JPH08227867A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

研磨方法および研磨装置

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JPH08227867A
JPH08227867A JP7286171A JP28617195A JPH08227867A JP H08227867 A JPH08227867 A JP H08227867A JP 7286171 A JP7286171 A JP 7286171A JP 28617195 A JP28617195 A JP 28617195A JP H08227867 A JPH08227867 A JP H08227867A
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polishing
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cloth
insulating film
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正樹 松井
Masatake Nagaya
正武 長屋
Akinari Fukaya
顕成 深谷
Keimei Himi
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    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体分離基板の製造に用いる選択研磨にお
いて、研磨加工の終点検出を行う。 【解決手段】 ウェハ10を研磨布12にて選択研磨す
る工程において、ウェハ10を研磨した直後に位置する
研磨布12の温度測定位置12bの温度を温度センサ1
9にて検出し、測定装置20aにて選択研磨の終了検出
を行う。この場合、検出温度の変化率が正から負に変化
し、その後一定の飽和状態になったことに基づき選択研
磨の終了とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体分離基板等
の研磨方法およびその方法を用いて半導体基板を製造す
る方法等に関し、特に基板の貼り合わせ技術、および選
択研磨を利用した薄膜SOI(Silicon On Insulator)基
板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】誘電体分離基板の製造方法としては、2
枚のシリコン基板を酸化膜等の絶縁膜を介して貼り合わ
せ、一方の基板側から所定の厚さまで研磨することによ
ってSOI層とする方法が知られている。しかし、この
従来技術の延長で例えば0.5μm以下の薄いSOI層
を形成しようとするとき、研磨精度の制約からSOI層
の厚みのバラツキが大きく所望の半導体素子を形成でき
ないという問題があった。
【0003】そこで、このような薄いSOI層を厚さ精
度よく形成する方法として、例えば図16に示す方法が
知られている。この方法の概略を説明すると、シリコン
の第1半導体基板1の鏡面1aに凹部2を形成した後、
酸化膜3を堆積し、次いで多結晶シリコン4を堆積する
(図16(a))。この後、多結晶シリコン4を平坦化
研磨し、シリコンの第2半導体基板5とその研磨面とを
貼り合わせ(図16(b))、多結晶シリコン4を堆積
した第1半導体基板1の他方の面を研削および研磨す
る。この研磨において、凹部2に形成された酸化膜3を
ストッパーとして機能させる研磨、すなわち選択研磨を
行うことにより、SOI層6の厚みばらつきが小さい薄
膜SOI基板を得ることができる(図16(c))。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の方法では、酸化
膜等の絶縁膜3をストッパーとして選択研磨するため、
SOI層6の厚みの精度、および厚みばらつきを、スト
ッパーのない通常の研磨に比べ向上させることができ
る。しかしながら、ストッパーである絶縁膜3もシリコ
ンと比較すれば研磨速度は小さいが、シリコンと同時に
研磨されるため、絶縁膜3が露出した後の研磨時間が長
くなるほど、SOI層6の厚みは所望の厚みよりも薄く
なる。また、研磨時間が長くなるほど、SOI層6の研
磨だれも生じて厚みばらつきは大きくなる。これはSO
I層6の面積が大きくなるほど顕著となる。
【0005】従って、基板の全面において、ストッパー
となる絶縁膜3がすべて表面に露出した時点で研磨加工
を終了させることが、厚みばらつきを低減させるために
は必要となる。しかしながら、研磨加工中に研磨の状
態、すなわち絶縁膜3の露出状態を被研磨面を直接観察
することで確認することはできない。従って、短時間の
研磨を行った後、研磨装置から基板をはずして研磨状態
を確認し、再び研磨して再度確認するというように、短
時間の研磨を繰り返し行うことになり、その結果、多大
な労力と時間が必要になるといった問題がある。
【0006】また、上記のようなSOIに限らず、被研
磨材料よりも研磨速度の遅い材料をストッパーとして被
研磨材料を研磨加工する選択研磨においても上記のSO
Iの選択研磨加工と同様に研磨加工の終点検出ができな
いという問題がある。このような選択研磨としては、図
17、図18に示すものがある。図17は半導体基板4
0の素子分離技術を示すもので、(a)(b)(c)の
工程に示すように、溝部(トレンチ)40aを形成し、
そこを絶縁材料で埋め込むことで素子分離領域を形成す
る場合に窒化膜41をストッパーとして酸化膜42を選
択研磨する。ストッパーとしては金属膜43を使う場合
もある。
【0007】また、図18は半導体基板50の配線技術
を示すもので、(a)(b)の工程に示すように、絶縁
膜52に溝部、孔部(凹部)51を形成し、そこをC
u、W等の金属膜53で埋設した後に絶縁膜52をスト
ッパーとして金属膜53を選択研磨する。さらに、上記
