(57)【要約】【課題】成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、試料表面の凹凸が大きい任意の形状のデバイスからの反射光の分光波形に基づいて、高精度に膜厚を計測する。【解決手段】成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、反射光と反射光の０次光の分光波形を同時に検出し、試料表面の凹凸程度を算出する。又、膜厚算出時、反射光の分光波形と０次光の分光波形について、各々波形補正を行い、波形補正後の分光波形の相関を計算し、相関値が大きい場合、周波数・位相解析により膜厚を求め、相関値が低い場合、波形補正より表面の凹凸の影響が除去されていない可能性があるため、フィッティング等、別方式の膜厚計測方式を適用する。【選択図】  図１
2004191107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料に、白色光を照射し、前記白色光の照射による前記試料表面からの反射光を検出し、検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記膜の膜厚を求める方法において、前記反射光の分光波形を異なる次数の回折光を検出する複数の空間フィルタを介して、複数個、同時に検出し、検出された前記複数の分光波形に基づいて、前記試料の膜厚を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
【請求項２】
前記複数の分光波形を、空間フィルタを介した０次光＋多次光による分光波形と、空間フィルタを介した０次光による分光波形の複数個とすることを特徴とする請求項１記載の膜厚計測方法。
【請求項３】
前記０次光による分光波形と、前記０次光＋多次光による分光波形との比により、前記試料表面の凹凸程度を求めることを特徴とする請求項２記載の膜厚計測方法。
【請求項４】
前記０次光＋多次光による分光波形と、前記０次光による分光波形を波形補正し、前記補正後の分光波形から相関を求め、得られた前記相関に基づき、前記０次光分光波形から、前記試料の膜厚を求めることを特徴とする請求項２記載の膜厚計測方法。
【請求項５】
前記相関値が大きい場合、前記０次光分光波形から、周波数位相解析法により前記試料の膜厚を求め、前記相関値が小さい場合、前記０次光分光波形から、フィッティング法により前記試料の膜厚を求めることを特徴とする請求項４記載の膜厚計測方法。
【請求項６】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料に、白色光を照射し、前記白色光の照射による前記試料表面からの反射光を検出し、検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記膜の膜厚を求める方法において、前記反射光の０次光の分光波形を空間フィルタを介して検出し、前記反射光のフーリエ変換面において、前記反射光の強度分布を検出し、検出された前記反射光の強度分布を画像処理して前記試料表面の凹凸状態を判別し、検出された前記０次光の分光波形に基づいて、前記試料の膜厚を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
【請求項７】
前記フーリエ変換面の反射光強度分布から、画像処理によって０次光＋多次光強度と０次光強度を検出し、検出された前記０次光＋多次光強度、０次光強度に基づいて、前記試料表面の凹凸状態を判別し、前記試料の膜厚を求めることを特徴とする請求項６記載の膜厚計測方法。
【請求項８】
前記０次光強度と、前記０次光＋多次光強度との比により、前記試料表面の凹凸程度を求めることを特徴とする請求項７記載の膜厚計測方法。
【請求項９】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光を検出する検出手段と、前記反射光の異なる次数の回折光を検出する複数の回折光検出手段と、異なる次数の回折光の分光波形を検出する複数の分光波形検出手段と、前記複数の分光波形検出手段により検出した前記複数の分光波形に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記複数の分光波形検出手段により検出した前記複数の分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項１０】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の０次光＋多次光を検出する