JP6586263B2 - 有機膜研磨に用いられるcmp用スラリー組成物を利用してcmp工程を行う方法及びこれを利用する半導体装置の製造方法 - Google Patents
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8つのウエハーを準備し、4つのウエハーの上には各々シリコンを包含しない有機膜を形成し、残る4つのウエハーの上には各々シリコン酸化膜系列の1つであるTEOS(Tetraethyoxysilane)膜を形成した。研磨剤として1重量%のシリカを含み、98重量%が脱イオン水であって、同一であるが、酸化剤を過酸化物(Peroxide)系列、塩素酸塩(Chlorate)、硝酸塩(Nitrate)系列、そして高酸化水化合物に各々変化させ、前記酸化剤の含量を各々1重量%にしてCMP用スラリー組成物を製造した。この時、前記過酸化物系列の酸化剤として過酸化水素を使用した。前記塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸(HClO4)を使用し、前記硝酸塩系列の酸化剤として硝酸鉄(Fe(NO)3)を使用した。前記高酸化水化合物とは、金属の高酸化水化合物のことを言い、二酸化鉛(PbO2)、二酸化マンガン(MnO2)、酸化銅(CuO)、塩化鉄(FeCl3)などがある。本実施例1において、高酸化水化合物として使用された酸化剤は塩化鉄(FeCl3)であった。前記シリカの平均粒子サイズは、約60nmであった。そして、前記CMP用スラリー組成物で前記2種類のウエハーに対してCMP工程を進行した後に研磨率と選択比とを調査して下の表1に記録した。
本実施例2では、実施例1で最も優れた特性を示した塩素酸塩系列の酸化剤と研磨粒子として使用されたシリカの含量による研磨特性を調べる。先ず、34個のウエハーを準備し、17個のウエハーの上には各々シリコンを包含しない有機膜を形成し、残る17個のウエハーの上には各々シリコン酸化膜系列の1つであるTEOS(Tetraethyoxysilane)膜を形成した。次に表2のようにCMP用スラリー組成物で塩素酸塩系列の酸化剤の含量を0.1〜3.0重量%に変化させ、シリカ研磨粒子の含量を0.01〜1.0重量%に変化させながら、各ウエハーに対してCMP工程を進行して研磨特性を調べた。本実施例2で塩素酸系列の酸化剤として過塩素酸(HClO4)を使用した。前記シリカの平均粒子サイズは、約60nmであった。
本実施例3−1では、実験例2で最も優れた特性を示した塩素酸塩系列の酸化剤1.0重量%と研磨粒子として使用されたシリカ0.4重量%を維持するCMP用スラリー組成物に、研磨調節剤を種類と含量と変化させながら、これによる研磨特性を調べた。先ず、18個のウエハーを準備し、9個のウエハーの上には各々シリコンを包含しない有機膜を形成し、残る9個のウエハーの上には各々シリコン酸化膜系列の1つであるPETEOS(Plasma−enhanced Tetraethyoxysilane)膜を形成した。次に表3のように研磨調節剤としてカルボキシル酸を0.1〜1.0重量%に変化させるか、又はカルボキシル酸の代わりに、スルホン酸、アミノ酸、無機酸、硝酸を用いて、各ウエハーに対してCMP工程を実行して研磨特性を調べた。本実施例3‐1において、前記塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸(HClO4)を使用した。前記シリカの平均粒子サイズは、約60nmであった。
本実施例3−2では、塩素酸塩系列の酸化剤1.0重量%と研磨粒子として使用されたシリカ0.2重量%を維持するCMP用スラリー組成物に研磨調節剤を種類と含量とを変化させながら、これにしたがう研磨特性を調べた。先ず、6つのウエハーを準備し、3つのウエハーの上には各々シリコンを包含しない有機膜を形成し、残る3つのウエハーの上には各々シリコン酸化膜系列の1つであるPETEOS(Plasma−enhanced Tetraethyoxysilane)膜を形成した。次に表4のように研磨調節剤としてカルボキシル酸を0.7〜1.3重量%に変化させながら、各ウエハーに対してCMP工程を進行して研磨特性を調べた。本実施例3‐2において、前記塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸(HClO4)を使用し、前記カルボキシル酸としてギ酸を使用した。前記シリカの平均粒子サイズは、約60nmであった。
