JP5274105B2 - 研磨終点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨終点検出方法に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等において例えばＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層等の膜厚を所望の膜厚を研磨終点として該研磨終点を精度よく検出することが可能な研磨終点検出方法に関するものである。

従来、例えば、次のようなウェーハ研磨装置の研磨終点検出方法が知られている。この従来技術は、研磨中のウェーハの研磨面に白色光を照射し、その反射光を分光器で分光してウェーハからの光強度スペクトルを測定し、このウェーハからの光強度スペクトルと予め求めておいたリファレンス試料からの光強度スペクトルとの比を演算し、この比、即ちウェーハからの反射光の変化度に基づいて研磨終点を検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

従来、例えば、次のような表面状態測定方法及び測定装置が知られている。この従来技術は、別途に測定又は計算から得た研磨終点とする参照波形を予め記憶させ、その参照波形と研磨中のウェーハからリアルタイムに測定される反射率波形とを比較し、その波形同士の一致度合いにより一致度合いが最大になるところで研磨終点を検出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

また、従来、例えば、次のような半導体層の膜厚測定方法が知られている。この従来技術は、研磨中のＳＯＩ基板からの反射光を各波長別に分光し、各波長別の干渉情報を用いて前記ＳＯＩ基板における活性層の膜厚を算出する膜厚測定方法であって、前記干渉情報における波形の極大値もしくは極小値における波長、及びその間における波数を基に前記ＳＯＩ基板における活性層の膜厚を算出し、その膜厚が所望の膜厚になった時点で研磨を終了させるようにしている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００３−１６８６６７号公報。 特開２００１−２８７１５９号公報。 特許第３９４６４７０号公報。

特許文献１に記載の変化度法として、例えば反射光強度変化を追っていくと、図９（ａ）のような変化になり、変化度の波が多く、また、初期から波が存在しているので、研磨初期の膜厚にばらつきがあると、山を１つ分程度は簡単にずれてしまう。このため、止めたい膜厚さで研磨終了することができない。また、変化度法として、例えば反射率強度比の変化を追っていくと、図９（b）のような変化になり、単調な変化（この例では単調増加）になっているため、初期膜厚が違ってしまうと、初期値が変化してしまうため、結果的に止めたい所での終点検出する方法がない。このような特許文献１に記載の従来技術を本発明に示すＳＯＩウェーハの研磨終点検出に適用する場合、短い周期をもつ波が密集して現れるため、全体的な反射率の比というより、むしろ波数変化の方を検出する必要性がある。そして、特許文献１に記載の従来技術において、全体的な反射率変化を補正できたとしても、密集した波形における波数を精度よくモニタできるものではない。

特許文献２に記載の従来技術においては、厚膜のＳＯＩウェーハからの反射率波形のように、一定の波長域に対して非常に周期が短い波が密集して存在する波形の解析方法には適用できない。即ち、特許文献２に記載の従来技術においては、厚膜ＳＯＩの反射率波形（図１０（ａ）参照）のように、フリンジ（反射率波形の波）が多いものの場合、止めたいところ（研磨終点）付近において、一致度の波形に多くのピークが存在する（図１０（ｂ））。また、スラリーの影響などがあって、止めたい膜厚の所で最大のピークにならないことがある。そのため、ピークの個数で研磨終点もしくは最大ピークで研磨終点とはできないため、終点検出が困難である。

そして、特許文献２には、参照波形と実際のウェーハからの反射率による信号波形との一致度で研磨終点を検出するとあるが、波形の一致度を相関係数で求める場合、波数が完全に一致しなくても波長に対する平均的な反射率の変化で、相関係数が大きくなり、間違って波形が一致しているとみなしてしまう場合があるからである。本発明のように、ＳＯＩウェーハにおける反射率波形は非常に短い周期の波が密集して現れる場合、波全体の傾向としての一致度を求めると、誤動作することがたびたび生じる。

例えば、研磨終了時点のターゲットとなる波長に対する反射率の参照波形において、所定波長域でｎ個の山が存在したとし、実際の研磨によって得られた実反射率の波形がｎ＋１個の山が存在したとする。参照反射率波形と実反射率波形の二つの相関係数から判断する場合、相関係数は１とならないまでも、０．７や０．８といった１に近い数値となり、見かけ上、同様の短周期の密集した波形として大局的にみなされて、相関ありと判断される。しかし実際は１つの山数をカウントし間違えると、非常に大きい膜厚の見積もり違いとなる。そのため、このような短周期の密集した波数を有する反射率スペクトルの解析においては、波数を間違わずに検出することが重要課題であり、この課題に対しては、実情に見合う方法ではない。

