JP2017098407A - 研磨方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】測定位置の違いによらずに安定した膜厚を得ることができる研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明の方法は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３を回転させ、ウェーハＷの表面を研磨パッド２に押し付け、研磨テーブル３が直近の所定の回数だけ回転している間に、研磨テーブル３に設置された膜厚センサ７からの複数の膜厚信号を取得し、複数の膜厚信号から複数の測定膜厚を決定し、複数の測定膜厚に基づいて、ウェーハＷの表面に形成された凸部の最頂部の推定膜厚を決定し、凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハＷの研磨を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハの表面を研磨する方法に関し、特に表面に凸部が形成されたウェーハを研磨する方法に関する。
ウェーハを研磨する研磨装置において、多くの場合、主に絶縁層（透明層）の研磨の進行を監視する目的で分光式監視システムが、主に導電層(金属膜)の研磨の進行を監視する目的で渦電流式監視システムが用いられる。分光式監視システムでは、研磨テーブルに装着された光源、分光器にそれぞれ投光用ファイバー、受光用ファイバーが接続され、これらのファイバーの先端は、投光部および受光部を構成する測定部として機能する。測定部（投光部および受光部）は、研磨テーブルが一回転する度にウェーハ表面を走査するような位置に配置される。渦電流式モニタの場合には、励磁用コイルや検出用コイルなどが、測定部として設けられる。
特開２０１２−２８５５４号公報
このように研磨テーブルに配置された測定部を備えた監視システムにおいては、研磨中におけるウェーハ面上の測定位置を精確に制御することが難しい。一般に、ウェーハは、研磨ヘッドに装着されたリテーナリングの内側でわずかに動く構造になっているため、研磨ヘッドの中心に対しウェーハが径方向にずれたり、研磨ヘッドに対して時間の経過とともに徐々に回転したりする。このため、ウェーハ面上の所定の位置を連続して測定することが難しく、ウェーハ面に形成された構造体のどの部位を測定したかによって測定データが大きく変わってしまう。
図１８（ａ）は、研磨の初期段階での測定膜厚の推移を示し、図１８（ｂ）は研磨の中間段階での測定膜厚の推移を示したグラフである。これらグラフ中の測定膜厚は、３００ｍｍウェ−ハの中心から約１２０ｍｍ離れた測定領域での測定膜厚を示している。測定対象となるウェーハは、その表面に複数の凸部を有するウェーハである。このようなウェーハの例としては、複数のセル（メモリセル）がマトリックス状に配列されたセルアレイを有するウェーハである。
キセノンフラッシュ光源を備えた分光式監視システムを用いてウェーハの膜厚を測定し、凸部の膜厚と思われる測定データを抽出した。図１８（ａ）においては、測定膜厚のばらつきは小さく、研磨テーブルの回転回数、すなわち、研磨時間の経過につれて測定膜厚は概ね直線状に減少する。これに対し、図１８（ｂ）においては、測定膜厚が研磨時間と共に減少はするものの、測定膜厚のばらつきが大きく、１つ１つの測定膜厚に基づいた膜厚プロファイルの制御や、研磨終点の検出が難しい。
図１９（ａ）は、図１８（ａ）に対応する研磨の初期段階での凸部のプロファイル（断面形状）を表す図であり、図１９（ｂ）は、図１８（ｂ）に対応する研磨の中間段階での凸部のプロファイル（断面形状）を表す図である。図１９（ａ）に示すプロファイルは、ウェーハ研磨前の凸部１０６のプロファイルであり、凸部１０６は矩形状の断面を表している。図１９（ｂ）に示すプロファイルは、ウェーハをある時間研磨した後にウェーハ研磨を一旦中断したときに取得された凸部１０６のプロファイルである。凸部１０６の両側には、トレンチ１１０が形成されている。凸部１０６は、例えば、上述したセル（メモリセル）である。
図１９（ａ）および図１９（ｂ）から分かるように、研磨前には、凸部の断面は矩形状であるのに対し、研磨の進行と共に凸部の角が丸くなる。このため、分光式監視システムの測定部の測定位置によって、測定膜厚がばらつく。例えば、図１９（ａ）では、凸部１０６の中央部での膜厚と、エッジ部での膜厚は同じであるが、図１９（ｂ）では、凸部１０６の中央に位置する最頂部１０６ａでの膜厚と、エッジ部１０６ｂでの膜厚は異なる。すなわち、図１９（ｂ）から分かるように、凸部１０６は、その最頂部１０６ａにおいて最大の膜厚を有し、エッジ部１０６ｂにて最小の膜厚を持つ。このため、測定位置の違いによって測定膜厚がばらつき、正確な研磨状態を検出することができない。
そこで、本発明は、測定位置の違いによらずに安定した膜厚を得ることができる研磨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、表面に凸部が形成されたウェーハを研磨する方法であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、ウェーハの表面を前記研磨パッドに押し付け、前記研磨テーブルが直近の所定の回数だけ回転している間に、前記研磨テーブルに設置された膜厚センサからの複数の膜厚信号を取得し、前記複数の膜厚信号から複数の測定膜厚を決定し、前記複数の測定膜厚に基づいて、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定し、前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨を監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、前記直近の複数の測定膜厚と、対応する前記研磨テーブルの回転回数とにより特定される複数のデータ点に回帰分析を行って