JP5376293B2

JP5376293B2 - 終点検出装置および研磨装置

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Publication number: JP5376293B2
Application number: JP2008293092A
Authority: JP
Inventors: 武彦上田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2010120092A

Description

本発明は、半導体ウェハなどの研磨対象物の研磨加工において研磨の終点を検出する終点検出装置、および、この終点検出装置を用いた研磨装置に関する。

半導体デバイスの高密度化は限界を見せず進展を続けており、高密度実現のため、様々な技術、方法の開発が進められている。その一つが多層配線であり、これに伴う技術的課題に、グローバルな（比較的大きなエリアでの）デバイス面の平坦化および上下層間の配線がある。リソグラフィの短波長化に伴う露光時の焦点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の範囲での層間層の平坦化の精度要求は大きい。また、金属電極層の埋め込みである、いわゆる像嵌（プラグ、ダマシン）の要求も多層配線実現にとっては大きく、この場合、積層後の余分な金属層の除去および平坦化が行われなければならない。

これらの大きな（ダイサイズレベルでの）エリアの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）と呼ばれる研磨工程である。ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用を併用して、ウェハの表面層を除いていく工程で、グローバル平坦化および電極形成技術の最有力な候補となっている。具体的には、酸、アルカリ、酸化剤などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布で、ウェハ表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。

この工程は、デバイスプロセス技術として、多くの課題を残しており、中でも、種々の理由により、研磨工程速度が一定しないため、適切な研磨工程の終了や変更のタイミングを知ることが問題となっている。このため、研磨加工のその場（in-site）によるウェハ表面状態の計測（以降の説明では、「研磨その場計測」と称する）を行う終点検出（ＥＰＤ）と呼ばれる研磨工程モニタリング技術への要請が高くなっており、従来から用いられている終点検出装置として、ウェハの表面状態を光学的に計測して終点検出を行う装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような装置では、ウェハの表面（被研磨面）にプローブ光を照射するとともに、プローブ光が照射されたウェハからの反射光を検出し、その強度変化やスペクトル分布に基づいて終点検出（ＥＤＰ）を行うようになっている。
特許第３３６０６１０号公報特開平１１−３３９０１号公報

ところで、一般にＣＭＰプロセスには、メタルＣＭＰ工程のみならず、シリコン酸化膜を研磨するシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）工程、層間絶縁膜（ＩＬＤ）工程などが存在する。メタルＣＭＰ工程と呼ばれるものの一例を挙げると、銅層からバリア層（タンタル等）に膜が切り替わる点を検出しなければならないところ、銅層からバリア層への膜の露出はその反射率が大きく変化することから、上記従来の光学式の終点検出装置を用いて、比較的容易に終点検出を行うことができる。一方、ＳＴＩ工程では、酸化膜から窒化膜に層が切り替わる状態の検出、酸化膜が僅かに残った状態の検出、もしくは窒化膜を少し加工した状態などの各状態の検出が要求されており、また同様にＩＬＤ工程では、任意の誘電体膜の膜厚を検出することが要求されている。しかしながら、ＳＴＩ工程において窒化膜の露出点は反射率が小さく安定して終点検出を行うことは容易ではない。また、ＩＬＤ工程に代表されるように、層内における任意の膜厚での終点検出を行うことは非常に困難であるという問題がある。これは、終点検出の判定を理想的な研磨終点（の近傍）に合致させることが難しいことを意味し、研磨終点の検出精度を向上させることが、ＣＭＰプロセスにおける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る。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、研磨加工中に高精度に研磨終点を判定することができる終点検出装置、および、この終点検出装置を用いた研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、第１の本発明に係る終点検出装置は、被研磨物の研磨加工において、研磨加工の終了を判断する終点検出装置であって、被研磨物の被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、プローブ光が照射された被研磨面からの光を波長域ごとの複数の分光として検出する光検出部と、所定の条件により算出される研磨終了予定時刻の前後に一定の時間幅を有して定まる許容時間帯が設定される条件設定部と、予め第１の被研磨物を研磨加工することで光検出部により検出された複数の分光の波長域から少なくとも２以上の分光の波長域の組み合わせを複数選択して、２以上の波長域の分光の各光強度信号を合成して合成信号をそれぞれ算出し、複数の２以上の波長域の組み合わせの中から許容時間帯に生じる合成信号の出力値が予め定められた所定の条件に一致するような特徴点を有する特定の２以上の波長域の組み合わせを決定する検出条件決定部と、第１の被研磨物の研磨加工よりも後に行われた他の被研磨物の研磨加工中に、光検出部により検出される特定の２以上の波長域の分光に基づいて得られる合成信号の出力値が特徴点を表した時点で研磨終点を検出し研磨加工の終了を判断する終点判定部とを備え、検出条件決定部は、所定の条件として、第１の被研磨物の研磨加工において光検出部により検出されて得た各合成信号の出力値ごとに、許容時間帯に現れた第１の極大点とその直前に現れた第２の極小点との差、又は、許容時間帯に現れた第１の極小点とその直前に現れた第２の極大点との差、を算出し、複数の合成信号の出力値のうちでこの差が最大となるような第１の極大点又は極小点を上記特徴点として設定するよう構成される。

