JP5283506B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置および研磨方法に係り、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置および研磨方法に関するものである。

半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置として、トップリング内の複数のチャンバの圧力を独立に調整できるものが知られている。この研磨装置においては、例えば、基板上の膜厚に関連した物理量をセンサが測定し、この物理量に基づいてモニタリング信号が生成される。基板の研磨前には、予め、モニタリング信号と時間との関係を示す基準信号が用意され、研磨中においては、基板上のそれぞれの計測点におけるモニタリング信号が基準信号に収束するように、トップリングの押圧力が調節される。これにより、基板面内で均一な残膜厚を実現する（例えば、ＷＯ ２００５／１２３３３５参照）。

しかしながら、従来の研磨装置においては、基板のある領域において取得されたセンサ信号値が、他の領域に比べて著しく異なることがあり、センサが膜厚を正しく評価することができないという問題がある。この原因の１つとして挙げられるのは、センサの有効計測範囲に起因する信号の低下である。センサの有効計測範囲は必然的にある程度の大きさを持っている。このため、ウェハの周縁部の近傍を計測しようとすると、センサの有効計測範囲の一部がウェハの被研磨面からはみ出してしまい、センサが正確な信号を取得できない。このような場合には、正確な信号を取得できない部分の計測点を除外して制御を行うこともできるが、特にウェハの周縁部の膜厚均一性が重要な場合には、このような方法を採ることはできない。

また、別の原因として挙げられるのは、トップリング内の金属や磁性材料の影響である。すなわち、ＳＵＳなどの導電性の金属部品や磁性を有する材料がトップリングに使われると、その影響でセンサの信号の値が局所的に変化してしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、基板の研磨後の膜厚プロファイルを精度よく制御することができる研磨装置および研磨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、表面に膜が形成された基板を研磨する研磨装置であって、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の第１の領域および第２の領域を含む複数の領域に対して独立して押圧力を与えることで基板を前記研磨テーブルに押圧するトップリングと、複数の計測点における前記膜の状態を検出するセンサと、前記センサの出力信号から、基板上の前記第１の領域および前記第２の領域について複数のモニタリング信号を生成するモニタリング装置と、前記第１の領域および前記第２の領域についての前記モニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を格納した記憶部と、前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記複数の領域に対する押圧力を操作する制御部とを備えており、前記複数の基準信号は、前記基板と同種の基準基板を研磨し、前記基準基板の第１の領域および第２の領域についてそれぞれモニタリング信号を取得し、前記第１の領域および前記第２の領域において同一の時点で同一の膜厚とみなせるように前記モニタリング信号を補正することによって生成されたものであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第２の領域は、基板の周縁部を含む領域であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の基準信号は、前記第１の領域および前記第２の領域を含む前記複数の領域にそれぞれ対応して設けられたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モニタリング信号の信号値と前記基準信号の信号値とを、前記基準信号に基づいて研磨時間に関する値に変換して、新たなモニタリング信号と新たな基準信号とを生成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、研磨工程の任意の時刻において、前記第１の領域および前記第２の領域を含む前記複数の領域における前記新たなモニタリング信号を平均化した値を求め、該時刻における前記新たな基準信号が前記平均化した値と一致するように、該時刻以降の前記新たな基準信号を時間軸に関して平行移動することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部の制御周期は、１秒以上１０秒以下であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、渦電流センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記モニタリング装置により生成されたモニタリング信号のうちの少なくとも１つに基づいて研磨終点を検知することを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板上の第１の領域および第２の領域を含む複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、基板上の前記第１の領域および前記第２の領域での膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、前記センサの出力信号から、基板上の前記第１の領域および前記第２の領域について複数のモニタリング信号を生成し、前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、前記複数の基準信号は、前記基板と同種の基準基板を研磨し、前記基準基板の第１の領域および第２の領域についてそれぞれモニタリング信号を取得し、前記第１の領域および前記第２の領域において同一の時点で同一の膜厚とみなせるように前記モニタリング信号を補正することによって生成されたものであることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板上の第１の複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、基板上の膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、前記センサの出力信号から、基板上の第２の複数の領域について複数のモニタリング信号を生成し、前記第２の複数の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記第１の複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、前記複数の基準信号の定義は、研磨対象となる基板と同種の基準基板を用意し、前記基準基板の膜厚を測定し、前記基準基板を研磨して複数の計測点における前記基準基板上の膜の状態を前記センサにより検出し、前記第２の複数の領域から選択された第１の領域および第２の領域におけるモニタリング信号を前記センサの出力信号から生成し、前記第１の領域及び第２の領域の被研磨膜が完全に除去された時点で研磨を停止し、前記第１の領域および前記第２の領域の平均研磨速度を求め、前記第２の領域の平均研磨速度が前記第１の領域の平均研磨速度と一致するように、前記第２の領域のモニタリング信号を時間軸に沿って伸張または縮小させ、前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と一致するために必要な研磨時間を求め、前記伸張または縮小させた第２の領域のモニタリング信号を、前記求めた研磨時間だけ時間軸に沿って平行移動させ、前記平行移動したモニタリング信号を前記第２の領域の基準信号とすることにより行われ、前記複数の基準信号は、同一時点において同一の膜厚に対応することを特徴とする。
本発明の他の態様は、基板上の第１の複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、基板上の膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、前記センサの出力信号から、基板上の第２の複数の領域について複数のモニタリング信号を生成し、前記第２の複数の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記第１の複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、前記複数の基準信号の定義は、研磨対象となる基板と同種の基準基板を用意し、前記基準基板の膜厚を測定し、前記基準基板を研磨して複数の計測点における前記基準基板上の膜の状態を前記センサにより検出し、前記第２の複数の領域から選択された第１の領域および第２の領域におけるモニタリング信号を前記センサの出力信号から生成し、研磨後の前記基準基板の膜厚を測定し、前記第１の領域および前記第２の領域の平均研磨速度を求め、前記第２の領域の平均研磨速度が前記第１の領域の平均研磨速度と一致するように、前記第２の領域のモニタリング信号を時間軸に沿って伸張または縮小させ、前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と一致するために必要な第１の研磨時間を求め、前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と所定の膜厚差を有するために必要な第２の研磨時間を求め、前記伸張または縮小させた第２の領域のモニタリング信号を、前記第１の研磨時間と前記第２の研磨時間との和だけ時間軸に沿って平行移動させ、前記平行移動したモニタリング信号を前記第２の領域の基準信号とすることにより行われ、前記複数の基準信号は、同一時点において、前記第２の複数の領域間に設定された所定の膜厚差を反映した膜厚に対応することを特徴とする。

本発明によれば、基板上の複数の領域について複数の基準信号が設けられるので、基板の全領域において均一な膜厚を得ることができる。また、センサの有効測定範囲を縮小させるためにセンサを基板の被研磨面に近づける必要がなくなるので、貫通孔や裏面窪みなどのない通常の研磨パッドを用いることが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すトップリングの断面を示す模式図である。 図３は、研磨テーブルとウェハとの関係を示す平面図である。 図４は、センサがウェハ上を走査する軌跡を示した図である。 図５は、図４に示すウェハ上の計測点のうちモニタリング装置によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。 図６は、各計測点におけるセンサの有効計測範囲を示す図である。 図７は、ウェハ上の各領域における信号値を示すグラフである。 図８は、基準ウェハを研磨したときのモニタリング信号に基づいて各領域についての基準信号を作成する流れを示すフローチャートである。 図９Ａおよび図９Ｂは膜厚分布の例を示す模式図である。 図１０は、基準ウェハを研磨したときのモニタリング信号の一例である。 図１１は、モニタリング信号の時間軸に関するスケーリングを説明する図である。 図１２は、時間軸に沿ってスケーリングされたモニタリング信号を、さらに時間軸に沿って平行移動する方法を説明する図である。 図１３は、基準信号およびモニタリング信号の変換方法の一例を説明するためのグラフである。 図１４は、基準信号の適用方法の一例を説明するためのグラフである。 図１５は、基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。 図１６は、基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。 図１７は、基準信号を作成して研磨を行った場合の研磨前後の径方向膜厚分布を示すグラフである。 図１８は、非制御研磨におけるモニタリング信号の推移を示すグラフである。 図１９は、制御研磨におけるモニタリング信号の推移を示すグラフである。 図２０は、予測型のファジィ制御を説明するためのグラフである。 図２１は、予測型制御を説明するための模式図である。 図２２は、予測型制御用のファジィルールの一例を示すテーブルである。 図２３は、予測型制御用のファジィルールの他の例を示すテーブルである。 図２４は、導電性膜とセンサコイルとの間のギャップ（パッド厚）を変化させた場合のインピーダンス座標面における円軌跡の変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１乃至図２４を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、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と摺接する研磨面を構成している。

