(57)【要約】【課題】除去すべき膜の量（厚さ）が小さい場合であっても、研磨の進捗を監視することができ、かつ膜の下地層の凹凸の影響を受けない研磨進捗監視方法および研磨装置を提供する。【解決手段】本発明は、膜を有する基板Ｗの研磨の進捗を監視する方法である。この方法は、基板Ｗの表面を研磨パッド２２で研磨し、研磨中に、基板Ｗの表面に光を照射し、かつ基板Ｗから戻る反射光を受光し、反射光の波長ごとの反射強度を測定し、異なる波長での反射強度から複数の特性値を取得し、複数の特性値を研磨中に監視し、複数の特性値のそれぞれの時間変化の極大点または極小点を検出する。【選択図】図４
2010093147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜を有する基板の研磨の進捗を監視する方法であって、
前記基板の表面を研磨パッドで研磨し、
前記研磨中に、前記基板の表面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、
前記反射光の波長ごとの反射強度を測定し、
異なる波長での反射強度から複数の特性値を取得し、
前記複数の特性値を前記研磨中に監視し、
前記複数の特性値のそれぞれの時間変化の極大点または極小点を検出することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記異なる波長を順次切り替えながら、前記複数の特性値を前記研磨中に監視することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率にノイズを低減させるための処理を施して得られた指数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記極大点または極小点が検出されたときの前記膜の除去量を算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
算出された前記膜の除去量と目標除去量とから、研磨終点時間を算出することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記膜は、銅膜およびその下層のバリア膜を除去した後の、絶縁部材と銅配線部材とを含む膜であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
膜を有する基板を研磨する装置であって、
前記基板の表面と研磨パッドとを摺接させて前記基板を研磨する相対運動機構と、
研磨中に、前記基板の表面に光を照射する投光部と、
前記基板から戻る反射光を受光する受光部と、
前記反射光の波長ごとの反射強度を測定する分光器と、
前記分光器により測定された反射強度に基づき、前記基板の研磨の進捗を監視する監視装置とを備え、
前記監視装置は、
異なる波長での反射強度から複数の特性値を取得し、
前記複数の特性値を研磨中に監視し、
前記複数の特性値のそれぞれの時間変化の極大点または極小点を検出することを特徴とする装置。
【請求項９】
前記監視装置は、前記異なる波長を順次切り替えながら、前記複数の特性値を研磨中に監視することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率にノイズを低減させるための処理を施して得られた指数であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記監視装置は、前記極大点または極小点が検出されたときの前記膜の除去量を算出することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記監視装置は、算出された前記膜の除去量と目標除去量とから、研磨終点時間を算出することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記投光部は、光を発する光源と、該光源の光から短波長を除去する短波長カットフィルタとを有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記投光部および前記受光部の先端と前記基板の表面との間には空間が形成されており、該空間には液体を供給する液体供給路が接続されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
前記研磨パッドには透明窓が形成されており、前記投光部は前記透明窓を介して前記基板の表面に光を照射し、前記受光部は前記透明窓を介して前記基板からの反射光を受光することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨進捗監視方法および研磨装置に係り、特に透明絶縁膜の厚みの変化を該膜の研磨中に監視する研磨進捗監視方法および研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程では、ウェハ上に種々の材料が膜状に繰り返し形成され、積層構造を形成する。この積層構造を形成するためには、最上層の表面を平坦にする技術が重要となっている。このような平坦化の一手段として、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う研磨装置が用いられている。
【０００３】
この種の研磨装置は、一般に、研磨パッドを保持する研磨テーブルと、ウェハを保持するトップリングと、研磨液を研磨パッド上に供給するノズルとを備えている。ノズルから研磨液を研磨パッド上に供給しながら、トップリングによりウェハを研磨パッドに押し付け、さらにトップリングと研磨テーブルとを相対移動させることにより、ウェハを研磨してウェハ上の膜を平坦にする。研磨装置は、通常、研磨終点検知装置を備えている。この研磨終点検知装置は、膜が所定の厚さにまで除去されたときに研磨終点に達したと判断する。
