(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の被研磨面を研磨面で研磨し、
前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルをそれぞれ含む複数組の分光プロファイルを選択し、
各組の分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出することにより、前記複数組の分光プロファイルについての複数の差分を求め、
前記複数の差分から、前記反射強度の複数の変化量を求め、
前記複数の変化量の平均値または総和を算出し、前記平均値または総和に基づいて研磨終点を決定するか、または、
前記複数の変化量の少なくとも１つが所定のしきい値に達したことを検出することにより研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法。
【請求項２】
基板の被研磨面を研磨面で研磨し、
前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、
前記選択された分光プロファイルのそれぞれについて、所定の波長での反射強度を別の波長での反射強度で割ることによりスペクトル・インデックスを生成し、
前記選択された分光プロファイル間で、スペクトル・インデックスの差分を算出し、
前記差分から前記反射強度の変化量を求め、
前記変化量に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法。
【請求項３】
基板の被研磨面を研磨面で研磨し、
前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、
前記選択された分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出し、
前記差分から前記反射強度の変化量を求め、
研磨時間とともに変動する前記反射強度の変化量を微分して微分値を求め、
前記反射強度の変化量と前記微分値とに基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法。
【請求項４】
前記差分を二乗することにより前記変化量を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨終点検知方法。
【請求項５】
前記所定の波長は複数の波長であり、
前記複数の波長での反射強度の差分の総和から、前記変化量を求めることを特徴とする請求項１または３に記載の研磨終点検知方法。
【請求項６】
前記所定の時間間隔は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となるように設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨終点検知方法。
【請求項７】
前記所定の波長は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となる波長範囲から選択されることを特徴とする請求項６に記載の研磨終点検知方法。
【請求項８】
基板の被研磨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、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、
前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、
前記監視部は、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルをそれぞれ含む複数組の分光プロファイルを選択し、
各組の分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出することにより、前記複数組の分光プロファイルについての複数の差分を求め、
前記複数の差分から、前記反射強度の複数の変化量を求め、
前記複数の変化量の平均値または総和を算出し、前記平均値または総和に基づいて研磨終点を決定するか、または、
前記複数の変化量の少なくとも１つが所定のしきい値に達したことを検出することにより研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置。
【請求項９】
基板の被研磨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、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、
前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、
前記監視部は、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、
前記選択された分光プロファイルのそれぞれについて、前記所定の波長での反射強度を別の波長での反射強度で割ることによりスペクトル・インデックスを生成し、
前記選択された分光プロファイル間で、スペクトル・インデックスの差分を算出し、
前記差分から前記反射強度の変化量を求め、
前記変化量に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置。
【請求項１０】
基板の被研磨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、
前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、
前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、
前記監視部は、
取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、
前記選択された分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出し、