０次光＋多次光検出手段と、前記０次光＋多次光と同時に前記反射光の０次光を検出する０次光検出手段と、前記０次光＋多次光の分光波形を検出する０次光＋多次光分光波形検出手段と、前記０次光の分光波形を検出する０次光分光波形検出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項１１】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光を検出する検出手段と、前記反射光の０次光を検出する０次光検出手段と、前記０次光の分光波形を検出する０次光分光波形検出手段と、前記反射光のフーリエ変換面において前記反射光の強度分布を検出する反射光強度分布検出手段と、前記反射光強度分布検出手段により検出された前記反射光強度分布から０次光＋多次光強度と０次光強度を算出する反射強度算出手段と、前記反射強度算出手段により算出された前記０次光＋多次光強度と前記０次光強度に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記０次光分光波形検出手段により検出された０次光分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項１２】
試料表面に光学的に透明な膜を形成する成膜手段と、試料表面に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の０次光＋多次光を検出する検出手段と、前記０次光＋多次光と同時に前記反射光の０次光を検出する０次光検出手段と、前記０次光＋多次光の分光波形を検出する０次光＋多次光分光波形検出手段と、前記０次光の分光波形を検出する０次光分光波形検出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段と、得られた膜厚から成膜手段の成膜条件を設定する成膜条件設定手段と、次工程のＣＭＰ装置に前記膜厚を転送する転送手段とを備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１３】
試料表面に形成された光学的に透明な膜をＣＭＰ加工する研磨手段と、試料表面に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の０次光＋多次光を検出する検出手段と、前記０次光＋多次光と同時に前記反射光の０次光を検出する０次光検出手段と、前記０次光＋多次光の分光波形を検出する０次光＋多次光分光波形検出手段と、前記０次光の分光波形を検出する０次光分光波形検出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段と、得られた膜厚から研磨手段の加工条件を設定する加工条件設定手段と、以降の工程のエッチング装置に前記膜厚を転送する転送手段とを備えたことを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１４】
試料表面に形成された光学的に透明な膜をＣＭＰ加工する研磨手段と、前記試料表面に形成された膜を研磨する際、試料表面に白色光を照射する照射手段と、前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の０次光＋多次光を検出する検出手段と、前記０次光＋多次光と同時に前記反射光の０次光を検出する０次光検出手段と、前記０次光＋多次光の分光波形を検出する０次光＋多次光分光波形検出手段と、前記０次光の分光波形を検出する０次光分光波形検出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料表面の凹凸程度を算出する凹凸程度算出手段と、前記０次光＋多次光分光波形と前記０次光分光波形に基づいて前記試料の膜厚を算出する膜厚算出手段と、得られた膜厚から研磨手段の加工終了の判定を行う加工終了検出手段とを備えたことを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１５】
