JP5254668B2 - 研磨終点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨終点検出方法に係り、特に基板の膜の研磨終点（研磨停止または研磨条件の変更）を検出する光学的研磨終点検出方法に関するものである。

半導体デバイス製造において、ウェハ上に酸化膜を成膜する装置として、ＣＶＤ装置が広く使われている。この成膜工程では、ウェハ２５枚を１ロットとして処理をすることが一般的である。１ロット内では、成膜された酸化膜の厚さがウェハごとに大きく異なることはない。しかしながら、数十ロット処理すると、消耗材や成膜装置内温度の経時変化により、酸化膜の厚さは±１０％近くばらつくといわれている。

また、成膜チャンバーが複数ある場合は、チャンバー間でも成膜厚さの差が生じる。膜厚が薄い場合は特に問題はないが、膜厚が大きい場合は、ウェハごとの初期膜厚のばらつきが大きくなる。例えば、成膜厚さが１８００ｎｍであれば約±１８０ｎｍのばらつきが発生する。このように初期膜厚にばらつきがある場合、研磨終点を誤検知するという問題がある。

酸化膜の研磨終点を検出する方法としては、光学的研磨終点検知方法が一般に用いられている。ここで、図１を参照して光学的研磨終点検知方法の一例について説明する。光学的研磨終点検知方法では、研磨中に膜の表面に光を照射し、その反射光の反射強度を用いて特性値が算出される（特許文献１参照）。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、膜の表面で反射した光と、膜を透過してその下地膜の表面で反射した光とが干渉するためである。

図１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１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、研磨の不安定性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。

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が現われた時点を終点として研磨を終了する。図１では、４番目の極大値Ｖ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になったときに研磨終点に達したと認識される。

一方、図２は、図１に比べて初期膜厚が厚い膜を研磨したときの特性値を示すグラフである。初期膜厚が厚いため、１番目の極大値Ｉがモニター開始点の後にずれている。このため、４番目の極大値IVが研磨終点と判断され、本来終点となるべき極大値Ｖが検知されずに研磨不足になる。逆に、初期膜厚が薄い場合は、極大値IIがモニター開始点よりも前にずれてしまう。このため、３番目の極大値Ｖは研磨終点と認識されず、その結果、過研磨になることがある。また、このような極大値のずれ量は研磨レートによっても影響を受ける。したがって、研磨終点の誤検知を回避するためには、同一デバイスにもかかわらず、予め初期膜厚や研磨レートを測定し、測定結果に応じて終点研磨のレシピを変更しなければならず、管理が煩雑になり生産性を阻害していた。

特開２００４−１５４９２８号公報 特開平１１−７７５２５号公報 米国特許６１１１６３４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、初期膜厚や研磨レートによらず、研磨終点を正確に検出することができる研磨終点検出方法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、基板の研磨中に、該基板の表面に光を照射し、前記表面からの反射光を受光し、異なる複数の波長での反射強度を用いて算出された第１の特性値および第２の特性値をモニターし、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が所定の時間差内で現われた時点を検出し、検出された前記時点に基づいて研磨終点を決定する工程を含み、前記複数の波長は、研磨時間とともに周期的に変化する前記第１の特性値および前記第２の特性値の周期が互いに異なるように選択されること特徴とする研磨終点検出方法である。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が所定の時間差内で現われた前記時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記時点を検出した後、前記第１の特性値または前記第２の特性値の所定の極値を検出する工程をさらに含み、前記所定の極値が検出された時点に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が所定の時間差内で現われた時点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値がほぼ同時に現われた時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。

本発明の他の態様は、基板の研磨中に、該基板の表面に光を照射し、前記表面からの反射光を受光し、異なる波長での第１の反射強度および第２の反射強度をモニターし、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が所定の時間差内で現われた時点を検出し、検出された前記時点に基づいて研磨終点を決定する工程を含み、前記波長は、研磨時間とともに周期的に変化する前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の周期が互いに異なるように選択されること特徴とする研磨終点検出方法である。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記時点を検出した後、前記第１の反射強度または前記第２の反射強度の所定の極値を検出する工程をさらに含み、前記所定の極値が検出された時点に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が所定の時間差内で現われた時点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値がほぼ同時に現われた時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする。

