JP5820404B2 - 平坦化方法及び平坦化装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、平坦化方法及び平坦化装置
に関する。
に関する。
近年、半導体装置の製造において、基板に形成された溝部を埋め込むように形成された絶縁膜、金属膜、または多結晶珪素膜などを平坦化するため、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法が広く用いられている。ＣＭＰ法は、砥粒と薬液とを含む研磨剤（スラリー）を研磨布上に供給し、被加工物を研磨布に接触させることで、薬液による化学的な作用と、砥粒による機械的な作用を組み合わせて被加工面の平坦化を行う方法である。しかし、この方法では、砥粒による機械的なダメージを避けることができず、被加工面に研磨ダメージが生じるという問題がある。
この問題に対し、砥粒を含まない処理液を用いることで、被加工面への研磨ダメージを避ける方法が検討されている。例えば、研磨布と接触した部分の温度上昇を利用し、温度上昇した部分を処理液で化学的に溶解させることで、金属膜表面の平坦化を行う方法や、被加工物を触媒から成る固体板に接触させ、接触部を処理液で化学的に溶解させることで、珪素膜、炭化珪素膜、窒化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、または金属膜などの平坦化を行う方法などがある。
しかしながら、上記方法によって、半導体装置の製造に必須である酸化珪素膜の平坦化を行う方法は提案されていない。
酸化珪素膜を含む被加工物の被加工面への研磨ダメージを抑制することができる平坦化方法及び平坦化装置を提供する。
本実施形態によれば、平坦化方法が提供される。平坦化方法においては、フッ素イオン
を含む処理液が酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ弱酸性陽イオン交換体である
固体酸性触媒を含む固体板の表面に供給されている状態で、酸化珪素膜を含む被加工物の
被加工面と、水素イオンが吸着した固体板の表面とを接触または極接近させることにより
、被加工物の被加工面を平坦化する。
を含む処理液が酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ弱酸性陽イオン交換体である
固体酸性触媒を含む固体板の表面に供給されている状態で、酸化珪素膜を含む被加工物の
被加工面と、水素イオンが吸着した固体板の表面とを接触または極接近させることにより
、被加工物の被加工面を平坦化する。
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複した説明は、必要に応じて行う。
（第１の実施形態）
図１乃至図３を用いて、本実施形態に係る平坦化方法について説明する。本実施形態は、フッ素（Ｆ）イオンを含有する処理液１５中において酸化珪素膜２１を含む被加工物１２の被加工面を水素（Ｈ）イオン２３が吸着した固体板１１の表面に接触させることで、接触した酸化珪素膜の被加工面を化学的に溶解させ、被加工面の平坦化を行う例である。本実施形態では、機械的研磨を必要としないため、被加工面への研磨ダメージを抑制することができる。以下に、本実施形態について詳説する。
図１乃至図３を用いて、本実施形態に係る平坦化方法について説明する。本実施形態は、フッ素（Ｆ）イオンを含有する処理液１５中において酸化珪素膜２１を含む被加工物１２の被加工面を水素（Ｈ）イオン２３が吸着した固体板１１の表面に接触させることで、接触した酸化珪素膜の被加工面を化学的に溶解させ、被加工面の平坦化を行う例である。本実施形態では、機械的研磨を必要としないため、被加工面への研磨ダメージを抑制することができる。以下に、本実施形態について詳説する。
［平坦化装置］
まず、図１を用いて、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置について説明する。図１は、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置の構成例を示す斜視図である。
まず、図１を用いて、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置について説明する。図１は、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置の構成例を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る平坦化装置は、容器１０、固体板１１、保持部１３、および熱源１４等を備える。