さらに、ＣＭＰの場合、スラリーを介して反射光を観察するため、時としてスラリーによって、反射光が散乱し、波長ごとに十分な反射光を得られない場合もある。また、スラリーの種類によっては、光の吸収帯を持つ場合もある。以上から、必ずしも膜の干渉によって反射光が決定されるのではなく、途中で散乱されるなどすることから、理論的に参照波形に示されるような波形が現れるとも限らない。そうした場合、参照波形と実波形との相関では、例えば実波形が終了時点のものであっても、１ではなくそれよりも悪くなることが十分予想される。以上から本発明のような波形の場合は、波形の形状において、参照波形と実波形との形状の対比というよりかは、むしろ波数を正確に認識し、それを適正に処理する方法が求められる。

特許文献３に記載の干渉膜厚法は、山もしくは谷の位置（波長）と、その間の波の数（図１１（ａ）参照）を用いて計算する方法なので、反射率波形がスラリーなどの影響で、波形がくずれていたりノイズがのっていたりすると（図１１（ｂ）参照）、山（もしくは谷）を検出しない、もしくはノイズを山（もしくは谷）と誤って判定してしまうので、計算された膜厚が正しい膜厚でないことがあり、研磨終点を間違えることがある。さらに、反射率波形内に多数の波をカウントする必要があり、中には間違って、カウントしてしまうこともある。短周期の密集した波をそのまま解析処理する場合、少しの数え間違いが大きな膜厚量の見積もり差として現れるため、現実的ではない。

そこで、所定の膜を所望の膜厚を研磨終点として該研磨終点を初期膜厚の差によらず、またスラリー等の影響を受けることなく安定して且つ、精度よく検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

ここで、特許文献１〜３に記載の各従来技術に求められる課題と本発明とを［表１］に対比して示す。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、研磨中の所定の膜に光を照射し、その反射光を基に前記所定の膜の研磨状態をモニタする研磨終点検出方法であって、
前記所定の膜からの反射光を各波長ごとに分光する第１のステップと、前記反射光を各波長ごとの反射率に換算する第２のステップと、各基準波長幅における前記反射率の変化量をそれぞれ算出する第３のステップと、前記各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を求める第４のステップと、研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点を基に研磨終点を検出する第５のステップとを有する研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、所定の膜からの反射光を各波長ごとに分光する第１のステップと、前記反射光を各波長ごとの反射率に換算する第２のステップと、各基準波長幅における前記反射率の変化量をそれぞれ算出する第３のステップと、前記各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を求める第４のステップと、研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点を基に研磨終点を検出する第５のステップとを具備させたので、各基準波長幅における反射率における変化量を算出した処理と、この各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均した処理との実行に起因して研磨の進行に伴い一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に極大点が発生し、この一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する極大点を基に所定の膜の研磨終点を検出することができる。

請求項２記載の発明は、上記極大点は、研磨中の上記所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせる請求項１記載の研磨終点検出方法を提出する。

この構成によれば、特徴的な変化は、反射率の変化量を算出する際に設定された基準波長幅及び各反射率の変化量を平均する際に設定された評価波長範囲に依存して研磨中の所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせることができる。したがって、所定の膜が所望の膜厚になった時点を研磨終点として検出することが可能となる。

請求項３記載の発明は、記基準波長幅及び上記評価波長範囲のうち少なくとも何れかを変更することにより、該変更に対応した所望の膜厚において上記極大点を生じさせる請求項１又は２記載の研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、基準波長幅及び評価波長範囲のうちの少なくとも何れかを変更することで、所定の膜が前記変更に対応した任意の膜厚になった時点を研磨終点として検出することが可能となる。

請求項４記載の発明は、上記所定の膜は、ＳＯＩ（Ｓｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハにおけるＳｉ活性層である研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、ＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層の厚みを、デバイス等の作り込みに適応した所望の厚みとなるように研磨することが可能となる。

請求項５記載の発明は、上記研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点は、変曲点と併存している請求項１，２，３，又は４記載の研磨終点検出方法。

