JP4487370B2 - 研磨状態測定装置及び測定方法及び研磨装置及び半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置、例えば、半導体素子形成や、磁気ヘッド形成などの研磨プロセスに於いて研磨状態を測定する測定装置及び測定方法及び研磨装置及び半導体デバイス製造方法に関する。
【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、高密度実現のため、種々な技術、方法の開発が進められている。その一つが、多層配線であり、これに伴う技術的課題に、半導体ウェハ上のグローバルな（比較的大きなエリアでの）デバイス面の平坦化および、上下層間の配線がある。
【０００３】
リソグラフィ工程の露光波長の短波長化、更には高ＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ）に伴う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、多層配線実現のために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）の要求も大きく、この場合、金属層の積層後の余分な金属層の除去及び平坦化を行わなければならない。これらの、大きなエリアでの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing またはPlanarization ）は、物理的研磨作用と化学的な研磨作用（研磨剤の溶液による溶かし出し）とを併用して、ウェハーの表面層を除いていく工程で、グローバル平坦化および、電極形成技術の最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、適当な研磨パッドで、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】
この工程の一般的な要求課題の大きなものとして、研磨工程の終了点の検知がある。ことに、研磨工程を行いながらの（in-situ の）研磨終了点の検出は、工程効率化のためにも要請が大きい。
【０００５】
検出方法のひとつとして、目的研磨層と異なった層へ研磨が進んだときの摩擦変動を、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用いられている。この方法は、異なる層の研磨開始を検知する金属層の研磨時等に有効な場合もあるが、ある種の電極金属層（バリアメタル層をもったＣｕ層など）の研磨の際の検出に対しては有効でないことが指摘され、しかも精度の上で不十分である。更に、研磨パッドの表面の機械的性質の経時変化によって、検出が困難になることも報告されている。
【０００６】
以上の問題を解決した、汎用性が高く、且つ測定精度が高い研磨終了点検出装置として光学的検出装置が知られている。図１１は従来の研磨終了点検出装置を示す。図１０はこの研磨終了点検出装置のＣＭＰ装置への取り付け状態の概要を示したものである。図１０にて３０は研磨パッド、３１は定盤、３３は研磨対象物保持部( ホルダ) 、４は研磨対象物( ウェハ）、３５は研磨剤供給部、３６は研磨剤（スラリー）である。研磨パッド３０としては、発泡ポリウレタンよりなるシート状のもの、あるいは表面に溝構造を有した無発泡樹脂からなるものが使用されている。ホルダ３３は、不図示の加圧手段によりウェハ４を研磨パッド３０に加圧するとともに、不図示の手段により軸Ａを中心に矢印１００の方向に回転し、また定盤３１は不図示の手段により軸Ｂを中心に矢印１０１の方向に回転する。更に軸Ａは、軸Ｂに直線的に近づいたり離れたりという揺動をする。これらの過程でウェハ４は、研磨剤３６と研磨パッド３０の化学的作用と機械的作用によりその被研磨面が研磨される。
【０００７】
上記研磨過程中に、ウェハ表面が所定量研磨されて平坦化したかどうかを、研磨終了点測定装置８０が測定する。図１０において８０は測定装置、２３は上記プローブ光と反射信号光が透過するための透光窓である。この測定のために測定装置８０から出射したプローブ光は透光窓２３を透過してウェハ４の被研磨面に照射され、被研磨面からの反射信号光は透光窓２３を逆向きに透過して研磨終了点測定装置により検出される。反射信号光強度は残膜厚に依存し、反射信号光強度を測定すれば残膜厚を求めることができるのである。
【０００８】