のような選択研磨を行うものに限らず、半導体基板の多
層配線技術として、層間絶縁膜表面を研磨加工によって
平坦化する場合においても研磨の終点検出ができないと
いう問題がある。すなわち、図19(a)に示すよう
に、シリコンの半導体基板60上に形成された配線パタ
ーン61上に絶縁膜(酸化膜)62を堆積すると絶縁膜
62表面には凹凸が生じるが、(b)の工程により、絶
縁膜62表面を研磨により平坦化する場合にも研磨の終
点(被研磨面全体が平坦化された時点)を検出すること
は困難である。現状では、時間管理で研磨加工を行って
いるが、研磨速度は研磨布の磨耗等で変動することか
ら、研磨加工による安定した平坦化ができないという問
題がある。
【0008】本発明は上記問題に鑑みたもので、上記の
ような研磨において、研磨加工の終点検出を行うことを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、研磨加工
時の研磨布の温度変化によって研磨の終点検出を行う方
法を見いだした。以下、この点について説明する。図2
(a)に選択研磨にて用いられる研磨装置の構成を示
す。また、図2(b)に研磨装置によりウェハを研磨す
る状態を示す。
【0010】図2(a)において、定盤(ターンテーブ
ル)11の上には研磨布12が貼り付けられている。ま
た、選択研磨するウェハ10をチャックテーブル13に
取り付け、それを研磨布12上に設置する。そして、図
2(b)の研磨剤滴下位置12aに研磨剤14を滴下し
つつ、定盤11およびチャックテーブル13を回転(こ
の回転は図示しない駆動装置により行われる)させ、ウ
ェハ10を研磨布12にて研磨する。
【0011】この研磨装置による研磨加工時の研磨布1
2の温度変化について実験を行った。なお、研磨剤14
としては、Nalco2350(商品名)のものを砥粒
密度0.05wt%にし、温度25℃の条件で使用し
た。また、研磨布12としてはSuba600(商品
名)を用い、それを20℃に温度調節した定盤11に貼
り付けて行った。定盤11の回転数は60rpmとし
た。なお、この実験に用いた研磨剤14は、通常の研磨
に用いる研磨剤より砥粒密度の低いものとしている。こ
れは、酸化膜3の研磨速度を下げることでストッパーと
しての機能をもたせるためと、シリコンの研磨速度を下
げてSOI層6の研磨だれを防ぐためである。
【0012】選択研磨加工時の研磨布12の温度を、研
磨布12のうちウェハ10を研磨した部分、すなわちウ
ェハ10と接触した直後の研磨布12の部分(図2
(b)の温度測定点12b)にて検出する。なお、研磨
布12上のウェハ10の位置を研磨布に対して相対的に
移動させて研磨する場合には、温度測定点12bの位置
もそれに応じて移動させる。このような温度検出を行う
ため、温度測定点の放射エネルギーを非接触で測定して
それを温度に変換する非接触型の温度センサを用いてい
る。
【0013】また、この実験においては、選択研磨開始
前のストッパーとなる酸化膜3上のシリコンの厚みを
0.8μmとしている。この実験結果を図3に示す。図
3に示すように、研磨開始時の20.5℃が15分後に
は23.3℃まで上昇して飽和する(領域A)。この状
態ではストッパーの酸化膜3は露出してなく、基板全面
においてシリコンが研磨されている。(図4(a)の状
態)。そして、15分後からは温度が下降、すなわち時
間に対する温度変化率が負の状態に移行する(領域
B)。これは図4(b)に示したように、一部の酸化膜
が露出を始めたことを示している。そして40分以降は
温度は一定値に飽和する、すなわち温度変化率が0に近
い所定の変化率の範囲内になる(領域C)。これはウェ
ハの全面において酸化膜が露出したことを示す(図4
(c))。この飽和点が選択研磨の終点、すなわち選択
研磨を終了させる時間となる。なお、図4において、左
側はウェハの断面、右側はウェハの上面の状態を示して
いる。
【0014】酸化膜が表面に露出すると研磨布の温度が
下がることは次の実験からも証明される。表面に酸化膜
が形成されていない未加工のシリコンウェハと熱酸化に
より表面に酸化膜を形成したウェハを用意し、それらを
上記実験と同条件で研磨加工した結果を図5に示す。未
加工のシリコンウェハは23℃に上昇した後飽和する。
図3の領域Aに等しい状態である。表面に酸化膜を形成
したウェハは、21℃と、未加工のシリコンウェハより
も低温で飽和する。図3の領域Cに近い状態である。な
お、図3での領域Cの状態はウェハ全面が酸化膜ではな
く、シリコンの領域(SOI領域)が混在している。
【0015】この実験結果から、同条件の加工でもシリ
コンの研磨と酸化膜の研磨では加工中の研磨布の温度が
異なり、シリコンの研磨の方が2℃ほど高い。これは研
磨布と被研磨面(シリコン、酸化膜)の摩擦熱の違い、
また酸化膜の研磨速度がシリコンと比較してはるかに小
さいことから、研磨剤と被研磨面との反応熱の差による
もの(シリコンは反応熱が大)と考えられる。
【0016】従って、研磨布12の温度差を利用するこ
とにより選択研磨の終点検出を行うことができる。すな
わち、選択研磨では酸化膜が露出を始めると研磨布の温
度は下がり始める。そして、ウェハ全面において酸化膜
が露出した時点で温度は飽和する。この飽和により研磨
の終点を定めることができる。なお、研磨布の温度が飽
和状態にあるということは、言い換えれば研磨加工時に
発生する熱量も飽和状態にあることになる。
【0017】また、上述したSOIの選択研磨と同様の
原理で、図17に示す半導体基板の素子分離技術および
図18に示す配線技術で使用される選択研磨、すなわち
被研磨材料よりも研磨速度の遅い材料(金属、絶縁膜
等)をストッパーとして被研磨材料(金属、絶縁膜、シ
リコン膜)等を研磨加工する場合においても、上記のS
OIの選択研磨加工と同様に研磨加工時の研磨布の温度
変化によって研磨の終点検出を行うことが可能である。
【0018】また、図19に示す半導体基板の多層配線