この構成によれば、特徴的な変化は極大点（１次微分値がゼロ）及び変曲点 （２次微分値がゼロ）を含む顕著な変化として出現する。したがって、これらの変化を含む特徴的な変化から研磨終点を精度よく検出することが可能となる。

請求項６記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に微分処理を施す研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、反射率波形に１次以上の微分処理を施すことで、終点を検出する膜厚を変更することが可能となり、確実に終点検出を行うことが可能となる。また、反射率波形に１次以上の微分処理を施すことで、波長に対し緩やかに変化する反射率波形に対しても、波形が波長に対して急激に変化するようになりピークや谷が明確になって各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことが可能になる。

請求項７記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に正規化処理を施す研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、正規化処理により研磨中に用いられるスラリーの厚さ、濃度の変動等又は研磨される膜の種類等に起因する反射率波形の振幅の変動が除去されて、各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことが可能になる。

請求項８記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形にスムージング処理を施す研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、研磨中に用いられるスラリーによる散乱や測定系の振動等に起因するノイズの影響が低減して、各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことが可能になる。

請求項９記載の発明は、上記基準波長幅は数ｎｍ（ｎａｎｏ ｍｅｔｅｒ）程度の小区間であってもよい研磨終点検出方法を提供する。

この構成によれば、一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する特徴的な変化の発生時点を細かく且つ、精度よく調整することが可能となる。

請求項１０記載の発明は、上記基準波長幅はその幅を極限まで狭めてもよい研磨終点検出方法提供する。

この構成によれば、一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する特徴的な変化の発生時点を一層細かく且つ、精度よく調整することが可能となる。

請求項１１記載の発明は、上記光は白色光領域、近赤外光領域、赤外光領域、紫外光領域を使用する研磨終点検出方法提供する。

この構成によれば、研磨中の所定の膜から反射光を得て、その反射光を基に前記所定の膜の研磨状態をモニタするための光は、４００〜７５０ｎｍの白色光領域のみならず、波長が４００ｎｍ以下の紫外光領域及び波長が７５０ｎｍ以上の近赤外光領域、赤外光領域の光を用いても可能である。

請求項１記載の発明は、所定の膜からの反射光を各波長ごとに分光する第１のステップと、前記反射光を各波長ごとの反射率に換算する第２のステップと、各基準波長幅における前記反射率の変化量をそれぞれ算出する第３のステップと、前記各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を求める第４のステップと、研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点を基に研磨終点を検出する第５のステップとを具備させたので、各基準波長幅における反射率における変化量を算出した処理と、この各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均した処理との実行に起因して研磨の進行に伴い一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に極大点が発生し、この一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する極大点を基に所定の膜の研磨終点を検出することで、初期膜厚の差によらず安定して且つ、精度よく研磨終点を検出することができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、上記極大点は、研磨中の上記所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせるようにしたので、極大点を研磨中の所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせることができて、所定の膜を所望の仕上がり膜厚にすることができるという利点がある。

請求項３記載の発明は、上記基準波長幅及び上記評価波長範囲のうち少なくとも何れかを変更することにより、該変更に対応した所望の膜厚において上記極大点を生じさせるようにしたので、基準波長幅及び上記評価波長範囲のうち少なくとも何れかを変更することで、所定の膜を該変更に対応した任意の仕上がり膜厚にすることができるという利点がある。

請求項４記載の発明は、上記所定の膜は、ＳＯＩ（Ｓｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハにおけるＳｉ活性層としたので、ＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層の厚みを、デバイス等の作り込みに適応した所望の仕上がり厚みにすることができるという利点がある。

請求項５記載の発明は、上記研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点は、極大点（微分値がゼロ）及び変曲点（２次微分値がゼロ）を含む顕著な変化として生じることから、研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項６記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に微分処理を施すようにしたので、反射率波形の変化が明確になって各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。この結果、研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項７記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に正規化処理を施すようにしたので、スラリーの厚さ、濃度の変動等に起因する反射率波形の振幅の変動が除去されて、各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。この結果、研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項８記載の発明は、上記第３のステップにおける処理前の反射率波形にスムージング処理を施すようにしたので、測定系の振動等に起因するノイズの影響等が低減して、各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。この結果、研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。

請求項９記載の発明は、上記基準波長幅は数ｎｍ（ｎａｎｏ ｍｅｔｅｒ）程度の小区間であってもよいようにしたので、所定の膜を所望の仕上がり膜厚に細かく且つ、精度よく調整することができるという利点がある。

