JP2008186873A - Ｃｍｐ装置の段差解消終点検知装置及び段差解消終点検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ研磨面の初期段差の解消終点を正確に検知して研磨効率のアップ、ランニングコストの低減、ウェハの歩留り向上を図る。
【解決手段】ウェハＷ表面に形成された被研磨膜２０を研磨するＣＭＰ装置１０の段差解消終点検出装置１１は、ウェハＷの粗研磨中に該研磨面に光を照射する光照射手段２２と、該研磨面からの反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換手段２３と、該光電変換手段２３から出力された光強度信号に基づいてウェハＷの初期段差の解消終点を判定する判別手段２５とを備える。又、前記照射した光が白色光であり、且つ、白色光は分光して光電変換手段２３に入力され、該分光された波長ごとの光強度信号が出力される。これにより、ウェハ研磨中に初期段差の解消終点を光学的に検知する。
【選択図】図２

Description

本発明はＣＭＰ装置の段差解消終点検知装置及び段差解消終点検知方法に関するものであり、特に、ウェハの初期段差の研磨途中に該初期段差が解消した終点を光学的に検出するＣＭＰ装置の段差解消終点検知装置及び段差解消終点検知方法に関するものである。

従来、此種ＣＭＰ装置によりウェハ表面の金属膜、酸化膜などの被研磨膜を平坦に研磨する際は、ウェハを研磨パッドに所定圧力で押し付け、該研磨パッドとウェハとを回転させながら、該研磨パッド上面に研磨剤を供給して前記被研磨膜を研磨している。

図７は、表面に被研磨膜としてＣｕ膜が形成されたウェハＷを例示する。同図に示すように、Ｓｉ基板１上の酸化膜２に形成された溝３にＴａ膜等のバリア膜４が形成され、更に、該バリア膜４の上にＣｕ膜である被研磨膜５が形成されている。この被研磨膜５の表面は完全な平坦面ではなく、特に、前記溝３と対応する表面には初期段差（凹凸）６が生じる。

前記ウェハＷをＣＭＰ装置で研磨する場合は、一般に粗研磨と仕上げ研磨の２つの研磨ステップに分けて段階的にＣＭＰ処理を実行している。即ち、第１の研磨ステップとして初期段差６が解消するまで粗研磨（初期研磨）を行い、然る後、第２の研磨ステップとして最終的な研磨面が平坦になる研磨終点（所定の膜厚になる終点を含む）まで仕上げ研磨を行っている。そして、粗研磨から仕上げ研磨に移行する時は、研磨効率の向上及びランニングコストの節減などの観点から、研磨速度、研磨圧力、研磨剤などの研磨条件を仕上げ研磨に応じて変更している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１５７７号公報

上記従来のＣＭＰ装置では、仕上げ研磨ステップにおける研磨終点を光学的に検知（膜厚の検出を含む）することにより、最終的な仕上げ研磨加工の停止時点を正確に把握できる。しかし、粗研磨における初期段差の解消終点を検知する手段が存在しないため、粗研磨中に初期段差の解消終点を把握することができない。

現状では研磨現場で作業者が経験と勘に基づき、初期段差の解消終点を試行錯誤的に推定し、推定した時点で研磨条件の変更を実行している。その結果、初期段差の解消終点と研磨条件の変更時期とが必ずしも正確に一致しない。即ち、初期段差が解消した時点よりも早い時期又は遅い時期に、研磨条件が変更されることが多い。

このように従来のＣＭＰでは、研磨条件の変更時期が初期段差の解消終点の時期と一致しないため、ウェハの研磨効率の低下、ランニングコスト（研磨剤の浪費等）の高騰及びウェハの歩留り低下を招くという問題があった。

そこで、ウェハ研磨面の初期段差の解消終点を正確に把握して、研磨効率のアップ、ランニングコストの節減、ウェハの歩留り向上を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、初期段差を有するウェハ表面の被研磨膜を粗研磨した後に研磨条件を変更して仕上げ研磨を行うＣＭＰ装置において、該ウェハの初期段差の研磨中に該ウェハの研磨面に光を照射する光照射手段と、該ウェハの研磨面からの反射光を受光して該反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換手段と、該光電変換手段から出力された光強度信号に基づいて前記ウェハの初期段差の解消終点を判定する判別手段とを備え、前記ウェハの研磨中に前記初期段差の解消終点を検知できるように構成して成るＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置を提供する。

