JP2005340325A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜の表面を十分に平坦化し得る半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッド１０４を用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、被研磨膜の表面を研磨する工程では、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤１２６と、水１２８とを、研磨パッド上に供給しながら、被研磨膜の表面を研磨する。研磨剤と純水とを供給しながら被研磨膜を研磨するため、被研磨膜に対する研磨が界面活性剤より成る添加剤により阻害されるのを抑制することができる。このため、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜の表面を平坦化することができる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に被研磨膜を研磨する半導体装置の製造方法に関する。

従来より、素子領域を画定する素子分離領域を形成するための技術として、ＬＯＣＯＳ（LOCal Oxidation of Silicon、局所酸化）法が広く知られている。

しかし、ＬＯＣＯＳ法により素子分離領域を形成した場合には、バーズビークによって素子領域が小さくなる傾向がある。また、ＬＯＣＯＳ法により素子分離領域を形成した場合には、基板表面に大きな段差が形成されてしまう。このため、ＬＯＣＯＳ法を用いて素子分離領域を形成する技術では、更なる微細化・高集積化が困難であった。

ＬＯＣＯＳ法に代わる方法として、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法が注目されている。ＳＴＩ法による素子分離領域の形成方法を図１５を用いて説明する。図１５は、従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図１５（ａ）に示すように、半導体基板２１０上に、シリコン酸化膜２１２、シリコン窒化膜２１４を順次形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、シリコン窒化膜２１４及びシリコン酸化膜２１２をパターニングする。これにより、シリコン窒化膜２１４及びシリコン酸化膜２１２に、半導体基板２１０に達する開口部２１６が形成される。

次に、開口部２１６が形成されたシリコン窒化膜２１４をマスクとして半導体基板２１０を異方性エッチングする。こうして、半導体基板２１０にトレンチ２１８が形成される。

次に、図１５（ｂ）に示すように、トレンチ２１８内及びシリコン窒化膜２１４上にシリコン酸化膜２２０を形成する。

次に、図１５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的研磨）法により、シリコン窒化膜２１４の表面が露出するまで、シリコン酸化膜２２０表面を研磨する。シリコン窒化膜２１４は、シリコン酸化膜２２０を研磨する際のストッパとして機能する。研磨剤としては、例えば、シリカより成る研磨砥粒とＫＯＨより成る添加剤とを含む研磨剤を用いる。こうして、トレンチ２１８内に、シリコン酸化膜２２０より成る素子分離領域２２１が埋め込まれる。素子分離領域２２１により素子領域２２２が画定される。

この後、シリコン窒化膜２１４及びシリコン酸化膜２１２をエッチング除去する。この後、素子領域２２２内にトランジスタ（図示せず）を形成する。こうして、半導体装置が製造される。

ＳＴＩ法を用いて素子分離領域２２１を形成すれば、ＬＯＣＯＳ法で素子分離領域を形成する場合のようなバーズビークが発生することはなく、素子領域２２２が狭くなってしまうのを防止することができる。また、トレンチ２１８の深さを深く設定することにより、実効的な素子間距離を長くすることができるため、高い素子分離機能を得ることができる。

しかしながら、上記のような研磨剤、即ち、シリカより成る研磨砥粒とＫＯＨより成る添加剤とを含む研磨剤を用いた従来の半導体装置の製造方法では、パターン依存性が比較的大きく、必ずしも良好な平坦性が得られなかった。

近時、良好な平坦性が得られる研磨剤として、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤が提案されている。提案されている研磨剤では、研磨砥粒として、例えば酸化セリウム（セリア、ＣｅＯ_２）が用いられている。また、添加剤として、例えばポリアクリル酸アンモニウム塩が用いられている。

提案されている研磨剤を用いれば、シリカより成る研磨砥粒にＫＯＨより成る添加剤が添加されて成る研磨剤を用いた場合と比較して、被研磨膜２２０の表面の平坦性を向上することが可能となる。
特開平１１−１９５７０２号公報 特開平１１−３１２６８７号公報

