JP2013258212A

JP2013258212A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2013258212A
Application number: JP2012132383A
Authority: JP
Inventors: Fukugaku Minami; 学南幅; Akifumi Kawase; 聡文側瀬; Hajime Eda; 元江田; Yukiteru Matsui; 之輝松井; Osamu Kamo; 理加茂; Naoki Nishiguchi; 直希西口; Ayako Maekawa; 亜耶子前川
Original assignee: Toshiba Corp; JSR Corp
Current assignee: Toshiba Corp; JSR Corp
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP6091773B2; US20130331004A1

Abstract

【課題】ＣＭＰ特性の向上を図る半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上に、被研磨膜を形成する工程Ｓ１と、前記被研磨膜に対してＣＭＰ法を行う工程Ｓ２であり、前記ＣＭＰ法は、前記被研磨膜の表面を負のＲｓｋ値を有する研磨布の表面に当接させ、前記被研磨膜を研磨する工程Ｓ２２を含む。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造工程において、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）−ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）やＰＭＤ（Pre Metal Dielectric）−ＣＭＰ等がある。これらのＣＭＰでは、半導体基板上に形成された例えばシリコン酸化膜等を被研磨膜とし、その平坦化が行われる。

例えば、シリコン酸化膜の平坦化（ＣＭＰ）では、セリア系スラリーが用いられる。セリア系スラリーは、シリコン酸化膜に対する研磨速度が大きく、平坦化性能が高いという性質を有する。しかしながら、セリア系スラリーを用いても研磨布表面の状態によっては、ＣＭＰ後の被研磨膜（シリコン酸化膜）の表面にスクラッチが多く生じてしまう。その結果、歩留まりや信頼性を低下させてしまう。

特開２００５−３４７５６８号公報

ＣＭＰ特性の向上を図る半導体装置の製造方法を提供する。

本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、被研磨膜を形成する工程と、前記被研磨膜に対してＣＭＰ法を行う工程と、を具備する。前記ＣＭＰ法は、前記被研磨膜の表面を負のＲｓｋ値を有する研磨布の表面に当接させ、前記被研磨膜を研磨する工程を含む。

本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す構成図。本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す上面図。本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。Ｒｓｋ値について説明するための図。研磨実験による研磨布表面のＲｓｋ値と被研磨膜表面のスクラッチ数との関係を示すグラフ。コンディショニング実験による研磨布の表面温度と研磨布のＲｓｋ値との関係を示すグラフ。本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図。図７に続く、本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図。

本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複する説明は、必要に応じて行う。

＜実施形態＞
図１乃至図８を用いて、本実施形態について説明する。本実施形態では、半導体装置の製造方法におけるＣＭＰ法において、研磨布１１の表面をＲｓｋ値が負になるようにコンディショニングした後、回転する研磨布１１に被研磨膜を当接（摺動）させる。これにより、ＣＭＰ後の被研磨膜表面のスクラッチを低減することができる。以下に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について詳説する。

［ＣＭＰ装置］
以下に、図１および図２を用いて、本実施形態に係るＣＭＰ装置について説明する。

図１は、本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す構成図である。図２は、本実施形態に係るＣＭＰ装置を示す上面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るＣＭＰ装置は、ターンテーブル１０、研磨布１１、トップリング１２、スラリー供給ノズル１３、ドレッシング液供給ノズル１４、ドレッサー１５、および入口温度測定器１６を備える。

半導体基板２０が保持されたトップリング１２は、ターンテーブル１０上に貼付された研磨布１１上に当接される。半導体基板２０上には、被処理膜としての例えばシリコン酸化膜が形成されている。ターンテーブル１０は１〜２００ｒｐｍで回転可能であり、トップリング１２は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらターンテーブル１０およびトップリング１２は、それぞれ同じ方向に回転し、例えば反時計回りに回転する。また、ＣＭＰ中、ターンテーブル１０およびトップリング１２は、一定方向に回転する。これらの研磨荷重は、通常５０〜５００ｈＰａ程度である。

