JP2004172417A - Manufacturing method for semiconductor device and polishing tool - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にSTI形成工程で用いられる保護膜の材料を改良した半導体装置の製造方法およびSTI形成工程で用いられる研磨方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が0.5μm以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。このような半導体ウエハの表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨(CMP)を行うポリッシング装置が知られている。
【0003】
この種の化学機械研磨(CMP)装置は、研磨パッドを上面に有する研磨テーブルとトップリングとを備えている。そして、研磨テーブルとトップリングとの間に研磨対象物を介在させて、研磨パッドの表面に砥液(スラリ)を供給しつつ、トップリングによって研磨対象物を研磨テーブルに押圧して、研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面状に研磨している。
【0004】
このようなCMP装置は、例えば半導体デバイスの最下層にトランジスタ回路を形成するためのSTI(Shallow Trench Isolation)形成工程に用いられている。図5(a)乃至図5(f)は、STI形成工程及びトランジスタ形成工程の一例を示す概略断面図である。シリコン基板100上の素子形成領域に窒化膜110(一般には窒化珪素膜Si3N4)を形成し(図5(a)参照)、この窒化膜110をマスクとしてシリコン基板100をドライエッチング(Reactive IonEtching(RIE))し、浅いトレンチ(浅溝部)120、すなわち素子分離領域を形成する(図5(b)参照)。このトレンチ内に露出しているSiを熱酸化してSiO2薄膜を形成する。次いで、このトレンチ120に絶縁材料であるシリコン酸化膜130をCVDで埋め込む(図5(c))。
【0005】
トレンチ120にシリコン酸化膜130を埋め込んだ場合に、図5(c)に示すように、トレンチの外周表面に余分なシリコン酸化膜130が残ってしまうので、この余分なシリコン酸化膜130を研磨によって除去し、窒化膜110の表面を露出させる(図5(d)参照)。次に、窒化膜110をウェットエッチングにより除去して、シリコン酸化膜の溝130aを形成し(図5(e)参照)、このシリコン酸化膜の溝130aを介して素子形成領域にトランジスタ140を形成する(図5(f)参照)。
【0006】
このようなSTI形成工程において、CMPを用いた研磨工程の目的は、上述したように、窒化膜上に形成された余分なシリコン酸化膜を完全に除去することにある。シリコン酸化膜の除去が不完全であると、その後の窒化膜のエッチングが阻害される。
【0007】
従来、上述したSTI形成工程における研磨においては、研磨部材としてポリウレタン系の研磨パッドとシリカ砥粒を分散させたスラリとが用いられており、該研磨パッドと半導体ウエハを相対運動させながら半導体ウエハを研磨パッドに押圧し、研磨パッドにスラリを供給しながら所定膜厚まで研磨する手法が採られていた。ただしこの手法には以下に述べるような問題があった。
(1)窒化膜がシリコン酸化膜よりも研磨されにくいので、図6に示すように、シリコン酸化膜130が窒化膜110に比較して研磨されすぎて、ディッシングが生じる。すなわち、シリコン酸化膜の残膜厚管理が困難である。
(2)窒化膜の研磨にムラが生じて窒化膜上の面内均一性を十分に得ることができない。すなわち、窒化膜の残膜厚管理が困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題への対策として、研磨工具としてポリウレタン系の研磨パッドを用い、研磨液としてセリア砥粒(CeO2)を分散させたスラリを用い、これに高濃度の界面活性剤を微量添加しながら、上記半導体ウエハを研磨する方法が用いられている。この方法の研磨原理を以下に示す。
a)陰イオン系界面活性剤がセリア砥粒表面に付着(セリア砥粒表面は正電荷)し、同じく窒化膜表面にも付着(窒化膜表面も正電荷)する。
b)セリア砥粒と窒化膜は共に陰イオン界面活性剤で覆われている。両者の表面は同符号の電荷を有し反発しあうため、セリア砥粒は窒化膜表面に接近しにくい。そのため窒化膜の研磨レートは極端に低くなる。
c)窒化膜がストッパーとして働くため、酸化膜の削りムラが是正され、半導体ウエハ全体の面内均一性が揃う。
d)窒化膜の研磨が進まなくなるため、トレンチ部の酸化膜の研磨レートも低下する。従ってディッシングが抑制される。
【0009】
この方法を適用することにより、ディッシングや残膜厚の問題はこれまでに比べ改善された(シリカスラリの場合500Å、セリアスラリの場合200〜300Å)。しかしながら、研磨工具として研磨パッドを用いているため、ディッシングのレベルは満足のいくものではなかった。またスクラッチが発生するという問題が新たに浮上した。
【0010】
ディッシングの改善にはパッドをより硬質化する必要がある。その方法として、固定砥粒パッド(又は固定砥粒)の適用が試みられている。固定砥粒パッドとは微細砥粒を樹脂で保持してパッド状に固めたものである。このパッドは一般に使用されているポリウレタン系の研磨パッドに比べて硬いため、段差特性に優れている。セリア(CeO2)砥粒を固定化した固定砥粒パッドに陰イオン系界面活性剤を添加しながら、STIを形成したウエハを研磨すると、以下に示すようにディッシング(図6参照)性能や残膜バラツキが格段に改善される。テクニカルノードが100nm以下であることが要求される仕様にも充分対応可能である。
・ディッシング量: 100Å以下
・窒化膜残膜バラツキ: 50Å以下
【0011】
しかしながら、ここでもスクラッチが発生するという問題が起こっており、スクラッチにはかなり深いものも存在する。スクラッチの発生は、固定砥粒(又は固定砥粒パッド)の表面のドレッシングにより粗大粒子が発生することが主な原因と考えられる。また深いスクラッチが発生するのは、パッドが硬質なためと考えられる。
【0012】
固定砥粒(又は固定砥粒パッド)を用いた研磨プロセスで発生する深いスクラッチは、窒化膜上(すなわち素子形成領域)に発生する場合が多く、窒化膜を貫通しているものもある。STI形成工程における研磨プロセスは、半導体基板にトランジスタを形成するための前工程である。トランジスタを形成する素子形成領域に発生するスクラッチは、デバイスの歩留まりに影響を及ぼす。特に窒化膜を貫通して下地のシリコン基板が傷つくと、その領域にはもはやトランジスタ回路は形成できなくなる。従って窒化膜上(すなわち素子形成領域)のスクラッチは、たとえ発生したとしても窒化膜を貫通しない程度の浅いものでなければならない。
【0013】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体基板のトランジスタを形成する素子形成領域にスクラッチやダメージを発生させない半導体装置の製造方法及び研磨方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述したCMPによって余分なシリコン酸化膜を除去して保護膜である窒化膜の表面を露出する工程において、保護膜のスクラッチの発生を抑えるために、本件発明者はスクラッチの発生原因を考察し、その低減策を鋭意研究した結果、本発明を創案するに到ったものである。以下に説明する。
(1)スクラッチ発生原因
スクラッチを発生させる原因は、主にスラリ(研磨液)中に含まれる粗大粒子に依るところが大きい。この粗大粒子はスラリ中にもともと含まれていたり、あるいは微細砥粒が物理・化学的作用により凝集・粗大化したものである。
セリアスラリは、一般に粒径が0.2μm程度とシリカスラリに比べるとやや大きい。セリア砥粒は、不純物を多く含む原料の精製・分級を繰り返して製造されるが、分級精度の問題から製造の最終段階でも微量の粗大粒子が含まれる確率が高い。また使用段階では、高濃度の界面活性剤を添加するため、砥粒が凝集しやすい。これらの粗大粒子が研磨界面に侵入するとウエハ面に確実にスクラッチが入る。
【0015】
STI研磨用の固定砥粒にはセリア砥粒が含まれているが、使用する界面活性剤が低濃度であるためセリアスラリのような凝集現象は起こりにくい。固定砥粒を用いた場合におけるスクラッチの発生は、主として、固定砥粒表面のドレッシングにより粗大粒子が発生することが原因と考えられる。またパッド(固定砥粒自体)が硬質なため深いスクラッチが発生すると考えられる。