容器１０内には、処理液供給部（図示なし）により、処理液１５が満たされる。処理液１５は、フッ素イオン２４を含む、ｐＨが７以下の中性あるいは酸性溶液である。処理液１５としては、フッ化ナトリウム水溶液、フッ化カリウム水溶液、フッ化アンモニウム水溶液およびそれらとフッ化水素水溶液との混合物が用いられる。
固体板１１は、容器１０内に処理液１５に浸されるように配置される。固体板１１は、固体酸性触媒２２を少なくとも表面に含み、表面には水素イオン２３が吸着している。固体酸性触媒２２としては、弱酸性陽イオン交換体が好適である。弱酸性陽イオン交換体としては、例えば、酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ陽イオン交換体であり、具体的には、カルボキシル基を有する陽イオン交換体である。これにより、処理液１５に含まれる陽イオンのうち、水素イオン２３を選択的に吸着することができる。特に、酸化解離定数が小さい官能基を陽イオン交換体に持たせることにより、処理液１５中において水素イオン２３を選択的に吸着することができる。
保持部１３は、被加工物１２を保持する。保持部１３は、被加工物１２の被加工面を固体板１１の表面に対向させ、これらを接触させたり離したりすることができる。被加工物１２の被加工面と固体板１１の表面との接触部が処理液１５で浸されるように、容器１０内の処理液の量が調整される。後述するように、被加工物１２の被加工面（酸化珪素膜２１）と固体板１１の表面（水素イオン２３）とを処理液１５中（フッ素イオン２４を含む）において接触または極接近させることにより、被加工物１２の被加工面を平坦化することができる。
また、固体板１１および保持部１３はともに、回転可能である。これらを回転させながら接触させることにより、被加工物１２の被加工面との接触により固体板１１の表面に吸着された水素イオン２３が失われても、再度処理液１５に浸されることで、固体板１１の表面には新たに水素イオン２３が吸着される。なお、回転に限らず、固体板１１および保持部１３を互いにスライドさせてもよい。
熱源１４は、固体板１１および被加工物１２に接続され、これらの接触部の温度を上昇させる。これにより、後述する固体板１１と被加工物１２との反応を促進させ、被加工物１２の加工速度を向上させることができる。また、熱源１４により処理液１５の温度を上昇させることで、固体板１１と被加工物１２との反応を促進させることも可能である。
また、固体板１１および保持部１３を前述のように回転あるいはスライドさせながら接触させることにより、摩擦熱を発生させてこれらの接触部の温度を上昇させることができる。すなわち、熱源１４を用いなくても、接触部の温度を上昇させて固体板１１と被加工物１２との反応を促進させることが可能である。
なお、本例では、固体板１１を容器１５内に固定させて、保持部１３に保持された被加工物１２を動作させて接触させる例を示したが、これに限らない。被加工物１２を容器１５内に固定させて、保持部１３に保持された固体板１１を動作させて接触させてもよい。
［平坦化方法および原理］
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化方法および原理について説明する。図２及び図３は、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化工程および原理を示す断面図である。
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化方法および原理について説明する。図２及び図３は、本実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化工程および原理を示す断面図である。
なお、ここでは、被加工物１２が基板２０およびその上部に形成された酸化珪素膜２１からなり、酸化珪素膜２１の表面を被加工面とした例を示す。基板２０は、例えば半導体基板、ガラス基板または半導体基板上に形成された絶縁膜等である。また、固体板１１は、固体酸性触媒２２を少なくとも表面に含み、その表面に水素イオン２３が吸着している。また、図１における保持部１３および熱源１４は、省略している。
まず、図２に示すように、処理液１５中において、酸化珪素膜２１を含む被加工物１２の被加工面が固体板１１の表面に対向されるように、被加工物１２が保持される。酸化珪素膜２１の被加工面は、凹凸形状を有する。固体板１１上には、固体酸性触媒２２が設けられる。固体酸性触媒２２は、処理液１５中の水素イオン２３を吸着させるため、固体板１１の表面には水素イオン２３が吸着している。また、予め固体酸性触媒２２を例えばフッ酸溶液に浸すことにより、固体板１１の表面に水素イオン２３を吸着させてもよい。
