专利名称：有机膜的化学机械抛光及制造半导体器件的方法
相关申请的参考本申请以在先的日本专利申请No.2003-157154(申请日2003年6月2日)以及No.2004-76408(申请日2004年3月17日)为基础并要求享受其优先权，本文引用其全部内容作为参考。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及有机膜例如抗蚀膜的化学机械抛光，以及一种制备半导体器件的方法。
2.相关技术的描述在加工半导体器件的方法中，采用光致抗蚀膜作为牺牲膜以制备所需结构。例如，在半导体衬底上形成沟槽后或者在绝缘膜上形成孔后，涂敷光致抗蚀剂以形成牺牲膜。然后，使所述可消耗膜经历凹进工艺或剥离工艺以获得所需结构。这种工艺已被用于形成掩埋带，该掩埋带在制造配有沟槽电容的半导体存储器时用于电连接存储节点电极和单元晶体管的扩散层。此外，这种工艺同样可用于在形成铜双大马士革结构(Cu DD结构)的过程中预先形成通路孔(初级DD通路)的工艺。
在任一种情况下，光致抗蚀膜的厚度必须在薄片的整个表面上均匀一致。然而，当将抗蚀剂施涂在以高密度图形形成沟槽和孔的区域以达到用抗蚀剂掩埋这些沟槽和孔时，所得抗蚀膜的体积会在这样的高图形密度区域处减少。因此，会在位于高图形密度区域的抗蚀膜的厚度和位于低图形密度区域或空旷区域的抗蚀膜的膜厚之间产生大量级(例如大约几百纳米)的厚度不均匀性。
抗蚀膜的这种膜厚不均匀性将在随后的凹进过程中进一步增大，从而损害器件的结构。此外，抗蚀膜的这种膜厚不均匀性将会成为造成焦深减小或器件产率下降的原因。
为了克服由于上述的抗蚀膜的膜厚不均匀性引起的这些问题，已经提出了在完成涂覆抗蚀剂之后通过化学机械抛光(CMP)使光致抗蚀剂平整化的方法。然而，已经发现对光致抗蚀膜进行CMP存在以下问题。
这就是说用于光致抗蚀膜的传统的CMP存在的问题是用于抛光光致抗蚀膜的时间相对较长，并且就抛光时间来说稳定性差。特别是当对厚度大(例如3μm)的抗蚀膜进行CMP处理时，这些问题会更加突出。更具体地说，抛光这种抗蚀膜的时间将长达200～270秒，并且就抛光时间来说稳定性也不好。
此外，难以抑制凹坑的生成，并且经抛光的晶片的表面均匀性差。如果晶片的面内均匀性不好，它将会导致随后形成的凹槽深度不均匀，从而难以获得均匀且理想的晶片面内结构。例如，当形成掩埋带时沟槽深度不均匀，这会成为引起环形氧化膜的不均匀性的直接原因，从而导致掩埋带的电阻不均匀。
当抛光经过高温烘烤而使其硬度增加的抗蚀膜时，可以采用无机颗粒例如二氧化硅和氧化铝作为磨粒，以确保可行的加工利润和生产率。在这种情况下，无机颗粒容易残留在沟槽中，从而引起晶片表面状况恶化以及残留的无机颗粒在CMP步骤后的凹进步骤中成为掩膜的问题。
发明概述根据本发明的一个方面，一种有机膜的化学机械抛光方法包括在半导体衬底上方形成有机膜；将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触；使浆料落在抛光垫上以抛光有机膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂。
根据本发明的另一方面，有机膜的化学机械抛光方法包括在半导体衬底上方形成有机膜；将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触；通过将含有初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒的分散体供至抛光垫而对有机膜进行第一次抛光；在第一次抛光之后通过将含有具有亲水结构的表面活性剂的溶液供至抛光垫而对有机膜进行第二次抛光。
根据本发明的一个方面，制备半导体器件的方法包括在下层中形成凹形部分，下层为半导体衬底或者沉积在半导体衬底上的绝缘膜；在形成凹形部分的下层的上方形成抗蚀膜；对抗蚀膜进行化学机械抛光以选择性地留下处于凹形部分中的抗蚀膜，其中通过将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触而进行化学机械抛光；使浆料落在抛光垫上以抛光抗蚀膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂；对埋入凹形部分的抗蚀膜进行凹进处理以达到预定深度。
根据本发明的另一方面，制备半导体器件的方法包括在沉积在半导体衬底上方的绝缘膜中形成孔；在形成孔的绝缘膜的上方形成第一抗蚀膜；对第一抗蚀膜进行化学机械抛光以选择性地留下处于孔中的第一抗蚀膜，其中通过将在半导体衬底上方形成的第一抗蚀膜与固定在转台上的抛光垫接触而进行化学机械抛光；使浆料落在抛光垫上以抛光第一抗蚀膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂；在化学机械抛光之后在第一抗蚀膜的上方形成第二抗蚀膜，在第二抗蚀膜的上方形成中间层；在中间层的上方形成第三抗蚀膜；对第三抗蚀膜进行进行图形曝光。
附图的几种视图的简述
图1是示意性地说明CMP状态的透视图；图2A～2I是截面图，其各自逐步说明根据本发明的一个实施方案制备半导体器件的方法；图3是Stribeck图；图4是说明CMP时间与被除去的抗蚀剂面积比率之间的关系的图；图5是说明相对速率与被除去的抗蚀剂面积之间的关系的图；图6是说明CMP时间与转台扭矩电流之间的关系的图；图7A和7B是分别说明存在于沟槽部分的磨粒的状态的截面图；图8是说明晶片位置与凹坑大小之间关系的图；图9是说明颗粒尺寸/沟槽尺寸的比与凹坑大小之间关系的图；图10是说明磨粒尺寸与凹坑大小之间关系的图；图11A～11G是截面图，其各自逐步说明当采用具有多层抗蚀剂方法时形成布线图的方法；图12A和12B分别说明抗蚀剂的膜厚与焦距的相关性；图13A和13B分别说明抗蚀剂的膜厚与焦距的相关性；图14A～14C分别表示余量曲线；图15A和15B是截面图，其各自逐步说明根据本发明另一实施方案制备半导体器件的方法的一部分；图16A和16B分别说明抗蚀剂的膜厚对焦距的相关性；图17A～17C是截面图，其各自逐步说明当采用对抗蚀剂进行凹进处理时形成铜双大马士革的工艺；图18A～18E是截面图，其各自逐步说明根据本发明另一实施方案制备半导体器件的方法的一部分；图19是平面图，其示意性地说明抛光设备的结构；图20是截面图，其示意性地说明根据本发明的一个实施方案的抛光过程中抛光垫与晶片的状态；图21是截面图，其表示根据本发明的一个实施方案的抛光过程中的抗蚀膜；图22是截面图，其表示在完成对抗蚀膜进行凹进处理后的抗蚀膜；图23是截面图，其示意性地表示根据对比实施例的抛光过程中抛光垫与晶片的状态；图24A和24B是截面图，其表示根据对比实施例的抛光过程中的抗蚀膜；和图25A和25B是截面图，其分别说明根据对比实施例在完成对抗蚀膜进行凹进处理后的抗蚀膜。
发明详述下面将参考附图对本发明的实施方案进行说明。
根据本发明的一个具体实施例，对于有机膜的化学机械抛光来说，采用具有以下特征的第一浆料或第二浆料。
第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8。
就所述树脂颗粒而言，可以采用选自甲基丙烯酸树脂(例如PMMA—聚甲基丙烯酸甲酯)、PST(聚苯乙烯)树脂、脲醛树脂、三聚氰氨树脂、聚缩醛树脂和聚碳酸树脂的树脂。在这些树脂中，更优选PMMA和PST树脂，因为对于CMP来说这些树脂具有合适的硬度和弹性。