技術において層間絶縁膜表面の凹凸を研磨加工によって
平坦化する場合においても、研磨加工時の研磨布の温度
変化によって研磨の終点検出を行うことが可能である。
この場合、ストッパーは存在しないが、研磨加工は被研
磨面に凹凸がある場合では凸部が選択的に研磨される。
これは凹部よりも凸部が強く研磨布にあたるためであ
る。多層配線技術における層間絶縁膜の表面は研磨初期
においては凹凸状態となっているために凸部が研磨布に
強くあたり、凹部はあたりにくい。
【0019】従って、研磨布と研磨剤を介して反応する
被研磨面である絶縁膜表面の面積は、凹凸のない平坦な
被研磨面である場合(この状態が研磨の終点となる)と
比較すると研磨初期は小さく、反応熱の発生も少ない。
しかし、研磨の進行に伴う凹凸の度合いの変化により反
応面積も変化して、反応熱の発生量は変化する。また、
被研磨面と研磨布との摩擦により発生する熱量も、研磨
の進行に伴う凹凸の度合いにより変化する。すなわち、
研磨の進行とともに凹凸の度合いも小さくなることから
研磨布との反応面積は大きくなって反応熱、また摩擦熱
が変化する。
【0020】このように熱の発生量が研磨加工の時間経
過とともに変化することで研磨布の温度も変化する。そ
して、凹凸がなくなり被研磨面全面が研磨布と均一にあ
たるようになると、熱量の発生は一定となり研磨布の温
度は飽和する。本発明は上記した種々の考察に基づいて
なされたものであり、具体的には請求項のそれぞれに記
載された事項を特徴としている。
【0021】すなわち、本発明は、研磨布を用いた研磨
加工において、研磨布のうち被研磨面を研磨した直後の
部分の温度を測定し、この測定された温度の変化に基づ
いて研磨加工の終点検出を行うことを特徴としている。
従って、研磨加工中の研磨状態を基板をはずして確認す
る等の作業を行うことなく、研磨加工の終点検出を行う
ことができる。
【0022】この場合、研磨布のうち被研磨面を研磨し
た直後の部分の温度を測定するようにしているから、研
磨布各部の温度ばらつきに影響されず、研磨加工の終点
検出を精度よく行うことができる。また、本発明は、研
磨布の温度と研磨時間とから算出される研磨によって放
出される研磨開始時からの総熱量と、選択研磨で除去さ
れる被研磨材料の体積との関係から研磨の終点検出を行
うことを特徴としている。
【0023】このように研磨開始時からの総熱量と被研
磨材料の体積との対応関係を用いることにより、研磨す
る条件にかかわらず、研磨加工の終点検出を精度よく行
うことができる。また、本発明は、研磨布が取り付けら
れる定盤の温度が一定になるように温度調節を行うこと
を特徴としている。
【0024】定盤の温度調節を行わないと、研磨加工時
の研磨布の温度(又は発熱量)は飽和しにくくなるが、
定盤の温度調節を行うことによって温度(又は発熱量)
を飽和させることができ、研磨加工の終点検出を精度よ
く行うことができる。さらに、本発明は、研磨位置を研
磨布の回転半径方向に揺動させて研磨加工することを特
徴としている。
【0025】研磨位置を固定にすると研磨加工につれて
研磨布が温度上昇を続け、加工速度の変化等により加工
精度が落ちるが、研磨位置を揺動させることにより加工
精度を良好にすることができる。このような揺動させた
研磨加工であっても研磨直後の部分の温度を測定するこ
とによって、精度よく研磨加工の終点検出を行うことが
できる。この場合、研磨位置の移動に伴って温度検出手
段も同時に移動させるようにすれば、温度測定点の位置
は、常に研磨部分の直後に設定することができる。
【0026】さらに、そのような揺動による研磨加工の
場合、定盤の温度調節を行うようにすれば、温度測定位
置が変化しても、基準となる研磨布温度が一定となるた
め、一層精度よく研磨加工の終点検出を行うことができ
る。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1に、本実施形態に従う誘電体分
離基板の製造工程を示す。まず、図1(a)に示すよう
に、シリコンの第1半導体基板1の少なくとも一方の面
を鏡面研磨し、その鏡面1aの一部を、ウエットの化学
エッチング、あるいは反応性イオンエッチング(RI
E)等のドライエッチングにより選択的にエッチング
し、凹部2を形成する。凹部2の深さは、例えば0.0
1〜1μmであり、この凹部2は、スクライブ領域、あ
るいは絶縁分離領域に形成される。
【0028】次に、熱酸化、あるいはCVD等の方法に
より、例えば0.1μm〜5μmの酸化シリコン膜(絶
縁膜)3を形成する。なお、絶縁膜としては、酸化シリ
コン膜ではなく、CVD等の方法により形成される窒化
シリコン膜としてもよい。次に、図1(b)に示すよう
に、多結晶シリコン4をLPCVD等の方法で例えば3
μm以上堆積する。
【0029】次に、図1(c)に示すように、多結晶シ
リコン4を平坦化研磨することで凹凸を除去し鏡面4a
を形成する。次に、図1(d)に示すように、少なくと
も一方の面が鏡面研磨されたシリコンの第2半導体基板
5の鏡面5aと第1半導体基板1の平坦化研磨された多
結晶シリコン面4aとを貼り合わせる。
【0030】次に、図1(e)に示すように、第1半導
体基板1をその表面1b側から研削し、次いで図1
(f)に示すように、研磨を行う。ここでの研磨は通常
に行われている研磨でよく、研削加工による表面の凹
凸、および破砕層を除去することを目的としたものであ
る。この図1(f)の研磨工程においては、通常の研磨
にて2〜5μmのシリコンを除去する。この研磨では、
できる限り選択研磨でのシリコンの除去量を少なくする
ためにストッパーの酸化膜3が露出する寸前まで、例え
ばストッパーとなる酸化膜3上のシリコンの厚みが1μ
m以下となるようにする。また、その基板内でのばらつ
きもできる限り小さくすることが望ましい。
【0031】これは、選択研磨は通常の研磨よりもシリ
コンの研磨速度を遅くするため、その加工時間を短縮す
ること、また基板全面でストッパーの酸化膜3が露出し
