JP5701736B2 - 平坦化方法および平坦化装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、平坦化方法および平坦化装置に関する。

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。

特開２００４−０７２０９９号公報 特開２００８−１２１０９９号公報 特開２００８−０８１３８９号公報

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およ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、処理液中において、酸化珪素膜を含む被加工物の被加工面と、イオン交換体を含み、かつフッ素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、前記被加工物の被加工面を平坦化する。フッ素と前記固体板との結合エネルギーは、フッ素と珪素との結合エネルギーよりも小さい。

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。 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。 図２に続く、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。 図３に続く、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。 図４に続く、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。 本実施形態に係る半導体装置のＳＴＩ構造の製造工程を示す断面図。 図６に続く、本実施形態に係る半導体装置のＳＴＩ構造の製造工程を示す断面図。 図７に続く、本実施形態に係る半導体装置のＳＴＩ構造の製造工程を示す断面図。 図８に続く、本実施形態に係る半導体装置のＳＴＩ構造の製造工程を示す断面図。

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。

＜実施形態＞
図１乃至図５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、酸性溶液である処理液１５中において酸化珪素膜２１を含む被加工物１２の被加工面をフッ素（Ｆ）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。

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１５が満たされる。処理液１５は、ｐＨが７以下の酸性溶液である。また、処理液１５に含まれる陰イオンは、フッ素イオンよりも固体板１１に吸着しにくい。処理液１５としては、例えば、希硝酸や希塩酸などが用いられる。

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、フッ素イオンが吸着しやすいイオン交換体２２を含み、その表面にフッ素２３が吸着している。これらイオン交換体２２とフッ素２３とは、イオン結合により結合している。また、これらの結合エネルギーは、フッ素２３と珪素との結合エネルギーよりも小さい。イオン交換体２２としては、鉄酸化物（ＦｅＯ）またはセリウム（Ｃｅ）を含むイオン交換体が用いられることが望ましい。これにより、酸性溶液中においてもフッ素２３とイオン交換体２２とが安定して吸着（結合）することが可能である。

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（フッ素２３）とを処理液（酸性溶液）１５中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。

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はともに、回転可能である。これら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、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もよい。

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乃至図５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乃至図５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、セリウムを含有するイオン交換体２２を含み、その表面にフッ素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の表面には、フッ素２３が吸着している。より具体的には、フッ素２３は、イオン交換体２２中のセリウムとイオン結合で結合している。このフッ素２３は、予めイオン交換体２２を例えばフッ酸溶液に浸すことにより、固体板１１の表面に吸着される。

また、処理液１５は、酸性溶液であり、水素（Ｈ）イオン２４を含む。この処理液１５に含まれる陰イオンとイオン交換体２２との結合エネルギーは、フッ素２３とイオン交換体２２との結合エネルギーよりも小さい。このため、処理液１５中において単独で固体板１１のフッ素２３は、解離しない。言い換えると、処理液１５中において、固体板１１と被加工物１２とが十分に離れている場合、固体板１１の表面ではセリウムとフッ素２３との間のイオン結合は安定して存在する。処理液１５としては、例えば、希硝酸や希塩酸などが用いられる。

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の表面のフッ素２３が被加工面の珪素に引きつけられ、フッ素イオンとして処理液１５中に解離するとともに、被加工面に存在する珪素と反応する。

フッ素２３の解離は、固体板１１においてフッ素２３とイオン交換体２２とが例えばイオン結合等の結合エネルギーが小さく、液中で解離しやすい結合をしているために生じる。より具体的には、フッ素２３とイオン交換体２２との結合エネルギーがフッ素２３と被加工面の珪素との結合エネルギーよりも小さいために生じる。すなわち、フッ素２３は、処理液１５中においてイオン交換体（セリウム）２２と結合するよりも珪素と結合したほうが安定する。

なお、固体板１１としては、イオン交換体２２としてセリウム以外に鉄酸化物等を含有するものであってもよい。また、イオン交換体２２に限らず、フッ素２３と珪素との結合エネルギーよりも小さい結合エネルギーでフッ素２３と結合し、液中で解離しやすい材料であればよい。

フッ素２３と被加工面の珪素との反応は、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。このため、図４に示すように、被加工面の凸部が加工され、平坦化される。より具体的には、被加工面の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、固体板１１の表面から解離したフッ素イオン（Ｆ⁻（ＨＦ_２ ⁻））、および処理液１５中の水素イオン（Ｈ^＋（Ｈ_３Ｏ^＋））２４が以下の反応を生じる。

ＳｉＯ_２ ＋ ６Ｆ⁻ ＋ ６Ｈ^＋ → ＳｉＦ_６ ^２− ＋２Ｈ^＋ ＋２Ｈ_２Ｏ・・（１）
すなわち、解離した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（ＳｉＦ_６ ^２−）３０として酸性溶液の処理液１５中に溶解する。

なお、ここで、極近接とは、フッ素２３の解離が生じる程度に、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、任意の速度で動作されて固体板１１に接触または極近接されていく。

なお、イオン交換体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、反応速度が遅かったり、フッ素２３の解離に必要な活性化エネルギーが得られず反応が進行しなかったりする場合がある。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、図５に示すように、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の表面ではフッ素２３が解離している。これにより、固体板１１の表面に、処理液１５中に含まれる陰イオン、または反応によって生じたヘキサフルオロ珪酸イオン３０等の不純物Ｘが吸着する。

このため、次の被加工物の処理を行う前に、固体板１１がフッ酸溶液に浸される。これにより、固体板１１の表面に、再度フッ素とセリウムとをイオン結合により結合（吸着）させることができる。

なお、本実施形態で説明した酸化珪素膜は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）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、酸性溶液の処理液１５中において、被加工物１２（酸化珪素膜２１）の被加工面をフッ素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、酸化珪素膜の加工のためには、酸性溶液およびフッ素を用いて反応させることが必要である。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酸性溶液（処理液１５）に酸化珪素膜２１を浸し、その被加工面にフッ素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。

＜適用例＞
図６乃至図９を用いて、本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の表面をフッ素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、およびフッ素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…イオン交換体、２３…フッ素（イオン）。

Claims (10)

1. 処理液中において、酸化珪素膜を含む被加工物の被加工面と、イオン交換体を含み、かつフッ素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、前記被加工物の被加工面を平坦化する平坦化方法であって、
   フッ素と前記固体板との結合エネルギーは、フッ素と珪素との結合エネルギーよりも小さいことを特徴とする平坦化方法。
2. 前記イオン交換体は、鉄酸化物またはセリウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の平坦化方法。
3. 前記処理液が酸性溶液であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平坦化方法。
4. 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３のいずれか１項に記載の平坦化方法。
5. 前記被加工物の被加工面の平坦化前に、フッ酸溶液に浸されることにより前記固体板の表面にフッ素が吸着され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。
6. イオン交換体を含み、かつ表面にフッ素が吸着した固体板と、
   酸化珪素膜を含む被加工物を保持し、前記被加工物の被加工面と、前記固体板の表面とを処理液中で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保持部と、
   を具備し、
   フッ素と前記固体板との結合エネルギーは、フッ素と珪素との結合エネルギーよりも小さいことを特徴とする平坦化装置。
7. 前記イオン交換体は、鉄酸化物またはセリウムを含むことを特徴とする請求項６に記載の平坦化装置。
8. 前記処理液が酸性溶液であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の平坦化装置。
9. 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６乃至請求項８のいずれか１項に記載の平坦化装置。
10. 前記被加工物の被加工面の平坦化前に、フッ酸溶液に浸されることにより前記固体板の表面にフッ素が吸着されることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の平坦化装置。

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