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JP2008198668A - 平坦化研磨方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

平坦化研磨方法及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】CMP法を用いた研磨において、より高平坦化研磨を可能にした平坦化研磨方法、及びこの平坦化研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を提供するものである。
【解決手段】被研磨ウェーハを平坦に研磨する平坦化研磨方法であって、砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤36とを含む研磨用スラリーを用いて被研磨面を平坦に研磨する。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体製造プロセスで用いられる平坦化研磨方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置、いわゆる半導体集積回路の製造プロセスでは、その素子分離領域となるSTI(shallow trench isolation)領域の形成工程において、表面を平坦化するための技術として、CMP(chemical mechanical polishing)技術が広く用いられている。半導体装置におけるSTI領域は一般的に、図7に示すようにして形成される。
先ず、図6Aに示すように、シリコン半導体基板1の表面にシリコン窒化(SiN)膜2を成膜する。
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、このシリコン窒化膜2上に形成すべきSTI領域に対応した部分に開口部を有する所要パターンのレジストマスク(図示せず)を形成する。そして、図6Bに示すように、レジストマスクを介してドライエッチングによりシリコン窒化膜2をパターニングし、さらにシリコン窒化膜2をマスクにドライエッチングによりシリコン基板1に所要パターンの溝3を形成する。ここで、シリコン窒化膜2が形成されている領域が、後の素子形成領域となる。
次に、図6Cに示すように、CVD(chemical vapor deposition)法により、溝3内にシリコン酸化(SiO2)膜4を埋め込む。このとき、溝3以外の基板表面(すなわちシリコン窒化膜2)上にもシリコン酸化膜4が堆積される。
次に、図6Dに示すように、溝3以外の基板表面上に堆積したシリコン酸化(SiO2)膜を、CMP法により研磨して除去する。これにより、溝3内にシリコン酸化膜4を埋め込んでなるSTI領域(素子分離領域)5が形成される。この後工程で、シリコン窒化膜2が除去され、除去された領域に所要の半導体素子が形成される。
近年の半導体素子の高集積化に伴い、STI領域5の形成に際してのCMP処理(いわゆるSTI−CMPプロセス)に要求される平坦化性能は益々厳しくなってきており、従来より酸化膜の研磨に用いられるシリカ系スラリーでは、要求性能を満足することができなくなってきた。これは、シリコン酸化膜4が凸状に形成されるシリコン窒化膜2の面積率、即ち後の素子形成領域が半導体ウェーハ面内で不均一であることによる。シリコン窒化膜2の面積率が高い領域では高い凸状シリコン酸化膜4aが成膜され、シリコン窒化膜2の面積率が低い領域では低い凸状シリコン酸化膜4bが堆積される。
具体的には、凸部の面積率が高い領域でのシリコン酸化膜4aの研磨除去が完了するまでの間に、シリコン窒化膜2とシリコン酸化膜4の選択比から、凸部の面積率の低い領域にある溝3のシリコン酸化膜4が過剰に研磨される。この過剰の研磨により、図6Eに示すように、いわゆるディッシング6が生じて平坦化が悪化する。平坦性の悪化は半導体素子の信頼性、歩留りの劣化を招く。
STI−CMPプロセスの平坦化性改善策として、セリア(酸化セリウム:CeO2)砥粒と添加剤(いわゆる界面活性剤)を含むセリア系スラリーを用いた研磨方法がある。これは、被研磨面の凸部では研磨時の圧力集中によって添加剤が脱離して研磨が進行するが、圧力の低い凹部では吸着した添加剤によって研磨が抑制されるため、凸部を選択的に研磨することで、高平坦な研磨面を得ようとするものである。このセリア系スラリーは、シリカ系スラリーと比べて平坦性だけでなく、研磨レート、選択比の点でも有利である。
