JP4581427B2 - 膜厚評価方法、研磨終点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は膜厚評価方法、研磨終点検出方法に関し、特に、デバイスに形成される絶縁膜等を化学的機械研磨法によって研磨する際の膜厚評価方法および研磨終点検出方法に関する。

半導体デバイスの製造プロセスにおいては、ウエハ上に形成された絶縁膜や金属膜の研磨のために化学的機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing，ＣＭＰ）が広く用いられている。このＣＭＰによる研磨では、絶縁膜等の研磨中の膜厚を適切に評価し、その研磨終了時点（「研磨終点」という。）を正確に把握することが必要になる。

従来、酸化膜や窒化膜のような透光性薄膜の研磨終点を検出する方法として、例えば、ウエハの研磨面に光を照射し、その反射光の分光強度分布を測定することによって研磨終点を検出する方法が提案されている（特許文献１参照）。この提案では、光源の光をレンズで平行光にしてウエハの研磨面に照射し、その反射光を遮光スリットによって０次元（正反射光）のみに選別して、その分光強度分布を測定している。そして、その測定された分光強度分布と、あらかじめ記憶された分光特性とのフィッティングによって研磨終点の検出を行っている。

また、透光性薄膜の研磨終点を検出する方法の別の例として、ウエハの研磨面に光を照射し、その反射光の色成分を検出することによって研磨終点を検出する方法も提案されている（特許文献２参照）。この提案では、光源の光をライトガイドで導いて研磨面に照射し、その反射光をライトガイドでカラー識別センサに導いて色成分を検出している。そして、その検出された色成分と、あらかじめ記憶された基準色成分とのフィッティングによって研磨終点の検出を行っている。
特開２０００−１８６９１８号公報（段落番号〔００３４〕〜〔００３６〕，図３〜図５） 特開２０００−１８３００１号公報（段落番号〔００３３〕〜〔００３６〕，図１，図９）

しかし、研磨面からの反射光の分光強度分布から研磨終点を検出する方法では、研磨面への照射光を厳密に平行光とする必要があり、その光学調整が難しい。また、この方法では、研磨面のわずかな傾きや集光光学系の収差などによって正反射光が狭い遮光スリットの外側に結像してしまい、遮光スリットを通過する正反射光が少なくなって検出に用いられる光の強度が弱くなり、検出感度が低くなってしまう場合がある。さらに、この方法の場合、照射光と反射光とを分離するためのビームスプリッタを用いた照射・受光光学系が必要になるため、それによっても光の利用効率が低くなってしまう。

また、研磨面からの反射光の色成分から研磨終点を検出する方法では、カラー識別センサが反射光を分光せずにその色成分を検出するため、ＲＧＢの細かな色分析に限界があり、研磨終点を正確に検出できない場合がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、膜を研磨する際にその研磨中の膜厚を正確に評価することのできる膜厚評価方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、膜の研磨中の正確な膜厚評価を行ってその研磨終点を検出することのできる研磨終点検出方法を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、前記膜を研磨する際には、前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄを前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚ｄに対する割合△ｄ／ｄが１／５以下になるように設定して前記膜を研磨し、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記膜厚ｄを導出することを特徴とする膜厚評価方法が提供される。
また、半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、前記膜を研磨する際には、前記時間差△ｔと既知の研磨レートとの積を前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄに設定して前記膜を研磨し、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出することを特徴とする膜厚評価方法が提供される。
また、半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、前記膜を研磨する際は、前記膜の屈折率をｎ、前記反射スペクトルの測定波長範囲をλ₁〜λ₂としたときに、前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄを△ｄ≦λ₂／（４ｎ）又はλ₁／（４ｎ）≦△ｄ≦λ₂／（４ｎ）の範囲に設定して前記膜を研磨し、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出することを特徴とする膜厚評価方法が提供される。

このような膜厚評価方法によれば、研磨中の膜に光を照射し、一定時間隔てた研磨時間における膜の反射スペクトルについて差分信号を求め、その差分信号を解析することによって研磨中の膜の膜厚を導出する。このように反射スペクトルの差分信号を求めることにより、研磨中に照射した光の反射光の特定成分を選択的に高強度かつ低ノイズで得ることができるようになり、このような差分信号を用いることで膜の研磨中の正確な膜厚評価が可能になる。