【０００４】
研磨終点検知装置の一つの例として、ウェハの表面に光を照射し、反射してくる光に含まれる情報に基づいて研磨終点を判断する、いわゆる光学式研磨終点検知装置が挙げられる。この光学式研磨終点検知装置は、光透過性のある膜が形成されたウェハを研磨する場合にしばしば用いられている。例えば、特許文献１に示す方法では、ウェハから戻ってくる反射光の強度（反射強度）にノイズ成分を除去するための所定の処理が施されて特性値が生成され、この特性値の時間的変化の特徴点（極大点または極小点）から研磨終点が検知される。
【０００５】
反射強度から生成される特性値は、図１に示すように、周期的に変化し、極大点と極小点が交互に現われる。これは、光同士の干渉による現象である。つまり、ウェハに照射された光は、媒質と膜との界面と、膜とこの膜の下地層との界面で反射し、これらの界面で反射した光が互いに干渉する。この光の干渉の仕方は、膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハから戻ってくる反射光の強度（すなわち反射強度）は、膜の厚さに従って周期的に変化する。
【０００６】
上述した光学式研磨終点検出装置は、図１に示すように、研磨開始後に現われる特性値の変化の特徴点（極大点または極小点）の数をカウントし、特徴点の数が所定の数に達した時点を検知する。そして、この検知された時点から所定時間経過した時点で、研磨が停止される。しかしながら、この研磨終点検知方法では、除去すべき膜厚（除去量）が小さい場合には、波長を適当に選択したとしても、研磨中に１または２つの特徴点しか現われず、研磨の進捗の様子を把握することが難しいという問題があった。
【０００７】
ここで、より短い波長の光を用いれば、より多くの特徴点が現われることが予想される。しかしながら、短い波長の光を基板に当てると、フォトコロージョンと呼ばれる問題が生じやすい。このフォトコロージョンは、光照射に起因して銅などの配線金属が腐食するという現象である。また、紫外領域の短波長の光を用いると、光伝達系に一般のガラス材料が使えず、石英が必要となり、さらに専用の光源や分光器が必要になって、高価になるという問題があった。
【０００８】
さらに、図２に示すように、下地層は、通常凹凸のある表面を有しているため、この凹凸の寸法のばらつきに起因して、特性値の極大点および極小点が現われるタイミングがウェハごとに異なるという問題がある。例えば、図３に示すように、初期膜厚が４００ｎｍおよび７５０ｎｍであるときの特性値の極大点が現われる時点と、初期膜厚が４００ｎｍおよび７８５ｎｍであるときの特性値の極大点が現われる時点とでは、除去レートが等しいとしてもずれがある。このため、研磨後の膜厚がウェハごとに異なり、製品の歩留まりが低下するという問題があった。
【０００９】
特に、銅膜およびバリア膜を除去した後の銅配線部材と絶縁部材とからなる層を除去する研磨プロセスでは、研磨終点を正確に検出することが要求される。このプロセスは、配線部材を構成する銅膜及びその下層のタンタル、タンタルナイトライドなどのバリア膜を研磨し除去した後に、銅配線部材と絶縁部材とから構成される膜を研磨して配線高（したがって抵抗値）を調節するプロセスである。このプロセスにおいては、研磨終点の検知が正確に行われないと、配線の抵抗値が大きく変わってしまう。このため、このプロセスにおいては、初期膜厚のばらつきによる極大点および極小点のタイミングのずれは要求精度的にも許容されない。さらに、配線へのフォトコロージョンの影響も避けなければならない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１５４９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、除去すべき膜の量（厚さ）が小さい場合であっても、研磨の進捗を監視することができ、かつ膜の下地層の凹凸の影響を受けない研磨進捗監視方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、膜を有する基板の研磨の進捗を監視する方法であって、前記基板の表面を研磨パッドで研磨し、前記研磨中に、前記基板の表面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、前記反射光の波長ごとの反射強度を測定し、異なる波長での反射強度から複数の特性値を取得し、前記複数の特性値を前記研磨中に監視し、前記複数の特性値のそれぞれの時間変化の極大点または極小点を検出することを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記異なる波長を順次切り替えながら、前記複数の特性値を前記研磨中に監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率にノイズを低減させるための処理を施して得られた指数であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記極大点または極小点が検出されたときの前記膜の除去量を算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、算出された前記膜の除去量と目標除去量とから、研磨終点時間を算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記膜は、銅膜およびその下層のバリア膜を除去した後の、絶縁部材と銅配線部材とを含む膜であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様は、膜を有する基板を研磨する装置であって、前記基板の表面と研磨パッドとを摺接させて前記基板を研磨する相対運動機構と、研磨中に、