(57)【要約】【課題】ＣＭＰスラリーの使用量を削減しても、実用的な研磨速度で被研磨膜を研磨することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。【解決手段】実施形態の半導体装置の製造方法は、ターンテーブル（１１）に支持され回転している研磨布（１２）に半導体基板（１４）上の被研磨膜を当接させる工程と、前記研磨布上における前記被研磨膜が当接する領域に、研磨フォーム（１５）を供給して前記被研磨膜を研磨する工程とを具備する。前記研磨フォームは、総量の０．０１〜２０質量％の研磨粒子および総量の０．１〜１０質量％の泡形成保持剤を含む水系分散体を泡状として得られる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターンテーブルに支持され回転している研磨布に半導体基板上の被研磨膜を当接させる工程と、
前記研磨布上における前記被研磨膜が当接する領域に、総量の０．０１〜２０質量％の研磨粒子および総量の０．１〜１０質量％の泡形成保持剤を含む水系分散体が泡状とされた研磨フォームを供給して前記被研磨膜を研磨する工程と
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２】
前記研磨フォームは、室温で１２０秒静止した状態での体積減少率が５％以下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製造方法。
【請求項３】
前記研磨フォームは、室温で１２０秒静止した状態での体積減少率が１％以下である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。
【請求項４】
前記泡形成保持剤は、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸カリウム、および直鎖アルキルベンゼンスルホン酸アンモニウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記研磨粒子は、酸化セリウム、および酸化珪素からなる群から選択されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記被研磨膜は、酸化膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
回転可能なターンテーブルに支持された研磨布と、
半導体基板を保持して、前記半導体基板を前記研磨布に当接させる研磨ヘッドと、
研磨粒子と泡形成保持剤とを含む水系分散体を収容し、網体を通して前記水系分散体を吐出することにより泡状として、前記研磨布上の前記半導体基板が当接する領域に研磨フォームを供給する泡発生器とを具備することを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造においては、ＣＭＰスラリーを用いたＣＭＰにより半導体基板上の被研磨膜が研磨される。従来のＣＭＰスラリーは、例えば、研磨粒子を含む分散体であり、分散媒としては純水などが用いられている。ＣＭＰの際には、回転している研磨布の中心付近にＣＭＰスラリーが供給され、このＣＭＰスラリーが遠心力によって研磨布の外側に向けて広がって、研磨布に当接している被研磨膜の研磨に用いられる。
【０００３】
研磨布上に供給されたＣＭＰスラリーは、必ずしもその全てが被研磨膜の研磨に寄与するわけではない。ＣＭＰスラリーは粘性が低く研磨布の外側に排出される部分もあるため、従来のＣＭＰスラリーは効率的に利用されていない。
【０００４】
ＣＭＰスラリーが排出されずに研磨布上に保持されれば、その使用量を削減できるので利用効率の向上につながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ＣＭＰスラリーの使用量を削減しても、実用的な研磨速度で被研磨膜を研磨することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体装置の製造方法は、ターンテーブルに支持され回転している研磨布に半導体基板上の被研磨膜を当接させる工程と、前記研磨布上における前記被研磨膜が当接する領域に、研磨フォームを供給して前記被研磨膜を研磨する工程とを具備する。前記研磨フォームは、総量の０．０１〜２０質量％の研磨粒子および総量の０．０１〜１質量％の泡形成保持剤を含む水系分散体を泡状として得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する図。
【図２】泡発生器の構成を説明する概略図。
【図３】泡形成保持剤の含有量と泡体積減少率との関係を示すグラフ図。
【図４】従来の半導体装置の製造方法を説明する図。
【図５】従来のスラリーを用いた半導体装置の製造方法を説明する図。
【図６】ＳＴＩの製造工程を表わす断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して実施形態を具体的に説明する。
