JP3382011B2 - 膜厚測定装置、ポリシング装置および半導体製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、半導体ウエハ
に形成された薄膜の膜厚を光学的に測定する膜厚測定装
置、その膜厚測定装置が組み込まれたポリシング装置お
よび半導体製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体ウエハにおいては、Ｓｉ
基板上に種々の薄膜が形成されている。これらの膜厚は
デバイスの諸特性に大きく影響するため、膜厚を所望の
値にコントロ−ルする技術が重要である。

【０００３】半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）上
の膜厚を薄く加工する技術として、図２３に示すような
ポリシング装置がある。すなわち、このポリシング装置
においては、半導体ウエハ１が下部回転テ−ブル２上に
載せられ、薄膜が形成された側の面が、下部回転テ−ブ
ル２に張られたクロス３に接する。そして、ウエハ１は
上部回転テ−ブル４に真空吸着され、上部回転テ−ブル
４によってクロス３に押付けられる。

【０００４】下部回転テ−ブル２と上部回転テ−ブル４
とが、図中に矢印Ａ、Ｂで示すように互いに逆向きに回
転し、ウエハ１は上部回転テ−ブル４と一体に回転す
る。クロス３上には、矢印Ｃ、Ｃで示すように研磨剤が
供給される。そして、両テ−ブル２、４の回転に伴って
ウエハ１が研磨され、ウエハ１の薄膜が徐々に薄く加工
される。

【０００５】また、膜厚を測定する方法として、分光反
射率測定方式、偏光解析法などの光学的手法が知られて
いる。さらに、具体的な測定方法として例えば以下のよ
うな技術がある。

【０００６】すなわち、この方法はＣＶＤ膜の生成中
に、レ−ザ等の測定光がＣＶＤ膜に照射され、反射光が
センサによって検知される。生成中の膜の厚さの変化に
伴い、光の干渉が起こる。この干渉光はセンサによって
検知され、電気的に増幅されたのち、レコ−ダに干渉波
形として記録される。

【０００７】このようにして得られた干渉波形において
は、図２２に示すように極大と極小が繰返し生じるの
で、この干渉波形を利用して膜厚が求められる。この測
定技術によれば、ウエハ上の薄膜の厚さがインプロセス
モニタリングされる。

【０００８】なお、この他にウエハの研磨や膜厚測定の
技術が示された文献として、特開昭５７−１６５５号公
報、同じく特開昭５７−１９０２号公報、及び、同じく
特開昭５７−１９６０７号公報等がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２２の干
渉波形は、薄膜が生成しているときのみではなく、薄膜
が薄く加工されるときにも観察される。したがって、上
述の測定方法は、薄膜を薄く加工する際にも適用できる
と考えられる。しかし、この測定方法をウエハ１のポリ
シング中に適用しても、図２３に示すように薄膜がクロ
ス３によって隠されるため、薄膜に測定光を照射するこ
とができず、測定は不可能である。

【００１０】このような加工を行う際には、ポリシング
開始から終了間での間隔を設定しておき、この時間が終
了すると、加工を終了させることにしていたので、イン
プロセスで加工の終了時が見出せなかった。よって、時
間管理でポリシング加工を終了させるので、ポリシング
速度が変動すると、平坦化処理の過不足を生じ、金属膜
の窪み、絶縁膜上の金属膜の残りなどの不具合が生じ
た。

【００１１】本発明の目的とするところは、半導体ウエ
ハのポリシング中に膜厚をインプロセスで測定すること
が可能な膜厚測定装置、ポリシング装置および半導体製
造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】請求項１の発
明は、半導体ウエハの基板上に形成された薄膜をポリシ
ングしながらその膜厚を測定する膜厚測定装置におい
て、上記薄膜をポリシングしているときに上記基板およ
び薄膜を透過する波長の測定光を上記基板側から照射す
る照射手段と、この照射手段から出射された測定光が上
記基板および薄膜を透過してから反射する反射光に基づ
いて上記薄膜の厚さを測定する測定手段とを具備したこ
とを特徴とする膜厚測定装置である。

【００１３】請求項５の発明は、半導体ウエハに形成さ
れた薄膜を所定の厚さにポリシングするポリシング装置
において、上面がポリシング面に形成された下部テ−ブ
ルと、この下部テ−ブルに下面を対向させて配置されそ
の下面に上記半導体ウエハの基板側の面を保持した上部
テ−ブルと、上記下部テ−ブルと上部テ−ブルのうちの
少なくとも下部テ−ブルを回転させる駆動手段と、上記
上部テ−ブルの下面に露出して形成された窓と、この窓
から上記半導体ウエハの基板へこの基板および薄膜を透
過する波長の測定光を照射する照射手段と、上記測定光
の照射により上記基板および薄膜を透過してから反射す
る反射光の強度を検出する検出手段と、この検出手段が
検出する反射光に基づいて上記薄膜の厚さを判別する判
別手段とを具備したことを特徴とするポリシング装置で
ある。

【００１４】請求項６に記載された発明は、基板上に絶
縁膜が部分的に設けられるとともに、上記絶縁膜を覆う
状態で金属膜が設けられた半導体ウエハを、上記金属膜
が上記絶縁膜とほぼ同じ厚さになるようポリシングする
際、上記金属膜の加工終点を判別する膜厚測定装置にお
いて、上記金属膜をポリシングしているときにその基板
側の上記絶縁膜に対応する部分から上記基板および絶縁
膜を形成する材質に対して透過性の波長の測定光を照射
する照射手段と、上記測定光の照射により上記基板およ
び絶縁膜を透過してから反射する反射光の強度を検出す
る検出手段と、この検出手段が検出する反射光の強度変
化によって上記金属膜の加工の終点を判別する判別手段
とを具備したことを特徴とする膜厚測定装置である。

