(57)【要約】【課題】ＣＭＰ加工後、膜厚を計測し面内膜厚分布を求める際、試料上の測定個所及び、特定パターンの位置決めすることなしに高速に膜厚分布を求める。【解決手段】ＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、試料を移動し、移動中の試料からの反射光の分光波形を連続的に検出することにより、短時間で比較的詳細な試料面内の膜厚分布を求める。又、ウェハにおけるチップのように試料上の局所的領域でパターンの密度等による膜厚分布が生じる場合、区分領域毎に分光波形を連続的に検出し、その区分領域を代表する膜厚値を求め、区分領域の膜厚を基に試料全面の膜厚分布を求める。得られた膜厚分布を基に次の試料のＣＭＰ加工条件を設定することにより、ＣＭＰ加工の膜厚の均一性を図れる。【選択図】　図１
2004012302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に形成された光学的に透明な膜の膜厚分布を求める方法において、試料表面に白色光を照射し、前記試料を移動させ、移動する前記試料からの反射光の分光波形を連続的に検出して、検出した前記反射光の分光波形に基づいて、前記試料の膜厚分布を求めることを特徴とする膜厚分布計測方法。
【請求項２】
前記移動する試料からの反射光の分光波形を区分領域毎に連続的に検出して、検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記区分領域内の複数箇所の膜厚を求め、求めた前記区分領域内の複数の膜厚を演算処理した結果をその区分領域の膜厚とし、前記試料上の全区分領域について膜厚を得ることにより、前記試料上の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１記載の膜厚分布計測方法。
【請求項３】
前記演算処理を、前記区分領域内の複数の膜厚の最大値、又は最小値、又は平均値とすることを特徴とする請求項２記載の膜厚分布計測方法。
【請求項４】
前記区分領域を、検出方向に長い矩形領域とすることを特徴とする請求項２又は３記載の膜厚分布計測方法。
【請求項５】
前記区分領域を、検出方向に長く、検出方向に平行に複数個の矩形が並んだ領域とすることを特徴とする請求項２又は３記載の膜厚分布計測方法。
【請求項６】
前記試料を回転し、前記試料からの反射光の分光波形を検出して、前記試料の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の膜厚分布計測方法。
【請求項７】
前記試料を直線運動させ、前記試料からの反射光の分光波形を検出して、前記試料の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の膜厚分布計測方法。
【請求項８】
前記試料を試料の一部分である製品単位領域とし、直線運動する前記製品単位領域からの反射光の分光波形を検出して、前記製品単位領域上の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１記載の膜厚分布計測方法。
【請求項９】
前記試料を回転し、前記回転する試料からの反射光の分光波形を検出して、前記試料の膜厚分布を求め、更に、前記試料の一部分の製品単位領域を直線運動させ、前記製品単位領域からの反射光の分光波形を連続的に検出して前記製品単位領域上の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項２記載の膜厚分布計測方法。
【請求項１０】
前記試料を水中で移動させ、移動する前記試料からの反射光の分光波形を連続的に検出して、前記試料の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１記載の膜厚分布計測方法。
【請求項１１】
前記試料を水中で移動させ、移動する前記試料からの反射光の分光波形を区分領域毎に連続的に検出して、前記試料上の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項２記載の膜厚分布計測方法。
【請求項１２】
前記試料がウェハであることを特徴とする請求項６又は７記載の膜厚分布計測方法。
【請求項１３】
前記試料がウェハで、前記製品単位領域がウェハ上の１チップであることを特徴とする請求項８又は９記載の膜厚分布計測方法。
【請求項１４】
試料表面に形成された光学的に透明な膜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た前記試料から発生する反射光の分光波形を検出する検出手段と、前記試料を移動する移動手段と、前記反射光の分光波形の検出を連続的に行う制御手段と、前記検出手段により検出した前記反射光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、前記膜厚算出手段より算出された膜厚に基づいて前記試料の膜厚分布を求める膜厚分布算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚分布計測装置。
【請求項１５】
