JP5261065B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法であって、特に成膜後に表面を平坦化するための平坦化方法に関する。また、本発明は、このような平坦化を行うための研磨装置に関する。

半導体集積回路装置の高集積化に伴い、その製造過程において、微細なパターンを高精度に形成するために基板表面を均一に平坦化する平坦化技術が重要となっている。このような平坦化技術としては、従来、研磨液（スラリー）を用いて基板を研磨布（パッド）へ押し付けて摩擦研磨するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学機械研磨）法が広く用いられている。

このＣＭＰ法による平坦化を行うに際し、特に高い平坦性が要求されるような場合、例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法によって素子分離領域を形成するに際し当該方法により形成されるトレンチ内の埋め込み絶縁膜の余剰分を研磨除去するような場合には、下記特許文献１に記載のように、酸化セリウム（「セリア」とも称される）を砥粒としたスラリーが広く用いられている。

これは、酸化セリウムを砥粒とし、適切な有機化合物を添加剤としたスラリーを用いることにより、従来一般に用いられてきた酸化シリコン（シリカ）を砥粒としたスラリーを用いた場合と比較して、より高いシリコン酸化膜の研磨速度と、研磨ストッパー膜として用いられる窒化ケイ素膜に対するより高い研磨速度選択性が得られることによるものである。また、酸化セリウムが、研磨圧力が一定値より低い場合に研磨速度が小さくなる、いわゆる非プレストニアン特性を有しているため、研磨ストッパー膜が露出した段階で、素子分離領域のシリコン酸化膜が余剰に研磨されるのを抑制することが可能となる。これにより、パターン依存性の少ない、高平坦性を有する研磨を実現することができる。

さらに近年では、下記特許文献２に示されるように、研磨圧力（研磨時の押し付け圧力）が一定値より低い場合の研磨速度が毎分２０〜５０ｎｍ程度の、非プレストニアン特性の強い研磨材が提供されている。このような研磨材を用いて凸部を有する形状の被研磨膜表面を研磨する場合、凸部が存在する状況下においては、毎分１００〜１０００ｎｍ程度の研磨速度で研磨が行われていたのに対し、凸部が平坦化されて被研磨膜表面がほぼ平坦となった段階で、研磨速度は毎分５０ｎｍ程度以下に急激に低下し、通常に用いられる研磨速度に比してほとんど研磨が進行しなくなる。

すなわち、このような非プレストニアン特性の強い砥粒（研磨材）を用いることで、半導体素子や金属配線形成後に成膜された凸部を有する層間絶縁膜等のように、被研磨膜と異なる材料の研磨ストッパー膜が存在しない場合においても、凸部が平坦化された段階で自動的に研磨速度が急激に低下する（ほとんど進行しない、オートストップ）ため、このような層間絶縁膜に対しても高平坦性を有する研磨処理を実現することができる。

特開２００１−３１０２５６号公報 特開２００６−２７９０５０号公報

しかしながら、上記のような非プレストニアン特性の強い砥粒を用いて凸部を有する被研磨膜に対する平坦化処理（研磨処理）を実行した場合、凸部が平坦化されることで被研磨膜表面がほぼ平坦化されると、自動的に研磨がほとんど進行しなくなる。このため、被研磨膜表面に生じたスクラッチ等の欠陥が存在していても、当該欠陥が除去されること無くそのまま残存してしまうので、平坦化処理後の被研磨膜表面の欠陥密度が非常に大きくなるという問題が生ずる。また、凸部の平坦化後は研磨速度が非常に遅いため、予め測定したＣＭＰ処理の前段階での成膜量に応じて、ＣＭＰ処理時の研磨量を処理ロット毎に制御することが困難であるという問題が生ずる。

本発明は、上記の問題点に鑑み、成膜された被研磨膜の表面を非プレストニアン特性の強い材料を砥粒として平坦化するに際し、当該被研磨膜表面に存する欠陥を抑制するとともに、被研磨膜厚を制御可能な平坦化方法を提供し、かかる平坦化方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜または導電膜で構成される被研磨膜を成膜する成膜工程と、前記成膜工程終了後、前記被研磨膜の成膜表面を平坦化する平坦化工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、前記平坦化工程が、砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料を所定の第１混合比で混合して生成された非プレストニアン特性を有する第１研磨剤を用いて前記被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第１研磨処理と、前記第１研磨処理がオートストップ状態に移行した後、前記研磨原料を前記第１混合比とは異なる第２混合比で混合することで、前記第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させた第２研磨剤を用いて前記被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第２研磨処理と、を有し、前記第２研磨処理によって、前記第１研磨処理によって前記被研磨膜内に発生した少なくとも一部の欠陥を含む領域に係る膜厚分を除去し、前記第２研磨処理が、前記被研磨膜に対して膜厚３０ｎｍ以上研磨を施して終了することを特徴とする。

第１研磨処理の非プレストニアン特性は、高分子添加剤の作用によるものであるため、同一の組成種にて、組成比を変化することにより、非プレストニアン特性の強度を変化させることができる。従って、第２研磨剤として、第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させたものを用いることで、非プレストニアン特性を示さないような条件下に設定し、これによって、第１研磨処理よりもオートストップ状態の発動が起こりにくい状態とすることができる。

すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法の上記特徴によれば、高分子添加剤濃度が相対的に大きい第１研磨処理によって、被研磨膜表面に存する凸部または凹部を平坦化するとともに、前記高分子添加剤濃度が相対的に小さい第２研磨処理によって、第１研磨処理後に被研磨膜表面に発生した欠陥が存在する領域を研磨することで、研磨後の表面に損する欠陥数を削減することができる。これにより、成膜された被研磨膜を過剰に研磨することなく、当該被研磨膜表面に対する平坦化処理が行えるとともに、研磨後の被研磨膜内に存する欠陥量を従来よりも大きく減少することができる。

