(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に微小な凹凸を有する多層膜試料膜厚を測定する装置であって、前記凹部と前記凸部との高さの差をH、  前記凹部の幅をｄとするとき、多層膜試料の表面に光をtan-1ｄ/（2H）より大きな入射角θで斜めに投射する投光部と、該入射角とほぼ等しい反射角で多層膜試料表面から反射された光を受光する受光部と、受光部で検出された光の干渉ハ゜ターンを検出して膜厚を測定する膜厚測定部とを有してなることを特徴とする多層膜試料の膜厚測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多層膜試料の膜厚測定装置を有してなることを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板、マイクロマシーン等の製造の過程において、表面に微小な凹凸を有する多層膜試料の膜厚を測定する膜厚測定装置、及びこの装置を有してなる研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高密度化は限界を見せず進展を続けており、高密度化に伴う様々の障害のいくつかは、種々の技術、方法により克服されつつある。大きな課題のひとつとして、グローバルな（比較的大きなエリアでの）デバイス面の平坦化がある。デバイスの集積度が上がるにつれ、電極他の更なる積層化は避けられない。リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の範囲で、層間層を精度良く平坦化することへの要求は大きい。
【０００３】
従来より、成膜法などの改良により局所的に層間層を平坦化する方法が多く提案、実行されているが、今後さらに必要とされる、より大きなエリアでの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ（Chemical Mechanical PolishingまたはPlanarization）とよばれる研磨工程である。
【０００４】
ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用（研磨材、溶液による溶かし出し）を併用してウェハーの表面凹凸を除いていく工程であり、グローバル平坦化技術の最有力な候補となっている。具体的には、酸、アルカリなどの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布でウェハ表面を加圧して相対運動により摩擦することで研磨を進行させる。ウェハ全面において、加圧と相対運動速度を一様とすることで面内を一様に研磨することが可能になる。
【０００５】
この工程は、従来の半導体プロセスとのマッチングの点などでも未だに多くの課題を残しているが、一般的な要求課題の大きなものとして、研磨工程の終了の検知がある。ことに、研磨工程を行いながらの（in-situの）研磨終了点の検出は、工程効率化のためにも要請が大きい。
【０００６】
研磨工程の終了を検出する方法のひとつとして、目的研磨層と異なった層へ研磨が進んだ場合の摩擦変動を、ウェハやパッドを回転させるモーターのトルク変化によって検出する方法が用いられている。
【０００７】
また、研磨パッドに光路を設けてウェハ表面に光を照射したり、ウェハキャリアに光路を設けてウェハ裏面からウェハ透過性の光（赤外光）を照射したりして、光学的な干渉によって研磨中の薄膜の膜厚を測定する方法も実用化に向け開発が進められている。
【０００８】
これは、研磨されていく層間絶縁膜を計測する際に、レーザ光を研磨面に照射し、その反射光の強度の時間変化をモニタするものである。膜厚変動による照射光の干渉条件の変化から、光量の変動（膜厚減少速度が一定であれば、通常正弦波的変動となる）がおこる。これにより、膜厚即ち研磨量を算出することが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような、ＣＭＰにおける研磨量や研磨終了点を研磨中にモニタする技術は、要請が高まっているにも関わらず決定的といえる解決方法が確立されていない。
【００１０】
例えば、研磨終了点をモータートルクで検出する方法は、現時点においては、明らかに異なる層の研磨開始を検知する場合にのみ有効で、しかも精度の上で不十分である。
【００１１】
また、干渉利用の膜厚計測の方法で問題になることの一つは、研磨ウェハの表面に微小な凹凸が存在することである。図５は、研磨ウェハを示す摸式図である。研磨ウェハにおいては、Si基板１の上にSiＯ2膜２が成膜されており、SiＯ2膜２中には、金属配線層３などが存在している。そして、一般に研磨前または研磨中の研磨ウェハの表面には、図５に示すように微小な凹凸が存在している。
