DE69736503T2

DE69736503T2 - Polieraufschlämmung mit Manganoxid-Schleifkörpern und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mittels einer solchen Polieraufschlämmung

Info

Publication number: DE69736503T2
Application number: DE69736503T
Authority: DE
Inventors: Sadahiro Nakahara-ku Kawasaki-shi Kishii; Ko Nakahara-ku Kawasaki-shi Nakamura; Yoshihiro Nakahara-ku Kawasaki-shi Arimoto; Akiyoshi Nakahara-ku Kawasaki-shi Hatada; Rintaro Nakahara-ku Kawasaki-shi Suzuki; Mitsui Mining & Smelting Co. Naruo Tokyo Ueda; Mitsui Mining & Smelting Co. Kenzo Tokyo Hanawa
Original assignee: Fujitsu Ltd; Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Mitsui Kinzoku Co Ltd
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: EP0816457A2; CN1176282A; EP0816457B1; KR100267154B1; CN1087765C; TW407315B; DE69736503D1; EP0816457A3; KR19980063352A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere auf einen Nassschlamm für die Verwendung in einem CMP-Prozess (chemisch-mechanisches Polieren), der bei einem Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements verwendet wird, ebenso wie bei einem Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements, das einen solchen CMP-Prozess verwendet.
Allgemein beinhalten integrierte Halbleiterschaltungen eine bauelementisolierende Struktur, um angrenzende Halbleiterbauelemente auf einem Halbleitersubstrat elektrisch zu isolieren.
Herkömmlich wurden solche bauelementisolierende Strukturen durch einen LOCOS-Prozess gebildet, bei dem ein dicker Feldoxidfilm ausgebildet wird, um einen Bauelementbereich des Halbleiterbauelements zu umgeben.
Jedoch ruft ein solcher LOCOS-Prozess ein Problem insofern hervor, dass die Oberfläche des Bauelementbereichs von einem dünnen Oxidfilm bedeckt sein kann, der sich von dem Feldoxidfilm erstreckt, wenn die Größe der Bauelementebereiche unter ungefähr 0,2 μm vermindert wird. Dieses Problem ist als „Vogelkopfstruktur" bekannt. Ferner ruft eine solche, herkömmliche bauelementisolierende Struktur insofern ein Problem hervor, dass sich die Wirksamkeit der Bauelementisolierung unweigerlich verschlechtert, wenn der Abstand zwischen den Halbleiterbauelementen als Ergebnis der Bauelementminiaturisierung verringert wird. Bei solch extrem verkleinerten Bauelementen ist die Dicke des Feldoxidfilms unweigerlich verringert und damit die Wirksamkeit der Bauelementisolierung.
Um das Problem des LOCOS-Prozesses bei solch extrem verkleinerten Bauelementen zu bewältigen, gibt es einen Ansatz, eine sogenannte Shallow-Trench-Isolationsstruktur, bei der eine Rinne auf einem Halbleitersubstrat zwischen angren zenden Bauelementen gebildet wird. Die so gebildete Rinne wird mit einem Isolierfilm gefüllt.
Bei solchen herkömmlichen Shallow-Trench-Isolationsstrukturen entsteht jedoch insofern ein Problem, dass das mit einer Rinne gebildete Substrat unweigerlich Vertiefungen und zugehörige Vorsprünge auf der Oberseite aufweist. Daher besteht die Erfordernis nach einer Planarisierung, wenn ein Halbleiterbauelement oder eine mehrschichtige Zwischenverbindungsstruktur auf dem Substrat gebildet werden soll.
Die 1A–1F stellen ein herkömmliches Verfahren zur Bildung einer Shallow-Trench-Isolationsstruktur eines Si-Substrats dar.
In 1A wird ein Si-Substrat 1 einem Thermooxidationsprozess bei ungefähr 800°C unterzogen, um einen thermischen Oxidfilm 2 mit einer Dicke von ungefähr 5 nm zu bilden.
Als nächstes wird in dem Schritt von 1B ein SiN-Film 3 auf den thermischen Oxidfilm 2 üblicherweise durch einen CVD-Prozess mit einer Dicke von ungefähr 200 nm aufgebracht, und der so abgeschiedene SiN-Film 3 wird einem anisotropen Ätzprozess in dem Schritt von 1C durch Verwenden einer Resist- oder Lackhaftmaske (nicht dargestellt) derart unterzogen, dass die Lackhaftmaske einen Teil des SiN-Films 3 freilegt, der dem zu bildenden Bauelementisolationsbereich entspricht. Als Resultat des anisotropen Ätzprozesses entsteht eine das Substrat erreichende Nut 1A als gewünschte seichte Rinne mit einer Dicke von üblicherweise 400 nm in dem Si-Substrat 1.
Nach dem Entfernen der Lackhaftmaske wird ein SiO₂-Film 4 auf der Struktur von 1C in dem Schritt von 1D durch einen CVD-Prozess mit einer Dicke von ungefähr 700 nm abgeschieden. Da das Si-Substrat 1 mit der vorangehenden Nut 1A gebildet wurde, weist der SiO₂-Film 4 eine der Nut 1A entsprechenden Vertiefung 4A auf.
Als nächstes wird in dem Schritt von 1E der SiO₂-Film 4 einer Planarisierung durch ein Polierverfahren unterzogen. In einem üblichen Beispiel wird das Polieren des SiO₂-Films 4 durch einen CMP-Prozess eines Nassschlamms erreicht, der Kolloid-Kieselerde (SiO₂) als Schleifmittel verwendet. Da die erzielte Poliergeschwindigkeit für einen SiN-Film mit einem Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm geringer ist als die Poliergeschwindigkeit für einen SiO₂-Film (das Verhältnis ist ungefähr 5), wird das Polieren spontan bei Freiliegen des SiN-Films 3 beendet. Mit anderen Worten dient der SiN-Film 3 als Polierstopper. Als Resultat des Polierens erhält man eine in 1E dargestellte Struktur, bei der die Nut 1A mit dem SiO₂-Film 4 gefüllt ist.
Zum Schluss wird der SiN-Film 3 entfernt und man erhält eine wie in 1F dargestellte Shallow-Trench-Isolationsstruktur.
Mittlerweile verwenden moderne, hochentwickelte integrierte Halbleiterschaltungen allgemein eine sogenannte mehrschichtige Zwischenverbindungsstruktur für die Bauelementzusammenschaltung, bei der Halbleiterbauelemente auf einem Substrat durch einen ersten Zwischenschichtisolierfilm bedeckt werden, auf dem ein erstes Zwischenverbindungsmuster gebildet wird. Das erste Zwischenverbindungsmuster auf dem ersten Zwischenschichtisolierfilm wird weiterhin durch einen zweiten Zwischenschichtisolierfilm bedeckt und ein zweites Zwischenverbindungsmuster wird ferner auf dem zweiten Zwischenschichtisolierfilm gebildet.
2A stellt einen Teil einer Zwischenschichtverbindungsstruktur dar.
In 2A wird ein Substrat 5 dargestellt, das Substrat 5 trägt ein Zwischenverbindungsmuster 6. Da das Zwischenverbindungsmuster 6 mit einer sich von Ort zu Ort ändernden Dichte auf dem Substrat 5 gebildet wird, treten allgemein Vorsprünge und Vertiefungen auf, wenn das Zwischenverbindungsmuster 6 durch einen Zwischenschichtisolierfilm 7 bedeckt wird wie in 2B angedeutet ist. Der Zwischenschichtisolierfilm 7 weist einen Vorsprung in dem Bereich auf, in dem das Zwischenverbindungsmuster 6 dicht ausgebildet ist. Wenn ein weiteres Zwischenverbindungsmuster auf dem Zwischenschichtisolierfilm 7 gebildet werden soll, ist es daher erforderlich, den Zwischenschichtisolierfilm 7 zu planarisieren.
Das Planarisieren eines Zwischenschichtisolierfilms wurde herkömmlich durch Verwenden eines wenig viskosen Materials wie zum Beispiel PSG (Phosphorsilicatglas), BPSG (Bor-Phosphorsilikatglas) oder SOG (Spin-on-Glass) für den Zwischenschichtisolierfilm durchgeführt. Die Verwendung eines CMP-Prozesses wird jedoch unerlässlich für die Planarisierung moderner, äußerst miniaturisierter Halbleiterbauelemente, die manchmal Submikron- oder Subhalbmikron-Bauelemente genannt werden.