如果树脂颗粒的初级粒径小于0.05μm，树脂颗粒倾向于进入待填充有机膜的凹槽，即在半导体衬底中形成的沟槽或在绝缘膜中形成的孔，因而非常可能增大凹坑。另一方面，如果树脂颗粒的初级粒径大于5μm，那么控制树脂颗粒的分散性将会变得困难，这非常可能导致浆料沉淀。因此，对于第一浆料来说，树脂颗粒的初级粒径应当优选限制在0.05～5μm范围内。更优选地，树脂颗粒的初级粒径应当限制在0.1～3.0μm范围内。树脂颗粒的初级粒径可以通过动态或静态光散射法来测定。
将至少一种选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团的官能团引入所述树脂颗粒的表面。对于阴离子官能团来说，可以采用例如羧酸类、磺酸类、硫酸类和磷酸类官能团等。对于阳离子官能团来说，可以采用例如胺盐类和季铵盐类官能团等。对于两性官能团来说，可以采用例如链烷醇酰胺类、羧基甜菜碱(carboxy betaine)类和甘氨酸类官能团等。对于非离子官能团来说，可以采用例如醚类、酯类官能团等等。其中，特别优选羧基类，因为采用羧基类可容易地制备树脂颗粒。
为了使树脂颗粒稳定分散，ζ电势的绝对值应当优选高于预定值。更具体地说，ζ电势的绝对值应当优选为约20mV或更高。ζ电势的这个范围可以通过将官能团的比例设定为约0.05mol/L或更大来实现。在某些情况下，两种或多种官能团可以同时存在。当官能团存在于树脂颗粒表面上时，可以通过树脂颗粒间的电斥力提高树脂颗粒的分散性，而不必添加表面活性剂。
例如，对于在其表面上具有羧基(COOH)作为官能团的树脂颗粒来说，羧基在浆料中以下式所示的方式离解，从而使树脂颗粒的表面带负电。结果，由于电斥力阻止了树脂颗粒间的凝聚，因此可以提高树脂颗粒的稳定性，从而可以延长所得的浆料的寿命。
可以例如通过以下步骤合成在其表面上具有羧基(COOH)的PMMA颗粒。首先，将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、二乙烯基苯、月桂基硫酸铵和过硫酸铵与足量的离子交换水一起置于烧瓶中。在氮气氛围中于70～80℃下使所得混合物聚合6～8小时并同时搅拌。结果可以得到在其表面上具有羧基的初级粒径为0.15～0.25μm的PMMA颗粒。可以通过改变反应温度和时间以及其它的制备条件来控制初级粒径以使其处于0.05～5μm的范围内。
可以通过将其表面上具有上述官能团的树脂颗粒分散于水中而获得第一浆料。就水而言，可以采用离子交换水、纯净水等。分散树脂颗粒以达到浆料中的树脂颗粒浓度为优选地约0.01～30wt％。如果树脂颗粒浓度小于0.01wt％，以足够高的抛光速率抛光有机膜将会变得困难。另一方面，如果树脂颗粒浓度大于30wt％，相对于其中掩埋了有机膜的绝缘膜(例如SiN、SiO2等)来说，令人满意的颗粒选择率将难以确保。
如果需要，所述浆料还可以包含添加剂例如氧化剂、有机酸或表面活性剂，其中添加剂的量应当采用常规用量。
然而，第一浆料的pH值限定在2～8的范围内。当第一浆料的pH值小于2时，官能团例如COOH几乎不离解，从而降低了树脂颗粒的分散性。如果第一浆料的pH值大于8，对有机膜(例如抗蚀膜)的化学损害将增加，从而增大凹坑的大小。
可以通过适当地加入pH调节剂而将第一浆料的pH值调节到上述范围内。就pH调节剂而言，可以采用硝酸、磷酸、盐酸、硫酸和柠檬酸等。
因为第一浆料含有预定粒径的树脂颗粒，所以第一浆料适用于有机膜的化学机械抛光。特别地，由于所述树脂颗粒在其表面上具有官能团，因此可以通过树脂颗粒间的电斥力来提高树脂颗粒的分散性，而不必添加表面活性剂。从提高浆料的抛光性能以及储存稳定性的角度来说，保证树脂颗粒的分散性是非常重要的因素。也就是说，如果树脂颗粒分散不够充分，那么将会产生粗颗粒，因此导致产生划痕。此外，树脂颗粒的分散性差会使浆料成为硬质的块状物，从而损害浆料的储存稳定性。因此，根据这种第一浆料，因为所述树脂颗粒在其表面上具有官能团，所以对于第一浆料来说不可能引起上述不希望的问题。
此外，由于第一浆料的pH值被限定在预定范围内，可以防止待抛光的有机膜受到化学损害，并且树脂颗粒表面上存在的官能团也可以充分离解。
根据本发明的一个实施方案的有机膜的抛光可以按照如下方式进行。也就是说，如图1所示，当使其上固定有抛光垫31的转台30以10～50rpm的速率进行旋转时，允许固定半导体衬底32的顶环33与转台30在例如200～600gf/cm2的抛光负载下接触。顶环33的旋转速率可以设置为5～60rpm。然而，优选的是转台30和顶环33的旋转速率的确定应使半导体衬底32对抛光垫31的相对旋转速率可以被限定在0.17～1.06m/sec的范围内，如下文的详细描述。从第一供料喷嘴以100～300cc/min的流速将浆料37供入抛光垫31。顺便提及的是图1还显示了第二供料喷嘴34和清理机36。在这种情况下，第二供料喷嘴34被用于供水。
对于抛光垫31，优选为采用抗压模量为100～600MPa的硬质抛光垫。当抛光垫的抗压模量小于100MPa时，不可能通过机械方法除去待抛光的抗蚀膜，因为抛光垫的硬度会比抗蚀膜的硬度更小。另一方面，如果抛光垫的抗压模量大于600MPa，在完成抛光后可能会在有机膜的表面上形成划痕。因此，优选为采用抗压模量为大约290Mpa的IC1000(商标；RODEL NITTA有限公司)。可以在抗压模量为6MPa或更小的Suba 400(商标；RODEL NITTA有限公司)上支撑这种IC1000。然而，当单独采用抗压模量为6MPa或更小的软质垫例如Suba400或Politex时，即使使用第一浆料抛光120秒也不可能完全除去抗蚀膜。
当在前述条件下采用第一浆料进行抛光时，其效果将会特别显著，从而可以在短时间内稳定地对有机膜例如抗蚀膜进行抛光，而不会导致损害有机膜的表面结构，例如凹坑。
另一方面，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂。
由于上文已经解释的原因，树脂颗粒的初级粒径被限制在0.05～5μm的范围。就这里所采用的树脂而言，它们与第一浆料中将要采用的树脂相同。特别地，更优选采用PMMA或PST，因为这些树脂具有适合于进行CMP的硬度和弹性。而且，为了提高树脂颗粒的分散性，可以在树脂颗粒的表面上提供官能团。对于官能团，可以采用如说明第一浆料时那些官能团。
因为第二浆料中将包含的树脂颗粒的初级粒径大于凹形部分(例如前面所述的沟槽)的直径，所以在抛光有机膜例如抗蚀膜的过程中可以防止所述树脂颗粒进入沟槽，并因此可以抑制凹坑的产生。此外，由于制备树脂颗粒的树脂与制备抗蚀膜的相同，即使在晶片表面上留有树脂颗粒，该树脂颗粒也可以轻易地在后续干燥步骤(抗蚀剂-凹进步骤(resist-recessingstep))中除去。此外，由于其中填充了抗蚀剂的无机绝缘膜(例如SiN膜)的抛光速率非常小，因此可以确保高选择比。
另一方面，表面活性剂包含亲水结构，其在抛光过程中能粘附在抛光垫和晶片的表面上，并能粘附在抗蚀剂的削屑(shavings)上，从而使表面活性剂能够用于为上述表面和削屑提供亲水性。例如，表面活性剂的亲水结构可以由选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团中的任何一个构成。特别地，亲水结构可以为羧酸类、磺酸类、硫酸类或者磷酸类的。对于具有阴离子型亲水结构的表面活性剂来说，可以采用如多元羧酸铵、十二烷基苯磺酸铵等。对于具有阳离子型亲水结构的表面活性剂来说，可以采用鲸蜡基三甲基氯化铵和二烯丙基二甲基氯化铵等。对于具有非离子型亲水结构的表面活性剂来说，可以采用乙炔二醇基表面活性剂和硅氧烷基表面活性剂等。也可以采用具有两性亲水结构的表面活性剂。