また、研磨布１１上には、スラリー供給ノズル１３が配置されている。このスラリー供給ノズル１３からは、スラリーとして所定の薬液を５０〜１０００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することができる。なお、スラリー供給ノズル１３は、ターンテーブル１０の中心付近に設けられているが、これに限らず、スラリーが研磨布１１の全面に供給されるように適宜設けられてもよい。

ドレッサー１５は、研磨布１１に当接されることにより、研磨布１１の表面のコンディショニングを行なう。ドレッサー１５は１〜２００ｒｐｍで回転可能である。これらドレッサー１５は、例えば反時計回りに回転する。また、コンディショニング中、ターンテーブル１０およびドレッサー１５は、一定方向に回転する。これらのドレッシング荷重は、通常５０〜５００ｈＰａ程度である。また、ドレッサー１５に接続される柱部分（ドレッサー駆動軸）には、赤外放射温度計である入口温度測定器１６が設置されている。この入口温度測定器１６の詳細については、後述する。

さらに、研磨布１１上には、ドレッシング液供給ノズル１４が配置されている。このドレッシング液供給ノズル１４からは、ドレッシング液として所定の薬液を５０〜１０００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給することができる。なお、ドレッシング液供給ノズル１４は、ターンテーブル１０の中心付近に設けられているが、これに限らず、ドレッシング液が研磨布１１の全面に供給されるように適宜設けられてもよい。

ドレッシング液は、例えば純水であり、その供給温度は適宜設定される。このドレッシング液の供給温度を制御することで、入口温度測定器１６により測定される入口温度を調整することができる。

図２に示すように、入口温度測定器１６は、ドレッサー１５に対して、ターンテーブル１０の回転方向の上流側に配置されている。このため、入口温度測定器１６は、ドレッサー１５に対して、ターンテーブル１０の回転方向の上流側の研磨布１１の表面温度（入口温度）を測定する。

また、入口温度測定器１６は、ドレッサー１５の中心Ｏ’を通り、ターンテーブル１０の中心Ｏを中心とした一定距離を有する円軌道Ｘ上において、研磨布１１の温度を測定する。これは、円軌道Ｘ上において、ドレッサー１５と研磨布１１とが接触している時間が長く、最高温度を測定することができるためである。

また、ドレッサー１５の端部付近において、ドレッシング液は、ドレッサー１５にぶつかって盛り上がる。このため、ドレッサー１５の端部付近で温度測定を行った場合、入口温度測定器１６は、研磨布１１の表面温度ではなく、誤ってドレッシング液の温度を測定する可能性がある。研磨布１１の表面温度を測定するために、入口温度測定器１６は、円軌道Ｘ上でかつドレッシング液から距離ｄ（例えば１０ｍｍ）離れた入口温度測定点Ａにおける温度を測定することが望ましい。

なお、ドレッシング液が研磨布１１の全面に供給されている場合、研磨布１１の表面温度としての入口温度測定点Ａに限らず、研磨布１１の表面のいずれを測定してもよい。すなわち、入口温度測定器１６は研磨布１１の表面のいずれかを測定できれば、いずれの位置に設置されてもよい。

［製造方法］
以下に、図３を用いて、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。

図３は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

図３に示すように、まず、ステップＳ１において、半導体基板２０上に被研磨膜が形成される。この被研磨膜は、例えば、ＳＴＩ構造やＰＭＤ構造を形成する際のシリコン酸化膜であるが、これに限らない。

次に、ステップＳ２において、被研磨膜に対してＣＭＰ法が行われる。ここで、本実施形態におけるＣＭＰ法は、以下の条件で行われる。

まず、ステップＳ２１において、研磨布１１のコンディショニングが行われる。より具体的には、ドレッサー１５が研磨布１１の表面に当接され、ドレッサー１５と研磨布１１とを摺動させる。また、ドレッシング液供給ノズル１４により、ドレッシング液、例えば純水が研磨布１１の表面に供給される。

