(57)【要約】【課題】素子分離形成工程の低コスト化と形状の安定化及び欠陥の抑制を両立する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の形成方法では、基板１０１上に第１絶縁膜１０４を形成する工程と、第１絶縁膜１０４および基板１０１にレジストマスクを用いて溝１０６を形成する工程と、溝１０６を埋め込むように第２絶縁膜１０７を堆積する工程と、溝１０６からはみ出した第２絶縁膜１０７と第１絶縁膜を除去する工程とを備える。さらに、第１絶縁膜１０４が、第２絶縁膜１０７とエッチングレート差が小さい酸化膜であることを特徴とする。その結果、第１絶縁膜１０４と第２絶縁膜１０７の研磨速度の差を減少させることが出来るため、第１絶縁膜１０４の除去を同じ一連の工程で行うことができ、研磨工程における均一性を向上することが出来る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜および前記基板にレジストマスクを用いて溝を形成する工程と、
前記溝を埋め込むように、第２絶縁膜を堆積する工程と、
前記溝からはみ出した前記第２絶縁膜と第１絶縁膜を除去する工程とを備え、
前記第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜とエッチングレート差が小さい酸化膜であることを特徴とする、素子分離構造の製造方法。
【請求項２】
前記第１絶縁膜の除去は、研磨により行うことを特徴とする、請求項１記載の素子分離構造の製造方法。
【請求項３】
前記第１絶縁膜と前記基板の摩擦係数の差は、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜の摩擦係数の差と比べて大きいことを特徴とする、請求項２記載の素子分離構造の製造方法。
【請求項４】
前記研磨による除去工程では、セリア系スラリーを用いることを特徴とする、請求項２記載の素子分離構造の製造方法。
【請求項５】
前記スラリーの砥粒濃度は０．５ｗｔ％以下であることを特徴とする、請求項４記載の素子分離構造の製造方法。
【請求項６】
前記第１絶縁膜の終点検出は、光学式、もしくはトルク式の検出方法を用いることを特徴とする、請求項１記載の素子分離構造の製造方法。
【請求項７】
前記第１絶縁膜は、ＴＥＯＳ酸化膜であることを特徴とする、請求項１記載の素子分離構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、素子分離形成工程を用いる半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い個々の半導体素子を電気的に分離する方法としてシャロー・トレンチアイソレーション（ＳＴＩ）が採用されている。
【０００３】
この従来の方法としては、特許文献１、特許文献２などに示すようなものがある。
【０００４】
従来の素子分離形成方法を具体的に説明すると、図４（ａ）に示すように、基板１上面にストッパ膜２を形成し、ストッパ膜２上にレジスト膜３を堆積する。
【０００５】
次に、図４（ｂ）に示すように、リソグラフィー法およびドライエッチング法を適用して、分離溝４形成用のレジストパターンを形成する。
【０００６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、このレジストパターンをマスクとして、ストッパ膜２に対してエッチングを行い、ハードマスク２Ａを形成する。
【０００７】
その後、図４（ｄ）に示すように、ハードマスク２Ａを用いて基板１に対してエッチングを行い、分離溝４を形成する。
【０００８】
次に、図５（ａ）に示すように、分離溝４を完全に埋め込むように、分離溝４およびストッパ膜２上に絶縁膜５を堆積する。
【０００９】
その後、図５（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法によりストッパ膜２上の絶縁膜５を除去する。ここで、通常、基板１としては、Ｓｉ基板が用いられ、ストッパ膜２としては、ＳｉＮ膜が用いられる。