さらに、本発明では、導出された前記膜の膜厚に基づき研磨終点を検出することを特徴とする研磨終点検出方法が提供される。

このような研磨終点検出方法によれば、研磨中の膜に光を照射して一定時間隔てた研磨時間における膜の反射スペクトルの差分信号を解析することにより、研磨中の膜の膜厚を正確に評価することができるようになるため、その評価結果に基づいて精度良く研磨終点を検出することが可能になる。

本発明の膜厚評価方法は、膜の研磨中に測定された反射スペクトルの差分信号を用いるため、研磨中に照射した光の反射光の特定成分を選択的に高強度かつ低ノイズで得ることができ、そのような差分信号を用いることで膜の研磨中の膜厚評価を高精度で行うことができる。また、膜の研磨時にこのような膜厚評価を行うことで、その膜の研磨終点を高精度で検出することができる。それにより、その製造過程において膜の研磨が行われるような半導体デバイス等を高歩留まりかつ高スループットで製造することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、半導体デバイスの製造過程でウエハに形成された絶縁膜等の薄膜を研磨する場合を例に、詳細に説明する。
まず、ウエハに形成されている薄膜の研磨時の膜厚評価に用いる光学モデルについて説明する。

研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ₁（ｘ）とし、研磨時間ｔから比較的短い時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ₀（ｘ）とする。このとき、反射率Ｒ₁（ｘ），Ｒ₀（ｘ）はそれぞれ次式（１），（２）の光学モデルで表される。

Ｒ₁（ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂ……（１）
Ｒ₀（ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂ……（２）
ここで、Ａ，Ｂは比例定数である。実際の半導体デバイス製造におけるウエハ研磨の場合、比例定数Ｂは波数ｘに対する依存性を有しているが、研磨中の膜厚変化△ｄに対して変化が緩慢であるため、次式（３）で表される差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）をとることによって除去することができる。

Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）
＝Ａ〔ｃｏｓ（４πｄｘ）−ｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝〕
＝２Ａｓｉｎ（２π△ｄｘ）・ｓｉｎ｛２π（２ｄ＋△ｄ）ｘ｝……（３）
この式（３）で表される光学モデルは、１／（２ｄ＋△ｄ）を１周期とする短周期のｓｉｎカーブに１／△ｄを１周期とする長周期のｓｉｎカーブが重畳された形になっている。したがって、研磨時間ｔ，ｔ−△ｔにおける波数ｘの光の反射率測定によって得られる反射スペクトルの差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）について、その短い周期から２ｄ＋△ｄが求まり、そこから所定の△ｄを差し引いて１／２を掛けたものが膜厚ｄとなる。

このように、研磨時間ｔにおける膜厚ｄは、その時の反射率Ｒ₁（ｘ）と、その時から時間差△ｔだけ遡った研磨時間ｔ−△ｔにおける反射率Ｒ₀（ｘ）との差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）を上記光学モデルを用いて解析することによって導出することができる。

ここで、研磨中の膜厚変化△ｄは、研磨レートと時間差△ｔの積から求めることができるが、研磨中の研磨レートがばらつきをもつため不確定要因となる。このような要因でばらつきの生じる膜厚変化△ｄが膜厚ｄに与える影響を抑えるには、次のような２つの方法が考えられる。

１つは、膜厚変化△ｄの膜厚ｄに対する割合を１／５以下に抑える方法である。この方法によれば、膜厚変化△ｄのばらつきが膜厚ｄに与える影響を１／１０以下に抑えることができるようになる。例えば、△ｄ／ｄ＝１／５とすれば、膜厚変化△ｄのばらつきが±５％の場合、そのばらつきが解析によって得られる膜厚ｄへ与える影響は±０．５％に抑えられるようになる。もう１つは、膜厚変化△ｄを求めるための研磨レートを定数とせず、前のウエハを研磨したときに得られた研磨レートを次の研磨にフィードバックして用いる方法である。

