JP2009267367A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン酸化膜のパターンに対して平坦性の高い平坦化処理が可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する前記研磨スラリーを弾性率が３００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである前記研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、前記研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件で前記被研磨体を前記研磨パッドに当接させる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体装置の製造プロセスに用いられる平坦化技術としては、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing法）が主流となっている。特に、シリコン酸化膜のＣＭＰプロセスは、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）形成やＰＭＤ（Pre Metal Dielectric）平坦化等に用いられており、デバイス製造において不可欠であり、半導体装置の製造プロセスにおいて非常に重要な位置づけとなっている。

従来、ＣＭＰプロセスにおいて発生するディッシング等の平坦性の劣化は、パターンのデザインにより回避している。しかしながら、大面積の凸部を有するパターンの場合には、パターンのデザインだけではディッシング等の平坦性の劣化を回避できない。このため、大面積の凸部を平坦化する際にディッシング等の平坦性の劣化を生じない技術が求められている。

従来、ディッシングの発生を防止する観点からは、例えば研磨液に少なくとも１つの親水基を有する分子量１００以上の有機化合物を添加する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、大面積の凸部の領域を上記従来の技術を用いて平坦化しようとすると、研磨パッドの弾性変形により凸部の端部のみに高圧力が印加され、凸部の中心側に向かうに従って印加される圧力が低下するため、均一な研磨が行われずに平坦性が劣化する、という問題がある。このような現象は、２ｍｍ角以上の大面積で、かつ凸部被覆率が８０％以上の高密度パターンで顕在化する。

特許第３２７８５３２号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シリコン酸化膜のパターンに対して平坦性の高い平坦化処理が可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する前記研磨スラリーを弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである前記研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、前記研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件で前記被研磨体を前記研磨パッドに当接させること、を特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本願発明の他の態様によれば、研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、前記研磨スラリーが、表面にカチオン性官能基を有する樹脂粒子と酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有すること、を特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本願発明の他の態様によれば、研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、表面にカチオン性官能基を有する樹脂粒子と酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する前記研磨スラリーを弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである前記研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、前記研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件で前記被研磨体を前記研磨パッドに当接させること、を特徴と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、シリコン酸化膜のパターンに対して平坦性の高い平坦化処理が可能な半導体装置の製造方法を提供することができる、という効果を奏する。

図１は、この発明の実施形態に従った半導体装置の製造方法により平坦化処理を実施する処理対象の一例を示す断面図である。 図２は、この発明の実施形態に従った半導体装置の製造方法を適用してシリコン酸化膜の平坦化処理を行う研磨装置の概略構成を示す模式図である。 図３は、従来のシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。 図４は、この発明の一実施形態に従った高弾性率の研磨パッドによるシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。 図５は、この発明の他の実施形態に従ったカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を研磨スラリーに含有させることによる作用を説明するための模式図である。 図６は、この発明の他の実施形態に従ったカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を研磨スラリーに含有させることにより、酸化セリウム粒子が研磨パッドに固定された状態を説明するための模式図である。 図７は、高弾性率の研磨パッドと、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーと、を組み合わせた場合のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。 図８は、この発明の実施形態に従った試料を説明するための模式図である。 図９は、この発明の実施形態に従った試料を説明するための模式図である。 図１０は、この発明の実施形態に従った実施例のＣＭＰ処理条件を示す図である。 図１１は、この発明の実施形態に従った比較例のＣＭＰ処理条件を示す図である。 図１２は、この発明の実施形態に従った実施例のＣＭＰ処理条件を示す図である。 図１３は、この発明の実施形態に従った比較例のＣＭＰ処理条件を示す図である。 図１４は、この発明の実施形態に従ったパターンＡの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果を示す図である。 図１５は、この発明の実施形態に従ったパターンＢの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果を示す図である。 図１６は、この発明の実施形態に従ったパターンＢの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果を示す図である。 図１７は、この発明の実施形態に従ったパターンＢの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果を示す図である。 図１８は、この発明の実施形態に従った実施例と比較例とのＣＭＰ処理後の研磨面の状態を示す模式図である。 図１９は、この発明の実施形態に従った実施例の研磨スラリーにおけるアニオン性界面活性剤の含有量と酸化セリウムの凝集粒子径との関係を示す図である。 図２０は、研磨スラリーの温度を変化させた場合のζ（ゼータ）電位の変化を示す特性図である。 図２１は、研磨スラリーの温度が高温である場合の酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤との吸着状態を示す模式図である。 図２２は、研磨スラリーの温度が低温である場合の酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤との吸着状態を示す模式図である。 図２３は、シリコン酸化膜のＣＭＰ処理での、研磨荷重と研磨速度との関係の研磨スラリー温度による変化の一例を示す特性図である。 図２４は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにおける凹部保護状態を示す模式図である。 図２５は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーにおける凹部保護状態を示す模式図である。 図２６は、酸化セリウム粒子の含有量が多い研磨スラリーを用いたＣＭＰ処理時のシリコン酸化膜−研磨パッド間の状態を説明するための模式図である。 図２７は、酸化セリウム粒子の含有量が少ない研磨スラリーを用いたＣＭＰ処理時のシリコン酸化膜−研磨パッド間の状態を説明するための模式図である。 図２８は、この発明の実施形態に従った半導体装置の製造方法を適用してシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を行う研磨装置の概略構成を示す模式図である。 図２９は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを用いたシリコン酸化膜のＣＭＰ処理における研磨パッドの表面温度特性の一例を示す特性図である。 図３０は、この発明の実施形態に従った試料を説明するための模式図である。 図３１は、この発明の実施形態に従った実施例のＣＭＰ処理条件を示す図である。 図３２は、この発明の実施形態に従った試料を説明するための模式図である。 図３３は、この発明の実施形態に従った研磨パッドの深さと弾性率との関係の一例を示す特性図である。 図３４は、この発明の実施形態に従った試料を説明するための模式図である。 図３５は、この発明の実施形態に従った実施例および比較例のスクラッチの発生状態とグローバル平坦性を示す図である。 図３６は、この発明の実施形態に従った実施例および比較例のグローバル平坦性を示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変型例も包含する。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を適用してＣＭＰにより平坦化処理を実施する処理対象の一例である半導体基板１０を示す断面図である。半導体基板１０は、凸部１３ａと凹部１４ａとからなる微細なパターンが形成された凸部被覆率（凸部の割合）が８０％以上である２ｍｍ角以上の領域を有するシリコン基板１１上に、絶縁膜としてシリコン酸化膜１２が形成されている。なお、シリコン基板１１には、トランジスタの拡散層やゲート等の各種のデバイス部分が適宜形成されているが、ここでは図示を省略している。また、シリコン酸化膜１２には、凸部１３と凹部１４とが形成されている。ここで、凸部被覆率が８０％以上で２ｍｍ角以上の領域に及んで微細なパターンが形成されている場合、この微細なパターンがシリコン酸化膜１２成膜時に閉塞し、大面積の凸部１３が形成される。以下では、このような凸部１３に対して平坦性の高い平坦化処理を行うことが可能な半導体装置の製造方法について説明する。

図２は、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を適用して半導体基板１０のシリコン酸化膜１２の平坦化処理を行う研磨装置の概略構成を示す模式図である。この研磨装置は、回転可能な研磨定盤（研磨テーブル）２１と、研磨定盤２１上に貼付されたポリウレタン樹脂からなる研磨パッド２２と、研磨定盤２１の上方に配置されており、回転可能な真空チャックホルダ２３と、研磨液タンクに接続されるとともに吐出部が研磨パッド２２近傍まで延出した研磨液供給用配管２４を備えて構成されている。研磨対象となる試料２０は、研磨パッド２２に被研磨面が対向するように真空チャックホルダ２３に真空チャックされる。また、研磨液供給用配管２４は、研磨液の供給量を制御する手段（図示せず）を備えている。

つぎに、この研磨装置を用いて半導体基板１０のシリコン酸化膜１２にＣＭＰを施して平坦化処理を行う方法について説明する。

図３は、従来のシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。図３に示されるように、シリコン酸化膜１２のＣＭＰ処理に際して、研磨パッド１０１上に酸化セリウム粒子１０３とアニオン性界面活性剤１０２とを含有する研磨スラリーが供給される。ここで、アニオン性界面活性剤１０２としては、例えばポリカルボン酸またはその塩を使用することができ、研磨パッド１０１とシリコン酸化膜１２との間で、アニオン性界面活性剤１０２が砥粒である酸化セリウム粒子１０３を被覆した状態となっている。

従来、シリコン酸化膜１２のＣＭＰにおいて一般的に使用されている研磨パッド１０１は、弾性率が３００ＭＰａ程度と小さく、ＣＭＰ処理時に弾性変形しやすい。また、従来、シリコン酸化膜１２のような硬質材料のＣＭＰ処理において一般的に使用されている研磨圧力は３０ｈＰａ乃至７００ｈＰａ程度であるが、生産効率を向上させるためにこの範囲の中でも高い圧力が使用されている。また、従来、シリコン酸化膜１２のような硬質材料のＣＭＰ処理において一般的に使用されている研磨パッド１０１の回転数は５ｒｐｍ〜２００ｒｐｍ程度であるが、生産効率を向上させるためにこの範囲の中でも高い回転数が使用されている。すなわち、シリコン酸化膜１２は、銅（Ｃｕ）などの材料と比較して硬い材料であり、研磨されにくい。このため、生産効率を向上させるために上記の範囲の中でも高圧力、高回転の条件が使用されているが、このような条件ではＣＭＰ処理時に研磨パッド１０１が弾性変形しやすい。

