JP3923442B2

JP3923442B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP3923442B2
Application number: JP2003084554A
Authority: JP
Inventors: 直毅井谷; 敏之井染; 崇史渡邉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004296600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。素子分離領域を形成する際の酸化量を小さくすれば、バーズビークを小さくすることが可能であるが、酸化量を小さくした場合には、十分な素子分離機能を得ることができなくなってしまう。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。
【０００４】
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１２を用いて説明する。図１２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。
【０００５】
まず、図１２（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。
【０００６】
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。
【０００７】
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２１６、即ち溝が形成される。
【０００８】
次に、図１２（ｂ）に示すように、トレンチ２１６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。
【０００９】
次に、図１２（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２１６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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、研磨速度があまり速くなく、また、必ずしも良好な平坦性が得られなかった。
【００１３】
近時、研磨速度が速く、良好な平坦性が得られる研磨剤として、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨剤が提案されている（特許文献１〜３参照）。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、ＣｅＯ₂）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。
【００１４】
このような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とＫＯＨより成る添加剤とを含む研磨剤を用いた場合と比較して、速い速度で被研磨膜２２０の表面を研磨することができ、しかも、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。
【００１５】
しかし、このような提案されている研磨剤を用いた場合には、被研磨膜２２０の表面がほぼ平坦化されると研磨速度が著しく遅くなってしまう。被研磨膜２２０の表面が平坦化されると研磨速度が著しく遅くなってしまうのは、提案されている研磨剤中に添加剤として含まれる界面活性剤の特性によるものと考えられている。このため、提案されている研磨剤を用いた場合には、シリコン窒化膜上に被研磨膜であるシリコン酸化膜が残ってしまう。
【００１６】
ここで、シリコン酸化膜２２０の凹部における表面の高さとシリコン窒化膜２１４の表面の高さとがほぼ等しくなるように、シリコン酸化膜２２０の厚さを設定することも考えられる。しかし、シリコン酸化膜２２０の膜厚は設計値に対して±３０ｎｍ程度変動するのが一般的である。このため、シリコン酸化膜２２０が設計値より厚く形成されてしまった場合（図１３（ａ）参照）には、シリコン窒化膜２１４上にシリコン酸化膜２２０が残ってしまう（図１３（ｂ）参照）。
【００１７】
シリコン窒化膜２１４上にシリコン酸化膜２２０が残っていると、シリコン窒化膜２１４やシリコン酸化膜２１２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２１４上のシリコン酸化膜２１２を、何らかの方法により除去しなければならない。
【００１８】
シリコン窒化膜２１４上に残ったシリコン酸化膜２２０を除去する方法として、研磨剤の供給を止め、純水を供給しながらシリコン酸化膜２２０を研磨することが提案されている。シリコン酸化膜２２０の平坦化が終了した時点においては、シリコン酸化膜２２０と研磨パッド（図示せず）との間には研磨剤（図示せず）が残っている。研磨剤に含まれていた添加剤は水溶性であるため、純水を供給すると、添加剤が短時間で除去される。一方、研磨剤に含まれていた研磨砥粒は水溶性ではないためシリコン酸化膜２２０と研磨パッドとの間に残る。添加剤は、シリコン酸化膜２２０の表面が平坦化された際に、シリコン酸化膜２２０の研磨速度を遅くするのに寄与していたものである。このような添加剤が短時間に除去される一方、研磨に寄与する研磨砥粒は研磨パッドとシリコン酸化膜２２０との間に残るため、シリコン窒化膜２１４上に残っているシリコン酸化膜２２０を研磨により除去することが可能となる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２０００−２４８２６３号公報
【特許文献２】
特開平８−２２９７０号公報
【特許文献３】
特開平５−３２６４６９号公報
【特許文献４】
特開２００１−９７０２号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単に、研磨剤を供給するのを止め、純水を供給しながら被研磨膜であるシリコン酸化膜２２０を研磨すると、図１４に示すように、素子分離領域を構成する埋め込み酸化膜２２０の表面にディッシング（dishing）２２４と称される凹みが深く生じてしまう場合があった。埋め込み酸化膜２２０の表面にディッシング２２４が深く生じると、埋め込み酸化膜２２０のウェハ面内及びウェハ面間のばらつきに対するマージンが小さくなってしまう。
【００２１】
本発明の目的は、被研磨膜表面にディッシングが生じるのを抑制しつつ、高いスループットで被研磨膜を研磨し得る半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、被研磨膜の膜厚を測定する膜厚測定工程と、次いで、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨剤を供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨することにより、前記被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記膜厚測定工程で測定された前記被研磨膜の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨量で、前記被研磨膜の表面を更に研磨する第２の工程とを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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を図１乃至図１０を用いて説明する。
【００２４】
（研磨装置）
本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１乃至図３を用いて説明する。図１は、研磨装置を示す平面図である。図２は、研磨装置を示す側面図（その１）である。図３は、研磨装置を示す側面図（その２）である。
【００２５】
図１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。
【００２６】
本実施形態では、メイン研磨と仕上げ研磨のいずれにおいても、研磨テーブル１０２ａを用いる。なお、メイン研磨及び仕上げ研磨の詳細な内容については、後述することとする。本実施形態では、研磨テーブル１０２ｂ、１０２ｃについては、特に用いない。
【００２７】
図２に示すように、研磨テーブル１０２上には、それぞれ研磨パッド１０４が設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
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１１ａ〜１１２ｄを移動させることが可能である。
【００３０】
図２に示すように、研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄは、半導体基板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１０４ａ、１０４ｂに押し付ける。
【００３１】
研磨テーブル１０２ａ〜１０２ｃ上には、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、純水等を研磨パッド１０４上に供給するためのものである。
【００３２】
図１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。
【００３３】
図３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を配置する密度は、１ｃｍ²当たり数個程度となっている。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。
【００３４】
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。
【００３５】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図４乃至図１０を用いて説明する。図４及び図５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。
【００３６】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０を用意する。半導体基板１０としては、例えばシリコン基板を用いる。より具体的には、例えばシリコンウェハを用いる。
【００３７】
次に、半導体基板１０上の全面に、例えば熱酸化法により、シリコン酸化膜１２を形成する。シリコン酸化膜１２の厚さは、例えば１０ｎｍ程度とする。
【００３８】
次に、全面に、例えばＣＶＤ法により、シリコン窒化膜１４を形成する。シリコン窒化膜１４の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度とする。
【００３９】
次に、フォトリソグラフィ技術を用い、シリコン窒化膜１４及びシリコン酸化膜１２に半導体基板１０に達する開口部１６を形成する。
【００４０】
次に、開口部１６が形成されたシリコン窒化膜１４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、即ち、溝が形成される。トレンチ１８の深さは、例えば３００ｎｍ程度とする。
【００４１】
次に、図７（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４４０ｎｍを目標膜厚とする。こうして、トレンチ１８内にシリコン酸化膜２０が埋め込まれる。こうして、表面に凹凸が存在するシリコン酸化膜２０が形成される。
【００４２】
次に、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の膜厚を測定する。被研磨膜２０の膜厚の測定は、全数測定でもよいし、抜き取り測定でもよい。即ち、すべてのウェハについて被研磨膜２０の膜厚を測定してもよいし、一部のウェハに対して被研磨膜２０の膜厚を測定してもよい。被研磨膜２０の膜厚はロット毎にばらつく傾向があるため、抜き取り測定を行う場合には、１つのロット内においてある程度の枚数のウェハに対して抜き取り測定を行うことが望ましい。１ロットのウェハの枚数が例えば２５枚の場合には、２５枚のウェハのうちの例えば１０枚のウェハに対して抜き取り測定を行う。測定箇所の数は、１枚のウェハに対して例えば１２箇所ずつとする。
【００４３】
被研磨膜２０の膜厚を測定する際には、例えば、シリコン窒化膜１４の表面から被研磨膜２０の凸部の表面までの膜厚を測定する。測定装置としては、例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ株式会社製の薄膜測定装置（ＡＳＥＴ−Ｆ５）を用いることができる。
【００４４】
なお、ここでは、被研磨膜２０の膜厚を測定する際、シリコン窒化膜１４の表面から被研磨膜２０の凸部の表面までの膜厚を測定したが、トレンチ１６の底面から被研磨膜２０の凹部の表面までの膜厚を測定してもよい。
【００４５】
次に、測定された被研磨膜２０の膜厚のデータに基づいて、被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′を求める。こうして求められた被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′、即ち平均膜厚は、仕上げ研磨における研磨時間を最適化する際に用いられる。仕上げ研磨における研磨時間の最適化については、後述することとする。
【００４６】
次に、半導体基板１０を、研磨ヘッド１１２ａ（図１参照）により支持する。この際、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０が下面側に位置するようにする。
