはタイル状の構造を有している。したがって、これらの微細構造は、たとえば、円筒形もしくは多角形の断面を有する柱の形状、または角錐もしくは角錐台の形状を有し得る。
【００３２】
研磨パッドは、好ましくは、円形または楕円形の隆起部を有する。
研磨パッドは、好ましくは、角度のある、たとえば六角形の隆起部を有する。
【００３３】
構造または隆起部の高さは、好ましくは、１０μｍ以上、最大で数ｍｍである。
隆起部の範囲は、好ましくは、少なくとも５０μｍから最大でも４００μｍ、特に好ましくは５０〜２００μｍである。
【００３４】
直径５０〜２００μｍの円形の隆起部を有する研磨パッドを用いることが特に好ましい。
【００３５】
これらの隆起部は、好ましくは、研磨パッド上に規則的に配置される。２つの隣接する隆起部間の距離は、好ましくは、数μｍから約５００μｍである。
【００３６】
研磨パッドは、好ましくは溝または経路を有する。溝または経路の深さは好ましくは１０〜２００μｍである。２つの隣接する経路または溝の間の距離は、好ましくは、数μｍから約５００μｍである。
【００３７】
研磨パッドの表面は、好ましくは、このような構造、隆起部、経路または溝を設けるために化学エッチングによって処理される。
【００３８】
研磨パッドの表面は、好ましくは、このような構造、隆起部、経路または溝を設けるために、機械的な研削またはフライス加工によって処理される。
【００３９】
研磨パッドの表面は、好ましくは、このような構造、隆起部、経路または溝を設けるために焼結または溝加工によって処理される。
【００４０】
好ましくは、研磨液を供給しながら研磨する第２のステップにおいては、研磨パッドが半導体ウェハの表面上に押し当てられる研磨圧は、第１のステップにおいて用いられる研磨圧に対して低減される。
【００４１】
本発明は、１２以上の高いｐＨ値を有する研磨液を供給することによる無砥粒の研磨を提供する。研磨スラリーは、研磨の第１のステップにおいて供給される。この第１のステップは、研磨工程を開始させる役割を果たす。
【００４２】
研磨工程が開始されると直ぐに、研磨スラリーの供給を終了させる。
代わりに、次にアルカリ性の研磨液を供給する。好ましくは、研磨液を供給しながら研磨する第２のステップにおける研磨時間は、研磨時間全体のうち、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、特に好ましくは少なくとも８５％に相当する。好ましくは、半導体ウェハの表面側だけが研磨される。この場合、除去される材料を合計すると、好ましくは１．０μｍ以下となる。
【００４３】
研磨液を供給しながら研磨する第２のステップは、好ましくは、低い研磨圧で実施される。この場合、研磨圧は好ましくは約７０〜約２００ｈＰＡであるのに対して、当該方法のうち研磨スラリーが供給される初めの段階においては、研磨圧は最大で５６０ｈＰａ、好ましくは２５０〜４００ｈＰａである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
従来の研磨機、たとえば、アプライド・マテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．）社による反射型の研磨機などは、当該方法を実行するのに適している。
【００４５】
この研磨機は、従来、特にＣＭＰ研磨において用いられてきたものであり、マルチプレート型の研磨機である。この研磨機は５つの区域を含む膜状キャリアを備えており、これにより、キャリアの圧力プロフィルを５つの区域において別々に設定することが可能となる。
【００４６】
従来の化学機械研磨法では、研磨による除去を実現するために、ＤＳＰおよびＣＭＰのどちらの場合にも、固定したｐＨ値を有する研磨スラリー（シリカゾル）が供給される。ＦＡＰの場合、研磨材が研磨パッド自体に埋込まれている。
【００４７】
この発明の文脈においては、研磨工程を開始させるためにのみ研磨材を追加することが必要となる。研磨による除去を開始した直後、研磨が終わるまで、研磨物質を追加したり研磨材を含む研磨パッドを用いたりすることなく、研磨が実施される。最初に追加された研磨スラリーは、除去研磨工程を開始させる触媒としてのみ作用するだけであり、その後、非活性化される。
【００４８】
幾何学的形状およびトポグラフィを決定付ける研磨自体は、外部から供給されるシリカゾル粒子の形状を有していようと、研磨パッドに埋込まれた研磨粒子の形状を有していようとも、いずれの研磨材も使用することなく行なわれる。
【００４９】
