JP2009054920A

JP2009054920A - 半導体ウェーハの加工方法

Info

Publication number: JP2009054920A
Application number: JP2007222352A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Sekiya; 一馬関家; Yusuke Kimura; 祐輔木村
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US7550387B2; US20090061599A1

Abstract

【課題】ウェーハの表面に形成された絶縁膜などの付加層を平坦化する加工方法において、効率よく付加層を平坦化し、加工時間の短縮ならびにコストの低減を図る。
【解決手段】付加層５が形成されたウェーハ１を切削装置１０のチャックテーブル２０に保持し、テーブルベース２５を加工位置に向けて移動させる。この移動に伴って付加層５の表面５ａが回転するバイト３７によって切削される。次いで、研磨装置などを用いて、切削した付加層５の表面５ａを研磨して、付加層５の表面５ａを平坦に仕上げる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェーハなどのウェーハの表面に形成される絶縁膜などの付加層を加工する加工方法に関する。

コンピュータのメイン演算デバイス（ＭＰＵ）や記憶デバイス（ＤＲＡＭなど）などの半導体デバイスは、半導体デバイスが内蔵される各種電子機器の小型化、薄型化に伴い、高集積化が図られている。半導体デバイスは、シリコンなどの半導体からなるウェーハの表面に多数のデバイスを形成し、ウェーハを分割することで得られる。半導体デバイスを高集積化するのに伴い、集積度向上と動作速度の向上や設計自由度を確保するため、表面に形成される配線層を多層化する必要が生じる。配線層を多層化する場合、積層される配線層の間を絶縁しなければならないため、配線層の表面に化学気相成長（ＣＶＤ）やスピンコートなどの方法により絶縁膜を形成している。

配線層は、化学機械研磨（ＣＭＰ）などの方法によって絶縁膜を平坦化して、この表面にフォトリソグラフィによって形成される。これを繰り返して行うことで配線層が多層に形成される。このとき、絶縁膜が平坦化されてないと、フォトリソグラフィでの露光時に光の焦点位置が一定でなくなるため、一定の太さの配線が形成できなくなる。そのため、絶縁膜を平坦にする必要がある。この絶縁膜を平坦にする技術として、バイトによる切削方法がある（特許文献１参照）。また、絶縁膜の平坦度を向上させるために、絶縁膜のバイト切削時に基準面となるウェーハの裏面を平坦に研削してから絶縁膜を切削するという方法もある（特許文献２参照）。

特開平９−８２６１６公報再公表ＷＯ２００４−０５３９６７公報

昨今の誘電率の低い絶縁膜の厚さは厚くなる傾向にあり、絶縁膜を加工する量が増加している。このため、ＣＭＰのみで絶縁膜を加工すると、加工量に比例して加工コストが増大してしまう。また、上記文献に記載のバイト切削による絶縁膜の除去では、加工コストをＣＭＰに比べて低くすることができるが、仕上げ面の面粗度がＣＭＰでの仕上げ面に比べ粗くなる。また、バイト切削はウェーハの裏面を基準に保持テーブルに固定して表面側を加工するので、表面側基準で膜厚を一定とするような加工には向かない。

よって本発明は、ウェーハの表面に形成された絶縁膜などの付加層を平坦化する加工方法において、効率よく絶縁膜を平坦化し、加工時間の短縮ならびにコストの低減が図られる絶縁膜の加工方法を提供することを目的としている。

本発明は、半導体ウェーハの表面に形成された付加層を平坦化する加工方法であって、半導体ウェーハを、回転体に保持された切削部材の加工面に対する対面角度が略平行に調整可能な切削装置の保持手段に、表面を露出する向きで保持する半導体ウェーハ保持工程と、半導体ウェーハの表面の付加層を、回転する切削部材によって平坦に加工する付加層切削工程と、平坦に切削加工された半導体ウェーハの表面の付加層を研磨加工する付加層研磨工程とを備えることを特徴としている。

本発明では、半導体ウェーハを切削部材の加工面に対して略平行に保持し、次いで、半導体ウェーハの表面に形成された付加層を切削部材によって切削して、最後に付加層研磨工程で付加層を研磨することで付加層が平坦に加工される。付加層切削工程で付加層の加工量のうちの大部分を除去することにより、ＣＭＰのみの場合に比べ比較的早く加工することができる。また、付加層研磨工程で残りの加工量を除去するため、加工後の付加層の表面は、切削部材だけで仕上げるより平坦度を向上させることができる。