【００１０】
最後に、図５（ｃ）に示すように、ウェットエッチングによりストッパ膜２を除去し、素子分離構造（ＳＴＩ）を完成する。
【特許文献１】特開平１１−１４５０９０号公報
【特許文献２】特開２０００−２４３７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来方法においては、ストッパ膜（ＳｉＮ膜）の研磨速度が遅く、また絶縁膜の研磨速度はストッパ膜であるＳｉＮ膜の研磨速度より速いため、ストッパ膜と絶縁膜の研磨速度の差が大きくなる。よって、溝部を埋め込む絶縁膜とストッパ膜を続けてＣＭＰ法により除去することは非常に困難であり、ストッパ膜（ＳｉＮ膜）はＣＭＰ法ではなく、ウェットエッチングにより除去する。
【００１２】
なおＳｉＮからなるストッパ膜を除去する前に、形成された素子分離（ＳＴＩ）形状の高さを調節するため、ＨＦを用いたウェットエッチングを行う。
【００１３】
ここで、素子分離の高さ調節、及びストッパ膜除去に用いるＨＦ含有溶液は大変酸化力が強いため、素子分離形成後のデバイス表面がよりダメージを受けやすくなっている。その結果、研磨工程における研磨パッドとの摩擦によって発生した、被研磨面の表面上のスクラッチを拡大する場合がある。
【００１４】
そこで本発明は、ストッパ膜として絶縁膜とあわせて除去できる膜質をもつ膜を提供することにより、研磨工程における均一性を向上する方法を提供する。また、従来のストッパ膜のウェットエッチングによる工程を削減することができる。
【００１５】
よって、本発明では、素子分離形状の安定化と欠陥の抑制および低コスト化を両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
基板上に第１絶縁膜を形成する工程と、第１絶縁膜および基板にレジストマスクを用いて溝を形成する工程と、溝を埋め込むように、第２絶縁膜を堆積する工程と、溝からはみ出した第２絶縁膜と第１絶縁膜を除去する工程とを備え、第１絶縁膜は、第２絶縁膜とエッチングレート差が小さい酸化膜であることを特徴とする、素子分離構造の製造方法を提供する。
【００１７】
その結果、第１絶縁膜と第２絶縁膜の研磨速度の差を減少させることが出来るため、第１絶縁膜の除去を第２絶縁膜の除去工程と別工程ではなく、同じ一連の工程で行うことができる。よって、第１絶縁膜及び第２絶縁膜除去後に露出される、素子分離形状の安定化を図ることが出来る。さらに、従来のウェットエッチング工程を１つ削減でき、低コスト化を実現することが出来る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、本発明では素子分離膜形成時のハードマスクとして、絶縁膜の除去と連続して研磨除去できる性質を有する、終点検出の感度を十分得ることが出来る膜を用いることにより、被研磨面の平坦度を向上する。また、ウェットエッチングを用いないでＳＴＩ構造を形成できるため、素子分離形状の安定化と欠陥の抑制および低コスト化を両立することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、図１を用いて、本発明が課題を解決するメカニズム、つまり本発明の原理について説明する。
【００２０】
（発明の原理）
従来はストッパ膜としてＳｉＮ膜を用いている。従来の方法と本発明の方法を比較しながら、本発明の原理について、図１及び図４，５を参照して説明する。
【００２１】
まず従来方法において、基板上に堆積する膜（ＳｉＮ膜）には、２つの役割がある。１つ目は、基板１をエッチングし、溝４を形成する際のハードマスクとしての役割、２つ目は、溝４からはみ出した絶縁膜５をＣＭＰにより除去する際のストッパー膜としての役割である。
【００２２】
