JP2001021317A - Measuring method, measuring apparatus, polishing method and polishing apparatus - Google Patents

Measuring method, measuring apparatus, polishing method and polishing apparatus

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JP2001021317A
JP2001021317A JP11189388A JP18938899A JP2001021317A JP 2001021317 A JP2001021317 A JP 2001021317A JP 11189388 A JP11189388 A JP 11189388A JP 18938899 A JP18938899 A JP 18938899A JP 2001021317 A JP2001021317 A JP 2001021317A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring apparatus which can precisely, simply, and quickly specify measuring pattern species, measure a film thickness and process end points in a film eliminating process and a film forming process, for a substrate having a pattern structure constituted of various pattern species, a substrate in an STI(shallow trench isolation) process and a substrate in a Cu process in which a barrier metal layer exists. SOLUTION: This measuring apparatus is equipped with an optical measurement part which casts a probe light 3 having a plurality of wavelength components on a substrate surface, and obtains a signal wave form of a signal light extracted from a light reflected from the substrate 1 surface or a light which has permeated the surface, and a signal processing part having at least a function which specifies a measurement position 30 on the substrate surface by comparing the signal wave form with a wave form which is previously calculated or measured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、測定方法及び測定
装置、特に半導体ウェハ上の膜厚測定または膜の除去工
程や成膜工程で工程終了点の測定を行う方法及び装置、
及び半導体装置製造プロセスにてウェハの研磨を行う方
法及び研磨装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring method and a measuring apparatus, and more particularly, to a method and an apparatus for measuring the thickness of a semiconductor wafer or measuring a process end point in a film removing step or a film forming step.
And a method and a polishing apparatus for polishing a wafer in a semiconductor device manufacturing process.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイス(半導体装置)の高密度
化は限界を見せず進展を続けており、高密度化するにつ
れ、多層配線と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラ
グ、ダマシンなどの金属電極形成の技術の重要度は大き
く増大している。当然こうした層間絶縁膜や金属電極膜
の膜厚や形状(正しく埋め込まれているかどうかなど)
のモニタは大きな課題となる。勿論、膜厚のモニタは薄
膜形成やエッチングのような工程でも必要とされるが、
最近特に重要視されて来ているのは、平坦化プロセスに
おける工程終了点の検知(測定)である。
2. Description of the Related Art Densification of semiconductor devices (semiconductor devices) has been progressing without showing a limit, and as the densification has increased, multilayer wiring and the accompanying formation of interlayer insulating films and metal such as plugs and damascenes have been developed. The importance of electrode formation techniques has greatly increased. Naturally, the thickness and shape of such interlayer insulating film and metal electrode film (whether or not they are properly embedded)
Is a big challenge. Of course, monitoring of film thickness is also required in processes such as thin film formation and etching,
Of particular importance recently is the detection (measurement) of the process end point in the planarization process.

【0003】最近のリソグラフィプロセスに於ける露光
波長の短波長化に付随した、露光時の焦点深度の短縮を
考慮すると、露光の解像度を確保するために少なくとも
露光領域程度の範囲での層間層の平坦化の精度要求は大
きい。また、金属電極層の埋め込みであるいわゆる象嵌
(プラグ、ダマシン)では、金属層の成膜後に余分な金
属層の除去及び平坦化が要求される。
In consideration of the reduction in the depth of focus during exposure, which accompanies the shortening of the exposure wavelength in recent lithography processes, in order to secure the resolution of exposure, at least the area of the interlayer layer in the range of the exposure area is required. The demand for flattening accuracy is great. In the so-called inlay (plug, damascene) in which a metal electrode layer is buried, it is required to remove and flatten an extra metal layer after forming the metal layer.

【0004】成膜法などの改良により、ウェハ表面の層
間層を局所的に平滑化する方法が多く提案、実行されて
いるが、より広いウェハ領域での効率的な平坦化技術と
しては、CMPと呼ばれる研磨工程がある。CMP(Ch
emical Mechanical Polishing またはPlanarization )
は、物理的研磨に、化学的な作用(研磨剤溶液による溶
かし出し)とを併用して、半導体素子のウェハ表面の凹
凸を除いていく工程であり、広い領域の平坦化技術の有
力な方法となっている。具体的には、酸、アルカリなど
の研磨対象物の可溶性溶媒中に、研磨粒(シリカ、アル
ミナ、酸化セリウムなどが一般的)を分散させたスラリ
ーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布で、ウェハ表
面を加圧し、相対運動により摩擦することにより研磨を
進行させる。加圧力と相対運動の速度をウェハ全面にお
いて一様とすることで、ウェハ全面に於いて一様な研磨
が可能になる。
Many methods have been proposed and implemented for locally smoothing an interlayer layer on a wafer surface by improving a film forming method and the like. However, as an efficient flattening technique for a wider wafer area, CMP is used. There is a polishing process called CMP (Ch
emical Mechanical Polishing or Planarization)
Is a process of removing irregularities on the wafer surface of a semiconductor element by using a physical action in combination with a chemical action (dissolution with an abrasive solution). It has become. Specifically, using an abrasive called a slurry in which abrasive grains (typically silica, alumina, cerium oxide, etc.) are dispersed in a soluble solvent of an object to be polished such as an acid or an alkali, and using an appropriate polishing cloth. Then, the polishing is advanced by pressing the wafer surface and rubbing by relative motion. By making the pressing force and the speed of the relative movement uniform over the entire surface of the wafer, uniform polishing can be performed over the entire surface of the wafer.

【0005】この研磨工程は、成膜工程やエッチング工
程ほどはプロセスの安定性や再現性が一般に良くないた
め、これを解決して研磨工程の効率化を図るために研磨
工程へ必要な情報を迅速にフィードバックする必要があ
り、そのために層間層や金属層の膜厚の常時測定が要請
されている。従来は、膜厚の測定のために一般的な膜厚
測定装置を用いることが多い。研磨後洗浄されたウェハ
の、微小なブランク部分(膜厚の2次元分布即ちパター
ン構造が無い位置)を測定位置として選択して種々の方
式で測定する。実際に知りたい部分の膜厚(微細構造を
有するパターン構造部分であるため測定できないことが
多い。)は、この値から較正して算出する。この方法は
フィードバックが遅いという問題がある。
[0005] In this polishing step, the stability and reproducibility of the process are generally not as good as those of the film forming step and the etching step. Therefore, in order to solve the problem and to improve the efficiency of the polishing step, information necessary for the polishing step is provided. It is necessary to provide quick feedback, and for that purpose, it is required to constantly measure the film thickness of the interlayer and metal layers. Conventionally, a general film thickness measuring device is often used for measuring the film thickness. A minute blank portion (two-dimensional film thickness distribution, that is, a position where there is no pattern structure) of the wafer that has been cleaned after polishing is selected as a measurement position and measured by various methods. The film thickness of a portion that is actually desired to be known (it is often impossible to measure because of a pattern structure portion having a fine structure) is calculated by calibrating from this value. This method has a problem that feedback is slow.

【0006】平坦化のための研磨工程において、よりフ
ィードバックが速い膜厚の測定の方法としては、除去対
象の研磨層から異なる層へ研磨が進んだ場合の摩擦変動
を、ウェハ回転やパッドの回転のモータトルクの変化に
よって測定する方法がある。また、研磨パッドに光路を
設けたり、ウェハ裏面からの、ウェハ透過性の光(赤外
光)を利用して、膜面に光を照射し、光学的な干渉によ
って研磨中の薄膜の膜厚を測定する方法も提案されてい
る。
[0006] In the polishing process for planarization, a method of measuring the film thickness with faster feedback is to measure the fluctuation in friction when polishing proceeds from the polishing layer to be removed to a different layer, by rotating the wafer or the pad. There is a method of measuring by the change of the motor torque. Also, an optical path is provided on the polishing pad, or light is radiated to the film surface using light transmitted through the wafer (infrared light) from the back surface of the wafer, and the thickness of the thin film being polished is polished by optical interference. A method for measuring is also proposed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記のCMP工程など
における層間膜や金属層などの膜厚を迅速簡便に測定す
る技術は、要請が高まっているにも関わらず、決定的と
いえる方式がない。上記の膜厚測定機での測定は、研磨
後洗浄したウェハを、ステージ保持など充分安定な状態
に移送、保持し、測定する。現状で充分な精度が得ら
れ、信頼性のあるデータが得られるものの、装置そのも
のが大がかりなものになり、測定値を得るまでに長時間
を要するために工程へのフィードバックが遅くなる。
A technique for quickly and simply measuring the thickness of an interlayer film, a metal layer, or the like in the above-described CMP process or the like is not definitive, despite increasing demands. . In the measurement with the above-mentioned film thickness measuring machine, the wafer which has been cleaned after polishing is transferred and held in a sufficiently stable state such as holding a stage, and then measured. At present, sufficient accuracy and reliable data can be obtained, but the apparatus itself becomes large-scale, and it takes a long time to obtain a measured value, so that feedback to the process is delayed.

【0008】さらに、大きな問題として、ウェハ上の膜
厚の測定位置の設定の問題がある。パターン構造が存在
する半導体素子ウェハにおいては、パターンが無い部分
を測定位置とするためにパターンが無い部分を探して膜
厚を測定しなければならないが、一般にはパタ−ンがな
い部分は面積的に非常に小さい上に、半導体素子ウェハ
の種類によって位置が一定ではない。
Further, as a major problem, there is a problem of setting a measurement position of a film thickness on a wafer. In a semiconductor device wafer having a pattern structure, the film thickness must be measured by searching for a portion having no pattern in order to set a portion having no pattern as a measurement position. Generally, a portion having no pattern has a large area. And the position is not constant depending on the type of the semiconductor device wafer.

【0009】先ず、測定範囲を小さくすることが装置的
に容易でない。また、小さい部分を高速に探索して測定
することも簡単ではない。小さい部分を高速に探索する
ためにはパターンの画像を取り込んでその小さい部分を
認識、処理する複雑な機構を持つ必要があり、これはハ
ード(撮像素子、精密位置合わせ機構など)、ソフト
(画像処理ソフト)ともに、負荷が大きく高価なものに
なる。実現できても、画像処理、位置探索および位置ぎ
めの時間が測定時間を大きく増加させる。また、上で述
べたように、こうして得られた膜厚は、あくまで較正値
であって、下に述べるパターン依存などの評価は、この
値に対して煩雑なキャリブレーション(較正)を行わな
ければならないという問題がある。
First, it is not easy for a device to reduce the measurement range. Further, it is not easy to quickly search and measure a small portion. In order to search for a small portion at high speed, it is necessary to have a complicated mechanism for capturing an image of a pattern, recognizing and processing the small portion, which is hard (imaging device, precision alignment mechanism, etc.) and software (image Both processing software) have a large load and are expensive. Even if it can be realized, the time for image processing, position search and positioning will greatly increase the measurement time. Further, as described above, the film thickness thus obtained is a calibration value, and the evaluation of the pattern dependence described below requires a complicated calibration (calibration) for this value. There is a problem that it does not.

【0010】また、モータートルクの変化による方式
は、簡便で高速ではあるが、異なる層の研磨開始のみを
検知できるので、工程終了点の検知に有効であるが、膜
厚測定には有効でなく、しかも検知精度の点で不十分で
ある。また、光学的な干渉を利用する膜厚測定の方法
(レーザ光を照射し、反射光量の時間変動を追跡する方
法。)などにおいては、測定位置の特定ができないた
め、半導体素子ウェハのデバイスパターンに依存した不
確定性と測定位置による誤差などが指摘されている。メ
モリー素子であるD−RAMなどは周期構造の継続とし
て、ほぼパターンは均一(パターン種は一つ)とみなし
てよく、この問題をクリアできる場合もあるが、ロジッ
ク素子やロジック、メモリーの混載の素子においてはパ
ターンが均一でなく、測定位置による問題が顕著にな
る。特にCMP工程の場合、研磨がパターン種に依存す
る、即ち、パターンの密度、精細度によって、研磨速度
や、段差解消の様子が大きく異なるため、異なるパター
ン種毎に膜厚を評価することが重要になる。
Although the method based on the change in motor torque is simple and fast, it can detect only the start of polishing of a different layer, and thus is effective for detecting the end point of the process, but is not effective for measuring the film thickness. Moreover, the detection accuracy is insufficient. Further, in a method of measuring a film thickness using optical interference (a method of irradiating a laser beam and tracking a time variation of a reflected light amount) or the like, a measurement position cannot be specified. The uncertainty depending on the measurement and the error due to the measurement position are pointed out. As a memory element such as a D-RAM, the pattern may be regarded as substantially uniform (one pattern type) as a continuation of the periodic structure. In some cases, this problem can be solved. In the device, the pattern is not uniform, and the problem due to the measurement position becomes significant. Particularly, in the case of the CMP process, polishing depends on the pattern type, that is, the polishing rate and the manner of eliminating the step differ greatly depending on the pattern density and definition, so it is important to evaluate the film thickness for each different pattern type. become.

