JP2013128096A - 化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スクラッチの発生を抑制した効率的な化学的平坦化方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、化学的平坦化方法は、凹凸を有する被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制する表面層を形成する工程を含む。本方法は、前記被加工膜を溶解する加工溶液中で前記表面層を介して前記被加工膜と加工体とを接触させつつ前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程をさらに含む。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態によれば、化学的平坦化方法は、凹凸を有する被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制する表面層を形成する工程を含む。本方法は、前記被加工膜を溶解する加工溶液中で前記表面層を介して前記被加工膜と加工体とを接触させつつ前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程をさらに含む。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置に関する。
半導体プロセスにおいて、例えば、リソグラフィの焦点深度(DOF:Depth of Focus)を確保するために、被加工体の表面において平坦性が高いことが望まれる。
平坦化のための加工技術として、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)技術があるが、使用するスラリー中の砥粒(物理的研磨剤)による研磨損傷(スクラッチ)が歩留まりを低下させる原因となる。
物理的研磨剤を用いない方法として凹凸表面を埋め込む氷層を形成し、この氷層をその表面から溶かしながら研磨する方法がある。また、絶縁膜溶解剤、絶縁膜の溶解保護剤及び水を含むCMP研磨剤を用い、被研磨膜のエッチングを防止し且つCMP研磨中は被研磨膜表面を脆弱化させながら基板表面を研磨する基板の研磨方法がある。
本発明の実施形態は、スクラッチの発生を抑制した効率的な化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、化学的平坦化方法は、凹凸を有する被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制する表面層を形成する工程を含む。本方法は、前記被加工膜を溶解する加工溶液中で前記表面層を介して前記被加工膜と加工体とを接触させつつ前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程をさらに含む。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る化学的平坦化方法を例示するフローチャート図である。 図2(a)〜図2(d)は、第1の実施形態に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
図2(a)に表したように、本実施形態に係る化学的平坦化方法においては、被加工膜10は、凹凸11を有する。凹凸11は、凸部11pと、凹部11dと、を有する。凸部11pの上面と、凹部11dの下面と、の間の距離(凹凸11の深さh1)は、例えば、30ナノメートル(nm)以上、5000nm程度以下である。
図1は、第1の実施形態に係る化学的平坦化方法を例示するフローチャート図である。 図2(a)〜図2(d)は、第1の実施形態に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
図2(a)に表したように、本実施形態に係る化学的平坦化方法においては、被加工膜10は、凹凸11を有する。凹凸11は、凸部11pと、凹部11dと、を有する。凸部11pの上面と、凹部11dの下面と、の間の距離(凹凸11の深さh1)は、例えば、30ナノメートル(nm)以上、5000nm程度以下である。
被加工膜10は、例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)である。ただし、実施形態はこれに限らず、被加工膜10の材料は任意である。実施形態において、被加工膜10は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法、または、塗布法により形成される。
被加工膜10は、例えば、基体5の主面上に形成されている。基体5は、例えば、半導体メモリ、高速ロジックLSI、システムLSI、メモリ・ロジック混載LSIなどの半導体デバイスの基板などである。
図1及び図2(b)に表したように、本方法では、凹凸11を有する被加工膜10の上に、表面層20を形成する(ステップS110)。表面層20は、被加工膜10の凹凸11に沿う。表面層20は、被加工膜10と、結合、または、化学吸着等の吸着により形成される。表面層20は、被加工膜10の溶解を抑制する。表面層20は、例えば、被加工膜10の保護層として機能する。
表面層20には、例えば、界面活性剤の層、自己組織化層及び撥水層の少なくともいずれかが用いられる。表面層20の例については後述する。
図1及び図2(c)に表したように、凹凸11の凸部11p上の表面層20を除去し、被加工膜10の凹凸11の凸部11pの溶解の程度を凹凸11の凹部11dの溶解の程度よりも大きくして、被加工膜10を平坦化する(ステップS120)。例えば、凸部11pの溶解速度を凹部11dの溶解速度よりも速くする。
加工溶液30中で、表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させる。加工溶液30は、被加工膜10を溶解する溶液である。例えば、被加工膜10がSiO2膜である場合には、加工溶液30は、フッ化水素溶液、フッ化アンモニウム溶液、または、強アルカリの溶液を含むことができる。これにより、加工溶液30は、被加工膜10を溶解する。
