JP4858798B2 - 研磨装置、研磨方法およびこの研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハや石英基板、ガラス基板等の研磨対象物を研磨加工する研磨装置および研磨方法に関し、特に半導体ウェハの被研磨面を精密に平坦研磨する研磨加工に適した研磨装置、研磨方法およびこの研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような研磨対象物を研磨加工するのに好適な研磨装置としてＣＭＰ装置がある。ＣＭＰ装置は従来からシリコン研磨ウェハ製造工程の最終工程である鏡面研磨加工に用いられており、ウェハ表面を化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing :ＣＭＰ）処理により平坦に鏡面研磨する研磨装置として用いられいる。一方、半導体デバイス製造工程では集積回路の高度集積化に伴い回路パターンの微細化や多層化が進みデバイス表面が平坦でなくなってきている。また、集積回路の線幅を狭小化して集積度を上げるため、光リソグラフィに用いる光源波長の短波長化が進んでおり、半導体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。このため、近年では立体的な多層の回路パターンを形成する過程で、半導体ウェハの表面を平坦に研磨加工するＣＭＰ(Chemical Mechanical Planarization :機械化学的平坦化、とも称される）処理が集積度向上に有望な手段と考えられており、このような研磨加工に適したＣＭＰ装置が求められている。
【０００３】
従来用いられてきたＣＭＰ装置は、その基本構成を図８に模式的に示すように、上面に研磨パッド１２１が取り付けられた研磨定盤１２２と、下面にウェハを吸着保持するウェハ保持部材１１２とを備えて構成される。研磨定盤１２２は下方に垂直に延びる定盤駆動軸１２３に支持され、図示しない駆動機構で水平面内に回転駆動される。ウェハ保持部材１１２は上方に垂直に延びるウェハ回転軸１１３に保持されており、図示しない回転機構で水平面内に回転駆動される。またウェハ保持部材１１２は図示しない揺動機構で研磨定盤１２２の径方向に揺動される。
【０００４】
このように構成されるＣＭＰ装置１０１では、ウェハＷの研磨加工は研磨定盤１２２とウェハ保持部材１１２を同一方向または反対方向に回転させ、研磨パッド１２１のパッド面にスラリーを供給しながらウェハ保持部材１１２を下降させてウェハＷをパッド面に圧接し、さらにウェハ保持部材１１２を研磨定盤１２２の径方向に往復揺動させることで行う。これにより、パッド面と当接しながら相対移動されるウェハＷの被研磨面が、パッド面との間に介在するスラリーの機械的および化学的研磨作用を受けて平坦に研磨加工（ＣＭＰ処理）される。
【０００５】
研磨加工中には、その研磨状態を in-situ計測して研磨終点を検出する終点検出が行われる。従来から行われてきた終点検出方法としてトルク検出法がある。これは、ウェハＷと研磨パッド１２１との間の摩擦係数変化を、研磨定盤１２２を回転駆動するモータまたはウェハ保持部材１１２を回転駆動するモータのトルク電流値の変化を検出することで間接的に検出するものである。
【０００６】
しかしながらトルク検出法が有効に機能するのは、メタルＣＭＰのように研磨終点近傍で摩擦抵抗が大きく変化するＣＭＰプロセスに限定され、層間絶縁膜ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに適用することができない。また、この方法で間接的に検出される情報は被研磨面全体の平均化された摩擦抵抗であるため、研磨のばらつきが大きいときには信号変化が明確に現れず、研磨終点を検出できない場合があるという問題があった。
【０００７】
そこで、近年ではウェハＷの表面状態を直接光学的に計測して終点検出を行う研磨装置が考案されている。この研磨装置１０２は図９に略示するように、研磨定盤１２２の一部に孔部を設けるとともに、研磨パッド１２１に透光部１２５を設け、研磨定盤１２２の裏側に配設した光学測定装置１３０からウェハＷの被研磨面にプローブ光を照射し、反射光を検出してその強度変化やスペクトル分布から終点検出を行うものである。
【０００８】
このような研磨装置によれば、メタルＣＭＰやＳＴＩ−ＣＭＰのみならず層間絶縁膜ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに対しても終点検出を行うことが可能である。また、この方法で検出される情報は被研磨面全体の平均化された情報ではなく、プローブ光が照射するスポット領域の情報であるため、確実に研磨終点を検出できると考えられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した研磨装置１０２で種々のウェハについて繰り返し研磨加工を実施してみると、ウェハごとに研磨終了点がわずかずつ異なっていることが見出されてきた。すなわち、理想とする研磨終了状態に対して過剰研磨や研磨不足のウェハが見出されるのである。これは、終点検出の判定が理想的な研磨終了点に対してばらついていることを意味し、このばらつきを抑制して判定精度を向上させることが、ＣＭＰプロセスの効率的な管理およびＣＭＰ装置のスループットを向上させるうえで重要な技術的課題になっていた。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定することができる研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明はさらに、このような研磨装置を用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、発明者はまず終点検出の判定が理想的な研磨終了点に対してばらつく理由について検討し、以下の要因を見出した。第１の要因は、ウェハにおけるダイ領域(チップ領域)の位置やダイ領域内のパターン位置によって成膜状態や研磨レートが異なることである。すなわち、ウェハに形成されたダイ領域(チップ領域)には描画密度や精細度が異なる様々なパターンが存在しており、このパターンの疎密に応じて研磨レートが異なっている。また、比較的均一なパターンを有する場合であっても、ウェハ上におけるダイ領域の位置によって成膜厚さや研磨レートが異なる場合があるのである。
【００１３】
なお、本明細書にいう「ダイ領域(チップ領域)」とは、ウェハ上にストリートで区画され形成されたデバイスパターンの形成領域をいい、ダイシング後に一つのダイ(チップ)を構成する領域をいう。
【００１４】
第２の要因は、光学測定装置１３０で測定した表面状態がどの位置の表面状態であるか明確でない点である。すなわち、測定位置がウェハ面上におけるどのダイ領域であるのか、またダイ領域におけるどのパターン位置であるのかが従来では不明であった点である。
【００１５】
このため、従来の研磨装置では光学測定装置１３０が研磨レートが速い位置（ダイ領域やパターン位置）を測定したときには研磨終了点が早まり、その結果として全体的に研磨不足が生じ、逆に研磨レートが遅い位置を測定したときには研磨終了点が遅れて全体的に過剰研磨が生じていたのである。以上の検討結果から発明者は前記目的を達成するため以下に示す解決手段を発明した。
【００１６】
本発明は、研磨部材（例えば実施形態における研磨パッド）と、研磨対象物（例えば実施形態におけるウェハＷ）を保持し当該保持した研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部（例えば実施形態におけるウェハホルダ１２）とを備え、研磨部材を対象物保持部に保持された研磨対象物に当接させながら研磨部材と研磨対象物とを相対移動させて研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、プローブ光を被研磨面に照射する照明部、および照射されたプローブ光の被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部を備え、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部を有し、光学測定部が被研磨面の研磨加工中に被研磨面における特定位置の表面状態を測定するように研磨装置を構成する。
【００１７】
上記構成の研磨装置には、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部が設けられており、この光学測定部は研磨加工中に被研磨面の特定位置の表面状態を測定する。ここで、「被研磨面の特定位置」とは、被研磨面上に特定される所定の位置をいい、例えば上述した半導体ウェハの例においては、ウェハ面上における特定(特定番地)のダイ領域や、特定のダイ領域内における特定のパターン位置、あるいはダイ領域外に設けた特定の基準領域等をいう。本構成によれば、光学測定部が常に被研磨面上の特定位置の表面状態を測定するため、被研磨面の表面状態の変化を的確に捉えることができ、従って、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定可能な研磨装置を得ることができる。
【００１８】
ここで、研磨装置には、研磨対象物の回転角度位置および対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出する角度位置検出部を備え、光学測定部は、角度位置検出部からの検出信号に基づいて特定される位置における反射または透過信号光を検出することにより、特定位置の表面状態を測定するように構成される。
【００１９】
このため、本構成の研磨装置によれば、プローブ光が照射される同一円周上において、回転角度位置を特定することにより常に一定位置を特定することができ、このように特定される特定位置の表面状態の変化を的確に捉えることができる。
【００２０】
また、上記研磨対象物は半導体ウェハであり、角度位置検出部は、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出して半導体ウェハの回転角度位置を検出し、光学測定部は、角度位置検出部によって検出されるノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定する。
【００２１】
このため、本構成の研磨装置によれば、半導体ウェハに形成されたノッチ（Notch）又はオリエンテーションフラット（Orientation flat）を角度位置の基準として直接利用するため、被研磨面上の位置の特定を容易に行い、且つ特定位置の位置精度を向上させることができる。また角度位置検出用に他の被検出部を設ける必要がないため、研磨装置を簡明化することができる。
また、同心円状の膜厚のばらつきを測定することができるため、残膜厚の厚い部分について重点的に研磨加工させる等、よりきめ細かな加工制御を行うことができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを補正しつつ的確な研磨終点の判定を行うことが可能な研磨装置を構成することができる。
なお、角度位置検出部は、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットの位置と一定の関係を有する位置で対象物保持部に取り付けられたミラーからの反射光を検出して対象物保持部の回転角度位置を検出し、光学測定部は、角度位置検出部によって検出される反射光の検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定することもできる。
【００２２】
さらに、プローブ光の被研磨面への照射位置を研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における被研磨面からの反射または透過信号光を受光可能に構成するとともに、プローブ光が照射される半径方向位置を検出する位置検出部を備え、角度位置検出部および位置検出部からの検出信号に基づいて被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した特定位置の表面状態を測定するように研磨装置が構成される。
【００２３】
上記構成によれば、被研磨面が回転軸まわりに回転されて同一周上の特定位置の表面状態を測定可能なほか、測定位置が被研磨面の径方向に相対移動可能に構成されて、被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した特定位置の表面状態を測定する。このため、一定の回転円周のみならず被研磨面上の任意の位置を特定して当該特定位置の表面状態の変化を的確に捉えることができる。
