JP2006032764A - 研磨制御方法、研磨装置及び半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被研磨部材の研磨前後の膜厚から研磨時間を設定する方法と、研磨その場計測により終点を検出する方法とを相互に連携させた研磨制御方法及びこの方法を用いた研磨装置及び半導体デバイス製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る研磨制御方法は、被研磨部材の研磨加工において、研磨加工の終了を判断するものであり、所定の条件により設定された予測研磨時間Ｔ_Eと、研磨加工中に測定された被研磨部材の研磨中厚さ情報に基づいて研磨加工の終点を検出するＥＰＤ部からの終点情報とを互いに連携させて研磨加工の終了を判断する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、研磨加工において研磨の終了を判定する研磨制御方法、この研磨制御方法を用いた研磨装置及び半導体デバイス製造方法に関する。

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、様々な技術、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、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及び上下層間の配線がある。リソグラフィの短波長化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、金属電極層の埋め込みで、あるいは、象嵌（プラグ、ダマシン）の要求も多層配線実現にとっては大きく、この場合、積層後の余分な金属層の除去及び平坦化が行われなければならない。

これらの大きな（ダイサイズレベルでの）エリアの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing または Planarization）と呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用を併用して、ウェハの表面層を除いていく工程で、グローバル平坦化及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、酸化剤などの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、適当な研磨布で、ウェハ表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。

この工程は、デバイスプロセス技術として、多くの課題を残しており、中でも、種々の理由により、研磨工程速度が一定しないため、適切な研磨工程の終了や変更のタイミングを知ることが問題となっている。このため、研磨加工のその場（in-situ）によるウェハ表面状態の計測（以降の説明では、「研磨その場計測」と呼ぶ）を行う終点検出（ＥＰＤ）と呼ばれる研磨工程モニタリング技術への要請が高くなっている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３６０６１０号公報

上述したように、ＣＭＰ工程においては、適切な終了点（または工程変更点）を、研磨その場計測で知る終点検出（ＥＤＰ）への要請が高く、そのための様々な方式が、プロセス毎に実施されている。代表的な方策は、光学式で、研磨中のウェハ表面に光照射してその反射光より状態を知るというものである。このほか、対象膜材料によっては、電磁式（Ｃｕプロセス向け過電流計測など）や、研磨回転トルク計測が用いられることもある。種々の終点検出技術は、それぞれに改良開発が続けられているが、あらゆるプロセスにおいて、十分な信頼性を得られているわけではない。

一方で、研磨その場計測を用いることなく、研磨結果を一定にすることを意図したシステムの提案もある。これは、研磨事前、事後（あるいは両方）に、研磨対象膜の膜厚を計測し、研磨時間を調整するものである。具体的には、事前の計測によって、膜厚の厚いものは、研磨時間を長くし、膜厚の薄いものは、研磨時間を短くする。また、研磨後の計測によって、予測（設定値）より研磨量が小さい場合は以降の研磨において研磨時間を長くし、研磨量が大きい場合は短くする。すなわち、研磨対象膜の初期膜厚の変動を事前計測によって補償し、研磨装置の研磨速度の変動を事後計測によって補償するというものである。予測研磨時間算出にあたっては、種々の統計処理等も行われている。

この方法は、研磨その場計測に比較して、確実性は高いが、制御精度が落ちることや、変動へのフィードバックが遅いという問題を抱えている。要するに、研磨その場計測であるＥＰＤにおいては、その確実性（安定性）に不安が残り、膜厚計測による研磨時間制御では精度に不満があるという状態が現状の課題と言える。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、被研磨部材の研磨前若しくは研磨後の膜厚から研磨時間を設定する方法と、研磨その場計測により終点を検出する方法とを相互に連携させて、研磨量を精度良く、そして、安定して制御する研磨制御方法を提供することを目的とし、さらにこの研磨制御方法を用いた研磨装置及び半導体デバイス製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る研磨制御方法は、被研磨部材の研磨加工において、研磨加工の終了を判断するものであり、所定の条件により設定された研磨時間（例えば、実施形態における予測研磨時間Ｔ_E）と、研磨加工中に測定された被研磨部材の研磨中厚さ情報に基づいて研磨加工の終点を検出する終点判定手段（例えば、実施形態におけるＥＰＤ部３）からの終点情報とを互いに連携させて研磨加工の終了を判断するように構成される。

