JP5167010B2 - 研磨終点検知方法および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨終点検知方法および研磨装置に係り、特に光学的なプロセスを用いて半導体ウェハなどの基板の研磨終点を検知する研磨終点検知方法、および研磨終点検知装置を備えた研磨装置に関するものである。

半導体デバイスの製造工程では、ウェハ上に種々の材料が膜状に繰り返し形成され、積層構造を形成する。この積層構造を形成するためには、ウェハの表面を平坦にする技術が重要となっている。このようなウェハの表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う研磨装置が広く用いられている。

この種の研磨装置は、一般に、研磨パッドが取り付けられた研磨テーブルと、ウェハを保持するトップリングと、研磨液を研磨パッド上に供給するノズルとを備えている。ノズルから研磨液を研磨パッド上に供給しながら、トップリングによりウェハを研磨パッドに押し付け、さらにトップリングと研磨テーブルとを相対移動させることにより、ウェハを研磨してその表面を平坦にする。研磨装置は、通常、研磨中にウェハ上の膜厚を監視する研磨終点検知装置を備えている。この研磨終点検知装置は、膜が所定の厚さにまで除去されたときに研磨終点に達したと判断する。

研磨終点検知装置の一つの例として、ウェハの表面に光を照射し、反射してくる光に含まれる情報に基づいて研磨終点を判断する、いわゆる光学式研磨終点検知装置が挙げられる。この光学式研磨終点検知装置は、光透過性のある膜を研磨する場合にしばしば用いられている。例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）工程では、ウェハの上に形成された絶縁膜であるＳｉＯ_２膜を研磨する場合に、光学式研磨終点検知装置が用いられる。

図１は、ＳＴＩの一工程を示す断面図であり、Ｓｉ層に形成された凹凸構造の上に絶縁膜であるＳｉＯ_２膜が形成された積層構造を示している。図１に示すように、Ｓｉ層（通常はシリコンウェハ）の凸部には、ＳｉＮ膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）および熱酸化膜パッドが形成される。ＳｉＯ_２膜は、矢印で示すように、ＳｉＮ膜が露出するまでＣＭＰにより研磨される。ＳｉＮ膜はポリッシングストッパーとして機能し、ＣＭＰによってウェハＷの表面がダメージを受けてしまうことを防止する。ＳｉＮ膜はアクティブ部とも称される。

ＳｉＯ_２膜の研磨終点は、光学式研磨終点検知装置によって検出される。この光学式研磨終点検知装置は、研磨中に膜に光を照射し、膜から反射する光に含まれる情報（例えば反射強度）から研磨終点を検出する。ＳｉＯ_２膜に照射された光は、ＳｉＯ_２膜で反射するのみならず、ＳｉＯ_２膜を透過してその下地層となっているＳｉ層の表面からも反射する。しかしながら、Ｓｉ層に形成されている溝（凹部）の深さには、通常、ある程度のばらつきがあるため、溝の底面で反射した光は、溝の深さのばらつきに依存した不安定な情報を含んでいる。このような不安定な情報を含む光は、正確な研磨終点検知を阻害する原因となってしまう。同様な問題は、溝（トレンチ）を有する層間絶縁層の上に形成された配線金属膜（例えば銅膜）を研磨するときの研磨終点検知でも起こりうる。

特開２００４−１５４９２８号公報 特開平１１−７７５２５号公報 米国特許６１１１６３４号公報 特表２００６−５２６２９２号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、凹凸構造の上に形成された膜を研磨するときに正確に研磨終点を検知することができる研磨終点検知方法および研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、凹凸構造の上に形成された光透過性のある膜を有する基板の研磨終点検知方法であって、前記基板の表面に対して斜めに光を照射し、前記基板から戻ってくる光を受光し、受光した光の強度に基づいて前記膜の研磨終点を判断し、前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記光を受光する角度は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記基板の表面での光の反射角と実質的に等しい角度で光を受光することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記受光した光の強度は、前記膜の表面で反射する光と、前記凹凸構造の凸部で反射する光とが干渉した光の強度であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部のアスペクト比から決定される基準角度よりも大きいことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記光の照射および受光は、液体で満たされた空間内で行われることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板に同じ方向から光を繰り返し照射することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、互いに垂直な２つの方向から光を前記基板に照射することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、受光した光を波長に従って分解し、所定の波長での光の強度を監視し、前記光の強度があらかじめ決められた値に達したときに研磨終点に達したと判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、受光した光を波長に従って分解してスペクトルを生成し、前記スペクトルに基づいて前記膜の厚さを判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点検知方法は、前記基板の向きを検出する工程をさらに含み、前記凹部はトレンチであり、該トレンチの延びる方向に対して略垂直な方向から前記光を照射することを特徴とする。

