JP2014011294A

JP2014011294A - 分光式研磨モニタ装置の波長較正方法、およびウェハの研磨方法

Info

Publication number: JP2014011294A
Application number: JP2012146671A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kobayashi; 洋一小林
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-20

Abstract

【課題】研磨装置が設置される工場内で、簡単に分光式研磨モニタ装置の波長較正を実施することができる方法を提供する。
【解決手段】分光式研磨モニタ装置の波長較正方法は、均一な厚さの膜が形成された基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、受光した反射光を波長に従って分解することにより基準スペクトルを生成し、基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、受光した反射光を波長に従って分解することにより現在のスペクトルを生成し、現在のスペクトルを基準スペクトルに一致させるための波長の補正式を生成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ウェハを研磨する研磨装置に使用される分光式研磨モニタ装置の波長較正方法、およびそのような分光式研磨モニタ装置を備えた研磨装置を用いてウェハを研磨する方法に関する。

ウェハを研磨する研磨装置には、通常、主に絶縁膜（透明膜）の研磨の進行状態を監視し、および／または研磨終点を検出する目的で分光式研磨モニタ装置が搭載される。図１は、分光式研磨モニタ装置を備えた研磨装置を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、研磨テーブル３０は、テーブル軸３０ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１９に連結されており、このテーブルモータ１９により研磨テーブル３０が矢印で示す方向に回転されるようになっている。この研磨テーブル３０の上面には研磨パッド１０が貼付されており、研磨パッド１０の上面がウェハＷを研磨する研磨面１０ａを構成している。トップリング３１はトップリングシャフト１６の下端に固定されている。トップリング３１は、真空吸着によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。トップリングシャフト１６は、図示しない上下動機構により上下動するようになっている。

研磨テーブル３０の内部には、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する光学式膜厚センサ４０が配置されている。この光学式膜厚センサ４０は、記号Ａで示すように研磨テーブル３０と一体に回転し、トップリング３１に保持されたウェハＷの膜厚信号を取得する。光学式膜厚センサ４０は処理部５に接続されており、光学式膜厚センサ４０により取得された膜厚信号は処理部５に送られるようになっている。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３１および研磨テーブル３０をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給機構３２から研磨パッド１０上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、下面にウェハＷを保持したトップリング３１は、トップリングシャフト１６により下降されてウェハＷを研磨パッド１０の研磨面１０ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。

分光式研磨モニタ装置は、光学式膜厚センサ４０と処理部５と記憶装置６とから基本的に構成されており、ウェハから反射した光を波長に従って分解して、波長ごとの光の強度を示すスペクトルを生成し、このスペクトルの変化から絶縁膜の研磨の進捗を監視する。

図２は、分光式研磨モニタ装置の原理を説明するための模式図であり、図３はウェハＷと研磨テーブル３０との位置関係を示す平面図である。図２に示す例では、ウェハＷは、下層膜と、その上に形成された上層膜とを有している。光学式膜厚センサ４０は、投光部４２および受光部４３から構成されるセンサヘッドと、受光部４３に接続された分光器４４とを有している。これら投光部４２および受光部４３は、ウェハＷの表面に対向して配置されている。投光部４２は、研磨テーブル３０が１回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光を照射する。

ウェハＷに照射された光は、媒質（図２の例では水）と上層膜との界面と、上層膜と下層膜との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、上層膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハＷからの反射光から生成されるスペクトルは、上層膜の厚さに従って変化する。分光器４４は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。処理部５は、分光器４４から得られた反射光の強度データである膜厚信号からスペクトルを生成する。このスペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。

図４は、処理部５によって生成されたスペクトルを示す図である。図４において、横軸は反射光の波長を表わし、縦軸は反射光の強度から導かれる相対反射率を表わす。この相対反射率とは、反射光の強度を表わす１つの指標であり、具体的には、反射光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において反射光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要な要素が実測強度から除去され、これにより上層膜の厚さ情報のみを反映したスペクトルを得ることができる。

所定の基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコン基板（ベアウェハ）を研磨パッド１０上に水を供給しながら研磨しているときに得られた反射光の強度とすることができる。実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式（１）を用いて求めることができる。

ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェハからの反射光の強度であり、Ｂ（λ）は基準強度であり、Ｄ（λ）はダークレベル（光を遮断した条件下で測定された光の強度）である。基準強度Ｂ（λ）は、分光器４４、投光部４２、受光部４３などの光伝達部品が交換されるたびに、これら部品の個体差を除去するために取得される。また、これら光伝達部品の経時変化を除去する目的で定期的に基準強度Ｂ（λ）が取得される。

各波長において反射光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割る目的は、図４に示す縦軸方向の成分、すなわち光の強度を較正することである。これに対し、図４に示す横軸方向の成分、すなわち光の波長を較正する作業は、通常は、分光器の出荷時に一回行われるのみである。この波長較正は、図５に示すような水銀ランプの輝線に基づいて行われる。

