JP2002124496A - 研磨加工の終点検出計測方法及びその装置、並びにそれを用いた半導体デバイスの製造方法及びその製造装置 - Google Patents

研磨加工の終点検出計測方法及びその装置、並びにそれを用いた半導体デバイスの製造方法及びその製造装置

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JP2002124496A
JP2002124496A JP2000318202A JP2000318202A JP2002124496A JP 2002124496 A JP2002124496 A JP 2002124496A JP 2000318202 A JP2000318202 A JP 2000318202A JP 2000318202 A JP2000318202 A JP 2000318202A JP 2002124496 A JP2002124496 A JP 2002124496A
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丈師 廣瀬
Mineo Nomoto
峰生 野本
Hiroyuki Kojima
弘之 小島
Hidemi Sato
秀己 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 CMP加工によって研磨加工するウェハ表面
の層間絶縁膜の膜厚を精度良く検出可能とすることによ
り、研磨加工の終点検出の精度を高める。 【解決手段】 レーザ源九,10から波長の異なるレー
ザ光L1,L2を出力し、ビームスプリッタ12を介して
検出窓6から、パッド1によって研磨加工されるウェハ
18の表面に形成した図示しない層間絶縁膜に照射す
る。夫々のレーザ光L1,L2は、この層間絶縁膜の表面
とその表面の下のパターンとから反射されて干渉光とな
り、これら干渉光は検出窓6,ビームスプリッタ12,
ダイクロイックミラー13を介して異なる光検出器1
5,16で検出される。それらの検出結果は膜厚評価処
理ユニット7に供給され、これらレーザ光L1,L2夫々
に対する反射干渉光の強度の関係、もしくはこれらの強
度比から層間絶縁膜の膜厚が検出され、この膜厚が所定
の値のとき、この研磨加工の終点とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
研磨加工の終点検出に係り、特に、シリコンウェハ上に
半導体デバイスを製造するに際し、ウェハ表面の平坦化
処理における終点検出方法及びその装置、並びにそれを
用いた半導体デバイスの製造方法及びその装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスは、シリコンウェハ(以
下、単にウェハという)表面での成膜,所望パターンで
の露光及び露光部分のエッチングなどして素子や配線な
どのパターンをこのウェハ上に形成することにより、製
造される。そして、このように素子や配線などのパター
ンを形成すると、次に、これら素子や配線などのパター
ンを覆うように、SiO2などの透明な層間絶縁膜が形
成され、かかる層間絶縁膜上に次の素子や配線などのパ
ターンが形成されるようにしており、製造される半導体
デバイスは積層構造をなしている。
【0003】ところで、ウェハ上のある層で素子や配線
などのパターンを形成し、それらを覆うように層間絶縁
膜を形成した後、この層間絶縁膜上に次の層の素子や配
線などのパターンを形成するために、成膜された膜を所
望のパターンで露光する場合には、露光する光のフォー
カシング状態(露光状態)がかかる膜全体にわたって均
一である必要がある。しかし、ウェハ上の素子や配線な
どのパターンが形成された層上に次の層を形成するため
に設けられる層間絶縁膜の表面には、その下に形成され
た素子や配線などパターンによって凹凸が発生する。特
に、近年では、半導体デバイスの高精度化・高密度化を
実現するために、ウェハに形成されるパターンの微細化
・多層化が進んでおり、これにより、形成される層間絶
縁膜の表面の凹凸が増大している。このような層間絶縁
膜の表面の凹凸が増大すると、この層間絶縁膜上に成膜
される膜全体にわたって露光状態を均一にすることは困
難であり、このため、成膜を行なう前に、層間絶縁膜の
平坦化処理が行われる。
【0004】この平坦化処理には、従来、化学的及び物
理的作用によって表面を研磨して平坦化を実現する方法
(CMP:Chemical Mechanical Polishing)が用いられ
る。以下、このCMP加工について、図20を用いて説
明する。
【0005】同図において、使用される研磨装置では、
研磨盤2の表面にパッド1が設けられている。このパッ
ド1は多孔質の硬いスポンジ状の材質のシートであっ
て、その表面に微細な孔を有している。この研磨盤2が
回転され、パッド1の表面に、微細な砥粒が混入された
液状の研磨剤であるスラリー5が添加、塗布される。そ
して、ウェハチャック3に図示しないウェハがパッド1
に押しつけられ、これにより、そのウェハの表面に形成
されている層間絶縁膜がパッド1によって研磨加工され
る。
【0006】ここで、回転する研磨盤2の中心部と周辺
部とでは、その回転速度が異なるので、ウェハチャック
3は研磨盤2の半径方向に移動させられたり、それ自身
回転させられ、ウェハ上の層間絶縁膜が全体にわたって
均一の膜厚に研磨されるようにしている。また、この研
磨は、スラリー5の砥粒がパッド1の微細な孔に入り込
み、この孔内に保持されることによって行なわれるもの
であるが、多数のウェハを研磨加工すると、パッド1の
表面がつぶれてパッド1の研磨性能が低下するし、ま
た、パッド1の表面に異物が付着するなどしてウェハの
表面の層間絶縁膜に傷を付けてしまうような事態が発生
する。このため、ドレッサ4が設けられ、これでもって
パッド1の表面を削ってパッド表面の再生が行なわれ
る。
【0007】以上がCMP加工であるが、かかるCMP
加工において重要な課題として、ウェハ表面の層間絶縁
膜が所定の膜厚に研磨されたときに研磨を終了する終点
検出が挙げられる。CMP加工の終点検出は、最初は、
予め評価した研磨レートから加工時間を算出することに