なお、本発明に係る研磨制御方法は、被研磨部材の研磨加工前に測定された研磨前厚さ情報若しくは研磨加工後に測定された研磨後厚さ情報から研磨時間を推定し、この研磨時間から決定される研磨終了予定時刻の前後に所定の許容時間幅（例えば、実施形態における許容時間ΔＴ）を有する前終了予定時刻及び後終了予定時刻との間において、終了判定手段からの終点情報に基づいて研磨加工の終了を判断することが好ましい。そして、本発明に係る研磨制御方法は、前終了予定時刻よりも前に終点判定手段により終点情報が検出されたときは、前終了予定時刻に研磨加工の終了を判断することが好ましい。また、後終了予定時刻までに終点判定手段から終点情報が検出されないときは、後終了予定時刻に研磨加工の終了を判断することが好ましい。

また、本発明に係る研磨制御方法は、前終了予定時刻及び後終了予定時刻の間に終点判定手段が終点情報を検出したか否かに基づいて、以降の研磨加工における許容時間幅の大きさを設定することが好ましい。

さらに、本発明に係る研磨制御方法は、研磨加工前に測定された被研磨部材の研磨前厚さ情報に基づいて、終点判定手段における被研磨部材の終点の判定条件を設定することが好ましい。

また、本発明に係る研磨装置（例えば、実施形態におけるＣＭＰ装置１）は被研磨部材（例えば、実施形態におけるウェハ２５）を研磨加工するものであり、被研磨部材の研磨時間を設定する研磨時間設定手段（例えば、実施形態における研磨時間設定部５３）と、被研磨部材の研磨中厚さ情報を測定し、この研磨中厚さ情報から終点検出条件に基づいて被研磨加工の終点を検出して終点情報を出力する終点検出手段（例えば、実施形態における終点判定部５４）と、研磨時間及び終点情報を互いに連携させて研磨加工の終了を判断する研磨終了判断手段（例えば、実施形態における研磨終了判断部５７）とから構成する。

なお、研磨時間設定手段が、被研磨部材の研磨加工前に測定された研磨前厚さ情報、若しくは、この被研磨部材の研磨加工より前に行われた他の被研磨部材の研磨加工後の研磨後厚さ情報から被研磨部材の研磨時間を設定し、この研磨時間から決定される研磨終了時刻の前後に所定の許容時間幅を有する前終了予定時刻と後終了予定時刻とを設定するように構成され、研磨終了判断手段が、前終了予定時刻及び後終了予定時刻の間において終点検出手段から出力された終点情報に基づいて研磨加工の終了を判断するように構成されることが好ましい。

このとき、研磨終了判定手段が、前終了予定時刻よりも前に終点検出手段から終点情報が出力されたときは、前終了予定時刻に研磨加工の終了を判断するように構成されることが好ましい。また、研磨終了判定手段が、後終了予定時刻までに終点検出手段からの終点情報が出力されないときは、後終了予定時刻に研磨加工の終了を判断するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係る研磨装置は、前終了予定時刻及び後終了予定時刻の間において終点検出手段が終点情報を出力したか否かの研磨結果情報を記憶し、この終点検出記憶手段に記憶された研磨結果情報に基づいて許容時間幅の大きさを設定する許容時間幅設定手段（例えば、実施形態における研磨履歴管理部５６）を有することが好ましい。

さらに、本発明に係る研磨装置は、被研磨部材の研磨加工前の加工前厚さ情報を測定する研磨前厚さ情報測定手段（例えば、実施形態における膜厚計測部５２）と、研磨前厚さ情報に基づいて研磨終了判定手段の終点検出情報を設定する終了判定条件設定手段（例えば、実施形態における検出条件設定部５５）とを有することが好ましい。

