WO2016163352A1 - 膜厚測定方法、膜厚測定装置、研磨方法、および研磨装置 - Google Patents

膜厚測定方法、膜厚測定装置、研磨方法、および研磨装置 Download PDF

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WO2016163352A1
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polishing
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金馬　利文
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株式会社 荏原製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a film thickness measuring method and film thickness measuring apparatus for a substrate (for example, a wafer) on which a film is formed, and in particular, the film thickness is detected by analyzing optical information contained in reflected light from the substrate.
  • the present invention relates to a film thickness measuring method and a film thickness measuring apparatus.
  • the present invention also relates to a polishing method and a polishing apparatus using such a film thickness measuring method and film thickness measuring apparatus.
  • the semiconductor device manufacturing process includes various steps such as a step of polishing an insulating film such as SiO 2 and a step of polishing a metal film such as copper and tungsten.
  • the manufacturing process of the back-illuminated CMOS sensor and the silicon through electrode (TSV) includes a process of polishing a silicon layer (silicon wafer) in addition to a process of polishing an insulating film and a metal film.
  • the polishing of the wafer is terminated when the thickness of a film (insulating film, metal film, silicon layer, etc.) constituting the surface reaches a predetermined target value. Therefore, the film thickness is measured during wafer polishing.
  • a film thickness measuring method there is an optical film thickness measuring method disclosed in Patent Documents 1 and 2. According to this method, the wafer is irradiated with light from the film thickness sensor during polishing of the wafer, a spectral waveform indicating the relationship between the intensity of reflected light from the wafer and the frequency is acquired, and Fourier transform processing is performed on the spectral waveform. Thus, the frequency spectrum is acquired, and the film thickness is determined from the peak of the obtained frequency spectrum.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of a spectral waveform.
  • the vertical axis represents the relative reflectance indicating the intensity of the reflected light from the wafer
  • the horizontal axis represents the frequency of the reflected light.
  • the relative reflectance is an index value indicating the intensity of reflected light, and is a ratio between the intensity of light and a predetermined reference intensity.
  • the reference intensity is an intensity acquired in advance for each wavelength, and the relative reflectance is calculated at each wavelength. Specifically, the relative reflectance is obtained by dividing the light intensity (measured intensity) at each wavelength by the corresponding reference intensity.
  • the reference intensity is obtained, for example, by directly measuring the intensity of light emitted from the film thickness sensor or by irradiating the mirror with light from the film thickness sensor and measuring the intensity of reflected light from the mirror.
  • the reference intensity may be the intensity of light obtained when a silicon wafer (bare wafer) on which no film is formed is water-polished in the presence of water.
  • the relative reflectance is obtained by dividing the corrected actually measured intensity by the corrected reference intensity.
  • the relative reflectance R ( ⁇ ) can be obtained using the following equation. Where ⁇ is the wavelength, E ( ⁇ ) is the intensity of light reflected from the wafer at wavelength ⁇ , B ( ⁇ ) is the reference intensity at wavelength ⁇ , and D ( ⁇ ) blocks the light.
  • FIG. 13 is a graph showing a frequency spectrum obtained by subjecting the spectral waveform shown in FIG. 12 to Fourier transform processing.
  • the vertical axis represents the intensity of the frequency component included in the spectral waveform
  • the horizontal axis represents the film thickness.
  • the intensity of the frequency component corresponds to the amplitude of the frequency component expressed as a sine wave.
  • the frequency component included in the spectral waveform is converted into a film thickness using a predetermined relational expression, and a frequency spectrum indicating the relationship between the film thickness and the intensity of the frequency component as shown in FIG. 13 is generated.
  • the predetermined relational expression described above is a linear function representing the film thickness with the frequency component as a variable, and can be obtained from an actual measurement result of the film thickness or an optical film thickness measurement simulation.
  • the intensity of the frequency component becomes the largest when the thickness is t1. That is, this frequency spectrum indicates that the thickness of the film is t1. In this way, the film thickness is determined from the peak of the frequency spectrum.
  • the spectral waveform shown in FIG. 12 and the frequency spectrum shown in FIG. 13 are generated using the reflected light from the wafer structure shown in FIG.
  • a film thickness t1 obtained from the frequency spectrum shown in FIG. 13 indicates the thickness of the exposed layer 100 formed on the base layer 101 in FIG.
  • the optical information included in the reflected light may change due to the presence of the lower layer 102 below the base layer 101.
  • the thickness of the exposed layer 100 may vary depending on the location due to the presence of a step in the base layer 101.
  • the spectral waveform is deformed as shown in FIG. 17, and as a result, a plurality of peaks appear in the frequency spectrum as shown in FIG.
  • the film thickness showing the highest peak value is selected as the measurement result. According to this criterion, the film thickness t1 showing the highest peak value is selected in the example of FIG.
  • the peak value may change depending on the measurement point of the wafer.
  • a frequency spectrum as shown in FIG. 18 may be obtained at the first measurement point on the wafer, and a frequency spectrum as shown in FIG. 19 may be obtained at the second measurement point.
  • a frequency spectrum as shown in FIG. 18 may be obtained again at the third measurement point.
  • Such fluctuation of the peak value is caused by an area ratio between the region having the film thickness t1 and the region having the film thickness t2, noise, and other causes.
  • the wafer and the film thickness sensor move relative to each other, so that light is irradiated to a relatively wide area, and the peak value is likely to fluctuate.
  • the peak value may change for each measurement point, and the film thickness to be selected may change for each measurement point.
  • an object of the present invention is to provide a film thickness measuring method and a film thickness measuring apparatus capable of measuring an accurate film thickness without being affected by the substrate structure and measurement conditions. Furthermore, an object of the present invention is to provide a polishing method and a polishing apparatus using such a film thickness measuring method and film thickness measuring apparatus.
  • a substrate having a film formed on a surface is irradiated with light, and a spectral waveform indicating the relationship between the intensity of reflected light from the substrate and the wavelength is generated.
  • the spectral waveform is subjected to Fourier transform processing to determine the intensity of the frequency component and the corresponding film thickness, determine a plurality of maximum values of the intensity of the frequency component, and a plurality of values respectively corresponding to the plurality of maximum values
  • the film thickness measuring method is characterized in that one film thickness is selected from the film thicknesses according to a preset selection criterion.
  • the plurality of maximum values are determined based on a comparison with a threshold value.
  • the threshold value is a value determined from past film thickness measurement results.