【００１０】
図１を参照して、一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する。図示するように、回転機構（図示せず）により駆動されるターンテーブル１１に支持された研磨布１２には、回転機構（図示せず）により駆動される研磨ヘッド１３に保持された半導体基板１４が当接される。ターンテーブル１１および研磨ヘッド１３を所定の速度で回転させながら、研磨布１２上の所定の領域に研磨フォーム１５を供給することによって、半導体基板１４に設けられた被研磨膜１０が研磨される。
【００１１】
研磨フォーム１５が供給される領域は、研磨布１２上の表面のうち、半導体基板１４が当接する領域である。研磨布１２が回転するので、研磨フォーム１５が供給される領域は、この研磨布１２上における半導体基板１４の軌道に沿った領域ということができる。研磨布１２上に供給された研磨フォーム１５は、半導体基板１４の回転にしたがって、研磨布１２と被研磨膜１０との間に入り込んで、被研磨膜１０を研磨する。
【００１２】
被研磨膜の研磨に用いられる研磨フォーム１５は、泡発生器１６を用いて、研磨粒子と泡形成保持剤とを含む水系分散体を泡状とすることにより調製される。
【００１３】
水系分散体に含有される研磨粒子は、被研磨膜の材質に応じて適宜選択することができる。例えば、熱酸化膜等の酸化膜を研磨する場合には、研磨粒子としては、酸化セリウムおよび酸化珪素などを用いることができる。水系分散体中における研磨粒子の含有量は、水系分散体の０．０１〜２０質量％である。０．０１質量％未満の場合には、実用的な研磨速度を達成することができない。一方、２０質量％を超えると、研磨フォームの体積を維持できず、コストも増加する。水系分散体中における研磨粒子の含有量は、０．１〜１０質量％程度が好ましい。
【００１４】
研磨粒子の平均粒子径は、通常１０〜１,０００ｎｍ程度である。平均粒子径は、例えば、透過型電子顕微鏡により撮影された一つの独立した研磨粒子の像を計測したり、流動式比表面積自動測定装置により、ＢＥＴ法を用いて測定した比表面積から求めることができる。
【００１５】
泡形成保持剤は、網体を有する泡発生器を通過することにより水系分散体を泡状とし、その状態を保持する。ただし、泡形成保持剤は、被研磨膜の研磨には何等悪影響を及ぼしてはならず、これらを考慮して選択される。酸化膜を研磨する場合には、泡形成保持剤としては、例えばアニオン性界面活性剤等を用いることができる。一般的な硫酸ドデシルナトリウム（ＳＤＳ）など用いてもよい。特に、アルキルベンゼンスルホン酸、および、アルキルベンゼンスルホン酸とその塩が好適である。アルキル鎖の炭素数は、８〜１６が好ましい。研磨フォームの体積を維持するとともに、被研磨基板の研磨速度への影響を考慮すると、アルキル基の炭素数は１０〜１４が好ましい。生分解性の観点から、アルキル基は直鎖であることが好ましい。塩としては、カリウム塩およびアンモニウムが好ましい。
【００１６】
具体的には、直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸、直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム、および直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム等が挙げられる。
【００１７】
水系分散体中における泡形成保持剤の含有量は、０．１〜１０質量％である。泡形成保持剤が０．１質量％未満の場合には、研磨速度向上の効果は得られるものの十分ではない。また、所望される状態の泡を形成することができない。一方、泡形成保持剤が１０質量％を超えると、被研磨基板に吸着して、研磨速度が低下するという不都合が生じる。なお、所望される状態とは、室温で１２０秒静止した状態での泡の体積減少率が５％以下であることをさす。室温で１２０秒静止した状態での泡の体積減少率は、１％以下であることが好ましい。０．５〜５質量％程度の泡形成保持剤が含有された場合には、これを達成することができる。泡の体積減少率および泡形成については、後述する。
【００１８】
場合によっては、陰イオン性官能基を表面に有する樹脂粒子を併用してもよい。陰イオン性官能基は、単体では泡形成剤として性能未達であるが、泡形成保持剤と併用することによって、研磨フォームの体積減少を抑制する効果が得られる。この場合には、泡形成保持剤の減量が可能となる。樹脂粒子の材質は、例えば、ポリスチレンおよびポリメタクリルレート等から選択することができる。陰イオン性官能基としては、例えば、カルボキシル基およびスルホニル基等が挙げられる。
【００１９】
表面に陰イオン性官能基を有する樹脂粒子は、例えば特開２０００−２０４３５３号公報の製造例４に記載されている調合方法などを採用して、得ることができる。
【００２０】
所定量の研磨粒子および泡形成保持剤を水に加えて、水系分散体が得られる。水としては、例えば純水を用いることができる。