さらに、第１研磨処理の後で行われる第２研磨処理は、第１研磨処理と比較して研磨速度が大きいため、第１表面状態の被研磨膜表面に対しても監視可能な速度で研磨を行うことができる。これにより、あらかじめ定められた膜厚だけ研磨した時点で第２研磨処理を終了させる制御が可能となり、残存させたい被研磨膜の膜厚の調整を容易に行うことができる。

更に、前記第２研磨処理が、前記被研磨膜に対して膜厚３０ｎｍ以上研磨を施して終了することで、第２研磨処理後の被研磨膜に残存する欠陥数を、その後の製造工程に支障のない範囲内に抑制することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第２研磨剤が、前記第１研磨剤よりも前記高分子添加剤の濃度を１／４以下に低下させて生成されたものであるとしても良い。

このように構成することで、第１研磨処理によって凸部または凹部に対して平坦化が施され、被研磨膜表面が第１表面状態となった段階で、研磨速度が大きく減少するため、第１研磨処理の終了タイミングを容易に認識することができる。また、第１表面状態となった被研磨膜表面に対する研磨速度が十分遅いため、凸部または凹部に対する平坦化処理が完了した後、過剰に被研磨膜を研磨するということがない。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第１研磨処理において、供給される前記研磨原料を、研磨装置によって制御された前記第１混合比で混合して得られる前記第１研磨剤を用いて研磨処理を行い、前記第２研磨処理において、供給される前記研磨原料を、前記研磨装置によって制御された前記第２混合比で混合して得られる前記第２研磨剤を用いて研磨処理を行うものとしても良い。

このように構成することで、研磨原料の混合比のみを調整することで、第１研磨処理と第２研磨処理とを同一の研磨装置上で実現することができる。これにより、研磨装置の簡素化が図られる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第１研磨処理において、所定の第１研磨圧力の下で研磨処理を行い、前記第２研磨処理において、前記第１研磨圧力よりも高い第２研磨圧力の下で研磨処理を行うものとしても良い。

このように構成することで、研磨圧力が相対的に小さい第１研磨処理によって、被研磨膜表面に存する凸部または凹部を平坦化するとともに、研磨圧力が相対的に大きい第２研磨処理によって、第１研磨処理後に被研磨膜表面に発生した欠陥が存在する領域を研磨することで、研磨後の表面に損する欠陥数を削減することができる。これにより、成膜された被研磨膜を過剰に研磨することなく、当該被研磨膜表面に対する平坦化処理が行えるとともに、研磨後の被研磨膜内に存する欠陥量を従来よりも大きく減少することができる。このとき、第１研磨処理の後で行われる第２研磨処理は、第１研磨処理と比較して研磨圧力が大きいため、第１表面状態の被研磨膜表面に対しても監視可能な速度で研磨を行うことができる。これにより、あらかじめ定められた膜厚だけ研磨した時点で第２研磨処理を終了させる制御が可能となり、残存させたい被研磨膜の膜厚の調整を容易に行うことができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第１研磨処理において、前記第１表面状態を示す成膜表面に対する研磨速度が、開始直後の研磨速度の１／４以下であるとしても良い。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第２研磨処理が、前記第１表面状態を示す成膜表面に対して毎分２００ｎｍ以上の研磨が可能な研磨条件で行われるものとしても良い。

このように構成することで、第１研磨処理後に被研磨膜表面に存する欠陥が含まれる成膜領域を、第１研磨処理と比較して研磨後に残存する欠陥数を減少させながら研磨することができる。また、第１表面状態の被研磨膜表面に対しても監視可能な研磨速度で研磨することができるため、研磨膜厚の制御が容易化される。これによって、第１研磨処理後に発生した欠陥が多く含まれる成膜領域のみを研磨した後第２研磨処理を終了させる制御を行うことで、過剰に研磨することなく研磨後の被研磨膜に残存する欠陥数を抑制することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記第１研磨処理が、前記第１表面状態を示す成膜表面に対して毎分５０ｎｍ以下の研磨が可能な研磨条件で行われるものとしても良い。

このように構成することで、第１表面状態となった被研磨膜表面に対する研磨速度が十分遅いため、凸部または凹部に対する平坦化処理が完了した後に、過剰に被研磨膜を研磨することがない。これにより、第１研磨処理で過剰に研磨することなく第２研磨処理に移行することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記特徴に加えて、前記被研磨膜が、ＨＤＰ法により成膜されたシリコン酸化膜であるものとしても良い。

このように構成することで、第１研磨処理において、第１表面状態となった被研磨膜に対する研磨速度を十分遅くすることができ、これによって過剰に被研磨膜が研磨されるのを抑制することができる。

さらに、本発明に係る研磨装置は、砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料を所定の第１混合比で混合して生成された非プレストニアン特性を有する第１研磨剤を用いて研磨対象となる被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第１研磨処理部と、前記研磨原料を前記第１混合比とは異なる第２混合比で混合することで、前記第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させた第２研磨剤を用いて前記被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第２研磨処理部と、前記被研磨膜の研磨状態を検知する研磨状態検知部と、を有し、前記研磨状態検知部が、前記第１研磨処理部における前記被研磨膜に対する研磨処理がオートストップ状態に移行したことを検知すると、前記第２研磨処理部において前記被研磨膜に対する研磨処理を実行する指示を与えることを特徴とする。

