(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨状態モニタ方法において、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けするステップと、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製するステップと、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ方法。
【請求項２】
上記所定の反射率波形が、理論波形であることを特徴とする請求項１記載の研磨状態モニタ方法。
【請求項３】
上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップは、予測研磨レートを基に精製することを特徴とする請求項１又は２記載の研磨状態モニタ方法。
【請求項４】
上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、膜厚が研磨によって変動する周期成分のみに逆フーリエ変換して、反射率波形を復元するステップを有することを特徴とする請求項１，２又は３記載の研磨状態モニタ方法。
【請求項５】
Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨状態モニタ装置において、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けする手段と、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製する手段と、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元する手段を有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合する手段を有し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＣＭＰ（化学機械研磨）におけるウェーハの研磨終点検出方法並びに研磨終点検出装置に関するものであり、特に、精度の向上を図ったウェーハの研磨終点検出方法並びに研磨終点検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超ＬＳＩ等における配線パターンの微細化や多層化が進行するにつれて、これらの半導体製造工程において、成膜加工されたウェーハに対して配線パターン形成や浅溝型素子分離などを行うＣＭＰ工程では、正確な研磨終点で研磨を終了して最終的な膜厚を精密に制御することの重要性が増大している。
【０００３】
ここで、通常研磨の終点検出といっても、従来は時間で管理することが多かった。時間で管理する場合、即ち所定の時間研磨することによって研磨終了とみなす場合においても、同じ条件で研磨しておれば、見積もりと大きく変化することはなく、大まかにみれば、せいぜい１割程度も変化しない程度の安定した研磨レートにおいて、安定した膜厚量を得ることができる。
【０００４】
しかし、研磨の場合、長い間連続して研磨すると、研磨パッドが徐々に目詰まりしてくることや、平滑化されることなどから、研磨レートがわずかながら変化する。特に、研磨パッドの表面状態は安定化することが非常に難しく、微小な研磨レートのドリフトによって、所定時間の研磨を行ったとしても、結果的な膜厚量はわずかながら変化していくことになる。
【０００５】
本願で扱うＳＯＩウェーハの場合、研磨の終点を検出するための膜厚量の制御は、ＳＯＩウェーハでの素子形成層の厚みを決定する重要な要素となるため、研磨レートのドリフトなどによる最終的な膜厚変化は許容されるものではない。こうした同一研磨条件で研磨する場合においても、研磨状態によって微小に変動する膜厚量に対し、リアルタイムに研磨の終了時点を検出し、結果として得られる膜厚量を一定にするような制御を求められる。
【０００６】
以前は、こうした研磨終点を判断するにあたって、研磨中にＣＭＰ装置を停止してＣＭＰ装置からウェーハを取出し、ウェーハの膜面の状態から研磨終了や研磨再開及びおおよその再研磨時間などを目視によって判断していた。しかし、この方法では、１枚のウェーハの研磨中にたびたび研磨を中断しなければならず、生産性が良くないため、研磨中に研磨面の状態をリアルタイムに把握できるようにした技術が用いられるようになった（特許文献１，２，３など）。
