JP2000009437A - 薄膜の膜厚計測方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】広く透明な膜の膜厚および膜厚分布を高精度に
計測することを目的とする。その一例としてＣＭＰ加工
において、実際の製品の段差パターン上に形成された最
表面層の膜厚を計測することにより、高精度な膜厚管理
を可能とし、加工のスループットの向上を実現するこ
と。 【解決手段】実際のデバイスパターン上に形成された光
学的に透明な膜の膜厚を、分光分布を周波数解析するこ
とにより高精度に計測する膜厚計測ユニットを研磨装置
に組み込むことにより、高精度の膜厚管理を実現する。
また、これにより、加工のスループットの向上を実現す
る。高精度の計測方法として白色光の膜による干渉光の
分光分布波形に対して周波数解析し、波形の含む周波数
成分の位相と膜厚の関係から膜厚の絶対値の算出を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は透明な膜の厚さおよ
び厚さ分布の計測および膜厚管理に関し、例えばシリコ
ンウエーハ上に半導体デバイスを製造する方法および製
造ラインにおいて、成膜工程におけるウェーハまたは成
膜後表面の平坦化処理におけるウエーハ等に対して、最
表面層の膜厚を計測する方法・装置、及び平坦化処理装
置および加工管理方法に関する。

【０００２】透明膜の例としては、上記の他DVD，TFT，
LSIレチクル等の薄膜デバイスの製造工程におけるレジ
スト膜や絶縁膜等も含まれる。

【０００３】

【従来の技術】例えば、半導体デバイスは成膜、露光お
よびエッチングなどの各プロセスを経ることにより、デ
バイスおよび配線パターンがシリコンウエーハ上に形成
されて製造される。近年、高精度化・高密度化を実現す
るために、シリコンウェハ上に形成される配線パターン
は、微細化・多層化の方向に進んでいる。このように、
微細なパターンを多層形成することにより、ウエーハ表
面の凹凸が増大している。このように、ウエーハ表面に
大きな凹凸があると、ウェハ上に微細な配線パターンを
露光する場合に、微細なパターンを寸法及び形状精度良
く露光することが難しくなってくる。この問題を解決す
る一つの方法として、多層配線層を形成した上に保護膜
または絶縁膜を形成したウエーハ表面を、平坦化する方
法が採用されている。

【０００４】この平坦化プロセスとして、化学的および
物理的作用により表面を研磨して平坦化を実現する方法
（CMP：Chemical Mechanical Polishing）が用いられ
る。CMPは、当該技術分野において既知の加工方法であ
る。

【０００５】CMP加工において重要な課題として、膜厚
管理が挙げられる。従来は、これを加工時間によって管
理していた。ＣＭＰ加工後、通常の膜厚計測装置で実際
に計測する際は、チップ周辺部等に形成された、膜厚計
測装置で十分計測可能な大きさをもったパターン（ダミ
ーパターン）上を計測していた。さらに、膜厚の計測
は、加工終了後、洗浄・乾燥を経てから行っていた。

【０００６】特開平６−２５２１１３号公報や特開平９
−７９８５号公報には、実際のデバイスパターン（実際
の製品の微細な回路パターン）上の膜厚の計測が可能
な、in-situ計測システムが開示されている。このう
ち、特開平６−２５２１１３号公報には、実際のデバイ
スパターン上の膜厚計測に、白色光の膜による干渉光の
分光分布を周波数解析し、分光分布波形の持つ周波数成
分と膜厚との関係に着目し、膜厚の絶対値を算出するこ
とが記載されている。一方、特開平９−７９８５号公報
には、レーザー（単波長）の膜による干渉光強度の加工
時間による変化を検出し、その波形の持つ周波数成分か
ら膜厚の算出を行うことが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般にＣＭＰの加工時
間による膜厚管理では、単位時間あたりの研磨量（研磨
レート）が変動すること、ウエーハ上に形成されたパタ
ーンの平面内にしめる割合（以降、パターン面積率）に
よって研磨レートが異なること等のため、精度の高い膜
厚管理が困難であった。また計測するにしても、ダミー
パターン上の計測では、実際のデバイスパターン上とは
パターン面積率が異なるためその最表面膜厚もほとんど
の場合異なる。更に、 洗浄・乾燥後の膜厚計測では時
間を要してしまうためにスループット低下の原因となる
（図２）。また、積層されるパターン、例えば配線パタ
ーンの厚さ、パターン間容量の管理も、ダミーパターン
上の膜厚管理では精度良くできなかった。また、実際の
デバイスパターンの欠陥検査において膜厚方向の検査は
困難だった。

【０００８】特開平６−２５２１１３号公報では白色光
の検出波長帯域にもよるが、実際のデバイスパターン上
での計測精度は±５０ｎｍであり高精度で膜厚を算出す
ることができない。一方特開平９−７９８５号公報は一
回の測定では膜厚の絶対値を求めることができないとい
う欠点をもつ。

【０００９】本発明は、透明な膜の膜厚および膜厚分布
を例えば実際のデバイスパターン上で±２０ｎｍ以下、
より好ましくは、±１０ｎｍ以下の精度で計測できる方
法及びその装置、並びにそれを用いた薄膜デバイスの製
造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
その一例として、ＣＭＰ加工について、実際のデバイス
パターンとは研磨レートが異なるダミーウエーハまたは
製品ウエーハ上に形成された、従来の膜厚計測装置で計
測可能な大きさを有するダミーパターン上の膜厚ではな
く、実際の製品のデバイスパターン上の最表面層の膜厚
の絶対値を高精度で計測可能な計測方法・装置を提供す
ること、実際のデバイスパターン上の最表面層の膜厚の
計測を、高精度に行うことにより高精度の膜厚管理を可
能とする方法および装置、およびプロセスのスループッ
トの向上を実現する方法および装置を提供することを目
的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、実際のデバイスパターン上の膜厚計測手
法として光の膜による干渉光の分光分布波形に対して周
波数・位相解析し、波形の持つ周波数及び位相成分と膜
厚の関係から、または膜の構造モデルまたはシミュレー
ションから導かれる波形とをフィッティングさせること
により膜厚の絶対値の算出を行う。前記、計測技術を用
いて実際のデバイスパターン上の膜厚分布等を求めるこ
とにより、高精度膜厚管理及びプロセス安定化を行う。
及び前記、計測技術を搭載した膜厚計測ユニットを研磨
装置に組み込むことにより、スループットの向上を実現
する。膜に照射する光として、白色光を用いると、本発
明の効果がより一層現れる。

【００１１】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形成した
試料に光を照射し、光の照射により試料から発生する反
射光を検出し、検出した反射光の分光分布波形に基づい
て段差パターン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を
求めるようにした。

【００１２】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料に光を照射し、光の照射
により試料から発生する反射光を検出し、検出した反射
光の分光分布波形の位相に基づいて段差パターン上に形
成した光学的に透明な膜の膜厚を求めるようにした。

【００１３】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料に光を照射し、光の照射
により試料から発生する反射光を検出し、検出した反射
光の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーシ
ョンから導かれる波形とのフィッティングにより段差パ
ターン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求めるよ
うにした。

【００１４】そして、これらの方法において、試料に照
射する光に、白色光を用いた。

【００１５】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料に白色光を照射し、白色
光の照射により試料から発生する反射光を検出し、検出
した反射光の分光分布波形に基づいて段差パターン上に
形成した光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下の精
度で求めるようにした。

【００１６】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形成した
試料の光学的に透明な薄膜の膜厚を計測する装置を、試
料に光を照射する照射手段と、照射手段により照射され
て試料から発生する反射光を検出する検出手段と、検出
手段により検出した反射光の分光分布波形に基づいて段
差パターン上に形成された光学的に透明な膜の膜厚を算
出する算出手段とを備えて構成した。