前記基板の表面に光を照射する投光部と、前記基板から戻る反射光を受光する受光部と、前記反射光の波長ごとの反射強度を測定する分光器と、前記分光器により測定された反射強度に基づき、前記基板の研磨の進捗を監視する監視装置とを備え、前記監視装置は、異なる波長での反射強度から複数の特性値を取得し、前記複数の特性値を研磨中に監視し、前記複数の特性値のそれぞれの時間変化の極大点または極小点を検出することを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様は、前記監視装置は、前記異なる波長を順次切り替えながら、前記複数の特性値を研磨中に監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の特性値は、前記異なる波長での前記反射光の反射強度または相対反射率にノイズを低減させるための処理を施して得られた指数であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記監視装置は、前記極大点または極小点が検出されたときの前記膜の除去量を算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記監視装置は、算出された前記膜の除去量と目標除去量とから、研磨終点時間を算出することを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記投光部は、光を発する光源と、該光源の光から短波長を除去する短波長カットフィルタとを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記投光部および前記受光部の先端と前記基板の表面との間には空間が形成されており、該空間には液体を供給する液体供給路が接続されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨パッドには透明窓が形成されており、前記投光部は前記透明窓を介して前記基板の表面に光を照射し、前記受光部は前記透明窓を介して前記基板からの反射光を受光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、研磨開始から研磨終点までに現われる極大点または極小点は、研磨の進捗の監視点となる。したがって、これらの極大点または極小点を検知することにより、研磨の進捗を監視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の原理について説明する。図４は、本発明に係る研磨進捗監視方法の原理を説明するための模式図である。図４に示すように、研磨対象となる基板Ｗは、下地層（例えば、シリコン層）と、その上に形成された膜（例えば、光透過性を有するＳｉＯ２などの絶縁膜）を有している。投光部１１および受光部１２は、基板Ｗの表面に対向して配置される。投光部１１は、基板Ｗの表面に対してほぼ垂直に光を照射し、受光部１２は基板Ｗから戻ってくる光を受光する。この受光部１２には分光器１３が接続されている。この分光器１３は、受光部１２によって受光された反射光の強さ（すなわち反射強度）を波長ごとに測定する。より具体的には、分光器１３は、反射光を波長に従って分解し、図５に示すような、波長ごとの光の強さ（反射強度）を表すスペクトルデータを生成する。図５に示すグラフにおいて、横軸は光の波長を表し、縦軸は反射強度から算出された後述の相対反射率を表す。
【００１９】
分光器１３には、研磨の進捗を監視する監視装置１５が接続されている。この監視装置１５としては、汎用または専用のコンピュータを使用することができる。監視装置１５は、研磨中に、スペクトルデータから得られる所定の波長における光の強さを監視し、光の強さの変化から研磨の進捗を監視する。この光の強さは、反射強度または相対反射率として表すことができる。反射強度とは、基板Ｗから戻ってくる反射光の強度であり、相対反射率とは、ある所定の光の強度（基準値）と反射光の強度との比である。例えば、相対反射率は、研磨対象基板研磨中の各波長での反射強度、及びシリコン基板水研磨時の各波長での反射強度のそれぞれから、反射対象物がない状態で測定された背景強度を減算し、得られた２つの反射強度のうち前者を後者で除算することで求められる。さらに、反射強度または相対反射率にノイズ成分を低減させるための処理を施して得られた指数を生成することもできる。この指数は、反射強度または相対反射率からノイズ成分を低減させた値ということができる。この指数の算出方法については後述する。本明細書では、これら反射強度、相対反射率、および上記指数を、総称して特性値と呼ぶことにする。この特性値は、膜厚の変化に応じて周期的に変動する値である。
【００２０】
図４において、膜の屈折率をｎ、膜に接触している媒質の屈折率をｎ’、下地層の屈折率をｎ”とする。膜の屈折率ｎが媒質の屈折率ｎ’よりも大きく、下地層の屈折率ｎ”が膜の屈折率ｎよりも大きい場合（ｎ’＜ｎ＜ｎ”）は、媒質と膜との界面および膜と下地層との界面で反射する光の位相は、入射光に対してπだけずれる。基板から戻る反射光は、媒質と膜との界面で反射した光と、膜と下地層との界面で反射した光とが干渉した光であるので、反射光の強さは、２つの光の位相差によって変化する。したがって、膜の厚さ（すなわち光路長の変化）に応じて、上述した特性値は周期的に変化する（図１参照）。
【００２１】
膜の厚さ、すなわち研磨時間に従って変化する特性値の極大点および極小点（すなわち特徴点）は、特性値の極大値および極小値を示す点として定義される。この極大点および極小点は、媒質と膜との界面で反射した光と、膜と下地層との界面で反射した光とが互いに強め合う点および弱め合う点である。したがって、極大点が現われるときの膜の厚さ、および極小点が現われるときの膜の厚さは、次の式（１）で表される。
