JP3927270B2 - 研磨剤、研磨方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体装置の製造に関し、特に研磨工程を含む半導体装置の製造方法に関する。さらに、本発明は研磨方法および研磨剤に関する。
半導体装置、特に半導体集積回路では、基板上に形成した絶縁層上に配線パターンを埋め込んだ配線構造を多層積層した多層配線構造が一部に採用されてきた。このような多層配線構造では、第１の、下層配線構造上に、他の配線構造が形成されるため、各々の配線構造は平坦な表面を有することが要求される。
【０００２】
【従来の技術】
そこで、従来より、多層配線構造を形成する場合には、絶縁層上にコンタクトホールあるいは配線溝を形成し、かかる絶縁層上に、前記コンタクトホールあるいは配線溝を埋めるように金属層を堆積し、次いでかかる金属層を、前記絶縁層表面が露出するまでＣＭＰ（化学機械研磨）により除去し、平坦な配線構造を形成することが行われている。かかる配線構造は、上主面が平坦であるため、その上に次の配線構造を容易に形成することができる。
【０００３】
かかる従来の半導体装置の製造工程においては、コンタクトホールあるいは配線溝を埋めるＷ等の金属層を、α−アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）よりなる砥粒とＨ2 Ｏ2 等よりなる液体酸化剤との混合物よりなる研磨剤を使い、ウレタン樹脂等の研磨布上において研磨し、平坦化している。
【０００４】
しかし、このような酸化剤を含んだ研磨剤をＷ等の導体層の研磨に使用すると、研磨剤中の酸化剤が、前記導体層表面に例えばコンタクトホールあるいは配線溝に対応して形成される凹部の継ぎ目ないしシームに沿って、前記導体層中に侵入してしまい、その結果、かかる酸化剤の存在下で実行される研磨工程により、前記シームが拡大してしまう問題が発生する。すなわち、導体層のＣＭＰの結果コンタクトホールを埋めるように形成される導体プラグの中央部に、前記シームに対応して大きくまた深い凹部が形成されてしまい、コンタクトホールにおける電気的な接続が不確実になってしまう問題点が生じる。かかる導体プラグ研磨時に形成される凹部は、特にコンタクトホールの大きさが０．５μｍあるいはそれ以下の高い集積密度を有する半導体装置および集積回路において、特に深刻な信頼性の低下をもたらす。
【０００５】
この問題点を解決するため、本発明の出願人は、先に、特願平７−１６９０５７において、固体酸化剤として作用するＭｎＯ2 を砥粒として有する研磨剤、およびかかる研磨剤を使った半導体装置の製造方法を提案した。かかるＭｎＯ2 を使った研磨剤では、Ｈ2 Ｏ2 のような液体酸化剤を使わないため、コンタクトホール中のシームが酸化されることがなく、このため研磨を行ってもシームが侵食されることがない。
【０００６】
一方、このようなＭｎＯ2 を使った研磨剤では、特にＳｉＯ2 膜上に堆積したＷやＴｉＮ等の導体層を研磨する際に、下地のＳｉＯ2 に対する導体層の研磨の選択性、換言すると、ＳｉＯ2 の研磨速度に対する導体層の研磨速度の比が２倍程度であるため、ＳｉＯ2 が効果的な研磨ストッパとして作用しない問題点があった。
【０００７】
このため、本発明の出願人は、研磨される金属材料の液体酸化剤による侵食を抑止でき、しかも絶縁膜に対して高い選択性を示す研磨剤として、ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤として、ベンゼン環を含む化合物、あるいは乳酸、あるいはラクトース等を使用することを、特願平７−１６９０４８において提案した。このような添加剤を使うことにより、Ｗの研磨速度とＳｉＯ2 の研磨速度との間に２０以上の選択比を実現できることが発見された。換言すると、ＳｉＯ2 は、このような場合、効果的な研磨ストッパとして作用する。
【０００８】
一方、かかる半導体集積回路の製造においては、層間絶縁膜等の絶縁層を研磨する必要がある場合も度々生じる。
例えば、半導体集積回路では、一般に隣接する半導体装置相互を電気的に分離するために素子分離構造を形成するが、特に最近の微細化された半導体集積回路においては、従来のＬＯＣＯＳ法によるフィールド酸化膜のかわりに、隣接する素子間に溝（シャロートレンチ）を形成した、いわゆるシャロートレンチ構造が使われるようになっている。かかるシャロートレンチ法では、素子間に形成した溝を絶縁層で埋め込むことにより、所期の素子分離効果を得る。しかし、このような従来のシャロートレンチ法では、基板表面に溝を形成するため、必然的に凹凸が生じ、このためかかる分離構造を形成された基板表面上に半導体装置あるいは多層配線構造を形成するためには、基板を覆う層間絶縁膜を平坦化する必要がある。
【０００９】
このような要求に応じて、本発明の出願人は、先に特願平８−１６７６２１において、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒として使う研磨剤を提案した。Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を使うことにより、ＳｉＯ2 層を、従来のコロイダルシリカ研磨剤と実質的に同等、あるいはそれ以上の研磨速度で研磨することができる。さらに、同様な結果が、研磨の際にＭｎＯ2 砥粒を使い、その表面をＭｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 が形成されるような条件で処理した場合にも得られることが確認された。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、先に説明したＭｎＯ2 研磨剤にベンゼン環を有する化合物等よりなる添加剤を加えた場合、望ましい研磨の選択性を得るためには、多量の添加剤を、典型的には１０重量％程度加える必要があった。しかし、多量の添加剤を使った場合、研磨後の洗浄を長時間行わなければならない等の問題が生じ、特に半導体装置の製造において、スループットが低下してしまう。
【００１１】
また、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒としてＳｉＯ2 層等の絶縁層を研磨する場合、コロイダルシリカ等、シリカ系研磨剤に匹敵する研磨速度は得られるが、研磨速度の絶対値は、セリア（ＣｅＯ2 ）を使ってＳｉＯ2 等のガラスを研磨する場合にはおよばない。
【００１２】
そこで、本発明は、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤において、金属層を研磨する場合に少量の添加剤を添加することにより、金属膜に対する研磨の選択性を、絶縁膜に対して大きく向上させることのできる研磨剤および研磨方法、さらに半導体装置の製造方法を提供することを第１の課題とする。
【００１３】
本発明は、さらに、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 を含むＭｎ酸化物を砥粒とする研磨剤において、添加剤を添加することにより、絶縁層に対する研磨効率を向上させた研磨剤および研磨方法、さらにかかる研磨剤を使った半導体装置の製造方法を提供することを第２の課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 を含むことを特徴とする研磨剤により、または
請求項２に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はオルガノシランを含むことを特徴とする研磨剤により、または
請求項３に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って金属を研磨することを特徴とする研磨方法により、または
請求項４に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って導体層を研磨する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。
【００１５】
本発明は、Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤において、添加剤を添加することにより、研磨特性を変化させる。