【0016】
固定砥粒を用いた研磨プロセスで発生する深いスクラッチは、主に窒化膜上(すなわち素子形成領域)に発生する場合が多く、窒化膜を貫通しているものもある。STI形成工程における研磨プロセスは、半導体基板にトランジスタを形成するための前工程である。トランジスタを形成する素子形成領域に発生するスクラッチは、デバイスの歩留まりに影響を及ぼす。特に窒化膜を貫通して下地のシリコン基板が傷つくと、その領域にはもはやトランジスタ回路は形成できなくなる。従って窒化膜上(すなわち素子形成領域)のスクラッチは、たとえ発生したとしても窒化膜を貫通しない程度の浅いものでなければならない。
【0017】
(2)スクラッチの低減策
STI形成工程で用いるCMPに求められる性能は、主として、a)ディッシングが少ない、b)残膜厚のバラツキが小さい、c)スクラッチが少ないの3つである。固定砥粒を用いた研磨プロセスを適用すれば、a)およびb)の性能は確実にクリアできる。c)をクリアするための方策としては、「固定砥粒の改善」と「窒化膜(Si3N4)に替わる硬質材料の適用」の2つが考えられる。
【0018】
▲1▼固定砥粒の改善
固定砥粒の改善は、主に構成材料の改善を意味する。一般に、固定砥粒は、研磨速度を安定に確保するためにドレッシングと呼ばれる固定砥粒表面の目立てを必要とする。ドレッシングには、通常、100μm程度の大きさのダイヤモンド粒子をプレート面に多数電着固定したドレッサと呼ばれるものを用いる。ドレッシングを行うと固定砥粒表面から微細な砥粒が遊離してくるが、同時に粗大な粒子も遊離する。この粗大粒子がスクラッチ発生の主原因と考えられる。
【0019】
粗大粒子発生を抑えるには、ダイヤモンドドレッサによるドレッシングをしなくても研磨速度を安定に確保できることが必要である。ドレッシングしないと研磨速度が確保できないのは、固定砥粒内部で砥粒が樹脂に強固に保持されているためである。言い換えれば、樹脂の保持力を弱めれば、ドレッシングしなくても研磨速度を安定に確保できる可能性がある。
【0020】
このような特性を有する固定砥粒の組成としては、バインダー率が低いもの(40vol%以下)、空孔率が高いもの(30vol%以上)、または砥粒率が高いもの(30vol%以上)が望ましい。樹脂材料としては、砥粒保持力の極めて弱い樹脂材料が好適で、例えばPVA、ポリエステル、またはウレタンなどが好ましい。このような固定砥粒は、ダイヤモンドドレッサによるドレッシングをしなくても研磨速度を安定に確保できる。
【0021】
この他に、アルカリ液などの薬液で結合力が弱まる樹脂を含む固定砥粒、UV光など特定波長の光照射により樹脂の結合力を弱める作用を有する、ベンゾフェノンのような光増感剤樹脂を含む固定砥粒、UV光など特定波長の光照射により自身の結合力が弱まる光崩壊性樹脂を含む固定砥粒、または特定波長の光照射により酸化力または還元力を発現するいわゆる光触媒的作用を有する材料を含む固定砥粒などが有効と考えられる。これらもまた、ダイヤモンドドレッサによるドレッシングをしなくても研磨速度を安定に確保できる。
【0022】
▲2▼窒化膜(Si3N4)に替わる硬質材料の適用
固定砥粒を用いた研磨プロセスにおけるスクラッチの発生は、固定砥粒表面のドレッシングにより粗大粒子が発生することが主な原因と考えられる。またパッドが硬質なため深いスクラッチが発生すると考えられる。
固定砥粒を用いた研磨プロセスで発生する深いスクラッチは、主に窒化膜上(すなわち素子形成領域)に発生する場合が多く、窒化膜を貫通しているものもある。STI形成工程における研磨プロセスは、半導体基板にトランジスタを形成するための前工程である。トランジスタを形成する素子形成領域に発生するスクラッチは、デバイスの歩留まりに影響を及ぼす。特に窒化膜を貫通して下地のシリコン基板が傷つくと、その領域にはもはやトランジスタ回路は形成できなくなる。従って窒化膜上(すなわち素子形成領域)のスクラッチは、たとえ発生したとしても窒化膜を貫通しない程度の浅いものでなければならない。
▲1▼で説明したように、スクラッチ発生を抑えるには、ダイヤモンドドレッサを必要としない固定砥粒を実現する必要があるが、それにはクリアすべき技術的課題は多く、固定砥粒の改善の面からのスクラッチの低減には現段階では限度があるため、本件発明者は窒化膜(Si3N4)に替わる硬質材料の適用を検討したものである。
【0023】
STI形成工程では、素子形成領域の表面に形成する薄膜として窒化膜(Si3N4)が用いられている。窒化膜(Si3N4)はデバイス構成材料として古くから使用されている材料であるが、STI形成工程で使用される主な理由は下記の3つである。
i)シリコン基板をドライエッチング(RIE)する際のマスク材として機能する。
ii)CMP研磨するときのストッパー材として機能する。
iii)トランジスタを形成する面をCMPで発生するスクラッチから保護する。
このうち最も重要な機能はiii)であり、すなわち、窒化膜は素子形成領域を保護するのが主目的である。
【0024】
本件発明者はこの素子形成領域の保護という目的に着目し、素子形成領域を保護する材料を、窒化膜よりも硬質な材料を用いることにより保護機能をさらに高め、この領域のスクラッチ発生数を抑制でき、またスクラッチの深さを浅くできる可能性があることを見出し、本発明を創案したものである。
【0025】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板に素子分離領域となる浅溝部を形成する際に、素子形成領域をあらかじめ薄膜の保護膜で保護する工程において、該保護膜は窒化膜(Si3N4)よりも硬い材料からなることを特徴とする。
上記の窒化膜よりも硬い材料としては、SiC薄膜が有効である。その他に、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNなども有効である。
【0026】
上記材料のそれぞれの硬度(微小ビッカース硬度HV)を下記に示す。
・Si3N4(窒化膜):硬度 1800〜2000(kg/mm2)
・SiC:3000〜3500(kg/mm2)
・TiAlN:3500〜4000(kg/mm2)
・TiC:3000〜3200(kg/mm2)
・TiCN:3000〜3200(kg/mm2)
・DLC(ダイヤモンドライクカーボン):2000〜4000(kg/mm2)
上記材料のうちSiCは、Cu配線形成の絶縁膜として用いられる、いわゆるLow−k材料を被覆保護するためのハードマスク材料として使用が見込まれている。今後デバイス構成材料としての使用頻度が増え汎用性が高まるものと考えられる。
【0027】
本発明の半導体装置の製造方法の他の態様は、半導体基板に素子分離領域となる浅溝部を形成する際に、素子形成領域をあらかじめ薄膜の保護膜で保護する工程において、該保護膜は窒化膜(Si3N4)と該窒化膜よりも硬い材料からなる薄膜の2層構造で構成されていることを特徴とする。
上記態様における2層構造は、上層に窒化膜(Si3N4)を、下層に硬質材料であるSiC、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNのいずれかを配置することが好ましい。
【0028】
本発明の半導体ウエハの研磨方法は、半導体基板に素子分離領域となる浅溝部を形成する際に、素子形成領域をあらかじめ保護膜で保護し、形成された浅溝部に酸化膜を埋め込むSTI形成工程において、前記保護膜を窒化膜よりも硬い材料で構成し、前記保護膜上に形成された余分な酸化膜を固定砥粒で研磨除去することを特徴とする。
本発明の半導体ウエハの研磨工具は、上記半導体ウエハの研磨方法に用いる研磨工具であって、前記固定砥粒は砥粒と該砥粒を固定するバインダとからなり、該砥粒は保護膜よりも軟らかい材料で構成されていることを特徴とする。
【0029】
上述したように、窒化膜はCMPで研磨する際のストッパー材として機能する特徴を有する。この機能は、添加する界面活性剤の窒化膜表面への吸着効果により発現するものである。上記の硬質材料でも発現するが、窒化膜のほうがより顕著に現れる。この窒化膜の特性を生かしつつSi基板を保護する方法として、2層構造が考えられる。例えば、上層に窒化膜を、下層に硬質材料(SiC、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNなど)を配置する構成である。窒化膜のストッパー機能を生かすため、窒化膜は上層に配置するのが望ましい。なお膜厚は、「窒化膜(上層)>硬質材料(下層)」が望ましい。窒化膜よりも硬い材料は、研磨やエッチングによる除去が容易ではない。したがって 素子形成領域の保護膜は、主として窒化膜で形成し、下層の硬質膜はできるだけ薄くすることが望ましい。例えば、硬質膜は50nm以下が好ましい。