回帰線を決定し、前記回帰線を表す関数に前記研磨テーブルの現在の回転回数を代入することにより、推定膜厚を決定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、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、前記回帰線を決定した後に、前記回帰線よりも下側にあるデータ点のうちの少なくとも１つを前記複数のデータ点から除外し、前記少なくとも１つのデータ点が除外された前記複数のデータ点に回帰分析を行って新たな回帰線を決定する工程をさらに含み、前記研磨テーブルの現在の回転回数を、前記新たな回帰線を表す関数に代入することによって推定膜厚を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、前記直近の複数の測定膜厚と、対応する前記研磨テーブルの回転回数とにより特定される複数のデータ点に回帰分析を行って回帰線を決定し、前記回帰線を表す関数に前記研磨テーブルの現在の回転回数を代入して得られた値に所定のオフセット値を加算することにより、推定膜厚を決定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、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、前記直近の複数の測定膜厚の確率分布を生成し、より小さい測定膜厚の確率が所定の値になる推定膜厚を決定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、前記膜厚センサは、パルス点灯光源を有する光学式センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記膜厚センサは、渦電流センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨終点を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨条件を変更することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凸部の最頂部の推定膜厚の現在の値と過去の値に基づいて、前記膜厚センサが次に膜厚信号を取得する前に、前記凸部の最頂部の膜厚を予測し、前記予測された膜厚に基づいてウェー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、直近の複数の測定膜厚にばらつきがあったとしても、これら測定膜厚に回帰分析または統計的分析などを行うことにより、凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を決定することができる。したがって、研磨時間とともに減少する膜厚を取得することができる。
研磨方法の一実施形態を実行することができる研磨装置を示す模式図である。 図１に示す研磨ヘッドの断面図である。 研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。 ウェーハの表面上の測定点の一例を示す図である。 スペクトルの一例を示す図である。 図６（ａ）は、図３に示すステップ５，６を説明する図であり、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、図３に示すステップ７を説明する図である。 図７（ａ）は、ステップ５を再度実行して得られた回帰線を示す図であり、図７（ｂ）は、最終的に得られる回帰線を示す図である。 図３に示す方法に従って、凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を求めた結果を示すグラフである。 研磨の進行に伴い、さらに丸みを帯びた凸部のプロファイルを示す断面図である。 図９に示す凸部の測定膜厚を示すグラフである。 凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を決定する他の実施形態を示すグラフである。 凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を決定するさらに他の実施形態を示すグラフである。 図１２に示す確率分布を示すグラフである。 過去の研磨データに基づいて予測膜厚を算出する実施形態を示す図である。 研磨装置の詳細な構成の一例を示す模式断面図である。 図１６（ａ）は、光学式センサを用いた膜厚測定の原理を説明するための模式図であり、図１６（ｂ）はウェーハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。 処理部によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。 図１８（ａ）は、研磨の初期段階での測定膜厚の推移を示し、図１８（ｂ）は研磨の中間段階での測定膜厚の推移を示したグラフである。 図１９（ａ）は、図１８（ａ）に対応する研磨の初期段階での凸部のプロファイル（断面形状）を表す図であり、図１９（ｂ）は、図１８（ｂ）に対応する研磨の中間段階での凸部のプロファイル（断面形状）を表す図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、研磨方法の一実施形態を実行することができる研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、ウェーハＷを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上に研磨液（例えばスラリ）を供給するための研磨液供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の表面は、ウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を回転させるように構成されている。
