(57)【要約】【課題】  薄膜デバイスの検査において、研磨残り検査のための条件出しを簡易にすることができる技術を提供する。【解決手段】  分光反射率データの包絡線６３ではなく、分光反射率データの振動の中心成分９１に着目し、研磨残りが厚い場合、最終的に試料表面の分光反射率データの振動の中心成分９１が研磨残り材料自体の表面反射率８１に漸近していくことを利用して、研磨残り検出および研磨残り膜厚の算出・条件出しをする。予め、包絡線６３で囲まれた領域外のデータの出現量と研磨残り膜厚との関係を評価することなく、研磨残り膜厚を評価することが可能となる。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に光を照射する工程と、
前記照射した光により生じる前記試料からの反射光を分光検出する工程と、
前記検出した反射光の第１の分光反射率データの中心成分と、研磨残り材料自体での表面の第２の分光反射率データとに基づいて前記試料表面の研磨残りを検出する工程とを有することを特徴とする薄膜デバイスの検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜デバイスの検査方法において、
前記第１の分光反射率データの中心成分と前記第２の分光反射率データとの差の自乗和と、研磨残り膜厚との相関を評価する工程と、
前記評価した相関に基づいて前記第１の分光反射率データから研磨残り膜厚を算出する工程とを有することを特徴とする薄膜デバイスの検査方法。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜デバイスの検査方法において、
前記試料のチップ内の研磨残り分布を検出する工程を有することを特徴とする薄膜デバイスの検査方法。
【請求項４】
請求項３記載の薄膜デバイスの検査方法により検出した前記研磨残り分布に基づいて、研磨残りが発生しないように前記チップ内のパターン配置を最適化する工程を有することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の薄膜デバイスの製造方法において、
研磨残りが生じている部分の局所的なパターン密度を小さくするまたは大きくすることにより、前記チップ内での局所的なパターン密度を均一化する工程を有することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項６】
試料表面に光を照射する光照射手段と、
前記照射した光により生じる前記試料からの反射光を分光検出する分光検出手段と、
前記検出した反射光の第１の分光反射率データの中心成分と、研磨残り材料自体での表面の第２の分光反射率データとに基づいて前記試料表面の研磨残りを検出する演算部とを有することを特徴とする薄膜デバイスの検査装置。
【請求項７】
請求項６記載の薄膜デバイスの検査装置において、
前記第１の分光反射率データの中心成分と前記第２の分光反射率データとの差の自乗和と、研磨残り膜厚との相関を予め評価し、前記評価した相関に基づいて前記第１の分光反射率データから研磨残り膜厚を算出する手段を有することを特徴とする薄膜デバイスの検査装置。
【請求項８】
請求項６記載の薄膜デバイスの検査装置において、
前記試料のチップ内の研磨残り分布を検出する手段を有することを特徴とする薄膜デバイスの検査装置。
【請求項９】
請求項６記載の薄膜デバイスの検査装置において、
検査領域内を等間隔に配置した複数の検査位置で研磨残りを検出して前記試料表面の研磨残り分布を求める手段を有することを特徴とする薄膜デバイスの検査装置。
【請求項１０】
請求項６記載の薄膜デバイスの検査装置において、
検査領域をスキャンする一次元のラインセンサと、
前記ラインセンサにより検出された分光反射率から研磨残りを検出して前記試料表面の研磨残り分布を求める手段とを有することを特徴とする薄膜デバイスの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜、フォトリソグラフィ、エッチング、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の工程を繰り返して所望の回路が形成される薄膜デバイスの検査方法、製造方法および検査装置に関し、例えば、ＣＭＰを用いてウェハ上に回路パターンを形成する半導体デバイスの製造工程における膜厚検査技術に関する。薄膜デバイスの例としては、いわゆる半導体デバイスの他に、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel ）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）等も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明者が検討した技術として、例えば、半導体デバイスの製造工程においては、次の技術が考えられる。
【０００３】