薄膜デバイスの表面に光学的に透明な膜を形成する成膜工程において、前記薄膜デバイスの成膜後、前記薄膜デバイス表面に白色光を照射し、前記白色光の照射による前記薄膜デバイス表面からの反射光を検出し、空間フィルタを介した反射光の０次光＋多次光による分光波形と、空間フィルタを介した反射光の０次光による分光波形を同時に検出し、検出された０次光＋多次光による分光波形と０次光による分光波形に基づいて、前記薄膜デバイスの表面凹凸程度及び膜厚を求め、求めた表面凹凸程度及び膜厚に基づいて成膜条件を決定して製造することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的に透明な膜の厚さの計測及び膜厚を管理して、半導体デバイスを製造する方法に関し、特に、半導体デバイスの製造ラインにおける、成膜工程、平坦化処理工程において、ウェハの表面膜厚を計測する方法、及び膜厚を計測することにより成膜工程、平坦化処理工程を制御して、半導体デバイスを製造する方法に関する。透明膜の例としては、シリコン等の半導体デバイスの他、ＤＶＤ、ＴＦＴ、ＬＳＩレチクル等の薄膜デバイスの製造工程におけるレジスト膜や絶縁膜等も含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは成膜、露光及びエッチング等の各プロセスを経て、素子及び配線パターンがシリコンウェハ上に形成され、製造される。近年、高精度化・高密度化を実現するために、素子及び配線パターンは微細化・多層化の方向に進んでいる。微細なパターンを多層形成すると、ウェハ表面の凹凸が増大し、微細なパターンを精度良く露光することが難しくなってくる。そのため、多層配線層を形成した後、成膜工程で保護膜、又は絶縁膜を形成し、平坦化工程でウェハ表面を、平坦化する方法が採用されている。この平坦化工程として、化学的及び物理的作用により表面を研磨して平坦化するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が用いられる。
【０００３】
成膜工程、あるいは、ＣＭＰ工程では、成膜、又はＣＭＰ加工後、ウェハ間の膜厚の変動、あるいは、チップ内やウェハ面内で不均一性が生じる。そのため、成膜後、又は、ＣＭＰ加工後、成膜状態や残膜状態を計測し、計測結果を基に、次処理ウェハの成膜、ＣＭＰ加工の条件を最適化して、成膜、ＣＭＰ加工できるｉｎ−ｌｉｎｅ計測技術が必要となる。これまで、膜厚計測技術として、ｉｎ−ｌｉｎｅ計測技術以外に、成膜中、あるいはＣＭＰ加工中の膜厚を計測するｉｎ−ｓｉｔｕ計測技術を含めて、種々の方法が提案されている。
【０００４】
特開２０００−１８６９１８号公報（下記の特許文献１）には、研磨工程において、プローブ光を試料表面に照射し、０次光のみを検出して膜厚を計測することにより、パターンのある部分でもデバイスパターンに依存せず、膜厚又は加工終了点を検出する方法が開示されている。特開平１１−４８１３４号公報（特許文献２）では研磨工程において、研磨中、又は研磨後、周期構造を有する試料に周期の一周期長よりも大きな光径の光を照射し、反射光のｎ次（ｎ≧１）回折光の光量又はスポット位置により、研磨量又は研磨終了点を検出する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１８６９１８号公報
【特許文献２】
特開平１１−４８１３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
成膜工程、あるいは、ＣＭＰ工程では一般に処理後の膜厚はデバイスパターンのパターン密度により異なる。従って、各チップ、あるいはスクライブラインにある膜厚計測用の特定パターン上で膜厚を計測しても、次処理ウェハの成膜、ＣＭＰ加工の条件を最適化できない恐れがある。又、デバイスパターンはロジック素子等、任意の形状となり、必ずしも周期構造とはならない。又、成膜工程で、膜厚を計測するため、試料に白色光を照射して分光波形を検出する際、成膜後の試料は試料表面の凹凸が大きいため、下地凹凸パターン上成膜部の斜面による反射で分光波形が歪む。そのため、分光波形の歪みの度合いを検出するとともに、分光波形の歪みを補正する必要がある。
【０００７】
特開２０００−１８６９１８号公報では、０次光のみを検出し１次以上の回折光や散乱光の影響を除去して分光波形を得、膜厚を算出している。この場合、０次光を検出するためスリットで除去された０次光以外の検出については触れられていない。特開平１１−４８１３４号公報では、反射光に対し１次以上の回折光の光量又はスポット位置により、膜厚を算出しており、試料としては周期構造を有するものに限られており、任意のデバイスパターンに対しては触れられていない。
【０００８】
