JP4768335B2 - 有機膜の化学的機械的研磨方法、半導体装置の製造方法、およびプログラム - Google Patents
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Description
本発明は、レジスト膜等の有機膜に対する化学的機械的研磨方法、半導体装置の製造方法、およびプログラムに関する。
半導体装置の製造プロセスにおいては、所望の構造を形成するためにレジスト膜が犠牲膜として用いられる。例えば、半導体基板にトレンチ、あるいは絶縁膜にホールを形成した後、レジストを塗布して犠牲膜が形成され、この犠牲膜をリセスあるいは剥離することによって、所望の構造が得られる。こうした方法は、例えば、トレンチキャパシタを有する半導体記憶装置の製造において、ストレージノード電極とセルトランジスタ拡散層とを電気的に接続する埋め込みストラップを形成するために用いられる。また、Ｃｕデュアルダマシン構造（Ｃｕ ＤＤ構造）の形成プロセスにおいて、ヴィアホール先形成（Ｖｉａ ｆｉｒｓｔ ＤＤ）プロセスにも有用である。
いずれの場合も、レジスト膜の膜厚は、ウエハー全体にわたって均一であることが要求される。しかしながら、パターン密度が高いトレンチあるいはホールにレジストが埋め込まれる場合には、密パターン上のレジスト体積が減少する。このため、密パターン上のレジスト膜厚と、疎なパターン上あるいはフィールド上のレジスト膜厚との間には、数１００ｎｍオーダーのバラツキが生じてしまう。
レジストの膜厚バラツキは、その後に施されるリセス工程においてさらに増大してデバイス形状を悪化させ、焦点深度の低下や歩留まり悪化を引き起こす。こうしたレジスト膜厚のバラツキに起因した問題を解消すべく、研磨ヘッドおよび研磨布を３０ｒｐｍ程度の低回転数で回転させて研磨を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、レジストのような疎水性膜のＣＭＰにおいては、摩擦を維持することが困難であり一般に実用的な研磨速度を得ることが難しい。そこで、研磨布と研磨ヘッドとの間の摩擦を高く維持して研磨速度の上昇を図り、ひいては短時間で安定したレジスト膜の研磨を実現するべく、研磨ヘッドおよび研磨布を低回転数で回転させ、ストライベック線図における境界潤滑領域で研磨が行なわれる。しかしながら、従来の方法では、摩擦の向上には限界があった。
特開２００４−３６３１９１号公報
本発明は、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を化学的機械的に研磨する方法を提供することを目的とする。
また本発明は、平坦性および均一性が高いレジスト埋め込み構造を短時間で安定に形成することが可能な、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を化学的機械的に研磨するためのプログラムを提供することを目的とする。
また本発明は、平坦性および均一性が高いレジスト埋め込み構造を短時間で安定に形成することが可能な、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を化学的機械的に研磨するためのプログラムを提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる有機膜の化学的機械的研磨方法は、半導体基板上に堆積された有機膜を化学的機械的に研磨する方法であって、
研磨布上にスラリーを供給する工程と、
研磨ヘッドに保持され、有機膜を有する半導体基板を前記研磨布に当接させる工程と、
研磨布および研磨ヘッドを回転させる工程と、
研磨布および研磨ヘッドを停止させる工程とを含み、
前記研磨布および研磨ヘッドの回転および停止を繰り返して前記有機膜を化学的機械的に研磨することを特徴とする。
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本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、下地としての半導体基板または半導体基板上に堆積された絶縁膜に凹部を形成する工程、
前記凹部が形成された下地の全面にレジスト膜を形成する工程、および
前記レジスト膜を前述の方法により化学的機械的に研磨して、前記凹部内に選択的に前記レジスト膜を埋め込む工程
を具備することを特徴とする。
前記凹部が形成された下地の全面にレジスト膜を形成する工程、および
前記レジスト膜を前述の方法により化学的機械的に研磨して、前記凹部内に選択的に前記レジスト膜を埋め込む工程
を具備することを特徴とする。
本発明の一態様にかかるプログラムは、被研磨膜としての有機膜が設けられた半導体基板を保持した研磨ヘッドを、スラリーが供給された研磨布に当接させる処理と、互いに当接した前記研磨布および研磨ヘッドの回転および停止を繰り返させる処理とを含む制御をコンピュータに行なわせることを特徴とする。
