JP3575942B2

JP3575942B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3575942B2
Application number: JP4548797A
Authority: JP
Inventors: 直人宮下; 良宏南
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10242090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に際して、化学的機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）プロセスで使用される研磨方法に係り、特に研磨パッド上に研磨液を供給する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造に際して、多層配線プロセスにおける層間絶縁膜堆積後の平坦化、層間絶縁膜に開口されたホールに埋め込んだ金属膜の平坦化、トレンチに埋め込んだ絶縁膜の平坦化を行うために、ＣＭＰプロセスが採用されつつある。
【０００３】
図４は、ＣＭＰプロセスで使用される従来のＣＭＰ装置の一例を概略的に示している。図４において、研磨プレート回転軸５１により回転駆動される研磨プレート（定盤）５２上に研磨布（研磨パッド）５３が取り付けられている。研磨パッド５３に対向するようにウエハ５０をセットしたキャリア５４がキャリア回転軸５５に取り付けられている。そして、研磨パッド５３上にスラリー供給ノズル５６から研磨剤（研磨粒子を含む）を含む研磨液（スラリー）５７を供給し、研磨圧力調整器５８により研磨圧力を調整するように構成されている。
【０００４】
ところで、前記したＣＭＰプロセスにおいて最も問題となるのは、素子形成面を研磨した後に素子形成面に研磨粒子等がダストとして残ることである。
従来、上記したようなＣＭＰ後の素子形成面のダストを除去するためのウエハクリーニング方法としては、研磨粒子とウエハ表面のゼータ電位を制御する方法がある。例えば素子形成面の研磨後に研磨パッド上に界面活性剤を供給したり、素子形成面を洗浄する際にインライン洗浄ユニットに界面活性剤を供給する方法である。
【０００５】
しかし、従来のウエハクリーニング方法は、複数のスラリーを研磨パッド上やインライン洗浄ユニットに供給するので、スラリー供給用配管の構造が複雑であり、且つ、加工点において複数のスラリーをブレンドする際に均一に混合することが困難である。
【０００６】
さらに、前記界面活性剤の溶媒として、揮発性や酸化により変質し易い液体を使用する場合、界面活性剤供給ノズルの先端からの空気の混入等の影響により、プロセス進行過程で目的とする性能を得ることが困難である。
【０００７】
一方、製造面からみると、前記したスラリー供給用配管のような複雑な配管構造を持つ装置は、コストが高くつくだけでなく、故障率が高くなり、しかも、研磨パッドの交換等のメインテナンス性の悪化をまねく。
【０００８】
なお、特開平２−１８１９２４号公報には、シリカ粒子を含む水溶液で表面酸化膜を除去してからアミン水溶液でシリコン表面を研磨する技術が開示されている。また、特開平４−１２９６６４号公報には、素子形成面研磨中に研磨粒子の大きな研磨液、純水、研磨粒子の小さな研磨液の順に切り換える技術が開示されている。また、特開平７−２２１０６７号公報には、ＣＭＰに際して、スラリー溶液の粘度を混合器で調整して供給する技術が開示されている。また、特開平８−１３９０６０号公報には、金属膜用研磨液、純水、絶縁膜用研磨液の順に連続的に切り換えることにより、埋め込み接続孔を平坦化する技術が開示されている。
【０００９】
しかし、上記各公知例には、素子形成面研磨中に適切な方法で薬液を使用することによって素子形成面研磨後に素子形成面に研磨粒子等がダストとして残ることを防止する技術は開示されていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の半導体ウエハの研磨方法は、ＣＭＰプロセスにおいて素子形成面研磨後に素子形成面にダストとして研磨粒子等を素子形成面研磨後に除去しており、これに伴う様々な問題があった。
【００１１】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ＣＭＰプロセスにおける素子形成面研磨からインライン洗浄までの一連のシーケンスの途中で適切な方法で薬液を使用することによって素子形成面のダスト残りを簡単に除去し得る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ウエハ上の溝あるいは孔に埋め込まれた被研磨膜を研磨する際、少なくとも一部が前記半導体ウエハの素子形成面に対向する研磨パッド上に研磨液を供給して前記被研磨膜を研磨するステップと、前記被研磨膜の研磨が進み、前記被研磨膜の下地膜が露出する直前に、界面活性剤、セルロース、多糖類のいずれかを含む薬液を前記研磨液と混合して供給するステップと、前記下地膜が露出した時点で前記研磨液の供給を停止し、前記薬液の供給を継続するステップとを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体ウエハの研磨装置の第１の実施の形態を使用するシステムの構成概略的に示している。なお、以下の説明において、研磨剤の用語には研磨粒子を含む。
【００１５】
