(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、第１の研磨パッド１０４ａを用いて、半導体基板上に形成された被研磨膜の表面を研磨し、被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、研磨剤を供給せず、水を供給しながら、第１の研磨パッドより硬い第２の研磨パッド１０４ｂを用いて、被研磨膜の表面を更に研磨する第２の工程とを有している。【選択図】  図１
2004296591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、第１の研磨パッドを用いて、半導体基板上に形成された被研磨膜の表面を研磨し、前記被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、
前記研磨剤を供給せず、水を供給しながら、前記第１の研磨パッドより硬い第２の研磨パッドを用いて、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２】
請求項１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、前記研磨剤を供給することにより、前記第２の研磨パッドの表面に前記研磨剤を付着させた後、前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて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３】
請求項１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、前記研磨剤を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて前記被研磨膜の表面を研磨した後、前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて前記被研磨膜の表面を更に研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の工程の前に、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５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より軟らかい材料より成る第２の研磨パッド層とから成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
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、
前記第２の研磨パッドは、単層のパッド材料層より成り、
前記パッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
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、
前記第２の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より軟らかい材料より成る第２のパッド材料層とを有し、
前記第１のパッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上であり、
前記第１のパッド材料層の厚さは、１．５ｍｍ以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドの前記第１のパッド材料層の厚さは、２ｍｍ以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
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、
前記第２の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より硬い材料より成る第２のパッド材料層とから成り、
前記第１のパッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨砥粒は、酸化セリウムより成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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１６を用いて説明する。図１６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１６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、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、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に内に、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）。研磨砥粒としては、例えば酸化セリウム（セリア、ＣｅＯ２）が用いられている。添加剤としては、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１７（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１７（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１８に示すように、素子分離領域を構成するシリコン酸化膜２２０の表面にディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）２２４と称される凹みが生じてしまっていた。
【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、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、第１の研磨パッドを用いて、半導体基板上に形成された被研磨膜の表面を研磨し、前記被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、前記研磨剤を供給せず、水を供給しながら、前記第１の研磨パッドより硬い第２の研磨パッドを用いて、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１３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５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、メイン研磨で用いられる研磨パッドを示す断面図である。図４は、研磨装置を示す側面図（その２）である。図５は、仕上げ研磨で用いられる研磨パッドを示す断面図である。図６は、研磨装置を示す側面図（その３）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、メイン研磨を行う際、即ち、表面に凹凸が存在する被研磨膜を研磨して平坦化する際には、研磨テーブル１０２ａを用いる。また、仕上げ研磨を行う際、即ち、研磨剤を供給せずに、純水を供給しながら被研磨膜を更に研磨する際には、研磨テーブル１０２ｂを用いる。本実施形態では、研磨テーブル１０２ｃについては、特に用いない。
