JP3360610B2 - 検出方法及び検出装置及び研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置製造工程の
ＣＭＰ工程に於ける、研磨終了点の検出方法及び検出装
置、更にはＣＭＰ研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、高密度化するにつれ、多層配線
と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシンな
どの電極形成の技術の重要度は大きく増加している。当
然こうした層間絶縁膜や金属膜の厚みや形状（正しく埋
め込まれているかどうかなど）のモニタは大きな課題と
なる。勿論、膜厚のモニタは薄膜形成やエッチングとい
った工程でも必要とされるが、最近特に問題視されてい
るのは、平坦化プロセスにおける工程終了点の検知であ
る。

【０００３】リソグラフィの短波長化に付随した、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わゆる象嵌（プラ
グ、ダマシン）では、積層後の余分な金属層の除去及び
平坦化が要求される。成膜法などの改良により、局所的
に層間層を平滑化する方法も多く提案、実行されている
が、より大きなエリアでの効率的な平坦化技術として
は、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程がある。ＣＭＰ（Chemic
al Mechanical Polishing またはPlanarization ）は、
物理的研磨に、化学的な作用（研磨材、溶液による溶か
しだし）を併用して、被研磨面であるウェハーの最表面
層の表面凹凸を除いていく工程で、グローバル平坦化技
術の有力な候補となっている。具体的には、酸、アルカ
リ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、相対運動により摩擦することにより研磨
を進行させる。ウェハ全面において、加圧と相対運動速
度を一様とすることで面内に一様な研磨が可能になる。

【０００４】こうした研磨工程においては、従来の成膜
やエッチングほどプロセスの安定性、再現性が取りにく
いため、できるだけフィードバックが迅速な層間層や金
属層の膜厚の常時検出が、工程効率化のためにも要請さ
れている。この膜厚の検出のために、一般的な膜厚計測
装置を工程の検査に用いることが多い。工程後洗浄され
たウェハの、微小なブランク部分（膜厚の２次元分布の
無い場所）を測定場所として選択して種々の方式で計測
している。この方法は結果を工程にフィードバックする
ために長時間かかる欠点がある。

【０００５】研磨平坦化工程において、よりフィードバ
ックが早いモニタ方法としては、目的研磨層と異なった
材料の層へ研磨が進んだ場合の摩擦変動を、ウェハ回転
やパッドの回転のモータートルクの変化によって検出す
る方法がある。また、研磨パッドに光路を設けたり、ウ
ェハ裏面からの、ウェハ透過性の光（赤外光）を利用し
て、光学的な干渉によって研磨中の薄膜の膜厚を測定す
る方法も提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のＣＭＰ工程など
における層間膜や金属層などの厚みを迅速簡便にモニタ
する技術は、要請が高まっているにも関わらず、決定的
といえる方法がない。上記した、膜厚計測機での計測
は、現状で十分の精度が得られ、信頼性のあるデータは
得られるものの、装置そのものが大がかりなものにな
り、計測に時間もかかり、工程へのフィードバックが遅
くなる。

【０００７】一方、モータートルクで工程終了点を検出
する方式は、簡便で高速ではあるが、今のところ明らか
に、異なる層の研磨開始を検知する場合にのみ有効で、
しかも精度の上で不十分である。また、光学干渉利用の
膜厚計測の方法（レーザ光を照射し、反射光量の時間変
動を追跡する方法。）などにおいても、ウェハのデバイ
スパターンに依存した不確定性と測定位置による誤差の
ほか、工程終了点を明確に判断することが困難であるこ
とが指摘されている。この方法では、レーザなどの（反
射光）強度の時間変化を追跡し、一定値になる時を以て
終了点と判定することが一般であるが、信号雑音の影響
が大きく、精度のよい判定が難しくなっている。

【０００８】本発明の目的は、以上の問題を解決して、
デバイス半導体ウェハの各層膜厚や、工程終了点を精度
良く検出できる簡便な検出方法及びコンパクトな検出装
置、更には研磨装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため本発明では、デ
バイス半導体ウェハの各層膜厚や、工程終了点の検出に
おいて、工程終了点をより精度よく明確に判定するた
め、プローブ光を被研磨面に照射したときに得られる反
射光、または透過光をモニタする方法を基本として用い
た。

【００１０】薄膜の膜厚計測を光学的に行なう方法は種
々知られており、干渉現象を用いる方式においても、多
層膜を含めかなりの精度が実現されている。ただ、いず
れもブランク膜（平面的に一様な拡がりを有する膜）計
測についてのものである。本発明が対象とするのは、ブ
ランク膜だけでなく、デバイスパターン（下地パター
ン）が存在するウェハであって、２次元的に一様でない
ものである。この場合、ブランク膜から単純に予測され
る信号は得られない。