試料表面に形成された光学的に透明な膜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た前記試料から発生する反射光の分光波形を検出する検出手段と、前記試料を移動する移動手段と、前記反射光の分光波形の検出を区分領域毎に連続的に行う制御手段と、前記検出手段により検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記試料の膜厚を区分領域毎に算出する膜厚算出手段と、前記膜厚算出手段より算出された区分領域毎の複数の膜厚から各区分領域の膜厚を求めるエリア膜厚算出手段と、前記エリア膜厚算出手段より算出された各区分領域の膜厚に基づいて前記試料上の膜厚分布を求める膜厚分布算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚分布計測装置。
【請求項１６】
表面に光学的に透明な膜が形成された試料を水中に格納する手段と、前記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た前記試料から発生する反射光の分光波形を検出する検出手段と、前記試料を移動する移動手段と、前記反射光の分光波形の検出を連続的に行う制御手段と、前記検出手段により検出した前記反射光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、前記膜厚算出手段より算出された膜厚に基づいて前記試料の膜厚分布を求める膜厚分布算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚分布計測装置。
【請求項１７】
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た前記試料から発生する反射光の分光波形を検出する検出手段と、前記試料を移動する移動手段と、前記反射光の分光波形の検出を連続的に行う制御手段と、前記検出手段により検出した前記反射光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、前記膜厚算出手段より算出された膜厚に基づいて前記試料の膜厚分布を求める膜厚分布算出手段と、得られた前記膜厚分布からＣＭＰ加工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分布を転送する膜厚転送手段とを備えたことを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１８】
試料表面に形成された光学的に透明な膜を成膜する成膜手段と、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た前記試料から発生する反射光の分光波形を検出する検出手段と、前記試料を移動する移動手段と、前記反射光の分光波形の検出を連続的に行う制御手段と、前記検出手段により検出した前記反射光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、前記膜厚算出手段より算出された膜厚に基づいて前記試料の膜厚分布を求める膜厚分布算出手段と、得られた前記膜厚分布から成膜装置の成膜条件を設定する成膜条件設定手段と、次工程のＣＭＰ装置に前記膜厚分布を転送する膜厚手段とを備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１９】
薄膜デバイスの表面に形成された光学的に透明な膜を研磨する工程において、前記薄膜デバイスの研磨後、前記薄膜デバイスをステージ上で移動し、移動する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り移動する前記薄膜デバイス表面からの反射光の分光波形を連続的に検出し、検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記薄膜デバイスの膜厚分布を求めることを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項２０】
薄膜デバイスの表面に形成された光学的に透明な膜を研磨する工程において、前記薄膜デバイスの研磨後、前記薄膜デバイスをステージ上で移動し、移動する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り移動する前記薄膜デバイス表面からの反射光の分光波形を区分領域毎に連続的に検出し、検出した前記反射光の分光波形に基づいて前記区分領域内の複数箇所の膜厚を求め、求めた前記区分領域内の複数の膜厚を演算処理した結果をその区分領域の膜厚とし、前記薄膜デバイス上の全区分領域について膜厚を得ることにより、前記薄膜デバイスの膜厚分布を求めることを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項２１】
薄膜デバイスの表面に形成された光学的に透明な膜を研磨する工程において、前記薄膜デバイスの研磨後、前記薄膜デバイスを水中で移動することにより、前記薄膜デバイスの膜厚分布を求めることを特徴とする請求項２０記載の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及び厚さ分布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で、成膜後、表面の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平坦化処理工程を管理して、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上に保護膜、又は絶縁膜を形成したウェハ表面を、平坦化する方法が採用されている。
