JPH09186116A - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板のＣＭＰ処理において効果的な後
処理方法及びこの方法を実施するための半導体製造装置
を提供する。 【解決手段】 半導体基板表面にスラリーを供給しなが
らこの半導体基板表面の被ポリッシング膜を研磨布によ
りポリッシングする工程と、このポリッシングが終了し
た時点でスラリーの供給を止め、前記半導体基板表面に
付着した前記スラリーの研磨粒子が持つゼータ電位と前
記被ポリッシング膜が持つゼータ電位とが同じ極性にな
るように調整する工程とを有する。半導体基板とスラリ
ーに含まれる研磨粒子のゼータ電位を同じ極性になるよ
うに、しかもゼータ電位値の絶対値をできるだけ近付け
るようにイオン水のｐＨを調整することにより、ポリッ
シングレート及び均一性を損なうこと無く研磨粒子の半
導体基板表面への吸着を防止し、その低ダスト化を実現
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上の被
ポリッシング膜をポリッシングして平坦化する半導体装
置の製造方法及び半導体製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来ＩＣやＬＳＩなどの半導体装置のウ
ェーハ処理工程において、トレンチやコンタクトホール
などの溝（トレンチ）部に金属、ポリシリコン、シリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）などの任意の材料を埋め込んだ後
にその表面を平坦化する方法としてエッチバックＲＩＥ
(Reactive Ion Etching)法が知られている。しかし、こ
のエッチバックＲＩＥ方法は、エッチバックレジストの
塗布などの工程が多くなること、ウェーハ表面にＲＩＥ
ダメージが入りやすいこと、良好な平坦化が難しいこ
と、また真空系の装置を用いるため、構造が複雑で、危
険なエッチングガスを使用することなどから様々な問題
点が多い。そこで最近では、半導体基板表面の平坦化方
法としてポリッシング装置を利用したＣＭＰ(Chemical
Mechanical Polishing) 法がエッチバックＲＩＥに代わ
って用いられるようになってきた。

【０００３】ポリッシング装置は、研磨布を表面に張り
付けモータなどにより回転される研磨盤と、半導体など
の基板を回転自在に支持し、回転する基板を研磨盤に押
し付ける吸着盤とを備えている。このポリッシング装置
を用いて基板をポリッシングするには、回転する基板の
ポリッシュする面を回転する研磨盤上の研磨布に押し付
け、研磨布の加工点に研磨剤（以下、スラリーという）
を供給しながらポリッシングするのが一般的である。ス
ラリーに含まれる研磨粒子としては、セリカ（酸化セリ
ウム）、シリカ（酸化シリコン）、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ
₄ ）などが用いられている。とくに、窒化珪素粒子は、
本発明者らが開発したものであり（特願平７−３１７０
５４号参照）、半導体基板の表面に形成するストッパー
膜として研磨粒子と同じ材料である窒化珪素膜を用いる
ことによりストッパー膜に対し高い選択比が得られる。
このポリッシング装置を用いて、例えば、半導体基板上
に形成されたリセス構造にＣＶＤ酸化膜を埋め込みスト
ッパー膜で止めることにより埋め込んだＣＶＤ酸化膜を
完全に平坦化することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、ポリッシング装
置を用いて半導体基板をポリッシングするＣＭＰを行う
場合、半導体基板上の酸化膜などの被ポリッシング膜を
所定の厚さになるまでポリッシングし、被ポリッシング
膜の平坦化処理が完了したら半導体基板のポリッシング
を止める。そして、スラリーに代えて水を供給して半導
体基板を更に後処理ポリッシングする。この従来の後処
理ポリッシングは、純水や超純水などの水を供給しなが
ら行うので、通常、ＤＩウォーターリンス又はウォータ
ーリンスという。これが、１つの半導体基板をポリッシ
ングして表面を平坦化するＣＭＰの全工程であるであ
る。すなわち、このＣＭＰ工程は、主たるポリッシング
と後処理ポリッシングを含めて１工程とする。この後処
理ポリッシングにより半導体基板表面に付着したスラリ
ーの研磨粒子などのダストを取り除くことができる。こ
のＣＰＭ工程のあと半導体基板を洗浄する洗浄工程が行
われる。このように、ポリッシング処理に使用したスラ
リー中に含まれる研磨粒子は、半導体基板に付着し、こ
れがダストの原因になる。シリコン半導体基板表面や被
ポリッシング膜或いは半導体基板に付着した研磨粒子の
表面が持っているゼータ電位（Zeta Potential) （固体
と液体の界面を横切って存在する電気的ポテンシャル）
は、正負いづれかの極性を持っている。