【００１７】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料の光学的に透明な薄膜の
膜厚を計測する装置を、試料に光を照射する照射手段
と、照射手段により照射されて試料から発生する反射光
を検出する検出手段と、検出手段により検出した反射光
の分光分布波形の位相に基づいて段差パターン上に形成
された光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出手段とを
備えて構成した。

【００１８】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料の光学的に透明な薄膜の
膜厚を計測する装置を、試料に光を照射する照射手段
と、照射手段により照射されて試料から発生する反射光
を検出する検出手段と、検出手段により検出した反射光
の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーショ
ンから導かれる波形とのフィッティングにより段差パタ
ーン上に形成された光学的に透明な膜の膜厚を算出する
算出手段とを備えて構成した。

【００１９】そして、これらの照射手段は、白色光を試
料に照射するように構成した。

【００２０】また、本発明では、段差パターン上に光学
的に透明な薄膜を形成した試料の前記光学的に透明な薄
膜の膜厚を計測する装置を、試料に白色光を照射する照
射手段と、照射手段により照射されて前記試料から発生
する反射光を検出する検出手段と、検出手段により検出
した反射光の分光分布波形に基づいて段差パターン上に
形成された光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下の
精度で算出する算出手段とを備えて構成した。

【００２１】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、薄膜デバイスの段差パターン上に形成した光学的
に透明な膜を研磨する工程において、光学的に透明な膜
に光を照射し、光の照射による薄膜デバイスからの反射
光を検出し、検出した反射光の分光分布波形に基づいて
段差パターン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求
め、求めた結果に基づいて研磨する工程を制御すること
を特徴とする。

【００２２】また、本発明では、薄膜デバイスの段差パ
ターン上に形成した光学的に透明な膜を研磨する工程に
おいて、光学的に透明な膜に光を照射し、光の照射によ
る薄膜デバイスからの反射光を検出し、検出した反射光
の分光分布波形の位相に基づいて段差パターン上に形成
した光学的に透明な膜の膜厚を求め、求めた結果に基づ
いて研磨する工程を制御することを特徴とする。

【００２３】また、本発明では、薄膜デバイスの段差パ
ターン上に形成した光学的に透明な膜を研磨する工程に
おいて、光学的に透明な膜に光を照射し、光の照射によ
る薄膜デバイスからの反射光を検出し、検出した反射光
の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーショ
ンから導かれる波形とのフィッティングにより段差パタ
ーン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求め、求め
た結果に基づいて研磨する工程を制御することを特徴と
する。

【００２４】また、本発明では、光を照射し、反射光を
検出することを、光学的に透明な膜を研磨しながら行う
ことを特徴とする。

【００２５】また、本発明では、光を照射し、反射光を
検出することを、光学的に透明な膜を研磨した後に行う
ことを特徴とする。

【００２６】また、本発明では、光学的に透明な膜に照
射する光が、白色光であることを特徴とする。

【００２７】また、本発明では、薄膜デバイスの段差パ
ターン上に形成した光学的に透明な膜を研磨する工程に
おいて、光学的に透明な膜に白色光を照射し、白色光の
照射による薄膜デバイスからの反射光を検出し、検出し
た反射光の分光分布波形に基づいて段差パターン上に形
成した光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下の精度
で求め、求めた結果に基づいて研磨する工程を制御する
ことを特徴とする。

【００２８】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、薄膜デバイスの製造工程の途中において薄膜デバ
イスの段差パターン上に形成した光学的の透明な膜に光
を照射し、照射による薄膜デバイスからの反射光を検出
し、検出した反射光の分光分布波形の位相に基づいて段
差パターン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求め
ることを特徴とする。

【００２９】また、本発明では、薄膜デバイスの製造工
程の途中において薄膜デバイスの段差パターン上に形成
した光学的の透明な膜に光を照射し、照射による薄膜デ
バイスからの反射光を検出し、検出した反射光の分光分
布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーションから導
かれる波形とのフィッティングにより段差パターン上に
形成した光学的に透明な膜の膜厚を求めることを特徴と
する。

【００３０】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、薄膜デバイスの製造装置において、薄膜デバイス
の段差パターン上に形成した光学的に透明な膜を研磨す
る研磨手段と、研磨手段により研磨された光学的に透明
な膜に光を照射する照射手段と、照射手段により照射さ
れて薄膜デバイスから発生する反射光を検出する検出手
段と、検出手段により検出した反射光の分光分布波形の
位相に基づいて段差パターン上に形成した光学的の透明
な膜の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特
徴とする。

【００３１】また、本発明では、薄膜デバイスの製造装
置において、薄膜デバイスの段差パターン上に形成した
光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、研磨手段によ
り研磨された光学的に透明な膜に光を照射する照射手段
と、照射手段により照射されて薄膜デバイスから発生す
る反射光を検出する検出手段と、検出手段により検出し
た反射光の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュ
レーションから導かれる波形とのフィッティングにより
段差パターン上に形成した光学的の透明な膜の膜厚を算
出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする。

【００３２】また、本発明では、薄膜デバイスの製造装
置において、薄膜デバイスの段差パターン上に形成した
光学的に透明な膜に光を照射する照射手段と、照射手段
により照射されて薄膜デバイスから発生する反射光を検
出する検出手段と、検出手段により検出した反射光の分
光分布波形の位相に基づいて段差パターン上に形成した
光学的の透明な膜の膜厚を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とする。

【００３３】また、本発明では、薄膜デバイスの製造装
置において、薄膜デバイスの段差パターン上に形成した
光学的に透明な膜に光を照射する照射手段と、照射手段
により照射されて薄膜デバイスから発生する反射光を検
出する検出手段と、検出手段により検出した反射光の分
光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーションか
ら導かれる波形とのフィッティングにより段差パターン
上に形成した光学的の透明な膜の膜厚を算出する算出手
段とを備えたことを特徴とする。

【００３４】また、本発明では、薄膜デバイスの製造装
置において、照射手段が、白色光を照射することを特徴
とする。

【００３５】また、本発明では、薄膜デバイスの製造装
置において、薄膜デバイスの段差パターン上に形成した
光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、研磨手段によ
り研磨された光学的に透明な膜に白色光を照射する照射
手段と、照射手段により照射されて薄膜デバイスから発
生する反射光を検出する検出手段と、検出手段により検
出した反射光の分光分布波形の位相に基づいて段差パタ
ーン上に形成した光学的の透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ
の精度で算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴と
する。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態例として、半
導体デバイスの製造におけるCMP加工後または加工中の
ウエーハの最表面膜厚の計測に適用した例を示す。

【００３７】図１に本発明を実現するための検出光学系
の例を示す。白色光源（ハロゲンランプ）41、ピンホー
ル42、ビームスプリッター45、レンズ46、光彩しぼり4
7、回折格子44、検出器（ＣＣＤカメラ）43および検出
器よりのデータ取り込みおよび取り込んだデータからの
膜厚算出処理のための処理回路49により構成する。

【００３８】光源41より出た白色光はピンホール42およ
びビームスプリッター45を通り、レンズ46によって平行
光となり光彩しぼり47を通ってウエーハ48の表面の被測
定膜（図示せず）に入射する。ウエーハ48によって反射
した光は、光彩しぼり47、レンズ46を通りビームスプリ
ッター45により光路を変更し、回折格子44に入射する。
回折格子44によって分光された光は検出器43上で結像
し、分光強度分布37を求めることができる。この反射光
は被測定膜により干渉を生じ、膜内の構造に対応した分
光強度分布を持つ。この分光強度分布に対して処理回路
49により補正および周波数解析を行うことにより該膜厚
を算出する。

【００３９】また、０次光（正反射光）36の位置を検出
する絶対位置センサ38を設け、０次光（ピンホール42の
像）の位置を処理装置49にて重心計算等で求める。これ
は検出器43を必要な時に既測定値に移動35（ステージ図
示せず）しても可能である。当然、検出器43に必要に応
じてミラー等を用いて同時に結像する方法もある。