セリア砥粒を用いた高平坦化研磨法としては、例えば特許文献1がある。これは、セリウムの酸化物粒子およびシリコン窒化膜選択吸着性を有する界面活性剤を含むCMP研磨液(研磨用スラリー)を用いて、界面活性剤によるシリコン窒化膜の研磨速度低下作用によって高平坦化研磨を行う方法である。
特開2004−14624号公報
ところで、セリア系スラリーを用いたSTI−CMPプロセスにおいても、依然として素子形成領域の疎密差の影響を受け、高平坦な研磨面を得ることが困難になってきている。図7A,Bを参照してさらに説明する。今、セリア砥粒12と、砥粒12に作用する界面活性剤13を含むセリア系スラリー、すなわち凹部3のシリコン酸化膜4の膜面の保護作用がある界面活性剤13を含むセリア系スラリーを用いる場合について説明する。図7A,Bに示すように、セリア系スラリーを用い、研磨パッド11を被研磨面に押し当てて研磨を開始したとき、凸部4aでは高い圧力がかかるため、界面活性剤13が除去された凸部4aでは選択的研磨が進行し、被研磨面の平坦化が進行していく。しかしながら、セリア系スラリーはシリコン酸化膜4の研磨速度がシリコン窒化膜2に対して速いため、特に素子分離領域5の面積が大きい領域ではディッシング6が顕著となり、平坦性が悪化する。
また、セリア系スラリーは、シリカ系スラリーに比べて、スクラッチが多いという問題もあり、特に素子形成領域にスクラッチが発生して下地のSi基板に達した場合、歩留りを悪化させる問題がある。
本発明は、上述の点に鑑み、CMP法を用いた研磨において、より高平坦化研磨を可能にした平坦化研磨方法、及びこの平坦化研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明に係る平坦化研磨方法は、被研磨ウェーハを平坦に研磨する平坦化研磨方法であって、砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む研磨用スラリーを用いて被研磨面を平坦に研磨することを特徴とする。
この平坦化研磨では、研磨面が酸化膜であることが好ましい。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、素子分離領域となるSTI領域の形成に際し、半導体基板の溝部以外の領域上に堆積された酸化膜を、砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む研磨用スラリーを用いて平坦に研磨する工程を有することを特徴とする。
本発明では、研磨用スラリーに含む界面活性剤が表面をコーティングしたカプセル化しているので、界面活性剤による保護を必要とする低い領域にのみ、カプセルが破壊されて選択的に界面活性剤が供給され、それ以外の部分ではカプセルが破られず、保護作用がないので、研磨が進む。これにより、高平坦化の研磨が行える。
本発明に係る平坦化研磨方法によれば、界面活性剤が被研磨ウェーハ面内での研磨の進行に応じて被研磨面に直接作用するので、高平坦化研磨を行うことができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、界面活性剤が被研磨ウェーハ面内での研磨の進行に応じて被研磨面に直接作用するので、素子形成領域の疎密差によらない高平坦化研磨を行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、この例示に限定されるものではない。
本実施の形態は、半導体装置、いわゆる半導体集積回路の製造に適用した場合であり、特にそのSTIによる素子分離領域を形成する際のCMP法による酸化膜の平坦化研磨に適用した場合である。被研磨膜は一例として高密度プラズマSiO2膜とする。
図1に、本実施の形態の研磨に用いられる一般的なCMP装置の概略構成を示す。このCMP装置21は、回転軸22を中心の回転可能に配置された定盤23を有し、この定盤23上に研磨パッド24が配置される。研磨パッド24の上方に本実施の形態に係る研磨用スラリー25を供給するスラリー供給管26が配置される。平坦化研磨される被研磨体、本例では半導体ウェーハ27は、その被研磨面を研磨パッド24に対接するように載置される。この半導体ウェーハ27の裏面に研磨ヘッド28が所要の荷重をもって対接される。研磨ヘッド28は、半導体ウェーハ27に所要の荷重を掛けながら、半導体ウェーハ27と共に軸29を中心に回転されるように構成される。