この構成によれば、光照射手段によりウェハの研磨面に光を照射し、該ウェハの研磨面から反射する光は光電変換手段により受光して、該反射光の光強度を電気信号に変換する。この電気信号は光強度信号として判別手段に出力し、該光強度信号に基づいてウェハの初期段差の解消終点を検知する。従って、初期段差の解消終点を検知した時点で、研磨速度、研磨圧力、研磨剤の種類などの研磨条件を変更し、この後、ウェハの仕上げ研磨の終点までＣＭＰ処理が続行される。

請求項２記載の発明は、上記ウェハの研磨面に照射した光が白色光であり、且つ、該白色光は分光して上記光電変換手段に入力され、該光電変換手段は分光された波長ごとの光強度信号を出力するように構成して成る請求項１記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置を提供する。

この構成によれば、ウェハの研磨面に白色光を照射して反射させ、該反射光は所定の波長ごとに分光された後、光電変換手段により波長ごとの光強度信号が出力される。そして、判別手段は波長ごとの光強度信号に基づいて、ウェハの初期段差の解消終点を判定する。従って、白色光は全ての色成分の光を含むので、全ての色成分の光の波長領域の光強度データが得られる。

請求項３記載の発明は、上記光電変換手段は所定幅の波長域で光強度を積分して光強度信号を出力する請求項１又は２記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置を提供する。

この構成によれば、上記反射光は所定幅の波長領域にて光強度が積分され、該積分値に応じて電気信号に変換して光強度信号として出力される。従って、光電変換手段からは積分により増幅された光強度信号が判別手段に出力される。

請求項４記載の発明は、上記判別手段は上記ウェハの研磨中に上記光強度信号の大きさに応じて該ウェハの初期段差の解消の度合いを定量的に判定する請求項１，２又は３記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置を提供する。

この構成によれば、上記ウェハの研磨の進行に伴い、ウェハの初期段差の度合い、即ち、被研磨膜表面の凹凸度合いが小さくなり、これに従って反射光の量が増加する。その結果、上記光電変換手段から出力される光強度信号は、反射光の量の増加に応じて大きくなる。これにより、光強度信号の大小（強弱）に応じて、判別手段によって初期段差の解消度合いが定量的に判定される。従って、粗研磨の進行に伴う初期段差の解消状況が定量的に把握される。

請求項５記載の発明は、初期段差を有するウェハ表面の被研磨膜を粗研磨した後に研磨条件を変更して仕上げ研磨を行うＣＭＰ装置において、該ウェハの初期段差の研磨中に該ウェハの研磨面に光を照射する光照射工程と、該ウェハの研磨面からの反射光を受光して該反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換工程と、該光電変換手段から出力された光強度信号に基づいて、前記ウェハの初期段差の解消終点を判定する判別工程とを備え、前記ウェハの研磨中に前記初期段差の解消終点を検知するＣＭＰ装置の段差解消終点検出方法を提供する。

この方法によれば、光照射手段によりウェハの研磨面に光を照射し、該ウェハの研磨面から反射する光は光電変換手段により受光して、該反射光の光強度を電気信号に変換する。この電気信号は光強度信号として判別手段に出力し、該光強度信号に基づいてウェハの初期段差の解消終点を検知する。従って、初期段差の解消終点を検知した時点で、研磨速度、研磨圧力、研磨剤の種類などの研磨条件を変更して、ウェハの仕上げ研磨の終点までＣＭＰ処理が続行される。

光強度信号として出力された電気信号は、研磨の進行に伴う初期段差の解消具合によって、光強度信号の大小（強弱）が変化し、初期段差が解消されて変化点が現れる。変化点が検知された時点を即研磨終点とする。また、変化点が検知された時点から所要量研磨を進めた時点を終点とすることで、適正な終点が得られる。