しかしながら、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合には、提案されている研磨剤を用いて被研磨膜の表面を平坦化することが困難な場合がある。例えば、深さの異なるトレンチ内に素子分離領域を埋め込む場合には、深さの異なるトレンチ毎に、エッチング、成膜、研磨のプロセスを行うことが必要な場合がある。この場合には、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きくなるため、被研磨膜の表面を平坦化することが困難となる。

本発明の目的は、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜の表面を十分に平坦化し得る半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水とを、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水との混合物を、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、研磨剤と純水とを供給しながら被研磨膜の表面を研磨するため、被研磨膜に対する研磨が界面活性剤より成る添加剤により阻害されるのを抑制することができる。このため、本発明によれば、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜の表面を平坦化することができる。

［一実施形態］
図１は、提案されている研磨剤の特性を示すグラフである。横軸は研磨圧力を示している。縦軸は研磨速度を示している。

図１から分かるように、提案されている研磨剤では、ある研磨圧力を境界として、その境界より小さい研磨圧力においては研磨速度が遅く、その境界より大きい研磨圧力においては研磨圧力にほぼ比例して研磨速度が速くなる。

図２は、提案されている研磨剤を用いた場合における研磨のメカニズムを示す概念図である。

図２（ａ）に示すように、被研磨膜２０の表面に凹凸が存在している状態においては、被研磨膜２０の凸部における角の部分に圧力が集中するため、被研磨膜２０の凸部の角の部分に高い圧力が加わる。被研磨膜２０の凸部の角の部分に高い圧力が加わると、図３に示すように、研磨剤中に添加剤２６として含まれている界面活性剤が、被研磨膜２０の凸部の角の部分から剥がされ、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤２６により阻害されにくくなる。図３は、提案されている研磨剤を用いた場合における研磨のメカニズムを示す断面図である。図３に示すように、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤２６により阻害されにくくなるため、被研磨膜２０の凸部が研磨砥粒２４により選択的に研磨され、被研磨膜２０は比較的速い研磨速度で平坦化される。

なお、研磨圧力を大きく設定するほど、被研磨膜２０に対する研磨速度は速くなる。研磨圧力を大きく設定するほど、被研磨膜２０に対する研磨速度が速くなるのは、研磨圧力を大きく設定するほど、研磨剤中に添加剤２６として含まれている界面活性剤が被研磨膜２０の凸部の角部から剥がれやすくなり、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤２６により阻害されにくくなるためである。

図２（ｂ）に示すように、被研磨膜２０の表面がほぼ平坦化された状態においては、高い圧力が一部に集中して加わることはなく、被研磨膜２０に加わる圧力は全体として平均化される。このため、被研磨膜２０の凸部における角の部分に加わる圧力が比較的小さくなる。このため、研磨剤中に添加剤２６として含まれている界面活性剤が剥がれにくくなり、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤２６により阻害される。このため、被研磨膜２０の表面が平坦化された状態においては、被研磨膜２０に対する研磨速度は極めて遅くなる。

図４は、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合を示す断面図である。

図４に示すように、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合には、高い圧力が被研磨膜２０の一部に集中して加わることはなく、被研磨膜２０に加わる圧力は全体として平均化される。このため、被研磨膜２０の凸部における角の部分に加わる圧力が比較的小さくなる。このため、研磨剤中に添加剤２６として含まれている界面活性剤が剥がれにくくなり、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤２６により阻害される。このため、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合には、被研磨膜２０に対する研磨速度は極めて遅く、被研磨膜２０の表面を平坦化することは困難となる。

被研磨膜２０の凸部に対する研磨が進行するためには、被研磨膜２０の表面が平坦な場合に被研磨膜２０の表面に加わる圧力に対して、約１．５倍以上の圧力が被研磨膜２０の凸部に加わることが必要と考えられる。

図５は、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率と凸部に加わる圧力との関係を示すグラフである。横軸は、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率を示している。縦軸は、凸部に加わる圧力を示している。

図５から分かるように、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、被研磨膜２０の凸部に加わる圧力は、被研磨膜２０の表面が平坦な場合に被研磨膜２０の表面に加わる圧力の１．５倍未満となる。

