JP2017059675A - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】被加工物の被加工面に研磨ダメージを与えること無く被加工面を平坦化することができる半導体装置の製造方法および半導体製造装置を提供する。【解決手段】実施の一形態による半導体装置の製造方法は、金属を含み凹凸を有する被加工物に処理液を供給する工程と、前記被加工物に第１触媒を接触させて前記被加工物の凹凸表面に酸化膜を形成し、第２触媒と前記酸化膜が形成された凹凸の凸部とを相互に接触または接近させて前記凸部表面の前記酸化膜を前記処理液中に溶出させる工程と、を持つ。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関する。
近年、半導体装置の製造において、基板表面の溝部を埋め込むように成膜された絶縁膜、金属膜、または多結晶珪素膜などを平坦化するため、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法が広く用いられている。ＣＭＰ法は、砥粒と薬液とを含む研磨剤（スラリ）を研磨布上に供給し、被加工物を研磨布に接触させることで、薬液による化学的な作用と、砥粒による機械的な作用を組み合わせて被加工面の平坦化を行う方法である。しかし、この方法では、砥粒による機械的なダメージを避けることができず、被加工面に研磨ダメージが生じるという問題がある。
特開２００４−０７２０９９号公報 特開２００８−１２１０９９号公報
本発明が解決しようとする課題は、被加工物の被加工面に研磨ダメージを与えること無く被加工面を平坦化することができる半導体装置の製造方法および半導体製造装置を提供することである。
実施の一形態による半導体装置の製造方法は、金属を含み凹凸を有する被加工物に処理液を供給する工程と、前記被加工物に第１触媒を接触させて前記被加工物の凹凸表面に酸化膜を形成し、第２触媒と前記酸化膜が形成された凹凸の凸部とを相互に接触または接近させて前記凸部表面の前記酸化膜を前記処理液中に溶出させる工程と、を持つ。
実施の一形態による半導体装置の製造方法を説明するための略示断面図の一例。 実施の一形態による半導体装置の製造方法を説明するための略示断面図の一例。 実施の一形態による半導体装置の製造方法を説明するための略示断面図の一例。 実施形態１による半導体製造装置の概略構造を説明するための略示断面図の一例。 図４に示す半導体製造装置の一変形例を説明するための略示断面図の一例。 実施形態２による半導体製造装置の概略構造を説明するための略示断面図の一例。 実施形態３による半導体製造装置の概略構造を説明するための略示断面図の一例。
以下、実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。
本願明細書の説明において上下等の方向を示す用語は、被加工物の被加工面を上とした場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。
（Ａ）半導体装置の製造方法
実施の一形態による半導体装置の製造方法について図１乃至図３の断面図を参照しながら説明する。
まず、被加工物１０、第１触媒１４および第２触媒１５、並びに処理液１３を準備する（図１参照）。本実施形態では、被加工物１０として、半導体ウェーハＷ上に成膜された金属膜１０を取り挙げる。金属膜１０の被加工面Ｓは、平坦化処理の対象となる凹凸を有する。
第１触媒１４は、酸化性の触媒であり、例えば金属膜１０の金属より貴な金属、すなわち金属膜１０の金属よりもイオン化傾向が低い金属、例えば銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）などが、少なくとも金属膜１０と接触するように形成されたものが選択される。第１触媒１４は、金属膜１０と接触することにより金属膜１０から電子を奪い、金属膜１０の酸化を促進する役割を有する。図１では、第１触媒１４が金属膜１０の側面に接触しているが、金属膜１０の上面など他の部分と接触していてもよい。
処理液１３は、電子を奪われた金属膜１０の表面に水酸化物イオンを供給して酸化物を形成することが可能な溶液であり、本実施形態においては純水（Ｈ２Ｏ）が選択される。なお、後述する通り、処理速度をさらに速めるために酸化剤、例えば過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を添加してもよい。
第２触媒１５は、塩基性の触媒であり、例えば金属酸化物触媒、イオン交換樹脂触媒などが選択される。金属酸化物としては、例えばアルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類金属酸化物を挙げることができ、より具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）などが使用可能である。また、イオン交換樹脂としては、（芳香環）−Ｎ（Ｒ３）＋のような材料を挙げることができる。