本発明の態様によれば、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を化学的機械的に研磨する方法が提供される。本発明の他の態様によれば、平坦性および均一性が高いレジスト埋め込み構造を短時間で安定に形成することが可能な、半導体装置の製造方法が提供される。本発明のさらに他の態様によれば、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を化学的機械的に研磨する方法を制御するためのプログラムが提供される。
以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明者らは、従来の有機膜の化学的機械的研磨方法において回転数を低下しすぎると、遠心力によるスラリーの研磨布上への広がりが得られにくくなることに着目した。これによって、有機膜の研磨速度は低下する場合があるため、回転数の低減にも限界がある。例えば、１０ｒｐｍ未満の回転数では、この傾向が顕在化し始める。なお、１０ｒｐｍはスラリーが研磨布上に分散可能な回転数の下限である。こうした知見に基づいて、本発明者らは、有機膜を安定して短時間に研磨するためには、静止摩擦係数を利用して摩擦を高めることが有効であることを見出した。静止摩擦係数を利用するために、本発明の実施形態においては、研磨布および研磨ヘッドの回転・停止が繰り返される。
本発明の実施形態にかかる有機膜の化学的機械的研磨方法においては、樹脂粒子を含有する有機膜用化学的機械的研磨スラリーが用いられる。樹脂粒子としては、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のメタクリル樹脂、ＰＳＴ（ポリスチレン）樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリアセタール樹脂、およびポリカーボネイト樹脂からなる群から選択される粒子を用いることができる。特に、ＣＭＰに適した硬度・弾性を有することから、ＰＭＭＡあるいはＰＳＴ樹脂が好ましい。
樹脂粒子の一次粒子径が０．０５μｍ未満の場合には、有機膜が埋め込まれる凹部、すなわち半導体基板に設けられたトレンチあるいは絶縁膜に設けられたホール内に粒子が侵入しやすくなって、ディッシングが拡大する傾向にある。一方、５μｍを越えると粒子の分散性を制御するのが困難になり、スラリーが沈降しやすくなる。したがって、本発明の実施形態においては、用いられる樹脂粒子の一次粒子径は０．０５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。なお、樹脂粒子の一次粒子径は、より好ましくは０．１μｍ以上３．０μｍ以下である。
こうした樹脂粒子の表面には、アニオン系、カチオン系、両性系、および非イオン系官能基から選択される少なくとも１種の官能基を導入することができる。アニオン系官能基としては、例えば、カルボン酸型、スルホン酸型、硫酸エステル型、リン酸エステル型等が挙げられ、カチオン系官能基としては、例えば、アミン塩型、第４級アンモニウム塩型等が挙げられる。両性系官能基としては、例えば、アルカノールアミド型、カルボキシベタイン型、およびグリシン型等が挙げられ、非イオン系官能基としては、例えば、エーテル型、エステル型等が挙げられる。粒子の製造が容易であることから、カルボキシル基が特に好ましい。
樹脂粒子を安定して分散させるためには、ζ電位の絶対値が所定値以上であることが好ましい。具体的には、ζ電位の絶対値は２０ｍＶ程度以上であることが望まれる。官能基の割合を０．０５ｍｏｌ／Ｌ程度以上とすることによって、これを達成することができる。なお、ζ電位は、例えば電気泳動法により測定することができる。場合によっては、２種以上の官能基が同時に存在していてもよい。官能基が樹脂粒子の表面に存在することによって、界面活性剤を添加することなく、樹脂粒子同士の電気的反発力により分散性を高めることができる。
例えば、官能基としてカルボキシル基（ＣＯＯＨ）を表面に有する樹脂粒子の場合、カルボキシル基はスラリー中でＣＯＯＨ→ＣＯＯ- ＋ Ｈ+と解離して、樹脂粒子の表面がマイナスに帯電する。このため、電気的反発力により粒子同士の凝集を防ぎ、分散性を高めて寿命を長くすることが可能である。
カルボキシル基（ＣＯＯＨ）を表面に有するＰＭＭＡ粒子は、例えば、次のような手法により合成することができる。まず、メチルメタクリレート、メタクリル酸、ジビニルベンゼン、ラウリル硫酸アンモニウムおよび過硫酸アンモニウムを、十分な量のイオン交換水とともにフラスコ中に収容する。これを、窒素ガス雰囲気下、攪拌しつつ７０〜８０℃に昇温して、６〜８時間重合させる。こうして、表面にカルボキシル基を有するとともに一次粒子径０．１５〜０．２５μｍ程度のＰＭＭＡ粒子が得られる。反応温度や時間、その他の製造条件を変更することによって、０．０５〜５μｍの範囲内で樹脂粒子の一次粒子径を制御することができる。
