JP6595987B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板からの反射光に含まれる光学情報に基づいて膜厚を測定しながら該基板を研磨する研磨方法に関する。

半導体デバイスの製造プロセスには、ウェハの表面を研磨するために、研磨装置、より詳しくはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置が広く使用されている。ＣＭＰ装置は、一般に、研磨中のウェハの膜厚を測定するための膜厚測定器を備えている。ＣＭＰ装置は、ウェハを研磨しながら膜厚を測定し、膜厚の測定値に基づいてウェハの研磨終点を検出し、あるいはウェハ面内の残膜厚の分布を制御するように構成されている。ＣＭＰ装置において測定の対象とする膜厚は、最上層の被研磨膜の厚さであり、本明細書でも特に断りのない限り「膜厚」は「被研磨膜の厚さ」を指すものとする。

膜厚測定器の一例として、光学式膜厚測定器が知られている。この光学式膜厚測定器は、ウェハの表面に光を照射し、ウェハからの反射光を受光し、反射光のスペクトルからウェハの膜厚を決定するように構成される。反射光のスペクトルは、ウェハの膜厚に従って変化する。従って、光学式膜厚測定器は、スペクトルに基づいて膜厚を決定することができる。

特表２００８−５０３３５６号公報 国際公開第２００８／０３２７５３号パンフレット

しかしながら、被研磨膜に関し同じ膜厚条件下にあっても、膜の下地層の構造のばらつきに起因して反射光のスペクトルが変化することがある。例えば、下地層に形成された凹部の深さや幅に従って反射光のスペクトルが変化する。図１９は、ウェハの表面構造を示す断面図である。ウェハの露出面を構成する膜１００（例えば、ＳｉＯ_２膜）は、下地層１０１（例えば、シリコン層）の上に形成されている。下地層１０１には凹部１０３が形成されており、凹部１０３は膜１００の一部で満たされている。符号ｔ１は膜１００の厚さを表し、符号ｔ２は凹部１０３の深さを表し、符号ｄ２は凹部１０３の幅を表し、符号ｄ１は下地層１０１の凹部１０３以外の部分の幅を表している。

図２０は、凹部１０３の深さｔ２に従って変化する反射光のスペクトルを示す図である。図２０の縦軸は光の反射率（シリコンウェハの水研磨時の反射光に対する相対反射率）を表し、横軸は光の波長を表している。図２０に示すスペクトルは、膜１００の厚さｔ１、および幅ｄ１に対する幅ｄ２の比は変えずに、凹部１０３の深さｔ２を少しずつ変化させた条件で実施された光反射のシミュレーションから得られたものである。図２０から分かるように、膜１００の厚さｔ１が同じであっても、凹部１０３の深さｔ２が変化するに従って反射光のスペクトルがずれてしまう。

図２１は、凹部１０３の幅ｄ２に従って変化する反射光のスペクトルを示す図である。図２１に示すスペクトルは、膜１００の厚さｔ１および凹部１０３の深さｔ２は変えずに、凹部１０３の幅ｄ２（より具体的には、幅ｄ１に対する幅ｄ２の比）を少しずつ変化させた条件で実施された光反射のシミュレーションから得られたものである。図２１から分かるように、膜１００の厚さｔ１が同じであっても、凹部１０３の幅ｄ２が変化するに従って反射光のスペクトルがずれてしまう。

実際のウェハにおいては、もちろん、膜や配線が何層にも積層されており、製造過程各段階の研磨において、多くの場合、被研磨膜（下層に凹凸がある場合には凸部上に形成されている膜）の厚さを制御することが求められる。本明細書では、被研磨膜より下側にある各層を包括して下地層と呼ぶことにする。

本発明は、下地層の構造のばらつきの影響を排除し、正確な膜厚を測定することができる研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の一参考例は、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルをそれぞれ含む複数のスペクトルグループを用意し、基板に光を照射しながら、該基板からの反射光を受光し、スペクトルグループを選択するためのサンプリングスペクトルを前記反射光から生成し、前記サンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択し、前記基板を研磨しながら、膜厚を取得するための測定スペクトルを生成し、前記基板の研磨中に生成された前記測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを前記選択されたスペクトルグループから選択し、前記選択された参照スペクトルに対応する膜厚を取得する工程を含み、前記複数のスペクトルグループは、複数の研磨装置に共通のデータベースに格納されており、前記共通のデータベースは、前記複数のスペクトルグループの選択に関する履歴情報を含んでおり、前記履歴情報に基づき、所定の期間、選択された実績のないスペクトルグループは、前記共通のデータベース上から削除されることを特徴とする研磨方法である。

本発明の他の態様は、参照基板を研磨して複数の参照スペクトルを含む少なくとも１つのスペクトルグループを取得し、前記参照基板の膜厚の時間変化を表す推定線上の参照スペクトルを、研磨レートが一定であると仮定したときの前記参照基板の膜厚の時間変化を表す仮想線上に移動させることによって、前記参照基板の研磨レートが一定とみなせるように前記複数の参照スペクトルを補正して、異なる膜厚に対応する複数の補正参照スペクトルを取得し、基板に光を照射しながら、該基板からの反射光を受光し、前記基板を研磨しながら、膜厚を取得するための測定スペクトルを生成し、前記基板の研磨中に生成された前記測定スペクトルに最も形状が近い補正参照スペクトルを前記少なくとも１つのスペクトルグループから選択し、前記選択された補正参照スペクトルに対応する膜厚を取得することを特徴とする研磨方法である。

本発明の一参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨パッドに基板を押し付けて前記基板を研磨する研磨ヘッドと、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルをそれぞれ含む複数のスペクトルグループが記憶された記憶装置と、前記基板の膜厚を取得する光学式膜厚測定器とを備え、前記光学式膜厚測定器は、基板に光を照射しながら、該基板からの反射光を受光し、スペクトルグループを選択するためのサンプリングスペクトルを前記反射光から生成し、前記サンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択し、前記基板を研磨しながら、膜厚を取得するための測定スペクトルを生成し、前記基板の研磨中に生成された前記測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを前記選択されたスペクトルグループから選択し、前記選択された参照スペクトルに対応する膜厚を取得することを特徴とする研磨装置である。

本発明によれば、サンプリングスペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択することにより、下地層の構造の違いの影響を排除することができる。結果として、被研磨膜に関し、より正確な膜厚を取得することができる。