そして、例えば凸部被覆率が８０％以上である２ｍｍ角以上の面積を有するシリコン酸化膜１２にＣＭＰ処理を施す場合には、シリコン酸化膜１２の凸部１３のエッジ部に圧力が集中し、該エッジ部の研磨が選択的に進行する。これに対し、凸部１３のエッジ部分から中央部へ向かうにつれて圧力は低下し、シリコン酸化膜１２の凸部１３の中央部近辺は実質的に圧力が印加されづらく、研磨が進行しにくい。この結果、平坦性（グローバル平坦性）が低下する傾向がある。

そこで、一実施の形態では、弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに、研磨条件は研磨圧力を５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａとし、研磨パッドの回転数を１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍとして研磨を行う。ここで、弾性率は、ナノインデンター法により測定した値である。なお、動的粘弾性測定法により、研磨パッド全体（バルク部）の弾性率を測定することもできる。

図４は、一実施の形態における高弾性率の研磨パッドによるシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。図４に示されるように、シリコン酸化膜１２のＣＭＰ処理に際して、研磨パッド２２上に酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とを含有する研磨スラリーが供給される。ここで、アニオン性界面活性剤３２として、従来と同様にポリカルボン酸またはその塩を使用することができ、研磨パッド２２とシリコン酸化膜１２との間で、アニオン性界面活性剤３２が砥粒である酸化セリウム粒子３１を被覆した状態となっている。

一実施の形態では、高弾性率の研磨パッド２２を用いることで、ＣＭＰ処理時における研磨パッド２２の弾性変形を抑制することができ、さらに、研磨圧力を低く設定することで、ＣＭＰ処理時における研磨パッド２２の弾性変形をさらに抑制することができる。これに加えて、研磨パッド２２の回転数を低く設定することで、研磨粒子である酸化セリウム粒子３１が研磨パッド２２外へ飛散しづらくなり、酸化セリウム粒子３１が研磨パッド２２へ固定されやすくなり、平坦性を改善するとともに効率的なＣＭＰ処理が可能となる。

研磨パッド２２の弾性率が４００ＭＰａ未満である場合には、ＣＭＰ処理時に研磨パッド２２が大きく弾性変形してしまい、シリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。研磨パッド２２の弾性率が６００ＭＰａよりも大である場合には、研磨面におけるスクラッチが増加する。

また、研磨圧力が５０ｈＰａ未満である場合には、研磨速度が低下（凸部研磨力が低下）し、シリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。研磨圧力が２００ｈＰａより大きい場合には、研磨パッド２２の弾性変形が大きくなり、シリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。また、研磨パッド２２の回転数が１０ｒｐｍ未満である場合には、遠心力の低下により研磨面における研磨スラリーの供給不足が発生し、研磨速度が低下する。研磨パッドの回転数が８０ｒｐｍより大きい場合には、遠心力により研磨面に酸化セリウム粒子３１が保持されづらく、シリコン酸化膜１２の平坦性が劣化する虞が生じる。

このような高弾性率の研磨パッド２２としては、例えば無発泡材により構成された研磨パッドが挙げられるが、これに限定されるものではなく、発泡材料により構成された高弾性率の研磨パッドを用いることもできる。

また、従来の研磨スラリーでは、図３に示すようにアニオン性界面活性剤１０２に被覆された砥粒である酸化セリウム粒子１０３が研磨パッド１０１に固定されていないため、遊離砥粒がシリコン酸化膜１２の凹部１４に進入し、凹部１４の研磨を進行させる。さらに、遊離砥粒によりシリコン酸化膜１２の凸部１３を研磨するのに有効な砥粒（酸化セリウム粒子１０３）が減少し、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が低下し、シリコン酸化膜１２の平坦性が不十分となる傾向がある。

そこで、他の実施の形態では、アニオン性界面活性剤３２（例えばポリカルボン酸またはその塩）に被覆された研磨粒子（酸化セリウム粒子３１）の研磨パッド２２への固定化効果を高めるため、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３とを含有する研磨スラリーを使用する。図５は、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を研磨スラリーに含有させることによる作用を説明するための模式図である。

研磨パッド（研磨布）２２と樹脂粒子３３は、ともに有機材料であり、有機材料同士の分子間力（ファンデルワールス力）によって両者は相互作用しやすい。しかも、一般にポリウレタン樹脂からなる研磨パッド２２の表面は、ポリウレタン樹脂の加水分解により、ＯＨ基やＣＯＯＨ基が存在し、マイナスに帯電している。このため、電気的相互作用によりカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３は研磨パッド２２に吸着する。さらに、砥粒である酸化セリウム粒子３１を被覆しているアニオン性界面活性剤３２はマイナスに帯電しているため、同じく電気的相互作用によりカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３は酸化セリウム粒子３１にも吸着する。

したがって、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を含有させることで、研磨パッド２２に対する砥粒（酸化セリウム粒子３１）固定の作用が発生し、砥粒（酸化セリウム粒子３１）のシリコン酸化膜１２の凹部１４への進入を抑制するため、シリコン酸化膜１２の凸部１３のみを効率的に研磨することが可能になる。図６は、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を研磨スラリーに含有させることにより、酸化セリウム粒子３１が研磨パッド２２に固定された状態を説明するための模式図である。さらに、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３がシリコン酸化膜１２上に吸着し、シリコン酸化膜１２の凹部１４を保護するため、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が向上し、シリコン酸化膜１２の平坦性を改善することが可能になる。

ここで、研磨スラリーにおけるカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の濃度は、０．００１ｗｔ％〜１０ｗｔ％とすることが好ましい。カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の濃度が０．００１ｗｔ％未満の場合には、シリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の濃度が１０ｗｔ％より大である場合には、研磨速度が低下し、またシリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。

また、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の平均粒子径は、１０ｎｍ〜３μｍの範囲のものを用いることが好ましい。カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の平均粒子径が１０ｎｍ未満の場合には、シリコン酸化膜１２の平坦性の改善効果が小さい。カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の平均粒子径が３μｍより大である場合には、粒子凝集が生じ、研磨面のスクラッチが増加する。

図７は、高弾性率（高硬度）の研磨パッドと、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーと、を組み合わせた場合のＣＭＰ処理を説明するための模式図である。図７に示すように、上述した無発泡材（無発泡ポリウレタン樹脂）より構成した高弾性率（高硬度）の研磨パッド２２と、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を含有させた研磨スラリーと、を組み合わせてＣＭＰ処理を行うことにより、ＣＭＰ処理時における研磨パッド２２の弾性変形を抑制し、また酸化セリウム粒子３１を研磨パッド２２へ固定することができ、シリコン酸化膜１２の平坦性をさらに改善することができる。

また、本実施の形態では、アニオン性界面活性剤３２の分子量を低分子量化することで、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２の凝集を緩和する。これにより、研磨圧力に敏感な研磨速度を得ることができ、シリコン酸化膜１２の平坦性を向上させることができる。これは、アニオン性界面活性剤３２の低分子量化により、砥粒（研磨粒子）である酸化セリウム粒子３１の表面に吸着した界面活性剤の疎水部相互作用が弱くなり、粒子凝集を緩和することができるためである。

ここで、アニオン性界面活性剤３２の分子量は、５００〜１０，０００とし、好ましくは５００〜５，０００とする。アニオン性界面活性剤３２の分子量が５００未満である場合には、アニオン性界面活性剤３２による酸化セリウム粒子３１の被覆が不十分となり、研磨圧力が低い場合でも研磨が進みやすいためシリコン酸化膜１２の平坦性が不十分となる虞があり、また研磨面におけるスクラッチが増加する。アニオン性界面活性剤３２の分子量が１０，０００より大である場合には、酸化セリウム粒子３１の凝集が大きくなるため研磨速度が低下し、シリコン酸化膜１２の平坦性が不十分となる虞がある。

また、研磨スラリーにおけるアニオン性界面活性剤３２の濃度は、０．００１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。アニオン性界面活性剤３２の濃度が０．００１ｗｔ％未満の場合は、シリコン酸化膜１２の平坦性が不十分となる虞がある。アニオン性界面活性剤３２の濃度が１０ｗｔ％より大である場合は、シリコン酸化膜１２の平坦性が不十分となる虞があり、また研磨面のスクラッチが増加する。

一方、研磨スラリーにおける砥粒である酸化セリウム粒子３１の濃度は、０．０５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。酸化セリウム粒子３１の濃度が０．０５ｗｔ％未満の場合には研磨速度が低下する。酸化セリウム粒子３１の濃度が１０ｗｔ％より大である場合には研磨面におけるスクラッチが増加する。

なお、酸化セリウム粒子３１は、一次粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のものを用いることが好ましい。一次粒子径が５ｎｍ未満の場合は、研磨速度が低下する。一次粒子径が１００ｎｍより大である場合は粒子が凝集しやすくなり、研磨スラリーにおいて凝集した粒子の沈降が生じるため、研磨面におけるスクラッチが増加する。酸化セリウム粒子３１の一次粒子径は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で直接測定することができ、本実施の形態ではＴＥＭによる測定値を基準としている。