【００４０】白色光源としては、ハロゲンランプの他に
キセノンランプなどの広い波長帯域を持つ光源を用いて
も良い。また複数の異なる波長のレーザー光を用いても
よい。

【００４１】検出器としてはＣＣＤ２次元センサーの他
に１次元のラインセンサーを用いてもよい。ただし２次
元センサーを用いることによりラインセンサーの配列方
向を回折光にあわせる調整を省くことができる。またＣ
ＣＤ以外のセンサーを用いてもよい。

【００４２】図６はデータの取り込みから膜厚算出まで
の処理の流れを示したものである。ＣＣＤカメラで取り
込むことができるデータは分光強度分布である。取り込
んだ２次元画像（図１37）から分光強度分布を求めるに
は、画像の１軸方向の各座標で最大値をとることにより
求めることができる（データ入力（図６））。２次元セ
ンサーの１軸と回折光分布とが一定の角度をなす時は、
その角度から計算により角度によるずれを補正する。要
は２次元の分光分布画像を１次元波形に変換できればよ
い。また２次元センサの分光分布方向に数ラインずつを
処理し、画面内の場所による差を軽減する方法もある。
これにより、各種補正を２次元画像で実施できる。さら
には後述するように光学系の補正を加えてさらに高精度
化する方法もある。また、０次光位置と回折格子の分光
性能からセンサに取り込まれる波長範囲を決定できる。

【００４３】得られた分光強度分布は光源の持つ分光強
度分布および光学系の影響を受ける。予め光源の分光強
度分布データ、あるいは反射率特性のわかっている材料
で補正データを計測しておき、このデータで計測データ
を除する等の補正をすることにより分光反射率分布を求
める（反射率補正（図６））。これにより、光源の分光
分布および光学系の影響を十分小さくすることができ
る。

【００４４】干渉光は回折格子によって分光され検出器
上に結像するが、検出器がCCDの様な平面である場合、
光は回折されるためCCD上に入射する光の波長はCCD上で
等間隔とはならない。そのため分光分布を求める際に波
長が等間隔となるように補正する（歪み補正（図
６））。これは検出器（CCD）と回折格子との位置関係
から計算で補正することができる。

【００４５】計算によって補正を行う代わりに、この歪
みを打ち消す曲率を持った回折格子または検出器を用い
てもよい。曲率をもたせるには、検出器製造時のパッケ
ージングの時に型等で電気的特性が変化しない範囲で曲
げる方法が考えられる。曲率が小さければ製造段階でク
ランプ等により曲げる方法もできる。要は特性が変わら
なければよい。これはまた、光学系の結像面の歪みを補
正する目的で実施して検出の高精度化をはかる、あるい
は光学系の歪みを許容し安価にする等の効果が出る考え
方もある。更に歪曲にあわせて検出器の素子を配列し
て、色分解の検出精度向上もはかれる。

【００４６】周波数解析を行うには横軸を波長（λ）か
ら波長の逆数（１／λ）に変換する（軸変換（図
６））。変換に際して検出器上の各点に結像する光の波
長を知る必要がある。これは検出器と回折格子との位置
関係を求めることにより、計算によって求めることがで
きる。また光源に白色光の代わりにレーザー光（単色
光）を用い、検出器上の結像位置と回折格子と検出器の
位置関係からより高精度に求めることもできる。レーザ
ー光として複数の波長を用いることにより補正精度は向
上する。

【００４７】単色光源を得る手段として、光源としてレ
ーザーを用いる代わりに、白色光源と特定の波長帯域の
みを通す光学フィルターとを組み合わせてもよい。

【００４８】上記実施例ではウエーハへの照明・反射と
も平行光のため、この場合は基本的にオートフォーカス
を必要としない。

【００４９】白色光を計測対象に照射し、その反射光の
分光分布を周波数解析することにより膜厚を求める手法
の原理を周波数に着目した場合と位相に着目した場合と
でその算出原理を説明する。図３に示す、膜23内にパタ
ーン21が存在する場合の単純なモデルを考える。ここで
最表面膜厚とはｄ１をさす。 この膜に白色光を垂直に
照射させた場合、膜２３表面，パターン２１上面および
膜下地２２で反射がおこるためこれらの反射光が複雑に
干渉したものとなる。図３に示す様にパターンの存在す
る部分とそうでない部分とに分けて考えると、それぞれ
の部分では単純な単層の膜と同様の構造となる。膜２３
表面，パターン２１上面および膜下地２２それぞれの反
射率をｒ３，ｒ２及びｒ１とするとフレネルの式より膜
全体での強度反射率Ｒは数１で表される。ｎは膜２３材
質の屈折率を、λは光の波長を表す。数１を変形して、
高次の項を無視する等の近似を行うと、強度反射率Ｒは
数２で表させる。ここでｒ３，ｒ２及びｒ１を波長によ
らず一定とし、1／λ［1/nm］を横軸に考えた場合、こ
の膜によって生じる干渉光の分光反射率分布は、膜厚d
1，d2およびd3に対応する周波数をもつ三つの正弦波と
定数の和で表される。ここでそれぞれの正弦波の角周波
数をωｉ（i=1,2,3）とすれば数２は数３となる。よっ
てそれぞれの角周波数ωi(i=1,2および3)と膜厚ｄiとの
関係は数４で表される。このように、分光反射率分布波
形に対して周波数解析を行い波形の持つ周波数成分を求
めることにより各部の膜厚を算出することができる（数
５）。

【００５０】

【数１】

【００５１】

【数２】

【００５２】

【数３】

【００５３】

【数４】

【００５４】

【数５】

【００５５】次に、周波数と位相から膜厚を算出する方
法について説明する。図４（ａ）は、図３に示す膜構造
で、d1=400ｎｍ、d2=1800ｎｍ及びd3=2200ｎｍとおいた
ときの、干渉光の理論分光反射率分布33を、横軸に波長
の逆数をとって示したものである。しかし、実際に検出
器によって検出できる波長の帯域は限られるため、求め
ることができる分光反射率分布Ｒ（図４（ｂ）34）は、
数６で表される（図４（ｂ）参照）様なものになる。こ
こでλ０は、検出可能な波長帯域の最大値を表す。周波
数による算出の時と同様に、それぞれの正弦波の位相を
φiとすれば、数６は数７のように表される。数８は、
位相φiと膜厚ｄiとの関係を示したものである。膜厚に
比例して位相が変化する。このように、周波数解析を行
って位相を求めることによっても、膜厚を算出すること
ができる（数９）。

【００５６】

【数６】

【００５７】

【数７】

【００５８】

【数８】

【００５９】

【数９】

【００６０】周波数解析の手法として、ＦＦＴを用いた
場合、解析によって求められる位相τiは、−πからπ
の間の値として求まる。そのため、数９は数１０のよう
に書ける。この位相τiは、全体の位相の変化量φiから
2ｍπだけ引いた部分となる。ＦＦＴで解析をした場
合、周波数と位相とは、同程度の分割数で求まると考え
られる。よって、膜厚に対する変化量が位相の方が周波
数より大きくなり、相対的に高い精度が得られると考え
られる。

【００６１】

【数１０】

【００６２】

【数１１】

【００６３】図６の軸変換までの補正を行ったデータに
対して周波数解析を行い、分光反射率分布波形の含む周
波数とその位相とを求める。このとき周波数解析手法と
してはＦＦＴやＭＥＭまたはその他の周波数解析手法を
用いてもよい。

【００６４】膜厚を計測する際、計測ステージの傾きや
ウェーハの歪み等によって、膜厚検出領域面が、光軸に
対して垂直とはならない場合がある。この際、回折光の
０次光（図１の36）位置計測データによりステージ傾斜
にフィードバックをかけ、膜厚検出領域面が光軸に対し
て垂直に保つようにすることができる。または、０次光
位置が一定であれば、膜厚差から研磨量がわかる。ある
いは、０次光位置を計算にフィードバックしてもよい。