より、あるいは所定時間研磨する毎にウェハをCMP加
工装置から取り外し、直接層間絶縁膜の膜厚を測定する
ことにより、その管理を行なっていたが、研磨レートが
ばらつくため、精度の高い管理ができないし、また、管
理に手間がかかるものであった。
【0008】この問題を解決する方法として、特開平9
−7985号公報に、研磨しながら層間絶縁膜の膜厚を
計測し、実際のウェハでの終点検出を可能なインサイチ
ュウ(in-situ)計測システムが開示されている。
【0009】これは、図20に示すように、研磨盤2や
パッド1を貫通する検出窓6を設け、検出ユニット8か
らこの検出窓6を介して単波長のレーザ光をウェハの表
面の層間絶縁膜に照射し、この層間絶縁膜の表面からの
反射光とこの層間絶縁膜の下に形成されているパターン
からの反射光との干渉光を検出ユニット8で検出し、膜
厚評価処理ユニット7により、この干渉光の検出強度の
変化Pから層間絶縁膜の膜厚の変化を検出して研磨加工
の終点検出を行なうものである。
【0010】図21は図20での検出ユニット8で検出
される干渉光の検出強度変化Pを示す図であって、図示
するように、周期的に変化する。このときの干渉光の最
大振幅はウェハの表面に形成された層間絶縁膜やパター
ンなどの反射率などによって決まり、また、この干渉光
の周期は照射するレーザ光の波長や層間絶縁膜の膜厚,
膜材質の屈折率によって決まり、この干渉光の振幅は、
研磨加工されている層間絶縁膜の表面とその下に形成さ
れている1つ前の層のパターン表面との距離(即ち、層
間絶縁膜の膜厚)の変化とともに変化する。従って、時
刻tで干渉光の強度がIとすると、層間絶縁膜の膜厚は
この強度Iの干渉光を生ずる厚さとなっている。
【0011】そこで、計算により、あるいは実験によ
り、予め層間絶縁膜の膜厚がCMP加工の終点となる
(即ち、この層間絶縁膜の表面全体が均一に平坦化され
る)所定の厚さとなるときの干渉光の強度Iを求めてお
き、図20で説明したようにして、ウェハをCMP加工
しながら膜厚評価処理ユニット7で干渉光の強度を計測
し、この計測した強度が予め決められた強度Iと等しく
なったとき、CMP加工の終点とすることにより、焦点
検出が可能となる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ウェハの表
面の層間絶縁膜の研磨の進行とともに、干渉光の強度は
図21に示す曲線Pで変化するが、時間経過に伴うこの
強度変化Pはゆっくりしたものである。このため、この
曲線Pの勾配も小さく、所定の強度Iを検出するように
しても、これを精度良く検出することは難しい。このた
め、従来のインサイチュウ計測による場合には、比較的
加工量(研磨量)の大きい場合には有効であるが、加工
量が小さい場合や膜構造によっては、精度良く終点検出
をすることは不可能である場合が多かった。
【0013】本発明は上記問題対して、研磨加工量や膜
構造にかかわらず、加工の終点検出を精度良く行なうこ
とができるようにした研磨加工の終点検出方法及び装
置、並びに半導体製造方法及びその製造装置を提供する
ことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による研磨加工の終点検出方法及びその装置
は、研磨加工中のウェハの表面に形成された膜に2つ以
上の異なる波長の光,白色光または紫外線を照射し、該
膜からの反射光の強度または分光強度、あるいは紫外線
の強度から、該半導体デバイス表面に形成された該膜の
膜厚を評価して該膜の研磨加工の終点検出をするもので
ある。これによると、研磨加工量が小さい場合も、ま
た、膜構造にかかわらず、該膜の研磨加工の終点を検出
精度を高めることができる。
【0015】また、本発明による半導体デバイスの製造
方法及びその装置は、かかる膜厚の評価手段を研磨加工
装置に組み込むことにより、研磨加工のパッドの劣化状
態を評価を評価し、研磨加工条件やその加工の際のパッ
ドのドレッシング(目立て)条件を最適化する。これに
より、研磨加工対象、例えば、ウェハに形成した膜など
の平坦性がより向上し、高精度の膜厚管理や高品質の加
工管理が可能となってスループット向上を実現する。
【0016】また、本発明による半導体デバイスの製造
方法及びその装置は、パッドの評価手段でウェハ表面の
複数の位置で評価することによりウェハ、ウェハ表面に
形成した膜の膜厚分布を加工中に評価することが可能と
なる。
【0017】さらに、本発明による半導体デバイスの製
造方法及びその装置は、ウェハ表面に形成した膜の膜厚
評価結果に基づいて、CMPプロセスの安定,最適化を
可能とする。
【0018】さらに、本発明による半導体デバイスの製
造装置は、ウェハの表面に形成した膜を研磨する研磨手
段と、この研磨加工中にウェハ表面に形成した該膜に上
記の光や紫外線を照射する照射手段と、ウェハ表面に形
成した該膜からの反射光または紫外線を検出する検出手
段と、該検出手段によって検出された反射光の強度また
は分光強度、もしくは紫外線の強度に基づいて、ウェハ
表面に形成した膜の膜厚を評価する処理回路部とを備え
た構成としている。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、図
20で説明したCMP加工によるものとするが、本発明
はこれのみに限るものではない。
【0020】図1は本発明による研磨加工の終点検出方
法及び装置の第1の実施形態の要部を示す構成図であっ
て、9,10はレーザ光源、11はレンズ、12はビー
ムスプリッタ、13はダイクロイックミラー、14はレ
ンズ、15,16は光検出器、17は対物レンズ、18
はウェハであり、図20に対応する部分には同一符号を
付けて重複する説明を省略する。
【0021】同図において、レーザ光源9,10からは
異なる波長のレーザ光L1,L2が出力される。これらレ
ーザ光L1,L2は、レンズ11でビームとされた後、夫
々ビームスプリッタ12で反射され、対物レンズ17及
び研磨盤2やパッド1を貫通して設けられた検出窓6を
介して、ウェハチャック3に保持されたウェハ18に、
その層間絶縁膜(図示せず)側から照射される。なお、
この場合、ビームスプリッタ12で反射されたレーザ光
