JP2014154874A - 膜厚モニタ装置、研磨装置および膜厚モニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で研摩量を計測することができる膜厚モニタ装置および、このような膜厚モニタ装置を含む研磨装置並びに膜厚モニタ方法を提供する。
【解決手段】実施形態の膜厚モニタ装置は、照射部と、検出部と、データ処理部と、算出部と、を持つ。前記照射部は、透明膜と前記透明膜上の不透明膜とを含む基板の前記不透明膜の研磨中に前記基板に光を照射する。前記検出部は、前記基板からの反射光を検出して反射光による第１の信号を出力する。前記データ処理部は、前記基板の中心位置から同一距離の位置から得られた前記第１の信号同士をグルーピングしてデータ処理し、第１のデータを取得する。前記算出部は、前記第１のデータを用いて前記不透明膜の研磨量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、膜厚モニタ装置、研磨装置および膜厚モニタ方法に関する。

半導体デバイスの製造に際しては、ウェーハ上に種々の材料が膜状に繰り返し形成され、積層構造を形成する。この積層構造を形成するためには、最上層の表面を平坦にすることが必要であり、このような平坦化の一手段として、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ以下、単に「ＣＭＰ」という）を行う研磨装置が用いられている。

研磨装置を用いたＣＭＰでは、過不足の無い研磨を実行するために、ＣＭＰ中に最上層の膜厚を正確に測定する必要がある。

特開２０１１−９６７９号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い精度で研摩量を計測することができる膜厚モニタ装置および、このような膜厚モニタ装置を含む研磨装置並びに膜厚モニタ方法を提供することである。

実施形態の膜厚モニタ装置は、照射部と、検出部と、データ処理部と、算出部と、を持つ。前記照射部は、透明膜と前記透明膜上の不透明膜とを含む基板の前記不透明膜の研磨中に前記基板に光を照射する。前記検出部は、前記基板からの反射光を検出して反射光による第１の信号を出力する。前記データ処理部は、前記基板の中心位置から同一距離の位置から得られた前記第１の信号同士をグルーピングしてデータ処理し、第１のデータを取得する。前記算出部は、前記第１のデータを用いて前記不透明膜の研磨量を算出する。

実施形態による研磨装置の概略構成を示す図。 図１に示す研磨装置が含む膜厚モニタ装置のより詳細な構成を示す概略図。 研磨パッドとウェーハとが相対的に回転することによる測定窓のウェーハ上での軌跡の一例を示す図。 測定ポイントと膜厚との関係を模式的に示すグラフ。 水研磨に並行する膜厚測定により得られた研磨前の膜厚分布を模式的に示した図。 横軸を発光光の波長とし、縦軸を反射光の光強度とした反射光の波形の一例を示すグラフを含む図。 図６に示す２つの曲線間の差分を示す波形図。 波長４００ｎｍの入射光に対して、反射光の波形の差分（強度差）でＣｕの研摩量（膜厚）をプロットした一例を示す図。 波長６００ｎｍの入射光に対して、反射光の波形の差分（強度差）でＣｕの研摩量（膜厚）をプロットした一例を示す図。 実施形態による膜厚モニタ方法の概略手順を示すフローチャートである。

以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。

（Ａ）研磨装置
図１は、実施形態による研磨装置の概略構成を示す図である。図１に示す研磨装置は、研磨テーブル１０と、研磨パッド１２と、研磨テーブル軸１４と、ノズル１６，１７と、液供給制御機構１８と、トップリング２０と、トップリング軸２２と、膜厚モニタ装置３０と、を含む。

研磨テーブル１０は、研磨テーブル軸１４に連結され、研磨パッド１２をその上面にて支持する。研磨テーブル１０は、モータ（図示せず）などを含む駆動機構Ｄ１により研磨テーブル軸１４が回転することにより、図１の符号ＡＲ１に示す回転方向に回転する。

トップリング２０は、トップリング軸２２に連結され、研磨対象の面が研磨パッド１２に対向するようにウェーハＷを保持しつつウェーハＷを研磨パッド１２に押圧する。トップリング２０は、モータ（図示せず）などを含む駆動機構Ｄ２によりトップリング軸２２が回転することにより、回転方向ＡＲ１に回転する。

研磨中は、ノズル１６を介して液供給制御機構１８によりスラリーを研磨パッド１２上に供給しながら研磨テーブル２０が回転するとともに、トップリング２０がウェーハＷを研磨パッド１２に押圧しながら回転することで、研磨パッド１２とウェーハＷとの相対的回転によりウェーハＷの研磨対象面が研磨される。本実施形態において、ウェーハＷは、例えばその上面に酸化膜ＳｉＯ_２を介してＣｕ膜が形成されたシリコンウェーハであり、Ｃｕ膜が研磨対象である（図６参照）。