また、研磨の進行に伴う初期段差の解消具合によって、光強度信号の大小（強弱）が変化し、初期段差が解消されて変化点を迎える前または変化点を迎えた後に、光強度信号が閾値に到達した段階を終点として検知された時点を即終点とする。更に、閾値から所要量研磨を進めた時点を終点とすることで、適正な研磨終点が得られる。

請求項１記載の発明は、ウェハの初期段差の解消終点を正確に検知でき、該解消終点の時期と一致して研磨速度や研磨剤などの研磨条件を変更できるので、研磨剤などの消耗品の浪費を無くしてランニングコストを節減できると共に、研磨効率の向上を図ることができる。又、研磨条件の変更を最適なタイミングで行うことにより、ウェハ研磨面の平坦性の制御を向上させることができるため、不良品が減少してウェハの歩留りが従来に比べて向上する。

請求項２記載の発明は、全ての色成分を含む白色光を分光して波長ごとの光強度信号に基づいて、ウェハの初期段差の解消終点を判定できるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、広い範囲領域に渡って各波長の光強度データを多く収集でき、且つ、ウェハの被研磨膜の種類に適した波長の光強度信号を詳しく分析して、初期段差の解消終点を一層正確に検出することができる。

請求項３記載の発明は、所定幅の波長領域で増幅された反射光の光強度信号が判別手段に出力されるので、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、判別手段は増幅された光強度信号に基づき初期段差の解消終点をより高い精度で検出することができる。又、照射光の量を少なくしても、初期段差の解消終点を確実に検出することができる。

請求項４記載の発明は、反射光の光強度信号の大小に応じて、初期段差の度合いを定量的に判定できるので、請求項１，２又は３記載の発明の効果に加えて、初期段差の解消終点（平坦化終了）の検出のみならず、ウェハ研磨の進行に伴って変化する初期段差の解消状況、即ち、粗研磨による平坦化の進行状況をリアルタイムで定量的に把握することができる。

請求項５記載の発明は、ウェハの初期段差の解消終点を正確に検知でき、該解消終点の時期と一致して研磨速度や研磨剤などの研磨条件を変更できるので、研磨剤などの消耗品の浪費を無くしてランニングコストを節減できると共に、研磨効率の向上を図ることができる。又、研磨条件の変更を最適なタイミングで行うことにより、ウェハ研磨面の平坦性の制御を向上させることができるため、不良品が減少してウェハの歩留りが従来に比べて向上する。

本発明は、ＣＭＰ処理においてウェハの初期段差の解消終点を正確に把握でき、ウェハの研磨効率の向上、ランニングコストの節減、歩留りアップを図るという目的を達成するため、初期段差を有するウェハ表面の被研磨膜を粗研磨した後に研磨条件を変更して仕上げ研磨を行うＣＭＰ装置において、該ウェハの初期段差の研磨中に該ウェハの研磨面に光を照射する光照射手段と、該ウェハの研磨面からの反射光を受光して該反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換手段と、該光電変換手段から出力された光強度信号に基づいて前記ウェハの初期段差の解消終点を判定する判別手段とを備え、前記ウェハの研磨中に前記初期段差の解消終点を検知できるように構成したことによって実現した。

以下、本発明の好適な実施例を図１乃至図８に従って説明する。本実施例は、初期段差を有する被研磨膜（金属膜、酸化膜等）が形成されたウェハを研磨対象とし、粗研磨と仕上げ研磨の２つの研磨ステップに分けて段階的に研磨するＣＭＰ装置に適用したものであって、第１の研磨ステップとして初期段差が解消するまで粗研磨（初期研磨）を行う工程と、第２の研磨ステップとして最終的な研磨面が平坦になる研磨終点まで仕上げ研磨を行う工程とを有する。

粗研磨から仕上げ研磨に移行する時は、研磨速度、研磨圧力、研磨剤などの研磨条件を仕上げ研磨に応じて変更することにより、研磨効率の向上及びランニングコストの節減などを図ったものである。本実施例に係るＣＭＰ装置は、ウェハのＣＭＰ処理中に、該ウェハの粗研磨の進行に伴い変化する初期段差の凹凸度合いを定量的に監視・判断できると共に、該凹凸が平坦化された段差解消終点をインラインにて検知できるように構成したものである。

