KR101820837B1 - 연마 감시 방법, 연마 방법, 연마 감시 장치, 연마 장치 및 연마 감시 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연마의 진척을 정확하게 감시하고, 나아가서는 정확한 연마 종점을 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은, 기판의 연마 중에 기판에 광을 조사하고, 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 소정 시간당의 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 기판의 연마의 진척을 감시한다.

Description

연마 감시 방법, 연마 방법, 연마 감시 장치, 연마 장치 및 연마 감시 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체{POLISHING MONITORING METHOD, POLISHING METHOD, POLISHING MONITORING APPARATUS, POLISHING APPARATUS AND COMPUTER READABLE MEDIUM STORING PROGRAM FOR EXECUTING POLISHING MONITORING METHOD}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 기판 연마의 진척을 감시하는 방법에 관련된 것으로서, 특히 기판으로부터의 반사광에서 얻어지는 스펙트럼의 변화에 기초하여 연마의 진척을 감시하고, 연마 종점을 결정하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 그러한 연마 감시 방법을 실행하는 연마 감시 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 그러한 연마 감시 방법을 이용한 기판의 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 실리콘 웨이퍼 상에 다양한 재료가 막 형상으로 반복 형성되어, 적층 구조를 형성한다. 이 적층 구조를 형성하기 위해서는, 최상층의 표면을 평탄하게 하는 기술이 중요하게 되어 있다. 이와 같은 평탄화의 한 수단으로서, 화학 기계 연마(CMP)가 널리 사용되고 있다.
화학 기계 연마(CMP)는 연마 장치에 의해 실행된다. 이러한 종류의 연마 장치는, 일반적으로, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 기판(막을 갖는 웨이퍼)을 유지하는 탑 링과, 연마액을 연마 패드 상에 공급하는 연마액 공급 기구를 구비한다. 기판을 연마할 때는, 연마액 공급 기구로부터 연마액을 연마 패드 상에 공급하면서, 탑 링에 의해 기판의 표면을 연마 패드에 세게 누른다. 추가로 탑 링과 연마 테이블을 각각 회전시켜 기판과 연마 패드를 상대 이동시킴으로써, 기판의 표면을 형성하는 막을 연마한다.
연마 장치는, 통상, 연마 종점 검지 장치를 구비하고 있다. 연마 종점 검지 장치의 하나의 예로서, 기판의 표면에 광을 조사하고, 기판으로부터 반사되어 오는 광의 스펙트럼에 기초하여 연마 종점을 결정하는 광학식 연마 종점 검지 장치가 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에 개시되어 있는 방법에서는, 반사광의 강도에 노이즈 성분을 제거하기 위한 소정 처리가 실시되어 특성값이 생성되고, 이 특성값의 시간적 변화의 특징점(극대점 또는 극소점)으로부터 연마 종점이 결정된다.
스펙트럼(spectrum)은, 파장의 순서대로 늘어서는 광의 강도의 배열으로서, 각 파장에서의 광의 강도를 나타낸다. 스펙트럼으로부터 생성되는 특성값은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연마 시간과 함께 주기적으로 변화하고, 극대점과 극소점이 교대로 나타난다. 이것은, 광의 파동의 간섭에 의한 현상이다. 요컨대, 기판에 조사된 광은, 매질과 막의 계면과, 막과 이 막의 아래에 있는 층의 계면에서 반사되고, 이들 계면에서 반사된 광의 파동이 서로 간섭한다. 이 광의 파동의 간섭 방법은, 막의 두께(즉 광로 길이)에 따라 변화한다. 이 때문에, 기판으로부터 되돌아오는 반사광의 강도는, 막의 두께와 함께 주기적으로 변화한다. 광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
상기 서술한 광학식 연마 종점 검지 장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연마 중에 특성값의 시간 변화의 특징점(극대점 또는 극소점)의 수를 카운트하고, 그 특징점의 수로부터 연마의 진척을 감시한다. 그리고, 특징점의 수가 소정 값에 도달한 시점부터 소정 시간 경과한 시점에서 연마가 종료된다.
그 외에도, 연마 중에 얻어진 스펙트럼과 미리 준비된 기준 스펙트럼을 비교하여 연마 종점을 결정하는 방법이 있다(예를 들어, 특허문헌 2). 이 방법에서는, 연마 중의 각 시점에서의 스펙트럼을 기준 스펙트럼과 비교하여, 양 스펙트럼 사이의 차분이 타겟 차분의 조건을 만족시킨 시점을 연마 종점으로 한다. 기준 스펙트럼은, 연마 대상이 되는 기판과 동종의 샘플 기판을 연마함으로써 미리 준비된다.
샘플 기판의 연마 중에 얻어진 기준 스펙트럼을 포함하는 복수의 스펙트럼은, 연마 시간이나 연마 테이블의 회전 속도에 상관한 인덱스값과 관련되어 라이브러리로서 기억된다. 이와 같이 하면, 다른 기판의 연마 중에 얻어지는 스펙트럼을 라이브러리 내의 스펙트럼과 비교함으로써, 연마 중의 각 시점에서의 기판의 연마 상태를 인덱스값으로 나타낼 수 있다. 이와 같이, 인덱스값은, 기판의 막두께를 상대적 또는 간접적으로 나타낸 지표라고 할 수 있다.
그러나, 실제의 기판에서는, 다른 배선 패턴을 갖는 배선층이나 다른 종류의 절연막이 몇 겹이나 겹쳐 다층 배선 구조가 형성되어 있고, 광학 센서는, 상층의 절연막의 배선이 없는 부분을 통해 하층의 절연막으로부터의 광도 검지한다. 이 때문에, 기판 사이에서 하층의 절연막의 두께나 광학 상수에 편차가 있으면, 스펙트럼이 영향을 받아 버린다. 그 결과, 상기 서술한 방법에서는, 상층막(피연마막)의 두께를 정확하게 측정할 수 없어, 연마의 진척을 정확하게 감시하기가 어려웠다. 또한, 검지된 연마 종점이 기판 사이에서 달라져 버린다는 문제가 있었다.
일본 공개특허공보 2004-154928호 일본 공표특허공보 2009-505847호
본 발명은, 상기 서술한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 연마의 진척을 정확하게 감시하고, 나아가서는 정확한 연마 종점을 검출할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 그러한 연마 감시 방법을 이용한 기판의 연마 방법 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는, 막을 갖는 기판의 연마를 감시하는 방법으로서, 기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하고, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하여, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 스펙트럼의 변화량은, 2개의 다른 시점에서 생성된 2개의 스펙트럼의 상대 변화의 크기인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼 사이에서의 상기 강도의 차분의 2승 평균 제곱근인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼에서의 상기 강도의 차분의 절대값의 평균인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 스펙트럼의 변화량은, 상기 상대 변화의 크기를, 상기 2개의 시점 사이의 시간 간격으로 나눔으로써 얻어진 스펙트럼 변화 속도인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 스펙트럼의 변화량은, 정(正) 또는 부(負)의 부호를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 스펙트럼은, 파장과, 각 파장에서의 강도를 소정의 파장 범위에서의 강도의 평균값으로 나누어 얻어진 정규화된 강도와의 관계를 나타내는 스펙트럼인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판은, 동일한 구조를 갖는 기준 기판인 제 1 기판의 연마 후에 연마되는 제 2 기판이고, 상기 방법은, 상기 제 1 기판의 연마 중에 상기 제 1 기판에 광을 조사하고, 상기 제 1 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 기준 스펙트럼을 생성하고, 소정 시간당의 상기 기준 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 기준 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 기준 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 상기 기준 스펙트럼 누적 변화량과, 상기 제 1 기판의 초기 막두께와, 상기 제 1 기판의 최종 막두께에 기초하여, 상기 제 2 기판에 관한 상기 스펙트럼 누적 변화량을 상기 제 2 기판의 막의 제거량으로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제 2 기판의 초기 막두께를 취득하고, 상기 제 2 기판의 초기 막두께로부터 상기 제거량을 뺌으로써, 상기 제거량을 상기 제 2 기판의 막의 두께로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판의 연마는, 상기 기판에 형성되어 있는 금속 배선의 높이 조절을 위한 연마인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판은, 상기 막과, 상기 막 상에 형성된 배리어층과, 상기 막 내에 형성된 상기 금속 배선을 갖고, 상기 스펙트럼 변화량에 기초하여 상기 배리어층의 제거 시점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 기판의 표면에는, 단차가 형성되어 있고, 상기 스펙트럼 누적 변화량의 산출은, 상기 단차가 제거된 시점부터 개시되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 막을 갖는 기판을 연마하는 방법으로서, 상기 기판과 연마 패드를 슬라이딩 접촉시켜 당해 기판을 연마하고, 기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하고, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하는 투광부와, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하는 수광부와, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와, 상기 분광기의 측정 데이터를 처리하는 처리 장치를 구비하고, 상기 처리 장치는, 상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 하는 연마 감시 장치이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 상기 연마 감시 장치와, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 기판을 상기 연마 패드에 세게 누르기 위한 탑 링을 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명에서는, 스펙트럼 전체의 변화량에 기초하여 연마의 진척을 감시하기 때문에, 여러 가지 구조의 기판의 연마에 본 발명을 적용할 수 있다. 특히, 구리 배선의 높이를 조절하는 연마 프로세스와 같이, 연마량이 작고, 또한 굴절률이 크게 다른 투명막이 적층되어 스펙트럼의 극치점의 파장 변화가 작은 경우라도, 피연마막의 두께 변화를 정확하게 포착할 수 있다. 또한, 스펙트럼의 변화량을 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량은, 연마량(즉, 제거량, 막두께의 변화)에 대응하기 때문에, 기판 사이에서의 하층막의 두께 편차에 영향을 받지 않고 정밀도가 양호한 연마 종점 검지가 가능하다. 또한, 기판이 복잡한 다층 구조를 갖고 있는 경우라도, 스펙트럼 누적 변화량은, 원칙으로서 연마 중에 단조 증가한다. 따라서, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 기판의 연마의 진척을 파악하기 쉽다. 즉, 스펙트럼 누적 변화량과 소정 목표값 또는 문턱값의 단순한 비교에 의해, 용이하게 연마 종점을 검출할 수 있다.