  • the preset selection criterion is either to select the Nth largest film thickness or to select the Nth smallest film thickness, where N is a predetermined value. It is a specified natural number.
  • the preset selection criterion is determined in advance based on a result of measuring a film thickness of a reference substrate having the same structure as the substrate in the same process as the substrate. To do.
  • the film thickness measurement of the reference substrate is performed while water polishing the reference substrate.
  • the step of determining the selection criterion in the step of determining the selection criterion, the magnitude of the variation of a plurality of maximum values determined during the measurement of the thickness of the reference substrate is calculated, and the maximum of the variation is the smallest.
  • the method includes a step of selecting a film thickness corresponding to the value.
  • the step of determining the selection criterion is performed by comparing the plurality of maximum values each time a plurality of maximum values are determined during the film thickness measurement of the reference substrate. A step of determining a value, specifying a film thickness corresponding to the largest maximum value, and selecting the most specified film thickness.
  • a light projecting unit that irradiates light onto a substrate having a film formed on the surface, a light receiving unit that receives reflected light from the substrate, and measures the intensity of each reflected light at each wavelength.
  • a spectroscope, and a processing unit that generates a spectral waveform indicating a relationship between the intensity and wavelength of the reflected light, and the processing unit performs a Fourier transform process on the spectral waveform, and the intensity of the frequency component and the corresponding Determine a film thickness, determine a plurality of maximum values of the intensity of the frequency component, and select one film thickness from a plurality of film thicknesses respectively corresponding to the plurality of maximum values according to a preset selection criterion It is comprised so that it may carry out.
  • the processing unit determines the plurality of maximum values based on a comparison with a threshold value.
  • the preset selection criterion is either to select the Nth largest film thickness or to select the Nth smallest film thickness, where N is a predetermined value. It is a specified natural number.
  • Still another embodiment of the present invention shows the relationship between the intensity of reflected light from the substrate and the wavelength by irradiating the substrate with light while sliding the substrate having a film formed on the surface and the polishing surface.
  • Generate a spectral waveform perform Fourier transform processing on the spectral waveform, determine the intensity of the frequency component and the corresponding film thickness, determine a plurality of maximum values of the intensity of the frequency component, to the plurality of maximum values
  • a polishing method characterized in that one film thickness is selected from a plurality of corresponding film thicknesses according to a preset selection criterion.
  • the method further includes a step of terminating the polishing of the substrate when the selected film thickness reaches a preset target value.
  • a preferred aspect of the present invention further includes a step of calculating a correction target value by adding an offset value to the target value, and polishing the substrate when the selected film thickness reaches the correction target value. It is characterized by terminating.
  • the plurality of maximum values are determined based on a comparison with a threshold value.
  • the preset selection criterion is either to select the Nth largest film thickness or to select the Nth smallest film thickness, where N is a predetermined value. It is a specified natural number.
  • Still another embodiment of the present invention includes a polishing table that supports a polishing pad having a polishing surface, a polishing head that presses a substrate having a film formed on the surface against the polishing surface, and a light projecting unit that irradiates the substrate with light
  • a light receiving unit that receives the reflected light from the substrate, a spectroscope that measures the intensity of each reflected light at each wavelength, and a processing unit that generates a spectral waveform that indicates the relationship between the intensity and wavelength of the reflected light.
  • a polishing control unit that controls polishing of the substrate, and the processing unit performs Fourier transform processing on the spectral waveform to determine the intensity of the frequency component and the corresponding film thickness, and the intensity of the frequency component
  • a plurality of maximum values are determined, and one film thickness is selected from a plurality of film thicknesses respectively corresponding to the plurality of maximum values according to a preset selection criterion. It is a polishing apparatus.
  • the polishing controller terminates polishing of the substrate when the selected film thickness reaches a preset target value.
  • the polishing control unit calculates a correction target value by adding an offset value to the target value, and when the selected film thickness reaches the correction target value, Polishing is terminated.
  • the processing unit determines the plurality of maximum values based on a comparison with a threshold value.
  • the preset selection criterion is either to select the Nth largest film thickness or to select the Nth smallest film thickness, where N is a predetermined value. It is a specified natural number.
  • the film thickness is selected according to a preset selection criterion. Specifically, the Nth largest film thickness or the Nth smallest film thickness is selected. Therefore, the film thickness can be stably measured without being affected by the fluctuation of the maximum value (peak value).
  • FIG. 1 is a diagram showing a polishing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the polishing apparatus has a polishing table 3 to which a polishing pad 1 having a polishing surface 1 a is attached, a wafer W that is an example of a substrate, and the wafer W is polished on the polishing table 3.
  • a polishing liquid for example, slurry
  • the polishing table 3 is connected to a table motor 19 arranged below the table shaft 3a, and the table motor 19 rotates the polishing table 3 in the direction indicated by the arrow.
  • a polishing pad 1 is attached to the upper surface of the polishing table 3, and the upper surface of the polishing pad 1 constitutes a polishing surface 1 a for polishing the wafer W.
  • the polishing head 5 is connected to the lower end of the polishing head shaft 16. The polishing head 5 is configured to hold the wafer W on the lower surface thereof by vacuum suction.
  • the polishing head shaft 16 is moved up and down by a vertical movement mechanism (not shown).
  • the polishing of the wafer W is performed as follows.
  • the polishing head 5 and the polishing table 3 are rotated in directions indicated by arrows, respectively, and a polishing liquid (slurry) is supplied onto the polishing pad 1 from the polishing liquid supply nozzle 10.
  • the polishing head 5 presses the wafer W against the polishing surface 1 a of the polishing pad 1.
  • the surface of the wafer W is polished by the mechanical action of abrasive grains contained in the polishing liquid and the chemical action of the polishing liquid.
  • the polishing apparatus includes an optical film thickness measuring device (film thickness measuring device) 25 that measures the film thickness of the wafer W.
  • the optical film thickness measuring instrument 25 includes a film thickness measuring head 31 that acquires an optical signal that changes according to the film thickness of the wafer W, and a processing unit 32 that determines the film thickness from the optical signal.
  • the film thickness measuring head 31 is disposed inside the polishing table 3, and the processing unit 32 is connected to the polishing control unit 12.
  • the film thickness measuring head 31 rotates integrally with the polishing table 3 as indicated by symbol A, and acquires the optical signal of the wafer W held by the polishing head 5.
  • the film thickness measuring head 31 is connected to the processing unit 32, and an optical signal acquired by the film thickness measuring head 31 is sent to the processing unit 32.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a polishing apparatus provided with an optical film thickness measuring device 25.