図１は、本発明に係るＣＭＰ装置１０の段差解消終点検出装置１１の構成を示すブロック図である。同図において、ＣＭＰ装置１０は、図示しないモータにて駆動されて水平に回転する円盤状のプラテン１２と、該プラテン１２の表面に貼着された研磨パッド１３と、前記ウェハＷを保持して研磨パッド１３に所定の圧力で押し付ける昇降可能なウェハ保持ヘッド１４と、前記研磨パッド１３の表面に研磨剤（スラリー）を供給する供給ノズル１５と、ＣＭＰ装置１０全体の駆動を制御する制御部１６とで構成されている。

前記プラテン１２の所定位置には観測孔１７が貫通して形成され、該観測孔１７の上端開口部には透明材料から成る観測窓１８が嵌め込まれている。又、ウェハ保持ヘッド１４は、プラテン１２の回転中心から偏心した位置でウェハＷを研磨パッド１３に押圧するとともに、図示しないモータで駆動されて水平に回転する。ウェハＷを研磨する際は、ウェハＷを研磨パッド１３に所定の圧力で押し付け、該研磨パッド１３とウェハＷとを回転させながら、供給ノズル１５から研磨パッド１３上面に研磨剤を供給して研磨する。

上記ＣＭＰ装置１０に具備された段差解消終点検出装置１１は、ウェハＷの粗研磨中に、該研磨の進行に伴い被研磨膜２０（図４参照）の研磨面に段差（凹凸）が生じなくなった時点、即ち、初期段差の解消終点を光学的に検出するものである。

この段差解消終点検出装置１１は、白色光を発生する光照射手段の光源２１と、該光源２１からの光をウェハＷの研磨面に導出して照射させ、且つ、ウェハＷの研磨面からの反射光を受光する照射・受光ユニット２２と、該照射・受光ユニット２２で受光された反射光を分光するポリクロメータ２３と、該ポリクロメータ２３及び光源２１の双方と前記照射・受光ユニット２２との間に設けられた二分岐ライトガイド（導光路）２４と、該二分岐ライトガイド２４を介して入力された反射光のデータを解析するコンピュータ２５とより構成されている。

本実施例では、前記ポリクロメータ２３は分光手段と光電変換手段を兼用し、前記分光された反射光に基づき波長ごとの光強度信号をコンピュータ２５に出力する。又、コンピュータ２５は、該ポリクロメータ２３から出力された光強度信号に基づいて、ウェハＷの初期段差の解消終点を判定する判別手段として機能している。

光源２１には、例えば、白色光を発するハロゲンランプが内蔵されている。又、照射・受光ユニット２２は観測孔１７の下方位置に設置され、図示しないレンズ鏡筒と該レンズ鏡筒内に設置された集光レンズとより構成されている。

又、照射・受光ユニット２２の下端部には、多数の光ファイバーを結束して成る二分岐ライトガイド２４の一端部が接続され、該二分岐ライトガイド２４の他端側は途中で照射側ライトガイド２４Ａと受光側ライトガイド２４Ｂに分岐されている。そして、照射側ライトガイド２４Ａは光源２１に接続されている。他方、受光側ライトガイド２４Ｂはポリクロメータ２３に接続されている。尚、照射側ライトガイド２４Ａと光源２１は光照射手段を構成している。

上記の構成から成る段差解消終点検出装置１１において、光源２１から発せられた白色光は、二分岐ライトガイド２４の照射側ライトガイド２４Ａによって照射・受光ユニット２２に導出された後、照射・受光ユニット２２の集光レンズにより集光される。

次いで、プラテン１２に形成された観測窓１８を通過して、研磨パッド１３上のウェハＷの研磨面（下面）に照射される。そして、ウェハＷの研磨面で反射した光は、前記受光ユニット２２の集光レンズにより集光された後、受光側ライトガイド２４Ｂを介してポリクロメータ２３に導出され、複数の波長ごとの光に分光される。