도 1은 연마 시간과 함께 특성값이 변화하는 모습을 나타내는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 관련된 연마 감시 방법의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2b는 기판과 연마 테이블의 위치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 3은 광의 간섭 이론에 기초하여 시뮬레이션을 행하여 얻어진 반사광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3에 나타내는 스펙트럼 중 인접하는 2개의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 도 2a에 기재된 기판의 연마를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 도 2a에 기재된 기판의 연마를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 도 2a에 기재된 기판의 연마를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5d는 도 2a에 기재된 기판의 연마를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)을 나타내는 그래프이다.
도 6c는 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)을 나타내는 그래프이다.
도 6d는 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 기판 연마의 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 연마량의 오차를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 기판 연마의 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 연마량의 오차를 나타내는 그래프이다.
도 7c는 기판 연마의 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 연마량의 오차를 나타내는 그래프이다.
도 7d는 기판 연마의 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 연마량의 오차를 나타내는 그래프이다.
도 8은 Cu 배선 형성 공정에 있어서의 기판 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 9는 연마 시뮬레이션용의 기판 모델을 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타내는 상층 SiO2막을 100㎚만큼 연마하는 시뮬레이션 결과로부터 얻어진 스펙트럼의 추이를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 10에 나타내는 스펙트럼의 극대점 및 극소점의 파장의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 10에 나타내는 스펙트럼의 변화로부터 산출된 스펙트럼 누적 변화량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 9에 나타내는 하층 SiO2막의 두께가 각각 450㎚, 500㎚, 550㎚인 3장의 기판을 연마하는 시뮬레이션으로부터 얻어진, 연마량의 추정 오차를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 8에 나타내는 구조의 기판을 실제로 연마하여 얻어진 스펙트럼 누적 변화량의 시간 추이를 플롯한 도면이다.
도 15는 스펙트럼 누적 변화량의 굴곡점 검출 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 16은 동일 구조의 기판 17장을, 동일한 연마 조건하에서 연마 시간만 바꾸고 실제로 연마하여 얻어진 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 17은 스펙트럼 누적 변화량의 초기값의 설정 방법을 나타내는 도면이다.
도 18은 상기 17장의 각 기판에 대한 연마 종점시의 스펙트럼 누적 변화량과, 각 기판에 대해 연마 전후의 막두께 측정으로부터 얻어진 측정 연마량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 19는 구리 배선의 높이를 조절하는 연마 프로세스에 본 실시형태에 관련된 방법을 적용하였을 때의 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 20은 스펙트럼 변화량의 부호를 결정하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 21은 도 8에 나타내는 기판의 배리어층 제거 후에 취득된 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 도면이다.
도 22a는 연마 테이블과 탑 링의 회전 속도가 각각 60min-1, 61min-1인 경우의, 기판의 표면 상에 그려진 투수광부의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 22b는 연마 테이블과 탑 링의 회전 속도가 각각 60min-1, 54min-1인 경우의, 기판의 표면 상에 그려진 투수광부의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 23은 본 실시형태에 관련된 연마 감시 방법 및 연마 종점 검출 방법을 실행할 수 있는 연마 감시 장치를 구비한 연마 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 24는 도 23에 나타내는 연마 장치의 변형예를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 2a는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 연마 감시 방법의 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 2b는 기판과 연마 테이블의 위치 관계를 나타내는 평면도이다. 도 2a에 나타내는 바와 같이, 연마 대상이 되는 기판(W)은, 하지층(예를 들어, 실리콘층)과, 그 위에 형성된 막(예를 들어, 광투과성을 갖는 SiO2 등의 절연막)을 갖고 있다. 기판(W)은 탑 링(도 2a 및 도 2b에는 도시되지 않음)에 유지되고, 화살표로 나타내는 바와 같이 기판(W)의 중심 주위로 회전된다. 기판(W)의 표면은, 회전하는 연마 테이블(20) 상의 연마 패드(22)에 탑 링에 의해 가압되고, 기판(W)의 막은 연마 패드(22)와의 슬라이딩 접촉에 의해 연마된다.
투광부(11) 및 수광부(12)는, 기판(W)의 표면에 대향하여 배치되어 있다. 투광부(11)는, 기판(W)의 표면에 대하여 거의 수직으로 광을 조사하고, 수광부(12)는 기판(W)으로부터의 반사광을 받는다. 투광부(11)가 발하는 광은, 다파장의 광이다. 도 2b에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(20)이 1회전할 때마다 기판(W)의 중심을 포함하는 영역에 광이 조사된다. 수광부(12)에는 분광기(13)가 접속되어 있다. 이 분광기(13)는, 반사광을 파장에 따라 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다.
분광기(13)에는, 처리 장치(15)가 접속되어 있다. 이 처리 장치(15)는, 분광기(13)에 의해 취득된 측정 데이터를 판독 입력하고, 강도의 측정값으로부터 반사광의 강도 분포를 생성한다. 보다 구체적으로는, 처리 장치(15)는, 파장마다의 광의 강도를 나타내는 스펙트럼을 생성한다. 이 스펙트럼은, 반사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프로서 나타난다. 처리 장치(15)는, 또한, 스펙트럼의 변화로부터 연마의 진척을 감시하여, 연마 종점을 결정하도록 구성되어 있다. 처리 장치(15)로는, 범용 또는 전용의 컴퓨터를 사용할 수 있다. 처리 장치(15)는, 프로그램(또는 컴퓨터 소프트웨어)에 의해 소정 처리 스텝을 실행한다.
도 3은, 도 2a에 나타내는 구조의 기판에 관하여, 광의 간섭 이론에 기초하여 연마 시뮬레이션을 행하여 얻어진 반사광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, 가로축은 광의 파장을 나타내고, 세로축은 광의 강도로부터 유도되는 상대 반사율을 나타낸다. 이 상대 반사율이란, 광의 강도를 나타내는 하나의 지표로서, 구체적으로는 반사광의 강도와 소정 기준 강도의 비이다. 이와 같이 반사광의 강도(실측 강도)를 소정 기준 강도로 나눔으로써, 노이즈 성분이 제거된 광의 강도를 얻을 수 있다. 소정 기준 강도는, 예를 들어, 막이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼를 물의 존재하에서 연마하고 있을 때에 얻어진 반사광의 강도로 할 수 있다. 또한, 연마 시뮬레이션의 경우에는, 각 파장에 관하여 얻어지는 기판으로부터의 반사광의 강도(시뮬레이션에서는, 입사광에 대한 반사광의 강도의 비율을 나타내는 반사율)를, 상기 기준 강도(동일하게, 시뮬레이션에서는 입사광에 대한 반사광의 강도의 비율을 나타내는 반사율)로 단순히 제산함으로써 상대 반사율이 구해진다. 한편, 실제 연마에 있어서는, 상기 제산 전에 피제수 및 제수의 각각으로부터, 다크 레벨(광을 차단한 조건하에서 얻어진 배경 강도)이 감산된다. 또한, 상대 반사율을 사용하지 않고, 반사광의 강도 그 자체를 사용해도 된다.
실제 연마에 있어서는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음의 식을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112011014924163-pat00001
여기에서, λ은 파장이고, E(λ)은 기판으로부터의 반사광의 강도이고, B(λ)은 기준 강도이고, D(λ)은 기판이 존재하지 않는 상태에서 취득된 배경 강도(다크 레벨)이다.
광의 간섭 이론에 기초하는 기판으로부터의 반사광의 시뮬레이션은, 광의 매질을 물(H2O)로 한 조건하에서 행하였다. 도 3에 나타내는 그래프는, 막두께 10㎚의 간격으로 취득된 복수의 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 막두께가 클 때에는, 스펙트럼의 극대점 및 극소점(이하, 이들을 총칭하여 극치점이라고 한다)의 간격이 짧고, 극치점의 수가 많다. 한편, 막두께가 작을 때에는, 극치점의 수가 적고, 스펙트럼은 완만한 곡선을 그린다. 또한, 막두께의 감소(즉 연마의 진척)에 따라 스펙트럼은 파장이 짧은 쪽으로 이동한다(도 3에서는, 도면의 좌측으로 이동한다).
도 4는, 도 3에 나타내는 바와 같은 스펙트럼에 관하여, 막두께차 Δθ에 대응하는 2개의 스펙트럼을 나타내는 모식도이다. 여기에서, θ은 막두께이고, 연마시에는 막두께 θ은 시간과 함께 감소하므로, Δθ<0이다. 상기 서술한 바와 같이, 스펙트럼은 막두께의 변화와 함께 파장축을 따라 이동한다. 막두께차 Δθ에 대응하는 스펙트럼의 변화량은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 2개의 다른 시점에서 취득된 상기 2개의 스펙트럼에 의해 둘러싸이는 영역(해칭으로 나타낸다)에 상당한다. 이 영역의 면적은, 막두께차 Δθ이 충분히 작으면(이 예에서는, Δθ=-10㎚), 막두께의 대소에 관계없이 거의 일정한 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 따라서, 연마 중에 상기 면적 또는 이와 유사한 변화량을 적산함으로써, 막두께의 변화를 포착할 수 있을 것이 기대된다.
그래서, 본 방법에서는, 스펙트럼 변화량 V(t)를, 다음의 식으로 나타낸다.
Figure 112011014924163-pat00002
여기에서, λ은 광의 파장이고, λ1, λ2는 감시 대상으로 하는 스펙트럼의 파장 범위를 결정하는 최소 파장 및 최대 파장이고, Nλ은 상기 파장 범위 내의 파장 개수이고, t는 시간(연마 시간)이고, Δt는 소정 시간 단위이고, R(λ, t)는, 파장 λ, 시간 t일 때의 상대 반사율이다. Δt로는, 예를 들어, 연마 테이블이 p회전(p는 작은 자연수)하는 데에 요하는 시간을 취할 수 있다.