分光器の波長のずれは、分光器内の光学要素（スリット、回折格子、検出器など）の配置が変化した場合に起こりうる。しかしながら、分光器の経時変化は比較的小さいため、通常は、研磨装置を運用しているときの波長較正は行われていない。研磨装置の累積運転時間がある程度長くなると、水銀ランプを用いて波長較正を行うこともあるが、そのような較正作業は半導体デバイス製造工場での通常の保守作業とは異なるため、作業効率の悪化を招くことがあり、研磨装置の誤操作の原因になる場合もあった。

特開２００４−１５４９２８号公報特開２００９−９９８４２号公報

近年、半導体デバイスの微細化に伴い、研磨装置のより精密な研磨性能に対する要求が高まっており、分光式研磨モニタ装置の精度に対する要求も厳しくなっている。このため、従来の研磨モニタ装置では問題とされなかった波長ずれが無視できなくなっている。
そこで、本発明は、研磨装置が設置される工場内で、簡単に分光式研磨モニタ装置の波長較正を実施することができる方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような分光式研磨モニタ装置でウェハの研磨を監視しながらウェハを研磨する方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ウェハの研磨の進捗を監視するための分光式研磨モニタ装置の波長較正方法であって、均一な厚さの膜が形成された基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記受光した反射光を波長に従って分解することにより基準スペクトルを生成し、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記受光した反射光を波長に従って分解することにより現在のスペクトルを生成し、前記現在のスペクトルを前記基準スペクトルに一致させるための波長の補正式を生成することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記基準スペクトルの生成は、研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第１の水研磨を行い、前記第１の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第１の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記基準スペクトルを生成する工程であり、前記現在のスペクトルの生成は、前記研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第２の水研磨を行い、前記第２の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第２の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記現在のスペクトルを生成する工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点を、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点に一致させるための補正式であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点の波長をｘ座標、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長をｙ座標とする複数の座標を生成し、前記複数の座標によってｘｙ座標系上に特定される複数の点に対して回帰分析を行うことにより得られる回帰式であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基準スペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであり、前記現在のスペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記基準ウェハは、単層膜が形成されたブランケットウェハであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記単層膜は、単層酸化膜であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記単層膜の厚さは、少なくとも５００ｎｍであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成され、前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであり、前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基準ウェハの前記複数の領域は、前記基準ウェハの表面全体に分布する複数の領域であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、基準スペクトルと前記現在のスペクトルとの変化量が所定のしきい値を上回ったときは、前記研磨モニタ装置に不具合が発生していると判断することを特徴とする。

本発明の他の態様は、分光式研磨モニタ装置を備えた研磨装置を用いてウェハを研磨する方法であって、均一な厚さの膜が形成された基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記受光した反射光を波長に従って分解することにより基準スペクトルを生成し、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記受光した反射光を波長に従って分解することにより現在のスペクトルを生成し、前記現在のスペクトルを前記基準スペクトルに一致させるための波長の補正式を生成し、研磨パッドに研磨液を供給しながら、ウェハを前記研磨パッドに摺接させて該ウェハを研磨し、前記ウェハを研磨しているときに、前記ウェハの表面に光を照射して、該ウェハからの反射光を受光し、前記ウェハの研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記ウェハのモニタスペクトルを生成し、前記モニタスペクトルの波長を前記補正式を用いて補正することにより、補正されたモニタスペクトルを生成し、前記補正されたモニタスペクトルの変化に基づいて前記ウェハの研磨の進捗を監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記補正されたモニタスペクトルに基づいて、前記ウェハの研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明によれば、異なる時間に取得された２つのスペクトル間の差（変化量）をなくす補正式を用いて波長が補正される。したがって、水銀ランプを用いることなく、分光式研磨モニタ装置の波長較正を行うことができる。