半導体デバイスは、成膜、露光およびエッチング等により、デバイスパターンをシリコンウェハ上に形成することによって製造される。近年、半導体デバイスは高速化・高密度化を実現するために微細化・多層化の方向に進んでいる。デバイスの微細化に伴い、配線層間を電気的に接続するいわゆるコンタクトプラグについても、高密度に配置する要求が高まっている。ＣＭＰ等の平坦化技術が導入されていない製造工程では、プラグ上にプラグを配置する構造の形成が困難であったため、微細化に限界があった。プラグ上にプラグを配置することができない理由は、プラグを形成した部分の表面に段差が生じ、その上部でのプラグ形成が困難となるためである。そこで、プラグ形成を可能とするために、ＣＭＰを用いてプラグ表面を平坦化する工程が採用されるようになった。
【０００４】
また、微細化に伴って配線幅も微細化している。配線幅が微細化すると配線断面積が減少し電気抵抗が増大するため、デバイスの動作速度が低下する。そこで、従来、配線材料として用いられてきたＡｌ（アルミニウム）に変わって電気抵抗の小さいＣｕ（銅）が用いられるようになった。Ｃｕは、従来用いられていたエッチング技術によるパターンの形成ができない。そこで、最終的に配線やプラグとなる溝を絶縁膜表面に形成し、その表面全体にＣｕ膜を成膜して溝部にＣｕを埋め込み、配線等となる部分以外の不要な部分のＣｕ膜をＣＭＰによって除去してパターンを形成するという製造工程が採用されている。
【０００５】
以下において、本発明者が検討した、本発明に対する従来の技術を、図１〜図４に基づいて説明する。まず、ＣＭＰを用いて、配線層間を電気的に接続するいわゆるコンタクトプラグの形成工程を説明する。図１（１）〜（４）は、ＣＭＰを用いたプラグ形成工程を示す概略図である。図１を用いてプラグ形成の手順を説明する。
【０００６】
シリコン等の基板１７上に層間絶縁膜１１があり、その中に配線パターン１２があるとする（図１（１）参照）。まず、層間絶縁膜１１表面に、配線パターン１２と接続するプラグ形成のためのいわゆるビアホール１３を形成する（図１（２）参照）。次に、表面にＷ（タングステン）膜１４を形成し、ビアホール１３内部にＷを埋め込む（図１（３）参照）。最後に、ＣＭＰによって、不要な部分のＷを除去してプラグ１５を形成する（図１（４）参照）。
【０００７】
この際、表面の不要なＷ膜１４を除去しきれず、研磨残り１６が生じる場合がある（図１（４）参照）。不要な部分のＷを除去しきれないで研磨残りが生じると、電気的に絶縁するはずの配線間がショートして不良の原因となる。しかし、研磨残りの発生を防ぐために研磨量を大きくすると、必要以上に削り込んでしまう場合があり、削り込みが大きい場合は、配線層間の絶縁膜厚が小さくなるため十分な絶縁効果を持つことができず、この場合も、デバイスの動作速度が低下するなどの不良の原因となる。
【０００８】
上記から、ＣＭＰによる研磨量は必要最小量であることが望ましい。一般的に研磨量は時間で管理されているが、研磨パッド等の経時変化により単位時間当たりの研磨量（研磨レート）が変化する。そのため、研磨後の膜厚もばらつき、表面に研磨残りが生じる場合がある。前述のように研磨残りは不良の原因となるため、ＣＭＰ後に、研磨残りが生じているか否かを検査する必要がある。
【０００９】
従来は、研磨残りを目視にて検査していた。目視による検査方法を大別すると次の２つに分けられる。一つは、投光機によるマクロ的検査であり、もう一つは、金属顕微鏡等によるミクロ的検査である。
【００１０】
一般的なＣＭＰ装置では、ウェハの中心に対して同心円状に研磨レートのばらつきが生じる場合が多い。図２は、ウェハ半径方向ｘの研磨レートのばらつきと研磨残りとの関係を模式的に示す概略図である。図２において、上部はウェハ半径方向ｘに対する研磨レートを示し、中部はウェハ２１面内における研磨残り２３の分布を示し、下部は中部破線部分の拡大図であり、チップ（ダイまたはショット）２２内における研磨残り２４の分布を示す。
【００１１】
図２に示すように、研磨レートはウェハ２１面内で同心円状にばらつきを持つことが多く、研磨残り２３もウェハ２１面内で研磨レートの小さい領域に同心円状に生じる場合が多い。
【００１２】
また、チップ単位の領域に着目すると、チップ２２内においても研磨レートのばらつきがあり、ウェハ２１面内における研磨レートの小さい領域においても、チップ２２全面に研磨残りが生じるのではなく、チップ毎の研磨レートの小さい領域に研磨残り２４が生じることが一般的に知られている。
【００１３】
図３は、投光機３１を用いた研磨残り検査方法を示す概略図である。研磨残りの量が大きい場合は、図３に示すように、投光機３１によってウェハ３２全面に光を照射し、光の反射の様子から研磨残りを検査することができる。ウェハ３２表面に研磨残りが生じている部分３３は、そうでない部分と比べて反射率が異なる。そのため、反射の様子を目視することにより研磨残りの有無を検査することができる。
【００１４】
図４は、スクライブライン４２上に生じた研磨残りの顕微鏡観察像を示す概略図である。研磨残り量が小さい（数ｎｍ程度）場合には、上記のマクロ検査では研磨残りを検出することができないことが多い。そこで、顕微鏡を用いたミクロ検査も実施される。図４は金属顕微鏡にて観察した、スクライブライン４２上に生じた研磨残り４３を模式的に示した図である。顕微鏡を用いた場合も同様に、研磨残り４３が生じている部分は、研磨残りのない領域４１と比べて反射率が異なるため、色が異なって見える。そのため目視によって膜残りを検出することができる。
【００１５】