１は研磨ゾーン、２はウエハクリーニングゾーン、３はウエハ搬送ゾーンである。前記研磨ゾーン１において、１１はスラリー供給ノズル・混合ユニット、１２は研磨部である。前記ウエハクリーニングゾーン２において、２１はウエハデリバリーステーション、２２はブラッシュステーション２２１およびリンス・スピン乾燥ステーション２２２を有するインライン洗浄ユニットである。前記ウエハ搬送ゾーン３において、３１はウエハ送り込み搬送ステーション、３２はウエハ受け取り搬送ステーションである。
【００１６】
図２は、図１中の研磨ゾーン１を取り出して構成を概略的に示している。
研磨部１２において、１２１は研磨プレート（ターンテーブル）であり、回転軸１２２に連結されて回転可能になっており、その上面には半導体ウエハの素子形成面研磨用の研磨パッド１２３が取り付けられている。前記研磨パッド１２３の上面の少なくとも一部に対向するように半導体ウエハ１０をセットしたキャリア１２４がキャリア回転軸１２５に取り付けられて設けられている。通常、前記キャリア１２４およびキャリア回転軸１２５は、複数組設けられており、それぞれ半導体ウエハをセットした状態で研磨パッド１２３に対向して回転可能になっている。なお、１２５は研磨圧力調整器である。
【００１７】
スラリー供給ノズル・混合ユニット１１において、１１１は半導体ウエハの素子形成面研磨用の研磨液、素子形成面洗浄用の薬液、研磨パッド洗浄用の純水の通過あるいは混合が可能な混合タンクである。１１２は前記研磨パッド１２３上に研磨液１１３あるいは薬液あるいは混合液あるいは純水を供給するためのスラリー供給口であり、例えば前記混合タンクに連結されたノズルからなる。
【００１８】
前記混合タンク１１１には、複数種類の研磨液および複数種類の薬液をそれぞれ所定のタイミングで供給するために複数のバルブ付き研磨液供給管およびバルブ付き薬液供給管が連結されている。
【００１９】
本例では、上記複数のバルブ付き研磨液供給管として、第１の研磨液を供給するための第１の供給管、第２の研磨液を供給するための第２の供給管と、前記各供給管にそれぞれ対応して取り付けられている第１のバルブ１４１、第２のバルブ１４２が設けられている。また、前記複数のバルブ付き薬液供給管として、第１の薬液を供給するための第１の薬液供給管、第２の薬液を供給するための第２の薬液供給管と、前記各供給管にそれぞれ対応して取り付けられている第３のバルブ１４３、第４のバルブ１４４が設けられている。
【００２０】
さらに、前記混合タンク１１１には、超純水（ＤＩＷ）を供給するために純水供給管に第５のバルブ１４５が付加されたバルブ付き純水供給管が連結されている。
【００２１】
そして、前記スラリー供給ノズル１１２に前記研磨液、薬液、混合液、超純水を所定のシーケンスで連続して供給するように前記第１のバルブ１４１〜第５のバルブ１４５を制御するための制御装置が設けられている。
【００２２】
次に、図２の研磨装置を使用して実施する本発明の半導体ウエハの研磨方法の第１の実施の形態として、例えば図３（ａ）に示すように、半導体ウエハ４０上に形成された酸化膜（例えばシリコン酸化膜）４１の溝（トレンチ）に埋め込んだ被研磨膜（本例では多結晶シリコン膜４２）を前記酸化膜をストッパ膜として研磨する際のシーケンスを説明する。
【００２３】
（１）まず、図３（ａ）に示す多結晶シリコン膜４２上の自然酸化膜４３を除去するために、シリコン酸化膜４１に対する研磨速度の速い第１の研磨液を第１のバルブ１４１の制御によって選択し、混合タンク１１１を介してスラリー供給ノズル１１２から研磨パッド１２３上に供給することにより、図３（ｂ）に示すように前記自然酸化膜４３を除去する。
【００２４】
（２）前記自然酸化膜４３を除去した後、前記第１のバルブ１４１の制御によって第１の研磨液の供給を停止し、多結晶シリコン膜４２に対する研磨速度がシリコン酸化膜４１に対する研磨速度よりも速い第２の研磨液（研磨剤として例えば有機アミンベースコロイダルシリカを使用する）を前記第２のバルブ１４２の制御によって選択し、混合タンク１１１を介してスラリー供給ノズル１１２から研磨パッド１２３上に供給することにより、多結晶シリコン膜４２を研磨する。
【００２５】
（３）前記多結晶シリコン膜４２の研磨が進み、図３（ｃ）に示すように前記ストッパ膜としてのシリコン酸化膜４１が露出する直前に、前記第３のバルブ１４３の制御によって第１の薬液（界面活性剤もしくはセルロースもしくは多糖類）を選択することによって混合タンク１１１内で前記第２の研磨液と混合してスラリー供給ノズル１１２から前記研磨パッド１２３上に供給する。
【００２６】
この際、スラリーの粘性が上がると同時に前記研磨パッド１２３の硬化が起きるので研磨速度は低下するが、トレンチ部へのディッシングは抑制することができる。
【００２７】
（４）前記多結晶シリコン膜の研磨がさらに進み、図３（ｄ）に示すように前記ストッパ膜としてのシリコン酸化膜４１が露出した時点で、前記第２のバルブ１４２の制御によって第２の研磨液の供給を停止し、前記第１の薬液のみの供給を継続する。
【００２８】
なお、前記第１の薬液として多糖類、例えばセルロースやプルランを使用する場合、それを溶解させるための溶媒としては、トリエタノールアミンが有効であり、第４のバルブ１４４の制御によってトリエタノールアミンを選択して混合タンク１１１内に供給する。上記トリエタノールアミンには電位制御の機能があり、特に、前記ストッパ膜の一部としてシリコン酸化膜４１と同時にシリコンナイトライド膜が露出する場合には、シリコンナイトライド膜上のダスト吸着を防止する効果がある。
