JPH08279480A - 半導体ウエハーの研磨方法 - Google Patents

半導体ウエハーの研磨方法

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JPH08279480A
JPH08279480A JP715096A JP715096A JPH08279480A JP H08279480 A JPH08279480 A JP H08279480A JP 715096 A JP715096 A JP 715096A JP 715096 A JP715096 A JP 715096A JP H08279480 A JPH08279480 A JP H08279480A
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吉恭 鹿島
Takao Kaga
隆生 加賀
Hiroyuki Takagi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハーの研磨効率を向上させると共
に、研磨後にウエハー表面に残存してエッチングを引き
起こす原因となる強アルカリ性を示すイオンを効率的に
除去する。 【解決手段】 10.2以上のpHを有するコロイダル
シリカ水溶液で半導体ウエハーの表面を研磨する第一工
程と、2〜9のpHを有し且つ4〜500nmの粒子径
を有する粒子の水性分散液を第一工程で研磨された表面
に接触させる第二工程からなる半導体ウエハーの研磨方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願発明は半導体ウエハーの
研磨方法の改良に関する。更には、半導体ウエハーの研
磨効率を向上させると共に、研磨後にウエハー表面に残
存してエッチングを引き起こす原因となる強アルカリ性
を示すイオンを効率的に除去するのに好適な研磨方法で
ある。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の製造には、鏡面状の平滑度
を有する半導体ウエハーが用いられている。このような
鏡面を有するウエハー、例えば、シリコンウエハーは単
結晶珪素棒を薄い円板状に切断した後、逐次、この薄い
円板を鏡面状を呈するまで磨き上げて行くことにより造
られている。
【0003】通常、この研磨には、上記切断直後の粗い
表面に施されるラッピング工程と、これに続く精密研磨
のためのポリシング工程が採用されている。そしてこの
ポリシング工程において、粗研磨と最終研磨が行われ、
鏡面状を呈する半導体ウエハーが造られている。上記ラ
ッピング工程には主としてアルミナ粉末等が使用される
が、上記粗研磨と最終研磨にはコロイダルシリカ、特に
シリカゾルが使用されることが多い。そして、この粗研
磨と最終研磨では、通常、研磨布とウエハー表面とを圧
接下に相対運動させながら、この接触面にシリカゾルを
供給する方法でウエハー表面の研磨が行われる。
【0004】研磨終了後は直ちにシリカゾルに替えて洗
浄水が供給され、その後、洗浄工程へと移行する。特公
昭49−13665号公報には半導体ウエハーの表面を
シリカゾルで研磨する方法が開示されている。特開平5
−154760号公報にはウエハー表面の平滑度を確保
する為に、コロイダルシリカ又はシリカゲルとピペラジ
ン(環状アミン)を、前記シリカゾル又はシリカゲルの
SiO2 に対して10〜80重量%含有する組成物、更
にはその組成物による鏡面研磨の方法が開示されてい
る。
【0005】米国特許第4169337号明細書には、
コロイダルシリカのゾル又はゲルとこのSiO2 に対し
て0.1〜0.5重量%の水溶性アミンからなる研磨剤
組成物が開示されている。特開昭59−106121号
公報には、砥粒を懸濁させた研磨液を用いて行う半導体
基板の研磨工程終了後、更に水を用いて被処理基板を研
磨し、引続いて酸洗浄処理を行う半導体基板の表面処理
方法が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記特公昭49−13
665号公報に記載の方法では、多くの研磨用途に関し