極大点：２ｎｘ＝ｍλ、  極小点：２ｎｘ＝（ｍ−１／２）λ・・・（１）
ここで、ｘは膜の厚さ、λは光の波長、ｍは自然数である。
【００２２】
ここで、膜の屈折率ｎ＝１．４６（ＳｉＯ２の屈折率に相当）とし、分光器１３が計測可能な波長λの範囲を４００ｎｍ〜８００ｎｍ（すなわち、４００ｎｍ≦λ≦８００ｎｍ）とすると、極大点および極小点が現われる膜の厚さｘの範囲は、次のように表される。
ｍ＝１の場合、
極大点：１３７ｎｍ≦ｘ≦２７４ｎｍ
極小点：  ６８ｎｍ≦ｘ≦１３７ｎｍ
ｍ＝２の場合、
極大点：２７４ｎｍ≦ｘ≦５４８ｎｍ
極小点：２０５ｎｍ≦ｘ≦４１１ｎｍ
ｍ＝３の場合、
極大点：４１１ｎｍ≦ｘ≦８２２ｎｍ
極小点：３４２ｎｍ≦ｘ≦６８５ｎｍ
【００２３】
以上の関係式から、膜の厚さが６８ｎｍよりも大きいときに、極大点または極小点が必ず現われることが分かる。したがって、初期膜厚と、除去すべき膜の厚さ（すなわち目標除去量）に基づき、極大点または極小点が研磨中に少なくとも１回現われるような光の波長が選択される。極大点および極小点それぞれが現われる周期Ｔは式Ｔ＝λ／２ｎにより表され、膜の厚さｘに依存しない値である。例えば、ｎ＝１．４６で、４００ｎｍ≦λ≦８００ｎｍのとき、周期Ｔは１３７ｎｍ≦Ｔ≦２７４ｎｍとなる。このように、本明細書では、周期Ｔ（＝λ／２ｎ）は、長さで表される。
【００２４】
本発明では、異なる波長に対応する複数の特性値が監視装置１５によって監視される。監視装置１５には、予め選択された複数の波長が記憶されている。選択される複数の波長は、研磨開始から研磨終点まで（すなわち目標除去量に達するまで）に、その対応する特性値の極大点または極小点が少なくとも１回現われる波長である。監視装置１５は、分光器１３から得られたスペクトルデータから、予め選択された複数の波長（つまり異なる波長）での反射強度を抽出し、これらの反射強度を基にして得られた特性値を順次監視し、これらの特性値の極大点（または極小点）を順次検出することで、研磨の進捗を監視する。なお、反射強度を基にして得られた特性値とは、上述したように、反射強度そのもの、相対反射率、またはノイズ成分を低減するための所定の処理を施した指数である。
【００２５】
ここで、複数の波長を選択する方法の一例について説明する。まず、研磨開始直後に特性値の極大点または極小点が現われる第１の波長λ１が基準波長として選択される。この第１の波長λ１の選択は、研磨対象となる基板と同じ構造を有するサンプル基板を研磨して得られたスペクトルデータを参照して行うことができる。次に、研磨の進捗の監視間隔が選択される。この例では、監視間隔は、膜の除去量として表され、ここでは、監視間隔を管理除去量Δｘと称する。この管理除去量Δｘは、膜の目標除去量に基づいて決定される。例えば、膜の目標除去量が１００ｎｍであれば、管理除去量Δｘは、目標除去量よりも小さい値である２０ｎｍに設定される。この場合は、除去量が１００ｎｍに達するまで、研磨の進捗が２０ｎｍ刻みで監視されることになる。
【００２６】
選択される波長は互いに異なるため、各波長の特性値の極大点（または極小点）は、異なる時間に現われる。選択すべき複数の波長は、その特性値の極大点（または極小点）が順次現われ、隣接する極大点間の除去量が管理除去量Δｘとなるような波長である。このような波長を選択することにより、膜が管理除去量Δｘだけ除去されるごとに、異なる波長の特性値の極大点（または極小点）が順次現われることになる。この場合、研磨中に、複数の極大点ができるだけ等間隔に現われることが好ましい。
【００２７】
面内で膜厚が均一なブランケットウェハの場合、研磨中に極大点が順次現われるような波長は、次のようにして求めることができる。まず、上述のようにして、基準波長となる第１の波長λ１が決定される。膜が管理除去量Δｘだけ除去されるたびに極大点が順次現われるためには、管理除去量Δｘに応じて波長を第１の波長λ１からシフトさせる必要がある。そこで、次のステップとして、第１の波長λ１をシフトさせるシフト量Δλが算出される。このシフト量Δλを求めるための式は、上述の式（１）から、次のように導かれる。
Δλ＝Δｘ×２ｎ／ｍ・・・（２）
ここで、ｎは膜の屈折率であり、ｍは自然数であって初期膜厚に応じて決定される。
そして、シフト量Δλに自然数を掛けた値を第１の波長λ１から減算することで、複数の波長λｋが求められる。波長λｋは、次の式で求められる。
λｋ＝λ１−ａ×Δλ・・・（３）
ただし、ａは自然数を表す。
【００２８】
例えば、第１の波長λ１を５７０ｎｍとし、目標除去量を１００ｎｍとし、管理除去量Δｘを２０ｎｍとし、膜の屈折率ｎを１．４６とし、式（２）の自然数ｍを２とすると、シフト量Δλは上記式（２）から次のように求められる。
Δλ＝２０ｎｍ×（２×１．４６）／２≒３０ｎｍ
目標除去量が１００ｎｍであり、管理除去量Δｘが２０ｎｍであるので、研磨開始から研磨終点まで、５つの研磨監視点が存在することになる。したがって、この場合は、第１の波長λ１を含む５つの波長λ１〜λ５が選択され、波長λ２〜λ５は、上記式（３）から次のように求められる。
λ２＝５７０ｎｍ−１×３０ｎｍ＝５４０ｎｍ
λ３＝５７０ｎｍ−２×３０ｎｍ＝５１０ｎｍ
λ４＝５７０ｎｍ−３×３０ｎｍ＝４８０ｎｍ
λ５＝５７０ｎｍ−４×３０ｎｍ＝４５０ｎｍ
【００２９】
図６は、研磨時間によって変化する５つの特性値を示すグラフである。このグラフは、上述のように選択された５つの波長λ１〜λ５の特性値の変化を示している。各極大点間の除去量は、管理除去量Δｘである２０ｎｍ（より正確には２０．５５ｎｍ）である。つまり、ある極大点が現われてから次の極大点が現われるまでに除去される膜の厚さは２０ｎｍである。したがって、この場合は、２０ｎｍ刻みで研磨の進捗を監視することができる。
【００３０】
