JP2001260016A - 研磨状態測定装置及び測定方法及び研磨装置及び半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体デバイス等の製造プロセスの半導体
ウェハのＣＭＰ工程にて研磨終了点や膜厚を光学的に測
定する測定装置は、研磨中、例えばＣｕ層を研磨するＣ
ｕプロセスの際に、研磨剤の光学的性質が研摩の進行と
共に変化するために、高精度な測定ができなかった。こ
の問題を解決することである。 【解決手段】本発明の測定装置は、ウェハの研磨中に、
ウェハ面にプローブ光を照射する光源と、この信号光を
受光する光検出器と、この光検出器から出力する光信号
を研磨剤の変化する光学特性のデータにより補正する光
信号補正手段と、を具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置、例え
ば、半導体素子形成や、磁気ヘッド形成などの研磨プロ
セスに於いて研磨状態を測定する測定装置及び測定方法
及び研磨装置及び半導体デバイス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化は限界を見せ
ず進展を続けており、高密度実現のため、種々な技術、
方法の開発が進められている。その一つが、多層配線で
あり、これに伴う技術的課題に、半導体ウェハ上のグロ
ーバルな（比較的大きなエリアでの）デバイス面の平坦
化および、上下層間の配線がある。

【０００３】リソグラフィ工程の露光波長の短波長化、
更には高ＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ）
に伴う露光時の焦点深度短縮を考慮すると、少なくとも
露光エリア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、多層配線実現のために金属電極層の埋め
込みであるいわゆる象嵌（プラグ、ダマシン）の要求も
大きく、この場合、金属層の積層後の余分な金属層の除
去及び平坦化を行わなければならない。これらの、大き
なエリアでの効率的な平坦化技術として注目を集めてい
るのが、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰ（Ch
emical Mechanical Polishing またはPlanarization ）
は、物理的研磨作用と化学的な研磨作用（研磨剤の溶液
による溶かし出し）とを併用して、ウェハーの表面層を
除いていく工程で、グローバル平坦化および、電極形成
技術の最有力な候補となっている。具体的には、酸、ア
ルカリなどの被研磨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、適当な研磨パッド
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。ウェハ全面において、加圧と
相対運動速度を一様とすることで面内に一様な研磨が可
能になる。

【０００４】この工程の一般的な要求課題の大きなもの
として、研磨工程の終了点の検知がある。ことに、研磨
工程を行いながらの（in-situ の）研磨終了点の検出
は、工程効率化のためにも要請が大きい。

【０００５】検出方法のひとつとして、目的研磨層と異
なった層へ研磨が進んだときの摩擦変動を、ウェハ回転
やパッドの回転のモータートルクの変化によって検出す
る方法が用いられている。この方法は、異なる層の研磨
開始を検知する金属層の研磨時等に有効な場合もある
が、ある種の電極金属層（バリアメタル層をもったＣｕ
層など）の研磨の際の検出に対しては有効でないことが
指摘され、しかも精度の上で不十分である。更に、研磨
パッドの表面の機械的性質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。

【０００６】以上の問題を解決した、汎用性が高く、且
つ測定精度が高い研磨終了点検出装置として光学的検出
装置が知られている。図１１は従来の研磨終了点検出装
置を示す。図１０はこの研磨終了点検出装置のＣＭＰ装
置への取り付け状態の概要を示したものである。図１０
にて３０は研磨パッド、３１は定盤、３３は研磨対象物
保持部( ホルダ) 、４は研磨対象物( ウェハ）、３５は
研磨剤供給部、３６は研磨剤（スラリー）である。研磨
パッド３０としては、発泡ポリウレタンよりなるシート
状のもの、あるいは表面に溝構造を有した無発泡樹脂か
らなるものが使用されている。ホルダ３３は、不図示の
加圧手段によりウェハ４を研磨パッド３０に加圧すると
ともに、不図示の手段により軸Ａを中心に矢印１００の
方向に回転し、また定盤３１は不図示の手段により軸Ｂ
を中心に矢印１０１の方向に回転する。更に軸Ａは、軸
Ｂに直線的に近づいたり離れたりという揺動をする。こ
れらの過程でウェハ４は、研磨剤３６と研磨パッド３０
の化学的作用と機械的作用によりその被研磨面が研磨さ
れる。

【０００７】上記研磨過程中に、ウェハ表面が所定量研
磨されて平坦化したかどうかを、研磨終了点測定装置８
０が測定する。図１０において８０は測定装置、２３は
上記プローブ光と反射信号光が透過するための透光窓で
ある。この測定のために測定装置８０から出射したプロ
ーブ光は透光窓２３を透過してウェハ４の被研磨面に照
射され、被研磨面からの反射信号光は透光窓２３を逆向
きに透過して研磨終了点測定装置により検出される。反
射信号光強度は残膜厚に依存し、反射信号光強度を測定
すれば残膜厚を求めることができるのである。