【００２１】
得られた水系分散体は、泡形成保持剤と研磨粒子とを含み、泡発生器を通過させることにより泡状とすることができる。泡発生器１６は、例えば図２の概略図に示すような構成である。円筒状の樹脂製シリンダ−ブロック１７内には、混合室２０が設けられ、供給経路１８が混合室２０に連通している。研磨粒子および泡形成保持剤を含む水系分散体は、供給経路１８を介して混合室２０内に供給して収容することができる。
【００２２】
この供給経路１８から混合室２０内に空気を供給することにより、水系分散体により攪拌された後、網体１９を通過して泡状の研磨フォームとなる。研磨フォームは、泡発生器１６の吐出口２１から吐出される。網体１９の目開きは、１００〜５００メッシュ程度であれば、所望の状態の泡を形成することができる。網体１９の材質は特に限定されず、例えば、ナイロン、ポリエステル、およびポリエチレンなどが挙げられる。
【００２３】
空気の供給量は、例えば電空レギュレーターにより調整することができる。所定の量で研磨粒子および泡形成保持剤が含有された水系分散体に、適切な条件で空気を吹き込むことによって、所望の状態の泡が得られる。所望の状態の泡を得るためには、水系分散体の温度が１８〜３０℃の範囲内であることが好ましい。空気は、水系分散体の体積の２〜１０倍程度の体積となるように供給されることが望まれる。さらに、フィルターを介して不純物の少ない空気を供給するように制御することも、所望の状態の泡を得るために有効である。
【００２４】
こうして泡発生器を通して形成された泡状の研磨フォームは、１２０秒後における体積減少率が５％以下である。１２０秒後における泡の体積減少率は、１％以下であることが好ましい。
【００２５】
泡の体積減少率は、次のように定義される。まず、前述の泡発生器を用いて水系分散体を泡状とし、メッシリンダーに収容して泡の初期体積（Ｖ0）を求める。これを、無風、室温の条件下で静置して、１２０秒後の泡の体積（Ｖ120）を測定する。（１００×（Ｖ0−Ｖ120）／Ｖ0）から、泡の体積減少率が得られる。
【００２６】
通常の研磨工程においては、半導体基板に設けられた被研磨膜の研磨に要する時間は、１２０秒以内である。水系分散体を泡状として得られた研磨フォームの状態が保たれていれば、研磨フォームは研磨布上に留まって被研磨膜の研磨に寄与することができる。研磨フォームは、被研磨膜の研磨に確実に用いられるので、実用的な研磨速度が補償される。しかも、研磨布上の研磨フォームは、遠心力（ターンテーブルの回転速度は、通常１０〜１５０ｒｍｐ）によっても研磨布上から排出されることはなく、利用効率が高められる。
【００２７】
研磨フォームの状態は、泡体積減少率によって評価され、１２０秒後の泡の体積減少率が５％以下であれば、所望の効果が得られることが本発明者らによって見いだされた。
【実施例】
【００２８】
以下に、半導体製造装置の製造方法の具体例を示す。
【００２９】
＜実施形態１＞
研磨粒子を分散媒に加えて、０．５質量％の水系分散体を得た。研磨粒子としては、平均粒子径０．１μｍ程度の酸化セリウムを用い、溶媒としては純水を用いた。得られた水系分散体を、サンプル１とした。サンプル１は、従来用いられていたＣＭＰスラリーに相当する。
【００３０】
このサンプル１に、泡形成保持剤としての直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸カリウムを所定の量で加えて、サンプル２〜８を得た。直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸カリウムの量は、サンプルを泡状として研磨フォームを得、これを室温で１２０秒静置した後の泡体積減少率が所定の値となるように調製した。研磨フォームの形成には、図２に示した構成の泡発生器を用いた。混合室２０の容積は５０ｃｃ程度であり、網体１９は３００メッシュのポリエチレン製とした。吐出口２１の径は５ｍｍ程度であり、電空レギュレーターにより元圧を０．５ＭＰａとして空気を供給した。
【００３１】
泡体積減少率と泡形成保持剤の含有量とを、下記表１にまとめる。また、図３のグラフには、泡形成保持剤の含有量と泡体積減少率との関係をプロットした。
【表１】
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【００３２】
さらに、サンプル９として、体積減少率が０．５％のサンプルを得た。このサンプル６は、陰イオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有する。サンプル６中における樹脂粒子の含有量は、０．１質量％程度とした。表面官能基はカルボキシル基であり、樹脂粒子は、平均粒子径５０ｎｍ程度のスチレン／メタクリル共重合体製である。
【００３３】