【0030】
トレンチ部に酸化膜を埋め込んだ後の余分な酸化膜を除去するのにCMPを用いるが、その除去方法としては、ディッシング特性や残膜レンジ特性に優れる固定砥粒パッド(固定砥粒)が好ましい。また固定砥粒パッドに用いる砥粒は、保護膜よりも軟らかい材料で構成されていることが好ましい。例えば、CeO2、SiO2、BaCO3、CaCO3、ZrO2などである。10段階モース硬度で比較すると、SiO2=7、CeO2=6、SiC=9なので、モース硬度7以下のものが好ましい。ちなみにビッカース硬度で比較すると、モース硬度6〜7の材料は「500〜800」程度であり、モース硬度9の材料は「1500〜6000」程度である。SiCはSiO2やCeO2よりも約4倍ほど硬いと考えられる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図1(a)乃至図1(f)は、本発明に係る半導体装置の製造方法を用いたSTI形成及びトランジスタ製造工程の一例を示す概略断面図である。シリコン基板1上の素子形成領域に炭化珪素(SiC)からなる保護膜10をCVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いて形成し(図1(a)参照)、この炭化珪素からなる保護膜10をマスクとしてシリコン基板1をドライエッチング(Reactive Ion Etching(RIE))し、浅いトレンチ(浅溝部)20、すなわち素子分離領域を形成する(図1(b)参照)。このトレンチ内に露出しているSiを熱酸化してSiO2薄膜を形成する。次いで、このトレンチ20に絶縁材料であるシリコン酸化膜30をCVD法で埋め込む(図1(c))。
【0032】
トレンチ20にシリコン酸化膜30を埋め込んだ場合に、図1(c)に示すように、トレンチの外周表面に余分なシリコン酸化膜30が残ってしまうので、この余分なシリコン酸化膜30を研磨によって除去し、炭化珪素からなる保護膜10の表面を露出させる(図1(d)参照)。次に、炭化珪素からなる保護膜10をウェットエッチング等を用いて除去し、シリコン酸化膜の溝30aを形成し(図1(e)参照)、このシリコン酸化膜の溝30aを介して素子形成領域にトランジスタ40を形成する(図1(f)参照)。保護膜10としては、窒化膜(Si3N4)よりも硬い材料であればよく、炭化珪素以外に、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNなどを用いてもよい。
【0033】
このようなSTI形成工程において、CMPを用いた研磨工程の目的は、炭化珪素からなる保護膜上に形成された余分なシリコン酸化膜を完全に除去することにある。シリコン酸化膜の除去が不完全であると、その後の炭化珪素等からなる保護膜のエッチングが阻害される。
【0034】
次に、本発明のCMPによる研磨工程で用いられるポリッシング装置を図2を参照して説明する。図2(a)はポリッシング装置の概略立面図であり、図2(b)はポリッシング装置の要部を示す平面図である。図2(a)および図2(b)に示すように、ポリッシング装置は、研磨テーブル50と、シリコン基板1上に保護膜10を形成し保護膜10上にシリコン酸化膜30を形成した半導体ウエハWを保持しかつ半導体ウエハWを研磨テーブル50の上面の研磨面に押し付けながら研磨するためのトップリング51と、研磨テーブル50に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル52とを備えている。また、ポリッシング装置は、窒素ガス供給源及び液体供給源に接続される複数の噴射ノズル(図示せず)を備えたアトマイザ53と、研磨テーブル50のドレッシングを行うためのドレッサ54とを備えている。
【0035】
図2(a)に示すように、トップリング51は、回転可能なトップリング駆動軸55によってトップリングヘッド56から吊下されている。トップリングヘッド56は位置決め可能な揺動軸57によって支持されており、揺動軸57により、トップリング51は研磨テーブル50上の研磨位置と、半導体ウエハの受渡しを行う受渡し位置との間を移動可能になっている。また、ドレッサ54は回転可能なドレッサ駆動軸65によってドレッサヘッド66から吊下されている。ドレッサヘッド66は位置決め可能な揺動軸67によって支持されており、揺動軸67により、ドレッサ54は研磨テーブル50上のドレッサ位置と待機位置との間を移動可能になっている。
【0036】
研磨テーブル50の上面は、砥粒と気孔又は気孔剤とがバインダ(樹脂)により結合された固定砥粒(又は固定砥粒パッド)50aによって構成されており、この固定砥粒50aによってトップリング51に保持された半導体ウエハWを研磨する研磨面が構成される。このような固定砥粒50aは、例えば、スラリ状の研磨剤(液体中に砥粒を分散させたもの)とエマルジョン状樹脂を混合分散した混合液を噴霧乾燥させ、この混合粉を成形治具に充填し、加圧・加熱処理して得られる。砥粒としては、好ましくは、平均粒子径が0.5μm以下のセリア(CeO2)又はシリカ(SiO2)又は炭酸バリウム(BaCO3)又は炭酸カルシウム(CaCO3)又は酸化ジルコニウム(ZrO)等を用いる。また、この砥粒原料は、粉末原料とスラリ原料のどちらでもよいが、均質な固定砥粒を製作するためには、微細砥粒として安定に存在するスラリ状砥粒を用いることが望ましい。さらに望ましくは、粒径10nm以上10μm以下の砥粒を使用することが望ましい。さらに半導体加工用途の研磨工具とするため、砥粒原料に含まれる金属の混入量を出来るだけ少なくすることが望ましい。
【0037】
また、バインダとして熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、付加重合系では、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリブタジエン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニリデン系樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂等のビニル系単量体に基づく樹脂を例示でき、重縮合系では、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリフェニレンオキサイド系樹脂等を例示でき、重付加系では、熱可塑性ポリウレタン系樹脂を例示でき、開環重合系では、ポリアセタール系樹脂を例示できる。また、熱硬化性樹脂としては、PVA、ポリエステル、ウレタンを例示できる。
【0038】
固定砥粒は、砥粒とバインダーと空孔から構成される。バインダーとして、主として本発明の熱可塑性樹脂を用いる。固定砥粒の組成比(砥粒率(Vg)とバインダー率(Vb)と空孔率(Vp)の比率:vol%)は、一例として、
砥粒率(Vg):バインダー率(Vb):空孔率(Vp)=35:55:10(vol%)
である。固定砥粒の組成比(砥粒率(Vg)とバインダー率(Vb)と空孔率(Vp)の比率:vol%)は、一般に、
10%<砥粒率(Vg)<50% 、
0%<バインダー率(Vb)<80%、
0%<空孔率(Vp)<50%
であり、
砥粒率(Vg)>30%、
バインダー率(Vb)<50%、
空孔率(Vp)>10%
が望ましい。
【0039】
次に、本発明の研磨装置を用いてSTI形成工程における半導体ウエハを研磨する工程について説明する。例えば、低パターン密度又は削れやすい膜質(BPSG膜など)の場合は、短時間の研磨で保護膜10(図1参照)に達するためトレンチ部のシリコン酸化膜のディッシングが進行しやすい。このような場合には、以下に述べるex−situドレッシングが採用される。
【0040】
1)ex−situドレッシング
研磨テーブル50とドレッサ54とをそれぞれ自転させつつ、ドレッサ54を研磨テーブル50に押圧し、固定砥粒50aのドレッシングを行う。このとき、アトマイザ53からDIW(deionized water(純水))と窒素ガスとの混合液を固定砥粒50aに向けて噴射する。
【0041】
2)ポリッシング