【０００３】
この平坦化プロセスとして、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。ＣＭＰは、当該技術分野において既知の加工方法である。
【０００４】
ＣＭＰ加工において重要な課題として、研磨レートの変動による加工終了後の残膜厚の精度低下や、加工面内の膜厚不均一性がある。そのため、ＣＭＰ加工後、膜厚を計測し、計測結果を基に次のウェハのＣＭＰ加工の条件を変更したり、計測したウェハを再度、ＣＭＰ加工できるようなｉｎ−ｌｉｎｅ計測技術が必要となる。これまで、ｉｎ−ｌｉｎｅ計測技術として、種々の方法が提案されている。
【０００５】
特開平９−１０９０２３号公報には、ＣＭＰ装置の出口ステーションに装着された水中で膜厚計測が可能な、ｉｎ−ｌｉｎｅ計測システムが開示されている。特開平９−２９８１７５号公報ではＣＭＰ加工時の基板保持部をＣＭＰ加工後、複数のセンサを１次元的に配列したモニタユニットアレイ部に移動させ、試料を回転させ、水を介してウェハ全面の膜厚分布を求める方法が開示されている。又、特開平８−１７７６８号公報では、ＣＭＰ加工後、ウェハを吸着したホルダを光学センサ上に移動し、ウェハに可視光を照射して膜厚を求める方法が開示されている。又、特開平１０−９８０１６号公報では、計測部をＣＭＰ装置に組み込み、ＣＭＰ加工後、湿式で膜厚を計測する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＰ加工後、膜厚をｉｎ−ｌｉｎｅ計測する場合、オフラインの膜厚計測装置と異なり、膜厚計測によりＣＭＰ装置のスループットが低下しないように、ｉｎ−ｌｉｎｅ膜厚計測時間はできるだけ小さくする必要がある。一方、計測結果の面内膜厚分布を基に次のウェハのＣＭＰ加工条件を変更するためには、ウェハ全面にわたりある程度詳細な膜厚分布が必要になる。一般に、ＣＭＰの研磨レートはパターン密度が高い領域で遅く、密度が低い領域で速い。従って、ＣＭＰ加工後の膜厚はチップ内で配線、素子の密度の違いで場所によって大きく異なり、平坦性が問題となる。又、パターン密度の分布は各チップで同一のため、ウェハ上の各チップで同一の膜厚分布となる筈であるが、ウェハの周辺ではパターンが無い、あるいはＣＭＰ加工時のウェハホルダの加圧分布によりウェハ全面にわたって膜厚が異なり、ウェハ全面に関する均一性が問題となる。通常、ＣＭＰ加工後の膜厚の均一性を評価する場合、ウェハ上の中心と周辺のチップを選択し、各チップの膜厚計測用の特定パターン上で膜厚を計測し、ウェハ上の膜厚分布を求めている。この場合、ある程度詳細な膜厚分布を求めるには膜厚計測点を多くする必要がある。しかし、通常の方法では、チップの位置決め、膜厚計測用パターンの位置決めを行う必要があり、計測点を増やすと計測時間が長くなり、ｉｎ−ｌｉｎｅ計測に適さなくなる。
【０００７】
特開平９−１０９０２３号公報では、ＣＭＰ加工後のウェハを洗浄、乾燥の工程の前に膜厚計測ができるため、その結果を短時間で次のウェハのＣＭＰ加工に反映できる。膜厚計測の方法は詳しく述べられていないが、チップ、及び、計測パターンを指定し、各計測点に位置決めすることによって膜厚を計測すると考えられ、計測点数が増えると計測時間がかかると予想される。特開平９−２９８１７５号公報では、複数のセンサを１次元的に配列したモニタユニットアレイに対し、試料を回転させることによって１回転で膜厚分布を求めることができる。しかし、各センサは、膜厚の計測点領域での平均値を計測するとしており、チップ内でパターン密度の違いで膜厚が異なる等、計測領域内で膜厚が大きく変化している場合、膜厚計測に誤差のでる可能性が高くなる。又、特開平８−１７７６８号公報では、ＣＭＰ加工後、ウェハを吸着したＣＭＰ加工用のホルダを光学センサ上に移動することによって膜厚を計測できるが、特定位置の膜厚を計測するためには位置決めする必要がある。膜厚分布に関して述べられていないが、膜厚分布を求めるために計測点数を多くすると、計測時間が長くなると予想される。又、特開平１０−９８０１６号公報では、ＣＭＰ加工後のウェハ面内の膜厚分布を求めるため、中心と周辺部の各チップを選択し、画像認識装置により各チップの同一箇所を選定して膜厚を計測し、面内膜厚分布を求めている。これまでと同様、計測点数を増やすと計測点数に比例して計測時間が長くなる。
【０００８】
以上、上記に開示されている方法は面内膜厚分布を求めるためにチップ、及びチップ上の計測用特定パターンに位置決めする必要がある。また、１次元センサに対しウェハを回転し、位置決めしない場合でも、１次元センサの各センサの計測点での局所的な膜厚の変化は考慮されていない。通常、ＣＭＰ加工により平坦化を行った後でも、パターン密度の違いによって、局所的にも膜厚分布が生じ、その変化は場合によってはウェハ全域の膜厚分布と同程度となる。
【０００９】