本発明の実施形態に係る研磨装置を示す図である。 研磨ヘッドの詳細構造を示す断面図である。 光学式膜厚測定器を備えた研磨装置を示す模式断面図である。 光学式膜厚測定器の原理を説明するための模式図である。 ウェハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。 処理部によって生成されたスペクトルを示す図である。 得られた測定スペクトルと複数の参照スペクトルとの比較から膜厚を決定するプロセスを説明する図である。 参照ウェハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。 サンプリングスペクトルと参照スペクトルを示す図である。 複数のスペクトルグループから１つのスペクトルグループを選択する工程を説明する模式図である。 １枚のウェハを研磨する間の研磨テーブルの各回転における膜厚決定の流れの一例を示すフローチャートである。 スペクトルグループを管理するためのデータベースシステムの構成を示した図である。 １枚のターゲットウェハについて、複数のスペクトルグループを用いて推定された研磨中の膜厚プロファイルを示す図である。 参照ウェハ研磨中の研磨レートが一定とみなせるように、対応する参照スペクトルを補正する工程を説明するための図である。 補正参照スペクトルの効果を示す図である。 図１４に示す推定線を求めるための一つの方法を示すグラフである。 推定線を得るための別の方法を説明するグラフである。 図１３に示したターゲットウェハとスペクトルグループに関して、スペクトル変化量を利用した方法により参照スペクトルを補正して得られた膜厚プロファイルを示す図である。 ウェハの表面構造を示す断面図である。 下地層に形成された凹部の深さに従って変化する反射光のスペクトルを示す図である。 下地層に形成された凹部の幅に従って変化する反射光のスペクトルを示す図である。

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１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨面１ａを有する研磨パッド１が取り付けられた研磨テーブル３と、基板の一例であるウェハＷを保持しかつウェハＷを研磨テーブル３上の研磨パッド１に押圧しながら研磨するための研磨ヘッド５と、研磨パッド１に研磨液（例えばスラリー）を供給するための研磨液供給ノズル１０と、ウェハＷの研磨を制御する研磨制御部１２とを備えている。

研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１９に連結されており、このテーブルモータ１９により研磨テーブル３が矢印で示す方向に回転されるようになっている。この研磨テーブル３の上面には研磨パッド１が貼付されており、研磨パッド１の上面がウェハＷを研磨する研磨面１ａを構成している。研磨ヘッド５は研磨ヘッドシャフト１６の下端に連結されている。研磨ヘッド５は、真空吸引によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッドシャフト１６は、図示しない上下動機構により上下動するようになっている。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド５および研磨テーブル３をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給ノズル１０から研磨パッド１上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、研磨ヘッド５は、ウェハＷを研磨パッド１の研磨面１ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。

図２は、研磨ヘッド５の詳細構造を示す断面図である。研磨ヘッド５は、円板状のキャリヤ６と、キャリヤ６の下に複数の圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を形成する円形の柔軟な弾性膜７と、ウェハＷを囲むように配置され、研磨パッド１を押し付けるリテーナリング８とを備えている。圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は弾性膜７とキャリヤ６の下面との間に形成されている。

弾性膜７は、複数の環状の仕切り壁７ａを有しており、圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４はこれら仕切り壁７ａによって互いに仕切られている。中央の圧力室Ｄ１は円形であり、他の圧力室Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は環状である。これらの圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、同心円状に配列されている。研磨ヘッド５は１つの圧力室のみを備えてもよく、または５つ以上の圧力室を備えてもよい。

圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、流体ラインＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に接続されており、圧力調整された加圧流体（例えば加圧空気などの加圧気体）が流体ラインＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を通じて圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４内に供給されるようになっている。流体ラインＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４には真空ラインＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４が接続されており、真空ラインＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４によって圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４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の対応する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研磨圧力を独立に調整することができる。

リテーナリング８とキャリヤ６との間には、環状の弾性膜９が配置されている。この弾性膜９の内部には環状の圧力室Ｄ５が形成されている。この圧力室Ｄ５は、流体ラインＧ５に接続されており、圧力調整された加圧流体（例えば加圧空気）が流体ラインＧ５を通じて圧力室Ｄ５内に供給されるようになっている。また、流体ラインＧ５には真空ラインＵ５が接続されており、真空ラインＵ５によって圧力室Ｄ５に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｄ５内の圧力変化に伴い、リテーナリング８の全体が上下方向に動くことができる。圧力室Ｄ５内の圧力はリテーナリング８に加わり、リテーナリング８は弾性膜７とは独立して研磨パッド１を直接押圧することができるように構成されている。ウェハＷの研磨中、リテーナリング８はウェハＷの周囲で研磨パッド１を押し付けながら、弾性膜７がウェハＷを研磨パッド１に対して押し付ける。

キャリヤ６は、ヘッドシャフト１６の下端に固定されており、ヘッドシャフト１６は、上下動機構２０に連結されている。この上下動機構２０は、ヘッドシャフト１６および研磨ヘッド５を上昇および下降させ、さらに研磨ヘッド５を所定の高さに位置させるように構成されている。この研磨ヘッド位置決め機構として機能する上下動機構２０としては、サーボモータとボールねじ機構の組み合わせが使用される。

上下動機構２０は、研磨ヘッド５を所定の高さに位置させ、この状態で、圧力室Ｄ１〜Ｄ５に加圧流体が供給される。弾性膜７は、圧力室Ｄ１〜Ｄ４内の圧力を受けてウェハＷを研磨パッド１に対して押し付け、リテーナリング８は、圧力室Ｄ５内の圧力を受けて研磨パッド１を押し付ける。この状態でウェハＷが研磨される。

研磨装置は、ウェハＷの膜厚を取得する光学式膜厚測定器２５を備えている。この光学式膜厚測定器２５は、ウェハＷの膜厚に従って変化する光学信号を取得する膜厚センサ３１と、光学信号から膜厚を決定する処理部３２とを備えている。膜厚センサ３１は研磨テーブル３の内部に配置されており、処理部３２は研磨制御部１２に接続されている。膜厚センサ３１は、記号Ａで示すように研磨テーブル３と一体に回転し、研磨ヘッド５に保持されたウェハＷの光学信号を取得する。膜厚センサ３１は処理部３２に接続されており、膜厚センサ３１によって取得された光学信号は処理部３２に送られるようになっている。

図３は、光学式膜厚測定器２５を備えた研磨装置を示す模式断面図である。研磨ヘッドシャフト１６は、ベルト等の連結手段１７を介して研磨ヘッドモータ１８に連結されて回転されるようになっている。この研磨ヘッドシャフト１６の回転により、研磨ヘッド５が矢印で示す方向に回転する。

上述したように、光学式膜厚測定器２５は、膜厚センサ３１と処理部３２とを備える。膜厚センサ３１は、ウェハＷの表面に光を当て、ウェハＷからの反射光を受光し、その反射光を波長に従って分解するように構成されている。膜厚センサ３１は、光をウェハＷの被研磨面に照射する投光部４２と、ウェハＷから戻ってくる反射光を受光する受光部としての光ファイバー４３と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って反射光の強度を測定する分光器４４とを備えている。