【００１１】そのため本発明では、反射光信号、または
透過光信号を信号処理して、パラメータを求め、平坦化
が実現される前後でパラメータが研磨の進行に対して急
激に変化するよう図った。そのため、第一に、「半導体
装置製造工程における、デバイスパターンが存在し最上
層が金属膜である複数の層を有する半導体素子表面の前
記金属層の除去工程において、前記半導体素子表面の一
部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
分光特性の信号により前記除去工程の工程終了点を検出
する方法であって、前記金属層の一部または全部にプロ
ーブ光を照射する第１の段階と、前記除去工程の進行に
伴い前記金属層の少なくとも一部が除去された状態にお
いて、前記プローブ光が前記デバイスパターンの最小単
位の少なくとも数周期分を照射する第２の段階とを有
し、前記第２の段階では、前記反射光は、前記プローブ
光が照射されているデバイスパターンの前記複数の層の
各層からの光波の重ね合わせとなり、前記分光特性の信
号から演算されたパラメータを利用して、工程終了点の
判定を行うことを特徴とする検出方法（請求項１）」を
提供する。

【００１２】また、第二に、「半導体装置製造工程にお
ける、二次元的に分布した複数の積層薄膜パターンから
成るデバイスパターンが存在する半導体素子表面の絶縁
層あるいは電極層の除去工程において、前記半導体素子
表面の一部または全部にプローブ光を照射して得られる
反射光または透過光の分光特性の信号により前記除去工
程の工程終了点を検出する方法であって、前記プローブ
光は前記デバイスパターンの最小単位の少なくとも数周
期分を照射し、前記反射光または透過光は、前記プロー
ブ光が照射されているデバイスパターンの前記積層薄膜
の各層からの光波の重ね合わせであり、前記分光特性の
信号から演算されたパラメータを利用して、工程終了点
の判定を行い、前記パラメータが、前記分光特性の信号
の極大値、または極小値、または（極大値−極小値）、
または（極小値／極大値）から選ばれた一つ以上である
ことを特徴とする検出方法（請求項２）」を提供する。
また、第三に、「半導体装置製造工程における、二次元
的に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイス
パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
極層の除去工程において、前記半導体素子表面の一部ま
たは全部にプローブ光を照射して得られる反射光または
透過光の分光特性の信号により前記除去工程の工程終了
点を検出する方法であって、前記プローブ光は前記デバ
イスパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射
し、前記反射光または透過光は、前記プローブ光が照射
されているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層から
の光波の重ね合わせであり、前記分光特性の信号から演
算されたパラメータを利用して、工程終了点の判定を行
い、前記パラメータが、前記分光特性の信号の最大極大
値、または最小極小値、または（最大極大値−最小極小
値）、または（最小極小値／最大極大値）から選ばれた
一つ以上であることを特徴とする検出方法（請求項
３）」を提供する。

【００１３】 また、第四に、「半導体装置製造工程に
おける、二次元的に分布した複数の積層薄膜パターンか
ら成るデバイスパターンが存在する半導体素子表面の絶
縁層あるいは電極層の除去工程において、前記半導体素
子表面の一部または全部にプローブ光を照射して得られ
る反射光または透過光の分光特性の信号により前記除去
工程の工程終了点を検出する方法であって、前記プロー
ブ光は前記デバイスパターンの最小単位の少なくとも数
周期分を照射し、前記反射光または透過光は、前記プロ
ーブ光が照射されているデバイスパターンの前記積層薄
膜の各層からの光波の重ね合わせであり、前記分光特性
の信号から演算されたパラメータを利用して、工程終了
点の判定を行い、前記パラメータが、前記分光特性の信
号の波長毎の信号値列の分散値であることを特徴とする
検出方法（請求項４）」を提供する。また、第五に、
「前記パラメータが、前記分光特性の信号の適当なフー
リエ変換の成分であることを特徴とする請求項１記載の
検出方法（請求項５）」を提供する。

【００１４】また、第六に、「半導体装置製造工程にお
ける、二次元的に分布した複数の積層薄膜パターンから
成るデバイスパターンが存在する半導体素子表面の絶縁
層あるいは電極層の除去工程において、前記半導体素子
表面の一部または全部にプローブ光を照射して得られる
反射光または透過光の分光特性の信号により前記除去工
程の工程終了点を検出する方法であって、前記プローブ
光は前記デバイスパターンの最小単位の少なくとも数周
期分を照射し、前記反射光または透過光は、前記プロー
ブ光が照射されているデバイスパターンの前記積層薄膜
の各層からの光波の重ね合わせであり、前記分光特性の
信号と工程終了点に対応する予め記憶された参照分光特
性の信号との相互相関関数を利用して、工程終了点の判
定を行うことを特徴とする検出方法（請求項６）」を提
供する。また、第七に、「請求項６に記載の検出装置に
おいて、研磨の進行に伴い変化する分光反射特性信号が
ｆ（λ）、参照分光反射特性信号がｇ（λ）とし、前記
相互相関関数の定義式Ｒxy（τ）を、