また、本発明に係る半導体デバイス製造方法は、被研磨部材が半導体ウェハであり、上述のいずれかに記載の研磨制御方法、若しくは、上述のいずれかに記載の研磨装置を有して構成される。

本発明に係る研磨制御方法、研磨装置、若しくは、半導体デバイス製造方法によると、研磨前若しくは研磨後の膜厚計測結果からの研磨時間の制御と研磨その場計測による研磨終点の検出を有機的にリンクさせることによって、どちらか一方のみを用いることによる不具合（精度のなさ、不確実性）の双方を所定の要求レベルで解決することができる。そのため、ＣＭＰ加工の歩留まりが向上して生産性を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、実施例として、シリコン酸化膜を研磨するＣＭＰ工程（シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）工程や層間絶縁膜（ＩＬＤ）工程）において、研磨後（仕上がり）膜厚をウェハ毎に一定にする方法について述べる。まず、図１を用いて、本発明に係る研磨部２及び膜厚測定装置兼研磨終点判定装置（以下、「ＥＰＤ部３」と呼ぶ）からなるＣＭＰ装置１について説明する。研磨部２は、被研磨部材保持部（以下、「ホルダ２１」と呼ぶ）、研磨ヘッド２２、研磨パッド２３、及び、研磨剤供給部２４から構成されている。そして、ホルダ２１には被研磨部材であるウェハ２５が取り付けられ、研磨剤供給部２４から研磨剤２６が供給される。

研磨パッド２３としては、発泡ポリウレタンよりなるシート状のものや、表面に溝構造を有した無発泡樹脂のものが使用されている。ホルダ２１は適当な手段により軸Ａを中心に矢印ａの方向に回転され、研磨ヘッド２２は適当な手段により軸Ｂを中心に矢印ｂの方向に回転される。更に軸Ｂは、矢印ｃのように、軸Ａに直線的に近づいたり離れたりする揺動を行う。これらの過程で、研磨剤２６と研磨パッド２３との作用により、ウェハ２５の研磨面（研磨パッド２３と接触している面）が研磨される。

このようなＣＭＰ工程においてウェハ２５の研磨面が所定量研磨され十分平坦化したかの判定、つまり、研磨終点の判定及びウェハ２５上の膜の膜厚を測定するために、光の分光反射率を測定し、この分光反射率からこれらの測定を行うＥＰＤ部３が設けられている。このＥＰＤ部３は、光源３１、光路分割部材３５、光検出器４４等から構成されている。なお、ＥＰＤ部３は、研磨されるウェハ２５の上方に配設されるため、研磨作業において飛散した研磨剤２６から機器を守るためにカバー４５でほぼ覆われている。このＥＰＤ部３は、光源３１から出射した光線をウェハ２５の研磨面で反射させてその反射光を光路分割部材３５で取り出して後述する分光器等で分光された光線を光検出器４４で分光強度を測定することにより、膜厚測定と研磨終点の判定を行っている。なお、本実施例においては、膜厚測定装置と研磨終点判定装置とを一体にしたＥＰＤ部３で実現した例を示したが、これらは個別の装置として実現しても良い。

それでは、このＥＰＤ部３について図２を用いてさらに詳しく説明する。光源（例えば、キセノンランプ）３１から出射した光線は、レンズ３２により平行光束に変換され、照明エリア制御スリット３３を通った後、レンズ３４によりビームスプリッタ（光路分割部材）３５に集光される。ビームスプリッタ３５を通過した光線は、レンズ３６により再び平行光束とされ、ウェハ２５の表面（研磨面）に照射される。このウェハ２５の研磨面で反射した反射光は、再びレンズ３６を通してビームスプリッタ３５に集光される。ビームスプリッタ３５においてこの反射光は９０°方向を変えられ、レンズ３８により平行光束とされる。そして、ミラー３９で反射されて、レンズ４０で０次光のみを選別する開口を有する遮光手段であるスリット４１上に集光される。このスリット４１により散乱光、回折光等のノイズ成分が除去され、レンズ４２を介して分光手段である回折格子４３に投射されて分光される。この回折格子４３で分光された光線は、光電変換素子である光検出器（リニアセンサ）４４に入射し、分光強度が測定される。