  • the polishing head shaft 16 is connected to a polishing head motor 18 via a connecting means 17 such as a belt and is rotated. As the polishing head shaft 16 rotates, the polishing head 5 rotates in the direction indicated by the arrow.
  • the optical film thickness measuring instrument 25 includes the film thickness measuring head 31 and the processing unit 32.
  • the film thickness measuring head 31 is configured to guide light to the surface of the wafer W, receive reflected light from the wafer W, and decompose the reflected light according to the wavelength.
  • the film thickness measurement head 31 decomposes the reflected light from the wafer W according to the wavelength, the light projecting unit 42 that irradiates the surface of the wafer W with light, the optical fiber 43 that receives the reflected light returning from the wafer W, and the reflected light from the wafer W.
  • a spectroscope 44 that measures the intensity of reflected light over a predetermined wavelength range.
  • the polishing table 3 is formed with a first hole 50A and a second hole 50B that open on the upper surface thereof.
  • the polishing pad 1 has through holes 51 at positions corresponding to the holes 50A and 50B.
  • the holes 50A, 50B and the through hole 51 communicate with each other, and the through hole 51 is opened at the polishing surface 1a.
  • the first hole 50A is connected to a liquid supply source 55 via a liquid supply path 53 and a rotary joint (not shown), and the second hole 50B is connected to a liquid discharge path 54.
  • the light projecting unit 42 includes a light source 47 that emits multi-wavelength light, and an optical fiber 48 connected to the light source 47.
  • the optical fiber 48 is an optical transmission unit that guides light emitted from the light source 47 to the surface of the wafer W.
  • the tips of the optical fiber 48 and the optical fiber 43 are located in the first hole 50A and are located in the vicinity of the surface to be polished of the wafer W.
  • the tips of the optical fiber 48 and the optical fiber 43 are disposed so as to cross the surface to be polished of the wafer W held by the polishing head 5. Each time the polishing table 3 rotates, a plurality of regions of the wafer W are irradiated with light.
  • water preferably pure water
  • the liquid supply path 53 is provided with a valve (not shown) that operates in synchronization with the rotation of the polishing table 3. This valve operates to stop the flow of water or reduce the flow rate of water when the wafer W is not positioned over the through hole 51.
  • the optical fiber 48 and the optical fiber 43 are arranged in parallel with each other.
  • the tips of the optical fiber 48 and the optical fiber 43 are arranged perpendicular to the surface of the wafer W, and the optical fiber 48 irradiates light to the surface of the wafer W perpendicularly.
  • This light intensity data is an optical signal reflecting the film thickness of the wafer W, and is composed of the intensity of the reflected light and the corresponding wavelength.
  • the processing unit 32 generates a spectral waveform representing the light intensity for each wavelength from the light intensity data, performs a Fourier transform process (for example, a fast Fourier transform process) on the spectral waveform to generate a frequency spectrum, and generates a frequency spectrum from the frequency spectrum.
  • a Fourier transform process for example, a fast Fourier transform process
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the principle of the optical film thickness measuring device 25, and FIG. 4 is a plan view showing the positional relationship between the wafer W and the polishing table 3.
  • the wafer W has a lower layer film and an upper layer film formed thereon.
  • the upper layer film is a film that allows light transmission, such as a silicon layer or an insulating film.
  • the light projecting unit 42 and the light receiving unit 43 are disposed in the polishing table 3 so as to cross the surface of the wafer W.
  • the polishing table 3 makes one revolution, the light projecting unit 42 irradiates light to a plurality of measurement points including the center of the wafer W, while the optical fiber (light receiving unit) 43 reflects light from the plurality of measurement points on the wafer W. Receive.
  • the light irradiated on the wafer W is reflected at the interface between the medium (water in the example of FIG. 3) and the upper layer film, and the interface between the upper layer film and the lower layer film, and the waves of light reflected at these interfaces interfere with each other. To do.
  • the way of interference of the light wave changes according to the thickness of the upper layer film (that is, the optical path length). For this reason, the spectrum generated from the reflected light from the wafer W changes according to the thickness of the upper layer film.
  • the spectroscope 44 decomposes the reflected light according to the wavelength, and measures the intensity of the reflected light for each wavelength.
  • the processing unit 32 generates a spectral waveform from the intensity data (optical signal) of the reflected light obtained from the spectroscope 44.
  • This spectral waveform is represented as a line graph indicating the relationship between the wavelength and intensity of light, as shown in FIGS.
  • the intensity of light can also be expressed as a relative value such as the relative reflectance described above.
  • the processing unit 32 performs a Fourier transform process (for example, a fast Fourier transform process) on the obtained spectral waveform to analyze the spectral waveform. More specifically, the processing unit 32 extracts the frequency component and its intensity included in the spectral waveform, converts the obtained frequency component into a film thickness using a predetermined relational expression, and the film thickness A frequency spectrum indicating the relationship between the frequency component intensity and the intensity of the frequency component is generated.
  • the predetermined relational expression described above is a linear function representing the film thickness with the frequency component as a variable, and can be obtained from an actual measurement result of the film thickness or an optical film thickness measurement simulation.
  • FIG. 5 is a diagram showing a frequency spectrum generated by the processing unit 32.
  • the vertical axis represents the intensity of the frequency component included in the spectral waveform, and the horizontal axis represents the film thickness.
  • the intensity of the frequency component corresponds to the amplitude of the frequency component expressed as a sine wave.
  • the processing unit 32 stores a threshold value for the intensity of the frequency component in advance. This threshold is determined from past film thickness measurement results.
  • Threshold value is provided to select the maximum value of frequency component intensity. That is, the processing unit 32 compares all the maximum values appearing in the frequency spectrum with the threshold value, and determines a maximum value equal to or greater than the threshold value. A maximum value smaller than the threshold value is not used for determining the film thickness, and a maximum value equal to or greater than the threshold value is used for determining the film thickness. In the example shown in FIG. 5, since the two maximum values M1 and M2 are larger than the threshold value, the two film thicknesses t1 and t2 at which these maximum values M1 and M2 appear are used for determining the film thickness. In other words, the film thicknesses t1 and t2 are film thickness candidates. In the example shown in FIG.
  • the maximum value M3 is smaller than the threshold value. Therefore, in this example, the two film thicknesses t1 and t2 in which the maximum values M1 and M2 appear are used for determining the film thickness (that is, the film thickness candidate), but the film thickness t3 in which the maximum value M3 appears is the film thickness. Not used for decision.