【数２】 で表すことを特徴とする検出方法（請求項７）」を提供
する。

【００１５】また、第八に、「請求項１〜７の検出方法
から選ばれた二つ以上を併用して判定を行うことを特徴
とする検出方法（請求項８）」を提供する。また、第九
に、「半導体装置製造工程における、デバイスパターン
が存在し最上層が金属膜である複数の層を有する半導体
素子表面の前記金属層の除去工程の工程終了点を前記半
導体素子表面の一部または全部にプローブ光を照射して
得られる反射光の分光特性の信号により検出する検出装
置において、前記照射光源を有し、前記照射光源から発
したプローブ光を前記半導体素子表面の一部または全部
に照射し、前記半導体素子表面の一部または全部にて反
射された反射光の分光特性を検出する測定光学系と、前
記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
と、を備え、前記測定光学系は、前記除去工程の進行に
伴い前記金属層の少なくとも一部が除去された状態にお
いて、前記プローブ光が前記デバイスパターンの最小単
位の少なくとも数周期分を照射し、前記反射光が前記プ
ローブ光が照射されているデバイスパターンの前記複数
の層の各層からの光波の重ね合わせとなるように構成さ
れ、前記信号処理部は、前記分光特性の信号からパラメ
ータを演算し、このパラメータを利用して研磨終了点を
検出することを特徴とする検出装置（請求項９）」を提
供する。また、第十に、「半導体装置製造工程におけ
る、二次元的に分布した複数の積層薄膜パターンから成
るデバイスパターンが存在する半導体素子表面の絶縁層
あるいは電極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素
子表面の一部または全部にプローブ光を照射して得られ
る反射光の分光特性の信号により検出する検出装置にお
いて、前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプ
ローブ光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射
し、前記半導体素子表面の一部または全部にて反射され
た反射光の分光特性を検出する測定光学系と、前記検出
された分光特性の信号が入力される信号処理部と、を備
え、前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイス
パターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前
記反射光が前記プローブ光が照射されているデバイスパ
ターンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせと
なるように構成され、前記信号処理部は、前記分光特性
の信号から前記分光特性の信号の極大値、または極小
値、または（極大値−極小値）、または（極小値／極大
値）から選ばれた一つ以上をパラメータとして演算 し、
このパラメータを利用して研磨終了点を検出することを
特徴とする検出装置（請求項１０）」を提供する。 ま
た、第十一に、「半導体装置製造工程における、二次元
的に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイス
パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素子表面の一
部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
分光特性の信号により検出する検出装置において、前記
照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ光を
前記半導体素子表面の一部または全部に照射し、前記半
導体素子表面の一部または全部にて反射された反射光の
分光特性を検出する測定光学系と、前記検出された分光
特性の信号が入力される信号処理部と、を備え、前記測
定光学系は、前記プローブ光が前記デバイスパターンの
最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前記反射光が
前記プローブ光が照射されているデバイスパターンの前
記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせとなるように
構成され、前記信号処理部は、前記分光特性の信号から
前記分光特性の信号の最大極大値、または最小極小値、
または（最大極大値−最小極小値）、または（最小極小
値／最大極大値）から選ばれた一つ以上をパラメータと
して演算し、このパラメータを利用して研磨終了点を検
出することを特徴とする検出装置（請求項１１）」を提
供する。 また、第十二に、「半導体装置製造工程におけ
る、二次元的に分布した複数の積層薄膜パターンから成
るデバイスパターンが存在する半導体素子表面の絶縁層
あるいは電極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素
子表面の一部または全部にプローブ光を照射して得られ
る反射光の分光特性の信号により検出する検出装置にお
いて、前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプ
ローブ光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射
し、前記半導体素子表面の一部または全部にて反射され
た反射光の分光特性を検出する測定光学系と、前記検出
された分光特性の信号が入力される信号処理部と、を備
え、前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイス
パターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前
記反射光が前記プローブ光が照射されているデバイスパ
ターンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせと
なるように構成され、前記信号処理部は、前記分光特性
の信号から前記分光反射特性の信号の波長毎の信号値列
の分散値をパラメータ として演算し、このパラメータを
利用して研磨終了点を検出することを特徴とする検出装
置（請求項１２）」を提供する。 また、第十三に、「半
導体装置製造工程における、二次元的に分布した複数の
積層薄膜パターンから成るデバイスパターンが存在する
半導体素子表面の絶縁層あるいは電極層の除去工程の工
程終了点を前記半導体素子表面の一部または全部にプロ
ーブ光を照射して得られる反射光の分光特性の信号によ
り検出する検出装置において、前記照射光源を有し、前
記照射光源から発したプローブ光を前記半導体素子表面
の一部または全部に照射し、前記半導体素子表面の一部
または全部にて反射された反射光の分光特性を検出する
測定光学系と、前記検出された分光特性の信号が入力さ
れる信号処理部と、を備え、前記測定光学系は、前記プ
ローブ光が前記デバイスパターンの最小単位の少なくと
も数周期分を照射し、前記反射光が前記プローブ光が照
射されているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層か
らの光波の重ね合わせとなるように構成され、前記信号
処理部は、前記分光特性の信号と予め記憶された参照分
光特性の信号との相互相関係数をパラメータとして演算
し、このパラメータを利用して研磨終了点を検出するこ
とを特徴とする検出装置（請求項１３）」を提供する。