【００２７】
図２に示すように、メイン研磨を行う際に用いられる研磨テーブル１０２ａ上には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａが設けられている。換言すれば、研磨テーブル１０２ａ上には、研磨面における弾性率が比較的小さい研磨パッド１０４ａが設けられている。
【００２８】
図３は、メイン研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図である。
【００２９】
図３に示すように、研磨パッド１０４ａは、複数のパッド材料層１０６ａ、１０６ｂを積層することにより構成されている。
【００３０】
下層側、即ち、研磨テーブル１０２ａに接する側には、軟質のパッド材料層１０６ａが形成されている。軟質のパッド材料層１０６ａとしては、例えばロデールニッタ株式会社製のパッド材料（型番：ｓｕｂａ  ４００）が用いられている。軟質のパッド材料層１０６ａの弾性率は、例えばヤング率５００ｇ重／ｃｍ２程度となっている。軟質のパッド材料層１０６ａの厚さは、例えば１ｍｍ程度となっている。
【００３１】
上層側、即ち、研磨面側には、硬質のパッド材料層１０６ｂが形成されている。硬質のパッド材料層１０６ｂの材料としては、例えば発泡ウレタンが用いられている。硬質のパッド材料層１０６ｂの弾性率は、例えばヤング率１００００ｇ重／ｃｍ２となっている。硬質のパッド材料層１０６ｂの厚さは、例えば１．３ｍｍ程度となっている。
【００３２】
このような研磨パッド１０４ａは、研磨面側に硬質のパッド材料層１０６ａが形成されているが、硬質のパッド材料層１０６ａの厚さが１．３ｍｍ程度と比較的薄いため、研磨パッド１０４ａの表面は比較的変形しやすい。
【００３３】
なお、メイン研磨を行う際に比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いる理由については、後述することとする。
【００３４】
図４に示すように、仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨テーブル１０２ｂ上には、比較的硬い研磨パッド１０４ｂ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂが設けられている。換言すれば、研磨テーブル１０２ｂ上には、研磨面における弾性率が比較的大きい研磨パッド１０４ｂが設けられている。
【００３５】
図５は、仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図である。
【００３６】
図５に示すように、研磨パッド１０４ｂは、単層の硬質なパッド材料層１０６ｃにより構成されている。
【００３７】
硬質のパッド材料層１０６ｃの材料としては、例えば発泡ウレタンが用いられている。硬質のパッド材料層１０６ｃの弾性率は、例えばヤング率１００００ｇ重／ｃｍ２となっている。硬質のパッド材料層１０６ｃの厚さは、例えば１．３ｍｍ程度となっている。
【００３８】
単層の硬質なパッド材料層１０６ｃより成る研磨パッド１０４ｂでは、硬質のパッド材料層１０６ｃの下に硬質な材料より成る研磨テーブル１０２ｂが位置することとなるため、研磨パッド１０４ｂの表面は比較的変形しにくい。
【００３９】
なお、仕上げ研磨を行う際に比較的硬い研磨パッド１０４ｂ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いる理由については、後述することとする。
【００４０】
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。
【００４１】
アーム１０８ａ〜１０８ｄには、回転可能な研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄがそれぞれ設けられている。カルーセル１１０を適宜回転させることにより、研磨ヘッド１１２ａ〜１１２ｄを移動させることが可能である。
【００４２】
図２及び図４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。
【００４３】
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１０４ａ、１０４ｂ上に供給するためのものである。ノイズ１２４ｂは、純水等を研磨パッド１０４ａ、１０４ｂ上に供給するためのものである。
【００４４】
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１０４ａ、１０４ｂ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。
【００４５】
図６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。
【００４６】
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。
【００４７】
（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１乃至図１２を用いて説明する。図７及び図８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。
【００４８】
まず、図７（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。ここでは、例えばシリコンウェハを用いる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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程度とする。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。
【００５４】
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。
【００５５】
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、研磨テーブル１０２ａ上に位置することとなる。上述したように、研磨テーブル１０２ａ上には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａが設けられている。
【００５６】
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１０４ａ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１０４ａ上に研磨剤１２６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）。
【００５７】
研磨剤１２６、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。
【００５８】