研磨テーブル３には、その上面で開口する第１の孔５０Ａおよび第２の孔５０Ｂが形成されている。また、研磨パッド１には、これら孔５０Ａ，５０Ｂに対応する位置に通孔５１が形成されている。孔５０Ａ，５０Ｂと通孔５１とは連通し、通孔５１は研磨面１ａで開口している。第１の孔５０Ａは液体供給路５３およびロータリージョイント（図示せず）を介して液体供給源５５に連結されており、第２の孔５０Ｂは、液体排出路５４に連結されている。

投光部４２は、多波長の光を発する光源４７と、光源４７に接続された光ファイバー４８とを備えている。光ファイバー４８は、光源４７によって発せられた光をウェハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４８および光ファイバー４３の先端は、第１の孔５０Ａ内に位置しており、ウェハＷの被研磨面の近傍に位置している。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、研磨ヘッド５に保持されたウェハＷを向いて配置される。研磨テーブル３が回転するたびにウェハＷの複数の領域に光が照射される。好ましくは、光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、研磨ヘッド５に保持されたウェハＷの中心を通るように配置される。

ウェハＷの研磨中は、液体供給源５５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が液体供給路５３を介して第１の孔５０Ａに供給され、ウェハＷの下面と光ファイバー４８，４３の先端との間の空間を満たす。水は、さらに第２の孔５０Ｂに流れ込み、液体排出路５４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光路が確保される。液体供給路５３には、研磨テーブル３の回転に同期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５１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。

光ファイバー４８と光ファイバー４３は互いに並列に配置されている。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、ウェハＷの表面に対して垂直に配置されており、光ファイバー４８はウェハＷの表面に垂直に光を照射するようになっている。

ウェハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェハＷからの反射光が受光される。分光器４４は、各波長での反射光の強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた光強度データを処理部３２に送る。この光強度データは、ウェハＷの膜厚を反映した光学信号であり、反射光の強度及び対応する波長から構成される。処理部３２は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わすスペクトルを生成し、さらにスペクトルからウェハＷの膜厚を決定する。

図４は、光学式膜厚測定器２５の原理を説明するための模式図であり、図５は、ウェハＷと研磨テーブル３との位置関係を示す平面図である。図４に示す例では、ウェハＷは、下層膜と、その上に形成された上層膜とを有している。上層膜は、例えばシリコン層または絶縁膜である。投光部４２および受光部４３は、ウェハＷの表面に対向して配置されている。投光部４２は、研磨テーブル３が１回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光を照射する。

ウェハＷに照射された光は、媒質（図４の例では水）と上層膜との界面、および上層膜と下層膜との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、上層膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハＷからの反射光から生成されるスペクトルは、上層膜の厚さに従って変化する。分光器４４は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。処理部３２は、分光器４４から得られた反射光の強度データ（光学信号）からスペクトルを生成する。以下、研磨されるウェハＷからの反射光から生成されたスペクトルを、測定スペクトルという。この測定スペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。

図６は、処理部３２によって生成された測定スペクトルを示す図である。図６において、横軸はウェハから反射した光の波長を表わし、縦軸は反射した光の強度から導かれる相対反射率を表わす。この相対反射率とは、光の反射強度を表わす１つの指標であり、具体的には、光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要なノイズが実測強度から除去され、これにより膜の厚さ情報のみを反映した測定スペクトルを得ることができる。

基準強度は、各波長について予め取得された強度であり、相対反射率は各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を、対応する基準強度で割り算することにより相対反射率が求められる。基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を水の存在下で水研磨しているときに得られた光の強度とすることができる。実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式を用いて求めることができる。

ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェハから反射した波長λでの光の強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は光を遮断した状態で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。

処理部３２は、測定スペクトルと複数の参照スペクトルとの比較から膜厚を決定するように構成されている。光学式膜厚測定器２５は、複数の参照スペクトルを格納した、図１および図３に示す記憶装置５８に接続されている。図７は、測定スペクトルと複数の参照スペクトルとの比較から膜厚を決定するプロセスを説明する図である。処理部３２は、研磨中に生成された測定スペクトルと複数の参照スペクトルとを比較することで、測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを決定し、この決定された参照スペクトルに関連付けられた膜厚を取得する。測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルは、参照スペクトルと測定スペクトルとの間の相対反射率の差が最も小さいスペクトルである。

複数の参照スペクトルは、研磨対象のウェハ（以下、ターゲットウェハまたはターゲット基板ということがある）と同じ、又は、同等の初期膜厚を有する参照ウェハを研磨することによって予め取得されたものであり、各参照スペクトルにはその参照スペクトルが取得されたときの膜厚を関連付けることができる。すなわち、各参照スペクトルは、異なる膜厚のときに取得されたものであり、複数の参照スペクトルは複数の異なる膜厚に対応する。したがって、測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを特定することにより、現在の膜厚を推定することができる。

複数の参照スペクトルを取得する工程の一例について説明する。まず、ターゲットウェハと同じ、又は、同等の膜厚を有する参照ウェハが用意される。参照ウェハは、図示しない膜厚測定器に搬送され、参照ウェハの初期膜厚が膜厚測定器によって測定される。次に、参照ウェハは図１に示す研磨装置に搬送され、研磨液としてのスラリーが研磨パッド１に供給されながら参照ウェハが研磨される。参照ウェハの研磨中、上述したように、参照ウェハの表面に光が照射され、参照ウェハからの反射光のスペクトル（すなわち参照スペクトル）が取得される。参照スペクトルは、研磨テーブル３が一回転するたびに取得される。したがって、参照ウェハの研磨中に、複数の参照スペクトルが取得される。参照ウェハの研磨が終了した後、参照ウェハは上記膜厚測定器に再び搬送され、研磨された参照ウェハの膜厚（すなわち最終膜厚）が測定される。

図８は、参照ウェハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。参照ウェハの研磨レートが一定である場合、図８に示すように、膜厚は研磨時間とともに直線的に減少する。言い換えれば、膜厚は、研磨時間を変数として含む一次関数を用いて表すことができる。研磨レートは、初期膜厚Ｔiniと最終膜厚Ｔfinとの差を、最終膜厚Ｔfinに到達した研磨時間ｔで割り算することにより算出することができる。

参照スペクトルは、上述したように、研磨テーブル３が一回転するたびに周期的に取得されるので、それぞれの参照スペクトルが取得されたときの研磨時間は、研磨テーブル３の回転速度から算出することができる。あるいは、研磨開始時点から各参照スペクトルが取得されるまでの時間を、より精密に測定することももちろん可能である。さらに、各参照スペクトルが取得された研磨時間から、各参照スペクトルに対応する膜厚を算出することができる。このようにして、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルが取得される。各参照スペクトルは、対応する膜厚に関連付けることができる（結び付けることができる）。したがって、処理部３２は、ウェハの研磨中に測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを特定することにより、その参照スペクトルに関連付けられた膜厚から現在の膜厚を決定することができる。