そして、ポリクロメータ２３で波長ごとに分光された個々の光は、光強度に応じた電気信号に変換され、波長ごとの光強度信号としてコンピュータ２５に出力する。具体的には、ポリクロメータ２３は、図２に示すように、入射スリット３０、平面鏡３１、凹面回折格子３２、アレイ受光素子３３及びマルチプレクサ３４で構成されている。

前記ポリクロメータ２３に導かれた反射光は、図２に示すように、入射スリット３０を通って平面鏡３１で凹面回折格子３２に導かれ、凹面回折格子３２で波長ごとの光に分光される。この分光された光は、アレイ受光素子３３上に結像され、波長ごとの光強度に応じた電気信号に変換され、マルチプレクサ３４を介して、波長ごとの光強度信号としてコンピュータ２５に出力される。

又、前記コンピュータ２５の判定部は、前記反射光の波長ごとの光強度信号に基づいて、粗研磨の進行に伴い段差が解消した時点、即ち、一様な平坦面に研磨された初期段差の解消終点を判定する。この判定の原理は、ウェハＷの粗研磨により被研磨膜２０表面の初期段差が少なくなるに伴い、該被研磨膜２０表面での反射光の量が増加して、波長ごとの光強度信号が大きくなることを利用したものである。

従って、被研磨膜２０表面の初期段差が解消されるに従い、これに対応して反射光の光強度信号が増大するため、図３に示すように、初期段差が完全に解消した時点で光強度信号が最大になる。斯くして、コンピュータ２５の判定部は、光強度信号が最大になった時に初期段差の解消終点の判定を実行し、同時に、ＣＭＰ装置１０の制御部１６に初期段差の解消終点信号を出力する。これにより、制御部１６は研磨条件を変更する旨の指令信号をＣＭＰ装置１０の各駆動部に送信すると共に、研磨条件の変更の内容をコンピュータ２５と一体に設けたモニター部２９にて表示する。研磨条件としては、例えば、ウェハＷの研磨速度（研磨ヘッドの回転速度、プラテンの回転速度）、研磨圧力又は研磨剤の種類や成分、ウェハＷの温度などが挙げられる。

コンピュータ２５は、前記被研磨膜２０の初期段差の解消終点を検出すべく、所定のアルゴリズムに従い、ポリクロメータ２３からの光強度信号を演算処理する。この段差解消終点検出のアルゴリズムの一例を説明するが、本発明はこれに限定されず、種々の段差解消終点検出のアルゴリズムを採用できる。

先ず、反射スペクトルにおいて反射量が大きい特定の波長域の光強度信号に基づき、図３に示すように、特定の波長域ごとに光強度の経時的な変化を表す光強度分布のグラフを作成し、該光強度を時間微分した値が０になる時点又はその前後の近傍の時点、即ち、光強度が最大になる時点又はその近傍の時点にて、前記被研磨膜２０における初期段差の解消終点と判定する。尚、図3中、Ａは被研磨膜２０を平坦化している区間であり、Ｂは被研磨膜２０が平坦化されたまま研磨している区間である。

この段差解消終点検出装置１１によれば、ウェハＷの粗研磨中に、ウェハＷの研磨面における反射光を波長ごとの光に分光し、該分光された波長ごとの光強度分布に基づいて初期段差の解消終点を判定する。本実施例では、白色光を分光して波長ごとの光強度信号を出力して該光強度信号に基づいて、ウェハの初期段差の解消終点を判定する、従って、白色光に含まれた全ての色成分の光強度データを広い波長範囲に亘って収集でき、且つ、ウェハの被研磨膜の種類と見合う波長の光強度信号分を詳しく分析することで、初期段差の解消終点を正確に検出することができる。

また、照射側ライトガイド２４Ａと受光側ライトガイド２４Ｂとを用いて照射光の導入と反射光の取り出しを行っているので、光の利用効率がアップして検出感度を向上する。

次に、段差解消終点検出の手順について詳述する。この場合、終点検出対象であるウェハＷは、図４に示すように、Ｓｉ基板上の酸化膜に形成された溝にＴａ膜等のバリア膜１９が形成され、更に、該バリア膜１９の上にＣｕ膜である被研磨膜２０が形成されている。