た時点が研磨の終点であるが、できるだけ同時に酸化膜
3を露出させた方が終点検出の精度も向上し、さらに厚
みばらつきが低減できることによる。次に、図1(g)
に示すように、凹部2に形成された酸化シリコン膜3を
基板1b側表面に露出させ、SOI層6を形成する。こ
の場合、酸化シリコン膜3をストッパーとして機能させ
る選択研磨にて行う。
【0032】この後、図示してないが、上記工程により
製造された半導体基板に対し、通常のMOSFET製造
技術により、SOI層6にMOSFET(半導体素子)
を形成して半導体集積回路装置を製造する。本実施形態
では、上記選択研磨において、研磨に用いる研磨布の温
度変化をモニターすることで研磨の終点検出を行うこと
を特徴としている。
【0033】図6に研磨装置の具体的な構成を示す。ま
た、図7に研磨加工部分を側方から見た図を示す。図6
において、定盤11は、表面上に研磨布12が取り付け
られており、所定速度で回転する。そして、この定盤1
1は、温調ユニット15により一定の温度(例えば20
℃)に調節される。すなわち、温調ユニット15から温
調された水(温度調整水)が定盤11内に設けられた溝
(通路)内を図に示すように循環し、これによって定盤
11の温度が一定に保たれる。
【0034】また、ウェハ10を保持するチャックテー
ブル13は、定盤11に対向する保持面を有しており、
この保持面にウェハ10を固定するとともに、所定速度
で回転する。そして、駆動ユニット16は、チャックテ
ーブル13を回転可能に保持し、チャックテーブル13
の保持面に固定されたウェハ10を定盤11に押し付け
るとともに、チャックテーブル13を図中の矢印にて示
すように、研磨布12の半径方向(定盤11の回転の半
径方向)に揺動させるものである。さらに、研磨剤供給
システム17、純水供給システム18により、研磨布1
2上に研磨剤および純水が滴下される。
【0035】また、駆動ユニット16には温度検出手段
である温度センサ19が取り付けられており、温度測定
点12b、すなわち選択研磨加工時にウェハ10と接触
した直後の研磨布12の部分(ウェハ10が押し付けら
れた部分よりも回転下流側の研磨直後)の温度を非接触
にて検出する。このように、温度センサ19は、駆動ユ
ニット16に固定されて駆動ユニット16の揺動ととも
に揺動する。ここで、温度センサ19は、駆動ユニット
16における定盤11の回転下流側に固定されることが
好ましい。また、チャックテーブル13の揺動範囲内の
温度を検出するように固定されると更に良く、その温度
測定点12bは、研磨布12のうちの、ウェハ10が押
し付けられた部分よりも回転下流側の研磨直後のうち
の、チャックテーブル13の略中心の周方向の部分であ
ることが好ましい。
【0036】制御システム20は、研磨加工時に、図示
しない駆動装置により定盤を回転させるとともに、駆動
ユニット16を駆動制御して、ウェハ10を回転させる
とともに研磨布12の半径方向に揺動させる。さらに、
ウェハ10の加圧調整、研磨剤の供給、純水の供給、お
よびリフト動作を行わせる。この制御システム20は、
温度センサ19にて検出した温度に基づき研磨加工を終
了させる制御を行う。
【0037】図8に、その研磨加工の終了制御を行う部
分の概略構成を示す。温度センサ19にて検出した温度
信号は、マイクロコンピュータ等を用いた測定装置20
aに入力される。測定装置20aでは、その入力された
温度信号を基に選択研磨の制御を行う。この選択研磨の
制御例について、以下説明する。 (第1の制御例)選択研磨の第1の制御例を図9に示
す。
【0038】まず、温度センサ19からの温度信号を所
定時間間隔で入力し(ステップ100)、その温度信号
を基に温度変化率を計算する(ステップ101)。そし
て、この温度変化率に基づき、図3に示す領域Aの状態
から領域Bの状態へ移行し、さらに領域Cの状態へ移行
したか否かを判定する(ステップ102)。すなわち、
温度変化率が正の状態から負の状態へ移行(領域A→領
域B)し、その後、温度変化率が0に近い所定値以下の
飽和状態に移行したか否かを判定する。
【0039】そして、領域Cの状態へ移行したことを判
定すると、所定時間(数分程度)が経過したか否かを判
定する(ステップ103)。所定時間が経過すると、選
択研磨の終点として、研磨加工停止処理を行う(ステッ
プ104)。この研磨加工停止処理は、例えば枚葉式の
場合は研磨剤14の代わりに純水を流しリンス処理によ
り行う、あるいはチャックテーブル13を上げて研磨布
12からウェハ10を離して行う。また、複数のチャッ
クテーブルをもつ装置では、それぞれのテーブルに測定
装置を設け、各テーブルごとにテーブルを上げて研磨布
12から離して研磨加工の停止を行うようにしてもよ
い。
【0040】この場合、図8の加工研磨停止装置20b
にて自動的に上記研磨加工停止処理を行う、あるいは測
定装置20aから研磨終了判定時にブザー等で報知する
ようにし、これにより手動で上記研磨加工停止処理を行
うようにすることができる。なお、測定装置20aおよ
び加工研磨停止装置20bは、制御システム20の一部
の構成を示すものである。
【0041】上記した選択研磨の終点検出により、必要
最低限の研磨加工時間で、しかも1回の加工で、均一な
厚さのSOI層を短時間で形成することができる。ま
た、研磨剤14、研磨布12の種類、温度等の条件、定
盤11の回転数、基板の加圧力等の研磨加工の条件、さ
らには基板のストッパーとなる酸化膜のパターン、酸化
膜とシリコンとの面積比率等によって研磨のされ方も変
わるため、飽和点の決め方を適用条件に応じて設定する
ことが望ましい。
【0042】また、研磨の終点についても、例えば温度
が一定になると同時に研磨を終了する、あるいは温度が
一定になってから所定時間(例えば5分)経過後に研磨
を終了させる等、各条件ごとに最適な研磨状態となるよ
うに決めることが望ましい。 (第2の制御例)上記第1の制御例では、研磨布の温度
もしくは温度変化率が所定値になったことに基づいて研