ここで、従来例のように、素子分離構造を形成する際に基板１上に堆積するストッパ膜２としてＳｉＮ膜を用いると、ＳｉＮ膜と、溝４に埋め込む絶縁膜５とは研磨レートが大きく異なり、ＳｉＮ膜の研磨レートは遅く、絶縁膜の研磨レートは速い。よって、溝４からはみ出した絶縁膜５を除去した後、ストッパ膜２となるＳｉＮ膜は絶縁膜５とは異なる方法で除去され、通常ウェットエッチングで除去される。ここで、ストッパ膜２であるＳｉＮ膜の除去にＣＭＰ法を適用しないのは、精度良く終点検出を行うことが難しいためである。以下、具体的に説明する。
【００２３】
終点検出方法としては主に、光学式とトルク式の２種類がある。
【００２４】
まず、光学式の終点検出法を用いる場合について説明する。
【００２５】
素子分離構造を形成する際に基板１上に堆積するストッパ膜２として、ＳｉＮ膜のように光を吸収する傾向が強い膜を用いると、光学式の終点検出方法では十分感度が得られない。図１は、ストッパ膜２が堆積された基板１中に形成された溝４に、絶縁膜５が埋め込まれるように堆積された様子を示している。ここで、素子分離構造を形成するために、溝４からはみ出した絶縁膜５を研磨により除去する工程において、検出器７を用いて研磨の終点を光学式の終点検出法により検出する。
【００２６】
光学式の終点検出方法では、膜に光を照射しその反射光を調べることによって終点を検出するため、ＳｉＮ膜のように被照射膜が光を吸収すると、十分な光強度を有する反射光を得られない。よって、反射光が弱い分、検出感度が低下する。つまり光学式の検出方法を使用する場合には、ストッパ膜２としては、光に対する吸収性が低いものが望ましい。
【００２７】
次に、トルク式の終点検出法を用いる場合について説明する。
【００２８】
トルク式の検出方法は、ＣＭＰ工程において、研磨装置のトルクにかかる力が変わるところを終点として検出する方法である。ある同じ種類の膜を研磨する際にトルクにかかる力と、また異なる種類の膜を研磨する場合にトルクにかかる力は異なるので、トルクにかかる力の変化を検出して、被研磨面に種類の異なる膜が露出した時点を終点とする。よって、トルクにかかる力の変化が大きいほど、終点検出感度は向上する。
【００２９】
しかし図１（ｂ）に示すように、基板１に形成された溝に埋め込まれた絶縁膜５をＣＭＰにより除去していくと、あるところでストッパ膜２であるＳｉＮ膜と絶縁膜５が同時に被研磨面に現われる。ここで、ストッパ膜２であるＳｉＮ膜と絶縁膜５であるＳｉＯ2膜の研磨レートを調べると、ＳｉＮ膜の研磨レートが遅く、絶縁膜５の研磨レートは速い。
【００３０】
しかし、研磨の際の総合的な指標である研磨レートは、主に研磨時のスラリーの特性によるものであって、膜固有の摩擦係数、つまりパッド６のＳｉＮ膜に対する滑りやすさと、パッド６の絶縁膜（ＳｉＯ2）に対する滑りやすさにはあまり違いがないため、トルク８にかかる力にも大きな差が発生しない。具体的には、図１（ｃ）を用いて説明する。
【００３１】
図１（ｃ）は、横軸に研磨時間Ｔ、縦軸にトルクにかかる力Ｆを示している。ここで、研磨の各段階とトルクの関係については、図１（ｂ）に示す絶縁膜の研磨の様子を参考に説明する。まず、絶縁膜５の研磨が開始すると、トルク８には図１（ｃ）に示すようにＦ1の力がかかる。その後研磨が進行していくと、被研磨面にはストッパ膜２であるＳｉＮ膜と絶縁膜５が混在する状態となる。その際に、トルク８には図１（ｃ）に示すように、Ｆ2の力がかかる。ここで、トルク８にかかる力の変化量はＦ2−Ｆ1で表される。従来はここで研磨を終了する。しかし、このトルク８の変化量は小さいので、トルク式で研磨の終点検出を行っていると、精度よくＳｉＮ膜が露出されたポイントを検出することが難しい。
【００３２】
また、従来とは異なり、さらにストッパ膜２であるＳｉＮ膜を研磨していくとするとＳｉＮ膜が除去され、次に被研磨面には基板１のＳｉと絶縁膜５が露出するようになる。ここでは、図１（ｃ）に示すように、トルク８にかかる力はＦ3であり、先ほどのＳｉＮ膜と絶縁膜５の露出の際と比較して大きな力がトルク８にかかる。ここで、トルク８の変化量はＦ3−Ｆ2で表される。このトルクの変化量は比較的大きいので、ＳｉＮ膜と絶縁膜５が露出する際の検出精度と比較すると、より高い精度で終点の検出が出来るはずである。
