(57)【要約】【課題】スクラッチの発生を低減でき、さらに研磨レートの低下を抑制できる半導体装置の研磨剤及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置の研磨剤は、酸化セリウムを主成分とする酸化セリウム粒子１１と、酸化セリウム粒子１１の表面を覆うシリコン酸化物粒子１２とを有する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化セリウムを主成分とする酸化セリウム粒子と、
前記酸化セリウム粒子の表面を覆う被覆物と、
を具備することを特徴とする半導体装置の研磨剤。
【請求項２】
前記被覆物は粒子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研磨剤。
【請求項３】
前記被覆物は薄膜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研磨剤。
【請求項４】
前記被覆物は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置の研磨剤。
【請求項５】
前記被覆物は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置の研磨剤。
【請求項６】
前記酸化セリウムは、ＣｅＯ２を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体装置の研磨剤。
【請求項７】
半導体基板上に形成された薄膜の被研磨面を、酸化セリウムを主成分とする酸化セリウム粒子が被覆物にて覆われた研磨粒子によって研磨する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記被研磨面を研磨する工程では、前記被研磨面に凹凸部が存在する場合は、前記研磨粒子が有する前記酸化セリウム粒子によって前記凹凸部の研磨を行い、前記被研磨面に凹凸部が存在しない場合は、前記研磨粒子が有する前記被覆物によって前記被研磨面の研磨を行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記被研磨面を研磨する工程では、前記被研磨面に凹凸部が存在する場合は、前記被覆物が遊離した前記酸化セリウム粒子によって前記凹凸部の研磨を行い、前記被研磨面に凹凸部が存在しない場合は、前記酸化セリウム粒子を被覆する前記被覆物によって前記被研磨面の研磨を行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記被覆物は粒子であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記被覆物は薄膜であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記被覆物は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とすることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記被覆物は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とすることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記酸化セリウムは、ＣｅＯ２を主成分とすることを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の製造分野における半導体装置の平坦化技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置の製造における絶縁膜の研磨工程、特にＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）形成のためのＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈ）工程において、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子よりなる研磨剤が用いられている。酸化セリウム粒子よりなる研磨剤の場合、酸化セリウム粒子を分散させるために界面活性剤を添加する。このとき、酸化セリウムの分散度は、界面活性剤の種類や添加量などで調整している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記研磨剤に界面活性剤を添加する場合、その添加量を増やしすぎると分散作用が凝集作用に変化する。平坦化特性を向上させるために、故意に界面活性剤の添加量を増やす場合もあるが、この場合には、酸化セリウム粒子の凝集が起こりやすくなる。このような酸化セリウム粒子の凝集は、被研磨面である絶縁膜の表面にスクラッチを発生させる原因となる。また、同様に界面活性剤の添加量を増やした場合、被研磨面の研磨レートが低下してしまうので、研磨工程におけるスループットの低下を招く。