本発明に係る研磨装置によれば、まず、第１研磨処理部において、高分子添加剤濃度が相対的に大きい第１研磨処理によって、被研磨膜表面に存する凸部または凹部を平坦化し、その後、第２研磨処理部において、前記高分子添加剤濃度が相対的に小さい第２研磨処理によって、第１研磨処理後に被研磨膜表面に発生した欠陥が存在する領域を研磨する構成であるため、研磨後の表面に損する欠陥数を削減することができる。これにより、成膜された被研磨膜を過剰に研磨することなく、当該被研磨膜表面に対する平坦化処理が行えるとともに、研磨後の被研磨膜内に存する欠陥量を従来よりも大きく減少することができる。

さらに、第１研磨処理の後で行われる第２研磨処理は、第１研磨処理と比較して研磨速度が大きいため、ある程度の平坦化処理が施された表面状態、つまり高低差１００ｎｍ以上となるような凹凸が存在しない表面状態（以下、「第１表面状態」という）の被研磨膜表面に対しても監視可能な速度で研磨を行うことができる。これにより、あらかじめ定められた膜厚だけ研磨した時点で第２研磨処理を終了させる制御が可能となり、残存させたい被研磨膜の膜厚の調整を容易に行うことができる。

また、本発明に係る研磨装置は、上記特徴に加えて、前記研磨原料が供給されるとともに、前記研磨材料の混合比の調整が可能な混合比調整部と、前記混合比調整部によって調整された混合比の下で前記研磨原料が混合されることで生成された研磨剤を供給する研磨剤供給口と、を有し、前記研磨状態検知部は、前記第１研磨処理部における前記被研磨膜に対する研磨処理がオートストップ状態に移行したことを検知すると、前記混合比調整部に対して混合比を前記第１混合比から前記第２混合比に変更する指示を与え、前記研磨剤供給口は、前記混合比調整部によって前記第１混合比に設定された混合比の下で前記研磨材料が混合されて生成された前記第１研磨剤を前記第１研磨処理部に供給し、前記混合比調整部によって前記第２混合比に設定された混合比の下で前記研磨材料が混合されて生成された前記第２研磨剤を前記第２研磨処理部に供給するものとしても良い。

また、本発明に係る研磨装置は、研磨対象である被研磨膜を有するウェハが載置される研磨布と、砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料が供給されるとともに、前記研磨材料の混合比の調整が可能な混合比調整部と、前記混合比調整部によって調整された混合比の下で前記研磨原料が混合されることで生成された研磨剤を前記研磨布に供給する研磨剤供給口と、前記被研磨膜の研磨状態を検知する研磨状態検知部と、を有し、前記研磨状態検知部が、前記混合比調整部によって第１混合比に設定された混合比の下で生成された第１研磨剤が前記研磨布に対して供給されている状態下で行われている前記被研磨膜に対する研磨処理がオートストップ状態に移行したことを検知すると、前記混合比調整部に対して混合比を前記第１混合比から第２混合比に変更する指示を与えることで、前記第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させた第２研磨剤を前記研磨布に対して供給させることを特徴とする。

本発明に係る研磨装置によれば、研磨状態検知部が、第１研磨剤による研磨処理がオートストップ状態に移行したことを検知すると、混合比調整部に対して混合比を前記第１混合比から前記第２混合比に変更する指示を与えることで、高分子添加剤の濃度が低下された第２研磨剤による研磨処理へと自動的に移行することができる。これによって、高分子添加剤濃度が相対的に大きい第１研磨剤による研磨処理によって、被研磨膜表面に存する凸部または凹部を平坦化し、その後、前記高分子添加剤濃度が相対的に小さい第２研磨剤による研磨処理によって、第１研磨処理後に被研磨膜表面に発生した欠陥が存在する領域を研磨する構成であるため、研磨後の表面に損する欠陥数を削減することができる。これにより、成膜された被研磨膜を過剰に研磨することなく、当該被研磨膜表面に対する平坦化処理が行えるとともに、研磨後の被研磨膜内に存する欠陥量を従来よりも大きく減少することができる。

本発明の構成によれば、平坦化後の被研磨膜表面に存する欠陥数を削減することができるとともに、平坦化後の被研磨膜の残存膜厚の制御が容易化される。

以下において、本発明に係る半導体装置の製造方法、並びに研磨装置の各実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態（以下、適宜「本実施形態」という）につき、以下の図１〜図４の各図を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図を模式的に示したものであり、工程毎に図１（ａ）〜（ｄ）に分けて図示している。また、図２は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図２に示されるフローチャートの各ステップを表す。なお、図１に示される各工程断面図は、あくまで模式的に図示されたものであり、実際の構造の寸法比と図面上の寸法比とは必ずしも一致するものではない。

まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に半導体素子あるいは金属配線層（以下、単に「半導体素子２」と記載）を形成し、その上面に層間絶縁膜３を堆積する（ステップ＃１）。層間絶縁膜３としては、プラズマシリコン酸化膜（Ｐ−ＳｉＯ膜）を、ＨＤＰ（High-Density Plasma：高密度プラズマ）法によって、成膜温度２００〜７００℃程度、圧力０．０１〜１０Ｐａ程度の下で膜厚１００〜２０００ｎｍ程度堆積する。なお、層間絶縁膜３を堆積する膜厚は、少なくとも前記半導体素子２の高さより大きいものとする。

このステップ＃１に係る層間絶縁膜３の堆積によって、図１（ａ）に示すように、半導体素子２が形成されている領域の上部と、それ以外の領域の上部との間で、表面に一定の凹凸が生じる。以下では、これらの凹凸部を、それぞれ「凸部４」、「非凸部５」と称する。

なお、ここで想定している凹凸部とは、層間絶縁膜の成膜表面において、半導体基板１の基板面に垂直な方向に１００ｎｍ程度以上高さ位置が相違する領域を指すものとする。すなわち、前記凸部４は、最上面の高さ位置が、隣接する非凸部５の最上面の高さ位置よりも１００ｎｍ程度以上高いものとする。

