JP3460134B2 - 検知方法、膜厚計測方法、検知装置、膜厚計測装置、及び研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造工
程における、半導体素子の表面の絶縁層あるいは金属層
の除去工程における除去膜厚または工程終了点の検知装
置、検知方法、研磨装置に関する。また、本発明は、基
板上に形成されている膜の膜厚を高精度に測定できる膜
厚計測方法及び膜厚計測装置に関する。

【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（研磨剤、溶液による溶か
しだし）とを併用して、ウェハ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。これらの評価には、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、即ちデ
バイスパターンの無い場所）を測定場所として選択して
種々の方式で計測している。

【０００５】研磨平坦化工程において、よりフィードバ
ックが速いモニタ方法としては、目的研磨層と異なった
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】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。大
きな問題として、ウェハ計測の位置設定がある。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計測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。

【０００７】先ず、計測範囲を小さくすることが装置的
に容易でない。また、小さい部分を高速に探索して計測
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。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計測時間を大きく増加させる。

【０００８】これに対し、デバイスウェハーに比較的大
きなスポットで照射し、平均情報として光学計測を行
い、膜厚や研磨終了点などを知る方法も提案されてい
る。これらデバイスパターンの存在するウェハの計測に
あたっては、一般に信号は、膜厚だけでなくデバイスパ
ターンに依存した複雑なものとなる。そのため、これら
の方法では膜厚を正確に評価することができなかった。

【０００９】一方、上記のＣＭＰ工程以外の半導体製造
プロセスにおいて、高集積化により様々なデバイスパタ
ーンを有するウェハ上の膜厚の計測が行われている。し
かし、様々なデバイスパターンを有するウェハ上の膜厚
を高精度に計測することはできなかった。本発明の目的
は、上記問題を解決し、パターンのある部分でもデバイ
スパターンに依存せず膜厚または工程終了点を正確に検
知する、コンパクトで、安価、且つ測定時間が短い検知
装置、検知方法、及び研磨装置を提供することにある。

【００１０】また、様々なデバイスパターンを有するウ
ェハ等の基板上に形成された膜の膜厚を高精度で計測で
きる膜厚計測方法及び膜厚計測装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者は、パターンを有
するデバイスパターン上の膜厚の正確な測定が困難な原
因を探求した。その結果、プローブ光をデバイスパター
ンに照射して得られる信号光としての反射光には、デバ
イスパターンが微細で規則的なパターン（殆どのデバイ
スはこれに相当する）を有するため、回折現象によっ
て、多数の回折スポットが存在する。この回折スポット
が回折の各次数毎に膜厚に対して一般に異なる変化をす
る。この解決のため発明者は回折の次数の影響を除く事
を試みた。

【００１２】このため本発明では、第一に、「半導体装
置製造工程における、半導体素子の表面の絶縁層あるい
は金属層の除去工程において、前記半導体素子が形成さ
れたウェハの被研磨面の一部または全部にプローブ光を
照射して得られる信号光（即ち反射光または透過光）の
検出により前記除去工程の工程終了点または除去膜厚を
検知する方法であって、前記ウェハにはデバイスパター
ンが存在し、２次元的に一様でなく、前記信号光はパタ
ーン間の干渉現象を反映していて、前記デバイスパター
ンにより選択されたサイズの開口を有し、前記信号光の
適切な位置に設けられた遮光手段によって前記信号光の
０次光（正反射成分または直進透過の成分）のみを選別
し、１次以上の光及び散乱光を非選別し、前記選別され
た０次光のみを検出することを特徴とする検知方法。
（請求項１）」を提供する。

【００１３】また、第二に、「前記遮光手段が遮光スリ
ットであることを特徴とする請求項１記載の検知方法
（請求項２）」を提供する。また、第三に、「前記遮光
スリットのスリットサイズが適時変動可能であることを
特徴とする請求項２記載の検知方法（請求項３）」を提
供する。

【００１４】また、第四に、「前記信号光の回折スポッ
トの出現の様子を２次元の撮像センサで撮像した画像を
観察して、０次光（正反射成分または直進透過の成分）
の位置を特定することを特徴とする請求項１記載の検知
方法（請求項４）」を提供する。また、第五に、「前記
特定した位置より０次光のみを選別することを特徴とす
る請求項４記載の検知方法（請求項５）」を提供する。

【００１５】また、第六に、「前記選別された０次光の
分光特性の信号から演算されたパラメータをモニタする
ことにより、工程終了点または除去膜厚の検知を行うこ
とを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の検知
方法（請求項６）」を提供する。また、第七に「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請求
項６記載の検知方法（請求項７）」を提供する。