本発明の他の態様は、凹凸構造の上に形成された光透過性のある膜を有する基板を研磨する研磨装置であって、研磨パッドを保持する回転可能な研磨テーブルと、基板を回転させながら前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、研磨終点を検知する研磨終点検知装置とを備え、前記研磨終点検知装置は、前記基板の表面に対して斜めに光を照射する投光部と、前記基板から戻ってくる光を受光する受光部と、受光した光の強度に基づいて前記膜の研磨終点を判断する判定部とを有し、前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記受光部が光を受光する角度は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記投光部は、光源と、前記光源の光を前記基板の表面に導く光伝送部とを有し、前記光伝送部および前記受光部は、前記研磨テーブルに着脱可能に取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記投光部は、前記基板の表面に異なる角度で光を照射する複数の投光部であり、前記複数の投光部から選択された少なくとも１つの投光部から光を前記基板の表面に照射することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記選択された少なくとも１つの投光部は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度で光を照射することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記受光部は、異なる角度で光を受光する複数の受光部であり、前記複数の受光部から選択された少なくとも１つの受光部で光を受光することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記選択された少なくとも１つの受光部は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度で光を受光することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記受光部は、前記基板の表面での光の反射角と実質的に等しい角度で光を受光することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記投光部および前記受光部の先端と前記基板との間には空間が形成されており、該空間は液体で満たされていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転位置を検知する手段をさらに備え、前記判定部は、前記基板に同じ方向から光が照射されたときに受光した光の強度に基づいて研磨終点を判断する。
本発明の好ましい態様は、前記光伝送部および前記受光部は、第１の方向に沿って配列された第１の光伝送部および第１の受光部と、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って配列された第２の光伝送部および第２の受光部とを有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記研磨終点検知装置は、受光した光を波長に従って分解する分光器をさらに有し、前記判定部は、所定の波長での光の強度を監視し、前記光の強度があらかじめ決められた値に達したときに研磨終点に達したと判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点検知装置は、受光した光を波長に従って分解してスペクトルを生成する分光器をさらに有し、前記判定部は、前記スペクトルに基づいて前記膜の厚さを判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記トップリングは、基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を有し、前記研磨装置は、前記膜の厚さに基づいて前記複数の押圧機構の押圧力を独立に制御する研磨制御部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記基板の向きを検出する機構をさらに備え、前記凹部はトレンチであり、前記投光部は前記トレンチの延びる方向に対して略垂直な方向から前記光を照射することを特徴とする。

本発明によれば、膜を透過した光は凹部の底面には当たらないので、基板から戻ってくる光は、凹部の深さのばらつきの影響を受けず、膜の厚さに依存した情報を含む光である。したがって、基板から戻ってくる光に含まれる情報に基づいて、正確に研磨終点を検知することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、本発明に係る研磨終点検出方法の原理を説明するための図である。図２に示すように、ウェハの表面には凹凸構造を有する第１の膜５が形成され、その上には光透過性のある第２の膜６が形成されている。ウェハの表面に対向するように投光部１１および受光部１２が配置されている。第２の膜６と投光部１１および受光部１２との間の空間は、媒質としての水で満たされている。なお、媒質は空気であってもよい。

投光部１１は第２の膜６に光を照射し、その光の入射角θは光が凹部の底面に当たらない角度に設定される。具体的には、入射角θは、図２に示すθｒよりも大きい角度に設定される。この角度θｒは、凹部（溝）の幅をＡ、深さをＢとしたときに、式θｒ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）で求められる角度である。以下、この角度θｒを基準角度という。入射角θは、この基準角度θｒよりも大きな値である。なお、光が第２の膜６に進入するときに、屈折率の影響を受ける場合がある。この場合は、第２の膜６での光の屈折角（第２の膜６と媒質の屈折率）も考慮して入射角θを決定することが好ましい。

ウェハから戻る光は受光部１２によって受光される。受光部１２は、ウェハの表面での光の反射角に実質的に等しい角度で光を受光することが好ましい。すなわち、受光部１２の先端に光が略垂直に進入するように、受光部１２の先端はウェハの表面と垂直な方向に対して−θの角度で傾いていることが好ましい。光の入射角θおよび反射角−θは、研磨終点検知が光の回折に影響されない角度であることが好ましい。また、光の回折を防ぐために、凹凸構造の周期性に起因した光の回折が起こらない光の波長を選択することが好ましい。具体的には、凸部の間隔よりも大きい光の波長が選択される。

受光部１２で受光された光は分光器１３に送られる。分光器１３では、光が波長に従って分解されたスペクトルが得られる。得られたスペクトルはさらに演算部１４に送られる。演算部１４では、所定の波長での反射強度（ウェハから戻ってくる光の強さ）を用いて特性値が生成される。特性値は、異なる波長での反射強度同士を割り算した値であり、反射強度からノイズ成分などを取り除いた値と考えることができる。この特性値は膜厚の変化に従って周期的に変化する。これは、第２の膜６の表面で反射した光と、第２の膜６を透過してその下地層である第１の膜５の凸部で反射した光とが干渉するためである。

分光器１３で得られたスペクトルは、波長ごとの反射強度（反射光の強さ）を示す情報を含んでいる。演算部１４は、予め選択された２つの波長λ１，λ２における反射強度ρ_λ１(ｔ)，ρ_λ２(ｔ)を用いて、特性値Ｘ（ｔ）を次の式から求める。
Ｘ(ｔ)＝ρ_λ１(ｔ)／(ρ_λ１(ｔ)＋ρ_λ２(ｔ))
ここで、ρは反射強度、ｔは研磨時間を表す。