被研磨ウェーハである半導体ウェーハ27は、図3Aに示すように、前述の図6Cと同様の構成を有する。すなわち、シリコン半導体基板27aの表面にシリコン窒化(SiN)膜31を成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてシリコン窒化膜31上に所要パターンの開口部を有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクを介してドライエッチングによりシリコン窒化膜31をパターンし、さらにシリコン窒化膜31をマスクにシリコン基板27aに所要パターンの溝32を形成する。この溝32は素子分離領域となるSTI領域に対応する位置に形成される。次に、溝32内に埋め込むように基板全面にCVD法により、シリコン酸化(SiO2)膜33を堆積する。このようにして、シリコン窒化膜31の面積率の疎密差に応じてシリコン酸化膜の凸部領域33a,33b、すなわち面積率が大きく高さの大きい凸部領域33aとその近傍に面積率が小さく高さの小さい凸部領域33bとが混在する、半導体ウェーハ27が形成される。
次に、図1のCMP装置21を用いて本発明の一実施の形態に係る平坦化研磨方法と共に、この平坦化研磨方法を用いて上記半導体ウェーハ27を平坦化研磨してSTI領域を形成する半導体装置の製造方法を説明する。
本実施の形態においては、先ず、図3Aに示すように、上記の半導体ウェーハ27をその被研磨面をCMP装置21の研磨パッド24上に対接するように載置する。
次に、図3A,Bに示すように、研磨パッド24上にスラリー供給管26から本実施の形態に係る研磨用スラリー25を滴下しながら、かつ研磨ヘッド28に保持された半導体ウェーハ27被研磨面を研磨パッド24に押し付け、荷重を与えて研磨を開始する。研磨用スラリー25は、セリア砥粒(図示せず)と、表面がコーティンされてカプセル化した界面活性剤36(白丸表示)とを含んで形成される。この界面活性剤は、研磨されるシリコン酸化膜33に対して保護作用がある界面活性剤である。このカプセル化した界面活性剤36は、図12に示すように、界面活性剤37をコーティング壁35で被服して形成されている。具体的なスラリー構成は後述する。
図3Aの状態で、研磨用スラリー25は研磨パッド24上に供給されることにより、カプセル化された界面活性剤36が、被研磨面の凸部領域33a,33bを含む全面に付着される。
そして、図3Bの状態で、被研磨面の凸部領域3a,33bに付着したカプセル化界面活性剤36は、研磨パッド24に触れて押し退けられ被研磨面の凹部領域33cに付着する。
次に、図3Cに示すように、凸部領域の研磨が進行する。この研磨では、面積率が低く高さの小さい凸部領域33bの研磨の進行が早いため、拡大図Aで示すように、凸部領域の近傍に存在するカプセル化界面活性剤36に圧力とせん断力がかかる。
そして、図4Dに示すように、上記の圧力とせん断力によりカプセルが破壊されて界面活性剤37(黒丸表示)が放出される。
図3Eに示すように、凸部領域33aの研磨が進行する間も、凹部33cは界面活性剤37で保護されるため、研磨の進行が抑制される。
図4Fに示すように、凸部領域33aの研磨の進行に応じてカプセルが破壊され、界面活性剤37が順次作用する。そして、図4Gに示すように、最終的にシリコン窒化膜31の面積率の差、いわゆる素子形成領域の疎密差によらず、全域で平坦研磨され、シリコン窒化膜31に達した時点で平坦化研磨処理が終了する。これによって、高平坦化された研磨面が得られる。このようにして、ディッシングの発生がなく、良好なSTI領域38が形成される。
その後、シリコン窒化膜31を除去し、シリコン窒化膜31が除去された素子形成領域に所要の半導体素子を形成して、目的の半導体装置を得る。
図3A〜図4Gでは、シリコン窒化膜31に達する平坦化研磨を、1回の研磨処理で行うようにしたが、その他、2回の処理で行うようにすることもできる。