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周りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には図示しない研磨液供給ノズルが設置されており、この研磨液供給ノズルから研磨パッド１０上に研磨液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は昇降可能かつトップリングシャフト１８周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、研磨対象物であるウェハが真空等によって吸着、保持される。

上述の構成において、トップリング１４の下面に保持されたウェハは、回転している研磨テーブル１２の上面の研磨パッド１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズルから研磨パッド１０上に研磨液が供給され、ウェハの被研磨面（下面）と研磨パッド１０の間に研磨液が存在した状態でウェハが研磨される。

図２は図１に示すトップリングの断面を示す模式図である。図２に示すように、トップリング１４は、トップリングシャフト１８の下端に自在継手部３０を介して連結される略円盤状のトップリング本体３１と、トップリング本体３１の下部に配置されたリテーナリング３２とを備えている。トップリング本体３１は金属やセラミックス等の強度および剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３２は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。なお、リテーナリング３２をトップリング本体３１と一体的に形成することとしてもよい。

トップリング本体３１およびリテーナリング３２の内側に形成された空間内には、ウェハＷに当接する弾性パッド３３と、弾性膜からなる環状の加圧シート３４と、弾性パッド３３を保持する概略円盤状のチャッキングプレート３５とが収容されている。弾性パッド３３の上周端部はチャッキングプレート３５に保持され、弾性パッド３３とチャッキングプレート３５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。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路３７，３８，３９，４０を介して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。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の内部圧力は図示しない圧力調整部により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Ｃ１、内側中間部Ｃ２、外側中間部Ｃ３、および周縁部Ｃ４に対する押圧力を概ね独立に調整することができる（もちろん、正確には、隣り合う領域など他の領域に対する圧力室の影響を多少なりとも受ける）。また、トップリング１４の全体を昇降させることにより、リテーナリング３２を所定の押圧力で研磨パッド１０に押圧できるようになっている。チャッキングプレート３５とトップリング本体３１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４１を介して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３５および弾性パッド３３全体が上下方向に動くことができる。なお、ウェハＷの周囲にはリテーナリング３２が設けられ、研磨中にウェハＷがトップリング１４から飛び出さないようになっている。

図１に示すように、研磨テーブル１２の内部には、ウェハＷの膜の状態を監視（検知）するセンサ５０が埋設されている。このセンサ５０はモニタリング装置５３に接続され、このモニタリング装置５３はＣＭＰコントローラ５４に接続されている。上記センサ５０としては渦電流センサを用いることができる。センサ５０の出力信号はモニタリング装置５３に送られ、このモニタリング装置５３で、センサ５０の出力信号（センシング信号）に対して必要な変換・処理（演算処理）を施してモニタリング信号が生成される。

モニタリング装置５３は、モニタリング信号に基づいて各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を操作する制御部としても機能する。すなわち、モニタリング装置５３では、モニタリング信号に基づいてトップリング１４がウェハＷを押圧する力が決定され、この押圧力がＣＭＰコントローラ５４に送信される。ＣＭＰコントローラ５４は、トップリング１４のウェハＷに対する押圧力を変更するように図示しない圧力調整部に指令を出す。なお、モニタリング装置５３と制御部とを別々の装置としてもよく、モニタリング装置５３とＣＭＰコントローラ５４とを一体化して１つの制御装置としてもよい。

図３は、研磨テーブル１２とウェハＷとの関係を示す平面図である。図３に示すように、センサ５０は、トップリング１４に保持された研磨中のウェハＷの中心Ｃ_ｗを通過する位置に設置されている。符号Ｃ_Ｔは研磨テーブル１２の回転中心である。例えば、センサ５０は、ウェハＷの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的にウェハＷのＣｕ層等の導電性膜の膜厚あるいは膜厚の変化に応じて増加又は減少する量を検出できるようになっている。

図４は、センサ５０がウェハＷ上を走査する軌跡を示したものである。すなわち、センサ５０は、研磨テーブル１２が１回転するごとにウェハＷの表面（被研磨面）を走査するが、研磨テーブル１２が回転すると、センサ５０は概ねウェハＷの中心Ｃ_ｗ（トップリングシャフト１８の中心）を通る軌跡を描いてウェハＷの被研磨面上を走査することになる。トップリング１４の回転速度と研磨テーブル１２の回転速度とは通常異なっているため、ウェハＷの表面におけるセンサ５０の軌跡は、図４に示すように、研磨テーブル１２の回転に伴って走査線ＳＬ_１，ＳＬ_２，ＳＬ_３，…と変化する。この場合でも、上述したように、センサ５０は、ウェハＷの中心Ｃ_ｗを通る位置に配置されているので、センサ５０が描く軌跡は、毎回ウェハＷの中心Ｃ_ｗを通過する。そして、本実施形態では、センサ５０による計測のタイミングを調整して、センサ５０によってウェハＷの中心Ｃ_ｗを毎回必ず計測するようにしている。

また、ウェハＷの研磨後の膜厚プロファイルは、ウェハＷの中心Ｃ_ｗを通り表面に垂直な軸に関して概ね軸対象になることが知られている。したがって、図４に示すように、ｍ番目の走査線ＳＬ_ｍ上のｎ番目の計測点をＭＰ_ｍ−ｎと表わすとき、各走査線におけるｎ番目の計測点ＭＰ_１−ｎ，ＭＰ_２−ｎ，・・・，ＭＰ_ｍ−ｎに対するモニタリング信号を追跡することにより、ｎ番目の計測点の半径位置におけるウェハＷの膜厚の推移をモニタリングすることができる。

なお、図４においては、簡略化のため、１回の走査における計測点の数を１５としている。しかしながら、計測点の個数はこれに限られるものではなく、計測の周期および研磨テーブル１２の回転速度に応じて種々の値にすることができる。センサ５０として渦電流センサを用いる場合には、通常、１つの走査線上に１００個以上の計測点がある。このように計測点を多くすると、いずれかの計測点がウェハＷの中心Ｃ_ｗに概ね一致するので、上述したウェハＷの中心Ｃ_ｗに対する計測タイミングの調整を行わなくてもよい。

図５は、図４に示すウェハＷ上の計測点のうちモニタリング装置５３によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。図５に示す例では、押圧力が独立して操作される各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の中心近傍と境界線近傍に対応する位置の計測点ＭＰ_ｍ−１，ＭＰ_ｍ−２，ＭＰ_ｍ−３，ＭＰ_ｍ−４，ＭＰ_ｍ−５，ＭＰ_ｍ−６，ＭＰ_ｍ−８，ＭＰ_ｍ−１０，ＭＰ_ｍ−１１，ＭＰ_ｍ−１２，ＭＰ_ｍ−１３，ＭＰ_ｍ−１４，ＭＰ_ｍ−１５のモニタリングを行っている。ここで、図４に示した例とは異なり、計測点ＭＰ_ｍ−ｉとＭＰ_{ｍ−（ｉ＋１）}との間に別の計測点があってもよい。なお、モニタリングする計測点の選択は、図５に示す例に限られず、ウェハＷの被研磨面上において制御上着目すべき点をモニタリングすべき計測点として選択することができ、走査線上の全計測点を選択することも可能である。