請求項１０記載の発明は、上記基準波長幅はその幅を極限まで狭めてもよいようにしたので、所定の膜を所望の仕上がり膜厚に一層細かく且つ、精度よく調整することができるという利点がある。

請求項１１記載の発明は、上記光は白色光領域、近赤外光領域、赤外光領域、紫外光領域を使用するようにしたので、使用する光の波長領域を、所定の膜の所望の仕上がり膜厚に応じて選択することで、一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する特徴的な変化の発生時点を精度よく調整することが可能となって、所定の膜を精度よく所望の仕上がり膜厚にすることができるという利点がある。

所定の膜を、所望の膜厚を研磨終点として該研磨終点を初期膜厚の差によらず、またスラリー等の影響を受けることなく安定して且つ、精度よく検出するという目的を達成するために、研磨中の所定の膜に光を照射し、その反射光を基に前記所定の膜の研磨状態をモニタする研磨終点検出方法であって、前記所定の膜からの反射光を各波長ごとに分光する第１のステップと、前記反射光を各波長ごとの反射率に換算する第２のステップと、各基準波長幅における前記反射率の変化量をそれぞれ算出する第３のステップと、前記各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を求める第４のステップと、研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる特徴的な変化を基に研磨終点を検出する第５のステップとを有することにより実現した。

以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１は本実施例に係る研磨終点検出方法を実行する研磨終点検出装置を備えたウェーハ研磨装置（ＣＭＰ装置）のブロック図である。

まず、研磨終点検出装置を備えたウェーハ研磨装置の構成から説明する。図１において、ウェーハ研磨装置１は、図示しないモータで駆動されて水平に回転するプラテン２と、該プラテン２の上面に貼着された研磨パッド３と、ウェーハＷを保持して研磨パッド３に所定の圧力で押し付ける研磨ヘッド４と、研磨パッド３の上面にスラリーを供給するスラリー供給ノズル５と、装置全体の駆動を制御する制御部６とを備えている。

プラテン２は、円盤状に形成されており、所定の位置に観測孔７が貫通して形成されている。該観測孔７に対応する研磨パッド３の箇所には、ポリウレタンピース等の透明材料からなる観測窓８が嵌め込まれている。研磨ヘッド４は、プラテン２の回転中心から偏心した位置でウェーハＷを研磨パッド３に押圧するとともに、図示しないモータで駆動されて水平に回転する。また、研磨ヘッド４は、図示しない昇降手段で駆動されて研磨パッド３に対して垂直に昇降する。

研磨加工の際は、研磨ヘッド４で保持したウェーハＷを研磨パッド３に所定の圧力で押し付け、該研磨パッド３とウェーハＷとをそれぞれ回転させながら、スラリー供給ノズル５から研磨パッド３上にスラリーを供給し、ウェーハＷ上の所定の膜を研磨する。

研磨終点検出装置９には、主として、白色光を発生するハロゲンランプ等の光源部１０、照射・受光光学系１１、受光部１２、分光器１３及びコンピュータ１４が備えられている。照射・受光光学系１１は、レンズ鏡筒内に図示しない集光レンズを内蔵しており、図示しないブラケットで支持されて観測孔７の下方位置に設置されている。

光源部１０から出射した白色光が、ライトガイド１５によって照射・受光光学系１１へ導かれ、該照射・受光光学系１１で集光されたのち、プラテン２に設けられた観測窓８を通して研磨パッド３上のウェーハＷに照射される。照射された白色光はウェーハＷ上の所定の膜の研磨面で反射し、その反射光が照射・受光光学系１１で集光されてライトガイド１６ａを介して受光部１２で受光され、さらにライトガイド１６ｂを介して分光器１３へ導かれる。このように、光源部１０からの白色光及び所定の膜からの反射光が、観測窓８を通過するときに反射光データが取得されるので、前記制御部６によりプラテン２の回転と研磨終点検出装置９との間で同期がとられる。

分光器１３は、ライトガイド１６ｂによって導かれた反射光を各波長ごとの光に分光する。そして、その分光した光を各波長ごとに光強度に応じた電気信号に変換し、コンピュータ１４に出力する。コンピュータ１４は、所定の終点検出アルゴリズムにしたがって分光器１３からの光強度に応じた電気信号を演算処理し、所定の膜の研磨終点を検出する。そして、該研磨終点を検出した時点でウェーハ研磨装置１の制御部６に研磨終点信号を出力し、研磨工程を終了させる。