本実施形態において、ウェーハＷは例えば基板に対応する。基板としてはシリコンウェーハに限るものでは勿論なく、例えばガラス基板なども含まれる。また、本実施形態において、酸化膜ＳｉＯ_２は例えば透明膜に対応し、さらに、Ｃｕ膜は例えば不透明膜に対応する。

制御部１００は、各制御信号を生成して各駆動機構Ｄ１，Ｄ２、液供給制御機構１８並びに膜厚モニタ３０に供給し、研磨量を監視しながら研磨工程全般を制御する。膜厚モニタ３０から算出される研磨量が所望の値に達すると、制御部１００は、研磨工程を終了する。

図２は、膜厚モニタ装置３０のより詳細な構成を示す概略図である。
膜厚モニタ装置３０は、発光器３１と、受光器３３と、信号処理部３５と、膜厚算出部３７とを含む。膜厚算出部３７は、メモリＭＲ１に接続される。メモリＭＲ１には、予め設定した波長でのＣｕ膜の研磨量に対する信号強度の変化量に関するデータが格納されている。

発光器３１は、例えばハロゲン光源を含み、約４００ｎｍ〜約８００ｎｍの可視光を発光し、ウェーハＷの研磨対象面へ照射する。受光器３３は、研磨対象面からの反射光を検出して反射光の反射強度を表す信号を出力する。本実施形態において、発光器３１は例えば照射部に対応し、受光器３３は例えば検出部に対応する。
信号処理部３５は、受光器３３から信号を与えられて後述するグルーピング処理を行う。
膜厚算出部３７は、信号処理部３５によりグルーピング処理がなされた信号と、メモリＭＲ１に格納されたデータとに基づいてＣｕ膜の研磨量を算出する。

研磨テーブル１０のうち、発光器３１からの発光光が照射される部分およびウェーハＷの研磨対象面からの反射光が通過する部分には、例えば石英ガラスなど、透光性で研磨材９より硬度の高い材料で形成された測定窓４１が用いられている。研磨テーブル１０の他の部分は、例えばステンレスで構成され、研磨テーブル軸１４からの加圧強度に対応できるようになっている。

研磨中は、ウェーハＷと測定窓４１との間にスラリーが介在することが問題になるので、ノズル１７を介して液供給制御機構１８より純水を噴射することでスラリーを洗い流し、その後、純水除去のためノズル１７より空気を噴射して、測定窓４１との間に空気のみが存在するようにする。これによって半導体基板Ｗをトップリング２０から取り外すことなく研磨面の膜厚測定が可能となる。

なお、研磨テーブル１０を介した照射光と反射光の光路を確保する構成としては、図２の例に限るものでは決して無く、例えば図２の測定窓４１に対応する部分に透光性部材に代えて光伝送用の孔を穿設し、この孔の内部に光ファイバを挿入することで照射光を通過させ、さらに上記孔の内部に純水などの液体を給排水してスラリーを除去することで反射光の散乱を防止するようにしてもよい。

膜厚モニタ装置３０の動作について図３〜図９を参照して説明する。

（Ｂ）膜厚モニタ装置の動作
（１）実施形態１
図３は、研磨パッド１２とウェーハＷとの相対的回転による測定窓４１のウェーハＷ上での軌跡の一例を示す。なお、図３では説明を簡単にするために研磨テーブル１０の全回転のうち、任意の３回転分だけを示している。

本実施形態では、ウェーハＷの中心ＣＷからの距離が等しい点同士でグルーピング処理を行うことにより、ウェーハＷの面内分布の算出を可能にする。グルーピングの具体的処理として、本実施形態では反射光強度の平均値を算出する。

すなわち、図３に示す軌跡Ｐ１〜Ｐ３において、ウェーハＷの中心ＣＷからの距離が互いに等しい点１〜１５を測定ポイント１〜１５と特定し、測定ポイント１同士、測定ポイント２同士、測定ポイント３同士、…、測定ポイント１５同士で平均値をそれぞれ算出する。なお、図３の例では、ウェーハＷの中心ＣＷに対して対称な測定ポイントを選択したが、これに限ることなく、例えば測定ポイント１〜８のみを取り挙げて演算処理を行ってもよい。また、グルーピング処理は、受光部３１から出力された信号のうちで各測定ポイントからの信号に対応するものを選択して行ってもよいし、受光部３１が各測定ポイントからの反射光のみを検出してその反射光による信号について行ってもよい。この点は、次記する水研磨で取得される信号についても同様である。

図４は、測定ポイントと膜厚との関係を模式的に示すグラフである。図４で示した値は、現状の処理では算出できないが、下層膜の情報等を正確に取り込むことができれば、算出可能である。