特に、本発明者は、請求項１および２に記載したように、ＭｎＯ2 を砥粒として使い、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 または水に溶けるシランカップリング剤を含むオルガノシランを添加剤として少量添加することにより、導体を選択的に研磨でき、また絶縁体で研磨が停止する研磨剤を得ることができることを発見した。
【００１６】
図１および図２は、ＭｎＯ2 を研磨剤としてＳｉＯ2 膜を研磨する場合の研磨速度を、それぞれ添加したＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 およびオルガノシランの添加量の関数として示す。ただし、オルガノシランとして、Ｈ2 ＮＣ3 Ｈ6 Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）3 を使い、研磨は、ＲＯＤＥＬ社製ＳＵＢＡ４００研磨布上にさらにＲＯＤＥＬ社製研磨布ＩＣ４００を被せたターンテーブル上において、試料を担持する研磨ヘッドおよび前記ターンテーブルを、同一方向にいずれも７０ｒｐｍの回転速度で回転させながら、３５０ｇ／ｃｍ2 の研磨圧で行った。また、その際、研磨剤を１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で供給した。研磨剤は、砥粒としてＭｎＯ2 をＨ2 Ｏ中に約１０ｗｔ％含んだものを使い、これに添加剤を様々な割合で添加している。
【００１７】
図１および図２よりわかるように、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加しない場合、ＳｉＯ2 膜の研磨速度は０．２μｍ／ｍｉｎ程度であったのが、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランをわずか１ｗｔ％程度添加するだけで、ＳｉＯ2 膜の研磨速度がほとんどゼロに低下するのがわかる。一方、研磨剤は、このように添加剤を添加していても、Ｗに対しては、図３に示すように、０．１３〜０．１４μｍ／ｍｉｎ程度の十分な研磨速度を示す。ただし、図３は、同じ研磨条件下において、Ｗを研磨した場合の研磨速度を、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 およびオルガノシランの添加量の関数として示す。
【００１８】
さらに、本発明によれば、請求項３〜４に記載したように、Ｍｎ酸化物よりなる砥粒に、シリカ，アルミナ，ジルコニアより選ばれる添加剤を添加することにより、絶縁層を効率よく研磨できる研磨剤を得ることができる。
図４は、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 を砥粒に使った研磨剤によりＳｉＯ2 膜を研磨した場合に得られる研磨速度を示す。ただし、図４の結果は、先と同じようにターンテーブルをＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布で覆い、テーブルおよび研磨ヘッドを２０ｒｐｍの速度で同一方向に回転させながら、４２０ｇ／ｃｍ2 の研磨速度で研磨を行った場合についてのものである。図４よりわかるように、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 のいずれを砥粒として使っても、０．１５μｍ／ｍｉｎを超える研磨速度が得られ、しかも研磨速度はＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 の順に大きくなる。ただし、図４の実験では、研磨剤中におけるＭｎ酸化物砥粒の割合は、１０ｗｔ％に設定してある。また、溶剤としては、Ｈ2 Ｏを使っている。
【００１９】
図４において、砥粒としてＭｎＯ2 を使った場合の研磨速度は０．１８μｍ／ｍｉｎ、Ｍｎ2 Ｏ3 を使った場合には、０．２７μｍ／ｍｉｎ、またＭｎ3 Ｏ4 を使った場合には０．３０μｍ／ｍｉｎの研磨速度が得られる。
図５，６，７は、それぞれ図４の実験で使ったＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 の粉末Ｘ線回折パターンを示す。このうち、ＭｎＯ2 砥粒は、Ｍｎ塩の電解質溶液の電気分解により陽極上に形成されたＭｎＯ2 の塊を平均粒径が１μｍ以下になるまで粉砕することにより製造され、一方、Ｍｎ2 Ｏ3 砥粒は、このようにして形成されたＭｎＯ2 を、空気中、９００°Ｃの温度で１０分間熱処理の後急冷することにより製造している。さらに、Ｍｎ3 Ｏ4 は、前記ＭｎＯ2 の熱処理を空気中、１０００°Ｃで１０分間実行することにより得られる。図５よりわかるように、ＭｎＯ2 砥粒は主としてγ相のＭｎＯ2 より構成され、一方、図６，７よりわかるように、Ｍｎ3 Ｏ4 砥粒は少量のＭｎ2 Ｏ3 を含んでいる。
【００２０】
本発明の発明者は、図８に示すように、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 ，Ｍｎ3 Ｏ4 をそれぞれ砥粒とする研磨剤において、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、酸化膜を研磨する場合の研磨速度を大きく増大させることができるのを発見した。
【００２１】
より具体的には、ＭｎＯ2 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤において、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２８μｍ／ｍｉｎまで増大することが発見された。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、先の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２９１μｍ／ｍｉｎまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、先の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２８５μｍ／ｍｉｎまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せたターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２２】
さらに、ＭｎＯ2 砥粒の代わりにＭｎ2 Ｏ3 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤では、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．２７μｍ／ｍｉｎから０．３８８μｍまで増大した。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．２７μｍから０．２９１μｍまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．２７μｍから０．２８５μｍまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２３】
添加するシリカ粒子はキズの発生を避けるためにＭｎ酸化物の粒子よりも小さい必要がある。従って、粒径は０．５μｍ以下、望ましくは０．１μｍ以下である。このような微粒子は溶融シリカを微粉際しても得られるが、四塩化ケイ素などのガスを公園で噴霧して得られるヒュームドシリカや、水ガラスから析出して得られるコロイダルシリカでもよい。乾燥粉をスラリに添加してもよいが、凝集粒子がほどけないとキズの原因になるので水に分散させたものを添加した方がよい。さらに、Ｍｎ酸化物を粉砕し終わってから添加して混合してもよいが、粉砕前あるいは粉砕中に添加してもよい。
【００２４】
添加量については０．１〜１５％の範囲で効果がある。０．１％よりも少ないと添加して効果が現れず、１５％よりも多いと添加剤がＭｎ酸化物の研磨作用を阻害し始めるので、研磨速度がかえって低下する。特に１〜５％の範囲が望ましい。
【００２５】