上記の目視検査では、作業者によって判定基準がばらつくこと等が問題となっていた。これに対して、特許文献１では分光検出による膜残りの検出手法が開示されている。この手法を用いれば、研磨残りの有無を短時間に検出することが可能である。また、特許文献２では、実パターン上の膜厚計測手法が開示されている。金属膜においても、その膜厚が小さい場合（３０ｎｍ以下（材質による））は光が透過するため、同技術を用いることにより研磨残りの膜厚を短時間で検出することができる。
【００１６】
上記両手法のいずれかを用いれば、判断基準のばらつきがなく、短時間で膜残りを検査することが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−３３８４９３号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
研磨残りを検査する手法として、特許文献１の手法を用いれば、作業者によらず定量的に研磨残りを検出することができる。特許文献１では、研磨残りの膜厚によって試料表面の分光反射率が変化することに着目して研磨残りを検出する方法を開示している。
【００１８】
図５は、プラグの断面構造を示す概略図であり、（１）は研磨残りが無い場合、（２）は研磨残りが有る場合である。また、図６は、研磨残りが無い場合と有る場合での分光検出結果及び包絡線を示す概略図であり、横軸は光の波長、縦軸は反射率を示す。
【００１９】
まず、図５（１）に示すような単純なプラグ５１の構造を考える。図５では、下層５４上の絶縁膜５２内にプラグ５１が形成されている。研磨残りが無い場合の試料の表面は、プラグ５１の上面と絶縁膜５２とが露出した状態となっている。この表面に白色光（波長帯域：４００〜８００ｎｍ程度）を照射し、その反射光を分光検出する。絶縁膜５２の部分では膜による干渉が生じるため、波長を横軸として分光検出結果を表すと、図６に示すような振動した形状（研磨残りが無い場合の分光反射率６１）となる。この振動の周期や位相は絶縁膜５２の厚さによって変化するが、検出領域内でのプラグ５１の形状、大きさおよび絶縁膜の下層５４の構造が一定であれば、絶縁膜５２の膜厚が変化しても、限られた領域（分光データの包絡線６３で囲まれた領域６２）に出現する。
【００２０】
一方、図５（２）に示すように、絶縁膜５２上に研磨残り５３が生じている場合は、絶縁膜５２表面をメタルの膜（研磨残り５３）が覆っているため、試料表面の反射率および透過率が変化し、研磨残りが有る場合の分光反射率６４は、上記の包絡線６３で囲まれた領域６２から外れる。包絡線６３で囲まれた領域６２外の分光反射率データの出現量（評価値）６５と研磨残り膜厚ｄとの間に一定の関係がある（図７参照）ため、上記領域外のデータの出現量から研磨残り膜厚ｄを求めることができる。図７は、研磨残りが無い場合における分光反射率の包絡線６３で囲まれた領域６２外の分光反射率データの出現量（評価値）６５と研磨残り膜厚ｄとの関係の一例を示す概略図である。
【００２１】
しかし、この方法で研磨残り膜厚ｄを評価するには、包絡線６３で囲まれた領域６２外の分光反射率データの出現量６５と研磨残り膜厚ｄとの相関関係を予め評価しておく必要がある。両者の相関関係を評価するには、実パターン上での研磨残り膜厚ｄを何らかの方法で評価する必要がある。例えば、ＳＥＭを用いれば、断面観察により数１０ｎｍ程度の膜厚であれば評価可能であるが、実パターン上で１０ｎｍ以下の研磨残り膜厚ｄを計測することは困難である。また、検査対象のパターンによって上記相関関係は変わるため、検査対象ごとに条件出しをする必要があり、この様な評価を検査対象ごとに実施することは現実的でない。
【００２２】
以上述べたように、包絡線６３で囲まれた領域６２外の分光反射率データの出現量６５を検出する場合は、検出のための条件出しが煩雑であるという課題があった。
【００２３】
そこで、本発明の目的は、薄膜デバイスの検査において、研磨残り検査のための条件出しを簡易にすることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明では、分光反射率データの包絡線ではなく、分光反射率データの振動の中心成分に着目し、研磨残り膜厚が大きくなるに従って、試料表面の分光反射率データ（第１の分光反射率データ）の振動の中心成分が研磨残り材料（メタル）自体の表面反射率（第２の分光反射率データ）に漸近していくことを利用して、研磨残り検出および研磨残り膜厚の算出・条件出しをする。予め、包絡線６３で囲まれた領域外のデータの出現量と研磨残り膜厚との関係を評価することなく、研磨残り膜厚を評価することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、簡易に研磨残り検査の検出条件出しが可能となる。また、目視に替わって、研磨残り検査を自動で定量的に評価することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２７】
図８は、本発明の一実施の形態による薄膜デバイスの検査方法および製造方法において、プラグ上面の分光反射率８１と絶縁膜表面の分光反射率８２を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸は反射率を示す。図９は、本実施の形態において、研磨残り膜厚に対する検出分光反射率の変化の様子の一例を示す概略図である。