【００６５】ウエーハが反っている場合、凹部は分光分
布が縮まり、凸部は逆となる。これは絶対位置センサ上
（図１の38）で、１次光（図示せず）と０次光（図１の
36）との距離、あるいは像フォーカス、あるいは分光分
布のフォーカスにより検出し、補正することができる。
また、０次光と高次光の上記のような関係から、逆にウ
エーハの反りを測定することも可能である。

【００６６】例えば、予め指定したある範囲内で、最も
強度の大きい周波数成分を抽出することにより、最表面
層の膜厚を求めることができる。また、図３を例にした
場合、加工の前後でｄ２は変化しない。加工の前後でス
ペクトル位置が変化するものの中で、最も角周波数が小
さいものが最表面層の膜厚を示す。よって、計測対象の
膜の下に複数のパターン層が存在する場合でも、計測を
複数回行うことにより、スペクトル位置の変化のあるも
のの中で最も角周波数の小さいものを、最表面層の膜厚
を示すと判断することができる。

【００６７】本実施例では、周波数解析にＦＦＴとＭＥ
Ｍとを用いた場合を示す。角周波数を用いて膜厚を算出
する場合は、ＦＦＴによる角周波数スペクトル強度分布
51、またはＭＥＭによる角周波数スペクトルの強度分布
52の極大値を示す角周波数を求め、数３にその角周波数
を代入することにより求める（図６（ａ））。

【００６８】図６（ｂ）を用いて、周波数解析にＦＦＴ
を用いた場合の、位相を用いた膜厚算出の一例を説明す
る。数１０を数１２に書き換える。図６中の51は角周波
数分布を、53は位相分布を表す。位相による算出の場合
は、数１３においてmを決める必要がある。

【００６９】ｍを決定する方法としては、まず周波数の
場合と同様に、角周波数スペクトル強度の極大値を示す
角周波数54をもとめる。同時に、この角周波数の位相55
を求める。求めた角周波数より、一旦数２により膜厚を
算出する。数３によって求めた膜厚が、数１３を満たす
ように整数ｍを決定する。

【００７０】このｍより数１２からｄfiを、極大値を示
す角周波数の位相からｄτiを求める。ｄfiとｄτiとの
和をとることにより、膜厚ｄiを求めることができる。

【００７１】

【数１２】

【００７２】

【数１３】

【００７３】位相を用いて膜厚を算出する際も、周波数
解析手法としてＦＦＴ以外の周波数解析手法を用いても
よい。

【００７４】周波数解析にＦＦＴを用いる場合、解析結
果の周波数分解能は、解析データの長さによって決ま
る。周波数と膜厚とは比例関係にあるため、必要な算出
結果の分解能を得るには、周波数分解能を高くする必要
がある。このために、算出した横軸が波長の逆数の分光
反射率分布のデータに対し、解析結果の分解能が必要な
分解能を得るに必要なデータ数となるように、０値のデ
ータを付け加えた後に周波数解析を行う。こうすること
により、任意の周波数分解能が得られる。または、周波
数解析結果に対して、スプライン等の補完手法を適用し
ても良い。

【００７５】周波数解析にＦＦＴを用いた場合、解析結
果の角周波数スペクトルは、周波数解析時の窓関数によ
って決まる特有の分布持つ。このため、２つのスペクト
ルの位置が近い場合、スペクトルの分布が重なるため、
そのピークは真のピーク位置よりずれる。そこで、得ら
れる角周波数スペクトルに対し、Simplex法等の波形分
離処理を用いてスペクトル位置を求めることにより、正
確な極大値を求めることができる。また、周波数解析に
ＭＥＭ（Maximum Entropy Method：最大エントロピー
法）等のスペクトル位置が近い場合にも、そのスペクト
ルの重なりの小さいまたは無い周波数解析手法を用いて
もよい。

【００７６】ＭＥＭは、解析時に設定する解析モデル次
数によって結果が異なるという特徴を持つため、最適化
が必要である。対象波形の解析範囲を最適化することに
より、解析モデル次数によるばらつきがなく誤差の小さ
い解析を行うことができる。解析範囲を変えて複数の次
数により解析を行い、目的のスペクトル位置が解析次数
によらず一定となる様に解析範囲を選ぶことで、最適化
ができる。

【００７７】計測対象が多層構造の膜である場合などの
ように下層からの反射光の影響が大きい場合は、周波数
解析の前に波形全体のトレンド除去や、影響を打ち消す
係数分布を計測した分光分布に加えるまたは乗ずる等の
処理を行うことにより、補正することができる。

【００７８】上記位相を利用した実施例により得られる
膜厚計測精度は、少なくとも±２０ｎｍ以下、通常±１
０ｎｍ以下（パターン面積率（計測視野の面積に対する
計測視野内のパターンの面積の占める割合）：２０％程
度，配線幅：０．３５μｍ）となり、周波数だけを用い
て求める方法（計測精度：±５０ｎｍ）と比較して、精
度を向上させることが可能である。

【００７９】従来の光学式の計測手法では、計測対象
に、例えば１μｍ以上の大きさの、計測視野内で一様の
構造であることが必要であった。本実施によれば、計測
視野内にデバイスパターン等の段差パターンが存在する
場合でも、その段差パターン上の膜厚を計測することが
できる。このとき、計測精度は、対象とするパターンよ
りも下層からの反射光の影響を受けるため、計測視野の
面積に対する計測視野内のパターンの面積の占める割合
（パターン面積率）及びパターンの形状に依存する。例
えば、計測対象が、０．５μｍよりも小さいサブミクロ
ンピッチのラインアンドスペース状のパターン上の膜厚
である場合、光はパターンにより回折を起こすため、下
層からの反射光は、同じ面積率の単体のパターンの場合
よりも相対的に強度が小さくなる。このため、計測には
微細なパターンの方が都合が良い。

【００８０】図７は、図３と同様の構造をもつサンプル
に対して、最表面の膜厚（ｄ１）を周波数と位相とによ
り求めた結果を示す。図７より、位相で算出するほうが
周波数で算出するより高い精度で計測できることが解
る。実際のデータから膜厚を算出する際には、ノイズ等
が含まれるため、周波数による算出では周波数解析の際
の誤差が大きい。位相による算出では、周波数によるよ
り分解能が高い、すなわち膜厚の変化量に対して変化量
が大きいために相対的に誤差の小さい高精度の算出が可
能となる。

【００８１】上記は、図３に示す比較的単純な構造の場
合について説明したが、パターンが複数層の場合でも、
同様の手法で、最表面の膜厚の計測が可能である。

【００８２】この場合、複数層とは、配線自体が多層に
配置されている場合と、その配線間の絶縁膜自体が多層
構造の場合の２つをさす。

【００８３】膜が複数層の場合で、個々の材質の特性が
近い場合や、検出できる波長帯域に対して膜が非常に薄
い場合、上記周波数解析を用いた手法では、実際の膜厚
と算出値とが線形一次の関係にならない場合がある。こ
の場合、算出誤差を小さくするために、実際の膜厚と算
出値との関係に適当な曲線を仮定し、算出値を補正すれ
ばよい（図１３）。

【００８４】この補正のための曲線を創出する方法とし
ては、構造及び材質が既知であれば、分光分布波形を算
出でき、この波形から本手法で膜厚を算出することによ
って得ることができる。また、他の信頼できる膜厚計測
装置を用いて実際の資料を計測し、その計測結果と本手
法での計測結果とを比較することによっても得られる。