図3は図2に示すポリッシング装置の要部を示す模式図である。図3に示すように、研磨テーブル50とトップリング51とをそれぞれ矢印で示すように自転させつつ、半導体ウエハWを研磨テーブル50に押圧し半導体ウエハWのシリコン酸化膜を保護膜10に達するまで研磨する(図1(d)参照)。この場合、研磨テーブル50上の固定砥粒50aの砥粒はセリア(CeO2)粒子からなっている場合を説明する。このとき、研磨液供給ノズル52から陰イオン系界面活性剤を含み且つ砥粒を含まない研磨液を固定砥粒50a上に供給する。供給する陰イオン系界面活性剤の濃度は0.001%乃至5%であることが好ましく、またpHは5乃至10であることが好ましい。また、陰イオン系界面活性剤は、COO―基又はSO3 ―基からなる親水基を有する有機化合物を含むことが好ましい。
【0042】
このように、陰イオン系界面活性剤を含み且つ砥粒を含まない研磨液を固定砥粒50a上に供給しながら研磨することによって、陰イオン系界面活性剤がセリア砥粒表面に付着(セリア砥粒表面は正電荷)し、同じく保護膜10の表面にも付着(窒化膜表面も正電荷)し、セリア砥粒と保護膜は共に陰イオン界面活性剤で覆われる。両者の表面は同符号の電荷を有し反発しあうため、セリア砥粒は保護膜表面に接近しにくくなる。そのため保護膜の研磨レートは極端に低くなり、上述したように、保護膜10を研磨ストッパーとして作用させることができる。従って、保護膜10の研磨レートを低くして保護膜10上の面内均一性を得ると共にディッシングを抑制することができ、スクラッチが少なく平坦性の高い研磨を実現することが可能となる。
【0043】
3)水ポリッシング
ポリッシング終了後、研磨テーブル50とトップリング51とをそれぞれ自転させつつ、半導体ウエハを研磨テーブル50に押圧して水ポリッシュする。このとき、研磨液供給ノズル52から研磨液又はDIWを固定砥粒50a上に供給する。
【0044】
このように、削れやすく、研磨レートが速いウエハを研磨する場合には、上述したex−situドレッシングが採用されるが、高パターン密度又は削れにくい膜質の場合は、削れにくいので、研磨レートを高めるために、以下に述べるin−situドレッシングが採用される。なお、以下の説明においては、上述した例と重複する部分については適宜省略して説明する。
【0045】
1)in−situドレッシング研磨
研磨テーブル50、ドレッサ54、トップリング51をそれぞれ自転させつつ、固定砥粒50aのドレッシングを行いながら半導体ウエハWの研磨を行う。このとき、研磨液供給ノズル52から純水又はアルカリ液を固定砥粒50a上に供給すると共に、アトマイザ53からDIWと窒素ガスとの混合液を固定砥粒50a上に向けて噴射する。その後、例えば、保護膜10上のシリコン酸化膜の膜厚が1000Å以下となったら、ドレッサ54によるドレッシングを停止し、半導体ウエハの研磨を継続する。このとき、研磨液供給ノズル52から陰イオン系界面活性剤を含み且つ砥粒を含まない研磨液を供給する。即ち、半導体ウエハの保護膜10に到達する直前(保護膜上のシリコン酸化膜の残膜1000Å程度)までをドレッシングしながら研磨を行い(in−situドレッシング)、その後保護膜に到達するまでをドレッシングを停止して研磨を継続する。このようにすることで、上述したように、保護膜を研磨ストッパーとして作用させることができる。従って、保護膜の研磨レートを低くして保護膜上の面内均一性を得ると共にディッシングを抑制することができ、スクラッチが少なく平坦性の高い研磨を実現することが可能となる。
【0046】
2)水ポリッシング
ポリッシング終了後、研磨テーブル50とトップリング51とをそれぞれ自転させつつ、半導体ウエハWを研磨テーブル50に押圧して水ポリッシュする。このとき、研磨液供給ノズル52から研磨液又はDIWを固定砥粒50a上に供給する。
【0047】
上述の例では、陰イオン系界面活性剤を含み且つ砥粒を含まない研磨液を固定砥粒50a上に供給しながら研磨して保護膜10を研磨ストッパーとして作用させる場合について述べたが、更に保護膜を削る必要がある場合には、この後に、陽イオン系界面活性剤からなり且つ砥粒を含まない研磨液を固定砥粒50a上に供給して研磨を継続することとしてもよい。この陽イオン系界面活性剤は、脂肪族アミン塩、脂肪族4級アンモニウム塩、ベンザルコニウム塩、塩化ベンゼトニウム、ピリジニウム塩、又はイミダゾリニウム塩のいずれかの構造を有する有機化合物を含むことが好ましい。
【0048】
上述のようにして固定砥粒50aにより研磨された半導体ウエハは、図2には示されていないが、研磨テーブル50に隣接して設置された研磨テーブルに移動されて、ここでバフクリーニングが行われる。即ち、トップリング51と隣接して設置された研磨テーブルとをそれぞれ独立に回転させつつ、トップリング51に保持された研磨後の半導体ウエハWを研磨テーブル上の軟質の研磨布に押圧する。このとき、図示しない洗浄液供給ノズルから砥粒を含まない液体、例えば純水又はアルカリ液、好ましくはpH9以上のアルカリ液やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を含むアルカリ液を研磨布に供給する。これにより、研磨後の半導体ウエハの表面に付着した砥粒を効果的に除去することができる。
【0049】
また、上記バフクリーニングに代えて、洗浄機(図示せず)において半導体ウエハにDHF洗浄を行うこととしてもよい。また、上述したバフクリーニングやDHF洗浄の後、例えば、PVF材またはPVA材からなるペンシル型等のスポンジによって半導体ウエハの表面を洗浄することとしてもよい。更に、固定砥粒50aによる研磨後に、半導体ウエハの仕上げ研磨を行うこととしてもよい。この仕上げ研磨は、研磨テーブル50において行ってもよく、あるいは、研磨テーブル50に隣接して設置された研磨テーブル(図示せず)において行ってもよい。いずれの場合においても、砥粒を含む研磨液を用いて仕上げ研磨を行い、仕上げ研磨後に上述した水ポリッシング工程と洗浄工程(バフクリーニング又はDHF洗浄)を行う。
【0050】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法の他の実施形態について図4を参照して説明する。
図4(a)乃至図4(g)は、本発明に係る半導体装置の製造方法を用いたSTI形成及びトランジスタ製造工程の一例を示す概略断面図である。シリコン基板1上の素子形成領域に炭化珪素(SiC)からなる第1保護膜10をCVD法等を用いて形成し(図4(a)参照)、さらに、第1保護膜10上にCVD法を用いて窒化膜からなる第2保護膜11を形成する(図4(b)参照)。そして、この第2保護膜11をマスクとしてシリコン基板1をドライエッチング(RIE)し、浅いトレンチ(浅溝部)20、すなわち素子分離領域を形成する(図4(c)参照)。このトレンチ内に露出しているSiを熱酸化してSiO2薄膜を形成する。次いで、このトレンチ20に絶縁材料であるシリコン酸化膜30をCVD法で埋め込む(図4(d))。
【0051】
トレンチ20にシリコン酸化膜30を埋め込んだ場合に、図4(d)に示すように、トレンチの外周表面に余分なシリコン酸化膜30が残ってしまうので、この余分なシリコン酸化膜30を研磨によって除去し、第2保護膜11の表面を露出させる(図4(e)参照)。次に、窒化膜からなる第2保護膜11および炭化珪素からなる第1保護膜10をウェットエッチング等を用いて除去し、シリコン酸化膜の溝30aを形成し(図4(f)参照)、このシリコン酸化膜の溝30aを介して素子形成領域にトランジスタ40を形成する(図4(g)参照)。第1保護膜10としては、窒化膜(Si3N4)よりも硬い材料であればよく、炭化珪素以外に、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNなどを用いてもよい。
【0052】
上述したように、窒化膜はCMPで研磨する際のストッパー材として機能する特性を有している。この機能は、添加する界面活性剤の窒化膜表面への吸着効果により生ずるものである。SiC等の硬質材料でもストッパー材としての機能は勿論発揮するが、窒化膜の方がストッパー材としての機能はより顕著に現れる。この窒化膜の特性を生かしつつ、半導体基板を保護する方法として、図4(b)に示す2層構造を採用したものである。すなわち、上層に窒化膜からなる第2保護膜11を、下層に硬質材料(SiC、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BNなど)からなる第1保護膜10を配置する構成である。窒化膜のストッパー機能を生かすため、窒化膜は上層に配置するのが望ましい。なお、膜厚は、窒化膜の膜厚が硬質膜の膜厚より厚いことが望ましい。窒化膜よりも硬い材料は、研磨やエッチングによる除去が容易ではない。したがって、素子形成領域の保護膜は、主として窒化膜で形成し、下層の硬質膜はできるだけ薄くすることが望ましい。例えば、下層の硬質膜は50nm以下が好ましい。図4に示す実施例におけるCMPによる研磨工程は図1に示す実施例と同様であるため、説明を省略する。