【００４７】
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。
【００４８】
次に、図２に示すように、ＣＭＰ法により、メイン研磨を行う。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、研磨ヘッド１１２ａを降下させ、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、研磨テーブル１０２ａを回転させるとともに、ノズル１２４ａを介して研磨パッド１０４上に研磨剤を供給する。こうして、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面が研磨され、表面がほぼ平坦なシリコン酸化膜２０が得られる（図７（ｃ）参照）。
【００４９】
研磨剤、即ち、スラリーとしては、被研磨膜２０の表面に凹凸が存在する際には比較的速い研磨レートで被研磨膜２０の表面を研磨し、被研磨膜２０の表面がほぼ平坦化された際には被研磨膜２０に対する研磨レートが遅くなるような特性を有する研磨剤を用いる。
【００５０】
このような研磨剤としては、例えば、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨剤を用いる。このような研磨剤では、研磨砥粒として、例えば酸化セリウム（セリア）が用いられている。また、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。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：ＭｉｃｒｏＰｌａｎｅｒＳＴＩ２１００）を挙げることができる。
【００５１】
図６は、本実施形態で用いられ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、即ち研磨レートを示している。
【００５２】
図６から分かるように、本実施形態で用いられる研磨剤は、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傾向がある。
【００５３】
図７は、研磨速度が変化するメカニズムを示す概念図である。
【００５４】
図７（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の凸部における角の部分に高い圧力が加わる。このため、被研磨膜２０の凸部が速い研磨レートで研磨され、被研磨膜２０は速い研磨速度で平坦化される。
【００５５】
これに対し、図７（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に対する研磨速度は極めて遅くなる。
【００５６】
このように、本実施形態で用いられる研磨剤は、表面に凹凸が存在する被研磨膜２０に対する研磨速度は速く、表面が平坦化された被研磨膜２０に対する研磨速度は遅くなるという特性を有している。
【００５７】
なお、表面が平坦化された被研磨膜２０に対して研磨速度が遅くなるのは、研磨剤に添加剤として含まれている界面活性剤の特性によるものと考えられている。
【００５８】
メイン研磨の終点検出は、例えば研磨テーブル１０２ａの駆動電圧に基づいて行う。
【００５９】
図８は、メイン研磨の際における研磨テーブルの駆動電圧の変化を示すグラフである。横軸は、研磨時間を示している。縦軸は、研磨テーブルの駆動電圧を示している。
【００６０】
メイン研磨の際における研磨テーブル１０２ａの駆動電圧は、例えば図８に示すように変化する。そして、被研磨膜２０の表面がほぼ平坦化されると、研磨テーブル１０２ａの駆動電圧は殆ど変化しなくなる。このため、単位時間当たりの駆動電圧の変化を観測することにより、終点検出を行うことができる。
【００６１】
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の駆動電流を観測することにより、終点検出を行ってもよい。また、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。また、研磨ヘッド１１２ａの駆動電圧、駆動電流、トルク等を観測することによっても、終点検出を行うことが可能である。
【００６２】
メイン研磨を行う際の条件は、例えば以下の通りとする。
【００６３】
研磨ヘッド１１２ａを研磨パッド１０４に押し付ける圧力は、例えば１００〜５００ｇ重／ｃｍ²の範囲とする。ここでは、例えば２００ｇ重／ｃｍ²とする。
【００６４】
研磨ヘッド１１２ａの回転数は、例えば７０〜１４０回転の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【００６５】
研磨テーブル１１２ａの回転数は、例えば７０〜１２０回転／分の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【００６６】
研磨剤１２６の供給量は、例えば０．１〜０．３リットルの範囲とする。ここでは、例えば０．２リットル／分とする。
【００６７】
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。
【００６８】
なお、研磨パッド１０４の目立てを、メイン研磨を行う前に行ってもよいし、メイン研磨中に行ってもよい。
【００６９】
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。
【００７０】
ダイヤモンドディスク１１６が研磨パッド１０４ａに加える荷重は、例えば１００〜２００ｇ重／ｃｍ²とする。
【００７１】
ダイヤモンドディスク１１６の回転数は、例えば７０〜１２０ｇ重／ｃｍ²とする。
【００７２】
こうして、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０に対するメイン研磨が終了する。
【００７３】
次に、仕上げ研磨を行う。仕上げ研磨は、以下のようにして行う。即ち、研磨パッド１０４上に研磨剤を供給するのを止め、ノズル１２４ｂを介して純水を研磨パッド１０４上に供給する。そして、研磨ヘッド１１２ａを回転させながら、被研磨膜２０を研磨パッド１０４表面に押し付ける。この際、研磨テーブル１０２ｂについても回転させる。
【００７４】
仕上げ研磨を開始する際、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０と研磨パッド１０４との間には、メイン研磨の際に用いられた研磨剤１２６が残っている。研磨剤１２６に含まれていた添加剤は水溶性であるため、純水１２８を供給すると、添加剤は短時間で除去される。一方、研磨剤１２６に含まれていた研磨砥粒は、水溶性ではないため、除去されにくく、被研磨膜２０と研磨パッド１０４との間に残ることとなる。添加剤は、被研磨膜２０の表面が平坦化された際に、被研磨膜２０の研磨速度を遅くするのに寄与していたものである。このような添加剤が短時間に除去される一方、研磨に寄与する研磨砥粒は被研磨膜２０と研磨パッド１０４との間に残るため、残された研磨砥粒により被研磨膜２０を更に研磨することができる。
【００７５】
なお、このように、研磨剤１２６を供給するのを止め、純水１２８を供給しながら被研磨膜２０を研磨する技術は、水ポリッシュと称されている。
【００７６】
本実施形態では、仕上げ研磨を行う際に、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨時間で、被研磨膜２０を研磨する。換言すれば、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて最適化された研磨時間で、被研磨膜２０に対して仕上げ研磨を行う。仕上げ研磨の研磨時間の最適化は、以下のようにして行う。
【００７７】
まず、メイン研磨を行う前に予め求めておいた被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′と、被研磨膜２０の基準膜厚ｄとの差Δｄを求める。被研磨膜２０の基準膜厚ｄ、即ち、目標膜厚は、上述したように、例えば４４０ｎｍである。基準膜厚ｄと測定膜厚の平均値ｄ′との差Δｄは、以下のような式により表される
Δｄ＝ｄ−ｄ′ …（１）
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′が例えば４５３．２ｎｍの場合、被研磨膜２０の測定膜厚の平均値と基準膜厚との差Δｄは−１３．２ｎｍとなる。
【００７８】
図９は、仕上げ研磨の時間と被研磨膜の研磨量との関係を示すグラフである。横軸は、仕上げ研磨の時間を示している。縦軸は、被研磨膜の研磨量を示している。なお、このような仕上げ研磨の時間と被研磨膜の研磨量との関係については、予め求めておく。
【００７９】
図９から分かるように、被研磨膜２０の研磨量は、仕上げ研磨の時間に比例する傾向がある。研磨時間をｔとし、研磨量をｙ、定数をａとすると、以下のような式が成立する。
【００８０】
ｙ＝ａ・ｔ …（２）
なお、図９において４５秒経過後に傾きが小さくなっているのは、研磨に寄与する研磨砥粒が純水により流されて減少してしまうためと考えられる。
【００８１】
研磨量が研磨時間に正比例するため、被研磨膜２０の測定膜厚ｄ′の基準膜厚ｄからのずれに応じて仕上げ研磨における研磨時間を適宜補正すれば、仕上げ研磨を最適な研磨時間で行うことが可能となる。
【００８２】
被研磨膜２０が基準膜厚、即ち目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨時間、即ち基準研磨時間を例えばＴとすると、仕上げ研磨の際における最適な研磨時間Ｔ′は、以下のような式により表される。
【００８３】
Ｔ′＝Ｔ−Δｄ／ａ …（３）
被研磨膜２０が目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨時間Ｔを例えば２５秒とし、図９から求められる定数ａを例えば１ｎｍとすると、式（３）より、被研磨膜を研磨する際における最適な研磨時間Ｔ′は例えば３８．２秒となる。
【００８４】
なお、被研磨膜２０が基準膜厚、即ち目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨時間、即ち基準研磨時間Ｔについては、予め求めておく。
【００８５】
このようにして、本実施形態では、仕上げ研磨を行う際における研磨時間を、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正する。本実施形態では、仕上げ研磨を行う際における研磨時間を、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正するため、被研磨膜であるシリコン酸化膜の膜厚にばらつきが生じた場合であっても、最適な研磨時間で仕上げ研磨を行うことができる。
【００８６】
仕上げ研磨を行う際の条件は、例えば以下のように設定する。
【００８７】
研磨ヘッド１１２ａを研磨パッド１０４ｂに押し付ける圧力、即ち研磨圧力は、例えば５０〜５００ｇ重／ｃｍ²の範囲とする。ここでは、例えば１４０ｇ重／ｃｍ²とする。
【００８８】
研磨ヘッド１１２ａの回転数は、例えば４０〜１４０回転の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【００８９】
研磨テーブル１０２ｂの回転数は、例えば４０〜１４０回転／分の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【００９０】
純水１２８の供給量は、例えば０．１〜１０リットルの範囲とする。ここでは、例えば０．２リットル／分とする。
【００９１】
仕上げ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。
【００９２】
こうして、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０が除去され、仕上げ研磨が終了する（図５（ａ）参照）。
【００９３】
この後、図５（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜１４及びシリコン酸化膜１４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。
【００９４】
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。
【００９５】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【００９６】
（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について図１０を用いて説明する。図１０は、被研磨膜の表面に生じたディッシングを示す断面図である。
【００９７】
被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面に生ずるディッシングの深さを測定したところ、以下のような結果が得られた。なお、測定器としては、接触式の段差測定器を用いた。
【００９８】
まず、仕上げ研磨の研磨時間を最適化することなく、仕上げ研磨を単に２５秒間行った場合について、評価を行った。
【００９９】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値が４５５ｎｍの場合、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまった。但し、被研磨膜２０の表面に生じたディッシングの深さは、１ｎｍと浅かった。
【０１００】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値が４４０ｎｍの場合、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまうことはなかった。被研磨膜２０の表面に生じたディッシング２４の深さは２２ｎｍであり、許容範囲内であった。