Bei dem vorhergehenden, herkömmlichen Verfahren zur Bildung einer Bauelementisolationsstruktur, das mit Bezug auf die 1A–1F erläutert wurde, ist anzumerken, dass der die Nut 1A füllende SiO₂-Film 4 unweigerlich von der Oberfläche des Si-Substrats 1 nach dem Entfernen des SiN-Films 3, der als Polierstopper benutzt wurde, hervorragt. Mit anderen Worten ist die so erhaltene Struktur nicht völlig eben, sondern enthält einen durch den SiO₂-Film 4 verursachten Vorsprung. Natürlich verursacht ein solcher Vorsprung ein Problem, wenn auf dem Substrat 1 eine mehrschichtige Zwischenverbindungsstruktur gebildet wird.
Außerdem kann das vorhergehende, herkömmliche Verfahren zu dem Problem führen, dass der SiN-Film 3 bei dem Polierschritt von 1E teilweise auf Grund ungenügender Selektivität bei der Poliergeschwindigkeit zwischen dem SiO₂-Film 4 und dem SiN-Film 3 entfernt wird. Wenn dies auftritt, wird der dünne Thermooxidfilm 2 unterhalb des SiN-Films 3 leicht als Folge des Polierens entfernt und das Si-Substrat kann bloßgelegt werden. Einmal bloßgelegt erfährt das Si-Substrat 1 eine erhebliche Nutung in dem so freigelegten Bereich. Es ist anzumerken, dass die Poliergeschwindigkeit in der Reihenfolge SiN, SiO₂ und Si zunimmt, wenn ein CMP-Prozess mit einem Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm angewendet wird.
Weiterhin ist es wünschenswert, den Schritt von 1F zum Entfernen des SiN-Films 3 zu eliminieren, da ein solcher Zusatzschritt die Anzahl der Herstellungsschritte eines Halbleiterbauelements erhöht.
In Verbindung mit der Bildung der Shallow-Trench-Isolationsstruktur entdeckten die Erfinder der vorliegenden Erfindung vorher, dass ein Nassschlamm, der MnO₂ als Schleifmittel verwendet, zum Polieren eines Isolierfilms, wie zum Beispiel eines SiO₂-Films, wirksam ist und sie machten einen Vorschlag für einen solchen Nassschlamm sowie ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements, das den Nassschlamm verwendet. Der Nassschlamm, der MnO₂-Schleifmittel verwendet, ist ebenfalls vorher vorgeschlagen worden (Japanische offengelegte Patentanmeldung 9-22888). Der Nassschlamm, der MnO₂-Schleifmittel verwendet, ist insbesondere nützlich zum Polieren einer Leiterschicht wie zum Beispiel W. Daher ist der Nassschlamm sowohl für das Polieren einer Leiterschicht als auch eines Isolierfilms anwendbar. Das bedeutet, dass derselbe Nassschlamm sowohl für das Polieren einer Leiterschicht als auch eines Isolierfilms verwendet werden kann, ohne den Nassschlamm zu verändern. Dadurch wird das Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen wesentlich vereinfacht.
Wie oben angemerkt, ist der Nassschlamm, der MnO₂-Schleifmittel verwendet, nicht nur für das Polieren eines Isolierfilms, sondern auch für das Polieren einer Leiterschicht wirksam. Das bedeutet, dass das Polieren nicht spontan bei Freilegen des Si-Substrats 1 beendet wird, und dass die Verwendung eines Polierstoppers, wie zum Beispiel TiN oder ein ähnliches Nitrid, ähnlich dem SiN-Film 3 erforderlich oder unvermeidlich bei der Bildung der Shallow-Trench-Isolationsstruktur ist. Dadurch bleibt das vorhergehende Problem der Vorsprünge der SiO₂-Schicht ungelöst.
Bei der Bildung der mehrschichtigen Zwischenverbindungsstruktur der 2A und 2B wurde auf der anderen Seite die Durchführung der Planarisierung des Zwischenschichtisolierfilms 7 durch einen CMP-Prozess praktiziert, der einen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm verwendet, in dem Kolloid-Kieselerde-Schleifmittel (SiO₂) verwendet wird. Jedoch liegt die Poliergeschwindigkeit, die mit einem solchen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm erreicht werden kann, bestenfalls bei 65 nm/min und es fiel schwer, die Dicke des Zwischenschichtisolierfilms durch Verwenden eines Polierstoppermusters unterhalb des Zwischenschichtisolierfilms genau zu steuern. Um den Polierstopper wirksam einzusetzen, ist es erforderlich, den Zwischenschichtisolierfilm abzuschleifen bis der Polierstopper freigelegt ist.
Wegen der Schwierigkeit, die Dicke des Zwischenschichtisolierfilms genau zu steuern, wurde es praktiziert, den durch einen CMP-Prozess erreichten Planarisierungs grad lediglich beruhend auf der Polierdauer bei dem herkömmlichen Planarisierungsverfahren, das einen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm verwendet, zu schätzen. Solch eine Schätzung gewährleistet jedoch niemals die tatsächliche Planarisierung des Zwischenschichtisolierfilms.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung einen neuartigen und nützlichen Nassschlamm für einen CMP-Prozess bereitzustellen sowie ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements, das einen solchen CMP-Prozess verwendet, bei dem die vorhergehenden Probleme eliminiert sind.
Ein weiteres und spezielleres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nassschlamm bereitzustellen, der selektiv auf einen Isolierfilm, wie zum Beispiel einen SiO₂-Film, einwirkt, während er nicht wirksam auf eine Leiterschicht oder eine Halbleiterschicht einschließlich eines Si-Substrats einwirkt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements einschließlich eines Polierschritts eines Isolierfilms durch ein chemisch-mechanisches Polierverfahren bereitzustellen, das selektiv auf den Isolierfilm einwirkt, während er nicht wirksam auf eine Leiterschicht oder eine Halbleiterschicht einschließlich eines Si-Substrats einwirkt.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Nassschlamms für das Polieren eines Isolierfilms bereitgestellt, wobei der Nassschlamm umfasst: Schleifpartikel, die das Polieren des Isolierfilms verursachen; und ein Lösungsmittel, in dem die Schleifpartikel dispergiert sind, wobei die Schleifpartikel aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und einer Mischung daraus, ausgewählt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wirkt der Nassschlamm selektiv auf eine Isolierschicht im Gegensatz zu einer Leiter- oder Halbleiterschicht ein und ist wirksam für das Polieren einer Isolierschicht im Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren eines Isolierfilms bereitgestellt, das die Schritte umfasst: Polieren des Isolierfilms durch einen Nassschlamm, der Schleifpartikel und ein Lösungsmittel enthält, wobei die Schleifpartikel aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und einer Mischung daraus, ausgewählt sind. Durch Verwendung von Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmitteln in dem Polierverfahren ist es möglich, den Isolierfilm mit einer Geschwindigkeit, die wenigstens dreimal so groß ist wie die Poliergeschwindigkeit, die durch einen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm für denselben Isolierfilm erreicht wird, zu polieren, während gleichzeitig die Poliergeschwindigkeit für ein Metall oder einen Halbleiter niedergehalten wird. Dadurch wird das Polieren des Isolierfilms spontan bei einer Struktur beendet, bei der eine unterliegende Schicht aus Metall oder einem Halbleiter unterhalb des Isolierfilms vorhanden ist, sobald die unterliegende Schicht freigelegt ist. Die Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifpartikel können lokal in dem Lösungsmittel gebildet werden, indem Schleifpartikel aus MnO₂ zusammen mit einem Lösungsmittel verwendet werden, bei dem das Redoxpotential und der pH-Wert geeignet abgestimmt sind.
Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, wenn sie zusammen mit den beigefügten Abbildungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1A–1F sind Schaubilder, die ein herkömmliches Verfahren zur Bildung einer Bauelementisolationsstruktur darstellen;
2A und 2B sind Schaubilder, die ein herkömmliches Verfahren zur Bildung einer mehrschichtigen Zwischenverbindungsstruktur darstellen;
3 ist ein Phasendiagramm, das eine Redoxreaktion von Mn darstellt;
4A–4C sind Schaubilder, die ein Verfahren zur Bildung einer Bauelementisolationsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
5 ist ein Schaubild, das das Resultat des Herstellungsverfahrens der ersten Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Verfahren darstellt;
6A–4L sind Schaubilder, die ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
7A–4M sind Schaubilder, die ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
8 ist ein Flussdiagramm, das einen Produktionsablauf eines Manganoxid-Nassschlamms gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9A–9C sind Röntgenbeugungsdiagramme, die die Änderung der Zusammensetzung des hergestellten Manganoxids während des Produktionsablaufs der dritten Ausführungsform darstellen;
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Schleifmittelrückgewinnungs- und Schleifmittelreproduktionsvorgang gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist ein Schaubild, das den Aufbau einer Vorrichtung darstellt, die für den Schleifmittelrückgewinnungs- und Schleifmittelreproduktionsvorgang gemäß der fünften Ausführungsform verwendet wird; und
12 ist ein Schaubild, das den Aufbau eines Rückgewinnungstanks darstellt, der in der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
[PRINZIP]
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten eine Reihe von Experimenten an CMP-Prozessen durch, bei denen verschiedene Materialien poliert wurden, indem Schleifmittel aus Mn₂O₃ sowie andere Schleifmittel verschiedener Zusammensetzungen verwendet wurden. Die Erfinder entdeckten auf diese Weise, dass ein SiO₂-Film durch einen Nassschlamm, der Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, mit einer Geschwindigkeit poliert werden kann, die wenigstens drei- oder viermal so groß ist wie die Poliergeschwindigkeit, die erreicht wird, wenn ein herkömmlicher Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm auf denselben SiO₂-Film angewendet wird. Weiterhin wurde entdeckt, dass der Nassschlamm, der Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, im Wesentlichen unwirksam für das Polieren eines Metalls, wie zum Beispiel W, oder eines Halbleitermaterials, wie zum Beispiel Si, ist. Eine ähnliche Wirkung wurde ebenfalls für den Nassschlamm bestätigt, der Mn₂O₂-Schleifmittel verwendet, wobei die Oberfläche des Schleifmittels in einem Zustand behandelt wird, der auf dieser Mn₂O₃ bildet.
TABELLE I
TABELLE II
Tabelle I stellt die Zusammenfassung des vorhergehenden Experiments dar, wobei anzumerken ist, dass das Experiment unter der in Tabelle II zusammengefassten Bedingung durchgeführt wurde.
Insbesondere wurde das Polieren durch Verwenden von Schleifmitteln aus Mn₂O₃ mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 0,2 μm in einem Zustand, in dem die Mn₂O₃-Schleifmittel in einem Lösungsmittel aus H₂O in einer Konzentration von ungefähr 10 Gewichtsprozent dispergiert sind, durchgeführt. Wie in Tabelle II angegeben, wurde das Polieren auf einem sich mit einer Geschwindigkeit von 60 U/min drehenden Tiegel von 12 Zoll Durchmesser durchgeführt, während ein Polierkopf, auf dem ein zu polierendes Werkstück gehalten wurde, mit einem Antriebsdruck von 210 g/cm² getrieben wird. Der Polierkopf wurde mit einer Geschwindigkeit von 60 U/min gedreht. Ferner wurde der Nassschlamm mit einer Geschwindigkeit von 100 cm³/min zugeführt.
Wie aus Tabelle I deutlich hervorgeht wird eine Poliergeschwindigkeit von 200–250 nm/min für einen SiO₂-Film erzielt, wenn ein Nassschlamm, der das Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, eingesetzt wird, während diese Poliergeschwindigkeit ungefähr drei- oder viermal so groß ist wie die Poliergeschwindigkeit von 65 nm/min, die durch einen herkömmlichen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm für denselben SiO₂-Film erzielt wird.
Tabelle I gibt weiterhin an, dass die für Si oder W erreichte Poliergeschwindigkeit durch den Nassschlamm, der Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, sehr gering ist, ungefähr 45 nm/min bzw. 48 nm/min. Mit anderen Worten kann eine Metallschicht oder eine Si-Schicht zusammen mit einem SiO₂-Film als ein wirksamer Polierstopper verwendet werden, wenn der Nassschlamm, der Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, für das Polieren des SiO₂-Films verwendet wird. Eine ähnliche Wirkung wird ebenfalls mit Nassschlamm, der Mn₃O₄-Schleifmittel verwendet, erzielt.
Demgegenüber ist zu bemerken, dass die Poliergeschwindigkeit für eine Si-Schicht oder ein Si-Substrat bei einem herkömmlichen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm sehr hoch ist, von der Größenordnung so hoch wie 120 nm/min. Das besagt, dass eine Si-Schicht nicht als wirksamer Polierstopper verwendet werden kann, solange der Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm zum Polieren eines SiO₂- oder Silikatglasfilms verwendet wird.
Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass eine hervorragende Polierselektivität ähnlich der, die durch Mn₂O₃-Schleifmittel erzielt wird, ebenfalls erreicht werden kann, wenn Schleifmittel aus MnO₂ in einem Zustand verwendet werden, der die Bildung von Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ auf der Oberfläche der MnO₂-Schleifmittel hervorruft.
Es ist anzumerken, dass ein Metallelement, wie zum Beispiel Mn, das unterschiedliche Valenzzustände annimmt, als Ergebnis einer Redoxreaktion, die den Valenzzustand ändert, viele verschiedene Oxide bilden kann.
3 ist ein Phasendiagramm, das eine Redoxreaktion von Mn in einer wässrigen Lösung darstellt. Zu 3 ist zu bemerken, dass die horizontale Achse den pH-Wert (Wasserstoffionenexponent) darstellt, während die vertikale Achse das Redoxpotential E darstellt.
Zu 3 ist zu bemerken, dass das E-pH-Feld von 3 in mehrere Bereiche durch Phasengrenzen unterteilt ist, die jeweils einer Redoxreaktion von Mn entsprechen. Zum Beispiel ist vermerkt, dass man MnO₂ als Mn-Oxid in dem Bereich erhält, in dem E 0,8–1 V beträgt und der pH-Wert 6–7 beträgt, während man Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ als Mn-Oxid in dem Bereich erhält, in dem der pH-Wert größer und E kleiner ist. Zu 3 ist anzumerken, dass die mit „0", „–2", „–4" und „–6" bezeichneten Phasengrenzen Mn⁺⁺-Konzentrationen von 1 M/l, 0,01 M/l, 0,0001 M/l bzw. 0,000001 M/l angeben.
Auf diese Weise haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung basierend auf einem vorher vorgeschlagenen Nassschlamm, der MnO₂-Schleifmittel verwendet (Japanische offengelegte Patentanmeldung 9-22888), einen Nassschlamm durch Einstellen des pH-Werts und des E-Werts des Lösungsmittels zusammengestellt, das den Nassschlamm zusammen mit dem Schleifmittel bildet, so dass Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ auf der Oberfläche der Schleifpartikel gebildet wird. Die erreichte Poliergeschwindigkeit für einen SiO₂-Film bei Verwendung der so durch Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ bedeckten MnO₂-Schleifmittel übertrifft ebenfalls die Poliergeschwindigkeit des herkömmlichen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamms. Weiterhin wurde eine erhebliche Verringerung der Ätzgeschwindigkeit festgestellt, ebenfalls wenn ein Metall, wie zum Beispiel W, oder eine Halbleiter, wie zum Beispiel Si, poliert wird. Mit anderen Worten zeigt der Nassschlamm eine Polierselektivität ähnlich dem Nassschlamm, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel verwendet.
Es ist anzumerken, dass der pH-Wert leicht durch Hinzufügen einer Säure, wie zum Beispiel HCl, oder ein Alkali, wie zum Beispiel KOH eingestellt werden kann. Ferner kann das Redoxpotential leicht durch Hinzufügen von Ozonwasser oder blasenbildendem H₂ eingestellt werden. Das Redoxpotential steigt mit Hinzufügen des Ozonwassers und fällt mit dem blasenbildenden H₂.
[ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM]
Die 4A–4C stellen einen Herstellungsprozess eines Halbleiterbauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, speziell im Hinblick auf die Bildung einer Shallow-Trench-Bauelementisolationsstruktur.
In 4A ist ein Si-Substrat 8 entsprechend dem Si-Substrat 1 von 1A mit einer Bauelementisolationsnut 8A mit einer Tiefe von ungefähr 400 nm ausgebildet, gefolgt von einer Abscheidung eines SiO₂-Films 9 durch einen CVD-Prozess derart, dass der SiO₂-Film 9 die Nut 9A füllt wie in 4B angedeutet.