研磨時間の経過にしたがって第１の特性値と第２の特性値が描く軌跡の相対的な位置関係は、初期膜厚および研磨レートによらず一定である。したがって、本発明によれば、初期膜厚および研磨レートの影響を受けることなく、正確な研磨終点検出が可能となる。

以下、本発明に係るポリッシング方法の実施形態について図３乃至図７を参照して詳細に説明する。なお、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は、ポリッシング装置の全体構成を示す模式図である。図３に示すように、ポリッシング装置は、上面に研磨パッド１０が貼設された研磨テーブル１２と、研磨対象物であるウェハＷを保持して研磨パッド１０の上面に押圧するトップリング１４とを備えている。研磨パッド１０の上面は、研磨対象物であるウェハ（基板）Ｗと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ_２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。

研磨テーブル１２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、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には研磨液供給ノズル１６が設置されており、この研磨液供給ノズル１６から研磨パッド１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング１４は、トップリングシャフト１８に連結されており、このトップリングシャフト１８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１４は矢印で示すように昇降可能かつトップリングシャフト１８回りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面にはウェハＷが真空等によって吸着、保持される。このような構成により、トップリング１４は自転しながら、その下面に保持したウェハＷを研磨パッド１０に対して所定の圧力で押圧することができるようになっている。

上述の構成のポリッシング装置において、トップリング１４の下面に保持されたウェハＷは、回転している研磨テーブル１２上の研磨パッド１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル１６から研磨パッド１０上に研磨液Ｑを供給する。これによって、ウェハＷの被研磨面（下面）と研磨パッド１０との間に研磨液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。

ここで、本実施形態における研磨テーブル１２の内部には、研磨中に、ウェハＷの被研磨面に形成された絶縁膜の研磨状態を監視する研磨状態監視装置２０が埋設されている。この研磨状態監視装置２０は、研磨中のウェハＷの被研磨面の研磨状況（残っている膜の厚みや状態など）をリアルタイムで連続的に監視するものである。

研磨パッド１０には、研磨状態監視装置２０からの光を透過させるための透光部２２が取付けられている。この透光部２２は、透過率の高い材質で形成されており、例えば、無発泡ポリウレタンなどにより形成される。透光部２２に代えて、研磨パッド１０に貫通孔を設け、この貫通孔がウェハＷに塞がれる間、下方から透明液を貫通孔に流してもよい。透光部２２または貫通孔は、トップリング１４に保持されたウェハＷの被研磨面を通過する位置であれば、研磨テーブル１２の任意の位置に配置することができるが、ウェハＷの中心を通過する位置に配置することが好ましい。

研磨状態監視装置２０は、図３に示すように、光源３０と、光源３０からの光をウェハＷの被研磨面に照射する発光部としての発光光ファイバ３２と、被研磨面からの反射光を受光する受光部としての受光光ファイバ３４と、受光光ファイバ３４により受光された光を分光する分光器とこの分光器により分光された光を電気的情報として蓄積する複数の受光素子とを内部に有する分光器ユニット３６と、光源３０の点灯及び消灯や分光器ユニット３６内の受光素子の読取開始のタイミングなどの制御を行う制御部４０と、制御部４０に電力を供給する電源４２とを備えている。なお、光源３０及び分光器ユニット３６には、制御部４０を介して電力が供給される。

発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端は、ウェハＷの被研磨面に対して略垂直になるように構成されている。また、発光光ファイバ３２及び受光光ファイバ３４は、研磨パッド１０を交換するときの作業性や受光光ファイバ３４による受光量を考慮して、研磨テーブル１２の表面よりも上方に突出しないように配置されている。また、分光器ユニット３６内の受光素子としては、例えば５１２素子のフォトダイオードアレイを用いることができる。