サンプル１を用いて、半導体基板上に形成された熱酸化膜の研磨を行なった。熱酸化膜の膜厚は３００ｎｍであり、半導体基板の直径は２００ｍｍである。熱酸化膜の研磨に当たっては、図４に示すように、研磨布１２が貼付されたターンテーブル１１を１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体基板１４を保持した研磨ヘッド１３を３００ｈＰａの研磨荷重で当接させた。研磨ヘッド１３の回転数は１０３ｒｐｍとし、研磨布１２の中央領域に、従来の供給方法によりスラリー２５としてのサンプル１を、スラリー供給ノズル２６から供給した。スラリー２５の流量は、１００ｃｃ／ｍｉｎとした。これは、従来の一般的なスラリー流量である。
【００３４】
研磨布１２の中央領域に滴下されたスラリー２５は、遠心力により研磨布１２の外側に向けて広がって、熱酸化膜の研磨に用いられる。研磨布としてはＩＣ１０００（ＲＯＤＥＬ社）を用いて、６０秒間の研磨を行なった。
【００３５】
スラリー供給ノズル２６から供給されるスラリー２５の流量を、５０ｃｃ／ｍｉｎおよび２５ｃｃ／ｍｉｎに変化させる以外は前述同様の条件で熱酸化膜を研磨し、熱酸化膜の削り量から研磨速度を見積もった。サンプル１の流量と研磨速度とを、下記表２にまとめる。
【表２】
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【００３６】
上記表２に示されるように、スラリーの流量が１００ｃｃ／ｍｉｎの場合には、研磨速度は１５８ｎｍ／ｍｉｎであり、実用的な速度で熱酸化膜を研磨できる。流量が減少すると研磨速度も低下し、２５ｃｃ／ｍｉｎの流量では、研磨速度は１０２ｎｍ／ｍｉｎまで低下する。熱酸化膜の研磨速度は、少なくとも１５０ｎｍ／ｍｉｎ以上であることが要求されるので、これは実用的ではない。
【００３７】
次に、図２に示した泡発生器１６を用いて、Ｎｏ．１〜９の各サンプルを研磨布１２上における半導体基板の軌道領域のみに供給した。いずれの場合も、２５ｃｃのサンプルを供給した。それ以外は前述と同様の条件で、前述と同様の熱酸化膜を研磨した。
【００３８】
Ｎｏ．２〜９のサンプルを供給した場合には、図１に示されるように研磨フォーム１５が研磨布１２上の所定の領域に形成された。Ｎｏ．４〜９のサンプルを用いて形成された研磨フォーム１５は、ほとんど流動性を有さず、研磨布１２上の所定の領域に留まっていた。こうした研磨フォーム１５は、研磨が終了するまで被研磨膜の研磨に寄与したものと推測される。
【００３９】
Ｎｏ．２，３のサンプルを用いて形成された研磨フォーム１５は、流動しやすく研磨布１２上に安定に保持されない。Ｎｏ．１のサンプルは泡状とならず、図５に示すように研磨布の外に排出される部分２７もあった。
【００４０】
前述と同様にして、熱酸化膜の削り量から研磨速度を見積もった。各サンプルについての研磨速度を下記表３にまとめる。
【表３】
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【００４１】
サンプル１は水系分散体であるので、研磨布上における半導体基板の軌道上に、泡発生器を用いて供給したところで、研磨布上に留まることができない。供給されたサンプル１は、遠心力により研磨布の外に排出されるため、被研磨膜の研磨に寄与する割合は極めて少なくなる。このため、熱酸化膜の研磨速度は３９ｎｍ／ｍｉｎと著しく低い。水系分散体からなるスラリーを用いる場合には、従来の方法で供給しなければ、実用的な速度で被研磨膜を研磨することができない。
【００４２】
サンプル２，３の場合には、泡状となったものの、研磨速度は１２０ｎｍ／ｍｉｎ以下と低く、不十分である。これは、泡の体積減少率が大きいために、被研磨膜の研磨に十分に寄与できないことが原因であると推測される。
【００４３】
サンプル４〜７、９の研磨速度は、いずれもサンプル１を１００ｃｃ／ｍｉｎで供給した場合と同等以上である。これらのサンプルの供給量は２５ｃｃであるので、サンプル１の１／４の量で、実用的な研磨速度が得られた。
【００４４】
サンプル８の場合には、泡の体積が維持されたものの、研磨速度は１３５ｎｍ／ｍｉｎと低い。泡体積保持剤の含有量が１５質量％と多いために、泡が被研磨基板に吸着して研磨速度が低下したものと推測される。
【００４５】
スラリーとして泡の体積減少率が５％以下の研磨フォームを用い、本実施形態の方法を採用することによって、スラリーの使用量を削減しても実用的な研磨速度で被研磨膜を研磨することが可能となった。
【００４６】
＜実施形態２＞
図６を参照して、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の製造方法について説明する。
【００４７】
まず、図６（ａ）に示されるようなシリコン窒化膜３１を表面に有し、ＳＴＩパターンＢが設けられた半導体基板３０を準備する。シリコン窒化膜３１はストッパー膜として作用し、その膜厚は例えば５０ｎｍである。半導体基板３０とシリコン窒化膜３１との間に、例えばシリコン酸化膜等が設けられていてもよい。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３０をシリコン窒化膜３１とともに加工して、ＳＴＩパターンＢが形成される。