磨終了を判定するようにしたが、温度変化率が極小値、
すなわち温度の2回微分値が0になったことを判定して
研磨の終了を判定するようにしてもよい。
【0043】図10(a)に選択研磨での加工時間に対
する研磨布の温度変化、(b)に温度変化率、(c)に
温度変化率の変化率を示す。ストッパーである絶縁膜3
が表面に一部露出し、ストッパー上のシリコンの面積が
減少すると、温度変化率が負になる(図10(a)
(b)ので示す点以降)。以降の温度変化率は極小
値をもって、やがて0(研磨布の温度が一定、で示す
点)となる。の時点では過剰研磨(研磨だれ)による
発熱も飽和している。従って、との間にストッパー
上のシリコンの研磨による発熱と過剰研磨(研磨だれ)
による発熱との境界点があることになる。この第2の制
御例では、温度変化率の極小値(で示す点)を基に、
研磨の終了を判定するようにしている。
【0044】図11に第2の制御例の具体的な処理を示
す。図9に示すものと同一符号の部分は同一の処理を示
す。温度センサ19からの温度信号を所定時間Δt毎に
入力し、研磨布12の温度Tに対する時間tの2回微分
値(d2 T/d2 t)を求め(ステップ201)、この
2 T/d2 tが0になったか否かを判定する(ステッ
プ202)。温度変化率が極小となり、d2 T/d2
が0になると、研磨終了とする。
【0045】また、温度センサ19からの温度信号の入
力タイミングは、基板を揺動させる周期の倍数になるよ
うにすることが望ましい。これは、基板の研磨布に対す
る位置(研磨布の中心からの距離)によって、基板と接
触した直後の研磨布の温度が変わる(研磨布の中心から
の距離が短いほど相対的に温度が高くなる)ためであ
る。
【0046】また、ステップ202にて極小値を判定し
てから、一定時間後に研磨を終了させるようにしてもよ
い。これは、選択研磨前のストッパー上のシリコンの厚
みばらつきが大きいと、ストッパー上のシリコンの研磨
と過剰研磨(研磨だれ)とが基板内で同時に行われる時
間が長くなり、極小値が必ずしも境界点とはならないこ
とがあるからである。 (第3の制御例)上記した制御例では、選択研磨の条件
によっては、すべての基板で正確に終点を検出すること
が困難な場合がある。例えば、選択研磨前のストッパー
上のシリコンの厚みばらつきが大きい場合、選択研磨で
ストッパーが基板全面でほぼ同時に露出する場合、SO
Iの面積が小さくて研磨だれが生じにくい場合、研磨だ
れが生じにくい研磨条件(研磨剤のpH値を過酸化水素
で調整する、硬質の研磨布を使用する等)で行う場合等
においては、研磨布の温度、温度変化率が変化する。従
って、より高い終点の検出精度が求められる研磨の場合
においては上記した制御例では不十分となる場合があ
る。
【0047】そこで、この第3の制御例では、研磨開始
時からの総熱量と選択研磨で除去される基板の体積との
関係から研磨の終点検出を行うようにしている。まず、
この第3の制御例の考え方について説明する。選択研磨
でシリコンを除去する際に放出される総熱量(Q)は、
シリコンの除去量、すなわち除去部分のシリコンの体積
(V)から求められる。例えば、体積(V)に一定の定
数c1 を乗じて、数式1から求められる。
【0048】
【数1】Q=c1 ×V 但し、定数c1 は、選択研磨の条件(使用する研磨剤、
研磨布等)等に応じて設定される。一方、選択研磨にお
いて、実際に放出された総熱量(Q)は、図12のグラ
フ(図3のグラフに対応するもの)に斜線で示す領域の
面積(S)に比例する。よって、その比例定数を定数c
2 とすると、実際に放出された総熱量(Q)は数式2で
表される。
【0049】
【数2】Q=c2 ×S 上記した数式1、2から数式3が得られる。
【0050】
【数3】S=(c1 /c2 )×V 従って、予めシリコンの除去量(V)を求めておき、研
磨加工時間と研磨布の温度から求められる面積(S)
が、数式3を満たすこととなった時に、研磨終了とすれ
ば、正確なる研磨の終点検出を行うことができる。
【0051】なお、数式3における(c1 /c2 )の値
は定数であるが、選択研磨の条件等によって変化する。
従って、(c1 /c2 )の値は、例えばシリコンのベア
ウエハを実際に同じ選択研磨条件で一定時間研磨して、
その除去量(V)と研磨布の時間に対する温度変化のグ
ラフから得られる面積(S)とから算出し、予め設定し
ておく。
【0052】このような考えに基づく、第3の制御例の
具体的な処理を図13に示す まず、選択研磨を行う前に、図14に示すように、スト
ッパーとなる酸化膜3上のシリコンの厚みを基板の全面
にわたり測定する。この測定は例えば光学的な方法によ
る非接触測定で行う。なお、できるだけ測定箇所は多く
した方が目的である終点検出の精度が向上する。
【0053】測定装置20aは、図示しない入力装置か
ら、測定された厚みのデータを入力する(ステップ30
0)。次に、測定された厚みのデータから選択研磨で除
去するシリコンの体積(V)を計算する(ステップ30
1)。さらに、この体積(V)から数式3により、選択
研磨を終了させるための面積SO を設定する(ステップ
302)。
【0054】この後、温度センサ19からの温度信号を
入力し(ステップ303)、その積分値から図12に示
す面積Sを求める(ステップ304)。そして、面積S
が設定された面積SO に等しくなったか否かを判定し
(ステップ305)、面積Sが設定された面積SO に等
しくなった時に、研磨終了を判定する。なお、上記第1
〜第3の制御例において、研磨した直後の部分12bの
温度検出のみならず、図15に示すように、基板を研磨
する直前の部分12cと研磨した直後の部分12bの研
磨布の温度を同時に測定し、この温度差を用いるように
してもよい。このことにより、基板を研磨した直後の部
分12bの研磨布の温度が、研磨加工時の揺動により変
動しても、研磨の終了検出を精度よく行うことができ
る。
【0055】なお、上述した研磨布12による研磨およ