【0053】
いずれの研磨工程においても、研磨終点の管理は以下の方法により行われる。
▲1▼研磨時間による管理
▲2▼被研磨面に研磨テーブルに埋め込んだ光学窓を介しての光(単一波長光もしくはスペクトル分布を有する光)を入射させ、もしくはそれ以外の手段で被研磨面に光を入射させ、その反射光や干渉光のデータ処理による管理
▲3▼研磨テーブルや図示しない研磨ベルトを駆動するモータ等の駆動手段の駆動状態の変化による管理
▲4▼研磨テーブルやトップリングに搭載した渦電流センサによる金属や導電性物質の状態変化による管理
上記▲1▼〜▲4▼等により研磨終点の管理を行い、その終点や残膜の情報から研磨条件(研磨押圧力、トップリング回転数等)を変化させて、研磨制御することも考えられる。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、トランジスタ回路を形成する素子形成領域の保護膜として、窒化膜よりも硬い材料、例えば、SiC、TiAlN、TiC、TiCN、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、BN等のいずれかを用いることで、CMP後の素子形成領域にスクラッチやダメージを発生させることなく、平坦性の高い研磨を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)乃至図1(f)は、本発明に係る半導体装置の製造方法を用いたSTI形成及びトランジスタ製造工程の一例を示す概略断面図である。
【図2】本発明のCMPによる研磨工程で用いられるポリッシング装置を示す図であり、図2(a)はポリッシング装置の概略立面図であり、図2(b)はポリッシング装置の要部の平面図である。
【図3】図2に示すポリッシング装置の要部を示す模式図である。
【図4】図4(a)乃至図4(g)は、本発明に係る半導体装置の製造方法を用いたSTI形成及びトランジスタ製造工程の他の例を示す概略断面図である。
【図5】図5(a)乃至図5(f)は、STI形成工程の一例を示す概略図である。
【図6】従来のポリッシング装置を用いた場合におけるディッシングを示す概略図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
10 保護膜(第1保護膜)
11 第2保護膜
20 トレンチ(浅溝部)
30 シリコン酸化膜
30a シリコン酸化膜の溝
40 トランジスタ
50 研磨テーブル
50a 固定砥粒
51 トップリング
52 研磨液供給ノズル
53 アトマイザ
54 ドレッサ
55 トップリング駆動軸
56 トップリングヘッド
57,67 揺動軸
65 ドレッサ駆動軸
66 ドレッサヘッド
W 半導体ウエハ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a material of a protective film used in an STI forming step is improved and a polishing method used in an STI forming step.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as the degree of integration of semiconductor devices has increased, circuit wiring has become finer, and the distance between wirings has become smaller. In particular, in the case of optical lithography having a line width of 0.5 μm or less, the depth of focus becomes shallow, so that the imaging surface of the stepper needs to be flat. As one means for flattening the surface of such a semiconductor wafer, a polishing apparatus that performs chemical mechanical polishing (CMP) is known.
[0003]
This type of chemical mechanical polishing (CMP) apparatus includes a polishing table having a polishing pad on an upper surface and a top ring. Then, an object to be polished is interposed between the polishing table and the top ring, and while the polishing liquid (slurry) is supplied to the surface of the polishing pad, the object to be polished is pressed by the top ring to the polishing table, and The surface of the object is polished flat and mirror-like.
[0004]
Such a CMP apparatus is used, for example, in an STI (Shallow Trench Isolation) forming process for forming a transistor circuit in the lowermost layer of a semiconductor device. 5A to 5F are schematic cross-sectional views showing an example of the STI forming step and the transistor forming step. A nitride film 110 (generally a silicon nitride film Si) is formed in an element formation region on the silicon substrate 100.3N4(See FIG. 5A), and the
[0005]
When the
[0006]
In such an STI forming step, the purpose of the polishing step using CMP is to completely remove an excess silicon oxide film formed on the nitride film as described above. Incomplete removal of the silicon oxide film hinders subsequent etching of the nitride film.
[0007]
Conventionally, in the above-mentioned polishing in the STI forming step, a polyurethane-based polishing pad and a slurry in which silica abrasive grains are dispersed are used as polishing members, and the semiconductor wafer is moved while the polishing pad and the semiconductor wafer are relatively moved. A method has been employed in which a polishing pad is pressed to a predetermined thickness while supplying a slurry to the polishing pad. However, this method has the following problems.