下層膜の影響を除去することは、例えば水を研磨パッド１２に流しながらの研磨（水研磨）により研磨前の膜厚を取得することができれば、可能である。

図５は、研磨前に水研磨を行った際に、図３と同様に研磨テーブル１０の３回転で得られた信号を、ウェーハＷの中心から同位置の距離にある測定点同士でグループ化し、各グループで平均値を算出することにより得られた膜厚分布を模式的に示した図である。

研磨工程による研摩量を算出するには、図４で示された膜厚から図５の膜厚を差し引けは算出可能である。しかしながら、実際には、各工程で正確に下層膜の情報を取り込むことは困難である。そこで、本実施形態では、予め水研磨により下層膜の波形（光強度）情報を取得しておき、研磨開始前と研磨開始後との波形（光強度）の差異を求め、予め準備した関係式を参照することにより、下層膜の影響を除去した研磨量の測定を可能にする。本実施形態において、研磨開始後に得られた波形（光強度）情報は例えば第１のデータに対応し、水研磨により予め得られた下層膜の波形（光強度）情報は例えば第２のデータに対応する。

図６上段のグラフは、横軸を発光光の波長とし、縦軸を反射光の光強度とした反射光の波形の一例を示す。曲線Ｃ１は、Ｃｕ膜厚が１００ｎｍの場合（図６下段左側）の波形を示し、曲線Ｃ２は、Ｃｕ膜厚が５０ｎｍの場合（図６下段右側）の波形を示している。図６のグラフから分かるように、両者には相違が見られる。この相違は、例えばＣｕ膜が５０ｎｍ研磨されたことにより生じた違いである。図６に示す曲線Ｃ１とＣ２との差分を図７の波形図に示す。

図７の波形の形自体には大きな技術的意義は無いが、ここで、例えば波長４００ｎｍに着目してみる。図８は、波長４００ｎｍの入射光に対して、反射光の波形の差分（強度差）でＣｕの研摩量（膜厚）をプロットした一例を示す。

図８から、５０ｎｍ以下の研摩量が小さい領域では反射光強度の相違は僅かであるが、研磨量６０ｎｍ以上の領域になると強度差が明確なカーブを描いていることが分かる。このことから、ある研摩量以上では、研摩量と強度差には一定の関係があることが分かる。従ってこのカーブの挙動を事前に算出しておけば、ある研摩量の範囲においては波形の差分を用いることで下層のばらつきによらず研摩量の高精度な計測を実現することができる。なお、図中に示されたΔは下層が１０％変化した場合の強度差のばらつきを％（右軸）で示したものである。研摩量が大きくなるとばらつきが大きくなる傾向が見られ、約３％のばらつきを生じる可能性を示している。

本実施形態では、研摩量６０ｎｍ以上での、研摩量と強度差との関係を次式
ｙ＝−１７３．３４ｘ＋５８．３３８ …（式１）
で近似する。すなわち、例えば信号強度差が−０．１である場合、研摩量は７５．７ｎｍとなる。

（２）実施形態２
実施形態２においても、予め水研磨により下層膜の波形（光強度）情報を取得しておき、研磨開始前と研磨開始後との波形（光強度）の差異を求め、予め準備したデータテーブルと参照する点は、実施形態１と同様である。

本実施形態が実施形態１とは異なる点は、６００ｎｍの波長に着目する点である。

図９は、図７の波形に対して波長６００ｎｍに着目し、Ｃｕの研摩量（膜厚）を研磨工程の前後における波形の差分（強度差）でプロットした図を示す。図９において、横軸の強度差に対して研磨量が明確なカーブを描いており、このことから波長６００ｎｍにおいて、研摩量と強度差には一定の、より明確な関係があることが分かる。

従ってこのような強度差および研磨量のカーブの挙動を事前に算出しておけば下層の膜厚ばらつきに拘わらず、反射光の強度差を用いることで研摩量の高精度な計測を実現することができる。

なお図９中に示されたΔは下層膜が１０％変化した場合の強度差のばらつきを％（右軸）で示している。強度差のばらつきは、全範囲に亘って１％以下となっており、下層膜の影響をほとんど受けていないことが分かる。

このように波長を選択することにより、下層の影響を受けづらく、さらにはより広い範囲の研摩量にも対応することが可能となる
本実施形態では、研摩量と強度差との関係を次式
ｙ＝１５．１３８Ｌｎ（ｘ）＋１０４．５１ …（式２）
で近似する。すなわち、例えば強度差が０．２の場合、研摩量は８０．１４ｎｍとなる。
このように、波長６００ｎｍに着目し、その波長での反射光の強度差と研摩量との関係を事前に算出しておくことによって、高精度に研摩量を計測することが可能となる。