分光器ユニット３６は、ケーブル４４を介して制御部４０に接続されている。分光器ユニット３６内の受光素子からの情報は、ケーブル４４を介して制御部４０に送られ、この情報に基づいて反射光のスペクトルデータが生成される。すなわち、本実施形態における制御部４０は、受光素子に蓄積された電気的情報を読み取って反射光のデータを生成するスペクトルデータ生成部を構成している。制御部４０からのケーブル４６は、研磨テーブル１２内を通り、例えばパーソナルコンピュータからなる演算部４８に接続されている。制御部４０のスペクトルデータ生成部で生成されたスペクトルデータは、ケーブル４６を介して演算部４８に送信される。

演算部４８では、制御部４０から受信したスペクトルデータに基づいて、被研磨面の研磨状態の指標となる特性値を算出する。また、演算部４８は、ポリッシング装置を制御するコントローラ（図示せず）から研磨条件に関する情報を受信する機能や、算出された特性値の時間変化に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）のタイミングを決定してポリッシング装置のコントローラに指令を行う機能も有している。このポリッシング装置では、研磨状態監視装置２０と演算部４８とにより、研磨終点検知装置が構成される。

図３に示すように、研磨テーブル１２の下面の外周部には近接センサ５０が取付けられており、この近接センサ５０に対応して研磨テーブル１２の外方にドグ５２が設置されている。近接センサ５０は、研磨テーブル１２が１回転するたびにドグ５２を検知し、研磨テーブル１２の回転角度を検知できるようになっている。

光源３０としては、白色光をはじめとする波長帯域を有する光を照射する光源を用いる。例えばキセノンランプなどのパルス点灯光源を光源３０として用いることができる。光源３０としてパルス点灯光源を用いた場合、研磨中に各計測点で光源３０がトリガ信号によりパルス点灯される。また、タングステンランプなどを光源３０として用い、少なくとも発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端とがウェハＷの被研磨面に対向している間、連続して点灯させてもよい。

光源３０からの光は、発光光ファイバ３２の発光端からウェハＷの被研磨面に照射される。この光は、ウェハＷの被研磨面で反射し、研磨状態監視装置２０の受光光ファイバ３４で受光される。受光光ファイバ３４で受光された光は、分光器ユニット３６内の分光器に送られ、ここで複数の波長成分に分光される。複数の波長成分に分光された光は、それぞれの波長に対応する受光素子に照射され、照射された光の光量に応じて受光素子に電荷が蓄積される。各受光素子に蓄積された電気的情報は、所定のタイミングで読み取られ（解放され）、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、制御部４０のスペクトルデータ生成部に送られ、ここで各計測点に対応するスペクトルデータが生成される。

次に、分光器ユニット３６内の受光素子の動作について説明する。図４及び図５は、分光器ユニット３６内にＮ個の受光素子６０−１〜６０−Ｎがある場合の各受光素子の動作を示す模式図である。図４はパルス点灯光源を用いた場合、図５は連続点灯光源を用いた場合を示している。図４及び図５において、横軸は時間を示しており、各受光素子に対応するグラフの立ち上がり部分は受光素子に電気的情報が蓄積されたことを示し、落ち込み部分は受光素子の電気的情報が読み取られた（解放された）ことを示している。図４において、黒丸（●）はパルス点灯光源が点灯される時点を示している。

１回のサンプリングにおいて、各受光素子６０−１〜６０−Ｎは順次切り替えて読取（解放）が行われる。上述したように、各受光素子６０−１〜６０−Ｎには、対応する波長成分の光の光量が電気的情報として蓄積され、位相差を持ってサンプリング周期Ｔで読取（解放）が繰り返される。このサンプリング周期Ｔは、受光素子６０−１〜６０−Ｎに十分な光量が電気的情報として蓄積され、かつ、受光素子６０−１〜６０−Ｎから読み取られたデータを実時間で十分処理できる範囲内で、小さ目に設定する。受光素子として５１２素子のフォトダイオードアレイを用いる場合には、サンプリング周期Ｔは１０ミリ秒のオーダとなる。