【０００５】この被ポリッシング膜の表面が持っている
ゼータ電位の極性がダストの原因となる粒子の表面のゼ
ータ電位の極性と反対の場合、この粒子は、被ポリッシ
ング膜に吸着され易くなる。この場合はダストとなる吸
着エネルギーが大きく後処理でダストを半導体基板から
取り除くのは難しい。図１に示す様に、膜表面のゼータ
電位は、その表面のｐＨに依存する。図のゼータ電位特
性図は、縦軸がその物質の表面のゼータ電位（ｍＶ）で
あり、横軸がその表面のｐＨである。曲線Ａは、窒化珪
素のゼータ電位特性曲線、曲線Ｂは、酸化シリコンのゼ
ータ電位特性曲線、曲線Ｂは、シリコンのゼータ電位曲
線である。ＣＭＰ処理を行うポリッシング装置において
は、半導体基板上の被ポリッシング膜の種類に応じて様
々なスラリーを用いる。被ポリッシング膜や研磨粒子の
種類によってそれぞれが持っているゼータ電位が異なっ
ているので、粒子の半導体基板への吸着状態に差が生じ
ている。しかもゼータ電位は、ｐＨ依存性を有している
ので、それぞれのｐＨにおいて粒子の吸着数は異なって
いる。本発明は、このような事情によりなされたもので
あり、半導体基板のＣＭＰ処理において効果的な後処理
方法を提供する。また、この方法を実施するための半導
体製造装置を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体装置の
製造方法において、半導体基板表面にスラリーを供給し
ながらこの半導体基板表面の被ポリッシング膜を研磨布
によりポリッシングする工程と、前記被ポリッシング膜
を所定の厚さまでポリッシングし、このポリッシングが
終了した時点で前記スラリーの供給を止め、前記半導体
基板表面に付着した前記スラリーの研磨粒子が持つゼー
タ電位と前記被ポリッシング膜が持つゼータ電位とが同
じ極性になるように調整する工程とを備えていることを
特徴としている。また、本発明は、半導体製造装置にお
いて、表面に研磨布を固定させた研磨盤と、被処理基板
を固定する吸着盤と、研磨盤又は吸着盤若しくはその両
者を回転させる駆動手段と、研磨布にスラリーを供給す
る手段と、前記研磨布にイオン水を供給する手段とを備
えていることを特徴としている。

【０００７】前記半導体基板表面に付着した前記スラリ
ーの研磨粒子が持つゼータ電位と前記被ポリッシング膜
が持つゼータ電位とが同じ極性になるように調整する手
段として、所定の値に調整したｐＨを有するイオン水を
前記研磨布に供給しながら前記後処理ポリッシングを行
う工程、界面活性剤を研磨布に供給しながら前記後処理
ポリッシングを行う工程若しくは界面活性剤及び純水、
超純水などの水を研磨布に供給しながら前記後処理ポリ
ッシングを行う工程のいづれかの工程から選択する。主
ポリッシング後に行われる後処理ポリッシングにおい
て、半導体基板とスラリーに含まれる研磨粒子のゼータ
電位を同じ極性になるように、しかもゼータ電位値の絶
対値をできるだけ近付けるように所定のｐＨのイオン水
を供給しながらコントロールすることにより、粒子は半
導体基板から離れ易くなり、ポリッシングレート及び均
一性を損なうこと無く、研磨粒子の半導体基板表面への
吸着を防止し、その低ダスト化を実現できる（図２参
照）。