なお、上述の波長の選択方法において、ｎ番目の波長λｎが分光器１３の計測可能な波長の下限を下回わることがある。例えば、上の例では、７番目の波長λ７は、
λ７＝５７０ｎｍ−６×３０ｎｍ＝３９０ｎｍ
となって分光器１３の計測可能な波長の下限４００ｎｍを下回ってしまう。このような場合は、自然数ｍをより小さな値に設定することで、より大きい波長を選択し直すことができる。具体的には、次の通りである。
波長λ７のときに極大点が現われる膜厚ｘは、式（１）より、
ｘ＝ｍ×λ７／２ｎ＝２×３９０／２×１．４６≒２６７ｎｍ
となる。ただし、ｍ＝２、ｎ＝１．４６である。
次に、ｍ＝２に代えてｍ＝１とおくと、新たに選択される波長λ７’は次のように求められる。
λ７’＝２ｎ×ｘ／ｍ＝２×１．４６×２６７／１≒７８０ｎｍ
このように、本実施形態によれば、より長い波長の光を使って研磨の進捗を監視することができる。
【００３１】
上述した複数の波長は、次のように求めることもできる。図７は、波長の決定方法の他の例を示すフローチャートである。まず、研磨対象となる基板と同一の構造を有するサンプル基板が用意され、所定の部位における膜（最上層）の厚さが図示しない膜厚測定装置により測定される（ステップ１）。サンプル基板が研磨され、研磨中の各種データ（分光器１３によって生成されたスペクトルデータ、および総研磨時間を含む）が取得される（ステップ２）。研磨されたサンプル基板は膜厚測定装置に再度送られ、上記所定の部位における膜厚が測定される（ステップ３）。
【００３２】
次に、サンプル基板の研磨開始点から研磨終点までの時間軸上に、研磨の進捗を監視する複数の管理点が設定される（ステップ４）。この管理点は、研磨開始点と研磨終点との間において、できるだけ均一に分布していることが好ましい。具体的には、研磨開始点と研磨終点との間において、所定の時間間隔で複数の管理点が設定される。例えば、研磨時間（経過時間）４０秒、６０秒、８０秒、・・・における時点を管理点として設定することができる。そして、ステップ１およびステップ３での膜厚測定結果と、総研磨時間とから、除去レートが算出される。研磨開始点から研磨終点まで除去レートが一定と仮定して、除去レートおよび研磨時間から、各管理点での膜厚、管理点間の除去量（上述した管理除去量Δｘに相当）が算出される。
【００３３】
次に、ステップ２で取得されたスペクトルデータに基づき、それぞれの管理点で特性値の極大点が現われる複数の波長が選択される。この選択方法によれば、複雑な構造のパターン基板を研磨する場合でも、周期的に極大点（または極小点）が現われる波長の選択が可能である。図８は、図７に示すフローチャートに従って選択された波長にそれぞれ対応する特性値を示すグラフである。図８に示すように、基板の研磨中は、設定された管理点間の時間間隔（この例では２０秒間隔）で極大点が現われていることが分かる。したがって、所望の時間間隔で研磨の進捗を監視することができる。
【００３４】
ここで、極大点のみならず、極小点も利用して研磨の進捗を監視することもできる。図９は、特性値の極大点および極小点が略等間隔に現われる例を示すグラフである。この図９に示すように、選択すべき波長として、極大点および極小点が略等間隔に現われるような波長を選択することもできる。このようにすれば、より長い波長の光を用いることができるので、フィルタにより短波長の光をカットすることができ、フォトコロージョンの抑制に効果的である。
【００３５】
なお、波長を選択する前に、取得されたスペクトルデータに対して、基板面上の複数の点での測定結果を平均化したり、時間軸に沿って測定結果の移動平均を求めたりして、ノイズを低減させるための処理を施すことが好ましい。また、研磨中に計測された波長ごとの反射強度の平均値で、各波長の反射強度を除して管理点ごとの正規化スペクトルデータを生成し、この正規化スペクトルデータの極大点（および／または極小点）が現われる波長の近傍を探索して上記複数の波長を選択してもよい。
【００３６】
特性値として、波長をパラメータとして用いて、反射強度または相対反射率を基にして得られる指数を用いることもできる。例えば、波長λｋに対して、次の式から特性値としての指数Ｉｎｄｅｘ（λｋ）が求められる。
Ａλｋ＝∫Ｒ（λ）Ｗλｋ（λ）ｄλ  ・・・（４）
Ｉｎｄｅｘ（λｋ）＝Ａλｋ  ・・・（５）
ここで、λは波長を表し、Ｒ（λ）は相対反射率を表し、Ｗλｋ（λ）は波長λｋに中心を持つ（すなわち波長λｋで最大値を示す）重み関数を表す。なお、Ｒ（λ）として、相対反射率に代えて反射強度を用いてもよい。このようにすれば、波長λｋの周辺のスペクトルデータのノイズを低減させて、特性値に関する安定した時間変化の波形を得ることができる。
【００３７】
ここで、２つ以上の波長をパラメータとして、次の式から特性値としての指数Ｉｎｄｅｘ（λｋ１，λｋ２，・・・）を求めることもできる。
Ｉｎｄｅｘ（λｋ１，λｋ２，・・・）
＝Ａλｋ１／（Ａλｋ１＋Ａλｋ２＋・・・）  ・・・（６）
このようにすれば、基板と投光部、受光部との距離の微小な変化やスラリの混入等で受光量が変動しても、相対反射率を相対反射率で除算するため、その影響を抑えることができる。したがって、特性値に関するより一層安定した時間変化の波形を得ることができる。この場合、パラメータとしての波長の数は、好ましくは、２つまたは３つである。なお、同様のやり方に従って反射強度から指数を求めることもできる。
【００３８】
式（４）において、積分区間は、分光器１３が測定可能な最小波長から最大波長までである。例えば、分光器１３の測定可能な波長λが４００ｎｍ以上、８００ｎｍ以下であれば、式（４）の積分区間は〔４００，８００〕となる。式（４）および式（６）に表される処理は、反射強度または相対反射率からノイズ成分を低減させる処理である。したがって、式（４）および式（６）に表される処理を反射強度または相対反射率に施すことによって、特性値として、ノイズ成分が少ない指数を用いることができる。
