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KR101285120B1 - 실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 실리콘 웨이퍼 - Google Patents

실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 실리콘 웨이퍼 Download PDF

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KR101285120B1
KR101285120B1 KR1020117029117A KR20117029117A KR101285120B1 KR 101285120 B1 KR101285120 B1 KR 101285120B1 KR 1020117029117 A KR1020117029117 A KR 1020117029117A KR 20117029117 A KR20117029117 A KR 20117029117A KR 101285120 B1 KR101285120 B1 KR 101285120B1
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KR
South Korea
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polishing
silicon wafer
wafer
abrasive grains
polishing liquid
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슈헤이 마츠다
테츠수로 아와시타
리우이치 타니모토
타케루 타쿠시마
타케오 카토
Original Assignee
가부시키가이샤 사무코
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Abstract

본 발명의 목적은, 종래의 연마방법과 마찬가지로 높은 평탄도를 실현할 수 있으며, 더욱이 연마액 속에 함유되는 물질이 웨이퍼 표면에 잔존함에 따라 기인된 결함의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 연마된 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것이다.
연마패드의 표면에 지립을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법으로서, 상기 연마액에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하임을 특징으로 한다.

Description

실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 실리콘 웨이퍼{SILICON WAFER POLISHING METHOD AND SILICON WAFER}
본 발명은 연마패드의 표면에 지립(砥粒)을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대해 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하기 위해 이용되는 연마액으로서는, 종래부터 유리(遊離) 지립으로서의 실리카 입자를 알칼리액 속에 함유시킨 것이 널리 사용되고 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼의 연마에는, 지립(abrasive grains)으로서의 실리카 미립자 등을 함유하는 연마액을 이용한 화학 기계 연마(mechanochemical polishing)가 일반적이며, 이 연마방법은 실리카 미립자에 의한 기계적 연마작용과, 알칼리액에 의한 화학적 연마작용을 복합시킨 것으로서, 우수한 평활성 및 결정성을 갖는 경면이 얻어지는 것으로 알려져 있다.
상기와 같은 지립을 함유하는 연마액 등을 이용하여, 실리콘 웨이퍼의 연마를 수행하였을 경우, 높은 가공 정밀도나 웨이퍼의 평탄도가 요망된다. 특히, 실리콘 웨이퍼 제조 프로세스의 최종 연마공정 중에 있어서의 마무리 연마에서는, 표면에 결함이 없으며 평탄도가 높은 실리콘 웨이퍼가 요구되기 때문에, 각종 방법에 의해 연마액이나 연마포 등의 연마조건의 적정화가 도모되고 있다. 예컨대, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 연마 정반(定盤)상에 전개된 연마포에, 연마지립을 포함하는 연마액을 공급하면서, 캐리어 플레이트에 왁스로 점착된 여러 장의 반도체 웨이퍼의 표면을, 캐리어 플레이트의 중심부와 외주부의 연마압력을 조정하면서 연마함으로써, 높은 평탄도의 웨이퍼를 제조하는 방법을 들 수 있다.
그러나, 특허문헌 1의 연마방법에서는, 웨이퍼의 평탄도에 대해서는 일정한 효과를 거두지만, 사용되는 연마액에는 지립이나 알칼리, 고분자 등의 많은 물질이 함유되기 때문에, 연마하고 세정한 후의 실리콘 웨이퍼 표면 상에 상기 물질이 잔존함에 따라 PID(process induced defect)나 입자의 부착으로 인한 결함이 새롭게 발생한다는 문제가 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 2000-288909호
본 발명의 목적은 종래의 연마방법과 마찬가지로 높은 평탄도를 실현할 수 있으며, 더욱이 연마액 속에 함유되는 물질이 웨이퍼 표면에 잔존함에 따라 기인된 결함의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 연마된 실리콘 웨이퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명자들은, 연마패드의 표면에 지립을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대해 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법에 있어서, 상기 과제를 해결하기 위해 검토를 거듭한 결과, 상기 연마액에 함유되는 물질 중에서도 특히 지립의 수를 제어함으로써, PID나 입자의 부착으로 인한 결함을 대폭 억제할 수 있음을 발견하였다. 그리고, 더욱 면밀히 연구를 거듭한 결과, 상기 지립의 수를 5×1013개/㎤ 이하로 함으로써, 원하는 면 조도(粗度)를 실현할 수 있으며, 더불어 PID 등의 연마액 속에 함유되는 물질에서 기인된 결함의 발생을 억제할 수 있는 연마방법이 얻어짐을 발견하였다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.