【００１５】請求項８に記載された発明は、基板上に絶
縁膜が部分的に設けられるとともに、上記絶縁膜を覆う
状態で金属膜が設けられた半導体ウエハを、上記金属膜
が上記絶縁膜とほぼ同じ厚さになるようポリシングする
ポリシング装置において、上面がポリシング面に形成さ
れた下部テ−ブルと、この下部テ−ブルに下面を対向さ
せて配置されその下面に上記半導体ウエハの基板側の面
を保持した上部テ−ブルと、上記下部テ−ブルと上部テ
−ブルのうちの少なくとも下部テ−ブルを回転させる駆
動手段と、上記上部テ−ブルの下面に露出して形成され
た窓と、この窓から上記半導体ウエハの基板へこの基板
および絶縁膜を形成する材質に対して透過性の波長の測
定光を照射する照射手段と、上記測定光の照射により上
記基板および絶縁膜を透過してから反射する反射光の強
度を検出する検出手段と、この検出手段が検出する反射
光の強度変化によって上記金属膜の加工の終点を判別す
る判別手段とを具備したことを特徴とするポリシング装
置である。

【００１６】請求項１と請求項５に記載された発明によ
れば、半導体ウエハのポリシング中に膜厚をインプロセ
スで測定することができる。請求項６と請求項８に記載
された発明によれば、半導体ウエハのポリシング中に金
属膜の加工の終点をインプロセスで判別することができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１〜図１６に基
づいて説明する。なお、従来の技術と重複する部分につ
いては同一番号を付し、その説明は省略する。図１〜図
４は本発明の第１実施例を示しており、図１中の符号１
１は膜厚測定装置である。この膜厚測定装置１１は、ポ
リシング部１２と、このポリシング部１２に組込まれた
測定光学系１３とにより構成されている。

【００１８】これらのうちポリシング部１２は、共に円
盤状の下部回転テ−ブル２と上部回転テ−ブル１４とを
備えている。下部回転テ−ブル２上面にはこの上面をポ
リシング面に形成するクロス３が張られており、クロス
３上に半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）１が載せ
られている。また、下部回転テ−ブル２の半径はウエハ
１の直径よりも大きく設定されており、ウエハ１は下部
回転テ−ブル２の中央部よりも外側に配置されている。

【００１９】上部回転テ−ブル１４の直径はウエハ１の
直径よりも幾分大きく設定されている。上部回転テ−ブ
ル１４はウエハ１に上方から接しており、下部回転テ−
ブル２との間にウエハ１を挟んでいる。そして、上部回
転テ−ブル１４はウエハ１を保持しながらクロス３に押
付けており、ウエハ１の薄膜（ここではＳｉＯ₂ 膜）が
形成された側の面はクロス３に接している。

【００２０】下部回転テ−ブル２と上部回転テ−ブル１
４とは図示しない駆動源に接続され、図１中の矢印Ａ、
Ｂで示すように互いに逆向きに回転駆動される。下部回
転テ−ブル２上には研磨剤供給部１６が設けられてお
り、矢印Ｃで示すように、研磨剤供給部１６から下部回
転テ−ブル２の中央部に研磨剤が供給される。そして、
両テ−ブル２、１４の回転に伴ってウエハ１が化学機械
研磨され、ウエハ１に形成されている膜が徐々に薄く加
工される。

【００２１】上部回転テ−ブル１４の内部には、光学系
収納室１７が形成されている。さらに、上部回転テ−ブ
ル１４の下面に窓１８が取付けられており、この窓１８
はウエハ１の裏面、即ち薄膜が形成されていない側の面
に接している。この窓１８の材質として、例えば透明な
材質が採用されている。

【００２２】光学系収納室１７には、前記測定光学系１
３が収納されている。測定光学系１３は、図２に示すよ
うに、赤外線半導体レ−ザ１９、コリメ−タレンズ２
０、偏光ビ−ムスプリッタ２１、１／４波長板２２、及
び、光検出器２３により構成されている。

【００２３】上部回転テ−ブル１４の外側には、レ−ザ
ドライバ２４、増幅器２５、及び、演算器２６が配置さ
れている。赤外線半導体レ−ザ１９はレ−ザドライバ２
４に接続されている。そして、赤外線半導体レ−ザ１９
からは、波長が 1.2μｍ以上のレ−ザ光が出力される。
また、光検出器２３は増幅器２５を介して演算器２６に
接続されており、光検出器２３の出力は増幅器２５によ
って増幅されたのち、演算器２６に入力される。

【００２４】つぎに、上述の膜厚測定装置１１の作用を
説明する。まず、ウエハ１がポリシングされる一方で、
赤外線半導体レ−ザ１９が、図２に示すようにレ−ザ光
２７を発する。このレ−ザ光２７は、平行光に変換され
たのちに偏光ビ−ムスプリッタ２１で反射し、１／４波
長板２２に導かれる。さらに、このレ−ザ光２７は、１
／４波長板２２を通ったのち、窓１８を透過し、ウエハ
１の裏面（基板２８側）に照射される。

【００２５】レ−ザ光２７はウエハ１で反射し、再び窓
１８及び１／４波長板２２を通って偏光ビ−ムスプリッ
タ２１に達する。そして、このレ−ザ光２７は偏光ビ−
ムスプリッタ２１を通過し、光検出器２３に入射して電
気信号に変換される。光検出器２３の出力は増幅器２５
によって増幅されたのち、演算器２６に入力される。

【００２６】演算器２６に入力される信号は、図４の上
段のグラフに示すように周期信号である。そして、この
信号には極大と極小とが繰返し表れる。つまり、ウエハ
１の基板の材質がＳｉであり、薄膜がＳｉＯ₂ 膜である
場合、レ−ザ光２７の波長が 1.2μｍ以上であれば、図
２中に示すように、レ−ザ光２７は基板２８を透過し、
ＳｉＯ₂ 膜２９に達する。図３に示すように、レ−ザ光
２７がウエハ１に裏面から入射してＳｉＯ₂ に到達した
場合、光検出器２５によって検出されるレ−ザ光の強度
Ｉ₁ は以下の式によって表される。