上述したような官能基を表面に有する樹脂粒子を水中に分散させることによって、本発明の実施形態にかかる有機膜の化学的機械的研磨に用いられるスラリーが得られる。水としては、イオン交換水、純水等を用いることができる。樹脂粒子は、スラリー中０．０１〜３０ｗｔ％程度の濃度となるよう分散させることが好ましい。０．０１ｗｔ％未満の場合には、十分に高い速度で有機膜を研磨することが困難となる。一方、３０ｗｔ％を越えると、有機膜が埋め込まれるＳｉＮ、ＳｉＯ2等といった絶縁膜との選択比が取れなくなるおそれがある。
スラリー中には、酸化剤、有機酸あるいは界面活性剤といった添加剤を、通常用いられている量で必要に応じて配合してもよい。
本発明の実施形態にかかるスラリーは、ｐＨが２以上８以下の範囲内であることが好ましい。ｐＨが２未満の場合には、ＣＯＯＨ等の官能基が解離しづらく分散性が悪化するおそれがある。一方、ｐＨが８を越えると、レジスト膜等の有機膜への化学的ダメージが大きくなってディッシングが増大する場合がある。
ｐＨ調整剤を適宜配合することによって、上述した範囲のｐＨに調整することができる。ｐＨ調整剤としては、例えば、硝酸、リン酸、塩酸、硫酸、クエン酸等を用いることができる。
上述したような有機膜用化学的機械的研磨スラリーは、所定の粒径の樹脂粒子を含有しているので、本発明の実施形態にかかる有機膜の化学的機械的研磨に好適に用いることができる。特に、樹脂粒子の表面に官能基が存在する場合には、界面活性剤を別途添加することなく粒子同士の電気的反発力によって分散性を高めることができる。樹脂粒子の分散性の確保は、研磨特性上、さらには保存安定性の観点から非常に重要な要因である。粒子が良好に分散されていない場合には、粗大粒子が形成されてスクラッチの原因となるおそれがある。あるいは、スラリーがハードケーキ化して、保存安定性が悪化してしまう。樹脂粒子の表面に官能基が存在しているので、上述したスラリーでは、こうした不都合が生じることはない。
しかも、スラリーのｐＨを所定の範囲内に規定することによって、研磨対象である有機膜に何等化学的ダメージを与えることなく、樹脂粒子表面の官能基を十分に解離させることができる。
本発明の実施形態にかかるスラリーを用いた有機膜の研磨は、基本的には、例えば次のように行なうことができる。図１に示すように、研磨布３１上に、スラリー供給ノズル３５から１００〜３００ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリー３７を供給しつつ、研磨布３１が貼付されたターンテーブル３０および研磨ヘッド３３を、所定の回転数で回転させる。研磨ヘッド３３は、２００〜６００ｇｆ／ｃｍ2の研磨荷重で研磨布３１に当接させることが好ましい。また、ターンテーブル３０の回転数は１０〜５０ｒｐｍとすることができ、研磨ヘッド３３の回転数は５〜６０ｒｐｍとすることができる。ただし、研磨布３１の回転速度に対する半導体基板３２の相対速度は、０．１７乃至１．０６ｍ／ｓｅｃの範囲内となるように、ターンテーブル３０および研磨ヘッド３３の回転数を決定することが好ましく、これについては後述する。なお、図１には、水供給ノズル３４およびドレッサー３６も併せて示してある。
研磨布３１としては、例えばＩＣ１０００（ニッタ・ハース（株）社製）を用いることができる。このＩＣ１０００は、例えばＳｕｂａ４００（ニッタ・ハース（株）社製）に支持されていてもよい。
本発明の実施形態においては、静止摩擦係数を利用して有機膜の研磨が行なわれる。すなわち、まず、スラリーを研磨布３１上に滴下した後、研磨ヘッド３３を研磨布３１に当接させ、所定の荷重を印加する。次いで、研磨布３１および研磨ヘッド３３を所定の回転数まで回転させる。所定時間回転を維持してもよいが、静止摩擦係数の効果を十分に発揮させるためには、研磨布３１および研磨ヘッド３３を直ちに停止させて、繰り返し回数を多くすることが好ましい。その後、研磨布３１および研磨ヘッド３３を再度、所定の回転数まで回転させる。上述したシーケンスを数回繰り返すことにより研磨が終了する。図２のグラフには、こうしたシーケンスの一例を示す。
図示するグラフに示されるように、本発明の実施形態にかかる方法においては、研磨ヘッド３３を研磨布３１に押し付けて（タッチダウン）から、研磨布３１を回転させる。研磨ヘッド３３も、研磨布３１がタッチダウンされた後に回転させる。研磨ヘッド３３と研磨布３１とを当接させた後にこれらを回転させるため、回転開始時の静止摩擦係数を利用することで摩擦を高く維持することができる。図示するシーケンスにおいては、所定の回転数に達したところで所定時間保持して研磨を行なった後、研磨ヘッド３３および研磨布３１の回転を停止する。その後、再度、これらを上述のシーケンスで回転させる。静止の状態から所定の回転数に達するまでは、半導体基板３２と研磨布３１との間の摩擦は静止摩擦係数により支配されるので、この静止摩擦係数に支配される研磨を複数回行なって、摩擦を高いレベルに維持することができる。研磨ヘッド３３および研磨布３１の回転および停止を所定回数繰り返した後には、研磨布３１と半分程度当接する状態まで研磨ヘッド３３をスライドさせた後、両者は切り離される（オーバーハング）。