【０００４】
そこでこの発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、スクラッチの発生を低減でき、さらに研磨レートの低下を抑制できる半導体装置の研磨剤及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明に係る半導体装置の研磨剤は、酸化セリウムを主成分とする酸化セリウム粒子と、前記酸化セリウム粒子の表面を覆う被覆物とを具備することを特徴とする。
【０００６】
また、前記目的を達成するために、この発明に係る半導体装置の製造方法は、酸化セリウムを主成分とする酸化セリウム粒子が、被覆物にて覆われた研磨粒子を用いて、半導体基板上に形成された薄膜の被研磨面を研磨する工程を具備することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【０００８】
［第１の実施の形態］
まず、この発明の第１の実施の形態の半導体装置の研磨剤、及び研磨剤を用いた半導体装置の研磨方法について説明する。この研磨方法では、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子をシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で被覆した研磨粒子が用いられる。シリコン酸化物は、例えば粒子であってもよいし、膜であってもよい。
【０００９】
図１は、第１の実施の形態の半導体装置の研磨方法で用いられる研磨剤に含まれる研磨粒子の模式図である。この研磨粒子は、図１に示すように、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子１１をシリコン酸化物（ＳｉＯ２）粒子１２で被覆したものである。
【００１０】
この研磨粒子を分散させるには、シリコン酸化物粒子１２同士の反発があればよい。このため、酸化セリウム粒子１１にシリコン酸化物粒子１２を被覆させた後は、研磨粒子を含む研磨剤に、界面活性剤を添加する必要はなく、ＫＯＨやアンモニアなどを添加し、研磨剤のｐＨ調整を行う。ただし、研磨特性向上等のために添加剤を加えてもかまわない。
【００１１】
図２及び図３は、第１の実施の形態の半導体装置の研磨方法を示す模式図である。
【００１２】
酸化セリウム粒子１１がシリコン酸化物粒子１２にて被覆された、図１に示したような研磨粒子を用いて、半導体基板１３上の絶縁膜１４を研磨し、絶縁膜１４の表面を平坦化する方法について以下に述べる。
【００１３】
研磨が開始されると、図２に示すように、絶縁膜１４表面の凸部に前記研磨粒子が衝突する。この衝突により、酸化セリウム粒子１１を被覆しているシリコン酸化物粒子１２が、酸化セリウム粒子１１から遊離する。この結果、酸化セリウム粒子１１が主体となって絶縁膜１４の表面を積極的に研磨する。すなわち、酸化セリウム粒子１１の表面が露出し、この酸化セリウム粒子１１の表面と絶縁膜１４表面の凸部とが擦れることにより、研磨が行われる。
【００１４】
このような研磨工程では、酸化セリウム粒子１１が主体となって研磨を行うため、被研磨面における研磨レートの大幅な低下は起こらない。また、研磨剤に界面活性剤が含まれていないので、被研磨面の凹部に溜まった研磨粒子が凝集を起こすことがない。したがって、研磨粒子が凝集してその粒径を増大させることはなく、スクラッチの発生を低減できる。
【００１５】
次に、絶縁膜１４表面の凸部の研磨が進行するにつれて、酸化セリウム粒子１１から遊離するシリコン酸化物粒子１２は次第に減少する。そして、絶縁膜１４の凸部が研磨されて平坦化が終了すれば、図３に示すように、酸化セリウム粒子１１からのシリコン酸化物粒子１２の遊離はなくなる。この場合の絶縁膜１４表面の研磨は、酸化セリウム粒子１１の表面を被覆しているシリコン酸化物粒子１２によって行われ、シリコン酸化物粒子１２による研磨レートで進行する。
【００１６】
このとき、前記研磨において、研磨剤を連続供給し、必要ならば研磨と同時に研磨布表面のコンディショニングを行うことにより、シリコン酸化物粒子１２が遊離し表面が露出した酸化セリウム粒子１１を研磨工程の系外に積極的に排出する。これにより、絶縁膜１４表面の平坦化終了後には、酸化セリウム粒子１１をシリコン酸化物粒子１２で被覆した研磨粒子のみを、絶縁膜１４表面の研磨に寄与させることができる。
【００１７】