ＭｎＯ2 砥粒の代わりにＭｎ3 Ｏ4 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤では、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．３０μｍ／ｍｉｎから０．４０７μｍまで増大した。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．３０μｍから０．３９９μｍまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．３０μｍから０．４０５μｍまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２６】
このように、本発明によれば、Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤により、ＳｉＯ2 等の絶縁膜を研磨する場合、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、研磨速度を大きく増大させることができ、研磨作業の効率を向上させることができる。
【００２７】
以下の表１に、前記ＳｉＯ2 膜研磨の実験結果をまとめて示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
さらに、本発明の発明者は、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤においては、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、ＷあるいはＴｉＮ等の導電膜の研磨速度も大きく向上することを発見した。
より具体的には、ＭｎＯ2 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤において、シリカを３ｗｔ％添加することにより、Ｗ膜の研磨速度が、当初の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３４μｍ／ｍｉｎまで増大することが見出された。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度は先の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３５μｍ／ｍｉｎまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は先の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３６μｍ／ｍｉｎまで増大した。ただし、研磨はＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に７０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を２５０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給した。
【００３０】
このように、本発明によれば、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤により、ＷやＴｉＮ等の導体膜を研磨する場合にも、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、研磨速度を大きく増大させることができ、研磨作業の効率を向上させることができる。
【００３１】
以下の表２に、前記Ｗ膜研磨の実験結果をまとめて示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を、半導体装置の製造に適用した場合につき説明する。
［実施例１］
次に、本発明の研磨剤を使った、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を、ＭＯＳトランジスタの製造工程を例に説明する。
【００３４】
図９（Ａ）を参照するに、ＭＯＳトランジスタは例えばｐ型にドープされたＳｉ基板１上に、前記基板１上に形成されたフィールド酸化膜１ａが画成する活性領域１Ａに対応して形成される。より具体的には、ＭＯＳトランジスタは前記活性領域１Ａ表面に形成されたｎ+ 型拡散領域１ｂと、前記活性領域１Ａ表面上に、前記拡散領域１ｂからＭＯＳトランジスタのチャネル領域１ｄにより隔てられて形成された別の拡散領域１ｃと、前記チャネル領域１ｄ上に、ゲート酸化膜（図示せず）を挟んで形成されたゲート電極２とより構成され、前記ゲート電極２の側壁には側壁絶縁膜２ａ，２ｂが形成される。また、前記拡散領域１ｂおよび１ｃはそれぞれＭＯＳトランジスタのソース領域およびドレイン領域として作用する。
【００３５】
図９（Ａ）の工程では、かかるＭＯＳトランジスタを埋め込むように、ＳｉＯ2 よりなる層間絶縁膜３が、例えばＣＶＤ法等により、典型的には５０ｎｍ程度の厚さに堆積される。その結果、前記ゲート電極および拡散領域１ｂ，１ｃは前記絶縁膜３により覆われる。ただし、図９（Ａ）に示すように、絶縁膜３の表面は前記ゲート電極２に対応した凹凸を有する。
【００３６】
次に、図９（Ｂ）の工程で、前記絶縁膜３の表面が一様に研磨され、その結果、絶縁膜３の面が平坦化される。この工程では、公知の適当な研磨剤を使えばよい。さらに、図１０（Ｃ）の工程で、前記絶縁膜３がレジスト（図示せず）を使ったフォトリソグラフィによりパターニングされ、その結果、前記絶縁膜３中に、前記拡散領域１ｂに対応して、前記領域１ｂの表面を露出するコンタクトホール３ａが形成される。さらに、図１０（Ｄ）の工程において、図１０（Ｃ）の構造上に、Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属あるいは合金よりなる導体層４を、一様な厚さに、例えばＣＶＤ法により堆積する。その結果、前記導体層４は、前記コンタクトホール３ａを埋め、前記コンタクトホールにおいて拡散領域１ｂと電気的に接触する。図１０（Ｄ）の構造では、前記導体層４は前記コンタクトホール３ａを埋めるため、導体層４表面上には前記コンタクトホール３ａに対応して凹部４ａが現れる。換言すると、前記導体層４の表面には凹凸が生じる。
【００３７】
そこで、本実施例においては、図１１（Ｅ）の工程において、ＭｎＯ2 を砥粒として含む研磨剤に、さらにＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加剤として添加した研磨剤を使って前記導体層４を一様に研磨し、図１１（Ｅ）に示す絶縁膜３の表面が平坦化された構造を得る。本発明による研磨剤は導体層４を構成するＷ層に対して選択的に作用し、研磨は前記絶縁膜３の上主面が露出した段階で自発的に停止する。その結果、前記コンタクトホール３ａを埋めるように、前記拡散領域１ｂに接触する導体プラグ４ｂが形成される。かかる研磨による平坦化の結果、前記導体プラグ４ｂの上主面は前記絶縁膜３の上主面と一致する。本発明の研磨剤では砥粒として含まれるＭｎＯ2 が固体酸化剤として作用するために、研磨は砥粒が実際に作用する導体プラグ４ｂの表面に限定され、導体プラグ４ｂ中のシームが研磨に際して侵食されることはない。
【００３８】
次に、図１１（Ｆ）の工程において、前記平坦化された図１１（Ｆ）の構造上に、ＳｉＯ2 等よりなる別の絶縁膜５が堆積され、図１２（Ｇ）の工程でフォトリソグラフィによりパターニングされ、前記導体プラグ４ｂを露出する溝５ａが形成される。さらに、図１２（Ｈ）の工程において、Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属あるいは合金よりなる別の導体層６が、前記図１２（Ｇ）の構造上に堆積され、その結果前記溝５ａに対応して導体層６には凹部６ａが、図１２（Ｈ）に示すように形成される。
【００３９】
さらに、図１３（Ｉ）の工程において、前記導体層６を、図１１（Ｅ）の工程と同様に、ＭｎＯ2 を砥粒とし、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加剤として加えた研磨剤により研磨し、図１３（Ｉ）に示す平坦化された構造が得られる。図１３（Ｉ）の構造では、前記絶縁膜５中の溝を前記導体層６の一部をなす導体パターニング６ｂが埋める。さらに、かかる構造上に、図１３（Ｊ）の工程で、さらに別の絶縁層７を堆積し、絶縁層７上に、必要に応じて様々な配線パターンを形成する。