加工体40は、例えば、研磨用パッドである。加工体40は、例えば、樹脂材料を含む。また、加工体40は、例えば、触媒材料を含むことができる。
加工溶液30中で表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させつつ、被加工膜10と加工体40とを回転させる。すなわち、被加工膜10と加工体40との相対的な位置を変化させる。例えば、表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させつつ被加工膜10及び加工体40の少なくともいずれかを回転させる。この回転は、例えば、被加工膜10と加工体40とが接する面に対して垂直な方向を軸とする回転である。上記の相対的な位置の変化(例えば回転)により、凹凸11の凹部11d上の表面層20を残しつつ凹凸11の凸部11p上面上の表面層20を除去する。すなわち、凹凸11の凸部11p上の表面層20を選択的に除去する。
これにより、表面層20で凹部11dが覆われ、表面層20から凸部11pの上面が露出する状態が得られる。そして、凸部11pは加工溶液30に接触し、凸部11pは、加工溶液30により溶解される。一方、凹部11dは、表面層20で覆われており加工溶液30に接触しないため溶解され難い。すなわち、被加工膜10の凹凸11の凸部11pの溶解の程度は、凹凸11の凹部11dの溶解の程度よりも大きくなる。この状態で、被加工膜10の溶解が進むことで、被加工膜10は平坦化される。すなわち、平坦化(ステップS120)後における被加工膜10の凹凸の深さh2は、処理前の凹凸の深さh1よりも小さくなる。このように、平坦化処理後においては、初期の凹凸の深さ(大きさ)よりも、加工後の凹凸の深さ(大きさ)が小さい状態が得られる。
本実施形態においては、加工溶液30は、砥粒を実質的に含まない。これにより、砥粒に起因するスクラッチの発生が抑制される。
例えば、機械的な研磨方法(ラッピングなど)においては、被加工膜10の凸部11pから選択的に加工が行われ、凸部11pが実質的に消失したところで、平坦な表面が得られる。このため、研磨の厚さは、凹凸の深さh1とほぼ同等であり、効率的に平坦化を行うことができる。しかしながら機械的な研磨方法では、被加工膜10の表面でのダメージが大きく、加工により変質したダメージ層が形成されてしまう。このため、この方法は、高い特性と高い精度を有する微細な素子には適用できない。
また、例えば、SiO2膜のCMPにおいて、CeO2の砥粒に界面活性剤を添加したスラリーを用いる構成もある。CMPでは、研磨パッドにウェーハを直接、機械的に接触させて平坦化を行うため、研磨後に表面に欠陥が発生し易い。特に、微細化に伴い、スラリー中の砥粒によって誘発されるスクラッチは、歩留まりを下げる要因となることが分かった。
一方、例えば砥粒を用いない化学的な研磨方法(ウエットエッチングなど)においては、例えばエッチャントによる等方的なエッチングが行われる。この方法では、被加工膜10の表面において機械的なダメージの発生はない。しかしながら、凸部11pでのエッチング速度は凹部11dのエッチング速度と余り変わらないため、平坦な表面を得るためには、凹凸11の深さh1よりもかなり長い深さのエッチングが必要である。このため、平坦化のために加工する量が多く、効率が低い。また、場合によっては、エッチピットによって却って平坦性が悪化する可能性がある。
これに対して、本実施形態においては、被加工膜10の凹凸11の表面を表面層20で覆い、その後、凸部11p上の表面層20を選択的に除去する。これにより、被加工膜10の凹凸11の凸部11pの溶解の程度を凹凸11の凹部11dの溶解の程度よりも大きくできる。これにより、平坦化のために除去する被加工膜10の厚さは、凹凸11の深さh1とほぼ同等で良く、平坦化の効率が高い。
なお、SiCやGaNなどの被加工膜の化学的平坦化方法として、例えば、フッ化水素溶液中で、Ptなどの触媒板と、SiCやGaNと、を接触させる方法がある。この方法においては、触媒板の表面上でのみ活性な反応種が生成し、被加工膜の凸部のみに選択的にエッチングが発生して平坦化が進行する。しかしながら、適用される被加工膜の材料はSiCやGaNなどに限られ、SiO2などを含む任意の材料の被加工膜の平坦化には使用できない。
これに対して、本実施形態に係る化学的平坦化方法においては、被加工膜10の材料は限定されず、本方法は、高い精度での平坦化の要求の高いSiO2膜などの平坦化に適用できる。すなわち、被加工膜10を溶解する加工溶液30を適切に選択し、被加工膜10の凹凸11に沿う表面層20を用いる。表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させつつ被加工膜10と加工体40とを回転させ、凹部11d上の表面層20を残しつつ凸部11p上の表面層20を選択的に除去する。これにより、被加工膜10の凸部11pの溶解の程度を凹部11dの溶解の程度よりも大きくする。これにより、被加工膜10を平坦化する。これにより、任意の材料の被加工膜10を効率良く高い精度で平坦化できる。
なお、物理的研磨剤を用いない方法として凹凸表面を埋め込む氷層を形成し、この氷層をその表面から溶かしながら研磨する方法においては、氷層の形成及び氷層の溶解に伴う温度変化により、例えば被加工膜10に熱膨張または熱収縮が生じ、被加工膜10及び基体5に含まれる微細な構造体が破壊されることがある。また、微細な凹凸表面を氷層で埋め込み、この氷層の表面から均一に溶解させることは、面内の温度むら(例えば摩擦熱などのむらも含む)などにより、非常に困難である。そして、氷層は、被加工膜10の上に乗っているだけであり、氷層は、被加工膜10と結合または吸着していない。このため、氷層は、被加工膜10の上に安定して存在できず、安定した平坦化を行うことが困難である。
また、絶縁膜溶解剤、絶縁膜の溶解保護剤及び水を含むCMP研磨剤を用いる方法においては、溶解保護剤により被研磨膜のエッチングを防止し且つCMP研磨中に被研磨膜表面を脆弱化させることが目的であり、凸部11pと凹部11dとでの溶解速度を変化させることが困難である。このため、被加工膜10を効率良く高い精度で平坦化することは困難である。