(1) 연마패드의 표면에 지립을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법으로서, 상기 연마액에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하임을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(2) 상기 지립은, BET법에 기초하여 산출된 평균 1차 입경이 10~70nm의 범위인 상기 (1)에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(3) 상기 지립은, SiO2를 함유하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(4) 상기 연마액은, 실리콘에 대한 연마 속도가 5nm/분 이상인 상기 (1), (2) 또는 (3)에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(5) 상기 연마액은, 염기성 화합물 및 수용성 고분자 화합물을 함유하는 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(6) 상기 염기성 화합물은, 질소함유 염기성 화합물의 일종인 상기 (5)에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(7) 상기 수용성 고분자 화합물은, 셀룰로오스 유도체 및 폴리비닐알콜 중 1종 이상인 상기 (5)에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(8) 상기 실리콘 웨이퍼의 연마는, 실리콘 웨이퍼 제조 프로세스의 최종연마공정 중의 마무리 연마로서 수행되는 상기 (1)~(7) 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
(9) 상기 (1)~(8) 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 연마된 웨이퍼로서, 상기 웨이퍼의 연마면의 표면결함 수는, 파티클 카운터에 의한 35nm 이상의 사이즈의 결함을 측정하였을 때의 측정값이, 직경 300mm 웨이퍼로 환산하여 20개 이하인 실리콘 웨이퍼.
본 발명에 따르면, 높은 평탄도를 실현할 수 있으며, 더욱이 연마액 속에 함유되는 물질이 웨이퍼 표면에 잔존함에 따라 기인된 결함의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 연마된 실리콘 웨이퍼의 제공이 가능해졌다.
도 1은 연마액 속에 함유되는 물질이 웨이퍼 표면에 잔존함에 따라 기인된 결함을 설명하기 위한 사진으로서, (a)는 PID, (b)는 입자의 부착으로 인한 결함을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 웨이퍼 제조공정 중의 최종연마공정의 위치매김을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 연마액 속에 함유되는 지립의 수와 웨이퍼 표면상에 발생한 PID의 수간의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼의 연마방법은, 연마패드의 표면에 지립을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법이다.
그리고, 본 발명의 연마방법은, 상기 연마액에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 지립의 수를 5×1013개/㎤ 이하로 함으로써, 종래의 연마방법에서는 충분히 억제할 수 없었던, PID나 연마액 함유성분의 부착 등의 결함 발생을 유효하게 억제할 수 있으며, 더욱이, 종래의 연마방법과 마찬가지로 상기 실리콘 웨이퍼 표면의 양호한 면 조도를 실현할 수가 있다.
여기서, 상술한 PID란, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 선형(線形)의 돌기형상을 가지며, 상기 연마액 속에 함유되는 지립이나 기타 이물에 기인하는 나노미터 오더의 미소(微小) 결함을 말한다. 또한, 연마액 함유성분의 부착으로 인한 결함이란, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 지립 등의 미립자 성분이 상기 웨이퍼 표면에 부착함에 따라 발생되는 미소 결함을 말한다. 이들 결함은, 실리콘 단결정의 인상(引上)공정에서 발생되는 결함이 아니라, 연마공정에서 상기 연마액에 함유되는 물질에 기인하여 새롭게 발생되는 미소 결함이며, 연마 후의 웨이퍼 세정에 의해서도 제거할 수 없기 때문에, 본 발명과 같이 연마공정에서 그 발생을 억제하는 것이 매우 중요하다.
또, 상기 지립의 수를 5×1013개/㎤ 이하로 제어하는 것은, 5×1013개/㎤ 이하를 초과하면 지립의 수가 지나치게 많아지기 때문에, 상술한 결함의 발생을 초래할 우려가 있기 때문이다. 더욱이, 상기 지립의 수가 지나치게 적으면, 상기 웨이퍼 표면을 연마하는 능력이 저하되기 때문에, 웨이퍼 표면의 면 조도를 확실히 향상시킨다는 관점에서는, 상기 지립의 수의 하한을 2×1013개/㎤ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지립은, BET법(비표면적 측정법)에 기초하여 산출된 평균 1차 입경이 10~70nm의 범위인 것이 바람직하다. 상기 입경이 10nm 미만이면, 지립이 응집하여 입경이 큰 조대(粗大) 입자가 되므로 이러한 조대 입자가 PID를 초래할 우려가 있으며, 한편, 입경이 70nm을 초과하면, 입경이 지나치게 커지기 때문에, 연마 후의 웨이퍼 표면의 조도가 악화될 우려가 있기 때문이다. 더욱이, 상기 평균 1차 입경이 20~40nm의 범위 내이면, PID를 더욱 저감시킬 수 있는 동시에, 연마 후의 웨이퍼 표면 조도의 악화를 방지할 수 있어 보다 적합하다. 또한, BET법에 기초하여 산출된 평균 1차 입경이란, BET법(분체(粉體) 입자표면에 흡착점유면적이 판별된 분자를 액체 질소의 온도로 흡착시키고, 그 양으로부터 시료의 비표면적을 구하는 방법)에 의해, 비표면적을 구형상 입자의 직경으로 환산한 값을 말한다.
더욱이 상기 지립은, 실리카나 알루미나 등의 세라믹류, 다이아몬드나 실리콘 카바이드 등의 단일체 또는 화합물류 또는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 고분자 중합체 등으로 이루어진 것을 이용할 수 있는데, 저비용, 슬러리용액 내에서의 분산성, 지립의 입경 제어의 용이성 등의 이유에서 SiO2를 함유하는 것이 바람직하다. 추가로, 상기 SiO2의 종류로는 예컨대, 건식법(연소법·아크법), 습식법(침강법·졸겔법)으로 제작한 것 모두 이용가능하다. 더욱이 상기 지립의 형상은 주로 입자상이지만, 상술한 조건(입자의 개수, 평균입경 등)을 만족하면 겔상 등이어도 무방하다.
또한, 상기 연마액은, 상기 실리콘 웨이퍼를 연마할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 실리콘에 대한 연마 속도가 5nm/분 이상인 연마액을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 연마액에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하로, 통상적인 연마액에 함유되는 지립의 수에 비해 적기 때문에, 기계적인 연마능력이 다소 저하되는 경향이 있다. 이 때문에, 상기 연마 속도가 5nm/분 미만일 경우, 연마 속도가 지나치게 작아 상기 웨이퍼의 표면을 충분히 연마할 수 없어 원하는 면 조도를 얻을 수 없게 될 우려가 있기 때문이다.
