JP3633062B2 - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Description

【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ＳＯＩ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ＳＯＩ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４０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Ｃｕ、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１２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ＳＯＩ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（ＲＩＥ）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０．０１〜１μｍ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３μｍ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１μｍ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１１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１２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２０ａ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▲１▼で示す点以降）。▲１▼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、▲２▼で示す点）となる。▲２▼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、▲１▼と▲２▼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（▲３▼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（ｄ^２ Ｔ／ｄ^２ ｔ）を求め（ステップ２０１）、このｄ^２ Ｔ／ｄ^２ 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、ｄ^２ Ｔ／ｄ^２ ｔ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、ＳＯＩ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ｃ_１ を乗じて、数式１から求められる。
【００４８】
【数１】
Ｑ＝ｃ_１ ×Ｖ
但し、定数ｃ_１ 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＝ｃ_２ ×Ｓ
上記した数式１、２から数式３が得られる。
【００５０】
【数３】
Ｓ＝（ｃ_１ ／ｃ_２ ）×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（ｃ_１ ／ｃ_２ ）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、（ｃ_１ ／ｃ_２ ）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３００）。
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３０１）。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Ｓ_Ｏ 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Ｓ_Ｏ 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Ｓ_Ｏ 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１２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４１、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。

Claims (32)

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する直前の部分（１２ｃ）と研磨した直後の部分（１２ｂ）の温度を同時に測定し、それらの温度差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. 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. 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. 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. 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. 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（５３）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. 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、
   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い、
   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。
8. 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７に記載の研磨方法。
9. 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８に記載の研磨方法。
10. 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７に記載の研磨方法。
11. 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７に記載の研磨方法。
12. 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（５３）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７に記載の研磨方法。
13. 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（１２ｂ）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。
14. 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７乃至１３のいずれか１つに記載の研磨方法。
15. 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７乃至１３のいずれか１つに記載の研磨方法。
16. 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７乃至１３のいずれか１つに記載の研磨方法。
17. 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７乃至１３のいずれか１つに記載の研磨方法。
18. 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７乃至１３のいずれか１つに記載の研磨方法。
19. 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、
    前記研磨布のうち前記被研磨材料の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。
20. 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６、１９のいずれか１つに記載の研磨方法。
21. 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、
    前記研磨布のうち前記被研磨材料の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が所定の変化状態から飽和状態に移行したこと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。
22. 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１２、１９乃至２１のいずれか１つに記載の研磨方法。
23. 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、
    前記研磨布を回転させる手段（１１）を有して前記研磨布により前記半導体基板を研磨させる手段（１１、１３）と、
    前記半導体基板（１）を前記研磨布（１２）の回転半径方向に揺動させる手段（１６、２０）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（１００〜１０３、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）とを有し、
    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半導体基板の研磨装置。
24. 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２３に記載の半導体基板の研磨装置。
25. 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、
    前記研磨布を回転させる手段（１１）を有して前記研磨布により前記半導体基板を研磨させる手段（１１、１３）と、
    前記半導体基板（１）を前記研磨布（１２）の回転半径方向に揺動させる手段（１６、２０）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（１００〜１０３、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）とを有する半導体基板の研磨装置であって、
    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半導体基板の研磨装置。
26. 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（１００〜１０３、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、２０ｂ）とを有することを特徴とする半導体基板の研磨装置。
27. 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２６に記載の半導体基板の研磨装置。
28. 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２６又は２７に記載の半導体基板の研磨装置。
29. 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２６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. 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２６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. 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２６乃至３０のいずれか１つに記載の半導体基板の研磨装置。
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を有し、
    前記選択研磨工程において、請求項２、３、８、９のいずれか１つに記載の研磨方法を用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。

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