【００１６】また、第十四に、「請求項９から１３のい
ずれか１項に記載の検出装置と研磨パッドと被研磨部材
を保持する研磨ヘッドとを具え、前記研磨パッドと前記
被研磨部材との間に相対運動を与えることにより前記被
研磨部材を研磨する研磨装置（請求項１４）」を提供す
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明を以下の実施の形態１、２
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。本発明においては、光学計測において、照射光（プ
ローブ光）として、連続的に複数の波長成分を有する多
成分波長光を用い、反射光の波長依存性即ち分光反射特
性を信号処理することにより、膜厚を知ろうとするもの
である。この光をウェハに照射し、反射光の分光特性を
信号処理する。勿論ウェハ裏面からの照射を行う方式
（この場合透過光を検出することもあり得る。）でもよ
いが、その場合は赤外域での多成分波長光源が必要にな
る。

【００１８】本発明では、また、照射光のスポット径を
デバイスパターンの最小単位寸法に比較して大きくし、
少なくとも数周期分は照射されるようにした。デバイス
パターンは光学的には二次元的に分布した複数の積層薄
膜パターンから成ると見做され、その反射光は、図８で
模式的に示すように、各パターンの、積層薄膜の各層か
らの光波の重ね合わせとみることができ、その分光特性
の波形は、複雑な干渉効果のため、例え最上層の膜厚が
同じであってもブランク膜とは大きく異なったものにな
る。このような分光特性の波形から、計測したい膜厚の
値を直接に計算することは、一般的には容易ではない。
しかし、あらかじめ、所定の膜厚になったデバイスパタ
ーンからの反射率を計算し、これと、実測反射率値の比
較を行うことにより、膜厚を算出したり、実測反射率値
と計算反射率値が一致したことを以て工程の終了点とす
ることは可能である。

【００１９】ただ、こうした判定方法はフィッティング
計算などを行うためのパラメータ入力などが複雑とな
り、計算に時間を要するとともに、誤差が生じやすいた
め、測定精度が低下しやすい。本発明の実施の形態は、
基本的には照射光に対する反射光または透過光を用いる
が、上記よりも簡便且つ高精度である。以下の説明は説
明の都合上反射光にて行う。

【００２０】プローブ光として上記の多成分波長光をデ
バイスウェハに照射し、デバイスパターンからの反射光
の０次光のみを検出すると、分光反射特性は複雑な干渉
により該スペクトル範囲（計測波長範囲に対応）で波長
に対して複雑に変化し、一般に複数の極大値と極小値を
有する。この分光反射特性は大まかには、最表面層の厚
みによる干渉成分と、最表面層の凹凸による散乱光成分
と、内部電極による電極パターンによるパターン干渉成
分（回折成分）の重畳したものである。

【００２１】一般に、検出を精度良く行うためには、検
出のタイミングの前後でパラメータが急激に変化するの
が好ましい。そのため、以下の実施の形態１〜３では、
以上の分光反射特性信号を処理し、平坦化が実現される
前後でパラメータが急激に変化するようにした。 ［実施の形態１］本実施の形態では、分光反射特性信号
を測定の計測波長範囲で演算して分光反射率が極大値ま
たは極小値を示す波長を求め、これらの波長に対する各
極大反射率（極大値）と極小反射率（極小値）をパラメ
ータとして用いた。

【００２２】微細なパターンの存在するウェハのＣＭＰ
工程で、極大値、または極小値の信号変化をモニターす
ることにより、研磨終了点を精度良く検出する。使用パ
ラメータとしては、以上のような極大値、極小値の他、
（極大値−極小値）、（極小値／極大値）なども好まし
く使用される。更に、パラメータとして極大値の替わり
に分光反射特性の計測波長範囲に複数個求められる極大
値の最大極大値を用い、極小値の替わりに分光反射特性
のスペクトル範囲に複数個求められる極小値の最小極小
値を用い、更に（最大極大値−最小極小値）、（最小極
小値／最大極大値）なども好ましく使用される。

【００２３】極大値、または最大値、または（極大値−
極小値）、または（最大極大値−最小極小値）の信号変
化を用いるときはこれらのパラメータが研磨の進行に伴
って急激に増大するタイミングを検知することにより研
磨終了点を精度良く検出をすることができる。極小値、
または最小極小値の信号変化を用いるときはこれらのパ
ラメータが研磨の進行に伴って急激に減少するタイミン
グを検知することにより研磨終了点を精度良く検出をす
ることができる。

【００２４】パターン有するデバイスウェハにパターン
寸法よりも大きなスポット径のプローブ光を照射し、反
射光を計測すると、前述のように薄膜による干渉成分の
他に、パターン干渉成分、つまりパターン回折成分が重
畳して計測される。研磨によって表面が平坦化され、散
乱光が減少すると、いわゆる回折の効率が向上し、周知
の繰り返しパターンによる回折理論で明らかなように、
この回折光が０次光の極大値を増大させ、極小値を減少
させるため、研磨終了点でこれらのパラメータが急激に
増大または減少するものと推定している。 ［実施の形態２］本実施の形態では、パラメータとして
計測波長範囲内での反射率信号の波長に対するばらつき
を用いた。このばらつきが研磨の進行に伴って変化し、
研磨終了点の前後で急激に増大する。従って、このばら
つきをモニターし、このばらつきが急激に増大するタイ
ミングを検知することにより研磨終了点を精度良く検出
をすることができる。