ここで、例えば、研磨布１１として、ポリウレタンを主材料とし、ＳｈｏｒｅＤ硬度が５０以上８０以下、弾性率が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下であるものをターンテーブル１０に貼付する。また、例えば、ターンテーブル１０の回転数を１０ｒｐｍ以上１１０ｒｐｍ以下とする。また、例えば、ドレッサー１５として、ダイヤモンド粗さ♯１００以上♯２００以下（旭ダイヤモンド社製）であるものを用いる。また、例えば、ドレッサー１５の回転数を１０ｒｐｍ以上１１０ｒｐｍ以下とし、ドレッシング荷重を５０ｈＰａ以上３００ｈＰａ以下とする。また、例えば、コンディショニング時間は６０秒とする。

このとき、純水を供給する場合、研磨布１１の表面温度（入口温度測定器１６による入口温度測定点Ａの温度）が２３℃以上になるように、純水の供給温度および供給流量を制御する。これにより、研磨布１１のＲｓｋ値を−０．５以下にすることができる。

次に、ステップＳ２２において、被研磨膜が研磨される。より具体的には、トップリング１２に保持された被研磨膜がコンディショニングされた研磨布１１に当接され、被研磨膜と研磨布１１とを摺動させる。ここで、例えば、トップリング１２の回転数を１２０ｒｐｍとし、研磨荷重を３００ｇｆ／ｃｍ^２とする。また、スラリー供給ノズル１２から１００ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリーが供給される。スラリーは、例えば、砥粒として酸化セリウム（日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２）とポリカルボン酸アンモニウム（花王株式会社製ＴＫ７５）とを含有している。

このように、被研磨膜の表面を−０．５以下のＲｓｋ値を有して回転する研磨布１１の表面に当接させて研磨することで、研磨後の被研磨膜の表面のスクラッチ数を減少させることができる。この根拠については後述する。

なお、研磨布１１表面におけるＲｓｋ値は、−０．５以下であることが望ましく、また−１．０以下であることがより望ましい。しかし、これに限らず、研磨布１１表面におけるＲｓｋ値は、少なくとも負であればよい。後述するように、コンディショニングにおいて、研磨布１１の表面温度を高くすると、研磨布１１のＲｓｋ値が小さくなる（絶対値の大きな負になる）。すなわち、コンディショニングにおいて、研磨布１１の表面温度を高くすることでＲｓｋ値を小さくすることが望ましいが、研磨布１１の表面温度が２３℃以下であっても研磨布１１のＲｓｋ値を負にできればよい。

図４は、Ｒｓｋ値について説明するための図である。

Ｒｓｋ値（粗さ曲線スキューネス値）とは、表面粗さプロファイルの平均線に対する確率密度分布の相対性を示すものである。

図４（ａ）に示すように、確率密度分布が表面粗さプロファイルの平均線より下に偏った場合、Ｒｓｋ値は正であるという。このとき、凸に突き出した部分が多く、平坦な部分が少なくなる。

一方、図４（ｂ）に示すように、確率密度分布が表面粗さプロファイルの平均線より上に偏った場合、Ｒｓｋ値は負であるという。このとき、凸に突き出した部分が少なく、平坦な部分が多くなる。

すなわち、Ｒｓｋ値が負であるということは、Ｒｓｋ値が正であることよりも、その表面が滑らかであることを意味する。

［ＣＭＰ条件の根拠］
以下に、図５および図６を用いて、本実施形態におけるＣＭＰ条件の根拠について説明する。

まず、研磨布１１表面のＲｓｋ値と被研磨膜表面のスクラッチ数との関係を調べる研磨実験を行った。

図５は、研磨実験による研磨布１１表面のＲｓｋ値と被研磨膜表面のスクラッチ数との関係を示すグラフである。ここで、Ｒｓｋ値は、高視野のレーザー顕微鏡、例えばＨＤ１００Ｄ（レーザーテック社製）で測定した粗さから計算したものである。スクラッチ数は、ＣＭＰ後に一旦、被研磨膜表面を希フッ酸でライトエッチングした後に、ＫＬＡ２８１５（ＫＬＡテンコール社製、ＳＥＭＲｅｖｉｅｗ）でカウントしたものである。