本実施形態においては、被加工膜10の上に、被加工膜10の凹凸11に沿い、被加工膜10と結合または吸着する表面層20を形成することで、表面層20が安定して形成できる。これにより、凸部11pと凹部11dとでの溶解速度を変化させることが、再現性良く実現できる。
実施形態に係る化学的平坦化方法は、シリコン系の半導体プロセスにおける素子分離領域形成やメタル前絶縁膜形成のための、SiO2膜の平坦化に応用できるため、利用価値が非常に大きい。
本実施形態に係る化学的平坦化方法によれば、スクラッチの発生を抑制した効率的な化学的平坦化方法が提供できる。以下、本実施形態に係る化学的平坦化方法に係るいくつかの実施例について説明する。
(第1の実施例)
図3(a)〜図3(d)は、第1の実施例に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
例えば、図3(a)に表したように、図示しないシリコン基板(基体5)の上に、SiO2膜の被加工膜10が形成される。このシリコン基板の主面上には、例えばトランジスタなどの素子が形成されている。そしてこのような素子は凹凸を有しており、この凹凸を埋め込むように被加工膜10が形成される。被加工膜10は、例えばCVD法または塗布法により形成され、素子に起因した凹凸を平坦化するように形成されるが、被加工膜10の上には凹凸11が存在する。
図3(a)〜図3(d)は、第1の実施例に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
例えば、図3(a)に表したように、図示しないシリコン基板(基体5)の上に、SiO2膜の被加工膜10が形成される。このシリコン基板の主面上には、例えばトランジスタなどの素子が形成されている。そしてこのような素子は凹凸を有しており、この凹凸を埋め込むように被加工膜10が形成される。被加工膜10は、例えばCVD法または塗布法により形成され、素子に起因した凹凸を平坦化するように形成されるが、被加工膜10の上には凹凸11が存在する。
図3(b)に表したように、表面層20として、界面活性剤を被加工膜10に吸着させる。被加工膜の表面に吸着した界面活性剤(表面層20)は、表面保護膜として機能する。界面活性剤には、アニオン性、カチオン性、両性及び非イオン性の界面活性剤を用いることができる。また、界面活性剤は、アニオン系、非イオン部を有するアニオン系、カチオン系、両性系及び非イオン系の界面活性剤から選択することができる。この界面活性剤に好ましく用いられる官能基の例としては、例えば、カルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型、アミン塩型、第4級アンモニウム塩型、エーテル型、エステル型、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、及びグリシン型の官能基等があげられる。
例えば、界面活性剤は、被加工膜10の極性と逆の極性を有することができる。これにより、界面活性剤は、電気的相互作用により、被加工膜10により強く吸着することができる。これにより、表面層20が安定して形成できる。例えば、被加工膜10がSiO2膜である場合には、表面層20となる界面活性剤には、カチオン系界面活性剤を用いることが好ましい。
これにより、SiO2膜の被加工膜10の表面に、界面活性剤が電気的相互作用により強く吸着する。このように、表面層20として界面活性剤を用いた場合には、表面層20は、被加工膜10に化学吸着する。すなわち、本実施形態において、表面層20の形成は、被加工膜10の上に界面活性剤の層を形成することを含むことができる。
図3(c)に表したように、加工溶液30中で表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させつつ、被加工膜10と加工体40とを回転させる。加工溶液30には、例えば、水酸化カリウムやアンモニア等の溶液が用いられる。加工溶液30のpHは10程度であり、加工溶液30は、強アルカリ溶液である。加工溶液30中で、被加工膜10(SiO2膜)に、加工体40を、被加工膜10及び加工体40の少なくともいずれかを回転させながら接触させて平坦化加工を行う。加工体40には、例えばウレタン樹脂からなる研磨パッドが用いられる。
このとき、図3(c)に表したように、被加工膜10の凹部11dは、界面活性剤の表面層20により保護され、強アルカリ溶液中でも溶解が抑制される。一方、凸部11pでは、ウレタン樹脂の加工体40との接触により、凸部11p上面上から界面活性剤が離脱し、凸部11pのSiO2膜が露出する。被加工膜10の表面において、界面活性剤の吸着量が多いと、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。このため、凸部11pにおいて、強アルカリ溶液により溶解が進行する。このように、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
第1の実施例においては、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高い。このため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。
(第2の実施例)
本実施例では、表面層20としてカチオン性界面活性剤のポリビニルピロリドン(PVP)をSiO2の被加工膜10(図3(c)参照)の表面に形成する。本実施例では、カチオン性界面活性剤を用いているため、表面が負に帯電しているSiO2の被加工膜10と吸着しやすく、容易に表面層20を形成することができる。他にも、カチオン性界面活性剤として、ポリエチレンイミン(PEI)を用いることができる。
本実施例では、表面層20としてカチオン性界面活性剤のポリビニルピロリドン(PVP)をSiO2の被加工膜10(図3(c)参照)の表面に形成する。本実施例では、カチオン性界面活性剤を用いているため、表面が負に帯電しているSiO2の被加工膜10と吸着しやすく、容易に表面層20を形成することができる。他にも、カチオン性界面活性剤として、ポリエチレンイミン(PEI)を用いることができる。
