JP4147675B2

JP4147675B2 - 検知方法、検知装置、及び研磨装置

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Publication number: JP4147675B2
Application number: JP07684299A
Authority: JP
Inventors: 嘉次郎潮; 啓慎新城
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP2000186917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨対象物を研磨する研磨装置、特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電極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。
【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（Chemical 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）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】
図９は従来のＣＭＰ装置を示す図である。図９で２０は研磨体、１１は研磨ヘッド、４はウェハ、２１は研磨剤供給部、２２は研磨剤（スラリー）である。研磨体２０は通常、研磨定盤１３と研磨定盤１３上に貼り付けられた研磨パッド１２とを具える。研磨定盤１３は適当な手段により軸Ｂを中心に矢印１０１の方向に回転する。また研磨ヘッド１１は適当な手段により軸Ａを中心に矢印１００の方向に回転する。この過程でウェハ４は、スラリー２２と研磨パッド１２の作用によりその表面が研磨される。
【０００５】
こうした研磨工程においては、従来の成膜やエッチングのようにはプロセスの安定性、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く、このために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。
【０００６】
この膜厚計測装置での計測は、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。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。
【０００７】
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。
【０００８】
最近は、測定精度の点から、研磨中の薄膜の膜厚を測定する方法として光学的方法が注目され始めており、従来の図９のＣＭＰ装置では、膜厚の測定のために、光学的終点検出装置２３を具えている。光学的終点検出装置から発せられたプローブ光は、研磨体２０に穿たれた孔と検出窓１４をＦ通ってウェハ４上のデバイスパターンに比較的大きなスポットで照射され、その反射光を検出することによって膜厚や研磨終了点などを検出する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の光学的終点検出装置には以下のような問題があった。
即ち、デバイスパターンの存在するウェハ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では、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、この方法では膜厚を正確に評価することができなかった。ここで言う比較的大きなスポットとは、スポットの中に数個以上のデバイスパターンの基本単位が含まれる大きさスポットのことである。
【００１０】
更に、従来の光学測定技術においてはスラリーの影響については考慮されていなかった。図９に於いて、ウェハ４と検出窓１４の間のスラリー２２をプローブ光２が通過する際に、スラリー２２の研磨粒による散乱のため終点検出装置２３で検出される光量が低下するばかりでなく、散乱光がノイズ光として測定精度の悪化をもたらすという問題があった。これら散乱光が本来の測定光と共に光学的終点検出装置２３の受光素子( 図示されず) にノイズ光として入射するため、測定のＳ／Ｎ比が低下し終点検出の測定精度が悪化するのである。
【００１１】
更にまた、検出窓１４の上面は研磨パッド１２の上面と一般にほぼ同じ高さであるため、研磨の過程でウェハ４や研磨ヘッド１１と接触し、検出窓１４の表面に傷が生じることがある。このためこの検出窓１４の表面の傷により測定光が散乱され、この散乱光が受光素子にノイズ光として入射し測定のＳ／Ｎ比が低下してしまう原因となっていた。この傷を減らすためには検出窓１４の上面を研磨パッド１２の上面より充分低くする必要があるが、その場合は検出窓１４とウェハ４の間にあるスラリー２２の層の厚さが増えるため、プローブ光２と信号光のスラリー２２による散乱光が増加する。
【００１２】
本発明の目的は、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光学的に正確に検知する、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。更に、本発明の目的は、上記問題を解決し、スラリー２２や検出窓１４表面の傷からの散乱光によるＳ／Ｎ比低下による影響を低減した測定精度の高い終点検出装置および研磨装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者等は、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ことを試みた。
【００１４】