【００２７】 Ｉ₁ ＝｜ｕ₁ ＋ｕ₂ ｜² ＝Ａ₁ ² ＋Ａ₂ ² ＋２ cos（δ₂ −δ₁ ） ＝Ａ₁ ² ＋Ａ₂ ² ＋２ cos（４πｎｄ／λ） λ：波長 ｎ：ＳｉＯ₂ の屈折率 ｄ：ＳｉＯ₂ の膜厚 ｕ₁ ：基板２８とＳｉＯ₂ 膜２９との界面で反射した光
の強度 （＝Ａ₁ ｅｘｐ（−ｉδ₁ ）） ｕ₂ ：ＳｉＯ₂ 膜２９の被研磨面で反射した光の強度 （＝Ａ₂ ｅｘｐ（−ｉδ₂ ）） つまり、基板２８を透過してＳｉＯ₂ に到達したレ−ザ
光２７は、基板２８とＳｉＯ₂ 膜２９との界面、及び、
ＳｉＯ₂ 膜２９の被研磨面で反射し、反射光同志が干渉
して基板２８から出射する。そして、この干渉光（ｕ₁
＋ｕ₂ ）を検出して得られた波形においては、図４
（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂ 膜２９がポリ
シングされて薄くなるにつれて、信号の極大Ｄと極小Ｅ
とが順に現れる。

【００２８】さらに、干渉光強度Ｉ₁ と膜厚ｄとは相関
を有しており、信号の極大Ｄ（或いは極小Ｅ）が現れて
から次の極小Ｅ（或いは極大Ｄ）が現れるまでの間に、
ＳｉＯ₂ 膜２９の厚さはλ／４ｎずつ減少する。したが
って、極大Ｄ（或いは極小Ｅ）が表れる度に（１／４周
期に毎に）λ／４ｎを積算すれば、ウエハ１に残ってい
るＳｉＯ₂ 膜２９の厚さを知ることができる。

【００２９】すなわち、上述の膜厚測定装置１１におい
ては、レ−ザ光２７がウエハ１に裏側から照射され、基
板２８を透過してＳｉＯ₂ ２９に到達する。そして、Ｓ
ｉＯ₂ 膜２９からの反射干渉光が検出され、干渉光強度
の変化を基にしてＳｉＯ₂ 膜２９の厚さが非接触で測定
される。したがって、ウエハ１をポリシングしながら膜
厚をインンプロセスで測定することができる。

【００３０】また、膜厚をインプロセスで測定できるの
で、複数のウエハ間において膜厚のばらつきを低減で
き、半導体デバイスの品質および歩留りを向上すること
が可能になる。

【００３１】本実施例のように、Ｓｉ基板２８及びＳｉ
Ｏ₂ 膜２９を用いた場合、測定の分解能は最高で 0.2μ
ｍ程度である。なお、本実施例では偏光ビ−ムスプリッ
タ２１が用いられ、レ−ザ光２７がウエハ１に略垂直に
照射されているが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えば、図５に示すようにレ−ザ光を斜め入射さ
せてもよい。この場合、二つの極点が現れる間の膜厚の
減少量は、λ／４ｎ cosθによって表される。

【００３２】さらに、図６或いは図７に示すように、レ
−ザ光の伝送のために光ファイバ３０、３０を用い、赤
外線半導体レ−ザ１９及び光検出器２３を上部回転テ−
ブル１４の外に配置することも可能である。ここで、図
６においては、レ−ザ光２７がウエハ１に略垂直に入射
している。また、図７においては、レ−ザ光２７がウエ
ハ１に斜め入射している。

【００３３】また、本実施例においては、測定光として
赤外線半導体レ−ザ１９が用いられているが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば、測定光として
多波長の赤外光を用い、バンドパスフィルタによって波
長を選択することも可能である。また、測定光として白
色光を用いることや、光源として水銀ランプや重水素ラ
ンプ等を用いることが可能である。

【００３４】さらに、薄膜としてＳｉＯ₂ 膜２９が例に
上げられているが、赤外光を透過する膜であれば、種々
の薄膜に適用可能である。そして、ＳｉＯ₂ 以外の薄膜
として、窒化シリコンやＰＳＧ等が考えられる。

【００３５】つぎに、本発明の第２実施例を図８〜図１
２に基づいて説明する。なお、第１実施例と同様の部分
については同一番号を付し、その説明は省略する。図８
は本発明の第２実施例を示しており、図中の符号４１は
膜厚測定装置である。この膜厚測定装置４１において
は、図９に示すような測定光学系４２が備えられてお
り、この測定光学系４２は位相検出器４３に接続されて
いる。

【００３６】測定光学系４２は、図９に示すように、赤
外線半導体レ−ザ４４、レンズ４５、周波数シフタ４
６、ビ−ムスプリッタ４７、偏光ビ−ムスプリッタ（以
下、ＰＢＳと称する）４８、反射ミラ−４９、第１及び
第２の偏光板５０、５１、及び、第１及び第２の光検出
器５２、５３を備えている。さらに、周波数シフタ４６
は、図１０に示すように二つの偏光ビ−ムスプリッタ
（以下、ＰＢＳと称する）５４、５５、第１及び第２の
ブラッグセル５６、５７、及び、反射ミラ−５８、５９
を備えている。

【００３７】これらのうち、ビ−ムスプリッタ４７、Ｐ
ＢＳ４８、反射ミラ−４９、両偏光板５０、５１、及
び、両光検出器５２、５３によって、ビ−ト検出部６０
が構成されている。そして、このビ−ト検出部６０の各
光検出器５２、５３の出力は位相検出器４３に送られ
る。

【００３８】本実施例の動作は以下の通りである。本実
施例では、第１実施例と同様にＳｉ基板２８、ＳｉＯ₂
膜２９が採用されている。そして、赤外線半導体レ−ザ
４４は波長 1.3μｍの赤外光を出力する。