【００３３】
しかし、実際にはＳｉＮ膜は先にも述べたように絶縁膜５と比べると研磨レートが大変遅く、被研磨面の平坦度を維持しつつ同時に研磨除去を行うのは、大変難しい。よって、研磨によってストッパ膜２であるＳｉＮ膜まで除去しようとすると、今度は研磨レートの速い絶縁膜５もさらに研磨除去が進んでしまい、被研磨面の平坦度が維持できないと共に、素子分離に段差を誘発することになる。
【００３４】
よって、トルク式の終点検出法を用いて精度よく研磨の終点検出を行うためには、ストッパ膜２と絶縁膜５の研磨パッド６に対する滑りやすさが互いに異なる膜を用いる必要がある。
【００３５】
以上の観点から、本発明では素子分離膜形成時のハードマスクとして、絶縁膜の除去と連続して研磨除去できる性質を有する、終点検出の感度を十分得ることが出来る膜を用いて素子分離構造を形成する方法を提供する。以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
（第１の実施形態）
本発明の実施形態について、図２から図３を用いて説明する。
【００３７】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０１上に熱酸化膜１０２、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１０３を堆積する。その後、第２絶縁膜１０７と連続して研磨除去できる性質を有する第１絶縁膜１０４、例えばＴＥＯＳ酸化膜を堆積する。この時、エッチングにより素子分離溝１０６を形成する際のハードマスクの機能を果たすように、ＴＥＯＳ酸化膜１０４は９０ｎｍ〜１２０ｎｍ程度の堆積が望ましい。
【００３８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、基板１０１上にレジスト１０５を塗布し、リソグラフィー法により所望のレジストパターンを形成する。
【００３９】
次に、図２（ｃ）に示すように、先に形成したレジスト１０５のパターンをマスクとして、ドライエッチングにより第１絶縁膜１０４を選択的に除去する。その後、レジスト１０５をアッシングにより除去する。
【００４０】
続いて、図２（ｄ）に示すように、第１絶縁膜１０４をハードマスクとして、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１０３、 熱酸化膜１０２、Ｓｉ基板１０１をエッチングにより部分的に除去し、素子分離溝１０６を形成する。
【００４１】
次に、図３（ａ）に示すように、素子分離溝１０６内を埋め込むように第２絶縁膜１０７、例えばＨＤＰ酸化膜を堆積し、ＡｒもしくはＮ2雰囲気中で９００℃〜１１００℃程度の熱処理を行う。
【００４２】
その後、図３（ｂ）に示すように、素子分離溝１０６からはみ出した第２絶縁膜１０７（ＨＤＰ酸化膜）をＣＭＰにより除去し、絶縁膜表面を平坦化する。
【００４３】
この時に使用するスラリーは、セリア系のスラリーを用い、砥粒濃度は０．５ｗｔ％以下、カルボン酸、ポリアクリル酸などの添加剤は２ｗｔ％以下になるよう純水などで希釈し用いることが望ましい。
【００４４】
セリア系スラリーは、有機系化合物が周りに配位したと粒からなるスラリーで、圧力がかかって砥粒周辺の配位子が脱離すると、研磨力が向上する特性を有している。例えば、被研磨面に表面段差があるパターンを研磨する場合、被研磨面が研磨パッドから受ける圧力は凸部の方が大きく、平坦な箇所または凹部は、被研磨面が研磨パッドから受ける圧力が小さくなる。よって、研磨パッドから受ける圧力が大きい凸部では、優先的に砥粒の周りにあった配位子が外れて研磨が進行する。一方、研磨パッドから受ける圧力が大きくない比較的平坦な箇所や凹部は、砥粒の周りにある配位子が外れにくいので、研磨スピードが遅くなる。その結果、凸部を優先的に平坦化することが出来る。この性質を用いて、被研磨面の段差を除去する。