Als nächstes wird der SiO₂-Film 9 in dem Schritt von 4C einem CMP-Prozess unterzogen, indem ein in Tabelle I aufgezeigter Nassschlamm verwendet wird, bei dem Mn₂O₃-Partikel in einem Lösungsmittel aus H₂O als Schleifmittel dispergiert sind. Das Polieren wird unter der in Tabelle II dargestellten Bedingung durchgeführt, wobei das Polieren bei Freiliegen des Si-Substrats 8 auf Grund der Polierselektivität bezüglich des SiO₂ spontan beendet wird. Wie in Tabelle I dargestellt ist ein Selektivitätsverhältnis von wenigsten vier bezüglich der Poliergeschwindigkeit zwischen SiO₂ und Si bei Verwendung eines Nassschlamms, der Mn₂O₃ als Schleifmittel enthält, gesichert.
Bei dem Vorgang der 4A–4C ist anzumerken, dass die Oberfläche des Si-Substrats 8 selbst als Polierstopper dient und die Schritte zum Aufbringen eines zusätzlichen Polierstoppers vor dem CMP-Prozess oder das Entfernen desselben danach, wie in dem Fall der 1A–1F, können erfolgreich eliminiert werden.
Bei dem Polierschritt von 4C ist es ebenfalls möglich, MnO₂ als Schleifmittel in dem Nassschlamm zu verwenden, indem das Redoxpotential und der pH-Wert des Lösungsmittels derart eingestellt wird, dass Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ auf der Oberfläche der Schleifpartikel gebildet wird. Dadurch ist es möglich, ein wirksames Polieren der SiO₂-Films 9 ähnlich dem Fall, bei dem Mn₂O₃-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet werden, sowie eine wirksame Polierselektivität zu erreichen. Ferner wird eine ähnliches, spontanes Beenden des Polierens bei Freilegen des Si-Substrats 8 erzielt.
Gemäß diesem Verfahren, das MnO₂-Schleifpartikel in dem Nassschlamm verwendet, ist es möglich, denselben Nassschlamm, der für das Polieren einer Leiterschicht, wie zum Beispiel einer W-Schicht, verwendet wird, ebenfalls für das Polieren eines SiO₂-Films lediglich durch Einstellen der Zusammensetzung des Lösungsmittels zu verwenden. Dadurch kann der Schritt, den Nassschlamm auszutauschen, wenn eine Leiterschicht poliert wird oder wenn eine Isolierung poliert wird, eliminiert werden. Durch setzen des Redoxpotentials E auf 0 V und des pH-Werts zum Beispiel auf 12 oder mehr, wird die Oberfläche der MnO₂-Schleifpartikel mit Mn₂O₃ bedeckt.
Nach dem Polierschritt von 4C wird die Struktur von 4C für 1 Minute in eine Reinigungslösung getaucht, die HCl, H₂O₂ und H₂O in einem Volumenverhältnis von 1 : 1 : 48 enthält, gefolgt von dem Eintauchen in eine HF wasserhaltige Lösung mit einer 0,5 % Konzentration zur Entfernung von Verunreinigungen. Eine nach einem solchen Reinigungsvorgang durchgeführte chemische Analyse auf verschiedene Verunreinigungselemente (Na, K, Fe, Mn) zeigte, dass eine Reinheit von 5 × 10¹⁰ Atome/cm² für die Substratoberfläche realisiert wurde. Weiterhin wurden keine Mängel, wie zum Beispiel Kratzer, auf der Oberfläche des Si-Substrats 8 oder des SiO₂-Films 9 nach dem Poliervorgang festgestellt.
5 stellt die durch den SiO₂-Film 9 gebildete Stufenhöhe auf dem Si-Substrat 8 in der Struktur von 4C im Vergleich mit dem Ergebnis für die herkömmliche Struktur aus 1F dar, worin die horizontale Achse in 5 die Stufenhöhe darstellt, während die vertikale Achse die Auftrittshäufigkeit darstellt. In 5 stellt das mit „A" gekennzeichnete Verfahren den Fall dar, bei dem die Mn₂O₃-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet werden, während das mit „B" gekennzeichnete Verfahren den Fall angibt, bei dem Mn₂O₃ auf der Oberfläche der MnO₂-Schleifmittel gebildet werden.
In 5 liefert jedes der Verfahren „A" und „B" eine Stufenhöhe von weniger als 0,05 μm im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Stufenhöhe bis zu 2 μm erreichen kann.
Das Ergebnis aus 5 zeigt deutlich, dass der CMP-Prozess der vorliegenden Erfindung äußerst wirksam zum Planarisieren der Oberfläche des Substrats 8 ist, auf dem eine Shallow-Trench-Isolationsstruktur gebildet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, Mn₃O₄-Schleifmittel oder eine Mischung aus Mn₂O₃- und Mn₃O₄-Schleifmitteln für den Nassschlamm an Stelle von Mn₂O₃-Schleifmitteln zu verwenden.
[ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM]
Die 6A–6L sind Schaubilder, die den Herstellungsprozess eines Halbleiterbauelements einschließlich einer mehrschichtigen Zwischenverbindungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
In 6A ist ein Si-Substrat 11 mit einem aktiven Bereich 11A durch einen Feldoxidfilm 11a festgelegt und eine Gate-Elektrode 12 ist auf dem Substrat 11 in dem aktiven Bereich 11A aufgebracht, wobei ein Gate-Isolierfilm (nicht dargestellt) zwischen dem Substrat 11 und der Gate-Elektrode 12 liegt. Weiterhin ist das Substrat 11 mit Diffusionsbereichen 11a und 11b auf beiden Seiten der Gate-Elektrode 12 ausgestaltet und ein Kanalbereich 11d ist in dem Substrat 11 unmittelbar unter der Gate-Elektrode 12 festgelegt. Die Gate-Elektrode 12 trägt Seitenwandoxidfilme 12a und 12b seitlich an ihren beiden Seitenwänden und ein Zwischenschichtisolierfilm 13, üblicherweise aus SiO₂ bestehend, ist auf dem Substrat 11 durch einen CVD-Prozess derart aufgebracht, dass der Zwischenschichtisolierfilm 13 die Gate-Elektrode 12 einschließlich der Seitenwandoxidfilme 12a und 12b bedeckt.
Wie aus 6A ersichtlich ist, weist der so gebildete Zwischenschichtisolierfilm 13 einen Vorsprung und eine Vertiefung auf seiner Oberseite in Übereinstimmung mit der Gate-Elektrode 12 auf und daher wird die Struktur aus 6A in dem Schritt von 6B durch Polieren des Zwischenschichtisolierfilms durch einen CMP-Prozess planarisiert, der einen Nassschlamm verwendet, in dem Schleifmittel aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ in einem geeigneten Lösungsmittel, wie zum Beispiel H₂O, dispergiert sind. Wie bereits mit Bezug auf Tabelle I erläutert wurde, wird eine Poliergeschwindigkeit, die mehr als dreimal so groß ist wie die herkömmliche Poliergeschwindigkeit, durch Verwenden eines Nassschlamms erreicht, der Mn₂O₃- Schleifmittel zu diesem Zweck enthält. Weiterhin wird eine Poliergeschwindigkeit, die mehr als doppelt so groß wie die herkömmliche Poliergeschwindigkeit ist, erzielt, wenn ein Nassschlamm, der Mn₃O₄-Schleifmittel enthält, für denselben Zweck verwendet wird.
Als nächstes wird in dem Schritt von 6C der so planarisierte Zwischenschichtisolierfilm 13 mit einem Kontaktloch 13a versehen, so dass der Diffusionsbereich 11b freiliegt und eine TiN-Schicht 14c und eine W-Schicht 14 werden auf der Struktur aus 6C nacheinander durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess abgeschieden.
Der so abgeschiedene W-Film 14 wird dann in dem Schritt von 6E durch einen CMP-Prozess entfernt, der MnO₂-Schleifmittel verwendet und man erhält eine wie in 6E angegebene Struktur, bei der ein W-Zapfen 14b das Kontaktloch 13a füllt. Bei dem Vorgang in 6E ist anzumerken, dass die TiN-Schicht 14c mehr oder weniger intakt bleibt. Obwohl der so gebildete W-Zapfen 14b in seinem mittleren Teil eine Naht 14e als Resultat des seitlichen Wachstums der W-Schicht in dem Kontaktloch 13a zur Abscheidungszeit enthält, wird das Erosionsproblem der Naht durch ein flüssiges Oxidationsmittel, wie zum Beispiel H₂O₂, erfolgreich durch die Verwendung der MnO₂-Schleifmittel vermieden. Es ist zu bemerken, dass die MnO₂-Schleifmittel in dem Nassschlamm als festes Oxidationsmittel dienen und selbst während des Poliervorgangs der W-Schicht 14 nicht in die Naht 14e eindringen.