モニタリング装置５３は、選択した計測点におけるセンサ５０の出力信号（センシング信号）に所定の演算処理を行い、モニタリング信号を生成する。さらに、モニタリング装置５３は、生成されたモニタリング信号と後述する基準信号とに基づいて、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する、トップリング１４内の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力をそれぞれ算出する。すなわち、モニタリング装置５３は、上述のようにして選択された計測点について取得されたモニタリング信号を、予め計測点ごとに設定された基準信号と比較し、各モニタリング信号がそれぞれの基準信号に収束するための圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の最適な圧力値を算出する。そして、算出された圧力値はモニタリング装置５３からＣＭＰコントローラ５４に送信され、ＣＭＰコントローラ５４は圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力を変更する。このようにして、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対する押圧力が調整される。

ここで、ノイズの影響を排除してデータを平滑化するために、近傍の計測点についてのモニタリング信号を平均化したものを使用してもよい。あるいは、ウェハＷの表面を中心Ｃ_Ｗからの半径に応じて同心円状に複数の領域に分割し、各領域内の計測点に対するモニタリング信号の平均値または代表値を求めて、この平均値または代表値を制御用の新たなモニタリング信号として用いてもよい。ここで、研磨中の各時点において各計測点のＣ_Ｗからの距離を求めてどの領域に属するかを判断するようにすれば、センサが研磨テーブル１２の半径方向に複数個並んで配置された場合や、研磨中にトップリング１４がトップリングヘッドシャフト１８を中心として揺動する場合にも効果的に対応することができる。なお、各計測点は、実際にはセンサの有効径測範囲に対応する面積を有するものであるから、以上全ての場合に関して、モニタリング信号は基板上の複数の領域の状態を表わすものであるといえる。

図６は、各計測点におけるセンサの有効計測範囲を示す図である。センサ５０として渦電流センサを用いた場合、センサ５０内のコイルの大きさ、有効範囲広がり角、センサ５０からウェハＷまでの距離に応じてウェハＷ上の有効計測範囲が決定される。そして、センサ５０は、各計測点において図６の点線で示す範囲内の情報を取得することとなる。しかしながら、ウェハＷの周縁部の状態を計測しようとすると、センサ５０の有効計測範囲の一部がウェハＷの被研磨面からはみ出してしまう（図６の計測点ＭＰ_ｍ−１，ＭＰ_ｍ−Ｎ参照）。このような場合には、図７に示すように、ウェハＷの周縁部における計測点ＭＰ_ｍ−１，ＭＰ_ｍ−Ｎに対応するモニタリング信号が、他の領域におけるモニタリング信号とは大きく異なり、膜厚を適正に評価することができなくなってしまう。渦電流センサ以外の方式のセンサに関しても、条件によっては類似のことが起こり得る。なお、図７において、研磨時間終盤でそれぞれのモニタリング信号が減少から一定に転じる点は、研磨終点（金属膜が完全に除去される時点）を表わしている。

そこで、本実施形態では、このようなウェハＷ上の領域によって同一膜厚でもモニタリング信号値が異なってしまう問題への対処方法として、ウェハＷの各領域Ｃ１〜Ｃ４についてそれぞれ基準信号を設定する。この基準信号は、所望の膜厚プロファイル（例えば、研磨後の膜厚が均一なプロファイル）を実現するために、研磨中の各時点（研磨時点）においてモニタリング信号の指標となる値（基準値）を示すものであり、研磨時点とその研磨時点での望ましいモニタリング信号の値との関係を示すグラフとして表わすことができる。本実施形態では、研磨対象のウェハと同種のウェハ（以下、これを基準ウェハという）を事前に研磨して、このときのモニタリング信号を基にウェハＷの径方向に分布する各領域Ｃ１〜Ｃ４についての基準信号を作成する。

ここで、ウェハの径方向の膜厚が均一になることをねらって各領域に対する押圧力を操作するものとすれば、領域ごとに設定される基準信号は、同一時点において同一膜厚に対応するものでなければならない。つまり、同一時点において同一膜厚に対応すると見なせるような基準信号を領域ごとに用意し、領域ごとに取得されるモニタリング信号がこれらの基準信号に収束するように押圧力を操作すれば、各領域における膜厚が均一になるようにウェハＷを研磨できる。

図８は、基準ウェハを研磨して、このときのモニタリング信号に基づいて各領域についての基準信号を作成する流れを示すフローチャートである。まず、研磨対象のウェハと同種のウェハ、すなわち基準ウェハを用意する。そして、図８に示すように、研磨前の基準ウェハの径方向における膜厚分布を測定し、各領域Ｃ１〜Ｃ４の研磨前の代表膜厚を取得する（ステップ１）。ここで、同種のウェハとは、研磨中の各時点における研磨速度（Removal Rate）が研磨対象ウェハに概ね等しく，膜厚が同一のときに取得されるモニタリング信号が研磨対象ウェハに概ね等しく、かつ、ウェハ周縁部の成膜範囲が研磨対象ウェハに実質的に等しいウェハである。たとえば、渦電流センサにおいて、基準ウェハの被研磨膜（金属膜）の材料は、研磨対象のウェハの被研磨膜と基本的に同種でなければならない。また、研磨対象のウェハ自身の抵抗が金属膜の抵抗に比べて無視できないほど小さくて研磨中のモニタリング信号に影響を与える場合には、基準ウェハの抵抗は研磨対象のウェハの抵抗に概ね等しくなければならない。ただし、基準ウェハは、必ずしも研磨対象のウェハと厳密に同一仕様のウェハである必要はない。たとえば、基準ウェハの研磨速度が研磨対象となるウェハの研磨速度と大幅に異なる場合には、基準ウェハを研磨した時のモニタリング信号を時間軸に関してスケーリング（伸張または縮小）することにより見かけ上の研磨速度を調整して、研磨対象ウェハの制御に用いることもできる。また、制御時間を十分に取る上で、基準ウェハの初期膜厚は研磨対象ウェハの初期膜厚と等しいか、またはより大きいことが好ましいが、基準ウェハの初期膜厚が研磨対象ウェハの初期膜厚より小さい場合でも後述する制御時間を短くするだけで、研磨制御は可能である。

基準ウェハの膜厚分布を取得した後、この基準ウェハを研磨し、各領域Ｃ１〜Ｃ４におけるモニタリング信号を取得する（ステップ２）。基準ウェハを研磨する間、各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４内の圧力は一定（不変）とする。ただし、それぞれの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４内の圧力を互いに等しくする必要はない。さらに、基準ウェハの研磨の間は、研磨パッド１０、研磨液、研磨テーブル１２の回転速度、トップリング１４の回転速度などその他の研磨条件は、原則として一定とする。好ましくは、基準ウェハの研磨時の研磨条件は、研磨対象ウェハの研磨時と同一または類似の条件とする。

所定の時間が経過した後、基準ウェハの研磨を終了させる。そして、研磨後の基準ウェハ上の被研磨膜の膜厚を測定し、各領域Ｃ１〜Ｃ４の研磨後の代表膜厚を取得する（ステップ３）。被研磨膜が金属膜の場合は、金属膜が除去される前に研磨を停止させる。これは、センサ５０による研磨後の膜厚の測定を保証するため、および金属膜が除去されると研磨速度が大きく変化してしまい、精度のよい基準信号が得られないからである。ただし、ウェハＷの各領域の金属膜が除去される時点をモニタリング信号から求め、この時点の膜厚を０として基準信号を作成することも可能であり、この場合には、金属膜が完全に除去されるまで基準ウェハを研磨する。

後述するように、本実施形態では取得された基準ウェハの各領域のモニタリング信号に対してスケーリング及び平行移動などの処理を行って各時点における各領域の膜厚が均一と見なせる基準信号を作成するので、基準ウェハの研磨において必ずしも膜厚が均一である必要はない。しかし、センサによる急峻な膜厚プロファイルの把握には問題があるから、研磨前及び研磨後における基準ウェハ径方向の膜厚が均一であるほど、精度のよい基準信号を得ることが期待できる。