図１１は、図１０の研磨終了点測定装置８０の概要を示したものである。図１１にて１１０は光源、２００、２１０はレンズ、１２０はビームスプリッタ、２２０はレンズ、４はウェハ、２３０はレンズ、１３０は光検出器、３００は信号処理装置である。光源１１０を出射したプローブ光はレンズ２００、２１０およびビームスプリッタ（以下、ＢＳと呼ぶ）１２０を透過する。ＢＳ１２０を透過したプローブ光はレンズ２２０を透過し、ウェハ４にほぼ垂直に入射する。ウェハ４で反射された反射信号光はレンズ２２０を透過し、ＢＳ１２０でその反射光の一部が反射される。ＢＳ１２０で反射された信号光はレンズ２３０で集光され、光検出器１３０に入射する。光検出器１３０で反射信号光は光電変換され、反射光信号として信号処理装置３００に入力し、信号処理され研磨状態が求められる。いま金属電極膜の埋め込みのための金属電極薄膜の研磨工程を考えると、金属電極薄膜積層後の余分な金属薄膜が研磨により除去されていくため、金属薄膜表面からの反射光は小さくなっていく。余分な金属薄膜が除去されると金属電極薄膜の面積は変化しなくなるため、反射信号光の強度も変化しなくなる。このような反射信号光の強度変化をモニタすることで、ウェハの研磨終点の検出を行うことが出来る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上に説明したようなＣＭＰ装置における研磨終了点を研磨中に光学的に検知する測定装置は、開発が進められてはいるが、様々なプロセスへのＣＭＰプロセスの適用が進展し、ＣＭＰプロセスが多様化するにつれ、新たな問題が生じて来ている。
【００１０】
そのうちの一つが、研磨剤の物性変動である。工程が化学反応を利用しているＣＭＰプロセスでは、研磨剤中のイオン成分が変化することなどにより、研磨剤の光学的性質が研摩の進行と共に変化する。例えば、Ｃｕプロセスにて、Ｃｕ層が研磨され、Ｃｕイオンが研磨剤中に溶け出すと、研磨剤が緑色を呈するようになることである。
【００１１】
このような研磨剤の光学的性質の変化は、研磨剤の層を通してプローブ光や反射信号光をやり取りしている測定装置において反射信号光の大きさを変化させ、研磨状態を光学的に測定する際の大きな障害となる。ウェハ表面の反射光（や透過光）の変動から研磨状態をモニタリングするのが光学的測定の基本的な原理であるので、研磨剤の光学的性質の変動は測定信号光にノイズとして働くからである。
【００１２】
更に、プローブ光として白色光を用い、ウェハ面からの反射光の分光特性から、研磨工程をモニタする測定装置は、その分光特性の極大や極小（いわゆるピークやボトム）を利用することが多々ある。すなわち極大や極小の出現や消滅、出現した極大または極小波長の移動量、出現した極大値または極小値の変化量などである。このような場合は、研磨剤の光学特性の変化は、以上のような分光特性の極大や極小の測定に対するノイズとなることは明白である。
【００１３】
本発明の目的は、以上のような研磨剤の光学的性質の変動があっても、高精度にまた安定的に研磨状態を測定できる測定装置、及び測定方法、更には高精度且つ高歩留り、または安価に研磨できる研磨装置、また更には高品質または低コストな半導体デバイス製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明では、第一に、表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に、プローブ光を被研磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化により研磨状態を測定する装置であり、前記プローブ光を発する光源と、前記信号光を受光する光検出器と、前記光検出器から出力する光信号を前記研磨剤の変化する光学特性のデータにより補正する光信号補正手段と、を具えることを特徴とする測定装置を提供する。
【００１５】
ここで、前記光検出器から出力する光信号を前記研磨剤の変化する光学特性により補正する光信号補正手段とは、前記光信号を予め取得され記憶された研磨剤の変化する光学特性を用いて補正する手段、または、前記光信号を研磨対象物を通過せず研磨剤を通過した参照信号との比較測定を行うことにより補正する手段、等のことを言う。
【００１６】
また、第２に、前記光信号補正手段が、予め計測、または予測計算により取得された研磨剤の変化する光学特性のデータを用いて、前記光信号を補正することを特徴とする請求項１記載の測定装置を提供する。
【００１７】
また、第３に、前記研磨剤の変化する光学特性のデータを、信号光計測の適時の参照値として使用することにより前記補正を行うことを特徴とする請求項１〜２何れか１項記載の測定装置を提供する。
【００１８】
また、第４に、複数の研磨剤での工程を有する場合に、各研磨剤の、変化する光学特性のデータを経時的あるいは同時に用いることにより前記光信号を補正することを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の測定装置を提供する。
【００１９】
また、第５に、前記光信号補正手段が、前記信号光をブランク面からの参照信号光と比較測定することにより、前記光信号を補正することを特徴とする請求項１記載の測定装置を提供する。
【００２１】
また、第６に、表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去しながら、プローブ光を被研磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化により研磨状態を測定する測定方法であり、前記反射信号光を光検出器により受光する段階と、前記光検出器から出力する光信号を研磨剤の変化する光学特性により補正する段階と、を具えることを特徴とする測定方法を提供する。