【００１６】また、第八に「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
る請求項６記載の検知方法（請求項８）」を提供する。
また、第九に「前記パラメータが、前記分光特性の信号
の分散であることを特徴とする請求項６記載の検知方法
（請求項９）」を提供する。

【００１７】また、第十に「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６記載の検知方法（請求項１０）」を
提供する。また、第十一に「前記選別された０次光の分
光特性の信号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特性の信号とのフィッティングによ
り、工程終了点または除去膜厚の検知を行うことを特徴
とする請求項１から５のいずれかに記載の検知方法（請
求項１１）」を提供する。

【００１８】また、第十二に「請求項６〜１１の検出方
法から選ばれた二つ以上を併用して検知を行うことを特
徴とする検知方法（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、半導体素子の
表面の絶縁層あるいは金属層の除去工程において、前記
半導体素子が形成されたウェハの被研磨面の一部または
全部にプローブ光を照射して得られる信号光（即ち反射
光または透過光）の検出により前記除去工程の工程終了
点を検知する方法であって、前記ウェハにはデバイスパ
ターンが存在し、２次元的に一様でなく、前記信号光は
パターン間の干渉現象を反映していて、前記信号光の回
折スポットの出現の様子を２次元の撮像センサで撮像し
た画像を観察して、０次光（正反射成分または直進透過
の成分）の位置を特定して、０次光を受光している画素
の信号のみを検出することで、前記０次光のみを選別
し、０次光のみの強度追跡により前記除去工程の工程終
了点を検知することを特徴とする検知方法（請求項１
３）」を提供する。また、第十四に「半導体装置製造工
程における、半導体素子の表面の絶縁層あるいは金属層
の除去工程において、前記半導体素子が形成されたウェ
ハの被研磨面の一部または全部にプローブ光を照射して
得られる信号光（即ち反射光または透過光）の検出によ
り前記除去工程の工程終了点または除去膜厚を検知する
方法であって、前記信号光の０次光（正反射成分または
直進透過の成分）のみを選別し、１次以上の光及び散乱
光を非選別し、前記選別された０次光のみを検出し、前
記選別された０次光の分光特性の信号から演算されたパ
ラメータをモニタすることにより、工程終了点または除
去膜厚の検知を行い、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
である検知方法、前記選別された０次光の分光特性の信
号から演算されたパラメータをモニタすることにより、
工程終了点または除去膜厚の検知を行い、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検
知方法、前記選別された０次光の分光特性の信号から演
算されたパラメータをモニタすることにより、工程終了
点または除去膜厚の検知を行い、前記パラメータが、前
記分光特性の信号の分散で ある検知方法、前記選別され
た０次光の分光特性の信号から演算されたパラメータを
モニタすることにより、工程終了点または除去膜厚の検
知を行い、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検知方法、または前記選
別された０次光の分光特性の信号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特性の信号との
フィッティングにより、工程終了点または除去膜厚の検
知を行う検知方法、から選ばれた二つ以上の検知方法を
併用して検知を行うことを特徴とする検知方法。（請求
項１４）」を提供する。また、第十五に「前記２次元の
撮像センサが受光している前記プローブ光が単波長成分
を含む光であり、０次光の画素の信号によって前記選別
された０次光のみをモニタすることを特徴とする請求項
４または５に記載の検知方法（請求項１５）」を提供す
る。また、第十六に「請求項１〜１５の検知方法から選
ばれた一つの検知方法を用いて工程終了点または除去膜
厚を検知することを特徴とする検知装置（請求項１
６）」を提供する。また、第十七に「請求項１６記載の
検知装置と研磨パッドと半導体素子が形成されたウェハ
を保持する研磨ヘッドとを具え、前記研磨パッドと前記
ウェハとの間に相対運動を与えることにより前記ウェハ
表面の絶縁層あるいは金属層を研磨する研磨装置（請求
項１７）」を提供する。また、第十八に「薄膜が形成さ
れているウェハの被測定面の一部または全部にプローブ
光を照射して得られる信号光（即ち反射光または透過
光）の検出により前記ウェハの膜厚を計測する方法であ
って、前記ウェハにはデバイスパターンが存在し、２次
元的に一様でなく、前記信号光はパターン間の干渉現象
を反映していて、前記デバイスパターンにより選択され
たサイズの開口を有し、前記信号光の適切な位置に設け
られた遮光手段によって前記信号光の０次光（正反射成
分または直進透過の成分）のみを選別し、１次以上の光
及び散乱光を非選別し、前記選別された０次光のみを検
出することを特徴とする膜厚計測方法（請求項１８）」