第２触媒１５は、半導体ウェーハＷの平面に対して平行な平板を有している。第２触媒１５は、処理液１３からの水酸化物イオンの供給を促進する役割を有する。したがって、第２触媒１５と金属膜１０とを相互に接触させ、または接近させることにより、金属膜１０の表面に形成された酸化膜を処理液１３からの水酸化物イオンに反応させて処理液１３中に溶出させることができる。
図１に示すように、金属膜１０のいずれかの領域で該金属膜１０に接するように第２触媒１４を配設し、この状態で金属膜１０の被加工面Ｓに処理液１３を供給する。なお、処理液１３は、被加工面Ｓへ供給する場合に限らず、図示しない処理漕（図５の符号２５参照）に予め所定量を供給し、その後に被加工物１０、第１触媒１４および第２触媒１５を浸漬させてもよい。
第１触媒１４が金属膜１０に接触するだけで金属膜１０から電子を奪われるので、金属膜１０の表面の金属原子が処理液１３中の酸素イオンに反応し、金属膜１０の表面に酸化膜１２が成膜される。例えば金属膜１０としてタングステン（Ｗ）膜を使用すると、以下の反応式により酸化タングステン（ＷＯ２）がタングステン（Ｗ）膜の表面に成膜される。
Ｗ → Ｗ４＋ ＋ ４ｅ− ・・・式（１）
Ｗ４＋ ＋ ４ｅ− ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＷＯ２ ＋ ２Ｈ２ ・・・式（２）
次に、図２に示すように、間に処理液１３を介在させた状態で第２触媒１５の平板と金属膜１０との距離を縮めることにより、第２触媒１５と金属膜１０とを相互に接近させ、または接触させる。これにより、金属膜１０の表面に形成された二酸化タングステンＷＯ２は、塩基性金属酸化物触媒である第２触媒１５の表面に吸着された、処理液１３中の水酸化物イオンとの次式に従った反応により溶解され、処理液１３中に溶出される。
ＷＯ２ ＋ ２ＯＨ− → ＷＯ３ − ＋ Ｈ２Ｏ ・・・式（３）
式（１）および（２）による酸化反応と、式（３）による反応とは反復継続して順次に進行する。この結果、金属膜１０の凸部が除去され、図３に示すように、金属膜１０の表面が平坦化される。
特に、タングステン（Ｗ）のように、金属膜１０を構成する金属の酸化物が導電性である場合、式（１）の反応における電子ｅ−は、金属膜１０の酸化物を超えて金属膜１０の凹部や内部からも供給される。このため、式（２）による酸化反応は、処理液１３と触れた金属膜１０の表面全体で進行する。この一方、式（３）の反応で供給される水酸化物イオンは、金属膜１０のうち、第２触媒１５に近い部分へ優先的に供給される。このため、式（３）による反応は金属膜１０の凸部で優先的に進行する。これにより、金属膜１０の表面が平坦化される。
なお、単なる接触または接近のみならず、第２触媒１５を被加工面に平行な面内で回転または走査させることにより、反応速度をより一層高めることが可能である（図４乃至図７参照）。
金属膜１０としてタングステン（Ｗ）膜を用いた場合で、処理液１３に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を添加した場合の化学反応について説明する。
第１触媒１４との接触により金属膜の表面で生じる反応は次式（４）および（５）の通りである。
Ｗ → Ｗ６＋ ＋ ６ｅ− ・・・式（４）
２Ｗ６＋ ＋ １２ｅ− ＋ ３Ｈ２Ｏ → ２ＷＯ３ ＋ ３Ｈ２ ・・・式（５）
金属膜１０の表面に形成された三酸化タングステンＷＯ３は、第２触媒１５の表面に吸着された水酸化物イオンにより、金属膜１０の凸部において次式（６）に示す反応により処理液１３中に溶出される。
ＷＯ３ ＋ ２ＯＨ− → ＷＯ４ ２− ＋ Ｈ２Ｏ ・・・式（６）
上記説明では金属膜１０としてタングステン（Ｗ）膜を取り挙げたが、金属膜１０は、処理液１３中において第１触媒１４によって酸化される限りにおいて特に限定されるものではなく、その成膜方法もなんら限定されるものではない。また、金属膜１０は二種類以上の金属を含んでいてもよく、合金や積層膜であってもよい。
なお、上記説明では、被加工物としてその表面に金属膜１０が成膜されたものを取り挙げたが、これに限ることなく、例えば珪素（Ｓｉ）膜や珪素（Ｓｉ）の化合物、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）が基板表面に成膜された場合にも適用可能である。ただし、この場合の被加工膜は、第１触媒１４の作用で酸化すると絶縁体である二酸化珪素（ＳｉＯ２）となるため、処理液としてフッ素（Ｆ）含有水溶液、例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）水溶液が必要となる一方、第２触媒１５を用いることなく平坦化が可能である。
以上述べた少なくとも一つの実施形態による半導体装置の製造方法によれば、第２触媒１５と被加工物の凸部とを相互に接触または接近させて被加工物の凸部を化学的に溶解させることにより被加工物の表面の平坦化を行うので、機械的な研磨ではなく、化学的な反応のみで被加工物の被加工面を平坦化することができる。これにより、機械的研磨によって生じる被加工物の被加工面への研磨ダメージを抑制することができる。