스펙트럼 변화량 V(t)는, 단위 시간당의 스펙트럼 변화량, 즉, 스펙트럼 변화 속도로서 나타내도 된다. 이 경우, 스펙트럼의 변화량 V(t)는, 다음과 같이 나타난다.
Figure 112011014924163-pat00003
소정 시간 Δt마다의 스펙트럼 변화량은, 상기 파장 범위에 있어서의 2개의 스펙트럼의 상대 변화의 크기(즉 변위의 크기)로서 나타난다. 상기 식 (2)는, 스펙트럼 변화량을 2승 평균 제곱근으로서 나타내는 식이다. 보다 구체적으로는, 상기 식 (2)로부터 구해지는 스펙트럼 변화량 V(t)는, 2개의 스펙트럼 사이에서의 각각의 파장에서의 광 강도 차분의 2승 평균 제곱근이다.
또한, 식 (2) 및 식 (3)으로부터, 스펙트럼의 변화량의 시간축을 따른 누적값 A(t)는, 다음과 같이 구해진다.
Figure 112011014924163-pat00004
또는,
Figure 112011014924163-pat00005
여기에서, t0은 막두께 변화의 감시를 개시하는 시간이다. 또한, 식 (4), 식 (5)의 우변에 적당한 계수를 곱하여, A(t)의 값을 보기 쉬운 크기로 조절해도 된다. 또한, 식 (5)의 Δt는 식 (3)의 Δt와 반드시 동등할 필요는 없고, 예를 들어 식 (3)의 Δt 및 식 (5)의 Δt를 다음과 같이 설정할 수 있다.
(스텝 i) 1초마다 상대 반사율 R(t)를 측정한다.
(스텝 ii) 식 (3)의 Δt를 2초로 설정하고, 1초마다, 2초 떨어진 시점 사이의 스펙트럼 변화량으로부터 스펙트럼 변화 속도 V(t)를 구한다.
(스텝 iii) 식 (5)의 Δt를 1초로 설정하고, 1초마다 스펙트럼 누적 변화량 A(t)를 구한다.
스펙트럼 변화량을 정식화하는 방법은 상기 식에 한정되지 않고, 다른 방법을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 스펙트럼 변화량 V(t)는, 2개의 스펙트럼 사이에서의 각각의 파장에서의 광 강도 차분의 2승 평균이어도 된다. 또한, 감시 대상으로 하는 스펙트럼의 파장 범위는, 불연속한 복수의 범위여도 된다. 또한, 스펙트럼 변화량 V(t)는, 도 4에 나타내는 해칭 영역의 면적에 상당하는 값으로서, 다음의 식과 같이 정의해도 된다.
Figure 112011014924163-pat00006
여기에서, Δλ은 파장 단위이다. 식 (2)의 경우와 동일하게, 스펙트럼 변화량 V(t)는, 감시 대상으로 하는 스펙트럼의 파장 범위 [λ1, λ2]에 있어서의 1파장당의 상대 반사율의 차분의 절대값의 평균으로서 나타내도 된다. 이 절대값 평균은, 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011014924163-pat00007
또한, 식 (2)∼(3) 및 식 (7)의 R(λ, t) 대신에, 정규화된 상대 반사율 RN(λ, t)를 이용할 수도 있다. 이 정규화된 상대 반사율 RN(λ, t)는, 상대 반사율 R(λ, t)를 소정의 파장 범위에 있어서의 상대 반사율의 평균값으로 제산함으로써 구해진다. 소정의 파장 범위로는, 예를 들어 [λ1,λ2]로 할 수 있다. 다음의 식 (8)은, 정규화된 상대 반사율 RN(λ, t)를 구하기 위한 식이다.
Figure 112011014924163-pat00008
다음의 식 (9) 및 식 (10)은, 각각 식 (2) 및 식 (7)의 R(λ, t)를 식 (8)의 RN(λ, t)로 치환함으로써 얻어진 식이다.
Figure 112011014924163-pat00009
Figure 112011014924163-pat00010
정규화된 상대 반사율을 이용함으로써, 광량의 변화의 영향을 배제할 수 있다. 예를 들어, 연마 패드가 마모되면, 기판과 광학 센서(투광부(11) 및 수광부(12))의 거리가 변화하고, 이에 기인하여 검지되는 광량이 변화해 버린다. 이와 같은 경우에도, 정규화된 상대 반사율을 이용함으로써, 광량의 변화의 영향을 받지 않고 스펙트럼 변화량을 산출할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는, 초기의 두께가 1000㎚인 산화막을 갖는 도 2a에 기재된 기판의 연마를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5a는 상기 식 (2)에 대응하고, 도 5b는 상기 식 (7)에 대응하고, 도 5c는 상기 식 (9)에 대응하고, 도 5d는 상기 식 (10)에 대응한다.
연마 속도(제거 레이트)가 일정한 조건하에서는, 시간 t가 Δt만큼 증가되는 동안에, 막두께 θ은 Δθ(<0)만큼 변화한다. 따라서, 시간 Δt는 막두께차 Δθ에 대응한다. t, Δt 대신에 θ, Δθ을 이용하면, 식 (2) 및 식 (3)은, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011014924163-pat00011
Figure 112011014924163-pat00012
또한, 식 (4) 및 식 (5)는, 다음과 같이 나타난다.
Figure 112011014924163-pat00013
Figure 112011014924163-pat00014
여기에서, 일반적으로 θ<θ0(초기 막두께)인데, 식 (13), 식 (14)에 있어서, Σ은 θ부터 θ0까지의 범위에 있어서의 Ｖ(θ)의 총합을 나타낸다.
또한, 상기 서술한 식 (7)은, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011014924163-pat00015
또한, 상기 서술한 식 (9) 및 식 (10)은, 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011014924163-pat00016
Figure 112011014924163-pat00017
또한, 도 5a 내지 도 5d에 있어서, 세로축은 단위 연마량 1㎚당의 스펙트럼 변화량을 나타내고, 가로축은 연마량, 즉 막의 제거량을 나타내고 있다. 도 5a 내지 도 5d에 나타내는 그래프로부터, 막두께가 클 때에는, 스펙트럼 변화량은, 주기적인 작은 변동은 있지만, 대체로 일정하고, 막두께가 작아짐에 따라 변동의 진폭이 서서히 커지는 것을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는, 상기 식 (13)을 이용하여 산출한 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)을 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로는, 도 6a는 상기 식 (11) 및 식 (13)으로부터 얻어진 그래프이고, 도 6b는 상기 식 (15) 및 식 (13)으로부터 얻어진 그래프이고, 도 6c는 상기 식 (16) 및 식 (13)으로부터 얻어진 그래프이고, 도 6d는 상기 식 (17) 및 식 (13)으로부터 얻어진 그래프이다.
상기 서술한 바와 같이, 스펙트럼 변화량이 주기적으로 변동하기 때문에, 변동에 의한 평균 레벨로부터의 오차는 거의 누적되지 않는다. 따라서, 도 6a 내지 도 6d에 나타내는 바와 같이, 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)은, 연마량 800㎚∼900㎚(막두께 200㎚∼100㎚)에 도달할 때까지 거의 직선적으로 증가된다. 이상의 결과로부터, 스펙트럼 누적 변화량에 의해 막두께의 감소(즉 막의 제거량)를 파악할 수 있음을 알 수 있다. 상기 서술한 처리 장치(15)는, 스펙트럼 누적 변화량을 기판의 연마 중에 산출하여, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 기판의 연마의 진척을 감시한다. 또한, 처리 장치(15)는, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 기판의 연마 종점을 결정한다. 연마 종점은, 스펙트럼 누적 변화량이 소정 목표값에 도달한 시점으로 할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는, 도 2a에 기재된 기판의 산화막을 초기 두께 1000㎚로부터 500㎚만큼 연마한 경우에, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 추정되는 연마 중 각 시점의 연마량이 참 연마량으로부터 어느 정도의 오차를 갖는 것인지, 시뮬레이션에 의해 검토한 결과를 나타낸다.
연마 개시 시점(연마량 0㎚, 막두께 1000㎚)에서는, 스펙트럼 누적 변화량과 연마량은 모두 0이다. 따라서, 연마 종료 시점(연마량 500㎚, 막두께 500㎚)의 연마량 추정값의 오차가 0으로, 연마량이 스펙트럼 누적 변화량에 완전히 비례한다고 가정하면, 막두께 θ일 때의 추정 연마량은,
[A(θ)-A(1000㎚)]/[A(500㎚)-A(1000㎚)]×500㎚
가 된다. 단, A(1000㎚)=0이다.
연마 중의 각 시점에서의 참 연마량은, 1000㎚-θ로 나타난다. 따라서, 연마 중의 각 시점에서의 연마량의 추정 오차 E(θ)은, 다음의 식으로 나타난다.
Figure 112011014924163-pat00018
도 7a 내지 도 7d의 그래프에 있어서, 가로축은 연마량 즉 막의 제거량을 나타내고 있고, 세로축은, 막두께 θ을 변수로 하는 위의 식 (18)로부터 나타나는 연마량의 오차 E(θ)을 나타내고 있다. 보다 구체적으로는, 도 7a는 상기 식 (11), 식 (13) 및 식 (18)로부터 얻어진 그래프이고, 도 7b는 상기 식 (15), 식 (13) 및 식 (18)로부터 얻어진 그래프이고, 도 7c는 상기 식 (16), 식 (13) 및 식 (18)로부터 얻어진 그래프이고, 도 7d는 상기 식 (17), 식 (13) 및 식 (18)로부터 얻어진 그래프이다.