【００４０】
かかる半導体装置の製造方法においては、図１１（Ｅ）あるいは図１３（Ｉ）の研磨工程において平坦性のすぐれた構造を得ることができ、また絶縁層中を延在する導体プラグが研磨剤により侵食されないため、多層配線構造を容易にかつ確実に形成することができる。
【００４１】
図１１（Ｅ）あるいは図１３（Ｉ）の工程で使われる研磨剤としては、例えば平均粒径が０．１〜１μｍのＭｎＯ2 砥粒を純水（Ｈ2 Ｏ）中に約１０ｗｔ％分散させ、さらに、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 、あるいはＨ2 ＮＣ3 Ｈ6 Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）3 ，さらに
【００４２】
【化１】
【００４３】
等のオルガノシランを純水に対して１〜２ｗｔ％程度添加したものを使うのがよく、その際研磨は、例えばＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布を重ねて被せたターンテーブル上において、２５０〜３５０ｇ／ｃｍ2 程度の圧力で、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを７０ｒｐｍで回転させながら行うのがよい。その際、研磨剤は、例えば１００ｃｃ／ｍｉｎ程度の割合で供給される。
【００４４】
なお、上記実施例ではＳｉＯ2 上のＷの研磨について詳述したが、本発明は他の絶縁膜上の金属の研磨についても有効である。他の絶縁膜としては、ＰＳＧ，ＢＰＳＧ，ＳｉＮ等が含まれ、また本発明が適用できる金属には、さらにＡｌ，Ｃｕ，Ｔｉ等の高融点金属、あるいはＴｉＮ等の高融点金属化合物が含まれる。［実施例２］
図１４（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程、特にシャロートレンチを使った素子分離構造の形成工程を示す図である。
【００４５】
図１４（Ａ）を参照するに、Ｓｉ基板１１上には、素子分離溝１１Ａが、例えば約４００ｎｍの深さに形成され、次に工程（Ｂ）において工程（Ａ）の構造上にＳｉＯ2 層１４が、前記溝１１Ａを埋めるように、ＣＶＤ法により堆積される。さらに、工程（Ｃ）において、前記ＳｉＯ2 層１４が、表１に記載したＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒とし、シリカ，アルミナあるいはジルコニアを添加した研磨剤を使って研磨される。
【００４６】
ＳｉＯ2 層１４の研磨は、先にも説明したように、ＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布を被せたターンテーブル上において、４２０ｇ／ｃｍ2 程度の圧力で、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを２０ｒｐｍの速度で同一方向に回転させながら、Ｈ2 Ｏを溶剤に使って実行される。その際、研磨は、Ｓｉ基板１１の表面が露出した時点で、Ｓｉに対するＳｉＯ2 の研磨速度の選択性により、自動的に停止する。
【００４７】
ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 等の砥粒にシリカ，アルミナあるいはジルコニア等の添加剤を添加することにより、工程（Ｂ）の研磨効率が非常に高くなり、半導体装置の製造スループットが向上する。
また、図１４（Ａ）〜（Ｃ）の工程では、Ｓｉ基板１１の表面それ自体が研磨ストッパとして作用し、その結果従来におけるような、別に研磨ストッパ層を設け、さらにそれを除去するという余計な工程が省略できる。
【００４８】
本実施例においては、また研磨の際にＭｎＯ2 を砥粒として使い、溶剤の酸化還元電位およびｐＨを調整することにより、ＭｎＯ2 砥粒の表面にＭｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を形成してもよい。この場合、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 砥粒を使ったのと同様なＳｉＯ2 層４の効率的な研磨、およびＳｉに対するＳｉＯ2 の選択性による研磨の自動停止効果が得られる。この方法だと、別の研磨工程でＷ等の導体層の研磨に使われるＭｎＯ2 研磨剤と同じ研磨剤を使い、溶剤の組成だけを変化させることにより、研磨剤の交換が不要になり、研磨工程が非常に簡単になる。例えば、酸化還元電位Ｅを０Ｖ，ｐＨを１２以上に設定することにより、Ｍｎ2 Ｏ3 をＭｎＯ2 砥粒表面に形成することが可能になる。
【００４９】
以上、本発明を半導体装置の製造について説明したが、本発明は、ガラス等の絶縁層をＣｅＯ2 に匹敵する研磨速度で研磨できるため、従来ＣｅＯ2 が使われていたレンズの研磨にも有効である。しかも、Ｍｎ酸化物はＣｅＯ2 よりもはるかに安価であるため、本発明により、製造されるレンズの価格を低下させることができる。
【００５０】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤としてＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを使うことにより、絶縁層を実質的に研磨することなく、導体層のみを効率的に研磨することができ、しかも必要な添加剤の添加量が少なくて済む。
【００５２】
また本発明によれば、Ｍｎ酸化物よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤としてシリカ、アルミナおよびジルコニアよりなる群から選択することにより、ガラス等の絶縁層を研磨する速度が増大し、かかる研磨工程を含む半導体装置の製造工程あるいはレンズ等の製造工程を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図（その一）である。
【図２】本発明の原理を説明する図（その二）である。
【図３】本発明の原理を説明する図（その三）である。
【図４】Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤によるＳｉＯ2 膜の研磨特性を示す図である。
【図５】本発明によるＭｎＯ2 砥粒の粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図６】本発明によるＭｎ2 Ｏ3 砥粒の粉末Ｘ回折パターンを示す図である。
【図７】本発明によるＭｎ3 Ｏ4 砥粒の粉末Ｘ回折パターンを示す図である。
【図８】本発明の原理を説明する図（その四）である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その一）である。
【図１０】（Ｃ），（Ｄ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その二）である。
【図１１】（Ｅ），（Ｆ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その三）である。
【図１２】（Ｇ），（Ｈ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その四）である。
【図１３】（Ｉ），（Ｊ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その五）である。
【図１４】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板
１ａ フィールド酸化膜
１ｂ，１ｃ 拡散領域
１ｄ チャネル領域
２ ゲート電極
２ａ，２ｂ ゲート側壁絶縁膜
３，５，７ 絶縁膜
３ａ コンタクトホール
４，６ 導体層
４ａ 凹部
４ｂ 導体プラグ
４ｃ シーム
５ａ 溝
６ａ 凹部
６ｂ 導体パターン
１１Ａ 分離溝
１４ 酸化膜
１４Ａ 凹部
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体装置の製造に関し、特に研磨工程を含む半導体装置の製造方法に関する。さらに、本発明は研磨方法および研磨剤に関する。
半導体装置、特に半導体集積回路では、基板上に形成した絶縁層上に配線パターンを埋め込んだ配線構造を多層積層した多層配線構造が一部に採用されてきた。このような多層配線構造では、第１の、下層配線構造上に、他の配線構造が形成されるため、各々の配線構造は平坦な表面を有することが要求される。