光学式研磨モニタ装置を備えた研磨装置を示す斜視図である。分光式研磨モニタ装置の原理を説明するための模式図である。ウェハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。反射光のスペクトルを示す図である。水銀ランプの輝線スペクトルを示す図である。ブランケットウェハを水研磨したときの反射光のスペクトルを示す図である。図６に示す現在のスペクトルの極大点および極小点の波長を表すｘ軸（横軸）と、図６に示す基準スペクトルの極大点および極小点の波長を表すｙ軸（縦軸）とを持つｘｙ座標系を示す図である。補正式を用いて図６に示す現在のスペクトルの各波長を較正（補正）した結果を示すグラフである。図６に示す基準スペクトルおよび現在のスプラインに３次スプライン補間を適用してこれらスペクトルを補間し、補間した現在のスプライン上の極大点および極小点の波長（ｘ座標）と、基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長（ｙ座標）から特定される複数の点をｘｙ座標系上にプロットすることによって得られたグラフを示す図である。図９に示す回帰式を用いて図６に示す現在のスペクトルの波長を補正して得られた補正後のスペクトルを示す図である。酸化膜の厚さが５００ｎｍのときに取得されたスペクトルを示す図である。研磨テーブルの回転速度が６０ｍｉｎ^−１、ウェハの回転速度の回転速度）が６１ｍｉｎ^−１であるときのセンサヘッドのウェハ上の軌跡を示す図である。研磨テーブルの回転速度が６６ｍｉｎ^−１、ウェハの回転速度が６０ｍｉｎ^−１であるときのセンサヘッドのウェハ上の軌跡を示す図である。基準スペクトルと現在のスペクトルとの間の変化量を算出する例を説明するための図である。ウェハの膜厚が減少するに従って波長軸に沿って移動するスペクトルを示す図である。現在のスペクトルと複数の指標スペクトルとの比較から現在の膜厚を決定するプロセスを説明する図である。基準スペクトルを取得する処理の流れを示すフローチャートである。波長較正用の補正式を取得する処理の流れを示すフローチャートである。研磨モニタ装置で膜厚を監視しながら、プロダクトウェハを研磨する方法を示すフローチャートである。本発明の研磨方法を実行することができる研磨装置の一例を示す図である。図２０に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明の波長較正方法および研磨方法は、図１および図２に示す研磨装置および研磨モニタ装置を用いて実施されるので、これら装置の重複する説明を省略する。図６は、単層の酸化膜が形成されたブランケットウェハを水研磨したときの反射光のスペクトルを示す図である。このブランケットウェハは、シリコン基板上に形成された均一な膜厚を有する単層の膜を有するウェハである。酸化膜の初期の厚さは約１０００ｎｍである。シリコン基板および酸化膜は、多少の不純物を含んでいてもよい。このブランケットウェハは、均一な膜が形成された基準ウェハであり、波長較正はこの基準ウェハを用いて実施される。ブランケットウェハに形成される膜は酸化膜に限らず、光を透過させる膜であればよい。また、基準ウェハの膜は、配線パターンが形成されていない多層膜であってもよい。

ブランケットウェハの水研磨は、図１に示すように、トップリング３１および研磨テーブル３０をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給機構３２から研磨パッド１０上に純水を供給しながら、トップリング３１でブランケットウェハを研磨パッド１０に対して押し付けることにより行われる。この水研磨中は、ブランケットウェハの研磨は実質的に進行しない。

図６において、縦軸は相対反射率を表し、横軸は光の波長を表している。図６の点線は水銀ランプを用いて分光器４４（図２参照）の波長較正を行った直後にブランケットウェハを水研磨したときに取得した初期のスペクトル、すなわち基準スペクトルを示し、実線はある程度の時間が経過した後に同じブランケットウェハを水研磨したときに取得した現在のスペクトルを示している。図６に示す例では、現在のスペクトルは基準スペクトルから２ｎｍ〜４ｎｍほど長波長側に移動している。

図７は、図６に示す現在のスペクトルの極大点および極小点の波長を表すｘ軸（横軸）と、図６に示す基準スペクトルの極大点および極小点の波長を表すｙ軸（縦軸）とを持つｘｙ座標系を示す図である。スペクトルの極大点および極小点は、相対反射率の極大値および極小値を取る点である。図６に示すように、極大点は、黒い矢印で示されているスペクトルの局所的なピーク点であり、極小点は、白い矢印で示されているスペクトルの局所的なボトム点である。

図７のｘｙ座標系上に描かれている複数の点は、現在のスペクトルの極大点および極小点の波長からなる横軸座標（ｘ座標：ｘ１，ｘ２，ｘ３，…）と、基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長からなる縦軸座標（ｙ座標：ｙ１，ｙ２，ｙ３，…）とから構成される座標（（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、…）によって特定される点である。図７に表される点は、それぞれ、図６に示す現在のスペクトルおよび基準スペクトルの極大点または極小点に対応する。図６には、４つの極大点と３つの極小点が現れている。したがって、図７には、７つの点がｘｙ座標系上にプロットされている。

図７に示す補正式は、現在のスペクトルの波長と基準スペクトルの波長との近似的な相関関係を表す回帰式であり、これら複数の点について回帰分析を行うことによって得られる。図７に示す補正式は、３次多項式として表されている。回帰分析は、例えば最小二乗法を用いて行うことができる。ここで、スペクトル上に現れる微小なノイズ（微小変動）の影響を排除するために、スペクトルの平滑化を実施することが好ましい。そして、平滑化されたスペクトルの極大点および極小点の波長を求めることが好ましい。

このようにして得られた補正式により、現在のそれぞれの波長に対応する真の波長を推定することができる。具体的には、分光器４４で使用される現在の波長を補正式のｘに代入することにより、補正された波長ｙを取得することができる。この補正された波長ｙは、真の波長と推定される。

図８は、図７に示す補正式を用いて図６に示す現在のスペクトルの各波長を較正（補正）した結果を示すグラフである。具体的には、図８の実線は、補正された波長を持つ補正後の現在のスペクトルを示す。図８から分かるように、補正されたスペクトルは、基準スペクトルにほぼ一致する。このように、補正式は、反射光のスペクトルの波長軸方向のずれ（ドリフト）をなくすための波長補正式である。