このような研磨剤としては、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とができる。研磨砥粒としては、例えば酸化セリウム（セリア）を用いることができる。添加剤としては、例えばポリアクリル酸アンモニウム塩を用いることができる。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。
【００５９】
図９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。
【００６０】
図９から分かるように、上述した研磨剤１２６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。
【００６１】
図１０は、研磨速度が変化するメカニズムを示す概念図である。
【００６２】
図１０（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。
【００６３】
これに対し、図１０（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。
【００６４】
このように、本実施形態で用いられる研磨剤１２６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。
【００６５】
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１２６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。
【００６６】
上述したように、本実施形態では、メイン研磨を行う際には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いて、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面を研磨する。メイン研磨を行う際に、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いる理由は、以下のとおりである。
【００６７】
即ち、メイン研磨の際に比較的硬い研磨パッド、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッドを用いた場合には、被研磨膜２０の凸部における角の部分に圧力が集中しにくく、被研磨膜の凸部の上面にほぼ均一に圧力が加わる。そうすると、被研磨膜２０の凸部に加わる圧力は平均化されてしまい、被研磨膜２０の凸部にあまり高い圧力が加わらない。このため、表面が比較的変形しにくい研磨パッドを用いた場合には、被研磨膜２０を速い研磨速度で研磨することが困難である。
【００６８】
これに対し、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いた場合には、研磨パッド１０４ａの表面が比較的容易に変形し、被研磨膜２０の凸部における角の部分に圧力が集中する。このため、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、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いれば、被研磨膜２０の凸部を速い研磨速度で研磨することができ、被研磨膜２０の表面を短時間で平坦化することが可能となる。
【００６９】
このような理由により、メイン研磨を行うの際には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いて、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面を研磨する。
【００７０】
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。
【００７１】
図１１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。
【００７２】
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１１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。
【００７３】
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。
【００７４】
メイン研磨を行う際の条件は、例えば以下の通りとする。
【００７５】
研磨ヘッド１１２ａを研磨パッド１０４ａ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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、研磨パッド１０４ａ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。
【００８１】
研磨パッド１０４ａの目立てを行う際の条件は、例えば以下の通りとする。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
次に、研磨ヘッド１１２ａを上昇させる。そして、カルーセル１１０を反時計回りに９０度程度更に回転させる。これにより、研磨ヘッド１１２ａが、研磨テーブル１０２ｂ上に位置することとなる。
【００８６】
次に、図４に示すように、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、研磨ヘッド１１２ａを回転させながら、研磨ヘッド１１２ａを降下させ、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨パッド１０４ｂに押し付ける。この際、研磨剤１２６（図２参照）を供給せずに、ノズル１２４ｂを介して研磨パッド１０４ｂ上に純水１２８を供給するとともに、研磨テーブル１０２ｂを回転させる。
【００８７】
仕上げ研磨を開始する際には、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面には、メイン研磨の際に用いられた研磨剤１２６が付着している。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、研磨パッド１０４ｂと被研磨膜２０との間に残ることとなる。添加剤は、被研磨膜の表面が平坦化された際に、被研磨膜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１０４ｂと被研磨膜２０との間に残るため、被研磨膜２０を研磨砥粒により更に研磨することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
このように、本実施形態では、仕上げ研磨を行う際には、比較的硬い研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨する。仕上げ研磨を行う際に、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いる理由は、以下の通りである。
【００９０】
即ち、仕上げ研磨を行う際においても比較的軟らかい研磨パッド１０４ａ、即ち、表面が比較的変形しやすい研磨パッド１０４ａを用いて被研磨膜２０を研磨した場合には、研磨パッド１０４ａの表面が変形し、研磨パッド１０４ａの表面が、シリコン窒化膜１４より研磨速度が速いシリコン酸化膜２０にめり込んでしまう。研磨パッド１０４ａの表面がシリコン酸化膜にめり込みながら研磨が進行すると、シリコン酸化膜２０の表面にディッシングと称される凹部が大きく生じてしまう。