【００２５】ばらつきとしては、分散の他、標準偏差を
好ましく用いることができる。このばらつきは、デバイ
スウェハ面が研磨されるに従い変化が生じ、研磨によっ
てデバイスウェハ面が平坦化される前後で急増する。こ
の原因は、実施の形態１の原因と同様に、研磨によって
平坦性が得られる前後でパターン干渉の効果がより顕著
に現れるようになるため、周知の繰り返しパターンによ
る回折理論で明らかなように、分光反射特性が波長に対
して大きく変化するようになり、分光反射特性値のばら
つきが大きくなるものと考えられる。 ［実施の形態３］本実施の形態では、分光反射特性の信
号波形のフーリエ変換を行い、これの適当な波数成分を
パラメータとした。この波長成分は、研磨によってデバ
イスウェハ面が平坦化される前後で急増する。

【００２６】この急増の原因は、分光反射特性の信号の
パターン間干渉に依存する成分が、デバイスウェハ面が
平坦化される前後で急増するためと推定できる。パラメ
ータとして選択される波数成分としては、デバイスウェ
ハ面が平坦化される前後で波数成分が最も速く急増する
波数に対する成分がシミュレーション計算または実験に
より選ばれる。 ［実施の形態４］本実施の形態では、工程中に測定され
る分光反射特性の信号波形値と、研磨終了点に対応する
デバイスパターンの寸法、等の諸元値からシミュレーシ
ョン計算により、または事前に実測により得られ、予め
記憶された参照分光反射特性の信号波形値とから算出さ
れた相互相関関数をパラメータとして用いる。

【００２７】分光反射特性の信号波形値は研磨の進行に
伴い変化し、相互相関関数は一般には研磨終了点に於い
て極大値を示す。この相互相関関数が極大値を示すタイ
ミングを検知することにより研磨終了点を精度良く検出
をすることができる。以上実施の形態１〜４で、研磨終
了点を精度良く検出するために、パターン回折現象を利
用したパラメータによる判定方法を説明したが、この方
法は、ＳｉＯ ₂ などの誘電体膜の除去工程の研磨終了点
検出に有効であるばかりでなく、ダマシン、プラグ、等
の金属膜の除去工程にさらに有効である。金属膜の除去
工程においては、除去工程開始時の全面が金属膜面の状
態から、除去工程の進行に伴い、パターンが出現するた
め、より大きな分散値の変化が見られるので、さらに精
度高く検出することが可能になる。

【００２８】

【実施例】［実施例１］デバイスウェハとして６インチ
ウェハ上の撮像素子の層間絶縁膜であるＳｉＯ ₂ 膜をＣ
ＭＰによって研磨し、その研磨終了点検出を行った。そ
の様子を図１、図２に示す。図２は図１の測定光学系の
詳細図である。図１の研磨定盤４には研磨パッド３が固
定されている。デバイスウェハ２を研磨ヘッド１に固定
し、研磨ヘッド１と研磨定盤４とを回転させることによ
ってデバイスウェハ２と研磨パッド３との間に相対運動
を与えることによって研磨を行った。デバイスウェハ２
への光照射は、図１のように、デバイスウェハ２の下面
が接する研磨パッド３（エポキシ樹脂系）および、その
研磨定盤４に約２ｃｍΦの円形孔を開け、その円形孔の
研磨パッドの研磨面と同一面に、石英の透光窓５を設け
た構成で行った。

【００２９】測定光学系は、図２のようなハロゲンラン
プ９をウェハ２面に垂直入射させた光学系で、その反射
光をピンホール１５を通過後（散乱光、回折光を除去
し）、回折格子１３で波長分解し、異なった方向に異な
った波長の光が向かうようにして、光ダイオード型のリ
ニアセンサ１４（５１２素子）で検出する形とした。計
測波長範囲はほぼ４００ｎｍから７００ｎｍ、デバイス
ウェハ２への照射スポット系は約１ｍｍΦである。リニ
アセンサ１４から出力される分光反射特性信号は増幅
後、信号処理部１８に入力される。信号処理部１８は分
光強度信号、等からパラメータを演算し、パラメータの
研磨膜厚の時間的変化から研磨終了点を検出すると共に
分光反射特性、時間（膜厚）に対するパラメータ値、等
の制御関連信号を表示装置に出力する。

【００３０】研磨剤（スラリー）は、シリカ粒をアルカ
リ溶媒に分散させたものを用い、研磨は約１００ｇ／ｃ
ｍ² の研磨圧で行った。研磨剤介在による光量への影響
（主に散乱損失）は１％以下であった。デバイス最表面
に、金属のパターン膜を５００ｎｍ形成し、この上に絶
縁膜として約１０００ｎｍのＳｉＯ₂ 薄膜をＣＶＤ成膜
することによって約５００ｎｍの段差を形成して、ＣＭ
Ｐに供した。