【００２４】
なお、研磨部材は研磨部材を研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して研磨装置に取り付けられ、上記照明部と光検出部とが別個に設けられた第２の移動機構に支持されて研磨対象物の半径方向に移動可能に研磨装置が構成される。このような構成によれば、研磨条件に左右されることなく、別個独立した測定条件を設定することができる。
【００２７】
なお、光検出部は被研磨面で反射された反射光のうち０次光成分のみを選択的に取り出して被研磨面の表面状態を測定するように研磨装置を構成することが好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る研磨方法は、研磨部材と、研磨対象物を保持し当該保持した研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部とを備え、研磨部材を対象物保持部に保持された研磨対象物に当接させながら研磨部材と研磨対象物とを相対移動させて研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置による研磨方法であって、研磨部材は、研磨部材を研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して研磨装置に取り付けられ、プローブ光を被研磨面に照射する照明部、および照射されたプローブ光の被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部は、第１の移動機構と別個に設けられた第２の移動機構に支持されて研磨対象物の半径方向に移動可能であり、プローブ光の被研磨面への照射位置を研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における被研磨面からの反射または透過信号光を受光可能に構成される。
そして、角度位置検出部を用いて研磨対象物の回転角度位置および対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出し、位置検出部を用いてプローブ光が照射される半径方向位置を検出し、照明部および光検出部を備え、被研磨面の表面状態を光学的に
測定する光学測定部を用いて、角度位置検出部および位置検出部からの検出信号に基づいて被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した位置における反射または透過信号光を検出することにより、被研磨面の研磨加工中に被研磨面における特定位置の表面状態の変化を測定し、測定される特定位置の表面状態の測定結果に基づいて研磨加工を制御する。
ここで、研磨対象物は半導体ウェハであり、角度位置検出部を用いて、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出することにより半導体ウェハの回転角度位置を検出し、光学測定部を用いて、角度位置検出部によって検出されるノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定するようになっている。
【００２９】
以上のように構成された研磨装置による研磨対象物としては半導体ウェハがあり、本発明に係る半導体デバイス製造方法は、以上のような構成の研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有して構成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。説明では、まずダマシンプロセス（Damascene process）において埋め込んだ金属膜をメタルＣＭＰで平坦化し電極配線を形成する場合について説明する。第１実施形態に係るＣＭＰ装置１はその概要構成を図１に示すように、上面にウェハＷを吸着保持するウェハテーブル１０と、その上方に位置して下面に研磨パッド２１が取り付けられる研磨ヘッド２０と、ウェハＷの表面状態を測定する光学測定部３０とを備えて構成され、ウェハＷの中心位置の表面状態を測定して研磨加工を行うＣＭＰ装置である。
【００３１】
ウェハテーブル１０は、ウェハホルダ１２とこのウェハホルダ１２から下方に垂直に延びてウェハホルダ１２を支持するホルダ駆動軸１３とを有して構成され、図示しない回転駆動機構によりホルダ駆動軸１３の回転軸Ａまわりに回転駆動される。ウェハホルダ１２の上面には、ウェハＷを背面側から吸着保持する保持機構が設けられるとともに、ウェハＷの中心をウェハホルダ１２の回転軸Ａに一致させるリテーナリングが設けられている（ともに不図示）。これによりウェハＷはその中心位置が回転軸Ａと一致するように吸着保持され、回転駆動機構により所定の回転速度で水平に回転される。
【００３２】
研磨ヘッド２０は、下面に研磨パッド２１が取り付けられるヘッド部材２２と、このヘッド部材２２を支持して上方に垂直に延びるスピンドル軸２３とを有して構成され、スピンドル軸２３が図示しない回転駆動機構により回転軸Ｂまわりに回転駆動されて、下端に取り付けられた研磨パッド２１を所定の回転速度で水平面に回転させる。
【００３３】
ウェハＷの研磨加工はウェハホルダ１２とヘッド部材２２を同一方向または反対方向に回転させ、研磨パッド２１の中心からスラリーを供給しながら研磨ヘッド２０を下降させて研磨パッド２１をウェハＷの被研磨面に圧接し、さらに研磨ヘッド２０をウェハＷの中心部と外周部との間を半径方向に往復揺動させることで行う。これにより、ウェハＷの被研磨面がパッド面との間に介在するスラリーの機械的および化学的研磨作用を受けて平坦に研磨加工される。
【００３４】
このＣＭＰ装置１では、図示するように研磨パッド２１の直径をウェハＷの直径よりも小さく構成している。このため、このような形態のＣＭＰ装置によれば、前述した従来のＣＭＰ装置に比べて装置全体を小型に構成することができる。また、このようなＣＭＰ装置では研磨パッド２１が研磨加工を行っている領域を除いてウェハＷの被研磨面が露出される。このため、ヘッド部材２２（従来技術における研磨定盤１２２）に孔を設けたり研磨パッドに透光部を設けたりすることなく、被研磨面の表面状態を測定することができる。
【００３５】
第１実施形態に係るＣＭＰ装置１では、ウェハ上の特定位置を計測する手段としてウェハＷの回転中心位置の表面状態を光学測定部３０で測定する。
【００３６】
光学測定部３０は、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射光検出器３３および図示しないレンズ光学系などからなり、光源３１から射出されたプローブ光を回転軸Ａに沿ってウェハＷの中心位置に照射し、被研磨面上に所定スポット径（例えばφ100μｍ〜数百μｍ程度）の円形のビームスポットを形成する。ウェハＷからの反射信号光はビームスプリッタ３２で反射され、反射光検出器３３で受光される。光学測定部３０は、反射光検出器３３で検出される反射信号光の光強度と図示しないプローブ光検出器で検出されるプローブ光の信号強度からプローブ光に対する反射信号光の光強度の比、すなわち被研磨面の反射率を測定する。
【００３７】
ウェハＷは、前述したリテーナの作用によりウェハＷの中心位置が回転軸Ａと一致するように位置決めされてウェハホルダ１２に吸着保持されている。このため、光源３１から射出されるプローブ光は、ウェハＷの着脱を行っても必ずウェハＷの中心位置に照射され、またプローブ光が回転軸Ａ上に照射されるため、ウェハＷが回転駆動されてもウェハ面上における測定スポット位置が変化することがない。従って、このような手段によりウェハＷの中心位置を特定してその表面状態の変化を測定することができる。
【００３８】
ここで、ダマシンプロセスにおけるメタルＣＭＰで、一定の配線パターンを有するウェハを連続して研磨加工したときに上記同様の光学測定部３０で検出される反射率Ｒの変化を図５に示す。研磨加工を開始した当初のウェハ表面には全面に金属層が形成されており、光学測定部３０で検出される反射率は高い値ＲMの状態でほとんど変化しない。一方、一定程度金属層の研磨加工が進むと、徐々に下地のバリア層（ストッパ層）が露出してくるため、検出される反射率は研磨加工の進行に伴い徐々に小さくなって行く。そして余分な金属層が除去されると金属電極の面積が変化しなくなるため、反射信号光の反射率も低い値ＲBで変化しなくなる。従って、このように検出される反射率Ｒを検出してその変化を測定することにより、反射率が所定の反射率（例えば、図におけるＲB）に到達したときに研磨加工の終了点すなわち研磨終点を判定することができる。
【００３９】
本実施形態に係るＣＭＰ装置１においては、光学測定部３０はウェハの中心位置が研磨ヘッド２０の揺動により研磨パッド２１で覆われている間を除き、同一位置（ウェハ中心位置のダイ領域、特定ダイ領域内のパターン位置）の表面状態を連続して計測している。従って、光学測定部３０で検出される反射率の変化特性は、ウェハの中心位置が研磨パッド２１で覆われている間を除き上記図５に示した特性と相似する特性となる。
【００４０】
また、光学測定部３０が測定している被研磨面上のパターンは、ウェハ中心位置のパターンとして特定されるため、当該パターンにおいて研磨終点に相当する反射率の値ＲBも既知である。従って、予め光学測定部３０に上記反射率の値ＲBを判定基準値として設定しておくことにより、ウェハＷを着脱交換しても的確かつ高精度に研磨終点を判定することができる。
【００４１】
このようにして判定された研磨終点は、ＣＭＰ装置１の作動を制御する作動制御装置８０に出力され、作動制御装置８０はこの判定信号に基づいて研磨加工を終了させる。従って、このようなＣＭＰ装置によって研磨加工されたウェハには研磨終了状態のばらつきがなく、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してＣＭＰ装置のスループットを向上させることができる。
【００４２】
次に、第２実施形態に係るＣＭＰ装置について図２を参照して説明する。このＣＭＰ装置２は、上面にウェハＷを吸着保持するウェハテーブル１０と、その上方に位置して下面に研磨パッド２１が取り付けられる研磨ヘッド２０と、ウェハＷの表面状態を測定する光学測定部３０と、ウェハＷの回転角度位置を検出する角度位置検出部４０とを備えて構成され、ウェハＷ中心から一定半径上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。
【００４３】
なお、本実施形態におけるウェハテーブル１０と研磨ヘッド２０の構成、および光学測定部３０の内部構成は前述の第１実施形態と同一であるため、同一部分に同一番号を付して重複説明を省略する。
【００４４】
このＣＭＰ装置２では、光学測定部３０のプローブ光照射位置がウェハホルダ１２の回転軸Ａ上ではなく、回転軸Ａから所定の半径距離ｒ1だけ離れた位置に設定されている。従って、光学測定部３０から照射されるプローブ光は、ウェハホルダ１２が回転駆動されたときに、ウェハＷの中心位置から半径ｒ1の同一円周上に位置するダイ領域およびパターンをトレースする。
【００４５】
このため、ウェハＷの回転（測定位置の変化）に伴って検出される反射率は変化し、その周期はウェハＷの１回転を周期として変化する周期的な信号（ミクロな変化信号）になる。一方、研磨加工中には、研磨加工の進展に伴って被研磨面の各位置の反射率がそれぞれ図５に示すように変化する（マクロな変化信号）。この変化はウェハＷの被研磨面全体で同様に生じることから、研磨加工中に連続測定を行ったときには、図５に示すマクロな反射率変化特性に上記ミクロな変化信号を付加したような反射率変化信号になる。
【００４６】
このようにして検出される反射率の変化信号は、上記マクロな変化特性の集合体であることから、半径ｒ1の回転円周上の位置（ダイ領域またはパターン位置）を特定して当該特定された位置の信号のみを抜き出すことにより、その特定位置の反射率変化特性（図５同様のマクロな反射率変化特性）を得ることができる。角度位置検出部４０はウェハＷの回転角度θを特定することによりｒ1，θでウェハ面上の位置を特定するための装置である。
【００４７】
角度位置検出部４０は、光源４１とこの光源４１からの光を検出する検出器４２とを有して構成される。光源４１から射出された光は所定の入射角度でウェハ表面の外周縁部に入射するように照射され、照射位置にウェハＷがあるときにウェハ表面で反射された反射光が検出器４２に入射し、照射位置にウェハＷが無いときに検出器４２に光源４１からの光が入射しない（または検出強度が低くなる）ようにアライメントされている。