本発明の目的は、ＣＭＰ加工後、試料表面からの反射光の分光波形に基づいて、膜厚を計測し面内膜厚分布を求める際、試料上の測定個所及び、特定パターンの位置決めすることなしに膜厚分布を求める膜厚計測方法及びその装置を提供することにある。又、ウェハにおけるチップのように試料上の局所的領域でパターンの密度等による膜厚分布が生じる場合でも、試料の局所的な膜厚分布とは別に試料全面にわたる膜厚分布を求める膜厚計測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で、成膜後、表面の平坦化処理工程において、ＣＭＰ加工後、試料表面からの反射光の分光波形に基づいて、膜厚を計測し面内膜厚分布を求める際、試料上の測定個所あるいは、特定パターンの位置決めすることなしに膜厚分布を求め、得られた結果より、平坦化処理工程における次の試料の加工条件を変更し、更に平坦化処理工程以降の工程の加工条件に適用することによって、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。
【００１０】
【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ＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、試料を移動し、移動中の試料からの反射光の分光波形を連続的に検出し、試料全面の分光波形を検出して、試料面内の膜厚分布を求める。従来、試料からの分光波形に基づいてパターン上の膜厚を計測するには１０〜２０μｍ□と比較的大きなパターンを必要とし、膜厚計測用の特定パターンに位置決めする必要があった。本発明では分光波形の検出点におけるパターンの有無とは無関係に連続的に分光波形を検出する。その際、スクライブライン等、パターンの無い部分の分光波形を検出すると分光波形から層間膜の最表面の膜厚は計測できない。しかし、試料を移動させることによって計測視野が相対的に広くなり、スクライブライン付近の分光波形を検出すると、検出視野内にパターンが存在し、パターンの面積率が３０％程度以上あるとき、分光波形から膜厚が得られる。光学系により計測視野を大きくする方法もあるが、視野内で膜厚変化する割合が高くなり高精度の膜厚計測ができない。
【００１１】
又、本発明は分光波形検出時、試料を移動状態で検出するため、分光波形検出点に位置決めして試料を停止する動作、及び再度位置決めするための試料を移動させる動作が必要ないため、高速に膜厚分布を得ることができる。又、計測点を増やしても、試料を移動する速度は一定のため計測時間はそれ程増加せず、比較的短時間で計測点数の多い膜厚分布を得ることができる。膜厚分布は短時間で得られるため、得られた膜厚分布を基にして、平坦化処理工程における次の試料の加工条件を設定することができる。又、比較的詳細な膜厚分布が得られるため、平坦化処理工程以降の工程の加工条件に適用することが可能となる。
【００１２】
又、上記目的を達成するために、本発明はＣＭＰ加工後、膜厚を計測する際、ウェハにおけるチップのように試料上の局所的領域でパターンの密度等による膜厚分布が生じ、その膜厚分布の変化が大きく、ウェハ面全域の膜厚分布と同程度となる場合にも膜厚分布を計測可能にする。その場合、分光波形の検出方向の軌道上で検出領域を複数の矩形状の区分領域に分割し、各区分領域で分光波形を連続的に検出する。区分領域で検出した分光波形からその区分領域における膜厚分布を求め、求めた各区分領域の膜厚分布から区分領域毎に最大値、平均値等、その区分領域を代表する膜厚値を求め、得られた各区分領域の膜厚を基に試料全面の膜厚分布を求める。これにより、パターン密度の違いによる局所的な膜厚分布が大きく変化し、ウェハ面全域の膜厚分布の変化と同程度になるような場合でも、局所的な膜厚分布に依存しないウェハ全面の膜厚分布を得ることができる。
【００１３】
【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ＣＭＰ工程において、ＣＭＰ加工後、ウェハ表面の膜厚を実際のデバイスパターン上で計測し、ウェハ面内の膜厚分布を求める例を示す。
【００１４】
膜厚計測装置はステージ部１０、検出光学系２０、光学系移動部３０、膜厚計測処理部４０で構成され、ここでは図示されないＣＭＰ装置に組み込まれている。ステージ部１０はウェハ１４を載置する回転ステージ１１、回転ステ−ジ１１の特定位置の通過を検出する光電センサ１２、回転ステージ１１を回転する駆動モータ１３から構成される。ＣＭＰ加工後のウェハ１４表面の分光波形を検出する検出光学系２０は対物レンズ２１、ハーフミラー２２、結像レンズ２３、リレーレンズ２４、空間フィルタ２５、視野絞り２６、照明光源２７、分光器２８から構成される。照明光源２７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ハーフミラー２２、対物レンズ２１を介してウェハ１４に照射する。ウェハ１４からの反射光は対物レンズ２１、ハーフミラー２２、結像レンズ２３、リレーレンズ２４、空間フィルタ２５、視野絞り２６を介して分光器２８に導かれる。分光器２８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４０に入力され、膜厚を算出してウェハ面内膜厚分布を求める。光学系移動部３０は光学系移動ガイド３１、駆動モータ３２で構成され、検出光学系２０を回転ステージ１１の半径方向に移動することによってウェハ全面の分光波形を検出する。膜厚計測処理部４０では、光学系移動処理４１で検出光学系２０の半径方向の移動量制御、分光器設定処理４２で試料の周速度の変化に対応した分光器読取り時間の設定を行う。