この光学系において、キセノンランプ３１の像はビームスプリッタ３５に結像し、その結像位置がレンズ３６の前方焦点に位置している。よって、ウェハ２５の研磨面は一様に、且つ、ほぼ垂直な平行光により照射される。また、スリット４１は、ウェハ２５からの垂直反射光の集光位置に設けられている。よって、その開口の径を調整することにより、反射光の開口数（ＮＡ）、すなわちその開口を通過する光線の反射角度を調整することができる。従って、想定されるウェハ２５の研磨面上のパターンから発生する１次以上の回折光が、スリット４１の開口を通過できないように開口数を選定することにより、０次光のみを測定することができる。

以上のように、リニアセンサ４４で検出した分光強度（ウェハ２５の研磨面での分光反射率）、例えば、シリコン基板上のシリコン酸化膜の分光反射率は、図３のような特性を示す。図３（ａ）は研磨前の各波長に対する反射率であり、図３（ｂ）は研磨後の各波長に対する反射率である。これは、シリコン酸化膜表面とシリコン基板表面で反射された光が干渉するため図３のような反射率の山や谷が生じるものである。これらの山や谷の位置や間隔から膜厚を知ることができる。

あるいは、同様の構成により単一波長の光線を出射するようにした光源３１を用いてリニアセンサ４４で検出される反射光の強度の変動特性から膜厚若しくは研磨終点を検出するように構成することができる。以下、透明膜である層間絶縁膜（ＩＬＤ）の研磨モニタを行う場合で説明する。研磨される膜の屈折率をｎとし、光源から出射される光線（モニタ光）の波長をλとする。時間的に強度を追跡し、極大点の出現回数で、膜厚変動を知るアルゴリズムにおいては、研磨工程が進み膜厚が、ほぼλ／２ｎ変わる毎に図４に示すように極大値が出現する。この特性は、反射光の強度の極小値を測定する方式でも同様である。なお、ウェハ２５の表面にパターンが形成され、このパターン上に薄膜が形成されている場合、単純に、ブランク膜における反射光の強度の変動の場合と違ってくるが、膜厚変動の影響としてはほぼこの程度になる。

例として、波長６００ｎｍの光線で、屈折率１．５の膜（一般的な酸化シリコンの膜）をモニタすると、ほぼ２００ｎｍの膜厚変動で、極大値が生じる。そのため、この方法による場合は、初期膜厚を計測し、目的膜厚までいくつ目の極大値で研磨終点とするかを適時に計算することで対応する必要がある。すなわち、初期膜厚の厚さにより、図４に示すように研磨終点を検出する反射光の強度の最大値の出現回数が異なる。従って、ウェハ２５の初期（研磨前）の膜厚が変動した場合は、それに応じた終点判定条件の設定を変更した方が、残膜を一定とするという目的を達成できる。本実施例においては、後述する制御部５により、初期膜厚の値（計測結果）に応じて終点判定のパラメータ（終点検出条件、すなわち、極大値若しくは極小値のカウント数）を変更するように構成されている。

なお、本実施例においては、研磨終点の検出のための膜厚の研磨その場計測の方法として上述のように光学式（分光タイプ）を用いる方法について説明しているが、本発明がこの計測方法に限定されるものではなく、対象膜材料によっては、ウェハ上に残る絶縁膜の厚さを静電容量で測定する電磁式（静電容量法等）や、ウェハと研磨パッドの間の摩擦係数変化をホルダ２１の回転軸トルクの変化として検出する研磨回転トルク計測（トルク検出法）を用いても良い。