【０１０１】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値が４２５ｎｍの場合、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまうことはなかった。被研磨膜２０の表面に生じたディッシング２４の深さは４０ｎｍであり、許容範囲外であった。
【０１０２】
これらのことから、仕上げ研磨の単に２５秒間行った場合には、被研磨膜２０の膜厚がばらつくと、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまったり、被研磨膜２０表面にディッシングが深く生じてしまったりすることが分かる。
【０１０３】
次に、本実施形態の場合、即ち、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨時間で仕上げ研磨を行った場合について、評価を行った。
【０１０４】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′が４５５ｎｍの場合、ｄ＝４４０ｎｍ、Ｔ＝２５秒、ａ＝１とすると、仕上げ研磨における最適な研磨時間Ｔ′は４０秒となる。測定膜厚の平均値ｄ′が４５５ｎｍの被研磨膜２０に対して、仕上げ研磨を４０秒間行ったところ、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまうことはなかった。被研磨膜２０表面に生じたディッシング２４の深さは２０ｎｍであり、許容範囲内であった。
【０１０５】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′が４４０ｎｍの場合、上記と同様にｄ＝４４０ｎｍ、Ｔ＝２５秒、ａ＝１とすると、仕上げ研磨における最適な研磨時間Ｔ′は２５秒となる。測定膜厚の平均値ｄ′が４４０ｎｍの被研磨膜２０に対して、仕上げ研磨を２５秒間行ったところ、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまうことはなかった。被研磨膜２０表面に生じたディッシング２４の深さは２２ｎｍであり、許容範囲内であった。
【０１０６】
被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′が４２５ｎｍの場合、上記と同様にｄ＝４４０ｎｍ、Ｔ＝２５秒、ａ＝１とすると、仕上げ研磨における最適な研磨時間Ｔ′は１０秒となる。測定膜厚の平均値ｄ′が４２５ｎｍの被研磨膜２０に対して、仕上げ研磨を１０秒間行ったところ、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまうことはなかった。被研磨膜２０表面に生じたディッシング２４の深さは２０．５ｎｍであり、許容範囲内であった。
【０１０７】
以上のことから、本実施形態によれば、被研磨膜２０の膜厚がばらついた場合であっても、被研磨膜２０の表面にディッシング２４が深く生じるのを抑制しつつ、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜２０を研磨により除去することができる。
【０１０８】
本実施形態による研磨方法は、メイン研磨を行う前に被研磨膜２０の膜厚を予め測定し、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨時間で、仕上げ研磨を行うことに主な特徴がある。
【０１０９】
上述したように、仕上げ研磨における研磨時間を単に一律に設定した場合には、被研磨膜２０が基準膜厚、即ち目標膜厚より厚く形成されてしまった場合には、シリコン窒化膜１４上に被研磨膜２０が残ってしまい、被研磨膜２０が基準膜厚、即ち目標膜厚より薄く形成されてしまった場合には、被研磨膜１４の表面にディッシングが生じてしまう。
【０１１０】
これに対し、本実施形態によれば、メイン研磨を行う前に被研磨膜２０の膜厚を予め測定し、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨時間で仕上げ研磨を行うため、被研磨膜２０の膜厚がばらついた場合であっても、被研磨膜２０の表面にディッシングが深く生じるのを抑制しつつ、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜２０を研磨により除去することができる。
【０１１１】
しかも、本実施形態によれば、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨速度が速い研磨剤を用いるため、被研磨膜２０を迅速に平坦化することができる。従って、本実施形態によれば、ディッシング２４の発生を抑制しつつ、高いスループットで被研磨膜２０を研磨し得る半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１１２】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を図１０を用いて説明する。図１乃至図９に示す第１実施形態による半導体装置の製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【０１１３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、メイン研磨を行う前に予め被研磨膜２０の膜厚を測定し、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに基づいて補正された研磨圧力で、仕上げ研磨を行うことに主な特徴がある。換言すれば、本実施形態による半導体装置の製造方法は、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに基づいて最適化された研磨圧力で仕上げ研磨を行うことに主な特徴がある。
【０１１４】
まず、メイン研磨を行う工程までは、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する（図４（ａ）乃至図４（ｃ）参照）。
【０１１５】
次に、仕上げ研磨を行う。仕上げ研磨は、予め測定された被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに基づいて最適化された研磨圧力で行う。被研磨膜２０の膜厚の測定は、メイン研磨を行う前に測定しておく。
【０１１６】
仕上げ研磨を行う際における最適な研磨圧力は、以下のようにして求められる。
【０１１７】
まず、メイン研磨を行う前に予め求めておいた被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′と、被研磨膜２０の膜厚の基準膜厚ｄとの差Δｄを求める。被研磨膜２０の基準膜厚ｄは、第１実施形態と同様に、例えば４４０ｎｍとする。被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄ′と基準膜厚ｄの差Δｄは、以下のような式により表される
Δｄ＝ｄ−ｄ′ …（４）
被研磨膜２０の測定膜厚ｄ′が例えば４４２．５ｎｍの場合、被研磨膜２０の測定膜厚の平均値ｄと基準膜厚ｄとの差Δｄは−２．５ｎｍとなる。
【０１１８】
図１１は、仕上げ研磨の際に被研磨膜に加える圧力と被研磨膜の研磨量との関係を示すグラフである。横軸は、被研磨膜に加える圧力を示している。縦軸は、被研磨膜の研磨量を示している。図１１は、仕上げ研磨を例えば３０秒間行った場合のものである。
【０１１９】
なお、このような仕上げ研磨における研磨圧力と被研磨膜の研磨量との関係については、予め求めておく。
【０１２０】
図１１から分かるように、被研磨膜２０の研磨量は、被研磨膜２０を仕上げ研磨する際の研磨圧力に比例する傾向がある。研磨圧力をｐとし、研磨量をｙ、定数をｂとすると、以下のような式が成立する。
【０１２１】
ｙ＝ｂ・ｐ …（５）
研磨量が研磨圧力に正比例するため、被研磨膜２０の測定膜厚ｄ′の基準膜厚ｄからのずれに応じて仕上げ研磨における研磨圧力を補正すれば、仕上げ研磨を最適な研磨圧力で行うことができる。
【０１２２】
被研磨膜２０が基準膜厚、即ち目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨圧力、即ち基準研磨圧力を例えばＰとすると、仕上げ研磨の際における最適な研磨圧力Ｐ′は、以下のような式により表される。
【０１２３】
Ｐ′＝Ｐ−Δｄ／ｂ …（６）
被研磨膜２０が基準膜厚、即ち、目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨圧力、即ち基準研磨圧力Ｐを例えば１４０ｇ重／ｃｍ²とし、図１１から求められる定数ｂを例えば２とすると、式（６）より、被研磨膜２０を研磨する際の最適な研磨圧力Ｐ′は例えば１５２．５ｇ重／ｃｍ²となる。
【０１２４】
なお、被研磨膜２０が基準膜厚、即ち、目標通りの膜厚で形成された場合における仕上げ研磨の最適な研磨圧力Ｐについては、予め求めておく。
【０１２５】
仕上げ研磨を行う際の条件は、例えば以下のように設定する。
【０１２６】
研磨ヘッド１１２ａの回転数は、例えば４０〜１４０回転の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【０１２７】
研磨テーブル１０２ｂの回転数は、例えば４０〜１４０回転／分の範囲とする。ここでは、例えば１２０回転／分とする。
【０１２８】
純水１２８の供給量は、例えば０．１〜１０リットルの範囲とする。ここでは、例えば０．２リットル／分とする。
【０１２９】
仕上げ研磨の時間は、例えば３０秒とする。
【０１３０】
仕上げ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。
【０１３１】
こうして、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０が除去され、仕上げ研磨が終了する（図５（ａ）参照）。
【０１３２】
この後の半導体装置の製造方法は、図５（ｂ）を用いて上述した第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【０１３３】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【０１３４】
本実施形態による半導体装置の製造方法について評価を行ったところ、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、良好な結果が得られた。即ち、被研磨膜２０の膜厚がばらついた場合であっても、被研磨膜２０の表面に生ずるディッシング２４を浅く抑制しつつ、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜２０を除去することができた。
【０１３５】
このように、本実施形態によれば、メイン研磨を行う前に予め被研磨膜２０の膜厚を測定し、被研磨膜２０の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨圧力で仕上げ研磨を行うため、被研磨膜２０の膜厚がばらついた場合であっても、被研磨膜２０の表面にディッシング２４が深く生じるのを抑制しつつ、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜２０を研磨により除去することができる。
【０１３６】
しかも、本実施形態によれば、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨速度が速い研磨剤を用いるため、被研磨膜２０を迅速に平坦化することができる。従って、本実施形態によれば、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、ディッシング２４の発生を抑制しつつ、高いスループットで被研磨膜２０を研磨し得る半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１３７】
［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。
【０１３８】
例えば、上記実施形態では、被研磨膜の測定膜厚の平均値に基づいて仕上げ研磨の際における研磨時間や研磨圧力を最適化したが、仕上げ研磨の際における研磨時間や研磨圧力は、必ずしも被研磨膜の測定膜厚の平均値に基づいて最適化しなくてもよい。例えば、被研磨膜の測定膜厚の最大値や最小値に基づいて、仕上げ研磨の際における研磨時間や研磨圧力を最適化してもよい。
【０１３９】
また、第１実施形態では、定数ａの値を１として仕上げ研磨の時間を最適化したが、定数ａの値は、被研磨膜の特性、研磨剤の特性、研磨条件等により異なるものである。従って、定数ａの値は１に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
【０１４０】
また、第２実施形態では、定数ｂの値を２として仕上げ研磨の圧力を最適化したが、定数ｂの値は、被研磨膜の特性、研磨剤の特性、研磨条件等により異なるものである。従って、定数ｂの値は２に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
【０１４１】
また、上記実施形態では、酸化セリウム（セリア）より成る研磨砥粒を含む研磨剤を用いる場合を例に説明したが、本発明は、研磨剤に含まれる研磨砥粒は酸化セリウムに限定されるものではない。即ち、表面に凹凸が存在する被研磨膜２０に対する研磨速度が比較的速く、表面がほぼ平坦化された被研磨膜２０に対しては研磨速度が遅くなるような特性を有する研磨剤を適宜用いることができる。例えば、酸化シリコン（シリカ）より成る研磨砥粒を含み、上記のような特性を有する研磨剤を用いてもよい。例えば、かかる研磨剤として、花王株式会社製のＫＳ−Ｓ−２１０を挙げることができる。