研磨すべきウェハ（ターゲットウェハ）の断面構造が既知であれば、光反射のシミュレーションにより参照スペクトルを取得することも可能である。このシミュレーションは、ターゲットウェハの構造をコンピュータ上に構築し、膜厚を少しずつ減少させながらターゲットウェハに光を照射したときに得られるスペクトルをシミュレートすることにより実行される。このように、コンピュータ上でのシミュレーションから、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルを取得することも可能である。

反射光のスペクトルは、膜厚に従って変化する。したがって、膜厚が変化しなければ、スペクトルも変化しない。しかしながら、図２０および図２１に示すように、膜厚が同一であっても、膜の下地層の構造の違いによって、スペクトルが変わりうる。下地層の構造は、ウェハの表面内の領域ごとに異なることがあり、また、ウェハ間で異なる場合もある。このような下地層の構造の違いは、正確な膜厚測定を妨げてしまう。

このような下地層の構造の違いに起因するスペクトル変化の影響を排除するために、処理部３２は、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルをそれぞれ含む複数のスペクトルグループを使用して膜厚を決定する。処理部３２は、複数のスペクトルグループが記憶された記憶装置５８に接続されている。これらの異なるスペクトルグループに含まれる参照スペクトルは、参照ウェハ上の異なる領域から反射した光から生成された参照スペクトル、または複数の参照ウェハを用いて取得された参照スペクトル、または光反射のシミュレーションにより取得された参照スペクトルである。

複数のスペクトルグループを取得する工程の一例について説明する。この例では、ターゲットウェハと同一、又は、同等の膜厚を有する１枚の参照ウェハが使用される。参照ウェハの膜厚は、ターゲットウェハの膜厚よりも大きくてもよい。また、研磨初期に膜厚が正確に求められないことを許容すれば、参照ウェハの膜厚は、ターゲットウェハの膜厚よりやや小さくてもよい。参照ウェハを研磨しながら、該参照ウェハ上に定義された複数の領域に光を照射し、これら複数の領域から反射した光から複数の参照スペクトルを生成し、生成された複数の参照スペクトルを複数の領域に従って分類することにより、複数のスペクトルグループが取得される。下地層の構造は参照ウェハの領域ごとに僅かに異なっている。したがって、下地層の構造の違いを反映した複数のスペクトルグループが取得される。

複数のスペクトルグループを取得する工程の他の例について説明する。この例では、ターゲットウェハと同一、又は、同等の膜厚を有する複数の参照ウェハが使用される。複数の参照ウェハの膜厚は、ターゲットウェハの膜厚よりも大きくてもよい。また、研磨初期に膜厚が正確に求められないことを許容すれば、参照ウェハの膜厚は、ターゲットウェハの膜厚よりやや小さくてもよい。複数の参照ウェハから１つの参照ウェハを選択し、該選択された参照ウェハを研磨しながら、該参照ウェハに光を照射し、参照ウェハから反射した光から複数の参照スペクトルを生成して１つ以上のスペクトルグループを取得し、選択される参照ウェハを１枚ずつ変えながら、すべての参照ウェハが研磨されるまで、上記参照ウェハに光を照射する工程および上記１つ以上のスペクトルグループを取得する工程を繰り返すことにより、複数のスペクトルグループが取得される。下地層の構造は参照ウェハごとに僅かに異なっている。したがって、下地層の構造の違いを反映した複数のスペクトルグループが取得される。下地層の構造が、ウェハ間だけでなくウェハ面内でも異なる場合には、もちろん、各参照ウェハの複数の領域でスペクトルグループが取得される。

ターゲットウェハが研磨されている間、上述のようにターゲットウェハには光が照射される。処理部３２は、ターゲットウェハから戻る反射光からスペクトルを生成し、この生成されたスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択する。以下、スペクトルグループの選択に使用されるスペクトルを、サンプリングスペクトルという。サンプリングスペクトルは、測定スペクトルと同じように、研磨されるウェハＷから反射した光から生成されるスペクトルである。サンプリングスペクトルと参照スペクトルとの間での形状の対比は、サンプリングスペクトルからの参照スペクトルの偏差に基づいて実行される。より具体的には、処理部３２は、次の式を用いて２つのスペクトル間の偏差を算出する。

ここで、λは光の波長であり、λ１，λ２は監視対象とするスペクトルの波長範囲を決定する下限値および上限値であり、Ｒｃはサンプリングスペクトルを構成する相対反射率であり、Ｒｐは参照スペクトルを構成する相対反射率である。なお、研磨中にインサイチュウで膜厚を測定することによる反射光強度のばらつきやノイズの影響を考慮して、ＲｃやＲｐは波長平均で除算するなどの正規化処理、近傍の測定領域との平均、過去数ステップの測定値との時間平均など、前処理を施したものであってもよい。

図９は、サンプリングスペクトルと参照スペクトルを示す図である。上記式（２）は、サンプリングスペクトルからの参照スペクトルの偏差を算出する式であり、この偏差は、これら２つのスペクトルによって囲まれる領域（図９にハッチングで示す）に相当する。処理部３２は、上記式（２）を用いて、サンプリングスペクトルからの偏差が最も小さい参照スペクトル、すなわちサンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを決定する。さらに、処理部３２は、複数のスペクトルグループから、上記決定された参照スペクトルが属するスペクトルグループを選択する。

図１０は、複数のスペクトルグループから１つのスペクトルグループを選択する工程を説明する模式図である。記憶装置５８（図１および図３参照）には、図１０に示すような複数のスペクトルグループが予め記憶されている。各スペクトルグループには被研磨膜の異なる膜厚に対応した複数の参照スペクトルが含まれている。処理部３２は、ターゲットウェハから反射する光からサンプリングスペクトルを生成し、このサンプリングスペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを含む１つのスペクトルグループを決定（選択）する。

複数のスペクトルグループは、下地層の構造が異なる条件下で取得される。したがって、参照スペクトルは、下地層の構造の違いに起因してスペクトルグループごとに異なっている。サンプリングスペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択することにより、下地層の構造の違いの影響を排除することができる。結果として、処理部３２は、より正確な膜厚を取得することができる。

スペクトルグループが取得されるウェハ面上の複数の領域（以下、参照領域という）としては、例えば、複数の半径範囲で定義された複数の参照領域が挙げられる。その一つの理由は、研磨前の成膜工程や研磨の特性によって、多くの場合、下地層の厚さがウェハ面内で概ね軸対称状にばらつくことである。また、別の理由として、所定の短い時間に膜厚センサ３１がウェハ面をその周方向に均等に走査して元の位置に戻るよう、研磨テーブル３と研磨ヘッド５の回転速度を設定すれば、この所定の短い時間に得られたスペクトルデータを平均することにより、ウェハ周方向における下地層の構造のばらつきの影響を低減できることが挙げられる。例えば、研磨テーブル３の回転速度を９０ｒｐｍ、研磨ヘッド５の回転速度を９９ｒｐｍとすれば、研磨テーブル３が１０回転する間に研磨ヘッドが１１回転して膜厚センサ３１がウェハ面上の元の位置に戻る。したがって、研磨テーブル３の１０回転分のスペクトルデータを平均することにより、ウェハ面内での下地層の構造のばらつきの影響を大幅に低減できる。