次に、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法により、酸化セリウムを砥粒として含む研磨材を用いた研磨処理（以下、「第１研磨処理」と称する）を基板面に対して行う（ステップ＃２）。これにより、層間絶縁膜３の上面に形成されている凸部４の平坦化を行う。なお、図１（ｂ）は第１研磨処理を実行途中の断面図、図１（ｃ）は第１研磨処理の完了時の断面図をそれぞれ示している。図１（ｃ）に示されるように、第１研磨処理が完了した時点では、層間絶縁膜３の表面は、凸部４が存在しない状態（以下、適宜「第１表面状態」と称する）となっている。

当該ステップ＃２に係る第１研磨処理工程では、一般的に行なわれる酸化セリウムを砥粒として含む研磨材によるＣＭＰ法のように、凸部４に対し高い研磨速度を持ち、第１表面状態（図１（ｃ）の状態）において、研磨速度が自動的に低下してオートストップが生じるような条件下で研磨処理を行う。研磨材としては、研磨砥粒（例えば上記酸化セリウム等）、高分子添加剤（例えばアクリル酸誘導体ポリマー等）、及び水を含む研磨原料を、所定の混合比（例えば研磨砥粒：高分子添加剤を１：２．５の比とする。以下、「第１混合比」という）で混合して生成された研磨剤（以下、「第１研磨剤」という）を用いる。

本ステップ＃１における、より具体的な研磨条件としては、例えば、旭硝子株式会社製の酸化セリウム砥粒を含む研磨材ＣＥＳ−３３３−２．０を毎分約２００ｍｌ程度の量供給し、研磨時の押し付け圧力（以下、単に「研磨圧力」と称する）を約３ｐｓｉ（重量ポンド毎平方インチ、およそ２１ｋＰａ）程度、基板（ヘッド）の回転速度を約１２０ｒｐｍ、研磨布（プラテン）の回転速度を約１３０ｒｐｍとして研磨処理を行う。図３は、半導体素子２の厚みを約１８０ｎｍとし、層間絶縁膜３としてＰ−ＳｉＯ膜をＨＤＰ法で膜厚約１０００ｎｍ程度成膜したサンプルに対し、前記の研磨条件の下で第１研磨処理を実行した場合の、凸部４及び非凸部５の半導体基板１の上面からの高さ位置の変化を示したものである。高さ位置の測定は、分光エリプソメトリ法もしくは分光干渉反射率法による層間絶縁膜３の光学的膜厚測定法と、原子間力顕微鏡法による層間絶縁膜３表面の段差測定法により算出したものであり、直径約２００ｍｍの半導体基板（ウェハ）上の面内における異なる９点の測定値の平均を示している。なお、各点の誤差棒は、上記面内９点の測定値の上限から下限に至るバラツキを示すものである。

ここで、実際には、１０秒以上の第１研磨処理を施した段階で、層間絶縁膜３の表面状態は前記第１表面状態となっており、すでに凸部４は存在しない状態であるが、以下の説明では、第１研磨処理開始前に存在していた凸部４と非凸部５の高さ位置が、第１研磨処理の実行によってどのように変化していくかについての説明を行う都合上、第１研磨処理の開始前に凸部４が形成されていた領域を「凸部４」と記載し、第１研磨処理の開始前に非凸部５が形成されていた領域を「非凸部５」と記載している。

図３において、黒塗りの四角でプロットされた点は、凸部４の高さ位置を示しており、変化の状態を実線１１で示している。一方、白抜きの丸でプロットされた点は、非凸部５の高さ位置を示しており、変化の状態を破線１２で示している。また、各プロット位置において上下方向に示されている矢印は、複数のサンプルに対して同一の条件下で第１研磨処理を実行した際のサンプル間の高さ位置のバラツキを示しており、実線の矢印が凸部４の高さ位置のバラツキを、破線の矢印が非凸部５の高さ位置のバラツキをそれぞれ示している。

まず、第１研磨処理開始時（研磨時間０秒）において、凸部４の高さ位置と非凸部５の高さ位置の差は、半導体素子２の厚みにほぼ等しく、図３のグラフでは約１８０ｎｍを示している。

次に、約１０秒間第１研磨処理を実行することで、非凸部５に比べて凸部４に対して多くの研磨処理が施され、これによって凸部４の上面位置が徐々に非凸部５の上面位置に近付いている。そして、凸部４と非凸部５の上面位置がほぼ等しくなって以後、第１研磨処理を行っても両領域の上面位置はほとんど変化をしておらず、このことは、研磨が進行していないことを示唆している。すなわち、前記のオートストップが発生していると考えられ、凸部４に対する平坦化が完了（すなわち図１（ｃ）の状態）し、層間絶縁膜４の表面が前記第１表面状態となったことを示唆していると言える。

なお、第１表面状態（研磨時間１０秒が経過した後）での層間絶縁膜３の表面における研磨速度はおよそ毎分２３ｎｍであり、第１研磨処理を開始してからの約１０秒間に凸部４が約１８０ｎｍ研磨されているのに比して、十分遅い研磨速度であると言うことができる。

上述したように、この第１研磨処理は、研磨材として酸化セリウム砥粒を利用しており、研磨圧力が一定値より低い場合には研磨速度が遅くなる、いわゆる非プレストニアン特性を有している。そして、このような性質を利用することで、平坦化が完了した後においても、過剰に研磨されることがないという特徴を有する。従って、かかる特徴を利用するためには、凸部４が存在している状況下における研磨速度を、凸部４に対する平坦化が完了した後の研磨速度と比較して十分大きくすることが好ましく、このような条件下で第１研磨処理を行うことで、層間絶縁膜３を過剰に研磨することなく表面の平坦化を行うことができる。