て酸性シリカゾルとアルカリ性シリカゾルは同等の研磨
効果があると記載されているが、やはり酸性シリカゾル
では研磨効率が低い。上記特開平5−154760号公
報に記載の組成物を用いて行う研磨方法では、ピペラジ
ン(環状アミン)の添加量が10重量%以上では研磨液
のpHが10.6を越え、シリコンウエハーに対する化
学的研磨力が強く研磨効率は向上するが、研磨後にリン
ス(水洗)によっても研磨液が充分に除去されずにアル
カリ性成分が残存する為に起こる不均一なエッチング
(浸食)が発生する。
【0007】米国特許第4169337号明細書に記載
の組成物を用いて行う研磨方法では、水溶性アミンを添
加後に更に水酸化ナトリウムを添加し、pHを11.0
±0.2まで上昇させているが、同様な理由で不均一な
エッチングが発生する。特開昭59−106121号公
報に記載の方法では、コロイド状シリカをpH11の水
酸化カリウム水溶液に懸濁した研磨液を用いて半導体基
板を研磨した後、水を用いて該基板を研磨して、その後
に酸洗浄処理を行う方法である。しかし、水を用いての
研磨では半導体ウエハー表面に吸着された研磨液成分は
除去され難く、場合によっては酸処理により難溶性の塩
が付着される事もある。また研磨液をリサイクル使用す
る場合は水研磨後に極端にSiO2 濃度が低下して研磨
効率が低下することがある。
【0008】本願発明は上記問題を解決し半導体ウエハ
ーの研磨効率を向上させると共に、研磨後にウエハー表
面に残存してエッチングを引き起こす原因となる強アル
カリ性を示すイオンを効率的に除去するのに好適な研磨
方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本願発明は、10.2以
上のpHを有するコロイダルシリカ水溶液で半導体ウエ
ハーの表面を研磨する第一工程と、2〜9のpHを有し
且つ4〜500nmの粒子径を有する粒子の水性分散液
を第一工程で研磨された表面に接触させる第二工程から
なる半導体ウエハーの研磨方法である。
【0010】
【発明の実施の形態】本願発明の第一工程に用いられる
10.2以上のpHを有するコロイダルシリカ水溶液
は、公知の方法によって製造する事が出来る。例えば、
珪酸アルカリ水溶液を鉱酸で中和しアルカリ性物質を添
加して加熱熟成する方法、或いは珪酸アルカリ水溶液を
陽イオン交換処理して得られる活性珪酸にアルカリ性物
質を添加して加熱熟成する方法、エチルシリケート等の
アルコキシシランを加水分解して得られる活性珪酸を加
熱熟成する方法、又はシリカ微粉末を水性媒体中で直接
に分散する方法等によって製造される。このコロイダル
シリカ水溶液は、通常、4〜1000nm(ナノメート
ル)、好ましくは7〜500nmの粒子径を有するコロ
イド状シリカ粒子が水性媒体に分散したものであり、S
iO2 として0.5〜50重量%、好ましくは0.5〜
30重量%の濃度を有する。上記シリカ粒子の粒子形状
は、球状、いびつ状、偏平状、板状、細長い形状、繊維
状等が挙げられるが、特に球状やいびつ状が好ましい。
また、このシリカ粒子の粒子径は窒素吸着法(BET
法)、遠心沈降法、或いは電子顕微鏡観察によって測定
する事ができる。
【0011】上記のコロイダルシリカ水溶液は、その製
造工程の中や、製造終了後に塩基を添加して10.2以
上のpHに調整することが出来る。上記の塩基は、アル
カリ金属水酸化物、アンモニア、アミン、水酸化第四級
アンモニウムが挙げられ、例えば、アルカリ金属水酸化
物としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化
リチウム等が挙げられ、アミンとしては水溶性のアミン
であれば特に限定されるものではないが、アルカノール
アミン及びアルキルアミンが好ましく、例えば、モノエ
タノールアミン、アミノエチルエタノールアミン、ジエ
チレントリアミン、エチレンジアミン等が挙げられる。
また、水酸化第四級アンモニウムとしては水酸化テトラ
メチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム
等が挙げられる。これらの塩基は、単独で又は2種以上