本実施例4では、塩素酸塩系列の酸化剤を1.0重量%で、シリカ研磨粒子を0.4重量%で、カルボキシル酸を0.3重量%で含むCMP用スラリー組成物に界面活性剤を各々陽イオン系、陰イオン系及び非イオン系で変化させ、添加した後、これにしたがう研磨特性を調べた。このために、6つのウエハーを準備し、3つのウエハーの上には各々シリコンを包含しない有機膜を形成し、残る3つのウエハーの上には各々シリコン酸化膜系列の1つであるPETEOS(Plasma−enhanced Tetraethyoxysilane)膜を形成した。次に上述したように界面活性剤を変化させたCMP用スラリー組成物を製造した。この時、添加された各種類の界面活性剤の添加量は全体組成物の重量に対して0.5重量%であった。前記陽イオン系界面活性剤として塩化ベンザルコニウム(Benzalkonium chloride)を使用し、前記陰イオン系界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩(Alkyl Benzene sulfonate)を使用した。前記非イオン系界面活性剤としてポリエチレングリコール(Polyethylene glycol)を使用し、前記塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸(HClO4)を使用した。前記カルボキシル酸としてギ酸を使用した。前記シリカの平均粒子サイズは、約60nmであった。そして、前記CMP用スラリー組成物を利用して各ウエハーに対してCMP工程を進行し、研磨特性を調査して表5に記録した。
本実施例5−1では、本発明のCMP組成物のpHによって研磨特性がどのように変化するかについて調べた。まず、約60nmの粒度を有するシリカ粒子を0.5重量%添加し、塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸を1.0重量%添加した。この時、pHは約2.1になった。かかる同一組成物のサンプルを8個準備した。8個のサンプルのうち、7個のサンプルにpH調節剤を添加し、pHを調節した。添加されたpH調節剤は全体組成物の3重量%以下に添加した。前記7個のサンプルのうち、2個のサンプルにはpHを低下させるため、pH調節剤に硝酸を少しずつ添加し、各々1.8と2.0にpHを低下させた。前記7個のサンプルのうち、残る5個のサンプルにはpHを増加させるため、pH調節剤に水酸化カリウム(KOH)を少しずつ添加し、各々2.2〜3.0にpHを増加させた。そして、各サンプルを利用し、各々シリコンを含まない有機膜と酸化膜の一種であるTEOS膜に対してCMP工程を行い、研磨特性を調査して表6に記録した。
本実施例5−2では、本発明のCMP組成物のpHによって研磨粒子の安定性がどのように変化するかについて調べた。まず、約60nmの粒度を有するシリカ粒子を0.5重量%添加し、硫酸塩(Sulfate)系列の酸化剤としてペルオキソ二硫酸カリウム(Potassium persulfate、K2S2O8)を0.3重量%添加した。そのとき、pHは約4.2となった。かかる組成を有する組成物のサンプルを3個準備した。3個のサンプルのうち、2個のサンプルにpH調節剤を添加してpHを調節した。添加されたpH調節剤は全体組成物の3重量%以下に添加した。前記3個のサンプルのうち、1個のサンプルにはpHを低下させるため、pH調節剤に硫酸を少しずつ添加し、pHを測定しながら研磨粒子の安定性を肉眼で観察した。pHが3.5未満と低下したとき、研磨粒子の安定性が悪くなった。前記3個のサンプルのうち、他の1個のサンプルにはpHを増加させるため、pH調節剤に水酸化カリウム(KOH)を少しずつ添加し、pHを測定しながら研磨粒子の安定性を肉眼で観察した。pHが5.0を超えたとき、研磨粒子の安定性が悪くなった。従って、本実施例5−2のCMP組成物がシリカ粒子を0.5重量%包含し、ペルオキソ二硫酸カリウム(Potassium persulfate、K2S2O8)を0.3重量%で包含するとき、好ましいpHは、約3.5〜5.0であることが分かる。