【０００２】
【従来の技術】
そこで、従来より、多層配線構造を形成する場合には、絶縁層上にコンタクトホールあるいは配線溝を形成し、かかる絶縁層上に、前記コンタクトホールあるいは配線溝を埋めるように金属層を堆積し、次いでかかる金属層を、前記絶縁層表面が露出するまでＣＭＰ（化学機械研磨）により除去し、平坦な配線構造を形成することが行われている。かかる配線構造は、上主面が平坦であるため、その上に次の配線構造を容易に形成することができる。
【０００３】
かかる従来の半導体装置の製造工程においては、コンタクトホールあるいは配線溝を埋めるＷ等の金属層を、α−アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）よりなる砥粒とＨ2 Ｏ2 等よりなる液体酸化剤との混合物よりなる研磨剤を使い、ウレタン樹脂等の研磨布上において研磨し、平坦化している。
【０００４】
しかし、このような酸化剤を含んだ研磨剤をＷ等の導体層の研磨に使用すると、研磨剤中の酸化剤が、前記導体層表面に例えばコンタクトホールあるいは配線溝に対応して形成される凹部の継ぎ目ないしシームに沿って、前記導体層中に侵入してしまい、その結果、かかる酸化剤の存在下で実行される研磨工程により、前記シームが拡大してしまう問題が発生する。すなわち、導体層のＣＭＰの結果コンタクトホールを埋めるように形成される導体プラグの中央部に、前記シームに対応して大きくまた深い凹部が形成されてしまい、コンタクトホールにおける電気的な接続が不確実になってしまう問題点が生じる。かかる導体プラグ研磨時に形成される凹部は、特にコンタクトホールの大きさが０．５μｍあるいはそれ以下の高い集積密度を有する半導体装置および集積回路において、特に深刻な信頼性の低下をもたらす。
【０００５】
この問題点を解決するため、本発明の出願人は、先に、特願平７−１６９０５７において、固体酸化剤として作用するＭｎＯ2 を砥粒として有する研磨剤、およびかかる研磨剤を使った半導体装置の製造方法を提案した。かかるＭｎＯ2 を使った研磨剤では、Ｈ2 Ｏ2 のような液体酸化剤を使わないため、コンタクトホール中のシームが酸化されることがなく、このため研磨を行ってもシームが侵食されることがない。
【０００６】
一方、このようなＭｎＯ2 を使った研磨剤では、特にＳｉＯ2 膜上に堆積したＷやＴｉＮ等の導体層を研磨する際に、下地のＳｉＯ2 に対する導体層の研磨の選択性、換言すると、ＳｉＯ2 の研磨速度に対する導体層の研磨速度の比が２倍程度であるため、ＳｉＯ2 が効果的な研磨ストッパとして作用しない問題点があった。
【０００７】
このため、本発明の出願人は、研磨される金属材料の液体酸化剤による侵食を抑止でき、しかも絶縁膜に対して高い選択性を示す研磨剤として、ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤として、ベンゼン環を含む化合物、あるいは乳酸、あるいはラクトース等を使用することを、特願平７−１６９０４８において提案した。このような添加剤を使うことにより、Ｗの研磨速度とＳｉＯ2 の研磨速度との間に２０以上の選択比を実現できることが発見された。換言すると、ＳｉＯ2 は、このような場合、効果的な研磨ストッパとして作用する。
【０００８】
一方、かかる半導体集積回路の製造においては、層間絶縁膜等の絶縁層を研磨する必要がある場合も度々生じる。
例えば、半導体集積回路では、一般に隣接する半導体装置相互を電気的に分離するために素子分離構造を形成するが、特に最近の微細化された半導体集積回路においては、従来のＬＯＣＯＳ法によるフィールド酸化膜のかわりに、隣接する素子間に溝（シャロートレンチ）を形成した、いわゆるシャロートレンチ構造が使われるようになっている。かかるシャロートレンチ法では、素子間に形成した溝を絶縁層で埋め込むことにより、所期の素子分離効果を得る。しかし、このような従来のシャロートレンチ法では、基板表面に溝を形成するため、必然的に凹凸が生じ、このためかかる分離構造を形成された基板表面上に半導体装置あるいは多層配線構造を形成するためには、基板を覆う層間絶縁膜を平坦化する必要がある。
【０００９】
このような要求に応じて、本発明の出願人は、先に特願平８−１６７６２１において、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒として使う研磨剤を提案した。Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を使うことにより、ＳｉＯ2 層を、従来のコロイダルシリカ研磨剤と実質的に同等、あるいはそれ以上の研磨速度で研磨することができる。さらに、同様な結果が、研磨の際にＭｎＯ2 砥粒を使い、その表面をＭｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 が形成されるような条件で処理した場合にも得られることが確認された。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、先に説明したＭｎＯ2 研磨剤にベンゼン環を有する化合物等よりなる添加剤を加えた場合、望ましい研磨の選択性を得るためには、多量の添加剤を、典型的には１０重量％程度加える必要があった。しかし、多量の添加剤を使った場合、研磨後の洗浄を長時間行わなければならない等の問題が生じ、特に半導体装置の製造において、スループットが低下してしまう。
【００１１】
また、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒としてＳｉＯ2 層等の絶縁層を研磨する場合、コロイダルシリカ等、シリカ系研磨剤に匹敵する研磨速度は得られるが、研磨速度の絶対値は、セリア（ＣｅＯ2 ）を使ってＳｉＯ2 等のガラスを研磨する場合にはおよばない。
【００１２】
そこで、本発明は、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤において、金属層を研磨する場合に少量の添加剤を添加することにより、金属膜に対する研磨の選択性を、絶縁膜に対して大きく向上させることのできる研磨剤および研磨方法、さらに半導体装置の製造方法を提供することを第１の課題とする。
【００１３】
本発明は、さらに、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 を含むＭｎ酸化物を砥粒とする研磨剤において、添加剤を添加することにより、絶縁層に対する研磨効率を向上させた研磨剤および研磨方法、さらにかかる研磨剤を使った半導体装置の製造方法を提供することを第２の課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 を含むことを特徴とする研磨剤により、または
請求項２に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はオルガノシランを含むことを特徴とする研磨剤により、または
請求項３に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って金属を研磨することを特徴とする研磨方法により、または
請求項４に記載したように、
ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って導体層を研磨する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。
【００１５】
本発明は、Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤において、添加剤を添加することにより、研磨特性を変化させる。
特に、本発明者は、請求項１および２に記載したように、ＭｎＯ2 を砥粒として使い、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 または水に溶けるシランカップリング剤を含むオルガノシランを添加剤として少量添加することにより、導体を選択的に研磨でき、また絶縁体で研磨が停止する研磨剤を得ることができることを発見した。
【００１６】