源9,10からのレーザ光L1,L2は、必ずしも同一光
軸上にある必要はない。
【0022】ウェハ18からの上記の反射によって生じ
た夫々のレーザ光L1,L2毎の干渉光P1,P2は、検出
窓6,対物レンズ17及びビームスプリッタ12を通
り、ダイクロイックミラー13により、これらが波長に
よって分離される。即ち、レーザ光源9からのレーザ光
1による干渉光P1は、例えば、ダイクロイックミラー
13で反射され、レンズ14を介して光検出器15で検
出される。また、レーザ光源10からのレーザ光L2
よる干渉光P2は、例えば、ダイクロイックミラー13
を透過し、レンズ14を介して光検出器16で検出され
る。膜厚評価処理ユニット7は、これら光検出器15,
16の検出出力に基づいてウェハ18の研磨状態を管理
し、その研磨の終点検出を行なう。
【0023】なお、以上の構成において、レーザ光源
9,10、レンズ11,14、ビームスプリッタ12、
ダイクロイックミラー13、光検出器15,16及び対
物レンズ17が、図20における検出ユニット8を構成
するものである。他の実施形態についても同様である。
【0024】また、図1に示す実施形態では、異なる波
長のレーザ光L1,L2による干渉光P1,P2をダイクロ
イックミラー13で分離するようにしたが、第2の実施
形態として図2に示すように、回折格子19を用いて分
離するようにしてもよい。さらには、プリズムなどのそ
れ以外の波長分離手段を用いるようにしてもよい。
【0025】さらに、図1及び図2の光検出器15,1
6としては、CCD2次元センサや1次元のラインセン
サなど、または、CCDセンサ以外の光センサを用いて
もよい。
【0026】図1及び図2において、研磨盤2に1個の
検出窓6を設けてあって、ウェハ18が対物レンズ17
の光軸の延長線上にある場合には、研磨盤2の1回転に
1回ずつ間欠的に光検出器15,16が干渉光P1,P2
を検出するが、これら干渉光P1,P2は必ずしもウェハ
17の表面の研磨しようとする層間絶縁膜の膜厚検出の
ために必要なものばかりではない。
【0027】即ち、図3において、いま、S2を前回積
層された層間絶縁膜とし、この層間絶縁膜S2 の上にパ
ターンEが形成され、これを覆うように層間絶縁膜S1
が形成され、この層間絶縁膜S1 を一点鎖線Aの厚さま
で研磨加工するものとする。図1,図2で示した実施形
態の場合(後述する他の実施形態についても同様)、層
間絶縁膜S1の表面で反射する光LX1と層間絶縁膜S1
のパターンEの表面で反射する光LX2との干渉光PX
かりでなく、層間絶縁膜S1の表面で反射する光LY1
層間絶縁膜S2中のパターンE’の表面で反射する光L
Y2との干渉光PYも検出されることになる。
【0028】図4は図1及び図2での膜厚評価処理ユニ
ット7による研磨加工の終点検出方法の一具体例を示す
図である。
【0029】この膜厚評価処理ユニット7には、光検出
器15,16の検出結果が供給される。これらの検出結
果は図4のように示される。即ち、曲線(実線)P1はレ
ーザ光源9からのレーザ光L1による干渉光P1の強度変
化を、曲線(破線)P2はレーザ光源10からのレーザ光
2による干渉光P2の強度変化を夫々示しており、ここ
では、レーザ光源10からのレーザ光L2はレーザ光源
9からのレーザ光L1よりも波長が長いものとしてい
る。従って、ウェハ18の表面の層間絶縁膜の膜厚に対
するこれら干渉光P1,P2の強度は、通常、互いに異な
るものである。
【0030】そこで、膜厚評価処理ユニット7では、計
算や実験などにより、この層間絶縁膜の膜厚が所定の値
となる研磨加工の終点でのこれら干渉光P1,P2の強度
1,I2を予め求めておき、光検出器15の検出結果か
ら干渉光P1が強度I1となり、かつ光検出器16の検出
結果から干渉光P2が強度I2になったとき、研磨加工の
終点tとする。
【0031】干渉光P1を単独にあるいは干渉光P2を単
独に用いて終点検出を行なう場合には、上記従来技術で
説明したように、終点を精度良く検出することができな
いが、この具体例のように、これら2つの干渉光P1
2を組み合わせ、これらの強度が同時に上記の所定強
度I1,I2となったとき、研磨加工の終点とする場合に
は、これらの検出誤差を互いに補償し合うので、終点検
出の精度が高まることになる。
【0032】以上のようにして、この具体例において
は、研磨加工の終点を精度良く検出することができる。
従って、研磨量が小さい場合も、また、ウェハ18での
膜構造にかかわらず、精度の高い研磨加工の終点検出が
可能となる。
【0033】なお、この具体例では、光源として2つの
レーザ光源9,10を設け、2つの異なる波長のレーザ
光L1,L2を用いたものであったが、3個以上のレーザ
光源を用い、3種類以上の波長のレーザ光を用いてもよ
く、これらレーザ光の干渉光の強度の組み合わせによっ
て研磨加工の終点を検出することができる。
【0034】また、図5は図1及び図2での膜厚評価処
理ユニット7による研磨加工の終点検出方法の他の具体
例を示す図である。この具体例は、光検出器15,16
の検出結果の比を求め、これによって研磨加工の終点を
検出するものである。
【0035】即ち、この具体例においても、図4に示し
た干渉光P1,P2の強度が得られるものであるが、さら
に、これらの強度比P1/P2を求め、この強度比P1/P2
が計算や実験などによって求められた膜厚のときの値X
1と等しくなったとき、研磨加工の終点tとするもので
ある。
【0036】この場合、図4に示す干渉光P1,P2の強
度の比P1/P2を求めると、図5に示すように、その特
性が急峻に立ち上がり、急峻に立ち下がる部分と、立上
り,立下りが緩やかな部分とがある。この実施形態で
は、当然立上り,立下りが急峻な部分で終了点が検出さ
れるようにするものであり、このためには、これを満足
するような波長のレーザ光L1,L2を用いるようにすれ
ばよい。
【0037】このようにすることにより、特性が急峻な
部分で研磨加工の終点を検出することができるから、精
度の高い終点検出が実現できる。
【0038】また、研磨加工するウェハ18の種類の違
いなどにより、光検出器15,16で検出される干渉光