【００２２】
また、第７に、表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤層を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に、プローブ光を前記研磨剤層に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方の信号光の変化を検知することにより研磨剤の光学的性質の変化を検出する段階と、前記変化を検出することにより研磨状態を測定する段階と、を具えることを特徴とする研磨状態を測定する測定方法を提供する。
【００２３】
また、第８に、基板を保持する保持部と、研磨体と、請求項１〜５何れか１項記載の測定装置と、を具え、前記基板と前記研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で、前記基板と前記研磨体との間に荷重を加え、双方の間に相対運動を与えることにより基板を研磨する際に、工程終了点の検知が可能なようにされたことを特徴とする研磨装置を提供する。
【００２４】
また、第９に、請求項９記載の研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を研磨する段階を具えることを特徴とする半導体デバイス製造方法を提供する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態１、２、３、４を限定された図を用いて説明するが、本発明はこれらの図に示される範囲に限定されるものではない。
［実施形態１］
図４は本実施形態の測定装置を示し、図３は、この測定装置が具える信号処理装置を示し、信号処理装置１５は補正部１７、参照値記憶部２０、信号処理部１９を具える。図５はこの測定装置の測定対象のＣＭＰ装置を示す。図５のＣＭＰ装置自体は既に説明した図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じであるので、冗長さを避けるために動作説明を省く。
【００２６】
図４の測定装置にて、１は多波長成分光を放射する光源であり、好ましくは白色光源であり、キセノンランプやハロゲンランプを使用することが出来る。また、白色ＬＥＤも使用可能である。光源１から出射したプローブ光はレンズ２、３およびビームスプリッタ（以下ＢＳと呼ぶ）５を透過し、レンズ６でほぼ平行光にされ、研磨剤（図５の研磨剤３６）を透過して、研磨対象物（ウェハ）４に垂直に入射する。
【００２７】
ここで、本発明の測定装置が測定対象としているのは、特に、表面に薄膜またはパターンの片方または両方を有するウェハである。プローブ光のスポット径は、ウェハの照射面に於いて、好ましくはパターンの最小単位よりも大きくされる。この様子を半導体ウェハ上の金属電極層５０の研磨を例に図６に示す。
【００２８】
プローブ光はパターン面で反射し、その反射信号光は再び研磨剤（図４の研磨剤３６）、レンズ６を逆向きに透過し、ＢＳ５でその一部が反射される。尚、ここでプローブ光と反射信号光は図５に示した透光窓を透過し、透光窓には通常石英ガラスが嵌め込まれている。ＢＳ５で反射された反射信号光はレンズ７でほぼ平行光にされ、ミラー１４で反射され、レンズ９で絞り１０の開口部に集光され、０次光のみが透過され、１次以上の回折光は絞り１０のスクリーン部により遮断される。開口部を透過した０次の反射信号光はレンズ１１を透過し、回折格子１２で分光され、異なる波長の光は異なる角度に回折され、異なる角度に対応する複数の分離された微小な光検出素子を具えたリニアセンサ１３に入射することにより反射信号光の分光特性が検出される。
【００２９】
ここで、検出される反射信号光は、図６により分かるように、デバイスを構成する積層薄膜の各層の境界からの光波（図６のａ．ｂなど）および、各部分からの反射光波（図６の１００、２００、３００）の重ね合わせで生じた波長依存性（分光特性）を見せ、空間コヒーレンス長、パターンの密度、パターンの精細度、及び膜厚に依存した光干渉効果の結果、多数個の極大極小値（ピ−ク）を持ったものとなる。この辺りの技術については特願平１１−２６８１２３に開示されている。更に、ウェハ上で反射する信号光は、光検出器で受光される前に研磨剤を透過しているので、前に説明したように、研磨の進行と共に変化するウェハ上のデバイスパターンの形状の変化に依存して変化すると共に、研磨剤の光学的性質（その結果として透過率）の影響を受け、研磨剤の光学的性質が変化する場合にはこの変化にも依存して変化する。
【００３０】
上記リニセンサ１３の出力である光信号（分光反射率信号）は、図３に示される信号処理装置１５に入力する。ここで信号処理装置１５は参照値を記憶した参照値記憶部２０、光信号を補正する補正部１７、補正された光信号から研磨状態を演算する信号処理部１９を具える。補正部１７に入力する光信号１６は、参照値記憶部２０から呼び出された参照値信号２１に基づいて補正され、補正された光信号１８が信号処理部１９で処理されて研磨状態が求められる。
