CN1537324A - 抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在本发明的将研磨对象物压紧到固定磨粒上，边使之滑动边进行研磨的抛光方法，其特征在于具备：第一工序，边供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物；以及第二工序，边供应含有阳离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物。

Description

抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及抛光方法及装置，特别涉及使用固定磨粒来研磨半导体晶片等研磨对象物的抛光方法及装置。
背景技术
近年来，随着半导体器件的高集成化的进展，电路的布线微细化，布线间的距离也正在变窄。特别是，在线宽不大于0.5μm的光刻的情况下，由于焦深变浅，所以需要逐次移位式曝光装置(stepper)的成像面的平坦度。作为使这种半导体晶片表面平坦化的手段，进行化学机械研磨(CMP)的抛光装置是公知的。
这种化学机械研磨(CMP)装置，配备上面具有研磨垫的研磨工作台和顶环。另外，将研磨对象物加装在研磨工作台与顶环(topring)之间，向研磨垫的表面供应研磨液(浆液)，同时通过顶环将研磨对象物压紧到研磨工作台上，将研磨对象物的表面研磨成平坦且呈镜面状。
这种CMP装置，例如，用于在半导体器件的最下层形成晶体管电路用的STI(Shallow Trench Isolation：浅沟槽绝缘)的形成工序中。图3A至图3F是表示STI形成工序的一个例子的剖面简图。在硅晶片100上形成氮化膜110(一般为氮化硅膜Si3N4)(参照图3A)，以该氮化膜110作为掩模(mask)蚀刻硅晶片100，形成沟槽(槽)120(参照图3B)。然后，在该沟槽120内埋入作为绝缘材料的硅氧化膜130(图3C)。
在沟槽120内埋入硅氧化膜130的情况下，如图3C所示，由于在表面上残留多余的硅氧化膜130，所以，通过CMP将该多余的硅氧化膜130除去，使氮化膜110的表面露出(参照图3D)。其次，通过蚀刻将氮化膜110除去，形成硅氧化膜的槽130a(参照图3E)。中间插入这样的硅氧化膜的槽130a形成晶体管140(参照图3F)。
在这种STI形成工序中，利用CMP的研磨工序的目的，如上所述，是为了将形成在氮化膜上的多余的硅氧化膜完全除去。当硅氧化膜的清除不完全时，会阻碍其后的氮化膜的蚀刻。
但是，在现有技术中，在形成上述STI时的研磨中，利用聚氨酯类研磨垫和使二氧化硅分散的浆液，由于与硅氧化膜130相比，氮化膜110更难研磨，所以，如图4所示，硅氧化膜130被过研磨，产生凹陷。此外，还存在着对氮化膜的研磨产生不均匀，在氮化膜上的表面内不能获得足够的均匀性的问题。在STI的形成过程中，必须严格控制氮化膜及沟槽的硅氧化膜的膜厚，即，必须使晶片内的膜厚很均匀，抑制上述凹陷，获得面内均匀性成为一个重要的课题。
最近，有人试图利用聚氨酯类研磨垫和分散有二氧化硅的浆液，通过边添加高浓度的界面活性剂边进行晶片的研磨，以期改进上述问题。例如，当利用二氧化硅浆液时的凹陷量为500时，如果利用这种方法，则可以将凹陷量降低到200～300。但是，在这种方法中，由于使用软质的研磨垫，所以不能完全消除上述凹陷。此外，由于使用高浓度的界面活性剂，所以，二氧化铈凝聚，存在着会发生由凝聚的二氧化铈擦伤晶片的问题。
作为改进利用含有这种磨粒的研磨液(浆液)和软质垫的研磨方法所存在的问题的方法，如特开2000-173955号公报所述，提出了采用固定磨粒的研磨方法。特开2000-173955号公报提出利用含有二氧化铈的固定磨粒和含有1重量％的分子量为10000的聚丙烯酸铵，pH为碱性的研磨液进行研磨的方法。这种方法，其目的是，通过使pH为碱性，充分提高脱落的磨粒的分散性，提高研磨速度，但是，由于它包括多级研磨以及修整、后处理，所以，还谈不上研磨工序的最佳化。
发明内容
本发明是鉴于这种现有技术中存在的问题而被提出来的，其目的是供应一种抛光方法及装置，能够抑制在氮化膜上形成了氧化膜的研磨对象物的凹陷，得到良好的面内均匀性。
为了解决这种现有技术中的问题，本发明是一种抛光方法，将研磨对象物压紧(按压)到固定磨粒上，边使之滑动边进行研磨，其特征在于，它包括：第一工序，边供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物；以及第二工序，边供应含有阳离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物。
此外，本发明是一种种抛光方法，将研磨对象物压紧到固定磨粒上，边使之滑动边进行研磨，其特征在于，它包括：第一工序，边供应含有阴离子系界面活性剂的研磨液，边研磨上述研磨对象物；以及第二工序，边供应含有阳离子系界面活性剂的研磨液，边研磨上述研磨对象物。在这种情况下，优选，上述阳离子系界面活性剂包含不少于一种的具有脂肪族胺盐、脂肪族季铵盐、苄烷铵盐、苯索氯铵盐、吡啶鎓盐、或咪唑啉鎓盐中任一种结构的有机化合物。
