JP3395663B2

JP3395663B2 - 検出方法及び検出装置及び研磨装置及び研磨方法

Info

Publication number: JP3395663B2
Application number: JP25007198A
Authority: JP
Inventors: 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2003-04-14
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: JP2000077371A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検出装置、特に半
導体装置製造工程における、半導体素子表面の絶縁層あ
るいは電極層を除去するＣＭＰ工程の終点検出装置にお
いて用いられる検出方法、検出装置、研摩装置、及び研
摩方法に関する。

【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と呼ばれる研摩工程がある。ＣＭＰ（Chemic
al Mechanical Polishing またはPlanarization ）は、
物理的研摩に、化学的な作用（研摩剤溶液による溶かし
出し）とを併用して、ウェハー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、アルカリなどの被研摩部材の可溶
性溶媒中に、研摩粒（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摩剤
を用い、適当な研摩布で、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摩を進行させる。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
面内に一様な研摩が可能になる。

【０００４】こうしたＣＭＰ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。これらの評価には、一般的な膜厚測定装置
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測定して
いる。

【０００５】研摩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、目的研摩層と異なった
層へ研摩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、研摩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摩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
し、または工程終了点を精度良くモニタする技術は、要
請が高まっているにも関わらず、決定的といえる方式が
ない。前記の膜厚測定装置での測定は、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、以
下のような問題がある。

【０００７】第一に、装置そのものが大がかりなものに
なる。第二に、ＣＭＰ工程後洗浄したウェハを、十分安
定に置かれた測定位置（ステージ保持など）に移送し
て、測定するため、測定値が得られるまでの所要時間が
長く、工程へのフィードバックが遅くなる。第三に、大
きな問題として、ウェハ測定の位置設定がある。パター
ンが存在するデバイスウェハにおいては、パターンの無
い部分を探して膜厚を測定しなければならないが、一般
にはパタ−ンのない部分は面積的に非常に小さい上に、
デバイスウェハによって位置が一定ではない。

【０００８】パタ−ンのない部分の面積が小さいと、測
定範囲を小さくしなければならないが、これは装置的に
容易でない。また、小さい測定範囲を高速に探索して高
速に測定することも簡単ではない。このためにはパター
ンの画像を取り込んで認識、処理する複雑な機構を持つ
必要があり、これはハード（撮像素子、精密位置合わせ
機構など）、ソフト（画像処理ソフト）ともに、負荷が
大きく高価なものになるからである。実現できても、画
像処理、位置探索および位置ぎめの時間が測定時間を大
きく増加させる。

【０００９】モータートルクでＣＭＰの工程終了点を検
出する方式は、簡便で高速ではあるが、今のところはっ
きりと異なる層の研摩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。高精度な膜厚また
は工程終了点の検出方法として光学的方式が知られてい
る。この方式は、レーザなどをウェハ面に照射して反
射、等によって得られるモニター光強度の時間変化を追
跡することによって工程終了点を判定する。この方式に
より、デバイスパターンがないブランク膜測定について
はある程度の精度が得られるが、ウェハ面にデバイスパ
ターン（下地パターン）が存在する場合は充分な精度で
検出することが出来なかった。この問題はメモリー素子
であるＤ−ＲＡＭなどよりも、ロジック素子やロジッ
ク、メモリーの混載の素子においてより甚だしかった。

【００１０】更に、研摩中にはウェハは移動し、パター
ンの特定場所の信号を、パターンの他の場所の信号から
分離することのみならず、パターンのない部分の信号か
らも分離することができないために、研摩しながらその
場測定で工程の終了点を検出することができなかった。
本発明の目的は、以上の問題を解決し、検出精度が高
く、簡便な膜厚または工程終了点検出方法、更には検出
装置、更には生産性の高い研摩装置を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者は、ウェハ面にデ
バイスパターンが存在する場合に光学的測定で工程終了
点が充分な精度で検出できない原因を探究した。その結
果、ウェハ面にプロブ光を照射することによって得られ
るモニター信号は膜厚干渉成分にパターン干渉成分が重
畳したものであり、パターン干渉成分の大きさはウェハ
のデバイスパターンが変化すれば変化する。つまり、多
種多様なデバイスパターンに対応して、パターン干渉成
分の大きさが変化するので、モニター信号にはデバイス
パターン、即ちデバイスの種類に応じた不確定性があ
る。例えば、メモリー素子であるＤ−ＲＡＭ、ロジック
素子、ロジックとメモリーの混載の素子の間では、ま
た、同じ種類のデバイスでも集積度の違いによりパター
ン干渉成分が大きく異なるための不確定性がある。