図４及び図５においては、１番目の受光素子６０−１の読取から最終の受光素子６０−Ｎの読取までの時間がＳとなっている。ここで、Ｓ＜Ｔである。図４の場合には、パルス点灯光源が点灯した時点（図４において●印で示す）をサンプリング時刻とし、図５の場合には、１番目の受光素子６０−１の読取が行われ、新たな蓄積が開始されてから、最終の受光素子６０−Ｎの読取が行われるまでの時間の半分の時点（図５において×印で示す）を、対応する計測領域を代表するサンプリング時刻とする。また、このサンプリング時刻において透光部２２（または上記貫通孔）に対向するウェハＷ上の点をサンプリング点という。

図４においては、光源３０が瞬間的に点灯する間（数マイクロ秒程度）、すべての受光素子６０−１〜６０−Ｎが光を蓄積する。最終の受光素子６０−Ｎが読取（解放）を行ってから光源３０を点灯するまでの時間をＱとするとき、次に１番目の受光素子６０−１が読取（解放）を行う前に光源３０を点灯するものとすれば、０＜Ｑ＜Ｔ−Ｓとなる。Ｑはこの不等式に示される範囲にある任意の値をとることができるが、以下では、Ｑ＝（Ｔ−Ｓ）／２であるとして説明する。１番目の受光素子６０−１の読取が行われ次の蓄積が開始されるのは、サンプリング時刻より、Ｓ＋Ｑ、すなわち（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。また、図５においても、１番目の受光素子６０−１の読み取りが行われるのは、サンプリング時刻より、（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。なお、図５に示す連続点灯光源の場合には、受光素子６０−１〜６０−Ｎの蓄積開始・読取の時点が素子により異なっているため、波長成分によって実際の計測領域が若干異なっている。

次に、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。まず、パルス点灯光源を用いた場合のサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。図６は、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを説明するための図である。研磨テーブル１２が１回転するたびに、研磨テーブル１２の外周部に設けられた近接センサ５０が近接センサ作動の基準位置となるドグ５２を検知する。すなわち、図６に示すように、研磨テーブル１２の回転中心Ｃ_ＴとウェハＷの中心Ｃ_Ｗとを結ぶ線Ｌ_Ｔ−Ｗ（以下、ウェハ中央線という）から研磨テーブル１２の反回転方向に回転角度を定義した場合に、回転角度θで近接センサ５０がドグ５２を検知する。なお、ウェハＷの中心Ｃ_Ｗは、例えばトップリング１４の位置制御を行うことによって特定される。

ここで、図６に示すように、研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔと透光部２２の中心Ｃ_Ｌとの間の水平距離をＬ、研磨テーブル１２の中心Ｃ_ＴとウェハＷの中心Ｃ_Ｗとの間の水平距離をＭ、ウェハＷの被研磨面からエッジカット部を除いたウェハＷの被計測面の半径をＲ、透光部２２がこの被計測面を走査する角度を２αとすると、余弦定理から以下の式（１）が成立し、角度αを求めることができる。

本実施形態では、透光部２２が通過するウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするように、サンプリングのタイミングを調整している。ウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗから片側にあるサンプリング点の数をｎ（整数）とすると、透光部２２がウェハＷの被計測面を走査する間の全サンプリング点の数は、ウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上のサンプリング点Ｐを含めて２ｎ＋１となる。

ウェハＷの外側にはトップリング１４の外周部が背景光を遮るように配置されているとすれば、最初のサンプリング時刻において透光部２２がウェハＷの被計測面内に存在するための条件は、ω_Ｔを研磨テーブル１２の角速度として、以下の不等式（２）で表わすことができる。したがって、この不等式（２）から、この条件を満たす整数ｎを求めることができる。