Als nächstes wird in dem Schritt von 6F ein dünner Ti-Film (nicht dargestellt) auf der Struktur aus 6E durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess gebildet und eine Leitungsschicht 15 aus Al oder einer Al-Legierung wird auf der Struktur aus 6E gebildet. Weiterhin wird eine dünne Ti-Schicht (nicht dargestellt) auf der Leiterschicht 15 abgeschieden und eine TiN-Schicht 15b wird ferner darauf durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess gebildet.
Als nächstes werden in dem Schritt von 6G sowohl die Leiterschicht 15 als auch die TiN-Schichten 14c und 15b gestaltet und die so erhaltene Struktur wird durch einen üblicherweise aus SiO₂ bestehenden Zwischenschichtisolierfilm 16 in dem Schritt von 6H bedeckt. Es ist anzumerken, dass der so gebildete Zwischenschichtisolierfilm 16 einen Vorsprung auf seiner Oberseite in Übereinstimmung mit dem vorhergehenden Leitermuster 15 aufweist.
Als nächstes wird in dem Schritt von 6I der Zwischenschichtisolierfilm 16 durch einen CMP-Prozess planarisiert, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet. Weiterhin wird der so planarisierte Zwischenschichtisolierfilm 16 in dem Schritt von 6J gestaltet, wobei ein Kontaktloch 16A gebildet wird, so dass die Leiterschicht 15 freiliegt. Weiterhin werden nacheinander eine TiN-Schicht 17a und eine W-Schicht 17 auf dem Zwischenschichtisolierfilm 16 in dem Schritt von 6K abgeschieden, so dass das Kontaktloch 16A gefüllt wird und der Schritt von 6L wird durchgeführt, bei dem die W-Schicht 17 durch einen CMP-Prozess entfernt wird, der MnO₂-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet. Als Resultat des Polierens wird ein Leiterzapfen 17A gebildet, so dass das Kontaktloch 16A gefüllt ist. Ähnlich wie zuvor kann der Leiterzapfen 17A eine Naht 17b in seinem mittleren Teil enthalten.
Weiterhin kann ein anderes Zwischenverbindungsmuster oder ein Zwischenschichtisolierfilm auf der Struktur aus 6L aufgebracht werden.
Bei dem vorhergehenden Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements ist anzumerken, dass eine Planarisierung auf den Isolierfilm 13 oder den Zwischenschichtisolierfilm 16 aus SiO₂ in dem Schritt von 6B oder 6I durch einen CMP-Prozess angewendet wird, der Schleifmittel aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ oder einer Mischung daraus in dem Nassschlamm verwendet. Es ist ebenfalls möglich, den vorhergehenden CMP-Prozess durch einen Nassschlamm auszuführen, der MnO₂-Schleifmittel zusammen mit einem Lösungsmittel verwendet, dessen Zusammensetzung für das Realisieren des in dem Phasendiagramm aus 3 dargestellten Redoxpotentials und des pH-Werts eingestellt wird. Ferner wird das Entfernen der Leiterschicht 14 oder 17 aus W in dem Schritt von 6E oder 6L durch einen CMP-Prozess durchgeführt, der MnO₂-Schleifmittel verwendet.
Wie bereits erläutert sind die Schleifmittel aus MnO₂, Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ in einer Säure löslich und daher können Restschleifmittel, die auf dem Substrat (Werkstück) oder der Polieranlage oder Poliervorrichtung zurückbleiben, leicht durch ein Säurereinigungsverfahren entfernt werden. Zu diesem Zweck kann eine Reinigungslösung, die HCl, H₂O₂ und H₂O in einem Volumenverhältnis von 1 : 1 : 48 enthält, wie bereits beschrieben verwendet werden.
[DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM]
Die 7A–7L sind Schaubilder, die den Herstellungsprozess eines Halbleiterbauelements einschließlich einer mehrschichtigen Zwischenverbindungsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
In 7A ist ein Si-Substrat 21, das dem Si-Substrat 11 entspricht, mit einem aktiven Bereich 21A durch einen Feldoxidfilm 21a festgelegt und eine Gate-Elektrode 22 ist auf dem Substrat 21 in dem aktiven Bereich 21A aufgebracht, wobei ein Gate-Isolierfilm (nicht dargestellt) zwischen dem Substrat 21 und der Gate-Elektrode 22 liegt. Weiterhin ist das Substrat 21 mit Diffusionsbereichen 21a und 21b auf beiden Seiten der Gate-Elektrode 22 ausgestaltet und ein Kanalbereich 21d ist in dem Substrat 21 unmittelbar unter der Gate-Elektrode 22 festgelegt. Die Gate-Elektrode 22 trägt Seitenwandoxidfilme 22a und 22b seitlich an ihren beiden Seitenwänden und ein Zwischenschichtisolierfilm 23, üblicherweise aus SiO₂ bestehend, ist auf dem Substrat 21 durch einen CVD-Prozess derart aufgebracht, dass der Zwischenschichtisolierfilm 23 die Gate-Elektrode 22 einschließlich der Seitenwandoxidfilme 22a und 22b bedeckt.
Wie aus 7A ersichtlich ist, weist der so gebildete Zwischenschichtisolierfilm 23 einen Vorsprung und eine Vertiefung auf seiner Oberseite in Übereinstimmung mit der Gate-Elektrode 22 auf und daher wird die Struktur aus 7A in dem Schritt von 7B durch Polieren des Zwischenschichtisolierfilms durch einen CMP-Prozess planarisiert, der einen Nassschlamm verwendet, in dem Schleifmittel aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ in einem geeigneten Lösungsmittel, wie zum Beispiel H₂O, dispergiert sind. Wie bereits mit Bezug auf Tabelle I erläutert wurde, wird eine Poliergeschwindigkeit, die mehr als dreimal so groß ist wie die herkömmliche Poliergeschwindigkeit, durch Verwenden eines Nassschlamms erreicht, der Mn₂O₃-Schleifmittel zu diesem Zweck enthält. Weiterhin wird eine Poliergeschwindigkeit, die mehr als doppelt so groß wie die herkömmliche Poliergeschwindigkeit ist, erzielt, wenn ein Nassschlamm, der Mn₃O₄-Schleifmittel enthält, für denselben Zweck verwendet wird.
Als nächstes wird in dem Schritt von 7C der so planarisierte Zwischenschichtisolierfilm 33 mit einem Kontaktloch 23a versehen, so dass der Diffusionsbereich 21b freiliegt und eine TiN-Schicht 24c und eine W-Schicht 24 werden auf der Struktur aus 7C nacheinander durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess abgeschieden.
Der so abgeschiedene W-Film 24 wird dann in dem Schritt von 7E durch einen CMP-Prozess entfernt, der MnO₂-Schleifmittel verwendet und man erhält eine wie in 7E angegebene Struktur, bei der ein W-Zapfen 24b das Kontaktloch 23a füllt. Bei dem Vorgang in 7E ist anzumerken, dass die TiN-Schicht 24c mehr oder weniger intakt bleibt. Obwohl der so gebildete W-Zapfen 24b in seinem mittleren Teil eine Naht 24e als Resultat des seitlichen Wachstums der W-Schicht in dem Kontaktloch 23a zur Abscheidungszeit enthält, wird das Erosionsproblem der Naht durch ein flüssiges Oxidationsmittel, wie zum Beispiel H₂O₂, erfolgreich durch die Verwendung der MnO₂-Schleifmittel vermieden. Es ist zu bemerken, dass die MnO₂-Schleifmittel in dem Nassschlamm als festes Oxidationsmittel dienen und selbst während des Poliervorgangs der W-Schicht 24 nicht in die Naht 24e eindringen.
Als nächstes wird in dem Schritt von 7F ein dünner Ti-Film (nicht dargestellt) auf der Struktur aus 7E durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess gebildet und eine Leitungsschicht 25 aus Al oder einer Al-Legierung wird auf der Struktur aus 7E gebildet. Weiterhin wird eine dünne Ti-Schicht (nicht dargestellt) auf der Leiterschicht 25 abgeschieden und eine TiN-Schicht 25b wird ferner darauf durch ein Sputterverfahren oder einen CVD-Prozess gebildet.