【００９１】
これに対し、比較的硬い研磨パッド１０４ｂ、即ち、仕上げ研磨を行う際に表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いた場合には、研磨パッド１０４ｂの表面が変形しにくいため、研磨パッド１０４ｂの表面がシリコン酸化膜２０の表面にめり込むのを防止することができる。このため、仕上げ研磨を行う際に表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いれば、ディッシングの発生を抑制しつつ、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０を除去することができる。
【００９２】
このような理由により、本実施形態では、仕上げ研磨を行う際には、比較的硬い研磨パッド１０４ｂ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｂを用いて、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０の表面を研磨する。
【００９３】
なお、ここでは、研磨パッド１０４ｂを構成するパッド材料層１０６ｃとして、ヤング率１００００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いたが、パッド材料層１０６ｃのヤング率は、１００００ｇ重／ｃｍ２に限定されるものではない。
【００９４】
図１２は、仕上げ研磨に用いられる研磨パッドにおけるパッド材料層のヤング率と被研磨膜の表面に生ずるディッシングの深さとの関係を示すグラフである。
【００９５】
図１２から分かるように、パッド材料層１０６ｃのヤング率が大きくなるに伴って、被研磨膜の表面に生ずるディッシングの深さは小さくなる傾向がある。
【００９６】
図１２から分かるように、ヤング率９０００ｇ重／ｃｍ２以上のパッド材料層を用いれば、ディッシングの深さを３０ｎｍ以下に抑えることが可能となる。従って、パッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００９７】
更には、ヤング率１２０００ｇ重／ｃｍ２以上のパッド材料層１０６ｃを用いれば、ディッシングの深さを２５ｎｍ以下に抑えることが可能となる。従って、パッド材料層１０６ｃのヤング率は、１２０００ｇ重／ｃｍ２以上であることがより望ましい。
【００９８】
更には、ヤング率１５０００ｇ重／ｃｍ２以上のパッド材料層を用いれば、ディッシングの深さを２０ｎｍ以下に抑えることが可能となる。従って、パッド材料層のヤング率は、１５０００ｇ重／ｃｍ２以上であることが更に望ましい。
【００９９】
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。
【０１００】
研磨ヘッド１１２ａを研磨パッド１０４ｂに押し付ける圧力は、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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
仕上げ研磨の時間は、例えば３０秒程度とする。
【０１０６】
なお、仕上げ研磨の時間は、これに限定されるものではなく、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０（図９（ｃ）参照）を確実に除去でき、かつ、シリコン窒化膜１４が過度に研磨されない範囲で適宜設定すればよい。
【０１０７】
こうして、仕上げ研磨が終了し、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０が除去される（図８（ａ）参照）。
【０１０８】
なお、研磨パッド１０４ｂの目立てを、仕上げ研磨を行う前に行ってもよいし、仕上げ研磨中に行ってもよい。
【０１０９】
この後、図８（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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【０１１２】
（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１３を用いて説明する。図１３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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
仕上げ研磨を行う際に、メイン研磨で用いた研磨パッド１０４ａと同様の研磨パッドを用いた場合、即ち、比較的軟らかい研磨パッドを用いた場合には、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２４の深さは４０ｎｍ程度であった。
【０１１５】
これに対し、本実施形態の場合、即ち、仕上げ研磨の際に比較的硬い研磨パッド１０４ｂを用いた場合には、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２４の深さは２０ｎｍ程度であった。
【０１１６】
このことから、本実施形態によれば、被研磨膜２０の表面に生ずるディッシングを浅く抑え得ることが分かる。
【０１１７】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、メイン研磨を行う際には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａを用いて被研磨膜２０を研磨し、仕上げ研磨を行う際には、比較的硬い研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０を研磨することに主な特徴がある。
【０１１８】
上述したように、メイン研磨と仕上げ研磨のいずれにおいても比較的軟らかい研磨パッド１０４ａを用いた場合には、被研磨膜２０に研磨パッド１０４ａの表面がめり込み、被研磨膜２０の表面にディッシング２４が深く生じてしまう。
【０１１９】
これに対し、本実施形態によれば、メイン研磨を行う際には、比較的軟らかい研磨パッド１０４ａを用いて被研磨膜２０を研磨するため、速い研磨速度で被研磨膜２０を研磨することができる一方、仕上げ研磨を行う際には、比較的硬い研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０を研磨するため、被研磨膜２０に研磨パッド１０４ｂがめり込むのを抑制することができる。このため、本実施形態によれば、被研磨膜２０の表面にディッシング２４が深く生ずるのを防止しつつ、被研磨膜２０を研磨することができる。しかも、本実施形態によれば、上述したように、研磨速度が速い研磨剤１２６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。
【０１２０】
（変形例（その１））
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法の変形例（その１）について図１乃至図８を用いて説明する。