ここで、透光部２２と近接センサ５０とが研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔに対して同一角度に位置しているものとすれば、研磨テーブル１２が１回転するときに、近接センサ５０がドグ５２を検知してから１回目のサンプリングにおける１番目の受光素子６０−１の蓄積が開始されるまでの時間ｔ_Ｓ、すなわちサンプリング開始時刻ｔ_Ｓは、以下の式（３）により求めることができる。

ここで、透光部２２がウェハＷの被研磨面の外側にある間に受光素子に蓄積された光量を確実にクリアするために、１回目のサンプリングを読み捨てることとしてもよい。この場合のサンプリング開始時刻ｔ_Ｓは、以下の式（４）により求めることができる。

研磨状態監視装置２０は、このようにして求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始する。すなわち、制御部４０は、近接センサ５０がドグ５２を検知してからｔ_Ｓ経過後に光源３０のパルス点灯を開始し、その後サンプリング周期Ｔごとにサンプリングを繰り返すように、分光器ユニット３６内の受光素子の動作タイミングを制御する。これにより、各サンプリング点における反射スペクトルデータが制御部４０のスペクトルデータ生成部により生成され、これが演算部４８に送られる。演算部４８では、このスペクトルデータに基づいてウェハＷの被研磨面の特性値が求められる。

本実施形態では、透光部２２が通過するウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするようにしているので、研磨テーブル１２が１回転するたびに研磨対象物表面上の所定の半径位置の特性値を繰り返し測定することができる。また、サンプリング周期を一定とすれば、研磨対象物の表面上において、研磨テーブル１２の回転ごとの各測定点の半径位置は一定となる。したがって、不特定の位置の特性値を測定する場合に比べて、ウェハＷ上の残膜の状況を把握する上でより効果的である。特に、透光部２２がウェハＷの中心Ｃ_Ｗを通るように構成されている場合には、研磨テーブル１２が１回転するたびにウェハＷの中心Ｃ_Ｗを定点として必ず測定することになり、ウェハＷ上の残膜状況の時間変化をより正確に把握することができる。

一方、連続点灯光源の場合は、上述したように、受光素子の蓄積が連続して行われ、かつ受光素子によって開始時点が異なるため、ｎの求め方がパルス点灯光源の場合と異なっている。すなわち、１番目の受光素子６０−１の蓄積開始の時点で、透光部２２がウェハＷの被計測面内に存在する必要がある。したがって、ｎに関する不等式は以下のようになる。

この不等式（５）から、ｎ（整数）を求め、上記式（３）又は式（４）に基づいてサンプリング開始時刻ｔ_Ｓを求めることができる。そして、研磨状態監視装置２０は、パルス点灯光源の場合と同様に、求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始し、各サンプリング点におけるスペクトルデータからウェハＷの被研磨面の特性値を求める。なお、上述の例では、パルス点灯光源の点灯のタイミングや透光部２２と近接センサ５０との位置関係に一定の条件を設定して説明したが、これらの条件を外しても同様にｎとｔ_Ｓを求めることができる。

次に、上述したスペクトルデータから研磨終点を検出する方法について説明する。
まず、上述したポリッシング装置により１枚または複数のウェハを研磨して、そのスペクトルデータを取得する。このスペクトルデータは、波長ごとの反射強度（反射光の強さ）を示すデータを含んでいる。演算部４８は、各波長での反射強度から、次のようにして特性値を算出する。

まず、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、第１の特性値Ｘ１（ｔ）を次の式から求める。
Ｘ１(ｔ)＝ρ_λ１(ｔ)／(ρ_λ１(ｔ)＋ρ_λ２(ｔ)) ・・・（６）
ここで、ρは反射強度、ｔは研磨時間を表す。
同様に、予め選択された２つの波長λ３，λ４における反射強度ρ_λ３(ｔ)，ρ_λ４(ｔ)を用いて、第２の特性値Ｘ２（ｔ）を次の式から求める。
Ｘ２(ｔ)＝ρ_λ３(ｔ)／(ρ_λ３(ｔ)＋ρ_λ４(ｔ)) ・・・（７）