以上のように、研磨その場計測の結果により研磨終点を検出することができるが、本実施例に係る研磨制御方法においては、図５に示すように、初期膜厚（研磨前厚さ情報）、あるいは、研磨後膜厚計測によって得られる研磨後膜厚（研磨後厚さ情報）から計算される研磨計測時間（所定の膜厚になるまでの研磨時間であって、以降の説明では「予測研磨時間Ｔ_E」と呼ぶ）とこのＥＰＤ部３により研磨終点の判定とをリンクさせる。先ず、研磨前の膜厚と研磨レートによって、予測研磨時間Ｔ_Eを算出する。研磨レートは、場合によって研磨後の膜厚（これから研磨加工を使用とするウェハ２５より何枚か前に研磨されたウェハの膜厚、若しくは、それらを統計処理した値）を用いて、初期の設定研磨レートから補正されることもある。

なお、本実施例においては、この算出された予測研磨時間Ｔ_Eで研磨加工を終了させるのではなく、予測研磨時間Ｔ_Eの付近で、ある幅を持った許容時間ΔＴ（例えば、予測研磨時間Ｔ_Eの±５％等）を設定する。この許容時間ΔＴは可変であることが望ましい。

そして、図６に示すように、研磨その場計測のＥＰＤ部３を作動させ、研磨終点と決めた終点検出信号（上述のように、閾値、極大極小点、変曲点などで判定する）がこの許容時間ΔＴ内に検出された場合のみ、この研磨終点の検出タイミングで研磨加工を終了する。もし、何らかの原因によってこの許容時間ΔＴ内に終点検出信号が検知されなかった場合は次のような条件判断で研磨加工を終了する。終点検出信号が、ノイズ等の影響で、許容時間ΔＴで設定される時間幅より前（前終了予定時刻ｔ_Uより前）に検出された場合は、それを無視し、許容時間ΔＴの最短時間（前終了予定時刻ｔ_U）で研磨加工を終了する。一方、終点検出信号が、信号強度低下等の原因で、許容時間ΔＴ（後終了予定時刻ｔ_O）が過ぎても検出されない場合は、その時点、すなわち、許容時間ΔＴの最長時間（後終了予定時刻ｔ_O）で研磨加工を終了する。

このとき、どのタイミングで研磨加工を終了したか（許容時間ΔＴ内で終点検出信号が出力されたか否か）である研磨結果情報をシステムとして集計、処理しておくことによって、その場計測による研磨終点の検出の安定性を数値的に評価することができる。そのため、この集計結果（評価結果）を用いて、許容時間ΔＴの設定変更等を行うことができる。例えば、許容時間ΔＴ内でほぼ研磨終点が検出される場合のようにＥＰＤ部３により安定して研磨加工の終了が判定できる場合は、この許容時間ΔＴを大きくすることができる。

このように、研磨前、研磨後の膜厚計測結果からの研磨時間の制御と研磨その場計測による研磨終点の検出とを有機的にリンクさせることによって、どちらか一方のみを用いることによる不具合（精度のなさ、不確実性）の双方を所定の要求レベルで解決することができる。そのため、ＣＭＰ加工の歩留まりが向上して生産性が向上する。なお、本実施例に係る研磨制御方法は、どちらか一方の方法のみを使うことを完全に包含したものである。すなわち、許容時間ΔＴを０とすれば膜厚計測結果からの予測研磨時間Ｔ_Eによる制御となり、許容時間ΔＴを十分に大きくとれば、終点検出による制御となる。また、以上の説明はシリコン酸化膜を研磨する場合について説明したが、金属膜や絶縁膜の研磨に用いても同様の効果を有する。

それでは、以上のような研磨制御方法により、上述の研磨部２を制御する制御部５（図１においては図示せず）について、図７を用いて説明する。制御部５は、ＥＰＤ部３からの膜厚計測結果若しくは終点検出結果を用いて、研磨部２のホルダ２１の回転や研磨ヘッド２２の回転及び揺動を制御するものである。この制御部５は、研磨部２を制御する研磨制御部５１、ＥＰＤ部３を制御してウェハ２５の膜厚を測定する膜厚計測部５２、膜厚計測部５２からの膜厚データに基づいて予測研磨時間Ｔ_Eを算出する研磨時間設定部５３、及び、ＥＰＤ部３を制御してウェハ２５の研磨終点を検出する終点判定部５４から構成される。なお、研磨制御部５１は、膜厚データに基づいて終点検出条件を設定する検出条件設定部５５と、予測研磨時間Ｔ_Eと終点検出信号に基づいて研磨加工の終了を判断する研磨終了判断部５７とを有している。また、この制御部５は、研磨結果情報（許容時間ΔＴ内で終点検出信号が出力されたか否か）を記憶して、研磨時間設定部５３において算出される許容時間ΔＴを補正する研磨履歴管理部５６を有している。