可以通过将上述树脂颗粒和表面活性剂分散于水中来制备第二浆料。就水而言，可以采用离子交换水、纯净水等。由于与用来解释第一浆料相同的原因，树脂颗粒应当优选分散以达到浆料中树脂颗粒的浓度为约0.01～30wt％。此外，表面活性剂与浆料的混合比应当优选限定在0.01～10wt％范围内，更优选为0.1～3wt％。如果浆料中表面活性剂的含量小于0.01wt％，那么将无法充分使表面活性剂粘附在衬底或抛光垫上，因此使排出削屑变得困难。另一方面，如果表面活性剂的含量超过10wt％，那么所得浆料的粘度会变得很高，从而导致管道堵塞并难以处理该浆料。
如果需要，浆料还可以包含添加剂例如氧化剂、有机酸和pH调节剂，其中添加剂的量可以采用常规用量。
不必要求预先在水中混合树脂颗粒和表面活性剂。也就是说，可以在对有机膜进行CMP的时候在抛光垫上制备第二浆料。在这种情况下，将含有上述树脂颗粒的分散体与含有表面活性剂的溶液一起供至抛光垫上，由此在抛光垫上混合所述分散体和溶液。对于树脂颗粒的分散体来说，可以采用市场上可以得到的浆料例如RST-01(来自JSR)。在这种情况下，上述分散体和溶液应当优选通过适当地控制这些材料的浓度和流速的方式供料以使混合后用于形成有机膜的化学机械抛光浆料中的这些组分的含量被限定在前述范围内。
接下来通过具体实施例，对本发明的实施方案作如下的详细说明。
(实施方案I)通过进行下文所述步骤制备第一浆料并对有机膜进行抛光。
浆料(I-1)首先，向2升烧瓶中加入92重量份的苯乙烯、4重量份的甲基丙烯酸、4重量份的丙烯酸羟乙酯、0.1重量份的月桂基硫酸铵、0.5份的过硫酸铵和400份的离子交换水。在氮气氛围下于70℃使所得混合物聚合6小时并同时搅拌。结果，可以得到具有羧基的初级粒径为0.2μm的PST颗粒。
然后将这种PST颗粒分散在纯净水中以得到1wt％的溶液。之后向溶液中添加硝酸以调节pH值至3，从而获得浆料(I-1)。
浆料(I-2)首先，向2升烧瓶中加入94重量份的甲基丙烯酸甲酯、1重量份的甲基丙烯酸、5重量份的甲基丙烯酸羟甲酯、0.03重量份的月桂基硫酸铵、0.6份的过硫酸铵和400份的离子交换水。在氮气氛围下于70℃使所得混合物聚合6小时并同时搅拌。结果，可以得到具有羧基的初级粒径为0.3μm的PMMA颗粒。
将这种PMMA颗粒分散在纯净水中以得到1wt％的溶液。之后向溶液中加入磷酸以调节pH值至3，从而得到浆料(I-2)。
所有这些浆料包含的树脂颗粒在其表面上具有官能团且初级粒径在0.05～5μm的范围内，其pH值被控制在2～8的范围内。因此，这些浆料能够在短时间内抛光有机膜例如抗蚀膜，而不会在完成抛光后导致对该有机膜的表面结构的损害。
实施方案I-1在本实施方案中，说明了形成用于电连接存储节点电极和单元晶体管扩散层的掩埋带的方法。
图2A～2I说明了形成掩埋带的方法。
首先，如图2A所示，通过光刻蚀法和干刻蚀法对半导体衬底11(其上依次沉积有Pad氧化膜12和Pad氮化膜13)进行处理以形成沟槽14。然后，对每个沟槽的较低边缘部分进行选择性处理以使n-型杂质扩散而形成掩埋极板15。
然后，将电容介电膜16沉积到埋入极板15的内边缘壁上。此外，将用于形成存储节点电极的As掺杂的多晶硅膜17(下文被称作存储节点)沉积在电容介电膜16上。结果，沟槽14中填充了这种存储节点17。然后，将存储节点17凹蚀至预定深度，并通过采用例如H3PO4溶液将位于每个沟槽14的侧壁上部的部分电容介电膜16刻蚀掉，以获得如图2B所示的结构。然后，在半导体衬底上形成热氧化膜(未显示)。
此外，如图2C所示，在沟槽14的内壁上部(即没有被存储节点17覆盖的部分)沉积环状氧化膜18。这种环状氧化膜18使埋入极板15与单元晶体管扩散层(未显示)之间电绝缘。然后，为了使存储节点17与多晶硅膜(将在下文讨论)电连接，通过干刻蚀法将位于存储节点上的部分环状氧化膜18除去。
随后，如图2D所示，将抗蚀膜19沉积在整个表面上，然后对其进行CMP以使表面平整化，结果使Pad氮化膜13的表面显露出来，如图2E所示。通过使用根据本发明的这个实施方案的方法来进行对抗蚀膜19的抛光。
更具体地说，通过采用IC1000(商标；RODEL NITTA有限公司)作为抛光垫和第一浆料，按照如下方式进行对抗蚀膜19的抛光。即如图1所示，当以30rpm的速率使其上固定有抛光垫31的转台30旋转时，允许固定有半导体衬底32的顶环33在500gf/cm2的抛光负载下与转台30接触。顶环33的旋转速率设为32rpm，并从供料喷嘴35以150cc/min的流速将浆料37供至抛光垫31上。就浆料而言，采用上述浆料(I-1)。由于在衬底上形成的各个沟槽的直径为0.14μm，所以包含在浆料中的树脂颗粒的初级粒径大约为沟槽直径的140％。
然后，如图2F所示，通过CDE(化学干刻蚀)使抗蚀膜19凹进至与单元晶体管扩散层(未显示)接触所需的深度。
通过采用湿刻蚀方法除去环状氧化膜18的一部分，如图2G所示，以使沟槽14中的部分半导体衬底11显露出来。现在环状氧化膜18的上表面位于较抗蚀膜19的上表面低的位置处，如图2G所示，从而形成用于掩埋带的开口20。
如图2H所示当除去抗蚀膜之后，为了使单元晶体管扩散层(未显示)能够与存储节点17接触，如图2I所示使多晶硅膜21沉积下来。通过这种方式，用于掩埋带的开口20中填充了这种多晶硅膜21，从而形成掩埋带。
根据本实施方案，由于凹进工艺接着抗蚀膜19的平整化进行，所以可以在确保其深度均匀性的同时对抗蚀膜19进行凹进处理。相应地，当完成凹蚀处理时，环状氧化膜的膜厚产生不均匀性的可能很小。
任何环状氧化膜的膜厚不均匀都会成为引起掩埋带的电阻不均匀的原因，从而降低装置的产量。因此，必须将环状氧化膜的厚度的不均匀性抑制到30nm或者更小。
常规地已经采用的是在没有预先使抗蚀膜平整化的情况下通过凹进处理来进行环状氧化膜的凹蚀。在这种情况下，由于抗蚀剂进入沟槽，因此导致在单元阵列末端部分产生涂覆的抗蚀膜的厚度波动，从而致使涂覆的抗蚀膜以下列顺序变得更薄空旷部分、单元阵列的末端部分和单元的中心部分。例如，开口直径为0.14μm且深度为1.2μm的沟槽填充了抗蚀剂，将会在抗蚀膜的空旷部分和抗蚀膜的中心部分之间产生大约120nm的厚度差。结果会造成抗蚀膜的凹进深度不同，导致当完成凹蚀处理时环状氧化膜的膜厚不均匀。更具体地说，环状氧化膜的厚度产生大约30nm的不均匀性，从而使该方法不能实行。
然而在本实施方案中，由于在通过CMP进行凹进步骤之前对抗蚀膜表面进行了平整化以使抗蚀膜的厚度均匀，因此现在可以将环状氧化膜18的膜厚的不均匀性抑制到30nm或者更小。
下面详细说明根据该实施方案对抗蚀膜进行的CMP工艺。
通过CMP对抗蚀膜抛光所用的机制不同于对金属(如Cu和W)进行CMP的机制。金属的CMP通常按以下方法进行其中预先在待抛光的金属膜表面形成脆性的保护膜，然后通过采用无机颗粒制成的磨粒除去金属膜的表面。然而，对于抗蚀剂的CMP来说，通过抛光垫或磨粒的机械抛光力剥除抗蚀膜，从而主要地除去抗蚀膜。对于机械因素很强大的CMP来说，为了实现高抛光速率，极其重要的是保持晶片与抛光垫之间的高摩擦力。
对于一般的CMP例如SiO2-CMP中，抛光垫的表面与抛光表面都是亲水性的。因此，在不考虑抛光垫的旋转速率和晶片的相对速率的情况下，将抛光过程中这些表面间的摩擦系数限制在所谓的Stribeck图的边界润滑区中。顺便提及的是如果晶片的旋转速率ω等于抛光垫的旋转速率Ω，那么晶片的相对速率(v)可以由转台中心与晶片中心间的距离R和抛光垫的旋转速率Ω的乘积得到(v＝RΩ)。因此，根据Preston的一般公式，当增大抛光垫的旋转速率时提高抛光速率的可能性更大。