上述研磨液中阴离子系界面活性剂的浓度，优选为0.001重量％至5重量％，pH优选为5至10。进而，优选上述阴离子系界面活性剂，包含具有由COO-或SO3 -基构成的亲水基的有机化合物。此外，优选，上述研磨对象物为在氮化膜上堆积硅氧化膜的研磨对象物。
在研磨液的pH从中性区域至酸性区域，固定磨粒的磨粒表面及氮化膜的表面上主要带正电(表面的一部分有负电荷，但正电荷占支配地位)。从而，供应给固定磨粒上的阴离子系界面活性剂，牢固地电附着在固定磨粒的磨粒表面和氮化膜的表面上。在这种情况下，固定磨粒的磨粒与氮化膜均被阴离子系界面活性剂覆盖，相互排斥，所以，氮化膜的研磨难以进展，氮化膜的研磨速度变得极低。这时的研磨选择比，例如变成氧化膜∶氮化膜＝10∶1以上，氮化膜起着阻挡研磨构件的作用。这样，氮化膜的研磨速度极度降低，研磨量变得非常少，所以，不会发生氮化膜的残留膜厚度的不均匀，可以获得氮化膜上的平面内均匀性。
这时，认为借助上述研磨选择比，氮化膜不被研磨，只研磨硅氧化膜，形成上述凹陷，但实际上，不会形成凹陷，可以将凹陷量例如抑制在100以下。这可以认为是由于下面两个原因引起的。
①阴离子系界面活性剂不仅附着在氮化膜表面上，也少量地附着在硅氧化膜上，在硅氧化膜的表面上形成阴离子系界面活性剂的覆膜。由于在施加某个值以上的表面压力时，硅氧化膜的表面覆膜破碎或者变得脆弱，故虽然进行研磨，但随着研磨稍稍进展，硅氧化膜的表面高度变得低于氮化膜，所以，硅氧化膜表面处的表面压力降低，形成厚的阴离子系界面活性剂的覆膜，研磨变得难以进行。
②由于所使用的阴离子系界面活性剂是高分子，所以，附着在氮化膜上的阴离子系界面活性剂，覆盖沟槽部的一部分或者相当大的区域，所以阻碍由固定磨粒中的粒子进行的研磨。
此外，在本发明中，作为研磨面采用固定磨粒。由于在固定磨粒中，研磨面是硬质的，难以弹性变形，所以，与现有技术中利用具有弹性的研磨垫相比，不容易形成凹陷，可以获得更平坦的精加工面。但是，在使用与固定磨粒硬度相同的硬质研磨垫的情况下，也可以使用研磨垫和界面活性剂。
这样，根据本发明，通过边向固定磨粒上供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液边进行研磨，例如，可以使氮化膜起着研磨限制构件的作用。从而，降低氮化膜的研磨速度，获得氮化膜上的面内均匀性，且可以抑制凹陷，可以实现划痕少平坦性高的研磨。
附图说明
图1是表示本发明的一种实施方式的抛光装置的总体结构的平面图。
图2是图1中的抛光室的正视图。
图3A至图3F是表示STI形成工序的一个例子的简图。
图4是表示在利用现有技术的抛光装置时的凹陷的简图。
图5是表示在STI形成工序中采用固定磨粒研磨工艺时的研磨次序的图，是基片的部分剖视图。
图6是表示在STI形成工序中采用固定磨粒研磨工艺时的研磨次序的图，是基片的部分剖视图。
图7A及图7B是表示本发明的抛光装置的另一种实施方式的图，图7A是抛光装置的研磨工作台的平面图，图7B是抛光装置的剖视图。
图8是表示在CMP装置外设置浓度调整设备时的图。
图9是表示在CMP装置内设置浓度调整设备时的图。
图10是表示在CMP装置外设置浓度调整设备时的其它实施方式的图。
图11是表示在CMP装置内设置浓度调整设备时的其它实施方式的图。
图12是表示只有原液溶液及纯水供应源配置在CMP装置之外，除此之外的部分都配置在CMP装置内的例子的图。
具体实施方式
下面，参照附图对根据本发明的抛光装置的实施方式进行详细说明。图1是表示根据本发明的一种实施方式的抛光装置的总体结构的平面图。
如图1所示，本实施方式中的抛光装置具备4个装料/卸料台2，用于载置堆积多枚半导体晶片的晶片盒1。装料/卸料台2也可以具有能够升降的机构。为了能够到达装料/卸料台2上的各晶片盒1，在移动机构3上配置搬运机器人(搬运机械手)4。
搬运机器人4在上下配备两只手(hand)。搬运机器人4的两只手中，下侧的手是真空吸附晶片的吸附型手，只用于从晶片盒1接受半导体晶片。该吸附型手与盒内晶片的偏移无关，能够正确地搬运晶片。另一方面，搬运机器人4上侧的手是对晶片的边缘部进行保持的落入式手，只在将半导体晶片返回晶片盒1中时使用。由于这种落入式手，不像吸附型手那样收集灰尘，所以，可以在保持晶片背面清洁度的同时搬运晶片。这样，通过将清洗后的清洁的晶片配置在上侧，不会再进一步污染晶片。
以搬运机器人4的移动机构3作为对称轴，在晶片盒1的相反侧，配置两台清洗半导体晶片的清洗机5、6。各清洗机5、6配置在搬运机器人4的手能够到达的位置。此外，这些清洗机5、6具有使晶片高速旋转并干燥的旋转干燥机的功能，由此，在进行晶片的两级清洗和三级清洗时，无需交换模块就可以与之相对应。
在两台清洗机5、6之间，在搬运机器人4能够到达的位置上配置晶片台12，该晶片台12有四个半导体晶片的载置台7、8、9、10。在能够到达清洗机5和三个载置台7、9、10的位置上，配置具有两只手的搬运机器人14。此外，在能够到达清洗机6和三个载置台8、9、10的位置上，配置具有两只手的搬运机器人15。