Als nächstes werden in dem Schritt von 7G sowohl die Leiterschicht 25 als auch die TiN-Schichten 24c und 25b gestaltet und die so erhaltene Struktur wird durch einen üblicherweise aus SiO₂ bestehenden Zwischenschichtisolierfilm 26 in dem Schritt von 7H bedeckt. Es ist anzumerken, dass der so gebildete Zwischenschichtisolierfilm 26 einen Vorsprung auf seiner Oberseite in Übereinstimmung mit dem vorhergehenden Leitermuster 25 aufweist.
Daher wird in dem Schritt von 7I der Zwischenschichtisolierfilm 26 aus 7H durch einen CMP-Prozess planarisiert, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet, bis die TiN-Schicht 25b freiliegt, die die Leiterschicht 25 bedeckt.
TABELLE III
Tabelle III stellt die Poliergeschwindigkeit des Nassschlamms dar, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel verwendet, wie sie auf einen SiO₂-Film angewendet werden, wobei die Polierbedingung in Tabelle II gegeben ist. Für einen Vergleich ist ebenfalls die Poliergeschwindigkeit eines herkömmlichen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamms (SC112) für einen SiO₂-Film aufgelistet. Wie aus Tabelle III deutlich hervorgeht liefert der Nassschlamm, der Mn₂O₃-Schleifmittel verwendet, eine Poliergeschwindigkeit, die drei- oder viermal so groß ist wie die herkömmliche Poliergeschwindigkeit, die durch einen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamm erreicht wird. Ähnlich liefert der Nassschlamm, der Mn₃O₄-Schleifmittel verwendet, eine Poliergeschwindigkeit, die zwei- oder dreimal so groß ist wie die vorhergehende herkömmliche Poliergeschwindigkeit. Bei Tabelle III ist anzumerken, dass die Poliergeschwindigkeiten für den Mn₂O₃-Nassschlamm und den Kieselerde-Nassschlamm den Poliergeschwindigkeiten in Tabelle I entsprechen.
Da die durch den Nassschlamm, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Nassschlamm verwendet, erzielte Poliergeschwindigkeit sehr groß verglichen mit der Poliergeschwindigkeit des herkömmlichen Kolloid-Kieselerde-Nassschlamms ist, schreitet das Polieren des Zwischenschichtisolierfilms 26 schnell fort, bis die TiN-Schicht 25b auf der Leiterschicht 25 freiliegt. Dadurch wird die Dicke des Zwischenschichtisolierfilms 26, der auf dem Zwischenschichtisolierfilm 23 verbleibt, in dem Zustand von 7I genau durch die Dicke der Leiterschicht 25 gesteuert. Da die Dicker der Leiterschicht 25 genau zur Abscheidungszeit gesteuert werden kann, wird die Dicke des Zwischenschichtisolierfilms 26 ebenfalls genau gesteuert. Ferner ist anzumerken, dass der CMP-Prozess, der die Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet, im Wesentlichen nicht auf einen Nitrid-Film, wie zum Beispiel dem TiN-Film 25b, einwirkt. Daher kann der TiN-Film 25b als wirksamer Polierstopper verwendet werden. Weiterhin wird das Polieren mehr oder weniger spontan auf Grund der sehr kleinen Poliergeschwindigkeit des Nassschlamms bezüglich der Leiterschicht 25, die aus W gebildet sein kann, beendet, selbst wenn der TiN-Film 25b auf der Leiterschicht 25 gebildet ist. Siehe Tabelle I. Es ist anzumerken, dass eine ähnliche, sehr große Poliergeschwindigkeit ebenfalls für den Zwischenschichtisolierfilm 26 erreicht wird, wenn der Zwischenschichtisolierfilm 26 aus einem Silikatglas, wie zum Beispiel PSG oder BPSG, gebildet ist.
Nach dem Schritt von 7I wird ein weiterer Zwischenschichtisolierfilm 27 auf dem so planarisierten Zwischenschichtisolierfilm 26 in dem Schritt von 7J gebildet. Da der Zwischenschichtisolierfilm 26 hervorragend planarisiert ist, ist es möglich, den Zwischenschichtisolierfilm 26 mit einer exakten Dicke durch einen CVD-Prozess oder einen anderen, ähnlichen Abscheidungsprozess zu bilden.
Als nächstes wird in dem Schritt von 7K ein Kontaktloch 27A in dem Zwischenschichtisolierfilm 27 gebildet wird, so dass die Leiterschicht 25 freiliegt. Weiterhin werden nacheinander eine TiN-Schicht 28a und eine W-Schicht 28 auf dem Zwischenschichtisolierfilm 27 in dem Schritt von 7L abgeschieden, so dass das Kontaktloch 27A gefüllt wird und der Schritt von 7M wird durchgeführt, bei dem die W-Schicht 28 durch einen CMP-Prozess entfernt wird, der MnO₂-Schleifmittel in dem Nassschlamm verwendet. Als Resultat des Polierens wird ein Leiterzapfen 28A gebildet, so dass das Kontaktloch 28A gefüllt ist. Ähnlich wie zuvor kann der Leiter zapfen 28A eine Naht 28b in seinem mittleren Teil enthalten, obwohl kein Korrosionsproblem der Naht während des Poliervorgangs in 7M auftritt.
Weiterhin kann ein anderes Zwischenverbindungsmuster oder ein Zwischenschichtisolierfilm auf der Struktur aus 7M aufgebracht werden.
Die Ursache, weshalb die Verwendung eines Nassschlamms, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel verwendet, die Poliergeschwindigkeit eines Oxidfilms erhöht, wird wie folgt verstanden.
Zunächst verursacht das Manganoxid eine chemische Reaktion, wenn es mit dem SiO₂, das den Zwischenschichtisolierfilm bildet, in Kontakt kommt, um die chemische Bindung zwischen den Si- und O-Atomen zu trennen, die den Film bilden.
Weiterhin werden die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel, wie später erläutert werden wird, durch eine Wärmebehandlung des MnO₂ gebildet. Als Resultat der Wärmebehandlung tritt eine Entgasung des O₂ aus dem MnO₂ auf und das MnO₂ wird in Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ umgewandelt. Es ist anzumerken, dass ein solches Entgasen von O₂ die Bildung winziger Poren in dem Agglomerat aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ verursacht und das so gebildete Agglomerat aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ leicht gebrochen wird, wenn es gemahlen wird, selbst wenn der Anteil der Zirkonoxidkugeln in der Mühle verringert wird. Ferner enthalten die so erhaltenen Schleifmittel aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ eine große Menge Poren und zerfallen leicht beim Polieren. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und den Schleifmittelns während des Poliervorgangs vergrößert.
[VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM]
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung des Nassschlamms, der Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel enthält, mit Bezug auf 8, die ein Flussdiagramm darstellt, beschrieben.
In 8 beginnt das Verfahren mit einem Schritt S1, bei dem ein Mangansalz, wie zum Beispiel MnSO₄ oder MnCO₃ in einer Schwefelsäure (H₂SO₄) aufgelöst wird und die so erhaltene Lösung wird in einem Schritt S2 zur Trennung von unlöslichen Verunreinigungen filtriert. Nach dem Schritt S2 wird der so gefilterten Lösung Schwefelwasserstoff (H₂S) zugegeben, so dass Metallverunreinigungen, wie zum Beispiel Cu, W, Mo und Ähnliches, aus der Lösung entfernt werden, indem eine Ausfällung verursacht wird. Der Vorgang des Schritts S3 kann ausgelassen werden, wenn ein Ausgangsmaterial von hoher Reinheit in Schritt S1 verwendet wird.
Nach dem Schritt S3 wird in einem Schritt S4 ein Filtriervorgang zur Trennung der Ausfällung durchgeführt, die sich in dem Schritt S3 gebildet hat und das Verfahren schreitet mit dem Schritt S5 fort, in dem eine Elektrolyse auf die in Schritt S4 erhaltene Lösung bei einer Temperatur von üblicherweise 90°C oder mehr angewendet wird. Als Resultat des Elektrolysevorgangs tritt ein galvanisches Abscheiden von τ-Phase MnO₂ (τ-Phase EMD) auf einer Anode auf, die aus Ti, Pb oder Graphit gebildet sein kann. Üblicherweise enthält die Lösung MnSO₄ in einer Konzentration von 0,5–1,2 mol/l und H₂SO₄ in einer Konzentration von 0,5–1,2 mol/l und die Elektrolyse wird bei einer Temperatur zwischen 90°C und 98°C durchgeführt, während ein Strom mit einer Stromdichte von 50–120 A/m² zugeführt wird. Nach der Elektrolyse in Schritt S5 wird die Lösung in Schritt S1 wiederverwendet.