また、第２の本発明に係る終点検出装置は、被研磨物の研磨加工において、研磨加工の終了を判断する終点検出装置であって、被研磨物の被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、プローブ光が照射された被研磨面からの光を波長域ごとの複数の分光として検出する光検出部と、所定の条件により算出される研磨終了予定時刻の前後に一定の時間幅を有して定まる許容時間帯が設定される条件設定部と、予め第１の被研磨物を研磨加工することで光検出部により検出された複数の分光の波長域ごとの光強度信号に基づいて、複数の波長域の中から許容時間帯に生じる光強度信号の出力値が予め定められた所定の条件に一致するような特徴点を有する特定の波長域を決定する検出条件決定部と、第１の被研磨物の研磨加工よりも後に行われた他の被研磨物の研磨加工中に、光検出部により検出される特定の波長域の分光の光強度信号の出力値が特徴点を表した時点で研磨終点を検出し研磨加工の終了を判断する終点判定部とを備え、検出条件決定部は、所定の条件として、第１の被研磨物の研磨加工において光検出部により検出されて得た各分光の光強度信号の出力値ごとに、許容時間帯に現れた第１の極大点とその直前に現れた第２の極小点との差、又は、許容時間帯に現れた第１の極小点とその直前に現れた第２の極大点との差、を算出し、複数の分光の光強度信号の出力値のうちでこの差が最大となるような第１の極大点又は極小点を上記特徴点として設定するよう構成される。

さらに、本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持機構と、保持機構に保持された被研磨物を研磨する研磨部材とを備え、保持機構に保持された被研磨物の被研磨面に研磨部材を当接させながら相対移動させて被研磨物の研磨加工を行うように構成された研磨装置であって、上記構成の終点検出装置を更に備えて構成されることを特徴とする。

本発明によれば、研磨加工中に高精度に研磨終点を判定することが可能になり、これにより、研磨工程を効率的に管理して研磨装置のスループットを向上させることができる。

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。ここでは、実施例として、シリコン酸化膜を研磨するＣＭＰ工程（ＳＴＩ工程やＩＬＤ（層間絶縁膜）工程）において、研磨終点を判定する場合について詳述する。まず、本発明を適用した研磨装置の代表例であるＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）１の概略構成を図１に示す。

ＣＭＰ装置１は、上面側において半導体ウェハ（以下、ウェハと称する）Ｗを回転可能に保持する保持機構１０と、保持機構１０の上方に対向して設けられ下面側において研磨パッド２１が装着される研磨ヘッド２０と、研磨パッド２１の中心部からスラリ（研磨剤）３１を供給するスラリ供給部３０と、終点検出を行うＥＰＤ部（光学測定部）４０と、これらの作動を制御する制御装置６０とを主体に構成される。

保持機構１０は、円盤状のウェハチャック１１と、このウェハチャック１１を支持して鉛直下方に延びるスピンドル１２とを有して構成され、図示しない回転駆動機構によりウェハチャック１１の上面と直交する回転中心軸Ｏ１を中心にウェハチャック１１が水平面内で回転駆動される。ウェハチャック１１の内部には、ウェハＷの下面（被保持面）を真空吸着する真空チャック構造が設けられてウェハＷを着脱可能に構成されており、ウェハチャック１１に吸着保持されたウェハＷの研磨対象面（すなわち被研磨面）が上向きの水平姿勢で保持される。

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を支持して鉛直上方に延びるスピンドル２３とを備え、図示しない回転駆動機構によりヘッド部材２２の下面と直行する回転中心軸Ｏ２を中心に研磨パッド２１が水平面内で回転駆動される。研磨パッド２１は、外径が研磨対象であるウェハＷの外径よりも小さい円環状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ヘッド部材２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。この研磨ヘッド２０は、図示しないヘッド移動機構を用いて、ウェハチャック１１に対して水平揺動および垂直昇降可能に構成される。

スラリ供給部３０は、配管３２を通じて、研磨パッド２１およびヘッド部材２２の中央部に上下に貫通して形成された孔部（図示しない）から研磨パッド２１とウェハＷの当接部にスラリ３１を供給する。

ウェハＷの研磨加工を行うには、ウェハチャック１１およびヘッド部材２２を同一方向もしくは反対方向にそれぞれ回転させ、スラリ供給部３０により研磨パッド２１の中心（孔部）からスラリ３１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の被研磨面に当接させつつこの状態で研磨ヘッド２０をウェハＷの中心部と外周部との間で半径方向に往復（水平）揺動させる。これにより、ウェハＷの被研磨面が研磨パッド２１との間に介在するスラリ３１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。

ＥＰＤ部４０は、ウェハＷの被研磨面が所定量研磨されたか否かの判定、すなわち、研磨終点の判定を行うために、光の分光強度などを測定する。ＥＰＤ部４０は、光源４１、光路分割部材４５、光検出器５４等を有して構成されている。なお、ＥＰＤ部４０は研磨対象物たるウェハＷの上方に対向して配置されるため、研磨加工の際に飛散するスラリ３１から機器を保護するためカバー５５内に収容されている。また、カバー５５内に収容されたＥＰＤ部４０は、図示しないＥＰＤ揺動機構を用いて、ウェハＷ（ウェハチャック１１）の上方に位置する計測位置と、ウェハＷ（ウェハチャック１１）の上方から退避した位置との間で往復揺動可能に構成されている。このＥＰＤ部４０は、光源４１から出射した光線をウェハＷの被研磨面で反射させて、その反射光を光路分割部材４５で取り出して後述する分光器等で分光された光線について光検出器５４でその分光強度を測定するようになっている。