の強度が異なるし、また、後述するように、パッド1と
して透明な材質のものを用いることもでき、このような
場合には、検出窓6で貫通する孔を開ける必要はない
が、研磨加工の継続によってパッド1の表面状態が変化
すると、そこでの光透過状態が変化し、光検出器15,
16で検出される干渉光の強度が変化してくるし、ま
た、後述するように、検出窓6内に透明板を設け、スラ
リー5(図20)などが検出窓6から対物レンズ17な
どの光学系に漏れでないようにするが、スラリー5など
がこの透明板に溜まってその透過率が低下することによ
り、光検出器15,16で検出される干渉光の強度が変
化する場合もあるが、図5に示したように、干渉光
1,P2の強度比率P1/P2から研磨加工の終点を検出
する場合には、以上のような影響が比率を取ることによ
ってキャンセルされ、その影響を防止することができ
る。
【0039】なお、図5に示す具体例では、強度比P1/
2が直接予め設定された値X1に達したとき、研磨加工
の終点tとしたが、強度比P1/P2のピーク点Q1を過ぎ
た強度比P1/P2が直接予め設定された値X2に等しい点
2で終点t1とする場合には、このピーク点Q1から点
2までの時間Δtを予め計算や実験などで求めてお
き、強度比P1/P2のピーク点Q1が検出されると(時刻
0)、それから時間Δtを計測して研磨加工の終点t1
としてもよい。この場合、強度比P1/P2の特性が急峻
であるため、そのピーク点Q1を精度良く検出すること
ができる。
【0040】また、このピーク点Q1の代わりに、強度
比P1/P2の特性の急峻な立上りまたは立下りの任意の
点を検出し、この検出点から所定時間経過した時点を研
磨加工の終点としてもよい。
【0041】さらに、図4に示した具体例でも、同様
に、研磨加工の終点よりも前の時点の干渉光P1,P2
所定の強度I1,I2と、これら強度が同時に検出される
時点から研磨加工の終点までの時間Δtとを予め求めて
おき、これら強度I1,I2が同時に検出されてから時間
Δtが経過した時点を研磨加工の終点としてもよい。
【0042】以上のようにして、この具体例において
も、研磨加工の終点を精度良く検出することができる。
従って、研磨量が小さい場合も、また、ウェハ18での
膜構造にかかわらず、精度の高い研磨加工の終点検出が
可能となる。
【0043】ここで、図6により、以上の焦点検出の処
理動作について説明する。
【0044】図6(a)は図4に示した焦点検出の処理
動作、あるいは図5の検出終了時点tを検出するための
処理動作を示すフローチャートであって、干渉光P1
2の検出を行ない、光検出器15,16で干渉光P1
2が検出されると(ステップ100)、これら干渉光
1,P2の強度を求め、これらの関係が終点検出する規
定の関係I1,I2になっているか否か(図4の場合)、
あるいは、これら干渉光P1,P2の強度を求め、これら
の強度比P1/P2が規定の値になっているか否か(図5
の場合)を判定し(ステップ101,102)、このよ
うな関係あるいはこのような値になっていないときに
は、ステップ100に戻って次の干渉光の検出を待つ
が、このような関係あるいはこのような値になっている
ときには、研磨加工の終点と判定する(ステップ10
3)。
【0045】また、図6(b)は、図5において、終点
を強度比P1/P2のピークから予め設定した時間Δt経
過した時点とする場合の処理動作を示すフローチャート
であって、干渉光P1,P2の検出を行ない、光検出器1
5,16で干渉光P1,P2が検出されると(ステップ2
00)、これら干渉光P1,P2の強度比P1/P2がピー
ク値か否か判定し(ステップ201)、ピーク値でない
ときには、ステップ200に戻って次の干渉光の検出を
待つが、ピーク値であるときには、時間計測を開始し
(ステップ202)、時間がΔt経過すると(ステップ2
03)、研磨加工の終点と判定する(ステップ20
4)。
【0046】なお、図4で干渉光P1,P2の検出強度が
同時に予め設定された値I1,I2となり、これからさら
に予め設定された時間Δtだけ研磨加工を続けて研磨加
工の終点とする場合の処理動作も、図6(b)と同様で
ある。
【0047】図7は本発明による研磨加工の終点検出方
法及び装置の第3の実施形態の要部を示す構成図であっ
て、20は白色光源、21は分光器であり、前出図面に
対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略
する。この第3の実施形態は、光源として白色光源を用
いるものである。
【0048】図7において、白色光源20からは白色光
Lが出力される。この白色光Lは、レンズ11でビーム
とされた後、ビームスプリッタ12で反射され、対物レ
ンズ17及び検出窓6を介してウェハ18に、その層間
絶縁膜(図示せず)側から照射される。この場合も、先
の実施形態と同様、白色光Lは、その波長成分毎に、層
間絶縁膜の表面からの反射光とその下のパターン表面か
らの反射光とが干渉し、これら干渉光の複合光(以下、
これも干渉光という)Pが生ずる。この干渉光Pは、検
出窓6,対物レンズ17及びビームスプリッタ12を通
り、分光器21で検出され、各波長毎の干渉光の分光強
度データが得られる。この分光強度データは膜厚評価処
理ユニット7に供給され、この分光強度に基づいて研磨
加工の終点が検出される。
【0049】ここで、この分光強度データに基づく研磨
加工の終点検出は、ウェハ18の表面の層間絶縁膜の膜
厚がその表面が平坦化される所定の値になるときの干渉
光Pでの各波長の干渉光の強度からなる強度分布が計算
あるいは実験などが予め求められており、分光器21か
らの分光強度データによる干渉光Pの強度分布がこの予
め設定されている強度分布と等しくなったとき、研磨加
工の終点するものである。
【0050】この場合、白色光Lでの終点検出に用いる
波長としては、2種類以上任意であり、図4で示した具
体例と同様に、精度の良い終点検出が可能となるが、用
いる波長の種類が多いほど精度が高くなることはいうま
でもない。勿論、使用する波長の種類が少ない場合に
は、互いにある程度波長が異なるものを使用する方が好
ましい。
【0051】なお、白色光源20としては、ハロゲンラ