次に、2回の研磨処理で平坦化する本発明の他の実施の形態に係る平坦化研磨方法、及びこの平坦化研磨方法を用いた半導体装置の製造方法を説明する。本実施の形態は、セリア系スラリーにカプセル化した界面活性剤を添加した研磨用スラリーを用いて、シリコン酸化膜33による被研磨面の凸部領域33a,33bが平坦化するまでの第1回目の研磨処理を行う。すなわち、前述の図4Fの工程を経て、図5のシリコン酸化膜33が平坦化する工程に至る。次いで、シリコン窒化膜31が露出されるまでの第2回目の研磨処理を行って、前述の図4Gの高平坦化研磨を完了する。
この第2回目の研磨処理では、界面活性剤を添加しない研磨用スラリーのみで行ってもよい。第2回目の研磨処理では、研磨の際の被研磨面は既に平坦化されていて残膜も薄いため、界面活性剤を用いなくても高平坦な研磨面を維持しながら削り込みを完了することができる(図3G参照)。第2回目の研磨処理に用いるスラリーは、第1回目と同じセリア系スラリーを用いてもよく、その他、シリカ系、アルミナ系、または硝酸鉄系のスラリーを用いることもできる。特に、スクラッチの観点からは、シリカ系スラリーで研磨面を仕上げるのが望ましい。
次に、コーティングしてカプセル化した界面活性剤を含む研磨用スラリーを用いた具体的な研磨方法について説明する。ここでは、コーティングした界面活性剤を予め研磨用スラリーに所要量、本例では2wt%添加し、研磨パッドを介して被研磨ウェーハ上にこの研磨用スラリーを供給しながら以下の条件にて研磨を行う。
〔研磨条件〕
定盤回転数: 100rpm
研磨ヘッド回転数: 107rpm
研磨圧力: 300hPa
研磨パッドコンディショナー条件: Ex−situ
セリア系スラリー流量(界面活性剤2wt%添加): 200cc/min
セリア粒子の粒径、すなわち酸化セリウム(CeO2)の粒径としては、50nm〜250nmとすることができる。
ここでは、研磨用スラリーとして酸性のセリア系スラリーを用いたが、それ以外に、シリカ、アルミナ、硝酸鉄系スラリー等を用いてもよい。コーティングした界面活性剤の添加量は、0.1〜10wt%の範囲が望ましい。この数値は良好な研磨特性(平坦性、県下速度)が得られる範囲の濃度である。
コーティングした界面活性剤の供給方法としては、研磨用スラリーに事前混合して供給することができる。その他、コーティングした界面活性剤を水溶液として研磨用スラリーとは別々に供給してもよく、あるいはスラリー供給管に、この界面活性剤の水溶液を供給する界面活性剤供給管を連通させて供給してもよい。
コーティングする界面活性剤は、酸化膜の研磨を抑制する作用があるものとする。ここでは、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を用いるが、それ以外に、脂肪酸ナトリウム塩、アルキル硫酸塩、硫酸エステル塩、脂肪酸カリウム塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、脂肪酸エステル、α−オレフィンスルホン酸塩、モノアルキルリン酸エステル塩、アルカンスルホン酸塩、アミノ酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸アンモニウム塩、ポリカルボン酸アンモニウム塩、スルホコハク酸ジエステル塩、アルキルアミン塩酸塩、アルキルエーテルスルホン酸塩などを用いてもよい。
カプセル化するためのコーティング材としては、コーティング加工が容易で、界面活性剤と研磨スラリーを変質させない材料を用いる。ここでは、ポリウレタン樹脂を用いるが、その他、界面活性剤やスラリーとの反応しない組み合わせのポリマー材料であれば、例えば、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレア樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリカーボネート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ゼラチンなどを用いてもよい。
界面活性剤分子の大きさは、2nm〜3nm程度である。また、コーティングした界面活性剤の大きさは、10nm〜5000nm程度とすることができる。ここでカプセル化した界面活性剤は、単体の界面活性剤、あるいは複数の単体界面活性剤が集合された状態でコーティングされているものを含む。これに対するコーティングの厚さは、研磨時にコーティング膜にかかる研磨圧力、せん断力によって破壊する機械的強度になるように設定する。すなわち、コーティング膜の機械的強度は、研磨圧力、せん断力による機械的強度以下とする。