【００８５】白色光を計測対象に照射し、その反射光の
分光分布と理論分光分布とをフィッティングさせること
により、膜厚を求める手法の原理を示す。計測対象の膜
構造と、それぞれの層の材質が既知であれば、その構造
の膜に白色光を照射したときの分光反射率分布を、算出
することができる。この理論分光反射率分布波形を、膜
厚をパラメータとして実際に計測した分光反射率分布と
比較し、両者の誤差が最も小さくなるようなパラメータ
を選定（フィッティング）することにより、膜厚を算出
することができる。

【００８６】この手法も、従来は、計測視野内で計測対
象の構造が一様であるものに対して適用されていた。し
かし、例えば、図３のような、計測視野内で構造が一様
でない場合でも、その構造と構造に起因する回折の影響
を理論計算に取り入れれば、構造が一様な場合と同様フ
ィッティングにより膜厚を算出することができる。

【００８７】計測対象構造は、設計情報から得ることが
できる。

【００８８】上記フィッティング手法を用いれば、比較
的単純な構造（計測視野内で段差が１段存在する場合）
で、計測精度±５ｎｍ程度が得られる。

【００８９】計測対象とする構造が複雑な場合は、分光
反射率分布波形（横軸が波長の逆数）に対して、移動平
均処理等の適当なフィルタ処理により、特定の周波数の
波形を抽出あるいは減衰させてからフィッティングを行
っても良い。

【００９０】次に、上記の膜厚検出系の、加工装置又は
ラインへの適用方法の実施例を示す。図５（ａ）に、適
用方法に関する第一の実施例を示す。膜厚検出光学系3
を研磨盤2に設置し、研磨盤2表面に計測窓を設け、その
窓から膜厚の計測を行う。適用方法に関する第一の実施
例により、加工を中断することなくin-situで計測が可
能となる。

【００９１】適用方法に関する第一の実施例により、計
測した膜厚情報の利用方法を説明する。計測した膜厚か
ら、研磨レートを算出し、これを次に加工するウェーハ
の研磨時間にフィードバックする。適用方法に関する第
一の実施例によって膜厚を計測した場合、膜厚を既製の
膜厚計で測定する際のウエーハのロード、アンロードお
よび洗浄・乾燥に要する時間を短縮できスループットの
向上がはかれる。

【００９２】計測がin-situで行われるため、得られた
膜厚情報から研磨レートを算出し、現在研磨を行ってい
るウェーハの研磨時間にフィードバックすることもでき
る。また、得られた膜厚情報から、それが所望の膜厚に
達しているか、または予め設定した膜厚の範囲に入って
いるかを判断し、加工の終了を判定することもできる。

【００９３】適用方法に関する第二の実施例を、図５
（ｂ）に示す。第二の実施例は、ＣＭＰ加工を一時中断
し、ウエーハ支持具1を研磨盤2から離し、研磨盤2とウ
エーハ支持具1との間に、膜厚検出ヘッド4を挿入、また
はウェーハ支持具を研磨盤上よりずらして研磨盤付近に
設置した検出光学系上に移動して膜厚の計測を行う。適
用方法に関する第二の実施例により、加工を一時中断す
ることによりin-lineで計測が可能となる。

【００９４】適用方法に関する第二の実施例により、計
測した膜厚情報の利用方法を説明する。計測した膜厚か
ら、研磨レートを算出しこれを次に加工するウェーハの
研磨時間にフィードバックする。適用方法に関する第ニ
の実施例によって膜厚を計測した場合、膜厚を既製の膜
厚計で測定する際のウエーハのロード、アンロードおよ
び洗浄・乾燥に要する時間を短縮でき、スループットの
向上がはかれる。

【００９５】計測は、加工を中断して行われるため、得
られた膜厚情報から研磨レートを算出し、現在研磨を行
っているウェーハの研磨時間にフィードバックすること
もできる。また、得られた膜厚情報から、それが所望の
膜厚に達しているか、または予め設定した膜厚の範囲に
入っているかを判断し、加工の終了を判定することもで
きる。

【００９６】適用方法に関する第三の実施例を、図５
（ｃ）に示す。第三の実施例は、研磨加工終了後に、ウ
エーハを一時保管するストッカー（保管庫）内、または
ストッカーに搬送されるまでのウエーハ経路7の途中に
設けられた計測ステージに設置し、計測を行う。適用方
法に関する第三の実施例により、in-lineの計測が可能
となる。

【００９７】適用方法に関する第三の実施例は、水中で
膜厚を計測する方法として、水中に表面が上向きに保持
されたウェーハ6に対して、検出器5を水中に挿入して計
測を行うことによっても実現できる（図８（ａ））。

【００９８】また、水中に表面が下向きに保持されたウ
ェーハ6に対して、検出器5を光学窓8を介して計測を行
うことによっても実現できる（図８（ｂ））。

【００９９】適用方法に関する第三の実施例により、計
測した膜厚情報の利用方法を示す。計測した膜厚から、
研磨レートを算出し、これを次に加工するウェーハの研
磨時間にフィードバックする。適用方法に関する第三の
実施例によって膜厚を計測した場合、膜厚を既製の膜厚
計で測定する際の洗浄・乾燥に要する時間を短縮でき、
スループットの向上がはかれる。

【０１００】得られた膜厚情報から、それが所望の膜厚
に達しているか、または予め設定した膜厚の範囲に入っ
ているかを判断し、膜厚が予め設定された厚さ又は範囲
に達していない場合、そのウェーハの再加工等を判断す
ることもできる。

【０１０１】適用方法に関する第一から三のそれぞれの
実施例で、検出器とウエーハとの相対位置を変化させて
ウェーハ面内で複数点計測することにより、膜厚の分布
を得ることができる。例えば、適用方法に関する第一の
実施例では、研磨盤とウェーハ支持具との相対位置を調
整する事によっても実現できる。適用方法に関する第ニ
の実施例の場合は、挿入する検出光学系とウェーハ支持
具との間の相対位置を任意に可変できるように、検出光
学系またはウェーハ支持具を移動させる事によっても実
現できる。

【０１０２】膜厚分布を求める方法として、例えば、直
線上の複数の点の分光分布を２次元のセンサを用いて同
時に取り込むことによっても実現できる。また、検出器
とウェーハの相対位置を変化させることによって、２次
元の膜厚分布を求めることができる。

【０１０３】上記検出器を複数用い並列に設置し同時に
計測することにより、高速に膜厚分布を求めることがで
きる。

【０１０４】膜厚分布の、例えば膜厚の最大値と最小値
を求めるとき、最初は大きな間隔で膜厚の分布を求めて
おき、次にその最大値と最小値付近を小さな間隔で計測
を行うことにより、あるいは、分布の傾斜、更にはパタ
ーン情報他のウエーハの膜厚情報を利用して、計測範
囲、位置を決め計測することにより、正確に求めること
ができる。また上記操作を自動で行うことができる。

【０１０５】また上記分布計測の間隔は、下層のパター
ン面積率からそのうねりの細かさを予測することがで
き、この予測した大きさからサンプリング定理によって
自動で決定することができる。得られた膜厚分布情報例
えば、膜厚分布のうねりの大きさや周期，膜厚分布の最
大値と最小値等に基づいて、例えば最大値と最小値の差
が大きいときはパッドの材質を固いものに変えるなど、
ＣＭＰの加工条件（パッド材質及び表面形状，スラリー
濃度，材質及び供給量，チャック圧力，研磨盤回転数
等）を変更し、ディッシング等の不良の低減や膜厚むら
の低減等のＣＭＰプロセスの最適が自動でできる。

【０１０６】また、計測した膜厚情報に基づいて、前あ
るいは後の工程のプロセスの最適化が自動でできる。例
えば、前の工程である成膜工程において、ＣＭＰ加工前
に膜厚を計測することにより成膜厚さがわかり、成膜仕
様と比較して成膜時間等の成膜条件の最適化及び安定化
が自動で行える。後工程においても、例えば、エッチ条
件を実際のデバイスパターン上膜厚からより高い精度で
自動で決定し、加工することができる（図９）。