【００４８】
このため、ウェハホルダ１２にウェハＷが保持されて回転駆動されると、照射位置をウェハＷが通過している間は検出器４２で反射光が検出され、照射位置をウェハＷに形成されたノッチまたはオリエンテーションフラットが通過している間には反射光が検出されない。従って、検出器４２で検出される光強度を計測することで、ウェハＷのノッチ等が通過する瞬間を検出することができ、この検出信号によりウェハＷの角度位置を特定することができる。角度位置検出部４０で検出される信号は光学測定部３０に出力される。
【００４９】
光学測定部３０では、角度位置検出部４０から入力される信号をトリガとして用い、半径ｒ1の回転円周上の角度位置θを特定する。例えば、光学測定部３０の測定位置と角度位置検出部４０の検出位置とが回転軸Ａを含む同一直線上にあり、角度位置検出部４０がノッチを検出したとき（例えば検出器４２の信号の立下がりまたは立上がり時）のウェハＷの角度位置をθ＝０度と規定すれば、このノッチの検出時に光学測定部３０が計測する反射率Ｒは、半径ｒ1、角度位置θ＝０度の位置（ｒ1,θ0で特定される特定位置）のパターンの反射率である。
【００５０】
光学測定部３０では、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置（ｒ1，θ0）の反射率信号のみを取り出して当該特定位置の反射率の変化を測定する。この場合に、得られる特定位置の測定データは、ウェハ１回転につき１回のサンプリングであるため離散的な反射率変化データとなるが、反射率が変化する領域の時間幅（図５において反射率がＲMからＲBに変化する時間幅）に対してサンプリング間隔が充分に短いため、実質的に図５と同様の反射率変化特性を得ることができる。
【００５１】
また、ノッチの検出信号から一回転周期内の所定の遅延時間ｔ（ディレイ）をおいて計測される反射率は、ウェハＷの半径ｒ1上においてθ＝０の角度位置から当該ディレイに相当する回転角度分回転した角度位置θtのパターンの反射率である。従って、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、特定位置（ｒ1，θt）の反射率信号のみを取り出すことで、ウェハＷの半径ｒ1上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００５２】
光学測定部３０は、このようにして得た特定位置の反射率変化特性から前述の実施例と同様にして研磨終点を判定する。従って、以上のように構成されるＣＭＰ装置２によれば、所定の半径上に位置する任意の位置（ダイ領域やパターン位置）を単数または複数特定して的確に研磨終点を判定することができる。
【００５３】
また、ＣＭＰ装置２では光学測定部３０でウェハＷの中心位置をモニターする必要がない。従って、研磨ヘッド２０の揺動範囲以外の適宜な半径位置を測定することで、光学測定部３０の測定スポットが研磨パッド２１で覆われることがなく、反射率測定が中断されることがない。このため、研磨加工中の膜厚変化をより細かくリアルタイムで測定することができ、高精度の終点検出を行うことができる。これにより、研磨終了状態にばらつきのないウェハを生産することができ、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してスループットを向上させることができる。
【００５４】
なお、以上説明した実施例では、ウェハＷの角度位置を検出する手段として、角度位置検出部４０でウェハＷのノッチまたはオリエンテーションフラットを検出する実施例を開示したが、角度位置検出手段はウェハＷの角度位置θを特定可能であればよく、ウェハホルダ１２の回転角度位置から間接的にウェハの角度位置を特定するものであっても良い。
【００５５】
例えば、ウェハＷのノッチ位置と一定の関係を有するウェハホルダ１２の上面位置や裏面位置、外周面等に小型のミラーを取り付け、このミラーの回転周上を角度位置検出部４０でモニターするように構成すれば、ウェハホルダ１２の回転によりミラーが光源４１の照射位置を通過するときに反射光の強度が高くなるため、この反射信号をトリガとして用いることで上述の実施例と同様に構成することができる。また、角度位置検出手段は、近接センサや磁気センサ等を用いて構成するものでも良く、ウェハホルダ１２の回転角度をロータリエンコーダ等で検出するものであっても良い。
【００５６】
次に、第３実施形態に係るＣＭＰ装置について図３を参照して説明する。このＣＭＰ装置３は、ウェハテーブル１０、研磨ヘッド２０、光学測定部３０およびウェハ角度位置検出部４０を備えるＣＭＰ装置２に対して、光学測定部３０を研磨ヘッド２０に取り付けることでウェハＷの半径方向に移動可能に設け、この移動経路上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。
【００５７】
すなわち、ＣＭＰ装置３では光学測定部３０が連結部材２６を介して研磨ヘッド２０に取り付けられており、研磨ヘッド２０の揺動作動に伴ってウェハＷの半径方向に往復移動（揺動）可能に構成されている。研磨ヘッド２０の揺動作動範囲は、光学測定部３０の測定スポットがウェハＷの中心（半径ｒ＝０）と外周縁部（ｒ＝ｒE）との間を往復移動するように設定される。研磨ヘッド２０の揺動機構にはヘッドの揺動位置を検出する揺動位置検出部が設けられており、この検出部で検出された揺動位置検出信号が光学測定部３０に入力される。
【００５８】
光学測定部３０は、揺動位置検出部から入力される揺動位置検出信号から、ウェハＷに対する測定スポットの半径方向位置ｒを求めるとともに、角度位置検出部４０から入力されるノッチの検出信号を基準として測定スポットの角度位置θを定める。ウェハＷ上にあるすべてのダイ領域およびダイ領域内のパターン位置は、上記二つの検出信号ｒとθとから、例えば（ｒ0，θ）や（ｒ1，θt）のように特定され、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置の反射率信号を取り出すことで、ウェハＷ上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００５９】
ＣＭＰ装置３では、光学測定部３０が研磨ヘッド２０とともに揺動移動し、その移動経路ｒ0〜ｒE上を通過するパターンの反射率を計測する。従って、ウェハホルダ１２の回転速度をヘッド部材２２の揺動移動速度よりも充分大きくし、あるいはこれらを同期制御することで、任意半径上にある同一位置（ダイ領域やパターン位置）を特定して反射率変化を測定することができる。このように特定される特定位置は光学測定部３０の移動範囲に複数設けることができ、ウェハ上の複数の半径位置で反射率の変化特性を測定することができる。
【００６０】
ウェハＷを回転させて研磨加工を行う回転系の研磨装置では、被研磨面の研磨膜厚のばらつきは、前述した配線パターンの違いによるばらつきの他に、一般的にウェハの半径方向位置に関連した同心円状のばらつきが存在する。
【００６１】
ＣＭＰ装置３では、異なる半径距離にある複数の特定位置の反射率計測が可能なため、上記同心円状の膜厚のばらつきまで測定することができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを考慮した的確な研磨終点の判定を行うことが可能になり、研磨品質の高いウェハを生産することができる。これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してスループットを向上させることができる。
【００６２】
次に、本発明に係る第４実施形態のＣＭＰ装置について図４を参照して説明する。このＣＭＰ装置４は、上述した第３実施形態のＣＭＰ装置３と異なり、光学測定部３０を独立した揺動機構によりウェハＷの半径方向に移動可能に設けて、この移動経路上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。なお、ウェハテーブル１０、研磨ヘッド２０、光学測定部３０の内部構成およびウェハ角度位置検出部４０等は既述した各実施例と同様である。
【００６３】
ＣＭＰ装置４では光学測定部３０が、図示しない揺動機構によりウェハＷの半径方向に往復移動（揺動）可能に構成されており、光学測定部３０の測定スポットがウェハＷの中心（半径ｒ＝０）と外周縁部（ｒ＝ｒE）との間を適宜な移動条件で往復移動可能に配設されている。揺動機構には光学測定部３０の移動位置を検出する移動位置検出部が備えられており、その検出信号が光学測定部３０に入力されている。
【００６４】
光学測定部３０は移動位置検出部から入力される検出信号から、ウェハＷ上における測定スポットの半径方向位置ｒを求め、またウェハ角度位置検出部から入力されるノッチの検出信号を基準として測定スポットの角度位置θを定める。前述したように、ウェハＷ上にあるすべてのダイ領域およびダイ領域内のパターン位置は、上記二つの検出信号ｒとθとから（ｒ，θ）として特定され、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置の反射率信号を取り出すことで、ウェハ上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００６５】
ＣＭＰ装置４では、光学測定部３０が独自の移動機構を有しているため、その移動速度や停止位置を任意に設定することができる。このため、ウェハホルダ１２の回転速度と研磨ヘッド２０の揺動速度との関係（研磨条件）等に左右されることなく、別個独立した測定条件を設定することができる。例えば、光学測定部３０の移動をウェハホルダの回転速度と同期させて移動計測を行い、あるいは光学測定部３０を断続的に移動させて同一半径上の多点計測や同一特定位置の複数回サンプリングを行うこと、所定の半径範囲に対して重み付けした計測を行うこと、などが可能である。
【００６６】
このため、独立した駆動系を有するＣＭＰ装置４によれば、研磨加工と並行して別個独立にウェハ上の任意位置の反射率計測が可能なため、前述したＣＭＰ装置３と同様にウェハ全面の反射率を計測して同心円状の膜厚のばらつきを測定することができ、さらに、残膜厚の厚い部分について反射率をモニターしながら重点的に研磨加工させる等、よりきめ細かな加工制御を行うことができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを補正しつつ的確な研磨終点の判定を行うことが可能な研磨装置を構成でき、研磨品質の高いウェハを生産することができる。また、これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理して高スループットのＣＭＰ装置を提供することができる。
【００６７】
なお、以上の各実施例では、研磨対象物として半導体ウェハを例示し、このウェハを平坦に研磨加工する場合について説明したが、研磨対象物は他の基板、例えば石英基板やガラス基板等であっても良く、また被研磨面の形状は回転対称であれば曲面（例えば凸断面や凹断面の曲面）であっても良い。
【００６８】
また、ＣＭＰ装置として、ヘッド部材２２の直径がウェハホルダ２２の直径よりも小さく、ウェハの被研磨面が上方に開いて位置する形態の研磨装置を例示したが、本発明はかかる形態の研磨装置に限定されるものではなく、例えば、上下の配置や大きさ等が逆であっても良く、また図９に示したような従来の研磨装置についても適用可能である。
【００６９】
また以上の各実施形態では、メタルＣＭＰの研磨プロセスについて、光学測定部３０が被研磨面の反射率を測定することにより研磨終点を検出する例を説明したが、本発明の研磨装置は係る研磨プロセスに限定されるものではなく、層間絶縁膜や素子分離（Shallow Trench Isolation : ＳＴＩ）の絶縁膜を平坦化する絶縁膜ＣＭＰの研磨プロセスについても適用可能である。
【００７０】
図６は、絶縁膜ＣＭＰの研磨プロセスにおいて被研磨面の絶縁膜の膜厚を測定して研磨終点を検出するのに好適な光学測定部５０の構成例を示しており、これまでに説明したＣＭＰ装置１〜４の光学測定部３０に代えて、または光学測定部３０に加えて配設することにより、絶縁膜ＣＭＰの終点検出を的確に行うことができるＣＭＰ装置を構成する。
【００７１】
光学測定部を置き換えた場合のＣＭＰ装置の全体構成および作動状態は、以上説明したＣＭＰ装置１〜４と同様となるため重複説明を省略し、以下、光学測定部５０の構成および作用について説明する。
【００７２】