【０００７】
これらの技術は、いずれもウェーハ載置台であるプラテン及びプラテン上に貼付される研磨パッドに上下へ貫通する孔を形成し、プラテンの孔又は研磨パッドの孔に透明樹脂体の窓を設け、プラテンの下面側から研磨パッド上のウェーハの研磨面を見るものである。
【０００８】
本願で扱うＳＯＩウェーハの場合、典型的な構成として、Ｓｉ／ＳｉＯＸ／Ｓｉの膜構成をとる。このような膜構成の場合、反射してくる光は、表面のＳｉで反射される光と、Ｓｉ／ＳｉＯＸの界面で反射される光と、その下のＳｉＯＸ／Ｓｉで反射される光の３つ存在する。特に、Ｓｉ／ＳｉＯＸとＳｉＯＸ／Ｓｉは屈折率の異なる二つの部材が逆向きに存在するため、一方は、反射の際に位相がそのままになり、もう一方は、反射の際に位相が反転することになる。その結果、後述の図３（ｂ）に示すようなうねりのような典型的な波形となる。こうした波形を如何に解析して研磨終了時点を検出するかが重要になる。
【０００９】
こうした波形の場合、反射率波形から実際の終点を見極めるのは極めて難しい。それは、ひとつにＳｉの屈折率が３．４２と非常に高くて分光波形の中に短い周期の波が含まれるためである。こうした短周期で密集した波を有する場合、波形を正確に認識させることが非常に難しい。こうした波形では、特に波形全体の形状の傾向というより、山谷位置を数え間違えずに正確にカウントすることが重要になる。
【００１０】
仮に山谷位置を数え間違えると、それはＳｉの膜厚自体を余分ないしは少なく見積もってしまうからである。例えば、一周期ほど山谷位置を見積もり間違えた場合、一周期分ｄは、ｄ＝λ／２ｎで表され、ｎ＝３．４２、λ：１１００ｎｍとすると、ｄ＝１６０ｎｍとなる。実際の研磨終了時点で制御する膜厚量は、±２０ｎｍ程度が望まれるため、１６０ｎｍ程度も見積もりを間違えると、致命的になる。
【００１１】
特許文献１には、プラテンの下面側から窓へ向けて光を照射し、その反射光中の特定の周波数の光強度（例えば、Ｓｉ膜の反射率は波長７００ｎｍと７７０ｎｍにピークを持つ）から研磨状態を判断する技術と、ウェーハの研磨面を撮像装置により撮影し、画像解析により研磨状態を判断する技術とが記載されている。しかし、この方法においては、大まかな分光反射率によって、研磨状態を俯瞰的に判断することができるのかも知れないが、Ｓｉ層の膜厚が、どの程度研磨されているかを数値で正確にモニタすることは難しい。
【００１２】
特許文献２は、基板面に光を照射し、その反射信号光又は透過信号光から得られる信号波形と、参照波形との一致度に基づいて、前記基板面の表面状態を測定する方法であり、その一致度が相互相関を用いて計算されることを特徴としている。例えば、その一致度をみる波形として、ＳｉＯ２膜上にバリア層としてＴａＮ層があり、その上にＣｕ層を形成したものを使用している。
【００１３】
研磨後の実測波形と参照波形の一致度を評価する方法として、両者の相互相関を見る方法が開示されており、特許文献２中の図４に示されている。波形同士の全体的な傾向が一致した時点で相関係数が０．７５２となって終了点とみなしている。ここで、小さい周期の変動は相関係数からは無視され、ノイズとしてみなされる。図５についても同様に幅広い波長領域において、相関係数を基に、終了点とみなしている。
【００１４】
本願で扱うＳＯＩウェーハでの波形解析の場合、こうした方法では、先に述べたように、膜厚量を見誤る。それは、ＳＯＩの場合、短周期の小さい周期変動を正確にカウントすることが要求されるからである。
【００１５】
ここで、特許文献２に存在する方法で、本願の波形を扱う場合を想定する。例えば、参照波形が所定波長領域で１０山存在し、実際の波形が１１山存在した場合であっても、明らかにひとつの山が存在しないため、波形は正確に照合されていない。しかし、相互相関という観点からみれば、特許文献２の図４に示されるように、小さな周期変動は無視される一方、全体的な波形の傾向が一致しているとみなされて、相関係数が大きくなり、終了点とみなされてしまう。その結果、致命的な膜厚の見積もりミスを生じることになる。
【００１６】
さらには、特許文献２に示す方法でも、実測した反射率波形の山位置と谷位置は明瞭に区別できた場合でも、その振幅が参照波形と比べて部分的に小さい場合などにおいては、相互相関による係数を求めた場合、高い相関係数を得られない場合がある。その結果、山谷位置を認識して、カウントすれば、一致しているとみなされるものが、相互相関の係数を計算すると、必ずしも大きな値にならず、見過ごされる場合もある。こうした場合、研磨終了時点を逃すことになり、実用的に使用できるものではない。