  • the processing unit 32 selects one film thickness from a plurality of film thicknesses selected as film thickness candidates according to a preset selection criterion.
  • the preset selection criterion is either to select the Nth largest film thickness or to select the Nth smallest film thickness.
  • N is a predetermined natural number. For example, if the preset selection criterion is to select the first largest (that is, the largest) film thickness, the processing unit 32 may select one of the two film thicknesses t1 and t2 shown in FIGS. The film thickness t1 is selected. If the preset selection criterion is to select the second largest film thickness, the processing unit 32 selects the film thickness t2.
  • the processing unit 32 selects the film thickness t2. If the preset selection criterion is to select the second smallest film thickness, the processing unit 32 selects the film thickness t1.
  • the processing unit 32 does not select the film thickness based on the size of the local maximum value, but selects the Nth largest film thickness or the Nth smallest film thickness according to a preset selection criterion. To do. Therefore, the film thickness can be measured stably without being affected by the fluctuation of the maximum value during the film thickness measurement.
  • the wafer W and the film thickness measuring head 31 are relatively moved. Under such conditions, the intensity of the frequency component tends to fluctuate for each measurement point on the wafer. Even in such a case, since the processing unit 32 does not compare the maximum values of the intensity of the frequency components, the processing unit 32 can determine the film thickness without being affected by the fluctuation of the intensity of the frequency components.
  • the processing unit 32 outputs the film thickness selected according to the selection criterion as a film thickness measurement value. Depending on the threshold and / or measurement conditions, there may be three or more film thickness candidates. Even in such a case, it is possible to select the Nth largest or Nth smallest film thickness according to the selection criteria.
  • the light projecting unit 42 irradiates light to a plurality of measurement points P including the center of the wafer W every time the polishing table 3 makes one rotation, while the optical fiber (light receiving unit) 43 is disposed on the wafer W. Reflected light is received from a plurality of measurement points P. Therefore, each time the light projecting unit 42 and the optical fiber (light receiving unit) 43 of the film thickness measuring head 31 cross the surface of the wafer W, the processing unit 32 repeatedly executes the above-described film thickness selection at a plurality of measurement points P. .
  • the film thickness selection criteria described above are determined in advance based on the result of measuring the film thickness of a reference wafer (reference substrate) having the same structure as the wafer W to be polished in the same process as the film thickness measurement of the wafer W. . That is, the reference wafer is irradiated with light, a spectral waveform indicating the relationship between the intensity of reflected light from the reference wafer and the wavelength is generated, Fourier transform processing (for example, fast Fourier transform processing) is performed on the spectral waveform, and the frequency Determine the component intensity and the corresponding film thickness, select multiple maximum values of the frequency component intensity that are larger than the above threshold, and analyze the change of the selected multiple maximum values with the measurement time Thus, the above-mentioned selection criteria are determined.
  • the film thickness measurement of the reference wafer is preferably performed during water polishing of the reference wafer.
  • the water polishing is a process of bringing the reference wafer into sliding contact with the polishing pad 1 while supplying pure water on the polishing pad 1 instead of the polishing liquid.
  • the wafer W is pressed against the polishing pad 1 with a force smaller than that during slurry polishing of the wafer W. In the water polishing, the polishing of the reference wafer does not substantially proceed.
  • the selection criterion is determined in advance as follows using the film thickness measurement result of the reference wafer.
  • the step of determining the selection criterion calculates the magnitude of variation of the plurality of local maximum values selected (determined) during water polishing of the reference wafer, and the local maximum value with the smallest magnitude of variation, That is, the method includes a step of selecting a film thickness corresponding to the most stable maximum value.
  • the two maximum values M1 and M2 are selected. As can be seen from FIGS. 5 and 6, the maximum values M1 and M2 can be changed for each measurement point.
  • FIG. 8 is a graph showing how the two maximum values M1 and M2 fluctuate with the measurement time.
  • the vertical axis represents the intensity of the frequency component, and the horizontal axis represents the measurement time.
  • the processing unit 32 determines the film thickness t2 corresponding to the maximum value M2 having the smallest variation, and determines a selection criterion for selecting the determined film thickness t2.
  • the selection criterion in this example is to select the first smallest (that is, smallest) film thickness from among a plurality of film thickness candidates.
  • the processing unit 32 outputs the film thickness t2 to the polishing control unit 12 as a film thickness measurement value.
  • the polishing control unit 12 controls the polishing operation (for example, the polishing end operation) based on the film thickness t2 sent from the processing unit 32.
  • the film to be polished is the exposed layer 100.
  • the thickness t2 of the exposed layer 100 is a film thickness that should be monitored by the polishing control unit 12.
  • the polishing controller 12 ends the polishing of the wafer W when the thickness t2 of the exposed layer 100 reaches a preset target value.
  • a selection criterion for selecting the film thickness t1 may be determined in the step of determining the selection criterion. For example, when the magnitude of the fluctuation of the maximum value M1 during water polishing of the reference wafer is smaller than the magnitude of the fluctuation of the maximum value M2, a selection criterion for selecting the film thickness t1 is determined. In such a case, the polishing control unit 12 calculates the correction target value by adding the offset value to the preset target value, and the film thickness t1 output from the processing unit 32 has reached the correction target value. In that case, the polishing of the wafer W is finished.
  • This offset value is a numerical value set in advance based on the wafer structure, and has a positive or negative sign. This offset value is input in advance to the polishing controller 12 by the user.
  • the selection criterion is determined based on the stability of the maximum value, but the selection criterion may be determined based on the size of the maximum value. That is, in another embodiment, the step of determining the selection criterion is the largest by comparing the plurality of maximum values each time a plurality of maximum values are selected (determined) during water polishing of the reference wafer. Determining a maximum value, specifying a film thickness corresponding to the determined maximum maximum value, and selecting a film thickness most frequently (most frequently) identified during water polishing of the reference wafer.
  • FIG. 9 is a graph in which the film thicknesses identified as the film thickness corresponding to the largest maximum value are arranged along the measurement time during the water polishing of the reference wafer.
  • the vertical axis represents the film thickness
  • the horizontal axis represents the measurement time.
  • the film thickness t1 appears more on the graph than the film thickness t2. This indicates that the number of times that the film thickness t1 is specified as the film thickness corresponding to the largest maximum value is larger than the number of times that the film thickness t2 is specified as the film thickness corresponding to the largest maximum value. Yes. Therefore, in this case, the processing unit 32 determines a selection criterion for selecting the film thickness t1.
