JP6088919B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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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(hallow rench solation)−CMP(hemical echanical olishing)やPMD(re etal ielectric)−CMP等がある。これらのCMPでは、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。
しかしながら、研磨装置の研磨布表面の状態に応じて、CMP後の被研磨膜(シリコン酸化膜)の表面にスクラッチが生じることがあり、その結果、歩留まりや信頼性を低下させてしまう場合があった。
特開2005−347568号公報
本発明が解決しようとする課題は、CMP特性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態の半導体装置の製造方法は、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、かつ、前記被研磨膜と前記研磨布との摩擦の速度依存性をスティックスリップの発生が抑制される値に調整して前記被研磨膜を研磨する工程を含む。
実施の一形態に係るCMP装置を示す構成図。 実施の一形態に係るCMP装置を示す上面図。 実施の一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。 摩擦の速度依存性を説明するグラフ。 スティックスリップによるスクラッチの一例を示す図。 摩擦の速度依存性とスティックスリップとの関係を説明する図。 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10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。
以下、実施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。なお、本願明細書において、「摩擦の速度依存性」を表す指標として、研磨布を回転させるモータのトルクの回転数異存(Nm/rpm)を使用する。
<実施形態>
図1乃至図11を用いて、実施の一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、Rsk値が負になるように研磨布11の表面をコンディショニングし、かつ、被研磨膜と研磨布11との摩擦の速度依存性をスティックスリップの発生が抑制される値に調整した後、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。半導体基板20は、本実施形態において例えば基板に対応する。基板としては、半導体基板に限ることなく、例えばガラス基板やセラミック基板を用いることもできる。
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、被研磨膜と研磨布11との摩擦の速度依存性が調整される。この摩擦の速度依存性は、スティックスリップの発生が抑制される値に調整される。
次に、ステップS23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、被研磨膜と研磨布11との摩擦の速度依存性をスティックスリップの発生が抑制される値に調整し、かつ、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、上記摩擦の速度依存性は、−0.2Nm/rpmを上回る値であればよい。また、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、例えば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。しかしながら、加熱コンディショニングに限るものでは決して無く、コンディショナーの形状(構造、材料等)や研磨布の材質、構造(ポアサイズ、密度等)を変更することによってもRsk値を小さくすることは可能である。
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、SEM Review)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。
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、まず、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。
一方、研磨布11表面のRsk値を絶対値の大きな負の値に設定しても、研磨布11と被研磨面との摩擦の速度依存性によってはスクラッチ数が増えてしまう場合がある。
図7は、摩擦の速度依存性を説明するためのグラフである。同図の破線l1においては、摩擦の速度依存性が約−0.082A/rpmと負の状態になっており、この状態でCMP工程を実施すると、自励振動(スティックスリップ現象)が発生し、CMP時に異音および振動が発生する。このとき、図8に示すような周期的な損傷であるキャタピラ型のスクラッチが多く発生しやすくなる。
この一方、図7の実線l2においては、約0.028A/rpmと、正の状態となっている。この状態でCMP工程を実施すると、自励振動(スティックスリップ現象)の発生が抑制され、CMP時の異音および振動が発生することがない。これにより、図8に示したようなキャタピラ型のスクラッチの発生も約1/5以下に抑制される。
図9は、スラリーの種類に応じた摩擦の速度依存性と異音・振動の発生との関係を例示的に示すグラフである。ケース1および2は、タングステン(W)の被研磨面にシリカスラリーを使用して研磨した場合であり、ケース3および4は、酸化シリコン(SiO)の被研磨面にセリアスラリーを使用して研磨した場合であり、ケース5は、酸化シリコン(SiO)の被研磨面にシリカスラリーを使用して研磨した場合であり、さらに、ケース6は、シリコン(Si)の被研磨面にスラリーを用いることなく純水で研磨した場合である。いずれも以下の条件で実験を行った。
トップリング荷重:300hPa
ターンテーブル回転数:30〜110rpm
スラリー流量:200cc/min
ケース1乃至6のいずれの場合についても、摩擦の速度依存性が−0.2Nm/rpmを超えた範囲で異音・振動が発生しない。この点は、図9の例に限ることなく、既存のスラリーおよび被研磨膜の様々な組み合わせを用い、所定範囲の刻みで回転数を振って実験を繰り返した結果確認されたものである。
このように、本実施形態によれば、Rskが負で、かつ、摩擦の速度依存性が−0.2Nm/rpmを超える状態で研磨を行うことにより、研磨布表面からの応力集中を緩和するとともに、摩擦に起因する自励振動の発生を抑制し、スクラッチを大幅に抑制することができる。また、自励振動の発生を抑制することにより、研磨時の異音・振動が抑制され、プロセスの安定性が向上する。
[適用例]
以下に、図10および図11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10および図11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10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(hemical apor eposition)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11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、かつ、被研磨膜と研磨布11との摩擦の速度依存性を、−0.2Nm/rpmを上回る値に調整した後、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。
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。
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 (7)

  1. 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、かつ、前記被研磨膜と前記研磨布との摩擦の速度依存性をスティックスリップの発生が抑制される値に調整して前記被研磨膜を研磨する工程を含み、
    前記Rsk値は、−0.5以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 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、かつ、前記被研磨膜と前記研磨布との摩擦の速度依存性が−0.2Nm/rpmを上回る状態で前記被研磨膜を研磨する工程を含み、
    前記Rsk値は、−0.5以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記摩擦の速度依存性は、−0.2Nm/rpmを上回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。
  4. 前記Rsk値は、−1.0以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 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乃至のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 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に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 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に記載の半導体装置の製造方法。
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