すなわち、第１研磨処理が、所定の閾値を上回る研磨圧力の下では研磨速度が速く、当該閾値を下回る研磨圧力の下では研磨速度が十分遅くなるという特徴を有しているため、かかる特徴を十分に発揮させるためには、凸部４が存在している成膜表面に対しては研磨圧力が前記閾値を上回り、逆に、凸部４が存しなくなった第１表面状態の成膜表面に対しては研磨圧力が前記閾値を下回るように、研磨条件を調整することが必要である。具体的には、平坦化処理が完了した後の第１表面状態の層間絶縁膜３の表面に対する研磨速度は毎分５０ｎｍ以下であり、平坦化処理前の凸部４が存在する状況下ではその４倍程度以上の研磨速度で層間絶縁膜３の表面に対して研磨処理が行われることが好ましい。

ところで、凸部４に対する平坦化処理が完了した後の層間絶縁膜３に対する研磨速度は、砥粒として利用される材料の他、被研磨対象となる層間絶縁膜３の膜種によっても変化する。例えば、ＰＥ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法によって形成したＰ−ＴＥＯＳ膜である場合、平坦化処理後の研磨速度は毎分３１ｎｍ程度であり、上述したＨＤＰ法で成膜したＰ−ＳｉＯ膜が示す毎分２３ｎｍの研磨速度よりは高速であるものの、毎分５０ｎｍ以下の十分遅い研磨速度であるため、かかる材料を層間絶縁膜３として利用することで、過剰に研磨されることなく凸部４に対する平坦化が可能であると言える。一方、熱ＣＶＤ法によって成膜したＢ及びＰをドープしたＢＰＳＧ膜においては、平坦化処理後の研磨速度が毎分４５０ｎｍ以上となるため、第１研磨処理の被研磨対象としては適さないと言える。

このように、第１研磨処理において、凸部４が存在する状況下での研磨速度に対して、凸部４に対する平坦化が完了した後の研磨速度が十分遅い場合には、例えば、一般的に用いられるように、基板（ヘッド）回転トルクまたは研磨布（プラテン）回転トルクの経時変化を連続的に監視することにより、平坦化が完了したことを知ることができる。このようにして平坦化の完了を確認した時点で、第１研磨処理を終了することにより、過剰な研磨をすることなく凸部４に対する平坦化を実行することができる。

しかしながら、平坦化が完了した後の第１研磨処理の研磨速度は十分遅いため、図１（ｃ）に示されるように、当該第１研磨処理完了後の層間絶縁膜３の上面には研磨時に生じたスクラッチ等の欠陥６が残存した状態である。

ここで、ステップ＃２に係る第１研磨処理と比べて、研磨原料の混合比を変更して所定の混合比（以下、「第２混合比」という）の下で混合することで生成した研磨剤（以下、第２研磨剤という）を用いて研磨処理を行う（以下、「第２研磨処理」と称する。ステップ＃３）。具体的には、第２混合比を、高分子添加剤の濃度が第１研磨剤と比較して１／２．５以下、好ましくは１／４以下の濃度となるような混合比とする。

第１研磨処理の非プレストニアン特性は、高分子添加剤の作用によるものであるため、同一の組成種にて、組成比を変化することにより、非プレストニアン特性の強度を変化させることができる。すなわち、第２研磨剤として、第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させることで、非プレストニアン特性を示さないような条件下に設定し、これによって、第１研磨処理よりもオートストップ状態の発動が起こりにくい状態とすることができる。ここで、高分子添加剤の濃度としては、第１研磨剤においてはウェハエッジ以外の領域において非プレストニアン特性が得られる最低の第１濃度（２．０ｗｔ％程度）より高くすればよく、第２研磨処理の高分子添加剤濃度は、前記第１濃度より低くすればよい。なお、好ましくは、第１研磨処理においてウェハエッジ付近の研磨圧力が集中する領域においても非プレストニアン特性を示すようにするために、第１研磨剤における高分子添加剤の濃度を、前記第１濃度の４倍程度以上にするほうが望ましい。この場合、第２研磨処理においては、高分子添加剤濃度を第１研磨剤の高分子添加剤の濃度の１／４以下とする必要がある。

ステップ＃３において、高分子添加剤濃度が低下された第２研磨剤を用いて研磨処理（第２研磨処理）を行うことで、第１研磨処理においてオートストップ状態が起こった後の被研磨膜に対して引き続き研磨処理を実行することができる。つまり、この第２研磨処理によって、層間絶縁膜３の上面を研磨し、上面に残存する欠陥６を取り除くことができる。この第２研磨処理においては、第１研磨処理から研磨原料及び研磨布（プラテン）を変える必要は無く、第１研磨処理に引き続き連続的に行うことも可能である。この場合は、第１研磨処理において用いられた第１研磨剤を研磨布上から除去した後、同一の研磨原料を第２混合比の下で混合して生成された第２研磨剤を研磨布に供給した状態で、引き続き研磨処理を行うものとすることができる。

例えば、約３ｐｓｉの研磨圧力にて、高分子添加剤濃度を第１研磨処理の１／２．５以下、望ましくは１／４以下の濃度にて約４０秒間研磨を行うことで、約１００ｎｍ程度の膜厚の層間絶縁膜３を除去する。下記表１は、第２研磨処理における層間絶縁膜３の研磨除去量に対する研磨後の層間絶縁膜３の表面に存在する欠陥数を示す表である。

なお、上記表１に示される欠陥数とは、適切な洗浄を施した後に、欠陥の大きさ（欠陥領域を上面から見たときの平面形状の外接長方体の長辺と短辺の平均値）が約１００ｎｍ以上を示す欠陥の、直径約２００ｍｍの半導体基板（ウェハ）１枚当たりの数によって表している。以下では、欠陥数としてカウントされる範囲内の欠陥を「欠陥６」と記載する。