【００３１】
本発明は、以上のように、変化する研磨剤の光学特性（その結果として透過率）の変化の影響を考慮して反射信号光や透過信号光を解析し、研磨状態を測定する。
【００３２】
以下、光信号の補正方法について詳しく説明する。
【００３３】
本測定装置は、補正のために、研磨剤の物性変化による光学特性変化の影響を除去するために、研磨剤の変化する光学特性や分光特性のピークまたは谷のデータを事前に取得し、これを、光信号（この例では分光反射率信号）の信号処理時に用いる。
【００３４】
即ち、研磨剤の光学特性の変化は、例えば、化学的研磨作用により被研磨物から溶かし出されたイオンが研磨剤に混入することによって生じるので、その変化の様子（研磨剤の分光特性や、分光特性中のピークや谷のデータ（どの波長に吸収ピークが現れるか、等））は、事前に、実際に研磨を実行して、研磨剤の光学特性の変化を予め追跡し、そのデータを測定により取得して用意しておくことができる。また、この研磨剤の光学特性の変化は、既知の、イオンの吸光度、等を用いた理論予測によって事前に計算しておくこともできる。この計算は、時間と共に変化する研磨剤による光吸収、光散乱等の光学特性や、プローブ光を発する光源の放射スペクトルや、レンズ等の光学素子の分光透過率特性や、光検出器の分光感度特性、等の要素部品の特性を用いて行われる。
【００３５】
以上、事前に取得された研磨剤の光学特性（即ち、分光特性、または分光特性中のピークまたは谷の位置または高さデータの片方または両方）は、図３に示された参照値記憶部２０に記憶されており、この研磨剤の分光特性は、通常は、研磨対象物（ウェハ）の被研磨面を反射せず、被研磨面の情報を持たない点でのみ分光反射率信号と異なるものとしておくことが後の信号処理を簡便にする点で好ましい。
【００３６】
具体的な補正は、光信号と、事前に取得された参照値信号（即ち、分光特性信号、または分光特性中のピークまたは谷の位置または高さ信号の片方または両方）とを演算処理することにより行われる。更に具体的には、分光反射信号光の光信号１６と、参照値記憶部２０から呼び出された参照値信号２１とを比較することによって補正を行うことができる。
【００３７】
好ましい補正方法の第一としては、例えば、補正部１７が、光信号１６を参照値信号２１で除算することにより信号光１６の参照値信号２１に対する比率を求める。更には、研磨の経過時間に対応した参照値信号を次々と呼び出して前記比率を次々と演算する。このようにすることにより、研磨剤の変化する光学特性が相殺されるので、演算して補正された光信号を、変化する研磨剤の光学特性の影響を受けないで、測定対象のウェハの表面情報のみの変化を反映したものとすることができる。この補正方法は以下実施例で詳しく説明される。
【００３８】
好ましい補正方法の第二としては、例えば、補正部１７が、光信号１６から分光特性中のピークまたは谷の位置と高さを除去することにより補正する。更には、研磨の経過時間に対応した分光特性のピークまたは谷の位置と高さの信号を次々と呼び出して除去する補正を行う。
【００３９】
以上の第一、第二の方法、等の補正方法を取ることにより、反射信号光の分光反射率中の極大や極小（いわゆるピークや谷）の、出現や消失や高さ（強度）の変化や波長位置の変化を正確に測定することができるので、研磨状態の測定精度と安定性が向上する。
【００４０】
この測定装置は、図８で示されるようなＣｕ電極層を研磨するＣＭＰ工程中に見られるように、研磨剤の光学的性質が経時的に変化する場合に有効に用いられる。
【００４１】
更にまた、図７に示すようにバリアメタルを付随したＣｕ層のＣＭＰ工程などのように、Ｃｕ層２６やＴｉＮ層２７の複数の層を研磨する場合は、各層に適した異なる種類の研磨剤を用いる必要がある。この場合には、その各研磨剤の各々の光学特性の経時変化データを予め参照値として取得しておく。これらの各参照値は、経時的に用いることも、異なる研磨剤を混合して用いる場合のように、同時に組み合わせて用いることもある。
［実施形態２］
本実施形態の測定装置は、実施形態１と同様に、基本的には図４で概要が示される。実施形態１の測定装置とは以下の点で異なる。図５には測定対象のＣＭＰ装置の概要が示される。図５のＣＭＰ装置自体は図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じで説明済であるので、冗長さを避けるために動作説明を省く。
【００４２】