び研磨終点検出は、図17〜図19に示すものの研磨に
おいても全く同様に適用することができる。また上記の
ように、研磨布12上のウェハ10の位置を、研磨布1
2に対して相対的に移動させる場合においても、温度セ
ンサ19も同時に移動させるため、温度測定点12bの
位置は、常に研磨部分の直後に設定することができる。
従って、精度良く定盤11の温度検出を行うことができ
る。
【0056】なお、図17(a)〜(c)に示す実施形
態において、半導体基板40にトレンチ40aを形成し
た後、全面に絶縁膜41、43(酸化膜あるいは窒化
膜)を形成し、その上に絶縁膜42を堆積させ、その
後、トレンチ40aが形成されていない半導体基板40
上の領域に形成された絶縁膜41、43をストッパーと
して選択研磨するようにしてもよい。また、絶縁膜4
1、43(酸化膜あるいは窒化膜)上に多結晶シリコン
421を堆積させる場合は、図17(d)〜(f)に示
すように、トレンチ40a内に更に絶縁膜を形成すると
良い。
【0057】また、上記した実施形態では、研磨布12
の温度の測定により研磨加工時に発生する熱量の飽和状
態を検出するようしたが、研磨布でない他の部分におけ
る熱量の検出により同様にして研磨加工の終点検出を行
うようにしてもよい。なお、研磨布12の温度測定は放
射エネルギーの測定等の被接触測定であることが望まし
いが、熱電対等の接触測定でもよい。
【0058】さらに、上記した実施形態では、チャック
テーブル13は駆動ユニット16により研磨布12の回
転半径方向に揺動させているが、その揺動は定盤11
(研磨布12)の回転方向とは異なる方向に揺動させれ
ばよい。例えば、定盤11の回転の半径方向に対して平
行又は斜めの方向でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の誘電体分離基板等の製造工程を示す工
程図である。
【図2】研磨装置の概要構成および研磨状態を示す図で
ある。
【図3】研磨加工時の研磨布の温度変化の実験結果を示
すグラフである。
【図4】選択研磨の過程を示す説明図である。
【図5】未加工のシリコンウェハと表面に酸化膜を形成
したウェハの研磨布温度の実験結果を示すグラフであ
る。
【図6】研磨装置の具体的な構成を示す図である。
【図7】図6に示す研磨装置において研磨加工を行う部
分を側方から見た図である。
【図8】研磨加工の終了制御を行う構成を示す図であ
る。
【図9】選択研磨の第1の制御例を示すフローチャート
である。
【図10】(a)は選択研磨での加工時間に対する研磨
布の温度変化を示す図、(b)は温度変化率を示す図、
(c)は温度変化率の変化率を示す図である。
【図11】選択研磨の第2の制御例を示すフローチャー
トである。
【図12】研磨布温度と研磨時間とから算出される研磨
開始時からの総熱量を説明するためのグラフである。
【図13】選択研磨の第3の制御例を示すフローチャー
トである。
【図14】第3の制御例を実施するために、酸化膜3上
のシリコンの厚みを基板の全面にわたり測定する状態を
示す図である。
【図15】基板を研磨する直前の部分と研磨した直後の
部分の研磨布の温度を同時に測定する状態を示す図であ
る。
【図16】従来の誘電体分離基板等の製造工程を示す工
程図である。
【図17】半導体基板の素子分離技術の部分的工程を示
す工程図である。
【図18】半導体基板の配線技術の部分的工程を示す工
程図である。
【図19】半導体基板の多層配線技術の部分的工程を示
す工程図である。
【符号の説明】
1…第1半導体基板、1a…鏡面、2…凹部、3…熱酸
化シリコン膜、4…多結晶シリコン、4a…鏡面、5…
第2半導体基板、5a…鏡面、6…SOI層、11…定
盤、12…研磨布、13…チャックテーブル、14…研
磨剤。
フロントページの続き (72)発明者 氷見 啓明 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被研磨材料(1、42、53)よりも研
    磨速度の遅い材料(3、41、43、52)をストッパ
    ーとし、研磨布(12)を用いて前記被研磨材料の被研
    磨面を研磨加工する研磨方法において、 前記研磨布のうち前記被研磨面を研磨した直後の部分
    (12b)の温度を測定し、 この測定された温度の変化に基づいて前記研磨加工の終
    点検出を行うことを特徴とする研磨方法。
  2. 【請求項2】 前記被研磨材料はシリコンの半導体基板
    (1)であり、前記研磨速度の遅い材料は、絶縁膜
    (3)であることを特徴とする請求項1に記載の研磨方
    法。
  3. 【請求項3】 前記絶縁膜(3)は酸化膜あるいは窒化
    膜であることを特徴とする請求項2に記載の研磨方法。
  4. 【請求項4】 前記被研磨材料は素子分離のために形成
    されたトレンチ(40a)を有する半導体基板(40)
    に堆積された絶縁膜(42)であり、前記ストッパーは
    前記トレンチが形成されていない前記半導体基板上の領
    域に形成された窒化膜(41)あるいは金属膜(43)
    であることを特徴とする請求項1に記載の研磨方法。
  5. 【請求項5】 前記被研磨材料は素子分離のために形成
    されたトレンチ(40a)を有する半導体基板(40)
    に堆積された多結晶シリコン(421)であり、前記ス
    トッパーは前記トレンチが形成されていない前記半導体
    基板上の領域に形成された絶縁膜(41、43)である
    ことを特徴とする請求項1に記載の研磨方法。
  6. 【請求項6】 前記被研磨材料は凹部(51)が形成さ
    れた絶縁膜(52)上に堆積された配線用の金属膜(5
    3)であり、前記ストッパーは前記絶縁膜であることを
    特徴とする請求項1に記載の研磨方法。
  7. 【請求項7】 研磨布(12)を用いて半導体基板
    (1)を所定の膜厚に研磨加工する半導体基板の研磨方