ここで、このＥＰＤ部４０について図２を用いてより詳しく説明する。光源４１は多波長成分をもつ白色光源であり、白色ＬＥＤやキセノンランプ等を用いることができる。この光源４１から出射した光線は、レンズ４２により平行光束に変換され、照明エリア制御スリット４３を通った後、レンズ４４によりビームスプリッタ（光路分割部材）４５に集光される。ビームスプリッタ４５を通過した光線は、レンズ４６により再び平行光束とされ、ウェハＷの表面（被研磨面）に照射されてウェハ面上に所定スポット径のビームスポットを形成する。このウェハＷの被研磨面で反射した反射光は、再びレンズ４６を通してビームスプリッタ４５に集光される。ビームスプリッタ４５においてウェハＷからの反射光は９０°方向を変えられ、レンズ４８により平行光束とされる。そして、ミラー４９で反射されて、レンズ４０で０次光（正反射光）のみを選別する開口を有する遮光手段であるスリット５１上に集光される。このスリット５１により散乱光、回析光等のノイズ成分が除去され、レンズ５２を介して分光手段である回析格子５３に投射されて分光される。この回析格子５３で分光された光線は、光電変換素子である光検出器（リニアセンサ）５４に入射し、分光強度が測定される。

この光学系において、光源の４１の像はビームスプリッタ４５に結像し、その結像位置がレンズ４６の前方焦点に位置している。よって、ウェハＷの被研磨面は一様に、且つ、ほぼ垂直な平行光束により照射される。また、スリット５１は、ウェハＷからの垂直反射光の集光位置に設けられている。よって、その開口の径を調整することにより、反射光の開口数（ＮＡ）、すなわちその開口を通過する光線の反射角度を調整することができる。したがって、想定されるウェハＷの被研磨面上のパターンから発生する１次以上の回折光が、スリット５１の開口を通過できないように開口数を選定することにより、０次光（正反射光）以外の反射光はこのスリット５１により遮光され、回折格子５３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。

光検出器５４に入射する正反射光は回折格子５３で波長に応じて回折され分光されているため、光検出器５４では正反射光における波長成分ごとの分光強度が検出され、この分光強度情報が制御装置６０に入力されるようになっている。

このように光検出器５４で検出した反射光の波長成分ごとの分光強度、例えば、透明膜である層間絶縁膜（ＩＬＤ）の反射光に対して検出される任意の波長λにおける分光強度は、図３のような変動特性を示す。このとき、研磨される膜の屈折率をｎとすると、研磨工程が進み膜厚がほぼλ／２ｎ変わる毎に図３に示すように極大点が出現するため、後で詳述するが、時間的に分光強度を追跡し、極大点の出現回数で膜厚変動を知るアルゴリズムにおいては、反射光強度（反射率）の時間変化において目的とする膜厚に到達するにはいくつ目の極大点で研磨終点とするかを適時に計算し、極大点の出現回数をカウントすることで研磨終点が判定される。なお、反射光強度の変動特性は、反射光強度の極小点を測定するときでも同様である。本実施形態においては、後述する制御装置６０により、図４に示すように、所定の研磨レート等から算出される目標の膜厚になるまでの研磨時間（以降の説明では「予測研磨時間」と称する）と、予測研磨時間Ｔｅの前後において一定の幅を持って定められる許容時間ΔＴ（例えば、予測研磨時間Ｔｅの±５％等）とを設定し、この許容時間ΔＴ内に極大極小点（判定点）が出現するようなパラメータ（終点判定のための特定の波長域、もしくはその組み合わせ）の最適値を決定するように構成されている。

制御装置６０は、図５に示すように、予め設定記憶された制御プログラムや研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて保持機構１０、研磨ヘッド２０、スラリ供給部３０、およびＥＰＤ部４０等の作動を制御する作動制御部６１と、研磨終点判定のための所定のアルゴリズム等の初期条件を設定する初期条件設定部６２と、ＥＰＤ部４０（光検出器５４）から入力された波長成分ごとの分光強度情報を記憶する記憶部６３と、初期条件設定部６２からの設定情報や記憶部６３に記憶された分光強度情報などに基づいて、研磨終点判定のためのパラメータ（終点検出条件、すなわち、終点判定のための特定の波長域もしくはその組み合わせや、判定点となる極大極小点のカウント数）の最適値を決定する検出条件決定部６４と、ＥＰＤ部４０を制御して検出条件決定部６４によって決定されたパラメータなどに基づいてウェハＷの研磨終点を検出する終点判定部６５とを有して構成される。

それでは、研磨終点判定のパラメータについて、制御装置６０を用いたその最適値の決定手順について図６および図７に示すフローチャートを参照して説明する。なお、本手順では上記パラメータとして単一の波長域を用いる場合、および複数の波長域の組み合わせを用いる場合の２つのケースについて述べる。

まず、制御装置６０に接続された入出力器６６（諸条件のキー入力を行うキーボードや画像表示を行うディスプレイなどを備えるヒューマンインターフェース）を用いて、所定の初期条件を入力し（ステップＳ１０１，２０１）、この初期条件を初期条件設定部６２に設定する。この初期条件としては、終点判定のための所定のアルゴリズムのほかに、目標の膜厚になるまでの研磨量と所定の研磨レートとに基づいて算出される予測研磨時間Ｔｅや、予測研磨時間Ｔｅに対する許容時間ΔＴなどが設定される。また、分光器（回折格子４３および光検出器５４等で構成）が持つ多数のチャンネルｃｈ（例えば、２５６チャンネル（ｃｈ１〜ｃｈ２５６））から、その観測対象となる波長領域での開始波長（チャンネルｃｈ１）と終了波長（チャンネルｃｈ２５６）とを設定する。ここで、光源４１を白色ＬＥＤとした場合、開始波長（チャンネルｃｈ１）は４５０ｎｍ、終了波長（チャンネルｃｈ２５６）は７５０ｎｍが一般値となる。