本実施例に用いられるPVPの水系GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)によって測定された、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は、2万以上、好ましくは20万以上かつ150万以下、より好ましくは30万以上かつ150万以下である。重量平均分子量が上記範囲にあると、ウレタン樹脂の加工体40との接触による摩擦を低減することができる。界面活性剤を用いた場合、重量平均分子量が大きいほど保護効果は高い。
他にも、例えば、重量平均分子量が20万以上である第1のPVPと、2万以下の第2のPVPを混合してもよい。これにより、比較的高分子量である第1のPVPによって加工溶液30から保護がなされ、かつ比較的低分子量である第2のPVPにより緻密に表面層20が被加工膜10を被覆することができる。
PEIの水系GPCによって測定された、ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)は、1万以上、好ましくは10万以上かつ100万以下である。重量平均分子量が上記範囲にあると、ウレタン樹脂の加工体40との接触による摩擦を低減することができる。
また、図3(c)に表したように、被加工膜10の凹部11dは、カチオン性界面活性剤の表面層20により保護され、加工溶液30による溶解が抑制される。一方、凸部11pでは、ウレタン樹脂の加工体40との接触により、凸部11p上面上からカチオン性界面活性剤が離脱し、凸部11pのSiO2膜が露出する。被加工膜10の表面において、界面活性剤の吸着量が多いと、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。このため、凸部11pにおいて、フッ化水素とフッ化アンモニウムの混合溶液により溶解が進行する。このように、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
(第3の実施例)
本実施例では、表面層20の形成のために2種類の界面活性剤を用いる。第一の界面活性剤としてカチオン性界面活性剤を、第二の界面活性剤としてアニオン性界面活性剤を用い、被加工膜10(図3(c)参照)の表面に形成する。カチオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤を混合することにより、電気的または疎水的相互作用により、アニオン性界面活性剤を用いない場合よりも、さらに表面層20の保護効果を高めることができる。
本実施例では、表面層20の形成のために2種類の界面活性剤を用いる。第一の界面活性剤としてカチオン性界面活性剤を、第二の界面活性剤としてアニオン性界面活性剤を用い、被加工膜10(図3(c)参照)の表面に形成する。カチオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤を混合することにより、電気的または疎水的相互作用により、アニオン性界面活性剤を用いない場合よりも、さらに表面層20の保護効果を高めることができる。
本実施例に用いられるカチオン性の第1の界面活性剤は、例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)またはポリエチレンイミン(PEI)である。
アニオン性の第2の界面活性剤として、例えば、ポリアクリル酸(PAA)の重量平均分子量は、例えば、GPCによって測定されたポリエチレングリコール換算の重量平均分子量(Mw)を適用できる。PAAの重量平均分子量(Mw)は2,000以上かつ500万以下であればよいが、好ましくは4,000以上かつ10万以下である。第2の界面活性剤はアニオン性界面活性剤のため、単独では、溶解抑制効果は小さい。
さらに溶解を抑制するためには、第1の界面活性剤は重量平均分子量が大きいほど保護効果は高いが、第2の界面活性剤は、比較的重量平均分子量は小さい方が好ましい。例えば、重量平均分子量が100万の第1のPEIと、重量平均分子量が4,000の第2のPAAを混合すると、より緻密に被加工膜10を被覆することができ、摩擦と溶解を更に抑制することができる。
さらに溶解を抑制するためには、第1の界面活性剤は重量平均分子量が大きいほど保護効果は高いが、第2の界面活性剤は、比較的重量平均分子量は小さい方が好ましい。例えば、重量平均分子量が100万の第1のPEIと、重量平均分子量が4,000の第2のPAAを混合すると、より緻密に被加工膜10を被覆することができ、摩擦と溶解を更に抑制することができる。
図3(c)に表したように、被加工膜10の凹部11dは、カチオン性である第1の界面活性剤及びアニオン性である第2の界面活性剤を含む表面層20により保護され、加工溶液30による溶解が抑制される。一方、凸部11pでは、ウレタン樹脂の加工体40との接触により、凸部11p上面上から第1の界面活性剤及び第2の界面活性剤が離脱し、凸部11pのSiO2膜が露出する。被加工膜10の表面において、界面活性剤の吸着量が多いと、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。このため、凸部11pにおいて、フッ化水素とフッ化アンモニウムの混合溶液により溶解が進行する。このように、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
(第1の参考例)
第1の参考例においては、表面層20を形成せず、シリカ砥粒を用い、pHが8のアルカリ溶液を用いる。この溶液中で、ウレタン樹脂の加工体40を用いてSiO2膜のCMPによる平坦化が行われる。この場合には、平坦性は良好であるが、砥粒によるスクラッチが発生する。
第1の参考例においては、表面層20を形成せず、シリカ砥粒を用い、pHが8のアルカリ溶液を用いる。この溶液中で、ウレタン樹脂の加工体40を用いてSiO2膜のCMPによる平坦化が行われる。この場合には、平坦性は良好であるが、砥粒によるスクラッチが発生する。
(第2の参考例)
第2の参考例においては、表面層20を形成せず、セリア砥粒に界面活性剤を添加したスラリーを用いたpHが7のアルカリ溶液を用いる。この溶液中で、ウレタン樹脂の加工体40を用いてSiO2膜のCMPによる平坦化が行われる。この場合には、第1の参考例よりも高い平坦性が得られるが、砥粒によるスクラッチが発生する。