ここで述べたような光学モデルを薄膜の膜厚評価に用いるメリットは、主に、（ｉ）反射光の干渉成分以外の光の影響を除外でき、（ii）適当な条件を選べば差分信号の振幅強度を単一反射スペクトルのときの２倍程度に増幅することができる、という点にある。

まず（ｉ）については、反射光はウエハの回路パターン以外の領域（「非回路領域」という。）では光学理論に従った干渉成分を含むが、ポリシリコン成膜やトレンチ形成等により複雑に回路パターンが作り込まれた領域（「回路領域」という。）では散乱成分が主体的になると考えられる。干渉成分の応答は、研磨による膜厚変化に対応してスペクトルが俊敏に変化するのに対し、散乱成分の応答は、膜厚変化に対して非常に緩慢である。したがって、上記のように比較的短い時間差△ｔでの差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）をとれば、干渉成分を選択的に取り出すことができるようになる。

そして、（ii）については、時間差△ｔの間の研磨量、すなわち上記膜厚変化△ｄを適当な値にすれば、反射率Ｒ₁（ｘ），Ｒ₀（ｘ）の２つの反射スペクトルの位相が反転するようになるため、差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）の振幅強度を反射率Ｒ₁（ｘ），Ｒ₀（ｘ）の単一の反射スペクトルの２倍程度に増幅することができるようになる。この（ii）の点を実現するためには、差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）の振幅が最大になる波数ｘを測定範囲内に入れる必要がある。薄膜の屈折率をｎ、測定波長範囲をλ₁〜λ₂とすれば、式（３）から次式（４Ａ）、好ましくは式（４Ｂ）が必要条件となる。

△ｄ≦λ₂／（４ｎ）……（４Ａ）
λ₁／（４ｎ）≦△ｄ≦λ₂／（４ｎ）……（４Ｂ）
図２は光学モデルを用いた計算結果の一例である。

この図２には、表面に薄膜としてＳｉＯ₂膜が形成されたＳｉウエハを想定し、そのＳｉＯ₂膜を研磨する際の上記光学モデルに基づく計算結果を示している。図２において、横軸は媒質中波数ｘ（ｃｍ^-1）、縦軸は反射率Ｒ₁（ｘ），Ｒ₀（ｘ）または差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）を表し、点線は反射率Ｒ₀（ｘ）、実線は反射率Ｒ₁（ｘ）および差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）をそれぞれ示している。

ここで、計算に用いた各層の屈折率はＳｉ＝４、ＳｉＯ₂＝１．５とし、研磨剤として用いられるスラリーに含まれる水の屈折率は水＝１．３３とし、簡略化のためこれらのいずれの屈折率についてもその波長分散は無視している。また、ＳｉＯ₂膜の膜厚ｄ、膜厚変化△ｄ（研磨量）は、それぞれ５００ｎｍ、１００ｎｍとしている。

図２より、差分信号Ｒ₁（ｘ）−Ｒ₀（ｘ）の振幅は、波数ｘ＝２５０００ｃｍ^-1で最大となり、かつ、その振幅の絶対値は、反射率Ｒ₁（ｘ），Ｒ₀（ｘ）の単一スペクトルの振幅の２倍になる。このように、ＳｉＯ₂膜を研磨する際には、適当な研磨量を設定し、その研磨前後における測定波長範囲での反射スペクトルから差分信号を求めることで、上記光学モデルを用いた高精度な膜厚評価を行うことが可能になる。

図１はデバイス製造装置の構成例を示す図である。
この図１に示すデバイス製造装置１は、ＣＭＰ装置であって、表面側に研磨パッド２が取り付けられた回転テーブル３、および回転式の研磨ヘッド４を有している。研磨時には、研磨パッド２上にスラリー５を滴下しながら、研磨ヘッド４に貼り付けたウエハ１０を研磨パッド２に押し付け、回転テーブル３および研磨ヘッド４を共に回転させて、ウエハ１０表面を研磨する。研磨パッド２には、研磨時にウエハ１０が配置される部分に石英でできた覗き窓２ａが設けられており、また、この覗き窓２ａに対応する回転テーブル３の部分には貫通孔３ａが形成されている。