载置台7用于在搬运机器人4和搬运机器人14之间相互交接半导体晶片，载置台8用于在搬运机器人14和搬运机器人15之间搬运半导体晶片。在这些载置台7、8上分别设置检测有无半导体晶片的检测传感器16、17。
载置台9用于从搬运机器人15向搬运机器人14搬运半导体晶片，载置台10用于从搬运机器人14向搬运机器人15搬运半导体晶片。在这些载置台9、10上分别设置检测有无半导体晶片的检测传感器18、19、以及用于防止半导体晶片干燥或者清洗晶片的冲洗喷嘴20、21。
这些载置台9、10配置在共用的防水罩内，在设于该罩上的用于搬运的开口部上，设置闸门22。此外，载置台9位于载置台10的上方，清洗后的晶片载置于载置台9上，清洗前的晶片载置于载置台10上。通过这种结构，可以防止冲洗水下落造成晶片的污染。此外，在图1中，示意地表示出传感器16、17、18、19、冲洗喷嘴20、21、及闸门22，图中没有正确示出他们的位置和形状。
在搬运机器人14的手能够到达的位置，与清洗机5邻接地配置清洗机24。此外，在搬运机器人15的手能够到达的位置，与清洗机6邻接地配置清洗机25。这些清洗机24、25是能够清洗晶片两面的清洗机。
搬运机器人14及搬运机器人15的上侧的手，用于将被洗净一次的半导体晶片搬运到清洗机或晶片台12的载置台。另一方面，下侧的手用于搬运还未被清洗过一次的半导体晶片以及研磨前的半导体晶片。通过利用下侧的手进行晶片向反转机上的放置和取出，上侧的手不会被从反转机的壁上落下的冲洗水滴污染。
在上述清洗机5、6、24、25的晶片运入口上，如图1所示，分别安装闸门5a、6a、24a、25a，在运入晶片时能够打开。
抛光装置具备外壳26以便包围各设备，外壳26的内部由间隔壁28、间隔壁30、间隔壁32、间隔壁34以及间隔壁36划分成多个区域(包含区域A、区域B)。
在配置晶片盒1和搬运机器人4的区域A与配置清洗机5、6和载置台7、8、9、10的区域B之间配置间隔壁28，用于分隔区域A和区域B的清洁度。在该间隔壁28上，设置用于在区域A和区域B之间搬运半导体晶片的开口部，在该开口部上设置闸门38。上述清洗机5、6、24、25、晶片台12的载置台7、8、9、10及搬运机器人14、15全部配置在区域B中，将区域B的压力调整成比区域A内的气压低的气压。
如图1所示，在利用间隔壁34与区域B分隔开的区域C的内部，在搬运机器人14的手能够到达的位置，配置使半导体晶片反转的反转机40，利用搬运机器人14将半导体搬运到反转机40上。此外，在区域C的内部，在搬运机器人15的手能够到达的位置，配置使半导体晶片反转的反转机41，利用搬运机器人15将半导体晶片搬运到反转机41上。反转机40和反转机41配备：夹紧半导体晶片的夹紧机构、使半导体晶片的表面和背面反转的反转机构、确认是否用上述夹紧机构将半导体晶片夹紧的检测传感器。
利用间隔壁34形成与区域B区分开的抛光室，该抛光室进一步被间隔壁36区分为两个区域C及区域D。此外，在分隔区域B与区域C及D的间隔壁34上，设置半导体晶片搬运用的开口部，在该开口部上，设置反转机40和反转机41用的闸门42、43。
如图1所示，在两个区域C、D内，分别配置两个研磨工作台和一个顶环，该顶环用于保持一枚半导体晶片且边将半导体晶片按压到研磨工作台上边进行研磨。即，在区域C内配置：顶环44；研磨工作台46、48；用于向研磨工作台46供应研磨液的研磨液供给喷嘴50；配备连接到氮气供给源和液体供给源上的多个喷射喷嘴(图中未示出)的雾化器52；用于进行研磨工作台46的修整的修整器54；以及用于进行研磨工作台48的修整的修整器56。同样地，在区域D内配置：顶环45；研磨工作台47、49；用于向研磨工作台47供应研磨液的研磨液供给喷嘴51；配备连接到氮气供给源和液体供给源上的多个喷射喷嘴(图中未示出)的雾化器53；用于进行研磨工作台47的修整的修整器55；以及用于进行研磨工作台49的修整的修整器57。例如，研磨工作台48、49粘贴用于抛光清洗的Politex(Rodel)垫，具有液体供应喷嘴58-2、59-2。
从研磨液供应喷嘴50、51、58-1、59-1，分别向研磨工作台46、47上供应用于研磨的研磨液以及用于修整的修整液(例如水)。此外，从雾化器52、53向研磨工作台46、47上喷射氮气与纯水或药液混合的液体。从氮气供应源供应的氮气以及从液体供应源供应的纯水或药液，利用图中未示出的调节器和空气操作阀调整到预定的压力，在两者混合的状态下，供应给雾化器52、53的喷射喷嘴。在这种情况下，优选雾化器52、53的喷射喷嘴向研磨工作台46、47的外周侧喷射液体。此外，也可以代替氮气使用其它惰性气体。此外，也可以只从雾化器52、53喷射纯水或药液等的液体。此外，也可以在研磨工作台48、49上设置雾化器。通过在研磨工作台48、49上设置雾化器，可以保持研磨工作台48、49的表面更清洁。
被混合的氮气与纯水或药液，在①液体微粒子化、②液体凝固了的微粒子固体化、③液体蒸发了的气体化(将这些①②③称之为雾状化或者雾化)的状态下，从雾化器52、53的喷射喷嘴向研磨工作台46、47喷射。被混合的液体以液体微粒子化、微粒子固体化、气体化的哪一种状态被喷射，由氮气及/或纯水或药液的压力、温度或者喷嘴的形状等决定。从而，通过利用调节器等适当地变更氮气及/或纯水或药液的压力、温度，或者喷嘴的形状等，可以改变喷射的液体的状态。