【００２８】
本発明の一実施の形態による薄膜デバイスの検査方法および製造方法では、次の手順で試料表面の研磨残りを検出する。まず、試料表面に白色光（波長帯域：４００〜８００ｎｍ）を照射し、試料からの反射光を検出して試料表面の分光反射率を検出する。検出した分光反射率データの振動の中心成分を検出し、検出した中心成分と研磨残り膜自体の表面の分光反射率との波長ごとの差の自乗和を算出する。最後に予め評価しておいた前記自乗和と研磨残り膜厚との相関から研磨残り膜厚を算出する。以下に、検出の原理について説明する。
【００２９】
前記図５（１）で示したように、ＣＭＰで研磨した後の試料の表面は、研磨残りが無い場合はプラグの上部と絶縁膜とが表面に露出した状態となっている。この表面に白色光（波長帯域：４００〜８００ｎｍ程度）を照射し場合、一部はプラグの上面で、一部は絶縁膜で反射される。一般的にプラグの高さ（厚み）は１００ｎｍ以上である場合が多いため、プラグ上面からの反射光は図８の８１のようになる。そして、プラグ上面の分光反射率８１は、プラグの材質（メタル）自体の表面反射率と同値となる。
【００３０】
一方、絶縁膜の場合は、光の一部は絶縁膜を透過するため、絶縁膜表面と絶縁膜下面とで反射が起こり、絶縁膜表面の分光反射率は図８の８２のように振動した形状となる。この振動の周期や位相は絶縁膜の厚さによって変化する。
【００３１】
表面全体の反射率は、上記のプラグ上面での反射率と絶縁膜での反射率を、プラグ上面の形状、大きさ、プラグの配置および絶縁膜の下層の構造等によって決まる条件で、足し合わせた反射率となる。プラグ上面の反射率はプラグの高さ（厚さ）がある一定以上であればプラグ高さ（厚さ）によらず一定であるため、前記図６に示したように波長を横軸にしてグラフで表すと、膜表面の分光反射率の形状は絶縁膜での干渉による振動した形状（研磨残りが無い場合の分光反射率６１）となる。
【００３２】
この時、プラグの形状、大きさ、配置および膜の下地の構造が一定であれば、膜厚が変化しても分光反射率データは包絡線６３によって囲まれた領域に出現する（前記図６参照）。
【００３３】
一方、前記図５（２）で示したように、研磨残りが生じている場合は、絶縁膜表面をメタルの研磨残り５３が覆っているため表面の反射率および透過率が変化し、研磨残りが生じていない場合と比べて分光反射率が異なる。研磨残りが生じている場合の表面の分光反射率は、研磨残り５３の膜厚ｄが大きくなるに従って、反射率の振動の振幅は小さくなっていき、最終的にはメタル膜自体の反射率に漸近する。
【００３４】
この様子を図９に示す。前記図６と同様に、図９において、６１は研磨残りが無い場合の分光反射率（第１の分光反射率データ）、６３は包絡線、６２は包絡線で囲まれた領域、６４は研磨残りが有る場合の分光反射率（第１の分光反射率データ）である。また、８１は研磨残り材料（メタル）自体の表面反射率（プラグ上面の分光反射率、第２の分光反射率データ）、９１は分光反射率データの振動の中心成分である。図９に示すように、研磨残りが有る場合の分光反射率６４と分光反射率データの振動の中心成分９１は、研磨残り５３の膜厚ｄが大きくなるに従って上昇していき、最終的には、研磨残り材料自体の表面反射率８１に漸近する。
【００３５】
分光反射率データそのものに着目すると、グラフ形状の振動の周期および位相は絶縁膜の膜厚によって変化するため扱いにくい。そこで、絶縁膜の膜厚によって影響を受けない分光反射率データの振動の中心成分９１に着目する。分光反射率データの振動の中心成分９１と研磨残り材料自体の表面反射率８１との関係を評価すれば、試料表面の研磨残り膜厚を評価することができる。
【００３６】
分光反射率データの振動の中心成分９１と研磨残り材料自体の表面反射率８１との関係を評価する方法としては、検出波長ごとの差の自乗和を評価値とする方法がある。評価値を求めるために用いるデータ波長として、一つまたは複数の特定の波長でのデータのみを用いてもよい。
【００３７】
図１０は、試料表面の分光反射率データの振動の中心成分９１と研磨残り材料自体の表面反射率８１との波長ごとの差の自乗和（評価値）と、研磨残り膜厚との関係の一例を示す概略図である。図１０に示すように、研磨残り膜厚が厚い場合は、分光反射率データの振動の中心成分９１が研磨残り材料自体の表面反射率８１に近づくため、評価値が小さくなり、研磨残り膜厚が薄い場合は、分光反射率データの振動の中心成分９１が研磨残り材料自体の表面反射率８１から遠ざかるため、評価値が大きくなる。
【００３８】
両者の関係を評価する方法としては、実際の検出データを用いて、その研磨残り膜厚を評価する方法も考えられるが、前述のように、膜厚が数ｎｍ以下の場合は研磨残り膜厚の評価が困難であること、また評価作業が煩雑となるため、現実的ではない。
【００３９】
例えば、検査対象がパターンの無い単純な層構造である場合、その層構成、材質および膜厚が既知であれば、表面の反射率、その中心成分および研磨残り材料自体の表面の分光反射率は理論的に求めることができる。そこで、理論的に求めたそれぞれの分光反射率から評価値を算出し、分光反射率の算出に用いた研磨残り膜厚と比較すれば、両者の相関を評価することができる。
【００４０】