このことから、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、提案されている研磨剤を用いて被研磨膜２０の表面を平坦化することは困難であると考えられる。

本願発明者らは、鋭意検討した結果、研磨剤のみならず純水をも研磨パッド上に供給しながら被研磨膜２０の表面を研磨すれば、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜２０の表面を確実に平坦化し得ることに想到した。

図６は、被研磨膜の表面を研磨する際に研磨剤と純水とを研磨パッド上に供給する場合を示す断面図である。

図６に示すように、研磨剤のみならず純水をも研磨パッド１０４上に供給すれば、界面活性剤より成る添加剤２６が純水により希釈されるため、被研磨膜２０に対する研磨が添加剤２６により阻害されにくくなる。このため、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が比較的高い場合であっても、提案されている研磨剤を用いて被研磨膜２０の表面を確実に平坦化することが可能となる。

ところで、研磨剤のみならず純水をも研磨パッド１０４上に供給しながら被研磨膜２０の表面を研磨する場合には、被研磨膜２０が平坦化された際に、被研磨膜２０に対する研磨が添加剤２６により阻害されなくなる。このことは、被研磨膜２０が平坦化された際において被研磨膜２０の膜厚の面内分布がばらついてしまう要因となり得る。被研磨膜２０が平坦化された際における被研磨膜２０の膜厚の面内分布を均一化するためには、研磨速度のパターン依存性を小さくすることが重要である。研磨速度のパターン依存性を小さくするためには、被研磨膜２０の凸部に加わる圧力を、被研磨膜２０の表面が平坦な場合に被研磨膜２０の表面に加わる圧力に対して、約１．５倍未満に設定することが望ましい。被研磨膜２０の凸部に加わる圧力が、被研磨膜２０の表面が平坦な場合に被研磨膜２０の表面に加わる圧力の約１．５倍未満となるのは、被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合である。このことからも、被研磨膜の面積に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨剤のみならず純水をも研磨パッド１０４上に供給しながら被研磨膜２０を研磨することが有利であるといえる。

（研磨装置）
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を説明するに先立って、本実施形態で用いられる研磨装置について図７乃至図９を用いて説明する。図７は、研磨装置を示す平面図である。図８は、図７に示す研磨装置の一部を示す側面図である。図９は、図７に示す研磨装置の一部を示す拡大側面図である。

図７に示すように、基台１００上には、回転可能な研磨テーブル１０２ａ〜１０２ｃが３つ設けられている。

本実施形態では、例えば研磨テーブル１０２ａを用いて被研磨膜の表面を研磨する。なお、研磨テーブル１０２ｂ、１０２ｃを用いて被研磨膜の表面を研磨してもよい。

図８に示すように、研磨テーブル１０２ａ〜１０２ｃ上には、それぞれ研磨パッド１０４が設けられている。研磨パッド１０４は、例えば発泡ウレタンにより形成されている。研磨パッド１０４としては、例えばローデルニッタ社製の研磨パッド（型番：ＩＣ１４００）を用いる。

図７に示すように、基台１００上には、アーム１０８ａ〜１０８ｄを有するカルーセル１１０が設けられている。

アーム１０８ａ〜１０８ｄには、回転可能な研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄがそれぞれ設けられている。カルーセル１１０を適宜回転させることにより、研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄを移動させることが可能である。

図８に示すように、研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄは、半導体基板（半導体ウェハ）１０を支持する。研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄは、半導体基板１０を回転させながら、半導体基板１０を研磨パッド１０４に押し付ける。

研磨テーブル１０２ａ〜１０２ｃの上方には、それぞれ複数のノズル１２４ａ、１２４ｂが設けられている。ノズル１２４ａは、研磨剤１２６を研磨パッド１０４上に供給するためのものである。ノズル１２４ｂは、純水１２８を研磨パッド１０４上に供給するためのものである。