此外，也可以代替研磨工作台48、49，而设置湿式型的晶片膜厚测定器。在这种情况下，可以测定刚刚研磨之后的晶片的膜厚，可以利用晶片的削减增加及测定值，进行下一个对晶片的研磨工序的控制。
在反转机40及41与顶环44及45的下方，在清洗室(区域B)与抛光室(区域C、D)之间，配置搬运晶片的旋转输送机60。在旋转输送机60上，在四个部位设置载置晶片的工作台，同时搭载多个晶片。
被搬运到反转机40及41上的晶片，当旋转输送机60的工作台的中心与被反转机40或41夹紧的晶片的中心相位一致时，通过在旋转输送机60的下方设置的升降机62或63升降，搬运到旋转输送机60上。通过把旋转输送机60的位置改变90°，将载置于旋转输送机60的工作台上的晶片搬运到顶环44或45的下方。顶环44或45预先摆动到输旋转送机60的位置处。当顶环44或45的中心与搭载在上述旋转输送机60上的晶片的中心相位一致时，通过配置在它们下方的推进器64或65升降，将晶片从旋转输送机(rotary transfer)60移送到顶环44或45。
接着，对抛光室进行更详细的说明。此外，以下只对区域C进行说明，但可以认为区域D与区域C一样。图2是表示区域C的顶环44与研磨工作台46、48的关系的图。
如图2所示，顶环44由能够旋转的顶环驱动轴70从顶环头74悬垂。顶环头72由可定位的摆动轴74支承，顶环44可以接近研磨工作台46、48两者。
此外，修整器54由可旋转的修整器驱动轴76从修整头78悬垂。修整头78由可定位的摆动轴80支承，借此，修整器54能够在待机位置与研磨工作台46上的修整器位置之间移动。同样地，修整器56由可旋转的修整器驱动轴82从修整头84悬垂(吊下)。修整头84由可定位的摆动轴86支承，借此，修整器56能够在待机位置与研磨工作台48上的修整器位置之间移动。修整器采用在金属或陶瓷板上固定金刚石粒子的金刚石修整器、尼龙制的刷子、表面上具有凹凸的陶瓷板、碳纤维制的刷子、固定磨粒、喷射水流、带气穴的高压水流(cavitation jetwater)、超声波振子、紫外线、激光中之一或者它们的组合。
研磨工作台46的上表面，由利用粘结剂(树脂)结合了磨粒和气孔或气孔剂的固定磨粒46a构成，利用该固定磨粒46a构成研磨被保持在顶环44上的半导体晶片的研磨面。这种固定磨粒46a例如如下获得：通过将浆液状的研磨剂(使磨粒分散在液体中的研磨剂)和乳剂状树脂混合分散制成的混合液喷雾干燥，将这种混合粉填充到成形模具中进行加压加热处理。作为磨粒，优选采用平均粒径不大于0.5μm的氧化铈(CeO2)或二氧化硅(SiO2)。此外，作为粘结剂可以采用热塑性树脂及热固化型树脂，但特别优选采用热塑性树脂。
此外，研磨工作台48的上表面由软质的无纺布构成，利用这种无纺布构成将附着在研磨后的半导体晶片表面上的磨粒洗净的抛光洗净面。
接着，对于利用本发明的抛光装置来研磨半导体晶片的工序，举例加以说明。此外，在下面的研磨工序的说明中，虽然对在区域C进行研磨处理时的情况进行说明，但可以认为对区域D情况也相同。此外，下面以应用于形成STI的研磨工序为例进行说明，但例如本发明也适用于在对形成了层间绝缘膜(ILD)图形的半导体晶片进行研磨的情况。
例如，在低图形密度或者容易磨削的膜质(BPSG膜等)的情况下，由于经过短时间的研磨就达到氮化膜，所以，容易产生沟槽部的硅氧化膜的凹陷。在这种情况下，采用下面所述的ex-situ修整。
1)ex-situ修整
边分别使研磨工作台46和修整器54自转，边将修整器54压紧到研磨工作台46上，进行固定磨粒46a的修整。这时，从雾化器52向固定磨粒46a喷射DIW(纯水)和氮气的混合液。
2)抛光
边分别使研磨工作台46和顶环44自转，边将半导体晶片压紧到研磨工作台46上，研磨半导体晶片的硅氧化，达到氮化膜为止。这时，从研磨液供应喷嘴50向固定磨粒46a上供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液。所供应的阴离子系界面活性剂的浓度，优选为0.001重量％至5重量％。
此外，优选pH为5至10。
此外，阴离子系界面活性剂优选包含具有由COO-或SO3 -基构成的亲水基的有机化合物。
这样，通过边将包含阴离子系界面活性剂、且不含磨粒的研磨液供应到固定磨粒46a上边进行研磨，如上所述，可以使氮化膜起着阻挡研磨构件的作用。从而，降低氮化膜的研磨速度，获得氮化膜上的面内均匀性，而且可以抑制氧化膜的凹陷，能够实现划痕少平坦性高的研磨。
3)水抛光
抛光结束之后，边使研磨工作台46和顶环44分别自转，边将半导体晶片压紧到研磨工作台46上进行水抛光。这时，从研磨液供应喷嘴50向固定磨粒46a供应研磨液或DIW。这时，将晶片的压紧力缩小到小于此前的研磨工序。
这样，在对容易磨削、研磨速度快的晶片进行研磨的情况下，采用上述ex-situ修整，但在高图形密度或难以磨削的膜质的情况下，由于难以磨削，为了提高研磨速度，采用下面所述的in-situ修整。此外，在下面的说明中，对于和上面所述的例子重复的部分，适当地省略其说明。