一般に、ウェハの膜厚プロファイルに局所的な凹凸がある場合、この凹凸がセンサの有効計測範囲よりも小さいと、センサはその凹凸の形状を正確に反映した信号を出力できない。例えば、図９Ａに示すように、ウェハのａ点において急峻な凸部があるとする。センサの有効計測範囲はある程度の大きさを有するため、センサはこの凸部のピークの膜厚に対応する値を出力するのではなく、有効計測範囲内で平均化された膜厚に対応する信号値を出力することになる。そこで、基準ウェハの研磨前後の膜厚測定においては、センサ５０の有効計測範囲に相当する領域で取得された計測値を平均化して、この領域の中心点における膜厚値とすることが好ましい。このようにして取得された膜厚分布を図９Ｂに示す。なお、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、グラフ上の黒点はセンサ５０の計測点を示している。

次に、ステップ４，５（図８参照）では、各基準信号が同一時点において同一膜厚に対応すると見なせるように、基準信号を補正する。
図１０は、基準ウェハを研磨したときのモニタリング信号の一例である。一般に、モニタリング信号（およびセンサ信号）の値は膜厚自体を示すものではないが、モニタリング信号の値と膜厚とはある一定の関係を有する。しかしながら、上述したように、同一膜厚であってもウェハＷの周縁部におけるモニタリング信号が他の領域におけるモニタリング信号よりも小さくなること、及び、導電性材料などの影響により、取得されるモニタリング信号が本来得られるべき値を示さないことがある。そこで、ステップ１，３において測定された研磨前後の膜厚をモニタリング信号に割り振ることにより、モニタリング信号と膜厚とを関連付ける。具体的には、図１０に示すように、基準領域Ｃ０の研磨前後の膜厚ｄ_Ｃ０Ｓ，ｄ_Ｃ０Ｅを基準領域Ｃ０のモニタリング信号の始点および終点にそれぞれ割り振る。同様に、基準領域以外の領域Ｃｉの研磨前後の膜厚ｄ_ＣｉＳ，ｄ_ＣｉＥを領域Ｃｉのモニタリング信号の始点および終点にそれぞれ割り振る。なお、基準領域Ｃ０としては、例えば、ウェハの中心部を含む領域Ｃ１を選択することができる。

図１１は、モニタリング信号の時間軸に関するスケーリングを説明する図である。ステップ４では、各領域Ｃ１〜Ｃ４の平均研磨速度が同一となるように、モニタリング信号を時間軸に沿ってスケーリングする。なお、ここでいうスケーリングとは、モニタリング信号を時間軸に沿って伸張または縮小させることを意味する。

いま、基準ウェハを事前研磨したときの研磨時間がＴＥであるとする。このとき、基準領域Ｃ０における平均研磨速度Ｒは、次の式（１）で表される。
Ｒ＝（ｄ_Ｃ０Ｓ−ｄ_Ｃ０Ｅ）／ＴＥ ・・・（１）
そこで、領域Ｃｉの平均研磨速度が基準領域Ｃ０の平均研磨速度と等しくなるように、領域Ｃｉに対する補正研磨時間を、
Ｔ_ｉＥ＝（ｄ_ＣｉＳ−ｄ_ＣｉＥ）／Ｒ ・・・（２）
とおく。
そして、もともとの研磨開始時刻を０として、領域Ｃｉのモニタリング信号の各信号値に対応する時刻ｔ_ｉを、次の式（３）に示すように補正する。
ｔ_ｉ←ｔ_ｉ×Ｔ_ｉＥ／ＴＥ ・・・（３）
上記式（３）において、記号「←」は置き換えを表わしている。
なお、図１１には、ｄ_ＣｉＳ−ｄ_ＣｉＥ＞ｄ_Ｃ０Ｓ−ｄ_Ｃ０Ｅの場合の例を示している。

図１２は、このようにして時間軸に沿ってスケーリングされたモニタリング信号を、さらに時間軸に沿って平行移動する方法を説明する図であり、図８のステップ５を説明する図である。このステップ５では、各領域における初期膜厚を揃える作業を行う。

いま、基準ウェハの研磨中の各時点において、各領域Ｃ１〜Ｃ４において研磨速度が近似的に一定であると仮定する。このとき、基準領域Ｃ０における初期膜厚ｄ_Ｃ０Ｓが領域Ｃｉにおける初期膜厚ｄ_ＣｉＳに一致するまで研磨するのに必要な研磨時間Δｔ_ｉは、次の式（４）から求められる。
Δｔ_ｉ＝（ｄ_Ｃ０Ｓ−ｄ_ＣｉＳ）／Ｒ ・・・（４）
そこで、上記式（３）で補正された領域Ｃｉにおける研磨時刻ｔ_ｉを、さらに次の式（５）を用いて補正する。
ｔ_ｉ←ｔ_ｉ＋Δｔ_ｉ ・・・（５）

図１２に示す例においては、領域Ｃｉのモニタリング信号の各信号値を時間軸に沿ってΔｔ_ｉだけ平行移動させれば、領域Ｃｉのモニタリング信号の始点である時刻ＴｉＳにおける領域Ｃ０の膜厚と領域Ｃｉの膜厚は互いに等しいとみなすことができる。さらに、領域Ｃ０と領域Ｃｉとの間では平均研磨速度が等しいのであるから、時刻ＴＥにおける膜厚も互いに等しいとみなすことができる。したがって、時刻ＴＸ（ただし、ＴｉＳ≦ＴＸ≦ＴＥ）における膜厚ｄ_Ｃ０Ｘとｄ_ＣｉＸは互いに等しいとみなせる。

上述のように、領域Ｃｉのモニタリング信号は時間軸に沿ってスケーリングされ、さらに平行移動されるので、領域Ｃ０のモニタリング信号と領域Ｃｉの補正後のモニタリング信号は、一般にＭａｘ（０，ＴｉＳ）からＭｉｎ（ＴＥ，ＴｉＥ＋Δｔｉ）までの区間においてのみ共に存在する。ここで、Ｍａｘは括弧内の大きい方の値を、Ｍｉｎは小さい方の値をとることを示す。図１２はｄ_Ｃ０Ｓ＞ｄ_ＣｉＳの場合の例を示すが、もちろんｄ_Ｃ０Ｓ＜ｄ_ＣｉＳの場合も有り、その場合には当該領域Ｃｉの研磨開始時刻ＴｉＳは負の値となる。

次に、このようにして得られた各領域の基準信号の波形を、必要に応じて平滑化してノイズ成分を低減する（ステップ６）。平滑化の方法としては、移動平均や、より一般的なディジタルフィルタ、多項式回帰を適用することができる。そして、上述のステップ４〜６の工程を繰り返し、全ての領域Ｃ１〜Ｃ４についての基準信号を定義する。なお、この段階においては、基準信号の各信号値に対する時刻は領域ごとにそれぞれ独立に補正されて一般に異なる値をとるから、各領域の基準信号を補間して、一定の時間間隔の同一時刻に対する基準信号を定義しなおすこともできる。

図１２および式（４）から分かるように、初期膜厚ｄ_ＣｉＳが小さいほど基準信号の始点ＴｉＳは図１２の右方向に移動する。また、最終膜厚ｄ_ＣｉＥが大きいほど基準信号の終点ＴｉＥ＋Δｔｉは図１２の左方向に移動する。初期膜厚および最終膜厚は、一般に領域によって異なるから、領域ごとに基準信号を求めた場合、各基準信号の始点および終点は通常一致しない。そこで、次のようにして基準信号を設定する。まず、各領域の初期膜厚を互いに比較し、初期膜厚の最小値Ｍｉｎ（ｄ_ＣｉＳ）を求める。同様に、各領域の最終膜厚を互いに比較し、最終膜厚の最大値Ｍａｘ（ｄ_ＣｉＥ）を求める。そして、Ｍｉｎ（ｄ_ＣｉＳ）に対応する時刻から、Ｍａｘ（ｄ_ＣｉＥ）に対応する時刻までの区間のモニタリング信号のみを基準信号とする。あるいは、制御時間を長く取れるように、各領域のモニタリング信号を外挿して、より広い区間の基準信号を定義することもできる。