その他の場合、当該方法では従来のＣＭＰ工程パラメータが用いられる。研磨ヘッドおよびプレートの速度は、好ましくは、約３０〜１５０ｒｐｍである。研磨剤の体積流量は、好ましくは、１００〜１０００ｍｌ／ｍｉｎである。内部でウェハが案内される研磨ヘッドを、研磨中に振動させた状態で研磨パッド上で移動させることも好ましい。
【００５０】
半導体ウェハの局所的なトポグラフィが研磨パッド表面の局所的な隆起部と接触する箇所では特に、半導体ウェハの表面に対する局所的な研磨圧が大きくなる。無砥粒でトポグラフィ依存の除去研磨工程が、アルカリ性の研磨液を共に用いて、半導体ウェハ上で実施される。
【００５１】
これは従来のＣＭＰ研磨と比べると有利である。というのも、特に、自由に移動可能なアルカリ性のシリカゾル粒子を軟質の研磨仕上げパッドと併用することにより、半導体ウェハの表面上にある窪みにおいてもさらに除去が施されるからである。これは、本発明に従った方法によって省くことができ、半導体ウェハの表面のトポグラフィの改善につながる。
【００５２】
半導体ウェハの両面研磨と半導体ウェハの表面側の最終的な研磨との間に、中間ステップとして、すなわち、両面研磨−裏面側の無砥粒研磨−表面側の研磨という一連の工程として、本発明に従った方法を半導体ウェハの裏面側の研磨に適用することが特に好ましい。表面側の最終研磨を、本発明に記載の方法に従って無砥粒研磨として構成することもさらに好ましい。
【００５３】
ここでクレームされている研磨方法が幾何学的形状およびナノトポロジーに関して有利であることが判明した。発明者は、主として無砥粒で行なわれる研磨の有利な特性の原因として、無砥粒での研磨により、ＤＳＰおよびＣＭＰの場合に従来用いられてきた研磨スラリーの厄介な特性が排除されることに起因すると考えている。ウェハ、研磨パッドおよび研磨スラリーの３つの相互作用が、ＤＳＰおよびＣＭＰの場合に起こる。これにより、ウェハ上で非選択的に材料が除去される。材料の除去は、ＤＳＰおよびＣＭＰの場合にはウェハのトポグラフィには依存しない。
【００５４】
アプライド・マテリアルズ社による反射型の研磨機上でシリコンウェハに対して本発明に従った研磨を施す場合、シリコンウェハの最初の形状がわずかに窪んでいることにより、特に、局所的に得ることができる形状寸法値に関して良好な研磨結果が得られる。これを達成するために、研磨中、平均除去速度を約０．０５〜０．１５μｍ／ｍｉｎに規定することが必要となった。これは、１２よりも大きいｐＨ値を有する研磨液によって確実にされる。
【００５５】
ＦＡＰと比較すると、本発明に従った方法の結果として、ウェハの表面粗さに有意な改善を認めることができる。実験によれば、ＦＡＰと比較して、表面上の目に見えるひっかき傷および欠陥が著しく少なくなっていることが分かった。
【００５６】
本発明について有利なことは、非常に硬い研磨パッドさえも使用可能になることである。
【００５７】
ＣＭＰの場合と同様にシリカゾルを用いると、対照的に、使用可能なパッドの硬度がより高い値に制限される。というのも、ＣＭＰの場合、準拠した研磨パッド表面と、押圧されるよう水酸化物イオン(ＯＨ−)が充填されたゾル粒子との相互作用として、可能な限り均一な除去が実現されるからである。この場合には、それがウェハ表面に軽く載っており、このため、同時に起こる薬品侵食により材料が静かに切り取られて、取り除かれる。
【００５８】
対照的に、ここでクレームされている実質的に無砥粒の研磨の場合、水酸化物イオン（ＯＨ−）は、好ましくは非常に硬質の研磨パッドが有する特徴的な外形の表面構造によってウェハ表面を標的として接触させられる。これにより、たとえば、研磨パッド表面の局所的な隆起部がウェハ表面の隆起部に当たった場合に、局所的な圧力が最も高い位置において、局所的に限定された高い除去速度が得られる。
【００５９】
これにより、結果として除去の挙動が理想的なものとなり、ウェハ表面の欠陥が防止されると同時に、ウェハ表面が最適に平坦化される。
【００６０】
本発明に従った方法によって研磨される半導体ウェハは、好ましくは、シリコン、シリコンゲルマニウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ガリウムヒ素、およびさらには、いわゆるＩＩＩ−Ｖ半導体からなるウェハに相当する。
【００６１】
たとえば、チョクラルスキー（Czochralski）または浮遊帯溶融プロセスによって結晶化される単結晶形のシリコンを用いることが好ましい。
【外国語明細書】
2011187956000001.pdf