分光波形検出処理４３で分光波形を入力し、照明光源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。全周検出処理４４で検出光学系２０が全面検出したか否かの判定を行う。波形補正処理４５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等の補正を行い、分光波形の歪みをなくす。周波数・位相解析処理４６では波形補正された分光波形の横軸を波長の逆数に変換し、特開２０００−３１０５１２号公報で開示している方式により分光波形の周波数・位相解析を行う。膜厚算出処理４７で、周波数・位相解析結果に基づいて膜厚算出を行う。膜厚算出はフィッティング処理によっても行うことができる。この場合、波形補正処理４５、周波数・位相解析処理４６による処理は行わない。エリア処理４８ではウェハ内のチップでパターン密度の違いによって膜厚分布が生じる場合、検出する区分領域毎にその区分領域を代表する膜厚を求める処理を行う。膜厚分布表示処理４９では各区分領域で求めた膜厚をもとに膜厚分布を求め、表示する。
【００１５】
次にウェハ全面の分光波形を求める方法について、図２により説明する。ウェハ１４は、回転ステージ１１に設置される。このとき、図示されないプリアライメント部によってウェハ１４の外形からウェハ１４の中心位置を決め、ノッチから座標軸を一致させる。回転ステージ１１を一定回転数、例えば２０ｒｐｍで回転させ、膜厚分布算出終了時まで、同一回転数を保つ。膜厚計測処理部４０の光学系移動処理４１によって駆動モータ３２を駆動し、検出光学系２０を光学系移動ガイド３１に沿って移動し、ウェハ１４の半径方向を走査する。ＣＭＰ加工後の膜厚の面内分布は様々な分布をとりうるが、例えば２図の（１）に示す膜厚分布６３のように、半径上ある程度の計測点６１を取らないと精度よく表せられない場合が多い。そのため、半径方向には従来例のように外周付近で１点とはせずに数個の計測点６１を設定する。ウェハ１４の半径方向の走査には図２の（２）〜（５）に示されるようにいくつかの方法がある。図２の（２）同心円軌道では最初の１回転で検出光学系２０は静止した状態で、ウェハ１４の同一円周６４上における計測点６１の分光波形を検出する。光電センサ１２で次の回転を検出し、次の回転では分光波形の検出は行わず、光学系移動処理４１によって検出光学系２０を１つ内側の周軌道６５に移す。このように回転ステージ１１の回転を停止することなく２回転で１周分の分光波形を検出することができるため、短時間でウェハ１４全面の分光波形の検出が可能である。図２の（３）螺旋軌道１では回転ステ−ジ１１の１回転中に検出光学系２０を円周の最外部６６から最内部６７に移動するもので、１回転でウェハの円周方向の分光波形を検出する。この場合、検出光学系２０の移動速度を考慮して回転ステージ１１の回転数を低速にしても、１回転で分光波形を検出できるため、計測時間をより短くすることができる。また、通常、ＣＭＰ加工後の面内分布は半径方向には依存するが、円周方向には依存しない場合が多いため、（３）螺旋軌道１による面内膜厚分布でも有益な情報が得られる。２図の（４）螺旋軌道２では、光学系移動４１によって、検出光学系２０を光学系移動ガイド３１上、一定速度で移動し、回転ステージ１１の複数回転でウェハ全面の分光波形を検出するものである。２図の（５）直線軌道では回転ステ−ジ１１を停止し、検出光学系２０を移動しウェハの両端６８，６９間の分光波形を検出するものである。本実施形態では、ウェハ全面の分光波形を検出するため光学系を移動したが、光学系は固定し、回転するステージを一方向に移動させてもよい。
【００１６】
次に図３、図４、図５、図６により、各計測点６１における分光波形の検出方法を説明する。図３にウェハをＣＭＰ加工した後の膜厚分布７５を示す。ウェハ上のチップ７１は密なパターン７２と疎なパターン７３で構成されパターン上に層間絶縁膜が形成されている。ウェハのＣＭＰ加工後の線７４上における膜厚は、ＣＭＰ加工の研磨レートがパターン密度の高い領域で遅く、密度の低い領域で速いため、チップ７１内で膜厚はパターン密度に対応した膜厚分布７５となる。このような膜厚分布をもったウェハに対し、大きな視野で分光波形を検出すると、算出した膜厚は誤差が大きくなるため、検出視野は小さくする。本実施形態では検出視野は２０〜５０μｍφ程度としたが、これに限るものでなく更に小さくしてもよい。図４に検出視野を２０〜５０μｍφでパターン８４上の層間絶縁膜８５の膜厚を計測する場合を示す。パターン上の視野８２で分光波形を検出すると、検出した分光波形から最表面の膜厚を計測できる。しかし、スクライブライン等、パターンの無い部分の視野８１で分光波形を検出すると分光波形から層間膜の最表面の膜厚は計測できない。そこで、ウェハを移動し、移動方向の実効的な検出視野８３を１ｍｍ程度と広くすることにより、検出視野内のパターンの面積率が３０％程度以上になるようにして、分光波形から膜厚を算出する。こうして、移動方向の実行的な視野を大きくすることにより、ウェハ上、殆どのパターンに対して誤差なく膜厚計測できる。ところで、こうして設定した検出視野８３ではチップ７１上のある一部分しか膜厚が得られなくなるため、本方式では図５に示すようにウェハの移動方向に連続的に検出箇所７６で分光波形を検出する。各検出箇所７６の検出視野内での膜厚の変化は小さいため、膜厚は精度良く求まる。通常、ウェハ面内の膜厚分布を求めるには各チップの同一箇所の膜厚、あるいはスクライブライン上の同一形状、同一サイズのパターンの膜厚を求める。本方式ではパターンに位置決めして膜厚測定を行わないため、図６に示すように各計測点６１で検出箇所７６（矩形は円周方向に長いが、作図の都合上、短くなっている）が複数個のチップ７１にまたがるように、検出方向に長い矩形状の区分領域７７で連続的に分光波形を検出する。区分領域７７で検出した分光波形から各検出箇所７６の膜厚を求め、求めた膜厚から区分領域７７における最大値、平均値等を求め各計測点６１の膜厚とする。