Die so auf der Anode erhaltene τ-Phase EMD Ausfällung wird dann durch NH₄OH in dem nachfolgenden Schritt S6 neutralisiert und ein grober Mahlvorgang wird darauf in Schritt S7 angewendet, um τ-Phase EMD Aggregate zu bilden. Weiterhin werden die Aggregate in Schritt S8 in der Luft 5–10 Minuten kalziniert, üblicherweise 7 Minuten, wobei die Mehrheit an so erhaltenem MnO₂ in Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ umgewandelt wird. Wenn Mn₂O₃ gebildet wird, wird das Kalzinieren bei einer Temperatur von 500–900°C durchgeführt, während die Temperatur auf 900–1200°C gestellt wird, wenn Mn₃O₄ erhalten wird.
Das so erhaltene Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Produkt wird dann in einem nachfolgenden Schritt S9 durch einen Mahlvorgang, der in Wasser ausgeführt wird, pulverisiert, um Schleifmittel mit einem Durchmesser von 1–0,1 μm oder weniger zu bilden.
Die 9A–9C stellen die Änderung des Pulverbeugungsmusters des Manganoxids dar, das als Resultat des Wärmebehandlungsvorgangs hervorgerufen wird.
In den 9A–9C ändert sich das Beugungsmuster von in 9A dargestelltem τ-Phase MnO₂ in das Beugungsmuster von Mn₂O₃ nach dem Kalzinieren in Luft bei 500–900°C, das in 9B dargestellt ist. Außerdem ändert sich das Beugungsmuster weiterhin zu dem Muster von Mn₃O₄ nach dem Kalzinieren in Luft bei 900–1200°C, das in 9C dargestellt ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Poliergeschwindigkeit eines Zwischenschichtisolierfilms durch die Verwendung der Schleifmittel aus Mn₂O₃ oder Mn₃O₄ wie bereits erläutert wesentlich erhöht. Dadurch wird der Zwischenschichtisolierfilm nicht nur planarisiert, sondern seine Dicke durch Aufbringen eines Polierstoppers unterhalb des Zwischenschichtisolierfilms mit einer kontrollierten Dicke genau gesteuert. Ferner sind die Mn₂O₃- und Mn₃O₄-Schleifmittel beide säurelöslich und können vollständig durch ein Säurebad entfernt werden, wie bezüglich der ersten Ausführungsform erläutert wurde.
[FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM]
Bei herkömmlichen CMP-Prozessen, die SiO₂- oder Al₂O₃-Nassschlämme verwenden, wird ein Recycling oder eine Wiederverwendung der verwendeten Schleifmittel auf Grund der Schwierigkeit, die verwendeten Schleifmittel durch einen einfachen Ablagerungsvorgang zurückzugewinnen, gewöhnlich nicht praktiziert. Es ist anzumerken, dass es erforderlich ist, dass die Schleifmittel eines Nassschlamms eine ausgezeichnete Dispersion in einem Dispersionsmedium aufweisen und nicht leicht eine Ablagerung hervorrufen. Wenn Schleifmittel eine hohe Sedimentationsgeschwindigkeit aufweisen, kann sich die Konzentration der Schleifmittel in dem Nassschlamm mit der Zeit verändern und die Beherrschung der Poliergeschwindigkeit würde schwer fallen. Außerdem sind die solche verwendeten Schleifmittel, selbst wenn einige Schleifmittel zurückgewonnen werden können, allgemein durch ver schiedene Fremdelemente verunreinigt und die Wiederverwendung derselben in einem CMP-Prozess wird als schwierig angesehen.
Auf der anderen Seite eröffnet der vorher beschriebene Nassschlamm, der Manganoxid für die Schleifmittel verwendet, die Möglichkeit des Recyclings und der Wiederverwendung der Schleifmittel.
10 stellt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für das Recycling der MnO₂-Schleifmittel dar.
In 10 werden sowohl die Schleifmittel als auch die in einem CMP-Prozess verwendete Reinigungsflüssigkeit als Schlamm zurückgewonnen, wobei anzumerken ist, dass der so zurückgewonnene Schlamm verschiedene Fremdelemente enthält, die die Leiterschicht oder die Isolationsschicht bilden, auf die der CMP-Prozess angewendet wurde. Ähnliche Verunreinigungen werden ebenfalls gebildet, wenn der CMP-Prozess durch Verwenden der Nassschlämme durchgeführt wird, die Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel enthalten.
Der so zurückgewonnene Schlamm wird dann in Schritt S21 in einer Lösung aus H₂SO₄ und H₂O₂ aufgelöst und die den Schlamm so aufgelöste Lösung wird in Schritt S211 filtriert, um partikuläre Verunreinigungen zu entfernen. Die so filtrierte Lösung wird in Schritt S22 nach Bedarf durch Kontaktieren mit einem Schlangenwärmeaustauscher, durch den Dampf mit hoher Temperatur geblasen wird, erhitzt, so dass die Konzentration an Mn²⁺ in dem Schlamm auf ungefähr 10 % erhöht wird. Allgemein ist ein so zurückgewonnener Schlamm durch eine große Menge Reinigungsflüssigkeiten und Lösungen als Resultat verschiedener Reinigungsvorgänge verdünnt und enthält das Material in fester Phase nur ungefähr zu 1–2 %. Daher ist es allgemein erforderlich, den Konzentrierungsschritt S22 vor dem Elektrolysevorgang durchzuführen, der in dem nachfolgenden Schritt S23 durchgeführt wird.
Nach dem Schritt S22 wird der Schritt S23 wie oben angemerkt ausgeführt, bei dem die so konzentrierte Lösung einem Elektrolyseverfahren unterzogen wird, der dem Verfahren aus Schritt S5 entspricht und die als Resultat der Elektrolyse erhaltene Ablagerung wird dann neutralisiert und durch NH₄OH in Schritt S24 gereinigt, der dem vorher beschriebenen Schritt S6 entspricht. Weiterhin wird ein Mahlvorgang in Schritt S25 angewendet, der dem Schritt S7 entspricht und die so gemahlenen MnO₂-Aggregate werden in Luft in Schritt S27, der dem Schritt S8 entspricht, wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wird das so erhaltene Manganoxid durch ein in Schritt S26 ausgeführtes Mahlverfahren pulverisiert, der dem Schritt S9 entspricht, indem Wasser als Mahlkörper verwendet wird. Dadurch erhält man Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Schleifmittel mit einem Partikeldurchmesser von 0,1–1 μm.
Auf der anderen Seite wird die Flüssigkeit, die im Wesentlichen in Schritt S23 gebildetes H₂SO₄ enthält, zum Schritt S21 für die Wiederverwendung zurückgegeben.
11 stellt den Aufbau zur Durchführung des Verfahrens aus 10 dar.
In 11 wird der Abfallnassschlamm oder Schlamm, der als Resultat des Polierschritts oder des Reinigungsschritts eines Wafers 30 gebildet wurde, in einem Tank 31 zurückgewonnen, der eine wässrige Lösung aus H₂SO₄ und H₂O₂ enthält, worin die Manganoxid-Schleifmittel in dem Schlamm in der vorhergehenden wässrigen Lösung aufgelöst werden. Die wässrige Lösung, die auf diese Weise die zurückgewonnenen Schleifmittel aufgelöst hat, wird dann durch eine Pumpe 31a einem Konzentrationstank 32 durch einen Filter 31F zum Entfernen der partikulären Verunreinigungen zugeführt, worin die wässrige Lösung in dem Tank 32 durch einen Verdampfungsvorgang von H₂O, hervorgerufen durch einen Schlangenwärmetauscher 32a, dem ein Dampf mit hoher Temperatur zugeführt wird, konzentriert wird. Wahlweise ist es möglich, einen Filter, wie zum Beispiel eine Drehfilterpresse an Stelle des Konzentrationstanks 32, zu verwenden.
Die so konzentrierte Lösung wird einem Tank 33 zugeführt und von da weiterhin einem Elektrolysebad 34 zur Elektrolyse. Wie in 11 angegeben ist das Elektrolysebad 34 mit Anoden 34A aus Ti, Pb oder Graphit versehen und ferner mit Kathoden 34B eines Graphits, so dass die Anoden 34A und die Kathoden 34B abwechselnd angeordnet sind. Als Resultat der Elektrolyse wird eine Abscheidung 34a aus τ-MnO₂ auf der Anode 34A gebildet.