本発明の目的は、成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、試料表面の凹凸が大きい任意の形状のデバイスからの反射光の分光波形に基づいて、高精度に膜厚を計測する方法及びその装置を提供することにある。又、半導体デバイスの製造ラインの、成膜工程、ＣＭＰ工程において、成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、試料表面の凹凸が大きい任意の形状のデバイスからの反射光の分光波形に基づいて、高精度に膜厚を計測し、計測結果を基に、次処理ウェハの成膜、ＣＭＰ加工条件の最適化を図って、薄膜デバイスを製造する方法及びその製造装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、試料に白色光を照射し、試料からの反射光を検出し、検出した反射光の分光波形に基づいて膜厚を算出する際、反射光を２つに分割し、一方は空間フィルタを介さずに分光波形を検出し、他方は空間フィルタを介して分光波形を検出する。空間フィルタはピンホールで０次光のみを検出する。こうして同時に得られた反射光と０次光の分光波形は、試料表面の凹凸が大きい場合、周期パターンによる１次以上の回折光、及び試料表面での散乱光が多くなるため、０次光の分光波形の強度は、反射光の強度に比較して小さくなる。試料表面が平坦の場合、両者の分光波形の強度は同程度になる。従って、０次光の反射光に対する分光波形の強度比を計算すると、試料表面の凹凸が大きいと小さく、表面の凹凸が小さくなると大きくなり、試料表面の凹凸に対応している。従って、０次光の反射光に対する分光波形の強度比を計算することによって、試料表面の凹凸程度が得られる。
【００１０】
又、本発明は、検出した反射光の分光波形に基づいて膜厚を算出する際、同時に得られる反射光の分光波形と０次光の分光波形について、それぞれ中心成分を抽出し、各々の分光波形から中心成分を除去し、反射光と０次光の各々中心成分除去後の分光波形を得る。得られた中心成分除去後の反射光と０次光の分光波形の相関を計算し、相関値が大きい場合のみ、中心成分除去後の０次光分光波形に対し、周波数・位相解析により膜厚を求める。一般に、表面に光学的に透明な膜が形成された試料に、白色光を照射し、反射光を検出して分光波形を得る場合、分光波形は横軸を波長の逆数とすると膜厚に対応する周波数成分を含む。しかし、分光波形は正弦波とならず、中心成分が傾いている。中心成分の傾きは試料表面の透明な膜下における配線パターンの反射率の分光特性に相当する。一方、試料表面に凹凸がある場合、分光波形には上記以外にパターン周期による回折光、及び表面の凹凸による散乱光が含まれている。従って、反射光と０次光に関し、中心成分除去後の分光波形の相関が高い場合、中心成分除去によって、反射光の分光波形からは配線パターンの反射率の分光特性とパターン周期による回折光及び表面の凹凸による散乱光の影響、０次光からは配線パターンにおける反射率の分光特性の影響を除去できたことがわかる。そこで０次光の中心成分除去後の分光波形にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用し、周波数・位相解析により膜厚を求める。一方、反射光と０次光に関し、中心成分除去後の分光波形の相関値が低い場合、検出箇所のパターンに対し中心成分除去により回折光と散乱光の影響が除去されていない可能性がある。そのため、フィッティング等、別方式の膜厚計測方式を適用する。
【００１１】
又、本発明は成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、試料に白色光を照射し、試料からの反射光を検出し、検出した反射光の分光波形に基づいて膜厚を算出する際、反射光のフーリエ変換面において、反射光の回折光の強度分布を検出し、検出された強度分布から反射光強度、０次光強度を検出し、０次光の反射光に対する分光波形の強度比を計算することによって、試料表面の凹凸程度を得る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図により説明する。図１は、半導体デバイスの製造ラインにおける成膜工程において、成膜後、ウェハ表面の膜厚を実際のデバイスパターン上で計測する例を示す。
【００１３】
膜厚計測装置は検出光学系、膜厚計測処理部２０で構成され、ここでは図示されない成膜装置に組み込まれている。検出光学系はウェハ２を載置するＸＹステージ１、対物レンズ３、ハーフミラー４、結像レンズ８、視野絞り９、リレーレンズ１０、１３、１６、ハーフミラー１１、空間フィルタ１２、１５、分光器１４、１７、照明光源７、開口絞り６、集光レンズ５から構成される。照明光源７はキセノンランプ又はハロゲンランプ等の白色照明光源で白色照明光を開口絞り６、集光レンズ５、ハーフミラー４、対物レンズ３を介してウェハ２に照射する。ウェハ２からの反射光は対物レンズ３、ハーフミラー４、結像レンズ８、視野絞り９、リレーレンズ１０、ハーフミラー１１、空間フィルタ１２、リレーレンズ１３を介して分光器１４に導かれる。