【００１７】
次に図７によりウェハの移動方向の実効的検出視野８３（矩形は円周方向に長いが、作図の都合上、短くなっている）を検出光学系２０の位置に応じて一定値に保つ方法を説明する。検出光学系２０を半径方向に走査する同心円軌道、螺旋軌道方式では、回転ステージ１１は一定数で回転しているため、検出箇所の回転速度９６は図７（３）に示すように検出箇所の半径方向位置に比例する。そのため分光器２８の読取り速度を一定値にすると図７（１）、（２）に示すように外周における検出箇所９１、９４に対し、内周における検出箇所９２、９５でのウェハ回転方向の実効的検出視野８３は小さくなる。そこで分光器設定処理４２において、図７（３）に示すように分光器の読取り速度９７を検出箇所７６の半径方向に反比例させて分光器２８に設定することにより、検出光学系２０の位置によらず、実効的検出視野を一定値とする。
【００１８】
次に各計測点で計測された膜厚を基にウェハ１４面内の膜厚分布を求める方法を図８により説明する。ウェハ１４面上の計測点１０１、１０２では分光波形を検出箇所７６で連続的に検出して膜厚分布１０３、１０４（ここでは、およそ１チップ分）を得る。ＣＭＰ加工で平坦性が得られれば膜厚分布１０３、１０４はフラットになるが、通常は図８に示すように変化のある膜厚分布をもつ。そのため膜厚分布１０３、１０４から計測点１０１、１０２の膜厚を求める。膜厚分布１０３、１０４から膜厚を求める方法としては膜厚分布の最大値、最小値、平均値等を求める方法がある。ここでは、最大値１０５、１０６を使用し、それぞれ、計測点１０１、１０２における膜厚とする。膜厚差１０７が計測点１０１、１０２間の膜厚変化となる。ウェハ面内の各計測点についてエリア処理４８で上記の処理を繰り返し、膜厚分布表示処理でウェハ面内の膜厚を表示する。
【００１９】
尚、本方式ではパターンに位置決めして膜厚測定を行わないため、図６に示すように各計測点６１で検出箇所７６が２〜３個のチップ７１にまたがるような区分領域７７で連続的に分光波形を検出したが、検出光学系を２０同心円軌道で走査する場合、チップの全領域をカバーできない割合が高くなる。そのため、図９に示すように各計測点１１１、１１２で半径方向の位置を僅かにずらした複数の軌道で分光波形を検出し、区分領域１１４で膜厚の検出箇所１１３を増やすことにより各計測点で精度良く膜厚を計測できるようにしても良い。又、図１０に示すように計測点の軸方向１２１、１２２をウェハの軸方向１２３、１２４からずらして、チップの全領域をカバーする割合を高くしても良い。
【００２０】
次に本発明の第２実施形態として、図１１、図１２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し、チップ上の膜厚分布とウェハ面内の膜厚分布の両者を同一の膜厚計測装置で求める方式を示す。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ステージ部１０にＸ軸ステージ１３１、ステージ駆動モータ１３２が新たに加わり、膜厚計測処理部４０の光学系移動処理４１が光学系・ステ−ジ移動処理１３３、全面検出処理４４が全点検出処理１３４に置き換わり、チップ内処理１３５、ウェハ面内処理１３６、終了処理１３７が新たに加わった以外、同一である。膜厚計測装置は、ここでは図示されないＣＭＰ装置に組み込まれている。本膜厚計測装置では、最初、ウェハ上、任意の１チップの膜厚分布を計測し、その後、ウェハ面内の膜厚分布を計測する。始めに、チップ内の膜厚分布を計測する方式を示す。ウェハ１４は、図示されないプリアライメント部によってウェハ１４の外形及び、ノッチから座標軸を一致させて回転ステージ１１に設置する。チップ内の膜厚分布計測時、回転ステージ１１は静止させる。始めに、光学系・ステージ移動処理１３３によってＸ軸ステージ１３１、検出光学系２０を移動し、図１２に示すように計測するチップ１４１の計測開始点１４２に検出光学系２０を位置決めする。検出光学系２０を静止し、Ｘ軸ステージ１３１を駆動し、第１実施形態の場合と同様にウェハ１４の移動状態で分光波形を連続的に検出する。移動方向の実効的検出視野は５００μｍ〜１ｍｍで１ライン上、５〜１０点分光波形を検出する。１ライン上予め決められた個数検出すると、Ｘ軸ステージ１３１の移動を停止し、検出光学系２０を１ライン（１〜２ｍｍ）分移動する。再度、Ｘ軸ステージ１３１を移動して分光波形を検出し、同様の処理を繰り返しチップ全面の分光波形を検出する。ステージの送り速度は一定のため、分光器の読取り速度は全面で一定である。ステージの停止は分光波形検出点で行わず、チップ両端のみで行う。又、分光波形計測点におけるパターンの位置決めも行わないため、計測時間は短くできる。
【００２１】