【0011】更に、STI工程におけるCMP工程の研
磨終了点の検出に於いて、これをモータートルクで検出
する方式は、ストッパ層があるとはいえ、実用レベルに
達するほど有効でない。(一般に研磨パッドの経時変化
によって検出が困難になることも報告されている。)ま
た、レーザ干渉などの現状の光学的な方法においても、
SiO2、SixNのような構成層がいずれも透明の膜であり、
研磨工程の終了点でも光量変化として十分な変化が見ら
れず、層間誘電体膜のプロセスよりも高い制御精度が要
求されるSTIでは、充分な計測(終点判定)能力が不
足していることが指摘されている。このため、実際のプ
ロセスにおいては、研磨時間による制御などで対処する
ことが多くなっている。
Further, in the detection of the polishing end point in the CMP step in the STI step, the method of detecting the end point by the motor torque is not effective enough to reach a practical level, although there is a stopper layer. (In general, it is also reported that detection with the aging of the polishing pad becomes difficult.) Also, in the current optical methods such as laser interference,
Both constituent layers such as SiO2 and SixN are transparent films,
At the end point of the polishing step, a sufficient change is not seen as a change in the light amount, and the STI, which requires higher control accuracy than the process of the interlayer dielectric film, may not have sufficient measurement (end point determination) ability. It is pointed out. For this reason, in an actual process, control is often performed by controlling the polishing time.

【0012】更にまた、バリアメタル層の存在するCu
工程の基板に対する研磨終了点の測定に対しては、これ
をモータートルクで検出する方式は、実用レベルに達す
るほど有効でない。このため、実際のプロセスにおいて
は、やむを得ず研磨時間による制御などで対処すること
が多くなっている。本発明は、以上の問題を解決し、様
々なパターン種から構成されるパターン構造を有する基
板及び更にSTI工程の基板及びバリアメタル層の存在
するCu工程の基板に対しても、測定位置の特定、更に
膜厚の測定、更にまた膜の除去工程、成膜工程に於ける
工程終了点の測定( 検知) を精度良く、簡便に、且つ高
速で行うことができる測定装置及び測定方法及びこの測
定装置を用いた研磨装置及びこの測定方法を用いた研磨
方法を提供することにある。
[0012] Furthermore, Cu having a barrier metal layer is present.
For the measurement of the polishing end point of the substrate in the process, the method of detecting the polishing end point by the motor torque is not effective enough to reach a practical level. For this reason, in an actual process, it is inevitable that control is performed by controlling the polishing time. The present invention solves the above problems, and specifies a measurement position for a substrate having a pattern structure composed of various pattern types, and further for a substrate in an STI process and a substrate in a Cu process in which a barrier metal layer exists. A measuring apparatus and a measuring method and a measuring method and a measuring method capable of measuring a film thickness, and furthermore, measuring (detecting) a process end point in a film removing process and a film forming process accurately, simply and at a high speed. An object of the present invention is to provide a polishing apparatus using the apparatus and a polishing method using the measuring method.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】基板上の薄膜の膜厚測定
を光学的に行なう方法は種々知られており、干渉現象を
用いる方式においても、かなりの精度が実現されてい
る。ただ、いずれも(多層膜含む)パターン構造を有し
ないブランク膜測定についてのものである。本発明が対
象とするのは、表面にパターン構造が存在するウェハで
あって、2次元的に一様でないものである。この場合、
パターン構造を有しない一様なブランク膜から単純に予
測される信号は得られない。
Various methods for optically measuring the thickness of a thin film on a substrate are known, and considerable accuracy is realized even in a system using an interference phenomenon. However, these are all for blank film measurement having no pattern structure (including a multilayer film). The present invention is directed to a wafer having a pattern structure on its surface, which is not two-dimensionally uniform. in this case,
A signal simply predicted from a uniform blank film having no pattern structure cannot be obtained.

【0014】本発明においては、パターン構造を有する
場合の光学測定において、プローブ光として、多成分の
波長の光を用い、反射した信号光の波長依存即ち分光特
性を調べることにより、パターン種を特定し、更に必要
に応じて膜厚を知る。また、本発明では、パターン構造
のパターン種の特定、更には膜厚の測定を可能とするた
めに、パターンの最小単位に比較して大きなスポット径
で光を照射する。
In the present invention, in optical measurement in the case of having a pattern structure, light of multiple component wavelengths is used as probe light, and the wavelength dependence of reflected signal light, that is, spectral characteristics are examined to specify a pattern type. Then, if necessary, know the film thickness. In the present invention, light is irradiated with a spot diameter larger than the minimum unit of the pattern in order to specify the pattern type of the pattern structure and to measure the film thickness.

【0015】更に、パターン上に照射した光のスポット
径の内部でのパターン間の干渉性を制御するために空間
コヒーレンス長さ制御部を設ける。更にまた、パターン
面に照射されて戻ってきた光の0次光成分のみを信号光
として用い、1次以上の回折光は除去される。得られた
信号光は、予め計算された或いは測定された分光特性と
比較することによりパターン上の測定位置が特定され、
更には膜厚が測定される。
Further, a spatial coherence length controller is provided to control the coherence between the patterns inside the spot diameter of the light irradiated on the patterns. Furthermore, only the zero-order light component of the light that has been irradiated onto the pattern surface and returned is used as signal light, and the first-order and higher-order diffracted light is removed. The obtained signal light, the measurement position on the pattern is specified by comparing with the calculated or measured spectral characteristics,
Further, the film thickness is measured.

【0016】このようにして、本発明により、簡便且つ
高精度に、ウェハの測定位置の特定を行い、更にデバイ
ス半導体ウェハの層の膜厚測定や、工程終了点の検知
(測定)を行う。そのため、第一に、「表面にパターン
構造を有する基板面に複数の波長成分を有するプローブ
光を照射する段階と、前記基板面から反射または透過し
た光から信号光を抽出する段階と、前記信号光の信号波
形を取得する段階と、前記信号波形と計算または予め測
定した参照値との比較を行うことにより、基板内の測定
位置(プローブ光照射位置)の特定を行う段階とを具え
ることを特徴とする測定方法(請求項1)」を提供す
る。
As described above, according to the present invention, the measurement position of the wafer is specified simply and accurately, and further, the film thickness measurement of the layer of the device semiconductor wafer and the detection (measurement) of the process end point are performed. Therefore, first, a step of irradiating a probe light having a plurality of wavelength components on a substrate surface having a pattern structure on its surface, extracting signal light from light reflected or transmitted from the substrate surface, and Acquiring a signal waveform of light, and identifying a measurement position (probe light irradiation position) in the substrate by comparing the signal waveform with a calculated or previously measured reference value. (Claim 1). "

【0017】また、第二に、「前記参照値の計算が、パ
ターン密度をパラメータとして行われることを特徴とす
る請求項1記載の測定方法(請求項2)」を提供する。
また、第三に、「更に、前記抽出された信号光がプロー
ブ光の反射または透過光の正反射成分(0次光)のみを
含み、1次以上の回折光成分を含まないことを特徴とす
る請求項1〜2何れか1項記載の測定方法(請求項
3)」を提供する。
Secondly, there is provided a "method of claim 1 (claim 2), wherein the calculation of the reference value is performed using the pattern density as a parameter.
Third, "the extracted signal light is characterized in that it contains only the specular reflection component (0th-order light) of the reflected or transmitted light of the probe light and does not contain the first-order or higher-order diffracted light component. To provide a measurement method according to any one of claims 1 to 2 (claim 3).

【0018】また、第四に、「更に、前記プローブ光の
空間コヒーレンス長さが、制御される段階を具えること
を特徴とする請求項1〜3何れか1項記載の測定方法
(請求項4)」を提供する。また、第五に、「前記プロ
ーブ光の前記照射面でのスポット径が、前記パターン構
造を構成するパターンの最小単位の寸法よりも大きく、
ブロックの寸法よりも小さいことを特徴とする請求項1
〜4何れか1項記載の測定方法(請求項5)」を提供す
る。
[0018] Fourthly, the measuring method according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of controlling a spatial coherence length of the probe light. 4) ”. Fifth, “the spot diameter on the irradiation surface of the probe light is larger than the minimum unit size of the pattern constituting the pattern structure,
2. The structure according to claim 1, wherein the size is smaller than the size of the block.
To (4) (Claim 5).

【0019】また、第六に、「前記空間コヒーレンス長
さが、完全にパターン干渉する条件か、全くパターン干
渉しない条件に調整されることを特徴とする請求項4〜
5何れか1項記載の測定方法(請求項6)」を提供す
る。また、第七に、「前記プローブ光が前記基板面に垂
直に照射されることを特徴とする請求項1〜6何れか1
項記載の測定方法(請求項7)」を提供する。
Sixth, "the spatial coherence length is adjusted to a condition that completely causes pattern interference or a condition that does not cause pattern interference at all."
(5) The method according to any one of (5) to (6). Seventhly, "the probe light is irradiated perpendicularly to the substrate surface.
Measurement method (Claim 7) ".

【0020】また、第八に、「前記比較が、相互相関係
数、自己相関係数、及び最小二乗法から選ばれた少なく
とも一つを用いて行われることを特徴とする請求項1〜
7何れか1項記載の測定方法(請求項8)」を提供す
る。また、第九に、「更に、前記計算または予め測定し
た参照値を、予めデータテーブルとして格納しておく段
階を具えることを特徴とする請求項1〜8何れか1項記
載の測定方法(請求項9)」を提供する。
Eighth, "the comparison is performed using at least one selected from a cross-correlation coefficient, an auto-correlation coefficient, and a least squares method.
(7) The measuring method according to any one of (7) (claim 8). Ninth, the method further comprises the step of storing the calculated or pre-measured reference value as a data table in advance. Claim 9) "is provided.

【0021】また、第十に、「更に、前記特定結果を基
に、所望の測定位置への測定点移動を行う段階を具える
ことを特徴とする請求項1〜9何れか1項記載の測定方
法(請求項10)」を提供する。また、第十一に、「更
に、前記特定または前記測定点移動された各測定位置に
対して前記基板面の膜の膜厚を測定する段階を具えるこ
とを特徴とする請求項1〜10何れか1項記載の測定方
法(請求項11)」を提供する。
In a tenth aspect, the method further comprises the step of: "moving a measuring point to a desired measuring position based on the specified result." Measurement method (Claim 10) "is provided. Eleventh, "the method further comprises the step of measuring the film thickness of the film on the substrate surface with respect to each of the measurement positions moved to the specified or measured points. The measurement method according to any one of claims (Claim 11) is provided.

【0022】また、第十二に、「更に、前記膜が成膜工
程または除去工程に置かれている場合に、前記各測定位
置に対して、各膜厚推移を測定する段階を具えることを
特徴とする請求項11記載の測定方法(請求項12)」
を提供する。また、第十三に、「前記基板が、表面にパ
ターン構造を有する半導体素子のウェハであり、前記測
定が、半導体装置製造工程における、ウェハ上の絶縁層
または電極層の成膜工程または除去工程に於ける測定で
あり、更に工程終了点を測定(検知)する段階を具える
ことを特徴とする請求項11〜12何れか1項記載の測
定方法(請求項13)」を提供する。
In a twelfth aspect, the method further comprises the step of, when the film is placed in a film forming step or a removing step, measuring each film thickness transition at each of the measurement positions. The measuring method according to claim 11, wherein the measuring method is characterized in that:
I will provide a. In the thirteenth aspect, "the substrate is a wafer of a semiconductor element having a pattern structure on a surface, and the measurement is a step of forming or removing an insulating layer or an electrode layer on the wafer in a semiconductor device manufacturing process. The method according to any one of claims 11 to 12, further comprising the step of measuring (detecting) a process end point.