前記差分から前記反射強度の変化量を求め、
研磨時間とともに変動する前記反射強度の変化量を微分して微分値を求め、
前記反射強度の変化量と前記微分値とに基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置。
【請求項１１】
前記監視部は、前記差分を二乗することにより前記変化量を求めることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨終点検知装置。
【請求項１２】
前記所定の波長は複数の波長であり、
前記監視部は、前記複数の波長での反射強度の差分の総和から、前記変化量を求めることを特徴とする請求項８または１０に記載の研磨終点検知装置。
【請求項１３】
前記所定の時間間隔は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となるように設定されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨終点検知装置。
【請求項１４】
前記所定の波長は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となる波長範囲から選択されることを特徴とする請求項１３に記載の研磨終点検知装置。
【請求項１５】
研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
膜を有する基板を前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、
請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨終点検知装置とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜を有する基板の研磨終点を検出する方法および装置に関し、特に基板からの反射光に基づいて研磨終点を検知する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程では、シリコン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、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板（膜が形成されたウェハ）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研磨液供給機構とを備えている。基板を研磨するときは、研磨液供給機構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基板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、基板を研磨して基板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、または膜全体が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、基板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。光学式研磨終点検知装置は、投光部、受光部、および分光器を一般に備えている。分光器は、基板からの反射光を波長に従って分解し、波長ごとの反射強度を測定する。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基板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、基板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、研磨時間とともに周期的に変化し、極大点と極小点が交互に現れる。これは、光同士の干渉による現象である。つまり、基板に照射された光は、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、基板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。なお、反射強度は、反射率として表すこともできる。
【０００６】
上述した光学式研磨終点検知装置は、図１に示すように、研磨開始後に現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値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。
【０００７】
特性値は、波長ごとの反射強度を基にして得られる指数（スペクトル・インデックス）である。具体的には、次の式（１）を用いて求められる。
特性値（Spectral  Index）＝ref（λ１）／（ref（λ１）＋ref（λ２）＋…
＋ref（λｋ））  ・・・（１）
ここで、λは光の波長を表し、ref（λｋ）は、波長λｋにおける反射強度を表す。なお、特性値の算出に使用される光の波長λの数は、好ましくは、２つまたは３つである（すなわち、ｋ＝２または３）。
【０００８】
式（１）から分かるように、反射強度を反射強度で割ることによって、反射強度に含まれるノイズ成分が除去された特性値を得ることができる。なお、特性値ではなく、反射強度（反射率）そのものを監視してもよい。この場合も、図１のグラフと同様に、反射強度は研磨時間に従って周期的に変化するので、反射強度の変化から研磨終点を検出することができる。
【０００９】