  • the selection criterion in this example is to select the first largest (that is, the largest) film thickness from a plurality of film thickness candidates.
  • a selection criterion that avoids such noise. For example, when noise tends to occur in a small film thickness region, it is preferable to determine a selection criterion for selecting the Nth largest film thickness, and when noise tends to occur in a large film thickness region, It is preferable to determine a selection criterion for selecting the Nth smallest film thickness.
  • FIG. 10 is a graph showing a film thickness corresponding to a maximum value obtained during polishing of the reference wafer, which is larger than a preset temporary threshold value.
  • Each film thickness shown in FIG. 10 is a film thickness acquired at one measurement point on the reference wafer (for example, a measurement point at the center of the reference wafer).
  • the temporary threshold value and the maximum value of the intensity of the frequency component are not shown.
  • the vertical axis represents the film thickness
  • the horizontal axis represents the film thickness measurement time.
  • This measurement time corresponds to the polishing time of the reference wafer.
  • the polishing of the reference wafer is slurry polishing using a slurry as a polishing liquid. For this reason, the film thickness gradually decreases with the measurement time.
  • the reference wafer may be polished by water.
  • a maximum value larger than the temporary threshold value is selected from all the maximum values acquired at one predetermined measurement point. For example, at time Ta, three maximum values that are larger than the temporary threshold are selected. Therefore, at the time Ta, there are three film thicknesses at one measurement point.
  • FIG. 11 is a graph showing the film thickness corresponding to the maximum value selected when the temporary threshold value is increased.
  • the temporary threshold value when the temporary threshold value is increased, the small maximum value is not selected, and the number of selected maximum values decreases. As a result, the number of film thicknesses that appear in the graph decreases. Small local maxima are often noise. Therefore, such noise can be eliminated by increasing the provisional threshold value.
  • a change in film thickness that decreases (that is, stabilizes) according to the measurement time appears in the graph.
  • the increased temporary threshold value is determined as a threshold value used for measuring the film thickness of the wafer W to be polished.
  • the group G2 is a group to which the smallest film thickness belongs. Therefore, the selection criterion in this example is the first smallest (that is, smallest) film thickness among a plurality of film thickness candidates. Is to choose. In this way, the threshold value and the film thickness selection criterion can be determined simultaneously from the film thickness measurement result of the reference wafer.
  • the above-described film thickness measurement method can be applied not only to the film thickness measurement during wafer polishing, but also to the film thickness measurement in a state where the wafer and the polishing table are stationary.
  • the present invention can be used for a film thickness measuring method and a film thickness measuring apparatus for detecting a film thickness by analyzing optical information included in reflected light from a substrate. Further, the present invention is applicable to a polishing method and a polishing apparatus using such a film thickness measuring method and film thickness measuring apparatus.

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Abstract

　本発明は、基板からの反射光に含まれる光学情報を解析することにより膜厚を検出する膜厚測定方法に関するものである。　膜厚測定方法は、基板（Ｗ）からの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、周波数成分の強度の複数の極大値（Ｍ１，Ｍ２）を決定し、極大値（Ｍ１，Ｍ２）にそれぞれ対応する膜厚（ｔ１，ｔ２）の中から、選択規準に従って１つの膜厚を選択する工程を含む。選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数である。

Description

膜厚測定方法、膜厚測定装置、研磨方法、および研磨装置
　本発明は、膜が表面に形成されている基板（例えばウェハ）の膜厚測定方法および膜厚測定装置に関し、特に基板からの反射光に含まれる光学情報を解析することにより膜厚を検出する膜厚測定方法および膜厚測定装置に関する。また、本発明は、そのような膜厚測定方法および膜厚測定装置を利用した研磨方法および研磨装置に関する。
　半導体デバイスの製造プロセスには、ＳｉＯ２などの絶縁膜を研磨する工程や、銅、タングステンなどの金属膜を研磨する工程などの様々な工程が含まれる。裏面照射型ＣＭＯＳセンサおよびシリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造工程では、絶縁膜や金属膜の研磨工程の他にも、シリコン層（シリコンウェハ）を研磨する工程が含まれる。
　ウェハの研磨は、その表面を構成する膜（絶縁膜、金属膜、シリコン層など）の厚さが所定の目標値に達したときに終了される。したがって、ウェハの研磨中は、膜厚が測定される。膜厚測定方法の例として、特許文献１，２に開示されている光学的膜厚測定方法がある。この方法によれば、ウェハの研磨中に膜厚センサから光がウェハに照射され、ウェハからの反射光の強度と周波数との関係を示す分光波形が取得され、分光波形にフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルが取得され、得られた周波数スペクトルのピークから膜厚が決定される。
　図１２は、分光波形の一例を示すグラフである。図１２において、縦軸はウェハからの反射光の強度を示す相対反射率を表し、横軸は反射光の周波数を表す。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標値であり、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、膜厚センサから発せられた光の強度を直接測定するか、または膜厚センサから鏡に光を照射し、鏡からの反射光の強度を測定することによって得られる。あるいは、基準強度は、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してもよい。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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　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）は光を遮断した条件下で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。