尚、ウェハＷの被研磨膜２０を研磨する際は、第１の研磨ステップとして被研磨膜２０表面の初期段差Ｐが解消するまで粗研磨し、然る後、第２の研磨ステップとして仕上げ研磨面が平坦になる研磨終点まで仕上げ研磨する。

このウェハＷの研磨では、研磨の進行に伴い被研磨膜２０における初期段差Ｐの解消終点を検知した時に、研磨速度、研磨圧力、研磨剤などの研磨条件を変更する工程が含まれている。

図５に示すように、本実施例による研磨加工では、最初に新規な研磨パッド１３に交換して（ステップＳ１）、新規な研磨パッド１３の下で光源の輝度（光強度）設定が行われる（ステップＳ２）。この時の光源から発せられる白色光の輝度をＬ１とする。

然る後、コンピュータ２５は設定された輝度Ｌ１の下で、段差なしの試料をリファレンス試料Ａとし、該リファレンス試料Ａを研磨パッド１３上面に載せて光輝度スペクトルを測定する。そして、測定した光輝度スペクトルを測定基準、即ち、光輝度スペクトルＲ１に設定し、該コンピュータ２５のメモリ２６に記憶させる（ステップＳ３）。

次に、ダークネスを測定する（ステップＳ４）。ダークネスの測定は、研磨パッド１３の観測窓１８上に何も置かない状態で、観測窓１８に白色光を入射し、その反射光の光輝度スペクトルを測定することにより行う。測定されたダークネスＤ１は、コンピュータ２５のメモリ２６に記憶させる。次に、必要に応じて、段差ありの試料をリファレンス試料Ｂとし、該リファレンス試料Ｂを研磨パッド１３上面に載せて光輝度スペクトルを測定する。そして、測定した光輝度スペクトルを測定基準、即ち、光輝度スペクトルＲ２に設定し、該コンピュータ２５のメモリ２６に記憶させる（ステップＳ５）。

この後、ウェハＷを研磨パッド１３上にセットしてウェハＷの粗研磨を開始する（ステップＳ６）。粗研磨が開始されると、上記手順により段差解消終点の検出が行われる。即ち、ウェハＷの研磨面に照射した光の反射光をポリクロメータ（分光手段）２３で分光し、この分光された波長ごとの光輝度スペクトルＴ１を測定する。

而して、コンピュータ２５はウェハ研磨中に測定された光輝度スペクトルＴ１と、リファレンス試料の光強度スペクトルＲ１及びダークネスＤ１に基づいて、段差解消終点の検出を行う（ステップＳ７）。

即ち、被検出物であるウェハＷの光輝度スペクトルＴ１と、リファレンス試料Ａ、Ｂの光輝度スペクトルＲ１、Ｒ２に対して、それぞれダークネスＤ１を差し引き、差し引いた後の光強度スペクトルＴ１と光輝度スペクトルＲ１、Ｒ２とから測定反射率を求め、求めた測定反射率が最大の値になった時に、初期段差が解消した時点、即ち、初期段差の解消終点であると判定する。

段差解消終点を判定した時は、図３の光強度分布のグラフでは光強度信号が最大になった時を意味する。そして、段差解消の判定を実行した時点で、コンピュータ２５はＣＭＰ装置１０の制御部１６に段差解消終点信号を出力して、上述した研磨条件の変更を行う（ステップＳ８）。

研磨条件を変更した後、引き続きウェハＷの最終的な仕上げ研磨面が平坦になる時点、即ち、仕上げ研磨終点まで研磨加工を行う（ステップＳ９）。そして、ウェハＷが続いて研磨できるか判断し、ウェハＷが研磨できればステップＳ６にもどり、なければ終了する（ステップＳ１０）
以上説明したように、本実施例によれば、受光側ライトガイド２４Ｂから反射光を取り出して、ウェハＷの光強度スペクトルＴ１と、リファレンス試料の光強度スペクトルＲ１とを比較することで、初期段差の解消した終点を光学的に判定する。