【００１７】
こうしたことから、金属膜などのように波長に対する反射率波形の変化が緩やかな傾向を有する波形の場合、反射率の大局的な形状の相関評価において、適用できるのかも知れないが、本願のような、短周期の周期性波形を持つ波形解析においてミスなく波数をカウントすることが要求される場合においては、波形全体の傾向で判断する相互相関を利用した方法は、適用できるものではない。
【００１８】
特許文献３には、活性層６ａと支持基盤６ｂとによって、酸化膜６ｃを挟み込んで構成されたＳＯＩ基板６に対し、活性層６ａの膜厚を測定する膜厚測定方法において、まず、酸化膜６ｃの両面での反射光により、干渉が弱められた「節」となる波長を除くように解析波長領域を設定し、その解析波長領域における干渉情報を用いて、活性層６ａの膜厚を算出する方法が開示されている。
【００１９】
扱う膜構成は同様の構成であり、同じようなタイプの波形解析となる。しかし、この方法においても、パッドとウェーハの間に存在するスラリーなどによって、時として反射光が散乱されるために、理論的なきれいな周期性の波が得られないケースがある。波長領域によっては、反射光がスラリーに吸収されるなどして、本来短周期の波が５つある部分に４つしか観察されないなど、周期波形の波数の見積もりを間違うケースもある。よって、スラリーなどの邪魔がない安定した反射光が得られる場合には、有効かも知れないが、研磨時において光路内にスラリーが介在する場合においては、全波長領域において必ずしも安定した反射率が得られないことがたびたび存在し、安定した波形解析を行うには実用上問題があると考えられる。
【特許文献１】特開平７−５２０３２号公報。
【特許文献２】特開２００１−２８７１５９号公報。
【特許文献３】特許第３９４６４７０号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
そこで、本発明においては、以下のことを課題とする。
・研磨中に、毎回毎回ウェーハの表面状態を確認することなく、研磨中リアルタイムにウェーハ表面をモニタし、研磨の終了時点をモニタすることができる。
・ＳＯＩなどの短周期の密集した反射率波形に対しても、所定波長域内の波数をカウントし間違えることなく、安定して研磨終了時点をモニタする。
・スラリーなどが介在して、周期を見間違いそうな場合においても、適正に処理して、安定した波形解析を可能にする。
【００２１】
研磨中のウェーハの膜面へ光を投射し、その反射光から研磨状態をリアルタイムに観察するシステムでは、ウェーハの膜面で反射する光とウェーハを透過してウェーハの裏面で反射してくる光との合成光を受光することになる。ウェーハの膜厚が減少していくと、ウェーハの膜面で反射する光とウェーハを透過してウェーハの裏面で反射してくる光との干渉状態の変化により、受光した光のスペクトルも変化し、特定の周波数の光強度から膜厚を把握して、研磨終点を検知或いは予測することができる。
【００２２】
しかし、研磨中にパッド上へ供給されるスラリーが、透明材料の窓とウェーハの研磨面との間に介在することになり、流動するスラリーが反射光に減衰或いは散乱等の外乱を与え、研磨状態の検知精度を低下させる原因となっている。また、ウェーハの研磨面と窓とが殆ど接触状態で研磨が行われるようにして、スラリーによる光学的な影響を低減した場合であっても、パッドの表面をクリーニングするパッドコンディショナー（ドレッサー）により窓の表面がダメージを受け、光学性能が低下して反射光に悪影響を及ぼすこともある。
【００２３】
そこで、外乱の影響を排除してウェーハの研磨状態を精度よく検知し、研磨終点の制御精度を向上するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は上記課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、請求項１記載の発明は、  Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けするステップと、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製するステップと、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ方法を提供するものである。
【００２５】