ここで、処理液１３に酸化剤が含まれる場合について考察する。この場合、第１触媒１４を使用しなくても、金属膜１２の表面に酸化物を形成すること自体は確かに可能である。しかしながら、第１触媒１４による電子脱離効果は、酸化剤を用いた場合よりも飛躍的に酸化力を促進させることができる。すなわち、第１触媒１４を用いることで、被加工面平坦化の処理速度を向上させることが可能になる。
また、処理液１３自体に、金属膜１０を酸化させる作用のみならず、金属膜１０表面の酸化物を溶解させる作用があれば、第２触媒１５を使用することなく、金属膜１０を溶解させることは可能である。しかしながら、このような処理液１３に単に金属膜１０を浸すだけでは、金属膜１０は等方的に加工されてしまい、その表面を平坦化することはできない。
これに対し、以上述べた少なくとも一つの実施形態による半導体装置の製造方法によれば、第２触媒１５と金属膜１２の凸部とを相互に接触または接近させることにより溶解速度を飛躍的に上昇させるので、被加工面の凸部を優先的に反応させて平坦化することができる。
（Ｂ）半導体製造装置
上述した半導体装置の製造方法の実施に好適な製造装置のいくつかについて、半導体製造装置の実施形態として図４乃至図７を参照しながら説明する。
図４に示す半導体製造装置１は、基板保持部２１と、処理液供給部２２と、第１触媒保持部２３と、第２触媒保持部２４とを含む。
基板保持部２１は、被加工物であるウェーハ基板Ｗを保持する。基板保持部２１は、回転軸１２１を介して図示しないモータに接続され、該モータの回転駆動により、ウェーハ基板Ｗを保持したままでウェーハ基板Ｗの表面Ｓに水平な面内で、例えば矢印ＡＲ１の方向に回転可能である。ウェーハ基板Ｗの上面（基板保持部２１側とは逆側の面）には、凹凸を有する被加工膜、本実施形態では金属膜１０が成膜されている。
処理液供給部２２は、基板保持部２１の上方、例えば、基板保持部２１が円柱形のとき、円の中央部の上方に配置され、ノズルから処理液１３を吐出することによりウェーハ基板Ｗの表面Ｓに処理液１３を供給（回転塗布）する。
第１触媒保持部２３は、第１触媒１４を保持可能であり、軸１４１を介して図示しない駆動機構に連結され、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに垂直な方向、例えば矢印ＡＲ２の方向に移動し、これにより、金属膜１０に接触できるよう構成される。なお第１触媒保持部２３は、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに平行な面内で例えば矢印ＡＲ３方向に移動可能に構成してもよい。
第２触媒保持部２４は、第２触媒１５を保持可能であり、軸１５１を介して図示しない駆動機構に連結され、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに垂直な方向、例えば矢印ＡＲ２の方向に移動し、これにより、金属膜１０に接触または接近できるよう構成される。第２触媒保持部２４はまた、図示しない駆動機構により、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに垂直な方向のみならず、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに平行な面内で例えば矢印ＡＲ３方向に移動可能に構成される。第２触媒保持部２４はさらに、軸１５１を介して図示しないモータにも接続し、該モータの回転駆動により、第１触媒１５を保持したままで例えば矢印ＡＲ１の方向に回転可能に構成してもよい。
本実施形態の半導体製造装置１を使用した半導体装置製造の一例について説明する。
まず、基板保持部２１によりウェーハ基板Ｗを保持させ、図示しないモータによる回転駆動により、例えば矢印ＡＲ１の方向に基板保持部２１を回転させながら、処理液供給部２２によりウェーハ基板Ｗの表面Ｓに処理液１３を供給する。
次いで、第１触媒保持部２３に第１触媒１４を保持させ、図示しない駆動機構により例えば矢印ＡＲ２の方向に移動させてウェーハ基板Ｗの表面Ｓに接触させる。これにより、金属膜１０から電子を脱離させ、金属膜１０表面の金属原子と処理液１３中の酸素イオンとを反応させることにより、金属膜１０の表面に酸化膜（図６の符号１２参照）を成膜させる（上述の式（１）、（２）、（４）および（５）参照）。なお、第１触媒保持部２３を移動することに代え、基板保持部２１に駆動機構を連結して矢印ＡＲ２方向に移動させることにより第１触媒１４をウェーハ基板Ｗの表面Ｓに接触させてもよい。
続いて、第２触媒保持部２４に第２触媒１５を保持させ、図示しない駆動機構により例えば矢印ＡＲ２の方向に移動させてウェーハ基板Ｗの表面Ｓの凸部に接触または接近させる。これにより、金属膜１０の凸部頂面の酸化膜と処理液１３中の水酸化物イオンとを局所的に反応させ、処理液１３中に溶出させる（上述の式（３）および（６）参照）。