1)in-situ修整研磨
边分别使研磨工作台46、修整器54、顶环44自转，边进行固定磨粒46a的修整，进行半导体晶片的研磨。这时，从研磨液供应喷嘴50向固定磨粒46a上供应纯水或碱性溶液，而且从雾化器52向固定磨粒46a喷射DIW和氮气的混合液。然后，例如，如果氮化膜上的硅氧化膜的膜厚变成1000以下，则停止由修整器54进行的修整，继续半导体晶片的研磨。这时，从研磨液供应喷嘴50供应含有阴离子系界面活性剂且包含磨粒的研磨液。即，直到快要达到半导体晶片的氮化膜(氮化膜上的硅氧化膜残留的膜厚为1000左右)，边修整边研磨(in-situ修整)，然后停止修整，继续研磨直到达到氮化膜。这样一来，如上所述，可以使氮化膜起着阻挡研磨构件的作用。从而，可以降低氮化膜的研磨速度，在氮化膜上获得面内均匀性，且可以抑制凹陷，能够实现划痕少平坦性高的研磨。
2)水抛光
在抛光结束后，边使研磨工作台46和顶环44分别自转，边将半导体晶片压紧研磨工作台46上，进行水抛光。这时，从研磨液供应喷嘴50向固定磨粒46a上供应研磨液或DIW。这时，缩小晶片的压紧力使之小于在此之前的研磨工序的压紧力。
在上述例子中，对于边向固定磨粒46a上供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液边进行研磨，使氮化膜起着阻挡研磨构件的作用的情况进行了说明，但在有必要进一步磨削氮化膜的情况下，此后，可以向固定磨粒46a上供应由阳离子系界面活性剂构成且不含磨粒的研磨液，继续进行研磨。这种阳离子系界面活性剂，优选包含不少于一种的具有脂肪族胺盐、脂肪族季铵盐、苄烷铵盐、苯索氯铵盐、吡啶鎓盐、或咪唑啉鎓盐中任一种结构的有机化合物。
特别在本发明中，在被研磨面上同时露出氮化膜和氧化膜的阶段，为了增大包含阴离子系界面活性剂的研磨液的研磨选择比(氮化膜和氧化膜的研磨速度比)，在抛光工序的后阶段添加根据本发明的研磨液是有效的。也可以在氮化膜的一部分开始露出的阶段，或者在即将开始之前，切换成本发明的含有阴离子系界面活性剂的研磨液。在此之前(只磨削氧化膜的阶段)，供应含有浓度更低的阴离子系界面活性剂的研磨液，或者供应纯水进行研磨。
接着，对于供应含有阴离子系界面活性剂的时间、供应含有阳离子系界面活性剂的时间，进行详细描述。
采用固定磨粒的本发明，与现有技术的CMP工艺相比，平坦化特性优异，在STI形成工序系及金属栅形成工序中，对改进平坦化特性的要求极大。
图5表示在STI形成工序中采用固定磨粒研磨工艺时的研磨步骤。研磨STI形成晶片的目的，是除去被覆在氮化硅膜110上的硅氧化膜130，使氮化硅膜110露出(第一及第二研磨工序)。通常，当氮化硅膜露出时研磨结束，但有时会进一步研磨直到氮化硅膜110变成预定的厚度为止(第三研磨工序)
在结束第二研磨工序时刻的目标性能在于抑制沟槽部120的削入(凹陷)，将氮化硅110的残留膜厚的偏差抑制到最低限度。通常，当用纯水研磨时，由于沟槽部120的硅氧化膜130的凹陷发展，氮化硅膜110被慢慢地研磨，所以残留膜厚度偏差变大。为了抑制这一情况，供应含有稀释到预定浓度的阴离子系界面活性剂的研磨液，同时实施第二研磨工序。当采用这种研磨液时，氮化硅膜110几乎不被研磨，起着研磨的阻挡构件的作用。从而，可以将氮化硅膜110的残留膜厚的偏差抑制得很低。此外，由于前面所述的原因，可以将沟槽部120的硅氧化膜130的凹陷抑制得很低。
此外，当利用这种研磨液时，硅氧化膜130的研磨速度也降低。当从第一工序的开始，边供应含有稀释到预定浓度的阴离子系界面活性剂的研磨液，边研磨硅氧化膜130时，由于研磨时间加长，所以生产效率变差。由于在第一研磨工序研磨的只是硅氧化膜130(不研磨氮化硅膜110)，所以，基本上没有必要添加含有上述阴离子系界面活性剂的研磨液。但是，如果添加上述阴离子界面活性剂，则即使低浓度也能附着在硅氧化膜130的非平坦面(凹凸面)的凹部，保护凹部不被研磨，具有改进平坦化特性的效果。此外，还会提高进行研磨的磨粒的分散性的效果。如果是低浓度，则可以不将硅氧化膜130的研磨速度降得如此低。
如上面说明的那样，在第二研磨工序中，研磨速度降低，研磨时间必然会增长相当于研磨速度降低的量，所以在第一研磨工序中，希望尽可能缩短研磨时间。因此，优选在第一研磨工序，以尽可能低的浓度供应研磨液中的阴离子界面活性剂的浓度(至少比第二研磨工序中用的浓度低)，在提高研磨速度的条件下进行研磨，并且尽可能地研磨到氮化硅110的附近。在从第一研磨工序转移到第二研磨工序时，是由根据时间进行的切换，还是根据工作台转矩电流变化进行的切换，都通过膜厚的检测，进行硅氧化膜130的残留膜的检测。从氮化硅110上硅氧化膜130的残留膜厚度尽可能薄的观点出发，第一研磨工序达到的目标，最好是至少达到平坦化，更优选氮化硅膜110上的硅氧化膜130的残留膜厚＜100nm，进一步更优选＜50nm。各研磨工序的终点，通过以下各种方法之一或者它们的组合来检测，所述方法包括：利用研磨工作台的工作台驱动电机的转矩电流变化判断加工终点的方法、或例如将光照射到晶片上而根据光的反射强度读出硅氧化膜130或氮化硅膜110的膜厚变化的方法、或将光至照射到晶片上来读出研磨对象物表面的材料的光反射率的变化并检测终点的方法。