参照ウェハの下地層の構造、特に下地層の膜厚は、スタンドアロンの膜厚測定器や研磨装置に組み込まれたインラインの膜厚測定器を用いて、研磨前、又は、研磨後に参照ウェハが静止した状態で測定することができる。そこで、測定された１枚以上の参照ウェハの下地層の膜厚の分布に基づいて、下地層の膜厚が全体として膜厚最小値から膜厚最大値までの範囲内にできる限り均等に分布するように、参照ウェハそれぞれについて参照領域を選択することが好ましい。複数のスペクトルグループは、選択された複数の参照領域でそれぞれ取得される。

事前にこのような下地層の構造に関する情報が得られない場合には、各参照ウェハの面内にできる限り均等に分布するように参照領域を定めることが好ましい。さらに、参照スペクトルの形状が近いスペクトルグループを排除して、事前にスペクトルグループの個数を絞り込むことがより好ましい。参照スペクトル間の形状の類似性の判定には、上述の式（２）を利用することができる。参照スペクトルに下地層の構造によって決まる極大点や極小点が存在する場合には、当該極大点又は極小点の波長に着目し、その波長が全体として波長最小値から波長最大値までの範囲内にできる限り均等に分布するように、各参照ウェハの参照領域を選択してもよい。

スペクトルグループを選択する工程は、ターゲットウェハを研磨しているときに実行されてもよいし、ターゲットウェハを研磨する前に実行されてもよい。ターゲットウェハを研磨しているときにスペクトルグループを選択する場合は、予め設定された研磨時間内に生成されたサンプリングスペクトルを用いることが好ましい。例えば、研磨開始から所定の時間が経過するまでに生成されたサンプリングスペクトルが複数のスペクトルグループ内の複数の参照スペクトルと比較され、サンプリングスペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを含むスペクトルグループが選択される。

ターゲットウェハを研磨する前にスペクトルグループを選択する場合は、ターゲットウェハを水研磨しているときに生成されたサンプリングスペクトルを用いることが好ましい。水研磨は、スラリーに代えて純水を研磨パッド上に供給しながら、ターゲットウェハを研磨パッドに摺接させる工程である。ターゲットウェハと研磨パッドとの間に純水が存在した状態でターゲットウェハは水研磨される。スラリーとは異なり、純水は砥粒を含まず、またウェハの膜をエッチングする作用を有しないので、水研磨ではターゲットウェハの研磨は実質的に進行しない。

あるいは、スペクトルグループがスタンドアロンの膜厚測定器またはインラインの膜厚測定器を用いて決定された場合には、研磨装置に組み込まれたインラインの膜厚測定器でターゲットウェハの下地層の構造および／または膜厚を測定し、対応するスペクトルグループを選択することもできる。このとき、１枚のターゲットウェハを研磨するたびにそのターゲットウェハの下地層の測定を行うことが好ましい。ただし、１ロット内で下地層の構造が均一とみなせる場合には、ロットごとに１枚のターゲットウェハの測定を行ってもよい。成膜工程で使用される成膜室のばらつき等によって、例えば奇数枚目と偶数枚目とで下地層の構造が変化する場合には、奇数グループと偶数グループからそれぞれ１枚ずつ選択されたターゲットウェハに対し膜厚測定を行ってもよい。

スペクトルグループが一旦選択されると、処理部３２は、ターゲットウェハの研磨中に測定スペクトルを生成し、この生成された測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを上記選択されたスペクトルグループから選択する。より具体的には、処理部３２は、上記式（２）を用いて、測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトル、すなわち測定スペクトルからの偏差が最も小さい参照スペクトルを決定し、決定された参照スペクトルに関連付けられた膜厚を取得する。処理部３２は、この決定された膜厚に基づいてターゲットウェハの研磨を監視し、膜厚が所定の目標値よりも減少した時点である研磨終点を決定する。処理部３２は研磨終点検出信号を研磨制御部１２に送信し、研磨制御部１２はこの研磨終点検出信号を受けてターゲットウェハの研磨を終了する。また、処理部３２は、ターゲットウェハの研磨中の各時点において、ターゲットウェハの面内各領域に対し決定された膜厚に基づいて、所定の残膜厚の分布を得るための操作量、例えば、圧力室Ｄ１〜Ｄ５の圧力指令値を決定する。処理部３２はこれら圧力指令値を研磨制御部１２に送信し、研磨制御部１２は送信された指令値に基づいて圧力を更新する。

ターゲットウェハの研磨が進行するにつれて、ターゲットウェハの温度や表面形状の変化などの要因により、測定スペクトルが大きく変化することがある。例えば、ターゲットウェハの研磨初期では、その表面には凹凸（または段差）が形成されていることがある。このような凹凸が研磨により除去されると、測定スペクトルが大きく変化することがある。凹凸が残っている段階においては、凹凸の状態によって測定スペクトルが比較的不安定でウェハ間やウェハ面内でばらついているのに対し、凹凸が研磨により除去された段階では安定した測定スペクトルが得られることが多い。

そこで、処理部３２は、ターゲットウェハの研磨中にサンプリングスペクトルを再度生成し、この生成されたサンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを再度選択してもよい。ターゲットウェハの研磨中に生成されるサンプリングスペクトルは、測定スペクトルと実質的に同じであるので、測定スペクトルをサンプリングスペクトルとして使用してもよい。スペクトルグループが再び選択された後は、処理部３２は、測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを上記再度選択されたスペクトルグループから選択する。このようにスペクトルグループを再度選択することにより、特に仕上がり性能に重要な意味を持つ研磨後半において、より正確な膜厚を取得することができる。

ターゲットウェハの膜厚を監視すべき領域に近い領域で取得された複数のスペクトルグループを予め選択してもよい。例えば、ターゲットウェハの周縁部の膜厚をより精密に制御する場合、参照ウェハの周縁部で取得された複数のスペクトルグループをすべてのスペクトルグループから予め選択し、これらの予め選択された複数のスペクトルグループから、サンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含む１つのスペクトルグループを選択することが好ましい。上述のように、下地層の構造はウェハ面内の領域ごとに異なることが多い。また、研磨装置や膜厚センサ３１の構成に依存して、ウェハ面内の同一の領域では膜厚センサ３１がウェハ面の同一位置を同一方向に走査する機会が多い。上述の研磨テーブル３と研磨ヘッド５の回転速度の設定やスペクトルデータの平均演算を併用すれば、測定領域内の配線パターンの影響を軽減できる。したがって、監視すべき領域に近い領域で取得されたいくつかのスペクトルグループを予め選択することにより、効率よく、正確な膜厚を測定することができる。