求められた特性値は判定部１５に送られ、ここで研磨中に変化する特性値が監視される。図３は研磨時間に従って変化する特性値を示すグラフである。図３の横軸は研磨時間（膜厚と考えてもよい）、縦軸は特性値を示す。図３に示すように、研磨が進行するにしたがって、特性値はサインカーブを描いて変化する。研磨初期では、研磨の不安定さやノイズ等により特性値の波形が安定しない場合がある。このため、特性値のモニター開始を意図的に遅らせ、ある程度研磨が進行した後に特性値のモニターが開始される。

判定部１５は、モニター開始後に現われる極大値（または極小値）の数をカウントして、予め定められた個数の極大値（つまり所定の極値）が現われた時点を研磨終点と判断する。例えば、図３では、４番目の極大値が研磨終点として予め設定されている。したがって、モニター開始後の極大値のカウントが４になったときに、判定部１５は研磨終点に達したと判断する。なお、特性値に代えて、反射強度（反射光の強度）をそのまま用いることもできる。反射強度も膜厚の変化にしたがって周期的に変化するので、特性値と同様のやり方で研磨終点を検出することができる。この場合は、演算部１４を省略することができる。

スペクトルは、波長ごとの反射光の強度の分布を示すグラフとして表わすことができる。このスペクトルは、第２の膜６（図２参照）の厚さに応じて変化する。したがって、スペクトルと膜厚との関係を示すデータと、研磨中に取得されたスペクトルとから、第２の膜６の厚さを研磨中に求めることができる。具体的には、次のような方法で膜厚を求めることができる。まず、第２の膜６の厚さごとのスペクトルをシミュレーション計算によりデータとして取得する。分光器１３で得られたスペクトルの波形は、カーブフィッティングなどの手法を用いて、データ中のスペクトルと比較される。そして、分光器１３で得られたスペクトルに最も近いスペクトルがデータの中から選択され、その選択されたスペクトルに対応する膜厚が研磨中の膜厚と判断される。この方法によれば、判定部１５は、膜厚が減少して所定のしきい値に達したときに、研磨終点に達したと判断することができる。

図４は、光の入射角と波長ごとの反射光の強さ（すなわちスペクトル）との関係を示すグラフであり、実験結果を示す。この実験で用いられた試料は、Ｓｉ層に形成された凹凸構造の上にＳｉＯ_２膜が形成されたウェハである。凹部（トレンチ）の深さは４５０ｎｍ、幅は１８０ｎｍであった。図４に示すθはウェハの法線からなす角度であり、θ１は約５度，θ２は約１０度，θ３は約１５度、θｒは約２０度、θ５は約２５度、θ６は約３０度、θ７は約３５度であった。図４のグラフにおいて、横軸は波長を示し、縦軸は反射率（反射光の強さ）を示す。図４が示すように、凹部（溝やトレンチ）の底面に光が届く入射角θ１，θ２，θ３と凹部の底面に光が届かない入射角θ５，θ６，θ７との間では、スペクトルが大きく異なっていることが分かる。つまり、入射角θｒを境にスペクトルが異なっている。これは、入射角θ５，θ６，θ７の場合の反射光には、凹部の底面に当たった光が実質的に含まれないからと考えられる。

投光部１１からの光の入射角は基準角度θｒよりも大きく設定されているので、ウェハから戻ってくる光には、凹部の底面に当たった光の情報が含まれない。したがって、凹部（溝やトレンチ）の深さのばらつきに影響されない情報を含むスペクトルを取得することができる。なお、図５の右側の矢印に示すように、凸部の表面に当たった光の一部は凸部を透過して凹部の底面に当たる場合があるが、凸部を透過する間に光は減衰する。さらに、この透過した光は凹部の底面で反射して凹部の側面に当たり、ここで光が遮られる。このとき、光の一部は再び凸部に進入するが、凸部を進む間に光はさらに減衰する。このように、凸部を透過した光は、反射と減衰とを繰り返すため、スペクトルに含まれる情報にはほとんど影響を与えない。

入射角が基準角度θｒよりも小さいと、光は凹部の底面に直接当たり、底面で反射する。入射角によっては、凹部の底面で反射した光が凹部の側面に当たる場合がある。このような場合、光は凹部の側面に遮られて、受光部１２には到達しないと理論上は考えられる。しかしながら、図５の左側の矢印に示すように、凹部の底面で反射した光は凸部を透過して、受光部１２に到達することがある。凸部を構成する材料が金属である場合でも、同じ現象が起こりうる。これは、極めて薄い金属は光を透過させるからである。図４に示すグラフは、このような現象を反映したものといえる。したがって、正確な終点検知を行うためには、凹部に光が直接当たらない入射角で光を照射することが有効である。