在有必要将氮化硅膜110研磨到预定的膜厚的情况下，可以边添加调整到预定浓度的某种阳离子界面活性剂边进行研磨。当添加阳离子界面活性剂时，尽管总体的研磨速度比较低，但是，可以将硅氧化膜130和氮化硅膜110的研磨速度基本上以相同的速度进行研磨。由于研磨速度低，可以在抑制氮化膜110的膜厚偏差的情况下进行研磨，并且，由于硅氧化膜130与氮化硅110的研磨速度基本上相同，所以，可以防止硅氧化膜130的过磨削，即，可以防止凹陷。但是，如前面所述，通常在STI晶片的研磨工序中，直到第二研磨工序结束。例如，如图6所示，在栅形成工序中采用CMP时，有必要进行第三研磨工序。这里，由于有必要将栅部正上方的氮化硅膜110完全除去并露出基底，所以，必须将氮化硅110与氧化膜130同时削去。从而，这里有必要经过第一及第二研磨工序，最后一直进行到第三研磨工序。
三个工序可以在单一的研磨工作台上进行，也可以在每一个工序用单独的研磨工作台进行。此外，研磨液供应喷嘴可以分开单独设置，也可以由一个喷嘴进行供应。例如，在以形成STI为目的进行研磨时，第一及第二工序可以用一个研磨工作台进行，也可以分别用不同工作台进行。此外，在有必要进行到第三工序的情况下，第二工序和第三工序最好用不同的工作台进行。其原因是，它们分别使用不同的界面活性剂。在第二工序结束之后，为了洗净除去残留在固定磨粒表面上阴离子系界面活性剂，置换成在第三工序中使用的阳离子界面活性剂，需要花费时间。为了防止因置换时间增加引起的生产效率的降低，优选第二工序和第三工序使用不同的研磨工作台。
根据上述原因，在第一研磨工序，由于有必要缩短研磨时间，最好提高研磨速度(至少比第二研磨工序快)。此外，在第一研磨工序添加的研磨液中含有的阴离子界面活性剂的浓度，最好低于第二研磨工序中的浓度。在这种情况下，研磨液也可以是纯水。为了提高第一研磨工序的研磨速度，一般地，或者使第一研磨工序的研磨面的压力比第二研磨工序时大，或者提高相对速度，或者提高修整(调整)固定磨粒表面的程度等是有效的。提高修整的程度，可以列举出延长修整时间、提高修整器的压力、增强光的强度、延长照射时间等方法。但是，因固定磨粒种类的不同，当将相对速度提高到某一值以上时，有时研磨速度会下降，需要注意。此外，修整(调整)并不局限于所列举的方法，也可以采用其它手段。
在利用固定磨粒的研磨中，起着研磨作用的研磨磨粒由固定磨粒(垫)主体提供。这种磨粒一般由于在研磨时所施加的负荷及滑动摩擦而从固定磨粒(垫)主体上游离，但在这种作用低的情况下，如前面所述，进行固定磨粒面的修整(调整)，促进磨粒的游离化。在借助这些作用游离的磨粒中，包含有磨粒彼此之间缓慢地结合凝聚、或牢固地结合凝聚成的粗大的粒子。这些粗大的粒子是将晶片表面造成伤痕的主要原因。因此，作为将这些粗大粒子从固定磨粒表面上有效地除去的方法，将修整或修整之后将气液混合加压流体(雾化器)喷射到固定磨粒表面上是有效的。这时使用的气体，最好是氮气等惰性气体。此外，使用的液体通常可以是纯水，对于磨粒彼此缓慢地结合那样凝聚的磨粒，为了将它们分散，可以使用含有阴离子系等界面活性剂的药液。这些方法，最好用于第一研磨工序，但也可以用于第二和第三研磨工序。在这种情况下，在第二研磨工序中使用的液体，可以采用调整到预定浓度的阴离子界面活性剂，在第三研磨工序中使用的液体，可以采用调整到预定浓度的阳离子界面活性剂。
如上所述，将利用固定磨粒46a，通过in-situ或者ex-situ修整进行研磨过的半导体晶片，移动到小直径的研磨工作台48上，在这里进行抛光清洁处理。即，边使顶环44和研磨工作台48分别独立旋转，边将保持在顶环44上的研磨后的半导体晶片压紧到研磨工作台48上的软质的无纺布上。这时，从清洗液供应喷嘴58-2将不含磨粒的液体，例如纯水或碱性溶液，优选pH9以上的碱溶液及包含TMAH的碱溶液，供应给无纺布。借此，可以有效地除去研磨后附着在半导体晶片表面上的磨粒。
此外，也可以代替上述抛光清洁处理，或者在上述抛光清洁处理的基础上，在清洗机24或25中进行半导体晶片的DHF清洗。磨粒附着在研磨后的晶片表面上，作为有效地除去它们的手段，进一步还有边添加稀释氢氟酸(DHF)边用辊刷清洗晶片表面的方法。由于稀释氢氟酸(DHF)具有腐蚀晶片表面的硅氧化膜130的作用，所以，能够将附着在晶片表面上的磨粒和其基底的硅氧化膜130一起根除。此外，在上述抛光清洁处理和DHF清洗之后，例如，可以利用ペンスポンジ洗净半导体晶片的表面。进而，在利用固定磨粒46a进行研磨后，可以进行半导体晶片的精研磨。这种精研磨，可以在研磨工作台46上进行，或者，也可以在研磨工作台48上进行。在任何一种情况下，利用含有磨粒的研磨液进行精研磨，精研磨后进行上述水抛光工序和清洗工序(抛光清洁处理或DHF清洗)。
图7A和图7B是表示本发明的抛光装置的另外的实施方式的图，图7A是抛光装置的研磨工作台的平面图，图7B是抛光装置的剖面图。