を提供する。また、第十九に「前記遮光手段が遮光スリ
ットであることを特徴とする請求項１８記載の膜厚計測
方法（請求項１９）」を提供する。また、第二十に「前
記遮光スリットのスリットサイズが適時変動可能である
ことを特徴とする請求項１９記載の膜厚計測方法（請求
項２０）」を提供する。また、第二十一に「前記選別さ
れた０次光の分光特性の信号から演算されたパラメータ
をモニタすることに より、前記薄膜の膜厚の計測を行う
ことを特徴とする請求項１８から２０のいずれかに記載
の膜厚計測方法（請求項２１）」を提供する。また、第
二十二に「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
を特徴とする請求項２１記載の膜厚計測方法（請求項２
２）」を提供する。また、第二十三に「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
を特徴とする請求項２１記載の膜厚計測方法（請求項２
３）」を提供する。また、第二十四に「前記パラメータ
が、前記分光特性の信号の分散であることを特徴とする
請求項２１記載の膜厚計測方法（請求項２４）」を提供
する。また、第二十五に「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２１記載の膜厚計測方法（請求項２
５）」を提供する。また、第二十六に「前記選別された
０次光の分光特性の信号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特性の信号とのフィッテ
ィングにより、前記薄膜の膜厚の計測を行うことを特徴
とする請求項１８から２０のいずれかに記載の膜厚計測
方法（請求項２６）」を提供する。また、第二十七に
「請求項２１〜２６の膜厚計測方法から選ばれた二つ以
上を併用して前記薄膜の膜厚の計測を行うことを特徴と
する膜厚計測方法（請求項２７）」を提供する。また、
第二十八に「請求項１８〜２７の膜厚計測方法から選ば
れた一つの膜厚計測方法を用いて膜厚を計測することを
特徴とする膜厚計測装置（請求項２８）」を提供する。
また、第二十九に「薄膜が形成され、デバイスパターン
が存在し、２次元的に一様でないウェハに光を照射する
光照射手段と、該ウェハからのパターン間の干渉現象を
反映していている反射光または透過光から０次光のみを
選別し、前記デバイスパターンにより選択されたサイズ
の開口を有し、前記反射光または透過光の適切な位置に
設けられた遮光手段と、該遮光手段の開口を通過した光
を各波長に分光する分光手段と、前記分光手段によって
分光された各波長の光強度を電気信号に光電変換し、前
記遮光手段の開口を通過した光の波長に対する光強度分
布を検出する光電変換素子と、該光電変換素子により出
力された分光特性の信号を処理する処理装置とを有し、
前記処理装置 は、前記分光特性の信号から演算されたパ
ラメータをモニタすることにより前記薄膜の膜厚を計測
することを特徴とする膜厚計測装置（請求項２９）」を
提供する。また、第三十に「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請求項２９記載の膜厚計
測装置（請求項３０）」を提供する。また、第三十一に
「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請求項２９記載の膜厚
計測装置（請求項３１）」を提供する。また、第三十二
に「前記パラメータが、前記分光特性の信号の分散であ
ることを特徴とする請求項２９記載の膜厚計測装置（請
求項３２）」を提供する。また、第三十三に「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２９記載の膜厚計測
装置（請求項３３）」を提供する。また、第三十四に
「薄膜が形成され、デバイスパターンが存在し、２次元
的に一様でないウェハに光を照射する光照射手段と、該
ウェハからのパターン間の干渉現象を反映していている
反射光または透過光から０次光のみを選別し、前記デバ
イスパターンにより選択されたサイズの開口を有し、前
記反射光または透過光の適切な位置に設けられた遮光手
段と、該遮光手段の開口を通過した光を各波長に分光す
る分光手段と、前記分光手段によって分光された各波長
の光強度を電気信号に光電変換し、前記遮光手段の開口
を通過した光の波長に対する光強度分布を検出する光電
変換素子と、該光電変換素子により出力された分光特性
の信号を処理する処理装置とを有し、前記処理装置は、
前記分光特性の信号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特性の信号とのフィッティン
グにより前記薄膜の膜厚を計測することを特徴とする膜
厚計測装置（請求項３４）」を提供する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明にかかる計測の実施の形態
の例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。前に述べたように、光学的な薄膜の膜厚
計測法により、従来高精度が得られてきたが、これら
は、いずれも（多層膜含む）ブランク膜計測についての
ものである。この場合は、基本的には、信号光に正反射
光である０次光以外の回折光は存在せず、検出系におい
てこれに留意する必要がない。