の混合物として使用することが出来る。特に、水酸化ナ
トリウム、水酸化カリウム、モノエタノールアミン、ア
ミノエチルエタノールアミン、エチレンジアミンが好ま
しい。
【0012】これらの塩基は固体状、液体状、ガス状で
直接に添加する方法や、水溶液の形態で添加する方法を
利用する事ができる。この塩基の添加量はシリカの粒子
径、濃度、或いは調整前のpH値、又は塩基の種類によ
り異なるので一概に規定できないが、コロイダルシリカ
水溶液中のSiO2 に対して0.1〜500重量%、好
ましくは0.5〜200重量%とすることにより、1
0.2以上のpH、好ましくは10.5〜12.0のp
Hに調整されたコロイダルシリカ水溶液として使用する
ことが出来る。
【0013】本願発明の第二工程に使用する水性分散液
は、粒子を水性媒体に分散した液体である。上記粒子の
水性分散液のpHは2〜9、好ましくは3〜7であり、
固形分濃度は0.5〜50重量%、好ましくは0.5〜
30重量%である。上記粒子の粒子径は、4〜500n
m、好ましくは7〜300nmである。この水性分散液
中の粒子は、第一工程での研磨が終了した後にウエハー
の表面に残存する塩基性物質をイオン交換や吸着により
除去する事ができるものであれば如何なる粒子でも用い
る事ができる。この第二工程の水性分散液中の粒子は、
例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の
コロイド粒子や含水ゲル、リン酸チタン、リン酸ジルコ
ニウム等の多価金属の酸性塩、ゼオライト等のアルミノ
珪酸塩、カオリナイト、モンモリロナイト等の粘土鉱物
が挙げられる。更に、この第二工程の水性分散液中の粒
子は、シリカ、アルミナ、ジルコニア及びチタニアより
なる群から選ばれた少なくとも1種のコロイド粒子を好
ましく用いる事ができる。これらの粒子は単独で又は2
種以上の混合物として用いる事が出来る。特に上記粒子
はコロイダルシリカ粒子を用いる事が好ましく、例え
ば、珪酸アルカリ水溶液を鉱酸で中和しアルカリ性物質
を添加して加熱熟成する方法、或いは珪酸アルカリ水溶
液を陽イオン交換処理して得られる活性珪酸にアルカリ
性物質を添加して加熱熟成する方法、エチルシリケート
等のアルコキシシランを加水分解して得られる活性珪酸
を加熱熟成する方法、又はシリカ微粉末を水性媒体中で
直接に分散する方法等によってコロイダルシリカ水溶液
が製造され、このコロイダルシリカ水溶液を、更に陽イ
オン交換樹脂に接触させる方法、第一工程のコロイダル
シリカ水溶液の調整に使用した塩基と同一のアルカリ性
物質を添加する方法、又は両方の方法を組み合わせる事
によってpH2〜9の範囲に調整する事が出来る。
【0014】本願発明では、10.2以上のpHを有す
るコロイダルシリカ水溶液で半導体ウエハーの表面を研
磨する第一工程の終了後、速やかに、2〜9のpHを有
し且つ4〜500nmの粒子径を有する粒子の水性分散
液を第一工程で研磨された表面に接触させる第二工程を
行うことが好ましい。第一工程の終了後、第二工程を行
うまでの時間は20秒以内、好ましくは10秒以内であ
る。
【0015】第二工程において、上記粒子の水性分散液
を第一工程で研磨された表面に接触させる時間は、通
常、10〜100秒、好ましくは15〜60秒である。
この接触は、第一工程で使用したコロイダリシリカ水溶
液を、第二工程で使用する粒子の水性分散液に置き換え
て引続き研磨することによって達成することができる。
また、第一工程終了後や第二工程終了後に水洗する事に
よって、より好ましい研磨面とする事ができる。
【0016】本願発明では研磨する半導体ウエハーは、
シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等が挙げられ、
また、パターンが形成されたシリコンウエハー上の層間
絶縁膜、タングステン、アルミニウム、銅等の金属、及
びポリシリコンを対象に研磨する半導体多層膜の平坦化
(CMP)にも使用する事が出来る。半導体ウエハーの
研磨にはアルカリ性のコロイダルシリカ水溶液が研磨液
として用いられているが、近年、生産性向上のため研磨