本発明では、付加層切削工程と付加層研磨工程によって付加層の合計加工量が３μｍを超え、かつ、そのうち付加層切削工程による付加層の加工量が２μｍ以上であることが好ましい。全体の加工量が１μｍ程度では、加工コストが比較的高い付加層研磨工程だけで加工しても、加工量が少ないため、加工コストを抑えることができる。しかしながら、全体の加工量が３μｍ程度以上と大きくなった場合には、付加層研磨加工のみを適用すると加工コストが高騰してしまうという不満が生じる。このため、付加層研磨工程での仕上げ量を１μｍ残して、加工量の大部分を、加工コストが比較的安い切削加工で除去することによりコストダウンを図ることができる。

本発明によれば、ウェーハの表面に形成される付加層を、付加層切削工程と付加層研磨工程で平坦に加工することで、加工時間の短縮や、加工コストの低減が図られるとともに、付加層の表面を平坦に仕上げることができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るウェーハの加工方法を説明する。
図１の符合１は、円盤状の半導体ウェーハ（以下ウェーハと略称）を示している。このウェーハ１はシリコンウェーハ等である。ウェーハ１の表面１ａには格子状の分割予定ライン２によって複数の矩形状の半導体チップ（デバイス）３が区画されている。これら半導体チップ３の表面には、ＩＣやＬＳＩ等の図示せぬ電子回路が形成されている。また、ウェーハ１の周面の所定箇所には、半導体の結晶方位を示すＶ字状の切欠き（ノッチ）４が形成されている。

ウェーハ１の表面には、図２（ｂ）に示すように、ウェーハ１の表面に付加層（配線層）５が形成されている。付加層５は、選択された金属電極どうしを結線するアルミニウム等からなる金属製の配線６と、ウェーハ１の表面および配線６を被覆する絶縁膜７とから構成される。付加層５を形成するには、はじめに、ＣＶＤによる成膜法等によって配線６を施し、次いで、絶縁膜７を形成する。絶縁膜７の材料には、ポリイミド等の絶縁性樹脂や、ＳＯＧ(Spin On Glass)、ＢＰＳＧ(Boron Phosphorous Silicate Glass)等のガラス系酸化膜が適用される。樹脂やＳＯＧの場合は、回転させたウェーハ表面の中心に液体材料を滴下して遠心力により表面全面に行き渡らせるスピンコート法によって形成される。また、ＢＰＳＧはＣＶＤ等の成膜法によって形成される。絶縁膜７の厚さは、例えば１〜５μｍ程度とされる。図１のウェーハ１の表面１ａには、そのようにして形成された付加層５が示されている。図１（ａ）では、付加層５で被覆される半導体チップ３が透視された状態で図示されている。

表面１ａに付加層５が形成されたウェーハ１は、次いで、その付加層５の表面５ａ（実際には絶縁膜７の表面）が平坦に切削される。その切削には、図３に示す切削装置１０が用いられる。この切削装置１０によれば、ウェーハ１の裏面１ｂを真空チャック式のチャックテーブル２０の吸着面に吸着させて保持し、切削ユニット３０の回転する切削工具３５のバイト３７によって付加層５の表面５ａが平坦に切削される。切削工具３５は、後でも説明するが、図４に示すように環状のフレーム３６の下面に、バイト３７が着脱可能に取り付けられたものである。

以下、この切削装置１０の構成ならびに動作を説明する。
切削装置１０は直方体状の基台１１を有しており、ウェーハ１は、この基台１１上の所定箇所に着脱自在にセットされる供給カセット１２内に、付加層５で被覆されている表面１ａ側を上にした状態で、複数が積層して収納される。その供給カセット１２から１枚のウェーハ１が搬送ロボット１３によって引き出され、そのウェーハ１は、表面１ａ側を上にした状態で位置決めテーブル１４上に載置され、ここで一定の位置に決められる。