次に、図３に示すように、処理液１５中において、被加工物１２を動作させて被加工物１２の被加工面を固体板１１の表面に接触または極近接させる。このとき、少なくとも被加工物１２の被加工面と固体板１１の表面との接触部または極近接部が処理液１５に浸されている。これにより、固体板１１の表面の水素イオン２３が被加工面の酸素に引きつけられ、処理液１５中に含まれるフッ素イオン２４とともに、被加工面の酸化珪素膜２１を溶解させる。この反応は、被加工面のうち固体板１１に接触または極近接された酸化珪素膜２１の凸部において優先的に進むため、被加工面は平坦化される。より具体的には、被加工面の二酸化珪素（ＳｉＯ２）、処理液１５中のフッ素イオン（Ｆ−（ＨＦ２ −））２４、および固体板１１の表面に吸着された水素イオン（Ｈ＋（Ｈ３Ｏ＋））２３が以下の反応を生じる。
ＳｉＯ２ ＋ ６Ｆ− ＋ ６Ｈ＋ → ＳｉＦ６ ２− ＋２Ｈ＋ ＋２Ｈ２Ｏ・・・・（１）
すなわち、フッ素イオンと珪素とが結合し、ヘキサフルオロ珪酸イオン（ＳｉＦ６ ２−）として処理液１５中に溶解する。
すなわち、フッ素イオンと珪素とが結合し、ヘキサフルオロ珪酸イオン（ＳｉＦ６ ２−）として処理液１５中に溶解する。
なお、ここで、極近接とは、水素イオン２３が固体板１１の表面から解離し、（１）の反応が生じる程度に、被加工物１２の被加工面と固体板１１の表面とを接近させることを意味する。
また、化学反応式（１）の反応は、十分な速度で連続的に進む。このため、被加工物１２の動作速度（固体板１１に押し当てる圧力）は、特に限定されない。すなわち、被加工物１２は、任意の速度で動作し、固体板１１に接触または極近接されていく。
なお、固体酸性触媒２２または処理液１５の種類によっては、被加工物１２と固体板１１とを接触または極接近しただけでは、十分な反応速度得られない場合がある。この場合、被加工物１１と固体板１２との接触部の温度を上昇させることにより、反応を効率的に進行させることが可能である。
例えば、熱源１４を固体板１１および被加工物１２に接続することにより、これらの温度を上昇させることができる。また、熱源１４により処理液１５の温度を上昇させることで、固体板１１と被加工物１２との反応を促進させることも可能である。
また、固体板１１および保持部１３を回転させながら接触することにより、摩擦熱を発生させて温度を上昇させることができる。なお、回転に限らず、固体板１１および保持部１３を互いにスライドさせることにより、摩擦熱を発生させて温度を上昇させてもよい。
その後、被加工面の平坦化が終了すると、被加工物１２が固体板１１から離される。このとき、被加工物１２が接触していた固体板１１の表面には、処理液１５中に含まれる水素イオンが再吸着し、処理前と等しい表面状態となる。また、次の被加工物の処理を行う前に、固体酸性触媒２２を例えばフッ酸溶液に浸すことにより、固体板１１の表面に水素イオン２３を吸着させてもよい。
なお、本実施形態で説明した酸化珪素膜は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜に限るものではなく、シランやＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケイト）を原料とするＣＶＤ法により形成される酸化珪素膜や、ＰＳＺ(ポリシラザン)塗布法により形成される酸化珪素膜であってもよい。また、ホウ素やリンなど、他の元素を含有する酸化珪素膜であってもよい。
［効果］
上記実施形態によれば、フッ素イオン２４を含む処理液１５中において、被加工物１２（酸化珪素膜２１）の被加工面を水素イオン２３が吸着した固体板１１の表面に接触させる。これにより、固体板１１に接触した酸化珪素膜２１の被加工面を化学的に溶解させ、被加工面の平坦化を行う。すなわち、酸化珪素膜２１を機械的な研磨なく、化学的な反応のみで平坦化することができる。このため、機械的研磨によって生じる酸化珪素膜２１の被加工面への研磨ダメージを抑制することができる。
上記実施形態によれば、フッ素イオン２４を含む処理液１５中において、被加工物１２（酸化珪素膜２１）の被加工面を水素イオン２３が吸着した固体板１１の表面に接触させる。これにより、固体板１１に接触した酸化珪素膜２１の被加工面を化学的に溶解させ、被加工面の平坦化を行う。すなわち、酸化珪素膜２１を機械的な研磨なく、化学的な反応のみで平坦化することができる。このため、機械的研磨によって生じる酸化珪素膜２１の被加工面への研磨ダメージを抑制することができる。
ところで、水素イオンおよびフッ素イオンの両者の存在下であれば、酸化珪素膜と反応させ、溶解させることが可能である。このため、酸化珪素膜をフッ酸溶液に浸すことで、これらを反応させることができる。しかし、酸化珪素膜をフッ酸溶液に浸すだけでは、酸化珪素膜は等方的に加工されてしまい、その被加工面を平坦化することはできない。