図１および図２は、ＭｎＯ2 を研磨剤としてＳｉＯ2 膜を研磨する場合の研磨速度を、それぞれ添加したＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 およびオルガノシランの添加量の関数として示す。ただし、オルガノシランとして、Ｈ2 ＮＣ3 Ｈ6 Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）3 を使い、研磨は、ＲＯＤＥＬ社製ＳＵＢＡ４００研磨布上にさらにＲＯＤＥＬ社製研磨布ＩＣ４００を被せたターンテーブル上において、試料を担持する研磨ヘッドおよび前記ターンテーブルを、同一方向にいずれも７０ｒｐｍの回転速度で回転させながら、３５０ｇ／ｃｍ2 の研磨圧で行った。また、その際、研磨剤を１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で供給した。研磨剤は、砥粒としてＭｎＯ2 をＨ2 Ｏ中に約１０ｗｔ％含んだものを使い、これに添加剤を様々な割合で添加している。
【００１７】
図１および図２よりわかるように、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加しない場合、ＳｉＯ2 膜の研磨速度は０．２μｍ／ｍｉｎ程度であったのが、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランをわずか１ｗｔ％程度添加するだけで、ＳｉＯ2 膜の研磨速度がほとんどゼロに低下するのがわかる。一方、研磨剤は、このように添加剤を添加していても、Ｗに対しては、図３に示すように、０．１３〜０．１４μｍ／ｍｉｎ程度の十分な研磨速度を示す。ただし、図３は、同じ研磨条件下において、Ｗを研磨した場合の研磨速度を、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 およびオルガノシランの添加量の関数として示す。
【００１８】
さらに、本発明によれば、請求項３〜４に記載したように、Ｍｎ酸化物よりなる砥粒に、シリカ，アルミナ，ジルコニアより選ばれる添加剤を添加することにより、絶縁層を効率よく研磨できる研磨剤を得ることができる。
図４は、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 を砥粒に使った研磨剤によりＳｉＯ2 膜を研磨した場合に得られる研磨速度を示す。ただし、図４の結果は、先と同じようにターンテーブルをＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布で覆い、テーブルおよび研磨ヘッドを２０ｒｐｍの速度で同一方向に回転させながら、４２０ｇ／ｃｍ2 の研磨速度で研磨を行った場合についてのものである。図４よりわかるように、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 のいずれを砥粒として使っても、０．１５μｍ／ｍｉｎを超える研磨速度が得られ、しかも研磨速度はＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 の順に大きくなる。ただし、図４の実験では、研磨剤中におけるＭｎ酸化物砥粒の割合は、１０ｗｔ％に設定してある。また、溶剤としては、Ｈ2 Ｏを使っている。
【００１９】
図４において、砥粒としてＭｎＯ2 を使った場合の研磨速度は０．１８μｍ／ｍｉｎ、Ｍｎ2 Ｏ3 を使った場合には、０．２７μｍ／ｍｉｎ、またＭｎ3 Ｏ4 を使った場合には０．３０μｍ／ｍｉｎの研磨速度が得られる。
図５，６，７は、それぞれ図４の実験で使ったＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 およびＭｎ3 Ｏ4 の粉末Ｘ線回折パターンを示す。このうち、ＭｎＯ2 砥粒は、Ｍｎ塩の電解質溶液の電気分解により陽極上に形成されたＭｎＯ2 の塊を平均粒径が１μｍ以下になるまで粉砕することにより製造され、一方、Ｍｎ2 Ｏ3 砥粒は、このようにして形成されたＭｎＯ2 を、空気中、９００°Ｃの温度で１０分間熱処理の後急冷することにより製造している。さらに、Ｍｎ3 Ｏ4 は、前記ＭｎＯ2 の熱処理を空気中、１０００°Ｃで１０分間実行することにより得られる。図５よりわかるように、ＭｎＯ2 砥粒は主としてγ相のＭｎＯ2 より構成され、一方、図６，７よりわかるように、Ｍｎ3 Ｏ4 砥粒は少量のＭｎ2 Ｏ3 を含んでいる。
【００２０】
本発明の発明者は、図８に示すように、ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 ，Ｍｎ3 Ｏ4 をそれぞれ砥粒とする研磨剤において、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、酸化膜を研磨する場合の研磨速度を大きく増大させることができるのを発見した。
【００２１】
より具体的には、ＭｎＯ2 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤において、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２８μｍ／ｍｉｎまで増大することが発見された。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、先の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２９１μｍ／ｍｉｎまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、先の０．１８μｍ／ｍｉｎから０．２８５μｍ／ｍｉｎまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せたターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２２】
さらに、ＭｎＯ2 砥粒の代わりにＭｎ2 Ｏ3 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤では、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．２７μｍ／ｍｉｎから０．３８８μｍまで増大した。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．２７μｍから０．２９１μｍまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．２７μｍから０．２８５μｍまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２３】
添加するシリカ粒子はキズの発生を避けるためにＭｎ酸化物の粒子よりも小さい必要がある。従って、粒径は０．５μｍ以下、望ましくは０．１μｍ以下である。このような微粒子は溶融シリカを微粉際しても得られるが、四塩化ケイ素などのガスを公園で噴霧して得られるヒュームドシリカや、水ガラスから析出して得られるコロイダルシリカでもよい。乾燥粉をスラリに添加してもよいが、凝集粒子がほどけないとキズの原因になるので水に分散させたものを添加した方がよい。さらに、Ｍｎ酸化物を粉砕し終わってから添加して混合してもよいが、粉砕前あるいは粉砕中に添加してもよい。
【００２４】
添加量については０．１〜１５％の範囲で効果がある。０．１％よりも少ないと添加して効果が現れず、１５％よりも多いと添加剤がＭｎ酸化物の研磨作用を阻害し始めるので、研磨速度がかえって低下する。特に１〜５％の範囲が望ましい。
【００２５】
ＭｎＯ2 砥粒の代わりにＭｎ3 Ｏ4 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤では、シリカを３ｗｔ％添加することにより、ＳｉＯ2 膜の研磨速度が、当初の０．３０μｍ／ｍｉｎから０．４０７μｍまで増大した。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度はＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．３０μｍから０．３９９μｍまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は、ＳｉＯ2 膜を研磨した場合、当初の前記０．３０μｍから０．４０５μｍまで増大した。ただし、研磨条件は先の場合と同じで、ＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に２０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を４２０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給している。