なお、ウェーハＷ上の所定の膜の研磨状態をモニタするための光は、上記白色光（波長が４００〜７５０ｎｍ）のみならず、波長が４００ｎｍ以下の紫外光領域及び波長が７５０ｎｍ以上の近赤外光領域、赤外光領域の光を用いてもよい。適用する光の波長領域を、所定の膜の膜種や所望の仕上がり膜厚に応じて選択することで、後述する一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に発生する特徴的な変化の発生時点を、一層精度よく調整することが可能となって、所定の膜を、さらに精度よく所望の仕上がり膜厚にすることができる。

次に、上述のように構成された研磨終点検出装置による研磨終点検出方法を図２、図３、図４及び図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２は研磨終点を検出するアルゴリズムを説明するためのフローチャート、図３は基準波長幅における反射率の変化量算出例を説明するための反射率波形図、図４は各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値算出例を説明するための波形図、図５は研磨の進行に伴なう一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる特徴的な変化例を示す波形図であり、（ａ）は白色光領域の光を用いた場合の波形図、（ｂ）は赤外光領域の光を用いた場合の波形図である。なお、図４、図５（ａ）、（ｂ）及び後述の図６〜図８中には、一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を反射率の粗さと定義して、該一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値が反射率の粗さと表示されている。

まず準備として、リファレンス試料としての鏡からの反射による反射光量であるリファレンス光量及びウェーハ研磨装置１における観測窓８部からの反射光量であるダークネス光量が取得されてコンピュータ１４のメモリに記憶される。このリファレンス光量及びダークネス光量は反射光を各波長ごとの反射率に換算する際に用いられる。

図２のフローチャートにおいて、ウェーハＷ上の所定の膜の研磨中に、該所定の膜からの反射光が受光部１２を介して分光器１３へ導かれ各波長ごとの反射光に分光され、さらに電気信号に変換されてコンピュータ１４に入力される。コンピュータ１４では各波長におけるリファレンス光量からダークネス光量を差し引いた光量を１００％としたときの各反射光の割合が演算されて反射光が各波長ごとの反射率に換算される（ステップＳ１）。

次いで、反射率波形を用いた以後の演算処理においてスラリーによる散乱や測定系の振動等に起因するノイズ等による影響が懸念されるときは、演算処理前の反射率波形にスムージング処理（ステップＳ２）、１次以上の微分処理（ステップＳ３）及び正規化（規格化）処理（ステップＳ４）が施される。スムージング処理により研磨に用いられるスラリーによる散乱や測定系の振動等に起因するノイズの影響が低減する。１次以上の微分処理により波長に対し緩やかに変化する反射率波形に対しても、波形が波長に対して急激に変化するようになりピークや谷が明確になる。また、正規化処理によりスラリーの厚さ、濃度の変動等又は研磨される膜の種類等に起因する反射率波形の振幅の変動が除去される。

ノイズ等の除去処理後の反射率波形に対し、十数ｎｍ程度の短区間の各基準波長幅が設定され、この各基準波長幅における反射率の変化量を演算する処理が行われる（ステップＳ５）。この反射率の変化量を演算する処理を、図３の波形図を用いて説明する。図３において、波長ｎ（ｎｍ）の光をλ_ｎ、このλ_ｎにおける反射率をＲ（λ_ｎ）、基準波長幅をＬとし、この基準波長幅Ｌにおける反射率の変化量（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）をＺ_ｎとすると、
Ｚ_ｎ＝Ｍａｘ［Ｒ（λ_{（ｎ−Ｌ／２）}）〜Ｒ（λ_{（ｎ＋Ｌ／２）}）］
−Ｍｉｎ［Ｒ（λ_{（ｎ−Ｌ／２）}）〜Ｒ（λ_{（ｎ＋Ｌ／２）}）］…（１）
で各反射率の変化量Ｚ_ｎが求められる。なお、図３中の基準波長幅Ｌは１５ｎｍにとられているが、この基準波長幅Ｌは数ｎｍ程度の小区間もしくはその幅を極限まで狭めてもよい。基準波長幅Ｌを数ｎｍ程度の小区間もしくは極限まで狭めることで、後述する一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値に発生する特徴的な変化の発生時点を細かく調整すること等が可能となる。