【０００８】図１１は、図１０の研磨終了点測定装置８
０の概要を示したものである。図１１にて１１０は光
源、２００、２１０はレンズ、１２０はビームスプリッ
タ、２２０はレンズ、４はウェハ、２３０はレンズ、１
３０は光検出器、３００は信号処理装置である。光源１
１０を出射したプローブ光はレンズ２００、２１０およ
びビームスプリッタ（以下、ＢＳと呼ぶ）１２０を透過
する。ＢＳ１２０を透過したプローブ光はレンズ２２０
を透過し、ウェハ４にほぼ垂直に入射する。ウェハ４で
反射された反射信号光はレンズ２２０を透過し、ＢＳ１
２０でその反射光の一部が反射される。ＢＳ１２０で反
射された信号光はレンズ２３０で集光され、光検出器１
３０に入射する。光検出器１３０で反射信号光は光電変
換され、反射光信号として信号処理装置３００に入力
し、信号処理され研磨状態が求められる。いま金属電極
膜の埋め込みのための金属電極薄膜の研磨工程を考える
と、金属電極薄膜積層後の余分な金属薄膜が研磨により
除去されていくため、金属薄膜表面からの反射光は小さ
くなっていく。余分な金属薄膜が除去されると金属電極
薄膜の面積は変化しなくなるため、反射信号光の強度も
変化しなくなる。このような反射信号光の強度変化をモ
ニタすることで、ウェハの研磨終点の検出を行うことが
出来る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上に説明したようなＣ
ＭＰ装置における研磨終了点を研磨中に光学的に検知す
る測定装置は、開発が進められてはいるが、様々なプロ
セスへのＣＭＰプロセスの適用が進展し、ＣＭＰプロセ
スが多様化するにつれ、新たな問題が生じて来ている。

【００１０】そのうちの一つが、研磨剤の物性変動であ
る。工程が化学反応を利用しているＣＭＰプロセスで
は、研磨剤中のイオン成分が変化することなどにより、
研磨剤の光学的性質が研摩の進行と共に変化する。例え
ば、Ｃｕプロセスにて、Ｃｕ層が研磨され、Ｃｕイオン
が研磨剤中に溶け出すと、研磨剤が緑色を呈するように
なることである。

【００１１】このような研磨剤の光学的性質の変化は、
研磨剤の層を通してプローブ光や反射信号光をやり取り
している測定装置において反射信号光の大きさを変化さ
せ、研磨状態を光学的に測定する際の大きな障害とな
る。ウェハ表面の反射光（や透過光）の変動から研磨状
態をモニタリングするのが光学的測定の基本的な原理で
あるので、研磨剤の光学的性質の変動は測定信号光にノ
イズとして働くからである。

【００１２】更に、プローブ光として白色光を用い、ウ
ェハ面からの反射光の分光特性から、研磨工程をモニタ
する測定装置は、その分光特性の極大や極小（いわゆる
ピークやボトム）を利用することが多々ある。すなわち
極大や極小の出現や消滅、出現した極大または極小波長
の移動量、出現した極大値または極小値の変化量などで
ある。このような場合は、研磨剤の光学特性の変化は、
以上のような分光特性の極大や極小の測定に対するノイ
ズとなることは明白である。

【００１３】本発明の目的は、以上のような研磨剤の光
学的性質の変動があっても、高精度にまた安定的に研磨
状態を測定できる測定装置、及び測定方法、更には高精
度且つ高歩留り、または安価に研磨できる研磨装置、ま
た更には高品質または低コストな半導体デバイス製造方
法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため本発明では、第
一に、表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に
研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物
とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一
部を研磨により除去する際に、プローブ光を被研磨面で
ある前記薄膜上に照射して得られる反射信号光または透
過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化により
研磨状態を測定する装置であり、前記プローブ光を発す
る光源と、前記信号光を受光する光検出器と、前記光検
出器から出力する光信号を前記研磨剤の変化する光学特
性のデータにより補正する光信号補正手段と、を具える
ことを特徴とする測定装置を提供する。

【００１５】ここで、前記光検出器から出力する光信号
を前記研磨剤の変化する光学特性により補正する光信号
補正手段とは、前記光信号を予め取得され記憶された研
磨剤の変化する光学特性を用いて補正する手段、また
は、前記光信号を研磨対象物を通過せず研磨剤を通過し
た参照信号との比較測定を行うことにより補正する手
段、等のことを言う。

【００１６】また、第２に、前記光信号補正手段が、予
め計測、または予測計算により取得された研磨剤の変化
する光学特性のデータを用いて、前記光信号を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の測定装置を提供する。

【００１７】また、第３に、前記研磨剤の変化する光学
特性のデータを、信号光計測の適時の参照値として使用
することにより前記補正を行うことを特徴とする請求項
１〜２何れか１項記載の測定装置を提供する。

【００１８】また、第４に、複数の研磨剤での工程を有
する場合に、各研磨剤の、変化する光学特性のデータを
経時的あるいは同時に用いることにより前記光信号を補
正することを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の
測定装置を提供する。

【００１９】また、第５に、前記光信号補正手段が、前
記信号光をブランク面からの参照信号光と比較測定する
ことにより、前記光信号を補正することを特徴とする請
求項１記載の測定装置を提供する。

【００２０】また、第６に、表面に薄膜を有する研磨対
象物と研磨体との間に研磨剤層を介在させた状態で前記
研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより
前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に研
磨状態を測定する装置であり、プローブ光を発する光源
と、前記プローブ光を前記研磨剤層に照射して得られる
反射信号光または透過信号光の何れか一方の信号光を受
光する光検出器とを具え、前記信号光の変化により研磨
状態を測定することを特徴とする測定装置を提供する。