図７に示すように、研磨テーブル１０２ａ〜１０２ｃの側部には、研磨パッド１０４の目立てを行うための目立て装置１１４ａ〜１１４ｃがそれぞれ設けられている。

図９に示すように、目立て装置１１４は、ダイヤモンドディスク１１６を有している。ダイヤモンドディスク１１６は、例えばステンレスより成る台金１１８に、例えば１５０μｍ程度の粒状のダイヤモンド１２０を固定することにより構成されている。ダイヤモンド１２０は、１ｍｍ^２当たり数個〜数十個程度配置されている。ダイヤモンド１２０は、例えばニッケルめっき層１２２により台金１１８に固定されている。

こうして、本実施形態で用いられる研磨装置が構成されている。

なお、このような研磨装置としては、例えば、アプライドマテリアルズ社製の研磨装置（型番：ＭＩＲＲＡ３４００）等を挙げることができる。

（半導体装置の製造方法）
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を図１０乃至図１１を用いて説明する。図１０及び図１１は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、例えばシリコンより成る半導体基板１０上の全面に、例えば熱酸化法により、膜厚１０ｎｍのシリコン酸化膜１２を形成する。

次に、全面に、例えばＣＶＤ法により、膜厚２０ｎｍのシリコン窒化膜１３を形成する。

次に、全面に、例えばＣＶＤ法により、膜厚２０ｎｍのシリコン酸化膜１４を形成する。

シリコン酸化膜１２、シリコン窒化膜１３及びシリコン酸化膜１４により、積層膜１５が構成される。

次に、フォトリソグラフィ技術を用い、積層膜１５に半導体基板１０に達する開口部１６を形成する。

次に、開口部１６が形成された積層膜１５をマスクとして、半導体基板１０を異方性エッチングする。これにより、半導体基板１０にトレンチ１８が形成される。トレンチ１８の深さは、積層膜１５の表面から例えば９０ｎｍ程度とする（図１０（ａ）参照）。

次に、図１０（ｂ）に示すように、全面に、例えば高密度プラズマＣＶＤ法により、シリコン酸化膜２０を形成する。シリコン酸化膜２０の膜厚は、例えば１３０ｎｍとする。こうして、トレンチ１８内にシリコン酸化膜２０が埋め込まれ、表面に凹凸が存在するシリコン酸化膜２０が形成される。シリコン酸化膜２０は、被研磨膜となるものである。被研磨膜２０の表面に存在する凸部の面積率は６５％以上となっている。

次に、半導体基板１０を、研磨ヘッド１１２ａ（図７参照）により支持する。この際、被研磨膜２０が半導体基板１０の下面側に位置するようにする。

次に、研磨パッド１０４の目立て（コンディショニング）を行う。

研磨パッド１０４の目立ては、以下のようにして行う。即ち、図９に示すように、ダイヤモンドディスク１１６を回転させながら、ダイヤモンドディスク１１６を降下させ、ダイヤモンドディスク１１６の下面側を研磨パッド１０４の表面に押し付ける。この際、研磨テーブル１０２ａを回転させるとともに、ノズル１２４ｂを介して研磨パッド１０４上に純水１２８を供給する。

研磨パッド１０４の目立てを行う際の条件は、例えば以下の通りとする。

目立てを行う際に研磨パッド１０４上に供給する純水１２８の供給量は、例えば０．１〜０．３リットル／分の範囲とする。ここでは、純水１２８の供給量を０．２リットル／分とする。

ダイヤモンドディスク１１６が研磨パッド１０４に加える荷重は、例えば１．３〜４．６ｋｇ重の範囲とする。ここでは、ダイヤモンドディスク１１６が研磨パッド１０４に加える荷重を４．１ｋｇ重とする。

ダイヤモンドディスク１１６の回転数は、例えば７０〜１２０回転／分の範囲とする。ここでは、ダイヤモンドディスク１１６の回転数を９８回転／分とする。

研磨テーブル１０２ａの回転数は、例えば７０〜１２０回転／分の範囲とする。ここでは、研磨テーブル１０２ａの回転数を１０５回転／分とする。

研磨パッド１０４の目立てを行う時間は、例えば５〜１２０秒の範囲とする。ここでは、研磨パッド１０４の目立てを行う時間を４８秒とする。

なお、研磨パッド１０４の目立てを行う際の条件は、上記に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

こうして、研磨パッド１０４の表面の目立てが終了する。

次に、カルーセル１１０を反時計回りに９０度程度回転させる。これにより、半導体基板１０を支持する研磨ヘッド１１２ａが、上面に研磨パッド１０４が設けられた研磨テーブル１０２ａ上に位置することとなる。