位置決めテーブル１４上で位置決めがなされたウェーハ１は、供給アーム１５によって位置決めテーブル１４から取り上げられ、真空運転されている円盤状のチャックテーブル２０上に、表面１ａ側を上に向けた状態で同心状に載置される（半導体ウェーハ保持工程）。チャックテーブル２０は、図４に示すように、枠体２１の中央上部に、多数のピン２２が立設されてなる吸着部２２Ａが形成されたピンチャック式のもので、ウェーハ１は、吸着部２２Ａの上面である吸着面２２ａに、裏面１ｂが当接し、かつ、表面１ａ側の付加層５が露出する状態に吸着、保持される。

図３に示すように、チャックテーブル２０は、基台１１上においてＹ方向に移動自在に設けられたテーブルベース２５に回転不能の状態に支持されている。ウェーハ１は、テーブルベース２５およびチャックテーブル２０を介して、チャックテーブル２０に載置されるＹ方向手前側の着脱位置から、Ｙ方向奥側の加工位置に送り込まれる。加工位置の上方には、ウェーハ１の表面１ａに形成された付加層５の表面５ａを切削する切削ユニット３０が配設されている。基台１１上には、テーブルベース２５の移動路を塞いで切削屑等が基台１１内に落下することを防ぐ蛇腹状のカバー２６が伸縮自在に設けられている。

切削ユニット３０の、実際に付加層５を切削するバイト３７は、水平面内で回転し、したがってその先端の刃部の回転軌跡によって形成される切削加工面も水平である。チャックテーブル２０は、枠体２１がテーブルベース２５上に揺動自在に支持されることにより、バイト３７の切削加工面に対する吸着面２２ａの対面角度が、次のようにして調整可能となっている。

図５および図６に示すように、チャックテーブル２０の枠体２１は、テーブルベース２５に組み込まれた１つの固定軸４０Ａおよび２つの可動軸：第１可動軸４０Ｂ、第２可動軸４０Ｃによって支持されている。各軸４０Ａ〜４０Ｃは、軸方向がＺ方向に延びており、チャックテーブル２０の回転中心を中心とする正三角形の頂点となる位置に、それぞれ配されている。

図５（ａ）に示すように、固定軸４０Ａは、上端に形成されたピボット４１が、チャックテーブル２０の枠体２１の下面側に形成された軸受穴２１ａに嵌め込まれており、このピボット４１を支点として、チャックテーブル２０は揺動する。第１および第２可動軸４０Ｂ，４０Ｃは、回転自在、かつ、軸方向への移動は規制された状態でテーブルベース２５に装着されている。これら可動軸４０Ｂ，４０Ｃは、上端に形成されたねじ部４２が枠体２１の下面側に形成されたねじ穴４３にねじ込まれており、下端部に設けられた減速ギヤ列４４を介して、モータ４５Ｂ，４５Ｃによりそれぞれ回転させられる。

第１可動軸４０Ｂや第２可動軸４０Ｃが回転すると、その回転方向に応じて枠体２１の各可動軸の装着部分が昇降し、チャックテーブル２０全体としては、固定軸４０Ａのピボット４１を支点として揺動する。チャックテーブル２０は、吸着面２２ａが水平な状態を基本姿勢とされ、２つの可動軸４５Ｂ，４５Ｃを適宜に作動させることにより揺動し、これによって切削ユニット２０に対する吸着面２２ａの対面角度が可変となる。図５（ａ）はチャックテーブル２０の吸着面２２ａが水平な状態を示しており、図５（ｂ）は、第２可動軸４０Ｃをねじ穴４３から抜け出す方向に回転させて、その部分を上昇させることにより、チャックテーブル２０を傾斜させた状態を示している。

切削ユニット３０は、基台１１の奥側の端部に立設されたコラム１６の前面に、Ｚ方向（鉛直方向）に沿って昇降自在に設置されている。すなわちコラム１６の前面にはＺ方向に延びるガイド５１が設けられており、切削ユニット３０は、スライダ５２を介してガイド５１に摺動自在に装着されている。そして切削ユニット３０は、サーボモータ５３によって駆動されるボールねじ式の送り機構５４により、スライダ５２を介してＺ方向に昇降する。

切削ユニット３０は、軸方向がＺ方向に延びる円筒状のスピンドルハウジング３１内に、図４に示すスピンドルシャフト３２が同軸的、かつ回転自在に支持されたもので、スピンドルシャフト３２は、スピンドルハウジング３１の上端部に固定されたスピンドルモータ３３によって回転駆動させられる。図４に示すように、スピンドルシャフト３２の下端には、円盤状のフランジ３４を介して、切削工具３５が取り付けられている。