【0023】また、第十四に、「前記除去工程が、前記
プローブ光に対して透明な少なくとも2種類以上の層を
同時に研磨する段階を具えることを特徴とする請求項1
3記載の測定方法(請求項14)」を提供する。また、
第十五に、「前記除去工程が、STI(Shallow Trench
Isolation) を目的とする工程であることを特徴とする
請求項14記載の測定方法(請求項15)」を提供す
る。
Fourteenth, "the removing step comprises a step of simultaneously polishing at least two or more layers transparent to the probe light."
3. The method according to claim 3 (claim 14). Also,
Fifteenth, "the removal step is performed by STI (Shallow Trench
Isolation) is a step for the purpose of the present invention.

【0024】また、第十六に、「前記参照値の計算が予
めディッシング量を補正した膜厚に対して行われること
を特徴とする請求項14、15何れか1項記載の測定方
法(請求項16)」を提供する。また、第十七に、「前
記除去工程が、前記プローブ光に対して不透明または半
透明な少なくとも2種類以上の層を同時に研磨する段階
を具えることを特徴とする請求項13記載の測定方法
(請求項17)」を提供する。
In the sixteenth aspect, the measurement method according to any one of claims 14 and 15, wherein the calculation of the reference value is performed for a film thickness whose dishing amount has been corrected in advance. Item 16) "is provided. In the seventeenth aspect, the measuring method according to claim 13, wherein the removing step comprises simultaneously polishing at least two or more types of layers that are opaque or translucent to the probe light. (Claim 17).

【0025】また、第十八に、「前記2種類以上の層
が、Cu層とバリアメタル層を含むことを特徴とする請
求項17記載の測定方法(請求項18)」を提供する。
また、第十九に、「基板面に複数の波長成分を有するプ
ローブ光を照射し、前記基板面から反射または透過した
光から抽出される信号光から信号波形を取得する光学測
定部と、前記信号波形と予め計算または予め測定した波
形との比較を行うことにより基板内の測定位置(プロー
ブ光照射位置)の特定を行う機能を少なくとも有する信
号処理部とを具え、且つ請求項1〜18何れか1項記載
の測定方法により測定を行うことを特徴とする測定装置
(請求項19)」を提供する。
Eighteenthly, there is provided a "measuring method according to claim 17, wherein the two or more types of layers include a Cu layer and a barrier metal layer."
Also, in the nineteenth, `` irradiating the substrate surface with a probe light having a plurality of wavelength components, an optical measurement unit that acquires a signal waveform from signal light extracted from light reflected or transmitted from the substrate surface, 19. A signal processing unit having at least a function of specifying a measurement position (probe light irradiation position) in a substrate by comparing a signal waveform with a previously calculated or measured waveform, and any one of claims 1 to 18. A measurement device (claim 19) for performing measurement by the measurement method according to claim 1 ".

【0026】また、第二十に、「前記基板が、表面にパ
ターン構造を有する半導体素子のウェハであり、前記測
定が、半導体装置製造工程における、ウェハ上の絶縁層
または電極層の成膜工程または除去工程に於ける測定で
あり、更に工程終了点の測定(検知)を行うことを特徴
とする請求項19記載の測定装置(請求項20)」を提
供する。
Twenty-second, "the substrate is a semiconductor element wafer having a pattern structure on its surface, and the measurement is performed in a semiconductor device manufacturing process in which an insulating layer or an electrode layer is formed on the wafer. Alternatively, it is a measurement in the removing step, and further measures (detects) the end point of the step.

【0027】また、第二十一に、「表面にパターン構造
を有し、最表面層に絶縁層または電極層を有する半導体
素子のウェハを研磨する方法であって、前記ウェハと研
磨パッドとの間に研磨剤を介在させた状態で、前記研磨
パッドと前記ウェハとを相対移動させることにより、前
記ウェハの前記絶縁層または前記電極層を研磨する段階
と、請求項13〜18何れか1項記載の測定方法により
膜厚または工程終了点の測定(検知)を行う段階とを具
えることを特徴とする研磨方法(請求項21)」を提供
する。
Also, a twenty-first method for polishing a semiconductor device wafer having a pattern structure on the surface and an insulating layer or an electrode layer on the outermost surface layer, comprising the steps of: 19. A step of polishing the insulating layer or the electrode layer of the wafer by relatively moving the polishing pad and the wafer with an abrasive interposed therebetween, and wherein the polishing pad and the wafer are relatively moved. Performing a measurement (detection) of the film thickness or the process end point by the measurement method described above.

【0028】また、第二十二に、「請求項20記載の測
定装置と、研磨パッドと、最表面層に絶縁層または電極
層を有する半導体素子のウェハを保持する研磨ヘッドと
を具え、前記研磨パッドと前記ウェハとの間に研磨剤を
介在させた状態で、前記研磨パッドと前記ウェハとを相
対移動させることにより、前記ウェハの前記絶縁層また
は前記電極層を研磨し、且つ前記測定装置が前記絶縁層
または前記電極層の測定または前記研磨の工程終了点の
測定(検知)を行うことを特徴とする研磨装置(請求項
22)」を提供する。
In a twenty-second aspect, the present invention provides a measuring apparatus, a polishing pad, and a polishing head for holding a semiconductor element wafer having an insulating layer or an electrode layer on the outermost surface layer. In a state where a polishing agent is interposed between a polishing pad and the wafer, the polishing pad and the wafer are relatively moved to polish the insulating layer or the electrode layer of the wafer, and the measurement device Performs a measurement of the insulating layer or the electrode layer or a measurement (detection) of an end point of the polishing process (claim 22). "

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明にかかる実施の形態を以下
に理解を容易にするために図を用いて説明するが、本発
明はこれらの図に限定されるものではない。図2は本実
施形態の測定装置を示す概念図であり、図3は図2の光
学測定部の一実施例の詳細図である。図1は本実施形態
の測定装置の動作を示すフローチャートであり、図2の
主に信号処理部6の動作を示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings for easy understanding, but the present invention is not limited to these drawings. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the measuring apparatus of the present embodiment, and FIG. 3 is a detailed view of one example of the optical measuring section of FIG. FIG. 1 is a flowchart showing the operation of the measuring apparatus according to the present embodiment, and mainly shows the operation of the signal processing unit 6 in FIG.

【0030】図2に於いて、1は測定対象の表面にパタ
ーン構造を有する基板であり、パターン面が上に向けら
れている。2は光学測定部であり、6は信号処理部であ
り、8は表示部である。図3に於いて、1は測定対象の
表面にパターン構造を有する基板であり、パターン面が
下に向けられている。9は複数の波長成分光を発する光
源、10は空間コヒーレンス制御部(可変径絞り)、1
1は光学レンズ、34はスポット径調整部、12はビー
ムスプリッター、13、130は光学レンズ、14はミ
ラー、15は光学レンズ、35は0次光選別部、16は
分光部(回折格子)、17は光検出部である。
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a substrate having a pattern structure on the surface to be measured, with the pattern surface facing upward. Reference numeral 2 denotes an optical measurement unit, 6 denotes a signal processing unit, and 8 denotes a display unit. In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a substrate having a pattern structure on the surface to be measured, with the pattern surface facing downward. 9 is a light source that emits a plurality of wavelength component lights, 10 is a spatial coherence controller (variable diameter stop), 1
1 is an optical lens, 34 is a spot diameter adjusting unit, 12 is a beam splitter, 13 and 130 are optical lenses, 14 is a mirror, 15 is an optical lens, 35 is a zero-order light sorting unit, 16 is a spectral unit (diffraction grating), Reference numeral 17 denotes a light detection unit.

【0031】図3で示す測定装置に於いて、光源9から
発せられた複数の波長成分を有する光は、空間コヒーレ
ンス制御部10を通り、光学レンズ11を透過し、スポ
ット径調整部としての視野絞り34を通り、ビームスプ
リッター12によりその一部が透過され、光学レンズ1
3によりコリメートされてプローブ光3として基板1の
パターン面29に照射される。パターン面29からの反
射光4は再び光学レンズ13を透過し、ビームスプリッ
ター12をその一部が反射し、光学レンズ130を透過
し、ミラー14で反射し、光学レンズ15を透過し、0
次光選別部としての絞り35により1次以上の回折光が
除去され、信号光のみが選別されて分光部16に入射す
る。信号光は分光部16で分光され、異なる角度方向に
異なる波長の光が反射する。異なる角度方向に反射した
光は、異なる角度方向に対応する異なる位置に入射する
光を独立して検出することが可能な光検出部17に入射
する。これらの光は光検出部17から信号5として信号
処理部6に出力する。
In the measuring apparatus shown in FIG. 3, light having a plurality of wavelength components emitted from a light source 9 passes through a spatial coherence control unit 10, passes through an optical lens 11, and has a field of view as a spot diameter adjusting unit. Part of the light passes through the aperture 34 and is transmitted by the beam splitter 12,
The light is collimated by the laser beam 3 and is irradiated as a probe light 3 onto the pattern surface 29 of the substrate 1. The reflected light 4 from the pattern surface 29 again passes through the optical lens 13, partially reflects the beam splitter 12, passes through the optical lens 130, reflects off the mirror 14, passes through the optical lens 15,
The first-order or higher order diffracted light is removed by the stop 35 as the next light selecting unit, and only the signal light is selected and incident on the spectroscopic unit 16. The signal light is split by the splitting unit 16, and light of different wavelengths is reflected in different angle directions. The light reflected in different angle directions enters the light detection unit 17 that can independently detect light incident on different positions corresponding to different angle directions. These lights are output from the light detection unit 17 as a signal 5 to the signal processing unit 6.

【0032】信号処理部6は、図1に示すように動作す
る。処理が開始すると、光学測定部2から信号のデータ
(R(t))を取得する(S1)。次の段階に行く前
に、事前に測定対象のウェハのパターン面のシミュレー
ション計算が行われるか、事前にパターン面が測定され
るかして(S7)、パターン面の分光波形(Rk )が参
照値として決定されている(S8)。この分光波形はパ
ターン密度毎及び膜厚構成毎に対応するパターン種毎、
最上層の膜厚毎にk組決定する。
The signal processing section 6 operates as shown in FIG. When the process starts, signal data (R (t)) is obtained from the optical measurement unit 2 (S1). Before going to the next stage, whether the simulation calculation of the pattern surface of the wafer to be measured is performed in advance or the pattern surface is measured in advance (S7), the spectral waveform (R k ) of the pattern surface is determined. It has been determined as a reference value (S8). This spectral waveform is obtained for each pattern type corresponding to each pattern density and each film thickness configuration,
K sets are determined for each film thickness of the uppermost layer.

【0033】次に、信号のデータ(R(t))と分光波
形(Rk )との相似度を計算する(S2)。次に、kの
値を1だけ減らす(S3)。次に、k=1であるかどう
かを判定する(S4)。k=1でなければ、再びS2に
戻り、信号のデータ(R(t))と分光波形(Rk )と
の相似度を計算し、S3を通り、S4でYESになるま
でこのループを繰り返す。
Next, the similarity between the signal data (R (t)) and the spectral waveform (R k ) is calculated (S2). Next, the value of k is reduced by 1 (S3). Next, it is determined whether or not k = 1 (S4). If k = 1 is not satisfied, the process returns to S2 to calculate the similarity between the signal data (R (t)) and the spectral waveform ( Rk ), and repeats this loop through S3 until YES in S4. .

【0034】S4でYES、即ちk=1になれば、S5
に行く。S5では相似度が最良の分光波形(Rk )を見
つけ、そのRk に対応するパターン種と膜厚を測定対象
のパターン面の測定位置に対する膜厚として決定する。
ここで、図2及び図3に於いて、プローブ光3のスポッ
ト径とパターンの最小寸法と信号光の空間コヒーレンス
長さとの関係が重要である。
If YES in S4, that is, if k = 1, S5
go to. In S5, the spectral waveform (R k ) having the best similarity is found, and the pattern type and the film thickness corresponding to the R k are determined as the film thickness for the measurement position of the pattern surface to be measured.
Here, in FIGS. 2 and 3, the relationship between the spot diameter of the probe light 3, the minimum pattern size, and the spatial coherence length of the signal light is important.