このように、被研磨面の平坦化が終了するまでは研磨レートが速い酸化セリウム粒子１１で研磨を行い、平坦化終了後にはシリコン酸化物粒子１２で研磨を行うことにより、平坦化終了後には極端に研磨レートが低下し、凹凸研磨におけるセルフストップ機構を働かせることが可能となる。なお、酸化セリウム粒子１１がシリコン酸化物粒子１２で被覆された研磨粒子を用いた場合、被研磨面の平坦化後でも研磨は進行するので、被研磨膜の膜厚調整などが必要なときにも適している。
【００１８】
以上説明したようにこの第１の実施の形態によれば、被研磨面の凹凸部を平坦化するまでは酸化セリウム粒子で研磨し、平坦化終了後にはシリコン酸化物粒子で研磨することにより、平坦化を行う研磨工程では研磨レートを低下させることなく研磨を行うことができ、平坦化終了後の研磨工程では研磨レートを低下させた研磨を行うことができる。さらに、研磨剤に界面活性剤を添加する必要がないため、被研磨面に発生するスクラッチを防止することができる。
【００１９】
［第２の実施の形態］
次に、この発明の第２の実施の形態の半導体装置の研磨剤、及び研磨剤を用いた半導体装置の研磨方法について説明する。前記研磨剤に含まれる研磨粒子は、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で被覆したものである。酸化アルミニウムは、例えば粒子であってもよいし、膜であってもよい。そして、研磨方法では、前記研磨粒子を含む研磨剤を用いて、半導体装置の研磨が行われる。
【００２０】
図４は、第２の実施の形態の半導体基板の研磨方法で用いられる研磨剤に含まれる研磨粒子の模式図である。この研磨粒子は、図４に示すように、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子１１を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子１５で被覆したものである。
【００２１】
この研磨粒子を分散させるには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子１５同士の反発があればよい。このため、酸化セリウム粒子１１に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子１５を被覆させた後は、研磨粒子を含む研磨剤に、界面活性剤を添加させる必要はなく、適当な酸を添加し、研磨剤のｐＨ調整を行う。ただし、研磨特性向上等のために添加剤を加えてもかまわない。
【００２２】
図５及び図６は、第２の実施の形態の半導体装置の研磨方法を示す模式図である。
【００２３】
酸化セリウム粒子１１が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子１５にて被覆された、図４に示したような研磨粒子を用いて、半導体基板１３上の絶縁膜１４を研磨し、絶縁膜１４の表面を平坦化する方法について以下に述べる。
【００２４】
研磨が開始されると、図５に示すように、絶縁膜１４表面の凸部に前記研磨粒子が衝突する。この衝突により、酸化セリウム粒子１１を被覆している酸化アルミニウム粒子１５が、酸化セリウム粒子１１から遊離する。この結果、酸化セリウム粒子１１が主体となって絶縁膜１４の表面を積極的に研磨する。すなわち、酸化セリウム粒子１１の表面が露出し、この酸化セリウム粒子１１の表面と絶縁膜１４表面の凸部とが擦れることにより、研磨が行われる。
【００２５】
このような研磨工程では、酸化セリウム粒子１１が主体となって研磨を行うため、被研磨面における研磨レートの大幅な低下は起こらない。また、研磨剤に界面活性剤が含まれていないので、被研磨面の凹部に溜まった研磨粒子が凝集を起こすこともない。したがって、研磨粒子が凝集してその粒径を増大させることはなく、スクラッチの発生を低減できる。
【００２６】
次に、絶縁膜１４表面の凸部の研磨が進行するにつれて、酸化セリウム粒子１１から遊離する酸化アルミニウム粒子１５は次第に減少する。そして、絶縁膜１４の凸部が研磨されて平坦化が終了すれば、図６に示すように、酸化セリウム粒子１１からの酸化アルミニウム粒子１５の遊離はなくなる。この場合の絶縁膜１４表面の研磨は、酸化セリウム粒子１１の表面を被覆している酸化アルミニウム粒子１５によって行われ、酸化アルミニウム粒子１５による研磨レートで進行する。
【００２７】
このとき、前記研磨において、研磨剤を連続供給し、必要ならば研磨と同時に研磨布表面のコンディショニングを行うことにより、酸化アルミニウム粒子１５が遊離し表面が露出した酸化セリウム粒子１１を研磨工程の系外に積極的に排出する。これにより、絶縁膜１４表面の平坦化終了後には、酸化セリウム粒子１１を酸化アルミニウム粒子１５で被覆した研磨粒子のみを、絶縁膜１４表面の研磨に寄与させることができる。
【００２８】