このようにして得られた各領域についての基準信号は、モニタリング装置５３の記憶部（例えば、ハードディスク）に格納される。そして、ウェハＷを研磨するときは、各領域Ｃ１〜Ｃ４のモニタリング信号が上記基準信号にそれぞれ収束するように圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のウェハＷに対する押圧力が操作される。なお、以上では圧力室Ｐ１〜Ｐ４に対応する領域Ｃ１〜Ｃ４に関して基準信号を設定する例について説明したが、上述したように、モニタリング信号はこれに限らず様々な領域に対して生成できるから、基準信号も、領域Ｃ１〜Ｃ４に限らずウェハＷの表面上の様々な領域に対して定義できる。

上述した本実施形態によれば、同一時刻に同一膜厚を示す基準信号が得られるので、各領域において取得されるモニタリング信号がそれぞれの基準信号に収束するように圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力を操作すれば、均一な膜厚をねらって研磨することができる。したがって、図７に示すように、ウェハＷの周縁部のモニタリング信号が他の領域に比べて極端に小さい場合でも、均一な最終膜厚が得られる。また、基準信号は領域ごとに定義されるので、上述のようにして作成されたそれぞれの基準信号をさらに時間軸に関して適宜平行移動することにより、均一ではない所望の残膜厚のプロファイルを実現することもできる。

たとえば、領域Ｃｉの残膜厚が領域Ｃ０よりもΔｄ_Ｃｉだけ大きい膜厚プロファイルを実現したい場合、上記式（５）によって領域Ｃｉにおける研磨時刻ｔ_ｉを補正した後で、さらに研磨時刻ｔ_ｉを次の式（５）’を用いて補正する。
ｔ_ｉ ← ｔ_ｉ＋Δｄ_Ｃｉ／Ｒ ・・・（５）’
換言すれば、式（４）の代わりに次の式（４）’を用いて研磨時刻ｔ_ｉを補正する。
Δｔ_ｉ＝（ｄ_Ｃ０Ｓ−ｄ_ＣｉＳ＋Δｄ_Ｃｉ）／Ｒ ・・・（４）’
ここで、Δｄ_Ｃｉ＜０なら、領域Ｃｉの残膜厚は領域Ｃ０よりも−Δｄ_Ｃｉだけ小さいことになる。

このようにすれば、図１２において、領域Ｃｉのモニタリング信号の始点である時刻ＴｉＳにおける領域Ｃｉの膜厚は領域Ｃ０の膜厚よりΔｄ_Ｃｉだけ大きいとみなすことができる。さらに、領域Ｃ０と領域Ｃｉとの間では平均研磨速度が等しいのであるから、任意の時刻ＴＸ（ただし、図１２の例ではＴｉＳ≦ＴＸ≦ＴＥ）における領域Ｃｉの膜厚も領域Ｃ０の膜厚よりΔｄ_Ｃｉだけ大きいとみなすことができる。したがって、このようにして作成された各領域のモニタリング信号を基準信号として、研磨時において領域ごとに取得されるモニタリング信号がこれらの基準信号に収束するように押圧力を操作すれば、研磨後において領域Ｃｉの膜厚が領域Ｃ０の膜厚よりΔｄ_Ｃｉだけ大きいという所望のプロファイルを実現することが期待される。

このようにすれば、たとえば最上層が金属膜でその下に絶縁層、さらに配線がある場合に、絶縁層の厚みの分布を知って金属膜の残膜厚の目標プロファイルを定義することにより、配線からの高さが均一になるように研磨を進めることができる。なお、以下では、被研磨膜の残膜厚のプロファイルを均一にする場合を中心にして詳細な説明を進める。

図１３は、ウェハ上のある領域のモニタリング信号ＭＳ_１を、これに対して設定された基準信号ＲＳ_０と直線Ｂとに基づいて、新たなモニタリング信号ＭＳ_２に変換する方法を示したグラフである。ここで、直線Ｂは、基準信号ＲＳ_０の研磨終点を通る傾き−１の直線である。例えば、図１３に示すように、時刻ｔ_１におけるモニタリング信号ＭＳ_１の値ｖ_１が与えられたとき、基準信号ＲＳ_０上で同一の値を有する点Ｐを求める。そして、この点Ｐの時刻から基準信号ＲＳ_０の研磨終点までの残り時間Ｔを求める。この残り時間Ｔは、図１３からわかるように、上記直線Ｂを参照することにより求められる。求められた時間Ｔを基に新たなモニタリング信号ＭＳ_２の時刻ｔ_１における信号値ｖ_２を設定する。例えば、ｖ_２＝Ｔとなるように信号値ｖ_２を設定する。あるいは、信号値ｖ_２を基準信号における研磨開始から研磨終点迄の時間Ｔ_０で正規化してｖ_２＝Ｔ／Ｔ_０としてもよく、このとき直線Ｂは、時刻０で値１を取り、傾きが−１／Ｔ_０の直線となる。

基準信号ＲＳ_０に関しても同様の考え方を適用することにすれば、上述した直線Ｂが変換後のモニタリング信号についての新たな基準信号であると見なせる。この新たな基準信号（直線Ｂ）は、基準信号ＲＳ_０上の各点から研磨終点までの残り時間を表わすものであるから、時間に関して線形の単調減少関数になり、制御演算が容易になる。

研磨後の膜厚が均一なプロファイルをねらって制御する場合、ウェハＷ上の各領域のモニタリング信号に対して、それぞれ設定された基準信号を用いて同様の変換を行えば、変換されたモニタリング信号は対応する基準信号における研磨終点までの残り時間、または、これを正規化した値として表される。ところが、各基準信号は同一時刻で等しい膜厚に対応するものと見なせるから、全ての領域のモニタリング信号は、膜厚を示す指数として相互に単純比較できるようになる。このとき、変換後の基準信号は全て直線Ｂに一致して一本化される。

また、このようにすれば、多くの場合、変換後の新たなモニタリング信号ＭＳ_２がウェハの被研磨面の膜厚に概ね比例して直線的に変化する。したがって、研磨液やウェハの被研磨面上の配線パターン、下層の影響などにより被研磨面の膜厚値が計測できない場合においても、線形演算で良好な制御性能を得ることが可能になる。図１３に示す例では、基準信号ＲＳ_０における研磨終点を基準時刻として説明したが、基準信号ＲＳ_０における基準時刻は研磨終点に限られるものではない。例えば、基準信号ＲＳ_０が所定の値を取る時刻など、任意に基準時刻を定めることができる。特に、前述のように、残膜厚が非均一なプロファイルになるよう研磨を制御する場合には、基準信号において全ての領域が同時に研磨終点に達することはないから、式（４）’に従い平行移動して作成された各領域の基準信号に対して、時間軸上の一点を共通の基準時刻として定めることになる。このときの変換後の基準信号も、均一プロファイルの場合同様、全て直線Ｂに一致して一本化される。なお、モニタリング信号値に対応する基準信号値がもともと存在しない区間や、モニタリング信号値が研磨時間とともに変化しない区間においては、変換後の新たなモニタリング信号の値は不定になる。このような場合には制御を休止し、トップリングの押圧力等の設定値としては従来値を維持すればよい。また、図１３において、基準信号は研磨終点に達するまで存在している。これは、基準ウェハを研磨終点を過ぎるまで研磨し、モニタリング信号に基づいて研磨終点を検知し、このときの膜厚を０として基準信号を定義したためである。

図１４は、上述のようにして変換された基準信号の適用方法の例を示すグラフである。図１４においては、研磨開始時点または制御開始時点に、研磨終点までの研磨時間が所望の値になるように、基準信号ＲＳ_１を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ_２を設定している。なお、研磨開始時点または制御開始時点において、基準信号ＲＳ_１の研磨終点までの研磨時間が所望の値であれば、基準信号ＲＳ_１の平行移動量を０としてよい。