上述したように、参照スペクトルは、参照ウェハを用いて、またはシミュレーションにより予め取得される。このようにして取得された参照スペクトルの中には、複数のスペクトルグループの間で互いに形状が近いものも存在する。そこで、参照スペクトルとの比較時間を短縮するために、上述のように、形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループの何れかを予め排除して一通りのスペクトルグループとしておくことが好ましい。このようにすれば、処理部３２は、より短い時間でサンプリングスペクトルと参照スペクトルとを比較することができる。

図１１には、１枚のウェハを研磨する間の研磨テーブル３の各回転における膜厚決定の流れの一例を、スペクトルの選択に着目して示す。測定スペクトル（およびサンプリングスペクトル）と参照スペクトルとの比較に基づいてターゲットウェハの膜厚を決定することを、以下の説明では、膜厚を推定するということがある。これは、本実施形態では、ターゲットウェハの膜厚は、参照ウェハの初期膜厚の実測値と最終膜厚の実測値と研磨時間に関する情報とから計算により求められるからである。

ステップ１においては、ターゲットウェハの各測定点において、研磨テーブル３が１回転している間に反射光のサンプリングスペクトルを取得する。ステップ２においては、処理部３２は、ターゲットウェハの研磨開始以降、研磨テーブル３が所定の回数ＮＭだけ回転したか否かを判断する。研磨テーブル３の現在の回転回数と所定の回数ＮＭとの大小関係によって、その後の膜厚推定の流れは異なる。ウェハには一般に仕様（製品・層等）が同じであってもある程度の初期膜厚（研磨前の膜厚）のばらつきが存在する。所定の回数ＮＭは、ターゲットウェハの初期膜厚がばらつき範囲の最大であったとしても、ターゲットウェハを研磨することによりその膜厚が参照ウェハの初期膜厚を十分に下回ることができるように設定される。なぜなら、参照スペクトルとの比較に基づく膜厚推定においては、参照スペクトルに対応する膜厚の範囲内でのみターゲットウェハの膜厚を決定することができるためである。

所定の回数ＮＭが大き過ぎると、全スペクトルグループ（全参照領域候補）に関し長時間後述のステップ３を実施することになって、処理部３２の計算負荷が増し処理部３２の応答性が悪化するおそれがある。このような場合には、ウェハ面各領域の下地層の厚さや光学定数が研磨中に変化するものではないことを考慮して、回数ＮＭを適当な数に定める。スペクトルの移動平均等の理由により、研磨初期段階のある回転回数の間にサンプリングスペクトルが求められない場合には、その回転回数をＮＭに加算してもよい。

ステップ２で研磨テーブル３の現在の回転回数が所定の回数ＮＭ以下であると判断された場合、ステップ３において、処理部３２は、全スペクトルグループ（全参照領域候補）に属する参照スペクトルのサンプリングスペクトルからの偏差を計算する。このステップ３では、参照ウェハの研磨開始以降所定のテーブル回転回数ＮＲに達するまでに取得された全スペクトルグループの参照スペクトルが、偏差の計算の対象になる。所定のテーブル回転回数ＮＲは、ターゲットウェハの初期膜厚がばらつき範囲の最小であったとしても、参照スペクトルに対応する膜厚候補の一部がターゲットウェハの初期膜厚を十分に下回ることができるように設定される。更に、計算負荷やターゲットウェハのＮＭ回転の間の膜厚の変化量も考慮して、テーブル回転回数ＮＲは、適当な数値に設定するのが好ましい。スペクトルの移動平均等の理由によって研磨初期段階のある回転回数の間に参照スペクトルが得られない場合には、最初に得られたＮＲ回転分の参照スペクトルが偏差の計算の対象になる。

ステップ４においては、処理部３２は、ターゲットウェハの各測定点に関して、ステップ３で求められた偏差の中から最小のもの（最小偏差）を選び、選択された最小偏差に対応する参照スペクトルが属するスペクトルグループを選択し、選択されたスペクトルグループに対する研磨前後の測定膜厚と研磨時間、及び、最小偏差の参照スペクトルに対する研磨時間（研磨開始からの経過時間）とから、ターゲットウェハの膜厚を推定する。そして、処理部３２は、選択されたスペクトルグループ（参照領域候補）を記憶しておく。さらに、処理部３２は、最小偏差を記憶しておいてもよい。

ステップ５，６において、研磨テーブル３の現在の回転回数が所定の回数ＮＭに等しい場合、ターゲットウェハの各測定点について、過去の各テーブル回転回数におけるステップ４の選択結果に基づいて、１つの最適スペクトルグループ（最適参照領域）を決定する。その方法としては、例えば、
１）ステップ４で求められた最小偏差の頻度が最大のスペクトルグループ（参照領域候補）を、最適スペクトルグループ（最適参照領域）とするか、又は
２）ステップ４で求められた最小偏差のうち、最小のものに対応するスペクトルグループ（参照領域候補）を、最適スペクトルグループ（最適参照領域）とする。

研磨テーブル３の現在の回転回数がＮＭより大きい場合、ステップ７において、ターゲットウェハの各測定点において取得された測定スペクトルは、ステップ６で決定された最適スペクトルグループに属する参照スペクトルと比較され、スペクトル偏差が計算される。比較すべき参照スペクトルの回転回数の範囲は研磨初期のＮＲ回転ではなく、研磨の進行に伴う膜厚の変化を考慮して定められるべきもので、全回転範囲（全膜厚範囲）であってもよい。

ステップ８においては、ターゲットウェハの各測定点に関して、処理部３２は、ステップ７で計算されたスペクトル偏差が最小になる参照スペクトルに対する研磨時間（研磨開始からの経過時間）を求めて、膜厚を計算する。ステップ９においては、処理部３２は、指定された研磨時間、あるいは、研磨終点検出等に基づいて研磨を終了すべきか判断し、研磨を終了すべきでない場合にはステップ１を再び実行する。なお、計算資源に余裕がある場合には、ステップ２〜３で、回転回数ＮＭ，ＮＲは十分に大きく設定することもできる。この場合は、研磨中の全時間、ステップ１〜５，９が繰り返されることになる。

図１２は、上述のスペクトルグループを管理するためのデータベースシステムの構成を示した図である。データサーバ６０には、スペクトルグループデータベース６１が構築されている。このスペクトルグループデータベース６１には、各スペクトルグループの識別情報と、それぞれのスペクトルグループに属する参照スペクトル、及び、関連する膜厚情報とが格納される。データサーバ６０は、ネットワークを経由して１台以上の研磨装置７０に接続されて、スペクトルグループデータベース６１が共有される。各研磨装置７０で取得された参照スペクトルと研磨前後の膜厚情報は、図１２の一点鎖線で示すように、データサーバ６０に送られ、スペクトルグループデータベース６１に登録される。同一仕様（同一製品・同一層）のウェハを研磨する研磨装置７０は一つのスペクトルグループデータベース６１を共有することが好ましい。