【０１４２】
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、平坦化された被研磨膜の表面を更に研磨する際に広く用いることができる。
【０１４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、メイン研磨を行う前に被研磨膜の膜厚を予め測定し、被研磨膜の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨量で仕上げ研磨を行うため、被研磨膜の膜厚がばらついた場合であっても、被研磨膜の表面にディッシングが深く生じるのを抑制しつつ、シリコン窒化膜上の被研磨膜を研磨により除去することができる。しかも、本発明によれば、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨速度が速い研磨剤を用いるため、被研磨膜を迅速に平坦化することができる。従って、本発明によれば、ディッシングの発生を抑制しつつ、高いスループットで被研磨膜を研磨し得る半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】研磨装置を示す平面図である。
【図２】研磨装置を示す側面図（その１）である。
【図３】研磨装置を示す側面図（その２）である。
【図４】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（その１）である。
【図５】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（その２）である。
【図６】研磨剤の特性を示すグラフである。
【図７】研磨速度が変化するメカニズムを示す概念図である。
【図８】メイン研磨の際における研磨テーブルの駆動電圧の変化を示すグラフである。
【図９】仕上げ研磨を行う際における研磨時間を研磨圧力との関係を示すグラフである。
【図１０】被研磨膜の表面に生じたディッシングを示す断面図である。
【図１１】仕上げ研磨を行う際における研磨圧力と研磨量との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１３】提案されている半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１４】素子分離領域の表面に生じたディッシングを示す断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２…シリコン酸化膜
１４…シリコン窒化膜
１６…開口部
１８…トレンチ
２０…シリコン酸化膜
２１…素子分離領域
２２…素子領域
２４…ディッシング
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
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…溝
２２０…シリコン酸化膜
２２１…素子分離領域
２２２…素子領域
２２４…ディッシング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device for polishing a film to be polished.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) method is widely known as a technique for forming an element isolation region that defines an element region.
[0003]
However, when the element isolation region is formed by the LOCOS method, the element region tends to be reduced by bird's beak. If the amount of oxidation in forming the element isolation region is reduced, the bird's beak can be reduced. However, if the amount of oxidation is reduced, a sufficient element isolation function cannot be obtained. In addition, when the element isolation region is formed by the LOCOS method, a large step is formed on the substrate surface. For this reason, it has been difficult to achieve further miniaturization and higher integration with the technique of forming the element isolation region using the LOCOS method.
[0004]
An STI (Shallow Trench Isolation) method has attracted attention as an alternative to the LOCOS method. A method for forming an element isolation region by the STI method will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a process cross-sectional view illustrating a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[0005]
First, as shown in FIG. 12A, a silicon oxide film 212 and a silicon nitride film 214 are sequentially formed on a semiconductor substrate 210.
[0006]
Next, the silicon nitride film 214 and the silicon oxide film 212 are patterned using a photolithography technique. As a result, an opening 216 reaching the semiconductor substrate 210 is formed in the silicon nitride film 214 and the silicon oxide film 212.
[0007]
Next, the semiconductor substrate 210 is anisotropically etched using the silicon nitride film 214 in which the opening 216 is formed as a mask. Thus, a trench 216, that is, a groove is formed in the semiconductor substrate 210.
[0008]
Next, as shown in FIG. 12B, a silicon oxide film 220 is formed in the trench 216 and on the silicon nitride film 214.
[0009]
Next, as shown in FIG. 12C, the surface of the silicon oxide film 220 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the surface of the silicon nitride film 214 is exposed. The silicon nitride film 214 functions as a stopper when the silicon oxide film 220 is polished. As the abrasive, for example, an abrasive containing abrasive grains made of silica and an additive made of KOH is used. Thus, the trench 21 Within 6 Further, an element isolation region 221 made of the silicon oxide film 220 is buried. An element region 222 is defined by the element isolation region 221.
[0010]
Thereafter, the silicon nitride film 214 and the silicon oxide film 212 are removed by etching. Thereafter, a transistor (not shown) is formed in the element region 222. Thus, the semiconductor device is manufactured.
[0011]
If the element isolation region 221 is formed using the STI method, a bird's beak does not occur as in the case where the element isolation region is formed by the LOCOS method, and the element region 222 can be prevented from becoming narrow. . Further, by setting the depth of the trench 218 deep, the effective inter-element distance can be increased, so that a high element isolation function can be obtained.
[0012]
However, in the conventional method for manufacturing a semiconductor device using the above-described abrasive, that is, an abrasive containing abrasive grains made of silica and an additive made of KOH, the polishing rate is not so fast, Good flatness was not obtained.
[0013]
Recently, as an abrasive that has a high polishing rate and good flatness, an abrasive containing abrasive grains and an additive composed of a surfactant has been proposed (see Patent Documents 1 to 3). In the proposed abrasive, for example, cerium oxide (ceria, CeO) is used as abrasive grains. ₂ ) Is used. As an additive, for example, polyacrylic acid ammonium salt is used.
[0014]
When such a proposed abrasive is used, the surface of the film to be polished 220 is polished at a higher speed than when an abrasive containing abrasive grains made of silica and an additive made of KOH is used. In addition, the flatness of the surface of the film to be polished 220 can be improved.
[0015]
However, when such a proposed polishing agent is used, the polishing rate becomes extremely slow when the surface of the film to be polished 220 is substantially planarized. The reason why the polishing rate becomes extremely slow when the surface of the film to be polished 220 is flattened is considered to be due to the characteristics of the surfactant contained as an additive in the proposed polishing agent. For this reason, when the proposed polishing agent is used, a silicon oxide film as a film to be polished remains on the silicon nitride film.