その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ_２を固定し、モニタリング信号ＭＳ_Ａ，ＭＳ_Ｂ，ＭＳ_Ｃ及び図示しないその他の領域のモニタリング信号が、基準信号ＲＳ_２に収束するように制御を行なう。このようにすれば、ある領域の変換前のモニタリング信号の値が同一膜厚時に他の領域と異なっていても、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、ウェハ間で初期膜厚にばらつきがあっても、あるいは研磨パッド等の装置の状態に変化があっても、研磨終点までの時間が所定の値になることが期待できる。このように、研磨時間を一定にできれば、研磨装置内でウェハを予想可能な概ね一定の周期で搬送することが可能になる。したがって、研磨時間の長いウェハに左右されて搬送が遅れてしまうようなことがなく、スループットが向上する。

図１５は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１５においては、研磨開始時点または制御開始時点に、各領域のモニタリング信号値を平均化した値ａｖが基準信号と一致するように、基準信号ＲＳ_３を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ_４を設定する。ここで、モニタリング信号値の平均化の方法は、ウェハの研磨の進捗状況を代表するような値を得るものであればどのような方法であってもよく、例えば、算術平均または加重平均を算出する方法、中央値を取る方法であってもよい。

その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ_４を固定し、モニタリング信号ＭＳ_Ａ，ＭＳ_Ｂ，ＭＳ_Ｃ及び図示しないその他の領域のモニタリング信号がこの基準信号ＲＳ_４に収束するように制御を行なう。このようにすれば、ある領域のモニタリング信号の値が同一膜厚時に他の領域と異なっていても、図１４に示した例に比べて、ウェハＷの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等の操作量を極端に変化させる必要がなく、安定した研磨を行うことが期待できる。また、研磨開始後または制御開始後の研磨時間が、基準信号取得時に同一膜厚から研磨した場合の研磨時間と等しくなることが期待され、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、研磨パッド等の装置の状態にかかわらず平均的な研磨レートを実現することができる。

図１６は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１６においては、所定の周期で、各領域のモニタリング信号を平均化した値が基準信号ＲＳ_５と一致するように、基準信号ＲＳ_５を時間軸に沿って平行移動する。例えば、モニタリング信号を平均化した値ａｖ_１，ａｖ_２，ａｖ_３に一致するように、基準信号ＲＳ_５をそれぞれ平行移動し、新たな基準信号ＲＳ_６，ＲＳ_７，ＲＳ_８をそれぞれ設定する。そして、各領域のモニタリング信号が、この時々刻々平行移動して設定される基準信号に収束するように、ウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等を操作する。このようにすると、ある領域のモニタリング信号の値が同一膜厚時に他の領域と異なっていても、初期のウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４の押圧力が概ね妥当な範囲にある場合、ある時点においてある領域の押圧力が増加方向になれば、別の領域の押圧力は減少方向になる。したがって、本実施形態には、研磨時間や研磨レートを調整する機能はないが、操作量の変化を小さくして安定した研磨を行なうことができる。さらに、初期の膜厚プロファイルにかかわらず優れた面内均一性を達成することができる。

また、このような場合には特に、ブランケットウェハを基準ウェハとして作成した基準信号を用いてパターンウェハの研磨を制御しても、良好な結果を得ることができる。ここで、ブランケットウェハとは、ウェハ上に１種以上の材料が均一の厚みに成膜されたウェハであって、所謂パターンが形成されていないものをいう。一般に、パターンウェハの研磨においては、研磨レートはブランケットウェハとは異なり、被研磨面の凹凸が解消される前と後で異なる。また、被研磨膜が金属膜でセンサが渦電流センサであるとすれば、表面の凹凸が解消される前後で膜厚に対するモニタリング信号の変化速度も異なる。しかしながら、上記の方法で制御するのは膜厚のプロファイルであって研磨レートを調節する機能はないため、そのような研磨レートやモニタリング信号の変化速度の違いに関わらず、良好な制御性能を期待できる。

パターンウェハにおいては膜厚が小さいと膜厚の測定は困難であり、また、研磨対象の製品ウェハの種類が変わる度に事前にこれを研磨して基準信号を作成することは、煩雑であるだけでなく製品ウェハを無駄にすることになる。したがって、ブランケットウェハによる基準信号を適用してパターンウェハの研磨を制御できることには実用上大きな意味がある。

図１５および図１６では、研磨開始時または所定の周期においてモニタリング信号を平均化した値に基準信号が一致するように平行移動した例を説明したが、モニタリング信号を平均化した値以外の値を基準として基準信号を平行移動することもできる。例えば、ウェハの所定の領域のモニタリング信号を基準として基準信号を平行移動してもよい。すなわち、研磨開始時において、基準信号が研磨開始時の所定の領域のモニタリング信号に一致するように基準信号を平行移動してもよく、研磨工程中においても、基準信号がその時刻における所定の領域のモニタリング信号に一致するように基準信号を平行移動してもよい。

以上に示したように、研磨対象ウェハに対して基準ウェハを適当に定めて基準信号を定義し、これに基づいて押圧力を操作することにすれば、研磨中時々刻々のウェハ各部位のモニタリング信号と膜厚との関係を個々に定めるという煩雑な操作なしに、容易に膜厚プロファイルの制御が可能である。

図１７は、研磨後の膜厚プロファイルが均一になることをねらって、本実施形態の方法で基準信号を作成して研磨を行った場合の研磨前後の径方向膜厚分布を示すグラフである。制御研磨（本実施形態の研磨方法）においては、領域ごとのモニタリング信号が各基準信号に収束するように押圧力を操作した。一方、非制御研磨においては、制御研磨時の初期押圧力と等しい押圧力を一定でウェハに与えた。図１７から、ウェハの周縁部を含めて良好な残膜厚均一性が得られることが分かる。

図１８は非制御研磨におけるモニタリング信号の推移を示すグラフであり、図１９は制御研磨におけるモニタリング信号の推移を示すグラフである。図１８に示すように、非制御研磨では、ウェハ面上の３領域（中心部、内側中間部、外側中間部）でのモニタリング信号の値が異なっている。これに対し、制御研磨では、図１９に示すように、モニタリング信号が一つの値に概ね収束している様子が分かる。ウェハの周縁部に関しては、前述した理由でモニタリング信号値が他の領域から大きく離れているため、図から収束性を視覚的に確認することは出来ない。しかしながら、実際には、ウェハの周縁部においても補正された基準信号に沿って研磨制御が行われるので、図１７に示すように周縁部を含む全ての領域において均一な膜厚が得られている。

図２０は、本発明に係る制御演算方法の一例を説明するためのグラフである。図２０においては、図１３を参照して説明したモニタリング信号の変換方法が用いられている。研磨開始後の時刻ｔにおける新しい基準信号ｙｓ（ｔ）は、以下の式（Ｘ）で表される。
ｙｓ（ｔ）＝Ｔ_０−ｔ ・・・（６）
上記式（６）において、Ｔ_０は基準信号における研磨開始から研磨終点までの時間である。

ここで、Ｔ_０が、基準信号を上述した３通りのうちの前２通りのいずれかの方法で時間軸に関して平行移動した基準信号に対するもの（図１４、図１５参照）であるとする。図１６に示す例の場合には、右辺はその時点の各領域のモニタリング信号を平均化した値になる。このとき、ｔ_ｏを所定の時間として、時刻ｔからｔ_ｏ経過後のウェハの各領域におけるモニタリング信号の予測値ｙ_ｐ（ｔ，ｔ_ｏ）は、以下の式（７）で表される。
ｙ_ｐ（ｔ，ｔ_ｏ）
＝ｙ（ｔ）＋ｔ_ｏ・｛ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ−Δｔ_ｍ）｝／Δｔ_ｍ ・・・（７）
上記式（７）において、ｙ（ｔ）は時刻ｔにおけるモニタリング信号、Δｔ_ｍはモニタリング信号の時間変化に対する傾きを算出するために定められた時間である。