下面，参考图3所示的Stribeck图对该现象进行解释。在图3的曲线图中，横坐标表示负载特性，纵坐标表示摩擦系数(任意单位)。
例如对二氧化硅来说，抛光垫的旋转速率被限制在10～100rpm范围内时的区域相当于边界润滑区域。因此，如果转台中心与晶片中心间的距离R为170mm，那么在上述旋转速率下晶片的相对速率将分别为0.17m/s和1.57m/s。
然而在采用CMP对疏水材料制得的抗蚀膜进行抛光的情况下，情况变得完全不同，即晶片的相对速率越小，抛光速率将越高。其理由可能归因于在完成抛光后抛光垫的表面变为疏水性的事实。当完成对抗蚀膜的抛光时在抛光垫的表面上产生了大量薄片状的抗蚀剂削屑。当重复抛光时，这些削屑积累在抛光垫的表面上，从而将抛光垫的表面变成疏水表面。结果，抛光垫的表面和晶片的表面都变成疏水性的。因此，如果晶片的相对速率超过某个界限，其摩擦系数将显著降低。这种状态是如图3所示的Stribeck图中的液体润滑区，其中晶片和抛光垫之间的接触几乎为零。在这种情况下，抗蚀膜的抛光速率变得很小。
对抗蚀膜的CMP来说，通过使用直径为200mm的晶片，在转台中心与晶片中心的距离R设为170mm并且改变抛光垫的旋转速率Ω的条件下，研究晶片相对速率对摩擦状态的影响。结果是旋转速率处于10～60rpm时落入边界润滑区。然而，当旋转速率超过70rpm时，发现落入液体润滑区。如果要使抗蚀膜的CMP处于边界润滑区，则需要将晶片的相对速率(v)限制在0.17～1.06m/sec范围内。
图4说明的是CMP时间与被除去的抗蚀剂面积比率之间的关系。对于“被除去的抗蚀膜面积比率”指代的含义应当使得在进行CMP之前抗蚀剂存在于衬底的整个表面的状态被定义为0％，而在完成CMP之后完全地从衬底表面除去抗蚀膜的状态被定义为100％。这里采用厚度为3μm的抗蚀膜进行研究。在图4所示的曲线图中，说明了由三种不同的晶片相对速率得到的结果。曲线“a”、“b”和“c”分别表示晶片的相对速率被设为0.53m/s、1.24m/s和1.57m/s时的结果。在晶片的这些相对速率中的各个速率条件下抛光垫的旋转速率分别被设为30rpm、70rpm和100rpm。如上所述，当以70rpm或更大的旋转速率(即以1.24m/s或更高的相对速率时)对抗蚀膜进行CMP时，发现CMP的状态落入液体润滑区，并由此使摩擦系数最小化。因此，如曲线“b”所示将花费长达270秒或更多的时间来完成CMP，这表明抛光速率很慢。
然而，当以30rpm的旋转速率(即以0.53m/s的相对速率)进行CMP时，发现CMP的状态落入边界润滑区，并由此可以保持高摩擦系数。即如曲线“a”所示，可以在仅仅大约20秒的短时间内完成抛光。
顺便提及的是，如曲线“c”所示，当相对速率为1.57m/s时，即使抛光进行了270秒，被除去的抗蚀剂面积比率也会被限制为大约15％。
图5的曲线图说明了在抛光时间为45秒的情况下相对速率与被除去的抗蚀剂面积比率之间的关系。只要相对速率被限制在0.17～1.06m/sec的范围内，就可以通过连续抛光45秒来实现高达80％或更高的被除去的抗蚀剂面积比率。
此外，图6的曲线图说明了CMP时间与转台扭矩电流之间的关系。曲线“d”显示的是当相对速率设为0.53m/sec(旋转速率30rpm)时得到的结果，曲线“e”显示的是当相对速率设为1.24m/sec(旋转速率70rpm)时得到的结果。如曲线“d”所示，当相对速率设为0.53m/s时，可以在仅仅25秒的抛光时间内获得大于18A的转台扭矩电流。转台扭矩电流与晶片/抛光垫间的摩擦力之间存在正相关性，因此在这种情况下抛光时间的稳定性非常出色以致于即使抛光约20个晶片，抛光时间也会保持在恒定值大约60秒。
与之相反，当相对速率设为1.24m/sec时，即使抛光时间达180秒，转台扭矩电流也会被限制为大约15A，如曲线“e”所示。在这种情况下，完成抛光的时间长并且还发现抛光时间的稳定性差。当对约20个晶片进行抛光时，抛光时间在200秒到270秒之间变动。
顺便提及的是为了确保足够的抛光速率，CMP过程中的负载应当优选被限制在200～600gf/cm2的范围内。如果负载低于200gf/cm2，那么CMP的状态将会倾向于落入Stribeck图的液体润滑区，从而使维持摩擦力变得困难。另一方面，如果负载大于600gf/cm2，那么会使浆料供至抛光表面变得困难，并且抛光速率将会降低，同时划痕量会增多。
第一浆料中的树脂颗粒的颗粒直径应当优选地根据其中加入抗蚀剂的沟槽的开口直径来确定。下面是关于树脂颗粒的颗粒直径的讨论。
图7A和图7B说明了存在于沟槽部分的磨粒的状态。在这种情况下，沟槽的开口的直径(dt)设为2μm。
例如，当采用包含1wt％的初级粒径为0.035μm的二氧化硅颗粒的浆料作为所述浆料时，二氧化硅颗粒的尺寸远小于沟槽的直径。因此，如图7A所示，二氧化硅颗粒23进入沟槽，从而产生凹坑。另一方面，当采用稍大尺寸的树脂颗粒时，如图7B所示树脂颗粒被阻止进入沟槽，从而可以防止产生凹坑。
图8的曲线图说明了在图7A和7B的各自状态下晶片位置与凹坑大小之间的关系。在图8中，曲线“f和“g”分别表示如图7B和7A所示的状态。如曲线“g”所示，当采用颗粒直径较小的二氧化硅颗粒时，凹坑的大小将超过50nm，并且其面内均匀性会变差。此外，由于凹坑的结构被扭曲，因而在凹进工艺后其结构也会被损坏。而且，几乎不可能将进入沟槽的二氧化硅颗粒从那里除去，从而致使所述颗粒残留在沟槽中。在这种情况下，当对抗蚀膜进行凹进处理时二氧化硅颗粒的残留将会成为遮盖物，因而导致凹进深度不均匀。
另一方面，当采用直径较大的树脂颗粒时，凹坑的大小可以被抑制为大约25nm，如曲线“f”所示。因此，即使树脂颗粒碰巧被残留在沟槽中，由于形成树脂颗粒的材料与抗蚀剂的相同，也可以通过凹进处理从沟槽中除去树脂颗粒。因此，由于残留树脂颗粒而引起的风险将会最小。此外，存在的优点是由于树脂颗粒对SiN膜的抛光力很小，所以与二氧化硅颗粒相比SiN的抛光速率会被抑制为1/10。
图9说明了颗粒尺寸/沟槽尺寸的比值与凹坑大小之间的关系。如果凹坑被限制为至多约40nm，那么晶片大体上将不会受到这种凹坑的影响。因此，颗粒尺寸/沟槽尺寸的比值应当优选设置为70％或者更大。如果颗粒颗粒尺寸/沟槽尺寸的比值大于200％，那么凹坑的大小将会被限制为约15nm的恒定水平。由于如上文所述的相同原因，所以树脂颗粒的初级粒径被限制为至多5μm。考虑到这些事实，应当优选确定颗粒尺寸/沟槽尺寸的比值的上限。
图10说明了树脂颗粒尺寸与凹坑大小之间的关系。这里提到的尺寸为初级粒径，因此如果这个尺寸为0.05μm或者更大，那么凹坑的大小可被抑制为40μm或者更小。
如上所述，可以通过采用第一浆料而在短时间内形成埋入的抗蚀剂结构，该结构的凹坑和凹坑的不均匀性最小。因此，当采用第一浆料形成掩埋带时，可以最大限度地减小所述带的电阻的不均匀性。
顺便提及的是根据本发明一个实施方案的抛光方法不仅适用于光致抗蚀膜，而且还适用于有机膜例如有机SOG。
实施例I-2本实施方案中，将会说明在形成铜双大马士革(DD)布线的工艺中，特别地，在初步形成通孔的工艺中布线图的形成。
图11A至11G是截面图，各自逐步说明了当在用于初步形成通孔的DD工艺中采用多层抗蚀剂方法时形成布线图的方法。
首先，如图11A所示，通过CVD法或旋转涂布法将停止膜41、第一绝缘膜42和第二绝缘膜43依次沉积在半导体衬底40上。
预先为半导体衬底40装配了半导体元件和下层线路(未显示)。通过RIE方法在第一绝缘膜42和第二绝缘膜43上形成孔44。然后，在整个表面上沉积第一抗蚀膜45。该第一抗蚀膜45可用作刻蚀掩膜和抗反射层。