次に、ＣＭＰ法により、半導体基板１０に形成された被研磨膜２０に対してメイン研磨を行う（図１０（ｃ）参照）。

メイン研磨は、以下のようにして行う。即ち、研磨ヘッド１１２ａにより半導体基板１０を回転させながら、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４の表面に押し付ける。この際、ノズル１２４ａを介して研磨パッド１０４上に研磨剤１２６を供給するとともに、ノズル１２４ｂを介して研磨パッド１０４上に純水１２８を供給する。また、この際、研磨テーブル１０２ａについても回転させる。

研磨剤１２６としては、例えば、研磨砥粒２４に界面活性剤より成る添加剤２６が添加されて成る研磨剤を用いる。このような研磨剤では、研磨砥粒２４として、例えば酸化セリウム（セリア）が用いられている。また、このような研磨剤では、添加剤２６として、例えばポリアクリル酸アンモニウム塩等が用いられている。このような研磨剤としては、例えば、ＥＫＣテクノロジー株式会社製の研磨剤（型番：Ｍｉｃｒｏ Ｐｌａｎｅｒ ＳＴＩ２１００）を挙げることができる。

メイン研磨の際における研磨条件は、以下の通りとする。

研磨剤１２６の供給量は、例えば０．０５〜０．５リットル／分の範囲とする。ここでは、研磨剤１２６の供給量を０．０７リットル／分とする。

純水１２８の供給量は、例えば０．０５〜０．５リットル／分の範囲とする。ここでは、純水１２８の供給量を０．２８リットル／分とする。

研磨剤１２６の供給量に対する純水１２８の供給量は、２倍以上に設定することが望ましい。研磨剤１２６の供給量に対する純水１２８の供給量を２倍以上に設定することが望ましい理由については、後述することとする。

研磨ヘッド１１２ａを研磨パッド１０４に押し付ける圧力、即ち、研磨圧力は、例えば７０〜７００ｇ重／ｃｍ^２の範囲とする。ここでは、研磨圧力を２１０ｇ重／ｃｍ^２とする。

研磨ヘッド１１２ａの回転数は、例えば５０〜１５０回転／分の範囲とする。ここでは、研磨ヘッド１１２ａの回転数を１２２回転／分とする。

研磨テーブル１０２ａの回転数は、例えば５０〜１５０回転／分の範囲とする。ここでは、研磨テーブル１０２ａの回転数を１２０回転／分とする。

なお、メイン研磨を行う際の条件は、上記に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

メイン研磨の終点検出は、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧又は駆動電流に基づいて行う。

メイン研磨の際における研磨テーブル１０２ａの駆動電圧又は駆動電流は、例えば図１２に示すように変化する。図１２は、研磨テーブルの駆動電圧・駆動電流の変化を概念的に示すグラフである。

被研磨膜２０に対する研磨の初期の段階においては、図１２に示すように研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流は、急激に上昇していく。一定時間の経過の後、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流の単位時間当たりの変化量は徐々に小さくなり、最終的には研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流は殆ど変化しなくなる。研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流のこのような変化は、ウェハ表面に露出する膜の種類の変化やウェハ表面に存在する段差の変化に起因して生ずる。本実施形態の場合には、研磨の進行により被研磨膜であるシリコン酸化膜２０が除去され、シリコン酸化膜２０の下に存在するシリコン酸化膜１４やシリコン窒化膜１３がウェハ表面に露出し始めることにより、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流の変化が生じると考えられる。シリコン酸化膜２０及びシリコン酸化膜１４はいずれもシリコン酸化膜であるが、成膜方法が異なるため、研磨の際における摩擦が異なり、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流の変化が生じると考えられる。