【００２０】デバイスパターン（下地パターン）が存在
し、２次元的に一様でないウェハに対しては、信号光
は、一様なブランク膜から予測されるものではなく、パ
ターン間の干渉現象を反映したものになる。ここでは通
常、正反射方向以外に、光量的に無視できない、いわゆ
る回折スポットを多数生ずる。図１に示すように、ピッ
チ（微細構造周期）ｄおよび照射する光の波長λによっ
て、以下の式 ｄsin θ＝ｎλ （１） により決定する反射方向θにｎ次の回折スポットが生ず
る。ｎ次の回折スポットの光量の、検出サンプルの膜厚
による変化の様子は、他の次数のものと全く異なる。こ
のため、膜厚を光学的信号で知るには、どの次数のスポ
ットを計測しているのかがわからなければならない。

【００２１】このような、パターンの計測に際し、常
に、一定次数（１次以上）のスポットのみを計測すると
いう方法も考えられるが、この方法は様々なパターンへ
の対応が困難である。式（１）で示されるように、計測
しているパターンの微細構造周期によって回折光の方向
θ（スポット位置）が異なるため、計測機構に異なる回
折光の方向に対応する機構を設けなければならず、構造
が複雑なものになる。

【００２２】本発明においては、０次光（正反射光）の
みを検出する方法をとる。こうすれば、膜厚を算出する
にあたっても工程終了点を検出するに際しても、パター
ンのピッチ（微細構造周期）による影響を考慮しなくと
もよく、計算も簡単になる。また、デバイスパターンの
計測においては、その凹凸による散乱光も正反射光以外
の成分として無視できないものとなることがあり、これ
らもノイズ原因となる。０次光のみを意図的に抽出して
計測することでこの散乱光によるノイズも多くを除くこ
とができる。０次光である正反射光の方向は、どのよう
なパターンであっても一定であるため、検出系も構成し
やすい。

【００２３】このような０次光のみの計測の場合、１次
以上の回折光を効率よく除くことが必要で、そのための
機構を設ける必要がある。一例として、計測サンプルに
垂直に光を照射し、その反射光から膜厚などを検知する
場合を示す。普通のブランク膜計測に適用され得る構成
では、パターンからの垂直反射の成分以外のものでも検
出レンズの開口に入るものについては検知してしまう。
そこで、図２の１０で示されるような位置にスリットを
設けることにより、正反射光以外の回折光を検出センサ
に導かないようにする。測定ウェハ４からの、正反射方
向からはずれた方向の光はこのスリットを通り抜けるこ
とができないからである。

【００２４】上記したようにパターンの微細構造周期に
よって１次以上の回折スポットの出現する位置（方向）
は決定される。従って、上のような方法で回折光をカッ
トする場合、そのスリットの大きさの許容範囲はパター
ンにより異なる。このため、計測パターンによってこの
スリット幅を可変にできることが好ましい。また、実際
に回折スポットの出現の様子を、ＣＣＤ素子、等で撮像
した画像で観察して、０次光を受光している画素の信号
のみを検出することによって、測定を０次光に限るとい
う方法も好ましい方法である。言い換えると、信号光で
ある反射光を０次から高次までの回折スポットを受光す
るに充分な大きなエリアの２次元の撮像センサで観察
し、０次光を特定して、０次光の部分のみを計測すると
いう方式である。

【００２５】以上のように反射信号光の０次光を見つけ
た後は、この０次光を分光して得られた以下のパラメー
タの群、即ち、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）、または最大極大値、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）、または分光特性の信号の分散、または分光
特性の信号の適当なフーリエ変換の成分から選ばれた何
れか一つ以上のパラメータをモニタすることにより、ま
たは分光特性の信号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特性の信号とのフィッティン
グにより高精度に研磨の残膜厚または工程終了点を検知
できる。これらのパラメータ、等を用いないで、反射信
号光の０次光を分光しないで直接モニタしても良い。

【００２６】これらの方式は、多波長成分を含む光を照
射して計測する場合のほか、単波長成分を含む光を照射
する場合においても有効である。更に、この膜厚または
工程終了点検知方法は、図３の上の部分で示されるよう
な研磨装置に好ましく適用される。図３の研磨装置は、
研磨パッド１２を固定した研磨定盤１３と、半導体素子
が形成されたウェハ４を保持する研磨ヘッド１１とを具
え、研磨パッドとウェハとの間に相対運動を与えること
によりウェハ表面の半導体素子上の絶縁層あるいは金属
層を研磨する。図３のシステムは前に説明した方法で動
作する、膜厚、または工程終了点検出装置を具えている
ので、研磨膜厚、または工程終了点を精度良く検知でき
る。