検査対象領域にパターンがある場合でも、同様に考えることができる。パターンの有る領域では、対象パターン形状を知ることができれば、その部分の表面の反射率を算出することができる。
【００４１】
また、実際の検出データに基づいて評価することも可能である。図１１は、パターンが有る場合の分光波形の一例を示す概略図である。図１１において、１１１（１１１ａ）は検査対象にパターンが有る場合の分光反射率、１１２は１１１の中心成分、１１３は研磨残り材料自体の表面の分光反射率である。研磨残り検査の対象領域でのプラグの大きさ、形状および絶縁膜の下地の構造がどのようなものであっても、研磨残り膜厚がある程度の大きさになると、表面の分光反射率は、１１１ａのように研磨残り材料自体の表面の分光反射率１１３とほぼ同値となる。その漸近の仕方は、基本的にパターンの無い場合と同様である。
【００４２】
図１２は、評価値と研磨残り膜厚との関係をパターンが有る場合と無い場合とで比較した一例を示す概略図である。図１２において、１２１はパターンが無い場合の相関、１２２はパターンが有る場合の相関である。図１２に示すように、研磨残り膜厚が厚い場合は、評価値が同じ値（ほぼゼロ）であるが、研磨残りが無い場合（研磨残り膜厚がゼロ）は、評価値が異なる値となる。
【００４３】
そこで、パターンが無い場合の評価値と研磨残り膜厚との関係（パターンが無い場合の相関１２１）は、次の手順で評価すればよい。
【００４４】
図１３は、包絡線を用いて研磨残りを検出する検査条件出しの手順を示す概略図である。図１３の右側のグラフは、各ステップにおける結果データを示す。
【００４５】
まず、単純な層構造での評価値と研磨残り膜厚との関係を上記に示す方法で評価し、層構造モデルでの条件出しを行う（ステップＳ１３１）。次に、検査しようとする対象について研磨残りの無い状態で分光データを検出し、サンプルデータ検出を行う（ステップＳ１３２）。検出した分光データの中心成分を検出し、中心成分抽出を行う（ステップＳ１３３）。検出した中心成分と研磨残り材料自体の表面の分光反射率との差の自乗和を算出し、その値を通るように相関関係のグラフを拡大または縮小し、条件補正を行う（ステップＳ１３４）。
【００４６】
この方法を用いれば、検査の対象のパターンや構造がどのようなもであっても、研磨残り検査の条件出しを簡易に実施することができる。
【００４７】
分光反射率データの中心成分を求める方法としては、例えば、絶縁膜の膜厚が異なる複数の分光反射率を検出し、検出したデータに対して、１次から４次式程度の見た目が低周波となるグラフを当てはめ、そのグラフと検出反射率データとの差が最も小さくなるように１〜４次式のパラメータを決定することにより求めることができる。また、プラグの反射率や絶縁膜の無い状態での分光検出結果を基に、多次項関数として表す方法も考えられる。
【００４８】
また、条件出しに用いる研磨残り材料自体の表面の反射率は、演算により算出してもよいし、評価用に設けたパターンで実際に検出したデータを用いてもよい。別にメタル膜だけのサンプルを用意して、そのサンプル検出する方法も考えられる。
【００４９】
図１４は、本実施の形態による研磨残り検出方法を実施するための検出光学系の一例を示す概略図である。本実施の形態による検出光学系は、例えば、光源１４１、対物レンズ１４２、分光器１４４、視野絞り１４５、空間フィルタ１４６、ビームスプリッタ１４９、照明絞り１５０などから構成され、分光器１４４は、回析格子１４７、リニアセンサ１４８などから構成される。分光反射率を測定するには、ハロゲン光源等の白色光源１４１から出た光を対物レンズ１４２を介して試料１４３に照射し、試料からの反射光を分光器１４４によって分光検出する。図１４の検出光学系では、対物レンズ１４２の瞳の位置と共役な位置、すなわちフーリエ変換面にピンホール状の空間フィルタ１４６を設けており、試料１４３からの反射光の０次成分のみを検出する構造となっている。この空間フィルタ１４６は試料１４３からの散乱光を除去する効果がある。
【００５０】
図１５は、図１４に示した検出光学系を用いて、包絡線に基づいて研磨残りを検出するための検出条件の設定手順を示す図である。図１５の右側は各ステップにおける結果データである。検出条件の設定は、図１５に示すように、図１４に示した検出光学系により検出した分光強度データから反射率を算出するため、レファレンスとなるサンプルの分光強度データを検出し（ステップＳ１５１）、研磨残りの生じていないサンプルの分光強度データを検出し（ステップＳ１５２）、両者の比を算出して分光反射率を算出する。これをウェハ面内または複数のウェハで実施して複数の分光反射率データを検出する（ステップＳ１５３）。レファレンスとして検出するサンプルとしては鏡面Ｓｉ（シリコン）等を用いればよい。次に、検出した複数の分光波形から包絡線を抽出する（ステップＳ１５４）。包絡線の抽出はオペレータがマニュアル（手動）にて実施する。
【００５１】
次に、同様にして、レファレンスの分光強度を検出し（ステップＳ１５５）、研磨残りの生じているサンプルについて分光検出を行い（ステップＳ１５６）、分光反射率データを複数検出する（ステップＳ１５７）。ステップＳ１５７で検出した分光反射率データとステップＳ１５４で設定した包絡線とを比較し、包絡線で囲まれた領域外での分光データの出現量（評価値）を算出する（ステップＳ１５８）。別途、分光検出した位置において研磨残りの膜厚の大きさを計測する。膜厚を計測する方法としては、ＳＥＭを用いる方法がある。最後に、評価値と研磨残り膜厚との相関を評価する（ステップＳ１５９）。