即ち、研磨初期はウェハＷ表面に凹凸が存在するため、該凹凸で光が乱反射し、乱反射により反射光が減衰して、全体として光の反射量が小さくなる。そして、ウェハ研磨の進行に伴い、ウェハＷの凹凸が平坦化されると、光の乱反射が少なくなるため、光の反射量が次第に大きくなり、前記凹凸が解消した時点で光の反射量が最大になる。

要するに、本実施例では、研磨パターンの初期段差の変化に基づき、反射率の大きさを示す反射量を検出することにより、初期段差の解消終点が光学的に検知される。そして、粗研磨の段差解消後に、研磨ステップを切り替えて研磨条件を変更する。

このように本発明によれば、ウェハＷの研磨面からの反射光の光強度は、光電変換手段により電気信号に変換されて光強度信号として出力され、該光強度信号に基づいてウェハＷの初期段差の解消終点が検知される。そして、初期段差の解消終点を検知した時点で、研磨速度、研磨圧力、研磨剤などの研磨条件を変更して、ウェハＷの最終的な仕上げ研磨終点までＣＭＰ加工を続行する。

従って、ウェハＷの初期段差の解消終点を正確に検知できるので、研磨速度、研磨圧力、研磨剤などの研磨条件の変更時期を初期段差の解消終点の時期に正確に一致させることができるため、研磨効率の向上が図れとともに、研磨剤などの消耗品の浪費を無くすことができる。又、ウェハ研磨面の平坦性の精度が高くなり、ディッシングやエロージョン等の欠陥が消失するため、ウェハＷの品質が良くなり、従来に比べてウェハＷの歩留りが大幅に向上する。

図６に示すように、反射光はポリクロメータ（光電変換手段）２３により、所定幅a又はｂの波長領域の範囲にて光強度を積分し、該積分値に応じた光強度信号に増幅して出力することができる。このようにすると、コンピュータ（判別手段）２５は増幅された光強度信号に基づいて、ウェハＷの初期段差の解消終点を判定するので、初期段差の解消終点をより高い精度で検出できる。

上記ウェハＷの研磨中、ポリクロメータ２３から出力される光強度の大きさは、ウェハＷの初期段差の凹凸度合いが小さくなるにつれて、反射光の量が増加して大きくなる。本実施例では、既知の初期段差を有するウェハの反射光の光強度（輝度スペクトル）が予めコンピュータ２５のメモリ２６に記憶され、且つ、ウェハの反射光の光強度の大きさと初期段差の凹凸度合いとの相関関係を示すデータもメモリ２６に記憶されている。従って、メモリ２６に記憶された既知のデータを参照して、研磨対象のウェハＷの研磨中に得られる光強度信号の強弱（大小）をコンピュータ２５の判定部で比較評価することにより、光強度信号の強弱に応じた初期段差の凹凸度合いを定量的に判定することができる。

斯くして、初期段差の解消終点（平坦化終了）の検出のみならず、ウェハＷ研磨の進行に伴って変化する初期段差の解消状況、即ち、粗研磨の平坦化の進行状況をリアルタイムで連続的且つ詳細に把握することができる。図示例では、初期段差の解消終点及び初期段差の解消状況はモニター部２９により常時表示されるため、研磨の進行状況をモニター部２９の画面上に表示しリアルタイムで把握して管理することができる。又、モニター部２９により研磨条件、光強度信号の解析を含む反射光に関するデータなどを随時表示できる。

本発明に基づいて、図７に例示した表面に被研磨膜としてＣu膜が形成されたウェハＷを同じ研磨条件で研磨を行い、同じ初期段差をもつウェハで複数の研磨時間で研磨を停止し、研磨後の段差をそれぞれ測定した。それらより得られた光強度と段差の関係を、図８に例示する。

実線３５は、光強度でありモニター部２９によりリアルタイムに表示された反射光に関する光強度信号のデータである。破線３６は、代表例としてＣuの配線幅が５０マイクロメーターで形成された配線の段差を例示したものである。