(1) Since the nitride film is less polished than the silicon oxide film, as shown in FIG. 6, the
(2) Unevenness occurs in polishing of the nitride film, and it is not possible to obtain sufficient in-plane uniformity on the nitride film. That is, it is difficult to control the remaining film thickness of the nitride film.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As a countermeasure against the above-mentioned problem, a polyurethane polishing pad is used as a polishing tool, and ceria abrasive (CeO) is used as a polishing liquid.2) Is used, and a method of polishing the above-mentioned semiconductor wafer while using a slurry in which a high concentration of a surfactant is added in a very small amount is used. The polishing principle of this method is described below.
a) Anionic surfactant adheres to the ceria abrasive grain surface (the ceria abrasive grain surface has a positive charge) and also adheres to the nitride film surface (the nitride film surface also has a positive charge).
b) Both the ceria abrasive and the nitride film are covered with an anionic surfactant. Since both surfaces have the same charge and repel each other, the ceria abrasive grains are difficult to approach the nitride film surface. Therefore, the polishing rate of the nitride film becomes extremely low.
c) Since the nitride film acts as a stopper, the unevenness of the oxide film is corrected, and the in-plane uniformity of the entire semiconductor wafer is uniformed.
d) Since the polishing of the nitride film does not proceed, the polishing rate of the oxide film in the trench portion also decreases. Therefore, dishing is suppressed.
[0009]
By applying this method, the problems of dishing and the remaining film thickness have been improved as compared to the past (500 ° for silica slurry, 200 to 300 ° for ceria slurry). However, the dishing level was not satisfactory because a polishing pad was used as a polishing tool. In addition, the problem of scratching has newly emerged.
[0010]
To improve dishing, it is necessary to harden the pad. As a method therefor, application of a fixed abrasive pad (or fixed abrasive) has been attempted. The fixed abrasive pad is a pad in which fine abrasive grains are held by a resin and hardened into a pad shape. Since this pad is harder than a generally used polyurethane polishing pad, it is excellent in step characteristics. Ceria (CeO)2When the wafer on which the STI was formed was polished while adding an anionic surfactant to the fixed abrasive pad on which the abrasive grains were fixed, dishing (see FIG. 6) performance and residual film variation were remarkable as shown below. To be improved. It can fully cope with the specification that the technical node is required to be 100 nm or less.
・ Dishing amount: 100kg or less
・ Nitride film variation: 50mm or less
[0011]
However, the problem that scratches occur also occurs here, and some of the scratches are quite deep. Generation of scratches is considered to be mainly caused by generation of coarse particles due to dressing of the surface of the fixed abrasive (or the fixed abrasive pad). Further, it is considered that the deep scratch occurs because the pad is hard.
[0012]
Deep scratches generated in a polishing process using fixed abrasive grains (or fixed abrasive pads) often occur on a nitride film (that is, an element formation region), and some scratches penetrate the nitride film. The polishing process in the STI forming process is a pre-process for forming a transistor on a semiconductor substrate. Scratch generated in an element formation region where a transistor is formed affects the yield of a device. In particular, if the underlying silicon substrate is damaged by penetrating the nitride film, a transistor circuit can no longer be formed in that region. Therefore, the scratch on the nitride film (that is, the element formation region) must be so shallow that it does not penetrate the nitride film even if it occurs.
[0013]
The present invention has been made in view of such problems of the related art, and provides a manufacturing method and a polishing method of a semiconductor device which does not cause scratching or damage in an element forming region for forming a transistor of a semiconductor substrate. Aim.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the step of removing the excess silicon oxide film by the above-described CMP and exposing the surface of the nitride film which is the protective film, in order to suppress the generation of the scratch of the protective film, the present inventors considered the cause of the generation of the scratch, As a result of diligent research into such reduction measures, the present invention has been made. This will be described below.
(1) Cause of scratch occurrence
The cause of scratch generation is mainly due to coarse particles contained in the slurry (polishing liquid). The coarse particles are originally contained in the slurry, or are fine abrasive particles that are aggregated and coarsened by physical or chemical action.
Ceria slurry generally has a particle size of about 0.2 μm, which is slightly larger than silica slurry. Ceria abrasive grains are produced by repeatedly refining and classifying a raw material containing a large amount of impurities. However, due to the problem of classification accuracy, there is a high probability that minute amounts of coarse particles are included even in the final stage of production. In addition, at the use stage, since a high concentration of a surfactant is added, the abrasive grains are likely to aggregate. When these coarse particles enter the polishing interface, the wafer surface is surely scratched.
[0015]
Ceria abrasive grains are contained in the fixed abrasive grains for STI polishing, but since the surfactant used is at a low concentration, the aggregation phenomenon such as ceria slurry hardly occurs. It is considered that the generation of scratches when using fixed abrasive grains is mainly caused by the generation of coarse particles due to dressing of the surface of the fixed abrasive grains. Further, it is considered that a deep scratch occurs because the pad (the fixed abrasive grains itself) is hard.
[0016]
Deep scratches generated in the polishing process using fixed abrasive grains are often generated mainly on the nitride film (that is, the element formation region), and some of the scratches penetrate the nitride film. The polishing process in the STI forming process is a pre-process for forming a transistor on a semiconductor substrate. Scratch generated in an element formation region where a transistor is formed affects the yield of a device. In particular, if the underlying silicon substrate is damaged by penetrating the nitride film, a transistor circuit can no longer be formed in that region. Therefore, the scratch on the nitride film (that is, the element formation region) must be so shallow that it does not penetrate the nitride film even if it occurs.
[0017]
(2) Measures to reduce scratches
The three performances required for the CMP used in the STI forming step are: a) less dishing, b) less variation in remaining film thickness, and c) less scratching. If a polishing process using fixed abrasives is applied, the performances of a) and b) can be reliably cleared. As measures to clear c), “improvement of fixed abrasive grains” and “nitride film (Si3N4Application of hard material instead of)).
[0018]
(1) Improvement of fixed abrasive
Improvement of fixed abrasive mainly means improvement of constituent materials. In general, fixed abrasives require dressing of the surface of the fixed abrasive, which is called dressing, in order to ensure a stable polishing rate. For dressing, a so-called dresser in which a large number of diamond particles having a size of about 100 μm are electrodeposited on a plate surface is usually used. When dressing is performed, fine abrasive grains are released from the surface of the fixed abrasive grains, but coarse particles are also released at the same time. These coarse particles are considered to be the main cause of scratch generation.
[0019]
In order to suppress the generation of coarse particles, it is necessary to stably secure the polishing rate without dressing with a diamond dresser. The reason why the polishing rate cannot be secured without dressing is that the abrasive grains are firmly held by the resin inside the fixed abrasive grains. In other words, if the resin holding force is weakened, there is a possibility that the polishing rate can be stably secured without dressing.
[0020]
As the composition of the fixed abrasive having such characteristics, those having a low binder ratio (40 vol% or less), those having a high porosity (30 vol% or more), and those having a high abrasive ratio (30 vol% or more) are used. desirable. As the resin material, a resin material having extremely low abrasive grain holding power is suitable, and for example, PVA, polyester, urethane, or the like is preferable. Such a fixed abrasive can ensure a stable polishing rate without dressing with a diamond dresser.