光学測定部５０は、光源５１、光源から射出されたプローブ光をウェハＷ上に導く照明系のレンズ５２，５３，５４、光源５１から射出されたプローブ光を透過しウェハＷからの反射信号光を反射させるビームスプリッタ５５、ビームスプリッタで折り返された反射信号光を導く測定系のレンズおよびミラー６１，６２，６３，６５、スリット６４、回折格子６６、反射信号光の強度分布を検出するリニアセンサ６７およびリニアセンサ６７から検出信号を受けて演算処理する演算処理装置６８などから構成される。
【００７３】
光源５１は多波長成分をもつ白色光源であり、キセノンランプやハロゲンランプ等のランプや白色ＬＥＤ等を用いることができる。光源５１から射出されたプローブ光はレンズ５２でコリメートされ、レンズ５３およびビームスプリッタ５５を透過した後、レンズ５４で略平行光にコリメートされ、ウェハＷに垂直入射してウェハ面上に所定スポット径（例えばφ200μｍ〜数ｍｍ程度）のビームスポットを形成する。
【００７４】
ウェハＷからの反射信号光のうち、正反射光（０次光）はレンズ５４を透過してビームスプリッタ５５で反射され、正反射光をコリメートするレンズ６１でほぼ平行光にされ、ミラー６２，レンズ６３を介してスリット６４を通り、レンズ６５で再びコリメートされた後回折格子６６に入射する。回折格子６６では波長に応じた回折角で回折され、リニアセンサ６７に入射する。
【００７５】
さて、デバイスパターンが形成されたウェハからの反射信号光について考えると、反射信号光には正反射光以外に光量的に無視できない多数の回折スポットが存在する。回折スポットは、パターンのピッチ（微細構造周期）ｄ、光の波長λおよび回折次数ｎ（ｎ＝0,1,2,…）に応じて、次式で示される回折角度θ方向に発生する。
【００７６】
【数１】
ｄsinθ＝ｎλ
【００７７】
光学測定部５０では、回折光は正反射光（０次光）と異なる角度θをもってウェハＷから反射するため、正反射光と異なる入射角でレンズ６３に入射し、レンズ６３の焦点と異なる方向に屈折される。スリット６４は正反射光が結ぶレンズ６３の焦点位置に配設されており、正反射光以外の反射光はこのスリット６４により遮光される。このため、回折光は回折格子６６に到達することができず、回折格子６６には正反射光のみが入射し、その波長に応じた回折角で回折される。
【００７８】
このようにしてリニアセンサ６７に入射する正反射光は、回折格子６６で波長に応じて回折され分光されているため、波長成分ごとの光強度、すなわち分光強度分布が検出され、演算処理装置６８に入力される。この分光強度分布からは回折光が除去されており、パターンのピッチによる影響を考慮しなくても良いので演算処理が簡単になる。
【００７９】
演算処理装置６８は入力される分光強度分布から膜厚を求める。例えば、ウェハＷの表面にＳiＯ2の層間絶縁膜が形成されている場合についてみると、この層間絶縁膜で反射される白色光の反射率は膜厚に応じた分散特性を持ち、各膜厚に対する分光強度分布の特性は既知である。演算処理装置６８は予め設定された膜厚に対する分光強度分布の特性データと、リニアセンサ６７から入力される分光強度分布とを比較してフィッティングする演算処理を行い、層間絶縁膜の膜厚を求める。この際に予め計測された光源５１の分散強度情報が参酌される。
【００８０】
従って、このようにして求められるウェハＷの膜厚変化をモニターすることでウェハが所定量研磨されて加工終点に達したか否かを判定することができ、これにより層間絶縁膜の平坦化すなわち絶縁膜ＣＭＰについても、前述したメタルＣＭＰと同様に実施することができる。
【００８１】
次に、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図７は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、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し、いずれかのステップに進む。
【００８２】
ここで、ステップＳ２０１は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等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００８３】
ＣＶＤ工程(Ｓ２０２)もしくは電極形成工程(Ｓ２０３)の後で、ステップＳ２０６に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうか判断する。行わない場合にはステップＳ２０７に進むが、行う場合にはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置（ＣＭＰ装置）により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨によるダマシンの形成等が行われる。
【００８４】
ＣＭＰ工程(Ｓ２０５)もしくは酸化工程(Ｓ２０１)の後でステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７はフォトリソグラフィ工程である。この工程では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ウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０８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われ、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。
【００８５】
次に、ステップＳ２０９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ウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０９で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００８６】
本発明によ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かかる研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程のスループットが向上する。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。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、高スループットで製造されるので低コストの半導体デバイスとなる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る研磨装置によれば、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部を有し、この光学測定部が研磨加工中に被研磨面に特定された特定位置の表面状態を測定するため、被研磨面の表面状態の変化を的確に捉えることができる。従って、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定可能な研磨装置を得ることができ、これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理して高いスループット有する研磨装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図５】メタルＣＭＰプロセスにおいて研磨加工時に検出される被研磨面の反射率変化特性を示す説明図である。
【図６】上記各研磨装置における光学測定部の他の実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係る半導体製造プロセスを示すフローチャートである。
【図８】従来の研磨装置を示す概要構成図である。
【図９】従来の研磨装置の他の構成例を示す概要構成図である。
【符号の説明】
Ｗ ウェハ（研磨対象物）
１，２，３，４ ＣＭＰ装置（研磨装置）
１０ ウェハテーブル
１２ ウェハホルダ（対象物保持部）
２０ 研磨ヘッド
２１ 研磨パッド（研磨部材）
３０ 光学測定部
３１ 光源（照明部）
３３ 反射光検出器（光検出部）
４０ 角度位置検出部
５０ 光学測定部
５１ 光源（照明部）
６７ リニアセンサ（光検出部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハや石英基板、ガラス基板等の研磨対象物を研磨加工する研磨装置および研磨方法に関し、特に半導体ウェハの被研磨面を精密に平坦研磨する研磨加工に適した研磨装置、研磨方法およびこの研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような研磨対象物を研磨加工するのに好適な研磨装置としてＣＭＰ装置がある。ＣＭＰ装置は従来からシリコン研磨ウェハ製造工程の最終工程である鏡面研磨加工に用いられており、ウェハ表面を化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing :ＣＭＰ）処理により平坦に鏡面研磨する研磨装置として用いられいる。一方、半導体デバイス製造工程では集積回路の高度集積化に伴い回路パターンの微細化や多層化が進みデバイス表面が平坦でなくなってきている。また、集積回路の線幅を狭小化して集積度を上げるため、光リソグラフィに用いる光源波長の短波長化が進んでおり、半導体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。このため、近年では立体的な多層の回路パターンを形成する過程で、半導体ウェハの表面を平坦に研磨加工するＣＭＰ(Chemical Mechanical Planarization :機械化学的平坦化、とも称される）処理が集積度向上に有望な手段と考えられており、このような研磨加工に適したＣＭＰ装置が求められている。
【０００３】
従来用いられてきたＣＭＰ装置は、その基本構成を図８に模式的に示すように、上面に研磨パッド１２１が取り付けられた研磨定盤１２２と、下面にウェハを吸着保持するウェハ保持部材１１２とを備えて構成される。研磨定盤１２２は下方に垂直に延びる定盤駆動軸１２３に支持され、図示しない駆動機構で水平面内に回転駆動される。ウェハ保持部材１１２は上方に垂直に延びるウェハ回転軸１１３に保持されており、図示しない回転機構で水平面内に回転駆動される。またウェハ保持部材１１２は図示しない揺動機構で研磨定盤１２２の径方向に揺動される。
【０００４】
このように構成されるＣＭＰ装置１０１では、ウェハＷの研磨加工は研磨定盤１２２とウェハ保持部材１１２を同一方向または反対方向に回転させ、研磨パッド１２１のパッド面にスラリーを供給しながらウェハ保持部材１１２を下降させてウェハＷをパッド面に圧接し、さらにウェハ保持部材１１２を研磨定盤１２２の径方向に往復揺動させることで行う。これにより、パッド面と当接しながら相対移動されるウェハＷの被研磨面が、パッド面との間に介在するスラリーの機械的および化学的研磨作用を受けて平坦に研磨加工（ＣＭＰ処理）される。
【０００５】
研磨加工中には、その研磨状態を in-situ計測して研磨終点を検出する終点検出が行われる。従来から行われてきた終点検出方法としてトルク検出法がある。これは、ウェハＷと研磨パッド１２１との間の摩擦係数変化を、研磨定盤１２２を回転駆動するモータまたはウェハ保持部材１１２を回転駆動するモータのトルク電流値の変化を検出することで間接的に検出するものである。
【０００６】
しかしながらトルク検出法が有効に機能するのは、メタルＣＭＰのように研磨終点近傍で摩擦抵抗が大きく変化するＣＭＰプロセスに限定され、層間絶縁膜ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに適用することができない。また、この方法で間接的に検出される情報は被研磨面全体の平均化された摩擦抵抗であるため、研磨のばらつきが大きいときには信号変化が明確に現れず、研磨終点を検出できない場合があるという問題があった。
【０００７】
そこで、近年ではウェハＷの表面状態を直接光学的に計測して終点検出を行う研磨装置が考案されている。この研磨装置１０２は図９に略示するように、研磨定盤１２２の一部に孔部を設けるとともに、研磨パッド１２１に透光部１２５を設け、研磨定盤１２２の裏側に配設した光学測定装置１３０からウェハＷの被研磨面にプローブ光を照射し、反射光を検出してその強度変化やスペクトル分布から終点検出を行うものである。
【０００８】