受光部１２が受光する角度は、凹部の底面に当たって反射する光を直接受光しない角度であることが好ましい。このような受光角度を設定することで、入射角度に依存せず、凹部の底面に当たった光を実質的に含まない光のみを選択的に受光することができる。ウェハに照射する光は、平行光（コリメートされた光）であることが好ましい。しかしながら、完全な平行光を生成することは実際には難しいため、ある程度の放射角を持った光をウェハに照射してもよい。この場合、光のごく一部が凹部の底面に直接当たったり、底部で反射した光を直接受光してしまうことがあるが、図４のグラフに示すように、実際の測定には影響はないと考えられる。

次に、上記原理を利用した研磨終点検知装置を組み込んだ研磨装置について説明する。図６は、研磨装置を模式的に示す断面図である。図６に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を保持する研磨テーブル２０と、ウェハＷを保持して研磨パッド２２に押圧するトップリング２４と、研磨パッド２２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル２５とを備えている。研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。研磨テーブル２０の上面には、研磨パッド２２が固定されている。

研磨パッド２２の上面２２ａは、ウェハＷが摺接される研磨面を構成している。トップリング２４は、トップリングシャフト２８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング２４は昇降可能かつトップリングシャフト２８周りに回転可能となっている。このトップリング２４の下面には、ウェハＷが真空吸着等によって保持される。

トップリング２４の下面に保持されたウェハＷはトップリング２４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２０上の研磨パッド２２にトップリング２４によって押圧される。このとき、研磨液供給ノズル２５から研磨パッド２２の研磨面２２ａに研磨液が供給され、ウェハＷと研磨パッド２２との間に研磨液が存在した状態でウェハＷが研磨される。本実施形態においては、ウェハＷと研磨面２２ａとを相対移動させる機構は、研磨テーブル２０およびトップリング２４によって構成される。

研磨テーブル２０には、その上面で開口する孔３０が形成されている。また、研磨パッド２２には、この孔３０に対応する位置に通孔３１が形成されており、孔３０と通孔３１とは連通している。通孔３１は、研磨面２２ａで開口しており、通孔３１の径は約３ｍｍである。孔３０は液体供給路３３およびロータリージョイント３２を介して液体供給源３５に連結されている。研磨中は、液体供給源３５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が孔３０に供給され、ウェハＷの下面と通孔３１とによって形成される空間を満たし、液体排出路３４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光の光路が確保される。液体供給路３３には、研磨テーブル２０の回転に連動して作動するバルブ（図示せず）が設けられている。このバルブは、通孔３１の上にウェハＷが位置しないときは水の流れを止める、または水の流量を少なくするように動作する。

研磨装置は、研磨終点検出装置を有している。この研磨終点検出装置は、光をウェハＷに照射する投光部１１と、ウェハＷから戻ってくる光を受光する受光部としての光ファイバー１２と、光ファイバー１２によって受光された光を波長に従って分解してスペクトルを取得する分光器１３と、分光器１３によって得られたスペクトルから、上述した特性値を演算する演算部１４と、特性値を監視して研磨終点を判定する判定部１５を備えている。

投光部１１は、光源４０と、光源４０に接続された光ファイバー４１とを備えている。光ファイバー４１は、光源４０の光をウェハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４１は、光源４０から孔３０および通孔３１を通って基板Ｗの近傍位置まで延びている。光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端は、トップリング２４に保持されたウェハＷの中心に対向して配置され、研磨テーブル２０が回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光が照射されるようになっている。

光源４０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いることができる。光ファイバー４１と光ファイバー１２は互いに並列に配置され、その先端は円筒状の保護ケース４２内に収容されている。保護ケース４２の内面は、光の乱反射を避けるために、黒色となっている。なお、この保護ケース４２は省略することができる。光ファイバー４１、光ファイバー１２、および保護ケース４２は一つのユニット（以下、投受光ユニットという）として構成され、研磨テーブル２０に着脱可能に取り付けられている。

光ファイバー４１の先端は、ウェハＷの表面に垂直な方向から角度θだけ傾いており、上述した基準角度θｒよりも大きい入射角θで光がウェハＷの表面に照射されるようになっている。光ファイバー１２の先端も、ウェハＷの表面に垂直な方向から角度−θだけ傾いており、ウェハＷで反射した光がほぼ垂直に光ファイバー１２の先端に入射するようになっている。基準角度θｒはウェハの凹部のアスペクト比（幅と深さとの比）に依存するため、ウェハの種類が変わると、光の入射角θを変える必要がある。したがって、異なる入射角の光を投光する複数の投受光ユニットを用意し、研磨対象となるウェハの構造に最も適した投受光ユニットを選択することが好ましい。

判定部１５は、演算部１４によって演算された特性値を監視し、上述の研磨終点検出方法に従って研磨終点を検出する。判定部１５は、研磨終点を検知したことを示す信号を研磨制御部４５に送信し、研磨制御部４５はこの信号を受けて研磨装置の研磨動作を停止させる。研磨終点検出の信頼性を高めるために、研磨制御部４５は、判定部１５からの信号を受けてから所定の時間が経過した後に研磨動作を停止させてもよい。なお、判定部１５と研磨制御部４５とは一体的に構成してもよい。

