JPH07221054A

JPH07221054A - 研磨方法

Info

Publication number: JPH07221054A
Application number: JP1014694A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Muroyama; 雅和室山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【構成】機械的研磨が優勢である研磨条件にて所望量
の途中まで基板を研磨した後、化学的研磨が優勢である
研磨条件へ研磨条件を切り替えて所望量まで研磨する。
研磨条件の切り替えは、研磨圧力を小さくすること、研
磨粒子の硬度を低くすること等により機械的な研磨力を
低減させ、且つ、ヒータ２８により回転定盤２３の表面
温度を上げること、供給する研磨剤２２の温度を上げる
こと、研磨粒子を基板の被研磨面との親和性が高いもの
に切り替えること等により化学的な研磨力を増大させて
行えばよい。【効果】高い研磨速度と面内均一性を確保しつつ、基
板へのダメージが抑制された研磨が行える。このため、
半導体装置の製造プロセスにおける平坦化に適用する
と、半導体装置の信頼性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は研磨方法に関し、特に半
導体装置の製造プロセスにおいて、例えばトレンチアイ
ソレーションにおける埋め込み絶縁膜を平坦化する際に
用いられる研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の分野ではデバイスの
大容量化が進んでおり、チップ面積をなるべく小さくし
て大容量化を図るために多層配線技術が重要なものとな
っている。この多層配線技術においては、下地の平坦化
が必要となる。下地に凹凸があると、これにより段差が
生じ、この段差上に形成される配線が切れる、いわゆる
断切れ等の不都合が発生するからである。この平坦化を
良好に行うには、初期工程からの平坦化が重要である。

【０００３】一般的な半導体装置の製造プロセスにおい
て、最初に基板上に凹凸が発生し得る工程は、素子分離
工程である。素子分離領域は、例えば、シリコン基板の
選択酸化、いわゆるＬＯＣＯＳ法により形成されるが、
この方法により形成された素子分離領域は素子形成領域
より一段高くなるのが普通である。そこで、素子分離工
程における凹凸の発生を防止するために、トレンチアイ
ソレーションによる平坦化が提案されている。トレンチ
アイソレーションとは、半導体基板に形成した溝（トレ
ンチ）に絶縁膜を埋め込んで素子分離を行うものであ
る。そして、上記絶縁膜を埋め込んだ後、溝以外に形成
された絶縁膜よりなる凸部を除去することにより基板表
面を平坦化する。

【０００４】図２，図３，図５を用い、トレンチアイソ
レーションの形成工程を説明する。先ず、図２に示すよ
うに、シリコン基板１１上に薄いシリコン酸化膜１２お
よびシリコン窒化膜１３を形成した後、フォトリソグラ
フィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により溝
１５を形成し、その後、熱酸化により溝１５の底面およ
び側面に内壁酸化膜１４を形成する。

【０００５】次いで、図３に示すように、有機シリコン
化合物であるテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用い
たプラズマＣＶＤにより酸化シリコン膜を埋め込み絶縁
膜１６として形成する。さらに、溝１５より上部にある
埋め込み絶縁膜１６をシリコン窒化膜１３をストッパー
として研磨除去すると、図５に示すように埋め込み絶縁
膜１６が平坦化して、溝１５の内部に埋め込まれた状態
となる。なお、ストッパーはシリコン窒化膜１３に限ら
れず、埋め込み絶縁膜１６よりも研磨レートが遅い材料
より構成されればよい。

【０００６】上記埋め込み絶縁膜１６の研磨には、例え
ば図６に示すような研磨装置が用いられる。この研磨装
置は、上述のようにして埋め込み絶縁膜が形成されたウ
ェハ（基板２５）の被研磨面を下にしてこれを保持する
基板保持部と、該基板保持部の下方に位置し、該基板保
持部に保持された基板２５と摺接させる基板研磨部より
構成される。

【０００７】上記基板保持部は、基板２５を密着保持す
るための金属からなるウェハ保持台２６、図示しないモ
ータ等の駆動機構により該基板保持台２６を回転可能と
なす保持台回転軸２７よりなる。一方、基板研磨部は、
スラリー状の研磨剤２２を展開させるための研磨布２
９、この研磨布２９が張着された回転定盤２３、図示し
ないモータ等の駆動機構により該回転定盤２３を回転可
能となす定盤回転軸２４、研磨剤２２を研磨布２９上に
供給するための研磨剤供給管２１よりなる。