また、酸化セリウム粒子３１の二次粒子径は、５０ｎｍ〜３μｍの範囲であることが好ましい。二次粒子径が５０ｎｍ未満の場合には、研磨速度が低下する。二次粒子径が３μｍより大である場合、研磨面におけるスクラッチが増加する。二次粒子径は、ブラウン運動による散乱光の揺らぎによって粒子径を測定する、一般に用いられている動的な光散乱法による測定値である。

上述したように、一実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、凸部被覆率が８０％以上である２ｍｍ角以上のパターンを有するシリコン酸化膜１２の平坦化処理において、弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである高弾性率（高硬度）の研磨パッド２２を用いるとともに、研磨圧力を５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａとし、研磨パッド２２の回転数を１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍとして研磨を行う。これにより、ＣＭＰ処理時における研磨パッド２２の弾性変形を抑制することができ、また研磨粒子である酸化セリウム粒子３１が研磨パッド２２へ固定されやすくなり、平坦性を改善するとともに効率的なＣＭＰ処理が可能となる。

また、他の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、凸部被覆率が８０％以上である２ｍｍ角以上のパターンを有するシリコン酸化膜１２の平坦化処理において、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３とを含有する研磨スラリーを使用する。これにより、砥粒（酸化セリウム粒子３１）のシリコン酸化膜１２の凹部１４への進入を抑制し、砥粒（酸化セリウム粒子３１）を研磨パッド２２に対して固定するため、シリコン酸化膜１２の凸部１３のみを効率的に研磨することが可能になる。しかも、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３がシリコン酸化膜１２上に吸着し、シリコン酸化膜１２の凹部１４を保護するため、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が向上し、シリコン酸化膜１２の平坦性を改善することが可能になる。

さらに、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、凸部被覆率が８０％以上である２ｍｍ角以上のパターンを有するシリコン酸化膜１２の平坦化処理において、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３とを含有する研磨スラリーの使用、並びに研磨圧力および研磨パッド２２の回転数を低く設定した状態での高弾性率（高硬度）の研磨パッド２２の使用のうち、少なくとも一つの条件を満たす状態で、アニオン性界面活性剤３２の分子量を低分子量化することで、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２の凝集を緩和する。これにより、研磨圧力に敏感な研磨速度を得ることができ、シリコン酸化膜１２の平坦性を向上させることが可能になる。

したがって、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、シリコン酸化膜１２のパターンに対して平坦性の高い平坦化処理が可能である。

上述したような本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサー等のデバイスの製造に用いて好適である。ＣＭＯＳイメージセンサー等のデバイスでは、半導体チップ内において周辺回路部等と大面積を占める画素部とが存在するが、画素部は周辺回路部よりも微細なパターンを密に有する。このため、画素部では、例えばゲート等の微細で密なパターン間の窪みが、１層目の金属配線層下でトランジスタ等が形成された基板を覆うＰＭＤ成膜時に閉塞し、その結果として画素部に大面積の凸部の領域が形成される場合がある。

そして、大面積の凸部をＣＭＰにより平坦化した場合には、ディッシングが発生して平坦性が劣化する虞があるが、画素部のパターンはデザイン制約が厳しく、デザインによりこの問題を回避することはできない。一方、大面積の凸部において、閉塞したＰＭＤ膜に対してリソグラフィー法およびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチング法を適用して微細な凹凸パターンを形成した上で、ＣＭＰにより平坦化する方法も考えられる。しかしながらこの場合は、ＣＭＰに適した凹凸パターンのデザインに多大な労力を要し、かつ工程数やプロセスコストの大幅な増大を招くという問題も生じる。そこで、上述したような本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を用いることにより、画素部に形成される大面積の凸部の領域に対しても、工程数等の増大を招くことなく平坦性の高い平坦化処理が可能である。

以下、上述した実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を適用した実施例について、比較例と比較しながら説明する。図８は、パターンＡの試料を説明するための模式図である。まず、図８に示すように、シリコン基板４１Ａ上に通常のリソグラフィー法およびドライエッチング法により高さ６００ｎｍの段差４３Ａを形成し、段差４３Ａのラインアンドスペースの寸法を変更させることにより、凸部被覆率が高い（９０％）領域Ａ−９０と凸部被覆率が低い（１０％）領域Ａ−１０とを有するパターンＡを形成した。領域Ａ−９０と領域Ａ−１０とは、それぞれ４ｍｍ□の面積を有する。このシリコン基板４１Ａ上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）４２Ａを１，１００ｎｍの厚さで形成し、パターンＡの試料４０を作製した。シリコン酸化膜４２Ａには、凸部４５Ａと凹部４６Ａとが形成されている。

図９は、パターンＢの試料を説明するための模式図である。図９に示すように、シリコン基板４１Ｂ上に通常のリソグラフィー法およびドライエッチング法により２５０ｎｍの段差４３Ｂを形成し、それぞれ１ｍｍ□、２ｍｍ□、３ｍｍ□、４ｍｍ□、５ｍｍ□、６ｍｍ□、７ｍｍ□、８ｍｍ□のパターンＢを形成した。このシリコン基板４１Ｂ上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）４２Ｂを７００ｎｍの厚さで形成し、パターンＢの試料５０を作製した。シリコン酸化膜４２Ｂには、凸部４５Ｂと凹部４６Ｂとが形成されている。

次に、図２に示した研磨装置を用いたＣＭＰ法により、パターンＡ、Ｂのそれぞれの試料を凹部の研磨量が２００ｎｍ以上程度となるまで研磨し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のパターンの平坦化を行った。なお、図１０にはパターンＡの各実施例（実施例１〜実施例８）の詳細なＣＭＰ処理条件を、図１１にはパターンＡの各比較例（比較例１〜比較例６）の詳細なＣＭＰ処理条件を、図１２にはパターンＢの各実施例（実施例１１〜実施例２０）の詳細なＣＭＰ処理条件を、図１３にはパターンＢの各比較例（比較例１１〜比較例１８）の詳細なＣＭＰ処理条件を示している。ＣＭＰ法における研磨スラリーおよび研磨パッドは、具体的には以下のものを用いた。

＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、純水に酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤と、さらに所望によりカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有させたものを用いた。研磨スラリーの調製条件を以下に示す。
［酸化セリウム］
砥粒としての酸化セリウムには、全ての実施例および比較例において、日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２（一次粒径１００ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．５ｗｔ％の濃度で含有させた。
［アニオン性界面活性剤］
実施例１〜実施例６、実施例１１〜実施例１８、比較例１〜比較例４および比較例１１〜比較例１６では、花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＴＫ７５（分子量６，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。実施例７および実施例１９では、花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＫＤＨ９３（分子量１，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。また、実施例８および実施例２０では、花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＫＤＨ９３（分子量７００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。比較例５、比較例６、比較例１７および比較例１８では、研磨スラリーにアニオン性界面活性剤を含有させていない。
［カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子］
実施例１〜実施例３、実施例５、実施例１１〜実施例１３、実施例１５、比較例６および比較例１８では、図１０〜図１３に示す平均粒径を有するＪＳＲ株式会社製のアミノ基を有するポリスチレン（ＰＳＴ）を使用し、研磨スラリーに０．１ｗｔ％の濃度で含有させた。実施例４、実施例６〜実施例８、実施例１４、実施例１８〜実施例２０では、図１０および図１２に示す平均粒径を有するＪＳＲ株式会社製のアミノ基を有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を使用し、研磨スラリーに０．１ｗｔ％の濃度で含有させた。実施例１６、実施例１７、比較例１、比較例２、比較例１１〜比較例１４では、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子は含有させていない。また、比較例３〜比較例５、比較例１５〜比較例１７では、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子の代わりに、図１１および図１３に示す平均粒径を有するＪＳＲ株式会社製のカルボキシル基を有するポリスチレン（ＰＳＴ）を使用し、研磨スラリーに０．１ｗｔ％の濃度で含有させた。

＜研磨パッド＞
実施例１〜実施例５、実施例１１〜実施例１５、比較例１、比較例３〜比較例６、比較例１１、比較例１２、比較例１５〜比較例１８、では、ロームアンドハース株式会社製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００（弾性率３００ＭＰａ）を使用した。実施例６〜実施例８、実施例１６〜実施例２０、比較例２、比較例１３、比較例１４では、日本ミクロコーティング株式会社製 ＮＣＰ−１（弾性率５５３ＭＰａ）を使用した。

そして、本発明の実施例である実施例１〜実施例８、実施例１１〜実施例２０と、比較対象である比較例１〜比較例６、比較例１１〜比較例１８と、の各条件でパターンＡ、Ｂのそれぞれの試料のＣＭＰ処理を行った。実施例の分類は以下の通りである。なお、パターンＡの各実施例（実施例１〜実施例８）および各比較例（比較例１〜比較例６）では、研磨パッドの回転数および研磨圧力は全て同一条件である。

（実施例１〜実施例５）
カチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を、樹脂粒子サイズを変化させて含有させた研磨スラリーを使用。
（実施例６）
高弾性率（高硬度）研磨パッドを使用し、且つカチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーを使用。
（実施例７、実施例８）
高弾性率（高硬度）研磨パッド、低分子量界面活性剤およびカチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーを使用し、低分子量界面活性剤の分子量を変量。
（実施例１１〜実施例１５）
カチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を、樹脂粒子サイズを変化させて含有させた研磨スラリーを使用。
（実施例１６、実施例１７）
高弾性率（高硬度）研磨パッドを使用するとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定。
（実施例１８）
高弾性率（高硬度）研磨パッドを使用するとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定し、且つカチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーを使用。
（実施例１９、実施例２０）
高弾性率（高硬度）研磨パッドを使用するとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定し、低分子量界面活性剤およびカチオン性表面官能基としてアミノ基を有する樹脂粒子を含有させた研磨スラリーを使用し、低分子量界面活性剤の分子量を変量。