【0035】通常、プローブ光が照射されたパターン構
造部分からの反射光は、デバイス(積層薄膜)の各層、
各部分からの光波の重ね合わせとみることができ、波長
依存(分光特性)の波形は、複雑な干渉効果のため、ブ
ランク膜とは大きく異なったものになる。このような曲
線から、測定したい膜厚の値を解析的に計算すること
は、容易なことではない。我々は、様々な実験を伴う考
察の結果、この干渉効果の複雑性は、プローブ光が照射
されるパターン面のパターン種とプローブ光の空間コヒ
ーレンス長さとスポット径、パターンの精細度、回折成
分等の相互関係の多様性のためであることを発見した。
Normally, the reflected light from the pattern structure portion irradiated with the probe light is applied to each layer of the device (laminated thin film),
This can be regarded as superposition of light waves from each part, and the waveform of the wavelength dependence (spectral characteristics) is significantly different from that of the blank film due to the complicated interference effect. It is not easy to analytically calculate the value of the film thickness to be measured from such a curve. As a result of various experiments, we found that the complexity of this interference effect depends on the pattern type of the pattern surface irradiated with the probe light, the spatial coherence length and spot diameter of the probe light, the definition of the pattern, the diffraction component, etc. It is discovered that the interrelationship is due to the diversity.

【0036】これらが、ある限定された関係になけれ
ば、同一パターン形状、同一膜厚に対しても反射光から
得られる信号光が定まらず、その結果信号光を分析して
得られる膜厚も定まらないのである。そこで、本発明
は、パターン構造を有する基板上の膜厚測定のために、
先ずパターン種を特定する。そのために、先ず、パター
ン上にはプローブ光として複数の波長成分を有する光源
の一つとして白色光(あるいはそれを分光した成分)が
照射される。
If these are not in a limited relationship, the signal light obtained from the reflected light is not determined even for the same pattern shape and the same film thickness, and as a result, the film thickness obtained by analyzing the signal light is also It is not determined. Therefore, the present invention provides a method for measuring a film thickness on a substrate having a pattern structure.
First, the pattern type is specified. For this purpose, first, white light (or a component obtained by splitting the light) is emitted as one of light sources having a plurality of wavelength components as probe light on the pattern.

【0037】照射は、パターン構造を有する基板のパタ
ーン面側から行っても、その裏面側から照射を行なっ
て、透過光を検出する方式でも良いが、後者の場合は赤
外域での多成分波長光源が必要になる。次に、照射スポ
ット径がパターン構造を形成している最小単位に比較し
て大きく、かつパターンがウェハ全面にわたって均一に
分布しているような場合(D−RAMのパターン構造な
どがこれにあたる。)は、平均情報として、場所によら
ない安定で再現性のある信号が得られることは、[従来
の技術]で述べた通りである。この場合は、ウェハを工
程後に測定するいわゆるin-line 測定においても、工程
中に測定する同時(in-situ )測定においても、測定位
置(照射位置)にあまり留意する必要なく、信号波形か
ら、膜厚を算出したり、工程の終了点を知ることが可能
である。しかしながら、パターンの分布が不均一なCP
UやASICなどのデバイスのパターン構造は、照射位
置によって信号波形が大きく異なり、照射位置による再
現性がとれなくなる。
Irradiation may be performed from the pattern surface side of the substrate having the pattern structure or from the back surface side to detect transmitted light. In the latter case, the multi-component wavelength in the infrared region is used. A light source is required. Next, in the case where the irradiation spot diameter is larger than the minimum unit forming the pattern structure and the pattern is uniformly distributed over the entire surface of the wafer (such as a pattern structure of a D-RAM). As described in [Prior Art], a stable and reproducible signal independent of a place is obtained as average information. In this case, it is not necessary to pay much attention to the measurement position (irradiation position) in both the so-called in-line measurement in which the wafer is measured after the process and the simultaneous (in-situ) measurement in the process. It is possible to calculate the film thickness and to know the end point of the process. However, a CP having an uneven pattern distribution
In the pattern structure of a device such as U or ASIC, the signal waveform greatly differs depending on the irradiation position, and the reproducibility depending on the irradiation position cannot be obtained.

【0038】我々は、CPU、ASICなどのデバイス
のパターン構造を詳細に調査した結果、多くの場合、不
均一なパターンとはいえ、光学的特性の異なる複数の分
離されたブロックに分割することができることに気付い
た。実際に、我々は、種々のデバイスにおいて、プロー
ブ光が垂直に入射する条件下で、各ブロック内での信号
の再現性は良好であることを見つけた。これら各ブロッ
クに対して膜構成とパターン密度は異なるが、膜構成が
共通条件下で、パターン密度とパターンの精細度が同じ
なら、同一波形である。ここで、パターン密度は、図5
に概略的に示されたパターン構造を有する基板の電極層
部分の面積(A部分面積の総和)の全体の面積(A部分
面積の総和+B部分面積の総和)に対する比率に対応す
る。パターン密度の意義については、特願平11−17
1094に詳しく開示されている。パターンの精細度
は、パターンの最小単位の長さと空間コヒーレンス長さ
との大小関係、即ち、パターンの最小単位の寸法のプロ
ーブ光の空間コヒーレンス長さに対しての精細度を意味
し、例えばパターンの最小単位の寸法が2μmの場合、
プローブ光の空間コヒーレンス長さが5μmの場合は精
細度が高く、同じパターン寸法に対してプローブ光の空
間コヒーレンス長さが1μmの場合は精細度が低いとい
える。ここでパターンの最小単位の寸法は、図5のパタ
ーンを例に挙げると、A部分の長さ+B部分の長さに相
当する。
As a result of a detailed examination of the pattern structure of a device such as a CPU and an ASIC, it has been found that, in many cases, a pattern is divided into a plurality of separated blocks having different optical characteristics even though the pattern is not uniform. I noticed that I can do it. In fact, we have found that in various devices, the signal reproducibility within each block is good under conditions where the probe light is incident vertically. Although the film configuration and the pattern density are different for each of these blocks, the waveforms are the same if the pattern density and the pattern definition are the same under the common conditions of the film configuration. Here, the pattern density is shown in FIG.
Corresponds to the ratio of the area of the electrode layer portion of the substrate having the pattern structure (sum of the area of the A portion) to the total area (sum of the area of the A portion + sum of the area of the B portion). Regarding the significance of pattern density, refer to Japanese Patent Application No. 11-17 / 1999.
1094. The definition of the pattern means the magnitude relationship between the minimum unit length of the pattern and the spatial coherence length, that is, the definition of the minimum coherence of the probe light having the dimension of the minimum unit of the pattern. If the minimum unit size is 2 μm,
When the spatial coherence length of the probe light is 5 μm, the definition is high, and when the spatial coherence length of the probe light is 1 μm for the same pattern size, the definition is low. Here, the dimension of the minimum unit of the pattern corresponds to the length of the portion A + the length of the portion B, taking the pattern of FIG. 5 as an example.

【0039】本発明の実施形態の図2及び図3で示され
た測定装置に於いて、プローブ光は垂直入射され、更に
空間コヒーレンス長さが調整されている。本測定装置で
は空間コヒーレンス長さは測定対象のパターンの最小寸
法よりも充分に大きくするか逆に充分に小さくしてい
る。この空間コヒーレンス長さの調整の意義については
特開平11−047485に詳しく開示されている。空
間コヒーレンス長さは、図3に於いて可変径絞り10の
口径を小さくすることにより長く、そして大きくするこ
とにより短くすることができる。この調整は、測定値を
シミュレーション計算値と比較することにより行われ
る。
In the measuring apparatus shown in FIGS. 2 and 3 according to the embodiment of the present invention, the probe light is vertically incident and the spatial coherence length is adjusted. In this measuring apparatus, the spatial coherence length is made sufficiently larger than the minimum dimension of the pattern to be measured or, conversely, made sufficiently small. The significance of the adjustment of the spatial coherence length is disclosed in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-47485. The spatial coherence length can be increased by reducing the aperture of the variable diameter stop 10 in FIG. 3, and can be reduced by increasing the aperture. This adjustment is made by comparing the measured values with the simulation calculated values.

【0040】パターン構造がある場合の基板面からの反
射について以下に更に詳しく説明する。基板面にパター
ン構造がある場合の薄膜からの反射光においては、膜厚
による干渉現象(振幅分割の干渉)とともに、パターン
による干渉(波面分割の干渉)が加わる。このパターン
による干渉は、プローブ光の照射面における(空間)コ
ヒーレンス長さの範囲内のみのパターン同士での現象で
あるため、パターンの最小単位の幅が空間コヒーレンス
長さより大きい場合は、起こらない。従って空間コヒー
レンス長さより大きい粗いパターンでは、パターンの各
部からの光強度の単なる足し合わせによって信号波形が
決定される。我々は、このことを利用して、精細度の低
いパターンからの信号分離を行うことを考案、実行し
た。(特願平11−171094) プローブ光のスポット径は最小でも、この中にパターン
構造を形成しているパターンの最小単位よりも大きくな
くてはならず、また、最大でも、一つのパターン種に対
応する一つのブロックよりも小さくなくてはならない。
ここで、照射スポット径が最小単位に比較して大きいと
は、スポット径が少なくともパターンの最小単位全体を
完全に照射し得る寸法を持つことを意味し、スポット径
がプロックの寸法よりも小さいとは、スポットがブロッ
クの中に収まり得ることを意味する。
The reflection from the substrate surface when there is a pattern structure will be described in more detail below. In the reflected light from the thin film when the substrate surface has the pattern structure, the interference phenomenon due to the film thickness (interference due to amplitude division) and the interference due to the pattern (interference due to wavefront division) are added. Since the interference by the pattern is a phenomenon between the patterns only within the range of the (spatial) coherence length on the irradiation surface of the probe light, it does not occur when the minimum unit width of the pattern is larger than the spatial coherence length. Therefore, in a coarse pattern larger than the spatial coherence length, the signal waveform is determined by simply adding the light intensities from each part of the pattern. We have devised and implemented using this to perform signal separation from low-definition patterns. (Japanese Patent Application No. 11-171094) The spot diameter of the probe light must be larger than the minimum unit of the pattern forming the pattern structure therein even if it is the minimum, and at the maximum it is possible to use one pattern type. Must be smaller than one corresponding block.
Here, that the irradiation spot diameter is larger than the minimum unit means that the spot diameter has a dimension capable of completely irradiating at least the entire minimum unit of the pattern, and that the spot diameter is smaller than the block size. Means that the spot can fit inside the block.

【0041】また、信号光からは0次反射光のみが選別
され、1次以上の回折光成分が除去されるのが好まし
い。これはパターンの精細度の違いによる回折成分の寄
与度の変動の影響を除去するためであり、特願平10−
289175に詳しく開示されている。以上のようにプ
ローブ光に対して配慮をしても、パターン面からの反射
光から得られた信号光から直接解析的に膜厚を求めるこ
とは容易なことではない。そこで、図2の信号処理部で
は、図1のフローチャートに示すように、信号とシミュ
レーション計算した分光波形、または予め実測された分
光波形(学習ウェハ等)などの参照値との相似度の比較
操作によりフィッティングがなされるのである。
It is preferable that only the 0th-order reflected light be selected from the signal light and that the first-order and higher-order diffracted light components be removed. This is to eliminate the influence of the fluctuation of the contribution of the diffraction component due to the difference in the definition of the pattern.
289175. Even when the probe light is taken into consideration as described above, it is not easy to directly and analytically determine the film thickness from the signal light obtained from the reflected light from the pattern surface. Therefore, as shown in the flowchart of FIG. 1, the signal processing unit of FIG. 2 performs a comparison operation of the similarity between the signal and a reference value such as a spectral waveform calculated by simulation or a spectral waveform (learning wafer or the like) measured in advance. The fitting is done by.

【0042】このフィッティングに於ける相似度の計算
方法は特に限定されないが、好ましくは、相互相関係
数、自己相関係数、または最小二乗法から選ばれた何れ
か一つの方法を用いることができる。このフィッティン
グ操作に用いる各参照値に対応してパターン密度等のパ
ターン種、膜厚、等のパターン情報をパラメータとして
いるので、測定位置のみならず、この測定位置に対応さ
せて膜厚情報を得ることが可能になる。
The method of calculating the similarity in this fitting is not particularly limited, but preferably, any one method selected from a cross-correlation coefficient, an auto-correlation coefficient, or a least squares method can be used. . Since pattern information such as pattern density and film thickness, etc. are used as parameters in correspondence with each reference value used for this fitting operation, not only the measurement position but also the film thickness information is obtained corresponding to this measurement position. It becomes possible.