なお、従来の方法においては、図３のシーケンスに示されるように、スラリーを供給した後、研磨ヘッドを当接させて一定時間研磨が行なわれる。研磨ヘッドが研磨布に当接する前に研磨布を回転させておき、所定の回転数になったところで、研磨ヘッドを回転させつつ研磨布に当接して荷重を印加する。こうして研磨が行なわれるので、研磨布と研磨ヘッドとは、それぞれが回転している最中に接触する。したがって、研磨ヘッドと研磨布との間の摩擦は、動摩擦係数により支配されることとなる。静止摩擦係数に比べ、動摩擦係数は小さいため、高いレベルに摩擦を維持するのが困難であり、動摩擦係数を専ら利用する研磨シーケンスでは摩擦の向上には限界があった。
本発明の実施形態にかかる方法においては、静止摩擦係数を利用することにより摩擦を高く維持できるため、レジスト残り等のプロセス不安定性を解消して、生産性を高めることが可能となった。しかも、研磨ヘッドおよび研磨布は、回転・停止が繰り返されることによって、トータルの研磨時間は従来の方法よりも短縮される。その結果、スループットの向上にもつながる。
本発明の実施形態にかかる方法を制御するプログラムのフローチャートを図４に示し、使用し得る研磨装置の構成を図５に示す。これらを参照しつつ、本発明の実施形態にかかる有機膜の化学的機械的研磨方法を詳細に説明する。
図５に示されるように、制御パネル４１には、メモリが内蔵されたＣＰＵ４２が接続され、このＣＰＵ４２から制御装置４３1、４３2、４３3に信号が送られる。制御装置４３1は、研磨ヘッド３３を上下に移動する駆動装置４６を駆動するとともに、この研磨ヘッド３３を回転させるモーター４５1の回転を制御する。また、制御装置４３2は、ターンテーブル３０を回転させるモーター４５2の回転を制御する。さらに、制御装置４３3は、スラリー供給装置４４から研磨布３１上へのスラリー３７の供給を制御する。
図５に示されるように、制御パネル４１には、メモリが内蔵されたＣＰＵ４２が接続され、このＣＰＵ４２から制御装置４３1、４３2、４３3に信号が送られる。制御装置４３1は、研磨ヘッド３３を上下に移動する駆動装置４６を駆動するとともに、この研磨ヘッド３３を回転させるモーター４５1の回転を制御する。また、制御装置４３2は、ターンテーブル３０を回転させるモーター４５2の回転を制御する。さらに、制御装置４３3は、スラリー供給装置４４から研磨布３１上へのスラリー３７の供給を制御する。
こうした装置は、本発明の実施形態にかかるプログラムによって制御される。すなわち、半導体基板を保持した研磨ヘッドを、スラリーが供給された研磨布に当接させる処理と、互いに当接した前記研磨布および研磨ヘッドの回転および停止を繰り返させる処理とを含む制御をコンピュータに行なわせるためのプログラムである。こうしたプログラムは、例えばＣＰＵ内蔵のメモリに格納することができる。あるいは、ＣＤ−ＲＯＭ等の媒体に記憶させて設置してもよい。
図４に、本発明の実施形態にかかるプログラムをフローチャートにて示す。まず、研磨布３１上にスラリー３７を供給させる（ステップＳ１）。次いで、研磨ヘッド３３を研磨布３１に当接させ（ステップＳ２）、ｉ＝０とする（ステップＳ３）。その後、研磨ヘッド３３を回転させるとともに、研磨布３１が貼付されたターンテーブル３０を回転させる（ステップＳ４）。所定の回転数に達するまでの間、静止摩擦係数によって、研磨ヘッド３３と研磨布３１との間の摩擦が支配される。すでに説明したように、研磨ヘッド３３の回転数は１０〜５０ｒｐｍとすることができ、研磨ヘッド３３の回転数は５〜６０ｒｐｍとすることができる。これらが所定の回転数に達したところで、研磨ヘッド３３および研磨布３１の回転を停止する（ステップＳ５）。１８０ｓｅｃ未満であれば、研磨ヘッド３３および研磨布３１を所定の回転数に保持して回転させてもよい。１８０ｓｅｃ以上保持した場合には、静止摩擦係数の効果を十分に得ることが困難となる。
回転を停止したところで、ＣＰＵはｉの値を１だけ増加する（ステップＳ６）。したがって、ｉ＝１となる。次に、ステップＳ７において、ｉが所定値に達したか否かを判断すし、ｉが所定値に達していれば研磨を終了する。一方、所定値に達していない場合には、ステップＳ４に戻り、研磨布３１および研磨ヘッド３３の回転、および停止（ステップＳ５）が繰り返される。繰り返しの回数は、レジスト除去量等に応じて決定することができる。
すでに説明したように、停止の状態から所定の回転数まで増加する間は、静止摩擦係数によって摩擦が支配されるので、これを繰り返すことによって、高いレベルに摩擦を維持することが可能となる。
本発明の実施形態においては、上述したようなシーケンスで行なわれるので、短時間で安定してレジスト膜等の有機膜を研磨することができる。