도 7a에 있어서, 연마 중의 오차는 대체로 -0.3㎚∼0.8㎚의 범위에 있어, 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 연마의 진척의 모습을 양호한 정밀도로 감시할 수 있음을 알 수 있다. 도 7b 내지 도 7d에 있어서의 연마량 오차는 도 7a의 경우보다 크지만, 가장 큰 오차가 나타나 있는 도 7d의 경우에 있어서도 연마량 오차는 2.5㎚이하로 상대적으로 작다. 따라서, 스펙트럼 누적 변화량과 연마량의 관계를 사전에 취득함으로써, 연마 중에 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량으로부터 연마량을 정확하게 추정할 수 있다. 스펙트럼 누적 변화량과 연마량의 관계는, 연마 대상이 되는 기판과 동종의(즉 동일하거나 유사한) 기준 기판을 연마하여 기준 스펙트럼 누적 변화량을 취득하고, 기준 기판의 연마 전후의 막두께(즉, 초기 막두께 및 최종 막두께)를 계측하여 연마 개시부터 연마 종료까지의 연마량을 구하고, 연마 중의 기준 스펙트럼 누적 변화량이 연마량에 비례한다는 가정을 두고, 기준 스펙트럼 누적 변화량을 연마량에 관련지음으로써 얻어진다.
그런데, 알루미늄 등의 배선이 형성되어 있는 막 상에 절연막을 형성하면, 이 절연막의 표면에 복수의 단차(요철)가 형성되는 경우가 있다. 이 예와 같이 기판의 표면에 큰 단차(요철)가 있는 경우, 연마액이나 연마 패드에 따라서도 다르지만, 연마 초기에는 기판 표면의 볼록부가 연마 패드에 강하게 접촉하여 크게 연마되고, 볼록부와 비교하면 오목부의 연마량은 작다. 따라서, 표면 단차는 서서히 해소되게 된다. 이 때문에, 연마 초기에서는 스펙트럼이 반드시 기대된 변화를 나타내지 않는다. 이와 같은 경우에는, 표면 단차가 대체로 제거된 시점부터 스펙트럼 누적 변화량의 계산을 개시하여, 연마량을 감시하는 것이 바람직하다. 표면 단차의 제거점의 결정은, 예를 들어, 연마 테이블을 회전시키는 모터의 전류에 기초하여, 연마 패드와 기판 사이의 마찰의 변화를 검지함으로써 행할 수 있다.
도 8은, Cu 배선 형성 공정에 있어서의 기판 구조의 일례를 나타내는 단면도이다. 실리콘 웨이퍼 상에는 복수의 산화막(SiO2막)이 형성되고, 또한 비아홀에서 접속된 2층의 구리 배선, 즉 상층 구리 배선(M2) 및 하층 구리 배선(M1)이 형성되어 있다. 산화막의 각 층 사이에는 SiCN막이 형성되어 있고, 또한 최상층의 산화막 상에는 배리어층(예를 들어, TaN 또는 Ta)이 형성되어 있다. 상측의 3층의 산화막 두께는 각각 100∼200㎚의 범위에 있고, 각 SiCN층의 두께는 30㎚ 정도이다. 최하층의 산화막의 두께는 1000㎚ 정도이다. 트랜지스터 등의 하층의 구조는 도시를 생략한다. 상층 구리 배선(M2)은 최상층의 산화막 내에 형성되어 있고, 최상층의 산화막과 상층 구리 배선(M2)은 동시에 연마된다. 이 기판의 연마 프로세스는, 상층 구리 배선(M2)의 높이, 즉 배선 저항을 조절하는 것을 목적으로 하고 있다.
SiCN막은, 전(前)공정에서 Cu 배선 홈을 형성할 때에 에칭을 정지시키기 위한 에치스토퍼층이다. SiCN 대신에 SiN 등이 사용되는 경우도 있다. 이 에치스토퍼층의 영향을 조사하기 위해, 도 9에 나타내는 바와 같은, 연마 시뮬레이션용의 간략화한 기판 모델을 준비하였다. 이 기판에서는, 실리콘 웨이퍼 상에 하층 SiO2막이 형성되고, 그 위에 에치스토퍼층으로서의 SiCN막이 형성되고, 추가로 그 위에 상층 SiO2막이 형성되어 있다. 상층 SiO2막의 초기 두께는 200㎚, SiCN막의 두께는 30㎚, 하층 SiO2막의 두께는 500㎚이다.
연마 시뮬레이션은, 광의 매질을 물(H2O)로 한 조건하에서 실행하였다. 그 결과를 도 10 및 도 11에 나타낸다. 도 10은, 도 9에 나타내는 상층 SiO2막을 100㎚만큼 연마하는 시뮬레이션으로부터 얻어진 스펙트럼의 추이를 나타내는 그래프이고, 도 11은, 도 10에 나타내는 스펙트럼의 극대점 및 극소점(즉 극치점)의 파장의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2a에 나타내는 바와 같은 단층의 SiO2막을 연마한 경우와는 달리, 스펙트럼의 극대점 및 극소점의 파장은 크게 변화하지 않고, 막두께의 감소와 함께 스펙트럼이 단순히 단파장 측으로는 이동하지 않는다. 이것은, SiO2의 굴절률(약 1.46)과 SiCN의 굴절률(약 1.83)의 차이가, SiO2의 굴절률과 H2O의 굴절률(약 1.33)의 차이와 비교하여 크기 때문이다. 일반적으로, 2개의 물질의 굴절률차가 작으면, 그 계면에서의 반사광은 약해진다. 극단적인 예로서 계면의 굴절률차가 없다고 가정하면 반사는 일어나지 않는다. 이 때문에, 계측되는 반사광 전체의 스펙트럼에 있어서, 피연마막인 상층 SiO2막의 상면에서 반사되는 광의 성분과 비교하여, SiCN막과 상층 SiO2막의 계면, 또는 SiCN막과 하층 SiO2막의 계면에서 반사되어 상층 SiO2막을 투과해 오는 광의 성분이 차지하는 비율이 커진다. 그 결과, 극치점의 수나 파장은, SiCN막보다 하층, 주로 하층 SiO2막의 영향을 강하게 받아 버린다. 이 하층 SiO2막은 연마되지 않기 때문에, 연마 중에 얻어지는 스펙트럼은 상층 SiO2막의 두께 감소를 반영하기 어렵다.
따라서, 도 11에 나타내는 바와 같이, 연마량의 변화에 관계없이 극치점의 파장은 그다지 변화하지 않아, 극치점의 파장의 변화에 기초하여 연마의 진척을 포착하기는 어렵다. 그러나, 이와 같은 경우라도, 도 10에 나타내는 바와 같이, 연마량(막두께)의 변화에 따라 스펙트럼은 변화한다.
도 12는, 도 10에 나타내는 스펙트럼의 변화로부터 산출된 스펙트럼 누적 변화량의 추이를 나타내는 그래프이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 스펙트럼 누적 변화량은, 연마량과 함께 거의 직선적으로 증가한다. 따라서, 본 실시형태의 방법에 의해 연마의 진척을 파악할 수 있음을 알 수 있다. 도 12에 나타내는 스펙트럼 누적 변화량은, 상기 식 (11) 및 식 (13)을 이용하여 산출되어 있으나, 식 (11) 대신에 식 (15), 식 (16) 또는 식 (17)을 사용해도 된다. 이 경우에도 동일한 결과가 얻어진다.
도 13은, 도 9에 나타내는 하층 SiO2막의 두께가 각각 450㎚, 500㎚, 550㎚인 3장의 기판을 연마하는 시뮬레이션으로부터 얻어진, 연마량의 추정 오차를 나타내는 그래프이다. 도 13에 나타내는 추정 오차는, 상기 식 (11), 식 (13) 및 식 (18)을 이용하여 산출되어 있으나, 식 (11) 대신에 식 (15), 식 (16) 또는 식 (17)을 사용해도 된다.
오차의 산출은 하층 SiO2막의 두께가 500㎚인 기판을 기준으로 행하고 있고, 이 기판에 관하여 얻어진 연마 종점에서의 스펙트럼 누적 변화량 A(θ)이, 연마량 100㎚에 상당한다. 하층 SiO2막의 두께를 첨자로서 나타내는 것으로 하면, 도 7a 내지 도 7d의 경우와 동일하게 하여, 각각의 경우의 오차는 다음의 식으로 나타난다.
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도 13 에 나타내는 두꺼운 1점쇄선은, 하층 SiO2막의 두께가 500㎚일 때의 연마량의 오차를 나타내고 있다. 아울러, 하층 SiO2막의 두께가 450㎚인 경우의 오차를 가는 파선으로, 하층 SiO2막의 두께가 550㎚인 경우의 오차를 가는 실선으로 나타내고 있다. 어느 경우에도, 연마량의 추정 오차는 ±1㎚의 범위에 들어가 있어, 실용상 문제가 없는 정밀도로 연마량을 추정할 수 있음을 알 수 있다. 이로부터, 사전에 1장의 기판(이 예에서는 하층 SiO2막의 두께가 500㎚인 기판)을 연마하여 스펙트럼 누적 변화량과 연마량의 관계를 구해 두면, 하층 SiO2막의 두께가 다른 기판(이 예에서는 하층 SiO2막의 두께가 450㎚, 550㎚인 기판)에 대해서도, 연마 중에 양호한 정밀도로 연마량을 구할 수 있다.
또한, Cu 배선 높이 조절을 위한 연마 프로세스에 있어서, 실제로는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 최상층의 절연막 상에는 배리어층이 형성되어 있고, 통상적으로는 구리 배선과 배리어층은 연속하여 연마된다. 그래서, 본 방법의 적용에 있어서는, 먼저, 연마 테이블의 모터의 전류계, 와전류 센서, 광학식 센서 등으로 배리어층의 제거점을 검출하고, 배리어층이 제거된 시점부터 스펙트럼 누적 변화량의 산출을 시작하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, Cu 배선 높이를 조절하기 위한 연마 프로세스에 있어서는, 에치스토퍼층의 영향에 의해 스펙트럼의 극치점의 파장 변화가 작아진다. 따라서, 스펙트럼 전체의 변화량을 이용한 본 방법은 특히 효과적이다.