一方、ウェハ２からの反射光はハーフミラー１１で分割され空間フィルタ１５、リレーレンズ１６を介して他の分光器１７に導かれる。２つの分光器１４、１７で分光された分光波形は電気信号として膜厚計測処理部２０に入力され、膜厚が算出される。膜厚計測処理部２０では、分光波形検出処理２１で分光波形を入力し、照明光源７の分光強度特性を除去し、ウェハの反射率分光波形を得る。平坦性評価処理２２で検出光学系において同時に検出した２つの分光波形から試料表面の凹凸程度を算出する。波形補正処理２３では、得られた分光波形に対しウェハ表面膜下のパターンの反射率による影響、周期パターンの回折光と表面の凹凸による散乱光の影響等の補正を行い、分光波形の歪みをなくす。波形相関評価処理２４で波形補正した２つの分光波形の相関を計算する。周波数・位相解析、フィッティング処理２５では分光波形の相関値により周波数・位相解析処理あるいはフィッティング処理を行う。
【００１４】
次に試料表面の凹凸が大きい場合、試料から得られる２つの分光波形を用いて試料表面の膜厚求める方法について、図２乃至図５により説明する。試料表面の凹凸が大きい場合、試料から得られる２つの分光波形のうち一方を全ての次数を含む反射光、他方を反射光の０次光とするため、空間フィルタ１５は光軸から退避し、空間フィルタ１２は反射光の０次光のみを検出するピンホールとする。こうして設定された光学系に対し、分光波形検出処理２１で得られる分光波形を図２（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、図３（ｂ）、（ｄ）に検出分光波形４６、４７、４８、５５、５６として示す。検出分光波形はそれぞれ反射光の分光波形（実線）４９、５１、５３、５７、５９と、０次光の分光波形（破線）５０、５２、５４、５８、６０とがある。又、各検出箇所の断面構造を図２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、図３（ａ）、（ｃ）に示す。断面は基板４３上に配線４２があり、絶縁膜４５が成膜装置によって成膜されたものである。試料表面の絶縁膜４５の凹凸は配線パターンに沿い、配線パターンの大きさと密度によって種々の形状を示す。微細な配線パターンが密の場合、小さな凹凸があるが表面は比較的平坦である。比較的幅の広い周期的な配線パターンでは表面の凹凸は大きい。面積の大きいパターンでは表面は平坦である。検出視野４１は視野絞り９で決定し、例えば、φ２５μｍとする。各検出箇所の分光波形は試料表面の凹凸が大きい程、０次光の分光波形の強度は、小さくなる。こうして得られた分光波形は平坦性評価処理２２によって反射光と０次光を用いて表面凹凸程度を算出する。表面凹凸程度として、例えば全波長に対する反射光と０次光の比を算出する。算出結果を図５（ａ）に示す。表面凹凸程度９１は図３（ａ）の一様大パターンの場合が最大値で、図２（ｃ）の繰り返し配線パターンの場合が最小値となっており、表面の凹凸に対応している。
【００１５】
平坦性評価処理２２によって算出される表面凹凸程度（図５（ａ）縦軸）は、表面凹凸程度が大きければ、膜表面の凹凸は小さく、膜厚算出処理２６で求まる膜厚値も精度が高く、表面凹凸程度が小さければ、膜表面の凹凸は大きく、膜厚値も精度が低い。従って、膜厚を求める際、表面凹凸程度を同時に得ることにより、その膜厚の精度も求まる。又、ｉｎ−ｌｉｎｅ膜厚計測で、膜厚測定個所を予め指定して高精度に膜厚を求めたい場合、測定個所で表面凹凸程度が小さいとき、その周辺を探索して、表面凹凸程度が大きい場所を検出して、膜厚を計測することにより、高精度に膜厚計測できる。又、予め表面凹凸程度と膜厚の補正値を登録しておくことにより、分光波形から得られた膜厚を補正することにより、高精度に膜厚が求まる。
【００１６】
次に反射光と０次光の分光波形を用いて膜厚を算出する方法を示す。分光波形として図２（ｄ）の検出分光波形４７の場合について示す。同一の分光波形を図４（ａ）に示す。一般に一様なパターン上の絶縁膜から得られる分光波形は、分光波形の横軸を波長の逆数とし、絶縁膜の屈折率をｎ、膜厚をｄとすると周期１／２ｄｎのｃｏｓ波形となる。しかし、一様なパターンの反射率が分光特性をもつとき、分光波形の中心成分に傾きが生じる。又、パターンが周期をもち試料表面に凹凸がある場合、分光波形は周期パターンによる回折光と試料表面の凹凸による散乱光により変形する。そこで、波形補正処理２３で０次光の分光波形に対しては、配線パターンの分光特性による影響、反射光の分光波形に対しては、配線パターンの分光特性による影響と周期パターンに回折光と表面の凹凸による散乱光による影響を除去する。