各研磨装置７０でターゲットウェハを研磨して膜厚を求めるときには、図１２の実線で示されるように、研磨前にスペクトルグループデータベース６１から所定のスペクトルグループが自動的にダウンロードされる。ダウンロードすべきスペクトルグループは、例えば、研磨レシピの一部として指定される。各研磨装置７０は、その後、上述のようにして各測定点に関し、スペクトルグループの選択と膜厚の算出を行う。合わせて、各研磨装置７０は、実際に選択されたスペクトルグループに関する情報を、記憶域に保存する。

各研磨装置７０において研磨が終了すると、図１２の点線で示されるように、選択されたスペクトルグループの情報は自動的にデータサーバ６０に送信され、スペクトルグループ選択履歴データベース６２に履歴情報として登録される。スペクトルグループ選択履歴データベース６２とスペクトルグループデータベース６１とは、スペクトルグループ識別番号を共通のキーとして有機的に結合される。あるいは、スペクトルグループ選択履歴データベース６２は、スペクトルグループデータベース６１と一体のものとして構築してもよい。

データサーバ６０は、スペクトルグループ選択に関する履歴情報に基づき、所定の期間、選択された実績のない、又は、選択された頻度が極めて小さいスペクトルグループをデータベース６１上から削除する。また、データサーバ６０は、選択された頻度に基づいて、各スペクトルグループにランク付けをして、選択され易さを調節する。さらに、ターゲットウェハの研磨に際し、ある測定点において、式（２）で示される偏差が十分に小さい最適なスペクトルグループを選択できなかった場合、インライン膜厚測定器などで測定された研磨前後の膜厚情報と併せて、該ウェハの該測定点のデータを新たなスペクトルグループとしてデータベース６１に登録することも可能である。このようにして、学習機能を持ち、不要な情報の少ない、効率的なデータベースシステムを実現することができる。

図１３は、１枚のターゲットウェハについて、複数のスペクトルグループを用いて推定された研磨中の膜厚プロファイルを示す図である。図１３の膜厚プロファイルは、約１０秒ごとにプロットされたものである。実研磨に基づいて取得された複数のスペクトルグループから適当なものを選択して膜厚を求める方法においては、通常、ターゲットウェハの面内のある測定点で、スペクトルグループ、すなわち、参照ウェハや参照領域が変化する。図１３では、膜厚推定に使用されるスペクトルグループが、半径位置約５０ｍｍの位置でスペクトルグループＡ（参照ウェハの中心領域で取得）とスペクトルグループＢ（参照ウェハの半径位置約１００ｍｍの領域で取得）との間で切り替わり、このために膜厚プロファイルに段差が生じている。

段差が生じる理由は、各スペクトルグループの構築に使用される参照ウェハの研磨レートが研磨中一定で、膜厚が直線状に減少すると仮定していることによる。実際の研磨では、研磨レートは、ウェハ面内の各領域で厳密に一定ではなく、研磨レートの増減の様子も領域間で異なる。図１３に示す例では、参照ウェハとターゲットウェハの研磨前後の膜厚がそれぞれ同等であるため、研磨序盤と研磨終盤では段差がほとんど認められない。しかしながら、研磨中盤においては、半径位置約５０ｍｍの位置で、スペクトルグループの切り替えに起因して膜厚プロファイルに段差が生じている。膜厚プロファイルに段差があると、特に残膜厚の分布（プロファイル）を制御するときに制御性能を悪化させるおそれがある。

そこで、処理部３２は、参照ウェハの面内各参照領域において、参照ウェハ研磨中の研磨レートが一定とみなせるように、対応する参照スペクトルを補正する。図１４は、そのような参照スペクトルの補正を説明するための図である。各スペクトルグループに関し、図１４の一点鎖線は、参照ウェハの研磨中の研磨レートが一定と仮定した場合の膜厚の時間変化を示す仮想線である。この仮想線が示すように、研磨レートが一定と仮定した場合の膜厚は、記号○で示す初期膜厚（研磨前の測定膜厚）から最終膜厚（研磨後の測定膜厚）まで研磨時間とともに直線状に変化する。初期膜厚および最終膜厚はスタンドアロン又はインラインの膜厚測定器で測定される。これに対し実線で示す曲線は、参照ウェハの膜厚の時間変化を示す推定線であって、研磨レートの変化を反映している。この推定線は、同じく記号○で示す初期膜厚と最終膜厚とを通る。推定線の求め方に関しては後述する。

研磨テーブル３の回転回数Ｎのときの参照スペクトルは次のようにして補正する。まず回転回数Ｎのときの仮想線上の点Ａの膜厚を求める。次に推定線上にあって点Ａと膜厚が等しい点Ｂを求める。通常、点Ｂは、隣り合う回転回数Ｎ１とＮ２（＝Ｎ１＋１）との間にある。そこで、回転回数Ｎ１と回転回数Ｎ２に対応する参照スペクトルから補間して、点Ｂに相当するスペクトルを求め、これを回転回数Ｎでの補正参照スペクトルとする。研磨テーブル３の各回転数に関し同様の操作を繰り返せば、求められた一連の補正参照スペクトルは対応する参照ウェハの参照領域の研磨レートが研磨時間中一定の場合の参照スペクトルであるとみなすことができる。

次に、このようにして求められた補正参照スペクトルの効果について、図１５を用いて説明する。θ１は、ある時点でのターゲットウェハの膜厚を示している。参照スペクトルを補正しない場合、膜厚θ１に対応するスペクトルは、推定線上の点Ｂでの参照スペクトルに相当する（等しい、又は、近い）。通常、参照ウェハの研磨中は膜厚が直線状に変化する、すなわち、研磨レートが一定と仮定するから、算出されるターゲットウェハの膜厚はθ２であり、実際の膜厚θ１とは異なる。これに対し、上述のように参照スペクトルを補正した場合、膜厚θ１に対応するスペクトルは、仮想線上の点Ｄでの補正参照スペクトルに相当する。したがって、算出される膜厚はθ１であり、ターゲットウェハの膜厚が正しく求められることが分かる。