ところで、上層膜を研磨して下層膜を露出させることを目的とする研磨では、研磨液を調整して、上層膜に対して下層膜の研磨レートを小さくすることが一般的に行われている。これは、下層膜の過剰研磨を防止し、研磨プロセスを安定させるためである。しかしながら、研磨レートが低くなると、図２に示すように、特性値（または反射強度）があまり変化しなくなる。その結果、周期的な変化が得にくく、また特性値の特徴点（極大点または極小点）が捉えにくくなり、正確な研磨終点検知が達成できなくなってしまう。また、特性値（または反射強度）の変化は、上層、下層両方の膜厚および膜の種類の影響を受けるため、基板ごとの初期膜厚のばらつきに起因して研磨終点検知に誤差が生じることがある。一般に、成膜時における基板間の膜厚のばらつきは処理ロット毎に±１０％程度ある。そのため、基板ごとの下層膜厚のばらつきに起因して、反射強度の特徴点と下地膜の露出点との関係がずれて研磨終点検知に誤差が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１５４９２８号公報
【発明の概要】
【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、研磨レートの変化（低下）を利用して正確な研磨終点を検知することができる研磨終点検知方法および研磨終点検知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、基板の被研磨面を研磨面で研磨し、前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルをそれぞれ含む複数組の分光プロファイルを選択し、各組の分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出することにより、前記複数組の分光プロファイルについての複数の差分を求め、前記複数の差分から、前記反射強度の複数の変化量を求め、前記複数の変化量の平均値または総和を算出し、前記平均値または総和に基づいて研磨終点を決定するか、または、前記複数の変化量の少なくとも１つが所定のしきい値に達したことを検出することにより研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法である。
本発明の他の態様は、基板の被研磨面を研磨面で研磨し、前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、前記選択された分光プロファイルのそれぞれについて、所定の波長での反射強度を別の波長での反射強度で割ることによりスペクトル・インデックスを生成し、前記選択された分光プロファイル間で、スペクトル・インデックスの差分を算出し、前記差分から前記反射強度の変化量を求め、前記変化量に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法である。
本発明の他の態様は、基板の被研磨面を研磨面で研磨し、前記研磨中に、前記基板の被研磨面に光を照射し、かつ前記基板から戻る反射光を受光し、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得し、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、前記選択された分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出し、前記差分から前記反射強度の変化量を求め、研磨時間とともに変動する前記反射強度の変化量を微分して微分値を求め、前記反射強度の変化量と前記微分値とに基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知方法である。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記差分を二乗することにより前記変化量を求めることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の波長は複数の波長であり、前記複数の波長での反射強度の差分の総和から、前記変化量を求めることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好ましい態様は、前記所定の時間間隔は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となるように設定されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の波長は、前記選択された分光プロファイル間の位相差が略半周期となる波長範囲から選択されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様は、基板の被研磨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、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、前記監視部は、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルをそれぞれ含む複数組の分光プロファイルを選択し、各組の分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出することにより、前記複数組の分光プロファイルについての複数の差分を求め、前記複数の差分から、前記反射強度の複数の変化量を求め、前記複数の変化量の平均値または総和を算出し、前記平均値または総和に基づいて研磨終点を決定するか、または、前記複数の変化量の少なくとも１つが所定のしきい値に達したことを検出することにより研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置である。
本発明の他の態様は、基板の被研磨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、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、前記監視部は、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、前記選択された分光プロファイルのそれぞれについて、前記所定の波長での反射強度を別の波長での反射強度で割ることによりスペクトル・インデックスを生成し、前記選択された分光プロファイル間で、スペクトル・インデックスの差分を算出し、前記差分から前記反射強度の変化量を求め、前記変化量に基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置である。