第2の参考例においては、表面層20を形成せず、セリア砥粒に界面活性剤を添加したスラリーを用いたpHが7のアルカリ溶液を用いる。この溶液中で、ウレタン樹脂の加工体40を用いてSiO2膜のCMPによる平坦化が行われる。この場合には、第1の参考例よりも高い平坦性が得られるが、砥粒によるスクラッチが発生する。
(第3の参考例)
第3の参考例においては、表面層20を形成せず、砥粒を用いず、pHが10の強アルカリ溶液中で、SiO2膜のウエットエッチングが行われる。このとき、加工体40は用いない。この場合は、スクラッチの発生は無いが、平坦性は低い。これは、凹部11dと凸部11pとの両方で等方的に溶解が進むためである。
第3の参考例においては、表面層20を形成せず、砥粒を用いず、pHが10の強アルカリ溶液中で、SiO2膜のウエットエッチングが行われる。このとき、加工体40は用いない。この場合は、スクラッチの発生は無いが、平坦性は低い。これは、凹部11dと凸部11pとの両方で等方的に溶解が進むためである。
(第4の参考例)
第4の参考例においては、表面層20を形成せず、砥粒を用いず、フッ化水素中で、SiO2膜のウエットエッチングが行われる。このとき、加工体40は用いない。この場合は、スクラッチの発生は無いが、平坦性は低い。これは、凹部11dと凸部11pとの両方で等方的に溶解が進むためである。
第4の参考例においては、表面層20を形成せず、砥粒を用いず、フッ化水素中で、SiO2膜のウエットエッチングが行われる。このとき、加工体40は用いない。この場合は、スクラッチの発生は無いが、平坦性は低い。これは、凹部11dと凸部11pとの両方で等方的に溶解が進むためである。
(第4の実施例)
第4の実施例では、表面層20として自己組織化層(Self-Assembled Monolayer:SAM)を、SiO2の被加工膜10の表面に形成する。このように、表面層20の形成は、被加工膜10の上に自己組織化層を形成させることを含むことができる。
第4の実施例では、表面層20として自己組織化層(Self-Assembled Monolayer:SAM)を、SiO2の被加工膜10の表面に形成する。このように、表面層20の形成は、被加工膜10の上に自己組織化層を形成させることを含むことができる。
自己組織化する分子は、その反応性官能基が、SiO2膜表面に向いた方向で吸着する。例えば、自己組織化する分子が長鎖アルキル基を有する場合、ファンデルワールス力や疎水基相互作用が働く。例えば、自己組織化する分子がベンゼン環を有する場合には、π電子相互作用が働く。このような分子においては、吸着分子が集合したときに熱的に安定化するため、分子が密に集積化した単分子膜が形成される。
この自己組織化層を表面層20として用いることで、加工溶液30による被加工膜10のウエットエッチングが抑制される。自己組織化層を用いた表面層20は、界面活性剤を用いた場合によりも緻密に被加工膜10を被覆する。このため、加工溶液30からの被加工膜10の保護効果が大きい。
SiO2膜の表面への自己組織化層の形成方法としては、例えば、シランカップリング反応を利用することができる。例えば、有機シランでSiO2膜の表面を処理すると、共有結合により、有機シラン分子が固定化されるシランカップリング反応が起こる。このとき、シロキサン結合(Si−O−Si)により、SiO2膜の表面が改質される。すなわち、表面層20は、被加工膜10と結合する。このように、表面層20の形成は、シランカップリング反応を生じさせることを含むことができる。
この実施例では、加工溶液30としてフッ化水素溶液を用い、加工体40としてPt(白金)の板を用いる。Pt板は、触媒として機能する。フッ化水素溶液中で、SiO2膜(被加工膜10)と、Pt板(加工体40)と、を、表面層20を介して接触させ、SiO2膜及びPt板の少なくともいずれかを回転させて平坦化加工を行う。このとき、SiO2膜の凹部11dでは、自己組織化層の表面層20による改質・保護により、フッ化水素による溶解が抑制される。
一方、凸部11pのPt板(触媒)の近傍では、以下の第1式、
F*+H2O → OH* +HF (1)
の反応により、ヒドロキシラジカル(OH*)が生成される。
F*+H2O → OH* +HF (1)
の反応により、ヒドロキシラジカル(OH*)が生成される。
図4は、第4の実施例に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
図4は、凸部11pのPt板(触媒)の近傍におけるヒドロキシラジカル(OH*)の発生の状態を模式的に例示している。Pt板の触媒(加工体40)と接触する凸部11pでは、ヒドロキシラジカルによる酸化により、シロキサン結合が切断され、SiO2が形成される。そして、以下の第2式、
SiO2+6HF → H2SiF6 + 2H2O (2)
の反応により、SiO2が溶解する。その結果、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。被加工膜10の表面において、自己組織化層の量が多いと、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。
図4は、凸部11pのPt板(触媒)の近傍におけるヒドロキシラジカル(OH*)の発生の状態を模式的に例示している。Pt板の触媒(加工体40)と接触する凸部11pでは、ヒドロキシラジカルによる酸化により、シロキサン結合が切断され、SiO2が形成される。そして、以下の第2式、
SiO2+6HF → H2SiF6 + 2H2O (2)
の反応により、SiO2が溶解する。その結果、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。被加工膜10の表面において、自己組織化層の量が多いと、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。