次に、得られた分光波形から膜厚を算出する。ウェハ移動方向における実効的検出視野は静止時に比較し大きくなるが検出視野の膜厚変化は比較的小さいため、膜厚は誤差を小さく計測できる。又、実効的検出視野が大きくなったため、視野内にパターンがない場合の割合が低くなり、膜厚計測できない割合が低くなる。チップ内の膜厚分布を計測する場合、計測した膜厚をそのままチップ内の膜厚分布として用いるためチップ内処理１３５でエリア処理４８を行わず、膜厚分布表示処理４９でチップ内膜厚分布を表示する。
【００２２】
チップ内膜厚分布計測後、第１実施形態で説明した方式でウェハ１４面内膜厚分布の計測点１４３の膜厚を計測し、ウェハ面内膜厚分布を求める。
【００２３】
次に本発明の第３実施形態として、図１３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加工後、ウェハ面内の膜厚分布の計測を水中で行う方式を示す。ＣＭＰ加工したウェハは、通常、洗浄装置で洗浄されるまで、ウェハに付着した研磨砥粒が固着しないように水中で保管される。そこで本膜厚計測装置でも、水中で計測する。ウェハ表面の膜厚は実際のデバイスパターン上で特定パターンの位置決めを行うことなしに計測する。
【００２４】
膜厚計測装置はウェハホルダ部１５０、検出光学系２０、光学系移動部３０、膜厚計測処理部４０で構成され、ウェハホルダ部１５０以外は、配置は異なるが構成要素、処理要素は第１実施形態と同一である。膜厚計測装置は、ここでは図示されないＣＭＰ装置に組み込まれている。ウェハホルダ部１５０はウェハ１４を保持するホルダ１５１、ホルダ１５１の特定位置の通過を検出する光電センサ１５２、ホルダ１１を回転する駆動モータ１５３、膜厚計測時、ウェハを収容する水槽１５４、検出光学系２０で分光波形を検出するガラス窓１５５、水槽１５４を満たす水１５６から構成される。
【００２５】
次にウェハ全面の分光波形を求める方法について、図１３により説明する。ウェハ１４は、ノッチを検出して座標軸を決定し、ホルダ１５１で真空吸着によりウェハ１４の表面を下にして保持する。ホルダ１５１を水槽１５４内の水１５６に沈め、ウェハ表面とガラス間の距離を数ｍｍ程度にする。ホルダ１５１を一定回転数で回転させ、膜厚分布算出終了時まで、同一回転数を保つ。膜厚計測処理部４０の光学系移動処理４１によって駆動モータ３２を駆動し、検出光学系２０を光学系移動ガイド３１に沿って移動し、ウェハ１４の半径方向を走査する。半径方向の走査には第１実施形態で説明したような同心円軌道、螺旋軌道があり、ウェハの回転を停止せず、分光波形を連続的に検出し、短時間でウェハ全面の分光分布を得る。分光波形検出時、ウェハの回転方向の実効的検出視野は大きくなるが、視野内での膜厚変化が小さいため、誤差なく膜厚を計測できる。また、実効的検出視野が大きくなるためパターンの無い部分で計測できない確率が低くなる。本実施形態では水１５６を介して分光波形を検出するが、水１５６の屈折率が空気の屈折率より層間絶縁膜の屈折率に近くなるため、分光波形の振幅が小さくなる。そこで、波形補正処理４５で分光波形の振幅の補正を行う。
【００２６】
本方式ではパターンに位置決めして膜厚測定を行わないため、第１実施形態で説明したように各計測点で検出箇所が２〜３個のチップ７１にまたがるように連続的に分光波形を検出し、検出した分光波形から各検出箇所の膜厚を求め、エリア処理４８で求めた膜厚の最大値、平均値等を求め各計測点の膜厚とする。各計測点の膜厚を用い、膜厚分布表示処理４９でウェハ面内膜厚分布を表示する。
【００２７】
次に本発明の第４実施形態として、図１４により、半導体デバイスの製造ラインで、成膜後、ＣＭＰ装置１６２、及びその後のエッチング装置１６６で、プロセスを最適化する方法を示す。成膜装置１６１で成膜されたウェハはＣＭＰ装置１６２に移送される。ＣＭＰ装置１６２ではＣＭＰ加工部１６３でＣＭＰ加工を行い、加工後、ＣＭＰ装置に組み込まれた膜厚計測装置１６４においてｉｎ−ｌｉｎｅで膜厚計測を行う。膜厚計測はウェハ上、実際のデバイスパターン上で特定のパターンに位置決めすることなく連続的に行うため、短時間にしかも比較的詳細な膜厚分布が得られる。ＣＭＰ加工条件設定部１６５では、得られたウェハ面内膜厚分布に基づき研磨ヘッド加圧力、研磨ヘッド加圧分布、加工時間等の設定を行う。ＣＭＰ加工部１６３はＣＭＰ加工条件設定部１６５の設定に従い、ＣＭＰ加工を行う。ウェハ毎に、毎回同様の処理を行うことにより、ウェハの面内均一性が図れると共に、ウェハ間の膜厚均一性の向上も図れる。又、転送部１６７によって面内膜厚分布をＣＭＰ工程以降のエッチング装置１６６に転送し、エッチング装置１６６における加工条件の最適化のために使用する。
【００２８】