【０００８】また、界面活性剤又は界面活性剤及び純
水、超純水などの水を研磨布に供給しながら前記後処理
ポリッシングを行うと、研磨粒子（曲線Ａ）のゼータ電
位が低下し（曲線Ａ′）、その結果、半導体基板と研磨
粒子のゼータ電位を同じ極性になり、しかも、ゼータ電
位値の絶対値が近接するｐＨの範囲が広がるので、効果
的に研磨粒子の半導体基板表面への吸着を防止するｐＨ
の範囲が拡大する（図６参照）。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。まず、図１を参照して本発明の半
導体装置の製造方法を実施する半導体製造装置、すなわ
ち、ＣＭＰ法を実施するポリッシング装置を説明する。
図は、そのポリッシング装置の断面図である。ステージ
２１上にベアリング２２を介して研磨盤受け２３が配置
されている。この研磨盤受け２３上には研磨盤２４が取
り付けられている。この研磨盤２４の上にはウェーハ
（半導体基板）をポリッシングする研磨布２５が張り付
けられている。研磨盤受け２３及び研磨盤２４を回転さ
せるためにこれらの中心部分に駆動シャフト２６が接続
されている。この駆動シャフト２６は、モーター２７に
より回転ベルト２８を介して回転される。一方、ウェー
ハ（半導体基板）２０は、研磨布２５と対向する位置に
配置され、真空又は水張りなどにより吸着盤３１に取り
付けられた吸着布３０及びテンプレート２９に固定され
ている。

【００１０】この吸着盤３１は、駆動シャフト３２に接
続されている。また、この駆動シャフト３２は、モータ
ー３３によりギア３４及び３５を介して回転される。駆
動シャフト３２は、駆動台３６に固定されている。ま
た、駆動台３６はシリンダ３７に取り付けられ、このシ
リンダ３７による上下の移動に伴い、駆動台３６は、上
下し、これにより吸着盤３１に固定されたウェーハ（半
導体基板）２０と研磨布２５の間にはスラリーが供給さ
れる。これによりウェーハ（半導体基板）２０のポリッ
シングが行われる。前記ポリッシング装置では、このよ
うな構造により、シリンダ３７による上下の移動にとも
ない、駆動台３６が上下し、吸着盤３１に固定されたウ
ェーハ（半導体基板）２０と研磨布２５との間には目的
とする被ポリッシング膜に応じた様々な種類のスラリー
が選択されて研磨布２５の加工点に供給される。ポリッ
シングは、例えば、１００ｒｐｍ程度で回転する研磨盤
２４の上にウェーハ（半導体基板）２０が押し付けられ
て行われる。研磨盤２４の回転数は、２０〜２００ｒｐ
ｍであり、押し付け圧力は、５０〜５００ｇ／ｃｍ² で
ある。

【００１１】本発明では、研磨布の加工点にスラリーを
供給手段としてスラリータンクに連結したパイプに接続
されたスラリー供給ノズル（図示せず）を配置している
が、それ以外にもイオン水供給パイプ４１が研磨布２５
の上に配置され、ｐＨメータ４２が研磨布２５の上に研
磨布２５に接触して置かれている。イオン水供給パイプ
４１は、電解イオン水生成装置４０に接続され、この生
成装置で生成されたイオン水が研磨布２５に供給され
る。本発明のＣＭＰ方法の１つでは、後処理ポリッシン
グにイオン水を用いている。この後処理ポリッシングを
イオン水リンスという。イオン水供給パイプは、１つで
ある必要はなく複数個あっても良い。この場合は、それ
ぞれ異なるｐＨを有するイオン水を供給するようにし、
半導体基板上の被ポリッシング膜の種類によって所定の
ｐＨのイオン水を供給できるようにすることができる。
そのためには、所定のイオン水供給パイプを選択する選
択手段を取り付けても良い。また、イオン水供給パイプ
は、１つにして、必要に応じて所定のｐＨのイオン水を
供給できるようにしても良い。