本発明の他の態様は、基板の被研磨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、前記反射光の各波長での反射強度を示す分光プロファイルを所定の時間間隔で取得する分光器と、前記分光プロファイルから得られる反射強度の変動量を監視する監視部とを備え、前記監視部は、取得された複数の分光プロファイルの中から、最新の分光プロファイルを含む少なくとも１組の分光プロファイルを選択し、前記選択された分光プロファイル間で、所定の波長における反射強度の差分を算出し、前記差分から前記反射強度の変化量を求め、研磨時間とともに変動する前記反射強度の変化量を微分して微分値を求め、前記反射強度の変化量と前記微分値とに基づいて研磨終点を決定することを特徴とする研磨終点検知装置である。
【００１９】
本発明の他の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、膜を有する基板を前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、上記研磨終点検知装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
【発明の効果】
【００２０】
反射強度の変化量の低下は、研磨レートの低下を意味する。さらに研磨レートの低下は、研磨により膜が除去されて、その下層が露出したと考えることができる。したがって、本発明によれば、反射強度の変化量を研磨中に監視することにより、研磨終点を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】研磨時間と共に特性値が変化する様子を示すグラフである。
【図２】研磨レートが低いときの特性値を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る研磨終点検知方法を説明するための模式図であり、図３（ｂ）は基板と研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。
【図４】研磨テーブルがＮ−１回転目のときに取得された分光プロファイルと、研磨テーブルがＮ回転目のときに取得された分光プロファイルを示すグラフである。
【図５】研磨時間に従って反射強度の変化量が変動する様子を示すグラフである。
【図６】複数の波長における反射強度の複数の差分を示すグラフである。
【図７】２つの分光プロファイルの時間間隔を決定するパラメータｔによって変化する反射強度の変化量を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は位相が半周期だけずれた２つの分光プロファイルを示すグラフであり、図８（ｂ）は研磨レートが低下したときの、図８（ａ）の分光プロファイルを示すグラフである。
【図９】対比される２つの分光プロファイル間の位相差が略半周期となるようにパラメータｔおよび複数の波長が選択された場合の反射強度の変化量を示すグラフである。
【図１０】反射強度の変化量、一次微分値、および二次微分値が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。
【図１１】研磨装置を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１１に示す研磨装置の他の変形例を示す断面図である。
【図１３】ＳＴＩの一工程を示す断面図である。
【図１４】図１３に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。
【図１５】ポリシリコン（Poly-Si）を除去するためのＣＭＰプロセスの対象となる基板の構造を示す断面図である。
【図１６】図１５に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。
【図１７】バリア層を除去するためのＣＭＰプロセスの対象となる基板の構造を示す断面図である。
【図１８】図１７に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について説明する。図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る研磨終点検知方法を説明するための模式図であり、図３（ｂ）は基板と研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、研磨対象となる基板Ｗは、下地層（例えば、シリコン層やＳｉＮ膜）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。基板Ｗの研磨中は、図３（ｂ）に示すように、研磨テーブル２０および基板Ｗが回転し、研磨テーブル２０上の研磨パッド（図示せず）と基板Ｗとの相対移動により基板Ｗの表面が研磨される。
【００２３】
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。投光部１１および受光部１２は、研磨テーブル２０が一回転するたびに基板Ｗを横切って移動する。このとき、投光部１１は、基板Ｗの中心部を含む複数の測定点に光を投光し、受光部１２は反射光を受光する。受光部１２には分光器１３が接続されており、分光器１３は、反射光の強さ（すなわち反射強度または反射率）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、波長ごとの反射強度を表す分光プロファイル（分光波形）を生成する。分光器１３には監視装置１５が接続されており、監視装置１５によって分光プロファイルが監視されている。
【００２４】