【００３９】赤外線半導体レ−ザ４４から出射された測
定光としてのレ−ザ光６１はレンズ４５を通って平行光
となり、周波数シフタ４６に入射する。周波数シフタ４
６においてレ−ザ光５４は、図１０に示すように、前段
のＰＢＳ５４によって分離され、分離されたレ−ザ光６
１ａ、６１ｂはそれぞれブラッグセル５６、５７に入射
する。ブラッグセル５６、５７によってレ−ザ光６１
ａ、６１ｂはそれぞれ別の周波数にシフトされる。そし
て、異なる周波数のレ−ザ光６１ａ、６１ｂは反射ミラ
−５８、５９を経て他方のＰＢＳ５５に入射し、このＰ
ＢＳ５５によって合成される。

【００４０】周波数シフタ４６から出射した光束は、図
９中に示すようにビ−ムスプリッタ４７によって二つの
光束６１ｃ、６１ｃに分離され、一方の光束６１ｃは第
１の偏光板５０を経て第１の光検出器５２に入射する。
また、他方の光束６１ｃはＰＢＳ４８によって、半導体
ウエハ（以下、ウエハと称する）１に向う光束６１ｄと
反射ミラ−４９に向う光束６１ｅとに分けられる。

【００４１】ウエハ１に向った光束６１ｄは窓１８を通
り、ウエハ１で反射した後、ＰＢＳ４８に入射する。ま
た、反射ミラ−４９に向った光束６１ｅは、反射ミラ−
４９で反射した後にＰＢＳ４８に入射し、ウエハ１から
の光束６１ｄと合成される。そして、この合成された光
束６１ｆは、第２の偏光板５１を経て第２の光検出器５
３に入射する。

【００４２】ここで光束６１ｃは周波数シフタ４６によ
ってビ−ト（うなり）を生じた光となっている。また光
束６１ｆは周波数シフタ４６によってビ−ト（うなり）
を生じているのに加えて、光学的距離の違う光束６１ｄ
と光束６１ｅとを合成しているためビ−トを生じた光と
なっている。

【００４３】両光検出器５２、５３の出力信号は位相検
出器４３に入力される。位相検出器４３では、二つの信
号６２、６３のビ−ト（うなり）の位相差が求められ、
位相検出器４２の出力は演算器６４に送られる。演算器
６４では、後述するように二つの信号６２、６３のビ−
トの位相差に基づいてＳｉＯ₂ ２９の厚さｄを算出す
る。

【００４４】つぎに、上述の膜厚測定装置４１の作用を
説明する。赤外線半導体レ−ザ４４から出射されたレ−
ザ光６１は直線偏光であり、このレ−ザ光６１は周波数
シフタ４６の前段のＰＢＳ５４でＰ偏波とＳ偏波とに分
離され、各偏波（６１ａ、６１ｂ）が各ブラッグセル５
６、５７に入射する。ブラッグセル５６、５７は元の周
波数ｆ₀ に対してｆ₁ 、ｆ₂ （または−ｆ₁ 、−ｆ₂ ）
のシフトを与えるため、レ−ザ光６１ａ、６１ｂの周波
数はｆ₀ ＋ｆ₁ 、ｆ₀ ＋ｆ₂ （またはｆ₀ −ｆ₁ 、ｆ₀
−ｆ₂ ）となる。そして、異なる周波数の二つのレ−ザ
光６１ａ、６１ｂが後段のＰＢＳ５５で合成されて周波
数シフタ４６から出射される。このように、周波数シフ
タ４６からは、偏波面が互いに直交し、周波数がｆ₀ ＋
ｆ₁ 、ｆ₀ ＋ｆ₂ （またはｆ₀ −ｆ₁ 、ｆ₀ −ｆ₂ ）の
光が出射される。

【００４５】この光はビ−ムスプリッタ４７で二方向に
分離され、一方のレ−ザ光６１ｃは第１の偏光板５０を
経て第１の光検出器５２に入射する。そして、第１の光
検出器５２に入射したレ−ザ光６１ｃの強度Ｉ_a は以下
のように表される。

【００４６】 Ｉ_a ＝｜ｕ₁ ＋ｕ₂ ｜² ＝ａ₁ ² ＋ａ₂ ² ＋２ａ₁ ａ₂ cos｛２π（ｆ₁ −ｆ₂ ）ｔ｝ −(1) ｕ₁ ＝ａ₁ cos （２π（ｆ₀ ＋ｆ₁ ）ｔ） ｕ₂ ＝ａ₂ cos （２π（ｆ₀ ＋ｆ₂ ）ｔ） ここで、ｕ₁ 、ｕ₂ は周波数の異なる二つの光の強度を
示している。

【００４７】また、ＰＢＳ４８で分離された後にウエハ
１に達し、ウエハ１で反射した光の強度をｕ₃ 、ｕ₄ と
する。ｕ₃ はＳｉＯ₂ 膜２９中からの反射光の強度であ
り、ｕ₄ はＳｉＯ₂ 膜２９と基板２８との境界面からの
反射光の強度である。これらｕ₃ 、ｕ₄ は以下のように
表される。

【００４８】 ｕ₃ ＝ａ₃ cos （２π（ｆ₀ ＋ｆ₁ ）ｔ＋φ₃ ） ｕ₄ ＝ａ₄ cos （２π（ｆ₀ ＋ｆ₁ ）ｔ＋φ₄ ） さらに、ＰＢＳ４８で分離された後に反射ミラ−４９で
反射した光６１ｅの強度は以下のように表される。

【００４９】 ｕ₅ ＝ａ₅ cos （２π（ｆ₀ ＋ｆ₁ ）ｔ＋φ₅ ） そして、ＰＢＳ４８から第２の偏光板５１を経て第２の
光検出器５３に入射する光６１ｆの強度Ｉ_b は、これら
ｕ₃ 〜ｕ₅ の重ね合せによって、以下のように表され
る。