このように、被研磨面の平坦化が終了するまでは研磨レートが速い酸化セリウム粒子１１で研磨を行い、平坦化終了後には酸化アルミニウム粒子１５で研磨を行うことにより、平坦化終了後には極端に研磨レートが低下し、凹凸研磨におけるセルフストップ機構を働かせることが可能となる。なお、酸化セリウム粒子１１が酸化アルミニウム粒子１５で被覆された研磨粒子を用いた場合、この研磨粒子を含む研磨剤は酸性となり、酸化アルミニウム粒子１５でシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）はほとんど研磨されない。したがって、平坦化のみを行いたいときに適している。
【００２９】
以上説明したようにこの第２の実施の形態によれば、被研磨面の凹凸部を平坦化するまでは酸化セリウム粒子で研磨し、平坦化終了後には酸化アルミニウム粒子で研磨することにより、平坦化を行う研磨工程では研磨レートを低下させることなく研磨を行うことができ、平坦化終了後の研磨工程では研磨レートを低下させた研磨を行うことができる。さらに、研磨剤に界面活性剤を添加する必要がないため、被研磨面に発生するスクラッチを防止することができる。
【００３０】
以下に、従来の研磨剤としてシリコン酸化物（シリカ）粒子、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子を含む研磨剤、第１の実施の形態で述べた酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子をシリコン酸化物（ＳｉＯ２）粒子で被覆した研磨粒子、及び第２の実施の形態で述べた酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子で被覆した研磨粒子をそれぞれ含有する研磨剤にて研磨を行った場合の研磨結果を示しておく。
【００３１】
従来及び実施の形態の研磨粒子を含有する研磨剤の特性と、これら研磨剤にて研磨を行った場合の研磨レート及びスクラッチの発生数を表１に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
シリコン酸化物粒子を含む研磨剤をＡ研磨剤、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子を含む研磨剤をＢ研磨剤、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子を含む研磨剤をＣ研磨剤、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子がシリコン酸化物（ＳｉＯ２）粒子で被覆された研磨粒子を含む研磨剤をＤ研磨剤、酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子で被覆された研磨粒子を含む研磨剤をＥ研磨剤とする。
【００３４】
図７は、Ａ〜Ｅ研磨剤を用いてシリコン酸化膜を研磨したときの研磨レートを示す図である。ここで、被研磨膜であるシリコン酸化膜は凹凸を持たない膜である。このときの研磨条件は、シリコン酸化膜の被研磨面にかかる圧力（ＤＦ）が４００［ｈＰａ］、ウェハを保持するキャリアの回転数が１００［ｒ／ｍ］、回転定盤の回転数が１００［ｒ／ｍ］である。この研磨条件は、以降の研磨においても同様である。
【００３５】
酸化セリウム粒子を含むＣ研磨剤による研磨では、研磨レートが６１０［ｎｍ／ｍｉｎ］程度である。酸化セリウム粒子がシリコン酸化物粒子で被覆された研磨粒子を含むＤ研磨剤では研磨レートが１９８［ｎｍ／ｍｉｎ］程度であり、酸化セリウム粒子が酸化アルミニウム粒子で被覆された研磨粒子を含むＥ研磨剤では研磨レートが６［ｎｍ／ｍｉｎ］程度である。したがって、平坦な被研磨面を持つシリコン酸化膜を研磨する場合、Ｄ研磨剤及びＥ研磨剤を用いれば、Ｃ研磨剤を用いたときに比べて、研磨レートを十分に小さくできることがわかる。
【００３６】
次に、凹凸を持つシリコン酸化膜を研磨する場合を述べる。
【００３７】
図８は、パターニングされたシリコン酸化膜を、Ａ〜Ｅ研磨剤を用いて研磨したときの研磨レートを示す図である。前記シリコン酸化膜は減圧ＣＶＤ法にて形成したＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）膜である。図９に示すように、このＴＥＯＳ膜１６は、被研磨面に凹凸が存在する。被研磨面全体に対する凸部の密度は、４０％程度であり、凸部の高さは５００ｎｍ程度である。
【００３８】
被研磨面の平坦化が終了する前では、酸化セリウム粒子がシリコン酸化物粒子で被覆された研磨粒子を含むＤ研磨剤、または酸化セリウム粒子が酸化アルミニウム粒子で被覆された研磨粒子を含むＥ研磨剤で研磨したときの研磨レートは、酸化セリウム粒子を含むＣ研磨剤で研磨したときの研磨レートと同等である。しかし、被研磨面の平坦化が終了した後では、Ｄ研磨剤を用いて研磨したときの研磨レートは大きく低下し、シリコン酸化膜粒子を含むＡ研磨剤で研磨したときの研磨レートと同等になる。同様に、Ｅ研磨剤を用いて研磨したときの研磨レートは大きく低下し、酸化アルミニウム粒子を含むＢ研磨剤で研磨したときの研磨レートと同等になる。