【００５２】
ここでは研磨残りの生じていないサンプルを先に分光検出しているが、研磨残りの生じているサンプルを先に検出してもよい。この場合、研磨残りの評価に２つのウェハを用意する必要が無く、１枚のウェハで条件出しおよび検査が可能となる。
【００５３】
上記の一連の作業により研磨残りの検出条件を設定できる。ただし、前述のようにＳＥＭを用いた膜厚計測は時間、コストともかかることが問題となる。また、包絡線の設定もオペレータのマニュアル作業であるため、必ずしも最適な設定ができるとは限らない。
【００５４】
そこで、次に、上記課題を解決するために、分光反射率の包絡線ではなく、中心成分に基づいて研磨残りを検出する場合の検出条件の設定方法について説明する。
【００５５】
図１６は、中心成分に基づいて研磨残りを検出する場合の検出条件の設定手順を示した図である。図１６の右側は各ステップにおける結果データである。
【００５６】
まず、膜構造モデルに基づいた理論値により、パターンが無い場合の反射率の中心成分と研磨残り材料（メタル）自体の表面の反射率との波長毎の差の自乗和（評価値）と、分光反射率を算出する際の研磨残り膜厚との関係を評価し、層構造モデルでの条件出しを行う（ステップＳ１６１）。設定する単純な層構造の層構成は、実際のサンプルによって適切に選ぶ。
【００５７】
次に、レファレンスの分光検出を行い（ステップＳ１６２）、研磨残りの無いサンプルにて、検査を行う領域で複数点分光検出する（ステップＳ１６３）。この時、ウェハ面の複数チップの同じ位置で分光検出をする。反射率を算出し（ステップＳ１６４）、検出した複数の分光反射率データから中心成分を抽出し（ステップＳ１６５）、研磨残り材料自体の表面の反射率との波長毎の差の自乗和を評価値として算出する（ステップＳ１６６）。中心成分の求め方は前述の通りである。
【００５８】
最後に、研磨残り膜厚がゼロで実際に検出した研磨残りが無い場合の評価値の値となるように、上記予めモデルにより評価した評価値と研磨残り膜厚との相関グラフを拡大または縮小して、相関関係のグラフとし、条件補正を行う（ステップＳ１６７）。
【００５９】
この場合、実際のサンプルにて研磨残りを計測する必要もなく、また、研磨残りの無いサンプルのみで研磨残り検出の条件出しが可能となる。以上のように、本実施の形態によれば、簡易に研磨残り検査の検出条件出しが可能となる。
【００６０】
検査の条件出しが容易となることによって、例えば、チップ内においても複数の位置での研磨残りの検査が可能となる。例えば、チップ内の研磨残り分布の評価が可能となる。
【００６１】
図１７は、チップ内における研磨残り検査の検出領域の一例を示す概略図である。図１７に示すように、チップ１７１内で１０×１０＝１００点の検出位置１７２において研磨残り検出をして、研磨残り分布を評価する場合、例えば、図１７に示すように、予め研磨残りの無いサンプルの複数チップにおいて、１０×１０＝１００点の検出位置１７２の同位置を分光検出し、チップ１７１内の同位置で検出した複数の分光反射率からそれぞれ中心成分を検出する。検出した１００点の中心成分から上記の手法によって検出条件をそれぞれ設定する。次に、研磨残りが発生しているサンプルを準備し、同様にチップ１７１内の同位置を分光検出し、検出した分光反射率から上記手法により各々の位置での研磨残りを検出する。各点ごとの条件出しの手順は上記に記載の方法と同じである。
【００６２】
図１８は、チップ内における研磨残り検査の検出領域の他の一例を示す概略図である。図１８に示すように、ライン状に分光検出できる光学系を用いれば、チップ１８１内をスキャンすることにより膜残り分布を詳細に検出することができる。具体的には、分光器のリニアセンサ１８２を図１８の矢印方向へスキャンして検出する。
【００６３】
図１９は、研磨残り分布の３Ｄ表示の一例を示す概略図、図２０は、研磨残り分布の等高線表示の一例を示す概略図である。図１９において、１９１は研磨残り分布である。また、図２０において、２０１はチップ、２０２は等高線である。上記方法により検出した研磨残り分布は、図１９のように３Ｄで研磨残り分布１９１を表示したり、図２０に示すように等高線２０２で表示したりすることにより、より見やすくなる。
【００６４】
図２１は、研磨残り検査結果の表示の一例を示す概略図である。図２１は、例えば、検査装置の表示画面や印刷出力であり、２１１はウェハ、２１２は研磨残り、２１３は表示チップ、２１４はチップ内研磨残り分布である。左側にウェハ２１１における研磨残り分布を表示し、右側に表示チップ２１３のチップ内研磨残り分布２１４を表示する。このように、ウェハ面内での位置やウェハ面内の研磨残り分布と同時に表示することや、最大値や平均値を表示することにより定量的に研磨残りを評価することが可能となる。
【００６５】
本実施の形態では、チップ全面で研磨残りを検出するために、チップ全面に対して等間隔に検出点を設けて研磨残り分布を評価したが、この方法では、検出点ごとに検査の条件出しさえすれば、チップ内の任意の位置での膜残り検出が可能である。
【００６６】