これに対し、本実施形態では、浸すだけでは反応しないフッ素イオン２４を含む処理液１５に酸化珪素膜２１を浸し、その被加工面に水素イオン２３を含む固体板１１の表面を接触または極近接させる。これにより、固体板１１の表面と接触または極近接した酸化珪素膜２１の被加工面のみを反応させて平坦化することができる。
（第２の実施形態）
図４及び図５を用いて、本実地形態に係る平坦化装置について説明する。
図４及び図５を用いて、本実地形態に係る平坦化装置について説明する。
［平坦化装置］
図４は、第２の実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置の構成例を示す斜視図である。第２の実施形態では、第１の実施形態のように容器１０に処理液１５を溜めるのではなく、供給口２５を通して固体板１１上に処理液１５を供給する。固体板１１は、被加工物１２の少なくとも２倍以上の直径をもち、回転運動を行うことができる。供給口２５は被加工物１２の回転方向の上流側に配置される。その他の構成及び平坦化方法については、図１に示す第１の実施形態の平坦化装置と同様である。
図４は、第２の実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置の構成例を示す斜視図である。第２の実施形態では、第１の実施形態のように容器１０に処理液１５を溜めるのではなく、供給口２５を通して固体板１１上に処理液１５を供給する。固体板１１は、被加工物１２の少なくとも２倍以上の直径をもち、回転運動を行うことができる。供給口２５は被加工物１２の回転方向の上流側に配置される。その他の構成及び平坦化方法については、図１に示す第１の実施形態の平坦化装置と同様である。
図５は、第２の実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化を行う平坦化装置の構成例を示す平面図である。図５に示すように、供給口２５は、固体板の回転方向に対して、被加工物１２の上流側に設けられる。これにより、被加工物１２に研磨部分に効率良く処理液１５を供給することができる。また、図５に示すように、供給口２５は、一列に複数個設けてもよい。処理液１５は、例えばフッ素イオンを含む酸性溶液を用いる。これにより、式（１）の反応後、固体酸性触媒２２と水素イオン２３の再吸着が不十分な場所が存在しても、被加工物１２と再接触する前に、固体酸性触媒２２条には新鮮な酸性溶液が供給され、十分な量の水素イオンを吸着させることができる。
［効果］
本実施形態では、浸すだけでは反応しないフッ素イオン２４を含む処理液１５に酸化珪素膜２１を浸し、その被加工面に水素イオン２３を含む固体板１１の表面を接触または極近接させる。これにより、固体板１１の表面と接触または極近接した酸化珪素膜２１の被加工面のみを反応させて平坦化することができる。
本実施形態では、浸すだけでは反応しないフッ素イオン２４を含む処理液１５に酸化珪素膜２１を浸し、その被加工面に水素イオン２３を含む固体板１１の表面を接触または極近接させる。これにより、固体板１１の表面と接触または極近接した酸化珪素膜２１の被加工面のみを反応させて平坦化することができる。
また、本実施形態によれば、常に不純物が少なく純度の高い処理液１５を固体板１１上に供給することができる。このため、反応生成物によって固体酸性触媒２２と水素イオン２３の吸着や、式（１）の反応が阻害されることなく、被加工物１２を研磨することができる。
さらに、処理液１５の流量を調整することにより、容器１０に処理液１５を溜める方法と比較して、処理液１５の使用量を減らすことができる。
＜適用例＞
図６乃至図９を用いて、第１の実施形態および第２の実施形態に係る平坦化方法の適用例について説明する。本実施形態に係る平坦化方法は、半導体装置のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）形成プロセスに適用され得る。
図６乃至図９を用いて、第１の実施形態および第２の実施形態に係る平坦化方法の適用例について説明する。本実施形態に係る平坦化方法は、半導体装置のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）形成プロセスに適用され得る。
図６乃至図９は、本実施形態に係る半導体装置のＳＴＩ形成工程を示す断面図である。
まず、図６に示すように、半導体基板４０上に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、酸化珪素膜または窒化珪素膜を含むトンネル絶縁膜４１が形成される。このトンネル絶縁膜４１上に、例えば、ＣＶＤ法により、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含む電荷蓄積膜４２が形成される。