光強度が最大になり、光強度の変化が現れた時点で段差が最小となり、段差が最小のまま平坦化されたまま研磨している区間では、光強度はほとんど一定になるような変化である。尚、図８中、Ａは被研磨膜２０を平坦化している区間であり、Ｂは被研磨膜２０が平坦化されたまま研磨している区間である。

尚、本発明によるＣＭＰ処理は、仕上げ研磨面の平坦化を最終目的とするが、この場合、ウェハＷの膜厚の変化を検知するのではなく、ウェハＷの段差の解消終点を検知するものであり、従来の検知方式とは全くアプローチ方式が異なる新規な段差解消終点検出装置を提供するものである。

本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。例えば、上記同様の構成、原理、作用を用いて、電解研磨装置、電解加工装置、電解ＣＭＰ装置、ラッピング装置などにも応用することが出来る。

また、光源から出る光は白色光に限らず、赤色光、青色光などの波長域の光でもよく、単色光を複数又は単数の照射するレーザ光照射装置若しくはＬＥＤ装置を採用することも可能である。

本発明の一実施例を示し、ＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置を示すブロック図。 一実施例に係るポリクロメータの構成を示す説明図。 一実施例に係る光強度分布を例示するグラフ。 一実施例に係る段差解消終点の検出対象であるウェハを示す断面図。 一実施例に係る段差解消終点検出の手順を説明するフローチャート。 一実施例に係る反射光の分布を例示するグラフ。 ＣＭＰ装置の研磨対象であるウェハを示す断面図。 一実施例に係る光強度とウェハの段差との関係を例示するグラフ。

符号の説明

１０ ＣＭＰ装置
１１ 段差解消終点検出装置
１６ 制御部
１７ 観測孔
２０ 被研磨膜（金属膜又は酸化膜等）
２１ 光源（光照射手段の光源）
２２ 照射・受光ユニット（光照射手段）
２３ ポリクロメータ（分光手段兼用光電変換手段）
２４ 二分岐ライトガイド
２４Ａ 照射側ライトガイド
２４Ｂ 受光側ライトガイド
２５ コンピュータ（判別手段）
２６ メモリ
Ｗ ウェハ

Claims (5)

1. 初期段差を有するウェハ表面の被研磨膜を粗研磨した後に研磨条件を変更して仕上げ研磨を行うＣＭＰ装置において、
   該ウェハの初期段差の研磨中に該ウェハの研磨面に光を照射する光照射手段と、該ウェハの研磨面からの反射光を受光して該反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換手段と、該光電変換手段から出力された光強度信号に基づいて前記ウェハの初期段差の解消終点を判定する判別手段とを備え、
   前記ウェハの研磨中に前記初期段差の解消終点を検知できるように構成したことを特徴とするＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置。
2. 上記ウェハの研磨面に照射した光が白色光であり、且つ、該白色光は分光して上記光電変換手段に入力され、該光電変換手段は分光された波長ごとの光強度信号を出力することを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置。
3. 上記光電変換手段は所定幅の波長域で光強度を積分して光強度信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置。
4. 上記判別手段は上記ウェハの研磨中に上記光強度信号の大きさに応じて該ウェハの初期段差の解消の度合いを定量的に判定することを特徴とする請求項１，２又は３記載のＣＭＰ装置の段差解消終点検出装置。
5. 初期段差を有するウェハ表面の被研磨膜を粗研磨した後に研磨条件を変更して仕上げ研磨を行うＣＭＰ装置において、
   該ウェハの初期段差の研磨中に該ウェハの研磨面に光を照射する光照射工程と、
   該ウェハの研磨面からの反射光を受光して該反射光の光強度を電気信号に変換して光強度信号として出力する光電変換工程と、
   該光電変換手段から出力された光強度信号に基づいて、前記ウェハの初期段差の解消終点を判定する判別工程とを備え、
   前記ウェハの研磨中に前記初期段差の解消終点を検知することを特徴とするＣＭＰ装置の段差解消終点検出方法。
   

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