このような研磨装置によれば、メタルＣＭＰやＳＴＩ−ＣＭＰのみならず層間絶縁膜ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに対しても終点検出を行うことが可能である。また、この方法で検出される情報は被研磨面全体の平均化された情報ではなく、プローブ光が照射するスポット領域の情報であるため、確実に研磨終点を検出できると考えられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した研磨装置１０２で種々のウェハについて繰り返し研磨加工を実施してみると、ウェハごとに研磨終了点がわずかずつ異なっていることが見出されてきた。すなわち、理想とする研磨終了状態に対して過剰研磨や研磨不足のウェハが見出されるのである。これは、終点検出の判定が理想的な研磨終了点に対してばらついていることを意味し、このばらつきを抑制して判定精度を向上させることが、ＣＭＰプロセスの効率的な管理およびＣＭＰ装置のスループットを向上させるうえで重要な技術的課題になっていた。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定することができる研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明はさらに、このような研磨装置を用いた半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、発明者はまず終点検出の判定が理想的な研磨終了点に対してばらつく理由について検討し、以下の要因を見出した。第１の要因は、ウェハにおけるダイ領域(チップ領域)の位置やダイ領域内のパターン位置によって成膜状態や研磨レートが異なることである。すなわち、ウェハに形成されたダイ領域(チップ領域)には描画密度や精細度が異なる様々なパターンが存在しており、このパターンの疎密に応じて研磨レートが異なっている。また、比較的均一なパターンを有する場合であっても、ウェハ上におけるダイ領域の位置によって成膜厚さや研磨レートが異なる場合があるのである。
【００１３】
なお、本明細書にいう「ダイ領域(チップ領域)」とは、ウェハ上にストリートで区画され形成されたデバイスパターンの形成領域をいい、ダイシング後に一つのダイ(チップ)を構成する領域をいう。
【００１４】
第２の要因は、光学測定装置１３０で測定した表面状態がどの位置の表面状態であるか明確でない点である。すなわち、測定位置がウェハ面上におけるどのダイ領域であるのか、またダイ領域におけるどのパターン位置であるのかが従来では不明であった点である。
【００１５】
このため、従来の研磨装置では光学測定装置１３０が研磨レートが速い位置（ダイ領域やパターン位置）を測定したときには研磨終了点が早まり、その結果として全体的に研磨不足が生じ、逆に研磨レートが遅い位置を測定したときには研磨終了点が遅れて全体的に過剰研磨が生じていたのである。以上の検討結果から発明者は前記目的を達成するため以下に示す解決手段を発明した。
【００１６】
本発明は、研磨部材（例えば実施形態における研磨パッド）と、研磨対象物（例えば実施形態におけるウェハＷ）を保持し当該保持した研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部（例えば実施形態におけるウェハホルダ１２）とを備え、研磨部材を対象物保持部に保持された研磨対象物に当接させながら研磨部材と研磨対象物とを相対移動させて研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、プローブ光を被研磨面に照射する照明部、および照射されたプローブ光の被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部を備え、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部を有し、光学測定部が被研磨面の研磨加工中に被研磨面における特定位置の表面状態を測定するように研磨装置を構成する。
【００１７】
上記構成の研磨装置には、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部が設けられており、この光学測定部は研磨加工中に被研磨面の特定位置の表面状態を測定する。ここで、「被研磨面の特定位置」とは、被研磨面上に特定される所定の位置をいい、例えば上述した半導体ウェハの例においては、ウェハ面上における特定(特定番地)のダイ領域や、特定のダイ領域内における特定のパターン位置、あるいはダイ領域外に設けた特定の基準領域等をいう。本構成によれば、光学測定部が常に被研磨面上の特定位置の表面状態を測定するため、被研磨面の表面状態の変化を的確に捉えることができ、従って、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定可能な研磨装置を得ることができる。
【００１８】
ここで、研磨装置には、研磨対象物の回転角度位置および対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出する角度位置検出部を備え、光学測定部は、角度位置検出部からの検出信号に基づいて特定される位置における反射または透過信号光を検出することにより、特定位置の表面状態を測定するように構成される。
【００１９】
このため、本構成の研磨装置によれば、プローブ光が照射される同一円周上において、回転角度位置を特定することにより常に一定位置を特定することができ、このように特定される特定位置の表面状態の変化を的確に捉えることができる。
【００２０】
また、上記研磨対象物は半導体ウェハであり、角度位置検出部は、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出して半導体ウェハの回転角度位置を検出し、光学測定部は、角度位置検出部によって検出されるノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定する。
【００２１】
このため、本構成の研磨装置によれば、半導体ウェハに形成されたノッチ（Notch）又はオリエンテーションフラット（Orientation flat）を角度位置の基準として直接利用するため、被研磨面上の位置の特定を容易に行い、且つ特定位置の位置精度を向上させることができる。また角度位置検出用に他の被検出部を設ける必要がないため、研磨装置を簡明化することができる。
また、同心円状の膜厚のばらつきを測定することができるため、残膜厚の厚い部分について重点的に研磨加工させる等、よりきめ細かな加工制御を行うことができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを補正しつつ的確な研磨終点の判定を行うことが可能な研磨装置を構成することができる。
なお、角度位置検出部は、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットの位置と一定の関係を有する位置で対象物保持部に取り付けられたミラーからの反射光を検出して対象物保持部の回転角度位置を検出し、光学測定部は、角度位置検出部によって検出される反射光の検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定することもできる。
【００２２】
さらに、プローブ光の被研磨面への照射位置を研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における被研磨面からの反射または透過信号光を受光可能に構成するとともに、プローブ光が照射される半径方向位置を検出する位置検出部を備え、角度位置検出部および位置検出部からの検出信号に基づいて被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した特定位置の表面状態を測定するように研磨装置が構成される。
【００２３】
上記構成によれば、被研磨面が回転軸まわりに回転されて同一周上の特定位置の表面状態を測定可能なほか、測定位置が被研磨面の径方向に相対移動可能に構成されて、被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した特定位置の表面状態を測定する。このため、一定の回転円周のみならず被研磨面上の任意の位置を特定して当該特定位置の表面状態の変化を的確に捉えることができる。
【００２４】
なお、研磨部材は研磨部材を研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して研磨装置に取り付けられ、上記照明部と光検出部とが別個に設けられた第２の移動機構に支持されて研磨対象物の半径方向に移動可能に研磨装置が構成される。このような構成によれば、研磨条件に左右されることなく、別個独立した測定条件を設定することができる。
【００２７】
なお、光検出部は被研磨面で反射された反射光のうち０次光成分のみを選択的に取り出して被研磨面の表面状態を測定するように研磨装置を構成することが好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る研磨方法は、研磨部材と、研磨対象物を保持し当該保持した研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部とを備え、研磨部材を対象物保持部に保持された研磨対象物に当接させながら研磨部材と研磨対象物とを相対移動させて研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置による研磨方法であって、研磨部材は、研磨部材を研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して研磨装置に取り付けられ、プローブ光を被研磨面に照射する照明部、および照射されたプローブ光の被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部は、第１の移動機構と別個に設けられた第２の移動機構に支持されて研磨対象物の半径方向に移動可能であり、プローブ光の被研磨面への照射位置を研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における被研磨面からの反射または透過信号光を受光可能に構成される。
そして、角度位置検出部を用いて研磨対象物の回転角度位置および対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出し、位置検出部を用いてプローブ光が照射される半径方向位置を検出し、照明部および光検出部を備え、被研磨面の表面状態を光学的に
測定する光学測定部を用いて、角度位置検出部および位置検出部からの検出信号に基づいて被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した位置における反射または透過信号光を検出することにより、被研磨面の研磨加工中に被研磨面における特定位置の表面状態の変化を測定し、測定される特定位置の表面状態の測定結果に基づいて研磨加工を制御する。
ここで、研磨対象物は半導体ウェハであり、角度位置検出部を用いて、半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出することにより半導体ウェハの回転角度位置を検出し、光学測定部を用いて、角度位置検出部によって検出されるノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、該表面状態に基づいて被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定するようになっている。
【００２９】
以上のように構成された研磨装置による研磨対象物としては半導体ウェハがあり、本発明に係る半導体デバイス製造方法は、以上のような構成の研磨装置を用いて半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有して構成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。説明では、まずダマシンプロセス（Damascene process）において埋め込んだ金属膜をメタルＣＭＰで平坦化し電極配線を形成する場合について説明する。第１実施形態に係るＣＭＰ装置１はその概要構成を図１に示すように、上面にウェハＷを吸着保持するウェハテーブル１０と、その上方に位置して下面に研磨パッド２１が取り付けられる研磨ヘッド２０と、ウェハＷの表面状態を測定する光学測定部３０とを備えて構成され、ウェハＷの中心位置の表面状態を測定して研磨加工を行うＣＭＰ装置である。