【００４８】
このＳＴＩパターンＢの幅および間隔は、いずれも１μｍである（ライン／スペース：１／１μｍ）。また、ＳＴＩパターンＢの深さは、例えば２００ｎｍである。
【００４９】
シリコン窒化膜３１上には、図６（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜３２を、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）等により形成する。シリコン酸化膜３２の膜厚は２８０ｎｍであり、全面にわたってＳＴＩパターンＢ外にも形成される。
【００５０】
次に、全面のＣＭＰを行なって、図６（ｃ）に示すようにＳＴＩパターンＢ外のシリコン酸化膜３２を除去する。ＳＴＩパターンＢ内にシリコン酸化膜３２が埋め込まれ、ＳＴＩパターンＢ外においてはシリコン窒化膜３１の表面が露出される。
【００５１】
ＣＭＰにあたっては、まず、従来の条件でシリコン酸化膜を研磨した。具体的には、前述のサンプル１を１００ｃｃ／ｍｉｎで供給し、前述と同様の条件で研磨を行なった。研磨速度は１５８ｎｍ／ｍｉｎである。
【００５２】
さらに、前述のサンプル５を用いて、前述と同様の条件でシリコン酸化膜を研磨した。すなわち、泡発生器を用いて２５ｃｃのサンプル５を泡状とし、研磨布上における半導体基板の軌道領域のみに供給した。研磨速度は１６１ｎｍ／ｍｉｎである。
【００５３】
シリコン窒化膜３１の表面を露出するまでに要した時間、ＳＴＩパターンＢ内に残置されたシリコン酸化膜３２の表面におけるディッシング深さ、および欠陥数を調べ、その結果を下記表４にまとめる。ディッシングは、３０ｎｍ以下であれば合格である。
【表４】
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【００５４】
実施形態１の場合と同様、スラリーの使用量を１／４に削減しても同等のＣＭＰ性能が得られることが、上記表４に示されている。
【００５５】
＜実施形態３＞
研磨粒子として、平均粒子径２５ｎｍ程度の酸化珪素を用意した。この酸化珪素を分散媒としての純水に加えて、１０質量％の水系分散体を得た。得られた水系分散体を、サンプル１０とした。サンプル１０は、従来用いられていたＣＭＰスラリーに相当する。
【００５６】
このサンプル１０に、泡形成保持剤としての直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムを所定の量で加えて、泡状研磨フォームとしてサンプル１１を得た。このサンプル１１は、室温で１２０秒静置した後の泡体積減少率が４％であった。
【００５７】
サンプル１０を用いた場合には、実施形態１に示した従来の条件でシリコン酸化膜を研磨した。具体的には、サンプル１０を１０ｃｃ／ｍｉｎで供給し、前述と同様の条件で研磨を行なった。研磨速度は１０８ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００５８】
一方、サンプル１１を用いた場合には、泡発生器を用いて２５ｃｃのサンプルを泡状とし、研磨布上における半導体基板の軌道領域のみに供給した。研磨速度は１２１ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００５９】
酸化セリウムと比較すると、酸化珪素は研磨速度が遅いものの、流量が１／４に低減されても研磨速度が低下することはない。研磨粒子として酸化珪素を用いた場合も、酸化セリウムの場合と同様の効果が得られることが確認された。
【００６０】
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。これら新規な実施形態は、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、変更を行なうことができる。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ともに、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。
【符号の説明】
【００６１】
１０…被研磨膜；  １１…ターンテーブル；  １２…研磨布；  １３…研磨ヘッド
１４…半導体基板；  １５…研磨フォーム；  １６…泡発生器
１７…シリンダーブロック；  １８…供給経路；  １９…網体；  ２０…混合室
２１…吐出口；  ２５…スラリー；  ２６…スラリー供給ノズル
２７…排出されるスラリー；  ３０…半導体基板；  Ｂ…ＳＴＩパターン
３１…シリコン窒化膜；  ３２…シリコン酸化膜。
【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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