【００５０】 Ｉ_b ＝ａ₃ ² ＋ａ₄ ² ＋ａ₅ ² ＋２ａ₃ ａ₄ cos（φ₃ −φ₄ ） ＋２ａ₃ ａ₅ cos ｛２π（ｆ₁ −ｆ₂ ）ｔ＋（φ₃ −φ₅ ）｝ ＋２ａ₄ ａ₅ cos ｛２π（ｆ₁ −ｆ₂ ）ｔ＋（φ₄ −φ₅ ）｝ −(2) (1)式及び (2)式にはいわゆる光のビ−トが表れてお
り、このビ−トの部分だけを考えると (1)式は以下のよ
うになる。

【００５１】 Ｉ_a ´＝Ａ cos（２π・Δｆ・ｔ） −(3) ここで、Δｆ＝ｆ₁ −ｆ₂ また、 (2)式は以下のようになる。

【００５２】 Ｉ_b ´＝Ｂ₁ cos （２π・Δｆ・ｔ＋ψ₁ ）＋Ｂ₂ cos （２π・Δｆ ・ｔ＋ψ₂ ）＝Ｂ cos（２π・Δｆ・ｔ＋ψ） −(4) (3)式と (4)式とから、ψはビ−トの位相差である。そ
して、 (4)式中のＢ、ψは以下のように表される。

【００５３】

【数１】

【００５４】

【数２】 また、ψ₁ 、ψ₂ は各光６１ｄ、６１ｅのビ−トの位相
であり、これらは以下のように表される。

【００５５】

【数３】

【００５６】

【数４】

【００５７】

【数５】

【００５８】ｄ₃ ：周波数シフタ４６から反射ミラ−４
９で反射して第２の光検出器５３に亙る光路長 ｄ₅ ：周波数シフタ４６から膜２９で反射して第２の光
検出器５３に亙る光路長 ｎ：ＳｉＯ₂ の屈折率 ｄ：ＳｉＯ₂ の膜厚 ｃ：光速度 つまり、 (4)式から、膜厚ｄはビ−トの位相差ψの関数
であることがわかる。このため、本実施例のようにビ−
ト検出部６０の出力信号を位相検出４３に送り、 (3)式
を基準として、 (4)式からψを求めれば、膜厚ｄが分か
る。

【００５９】位相検出器４３の出力は、図１３（ａ）に
示すようにポリシング時間に応じて周期的（２π毎に）
変化し、同図（ｂ）に示すように膜厚ｄは位相信号の一
周期毎にλ／２ｎずつ薄くなる。また、膜厚の全変化量
は、変化した位相量を２π・ｍ＋βπ（ｍ：整数、０＜
β＜２）とすると、以下のように表される。

【００６０】

【数６】

【００６１】例えば、ｄ₃ 、ｄ₅ 、ｄ₆ ＜１ｍとし、光
６１ａ、６１ｂの周波数の差を１ＭHzとすれば、ψは２
π／300 以下になる。そして、本実施例によれば、0.05
μｍ程度測定分解能が得られた。この結果、第１実施例
に比べて、複数のウエハ間における膜厚のばらつきを更
に低減でき、半導体デバイスの品質および歩留りをより
向上させることができる。

【００６２】なお、本実施例においては、周波数の異な
る二つの光６１ａ、６１ｂを得るために周波数シフタ４
６を採用し、一波長（ｃ／ｆ₀ ）のレ−ザ光６１を二波
長に変換しているが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、例えば測定光にガスレ−ザを用いてゼ−マン効
果による二波長レ−ザを適用することも可能である。

【００６３】つぎに、本発明の第３実施例を図１４〜図
１６に基づいて説明する。なお、前述の各実施例と同様
の部分については同一番号を付し、その説明は省略す
る。図１４は本発明の第３実施例を示しており、図中の
符号７１は膜厚測定装置である。この膜厚測定装置７１
においては、測定光学系７２が、赤外線半導体レ−ザ７
３、レンズ７４、７５、７６、投受光ファイバ７７、ス
リット板７８、反射ミラ−７９、回折格子８０、及び、
一次元撮像素子８１を有している。また、膜厚測定装置
７１には演算器８２が備えられており、この演算器８２
にはインタフェ−ス８３を介して一次元撮像素子８１が
接続されている。

【００６４】測定光学系７２の、投受光ファイバ７７と
レンズ７５を除く各構成要素は上部回転テ−ブル８４の
外側に配置されている。投受光ファイバ７７は投光端８
５、投受光端８６、及び、受光端８７を有しており、こ
れらのうち投光端８５はレンズ７４を介して赤外線半導
体レ−ザ７３に対向している、また、受光端８７は一次
元撮像素子８１の側に導かれており、レンズ７５に対向
している。当受光端８６は、上部回転テ−ブル８４のフ
ァイバガイド部８８を介して上部回転テ−ブル８４の中
に導かれており、レンズ７７を介して窓１８に対向して
いる。

【００６５】ここで、本実施例でも薄膜として前述の各
実施例と同様にＳｉＯ₂ 膜２９が採用されており、赤外
線半導体レ−ザ７３は波長約 1.2μｍ以上の赤外光を出
力する。

【００６６】つぎに、上述の膜厚測定装置７１の作用を
説明する。赤外線半導体レ−ザ７３から出射されたレ−
ザ光８９はレンズ７４を通って平行光となり、投受光フ
ァイバ７７の投光端８５に入射する。投受光ファイバ７
７に入射したレ−ザ光８９は投受光端８６へ伝送され、
投受光端８６から出射したレ−ザ光８９はレンズ７５及
び窓１８を通ってウエハ１に入射する。ウエハ１に入射
したレ−ザ光８９は、（Ｓｉ）基板２８とＳｉＯ₂ 膜２
９との界面、及び、ＳｉＯ₂ 膜２９中で反射し、両反射
光ｕ₁ 、ｕ₂ が干渉する。そして、干渉光が投受光端８
６に入射して投光端８７へ伝送される。

【００６７】受光端８７から出射した干渉光９０は、レ
ンズ７６により絞られてスリット板のスリットを通過
し、反射ミラ−７９により回折格子８０に導かれる。そ
して、干渉光９０は回折格子８０により分光され、分光
されたレ−ザ光が一次元撮像素子８１に入射する。