ウェハの膜を研磨すると、それぞれの反射強度ρ_λ１(ｔ)〜ρ_λ４(ｔ)は、光の波長に依存した周期で変化する。これは、膜の表面および膜と下層膜との界面での多重反射により光学干渉が起こるからである。したがって、これら反射強度ρ_λ１(ｔ)〜ρ_λ４(ｔ)を用いて求めた第１の特性値Ｘ１（ｔ）および第２の特性値Ｘ２（ｔ）も、研磨時間ｔ（すなわち膜厚の減少）とともに周期的に変化する。また、組み合わせる波長によって、特性値の周期が変化する。

図７は、初期膜厚が１８００ｎｍの膜を研磨したときの第１の特性値および第２の特性値の軌跡（波形Ａ，Ｂ）を示すグラフである。この例では、第１の特性値を求めるための波長λ１，λ２の組み合わせとして、６５０ｎｍと７５０ｎｍとの組み合わせが選択されている。また、第２の特性値を求めるための波長λ３，λ４の組み合わせとして、４５０ｎｍと４７０ｎｍとの組み合わせが選択されている。この場合、第１の特性値の波形Ａの極値間に研磨される酸化膜の厚さは、約３２０ｎｍであり、第２の特性値の波形Ｂの極値間に研磨される酸化膜の厚さは、約２２０ｎｍである。

図７に示すように、特性値Ｘ１（ｔ），Ｘ２（ｔ）の周期は、互いに異なっている。これは第１の特性値を求めるために選択された波長の組み合わせ（６５０ｎｍと７５０ｎｍ）と、第２の特性値を求めるために選択された波長の組み合わせ（４５０ｎｍと４７０ｎｍ）が、互いに異なっているからである。このように、第１の特性値と第２の特性値の波形の周期が互いに異なるような波長が選択される。ここで、第１の特性値の周期をＰ１、第２の特性値の周期をＰ２とすると、Ｐ１とＰ２との比（Ｐ１／Ｐ２）は、０．６〜０．９の範囲内にあることが好ましい。

研磨終点検知は、第１の特性値の波形Ａと第２の特性値の波形Ｂを用いて、次の手順に従って行われる。すなわち、ステップ１としてモニタリング開始時間から第１の特性値の波形Ａと第２の特性値の波形Ｂのモニタリングを開始し、ステップ２として波形Ａ，波形Ｂの極小値が同時に現われる時点を検知する。さらに、ステップ３として必要に応じて引き続き現われる波形Ａまたは波形Ｂの極値を検知し、そしてステップ４として必要に応じてステップ３の検知から所定時間経過後に研磨を終了する。以上の手順が終点検知のレシピとして演算部４８に記憶される。演算部４８は研磨対象となるウェハを研磨している間、ウェハごとに第１の特性値および第２の特性値をモニタリングし、上記プロセスに従い研磨終点を検知することになる。

図７を参照して上記プロセスの一例をより具体的に説明する。研磨開始後、演算部４８はモニタリング開始時間ＴＳに第１の特性値の波形Ａと第２の特性値の波形Ｂのモニタリングを開始し（ステップ１）、波形Ａの極小値と波形Ｂの極小値がほぼ同時に現われる時間Ｔ２を検知する（ステップ２）。図７に示す例では、波形Ａの５番目の極小値Ａ５と、波形Ｂの７番目の極小値Ｂ７がほぼ同時に現われている。さらに、演算部４８は、時点Ｔ２の後に現われる波形Ａの極大値Ａ６を検知し（ステップ３）、極大値Ａ６の検知から所定時間（たとえば５秒）が経過した時点を研磨終点とする（ステップ４）。

目標膜厚によっては、ステップ３で検知される極大値Ａ６の後に現われる極値を研磨終点とすることもできる。また、時間Ｔ２の後に現われる第２の特性値の極値（例えば極大値Ｂ８）を研磨終点として設定してもよい。ステップ４で設定される所定時間は０秒から１０秒であることが好ましい。長すぎると研磨レートのばらつきの影響を受けて終点膜厚に誤差が生じてしまうからである。