【０１２１】
本変形例による半導体装置の製造方法は、仕上げ研磨を行う前に、研磨パッド１０４ｂ上に研磨剤１２６を供給することにより、研磨パッド１０４ｂの表面に研磨剤１２６を予め付着させておくことに主な特徴がある。
【０１２２】
まず、メイン研磨を行う工程までは、図２を用いて上述した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。
【０１２３】
次に、上記と同様に、研磨ヘッド１１２ａを上昇させ、カルーセル１１０を反時計回りに９０度程度更に回転させる。これにより、研磨ヘッド１１２ａが、研磨テーブル１０２ｂ上に位置することとなる。
【０１２４】
次に、研磨パッド１０４ｂ上に、ノズル１２４ａを介して研磨剤１２６を供給する。研磨剤１２６としては、例えば、上述した研磨剤１２６と同様の研磨剤、即ち、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。
【０１２５】
研磨剤１２６の供給時間は、例えば３〜１５秒間程度とする。ここでは、研磨剤１２６の供給時間を例えば７秒とする。なお、研磨剤１２６の供給時間は３〜１５秒間に限定されるものではない。研磨パッド１０４ｂの表面の全体に研磨剤１２６が付着するよう、研磨剤１２６の供給時間を適宜設定すればよい。研磨剤１２６の供給時間を１５秒間以上としてもよいが、研磨剤１２６の供給時間が長くなるに伴って、スループットが低下してしまうこととなる。従って、研磨剤１２６の供給時間は、１５秒以下とすることが好ましい。
【０１２６】
研磨パッド１０４ｂ上に研磨剤１２６を供給する際には、研磨テーブル１０２ｂを回転させることが望ましい。研磨剤１２６を効率的に研磨パッド１０４ｂの表面に付着させることができるためである。研磨テーブル１０２ｂの回転数は、例えば２０回転／分とする。
【０１２７】
こうして、研磨パッド１０４ｂの表面に研磨剤１２６が付着する。
【０１２８】
次に、仕上げ研磨を行う。仕上げ研磨は、上記と同様にして行う。即ち、研磨ヘッド１１２ａを回転させながら、研磨ヘッド１１２ａを降下させ、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨パッド１０４ｂに押し付ける。この際、研磨剤１２６を供給せずに、ノズル１２４ｂを介して研磨パッド１０４ｂ上に純水１２８を供給するとともに、研磨テーブル１０２ｂを回転させる。研磨パッド１０４ｂ上に純水１２８を供給し始めるタイミングは、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４ｂにより研磨し始めるのと同時でもよいし、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４ｂにより研磨し始めた後でもよい。
【０１２９】
本変形例では、仕上げ研磨を行う前に研磨パッド１０４ｂの表面に予め研磨剤１２６を付着させておくため、十分な量の研磨砥粒を用いて被研磨膜２０を研磨することが可能となる。このため、本変形例によれば、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を確実に除去することが可能となる。
【０１３０】
こうして、仕上げ研磨が終了し、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０が除去される（図８（ａ）参照）。
【０１３１】
この後の半導体装置の製造方法は、図８（ｂ）を用いて上述した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。
【０１３２】
こうして本変形例による半導体装置が製造される。
【０１３３】
このように、本変形例によれば、仕上げ研磨を行う前に、研磨パッド１０４ｂの表面に研磨剤１２６を予め付着させておくため、十分な量の研磨砥粒を用いて仕上げ研磨を行うことができる。従って、本変形例によれば、シリコン窒化膜１４上の被研磨膜２０を仕上げ研磨により確実に除去することが可能となる。
【０１３４】
（変形例（その２））
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法の変形例（その２）について図１乃至図８を用いて説明する。
【０１３５】
本変形例による半導体装置の製造方法は、純水を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨する前に、研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨することに主な特徴がある。
【０１３６】
まず、メイン研磨を行う工程までは、図２を用いて上述した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。
【０１３７】
次に、上記と同様に、研磨ヘッド１１２ａを上昇させ、カルーセル１１０を反時計回りに９０度程度更に回転させる。これにより、研磨ヘッド１１２ａが、研磨テーブル１０２ｂ上に位置することとなる。
【０１３８】
次に、研磨パッド１０４ｂ上に、ノズル１２４ａを介して研磨剤１２６を供給しながら、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４ｂを用いて研磨する。研磨剤１２６としては、例えば、上述した研磨剤１２６と同様の研磨剤、即ち、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。この際、研磨パッド１０４ｂ上に、純水を供給しない。研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨する時間は、例えば３〜６０秒とする。
【０１３９】
研磨剤１２６を研磨パッド１０４ｂ上に供給し始めるタイミングは、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４ｂを用いて研磨し始める前でもよいし、被研磨膜２０の表面を研磨パッド１０４ｂを用いて研磨し始めるのと同時でもよい。
【０１４０】
研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨する際の研磨条件は、例えば、図２を用いて上述したメイン研磨の研磨条件と同様とすればよい。なお、研磨条件は、これに限定されるものではなく、適宜設定することができる。
【０１４１】
こうして、研磨パッド１０４ｂを用いて、被研磨膜２０の表面がある程度研磨される。
【０１４２】
次に、仕上げ研磨を行う。仕上げ研磨は、上記と同様にして行う。即ち、研磨ヘッド１１２ａを回転させながら、研磨ヘッド１１２ａを降下させ、被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨パッド１０４ｂに押し付ける。この際、研磨剤１２６を供給せずに、ノズル１２４ｂを介して研磨パッド１０４ｂ上に純水１２８を供給するとともに、研磨テーブル１０２ｂを回転させる。
【０１４３】