【００３１】
ウェハテーブル１０は、ウェハホルダ１２とこのウェハホルダ１２から下方に垂直に延びてウェハホルダ１２を支持するホルダ駆動軸１３とを有して構成され、図示しない回転駆動機構によりホルダ駆動軸１３の回転軸Ａまわりに回転駆動される。ウェハホルダ１２の上面には、ウェハＷを背面側から吸着保持する保持機構が設けられるとともに、ウェハＷの中心をウェハホルダ１２の回転軸Ａに一致させるリテーナリングが設けられている（ともに不図示）。これによりウェハＷはその中心位置が回転軸Ａと一致するように吸着保持され、回転駆動機構により所定の回転速度で水平に回転される。
【００３２】
研磨ヘッド２０は、下面に研磨パッド２１が取り付けられるヘッド部材２２と、このヘッド部材２２を支持して上方に垂直に延びるスピンドル軸２３とを有して構成され、スピンドル軸２３が図示しない回転駆動機構により回転軸Ｂまわりに回転駆動されて、下端に取り付けられた研磨パッド２１を所定の回転速度で水平面に回転させる。
【００３３】
ウェハＷの研磨加工はウェハホルダ１２とヘッド部材２２を同一方向または反対方向に回転させ、研磨パッド２１の中心からスラリーを供給しながら研磨ヘッド２０を下降させて研磨パッド２１をウェハＷの被研磨面に圧接し、さらに研磨ヘッド２０をウェハＷの中心部と外周部との間を半径方向に往復揺動させることで行う。これにより、ウェハＷの被研磨面がパッド面との間に介在するスラリーの機械的および化学的研磨作用を受けて平坦に研磨加工される。
【００３４】
このＣＭＰ装置１では、図示するように研磨パッド２１の直径をウェハＷの直径よりも小さく構成している。このため、このような形態のＣＭＰ装置によれば、前述した従来のＣＭＰ装置に比べて装置全体を小型に構成することができる。また、このようなＣＭＰ装置では研磨パッド２１が研磨加工を行っている領域を除いてウェハＷの被研磨面が露出される。このため、ヘッド部材２２（従来技術における研磨定盤１２２）に孔を設けたり研磨パッドに透光部を設けたりすることなく、被研磨面の表面状態を測定することができる。
【００３５】
第１実施形態に係るＣＭＰ装置１では、ウェハ上の特定位置を計測する手段としてウェハＷの回転中心位置の表面状態を光学測定部３０で測定する。
【００３６】
光学測定部３０は、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射光検出器３３および図示しないレンズ光学系などからなり、光源３１から射出されたプローブ光を回転軸Ａに沿ってウェハＷの中心位置に照射し、被研磨面上に所定スポット径（例えばφ100μｍ〜数百μｍ程度）の円形のビームスポットを形成する。ウェハＷからの反射信号光はビームスプリッタ３２で反射され、反射光検出器３３で受光される。光学測定部３０は、反射光検出器３３で検出される反射信号光の光強度と図示しないプローブ光検出器で検出されるプローブ光の信号強度からプローブ光に対する反射信号光の光強度の比、すなわち被研磨面の反射率を測定する。
【００３７】
ウェハＷは、前述したリテーナの作用によりウェハＷの中心位置が回転軸Ａと一致するように位置決めされてウェハホルダ１２に吸着保持されている。このため、光源３１から射出されるプローブ光は、ウェハＷの着脱を行っても必ずウェハＷの中心位置に照射され、またプローブ光が回転軸Ａ上に照射されるため、ウェハＷが回転駆動されてもウェハ面上における測定スポット位置が変化することがない。従って、このような手段によりウェハＷの中心位置を特定してその表面状態の変化を測定することができる。
【００３８】
ここで、ダマシンプロセスにおけるメタルＣＭＰで、一定の配線パターンを有するウェハを連続して研磨加工したときに上記同様の光学測定部３０で検出される反射率Ｒの変化を図５に示す。研磨加工を開始した当初のウェハ表面には全面に金属層が形成されており、光学測定部３０で検出される反射率は高い値ＲMの状態でほとんど変化しない。一方、一定程度金属層の研磨加工が進むと、徐々に下地のバリア層（ストッパ層）が露出してくるため、検出される反射率は研磨加工の進行に伴い徐々に小さくなって行く。そして余分な金属層が除去されると金属電極の面積が変化しなくなるため、反射信号光の反射率も低い値ＲBで変化しなくなる。従って、このように検出される反射率Ｒを検出してその変化を測定することにより、反射率が所定の反射率（例えば、図におけるＲB）に到達したときに研磨加工の終了点すなわち研磨終点を判定することができる。
【００３９】
本実施形態に係るＣＭＰ装置１においては、光学測定部３０はウェハの中心位置が研磨ヘッド２０の揺動により研磨パッド２１で覆われている間を除き、同一位置（ウェハ中心位置のダイ領域、特定ダイ領域内のパターン位置）の表面状態を連続して計測している。従って、光学測定部３０で検出される反射率の変化特性は、ウェハの中心位置が研磨パッド２１で覆われている間を除き上記図５に示した特性と相似する特性となる。
【００４０】
また、光学測定部３０が測定している被研磨面上のパターンは、ウェハ中心位置のパターンとして特定されるため、当該パターンにおいて研磨終点に相当する反射率の値ＲBも既知である。従って、予め光学測定部３０に上記反射率の値ＲBを判定基準値として設定しておくことにより、ウェハＷを着脱交換しても的確かつ高精度に研磨終点を判定することができる。
【００４１】
このようにして判定された研磨終点は、ＣＭＰ装置１の作動を制御する作動制御装置８０に出力され、作動制御装置８０はこの判定信号に基づいて研磨加工を終了させる。従って、このようなＣＭＰ装置によって研磨加工されたウェハには研磨終了状態のばらつきがなく、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してＣＭＰ装置のスループットを向上させることができる。
【００４２】
次に、第２実施形態に係るＣＭＰ装置について図２を参照して説明する。このＣＭＰ装置２は、上面にウェハＷを吸着保持するウェハテーブル１０と、その上方に位置して下面に研磨パッド２１が取り付けられる研磨ヘッド２０と、ウェハＷの表面状態を測定する光学測定部３０と、ウェハＷの回転角度位置を検出する角度位置検出部４０とを備えて構成され、ウェハＷ中心から一定半径上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。
【００４３】
なお、本実施形態におけるウェハテーブル１０と研磨ヘッド２０の構成、および光学測定部３０の内部構成は前述の第１実施形態と同一であるため、同一部分に同一番号を付して重複説明を省略する。
【００４４】
このＣＭＰ装置２では、光学測定部３０のプローブ光照射位置がウェハホルダ１２の回転軸Ａ上ではなく、回転軸Ａから所定の半径距離ｒ1だけ離れた位置に設定されている。従って、光学測定部３０から照射されるプローブ光は、ウェハホルダ１２が回転駆動されたときに、ウェハＷの中心位置から半径ｒ1の同一円周上に位置するダイ領域およびパターンをトレースする。
【００４５】
このため、ウェハＷの回転（測定位置の変化）に伴って検出される反射率は変化し、その周期はウェハＷの１回転を周期として変化する周期的な信号（ミクロな変化信号）になる。一方、研磨加工中には、研磨加工の進展に伴って被研磨面の各位置の反射率がそれぞれ図５に示すように変化する（マクロな変化信号）。この変化はウェハＷの被研磨面全体で同様に生じることから、研磨加工中に連続測定を行ったときには、図５に示すマクロな反射率変化特性に上記ミクロな変化信号を付加したような反射率変化信号になる。
【００４６】
このようにして検出される反射率の変化信号は、上記マクロな変化特性の集合体であることから、半径ｒ1の回転円周上の位置（ダイ領域またはパターン位置）を特定して当該特定された位置の信号のみを抜き出すことにより、その特定位置の反射率変化特性（図５同様のマクロな反射率変化特性）を得ることができる。角度位置検出部４０はウェハＷの回転角度θを特定することによりｒ1，θでウェハ面上の位置を特定するための装置である。
【００４７】
角度位置検出部４０は、光源４１とこの光源４１からの光を検出する検出器４２とを有して構成される。光源４１から射出された光は所定の入射角度でウェハ表面の外周縁部に入射するように照射され、照射位置にウェハＷがあるときにウェハ表面で反射された反射光が検出器４２に入射し、照射位置にウェハＷが無いときに検出器４２に光源４１からの光が入射しない（または検出強度が低くなる）ようにアライメントされている。
【００４８】
このため、ウェハホルダ１２にウェハＷが保持されて回転駆動されると、照射位置をウェハＷが通過している間は検出器４２で反射光が検出され、照射位置をウェハＷに形成されたノッチまたはオリエンテーションフラットが通過している間には反射光が検出されない。従って、検出器４２で検出される光強度を計測することで、ウェハＷのノッチ等が通過する瞬間を検出することができ、この検出信号によりウェハＷの角度位置を特定することができる。角度位置検出部４０で検出される信号は光学測定部３０に出力される。
【００４９】
光学測定部３０では、角度位置検出部４０から入力される信号をトリガとして用い、半径ｒ1の回転円周上の角度位置θを特定する。例えば、光学測定部３０の測定位置と角度位置検出部４０の検出位置とが回転軸Ａを含む同一直線上にあり、角度位置検出部４０がノッチを検出したとき（例えば検出器４２の信号の立下がりまたは立上がり時）のウェハＷの角度位置をθ＝０度と規定すれば、このノッチの検出時に光学測定部３０が計測する反射率Ｒは、半径ｒ1、角度位置θ＝０度の位置（ｒ1,θ0で特定される特定位置）のパターンの反射率である。
【００５０】
光学測定部３０では、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置（ｒ1，θ0）の反射率信号のみを取り出して当該特定位置の反射率の変化を測定する。この場合に、得られる特定位置の測定データは、ウェハ１回転につき１回のサンプリングであるため離散的な反射率変化データとなるが、反射率が変化する領域の時間幅（図５において反射率がＲMからＲBに変化する時間幅）に対してサンプリング間隔が充分に短いため、実質的に図５と同様の反射率変化特性を得ることができる。
【００５１】
また、ノッチの検出信号から一回転周期内の所定の遅延時間ｔ（ディレイ）をおいて計測される反射率は、ウェハＷの半径ｒ1上においてθ＝０の角度位置から当該ディレイに相当する回転角度分回転した角度位置θtのパターンの反射率である。従って、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、特定位置（ｒ1，θt）の反射率信号のみを取り出すことで、ウェハＷの半径ｒ1上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００５２】
光学測定部３０は、このようにして得た特定位置の反射率変化特性から前述の実施例と同様にして研磨終点を判定する。従って、以上のように構成されるＣＭＰ装置２によれば、所定の半径上に位置する任意の位置（ダイ領域やパターン位置）を単数または複数特定して的確に研磨終点を判定することができる。
【００５３】
また、ＣＭＰ装置２では光学測定部３０でウェハＷの中心位置をモニターする必要がない。従って、研磨ヘッド２０の揺動範囲以外の適宜な半径位置を測定することで、光学測定部３０の測定スポットが研磨パッド２１で覆われることがなく、反射率測定が中断されることがない。このため、研磨加工中の膜厚変化をより細かくリアルタイムで測定することができ、高精度の終点検出を行うことができる。これにより、研磨終了状態にばらつきのないウェハを生産することができ、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してスループットを向上させることができる。
【００５４】
なお、以上説明した実施例では、ウェハＷの角度位置を検出する手段として、角度位置検出部４０でウェハＷのノッチまたはオリエンテーションフラットを検出する実施例を開示したが、角度位置検出手段はウェハＷの角度位置θを特定可能であればよく、ウェハホルダ１２の回転角度位置から間接的にウェハの角度位置を特定するものであっても良い。
【００５５】
例えば、ウェハＷのノッチ位置と一定の関係を有するウェハホルダ１２の上面位置や裏面位置、外周面等に小型のミラーを取り付け、このミラーの回転周上を角度位置検出部４０でモニターするように構成すれば、ウェハホルダ１２の回転によりミラーが光源４１の照射位置を通過するときに反射光の強度が高くなるため、この反射信号をトリガとして用いることで上述の実施例と同様に構成することができる。また、角度位置検出手段は、近接センサや磁気センサ等を用いて構成するものでも良く、ウェハホルダ１２の回転角度をロータリエンコーダ等で検出するものであっても良い。