図２２は、本実施の形態による検査装置の構成の一例を示す概略図である。本実施の形態による検査装置は、ウェハローダ装置２２１、ウェハアライメント装置２２２、検査ステージ２２３、検出光学系２２４、各部位のコントローラ・研磨残り演算処理部２２５、およびモニタやキーボード等の出入力装置２２６などから構成される。検出光学系２２４は、前記図１４に示した検出光学系に対応し、検出光学系２２４により、試料（ウェハ）１４３に光を照射し、分光反射率を求める。分光検出箇所は、検出対象ごとに記憶しておけば、一旦検査条件出しをしたウェハについては、以後、条件を設定する必要が無くなる。図２２に示すような検査装置を用いれば、上記のような研磨残り分布の検出を自動で実行することができる。
【００６７】
図２３は、ＣＭＰを用いて配線間のプラグを形成する場合のプロセスフローを示している。プラグは、以下の各ステップを順に実行することにより形成される。
【００６８】
まず、ウェハ上に絶縁膜（層間膜）を成膜した後、ＣＭＰにより層間膜を研磨し平坦化する（ステップＳ２３１）。次に、エッチングによりビアホールを形成する（ステップＳ２３２）。そして、プラグとなるメタル膜を成膜してビアホールに埋め込む（ステップＳ２３３）。
【００６９】
次に、新規研磨の場合は、研磨条件や検査条件などの最適な条件を設定するための条件出しを行う（ステップＳ２３９）。条件出しは、以下のように行う。プラグ形成用のＣＭＰを行い（ステップＳ２３４）、研磨残り検査を行う（ステップＳ２３５）。ステップＳ２３５の研磨残り検査の結果、ＮＧ（不良）の場合は、ステップＳ２３４に戻って再研磨を行い、ＯＫ（良）の場合は、ステップＳ２３６へ進む。これらの条件出しおよび研磨残り検査は、前記実施の形態により自動化が可能である。この条件出しは、新規研磨の場合のみ実施し、２回目以降では省略可能である。
【００７０】
ステップＳ２３９にて条件出しを行った後、設定された研磨条件（研磨時間等）でビアホール部分以外のメタル膜をＣＭＰにより除去してプラグを形成する（ステップＳ２３６）。次に、設定された検査条件（検査領域等）で研磨残り検査を行い（ステップＳ２３７）、ＮＧの場合は、ステップＳ２３６へ戻り再研磨を行い、ＯＫの場合は、ステップＳ２３８へ進み配線用のメタルの成膜を行う。ステップＳ２３７の研磨残り検査は、前記実施の形態により自動化が可能である。
【００７１】
一般的に、ＣＭＰ後の検査として、表面に研磨残りが生じているか否かを検査する。研磨残りの検査方法として、従来は、前述したとおり、目視にて実施するのが一般的である。しかし、目視による検査では、検査の作業者によって基準がばらつくことや、作業が顕微鏡を用いた目視検査であるため、作業者の負担が大きいことが問題となっていた。本実施の形態の研磨残り検査装置および検査方法を用いれば、目視に変わって研磨残り検査を自動で定量的に評価することが可能となる。
【００７２】
研磨残り検査は、スループットの観点から、なるべく少ない検査箇所でウェハ全体が評価できることが望ましい。そのため、検査位置を予め設定しておく必要がある。この様な研磨残り検査の条件出しについても、従来は目視にて実際するのが一般的である。すなわち、作業者が予め研磨残りを生じさせたサンプルを目視して研磨残りが生じやすい部分を特定するのである。しかし、目視では、必ずしもウェハ面内またはチップ内を詳細に確認できていない場合がある。本実施の形態の研磨残り検査装置および検査方法を用いれば、ウェハ面内およびチップ内の詳細な研磨残り分布を評価することができ、研磨残り検査の条件を適切に定量的に評価することができる。
【００７３】
例えば、研磨残りの生じているサンプルにて研磨残り分布を評価し、研磨残り膜厚の特徴的な位置を一つまたは複数特定しておき、研磨残り検査の際には、その特定した位置のみを検査する方法が考えられる。研磨残り膜厚の特徴的な位置とは、例えば研磨残り膜厚が最も大きい位置が考えられる。
【００７４】
また、検出した研磨残り分布データに基づいて、研磨残りが発生しないように、ＣＭＰ条件を最適化することや、パターンレイアウト等の設計を最適化し、薄膜デバイスを製造することも考えられる。
【００７５】
また、研磨残りが生じている部分の局所的なパターン密度を小さくするまたは大きくすることにより、チップ内での局所的なパターン密度を均一化し、パターンレイアウト等の設計を最適化し、薄膜デバイスを製造することも考えられる。
【００７６】
すなわち、前記実施の形態の検査方法および検査装置を使用して研磨残り分布を評価することにより、研磨残りを防ぐための設計の最適化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本願において開示される発明は、いわゆる半導体デバイスの他に、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel ）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）等の薄膜デバイスについて適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】（１）〜（４）は、ＣＭＰを用いたプラグ形成工程を示す概略図である。
【図２】ウェハ半径方向ｘの研磨レートのばらつきと研磨残りとの関係を模式的に示す概略図である。