パターンＡの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果として、凸部４５Ａと凹部４６Ａとの段差量（グローバル平坦性）を図１０および図１１に示す。パターンＡの試料の領域Ａ−９０における凸部４５Ａと凹部４６Ａとの段差量（グローバル平坦性）と、凹部４６Ａの研磨量とを図１４に示す。

また、パターンＢの試料の実施例および比較例のＣＭＰ処理結果として、凸部４５Ｂと凹部４６Ｂとの段差量（グローバル平坦性）を図１２、図１３、図１５〜図１７に示す。図１７は、実施例１６、実施例１８および比較例１１における凸部面積１ｍｍ□〜８ｍｍ□の試料について、凹部４６Ｂの研磨量と、凸部４５Ｂと凹部４６Ｂとの段差量（グローバル平坦性）と、の関係をそれぞれまとめて示したものである。

まず、パターンＡの試料については、パターンＡの試料の凸部被覆率が低い（１０％）領域Ａ−１０では、図１０および図１１からわかるように、実施例および比較例ともグローバル平坦性は段差が小さい値（５０ｎｍ未満）となっており、良好な平坦性が得られている。

一方、パターンＡの試料の凸部被覆率が高い（９０％）領域Ａ−９０については、実施例１〜実施例５では段差量が比較例１よりも大きく減少しており、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させたことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。図１８は、実施例１と比較例１とのＣＭＰ処理後の研磨面の状態を示す模式図である。比較例１では、ＣＭＰ処理後の研磨面４２ｂが領域Ａ−１０において低く、凸部被覆率が高い（９０％）領域Ａ−９０と凸部被覆率が低い（１０％）領域Ａ−１０とでのグローバル平坦性が良くないのに対して、実施例１ではＣＭＰ処理後の研磨面４２ａが略平坦面に近い状態となり、良好な平坦性を有する。

また、実施例１〜実施例５、比較例１とは研磨パッドの弾性率を変更した実施例６と比較例２とを比べた場合も、実施例６では段差量が比較例２よりも大きく減少しており、研磨パッドの弾性率の条件が変わった場合でも、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させたことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。

さらに、実施例６からアニオン性界面活性剤の分子量を変量した実施例７および実施例８では実施例６以上に段差量が減少しており、アニオン性界面活性剤の分子量を変量した場合でも、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させたことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。

また、実施例１〜実施例５と、比較例３および比較例４とを比べると、実施例１〜実施例５では段差量が比較例３および比較例４よりも大きく減少しており、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーに対してアニオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させてもグローバル平坦性の改善効果は得られず、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーに対してカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させたことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。そして、比較例３および比較例４と、比較例５とを比べると、研磨スラリーにアニオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させる場合、アニオン性界面活性剤を含有させないと、さらに段差量が大きい値となる。

また、実施例１と比較例６とを比べると、実施例１では段差量が比較例６よりも大きく減少しており、酸化セリウムを含む研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させることによりグローバル平坦性の改善を図る際には、アニオン性界面活性剤を一緒に含有させることが必要であると言える。

したがって、上記の結果から、パターンＡの試料において、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用することによるグローバル平坦性の改善効果が認められる、といえる。

つぎに、パターンＢの試料については、１ｍｍ□の凸部面積を有するパターンでは、図１２および図１３からわかるように、実施例および比較例ともグローバル平坦性は段差が小さい値（５０ｎｍ未満）となっており、良好な平坦性が得られている。

６ｍｍ□の凸部面積を有するパターンでは、図１２および図１３からわかるように、比較例では少なくてもグローバル平坦性は１００ｎｍより段差大となっているが、実施例では段差が小さい値（５０ｎｍ未満）となっており、良好な平坦性が得られている。

実施例１１〜実施例１５では段差量が比較例１１よりも減少しており、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させたスラリーを使用したことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。また、比較例１５および比較例１６より、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにアニオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させた場合は、実施例１１〜実施例１５のようなグローバル平坦性の改善効果が得られないことがわかる。そして、比較例１７および比較例１８では、段差量は同等の非常に大きな値となり、酸化セリウムを含む研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させることによりグローバル平坦性の改善を図る際には、アニオン性界面活性剤を一緒に含有させることが必要であると言える。

実施例１６および実施例１７では、グローバル平坦性が比較例１１および比較例１２よりも大きく減少しており、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに、研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定したことによるグローバル平坦性の改善効果が認められる。また、比較例１３および比較例１４より、高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いても、研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定しないと、グローバル平坦性の改善効果が不十分であることがわかる。

また、実施例１８では、グローバル平坦性が実施例１６および実施例１７よりも更に減少しており、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーの使用と、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定すること、との組み合わせによるグローバル平坦性のさらなる改善効果が認められる。

実施例１９および実施例２０では、段差量が比較例１１よりも１１０ｎｍ以上減少しており、酸化セリウムとアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用し、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定し、さらにアニオン性界面活性剤の分子量を低分子量化することによるグローバル平坦性のさらなる改善効果が認められる。

また、８ｍｍ□の凸部面積を有するパターンのグローバル平坦性も、図１２および図１３からわかるように、６ｍｍ□の凸部面積を有するパターンと同様の傾向を有し、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用すること、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定すること、アニオン性界面活性剤の分子量を低分子量化すること、によるグローバル平坦性の改善効果が認められる。

また、実施例１６、実施例１８および比較例１１を比べると、図１５〜図１７からわかるように、従来の研磨スラリーおよび研磨パッドを用いた比較例１１では、平坦化特性の凸部面積への依存性が大きい。すなわち、凸部面積が大きくなるに従って、平坦化するのに要する凹部研磨量が多くなる。凹部の研磨量を大きくしないと（深く削らないと）、凸部と凹部との段差量が小さくならず、平坦化特性が良くないことがわかる。

それに対して、実施例１６および実施例１８では、図１５〜図１７からわかるように平坦化特性の凸部面積への依存性が小さい。すなわち、凸部面積が大きくなっても、平坦化するのに要する凹部研磨量の増分が少ない。これは、実施例１６および実施例１８では、研磨パッドの弾性変形を抑制するとともに、砥粒を研磨パッドに固定化しているため、凸部４５Ｂのみを選択的に効率良く平坦化することが可能になるためである。すなわち、より少ない凹部研磨量で、高いグローバル平坦性を実現することが可能であるといえる。

図１９は、アニオン性界面活性剤の分子量が６，０００である実施例１８と、アニオン性界面活性剤の分子量が１，０００である実施例１９と、の研磨スラリーにおけるアニオン性界面活性剤の含有量と酸化セリウムの凝集粒子径（二次粒子径）との関係を示す図である。図１９においては、ｎは凝集粒子径の測定回数を表しており、ＣＭＰ処理前において凝集粒子径を２回（ｎ＝１、ｎ＝２）測定したものを示している。凝集粒子径は、動的な光散乱法による測定値である。

アニオン性界面活性剤の分子量が６，０００である場合は、アニオン性界面活性剤を０．８５ｗｔ％含有させると、酸化セリウムの凝集粒子径が３００ｎｍを超えている。一方、アニオン性界面活性剤の分子量が１，０００である場合は、アニオン性界面活性剤を０．８５ｗｔ％含有させた場合でも、酸化セリウムの凝集粒子径が２００ｎｍ程度である。

一般的に、アニオン性界面活性剤の含有量が増えると酸化セリウム粒子の凝集粒子径が増大する傾向にあるが、アニオン性界面活性剤の分子量を低分子化することにより、酸化セリウム粒子の凝集粒子径の増大を抑制できることがわかる。これにより、研磨圧力に敏感な研磨速度を得ることができ、シリコン酸化膜の平坦性を向上させることができる。

ここで、アニオン性界面活性剤の分子量が６，０００である実施例１８と、アニオン性界面活性剤の分子量が１，０００である実施例１９と、について６ｍｍ□の凸部面積を有するパターンおよび８ｍｍ□の凸部面積を有するパターンのグローバル平坦性を比較すると、実施例１９が実施例１８よりも更に改善されていることがわかる。これより、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用し、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定し、さらにアニオン性界面活性剤の分子量を低分子量化することによりグローバル平坦性の格段の改善効果が認められる、といえる。

したがって、上記の結果から、パターンＢの試料において、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用すること、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定すること、上記の組み合わせおよび更にアニオン性界面活性剤の分子量を低分子量化すること、によるグローバル平坦性の改善効果が認められる、といえる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、上述した酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを使用する場合において、研磨スラリーの温度上昇に起因した研磨特性の低下を抑制して平坦化特性を向上させる実施の形態について説明する。

酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを用いるＣＭＰ法での平坦化工程において、研磨スラリー中に含有する砥粒である酸化セリウム粒子数が多いと、シリコン酸化膜−砥粒（酸化セリウム粒子）−研磨パッド間の研磨作用が大きくなり、シリコン酸化膜−砥粒（酸化セリウム粒子）−研磨パッド間の摩擦が多くなるため、研磨開始後の早い段階で研磨スラリーの温度上昇が発生する。ここで、研磨スラリーの温度が上昇すると、研磨スラリーのζ（ゼータ）電位が負に増大する。そして、研磨スラリーのζ（ゼータ）電位が負に増大した場合には、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とが吸着し易くなり、酸化セリウム粒子に対してより多くのアニオン性界面活性剤が、より強固に吸着して凝集する。