ここで、光検出器５４で検出される各波長成分のうち、終点判定のためのパラメータを、まず単一の波長域とするときについて図６を用いて説明する。このとき、検出条件決定部６４により、記憶部６３に記憶された分光強度情報を用いて、観測対象となるチャンネルｃｈ_Ａをその初期値としてチャンネルｃｈ１（開始波長４５０ｎｍ）に設定し（ステップＳ１０２）、そのチャンネルｃｈ_Ａの信号波形に対して前処理として平滑化処理を行って（ステップＳ１０３）、サンプリングした時間帯（サンプリング周期の間隔）ごとの分光強度のデータＤ（０），Ｄ（１），Ｄ（２）・・・Ｄ（ｍ）を取得する（ステップＳ１０４）。ここで、データＤ（０）はサンプリング時間Ｔ＝０のときの分光強度データ、データＤ（１）はサンプリング時間Ｔ＝１のときの分光強度データ、データＴ（ｍ）はサンプリング時間Ｔ＝ｍのときの分光強度データを表す。

そして、これらのデータＤ（０）〜Ｄ（ｍ）の中から極大値のみを抽出してピーク値リストを作成するとともに、極小値のみを抽出してボトム値リストを作成する（ステップＳ１０５）。ピーク値およびボトム値リストから極大値および極小値の出現するそれぞれのサンプリング時間を求め、その中から初期条件設定部６２に設定された予測研磨時間Ｔｅ前後の許容時間ΔＴ内に出現した極大値および極小値のみを抽出して記憶部６３に一時記憶させる（ステップＳ１０６）。

次いで、チャンネルｃｈ_Ａをカウントアップして、チャンネルｃｈ_Ａに対して分光器の全チャンネル（１〜２５６ｃｈ）分、すなわち波長域４５０ｎｍ〜７５０ｎｍのもとで、ステップＳ１０３〜１０６が行われる（ステップＳ１０７，Ｓ１１０）。このため、チャンネルｃｈ_Ａは４５０ｎｍ〜７５０ｎｍまで分光器のチャンネル数に応じた波長域刻みでカウントアップされることにより、分光器のチャンネル数に応じた波長域のもとで許容時間ΔＴ内に出現する極大値および極小値が抽出される。

そして、全ての波長域についてループ（ステップＳ１０３〜１０６）が終了したら、波長域ごとにピーク値リストから許容時間ΔＴ内に出現した極大値とその直前に出現した極小値とが比較され、もしくはボトム値リストから許容時間ΔＴ内に出現した極小値とその直前に出現した極大値とが比較される。そして、比較の結果、極大値とその直前の極小値との差、もしくは極小値とその直前の極大値との差が最大値となるチャンネルｃｈ_Ａ（特定の波長域）を求める（ステップＳ１０８）。これは、極大値と極小値との差が大きくなるほど、終点判定のために捉えるべき分光強度の変動が顕著に表れるため、ノイズ要素の影響に拘らず安定した検出を行うことができるということになり、終点判定におけるＳ／Ｎを優先した場合には、この極大値と極小値との差が最大であったチャンネルｃｈ_Ａ（波長域）が終点判定のためのパラメータの最適値となる。同時に、この最適値とされたチャンネルｃｈ_Ａの分光強度の波形において許容時間ΔＴ内に出現する判定点（極大極小点）のカウント数も同時に算出される（ステップＳ１０９）。

一方、目標となる時間（予測研磨時間Ｔｅ）を優先した場合には、ステップＳ１０８の代わりに、予測研磨時間Ｔｅに最も近接した地点に極大極小点が出現するチャンネルｃｈ_Ａ（特定の波長域）を求め、これを終点判定のためのパラメータの最適値とする（ステップＳ１０８′）。

続いて、終点判定のパラメータを、複数の波長域の組み合わせとするときについて図７を用いて説明する。このとき、検出条件決定部６４により、記憶部６３に記憶された分光強度情報を用いて、観測対象となる２つのチャンネルｃｈ_Ａ，ｃｈ_Ｂをその初期値としてチャンネルｃｈ１（開始波長４５０ｎｍ）、チャンネルｃｈ２５６（終了波長７５０ｎｍ）にそれぞれ設定し（ステップＳ２０２）、チャンネルｃｈ_Ａ（ｃｈ１の波長域）に基づく時系列信号の絶対値と、チャンネルｃｈ_Ｂ（ｃｈ２５６の波長域）に基づく時系列信号の絶対値との比（ｃｈ_Ａの時系列信号／ｃｈ_Ｂの時系列信号）による信号波形（合成波形）を算出する（ステップＳ２０３）。これは、各分光成分の信号波形にはスラリ３２の変動による散乱等を原因とする多くのノイズ要素が含まれているため、同条件のもとで測定された各分光強度を比として演算することによりノイズ要素を排除することができるからであり、前述のパラメータを単一波長として測定するときよりもＳ／Ｎを向上させることができる。

そして、この合成波形に対して前処理として平滑化処理を行って（ステップＳ２０４）、サンプリングした時間帯（サンプリング周期の間隔）ごとの分光強度のデータＤ（０），Ｄ（１），Ｄ（２）・・・Ｄ（ｍ）を取得する（ステップＳ２０５）。