モニタリング開始時間は、あらかじめ取得された数枚のウェハのデータに基づき、特性値の波形、予想される初期膜厚のばらつきなどを考慮して決定される。このモニタリング開始時間の設定に使用されたウェハと同一の構造を有する製品ウェハ（初期膜厚にばらつきがある）の研磨には、その決められたモニタリング開始時間が使われる。

モニタリング開始時間を決めるとき、初期膜厚のばらつきに影響されることなく、研磨終点を誤検知しないようにする必要がある。すなわち、研磨初期には波形が不安定である場合があるので、この間を回避してモニタリング開始時間が設定される。これに加え、ステップ２の検知条件を満たす波形Ａと波形Ｂの極小値が同時に現われるＴ１を誤って検知しないようにＴ１以降に設定される。また、初期膜厚が薄いウェハではＴ１後から波形が始まる場合もある。この場合、研磨開始時間とモニタリング開始時間との間が長すぎると、Ｔ２を越えた後にモニタリングが開始され、Ｔ２を検知できない事態が発生する。したがって、研磨終点検知の基準点となる、波形Ａと波形Ｂの極小値が同時に現われるＴ２よりも前にモニタリング開始時間を設定する必要がある。

このように、予想される初期膜厚の最大および最小値を考慮して適切なモニタリング開始時間が設定される。時間Ｔ１と時間Ｔ２との間の時間差は比較的大きいので、適切なモニタリング開始時間を設定することが常に可能である。また、時間Ｔ１と時間Ｔ２の間に、極値と極値が同時に現れる場合には、その時点をモニタリング開始時間とすることができる。図７に示す例では、極小値Ａ３と極大値Ｂ４とがほぼ同時に現われる時点をモニタリング開始時間とすることができる。

波形Ａと波形Ｂの極小値（または極大値）がほぼ同時に現われているか否かを判断する指標として、時間差が用いられる。すなわち、所定の時間差（例えば、−２．５秒〜２．５秒）以内に波形Ａと波形Ｂの極小値（または極大値）が現われている場合には、演算部４８は、これら波形Ａ，Ｂの極小値（または極大値）はほぼ同時に現われたと判断する。

第１の特性値の波形Ａと第２の特性値の波形Ｂとの相対的な位置関係は、初期膜厚および研磨レートによらず一定である。したがって上記の終点検知プロセスに従えば、ステップ２で初期膜厚の影響を受けずに特定の極値を、言い換えれば特定の膜厚になった時点を検知できる。そして終点としたい膜厚に応じてこの検知後に、適切にステップ３，４が実行される。したがって、初期膜厚および研磨レートの影響を受けることなく、正確な研磨終点を検出することが可能となる。

上述した実施形態では、波形Ａ，Ｂをモニタリングして極小値がほぼ同時に現われる条件で極小値を検知したが、選択される波長によっては極大値が同時に現われる条件でもよいし、一方が極大値、他方が極小値の組み合わせを条件にしてもよい。また、選択される波長によって第１の特性値と第２の特性値の位相のずれ方が変わるので、極値が所定の時間差内で現われたときを条件とすることができる。たとえば、第１の特性値と第２の特性値の極値の現われる時間差が、たとえば５秒〜１０秒の間になったときを条件としてもよい。この所定の時間差を−２．５秒〜２．５秒に設定した場合は、極値がほぼ同時に現われた場合に相当する。

上述した実施形態では、反射強度から求められた特性値を用いて研磨終点を検出しているが、反射強度をそのまま用いて研磨終点を検出してもよい。この場合は、互いに異なる波長での第１の反射強度および第２の反射強度が用いられる。さらに、特性値または反射強度の微分値を用いて研磨終点を検出してもよい。これらの場合においても、上述の実施形態と同様の工程で研磨終点を検出することができる。