本实施方式的抛光装置，如图7A及图7B所示，在研磨工作台46内设置光学式传感器230。如图7B所示，光学式传感器230具有投光元件和受光元件，将光线从投光元件照射到半导体晶片的被研磨面上，用受光元件接受从被研磨面反射的光。在这种情况下，从投光元件发出的光是激光或者LED。光学式传感器230，当硅氧化膜层和氮化硅膜层成为预定厚度的薄膜时，从投光元件照射到被研磨面上的光的一部分透过该膜，存在着从下层膜反射的反射光和从该膜的表面反射的反射光两种反射光。受光元件接受这两种反射光，通过用控制器232处理从受光元件来的信号，可以正确地检测出残存的硅氧化膜或氮化硅膜的膜厚。
其次，对本发明的研磨液供应装置、及配备研磨液供应装置的抛光装置进行说明。
图8是表示在CMP装置外设置浓度调整设备160时的图。
本发明的研磨液供应装置具有原液容器161，在原液容器161内加入预定浓度的界面活性剂。在本发明中，使用稀释的界面活性剂。通过在研磨装置的附近或者在研磨装置内将界面活性剂稀释，可以缩小原液容器161。从原液容器161经过带有流量调整功能的泵162、163，将原液供应给浓度调整容器164、166。在浓度调整容器164、166中，利用流量控制器168、169调整供应必要的纯水，以便分别变成预定的界面活性剂浓度。例如，在第一研磨工序利用极稀的阴离子界面活性剂，在第二研磨工序利用比第一研磨工序浓的阴离子界面活性剂的情况下，如本实施例所示，可以从共用的原液容器161中制作两种浓度的界面活性剂。在图中，分成管路1、管路2，当通过利用切换阀进行切换，作为向CMP装置供应的供应管路，也可以制成统一的一条管路。
图9是表示将浓度调整设备160设置在CMP装置内时的图。图9表示将界面活性剂浓度调整机构设置在CMP装置内的情况，由于与图8的机构相同，所以省略其说明。
图10是表示将浓度调整设备180设置在CMP装置外时的图。如图10所示，原液容器181通过汲取原液的泵182、原液缓冲容器183、循环管路阀184、排出阀185、带有排出流量调整功能的泵186，连接到混合配管193上。同样地，纯水供应管路包括纯水供应源187、阀188、纯水缓冲容器189、循环管路阀10、排出阀191、带有排出流量调整功能的泵192，并连接到混合配管193上。通过设置原液缓冲容器183及纯水缓冲容器189，在原液容器内的压力发生变化及纯水供应源187的压力增高的情况下，也可以使流入混合配管193的流量及压力一定，很容易调整到所需的浓度。
图11是表示将浓度调整机构设置在CMP装置内时的情况，由于和图10相同，所以省略其说明。
图12是只将原液容器181及纯水供应源187配置在CMP装置之外，其它部分配置在CMP装置内的例子，其它部分与图10及图11相同。
在利用两种药液例如阴离子界面活性剂和阳离子界面活性剂的情况，有多个如上的研磨液浓度调整机构。在这种情况下，作为稀释液的纯水供应源可以共用。
到此为止，对本发明的一种实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，不言而喻，在其技术思想的范围内，能够以各种各样的方式加以实施。
如上所述，根据本发明，通过边向固定磨粒上供应含有阴离子稀界面活性剂且不含磨粒的研磨液边进行研磨，例如，可以使氮化膜起着研磨阻挡构件的作用。从而，氮化膜的研磨速度降低，在获得氮化膜上的面内均匀性的同时，可以抑制凹陷，能够实现划痕少的平坦性高的研磨。
工业上的可利用性
本发明适用于使用固定磨粒来研磨半导体晶片等研磨对象物的抛光方法及装置。

Claims (28)

1、一种抛光方法，将研磨对象物压紧到固定磨粒上，边使之滑动边进行研磨，其特征在于，它包括：
第一工序，边供应含有阴离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物；以及
第二工序，边供应含有阳离子系界面活性剂且不含磨粒的研磨液，边研磨上述研磨对象物。
2、一种抛光方法，将研磨对象物压紧到固定磨粒上，边使之滑动边进行研磨，其特征在于，它包括：
第一工序，边供应含有阴离子系界面活性剂的研磨液，边研磨上述研磨对象物；以及
第二工序，边供应含有阳离子系界面活性剂的研磨液，边研磨上述研磨对象物。
3、如权利要求1或2所述的抛光方法，其特征在于，上述阳离子系界面活性剂，包含不少于一种的具有脂肪族胺盐、脂肪族季铵盐、苄烷铵盐、苯索氯铵盐、吡啶鎓盐、或咪唑啉鎓盐中任一种结构的有机化合物。
4、如权利要求1或2所述的抛光方法，其特征在于，上述阴离子系界面活性剂包含具有由COO-或SO3 -基构成的亲水基的有机化合物。
5、如权利要求1至4中任一个所述的抛光方法，其特征在于，上述研磨对象物是在氮化膜上堆积硅氧化膜的研磨对象物。
6、一种抛光方法，研磨对象物是上层为硅氧化膜、下层的一部分由氮化硅膜构成、且上层是非平坦的研磨对象物，将该研磨对象物压紧到研磨面上，边使之滑动边进行研磨，其特征在于，它包括：
第一研磨工序，直到上层在该研磨对象物的整个面上平坦化为止，边供应含有阴离子界面活性剂或纯水的第一研磨液边进行研磨；以及
第二研磨工序，除去形成在下层的氮化硅膜上的硅氧化膜，直到氮化硅膜的几乎整个面露出为止，边供应含有阴离子系界面活性剂的第二研磨液边进行研磨。