【００４５】
さらに研磨を進め、ハードマスクの役割を果たした第１絶縁膜１０４をＣＭＰ法により除去し、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１０３をストッパーとして露出させる。この際に、ストッパーとなる膜と被研磨膜の性質に応じて、研磨時の終点検出法を選択する。
【００４６】
例えば、第１絶縁膜がＴＥＯＳのような酸化膜系の膜であり、ストッパ膜にＰｏｌｙ−ＳｉのようなＳｉ系の膜を用いる場合には、光学式終点検出法及びトルク式終点検出法のいずれの方法も用いることが出来る。酸化膜系の膜とＳｉ系の膜は研磨パッドに対する滑りやすさが大きく異なるため、トルクにかかる力変化を検出しやすいためである。また、酸化膜系の膜とＳｉ系の膜では、ある波長帯において透過率が大きく異なるため、光学式検出法を用いても、充分感度を得ることができる。具体的には、光学式終点検出に用いるレーザ波長は、６７０ｎｍの赤外光が望ましい。また検出感度を上げるため研磨条件はプラテン回転数を７０ｒｐｍ〜１１５ｒｐｍ程度、研磨圧力３ｐｓｉ〜４．５ｐｓｉ、研磨レートは１８０ｎｍ／ｍｉｎ〜２５０ｎｍ／ｍｉｎ程度が望ましい。
【００４７】
その後、図３（ｃ）に示すように、ハードマスクとして用いた第１絶縁膜を研磨除去した後、ＨＦではなくアンモニア過水（ＡＰＡ）を用いて、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜及び熱酸化膜１０２をウェットエッチングにより除去する。
【００４８】
その結果、図３（ｄ）に示すような、Ｓｉ基板内に形成された溝に絶縁膜が埋め込まれた素子分離構造を、平坦性よく形成することが出来る。
【００４９】
以上の方法により、素子分離に埋め込む絶縁膜と、素子分離用の溝を形成する際のハードマスクとして、素子分離に埋め込む絶縁膜と同時に研磨できる材料を提供する。つまり絶縁膜の除去と連続して研磨除去できる性質を有する材料を用い、さらに終点検出の感度を十分得ることが出来る膜を提供することにより、被研磨面の平坦度を向上することができる。
【００５０】
さらに、第１の絶縁膜を第２の絶縁膜と合わせて研磨除去することが出来るため、従来方法では必要であった、第１の絶縁膜（ストッパ膜）の除去工程でのウェットエッチング工程が不要となり、工程数を全体的に減少させることが出来る。
【００５１】
また、ウェットエッチングでは主にＨＦ含有溶液を用いるが、ＨＦ含有溶液は大変酸化力が強いので、その際にＳＴＩの角が侵食され、丸みを帯びてしまう場合がある。しかし、本発明においては、このウェットエッチング工程を用いないため、ＳＴＩ表面がＨＦ含有溶液に暴露され、大きく形状が変化するのを防ぐことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上、本発明は、ＣＭＰを用いて素子分離構造を形成する方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】研磨時の終点検出方法を示す図
【図２】第１の実施形態の工程断面図
【図３】研磨時の終点検出方法を示す図
【図４】従来方法によるＳＴＩの形成の工程断面図
【図５】従来方法によるＳＴＩの形成の工程断面図
【符号の説明】
【００５４】
１０１  Ｓｉ基板
１０２  熱酸化膜
１０３  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
１０４  第１絶縁膜
１０５  レジスト
１０６  素子分離溝
１０７  第２絶縁膜
【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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