在该第一抗蚀膜45上，依次形成由SOG或SiO2制得的中间层46，和第二抗蚀膜47，然后通过光刻蚀法在第二抗蚀膜47上形成图形，如图11B所示。
然后，通过使用例如卤素气体，用干刻蚀法加工中间层46，如图11C所示。随后，通过使用例如氧气，刻蚀第一抗蚀膜45，如图11D所示。在这种情况下，位于中间层46上的第二抗蚀膜47被同时刻蚀掉。
随后，刻蚀线路槽48，如图11E所示。在这种情况下，中间层46被同时刻蚀掉。然后，埋入孔中的第一抗蚀膜45与位于第二绝缘膜43上的第一抗蚀膜45一起被剥除以形成通孔49，如图11F所示。
当存在于通孔49中的停止膜被除去后，通过电镀法或溅射法形成Cu膜，在其间插入由例如TaN制成的阻隔金属膜(图上未示出)。此外，通过CMP，部分位于空旷区域上的Cu被除去以形成具有铜导线50的铜双大马士革(DD)线路，如图11G所示。
根据传统的方法，当形成第一抗蚀膜45时，抗蚀剂被具有高密度通孔的图形(下文称作密集通孔部分)吸收，从而引起第一抗蚀膜45的膜厚不均匀。更具体地说，置于密集通孔部分上的抗蚀膜的膜厚与置于空旷区域上或者置于具有低密度通孔(下文称作密集通孔部分)图形上的抗蚀膜的膜厚之间存在大约100nm的不均匀性。这种膜厚的差异甚至不能通过两者均形成在第一抗蚀膜45上的中间层46和第二抗蚀膜47来减轻。相反，由于这些层和膜，这种膜厚的差异倾向于增加30nm的数量。
结果，当在抗蚀膜上形成图形的时候，密集通孔部分的最佳焦点与非密集通孔部分的最佳焦点变得不可能重合，即导致最佳焦点相互偏移约0.1μm。图12A和图12B分别说明了抗蚀剂的膜厚与焦距的相关性。特别地，图12A和图12B分别显示了位于非密集通孔部分(0.14μm/15μm)和密集通孔部分(0.14μm/0.14μm)的抗蚀剂膜厚的焦距相关性。这些曲线显示了由三种曝光方式得到的结果，其分别用三条曲线来表示，从上面的线到下面的线依次对应的曝光强度为45mJ/cm2、41mJ/cm2和37mJ/cm2。也就是说，在不考虑曝光量的情况下，在非密集通孔部分与密集通孔部分之间的最佳焦距存在0.1μm的偏移。这种差异数量对应于抗蚀膜的膜厚差异。顺便提及的是只要不存在通孔(参考工艺)，抗蚀膜的膜厚就不存在差异，将不会认识到最佳焦距的图形相关性，如图13A(非密集通孔部分)和图13B(密集通孔部分)所示。
然后，进行ED树分析以得到如图14A至图14C所示的余量曲线。图14A和图14B分别说明了由参考工艺和现有技术得到的结果。此外，图14C表示的是通过将在下文讨论的实施方案得到的结果。当在曝光容差为5％时对焦深进行比较时，对如图14B所示的现有技术来说焦深为0.3μm，而对如图14A所示的参考工艺来说焦深为0.4μm。根据现有技术，在曝光容差为5％时焦深减少0.1μm，由此减少工艺余量。
在本实施方案中，在形成第一抗蚀膜45以后，对该膜进行CMP以平整化第一抗蚀膜45，从而使第一抗蚀膜的膜厚均匀。随后，依次形成第二抗蚀膜、中间层和第三抗蚀膜以减小膜厚的任何差异，因此使焦深减小最小化，这种减小可能是由于通孔密度引起的。
图15A和图15B是截面图，分别逐步地说明了根据本实施方案制造半导体器件的部分方法。
首先，如图15A所示，将由SiC形成的厚度为50nm的停止膜41沉积在预先装配有半导体元件和下层线路(未显示)的半导体衬底40上。然后，依次在其上面沉积厚度为400nm的第一绝缘膜42(黑金刚石(BlackDiamond)；来自Applied Material有限公司)和厚度为100nm的第二绝缘膜43(SiO2)。然后，在这些绝缘膜上形成开孔直径为140nm的通孔44。此外，将厚度为0.3μm的第一抗蚀膜45沉积在整个表面上，并且将位于第二绝缘膜43上的部分第一抗蚀膜45除去同时选择性地留下孔44中的第一抗蚀膜45。
通过CMP采用第一浆料除去位于第二绝缘膜43上的第一抗蚀膜45。更具体地说，通过采用IC1000(商标；RODEL NITTA有限公司)作为抛光垫，并且如图1所示，当其上固定有抛光垫31的转台30以30rpm的速率旋转时，允许固定半导体衬底32的顶环33在500gf/cm2的抛光负载下与转台30接触。顶环33的旋转速率被设为33rpm，并且从供料喷嘴35以150cc/min的流速将浆料37供至抛光垫上。在这种情况下，晶片的相对速率约为0.53m/s。就浆料而言采用上述浆料(I-1)。在本实施方案中，包含在浆料中的树脂颗粒的初级粒径约为通孔开口直径的140％。
抛光60秒的结果的是开口直径为0.14μm的孔44处的抗蚀剂凹坑为10nm或者更小，并且第二绝缘膜43的损耗被抑制到几乎为零。
然后，如图15B所示，通过采用上述步骤，依次沉积第二抗蚀膜51、中间层52和第三抗蚀膜53，然后在第三抗蚀膜53上形成图形。
由于预先通过CMP对第一抗蚀膜45进行平整化，所以在抗蚀膜的图形化后，密集通孔区和非密集通孔区之间的膜厚差异被抑制到几乎为零。图16A和图16B分别说明在密集通孔区和非密集通孔区的抗蚀膜与曝光的相关性。这些图说明的事实是在最佳焦点与通孔密度之间不再存在任何实质的相关性。如图14C所示，曝光容差为5％时的焦深为0.4μm，这与参考工艺中的水平相同。如上所述，现在可以预先抛光抗蚀膜以使经CMP的厚度均匀的方式扩大光刻蚀的焦距余量。
顺便提及的是在普通的3层抗蚀剂方法中，在300℃或更高的温度下对第一抗蚀膜进行预烘焙，从而增强第一抗蚀膜的耐蚀性能。然而，由于这种高温烘焙，抗蚀膜的硬度变得比树脂颗粒的硬度更高并且变脆。结果，不可能通过使用树脂颗粒进行抛光，并且会引起衬垫的脱落。这样可以通过采用氧化铝颗粒作为磨粒而对这种硬质抗蚀膜进行抛光，其中所述颗粒的硬度大于经过高温烘焙的抗蚀膜的硬度。然而，当采用含有无机颗粒例如氧化铝的浆料时，将不可避免地出现由于残留颗粒造成的某种程度的凹坑或危险。
因此，优选的是在预先于100～200℃(例如约150℃)下对抗蚀膜进行低温烘焙之后用第一浆料进行CMP。如果所述预烘焙温度低于100℃，那么会损害抗蚀剂的粘附性，从而难以在CMP处理时抑制脱落。另一方面，如果预烘焙温度高于200℃，那么抗蚀膜会变得比树脂颗粒更硬，从而可能使除去抗蚀膜变得困难。由于这种低温烘焙，可以通过采用第一浆料除去第一抗蚀膜。随后在其上沉积第二抗蚀膜，然后在约300～350℃下对其进行高温烘焙，从而增强其耐蚀性。如果这种高温烘焙的温度低于300℃，那么会使干刻蚀时确保选择比变得困难。另一方面，如果这种高温烘焙的温度高于350℃，那么氧气会发生离解，从而可能无法进行抗蚀剂的抛光处理。
由于可以通过采用含有树脂颗粒的第一浆料进行抛光，所以可以最大限度地减少抛光后表面上的凹坑，并且也可以避免留下残留颗粒未被除去。
(实施例I-3)在本实施方案中，将说明通过抗蚀剂-凹进法形成铜双大马士革(DD)线路的方法。
将参考图17A至17C来说明常规方法。
首先，如图17A所示，将绝缘膜61沉积在预先装配有半导体元件(未显示)的半导体衬底60上，然后掩埋下层Cu线路62。在所得的表面上，依次沉积停止膜63和中间绝缘膜64，并通过光刻蚀法和干刻蚀法(RIE)在中间绝缘层64中形成通孔65。然后，在整个表面上沉积第一抗蚀膜66。
然后，如图17B所示，通过CDE法对第一抗蚀膜66进行凹蚀，从而使第一抗蚀膜66凹进至预定深度。
随后，如图17C所示，依次沉积反射层67和第二抗蚀膜68，并且在第二抗蚀膜上形成图形以形成线路槽69。此外，通过RIE刻蚀反射层67和绝缘膜64以形成线路槽69。
随后，除去埋入通孔65中的第一抗蚀膜66，并通过形成金属膜及如实施方案(I-2)中说明的CMP形成Cu DD结构。