【００６８】一次元撮像素子８１は入射光を光電変換
し、各波長毎の光の強度に応じた信号を出力する。一次
元撮像素子８１の出力信号はインタフェ−ス８３を介し
て演算器８２に送られ、演算器８２は入力された信号と
以下の (5)式に基づいてＳｉＯ₂ 膜２９の厚さｄを演算
する。

【００６９】図１６は、干渉光９０の波形（エネルギ反
射率−波長の関係）を示している。さらに、ＳｉＯ₂ 膜
２９の厚さｄと干渉光９０との間には以下のような関係
が在る。

【００７０】

【数７】

【００７１】ここで、λ_m は図１６の干渉光９０の波形
に現れた１つの反射率極大（または極小）を与える波長
であり、λ_m-l はλ_m から波長の増加する方向に数えて
ｌ番目の反射率極大（または極小）を与える波長であ
る。また、ｎはＳｉＯ₂ の屈折率、θはレ−ザ光８９の
ＳｉＯ₂ への入射角である。

【００７２】すなわち、この膜厚測定装置７１において
も、前述の各実施例と同様に、ウエハ１をポリシングし
ながら膜厚をインプロセスで測定することができる。そ
して、複数のウエハ間において膜厚のばらつきを低減で
き、半導体デバイスの品質および歩留りを向上すること
が可能になる。

【００７３】なお、本実施例では、反射干渉光９０を分
光する手段として回折格子８０が用いられているが、こ
の他に一般的な種々の分光手段を利用することが可能で
ある。

【００７４】また、レ−ザ光８９の伝搬手段として、投
光端８５、投受光端８６、及び、受光端８７を一体に有
する投受光ファイバ７７が用いられているが、分離した
投光ファイバと受光ファイバとを用いてもよい。また、
光ファイバ以外に、他の一般的な光搬送手段を採用して
もよい。

【００７５】図１７乃至図２０は本発明の第４の実施例
を示す。この実施例は半導体製造プロセスにおいて、図
１７（ａ）〜（ｃ）に示すように半導体ウエハ１００の
表面を平坦化するプロセスである。なお、図１乃至図７
に示す第１実施例と同一部分には同一記号を付して説明
を省略する。

【００７６】つまり、上記プロセスにおいては、まず図
１７（ａ）に示すようにＳｉ基板２８上にＳｉＯ₂ から
なる絶縁膜２９ａが部分的に形成される。ついで、同図
（ｂ）に示すように基板２８には回路パタ−ンを形成す
る、アルミニウムなどの金属膜２９ｂがたとえばＣＶＤ
などの手段によって設けられる。金属膜２９ｂは基板２
８の絶縁膜２９ａ以外の部分だけでなく、この絶縁膜２
９ａ上にも堆積するから、同図（ｃ）に示すように上記
金属膜２９ｂをポリシングによって平坦化する。

【００７７】その際、上記絶縁膜２９ａの間の部分に堆
積した金属膜２９ｂは、上記絶縁膜２９ａと同じ厚さ、
つまり半導体ウエハ１００の表面を平坦にポリシングす
ることが要求される。

【００７８】したがって、上記金属膜２９ｂをポリシン
グするに際し、その厚さが絶縁膜２９ａと同じ厚さにな
るよう、上記金属膜２９ｂの厚さを検出しながらポリシ
ングしなければならない。言い換えれば、上記金属膜２
９ｂの加工の終点を判別しなければならず、しかもその
判別を上記第１実施例と同様、インプロセスで行えるよ
うにしなければならない。

【００７９】図１８と図１９は、金属膜２９ｂの加工の
終点を判別するための膜厚測定装置１０１を示してい
る。この測定装置１０１は上記第１実施例の構成とほぼ
同じであり、同一部分には同一記号を付して説明を省略
する。

【００８０】すなわち、測定装置１０１はポリシング部
１２と、このポリシング部１２に組込まれた測定光学系
１３とより構成されている。ポリシング部１２は円盤状
の下部回転テ−ブル２と上部回転テ−ブル１４とを備え
ている。下部回転テ−ブル２上にはクロス３が張られて
おり、このクロス３によって半導体ウエハ１００がポリ
シングされる。この半導体ウエハ１００は図１７（ｂ）
に示すようにＳｉからなる基板２８上にＳｉＯ₂ からな
る絶縁膜２９ａが所定のパタ−ンで形成されているとと
もに、その絶縁膜２９ａを覆う状態で金属膜２９ｂが設
けられてなる。

【００８１】上記半導体ウエハ１００は上部回転テ−ブ
ル１４の下端面に、たとえば真空吸着などの手段によっ
て保持される。その際、半導体ウエハ１００は基板２８
を上側にし、しかも基板２８に形成された絶縁膜２９ａ
が上部回転テ−ブル３の窓１８に対向するよう位置決め
されている。このような基板２８の位置決めは、上記絶
縁膜２９ａが予め定められたパタ−ンで形成されている
から、半導体ウエハ１００のオリフラを基準として上記
上部回転テ−ブル１４に対して位置決めすることで行え
る。

【００８２】上部回転テ−ブル１４の内部には上記窓１
８に連通する光学系収納室１７が形成されている。この
光学系収納室１７には上記測定光学系１３が収納されて
いる。測定光学系１３は赤外線半導体レ−ザ１９、コリ
メ−タレンズ２０、偏光ビ−ムスプリッタ２１、１／４
波長板２２および光検出器２３により構成されている。
上部回転テ−ブル１４の外部にはレ−ザドライバ２
４、増幅器２５および演算器２６が配置されている。上
記赤外線半導体レ−ザ１９からは波長は1.2 μｍ以上の
レ−ザ光２７が出力される。レ−ザ光２７の波長が1.2
μｍ以上であれば、そのレ−ザ光２７は図１８に示すよ
うに基板２８を透過し、一部が絶縁膜２９ａで反射する
とともに残りの一部は上記基板２８と絶縁膜２９ａを透
過し、この絶縁膜２９ａを被覆した金属膜２９ｂで反射
する。