도 14는, 도 8에 나타내는 구조의 기판을 실제로 연마하여 얻어진 스펙트럼 누적 변화량의 시간 추이를 플롯한 도면이다. 스펙트럼 누적 변화량은 전술한 식 (3) 및 식 (5)를 이용하여 구해졌다. 스펙트럼 누적 변화량의 기울기(구배)는 연마 개시로부터 20초 지난 후에 변화하여, 굴곡점이 나타나 있다. 이 굴곡점은 전술한 배리어층의 제거 시점에 상당한다. 따라서, 연마 중에 스펙트럼 누적 변화량의 굴곡점을 검출하면, 배리어층의 제거 시점을 결정할 수 있다. 도 15는 스펙트럼 누적 변화량의 굴곡점 검출 방법의 일례를 나타낸 도면이다. 도 15의 그래프는, 전술한 식 (3)으로 구해지는 단위 시간당의 스펙트럼 변화량(즉 스펙트럼 변화 속도)의 시간 추이를 플롯한 것이다. 배리어층 제거 시점보다 분명히 빠른 시점부터 검출을 개시하여, 스펙트럼 변화량이 미리 정해진 문턱값을 밑돈 시점에 배리어층이 제거된 것으로 결정한다.
식 (3) 대신에, 스펙트럼 변화량을 구하기 위한 다른 식(예를 들어, 식 (2), 식 (6), 식 (7), 식 (9), 식 (10) 등)을 이용할 수도 있다. 이들의 경우에도, 배리어층의 제거점은, 스펙트럼 누적 변화량의 굴곡점으로서 나타난다. 따라서, 도 15에 나타내는 방법에 따라, 스펙트럼 누적 변화량의 굴곡점, 즉 배리어층의 제거점을 동일하게 검출할 수 있다.
다음으로, 동일 구조를 갖는 복수의 기판을 실제로 연마하여 얻어진 결과에 대해 설명한다. 도 16은, 동일 구조의 기판 17장을, 동일한 연마 조건하에서 연마 시간만 바꾸고 실제로 연마하여 얻어진 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 그래프이다. 이 연마에서는, 시간 단위 Δt로서 연마 테이블 1회전분의 시간을 사용하였다. 즉, 연마 테이블이 1회전할 때마다 스펙트럼 변화량을 구하고, 얻어진 스펙트럼 변화량을 적산하여 스펙트럼 누적 변화량으로 하였다. 또한, 취득된 스펙트럼의 노이즈(변형)를 제거하기 위해, 최근의 복수의 스펙트럼 데이터를 이용하여 스펙트럼의 이동 평균을 구하고, 얻어진 스펙트럼의 이동 평균으로부터 스펙트럼 변화량을 산출하였다. 보다 구체적으로는, 연마 테이블이 1회전할 때마다, 최근의 5개의 스펙트럼(즉, 연마 테이블이 5회전하는 동안에 얻어진 스펙트럼)의 평균을 구하고, 얻어진 스펙트럼의 평균으로부터 스펙트럼 변화량을 산출하였다. 도 16의 그래프에 있어서, 세로축은 스펙트럼 누적 변화량을 나타내고, 가로축은 연마 시간[초]을 나타내고 있다. 도 16의 그래프로부터, 연마 시간과 함께 스펙트럼 누적 변화량이 대체로 직선적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 연마 중에 스펙트럼 누적 변화량을 감시함으로써 연마의 진척을 파악할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이 이동 평균법을 적용하는 경우, 각 시점에서의 스펙트럼 변화량은, 이동 평균 시간과, 스펙트럼 변화량 산출을 위한 시간 단위 Δt를 합산한 기간(이하, 산출 기간이라고 한다)을 거쳐 산출된다. 따라서, 각 시점에서의 스펙트럼 변화량은, 그 시점 직전의 산출 기간 내에서의 스펙트럼 변화량을 대표하는 값이라고 할 수 있다.
연마 개시부터 상기 산출 기간이 경과할 때까지는, 스펙트럼 변화량을 산출할 수는 없다. 이 때문에, 연마 개시부터 산출 기간이 경과한 시점에 있어서, 스펙트럼 누적 변화량의 초기값을 어떻게 설정할지가 문제가 된다. 그래서, 스펙트럼 누적 변화량의 초기값의 설정 방법에 대해, 도 17을 참조하여 설명한다. 도 17의 하단에는, 단위 시간당의 스펙트럼 변화량(즉 스펙트럼 변화 속도)이 플롯되고, 상단에는 스펙트럼 누적 변화량이 플롯되어 있고, 각각의 마크는 연마 테이블이 1회전할 때마다 산출된 값을 나타내고 있다.
도 17에서는, 연마 개시점으로부터의 산출 기간을 초기 산출 기간으로서 나타내고 있다. 초기 산출 기간 이후의 각 시점에 있어서의 스펙트럼 변화 속도는, 상기 서술한 바와 같이, 각 시점 직전의 산출 기간을 대표하는 값이 플롯되고, 또한, 스펙트럼 누적 변화량으로는 스펙트럼 변화 속도를 누적한 값이 플롯되어 있다.
도 17의 부호 A는, 연마 개시부터 초기 산출 기간이 경과하기 직전까지 사이의 스펙트럼 변화 속도가 0이라고 가정하여 구해진 스펙트럼 누적 변화량을 나타낸다. 이 스펙트럼 누적 변화량은, 실제의 스펙트럼 변화 속도를 적산함으로써 구해지기 때문에, 많은 경우, 안정적인 단조 증가를 나타낸다. 이 부호 A로 나타나는 스펙트럼 누적 변화량은, 특히 연마의 초기 단계에 있어서 기판 사이의 연마 속도의 편차가 작은 경우에 적합하다. 그러나, 부호 A로 나타나는 스펙트럼 누적 변화량은, 초기 산출 기간의 연마량을 충분히 반영하고 있지는 않기 때문에, 오프셋한 값을 나타내게 된다.
한편, 도 17의 부호 B는, 연마 개시부터 초기 산출 기간이 경과하기 직전의 시점까지의 스펙트럼 변화 속도가, 초기 산출 기간의 경과 시점에 구해진 값 B'와 동등하다고 가정하여 구해진 스펙트럼 누적 변화량을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 값 B'는 초기 산출 기간을 대표하는 값으로 간주할 수 있어, 일정한 합리성을 갖는다. 그러나, 초기 산출 기간의 경과 시점에서의 값 B'가, 초기 산출 기간 이후의 각 시점에서의 값과 비교하여, 스펙트럼 누적 변화량에 크게 반영된다는 문제가 있다. 예를 들어, 기판면 내에 있어서의 막두께나 배선 밀도의 불균일성의 영향 등을 받아 스펙트럼 변화 속도가 크게 변동하여, 값 B'의 평균 레벨로부터의 오차가 커지는 경우가 있다. 이와 같은 경우, B'의 오차가 강조되어, 얻어진 스펙트럼 누적 변화량이 실제 연마량에서 벗어난 값을 나타낼 우려가 있다.
도 17의 부호 C는, 연마 개시부터 초기 산출 기간이 경과하기 직전의 시점까지의 스펙트럼 변화 속도가, 초기 산출 기간 경과 이후에 얻어진 스펙트럼 변화 속도의 평균값과 동등하다고 가정하여 구해진 스펙트럼 누적 변화량을 나타낸다. 스펙트럼 변화 속도의 평균값의 산출은, 초기 산출 기간이 경과한 시점부터 개시되어, 소정 기준 상한 구간이 경과할 때까지 계속된다. 즉, 기준 상한 구간 내에서의 각 시점에 있어서, 스펙트럼 변화 속도가 산출될 때마다, 그 시점까지 구해진 스펙트럼 변화 속도의 평균값이 산출된다. 기준 상한 구간이 경과한 후에는, 기준 상한 구간의 종점에서 구해진 스펙트럼 변화 속도의 평균값이, 각 시점에서, 초기 산출 기간에 있어서의 스펙트럼 변화 속도로서 적용된다. 도 17에 있어서는, 기준 상한 구간의 종점에 있어서 산출된 스펙트럼 변화 속도의 평균값을 C'로서 나타내고 있다.
또한, 기준 상한 구간 내의 각 시점에 있어서, 스펙트럼 누적 변화량도 재산출된다. 바꾸어 말하면, 스펙트럼 변화 속도의 평균값에 기초하여 상기 초기 산출 기간 내의 스펙트럼 누적 변화량의 데이터를 외삽에 의해 구했을 때에, 연마 개시 시점의 스펙트럼 누적 변화량이 0이 되도록, 스펙트럼 변화 속도가 산출될 때마다 스펙트럼 누적 변화량을 다시 계산한다. 이와 같이 하면, 스펙트럼 변화 속도가 크게 변동되었다고 해도, 각 시점에 있어서 최우(最尤)의 값을 구할 수 있다. 단, 초기 산출 기간의 경과 후 잠시동안, 구해진 스펙트럼 누적 변화량이 상하로 변동되는 경우가 있다. 또한, 연마 중, 특히 연마 초반에 있어서 연마 속도가 크게 변화하는 경우에는, 부호 C의 방법은 적합하지 않다. 도 16의 예는, 부호 C의 방법에 의한 것인데, 스펙트럼 변화 속도의 변동이 작기 때문에, 연마 초기에서의 스펙트럼 누적 변화량의 변동은 그래프에는 나타나 있지 않다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같은 기판을 배리어층으로부터 연마하는 경우에는, 상기 설명에 있어서의 연마 개시 시점은 배리어층 제거 검출 시점으로 치환할 수 있다.