このとき、時刻ｔからｔ_ｏ経過後のモニタリング信号の予測値の、基準信号に対する不一致度Ｄ（ｔ，ｔ_ｏ）を以下の式（８）のように定義する。
Ｄ（ｔ，ｔ_ｏ）＝−｛ｙ_ｐ（ｔ，ｔ_ｏ）−ｙ_ｓ（ｔ＋ｔ_ｏ）｝／ｔ_ｏ ・・・（８）
式（８）で表される不一致度Ｄが正であればモニタリング信号が基準信号に対して進み気味であることを意味し、負であれば遅れ気味であることを意味する。

図２０に示すように、基準信号が直線であるとき、周期Δｔの各時点において、常にモニタリング信号の予測値が基準信号に一致すれば、モニタリング信号は基準信号に漸近し収束することが期待される。そこで、例えば、図２１のように、裏面に押圧力ｕ３が加えられるウェハの領域Ｃ３の不一致度をＤ３、領域Ｃ３に隣接する領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度をそれぞれＤ２，Ｄ４として、押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定することを考える。図２２は、このような押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定するためのファジィルールの一例である。また、図２３は、図２２のファジィルールに、さらにウェハと摺動した直後の研磨パッドの部位の温度Ｔ_ｐを考慮した場合のファジィルールの一例である。図２２および図２３において、“Ｓ”は「小さい」、“Ｂ”は「大きい」、“ＰＢ”は「大きく増やす」、“ＰＳ”は「少し増やす」、“ＺＲ”は「変えない」、“ＮＳ”は「少し減らす」、“ＮＢ”は「大きく減らす」を意味する。

図２２のファジィルールに示すように、押圧の変化量Δｕ３は、対応する領域Ｃ３の不一致度Ｄ３や押圧力ｕ３自体が小さいほど大きく増加させ、また、領域Ｃ３と隣り合う領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度Ｄ２，Ｄ４が小さい場合にも増やす方向に調整する。互いに独立なその他の領域の押圧力、これに対応する領域の不一致度、押圧力の変化量に対しても、それぞれ同様な考え方でファジィルールを定めれば、押圧力を極端に大きい値または小さい値に変更することなく、すべての不一致度が零に収束するように制御を行うことができる。

また、図２３に示す例では、多くの場合、研磨パッドの温度が高いほど研磨レートが上昇し、これによりさらに温度が上昇し易いことを考慮して、研磨パッドの温度Ｔ_ｐが低いほど押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を大きく、温度Ｔ_ｐが高いほど変化量Δｕ３を小さく設定している。

なお、適用できるファジィルールは図２２および図２３に示したものに限られるものではなく、系の特性に応じて任意に定義することができる。また、前件部変数、後件部変数に対するメンバシップ関数や論理積法、含意法、集積法、非ファジィ化法等の推論の方法も適宜選択して用いることができる。例えば、後件部のメンバシップ関数を適当に設定すれば、押圧力の変化量Δｕ３を調節することができるし、このようにして求められた押圧力ｕ３や変化量Δｕ３にさらに上下限の制約を定めることも可能である。さらに、モニタリング信号、あるいは、不一致度を定義する領域も、上述のＣ１〜Ｃ４に限られるものではなく、たとえば、その境界部に、それぞれ、１乃至２個の領域を追加してよりきめの細かい制御を行うことも可能である。

また、上の例で、元の基準信号やモニタリング信号が時間に関してある程度線形に近ければ、図１３を用いて説明したモニタリング信号の研磨時間に関する値への変換は必ずしも必要ない。モニタリング信号の時間変化をグラフに表わしたときにその曲率が小さい場合、図２０と同様にして、式（７）により求めた時間ｔ_ｏ後のモニタリング信号の予測値がつねに基準信号ｙｓ（ｔ）に一致すれば、モニタリング信号が次第に基準信号に近づき、良好な制御が行われるものと期待される。モニタリング信号を時間に関する値に変換しない場合、図１５または図１６を用いて説明した基準信号の平行移動においては、例えばウェハ周縁部を含む領域やＳＵＳ部品の影響でモニタリング信号が大きく異なる領域を除いて、平行移動の基準となる平均化された値を求めればよい。

上述した例では、不一致度の予測値を求めて推論を行う予測型のファジィ制御を利用している。センサがウェハの被研磨面の情報を取り込んでから実際に押圧力が完全に新しい値に置き換わって研磨状態が変化し、センサの出力値が完全に変わるまでには、センサからモニタリング装置への出力信号の転送、モニタリング信号への変換と平滑化、押圧力の演算、制御部への転送、圧力調整部への指令、押圧機構（圧力室）の動作など多くのステップが必要とされる。したがって、操作量の変更が完全に信号波形に反映されるまでには、通常１、２秒から１０秒程度を要する。このように応答遅れの影響を抑えて効果的な制御を行うために、予測型の制御は有効である。

予測型の制御の方法としては、上述したファジィ制御だけではなく、例えば、適当な数学モデルを定義してモデル予測制御を行ってもよい。上述した応答遅れを含めてモデル化することにすれば、更なる制御性能の向上を期待することができる。なお、このような系においては、制御周期を短くしても、モニタリング信号に操作量の変化が十分に反映される前に次の操作を行ってしまうことになり、意味がないだけでなく、不要な操作量の変化やこれによる信号値の変動を引き起こしてしまうおそれがある。一方、研磨時間は、通常数十秒から数百秒程度であるから、制御周期を長くし過ぎると面内均一性が達成される前に研磨終点に達してしまう。したがって、制御周期は１秒以上１０秒以下であることが好ましい。

なお、押圧力を操作しながら対象ウェハを研磨する場合、同時に、金属膜が除去される時点、あるいは、所定の閾値に達する時点をモニタリング信号から検知することで、研磨終点（研磨条件を切り替える点を含む）を検知することができる。

また、領域Ｃ１（ウェハの中心部）と領域Ｃ４（ウェハの周縁部）の２領域についてのみ上述のような基準信号を定義してもよい。この場合は、領域Ｃ１と領域Ｃ２，Ｃ３（内側中間部および外側中間部）の制御に際しては領域Ｃ１の基準信号を用いる。好ましくは、上述のように、ウェハ面の全領域についてそれぞれ基準信号を定義して、研磨時に各領域にそれぞれ対応する基準信号を用いることにしてもよい。このようにすれば、単にウェハの周縁部でのモニタリング信号変化の影響を排除するだけでなく、ＳＵＳフランジなど、導電性あるいは磁性を有する部品がトップリングにあって渦電流センサによるモニタリング信号に影響を及ぼす場合にも、その影響を排除して良好な制御性能を得ることができる。

なお、基準信号を定義する過程で、基準ウェハの研磨中は各領域の研磨速度が一定であるとの仮定をおいてモニタリング信号のスケーリングや平行移動を行っているが、研磨時間が十分に長く初期膜厚や研磨速度が領域間で極端に異ならないならばスケーリングや平行移動の量は小さく、モニタリング信号による膜厚プロファイルの把握に関して実用性を損なうことはない。

上述の実施形態では、研磨の進行に伴ってモニタリング信号が単調減少する場合を示したが、モニタリング信号が単調増加する場合にも本発明を適用することができる。例えば、センサ５０としてインピーダンスタイプの渦電流センサを用いる場合、特開２００５−１２１６１６号公報に開示されている次の方法を適用することもできる。

図１に示すように、ウェハＷの表面に存在する導電性膜は、研磨テーブル１２に埋め込まれたセンサ（渦電流センサ）５０から研磨パッド１０を介して測定される。この場合、センサ５０とその導電性膜との間の隙間は、これらの間に介在する研磨パッド１０の厚さに応じて変化することになる。この結果、例えば、図２４に示すように、使用する研磨パッド１０の厚さ（ｔ１〜ｔ４）分の隙間（ギャップ）Ｇに応じて、信号成分Ｘおよび信号成分Ｙの円弧軌跡が変動する。このことから、この信号成分Ｘあるいは信号成分Ｙの円弧軌跡から半導体ウェハＷの導電性膜の膜厚を高精度に測定するには、使用する研磨パッドの厚さ毎に（研磨パッドの使用前毎にでもよい）、既知の膜厚での信号成分Ｘおよび信号成分Ｙの測定情報を準備してから、測定対象の導電性膜の膜厚を測定する必要がある。