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電極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、前記信号光のスポットパターンの２次元分布の計測結果を基に前記信号光の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、前記信号光の適当な位置に設けられたスリットサイズが適時変動可能である遮光スリットによって前記選別された次数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。
【００１５】
また、第二に、「請求項１に記載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２）」を提供する。
また、第三に、「請求項２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電極層を研磨する研磨装置（請求項３）」を提供する。
【００１６】
また、第四に、「研磨対象物を保持する研磨ヘッドと研磨体とを具え、前記研磨体と前記研磨対象物との間に研磨液を介在させた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨する研磨装置であって、前記研磨体が具えた一個以上の検出窓を通してプローブ光を研磨対象物に照射し、その信号光（即ち反射光または透過光）を検出することによって研磨状態を測定する研磨状態測定装置を更に具え、前記信号光のスポットパターンの２次元分布の計測結果を基に、前記研磨状態測定装置は前記信号光の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、前記信号光の適当な位置に設けられたスリットサイズが適時変動可能である遮光スリットによって前記選別された次数光のみを検出することを特徴とする研磨装置（請求項４）」を提供する。また、第五に、「前記研磨状態の測定が、研磨膜厚の検出、工程終了点の検出（終点検出）の片方または両方であることを特徴とする請求項４項記載の研磨装置（請求項５）」を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
更にまた、検出窓の上面のキズ及び、検出窓の上面とウェハの下面との間のスラリー層による散乱光はノイズ光として測定のＳ／Ｎ比を低下させる。
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
以上、デバイスパターンからの１次以上の回折光及び散乱光の除去の工夫以外に、本発明では散乱光自体の量を減らす工夫をしている。そのため、検出窓の少なくとも上面に傷の発生を防止するためのハードコートを形成し、研磨時にウェハまたは研磨ヘッドとの干渉によって生じる傷の発生を減少させ、更に検出窓の上面とウェハ下面の間のスラリー層の厚みを減らし、散乱光を減らし、測定のＳ／Ｎ比の向上を図った。
【００２８】
以上のように反射信号光の０次光を受光した後は、この０次光を分光して得られた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）、または測定された分光特性の信号またはそのフーリエ変換信号と、予めシミュレーション計算され記憶された分光特性の信号またはそのフーリエ変換信号とのフイッティングにより研磨状態の高精度な測定が行われる。フィッティングの方法としては相互相関係数を比較する方法が好ましく用いられる。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。具体的な測定項目として重要なものは、研磨膜厚の検出、工程終了点の検出（終点検出）である。
【００２９】
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に用いられる。
金属電極層の研磨に於ける研磨状態の測定に当たっては、研磨により積層された余分な金属層が除去されるにつれ、金属層表面からの反射光は低減して行く。必要な厚みの金属層が除去されると、金属電極層の面積は変化しなくなるため、この反射光の強度の変化をモニターすることにより、ウェハの研磨終点の検出ができる。
【００３０】
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電極層を研磨する。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。
【００３１】
更に本発明は、ＣＭＰ工程における金属層の除去工程に於ける終点検出のみならず、層間絶縁膜等の除去工程に於ける終点検出にも適用できる。
【００３２】
【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。
【００３３】
研磨材（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。
【００３４】
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。
［実施例３］
図８は本実施例の研磨装置であり、検出窓１４のウェハ４側の表面に傷の発生防止のためにシリコン系のハードコートをコーティングしていることを特徴としている。更に、ハードコートと検出窓１４であるアクリル材との接着性及び耐衝撃性を良くするため、中間層としてプライマー（ポリビニルブチラール）を使用することが好ましい。検出窓１4 のアクリル材の表面に公知のポリビニルブチラールを有機溶剤に溶かしたコーティング液を塗布し、加熱硬化して厚さ約１μｍのプライマー被膜を形成後、更に、公知のエポキシシランの部分共加水分解物にコロイダルシリカを分散させたハードコーティング液を塗布し、加熱硬化して厚さ約１μｍのハードコート被膜を形成した。この他にテトラアルコキシシラン、アルキルトリアルコキシシラン、カーボンファンクショナルアルコキシシラン、等の部分加水分解物にコロイダルシリカを分散させたハードコーティング液も好ましく使用される。更にアルキド、ウレタン、メラミン、アルキル、多官能アクリルにコロイダルシリカを配合したハードコーティング液も使用可能である。