【００８３】上記絶縁膜２９ａで反射した第１の反射光
２７ａと、上記金属膜２９ｂで反射した第２の反射光２
７ｂとは干渉して基板２８から出射し、窓１８から１／
４波長板２２へ入射して偏光され、偏光ビ−ムスプリッ
タ２１を透過する偏光となる。それによって、第１の反
射光２７ａと第２の反射光２７ｂとの干渉光２７ｃは偏
光ビ−ムスプリッタ２１を透過して光検出器２３に入射
して電気信号に変換される。

【００８４】この光検出器２３で検出された干渉光２７
ｃの強度に対応する出力の電気信号は増幅器２５で増幅
されて演算器２６に入力される。この演算器２６は、こ
こに予め設定された設定値と上記干渉光２７ｃの強度と
を比較し、干渉光２７ｃの強度が所定値以下になったと
きに、上記金属膜２９ｂのポリシングを終了させるよう
になっている。

【００８５】上記干渉光２７ｃの強度は、上記金属膜２
９ｂが図１８に示すように絶縁膜２９ａを覆う状態のと
きには図２０に“ａ”で示すように高く、図１９に示す
ように絶縁膜２９ａを覆う金属膜２９ｂがなくなってこ
れらが平坦になると、図２０に“ｂ”で示すように低く
なる。

【００８６】つまり、絶縁膜２９ａを覆う金属膜２９ｂ
がなくなると、絶縁膜２９ａを透過したレ−ザ光２７は
下部回転テ−ブル２のクロス３で反射して第２の反射光
２７ｂとなる。クロス３は金属膜２９ｂよりも反射率が
低いから、その第２の反射光２７ｂの強度が低下する。
それによって、干渉光２７ｃの強度も図２０に“ａ”で
示す値から“ｂ”で示すように低下する。

【００８７】したがって、上記演算器２６で光検出器２
３が検出した干渉光２７ｃの強度を設定値と比較すれ
ば、図１９に示すように絶縁膜２９ａを覆う金属膜２９
ｂがなくなり、絶縁膜２９ａと金属膜２９ｂとが同じ厚
さにポリシングされたこと、つまりポリシング加工の終
点を検出することができる。

【００８８】図２１は上記第４実施例のレ−ザ光の照射
方法の変形例を示す。この実施例では赤外線半導体レ−
ザ１９から出力されたレ−ザ光２７を半導体ウエハ１０
０の基板２８側の斜め上方から照射するようにしたもの
で、上記基板２８から斜め方向に出射する干渉光２７ｃ
を光検出器２５で検出するようにしている。

【００８９】このような構成においても、上記第４実施
例と同様、ポリシングの終点を検出することができるば
かりか、第４実施例のように偏光ビ−ムスプリッタ２１
や１／４波長板２２が不要となる。

【００９０】本発明は上記各実施例に限定されず、種々
変形可能である。たとえば、上記各実施例で用いるレ−
ザの種類はその波長が略1.2 μｍ以上であるならば、実
施例中で用いている赤外線半導体レ−ザやガスレ−ザ以
外のものであっても差支えない。また、実施例中に記さ
れているように上部回転テ−ブルと下部回転テ−ブルと
は逆向きに回転させてもよいが、上部回転テ−ブルは回
転させなくてもよいし、上部回転テ−ブルと下部回転テ
−ブルとは同じ向きに回転させてもよい。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載され
た本発明は、基板上に形成された薄膜をポリシングしな
がら半導体ウエハに基板側からこの基板を透過する波長
の測定光を照射し、その反射光を検出することで、上記
薄膜の膜厚を測定するようにした。

【００９２】したがって、半導体ウエハのポリシング中
に膜厚をインプロセスで測定できるという効果があり、
また請求項５に記載された発明によればそのためのポリ
シング装置を提供できる。

【００９３】請求項６に記載された本発明は、半導体ウ
エハの基板に絶縁膜を覆う状態で形成された金属膜をポ
リシングする際、基板側からこの基板を透過する波長の
測定光を上記絶縁膜の部位に照射し、上記基板からの反
射光の強度を検出するようにした。

【００９４】したがって、上記金属膜が絶縁膜と同じ厚
さにポリシングされたこと、つまりポリシング加工の終
点をインプロセスで検出することができ、また請求項８
に記載された発明によればそのためのポリシング装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図。

【図２】測定光学系を示す構成図。

【図３】光の反射を説明する図。

【図４】干渉光強度と膜厚変化とを示すグラフ。

【図５】第１実施例の変形例を示す構成図。

【図６】第１実施例の変形例を示す構成図。

【図７】第１実施例の変形例を示す構成図。

【図８】本発明の第２実施例を示す構成図。

【図９】本発明の第２実施例の要部を示す構成図。

【図１０】周波数シフタを示す構成図。

【図１１】光の反射を説明する図。

【図１２】ビ−ト検出部の作用を示す説明図。

【図１３】位相及び膜厚変化を示すグラフ。

【図１４】本発明の第３実施例を示す構成図。

【図１５】光の反射を説明する図。

【図１６】干渉光の波形を示すグラフ。

【図１７】本発明の第４実施例の半導体ウエハの製造プ
ロセスの説明図。

【図１８】半導体ウエハがポリシングされる前の測定光
学系を示す構成図。

【図１９】半導体ウエハがポリシングされた後の測定光
学系を示す構成図。

【図２０】干渉光の強度変化を示すグラフ。

【図２１】第４実施例の測定光学計の変形例の構成図。

【図２２】従来のポリシング装置を示す構成図。

【図２３】光強度の波形を示すグラフ。

【符号の説明】

１、１００…半導体ウエハ、１１…膜厚測定装置、１２
…ポリシング部、１３…測定光学系、１９…赤外線半導
体レ−ザ、２３…光検出器、２６…演算器、２７…レ−
ザ光（測定光）、２８…基板、２９…ＳｉＯ₂ 膜（薄
膜）、４１…膜厚測定装置、４２…測定光学系。４３…
位相検出器、４４…赤外線半導体レ−ザ、４６…周波数
シフタ、５２、５３…光検出器、６０…ビ−ト検出部、
６１…レ−ザ光（測定光）、６４…演算器、７１…膜厚
測定装置、７２…測定光学系、７３…赤外線半導体レ−
ザ、７７…投受光ファイバ、８０…回折格子、８１…一
次元撮像素子、８２…演算器、８９…レ−ザ（測定
光）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−255218（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−52032（ＪＰ，Ａ) 国際公開94／7110（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 B24B 3/00 - 3/60 B24B 21/00 - 51/00