【０００８】上述の研磨装置によって実際に研磨を行う
には、先ず、基板保持台２６に基板２５を保持させ、こ
れを保持台回転軸２７により回転させる。また、回転定
盤２３も定盤回転軸２４によって回転させ、研磨剤供給
管２１より研磨布２９上に研磨剤２２を供給する。そし
て、この研磨剤２２を介して基板２５の被研磨面と研磨
布２９とを摺接させることによって、この基板２５の被
研磨面の研磨を行う。

【０００９】このとき、基板２５の被研磨面上のある１
点の軌跡は、基板保持台２６により自転しながら、回転
定盤２３の回転により公転することになるため、基板２
５の被研磨面はかなり均一に研磨できるとされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、より高い均
一性を確保するには、上述の研磨装置における研磨布の
硬度をある程度高くすることが有効である。しかし、高
硬度の研磨布の使用は基板に大きな応力を発生させるた
め、特に、半導体装置の製造プロセスにおける研磨工程
では、この応力がシリコン基板の熱酸化誘起積層欠陥を
誘発し、暗電流の均一性，ライフタイム，キャパシター
の緩和時間に悪影響を与えることにもなる。

【００１１】上述の問題を解決するには、例えば、高硬
度の研磨布と低硬度の研磨布との２種の研磨布を用いる
ことが考えられる。これは、初めは高硬度の研磨布によ
り研磨の均一性を確保し、途中からは低硬度の研磨布に
より基板へのダメージの低減を意図したものである。し
かしながら、研磨途中で研磨布を交換する必要があるた
め、２以上の研磨布を装着したハンドラーが必要となる
等、装置が複雑になるという欠点がある。また、低硬度
の研磨布に交換した後、研磨レートが低下してしまうの
で、生産性が劣化するという問題もある。

【００１２】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、研磨レートを低下させること
なく、且つ、基板にダメージを与えることのない研磨方
法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために提案されたものであり、回転定盤に張着さ
れた研磨布上に研磨剤を供給しながら、該研磨布に基板
の被研磨面を摺接させることにより、該基板の平坦化を
行う研磨方法において、機械的研磨が優勢である研磨条
件にて行われる研磨と、化学的研磨が優勢である研磨条
件にて行われる研磨とによって、前記基板の所望量を除
去するものである。

【００１４】ここで行われる研磨は、定盤と被研磨材料
層とが摺接することによる物理的な研磨力、即ち機械的
な研磨力と、化学反応による研磨、即ち化学的な研磨力
との相乗効果によって進むものである。したがって、
「機械的研磨が優勢である研磨条件」とは、化学的な研
磨力に比して機械的な研磨力が優勢な条件のことを示
し、「化学的研磨が優勢である研磨条件」とは、機械的
な研磨力に比して化学的な研磨力が優勢な条件のことを
示す。

【００１５】なお、機械的な研磨力の強弱に寄与する要
素としては、研磨布と基板の被研磨面との摺接面におけ
る研磨圧力の大小、研磨布の硬度の大小、研磨剤に含有
される研磨粒子の硬度の大小等が挙げられる。一方、化
学的な研磨力の強弱に寄与する要素としては、基板の被
研磨面と研磨剤との親和性の大小、反応性の大小等が挙
げられる。

【００１６】そして、本発明においては、前記機械的研
磨が優勢である研磨条件にて、前記基板の途中まで除去
した後、前記化学的研磨が優勢である研磨条件に切り替
えて、前記基板の所望量まで除去するものである。

【００１７】研磨条件を切り替えるには、研磨布と基板
の被研磨面との摺接面における温度を上昇させればよ
い。研磨布と基板の被研磨面との摺接面における温度を
上昇させると、温度に依存して基板の被研磨面と研磨剤
との親和性や反応性が増大し、化学的な研磨力を強める
ことになるため、化学的研磨が優勢である研磨条件にす
ることができる。また、研磨布が上記温度上昇によって
硬度を低減させるような樹脂からなる場合、上記摺接面
における温度を上昇させることによって機械的な研磨力
を弱めることもでき効果的である。