또한, 상기 연마액은 화학 연마작용이 유효하게 얻어진다는 점에서 염기성 화합물을 함유하고, 연마 후의 웨이퍼 표면의 습윤성을 확보한다는 점에서 수용성 고분자 화합물을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 염기성 화합물이 암모니아 등의 질소함유 염기성 화합물이며, 상기 수용성 고분자 화합물이 히드록시에틸 셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체 및 폴리비닐알콜 중 1종인 것이 보다 적합하다. 상술한 질소함유 염기성 화합물 이외의 염기성 화합물에서는 에칭작용이 지나치게 강하기 때문에, 원하는 웨이퍼 면 조도가 얻어지지 않을 우려가 있으며, 상술한 셀룰로오스 유도체 및/또는 폴리비닐알콜로 이루어지는 화합물 이외의 수용성 고분자 화합물에서는, 웨이퍼 표면에서 충분한 습윤성이 얻어지지 않을 우려가 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 연마방법에서는, 상기 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써 실리콘 웨이퍼를 연마하는데, 그 슬라이딩방법은 특별히 한정할 필요는 없으며, 상기 연마패드만, 또는 상기 실리콘 웨이퍼만 움직임으로써 슬라이딩시켜도 무방하고, 상기 연마패드 및 상기 실리콘 웨이퍼의 쌍방을 상대적으로 움직임으로써 슬라이딩시켜도 무방하다. 더욱이, 상기 연마패드에 가해지는 압력, 연마패드의 상대 슬라이딩 속도, 및/또는 연마액의 점성 등에 대해서는 특별히 한정되지 않으며, 임의의 제어를 수행하여 연마할 수 있다.
또한, 본 발명의 실리콘 웨이퍼의 연마는 도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 제조 프로세스의 최종 연마공정 중의 마무리 연마로서 수행되는 것이 바람직하다. 최종 연마공정에서의 마무리 연마는, 실리콘 웨이퍼를 제품으로서 마무리하기 위한 최종 연마로서, 여기서 결함이 발생했을 경우, 그 후의 결함을 제거할 수가 없다. 이 때문에, 본 발명에 의해 PID 등의 결함의 발생을 억제할 수 있어 그 결과, 고품질의 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있게 되기 때문이다.
또한, 본 발명의 연마방법에 의해 연마된 실리콘 웨이퍼로서는, 상기 웨이퍼의 연마면의 표면결함 수가 파티클 카운터를 이용하여 35nm 이상의 사이즈의 결함의 개수를 측정하였을 때, 그 측정값이 직경 300mm 웨이퍼로 환산하여 20개 이하가 되어, 결함이 적은 고품질의 웨이퍼를 얻을 수가 있다. 또, 종래의 연마방법에 의해 연마하였을 경우, 평탄도가 악화될 우려가 있기 때문에, 본 발명에 의한 효과가 현저히 발휘될 수 있다는 점에서, 직경이 300mm 이상인 대구경의 웨이퍼인 것이 바람직하다.
한편, 상술한 내용은, 본 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 것에 불과하며, 청구범위에서 각종 변경을 가할 수 있다.
(실시예)
(평가용 샘플의 제작)
직경이 300mm인 실리콘 웨이퍼에 대하여 최종 연마공정의 마무리 연마로서, 폴리우레탄제(製) 연마패드의 표면에 지립을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대해 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼 표면을 연마했다.
평가용 샘플 1~6의 각 샘플에서의, 연마에 이용된 연마액의 조건(실리콘에 대한 연마 속도, 함유성분) 및 지립의 조건(수, 평균입경, 종류)을 표 1에 나타낸다. 또, 각 평가용 샘플에 대하여 3장의 웨이퍼를 제작하였다.
(평가방법)
상기에서 제작한 각 평가용 샘플에 대하여 (1) PID 개수 및 (2) 웨이퍼 표면의 평탄도에 대해 평가하였다. 또한, 평가에 대해서는 3장의 평가용 샘플을 준비하고 평균값을 산출함으로써 평가를 수행하였다.
(1) PID 개수
각 평가용 샘플에 대하여 KLA 텐콜사 제품인 「Surfscan SP2」를 이용하여 웨이퍼 표면상에 존재하는 사이즈 35nm 이상의 결함의 개수를 계측하고, Surfscan SP2에 의해 검출되는 결함 중 LPD-N으로 분류되는 결함을 PID로 하여 PID 개수를 계측하였다. 얻어진 PID의 개수는, 직경 300mm 웨이퍼 환산, 즉, 직경 300mm 웨이퍼의 표면상에서의 개수로 하고, 다음의 기준에 따라서, 즉, 개수 3개 이하를 ○, 개수 3개 초과 10개 이하를 △, 개수 10개 초과를 ×로 하여 PID 개수를 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 각 샘플에 대한, 연마액 속의 지립의 수와 발생된 PID 결함의 수간의 관계를 나타낸 그래프를 도 3에 나타낸다.
(2) 웨이퍼 표면의 평탄도
각 샘플에 대하여 KLA 텐콜사 제품인 「WaferSight」을 이용하여 웨이퍼 표면의 평탄도를 계측하고 다음의 기준에 따라서, 즉, 평탄도 60nm 이하를 ○, 평탄도 60nm 초과를 ×로 하여 웨이퍼 표면의 평탄도를 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112011096582916-pct00001
※함유성분에 대해서는 NH3 : 암모니아, HEC : 히드록시에틸셀룰로오스를 나타냄.
표 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 연마액 속에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하인 샘플 1 및 6에 대해서는 PID의 수가 적고 높은 평탄도를 갖는 실리콘 웨이퍼가 얻어짐을 알 수 있었다. 한편, 연마액 속에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤를 초과하는 샘플 2~5에 대해서는 높은 평탄도를 갖지만, PID의 발생에 대해서는 충분히 억제할 수 없음을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면, 종래의 연마방법과 마찬가지로 높은 평탄도를 실현할 수 있으며, 더욱이, 연마액 속에 함유되는 물질이 웨이퍼 표면에 잔존함에 따라 기인된 결함의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 연마방법 및 연마된 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있게 되었다.