図８に示すグラフにおいて、特に６５０ｎｍ以上の波長領域においては、補正後のスペクトルと基準スペクトルとの間には若干の差がある。そこで、基準スペクトルおよび現在のスペクトルを３次スプライン曲線を用いて補間することが好ましい。例えば、スペクトル上の相対反射率が波長２ｎｍの間隔で表されている場合は、そのスペクトルに３次スプライン補間を適用して波長０．１ｎｍ間隔で相対反射率を示すスペクトルを生成する。そして、補間された現在のスペクトルと補間された基準スペクトルの極大点および極小点の波長を用いて図７に示す方法と同様にして回帰分析を行う。

図９は、図６に示す基準スペクトルおよび現在のスプラインに３次スプライン補間を適用してこれらスペクトルを補間し、補間された現在のスプライン上の極大点および極小点の波長（ｘ１，ｘ２，ｘ３，…）と、補間された基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長（ｙ１，ｙ２，ｙ３，…）からなる座標（（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、…）によって特定される複数の点をｘｙ座標系上にプロットすることによって得られたグラフを示す。図９に示す３次多項式は、ｘｙ座標系上にプロットされた複数の点について回帰分析を行って取得した回帰式（補正式）である。

さらに、このようにして得られた補正式を用いて図６に示す現在のスペクトルの波長を補正して得られた補正後のスペクトルを図１０に示す。図１０から分かるように、補正されたスペクトルと基準スペクトルはほぼ完全に重なっており、図１０の結果はスプライン補間が波長の較正に効果的であることを示している。したがって、研磨パッド１０上に研磨液（スラリー）を供給しながら所望のウェハを研磨しているときに取得されたスペクトルの波長に、上記補正式を適用することにより、極めて精度の高い波長較正が実現される。

分光器４４が測定可能な波長の下限値および上限値をそれぞれλＬ，λＵとし、酸化膜の屈折率をｎ、酸化膜の厚さをｄ、スペクトルの極大点および極小点の波長のうち最大波長での入射光と反射光との位相差をｋλ／２（ｋは自然数）、スペクトル上に現れる極大点および極小点の数をＫとすると、次の式（２）および式（３）が成り立つ。

式（２）および式（３）から、次の式が導かれる。

ここで、ｎが約１．４６，λＬが約４００ｎｍ、λＵが約８００ｎｍ、Ｋが４以上とすると、
ｄ＞４１０ｎｍ
となる。

波長較正のための補正式である回帰式を求めるためには、ある程度の数の極大点および極小点がスペクトル上に存在することが必要である。上記条件下では、酸化膜の厚さが４１０ｎｍよりも大きいときに、極大点および極小点の数は４つ以上となる。図１１は、酸化膜の厚さが５００ｎｍのときに取得されたスペクトルを示す図である。図１１の例では、２つの極大点および２つの極小点がスペクトル上に現れている。光学定数の波長依存性やスペクトルの極大点および極小点検出の確実性を考慮すると、膜厚は５００ｎｍ以上であることが好ましい。

本発明の分光式研磨モニタ装置の波長較正方法においては、ブランケットウェハの膜厚が均一である条件下でスペクトルを取得することが重要である。図３に示すように、投光部４２および受光部４３（これらを総称してセンサヘッドという）がウェハＷを横切りながら、ウェハＷに光を当て、その反射光を受光する。図６乃至図１１に示す例では、ウェハの中心からの反射光から生成されたスペクトルが使用されている。

しかしながら、成膜方法によっては、ブランケットウェハの中心での局所的な膜厚が他の領域での膜厚と異なっていることがある。このような場合、光の照射位置の僅かなずれは、膜厚の差に起因したスペクトルのばらつきを生じさせ、結果として正確な波長較正ができない場合がある。

そこで、センサヘッドがウェハ上に描く複数の軌跡がウェハの周方向において均等に分布するのに必要な時間またはそれ以上の時間で水研磨を行い、その水研磨中にウェハのほぼ全面に光を当て、その反射光を受光し、反射光から複数のスペクトルを生成し、これら複数のスペクトルの平均スペクトルを生成することが好ましい。図１２は、研磨テーブル３０の回転速度が６０ｍｉｎ^−１、ウェハの回転速度（トップリング３１の回転速度）が６１ｍｉｎ^−１であるときのセンサヘッドのウェハ上の軌跡である。この例では、センサヘッドの軌跡がウェハの周方向において均等に分布するために必要な時間は、６０秒である。したがって、水研磨は少なくとも６０秒行われ、その間に複数のスペクトルが取得される。

図１３に示す例では、研磨テーブル３０の回転速度が６６ｍｉｎ^−１、ウェハの回転速度（トップリング３１の回転速度）が６０ｍｉｎ^−１である。この例では、センサヘッドの軌跡がウェハの周方向において均等に分布するために必要な時間は、１０秒である。したがって、図１３に示す回転速度条件では、図１２に示す回転速度条件に比べて、より短い時間で波長較正用のスペクトルを取得することができる。