【００１２】次に、図２乃至図５を参照して半導体装置
の製造方法、すなわち、半導体基板に形成された被ポリ
ッシング膜のポリッシングによる平坦化処理について説
明する。使用するスラリーは、研磨粒子に窒化珪素を用
いる。この窒化珪素粒子を含むスラリーは、粘度が１〜
１０ｃｐが適当であり、ポリッシングレートが０．５〜
１．０μｍ／ｍｉｎと速い。また、このスラリーを用い
たポリッシングでは、半導体基板上のストッパー膜とし
てこの粒子と同じ材料である窒化珪素膜を用いるとスト
ッパー膜に対する選択比が著しく高くなる。窒化珪素粒
子の粒径は、１次粒子で０．０１〜１００ｎｍであり、
とくに、１０〜４０ｎｍが適当であり、コロイド状態の
２次粒子では６０〜１００ｎｍが好ましい。窒化珪素膜
は、半導体装置の製造技術では普通に用いられているの
で、前記スラリーは、半導体装置の製造に抵抗なく適用
することができ得る。このスラリーを用いるとリムーバ
ルレートが均一になる。

【００１３】しかし、スラリーにアルカリ性溶媒を用い
るより酸性溶媒を用いる方がポリッシングが安定するこ
とや図２のゼータ電位のｐＨ依存性を示す特性図に示さ
れているように、窒化珪素は、酸化シリコンやポリシリ
コンなどのポリッシング時に半導体基板と接触する他の
部材とゼータ電位が大きく異なっているためにダストが
吸着し易い。ポリッシング後のウェーハ上の粒子数を比
較した図３を見てもその付着している粒子数は著しく多
い。図３は、ポリッシング後のウェーハの主面を示す平
面図であり、図３（ａ）は、窒化珪素粒子を含むスラリ
ーでポリッシングをしてから従来のウォーターリンスに
よる後処理ポリッシングを行ったウェーハの表面状態で
あり、図３（ｂ）は、窒化珪素粒子を含むスラリーでポ
リッシングをしてから本発明のイオン水リンスによる後
処理ポリッシングを行ったウェーハの表面状態である。
本発明の後処理ポリッシングで処理したウェーハ２０の
表面に付着した粒子３８の数は、従来法で処理したウェ
ーハ上の粒子数より著しく少ない。

【００１４】本発明の半導体装置の製造方法では、半導
体基板表面にスラリーを供給しながらこの半導体基板表
面の被ポリッシング膜を研磨布によりポリッシングし、
前記被ポリッシング膜を所定の厚さまでポリッシングし
てからスラリーの供給を止め、前記半導体基板表面に付
着した前記スラリーの研磨粒子が持つゼータ電位と前記
被ポリッシング膜が持つゼータ電位とが同じ極性になる
ように調整しながら後処理ポリッシングを行う。図２の
方法では、主ポリッシング後に行われる後処理ポリッシ
ングにおいて半導体基板とスラリーに含まれる研磨粒子
のゼータ電位を同じ極性になるように、しかもゼータ電
位値の絶対値をできるだけ近付けるように所定のｐＨを
有するイオン水を供給しながらコントロールすることに
より、ポリッシングレート及び均一性を損なうこと無く
研磨粒子の半導体基板表面への吸着を防止し低ダスト化
を実現している。窒化珪素粒子を研磨粒子とするスラリ
ーを用いて酸化シリコンの被ポリッシング膜を有する半
導体基板のポリッシングを行い、後処理ポリッシングに
は所定のｐＨにコントロールしたイオン水を用いる。ス
ラリーは、図のａ点に示すようにｐＨ３になるように酸
性溶媒を用いる。