そして、これらのデータＤ（０）〜Ｄ（ｍ）の中から極大値のみを抽出してピーク値リストを作成するとともに、極小値のみを抽出してボトム値リストを作成する（ステップＳ２０６）。このとき、ピーク値およびボトム値リストから極大値および極小値の出現するそれぞれの時間帯を求めて、その中から初期条件設定部６２に設定された予測研磨時間Ｔｅ前後の許容時間ΔＴ内に出現した極大値および極小値のみを抽出して記憶部６３に一時記憶させる（ステップＳ２０７）。

次いで、チャンネルｃｈ１をカウントアップするとともに、チャンネルｃｈ２をカウントダウンして（ステップＳ２０８，２１１）、チャンネルｃｈ_Ａおよびｃｈ_Ｂについて全チャンネル（１〜２５６ｃｈ）分の組み合わせのもとで、ステップＳ２０３〜Ｓ２０７が行われる。すなわち、チャンネルｃｈＡは４５０ｎｍから７５０ｎｍまで分光器のチャンネル数に応じた波長刻みでカウントアップされ、反対にチャンネルｃｈＢは７５０ｎｍから４５０ｎｍまで分光器のチャンネル数に応じた波長域刻みでカウントダウンされることにより、分光器のチャンネル数に応じた波長域の組み合わせのもとで許容時間ΔＴ内に出現する極大値および極小値が抽出される。

そして、全ての波長域の組み合わせについてループ（ステップＳ２０３〜２０７）が終了したら、各波長域の組み合わせごとに、許容時間ΔＴ内に出現した極大値とその直前に出現した極小値とを比較し、もしくは許容時間ΔＴ内に出現した極小値とその直前に出現した極大値とを比較する。そして、比較の結果、極大値とその直前の極小値との差、もしくは極小値とその直前の極大値との差が最大値であったチャンネルｃｈ_Ａ，ｃｈ_Ｂの組み合わせを求める（ステップＳ２０９）。終点検出におけるＳ／Ｎを優先した場合には、このチャンネルｃｈ_Ａ，ｃｈ_Ｂ（の波長域）の組み合わせが終点判定のためのパラメータの最適値となる。同時に、このチャンネルｃｈ_Ａ，ｃｈ_Ｂ（の波長域）の組み合わせの光強度の波形において許容時間ΔＴ内に出現する判定点（極大極小点）の所定のカウント数も同時に算出される（ステップＳ２１０）。

一方、目標となる時間（予測研磨時間Ｔｅ）を優先した場合には、ステップＳ２０９の代わりに、予測研磨時間Ｔｅに最も近接した地点に極大極小点が出現するチャンネルｃｈ_Ａ，ｃｈ_Ｂ（の波長域）の組み合わせを求め、これを終点検出のためのパラメータの最適値とする（ステップＳ２０９′）。

そして、研磨工程においては研磨その場計測のＥＰＤ部４０を作動させ、上記のように決定された波長域、もしくは複数の波長域の組み合わせの最適値に基づいて所定のカウント数の極大極小点が検出されたことをもって終点判定部６５が終点検出信号を出力することで、この研磨終点の検出タイミングでウェハＷの研磨加工を終了する。

このように、予め取得した波長成分ごとの分光信号などを用いて終点と判定されるべき時間領域（許容時間ΔＴ）内に極大極小点（判定点）が現れるように終点判定のためのパラメータ（波長域）を最適化させることにより、ウェハＷの被研磨面における表面状態の変化を的確に捉えることが可能になり、終点検出精度を向上させることができる。そのため、ＣＭＰプロセスを効率的に管理してＣＭＰ装置１のスループットを向上させることが可能になる。

なお、本実施形態では、終点検出を極大極小値の出現に基づいて判定するように構成しているが、所定の閾値を超えた場合や、変曲点の出現などに基づいて判定するようにしてもよい。

以上のように構成されたＣＭＰ装置１において、ウェハＷのＣＭＰ工程について説明する。まず、図示しない搬送装置によりウェハＷをウェハチャック１１上に搬送した後、研磨加工の開始前に、制御装置６０は、図示しないＥＰＤ部揺動機構を用いて、ＥＰＤ部４０を前述の退避位置からウェハＷ上方の計測位置に移動させる。保持機構１０、研磨ヘッド２０、およびスラリ供給部３０等を作動させて研磨加工を始めるとともに、ＥＰＤ部４０の光源４１よりプローブ光を照射させて光検出器５４によるウェハＷからの反射光の計測（すなわち、ＥＰＤ部４０による計測）を開始する。このとき、制御装置６０では、前述したように、予め設定された予測研磨時間、許容時間、および終点検出条件に基づいて、光検出器５４で検出される反射光のうち観測対象となる（最適とされる特定の波長域、もしくはその組み合わせによる）分光強度をサンプリングしつつ、この分光強度の極大極小点の出現回数がカウントされ、極大極小点が所定回数現れたときに研磨加工の終点であると判定する。そして、終点判定部６５から終点検出信号が出力された場合、そのタイミングで当該研磨加工を終了する制御を行う。