这种传统工艺存在以下问题。也就是说，当在其中形成了通孔65的中间绝缘膜64的上形成第一抗蚀膜66时，抗蚀剂被孔65消耗。结果，如图17A所示，密集通孔部分72的抗蚀剂的膜厚将变得比非密集通孔部分71或空旷区域的抗蚀剂的膜厚薄了大约100nm。
在后续的凹进工艺中将会扩大这种抗蚀剂膜厚不均匀性，从而使在密集通孔部分72的抗蚀剂的膜厚较小，如图17B所示。
当加工线路槽69时，位于密集通孔部分72处的第一抗蚀膜66不再能承受这种加工，从而对下层线路造成刻蚀损伤70，如图17C所示。此外，由于埋入通孔65中的第一抗蚀膜66的厚度不均匀，还会引起反射层67的膜厚发生波动。在位于密集通孔部分72处的反射层67变薄的情况下，当刻蚀反射层67时会出现对密集通孔部分72的过度刻蚀。结果，与位于非密集通孔部分处的线路槽69相比，位于密集通孔部分72处的线路槽69会变得较深，从而导致在形成金属膜和CMP处理后扩大线路电阻的不均匀性。
在本实施方案中，在形成第一抗蚀膜66后对抗蚀剂进行CMP，从而确保平整度，并因此确保在对第一抗蚀膜66进行凹进步骤前第一抗蚀膜66的膜厚均匀性。
图18A至18E是截面图，其分别逐步说明根据本实施方案制造半导体设备的部分方法。
首先，如图18A所示，在预先装配有半导体元件(未显示)的半导体衬底60上沉积由SiO2制得的厚度为400nm的绝缘膜61，并按照一般工艺掩埋下层铜线62。在由此得到的表面上，依次沉积由SiC制得的停止膜63(膜厚50nm)和由SiO2制得的中间绝缘膜64(膜厚1μm)。然后，在中间绝缘膜64上形成开孔直径为140nm的通孔65。然后，在整个表面上沉积第一抗蚀膜66。随后，除去位于中间绝缘膜66上的第一抗蚀膜66，从而选择性地留下通孔中的中间绝缘膜64。
通过CMP采用第一浆料除去位于中间绝缘膜64上的第一抗蚀膜66。更具体地说，通过使用IC1000/Suba400(商标；RODEL NITTA有限公司)作为抛光垫，并且如图1所示，当其上固定有抛光垫31的转台30以30rpm的速率旋转时，允许固定半导体衬底32的顶环33在500gf/cm2的抛光负载下与转台30接触。顶环33的旋转速率可以设为33rpm，并从供料喷嘴35以150cc/min的流速将浆料37供至抛光垫31上。在这种情况下，晶片的相对速率约为0.53m/s。就浆料而言，采用上述浆料(I-2)。在本实施方案中，包含在浆料中的树脂颗粒的初级粒径约为通孔开口直径的210％。
抛光60秒的结果是第一抗蚀膜66的凹坑为10nm或者更小，并且中间绝缘膜64的损耗被抑制到几乎为零。然后，对存在于通孔65中的第一抗蚀膜66进行凹蚀，从而使第一抗蚀膜66凹进至预定深度。如图18B所示完成该凹进处理后的第一抗蚀膜66的膜厚大体均匀，并且其不均匀性被抑制到20nm或者更小。
因为完成凹进处理后的第一抗蚀膜66的膜厚大体均匀，所以可以形成如图18C所示的膜厚均匀的反射层67。此外，在其上沉积第二抗蚀膜68，且第二抗蚀膜68、反射层67和中间绝缘层64上形成图形，以形成线路槽69。
随后，如图18D所示，除去第一抗蚀膜66、反射层67和第二抗蚀膜68。当除去存在于通孔65中的停止膜63后，用Cu填充线路槽69和通孔65，同时其间插入例如由TaN制得的阻隔金属膜(未显示)。最后，进行CMP以获得如图18E所示的Cu DD线路73。
由于在进行凹进处理之前通过CMP对第一抗蚀膜进行平整化，所以可以极大地减少对下部布线的损害，以及线路槽深度不均匀，从而得到具有高可靠性的Cu DD线路。
如上的详细解释，现在可能通过采用第一浆料，以减少凹陷的生成，以维持优异的表面特性，以及在短时间内对有机膜例如抗蚀膜进行稳定地抛光。此外，也可能在短时间内稳定地形成具有优异平整性和一致性的抗蚀剂埋入结构，从而制造半导体器材。
实施方案II下面将说明采用第二浆料抛光有机膜的方法。
实施方案II-1在本实施方案中，在参考如图2A至2I所示的方法中采用第二浆料，从而形成用于电连接储存节点电极和单元晶体管的扩散层掩埋带。
通过采用第二浆料使抗蚀膜19的表面平整化，而不会在抛光垫上残留抗蚀剂的削屑。因此，不会产生由削屑生成引起的麻烦，如抛光垫的阻塞或削屑的粘附等。由于在上述平整化后对抗蚀膜进行凹进处理，所以抗蚀膜可以在整个晶片表面上均匀地凹进至预定深度。因此，可以避免在完成凹蚀处理后环状氧化膜18的膜厚不均匀。
任何环状氧化膜的膜厚不均匀都会造成掩埋带的电阻不均匀，从而降低器件的产率。因此，认为必须将环状氧化膜的厚度不均匀性限制在30nm或更小。
现在，让我们考虑一下这种情况抛光抗蚀膜的表面以使其平整化但不除去削屑，并对其进行凹进处理，然后对环状氧化膜进行凹蚀处理。因为槽内填充了抗蚀剂同时部分残留了未被除去的削屑，因此整个晶片的抗蚀膜厚度将会不均匀。例如，在开口直径为0.14μm、深度为1.2μm的沟槽内填充抗蚀剂，将会在残留未被除去的削屑的抗蚀膜区域与削屑被除去的抗蚀膜区域之间产生大约200nm的厚度差异。结果，将会产生抗蚀膜凹进深度的差异，导致在完成凹蚀处理后环状氧化膜的厚度不均匀。更具体地说，在环状氧化膜的厚度中产生约为50nm不均匀性，从而使该工艺无法实行。
然而，在根据本实施方案的抛光中，由于抗蚀膜的削屑可以被完全除去而没有残留在抗蚀膜表面，因此可以在凹进处理前确保抗蚀膜19的表面清洁。因此，现在可以准确无误地将环状氧化膜18的膜厚限制在30nm或更少。
下面，将详细说明根据本实施方案对抗蚀膜进行CMP。
在本实施方案中，采用EPO-222(Ebara制造有限公司)作为CMP设备抛光抗蚀膜。即如图1所示，当其上固定有抛光垫31的转台30以50rpm的速率旋转时，允许固定有半导体衬底32的顶环33在500gf/cm2的抛光负载下与转台30接触。就抛光垫31而言，采用具有抗压模量为290MPa的IC1000(商标；RODEL NITTA有限公司)，且顶环33的旋转速率为52rpm。
从第一供料喷嘴35将含有树脂颗粒的分散体供至抛光垫31，从第二供料喷嘴34将含有表面活性剂的溶液供至抛光垫31。分散体和溶液在抛光垫31上相互混合以制备成第二浆料(浆料(II-1))。就分散体而言，采用含1wt％初级粒径为200nm的聚苯乙烯颗粒的浆料(RST-01；来自JSR)，将其以150cc/min的流速供至抛光垫。另一方面，就含有表面活性剂的溶液而言，采用的是0.15wt％的聚羧酸水溶液，将其以100cc/min的流速供至抛光垫。顺便提及的是如果采用包含预先将树脂颗粒和表面活性剂相互混合的浆料，那么只需一个供料喷嘴。在完成抛光后，从水供料喷嘴(未显示)将水供至抛光垫，以进行水抛光处理。
在抗蚀膜的抛光过程中，通过顶环33与抛光垫31接触而产生的抛光压力可以在200～600gf/cm2范围内选择。转台30和顶环33的旋转速率可以分别适当地从10～50rpm和5～60rpm范围内选择。
图19示意性地说明了在根据本发明的一个实施方案的方法中所采用的抛光设备的结构。这里显示的抛光设备具有通用结构，并包括CMP段80(其中抛光在两个体系中进行)和清洗段(其中转移自这些体系的晶片已被清洗过)。在CMP段80的转台82上对加载的半导体晶片83进行有机膜的抛光，其后由抛光元件84支撑半导体晶片83。在上述实施方案中，在固定在转台82上的抛光垫(未显示)上对晶片83进行浆料抛光和水抛光，然后转移晶片82。顺便提及的是在CMP段80中还显示了清洗单元85。