この切削工具３５は、環状のフレーム３６の下面に、バイト３７がシャンク３８を介して着脱可能に取り付けられたもので、フレーム３６がフランジ３４に同心状に取り付けられるようになっている。バイト３７は、ダイヤモンドや超硬等からなり、実際に被加工物を削って切削する刃部を下端に有している。切削工具３５はスピンドルシャフト３２とともに一体回転し、回転するバイト３７の切削外径は、ウェーハ１の直径よりも大きく設定されている。そしてバイト３７の先端の刃部の回転軌跡によって形成される切削加工面は、前述したように水平に設定されている。

上記切削ユニット３０で付加層５を切削するにあたっては、着脱位置において、チャックテーブル２０の吸着面２２ａを水平に調整し、バイト３７の切削加工面に対する吸着面２２ａの対面角度を平行に設定する。ウェーハ１の厚さは均一であることから、吸着面２２ａを水平に調整することにより、吸着面２２ａに保持されたウェーハ１の表面１ａ（付加層５で被覆されている面）がバイト３７の切削加工面と平行、すなわち水平に設定される。

このウェーハ１の保持角度の調整は、ウェーハ１の厚さが均一であれば、上記のようにチャックテーブル２０の吸着面２２ａを水平に設定すればよい。ところが、ウェーハ１の厚さが均一であるという許容範囲を超えている場合（例えば３μｍ以上の厚さムラがある場合）には、チャックテーブル２０の吸着面２２ａを水平にしても、ウェーハ１の表面１ａはバイト３７の切削加工面と平行にはならない。この場合には、付加層５を被覆する前の段階でウェーハ１の厚さムラの状態を把握し、それに基づいて、チャックテーブル２０に保持したウェーハ１の表面１ａが水平になるようにチャックテーブル２０を適宜に傾斜させて対面角度を調整すればよい。

ウェーハ１の厚さムラの状態を把握するには、ウェーハ１のノッチ４を基準位置としてウェーハ１の厚さを複数箇所（例えば３箇所）において測定することにより可能である。そのウェーハ１をチャックテーブル２０に保持して対面角度を調整する際には、ノッチ４を基準としてウェーハ１の表面１ａが水平になるようにチャックテーブル２０を傾斜させればよい。

このようにしてウェーハ１の表面１ａを水平、すなわちバイト３７の切削加工面と平行に設定したら、切削ユニット３０のバイト３７によって、付加層５の表面５ａを平坦に切削する（付加層切削工程）。それには、バイト３７の刃部先端の高さが付加層５を所定量（例えば２μｍ以上）削り込む高さになる位置に、切削ユニット３０を送り機構５４によって下降させ、さらに、切削工具３５を回転させた状態とする。そして、テーブルベース２５を奥側に移動させてウェーハ１を加工位置に向けて移動させていく。すると、図７に示すように、その移動に伴って付加層５の表面５ａが回転するバイト３７によって切削されていく。切削工具３５は２０００ｒｐｍ程度の回転速度で運転され、また、テーブルベース２５の移動速度、すなわち研削送り速度は０．５〜１.５ｍｍ／ｓｅｃ程度とされる。本実施形態では、付加層５の全体の加工量が３μｍを超え、かつ、付加層切削工程での加工量を２μｍ以上とする。

ウェーハ１がフレーム３６に覆われるまで移動した時点で、付加層５の表面５ａ全面が平坦に切削される。この段階で付加層５が必要量切削されれば付加層切削工程は終了であるが、切削量が多い場合にはそれに応じてテーブルベース２５を往復動させ、複数回にわたってバイト３７を付加層５の表面５ａに作用させる。

図２（ｃ）に示すように、付加層５の表面５ａ全面が必要量切削されたら、切削ユニット３０が上昇してウェーハ１から退避し、一方、テーブルベース２５が着脱位置に戻される。この着脱位置でチャックテーブル２０の真空運転は停止され、次いでウェーハ１は、回収アーム１７によってスピンナ式洗浄装置１８に搬送されて洗浄、乾燥処理され、この後、搬送ロボット１３によって回収カセット１９内に移送、収容される。また、ウェーハ１が取り去られたチャックテーブル２０は、エアノズル２７から噴射される空気によって切削屑等が除去される。