研磨テーブル３内には、膜厚センサ７が配置されている。膜厚センサ７は研磨テーブル３および研磨パッド２とともに一体に回転する。膜厚センサ７の位置は、研磨テーブル３および研磨パッド２が一回転するたびに研磨パッド２上のウェーハＷの表面を横切る位置である。膜厚センサ７は、処理部９に接続されており、膜厚センサ７の出力信号である膜厚信号は処理部９に送られるようになっている。処理部９は、膜厚信号に基づいて、ウェーハＷの膜厚を推定するように構成されている。
膜厚センサ７は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を生成するセンサであり、例えば、光学式センサまたは渦電流センサから構成される。光学式センサは、ウェーハＷの表面に光を照射し、ウェーハＷからの反射光の強度を波長ごとに測定し、波長に関連付けられた反射光の強度を出力するように構成される。波長に関連付けられた反射光の強度は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号である。渦電流センサは、ウェーハに形成されている導電膜に渦電流を誘起させ、導電膜と渦電流センサのコイルとを含む電気回路のインピーダンスに従って変化する膜厚信号を出力する。
図２は、図１に示す研磨ヘッド１の断面図である。研磨ヘッド１は、ウェーハＷの複数の領域にそれぞれ異なる押付力を加えることができるように構成されている。研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト１０に連結されたヘッド本体２１と、ヘッド本体２１の下方に配置されたリテーナリング２２とを備えている。
ヘッド本体２１の下方には、ウェーハＷの上面（研磨すべき表面と反対側の面）に当接する柔軟なメンブレン２４と、メンブレン２４を保持するメンブレンホルダー２５とが配置されている。メンブレン２４とメンブレンホルダー２５との間には、４つの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はメンブレン２４とメンブレンホルダー２５とによって形成されている。中央の圧力室Ｃ１は円形であり、他の圧力室Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は環状である。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、同心円状に配列されている。本実施形態では、研磨ヘッド１は４つの圧力室Ｃ１〜Ｃ４を備えているが、研磨ヘッド１は４つよりも少ない圧力室、または４つよりも多い圧力室を備えてもよい。
圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して気体供給源３０により加圧空気等の加圧気体が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４には真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が接続されており、真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４によって圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェーハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する押付力を独立に調整することができる。
メンブレンホルダー２５とヘッド本体２１との間には圧力室Ｃ５が形成され、この圧力室Ｃ５には気体移送ラインＦ５を介して上記気体供給源３０により加圧気体が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ５には真空ラインＶ５が接続されており、真空ラインＶ５によって圧力室Ｃ５に負圧が形成されるようになっている。これにより、メンブレンホルダー２５およびメンブレン２４全体が上下方向に動くことができる。
ウェーハＷの周端部はリテーナリング２２に囲まれており、研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようになっている。圧力室Ｃ３を構成する、メンブレン２４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェーハＷが研磨ヘッド１に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｃ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、ウェーハＷが研磨ヘッド１からリリースされるようになっている。
ヘッド本体２１とリテーナリング２２との間には、環状のローリングダイヤフラム２６が配置されおり、このローリングダイヤフラム２６の内部には圧力室Ｃ６が形成されている。圧力室Ｃ６は、気体移送ラインＦ６を介して上記気体供給源３０に連結されている。気体供給源３０は加圧気体を圧力室Ｃ６内に供給し、これによりリテーナリング２２を研磨パッド２に対して押圧する。また、気体移送ラインＦ６には真空ラインＶ６が接続されており、真空ラインＶ６によって圧力室Ｃ６に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｃ６内に真空が形成されると、リテーナリング２２の全体が上昇する。
圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６には、それぞれ圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が設けられている。気体供給源３０からの加圧気体は、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ６内に供給される。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体移送ラインＦ１〜Ｆ６によって圧力室Ｃ１〜Ｃ６に接続されている。気体移送ラインＦ１〜Ｆ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６からロータリージョイント２８を経由して気体供給源３０まで延びている。
圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体供給源３０から供給される加圧気体の圧力を調整することによって、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を制御する。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は処理部９に接続されている。圧力室Ｃ１〜Ｃ６は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、圧力室Ｃ１〜Ｃ６を大気開放することも可能である。
処理部９は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６それぞれの目標圧力値を設定し、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６を操作する。特に、処理部９は、膜厚センサ７からの膜厚信号からウェーハＷの膜厚を推定し、推定膜厚に基づいて圧力室Ｃ１〜Ｃ４それぞれの目標圧力値を決定し、圧力室Ｃ１〜Ｃ４内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように圧力レギュレータＲ１〜Ｒ４を操作する。例えば、処理部９は、推定膜厚が小さいウェーハ領域に対応する圧力室の圧力を低くし、推定膜厚が大きいウェーハ領域に対応する圧力室の圧力を高くする。
ウェーハＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ウェーハＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。ウェーハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒による機械的作用と、研磨液の化学的作用により研磨される。
膜厚センサ７は、研磨テーブル３が一回転するたびに、研磨パッド２上のウェーハＷの表面を横切りながら、ウェーハＷ上の複数の測定点での膜厚信号を出力する。処理部９は、膜厚信号からウェーハＷの膜厚を推定し、推定膜厚に基づいてウェーハＷの研磨動作を制御する。例えば、処理部９は、推定膜厚が目標膜厚に達したときに、ウェーハＷの研磨動作を終了させる。
研磨対象となるウェーハＷは、図１９（ａ）に示すような、矩形状の断面を有する凸部がその表面に形成されたウェーハである。本実施形態では、凸部における測定位置の違いによらず、膜厚測定の信頼性を向上させるために、凸部内で局所的に最大になる膜厚、すなわち凸部の最頂部の膜厚を以下のようにして決定する。
図３は、研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。このフローチャートに記載されている各ステップは、研磨テーブル３が一回転する間に実行される。以下に説明する実施形態では、膜厚センサ７として、光学式センサが使用されている。ステップ１では、ウェーハＷの研磨開始後、研磨テーブル３が一回転する間に、膜厚センサ７はウェーハＷの表面からの反射光の強度を波長ごとに測定する。処理部９は、膜厚センサ７によって測定された、各波長での反射光の強度からスペクトルを生成する。このスペクトルは、反射光の強度と波長との関係を示し、スペクトルの形状はウェーハＷの膜厚に従って変化する。
研磨テーブル３の回転速度は、通常３０〜１２０min-1程度であり、膜厚センサ７の測定周期は数ms程度であるから、直径３００mmのウェーハの場合、研磨テーブル３が一回転するごとに数十個から百個を超えるスペクトルが取得される。図４は、ウェーハＷの表面上の測定点の一例を示す図である。図４に示すように、膜厚センサ７は、ウェーハＷの表面を横切りながら、それぞれの測定点からの反射光の強度を測定し、処理部９は、測定された反射光の強度からスペクトルを生成する。測定点には、ウェーハＷの中心点が含まれる。
ステップ２では、得られた全てのスペクトルから、凸部から反射した光のスペクトルを選別する。スペクトルの選別法は、凸部の構造とその他の領域の構造に依存する。一例では、図５に示すように、スペクトル上の強度の最大値と最小値との差が、予め設定された値以上であるスペクトルを選別することができる。図５に示す縦軸は、反射光の強度を表しているが、反射光の強度は、相対反射率などの指標値を用いて表してもよい。相対反射率とは、光の強度を表す指標値であり、具体的には、反射光の強度と各波長に対する所定の基準強度との比である。
更に、このようにして選別されたスペクトルから凸部の測定膜厚を決定する。測定膜厚の決定は、公知の技術を用いて行われる。一例として、測定膜厚の決定は、参照スペクトルと、対応する膜厚との関係を示す参照データを用意し、取得されたスペクトルに最も近い参照スペクトルを決定し、その決定された参照スペクトルに予め関連付けられた膜厚を決定することにより行われる。参照スペクトルは、光反射のシミュレーションによって取得された理論スペクトルでもよいし、ウェーハＷと同一仕様の参照ウェーハを研磨しているときに得られた実測スペクトルでもよい。他の例として、スペクトルの波長を波数に変換して高速フーリエ変換をスペクトルに適用することにより膜厚を算出してもよい。
ステップ３では、処理部９は、研磨開始後の研磨テーブル３の回転回数が所定の回数Ｍ以上であるかを判断する。研磨テーブル３の直近の回転回数が所定の回数Ｍ未満であれば、ステップ１に戻り、膜厚センサ７は、研磨テーブル３が次の回転を行っている間に、ウェーハＷからの反射光の強度をさらに測定し、処理部９は反射光の強度の測定値からスペクトルをさらに生成する。