　図１３は、図１２に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。図１３において、縦軸は分光波形に含まれる周波数成分の強度を表し、横軸は膜厚を表す。周波数成分の強度は、正弦波として表される周波数成分の振幅に相当する。分光波形に含まれる周波数成分は、所定の関係式を用いて膜厚に変換され、図１３に示すような膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルが生成される。上述した所定の関係式は、周波数成分を変数とした、膜厚を表す一次関数であり、膜厚の実測結果または光学的膜厚測定シミュレーションなどから求めることができる。
　図１３に示すグラフにおいて、厚さｔ１のときに、周波数成分の強度が最も大きくなる。つまり、この周波数スペクトルは、膜の厚さがｔ１であることを示している。このようにして、周波数スペクトルのピークから、膜の厚さが決定される。
特開２０１３－１１０３９０号公報 特開２０１４－２１６４５７号公報
　図１２に示す分光波形および図１３に示す周波数スペクトルは、図１４に示すウェハ構造からの反射光を使用して生成される。図１３に示す周波数スペクトルから得られた膜厚ｔ１は、図１４の下地層１０１上に形成された露出層１００の厚さを示している。しかしながら、図１５に示すように、下地層１０１の下にさらに下層１０２が存在することに起因して、反射光に含まれる光学情報が変わることがある。別の例では、図１６に示すように、下地層１０１に段差が存在することに起因して、露出層１００の厚さが場所によって異なることがある。これらの場合、図１７に示すように、分光波形が変形し、結果として、図１８に示すように複数のピークが周波数スペクトルに現れる。通常、周波数成分の強度の低いもの、すなわちピークの低いものはノイズである場合が多い。そこで、複数のピーク値が発生した場合、最も高いピーク値を示す膜厚が測定結果として選択される。この規準に従えば、図１８の例では、最も高いピーク値を示す膜厚ｔ１が選択される。
　しかしながら、ピーク値（極大値）は、ウェハの測定点によって変化することがある。例えば、ウェハ上の第１の測定点では図１８に示すような周波数スペクトルが得られ、第２の測定点では図１９に示すような周波数スペクトルが得られることがある。さらに、第３の測定点では、再び図１８に示すような周波数スペクトルが得られることがある。
　このようなピーク値（極大値）の変動は、膜厚ｔ１を有する領域と膜厚ｔ２を有する領域との面積比、ノイズ、その他の原因に起因する。特に、ウェハを研磨しながら膜厚を測定する場合には、ウェハおよび膜厚センサが相対移動するために、比較的広い領域に光が照射され、ピーク値が変動しやすい。このように、ウェハ構造および測定条件によっては、測定点ごとにピーク値が変化し、選択すべき膜厚が測定点ごとに変わることがある。
　そこで、本発明は、基板構造および測定条件に影響されずに、正確な膜厚を測定することができる膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような膜厚測定方法および膜厚測定装置を利用した研磨方法および研磨装置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に光を照射し、前記基板からの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする膜厚測定方法である。
　本発明の好ましい態様は、前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記しきい値は、過去の膜厚測定結果から決定された値であることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、前記基板と同一構造を有する参照基板の膜厚を、前記基板と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定されることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記参照基板の膜厚測定は、前記参照基板を水研磨しながら実行されることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記選択規準を決定する工程は、前記参照基板の膜厚測定中に決定された複数の極大値の変動の大きさを計算し、前記変動の大きさが最も小さい極大値に対応する膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記選択規準を決定する工程は、前記参照基板の膜厚測定中において複数の極大値が決定されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、前記最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、最も多く特定された膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする。
　本発明の他の態様は、表面に膜が形成された基板に光を照射する投光部と、前記基板からの反射光を受ける受光部と、前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする膜厚測定装置である。
　本発明の好ましい態様は、前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
　本発明のさらに他の態様は、表面に膜が形成された基板と研磨面とを摺接させながら、前記基板に光を照射し、前記基板からの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする研磨方法である。
　本発明の好ましい態様は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了する工程をさらに含むことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出する工程をさらに含み、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了することを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
　本発明のさらに他の態様は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、表面に膜が形成された基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、前記基板に光を照射する投光部と、前記基板からの反射光を受ける受光部と、前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部と、前記基板の研磨を制御する研磨制御部とを備え、前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする研磨装置である。
　本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
　周波数スペクトルのピークの大きさに基づいて膜厚を選択する従来の方法とは異なり、予め設定された選択規準に従って膜厚が選択される。具体的には、Ｎ番目に大きい膜厚、またはＮ番目に小さい膜厚が選択される。したがって、極大値（ピーク値）の変動に影響されず、安定した膜厚測定が可能となる。
一実施形態に係る研磨装置を示す図である。 一実施形態に係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周波数スペクトルを示す図である。 処理部によって生成された周波数スペクトルの他の例を示す図である。 ウェハ上の複数の測定点を示す図である。 ２つの極大値が測定時間とともに変動する様子を示すグラフである。 参照ウェハの水研磨中において、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された膜厚を測定時間に沿って並べたグラフである。 参照ウェハの研磨中に取得された、予め設定された仮のしきい値よりも大きい極大値に対応する膜厚を示すグラフである。 仮のしきい値を大きくしたときに選別された極大値に対応する膜厚を示すグラフである。 分光波形の一例を示すグラフである。 図１２に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。 ウェハ構造の一例を示す断面図である。 ウェハ構造の他の例を示す断面図である。 ウェハ構造のさらに他の例を示す断面図である。 分光波形の他の例を示すグラフである。 複数のピークを持つ周波数スペクトルを示すグラフである。 複数のピークを持つ周波数スペクトルの他の例を示すグラフである。
　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。
　研磨装置は、ウェハＷの膜厚を測定する光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）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測定ヘッド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。膜厚測定ヘッド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。膜厚測定ヘッド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。膜厚測定ヘッド３１は処理部３２に接続されており、膜厚測定ヘッド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２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、膜厚測定ヘッド３１と処理部３２とを備える。膜厚測定ヘッド３１は、ウェハＷの表面に光を導き、ウェハＷからの反射光を受け、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。膜厚測定ヘッド３１は、光をウェハＷの表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け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の被研磨面を横切るように配置される。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。
　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分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行って周波数スペクトルを生成し、周波数スペクトルからウェハＷの膜厚を決定する。