【００３９】
図１０は、式（４）および式（６）によって表される特性値を示すグラフである。この例では、２つの波長がパラメータとして使用されている。この場合も、波長を適切に選択することにより、図１０に示すように、研磨中に特性値の極大点（または極小点）が複数現われることになる。
【００４０】
次に、研磨の監視および研磨終点検知の方法について図１１を参照して説明する。図１１は、本発明に係る研磨進捗監視方法を示すフローチャートである。まず、第１の波長λ１が選択される。研磨開始後、第１の波長λ１の特性値が監視装置１５により監視され、その特性値の極大点（以下、第１の極大点という）が監視装置１５により検出される。第１の極大点が検出された後、第１の波長λ１から第２の波長λ２に切り替えられる。そして、第２の波長λ２の特性値の極大点（以下、第２の極大点という）が検出されるまで、この特性値が監視される。このように、波長を順次切り替えて、特性値の監視および極大点の検出が続けられる。
【００４１】
第１の極大点が現われた時点ｔ１と、第２の極大点が現われた時点ｔ２と、第１および第２の極大点間の除去量とから、研磨初期段階の除去レートを算出することができる。第１および第２の極大点間の除去量をΔｘ’とすると、初期除去レートＲＲＩｎｔは、次の式から求めることができる。
初期除去レートＲＲＩｎｔ＝Δｘ’／（ｔ２−ｔ１）・・・（７）
なお、第１および第２の極大点間の除去量Δｘ’は、上述した管理除去量Δｘまたは上述した管理点間の除去量に相当する。
そして、研磨開始時点ｔ０から時点ｔ１までの膜の除去量（以下、初期除去量という）は、初期除去レートＲＲＩｎｔに時点ｔ１と時点ｔ０との差を掛けることで求めることができる。
【００４２】
各極大点における膜の除去量は、初期除去量に極大点間の除去量の積算値を加えることにより求められる。以下、極大点における膜の除去量を積算除去量という。例えば、図６に示す例においては、最終極大点である第５の極大点での積算除去量は、初期除去量に、第１の極大点から第５の極大点までの除去量である８０ｎｍを加算することにより求められる。図７に示す例においては、極大点間の除去量は、サンプル基板の研磨結果から算出された管理点間の除去量である。最終極大点での積算除去量が算出された後は、研磨最終段階での除去レートＲＲＦｉｎが算出される。この最終除去レートＲＲＦｉｎは、式（７）と同様に、最終極大点と最終極大点の１つ前の極大点との間の除去量を、この２つの極大点間の時間差で割ることにより求められる。
【００４３】
そして、目標除去量から最終極大点での積算除去量を減算した値を、最終除去レートＲＲＦｉｎで割ることにより、オーバーポリッシュ時間が算出される。このオーバーポリッシュ時間は、最終極大点から研磨終点までの時間である。したがって、最終極大点が現われた時点にオーバーポリッシュ時間を加算した時間が研磨終点時間となる。このようにして、研磨終点時間が算出され、研磨装置は、研磨終点時間に達したときに研磨処理を停止させる。
【００４４】
上述した研磨進捗監視方法では、全波長（λ１、λ２、・・・）の特性値を全て同時に監視装置１５が計算および監視し、特性値を順次切り替えて極大点（または極小点）を検出している。これに代えて、同時に計算および監視する特性値の個数を制限してもよい。例えば、波長を切り替えるときにその波長に対応する特性値を計算し、その特性値のみを監視装置１５にて監視するようにしてもよい。このようにすれば、必要な処理能力を抑えて監視装置１５の負荷を軽減することができる。
【００４５】
ここで、初期膜厚や下層膜厚のばらつきによっては、第１の波長の特性値が第１の極大点を示さない場合があり得る。このような場合には、複数の波長の特性値を同時に監視して、いずれかの特性値に極大点（または極小点）が現われた時点で、その特性値の波長を第１の波長として以後の処理を実行する。同時に監視される特性値は、研磨初期に極大点（または極小点）を示すことが予想される特性値（例えば、波長λ１，λ２，…に対応する特性値）である。また、研磨最終段階において最終極大点が現われない場合もあり得る。このような場合には、各特性値の極大点を検出するたびに積算除去量を算出して、目標除去量と積算除去量との差が、極大点間の除去量よりも小さくなった場合に、その検出された極大点を最終極大点とする。この場合も、上述と同様の手順でオーバーポリッシュ時間を算出することができる。
【００４６】
本発明では、残存する膜の厚さではなく、除去される膜の厚さ、すなわち膜の除去量が監視される。監視装置１５は、異なる波長を１つずつ切り替えながら、各波長での特性値の極大点を順次検出し、これによって研磨の進捗（例えば２０ｎｍ刻みで）を監視することができる。そして、監視装置１５は、目標除去量と、計測した研磨時間と、極大点間の膜の除去量とから、研磨終点時間を算出することができる。なお、極小点を観察する場合でも、同様に、研磨の進捗を監視し、かつ研磨終点を検知することができることは言うまでもない。
【００４７】
研磨対象となる膜は、多くの場合、凹凸構造を有する下地層の上に形成されている。この凹凸構造の凹部の深さは必ずしも一定ではなく、多少のばらつきがある。例えば、図２に示すように、膜の表面から凹部の底面までの深さ（つまり、凹部での初期膜厚）が、７５０ｎｍ〜７８５ｎｍの範囲内でばらついていたとすると、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、特性値が初期膜厚に応じて変化し、極大点（または極小点）が現われる時点が変化する。しかしながら、この場合でも、図１２（ａ）および図１２（ｂ）から分かるように、隣接する極大点間の時差および該時差に対応する除去量は、凹部での初期膜厚（つまり下層膜厚）のばらつきによらず略一定である。
【００４８】