【００１２】
よって、この研磨ウェハの表面に光を投射して得られる反射光は、以下の光成分が重なったものとなる。
(a) 積層された膜による干渉光成分（凹部及び凸部でそれぞれ発生、図５のａ）
(b) 凹部での干渉光と凸部での干渉光が更に干渉する成分（図５のｂ）
(c) 凹凸部の位相変化による回折光成分
【００１３】
通常の光干渉を利用した膜厚検出では、受光面を平面と仮定し、積層膜の干渉によって得られる反射光量の山と谷の位置と光学定数（屈折率及び吸収係数）とから膜厚を求める。すなわち、前記(b) と(c) の成分はないものとして膜厚を求めている。よって、表面に凹凸がある研磨ウェハを測定した場合には、(b) と(c) の成分が誤差要因となって正確な測定ができないという問題点があった。
【００１４】
このため、従来は、表面に凹凸のない平坦な部分を探し出して、その部分で測定を行う等の対策が必要であったが、研磨の途中において平坦な部分を探し出して測定を行うことは困難で実用的ではなかった。
【００１５】
このように、研磨量を研磨中にモニタする技術が不十分なため、実際のプロセスにおいては、研磨時間による制御などで対処することが多く、その精度不足のため、必要以上の膜厚を成膜する必要に迫られることになっていた。
【００１６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、表面に微小な凹凸を有する多層膜試料であっても、正確に膜厚を測定することのできる膜厚測定装置、及びこの装置を有してなる研磨装置を提供することを課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、表面に微小な凹凸を有する多層膜試料膜厚を測定する装置であって、前記凹部と前記凸部との高さの差をH、  前記凹部の幅をｄとするとき、多層膜試料の表面に光をtan-1ｄ/（2H）より大きな入射角θで斜めに投射する投光部と、該入射角とほぼ等しい反射角で多層膜試料表面から反射された光を受光する受光部と、受光部で検出された光の干渉ハ゜ターンを検出して膜厚を測定する膜厚測定部とを有してなることを特徴とする多層膜試料の膜厚測定装置（請求項１）である。
【００１８】
この膜厚測定装置においては、多層膜試料の表面に光を斜めに投射し、入射角とほぼ等しい反射角で多層膜試料表面から反射された光を受光しているので、前記(b) 、(c) に係る光は、凸部の陰になって受光されない。よって、(a) に係る光のみが受光されることになり、表面が平坦であるときと同様な原理で膜厚を測定することができる。
【００１９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段を有してなる研磨装置（請求項２）である。
【００２０】
この研磨装置においては、正確に膜厚が測定できる多層膜試料の膜厚測定装置を有しているので、研磨の終了を正確に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１は、本発明に係る膜厚測定装置を半導体用のウェハに応用した場合の測定原理を示す模式図である。研磨ウェハにおいては、Si基板１の上にSiＯ2膜２が成膜されており、SiＯ2膜２中には、金属配線層３などが存在している。
【００２２】
この研磨ウェハに、斜めから光を投射し、入射角とほぼ等しい反射角で多層膜試料表面から反射された光を受光する。凹部と凸部との高さの差をＨ、凹部の幅をｄとし、入射角と反射角をθとすると、θ≧tan-1ｄ／（２Ｈ）のとき、凹部に入射した光は、凸部の側壁に当たって直接検出部には到達しない。側壁に当たった光は、金属配線層３に当たって吸収、反射されて検出部に到達しないか、多重反射により迷光となって検出部に入射する。多重反射により迷光となって検出部に入射した光は干渉には寄与しない。多重反射により光路長がコヒーレント長よりも長くなるためである。
【００２３】
よって、この方式により、凹部で反射された光は、検出部において凸部からの反射光と干渉することがないので、凸部の反射光のみの情報（凸部の反射光のみの光干渉）を選択して得ることができ、あたかも凹凸がなく平坦な面からの信号であるかのように扱うことができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態に係る装置の投光部の概略図である。Xeランプ（光源）１１からの光は、集光レンズ１２で集光され、モノクロメータ１３で単色光とされる。そして、コリメータレンズ１４により平行光とされ、反射ミラー１５を介してゴニオメータ１６に入射される。そして、ゴニオメータ１６により入射角を規定され、被測定物１７に斜めに照射される。モノクロメータ１３により、各種の単色光を発生させ、各々について干渉データを得る。受光装置、測定回路については、従来の光干渉型膜厚測定器と同じであるので説明を省略する。