研磨テーブル３の直近の回転回数が所定の回数Ｍ以上であった場合、ステップ４において、処理部９は、ウェーハ面内の所定の測定領域において、研磨テーブル３が直近の回数Ｍだけ回転している間に取得された膜厚信号から求められた凸部の測定膜厚の数が、所定の数Ｎ以上であるか否かを判別する。測定領域は、１つでもよいし、複数でもよい。複数の測定領域が設けられる場合、ステップ４から後述するステップ９までの処理は、測定領域ごとに実行される。複数の測定領域は、好ましくは、ウェーハ中心からの距離（半径位置）に従って予め定められた同心円状の領域である。ウェーハ中心上の測定領域は円形の領域であり、他の測定領域はある幅を持った環状の領域である。ただし、必ずしも各測定領域が互いに独立している必要はなく、隣接する２つの測定領域の一部が重複してもよい。
ステップ５では、研磨テーブル３の直近のＭ回転の間の測定膜厚の数が所定の数Ｎ以上である場合、処理部９は、これら測定膜厚と、対応する研磨テーブル３の回転回数とから特定される複数のデータ点に対して、最小二乗法等を用い回帰分析を行って回帰線を決定する。各データ点の位置は、膜厚を縦軸、研磨テーブル３の回転回数を横軸に持つ座標系上に指定される。回帰線は直線でよいが、膜厚の時間変化の非線形性が強い場合には、２〜３次の多項式回帰でもよい。回帰線が直線である場合、回帰線は一次関数で表される。
ステップ６では、処理部９は、ステップ５での回帰線の決定に使用された測定膜厚の数が所定の数Ｎよりも大きいか否かを決定する。図示していないが、ステップ６に先立って、処理部９は、残差が正で、他のデータ点から大きく離れたデータ点を、例外点として除外してもよい。ここで、残差とは、回帰線からデータ点までの距離である。データ点が回帰線の上側にあれば残差は正であり、下側にあれば残差は負である。
ステップ７では、ステップ６での測定膜厚の数が所定の数Ｎよりも大きい場合、データ点の絞り込みを行う。より具体的には、回帰線の決定に使用された全データ点の残差の内、最大の残差（正値）に所定の比率Ｆを乗じて得られた数値を、データ除外のための閾値とする。比率Ｆは、−１よりも大きく、かつ１よりも小さい（−１＜Ｆ＜１）。好ましくは、比率Ｆは０以上であって１よりも小さい値（０≦Ｆ＜１、例えば０．９）である。比率Ｆとして−１に近い値を設定すると、最大残差が最小残差の絶対値より大きい場合に１点のデータも除外されないことになるので、注意が必要である。処理部９は、最も小さい残差から始まって残差が大きくなる順に残差を閾値と比較し、データ点の数が所定の数Ｎを下回らない限りにおいて、閾値を下回る残差を持つデータ点を除外する。
さらに、データ点の数が所定の数Ｎになるまで、ステップ５からステップ７までの処理を繰り返す。ここで、ステップ５からステップ７までの処理を繰り返す動作の一例について図面を参照して説明する。図６（ａ）に示すように、処理部９は、全データ点に対して回帰分析を行って回帰線を決定し（ステップ５）、さらに回帰線の決定に使用された測定膜厚の数が所定の数Ｎよりも大きいかを判断する（ステップ６）。測定膜厚の数が所定の数Ｎよりも大きい場合は、処理部９は、図６（ｂ）に示すように、最大の値（正値）を持つ残差Ｒmaxに所定の比率Ｆを乗じて、データ点除外のための閾値を決定する。この例では、比率Ｆは０である。したがって、閾値は０である。処理部９は、図６（ｃ）に示すように、閾値よりも小さな残差を持つデータ点を削除する。この例の閾値は０であるので、回帰線よりも下に存在するデータ点が削除される（ステップ７）。
処理部９は、再度ステップ５を実行する。すなわち、図７（ａ）に示すように、処理部９は、ステップ７でいくつかのデータ点が削除された後の残りの全データ点に対して回帰分析を再び行って、新たな回帰線を決定する。その後、処理部９は、ステップ６およびステップ７を同じように繰り返す。
このようにすれば、回帰線よりも下側にあるデータ点が繰り返し除外され、さらに回帰線を引き直す操作が繰り返される。したがって、図７（ｂ）に示すように、研磨テーブル３の直近のＭ回転中に取得されたデータ点の分布の上端に回帰線が近づくことが期待される。比率Ｆを小さく設定すれば、一度に除外されるデータ点の数が小さく回帰線を引き直す回数が多くなってより確実にデータ点の分布の上端に一致する回帰線が得られる。逆に比率Ｆを大きくすれば最終的な回帰線により早く到達することができる。
ステップ８では、処理部９は、ステップ５でＮ個のデータ点から求められた回帰線を表す関数に現在の研磨テーブル３の回転回数を代入して、上述した所定の測定領域における現時点での推定膜厚を決定する。この決定された推定膜厚は、ウェーハの凸部の最頂部の膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚に相当する。
ステップ４において測定膜厚の数が所定の数Ｎ未満であった場合には、回帰線を決定するのに十分なデータ点数がないと考えられるため、過去の推定膜厚に基づいて現時点における推定膜厚を決定してもよい（ステップ９）。例えば、処理部９は、研磨テーブル３が前回回転しているときに得られた推定膜厚を現時点での推定膜厚として採用してもよい。あるいは、処理部９は、直近の複数の回転回数分の推定膜厚から研磨レート（単位時間当たりの膜厚減少量）を算出して、現時点における推定膜厚を算出してもよい。ステップ８およびステップ９で求められた推定膜厚に対しては、微小な変動を抑えて安定した時間変化を得るために、更に移動平均等の平滑化処理を行ってもよい。
ステップ１０においては、処理部９は、ステップ８またはステップ９で求められた推定膜厚が、研磨終了条件を満たすか否かを判断する。処理部９は、研磨終了条件を満たせばウェーハＷの研磨を終了させる。研磨終了条件としては、例えば、推定膜厚が目標膜厚を下回ることが挙げられる。