上記の構成においては、研磨中、リアルタイムに波長に対する反射率波形を取得する。その波長に対する反射率波形をフーリエ変換する。ここで、波長に対する反射率としたが、波長の逆数、即ち波数を横軸にとり、波数に対する反射率波形をフーリエ変換してもよい。それにより、周波数の屈折率の高いＳｉ内を光路とした反射光に起因した干渉波形と、屈折率の低いＳｉＯＸ内を光路とした反射光に起因した干渉波形に分けることができる。後述の図３（ｂ）でも、緩やかなうねりはＳｉＯＸの干渉によるものであり、周期の高い波形はＳｉの干渉によるものであり、これらの二つが重なり合った構成となっている。フーリエ変換することで、この二つの干渉波形の周期をそれぞれ分離することができる。分離した周期のうち、長い波長周期がＳｉＯＸに起因した周期であり、短い波長周期がＳｉに起因した周期である。
【００２６】
ここで、特に短い周期の波形に着目すると、周期波形に多少の広がりがある場合がある。これは、スラリーによって、散乱されることにより、必ずしも完全な短周期の波とならず、一部の山部分や他部分が消されてしまうことによって、ばらつきをもった周期分布となる。このばらつきを持った周期分布を精製することにより、スラリーなどによって、散乱されて周期性を失った部分を補正することが可能となる。
【００２７】
次に、この精製された周期分布に基づいて逆フーリエ変換することによって、ＳｉＯＸ内の長い周期内に短い周期の波を持った元の波形を復元することができる。この復元された波形は、スラリーの散乱によって、山や谷位置がつぶされて区別されなかった部分においても、周期性を考慮した先の補正によって、山や谷位置を完全に復元することが可能となる。
【００２８】
次に、こうして得た実測の反射率波形の補正波形と研磨終了時点の所定の反射率波形である参照波形との照合により、研磨終了時点に至ったか否かをモニタする。照合においては所定の基準波長、基準波数を基点として、そこから長波長側に一つ目、二つ目と山位置を見つけ、その山の位置に対する波長（波数）を順に読み込み表に入れる。その実測波形の波長と参照波形とのずれ量を、それぞれの山位置で計算し、そのずれ量を全て足し合わせる。研磨終了時点では、実測反射率波形を補正した波形の山位置と、研磨終了時点の参照波形とは完全に一致する。それによって、それぞれの山位置のずれ量を計算し、それらを全て足し合わせたとしても、殆どゼロに近い数値となる。こうしたことによって、実測波形が参照波形とほぼ照合できたことを確認し、研磨の終了を検出することができる。
【００２９】
特許文献３による研磨中の波形をそのまま解析していた場合、山数や谷数を数え間違い、残りの膜厚の見積もりを数え間違うことが多かった。しかし、本願の方法によれば、スラリーによる散乱があった場合においても、波形を完全に復元することが可能であるため、誤った検出をすることはない。また、特許文献２にあるような相互相関で判断する場合、完全に山谷位置が一致せずとも、高い相関係数を得て、波形が一致しているとみなし間違って検出することが多いと考えられるが、本発明による方法では、こうしたあいまいな検出は行わず、精度よく終点を検出することが可能となる。
【００３０】
さらに、特許文献２にあるような波形では、山谷位置がはっきり区別できたとしても、それぞれの波形の振幅（反射率の絶対値）が、参照波形と比較して小さくなったりする場合には、相互相関の係数は小さくなり、一致していると判別されない場合がある。そうした場合、事実上終点検出できないこととなり、実用的な面で、使用できないことになる。
【００３１】
本発明による方法によれば、
・正確な終点検出を行う上において、特有の波形特徴から、特に、短い周期の波形に着目すること。
・短い周期の周期波形をクローズアップさせるためにフーリエ変換を施し、周期領域を区別できること。これにより、膜厚が不変のＳｉＯＸ成分を、波形の解析時に差し引くことも可能となる。
・スラリーの介在により散乱された反射光の波長に対する反射率の周期波形を、逆フーリエ変換することによって、復元することが可能になること。
・山谷位置が復元されることによって、ようやく研磨終了時点の参照波形と復元された波形の照合を行い、その照合によって、研磨終了したか否かを見極めることが可能となること。
【００３２】
といった従来にない顕著な作用効果を得ることが可能となる。
【００３３】
例えば、実測波形の補正ステップ並びに補正された波形と終了時点を示す参照波形との照合ステップのいずれかの一つが抜け落ちても、この終点検出は機能しない。波形を復元するステップにより、膜厚をミスなくモニタできる処理を行うともに、照合ステップにより、間違いなく波形が終了時点に達しているかを判断するものである。