[0016]
Here, the thickness of the silicon oxide film 220 may be set so that the height of the surface of the concave portion of the silicon oxide film 220 is substantially equal to the height of the surface of the silicon nitride film 214. However, the thickness of the silicon oxide film 220 generally varies by about ± 30 nm with respect to the design value. Therefore, when the silicon oxide film 220 is formed thicker than the design value (see FIG. 13A), the silicon oxide film 220 remains on the silicon nitride film 214 (see FIG. 13B). ).
[0017]
If the silicon oxide film 220 remains on the silicon nitride film 214, the silicon nitride film 214 and the silicon oxide film 212 cannot be removed by etching. Therefore, the silicon oxide film 212 on the silicon nitride film 214 is removed by some method. Must.
[0018]
As a method for removing the silicon oxide film 220 remaining on the silicon nitride film 214, it has been proposed to polish the silicon oxide film 220 while stopping the supply of the abrasive and supplying pure water. At the time when the planarization of the silicon oxide film 220 is completed, a polishing agent (not shown) remains between the silicon oxide film 220 and the polishing pad (not shown). Since the additive contained in the abrasive is water-soluble, when pure water is supplied, the additive is removed in a short time. On the other hand, since the abrasive grains contained in the abrasive are not water-soluble, they remain between the silicon oxide film 220 and the polishing pad. The additive contributes to reducing the polishing rate of the silicon oxide film 220 when the surface of the silicon oxide film 220 is planarized. While such an additive is removed in a short time, polishing abrasive grains that contribute to polishing remain between the polishing pad and the silicon oxide film 220, so that the silicon oxide film 220 remaining on the silicon nitride film 214 is removed. It can be removed by polishing.
[0019]
[Patent Document 1]
JP 2000-248263 A
[Patent Document 2]
JP-A-8-22970
[Patent Document 3]
JP-A-5-326469
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-9702
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the supply of the polishing agent is simply stopped and the silicon oxide film 220 as the film to be polished is polished while supplying pure water, as shown in FIG. 14, the buried oxide film 220 constituting the element isolation region is removed. In some cases, a recess called dishing 224 is deeply formed on the surface. When the dishing 224 is deeply formed on the surface of the buried oxide film 220, a margin for variations in the buried oxide film 220 within the wafer surface and between wafer surfaces is reduced.
[0021]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of polishing a film to be polished with high throughput while suppressing the occurrence of dishing on the surface of the film to be polished.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, A film thickness measuring step for measuring the film thickness of the film to be polished; While supplying an abrasive containing abrasive grains and an additive comprising a surfactant, Said A first step of flattening the surface of the film to be polished by polishing the surface of the film to be polished; of Supply Stop While supplying water, Measured in the film thickness measurement process And a second step of further polishing the surface of the film to be polished with a polishing amount corrected according to a deviation from a reference film thickness of the measured film thickness of the film to be polished. A manufacturing method is provided.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0024]
(Polishing equipment)
Prior to describing the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, the polishing apparatus used in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a polishing apparatus. FIG. 2 is a side view (part 1) illustrating the polishing apparatus. FIG. 3 is a side view (part 2) illustrating the polishing apparatus.
[0025]
As shown in FIG. 1, three rotatable polishing tables 102 a to 102 c are provided on the base 100.
[0026]
In the present embodiment, the polishing table 102a is used for both main polishing and final polishing. The detailed contents of main polishing and finish polishing will be described later. In the present embodiment, the polishing tables 102b and 102c are not particularly used.
[0027]
As shown in FIG. 2, a polishing pad 104 is provided on each polishing table 102.
[0028]
On the base 100, a carousel 110 having arms 108a to 108d is provided.
[0029]
The arms 108a to 108d are respectively provided with rotatable polishing heads 112a to 112d. By appropriately rotating the carousel 110, the polishing heads 11a to 112d can be moved.
[0030]
As shown in FIG. 2, the polishing heads 112 a to 112 d support the semiconductor substrate 10. The polishing heads 112a to 112d press the semiconductor substrate 10 against the polishing pads 104a and 104b while rotating the semiconductor substrate 10.
[0031]
A plurality of nozzles 124a and 124b are provided on the polishing tables 102a to 102c, respectively. The nozzle 124 a is for supplying an abrasive onto the polishing pad 104. The nozzle 124 b is for supplying pure water or the like onto the polishing pad 104.
[0032]
As shown in FIG. 1, sharpening devices 114 a to 114 c for sharpening the polishing pad 104 are provided on the sides of the polishing tables 102 a to 102 c, respectively.
[0033]
As shown in FIG. 3, the sharpening device 114 has a diamond disk 116. The diamond disk 116 is configured by fixing a granular diamond 120 of, for example, about 150 μm to a base metal 118 made of, for example, stainless steel. The density for arranging the diamond 120 is 1 cm. ² It is about several per hit. The diamond 120 is fixed to the base metal 118 by, for example, a nickel plating layer 122.
[0034]
Thus, the polishing apparatus used in this embodiment is configured.
[0035]
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 4 and 5 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.
[0036]
First, as shown in FIG. 4A, a semiconductor substrate 10 is prepared. For example, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 10. More specifically, for example, a silicon wafer is used.
[0037]
Next, a silicon oxide film 12 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10 by, eg, thermal oxidation. The thickness of the silicon oxide film 12 is about 10 nm, for example.
[0038]
Next, a silicon nitride film 14 is formed on the entire surface by, eg, CVD. The film thickness of the silicon nitride film 14 is, eg, about 100 nm.
[0039]
Next, an opening 16 reaching the semiconductor substrate 10 is formed in the silicon nitride film 14 and the silicon oxide film 12 by using a photolithography technique.
[0040]
Next, the semiconductor substrate 10 is anisotropically etched using the silicon nitride film 14 in which the opening 16 is formed as a mask. Thereby, a trench 18, that is, a groove is formed in the semiconductor substrate 10. The depth of the trench 18 is about 300 nm, for example.
[0041]
Next, as shown in FIG. 7B, a silicon oxide film 20 is formed on the entire surface by, eg, high density plasma CVD. The film thickness of the silicon oxide film 20 is set to a target film thickness, for example, 440 nm. Thus, the silicon oxide film 20 is buried in the trench 18. In this way, the silicon oxide film 20 having irregularities on the surface is formed.
[0042]
Next, the film thickness of the silicon oxide film 20 which is a film to be polished is measured. The measurement of the film thickness of the film to be polished 20 may be total measurement or sampling measurement. That is, the film thickness of the film to be polished 20 may be measured for all wafers, or the film thickness of the film to be polished 20 may be measured for some wafers. Since the film thickness of the polishing target film 20 tends to vary from lot to lot, it is desirable to perform sampling measurement on a certain number of wafers in one lot when sampling measurement is performed. When the number of wafers in one lot is 25, for example, sampling measurement is performed on, for example, 10 wafers out of 25 wafers. The number of measurement locations is, for example, 12 for each wafer.
[0043]
When measuring the film thickness of the film to be polished 20, for example, the film thickness from the surface of the silicon nitride film 14 to the surface of the convex part of the film to be polished 20 is measured. As the measuring device, for example, a thin film measuring device (ASET-F5) manufactured by KLA-Tencor Corporation can be used.
[0044]
Here, when the film thickness of the film to be polished 20 is measured, the film thickness from the surface of the silicon nitride film 14 to the surface of the convex portion of the film to be polished 20 is measured. You may measure the film thickness to the surface of 20 recessed parts.
[0045]
Next, based on the measured film thickness data of the film to be polished 20, an average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 is obtained. The average value d ′ of the measured film thicknesses of the film to be polished 20 thus obtained, that is, the average film thickness is used in optimizing the polishing time in the final polishing. The optimization of the polishing time in finish polishing will be described later.
[0046]
Next, the semiconductor substrate 10 is supported by the polishing head 112a (see FIG. 1). At this time, the silicon oxide film 20 as the film to be polished is positioned on the lower surface side.
[0047]
Next, the carousel 110 is rotated about 90 degrees counterclockwise. As a result, the polishing head 112a that supports the semiconductor substrate 10 is positioned on the polishing table 102a provided with the polishing pad 104 on the upper surface.
[0048]
Next, as shown in FIG. 2, main polishing is performed by CMP. The main polishing is performed as follows. That is, the polishing head 112 a is lowered while rotating the semiconductor substrate 10 by the polishing head 112 a, and the surface of the polishing target film 20 is pressed against the surface of the polishing pad 104. At this time, the polishing table 102a is rotated and an abrasive is supplied onto the polishing pad 104 through the nozzle 124a. In this way, the surface of the silicon oxide film 20 which is the film to be polished is polished, and the silicon oxide film 20 having a substantially flat surface is obtained (see FIG. 7C).