次の演算処理では所定の評価波長範囲にわたって前記各反射率の変化量Ｚ_ｎが平均され、この平均値が一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値として求められる（ステップＳ６）。この一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値の演算処理を、図４の波形図を用いて説明する。図４において、所定の評価波長範囲をλ_Ａ（ｎｍ）〜λ_Ｂ（ｎｍ）とし、この評価波長範囲にわたる平均値である一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値をＺとすると、

で一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値Ｚが求められる。ｍは評価波長範囲λ_Ａ（ｎｍ）〜λ_Ｂ（ｎｍ）間におけるデータ点数を示している。なお、図４中の評価波長範囲は６００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲にとられている。

一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値Ｚが演算処理された後、研磨時間（データ点数）、即ち所定の膜の膜厚変化を横軸にとり、縦軸に演算処理された一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値Ｚをプロットして一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形を求める（ステップＳ７）。図５（ａ）、（ｂ）は、このようにして求めた一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形例を示している。なお、図５（ａ）、（ｂ）はＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層を研磨したときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形を示しており、同図（ａ）は評価波長範囲が５００〜７００ｎｍ（白色光領域）で基準波長幅Ｌが１５ｎｍのときの波形図、同図（ｂ）は評価波長範囲が８００〜１０００ｎｍ（赤外光領域）で基準波長幅Ｌが２０ｎｍのときの波形図である。必要に応じて、求められた一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形にスムージング処理を施す（ステップＳ８）。

前記各基準波長幅Ｌにおける反射率の変化量Ｚ_ｎを算出した処理とさらに各反射率の変化量Ｚ_ｎを評価波長範囲にわたって平均した処理との実行に起因して上記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形には、図５（ａ）、（ｂ）中に示すように、１次微分値がゼロとなる極大点Ｐ及び２次微分値がゼロとなる変曲点Ｑを含む特徴的な変化が出現する。この特徴的な変化を検出することで（ステップＳ９）、研磨終点が精度よく判定される（ステップＳ１０）。

上記の特徴的な変化は、反射率の変化量Ｚ_ｎを算出する際に設定された基準波長幅Ｌ及び各反射率の変化量Ｚ_ｎを平均する際に設定された評価波長範囲に依存して研磨中の所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じる。図６は、ＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層を研磨試料として上記両パラメータのうち、基準波長幅Ｌに依存した極大点Ｐの発生時点の変化例を示している。同図は、評価波長範囲を６００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で一定とし、基準波長幅をＬ＝２５ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_{（Ｌ２５）}、基準波長幅をＬ＝１５ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_{（Ｌ１５）}、及び基準波長幅をＬ＝５ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_（Ｌ５）として示してある。Ｐ_{（Ｌ２５）}は研磨中の膜厚が、ほぼ１１８０ｎｍになった時点で生じ、Ｐ_{（Ｌ１５）}は研磨中の膜厚が、ほぼ１７００ｎｍになった時点で生じ、Ｐ_（Ｌ５）は研磨中の膜厚が、ほぼ２６００ｎｍになった時点で生じている。極大点Ｐは基準波長幅Ｌが大になるほど膜厚が薄くなった時点で生じている。このように、研磨終点の基となる極大点Ｐを含む特徴的な変化の発生時点を、基準波長幅Ｌの設定値変更に依存して変えることができる。

また、図７は、ＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層を研磨試料として前記両パラメータのうち、評価波長範囲に依存した極大点Ｐの発生時点の変化例を示している。同図は、基準波長幅をＬ＝１５ｎｍで一定とし、評価波長範囲を６００ｎｍ〜７００ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_{（λ６００〜７００）}、評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_{（λ５００〜７００）}、及び評価波長範囲を５００ｎｍ〜６００ｎｍとしたときの一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点をＰ_{（λ５００〜６００）}として示してある。Ｐ_{（λ６００〜７００）}は研磨中の膜厚が、ほぼ１７００ｎｍになった時点で生じ、Ｐ_{（λ５００〜７００）}は研磨中の膜厚が、ほぼ１１５０ｎｍになった時点で生じ、Ｐ_{（λ５００〜６００）}は研磨中の膜厚が、ほぼ７００ｎｍになった時点で生じている。極大点Ｐは評価波長範囲が低波長範囲になるほど膜厚が薄くなった時点で生じている。このように、研磨終点の基となる極大点Ｐを含む特徴的な変化の発生時点は、評価波長範囲の設定値変更によっても変えることができる。