図１２および図１３に示す例では、ウェハの表面全体に分布する複数の領域に光が照射され、ウェハ表面上の複数の領域から戻ってくる反射光が波長に従って分解されて複数のスペクトルが生成され、これら複数のスペクトルの平均スペクトルが生成される。上記基準スペクトルおよび現在のスペクトルは、このようにして取得された平均スペクトルである。したがって、ウェハ表面内での構造的なばらつきの影響を排除することができ、より正確な波長補正のための補正式を取得することができる。

図６のグラフに示すように、スペクトルの波長は時間とともに基準スペクトルの波長から徐々にずれてくる。しかしながら、この波長のずれが大きすぎる場合に波長較正（補正用の回帰線の係数算出）を行うことは、例えば、取り付けねじの緩みなどのハードウエアの不具合の発見を遅らせることに繋がるおそれがある。

そこで、波長較正の前に、波長のずれが許容範囲内にあるか否かを処理部５によりチェックすることが好ましい。例えば、同一のブランケットウェハを水研磨しているときに取得された基準スペクトルと現在のスペクトルとの間の変化量が、所定のしきい値を上回ったときは、ハードウエアの不具合を知らせる警報を発することが好ましい。この場合、処理部５は、警報信号を図示しない表示部または警報機に送信する。上記スペクトルの変化量は、基準スペクトルと現在のスペクトルとの間での相対反射率の差の絶対値の平均、または相対反射率の差の二乗値の平均として表すことができる。

図１４は、基準スペクトルと現在のスペクトルとの間の変化量を算出する例を説明するための図である。図１４において、Ｒｓ（λ）は基準スペクトル上の波長λにおける基準相対反射率を表し、Ｒｃ（λ）は現在のスペクトル上の波長λにおける現在の相対反射率を表している。基準スペクトルと現在のスペクトルとの間での相対反射率の差の絶対値の平均Ａｖは次の式（５）で表され、基準スペクトルと現在のスペクトルとの間での相対反射率の差の二乗値の平均Ａｖは次の式（６）で表される。

基準スペクトルと現在のスペクトルとの間の変化量として、上記平均Ａｖに代えて、波長の補正量を用いてもよい。具体的には、上記回帰式（波長補正式）を用いて波長を補正し、補正された波長から現在の波長を減算することによりスペクトルの極大点および／または極小点での波長の補正量を決定し、その補正量が所定のしきい値を上回ったときは、ハードウエアの不具合を知らせる警報を発するようにしてもよい。

上述のようにして波長較正が行われた研磨モニタ装置は、ウェハの研磨の進捗を正確に監視することができ、ウェハの研磨終点を正確に決定することができる。ウェハからの反射光から生成されるスペクトルは、ウェハの膜厚が減少するに従って、図１５に示すように、波長軸に沿って移動する。したがって、ウェハ研磨によって除去される膜の除去量は、膜厚にしたがって変化するスペクトルの変化量から決定することもできる。図１５は、膜厚差Δαに対応する２つのスペクトルを示している。ここで、αは膜厚であり、研磨時には膜厚αは時間とともに減少する（Δα＞０）。図１５に示すように、スペクトルは膜厚の変化とともに波長軸に沿って移動する。異なる時間に取得された２つのスペクトル間の変化量は、これらスペクトルによって囲まれる領域（ハッチングで示す）に相当する。したがって、上記領域の面積を計算することにより、膜の除去量を決定することができる。膜の除去量Ｇは、次の式（７）から求められる。

ここで、λは光の波長であり、λＬ，λＵは監視対象とするスペクトルの波長範囲を決定する下限値および上限値であり、Ｒｃは現在取得された相対反射率であり、Ｒｐは前回取得された相対反射率である。上記式（７）に従って算出されたスペクトルの変化量は、膜の除去量を示す除去指標値である。処理部５は、除去指標値と、初期膜厚とから、現在の膜厚を算出することができる。

上述した膜の除去量を求める方法に代えて、処理部５は、研磨中に生成されたスペクトルと複数の指標スペクトルとを比較し、生成されたスペクトルに最も近い指標スペクトルを決定し、この決定された指標スペクトルに関連付けられた膜厚を現在の膜厚として決定するように構成されてもよい。図１６は、現在のスペクトルと複数の指標スペクトルとの比較から現在の膜厚を決定するプロセスを説明する図である。複数の指標スペクトルは、研磨対象のウェハ（プロダクトウェハ）と同種のウェハを研磨することによって予め取得されたものであり、各指標スペクトルにはその指標スペクトルが取得されたときの膜厚が関連付けられている。すなわち、各指標スペクトルは、異なる膜厚のときに取得されたものであり、複数の指標スペクトルは複数の異なる膜厚に対応する。したがって、現在のスペクトルに最も近い指標スペクトルを特定することにより、現在の膜厚を推定することができる。この推定膜厚値は、膜厚を示す膜厚指標値である。