例えば図６に示すように、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を研磨スラリーに含有させることにより、酸化セリウム粒子３１が研磨パッド２２に固定され、さらに、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３がシリコン酸化膜１２上に吸着してシリコン酸化膜１２の凹部１４を保護するため、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が向上し、シリコン酸化膜１２の平坦性を改善することが可能になる。しかしながら、研磨スラリーの温度が上昇すると、砥粒（酸化セリウム粒子）に吸着するアニオン性界面活性剤が多くなりすぎて、アニオン性界面活性剤による砥粒（酸化セリウム粒子）の表面保護効果により、高研磨速度である凸部１３の研磨速度を顕著に低下させる。この結果、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が低下する。研磨速度の選択比の低下は、平坦化特性の悪化につながる。

図２０は、砥粒である酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤であるポリカルボン酸アンモニウムとを含有する研磨スラリーの温度を変化させた場合のζ（ゼータ）電位の変化を示す特性図である。研磨スラリーの温度条件は、室温、５０℃、７０℃の３種類である。ζ（ゼータ）電位は、電気泳動法により測定した値である。

図２０に示すように、研磨スラリーのζ（ゼータ）電位は、研磨スラリーの温度が室温の場合は−３０．１ｍＶであるのに対して、５０℃では−３５．２ｍＶ、７０℃では−４４．９ｍＶと、研磨スラリーの温度が高くなるにつれて負に増大している。これにより、５０℃の研磨スラリーでは、室温の研磨スラリーよりも砥粒（酸化セリウム粒子）に対してより多くのアニオン性界面活性剤がより強固に吸着して凝集する。また、７０℃の研磨スラリーでは、５０℃の研磨スラリーよりも砥粒（酸化セリウム粒子）に対してさらに多くのアニオン性界面活性剤がより強固に吸着して凝集する。

すなわち、５０℃の研磨スラリーは、室温の研磨スラリーよりもアニオン性界面活性剤による砥粒（酸化セリウム粒子）の表面保護効果が大きくなり、シリコン酸化膜のＣＭＰ処理時において、高研磨速度である凸部研磨速度を顕著に低下させる。さらに、７０℃の研磨スラリーは、５０℃の研磨スラリーよりもアニオン性界面活性剤による砥粒（酸化セリウム粒子）の表面保護効果が大きくなり、シリコン酸化膜のＣＭＰ処理時に、高研磨速度である凸部研磨速度をさらに顕著に低下させる。

したがって、５０℃の研磨スラリーを用いたシリコン酸化膜のＣＭＰ処理では、室温の研磨スラリーを用いた場合よりも凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比が低下し、平坦化特性が悪化する。また、７０℃の研磨スラリーを用いたシリコン酸化膜のＣＭＰ処理では、５０℃の研磨スラリーを用いた場合よりも凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比がさらに低下し、平坦化特性がさらに悪化する。

なお、上記の研磨スラリーにおいてはカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させていないが、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させた場合においても研磨スラリーの温度上昇によるζ（ゼータ）電位の変化が研磨に及ぼす影響は上記と同じである。

そこで、本実施の形態においては、ＣＭＰ処理時における研磨スラリーの温度を低下させることで、砥粒（酸化セリウム粒子）に対するアニオン性界面活性剤の吸着状態を緩和させて、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比の低下を抑制し、平坦化特性を向上させる。

図２１は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーの温度が高温である場合の酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤との吸着状態を示す模式図である。図２２は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーの温度が低温である場合の酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤との吸着状態を示す模式図である。図２１に示すように、研磨スラリーの温度が高温である場合は、酸化セリウム粒子に対して多くのアニオン性界面活性剤が強固に吸着して凝集する。それに対して、研磨スラリーの温度が低温である場合は、図２２に示すように、酸化セリウム粒子に対するアニオン性界面活性剤の吸着状態が緩和され、酸化セリウム粒子に吸着するアニオン性界面活性剤の数が、研磨スラリーの温度が高温である場合よりも減少する。

これにより、研磨スラリーの温度が低温である場合は、研磨スラリーの温度が高温である場合に比べてアニオン性界面活性剤による砥粒（酸化セリウム粒子）の表面保護効果が減少し、高研磨速度である凸部研磨速度の低下を抑制することができる。この結果、凸部１３と凹部１４間の研磨速度の選択比の低下を抑制し、平坦化特性の悪化を防止することができる。

図２３は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーを用いたシリコン酸化膜のＣＭＰ処理での、研磨荷重と研磨速度との関係の研磨スラリー温度による変化の一例を示す特性図である。図２３において、線分Ａは、所定の研磨荷重以降において研磨スラリーを冷却して研磨スラリー温度を低下させた場合の特性を示す。線分Ｂは、研磨スラリーの冷却を行わない場合の特性を示す。

図２３に示すように、研磨スラリーを冷却して研磨スラリー温度を低下させた場合（線分Ａ）は、研磨荷重を大きくするに従って研磨速度が大きく増大する。一方、研磨スラリー温度を低下させない場合（線分Ｂ）は、研磨荷重の増大に伴って研磨速度も増大するが、研磨スラリー温度を低下させた場合（線分Ａ）ほど研磨速度が大きく増大しない。したがって、同じ研磨荷重でＣＭＰ法でのシリコン酸化膜の平坦化を行う場合は、研磨スラリー温度を低下させることにより、より速い研磨速度を得ることができる。そして、この効果は、研磨荷重が大きくなるほど顕著になる。

したがって、研磨時における研磨スラリー温度を低下させることで、研磨スラリーの温度上昇に起因した酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤との凝集による凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比の低下を抑制することができる。そして、研磨スラリーへのカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子の添加による凹部保護効果との相乗効果により、凸部と凹部との研磨速度の選択比が飛躍的に向上し、平坦化特性を向上させることができる。

図２４は、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とを含有する従来の研磨スラリーを用いた場合の凹部保護状態を示す模式図である。図２５は、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３とを含有する研磨スラリーを用いた場合の凹部保護状態を示す模式図である。

酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とを含有する研磨スラリーを用いた場合は、図２４に示すように研磨荷重の小さい領域、すなわちシリコン酸化膜１２の凹部１４では、酸化セリウム粒子３１に対してアニオン性界面活性剤３２が吸着して凝集することにより、凹部１４を選択的に保護するという効果が得られる。また、酸化セリウム粒子３１に対するアニオン性界面活性剤３２の吸着には荷重依存性がある。このため、研磨荷重の大きい領域、すなわちシリコン酸化膜１２の凸部１３では、酸化セリウム粒子３１に対するアニオン性界面活性剤３２の吸着状態が緩和され、酸化セリウム粒子３１に吸着するアニオン性界面活性剤３２の数が、シリコン酸化膜１２の凹部１４よりも減少する。これにより、凸部１３では凹部１４よりも研磨速度が大きく増大し、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比を高め、平坦化特性を向上させる。

酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３を含有する研磨スラリーを用いた場合は、図２５に示すように、研磨荷重の小さい領域、すなわちシリコン酸化膜１２の凹部１４では、酸化セリウム粒子３１に対してアニオン性界面活性剤３２が吸着して凝集することにより、凹部１４を選択的に保護するという効果が得られる。さらに、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３がシリコン酸化膜１２上に吸着することにより、凹部１４を選択的に保護するという効果が得られる。

一方、研磨荷重の大きい領域、すなわちシリコン酸化膜１２の凸部１３では、図２４の場合と同様に、酸化セリウム粒子３１に対するアニオン性界面活性剤３２の吸着状態が緩和される。また、シリコン酸化膜１２に対するカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の吸着には、酸化セリウム粒子３１に吸着したアニオン性界面活性剤３２と同様に、荷重依存性があり、荷重により吸着状態が変わる。すなわち、研磨荷重の大きい領域、すなわち凸部１３では、シリコン酸化膜１２に対するカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の吸着状態が緩和され、シリコン酸化膜１２へ吸着するカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３の数が、凹部１４よりも減少する。これにより、凸部１３では凹部１４よりもさらに研磨速度が大きく増大し、凸部１３と凹部１４との研磨速度の選択比をより高めて、シリコン酸化膜１２の平坦性を改善することが可能になる。

本実施の形態では、例えば研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度：ｗｔ％）を減少させることにより、研磨スラリーの温度上昇を抑制する。研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度：ｗｔ％）を減少させると、研磨時に研磨パッドとシリコン酸化膜との間に介在する酸化セリウム粒子の量が減少する。これにより、シリコン酸化膜−砥粒（酸化セリウム粒子）−研磨パッド間の研磨作用を抑制し、シリコン酸化膜−砥粒（酸化セリウム粒子）−研磨パッド間の摩擦を少なくすることで、研磨スラリーの温度上昇を抑制することができる。

図２６は、酸化セリウム粒子３１の含有量が多い（濃度が高い）研磨スラリーを用いたＣＭＰ処理時のシリコン酸化膜１２−研磨パッド２２間の状態を説明するための模式図である。図２７は、酸化セリウム粒子３１の含有量が少ない（濃度が低い）研磨スラリーを用いたＣＭＰ処理時のシリコン酸化膜１２−研磨パッド２２間の状態を説明するための模式図である。研磨スラリーは、酸化セリウム粒子３１とアニオン性界面活性剤３２とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子３３とを含有する。