【００３４】
特に、特許文献２との対比として、特許文献２は反射率波形を、波長に対する連続的な波形として実測波形と参照波形の相互相関を計算するが、本発明においては、波形としてとらえているのではなく、むしろ離散的な山谷位置の照合として反射率分布をとらえている。そのため、本発明においては厳密には波形の一致を見ているのではなく、反射率の離散的な周期性における山部分の点の照合を行っているのである。よって、これは連続波形の一致度とは異なる全く別の対比方法であり、その作用効果も全く異なるものである。
【００３５】
請求項２記載の発明は、上記所定の反射率波形が、理論波形である研磨状態モニタ方法を提供するものである。
【００３６】
上記の構成においては、ウェーハの物性や光学系の特性から求められる理論反射率波形を、研磨中の反射率波形の照合対象とするものであり、実質的に研磨終了時点における所定の反射率波形を用いた場合と同程度に正確な照合結果の把握が可能である。
【００３７】
請求項３記載の発明は、上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップは、予測研磨レートを基に精製する研磨状態モニタ方法を提供するものである。
【００３８】
上記の構成においては、研磨の進行に伴って変化する周期成分について、実際に変化するであろうと推定される予測研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を除去し、この予測研磨レートに基づく推定周期成分だけを通すというフィルタリングを行い、そのフィルタリングされた周期成分を逆フーリエ変換することで、スラリーなどで散乱されて周期性を失った部分が補正される。
【００３９】
請求項４記載の発明は、上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形の周期成分に対して、膜厚が研磨によって変動する周期成分のみに逆フーリエ変換して、反射率波形を復元するステップを有する研磨状態モニタ方法を提供するものである。
【００４０】
上記の構成においては、被研磨対象膜に対する周期成分の周期は、研磨の進行に伴って変化する。このため、逆フーリエ変換によりスラリーなどで散乱されて周期性を失った部分の補正は、被研磨対象膜に対する周期成分のみに実行することで、研磨終点の検出に必要な反射率波形が復元される。
【００４１】
請求項５記載の発明は、Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けする手段と、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製する手段と、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元する手段を有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合する手段を有し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ装置を提供するものである。
【００４２】
上記の構成においては、請求項１記載の発明と同様に、予め設定されている所定の反射率波形と研磨中の反射率波形の補正波形との照合結果を基に外乱の影響を排除して研磨終点を精度よく検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
請求項１記載の発明は、特定の周波数帯域の反射率のみではなく、全体的な反射率波形を所定の反射率波形と照合して研磨の終点を検出するので、流動するスラリーや薬液による外乱の影響が軽減されて、終点検出精度が向上する。そして、ＳＯＩなどの複数の層が積層している基板表面の膜の研磨終点検出技術において精度よく研磨終点を検出することが可能となる。スラリーなどによって、反射光が散乱されたとしても、波形の周期性から実測反射率波形を復元して、所定の反射率波形と精度よく照合することが可能となる。また、実測反射率波形が十分な光量がなく、ゲインが小さい場合であっても、精度よく所定の反射率波形と照合でき、研磨終了点を検出することができる。
【００４４】
請求項２記載の発明は、理論反射率波形を研磨中の反射率波形の照合対象としたことで、研磨に先立って予め研磨終了時点における反射率波形を実測する手間が省ける。