界面活性剤のコーティング(被膜)方法は、化学的方法、物理化学的方法、機械的方法に大別される。本発明における界面活性剤のコーティング方法としては、シームレスカプセル化法や界面重合法、in−situ重合法、液中乾燥法、コアセルベーション法、噴霧乾燥法、乾式混合法などがある。特に、液体である界面活性剤のコーティング方法としては、界面重合法、in−situ重合法、コアセルベーション法、シームレスカプセル化法などが適している。
1.化学的方法(化学反応によってコーティング膜を形成する)。
・界面重合法では、分散相と分散媒の双方から別々のモノマーを供給し、分散相の表面、即ち界面での重合反応によってコーティング膜を形成する。
・in−situ重合法では、分散相又は分散媒のいずれか一方側からのみ、モノマーその他の反応剤を供給し、核物質表面での重合反応によってコーティング膜を形成する。
2.物理化学方法(析出、凝固などによってコーティング膜を形成する)。
・コアセルベーション法では、コーティング材となる樹脂を溶解させた溶液に核物質を分散させ、核物質のまわりに樹脂を析出させてコーティング膜を形成する。
・液中乾燥法では、核物質を含有するコーティング材溶液を液状媒体中に分散してエマルジョンを調製し、減圧または加熱によって溶剤を除去してコーティング膜を形成する。
3.機械的方法(機械的にコーティング膜を形成する)。
・噴霧乾燥法では、核物質を添加し、コーティング材溶液を噴霧状にして熱風中に噴出し、コーティング材を渡河している液体を蒸発させてコーティング膜を形成する。
4.その他の方法。
・シームレスカプセル化法では、液体を滴下したときに界面張力によって球状になる物質を利用して、継ぎ目のないコーティング膜を形成する。
上述の本実施の形態に係る平坦化研磨方法及び半導体装置の製造方法によれば、コーティングした界面活性剤を添加した研磨用スラリーを用いるので、その添加剤である界面活性剤が被研磨ウェーハ面内での研磨の進行に応じて、選択的に被研磨面に直接作用する。これにより、素子形成領域の疎密差によらない高平坦化研磨がより高精度、かつ効率的に行うことができ、半導体素子の信頼性、歩留りが向上する。また、界面活性剤の使用量を必要最低限に抑えることができるため、半導体装置の製造コトストを低減できる。
本実施の形態に係る平坦化研磨方法は、上述したように、砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む研磨用スラリーを用いて行うようにしている。この研磨方法では、被研磨面の凸部の平坦化に従って凸部近傍の凹部に付着したカプセル化した界面活性剤に研磨圧力とせん断力がかかり、コーティング膜を破壊して界面化成剤が放出し、近傍の研磨の進行を選択的に抑制する。ウェーハ面内では、凸部の研磨の進行に応じて界面活性剤が順次作用するため、素子形成領域の疎密差によらない高平坦化研磨が可能となり、半導体素子の信頼性、歩留りが向上する。
前述の特許文献1では、被研磨面の膜種類によって界面活性剤が選択的に作用するものであるのに対して、本発明は、パターンの疎密差による研磨の進行によって界面活性剤を作用させるものであることから、異種材料(例えば、被研磨面がSiO2であれば、異種材料はSiNとなる)が被研磨面に露出する前の段階の同一材料からなる被研磨面にて平坦化を行うことができ、より高平坦な研磨が可能となる。更に、高平坦な研磨が完了した時点では残膜も薄いため、平坦性を維持しながら、例えばスクラッチの少ない従来のシリカ系スラリーにて仕上げ研磨を行うこともできるため、セリア系スラリーの問題点であるスクラッチが低減でき、研磨プロセスの自由度が広がる。
上例では、本発明の平坦化研磨法を、半導体ウェーハの研磨に適用したが、その他の基板(ウェーハ)、すなわち被研磨面が酸化膜を有する基板の研磨にも適用することができる。