本変形例では、純水を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて仕上げ研磨を行う前に、研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨するため、仕上げ研磨を開始する際には、被研磨膜２０と研磨パッド１０４ｂとの間に十分な量の研磨剤が存在していることとなる。このため、本変形例によっても、十分な研磨砥粒を用いて被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨することができ、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０を確実に除去することが可能となる。
【０１４４】
こうして、仕上げ研磨が終了し、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０が除去される（図８（ａ）参照）。
【０１４５】
この後の半導体装置の製造方法は、図８（ｂ）を用いて上述した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。
【０１４６】
こうして本変形例による半導体装置が製造される。
【０１４７】
このように、純水を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨する前に、研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨してもよい。本変形例によれば、純水を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて仕上げ研磨を行う前に、研磨剤１２６を供給しながら研磨パッド１０４ｂを用いて被研磨膜２０の表面を研磨するため、仕上げ研磨を開始する際には、被研磨膜２０と研磨パッド１０４ｂとの間に十分な量の研磨剤が存在していることとなる。このため、本変形例によっても、十分な研磨砥粒を用いて被研磨膜であるシリコン酸化膜２０を研磨することができ、シリコン窒化膜１４上のシリコン酸化膜２０を確実に除去することができる。
【０１４８】
［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１４を用いて説明する。図１４は、仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図である。図１乃至図１３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。
【０１４９】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、上層側が硬質でしかも厚いパッド材料層１０６ｅにより構成され、下層側が軟質のパッド材料層１０６ｄにより構成されている研磨パッド１０４ｃを用いて、仕上げ研磨を行うことに主な特徴がある。
【０１５０】
図１４に示すように、研磨パッド１０４ｃは、複数のパッド材料層１０６ｄ、１０６ｅを積層することにより構成されている。
【０１５１】
下層側、即ち、研磨テーブル１０２ｂに接する面側は、軟質のパッド材料層１０６ｄにより構成されている。軟質のパッド材料層１０６ｄとしては、ヤング率が例えば５００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いる。軟質のパッド材料層１０６ｄの厚さは、例えば１ｍｍとする。
【０１５２】
上層側、即ち、研磨面側は、硬質のパッド材料層１０６ｅにより構成されている。硬質のパッド材料層１０６ｅとしては、ヤング率が例えば１００００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いる。硬質のパッド材料層１０６ｅの厚さは、例えば２ｍｍとする。
【０１５３】
こうして仕上げ研磨に用いられる研磨パッド１０４ｃが構成されている。
【０１５４】
本実施形態で仕上げ研磨の際に用いられる研磨パッド１０４ｃは、下層側が軟質のパッド材料層１０６ｄにより構成されているが、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの厚さが２ｍｍ程度と十分に厚いため、比較的硬い研磨パッド１０４ｃ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｃを構成することができる。従って、このような研磨パッド１０４ｃを用いた場合であっても、第１実施形態と同様に、被研磨膜２０の表面にディッシング２４が生じるのを抑制することが可能となる。
【０１５５】
なお、本実施形態による半導体装置の製造方法は、仕上げ研磨の際に用いられる研磨パッド１０４ｃが第１実施形態による半導体装置の製造方法の場合と異なる他は、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。
【０１５６】
また、ここでは、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの厚さを２ｍｍとしたが、硬質のパッド材料層１０６ｅの厚さは２ｍｍに限定されるものではない。硬質のパッド材料層１０６ｅの厚さを１．５ｍｍ以上に設定すれば、ある程度硬い研磨パッド１０４ｃ、即ち、表面がある程度変形しにくい研磨パッド１０４ｃを構成することができる。従って、硬質のパッド材料層１０６ｅの厚さは、１．５ｍｍ以上に設定すればよい。
【０１５７】
また、ここでは、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの材料としてヤング率１００００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いたが、硬質なパッド材料層１０６ｅのヤング率は、これに限定されるものではない。上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの材料として、ヤング率９０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０の表面に生じるディッシング２４をある程度浅く抑えることができる。更には、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの材料として、ヤング率１２０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０の表面に生じるディッシング２４を更に浅く抑えることができる。更には、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの材料として、ヤング率１５０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０に生ずるディッシング２４を著しく浅く抑えることができる。
【０１５８】
（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説明する。
【０１５９】
仕上げ研磨を行う際に、メイン研磨で用いた研磨パッド１０４ａと同様の研磨パッドを用いた場合、即ち、比較的軟らかい研磨パッドを用いた場合には、上述したように、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２４の深さは４０ｎｍ程度であった。
【０１６０】
これに対し、本実施形態の場合、即ち、仕上げ研磨の際に比較的硬い研磨パッド１０４ｃを用いた場合には、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２４の深さは２５ｎｍ程度であった。