光ファイバー４１から投光される光は平行光（コリメートされた光）であることが好ましい。したがって、光ファイバー４１の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）はできるだけ小さいことが好ましい。例えば、ＮＡの値が０．２程度の光ファイバーを用いることができる。この場合、光の放射角は、媒質が空気である場合、約１１．５度であるが、光の成分の多くは光ファイバーの中心軸に沿って分布していると考えられるので、０．２程度のＮＡを有する光ファイバーでも使用可能である。平行光を生成する光ファイバー４１として、光をコリメートするレンズを先端に有する光ファイバーや、先端がレンズ形状に形成された光ファイバーなどを使用することもできる。このような光ファイバーは、東洋ガラス株式会社やアダマンド工業株式会社から販売されている。また、ＮＡの値が０．１２程度の低ＮＡファイバーは、Edmund Optics Inc.から販売されている。

媒質が水である場合、光の放射角は、媒質が空気の場合に比べて小さくなる。ＮＡの値が０．２程度の光ファイバーで媒質が水である場合、光の放射角は約８．７度となる。本実施形態では、上述したように、光ファイバー４１の先端とウェハＷとの間の空間は水で満たされているので、光ファイバー４１から発せられる光は、空気中を伝わるときよりも、平行光により近い形となる。したがって、ウェハＷと光ファイバー４１，１２の先端との間の空間に水を供給することは、研磨液（スラリー）を除去することのみならず、平行光をウェハＷに照射する観点からも研磨終点検知にとって都合がよいといえる。

ところで、研磨パッド２２は、研磨面のドレッシング処理やウェハの研磨処理によって、徐々に薄くなってくる。研磨パッド２２が薄くなると、ウェハＷと光ファイバー４１，１２との距離（すなわち光路長）が短くなり、ウェハＷから戻ってくる光を光ファイバー１２が受光できなくなるおそれがある。このような不都合を避けるために、光ファイバー４１および光ファイバー１２の少なくとも一方の先端は、光路長の変化を許容できる程度の大きな径を有することが好ましい。図７は、光ファイバー４１の先端の径を大きくしたときの光の進行路を示す図である。図７に示すように、研磨パッド２２が摩耗するに従って、ウェハＷの位置は下降する。この場合でも、光ファイバー４１の先端の径（すなわち、光束の径）が大きいので、ウェハＷの位置にかかわらず、光ファイバー１２はウェハＷからの光を受けることができる。したがって、光路長の変化によらず、安定した研磨終点検知を行うことができる。構造的制約などで、光ファイバー４１の先端の径が大きくできない場合は、投光される光の放射角を広げ、光路長の変化を許容できる程度まで、ウェハＷ上の照明スポットを大きくしてもよい。

トップリング２４として、ウェハＷの表面の複数の領域を押圧する複数の押圧機構を有するタイプのものを使用してもよい。例えば、同心状に配置された複数のエアバッグによってウェハＷの表面の複数の領域を独立して押圧するトップリングを用いることができる。図８は複数の押圧機構としての複数のエアバッグを有するトップリングを示す断面図である。トップリング２４は、トップリングシャフト２８に自由継手５０を介して連結されるトップリング本体５１と、トップリング本体５１の下部に配置されたリテーナリング５２とを備えている。トップリング本体５１の下方には、ウェハＷに当接する円形の弾性パッド５３と、弾性パッド５３を保持するチャッキングプレート５４とが配置されている。弾性パッド５３とチャッキングプレート５４との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は弾性パッド５３とチャッキングプレート５４とによって形成されている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路５６，５７，５８，５９を介して圧力調整部６１により加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェハＷの４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する押圧力を独立に調整することができる。また、トップリング２４の全体を昇降させることにより、リテーナリング５２を所定の押圧力で研磨パッド２２に押圧できるようになっている。

チャッキングプレート５４とトップリング本体５１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には流体路６０を介して圧力調整部６１により加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。これにより、チャッキングプレート５４および弾性パッド５３全体が上下方向に動くことができる。ウェハＷはリテーナリング５２に囲まれており、研磨中にウェハＷがトップリング２４から飛び出さないようになっている。このような構成を有するトップリング２４によれば、圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力によりウェハＷに対する押圧力が調整される。上述したように、スペクトルから膜厚を求めることができるので、ウェハＷの膜厚分布に応じて圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の押圧力を調整することによって均一な研磨レートを実現することができる。

ウェハＷの膜厚分布は次のようにして求めることができる。判定部１５は、研磨テーブル２０の回転に伴って光ファイバー４１および光ファイバー１２の先端がウェハＷを横切る間、複数の測定点で膜厚を測定する。これらの測定点はウェハＷの略径方向に沿って並んでいる。したがって、これらの測定点での膜厚を測定することにより、ウェハＷの膜厚分布を求めることができる。研磨制御部４５は、得られた膜厚分布に基づき、研磨レートがウェハＷの表面全体で均一になるように圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のウェハＷに対する押圧力を制御する。このような動作により、ウェハＷの表面を均一に研磨することができる。