次に本発明の第５実施形態として、図１５により、半導体デバイスの製造ラインで、成膜装置１６１、及びその後のＣＭＰ装置１６２で、プロセスを最適化する方法を示す。成膜装置１６１の成膜部１７３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１７４においてｉｎ−ｌｉｎｅで膜厚計測を行う。膜厚計測はＣＭＰ装置１６２に組み込まれた膜厚計測装置１６４と同様、ウェハ上の、実際のデバイスパターン上で特定のパターンに位置決めすることなく連続的に行い、短時間で比較的詳細な膜厚分布を得る。成膜条件設定部１７５では、得られたウェハ面内膜厚分布に基づき、ガス流量、成膜時間等の成膜条件の設定を行う。成膜部１７３は成膜条件設定部１７５の設定に従い、成膜を行う。これにより、ウェハの面内均一性が図れると共に、ウェハ間の膜厚均一性の向上も図れる。又、転送部１７７によって面内膜厚分布を次工程のＣＭＰ装置１６２のＣＭＰ加工条件設定部１６５に転送する。ＣＭＰ加工条件設定部１６５では、成膜装置１６１から転送された面内膜厚分布と、ＣＭＰ装置１６２でＣＭＰ加工後、膜厚計測装置１６４でｉｎ−ｌｉｎｅ計測された膜厚分布とからＣＭＰ加工部の研磨レートを計算し、次ウェハの研磨時間の算出に用いる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＭＰ加工後、ウェハの膜厚分布を求める際、ウェハ上の計測用特定パターンに位置決めすることなく、ウェハの回転状態で分光波形を連続的に検出するため、短時間で比較的多数の計測点で膜厚計測可能となり、比較的詳細なウェハ面内膜厚分布を得ることができる。又、半導体デバイスの製造ラインで、成膜後、表面の平坦化処理工程において、ＣＭＰ加工後、短時間で比較的詳細なウェハ面内膜厚分布を計測できるため、次のウェハのＣＭＰ加工における加工条件に適用することにより、ＣＭＰ加工工程での均一性の最適化が図れると共に、平坦化処理工程以降のエッチング工程等の加工条件にも適用でき、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】光学系を走査して、ウェハ全面の分光波形を検出する方式を説明する概略図である。
【図３】チップ内のパターン密度と膜厚の関係を説明する概略図である。
【図４】分光波形検出時、ウェハの移動により実効的検出視野を大きくする方式を説明する概略図である。
【図５】分光波形をウェハ移動方向に連続的に検出する方式を説明する概略図である。
【図６】各計測点で複数のチップにまたがるように連続的に分光波形を検出する方式を説明する概略図である。
【図７】ウェハの移動方向の実効的検出視野を光学系の位置に応じて一定値に保つ方式を説明する概略図である。
【図８】各計測点で計測された膜厚を基にウェハ全面の膜厚分布を求める方式を説明する概略図である。
【図９】各計測点で複数の軌道で分光波形を検出し、膜厚の検出箇所を増やすことにより精度良く膜厚計測する方式を説明する概略図である。
【図１０】計測点の軸方向をウェハの軸方向からずらして、チップの全領域をカバーする割合を高くする方式を説明する概略図である。
【図１１】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１２】チップとウェハの面内分布を同一膜厚計測装置で計測する方式を説明する概略図である。
【図１３】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１４】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ＣＭＰ装置におけるプロセスを示す概略図である。
【図１５】本発明の第５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におけるプロセスを示す概略図である。
【符号の説明】
１０…ステージ部、１１…回転ステージ、１２…光電センサ、１３…駆動モータ、１４…ウェハ、２０…検出光学系、２１…対物レンズ、２２…ハーフミラー、２３…結像レンズ、２４…リレーレンズ、２５…空間フィルタ、２６…視野絞り、２７…照明光源、２８…分光器、３０…光学系移動部、３１…光学系移動ガイド、３２…駆動モータ、４０…膜厚計測処理部、４１…光学系移動処理、４２…分光器設定処理、４３…分光波形検出処理、４４…全周検出処理、４５…波形補正処理、４６…周波数・位相解析処理、４７…膜厚算出処理、４８…エリア処理、４９…膜厚分布表示処理、１３１…Ｘ軸ステージ、１３２…ステージ駆動モータ、１３３…光学系・ステ−ジ移動処理、１３４…全点検出処理、１３５…チップ内処理、１３６…ウェハ面内処理、１３７…終了処理、１５０…ウェハホルダ部、１５１…ホルダ、１５２…光電センサ、１５３…駆動モータ、１５４…水槽、１５５…ガラス窓、１５６…水、１６１…成膜装置、１６２…ＣＭＰ装置、１６３…ＣＭＰ加工部、１６４…膜厚計測装置、１６５…ＣＭＰ加工条件設定部、１６６…エッチング装置、１６７…転送部、１７３…成膜部、１７４…膜厚計測装置、１７５…成膜条件設定部、１７７…転送部。
【図１】
2004012302.tif 000003
【図２】
2004012302.tif 000004
【図３】
2004012302.tif 000005
【図４】
2004012302.tif 000006
【図５】
2004012302.tif 000007
【図６】
2004012302.tif 000008
【図７】
2004012302.tif 000009
【図８】
2004012302.tif 000010
【図９】
2004012302.tif 000011
【図１０】
2004012302.tif 000012
【図１１】
2004012302.tif 000013
【図１２】
2004012302.tif 000014
【図１３】
2004012302.tif 000015
【図１４】
2004012302.tif 000016
【図１５】
2004012302.tif 000017