図２６に示すように、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子３１の含有量が多い場合は、シリコン酸化膜１２−研磨パッド２２間に介在する酸化セリウム粒子３１の量が多くなる。一方、図２７に示すように、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子３１の含有量が少ない場合は、シリコン酸化膜１２−研磨パッド２２間に介在する酸化セリウム粒子３１の量は少なくなる。したがって、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子３１の含有量を少なくすることで、シリコン酸化膜１２−酸化セリウム粒子３１−研磨パッド２２間の研磨作用を抑制して、シリコン酸化膜１２−酸化セリウム粒子３１−研磨パッド２２間の摩擦を低減し、研磨スラリーの温度上昇を抑制することができる。

そして、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを用いたＣＭＰ法においては、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度）を特に０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下とすることで、研磨スラリーの温度上昇の抑制を図ることができる。研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度）を０．３ｗｔ％以下とすることにより、上述したシリコン酸化膜１２−酸化セリウム粒子３１−研磨パッド２２間の摩擦低減効果が大きくなり、より良好な平坦化特性を得ることができる。なお、酸化セリウム粒子３１の濃度が０．０５ｗｔ％未満の場合には研磨速度が低下する。

また、ＣＭＰ法による研磨時の研磨スラリーの温度上昇を抑制する方法として、研磨時における研磨パッドへの研磨スラリーの供給量を増やす方法が挙げられる。研磨時における研磨パッドへの研磨スラリーの供給量を増やすことにより、研磨に関与して温度上昇した研磨スラリーと、温度上昇していない研磨スラリーとが研磨パッド上において入れ替わる時間が早くなる。これにより、研磨パッド上の研磨スラリーの温度を低下させて、研磨スラリーの温度上昇を抑制することができる。

また、ＣＭＰ法による研磨時の研磨スラリーの温度上昇を抑制する方法として、図２８に示すように研磨パッド２２上に気体供給管２６を通して気体２７を供給する方法が挙げられる。図２８は、研磨スラリーの温度上昇を抑制してシリコン酸化膜のＣＭＰ処理を行う研磨装置の概略構成を示す模式図である。ＣＭＰ法による研磨時に研磨パッド２２上に気体２７を供給することにより、研磨パッド２２上に供給されている研磨スラリー２５の温度上昇を抑制することができる。研磨パッド２２上に供給する気体は特に限定されず、空気、窒素等を用いることができる。

図２９は、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを用いたシリコン酸化膜のＣＭＰ処理における研磨パッドの表面温度特性の一例を示す特性図である。図２９において、横軸はＣＭＰ研磨時間（秒）を表し、縦軸は研磨パッドの表面温度（℃）を表す。なお、研磨時には、研磨パッド表面温度（℃）の上昇に伴って、研磨スラリーの温度も研磨パッド表面温度（℃）の上昇と同様なパターンで上昇するため、ここでは研磨パッド表面温度（℃）を示している。

図２９において、曲線Ａは以下に示す基準条件（条件Ａ）に対応し、曲線Ｂは基準条件に対して研磨スラリーの流量（供給量）を２倍にした場合（条件Ｂ）に対応し、曲線Ｃは基準条件に対して研磨スラリーの流量（供給量）を２倍にするとともに研磨スラリーの砥粒濃度を１／２倍にした場合（条件Ｃ）に対応する。
（基準条件：条件Ａ）
＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、純水に酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤と、さらにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有させたものを用いた。研磨スラリーの調製条件を以下に示す。
［酸化セリウム］
砥粒としての酸化セリウムには、日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２（一次粒径１００ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．５ｗｔ％の濃度で含有させた。
［アニオン性界面活性剤］
花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＴＫ７５（分子量６，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。
［カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子］
ＪＳＲ株式会社製のアミノ基を有するポリスチレン（ＰＳＴ、平均粒径：１６０ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．１ｗｔ％の濃度で含有させた。
＜研磨パッド＞
ロームアンドハース株式会社製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００（弾性率３００ＭＰａ）を使用した。
＜テーブル回転数＞
１００ｒｐｍ
＜研磨圧力＞
３００ｈＰａ
＜研磨時間＞
１８０秒
＜スラリー流量＞
１９０ｃｃ／分
＜研磨試料＞
図３０に示すパターンを有する研磨試料６０を使用した。図３０は、研磨試料６０を説明するための模式図である。図３０に示す研磨試料６０は以下のようにして作製した。まず、シリコン基板６１上に通常のリソグラフィー法およびドライエッチング法により高さ６００ｎｍの段差６３を形成し、段差６３のラインアンドスペースの寸法を変更させることにより、凸部被覆率が高い（９０％）大面積の凸部の領域ＡＨと凸部被覆率が低い（１０％）領域ＡＬとを有するパターンを形成した。領域ＡＨと領域ＡＬとは、それぞれ４ｍｍ□の面積を有する。このシリコン基板６１上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）６２を１，５００ｎｍの厚さで形成し、研磨試料６０を作製した。シリコン酸化膜６２には、凸部６５と凹部６６とが形成されている。

図２９に示すように、ＣＭＰ法による研磨時における研磨パッド表面の最高温度は、基準条件（条件Ａ）では５５℃であるのに対して、基準条件に対して研磨スラリーの流量（供給量）を２倍にした条件Ｂの場合は、略５０℃である。このように、研磨スラリーの流量（供給量）を増やすことにより、ＣＭＰ法による研磨時の研磨パッド表面の温度上昇を抑制することができる。すなわち、研磨パッド上の研磨スラリーの温度上昇を抑制することができる。これにより、研磨スラリーの温度上昇に起因した領域ＡＨと領域ＡＬとの研磨速度の選択比の低下を抑制し、平坦化特性を向上させることができる。

また、基準条件に対して研磨スラリーの流量（供給量）を２倍にするとともに研磨スラリーの砥粒濃度を１／２倍にした条件Ｃの場合は、ＣＭＰ法による研磨時における研磨パッド表面の最高温度は略４９℃である。また、図２９に示すように研磨パッド表面の最高温度は条件Ｂの場合と同等であるが、最高温度に達するまでの立ち上がりが遅くなっている。すなわち、条件Ｃの場合は、最高温度に達するまでの時間が条件Ｂの場合よりも長くなっている。このように、基準条件に対して研磨スラリーの流量（供給量）を増やし、さらに研磨スラリーの砥粒濃度を低減することにより、ＣＭＰ法による研磨時の研磨パッド表面の最高温度の温度上昇を抑制することができ、また研磨パッド表面の温度が最高温度に達するまでの時間を長くすることができる。すなわち、ＣＭＰ法による研磨時における研磨パッド上の研磨スラリーの温度上昇を抑制することができ、また研磨パッド上の研磨スラリーの温度が最高温度に達するまでの時間を長くすることができる。これにより、研磨スラリーの温度上昇に起因した領域ＡＨと領域ＡＬとの研磨速度の選択比の低下をより抑制し、平坦化特性をより向上させることができる。

したがって、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度）を０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下とすることで、研磨スラリーの温度上昇に起因した研磨特性の悪化を抑制して、シリコン酸化膜の凸部と凹部との研磨速度の選択比を改善し、優れた平坦化特性を安定して得ることができる。そして、研磨スラリーへのカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子の添加による凹部保護効果との相乗効果により、凸部と凹部との研磨速度の選択比がさらに向上し、平坦化特性を向上させることができる。また、このような研磨スラリーを弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件でＣＭＰ処理を行うことにより、研磨パッドの弾性変形の抑制効果との相乗効果により、凸部と凹部との研磨速度の選択比がさらに向上し、平坦化特性を向上させることができる。

以下、上述した実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を具体的な実施例により説明する。研磨試料として図３０に示すパターンを有する研磨試料６０を、図２８に示した研磨装置を用いたＣＭＰ法により、凹部６６の研磨量が１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度となるまで研磨し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のパターンの平坦化を行った。詳細なＣＭＰ処理条件（基本条件）は、以下の通りである。また、スラリー条件およびスラリーの冷却条件を図３１（ａ）にまとめて示す。

＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、純水に酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤と、さらにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有させたものを用いた。研磨スラリーの調製条件を以下に示す。
［酸化セリウム］
砥粒としての酸化セリウムには、日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２（一次粒径１００ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．５ｗｔ％の濃度で含有させた。
［アニオン性界面活性剤］
花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＴＫ７５（分子量６，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。
［カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子］
ＪＳＲ株式会社製のアミノ基を有するポリスチレン（ＰＳＴ、平均粒径：１６０ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．１ｗｔ％の濃度で含有させた。
＜研磨パッド＞
ロームアンドハース株式会社製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００（弾性率３００ＭＰａ）を使用した。
＜テーブル回転数＞
１００ｒｐｍ
＜研磨圧力＞
３００ｈＰａ
＜研磨時間＞
１８０秒
＜スラリー流量＞
１９０ｃｃ／分

そして、本発明の実施例である実施例２１〜実施例２５と、比較対象である比較例２１との各条件で研磨試料のＣＭＰ処理を行った。実施例および比較例の分類は以下の通りである。
（実施例２１）
基本条件
（実施例２２）
基本条件に対して、研磨スラリーの流量を２倍（３８０ｃｃ／分）に変量。
（実施例２３）
基本条件に対して、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度を１／２倍（０．２５ｗｔ％）に変量。
（実施例２４）
基本条件に対して、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度を１／２倍（０．２５ｗｔ％）に変量、且つ研磨スラリーの流量を２倍（３８０ｃｃ／分）に変量。
（実施例２５）
基本条件に対して、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度を１／２倍（０．２５ｗｔ％）に変量、且つ研磨スラリーの流量（３８０ｃｃ／分）を２倍に変量。さらに、研磨中における研磨パッドに対する窒素（Ｎ_２）ガスの噴射による研磨スラリーの冷却を実施。
（比較例２１）
基本条件に対して、研磨スラリーにおいてカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を使用しない。