【００３１】本ＣＭＰでは硬質の研磨パッドを用いて研
磨が行われるため、良好な平坦性（段差解消度）が得ら
れ、最終的な残留段差は１０ｎｍ以下であった。分光反
射特性の信号波形は、研磨前の状態である図３（ａ）か
ら研磨終了時に図３（ｂ）のような形に変化した。ここ
で信号処理部１８は、適当なパラメータを演算し、この
パラメータを研磨進行に対してモニターすることによ
り、研磨終了点の精度の良い判定が容易に可能になっ
た。 ［実施例２］本実施例では実施例１に於いて、パラメー
タとして分光反射特性信号の（最小値／最大値）を用い
た。信号処理部１８は分光反射特性信号を微分すること
により極小値及び極大値、これから最小値及び最大値、
更にはパラメータである（最小値／最大値）を演算し
た。研磨進行に伴って（研磨膜厚に対して）（最小値／
最大値）の値をモニターすると、図４のように、研磨終
了点（段差解消時）の前後域で最小値／最大値の値が急
減し、この急減域の適当な点を検出することにより研磨
終了点の精度の良い判定が容易に可能になった。 ［比較例］図５は反射光のトータルの強度の値を研磨進
行に伴って（研磨膜厚に対して）追ったデータである。
研磨終了点（段差解消時）の前後域でこの値の変化はゆ
るやかであるので、研磨終了点は容易に精度良く判定出
来なかった。 ［実施例３］本実施例では実施例１に於いて、パラメー
タとして分光反射特性信号の波長毎の信号値列の分散値
を演算して用いた。

【００３２】研磨進行に伴って（研磨膜厚に対して）こ
の分散値を追うと、図６のように、研磨終了点（段差解
消時）の前後域で急増し、この急増域の適当な点を検出
することにより研磨終了点の精度の良い判定が容易に可
能になった。 ［実施例４］本実施例では実施例１に於いて、分光反射
特性信号のフーリエ変換を行い、それの適当な波数成分
を演算し、パラメータとして用いた。

【００３３】研磨進行に伴って（研磨膜厚に対して）こ
の波数成分を追うと、図７のように、研磨終了点（段差
解消時）の前後域で急激に変化し、この急激に変化する
域の適当な点を検出することにより研磨終了点の精度の
良い判定が容易に可能になった。ここで、上に示したフ
ーリエ変換は以下の式で定義される。

【００３４】

【数３】

【００３５】ここで、λは波長を、ｋは波数、ｆ（λ）
は分光反射特性（分光反射スペクトル）、Ｆ（ｋ）はｆ
（λ）のフーリエ変換を示す。本実施例では分光反射特
性信号の離散的にとられた波長毎の信号値列から演算し
た。最適波数成分の選び方は、デバイスパターンの形状
と寸法に依存するので、デバイスパターンの形状と寸法
から計算で求めることもできるが、複数の波数成分を膜
厚変化に対してシミュレートしてみて、研磨終了点（段
差解消時）の前後域で最も急激に変化する波数成分を選
んでも良い。 ［実施例５］本実施例では実施例１に於いて、研磨の進
行に伴い変化する分光反射特性信号と、参照分光反射特
性信号（研磨終了点に対応する予め求められ記憶された
分光反射特性信号）との相互相関係数を演算し、パラメ
ータとして用いた。

【００３６】研磨進行に伴って（研磨膜厚に対して）こ
の相互相関係数を追うと、研磨終了点に於いて、変化す
る分光反射特性信号と、記憶された分光反射特性の信号
とはほぼ一致するので、相互相関係数は、研磨終了点
（段差解消時）の前後域で急増し、この急増域の適当な
点を検出することにより研磨終了点の精度の良い判定が
容易に可能になった。

【００３７】ここで、上に示した相互相関係数は以下の
式から定義される。

【００３８】

【数４】

【００３９】ここで、ｆ（λ）は研磨の進行に伴い変化
する分光反射特性信号を、ｇ（λ）は参照分光反射特性
信号を表し、Ｒ_xy（τ）は相互相関関数の定義式であ
る。相互相関係数はｆ（λ）とｇ（λ）とが波長τだけ
離れた相互相関関数の値として定義される。参照分光反
射特性はシミュレーション計算で求めても、事前に実測
で求めても良い。

【００４０】以上説明した、実施例１〜５による方法
は、単独で用いるのみならず、二つ以上を併用して用い
ても好ましい結果が得られた。 ［実施例６］本実施例を図１に示す。本実施例は実施例
１〜６から選ばれた何れか一つのパラメータにより研磨
終了点を検出できる研磨装置である。本研磨装置は、測
定光学部６と信号処理部１７と、研磨パッド３とウェハ
２を保持する研磨ヘッド１とを具え、研磨パッド３とウ
ェハ２との間に相対運動を与えるためのウェハ回転機構
（回転方向のみを示す）と研磨パッド回転機構（回転方
向のみを示す）とを具える。本研磨装置は研磨終了点を
精度良く検出でき、その結果高スループットが得られ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、半導体装
置製造工程における、デバイスウェハの表面の絶縁層あ
るいは電極層の除去工程において、除去工程の終了点
を、簡便にしかも精度よく判定できるため、工程制御が
迅速に効率的に行え、その結果、研磨装置のスループッ
トが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜５に於ける測定の概要図である。