ここで、ＳＯＩウェーハにおける最上面のＳｉ活性層をＣＭＰにより研磨して膜厚が８００ｎｍで研磨終了する具体的なプロセス例を述べる。
（研磨試料）
ＳＯＩウェーハ：膜構成Ｓｉ活性層（５０００ｎｍ）／ＳｉＯ_２（１０００ｎｍ）／Ｓｉ基板。
（研磨条件）
プラテン回転数：６０ｒｐｍ、研磨ヘッド回転数：６０ｒｐｍ、研磨ヘッド加重：３ｐｓｉ、研磨レート：約７ｎｍ／ｓｅｃ（１回転当たり約７ｎｍの研磨量）、プラテン回転数が６０ｒｐｍであるので、プラテン１回転当たり１つの反射率データを取得。
（Ｓｉ活性層の研磨目標膜厚）：８００ｎｍ。
（基準波長幅Ｌ）：１５ｎｍ。
（評価波長範囲）５００〜６００ｎｍ。
（特徴的な変化として極大点の検出）：膜厚が８９０ｎｍで検出。
（オーバーポリッシュ時間の設定）：極大点検出が８９０ｎｍで目標膜厚が８００ｎｍ、研磨レートが７ｎｍ／ｓｅｃなのでオーバーポリッシュ時間を１２．９ｓｅｃと設定して研磨処理を終了した。
（結果）：目標とするＳｉ活性層の所望の厚み８００ｎｍを得た。

前述したように、特徴的な変化の発生時点は、基準波長幅Ｌと評価波長範囲の各パラメータに依存して変化するが、この両パラメータを同時に変えても変化させることができる。図８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層を研磨試料として基準波長幅Ｌ及び評価波長範囲の両パラメータに依存した極大点Ｐの発生時点の変化例を示している。図８は、特徴的な変化発生時点の基準波長幅及び評価波長範囲依存性を示す波形図であり、（ａ）は基準波長幅を５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図、（ｂ）は基準波長幅を１５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図、（ｃ）は基準波長幅を２５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図である。

例えば、基準波長幅をＬ＝１５ｎｍで評価波長範囲を６００ｎｍ〜７００ｎｍとしたとき極大点Ｐ_１は、図８（ｂ）中に示すように、研磨中の膜厚がほぼ１７００ｎｍになった時点で生じている。これに対し、基準波長幅をＬ＝２５ｎｍで評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍとして、両パラメータを同時に変えたとき、極大点Ｐ_２は、図８（ｃ）中に示すように、研磨中の膜厚がほぼ８００ｎｍになった時点で生じている。このように、研磨終点の基となる極大点Ｐを含む特徴的な変化の発生時点を、基準波長幅Ｌ及び評価波長範囲の両パラメータの同時変更に依存して大きく変えることができる。

上述したように、本実施例に係る終点検出方法においては、各基準波長幅Ｌにおける反射率の変化量Ｚ_ｎを算出した処理と、各反射率の変化量Ｚ_ｎを評価波長範囲にわたって平均した処理との実行に起因して研磨の進行に伴ない一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値に極大点Ｐ（１次微分値がゼロ）及び変曲点Ｑ（２次微分値がゼロ）を含む特徴的な変化が発生し、該極大点Ｐを含む特徴的な変化を基に所定の膜の研磨終点を検出することで、初期膜厚の差によらず安定して且つ、精度よく研磨終点を検出することができる。

特徴的な変化を研磨中の所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせることができて、所定の膜を所望の仕上がり膜厚にすることができる。

基準波長幅Ｌ及び評価波長範囲のうちの少なくとも何れかを変更することで、所定の膜を該変更に対応した任意の仕上がり膜厚にすることができる。したがって、例えばＳＯＩウェーハにおけるＳｉ活性層の厚みを、デバイス等の作り込みに適応した所望の仕上がり厚みにすることができる。

反射率波形に微分処理を施すことで、反射率波形の変化が明確になって各基準波長幅Ｌにおける反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。

反射率波形に正規化処理を施すことで、スラリーの厚さ、濃度の変動等に起因する反射率波形の振幅の変動が除去されて各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。

反射率波形にスムージング処理を施すことで、測定系の振動等に起因するノイズの影響等が低減して、各基準波長幅における反射率の変化量の演算処理等を確実に行うことができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