図９は本実施形態の第１の変形例を示す拡大図である。なお、図９は研磨終点検知装置の要部のみを示す。第１の変形例では、複数の（図９では３つの）光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃと、各光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃにそれぞれ接続された複数の（図９では３つの）光源４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃとを有する複数の投光部１１が設けられている。それぞれの光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの先端は異なる角度で傾斜しており、それぞれ異なる入射角の光を照射できるようになっている。一方、受光部として、径の大きい光ファイバー１２が用いられている。この光ファイバー１２は、３つの光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃのいずれかから投光された光も受光できるようになっている。

上述したように、基準角度θｒはウェハの凹部のアスペクト比（幅と深さとの比）に依存する。このため、ウェハの種類が変わると、光の入射角θを変える必要がある。この変形例によれば、研磨対象となるウェハの構造（凹部のアスペクト比）から決定される基準角度θｒに基づいて、３つの光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃのうちの１つが選択される。選択される光ファイバーは、基準角度θｒよりも大きい入射角で光をウェハに照射できる光ファイバーである。この場合、複数の光ファイバーを選択してもよい。この例の研磨終点検知装置は、投光部１１を交換することなく、異なるタイプのウェハに対して研磨終点検知を行うことができる。

図１０は本実施形態の第２の変形例を示す拡大図である。図１０でも研磨終点検知装置の要部のみを示す。この第２の変形例では、受光部として複数の（図１０では３つの）光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが設けられている。それぞれの光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの先端は異なる角度で傾斜している。光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは選択器４５に接続され、この選択器４５は分光器１３に接続されている。一方、投光部１１は、１つの光源４０と、この光源４０に接続された径の大きい光ファイバー４１とを有している。この光ファイバー４１の開口数（ＮＡ）はやや大きく、複数の入射角で光がウェハに照射されるようになっている。

ウェハＷで反射した光は、光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃによって受光される。選択器４５は、光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうちの少なくとも１つを選択し、選択された光ファイバーによって受光された光が選択器４５を通過して分光器１３に進む。光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃから選択される光ファイバーは、基準角度θｒよりも大きい入射角で照射された光を受けることができる光ファイバーである。
なお、異なる角度で光を受光する受光部の他の例として、ラインセンサやＣＣＤセンサなどの、複数の受光素子が平面内に配置されたイメージセンサを用いることができる。この場合、イメージセンサを選択器４５の代わりに設置してもよく、またはイメージセンサを光ファイバー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの代わりに光ファイバー４１に対向するように設置してもよい。

上述した研磨終点検知装置および方法は、凹凸構造が形成されるＳＴＩ工程や多層配線形成工程に好適に使用することができる。特に本発明は、限定されないが、配線層の下方に下地（フロントエンド）を作るフロントエンドプロセスに好適に用いることができる。図１１はＳＴＩ構造における光路を示す模式図である。図１１に示すように、投光部１１（図６参照）からの光は、ＳｉＯ_２膜の表面に入射角θ（＞θｒ）で入射する。光の一部はＳｉＯ_２膜の表面で反射し、一部はＳｉＯ_２膜内を進む。このとき、媒質（水または空気）とＳｉＯ_２膜との屈折率の違いから、光は屈折してＳｉＯ_２膜内を進行する。光の一部はＳｉＮ膜の表面で反射し、他の一部はＳｉ層（通常はシリコンウェハ）のトレンチ（凹部）の側面に当たる。トレンチの側面に当たった光の一部はＳｉ層に吸収され、他の一部はさらに反射し、迷光となって減衰する。このように、トレンチの側面に当たった光のほとんどは減衰し、結果として、ＳｉＮ膜の表面で反射した光に依存する情報が支配的となる。

なお、研磨される前のＳｉＯ_２膜の表面は、通常凹凸を有している。これは、ＳｉＯ_２膜は凹凸構造の上にＣＶＤなどによって形成されるからである。したがって、図１１に示す断面図は、研磨がある程度進んだ状態を示している。本発明の目的は、最上層であるＳｉＯ_２膜の表面の凹凸を除去することではなく、ＳｉＯ_２膜の下地層である凹凸構造の凸部（図１１の例ではＳｉＮ膜）が表出するまでＳｉＯ_２膜を除去することである。

ＳＴＩ構造に形成されるトレンチは、通常、一方向に沿って並列に配列される。この場合、トレンチの延びる方向（長手方向）に沿って光を照射すると、入射角にかかわらず光がトレンチの底面に到達してしまう。したがって、光がトレンチの底面に当たらないようにするためには、トレンチの延びる方向と垂直な方向から光を照射する必要がある。そこで、次のような、光の照射方向とウェハの回転位置を検出する機構を設けることが好ましい。

図１２（ａ）は、光の照射方向とウェハの向き（オリエンテーション）を検出する機構を説明するための模式図であり、図１２（ｂ）はウェハを保持するトップリングを下から見た図であり、図１２（ｃ）は研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面を示す平面図である。図１２（ａ）に示すように、トップリング２４および研磨テーブル２０の側面には、センタターゲット６５，６６がそれぞれ取り付けられている。また、トップリング２４および研磨テーブル２０の側方には、センサターゲット６５，６６を検出する近接センサ６７，６８がそれぞれ配置されている。