도 18은, 상기 17장의 각 기판에 대한 연마 종료시의 스펙트럼 누적 변화량과, 각 기판에 대해 연마 전후의 막두께 측정으로부터 얻어진 측정 연마량의 관계를 나타낸 그래프이다. 통상적으로는, 연마 종료시의 스펙트럼 누적 변화량으로는 연마 중에 얻어진 최후의 측정 데이터가 이용된다. 그러나, 연마 감시 장치가 연마 종점을 검지하고 나서 최후의 측정 데이터가 얻어질 때까지 연마 종점 검지의 확인이나 데이터 통신 등을 위해 지연 시간이 존재하는 경우에는, 최후의 측정 데이터로부터 지연 시간분만큼 거슬러 올라간 측정 데이터를 이용해도 된다. 혹은, 이 지연 시간에 상당하는 스펙트럼 누적 변화량을 연마 종반의 스펙트럼 변화량으로부터 추정하고, 이 추정값을, 연마 종점으로부터 지연 시간만큼 거슬러 올라간 측정 데이터에 기초하여 구해진 스펙트럼 누적 변화량에 가산해 두어도 된다. 또한, 동일하게, 연마 개시부터 최초의 측정 데이터가 취득될 때까지의 사이에 지연 시간이 있는 것으로 상정되는 경우에도, 연마 초기의 스펙트럼 변화량으로부터 지연 시간에 상당하는 스펙트럼 누적 변화량을 추정하여, 측정 데이터에 기초하여 구해진 스펙트럼 누적 변화량에 가산할 수 있다. 도 18의 그래프에 나타나 있는 17장의 기판에 대한 각 측정점 근방을 지나는 회귀 직선은, 최소 이승법에 의해 구할 수 있다. 스펙트럼 누적 변화량을 x로 하고, 측정 연마량(실 연마량)을 y로 하면, 회귀 직선은 y=212.5x+2.9로 나타난다. 회귀 직선으로부터의 각 측정점의 어긋남을 나타내는 잔차(殘差)는, -2.4㎚∼4.3㎚의 범위에 있다. 또한, 회귀 직선의 ｙ 절편은 2.9㎚이고, 회귀 직선은 원점 부근을 지나고 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같이 하여 지연 시간에 상당하는 스펙트럼 누적 변화량을 추정하여 스펙트럼 누적 변화량과 연마량의 관계를 확인하고, 혹은 관계식을 구한 경우, 실제 연마의 감시 중에 있어서도, 동일하게 추정값을 구해서 스펙트럼 누적 변화량에 가산하여, 감시용의 데이터로 한다.
동일한 종류의 기판을 새롭게 연마하는 경우, 연마 중에 구해지는 스펙트럼 누적 변화량을 전술한 회귀 직선의 식에 대입하면, 각 시점의 연마량을 연마 중에 구할 수 있다. 따라서, 현재의 연마량과 목표 연마량의 비교로부터 연마 종점을 결정할 수 있다. 또한, 기판의 초기 막두께의 사양이 이미 알려져 있어 각각의 기판에 대한 오차가 작은 경우나, 각 기판을 연마하기 전에 초기 막두께를 미리 측정할 수 있는 경우에는, 초기 막두께로부터 연마량을 감산함으로써 잔막두께를 구할 수 있다. 또한, 잔막두께와 목표 막두께의 비교로부터 연마 종점을 결정할 수도 있다.
또한, 상기 서술한 예에서는 17개의 측정점을 기초로 최소 이승법을 적용하여 회귀 직선을 구하였으나, 이들 측정점에 좌표축의 원점(스펙트럼 누적 변화량=0, 측정 연마량=0)을 추가하여 최소 이승법을 적용해도 된다. 또한, 회귀 직선이 원점을 지난다고 가정하여 그 회귀 직선을 구해도 된다. 상기 서술한 예와 같이 측정점만으로 회귀 직선을 작성하는 경우, 적어도 2개의 측정점이 필요하여, 사전에 적어도 2장의 기판을 연마할 필요가 있다. 이 반면, 좌표축의 원점을 측정점에 추가하여 최소 이승법을 적용하는 경우, 적어도 1장의 기판을 사전에 연마하면 된다. 기판을 1장만 연마하는 경우에는, 좌표축의 원점과 1개의 측정점을 지나는 회귀 직선이 구해지게 된다. 회귀 직선은, 좌표축의 원점 부근을 지나는 것이 바람직하지만, 막두께 측정시의 측정점과 연마 중의 감시용 측정점의 위치 차이 등에 의해 원점으로부터 다소의 어긋남이 있었다고 해도, 목표로 하는 연마량 부근에서 잔차가 작은 회귀 직선(즉 회귀식)이 얻어지면, 상응하는 정밀도로 연마 종점의 검출이 가능하다.
이상 설명해 온 실시형태는, 스펙트럼 누적 변화량이 연마량에 대략 비례하는 예이다. 그러나, 스펙트럼 누적 변화량이 연마량에 비례하지 않는 경우도 있다. 예를 들어, 도 8에 나타내는 바와 같은 Cu 배선 저항(높이)조절을 위한 연마의 경우, 배선 높이가 약 65㎚를 밑돌면 단위 연마량당의 스펙트럼이 크게 변화하고, 특히 600㎚ 이상의 파장역에서 스펙트럼의 변화가 크다. 이와 같은 경우에도, 예를 들어 400㎚∼500㎚ 등 파장 범위를 적당히 한정함으로써, 연마량에 대응하는 스펙트럼 누적 변화량을 얻는 것은 가능하다. 또한, 스펙트럼 누적 변화량과 연마량의 관계를 나타내는 2차 다항식 등 비선형의 식을 구하여 회귀 분석을 행하는 것도 가능하다.
도 19는, 구리 배선의 높이를 조절하는 연마 프로세스에 본 실시형태에 관련된 방법을 적용하였을 때의 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다. 도 8에 나타내는 기판은, 본 연마 프로세스에서 연마되는 기판의 일례이다. 이 플로우 차트는, 배리어층의 제거를 와전류 센서로 검출하고, 배리어층의 제거 시점부터 스펙트럼 누적 변화량의 산출을 개시하고, 또한 연마 종점을 결정하는 처리 시퀸스를 나타내고 있다. 이하, 각 스텝에 대해 도 19를 참조하여 설명한다.
기판의 연마 중에 기판으로부터의 반사광의 스펙트럼을 취득하고 (스텝 1), 소정 시간에 대한 스펙트럼 변화량을 산출한다 (스텝 2). 이 예에서는, 소정 시간은 연마 테이블 1회전분의 시간으로 설정되어 있다. 따라서, 스텝 1 및 스텝 2는, 연마 테이블이 1회전할 때마다 실행된다.
스펙트럼 변화량은, 배리어층이 제거되기 전부터 산출된다. 이것은 다음의 이유에 근거한다. 와전류 센서를 이용한 배리어층의 제거의 검출에서는, 와전류 센서의 출력 신호의 평활화나 신호 변화점 검출의 확인을 위한 다양한 처리가 행해진다. 이 때문에, 배리어층의 제거의 검출에 약간의 지연이 발생한다. 그래서, 후술하는 바와 같이, 배리어층의 제거가 검출되었을 때에, 처리 장치(15)는, 배리어층이 제거된 실제 시점을 결정하고, 그 제거 시점을 기점으로 하여 소급적으로 스펙트럼 누적 변화량을 산출하는 것으로 하고 있다. 또한, 이 배리어층이 실제로 제거된 시점을 결정하는 방법은, 전술한 스펙트럼 변화 속도에 기초하는 방법으로 배리어층의 제거를 검지하는 예에도 동일하게 적용할 수 있다.
처리 장치(15)(도 2a 참조)는, 배리어층의 제거를 와전류 센서의 출력 신호에 기초하여 검출한다. 처리 장치(15)는, 스텝 3에서, 배리어층의 제거가 이미 검출되어 있는지의 여부를 확인한다. 하나 전의 시점에서 배리어층의 제거가 검출되지 않은 경우에는, 처리 장치(15)는, 와전류 센서의 새로운 출력 신호를 취득하여 (스텝 4), 이 출력 신호에 평활화 등의 소정 처리를 행한다 (스텝 5). 또한 처리 장치(15)는, 처리된 출력 신호에 기초하여, 배리어층이 제거되었는지의 여부를 결정한다 (스텝 6).
배리어층의 제거가 검출되면, 처리 장치(15)는 배리어층이 제거된 시점을 결정한다 (스텝 7). 이 배리어층 제거 시점은, 스텝 6에 있어서 배리어층이 제거된 것을 결정한 시점으로부터 소정 시간을 감산함으로써 구해진다. 소정 시간은, 상기 서술한 센서 신호의 평활화나, 신호의 변화점의 확인 처리에 기인하는 지연 시간에 기초하여 결정된다. 그리고, 처리 장치(15)는, 결정된 배리어층 제거 시점부터 현시점까지의 스펙트럼 누적 변화량을 산출한다. 그 후, 처리는 스텝 1로 되돌아간다.
스텝 3에서, 배리어층의 제거가 이미 검출되어 있는 경우에는, 기존의 스펙트럼 누적 변화량에 현시점에서의 스펙트럼 변화량을 가산하여, 스펙트럼 누적 변화량을 갱신한다 (스텝 9). 연마의 진척의 감시 및 연마 종점의 결정은, 스펙트럼 누적 변화량, 연마량 또는 막두께 중 어느 것을 사용하여 행해진다. 연마량 또는 막두께 중 어느 것을 사용하여 연마 종점을 결정해야 하는 것이 처리 장치(15)에 지정되어 있을 때에는 (스텝 10), 처리 장치(15)는 상기 서술한 회귀식에 기초하여 연마량을 산출한다 (스텝 11). 연마 종점을 막두께로부터 결정해야 하는 것이 처리 장치(15)에 지정되어 있는 경우에는 (스텝 12), 처리 장치(15)는 미리 취득되어 있는 초기 막두께로부터 연마량을 감하여 잔막두께를 산출한다 (스텝 13).
처리 장치(15)는, 지정에 따라, 스펙트럼 누적 변화량, 연마량 또는 막두께에 기초하여 연마 종점을 결정한다 (스텝 14). 기본적으로, 스펙트럼 누적 변화량 및 연마량은 연마 중에 단조 증가하고, 한편 막두께는 연마 중에 단조 감소한다. 따라서, 스펙트럼 누적 변화량, 연마량 또는 막두께가 소정 목표값에 도달한 시점을 연마 종점으로 할 수 있다.
