JP3923442B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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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：Ｍｉｃｒｏ Ｐｌａｎｅｒ ＳＴＩ２１００）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
【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：Ｍｉｃｒｏ Ｐｌａｎｅｒ ＳＴＩ２１００）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
Claims (8)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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