【００２１】また、第７に、表面に薄膜を有する研磨対
象物と研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で前記研
磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前
記薄膜の全体または一部を研磨により除去しながら、プ
ローブ光を被研磨面である前記薄膜上に照射して得られ
る反射信号光または透過信号光の何れか一方または両方
の信号光の変化により研磨状態を測定する測定方法であ
り、前記反射信号光を光検出器により受光する段階と、
前記光検出器から出力する光信号を研磨剤の変化する光
学特性により補正する段階と、を具えることを特徴とす
る測定方法を提供する。

【００２２】また、第８に、表面に薄膜を有する研磨対
象物と研磨体との間に研磨剤層を介在させた状態で前記
研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより
前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に、
プローブ光を前記研磨剤層に照射して得られる反射信号
光または透過信号光の何れか一方の信号光の変化を検知
することにより研磨剤の光学的性質の変化を検出する段
階と、前記変化を検出することにより研磨状態を測定す
る段階と、を具えることを特徴とする研磨状態を測定す
る測定方法を提供する。

【００２３】また、第９に、基板を保持する保持部と、
研磨体と、請求項１〜６何れか１項記載の測定装置と、
を具え、前記基板と前記研磨体との間に研磨剤を介在さ
せた状態で、前記基板と前記研磨体との間に荷重を加
え、双方の間に相対運動を与えることにより基板を研磨
する際に、工程終了点の検知が可能なようにされたこと
を特徴とする研磨装置を提供する。

【００２４】また、第１０に、請求項９記載の研磨装置
を用いて半導体ウェハの表面を研磨する段階を具えるこ
とを特徴とする半導体デバイス製造方法を提供する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態１、２、
３、４を限定された図を用いて説明するが、本発明はこ
れらの図に示される範囲に限定されるものではない。 ［実施形態１］図４は本実施形態の測定装置を示し、図
３は、この測定装置が具える信号処理装置を示し、信号
処理装置１５は補正部１７、参照値記憶部２０、信号処
理部１９を具える。図５はこの測定装置の測定対象のＣ
ＭＰ装置を示す。図５のＣＭＰ装置自体は既に説明した
図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じであるので、冗長さ
を避けるために動作説明を省く。

【００２６】図４の測定装置にて、１は多波長成分光を
放射する光源であり、好ましくは白色光源であり、キセ
ノンランプやハロゲンランプを使用することが出来る。
また、白色ＬＥＤも使用可能である。光源１から出射し
たプローブ光はレンズ２、３およびビームスプリッタ
（以下ＢＳと呼ぶ）５を透過し、レンズ６でほぼ平行光
にされ、研磨剤（図５の研磨剤３６）を透過して、研磨
対象物（ウェハ）４に垂直に入射する。

【００２７】ここで、本発明の測定装置が測定対象とし
ているのは、特に、表面に薄膜またはパターンの片方ま
たは両方を有するウェハである。プローブ光のスポット
径は、ウェハの照射面に於いて、好ましくはパターンの
最小単位よりも大きくされる。この様子を半導体ウェハ
上の金属電極層５０の研磨を例に図６に示す。

【００２８】プローブ光はパターン面で反射し、その反
射信号光は再び研磨剤（図４の研磨剤３６）、レンズ６
を逆向きに透過し、ＢＳ５でその一部が反射される。
尚、ここでプローブ光と反射信号光は図５に示した透光
窓を透過し、透光窓には通常石英ガラスが嵌め込まれて
いる。ＢＳ５で反射された反射信号光はレンズ７でほぼ
平行光にされ、ミラー１４で反射され、レンズ９で絞り
１０の開口部に集光され、０次光のみが透過され、１次
以上の回折光は絞り１０のスクリーン部により遮断され
る。開口部を透過した０次の反射信号光はレンズ１１を
透過し、回折格子１２で分光され、異なる波長の光は異
なる角度に回折され、異なる角度に対応する複数の分離
された微小な光検出素子を具えたリニアセンサ１３に入
射することにより反射信号光の分光特性が検出される。

【００２９】ここで、検出される反射信号光は、図６に
より分かるように、デバイスを構成する積層薄膜の各層
の境界からの光波（図６のａ．ｂなど）および、各部分
からの反射光波（図６の１００、２００、３００）の重
ね合わせで生じた波長依存性（分光特性）を見せ、空間
コヒーレンス長、パターンの密度、パターンの精細度、
及び膜厚に依存した光干渉効果の結果、多数個の極大極
小値（ピ−ク）を持ったものとなる。この辺りの技術に
ついては特願平１１−２６８１２３に開示されている。
更に、ウェハ上で反射する信号光は、光検出器で受光さ
れる前に研磨剤を透過しているので、前に説明したよう
に、研磨の進行と共に変化するウェハ上のデバイスパタ
ーンの形状の変化に依存して変化すると共に、研磨剤の
光学的性質（その結果として透過率）の影響を受け、研
磨剤の光学的性質が変化する場合にはこの変化にも依存
して変化する。