【0043】具体的な計算例として、膜構成が一定条件
下では、パターン種は、パターン密度のみにより決ま
り、パターン密度(シリサイドを含めた金属層の分布状
況)をパラメータとして変化させて、且つ最上層の膜厚
をパラメータとして変化させて計算を行う。計算にはこ
の他に膜の定数として、屈折率、吸収係数、膜厚を用い
る。計算に当たっては前述のように少なくとも一種類の
基板に対しては、実際の測定に当たるプローブ光の空間
コヒーレンス長さに対応させて、パターンの精細度が全
ての測定位置に於いて高くなる、即ちパターン間干渉が
完全に起きる条件か、パターンの精細度が全ての測定位
置に於いて低くなる、即ちパターン間干渉が全く起きな
い条件で行う。
As a specific calculation example, when the film configuration is constant, the pattern type is determined only by the pattern density, and the pattern type (distribution state of the metal layer including silicide) is changed as a parameter. The calculation is performed by changing the thickness of the upper layer as a parameter. For the calculation, a refractive index, an absorption coefficient, and a film thickness are used as film constants. In the calculation, as described above, for at least one type of substrate, the definition of the pattern is increased at all the measurement positions in correspondence with the spatial coherence length of the probe light that is actually measured, that is, the pattern It is performed under the condition that the interfering completely occurs or the condition that the definition of the pattern becomes low at all the measurement positions, that is, the condition that the interpattern interference does not occur at all.

【0044】パラメータとしてパターン密度を変化させ
る場合、パターン密度を未知数として0〜100%間で
まんべんなく変化させて計算してもよいが、より、効率
的な方法としては、測定対象の半導体素子のブロック毎
のパターン密度の値を予め取得しておき、そのパターン
密度の値でのみ計算し、その計算値でのみフィッティン
グを行うこともできる。このようにして計算量と計算時
間を減らし、フィッティング計算の計算量と所要時間を
減らすことができる。
When the pattern density is changed as a parameter, the pattern density may be calculated by changing the pattern density as an unknown value from 0 to 100% evenly. However, a more efficient method is to use a block of the semiconductor element to be measured. The value of the pattern density for each pattern may be obtained in advance, the calculation may be performed only with the value of the pattern density, and the fitting may be performed only with the calculated value. In this way, the calculation amount and the calculation time can be reduced, and the calculation amount and the required time of the fitting calculation can be reduced.

【0045】パターン密度を求める方法は、CADなど
の設計データからでもよいが、実際のパターンでは設計
値との差異があることがあるので、これを顕微鏡観察の
画像などからの測定とフィッティングによって予め算出
しておくこともできる。フィッティング計算をより高速
に、より効率的に行うために、測定対象の半導体素子
の、パターン構造のあらゆるブロック部分で、想定され
る(最上層の)膜厚範囲において、シミュレーション計
算した複数の組の分光波形を予め参照値としてメモリに
格納しておき、そのデータを逐次呼び出して信号波形と
比較することは好ましい方法である。このようにして、
毎回フィッティングを行う度にシミュレーション計算を
行うよりも、高速に測定位置の特定と膜厚の決定を行え
る。いわゆるルックアップテーブルと言われるものの作
成であるが、分光波形の数については、膜厚測定の要求
精度に応じて、取得膜厚間隔を適宜選んで用意しておく
ことが好ましい。
The pattern density can be determined from design data such as CAD data. However, in actual patterns, there may be a difference from design values. It can also be calculated. In order to perform the fitting calculation faster and more efficiently, in each block portion of the pattern structure of the semiconductor device to be measured, a plurality of sets of simulations calculated in the assumed (top layer) film thickness range. It is a preferable method to store the spectral waveform in the memory in advance as a reference value and sequentially retrieve the data and compare it with the signal waveform. In this way,
The measurement position can be specified and the film thickness can be determined faster than performing simulation calculation every time fitting is performed. Although it is a so-called lookup table, it is preferable that the number of spectral waveforms be appropriately selected and prepared according to the required accuracy of film thickness measurement.

【0046】また、計算による波形ではなく、学習ウェ
ハ(ダミーウェハ)などで事前に取得した工程目標の厚
での波形との比較によって工程終了点検知を行う場合
も、事前に実測などを行って、パターン構造を有する半
導体素子ウェハの信号波形を、各ブロック毎に取得、メ
モリに格納しておき、実測の信号波形との比較を行うこ
とにより、各測定位置を高速且つ適切に特定し、更に膜
厚を測定したり、工程終了点を測定(検知)することが
可能になる。
Also, in the case where the process end point is detected by comparing with a waveform at a process target thickness obtained in advance by a learning wafer (dummy wafer) or the like instead of a calculated waveform, actual measurement or the like is performed in advance. The signal waveform of the semiconductor element wafer having the pattern structure is acquired for each block, stored in the memory, and compared with the actually measured signal waveform, whereby each measurement position is specified quickly and appropriately, and the film It becomes possible to measure the thickness and to measure (detect) the process end point.

【0047】即ち、信号波形によって照射位置(測定位
置)のブロックを判断、特定し、各測定位置に対応して
膜厚を求める。また、本測定装置を半導体装置の製造プ
ロセスの成膜プロセスまたはCMPのような除去プロセ
スに用いた場合、工程終了点の目標特性値を、予め参照
値としてプローブ光が照射される可能性がある全ての照
射位置に対して取得しておくことにする。こうすること
で、どの照射位置に照射して測定した場合でも、照射位
置を特定し、膜厚を算出し、プロセスの制御をすること
が可能になる。
That is, the block at the irradiation position (measurement position) is determined and specified based on the signal waveform, and the film thickness is obtained for each measurement position. Further, when the present measuring apparatus is used in a film forming process of a semiconductor device manufacturing process or a removing process such as CMP, there is a possibility that probe light is irradiated with a target characteristic value at a process end point as a reference value in advance. It will be acquired for all irradiation positions. This makes it possible to specify the irradiation position, calculate the film thickness, and control the process, regardless of which irradiation position is used for measurement.

【0048】このように測定位置の特定が可能になるこ
とにより、照射位置の移動機構を持った測定装置の場合
は、取得した信号波形と事前に設計値等から得たパター
ン情報から所望の測定位置へのプローブ光の移動を行う
ことが可能になるため、人がパターン(ブロック)を観
察しながら、測定位置を合わせるなどの必要がない。以
上、本発明の測定の説明に於いて、膜厚測定対象の膜を
光透過性の誘電体膜(層間絶縁膜)として説明したが、
測定対象の膜が金属層の場合においても本発明は適用可
能である。一般に、埋め込み電極層(象嵌)を形成する
際に、基板面( ウェハ) 全面に形成された金属層をエッ
チングや研磨で除去していく場合、工程終了時には金属
層のある部分とない部分が出現する。反射光の信号波形
( 分光特性の波形) は、金属層においては通常波長に対
して滑らかなものである。金属層がなくなり、下地のパ
ターン層が出現すると、下地誘電体層以下のパターン層
の影響をうけ、信号波形は大きく変動し、一般には波形
にうねりが生じるようになる。この変動を観察すること
で、金属層の研磨の終了点を検知できる。この場合、信
号波形と下地が出現した場合の参照値との類似性の比較
により、測定位置の特定、更には研磨の終了点の検知を
行うことができる。
Since the measurement position can be specified in this manner, in the case of a measurement device having a mechanism for moving the irradiation position, a desired measurement can be performed based on the acquired signal waveform and pattern information obtained in advance from design values and the like. Since the probe light can be moved to the position, there is no need for a person to adjust the measurement position while observing the pattern (block). As described above, in the description of the measurement of the present invention, the film whose thickness is to be measured has been described as a light-transmitting dielectric film (interlayer insulating film).
The present invention is applicable even when the film to be measured is a metal layer. In general, when forming a buried electrode layer (inlay), if the metal layer formed on the entire surface of the substrate (wafer) is removed by etching or polishing, a part with and without a metal layer appears at the end of the process I do. Signal waveform of reflected light
(Waveform of spectral characteristic) is usually smooth with respect to the wavelength in the metal layer. When the metal layer disappears and the underlying pattern layer appears, the signal waveform is largely fluctuated under the influence of the pattern layer below the underlying dielectric layer, and generally the waveform is undulated. By observing this change, the end point of polishing the metal layer can be detected. In this case, by comparing the similarity between the signal waveform and the reference value in the case where the base appears, the measurement position can be specified, and further, the end point of polishing can be detected.

【0049】更に、研磨工程が、2種類以上の層を同時
に研磨する段階を含む場合もこの発明により好ましく測
定が出来る。これの例として、図8にCu層とSiO2
層の間にバリアメタル層37を有するパターン構造の断
面を示した。バリアメタルとしてはタンタルナイトライ
ド(TaN)、タンタル(Ta)、チタンナイトライド
(TiN)、等が用いられる。これらの材料の光学的性
質(光学定数)はCuとは異なるので、当然に、Cu層
が信号波形に与える信号寄与はバリアメタル層が信号波
形に与える信号寄与とは異なる。従って、図8(a)の
研磨前の段階の信号と、図8(b)のバリアメタル層が
露出した(パターン構造が現れる)段階の信号と、図8
(c)のバリアメタル層と下地層の両方が露出した段階
の信号は異なるので、これらの各段階での反射特性をシ
ミュレーション計算または事前測定して参照値として用
いることにより各段階での膜厚または工程終了点の測定
(検知)を適切に行うことができる。更に、Cu層やバ
リアメタル層は層厚が薄くなるとプローブ光を透過する
ことができるので、これを用いて図8(b)、図8
(c)の段階のみならず、その中間段階に於いても、C
u層やバリアメタル層の層厚を測定することができる。
このように、この場合も膜厚及び工程終了点を精度良く
簡便に測定(検知)することができる。
Further, when the polishing step includes a step of polishing two or more kinds of layers at the same time, the measurement can be preferably performed according to the present invention. Examples of this, Cu layer and SiO 2 in FIG. 8
The cross section of the pattern structure having the barrier metal layer 37 between the layers is shown. As the barrier metal, tantalum nitride (TaN), tantalum (Ta), titanium nitride (TiN), or the like is used. Since the optical properties (optical constants) of these materials are different from Cu, the signal contribution of the Cu layer to the signal waveform is different from the signal contribution of the barrier metal layer to the signal waveform. Therefore, the signal in the stage before polishing shown in FIG. 8A, the signal in the stage where the barrier metal layer is exposed (pattern structure appears) in FIG.
Since the signals at the stage where both the barrier metal layer and the underlayer are exposed in (c) are different, the reflection characteristics at each stage are calculated by simulation or pre-measured and used as reference values to obtain the film thickness at each stage. Alternatively, the measurement (detection) of the process end point can be appropriately performed. Further, since the Cu layer and the barrier metal layer can transmit the probe light when the layer thickness is thin, FIGS.
Not only in the stage (c), but also in the intermediate stage, C
The thickness of the u layer and the barrier metal layer can be measured.
Thus, also in this case, the film thickness and the process end point can be easily measured (detected) with high accuracy.