第4の実施例においても、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高い。このため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。
(第5の実施例)
第5の実施例では、表面層20として自己組織化層を用いる。そして、加工体40としてTiO2を用いる。TiO2は光触媒として機能する。
例えば、pHが10程度の強アルカリ溶液中で、自己組織化層の表面層20を介して、SiO2膜とTiO2板と接触させ、SiO2膜及びTiO2板の少なくともいずれかを回転させながら平坦化加工を行う。このとき、TiO2板の表面に紫外光を含有する光を照射する。SiO2膜の凹部11dでは自己組織化層の表面層20による改質・保護により、強アルカリ溶液による溶解が抑制される。
第5の実施例では、表面層20として自己組織化層を用いる。そして、加工体40としてTiO2を用いる。TiO2は光触媒として機能する。
例えば、pHが10程度の強アルカリ溶液中で、自己組織化層の表面層20を介して、SiO2膜とTiO2板と接触させ、SiO2膜及びTiO2板の少なくともいずれかを回転させながら平坦化加工を行う。このとき、TiO2板の表面に紫外光を含有する光を照射する。SiO2膜の凹部11dでは自己組織化層の表面層20による改質・保護により、強アルカリ溶液による溶解が抑制される。
一方、凸部11pのTiO2板(触媒)の近傍では、TiO2の光触媒効果により、ホールが形成され、以下の第3式及び第4式によりヒドロキシラジカルが生成される。
TiO2 + hν → e− + h+ (3)
OH− + h+ → OH* (4)
触媒と接触する凸部11pでは、ヒドロキシラジカルによる酸化により、シロキサン結合が切断されSiO2が表面に形成される。そして、強アルカリ溶液の加工溶液30により、SiO2膜が溶解する。その結果、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
TiO2 + hν → e− + h+ (3)
OH− + h+ → OH* (4)
触媒と接触する凸部11pでは、ヒドロキシラジカルによる酸化により、シロキサン結合が切断されSiO2が表面に形成される。そして、強アルカリ溶液の加工溶液30により、SiO2膜が溶解する。その結果、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
第5の実施例においても、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高いため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。表面層20として用いた自己組織化層は、平坦化加工の後に、例えば、アッシングにより除去することができる。
(第6の実施例)
第6の実施例では、表面層20として、撥水化処理層を用いる。例えば、表面層20の形成処理として、例えば、テトラメチルシリルジエチルアミン(TMSDMA)によるシリル化処理を行う。そして、加工体40として、Mo(モリブデン)板を用いる。Mo板は、触媒として機能する。加工溶液30として、フッ化水素溶液を用いる。
第6の実施例では、表面層20として、撥水化処理層を用いる。例えば、表面層20の形成処理として、例えば、テトラメチルシリルジエチルアミン(TMSDMA)によるシリル化処理を行う。そして、加工体40として、Mo(モリブデン)板を用いる。Mo板は、触媒として機能する。加工溶液30として、フッ化水素溶液を用いる。
フッ化水素溶液中で、撥水化処理層の表面層20を介して、SiO2膜とMo板とを接触させ、SiO2膜及びMo板の少なくともいずれかを回転させながら平坦化加工を行う。このとき、SiO2膜の凹部11dでは、撥水化処理層の表面層20により、フッ化水素による溶解が抑制される。被加工膜10の表面において、撥水化層の量が多いと(SiO2膜の撥水化度が高いと)、加工溶液30による被加工膜10の溶解速度は低い。
凸部11pのMo板の近傍では、第1式の反応により、ヒドロキシラジカルが生成される。触媒であるMo板と接触する凸部11pでは、ヒドロキシラジカルによる酸化により、シロキサン結合が切断され、表面にSiO2が形成される。第2式の反応によりSiO2が溶解する。その結果、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。
第6の実施例においても、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高いため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。
(第7の実施例)
第7の実施例においては、表面層20として、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)による撥水化処理層を用いる。そして、加工体40として、Pt板を用い、加工溶液30として、フッ化水素溶液を用いる。
第7の実施例においては、表面層20として、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)による撥水化処理層を用いる。そして、加工体40として、Pt板を用い、加工溶液30として、フッ化水素溶液を用いる。
この場合も、凸部11pのPt板の近傍では、第1式の反応により、ヒドロキシラジカルが生成され、凸部11pが選択的に溶解し、化学的に平坦化が進行する。第5の実施例においても、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高いため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。
このように、表面層20の形成は、被加工膜10を撥水化処理することを含むことができる。そして、被加工膜10を撥水化処理することは、テトラメチルシリルジエチルアミン、及び、ヘキサメチルジシラザンの少なくともいずれかを用いた処理を実施することを含むことができる。
そして、加工体40に用いる触媒材料は、Pt及びMoの少なくともいずれかを含むことができる。また、触媒材料は、TiO2を含み、平坦化する工程は、被加工膜10に紫外線を照射することを含むことができる。