【０１０７】ウェーハ支持具が、加工中のウェーハに対
して任意の圧力分布を生じさせて加圧できる場合、上記
の膜厚分布から自動で最適な加圧分布を設定し、面内で
膜厚が均一な加工面を得ることができる。

【０１０８】本計測技術は、従来技術の様に計測視野内
で一様な構造である必要がなく、適当なパターン面積率
と形状であれば、チップ内で任意の位置で計測が可能で
ある。これは例えばチップ内の膜厚を任意の間隔のメッ
シュ状に計測することができ（図９参照）、回路によら
ない一律、すなわち標準的な膜厚管理の実現にもなる。

【０１０９】検出器は、ウェーハに対して位置合わせさ
れる。このため、必要に応じてアライメント等が実施さ
れる。計測対象によっては、パターンの配置や形状によ
って計測可能な点が限られるため、計測可能な点への位
置決めが必要である。

【０１１０】例えば、計測視野の大きさがφ１０μｍ程
度の場合、±１μｍ程度の位置決め精度が必要となる場
合が考えられる。チップ毎または計測対象パターン毎に
アライメントまたはティーチングをすることにより、正
確に位置決めすることができる（図１５）。

【０１１１】計測点への位置決め方法として、パターン
配置や面積率等のデバイスの設計情報から予め計測可能
な点を決定しておき、実際にコンピュータ上に取り込ん
だ計測点周辺の画像情報と設計情報とから決定すること
ができる。また、上記処理を演算により自動で決定する
方法が考えられる（図１６）。

【０１１２】位置決め精度またはその他の原因により、
所望の計測点へ位置決めされない場合が考えられる。こ
の場合、位置決めされた点が所望の計測点であるかを判
定する必要がある。この判定方法として、計測点周辺の
画像情報から得られるパターン形状や面積率，デバイス
の設計情報から得られるパターン形状や面積率等、また
は両者の組み合わせ等により判定することが考えられ
る。また、この処理を演算的に自動で行うことも考えら
れる。

【０１１３】また、予め所望した計測点に位置決めされ
た場合でも、例えば、計測点の計測視野内のパターン面
積率が必要以下である場合等の、実際には膜厚の計測が
困難である場合が考えられる（図１４参照）。計測点が
膜厚計可能であるかを判定する必要がある。判定の方法
としては、例えば、計測した分光分布波形の特徴から判
定する方法がある。波形の特徴からの計測可能判断方法
としては、波形の特定のピークの位置の検出による方法
や、ＦＦＴ等の周波数解析を行い、ある特定の範囲にあ
る周波数成分の位置や大きさから判断することも考えら
れる。

【０１１４】また判定方法として、例えば、計測点周辺
の画像から計測視野内のパターン面積率を算出し、この
値が予め設定したしきい値と比較し判定する方法も考え
られる。

【０１１５】また上記判定を自動で行うことも考えられ
る。

【０１１６】計測可能判定は、計測点毎に行っても良い
し、一連の複数の計測が終了してから行っても良い。後
者の場合、上記判定方法の他に判定対象点以外の点の計
測結果を利用でき、より信頼性の高い判定が可能とな
る。

【０１１７】膜厚計測可否判定の結果、膜厚計測不可能
と判定された場合、例えば当初位置決めされた点の周辺
で何点か分光分布の計測を行い、膜厚計測可能であるか
の判断を行い最適な計測点を自動で選ぶことが考えられ
る。

【０１１８】また、計測点周辺の画像からパターンの面
積率等を算出し、計測可能な点を自動で選定する方法も
考えられる。

【０１１９】また上記の２つの方法を組み合わせること
も考えられる。

【０１２０】上記判定対象点以外の計測結果の利用方法
として、例えば算出した計測結果と他の点の算出結果と
の差ら予め設定したしきい値と比較して判断する方法が
考えられる。

【０１２１】計測点周辺の画像は必要に応じて保存して
おくことができる。

【０１２２】膜厚計測用のパターンを形成する必要が無
いため有効面積の大きなデバイスが作れる。

【０１２３】計測視野の大きさは検出できる光量によっ
て制限される。必要な光量が確保できれば、任意の大き
さ及び形状の計測視野で計測が可能である。

【０１２４】膜厚を計測する際の計測視野は、その大き
さ及び形状を変えることができる。切り替える方法とし
ては、本実施例の他に例えば図１０は光学系に対物レン
ズを用い、対物レンズの切り替えによって視野の大きさ
を変化させる場合の例を示している。

【０１２５】計測する際の視野の大きさによって膜厚分
布計測結果は異なってくる。計測視野を小さくすればよ
り小さい間隔で膜厚分布を求めることができる。しかし
図１０（ｂ）に示すように計測視野の大きさがパターン
の間隔に近い場合、パターン上の膜厚のみを評価できな
くなる。そこで、計測の目的や計測対象によって計測視
野の最適化を行なう。この最適化を、計測結果や予め取
り込んでおいたデバイスのパターン情報から自動で行う
ことも容易である。

【０１２６】視野の小さな場合は高精度な測定が可能と
なるが、パターンの存在しない領域では膜厚が厚くなり
最表面（または所望）の膜厚を抽出する操作、例えば既
知の膜厚値に近い値のみ抽出する、または最頻度の膜厚
値を抽出する等の操作をすれば、より使いやすい情報と
なる、または広い視野では例えばチップの大きさあるい
は平均的な膜厚を抽出することが可能であり、チップ位
置情報にとらわれないウエーハ上膜厚管理が可能とな
る。無論上記の中間の視野や組み合わせも可能である。

【０１２７】計測視野をパターン幅以下にすれば、膜厚
を計測することによってパターン形状の確認ができる。
得られた計測結果と、予め取り込んでおいたパターン情
報とを比較することによりデバイスパターンの形状不良
や異物を検出することができる（図１０（ｃ））。

【０１２８】このときその異物や形状等の不良の表面か
らの深さがわかるので、それらがどの工程で発生したか
を特定することができる。

【０１２９】反射光の分光分布を解析処理する、または
別に表面の凹凸計測手段をそなえ、膜厚と凹凸とを同時
に計測することができる（図１１）。凹凸計測手段とし
て例えば、特開平７−７４０８８号公報記載の、表面凹
凸計測手段を用いても実現できる。

【０１３０】計測された膜厚及び膜厚分布、そのウェー
ハ上の座標、その時の加工条件及び算出された研磨レー
ト等を同時に表示可能な表示手段をもち、装置オペレー
ターが常に監視できる。

【０１３１】表示手段は、計測した膜厚分布と凹凸分布
と、予め取り込んでおいたデバイスパターン情報とを同
時に並べてまたは同時に重ねてまたは切り替えて表示す
ることができる（図１１）。上記を同時に表示する方法
として上層から３次元的またはある切断面として表示等
の方法がある。デバイスパターン情報とは、パターンの
形状や局所的なパターン面積率等をさす。

【０１３２】上記を重ねて表示し、必要に応じて３者の
値を演算することにより、３者の相関を見ることができ
る。また相関演算の結果を用いてプロセスの条件出しに
フィードバックをすることができる。例えば膜厚分布と
パターン面積率との相関が小さく、かつ膜厚分布と凹凸
分布との相関が大きいとき、パッドを硬質のもに変えて
パターンによらない加工を実現する等の最適化が自動で
できる。

【０１３３】膜厚分布と凹凸分布との差をとることによ
り下層膜の凹凸を算出することができる。この際必要に
応じて両者の値を補正する。

【０１３４】表示手段はまた、計測データより算出され
た横軸が波長の逆数の分光反射率分布や計測膜厚から逆
に算出した理論分光反射率分布を表示することもでき
る。両者を同時に表示することもでき、両者を最少二乗
法等の手段を用いて比較することにより両者の相関をみ
ることができる。またオペレーターが任意に設定した膜
厚の理論分光分布と計測データより算出された分光分布
とを同時に表示し比較することもできる。