サンプルＳ１は、第１研磨処理のみを実行し、第２研磨処理を実行しない場合の欠陥数を測定したものである。また、サンプルＳ２〜Ｓ４は、同一の条件下で第１研磨処理を実行後、それぞれ第２研磨処理の研磨量を変化させたときの欠陥数を測定したものである。また、サンプルＳ５は、第１研磨処理を行わず、第２混合比の下で混合された生成された第２研磨剤を用いた研磨処理（第２研磨処理）のみを行って凸部４の平坦化処理を行ったときの欠陥数を測定したものである。なお、各サンプルＳ２〜Ｓ５の第２研磨処理の研磨量は、それぞれサンプルＳ２が２８ｎｍ、サンプルＳ３が５７ｎｍ、サンプルＳ４が８５ｎｍ、サンプルＳ５が１１３ｎｍである。

サンプルＳ１の場合、第１研磨処理を実行した直後の層間絶縁膜３の表面には３００００個を超える非常に多くの欠陥６が存在していることが分かる。従って、第１研磨処理のみを実行することによってＣＭＰ工程を完了させ、その後の工程を行った場合、層間絶縁膜３の上面に残存する多くの欠陥６によって、例えば、配線用金属膜堆積時に欠陥６に入り込んだ金属材料が、配線パターン形成のためのエッチング工程において正常にエッチングされない不良が生じたり、あるいは、フォトリソグラフィ工程において欠陥６上部の領域のパターン消失や不要パターンの残存などの不良が生じたりし、配線やヴィアホールが所望の形状とならない等の種々の支障を生じさせることが懸念される。

一方、サンプルＳ２の結果によれば、第１研磨処理を実行後、第２研磨処理によって層間絶縁膜３を膜厚２８ｎｍ除去することにより、欠陥数はウェハ１枚あたりおよそ３００個にまで減少する。このことから、第１研磨処理で生じた欠陥数は非常に多いものの、第１研磨処理終了後の層間絶縁膜３の上面位置から深さ３０ｎｍ以下の位置に存在するものが大半であり、第２研磨処理によって３０ｎｍ程度の層間絶縁膜３を除去することで、効率的に欠陥６が除去されていると考えられる。また、このことより、第１研磨処理によって生じる欠陥６は、研磨装置の状態により変動するのはもちろんであるものの、一般的な研磨砥粒の大きさに比して小さな欠陥であり、通常の装置管理方法のみで欠陥自体を抑制することは困難であることを示唆するものであると言うことができる。

また、サンプルＳ４の結果によれば、第２研磨処理によって層間絶縁膜３の除去量を８５ｎｍ程度にまで増加させれば、欠陥数はウェハ１枚あたりおよそ１００個以下にまで減少させることができ、サンプルＳ５のように、第２研磨処理のみでＣＭＰ工程を行う場合とほとんど同程度の欠陥数に抑制することができる。

なお、サンプルＳ５のように第２研磨処理のみを実行した場合、上記表１に示すように欠陥数を最も減少させることはできるものの、第１研磨処理と比較してオートストップ状態になりにくい条件下であるため、凸部４が存在しなくなった第１表面状態になった後も、大きく研磨処理が実行される結果、過剰に研磨処理を実行してしまう懸念がある。すなわち、本実施形態のように、まず第１研磨処理によって平坦化処理を行うことで、研磨膜厚を最小限に抑えながら成膜表面を第１表面状態にした後、欠陥数を減少させるために必要な最小限の研磨処理を第２研磨処理によって実行することで、研磨処理後に残存する欠陥数の減少と研磨される膜厚の抑制とを両立することが可能となる。

ここで、上記表１の結果によれば、第２研磨処理によって層間絶縁膜３を研磨する研磨量は３０ｎｍ程度以上であることが望ましく、また８０ｎｍ以上であればより望ましいことが分かる。

また、第２研磨処理は、第１研磨処理よりもオートストップ状態になりにくい研磨条件の下での研磨処理であるため、第１表面状態を有する層間絶縁膜３に対して行われる第１研磨処理と比較して研磨速度が速い。従って、第２研磨処理を、層間絶縁膜３の膜厚を一般的な光学的手法等で監視しながら行うことで、残存させたい層間絶縁膜３の膜厚を容易に制御することができ、これにより、層間絶縁膜３を所望の膜厚だけ残存させてＣＭＰ工程を完了することができる。従って、層間絶縁膜３の形成工程のバラツキや、ＣＭＰ装置の研磨速度のバラツキを抑制することが可能となる。

ステップ＃３に係る第２研磨処理を終了後は、配線工程、層間絶縁膜堆積工程等の所定の工程を行う。これにより、層間絶縁膜の表面に存する欠陥数を減少させるとともに、残存させたい層間絶縁膜３の膜厚を容易に制御することができる。

以上、本発明によれば、被研磨膜表面に存する凸部を平坦化するために行う第１研磨処理と、表面に損する欠陥数を減少させるために行う第２研磨処理とを、それぞれ研磨条件を異ならせて実行することにより、成膜された被研磨膜を過剰に研磨することなく、当該被研磨膜表面に対する平坦化処理が行えるとともに、研磨後の表面に存する欠陥量を従来よりも大きく減少することができる。さらに、後で行われる第２研磨処理は、第１研磨処理よりもオートストップ状態になりにくい条件下での研磨処理であるため、第１研磨処理よりも研磨速度が速く、第１表面状態の被研磨膜表面に対しても監視可能な速度で研磨を行うことができる。これにより、あらかじめ定められた膜厚だけ研磨した時点で第２研磨処理を終了させる制御が可能となり、残存させたい被研磨膜の膜厚の調整を容易に行うことができる。