効率を高め、且つ高度の表面状態に研磨することが望ま
れている。研磨液中の塩基量を多くしてpHを高くする
と、化学的研磨作用により研磨効率が向上する事は知ら
れているが、本願発明では研磨液のpHを10.2以上
とした場合は顕著に研磨効率の向上が確認された。しか
し、研磨終了後のウエハーの表面は塩基性物質が多量に
残存し、水洗や希酸洗浄等の通常の洗浄方法では充分に
これらの塩基性物質を除去する事が出来ない。この研磨
された表面に残存する塩基性物質は、その後の放置によ
り研磨面を不均一にエッチングして、その結果、研磨後
の表面が凹凸状に浸食されていく現象が確認された。
【0017】本願発明では第一工程での研磨が終了した
後、第二工程で更に粒子の水性分散液を接触させること
により、研磨終了後にウエハーの表面に残存する塩基性
物質を、この粒子によって除去することができる。これ
は、第二工程で使用する水性分散液中の粒子が陽イオン
交換能を有しているので、研磨布とウエハー表面との間
に挟まり残存するアルカリ性を示す陽イオンをイオン交
換や吸着により除去する為と考えられる。この第一工程
と第二工程の組合せにより、半導体ウエハーの研磨効率
を向上させると共に、研磨後にウエハー表面に残存して
エッチングを引き起こす原因となる強アルカリ性を示す
イオンを効果的に除去するのに好適な研磨方法となる。
【0018】第二工程で使用する粒子の水性分散液のp
Hが2未満の場合は、装置に用いられている金属の腐食
が起こりやすく、また、pHが9を超える場合はアルカ
リ性を示す陽イオンをイオン交換や吸着により除去する
能力が低くなり好ましくない。更に粒子径が4nm未満
の場合は分散液の安定性が悪いので好ましくなく、ま
た、500nmを超える場合は比表面積が小さいのでア
ルカリ性を示す陽イオンをイオン交換や吸着により除去
する能力が低くなり好ましくない。
【0019】
【実施例】下記(S1 )〜(S10)のコロイダルシリカ
水溶液を準備して、これを研磨液とした。 (S1 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−30
(SiO2 濃度は30重量%、pH9.8、粒子径12
nm)2.7kgに純水17.3kgを添加して希釈
し、攪拌下に10重量%濃度の水酸化ナトリウム水溶液
106gを添加してコロイダルシリカ水溶液(S1 )の
研磨液を調整した。このコロイダルシリカ水溶液(S
1 )は、SiO2 濃度が4重量%、pHが10.9、粒
子径が12nmであった。なお、SiO2 濃度はコロイ
ダルシリカ水溶液を乾燥後、1000℃で焼成して、コ
ロイダルシリカ水溶液の重量に対する焼成後の重量の割
合を算出することにより求めた。pHは東亜電波工業
(株)製のpHメーターによって測定し、また、粒子径
は湯浅アイオニクス(株)製の比表面積測定装置モノソ
ーブにより測定した値を換算することによって求めた。
【0020】(S2 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−50
(SiO2 濃度は48重量%、pH9.4、粒子径22
nm)2.1kgに純水17.9kgを添加して希釈
し、攪拌下に10重量%濃度の水酸化ナトリウム水溶液
67gを添加してコロイダルシリカ水溶液(S2 )の研
磨液を調整した。このコロイダルシリカ水溶液(S2
は、SiO2 濃度が5重量%、pHが10.6、粒子径
が22nmであった。
【0021】(S3 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−50
(SiO2 濃度は48重量%、pH9.4、粒子径22
nm)2.9kgに純水16.7kgを添加して希釈
し、攪拌下にモノエタノールアミン395gを添加して
コロイダルシリカ水溶液(S3 )の研磨液を調整した。
このコロイダルシリカ水溶液(S3 )は、SiO2 濃度
が7重量%、pHが11.2、粒子径が22nmであっ
た。
【0022】(S4 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−ZL