その処理方法としては図４（ａ）に示すように反射光分光波形８３、０次光分光波形８４に対し反射光分光波形中心成分８５、０次光分光波形中心成分８６を求める。その方法として、例えば中心成分を多項式近似して最小２乗法により求める。得られた中心成分を元の分光波形から減算して補正分光波形を得る。すなわち、反射光分光波形８３から反射光中心成分８５を減算して図４（ｂ）に示す補正反射光分光波形８７、０次光分光波形８４から０次光分光波形中心成分８６を減算して図４（ｂ）に示す補正０次光分光波形８８を得る。この場合、補正反射分光波形８７、補正０次光分光波形８８はほぼ一致しており、次の波形相関評価処理２４で両波形の一致の程度を評価する。
【００１７】
波形相関評価処理２４では、波形の一致の程度を評価するため、補正された補正反射光分光波形８７と補正０次光分光波形８８の例えば、相関を計算する。相関は、両波形の共分散と両波形の標準偏差の積との比である。補正反射光分光波形８７と補正０次光分光波形８８の場合、両波形はほぼ一致しているため、相関値も大きな値になる。図２、図３の各検出箇所における分光波形に対し、波形相関処理した結果を図５（ｂ）に示す。相関値９２は図２（ｅ）の繰り返し配線パターンのときが最小値で、それ以外は、これまで述べた図２（ｃ）の場合も含めて大きな値を示している。反射光と０次光に関して中心成分除去後の分光波形の相関が高い場合、中心成分除去によって、回折光、散乱光の影響が除去されたことがわかる。従って補正分光波形に対して周波数位相解析によって膜厚を算出できる。一方、図２（ｅ）の繰り返し配線パターンの場合、補正反射分光波形と補正０次分光波形が一致しないため、相関値が低く、中心成分除去の波形処理により回折光、散乱光の影響を除去できていない可能性がある。そのため、膜厚を算出するために周波数・位相解析は用いず、検出分光波形４８にフィッティング処理を適用して行う。
【００１８】
次に周波数・位相解析、フィッティング処理２５、膜厚算出処理２６によって、反射光と０次光に関して中心成分除去後の分光波形の相関が高い場合は、補正０次光分光波形に、周波数・位相解析法を適用して膜厚を算出する。周波数・位相解析法では、特開２０００−３１０５１２号公報で開示しているように補正０次光分光波形にＦＦＴを適用し、周波数以外に位相を用いて膜厚を算出するため、高精度に膜厚が求まる。分光波形の相関が低い場合は、波形補正前の０次光分光波形にフィッティング処理等を適用して膜厚を算出する。
【００１９】
次に本発明の第２実施形態として、図６、図７により、半導体デバイスの製造ラインにおける成膜工程において、成膜後、光学系のフーリエ変換面における回折光の強度により試料表面の凹凸状態を検出し、ウェハ表面の膜厚を実際のデバイスパターン上で計測する方式を示す。本実施形態の膜厚計測装置の構成は第１実施形態の膜厚計測装置の構成に対し反射光と０次光の分光波形検出系のうち、反射光の分光波形検出系に代わり、光学系のフーリエ変換面に回折光検出系を追加したものである。膜厚計測装置は、検出光学系、回折画像処理部１３０、膜厚計測処理部２０で構成され、ここでは図示されない成膜装置に組み込まれている。なお、図６において、図１に示した第１実施形態と同一の構成要素あるいは処理には、同一の符号を付してある。検出光学系は第１実施形態の検出光学系において、空間フィルタ１５、リレーレンズ１６、分光器１７の代わりに、ビデオカメラ１２２付加したものである。第１実施形態と同様に照明光源７は白色照明光を、対物レンズ３を介してウェハ２に照射し、ウェハ２からの反射光を、空間フィルタ１２のピンホールを介して反射光の０次光を分光器１４に導く。分光器１４で分光された分光波形は電気信号として膜厚計測処理部２０に入力され、膜厚が算出される。
【００２０】
一方、本実施形態で追加した回折光検出系では、ウェハ２からの反射光をハーフミラー１１で分割し、検出光学系のフーリエ変換面に位置したビデオカメラ１２２で反射光の回折光を検出する。ビデオカメラ１２２で検出された反射光の回折光強度は電気信号として回折像画像処理部１３０に入力される。回折像画像処理部１３０では画像入力処理１３１により、図７に示す回折像１５１を入力する。入力された回折像１５１に対し、回折光強度検出処理１３２により瞳１５２に対応する画素を抽出し、各画素の信号強度の和を求めて、反射光強度とする。又、予め設定された検出光学系の空間フィルタ１２のピンホールに対応する０次光検出エリア１５３の画素を抽出し、各画素の信号強度の和を求めて０次光強度とする。得られた反射光強度と０次光強度は膜厚計測処理部２０の平坦性評価処理２２に送られ、０次光強度と反射光強度の比を計算して検出箇所の凹凸程度を算出する。膜厚計測処理部２０の他の処理は第１実施形態の波形相関処理２４が無い以外、同一である。この場合、波形相関値が得られないため、全て周波数・位相解析法で一旦、膜厚を算出し、得られた膜厚と検出箇所の凹凸程度を考慮して、再度フィッティング法により膜厚を算出するか否かを判断する。