このように、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧・駆動電流の単位時間当たりの変化量を観測することにより、終点検出を行うことができる。具体的には、単位時間当たりの駆動電圧又は駆動電流の変化量が一定値より小さくなった時点を、メイン研磨の終点とすることができる。

なお、ここでは、メイン研磨の終点検出を研磨テーブル１０２ａの駆動電圧又は駆動電流に基づいて行う場合を例に説明したが、メイン研磨の終点を検出する方法はこれに限定されるものではなく、他の方法を用いてメイン研磨の終点を検出してもよい。例えば、研磨テーブル１０２ａのトルクを観測することにより、終点検出を行ってもよい。研磨テーブル１０２ａのトルクも、研磨テーブル１０２ａの駆動電流や駆動電圧と同様に変化する。また、研磨ヘッド１１２ａの駆動電圧、駆動電流又はトルク等を観測することによっても、メイン研磨の終点を検出することが可能である。

また、ウェハ表面における光の反射率の変化を観測することにより、メイン研磨の終点を検出してもよい。

こうして、被研磨膜２０の下に存在するシリコン酸化膜１４又はシリコン窒化膜１３がウェハ表面に露出し始めたことが、上記のような方法により検出される。

上記のようにしてメイン研磨の終点を検出した段階では、シリコン酸化膜１４又はシリコン窒化膜１３が露出している領域はウェハ表面全体のうちのごく一部であり、ウェハ表面全体のうちの殆どの領域には、シリコン窒化膜１３上にシリコン酸化膜１４や被研磨膜２０が残っている（図１０（ｃ）参照）。シリコン窒化膜１３上にシリコン酸化膜１４や被研磨膜２０が残っていると、シリコン窒化膜１３及びシリコン酸化膜１２をエッチング除去することができないため、シリコン窒化膜１３上のシリコン酸化膜１４及び被研磨膜２０を除去する必要がある。

このため、本実施形態では、メイン研磨の終点を検出した段階では被研磨膜２０に対する研磨を直ちに終了することはせず、シリコン窒化膜１３上のシリコン酸化膜１４及び被研磨膜２０を除去するための研磨を引き続き行う。なお、このような研磨は、オーバー研磨と称される。

オーバー研磨の条件は、例えばメイン研磨の条件と同様とする。オーバー研磨の時間は、例えば所定時間とする。ここでは、オーバー研磨の時間を、３０秒とする。

なお、オーバー研磨を行う際における研磨条件や研磨時間は、上記に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

こうして、オーバー研磨が終了し、シリコン窒化膜１３上のシリコン酸化膜１４及び被研磨膜２０が除去される（図１１（ａ）参照）。

次に、半導体基板１０に対して洗浄を行う。半導体基板１０の洗浄は、例えば以下のようにして行う。即ち、まず、例えば０．３ｗｔ％のアンモニア水溶液を用い、半導体基板１０の表面をブラシにより洗浄する。この後、例えば０．５ｗｔ％のフッ酸を用い、半導体基板１０の表面を更にブラシにより洗浄する。この後、半導体基板１０に対して純水リンスを行う。この後、半導体基板１０を乾燥させる。このようにして、半導体基板１０が洗浄される。

次に、図１１（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜１３及びシリコン酸化膜１２をエッチング除去する。トレンチ１８内に埋め込まれたシリコン酸化膜２０より成る素子分離領域２１により、素子領域２２が画定される。

この後、素子領域２２内に、トランジスタ等（図示せず）を形成する。

こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。

（評価結果）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法の評価結果を図１３及び図１４を用いて説明する。

図１３は、被研磨膜の研磨速度の面内分布を示すグラフである。横軸は、半導体ウェハの中心からの距離を示しており、縦軸は、研磨速度を示している。

比較例１は、研磨剤のみを供給しながらメイン研磨を行った場合を示している。比較例２は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：１に設定した場合を示している。実施例１は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：２に設定した場合を示している。実施例２は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：２．５に設定した場合を示している。実施例３は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：３に設定した場合を示している。実施例４は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：４に設定した場合を示している。実施例５は、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：５に設定した場合を示している。なお、ここでは、表面に凹凸が形成されていない平坦なウェハを用いて、研磨速度の評価を行った。