【００１２】また、同じ集積度で同じ種類のデバイスで
も測定する場所によってパターン干渉成分の大きさが異
なるという不確定性がある。この不確定性は、メモリー
素子であるＤ−ＲＡＭなどは周期構造の継続として、ほ
ぼパターンは均一とみなして良いので、不確定性は小さ
いが、ロジック素子やロジック、メモリーの混載の素子
においてはパターンが均一でなく、測定位置による問題
が顕著になるため、不確定性は大きくなる。これらの不
確定性が検出の大きな誤差原因であることを発見した。

【００１３】発明者は、鋭意研究の結果、モニター信号
（信号波形）から得られた適当なパラメータをもとにデ
バイスパターンの測定する場所を特定することによって
これらの誤差原因をなくするに至った。このため本発明
では、第一に、「基板表面の、薄膜の除去工程におい
て、前記基板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信号波形により前記
除去工程における膜厚または工程終了点の一方または両
方を検出する方法であって、前記信号波形から求められ
たパラメータを利用して、前記基板表面の測定位置の特
定を行う段階を有することを特徴とする検出方法（請求
項１）」を提供する。

【００１４】また、第二に、「前記パラメータが、前記
信号波形の最大極大値と最小極小値との差であることを
特徴とする請求項１記載の検出方法（請求項２）」を提
供する。また、第三に、「前記パラメータが、前記信号
波形の最小極小値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３）」を提供する。

【００１５】また、第四に、「前記パラメータが、前記
信号波形の最小極小値と最大極大値との比であることを
特徴とする請求項１記載の検出方法（請求項４）」を提
供する。また、第五に、「前記パラメータが、前記信号
波形の平均値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。

【００１６】また、第六に、「更に前記特定された測定
位置に応じた参照値を用い膜厚算出及び工程終了点を決
定する段階を有することを特徴とする請求項１〜５何れ
か１項記載の検出方法（請求項６）」を提供する。ま
た、第七に、「前記測定位置の特定の後、所望の測定位
置への測定点移動を行う段階を更に有することを特徴と
する請求項１〜５何れか１項記載の検出方法（請求項
７）」を提供する。

【００１７】また、第八に、「前記測定点移動が行われ
た所望の測定位置に応じた参照値を用い膜厚算出及び工
程終了点を決定する段階を有することを特徴とする請求
項７記載の検出方法（請求項８）」を提供する。また、
第九に、「所望の測定位置からの信号を選別して取得
し、前記選別された測定位置に応じた参照値を用い膜厚
算出及び工程終了点を決定する段階を更に有することを
特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の検出方法（請
求項９）」を提供する。

【００１８】また、第十に、「前記基板表面が、半導体
装置製造工程における半導体素子表面であり、前記薄膜
が、絶縁層あるいは電極層であることを特徴とする請求
項１〜９何れか１項記載の検出方法（請求項１０）」を
提供する。また、第十一に、「請求項１〜１０記載の検
出方法から選ばれた何れか一つの検出方法を用いること
を特徴とする検出装置（請求項１１）」を提供する。