以上述べた少なくとも一つの実施の形態による膜厚モニタ装置によれば、研磨パッド１２とウェーハＷとの相対的回転で得られた反射光の信号を、ウェーハＷの中心から同位置の距離にある測定点同士でグループ化し、各グループで平均値を算出するので、ウェーハ面内分布を算出することが可能になる。

また、事前に設定した波長での反射光の強度差と研摩量との関係を予め算出しておき、研磨前後での反射光の強度差を研磨中に求めて上記関係を参照することにより、高い精度で研摩量を計測することが可能となる。

さらに、以上述べた少なくとも一つの実施の形態による研磨装置によれば、上述した実施形態の膜厚モニタ装置を含むので、所望の研磨量だけ研磨対象面を高精度に研磨することができる。

（Ｃ）膜厚モニタ方法
図１０は、本実施形態による膜厚モニタ方法の概略手順を示すフローチャートである。

まず、研磨に先立って水研磨を行い、反射光の波形（信号強度）を測定し、ウェーハ中心から等距離にある測定ポイント毎にグルーピング処理を行うことにより、研磨前のデータを求める（ステップＳ１）。この研磨前のデータは本実施形態において例えば第２のデータに対応する。

次いで、研磨パッドとウェーハとの相対的回転により研磨を開始する（ステップＳ２）。
そして、研磨中に反射光の波形（信号強度）を測定し、ウェーハ中心から等距離にある測定ポイント毎にグルーピング処理を行うことにより、研磨中のデータを求める（ステップＳ３）。この研磨中のデータは本実施形態において例えば第１のデータに対応する。

最後に、研磨前のデータと研磨中のデータとの差分を求め、事前に設定した波長で準備した、研磨量に対する信号強度の変化量と照合することにより、測定ポイント毎に研磨量を算出する（ステップＳ４）。

以上述べた少なくとも一つの実施の形態による膜厚モニタ方法によれば、研磨パッドとウェーハとの相対的回転で得られた反射光の信号を、ウェーハＷの中心から同位置の距離にある測定点同士でグループ化し、各グループで平均値を算出するので、ウェーハ面内分布を算出することが可能になる。

また、事前に設定した波長での反射光の強度差と研摩量との関係を予め算出しておき、研磨中で反射光の強度差を求めて上記関係を参照することにより、高い精度で研摩量を計測することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…研磨テーブル、１２…研磨パッド、２０…トップリング、２２…トップリング軸、３０…膜厚モニタ装置、３１…発光器、３３…受光器、３５…信号処理部、３７…膜厚算出部、ＣＷ…ウェーハの中心、Ｗ…ウェーハ。

Claims (6)

1. 透明膜と前記透明膜上の不透明膜とを備える基板の前記不透明膜の研磨中に前記基板に光を照射する照射部と、
   前記基板からの反射光を検出して反射光による第１の信号を出力する検出部と、
   前記基板の中心位置から同一距離の位置から得られた前記第１の信号同士をグルーピングしてデータ処理し、第１のデータを取得するデータ処理部と、
   前記第１のデータを用いて前記不透明膜の研磨量を算出する算出部と、
   を備える膜厚モニタ装置。
2. 前記照射部は、前記研磨に先行して水を流しながら行う前記基板の水研磨に際して前記基板に光を照射し、
   前記検出部は、前記水研磨に際して前記基板からの反射光を検出して反射光による第２の信号を出力し、
   前記データ処理部は、前記第２の信号同士をグルーピングしてデータ処理し、第２のデータを取得し、
   前記算出部は、前記第１のデータと前記第２のデータとを比較して前記研磨量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚モニタ方法。
3. 前記第１のデータと前記第２のデータとの比較は、前記第１のデータと前記第２のデータとの差分を求めることを含み、
   前記算出部は、前記差分を、前記基板の研磨に先立って準備された、予め設定した波長での前記不透明膜の研磨量に対する信号強度の変化量と照合する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚モニタ方法。
4. 前記検出部は、前記基板の中心位置から同一距離の位置からの反射光を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の膜厚モニタ方法。
5. 研磨パッドと、
   前記研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
   透明膜と前記透明膜上の不透明膜とを備える基板を前記研磨パッドに押圧するトップリングと、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の膜厚モニタ装置と、
   を備える研磨装置。
6. 透明膜と前記透明膜上の不透明膜とを備える基板と、研磨パッドを貼付した研磨テーブルとが相対的に回転することにより前記基板の前記不透明膜を研磨する工程と、
   前記基板の研磨に並行して前記基板に光を照射して前記基板からの反射光を検出し、反射光による第１の信号を得る工程と、
   前記基板の中心位置から同一距離の位置から得られた前記第１の信号同士をグルーピングしてデータ処理し、第１のデータを取得する工程と、
   前記第１のデータを用いて前記不透明膜の研磨量を算出する工程と、
   を備える膜厚モニタ方法。

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