ウェーハＷの表面に複数の測定領域が設定されている場合、一実施形態では、処理部９は、複数の測定領域においてそれぞれ取得された推定膜厚の平均を算出し、その平均が目標膜厚を下回った時点を研磨終点としてもよい。あるいは、ある測定領域での局所的な過研磨を避けるために、処理部９は、複数の測定領域においてそれぞれ取得された推定膜厚の最小値を算出し、その最小値が目標膜厚を下回った時点を研磨終点としてもよい。また、複数の測定領域の推定膜厚のうち、所定の数の領域での推定膜厚が目標膜厚を下回った時点を研磨終点とすることもできる。多くの場合、複数の測定領域に対する目標膜厚は同一であるが、それぞれの領域に対し個々に目標膜厚を設定することも可能である。
推定膜厚は研磨テーブル３が一回転するごとにしか得られないため、現在の推定膜厚が得られてから次の推定膜厚が得られるまでの間に、実際の膜厚が目標膜厚に達することもある。そこで、研磨終点の検出精度を向上させるために、研磨テーブル３の直近の所定の回転回数分の推定膜厚を基に、現時点より後の予測膜厚を外挿により決定し、この予測膜厚に基づいて研磨終点を決定してもよい。このようにして決定された現時点より後の予測膜厚は、次に膜厚信号が取得された時点で更新される。
ステップ１０において研磨終了条件が満たされていないと判断された場合は、複数の測定領域の膜厚が均一となるように研磨条件を更新してもよい。更新される研磨条件としては、複数の測定領域に対応する研磨ヘッド１の圧力室（図２の符号Ｃ１〜Ｃ４参照）内の圧力が好ましい。基本的には、研磨条件更新の各タイミングにおいて、推定膜厚が平均より厚い測定領域に対応する圧力室の圧力を増し、平均より薄い測定領域に対応する圧力室の圧力を減ずることになる。また、研磨条件の更新は、研磨テーブル３が一回転するたびに行われる必要はなく、研磨条件変更に対する研磨レートの応答性を考慮して適宜決定される。ウェーハＷの複数の測定領域に複数の目標膜厚が設定されている場合においては、研磨後の各領域の膜厚が所定の分布をなすよう、制御することも可能である。
図８は、図３に示す方法に従って、凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を求めた結果を示すグラフである。図８において、個々の測定膜厚を＋、局所的に最大となる膜厚の推定値を●で示している。図８に示す実験の条件は以下の通りである。
研磨テーブル３の回転回数の所定の値Ｍ＝３０
測定膜厚の所定の数Ｎ＝８
所定の比率 Ｆ＝０
回帰次数 １（直線回帰）
図８から分かるように、局所的に最大となる膜厚の推定値は、データ点の分布の概ね上端に位置する。
図１９（ｂ）に示した凸部１０６のプロファイルは、研磨の進行に伴い、図９に示すように更に丸みを帯びることがある。このような場合、測定膜厚のばらつきは更に大きくなり、データ分布の上端に位置するデータ点も疎になってしまう。このため、図１０に示すように、推定膜厚が不正確になったり不安定になったりすることがある。
このような場合、研磨テーブル３の回転回数について設定された上記所定の回数Ｍを大きくしてもよい。あるいは、一実施形態では、処理部９は、研磨テーブル３が直近の所定の回数Ｍだけ回転している間に得られた全データ点(全測定膜厚)に回帰分析を行って回帰線を決定し、この回帰線を表す関数に現在の研磨テーブル３の回転回数を代入して平均的な膜厚を算出し、必要に応じ移動平均等の平滑化処理を行った上で、図１１に示すように、算出された平均的な膜厚に所定のオフセット値を加えることで、凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を決定してもよい。この実施形態では、処理部９は、残差に比率Ｆを乗じて閾値を求める工程、および閾値よりも小さい残差を持つデータ点を除外する工程は行わない。
オフセット値は、事前に同一仕様のウェーハを研磨し、その研磨中に取得した測定膜厚、および、研磨を中断し静止状態で測定した凸部のプロファイルを参照して決定される。オフセット値は、研磨時間に伴い変化する値として定義することもできる。
図１２は、凸部の最頂部の推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値を決定する他の実施形態を示すグラフである。この実施形態では、データ点の回帰分析は行われない。代わりに、処理部９は、所定の時間内に取得されたデータ点（点線で囲まれたデータ点）から、膜厚の確率分布（一点鎖線で示す）を推定し、より小さい測定膜厚の確率が所定の値（例えば９７％）になる推定膜厚を決定する。
図１３は、図１２に示す確率分布を示すグラフである。図１３に示す例では、決定すべき推定膜厚、すなわち局所的に最大となる膜厚の推定値は、より小さい測定膜厚の確率が９７％になる膜厚である。膜厚の確率分布は、ベイズ推定などの公知の方法を用いて推定することができる。
図３に示した実施形態は、研磨テーブル３に設置された１つの膜厚センサ７を用いて行われる。この実施形態によれば、研磨中において、ウェーハ面上の各測定領域に関し、研磨テーブル３が一回転するごとに、局所的に最大となる膜厚の推定値が得られる。しかしながら、最近、研磨後の膜厚精度に対する要求は強くなりつつある。研磨テーブル３一回転ごとに得られる推定膜厚に基づいて研磨を終了させると、研磨テーブル３一回転の間に研磨が進み過ぎて要求精度を満たせない場合がある。膜厚センサ７の個数を増して膜厚をより頻繁に推定するのも一法ではあるが、それでは研磨装置の構成が複雑になりコスト増にもつながる。
そこで、一実施形態では、処理部９は、研磨テーブル３が一回転するごとに推定膜厚が目標膜厚に達するであろう時間を予測し、予測された時間が、研磨テーブル３の次の回転での推定膜厚の取得時間よりも前であれば、その予測された時間でウェーハの研磨を終了させる。例えば、図１４に示すように、現時点での局所的に最大となる膜厚の推定値をDc、所定の研磨テーブル３回転回数をK、研磨テーブル３の回転周期をTo、現時点よりもK回転前の時点における局所的に最大となる膜厚の推定値をDp、目標膜厚をDtとするとき、現時点から目標膜厚に達するまでに要する時間Tは以下のようにして求められる。
T=(Dc-Dt)/(Dp−Dc)×K・To