次に、基準スペクトルを取得する処理の流れについて図１７に示すフローチャートを参照して説明する。ステップ１では、ベアウェハであるシリコン基板を水研磨しているときに、シリコン基板からの反射光のスペクトルが研磨モニタ装置の処理部５により取得される。この取得されたスペクトルは、上述した式（１）に示す所定の波長範囲（λＬ〜λＵ）での基準強度Ｂ（λ）を示すベーススペクトルとして定義される。ステップ２では、取得されたスペクトルはベーススペクトルとして、処理部５に接続された記憶装置６に保存される。処理部５と記憶装置６とは一体に構成されていてもよい。式（１）のダークレベルＤ（λ）は、光を遮断した条件下で測定され、記憶装置６に保存される。このダークレベルＤ（λ）の取得は、ステップ１の前後に行われることが好ましい。

ステップ３では、単層の酸化膜が形成されたブランケットウェハが水研磨され（第１の水研磨工程）、ブランケットウェハからの反射光のスペクトルが処理部５により取得される。このスペクトルは、式（１）に示す所定の波長範囲での測定強度Ｅ（λ）を表す生のスペクトルである。ステップ４では、処理部５は、ステップ３で得られたスペクトルをベーススペクトルで割ることにより、基準スペクトルを生成する。より具体的には、処理部５は、ベーススペクトルに示される基準強度Ｂ（λ）およびダークレベルＤ（λ）と式（１）とを用いて、上記所定の波長範囲に亘って相対反射率を算出し、図６の点線で示す基準スペクトルを生成する。

ステップ５では、基準スペクトルの極大点および極小点の波長を処理部５により検出する。ステップ６では、得られた基準スペクトルと、検出された極大点および極小点の波長が、波長較正のための基準データとして記憶装置６に保存される。ステップ１，２とステップ３〜５とを連続して行う必要はなく、これらステップの間に時間間隔を設けてもよい。

次に、波長較正用の補正式（回帰式）を取得する処理の流れについて図１８に示すフローチャートを参照して説明する。ステップ１およびステップ２は、図１７に示すステップ１およびステップ２と同じであるので、その重複する説明を省略する。ステップ３では、単層の酸化膜が形成された同一のブランケットウェハが水研磨され（第２の水研磨工程）、ブランケットウェハからの反射光のスペクトルが処理部５により取得される。このスペクトルは、式（１）に示す所定の波長範囲での測定強度Ｅ（λ）を表す生のスペクトルである。ステップ４では、処理部５は、ベーススペクトルに示される基準強度Ｂ（λ）およびダークレベルＤ（λ）と式（１）とを用いて、上記所定の波長範囲に亘って相対反射率を算出し、図６の実線で示す現在のスペクトルを生成する。通常は、測定誤差を小さくするために、基準スペクトルおよび現在のスペクトルは、同じ条件下で取得される。ステップ５では、現在のスペクトルの極大点および極小点の波長を処理部５により検出する。ステップ６では、処理部５は、記憶装置６に保存されている基準スペクトルを読み出す。ステップ７では、処理部５は、現在のスペクトルと基準スペクトルとを比較し、スペクトルの変化量を算出する。このスペクトルの変化量は、上述した式（５）または式（６）を用いて算出することができる。

ステップ８では、処理部５は、スペクトルの変化量を所定のしきい値と比較する。スペクトルの変化量が所定のしきい値を上回った場合には、ステップ９として、処理部５はハードウエアの不具合を知らせる警報信号を発する。スペクトルの変化量が所定のしきい値以下の場合には、ステップ１０として、処理部５は波長較正のための補正式を生成する。上述したように、この補正式は、現在のスペクトルの極大点および極小点の波長をｘ座標、基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長をｙ座標とした座標によりｘｙ座標系上に特定される複数の点に対して回帰分析を行うことによって求めることができる。次に、ステップ１１として、得られた補正式は記憶装置６に保存され、記憶装置６内の補正式が更新される。

次に、上述した研磨モニタ装置で膜厚を監視しながら、プロダクトウェハ（例えば、積層構造が形成されたウェハ）を研磨する方法について図１９を参照して説明する。ステップ１では、処理部５は、ベーススペクトル、ダークレベル、および補正式を記憶装置６から読み出す。ステップ２では、研磨パッド１０上に研磨液が供給され、ウェハの研磨が開始される。ステップ３では、ウェハが研磨されているときに、処理部５は、ウェハからの反射光のスペクトルを取得する。このスペクトルは、式（１）に示す所定の波長範囲での測定強度Ｅ（λ）を表す生のスペクトルである。ベーススペクトルは、式（１）における基準強度Ｂ（λ）を表している。ステップ４では、処理部５は、ベーススペクトルに示される基準強度Ｂ（λ）およびダークレベルＤ（λ）と式（１）とを用いて、上記所定の波長範囲に亘って相対反射率を算出し、ウェハの研磨の進捗を監視するためのモニタスペクトルを生成する。モニタスペクトルは、図１２および図１３に示す例のように、ウェハの表面全体に光を照射し、ウェハ表面上の複数の領域からの反射光を波長に従って分解することによって生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであることが好ましい。