なお、このときＥＰＤ部４０によりサンプリングされる分光信号の波形に対しては、ノイズ低減のため常に制御装置６０により平滑化処理（スムージング処理）が行われているが、平滑化処理ではその対象となる点とその一定時間前・後における点とに基づいて補正される。よって、対象となる点で平滑化処理を行うには、その一定時間後にサンプリングされる点のデータも必要になるため、リアルタイムで反射光の分光成分を検出して平滑化処理を行う場合、その一定時間分だけ処理の遅れが発生することになり、その結果、終点検出が遅れることで目的とする膜厚を大きく超えて研磨加工してしまうおそれがある。例えば、ｔ秒間隔でサンプリングされる分光信号の波形おいて、５点（平滑化の対象点とその前後２点ずつとの計５点）で平滑化処理する場合、対象となる点が補正（平滑化）されるのはその点がサンプリングされた２ｔ秒後（後の２点が計測された時点）となり、このため、２ｔ秒後の遅れが生じることになる。そこで、パラメータの最適値として、予測研磨時間Ｔｅ近傍に極大極小点が出現する波長域（もしくはその組み合わせ）を求める代わりに、予測研磨時間Ｔｅの２ｔ秒前近傍に極大極小点が出現する波長域（もしくはその組み合わせ）を求めるように構成としてもよい。これによれば、この最適値による分光波形に対して平滑化処理を行ったときに、予め予測研磨時間Ｔｅに対して２ｔ秒前近傍に現れる極大極小点を検出するように構成しているため、平滑化処理による２ｔ秒の遅れが生じても終点検出を行うタイミングを予測研磨時間Ｔｅに合致させることが可能になる。したがって、平滑化処理による遅れが生じることなく、より高精度に終点を検出することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

[実施例１]
まず、図８に示すウェハ構造（ＳＴＩ構造、ＩＬＤ構造）のパターン加工がされた１２インチのシリコンウェハ（ウェハＷ）を研磨するケースにおいて、制御装置６０により、研磨終点判定のパラメータの最適値を算出するためのシミュレーション計算を行った結果について説明する。この研磨対象物たるウェハＷは、図８に示すように、シリコン基板７０の上面にＳｉＯ２層（シリコン熱酸化膜）７１を１０ｎｍの厚みに形成し、その上にバリア層として窒化シリコンＳｉＮ層７２を６０ｎｍの厚みに形成し、さらにその上にＴＥＯＳ層としてＳｉＯ２層７３をプラズマＣＶＤで４００ｎｍの厚みに形成したものを用いる。なお、シリコン基板７０にはトレンチ７４が存在し、その深さは２００ｎｍとする。

ここで、研磨ヘッド２０のＴＥＯＳ層の加工レートを既存のデータから１０ｎｍ／秒であるとし、研磨終了の目標（終点）を最上層のＴＥＯＳ層７３が消失したときとすると、予測研磨時間Ｔｅ、および許容時間ΔＴ（例えば予測研磨時間Ｔｅの±５％とする）は次の式で求められる。
Ｔｅ＝４００／１０＝４０秒
ΔＴ＝４０×０．０５＝２秒（±２秒）

よって、このウェハＷの場合は、研磨開始から４０秒の地点でＴＥＯＳ層７３が消失した状態になると予測され、制御装置６０に研磨時間として４０秒±２秒（３８秒〜４２秒）が設定される。一方、ＥＰＤ部４０の光源４１は、白色ＬＥＤ（波長範囲４５０ｎｍ〜７５０ｎｍ）が用いられている。

このような条件のもとで、制御装置６０によりシミュレーション計算を行った結果として、分光強度の時間変化の様子を図９および図１０に示す。なお、図９および図１０において、縦軸は分光強度を、下側の横軸は左から右に研磨時間の経過を、上側の横軸は左から右に膜厚（残膜厚）の変化を表している。観測波長として波長４５０ｎｍ（開始波長）、波長７５０ｎｍ（終了波長）における分光強度の時間変化を表す図９から示されるように、波長４５０ｎｍおよび波長７５０ｎｍの分光では研磨時間４０秒±２秒の区間には極大極小点が生じないことがわかる。これに対して、前述した手順により観測波長領域４５０ｎｍ〜７５０ｎｍにおいて制御装置６０（検出条件決定部６４）を用いて研磨時間４０秒±２秒の地点に極大極小点が生じるような解（パラメータ）を単一波長で求めた結果、波長５５３ｎｍが最適値であると決定された。波長５５３ｎｍにおける分光強度の時間変化を表す図１０に示されるように、波長５５３ｎｍでは、研磨時間（予測研磨時間Ｔｅ）４０秒の地点で極小点が出現していることが分かる。したがって、このケースでは３番目の極小点を検出したときに、研磨終点と判定することができる。

なお、上記のケースでは、研磨終点がＴＥＯＳ層７３からバリア層７２に切り替わる位置である。次いで、任意の膜厚での判定が可能であることを示すために、研磨終点の目標をＴＥＯＳ層７３の膜厚が１５０ｎｍとなったとして、パラメータ（波長域）の解を求めた場合の観測結果を図１１に示す。なお、このとき、予測研磨時間Ｔｅ＝２５秒である。これを単一の波長域で求めた結果、波長６４８ｎｍが最適値であると決定され、２番目の極大点を検出したときに、研磨終点と判定できることがわかる。

また、このとき制御装置６０によってシミュレーション計算が行われた結果として、前述の入出力器６６のディスプレイに表示される画面を図１２に示す。この入出力器６６のソフト画面には、前述した初期条件（所定のアルゴリズムなど）が設定されるとともに、シミュレーション計算の結果として、パラメータ（波長）の最適値（図１２中の「ＭｏｎｉｔｏｒｅｄＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ＝６４７．９２」）や、極大極小点のカウント数（図１２中の「ＰｅａｋＢｏｔｔｏｍＣｏｕｎｔｓ＝２」）、最適波長（６４８ｎｍ）における分光波形（図１２中の右上段のグラフ）、任意のサンプリング時間における各波長域（波長領域４５０ｎｍ〜７５０ｎｍ）に対する分光強度（図１２中の右下段のグラグ）などが出力（表示）される。