この分光プロファイルは、研磨テーブル２０が一回転するたびに取得される。通常、基板Ｗの研磨中は研磨テーブル２０の回転速度は一定であるので、分光プロファイルは研磨テーブル２０の回転速度によって決定される所定の時間間隔で取得される。なお、研磨テーブル２０が所定回数（例えば、２回または３回）回転するたびに分光プロファイルを取得するようにしてもよい。
【００２５】
図３（ａ）において、ｎは膜の屈折率を表し、ｎ’は膜に接触している媒質の屈折率を表し、ｎ”は下地層の屈折率を表す。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。基板からの反射光は、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Ｘの変化（すなわち光路長の変化）に応じて、反射強度は周期的に変化する。
【００２６】
図４は、研磨テーブルがＮ−１回転目のときに取得された分光プロファイルと、研磨テーブルがＮ回転目のときに取得された分光プロファイルを示すグラフである。図４に示すグラフにおいて、横軸は波長を表し、縦軸は反射強度を示す。図４から分かるように、分光プロファイルは、反射光の波長に従った反射強度の分布である。研磨中に取得される分光プロファイルは、膜厚の減少に従って変化する。図４に示すように、研磨テーブル２０がＮ−１回転目のときに取得された分光プロファイルと、研磨テーブル２０がＮ回転目のときに取得された分光プロファイルとは、全体として異なった形状を有している。これは、膜厚によって反射強度が変化していることを示している。
【００２７】
上層の膜が研磨により除去されて、下層が露出すると、研磨レート（除去レートともいう）が極端に低下することがある。研磨レートが低下すると、分光プロファイルの形状変化が小さくなる。そこで、本実施形態では、監視装置１５により、所定の時間間隔で取得された分光プロファイル同士を順次対比することにより、研磨レートの変化を監視する。具体的には、監視装置１５は、研磨中に取得された複数の分光プロファイルから２つの分光プロファイルを選択し、図４に示すように、この２つの分光プロファイル間の、所定の波長λ１での反射強度の差分Δを算出する。さらに、監視装置１５は、求められた差分Δを二乗し、分光プロファイルの形状変化を示す指標としての反射強度の変化量を求める。差分Δを二乗することにより、差分の大きさを強調することができるとともに、マイナスの符号を持たない変化量を得ることができる。
【００２８】
選択される２つの分光プロファイルのうち一方は最新の分光プロファイルである。新たな分光プロファイルが取得されるたびに、比較すべき２つの分光プロファイルが特定され、予め設定された波長λ１での反射強度の差分Δが求められる。研磨中は、分光プロファイルの特定と反射強度の変化量の算出が繰り返される。対比される２つの分光プロファイルの間の時間間隔は、研磨を通じて一定に維持される。この時間間隔は、研磨テーブル２０の回転回数に関連付けて決定することができる。すなわち、最新の分光プロファイルが研磨テーブル２０のＮ回転目のときに取得されたとすると、選択すべきもう一方の分光プロファイルは研磨テーブル２０がＮ−ｔ回転目のときに取得されたものである。このパラメータｔは、研磨テーブル２０の回転回数の差であり、自然数である。
【００２９】
図５は、研磨時間に従って反射強度の変化量が変動する様子を示すグラフである。図５のグラフにおいて、横軸は研磨時間を表し、縦軸は反射強度の変化量（差分Δの二乗）を表す。図５に示すように、反射強度の変化量は、研磨時間とともに変動し、ある時点で急激に減少する。これは、研磨により上層膜が除去された結果、研磨レートが大きく低下したことを示している。したがって、反射強度の変化量が所定のしきい値に達したことを検出することにより、上層膜の除去、すなわち研磨終点を決定することができる。
【００３０】
上述した研磨終点の検出は、基板Ｗの被研磨面上に予め設定された複数の測定点（図３（ｂ）参照）について行われる。基板Ｗの研磨終点は、各測定点での研磨終点検出結果に基づいて決定することができる。例えば、上記複数の測定点またはいずれか１つの測定点において研磨終点が検出された時点を基板Ｗの研磨終点とすることができる。または、上記複数の測定点における反射強度の変化量の平均値を求め、この平均値が所定のしきい値に達した時点を基板Ｗの研磨終点としてもよい。あるいは、上記複数の測定点から予め選択された複数組の測定点において反射強度の変化量の平均値を求め、そのすべての平均値またはいずれか１つの平均値が所定のしきい値に達した時点を基板Ｗの研磨終点としてもよい。
【００３１】
反射強度の正確な変化量を監視するためには、広い波長範囲に亘って反射強度の差分を求めることが好ましい。したがって、上述した所定の波長は、複数の波長であることが好ましい。図６は複数の波長における反射強度の複数の差分を示すグラフである。図６に示す例では、予め設定された３つの波長λ１，λ２，λ３において、反射強度の差分Δ１，Δ２，Δ３が算出される。これらの差分はそれぞれ二乗された後、互いに加算される。加算の結果得られた値が反射強度の変化量となる。図６の例では、３つの波長が選択されているが、さらに多くの波長を選択することが好ましい。
【００３２】
対比される２つの分光プロファイルの時間間隔は、上述したようにパラメータｔによって特定される。図７は、２つの分光プロファイルの時間間隔を決定するパラメータｔによって変化する反射強度の変化量を示すグラフである。パラメータｔが大きいと、２つの分光プロファイルの形状の差が大きくなる。したがって、図７から分かるように、研磨中は、反射強度の変化量は比較的大きな値を保って推移し、研磨レートが低下すると、大きく低下する。このことは、研磨終点検知のためのしきい値が設定しやすく、研磨終点の誤検知が少ないことを意味している。しかしながら、パラメータｔが大きくなると、１つの反射強度の変化量を算出するためにより長い時間が必要となる。このことは、実際の研磨終点（膜除去）から研磨終点検知までの時間が長くなることを意味している。
【００３３】