在清洗段81中，来自抛光元件84的半导体晶片83被有晶片传送自动装置86的晶片悬挂器(未显示)接收，并转移至双辊清洗机87。在双辊清洗机87中通过海绵辊用纯净水清洗晶片83的两个表面，之后，晶片传送自动装置86将晶片83进一步传送到翻转机88中。然后，通过细束清洗机89(pencil washing machine)中的细束状海绵用纯净水清洗经翻转的晶片，并在最终将晶片装入盒子(晶片卸载)之前通过旋转干燥的方式将其干燥。
然后，采用KLA2139(KLA Tencall有限公司)对抛光后的晶片进行缺陷检查。结果，发现残留缺陷数目为75个。如图2C所示，由于在涂覆抗蚀剂之前的残留缺陷数目为70个，因此认为可以大体上限制缺陷的增加。
此外，将以下描述的分散体和表面活性剂溶液供至抛光垫上以得到不同的浆料，并用它们在上述相同的条件下抛光抗蚀膜。
浆料(II-2)分散体含1wt％初级粒径为200nm的PST颗粒的溶液。
流速150cc/min。
表面活性剂溶液含0.2wt％十二烷基苯磺酸钾的水溶液。
流速200cc/min。
浆料(II-3)分散体含1wt％初级粒径为200nm的PST颗粒的溶液。
流速150cc/min。
表面活性剂溶液含0.2wt％乙炔二醇基非离子型表面活性剂的水溶液。
流速200cc/min。
浆料(II-4)分散体含1wt％初级粒径为200nm的PST颗粒的溶液。
流速150cc/min。
表面活性剂溶液含0.2wt％硅氧烷基表面活性剂的水溶液。
流速200cc/min。
通过以下生产工艺合成此处采用的PST颗粒。首先，在2L烧瓶中加入92重量份苯乙烯、4重量份甲基丙烯酸、4重量份丙烯酸羟乙酯、0.1重量份月桂基硫酸铵、0.5份过硫酸铵和400份离子交换水。在氮气气氛中、温度70℃下使得到的混合物聚合6小时并同时搅拌。结果，可以得到表面具有羧基的PST颗粒，其初级粒径为200nm。
浆料(II-5)分散体含1wt％初级粒径为300nm的PMMA颗粒的溶液。
流速150cc/min。
表面活性剂溶液含0.2wt％聚羧酸的水溶液。
流速200cc/min。
通过下列生产工艺合成此处采用的PMMA颗粒。首先，在2L烧瓶中加入94重量份甲基丙烯酸甲酯、1重量份甲基丙烯酸、5重量份甲基丙烯酸羟甲酯、0.03重量份月桂基硫酸铵、0.6份过硫酸铵和400份离子交换水。在氮气气氛中、温度70℃下使得到的混合物聚合6小时并同时搅拌。结果，可以得到表面具有羧基的PMMA颗粒，其初级粒径为300nm。
当采用任何一种上述的浆料时，可以如上文所述那样限制缺陷的增加。尤其是当采用浆料(II-4)和浆料(II-5)时，可以明显地看出减少缺陷生成的效果。因为在这些样品中官能团与树脂颗粒表面连接，所以由于官能团的原因可以进一步提高树脂颗粒的分散性。就抛光性能和储存稳定性而言，保证树脂颗粒的分散性是非常重要的因素。如果树脂颗粒分散不充分，将会产生粗糙颗粒，进而导致生成划痕。否则，导致浆料变成硬块，从而降低浆料的储存稳定性。然而，根据浆料(II-4)和浆料(II-5)，因为树脂颗粒的表面具有官能团，所以不会产生上述不希望的问题。
作为比较，在与上文所述相同的条件下对抗蚀膜进行抛光处理，不同的是不使用表面活性剂溶液(对比实施例1)。然后，评估抛光结果，发现抛光后残留缺陷的数目多达200个。
如上所述，当使用第二浆料时，可以使由于抗蚀剂的残留而引起的有机膜的残留缺陷数目显著最小化。将参考图20说明其原因。因为当抛光有机膜的时候，第二浆料同时包含表面活性剂和树脂颗粒92，所以由于表面活性剂的亲水部分93的作用使抛光垫31和晶片32的表面亲水化。
即使产生了疏水性的抗蚀剂削屑(未显示)，也会因表面活性剂的亲水部分93的亲水作用而使抛光垫31和晶片32的表面亲水化。因此可以轻易地除去削屑而不会残留在抛光垫31的表面上，从而防止削屑粘结在晶片32的表面上。即如图21所示，防止了抗蚀剂的削屑留在正在被抛光的晶片32中的抗蚀膜19的表面上，因此，可以在整个晶片32的表面上使抗蚀膜19的表面平整化。由于防止了抗蚀剂削屑留在抗蚀膜19的表面上，因此可以获得如上文所述的清洁表面。此外，因为抗蚀膜19的表面是平整清洁的，所以在CMP后的凹进处理不会受到抗蚀膜19的不利影响。因此，如图22所示，可以以稳定控制的凹进深度对抗蚀膜进行凹进处理。结果，凹蚀后的环状氧化膜的膜厚可以是均匀的，从而可以最大限度地减小掩埋带电阻的不均匀性。
然而，由于在对比实施例1中未使用表面活性剂，所以抛光垫31和晶片32的表面都是疏水的，如图23所示。此外，因为削屑94也是疏水的，所以在某些情况下削屑94可以粘结在晶片32的表面上。而且，在正在被抛光的晶片32中，同时存在如图24A所示的其中有削屑94粘结的区域和如图24B所示的其中无削屑94粘结的区域。此外，因为衬底11上形成的Pad氮化膜13本质上并不亲水，所以抗蚀剂的削屑94容易粘结在Pad氮化膜13上，如图24A所示。
留在抗蚀膜19上的削屑94会对CMP后进行的凹进步骤产生不希望的影响，从而在对其进行凹进处理后造成抗蚀膜19上的凹进深度不均匀，如图25A和25B所示。结果是不可能对抗蚀膜进行均匀的凹进处理，因此，完成凹蚀后的环状氧化膜的膜厚会变得不均匀，进而造成掩埋带的电阻不均匀。
然而，根据本实施方案的方法，由于使用了表面活性剂，晶片表面上的抗蚀剂削屑可以消除，因此避免了上述问题的产生。顺带提及，根据本实施例的抛光方法不仅对光致刻蚀膜而且对低介电常数绝缘膜的疏水性有机膜，如有机SOG等都有广泛应用。
(实施方案II-2)本实施方案中，含树脂颗粒的分散体和含表面活性剂的溶液相继供至抛光垫。然后，用与实施例II-1相同的抛光方式，使用浆料(II-1)对抗蚀膜进行抛光。
本实施方案的方法将参考图19进行说明。在这种情况下，转台82上抗蚀膜的抛光通过两步来进行，即用含有树脂颗粒的分散体进行第一次抛光，然后，用含有表面活性剂的溶液进行第二次抛光。一旦完成第二次抛光后，晶片83传送到清洗部分81，在双辊清洗机87中，通过海绵辊用纯净水清洗晶片83的两个表面。然后，晶片83通过细束清洗机清洗，在最后卸载晶片之前，经过旋转干燥对其干燥。
采用含有树脂颗粒的分散体进行第一次抛光后，抗蚀剂的削屑不仅在晶片表面而且在抛光垫的表面都可能有残余。无论如何，如上述机理说明的那样，这些削屑可以通过表面活性剂溶液的第二次抛光除去。
然后，通过KLA2139(KLA Tencall有限公司)对完成抛光的晶片进行相应的缺陷检查。结果，发现残留缺陷的数目为70个。如图2C所示，因为涂覆抗蚀膜前的残留缺陷数目为70个，所以，可以确认根据本实施例的抛光处理可以避免缺陷数目的增加。而且，因为采用了表面活性剂溶液抛光，抗蚀剂凹陷的扩大很难看到，SiN的抛光速率是1nm/min或更小，从而充分避免了对Pad氮化膜的抛光。
为了比较，在除了表面活性剂溶液不在抛光垫，而在海绵辊中清洗，其它条件与上述相同的情况下对抗蚀膜进行抛光(对比实施例2)。具体地说，在完成这个步骤后只将含有树脂颗粒的分散体供至抛光垫进行抛光，用纯净水清洗晶片，然后将晶片传送到双辊清洗机中。通过海绵辊用表面活性剂溶液进行清洗，然后，通过细束清洗机清洗，在最后卸载晶片之前，用旋转式脱水机干燥。然后，对抛光结果进行评估，发现抛光后的残留缺陷数目多达150个。
根据本实施例，在抛光过程中，用含有树脂颗粒的分散体对抗蚀膜抛光后，当晶片接触到抛光垫时，直接用表面活性剂溶液清洗晶片。与通过海绵辊清洗比较，结果表明可能具有更好的清洗效果。无论如何，如对比实施例2所述，通过海绵辊清洗的情况，既使采用了表面活性剂溶液，也不可能减少由于抗蚀剂残留造成的缺陷数目。表面活性剂的亲水基团不仅对晶片而且对抛光垫起作用，因此，表现出相应的效果。因此，通过抛光垫采用表面活性剂溶液时，可能最大限度地降低由抗蚀剂残留造成的缺陷数目。