【００３５】
また検出窓１４の材料にＣＲ３９（ジエチレングリコールビスアリルカーボネート）などのモノマーを使用しても良い。この場合上述のようなプライマーは不要で、直接ＣＲ３９の表面にシリコン系のハードコートをコーティングすることができる。
図８の研磨装置で、２０は研磨体、１１は研磨ヘッド、４はウェハ、２１は研磨剤供給部、２２は研磨剤（スラリー）である。研磨体２０は通常、研磨定盤１３と研磨定盤１３上に貼り付けられた研磨パッド１２とを具える。研磨定盤１３は適当な手段により軸Ｂを中心に矢印１０１の方向に回転する。また研磨ヘッド１１は適当な手段により軸Ａを中心に矢印１００の方向に回転する。この過程でウェハ４は、スラリー２２と研磨パッド１２の作用によりその表面が研磨される。研磨体２０は検出窓を具え、終点検出装置から発せられたプローブ光２は検出窓を通ってウェハのデバイスパターン面に照射され、反射した信号光が再び検出窓を通って終点検出装置２３で検出される。ここで研磨中にウェハ４及び研磨ヘッド１１は検出窓１４の上面に接触するが、検出窓１４の上面をハードコート材でコーティングすることにより、研磨中のウェハ４または研磨ヘッド１１との接触による検出窓１４表面の傷の発生を低減することができる。このため検出窓１４の傷による光の散乱が減少する。さらにウェハ４と検出窓１４の間隔を小さくすることが出来るので、スラリー２２の研磨粒による散乱光も減少する。これにより終点検出装置２３の受光素子（図示されず）に入射する散乱光は減少するため高いＳ／Ｎ比で測定を行うことができ、高精度に研磨終点の検出を行うことが出来る。
［実施例４］
図６、図８は本実施例を示す図である。図８は本発明の全体図であり、図６は終点検出装置の近傍部分を示している。本実施例は、基本的には実施例２に準じた光学系を用い、検出窓とスラリー層に対して実施例３と同じ処置を施した。
【００３６】
図６で、単一波長の光を出射する光源５から出射した光はレンズ３０、３１、ビームスプリッター７およびレンズ３２を透過してウェハ４へ照射される。ここでレンズ３２を透過する際に光は平行光にされ、ウェハ４へほぼ垂直にプローブ光２として入射する。ここでウェハ４の表面のデバイスパターンにより正反射された信号光（０次光）は、１次以上の反射回折光と、検出窓（図示されず）の上面による散乱光及び検出窓とウェハ４の間のスラリー（図示されず）による散乱光と一緒にレンズ３２を透過し、ビームスプリッター７でその一部を反射する。ビームスプリッター７を反射した信号光はレンズ３３でほぼ平行光にされ、ミラー８で反射し、レンズ３４、３５を透過して受光素子９に入射する。ここで遮光スリット１０は、レンズ３４の焦点付近に設けてあり、その開口部の寸法は、正反射された信号光（０次光）のみが通過でき、１次以上の反射回折光が通過できないように調整されている。従って、ウェハ４上のデバイスパターンで正反射された測定光である０次の信号光のみが遮光スリット１５を透過できる。検出窓の上面及びスラリーによる散乱光は、検出窓の上面に傷防止のためのハードコーティング処理を施すと共にスラリー層を薄くすることによって全体として元々低いレベルに抑えられている上に、殆どの部分が正反射光とは異なる角度でレンズ３４に入射するため、レンズ３４の焦点とは異なる場所に屈折される。このため遮光スリット１５を通過できず、検出器９には殆ど入射しない。
【００３７】
受光素子９に入射した信号光（０次光）は光電変換され、信号処理装置４０でその反射光強度の変化をモニタする。上述の様にスラリーの研磨粒により散乱された光は受光素子９に入射せず本来の測定光のみが検出されるため、測定のＳ／Ｎ比が向上し、より高い測定精度で研磨終点の検出を行うことが出来る。
ここで、以上に述べた終点検出装置２３により、散乱の影響の他にウェハ４のデバイスパターンによる回折の影響も除去できる理由を以下に詳しく述べる。上述のようにデバイスパターンで反射された光はそれぞれ干渉し、高次の回折スポットを生じる。微細構造周期ｄで規則的に配列したパターンを考えると、光の波長をλ、反射光と入射光のなす角をθとすると、ｎ次の回折光は、（１）式により与えられ、一次以上の回折光は本来の信号光である０次光とは異なる角度を持ってレンズ３４に入射する。それ故１次以上の回折光は、遮光スリット１０上に於いて、０次光の回折位置であるレンズ３４の焦点位置とは異なる位置に回折スポットを生じる。遮光スリット１０は、上記のように、０次光の位置のみに開口があり、一次光以上の位置は遮光部分となっている。このため１次以上の回折光は、遮光スリット１０を透過することが出来ない。このように０次光のみを測定の信号光とすることで、ウェハ４のデバイスパターンに影響されず、高いＳ／Ｎ比で測定を行うことが出来る。上述の様にパターンの微細構造周期により回折スポットの位置が決定されるため、遮光スリットのスリット幅はパターンにより選択できるように可変に出来ようにすることが好ましい。こうすることでウェハ上の様々なパターンに合わせて測定を行うことが出来る。
【００３８】
［実施例５］
図７、図８は本実施例を示す図である。図８は本発明の全体図であり、図７は終点検出装置の近傍部分を示している。本実施例は、検出窓とスラリー層に対して実施例３と同じ処置を施し、基本的には実施例４に準じた光学系を用いるが、実施例４とは光源５が単一波長の光から白色光に、そして、受光素子９がリニアセンサ１９に置き替わっているところが、また、遮光エリア制御スリット１７、回折格子１８を新たに使用しているところが異なる。それ以外の構成は第４実施例と同じであるため、同等の機能を有する部材については同じ番号を付し説明を省略する。
【００３９】