このように、第1の実施形態に係る化学的平坦化方法は、凹凸11を有するSiO2膜(被加工膜10)の上に、SiO2膜の溶解を抑制する表面層20(保護膜)を形成する工程と、SiO2膜を溶解する加工溶液30中で、SiO2膜及び加工体40の少なくともいずれかを回転させながら接触させて平坦化する工程と、を含む。これにより、凹凸11を有するSiO2膜を化学的に加工し、スクラッチフリーで高平坦性が得られる化学的平坦化方法が提供できる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態においては、加工溶液30は、表面層20を形成する原料を含む。そして、表面層20の形成(ステップS110)は、表面層20を形成する原料を含む加工溶液30と被加工膜10とを接触させて、その原料から表面層20を形成することを含む。
第2の実施形態においては、加工溶液30は、表面層20を形成する原料を含む。そして、表面層20の形成(ステップS110)は、表面層20を形成する原料を含む加工溶液30と被加工膜10とを接触させて、その原料から表面層20を形成することを含む。
図5(a)〜図5(d)は、第2の実施形態に係る化学的平坦化方法を例示する模式的断面図である。
例えば、図5(a)に表したように凹凸11を有する被加工膜10が用いられる。被加工膜10には、例えばSiO2が用いられる。
例えば、図5(a)に表したように凹凸11を有する被加工膜10が用いられる。被加工膜10には、例えばSiO2が用いられる。
図5(b)に表したように、例えば、表面層20を形成する界面活性剤(表面層20の原料)を含む加工溶液30と、被加工膜10と、を接触させる。加工溶液30中の界面活性剤は、被加工膜10の表面に吸着し、表面層20が形成される。
図5(c)に表したように、加工溶液30中で表面層20を介して被加工膜10と加工体40(例えばウレタン樹脂)とを接触させつつ、被加工膜10と加工体40とを回転させる。これにより、凹部11d上の表面層20(界面活性剤)を残しつつ凹凸11の凸部11p上の表面層20を除去する。凸部11pは加工溶液30に接触し、凸部11pは、加工溶液30により溶解される。一方、凹部11dは、表面層20で覆われており加工溶液30に接触しないため溶解され難い。
第2の実施形態においても、凹部11dに対する凸部11pの加工選択比が高いため、高い平坦性が効率良く得られる。そして、砥粒を用いないため、スクラッチの発生が抑制される。本実施形態においては、表面層20の形成が加工溶液30中の原料によって行われるため、表面層20の形成の工程が簡略化できる。
このように、第2の実施形態に係る化学的平坦化方法は、凹凸11を有するSiO2膜(被加工膜10)と、加工溶液30と、を接触させて、SiO2膜の上に表面層20を形成する。この加工溶液30は、SiO2膜の溶解を抑制する表面層20となる成分と、SiO2膜を溶解する成分と、を含む。そして、本方法は、加工溶液30中で、SiO2膜及び加工体40の少なくともいずれかを回転させながら接触させて平坦化する工程と、を含む。これにより、凹凸11を有するSiO2膜を化学的に加工し、スクラッチフリーで高平坦性が得られる化学的平坦化方法が提供できる。
第1及び第2の実施形態に関して説明した化学的平坦化方法は、例えば、半導体メモリ、高速ロジックLSI、システムLSI、メモリ・ロジック混載LSIなどの半導体デバイスなどの製造に用いることができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、電子装置の製造方法に係る。この電子装置は、例えば、半導体層を含む半導体装置を含む。半導体装置は、例えば、半導体メモリ、高速ロジックLSI、システムLSI、メモリ・ロジック混載LSIなどを含む。この電子装置は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などの装置を含むこともできる。
第3の実施形態は、電子装置の製造方法に係る。この電子装置は、例えば、半導体層を含む半導体装置を含む。半導体装置は、例えば、半導体メモリ、高速ロジックLSI、システムLSI、メモリ・ロジック混載LSIなどを含む。この電子装置は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などの装置を含むこともできる。
図6は、第3の実施形態に係る電子装置の製造方法を例示するフローチャート図である。
図6に表したように、本製造方法は、基体5の上に被加工膜10を形成する工程(ステップS105)を含む。そして、本製造方法は、ステップS110及びステップS120をさらに含む。すなわち、本製造方法は、被加工膜10に、第1及び第2の実施形態に関して説明した化学的平坦化方法を施す工程をさらに含むことができる。
図6に表したように、本製造方法は、基体5の上に被加工膜10を形成する工程(ステップS105)を含む。そして、本製造方法は、ステップS110及びステップS120をさらに含む。すなわち、本製造方法は、被加工膜10に、第1及び第2の実施形態に関して説明した化学的平坦化方法を施す工程をさらに含むことができる。
本製造方法においては、スクラッチの発生を抑制し効率的に平坦化が可能な化学的平坦化方法を用いることで、高性能で微細な素子を有する電子装置を高い歩留まりで製造することができる。
(第4の実施形態)
図7は、第4の実施形態に係る化学的平坦化装置を例示する模式図である。
図7に表したように、本実施形態に係る化学的平坦化装置500は、前処理部520と、ポリッシング処理部510と、を含む。
図7は、第4の実施形態に係る化学的平坦化装置を例示する模式図である。
図7に表したように、本実施形態に係る化学的平坦化装置500は、前処理部520と、ポリッシング処理部510と、を含む。
前処理部520は、容器525と、ヘッド523と、を含む。ヘッドは、ウェーハ505を保持する。容器525内には、前処理溶液524を格納可能である。ウェーハ505は、前処理溶液524に接触させられる。これにより、前処理が行われる。