[0021]
In addition, a fixed abrasive containing a resin whose binding force is weakened by a chemical solution such as an alkali solution, a photosensitizer resin such as benzophenone having an action of weakening the binding force of the resin by light irradiation of a specific wavelength such as UV light. Including fixed abrasive grains, fixed abrasive grains containing a photo-degradable resin whose bonding force weakens when irradiated with light of a specific wavelength such as UV light, or a so-called photocatalytic action that develops oxidizing power or reducing power when irradiated with light of a specific wavelength It is considered that a fixed abrasive containing the material having the above is effective. These can also ensure a stable polishing rate without dressing with a diamond dresser.
[0022]
(2) Nitride film (Si3N4Application of hard material instead of)
Generation of scratches in the polishing process using fixed abrasive grains is considered to be mainly caused by the generation of coarse particles due to dressing of the surface of the fixed abrasive grains. Further, it is considered that a deep scratch occurs due to the hard pad.
Deep scratches generated in the polishing process using fixed abrasive grains are often generated mainly on the nitride film (that is, the element formation region), and some of the scratches penetrate the nitride film. The polishing process in the STI forming process is a pre-process for forming a transistor on a semiconductor substrate. Scratch generated in an element formation region where a transistor is formed affects the yield of a device. In particular, if the underlying silicon substrate is damaged by penetrating the nitride film, a transistor circuit can no longer be formed in that region. Therefore, the scratch on the nitride film (that is, the element formation region) must be so shallow that it does not penetrate the nitride film even if it occurs.
As described in (1), in order to suppress the occurrence of scratches, it is necessary to realize fixed abrasive grains that do not require a diamond dresser, but there are many technical issues to be solved, At present, there is a limit to the reduction of scratches from the surface.3N4) Was studied for the application of a hard material instead.
[0023]
In the STI forming step, a nitride film (Si) is formed as a thin film formed on the surface of the element forming region.3N4) Is used. Nitride film (Si3N4) Is a material that has been used for a long time as a device constituent material, but is mainly used in the STI forming process for the following three reasons.
i) It functions as a mask material when dry etching (RIE) the silicon substrate.
ii) It functions as a stopper material for CMP polishing.
iii) The surface on which the transistor is formed is protected from scratches generated by CMP.
Among them, the most important function is iii), that is, the main purpose of the nitride film is to protect the element formation region.
[0024]
The present inventor paid attention to the purpose of protecting the element formation region, and further improved the protection function by using a harder material than the nitride film for the material for protecting the element formation region, thereby suppressing the number of scratches generated in this region. The present inventors have found that there is a possibility that the depth of the scratch can be reduced, and have invented the present invention.
[0025]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in forming a shallow groove serving as an element isolation region in a semiconductor substrate, the element formation region is protected by a thin protective film in advance. (Si3N4) Is made of a material that is harder than
As a material harder than the nitride film, a SiC thin film is effective. In addition, TiAlN, TiC, TiCN, DLC (diamond-like carbon), BN and the like are also effective.
[0026]
The hardness (micro Vickers hardness HV) of each of the above materials is shown below.
・ Si3N4(Nitride film): hardness 1800 to 2000 (kg / mm2)
-SiC: 3000-3500 (kg / mm2)
・ TiAlN: 3500 to 4000 (kg / mm2)
・ TiC: 3000 to 3200 (kg / mm2)
-TiCN: 3000 to 3200 (kg / mm2)
-DLC (diamond-like carbon): 2000-4000 (kg / mm2)
Among the above materials, SiC is expected to be used as a hard mask material for covering and protecting a so-called Low-k material used as an insulating film for forming a Cu wiring. It is thought that the frequency of use as a device constituent material will increase in the future, and versatility will increase.
[0027]
Another aspect of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of forming a shallow groove serving as an element isolation region in a semiconductor substrate, wherein the element formation region is protected by a thin protective film in advance. Film (Si3N4) And a thin film made of a material harder than the nitride film.
In the two-layer structure in the above embodiment, the nitride film (Si3N4) Is preferably disposed in the lower layer as any of hard materials such as SiC, TiAlN, TiC, TiCN, DLC (diamond-like carbon), and BN.
[0028]
In the method of polishing a semiconductor wafer according to the present invention, when forming a shallow groove serving as an element isolation region in a semiconductor substrate, an STI forming step of protecting an element formation region with a protective film in advance and embedding an oxide film in the formed shallow groove is provided. Wherein the protective film is made of a material harder than a nitride film, and an excess oxide film formed on the protective film is polished and removed with fixed abrasive grains.
The polishing tool for a semiconductor wafer of the present invention is a polishing tool used for the method for polishing a semiconductor wafer, wherein the fixed abrasive grains are composed of abrasive grains and a binder for fixing the abrasive grains, and the abrasive grains are formed of a protective film. Also, it is characterized by being made of a soft material.
[0029]
As described above, the nitride film has a feature that functions as a stopper material when polishing by CMP. This function is exhibited by the effect of adsorbing the surfactant to the surface of the nitride film. Although it is expressed even in the above-mentioned hard materials, the nitride film appears more remarkably. As a method of protecting the Si substrate while utilizing the characteristics of the nitride film, a two-layer structure can be considered. For example, the configuration is such that a nitride film is disposed as an upper layer, and a hard material (such as SiC, TiAlN, TiC, TiCN, DLC (diamond-like carbon), or BN) is disposed as a lower layer. In order to make use of the stopper function of the nitride film, it is desirable to arrange the nitride film in an upper layer. The film thickness is desirably “nitride film (upper layer)> hard material (lower layer)”. A material harder than a nitride film is not easily removed by polishing or etching. Therefore, it is desirable that the protection film in the element formation region is mainly formed of a nitride film, and the lower hard film is as thin as possible. For example, the thickness of the hard film is preferably 50 nm or less.
[0030]
CMP is used to remove an excess oxide film after the trench is filled with an oxide film. As a removing method, a fixed abrasive pad (fixed abrasive) having excellent dishing characteristics and remaining film range characteristics is preferable. . Further, the abrasive used for the fixed abrasive pad is preferably made of a material softer than the protective film. For example, CeO2, SiO2, BaCO3, CaCO3, ZrO2And so on. Comparing with 10-step Mohs hardness, SiO2= 7, CeO2= 6 and SiC = 9, so those having a Mohs' hardness of 7 or less are preferable. By the way, when compared with Vickers hardness, materials having a Mohs 'hardness of 6 to 7 are about 500 to 800, and materials having a Mohs' hardness of 9 are about 1500 to 6000. SiC is SiO2And CeO2About four times harder.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1A to 1F are schematic cross-sectional views showing an example of an STI formation and transistor manufacturing process using the semiconductor device manufacturing method according to the present invention. A
[0032]
When the
[0033]
In such an STI forming step, the purpose of the polishing step using CMP is to completely remove an excess silicon oxide film formed on the protective film made of silicon carbide. If the removal of the silicon oxide film is incomplete, the subsequent etching of the protective film made of silicon carbide or the like is hindered.
[0034]
Next, a polishing apparatus used in the polishing step by CMP of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a schematic elevation view of the polishing apparatus, and FIG. 2B is a plan view showing a main part of the polishing apparatus. As shown in FIGS. 2A and 2B, the polishing apparatus includes a polishing table 50 and a semiconductor wafer having a
[0035]
As shown in FIG. 2A, the
[0036]
The upper surface of the polishing table 50 is constituted by fixed abrasive grains (or fixed abrasive pad) 50a in which abrasive grains and pores or pore agents are combined by a binder (resin). A polished surface for polishing the semiconductor wafer W held on the substrate is formed. Such a fixed abrasive 50a is spray-dried, for example, by mixing and dispersing a mixed liquid obtained by mixing and dispersing a slurry-like abrasive (a dispersion of abrasives in a liquid) and an emulsion resin. And heat-treated with pressure. As the abrasive, preferably, ceria (CeO) having an average particle diameter of 0.5 μm or less is used.2) Or silica (SiO2) Or barium carbonate (BaCO)3) Or calcium carbonate (CaCO3) Or zirconium oxide (ZrO). Further, the abrasive raw material may be either a powder raw material or a slurry raw material, but in order to produce a uniform fixed abrasive, it is desirable to use a slurry-like abrasive which is stably present as fine abrasive. More preferably, it is desirable to use abrasive grains having a particle size of 10 nm or more and 10 μm or less. Further, in order to obtain a polishing tool for semiconductor processing, it is desirable to minimize the amount of metal contained in the abrasive raw material as much as possible.