【００１９】また、第十二に、「請求項１１記載の検出
装置と研摩パッドと被研摩部材を保持する研摩ヘッドと
を具え、前記研摩パッドと前記被研摩部材との間に相対
運動を与えることにより前記被研摩部材を研摩する研摩
装置（請求項１２）」を提供する。また、第十三に、
「研摩ヘッドに保持された基板と研摩定盤に固定された
研磨パッドとの間に研摩剤を供給しつつ、前記基板と前
記研摩パッドとの間に相対運動を与えることにより前記
基板表面の薄膜を研摩により除去し、且つ除去する際
に、前記基板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信号波形により前記
薄膜の膜厚または研摩の工程終了点の一方または両方を
検出する段階を具える研摩方法であって、前記検出する
段階が、前記信号波形から求められたパラメータを利用
して、前記基板表面の測定位置の特定を行う段階を更に
具えることを特徴とする研摩方法（請求項１３）」を提
供する。また、第十四に、「前記基板が、半導体素子が
形成されたウェハであることを特徴とする請求項１３記
載の研摩方法（請求項１４）」を提供する。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に説明
するが、本発明はこの例に限定されるものではない。図
３は本発明の実施の形態を説明する全体図であり、膜厚
または工程の終了点の検出装置を具えた研摩装置を示
す。１は研摩ヘッド、２は基板としてのウェハ、３は研
摩パッド、４は研摩定盤、５は透光窓、６は光照射受光
部、７は照射光及び反射光、１７は信号処理部、１８は
表示部である。

【００２１】本研摩装置は以下のように動作する。ウェ
ハ２は研摩ヘッド１に保持され、研摩パッド３は研摩定
盤４に保持され、ウェハ２は研摩パッド３面に加圧２０
されている。研摩剤供給機構１０４から研摩剤１０５を
研摩パッド３とウェハ２間に供給しつつ、ウェハ２の回
転運動３０と研摩パッド３の回転運動４０とによってウ
ェハ２と研摩パッド３との間に相対運動を与えることに
よりウェハ２面の研摩が行われる。研摩を行いながら膜
厚または工程終了点を検出するために透光窓に照射光及
び反射光７を通過させ、反射光は光照射受光部６で受光
されたあと、信号処理部１７で信号処理され、膜厚情報
のモニターが行われる。

【００２２】本発明においては、光学的モニターのた
め、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、具体的には、白色光（ある
いはそれを分光した成分）を用い、これをウェハ２面に
照射し、これの反射光の分光波形の信号を信号処理する
ことにより膜厚または工程の終点検出を行う。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。

【００２３】また、照射光のスポット径はデバイスパタ
ーンの最小単位に比較して大きくし、数周期分以上が照
射されるようにした。ここでデバイスパターンの測定位
置を特定する原理を詳しく説明する。デバイスパターン
は、光学的には二次元的に分布した積層薄膜パターンと
見做され、その反射光は図６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。このような分光波形から、
測定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分光反射率を計算し、これ
と、実測反射率値と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。

【００２４】また、各種工程で使用される、ダミ−のウ
ェハなどにより、望ましいサンプルの分光反射率の実測
値を得ることができる場合は、この実測波形をレファレ
ンス（目標値）として、終了点をモニタすることがより
実際的で簡便である。パターンが形成されたウェハの測
定を行う際に、パターンが一次元または二次元の周期パ
ターンであり、照射エリアがパターンの一周期分のエリ
アよりも十分に広く、且つパターンがウェハ全面にわた
って均一に分布している場合（Ｄ−ＲＡＭのパターンな
どがこれにあたる。）は、平均情報として、場所によら
ない安定で再現性のある信号が得られることが確認され
ている。この場合は、ウェハを工程後に測定するいわゆ
るin-line 測定においても、工程中に測定するin-situ
測定においても、測定位置（照射位置）に留意する必要
なく、分光波形から、膜厚を算出したり、工程の終了点
を知ることが可能である。しかるに、パターンの分布が
不均一なＣＰＵ、ＡＳＩＣなどのものでは、照射位置に
よって分光波形が大きく異なり、照射位置による再現性
がとれなくなるのは前に述べたところである。

【００２５】ＣＰＵ、ＡＳＩＣなどのデバイスにおいて
は多くの場合、不均一なパターンとはいえ、いくつかの
機能的に分離されたブロックに分割することができる。
実際に、発明者は、種々のデバイスにおいて、各ブロッ
ク内での信号の再現性は良好であること、ブロック間に
おいては、分光波形が大きく異なることを確認した。こ
のような信号変動が起こるのは次のような事情によると
考えられる。即ち、あるブロックにおいて、その中のデ
バイス配線パターンは通常規則的であり、また、必ずし
も規則的でない場合でも、そのパターンの精細度（平均
的ピッチ）は同程度であるということである。このこと
はデバイス作製工程の効率上からも妥当なことである。