図５に示すように、被研磨膜表面を研磨布１１表面に当接させて研磨する場合、研磨時における研磨布１１表面のＲｓｋ値と、その結果生じる被研磨膜表面のスクラッチ数との間に正の相関関係（相関係数０．７１）がある。言い換えると、研磨布１１のＲｓｋ値が大きくなると被研磨膜表面のスクラッチ数が多くなり、小さくなると少なくなる。

また、研磨布１１表面のＲｓｋ値が負側に大きくなる（絶対値の大きな負になる）ほど被研磨膜表面のスクラッチ数が少なくなるとともに、そのばらつきが小さくなる。特に、研磨布１１表面のＲｓｋ値が−０．５以下、より望ましくは−１．０以下になると、さらに被研磨膜表面のスクラッチ数が少なくなり、かつ、そのばらつきが小さくなる。

以上のように、研磨布１１表面のＲｓｋ値をより絶対値が大きな負の状態にして被研磨膜の研磨を行うことで、被研磨膜表面のスクラッチ数を少なくすることができる。このため、コンディショニングによって研磨布１１表面のＲｓｋ値をより絶対値が大きな負にすることが望まれる。

次に、研磨布１１の表面温度と研磨布１１のＲｓｋ値との関係を調べるコンディショニング実験を行った。ここでは、上述したＣＭＰ装置におけるドレッシング液供給ノズル１４から供給されるドレッシング液を制御することで、入口温度測定器１６によって測定される研磨布１１の表面温度を調整している。また、コンディショニング実験は、以下の条件によって行われた。

研磨布：ポリウレタン（ＳｈｏｒｅＤ硬度が６０、弾性率が４００ＭＰａ）
ターンテーブル回転数：２０ｒｐｍ
ドレッサー：ダイヤモンド粗さ＃１００（旭ダイヤモンド社製）
ドレッサー荷重：２００ｈＰａ
ドレッサー回転数：２０ｒｐｍ
ここで、ドレッシング液を純水とし、その供給温度を５℃、２３℃（室温）、６５℃として、それぞれ６０秒間のコンディショニング実験を行った。それぞれのコンディショニング実験において、入口温度測定器１６で計測された研磨布１１の表面温度は、９℃、２３℃、４１℃であった。

図６は、コンディショニング実験による研磨布１１の表面温度と研磨布１１のＲｓｋ値との関係を示すグラフである。

図６に示すように、ドレッサー１５により研磨布１１表面をコンディショニングする場合、コンディショニング時における研磨布１１の表面温度と、その結果生じる研磨布１１のＲｓｋ値との間に負の相関関係がある。言い換えると、研磨布１１の表面温度が高くなると研磨布１１のＲｓｋ値が小さくなり、低くなると大きくなる。より具体的には、研磨布１１の表面温度が９℃、２３℃、４１℃のそれぞれの場合において、研磨布１１のＲｓｋ値は−０．４３、−０．５６、−０．７８である。

上述したように、コンディショニングによって研磨布１１表面のＲｓｋ値をより絶対値が大きな負にすることが望ましい。コンディショニングにおける研磨布１１の表面温度をより大きくすることで、研磨布１１表面のＲｓｋ値をより絶対値が大きな負にすることができる。例えば、コンディショニングにおいて純水を供給する場合、研磨布１１の表面温度を２３℃以上にすることで、研磨布１１表面のＲｓｋ値を十分に−０．５以下にすることができる。

一方、コンディショニングにおける研磨布１１の研削速度は、研磨布１１の表面温度に依存する。研磨布１１の表面温度が高くなると研削速度が小さくなり、低くなると大きくなる。より具体的には、研磨布１１の表面温度が９℃、２３℃、４１℃のそれぞれの場合において、コンディショニングにおける研磨布１１の研削速度は０．９μｍ／ｍｉｎ、０．５μｍ／ｍｉｎ、０．０５μｍ／ｍｉｎである。これは、研磨布１１の表面温度が高くなることで研磨布１１が柔らかくなり（弾性率が低下し）、研削しにくくなったためであると考えられる。すなわち、研磨布１１の表面温度を高くすることにより、研磨布１１の使用寿命を延ばすことができる。