図１〜図８は本発明の実施例に係る研磨終点検出方法を示すものである。
研磨終点検出方法を実行する研磨終点検出装置を備えたウェーハ研磨装置のブロック図。 研磨終点を検出するアルゴリズムを説明するためのフローチャート。 基準波長幅における反射率の変化量算出例を説明するための反射率波形図。 各反射率の高低差を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値算出例を説明するための波形図。 研磨の進行に伴なう一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値に生じる特徴的な変化例を示す波形図であり、（ａ）は白色光領域の光を用いた場合の波形図、（ｂ）は赤外光領域の光を用いた場合の波形図。 特徴的な変化発生時点の基準波長幅依存性を示す波形図。 特徴的な変化発生時点の評価波長範囲依存性を示す波形図。 特徴的な変化発生時点の基準波長幅及び評価波長範囲依存性を示す波形図であり、（ａ）は基準波長幅を５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図、（ｂ）は基準波長幅を１５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図、（ｃ）は基準波長幅を２５ｎｍで一定とし評価波長範囲を５００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに変えたときの各波形図。 第１の従来例（特許文献１）における変化度法を説明するための図であり、（ａ）は研磨の進行に伴う反射光強度の変化を示す波形図、（ｂ）は研磨の進行に伴う反射率強度比の変化を示す波形図。 第２の従来例（特許文献２）における一致度法を説明するための図であり、（ａ）はＳＯＩウェーハからの反射率波形例を示す波形図、（ｂ）は研磨の進行に伴う一致度推移波形例を示す波形図。 第３の従来例（特許文献３）における干渉膜厚法を説明するための図であり、（ａ）は波長と反射率の関係を示す波形図、（ｂ）はスラリーなどの影響を受けたときの波長と反射率の関係を示す波形図。

符号の説明

１ ウェーハ研磨装置
２ プラテン
３ 研磨パッド
４ 研磨ヘッド
５ スラリー供給ノズル
６ 制御部
７ 観測孔
８ 観測窓
９ 研磨終点検出装置
１０ 光源部
１１ 照射・受光光学系
１２ 受光部
１３ 分光部
１４ コンピュータ
１５ ライトガイド
１６ａ，１６ｂ ライトガイド
Ｐ 極大点

Claims (11)

1. 研磨中の所定の膜に光を照射し、その反射光を基に前記所定の膜の研磨状態をモニタする研磨終点検出方法であって、
   前記所定の膜からの反射光を各波長ごとに分光する第１のステップと、前記反射光を各波長ごとの反射率に換算する第２のステップと、各基準波長幅における前記反射率の変化量をそれぞれ算出する第３のステップと、前記各反射率の変化量を評価波長範囲にわたって平均し一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値を求める第４のステップと、研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点を基に研磨終点を検出する第５のステップとを有することを特徴とする研磨終点検出方法。
2. 上記極大点は、研磨中の上記所定の膜が所望の膜厚になった時点で生じさせることを特徴とする請求項１記載の研磨終点検出方法。
3. 上記基準波長幅及び上記評価波長範囲のうち少なくとも何れかを変更することにより、該変更に対応した所望の膜厚において上記極大点を生じさせることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨終点検出方法。
4. 上記所定の膜は、ＳＯＩ（Ｓｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ）ウェーハにおけるＳｉ活性層であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の研磨終点検出方法。
5. 上記研磨の進行に伴って前記一定波長域ごとの反射率変化度合いの平均値波形に生じる極大点は、変曲点と併存していることを特徴とする請求項１，２，３，又は４記載の研磨終点検出方法。
6. 上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に微分処理を施すことを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の研磨終点検出方法。
7. 上記第３のステップにおける処理前の反射率波形に正規化処理を施すことを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の研磨終点検出方法。
8. 上記第３のステップにおける処理前の反射率波形にスムージング処理を施すことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記載の研磨終点検出方法。
9. 上記基準波長幅は数ｎｍ（ｎａｎｏ ｍｅｔｅｒ）程度の小区間であってもよいことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の研磨終点検出方法。
10. 上記基準波長幅はその幅を極限まで狭めてもよいことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の研磨終点検出方法。
11. 上記光は白色光領域、近赤外光領域、赤外光領域、紫外光領域を使用することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０記載の研磨終点検出方法。

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