【００２９】
また、前記素子形成面を研磨した後に素子形成面にマイクロスクラッチと呼ばれる微小な傷が残ることがあるが、この傷を除去するために、前記（３）のプロセスにおける第１の薬液と第２の研磨液との混合の初期の段階で、前記第２の研磨液中の研磨粒子に比べてさらに細かい研磨粒子を選択して混合タンク１１１内に供給し、前記第１の薬液に混合してスラリー供給ノズル１１２から前記研磨パッド１２３上に供給するようにしてもよい。
【００３０】
（５）素子形成面の研磨が終了した後に、前記第３のバルブ１４３の制御によって第１の薬液の供給を停止し、第５のバルブ１４５の制御によって超純水を選択し、混合タンク１１１を介してスラリー供給ノズル１１２から前記研磨パッド１２３上に純水のみを供給することにより、前記研磨パッド１２３上の残存物を除去する。
【００３１】
なお、前記シリコン酸化膜４１に形成された孔（例えばコンタクトホール）に埋め込んだ被研磨膜を前記酸化膜をストッパ膜として研磨する際も同様のシーケンスを適用できる。
【００３２】
また、研磨対象物が絶縁物の場合は、前記第２の研磨液は、研磨剤の溶剤として有機アルカリ溶液あるいは無機アルカリ溶液を使用するアルカリ性に調製したものを使用することが望ましい。この場合、前記第２の研磨液の溶剤中にはセルロース等の多糖類、水溶性高分子のいずれかを含むことが望ましく、本例では、前記第２の研磨液中の研磨剤として、有機アミンベースコロイダルシリカを使用している。
【００３３】
これに対して、被研磨膜として金属膜を埋め込んだ後、シリコン酸化膜をストッパ膜として金属膜を研磨する場合には、前記第２の研磨液は、研磨剤の溶剤として酸性に調製したものを使用することが望ましい。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、ＣＭＰプロセスにおけるウエハ面研磨からインライン洗浄までの一連のシーケンスの途中で適切な方法で薬液を使用することによってウエハ面のダスト残りを簡単に除去し得る半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ウエハの研磨装置の第１の実施の形態を使用するシステムを概略的に示す構成説明図。
【図２】図１中の研磨ゾーンを取り出して構成の一例を概略的に示す断面図。
【図３】本発明の半導体ウエハの研磨方法の第１の実施の形態において研磨の対象となる半導体ウエハが研磨される過程の一例を断面図。
【図４】ＣＭＰプロセスで使用する従来のＣＭＰ装置の一例を概略的に示す構成説明図。
【符号の説明】
１１…スラリー供給ノズル・混合ユニット、
１１１…混合タンク、
１１２…スラリー供給ノズル、
１１３…研磨液、
１２…研磨部、
１２１…研磨テーブル、
１２３…研磨パッド、
１３１、１３２…研磨液供給管、
１４１〜１４５…第１のバルブ〜第５のバルブ、
１５１、１５２…薬液供給管、
１６…純水供給管、
１７…制御装置。

Claims

半導体ウエハ上の溝あるいは孔に埋め込まれた被研磨膜を研磨する際、
少なくとも一部が前記半導体ウエハの素子形成面に対向する研磨パッド上に研磨液を供給して前記被研磨膜を研磨するステップと、
前記被研磨膜の研磨が進み、前記被研磨膜の下地膜が露出する直前に、界面活性剤、セルロース、多糖類のいずれかを含む薬液を前記研磨液と混合して供給するステップと、
前記下地膜が露出した時点で前記研磨液の供給を停止し、前記薬液の供給を継続するステップ
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記溝あるいは孔は酸化膜もしくはシリコンナイトライド膜が形成された半導体ウエハに形成されたものであり、前記下地膜が前記酸化膜もしくはシリコンナイトライド膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記薬液の供給を停止し、前記研磨パッド上に純水を供給することにより、前記研磨パッド上の残存物を除去するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記薬液を前記研磨液と混合する初期の段階で、前記被研磨膜を研磨するステップにおける前記研磨液中の研磨粒子に比べてさらに細かい研磨粒子を混合することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記被研磨膜は絶縁膜であり、前記研磨液は、研磨剤の溶剤として有機アルカリ溶液あるいは無機アルカリ溶液を使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記被研磨膜は金属膜であり、前記研磨液は、研磨剤の溶剤として酸性溶液を使用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記溶剤中にはセルロース、多糖類、水溶性高分子のいずれかを含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
前記研磨液中の研磨剤として、有機アミンベースコロイダルシリカを使用することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
前記下地膜の一部として酸化膜と同時にシリコンナイトライド膜が露出する場合には、前記セルロースもしくは多糖類を溶解させるための溶媒としてトリエタノールアミンを使用する特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。