[実施例２]
次に、層間絶縁膜（ＩＬＤ）構造を有するウェハＷを研磨した場合の観測結果を図１３に示す。ウェハＷの研磨には、研磨パッドがウェハＷよりも小径のオスカータイプのＣＭＰ装置１を用いた。また、スラリにはシリカ系ＳＳ２５（アルカリ溶媒で分散させたもの）を用い、低圧の研磨圧で研磨を行った。図１３に示すサンプル１のデータから研磨レートを算出し、予測研磨時間Ｔｅ＝１７０秒で目的となる所定膜厚に到達すると求められた。本実施例では、白色ＬＥＤを用いて、開始波長４５０ｎｍ、終了波長７５０ｎｍのもとで複数の波長域の組み合わせをパラメータとして、その最適値を求めたところ、波長５４９ｎｍと波長６９４ｎｍとの組み合わせによる光強度の波形において、予測研磨時間Ｔｅ近傍に（２番目の）極大点が現れることが求められた。したがって、これら波長５４９ｎｍと波長６９４ｎｍとの組み合わせをパラメータの最適値として決定し、この終点検出条件に基づいて、２枚目（サンプル２）および３枚目（サンプル３）のウェハＷの研磨を行った。図１３に示すように、２枚目および３枚目のウェハ研磨においても、予測研磨時間Ｔｅ（１７０秒）近傍において２番目の極大点が出現し、これをもって研磨加工の終点であると判定することにより、このタイミングで研磨加工を終了することができ、本システムが問題なく動作していることがわかる。

また、上記ケースにおいて研磨圧を変更してウェハＷの研磨加工を行った場合の観測結果を図１４に示す。ここで、図１４中、サンプル３は研磨圧を低圧で行い（上記ケースと同じ）、サンプル４は研磨圧を中圧で行い、サンプル５は研磨圧を高圧で行った場合を示す。研磨圧を低圧から中圧、高圧に昇圧するにしたがって、研磨レートが向上し、予測研磨時間Ｔｅが短縮することとなるが、研磨圧以外の他の条件を保持しつつ研磨加工を行えば、算出されたパラメータの最適値、および判定点（極大極小点）のカウント数がほぼ同一となることがわかる。すなわち、研磨圧が低圧、中圧、および高圧のいずれのときでも、波長５４９ｎｍと波長６９４ｎｍとの組み合わせに基づく光強度の波形のもとで、２番目の極大点が出現する地点において予測研磨時間Ｔｅ（Ｔｅ３，Ｔｅ４，Ｔｅ５）に達することがわかる。このように終点検出したサンプル４，５の膜厚は、サンプル３の膜厚とほぼ等しくなった。このように、研磨圧が変更された場合であっても、研磨終点判定のための極大極小点のカウント数は変わらないため、複数のウェハＷの研磨進行に伴い研磨圧を変更した場合、もしくは研磨進行に伴って研磨圧が若干ばらつくような場合であっても、当該極大極小点が所定のカウント数に達したことをもって高精度に終点を検出することができる。

[実施例３]
次に、ＳＴＩ構造を有するウェハＷを研磨した場合の観測結果を図１５に示す。ウェハＷの研磨には、研磨パッドがウェハＷよりも小径のオスカータイプのＣＭＰ装置１を用いた。また、スラリにはセリア系を使用した。セリア系スラリはシリカ系スラリに対して散乱しやすいため、ノイズ要素が大きく発生し易く、Ｓ／Ｎを低下させるおそれがある。このとき、終点判定のためのパラメータとして、単一の波長域を用いた場合と、複数の波長域を組み合わせて用いた場合について、その分光強度の時間変化を図１５に示している。ここで、単一の波長域での最適値は５１９ｎｍ、複数の波長域の最適な組み合わせは６４１ｎｍと７３３ｎｍとに決定されているものとする。終点判定のパラメータとして単一波長域（５１９ｎｍ）を用いた場合には、Ｓ／Ｎが悪く、反射光の検出精度が低下してしまう。一方、パラメータとして複数の波長域の組み合わせ（６４１ｎｍ，７３３ｎｍ）を用いた場合は、前述したように信号波形からノイズ要素を排除することができ、単一の波長域を用いたときよりもＳ／Ｎを向上させることができる。このため、複数の波長域を用いてその最適値を求めることにより、ノイズ要素の影響によらず、高精度に終点を検出することができることがわかる。

なお、上述の実施形態において、図１に示すように、ウェハＷを上向きの水平姿勢で保持する保持機構１０と、当該保持機構１０の上方に対向して設けられ下面側において研磨パッド２１が下向きに装着される研磨ヘッド２０とを備えるＣＭＰ装置１について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明は、ウェハＷを下向きの水平姿勢で保持する機構と、当該保持機構の下方に対向して設けられ上面側において研磨パッドが上向きに装着される研磨部材とを備える（いわゆるコンベンショナルタイプ）のＣＭＰ装置にも用いることができる。

また、上述の実施形態においては、シリコン酸化膜を研磨する場合（ＳＴＩ工程、ＩＬＤ工程）について説明したが、これに限定されるものではなく、金属膜等の研磨に用いても同様の効果を有する。