【００２５】
図３に、本発明に係る多層膜試料の膜厚測定装置を有する研磨装置の、実施の形態の例を示す。図３において、研磨される被研磨材（ウェハ）２１はウェハキャリア２２に保持されている。研磨定盤２３の表面には研磨パッド２４が設けられており、研磨定盤２３は、その中心軸の周りに回転している。ウェハキャリア２２は、ウェハ２１を研磨パッド２４の上に押圧しながら回転すると共に往復運動を行い、研磨パッド２４によりウェハ１を研磨する。研磨定盤２３及び研磨パッド２４には石英透過窓２５が設けられている。２６は、前述したような多層膜試料の膜厚測定装置であり、石英透過窓２５を通してウェハ１表面に光を投射し、その反射光を処理して膜厚を測定する。そして、膜厚が規定厚さに達した時点で研磨を終了する。
【００２６】
このように石英透過窓２５を通して光を照射する方式の他、測定時にウェハを研磨定盤２３及び研磨パッド２４より外側にはみ出させ、はみ出したウェハ部分に光を投射して測定を行うようにしてもよい。
【００２７】
【実施例】
図４に示すような試料を作成して測定を行った。まず、Si基板３１を加熱し、SiＯ2熱酸化膜３２を573nm作成した。その上に、アルミニウム３３を700nmスパッタリングによって積層した。作成した積層膜（Si／SiＯ2熱酸化膜／アルミニウム）上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを設け、フォトレジストを感光させた。その後、アルミニウムをエッチングし、フォトレジストを除去した。最後にプラズマＣＶＤでSiＯ2膜３４を390nm積層して試料を完成させた。こうして作成された試料は、アルミニウムが１μｍピッチでパターニングされた積層膜である。
【００２８】
この試料に、図２に示す光学系により光を斜めに投射し、試料からの鏡面反射光を検出器によって受光し、反射光光度を測定した。なお、図示していないが、鏡面反射光を受光できるように、検出器もゴニオメータによって同時に動かしている。
【００２９】
ゴニオメータによって、入射角を変化させるにつれて、反射スペクトルは次のような変化を示した。
入射角が小さい場合には、得られた分光反射スペクトルは複雑なもので、平坦な積層膜から得られるものとは大きく異なっていた。
しかし、入射角が３５°以上となったとき、受光量は減少したが、分光反射スペクトルは、Si基板上にSiＯ2熱酸化膜573nm、アルミニウム700nm、SiＯ2390nmを積層させた平坦膜と同一のものが得られた。すなわち、斜め入射の光線を使用することにより、凹凸が存在する領域においても、凹凸が存在しない領域と同様の分光反射スペクトルが観測された。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多層膜試料の膜厚測定装置においては、多層膜試料の表面に光を斜めに投射し、入射角とほぼ等しい反射角で多層膜試料表面から反射された光を受光しているので、凹部からの反射光は、凸部の陰になって受光されない。よって、凸部表面からの反射光のみが受光されることになり、表面が平坦であるときと同様な原理で膜厚を測定することができる。
【００３１】
また、本発明に係る研磨装置においては、正確に膜厚が測定できる多層膜試料の膜厚測定装置を有しているので、研磨の終了を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜厚測定装置の測定原理を示す模式図である。
【図２】本発明に係る膜厚測定装置の投光部の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る研磨装置の実施の形態の例を示す図である。
【図４】本発明の実施例に使用した試料を示す図である。
【図５】研磨ウェハを示す模式図である。
【符号の説明】
１  …Si基板
２  …SiＯ2膜
３  …金属配線層
１１…Xeランプ
１２…集光レンズ
１３…モノクロメータ
１４…コリメータレンズ
１５…反射ミラー
１６…ゴニオメータ
１７…被測定物
２１…被研磨材（ウェハ）
２２…ウェハキャリア
２３…研磨定盤
２４…研磨パッド
２５…石英透過窓
２６…膜厚測定装置
３１…Si基板
３２…SiＯ2熱酸化膜
３３…アルミニウム
３４…SiＯ2膜
【図１】
0003550594.tif 000002
【図２】
0003550594.tif 000003
【図３】
0003550594.tif 000004
【図４】
0003550594.tif 000005
【図５】
0003550594.tif 000006