ここで、本発明の実施形態にかかるレジストＣＭＰの研磨条件について、さらに詳細に説明する。
レジストＣＭＰは、研磨布あるいは研磨粒子の機械的研磨力によりレジスト膜を剥ぎ取ることによって、主としてレジスト膜の除去が進行する。このような機械的要素が極めて強いＣＭＰにおいては、ウエハーと研磨布との間の摩擦を高く維持することが、高い研磨速度を得るために極めて重要である。
レジストＣＭＰは、研磨布あるいは研磨粒子の機械的研磨力によりレジスト膜を剥ぎ取ることによって、主としてレジスト膜の除去が進行する。このような機械的要素が極めて強いＣＭＰにおいては、ウエハーと研磨布との間の摩擦を高く維持することが、高い研磨速度を得るために極めて重要である。
通常のＣＭＰ、例えばＳｉＯ2−ＣＭＰでは、研磨布表面および被研磨面はいずれも親水性である。このため、研磨中におけるこれらの間の摩擦係数は、研磨布の回転数が実用的な範囲内であれば、いわゆるストライベック線図の境界潤滑領域にある。したがって、通常のＰｒｅｓｔｏｎの式により、研磨布の回転速度が増加すると研磨速度も上昇する傾向にある。
図６に示したストライベック線図を参照して、これについて説明する。図６のグラフにおいて、横軸は負荷特性を表わし、ηはスラリー粘度、ｖは相対速度であり、Ｐは研磨圧力である。また、縦軸は摩擦係数（任意単位）を表わす。
例えばＳｉＯ2の場合には、研磨布の回転数が１０ｒｐｍから１００ｒｐｍの広い範囲内で境界潤滑領域となり、十分に大きな摩擦係数が確保される。なお、１０ｒｐｍ未満の場合には、スラリーが研磨布上に十分に分散せず、１００ｒｐｍを越えると、ウエハーがヘッドから飛び出すといった危険性が生ずる。研磨布中心とウエハー中心との距離Ｒを１７０ｍｍとして計算すると、前述の回転数の場合、ウエハーの相対速度は、それぞれ０．１７ｍ／ｓおよび１．５７ｍ／ｓとなる。
これに対して、疎水性材料であるレジスト膜を研磨するレジストＣＭＰの場合は、ウエハーの相対速度が低いほど研磨速度は大きくなる。これは、レジスト削りカスに起因して研磨後の研磨布表面が疎水性となるためであると考えられる。研磨布表面およびウエハー表面はいずれも疎水性となるため、ある程度の相対速度以上になると摩擦係数が急激に低下する。この状態は、図６に示したストライベック線図の液体潤滑領域であり、ウエハーと研磨布との間の接触がほとんどゼロの状態になる。この場合、レジスト膜の研磨速度は非常に小さくなる。
図２に示したシーケンスでレジスト膜をＣＭＰするに当たって、２００ｍｍウエハーを用いて研磨布中心とウエハー中心との距離Ｒを１７０ｍｍとし、研磨布の回転数Ωを変化させて、摩擦の状態に及ぼす相対速度の影響を調べた。ここでの相対速度は、研磨ヘッドの回転数および研磨布の回転数が極大となった際の値である。その結果、研磨布の回転数が１０ｒｐｍ乃至６０ｒｐｍでは境界潤滑領域であり、７０ｒｐｍ以上のとき液体潤滑領域となった。境界潤滑領域内でレジストＣＭＰを達成するには、ウエハーの相対速度ｖは、０．１７ｍ／ｓｅｃ乃至１．０６ｍ／ｓｅｃの範囲内に設定すればよい。
図７を参照して、上述したようなウエハーの相対速度を変化させた際の、ＣＭＰ時間とレジスト除去面積率との関係を説明する。レジスト除去面積率とは、レジスト膜が全面に存在するＣＭＰ前の状態を０％とし、ＣＭＰ完了後のレジスト残りのない状態を１００％として定義する。ここでは、膜厚３μｍのレジスト膜を従来の方法で研磨して調べた。図７のグラフには、ウエハーの相対速度が異なる３種類の結果を示してある。曲線ａ、ｂおよびｃは、それぞれウエハーの相対速度が０．５３ｍ／ｓ、１．２４ｍ／ｓおよび１．５７ｍ／ｓの場合の結果である。なお、これらの相対速度の際の研磨布の回転数は、それぞれ３０ｒｐｍ、７０ｒｐｍおよび１００ｒｐｍである。上述したように７０ｒｐｍ以上、すなわち、１．２４ｍ／ｓ以上の相対速度でレジストＣＭＰを行なうと、ストライベック線図の液体潤滑領域に入り、摩擦係数が小さくなる。このため、曲線ｂに示されるようにＣＭＰを完了するためには２７０ｓｅｃ以上の長時間を要し、研磨速度は極めて低い。
これに対して、３０ｒｐｍ、すなわち０．５３ｍ／ｓの相対速度では、境界潤滑の領域に入るために摩擦は高く維持される。曲線ａに示されるように、わずか２０ｓｅｃ程度で研磨が完了する。
なお、曲線ｃに示されるように、液体潤滑領域となる１．５７ｍ／ｓの場合には、２７０秒の研磨を行なったところで、レジスト除去面積率は１５％程度にとどまっている。
図８のグラフには、４５秒間の研磨を行なった際の相対速度とレジスト除去面積率との関係を示す。相対速度が０．１７ｍ／ｓｅｃ乃至１．０６ｍ／ｓｅｃの範囲内であれば、４５秒間の研磨によって８０％以上のレジスト除去面積率を達成することができる。
したがって、本発明の実施形態にかかる方法においては、研磨ヘッドの回転数および研磨布の回転数が極大となった際のウエハーの相対速度を上述したような範囲内に設定することで、研磨ヘッドおよび研磨布を所定の回転数に保持して研磨を行なう時間についても、十分な摩擦係数が保持され得る。この結果、研磨速度をよりいっそう高めることができる。