あるいは、同様の考え方に従い、研磨テーブル３の周期よりも細かな時間間隔、例えば1/10周期の時間間隔で予測膜厚Dを求め、予測膜厚Dに基づいて研磨終点を定めてもよい。Δtを現時点以降の経過時間とすると、予測膜厚Dは以下のようにして求められる。
D=Dc-(Dp−Dc)/(K・To)×Δt
本実施形態によれば、膜厚測定の実質的な分解能が向上するので、より正確な研磨終点検出が達成される。本実施形態における膜厚の予測に基づく終点検知法は、局所的に最大となる膜厚の推定値に限らず、一般的な測定膜厚に関して成り立つ。また、同様の考え方は、下層の影響などで研磨途中に膜厚の推定が難しくなった場合にも、代替手段として適用することができる。
次に、膜厚センサ７として光学式センサを用いた研磨装置の詳細な構成の一例について図１５を参照して説明する。図１５は、研磨装置の一例を示す模式断面図である。ヘッドシャフト１０は、ベルト等の連結手段１７を介して研磨ヘッドモータ１８に連結されて回転されるようになっている。このヘッドシャフト１０の回転により、研磨ヘッド１が矢印で示す方向に回転する。
膜厚センサ７は、ウェーハＷの表面に光を当て、ウェーハＷからの反射光を受光し、その反射光を波長に従って分解するように構成されている。膜厚センサ７は、光をウェーハＷの被研磨面に照射する投光部４２と、ウェーハ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、ウェーハ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３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２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２ａ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。光源４７には、キセノンフラッシュランプなどのパルス点灯光源が使用される。光ファイバー４８は、光源４７によって発せられた光をウェーハ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、ウェーハ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、研磨ヘッド１に保持されたウェーハＷを向いて配置される。研磨テーブル３が回転するたびにウェーハＷの複数の測定点に光が照射される。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、研磨ヘッド１に保持されたウェーハＷの中心を通るように配置される。
ウェーハ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、ウェーハ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３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の上にウェーハ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、ウェーハＷの表面に対して垂直に配置されており、光ファイバー４８はウェーハＷの表面に垂直に光を照射するようになっている。
ウェーハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェーハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェーハＷからの反射光が受光される。分光器４４は、各波長での反射光の強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた測定データを処理部９に送る。この測定データは、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号である。処理部９は、測定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ーハＷの膜厚を推定する。
次に、膜厚センサ７として光学式センサを用いた場合の膜厚測定の原理の一例について図１６（ａ）および図１６（ｂ）を参照して説明する。図１６（ａ）は、光学式センサを用いた膜厚測定の原理を説明するための模式図であり、図１６（ｂ）はウェーハＷと研磨テーブル３との位置関係を示す平面図である。図１６（ａ）に示す例では、ウェーハ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。上層膜は、例えば光を透過可能な絶縁膜である。投光部４２および受光部４３は、ウェーハ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３が１回転するたびにウェーハＷの中心を含む複数の測定点に光を照射する。
ウェーハＷに照射された光は、媒質（図１６（ａ）の例では水）と上層膜との界面、および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、ウェーハ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９は、分光器４４から得られた反射光の強度の測定データからスペクトルを生成する。反射光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
図１７は、処理部９によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。図１７において、横軸はウェーハから反射した光の波長を表わし、縦軸は反射した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、光の強度を表わす１つの指標であり、具体的には、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ノイズが実測強度から除去され、これにより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。