【０１３５】計測した膜厚あるいは分布データを歩留り
あるいは品質管理システム等に供給し不良解析に使用す
ることもできる。

【０１３６】上記実施例はＣＭＰ加工後のパターンの形
成されたウェーハ表面の膜厚について述べているが。対
象が同様の構造の他の工程又は半導体デバイス以外の他
の膜、または光学的に透明な多層構造の膜に対しても同
様の膜厚計測が可能である。

【０１３７】計測対象構造が多層である場合、加工の前
後で膜厚を計測する等によりその任意の層の厚さを計測
することができる。例えば、表面の膜厚だけでなく、パ
ターンの厚さや下層の層間膜厚を求めることができる
（図１２）。

【０１３８】層間膜厚を計測することにより、配線間の
電気的な容量等を評価することができ、デバイスの性能
を予測することができる。

【０１３９】任意の層の膜厚を計測して高精度に膜厚を
管理・制御することにより、高精度にデバイスの性能を
コントロールすることができる。

【０１４０】多層構造の計測対象膜を計測する際、下層
からの反射光が誤差の原因となる。そこで膜による吸収
の大きい波長帯域の光を用いることにより下層からの反
射光の影響を小さくでき、高精度の計測が可能となる。

【０１４１】上記計測手法をメタルのＣＭＰに適用した
とき、ウェーハからの反射光の分光分布波形の形状から
加工の終点検出が可能となる。

【０１４２】加工の前後で計測を行う等のことにより、
加工による被加工物質の材質例えば屈折率等の変化を検
出することができる。またこの変化より、材料内部の転
移密度等の変化を予測することができる。

【０１４３】検出器で検出した反射光の強度から、計測
対象の局所的なパターン面積率や表面の面荒れの状態を
求めることができる。

【０１４４】本手法は、膜厚を計測するために分光分布
波形を計測する必要があるが、これを既存の膜厚計測装
置等で計測しても良く、その信号処理によっても膜厚算
出が可能である。要は分光分布波形が求められればよ
い。

【０１４５】例えば既存の膜厚計測装置等と膜厚算出信
号処理コンピューターとをＬＡＮ等の通信手段で接続し
既存装置で計測した分光分布データを自動で上記コンピ
ューターに取り込み膜厚を算出する方法が考えられる。

【０１４６】異物検査装置や外見検査装置は層間絶縁膜
工程ではその膜厚によって感度が変化する。そのためこ
れら検査装置に膜厚計測装置を取り付けることにより計
測感度の自動条件出しや感度補正を行うことができ高精
度な検査が可能となる。例えば計測した膜厚によって検
出器の位置を変化させる等により感度の低下を小さくす
ることができる。

【０１４７】

【発明の効果】本発明のよれば透明膜の高精度の膜厚計
測が可能となり、計測した膜厚データを基に高精度の膜
厚管理が可能となる。および該膜厚計測ユニットを加工
装置に組み込むことにより、工程のスループットの向上
がはかれる。例えば、上記のシリコンウエーハ上に半導
体デバイスを製造する方法および製造ラインにおける成
膜後の表面の平坦化処理を行ったウエーハに対して最表
面膜厚を高精度に計測することが可能となり、高精度な
膜厚管理が可能となり、工程のスループットの向上がは
かれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による検出光学ユニットの構成を示す略
断面図である。

【図２】従来の膜厚計測・管理システムを示す略構成図
である。

【図３】一層のパターンが存在する場合の単純な膜断面
モデルを示す図である。

【図４】（ａ）理論分光反射率分布の一例，（ｂ）検出
波長範囲に制限がある場合の理論分光反射率分布の一例
である。

【図５】（ａ）本発明による検出光学ユニットを研磨盤
に設けた場合の略構成図（ｂ）本発明による検出光学ユ
ニットによって研磨加工を中断して計測を行う場合の略
構成図（ｃ）本発明による検出光学ユニットによって研
磨加工終了後洗浄・乾燥を行わずに計測を行う場合の略
構成図である。

【図６】データの取り込みから膜厚を算出するまでの処
理の流れの概略図である。

【図７】膜厚算出に周波数と位相とを用いた場合の算出
結果例である。

【図８】（ａ）検出器を水中に挿入して計測をする場合
の略構成図（ｂ）光学窓を介して計測をする場合の略構
成図である

【図９】膜厚計測結果をプロセス条件にフィードバック
する流れの一例の概略図である。

【図１０】計測視野の大きさの切り替え方法の一例と計
測視野の大きさによって計測結果が異なることを示す一
例の概略図である。

【図１１】ウェーハ表面の膜厚分布と表面凹凸とを同時
に計測する場合の概略構成及び結果表示の一例の概略図
である。

【図１２】多層構造の各厚さを計測する場合の概略構成
及び結果表示の一例の概略図である。

【図１３】補正曲線の一例を示す概略図である。

【図１４】計測が可能な場合と困難な場合の計測視野位
置の一例を示す概略図である。

【図１５】アライメント方法の一例を示す概略図であ
る。

【図１６】設計情報を用いた場合の計測位置決め方法を
示す概略図である。

【符号の説明】 １……ウェーハ支持具 ２……研磨盤 ３……
膜厚検出ユニット１ ４ 膜厚検出ユニット２ ５……膜厚検出ユニット３
６……ウェーハ ７……ウェーハ搬送路 ８……光学窓 １０…
…処理回路 ２１……パターン ２３……膜 ４１……白色光源 ４２……ピンホール ４３……検出器 ４４……回折格子 ４５…
…ビームスプリッター ４６……レンズ ４７……光彩絞り ４８…
…ウェーハ ４９……データ取り込みおよび膜厚算出処理回路 ５０
……チップ ５１……対物レンズ ５２……検出器 ６０…
…表示・入力手段 ９１……パッド ９２……スラリー １１１
…ＸＹＺステージ １１２…検出器 １１３…ウェーハ １１４…データ取り込みおよび膜厚算出処理回路 １１
５…ステージ制御装置 １１６…パターン １１７…層間膜

フロントページの続き (72)発明者 二宮 隆典 茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社 日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 見坊 行雄 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 前田 俊二 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 土山 洋史 東京都小平市上水本町五丁目20番地１号株 式会社日立製作所半導体事業部内 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA17 AA30 AA58 BB13 BB17 CC19 DD03 EE04 EE08 FF44 FF67 GG03 GG04 HH03 JJ02 JJ03 JJ16 JJ25 JJ26 LL12 LL30 LL37 LL42 QQ16 QQ25 QQ26 QQ27 QQ29 QQ44 3C034 AA13 AA17 BB93 CA05 CA22 CB13 DD10 DD20 3C058 AA07 AC02 BA09 BC03 CB01 CB03 DA17 4M106 AA01 AA09 BA04 CA48 DH03 DH12 DH31 DH60 DJ19 DJ20