【００３０】上記リニセンサ１３の出力である光信号
（分光反射率信号）は、図３に示される信号処理装置１
５に入力する。ここで信号処理装置１５は参照値を記憶
した参照値記憶部２０、光信号を補正する補正部１７、
補正された光信号から研磨状態を演算する信号処理部１
９を具える。補正部１７に入力する光信号１６は、参照
値記憶部２０から呼び出された参照値信号２１に基づい
て補正され、補正された光信号１８が信号処理部１９で
処理されて研磨状態が求められる。

【００３１】本発明は、以上のように、変化する研磨剤
の光学特性（その結果として透過率）の変化の影響を考
慮して反射信号光や透過信号光を解析し、研磨状態を測
定する。

【００３２】以下、光信号の補正方法について詳しく説
明する。

【００３３】本測定装置は、補正のために、研磨剤の物
性変化による光学特性変化の影響を除去するために、研
磨剤の変化する光学特性や分光特性のピークまたは谷の
データを事前に取得し、これを、光信号（この例では分
光反射率信号）の信号処理時に用いる。

【００３４】即ち、研磨剤の光学特性の変化は、例え
ば、化学的研磨作用により被研磨物から溶かし出された
イオンが研磨剤に混入することによって生じるので、そ
の変化の様子（研磨剤の分光特性や、分光特性中のピー
クや谷のデータ（どの波長に吸収ピークが現れるか、
等））は、事前に、実際に研磨を実行して、研磨剤の光
学特性の変化を予め追跡し、そのデータを測定により取
得して用意しておくことができる。また、この研磨剤の
光学特性の変化は、既知の、イオンの吸光度、等を用い
た理論予測によって事前に計算しておくこともできる。
この計算は、時間と共に変化する研磨剤による光吸収、
光散乱等の光学特性や、プローブ光を発する光源の放射
スペクトルや、レンズ等の光学素子の分光透過率特性
や、光検出器の分光感度特性、等の要素部品の特性を用
いて行われる。

【００３５】以上、事前に取得された研磨剤の光学特性
（即ち、分光特性、または分光特性中のピークまたは谷
の位置または高さデータの片方または両方）は、図３に
示された参照値記憶部２０に記憶されており、この研磨
剤の分光特性は、通常は、研磨対象物（ウェハ）の被研
磨面を反射せず、被研磨面の情報を持たない点でのみ分
光反射率信号と異なるものとしておくことが後の信号処
理を簡便にする点で好ましい。

【００３６】具体的な補正は、光信号と、事前に取得さ
れた参照値信号（即ち、分光特性信号、または分光特性
中のピークまたは谷の位置または高さ信号の片方または
両方）とを演算処理することにより行われる。更に具体
的には、分光反射信号光の光信号１６と、参照値記憶部
２０から呼び出された参照値信号２１とを比較すること
によって補正を行うことができる。

【００３７】好ましい補正方法の第一としては、例え
ば、補正部１７が、光信号１６を参照値信号２１で除算
することにより信号光１６の参照値信号２１に対する比
率を求める。更には、研磨の経過時間に対応した参照値
信号を次々と呼び出して前記比率を次々と演算する。こ
のようにすることにより、研磨剤の変化する光学特性が
相殺されるので、演算して補正された光信号を、変化す
る研磨剤の光学特性の影響を受けないで、測定対象のウ
ェハの表面情報のみの変化を反映したものとすることが
できる。この補正方法は以下実施例で詳しく説明され
る。

【００３８】好ましい補正方法の第二としては、例え
ば、補正部１７が、光信号１６から分光特性中のピーク
または谷の位置と高さを除去することにより補正する。
更には、研磨の経過時間に対応した分光特性のピークま
たは谷の位置と高さの信号を次々と呼び出して除去する
補正を行う。

【００３９】以上の第一、第二の方法、等の補正方法を
取ることにより、反射信号光の分光反射率中の極大や極
小（いわゆるピークや谷）の、出現や消失や高さ（強
度）の変化や波長位置の変化を正確に測定することがで
きるので、研磨状態の測定精度と安定性が向上する。

【００４０】この測定装置は、図８で示されるようなＣ
ｕ電極層を研磨するＣＭＰ工程中に見られるように、研
磨剤の光学的性質が経時的に変化する場合に有効に用い
られる。

【００４１】更にまた、図７に示すようにバリアメタル
を付随したＣｕ層のＣＭＰ工程などのように、Ｃｕ層２
６やＴｉＮ層２７の複数の層を研磨する場合は、各層に
適した異なる種類の研磨剤を用いる必要がある。この場
合には、その各研磨剤の各々の光学特性の経時変化デー
タを予め参照値として取得しておく。これらの各参照値
は、経時的に用いることも、異なる研磨剤を混合して用
いる場合のように、同時に組み合わせて用いることもあ
る。 ［実施形態２］本実施形態の測定装置は、実施形態１と
同様に、基本的には図４で概要が示される。実施形態１
の測定装置とは以下の点で異なる。図５には測定対象の
ＣＭＰ装置の概要が示される。図５のＣＭＰ装置自体は
図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じで説明済であるの
で、冗長さを避けるために動作説明を省く。