回転テーブル３の裏面側には、研磨パッド２の覗き窓２ａに対向して、ウエハ１０の反射率測定を行うための主要装置として光学ヘッド６および分光反射率測定装置７が配置されている。光学ヘッド６は分光反射率測定装置７に接続され、分光反射率測定装置７にはコンピュータ８が接続されている。デバイス製造装置１では、コンピュータ８によってウエハ１０の反射率測定に伴うデータ処理およびデータ保存その他反射率測定に必要な制御・処理が行われるようになっている。

なお、このデバイス製造装置１においては、研磨パッド２、回転テーブル３および研磨ヘッド４によって、膜を研磨する研磨手段が構成されている。また、光学ヘッド６、分光反射率測定装置７およびコンピュータ８によって、反射スペクトルを測定する反射スペクトル測定手段が構成されている。さらにまた、コンピュータ８によって、反射スペクトルの差分信号を算出する差分信号算出手段および差分信号を解析する差分信号解析手段が構成されている。

上記構成を有するデバイス製造装置１を用いて、ウエハ１０表面に形成されている薄膜を研磨する際の膜厚評価を行う。ここで、研磨中の薄膜の膜厚評価方法について具体的に説明する。

ここでは、図１に示すデバイス製造装置１を用い、ＩＣ（Integrated Circuit）を形成した６インチサイズのＳｉのウエハ１０に形成されているＳｉＯ₂の酸化膜の研磨を行う場合について述べる。ウエハ１０に形成されているＩＣは、そのサイズが３ｍｍ角であり、ＩＣ内にパワー用途のトレンチＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）とロジック回路が組み込まれた構造を有している。このようなウエハ１０について、非回路領域の酸化膜厚をスポットサイズ１０μｍφの光学式膜厚計（ナノメトリクス社製ナノスペック９１００）で測定したところ、２４４５ｎｍであった。

このウエハ１０を、研磨面側すなわち酸化膜側を表にして研磨ヘッド４に貼り付けて酸化膜を研磨パッド２に対向させ、この状態からウエハ１０を研磨パッド２に押し付け、スラリー５を滴下しながら研磨ヘッド４および回転テーブル３を回転させてウエハ１０の酸化膜を研磨する。研磨条件は、スラリー５にキャボット社製ＳＳ−２５を用い、研磨ヘッド４の研磨パッド２への押付け圧力を７．５ｐｓｉ（５１７ｈＰａ）、回転テーブル３の回転数を９０ｒｐｍとした。なお、事前の研磨実験から酸化膜の研磨レートは約７５０ｎｍ／分であることがわかっている。

研磨時の反射率測定は、覗き窓２ａおよび貫通孔３ａを通して行い、ウエハ１０が１回転するごとに１回測定した。反射率測定は、コンピュータ８、分光反射率測定装置７および光学ヘッド６により、所定の測定波長範囲の光をウエハ１０に照射し、その反射光を受光することによって行う。その際、ウエハ１０への照射光のスポットサイズは約１０ｍｍφとし、ウエハ１０面内の測定位置はウエハ１０の中心から４０ｍｍの位置とした。θ方向の位置は毎回ランダムである。

研磨および反射率測定は積算で１８３回（約２分間研磨）行い、得られた１１回目以降の各反射スペクトルについて、１０回遡った回の反射スペクトルとの差分信号をとった。遡る間隔を１０回分としたのは、測定波長範囲のうち波長領域４２０ｎｍ〜７２０ｎｍにおいて差分信号のピークが得られるようにあらかじめ研磨量（膜厚変化△ｄ）を８３ｎｍに設定しているためである。

図３および図４はデバイス製造装置で得られた反射スペクトルの代表例である。
この図３および図４において、横軸は媒質中波数（ｃｍ^-1）、縦軸は反射率（％）または差分信号（％）を表している。また、図３において、点線は反射率測定１回目の反射スペクトル、実線は反射率測定１１回目の反射スペクトルおよびそれらの差分信号を示している。同様に、図４において、点線は反射率測定１５５回目の反射スペクトル、実線は反射率測定１６５回目の反射スペクトルおよびそれらの差分信号を示している。