次に、図７に示すように、リソグラフィおよびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、電荷蓄積膜４２、トンネル絶縁膜４１、および半導体基板４０に溝４３が形成される。溝４３は、電荷蓄積膜４２およびトンネル絶縁膜４１を貫通し、半導体基板４０の一部を除去するように形成される。
次に、図８に示すように、例えば、ＣＶＤ法により、全面に酸化珪素膜を含む素子分離絶縁膜４４が形成される。これにより、素子分離絶縁膜４４は、溝４３内に埋め込まれ、かつ、溝４３外の電荷蓄積膜４２上にも形成される。
次に、図９に示すように、溝４３外の電荷蓄積膜４２上に形成された素子分離絶縁膜４４が除去される。このとき、上記実施形態に係る酸化珪素膜の平坦化方法が用いられる。より具体的には、処理液１５中に浸しながら素子分離絶縁膜４４の表面を水素イオン２３が吸着した固体板１１の表面に接触させる。すなわち、酸化珪素膜を含む素子分離絶縁膜４４の表面を被加工面として、上記平坦化方法が行われる。これにより、素子分離絶縁膜４４、処理液１５、および水素イオン２３が反応する。その結果、素子分離絶縁膜４４の表面を平坦化しながら除去することができる。
このようにして、適用例におけるＳＴＩ構造が形成される。
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
１１…固体板、１２…被加工物、１５…処理液、２２…固体酸性触媒、２３…水素イオン、２４…フッ素イオン。
Claims (14)
- フッ素イオンを含む処理液が、酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ弱酸性陽イ
オン交換体である固体酸性触媒を含む固体板の表面に供給されている状態で、酸化珪素膜
を含む被加工物の被加工面と、水素イオンが吸着した前記固体板の表面とを接触または極
接近させることにより、前記被加工物の被加工面を平坦化することを特徴とする平坦化方
法。 - 前記陽イオン交換体は、カルボキシル基を有する請求項１に記載の平坦化方法。
- 前記処理液のｐＨが７以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平坦
化方法。 - 前記処理液は、フッ化ナトリウム水溶液、フッ化カリウム水溶液、若しくはフッ化アン
モニウム水溶液、又はこれらとフッ化水素水溶液との混合溶液であることを特徴とする請
求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の平坦化方法。 - 接触または極接近した前記被加工物の被加工面と前記固体板の表面の温度を上昇させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の平坦化方法。 - 前記被加工物の被加工面の平坦化前に、酸性溶液に浸されることにより前記固体板の表
面に水素イオンが吸着されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記
載の平坦化方法。 - 前記処理液は、供給口から前記固体板の表面に供給されることを特徴とする請求項１乃
至請求項６のいずれか１項に記載の平坦化方法。 - 酸化珪素を含む被加工物を保持する保持部と、
酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ弱酸性陽イオン交換体である固体酸性触媒
を含み、表面に水素イオンが吸着する固体板と、
フッ素イオンを含む処理液を供給する処理液供給部と、
を備え、
前記処理液が前記固体板の表面に供給されている状態で、前記被加工物の被加工面と、
前記固体板の表面とを接触または極接近させることにより、前記被加工物の被加工面を平
坦化することを特徴とする平坦化装置。 - 前記陽イオン交換体は、カルボキシル基を有する請求項８に記載の平坦化装置。
- 前記処理液供給部は、前記固体板の回転方向の上流側に、前記処理液を供給することを
特徴とする請求項８又は９に記載の平坦化装置。 - 前記被加工物及び前記固体板の温度を調整する熱源を備えたことを特徴とする請求項８
乃至請求項１０のいずれか１項に記載の平坦化装置。 - 酸化珪素を含む被加工物を保持する保持部と、
酸解離定数が1.0×10-3以下の官能基をもつ弱酸性陽イオン交換体である固体酸性触媒
を含み、表面に水素イオンが吸着する回転可能な固体板と、
前記固体板の回転方向の上流側に、フッ素イオンを含む処理液を供給する処理液供給部
と、
を備えた平坦化装置。 - 前記陽イオン交換体は、カルボキシル基を有する請求項１２に記載の平坦化装置。
- 前記被加工物及び前記固体板の温度を調整する熱源を備えたことを特徴とする請求項１
２又は１３に記載の平坦化装置。
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