　図３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４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３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などの、光の透過を許容する膜である。投光部４２および受光部４３は、ウェハＷの表面を横切るように研磨テーブル３内に配置されている。研磨テーブル３が１回転するたびに、投光部４２はウェハＷの中心を含む複数の測定点に光を照射しながら、光ファイバー（受光部）４３はウェハＷの複数の測定点からの反射光を受ける。
　ウェハＷに照射された光は、媒質（図３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）から分光波形を生成する。この分光波形は、図１２および図１７に示すように、光の波長と強度との関係を示す線グラフとして表される。光の強度は、上述した相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
　処理部３２は、得られた分光波形に対してフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行って分光波形を解析する。より具体的には、処理部３２は、分光波形に含まれる周波数成分とその強度を抽出し、得られた周波数成分を所定の関係式を用いて膜の厚さに変換し、そして、膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルを生成する。上述した所定の関係式は、周波数成分を変数とした、膜厚を表す一次関数であり、膜厚の実測結果または光学的膜厚測定シミュレーションなどから求めることができる。
　図５は、処理部３２によって生成された周波数スペクトルを示す図である。図５において、縦軸は、分光波形に含まれる周波数成分の強度を表し、横軸は、膜厚を表している。周波数成分の強度は、正弦波として表される周波数成分の振幅に相当する。処理部３２には、周波数成分の強度についてのしきい値が予め記憶されている。このしきい値は、過去の膜厚測定結果から決定される。
　しきい値は、周波数成分の強度の極大値を選別するために設けられる。すなわち、処理部３２は、周波数スペクトルに現れた全ての極大値をしきい値と比較し、しきい値以上の極大値を決定する。そして、しきい値よりも小さい極大値は膜厚決定には使用されず、しきい値以上の極大値が膜厚決定に使用される。図５に示す例では、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２はしきい値よりも大きいので、これらの極大値Ｍ１，Ｍ２が現れる２つの膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚決定に使用される。言い換えれば、膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚候補である。図６に示す例では、３つの極大値Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が存在する。しかしながら、極大値Ｍ３はしきい値よりも小さい。したがって、この例では、極大値Ｍ１，Ｍ２が現れる２つの膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚決定に使用される（すなわち膜厚候補である）が、極大値Ｍ３が現れる膜厚ｔ３は膜厚決定には使用されない。
　処理部３２は、膜厚候補として選別された複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択する。予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかである。Ｎは予め定められた自然数である。例えば、予め設定された選択規準が、１番目に大きい（すなわち最も大きい）膜厚を選択することであれば、処理部３２は、図５，図６に示す２つの膜厚ｔ１，ｔ２のうち、膜厚ｔ１を選択する。予め設定された選択規準が、２番目に大きい膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ２を選択する。予め設定された選択規準が、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ２を選択する。予め設定された選択規準が、２番目に小さい膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ１を選択する。
　このように、処理部３２は、極大値の大きさに基づいて膜厚を選択するのではなく、予め設定された選択規準に従って、Ｎ番目に大きい膜厚、またはＮ番目に小さい膜厚を選択する。したがって、膜厚測定中での極大値の変動に影響されず、安定した膜厚測定が可能となる。特に、ウェハＷの研磨中に膜厚測定する場合には、ウェハＷと膜厚測定ヘッド３１（および研磨テーブル３）が相対移動している。このような条件下では、ウェハ上の測定点ごとに周波数成分の強度が変動しやすい。このような場合であっても、処理部３２は、周波数成分の強度の極大値同士を比較しないので、周波数成分の強度の変動に影響されずに膜厚を決定することができる。
　処理部３２は、選択規準に従って選択した膜厚を膜厚測定値として出力する。しきい値および／または測定条件によっては、３つ以上の膜厚候補が存在する場合もある。このような場合であっても、選択規準に従って、Ｎ番目に大きい、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することが可能である。
　図７に示すように、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測定点Ｐに光を照射しながら、光ファイバー（受光部）４３はウェハＷの複数の測定点Ｐから反射光を受ける。したがって、膜厚測定ヘッド３１の投光部４２および光ファイバー（受光部）４３がウェハＷの表面を横切るたびに、処理部３２は、複数の測定点Ｐで上述した膜厚の選択を繰り返し実行する。
　上述した膜厚の選択規準は、研磨すべきウェハＷと同一構造を有する参照ウェハ（参照基板）の膜厚を、ウェハＷの膜厚測定と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定される。すなわち、参照ウェハに光を照射し、参照ウェハからの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、周波数成分の強度の、上記しきい値よりも大きい複数の極大値を選別し、選別された複数の極大値の測定時間に伴う変化を分析することによって、上述した選択規準が決定される。
　参照ウェハの膜厚測定は、参照ウェハの水研磨中に実行されることが好ましい。水研磨とは、研磨液に代えて純水を研磨パッド１上に供給しながら、参照ウェハを研磨パッド１に摺接させる工程である。水研磨中は、ウェハＷのスラリー研磨時よりも小さい力で研磨パッド１に押される。水研磨では、参照ウェハの研磨は実質的に進行しない。
　選択規準は、参照ウェハの膜厚測定結果を用いて、次のようにして予め決定される。一実施形態では、選択規準を決定する工程は、参照ウェハの水研磨中において、選別（決定）された複数の極大値の変動の大きさを計算し、変動の大きさが最も小さい極大値、すなわち最も安定した極大値に対応する膜厚を選択する工程を含む。図５，図６に示す例では、参照ウェハ上の各測定点（図７の符号Ｐ参照）で膜厚測定が行われるたびに、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２が選別される。図５，図６から分かるように、極大値Ｍ１，Ｍ２は、測定点ごとに変わりうる。
　図８は、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２が測定時間とともに変動する様子を示すグラフである。縦軸は周波数成分の強度を表し、横軸は測定時間を表す。図８から分かるように、水研磨中における極大値Ｍ２の変動の大きさは、極大値Ｍ１の変動の大きさよりも小さい。したがって、この場合は、処理部３２は、変動の大きさが最も小さい極大値Ｍ２に対応する膜厚ｔ２を決定し、この決定された膜厚ｔ２を選択するための選択規準を決定する。この例での選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することである。
　図８に示す例では、選択規準に従い、より安定している膜厚ｔ２が選択される。したがって、処理部３２は、膜厚測定値として膜厚ｔ２を研磨制御部１２に出力する。研磨制御部１２は、処理部３２から送られた膜厚ｔ２に基づいて研磨動作（例えば、研磨終了動作）を制御する。図１６に示すウェハ構造を研磨する場合において、研磨される膜は露出層１００である。下地層１０１が表面に現れたときに露出層１００の研磨を終了するためには、露出層１００の厚さｔ２を監視する必要がある。したがって、露出層１００の厚さｔ２は、研磨制御部１２が監視すべき膜厚である。研磨制御部１２は、露出層１００の厚さｔ２が予め設定された目標値に達した場合には、ウェハＷの研磨を終了する。
　しかしながら、選択規準を決定する工程において、膜厚ｔ１を選択するための選択規準が決定されることがある。例えば、参照ウェハの水研磨中における極大値Ｍ１の変動の大きさが極大値Ｍ２の変動の大きさよりも小さい場合には、膜厚ｔ１を選択するための選択規準が決定される。このような場合には、研磨制御部１２は、予め設定された目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、処理部３２から出力された膜厚ｔ１が補正目標値に達した場合には、ウェハＷの研磨を終了する。このオフセット値は、ウェハ構造に基づいて予め設定された数値であり、正または負の符号を持つ。このオフセット値は、ユーザーによって研磨制御部１２に予め入力される。
　上述した実施形態では、極大値の安定性に基づいて選択規準が定められるが、極大値の大きさに基づいて選択規準が定められてもよい。すなわち、他の実施形態では、選択規準を決定する工程は、参照ウェハの水研磨中において複数の極大値が選別（決定）されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、この決定された最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、参照ウェハの水研磨中において最も多く（最も頻繁に）特定された膜厚を選択する工程を含む。
　図９は、参照ウェハの水研磨中において、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された膜厚を測定時間に沿って並べたグラフである。縦軸は膜厚を表し、横軸は測定時間を表す。図９から分かるように、膜厚ｔ１は膜厚ｔ２よりも多くグラフ上に現れている。これは、膜厚ｔ１が、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された回数は、膜厚ｔ２が、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された回数よりも多いことを示している。したがって、この場合は、処理部３２は、膜厚ｔ１を選択するための選択規準を決定する。この例での選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に大きい（すなわち最も大きい）膜厚を選択することである。