図３および図４に示す反射スペクトルから、反射率測定１回目や１１回目といった単一の反射スペクトルではノイズの影響が大きく、このような反射スペクトルからウエハ１０表面の酸化膜の膜厚測定は困難である。これに対し、図３および図４に示したように、反射率測定１回目と１１回目、あるいは１５５回目と１６５回目の差分信号ではノイズが顕著に抑えられ、反射光の干渉成分による振幅がはっきりと観測されるようになる。また、上記光学モデルから期待された通り、差分信号の振幅は単一反射スペクトルの２倍程度に増幅される。

この図３および図４に示したような差分信号から短い周期を求めることにより、酸化膜厚を導出することができる。周期を求める方法としては、例えば、図３や図４の所定波数間隔内にある波の数をその所定波数間隔で割ることにより求めることができる。この処理は非常にシンプルであり、コンピュータ８によって反射率測定周期の中で算出することが可能である。

図５は積算回数と酸化膜厚の関係を示す図である。
この図５において、横軸は反射率測定（または研磨）の積算回数（回）、縦軸は酸化膜厚（ｎｍ）を表し、１０回間隔の反射スペクトルの差分信号周期から求めた酸化膜厚を積算回数に対してプロットしている。

図５より、差分信号から得られる酸化膜厚は、積算回数の増加とともに直線的に減少する傾向が認められ、このデバイス製造装置１による膜厚評価によってウエハ１０研磨中の酸化膜厚のモニタリングが精度良く行われているということができる。

研磨後、ウエハ１０の非回路領域についてその酸化膜厚を、研磨前に用いた上記光学式膜厚計で測定したところ、酸化膜厚は１０４３ｎｍであり、図５に示した研磨終点の酸化膜厚と非常に良い一致が認められた。

このように、この膜厚評価方法によれば、ウエハ１０に形成された酸化膜の研磨中の膜厚を精度良くリアルタイムに測定することができる。そして、この膜厚評価方法を研磨終点検出に用いることにより、酸化膜の残膜厚を高精度に制御することが可能になる。

なお、ウエハ１０の酸化膜の膜厚評価または研磨終点検出のための反射率測定を確実に行うためには、照射光がウエハ１０の回路領域と非回路領域に入射する割合を毎回同じにする必要がある。そのためには、照射光のスポットサイズを、ウエハ１０から形成されるＩＣチップのチップサイズ以上にする必要がある。

また、上記の例では、酸化膜の残膜厚が１μｍ程度であるような、一般的な半導体デバイス形成における研磨としては比較的厚く薄膜を残す研磨を例にして述べたが、残膜厚が１μｍ以下となるような、より薄く薄膜を残すような研磨に対しても有効である。

しかしながら、上記図３および図４の測定結果から推察されるように、薄膜化によって差分信号の振幅の周期は次第に長くなる傾向があり、測定波長範囲内に極大値および極小値を持たなくなると膜厚評価は困難になる。例えば、膜厚評価に伴う反射率測定対象が屈折率１．５の酸化膜で測定波長範囲を４２０ｎｍ〜７２０ｎｍとした場合、評価が困難となるような酸化膜厚は約１７０ｎｍである。したがって、ここで述べた膜厚評価方法および研磨終点検出方法は、屈折率１．５の酸化膜に対しては残膜厚１７０ｎｍ以上の場合の膜厚評価および研磨終点検出に有効になる。

以上説明したように、本発明の膜厚評価方法では、研磨中の膜に所定の測定波長範囲の光を照射しその反射率を測定して反射スペクトルを取得し、適当な時間（あるいは研磨回数や反射率測定回数）間隔の反射スペクトルについてそれらの差分信号を求め、その差分信号を解析することによって膜厚を評価する。このように差分信号を用いることで、反射光の散乱成分を抑えて干渉成分を高強度かつ低ノイズで得ることができるので、研磨中の膜の高精度の膜厚評価が可能になり、また、このような膜厚評価を行うことによって高精度の研磨終点検出が可能になる。その結果、半導体デバイスを高歩留まりかつ高スループットで製造することが可能になる。