本発明に適用されるCMP装置の概略構成を示す構成図である。 カプセル化した界面活性剤の模式的断面図である。 A〜C 本発明に係る平坦化研磨方法、及びこの研磨方法を用いた半導体装置の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その1)である。 D〜G 本発明に係る平坦化研磨方法、及びこの研磨方法を用いた半導体装置の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その2)である。 本発明に係る平坦化研磨方法、及びこの研磨方法を用いた半導体装置の製造方法の他の実施の形態を示す途中の工程図である。 A〜E 従来の平坦化研磨法を用いた半導体装置の製造方法の例を示す製造工程図である。 従来の研磨状態の説明に供する説明図である。
符号の説明
21・・CMP装置、23・・定盤、24・・研磨パッド、25・・研磨用スラリー、26・・スラリー供給管、27・・半導体ウェーハ、28・・研磨ヘッド、27a・・シリコン半導体基板、31・・シリコン窒化膜、32・・溝部、33・・シリコン酸化膜、33a、33b・・凸部領域、35・・コーティング壁、36・・カプセル化した界面活性剤、37・・界面活性剤、38・・STI領域

Claims (13)

  1. 被研磨ウェーハを平坦に研磨する平坦化研磨方法であって、
    砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む研磨用スラリーを用いて被研磨面を平坦に研磨する
    ことを特徴とする平坦化研磨方法。
  2. 前記被研磨面が酸化膜である
    ことを特徴とする請求項1記載の平坦化研磨方法。
  3. 前記砥粒がセリア粒子であるセリア系研磨用スラリーを用いる
    ことを特徴とする請求項2記載の平坦化研磨方法。
  4. 前記界面活性剤は、研磨される前記酸化膜に作用する界面活性剤である
    ことを特徴とする請求項2記載の平坦化研磨方法。
  5. 前記酸化膜は、基板の溝部と、該溝部以外の下地シリコン窒化膜上とにわたって形成されたシリコン酸化膜であり、
    前記界面活性剤は、前記シリコン酸化膜に作用する界面活性剤である
    ことを特徴とする請求項2記載の平坦化研磨方法。
  6. 砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む第1の研磨用スラリーを用いて、被研磨面の凸部領域が平坦化するまで研磨を行い、
    以降の研磨を界面活性剤を含まない第2の研磨用スラリーを用いて行う
    ことを特徴とする請求項2記載の平坦化研磨方法。
  7. 前記カプセル化した界面活性剤のコーティング膜の機械的強度が、研磨圧力、せん断力による機械的強度以下である
    ことを特徴とする請求項1記載の平坦化研磨方法。
  8. 素子分離領域となるSTI領域の形成に際し、
    半導体基板の溝部以外の領域上に堆積された酸化膜を、砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む研磨用スラリーを用いて平坦に研磨する工程を有する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記溝部以外の領域上の酸化膜が、窒化膜の下地膜上に堆積されている
    ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記砥粒がセリア粒子であるセリア系研磨用スラリーを用いる
    ことを特徴とする請求項8記載の平坦化研磨方法。
  11. 前記界面活性剤は、研磨される前記酸化膜に作用する界面活性剤である
    ことを特徴とする請求項8記載の平坦化研磨方法。
  12. 砥粒と、表面がコーティングされてカプセル化した界面活性剤とを含む第1の研磨用スラリーを用いて、前記酸化膜の凸部領域が平坦化するまで研磨を行い、
    以降の研磨を界面活性剤を含まない第2の研磨用スラリーを用いて行う
    ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記カプセル化した界面活性剤のコーティング膜の機械的強度が、研磨圧力、せん断力による機械的強度以下である
    ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
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