【００２７】次に、本発明にかかる膜厚計測方法及び膜
厚計測装置の実施の形態について図４、図６を用いて説
明する。図６は本発明にかかる膜厚計測装置の概略構成
図である。図４は本発明にかかる膜厚計測装置の測定光
学系の概要図である。図６において、４は膜厚を計測す
る測定ウェハ、２０は測定光学系、２１は測定ウェハが
載置されるステージ、２２は測定光学系からの出力信号
が入力されるパソコン、２３は測定光学系２０から測定
ウェハ４に照射される光及び測定ウェハ４からの反射光
である。ステージ２１を移動することにより、測定ウェ
ハ４の膜厚を測定する位置の調整が行われる。なお、測
定ウェハ４の膜厚を測定する位置の調整を行うために、
ステージ２１の移動をパソコン２２で制御しても良い。

【００２８】図４において、光源であるキセノンランプ
５からの光は、レンズ６ａにより平行光束に変換され、
照明エリア制御スリット１７を通った後、レンズ６ｂに
よりビームスプリッター７に集光される。ビームスプリ
ッター７を通過した光は、レンズ６ｃにより再び平行光
束とされ、測定ウェハ４の表面に照射される。本実施の
形態ではキセノンランプ５、レンズ６ａ、照明エリア制
御スリット１７、レンズ６ｂ、及びレンズ６ｃが、光照
射手段を構成している。

【００２９】その反射光は、再びレンズ６ｃを通してビ
ームスプリッター７に集光される。ビームスプリッタ７
ーおいて、反射光は９０°方向を変えられ、レンズ６ｄ
により平行光束とされる。そして、ミラー８で反射さ
れ、レンズ６ｅで、０次光のみを選別する開口を有する
遮光手段であるスリット１０上に集光される。そして、
散乱光、回折光等のノイズ成分を除去され、レンズ６ｆ
を介して分光手段である回折格子１８に投射され、分光
される。分光された光は、光電変換素子であるリニアセ
ンサ１９に入射し、分光強度が測定される。

【００３０】リニアセンサ１９からの出力信号は、分光
特性の信号を処理する処理装置であるパソコン２２に入
力する。パソコン２２では、あらかじめ、所定の膜厚に
なったデバイス構造からの分光特性の信号をシミュレー
ション計算して、記憶させておき、これらと、実測した
分光特性の信号とのフィッテイングを行うことにより、
測定ウェハ上の膜厚を算出する。

【００３１】本発明にかかる膜厚計測装置では、測定ウ
ェハのデバイスパターンが微細構造周期を有する場合で
も、前述のように、スリット１０により回折光等を除去
し、０次光（正反射光）のみを計測できる。これによ
り、高精度に膜厚を計測できる。本実施の形態では、実
測した分光特性の信号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特性の信号とのフィッティ
ングにより膜厚を計測するとしたが、他の方法により膜
厚を求めることができる。その他の方法としては、分光
特性の信号の極大値、もしくは極小値、もしくは（極大
値−極小値）、もしくは（極小値／極大値）、もしくは
最大極大値、もしくは最小極小値、もしくは（最大極大
値−最小極小値）、もしくは（最小極小値／最大極大
値）、もしくは分光特性の信号の分散、もしくは分光特
性の信号の適当なフーリエ変換の成分から選ばれた何れ
か一つ以上のパラメータをモニタすることにより、膜厚
を計測する方法である。

【００３２】本実施の形態では、０次光のみを選別する
開口を有する遮光手段としてスリットを用いるとした
が、その代わりにピンホールを用いても良い。そして、
スリット及びピンホールとしては、開口部のサイズが変
動可能であることが好ましい。これにより、測定ウェハ
毎に好適な開口部のサイズを選択することを容易に行う
ことができる。

【００３３】また、本実施の形態では、測定ウェハ４と
して、デバイスパターンが微細構造周期を有する場合に
ついて説明したが、測定ウェハ上のデバイスパターンが
微細構造周期を有しない場合（例えば、多層膜を含むブ
ランク膜）でも、同様の計測方法により膜厚を計測する
ことができる。また、本発明にかかる膜厚計測装置で
は、デバイスウェハ以外でも基板上に形成された膜であ
れば、それらの膜厚の計測を行うことができる。例え
ば、レンズ等の光学基板上に形成された単層もしくは２
層以上の光学薄膜の膜厚を計測することも可能である。