【0050】更にまた、研磨工程が、2種類以上のプロ
ーブ光に対して透明な層を同時に研磨する段階を有する
段階を含む場合もこの発明により好ましく測定が出来
る。この例として図9にSTI(Shallow Trench Isola
tion)を目的とする工程を示した。この工程は、図9に
概念的に示すように、Six N層39とSi40から構
成される素子部をSiO2 の絶縁層28を2次元的に配
置することによって電気的に分離するものである。図9
に於いて、SiO2 絶縁層28とSix N層39は共に
プローブ光に対して透明であり、トレンチ41もSiO
2 層であるので透明である。図9(a)は研磨前の状
態、図9(b)は理想的に研磨が終わってトレンチ41
が形成された状態を示す。SiO2 絶縁層28とSix
N層39とは研磨速度が異なり、一般にSiO2 絶縁層
がSix N層よりも速い。この程度は研磨条件に依存す
るが、ある研磨剤を使った例ではSiO2 絶縁層の4に
対してSix N層が1の割合である。そのため、研磨に
於いては膜厚は常にこの割合で減少し、その結果、図9
(c)のようにトレンチ部分が窪んだ構造状態即ちディ
ッシングが生じる。その理由は、研磨速度の違いによ
り、Six N層が42で示される厚みだけ除去される間
にSiO2 絶縁層は43で示される膜厚が除去されるか
らである。各除去膜厚の比率は除去膜厚の大きさに依存
せず一定である。従って、Six N層39の残膜厚T1
とSiO2 絶縁層42の残膜厚T2 とは一つの一定の関
係で結びつけられることが分かる。即ちT1 が決まれば
2 が決まり、T2 が決まればT1 が決まる。この対応
関係を予め実験と測定により求めておき、参照値として
のシミュレーション計算にあたってはこの求められた対
応関係の膜厚T1 、T2 を用いるのである。勿論参照値
としては事前測定に依っても良い。このようにディッシ
ング量を予測し、膜厚測定または工程終了点の設定に利
用することにより、研磨速度一定で、図9(b)のよう
なモデルを仮定した場合の測定誤差の発生を防ぎ測定精
度を向上することができる。
Further, when the polishing step includes a step of simultaneously polishing two or more kinds of layers transparent to the probe light, the measurement can be preferably performed according to the present invention. As an example of this, FIG. 9 shows STI (Shallow Trench Isola).
The steps for the purpose of (Option) are shown. In this step, as conceptually shown in FIG. 9, the element portion composed of the Six N layer 39 and the Si 40 is electrically separated by arranging the SiO 2 insulating layer 28 two-dimensionally. . FIG.
In this case, both the SiO 2 insulating layer 28 and the Six N layer 39 are transparent to the probe light,
It is transparent because it has two layers. FIG. 9A shows a state before polishing, and FIG. 9B shows an ideal state after polishing is finished.
Shows a state in which is formed. SiO 2 insulating layer 28 and Six
The polishing rate is different from that of the N layer 39, and the SiO 2 insulating layer is generally faster than the Six N layer. Although this degree depends on the polishing conditions, in the example using a certain polishing agent, the ratio of the Six N layer to the SiO 2 insulating layer is one. Therefore, in polishing, the film thickness always decreases at this rate.
As shown in (c), a structure state in which the trench portion is depressed, that is, dishing occurs. The reason for this is that, due to the difference in the polishing rate, the SiO 2 insulating layer has the thickness indicated by 43 while the Six N layer is removed by the thickness indicated by 42. The ratio of each removed film thickness is constant without depending on the size of the removed film thickness. Accordingly, the remaining film thickness T 1 of the Six N layer 39
It can be seen that the remaining film thickness T 2 of the SiO 2 insulating layer 42 is related to the remaining film thickness T 2 by one fixed relationship. That T 1 is determined is T 2 if Kimare, T 2 is T 1 is determined if Kimare. This correspondence is obtained in advance by experiments and measurements, and the thicknesses T 1 and T 2 of the obtained correspondence are used in the simulation calculation as a reference value. Of course, the reference value may be based on prior measurement. In this way, the dishing amount is predicted and used for measuring the film thickness or setting the process end point, thereby preventing a measurement error from occurring when a model as shown in FIG. Accuracy can be improved.

【0051】以上の測定装置の説明ではプローブ光の反
射光から信号光を抽出したが、透過光から抽出しても良
いことは言うまでもない。また、説明の簡便性のため
に、取得する信号が、分光特性信号の場合を説明した
が、取得する信号は分光特性信号ばかりでなく、そのフ
ーリエ変換値信号も本発明の範囲に含まれるのは言うま
でもない。この場合、参照値としてはシミュレーション
計算した分光特性値または事前測定した分光特性値のフ
ーリエ変換値が用いられるのは勿論である。フーリエ変
換値信号を取得する信号として用いる場合、通常は測定
した分光特性信号を信号処理装置6内で電気的にフーリ
エ変換する。このフーリエ変換値信号から例えば不都合
な周波数成分を除去したフーリエ変換値信号に対してフ
ィッティングを行うことにより測定精度向上が期待でき
る。
In the above description of the measuring apparatus, the signal light is extracted from the reflected light of the probe light, but it goes without saying that the signal light may be extracted from the transmitted light. Also, for the sake of simplicity of description, the case where the signal to be obtained is a spectral characteristic signal has been described, but the signal to be obtained is not limited to the spectral characteristic signal, and its Fourier transform value signal is also included in the scope of the present invention. Needless to say. In this case, a spectral characteristic value calculated by simulation or a Fourier transform value of a spectral characteristic value measured in advance is used as a reference value. When used as a signal for obtaining a Fourier transform value signal, usually, the measured spectral characteristic signal is electrically Fourier transformed in the signal processing device 6. Improvement in measurement accuracy can be expected by performing fitting on a Fourier transform signal obtained by removing, for example, inconvenient frequency components from the Fourier transform signal.

【0052】本発明の測定装置は、平坦化工程を行いな
がら測定を行う、同時(in-situ )測定の研磨装置に適
用することが出来る。図4は本発明の研磨装置である。
21はパターン構造を有するウェハ1を保持する研磨ヘ
ッド、20は研磨パッド、19は研磨パッドを固定した
定盤、22は研磨剤供給機構、23は研磨剤、2は光学
測定部、6は信号処理部、8は表示部である。ウェハ1
の被研磨面を研磨パッド20に加圧し、ウェハ1の被研
磨面と研磨パッド20とに各々の駆動機構(駆動方向の
例のみを矢印で示す)により相対運動を与え、被研磨面
と研磨パッド20の加工面の間に研磨剤供給機構22に
より研磨剤23を供給しつつ研磨を行う。このとき、研
磨パッドおよび定盤の一部を透光性として、そこからプ
ローブ光と反射光をやり取りすることは好ましい方法で
ある。半導体素子ウェハは研磨の間常に移動しているの
で、一般にプローブ光が照射される測定位置は定まら
ず、様々な測定位置からの信号が連続で取得される。こ
のような場合は、本発明の測定装置を用い、取得した信
号を参照値と比較することによって、照射位置を特定
し、更に特定した測定位置毎に膜厚を取得し、データの
処理を行うことで、膜の除去プロセスでのプロセス制御
が可能になる。更に、本研磨装置で、測定位置を特定し
てプローブ光を所望の測定位置へ測定点移動することに
より、半導体素子ウェハのパターン( 測定位置) によっ
て、研磨性(研磨速度、段差解消性、等のパターン依存
性)などに違いがある場合でも、常に所望の同じ測定位
置(ブロック)からのデータのみを選別して処理するこ
ともできる。また、様々な測定位置(ブロック)からの
データを測定位置(ブロック)毎に振り分けて個々に処
理することもできる。このようにして、様々なパターン
における膜厚管理が可能となる。
The measuring apparatus according to the present invention can be applied to a polishing apparatus for simultaneous (in-situ) measurement in which measurement is performed while performing a flattening step. FIG. 4 shows a polishing apparatus according to the present invention.
Reference numeral 21 denotes a polishing head for holding the wafer 1 having a pattern structure, reference numeral 20 denotes a polishing pad, reference numeral 19 denotes a surface plate on which the polishing pad is fixed, reference numeral 22 denotes an abrasive supply mechanism, reference numeral 23 denotes an abrasive, reference numeral 2 denotes an optical measuring unit, and reference numeral 6 denotes a signal. A processing unit 8 is a display unit. Wafer 1
Of the wafer 1 is pressed against the polishing pad 20, and a relative motion is given to the surface to be polished of the wafer 1 and the polishing pad 20 by respective driving mechanisms (only the example of the driving direction is indicated by an arrow). Polishing is performed while the abrasive 23 is supplied by the abrasive supply mechanism 22 between the processing surfaces of the pad 20. At this time, it is a preferable method to make a part of the polishing pad and the surface plate light-transmitting, and exchange probe light and reflected light therefrom. Since the semiconductor element wafer is constantly moving during polishing, the measurement position to be irradiated with the probe light is not generally determined, and signals from various measurement positions are continuously obtained. In such a case, by using the measuring apparatus of the present invention, by comparing the obtained signal with a reference value, the irradiation position is specified, the film thickness is obtained for each of the specified measurement positions, and the data is processed. This enables process control in the film removal process. Further, the present polishing apparatus specifies a measurement position and moves the probe light to a desired measurement position, thereby obtaining a polishing property (polishing speed, step-elimination property, etc.) depending on the pattern (measurement position) of the semiconductor element wafer. However, even when there is a difference in the pattern dependency, it is also possible to always select and process only data from the same desired measurement position (block). Also, data from various measurement positions (blocks) can be sorted for each measurement position (block) and processed individually. In this way, it is possible to control the film thickness in various patterns.

【0053】以上説明の研磨装置は、定盤および研磨パ
ッドに設けられた透光窓18を通過するプローブ光と反
射光により測定を行ったが、本発明は、更に、研磨中に
研磨パッドからはみだしたウェハ部分にプローブ光を照
射することによっても測定可能であることは言うまでも
ない。以上、本発明の測定装置及び方法を平坦化工程に
用いる研磨装置及び方法に適用する例を説明したが、本
発明の測定装置及び方法は半導体装置の他の製造プロセ
ス、例えば成膜工程あるいはエッチング工程にも好まし
く適用できることは言うまでもない。
The above-described polishing apparatus performs measurement using probe light and reflected light that pass through the light transmitting window 18 provided on the surface plate and the polishing pad. Needless to say, the measurement can also be performed by irradiating the protruding wafer portion with the probe light. As described above, the example in which the measuring apparatus and the method of the present invention are applied to the polishing apparatus and the method for use in the flattening step has been described. However, the measuring apparatus and the method of the present invention may be applied to other manufacturing processes of a semiconductor device, for example, a film forming step or etching. Needless to say, it can be preferably applied to the process.

【0054】[0054]

【実施例】[実施例1]実際に6インチウェハ(基板)
上の半導体素子のSiO2 層間絶縁膜をCMP装置によ
って研磨し、その研磨終了点検出を試みた。その概略の
説明図は図6に示される。研磨した素子は、図7(a)
に示したようなA〜Fのブロック構造を持ち、各ブロッ
クは互いに異なるパターン密度のパターン種を有してい
る。プローブ光照射は、図4に示されるCMP装置を用
い、下面の研磨パッド20(エポキシ系)および、その
定盤19(いずれも600mm直径)に約1cm×4c
mの矩形孔を開け、パッド面と同一面に、石英の透光窓
18を設けた観測窓から行うこととした。透光窓の両面
にはウェハの接触等による傷の発生を防止するためのハ
ードコーティングまたはプローブ光の反射損失を低減さ
せるための反射防止膜の片方または両方が形成されてい
る。
[Example 1] Actual 6 inch wafer (substrate)
The SiO 2 interlayer insulating film of the above semiconductor element was polished by a CMP apparatus, and an end point of the polishing was detected. The schematic explanatory diagram is shown in FIG. The polished element is shown in FIG.
Has a block structure of A to F as shown in FIG. 1, and each block has a pattern type having a different pattern density from each other. The probe light irradiation is performed by using a CMP apparatus shown in FIG. 4 and polishing the polishing pad 20 (epoxy) on the lower surface and the platen 19 (both with a diameter of 600 mm) of about 1 cm × 4 c.
A rectangular hole of m was formed, and the observation was performed from an observation window provided with a quartz light transmitting window 18 on the same surface as the pad surface. One or both of a hard coating and an anti-reflection film for reducing reflection loss of probe light are formed on both surfaces of the light-transmitting window to prevent scratches due to wafer contact or the like.