近接ターゲット６７は、トップリング２４が一回転するたびにセンサターゲット６５を検知し、トップリング２４の回転位置（向き）を検知できるようになっている。同様に、近接ターゲット６８は、研磨テーブル２０が一回転するたびにセンサターゲット６６を検知し、研磨テーブル２０の回転位置（向き）を検知できるようになっている。これら近接センサ６７，６８は、回転位置検知センサとして機能する。なお、センサターゲット６５，６６としては高反射テープを用いることができ、近接センサ６７，６８としては高反射テープの反射率を監視する近接センサを用いることができる。

図１２（ｂ）に示すように、ウェハＷはそのノッチ部７０の位置がセンサターゲット６５の位置と一致するように、トップリング２４に保持される。また、図１２（ｃ）に示すように、センサターゲット６６は、光ファイバー４１，１２の径方向外側に位置するように取り付けられている。２つの近接センサ６７，６８は上述した判定部１５（図６参照）に接続されている。判定部１５は、２つの近接センサ６７，６８が２つのセンサターゲット６５，６６を同時に検知したときに受光した光から、上述した特性値（または反射強度）を取得するようになっている。２つの近接センサ６７，６８が２つのセンサターゲット６５，６６を同時に検知するということは、トップリング２４と研磨テーブル２０の向きが一致したこと、すなわちウェハＷおよび光ファイバー４１，１２の周方向位置が一致したことを意味する。したがって、同一の方向からウェハＷに照射された光を用いて、研磨終点を検知することができる。

なお、回転位置検知センサとしては上述の例に限られない。重要なことは、同じ方向からウェハＷに光を照射することである。同じ方向とは、トレンチの延びる方向に対して斜めの方向であり、典型的には、トレンチの延びる方向に対して略垂直な方向である。光は、トレンチの一方の側から、または両側から照射してもよい。いずれの場合でも、光が凹部の底面に直接当たらない条件を満たす方向から光がウェハＷに照射される。上述したように、投光部１１の先端（すなわち光ファイバー４１の先端）はウェハＷの表面に対して斜めに光を照射するため、上記条件を満たす光の方向は比較的広い範囲から選択することができる。

なお、光ファイバー４１は、連続的に光を照射してもよく、または近接センサ６７，６８がセンサターゲット６５，６６を同時に検知したときのみ光を照射してもよい。いずれの場合でも、ウェハＷに同一の方向から光が繰り返し照射されるので、正確な研磨終点検知を行うことができる。

上述した光の照射方向とウェハの方向とを検出する機構に代えて、次に説明するような２つの方向から光を照射する機構を備えてもよい。図１３（ａ）は光ファイバーの変形例を示す側面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示す光ファイバーの先端を上から見た平面図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、第１の方向に沿って第１の投光用光ファイバー４１Ａおよび第１の受光用光ファイバー１２Ａが配列されており、第１の方向と垂直な第２の方向に沿って第２の投光用光ファイバー４１Ｂおよび第２の受光用光ファイバー１２Ｂが配列されている。第１の方向は、研磨テーブル２０の半径方向である。第１の投光用光ファイバー４１Ａおよび第２の投光用光ファイバー４１Ｂは、それぞれ光源４０Ａ，４０Ｂに接続され、第１の受光用光ファイバー１２Ａおよび第２の受光用光ファイバー１２Ｂは、それぞれ分光器１３Ａ，１３Ｂに接続されている。

第１の投光用光ファイバー４１Ａから照射された光は、第１の受光用光ファイバー１２Ａによって受光され、第２の投光用光ファイバー４１Ｂから照射された光は、第２の受光用光ファイバー１２Ｂによって受光される。この例によれば、互いに垂直な２つの方向から同時に光が照射される。演算部１４（図６参照）は、２つの分光器１３Ａ，１３Ｂによって生成された２つのスペクトルから上述した特性値を別々に演算し、判定部１５は２つのスペクトルから求められた特性値（または反射強度）を別々に監視する。そして、判定部１５は、得られた特性値のデータから有効なデータのみを選択し、その選択されたデータから研磨終点を検知する。有効なデータの選択は、特性値（または反射強度）の相対的変化などに基づいて行うことができる。ここで、有効なデータとは、凹部の底面で反射した光の情報を実質的に含まないデータである。凹部の底面に光が直接当たった場合のスペクトルは、上述したように、凹部の底面に光が直接当たらない場合のスペクトルと異なる。したがって、カーブフィッティングなどの手法を用いて、有効なデータを識別することができる。

なお、図９または図１０に示す投光用光ファイバーおよび受光用光ファイバーを、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、垂直な２つの方向に沿って配列することもできる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