このような構成のＣＭＰ装置１において、ウェハ２５のＣＭＰ工程について図８を合わせて用いて説明する。被研磨部材（ウェハ２５）がＣＭＰ装置１に搬入されると、まず、膜厚計測部５２によりＥＰＤ部３でウェハ２５の膜厚が計測される（Ｓ１０１）。この膜厚により受け入れ判定が行われ（Ｓ１０２）、所定の範囲以外の膜厚のウェハ２５はその旨が作業者等に告知され以降のＣＭＰ工程から外される。所定の範囲内の膜厚のウェハ２５の場合は、膜厚計測部５２から出力された膜厚データを用いて研磨時間設定部５３により予測研磨時間Ｔ_Eと許容時間ΔＴが計算される（Ｓ１０３）。このとき、研磨履歴管理部５６に管理されている研磨結果情報を用いて許容時間ΔＴが補正される。この予測研磨時間Ｔ_Eと許容時間ΔＴは研磨制御部５１の研磨終了判断部５７に渡される。一方、研磨制御部５１の検出条件設定部５５は、膜厚計測部５２で計測された膜厚データに基づいて、終点判定条件を設定し、終点判定部５４に渡す（Ｓ１０４）。

なお、これらの機能５１〜５６は、この図７の構成に限定されるものではなく、例えば膜厚計測部５２や終点判定部５４等はＥＰＤ部３に実装されていても構わない。

以上のように設定された、予測研磨時間Ｔ_E、許容時間ΔＴ、及び、終点判定条件に基づいて、研磨部２によりウェハ２５の研磨加工が行われる（Ｓ１０５）。そして、予測研磨時間Ｔ_Eと許容時間ΔＴに基づいて、研磨終了判断部５７において、終点判定部５４から終点検出信号が出力されるか否かを監視する（Ｓ１０６）。この許容時間ΔＴ内に終点検出信号が出力された場合は、そのタイミングで研磨部２を停止して研磨加工を終了し（Ｓ１０７）、終点検出信号が出力されない場合（前終了予定時刻ｔ_Uより前に出力されるか、若しくは、後終了予定時刻ｔ_Oまで出力されないとき）には、予測研磨時間（前終了予定時刻ｔ_U、若しくは、後終了予定時刻ｔ_O）で研磨部２を停止して研磨加工を終了する（Ｓ１０８）。なお、研磨加工終了後に、膜厚計測部５２でＥＰＤ部３を制御して研磨加工後の膜厚データを計測し（Ｓ１０９）、その結果を統計処理して、上述のように予測研磨時間Ｔ_E、許容時間ΔＴの計算に用いることも可能である。

それでは、以上のような研磨制御方法を用いて層間絶縁膜であるシリコン酸化膜を研磨し、ＣＭＰ仕上がり時の残膜厚のターゲットを６６０ｎｍとした場合の実施例について説明する。この実施例においては、初期膜厚は、平均的に約１４００ｎｍであり、研磨ヘッド２２の研磨レートは、既存のデータから４２０ｎｍ／分（７ｎｍ／秒）のデータが設定されている。なお、上述の通り、実際には、複数のウェハの研磨進行に伴い、研磨後の膜厚を測定して逐次研磨レートが変更される。