さらに、上述の実施形態において、被研磨物は半導体ウェハＷに限定されるものではなく、例えば、ガラス基板等の場合であっても、本発明を適用可能である。

本実施形態に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置を示す概略図である。光学式のＥＰＤ部の構成を示す概略図である。研磨時間と反射光の強度の関係を示すグラフであり、（ａ）は初期膜厚が厚いとき、（ｂ）は初期膜厚が薄いときである。予測研磨時間と許容時間との関係を示す説明図である。制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置において最適な単一波長域を求める場合の制御フローを示すフローチャートである。制御装置において最適な複数の波長域の組み合わせを求める場合の制御フローを示すフローチャートである。実施例１に使用した半導体ウェハの積層構造の概略図である。実施例１における観測波長４５０，７５０ｎｍでの分光強度の時間変化を示すグラフである。実施例１における最適波長域（５５３ｎｍ）での分光強度の時間変化を示すグラフである。実施例１における最適波長域（６４８ｎｍ）での分光強度の時間変化を示すグラフである。実施例１において入出力器に表示される画面を示す図である。実施例２における最適波長域の組み合わせでの分光強度の時間変化を示すグラフである。実施例２において研磨圧を変更した場合の分光強度の時間変化を示すグラフである。実施例３における単一の波長域、および複数の波長域の組み合わせでの分光強度の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１ＣＭＰ装置（研磨装置）１０保持機構
２１研磨パッド（研磨部材）４０ＥＰＤ部（終点検出装置）
４１光源（照明部）５４光検出器（光検出部）
６０制御装置（終点検出装置）６２初期条件設定部（条件設定部）
６４検出条件決定部６５終点判定部
Ｗ半導体ウェハ（被研磨物）Ｔｅ予測研磨時間（研磨終了予定時刻）
ΔＴ許容時間（許容時間帯）

Claims

被研磨物の研磨加工において、前記研磨加工の終了を判断する終点検出装置であって、
前記被研磨物の被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、
前記プローブ光が照射された前記被研磨面からの光を波長域ごとの複数の分光として検出する光検出部と、
所定の条件により算出される研磨終了予定時刻の前後に一定の時間幅を有して定まる許容時間帯が設定される条件設定部と、
予め第１の被研磨物を研磨加工することで前記光検出部により検出された前記複数の分光の波長域から少なくとも２以上の分光の波長域の組み合わせを複数選択して、前記２以上の波長域の分光の各光強度信号を合成して合成信号をそれぞれ算出し、複数の前記２以上の波長域の組み合わせの中から前記許容時間帯に生じる前記合成信号の出力値が予め定められた所定の条件に一致するような特徴点を有する特定の２以上の波長域の組み合わせを決定する検出条件決定部と、
前記第１の被研磨物の研磨加工よりも後に行われた他の被研磨物の研磨加工中に、前記光検出部により検出される前記特定の２以上の波長域の分光に基づいて得られる合成信号の出力値が前記特徴点を表した時点で研磨終点を検出し前記研磨加工の終了を判断する終点判定部とを備え、
前記検出条件決定部は、前記所定の条件として、前記第１の被研磨物の研磨加工において前記光検出部により検出されて得た各合成信号の出力値ごとに、前記許容時間帯に現れた第１の極大点とその直前に現れた第２の極小点との差、又は、前記許容時間帯に現れた第１の極小点とその直前に現れた第２の極大点との差、を算出し、複数の合成信号の出力値のうちでこの差が最大となるような前記第１の極大点又は極小点を前記特徴点として設定することを特徴とする終点検出装置。
被研磨物の研磨加工において、前記研磨加工の終了を判断する終点検出装置であって、
前記被研磨物の被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、
前記プローブ光が照射された前記被研磨面からの光を波長域ごとの複数の分光として検出する光検出部と、
所定の条件により算出される研磨終了予定時刻の前後に一定の時間幅を有して定まる許容時間帯が設定される条件設定部と、
予め第１の被研磨物を研磨加工することで前記光検出部により検出された前記複数の分光の波長域ごとの光強度信号に基づいて、複数の波長域の中から前記許容時間帯に生じる前記光強度信号の出力値が予め定められた所定の条件に一致するような特徴点を有する特定の波長域を決定する検出条件決定部と、
前記第１の被研磨物の研磨加工よりも後に行われた他の被研磨物の研磨加工中に、前記光検出部により検出される前記特定の波長域の分光の光強度信号の出力値が前記特徴点を表した時点で研磨終点を検出し前記研磨加工の終了を判断する終点判定部とを備え、
前記検出条件決定部は、前記所定の条件として、前記第１の被研磨物の研磨加工において前記光検出部により検出されて得た各分光の光強度信号の出力値ごとに、前記許容時間帯に現れた第１の極大点とその直前に現れた第２の極小点との差、又は、前記許容時間帯に現れた第１の極小点とその直前に現れた第２の極大点との差、を算出し、複数の分光の光強度信号の出力値のうちでこの差が最大となるような前記第１の極大点又は極小点を前記特徴点として設定することを特徴とする終点検出装置。
前記検出条件決定部は、第１時間帯で検出される前記合成信号もしくは前記光強度信号を、前記第１時間帯よりも所定時間後の第２時間帯で検出される前記合成信号もしくは前記光強度信号を用いて信号処理するように構成され、
前記研磨終了予定時刻は、前記所定の条件により算出される時刻よりも前記所定時間だけ前の時刻に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の終点検出装置。
前記被研磨物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された前記被研磨物を研磨する研磨部材とを備え、前記保持機構に保持された前記被研磨物の前記被研磨面に前記研磨部材を当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨加工を行うように構成された研磨装置であって、
請求項１〜３のいずれかに記載の終点検出装置を更に備えて構成されることを特徴とする研磨装置。