[0037]
Further, a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used as the binder. As the thermoplastic resin, in the case of addition polymerization, vinyl resins such as polyethylene resin, polypropylene resin, polybutadiene resin, polyvinyl chloride resin, polystyrene resin, polyvinylidene chloride resin, fluorine resin, acrylic resin, etc. Resins based on monomers can be exemplified, polycondensation systems include polyamide resins, polyester resins, polycarbonate resins, polyphenylene oxide resins, and the like, and polyaddition systems can include thermoplastic polyurethane resins. In the ring-opening polymerization system, a polyacetal resin can be exemplified. Examples of the thermosetting resin include PVA, polyester, and urethane.
[0038]
Fixed abrasive grains are composed of abrasive grains, a binder, and pores. As the binder, the thermoplastic resin of the present invention is mainly used. The composition ratio of fixed abrasive grains (ratio of abrasive grain rate (Vg), binder rate (Vb), and porosity (Vp): vol%) is, for example,
Abrasive grain ratio (Vg): binder ratio (Vb): porosity (Vp) = 35: 55: 10 (vol%)
It is. The composition ratio of fixed abrasive grains (ratio of abrasive rate (Vg), binder rate (Vb), and porosity (Vp): vol%) is generally
10% <Abrasive grain ratio (Vg) <50%,
0% <binder rate (Vb) <80%,
0% <porosity (Vp) <50%
And
Abrasive grain ratio (Vg)> 30%,
Binder ratio (Vb) <50%,
Porosity (Vp)> 10%
Is desirable.
[0039]
Next, the step of polishing a semiconductor wafer in the STI forming step using the polishing apparatus of the present invention will be described. For example, in the case of a low pattern density or a film quality (such as a BPSG film) that is easily shaved, dishing of the silicon oxide film in the trench portion easily progresses because the polishing reaches a protective film 10 (see FIG. 1) in a short time. In such a case, the following ex-situ dressing is employed.
[0040]
1) ex-situ dressing
While rotating the polishing table 50 and the
[0041]
2) Polishing
FIG. 3 is a schematic diagram showing a main part of the polishing apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 3, the semiconductor wafer W is pressed against the polishing table 50 while rotating the polishing table 50 and the
[0042]
As described above, by polishing while supplying a polishing liquid containing an anionic surfactant and containing no abrasive grains onto the fixed
[0043]
3) Water polishing
After the polishing is completed, the semiconductor wafer is pressed against the polishing table 50 and water-polished while rotating the polishing table 50 and the
[0044]
As described above, the above-described ex-situ dressing is employed when polishing a wafer which is easy to be polished and has a high polishing rate. For this purpose, the in-situ dressing described below is employed. In the following description, portions overlapping with the above-described example will be omitted as appropriate.
[0045]
1) In-situ dressing polishing
The semiconductor wafer W is polished while dressing the fixed
[0046]
2) Water polishing
After the polishing is completed, the semiconductor wafer W is pressed against the polishing table 50 and water-polished while rotating the polishing table 50 and the
[0047]
In the above-described example, a case was described in which the
[0048]
Although not shown in FIG. 2, the semiconductor wafer polished by the fixed
[0049]
In addition, instead of the buff cleaning, DHF cleaning may be performed on the semiconductor wafer in a cleaning machine (not shown). After the buff cleaning and the DHF cleaning, the surface of the semiconductor wafer may be cleaned with a pencil-type sponge made of, for example, a PVF material or a PVA material. Further, after the polishing by the fixed
[0050]
Next, another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.
4A to 4G are schematic cross-sectional views showing an example of an STI forming and transistor manufacturing process using the semiconductor device manufacturing method according to the present invention. A
[0051]
When the
[0052]
As described above, the nitride film has a property of functioning as a stopper material when polishing by CMP. This function is caused by the effect of adsorbing the surfactant to the surface of the nitride film. Even if a hard material such as SiC is used, the function as the stopper material is of course exhibited, but the function as the stopper material appears more remarkably in the nitride film. As a method of protecting the semiconductor substrate while utilizing the characteristics of the nitride film, a two-layer structure shown in FIG. 4B is employed. That is, the second
[0053]
In any of the polishing steps, management of the polishing end point is performed by the following method.
(1) Management by polishing time
(2) Light (single wavelength light or light having a spectral distribution) through an optical window embedded in a polishing table is incident on the surface to be polished, or light is incident on the surface to be polished by other means, Management of reflected light and interference light by data processing
(3) Management by changing the driving state of driving means such as a motor for driving a polishing table and a polishing belt (not shown).
(4) Management by changing the state of metals and conductive substances using an eddy current sensor mounted on a polishing table or top ring
It is also conceivable to control the polishing end point by the above (1) to (4) and the like, and to control the polishing by changing the polishing conditions (polishing pressure, top ring rotation speed, etc.) from the information of the end point and the remaining film. .
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a material harder than a nitride film, for example, SiC, TiAlN, TiC, TiCN, DLC (diamond-like carbon), or BN is used as a protective film in an element formation region for forming a transistor circuit. By using any of these methods, it is possible to realize polishing with high flatness without causing scratches or damage in the element formation region after CMP.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1F are schematic cross-sectional views showing an example of an STI formation and transistor manufacturing process using a semiconductor device manufacturing method according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a polishing apparatus used in a polishing step by CMP of the present invention, FIG. 2 (a) is a schematic elevation view of the polishing apparatus, and FIG. 2 (b) is an essential part of the polishing apparatus. It is a top view.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a main part of the polishing apparatus shown in FIG. 2;
FIGS. 4A to 4G are schematic cross-sectional views showing another example of an STI forming and transistor manufacturing process using the semiconductor device manufacturing method according to the present invention.
FIGS. 5A to 5F are schematic diagrams showing an example of an STI forming process.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating dishing when a conventional polishing apparatus is used.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate
10 Protective film (first protective film)
11 Second protective film
20 trench (shallow groove)
30 Silicon oxide film
30a Groove of silicon oxide film
40 transistors
50 polishing table
50a fixed abrasive
51 Top Ring
52 polishing liquid supply nozzle
53 Atomizer
54 Dresser
55 Top ring drive shaft
56 Top Ring Head
57,67 swing axis
65 Dresser drive shaft
66 Dresser head
W semiconductor wafer
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002337188A JP2004172417A (en) | 2002-11-20 | 2002-11-20 | Manufacturing method for semiconductor device and polishing tool |
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Country | Link |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007248562A (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-27 | Shincron:Kk | Optical component and its manufacturing method |
US7510981B2 (en) | 2005-10-17 | 2009-03-31 | Nec Electronics Corporations | Method for manufacturing semiconductor device |
-
2002
- 2002-11-20 JP JP2002337188A patent/JP2004172417A/en active Pending
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Doi | 7 Chemical Polishing and Mechanical Its Applications |
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