また、本発明の膜厚評価や研磨終点検出に用いられるデバイス製造装置は、その光学系に反射率測定が可能な通常の分光反射率測定装置を用いることができるので、正反射光だけを検出するような複雑な光学系は不要であり、製造装置や製品の低コスト化を図ることが可能になる。

本発明の膜厚評価方法および研磨終点検出方法は、半導体デバイス製造で行われる薄膜研磨のほか、種々の膜の研磨時の膜厚評価および研磨終点検出にも用いることができる。また、本発明のデバイス製造装置は、半導体デバイス製造のほか、研磨時の膜厚評価や研磨終点検出が必要な種々の膜の研磨にも適用可能である。

デバイス製造装置の構成例を示す図である。 光学モデルを用いた計算結果の一例である。 デバイス製造装置で得られた反射スペクトルの代表例（その１）である。 デバイス製造装置で得られた反射スペクトルの代表例（その２）である。 積算回数と酸化膜厚の関係を示す図である。

符号の説明

１ デバイス製造装置
２ 研磨パッド
２ａ 覗き窓
３ 回転テーブル
３ａ 貫通孔
４ 研磨ヘッド
５ スラリー
６ 光学ヘッド
７ 分光反射率測定装置
８ コンピュータ
１０ ウエハ

Claims (7)

1. 半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、
   研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、
   膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、
   前記膜を研磨する際には、前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄを前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚ｄに対する割合△ｄ／ｄが１／５以下になるように設定して前記膜を研磨し、
   前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記膜厚ｄを導出することを特徴とする膜厚評価方法。
2. 半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、
   研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、
   膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、
   前記膜を研磨する際には、前記時間差△ｔと既知の研磨レートとの積を前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄに設定して前記膜を研磨し、
   前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出することを特徴とする膜厚評価方法。
3. 半導体ウエハに形成された膜の研磨中の膜厚を評価する膜厚評価方法において、
   研磨時間ｔにおける薄膜の膜厚をｄ、この研磨時間ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₁ （ｘ）とし、研磨時間ｔから時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔ−△ｔにおける薄膜の膜厚をｄ＋△ｄ、この研磨時間ｔ−△ｔにおける媒質中での波数ｘの光に対する反射率をＲ ₀ （ｘ）とし、Ａ，Ｂを比例定数としたとき、Ｒ ₁ （ｘ）が、Ｒ ₁ （ｘ）＝Ａｃｏｓ（４πｄｘ）＋Ｂで表され、Ｒ ₀ （ｘ）が、Ｒ ₀ （ｘ）＝Ａｃｏｓ｛４π（ｄ＋△ｄ）ｘ｝＋Ｂで表される光学モデルを用いて、
   膜の研磨中に前記膜の表面に光を照射して時間差△ｔを隔てた研磨時間ｔおよび研磨時間ｔ−△ｔの反射スペクトルの差分信号を求め、前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出し、
   前記膜を研磨する際は、前記膜の屈折率をｎ、前記反射スペクトルの測定波長範囲をλ₁〜λ₂としたときに、前記時間差△ｔの間の前記膜の膜厚変化△ｄを△ｄ≦λ₂／（４ｎ）又はλ₁／（４ｎ）≦△ｄ≦λ₂／（４ｎ）の範囲に設定して前記膜を研磨し、
   前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、前記膜厚変化△ｄを用いて前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出することを特徴とする膜厚評価方法。
4. 前記差分信号を解析することによって前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出する際には、
   前記差分信号の周期を求め、求めた前記周期を用いて前記研磨時間ｔにおける前記膜の膜厚を導出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚評価方法。
5. 前記反射スペクトルは、波数依存性を有する光学モデルを用いて表され、前記反射スペクトルの差分をとることによって前記差分信号では波数依存性が除去されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚評価方法。
6. 前記膜が複数のチップを形成するためのウエハに形成され、前記膜の表面に照射する光のスポットサイズを前記チップのサイズ以上とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚評価方法。
7. 導出された前記膜の膜厚に基づき研磨終点を検出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の研磨終点検出方法。

Images