【０１６１】
このことから、本実施形態によっても、被研磨膜２０の表面に生ずるディッシング２４を浅く抑え得ることが分かる。
【０１６２】
このように、本実施形態によれば、上層側の硬質なパッド材料層１０６ｅの厚さが十分に厚いため、下層側が軟質のパッド材料層１０６ｄにより構成されている場合であっても、比較的硬い研磨パッド１０４ｃ、即ち、表面が比較的変形しにくい研磨パッド１０４ｃを構成することができる。従って、本実施形態によっても、被研磨膜２０にディッシング２４が深く生ずるのを抑制しつつ、高いスループットで被研磨膜２０を研磨することができる。
【０１６３】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を図１５を用いて説明する。図１５は、仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図である。図１乃至図１４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。
【０１６４】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、上層側が硬質のパッド材料層１０６ｇにより構成され、下層側がパッド材料層１０６ｇより更に硬質なパッド材料層１０６ｆにより構成された研磨パッド１０４ｄを用いて、仕上げ研磨を行うことに主な特徴がある。
【０１６５】
図１５に示すように、研磨パッド１０４ｄは、複数のパッド材料層１０６ｆ、１０６ｇを積層することにより構成されている。
【０１６６】
上層側、即ち、研磨面側は、硬質のパッド材料層１０６ｇにより構成されている。硬質のパッド材料層１０６ｇとしては、ヤング率が例えば１００００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いる。硬質のパッド材料層１０６ｇの厚さは、例えば１．３ｍｍとする。
【０１６７】
下層側、即ち、研磨テーブル１０２ｂに接する面側は、パッド材料層１０６ｇより更に硬質なパッド材料層１０６ｆにより構成されている。パッド材料層１０６ｆとしては、ヤング率が例えば１５０００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いる。パッド材料層１０６ｆの厚さは、例えば０．５ｍｍとする。
【０１６８】
こうして、仕上げ研磨に用いられる研磨パッド１０４ｄが構成されている。
【０１６９】
なお、ここでは、上層側のパッド材料層１０６ｇの材料としてヤング率１００００ｇ重／ｃｍ２の材料を用いたが、上層側のパッド材料層１０６ｇのヤング率は、これに限定されるものではない。上層側のパッド材料層１０６ｇの材料として、ヤング率９０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０の表面に生じるディッシング２４をある程度浅く抑えることができる。更には、上層側のパッド材料層１０６ｇの材料として、ヤング率１２０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０の表面に生じるディッシング２４を更に浅く抑えることができる。更には、上層側のパッド材料層１０６ｇの材料として、ヤング率１５０００ｇ重／ｃｍ２以上の材料を用いれば、被研磨膜２０に生ずるディッシング２４を著しく浅く抑えることができる。
【０１７０】
このように、上層側、即ち研磨面側を硬質なパッド材料層１０６ｇにより構成し、下層側をパッド材料層１０６ｇより更に硬質なパッド材料層１０６ｆにより構成した場合であっても、比較的硬い研磨パッド１０４ｄ、即ち、表面が変形しにくい研磨パッド１０４ｄが得られる。
【０１７１】
従って、本実施形態によっても、被研磨膜の表面に深い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ができる。
【０１７２】
［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。
【０１７３】
例えば、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１２６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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
（付記１）  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、第１の研磨パッドを用いて、半導体基板上に形成された被研磨膜の表面を研磨し、前記被研磨膜の表面を平坦化する第１の工程と、
前記研磨剤を供給せず、水を供給しながら、前記第１の研磨パッドより硬い第２の研磨パッドを用いて、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。
【０１７６】
（付記２）  付記１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、前記研磨剤を供給することにより、前記第２の研磨パッドの表面に前記研磨剤を付着させた後、前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて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。
【０１７７】
（付記３）  付記２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、水を供給する前に、前記研磨剤を３〜１５秒間供給することにより、前記第２の研磨パッドの表面に前記研磨剤を付着させる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１７８】
（付記４）  付記１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、前記研磨剤を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて前記被研磨膜の表面を研磨した後、前記研磨剤の供給を止め、水を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて前記被研磨膜の表面を更に研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１７９】
（付記５）  付記４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、水を供給する前に、前記研磨剤を供給しながら、前記第２の研磨パッドを用いて前記被研磨膜の表面を３〜６０秒間研磨する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８０】
（付記６）  付記１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の工程の前に、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。
【０１８１】