実施例２１〜２５および比較例２１のＣＭＰ処理結果として、凸部６５と凹部６６との段差量（グローバル平坦性）を、Ａ〜Ｇのレベルに分けて図３１（ａ）に示す。グローバル平坦性のレベルは、凸部６５と凹部６６との段差量（ｎｍ）に対応してＡ〜Ｇの７つに分類している。７つのレベルのうち、レベルＡが最も段差量が少なくグローバル平坦性が良好なレベルである。グローバル平坦性のレベルの分類を図３１（ｂ）に示す。

図３１からわかるように、基本条件である実施例２１は、基本条件に対して研磨スラリーにおいてカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を使用していない比較例２１よりもグローバル平坦性のレベルが良好である。これにより、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーにカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子を含有させることによるグローバル平坦性向上の効果が認められる。

次に、実施例２１と実施例２２とを比較すると、基本条件に対して研磨スラリーの流量を２倍に変量した実施例２２の方が実施例２１よりもグローバル平坦性のレベルが良好である。これにより、研磨スラリーの流量を増量して研磨スラリーの温度上昇を抑制したことによるグローバル平坦性の向上効果が認められる。

また、実施例２１と実施例２３とを比較すると、基本条件に対して研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度を１／２倍に変量して、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度）を０．３ｗｔ％以下にした実施例２３の方が実施例２１よりもグローバル平坦性のレベルが良好である。これにより、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度を０．３ｗｔ％以下に低減させて研磨スラリーの温度上昇を抑制したことによるグローバル平坦性の向上効果が認められる。

また、実施例２２および実施例２３と、実施例２４とを比較すると、実施例２４の方が実施例２２および実施例２３よりもグローバル平坦性のレベルが良好である。これにより、研磨スラリーの流量の増量および研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度の低減を併用することによる、さらなるグローバル平坦性の向上効果が認められる。

また、実施例２４と実施例２５とを比較すると、実施例２５の方が実施例２４よりもグローバル平坦性のレベルが良好である。これにより、研磨スラリーの流量の増量および研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の濃度の低減を併用した場合において、研磨中における窒素（Ｎ_２）ガスの噴射による研磨スラリーの冷却を実施したことによるグローバル平坦性のさらなる向上効果が認められる。

したがって、上記の結果から、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とカチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子とを含有する研磨スラリーを用いた研磨試料６０に対するＣＭＰ処理において、研磨スラリーの流量を増量したことによるグローバル平坦性の向上効果、研磨スラリーにおける酸化セリウム粒子の含有量（濃度）を０．３ｗｔ％以下にしたことによるグローバル平坦性の向上効果、および研磨中における研磨パッドに対する窒素（Ｎ_２）ガスの噴射によるグローバル平坦性の向上効果が認められる、といえる。

（第３の実施の形態）
一般に、ＣＭＰ法によるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる被研磨体の平坦化処理を行う際には、研磨を行う前に、研磨パッドに対して表面の目立て処理（ドレッシング処理）を行う。ここで、第１の実施の形態において説明したように、研磨パッドに高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定する場合、ドレッシング処理が施された後の研磨パッドの表層部（以下、単に表層部と呼ぶ）の表面状態も、研磨特性に大きな影響を及ぼす。このため、ドレッシング処理では、表層部の表面状態を、研磨に適する状態にすることが重要である。しかしながら、特に高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いた場合、ドレッシング処理後の表層部の表面状態が必ずしも研磨に適する状態となるわけではなく、研磨スラリーが保持できずに所望の研磨速度や平坦化特性が得られなくなる懸念があった。

研磨パッドに対するドレッシング処理においては、ドレッサーの種類やドレッシング条件を変更することにより、得られる表層部の表面状態は変化し、表層部の弾性率の値や表層部の深さは変化する。そして、表層部の表面状態が、所定の適切な範囲を逸脱すると、ＣＭＰ法による研磨において問題が発生する虞がある。

そこで、本実施の形態では、表層部の表面状態がシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなる被研磨体の平坦化処理に適するように、ドレッシング処理により形成される表層部の弾性率と表層部の深さ（厚さ）とを調整することで、表層部の表面状態に起因した研磨特性の悪化を抑制し、平坦化特性を向上させる。

本実施の形態においては、ドレッシング処理後の表層部が、研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍであり、且つ弾性率が５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満である低弾性率部となるようにドレッシング処理を実施する。そして、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーを用いたＣＭＰ処理により、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の平坦化処理を行う。ドレッシング処理後の表層部がこのような条件を満たすことにより、研磨特性に影響を与える研磨砥粒を表層部に適切に保持し、且つ研磨パッドとシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の研磨面との接触面積を十分に確保できるという効果が得られ、良好な研磨特性を安定して得ることができる。

表層部の深さが浅すぎる場合（２０μｍ未満）は、研磨面のスクラッチが増加する。また、表層部を低弾性率にしている効果が十分に得られず、研磨砥粒（酸化セリウム粒子）を表層部に適切に保持することが困難となる。また、研磨パッドとシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の研磨面との接触面積を十分に確保できない。一方、低弾性率部の深さが深すぎる場合（１００μｍより大）は、全体が低弾性率である研磨パッドを使用した場合と研磨特性がさほど変わらず、研磨時のディッシングが大きくなりグローバル平坦性が悪化する。

また、表層部の弾性率が低すぎる場合（５０ＭＰａ未満）は、研磨時のディッシングが大きくなり、グローバル平坦性が悪化する。一方、表層部の弾性率が高すぎる場合（４００ＭＰａ以上）は、バルクの弾性率に近く、表層部としての機能が十分に発揮されないために研磨砥粒を適切に保持することが困難となり、また研磨パッドと被研磨体の研磨面との接触面積を十分に確保することができない。

なお、弾性率と表層部の深さにはある程度の相関関係があり、バルクの弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである研磨パッドでは、表層部の深さが２０μｍ未満である場合は、表層部の弾性率は４００ＭＰａ以上となることが多い。また、表層部の深さが１００μｍを超えると、表層部の弾性率は５０ＭＰａ未満となることが多い。

図３２は、本実施の形態にかかる研磨試料７０を説明するための模式図である。まず、図３２に示すように、シリコン基板７１上に通常のリソグラフィー法およびドライエッチング法により高さ６００ｎｍの段差７３を形成し、段差７３のラインアンドスペースの寸法をＬ／Ｓ＝２０μｍ／２０μｍとした４ｍｍ□の面積を有するパターンを形成した。このシリコン基板７１上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）７２を１１００ｎｍの厚さで形成し、研磨試料７０を作製した。シリコン酸化膜７２には、大面積の凸部７５と凹部７６とが形成されている。

このような研磨試料７０を、図２に示した研磨装置を用いたＣＭＰ法により凹部７６の研磨量が１００ｎｍ程度になるまで研磨し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のパターンの平坦化を行った。ＣＭＰ処理条件は以下の通りである。
＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、純水に酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有させたものを用いた。研磨スラリーの調製条件を以下に示す。
［酸化セリウム］
砥粒としての酸化セリウムには、日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２（一次粒径１００ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．５ｗｔ％の濃度で含有させた。
［アニオン性界面活性剤］
花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＴＫ７５（分子量６，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。
＜テーブル回転数＞
６０ｒｐｍ
＜研磨圧力＞
１５０ｈＰａ

このようなＣＭＰ処理条件において、バルク部の弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａであり、表層部の弾性率が５０ＭＰａ未満である研磨パッドを用いて平坦化処理を行うと、研磨後の大面積の凸部７５におけるディッシング量は、ディッシング量＞１００ｎｍとなる。一方、バルク部の弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａであり、表層部の弾性率が５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満である研磨パッドを用いて平坦化処理を行うと、研磨後の大面積の凸部７５におけるディッシング量は、ディッシング量＜４０ｎｍとなる。

図３３は、研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍであり、且つ弾性率が５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満である低弾性率部とされた表層部を有する研磨パッドにおける押し込み深さと弾性率との関係の一例を示す特性図である。図３３のデータは、ナノインデンター法により研磨パッドにおける３点を測定した結果である。この研磨パッドは、日本ミクロコーティング株式会社製ＮＣＰ−１（バルク弾性率５５０ＭＰａ）を使用し、旭ダイヤモンド工業株式会社製ダイヤモンドドレッサー（Ｍ−１００Ｃ）を用いて、荷重１００Ｎ、ドレッシング時間３０秒の条件でドレッシング処理を行い、研磨パッドの表面にバルクに比べて低弾性率となる表層部（低弾性率部）を形成した。図３３のデータは、ナノインデンター法により研磨パッドの３点を測定した結果であり、上記の低弾性率部の条件を満たす表層部が形成されていることが分かる。なお、ナノインデンター法の特性により、押し込み深さの測定値の１０倍が実施の深さとなる。したがって、図３３における５μｍの押し込み深さ位置は、実際には５０μｍの深さ位置である。