【図２】実施例１〜５に於ける測定光学系の概要図であ
る。

【図３】研磨工程による分光反射特性波形変化を示す。

【図４】実施例２に於ける最小値／最大値の研磨によっ
ての変化を示す。工程終了点は矢印で示されている。

【図５】反射全光量の研磨によっての変化を示す。工程
終了点は矢印で示されている。

【図６】実施例３に於ける分光反射特性信号の分散値の
研磨によっての変化を示す。工程終了点は矢印で示され
ている。

【図７】実施例４に於ける波数成分の研磨によっての変
化を示す。工程終了点は矢印で示されている。

【図８】パターンの積層薄膜の各層からの光波の重ね合
わせの模式図。

【符号の説明】

１ 研磨ヘッド ２ ウェハ ３ 研磨パッド ４ 研磨定盤 ５ 透光窓 ６ 測定光学系 ７ 照射光及び反射光 ８ 信号処理部 ９ 照射光源（ハロゲンランプ） １０ スリット（照射面積を規定） １１ レンズ １２ ビームスプリッター １３ 回折格子 １４ リニアセンサ １５ ピンホール １６ ミラー １７ 表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−252113（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−50703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−57107（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−71923（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−174411（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−52032（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−511328（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/04 B24B 49/12 G01B 11/06