（付記７）  付記１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より軟らかい材料より成る第２の研磨パッド層とから成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８２】
（付記８）  付記１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドは、単層のパッド材料層より成り、
前記パッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８３】
（付記９）  付記８記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドのパッド材料層のヤング率は、１２０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８４】
（付記１０）  付記１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より軟らかい材料より成る第２のパッド材料層とを有し、
前記第１のパッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上であり、
前記第１のパッド材料層の厚さは、１．５ｍｍ以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８５】
（付記１１）  付記１０記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドの前記第１のパッド材料層のヤング率は、１２０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８６】
（付記１２）  付記１０又は１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドの前記第１のパッド材料層の厚さは、２ｍｍ以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８７】
（付記１３）  付記１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドは、研磨面となる第１のパッド材料層と、前記第１のパッド材料層下に形成され、前記第１のパッド材料層より硬い材料より成る第２のパッド材料層とから成り、
前記第１のパッド材料層のヤング率は、９０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８８】
（付記１４）  付記１３記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の研磨パッドの前記第１のパッド材料層のヤング率は、１２０００ｇ重／ｃｍ２以上である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１８９】
（付記１５）  付記１乃至１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨砥粒は、酸化セリウムより成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１９０】
（付記１６）  付記１乃至１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨砥粒は、酸化シリコンより成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１９１】
（付記１７）  付記１乃至１６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記添加剤は、ポリアクリル酸アンモニウム塩より成る
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１９２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、メイン研磨を行う際には、比較的軟らかい研磨パッドを用いて被研磨膜を研磨するため、速い研磨速度で被研磨膜を研磨することができる一方、仕上げ研磨を行う際には、比較的硬い研磨パッドを用いて被研磨膜を研磨するため、被研磨膜に研磨パッドがめり込むのを抑制することができる。このため、本発明によれば、被研磨膜の表面にディッシングが深く生ずるのを防止しつつ、被研磨膜を研磨することができる。しかも、本発明によれば、上述したように、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の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】メイン研磨の際に用いられる研磨パッドを示す断面図である。
【図４】研磨装置を示す側面図（その２）である。
【図５】仕上げ研磨の際に用いられる研磨パッドを示す断面図（その２）である。
【図６】研磨装置を示す側面図（その３）である。
【図７】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８】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９】研磨剤の特性を示すグラフである。
【図１０】研磨速度が変化するメカニズムを示す概念図である。
【図１１】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１２】仕上げ研磨に用いられる研磨パッドにおけるパッド材料層のヤング率と被研磨膜の表面に生ずるディッシングの深さとの関係を示すグラフである。
【図１３】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１４】仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図（その２）である。
【図１５】仕上げ研磨を行う際に用いられる研磨パッドを示す断面図（その３）である。
【図１６】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１７】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１８】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
１０４ａ〜１０４ｄ…研磨パッド
１０６ａ〜１０６ｇ…パッド材料層
１０８ａ〜１０８ｄ…アーム
１１０…カルーセル
１１２ａ〜１１２ｄ…研磨ヘッド
１１４ａ〜１１４ｃ…目立て装置
１１６…ダイヤモンドディスク
１１８…台金
１２０…ダイヤモンド
１２２…ニッケルめっき層
１２４ａ、１２４ｂ…ノズル
１２６…研磨剤
１２８…純水
２１０…半導体基板
２１２…シリコン酸化膜
２１４…シリコン窒化膜
２１６…開口部
２１８…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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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