以下、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を具体的な実施例により説明する。まず、研磨パッドの表層部の深さに関する実施例について説明する。図３４は、ここで使用した研磨試料８０を説明するための模式図である。図３４に示すように、シリコン基板８１上に通常のリソグラフィー法およびドライエッチング法により２５０ｎｍの段差８３を形成し、５ｍｍ□のパターンを形成した。このシリコン基板８１上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）８２を７００ｎｍの厚さで形成し、研磨試料８０を作製した。シリコン酸化膜８２には、凸部８５と凹部８６とが形成されている。

このような研磨試料８０を、図２に示した研磨装置を用いたＣＭＰ法により凹部８６の研磨量が１００ｎｍ程度になるまで研磨し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のパターンの平坦化を行った。詳細なＣＭＰ処理条件は、以下の通りである。

＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、純水に酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有させたものを用いた。研磨スラリーの調製条件を以下に示す。
［酸化セリウム］
砥粒としての酸化セリウムには、日立化成工業株式会社製ＤＬＳ２（一次粒径１００ｎｍ）を使用し、研磨スラリーに０．５ｗｔ％の濃度で含有させた。
［アニオン性界面活性剤］
花王株式会社製のポリカルボン酸アンモニウム：ＴＫ７５（分子量６，０００）を使用し、研磨スラリーに０．７ｗｔ％の濃度で含有させた。
＜研磨パッド＞
日本ミクロコーティング株式会社製ＮＣＰ−１（バルク弾性率５５０ＭＰａ）を使用し、旭ダイヤモンド工業株式会社製ダイヤモンドドレッサー（Ｍ−１００Ｃ）を用いて、荷重とドレッシング時間を調整してドレッシング処理を行った。
＜テーブル回転数＞
６０ｒｐｍ
＜研磨圧力＞
１５０ｈＰａ

そして、本発明の実施例である実施例３１と、比較対象である比較例３１、比較例３２との各条件で研磨試料８０のＣＭＰ処理を行った。実施例および比較例の分類は以下の通りである。
（実施例３１）
研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍの表層部を有する研磨パッドを使用。
（比較例３１）
研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ未満の表層部を有する研磨パッドを使用。
（比較例３２）
研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が１００μｍより大の表層部を有する研磨パッドを使用。

図３５は、ＣＭＰ処理後の研磨試料８０の研磨面に対して、スクラッチの発生状態とグローバル平坦性とを評価した結果を示す図である。図３５において、スクラッチの発生状態の評価については、研磨面にスクラッチの発生している場合を「×」、研磨面にスクラッチの発生していない場合を「○」で示した。また、グローバル平坦性については、グローバル段差（凸部８５と凹部８６との段差）が４０ｎｍ以下の場合を「○」、グローバル段差が４０ｎｍより大の場合を「×」で示した。

図３５から分かるように、実施例３１は、研磨面におけるスクラッチの発生もなく、グローバル平坦性も４０ｎｍ以下であり良好である。これにより、表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍの表層部を有する研磨パッドを使用したことにより、良好な平坦化特性が得られることが認められる。

次に、実施例３１と比較例３１および比較例３２とを比較すると、実施例３１は、研磨面におけるスクラッチの発生もなく、グローバル段差も４０ｎｍ以下でありグローバル平坦性が良好であるのに対して、比較例３１では、スクラッチが発生している。また、比較例３２では、グローバル段差が４０ｎｍより大であり、グローバル平坦性が低下している。

したがって、上記の結果から、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーを用いた研磨試料８０に対するＣＭＰ処理において、表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍの表層部を有する高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定したことによる、平坦化特性の向上効果が認められる、といえる。

次に、研磨パッドの表層部の弾性率に関する実施例について説明する。研磨試料８０を、図２に示した研磨装置を用いたＣＭＰ法により凹部８６の研磨量を１００ｎｍ程度まで研磨し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のパターンの平坦化を行った。詳細なＣＭＰ処理条件は、以下の通りである。

＜研磨スラリー＞
研磨スラリーは、実施例３１と比較例３１および比較例３２と全く同様の条件で調製したものを用いた。
＜研磨パッド＞
旭ダイヤモンド工業株式会社製ダイヤモンドドレッサー（Ｍ−１００Ｃ）を用いて、荷重とドレッシング時間を調整してドレッシング処理を行った。
＜テーブル回転数＞
６０ｒｐｍ
＜研磨圧力＞
１５０ｈＰａ

そして、本発明の実施例である実施例３２と、比較対象である比較例３３との各条件で研磨試料８０のＣＭＰ処理を行った。実施例および比較例の分類は以下の通りである。なお、以下における弾性率ｃのレベルは、レベル小：ｃ＜５０ＭＰａ、レベル中：５０ＭＰａ≦ｃ＜４００ＭＰａ、レベル大：４００ＭＰａ≦ｃ≦６００ＭＰａである。
（実施例３２）
日本ミクロコーティング株式会社製ＮＣＰ−２に対して、荷重１００Ｎ、ドレッシング時間３０秒の条件でドレッシング処理を施し、表層部の弾性率のレベルが「中」であり、バルク弾性率のレベルが「大」である研磨パッドを使用。
（比較例３３）
ロームアンドハース株式会社製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００に対して、荷重２００Ｎ、ドレッシング時間３０秒の条件でドレッシング処理を施し、表層部の弾性率のレベルが「小」であり、バルク弾性率のレベルが「中」である研磨パッドを使用。

図３６は、ＣＭＰ処理後の研磨試料８０の研磨面に対して、グローバル平坦性を評価した結果を示す図である。図３６においては、グローバル平坦性としてグローバル段差（凸部８５と凹部８６との段差（ｎｍ））を示している。

図３６から分かるように、実施例３２はグローバル平坦性が３３．９ｎｍであり、良好な平坦性が得られている。これにより、表層部の弾性率のレベルが「中」であり、バルク弾性率のレベルが「大」である研磨パッドを用いたことにより、良好な平坦化特性が得られることが認められる。

次に、実施例３２と比較例３３とを比較すると、実施例３２はグローバル平坦性が良好であるのに対して、比較例３３ではグローバル段差が１７６ｎｍでありグローバル平坦性が悪化している。このように、バルク弾性率のレベルが「中」である研磨パッドを用いた場合には、表層部の弾性率をバルクの弾性率よりも小さくしても良好なグローバル平坦性が得られない。

したがって、上記の結果から、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーを用いた研磨試料８０に対するＣＭＰ処理において、弾性率が５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満である低弾性率部とされた表層部を有する高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定したことによる、平坦化特性の向上効果が認められる、といえる。

そして、上記の実施例３１、実施例３２および比較例３１〜比較例３３の結果から、酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する研磨スラリーを用いた研磨試料８０に対するＣＭＰ処理において、研磨パッドの表面からの深さ（厚さ）が２０μｍ乃至１００μｍであり、且つ弾性率が５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満である低弾性率部とされた表層部を有する高弾性率（高硬度）の研磨パッドを用いるとともに研磨圧力および研磨パッドの回転数を低く設定することにより、優れた平坦化特性を安定して得られる、といえる。

１０ 半導体基板、１１ シリコン基板、１２ シリコン酸化膜、１３ 凸部、１３ａ 凸部、１４ 凹部、１４ａ 凹部、２０ 試料、２１ 研磨定盤、２２ 研磨パッド、２３ 真空チャックホルダ、２４ 研磨液供給用配管、３１ 酸化セリウム粒子、３２ アニオン性界面活性剤、３３ 樹脂粒子、４０ 試料、４１Ａ シリコン基板、４１Ｂ シリコン基板、４２Ａ シリコン酸化膜、４２Ｂ シリコン酸化膜、４２ａ ＣＭＰ処理後の研磨面、４２ｂ ＣＭＰ処理後の研磨面、４３Ａ 段差、４３Ｂ 段差、４５Ａ 凸部、４５Ｂ 凸部、４６Ａ 凹部、４６Ｂ 凹部、５０ 試料、６０ 研磨試料、６１ シリコン基板、６２ シリコン酸化膜、６３ 段差、６５ 凸部、６６ 凹部、７０ 研磨試料、７１ シリコン基板、７２ シリコン酸化膜、７３ 段差、７５ 凸部、７６ 凹部、８０ 研磨試料、８１ シリコン基板、８２ シリコン酸化膜、８３ 段差、８５ 凸部、８６ 凹部、１０１ 研磨パッド、１０２ アニオン性界面活性剤、１０３ 酸化セリウム粒子。

Claims (5)

1. 研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、
   酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する前記研磨スラリーを弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである前記研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、前記研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件で前記被研磨体を前記研磨パッドに当接させること、
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、
   前記研磨スラリーが、カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子と酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有すること、
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 研磨テーブル上に配置された研磨パッドに研磨スラリーを供給した状態で、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなる被研磨体と前記研磨パッドとを相対的に摺動させることにより前記被研磨体を化学的機械的に研磨して平坦化する半導体装置の製造方法であって、
   カチオン性の表面官能基を有する樹脂粒子と酸化セリウム粒子とアニオン性界面活性剤とを含有する前記研磨スラリーを弾性率が４００ＭＰａ乃至６００ＭＰａである前記研磨パッド上に供給した状態で、研磨圧力が５０ｈＰａ乃至２００ｈＰａであり、前記研磨パッドの回転数が１０ｒｐｍ乃至８０ｒｐｍである条件で前記被研磨体を前記研磨パッドに当接させること、
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記被研磨体は、凸部被覆率が８０％以上である２ｍｍ角以上のパターンを有すること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記アニオン性界面活性剤は、分子量が５００〜１００００であること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。

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