(实施方案II-3)如上述实施方案(II-1)，将含有树脂颗粒的分散体和含有表面活性剂的溶液作为有机膜的化学机械浆料供至抛光垫，对抗蚀膜进行抛光。随后，抛光垫中不加入树脂颗粒的分散体，只加入表面活性剂溶液。在这种情况下，通过抛光垫用化学机械浆料抛光，表面活性剂溶液清洗，可能会进一步增强抛光垫和晶片表面的亲水效应。结果，由抗蚀剂残留造成的缺陷数目会进一步降低，从而可以更加稳定地对抗蚀膜进行抛光。
因为采用了第二浆料，可以对表面缺陷密度降低的有机膜(如抗蚀膜)进行抛光。第二浆料也可应用到类似实施方案I-2和实施方案I-3的工艺过程中，得到几乎与这些实施方案相同的效果。
根据本发明的实施方案，可以提高光刻蚀工艺的加工利润，并建立高产率半导体器件的制造工艺，因此本发明很有工业价值。
本领域熟练技术人员很容易发现其他的优点及其改进。因此，本发明并不限于这里所描述的具体细节和代表性的实施例，而有更宽广的应用。相应地，对本发明作出的各种改进并不违背本发明后面所附的权利要求和其等效要求所定义的一般发明的精神和范围。
权利要求
1.一种有机膜的化学机械抛光方法，其包括在半导体衬底上方形成有机膜；将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触；使浆料落在抛光垫上以抛光有机膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中浆料中的树脂颗粒由选自甲基丙烯酸树脂、聚苯乙烯树脂、脲醛树脂、三聚氰氨树脂、聚缩醛树脂和聚碳酸酯树脂中的至少一种组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中浆料由第一浆料组成。
4.根据权利要求3所述的方法，其中第一浆料包含至少一种选自羧酸类、磺酸类、硫酸类、磷酸类、胺盐类、季铵盐类、醚类、酯类、链烷醇酰胺类、羧基甜菜碱类和甘氨酸类官能团的官能团。
5.根据权利要求3所述的方法，其中抛光垫的抗压模量为100～600MPa，并且在半导体衬底与抛光垫的相对速率被设为0.17～1.06m/sec的情况下抛光有机膜。
6.根据权利要求3所述的方法，其中在具有凹形部分的下层上方形成有机膜，并且浆料中的树脂颗粒的初级粒径不小于凹形部分的开口直径的70％。
7.根据权利要求3所述的方法，其中在200～600gf/cm2的压力下将半导体衬底压在抛光垫上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中浆料由第二浆料组成，并且表面活性剂的亲水结构选自于阴离子基团、阳离子基团和非离子基团。
9.一种有机膜的化学机械抛光方法，其包括在半导体衬底上方形成有机膜；将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触；通过将含有初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒的分散体供至抛光垫而对有机膜进行第一次抛光；和在第一次抛光之后通过将含有具有亲水结构的表面活性剂的溶液供至抛光垫而对有机膜进行第二次抛光。
10.根据权利要求9所述的方法，其中分散体中的树脂颗粒由选自甲基丙烯酸树脂、聚苯乙烯树脂、脲醛树脂、三聚氰氨树脂、聚缩醛树脂和聚碳酸酯树脂中的至少一种组成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中表面活性剂的亲水结构选自于阴离子基团、阳离子基团和非离子基团。
12.一种制备半导体器件的方法，其包括在下层中形成凹形部分，下层为半导体衬底或者沉积在半导体衬底上方的绝缘膜；在形成凹形部分的下层的上方形成抗蚀膜；对抗蚀膜进行化学机械抛光以选择性地留下处于凹形部分中的抗蚀膜，其中通过将在半导体衬底上形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触而进行化学机械抛光；和使浆料落在抛光垫上以抛光抗蚀膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂；对埋入凹形部分的抗蚀膜进行凹进处理以达到预定深度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中凹形部分是在构成下层的半导体衬底上形成的沟槽，并且所述方法还包括在沟槽的内边缘壁上形成电容介电膜；在电容介电膜上形成存储节点电极；对在沟槽中的上部中的电容介电膜和存储节点电极进行凹蚀处理；在沟槽的内壁上部上形成环状氧化膜，在形成沟槽后且在形成抗蚀膜前形成电容介电膜、存储节点电极和环状氧化膜；和在完成抗蚀膜的凹进处理后对环状氧化膜进行凹蚀处理。
14.根据权利要求12所述的方法，其中凹形部分是在中间绝缘膜中形成的构成下层的孔，抗蚀膜是下层抗蚀膜，并且所述方法还包括在对下层抗蚀膜进行凹进处理之后依次形成反射层和上层抗蚀膜；在中间绝缘膜中、反射层中和上层抗蚀膜中形成线路槽使其到达下层抗蚀膜；除去下层抗蚀膜、反射层和上层抗蚀膜；和用电导性材料填充所述孔和线路槽。
15.根据权利要求12所述的方法，其中浆料由第一浆料组成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中抛光垫的抗压模量为100～600MPa，并且在半导体衬底与抛光垫的相对速率为0.17～1.06m/sec的情况下抛光有机膜。
17.一种制备半导体器件的方法，其包括在沉积在半导体衬底上方的绝缘膜中形成孔；在形成孔的绝缘膜的上方形成第一抗蚀膜；对第一抗蚀膜进行化学机械抛光以选择性地留下处于孔中的第一抗蚀膜，其中通过将在半导体衬底上方形成的第一抗蚀膜与固定在转台上的抛光垫接触而进行化学机械抛光；和使浆料落在抛光垫上以抛光第一抗蚀膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂；在化学机械抛光之后在第一抗蚀膜的上方形成第二抗蚀膜；在第二抗蚀膜的上方形成中间层；在中间层的上方形成第三抗蚀膜；对第三抗蚀膜进行进行图形曝光。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包括在形成第一抗蚀膜后且在对其进行化学机械抛光之前，在100～200℃下对第一抗蚀膜进行烘焙；和在形成第二抗蚀膜之后，在300～350℃下对第二抗蚀膜进行烘焙。
19.根据权利要求17所述的方法，其中浆料由第一浆料组成。
20.根据权利要求19所述的方法，其中抛光垫的抗压模量为100～600MPa，并且在半导体衬底与抛光垫的相对速率为为0.17～1.06m/sec的情况下抛光有机膜。
全文摘要
本发明公开的是一种有机膜的化学机械抛光方法，其包括在半导体衬底上方形成有机膜；将在半导体衬底上方形成的有机膜与固定在转台上的抛光垫接触；使浆料落在抛光垫上以抛光有机膜，该浆料选自第一浆料和第二浆料，第一浆料包含具有官能团的初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒，其中所述官能团选自阴离子官能团、阳离子官能团、两性官能团和非离子官能团，第一浆料的pH值为2～8，第二浆料包含初级粒径为0.05～5μm的树脂颗粒和具有亲水结构的表面活性剂。
文档编号H01L21/768GK1574205SQ200410046180
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者松井之辉, 南幅学, 竖山佳邦, 矢野博之, 重田厚 申请人:株式会社东芝