ンプやキセノンランプなどの広い波長帯域を持つ光源を
用いてもよいし、また、分光器21の干渉光Pの検出部
としては、CCD2次元センサや1次元のラインセンサ
など、CCDセンサ以外の光センサを用いてもよい。
【0052】図8は本発明による研磨加工の終点検出方
法及び装置の第4の実施形態の要部を示す構成図であっ
て、11’は紫外線用のレンズ、12’は紫外線用のビ
ームスプリッタ、17’は紫外線用の対物レンズ、1
4’は紫外線用のレンズ、22は紫外線発生手段、23
はホトマルなどの紫外線検出器であり、前出図面に対応
する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略す
る。この第4の実施形態は、可視光に対して波長が短か
い紫外線を用いるようにしたものである。
【0053】図8において、紫外線発生手段22からは
紫外線が出力される。この紫外線は、レンズ11’でビ
ームとされた後、ビームスプリッタ12’で反射され、
対物レンズ17’及び検出窓6を介してウェハ18に、
その層間絶縁膜(図示せず)側から照射される。紫外線
がこの層間絶縁膜に照射されると、先の実施形態と同
様、反射した紫外線に干渉が生ずる。この干渉を伴う反
射紫外線P’は、検出窓6,対物レンズ17’及びビー
ムスプリッタ12’を通り、紫外線検出器23で検出さ
れ、その強度データが得られる。この強度データは膜厚
評価処理ユニット7に供給され、この強度に基づいて研
磨加工の終点が検出される。
【0054】図9(a)は従来の1つの可視光を用いた
ときのウェハの表面に形成した膜からの反射光(干渉
光)Pの強度変化を示すものであるが、図9(b)は図
8で示した実施形態での膜厚評価処理ユニット7で得ら
れる反射紫外線P’の強度変化を示すものである。同図
(a),(b)を比較して明らかなように、可視光を用
いた従来技術に比べ、図8に示した実施形態では、得ら
れる強度変化の周期が短く、急峻な傾斜やピークの特性
が得られることになり、研磨加工の終点を高い精度で検
出できることになる。ここでも、図5で説明した2つの
終点検出方法を用いることができることはいうまでもな
い。
【0055】なお、図9(b)においては、研磨加工の終
点となる点Q’以前にこの点Q’と同じ強度Iの点Q”
が得られているが、このような場合、何回目にこの強度
Iが得られたときを研磨加工の終点とするかは、計算あ
るいは実験によって知ることができるものである。この
ようなことは、図4,図5で説明した終点検出方法にお
いても同様である。
【0056】以上のように、上記各実施形態では、イン
サイチュウ計測システムを用いることにより、ウェハ表
面に形成した層間絶縁膜を平坦化するための研磨加工
中、即ち、研磨盤2が回転中にウェハ18の表面に形成
された膜の膜厚を評価する。そのため、光学系(各実施
形態での光源から検出器までの部分)全体を研磨盤2に
固定し、この研磨盤2と同時に回転させるようにしても
よいし、光学系を研磨盤2とは独立させて定位置に固定
してもよい。また、対物レンズ17のみを研磨盤2に固
定し、研磨盤2と同時に回転させる方法も考えられる。
要するに、研磨加工中にウェハ表面に形成した膜に光屋
紫外線を照射し、その反射光や反射紫外線を検出できれ
ばよい。
【0057】また、ウェハを何枚か研磨加工しているう
ちにパッド1などの光学的特性が変化する場合もある。
このために、予めその変化量を評価しておき、反射光や
反射紫外線の強度,強度分布を評価するとき、これにパ
ッド1などの光学的特性の変化を反映させることによ
り、この変化による影響を低減することができる。
【0058】図10〜図14は研磨装置に設けられる検
出窓6を構成する孔(検出孔)の開口形状の具体例を示
す平面図である。
【0059】上記各実施形態での検出窓6としては、図
10に示すように、パッド1を設けた研磨盤2に検出孔
24の開口形状が円形のものを1個設けてもよいが(こ
の場合、光源からの光ビームLの直径をこの検出孔24
の直径より小さくてもよいし、また、破線で示すよう
に、大きくしてもよい。)、図11に示すように、研磨
盤2の半径方向に細長い矩形状の開口形状としてもよ
い。この場合には、光ビームLとしては、その断面形状
をスリット状などとし、また、その断面の大きさも検出
孔24よりも大きくしてもよい(検出孔24よりも大き
くする場合には、破線で図示するように、断面が楕円形
状の光ビームLとしてもよい)。このような光ビームL
を用いることにより、ウェハ表面の層間絶縁膜の半径方
向の膜厚の平均を検出することができ、検出光量も多く
なって終点検出をより高精度で実現できる。
【0060】また、このようにスリット形状の光ビーム
Lを用いる場合には、この光ビームLは研磨加工される
ウェハ表面の層間絶縁膜の半径方向の異なる場所で反射
されるものであり、従って、この反射されたスリット状
の干渉光をラインセンサを持つ光検出器で検出すること
により、層間絶縁膜の半径方向夫々の場所での膜厚を検
出することが可能である。ウェハ表面の層間絶縁膜を研
磨加工する場合、ウェハチャックへの押圧力の加え方に
よっては、層間絶縁膜の研磨加工量をその半径方向で均
一とならない場合もあるが、かかる膜厚の検出結果に応
じてウェハチャックへの押圧力の加え方を制御すること
により、かかる不均一さを除くようにすることができ
る。
【0061】図12に示す検出窓6の具体例は、複数の
検出孔24を研磨盤2の半径方向に1列に配列したもの
とするものである。この具体例では、夫々の検出孔24
に光ビームLを通すものであり、図11に示した具体例
と同様にして、層間絶縁膜の半径方向での膜厚を評価で
きる。勿論、これらの検出孔24を通った反射干渉光を
検出して加算することにより、図11に示した具体例と
同様に、ウェハ表面の層間絶縁膜の半径方向の膜厚の平
均を検出することができる。
【0062】図13に示す検出窓6の具体例は、研磨盤
2の同一円周上に複数の検出孔24を並べたものであ
る。ここでは、この円周上の一部に配列しているように
図示しているが、この円周全体にわたって等間隔に配列
するようにする。図10〜図12に示した具体例では、
光学系を固定している場合、研磨盤2の1回転に1回し
か反射干渉光の検出ができないが、図13に示す検出窓