次に、上記のような研磨処理の実現が可能な研磨装置について、図４を参照して説明する。

図４は、本発明に係る研磨装置の概略構造図であり、（ａ）に上面視平面図を、（ｂ）に正面図をそれぞれ示している。

研磨装置１０は、ウェハ移し替え部１６、研磨ステージ１７，１８、基板（ヘッド）２０、研磨剤供給部２１、研磨布２２、混合比調整部２３、研磨剤配管２４、研磨剤供給口２５、研磨状態検知部２６を備える。

まず、ウェハ移し替え部１６において、ウェハ２７の被研磨膜（研磨表面）が研磨布２２と対向するように基板（ヘッド）２０に配置する。そして、第１研磨処理（ステップ＃２）を実行するため、基板（ヘッド）２０にウェハ２７を保持した状態で、第１研磨ステージ１７（第１研磨処理部に相当）へと搬送する。

第１研磨ステージ１７では、上述した第１混合比の下で、砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料が混合されるよう、混合比調整部２３において混合比が調整される。そして、この第１混合比の下で混合されることで生成された第１研磨剤が、研磨剤配管２４を介して研磨剤供給部２１へと送られ、さらに研磨剤供給口２５から研磨布２２上に供給される。

そして、研磨布２２上に第１研磨剤が供給されると、基板（ヘッド）２０及び研磨布２２を回転させ、基板（ヘッド）２０に圧力を印加して第１研磨処理を実施する。そして、研磨状態検知部２６によって研磨処理がオートストップ状態になったことを検知すると、第１研磨処理を終了する。

研磨状態検知部２６は、例えば基板（ヘッド）回転トルクまたは研磨布（プラテン）回転トルクの経時変化を連続的に監視し、このトルクが研磨開始直後から所定の相対値（例えば９８％〜５０％）以下になったことを検出すると、被研磨膜に対する研磨処理がオートストップ状態になったことを認識するものとして良い。このとき、具体的には、被研磨膜の成膜表面の垂直方向の高さまたは深さが１００ｎｍ以上の凸部または凹部が存在しない状態となる。なお、前記所定の相対値は、研磨前における凹凸部の大きさ並びに平坦部の面積に対する凹凸部の面積の割合等の被研磨表面の初期状態に応じて適宜設定されるものとして良い。また、研磨開始直後におけるトルクは、例えば、研磨剤供給口２５からの研磨剤（第１研磨剤）の供給、並びに研磨布２２及びウェハ２７の回転が開始した状態の下で測定されたトルクの値を採用するものとすることができる。

研磨状態検知部２６によって第１研磨処理がオートストップ状態になったことが検知されると、研磨状態検知部２６は、その旨の信号を制御部（不図示）に与えるとともに、制御部は、かかる信号を受けて、被研磨膜に対して第２研磨処理を実施すべく基板（ヘッド）２０にウェハ２７を保持した状態で第２研磨ステージ１８へと搬送する指示を与える。

第２研磨ステージ１８では、上述した第２混合比の下で、砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料が混合されるよう、混合比調整部２３において混合比を調整する。そして、この第２混合比の下で混合されることで生成された第２研磨剤が、研磨剤配管２４を介して研磨剤供給部２１へと送られ、さらに研磨剤供給口２５から研磨布２２上に供給される。

そして、研磨布２２上に第２研磨剤が供給されると、第１研磨処理と同様に基板（ヘッド）２０及び研磨布２２を回転させ、基板（ヘッド）２０に圧力を印加して、必要な研磨量、具体的には例えば３０ｎｍ以上の研磨量が得られる時間だけ第２研磨処理を実施する（ステップ＃３）。

その後、再びウェハ２７をウェハ移し替え部１６へ搬送した後、基板（ヘッド）２０から離脱させ、研磨設備とは別に設置されている洗浄設備において既知の方法でウェハ表面の洗浄を行う。

なお、図４に示す研磨装置では、第１研磨処理と第２研磨処理を個別の研磨ステージで行う構成としたが、研磨布２２に供給する研磨材を、第１研磨処理と第２研磨処理との間で、混合比調整部２３によって研磨原料の混合比を変更することで異ならせることにより、同一の研磨ステージ上で連続して研磨処理を行う構成とすることもできる。この場合、研磨状態検知部２６によって、第１研磨処理がオートストップ状態に移行したことが検知されると、研磨状態検知部２６から制御部（不図示）にその旨の信号が送られるとともに、制御部（不図示）は、研磨状態検知部２６からその旨の信号を受け取ると、混合比調整部２３に対して混合比を第１混合比から第２混合比に変更する旨の制御信号を送出するものとして良い。これによって、研磨剤供給口２５から研磨布２２に対して第２混合比の下で研磨原料が混合されて生成された第２研磨材が供給されることとなり、第２研磨処理に移行する。このとき、第１研磨処理が終了後、研磨布２２上に存在する研磨材（第１研磨材）を除去した後に、第２混合比の下で混合されて生成された第２研磨材を研磨布２２上に供給する構成としても良い。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態（以下、適宜「本実施形態」という）につき、図５を参照して説明する。なお、本実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ステップ＃３に係る第２研磨処理に代えて、ステップ＃３ａに係る第２研磨処理を行う点が異なるものであり、他は第１実施形態と共通である。以下では、第１実施形態と異なる点のみを説明する。

図４は、本実施形態の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップは図４に示されるフローチャートの各ステップを表す。

まず、第１実施形態と同様、層間絶縁膜３を堆積した後（ステップ＃１）、第１研磨処理を実行する（ステップ＃２）。そして、この第１研磨処理がオートストップ状態に移行すると、研磨圧力を変更して第２研磨処理を実行する（ステップ＃３ａ）。具体的には、ステップ＃２に係る第１研磨処理と比べて、研磨圧力を１．５倍程度以上として層間絶縁膜３に対して改めて研磨処理を行う。かかる第２研磨処理によって、層間絶縁膜３の上面を研磨し、上面に残存する欠陥６を取り除く。この第２研磨処理においては、第１研磨処理から研磨材及び研磨布（プラテン）を変える必要は無く、第１研磨処理に引き続き連続的に行うことも可能である。例えば、約６ｐｓｉ（およそ４１ｋＰａ）の研磨圧力にて約４０秒間研磨を行うことで、約１００ｎｍ程度の膜厚の層間絶縁膜３を除去する。