본 방법에서는, 스펙트럼 전체의 변화량에 기초하여 연마의 진척을 감시하기 위해, 여러 가지 구조의 기판 연마에 본 방법을 적용할 수 있다. 특히, 구리 배선의 높이를 조절하는 연마 프로세스와 같이, 굴절률이 크게 다른 투명막이 적층되어 스펙트럼의 극치점의 파장 변화가 작은 경우라도, 피연마막의 두께 변화를 정확하게 포착할 수 있다. 또한, 스펙트럼의 변화량을 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량은, 기판이 복잡한 다층 구조를 갖고 있는 경우라도, 기본적으로 연마 중에 단조 증가한다. 따라서, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 기판의 연마의 진척을 파악하기 쉽다. 나아가서는, 스펙트럼 누적 변화량과 소정 목표값 또는 문턱값의 단순한 비교에 의해, 용이하게 연마 종점을 검출할 수 있다.
여기에서, 기판면 내에 있어서의 스펙트럼의 계측 위치가 시간과 함께 변화하여, 기판면 내의 막두께에 다소의 편차가 있다고 하면, 연마 중에 막두께가 반드시 단조 감소하지는 않는 경우가 있다. 연마 테이블이 1회전하는 동안에 취득되는 스펙트럼 데이터는 평균화할 수 있으나, 막두께가 기판의 주위 방향에 있어서 균일하지 않으면, 시간축에 대하여 막두께가 단조로 감소하지 않는 경우가 발생한다. 이와 같은 경우에 있어서도, 스펙트럼 변화량을 산출하기 위한 상기 소정 시간을 크게 취하면, 그 소정 시간 전후에 있어서의 막두께는 단조 감소한다고 간주할 수 있다. 혹은, 스펙트럼 변화량을 구하기 전에, 스펙트럼의 이동 평균을 구함으로써, 대응하는 막두께가 단조 감소한다고 간주할 수 있다.
기판면 내의 막두께의 불균일함을 고려하여, 연마 중의 스펙트럼 변화량의 방향, 즉, 스펙트럼 변화량의 정 또는 부의 부호를 판별하도록 해도 된다. 기판 상에 형성된 복수의 투명막의 광학 상수가 대체로 동등한 경우에는, 반사광의 거동은 단층막에서의 광의 간섭 이론에 기초하여 해석할 수 있다. 즉, 막두께의 감소와 함께, 스펙트럼의 각 극치점(극대점·극소점)의 파장이 감소한다. 따라서, 스펙트럼의 각 극치점의 파장을 추적함으로써, 스펙트럼 변화량의 부호(정 또는 부)를 결정할 수 있다.
이 반면, 도 8∼도 9에 나타내는 기판과 같이, 광학 상수가 크게 다른 복수의 투명막이 존재하는 경우, 스펙트럼의 극치점의 파장은 막두께의 감소에 따라 단조로는 변화하지 않는다. 이와 같은 경우, 다음과 같이 하여 스펙트럼 변화량의 부호(정 또는 부)를 결정할 수 있다. 도 20은, 스펙트럼 변화량의 부호를 결정하는 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 20에 있어서, Δt는 현시점 t에 관한 스펙트럼 변화량 산출 구간을 나타내고, TO는 구간 Δt에 선행하는 소정 부호 기준 구간을 나타낸다.
구간 Δt, 구간 TO 및 양방의 구간 Δt, TO를 합한 총 구간의 각각에 대하여, 예를 들어 식 (2)로 나타나는 스펙트럼 변화량(정값)이 구해진다. 총 구간에서의 스펙트럼 변화량 V1이 구간 TO에서의 스펙트럼 변화량 VO보다 큰 경우(V1>VO), 구간 Δt에서의 스펙트럼 변화량 ΔV의 부호는 정인 것으로 결정된다(ΔV>0). 따라서, 막두께는 감소 경향에 있다. 이 경우, 스펙트럼 변화 속도 ΔV/Δt의 부호도 정이 된다. 한편, 총 구간에서의 스펙트럼 변화량 V1이 구간 TO에서의 스펙트럼 변화량 VO보다 작은 경우(V1<VO), 구간 Δt에서의 스펙트럼 변화량 ΔV의 부호는 부인 것으로 결정된다(ΔV<0). 따라서, 막두께는 증가 경향에 있다. 이 경우, 스펙트럼 변화 속도 ΔV/Δt의 부호도 부가 된다.
연마 초기 단계에 있어서, 부호 기준 구간 TO를 정의할 수 없는 경우에는, 스펙트럼 변화량 산출 구간 Δt 이후에, 상기 구간 TO와 동일한 길이의 구간을 설치해도 된다. 스펙트럼 변화량의 부호는 상기 서술과 동일한 공정에 따라 결정되고, 임시로 「정」으로 정한 스펙트럼 변화량의 부호는 갱신된다. 도 21은, 도 8에 나타내는 기판의 배리어층 제거 후에 취득된 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 도면이다. 도 21로부터 알 수 있는 바와 같이, 스펙트럼 변화량의 부호는, 2 회, 부로 되어 있다.
또한, 기판의 주위 방향에 있어서의 막두께의 불균일성이 검지 정밀도에 크게 영향을 미치는 것이 염려되는 경우에는, 연마 테이블의 회전 속도와 기판을 유지하는 탑 링의 회전 속도를 조절함으로써, 그러한 불균일한 막두께의 영향을 경감시킬 수 있다. 도 22a는, 도 2b에 나타내는 구성의 연마 장치에 있어서, 연마 테이블과 탑 링의 회전 속도가 각각 60min-1, 61min-1인 경우의, 기판의 표면 상에 그려진 투광부(11) 및 수광부(12)(도 2a 및 도 2b 참조)의 궤적을 나타내는 도면이고, 도 22b는, 연마 테이블과 탑 링의 회전 속도가 각각 60min-1, 54min-1인 경우의, 기판의 표면 상에 그려진 투광부(11) 및 수광부(12)의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 22a의 경우에 있어서는, 투광부(11) 및 수광부(12)의 궤적이 연마 테이블 회전과 함께 조금씩 이동하는 반면, 도 22b의 경우에는, 연마 테이블이 10회전하는 동안에 탑 링이 9회전하여 투광부(11) 및 수광부(12)가 기판면 내의 본래 위치로 되돌아간다. 즉, 연마 테이블이 10회전하기 전에 취득된 스펙트럼과 현시점에서의 스펙트럼은, 기판의 표면 상의 동일한 위치에서 취득된 스펙트럼이다. 따라서, 도 22b의 예에서는, 연마 중의 각 시점에 있어서, 연마 테이블이 10회전하기 전에 취득된 스펙트럼과 현시점에서의 스펙트럼의 비교로부터 스펙트럼 변화량을 구하는 것이 바람직하다. 기판의 동일 위치에서 취득된 스펙트럼을 비교함으로써, 연마량을 양호한 정밀도로 구할 수 있다. 혹은, 각 시점에 있어서, 연마 테이블이 10회전하는 동안에 얻어진 최근의 복수의 스펙트럼의 평균을 구하고, 얻어진 평균 스펙트럼으로부터 스펙트럼 변화량을 구해도 된다. 연마 테이블이 10회전하는 동안에 투광부(11) 및 수광부(12)는 기판의 표면 전체를 주사하므로, 정밀도가 양호한 결과가 얻어진다.
도 23은, 상기 서술한 연마 감시 방법 및 연마 종점 검출 방법을 실행할 수 있는 연마 감시 장치를 구비한 연마 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(22)를 지지하는 연마 테이블(20)과, 기판(W)을 유지하여 연마 패드(22)에 가압하는 탑 링(24)과, 연마 패드(22)에 연마액(슬러리)을 공급하는 연마액 공급 기구(25)를 구비하고 있다. 연마 테이블(20)은, 그 하방에 배치되는 모터(도시되지 않음)에 연결되어 있고, 축심 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 패드(22)는, 연마 테이블(20)의 상면에 고정되어 있다.
연마 패드(22)의 상면(22a)은, 기판(W)을 연마하는 연마면을 구성하고 있다. 탑 링(24)은, 탑 링 샤프트(28)를 통해 모터 및 승강 실린더(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 이로써, 탑 링(24)은 승강 가능하게 또한 탑 링 샤프트(28) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 이 탑 링(24)의 하면에는, 기판(W)이 진공 흡착 등에 의해 유지된다.
탑 링(24)의 하면에 유지된 기판(W)은 탑 링(24)에 의해 회전되면서, 회전하고 있는 연마 테이블(20) 상의 연마 패드(22)에 탑 링(24)에 의해 가압된다. 이 때, 연마액 공급 기구(25)로부터 연마 패드(22)의 연마면(22a)에 연마액이 공급되고, 기판(W)의 표면과 연마 패드(22) 사이에 연마액이 존재한 상태에서 기판(W)의 표면이 연마된다. 기판(W)과 연마 패드(22)를 슬라이딩 접촉시키는 상대 이동 기구는, 연마 테이블(20) 및 탑 링(24)에 의해 구성된다.
연마 테이블(20)에는, 그 상면에서 개구되는 구멍(30)이 형성되어 있다. 또한, 연마 패드(22)에는, 이 구멍(30)에 대응하는 위치에 통공(通孔)(31)이 형성되어 있다. 구멍(30)과 통공(31)은 연통되고, 통공(31)은 연마면(22a)에서 개구되어 있다. 구멍(30)은 액체 공급로(33) 및 로터리 조인트(32)를 통해 액체 공급원(35)에 연결되어 있다. 연마 중에는, 액체 공급원(35)으로부터는, 투명한 액체로서 물(바람직하게는 순수)이 구멍(30)에 공급되어, 기판(W)의 하면과 통공(31)에 의해 형성되는 공간을 채우고, 액체 배출로(34)를 통해 배출된다. 연마액은 물과 함께 배출되고, 이로써 광로가 확보된다. 액체 공급로(33)에는, 연마 테이블(20)의 회전에 동기(同期)하여 작동하는 밸브(도시되지 않음)가 설치되어 있다. 이 밸브는, 통공(31) 상에 기판(W)이 위치하지 않을 때에는 물의 흐름을 멈추거나, 또는 물의 유량을 적게 하도록 동작한다.