[0049]
As the polishing agent, that is, the slurry, the surface of the film to be polished 20 is polished at a relatively fast polishing rate when the surface of the film to be polished 20 has irregularities, and the surface of the film to be polished 20 is almost flattened. In this case, an abrasive having such a characteristic that the polishing rate with respect to the film to be polished 20 becomes slow is used.
[0050]
As such an abrasive, for example, an abrasive containing abrasive grains and an additive composed of a surfactant is used. In such an abrasive, for example, cerium oxide (ceria) is used as abrasive grains. As an additive, for example, polyacrylic acid ammonium salt is used. As such an abrasive | polishing agent, the abrasive | polishing agent (model number: Micro Planer STI2100) by EKC Technology Co., Ltd. can be mentioned, for example.
[0051]
FIG. 6 is a graph showing the characteristics of the abrasive used in this embodiment. The horizontal axis represents the polishing pressure. The vertical axis represents the polishing rate, that is, the polishing rate.
[0052]
As can be seen from FIG. 6, the polishing agent used in the present embodiment has a polishing pressure as a boundary, the polishing speed is slow at a polishing pressure smaller than the boundary, and is substantially proportional to the polishing pressure at a polishing pressure larger than the boundary. As a result, the polishing rate tends to increase.
[0053]
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a mechanism for changing the polishing rate.
[0054]
As shown in FIG. 7A, in the state where the surface of the film to be polished 20 has irregularities, the pressure concentrates on the corners of the convex portions of the film to be polished 20. High pressure is applied to the corners of the protrusions. Therefore, the convex portion of the film to be polished 20 is polished at a high polishing rate, and the film to be polished 20 is flattened at a high polishing rate.
[0055]
On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the state where the surface of the film to be polished 20 is substantially flattened, high pressure is not applied to a part of the film, but the pressure applied to the film to be polished 20 Are averaged as a whole. Therefore, the polishing rate for the film to be polished 20 is extremely slow.
[0056]
As described above, the polishing agent used in the present embodiment has a characteristic that the polishing rate for the polishing target film 20 having unevenness on the surface is high, and the polishing rate for the polishing target film 20 whose surface is flattened is low. is doing.
[0057]
In addition, it is thought that a polishing speed becomes slow with respect to the to-be-polished film | membrane 20 with which the surface was planarized by the characteristic of surfactant contained as an additive in abrasive | polishing agent.
[0058]
The main polishing end point is detected based on, for example, the driving voltage of the polishing table 102a.
[0059]
FIG. 8 is a graph showing changes in the driving voltage of the polishing table during main polishing. The horizontal axis indicates the polishing time. The vertical axis represents the driving voltage of the polishing table.
[0060]
The driving voltage of the polishing table 102a during main polishing varies as shown in FIG. 8, for example. When the surface of the film to be polished 20 is substantially flattened, the driving voltage of the polishing table 102a hardly changes. For this reason, the end point can be detected by observing the change in the drive voltage per unit time.
[0061]
Here, the case where the end point detection of the main polishing is performed based on the driving voltage of the polishing table 102a has been described as an example, but the method of detecting the end point of the main polishing is not limited to this, and other methods are possible. May be used to detect the end point of main polishing. For example, the end point may be detected by observing the driving current of the polishing table 102a. Further, the end point may be detected by observing the torque of the polishing table 102a. In addition, the end point can be detected by observing the driving voltage, driving current, torque, and the like of the polishing head 112a.
[0062]
The conditions for performing the main polishing are, for example, as follows.
[0063]
The pressure for pressing the polishing head 112a against the polishing pad 104 is, for example, 100 to 500 g weight / cm. ² The range. Here, for example, 200 g weight / cm ² And
[0064]
The number of rotations of the polishing head 112a is, for example, in the range of 70 to 140 rotations. Here, for example, 120 rpm.
[0065]
The number of rotations of the polishing table 112a is, for example, in the range of 70 to 120 rotations / minute. Here, for example, 120 rpm.
[0066]
The supply amount of the abrasive 126 is, for example, in the range of 0.1 to 0.3 liter. Here, for example, it is 0.2 liter / min.
[0067]
The conditions for performing the main polishing are not limited to the above, and may be set as appropriate.
[0068]
The polishing pad 104 may be sharpened before the main polishing or during the main polishing.
[0069]
The conditions for sharpening the polishing pad 104 are, for example, as follows.
[0070]
The load applied to the polishing pad 104a by the diamond disk 116 is, for example, 100 to 200 g weight / cm. ² And
[0071]
The rotation speed of the diamond disk 116 is, for example, 70 to 120 g weight / cm. ² And
[0072]
Thus, the main polishing for the silicon oxide film 20 that is the film to be polished is completed.
[0073]
Next, finish polishing is performed. Final polishing is performed as follows. That is, the supply of the polishing agent on the polishing pad 104 is stopped, and pure water is supplied onto the polishing pad 104 through the nozzle 124b. Then, the polishing target film 20 is pressed against the surface of the polishing pad 104 while rotating the polishing head 112a. At this time, the polishing table 102b is also rotated.
[0074]
When the final polishing is started, the polishing agent 126 used in the main polishing remains between the silicon oxide film 20 as the polishing target film and the polishing pad 104. Since the additive contained in the abrasive 126 is water-soluble, when pure water 128 is supplied, the additive is removed in a short time. On the other hand, since the abrasive grains contained in the abrasive 126 are not water-soluble, they are difficult to remove and remain between the film to be polished 20 and the polishing pad 104. The additive contributes to reducing the polishing rate of the polishing target film 20 when the surface of the polishing target film 20 is flattened. While such an additive is removed in a short time, the abrasive grains that contribute to polishing remain between the film to be polished 20 and the polishing pad 104, so that the film to be polished 20 is further made up of the remaining abrasive grains. Can be polished.
[0075]
In addition, the technique of stopping the supply of the polishing agent 126 and polishing the polishing target film 20 while supplying the pure water 128 is referred to as water polishing.
[0076]
In the present embodiment, when the final polishing is performed, the polishing target film 20 is polished with a polishing time corrected according to the deviation of the measured thickness of the polishing target film 20 from the reference film thickness. In other words, final polishing is performed on the polishing target film 20 in a polishing time optimized according to the deviation of the measured thickness of the polishing target film 20 from the reference thickness. The polishing time for finish polishing is optimized as follows.
[0077]
First, the difference Δd between the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 obtained in advance before the main polishing and the reference film thickness d of the film to be polished 20 is obtained. As described above, the reference film thickness d of the film to be polished 20, that is, the target film thickness is, for example, 440 nm. The difference Δd between the reference film thickness d and the average value d ′ of the measured film thickness is expressed by the following equation.
Δd = d−d ′ (1)
When the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 is 453.2 nm, for example, the difference Δd between the average value of the measured film thickness of the film to be polished 20 and the reference film thickness is −13.2 nm.
[0078]
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the finish polishing time and the polishing amount of the film to be polished. The horizontal axis indicates the time for finish polishing. The vertical axis represents the polishing amount of the film to be polished. It should be noted that the relationship between the finish polishing time and the polishing amount of the film to be polished is obtained in advance.
[0079]
As can be seen from FIG. 9, the polishing amount of the film to be polished 20 tends to be proportional to the time of the final polishing. When the polishing time is t, the polishing amount is y, and the constant is a, the following equation is established.
[0080]
y = a · t (2)
In FIG. 9, the inclination becomes small after 45 seconds, because the abrasive grains that contribute to the polishing are washed away by pure water and are reduced.
[0081]
Since the polishing amount is directly proportional to the polishing time, if the polishing time in the final polishing is appropriately corrected according to the deviation of the measured film thickness d ′ of the film to be polished 20 from the reference film thickness d, the final polishing can be performed with the optimal polishing time. Can be done.
[0082]
When the polishing target film 20 is formed with the reference film thickness, that is, the target film thickness, the optimum polishing time for the final polishing, that is, the reference polishing time is T, for example, the optimum polishing time T ′ for the final polishing. Is represented by the following equation.
[0083]
T ′ = T−Δd / a (3)
Assuming that the optimum polishing time T for final polishing when the film to be polished 20 is formed with a target film thickness is, for example, 25 seconds and the constant a obtained from FIG. The optimum polishing time T ′ for polishing the polishing film is, for example, 38.2 seconds.
[0084]
Note that the optimum polishing time of the final polishing, that is, the reference polishing time T when the film to be polished 20 is formed with the reference film thickness, that is, the target film thickness, is determined in advance.
[0085]
In this way, in this embodiment, the polishing time when performing the final polishing is corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness. In the present embodiment, since the polishing time in performing the final polishing is corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness, the film thickness of the silicon oxide film that is the film to be polished varies. Even if this occurs, finish polishing can be performed with an optimal polishing time.
[0086]
The conditions for performing the final polishing are set as follows, for example.