【００２６】発明者は、パターンからの信号波形（分光
反射率、または分光波形）を解析し、これらの波形の形
状が、デバイスパターンの精細度に大きく依存すること
に気づいた。逆に言えば、精細度が同じ程度であれば、
ほぼ同じ分光波形になるということである。垂直光入射
による測定においては、この他に、膜厚、パターン密度
も当然波形に影響する。ここでパターン密度は、全体の
面積に占める、その層での凸部の面積の比率である。ま
た凸部は一般にメタル層上の誘電体膜（透明膜）であ
る。ただ、膜厚については工程上、ウェハ全面でほぼ同
じであり、パターン密度についても通常のデバイスにお
いては、一定の範囲内（３０〜５０％）にあるため、こ
れらの、分光波形の場所依存に及ぼす影響は実はそれほ
ど大きなものではないことを発明者は観察した。波形全
体に及ぼす影響として、パターン密度よりも精細度が大
きいことは、あるデバイスパターンにおいて、メモリセ
ル部分などの細かい部分（図１−ａ）と、配線部などの
パターンピッチの粗い部分（図１−ｂ）で、膜厚、パタ
ーン密度はほぼ同程度であるにもかかわらず、明らかな
波形差が認められたことからも判った。波形の形状
が、デバイスパターンの精細度に大きく依る原因として
は、反射光の干渉現象の違いによるものと推定される。
図６に例示的に示すように、デバイスパターンである積
層薄膜パターンからの反射光においては、膜厚による干
渉現象（振幅分割の干渉）とともに、パターン間の干渉
（波面分割の干渉）が加わる。このパターンによる干渉
は、照射光学系の（空間）コヒーレンス長さ内のみのパ
ターン同士での現象であるため、パターン幅がコヒーレ
ンス長さより大きい場合は、起こらない。パターン幅が
大きい、即ち粗いパターンでは、各部からの光強度の単
なる足し合わせによって分光波形が決定される。この推
定は振幅分割の干渉と波面分割の干渉とコヒーレンス
長、等のモデル化によるシミュレーション計算結果と、
上記の実測データなどとを比較することによって妥当性
が確かめられた。

【００２７】本発明においては、このような現象を利用
し、デバイスパターンを有するウェハから得られた分光
波形によって照射位置を知り、測定の再現性をとること
を目的とする。即ち、分光波形によって照射光がデバイ
スパターン上に照射されているのかどうか、照射されて
いるならばその照射位置がデバイスパターン上のどの部
分（例えば、図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）であるか
を判断し、照射位置を特定し、膜厚の算出（モデル計
算）の方法を照射位置に応じて変更する。また、工程終
了点の目標波形も、照射位置に応じて選択される。この
ようにして、照射光が研摩中にどの位置を照射している
場合でも、膜厚や工程終了点の検出を行い、プロセスを
制御することが可能になる。

【００２８】以上の方法は、照射光が照射される位置を
分光波形から特定し、デバイスパターン上の各位置に対
応して複数の計算方法や目標波形の準備をすることによ
って検出を行うが、照射位置を変えられる機構を持った
装置の場合は、取得した分光波形を時系列で解析するこ
とによって所望の位置への光照射を行うことも可能であ
る。

【００２９】また、研摩工程を行いながら測定を行う、
in-situ 測定の場合、本方式では、照射位置の制御がで
きず、いろいろな位置からのデータが連続で取得され
る。この場合でも、分光波形によって、照射位置を判断
特定し、照射位置に応じてデータの処理を行うことによ
りプロセス制御が可能になる。常に同じ位置（例えば、
図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの何れか）からのデータ
のみを選別して処理したり、様々な位置（例えば、図２
のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）からのデータを各位置毎に
振り分けて個々の位置で処理したりすることである。