【００５６】
次に、第３実施形態に係るＣＭＰ装置について図３を参照して説明する。このＣＭＰ装置３は、ウェハテーブル１０、研磨ヘッド２０、光学測定部３０およびウェハ角度位置検出部４０を備えるＣＭＰ装置２に対して、光学測定部３０を研磨ヘッド２０に取り付けることでウェハＷの半径方向に移動可能に設け、この移動経路上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。
【００５７】
すなわち、ＣＭＰ装置３では光学測定部３０が連結部材２６を介して研磨ヘッド２０に取り付けられており、研磨ヘッド２０の揺動作動に伴ってウェハＷの半径方向に往復移動（揺動）可能に構成されている。研磨ヘッド２０の揺動作動範囲は、光学測定部３０の測定スポットがウェハＷの中心（半径ｒ＝０）と外周縁部（ｒ＝ｒE）との間を往復移動するように設定される。研磨ヘッド２０の揺動機構にはヘッドの揺動位置を検出する揺動位置検出部が設けられており、この検出部で検出された揺動位置検出信号が光学測定部３０に入力される。
【００５８】
光学測定部３０は、揺動位置検出部から入力される揺動位置検出信号から、ウェハＷに対する測定スポットの半径方向位置ｒを求めるとともに、角度位置検出部４０から入力されるノッチの検出信号を基準として測定スポットの角度位置θを定める。ウェハＷ上にあるすべてのダイ領域およびダイ領域内のパターン位置は、上記二つの検出信号ｒとθとから、例えば（ｒ0，θ）や（ｒ1，θt）のように特定され、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置の反射率信号を取り出すことで、ウェハＷ上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００５９】
ＣＭＰ装置３では、光学測定部３０が研磨ヘッド２０とともに揺動移動し、その移動経路ｒ0〜ｒE上を通過するパターンの反射率を計測する。従って、ウェハホルダ１２の回転速度をヘッド部材２２の揺動移動速度よりも充分大きくし、あるいはこれらを同期制御することで、任意半径上にある同一位置（ダイ領域やパターン位置）を特定して反射率変化を測定することができる。このように特定される特定位置は光学測定部３０の移動範囲に複数設けることができ、ウェハ上の複数の半径位置で反射率の変化特性を測定することができる。
【００６０】
ウェハＷを回転させて研磨加工を行う回転系の研磨装置では、被研磨面の研磨膜厚のばらつきは、前述した配線パターンの違いによるばらつきの他に、一般的にウェハの半径方向位置に関連した同心円状のばらつきが存在する。
【００６１】
ＣＭＰ装置３では、異なる半径距離にある複数の特定位置の反射率計測が可能なため、上記同心円状の膜厚のばらつきまで測定することができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを考慮した的確な研磨終点の判定を行うことが可能になり、研磨品質の高いウェハを生産することができる。これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してスループットを向上させることができる。
【００６２】
次に、本発明に係る第４実施形態のＣＭＰ装置について図４を参照して説明する。このＣＭＰ装置４は、上述した第３実施形態のＣＭＰ装置３と異なり、光学測定部３０を独立した揺動機構によりウェハＷの半径方向に移動可能に設けて、この移動経路上にある特定位置の表面状態を測定して研磨加工するＣＭＰ装置である。なお、ウェハテーブル１０、研磨ヘッド２０、光学測定部３０の内部構成およびウェハ角度位置検出部４０等は既述した各実施例と同様である。
【００６３】
ＣＭＰ装置４では光学測定部３０が、図示しない揺動機構によりウェハＷの半径方向に往復移動（揺動）可能に構成されており、光学測定部３０の測定スポットがウェハＷの中心（半径ｒ＝０）と外周縁部（ｒ＝ｒE）との間を適宜な移動条件で往復移動可能に配設されている。揺動機構には光学測定部３０の移動位置を検出する移動位置検出部が備えられており、その検出信号が光学測定部３０に入力されている。
【００６４】
光学測定部３０は移動位置検出部から入力される検出信号から、ウェハＷ上における測定スポットの半径方向位置ｒを求め、またウェハ角度位置検出部から入力されるノッチの検出信号を基準として測定スポットの角度位置θを定める。前述したように、ウェハＷ上にあるすべてのダイ領域およびダイ領域内のパターン位置は、上記二つの検出信号ｒとθとから（ｒ，θ）として特定され、反射光検出器３１で検出される反射率変化信号から、このようにして特定される特定位置の反射率信号を取り出すことで、ウェハ上の任意の位置を特定して当該特定位置の反射率の変化を測定することができる。
【００６５】
ＣＭＰ装置４では、光学測定部３０が独自の移動機構を有しているため、その移動速度や停止位置を任意に設定することができる。このため、ウェハホルダ１２の回転速度と研磨ヘッド２０の揺動速度との関係（研磨条件）等に左右されることなく、別個独立した測定条件を設定することができる。例えば、光学測定部３０の移動をウェハホルダの回転速度と同期させて移動計測を行い、あるいは光学測定部３０を断続的に移動させて同一半径上の多点計測や同一特定位置の複数回サンプリングを行うこと、所定の半径範囲に対して重み付けした計測を行うこと、などが可能である。
【００６６】
このため、独立した駆動系を有するＣＭＰ装置４によれば、研磨加工と並行して別個独立にウェハ上の任意位置の反射率計測が可能なため、前述したＣＭＰ装置３と同様にウェハ全面の反射率を計測して同心円状の膜厚のばらつきを測定することができ、さらに、残膜厚の厚い部分について反射率をモニターしながら重点的に研磨加工させる等、よりきめ細かな加工制御を行うことができる。従って、被研磨面全体の膜厚のばらつきを補正しつつ的確な研磨終点の判定を行うことが可能な研磨装置を構成でき、研磨品質の高いウェハを生産することができる。また、これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理して高スループットのＣＭＰ装置を提供することができる。
【００６７】
なお、以上の各実施例では、研磨対象物として半導体ウェハを例示し、このウェハを平坦に研磨加工する場合について説明したが、研磨対象物は他の基板、例えば石英基板やガラス基板等であっても良く、また被研磨面の形状は回転対称であれば曲面（例えば凸断面や凹断面の曲面）であっても良い。
【００６８】
また、ＣＭＰ装置として、ヘッド部材２２の直径がウェハホルダ２２の直径よりも小さく、ウェハの被研磨面が上方に開いて位置する形態の研磨装置を例示したが、本発明はかかる形態の研磨装置に限定されるものではなく、例えば、上下の配置や大きさ等が逆であっても良く、また図９に示したような従来の研磨装置についても適用可能である。
【００６９】
また以上の各実施形態では、メタルＣＭＰの研磨プロセスについて、光学測定部３０が被研磨面の反射率を測定することにより研磨終点を検出する例を説明したが、本発明の研磨装置は係る研磨プロセスに限定されるものではなく、層間絶縁膜や素子分離（Shallow Trench Isolation : ＳＴＩ）の絶縁膜を平坦化する絶縁膜ＣＭＰの研磨プロセスについても適用可能である。
【００７０】
図６は、絶縁膜ＣＭＰの研磨プロセスにおいて被研磨面の絶縁膜の膜厚を測定して研磨終点を検出するのに好適な光学測定部５０の構成例を示しており、これまでに説明したＣＭＰ装置１〜４の光学測定部３０に代えて、または光学測定部３０に加えて配設することにより、絶縁膜ＣＭＰの終点検出を的確に行うことができるＣＭＰ装置を構成する。
【００７１】
光学測定部を置き換えた場合のＣＭＰ装置の全体構成および作動状態は、以上説明したＣＭＰ装置１〜４と同様となるため重複説明を省略し、以下、光学測定部５０の構成および作用について説明する。
【００７２】
光学測定部５０は、光源５１、光源から射出されたプローブ光をウェハＷ上に導く照明系のレンズ５２，５３，５４、光源５１から射出されたプローブ光を透過しウェハＷからの反射信号光を反射させるビームスプリッタ５５、ビームスプリッタで折り返された反射信号光を導く測定系のレンズおよびミラー６１，６２，６３，６５、スリット６４、回折格子６６、反射信号光の強度分布を検出するリニアセンサ６７およびリニアセンサ６７から検出信号を受けて演算処理する演算処理装置６８などから構成される。
【００７３】
光源５１は多波長成分をもつ白色光源であり、キセノンランプやハロゲンランプ等のランプや白色ＬＥＤ等を用いることができる。光源５１から射出されたプローブ光はレンズ５２でコリメートされ、レンズ５３およびビームスプリッタ５５を透過した後、レンズ５４で略平行光にコリメートされ、ウェハＷに垂直入射してウェハ面上に所定スポット径（例えばφ200μｍ〜数ｍｍ程度）のビームスポットを形成する。
【００７４】
ウェハＷからの反射信号光のうち、正反射光（０次光）はレンズ５４を透過してビームスプリッタ５５で反射され、正反射光をコリメートするレンズ６１でほぼ平行光にされ、ミラー６２，レンズ６３を介してスリット６４を通り、レンズ６５で再びコリメートされた後回折格子６６に入射する。回折格子６６では波長に応じた回折角で回折され、リニアセンサ６７に入射する。
【００７５】
さて、デバイスパターンが形成されたウェハからの反射信号光について考えると、反射信号光には正反射光以外に光量的に無視できない多数の回折スポットが存在する。回折スポットは、パターンのピッチ（微細構造周期）ｄ、光の波長λおよび回折次数ｎ（ｎ＝0,1,2,…）に応じて、次式で示される回折角度θ方向に発生する。
【００７６】
【数１】
ｄsinθ＝ｎλ
【００７７】
光学測定部５０では、回折光は正反射光（０次光）と異なる角度θをもってウェハＷから反射するため、正反射光と異なる入射角でレンズ６３に入射し、レンズ６３の焦点と異なる方向に屈折される。スリット６４は正反射光が結ぶレンズ６３の焦点位置に配設されており、正反射光以外の反射光はこのスリット６４により遮光される。このため、回折光は回折格子６６に到達することができず、回折格子６６には正反射光のみが入射し、その波長に応じた回折角で回折される。
【００７８】
このようにしてリニアセンサ６７に入射する正反射光は、回折格子６６で波長に応じて回折され分光されているため、波長成分ごとの光強度、すなわち分光強度分布が検出され、演算処理装置６８に入力される。この分光強度分布からは回折光が除去されており、パターンのピッチによる影響を考慮しなくても良いので演算処理が簡単になる。
【００７９】
演算処理装置６８は入力される分光強度分布から膜厚を求める。例えば、ウェハＷの表面にＳiＯ2の層間絶縁膜が形成されている場合についてみると、この層間絶縁膜で反射される白色光の反射率は膜厚に応じた分散特性を持ち、各膜厚に対する分光強度分布の特性は既知である。演算処理装置６８は予め設定された膜厚に対する分光強度分布の特性データと、リニアセンサ６７から入力される分光強度分布とを比較してフィッティングする演算処理を行い、層間絶縁膜の膜厚を求める。この際に予め計測された光源５１の分散強度情報が参酌される。
【００８０】
従って、このようにして求められるウェハＷの膜厚変化をモニターすることでウェハが所定量研磨されて加工終点に達したか否かを判定することができ、これにより層間絶縁膜の平坦化すなわち絶縁膜ＣＭＰについても、前述したメタルＣＭＰと同様に実施することができる。
【００８１】
次に、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図７は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、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し、いずれかのステップに進む。
【００８２】
ここで、ステップＳ２０１は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等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００８３】