　周波数スペクトルのある特定の膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、このようなノイズを回避するような選択規準を決定することが望ましい。例えば、小さい膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択する選択規準を決定することが好ましく、大きい膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、Ｎ番目に小さい膜厚を選択する選択規準を決定することが好ましい。
　次に、研磨すべきウェハＷと同一構造を有する参照ウェハ（参照基板）の膜厚を測定した結果に基づいて、周波数成分の強度の極大値を選別するためのしきい値と、膜厚の選択規準を同時に決定する実施形態について説明する。図１０は、参照ウェハの研磨中に取得された、予め設定された仮のしきい値よりも大きい極大値に対応する膜厚を示すグラフである。図１０に示す各膜厚は、参照ウェハ上の１つの測定点（例えば、参照ウェハの中心にある測定点）で取得された膜厚である。なお、図１０では、仮のしきい値および周波数成分の強度の極大値は図示されていない。
　図１０において、縦軸は膜厚を表し、横軸は膜厚の測定時間を表す。この測定時間は、参照ウェハの研磨時間に相当する。図１０に示す例では、参照ウェハの研磨は、研磨液としてスラリーを用いたスラリー研磨である。このため、測定時間とともに膜厚が少しずつ小さくなっている。なお、参照ウェハを水研磨してもよい。
　研磨テーブル３が一回転するたびに、予め定められた１つの測定点で取得された全ての極大値のうち、仮のしきい値よりも大きい極大値が選別される。例えば、時間Ｔａでは、仮のしきい値よりも大きい３つの極大値が選別される。したがって、時間Ｔａでは、１つの測定点に３つの膜厚が存在する。
　次に、仮のしきい値を少しずつ大きくする。図１１は、仮のしきい値を大きくしたときに選別された極大値に対応する膜厚を示すグラフである。図１０と図１１との対比から分かるように、仮のしきい値を大きくすると、小さな極大値は選別されず、選別された極大値の数が減少する。結果として、グラフに現れる膜厚の数は減少する。小さな極大値は、ノイズであることが多い。したがって、仮のしきい値を大きくすることで、そのようなノイズを排除することができる。結果として、図１１に示すように、測定時間に従って減少する（すなわち安定した）膜厚変化がグラフに現れる。大きくした仮のしきい値は、研磨すべきウェハＷの膜厚測定に使用されるしきい値に決定される。
　図１１では、膜厚の２つのグループＧ１，Ｇ２が現れている。グループＧ２に属する膜厚の数は、グループＧ１に属する膜厚の数よりも大きい。これは、グループＧ２に属する膜厚の変化は、グループＧ１に属する膜厚の変化よりも、参照ウェハの膜厚の変化をより正確に反映していることを意味している。グループＧ１，Ｇ２の中では、グループＧ２は最も小さな膜厚が属するグループであるので、この例の選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することである。このように、参照ウェハの膜厚測定結果から、しきい値および膜厚の選択規準を同時に決定することができる。
　上述した膜厚測定方法は、ウェハ研磨中での膜厚測定に適用できることはもちろんのこと、ウェハおよび研磨テーブルが静止した状態での膜厚測定にも適用することができる。
　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、基板からの反射光に含まれる光学情報を解析することにより膜厚を検出する膜厚測定方法および膜厚測定装置に利用可能である。また、本発明は、そのような膜厚測定方法および膜厚測定装置を利用した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
　３　　研磨テーブル
　５　　研磨ヘッド
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
２５　　光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）
３１　　膜厚測定ヘッド
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

Claims (21)

  1. 　表面に膜が形成された基板に光を照射し、
    　前記基板からの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、
    　前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    　前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    　前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする膜厚測定方法。
  2. 　前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
  3. 　前記しきい値は、過去の膜厚測定結果から決定された値であることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定方法。
  4. 　前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
  5. 　前記予め設定された選択規準は、前記基板と同一構造を有する参照基板の膜厚を、前記基板と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定されることを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  6. 　前記参照基板の膜厚測定は、前記参照基板を水研磨しながら実行されることを特徴とする請求項５に記載の膜厚測定方法。
  7. 　前記選択規準を決定する工程は、
    　　前記参照基板の膜厚測定中に決定された複数の極大値の変動の大きさを計算し、
    　　前記変動の大きさが最も小さい極大値に対応する膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  8. 　前記選択規準を決定する工程は、
    　　前記参照基板の膜厚測定中において複数の極大値が決定されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、
    　　前記最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、
    　　最も多く特定された膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  9. 　表面に膜が形成された基板に光を照射する投光部と、
    　前記基板からの反射光を受ける受光部と、
    　前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、
    　前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、
    　前記処理部は、
    　　前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    　　前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    　　前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする膜厚測定装置。
  10. 　前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする請求項９に記載の膜厚測定装置。
  11. 　前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項９または１０に記載の膜厚測定装置。
  12. 　表面に膜が形成された基板と研磨面とを摺接させながら、前記基板に光を照射し、
    　前記基板からの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、
    　前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    　前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    　前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする研磨方法。
  13. 　前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
  14. 　前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出する工程をさらに含み、
    　前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了することを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
  15. 　前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
  16. 　前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の研磨方法。
  17. 　研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
    　表面に膜が形成された基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
    　前記基板に光を照射する投光部と、
    　前記基板からの反射光を受ける受光部と、
    　前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、
    　前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部と、
    　前記基板の研磨を制御する研磨制御部とを備え、
    　前記処理部は、
    　　前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    　　前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    　　前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする研磨装置。
  18. 　前記研磨制御部は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
  19. 　前記研磨制御部は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする請求項１８に記載の研磨装置。
  20. 　前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
  21. 　前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の研磨装置。
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