【0055】光学測定部は、図3に示すように、キセノ
ンランプ9を光源とする光を可変径絞り10を通して空
間コヒーレンス長さを完全にパターン間干渉する条件に
調整し、更に視野絞り34を調整し、0.5mmのスポ
ット径のプローブ光をウェハ1面に垂直入射させ、その
反射光をピンホール通過後(散乱光、1次以上の回折光
を除去し)、回折格子16で波長分解し、異なった方向
に異なった波長の光が向かうようにして、光ダイオード
型のリニアセンサ(512素子)17で検出する形とし
た。測定波長範囲は約400nmから800nmであ
る。更に、測定信号波形を参照値と比較しながら絞り1
0を調節してプローブ光が完全にパターン干渉をするよ
うにした。リニアセンサから出力された信号は、信号処
理部を具えたパソコンで処理される。信号処理に先立っ
て、キセノンランプの劣化、リニアセンサの感度低下、
等に起因する信号強度の大きさの変動を正規化するため
に、予め測定された光源光の分光強度情報が、処理時の
係数として用いられる。
As shown in FIG. 3, the optical measuring section adjusts the light using the xenon lamp 9 as a light source through the variable-diameter diaphragm 10 so that the spatial coherence length completely interferes with the pattern. After adjustment, the probe light having a spot diameter of 0.5 mm is perpendicularly incident on the surface of the wafer 1, and the reflected light passes through a pinhole (scattered light, first-order or more diffracted light is removed), and the wavelength is resolved by the diffraction grating 16. Then, the light was detected by the photodiode-type linear sensor (512 elements) 17 so that light of different wavelengths was directed in different directions. The measurement wavelength range is about 400 nm to 800 nm. Further, while comparing the measurement signal waveform with the reference value,
By adjusting 0, the probe light completely caused pattern interference. The signal output from the linear sensor is processed by a personal computer having a signal processing unit. Prior to signal processing, xenon lamp deterioration, linear sensor sensitivity reduction,
In order to normalize the fluctuation of the magnitude of the signal intensity due to the above-mentioned factors, the previously measured spectral intensity information of the light source light is used as a coefficient at the time of processing.

【0056】研磨は、シリカ粒をアルカリ溶媒に分散さ
せた研磨剤(スラリー)を用い、約100g/cm2
研磨圧で行った。スラリー介在による光量への影響(主
に散乱損失)は1%以下であった。ウェハの半導体素子
表面上のSiO2 層間絶縁膜は、プラズマCVDによっ
て約1000nmの厚みに形成されている。このSiO
2 層間絶縁層を研磨して除去し、ブロックAで約500
nmの残膜厚で研磨終了させる研磨を行うこととした。
ここで、予め、図7で示される各ブロックA〜Fのパタ
ーン密度は顕微鏡観察された画像からの計算により取得
されている。このパターン密度と、下層の膜厚、屈折
率、及び吸収係数、等の情報を用い、SiO2 層間絶縁
層の膜厚を1020nmから480nmまでの範囲で5nm
のピッチ毎に分光反射率を事前にシミュレーション計算
した。計算値は、1ブロックにつき109個、トータル
で654個であり、これらをデータテーブルとして内部
メモリーに格納しておいた。これら654個のデータ
が、図1のステップS8に於けるk組の参照値に対応す
る。
The polishing was performed at a polishing pressure of about 100 g / cm 2 using an abrasive (slurry) in which silica particles were dispersed in an alkaline solvent. The effect on the light quantity (mainly scattering loss) due to the presence of the slurry was 1% or less. The SiO 2 interlayer insulating film on the semiconductor element surface of the wafer is formed to a thickness of about 1000 nm by plasma CVD. This SiO
2 The interlayer insulating layer is polished and removed.
Polishing to finish polishing with a remaining film thickness of nm is performed.
Here, the pattern density of each of the blocks A to F shown in FIG. 7 has been obtained in advance by calculation from an image observed with a microscope. Using this pattern density and information such as the thickness of the lower layer, the refractive index, and the absorption coefficient, the thickness of the SiO 2 interlayer insulating layer is set to 5 nm in the range from 1020 nm to 480 nm.
The simulation was performed in advance to calculate the spectral reflectance for each pitch. The calculated values are 109 per block, 654 in total, and these are stored in the internal memory as a data table. These 654 pieces of data correspond to k sets of reference values in step S8 in FIG.

【0057】ウェハ、研磨パッドを共に60rpm の回転
数で研磨を行いながら、透光窓18より信号(分光反射
率データ)を取得した。本例においては、信号取得時間
は、1点の信号取得に対して約2msecであって、定
盤19が一回転する間に、8点の測定を行う。フィッテ
ィングのためにこの8点分の信号に対するデータを事前
に格納されているブロック毎のデータと比較した。比較
のために信号波形と各参照値との相互相関係数を計算
し、最も相互相関係数の値が最も大きいときの参照値を
決定し、測定位置のパターン種と膜厚を決定する。その
判別の様子を図7に示す。相互相関係数が、所定の値に
満たないものは、ウェハのエッジ、等の測定に不適当な
部分からの信号と考えて解析データから除く。8点の各
データに対する、以上説明した相互相関係数の計算、測
定位置のパターン種と膜厚の決定は、次の信号取得(一
般には、定盤が1回転後、研磨パッドの透光窓が再びウ
ェハの下に来るタイミング)迄に行われる。
While polishing both the wafer and the polishing pad at a rotation speed of 60 rpm, a signal (spectral reflectance data) was obtained from the light transmitting window 18. In this example, the signal acquisition time is about 2 msec for signal acquisition of one point, and measurement of eight points is performed while the surface plate 19 makes one rotation. For the fitting, the data for the eight signals was compared with the data for each block stored in advance. The cross-correlation coefficient between the signal waveform and each reference value is calculated for comparison, the reference value when the value of the cross-correlation coefficient is the largest is determined, and the pattern type and the film thickness at the measurement position are determined. FIG. 7 shows the state of the determination. If the cross-correlation coefficient is less than a predetermined value, it is considered as a signal from an unsuitable portion for measurement such as a wafer edge, and is excluded from the analysis data. The above-described calculation of the cross-correlation coefficient and determination of the pattern type and the film thickness of the measurement position for each of the eight data points are performed by the following signal acquisition (generally, after one rotation of the platen, the light transmission window of the polishing pad). Is again under the wafer).

【0058】こうして、研磨中に信号波形と最も良い相
互相関係数を示す参照値のパターン種と膜厚を次々に決
定し、これら各パターン種と各膜厚を、対応するそれぞ
れのブロックに振り分け、各ブロック毎の膜厚の推移を
同時に(in-situ で)測定したところ、ブロックA換算
で目標の残膜厚500nm に達したので、研磨終了し
た。このウェハのブロックAの膜厚を実際に断面のSE
M観察により測定したところ、目標残膜厚の約3%の誤
差の範囲内にあり、本実施例により工程終了点の検知が
出来ることが確認できた。 [実施例2]本実施例では実施例1で行った分光反射率
のシミュレーション計算の替わりに、最終目標膜厚(5
00nm)に研磨したダミーウェハの図7(a)で示され
る各ブロックA〜Fにおける分光反射率(トータル6
個)を実測し、同じくデータテーブルとして格納した。
そして、ブロックF(ブランク部)で約500nmの残
膜厚で研磨終了させる研磨を行うこととした。この他の
実験条件は全て実施例1と同様であった。
In this way, during polishing, the pattern type and the film thickness of the reference value showing the best cross-correlation coefficient with the signal waveform are successively determined, and these pattern types and the film thicknesses are allocated to the corresponding blocks. When the change in the film thickness of each block was measured simultaneously (in-situ), the target remaining film thickness reached 500 nm in terms of block A, and polishing was completed. The film thickness of the block A of this wafer is actually
When measured by M observation, it was within an error of about 3% of the target remaining film thickness, and it was confirmed that the process end point can be detected by this example. [Embodiment 2] In this embodiment, instead of the simulation calculation of the spectral reflectance performed in Embodiment 1, the final target film thickness (5
(Nm) of each of the blocks A to F shown in FIG.
Were measured and stored as a data table.
Then, polishing for terminating the polishing with the remaining film thickness of about 500 nm in the block F (blank portion) is performed. All other experimental conditions were the same as in Example 1.

【0059】研磨を進行し、時間管理によって、工程終
了点が近づいたところで、信号の取得を開始し、事前に
格納されている最終目標残膜厚(500nm)に対応する
波形と比較するために相互相関係数の計算を始めた。パ
ターンF換算での残膜厚500nmでの相互相関係数が
基準値を超えたところで研磨を終了して、このウェハの
ブロックFの膜厚を実際にエリプソメトリー法により測
定したところ、目標研磨厚の約3%の誤差の範囲内にあ
り、本実施例により工程終了点の検知が出来ることが確
認できた。本実施例によりシミュレーション計算の労力
を省くことができ、更にフィッティング計算の量を減ら
すことが出来るので、より高速にパターン種の特定がで
きるようになった。
As the polishing progresses and the end point of the process is approached by time management, signal acquisition is started and compared with a waveform corresponding to a final target remaining film thickness (500 nm) stored in advance. The calculation of cross-correlation coefficient was started. Polishing was terminated when the cross-correlation coefficient at a residual film thickness of 500 nm in terms of the pattern F exceeded a reference value, and the film thickness of the block F of this wafer was actually measured by ellipsometry. This is within an error range of about 3%, and it was confirmed that the process end point can be detected by this example. According to the present embodiment, the labor of the simulation calculation can be saved and the amount of the fitting calculation can be reduced, so that the pattern type can be specified more quickly.

【0060】以上実施例1、2により簡便、高精度、高
速、且つ同時に(in-situ で)、測定位置従ってその測
定位置のパターン種を特定でき、且つ膜厚を測定し、工
程終了点の検知(測定)が可能であることが確認でき
た。
As described above, according to the first and second embodiments, the measurement position and the pattern type at the measurement position can be specified simply, with high accuracy, at high speed, and simultaneously (in-situ), and the film thickness is measured. It was confirmed that detection (measurement) was possible.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、半導体素
子ウェハの測定にあたって、半導体素子ウェハがパター
ン構造を有していても、またパターン種が複数であって
も、更にSTI工程のウェハでも、バリアメタルがある
場合の工程のウェハでもプローブ光の調整と適切な光学
系配置と的確なシミュレーション計算技術により、簡
便、高精度、高速、必要に応じては且つ同時に(in-sit
u で)、測定位置のパターン種を特定でき、且つ膜厚を
測定することができ、工程終了点の検知(測定)が可能
であり、工程制御を行うことができる。更に、以上の測
定が可能で、高精度で簡便に終点検出可能な研磨装置及
び研磨方法を提供することが出来る。
As described above, according to the present invention, in the measurement of a semiconductor device wafer, even if the semiconductor device wafer has a pattern structure or a plurality of pattern types, the wafer in the STI step However, even in the case of a process in which there is a barrier metal, the adjustment of probe light, the appropriate optical system arrangement, and the accurate simulation calculation technology enable simple, high-precision, high-speed, as needed and simultaneously (in-sit
u), the pattern type at the measurement position can be specified, the film thickness can be measured, the end point of the process can be detected (measured), and the process can be controlled. Further, it is possible to provide a polishing apparatus and a polishing method capable of performing the above-mentioned measurement, detecting an end point with high accuracy and easily.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】は本実施形態の測定装置の動作を示すフローチ
ャートである。
FIG. 1 is a flowchart showing an operation of the measuring device of the present embodiment.

【図2】は本実施形態の測定装置の概要を示す概要図で
ある。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of the measuring device of the present embodiment.

【図3】は図2の測定装置の光学測定部2の一例の詳細
図である。
FIG. 3 is a detailed view of an example of an optical measuring section 2 of the measuring apparatus of FIG.

【図4】は本発明の研磨装置を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a polishing apparatus of the present invention.

【図5】はパターン密度の概念を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the concept of pattern density.

【図6】は実施例1、2を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining Examples 1 and 2;

【図7】(a)は実施例1、2の半導体素子のチップの
図であり、このチップは、A、B、C、D、E、及びF
の各ブロックで区分された各パターン種を有している。
(b)は実施例1、2の一回の信号取得時間で得られた
信号の振り分けの様子を示す。
FIG. 7A is a diagram of a chip of a semiconductor element of Examples 1 and 2, and this chip includes A, B, C, D, E, and F;
Each pattern type is divided by each block.
(B) shows the distribution of signals obtained in one signal acquisition time in the first and second embodiments.

【図8】はバリアメタル層がある場合の研磨を説明する
図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating polishing when a barrier metal layer is present.