【００４２】照射プローブ光はレンズ６を透過後に研磨
対象物の薄膜またはパターンの片方または両方が形成さ
れた面に照射され、照射プローブ光の反射信号光がレン
ズ等光学部品を通って光検出器１３で検出され取得され
る点は実施形態１と同様である。本実施形態では、この
とき反射信号光のみでなく、研磨対象物の薄膜またはパ
ターンのどちらも形成されていない参照ブランク面から
の参照信号光も取得するのである。これは、ウェハ４が
研磨工程中に移動しているために、照射プローブ光が、
薄膜やパターンが形成されている研磨状態の測定対象面
に照射されることも、パターンが形成されていないブラ
ンク面に照射されることもあるために可能なことであ
り、この測定対象面に照射されているかブランク面に照
射されているかの判断のためにプローブ光の照射位置の
特定を行う。この特定技術については特願平１１−１８
９３８８に詳しく開示されている。

【００４３】この測定対象面からの反射信号光とブラン
ク面からの参照信号光は、相次いで光検出器１３で検出
され、信号処理装置１５で、この反射信号光の信号（反
射光信号）が参照信号光の信号により除算されることに
より反射光信号が補正され、この補正された反射光信号
が信号処理されることにより研磨状態が求められる。

【００４４】以上の説明では、反射信号光と参照信号光
とは異なるタイミングで取得されるが、図４の測定装置
の照射光学系を反射信号光と参照信号光用とに２系統設
けることにより、反射信号光と参照信号光とを同時に比
較測定することにより反射光信号の補正を行うことがで
きる。

【００４５】以上のように、演算して補正された光信号
は、研磨剤の変化する光学特性が相殺されているので、
変化する研磨剤の光学特性の影響を受けないで、測定対
象のウェハの表面情報のみの変化を反映したものとなっ
ており、研磨状態を正確に且つ安定に測定できる。

【００４６】以上実施形態１、２に於いて共通して、補
正された光信号は、信号処理装置で処理され、分光特性
の変化に基づいて研磨状態が測定される。 ［実施形態３］本実施形態の測定装置を図４に示す。図
５には測定対象のＣＭＰ装置の概要が示される。図５の
ＣＭＰ装置自体は図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じで
説明済であるので、冗長さを避けるために動作説明を省
く。

【００４７】本測定装置は、実施形態１、２の測定装置
とは異なり、研磨剤の光学特性変化そのものにより研磨
状態を測定する。このために、照射プローブ光は研磨剤
層に照射され、研磨剤層からの反射信号光が光検出器１
３により検出され、その研磨剤の光信号は信号処理装置
１５で処理される。この処理のために、事前にデータ取
りのための研磨が行われ、研磨の残膜厚と光信号との関
係が測定により取得されている。このデータの取得はイ
オン吸光度や散乱率を用い理論計算によって行っても良
い。このようにして各々の研磨剤独自のピークの変化等
を測定することにより研磨状態を測定することができ
る。

【００４８】以上の測定にあたって、反射信号光には研
磨剤層の情報のみが含まれ、ウェハの測定対象面である
薄膜やパターンからの信号成分は含まれないことが好ま
しい。そのために照射光がブランク面を照射しているこ
とを判定（特定）し、ブランク面のみからの反射光信号
を取得する。ブランク面を判定しないで測定できるよう
に、別に、ウェハとは別の研磨剤に接するように配置さ
れた測定用基板から反射光信号を取得しても良い。

【００４９】この方法は、ＣＭＰ工程を簡便にモニタ
し、工程進行の目安を得ることができる点で優れた方法
である。 ［実施形態４］図１２は、半導体デバイス製造プロセス
を示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロ
セスをスタートして、まずステップＳ２００で、次に挙
げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工
程を選択する。選択に従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２
０４のいずれかに進む。

【００５０】ステップＳ２０１はシリコンウェハの表面
を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶ
Ｄ、等によりシリコンウェハ表面に絶縁膜を形成するＣ
ＶＤ工程である。ステップＳ２０３はシリコンウェハ上
に電極膜を蒸着、等の工程で形成する電極膜形成工程で
ある。ステップＳ２０４はシリコンウェハにイオンを打
ち込むイオン打ち込み工程である。

【００５１】ＣＶＤ工程もしくは電極膜形成工程の後
で、ステップＳ２０９に進み、ＣＭＰ工程を行うかどう
かを判断する。行わない場合はステップＳ２０６に進む
が、行う場合はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２
０５はＣＭＰ工程であり、この工程では、本発明の研磨
装置を用いて層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの
表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene ）の形
成等が行われる。

【００５２】ＣＭＰ工程または酸化工程の後でステップ
Ｓ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程で
ある。フォトリソ工程では、シリコンウェハへのレジス
トの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウェハ
への回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウェハ
の現像が行われる。さらに次のステップＳ２０７は現像
したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、そ
の後レジスト剥離が行い、エッチングが済んで不要とな
ったレジストを取り除くエッチング工程である。

【００５３】次にステップＳ２０８で必要な全工程が完
了したかを判断し、完了していなければステップＳ２０
０に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ
上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全
工程が完了したと判断されればエンドとなる。