本実施例5−3では、本発明のCMP組成物のpHによって研磨粒子の安定性がどのように変化するかについて調べた。まず、約60nmの粒度を有するセリア粒子を0.5重量%添加し、硝酸塩(Nitrate)系列の酸化剤として硝酸鉄(Fe(NO)3)を0.3重量%添加した。そのとき、pHは約2.1となった。かかる組成を有する組成物のサンプルを3個準備した。3個のサンプルのうち、2個のサンプルにpH調節剤を添加してpHを調節した。添加されたpH調節剤は全体組成物の3重量%以下に添加した。前記3個のサンプルのうち、1個のサンプルにはpHを低下させるため、pH調節剤に硫酸を少しずつ添加し、pHを測定しながら研磨粒子の安定性を肉眼で観察した。pHが2.0未満と低下したとき、研磨粒子の安定性が悪くなった。前記3個のサンプルのうち、他の1個のサンプルにはpHを増加させるため、pH調節剤に水酸化カリウム(KOH)を少しずつ添加し、pHを測定しながら研磨粒子の安定性を肉眼で観察した。pHが2.8を超えたとき、研磨粒子の安定性が悪くなった。従って、本実施例5−3のCMP組成物がセリア粒子を0.5重量%包含し、硝酸鉄(Fe(NO)3)を0.3重量%で包含するとき、好ましいpHは、約2.0〜2.8であることが分かる。
本実施例6では、本発明のシリカ研磨粒子のサイズによって研磨特性がどのように変化するかについて調べた。シリカ研磨粒子は0.5重量%で添加、塩素酸塩系列の酸化剤として過塩素酸を1.0重量%添加した。そして、シリカ研磨粒子のサイズが各々約30nm、60nm、80nm、120nmである組成物のサンプルを4個製造した。各サンプルを利用し、各々シリコンを含まない有機膜と酸化膜の一種であるTEOS膜に対してCMP工程を行い、研磨特性を調べて表7に記録した。
本実施例7では、本発明の酸化物研磨粒子にセリアを使用した。そして、セリア研磨粒子のサイズによって研磨特性がどのように変化するかについて調べた。セリア研磨粒子を0.05重量%添加し、酸化剤として硝酸鉄を3.0重量%添加した。そして、セリア研磨粒子のサイズが各々約30nm、60nm、80nmである組成物のサンプルを3個製造した。各サンプルを利用し、各々シリコンを含まない有機膜と酸化膜の一種であるTEOS膜に対してCMP工程を行い、研磨特性を調査して表8に記録した。
3、23・・・ゲート層間絶縁膜
5、25・・・犠牲膜
10、20110・・・構造物
14、14a、63、63a、120、120a・・・有機膜
12、22・・・ホール
32・・・グルーブ
115・・・窪んだ領域
29、36・・・埋め込み絶縁膜
31・・・共通ドレーン領域
34・・・ゲート絶縁膜
LSL・・・下部選択ライン
WL0、WL1、WL2、WL3・・・ワードライン
USL0、USL1・・・上部選択ライン
BL・・・ビットライン
CSL・・・共通ソースライン
53・・・エッチング対象膜
55、55a、57、61、61a・・・マスク膜
59・・・スペーサー
Claims (10)
- 基板上に第1の窪んだ領域を含む第1の構造物を形成する段階と、
前記第1の構造物上にシリコンを包含しない有機膜を形成して前記第1の窪んだ領域を満たす段階と、
前記有機膜に対してCMP(chemical mechanical polishing)用スラリー組成物を利用してCMP工程を進行して前記有機膜の少なくとも一部を除去する段階と、を有し、
前記第1の構造物の上端には酸化膜が配置され、
前記CMP用スラリー組成物は、
酸化物研磨粒子を0.001重量%〜5重量%、酸化剤を0.1重量%〜5重量%、研磨調節剤を0.1重量%〜1.3重量%、界面活性剤を0重量%〜3重量%、pH調節剤を0重量%〜3重量%、及び脱イオン水を82.7重量%〜99.799重量%含み、
前記酸化物研磨粒子は、シリカ(SiO2)またはセリア(CeO2)であり、
前記研磨調節剤は、有機酸、無機酸、及びこれらの塩からなるグループから選択され、
前記pH調節剤は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア水、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(Tetramethylammonium hydroxide)、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(Tetraethylammonium hydroxide)及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシド(Tetrabuthylammonium hydroxide)を含むグループから選択される少なくとも1つの塩基であり、