以上のように、研磨布１１の表面温度をより高くしてコンディショニングを行うことで、研磨布１１のＲｓｋ値をより絶対値が大きな負にすることができ、かつ、研磨布１１の研削速度を小さくすることができる。

なお、研磨布１１の表面温度は入口温度測定器１６で計測された研磨布１１の入口温度であるが、ドレッシング液が研磨布１１の全面に供給されている場合、研磨布１１の表面のいずれを測定してもよい。

［効果］
上記実施形態によれば、半導体装置の製造方法におけるＣＭＰ法において、研磨布１１の表面をより高い温度でコンディショニングした後、その研磨布１１の表面に被研磨膜の表面を当接させて被研磨膜を研磨する。これにより、以下の効果を得ることができる。

研磨布１１表面をより高い温度でコンディショニングすることにより、研磨布１１表面のＲｓｋ値をより絶対値の大きな負の値にすることができる。例えば、コンディショニングにおいて純水を供給する場合、研磨布１１の表面温度を２３℃以上にすることで、研磨布１１表面のＲｓｋ値を−０．５以下にすることができる。この負のＲｓｋ値を有する研磨布１１の表面に被研磨膜の表面を当接させて被研磨膜を研磨することで、ＣＭＰ後の被研磨膜表面のスクラッチ数を低減することができる。その結果、デバイスの歩留まりや信頼性の低下を抑制することができる。

また、研磨布１１表面をより高い温度でコンディショニングすることにより、研磨布１１の研削速度を小さくすることができる。これにより、研磨布１１の使用寿命を延ばすことができ、ＣＭＰ工程におけるコストの低減が可能になる。

［適用例］
以下に、図７および図８を用いて、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の適用例について説明する。ここでは、半導体装置におけるＳＴＩ構造の製造方法について説明する。

図７および図８は、本実施形態に係る半導体装置におけるＳＴＩの製造工程を示す断面図である。

まず、図７に示すように、半導体基板２０上に、ストッパー膜となるシリコン窒化膜２１が形成される。その後、シリコン酸化膜等をエッチングマスクとして、半導体基板２０に、ＳＴＩパターン２２が形成される。なお、半導体基板２０とシリコン窒化膜２１との間に、例えばシリコン酸化膜等を設けてもよい。

次に、全面に、例えば高密度プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によりシリコン酸化膜２３が形成される。このとき、シリコン酸化膜２３は、ＳＴＩパターン２２外にも形成される。

次に、図８に示すように、シリコン酸化膜２３を被処理膜としてＣＭＰが行われ、表面が研磨される。このＣＭＰ工程において、本実施形態が適用される。すなわち、研磨布１１の表面のＲｓｋ値を負になるようにコンディショニングした後、その研磨布１１の表面にシリコン酸化膜２３の表面を当接させてシリコン酸化膜２３を研磨する。これにより、ＳＴＩパターン２２外のシリコン酸化膜２３が除去されＳＴＩ構造が形成される。

しかし、これに限らず、本実施形態におけるＣＭＰ法は、種々の金属材料、絶縁材料を被処理膜として行うＣＭＰに対して適用可能である。

その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１１…研磨布、１５…ドレッサー、２０…半導体基板、２３…シリコン酸化膜（被研磨膜）

Claims

半導体基板上に、被研磨膜を形成する工程と、
前記被研磨膜に対してＣＭＰ法を行う工程と、
を具備し、
前記ＣＭＰ法は、
前記被研磨膜の表面を負のＲｓｋ値を有する研磨布の表面に当接させて前記被研磨膜を研磨する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記Ｒｓｋ値は、−０．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記Ｒｓｋ値は、−１．０以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記ＣＭＰ法は、前記被研磨膜を研磨する工程の前に、前記研磨布の表面にドレッサーを当接させて前記研磨布の表面に純水を供給しつつ前記研磨布をコンディショニングする工程をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨布をコンディショニングする工程において、前記研磨布の表面温度は２３℃以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨布をコンディショニングする工程において前記研磨布を回転させ、
前記研磨布の表面温度は、前記ドレッサーに対して前記回転方向の上流側の前記研磨布の入口温度であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。