【００３０】具体的に分光波形から照射位置を判断特定
するのに好ましいパラメータを以下に挙げる。１．最大極大値と最小極小値との差２．最小極小値と最大極大値との比３．最小極小値以上のパラメータの中から選ばれた何れか一つ以上を用
い、分光波形から信号処理により得られた何れかのパラ
メータに対する値を、異なるパターン位置に対してシミ
ュレーション計算または測定から求められ事前に記憶さ
れた値と比較することにより照射位置を判断特定する。

【００３１】以上、本発明を誘電体膜（層間絶縁膜）に
ついて説明したが、金属膜の測定位置判断においても本
発明は適用可能である。即ち、一般に、電極層埋め込み
（象嵌）の、形成する際に、全面に積層された金属をエ
ッチングや研摩で除去していく場合、工程終了時は金属
層のある部分とない部分が出現する。反射光の分光波形
は、金属膜においては通常滑らかなものである。金属膜
がなくなり、パターンが出現すると、下地誘電体層の影
響をうけ、分光波形は大きく変化する。この変動を観察
することにより、各パターンの金属膜に対する測定位置
の判断に有効である。

【００３２】分光波形から照射位置を判断特定ができれ
ば、次に分光波形から適当なパラメータを信号処理で求
めて、これを用い、工程終了点のモニターを行うが、こ
れらのパラメータとして次のパラメータから選ばれた何
れか一つ以上を用いるのが好ましい。１．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２．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（最大極小値／最大極大値）
から選ばれた一つ以上３．分散４．適当なフーリエ変換の成分５．分光波形と予め記憶されたシミュレーション計算に
よって得られた分光波形との相互相関関数研摩終了点の検出に用いるパラメータは測定位置の判断
特定に用いたパラメータと共通でも良いし、異なっても
良い。

【００３３】また、本実施の形態では除去工程に用いる
装置を図３の研摩装置としたが、他にイオンエッチン
グ、等による除去工程にも本発明が使えることは言うま
でもない。以上の方法による判断はいずれも一般的な、
パターンを撮像して取り込んだ画像を画像処理すること
による位置判断方法よりも遥かに高速でできるものであ
り、機構も遥かに簡単になる。

【００３４】

【実施例】［実施例１］実際に６インチウェハ上の撮像
素子の層間絶縁膜ＳｉＯ₂を図３に示す研摩装置によっ
て研摩し、その研摩終了点検出を試みた。研摩した撮像
素子は、図２に示したようなブロック構造を持ち、Ａ、
Ｂ、Ｃの各位置は、素子および容量などの精細度の高い
部分であって、Ｄ、Ｅ、Ｆの各位置は、配線などの精細
度の低い部分である。光照射は、図３のように、下面の
研摩パッド３（エポキシ系研摩布）および、その研摩定
盤４に約２ｃｍΦの円形孔を開け、研摩パッド３面と同
一面に、石英を具えた透光窓５を設けた構成で行うこと
とした。光照射受光部は、図４に示されるようにキセノ
ンランプをウェハ２面に垂直入射させ、その反射光をピ
ンホール１５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
（５１２素子）１４で検出する。測定波長範囲は約４０
０ｎｍから８００ｎｍ、照射スポット系は約２ｍｍΦで
ある。センサからの出力は信号処理部１７に送られ処理
される。信号処理部１７には予め本撮像素子のパターン
に対して測定された分光波形から得られた参照情報が記
憶されており、信号処理の参照値として用いられる。

【００３５】研摩剤（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、約１００ｇ／ｃｍ²の
研摩圧で研摩を行った。スラリー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。以上の装置
で、先ず製品のウェハ（撮像素子）と同じ形状のウェハ
サンプルに対して予備測定を行なった。最表面に、約１
０００ｎｍのＣＶＤ成膜した絶縁膜ＳｉＯ₂を研摩し、
約５００ｎｍの厚みで研摩終了させる研摩を行い、得ら
れた分光波形を観察したところ、Ａ、Ｂ、Ｃの各部分に
照射された場合は、図５−ａのような形状となり、Ｄ、
Ｅ、Ｆの各部分からの信号は図５−ｂのような形とな
り、各位置（ブロック）の精細度を反映したものとなっ
た。波形の類似性から、Ａ、Ｂ、Ｃの部分をブロック１
とし、Ｄ、Ｅ、Ｆの部分をブロック２と分別することと
し、このウェハサンプルに対して研摩膜厚零から所定研
摩膜厚まで、所定の研摩膜厚毎に研摩を行った後測定を
行い、最大極大値と最小極小値の差をブロック１とブロ
ック２に対して求めたところ、これらの値はブロック１
とブロック２との間で大きな差があったが、研摩膜厚毎
には大きな差がなかったので、ブロック１に対する値と
ブロック２に対する値との間にブロック判別のための適
当な一定値を定め、参照情報として記憶した。参照情報
としてはこの他にブロック１に対する最大極大値と最小
極小値の差から得られた、膜厚または研摩終了点判断情
報も記憶した。