【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ＣＭＰによって研磨し、そ
の研磨終了点検出を試みた。光照射は、図３のように、
下面の研磨パッド（エポキシ系研磨布）および、その定
盤に約２ｃｍΦの円形孔を開け、パッド面と同一面に、
石英の透光窓を設けた構成で行なった。照射光学系は、
図４のように、白色光源であるキセノンランプをウェハ
面に垂直入射させた光学系で、その反射光を、回折格子
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）で検出する形とした。ウェハ面での照射面積を規
定するため、入射側にスリットを設けてある。計測波長
範囲はほぼ４００ｎｍ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増幅後、パソ
コンで処理される。その際、あらかじめ計測された光源
光の分光強度情報が、反射信号光の分光特性を求めるた
めに用いられる。

【００３５】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、約１００ｇ／ｃｍ² の
研磨圧で研磨を行った。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。ここで図４で
示された位置に、直径５００μｍのスリット１０を設け
ることにより、完全にデバイスウェハからの１次以上の
回折光および大部分の散乱光を除くことが可能となり、
図５の実線で示すような曲線を得ることができた。

【００３６】この曲線は、破線で示された０次回折光の
強度をモデル計算した曲線とよく一致し（図５）、０次
光のみの計測が行われていることが明かになった。所定
の研磨膜厚値でのウェハについて、上記モデル計算によ
り算出したものと、実際に研磨中に計測して得られた分
光反射率とを比較し、波形（極大極小位置および相関係
数）がある範囲で一致した状態をもって研磨終了と判断
した。研磨終了と判断したウェハを何枚か実際に観察す
ると、表面は平坦化され、目的研磨厚の約７％の誤差で
なされていることが確認できた。 ［実施例２］実施例１と同様の光学系により、光源をヘ
リウムネオンレーザ（波長６３３ｎｍ）として、検出計
測を行った。この場合は、分光曲線を用いるのではな
く、単に光量値の追跡から研磨終点を判断する。簡単な
パターンなどでは有効である。本例でも、実施例１と同
じようにスリットを設置することで、１次以上の回折光
を除くことができた。回折スポットは目視でき、スリッ
ト外に生じていることが確認できた。この方策による０
次光のみの強度追跡によって研磨終了点の検知を行うこ
とを得た。

【００３７】

【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、ノイズとなりうる１次以
上の回折光や散乱光の影響を低減し、計測の再現性が実
現され、工程制御が迅速に効率的に行え、コンパクト
で、安価、且つ測定時間が短い検知装置、検知方法、膜
厚計測方法、膜厚計測装置、及び研磨装置の提供が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、パターンウェハから回折スポットの生ずる
方向を示す図である。

【図２】は、スリットにより０次光のみを選別する光学
系の一例の概要図である。

【図３】は、実施例における測定の概要図である。

【図４】は、本発明にかかる膜厚計測装置および実施例
における測定光学系の概要図である。

【図５】は、実施例における実測値（実線）と０次光計
算値（破線）の比較である。ａ、ｂはそれぞれ異なった
デバイスパターンでの曲線を示す図である。

【図６】は、本発明にかかる膜厚計測装置の概略構成図
である。

【符号の説明】

１ パターンウェハ ２ 入射光 ３ 回折光 ４ 測定ウェハ ５ 光源 ６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ レンズ ７ ビームスプリッター ８ ミラー ９ 受光素子 １０ スリット（回折光除去） １１ 研磨ヘッド １２ 研磨パッド １３ 研磨定盤 １４ 透光性ウィンドウ １５ 発光および受光部 １６ 制御用コンピュータ １７ 照射エリア制御スリット １８ 回折格子 １９ リニアセンサ ２０ 測定光学系 ２１ ステージ ２２ パソコン ２３ 測定ウェハに照射される光及び測定ウェハからの
反射光

Claims (34)