【００１８】なお、前記摺接面における温度を上昇させ
るには、回転定盤の加熱及び／又は研磨剤の加熱により
行えばよい。

【００１９】さらに、研磨条件の切り替えには、摺接面
における研磨圧力を小さくすること、研磨剤に含有され
る研磨粒子の硬度を小さくすることも有効である。これ
らを実行すると、機械的な研磨力を低減させることにな
るため、相対的に化学的研磨が優勢である研磨条件にす
ることができる。なお、上記研磨圧力の低減は、基板の
被研磨面を研磨布に押さえつける力を弱めることにより
実現できる。研磨粒子の硬度の低減は、例えばシリカの
代わりに酸化セリウムのような硬度の小さい研磨粒子へ
切り替えることによって実現できる。

【００２０】ところで、上述のような研磨方法は、半導
体装置の製造プロセスに用いられて好適である。例え
ば、平坦化された素子分離領域を形成するに際し、溝を
有する半導体基板上に形成された埋め込み絶縁膜につい
て、溝内部以外の部分を除去するための方法として本発
明を適用できる。この場合、溝を有する半導体基板にお
いて、溝以外の表面には埋め込み絶縁膜より研磨スピー
ドの遅い耐摩耗性の層が形成され、該耐摩耗性の層が研
磨に対してストッパとされるとよい。

【００２１】また、層間平坦化膜を形成するために、段
差を有するウェハ上に形成された絶縁膜を平坦化するに
際して本発明を適用してもよい。

【００２２】

【作用】本発明を適用すると、研磨途中で機械的な研磨
力を低減させても、その代わりに化学的な研磨力を増大
させるため、トータルの研磨所要時間は同等もしくはあ
まり増加しない。また、機械的研磨が優勢である研磨条
件にて、所望量に達する少し前まで研磨することによっ
て、高い面内均一性が確保できる。

【００２３】さらに、所望量に達する前に機械的な研磨
力が低減され、基板に大きな応力を発生させないため、
基板へのダメージが抑制できる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明に係る研磨方法を適用した具体
的な実施例について説明する。

【００２５】先ず、本発明を実施するために用いられた
研磨装置の構成例について、図１を参照しながら説明す
る。この研磨装置は、基板２５の被研磨面を下にしてこ
れを保持する基板保持部と、該基板保持部の下方に位置
し、該基板保持部に保持された基板２５と摺接させる基
板研磨部とから構成される。

【００２６】上記基板保持部は、基板２５を密着保持す
るための金属からなる基板保持台２６、図示しないモー
タ等の駆動機構により該基板保持台２６を回転可能とな
す保持台回転軸２７よりなる。なお、上記基板保持台２
６は上下に可動し、上記基板研磨部へ押さえつける力
（研磨圧力）を制御できるようになされている。

【００２７】一方、基板研磨部は、スラリー状の研磨剤
２２を載置するための研磨布２９、この研磨布２９が張
着された回転定盤２３、該回転定盤２３に内蔵されこの
回転定盤２３の上面の温度を制御するヒータ２８、図示
しないモータ等の駆動機構により上記回転定盤２３を回
転可能となす定盤回転軸２４、研磨剤２２を研磨布２９
上に供給するための研磨剤供給管２１よりなる。

【００２８】このような研磨装置を用いて実際に研磨を
行うには、基板保持台２６に基板２５を保持させ、これ
を保持台回転軸２７により回転させる。また、回転定盤
２３も定盤回転軸２４によって回転させ、研磨剤供給管
２１より研磨布２９上に研磨剤２２を供給する。そし
て、上記研磨剤２２を介して基板２５の被研磨面と研磨
布とを摺接させることによって、基板２５の被研磨面を
研磨する。

【００２９】実施例１上述の研磨装置を用いて半導体装置の製造プロセスにお
ける平坦化を行った。本実施例は、トレンチアイソレー
ションの形成工程において埋め込み絶縁膜の除去を行う
に際し、研磨途中で研磨プレート２３上面の温度を上昇
させ、研磨圧力を低減させることによって、研磨条件を
切り替えた例である。