第５実施例では光源５に多波長成分を持つ白色光源を使用している。白色光源としてはキセノンランプやハロゲンランプが好ましく使用出来る。光源５から出射した光はレンズ３０、３１およびビームスプリッター７を透過し、レンズ３２でほぼ平行光にされウェハ４に垂直に入射する。ウェハ４からの正反射光（０次光）はレンズ３２を透過し、ビームスプリッター７でその一部が反射される。ビームスプリッター７で反射された測定光はレンズ３３でほぼ平行光にされ、ミラー８で反射され、レンズ３４、３５を透過する。レンズ３５を透過した光は回折格子１８でそれぞれの波長に応じた方向に回折され、リニアセンサ１９に入射する。ここで遮光スリット１０は、実施例４と同様レンズ３４の焦点付近に設けてあり、その寸法は、正反射された信号光（０次光）のみが通過でき、１次以上の反射回折光が通過できないように調整されている。従って、ウェハ４上のデバイスパターンで正反射された測定光である０次の信号光のみが遮光スリット１０を透過できる。検出窓の上面及びスラリーによる散乱光は、実施例４と同様な処理が検出窓１４に施されているため、実施例４で述べた理由によりリニアセンサ１９には殆ど入射しない。
【００４０】
リニアセンサ１９は、入射した０次の信号光である正反射光のそれぞれの波長に対する反射光強度を測定し、信号処理装置４０に入力する。いまウェハ４上に形成されたシリカ（ＳｉＯ₂）の層間絶縁膜について考える。層間絶縁膜で反射された白色光の反射率は、膜厚に応じた分散特性を持つ。この後、［発明の実施の形態］で示された方法で膜厚を測定し研磨の終点を検出する。
【００４１】
本実施例の図７にはレンズ３０の後に遮光スリット１７が設けられている。これはウェハ４上のデバイスパターンや、スラリー２２の種類に応じてビームサイズおよび総光量を調節するためである。このため遮光スリット１７のスリット幅を可変出来る機構を設けることが好ましい。スラリー２２の研磨粒の種類により散乱の程度は異なる。このためそれぞれの研磨粒に応じたスリット幅を選択することで、異なるスラリーに応じて適切な終点検出を行うことが出来る。
【００４２】
本発明の終点検出装置は以上の光学系のみに限定されるものではない。他にも実際に回折スポットの出現の様子を画像で観察し、その画像のパターンから膜厚測定を０次光に限るという方法も可能である。反射光を充分な２次元の受光領域を有するＣＣＤ等のセンサで観察し、０次光を選別して、他の次数の光を非選別とし、その部分のみを計測するという方式である。このように他の様々な光学系においても適応することが出来る。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明に従えば、研磨状態特にデバイスウェハの膜厚計測及び工程の終点検出にあたって、ノイズとなりうる１次以上の回折光や、検出窓やスラリーでの散乱光の影響を低減することによってＳ／Ｎ比を低減し、計測の再現性を向上させ、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、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、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６】は、本発明の終点検出装置の実施例４の光学系の概要図である。
【図７】は、本発明の終点検出装置の実施例５の光学系の概要図である。
【図８】は、本発明の研磨装置を示す概要図である。
【図９】は、従来のＣＭＰ研磨装置を示す概要図である。
【符号の説明】
１パターンウェハ（研磨対象物）
２入射光（プローブ光）
３回折光
４測定ウェハ
５光源
６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（検出窓）
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または遮光スリット
１８回折格子
１９リニアセンサ
２０研磨体
２１研磨剤供給部
２２スラリー（研磨剤）
２３終点検出装置（研磨状態測定装置）
３０〜３５レンズ
４０信号処理装置

Claims

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電極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、前記信号光のスポットパターンの２次元分布の計測結果を基に前記信号光の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、前記信号光の適当な位置に設けられたスリットサイズが適時変動可能である遮光スリットによって前記選別された次数光のみを検出することを特徴とする検知方法。
請求項１に記載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２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電極層を研磨する研磨装置。
研磨対象物を保持する研磨ヘッドと研磨体とを具え、前記研磨体と前記研磨対象物との間に研磨液を介在させた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物を相対移動させることにより、前記研磨対象物を研磨する研磨装置であって、前記研磨体が具えた一個以上の検出窓を通してプローブ光を研磨対象物に照射し、その信号光（即ち反射光または透過光）を検出することによって研磨状態を測定する研磨状態測定装置を更に具え、前記信号光のスポットパターンの２次元分布の計測結果を基に、前記研磨状態測定装置は前記信号光の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、前記信号光の適当な位置に設けられたスリットサイズが適時変動可能である遮光スリットによって前記選別された次数光のみを検出することを特徴とする研磨装置。
前記研磨状態の測定が、研磨膜厚の検出、工程終了点の検出（終点検出）の片方または両方であることを特徴とする請求項４項記載の研磨装置。