(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、半導体素
   子の表面の絶縁層あるいは金属層の除去工程において、
   前記半導体素子が形成されたウェハの被研磨面の一部ま
   たは全部にプローブ光を照射して得られる信号光（即ち
   反射光または透過光）の検出により前記除去工程の工程
   終了点または除去膜厚を検知する方法であって、前記ウェハにはデバイスパターンが存在し、２次元的に
   一様でなく、前記信号光はパターン間の干渉現象を反映
   していて、 前記デバイスパターンにより選択されたサイズの開口を
   有し、前記信号光の適切な位置に設けられた遮光手段に
   よって 前記信号光の０次光（正反射成分または直進透過
   の成分）のみを選別し、１次以上の光及び散乱光を非選
   別し、前記選別された０次光のみを検出することを特徴
   とする検知方法。
2. 【請求項２】 前記遮光手段が遮光スリットであること
   を特徴とする請求項１記載の検知方法。
3. 【請求項３】 前記遮光スリットのスリットサイズが適
   時変動可能であることを特徴とする請求項２記載の検知
   方法。
4. 【請求項４】 前記信号光の回折スポットの出現の様子
   を２次元の撮像センサで撮像した画像を観察して、０次
   光（正反射成分または直進透過の成分）の位置を特定す
   ることを特徴とする請求項１記載の検知方法。
5. 【請求項５】 前記特定した位置より０次光のみを選別
   することを特徴とする請求項４記載の検知方法。
6. 【請求項６】 前記選別された０次光の分光特性の信号
   から演算されたパラメータをモニタすることにより、工
   程終了点または除去膜厚の検知を行うことを特徴とする
   請求項１から５のいずれかに記載の検知方法。
7. 【請求項７】 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
   ことを特徴とする請求項６記載の検知方法。
8. 【請求項８】 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請求項６記
   載の検知方法。
9. 【請求項９】 前記パラメータが、前記分光特性の信号
   の分散であることを特徴とする請求項６記載の検知方
   法。
10. 【請求項１０】 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６記載の検知方法。
11. 【請求項１１】 前記選別された０次光の分光特性の信
    号と予め記憶されたシミュレーション計算によって得ら
    れた分光特性の信号とのフィッティングにより、工程終
    了点または除去膜厚の検知を行うことを特徴とする請求
    項１から５のいずれかに記載の検知方法。
12. 【請求項１２】 請求項６〜１１の検出方法から選ばれ
    た二つ以上を併用して検知を行うことを特徴とする検知
    方法。
13. 【請求項１３】 半導体装置製造工程における、半導体
    素子の表面の絶縁層あるいは金属層の除去工程におい
    て、前記半導体素子が形成されたウェハの被研磨面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる信号光
    （即ち反射光または透過光）の検出により前記除去工程
    の工程終了点を検知する方法であって、 前記ウェハにはデバイスパターンが存在し、２次元的に
    一様でなく、前記信号光はパターン間の干渉現象を反映
    していて、 前記信号光の回折スポットの出現の様子を２次元の撮像
    センサで撮像した画像を観察して、０次光（正反射成分
    または直進透過の成分）の位置を特定して、０次光を受
    光している画素の信号のみを検出することで、前記０次
    光のみを選別し、０次光のみの強度追跡により前記除去
    工程の工程終了点を検知することを特徴とする検知方
    法。
14. 【請求項１４】 半導体装置製造工程における、半導体
    素子の表面の絶縁層あるいは金属層の除去工程におい
    て、前記半導体素子が形成されたウェハの被研磨面の一
    部または全部にプローブ光を照射して得られる信号光
    （即ち反射光または透過光）の検出により前記除去工程
    の工程終了点または除去膜厚を検知する方法であって、
    前記信号光の０次光（正反射成分または直進透過の成
    分）のみ を選別し、１次以上の光及び散乱光を非選別
    し、前記選別された０次光のみを検出し、 前記選別された０次光の分光特性の信号から演算された
    パラメータをモニタすることにより、工程終了点または
    除去膜厚の検知を行い、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
    上である検知方法、 前記選別された０次光の分光特性の信号から演算された
    パラメータをモニタすることにより、工程終了点または
    除去膜厚の検知を行い、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検知方法、 前記選別された０次光の分光特性の信号から演算された
    パラメータをモニタすることにより、工程終了点または
    除去膜厚の検知を行い、前記パラメータが、前記分光特
    性の信号の分散である検知方法、 前記選別された０次光の分光特性の信号から演算された
    パラメータをモニタすることにより、工程終了点または
    除去膜厚の検知を行い、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検知方法、 または前記選別された０次光の分光特性の信号と予め記
    憶されたシミュレーション計算によって得られた分光特
    性の信号とのフィッティングにより、工程終了点または
    除去膜厚の検知を行う検知方法、 から選ばれた二つ以上の検知方法を併用して検知を行う
    ことを特徴とする検知方法。
15. 【請求項１５】 前記２次元の撮像センサが受光してい
    る前記プローブ光が単波長成分を含む光であり、０次光