上記のようにして所定量の付加層５が切削されたら、図２（ｄ）に示すように、ウェーハ１の付加層５の表面５ａを、ＣＭＰ等の研磨装置などを用いて研磨する（付加層研磨工程）。この付加層研磨工程で付加層５の残りの加工量（例えば１μｍ程度）を除去し、付加層５の表面５ａを平坦かつ目的厚さに仕上げる。付加層５を平坦かつ目的厚さに仕上げたら、再び付加層５を形成して、図２（ｅ）〜（ｇ）に示すように、上記工程を繰り返し行う。これにより、付加層５が多層に形成される。付加層５を何層にも積層するには、積層する数に応じて、上記工程を繰り返し行う。

このようにして付加層５が多層に形成されたら、ウェーハ１の裏面１ｂを研削してウェーハ１を目的厚さに薄化する。ウェーハ１は、最終的には分割予定ライン２に沿って切断、分割され、複数の半導体チップ３に個片化される。

本実施形態では、ウェーハ１をバイト３７の切削加工面に対して略平行に保持し、次いで、ウェーハ１の表面１ａに形成された付加層５をバイト３７によって切削して、最後に付加層研磨工程で付加層５を研磨することで付加層５が平坦に加工される。付加層切削工程で付加層５の加工量のうちの大部分を除去することにより、ＣＭＰ等による研磨のみの場合に比べ加工コストを抑えることができる。また、付加層研磨工程で残りの加工量を除去するため、加工後の付加層５の表面５ａは、バイト３７だけで仕上げるより平坦度を向上させることができる。

ウェーハ１の表面１ａを被覆する付加層５は、表面５ａがウェーハ１の表面１ａと平行になるように切削されるので、絶縁膜７を表面１ａに塗布する際には、特に厚さを厳密に管理する必要がない。このため、絶縁膜７の材料の種類や塗布方法などを、表面１ａの凹凸の状態や塗布のし易さ、あるいはコストなどの観点から、比較的自由に選定することができる。

本実施形態では、付加層切削工程と付加層研磨工程によって付加層５の合計加工量が３μｍを超え、かつ、そのうち付加層切削工程による付加層５の加工量を２μｍ以上に設定することで、コストダウンを図ることができる。例えば、全体の加工量が１μｍ程度では、加工コストが比較的高い付加層研磨工程だけで加工しても、加工量が少ないため、加工コストを抑えることができる。しかしながら、全体の加工量が３μｍ程度以上と大きくなった場合には、付加層研磨加工のみを適応すると加工コストが高騰してしまうという不満が生じる。このため、付加層研磨工程での仕上げ量を１μｍ残して、加工量の大部分を、加工コストが比較的安い切削加工で除去することによりコストダウンを図ることができる。

本発明の一実施形態に係る方法で付加層が加工される半導体ウェーハの（ａ）斜視図、（ｂ）側面図である。一実施形態の方法で、多層に付加層を形成させる様子を示すウェーハの断面図である。一実施形態の方法で用いられる切削装置の全体斜視図である。図３に示した切削装置の切削ユニットおよびチャックテーブルを示す側面図である。図３に示した切削装置のチャックテーブルの支持構造および作用を示す側面図である。図５のVI矢視図である。図３に示した切削装置でウェーハ表面の付加層を切削している状態を示す側面図である。

符号の説明

１…半導体ウェーハ
１ａ…表面
５…付加層
１０…切削装置
２０…チャックテーブル（保持手段）
３６…フレーム（回転体）
３７…バイト（切削部材）

Claims

半導体ウェーハの表面に形成された付加層を平坦化する加工方法であって、
該半導体ウェーハを、回転体に保持された切削部材の加工面に対する対面角度が略平行に調整可能な切削装置の保持手段に、表面を露出する向きで保持する半導体ウェーハ保持工程と、
該半導体ウェーハの表面の付加層を、回転する前記切削部材によって平坦に加工する付加層切削工程と、
平坦に切削加工された該半導体ウェーハの表面の付加層を研磨加工する付加層研磨工程とを備えることを特徴とする半導体ウェーハの加工方法。
前記付加層切削工程と前記付加層研磨工程による該付加層の合計加工量が３μｍを超え、かつ、そのうち付加層切削工程による付加層の加工量が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの加工方法。