(SiO2 濃度は40重量%、pH9.3、粒子径83
nm)5.0kgに純水14.8kgを添加して希釈
し、攪拌下にモノエタノールアミン223gを添加して
コロイダルシリカ水溶液(S4 )の研磨液を調整した。
このコロイダルシリカ水溶液(S4 )は、SiO2 濃度
が10重量%、pHが11.1、粒子径が83nmであ
った。
【0023】(S5 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−CZL
(SiO2 濃度は40重量%、pH9.5、粒子径13
0nm)7.5kgに純水12.5kgを添加して希釈
し、攪拌下に10重量%濃度の水酸化ナトリウム水溶液
58gを添加してコロイダルシリカ水溶液(S5 )の研
磨液を調整した。このコロイダルシリカ水溶液(S5
は、SiO2 濃度が15重量%、pHが10.7、粒子
径が130nmであった。
【0024】(S6 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−30
(SiO2 濃度は30重量%、pH9.8、粒子径12
nm)2.7kgに純水17.3kgを添加して希釈
し、攪拌下に10重量%濃度の水酸化ナトリウム水溶液
の12gを添加してコロイダルシリカ水溶液(S6 )の
研磨液を調整した。このコロイダルシリカ水溶液(S
6 )は、SiO2 濃度が4重量%、pHが10.0、粒
子径が12nmであった。
【0025】(S7 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−O(S
iO2 濃度は20重量%、pH2.6、粒子径12n
m)4.0kgに純水16.0kgを添加して希釈し
て、コロイダルシリカ水溶液(S7 )の研磨液を調整し
た。このコロイダルシリカ水溶液(S7 )は、SiO2
濃度が4重量%、pHが3.8、粒子径が12nmであ
った。
【0026】(S8 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−O−4
0(SiO2 濃度は40重量%、pH2.5、粒子径2
2nm)2.5kgに純水17.5kgを添加して希釈
して、コロイダルシリカ水溶液(S8 )の研磨液を調整
した。このコロイダルシリカ水溶液(S8 )は、SiO
2 濃度が5重量%、pHが3.8、粒子径が22nmで
あった。
【0027】(S9 )研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−ZL
(SiO2 濃度は40重量%、pH9.3、粒子径83
nm)5.0kgに純水15.0kgを添加して希釈し
て、次に、水素型陽イオン交換樹脂を充填したカラムに
通してコロイダルシリカ水溶液(S9 )の研磨液を得
た。このコロイダルシリカ水溶液(S9 )は、SiO2
濃度が10重量%、pHが2.8、粒子径が83nmで
あった。
【0028】(S10)研磨液の調整 日産化学工業(株)製、商品名スノーテックス−50
(SiO2 濃度は48重量%、pH9.4、粒子径22
nm)2.1kgに純水17.9kgを添加して希釈し
て、次に、この希釈されたコロイダルシリカ水溶液に水
素型陽イオン交換樹脂40gを投入して、攪拌した後、
陽イオン交換樹脂を分離してコロイダルシリカ水溶液
(S10)の研磨液を得た。このコロイダルシリカ水溶液
(S10)は、SiO2 濃度が5重量%、pHが8.2、
粒子径が22nmであった。
【0029】実施例1 シリコン半導体ウエハーをコロイダルシリカ水溶液(S
1 )を用いて20分間研磨して第一工程を行った。その
後、直ちに送液ラインを切り換えてコロイダルシリカ水
溶液(S7 )により20秒間研磨して第二工程を行っ
た。これらは第1表に示した。
【0030】実施例2〜5 コロイダルシリカ水溶液を用いて、実施例1と同様に試
験した。使用した研磨液、時間は第1表に示す通りであ
る。 比較例1 シリコン半導体ウエハーをコロイダルシリカ水溶液(S
6 )を用いて20分間研磨して第一工程のみを行い、第
二工程は省略した。これらは第2表に示した。
【0031】比較例2〜4 コロイダルシリカ水溶液を用いて、比較例1と同様に試