【００１５】この様に窒化珪素粒子を含むスラリーを用
いると、ゼータ電位が同極の場合は斥力が働き、異極の
場合は引力が働くので、図１に示すイオン水供給パイプ
４１から供給されるイオン水のｐＨをｐＨメータ４２で
測定しながら後処理ポリッシングを行う場合、例えば、
イオン水のｐＨが５及びその近傍、１０及びその近傍に
ゼータ電位が同極でゼータ電位の絶対値が互いに近い領
域があり、その領域で被ポリッシング膜から粒子が離れ
るようになる。すなわち、所定のポリッシングを終えて
からスラリーの供給を止め、上記の領域から選んだｐ
Ｈ、例えばｐＨ１１を有するイオン水を供給して後処理
ポリッシング（イオン水リンス）を行う。イオン水を供
給して研磨布２５上でリンスするとｐＨは、僅か約１分
でｐＨ１０に回復する（図５参照）。長時間イオン水リ
ンスを継続するとイオン水の本来のｐＨ１１に達する。
図５は、研磨布２５上に接触したｐＨメータが計測した
ｐＨ値の時間的変化を示した特性図である。縦軸にｐ
Ｈ、横軸にイオン水リンス時間（分）を示している。イ
オン水リンス後の半導体基板（ウェーハ）２０上の粒子
３８は著しく少なくなっている。

【００１６】一方、ｐＨ３のスラリーを用いてポリッシ
ングを行い、その後従来のウォーターリンスを行った場
合、ポリッシング直後からウォーターリンスを行うこと
により緩やかにｐＨメータで計測した研磨布２５上のｐ
Ｈは上昇していくが、３０分以上経過（図２のｂ点）し
てもｐＨは、４を越えない。ｐＨ４（図２のｂ点）にお
ける窒化珪素のゼータ電位は、約４８ｍＶと高いので、
被ポリッシング膜（酸化シリコン）のゼータ電位が同極
でも、ダストが吸着し易い状態であり、ダスト処理は容
易な操作ではできない。図４は、ウォーターリンスを行
っている状態で、研磨布２５上に接触したｐＨメータが
計測したｐＨ値の時間的変化を示した特性図である。縦
軸にｐＨ、横軸にウォーターリンス時間（分）を示して
いる。ウォーターリンス後の半導体基板 （ウェーハ）
２０上の粒子３８は、ほとんど無くなっていない。図２
の方法では、酸性溶媒を用いたスラリーでポリッシング
を行いアルカリ性イオン水で後処理ポリッシング（イオ
ン水リンス）を行った例であるが、アルカリ性溶媒を用
いたスラリーでポリッシングを行う場合は、酸性イオン
水で後処理ポリッシング（イオン水リンス）を行って前
述の方法と同じ効果を得ることができる。

【００１７】図６の方法では、界面活性剤又は界面活性
剤及び純水、超純水などの水を研磨布に供給しながら前
記後処理ポリッシングを行う。この様な方法で後処理ポ
リッシングを行うと、窒化珪素研磨粒子（曲線Ａ）のゼ
ータ電位が低下して曲線Ａ′に示すようになり、その結
果半導体基板と研磨粒子のゼータ電位を同じ極性になり
しかもゼータ電位値の絶対値が近接するｐＨの範囲が広
がり、効果的に研磨粒子の半導体基板表面への吸着を防
止するｐＨの範囲が広がる。例えば、ｐＨ４．５〜５前
後やｐＨ１０前後が効果的に研磨粒子の半導体基板表面
への吸着を防止するｐＨの範囲にある。使用される界面
活性剤としては、例えば、アニオン界面活性剤があり、
その例としてＣ₁₀Ｈ₂₁ＯＳＯ₃ ^- Ｎａ⁺ やＣ₁₄Ｈ₂₉ＯＣ
₂ Ｈ₄ ＯＳＯ₃ ^- Ｎａ⁺ などがある。