【００２１】
又、第１実施形態で述べたように本実施形態でも、表面凹凸程度が大きい（表面凹凸が小さい）場所を検出して、膜厚を計測する、あるいは、表面凹凸程度度で、分光波形から得られた膜厚を補正することにより、高精度に膜厚が求めることができる。
【００２２】
又、本実施形態では回折像画像処理１３０で、反射光と０次光の強度を求めて凹凸程度を評価したが、予め試料表面の凹凸の種類と対応する回折像のパターンを分類して登録しておき、得られる回折像のパターンと強度から試料表面の凹凸の種類とその大きさを算出して、平坦性を評価し、高精度に膜厚算出することもできる。又、成膜処理において、良品、不良品の試料表面凹凸程度に対応する回折像のパターンを検出箇所毎に予め登録しておき、成膜後、各検出箇所で回折像のパターンを比較することによって、成膜プロセスの問題点を検知することもできる。
【００２３】
次に本発明の第３実施形態として、図８により、半導体デバイスの製造ラインにおけるＣＭＰ工程において、ＣＭＰ加工中、ウェハ表面の膜厚をデバイスパターン上でｉｎ−ｓｉｔｕ計測する方式を示す。ＣＭＰ加工装置は研磨系と検出光学系と膜厚算出処理部２０とで構成される。このうち、検出光学系と膜厚算出処理部２０の一部は、図１に示した第１実施形態と同一の構成要素あるいは処理であり、それらには同一の符号を付してある。
【００２４】
研磨系は、研磨パッド１６３が貼付された研磨盤１６４、被加工物であるウェハ２を保持する研磨ヘッド１６１から構成される。ウェハ２は、表面を下にして研磨ヘッド１６１により、研磨盤１６４に接触・加圧される。図示されない研磨剤であるスラリーは研磨パッド１６３上に供給され、研磨盤１６４、研磨ヘッド１６１をそれぞれ回転させて、ウェハ２の研磨が行われる。ＣＭＰ加工中のウェハ２表面の膜厚は、研磨パッド１６３、研磨盤１６４に検出ウィンドウ１６２を設け、この検出ウィンドウ１６２を介してウェハ表面の分光波形を検出し、膜厚を算出する。
【００２５】
分光波形を検出する検出光学系は、ウィンドウガラス１６５、検出ウィンドウ１６２以外は、図１に示した第１実施形態と同一の構成要素から構成される。照明光源７で白色照明光を対物レンズ３、ウィンドウガラス１６５を介してウェハ２に照射し、ウェハ２からの反射光はウィンドウガラス１６５、対物レンズ３、空間フィルタ１２、１５を介して分光器１４、１７に導かれる。第１実施形態と同様、試料から得られる２つの分光波形のうち一方を全ての次数を含む反射光、他方を反射光の０次光とするため、空間フィルタ１５は光軸から退避し、空間フィルタ１２は反射光の０次光のみを検出するピンホールとする。膜厚算出処理部２０は終点検出処理２００、加工終了処理２０１以外は、図１に示した第１実施形態と同一の処理から構成される。
【００２６】
ＣＭＰ加工中、研磨盤１６４は回転しており、検出ウィンドウ１６２が検出光学系上を通過したとき、分光波形は検出可能となる。研磨盤１６４の各回転毎に分光波形を連続的に検出し、膜厚を連続的に算出する。膜厚算出は反射光と０次光の分光波形によって、試料表面の凹凸程度を算出し、反射光と０次光の波形補正後の相関値から、周波数・位相解析法、又はフィッティング法の何れかを選択して、膜厚を算出する。但し、ｉｎ−ｓｉｔｕ計測では、ウェハが回転しているため、検出箇所が特定できない。そのため、フィッティング法で膜厚計測すると計算時間がかかるため、相関値が小さい場合は膜厚算出を行わないようにしてもよい。ＣＭＰ加工の初期段階では試料表面の凹凸が大きいため、平坦性評価処理２２で反射光と０次光を用いて表面凹凸程度を算出するとその値は小さく、平坦性が悪い。そのとき、膜厚算出処理２６で得られる膜厚は厚い。一方、ＣＭＰ加工の終了段階では平坦性評価処理２２で得られる試料表面の凹凸程度は大きく（表面凹凸は小さく）、平坦性は良くなっており、膜厚算出処理２６で得られる膜厚は薄くなっている。終点検出処理２００で膜厚を目標値と比較し、加工終了か否かの判定を行い、加工終了処理２０１でＣＭＰ加工を終了する。
【００２７】