ＳＴＩの一工程を示す断面図である。 本発明に係る研磨終点検出方法の原理を説明するための図である。 研磨時間に従って変化する特性値を示すグラフである。 光の入射角と反射光の強さとの関係を示すグラフである。 光の進路を示す模式図である。 研磨装置を模式的に示す断面図である。 投光用光ファイバーの先端の径を大きくしたときの光の進行路を示す図である。 トップリングの一構成例を示す断面図である。 一実施形態の第１の変形例を示す拡大図である。 一実施形態の第２の変形例を示す拡大図である。 ＳＴＩ構造における光路を示す模式図である。 図１２（ａ）は、光の照射方向とウェハの方向とを検出する機構を説明するための模式図であり、図１２（ｂ）はウェハを保持するトップリングを下から見た図であり、図１２（ｃ）は研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面を示す平面図である。 図１３（ａ）は光ファイバーの変形例を示す側面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示す光ファイバーの先端を上から見た平面図である。

符号の説明

１１ 投光部
１２ 受光部
１３ 分光器
１４ 演算部
１５ 判定部
２０ 研磨テーブル
２２ 研磨パッド
２４ トップリング
２５ 研磨液供給ノズル
２８ トップリングシャフト
３０ 孔
３１ 通孔
３２ ロータリージョイント
３３ 液体供給路
３４ 液体排出路
３５ 液体供給源
４０ 光源
４１ 光ファイバー
４２ 保護ケース
４５ 研磨制御部
４５ 選択器
５０ 自由継手
５１ トップリング本体
５２ リテーナリング
５３ 弾性パッド
５４ チャッキングプレート
５６〜６０ 流体路
６１ 圧力調整部
６５，６６ センタターゲット
６７，６８ 近接センサ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５ 圧力室

Claims (19)

1. 凹凸構造の上に形成された光透過性のある膜を有する基板の研磨終点検知方法であって、
   前記基板の表面に対して斜めに光を照射し、
   前記基板から戻ってくる光を受光し、
   受光した光の強度に基づいて前記膜の研磨終点を判断し、
   前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度であることを特徴とする研磨終点検知方法。
2. 前記光を受光する角度は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
3. 前記基板の表面での光の反射角と実質的に等しい角度で光を受光することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
4. 前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部のアスペクト比から決定される基準角度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
5. 互いに垂直な２つの方向から光を前記基板に照射することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
6. 受光した光を波長に従って分解し、
   所定の波長での光の強度を監視し、
   前記光の強度があらかじめ決められた値に達したときに研磨終点に達したと判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
7. 受光した光を波長に従って分解してスペクトルを生成し、
   前記スペクトルに基づいて前記膜の厚さを判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
8. 前記研磨終点検知方法は、前記基板の向きを検出する工程をさらに含み、
   前記凹部はトレンチであり、該トレンチの延びる方向に対して略垂直な方向から前記光を照射することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検知方法。
9. 凹凸構造の上に形成された光透過性のある膜を有する基板を研磨する研磨装置であって、
   研磨パッドを保持する回転可能な研磨テーブルと、
   基板を回転させながら前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、
   研磨終点を検知する研磨終点検知装置とを備え、
   前記研磨終点検知装置は、
   前記基板の表面に対して斜めに光を照射する投光部と、
   前記基板から戻ってくる光を受光する受光部と、
   受光した光の強度に基づいて前記膜の研磨終点を判断する判定部とを有し、
   前記光の入射角は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度であることを特徴とする研磨装置。
10. 前記受光部が光を受光する角度は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度であることを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
11. 前記投光部は、前記基板の表面に異なる角度で光を照射する複数の投光部であり、前記複数の投光部から選択された少なくとも１つの投光部から光を前記基板の表面に照射し、
    前記選択された少なくとも１つの投光部は、前記凹凸構造の凹部の底面に光が直接当たらない角度で光を照射することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
12. 前記受光部は、異なる角度で光を受光する複数の受光部であり、前記複数の受光部から選択された少なくとも１つの受光部で光を受光し、
    前記選択された少なくとも１つの受光部は、前記凹凸構造の凹部の底面で反射する光を直接受光しない角度で光を受光することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
13. 前記受光部は、前記基板の表面での光の反射角と実質的に等しい角度で光を受光することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
14. 前記トップリングと前記研磨テーブルの回転位置を検知する手段をさらに備え、
    前記判定部は、前記基板に同じ方向から光が照射されたときに受光した光の強度に基づいて研磨終点を判断することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
15. 前記投光部および前記受光部は、第１の方向に沿って配列された第１の光伝送部および第１の受光部と、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って配列された第２の光伝送部および第２の受光部とを有することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
16. 前記研磨終点検知装置は、受光した光を波長に従って分解する分光器をさらに有し、
    前記判定部は、所定の波長での光の強度を監視し、前記光の強度があらかじめ決められた値に達したときに研磨終点に達したと判断することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
17. 前記研磨終点検知装置は、受光した光を波長に従って分解してスペクトルを生成する分光器をさらに有し、
    前記判定部は、前記スペクトルに基づいて前記膜の厚さを判断することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
18. 前記トップリングは、基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を有し、
    前記研磨装置は、前記膜の厚さに基づいて前記複数の押圧機構の押圧力を独立に制御する研磨制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
19. 前記研磨装置は、前記基板の向きを検出する機構をさらに備え、
    前記凹部はトレンチであり、前記投光部は前記トレンチの延びる方向に対して略垂直な方向から前記光を照射することを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。

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