ここで、あるウェハの初期膜厚が、１４３０ｎｍであるとすると、予測研磨時間は上述の研磨レート及び残膜厚のターゲットから次の式で求められる。

Ｔ_E ＝ （１４３０−６６０）／７ ＝ １１０秒

本実施例においては、残膜厚として、７０ｎｍ程度の残膜幅は許されるので、上述の研磨レートから、許容時間ΔＴが次のように決定される。

ΔＴ ＝ ７０／７ ＝ １０秒

すなわち、予測研磨時間Ｔ_E±５秒として設定される。よって、このウェハの場合は、研磨時間設定部５３により研磨時間として１０５秒〜１１５秒が設定される。一方、ＥＰＤ部３の光源３１は、白色光（波長範囲約４００ｎｍ〜８００ｎｍ）が用いられ、分光反射率を用いて検知する研磨その場計測の終点検出器（ＥＰＤ）が装備されており、適切な波長域検出で、極大値にて研磨終了すれば、ほぼ仕上がりが６６０ｎｍになるように終点判定部５４の終点検出条件が設定されている。そして、上述のように、予測研磨時間Ｔ_EとＥＰＤ部３からの終点検出情報とを組み合わせて研磨加工の終了が判定される。

このような構成において、５００枚のウェハを研磨した際の結果は、４９８枚のウェハはＥＰＤ部３による終点検出により研磨加工を終了し、残膜値は６６０ｎｍ±１０ｎｍの範囲に入った。また、１枚のウェハは、研磨開始から後終了予定時刻ｔ_OまでにＥＰＤ部３による終点検出ができず、この後終了予定時刻ｔ_Oで研磨加工が終了し、ウェハの残膜値は７２７ｎｍとなり、仕上がり規格に入った。さらに、別の１枚のウェハは、ノイズにより前終了予定時刻ｔ_Uよりも前にＥＰＤ部３により終点検出してしまい、前終了予定時刻ｔ_Uで研磨加工を終了し、ウェハの残膜値は５９０ｎｍとなり、仕上がり規格に入った。

次に、以上のような研磨制御方法若しくはＣＭＰ装置１を用いて行われる半導体デバイスの製造方法について図９を用いて説明する。図９は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、先ずステップ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肢、いずれかのステップに進む。ここで、ステップＳ２０１は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ＣＶＤ（化学気相成長法）等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。

ＣＶＤ工程（Ｓ２０２）若しくは電極形成工程（Ｓ２０３）の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ（研磨）工程である。ＣＭＰ工程では本実施例に係る研磨装置（上述のＣＭＰ装置１）により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨等によるダマシン(damascene)の形成等が行われる。

ＣＭＰ工程（Ｓ２０５）若しくは酸化工程（Ｓ２０１）の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソグラフィ工程である。この工程では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ウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。更に、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われ、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。

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Ｓ２００に戻り、先のステップを繰り返してウェ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。

本実施例に係る半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において上述の研磨制御方法（ＣＭＰ装置１）を用いて半導体ウェハの表面を研磨加工する工程を有しているため、研磨工程（ＣＭＰ工程）の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低コストでデバイス（ここでは半導体デバイス）を製造することができる。なお、上記で説明した半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本実施例に係るＣＭＰ装置１を用いても良い。

本発明に係るＣＭＰ装置の構成を示す図である。 光学式のＥＰＤ部の構成を示す図である。 ＥＰＤ部で検出される分光反射率を示すグラフであり、（ａ）は膜厚が厚いときであり、（ｂ）は膜厚が薄いときである。 研磨時間と反射光の強度を示すグラフであり、（ａ）は初期膜厚が厚いときであり、（ｂ）は初期膜厚が薄いときである。 予測研磨時間と許容時間との関係を示す説明図である。 予測研磨時間及び許容時間と、反射光の強度との関係を示す説明図である。 ＣＭＰ装置の制御部の構成を示すブロック図である。 制御部におけるＣＭＰ工程の制御フローを示すフローチャートである。 本発明に係る半導体デバイス製造方法の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置（研磨装置）
５２ 膜厚計測部（研磨前厚さ情報測定手段）
５３ 研磨時間設定部（研磨時間設定手段）
５４ 終点判定部（終点検出手段）
５５ 検出条件設定部（終了判定条件設定手段）
５６ 研磨履歴管理部（許容時間幅設定手段）
５７ 研磨判断終了部（研磨終了判断手段）

Claims (13)