照射プローブ光はレンズ６を透過後に研磨対象物の薄膜またはパターンの片方または両方が形成された面に照射され、照射プローブ光の反射信号光がレンズ等光学部品を通って光検出器１３で検出され取得される点は実施形態１と同様である。本実施形態では、このとき反射信号光のみでなく、研磨対象物の薄膜またはパターンのどちらも形成されていない参照ブランク面からの参照信号光も取得するのである。これは、ウェハ４が研磨工程中に移動しているために、照射プローブ光が、薄膜やパターンが形成されている研磨状態の測定対象面に照射されることも、パターンが形成されていないブランク面に照射されることもあるために可能なことであり、この測定対象面に照射されているかブランク面に照射されているかの判断のためにプローブ光の照射位置の特定を行う。この特定技術については特願平１１−１８９３８８に詳しく開示されている。
【００４３】
この測定対象面からの反射信号光とブランク面からの参照信号光は、相次いで光検出器１３で検出され、信号処理装置１５で、この反射信号光の信号（反射光信号）が参照信号光の信号により除算されることにより反射光信号が補正され、この補正された反射光信号が信号処理されることにより研磨状態が求められる。
【００４４】
以上の説明では、反射信号光と参照信号光とは異なるタイミングで取得されるが、図４の測定装置の照射光学系を反射信号光と参照信号光用とに２系統設けることにより、反射信号光と参照信号光とを同時に比較測定することにより反射光信号の補正を行うことができる。
【００４５】
以上のように、演算して補正された光信号は、研磨剤の変化する光学特性が相殺されているので、変化する研磨剤の光学特性の影響を受けないで、測定対象のウェハの表面情報のみの変化を反映したものとなっており、研磨状態を正確に且つ安定に測定できる。
【００４６】
以上実施形態１、２に於いて共通して、補正された光信号は、信号処理装置で処理され、分光特性の変化に基づいて研磨状態が測定される。
［実施形態３］
本実施形態の測定装置を図４に示す。図５には測定対象のＣＭＰ装置の概要が示される。図５のＣＭＰ装置自体は図１０のＣＭＰ装置と本質的に同じで説明済であるので、冗長さを避けるために動作説明を省く。
【００４７】
本測定装置は、実施形態１、２の測定装置とは異なり、研磨剤の光学特性変化そのものにより研磨状態を測定する。このために、照射プローブ光は研磨剤層に照射され、研磨剤層からの反射信号光が光検出器１３により検出され、その研磨剤の光信号は信号処理装置１５で処理される。この処理のために、事前にデータ取りのための研磨が行われ、研磨の残膜厚と光信号との関係が測定により取得されている。このデータの取得はイオン吸光度や散乱率を用い理論計算によって行っても良い。このようにして各々の研磨剤独自のピークの変化等を測定することにより研磨状態を測定することができる。
【００４８】
以上の測定にあたって、反射信号光には研磨剤層の情報のみが含まれ、ウェハの測定対象面である薄膜やパターンからの信号成分は含まれないことが好ましい。そのために照射光がブランク面を照射していることを判定（特定）し、ブランク面のみからの反射光信号を取得する。ブランク面を判定しないで測定できるように、別に、ウェハとは別の研磨剤に接するように配置された測定用基板から反射光信号を取得しても良い。
【００４９】
この方法は、ＣＭＰ工程を簡便にモニタし、工程進行の目安を得ることができる点で優れた方法である。
［実施形態４］
図１２は、半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセスをスタートして、まずステップＳ２００で、次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択する。選択に従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４のいずれかに進む。
【００５０】
ステップＳ２０１はシリコンウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ、等によりシリコンウェハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はシリコンウェハ上に電極膜を蒸着、等の工程で形成する電極膜形成工程である。ステップＳ２０４はシリコンウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００５１】
ＣＶＤ工程もしくは電極膜形成工程の後で、ステップＳ２０９に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうかを判断する。行わない場合はステップＳ２０６に進むが、行う場合はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程であり、この工程では、本発明の研磨装置を用いて層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイスの表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene ）の形成等が行われる。
【００５２】