次に本発明の第４実施形態として、図９により、半導体デバイスの製造ラインで、成膜装置２２１、及びその後のＣＭＰ装置２２２で、プロセスを最適化する方法を示す。成膜装置２２１の成膜部２２３で成膜されたウェハは、成膜装置に組み込まれた膜厚計測装置２２５においてｉｎ−ｌｉｎｅで膜厚計測を行う。膜厚計測は反射光と０次光の分光波形によって、試料表面の凹凸程度を算出し、膜厚算出方法を選択して、膜厚を算出する。成膜条件設定部２２７では、得られた膜厚、及び表面凹凸程度に基づき、ガス流量、成膜時間等、次処理ウェハの成膜条件の設定を行うとともに、膜厚値、表面凹凸程度により成膜装置の膜厚管理を行う。このとき、予め、良品の検出箇所と膜厚値、表面凹凸程度を登録しておけば、従来の膜厚以外に表面凹凸程度を利用できるため、検出箇所と膜厚値、表面凹凸程度を比較して、膜厚値が許容範囲内でも、表面凹凸程度の違いにより、成膜プロセスに問題があることを検知できる。成膜部２２３は成膜条件設定部２２７の設定に従い、成膜を行う。又、転送部２２９によって成膜後の膜厚、及び表面の凹凸程度を次工程のＣＭＰ装置２２２のＣＭＰ加工条件設定部２２８に転送する。ＣＭＰ加工条件設定部２２８では、成膜装置２２１から転送された膜厚と表面の凹凸程度に基づいて、ＣＭＰ加工条件を設定し、ＣＭＰ加工部２２４でＣＭＰ加工する。ＣＭＰ加工後、膜厚計測装置２２６で膜厚と表面凹凸程度を計測し、ＣＭＰ加工条件設定部２２８で、ＣＭＰ加工部２２４の研磨レートを計算するとともに、膜厚値、及びＣＭＰ加工後の平坦性の膜厚管理を行う。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜後、あるいはＣＭＰ加工後、試料表面の凹凸が大きい任意の形状のデバイスに対し、試料表面の凹凸程度を算出し、波形補正後の分光波形の相関を算出して、凹凸の影響の除去程度を検出することにより、膜厚を算出するため、試料表面の凹凸に影響されることなく高精度に膜厚計測できる。又、半導体デバイスの製造ラインで、成膜工程、あるいは、ＣＭＰ工程において、成膜後あるいはＣＭＰ加工後、ウェハ上任意形状のデバイスの膜厚を、試料表面の凹凸に影響されることなく高精度に膜厚計測できるため、次処理ウェハの成膜、あるいはＣＭＰ加工における処理条件の最適化が図れると共に、成膜工程、あるいはＣＭＰ工程の次工程における処理条件の最適化にも適用できるため、高精度な半導体デバイスの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図２】検出箇所の断面構造と検出された分光波形を説明する概略図である。
【図３】他の検出箇所の断面構造と検出された分光波形を説明する概略図である。
【図４】膜厚算出時、分光波形を補正し、補正後の分光波形の相関を算出して、表面の凹凸による影響の除去の程度を検出する方式を説明する概略図である。
【図５】検出箇所に対し本実施形態で算出した表面凹凸程度、及び分光波形の相関値を説明する概略図である。
【図６】本発明の第２実施形態における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図７】検出光学系のフーリエ変換面でビデオカメラによって検出された反射光の回折像を説明する概略図である。
【図８】本発明の第３実施形態における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図９】本発明の第４実施形態における半導体デバイスの製造ラインでの成膜装置、及びＣＭＰ装置におけるプロセスを示す概略図である。
【符号の説明】
１…ＸＹステージ、３…対物レンズ、４…ハーフミラー、５…集光レンズ、６…開口絞り、７…照明光源、８…結像レンズ、９…視野絞り、１０…リレーレンズ、１１…ハーフミラー、１２…空間フィルタ、１３…リレーレンズ、１４…分光器、１５…空間フィルタ、１６…リレーレンズ、１７…分光器、２０…膜厚計測処理部、２１…分光波形検出処理、２２…平坦性評価処理、２３…波形補正処理、２４…波形相関評価処理、２５…周波数・位相解析、フィッティング処理、２６…膜厚算出処理、１２２…ビデオカメラ、１３０…回折画像処理部、１３１…画像入力処理、１３２…回折光強度検出処理、１６１…研磨ヘッド、１６２…検出ウィンドウ、１６３…研磨パッド、１６４…研磨盤、１６５…ウィンドウガラス、２００…終点検出処理、２０１…加工終了処理、２２１…成膜装置、２２２…ＣＭＰ装置、２２３…成膜部、２２４…ＣＭＰ加工部、２２５…膜厚計測装置、２２６…膜厚計測装置、２２７…成膜条件設定部、２２８…ＣＭＰ加工条件設定部、２２９…転送部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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