ポリッシング処理部510は、パッド511(platen)と、スラリーノズル512と、ヘッド513と、を含む。ヘッド513は、ウェーハ505(基体5)を保持する。スラリーノズル512から、スラリー512sがパッド511に向けて供給される。パッド511は、スラリー512sを介して、ウェーハ505と対向する。パッド511を回転させつつ、ウェーハ505を回転させる。これによりポリッシング処理が行われる。
本実施形態に係る化学的平坦化装置500においては、凹凸11を有する被加工膜10の上に凹凸11に沿い被加工膜10と結合または吸着し被加工膜10の溶解を抑制する表面層20を形成する工程を実施できる。さらに本装置は、被加工膜10を溶解する加工溶液中で表面層20を介して被加工膜10と加工体40とを接触させつつ被加工膜10と加工体40とを回転させ、凹凸11の凹部11d上の表面層20を残しつつ凹凸11の凸部11p上の表面層20を除去し、凸部11pの溶解の程度を凹部11dの溶解の程度よりも大きくして被加工膜10を平坦化する工程、を実施できる。
本実施形態に係る化学的平坦化装置においては、スクラッチの発生を抑制し効率的な平坦化が可能であり、高性能で微細な素子を有する電子装置を高い歩留まりで製造することができる。
表面層を形成する工程は、前処理部520により実施可能である。被加工膜10を平坦化する工程は、ポリッシング処理部510で実施可能である。
図8は、第4の実施形態に係る別の化学的平坦化装置を例示する模式図である。
図8に表したように、本実施形態に係る別の化学的平坦化装置600は、前処理ポリッシング処理部610を含む。前処理ポリッシング処理部610は、パッド611と、ノズル612と、を含む。ノズル612からは、スラリー512sまたは前処理溶液が、切り替えて、ウェーハ505に向けて供給される。化学的平坦化装置600においても、表面層を形成する工程と、被加工膜を平坦化する工程と、を実施することができる。
本実施形態によれば、スクラッチの発生を抑制した化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置が提供される。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置で用いられる被加工膜、表面層、加工溶液及び加工体などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての化学的平坦化方法及び化学的平坦化装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
5…基体、 10…被加工膜、 11…凹凸、 11d…凹部、 11p…凸部、 20…表面層、 30…加工溶液、 40…加工体、500…化学的平坦化装置、 505…ウェーハ、 510…ポリッシング処理部、 511…パッド、 512…スラリーノズル、 512s…スラリー、 513…ヘッド、 520…前処理部、 523…ヘッド、 524…前処理溶液、 525…容器、 600…化学的平坦化装置、 610…前処理ポリッシング処理部、 611…パッド、 612…ノズル、 h1、h2…深さ
Claims (10)
- 凹凸を有し酸化シリコン膜の被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制し、界面活性剤の層、自己組織化層、及び、撥水層のいずれかの表面層を形成する工程と、
フッ化水素溶液、フッ化アンモニウム溶液、または、強アルカリの溶液を含み、前記被加工膜を溶解する加工溶液中で、前記表面層を介して、前記被加工膜と、触媒材料を含む加工体と、を接触させつつ、前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程と、
を備え、
前記界面活性剤は、ポリアクリル酸と、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンイミンの少なくともいずれかと、を含み、
前記加工溶液は、前記表面層を形成する原料を含み、
前記表面層の形成は、前記原料を含む前記加工溶液と前記被加工膜とを接触させて前記原料から前記表面層を形成することを含む化学的平坦化方法。 - 凹凸を有する被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制する表面層を形成する工程と、
前記被加工膜を溶解する加工溶液中で前記表面層を介して前記被加工膜と加工体とを接触させつつ前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程と、
を備えた化学的平坦化方法。 - 前記被加工膜は、酸化シリコン膜である請求項2記載の化学的平坦化方法。
- 前記加工溶液は、フッ化水素溶液、フッ化アンモニウム溶液、または、強アルカリの溶液を含む請求項3記載の化学的平坦化方法。
- 前記表面層は、界面活性剤の層、自己組織化層、及び、撥水層のいずれかである請求項2〜4のいずれか1つに記載の化学的平坦化方法。
- 前記加工体は、触媒材料を含む請求項2〜5のいずれか1つに記載の化学的平坦化方法。
- 前記加工溶液は、前記表面層を形成する原料を含み、
前記表面層の形成は、前記原料を含む前記加工溶液と前記被加工膜とを接触させて前記原料から前記表面層を形成することを含む請求項2〜6のいずれか1つに記載の化学的平坦化方法。 - 前記界面活性剤は、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンイミンの少なくともいずれかを含む請求項2〜7のいずれか1つに記載の化学的平坦化方法。
- 前記界面活性剤は、ポリアクリル酸をさらに含む請求項8記載の化学的平坦化方法。
- 凹凸を有する被加工膜の上に前記凹凸に沿い前記被加工膜と結合または吸着し前記被加工膜の溶解を抑制する表面層を形成する工程と、
前記被加工膜を溶解する加工溶液中で前記表面層を介して前記被加工膜と加工体とを接触させつつ前記被加工膜と前記加工体とを回転させ、前記凹凸の凹部上の前記表面層を残しつつ前記凹凸の凸部上の前記表面層を除去し、前記凸部の溶解の程度を前記凹部の溶解の程度よりも大きくして前記被加工膜を平坦化する工程と、
を実施可能な化学的平坦化装置。
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