ＣＭＰ工程または酸化工程の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程である。フォトリソ工程では、シリコンウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウェハの現像が行われる。さらに次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行い、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
【００５３】
次にステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００５４】
本発明に係る半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明に係る測定装置を具えた研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程での研磨終了点の検知精度が向上することにより、ＣＭＰ工程での測定精度が向上しまた歩留まりが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて高品質且つ低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。
【００５５】
なお、図１２に示した半導体デバイス製造プロセスの他の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程にも本発明を用いることが出来る。
【００５６】
以上、実施形態１、２、３、４により本発明を説明した。
【００５７】
実施形態１、２、３で、図４により限定して表示された光学系を用いて本発明を説明したが、本発明はこの光学系を用いる場合に限定されない。
【００５８】
実施の形態１、２、３で、図４の測定装置はプローブ光を半導体デバイスのパターン面側から照射しているが、プローブ光はウェハの裏面側から照射することも出来る。この場合、光源は赤外域での多波長成分光源が必要になる。
【００５９】
また、実施形態1 、2 、３の多波長成分の光源１としては白色光源のように可視域で連続的に比較的広いスペクトル範囲を有する光源であっても、比較的半値幅の狭い複数のスペクトルの光を発光する光源であっても、赤外光源でも、紫外光源であっても良い。更には本発明は、分光しないで測定する場合のみならず、単色光を発する光源で測定する場合も含まれる。
【００６０】
また、実施形態1 、2 、３に於ける研磨状態の測定とは、薄膜の残膜厚の測定、または研磨終了点の測定の何れか一方または両方であり、図７で示したバリア層を有する金属層の研磨プロセスや図８で示した金属層の研磨プロセスのみならず、図９に示す層間絶縁膜の研磨プロセスにも適用可能である。
【００６１】
さらにまた、実施形態１、２、３で説明した測定装置は、測定を図５のＣＭＰ装置の透光窓を通すことによって行っていたが、本発明はこの方法に限定されるものではない。例えば、ウェハが研磨パッドと相対運動を行う過程で、ウェハが研磨パッドの外側にずれて飛び出した瞬間に測定することは好ましい方法である。また研磨パッドがウェハよりも小さい研磨装置においては、ウェハが研磨パッドからはみ出して露出している部分に対して測定することもできる。
【００６２】
【実施例】
実際に図４にその概要が示された測定装置を、図５にその概要が示されたＣＭＰ装置に適用して、６インチシリコンウェハ上の撮像素子デバイスのＣｕダマシン（象嵌）形成のためのＣＭＰ工程における研磨終了点検出を試みた。本実施例は、本発明の実施形態の説明で用いたものと同じ概要図、図４を用いて説明されるが、より限定的となる。研磨対象の撮像素子は、最小線幅約０．３μｍ、最小単位長約１μｍの構造を持ち、図７にその概要図を示す。この撮像素子デバイスのバリアメタル２７はＴａの窒化物（膜厚約６０ｎｍ）である。図５のＣＭＰ装置は、透光窓２３が、定盤３1 に穿たれた約１ｃｍ×４ｃｍの矩形孔と、研磨パッドの加工面とほぼ同一面にその上面を持つ石英ガラス製の窓から成り、石英ガラス窓の少なくともその片面に、プローブ光と反射信号光の波長域における反射防止コートを施した。図５のＣＭＰ装置自体は、図１０にその概要を示すＣＭＰ装置とは上記窓構造の記載を除いて同一構造であり既に説明済であるので、冗長さを避けるために説明を省く。 図４の測定装置にて、１はキセノンランプ光源である。光源１から出射したプローブ光はレンズ２、３およびビームスプリッタ（以下ＢＳと呼ぶ）５を透過し、レンズ６でほぼ平行光にされ、研磨剤（図５の研磨剤３６）を透過して、Ｃｕダマシン（象嵌）を形成するための撮像素子デバイスのウェハ上に垂直に入射する。
【００６３】