【００５４】本発明に係る半導体デバイス製造方法で
は、ＣＭＰ工程において本発明に係る測定装置を具えた
研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程での研磨終了点
の検知精度が向上することにより、ＣＭＰ工程での測定
精度が向上しまた歩留まりが向上する。これにより、従
来の半導体デバイス製造方法に比べて高品質且つ低コス
トで半導体デバイスを製造することができるという効果
がある。

【００５５】なお、図１２に示した半導体デバイス製造
プロセスの他の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工
程にも本発明を用いることが出来る。

【００５６】以上、実施形態１、２、３、４により本発
明を説明した。

【００５７】実施形態１、２、３で、図４により限定し
て表示された光学系を用いて本発明を説明したが、本発
明はこの光学系を用いる場合に限定されない。

【００５８】実施の形態１、２、３で、図４の測定装置
はプローブ光を半導体デバイスのパターン面側から照射
しているが、プローブ光はウェハの裏面側から照射する
ことも出来る。この場合、光源は赤外域での多波長成分
光源が必要になる。

【００５９】また、実施形態1 、2 、３の多波長成分の
光源１としては白色光源のように可視域で連続的に比較
的広いスペクトル範囲を有する光源であっても、比較的
半値幅の狭い複数のスペクトルの光を発光する光源であ
っても、赤外光源でも、紫外光源であっても良い。更に
は本発明は、分光しないで測定する場合のみならず、単
色光を発する光源で測定する場合も含まれる。

【００６０】また、実施形態1 、2 、３に於ける研磨状
態の測定とは、薄膜の残膜厚の測定、または研磨終了点
の測定の何れか一方または両方であり、図７で示したバ
リア層を有する金属層の研磨プロセスや図８で示した金
属層の研磨プロセスのみならず、図９に示す層間絶縁膜
の研磨プロセスにも適用可能である。

【００６１】さらにまた、実施形態１、２、３で説明し
た測定装置は、測定を図５のＣＭＰ装置の透光窓を通す
ことによって行っていたが、本発明はこの方法に限定さ
れるものではない。例えば、ウェハが研磨パッドと相対
運動を行う過程で、ウェハが研磨パッドの外側にずれて
飛び出した瞬間に測定することは好ましい方法である。
また研磨パッドがウェハよりも小さい研磨装置において
は、ウェハが研磨パッドからはみ出して露出している部
分に対して測定することもできる。

【００６２】

【実施例】実際に図４にその概要が示された測定装置
を、図５にその概要が示されたＣＭＰ装置に適用して、
６インチシリコンウェハ上の撮像素子デバイスのＣｕダ
マシン（象嵌）形成のためのＣＭＰ工程における研磨終
了点検出を試みた。本実施例は、本発明の実施形態の説
明で用いたものと同じ概要図、図４を用いて説明される
が、より限定的となる。研磨対象の撮像素子は、最小線
幅約０．３μｍ、最小単位長約１μｍの構造を持ち、図
７にその概要図を示す。この撮像素子デバイスのバリア
メタル２７はＴａの窒化物（膜厚約６０ｎｍ）である。
図５のＣＭＰ装置は、透光窓２３が、定盤３1 に穿たれ
た約１ｃｍ×４ｃｍの矩形孔と、研磨パッドの加工面と
ほぼ同一面にその上面を持つ石英ガラス製の窓から成
り、石英ガラス窓の少なくともその片面に、プローブ光
と反射信号光の波長域における反射防止コートを施し
た。図５のＣＭＰ装置自体は、図１０にその概要を示す
ＣＭＰ装置とは上記窓構造の記載を除いて同一構造であ
り既に説明済であるので、冗長さを避けるために説明を
省く。 図４の測定装置にて、１はキセノンランプ光源
である。光源１から出射したプローブ光はレンズ２、３
およびビームスプリッタ（以下ＢＳと呼ぶ）５を透過
し、レンズ６でほぼ平行光にされ、研磨剤（図５の研磨
剤３６）を透過して、Ｃｕダマシン（象嵌）を形成する
ための撮像素子デバイスのウェハ上に垂直に入射する。

【００６３】ここで、プローブ光のスポット径は、約
０．５ｍｍΦであった。ウェハ４からの反射信号光は再
び研磨剤（図５の研磨剤３６）、レンズ６を逆向きに透
過し、ＢＳ５でその一部が反射される。ＢＳ５で反射さ
れた反射信号光はレンズ７でほぼ平行光にされ、ミラー
１４で反射され、レンズ９により、光軸上に開口部を有
する絞り１０上に集光されて、散乱光、回折光などの０
次光以外の成分が除去され、レンズ１１を透過する。レ
ンズ１１を透過した反射信号光は回折格子１２で分光さ
れ、異なる波長の光は異なる角度に回折され、異なる角
度に対応して光ダイオード型のリニアセンサ（２５６素
子）１３で検出することにより分光反射信号光が検出さ
れた。計測波長範囲は約４００ｎｍから８００ｎｍであ
る。リニアセンサからの光信号は増幅後、信号処理装置
１５に入力される。ここで信号処理装置１５は図３に概
要を示すように参照値を記憶した参照値記憶部、光信号
を補正する補正部、補正された光信号から研磨状態を演
算する信号処理部とを具える。