[0087]
The pressure for pressing the polishing head 112a against the polishing pad 104b, that is, the polishing pressure is, for example, 50 to 500 g weight / cm. ² The range. Here, for example, 140 g weight / cm ² And
[0088]
The number of rotations of the polishing head 112a is, for example, in the range of 40 to 140 rotations. Here, for example, 120 rpm.
[0089]
The number of rotations of the polishing table 102b is, for example, in the range of 40 to 140 rotations / minute. Here, for example, 120 rpm.
[0090]
The supply amount of the pure water 128 is, for example, in the range of 0.1 to 10 liters. Here, for example, it is 0.2 liter / min.
[0091]
The conditions for performing the final polishing are not limited to the above, and may be set as appropriate.
[0092]
Thus, the silicon oxide film 20 on the silicon nitride film 14 is removed, and the finish polishing is finished (see FIG. 5A).
[0093]
Thereafter, as shown in FIG. 5B, the silicon nitride film 14 and the silicon oxide film 14 are removed by etching. An element region 22 is defined by an element isolation region 21 made of a silicon oxide film 20 embedded in the trench 18.
[0094]
Thereafter, a transistor or the like (not shown) is formed in the element region 22.
[0095]
Thus, the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
[0096]
(Evaluation results)
Next, the evaluation results of the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing dishing generated on the surface of the film to be polished.
[0097]
When the depth of dishing generated on the surface of the silicon oxide film 20 as the film to be polished was measured, the following results were obtained. Note that a contact-type level difference measuring instrument was used as the measuring instrument.
[0098]
First, evaluation was performed for the case where the final polishing was simply performed for 25 seconds without optimizing the polishing time of the final polishing.
[0099]
When the average value of the measured film thickness of the polishing target film 20 was 455 nm, the polishing target film 20 remained on the silicon nitride film 14. However, the depth of dishing generated on the surface of the polishing target film 20 was as shallow as 1 nm.
[0100]
When the average value of the measured film thickness of the polishing target film 20 was 440 nm, the polishing target film 20 did not remain on the silicon nitride film 14. The depth of the dishing 24 generated on the surface of the polishing target film 20 was 22 nm, which was within an allowable range.
[0101]
When the average value of the measured film thickness of the film to be polished 20 was 425 nm, the film to be polished 20 did not remain on the silicon nitride film 14. The depth of the dishing 24 produced on the surface of the film to be polished 20 was 40 nm, which was outside the allowable range.
[0102]
From these facts, when the final polishing is simply performed for 25 seconds, if the film thickness of the film to be polished 20 varies, the film to be polished 20 may remain on the silicon nitride film 14 or may be formed on the surface of the film to be polished 20. It can be seen that dishing occurs deeply.
[0103]
Next, in the case of the present embodiment, that is, the case where the final polishing was performed with the polishing time corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness was evaluated.
[0104]
When the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 is 455 nm, if d = 440 nm, T = 25 seconds, and a = 1, the optimum polishing time T ′ in final polishing is 40 seconds. When the final polishing was performed for 40 seconds on the polishing target film 20 having the measured film thickness average d ′ of 455 nm, the polishing target film 20 did not remain on the silicon nitride film 14. The depth of the dishing 24 produced on the surface of the polishing target film 20 was 20 nm, which was within an allowable range.
[0105]
When the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 is 440 nm, when d = 440 nm, T = 25 seconds, and a = 1 as in the above case, the optimum polishing time T ′ in finish polishing is 25 seconds. Become. When the final polishing was performed for 25 seconds on the polishing target film 20 having an average value d ′ of the measured film thickness of 440 nm, the polishing target film 20 did not remain on the silicon nitride film 14. The depth of the dishing 24 generated on the surface of the polishing target film 20 was 22 nm, which was within an allowable range.
[0106]
When the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 is 425 nm, if d = 440 nm, T = 25 seconds, and a = 1 as in the above, the optimum polishing time T ′ in final polishing is 10 seconds. Become. When final polishing was performed for 10 seconds on the polishing target film 20 having an average value d ′ of the measured film thickness of 425 nm, the polishing target film 20 did not remain on the silicon nitride film 14. The depth of the dishing 24 produced on the surface of the polishing target film 20 was 20.5 nm, which was within an allowable range.
[0107]
From the above, according to the present embodiment, even if the film thickness of the film to be polished 20 varies, the silicon nitride film 14 is suppressed while preventing the dishing 24 from being deeply formed on the surface of the film to be polished 20. The upper film to be polished 20 can be removed by polishing.
[0108]
In the polishing method according to the present embodiment, the film thickness of the film to be polished 20 is measured in advance before performing the main polishing, and the polishing time is corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness. The main feature is in the finish polishing.
[0109]
As described above, when the polishing time in the final polishing is simply set uniformly, if the film to be polished 20 is formed to be thicker than the reference film thickness, that is, the target film thickness, the film is formed on the silicon nitride film 14. When the polishing target film 20 remains and the polishing target film 20 is formed thinner than the reference film thickness, that is, the target film thickness, dishing occurs on the surface of the polishing film 14.
[0110]
On the other hand, according to the present embodiment, the film thickness of the film to be polished 20 is measured in advance before performing the main polishing, and corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness. Since the final polishing is performed with the polishing time, even if the film thickness of the film to be polished 20 varies, the surface of the film to be polished 20 is prevented from being deeply dished and the silicon nitride film 14 is polished. The film 20 can be removed by polishing.
[0111]
In addition, according to the present embodiment, since the polishing agent having a high polishing rate including polishing abrasive grains and an additive made of a surfactant is used, the polishing target film 20 can be planarized quickly. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can polish the polishing target film 20 with high throughput while suppressing the occurrence of dishing 24.
[0112]
[Second Embodiment]
A method for fabricating a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0113]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, the film thickness of the film to be polished 20 is measured in advance before performing the main polishing, and is corrected based on the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness. The main feature is that the finish polishing is performed at the polishing pressure. In other words, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment is characterized mainly in that the final polishing is performed with the polishing pressure optimized based on the deviation of the measured film thickness of the polishing target film 20 from the reference film thickness. is there.
[0114]
First, the steps up to the main polishing are the same as those in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted (see FIGS. 4A to 4C).
[0115]
Next, finish polishing is performed. The final polishing is performed at a polishing pressure optimized based on the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 measured in advance from the reference film thickness. The film thickness of the film to be polished 20 is measured before main polishing.
[0116]
The optimum polishing pressure when performing final polishing is determined as follows.
[0117]
First, a difference Δd between the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 obtained in advance before the main polishing and the reference film thickness d of the film thickness of the film to be polished 20 is obtained. The reference film thickness d of the film to be polished 20 is, for example, 440 nm, as in the first embodiment. The difference Δd between the average value d ′ of the measured film thickness of the film to be polished 20 and the reference film thickness d is expressed by the following equation.
Δd = d−d ′ (4)
When the measured film thickness d ′ of the film to be polished 20 is, for example, 442.5 nm, the difference Δd between the average value d of the measured film thickness of the film to be polished 20 and the reference film thickness d is −2.5 nm.
[0118]
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the pressure applied to the film to be polished and the amount of polishing of the film to be polished during finish polishing. The horizontal axis indicates the pressure applied to the film to be polished. The vertical axis represents the polishing amount of the film to be polished. FIG. 11 shows a case where finish polishing is performed for 30 seconds, for example.
[0119]
The relationship between the polishing pressure and the polishing amount of the film to be polished in such final polishing is determined in advance.
[0120]
As can be seen from FIG. 11, the polishing amount of the film to be polished 20 tends to be proportional to the polishing pressure when the film to be polished 20 is finished and polished. If the polishing pressure is p, the polishing amount is y, and the constant is b, the following equation is established.
[0121]
y = b · p (5)
Since the polishing amount is directly proportional to the polishing pressure, if the polishing pressure in the final polishing is corrected according to the deviation of the measured film thickness d ′ of the film to be polished 20 from the reference film thickness d, the final polishing is performed at the optimum polishing pressure. be able to.
[0122]
When the polishing film 20 is formed with the reference film thickness, that is, the target film thickness, that is, the optimum polishing pressure for final polishing, that is, the reference polishing pressure is P, for example, the optimum polishing pressure P ′ for the final polishing. Is represented by the following equation.
[0123]
P ′ = P−Δd / b (6)
When the film to be polished 20 is formed with a reference film thickness, that is, with a film thickness as the target, an optimum polishing pressure for final polishing, that is, the reference polishing pressure P is set to 140 g weight / cm, for example. ² 11 and assuming that the constant b obtained from FIG. 11 is 2, for example, the optimum polishing pressure P ′ for polishing the film to be polished 20 is, for example, 152.5 gf / cm 2 according to the equation (6). ² It becomes.
[0124]
Note that an optimum polishing pressure P for final polishing when the film 20 to be polished is formed with a reference film thickness, that is, a film thickness as intended, is determined in advance.