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの基板上に形成された薄膜
   をポリシングしながらその膜厚を測定する膜厚測定装置
   において、 上記薄膜をポリシングしているときに上記基板および薄
   膜を透過する波長の測定光を上記基板側から照射する照
   射手段と、この照射手段から出射された測定光が上記基
   板および薄膜を透過してから反射する反射光に基づいて
   上記薄膜の厚さを測定する測定手段とを具備したことを
   特徴とする膜厚測定装置。
2. 【請求項２】 上記反射光の干渉光強度の変化に基づい
   て上記薄膜の厚さを測定することを特徴とする請求項１
   記載の膜厚測定装置。
3. 【請求項３】 上記測定光と上記反射光との各々に存在
   するビ−ト間の位相差の変化に基づいて上記薄膜の厚さ
   を測定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装
   置。
4. 【請求項４】 上記反射光を分光し、エネルギ反射率と
   波長との関係に基づいて上記薄膜の厚さを測定すること
   を特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
5. 【請求項５】 半導体ウエハに形成された薄膜を所定の
   厚さにポリシングするポリシング装置において、 上面がポリシング面に形成された下部テ−ブルと、この
   下部テ−ブルに下面を対向させて配置されその下面に上
   記半導体ウエハの基板側の面を保持した上部テ−ブル
   と、上記下部テ−ブルと上部テ−ブルのうちの少なくと
   も下部テ−ブルを回転させる駆動手段と、上記上部テ−
   ブルの下面に露出して形成された窓と、この窓から上記
   半導体ウエハの基板へこの基板および薄膜を透過する波
   長の測定光を照射する照射手段と、上記測定光の照射に
   より上記基板および薄膜を透過してから反射する反射光
   の強度を検出する検出手段と、この検出手段が検出する
   反射光に基づいて上記薄膜の厚さを判別する判別手段と
   を具備したことを特徴とするポリシング装置。
6. 【請求項６】 基板上に絶縁膜が部分的に設けられると
   ともに、上記絶縁膜を覆う状態で金属膜が設けられた半
   導体ウエハを、上記金属膜が上記絶縁膜とほぼ同じ厚さ
   になるようポリシングする際、上記金属膜の加工終点を
   判別する膜厚測定装置において、 上記金属膜をポリシングしているときにその基板側の上
   記絶縁膜に対応する部分から上記基板および薄膜を形成
   する材質に対して透過性の波長の測定光を照射する照射
   手段と、上記測定光の照射により上記基板および薄膜を
   透過してから反射する反射光の強度を検出する検出手段
   と、この検出手段が検出する反射光の強度変化によって
   上記金属膜の加工の終点を判別する判別手段とを具備し
   たことを特徴とする膜厚測定装置。
7. 【請求項７】 上記検出手段は、上記基板を透過してか
   ら上記絶縁膜で反射する第１の反射光と、上記基板と絶
   縁膜とを透過してから反射する第２の反射光との干渉光
   の強度を検出し、上記判別手段は、この干渉光の強度変
   化によって加工の終点を判別する構成であることを特徴
   とする請求項６記載の膜厚測定装置。
8. 【請求項８】 基板上に絶縁膜が部分的に設けられると
   ともに、上記絶縁膜を覆う状態で金属膜が設けられた半
   導体ウエハを、上記金属膜が上記絶縁膜とほぼ同じ厚さ
   になるようポリシングするポリシング装置において、 上面がポリシング面に形成された下部テ−ブルと、この
   下部テ−ブルに下面を対向させて配置されその下面に上
   記半導体ウエハの基板側の面を保持した上部テ−ブル
   と、上記下部テ−ブルと上部テ−ブルのうちの少なくと
   も下部テ−ブルを回転させる駆動手段と、上記上部テ−
   ブルの下面に露出して形成された窓と、この窓から上記
   半導体ウエハの基板へこの基板および絶縁膜を形成する
   材質に対して透過性の波長の測定光を照射する照射手段
   と、上記測定光の照射により上記基板および絶縁膜を透
   過してから反射する反射光の強度を検出する検出手段
   と、この検出手段が検出する反射光の強度変化によって
   上記金属膜の加工の終点を判別する判別手段とを具備し
   たことを特徴とするポリシング装置。
9. 【請求項９】 半導体ウエハの基板上に形成された膜を
   ポリシングしながらその膜厚を測定する膜厚測定方法に
   おいて、 上記膜および上記半導体ウエハを透過する波長を含む測
   定光を上記基板側から照射する工程と、 上記測定光の反射光を上記基板側で受光する工程と、 受光された上記反射光の強度変化に基づいて上記膜の厚
   さを測定する工程とを備えることを特徴とする膜厚測定
   方法。
10. 【請求項１０】 半導体基板上に絶縁膜を部分的に形成
    させる工程と、 上記基板および絶縁膜上に金属膜を堆積させる工程と、 上記金属膜をポリシングしながら上記基板側から光を出
    力させ、上記基板を透過し上記絶縁膜で反射した反射光
    および上記基板および上記絶縁膜を透過し上記金属膜で
    反射した反射光の干渉光を検出する工程と、 上記干渉光の強度に基づいて上記金属膜のポリシングの
    終点を判別する工程とを備えることを特徴とする半導体
    製造方法。