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置製造工程における、デバイス
   パターンが存在し最上層が金属膜である複数の層を有す
   る半導体素子表面の前記金属層の除去工程において、前
   記半導体素子表面の一部または全部にプローブ光を照射
   して得られる反射光の分光特性の信号により前記除去工
   程の工程終了点を検出する方法であって、前記金属層の一部または全部にプローブ光を照射する第
   １の段階と、 前記除去工程の進行に伴い前記金属層の少なくとも一部
   が除去された状態において、前記プローブ光が前記デバ
   イスパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射す
   る第２の段階とを有し、 前記第２の段階では、前記反射光は、前記プローブ光が
   照射されているデバイスパターンの前記複数の層の各層
   からの光波の重ね合わせとなり、 前記分光特性の信号から演算されたパラメータを利用し
   て、工程終了点の判定を行うことを特徴とする検出方
   法。
2. 【請求項２】 半導体装置製造工程における、二次元的
   に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイスパ
   ターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電極
   層の除去工程において、前記半導体素子表面の一部また
   は全部にプローブ光を照射して得られる反射光または透
   過光の分光特性の信号により前記除去工程の工程終了点
   を検出する方法であって、前記プローブ光は前記デバイ
   スパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、
   前記反射光または透過光は、前記プローブ光が照射され
   ているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層からの光
   波の重ね合わせであり、前記分光特性の信号から演算さ
   れたパラメータを利用して、工程終了点の判定を行い、
   前記パラメータが、前記分光特性の信号の極大値、また
   は極小値、または（極大値−極小値）、または（極小値
   ／極大値）から選ばれた一つ以上であることを特徴とす
   る検出方法。
3. 【請求項３】 半導体装置製造工程における、二次元的
   に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイスパ
   ターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電極
   層の除去工程において、前記半導体素子表面の一部また
   は全部にプローブ光を照射して得られる反射光または透
   過光の分光特性の信号により前記 除去工程の工程終了点
   を検出する方法であって、前記プローブ光は前記デバイ
   スパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、
   前記反射光または透過光は、前記プローブ光が照射され
   ているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層からの光
   波の重ね合わせであり、前記分光特性の信号から演算さ
   れたパラメータを利用して、工程終了点の判定を行い、
   前記パラメータが、前記分光特性の信号の最大極大値、
   または最小極小値、または（最大極大値−最小極小
   値）、または（最小極小値／最大極大値）から選ばれた
   一つ以上であることを特徴とする検出方法。
4. 【請求項４】 半導体装置製造工程における、二次元的
   に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイスパ
   ターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電極
   層の除去工程において、前記半導体素子表面の一部また
   は全部にプローブ光を照射して得られる反射光または透
   過光の分光特性の信号により前記除去工程の工程終了点
   を検出する方法であって、前記プローブ光は前記デバイ
   スパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、
   前記反射光または透過光は、前記プローブ光が照射され
   ているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層からの光
   波の重ね合わせであり、前記分光特性の信号から演算さ
   れたパラメータを利用して、工程終了点の判定を行い、
   前記パラメータが、前記分光特性の信号の波長毎の信号
   値列の分散値であることを特徴とする検出方法。
5. 【請求項５】 前記パラメータが、前記分光特性の信号
   の適当なフーリエ変換の成分であることを特徴とする請
   求項１記載の検出方法。
6. 【請求項６】 半導体装置製造工程における、二次元的
   に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイスパ
   ターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電極
   層の除去工程において、前記半導体素子表面の一部また
   は全部にプローブ光を照射して得られる反射光または透
   過光の分光特性の信号により前記除去工程の工程終了点
   を検出する方法であって、前記プローブ光は前記デバイ
   スパターンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、
   前記反射光または透過光は、前記プローブ光が照射され
   ているデバイスパターンの前記積層薄膜の各層からの光
   波の重ね合わせであり、前記分光特性の信号と工程終了
   点に対応する予め記憶された参照分光特性の信号との相
   互相関関数を利用して、工程終了点の判定を行うことを
   特徴とする検出方法。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の検出装置において、 研磨の進行に伴い変化する分光反射特性信号がｆ
   （λ）、参照分光反射特性信号がｇ（λ）とし、前記相
   互相関関数の定義式Ｒxy（τ）を、 【数１】 で表すことを特徴とする検出方法。
8. 【請求項８】 請求項１〜７の検出方法から選ばれた二
   つ以上を併用して判定を行うことを特徴とする検出方
   法。
9. 【請求項９】 半導体装置製造工程における、デバイス
   パターンが存在し最上層が金属膜である複数の層を有す
   る半導体素子表面の前記金属層の除去工程の工程終了点
   を前記半導体素子表面の一部または全部にプローブ光を
   照射して得られる反射光の分光特性の信号により検出す
   る検出装置において、 前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ
   光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射し、前
   記半導体素子表面の一部または全部にて反射された反射
   光の分光特性を検出する測定光学系と、 前記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
   と、 を備え、 前記測定光学系は、前記除去工程の進行に伴い前記金属
   層の少なくとも一部が除去された状態において、前記プ
   ローブ光が前記デバイスパターンの最小単位の少なくと
   も数周期分を照射し、前記反射光が前記プローブ光が照
   射されているデバイスパターンの前記複数の層の各層か
   らの光波の重ね合わせとなるように構成され、 前記信号処理部は、前記分光特性の信号からパラメータ
   を演算し、このパラメータを利用して研磨終了点を検出
   することを特徴とする検出装置。
10. 【請求項１０】 半導体装置製造工程における、二次元
    的に分布した複 数の積層薄膜パターンから成るデバイス
    パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
    極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素子表面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
    分光特性の信号により検出する検出装置において、 前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ
    光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射し、前
    記半導体素子表面の一部または全部にて反射された反射
    光の分光特性を検出する測定光学系と、 前記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
    と、 を備え、 前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイスパタ
    ーンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前記反
    射光が前記プローブ光が照射されているデバイスパター
    ンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせとなる
    ように構成され、 前記信号処理部は、前記分光特性の信号から前記分光特
    性の信号の極大値、または極小値、または（極大値−極
    小値）、または（極小値／極大値）から選ばれた一つ以
    上をパラメータとして演算し、このパラメータを利用し
    て研磨終了点を検出することを特徴とする検出装置。
11. 【請求項１１】 半導体装置製造工程における、二次元
    的に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイス
    パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
    極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素子表面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
    分光特性の信号により検出する検出装置において、 前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ
    光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射し、前
    記半導体素子表面の一部または全部にて反射された反射
    光の分光特性を検出する測定光学系と、 前記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
    と、 を備え、 前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイスパタ
    ーンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前記反
    射光が前記プローブ光が照射されているデバイ スパター
    ンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせとなる
    ように構成され、 前記信号処理部は、前記分光特性の信号から前記分光特
    性の信号の最大極大値、または最小極小値、または（最
    大極大値−最小極小値）、または（最小極小値／最大極
    大値）から選ばれた一つ以上をパラメータとして演算
    し、このパラメータを利用して研磨終了点を検出するこ
    とを特徴とする検出装置。
12. 【請求項１２】 半導体装置製造工程における、二次元
    的に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイス
    パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
    極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素子表面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
    分光特性の信号により検出する検出装置において、 前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ
    光を前記半導体素子表面の一部または全部に照射し、前
    記半導体素子表面の一部または全部にて反射された反射
    光の分光特性を検出する測定光学系と、 前記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
    と、 を備え、 前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイスパタ
    ーンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前記反
    射光が前記プローブ光が照射されているデバイスパター
    ンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせとなる
    ように構成され、 前記信号処理部は、前記分光特性の信号から前記分光反
    射特性の信号の波長毎の信号値列の分散値をパラメータ
    として演算し、このパラメータを利用して研磨終了点を
    検出することを特徴とする検出装置。
13. 【請求項１３】 半導体装置製造工程における、二次元
    的に分布した複数の積層薄膜パターンから成るデバイス
    パターンが存在する半導体素子表面の絶縁層あるいは電
    極層の除去工程の工程終了点を前記半導体素子表面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる反射光の
    分光特性の信号により検出する検出装置において、 前記照射光源を有し、前記照射光源から発したプローブ
    光を前記半導体素子表 面の一部または全部に照射し、前
    記半導体素子表面の一部または全部にて反射された反射
    光の分光特性を検出する測定光学系と、 前記検出された分光特性の信号が入力される信号処理部
    と、 を備え、 前記測定光学系は、前記プローブ光が前記デバイスパタ
    ーンの最小単位の少なくとも数周期分を照射し、前記反
    射光が前記プローブ光が照射されているデバイスパター
    ンの前記積層薄膜の各層からの光波の重ね合わせとなる
    ように構成され、 前記信号処理部は、前記分光特性の信号と予め記憶され
    た参照分光特性の信号との相互相関係数をパラメータと
    して演算し、このパラメータを利用して研磨終了点を検
    出することを特徴とする検出装置。
14. 【請求項１４】 請求項９から１３のいずれか１項に記
    載の検出装置と研磨パッドと被研磨部材を保持する研磨
    ヘッドとを具え、前記研磨パッドと前記被研磨部材との
    間に相対運動を与えることにより前記被研磨部材を研磨
    する研磨装置。