【００２６】
このように、本発明によれば、Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤により、ＳｉＯ2 等の絶縁膜を研磨する場合、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、研磨速度を大きく増大させることができ、研磨作業の効率を向上させることができる。
【００２７】
以下の表１に、前記ＳｉＯ2 膜研磨の実験結果をまとめて示す。
【００２８】
【表１】
さらに、本発明の発明者は、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤においては、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、ＷあるいはＴｉＮ等の導電膜の研磨速度も大きく向上することを発見した。
より具体的には、ＭｎＯ2 砥粒を１０ｗｔ％含む研磨剤において、シリカを３ｗｔ％添加することにより、Ｗ膜の研磨速度が、当初の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３４μｍ／ｍｉｎまで増大することが見出された。また、シリカの代わりにアルミナを添加した場合は、研磨速度は先の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３５μｍ／ｍｉｎまで増大した。さらに、シリカの代わりにジルコニアを添加した場合には、研磨速度は先の０．１５μｍ／ｍｉｎから０．３６μｍ／ｍｉｎまで増大した。ただし、研磨はＳＵＢＡ４００研磨布およびＩＣ１０００研磨布を被せた研磨ターンテーブル上において、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを同一方向に７０ｒｐｍの速度で回転させながら、研磨圧を２５０ｇ／ｃｍ2 に設定して行った。その際、研磨剤を、１００ｃｃ／ｍｉｎの割合で研磨布上に供給した。
【００３０】
このように、本発明によれば、ＭｎＯ2 を砥粒とする研磨剤により、ＷやＴｉＮ等の導体膜を研磨する場合にも、シリカ、アルミナあるいはジルコニアを添加剤として添加することにより、研磨速度を大きく増大させることができ、研磨作業の効率を向上させることができる。
【００３１】
以下の表２に、前記Ｗ膜研磨の実験結果をまとめて示す。
【００３２】
【表２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を、半導体装置の製造に適用した場合につき説明する。
［実施例１］
次に、本発明の研磨剤を使った、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を、ＭＯＳトランジスタの製造工程を例に説明する。
【００３４】
図９（Ａ）を参照するに、ＭＯＳトランジスタは例えばｐ型にドープされたＳｉ基板１上に、前記基板１上に形成されたフィールド酸化膜１ａが画成する活性領域１Ａに対応して形成される。より具体的には、ＭＯＳトランジスタは前記活性領域１Ａ表面に形成されたｎ+ 型拡散領域１ｂと、前記活性領域１Ａ表面上に、前記拡散領域１ｂからＭＯＳトランジスタのチャネル領域１ｄにより隔てられて形成された別の拡散領域１ｃと、前記チャネル領域１ｄ上に、ゲート酸化膜（図示せず）を挟んで形成されたゲート電極２とより構成され、前記ゲート電極２の側壁には側壁絶縁膜２ａ，２ｂが形成される。また、前記拡散領域１ｂおよび１ｃはそれぞれＭＯＳトランジスタのソース領域およびドレイン領域として作用する。
【００３５】
図９（Ａ）の工程では、かかるＭＯＳトランジスタを埋め込むように、ＳｉＯ2 よりなる層間絶縁膜３が、例えばＣＶＤ法等により、典型的には５０ｎｍ程度の厚さに堆積される。その結果、前記ゲート電極および拡散領域１ｂ，１ｃは前記絶縁膜３により覆われる。ただし、図９（Ａ）に示すように、絶縁膜３の表面は前記ゲート電極２に対応した凹凸を有する。
【００３６】
次に、図９（Ｂ）の工程で、前記絶縁膜３の表面が一様に研磨され、その結果、絶縁膜３の面が平坦化される。この工程では、公知の適当な研磨剤を使えばよい。さらに、図１０（Ｃ）の工程で、前記絶縁膜３がレジスト（図示せず）を使ったフォトリソグラフィによりパターニングされ、その結果、前記絶縁膜３中に、前記拡散領域１ｂに対応して、前記領域１ｂの表面を露出するコンタクトホール３ａが形成される。さらに、図１０（Ｄ）の工程において、図１０（Ｃ）の構造上に、Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属あるいは合金よりなる導体層４を、一様な厚さに、例えばＣＶＤ法により堆積する。その結果、前記導体層４は、前記コンタクトホール３ａを埋め、前記コンタクトホールにおいて拡散領域１ｂと電気的に接触する。図１０（Ｄ）の構造では、前記導体層４は前記コンタクトホール３ａを埋めるため、導体層４表面上には前記コンタクトホール３ａに対応して凹部４ａが現れる。換言すると、前記導体層４の表面には凹凸が生じる。
【００３７】
そこで、本実施例においては、図１１（Ｅ）の工程において、ＭｎＯ2 を砥粒として含む研磨剤に、さらにＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加剤として添加した研磨剤を使って前記導体層４を一様に研磨し、図１１（Ｅ）に示す絶縁膜３の表面が平坦化された構造を得る。本発明による研磨剤は導体層４を構成するＷ層に対して選択的に作用し、研磨は前記絶縁膜３の上主面が露出した段階で自発的に停止する。その結果、前記コンタクトホール３ａを埋めるように、前記拡散領域１ｂに接触する導体プラグ４ｂが形成される。かかる研磨による平坦化の結果、前記導体プラグ４ｂの上主面は前記絶縁膜３の上主面と一致する。本発明の研磨剤では砥粒として含まれるＭｎＯ2 が固体酸化剤として作用するために、研磨は砥粒が実際に作用する導体プラグ４ｂの表面に限定され、導体プラグ４ｂ中のシームが研磨に際して侵食されることはない。
【００３８】
次に、図１１（Ｆ）の工程において、前記平坦化された図１１（Ｆ）の構造上に、ＳｉＯ2 等よりなる別の絶縁膜５が堆積され、図１２（Ｇ）の工程でフォトリソグラフィによりパターニングされ、前記導体プラグ４ｂを露出する溝５ａが形成される。さらに、図１２（Ｈ）の工程において、Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属あるいは合金よりなる別の導体層６が、前記図１２（Ｇ）の構造上に堆積され、その結果前記溝５ａに対応して導体層６には凹部６ａが、図１２（Ｈ）に示すように形成される。
【００３９】
さらに、図１３（Ｉ）の工程において、前記導体層６を、図１１（Ｅ）の工程と同様に、ＭｎＯ2 を砥粒とし、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを添加剤として加えた研磨剤により研磨し、図１３（Ｉ）に示す平坦化された構造が得られる。図１３（Ｉ）の構造では、前記絶縁膜５中の溝を前記導体層６の一部をなす導体パターニング６ｂが埋める。さらに、かかる構造上に、図１３（Ｊ）の工程で、さらに別の絶縁層７を堆積し、絶縁層７上に、必要に応じて様々な配線パターンを形成する。
【００４０】
かかる半導体装置の製造方法においては、図１１（Ｅ）あるいは図１３（Ｉ）の研磨工程において平坦性のすぐれた構造を得ることができ、また絶縁層中を延在する導体プラグが研磨剤により侵食されないため、多層配線構造を容易にかつ確実に形成することができる。
【００４１】