ＣＶＤ工程(Ｓ２０２)もしくは電極形成工程(Ｓ２０３)の後で、ステップＳ２０６に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうか判断する。行わない場合にはステップＳ２０７に進むが、行う場合にはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置（ＣＭＰ装置）により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨によるダマシンの形成等が行われる。
【００８４】
ＣＭＰ工程(Ｓ２０５)もしくは酸化工程(Ｓ２０１)の後でステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７はフォトリソグラフィ工程である。この工程では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ウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０８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われ、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。
【００８５】
次に、ステップＳ２０９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ウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０９で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００８６】
本発明によ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かかる研磨装置を用いているため、ＣＭＰ工程のスループットが向上する。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。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、高スループットで製造されるので低コストの半導体デバイスとなる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る研磨装置によれば、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部を有し、この光学測定部が研磨加工中に被研磨面に特定された特定位置の表面状態を測定するため、被研磨面の表面状態の変化を的確に捉えることができる。従って、研磨加工中に高精度に研磨終了点を判定可能な研磨装置を得ることができ、これにより、ＣＭＰプロセスを効率的に管理して高いスループット有する研磨装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る研磨装置を示す概要構成図である。
【図５】メタルＣＭＰプロセスにおいて研磨加工時に検出される被研磨面の反射率変化特性を示す説明図である。
【図６】上記各研磨装置における光学測定部の他の実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係る半導体製造プロセスを示すフローチャートである。
【図８】従来の研磨装置を示す概要構成図である。
【図９】従来の研磨装置の他の構成例を示す概要構成図である。
【符号の説明】
Ｗ ウェハ（研磨対象物）
１，２，３，４ ＣＭＰ装置（研磨装置）
１０ ウェハテーブル
１２ ウェハホルダ（対象物保持部）
２０ 研磨ヘッド
２１ 研磨パッド（研磨部材）
３０ 光学測定部
３１ 光源（照明部）
３３ 反射光検出器（光検出部）
４０ 角度位置検出部
５０ 光学測定部
５１ 光源（照明部）
６７ リニアセンサ（光検出部）
Claims (5)
- 研磨部材と、研磨対象物を保持し当該保持した前記研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部とを備え、前記研磨部材を前記対象物保持部に保持された前記研磨対象物に当接させながら前記研磨部材と前記研磨対象物とを相対移動させて前記研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
プローブ光を前記被研磨面に照射する照明部、および照射された前記プローブ光の前記被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部を備え、前記被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部と、
前記研磨対象物の回転角度位置および前記対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出する角度位置検出部とを備え、
前記研磨部材は、前記研磨部材を前記研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して前記研磨装置に取り付けられ、
前記照明部および前記光検出部は、前記第１の移動機構と別個に設けられた第２の移動機構に支持されて前記研磨対象物の半径方向に移動可能であり、前記プローブ光の前記被研磨面への照射位置を前記研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における前記被研磨面からの前記反射または透過信号光を受光可能に構成され、
前記プローブ光が照射される前記半径方向位置を検出する位置検出部をさらに備え、
前記光学測定部は、前記角度位置検出部および前記位置検出部からの検出信号に基づいて前記被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した位置における前記反射または透過信号光を検出することにより、前記被研磨面の研磨加工中に前記被研磨面における特定位置の表面状態を測定するように構成されており、
前記研磨対象物は半導体ウェハであり、
前記角度位置検出部は、前記半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出して前記半導体ウェハの回転角度位置を検出し、
前記光学測定部は、前記角度位置検出部によって検出される前記ノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として前記被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、前記表面状態に基づいて前記被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定することを特徴とする研磨装置。 - 研磨部材と、研磨対象物を保持し当該保持した前記研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部とを備え、前記研磨部材を前記対象物保持部に保持された前記研磨対象物に当接させながら前記研磨部材と前記研磨対象物とを相対移動させて前記研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
プローブ光を前記被研磨面に照射する照明部、および照射された前記プローブ光の前記被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部を備え、前記被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部と、
前記研磨対象物の回転角度位置および前記対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出する角度位置検出部とを備え、
前記研磨部材は、前記研磨部材を前記研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して前記研磨装置に取り付けられ、
前記照明部および前記光検出部は、前記第１の移動機構と別個に設けられた第２の移動機構に支持されて前記研磨対象物の半径方向に移動可能であり、前記プローブ光の前記被研磨面への照射位置を前記研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における前記被研磨面からの前記反射または透過信号光を受光可能に構成され、
前記プローブ光が照射される前記半径方向位置を検出する位置検出部をさらに備え、
前記光学測定部は、前記角度位置検出部および前記位置検出部からの検出信号に基づいて前記被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した位置における前記反射または透過信号光を検出することにより、前記被研磨面の研磨加工中に前記被研磨面における特定位置の表面状態を測定するように構成されており、
前記研磨対象物は半導体ウェハであり、
前記角度位置検出部は、前記半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットの位置と一定の関係を有する位置で前記対象物保持部に取り付けられたミラーからの反射光を検出して前記対象物保持部の回転角度位置を検出し、
前記光学測定部は、前記角度位置検出部によって検出される前記反射光の検出信号を基準として前記被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、前記表面状態に基づいて前記被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定することを特徴とする研磨装置。 - 前記光検出部は前記被研磨面で反射された反射光のうち０次光成分のみを選択的に取り出して前記被研磨面の表面状態を測定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨装置。
- 研磨部材と、研磨対象物を保持し当該保持した前記研磨対象物の被研磨面と交わる回転軸のまわりに回転可能に構成された対象物保持部とを備え、前記研磨部材を前記対象物保持部に保持された前記研磨対象物に当接させながら前記研磨部材と前記研磨対象物とを相対移動させて前記研磨対象物の被研磨面の研磨加工を行うように構成された研磨装置による研磨方法であって、
前記研磨部材は、前記研磨部材を前記研磨対象物の半径方向に移動可能に支持する第１の移動機構を介して前記研磨装置に取り付けられ、
プローブ光を前記被研磨面に照射する照明部、および照射された前記プローブ光の前記被研磨面からの反射または透過信号光を検出する光検出部は、前記第１の移動機構と別個に設けられた第２の移動機構に支持されて前記研磨対象物の半径方向に移動可能であり、前記プローブ光の前記被研磨面への照射位置を前記研磨対象物の半径方向に相対移動させて当該半径方向位置における前記被研磨面からの前記反射または透過信号光を受光可能に構成されており、
角度位置検出部を用いて前記研磨対象物の回転角度位置および前記対象物保持部の回転角度位置の少なくともいずれか一方を検出し、
位置検出部を用いて前記プローブ光が照射される前記半径方向位置を検出し、
前記照明部および前記光検出部を備え、前記被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部を用いて、前記角度位置検出部および前記位置検出部からの検出信号に基づいて前記被研磨面の回転角度位置および半径方向位置を特定した位置における前記反射または透過信号光を検出することにより、前記被研磨面の研磨加工中に前記被研磨面における特定位置の表面状態の変化を測定し、
前記測定される特定位置の表面状態の測定結果に基づいて研磨加工を制御しており、
前記研磨対象物は半導体ウェハであり、
前記角度位置検出部を用いて、前記半導体ウェハに形成されたノッチ又はオリエンテーションフラットを光学的に検出することにより前記半導体ウェハの回転角度位置を検出し、
前記光学測定部を用いて、前記角度位置検出部によって検出される前記ノッチ又はオリエンテーションフラットの検出信号を基準として前記被研磨面における複数の特定位置での表面状態を測定し、前記表面状態に基づいて前記被研磨面全体における同心円上での膜厚のばらつきを測定することを特徴とする研磨方法。 - 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の研磨装置を用いて前記半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
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