Nach der Elektrolyse wird die Elektrolytlösung in dem Bad 34, die im Wesentlichen H₂SO₄ enthält, in den Tank 33 zurückgegeben und dem Bad 34 zusammen mit einer Lösung, die dem Tank 33 neu zugeführt wurde, wieder zugeführt. Außerdem wird ein Teil der wässrigen Lösung in dem Tank 33 in den Tank 31 für die Wiederverwendung zurückgegeben.
Durch Ausführen des Verfahrens aus 10 in der Einrichtung aus 11 ist es möglich, ein τ-MnO₂ von hoher Reinheit zu bilden, das im Wesentlichen kein Na und K enthält. Da die nach der Elektrolyse in dem Elektrolysebad 34 zurückbleibende Lösung als Hauptbestandteil H₂SO₄ enthält, ist ein solches System vorteilhaft, ein geschlossenes System zu erstellen, dass die verwendete Lösung in den Tank 31 zurückgibt wie durch den Schritt S21 in dem Verfahren aus 10 angegeben ist.
Die folgende Tabelle IV vergleicht den Verunreinigungsgrad in einem CMD-Schleifmittel (chemisch synthetisiertes MnO₂) mit dem Verunreinigungsgrad in einem EMD-Schleifmittel (Elektrolyt-τ-MnO₂), das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vor und nach der Verwendung erhalten wurde.
Tabelle IV
Bei Tabelle IV ist anzumerken, dass das Niveau des Verunreinigungsgrads nach der Verwendung sowohl bei dem CMD- als auch bei dem EMD-Schleifmittel kleiner ist. Das Ergebnis der Tabelle IV ist ebenfalls auf die Mn₂O₃- oder Mn₃O₄-Nassschlämme anzuwenden.
Bei dem Verfahren nach 11 ist anzumerken, dass die Reproduktion der Schleifmittel, bei der die Tanks 31–34 verwendet werden, in einer separaten Anlage realisiert werden kann. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, den zurückgewonnenen Schlamm von der Anlage, in der die Herstellung der Halbleiterbauelemente durchgeführt wird, zu der Anlage, in der die Reproduktion der Schleifmittel durchgeführt wird, zu transportieren.
Um die Transportkosten zu reduzieren, ist es vorteilhaft, einen in 12 dargestellten Abscheider zu verwenden.
Zu 12 ist zu bemerken, dass der Abscheider in einem großen Ablagerungstank 40 gebildet ist, der in mehrere Sedimentationszellen 43A–43D durch mehrere Abteilungswände 42 unterteilt ist. Auf diese Weise wird der zurückgewonnene Schlamm, der üblicherweise durch eine große Menge Reinigungsflüssigkeiten wie bereits erwähnt verdünnt ist, zuerst in die Sedimentationszelle 43A durch einen Einlass 41 eingeleitet. Der so eingeleitete, zurückgewonnene Nassschlamm fließt dann nacheinander durch Überfluten der Fächer 42 und läuft durch einen Auslass 44 aus. Dadurch werden die verwendeten Schleifmittel in jeder Zelle 43A–43D in Form von Schlämmen 43a–43d zurückgewonnen. Durch Zurückgewinnen der Schlämme ist es möglich, die Transportkosten wesentlich zu reduzieren.
Der Nassschlamm der vorliegenden Erfindung ist nicht nur zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nützlich, sondern auch zum Polieren einer Linse oder zur Herstellung von Flüssigkristalltafeln, Plasmaanzeigetafeln oder einem Fadenkreuz.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorher beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können mehrere Variationen und Modifikationen durchgeführt werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzurücken.

Claims

Verwendung eines Nassschlamms zum Polieren eines Isolierfilms (9, 13, 16), wobei der Nassschlamm umfasst: Schleifpartikel, die das Polieren des Isolierfilms (9, 13, 16) verursachen; und ein Lösungsmittel, in dem die Schleifpartikel dispergiert sind, wobei die Schleifpartikel aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und einer Mischung daraus, ausgewählt sind.
Verwendung eines Nassschlamms gemäß Anspruch 1, worin die Schleifpartikel eine mittlere Korngröße von 1 μm oder weniger aufweisen.
Verwendung eines Nassschlamms gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Schleifpartikel eine mittlere Korngröße von etwa 0,2 μm aufweisen.
Verwendung eines Nassschlamms gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Lösungsmittel H₂O enthält.
Verfahren zum Polieren eines Isolierfilms (9, 13, 16), umfassend die Schritte: Polieren des Isolierfilms (9, 13, 16) durch einen Nassschlamm, der Schleifpartikel und ein Lösungsmittel enthält, wobei die Schleifpartikel aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und einer Mischung daraus, ausgewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der Isolierfilm (9, 13, 16) ein SiO₂-Film ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der Isolierfilm (13, 16) ein Silikatglas ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, worin der Polierschritt bezüglich einer Leiterschicht (13, 14c, 17, 17a, 24c, 25, 25b, 28a) oder einer Halbleiterschicht (8), die unterhalb des Isolierfilms (9, 13, 16) vorgesehen sind, selektiv durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Leiterschicht eine W-Schicht (13, 17, 25) oder eine TiN-Schicht (14c, 17a, 24c, 25b, 28a) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Halbleiterschicht (8) eine Si-Schicht oder ein Si-Substrat ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 zu Verwendung bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements.
Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Ausbilden einer Nut (8A) auf einem Halbleitersubstrat (8); und Aufbringen des Isolierfilms (9) auf das Halbleitersubstrat (8), um die Nut zu füllen; worin der Polierschritt so durchgeführt wird, dass der Isolierfilm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, worin der Polierschritt so durchgeführt wird, dass die Oberfläche des Substrats (8) als Resultat des Polierschrittes freiliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, worin der Polierschritt so durchgeführt wird, dass die Oberfläche des Substrats (8) eine bündige, eingeebnete Oberfläche mit einer Oberfläche der Isolierschicht (9) bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Ausbilden eines Zwischenverbindungsmusters (15, 15b) auf einem Substrat (11, 21); und Aufbringen des Isolierfilms (16) auf das Substrat, um das Zwischenverbindungsmuster zu bedecken; worin der Polierschritt so durchgeführt wird, dass der Isolierfilm eingeebnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Polierschritt durchgeführt wird, bis das Zwischenverbindungsmuster (25, 25b) freiliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Schritt des Ausbildens des Zwischenverbindungsmusters so durchgeführt wird, dass das Zwischenverbindungsmuster durch eine TiN-Schicht (15b, 25b) bedeckt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Aufbringen einer ersten Isolierschicht (13, 23) auf das Substrat (11, 21); Ausbilden einer Nut (13a, 23a) in der ersten Isolierschicht; Aufbringen einer Leiterschicht (15, 25) auf der ersten Isolierschicht, um die Nut zu füllen; Polieren der Leiterschicht mit einem Nassschlamm, der MnO₂-Schleifmittel enthält, bis die erste Isolierschicht freiliegt; wobei die Leiterschicht, die die Nut füllt, dadurch ein in die Nut eingebettetes, leitendes Muster bildet; Aufbringen einer zweiten Isolierschicht (16, 26) auf die erste Isolierschicht, die das leitende Muster beinhaltet, als Isolierfilm; worin der Polierschritt, der auf dem Isolierfilm (16, 26) mittels des Nassschlamms durchgeführt wird, der Manganoxid-Schleifmittel enthält, die aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und Mischungen daraus, ausgewählt sind, auf der zweiten Isolierschicht durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, worin der Isolierfilm (16) ein SiO₂-Film ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, worin der Isolierfilm (16) ein Silikatglas-Film ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20, ferner umfassend nach dem Polierschritt des Isolierfilms mittels des Nassschlamms, der Manganoxid-Schleifmittel enthält, die aus einer Gruppe, bestehend aus Mn₂O₃, Mn₃O₄ und Mischungen daraus, ausgewählt sind, einen Schritt des Lösens der Mangan-Schleifmittel durch ein Säurebad.
Verfahren gemäß Anspruch 21, worin das Säurebad HCl enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, welches ferner den Schritt des Lösens des MnO₂-Schleifmittels durch das Säurebad beinhaltet.