図１１（Ｅ）あるいは図１３（Ｉ）の工程で使われる研磨剤としては、例えば平均粒径が０．１〜１μｍのＭｎＯ2 砥粒を純水（Ｈ2 Ｏ）中に約１０ｗｔ％分散させ、さらに、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 、あるいはＨ2 ＮＣ3 Ｈ6 Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）3 ，さらに
【００４２】
【化１】
等のオルガノシランを純水に対して１〜２ｗｔ％程度添加したものを使うのがよく、その際研磨は、例えばＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布を重ねて被せたターンテーブル上において、２５０〜３５０ｇ／ｃｍ2 程度の圧力で、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを７０ｒｐｍで回転させながら行うのがよい。その際、研磨剤は、例えば１００ｃｃ／ｍｉｎ程度の割合で供給される。
【００４４】
なお、上記実施例ではＳｉＯ2 上のＷの研磨について詳述したが、本発明は他の絶縁膜上の金属の研磨についても有効である。他の絶縁膜としては、ＰＳＧ，ＢＰＳＧ，ＳｉＮ等が含まれ、また本発明が適用できる金属には、さらにＡｌ，Ｃｕ，Ｔｉ等の高融点金属、あるいはＴｉＮ等の高融点金属化合物が含まれる。［実施例２］
図１４（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程、特にシャロートレンチを使った素子分離構造の形成工程を示す図である。
【００４５】
図１４（Ａ）を参照するに、Ｓｉ基板１１上には、素子分離溝１１Ａが、例えば約４００ｎｍの深さに形成され、次に工程（Ｂ）において工程（Ａ）の構造上にＳｉＯ2 層１４が、前記溝１１Ａを埋めるように、ＣＶＤ法により堆積される。さらに、工程（Ｃ）において、前記ＳｉＯ2 層１４が、表１に記載したＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を砥粒とし、シリカ，アルミナあるいはジルコニアを添加した研磨剤を使って研磨される。
【００４６】
ＳｉＯ2 層１４の研磨は、先にも説明したように、ＳＵＢＡ４００およびＩＣ１０００研磨布を被せたターンテーブル上において、４２０ｇ／ｃｍ2 程度の圧力で、ターンテーブルおよび研磨ヘッドを２０ｒｐｍの速度で同一方向に回転させながら、Ｈ2 Ｏを溶剤に使って実行される。その際、研磨は、Ｓｉ基板１１の表面が露出した時点で、Ｓｉに対するＳｉＯ2 の研磨速度の選択性により、自動的に停止する。
【００４７】
ＭｎＯ2 ，Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 等の砥粒にシリカ，アルミナあるいはジルコニア等の添加剤を添加することにより、工程（Ｂ）の研磨効率が非常に高くなり、半導体装置の製造スループットが向上する。
また、図１４（Ａ）〜（Ｃ）の工程では、Ｓｉ基板１１の表面それ自体が研磨ストッパとして作用し、その結果従来におけるような、別に研磨ストッパ層を設け、さらにそれを除去するという余計な工程が省略できる。
【００４８】
本実施例においては、また研磨の際にＭｎＯ2 を砥粒として使い、溶剤の酸化還元電位およびｐＨを調整することにより、ＭｎＯ2 砥粒の表面にＭｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 を形成してもよい。この場合、Ｍｎ2 Ｏ3 あるいはＭｎ3 Ｏ4 砥粒を使ったのと同様なＳｉＯ2 層４の効率的な研磨、およびＳｉに対するＳｉＯ2 の選択性による研磨の自動停止効果が得られる。この方法だと、別の研磨工程でＷ等の導体層の研磨に使われるＭｎＯ2 研磨剤と同じ研磨剤を使い、溶剤の組成だけを変化させることにより、研磨剤の交換が不要になり、研磨工程が非常に簡単になる。例えば、酸化還元電位Ｅを０Ｖ，ｐＨを１２以上に設定することにより、Ｍｎ2 Ｏ3 をＭｎＯ2 砥粒表面に形成することが可能になる。
【００４９】
以上、本発明を半導体装置の製造について説明したが、本発明は、ガラス等の絶縁層をＣｅＯ2 に匹敵する研磨速度で研磨できるため、従来ＣｅＯ2 が使われていたレンズの研磨にも有効である。しかも、Ｍｎ酸化物はＣｅＯ2 よりもはるかに安価であるため、本発明により、製造されるレンズの価格を低下させることができる。
【００５０】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤としてＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 あるいはオルガノシランを使うことにより、絶縁層を実質的に研磨することなく、導体層のみを効率的に研磨することができ、しかも必要な添加剤の添加量が少なくて済む。
【００５２】
また本発明によれば、Ｍｎ酸化物よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤としてシリカ、アルミナおよびジルコニアよりなる群から選択することにより、ガラス等の絶縁層を研磨する速度が増大し、かかる研磨工程を含む半導体装置の製造工程あるいはレンズ等の製造工程を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図（その一）である。
【図２】本発明の原理を説明する図（その二）である。
【図３】本発明の原理を説明する図（その三）である。
【図４】Ｍｎ酸化物を砥粒とする研磨剤によるＳｉＯ2 膜の研磨特性を示す図である。
【図５】本発明によるＭｎＯ2 砥粒の粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図６】本発明によるＭｎ2 Ｏ3 砥粒の粉末Ｘ回折パターンを示す図である。
【図７】本発明によるＭｎ3 Ｏ4 砥粒の粉末Ｘ回折パターンを示す図である。
【図８】本発明の原理を説明する図（その四）である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その一）である。
【図１０】（Ｃ），（Ｄ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その二）である。
【図１１】（Ｅ），（Ｆ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その三）である。
【図１２】（Ｇ），（Ｈ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その四）である。
【図１３】（Ｉ），（Ｊ）は本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その五）である。
【図１４】本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板
１ａ フィールド酸化膜
１ｂ，１ｃ 拡散領域
１ｄ チャネル領域
２ ゲート電極
２ａ，２ｂ ゲート側壁絶縁膜
３，５，７ 絶縁膜
３ａ コンタクトホール
４，６ 導体層
４ａ 凹部
４ｂ 導体プラグ
４ｃ シーム
５ａ 溝
６ａ 凹部
６ｂ 導体パターン
１１Ａ 分離溝
１４ 酸化膜
１４Ａ 凹部
Claims (4)
- ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はＮ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 を含むことを特徴とする研磨剤。
- ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶媒と、添加剤とよりなる研磨剤において、前記添加剤はオルガノシランを含むことを特徴とする研磨剤。
- ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って金属を研磨することを特徴とする研磨方法。
- ＭｎＯ2 よりなる砥粒と、溶剤と、Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ2 ＯＨ）3 またはオルガノシランを含む添加剤とからなる研磨剤を使って導体層を研磨する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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