ここで、プローブ光のスポット径は、約０．５ｍｍΦであった。ウェハ４からの反射信号光は再び研磨剤（図５の研磨剤３６）、レンズ６を逆向きに透過し、ＢＳ５でその一部が反射される。ＢＳ５で反射された反射信号光はレンズ７でほぼ平行光にされ、ミラー１４で反射され、レンズ９により、光軸上に開口部を有する絞り１０上に集光されて、散乱光、回折光などの０次光以外の成分が除去され、レンズ１１を透過する。レンズ１１を透過した反射信号光は回折格子１２で分光され、異なる波長の光は異なる角度に回折され、異なる角度に対応して光ダイオード型のリニアセンサ（２５６素子）１３で検出することにより分光反射信号光が検出された。計測波長範囲は約４００ｎｍから８００ｎｍである。リニアセンサからの光信号は増幅後、信号処理装置１５に入力される。ここで信号処理装置１５は図３に概要を示すように参照値を記憶した参照値記憶部、光信号を補正する補正部、補正された光信号から研磨状態を演算する信号処理部とを具える。
【００６４】
ここで、図３の参照値記憶部には、予め計測された、研磨時間と共に変化する研磨剤の分光特性が記憶されている。図１のａは研磨の初期の分光特性を示し、図１のｂはイオンが溶け出した状態での分光特性を示す。この測定は、図４に概要を示すＣＭＰ装置にて、研磨中あるいは研磨後に、ホルダにアルミニウム金属板の研磨対象物を保持することにより測定可能である。
【００６５】
研磨は、研磨剤として、アルミナ粒を砥粒としたものを用い、研磨レートは約３００nm/minで行った。研磨が進行すると、研磨剤へのＣｕイオンの溶けだしにより、研磨剤が着色し、６００ｎｍ付近での吸収が大きくなった。
【００６６】
本実施例では以下のようにして研磨剤の着色の影響を除いた。
【００６７】
信号処理装置に入力された光信号は、補正部にて、参照値記憶部から呼び出された参照値信号により除算される。この除算された光信号は、研磨剤の光学特性をレファレンスとして測定した測定値と同等であり、研磨剤の光学特性とは無関係である。従って、更に、研磨開始後の経過時間に対応する研磨剤の光学特性を次々と適宜呼び出して、除算を行えば、時間とともに変化する研磨剤の光学特性とは無関係に、撮像素子デバイスの研磨状態にのみ依存する補正された光信号を得ることができた。
【００６８】
以上のように補正された光信号は、以下のように信号処理した。
【００６９】
Ｃｕのような金属層研磨の工程においては、研磨の初期状態は、ウェハの殆ど全面が金属層に覆われた状態であり、研磨の進行によって、部分的に金属層が除去され、パターン構造が露出してくる。本例においては、研磨進行による光の強度の変化というよりは、パターンが出現することによる、パターン各部分からの光波の重ね合わせ、すなわち、パターン間の干渉現象が発現することを捉えて、検知する。ここで処理される光信号は、研磨剤の影響を除去してあるので、研磨状態を正確に且つ安定的に検知することができた。例えば、図７に概要を示す素子の研磨において（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は各々、研磨初期、バリアメタル層露出、誘電体層露出の段階を示しているが、上記方法で、バリアメタル層の露出という工程終了点を、精度よく捉えることができた。このバリアメタル層を有する金属層の研磨に対する分光反射率信号の変化を図２に示すが、研磨初期の実線の波形から、一点鎖線の波形を経て、破線の波形へのような明確な変化を見せたために、残膜厚も工程終了点も高精度且つ安定的に検出することが出来た。
【００７０】
【発明の効果】
［請求項１］本発明では、研磨状態の測定に於いて、研磨剤の光学特性の変化の影響を補正するので、研磨状態の測定が、高精度且つ安定的になされる。
［請求項２］本発明では、事前に研磨剤の光学特性データを取得しておくので、研磨状態測定時に研磨剤を測定する必要がない。
［請求項３］本発明では、研磨剤の光学特性データを参照値として信号光を測定するので、補正が容易に出来る。
［請求項４］本発明では、研磨工程に於いて研磨剤を変えるか、または混合して用いる段階があるとき、これに応じて異なる研磨剤の光学特性データを経時的に用い、或いは同時に用いるので、研磨剤を変えるか、または混合して用いる段階があるときでも、研磨状態の測定が、高精度且つ安定的に出来る。
［請求項５］本発明では、研磨工程に於いて、信号光を研磨剤からの参照信号光と比較測定することにより補正するので、補正が簡単で、且つ研磨剤の光学特性データを事前取得する必要がない。
［請求項６］本発明では、研磨状態の測定に於いて、研磨剤の光学特性の変化の影響を補正するので、研磨状態の測定が、高精度且つ安定的になされる。
［請求項７］本発明では、研磨剤層からの信号光のみにより研磨状態を測定するので、測定が簡単で特にＣｕ層の研磨プロセスに於いて適している。
［請求項８］本発明では、請求項１〜５何れか１項記載の測定装置を具えるので、デバイスパターンを有するウェハを、高精度に且つ歩留り良く研磨でき、特にＣｕ層の研磨プロセスに適している。
［請求項９］本発明では、請求項８記載の測定装置により半導体デバイスを研磨するので、本発明で製造した半導体デバイスは、高品質、または安価である。
【００７１】
請求項１〜請求項９の発明に共通して、これらの発明は、特にＣｕ層の研磨プロセスに於いて効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】経時変化する研磨剤の光学特性の研磨初期（ａ）、イオンが溶け出した段階での光学特性を示す。