    法において、 表面に前記研磨布が配設された定盤(11)を所定速度
    で回転させ、 前記半導体基板が固定された保持テーブル(13)を所
    定速度で回転させるとともに、前記定盤の回転の半径方
    向に揺動させ、前記半導体基板を前記研磨布に押し付け
    ることで研磨加工し、 前記保持テーブルの揺動とともに揺動する温度センサ
    (19)で、前記研磨布のうちの、前記半導体基板が押
    し付けられた部分よりも回転下流側の研磨直後(12
    b)の温度を非接触で検出し、 前記検出した研磨布温度変化に基づき前記研磨加工の終
    了を判定することを特徴とする半導体基板の研磨方法。
  8. 【請求項8】 半導体基板(60)に堆積された絶縁膜
    (62)の表面凹凸を研磨布(12)を用いて平坦に研
    磨加工する半導体基板に堆積された絶縁膜の研磨方法に
    おいて、 前記研磨布のうち前記絶縁膜の表面を研磨した直後の部
    分(12b)の温度を測定し、 この測定された温度の変化に基づいて前記研磨加工の終
    点検出を行うことを特徴とする研磨方法。
  9. 【請求項9】 前記半導体基板(60)はシリコンであ
    り、前記絶縁膜(62)は酸化膜であることを特徴とす
    る請求項8に記載の研磨方法。
  10. 【請求項10】 前記研磨布(12)の温度が所定の変
    化状態から飽和状態に移行したことに基づいて前記研磨
    加工の終点検出を行うことを特徴とする請求項1乃至9
    のいずれか1つに記載の研磨方法。
  11. 【請求項11】 前記研磨布(12)の時間に対する温
    度変化率が負の状態から所定値以下の状態に移行したこ
    とに基づいて前記研磨加工の終点検出を行うことを特徴
    とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の研磨方
    法。
  12. 【請求項12】 前記研磨布(12)の時間に対する温
    度変化率が負の状態から所定値以下の状態になってから
    所定時間経過後に前記研磨加工の終点検出を行うことを
    特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の研磨
    方法。
  13. 【請求項13】 前記研磨布(12)の時間に対する温
    度変化率が極小値に移行したことに基づいて前記研磨加
    工の終点検出を行うことを特徴とする1乃至9のいずれ
    か1つに記載の研磨方法。
  14. 【請求項14】 前記研磨布のうち前記被研磨面を研磨
    する直前の部分と研磨した直後の部分の温度を同時に測
    定し、それらの温度差に基づいて研磨の終点検出を行う
    ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1つに記
    載の研磨方法。
  15. 【請求項15】 被研磨材料(1、42、53、62)
    を研磨布(12)を用いて研磨加工する研磨方法におい
    て、 前記研磨布の温度と研磨時間とから算出される研磨によ
    って放出される研磨開始時からの総熱量と、選択研磨で
    除去される被研磨材料の体積との関係から研磨の終点検
    出を行うことを特徴とする研磨方法。
  16. 【請求項16】 定盤(11)上に前記研磨布(12)
    を取り付けて前記研磨加工を行い、 この研磨加工時に前記定盤の温度が一定になるように温
    度調節を行うことを特徴とする請求項1乃至15のいず
    れか1つに記載の研磨方法。
  17. 【請求項17】 被研磨材料(1、42、53、62)
    を研磨布(12)を用いて研磨加工する研磨方法におい
    て、 定盤(11)上に前記研磨布を取り付けて前記被研磨材
    料の研磨加工を行い、 この研磨加工時に前記定盤の温度が一定になるように温
    度調節を行い、 前記研磨加工時に発生する熱量の飽和状態を検出して前
    記研磨加工の終点検出を行うことを特徴とする研磨方
    法。
  18. 【請求項18】 前記研磨布(12)を回転させて前記
    研磨加工を行い、その研磨位置を前記研磨布の回転半径
    方向に揺動変化させることを特徴とする請求項1乃至1
    7のいずれか1つに記載の研磨方法。
  19. 【請求項19】 半導体基板(1)よりも研磨速度の遅
    い絶縁膜(3)をストッパーとし、研磨布(12)を用
    いて半導体基板を所定の膜厚に研磨加工する半導体基板
    の研磨装置に適用される研磨加工の終点検出装置であっ
    て、 前記研磨布のうち前記半導体基板の被研磨面を研磨した
    直後の部分の温度を検出する温度検出手段(19)と、 この温度検出手段にて検出した研磨布の温度変化に基づ
    き前記研磨加工の終了を判定する判定手段(100〜1
    03、201、202、300〜305)とを備えたこ
    とを特徴とする研磨加工の終点検出装置。
  20. 【請求項20】 半導体基板(1)よりも研磨速度の遅
    い絶縁膜(3)をストッパーとし、研磨布(12)を用
    いて前記半導体基板を所定の膜厚に研磨加工する半導体
    基板の研磨装置において、 前記研磨布により前記半導体基板を研磨させる手段(1
    1、13)と、 前記研磨布のうち前記半導体基板の被研磨面を研磨した
    直後の部分の温度を検出する温度検出手段(19)と、 この温度検出手段にて検出した研磨布の温度変化に基づ
    き前記研磨加工の終了を判定する判定手段(100〜1
    03、201、202、300〜305)と、 この判定手段により研磨加工の終了判定がなされた時
    に、前記研磨加工を終了させる手段(104、20b)
    とを有することを特徴とする半導体基板の研磨装置。
  21. 【請求項21】 前記研磨させる手段(11、13)
    は、前記研磨布を回転させる手段(11)を有するもの