なお、十分な研磨速度を確保するために、ＣＭＰ中の荷重は、２００乃至６００ｇｆ／ｃｍ2の範囲内とすることが好ましい。２００ｇｆ／ｃｍ2未満の場合には、ストライベック線図の液体潤滑領域に入りやすく、摩擦を維持することが困難となる。一方、６００ｇｆ／ｃｍ2を越えると、スラリーが被研磨面に供給され難くなり、研磨速度が低下するとともにスクラッチが増加するおそれがある。
本発明の実施形態にかかる有機膜のＣＭＰにおいては、レジストは、半導体基板または絶縁膜のような下地に設けられたトレンチ内に埋め込まれる。そこで、用いられるスラリーにおける樹脂粒子の粒径は、このトレンチの開口径に応じて決定することが望まれる。以下に、これについて詳細に説明する。
図９には、トレンチ部における研磨粒子の状態を示す。トレンチの開口径ｄtは２μｍとする。なお、図９は、後述するような埋め込みストラップの形成工程を表わし、半導体基板１１上には、Ｐａｄ酸化膜１２およびＰａｄ窒化膜１３が順次設けられる。この半導体基板１１に設けられたトレンチ内の側面には、カラー酸化膜１８が形成されており、こうしたトレンチ内には、スラリーを用いたＣＭＰによってレジスト膜１９が埋め込まれる。
例えば、スラリーとして一次粒子径０．０３５μｍのシリカ粒子を１ｗｔ％含有するスラリーを用いた場合には、シリカ粒子サイズはトレンチ径より著しく小さい。このため、図９（ａ）に示されるように、シリカ粒子２３はトレンチ内に侵入して、ディッシングを進行させる。一方、ある程度の大きさの樹脂粒子２４を用いた場合には、図９（ｂ）に示されるように、トレンチ内に侵入しにくくなるためディッシングが進行しない。
図９に示したそれぞれの場合について、ウエハー位置とディッシング量との関係を、図１０のグラフに示す。図１０中、曲線ｆおよび曲線ｇは、それぞれ図９（ｂ）および図９（ａ）の場合である。曲線ｇに示されるように、粒径の小さなシリカ粒子が用いられる場合には、レジストディッシングは５０ｎｍを越え、かつ面内均一性も悪い。また、ディッシング形状が歪になってリセス後の形状を悪化させる。しかも、トレンチ内に侵入したシリカ粒子は、容易に除去することができず残留しやすい。この場合、レジストリセス時のマスクとなって、リセス深さのバラツキの原因となる。
一方、粒径の大きな樹脂粒子の場合には、曲線ｆに示されるように、ディッシングは２５ｎｍ程度に抑制される。万一トレンチ内に残留しても、樹脂粒子はレジストと同様の有機材料であるために、リセス（ＣＤＥ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｒｙ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により除去可能である。したがって、粒子残留によるリスクは極めて小さい。さらに、ＳｉＮ膜に対する研磨力が小さく、シリカ粒子に比べてＳｉＮ研磨速度を１／１０に抑制できるという利点もある。
図１１には、粒子サイズ／トレンチサイズ比と、ディッシング量との関係を示す。４０ｎｍ程度のディッシングは、実質的に影響を及ぼさないので許容される。したがって、粒子サイズ／トレンチサイズ比は、７０％以上とすることが好ましい。粒子サイズ／トレンチサイズ比が２００％を越えると、ディッシング量は１５％程度と一定のレベルにとどまる。また、すでに説明したような理由から、樹脂粒子の一次粒子径は５μｍ以下に制限される。これらを考慮して、粒子サイズ／トレンチサイズ比の上限を決定することが望まれる。
図１２には、樹脂粒子のサイズとディッシング量との関係を示す。ここでのサイズは一次粒子径であり、０．０５μｍ以上の場合には、ディッシング量を４０ｎｍ以下に抑えることができる。
以上述べたように、本発明の実施形態にかかる方法により、短時間で、ディッシングおよびそのバラツキの小さいレジスト埋め込み構造を形成することが可能である。しかも、レジスト残りは回避されて、プロセスの安定性が向上する。したがって、埋め込みストラップの形成に適用した場合には、抵抗バラツキを著しく低減することができる。
以下、ストレージノード電極とセルトランジスタ拡散層とを電気的に接続する埋め込みストラップを形成するプロセスを例に挙げて、本発明の実施形態を説明する。
図１３乃至図２１は、埋め込みストラップの形成方法を表わす。
まず、図１３に示すように、Ｐａｄ酸化膜１２およびＰａｄ窒化膜１３が順次堆積された半導体基板１１に対し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法により、凹部としてのトレンチ１４を形成する。トレンチ１４の直径は０．１４μｍとし、深さは１μｍとした。トレンチ周面の下部には、ｎ型の不純物を拡散させることによって埋め込みプレート電極１５を形成する。