【図２】研磨の各段階での信号波形の変化を示す。
【図３】本発明の信号処理装置を示す。
【図４】本発明の研磨状態測定装置を示す。
【図５】本発明の測定装置を説明するためのＣＭＰ装置の一例を示す。
【図６】本測定装置の測定時の、プローブ光と半導体デバイスのパターンとの関係の一例を示し、干渉の様子を示す。
【図７】バリア層を有する金属層研磨の各段階を示す。
【図８】金属層研磨プロセスを示す。
【図９】層間絶縁膜研磨プロセスを示す。
【図１０】従来例のＣＭＰ装置を示す。
【図１１】従来例の光学式測定装置を示す。
【図１２】半導体デバイス製造プロセスの例を示すフローチャートを示す。
【符号の説明】
１ 多波長成分光源（白色光源（キセノンランプ））
２ レンズ
３ レンズ
４ 研磨対象物（ウェハ）
５ ビームスプリッタ（ＢＳ）
６ レンズ
７ レンズ
８ 研磨状態測定装置
９ レンズ
１０ 絞り
１１ レンズ
１２ 分光器（回折格子）
１３ 光検出器（リニアセンサ）
１４ ミラー
１５ 信号処理装置
１６ 光信号
１７ 補正部
１８ 補正された光信号
１９ 信号処理部
２０ 参照値記憶部
２１ 参照値信号
２２ 研磨状態信号
２３ 透光窓（石英ガラス窓）
２６ Ｃｕ層
２７ ＴｉＮ層
２８ ＳｉＯ₂ 層
３０ 研磨体（研磨パッド）
３１ 定盤
３３ 研磨対象物保持部（ホルダ）
３４ 研磨対象物（ウェハ）
３５ 研磨剤供給部
３６ 研磨剤（スラリー）
４１ 誘電体層
４２ Ｃｕ層
５０ 金属電極層
６０ 誘電体層
８０ 研磨終了点測定装置
１００ ウェハ回転方向
１０１ 研磨パッド回転方向
１２０ ビームスプリッタ
１３０ 光検出器
２００〜２３０レンズ
３００ 信号処理装置

Claims (9)

1. 表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に、プローブ光を被研磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化により研磨状態を測定する装置であり、前記プローブ光を発する光源と、前記信号光を受光する光検出器と、前
   記光検出器から出力する光信号を前記研磨剤の変化する光学特性のデータにより補正する光信号補正手段と、を具えることを特徴とする測定装置。
2. 前記光信号補正手段が、予め計測、または予測計算により取得された研磨剤の変化する光学特性のデータを用いて、前記光信号を補正することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記研磨剤の変化する光学特性のデータを、信号光計測の適時の参照値として使用することにより前記補正を行うことを特徴とする請求項１〜２何れか１項記載の測定装置。
4. 複数の研磨剤での工程を有する場合に、各研磨剤の、変化する光学特性のデータを経時的あるいは同時に用いることにより前記光信号を補正することを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の測定装置。
5. 前記光信号補正手段が、前記信号光をブランク面からの参照信号光と比較測定することにより、前記光信号を補正することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
6. 表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去しながら、プローブ光を被研磨面である前記薄膜上に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方または両方の信号光の変化により研磨状態を測定する測定方法であり、前記反射信号光を光検出器により受光する段階と、前記光検出器か
   ら出力する光信号を研磨剤の変化する光学特性により補正する段階と、を具えることを特徴とする測定方法。
7. 表面に薄膜を有する研磨対象物と研磨体との間に研磨剤層を介在させた状態で前記研磨体と前記研磨対象物とを相対移動させることにより前記薄膜の全体または一部を研磨により除去する際に、プローブ光を前記研磨剤層に照射して得られる反射信号光または透過信号光の何れか一方の信号光の変化を検知することにより研磨剤の光学的性質の変化を検出する段階と、前記変化を検出することにより研磨状態を測定する段階と、を具
   えることを特徴とする研磨状態を測定する測定方法。
8. 基板を保持する保持部と、研磨体と、請求項１〜５何れか１項記載の測定装置と、を具え、前記基板と前記研磨体との間に研磨剤を介在させた状態で、前記基板と前記研磨体との間に荷重を加え、双方の間に相対運動を与えることにより基板を研磨する際に、工程終了点の検知が可能なようにされたことを特徴とする研磨装置。
9. 請求項８記載の研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を研磨する段階を具えることを特徴とする半導体デバイス製造方法。

Images