図１６は、上述の推定線を求めるための一つの方法を示すグラフである。横軸は研磨時間、縦軸は膜厚を表している。参照ウェハＷ４に加えて、同一仕様の複数枚のウェハ（ウェハＷ１〜Ｗ３）を異なる設定時間で研磨し、スタンドアロン又はインラインの膜厚測定器で研磨前後の膜厚を測定する。ウェハＷ１〜Ｗ３の初期膜厚（研磨前の測定膜厚）が参照ウェハＷ４のそれに等しい場合、初期膜厚は縦軸上の記号○で表される。ウェハＷ１〜Ｗ３の最終膜厚（研磨後の測定膜厚、図中記号●で示す）及び参照ウェハＷ４の最終膜厚（図中記号○で示す）もグラフ上にプロットされる。そして、参照ウェハＷ４の初期膜厚、ウェハＷ１〜Ｗ３の最終膜厚、及び参照ウェハＷ４の最終膜厚の間の膜厚を補間することで、上述の推定線を得ることができる。ウェハＷ１〜Ｗ３の初期膜厚が参照ウェハＷ４の初期膜厚と異なる場合には、参照ウェハＷ４の初期膜厚からの偏差をウェハＷ１〜Ｗ３の最終膜厚に加算することにより、同様の操作が可能である。

図１７は、推定線を得るための別の方法を説明するグラフである。参照ウェハの研磨中の各領域からの反射光のスペクトルは、膜厚の減少に従って変化する。短時間Δｔ当たりの相対反射率の変化ΔＳを積算して得られた値は、研磨量、すなわち、膜厚の減少量と近似的に一致する。

ここで、Ｒｐ（λ，ｔ）は波長λ、時間ｔにおける相対反射率であり、式（２）同様前処理が施されていてもよい。Ｓ（ｔ）は総研磨時間Ｔに対するスペクトルの変化量を１としたときの時間ｔにおけるスペクトルの相対変化量であり、θpre、θpostはスタンドアロン又はインラインの膜厚測定器で測定された研磨前後の膜厚、すなわち初期膜厚及び最終膜厚である。θ（ｔ）は上述の推定線に相当する。

図１８は、図１３に示したターゲットウェハとスペクトルグループに関して、上述のスペクトル変化量を利用した方法により参照スペクトルを補正して膜厚プロファイルを推定した結果を示す図である。図１８から分かるように、図１３に見られたスペクトルグループの境界における段差が解消し、信頼できる膜厚プロファイルが得られている。

適用されるスペクトルグループが１つの場合、上述したような膜厚プロファイルの段差は生じず、得られた膜厚プロファイルは相対的に正しい。また、参照ウェハの研磨後の膜厚がターゲットウェハの研磨後の膜厚と同等であるなら、研磨終点を決定するための膜厚の絶対値も正しいと考えられる。しかし、このような場合であっても、研磨レートが一定とみなせるように参照スペクトルを補正することにより、膜厚推定精度を向上させることができる。

上述した推定膜厚プロファイルの段差は、研磨中の測定スペクトルの極値点（山、又は、谷）の波長の変化を利用して、改善することもできる。一般に、パターンウェハにおいては、極値点の波長は、被研磨膜の膜厚の減少に伴い直線状に変化する訳ではなく、研磨レートの変化を定量値で表すのは難しい。しかしながら、ある参照ウェハの一つのスペクトルグループを基準として選択し、その極値点の波長が研磨中に描く曲線を仮想線として用いて、図１４で説明した操作を行うことにより、参照領域間で研磨レートの増減の様子が異なっても、膜厚推定に与える影響を低減できる。

以上では、反射光のスペクトルが、被研磨膜の膜厚だけでなく、下地層の構造によっても変化する場合について説明した。しかし、被研磨膜の膜厚が同じであっても反射光のスペクトルが変ってしまう要因は他にもある。例えば、被研磨膜に金属配線が含まれると、配線パターンや配線密度によってもスペクトルは変化する。このような場合にも、上述したのと同様に、配線パターンや配線密度の違いに対応した複数のスペクトルグループを用意して、ターゲットウェハの各サンプルスペクトルと比較し最適なスペクトルグループを選択することにより、正確な膜厚を求めることができる。特にキセノンフラッシュランプなどのパルス点灯光源を使用した場合、１回の測定での測定領域を小さくでき、各測定領域に含まれる配線パターン及び配線密度が一通りになる頻度が大きくなるから、より正確な膜厚を求めやすい。

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。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に解釈されるものである。

本発明は、ウェハなどの基板からの反射光に含まれる光学情報に基づいて膜厚を測定しながら該基板を研磨する研磨方法および研磨装置に利用可能である。

１ 研磨パッド
１ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
３ａ テーブル軸
５ 研磨ヘッド
６ キャリヤ
７ 弾性膜
７ａ 仕切り壁
８ リテーナリング
９ 弾性膜
１０ 研磨液供給ノズル
１２ 研磨制御部
１６ 研磨ヘッドシャフト
１７ 連結手段
１８ 研磨ヘッドモータ
１９ テーブルモータ
２０ 上下動機構
２５ 光学式膜厚測定器
３１ 膜厚センサ
３２ 処理部
４２ 投光部
４３ 受光部（光ファイバー）
４４ 分光器
４７ 光源
４８ 光ファイバー
５０Ａ 第１の孔
５０Ｂ 第２の孔
５１ 通孔
５３ 液体供給路
５４ 液体排出路
５５ 液体供給源
５８ 記憶装置
６０ データサーバ
６１ スペクトルグループデータベース
６２ スペクトルグループ選択履歴データベース
７０ 研磨装置
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ 圧力室
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 流体ライン
Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４ 真空ライン

Claims (2)

1. 異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルをそれぞれ含む複数のスペクトルグループを用意し、
   前記複数のスペクトルグループのうち、互いに形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを予め排除し、
   基板に光を照射しながら、該基板からの反射光を受光し、
   スペクトルグループを選択するためのサンプリングスペクトルを前記反射光から生成し、
   前記サンプリングスペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを含むスペクトルグループを選択し、
   前記基板を研磨しながら、膜厚を取得するための測定スペクトルを生成し、
   前記基板の研磨中に生成された前記測定スペクトルに最も形状が近い参照スペクトルを前記選択されたスペクトルグループから選択し、
   前記選択された参照スペクトルに対応する膜厚を取得することを特徴とする研磨方法。
2. 参照基板を研磨して複数の参照スペクトルを含む少なくとも１つのスペクトルグループを取得し、
   前記参照基板の膜厚の時間変化を表す推定線上の参照スペクトルを、研磨レートが一定であると仮定したときの前記参照基板の膜厚の時間変化を表す仮想線上に移動させることによって、前記参照基板の研磨レートが一定とみなせるように前記複数の参照スペクトルを補正して、異なる膜厚に対応する複数の補正参照スペクトルを取得し、
   基板に光を照射しながら、該基板からの反射光を受光し、
   前記基板を研磨しながら、膜厚を取得するための測定スペクトルを生成し、
   前記基板の研磨中に生成された前記測定スペクトルに最も形状が近い補正参照スペクトルを前記少なくとも１つのスペクトルグループから選択し、
   前記選択された補正参照スペクトルに対応する膜厚を取得することを特徴とする研磨方法。

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