上述した酸化膜の成膜と、水酸化物イオンとの反応および処理液１３中への溶出とは、連続して進行するので、被加工面Ｓが高速で平坦化される。なお、第２触媒保持部２４を移動することに代え、基板保持部２１に駆動機構を連結して矢印ＡＲ２方向に移動させることにより第２触媒１５をウェーハ基板Ｗの表面Ｓの凸部に接触または接近させてもよい。
第２触媒保持部２４は、ウェーハ基板Ｗの表面Ｓに平行な面内で移動可能であるため（矢印ＡＲ３参照）、酸化膜の溶出に際してウェーハ基板Ｗの表面Ｓを走査させることができる。この場合は、第２触媒１５および第２触媒保持部２４のサイズを、平坦化が必要な凹凸のサイズよりも小さくすることができる。
図４に示す半導体製造装置１では、処理液供給部２２によりウェーハ基板Ｗの表面Ｓに処理液１３を供給することとしたが、これに限ることなく、例えば図５に示す半導体製造装置２に示すように、基板保持部２１を収容可能な処理漕２５を設け、該処理漕２５に処理液１３を充填してもよい。
図４に示す半導体製造装置１において、第１触媒保持部２３は、ウェーハ基板Ｗの被加工面に対向するように配置されたが、第１触媒１４の作用が金属膜１０から電子を脱離させることにある点を考慮すると、図６に示す半導体製造装置３のように、ウェーハ基板Ｗの外周部に配置してもよい。この場合は、第２触媒保持部２４の走査範囲（矢印ＡＲ３参照）が広がるので、処理速度をより一層向上させることができる他、ウェーハ基板Ｗの表面領域のうち半導体素子が形成される領域に第１触媒保持部２３が接触することがないので、その後のリソグラフィにおける有効ショット領域が金属汚染することを防止できる。
また、図７に示す半導体製造装置４のように、一体型の触媒保持部３０により、第１触媒１４および第２触媒１５の双方を同時に保持するよう構成してもよい。この場合は、装置の駆動機構を簡素化できるので、低コストで半導体製造装置を提供することができる。
以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体製造装置によれば、接触または接近により被加工物の凸部を処理液１３中に化学的に溶解させる第２触媒１５を保持可能な第２触媒保持部２４または触媒保持部３０を含むので、機械的研磨によって生じる被加工面への研磨ダメージを抑制しつつ被加工面を平坦化することが可能になる。
また、以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体製造装置によれば、被加工物への接触により電子脱離効果を奏する第１触媒１４を保持可能な第１触媒保持部２３または触媒保持部３０を含むので、被加工物の被加工面を高速で平坦化することが可能になる。
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。
例えば、上記実施形態では半導体装置の製造を例に挙げて説明したが、これに限ることなく、例えばＭＥＭＳなどのマイクロデバイスの製造にも適用可能である。
上述の実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
１０…金属膜、１２…金属酸化膜、１３…処理液、１４…第１触媒、１５…第２触媒、２１…基板保持部、２３…第１触媒保持部、２４…第２触媒保持部、３０…触媒保持部。

Claims (5)

  1. 金属を含み凹凸を有する被加工物に処理液を供給する工程と、
    前記被加工物に第１触媒を接触させて前記被加工物の凹凸表面に酸化膜を形成し、第２触媒と前記酸化膜が形成された凹凸の凸部とを相互に接触または接近させて前記凸部表面の前記酸化膜を前記処理液中に溶出させる工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  2. 前記処理液は、水（Ｈ２Ｏ）または酸化剤を含む水（Ｈ２Ｏ）であり、前記第１触媒は酸化性固体触媒であり、前記第２触媒は塩基性固体触媒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。
  3. 金属を含み凹凸を有する被加工物を保持する被加工物保持部と、
    前記被加工物に接触して前記被加工物の凹凸表面に酸化膜を形成する第１触媒と、前記酸化膜が形成された凹凸の凸部と相互に接触または接近して前記凸部表面の前記酸化膜を処理液中に溶出させる第２触媒とを保持可能な触媒保持部と、
    を備える半導体製造装置。
  4. 前記触媒保持部は、
    前記被加工物保持部の周辺に設けられて前記第１触媒を保持可能な第１触媒保持部と、
    前記第２触媒を保持可能な第２触媒保持部と、
    を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。
  5. 前記触媒保持部は、前記第１触媒と前記第２触媒とを共に保持し、同時に走査可能であることを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。
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