【図9】はSTI工程を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an STI process.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板(ウェハ) 2 光学測定部 3 プローブ光 4 反射光 5 信号 6 信号処理部 7 測定値の信号 8 表示部 9 光源(キセノンランプ) 10 空間コヒーレンス長さ制御部(可変径絞り) 11 光学レンズ 12 ビームスプリッター 13 光学レンズ 14 ミラー 15 光学レンズ 16 分光部(回折格子) 17 光検出部 18 透光窓 19 定盤 20 研磨パッド 21 研磨ヘッド 22 研磨剤供給機構 23 研磨剤 24 ウェハ 25 熱酸化膜 26 電極層 27 反射防止膜 28 誘電体層 29 パターン面 30 測定位置(プローブ光スポット) 31 研磨パッド回転方向 32 研磨パッド揺動方向 33 チップ 34 プローブ光口径調整部(視野絞り) 35 0次光抽出部(絞り) 36 Cu層 37 バリアメタル層 38 SiO2 層 39 Six N層 40 Si 41 トレンチ 42 Six N層層の除去膜厚 43 SiO2 絶縁層の除去膜厚 130光学レンズ A パターン部 B 非パターン部 T1 Six N層の残膜厚 T2 SiO2 絶縁層42の残膜厚DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate (wafer) 2 Optical measurement part 3 Probe light 4 Reflected light 5 Signal 6 Signal processing part 7 Measurement value signal 8 Display part 9 Light source (xenon lamp) 10 Spatial coherence length control part (variable diameter stop) 11 Optical lens REFERENCE SIGNS LIST 12 beam splitter 13 optical lens 14 mirror 15 optical lens 16 spectral part (diffraction grating) 17 light detecting part 18 light-transmitting window 19 surface plate 20 polishing pad 21 polishing head 22 abrasive supply mechanism 23 abrasive 24 wafer 25 thermal oxide film 26 Electrode layer 27 Antireflection film 28 Dielectric layer 29 Pattern surface 30 Measurement position (probe light spot) 31 Polishing pad rotation direction 32 Polishing pad swinging direction 33 Chip 34 Probe light diameter adjustment unit (field stop) 35 0th-order light extraction unit (Aperture) 36 Cu layer 37 Barrier metal layer 38 SiO 2 layer 39 Six N layer 4 0 Si 41 Trench 42 Removed film thickness of Six N layer layer 43 Removed film thickness of SiO 2 insulating layer 130 Optical lens A Pattern portion B Non-pattern portion T 1 Six N Remaining film thickness of N layer T 2 SiO 2 Remaining insulating layer 42 Film thickness

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表面にパターン構造を有する基板面に複数
の波長成分を有するプローブ光を照射する段階と、前記
基板面から反射または透過した光から信号光を抽出する
段階と、前記信号光の信号波形を取得する段階と、前記
信号波形と計算または予め測定した参照値との比較を行
うことにより、基板内の測定位置(プローブ光照射位
置)の特定を行う段階とを具えることを特徴とする測定
方法。
A step of irradiating a substrate surface having a pattern structure on its surface with probe light having a plurality of wavelength components; extracting signal light from light reflected or transmitted from the substrate surface; Obtaining a signal waveform, and identifying a measurement position (probe light irradiation position) in the substrate by comparing the signal waveform with a calculated or previously measured reference value. Measurement method.
【請求項2】前記参照値の計算が、パターン密度をパラ
メータとして行われることを特徴とする請求項1記載の
測定方法。
2. The method according to claim 1, wherein the calculation of the reference value is performed using a pattern density as a parameter.
【請求項3】更に、前記抽出された信号光がプローブ光
の反射または透過光の正反射成分(0次光)のみを含
み、1次以上の回折光成分を含まないことを特徴とする
請求項1〜2何れか1項記載の測定方法。
3. The method according to claim 1, wherein the extracted signal light includes only a regular reflection component (0-order light) of the reflected or transmitted light of the probe light and does not include a first-order or higher-order diffracted light component. Item 3. The measurement method according to any one of Items 1 to 2.
【請求項4】更に、前記プローブ光の空間コヒーレンス
長さが、制御される段階を具えることを特徴とする請求
項1〜3何れか1項記載の測定方法。
4. The method according to claim 1, further comprising the step of controlling the spatial coherence length of the probe light.
【請求項5】前記プローブ光の前記照射面でのスポット
径が、前記パターン構造を構成するパターンの最小単位
の寸法よりも大きく、ブロックの寸法よりも小さいこと
を特徴とする請求項1〜4何れか1項記載の測定方法。
5. A spot diameter of the probe light on the irradiation surface is larger than a minimum unit size of a pattern constituting the pattern structure and smaller than a block size. The measurement method according to claim 1.
【請求項6】前記空間コヒーレンス長さが、完全にパタ
ーン干渉する条件か、全くパターン干渉しない条件に調
整されることを特徴とする請求項4〜5何れか1項記載
の測定方法。
6. The measuring method according to claim 4, wherein the spatial coherence length is adjusted to a condition for completely pattern interference or a condition for no pattern interference at all.
【請求項7】前記プローブ光が前記基板面に垂直に照射
されることを特徴とする請求項1〜6何れか1項記載の
測定方法。
7. The measuring method according to claim 1, wherein said probe light is irradiated on said substrate surface perpendicularly.
【請求項8】前記比較が、相互相関係数、自己相関係
数、及び最小二乗法から選ばれた少なくとも一つを用い
て行われることを特徴とする請求項1〜7何れか1項記
載の測定方法。
8. The method according to claim 1, wherein the comparison is performed using at least one selected from a cross-correlation coefficient, an auto-correlation coefficient, and a least squares method. Measurement method.
【請求項9】更に、前記計算または予め測定した参照値
を、予めデータテーブルとして格納しておく段階を具え
ることを特徴とする請求項1〜8何れか1項記載の測定
方法。
9. The method according to claim 1, further comprising the step of storing the calculated or pre-measured reference value as a data table in advance.
【請求項10】更に、前記特定結果を基に、所望の測定
位置への測定点移動を行う段階を具えることを特徴とす
る請求項1〜9何れか1項記載の測定方法。
10. The measuring method according to claim 1, further comprising the step of moving a measuring point to a desired measuring position based on the specified result.
【請求項11】更に、前記特定または前記測定点移動さ
れた各測定位置に対して前記基板面の膜の膜厚を測定す
る段階を具えることを特徴とする請求項1〜10何れか
1項記載の測定方法。
11. The method according to claim 1, further comprising the step of measuring a film thickness of the film on the substrate surface at each of the measurement positions shifted to the specified or the measurement point. Measurement method described in the section.
【請求項12】更に、前記膜が成膜工程または除去工程
に置かれている場合に、前記各測定位置に対して、各膜
厚推移を測定する段階を具えることを特徴とする請求項
11記載の測定方法。
12. The method according to claim 11, further comprising a step of measuring a change in film thickness for each of said measurement positions when said film is placed in a film forming step or a removing step. 12. The measuring method according to 11.
【請求項13】前記基板が、表面にパターン構造を有す
る半導体素子のウェハであり、前記測定が、半導体装置
製造工程における、ウェハ上の絶縁層または電極層の成
膜工程または除去工程に於ける測定であり、更に工程終
了点を測定(検知)する段階を具えることを特徴とする
請求項11〜12何れか1項記載の測定方法。
13. The method according to claim 13, wherein the substrate is a wafer of a semiconductor element having a pattern structure on a surface, and the measurement is performed in a film forming step or a removing step of an insulating layer or an electrode layer on the wafer in a semiconductor device manufacturing process. 13. The method according to claim 11, further comprising the step of measuring (detecting) a process end point.
【請求項14】前記除去工程が、前記プローブ光に対し
て透明な少なくとも2種類以上の層を同時に研磨する段
階を具えることを特徴とする請求項13記載の測定方
法。
14. The measuring method according to claim 13, wherein said removing step comprises a step of simultaneously polishing at least two or more types of layers transparent to said probe light.
【請求項15】前記除去工程が、STI(Shallow Tren
ch Isolation) を目的とする工程であることを特徴とす
る請求項14記載の測定方法。
15. The method according to claim 15, wherein the removing step is STI (Shallow Tren).
The method according to claim 14, wherein the step is a step for the purpose of (Ch Isolation).
【請求項16】前記参照値の計算が予めディッシング量
を補正した膜厚に対して行われることを特徴とする請求
項14、15何れか1項記載の測定方法。
16. The measuring method according to claim 14, wherein the calculation of the reference value is performed for a film thickness whose dishing amount has been corrected in advance.
【請求項17】前記除去工程が、前記プローブ光に対し
て不透明または半透明な少なくとも2種類以上の層を同
時に研磨する段階を具えることを特徴とする請求項13
記載の測定方法。
17. The method according to claim 13, wherein said removing step comprises a step of simultaneously polishing at least two or more layers opaque or translucent to said probe light.
The measurement method described.
【請求項18】前記2種類以上の層が、Cu層とバリア
メタル層を含むことを特徴とする請求項17記載の測定
方法。
18. The method according to claim 17, wherein said two or more types of layers include a Cu layer and a barrier metal layer.
【請求項19】基板面に複数の波長成分を有するプロー
ブ光を照射し、前記基板面から反射または透過した光か
ら抽出される信号光から信号波形を取得する光学測定部
と、前記信号波形と予め計算または予め測定した波形と
の比較を行うことにより基板内の測定位置(プローブ光
照射位置)の特定を行う機能を少なくとも有する信号処
理部とを具え、且つ請求項1〜18何れか1項記載の測
定方法により測定を行うことを特徴とする測定装置。
19. An optical measurement section for irradiating a substrate surface with probe light having a plurality of wavelength components and acquiring a signal waveform from signal light extracted from light reflected or transmitted from the substrate surface; 19. A signal processing unit having at least a function of specifying a measurement position (probe light irradiation position) in the substrate by performing comparison with a waveform calculated or measured in advance, and a signal processing unit, and any one of claims 1 to 18. A measuring apparatus characterized in that the measurement is performed by the measuring method described in the above.
【請求項20】前記基板が、表面にパターン構造を有す
る半導体素子のウェハであり、前記測定が、半導体装置
製造工程における、ウェハ上の絶縁層または電極層の成
膜工程または除去工程に於ける測定であり、更に工程終
了点の測定(検知)を行うことを特徴とする請求項19
記載の測定装置。
20. The method according to claim 20, wherein the substrate is a wafer of a semiconductor element having a pattern structure on a surface, and the measurement is performed in a step of forming or removing an insulating layer or an electrode layer on the wafer in a semiconductor device manufacturing process. 20. The method according to claim 19, wherein the measurement is a measurement and a measurement (detection) of a process end point is performed.
The measuring device as described.
【請求項21】表面にパターン構造を有し、最表面層に
絶縁層または電極層を有する半導体素子のウェハを研磨
する方法であって、前記ウェハと研磨パッドとの間に研
磨剤を介在させた状態で、前記研磨パッドと前記ウェハ
とを相対移動させることにより、前記ウェハの前記絶縁
層または前記電極層を研磨する段階と、請求項13〜1
8何れか1項記載の測定方法により膜厚または工程終了
点の測定(検知)を行う段階とを具えることを特徴とす
る研磨方法。
21. A method of polishing a semiconductor device wafer having a pattern structure on the surface and having an insulating layer or an electrode layer on the outermost layer, wherein an abrasive is interposed between the wafer and the polishing pad. And polishing the insulating layer or the electrode layer of the wafer by moving the polishing pad and the wafer relative to each other in a state where the polishing pad is in an inclined state.
8. A step of measuring (detecting) a film thickness or a process end point by the measuring method according to any one of 8.
【請求項22】請求項20記載の測定装置と、研磨パッ
ドと、最表面層に絶縁層または電極層を有する半導体素
子のウェハを保持する研磨ヘッドとを具え、前記研磨パ
ッドと前記ウェハとの間に研磨剤を介在させた状態で、
前記研磨パッドと前記ウェハとを相対移動させることに
より、前記ウェハの前記絶縁層または前記電極層を研磨
し、且つ前記測定装置が前記絶縁層または前記電極層の
測定または前記研磨の工程終了点の測定(検知)を行う
ことを特徴とする研磨装置。
22. A polishing apparatus comprising: the measuring device according to claim 20; a polishing pad; and a polishing head for holding a wafer of a semiconductor element having an insulating layer or an electrode layer on the outermost surface layer. With an abrasive between them,
By relatively moving the polishing pad and the wafer, the insulating layer or the electrode layer of the wafer is polished, and the measuring device measures the insulating layer or the electrode layer or the end point of the polishing process. A polishing apparatus for performing measurement (detection).
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