【００３６】製品のウェハとしては予備測定に用いたも
のと同じ形状の撮像素子を選び、その最表面に、約１０
００ｎｍのＣＶＤ成膜した絶縁膜ＳｉＯ₂を研摩した。
研摩中の分光波形の最大極大値と最小極小値との差をと
り、参照情報として記憶されている一定値以上であれば
ブロック１、それ以外ではブロック２と判断特定した。

【００３７】研摩終了点検出用パラメータとして最大極
大値と最小極小値との差を用い、モニターは、ブロック
１に対してのみ行い、ブロック２に対しては行わなかっ
た。研摩の進行の間、最大極大値と最小極小値との差は
変化し、この値を、膜厚または研摩終了点判断情報と比
較することにより研摩終了を判断し、研摩を終了した。

【００３８】研摩終了した製品のウェハを何枚か実際に
観察すると、表面は平坦化され、約５００ｎｍの目標研
摩厚に対して約３％の誤差で研摩がなされていることが
確認できた。［実施例２］研摩終了点のモニター用のパラメータとし
て、最大極大値と最小極小値の差ではなく相互相関係数
を使う以外は実施例１と同様な装置、方法で測定を行っ
た。

【００３９】このため、膜厚または研摩終了点判断情報
として、研摩終了点に対するブロック１の分光波形を参
照情報として記憶した。ブロック１とブロック２との判
別特定は実施例１と同様に行った。研摩終了点のモニタ
ーは、実施例１と同様にブロック１に対してのみ行い、
ブロック２に対しては行わなかった。研摩の進行の間、
測定された分光波形値と参照情報として記憶された研摩
終了点に対する分光波形との相互相関係数を演算し、こ
の相関係数が急増する時点を研摩を終了した。

【００４０】研摩終了した製品のウェハを何枚か実際に
観察すると、表面は平坦化され、約５００ｎｍの目標研
摩厚に対して約３％の誤差で研摩がなされていることが
確認できた。［実施例３］分光波形の極小値を測定位置判断用のパラ
メータとし、これが一定値以下になった場合をブロック
１、それ以上の場合ををブロック２と決定する以外は実
施例１と同様な装置、方法で測定を行った。

【００４１】研摩の進行の間、最大極大値と最小極小値
との差は変化し、この値を、膜厚または研摩終了点判断
情報と比較することにより研摩終了を判断し、研摩を終
了した。研摩終了した製品のウェハを何枚か実際に観察
すると、表面は平坦化され、約５００ｎｍの目標研摩厚
に対して約３％の誤差で研摩がなされていることが確認
できた。［実施例４］実施例１の測定と、同様の機構及び位置検
知の方法（最大極大値と最小極小値との差による判断）
によって、金属層（アルミニウム層）をＣＭＰによって
研摩し、プラグ形成する工程のモニタを行った。研摩開
始時は、被研摩面全面を金属層が覆った形であり、反射
光を観察すると、概ね平坦な分光波形が得られる。研摩
が進行し、絶縁層が露出するにつれ、干渉効果によって
分光波形には極大、極小値が出現する。この極大値の最
大のものと極小値の最小のものとの差を予めテストウェ
ハで測定して参照情報として記憶された一定値と比較す
ることによってブロック１であるかブロック２であるか
を判断特定した。