6を用いる場合には、ほとんど常にこの干渉光の検出が
できる。なお、これら検出孔24としては、円形の孔で
はなく、所定の長さを持った円弧状の孔としてもよい。
【0063】また、もともと研磨盤2上のパッド1の表
面には、図14に示すように、互いに直交する多数の細
い溝25が形成されているが、この溝25に沿って検出
窓6の1個以上の検出孔24を設けるようにしてもよ
い。これによると、既に存在する溝25の部分に検出孔
24を設けるため、パッド1に孔を開けることによる研
磨自体への影響、例えば、スクラッチの増加などを充分
に小さくすることができる。
【0064】図15及び図16は夫々研磨装置に設けら
れた検出窓6の内部構造の具体例を示す図であって、2
6は透明パッド、27は光学窓であり、前出図面に対応
する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略す
る。
【0065】図15に示す具体例は、検出窓6でのパッ
ドを透明パッド26とし、且つこの透明バッド26を支
えるようにして、検出窓6の検出孔24を塞ぐ光学窓2
7を設けた構造をなすものである。この光学窓27は厚
みが一定の薄いガラス板などからなっている。パット1
全体を透明なものとしてもよい。
【0066】また、図16に示す具体例のように、パッ
ド1での検出窓6の検出孔24の部分を切り欠いて孔部
1aとしてもよい。但し、この場合には、パッド1上に
広がったスラリー5(図20)がこの孔部1aの光学窓
27上に溜り、この光学窓27の透過率を低下させるか
ら、このスラリー5の流出口を、検出孔24内や対物レ
ンズ17に流れ込まないように、設けることが必要であ
る。
【0067】なお、パッド1自体に光学窓27を埋め込
むようにしてもよい。
【0068】図17は本発明による半導体デバイスの製
造方法及びその装置の一実施形態のウェハ研磨工程を示
す図であって、28は膜厚評価データ判定処理ユニッ
ト、29はアラーム装置、30はパッド交換ユニット、
31はドレッシング制御ユニット、32はスラリー供給
制御ユニット、33はウェハチャック制御ユニット、3
4は研磨盤制御ユニットであり、前出図面に対応する部
分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。この
実施形態は、ウェハ表面の層間絶縁膜の研磨に先に説明
した本発明による終点検出方法及びその装置による研磨
装置(CMP研磨加工装置)を用いるものである。
【0069】同図において、ウェハ18(図示せず)が
ウェハチャック3に保持されてその表面の層間絶縁膜が
研磨加工中、検出ユニット8の検出結果は膜厚評価処理
ユニット7で評価され、その評価の結果得られた膜厚評
価データが膜厚評価データ判定処理ユニット28に供給
される。膜厚評価データ判定処理ユニット28は、この
膜厚評価データからCMP研磨加工装置の加工状態を判
定し、アラーム装置29やパッド交換ユニット30,ド
レッシング制御ユニット31,スラリー供給制御ユニッ
ト32,ウェハチャック制御ユニット33,研磨盤制御
ユニット34を制御する。
【0070】図4や図5などで説明したようにして、ウ
ェハ表面の層間絶縁膜の膜厚が所定の値となり、この膜
表面が平坦化されると、膜厚評価データ判定処理ユニッ
ト28はこれを膜厚評価処理ユニット7からの膜厚評価
データから判定し、アラーム装置29を駆動する。これ
により、アラーム装置29はアラームを発し、作業者に
ウェハが研磨加工の終点に達したことを知らせる。な
お、これとともに、研磨盤2の回転を停止させるととも
に、ウェハチャック3を持ち上げてウェハをパット1へ
の押圧状態から解除し、研磨加工を終了させるようにし
てもよい。
【0071】また、膜厚評価データ判定処理ユニット2
8は膜厚評価処理ユニット7からの膜厚評価データを処
理してパッド1の状態を判定することができる。このた
めに、膜厚評価処理ユニット7は、また、検出ユニット
8からの検出結果からウェハからの反射光(反射紫外
線)の時間的な平均強度を求め、膜厚評価データ判定処
理ユニット28は、図18に示すように、研磨加工した
ウェハの枚数に対するこの平均強度の変化を評価し、こ
れを予め設定したしきい値と比較する。そして、平均強
度がこのしきい値よりも小さくなると、パッド1が劣化
したものと判定し、パット交換ユニット30を駆動す
る。これにより、パッド交換ユニット30は警報発生な
どの動作を行ない、作業者にパット交換の必要性を通知
する。
【0072】また、検出ユニット8で検出した検出強度
から膜厚評価処理ユニット7が図4や図5などで示すよ
うな検出強度の変動周期(あるいは、予め決められた膜
厚までの研磨時間)を評価して研磨レートを算出し、こ
の算出結果に基づいて膜厚評価データ判定処理ユニット
28がパッド1の表面状態やウェハ表面の層間絶縁膜の
研磨状態を判定する(研磨レートが低下すると、検出強
度の周期あるいは上記研磨時間が長くなる)。そして、
膜厚評価データ判定処理ユニット28は、この判定結果
に基づいて、ドレッシング制御ユニット31を動作させ
てドレッサ4の押圧力(ドレッシング圧力)や回転数,
揺動運動などのドレッシング条件を最適化し、研磨レー
トの低下を防止できるようにする。
【0073】また、検出した反射光あるいは反射紫外線
の時間的な平均強度と研磨レートとの間には、図19に
示すような関係があり、平均強度が小さくなると、研磨
レートも低下している。そこで、図17において、膜厚
評価データ判定処理ユニット28は、膜厚評価処理ユニ
ット7からの平均強度の膜厚評価データから研磨レート
を判定し、スリラー供給制御ユニット32を動作させて
スラリー5の供給を制御し、ウェハチャック制御ユニッ
ト33を動作させてウェハのパッド1への押圧力を制御
し、あるいは研磨盤制御ユニット34を制御して研磨盤
2の回転速度を変化させるなどして最適な研磨レートが
設定されるようにする。
【0074】また、ウェハチャック制御ユニット33が
ウェハ面でのパッド1への圧力分布を制御できるもので
あるときには、図11または図12に示すように検出窓
6を設けてウェハ7表面の層間絶縁膜の半径方向の膜厚
分布を検出することにより、その検出結果に応じて膜厚