験した。使用した研磨液、時間は第2表に示す通りであ
る。研磨量は比較例1(コロイダルシリカ水溶液(S
6 )を用いて20分間研磨した場合)を指数100とし
て、各実施例及び比較例を相対比較した。これらの結果
は第1表及び第2表に記載した。
【0032】エッチング性については、研磨後のシリコ
ンウエハーの表面を走査型電子顕微鏡を用いて50〜2
00倍で観察して、表面が平滑であればエッチングが発
生していないものとして(○)印で、また、表面に不均
一な凹凸が観察されればエッチングが発生しているもの
として(×)印とした。これらの結果は第1表及び第2
表に記載した。
【0033】
【表1】 第1表 実施例 第一工程 第二工程 研磨量 エッチング性 研磨液 研磨時間 研磨液 研磨時間 1 S1 20分 S7 20秒 180 ○ 2 S2 20分 S8 20秒 160 ○ 3 S3 20分 S8 30秒 250 ○ 4 S4 20分 S9 30秒 200 ○ 5 S5 20分 S10 30秒 160 ○
【0034】
【表2】 第2表 比較例 第一工程 第二工程 研磨量 エッチング性 研磨液 研磨時間 研磨液 研磨時間 1 S6 20分 − − 100 ○ 2 S7 20分 − − 60 ○ 3 S3 20分 − − 250 × 4 S5 20分 − − 160 × 比較例1及び2に記載の通り、pH10.2未満のコロ
イダルシリカ水溶液を用いて第一工程を行った場合は研
磨量が100以下であり研磨効率は低い。実施例1〜5
及び比較例3〜4に記載の通り、pH10.2以上のコ
ロイダルシリカ水溶液を用いて第一工程を行った場合は
研磨量が100以上となり、研磨効率が向上する。
【0035】一方、エッチング性については、比較例3
〜4に記載の通り、pH10.2以上のコロイダルシリ
カ水溶液を用いて第一工程のみを行い、第二工程を行わ
ない場合は、研磨効率の点では優れるが、研磨面に不均
一なエッチングが発生して好ましくない。しかし、実施
例1〜5に記載の通り、pH10.2以上のコロイダル
シリカ水溶液を用いても、直ちに第二工程を実施した場
合は、研磨効率も優れしかも研磨面に不均一なエッチン
グが発生せず良好な研磨方法である事が判る。
【0036】
【発明の効果】本願発明は、第一工程でpH10.2以
上のコロイダルシリカ水溶液を用いて半導体ウエハーの
表面を研磨する為に、極めて効率的に精密な研磨を行う
事が可能であり、しかも、その後の第二工程で2〜9の
pHを有し且つ4〜500nmの粒子径を有する粒子の
水性分散液を接触させる為に、研磨後にウエハー表面に
残存してエッチングを引き起こす原因となる強アルカリ
性を示すイオンを効率的に除去するのに好適な研磨方法
である。従って、強アルカリ性を示すイオンが研磨面に
残存し、時間の経過と共に発生する不均一なエッチング
現象が起こらないので、研磨後の表面に凹凸は確認され
ず、極めて高度な鏡面状の平滑度を有する。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 10.2以上のpHを有するコロイダル
    シリカ水溶液で半導体ウエハーの表面を研磨する第一工
    程と、2〜9のpHを有し且つ4〜500nmの粒子径
    を有する粒子の水性分散液を第一工程で研磨された表面
    に接触させる第二工程からなる半導体ウエハーの研磨方
    法。
  2. 【請求項2】 第二工程の水性分散液中の粒子が、シリ
    カ、アルミナ、ジルコニア及びチタニアよりなる群から
    選ばれた少なくとも1種のコロイド粒子である請求項1
    記載の半導体ウエハーの研磨方法。
  3. 【請求項3】 第二工程の水性分散液中の粒子が、コロ
    イダルシリカである請求項1記載の半導体ウエハーの研
    磨方法。
JP00715096A 1995-02-06 1996-01-19 半導体ウエハーの研磨方法 Expired - Lifetime JP3950491B2 (ja)

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