7、如权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，上述研磨面由固定磨粒构成，并且上述研磨液不含磨粒。
8、如权利要求6或7所述的抛光方法，其特征在于，第一研磨工序一直研磨到下层氮化硅膜上的硅氧化膜的膜厚为100nm以下。
9、如权利要求6或7所述的抛光方法，其特征在于，第一研磨工序一直研磨到下层氮化硅膜上的硅氧化膜的膜厚为50nm以下。
10、如权利要求6至9中任一个所述的抛光方法，其特征在于，它包括：在第二研磨工序后，直到该氮化硅面达到预定的膜厚，边供应含有阳离子机密活性剂且不含磨粒的第三研磨液研磨进行研磨的第三研磨工序。
11、如权利要求6至10中任一个所述的抛光方法，其特征在于，用至少一个以上的上述研磨工作台进行至少一个上述研磨工序。
12、如权利要求6至11中任一个所述的抛光方法，其特征在于，上述研磨液中的阴离子界面活性剂，在第一研磨工序中使用的该阴离子界面活性剂的浓度比在第二研磨工序中使用的该阴离子界面活性剂的浓度低。
13、如权利要求10所述的抛光方法，其特征在于，上述研磨液中的阳离子界面活性剂，包含不少于一种的具有脂肪族胺盐、脂肪族季铵盐、苄烷铵盐、苯索氯铵盐、吡啶鎓盐、或咪唑啉鎓盐中任一种结构的有机化合物。
14、如权利要求6至13中任一个所述的抛光方法，其特征在于，第一研磨工序的研磨速度比第二研磨工序的研磨速度快。
15、如权利要求14所述的抛光方法，其特征在于，加快第一研磨工序的研磨速度的手段，包括与第二研磨工序相比提高按压研磨对象物的表面压力、与第二研磨工序相比加快研磨的相对速度、或与第二研磨工序相比提高研磨面表面的修整强度之中的至少一个以上。
16、如权利要求15所述的抛光方法，其特征在于，研磨面表面的修整手段包括：将金刚石粒子固定到金属或陶瓷板上的修整器、尼龙制刷子、表面上具有凹凸形状的陶瓷板、碳纤维制的刷子、固定磨粒构件、喷射水流、带气穴的高压水流、超声波振子、紫外线、激光中至少一个以上。
17、如权利要求6至16中任一个所述的抛光方法，其特征在于，在至少一个的上述研磨工序中，向研磨面表面上喷射气液混合加压流体，该液体是纯水或界面活性剂。
18、如权利要求6至17中任一个所述的抛光方法，其特征在于，在上述第二或第三研磨工序之后，边向非固定磨粒垫上供应不含磨粒的纯水或药液，边压紧该研磨对象物使之滑动，来清洗该研磨对象物。
19、如权利要求6至17中任一个所述的抛光方法，其特征在于，在上述第二或第三研磨工序之后，边供应稀释氢氟酸(DHF)边清洗该研磨对象物。
20、如权利要求6至17中任一个所述的抛光方法，其特征在于，在至少一个的上述研磨工序中，利用读出具有研磨面的工作台的工作台驱动电机的转矩电流变化的方法、读出研磨对象物表面的硅氧化膜的膜厚变化的方法、或读出材料的光反射率变化的方法中至少一个以上的方法，来检测终点。
21、一种研磨装置，其特征在于，具备固定磨粒、将研磨对象物压紧到上述固定磨粒上的顶环、以及向上述固定磨粒上供应含有各个界面活性剂的至少两种研磨液的研磨液供给构件，具备至少一个以上的对上述固定磨粒的表面进行修整的修整构件。
22、如权利要求21所述的研磨装置，其特征在于，具备将上述研磨液调整到预定浓度的设备。
23、如权利要求22所述的研磨装置，其特征在于，上述浓度调整设备在研磨装置之外另外单独设置，在该浓度调整设备内，设置供应两种以上的研磨液浓度调整容器及将进行过浓度调整的该研磨液供应给研磨装置的两种以上的研磨液供给配管。
24、如权利要求22所述的研磨装置，其特征在于，上述浓度调整设备设置在研磨装置的内部，在该浓度调整设备内，设置供应两种以上的研磨液浓度调整容器及将进行过浓度调整的该研磨液供应给研磨部的两种以上的研磨液供给配管。
25、如权利要求22所述的研磨装置，其特征在于，上述研磨液的浓度调整在研磨装置的外部或内部进行，具备：对研磨原液供给用配管中研磨原液的流量进行调整的构件；对纯水供给配管中纯水的流量进行调整的构件；将流量调整过的研磨原液及纯水导入混合用配管内，在该混合用配管中调整浓度的构件；以及将该浓度调整过的研磨液供应给研磨部的构件。
26、如权利要求21所述的研磨装置，其特征在于，具备用于将研磨后的研磨对象物抛光清洗的抛光清洗用工作台。
27、如权利要求21所述的研磨装置，其特征在于，具备用于利用稀释氢氟酸来清洗研磨后的研磨对象物的稀释氢氟酸(DHF)供应设备。
28、如权利要求21所述的研磨装置，其特征在于，配备如下所述的终点检测装置中的至少一个以上，所述终点检测装置包括：具有对具有研磨面的工作台的工作台驱动电机的转矩电流变化进行检测的检测器、及运算所获得的检测信号来导出终点的运算器的终点检测装置；具有对研磨对象物表面的硅氧化膜或氮化硅膜的膜厚变化进行检测的检测器、及运算所获得的检测信号来导出终点的运算器的终点检测装置；或具有对材料的光反射率变化进行检测的检测器、及运算所获得的检测信号来导出终点的运算器的终点检测装置。
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