評価データ判定処理ユニット28がウェハチャック制御
ユニット33を制御し、層間絶縁膜がほぼ全面にわたっ
て均一な厚さとなるように研磨加工させることができ
る。これにより、ウェハ表面の層間絶縁膜の均一性の高
い研磨加工が可能となる。
【0075】なお、図17に示す実施形態では、フィー
ドバック先への判定方法の一具体例を示しているもので
あり、判定方法としては、上記のものに限られるもので
はない。また、上記の判定及び判定の結果に伴う動作
は、装置操作者がマニュアルで行なうようにしてもよい
し、自動で行なわれるようにしてもよい。
【0076】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨加工での高精度の終点検出が可能となり、高精度の
研磨加工管理が可能となる。
【0077】また、かかる終点検出を行なう処理ユニッ
トを研磨加工工程に組み込むことにより、工程のスルー
プットの向上が図れる。例えば、ウェハ上に半導体デバ
イスを製造する方法及び製造ラインにおけるCMP研磨
加工工程において、終点検出を高精度に行なうことが可
能となり、工程のスループット向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による研磨加工の終点検出方法及び装置
の第1の実施形態を示す構成図である。
【図2】本発明による研磨加工の終点検出方法及び装置
の第2の実施形態を示す構成図である。
【図3】多層化されたウェハからの干渉光の発生を概略
的に示す図である。
【図4】図1,図2に示した実施形態での研磨加工の終
点検出方法の一具体例を示す図である。
【図5】図1,図2に示した実施形態での研磨加工の終
点検出方法の他の具体例を示す図である。
【図6】図4及び図5での終点検出動作を示すフローチ
ャートである。
【図7】本発明による研磨加工の終点検出方法及び装置
の第3の実施形態を示す構成図である。
【図8】本発明による研磨加工の終点検出方法及び装置
の第4の実施形態を示す構成図である。
【図9】図8で示した実施形態での検出強度の変化を従
来技術での検出強度の変化と対比して示す図である。
【図10】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の開口形状の一具体例を示す平面図であ
る。
【図11】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の開口形状の他の具体例を示す平面図で
ある。
【図12】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の開口形状のさらに他の具体例を示す平
面図である。
【図13】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の開口形状のさらに他の具体例を示す平
面図である。
【図14】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の開口形状のさらに他の具体例を示す平
面図である。
【図15】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の内部構造の一具体例を示す縦断面図で
ある。
【図16】図1〜図9で説明した実施形態での研磨装置
に設けた検出窓の内部構造の他の具体例を示す縦断面図
である。
【図17】本発明における半導体デバイス製造方法およ
びその装置の一実施形態での研磨工程の一具体例を概略
的に示す構成図である。
【図18】本発明における研磨加工装置での研磨加工枚
数と検出光の平均強度との関係の一を示す図である。
【図19】本発明における研磨加工装置での研磨速度と
検出光の平均強度との関係の一例を示す図である。
【図20】CMP研磨加工の一例を示す図である。
【図21】図20に示したCMP加工での従来の終点検
出方法を示す図である。
【符号の説明】
1 パッド 2 研磨盤 3 ウェハチャック 4 ドレッサー 5 スラリー 6 検出窓 7 膜厚評価処理ユニット 8 検出ユニット 9,10 レーザ光源 12 ビームスプリッタ 13 ダイクロイックミラー 15,16 光検出器 17 対物レンズ 18 ウェハ 19 回折格子 20 白色光源 21 分光器 22 紫外線発生手段 23 紫外線検出手段 24 検出孔 25 溝 26 透明パッド 27 光学窓 28 膜厚評価データ判定処理ユニット 29 アラーム装置 30 パッド交換ユニット 31 ドレッシング制御ユニット 32 スラリー供給制御ユニット 33 ウェハチャック制御ユニット 34 研磨盤制御ユニット
フロントページの続き (72)発明者 小島 弘之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 佐藤 秀己 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Fターム(参考) 3C047 AA02 AA04 AA05 AA08 AA34 BB01 3C058 AA09 AA19 AC02 BA01 BA07 BA09 CB03 CB04 DA17 5F043 AA01 DD16 DD25 FF07

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    2つ以上の異なる波長の光を同時に照射して該膜からの
    夫々の反射光を検出し、該検出した夫々の反射光の強度
    の関係に基づいて該膜の研磨加工の終点を検出すること
    を特徴とする研磨加工の終点検出方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記検出した夫々の反射光の強度比に基づいて前記研磨
    加工の終点を検出することを特徴とする研磨加工の終点
    検出方法。
  3. 【請求項3】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    白色光を照射して該膜からの反射光を検出し、該反射光
    の強度の分光強度に基づいて該膜の研磨加工の終点を検
    出することを特徴とする研磨加工の終点検出方法。