【００６４】ここで、図３の参照値記憶部には、予め計
測された、研磨時間と共に変化する研磨剤の分光特性が
記憶されている。図１のａは研磨の初期の分光特性を示
し、図１のｂはイオンが溶け出した状態での分光特性を
示す。この測定は、図４に概要を示すＣＭＰ装置にて、
研磨中あるいは研磨後に、ホルダにアルミニウム金属板
の研磨対象物を保持することにより測定可能である。

【００６５】研磨は、研磨剤として、アルミナ粒を砥粒
としたものを用い、研磨レートは約３００nm/minで行っ
た。研磨が進行すると、研磨剤へのＣｕイオンの溶けだ
しにより、研磨剤が着色し、６００ｎｍ付近での吸収が
大きくなった。

【００６６】本実施例では以下のようにして研磨剤の着
色の影響を除いた。

【００６７】信号処理装置に入力された光信号は、補正
部にて、参照値記憶部から呼び出された参照値信号によ
り除算される。この除算された光信号は、研磨剤の光学
特性をレファレンスとして測定した測定値と同等であ
り、研磨剤の光学特性とは無関係である。従って、更
に、研磨開始後の経過時間に対応する研磨剤の光学特性
を次々と適宜呼び出して、除算を行えば、時間とともに
変化する研磨剤の光学特性とは無関係に、撮像素子デバ
イスの研磨状態にのみ依存する補正された光信号を得る
ことができた。

【００６８】以上のように補正された光信号は、以下の
ように信号処理した。

【００６９】Ｃｕのような金属層研磨の工程において
は、研磨の初期状態は、ウェハの殆ど全面が金属層に覆
われた状態であり、研磨の進行によって、部分的に金属
層が除去され、パターン構造が露出してくる。本例にお
いては、研磨進行による光の強度の変化というよりは、
パターンが出現することによる、パターン各部分からの
光波の重ね合わせ、すなわち、パターン間の干渉現象が
発現することを捉えて、検知する。ここで処理される光
信号は、研磨剤の影響を除去してあるので、研磨状態を
正確に且つ安定的に検知することができた。例えば、図
７に概要を示す素子の研磨において（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）は各々、研磨初期、バリアメタル層露出、誘電体
層露出の段階を示しているが、上記方法で、バリアメタ
ル層の露出という工程終了点を、精度よく捉えることが
できた。このバリアメタル層を有する金属層の研磨に対
する分光反射率信号の変化を図２に示すが、研磨初期の
実線の波形から、一点鎖線の波形を経て、破線の波形へ
のような明確な変化を見せたために、残膜厚も工程終了
点も高精度且つ安定的に検出することが出来た。

【００７０】

【発明の効果】［請求項１］本発明では、研磨状態の測
定に於いて、研磨剤の光学特性の変化の影響を補正する
ので、研磨状態の測定が、高精度且つ安定的になされ
る。 ［請求項２］本発明では、事前に研磨剤の光学特性デー
タを取得しておくので、研磨状態測定時に研磨剤を測定
する必要がない。 ［請求項３］本発明では、研磨剤の光学特性データを参
照値として信号光を測定するので、補正が容易に出来
る。 ［請求項４］本発明では、研磨工程に於いて研磨剤を変
えるか、または混合して用いる段階があるとき、これに
応じて異なる研磨剤の光学特性データを経時的に用い、
或いは同時に用いるので、研磨剤を変えるか、または混
合して用いる段階があるときでも、研磨状態の測定が、
高精度且つ安定的に出来る。 ［請求項５］本発明では、研磨工程に於いて、信号光を
研磨剤からの参照信号光と比較測定することにより補正
するので、補正が簡単で、且つ研磨剤の光学特性データ
を事前取得する必要がない。 ［請求項６］本発明では、研磨剤層からの信号光のみに
より研磨状態を測定するので、測定が簡単で特にＣｕ層
の研磨プロセスに於いて適している。 ［請求項７］本発明では、研磨状態の測定に於いて、研
磨剤の光学特性の変化の影響を補正するので、研磨状態
の測定が、高精度且つ安定的になされる。 ［請求項８］本発明では、研磨剤層からの信号光のみに
より研磨状態を測定するので、測定が簡単で特にＣｕ層
の研磨プロセスに於いて適している。 ［請求項９］本発明では、請求項１〜６何れか１項記載
の測定装置を具えるので、デバイスパターンを有するウ
ェハを、請求項１〜５何れか１項記載の測定装置を具え
る研磨装置は高精度に且つ歩留り良く研磨でき、請求項
６記載の測定装置を具える研磨装置は安価に研磨ができ
特にＣｕ層の研磨プロセスに適している。 ［請求項１０］本発明では、請求項９記載の測定装置に
より半導体デバイスを研磨するので、本発明で製造した
半導体デバイスは、高品質、または安価である。

【００７１】請求項１〜請求項１２の発明に共通して、
これらの発明は、特にＣｕ層の研磨プロセスに於いて効
果が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】経時変化する研磨剤の光学特性の研磨初期
（ａ）、イオンが溶け出した段階での光学特性を示す。