【００３０】このトレンチアイソレーションの形成工程
を図２〜図５を用いて説明する。先ず、図２に示される
ように、シリコン基板１１上に薄いシリコン酸化膜１２
およびシリコン窒化膜１３を形成した後、フォトリソグ
ラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により
溝１５を形成し、その後、熱酸化により溝１５の底面お
よび側面に内壁酸化膜１４を形成した。

【００３１】次いで、図３に示すように、下記のＣＶＤ
条件にて酸化シリコン膜を成膜し、ウェハ全面に埋め込
み絶縁膜１６を形成した。

【００３２】酸化シリコン膜の成膜条件原料ガスＴＥＯＳ１０００ｓｃｃｍ（Ｈｅバブ
リング）Ｏ₃ ２０００ｓｃｃｍ圧力７９８００Ｐａ（６００Ｔｏｒｒ）温度３９０℃

【００３３】さらに、上述した研磨装置を用い、溝１５
より上部にある埋め込み絶縁膜１６をシリコン窒化膜１
３をストッパーとして研磨除去した。具体的には、図４
に示されるように、下記の研磨条件Ａに示される機械的
研磨が優勢である研磨条件にて、溝１５の上方約１００
ｎｍまで研磨を行い、続いて、図５に示されるように、
下記の研磨条件Ｂに示される化学的研磨が優勢である研
磨条件にて、シリコン窒化膜１３の上面に達するまで研
磨した。

【００３４】研磨条件Ａ回転定盤２３の表面温度２０℃ 研磨圧力４２０００Ｐａ回転定盤２３の回転数３７ｒｐｍ基板保持台２６の回転数１７ｒｐｍ研磨剤２２の組成シリカ／水酸化カリウム／
水研磨剤２２の温度２０℃

【００３５】研磨条件Ｂ回転定盤２３の表面温度８０℃ 研磨圧力１４０００Ｐａ回転定盤２３の回転数３７ｒｐｍ基板保持台２６の回転数１７ｒｐｍ研磨剤２２の組成シリカ／水酸化カリウム／
水研磨剤２２の温度２０℃

【００３６】なお、ここでは、研磨圧力を下げることに
より、機械的な研磨力が低減しており、一方、回転定盤
２３の表面温度を上昇させることにより、埋め込み絶縁
膜１６の被研磨面と研磨剤２２との親和性、反応性が増
大して化学的な研磨力が増大している。

【００３７】上述のような研磨を行うことにより、埋め
込み絶縁膜１６が平坦化され、溝１５の内部に埋め込ま
れた状態となり、トレンチアイソレーションが形成され
た。

【００３８】以上のように研磨条件を切り替えて研磨を
行うと、研磨レートを劣化させることなく、シリコン基
板１１に与えるダメージが抑制できた。

【００３９】実施例２本実施例では、研磨条件の切り替えを、供給する研磨剤
２２の温度を上げること、研磨剤２２に含有される研磨
粒子を変更することによっても行った。

【００４０】具体的には、トレンチアイソレーションの
形成工程における埋め込み絶縁膜１６の形成までは、実
施例１と同様にして行った。次いで、実施例１に示され
た研磨条件Ａに示される研磨条件にて、溝１５の上方約
１００ｎｍまでの埋め込み絶縁膜１６を研磨した後、下
記の研磨条件Ｃに示される研磨条件にて、シリコン窒化
膜１３の上面に達するまで研磨を行った。

【００４１】研磨条件Ｃ回転定盤２３の表面温度８０℃ 研磨圧力１４０００Ｐａ回転定盤２３の回転数３７ｒｐｍ基板保持台２６の回転数１７ｒｐｍ研磨剤２２の組成酸化セリウム／水酸化カリ
ウム／水研磨剤２２の温度２０℃

【００４２】なお、研磨条件の切り替えに際して、研磨
圧力を低減したのみならず、研磨粒子をシリカから酸化
セリウムに変更して研磨粒子の硬度も低くしたため、さ
らに機械的な研磨力が低減している。また、回転定盤２
３の表面温度の上昇のみならず、研磨剤２２の温度を高
くしたため、埋め込み絶縁膜１６の被研磨面と研磨剤と
の親和性や反応性もさらに増大して化学的な研磨力が増
大している。さらに、酸化セリウムはシリカに比して埋
め込み絶縁膜１６を構成する酸化シリコンとの親和性が
高く、一層、化学的な研磨力を増大させることになる。