一方、パラメータｔを小さくすると、研磨終点検知の遅れ時間が短くなる。しかしながら、図７に示すように、反射強度の変化量の値が全体として小さくなる。その結果、しきい値までの距離が短くなり、研磨終点の誤検知の可能性が高くなる。このように、研磨終点検知に要する時間と、研磨終点検知の正確性とはトレードオフの関係にある。したがって、研磨終点検知に要する時間と、研磨終点検知の正確性の両方を考慮してパラメータｔを決定することが好ましい。
【００３４】
パラメータｔがある程度大きくなると、図８（ａ）に示すように、Ｎ回転目の分光プロファイルの位相と、Ｎ−ｔ回転目の分光プロファイルの位相とが半周期だけずれる。図８（ａ）に示す２つの分光プロファイルのうちの一方は、研磨テーブル２０がＮ回転目のときの分光プロファイルを示し、他方は研磨テーブル２０がＮ−ｔ回転目のときの分光プロファイルを示している。図８（ａ）から分かるように、２つの分光プロファイルの位相が半周期（または半周期の整数倍）ずれたときに、反射強度の差分は最も大きな値を示す。
【００３５】
一方、上層膜が除去されて研磨レートが低下すると、これら２つの分光プロファイルの位相差はゼロに近づく。図８（ｂ）は、研磨レートが低下したときの、図８（ａ）の分光プロファイルを示すグラフである。研磨レートが大きく低下すると、分光プロファイルの形状がほとんど変化しなくなる。このため、図８（ｂ）に示すように、２つの分光プロファイル間の位相差はゼロに近づき、反射強度の差分は小さくなる。
【００３６】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すようなパラメータｔを選択した場合、研磨レートが低下する前は、反射強度の変化量はあまり変動せずに比較的大きな値で推移し、研磨レートが低下すると、反射強度の変化量は急激に低下する。したがって、研磨終点を決定するためのしきい値の設定がしやすくなり、結果として、研磨終点の誤検知が防げる。このような観点から、Ｎ回転目の分光プロファイルと、Ｎ−ｔ回転目の分光プロファイルとの位相が半周期（または半周期の整数倍）だけずれるようなパラメータｔを選択することが好ましい。
【００３７】
さらに、図８（ａ）から分かるように、２つの分光プロファイル間の位相差は、波長によっても変わりうる。したがって、パラメータｔの上記選択に加えて、Ｎ回転目の分光プロファイルと、Ｎ−ｔ回転目の分光プロファイルとの位相が半周期（または半周期の整数倍）だけずれるような波長を選択することが好ましい。図８（ａ）に示す例では、波長の範囲が４００〜５００ｎｍであるときに、分光プロファイルの位相差が約半周期となる。したがって、この波長範囲の中から波長を選択することが好ましい。
【００３８】
図９は、対比される２つの分光プロファイル間の位相差が略半周期となるようにパラメータｔおよび複数の波長が選択された場合の反射強度の変化量を示すグラフである。図９の縦軸は反射強度の変化量を示し、横軸は研磨時間を示す。図９は、パラメータｔを２５としたときの例を示している。図９から分かるように、反射強度の変化量は、研磨レートが低下する前では、図５に示す例（パラメータｔ＝１０）に比べて変動が小さい。また、研磨レートが低下したときは、反射強度の変化量は急激に低下する。したがって、研磨終点の誤検知を確実に防止することができる。
【００３９】
上述の例では、１組の分光プロファイル間での反射強度の差分を算出しているが、複数組の分光プロファイルから反射強度の差分を算出してもよい。複数組の分光プロファイルを用いる場合は、２つ以上のパラメータｔが選択される。この場合も、各組の分光プロファイルは、最新の分光プロファイルを含む２つの分光プロファイルから構成される。例えば、３組の分光プロファイルを選択する場合、最新の分光プロファイル（Ｎ回転目）と先に取得された分光プロファイル（Ｎ−１回転目）からなる第１の組と、最新の分光プロファイル（Ｎ回転目）と先に取得された他の分光プロファイル（Ｎ−５回転目）からなる第２の組と、最新の分光プロファイル（Ｎ回転目）と先に取得された更に他の分光プロファイル（Ｎ−１０回転目）からなる第３の組を選択することができる。反射強度の差分は、各組について算出される。
【００４０】
上述の例と同様に、各組について算出された差分は二乗され、これにより反射強度の複数の変化量が求められる。上述した図７のグラフは、複数組の分光プロファイルから得られた複数の変化量を示している。このようにして得られた複数の変化量を個々に監視してもよく、または複数の変化量の総和または平均値を監視してもよい。複数の変化量を個々に監視する場合は、予め定められた個数の変化量がしきい値に達したときに研磨終点に到達したと判断することができる。この場合、しきい値は、各組について共通する１つのしきい値を設定してもよく、または各組について個別にしきい値を設定してもよい。複数の変化量の総和または平均値を監視する場合は、その総和または平均値が所定のしきい値に達したときに研磨終点に到達したと判断することができる。
【００４１】
また、複数組の分光プロファイルから得られた複数の変化量と、対応するパラメータｔによって決定される複数の時間間隔とから、複数の変化速度を求め、これら変化速度がゼロに近づいていく変化速度線から研磨終点を決定することも可能である。例えば、複数の変化速度のうち少なくとも１つが所定のしきい値に達した時点を研磨終点とすることができる。また、複数の変化速度の総和または平均値を監視することとしてもよい。
【００４２】
反射強度は、次の式で定義されるスペクトル・インデックス（ＳＩ）として表すこともできる。
【数１】
0005583946.tif 000002
ここで、ref（λ）は、分光プロファイルから求められた、波長λでの反射強度を表し、Ｃは定数であり、ｐは予め定めた波長範囲の下限であり、ｑは前記波長範囲の上限から定数Ｃを引いた値である。
例えば、Ｃを１００とし、波長範囲を４００〜８００とした場合、上記式（２）は次のようになる。
【数２】
0005583946.tif 000003
【００４３】