まず、図１３に示すように、Ｐａｄ酸化膜１２およびＰａｄ窒化膜１３が順次堆積された半導体基板１１に対し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法により、凹部としてのトレンチ１４を形成する。トレンチ１４の直径は０．１４μｍとし、深さは１μｍとした。トレンチ周面の下部には、ｎ型の不純物を拡散させることによって埋め込みプレート電極１５を形成する。
こうして形成された埋め込みプレート電極１５の内周にキャパシタ誘電膜１６を堆積し、さらに、このキャパシタ誘電膜上にストレージノード電極となるＡｓ−ｄｏｐｅｄポリシリコン膜（以下、ストレージノードと称す）１７を堆積する。このストレージノード１７によってトレンチ１４内が埋め込まれる。次に、ストレージノード１７を所望の深さまでエッチバックし、Ｈ3ＰＯ4等の溶液を用いてトレンチ１４側壁のキャパシタ誘電膜１６をエッチングにより除去して、図１４に示す構造を得る。その後、半導体基板上に熱酸化膜（図示せず）を形成する。
さらに、図１５に示すように、ストレージノード１７が埋め込まれていないトレンチ１４の上部内壁にカラー酸化膜１８を堆積する。このカラー酸化膜１８は、埋め込みプレート電極１５とセルトランジスタの拡散層（図示せず）とを電気的に絶縁する機能を有する。その後、後述するポリシリコン膜とストレージノード１７とのコンタクトをとるために、ドライエッチング法を用いて、ストレージノード上のカラー酸化膜１８を除去する。
次いで、図１６に示すように全面にＪＳＲ製レジスト（ＩＸ４０５）を塗布して膜厚３μｍのレジスト膜１９を形成した。その後、レジスト膜にＣＭＰを施し、図１７に示すように平坦化してＰａｄ窒化膜１３の表面を露出する。レジスト膜１９の研磨には、本発明の実施形態にかかる方法を適用した。
具体的には、研磨布としてＩＣ１０００を用いて、上述したような方法により行なった。図１に示したように、まず、スラリー供給ノズル３５から１５０ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリー３７を研磨布３１上に滴下した。
ここで用いたスラリーは、以下の処方で調製した。まず、スチレン９２重量部、メタクリル酸４重量部、ヒドロキシエチルアクリレート４重量部、ラウリル硫酸アンモニウム０．１重量部、過硫酸アンモニウム０．５重量部、およびイオン交換水４００重量部を、容量２リットルのフラスコに収容した。窒素ガス雰囲気下で攪拌しながら７０℃に昇温し、６時間重合させた。これによって、カルボキシル基を有し、一次粒子径０．２μｍのＰＳＴ粒子が得られた。このＰＳＴ粒子を１ｗｔ％の濃度で純水に分散させ、硝酸を添加してｐＨを３に調整して、得られたスラリーである。基板に設けられたトレンチ１４の直径は０．１４μｍであるので、本実施形態においては、スラリー中に含有される樹脂粒子の一次粒子径は、トレンチ径の１４０％程度となる。
スラリーを研磨布３１上に滴下した後、研磨ヘッド３２を研磨布３１に当接させ、５００ｇｆ／ｃｍ2まで印加した。次いで、３ｓｅｃかけて研磨布３１および研磨ヘッド３２を３０ｒｐｍまで回転させた。その後、３０ｓｅｃ保持した後、３ｓｅｃかけて研磨布３１および研磨ヘッド３２を停止させた。こうしたシーケンスを２回繰り返して、７２ｓｅｃの総研磨時間で研磨を終了した。
研磨後には、レジスト膜１９はトレンチ内に良好に埋め込まれ、Ｐａｄ窒化膜１３上にレジストが残留していないことが断面ＳＥＭ観察により確認された。Ｐａｄ窒化膜上にレジストが残留した場合には、リワークにより生産性が低下するとともに、これに起因してプロセス安定性が低下する。本発明の実施形態にかかる方法においては、こうした不都合は回避される。また、レジスト膜１９表面のディッシングも十分に抑制されるので、ＣＭＰ後のレジストリセス工程後におけるレジスト膜厚バラツキ低減の点でも有利である。
その後、図１８に示すように、セルトランジスタ拡散層（図示せず）とのコンタクトをとるために必要な深さまで、ＣＤＥ法によりレジスト膜１９がリセスされる。
ウエットエッチング法により、図１９に示すようにカラー酸化膜１８の一部を除去して、トレンチ１４内に半導体基板１１の一部を露出する。カラー酸化膜１８の表面は、図示するようにレジスト膜１９の表面よりも下方に存在し、埋め込みストラップの開口部２０が形成される。
図２０に示すようにレジスト膜１９を除去した後、図２１に示すように、セルトランジスタの拡散層（図示せず）とストレージノード１７とのコンタクトをとるためのポリシリコン膜２１を堆積する。このポリシリコン膜２１により埋め込みストラップの開口部２０が埋め込まれる。これにより、埋め込みストラップが形成される。
レジスト残りを生じることなくレジスト膜１９を平坦化した後、リセスが行なわれるので、均一な深さでレジスト膜をリセスすることができる。したがって、エッチバック後のカラー酸化膜１８の膜厚にバラツキを生じさせることはない。しかも、レジスト膜１９の研磨後にレジスト残りが生じないため、リワークが不要で生産性が向上する。こうして、プロセス安定性も高められた。