【００３９】
前記シリコン酸化膜（ＴＥＯＳ膜）に発生するスクラッチは以下のようになる。
【００４０】
図１０は、前記シリコン酸化膜を、Ａ〜Ｅ研磨剤を用いて研磨したときに発生するスクラッチ数を示す図である。前記シリコン酸化膜は、前述と同様に、被研磨面に凹凸を有するＴＥＯＳ膜である。スクラッチ数は、シリコン酸化物粒子を含むＡ研磨剤で研磨したときのスクラッチの発生数を１とした場合の相対値で示している。
【００４１】
酸化セリウム粒子がシリコン酸化物粒子で被覆された研磨粒子を含むＤ研磨剤で研磨したときのスクラッチ数は、シリコン酸化物を含むＡ研磨剤で研磨したときと同等である。酸化セリウム粒子が酸化アルミニウム粒子で被覆された研磨粒子を含むＥ研磨剤で研磨したときのスクラッチ数は、酸化アルミニウム粒子を含むＢ研磨剤で研磨したときより少ない。これは、Ｅ研磨剤の基材である酸化セリウム粒子が柔らかいためである。
【００４２】
以上述べた研磨結果より、被研磨面の凹凸部に対し、平坦化を行う研磨工程では研磨レートを低下させることなく研磨を行うことができ、平坦化終了後の研磨工程では研磨レートを低下させた研磨を行うことができることがわかる。さらに、研磨剤に界面活性剤を添加する必要がないため、被研磨面に発生するスクラッチを低減させることができる。
【００４３】
従来では薄膜の凹凸のある表面を酸化セリウム粒子で研磨する場合には、界面活性剤の影響により酸化セリウム粒子が凝集し、凝集した酸化セリウム粒子がスクラッチの発生要因となっていた。さらに、界面活性剤の添加量によって、研磨レートが低下しスループットの悪化を招いていた。
【００４４】
この発明の実施の形態では、薄膜の研磨に、酸化セリウム粒子を基材とし、この酸化セリウム粒子をＳｉＯ２粒子やＡｌ２Ｏ３粒子などの被覆粒子で被覆した研磨剤を用いてＣＭＰを行う。これにより、被覆粒子の遊離作用によって界面活性剤を添加する必要がないため、研磨工程におけるスループットを悪化させることがない。さらに、粒子の凝集がないため、スクラッチを発生させることもない。また、被覆粒子の選択により、大幅に平坦化特性を向上させることができる。
【００４５】
また、前述した各実施の形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施の形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、スクラッチの発生を低減でき、さらに研磨レートの低下を抑制できる半導体装置の研磨剤及び半導体装置の製造方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態の半導体装置の研磨剤に含まれる研磨粒子の模式図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態の半導体装置の研磨方法における第１工程を示す模式図である。
【図３】前記第１の実施の形態の半導体装置の研磨方法における第２工程を示す模式図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態の半導体装置の研磨剤に含まれる研磨粒子の模式図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態の半導体装置の研磨方法における第１工程を示す模式図である。
【図６】前記第２の実施の形態の半導体装置の研磨方法における第２工程を示す模式図である。
【図７】前記第１、第２の実施の形態及び従来の研磨剤を用いた場合のパターニングされていない被研磨膜の研磨レートを示す図である。
【図８】前記第１、第２の実施の形態及び従来の研磨剤を用いた場合のパターニングされた被研磨膜の研磨レートを示す図である。
【図９】前記パターニングされた被研磨膜の平坦化前後の様子を示す断面図である。
【図１０】前記第１、第２の実施の形態及び従来の研磨剤を用いた場合のパターニングされた被研磨膜に発生するスクラッチ数を示す図である。
【符号の説明】
１１…酸化セリウム（ＣｅＯ２）粒子
１２…シリコン酸化物（ＳｉＯ２）粒子
１３…半導体基板
１４…絶縁膜
１５…酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粒子
１６…ＴＥＯＳ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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