このとき、第２研磨処理の条件としては、上記表１を参照すれば、第１実施形態と同様、第２研磨処理によって層間絶縁膜３を研磨する研磨量を３０ｎｍ程度以上とすることが望ましく、８０ｎｍ以上とすればより望ましい。

このようにして第２研磨処理によって欠陥６を除去した後は、配線工程、層間絶縁膜堆積工程等の所定の工程を行う。これにより、層間絶縁膜の表面に存する欠陥数を減少させるとともに、残存させたい層間絶縁膜３の膜厚を容易に制御することができる。

本実施形態の方法の場合、第２研磨処理（ステップ＃３ａ）は、第１研磨処理（ステップ＃３）よりも研磨圧力が大きいため、第１表面状態を有する層間絶縁膜３に対して行われる第１研磨処理と比較して研磨速度が速い。従って、第２研磨処理を、層間絶縁膜３の膜厚を一般的な光学的手法等で監視しながら行うことで、残存させたい層間絶縁膜３の膜厚を容易に制御することができ、これにより、層間絶縁膜３を所望の膜厚だけ残存させてＣＭＰ工程を完了することができる。従って、層間絶縁膜３の形成工程のバラツキや、ＣＭＰ装置の研磨速度のバラツキを抑制することが可能となる。

なお、第１実施形態では、第１研磨処理と第２研磨処理との間で、研磨原料の混合比のみを変更する構成としたが、これに加えて、さらに第２実施形態のように研磨圧力を変化させる構成としても良い。このように、高分子添加剤の濃度と研磨圧力の双方を変更することで、残存する欠陥数をなるべく減少させながらも、残存させるべき被研磨膜の膜厚を調整するための第２研磨処理の条件をより柔軟に制御することが可能となる。

また、上述した各実施形態では、層間絶縁膜に対する平坦化処理を行う場合を例に挙げて説明を行ったが、研磨対象となる被研磨膜は絶縁膜に限らず、導電膜であっても構わない。また、図１において「凸部」「非凸部」という表現を行ったが、これは成膜表面に形成された凹凸領域の呼称する上での一態様であって、高さ位置が高い領域を基準とすれば「凹部」「非凹部」と記載することも可能である。すなわち、凸部４が存在しない平面状態として定義した前記「第１表面状態」とは、むろん凹部が存在しない平面状態でもあり、これらを総称すれば、成膜表面において半導体基板１の基板面に対して高さ位置または深さ位置が垂直な方向に１００ｎｍ程度以上変化する領域を有しない表面状態を指すものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す工程断面図 本発明に係る半導体装置の製造方法の第１実施形態の製造工程を示すフローチャート 第１研磨処理の研磨時間特性を示すグラフ 本発明に係る研磨装置の概略構造図 本発明に係る半導体装置の製造方法の第２実施形態の製造工程を示すフローチャート

符号の説明

１： 半導体基板
２： 半導体素子
３： 層間絶縁膜
４： 凸部
５： 非凸部
１０： 研磨装置
１６： ウェハ移し替え部
１７： 研磨ステージ
１８： 研磨ステージ
１９： 研磨ステージ
２０： 基板（ヘッド）
２１： 研磨剤供給部
２２： 研磨布
２３： 混合比調整部
２４： 研磨剤配管
２５： 研磨剤供給口
２６： 研磨状態検知部
２７： ウェハ

Claims (6)

1. 半導体基板上に絶縁膜または導電膜で構成される被研磨膜を成膜する成膜工程と、
   前記成膜工程終了後、前記被研磨膜の成膜表面を平坦化する平坦化工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記平坦化工程が、
   砥粒、高分子添加剤、及び水を含む研磨原料を所定の第１混合比で混合して生成された非プレストニアン特性を有する第１研磨剤を用いて前記被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第１研磨処理と、
   前記第１研磨処理がオートストップ状態に移行した後、前記研磨原料を前記第１混合比とは異なる第２混合比で混合することで、前記第１研磨剤よりも高分子添加剤の濃度を低下させた第２研磨剤を用いて前記被研磨膜の表面に対して研磨処理を行う第２研磨処理と、を有し、
   前記第２研磨処理によって、前記第１研磨処理によって前記被研磨膜内に発生した少なくとも一部の欠陥を含む領域に係る膜厚分を除去し、
   前記第２研磨処理が、前記被研磨膜に対して膜厚３０ｎｍ以上研磨を施して終了することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２研磨剤が、前記第１研磨剤よりも前記高分子添加剤の濃度を１／４以下に低下させて生成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１研磨処理において、供給される前記研磨原料を、研磨装置によって制御された前記第１混合比で混合して得られる前記第１研磨剤を用いて研磨処理を行い、
   前記第２研磨処理において、供給される前記研磨原料を、前記研磨装置によって制御された前記第２混合比で混合して得られる前記第２研磨剤を用いて研磨処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１研磨処理において、所定の第１研磨圧力の下で研磨処理を行い、
   前記第２研磨処理において、前記第１研磨圧力よりも高い第２研磨圧力の下で研磨処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第２研磨処理が、前記第１研磨処理が前記オートストップ状態に移行した表面状態を示す成膜表面に対して毎分２００ｎｍ以上の研磨が可能な研磨条件で行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記被研磨膜が、ＨＤＰ法により成膜されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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