연마 장치는, 상기 서술한 방법에 따라 연마의 진척을 감시하고, 또한, 연마 종점을 검출하는 연마 감시 장치를 갖고 있다. 이 연마 감시 장치는, 연마 종점 검출 장치로서도 기능한다. 연마 감시 장치는, 광을 기판(W)의 피연마면에 조사하는 투광부(11)와, 기판(W)으로부터 되돌아오는 광 반사를 수광하는 수광부로서의 광 파이버(12)와, 기판(W)으로부터의 반사광을 파장에 따라 분해하고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 반사광의 강도를 측정하는 분광기(13)와, 분광기(13)에 의해 취득된 측정 데이터로부터 스펙트럼을 생성하고, 이 스펙트럼의 변화에 기초하여 연마의 진척을 감시하는 처리 장치(15)를 구비하고 있다. 스펙트럼은, 소정의 파장 범위에 걸쳐 분포하는 광의 강도를 나타내는 것으로서, 광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 선 그래프로서 나타난다.
투광부(11)는, 광원(40)과, 광원(40)에 접속된 광 파이버(41)를 구비하고 있다. 광 파이버(41)는, 광원(40)의 광을 기판(W)의 표면까지 유도하는 광 전송부이다. 광 파이버(41)는, 광원(40)으로부터 구멍(30)을 통해 기판(W)의 피연마면의 근방 위치까지 연장되어 있다. 광 파이버(41) 및 광 파이버(12)의 각 선단은, 탑 링(24)에 유지된 기판(W)의 중심에 대향하여 배치되고, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(20)이 회전할 때마다 기판(W)의 중심을 포함하는 영역에 광이 조사되도록 되어 있다.
광원(40)으로는, 발광 다이오드(LED), 할로겐 램프, 크세논 플래시 램프 등, 복수의 파장을 갖는 광을 발하는 광원을 이용할 수 있다. 광 파이버(41)와 광 파이버(12)는 서로 병렬로 배치되어 있다. 광 파이버(41) 및 광 파이버(12)의 각 선단은, 기판(W)의 표면에 대하여 거의 수직으로 배치되어 있고, 광 파이버(41)는 기판(W)의 표면에 거의 수직으로 광을 조사하게 되어 있다.
기판(W)의 연마 중에는, 투광부(11)로부터 광이 기판(W)에 조사되고, 광 파이버(12)에 의해 기판(W)으로부터의 반사광이 수광된다. 광이 조사되는 동안, 구멍(30)에는 물이 공급되고, 이로써, 광 파이버(41) 및 광 파이버(12)의 각 선단과, 기판(W)의 표면 사이의 공간은 물로 채워진다. 분광기(13)는, 파장마다의 반사광의 강도를 측정하고, 처리 장치(15)는, 광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 반사광의 스펙트럼을 생성한다. 또한 처리 장치(15)는, 상기 서술한 바와 같이, 반사광의 스펙트럼으로부터 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 이에 기초하여 연마의 진척을 감시하고, 연마 종점을 결정한다.
도 24는, 도 23에 나타내는 연마 장치의 변형예를 나타내는 단면도이다. 도 24에 나타내는 예에서는, 액체 공급로, 액체 배출로, 액체 공급원은 설치되어 있지 않다. 이 대신에, 연마 패드(22)에는 투명창(45)이 형성되어 있다. 투광부(11)의 광 파이버(41)는, 이 투명창(45)을 통해 연마 패드(22) 상의 기판(W)의 표면에 광을 조사하고, 수광부로서의 광 파이버(12)는, 투명창(45)을 통해 기판(W)으로부터의 반사광을 수광한다. 그 밖의 구성은, 도 23에 나타내는 연마 장치와 동일하다.
상기 서술한 실시형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 실시할 수 있을 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시형태의 다양한 변형예는, 당업자라면 당연히 행할 수 있는 것이고, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시형태에도 적용할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은, 기재된 실시형태에 한정되는 경우는 없고, 특허청구의 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해야 한다.
11 투광부
12 수광부
13 분광기
15 감시 장치
20 연마 테이블
22 연마 패드
24 탑 링
25 연마액 공급 기구
28 탑 링 샤프트
30 구멍
31 통공
32 로터리 조인트
33 액체 공급로
34 액체 배출로
35 액체 공급원
40 광원
41 광 파이버
45 투명창

Claims (28)

  1. 막을 갖는 기판의 연마를 감시하는 방법에 있어서,
    기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하고,
    상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고,
    소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 2개의 다른 시점에서 생성된 2개의 스펙트럼의 상대 변화의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼 사이에서의 상기 강도의 차분의 2승 평균 제곱근인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼 사이에서의 상기 강도의 차분의 절대값의 평균인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 상기 상대 변화의 크기를, 상기 2개의 시점 사이의 시간 간격으로 나눔으로써 얻어진 스펙트럼 변화 속도인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 정(正) 또는 부(負)의 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 스펙트럼은, 파장과, 각 파장에서의 강도를 소정의 파장 범위에서의 강도의 평균값으로 나누어 얻어진 정규화된 강도와의 관계를 나타내는 스펙트럼인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은, 동일한 구조를 갖는 기준 기판인 제 1 기판의 연마 후에 연마되는 제 2 기판이고,
    상기 방법은,
    상기 제 1 기판의 연마 중에 상기 제 1 기판에 광을 조사하고,
    상기 제 1 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 기준 스펙트럼을 생성하고,
    소정 시간당의 상기 기준 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 기준 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 기준 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고,
    상기 기준 스펙트럼 누적 변화량과, 상기 제 1 기판의 초기 막두께와, 상기 제 1 기판의 최종 막두께에 기초하여, 상기 제 2 기판에 관한 상기 스펙트럼 누적 변화량을 상기 제 2 기판의 막의 제거량으로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 초기 막두께를 취득하고,
    상기 제 2 기판의 초기 막두께로부터 상기 제거량을 뺌으로써, 상기 제거량을 상기 제 2 기판의 막의 두께로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 연마는, 상기 기판에 형성되어 있는 금속 배선의 높이 조절을 위한 연마인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 막과, 상기 막 상에 형성된 배리어층과, 상기 막 내에 형성된 상기 금속 배선을 갖고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 배리어층의 제거 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 표면에는, 단차가 형성되어 있고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량의 산출은, 상기 단차가 제거된 시점부터 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 막을 갖는 기판을 연마하는 방법에 있어서,
    상기 기판과 연마 패드를 슬라이딩 접촉시켜 당해 기판을 연마하고,
    기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하고,
    상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고,
    소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 2개의 다른 시점에서 생성된 2개의 스펙트럼의 상대 변화의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼 사이에서의 상기 강도의 차분의 2승 평균 제곱근인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 상대 변화의 크기는, 소정의 파장 범위에 있어서의 상기 2개의 스펙트럼 사이에서의 상기 강도의 차분의 절대값의 평균인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 상기 상대 변화의 크기를, 상기 2개의 시점 사이의 시간 간격으로 나눔으로써 얻어진 스펙트럼 변화 속도인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 스펙트럼의 변화량은, 정 또는 부의 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 스펙트럼은, 파장과, 각 파장에서의 강도를 소정의 파장 범위에서의 강도의 평균값으로 나누어 얻어진 정규화된 강도와의 관계를 나타내는 스펙트럼인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 14항에 있어서,
    상기 기판은, 동일한 구조를 갖는 기준 기판인 제 1 기판의 연마 후에 연마되는 제 2 기판이고,
    상기 방법은,
    상기 제 1 기판의 연마 중에 상기 제 1 기판에 광을 조사하고,
    상기 제 1 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 기준 스펙트럼을 생성하고,
    소정 시간당의 상기 기준 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 기준 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 기준 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고,
    상기 기준 스펙트럼 누적 변화량과, 상기 제 1 기판의 초기 막두께와, 상기 제 1 기판의 최종 막두께에 기초하여, 상기 제 2 기판에 관한 상기 스펙트럼 누적 변화량을 상기 제 2 기판의 막의 제거량으로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 초기 막두께를 취득하고,
    상기 제 2 기판의 초기 막두께로부터 상기 제거량을 뺌으로써, 상기 제거량을 상기 제 2 기판의 막의 두께로 변환하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 14항에 있어서,
    상기 기판의 연마는, 상기 기판에 형성되어 있는 금속 배선의 높이 조절을 위한 연마인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 막과, 상기 막 상에 형성된 배리어층과, 상기 막 내에 형성된 상기 금속 배선을 갖고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 배리어층의 제거 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 14항에 있어서,
    상기 스펙트럼 누적 변화량이 소정 목표값에 도달하였을 때에 상기 기판의 연마를 종료시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 14항에 있어서,
    상기 기판의 연마에 의해 당해 기판의 표면 상에 형성되어 있는 단차가 제거된 시점을 결정하는 공정을 더 포함하고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량의 산출은, 상기 단차가 제거된 시점부터 개시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 기판의 연마 중에 상기 기판에 광을 조사하는 투광부와,
    상기 기판으로부터의 반사광을 수광하는 수광부와,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와,
    상기 분광기의 측정 데이터를 처리하는 처리 장치를 구비하고,
    상기 처리 장치는,
    상기 강도의 측정값으로부터, 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하고,
    소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 것을 특징으로 하는 연마 감시 장치.
  28. 기판으로부터의 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 스펙트럼을 생성하는 스텝과,
    소정 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하는 스텝과,
    상기 스펙트럼의 변화량을 연마 시간을 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하는 스텝과,
    상기 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 상기 기판의 연마의 진척을 감시하는 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체.
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