Claims (9)

  1. 연마패드의 표면에 지립(abrasive grains)을 함유하는 연마액을 공급하고, 실리콘 웨이퍼에 대하여 상기 연마패드를 상대적으로 슬라이딩시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면을 연마하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법으로서,
    상기 연마액에 함유되는 지립의 수가 5×1013개/㎤ 이하임을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지립은, BET법에 기초하여 산출된 평균 1차 입경이 10~70nm의 범위인 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 지립은, SiO2를 함유하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연마액은, 실리콘에 대한 연마 속도(polishing rate)가 5nm/분 이상인 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연마액은, 염기성 화합물 및 수용성 고분자 화합물을 함유하는 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 염기성 화합물은, 질소함유 염기성 화합물의 일종인 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 수용성 고분자 화합물은, 셀룰로오스 유도체 및 폴리비닐알콜 중 1종 이상인 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 연마는, 실리콘 웨이퍼 제조 프로세스의 최종 연마공정 중 마무리 연마로서 수행되는 실리콘 웨이퍼의 연마방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 기재된 방법에 의해 연마된 웨이퍼로서, 상기 웨이퍼의 연마면의 표면결함 수는, 파티클 카운터에 의한 35nm 이상의 사이즈의 결함을 측정하였을 때의 측정값이, 직경 300mm 웨이퍼로 환산하여 20개 이하인 실리콘 웨이퍼.
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