隣接する極大点間の時差および該時差に対応する除去量が凹部での初期膜厚（下層膜厚）のばらつきによらず略一定であることは、図１３に示すような、領域により様々な膜厚を有する複雑な構造を有するパターン基板の場合にも同様に当てはまる。また、図７を参照して説明した波長選択方法では、研磨対象の基板と同一のパターン構造を有するサンプル基板を用いて監視間隔（すなわち管理点の時間間隔）が算出され、この時間間隔に基づいて波長が選択される。したがって、図１３に示すような複雑な構造を有するパターン基板を研磨する場合でも、ほぼ一定の時間間隔で極大値が現われる。したがって、膜の除去量に基づいて、精度よく研磨終点を検知することができる。なお、図２および図１３に示したパターン基板は、前段階の研磨によって、その表面が平坦化された状態を示している。したがって、この状態における初期膜厚は、前段階の研磨が終了した時点の膜厚である。
【００４９】
本研磨進捗監視方法によれば、研磨開始から研磨終点まで細かい間隔で研磨の進捗を監視することができる。さらに研磨中に高い精度で膜の除去量を算出することができるので、正確な研磨終点検知を実現することができる。したがって、本研磨進捗監視方法は、正確な研磨終点検知が要求される抵抗値調節プロセスに好適に適用することができる。このプロセスは、具体的には、銅膜およびその下層のタンタル、タンタルナイトライドなどのバリア膜を除去し、その後、絶縁部材と銅配線部材とを含む膜を研磨して配線高（したがって抵抗値）を調節する研磨プロセスである。さらに、本研磨進捗監視方法によれば、比較的長い波長の光を用いるので、フォトコロージョンによる配線金属へのダメージが防止される。
【００５０】
次に、上記原理を利用した研磨装置について説明する。図１４は、研磨装置を模式的に示す断面図である。図１４に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を保持する研磨テーブル２０と、基板Ｗを保持して研磨パッド２２に押圧するトップリング２４と、研磨パッド２２に研磨液（スラリ）を供給する研磨液供給ノズル２５とを備えている。研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。研磨パッド２２は、研磨テーブル２０の上面に固定されている。
【００５１】
研磨パッド２２の上面２２ａは、基板Ｗが摺接される研磨面を構成している。トップリング２４は、トップリングシャフト２８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング２４は昇降可能かつトップリングシャフト２８周りに回転可能となっている。このトップリング２４の下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。
【００５２】
トップリング２４の下面に保持された基板Ｗはトップリング２４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２０上の研磨パッド２２にトップリング２４によって押圧される。このとき、研磨液供給ノズル２５から研磨パッド２２の研磨面２２ａに研磨液が供給され、基板Ｗの表面と研磨パッド２２との間に研磨液が存在した状態で基板Ｗの表面が研磨される。本実施形態においては、基板Ｗの表面と研磨パッド２２とを摺接させる相対運動機構は、研磨テーブル２０およびトップリング２４によって構成される。
【００５３】
研磨テーブル２０には、その上面で開口する孔３０が形成されている。また、研磨パッド２２には、この孔３０に対応する位置に通孔３１が形成されており、孔３０と通孔３１とは連通している。通孔３１は、研磨面２２ａで開口しており、通孔３１の径は約３〜６ｍｍである。孔３０は液体供給路３３およびロータリージョイント３２を介して液体供給源３５に連結されている。研磨中は、液体供給源３５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が孔３０に供給され、基板Ｗの下面と通孔３１とによって形成される空間を満たし、液体排出路３４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光の光路が確保される。液体供給路３３には、研磨テーブル２０の回転に連動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３１の上に基板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。
【００５４】
研磨装置は、研磨進捗監視装置を有している。この研磨進捗監視装置は、光を基板Ｗの被研磨面に照射する投光部１１と、基板Ｗから戻ってくる光を受光する受光部としての光ファイバー１２と、光ファイバー１２によって受光された光を波長に従って分解してスペクトルデータを取得する分光器１３と、分光器１３によって得られたスペクトルデータから、上述した原理に従って研磨の進捗を監視する監視装置１５とを備えている。
【００５５】
投光部１１は、光源４０と、光源４０に接続された光ファイバー４１とを備えている。光ファイバー４１は、光源４０の光を基板Ｗの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４１は、光源４０から孔３０および通孔３１を通って基板Ｗの被研磨面の近傍位置まで延びている。光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端は、トップリング２４に保持された基板Ｗの中心に対向して配置され、研磨テーブル２０が回転するたびに基板Ｗの中心を含む領域に光が照射されるようになっている。なお、研磨パッド２２の交換作業が容易に行えるように、光ファイバー４１の先端が研磨テーブル２０の上面より突き出ず、孔３０に納まる位置に、光ファイバ４１を設置してもよい。