[0125]
The conditions for performing the final polishing are set as follows, for example.
[0126]
The number of rotations of the polishing head 112a is, for example, in the range of 40 to 140 rotations. Here, for example, 120 rpm.
[0127]
The number of rotations of the polishing table 102b is, for example, in the range of 40 to 140 rotations / minute. Here, for example, 120 rpm.
[0128]
The supply amount of the pure water 128 is, for example, in the range of 0.1 to 10 liters. Here, for example, it is 0.2 liter / min.
[0129]
The time for final polishing is, for example, 30 seconds.
[0130]
The conditions for performing the final polishing are not limited to the above, and may be set as appropriate.
[0131]
Thus, the silicon oxide film 20 on the silicon nitride film 14 is removed, and the finish polishing is finished (see FIG. 5A).
[0132]
The subsequent manufacturing method of the semiconductor device is the same as the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment described above with reference to FIG.
[0133]
Thus, the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
[0134]
When the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment was evaluated, good results were obtained as in the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. That is, even when the film thickness of the film to be polished 20 varies, the film to be polished 20 on the silicon nitride film 14 can be removed while suppressing the dishing 24 generated on the surface of the film to be polished 20 to be shallow. It was.
[0135]
As described above, according to the present embodiment, the film thickness of the film to be polished 20 is measured in advance before performing the main polishing, and is corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished 20 from the reference film thickness. Since the final polishing is performed with the polishing pressure, even if the film thickness of the film to be polished 20 varies, the depth of the dishing 24 on the surface of the film to be polished 20 is suppressed and the film on the silicon nitride film 14 is suppressed. The polishing film 20 can be removed by polishing.
[0136]
In addition, according to the present embodiment, since the polishing agent having a high polishing rate including polishing abrasive grains and an additive made of a surfactant is used, the polishing target film 20 can be planarized quickly. Therefore, according to the present embodiment, as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, a semiconductor device manufacturing method capable of polishing the film to be polished 20 with high throughput while suppressing the occurrence of dishing 24 is provided. can do.
[0137]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0138]
For example, in the above embodiment, the polishing time and the polishing pressure in the final polishing are optimized based on the average value of the measured film thickness of the film to be polished, but the polishing time and the polishing pressure in the final polishing are not necessarily limited. It is not necessary to optimize based on the average value of the measured film thickness of the polishing film. For example, the polishing time and the polishing pressure in the final polishing may be optimized based on the maximum value and the minimum value of the measured film thickness of the film to be polished.
[0139]
In the first embodiment, the constant polishing time is optimized by setting the value of the constant a to 1. However, the value of the constant a varies depending on the characteristics of the film to be polished, the characteristics of the polishing agent, the polishing conditions, and the like. . Accordingly, the value of the constant a is not limited to 1, and may be set as appropriate.
[0140]
In the second embodiment, the value of the constant b is set to 2, and the final polishing pressure is optimized. However, the value of the constant b varies depending on the characteristics of the film to be polished, the characteristics of the polishing agent, the polishing conditions, and the like. . Therefore, the value of the constant b is not limited to 2, and may be set as appropriate.
[0141]
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the abrasive | polishing agent containing the abrasive grain which consists of cerium oxide (ceria) was used as an example, this invention is limited to the abrasive grain contained in an abrasive | polishing agent to cerium oxide. It is not a thing. That is, a polishing agent having such a characteristic that the polishing rate for the polishing target film 20 having unevenness on the surface is relatively high and the polishing rate for the polishing target film 20 whose surface is substantially flattened is appropriately used. be able to. For example, an abrasive containing abrasive grains made of silicon oxide (silica) and having the above characteristics may be used. For example, KS-S-210 manufactured by Kao Corporation can be cited as such an abrasive.
[0142]
In the above embodiment, the case where the element isolation region is formed by the STI method has been described as an example. However, the present invention is not limited to the case where the element isolation region is formed, and the planarized film to be polished It can be widely used when further polishing the surface.
[0143]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the film thickness of the film to be polished is measured in advance before performing the main polishing, and the polishing amount is corrected according to the deviation of the measured film thickness of the film to be polished from the reference film thickness. Even if the film thickness of the film to be polished varies because the final polishing is performed, the film to be polished on the silicon nitride film is removed by polishing while suppressing the occurrence of deep dishing on the surface of the film to be polished. be able to. In addition, according to the present invention, since the polishing agent having a high polishing rate including the abrasive grains and the additive composed of the surfactant is used, the film to be polished can be flattened quickly. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of polishing a film to be polished with high throughput while suppressing the occurrence of dishing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a polishing apparatus.
FIG. 2 is a side view (part 1) showing the polishing apparatus.
FIG. 3 is a side view (No. 2) showing the polishing apparatus.
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment;
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment;
FIG. 6 is a graph showing characteristics of an abrasive.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a mechanism for changing a polishing rate.
FIG. 8 is a graph showing changes in the driving voltage of the polishing table during main polishing.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between polishing time and polishing pressure when performing finish polishing.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing dishing generated on the surface of a film to be polished.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the polishing pressure and the polishing amount when performing finish polishing.
FIG. 12 is a process cross-sectional view illustrating a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 13 is a process sectional view showing the proposed method for manufacturing a semiconductor device;
FIG. 14 is a cross-sectional view showing dishing generated on the surface of an element isolation region.
[Explanation of symbols]
10 ... Semiconductor substrate
12 ... Silicon oxide film
14 ... Silicon nitride film
16 ... opening
18 ... trench
20 ... Silicon oxide film
21: Element isolation region
22: Element region
24 ... Dishing
100 ... Base
102a to 102c ... polishing table
104 ... Polishing pad
108a-108d ... arm
110 ... Carousel
112a-112d ... Polishing head
114a to 114c ... sharpening device
116 ... Diamond disk
118 ... Base metal
120 ... Diamond
122 ... Nickel plating layer
124a, 124b ... nozzle
210 ... Semiconductor substrate
212 ... Silicon oxide film
214 ... Silicon nitride film
216 ... opening
218 ... groove
220 ... Silicon oxide film
221: Element isolation region
222: Element region
224 ... Dishing

Claims

被研磨膜の膜厚を測定する膜厚測定工程と、
次いで、研磨砥粒と界面活性剤より成る添加剤とを含む研磨剤を供給しながら、前記被研磨膜の表面を研磨することにより、前記被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、
前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記膜厚測定工程で測定された前記被研磨膜の測定膜厚の基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨量で、前記被研磨膜の表面を更に研磨する第２の工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A film thickness measuring step for measuring the film thickness of the film to be polished;
Then, while supplying a polishing agent containing an additive consisting of abrasive grains and a surfactant, by polishing the surface of the polished film, a first step of flattening the surface of the polished film ,
Stopping the supply of the abrasive, while supplying water, the polishing amount corrected in accordance with the deviation from the reference film thickness measuring film thickness of the polished film measured by the film thickness measuring step, the object to be And a second step of further polishing the surface of the polishing film.

請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記膜厚測定工程の前に、半導体基板上に前記被研磨膜と異なるエッチング特性を有する絶縁膜を形成する工程と；前記絶縁膜に開口部を形成する工程と；前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板をエッチングし、前記半導体基板に溝を形成する工程と；前記溝内及び前記絶縁膜上に前記被研磨膜を形成する工程とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
Prior to the film thickness measuring step, step and of forming an insulating film having different etching characteristics to the film to be polished on the semiconductor substrate; wherein said insulating film as a mask; step and forming an opening in the insulating film A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising: etching a semiconductor substrate to form a groove in the semiconductor substrate; and forming the film to be polished in the groove and on the insulating film.

請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法において、
前記測定膜厚は、前記被研磨膜の膜厚を測定することにより得られた複数の測定値のうちの平均値、最大値又は最小値である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1 or 2,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the measured film thickness is an average value, a maximum value, or a minimum value among a plurality of measurement values obtained by measuring the film thickness of the film to be polished.

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、
前記第２の工程では、前記測定膜厚の前記基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨時間で、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。In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
In the second step, the surface of the film to be polished is polished with a polishing time corrected according to the deviation of the measured film thickness from the reference film thickness.

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、
前記第２の工程では、前記測定膜厚の前記基準膜厚からのずれに応じて補正された研磨圧力で、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。In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
In the second step, the surface of the film to be polished is polished with a polishing pressure corrected according to the deviation of the measured film thickness from the reference film thickness.

請求項１乃至５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、
前記研磨剤は、酸化セリウムより成る研磨砥粒を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the abrasive includes abrasive grains made of cerium oxide.

請求項１乃至５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、
前記研磨剤は、酸化シリコンより成る研磨砥粒を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the abrasive includes abrasive grains made of silicon oxide.

請求項１乃至７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。In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the additive is made of polyacrylic acid ammonium salt.