【００１８】次に、図７を参照して本発明の装置の製造
方法を適用した半導体基板上の被ポリッシング膜の平坦
化方法を説明する。シリコン半導体基板１の上に、ゲー
ト電極などの用いるポリシリコン配線３を形成する。次
に、ポリシリコン配線３を被覆するように半導体基板１
上にＣＶＤ酸化膜２を堆積する。この時、ポリシリコン
配線３の配置された領域のＣＶＤ酸化膜２は厚くなって
おり、その部分で凸部５が形成されている。このＣＶＤ
酸化膜２を平坦化処理するために、この半導体基板１を
図１に示すポリッシング装置でポリッシングする。凸部
が大きい場合、ポリッシングを行っても凸部間などの変
化の大きいところでオーバーポリッシングされることが
あるので、その部分に窒化珪素膜のストッパー膜４を形
成する（図７（ａ））。次に、この半導体基板をポリッ
シング装置に搭載してストッパー膜４が研磨布に当たる
まで本発明の方法によるポリッシングを行う（図７
（ｂ））。次に、ストッパー膜４をエッッチング処理し
て取り除き、平坦化された表面を持つＣＶＤ酸化膜２を
得る。オーバーポリッシングされないので表面が平坦で
あり、この上に、例えば、アルミニウムなどの金属配線
を安定して形成することができる（図７（ｃ））。

【００１９】

【発明の効果】本発明のＣＭＰ処理を施した半導体基板
表面は、粒子の付着が著しく少なくなり、また、安定し
た平坦化面を有する半導体基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体製造装置の断面図。

【図２】本発明に用いる材料のゼータ電位のｐＨ依存性
を示す特性図。

【図３】本発明及び従来技術により得られたウェーハの
表面状態を示す平面図。

【図４】従来技術の後処理ポリッシングにおけるウォー
ターリンス時間の経過に伴うｐＨの変化を説明するｐＨ
−ウォーターリンス特性図。

【図５】本発明の後処理ポリッシングにおけるイオン水
リンス時間の経過に伴うｐＨの変化を説明するｐＨ−イ
オン水リンス特性図。

【図６】本発明に用いる材料のゼータ電位のｐＨ依存性
を示す特性図。

【図７】本発明により形成された半導体基板の平坦化方
法を説明する工程断面図。

【符号の説明】

１・・・半導体基板、 ２・・・ＣＶＤ酸化膜、３・
・・ポリシリコン配線、 ４・・・ストッパー膜（窒
化珪素）、５・・・凸部、 ６・・・平坦部、 ２
０・・・ウェーハ、２１・・・ステージ、 ２２・・
・ベアリング、 ２３・・・研磨盤受け、２４・・・研
磨盤、 ２５・・・研磨布、 ２６・・・駆動シャ
フト、２７・・・モーター、 ２８・・・回転ベル
ト、２９・・・テンプレート、 ３０・・・吸着布、
３１・・・吸着盤、３２・・・駆動シャフト、３３
・・・モーター、 ３４、３５・・・ギア、３６・・
・駆動台、 ３７・・・シリンダ、 ３８・・・粒子
（ダスト）、４０・・・電解イオン水生成装置、 ４
１・・・イオン水供給パイプ、４２・・・ｐＨメータ
ー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板表面に研磨剤を供給しながら
   この半導体基板表面の被ポリッシング膜を研磨布を用い
   てポリッシングする工程と、 前記被ポリッシング膜を所定の厚さまでポリッシング
   し、このポリッシングが終了した時点で前記研磨剤の供
   給を止め、前記半導体基板表面に付着した前記研磨剤の
   研磨粒子が持つゼータ電位と前記被ポリッシング膜が持
   つゼータ電位とが同じ極性になるように調整する工程と
   を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 表面に研磨布を固定させた研磨盤と、 被処理基板を固定する吸着盤と、 前記研磨盤又は前記吸着盤若しくはこの両者を回転させ
   る駆動手段と、 前記研磨布に研磨剤を供給する手段と、 前記研磨布にイオン水を供給する手段とを備えているこ
   とを特徴とする半導体製造装置。