ステップ５では、処理部５は、モニタスペクトルの波長を補正式を用いて補正する。具体的には、モニタスペクトルの波長を補正式の変数に代入することにより、補正された波長を取得する。波長が補正されたモニタスペクトル（以下、補正されたモニタスペクトルという）は、図１５に示すように、膜厚に従って変化する。したがって、処理部５は、補正されたモニタスペクトルの変化に基づいてウェハの研磨の進捗を監視する。すなわち、ステップ６では、処理部５は、補正されたモニタスペクトルから現在の膜厚を決定し、現在の膜厚を監視する。現在の膜厚は、上記式（７）を用いて算出された膜の除去指標値から現在の膜厚を算出することによって決定してもよいし、または、図１６を参照して説明した方法に従って現在の膜厚を推定することによって決定してもよい。ステップ７では、処理部５は、膜厚が所定の目標値に達したか否かを決定する。膜厚が所定の目標値に達していれば、ウェハの研磨が終了される。膜厚が所定の目標値に達していなければ、ウェハの研磨が継続され、処理フローはステップ３に戻る。

図１７から図１９までのフローチャートは、コンピュータが読み取り可能なプログラムに従って処理部５によって自動的に実行される。上述した実施形態では、式（１）を用いて測定強度Ｅ（λ）から相対反射率を算出しているが、相対反射率を算出せずに、測定強度Ｅ（λ）をそのまま用いてもよい。この場合は、上記式（５）〜（７）の相対反射率Ｒ（λ）は、測定強度Ｅ（λ）に置き換えられる。

次に、本発明の研磨方法を実行することができる研磨装置の一例について、図２０を参照して説明する。図２０に示すように、光学式膜厚センサ４０は研磨テーブル３０に埋設されており、研磨テーブル３０および研磨パッド１０とともに一体に回転する。トップリングシャフト１６は、ベルト等の連結手段１７を介してトップリングモータ１８に連結されて回転されるようになっている。このトップリングシャフト１６の回転により、トップリング３１が矢印で示す方向に回転するようになっている。

光学式膜厚センサ４０は、ウェハＷの表面に光を当て、ウェハＷからの反射光を受光し、その反射光を波長にしたがって分解するように構成されている。光学式膜厚センサ４０は、光をウェハＷの被研磨面に照射する投光部４２と、ウェハＷから戻ってくる反射光を受光する受光部としての光ファイバー４３と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って反射光の強度を測定する分光器４４とを備えている。

研磨テーブル３０には、その上面で開口する第１の孔５０Ａおよび第２の孔５０Ｂが形成されている。また、研磨パッド１０には、これら孔５０Ａ，５０Ｂに対応する位置に通孔５１が形成されている。孔５０Ａ，５０Ｂと通孔５１とは連通し、通孔５１は研磨面１０ａで開口している。第１の孔５０Ａは液体供給路５３およびロータリージョイント（図示せず）を介して液体供給源５５に連結されており、第２の孔５０Ｂは、液体排出路５４に連結されている。

投光部４２は、多波長の光を発する光源４７と、光源４７に接続された光ファイバー４８とを備えている。光ファイバー４８は、光源４７によって発せられた光をウェハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４８および光ファイバー４３の先端は、第１の孔５０Ａ内に位置しており、ウェハＷの被研磨面の近傍に位置している。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１に保持されたウェハＷに対向して配置される。研磨テーブル３０が回転するたびにウェハＷの複数の領域に光が照射される。好ましくは、光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１に保持されたウェハＷの中心に対向して配置される。

ウェハＷの研磨中は、液体供給源５５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が液体供給路５３を介して第１の孔５０Ａに供給され、ウェハＷの下面と光ファイバー４８，４３の先端との間の空間を満たす。水は、さらに第２の孔５０Ｂに流れ込み、液体排出路５４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光路が確保される。液体供給路５３には、研磨テーブル３０の回転に同期して作動するバルブ（図示せず）が設けられている。このバルブは、通孔５１の上にウェハＷが位置しないときは水の流れを止める、または水の流量を少なくするように動作する。

光ファイバー４８と光ファイバー４３は互いに並列に配置されている。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、ウェハＷの表面に対してほぼ垂直に配置されており、光ファイバー４８はウェハＷの表面にほぼ垂直に光を照射するようになっている。

ウェハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェハＷからの反射光が受光される。分光器４４は、反射光の各波長での強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた光強度データを処理部５に送る。この光強度データは、ウェハＷの膜厚を反映した膜厚信号であり、膜厚に従って変化する。処理部５は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わすスペクトルを生成し、さらにスペクトルからウェハＷの膜厚を示す膜厚指標値を生成する。

図２１は、図２０に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。図２１に示す例では、液体供給路、液体排出路、液体供給源は設けられていない。これに代えて、研磨パッド１０には透明窓４５が設けられている。投光部４２は、この透明窓４５を通じて研磨パッド１０上のウェハＷの表面に光を照射し、受光部４３は、透明窓４５を通じてウェハＷからの反射光を受光する。その他の構成は、図２０に示す研磨装置と同様である。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