なお、レジスト膜１９を予め平坦化した後、リセスが行なわれるので、本発明の実施形態にかかる方法により、均一な深さでレジスト膜をリセスすることができる。したがって、エッチバック後のカラー酸化膜１８の膜厚にバラツキを生じさせることはない。カラー酸化膜１８の膜厚バラツキは、埋め込みストラップの抵抗値バラツキを招き、歩留まり低下の原因となる。本発明の実施形態にかかる方法によって、埋め込みストラップにおけるカラー酸化膜１８の膜厚バラツキは極力低減することが可能となった。
比較のため、従来の方法によりレジスト膜１９を研磨して、埋め込みストラップを形成した。具体的には、図３に示したシーケンスで、研磨ヘッドおよび研磨布の回転・停止を繰り返さずに、一定時間連続してレジスト膜の研磨を行なった。タッチダウン後の研磨時間は１８０ｓｅｃとし、研磨ヘッドの研磨荷重、研磨ヘッドおよびターンテーブルの回転数といった条件は上述と同様とした。研磨後の表面を目視、光学顕微鏡により観察したところ、Ｐａｄ窒化膜上にレジスト残りが確認された。こうして残留したレジストは、その後のリセス工程において膜厚バラツキを引き起こし、プロセス不安定の原因となる
本発明の実施形態にかかる方法を用いることによって、レジスト残りがなく、プロセス安定性に優れたレジストＣＭＰプロセスを実現することができる。なお、本発明の実施形態にかかる研磨方法は、フォトレジスト膜や有機ＳＯＧなどの有機膜に対しても適用することができ、この場合も同様の効果が得られる。
本発明の実施形態にかかる方法を用いることによって、レジスト残りがなく、プロセス安定性に優れたレジストＣＭＰプロセスを実現することができる。なお、本発明の実施形態にかかる研磨方法は、フォトレジスト膜や有機ＳＯＧなどの有機膜に対しても適用することができ、この場合も同様の効果が得られる。
１１…半導体基板； １２…Ｐａｄ酸化膜； １３…Ｐａｄ窒化膜； １４…トレンチ
１５…プレート電極； １６…キャパシタ誘電膜； １７…ストレージノード
１８…カラー酸化膜； １９…レジスト膜； ２０…埋め込みストラップの開口部
２１…ポリシリコン膜； ２３…シリカ粒子； ２４…樹脂粒子
３０…ターンテーブル； ３１…研磨布； ３２…半導体基板； ３３…研磨ヘッド
３４…水供給ノズル； ３５…スラリー供給ノズル； ３６…ドレッサー
３７…スラリー； ４１…制御パネル； ４２…ＣＰＵ
４３1，４３2，４３3…制御装置 ４４…スラリー供給装置
４５1，４５2…モーター； ４６…駆動装置。
１５…プレート電極； １６…キャパシタ誘電膜； １７…ストレージノード
１８…カラー酸化膜； １９…レジスト膜； ２０…埋め込みストラップの開口部
２１…ポリシリコン膜； ２３…シリカ粒子； ２４…樹脂粒子
３０…ターンテーブル； ３１…研磨布； ３２…半導体基板； ３３…研磨ヘッド
３４…水供給ノズル； ３５…スラリー供給ノズル； ３６…ドレッサー
３７…スラリー； ４１…制御パネル； ４２…ＣＰＵ
４３1，４３2，４３3…制御装置 ４４…スラリー供給装置
４５1，４５2…モーター； ４６…駆動装置。
Claims (5)
- 半導体基板上に堆積された有機膜を化学的機械的に研磨する方法であって、
研磨布上にスラリーを供給する工程と、
研磨ヘッドに保持され、有機膜を有する半導体基板を前記研磨布に当接させる工程と、
研磨布および研磨ヘッドを回転させる工程と、
研磨布および研磨ヘッドを停止させる工程とを含み、
前記研磨布および研磨ヘッドの回転および停止を繰り返して前記有機膜を化学的機械的に研磨することを特徴とする有機膜の化学的機械的研磨方法。 - 前記半導体基板を、２００乃至６００ｇｆ／ｃｍ2の圧力で前記研磨布に当接することを特徴とする請求項１記載の有機膜の化学的機械的研磨方法。
- 前記研磨ヘッドを、前記研磨布に対して１．０６ｍ／ｓｅｃ以下の相対速度で回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の有機膜の化学的機械的研磨方法。
- 下地としての半導体基板または半導体基板上に堆積された絶縁膜に凹部を形成する工程、
前記凹部が形成された下地の全面にレジスト膜を形成する工程、および
前記レジスト膜を請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法により化学的機械的に研磨して、前記凹部内に選択的に前記レジスト膜を埋め込む工程
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 被研磨膜としての有機膜が設けられた半導体基板を保持した研磨ヘッドを、スラリーが供給された研磨布に当接させる処理と、
互いに当接した前記研磨布および研磨ヘッドの回転および停止を繰り返させる処理とを含む制御をコンピュータに行なわせるためのプログラム。
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