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料に光を照射し、該光の照射により前記試料か
   ら発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光分
   布波形に基づいて前記段差パターン上に形成した光学的
   に透明な膜の膜厚を求めることを特徴とする薄膜の膜厚
   計測方法。
2. 【請求項２】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料に光を照射し、該光の照射により前記試料か
   ら発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光分
   布波形の位相に基づいて前記段差パターン上に形成した
   光学的に透明な膜の膜厚を求めることを特徴とする薄膜
   の膜厚計測方法。
3. 【請求項３】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料に光を照射し、該光の照射により前記試料か
   ら発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光分
   布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーションから導
   かれる波形とのフィッティングにより前記段差パターン
   上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求めることを特
   徴とする薄膜の膜厚計測方法。
4. 【請求項４】前記試料に照射する光が、白色光であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の薄膜の
   膜厚計測方法。
5. 【請求項５】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料に白色光を照射し、該白色光の照射により前
   記試料から発生する反射光を検出し、該検出した反射光
   の分光分布波形に基づいて前記段差パターン上に形成し
   た光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下の精度で求
   めることを特徴とする薄膜の膜厚計測方法。
6. 【請求項６】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測する
   装置であって、前記試料に光を照射する照射手段と、該
   照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光
   を検出する検出手段と、該検出手段により検出した反射
   光の分光分布波形に基づいて前記段差パターン上に形成
   された光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出手段とを
   備えたことを特徴とする薄膜の膜厚計測装置。
7. 【請求項７】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測する
   装置であって、前記試料に光を照射する照射手段と、該
   照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光
   を検出する検出手段と、該検出手段により検出した反射
   光の分光分布波形の位相に基づいて前記段差パターン上
   に形成された光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出手
   段とを備えたことを特徴とする薄膜の膜厚計測装置。
8. 【請求項８】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を形
   成した試料の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測する
   装置であって、前記試料に光を照射する照射手段と、該
   照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光
   を検出する検出手段と、該検出手段により検出した反射
   光の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーシ
   ョンから導かれる波形とのフィッティングにより前記段
   差パターン上に形成された光学的に透明な膜の膜厚を算
   出する算出手段とを備えたことを特徴とする薄膜の膜厚
   計測装置。
9. 【請求項９】前記照射手段が、白色光を前記試料に照射
   することを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の
   薄膜の膜厚計測装置。
10. 【請求項１０】段差パターン上に光学的に透明な薄膜を
    形成した試料の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測す
    る装置であって、前記試料に白色光を照射する照射手段
    と、該照射手段により照射されて前記試料から発生する
    反射光を検出する検出手段と、該検出手段により検出し
    た反射光の分光分布波形に基づいて前記段差パターン上
    に形成された光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下
    の精度で算出する算出手段とを備えたことを特徴とする
    薄膜の膜厚計測装置。
11. 【請求項１１】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する工程において、前記光学
    的に透明な膜に光を照射し、該光の照射による前記薄膜
    デバイスからの反射光を検出し、該検出した反射光の分
    光分布波形に基づいて前記段差パターン上に形成した光
    学的に透明な膜の膜厚を求め、該求めた結果に基づいて
    前記研磨する工程を制御することを特徴とする薄膜デバ
    イスの製造方法。
12. 【請求項１２】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する工程において、 前記光
    学的に透明な膜に光を照射し、該光の照射による前記薄
    膜デバイスからの反射光を検出し、該検出した反射光の
    分光分布波形の位相に基づいて前記段差パターン上に形
    成した光学的に透明な膜の膜厚を求め、該求めた結果に
    基づいて前記研磨する工程を制御することを特徴とする
    薄膜デバイスの製造方法。
13. 【請求項１３】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する工程において、 前記
    光学的に透明な膜に光を照射し、該光の照射による前記
    薄膜デバイスからの反射光を検出し、該検出した反射光
    の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレーショ
    ンから導かれる波形とのフィッティングにより前記段差
    パターン上に形成した光学的に透明な膜の膜厚を求め、
    該求めた結果に基づいて前記研磨する工程を制御するこ
    とを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
14. 【請求項１４】前記光を照射し、前記反射光を検出する
    ことを、前記光学的に透明な膜を研磨しながら行うこと
    を特徴とする請求項１１乃至１３の何れかに記載の薄膜
    デバイスの製造方法。
15. 【請求項１５】前記光を照射し、前記反射光を検出する
    ことを、前記光学的に透明な膜を研磨した後に行うこと
    を特徴とする請求項１１乃至１３の何れかに記載の薄膜
    デバイスの製造方法。
16. 【請求項１６】前記光学的に透明な膜に照射する光が、
    白色光であることを特徴とする請求項１１乃至１３の何
    れかに記載の薄膜デバイスの製造方法。
17. 【請求項１７】薄膜デバイスの製造工程の途中において
    前記薄膜デバイスの段差パターン上に形成した光学的の
    透明な膜に光を照射し、該照射による前記薄膜デバイス
    からの反射光を検出し、該検出した反射光の分光分布波
    形の位相に基づいて前記段差パターン上に形成した光学
    的に透明な膜の膜厚を求めることを特徴とする薄膜デバ
    イスの製造方法。
18. 【請求項１８】薄膜デバイスの製造工程の途中において
    前記薄膜デバイスの段差パターン上に形成した光学的の
    透明な膜に光を照射し、該照射による前記薄膜デバイス
    からの反射光を検出し、該検出した反射光の分光分布波
    形と膜の構造モデルまたはシミュレーションから導かれ
    る波形とのフィッティングにより前記段差パターン上に
    形成した光学的に透明な膜の膜厚を求めることを特徴と
    する薄膜デバイスの製造方法。
19. 【請求項１９】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する工程において、前記光学
    的に透明な膜に白色光を照射し、該白色光の照射による
    前記薄膜デバイスからの反射光を検出し、該検出した反
    射光の分光分布波形に基づいて前記段差パターン上に形
    成した光学的に透明な膜の膜厚を±２０ｎｍ以下の精度
    で求め、該求めた結果に基づいて前記研磨する工程を制
    御することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
20. 【請求項２０】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、該研磨手段
    により研磨された前記光学的に透明な膜に光を照射する
    照射手段と、該照射手段により照射されて前記薄膜デバ
    イスから発生する反射光を検出する検出手段と、該検出
    手段により検出した反射光の分光分布波形の位相に基づ
    いて前記段差パターン上に形成した光学的の透明な膜の
    膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とす
    る薄膜デバイスの製造装置。
21. 【請求項２１】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、該研磨手段
    により研磨された前記光学的に透明な膜に光を照射する
    照射手段と、該照射手段により照射されて前記薄膜デバ
    イスから発生する反射光を検出する検出手段と、該検出
    手段により検出した反射光の分光分布波形と膜の構造モ
    デルまたはシミュレーションから導かれる波形とのフィ
    ッティングにより前記段差パターン上に形成した光学的
    の透明な膜の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたこ
    とを特徴とする薄膜デバイスの製造装置。
22. 【請求項２２】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜に光を照射する照射手段と、該照射
    手段により照射されて前記薄膜デバイスから発生する反
    射光を検出する検出手段と、該検出手段により検出した
    反射光の分光分布波形の位相に基づいて前記段差パター
    ン上に形成した光学的の透明な膜の膜厚を算出する算出
    手段とを備えたことを特徴とする薄膜デバイスの製造装
    置。
23. 【請求項２３】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜に光を照射する照射手段と、該照射
    手段により照射されて前記薄膜デバイスから発生する反
    射光を検出する検出手段と、該検出手段により検出した
    反射光の分光分布波形と膜の構造モデルまたはシミュレ
    ーションから導かれる波形とのフィッティングにより前
    記段差パターン上に形成した光学的の透明な膜の膜厚を
    算出する算出手段とを備えたことを特徴とする薄膜デバ
    イスの製造装置。
24. 【請求項２４】前記照射手段が、白色光を照射すること
    を特徴とする請求項２０乃至２３の何れかに記載の薄膜
    デバイスの製造装置。
25. 【請求項２５】薄膜デバイスの段差パターン上に形成し
    た光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、該研磨手段
    により研磨された前記光学的に透明な膜に白色光を照射
    する照射手段と、該照射手段により照射されて前記薄膜
    デバイスから発生する反射光を検出する検出手段と、該
    検出手段により検出した反射光の分光分布波形の位相に
    基づいて前記段差パターン上に形成した光学的の透明な
    膜の膜厚を±２０ｎｍの精度で算出する膜厚算出手段と
    を備えたことを特徴とする薄膜デバイスの製造装置。