式（２）および式（３）から分かるように、スペクトル・インデックスＳＩは、複数の波長での反射強度を用いて求められる。ノイズの少ない安定したスペクトル・インデックスを得るためには、１００個以上の波長を選択することが好ましく、さらに好ましくは３００個以上の波長を選択する。例えば、上述した分光器１３（図３（ａ）参照）が測定可能な波長範囲が４００〜８００ｎｍである場合、その波長範囲全体に亘って得られる反射強度を用いてスペクトル・インデックスを算出することが好ましい。
【００４４】
ここで、パラメータｔ＝６〜１０とし、複数組の分光プロファイルを用いる場合、反射強度の変化量は次のようになる。
【数３】
0005583946.tif 000004
ただし、ＳＩ（Ｎ）は、研磨テーブルがＮ回転目のときの分光プロファイルから求められたスペクトル・インデックスを表す。
【００４５】
スペクトル・インデックス（ＳＩ）は、式（３）から分かるように、ある波長での反射強度を他の波長での反射強度で割ることにより得られる。このように反射強度を反射強度で割り算することにより、反射強度の変化量の変動が大きく現われ、さらに反射強度に含まれるノイズ成分が低減される。その結果、反射強度の変化量が描く波形が強調されるとともに安定し、研磨終点の検出精度が向上する。
【００４６】
反射強度の変化量を微分して一次微分値を求め、この一次微分値が所定のしきい値に達したか否かに基づいて研磨終点を決定してもよい。さらに、反射強度の変化量の二次微分値を求め、この二次微分値が所定のしきい値に達したか否かに基づいて研磨終点を決定してもよい。図１０は、反射強度の変化量、一次微分値、および二次微分値が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。このグラフから分かるように、反射強度の変化量、一次微分値、および二次微分値が大きく変動する時点は概ね一致する。したがって、反射強度の変化量と、一次微分値および／または二次微分値を監視し、そのいずれもが各しきい値に達した時点を検出することにより研磨終点を決定してもよい。
【００４７】
従来の研磨終点検知の手法として、リファレンス基板のスペクトルデータを基準データとして予め取得しておいて、製品基板のスペクトルデータと基準データとを比較し、研磨終点を決定する方法がある。しかしながら、この方法では、測定位置の誤差による膜厚の差異や配線パターンの密度の差異に起因して、基板ごとにスペクトルデータが異なることがあり、正確な研磨終点検知ができない場合がある。本発明によれば、製品基板自身のスペクトルデータ（すなわち分光プロファイル）を基準データとして用いるので、研磨終点の検知精度が向上する。
【００４８】
なお、上述した研磨終点検知方法において、反射強度に代えて、相対反射率を用いることができる。この相対反射率は、光の基準強度（基準反射強度−背景強度）に対する反射光の強度（測定された反射強度−背景強度）の比である。相対反射率は、研磨対象基板の研磨中の各波長での反射強度、及びある研磨条件の下で取得された各波長での基準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。具体的には、相対反射率は次の式から求められる。
相対反射率Ｒ（λ）＝｛Ｅ（λ）−Ｄ（λ）｝／｛Ｂ（λ）−Ｄ（λ）｝・・・（５）
ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）は研磨対象となる基板の反射強度であり、Ｂ（λ）は基準反射強度であり、Ｄ（λ）は基板が存在しない状態で取得された背景強度（ダークレベル）である。基準反射強度Ｂ（λ）としては、例えば、研磨パッド上に純水を供給しながらシリコンウェハを水研磨しているときに、このシリコンウェハからの反射光の強度を用いることができる。この場合において、シリコンウェハに代えて、屈折率（ｎ）及び吸収係数が安定した膜が形成されたウェハを用いてもよい。
【００４９】
次に、研磨終点検知装置を組み込んだ研磨装置について説明する。図１１は、研磨装置を模式的に示す断面図である。図１１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を支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。
【００５０】
研磨パッド２２の上面２２ａは、基板Ｗを研磨す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。
【００５１】
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移動機構は、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。
【００５２】
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。
【００５３】
研磨装置は、上述した方法に従って研磨終点を検出する研磨終点検知装置を有している。この研磨終点検知装置は、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分光プロファイルを取得する分光器１３と、分光器１３によって得られた分光プロファイルから反射強度の変化量を求め、この変化量を監視する監視装置１５とを備えている。この監視装置１５は、上述したように、反射強度の変化量に基づいて研磨終点を検知する。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、分光プロファイルを生成する。監視装置１５は、分光プロファイルから算出された反射強度の変化量を監視し、そして、変化量が所定のしきい値に達した時点を検出することにより、研磨終点を決定する。
【００５７】
図１２は、図１１に示す研磨装置の他の変形例を示す断面図である。図１２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。その他の構成は、図１１に示す研磨装置と同様である。
【００５８】