    の画素の信号によって前記選別された０次光のみをモニ
    タすることを特徴とする請求項４または５に記載の検知
    方法。
16. 【請求項１６】 請求項１〜１５の検知方法から選ばれ
    た一つの検知方法を用いて工程終了点または除去膜厚を
    検知することを特徴とする検知装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の検知装置と研磨パッ
    ドと半導体素子が形成されたウェハを保持する研磨ヘッ
    ドとを具え、前記研磨パッドと前記ウェ ハとの間に相対
    運動を与えることにより前記ウェハ表面の絶縁層あるい
    は金属層を研磨する研磨装置。
18. 【請求項１８】 薄膜が形成されているウェハの被測定
    面の一部または全部にプローブ光を照射して得られる信
    号光（即ち反射光または透過光）の検出により前記ウェ
    ハの膜厚を計測する方法であって、 前記ウェハにはデバイスパターンが存在し、２次元的に
    一様でなく、前記信号光はパターン間の干渉現象を反映
    していて、 前記デバイスパターンにより選択されたサイズの開口を
    有し、前記信号光の適切な位置に設けられた遮光手段に
    よって前記信号光の０次光（正反射成分または直進透過
    の成分）のみを選別し、１次以上の光及び散乱光を非選
    別し、前記選別された０次光のみを検出することを特徴
    とする膜厚計測方法。
19. 【請求項１９】 前記遮光手段が遮光スリットであるこ
    とを特徴とする請求項１８記載の膜厚計測方法。
20. 【請求項２０】 前記遮光スリットのスリットサイズが
    適時変動可能であることを特徴とする請求項１９記載の
    膜厚計測方法。
21. 【請求項２１】 前記選別された０次光の分光特性の信
    号から演算されたパラメータをモニタすることにより、
    前記薄膜の膜厚の計測を行うことを特徴とする請求項１
    ８から２０のいずれかに記載の膜厚計測方法。
22. 【請求項２２】 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請求項２１記載の膜厚計測方
    法。
23. 【請求項２３】 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請求項２
    １記載の膜厚計測方法。
24. 【請求項２４】 前記パラメータが、前記分光特性の信
    号の分散であることを特徴とする請求項２１記載の膜厚
    計測方法。
25. 【請求項２５】 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２１記載の膜厚計測方法。
26. 【請求項２６】 前記選別された０次光の分光特性の信
    号と予め記憶されたシミュレーション計算によって得ら
    れた分光特性の信号とのフィッティングにより、前記薄
    膜の膜厚の計測を行うことを特徴とする請求項１８から
    ２０のいずれかに記載の膜厚計測方法。
27. 【請求項２７】 請求項２１〜２６の膜厚計測方法から
    選ばれた二つ以上を併用して前記薄膜の膜厚の計測を行
    うことを特徴とする膜厚計測方法。
28. 【請求項２８】 請求項１８〜２７の膜厚計測方法から
    選ばれた一つの膜厚計測方法を用いて膜厚を計測するこ
    とを特徴とする膜厚計測装置。
29. 【請求項２９】 薄膜が形成され、デバイスパターンが
    存在し、２次元的に一様でないウェハに光を照射する光
    照射手段と、 該ウェハからのパターン間の干渉現象を反映していてい
    る反射光または透過光から０次光のみを選別し、前記デ
    バイスパターンにより選択されたサイズの開口を有し、
    前記反射光または透過光の適切な位置に設けられた遮光
    手段と、 該遮光手段の開口を通過した光を各波長に分光する分光
    手段と、 前記分光手段によって分光された各波長の光強度を電気
    信号に光電変換し、前記遮光手段の開口を通過した光の
    波長に対する光強度分布を検出する光電変換素子と、 該光電変換素子により出力された分光特性の信号を処理
    する処理装置とを有し、 前記処理装置は、前記分光特性の信号から演算されたパ
    ラメータをモニタすることにより前記薄膜の膜厚を計測
    することを特徴とする膜厚計測装置。
30. 【請求項３０】 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請求項２９記載の膜厚計測装
    置。
31. 【請求項３１】 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請求項２
    ９記載の膜厚計測装置。
32. 【請求項３２】 前記パラメータが、前記分光特性の信
    号の分散である ことを特徴とする請求項２９記載の膜厚
    計測装置。
33. 【請求項３３】 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２９記載の膜厚計測装置。
34. 【請求項３４】 薄膜が形成され、デバイスパターンが
    存在し、２次元的に一様でないウェハに光を照射する光
    照射手段と、 該ウェハからのパターン間の干渉現象を反映していてい
    る反射光または透過光から０次光のみを選別し、前記デ
    バイスパターンにより選択されたサイズの開口を有し、
    前記反射光または透過光の適切な位置に設けられた遮光
    手段と、 該遮光手段の開口を通過した光を各波長に分光する分光
    手段と、 前記分光手段によって分光された各波長の光強度を電気
    信号に光電変換し、前記遮光手段の開口を通過した光の
    波長に対する光強度分布を検出する光電変換素子と、 該光電変換素子により出力された分光特性の信号を処理
    する処理装置とを有し、 前記処理装置は、前記分光特性の信号と予め記憶された
    シミュレーション計算によって得られた分光特性の信号
    とのフィッティングにより前記薄膜の膜厚を計測するこ
    とを特徴とする膜厚計測装置。