1. 被研磨部材の研磨加工において、前記研磨加工の終了を判断する研磨制御方法であって、
   所定の条件により設定された研磨時間と、研磨加工中に測定された前記被研磨部材の研磨中厚さ情報に基づいて前記研磨加工の終点を検出する終点判定手段からの終点情報とを互いに連携させて前記研磨加工の終了を判断することを特徴とする研磨制御方法。
2. 前記被研磨部材の研磨加工前に測定された研磨前厚さ情報若しくは研磨加工後に測定された研磨後厚さ情報から前記研磨時間を推定し、前記研磨時間から決定される研磨終了予定時刻の前後に所定の許容時間幅を有する前終了予定時刻及び後終了予定時刻との間において前記終点判定手段からの終点情報に基づいて前記研磨加工の終了を判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨制御方法。
3. 前記前終了予定時刻よりも前に前記終点判定手段により前記終点情報が検出されたときは、前記前終了予定時刻に前記研磨加工の終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨制御方法。
4. 前記後終了予定時刻までに前記終点判定手段から前記終点情報が検出されないときは、前記後終了予定時刻に前記研磨加工の終了を判断することを特徴とする請求項２または３に記載の研磨制御方法。
5. 前記前終了予定時刻及び前記後終了予定時刻の間に前記終点判定手段が前記終点情報を検出したか否かに基づいて、以降の研磨加工における前記許容時間幅の大きさを設定することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の研磨制御方法。
6. 研磨加工前に測定された前記被研磨部材の研磨前厚さ情報に基づいて、前記終点判定手段における前記被研磨部材の終点の判定条件を設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の研磨制御方法。
7. 被研磨部材を研磨加工する研磨装置であって、
   前記被研磨部材の研磨時間を設定する研磨時間設定手段と、
   前記被研磨部材の研磨中厚さ情報を測定し、前記研磨中厚さ情報から終点検出条件に基づいて前記研磨加工の終点を検出して終点情報を出力する終点検出手段と、
   前記研磨時間及び前記終点情報を互いに連携させて前記研磨加工の終了を判断する研磨終了判断手段とから構成されたことを特徴とする研磨装置。
8. 前記研磨時間設定手段が、前記被研磨部材の研磨加工前に測定された研磨前厚さ情報、若しくは、前記被研磨部材の研磨加工より前に行われた他の被研磨部材の研磨加工後の研磨後厚さ情報から前記被研磨部材の前記研磨時間を設定し、前記研磨時間から決定される研磨終了時刻の前後に所定の許容時間幅を有する前終了予定時刻と後終了予定時刻とを設定するように構成され、
   前記研磨終了判断手段が、前記前終了予定時刻及び前記後終了予定時刻の間において前記終点検出手段から出力された終点情報に基づいて前記研磨加工の終了を判断するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
9. 前記研磨終了判定手段が、前記前終了予定時刻よりも前に前記終点検出手段から前記終点情報が出力されたときは、前記前終了予定時刻に前記研磨加工の終了を判断するように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
10. 前記研磨終了判定手段が、前記後終了予定時刻までに前記終点検出手段から前記終点情報が出力されないときは、前記後終了予定時刻に前記研磨加工の終了を判断するように構成されたことを特徴とする請求項８または９に記載の研磨装置。
11. 前記前終了予定時刻及び前記後終了予定時刻の間において前記終点検出手段が前記終点情報を出力したか否かの研磨結果情報を記憶し、前記研磨結果情報に基づいて前記許容時間幅の大きさを設定する許容時間幅設定手段を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の研磨装置。
12. 前記被研磨部材の前記研磨加工前の加工前厚さ情報を測定する研磨前厚さ情報測定手段と、
    前記研磨前厚さ情報に基づいて前記研磨終了判定手段の終点検出条件を設定する終了判定条件設定手段とを有することを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の研磨装置。
13. 前記被研磨部材が半導体ウェハであり、
    請求項１〜６のいずれかに記載の研磨制御方法、若しくは、請求項７〜１２のいずれかに記載の研磨装置を有して構成されることを特徴とする半導体デバイス製造方法。
    

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