５処理部
６記憶装置
１０研磨パッド
１６トップリングシャフト
１７連結手段
１８トップリングモータ
１９テーブルモータ
３０研磨テーブル
３１トップリング
３２研磨液供給機構
４０光学式膜厚センサ
４２投光部
４３受光部（光ファイバー）
４４分光器
４７光源
４８光ファイバー
５０Ａ第１の孔
５０Ｂ第２の孔
５１通孔
５３液体供給路
５４液体排出路
５５液体供給源

Claims

ウェハの研磨の進捗を監視するための分光式研磨モニタ装置の波長較正方法であって、
均一な厚さの膜が形成された基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、
前記受光した反射光を波長に従って分解することにより基準スペクトルを生成し、
前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、
前記受光した反射光を波長に従って分解することにより現在のスペクトルを生成し、
前記現在のスペクトルを前記基準スペクトルに一致させるための波長の補正式を生成することを特徴とする方法。
前記基準スペクトルの生成は、研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第１の水研磨を行い、前記第１の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第１の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記基準スペクトルを生成する工程であり、
前記現在のスペクトルの生成は、前記研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第２の水研磨を行い、前記第２の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第２の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記現在のスペクトルを生成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点を、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点に一致させるための補正式であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点の波長をｘ座標、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長をｙ座標とする複数の座標を生成し、前記複数の座標によってｘｙ座標系上に特定される複数の点に対して回帰分析を行うことにより得られる回帰式であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであり、
前記現在のスペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記基準ウェハは、単層膜が形成されたブランケットウェハであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記単層膜は、単層酸化膜であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記単層酸化膜の厚さは、少なくとも５００ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成され、
前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであり、
前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記基準ウェハの前記複数の領域は、前記基準ウェハの表面全体に分布する複数の領域であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
基準スペクトルと前記現在のスペクトルとの変化量が所定のしきい値を上回ったときは、前記研磨モニタ装置に不具合が発生していると判断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
分光式研磨モニタ装置を備えた研磨装置を用いてウェハを研磨する方法であって、
均一な厚さの膜が形成された基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、
前記受光した反射光を波長に従って分解することにより基準スペクトルを生成し、
前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、
前記受光した反射光を波長に従って分解することにより現在のスペクトルを生成し、
前記現在のスペクトルを前記基準スペクトルに一致させるための波長の補正式を生成し、
研磨パッドに研磨液を供給しながら、ウェハを前記研磨パッドに摺接させて該ウェハを研磨し、
前記ウェハを研磨しているときに、前記ウェハの表面に光を照射して、該ウェハからの反射光を受光し、
前記ウェハの研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記ウェハのモニタスペクトルを生成し、
前記モニタスペクトルの波長を前記補正式を用いて補正することにより、補正されたモニタスペクトルを生成し、
前記補正されたモニタスペクトルの変化に基づいて前記ウェハの研磨の進捗を監視することを特徴とする方法。
前記基準スペクトルの生成は、前記研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第１の水研磨を行い、前記第１の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第１の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記基準スペクトルを生成する工程であり、
前記現在のスペクトルの生成は、前記研磨パッドに水を供給しながら、前記基準ウェハを前記研磨パッドに摺接させて前記基準ウェハを研磨する第２の水研磨を行い、前記第２の水研磨を行っているときに、前記基準ウェハの表面に光を照射して、該基準ウェハからの反射光を受光し、前記第２の水研磨中に受光した反射光を波長に従って分解することにより前記現在のスペクトルを生成する工程であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点を、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点に一致させるための補正式であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記補正式は、前記現在のスペクトルの極大点および極小点の波長をｘ座標、前記基準スペクトルの対応する極大点および極小点の波長をｙ座標とする複数の座標を生成し、前記複数の座標によってｘｙ座標系上に特定される複数の点に対して回帰分析を行うことにより得られる回帰式であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであり、
前記現在のスペクトルは、前記反射光を波長に従って分解することにより得られたスペクトルにスプライン補間を適用することで得られたスペクトルであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記基準ウェハは、単層膜が形成されたブランケットウェハであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記単層膜は、単層酸化膜であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
前記単層酸化膜の厚さは、少なくとも５００ｎｍであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成され、
前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの中心部からの反射光を波長に従って分解することにより生成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記基準スペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであり、
前記現在のスペクトルは、前記基準ウェハの複数の領域からの反射光を波長に従って分解することにより生成された複数のスペクトルの平均スペクトルであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記基準ウェハの前記複数の領域は、前記基準ウェハの表面全体に分布する複数の領域であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
基準スペクトルと前記現在のスペクトルとの変化量が所定のしきい値を上回ったときは、前記研磨モニタ装置に不具合が発生していると判断することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記補正されたモニタスペクトルに基づいて、前記ウェハの研磨終点を決定することを特徴とする請求項１３に記載の方法。