【図３】投光機を用いた研磨残り検査方法を示す概略図である。
【図４】スクライブライン上に生じた研磨残りの顕微鏡観察像を示す概略図である。
【図５】（１）は研磨残りが無い場合のプラグの構造を示す断面図であり、（２）は研磨残りが有る場合のプラグの構造を示す断面図である。
【図６】研磨残りが無い場合および有る場合の分光検出結果および包絡線を示す概略図である。
【図７】研磨残りが無い場合における分光反射率の包絡線で囲まれた領域外の分光反射率データの出現量と研磨残り膜厚との関係の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態において、プラグ上面と絶縁膜での分光反射率を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態において、研磨残り膜厚に対する検出分光反射率の変化の様子の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態において、試料表面の分光反射率データの中心成分と研磨残り材料自体の表面反射率との波長ごとの差の自乗和（評価値）と研磨残り膜厚との関係の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施の形態において、パターンがある場合の分光波形の一例を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施の形態において、パターンが有る場合と無い場合の評価値と研磨残り膜厚との関係を比較した一例を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施の形態において、包絡線を用いて研磨残りを検出する検査条件出しの手順を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態において、検出光学系の一例を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態において、包絡線を用いて研磨残りを検出する検査条件出しの手順を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態において、パターンが有る場合の、中心成分を用いて研磨残りを検出する検査条件出しの手順を示す概略図である。
【図１７】本発明の実施の形態において、チップ内における研磨残り検査の検出領域の一例を示す概略図である。
【図１８】本発明の実施の形態において、チップ内における研磨残り検査の検出領域の他の一例を示す概略図である。
【図１９】本発明の実施の形態において、研磨残り分布の３Ｄ表示の一例を示す概略図である。
【図２０】本発明の実施の形態において、研磨残り分布の等高線表示の一例を示す概略図である。
【図２１】本発明の実施の形態において、研磨残り検査結果の表示の一例を示す概略図である。
【図２２】本発明の実施の形態による検査装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２３】本発明の実施の形態において、ＣＭＰを用いてプラグを形成する工程の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１…絶縁膜、１２…配線パターン、１３…ビアホール、１４…Ｗ（タングステン）膜、１５…プラグ、１６…研磨残り、１７…基板、２１…ウェハ、２２…チップ（ダイまたはショット）、２３…研磨残り(ウェハ面内)、２４…研磨残り(チップ内)、３１…投光機、３２…ウェハ、３３…研磨残りが生じている部分、４１…研磨残りの無い領域、４２…スクライブライン、４３…研磨残り、５１…プラグ、５２…絶縁膜、５３…研磨残り、５４…下層、６１…研磨残りが無い場合の分光反射率（第１の分光反射率データ）、６２…包絡線で囲まれた領域、６３…包絡線、６４…研磨残りが有る場合の分光反射率（第１の分光反射率データ）、６５…包絡線で囲まれた領域外の分光反射率データの出現量（評価値）、８１…プラグ上面の分光反射率（研磨残り材料自体の表面反射率、第２の分光反射率データ）、８２…絶縁膜表面の分光反射率、９１…分光反射率データの振動の中心成分、１１１，１１１ａ…検査対象にパターンが有る場合の分光反射率、１１２…１１１の中心成分、１１３…研磨残り材料自体の表面の分光反射率、１２１…パターンが無い場合の相関、１２２…パターンが有る場合の相関、１４１…光源、１４２…対物レンズ、１４３…試料、１４４…分光器、１４５…視野絞り、１４６…空間フィルタ、１４７…回折格子、１４８…リニアセンサ、１４９…ビームスプリッタ、１５０…照明絞り、１７１…チップ、１７２…検出位置、１８１…チップ、１８２…リニアセンサ、１９１…研磨残り分布、２０１…チップ、２０２…等高線、２１１…ウェハ、２１２…研磨残り、２１３…表示チップ、２１４…チップ内研磨残り分布、２２１…ウェハローダ装置、２２２…ウェハアライメント装置、２２３…検査ステージ、２２４…検出光学系、２２５…コントローラ・研磨残り演算処理部、２２６…出入力装置。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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