基準強度は、各波長について予め取得された強度であり、相対反射率は各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を、対応する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。基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェーハ（ベアウェーハ）を水の存在下で水研磨しているときに得られた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、次の式を用いて求めることができる。
Figure 2017098407
 ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェーハから反射した波長λでの光の強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は光を遮断した状態で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）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ことである。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とすべきである。
１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 膜厚センサ
９ 処理部
１０ ヘッドシャフト
２１ ヘッド本体
２２ リテーナリング
２４ メンブレン
２５ メンブレンホルダー
２６ ローリングダイヤフラム
２８ ロータリージョイント
３０ 気体供給源
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

Claims (10)

  1. 表面に凸部が形成されたウェーハを研磨する方法であって、
    研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
    ウェーハの表面を前記研磨パッドに押し付け、
    前記研磨テーブルが直近の所定の回数だけ回転している間に、前記研磨テーブルに設置された膜厚センサからの複数の膜厚信号を取得し、
    前記複数の膜厚信号から複数の測定膜厚を決定し、
    前記複数の測定膜厚に基づいて、前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定し、
    前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨を監視することを特徴とする方法。
  2. 前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、
    前記直近の複数の測定膜厚と、対応する前記研磨テーブルの回転回数とにより特定される複数のデータ点に回帰分析を行って回帰線を決定し、
    前記回帰線を表す関数に前記研磨テーブルの現在の回転回数を代入することにより、推定膜厚を決定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。
  3. 前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、
    前記回帰線を決定した後に、前記回帰線よりも下側にあるデータ点のうちの少なくとも１つを前記複数のデータ点から除外し、
    前記少なくとも１つのデータ点が除外された前記複数のデータ点に回帰分析を行って新たな回帰線を決定する工程をさらに含み、
    前記研磨テーブルの現在の回転回数を、前記新たな回帰線を表す関数に代入することによって推定膜厚を決定することを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、
    前記直近の複数の推定膜厚と、対応する前記研磨テーブルの回転回数とにより特定される複数のデータ点に回帰分析を行って回帰線を決定し、
    前記回帰線を表す関数に前記研磨テーブルの現在の回転回数を代入して得られた値に所定のオフセット値を加算することにより、推定膜厚を決定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。
  5. 前記凸部の最頂部の推定膜厚を決定する工程は、
    前記直近の複数の測定膜厚の確率分布を生成し、
    より小さい測定膜厚の確率が所定の値になる推定膜厚を決定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。
  6. 前記膜厚センサは、パルス点灯光源を有する光学式センサであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記膜厚センサは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨終点を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 前記凸部の最頂部の推定膜厚に基づいてウェーハの研磨条件を変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 前記凸部の最頂部の推定膜厚の現在の値と過去の値に基づいて、前記膜厚センサが次に膜厚信号を取得する前に、前記凸部の最頂部の膜厚を予測し、前記予測された膜厚に基づいてウェーハの研磨終点を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
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