【図２】研磨の各段階での信号波形の変化を示す。

【図３】本発明の信号処理装置を示す。

【図４】本発明の研磨状態測定装置を示す。

【図５】本発明の測定装置を説明するためのＣＭＰ装置
の一例を示す。

【図６】本測定装置の測定時の、プローブ光と半導体デ
バイスのパターンとの関係の一例を示し、干渉の様子を
示す。

【図７】バリア層を有する金属層研磨の各段階を示す。

【図８】金属層研磨プロセスを示す。

【図９】層間絶縁膜研磨プロセスを示す。

【図１０】従来例のＣＭＰ装置を示す。

【図１１】従来例の光学式測定装置を示す。

【図１２】半導体デバイス製造プロセスの例を示すフロ
ーチャートを示す。

【符号の説明】

１ 多波長成分光源（白色光源（キセノンラン
プ）） ２ レンズ ３ レンズ ４ 研磨対象物（ウェハ） ５ ビームスプリッタ（ＢＳ） ６ レンズ ７ レンズ ８ 研磨状態測定装置 ９ レンズ １０ 絞り １１ レンズ １２ 分光器（回折格子） １３ 光検出器（リニアセンサ） １４ ミラー １５ 信号処理装置 １６ 光信号 １７ 補正部 １８ 補正された光信号 １９ 信号処理部 ２０ 参照値記憶部 ２１ 参照値信号 ２２ 研磨状態信号 ２３ 透光窓（石英ガラス窓） ２６ Ｃｕ層 ２７ ＴｉＮ層 ２８ ＳｉＯ₂ 層 ３０ 研磨体（研磨パッド） ３１ 定盤 ３３ 研磨対象物保持部（ホルダ） ３４ 研磨対象物（ウェハ） ３５ 研磨剤供給部 ３６ 研磨剤（スラリー） ４１ 誘電体層 ４２ Ｃｕ層 ５０ 金属電極層 ６０ 誘電体層 ８０ 研磨終了点測定装置 １００ ウェハ回転方向 １０１ 研磨パッド回転方向 １２０ ビームスプリッタ １３０ 光検出器 ２００〜２３０レンズ ３００ 信号処理装置

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体と
   の間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨
   対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体ま
   たは一部を研磨により除去する際に、プローブ光を被研
   磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光ま
   たは透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化
   により研磨状態を測定する装置であり、前記プローブ光
   を発する光源と、前記信号光を受光する光検出器と、前
   記光検出器から出力する光信号を前記研磨剤の変化する
   光学特性のデータにより補正する光信号補正手段と、を
   具えることを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】前記光信号補正手段が、予め計測、または
   予測計算により取得された研磨剤の変化する光学特性の
   データを用いて、前記光信号を補正することを特徴とす
   る請求項１記載の測定装置。
3. 【請求項３】前記研磨剤の変化する光学特性のデータ
   を、信号光計測の適時の参照値として使用することによ
   り前記補正を行うことを特徴とする請求項１〜２何れか
   １項記載の測定装置。
4. 【請求項４】複数の研磨剤での工程を有する場合に、各
   研磨剤の、変化する光学特性のデータを経時的あるいは
   同時に用いることにより前記光信号を補正することを特
   徴とする請求項１〜３何れか１項記載の測定装置。
5. 【請求項５】前記光信号補正手段が、前記信号光をブラ
   ンク面からの参照信号光と比較測定することにより、前
   記光信号を補正することを特徴とする請求項１記載の測
   定装置。
6. 【請求項６】表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体と
   の間に研磨剤層を介在させた状態で前記研磨体と前記研
   磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体
   または一部を研磨により除去する際に研磨状態を測定す
   る装置であり、プローブ光を発する光源と、前記プロー
   ブ光を前記研磨剤層に照射して得られる反射信号光また
   は透過信号光の何れか一方の信号光を受光する光検出器
   とを具え、前記信号光の変化により研磨状態を測定する
   ことを特徴とする測定装置。
7. 【請求項７】表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体と
   の間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨
   対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体ま
   たは一部を研磨により除去しながら、プローブ光を被研
   磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光ま
   たは透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化
   により研磨状態を測定する測定方法であり、前記反射信
   号光を光検出器により受光する段階と、前記光検出器か
   ら出力する光信号を研磨剤の変化する光学特性により補
   正する段階と、を具えることを特徴とする測定方法。
8. 【請求項８】表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体と
   の間に研磨剤層を介在させた状態で前記研磨体と前記研
   磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体
   または一部を研磨により除去する際に、プローブ光を前
   記研磨剤層に照射して得られる反射信号光または透過信
   号光の何れか一方の信号光の変化を検知することにより
   研磨剤の光学的性質の変化を検出する段階と、前記変化
   を検出することにより研磨状態を測定する段階と、を具
   えることを特徴とする研磨状態を測定する測定方法。
9. 【請求項９】基板を保持する保持部と、研磨体と、請求
   項１〜６何れか１項記載の測定装置と、を具え、前記基
   板と前記研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で、前
   記基板と前記研磨体との間に荷重を加え、双方の間に相
   対運動を与えることにより基板を研磨する際に、工程終
   了点の検知が可能なようにされたことを特徴とする研磨
   装置。
10. 【請求項１０】請求項９記載の研磨装置を用いて半導体
    ウェハの表面を研磨する段階を具えることを特徴とする
    半導体デバイス製造方法。