【００４３】上述の研磨を行うことにより、埋め込み絶
縁膜１６が平坦化され、溝１５の内部に埋め込まれた状
態となり、トレンチアイソレーションが形成された。

【００４４】以上のように研磨条件を切り替えて研磨を
行うと、研磨レートを劣化させることなく、シリコン基
板１１に与えるダメージが抑制できた。

【００４５】以上、本発明に係る研磨方法について説明
したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形変更が可能である。例えば、トレンチア
イソレーションの形成に際して、ストッパーとして使用
できる材料はシリコン窒化膜に限られず、埋め込み絶縁
膜よりも研磨レートが遅い材料であればよいし、埋め込
み絶縁膜を構成する酸化シリコン膜の成膜条件等も特に
限定されない。

【００４６】また、本発明はトレンチアイソレーション
の形成以外にも、層間平坦化膜の形成等に適用されても
よく、高い研磨レートを確保しつつ、基板へのダメージ
が抑制された研磨を行うに際していずれの場合に適用さ
れてもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る研磨方法を適用すると、高い研磨レートと面内均
一性を確保しつつ、基板へのダメージが抑制された研磨
を行うことができる。

【００４８】このため、本発明を例えば半導体装置の製
造プロセスにおける平坦化に適用すると、研磨工程で問
題となっていたシリコン基板への熱酸化誘起積層欠陥の
誘発が抑制される。したがって、暗電流の均一性，ライ
フタイム，キャパシターの緩和時間に優れた信頼性の高
い半導体装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にて用いられる研磨装置の一例を示す模
式図である。

【図２】トレンチアイソレーションの形成工程におい
て、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜が形成されたシリ
コン基板に溝を形成し、溝の底面および側面に内壁酸化
膜が形成された状態を示す断面図である。

【図３】図２のウェハに対して埋め込み絶縁膜を形成し
た状態を示す断面図である。

【図４】図３のウェハの埋め込み絶縁膜を機械的研磨が
優勢である研磨条件にて途中まで研磨した状態を示す断
面図である。

【図５】図４のウェハの埋め込み絶縁膜を化学的研磨が
優勢である研磨条件にて最後まで研磨した状態を示す断
面図である。

【図６】従来の研磨方法に用いられる研磨装置を示す模
式図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板１２シリコン酸化膜１３シリコン窒化膜１４内壁酸化膜１５溝１６埋め込み絶縁膜２１スラリー供給管２２スラリー２３研磨プレート２４プレート回転軸２５ウェハ２６ウェハ保持台２７保持台回転軸２８ヒータ２９研磨パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転定盤に張着された研磨布上に研磨剤
を供給しながら、該研磨布に基板の被研磨面を摺接させ
ることにより、該基板の平坦化を行う研磨方法におい
て、機械的研磨が優勢である研磨条件にて行われる研磨と、
化学的研磨が優勢である研磨条件にて行われる研磨とに
よって、前記基板の所望量を除去することを特徴とする
研磨方法。
【請求項２】前記機械的研磨が優勢である研磨条件に
て、前記基板の途中まで除去した後、前記化学的研磨が
優勢である研磨条件に切り替えて、前記基板の所望量ま
で除去することを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
【請求項３】前記研磨条件の切り替えは、前記研磨布
と前記基板との摺接面における温度を上昇させることに
よって行うことを特徴とする請求項２記載の研磨方法。
【請求項４】前記摺接面における温度上昇は、定盤の
加熱によって行うことを特徴とする請求項３記載の研磨
方法。
【請求項５】前記摺接面における温度上昇は、供給す
る研磨剤を予め加熱することによって行うことを特徴と
する請求項３または請求項４に記載の研磨方法。
【請求項６】前記研磨条件の切り替えは、前記摺接面
における研磨圧力を低減させることによって行うことを
特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記
載の研磨方法。
【請求項７】前記研磨条件の切り替えは、前記研磨剤
に含有される研磨粒子の硬度を低減させることによって
行うことを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれ
か１項に記載の研磨方法。
【請求項８】前記研磨粒子の硬度の低減は、前記研磨
粒子をシリカから酸化セルウムに切り替えることによっ
て行うことを特徴とする請求項７記載の研磨方法。