    であり、さらに前記半導体基板(1)を前記研磨布(1
    2)の回転半径方向に揺動させる手段(16、20)を
    備えたことを特徴とする請求項20に記載の半導体基板
    の研磨装置。
  22. 【請求項22】 前記温度検出手段(19)は、非接触
    で温度を検出する非接触温度センサであって、前記半導
    体基板(1)の揺動に伴ってその温度検出位置を変化さ
    せることを特徴とする請求項21に記載の半導体基板の
    研磨装置。
  23. 【請求項23】 前記研磨布(12)は定盤(11)上
    に取り付けられており、前記定盤の温度が一定になるよ
    うに温度調節を行う手段(15)を有することを特徴と
    する請求項21又は22に記載の半導体基板の研磨装
    置。
  24. 【請求項24】 半導体基板(1)よりも研磨速度の遅
    い絶縁膜(3)をストッパーとし、研磨布(12)を用
    いて前記半導体基板を所定の膜厚に研磨加工する半導体
    基板の研磨装置であって、 表面に前記研磨布が配設され、所定速度で回転する定盤
    (11)と、 前記定盤に対向する保持面を有し、前記保持面に前記半
    導体基板を固定するとともに、所定速度で回転する保持
    テーブル(13)と、 前記保持テーブルを回転可能に保持し、前記保持テーブ
    ルの前記保持面に固定された前記半導体基板を前記定盤
    に押し付けるとともに、前記保持テーブルを前記定盤の
    回転方向とは異なる所定方向に揺動させて前記半導体基
    板を研磨加工する駆動ユニット(16)と、 前記駆動ユニットの揺動とともに揺動し、前記研磨布の
    うちの、前記半導体基板が押し付けられた部分よりも回
    転下流側の研磨直後(12b)の温度を非接触で検出す
    る温度検出手段(19)と、 前記温度検出手段にて検出した研磨布温度変化に基づき
    前記研磨加工の終了を判定する判定手段(100〜10
    3、201、202、300〜305)と、 前記判定手段により前記研磨加工の終了判定がなされた
    時に、前記駆動ユニットの前記押し付けを中止させるこ
    とで、前記研磨加工を終了させる終了手段(104、2
    0b)とを有することを特徴とする半導体基板の研磨装
    置。
  25. 【請求項25】 前記温度検出手段(19)は、前記駆
    動ユニットに固定されていることを特徴とする請求項2
    4に記載の半導体基板の研磨装置。
  26. 【請求項26】 前記温度検出手段(19)は、前記駆
    動ユニットにおける前記定盤の回転下流側に固定されて
    いることを特徴とする請求項24又は25に記載の半導
    体基板の研磨装置。
  27. 【請求項27】 前記温度検出手段(19)は、前記研
    磨布のうちの、前記保持テーブルの揺動範囲内の温度を
    検出するように固定されていることを特徴とする請求項
    24乃至26のいずれか1つに記載の半導体基板の研磨
    装置。
  28. 【請求項28】 前記温度検出手段(19)は、前記研
    磨布のうちの、前記半導体基板が押し付けられた部分よ
    りも回転下流側の研磨直後のうちの、前記保持テーブル
    の略中心の周方向の温度を検出するように固定されてい
    ることを特徴とする請求項24乃至27のいずれか1つ
    に記載の半導体基板の研磨装置。
  29. 【請求項29】 前記定盤は、内部に温度調整水が循環
    する通路を有しており、前記温度調整水の温度を一定に
    保つとともに前記通路に前記温度調整水を循環させる温
    度調整手段(15)を設けたことを特徴とする請求項2
    4乃至28のいずれか1つに記載の半導体基板の研磨装
    置。
  30. 【請求項30】 前記駆動ユニット(16)は、前記保
    持テーブルを前記定盤の回転の半径方向もしくは半径方
    向と平行方向に揺動されるものであることを特徴とする
    請求項24乃至29のいずれか1つに記載の半導体基板
    の研磨装置。
  31. 【請求項31】 第1の半導体基板(1)と第2の半導
    体基板(5)間に絶縁膜(3)が形成され、前記絶縁膜
    は凹凸形状を有するとともに前記第1の半導体基板の研
    磨速度より遅いものである基板(10)を用意する工程
    と、 前記絶縁膜をストッパーとし研磨布(12)を用いて前
    記第1の半導体基板の表面から前記絶縁膜の凸部が露出
    するまで研磨加工する選択研磨工程とを有し、 前記選択研磨工程において、 前記研磨布のうち前記被研磨面を研磨した直後の部分
    (12b)の温度を測定し、 この測定された温度の変化に基づいて前記研磨加工の終
    点検出を行うことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  32. 【請求項32】 第1の半導体基板(1)と第2の半導
    体基板(5)間に絶縁膜(3)が形成され、前記絶縁膜
    は凹凸形状を有するとともに前記第1の半導体基板の研
    磨速度より遅いものである基板(10)を用意する工程
    と、 前記絶縁膜をストッパーとし研磨布(12)を用いて前
    記第1の半導体基板の表面から前記絶縁膜の凸部が露出
    するまで研磨加工する選択研磨工程と、 前記絶縁膜の凹部にある前記第1の半導体基板に半導体
    素子を形成する工程とを有し、 前記選択研磨工程において、 前記研磨布のうち前記被研磨面を研磨した直後の部分
    (12b)の温度を測定し、 この測定された温度の変化に基づいて前記研磨加工の終
    点検出を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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