  4. 【請求項4】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    紫外線を照射して該膜から反射される紫外線を検出し、
    検出した該紫外線の強度に基づいて該膜の研磨加工の終
    点を検出することを特徴とする研磨加工の終点検出方
    法。
  5. 【請求項5】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    2つ以上の異なる光を同時に照射する照射手段と、 該膜からの夫々の反射光を検出する検出手段と、 該検出した夫々の反射光の強度の関係に基づいて該膜の
    研磨加工の終点を検出する処理手段とを備えることを特
    徴とする研磨加工の終点検出装置。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 前記処理手段は、前記検出した夫々の反射光の強度比に
    基づいて前記膜の研磨加工の終点を検出することを特徴
    とする研磨加工の終点検出装置。
  7. 【請求項7】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    白色光を照射する照射手段と、 該膜からの反射光を検出する検出手段と、 該検出した反射光の分光強度の関係に基づいて該膜の研
    磨加工の終点を検出する処理手段とを備えることを特徴
    とする研磨加工の終点検出装置。
  8. 【請求項8】 研磨加工中のウェハ表面に形成した膜に
    紫外線を照射する照射手段と、 該膜から反射された該紫外線を検出する検出手段と、 該検出した紫外線の強度の関係に基づいて該膜の研磨加
    工の終点を検出する処理手段とを備えることを特徴とす
    る研磨加工の終点検出装置。
  9. 【請求項9】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工す
    る工程で、請求項1〜4のいずれか1つに記載の研磨加
    工の終点検出方法を用いて該研磨加工の終点を検出する
    ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  10. 【請求項10】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工
    する工程で、請求項1〜4のいずれか1つに記載の研磨
    加工の終点検出方法で検出される反射光の強度に基づい
    て該膜の研磨レートを評価し、この評価結果に基づい
    て、研磨加工に用いるパッドへのドレッサのドレッシン
    グ条件を最適化することを特徴とする半導体デバイスの
    製造方法。
  11. 【請求項11】 請求項10において、 前記ドレッシング条件は、前記ドレッサのドレッシング
    圧力,回転数,揺動運動の周期,ドレッシングに用いる
    加工具の種類の少なくともいずれか1つであることを特
    徴とする半導体デバイスの製造方法。
  12. 【請求項12】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工
    する工程で、請求項1〜4のいずれか1つに記載の研磨
    加工の終点検出方法で検出される反射光の強度に基づい
    て該膜の研磨レートを評価し、この評価結果に基づい
    て、該ウェハの膜の加工条件を最適化することを特徴と
    する半導体デバイスの製造方法。
  13. 【請求項13】 請求項12において、 前記加工条件は、前記パッドに押圧する前記ウェハの押
    圧力,回転数,揺動運動の周期の少なくともいずれか1
    つであることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  14. 【請求項14】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工
    する研磨手段と、 請求項5〜8のいずれか1つに記載した研磨加工の終点
    検出装置とを備え、該膜の研磨加工の終点を検出可能に
    構成したことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
  15. 【請求項15】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工
    する研磨手段と、 請求項5〜8のいずれか1つに記載した研磨加工の終点
    検出装置での前記検出手段の検出出力の強度に基づい
    て、該膜の研磨レートを評価する評価手段と、 該評価手段の評価結果に基づいて該膜を研磨加工するパ
    ッドのドレッシング条件を最適に設定する制御手段とを
    備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
  16. 【請求項16】 請求項15において、 前記ドレッシング条件は、前記ドレッサのドレッシング
    圧力,回転数,揺動運動の周期,ドレッシングに用いる
    加工具の種類の少なくともいずれか1つであることを特
    徴とする半導体デバイスの製造装置。
  17. 【請求項17】 ウェハの表面に形成した膜を研磨加工
    する研磨手段と、 請求項5〜8のいずれか1つに記載した研磨加工の終点
    検出装置での前記検出手段の検出出力の強度に基づい
    て、該膜の研磨レートを評価する評価手段と、 該評価手段の評価結果に基づいて該ウェハの膜の加工条
    件を最適に設定する制御手段とを備えたことを特徴とす
    る半導体デバイスの製造装置。
  18. 【請求項18】 請求項17において、 前記加工条件は、前記パッドに押圧する前記ウェハの押
    圧力,回転数,揺動運動の周期の少なくともいずれか1
    つであることを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
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