図１３から分かるように、比較例１の場合、即ち、メイン研磨の際に研磨剤のみを供給しながら被研磨膜２０の表面を研磨した場合には、研磨速度が極めて遅い。比較例１において研磨速度が極めて遅くなるのは、被研磨膜２０に対する研磨が界面活性剤より成る添加剤により阻害されるためと考えられる。

比較例２の場合、即ち、研磨剤の供給量と純水の供給量との比を１：１に設定した場合には、研磨速度の面内分布が著しくばらついてしまう。比較例２において研磨速度の面内分布が著しくばらついてしまうのは、以下のような理由によるものと考えられる。即ち、研磨剤が純水により十分に希釈された箇所においては、添加剤が研磨を阻害しないため、比較的速い研磨速度で被研磨膜２０の表面が研磨される。一方、研磨剤が純水により殆ど希釈されていない箇所においては、添加剤により研磨が阻害されるため、被研磨膜２０に対する研磨速度が著しく遅くなる。このため、比較例２においては、研磨速度の面内分布が著しくばらついているものと考えられる。

実施例１乃至５の場合には、いずれにおいても、研磨速度の面内分布がほぼ均一となっている。実施例１乃至５において研磨速度の面内分布がほぼ均一になっているのは、研磨剤が純水により十分に希釈され、被研磨膜２０に対する研磨が添加剤により殆ど阻害されていないためと考えられる。

これらのことから、研磨剤の供給量に対する純水の供給量は、２倍以上に設定することが望ましいということが分かる。

図１４は、オーバー研磨を行った後にシリコン窒化膜上に残存しているシリコン酸化膜の膜厚を示すグラフである。実施例６は、オーバー研磨の時間を３０秒に設定した場合を示している。比較例３は、オーバー研磨の時間を２０秒に設定した場合を示している。比較例４は、オーバー研磨の時間を１０秒に設定した場合を示している。なお、ここでは、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が９９．９８％の場合について評価を行った。
また、シリコン酸化膜の膜厚を測定する際には、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製の膜厚測定装置（型番：ＡＳＥＴ−Ｆ５ｘ）を用いた。

図１４に示すように、比較例３の場合には、１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜がシリコン窒化膜１３上に残存していた。

比較例４の場合には、シリコン窒化膜１３上に残存しているシリコン酸化膜の膜厚は、０ｎｍであった。但し、光学顕微鏡を用いてシリコン窒化膜１３の表面を観察した結果、シリコン窒化膜１３上にシリコン酸化膜がわずかに残存していることが確認された。

一方、実施例６の場合には、シリコン窒化膜１３上に残存しているシリコン酸化膜の膜厚は、０ｎｍであった。しかも、実施例６の場合には、光学顕微鏡を用いてシリコン窒化膜１３の表面を観察した場合においても、シリコン窒化膜１３上にシリコン酸化膜が残存していることは確認されなかった。

これらのことから、オーバー研磨を３０秒程度行うことにより、シリコン窒化膜１３上のシリコン酸化膜１４及び被研磨膜２０を確実に除去しうることが分かる。

このように、本実施形態によれば、研磨剤と純水とを供給しながらメイン研磨を行うため、被研磨膜に対する研磨が界面活性剤より成る添加剤により阻害されるのを抑制することができる。このため、本実施形態によれば、被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合であっても、被研磨膜の表面を平坦化することができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、研磨パッド１０４上に研磨剤と純水とを供給しながら被研磨膜の表面を研磨する場合を例に説明したが、純水により希釈された研磨剤を研磨パッド１０４上に供給しながら、被研磨膜の表面を研磨してもよい。即ち、研磨剤と純水との混合物を研磨パッド１０４上に供給しながら、被研磨膜の表面を研磨してもよい。

また、上記実施形態では、研磨砥粒２４として酸化セリウム（セリア）が用いられた研磨剤１２６を用いる場合を例に説明したが、研磨剤１２６に含まれる研磨砥粒２４は酸化セリウムに限定されるものではない。例えば、研磨砥粒として酸化シリコン（シリカ）が用いられた研磨剤を用いてもよい。かかる研磨剤としては、例えば、花王株式会社製のＫＳ−Ｓ−２１０を挙げることができる。