【００５６】
光源４０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いることができる。光ファイバー４１と光ファイバー１２は互いに並列に配置されている。光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端は、基板Ｗの表面に対して垂直に配置されており、光ファイバー４１は基板Ｗの表面に垂直に光を照射するようになっている。
【００５７】
基板Ｗの研磨中は、投光部１１から光が基板Ｗに照射され、受光部としての光ファイバー１２によって基板Ｗからの反射光が受光される。光が照射される間、孔３０には水が供給され、これにより、光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端と、基板Ｗの表面との間の空間は水で満たされる。分光器１３は、波長ごとに反射光の強さを測定し、スペクトルデータを生成する。そして、監視装置１５は、このスペクトルデータに基づき、上述した方法（原理）に従って、研磨の進捗を監視し、さらに研磨終点を検知する。
【００５８】
図１５は、図１４に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。図１５に示す例では、投光部１１は、光源４０からの光から短波長を除去する短波長カットフィルタ４５を有している。この短波長カットフィルタ４５は、光源４０と光ファイバー４１との間に配置されている。この短波長カットフィルタ４５を設けることにより、基板Ｗの配線金属（例えばＣｕ）のフォトコロージョンを抑制することができる。
【００５９】
図１６は、図１４に示す研磨装置の他の変形例を示す断面図である。図１６に示す例では、液体供給路、液体排出路、液体供給源は設けられていない。これに代えて、研磨パッド２２には透明窓５０が形成されている。投光部１１の光ファイバー４１は、この透明窓５０を通じて研磨パッド２２上の基板Ｗの表面に光を照射し、受光部としての光ファイバー１２は、透明窓５０を通じて基板Ｗからの反射光を受光する。
【００６０】
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ことである。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とすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】反射強度から生成される特性値が変化する様子を示すグラフである。
【図２】基板の積層構造の一部を示す断面図である。
【図３】初期膜厚に依存して特性値がシフトする様子を説明するグラフである。
【図４】本発明に係る研磨進捗監視方法の原理を説明するための模式図である。
【図５】波長ごとの光の強さを表すスペクトルデータを示すグラフである。
【図６】研磨時間によって変化する５つの特性値を示すグラフである。
【図７】波長の決定方法の他の例を示すフローチャートである
【図８】図７に示すフローチャートに従って選択された波長にそれぞれ対応する特性値を示すグラフである。
【図９】特性値の極大点および極小点が略等間隔に現われる例を示すグラフである。
【図１０】相対反射率に対して所定の処理を施して得られた特性値を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る研磨進捗監視方法を示すフローチャートである。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、初期膜厚によって極大点がずれる様子を説明するグラフである。
【図１３】研磨対象物としてのパターン基板の一部断面を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る研磨装置を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。
【図１６】図１４に示す研磨装置の他の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１      投光部
１２      受光部
１３      分光器
１５      監視装置
２０      研磨テーブル
２２      研磨パッド
２４      トップリング
２５      研磨液供給ノズル
２８      トップリングシャフト
３０      孔
３１      通孔
３２      ロータリージョイント
３３      液体供給路
３４      液体排出路
３５      液体供給源
４０      光源
４１      光ファイバー
４５      短波長カットフィルタ
５０      透明窓
【図１】
2010093147.tif 000003
【図２】
2010093147.tif 000004
【図３】
2010093147.tif 000005
【図４】
2010093147.tif 000006
【図５】
2010093147.tif 000007
【図６】
2010093147.tif 000008
【図７】
2010093147.tif 000009
【図８】
2010093147.tif 000010
【図９】
2010093147.tif 000011
【図１０】
2010093147.tif 000012
【図１１】
2010093147.tif 000013
【図１２】
2010093147.tif 000014
【図１３】
2010093147.tif 000015
【図１４】
2010093147.tif 000016
【図１５】
2010093147.tif 000017
【図１６】
2010093147.tif 000018