【００４５】
請求項３記載の発明は、フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対し、実際に変化するであろうと推定される予測研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を除去することで、研磨の進行に伴って変化する周期性部分について精度のよい精製を行うことができる。
【００４６】
請求項４記載の発明は、膜厚が変化しないＳｉＯＸ起因の反射率スペクトルを排除することができ、研磨しているＳｉ層による短周期の反射率スペクトルをクローズアップして表示することができる。これにより、短周期の周期性を有するＳｉ層であっても山数を数え間違えることなく、理論反射率波形と精度よく照合することが可能となり、研磨の終了点を精度よく検出することができる。
【００４７】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明と同様に、特定の周波数帯域の反射率のみではなく、全体的な反射率波形を所定の反射率波形と照合して研磨の終点を検出するので、流動するスラリーや薬液による外乱の影響が軽減されて、終点検出精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明は、ウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、フーリエ変換された波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップと、フィルタリング後の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出する構成により、外乱の影響を排除してウェーハの研磨状態を精度よく検知し、研磨終点の制御精度を向上するという目的を達成した。
【実施例１】
【００４９】
図３は、ＳＯＩ構造のウェーハＷの構成例（同図（ａ））と、その典型的な反射率波形（同図（ｂ））を示している。反射率波形は、同図（ｂ）に示すようにＳｉＯＸの干渉によって起こる長い周期の波と、Ｓｉ活性層内の光路による干渉によって短い周期の波が重なり合った状態となる。研磨対象膜はＳｉであるため、この短い周期の波を数え間違える、ないしは見落とすことなく、正確に判別できるかが、終点検出の精度に非常に大きく影響する。
【００５０】
図３（ｂ）は、特に理論的な反射率波形であり、光路上に何も外乱や散乱される媒体などがないことを想定した波形である。しかし、通常研磨中には、パッドとウェーハとの間にはスラリーが存在するため、時として反射光は散乱によって、十分な反射率を得られない場合もある。また、その反射率の周波数帯によってはスラリーなどによって吸収されるなどして、波長によって、十分な反射率を得られない場合も想定される。ここでは、こうした実際の研磨において反射率スペクトルが必ずしも完全ではないことを想定して、実用的なウェーハの研磨状態モニタ方法及びその装置を提供するものである。
【００５１】
図１はＣＭＰ装置１を示し、円盤形のプラテン２はモータ３を用いた駆動機構４の上に取付けられていて、プラテン２の上面にパッド５が貼り付けられている。プラテン２の上方で且つプラテン２の回転中心から変位した位置に配置された研磨ヘッド６は、プラテン２よりも小径の円盤形であり、その下面に研磨対象であるウェーハＷが取付けられている。研磨工程においては、パッド５の上面にスラリー供給装置（図示せず）から研磨薬液であるスラリーが滴下され、研磨ヘッド６はウェーハＷがパッド５の上面へ接触する高さまで下降されるとともに、プラテン２と研磨ヘッド６がそれぞれ回転駆動されてウェーハＷの被研磨面（下面）が研磨される。
【００５２】
図２に示すように、プラテン２とパッド５には上下へ貫通する孔７，８が形成されていて、パッド５の孔８内に透明体の窓９が埋め込まれている。プラテン２が１回転するごとに、窓９は研磨ヘッド６に装着されたウェーハＷの下面を通過する。図１に示すように、プラテン２の下面側、且つ研磨ヘッド６の鉛直下方には研磨終点検出装置の対物レンズ１０が配置されている。図示は省略しているが、対物レンズ１０は光ファイバー製の二分岐光ガイドを介して光源ユニットとポリクロメータへ接続されていて、光源ユニットのハロゲンランプが発する白色光は対物レンズ１０から垂直上方へ投射され、プラテン２並びにパッド５の孔７，８が対物レンズ１０の上を通過するときに、窓９を通じて研磨ヘッド６の下面のウェーハＷで反射した光が、対物レンズ１０から二分岐光ガイドを通じてポリクロメータへ入射する。