また、上記実施形態では、ＳＴＩ法により素子分離領域を形成する場合等を例に説明したが、本発明は、素子分離領域を形成する場合に限定されるものではなく、被研磨膜の表面を研磨する際に広く用いることができる。

以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下のようになる。

（付記１）
表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水とを、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記２）
表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水との混合物を、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記３）
付記１又は２記載の半導体装置の製造方法において、
前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記研磨剤の量に対する前記水の量の比を２以上に設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記４）
付記１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、研磨テーブル又は研磨ヘッドの駆動電圧、駆動電流又はトルクの変化に基づいて、研磨の終点を検出する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記５）
付記１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記被研磨膜の表面を研磨する工程の後に、少なくとも前記被研磨膜の表面を更に所定時間研磨する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記６）
付記１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記被研磨膜は、溝が形成された半導体基板上に形成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記７）
付記１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨砥粒は、酸化セリウム又は酸化シリコンより成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記８）
付記１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記添加剤は、ポリアクリル酸アンモニウム塩より成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記９）
付記８記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨剤に含まれている前記添加剤の濃度は、３重量％以下である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

提案されている研磨剤の特性を示すグラフである。 提案されている研磨剤を用いた場合における研磨のメカニズムを示す概念図である。 提案されている研磨剤を用いた場合における研磨のメカニズムを示す断面図である。 被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が比較的大きい場合を示す断面図である。 被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率と凸部に加わる圧力との関係を示すグラフである。 被研磨膜の表面を研磨する際に研磨剤と純水とを研磨パッド上に供給する場合を示す断面図である。 研磨装置を示す平面図である。 図７に示す研磨装置の一部を示す側面図である。 図７に示す研磨装置の一部を示す拡大側面図である。 本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 研磨テーブルの駆動電圧・駆動電流の変化を概念的に示すグラフである。 被研磨膜の研磨速度の面内分布を示すグラフである。 オーバー研磨を行った後にシリコン窒化膜上に残存しているシリコン酸化膜の膜厚を示すグラフである。 従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

符号の説明

１０…半導体基板
１２…シリコン酸化膜
１３…シリコン窒化膜
１４…シリコン酸化膜
１５…積層膜
１６…開口部
１８…トレンチ
２０…シリコン酸化膜、被研磨膜
２１…素子分離領域
２２…素子領域
２４…研磨砥粒
２６…添加剤
１００…基台
１０２ａ〜１０２ｃ…研磨テーブル
１０４…研磨パッド
１０８ａ〜１０８ｄ…アーム
１１０…カルーセル
１１２ａ〜１１２ｄ…研磨ヘッド
１１４ａ〜１１４ｃ…目立て装置
１１６…ダイヤモンドディスク
１１８…台金
１２０…ダイヤモンド
１２２…ニッケルめっき層
１２４ａ、１２４ｂ…ノズル
１２６…研磨剤
１２８…純水
２１０…半導体基板
２１２…シリコン酸化膜
２１４…シリコン窒化膜
２１６…開口部
２１８…トレンチ
２２０…シリコン酸化膜、被研磨膜
２２１…素子分離領域
２２２…素子領域

Claims (5)

1. 表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水とを、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 表面に凹凸が存在する被研磨膜の表面を研磨パッドを用いて研磨する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、前記被研磨膜の表面に存在する凸部の面積率が６５％以上の場合には、研磨砥粒に界面活性剤より成る添加剤が添加されて成る研磨剤と、水との混合物を、前記研磨パッド上に供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法において、
   前記被研磨膜の表面を研磨する工程では、研磨テーブル又は研磨ヘッドの駆動電圧、駆動電流又はトルクの変化に基づいて、研磨の終点を検出する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記研磨砥粒は、酸化セリウム又は酸化シリコンより成る
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記添加剤は、ポリアクリル酸アンモニウム塩より成る
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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