【００４２】研摩終了点検出用パラメータとして最大極
大値と最小極小値との差を用い、モニターは、ブロック
１に対してのみ行い、このパラメータを記憶された目標
波形の最大極大値と最小極小値との差と比較することに
より、効率よく工程終了点を検出できた。

【００４３】

【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、デバイス
ウェハの膜厚計測にあたって、簡便高速に、計測位置の
特定ができるため、計測の再現性が実現され、研摩膜厚
及び工程終了点の検出が高精度に高速にでき、工程制御
が迅速に効率的に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、同一のデバイスパターンに対する分光波形
であるが、位置（ブロック）の違いによる分光波形の比
較である。ａが、精細度の細かい部分、ｂが精細度の粗
い部分の分光波形である。

【図２】は、実施例におけるデバイスパターンの模式図
である。

【図３】は、本発明の実施の形態、実施例を説明する全
体図であり、膜厚または工程の終了点の検出装置を具え
た研摩装置を示す。

【図４】は、実施例における測定光学系の概要図であ
る。

【図５】は、実施例におけるデバイスの各位置での分光
波形を示す。５−ａはブロック１の群、５−ｂはブロッ
ク２の群の分光波形を示す。

【図６】は、積層薄膜パターンの各部からの光波の重ね
合わせの模式図を示す。

【符号の説明】

１研摩ヘッド２ウェハ３研摩パッド４研摩定盤５透光窓６光照射受光部７照射光及び反射光８検知処理用パーソナルコンピュータ９照射光源（キセノンランプ）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信号処理部１８表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 622 B24B 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面の、薄膜の除去工程において、前
記基板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信号波形により前記除去工
程における膜厚または工程終了点の一方または両方を検
出する方法であって、前記信号波形から求められたパラ
メータを利用して、前記基板表面の測定位置の特定を行
う段階を有することを特徴とする検出方法。
【請求項２】前記パラメータが、前記信号波形の最大極
大値と最小極小値との差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３】前記パラメータが、前記信号波形の最小極
小値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４】前記パラメータが、前記信号波形の最小極
小値と最大極大値との比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】前記パラメータが、前記信号波形の平均値
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６】更に前記特定された測定位置に応じた参照
値を用い膜厚算出及び工程終了点を決定する段階を有す
ることを特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の検出
方法。
【請求項７】前記測定位置の特定の後、所望の測定位置
への測定点移動を行う段階を更に有することを特徴とす
る請求項１〜５何れか１項記載の検出方法。
【請求項８】前記測定点移動が行われた所望の測定位置
に応じた参照値を用い膜厚算出及び工程終了点を決定す
る段階を有することを特徴とする請求項７記載の検出方
法。
【請求項９】所望の測定位置からの信号を選別して取得
し、前記選別された測定位置に応じた参照値を用い膜厚
算出及び工程終了点を決定する段階を更に有することを
特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の検出方法。
【請求項１０】前記基板表面が、半導体装置製造工程に
おける半導体素子表面であり、前記薄膜が、絶縁層ある
いは電極層であることを特徴とする請求項１〜９何れか
１項記載の検出方法。
【請求項１１】請求項１〜１０記載の検出方法から選ば
れた何れか一つの検出方法を用いることを特徴とする検
出装置。
【請求項１２】請求項１１記載の検出装置と研摩パッド
と被研摩部材を保持する研摩ヘッドとを具え、前記研摩
パッドと前記被研摩部材との間に相対運動を与えること
により前記被研摩部材を研摩する研摩装置。
【請求項１３】研摩ヘッドに保持された基板と研摩定盤
に固定された研磨パッドとの間に研摩剤を供給しつつ、
前記基板と前記研摩パッドとの間に相対運動を与えるこ
とにより前記基板表面の薄膜を研摩により除去し、且つ
除去する際に、前記基板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信号波形
により前記薄膜の膜厚または研摩の工程終了点の一方ま
たは両方を検出する段階を具える研摩方法であって、前
記検出する段階が、前記信号波形から求められたパラメ
ータを利用して、前記基板表面の測定位置の特定を行う
段階を更に具えることを特徴とする研摩方法。
【請求項１４】前記基板が、半導体素子が形成されたウ
ェハであることを特徴とする請求項１３記載の研摩方
法。