本発明は、ＳＴＩ（Shallow  Trench  Isolation）プロセス、ポリシリコン（Poly-Si）除去プロセス、バリア層除去プロセスなどに適用することができる。図１３は、ＳＴＩの一工程を示す断面図であり、シリコンウェハ１００に形成されたトレンチに絶縁膜であるＳｉＯ２膜１０２が埋め込まれた状態を示している。図１３に示すように、シリコンウェハ１００の表面とＳｉＯ２膜１０２との間にはパッド酸化膜（Pad  Oxide）１０４が形成され、トレンチが形成されていないパッド酸化膜１０４の上にはＳｉＮ膜１０３が形成されている。
【００５９】
ＳｉＯ２膜１０２は、その下層膜であるＳｉＮ膜１０３が露出するまで、ＣＭＰにより研磨される。具体的には、研磨の初期段階では、ＳｉＯ２膜１０２の表面上の段差が除去され（除去点を符号Ａで示す）、研磨の最終段階では、ＳｉＮ膜１０３上のＳｉＯ２膜１０２が除去される（除去点を符号Ｂで示す）。図１４は、図１３に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。この例では、パラメータｔは１０に設定されている。図１４のグラフから分かるように、ＳｉＯ２膜１０２の表面上の段差が除去されたとき（符号Ａで示す）、およびＳｉＮ膜１０３上のＳｉＯ２膜１０２が除去されたとき（符号Ｂで示す）には、反射強度の変化量（すなわち研磨レート）が低下している。したがって、上述した本実施形態に係る研磨終点検知方法によれば、ＳｉＮ膜１０３が露出した時点、すなわち研磨終点の検出が可能である。
【００６０】
図１５は、ポリシリコン（Poly-Si）を除去するためのＣＭＰプロセスの対象となる基板の構造を示す断面図である。より具体的には、図１５は、ディープトレンチキャパシタの形成工程を示す。図１５に示すように、ディープトレンチが形成されたシリコンウェハ１００の表面にはＳｉＯ２膜１０２が形成され、さらにＳｉＯ２膜１０２の上にはポリシリコン膜１０５が形成されている。ポリシリコン膜１０５は、その下層のＳｉＯ２膜１０２が露出するまでＣＭＰにより研磨され、これによりポリシリコンからなるキャパシタ１０６がディープトレンチ内に形成される。図１５では、ポリシリコン膜１０５の除去点は符号Ｃで示されている。
【００６１】
図１６は、図１５に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。この例においても、パラメータｔは１０に設定されている。図１６のグラフから分かるように、ＳｉＯ２膜１０２上のポリシリコン膜１０５が除去されたとき（符号Ｃで示す）に、反射強度の変化量（すなわち研磨レート）が低下している。したがって、上述した本実施形態に係る研磨終点検知方法によれば、ＳｉＯ２膜１０２が露出した時点、すなわち研磨終点の検出が可能である。
【００６２】
図１７は、バリア層を除去するためのＣＭＰプロセスの対象となる基板の構造を示す断面図である。図１７に示すように、Ｌｏｗ−ｋ膜（層間絶縁層）１２０の表面にはＳｉＯ２膜（ハードマスク膜）１２１が形成されており、ＳｉＯ２膜１２１の表面およびＬｏｗ−ｋ膜１２０に形成された配線溝の表面には、Ｔａ／ＴａＮ膜（バリア層）１２２が形成されている。さらにＴａ／ＴａＮ膜１２２の表面には金属配線を構成するＣｕ膜１２４が形成されている。
【００６３】
ＣＭＰプロセスは、主として２段階に分けられる。第１の研磨段階はＣｕ膜１２４を除去する工程であり、Ｔａ／ＴａＮ膜１２２が露出するまで行われる。この第１の研磨段階では、研磨終点検知は一般に渦電流センサを用いて行われる。第２の研磨段階は、Ｔａ／ＴａＮ膜１２２およびＳｉＯ２膜１２１を除去してＬｏｗ−ｋ膜１２０を露出させる工程である。この第２の研磨段階では、上述した本実施形態に係る研磨終点検知方法が用いられる。
【００６４】
図１８は、図１７に示す基板を研磨したときの反射強度の変化量が研磨時間に従って変動する様子を示すグラフである。図１８に示すグラフでは、Ｔａ／ＴａＮ膜１２２、ＳｉＯ２膜１２１、およびＬｏｗ−ｋ膜１２０が研磨されているときの反射強度の変化量を示している。この例においても、パラメータｔは１０に設定されている。図１８のグラフから分かるように、ハードマスク膜であるＳｉＯ２膜１２１が除去されてＬｏｗ−ｋ膜１２０が露出すると、反射強度の変化量（すなわち研磨レート）が低下する。したがって、上述した本実施形態に係る研磨終点検知方法によれば、Ｌｏｗ−ｋ膜１２０が露出した時点、すなわち研磨終点の検出が可能である。
【００６５】
このように、本発明は、上層膜の研磨速度と下層膜の研磨速度とに差がある膜の組み合わせに適用することができる。つまり、上層膜の研磨速度が下層膜の研磨速度よりも大きい場合、および上層膜の研磨速度が下層膜の研磨速度よりも小さい場合のいずれにおいても、研磨終点を検出することが可能である。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
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
５０      透明窓
【図１】
0005583946.tif 000005
【図２】
0005583946.tif 000006
【図３】
0005583946.tif 000007
【図４】
0005583946.tif 000008
【図５】
0005583946.tif 000009
【図６】
0005583946.tif 000010
【図７】
0005583946.tif 000011
【図８】
0005583946.tif 000012
【図９】
0005583946.tif 000013
【図１０】
0005583946.tif 000014
【図１１】
0005583946.tif 000015
【図１２】
0005583946.tif 000016
【図１３】
0005583946.tif 000017
【図１４】
0005583946.tif 000018
【図１５】
0005583946.tif 000019
【図１６】
0005583946.tif 000020
【図１７】
0005583946.tif 000021
【図１８】
0005583946.tif 000022