また、上述の実施形態では、１つの特性値を求めるに際して２つの波長が選択されているが、３つ以上の波長から１つの特性値を求めることもできる。この場合、特性値Ｘ(ｔ)は、次の式を用いて求めることができる。
Ｘ(ｔ)＝ρ_λ１(ｔ)／(ρ_λ１(ｔ)＋ρ_λ２(ｔ)＋・・・＋ρ_λｎ(ｔ)) ・・・（８）
ここで、ｎは、用いられる波長の数である。

上述した実施形態は、本発明の属す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。したがって、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、当業者にとって自明な範囲内において上記実施形態以外の種々の変形例が可能である。例えば、本発明は、基板の表面の研磨のみならず、基板の周縁部の研磨にも適用することができる。

従来の研磨終点検出方法を説明するための図である。 従来の研磨終点検出方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態における研磨終点検知方法を行うポリッシング装置の全体構成を示す模式図である。 図３に示す研磨状態監視装置においてパルス点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図３に示す研磨状態監視装置において連続点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図３に示す研磨状態監視装置のサンプリングのタイミングを説明するための平面図である。 本発明の実施形態に係る研磨終点検出方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ 研磨布
１２ 研磨テーブル
１４ トップリング
１６ 研磨液供給ノズル
１８ トップリングシャフト
２０ 研磨状態監視装置
２２ 透光部
３０ 光源
３２ 発光光ファイバ
３４ 受光光ファイバ
３６ 分光器ユニット
４０ 制御部
４２ 電源
４４，４６ ケーブル
４８ 演算部
５０ 近接センサ
５２ ドグ
６０−１〜６０−Ｎ 受光素子

Claims (14)

1. 基板の研磨中に、該基板の表面に光を照射し、
   前記表面からの反射光を受光し、
   異なる複数の波長での反射強度を用いて算出された第１の特性値および第２の特性値をモニターし、
   前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が所定の時間差内で現われた時点を検出し、
   検出された前記時点に基づいて研磨終点を決定する工程を含み、
   前記複数の波長は、研磨時間とともに周期的に変化する前記第１の特性値および前記第２の特性値の周期が互いに異なるように選択されること特徴とする研磨終点検出方法。
2. 前記研磨終点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
3. 前記研磨終点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が所定の時間差内で現われた前記時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
4. 前記時点を検出した後、前記第１の特性値または前記第２の特性値の所定の極値を検出する工程をさらに含み、
   前記所定の極値が検出された時点に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
5. 前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値が前記所定の時間差内で現われた時点は、前記第１の特性値および前記第２の特性値の極値がほぼ同時に現われた時点であることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出方法。
6. 前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点であることを特徴とする請求項４に記載の研磨終点検出方法。
7. 前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする請求項４に記載の研磨終点検出方法。
8. 基板の研磨中に、該基板の表面に光を照射し、
   前記表面からの反射光を受光し、
   異なる波長での第１の反射強度および第２の反射強度をモニターし、
   前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が所定の時間差内で現われた時点を検出し、
   検出された前記時点に基づいて研磨終点を決定する工程を含み、
   前記波長は、研磨時間とともに周期的に変化する前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の周期が互いに異なるように選択されること特徴とする研磨終点検出方法。
9. 前記研磨終点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点であることを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出方法。
10. 前記研磨終点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が前記所定の時間差内で現われた前記時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出方法。
11. 前記時点を検出した後、前記第１の反射強度または前記第２の反射強度の所定の極値を検出する工程をさらに含み、
    前記所定の極値が検出された時点に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする請求項８に記載の研磨終点検出方法。
12. 前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値が前記所定の時間差内で現われた時点は、前記第１の反射強度および前記第２の反射強度の極値がほぼ同時に現われた時点であることを特徴とする請求項９に記載の研磨終点検出方法。
13. 前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点であることを特徴とする請求項１１に記載の研磨終点検出方法。
14. 前記研磨終点は、前記所定の極値が検出された時点から所定の時間が経過した時点であることを特徴とする請求項１１に記載の研磨終点検出方法。

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