前記酸化膜に対して6:1以上の選択比で前記有機膜を研磨することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記有機膜の少なくとも一部を除去する段階は、前記第1の構造物の上部面を露出させ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。
- 前記第1の窪んだ領域は、前記基板を露出させる第1のホールであり、
前記有機膜に対してCMP工程を進行した後に、
前記第1の構造物上に前記有機膜の上部面を露出させる第2のホールを含む第2の構造物を形成する段階と、
前記第2のホールを通じて前記有機膜を除去する段階と、
前記第1のホールと前記第2のホールとの少なくとも側壁を覆う活性柱を形成する段階と、
前記第1の構造物と前記第2の構造物の一部に導電ラインを形成する段階と、をさらに含む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。 - 前記第1の構造物と前記第2の構造物とは、各々複数層の絶縁膜と犠牲膜とが交互に積層された構造を有し、
前記第1の構造物と前記第2の構造物との一部に導電ラインを形成する段階は、
前記犠牲膜を選択的に除去する段階と、
前記犠牲膜が除去された領域に前記導電ラインを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1の構造物は、前記基板上に配置されるエッチング対象膜、前記エッチング対象膜上に配置されて複数個の互に平行なライン形態の第1のマスクパターン、及び前記第1のマスクパターンの側壁と上部面とをコンフォーマルに覆う第3のマスク膜を含み、
前記第1の構造物の上部面を露出させる段階は、前記第3のマスク膜の上部面を露出させ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。 - 前記第1のマスクパターンの間の間隔は、前記第3のマスク膜の厚さの3倍であり、
前記第1のマスクパターンの間に前記有機膜が配置され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。 - 異方性エッチング工程を進行して露出された前記第3のマスク膜を除去し、前記有機膜下に第3のマスクパターンを形成する段階をさらに含む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。
- 前記有機膜の少なくとも一部を除去する段階は、前記第1の構造物の上部面を露出させない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。
- CMP(chemical mechanical polishing)用スラリー組成物を利用して、上端に酸化膜が配置された第1の構造物上に形成された有機膜のCMP工程を行う方法であって、
前記CMP用スラリー組成物は、
酸化物研磨粒子を0.001重量%〜5重量%、酸化剤を0.1重量%〜5重量%、研磨調節剤を0.1重量%〜1.3重量%、界面活性剤を0重量%〜3重量%、pH調節剤を0重量%〜3重量%、及び脱イオン水を82.7重量%〜99.799重量%含み、
前記酸化物研磨粒子は、シリカ(SiO2)またはセリア(CeO2)であり、
前記研磨調節剤は、有機酸、無機酸、及びこれらの塩からなるグループから選択され、
前記pH調節剤は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア水、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(Tetramethylammonium hydroxide)、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(Tetraethylammonium hydroxide)及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシド(Tetrabuthylammonium hydroxide)を含むグループから選択される少なくとも1つの塩基であり、
前記酸化膜に対して6:1以上の選択比で前記有機膜を研磨することを特徴とするCMP工程を行う方法。
- 前記CMP工程は、シリコンを含まない有機膜に対して適用されることを特徴とする請求項9に記載のCMP工程を行う方法。
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