しかるに、渦電流センサによる信号成分Ｘおよび信号成分Ｙの測定結果からは、図２４に示すように、センサコイル端部と導電性膜との間の隙間Ｇにかかわらずに、Ｘ成分およびＹ成分の導電性膜の膜厚毎の出力値を直線（ｒ１〜ｒ３）で結ぶと、その直線が交差する交点（中心点）Ｐを取得することができる。この予備測定直線ｒｎ（ｎ：１，２，３…）は、その交点Ｐを通過する信号成分Ｙが一定の基準線（図２４における水平線）Ｌに対して、導電性膜の膜厚に応じた仰角θで傾斜する。

このことから、半導体ウェハＷの導電性膜を研磨する研磨パッドの厚さが不明の場合であっても、研磨する導電性膜の信号成分Ｘおよび信号成分Ｙの測定結果（出力値）と中心点Ｐを結ぶ測定直線ｒｎの基準線Ｌに対する仰角θを求めれば、予め予備測定済みの導電性膜の膜厚に応じた仰角θの変化傾向などとの相関関係に基づいてその測定対象の導電性膜の膜厚を導出することができる。ところが、残膜厚均一性の制御のためには、必ずしも膜厚絶対値を知る必要はなく、ウェハＷの径方向の膜厚を相対的に捉えられればよい。したがって、単に仰角θをモニタリング信号とすればよいことになる。なお、基準線Ｌは、リアクタンス成分Ｘを一定とする図２４における垂直線としてもよい。

本発明は、半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置および研磨方法に適用可能である。

Claims (14)

1. 表面に膜が形成された基板を研磨する研磨装置であって、
   研磨面を有する研磨テーブルと、
   基板上の第１の領域および第２の領域を含む複数の領域に対して独立して押圧力を与えることで基板を前記研磨テーブルに押圧するトップリングと、
   複数の計測点における前記膜の状態を検出するセンサと、
   前記センサの出力信号から、基板上の前記第１の領域および前記第２の領域について複数のモニタリング信号を生成するモニタリング装置と、
   前記第１の領域および前記第２の領域についての前記モニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を格納した記憶部と、
   前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記複数の領域に対する押圧力を操作する制御部とを備えており、
   前記複数の基準信号は、
   前記基板と同種の基準基板を研磨し、
   前記基準基板の第１の領域および第２の領域についてそれぞれモニタリング信号を取得し、
   前記第１の領域および前記第２の領域において同一の時点で同一の膜厚とみなせるように前記モニタリング信号を補正することによって生成されたものであることを特徴とする研磨装置。
2. 前記第２の領域は、基板の周縁部を含む領域であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記複数の基準信号は、前記第１の領域および前記第２の領域を含む前記複数の領域にそれぞれ対応して設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記モニタリング信号の信号値と前記基準信号の信号値とを、前記基準信号に基づいて研磨時間に関する値に変換して、新たなモニタリング信号と新たな基準信号とを生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
5. 研磨工程の任意の時刻において、前記第１の領域および前記第２の領域を含む前記複数の領域における前記新たなモニタリング信号を平均化した値を求め、該時刻における前記新たな基準信号が前記平均化した値と一致するように、該時刻以降の前記新たな基準信号を時間軸に関して平行移動することを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
6. 前記制御部の制御周期は、１秒以上１０秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
7. 前記センサは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の研磨装置。
8. 前記制御部は、前記モニタリング装置により生成されたモニタリング信号のうちの少なくとも１つに基づいて研磨終点を検知することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の研磨装置。
9. 基板上の第１の領域および第２の領域を含む複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、
   基板上の前記第１の領域および前記第２の領域での膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、
   複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、
   前記センサの出力信号から、基板上の前記第１の領域および前記第２の領域について複数のモニタリング信号を生成し、
   前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、
   前記複数の基準信号は、
   前記基板と同種の基準基板を研磨し、
   前記基準基板の第１の領域および第２の領域についてそれぞれモニタリング信号を取得し、
   前記第１の領域および前記第２の領域において同一の時点で同一の膜厚とみなせるように前記モニタリング信号を補正することによって生成されたものであることを特徴とする研磨方法。
10. 前記第２の領域は、基板の周縁部を含む領域であることを特徴とする請求項９に記載の研磨方法。
11. 前記複数の基準信号は、前記第１の領域および前記第２の領域を含む前記複数の領域にそれぞれ対応して設けられることを特徴とする請求項９または１０に記載の研磨方法。
12. 前記基準基板は、ブランケットウェハであることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の研磨方法。
13. 基板上の第１の複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、
    基板上の膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、
    複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、
    前記センサの出力信号から、基板上の第２の複数の領域について複数のモニタリング信号を生成し、
    前記第２の複数の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記第１の複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、
    前記複数の基準信号の定義は、
    研磨対象となる基板と同種の基準基板を用意し、
    前記基準基板の膜厚を測定し、
    前記基準基板を研磨して複数の計測点における前記基準基板上の膜の状態を前記センサにより検出し、
    前記第２の複数の領域から選択された第１の領域および第２の領域におけるモニタリング信号を前記センサの出力信号から生成し、
    前記第１の領域及び第２の領域の被研磨膜が完全に除去された時点で研磨を停止し、
    前記第１の領域および前記第２の領域の平均研磨速度を求め、
    前記第２の領域の平均研磨速度が前記第１の領域の平均研磨速度と一致するように、前記第２の領域のモニタリング信号を時間軸に沿って伸張または縮小させ、
    前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と一致するために必要な研磨時間を求め、
    前記伸張または縮小させた第２の領域のモニタリング信号を、前記求めた研磨時間だけ時間軸に沿って平行移動させ、
    前記平行移動したモニタリング信号を前記第２の領域の基準信号とすることにより行われ、
    前記複数の基準信号は、同一時点において同一の膜厚に対応することを特徴とする研磨方法。
14. 基板上の第１の複数の領域に対して独立した押圧力を与えることで基板を研磨テーブルに押圧して研磨する研磨方法であって、
    基板上の膜厚に関連するモニタリング信号の基準値と研磨時間との関係を示す複数の基準信号を定義し、
    複数の計測点における基板上の膜の状態をセンサを用いて検出し、
    前記センサの出力信号から、基板上の第２の複数の領域について複数のモニタリング信号を生成し、
    前記第２の複数の領域のそれぞれに対応する前記複数のモニタリング信号が、それぞれ、対応する前記複数の基準信号に収束するように前記第１の複数の領域に対する押圧力を操作する工程を含み、
    前記複数の基準信号の定義は、
    研磨対象となる基板と同種の基準基板を用意し、
    前記基準基板の膜厚を測定し、
    前記基準基板を研磨して複数の計測点における前記基準基板上の膜の状態を前記センサにより検出し、
    前記第２の複数の領域から選択された第１の領域および第２の領域におけるモニタリング信号を前記センサの出力信号から生成し、
    研磨後の前記基準基板の膜厚を測定し、
    前記第１の領域および前記第２の領域の平均研磨速度を求め、
    前記第２の領域の平均研磨速度が前記第１の領域の平均研磨速度と一致するように、前記第２の領域のモニタリング信号を時間軸に沿って伸張または縮小させ、
    前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と一致するために必要な第１の研磨時間を求め、
    前記第２の領域の初期膜厚が前記第１の領域の初期膜厚と所定の膜厚差を有するために必要な第２の研磨時間を求め、
    前記伸張または縮小させた第２の領域のモニタリング信号を、前記第１の研磨時間と前記第２の研磨時間との和だけ時間軸に沿って平行移動させ、
    前記平行移動したモニタリング信号を前記第２の領域の基準信号とすることにより行われ、
    前記複数の基準信号は、同一時点において、前記第２の複数の領域間に設定された所定の膜厚差を反映した膜厚に対応することを特徴とする研磨方法。

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