【００５３】
この入射光は、ポリクロメータ内の回折格子によって所定の波長ごとに分光され、分光されたそれぞれの光強度に応じた電気信号に変換されてコンピュータへ出力される。コンピュータは、ポリクロメータから出力された光の反射率波形を研磨終点判断の基準となる所定の反射率波形と照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出して研磨を停止するプログラムを備えている。
【００５４】
コンピュータ或いはＣＭＰ装置１の制御部には、予め研磨終了時点における反射光の各周波における光強度を示す反射率波形データを研磨終了の基準反射率波形データとして格納しておく。研磨開始とともに、制御部は対物レンズ１０を通じて取得されるウェーハＷの反射光をサンプリングする。
【００５５】
次に取得した反射光を補正するステップについて図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を用いて説明する。取得された反射光についての反射率波形（図４（ａ））は、リアルタイムにフーリエ変換され、各周期成分に区分けされる（図４（ｃ））。周期成分に区分けされた波形は、Ｓｉの光路によって得られる周期成分Ｆ１とＳｉＯＸの光路によって得られる周期成分Ｆ２の二つの周期成分に分けることができる。ＳｉＯＸの周期成分Ｆ２は、ＳｉＯＸ自体が研磨対象ではなく、研磨によって膜厚が小さくなるものではないため、このスペクトルに着目することはない。
【００５６】
ここで特に重要なのは、Ｓｉの周期成分Ｆ１に関するものである。特に、Ｓｉ膜が研磨されることによってＳｉ膜は減少していくため、Ｓｉ内を光路として有する干渉波形の波長周期は徐々に増加する方向へ変化していく。この変化の速度は、研磨の速度である。パッドドレッシングを行いながら研磨する場合、この研磨速度は大きく変動することなく、ほぼ一定のレートで研磨される。即ち、Ｓｉ膜が除去される速度は一定の割合で除去されていくため、フーリエ変換された後のＳｉ膜による干渉波形の長波長側へのシフトも一定の速度で移動していくことが分かる。この状態を研磨中常時モニタする。
【００５７】
この研磨レートに対応して移動する周期成分Ｆ１において、その波形を精製する方法については、図５に示している。例えば、得られた周期成分Ｆ１に対して半値幅ｄを設定し、それより外側に分布する周期成分ｆを削除するなどして周期性を先鋭化してもよい。また、周期成分Ｆ１について、実際に変化するであろう推定される研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を削除し、推定研磨レートに基づく推定周期成分だけを通して（フィルタリング）、その周期成分を逆フーリエ変換し、補正した反射率波形を得てもよい（図４（ｄ））。
【００５８】
Ｓｉの光路を経て干渉する波形は、基本的に周期性を持つ波形であるため、周期性を重視して波形を精製することで逆フーリエ変換後の補正波形において、波形がつぶれた部分に対しても忠実に波形を復元することが可能となる（図４（ｂ））。この復元された波形を基に、予め研磨終了時点付近に対応した参照波形（所定の反射率波形）と照合することで研磨終了時点が求められる。
【００５９】
ここで復元された補正波形と参照波形の照合において、波形の相互相関で評価してはならない。なぜならば、実測した反射率波形は途中光路上において、散乱を受けることや、吸収されること等によって、十分な反射率強度が得られないことがあるためである。しかし、十分な反射率強度が得られない場合であっても、山位置と谷位置を明瞭にすることによって、本発明における所定の膜厚位置における照合を精度よく行うことが可能となる。      
【００６０】
図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は補正された反射率波形を参照波形（所定の反射率波形）と照合するステップを示している。照合するステップについては、ある基準波長領域を設定し、その波長領域で波形の山位置を合わせて、その山位置における波長が参照波形と、実測の補正反射率波形とで比較対比する（図６（ｂ））。基準位置からのそれぞれの山位置における波長のずれ量ｌ（エル小文字）を算出し、それらの和Ｓを図６（ｃ）の表及び次式（１）で示すように求める。
【００６１】
0005241321.tif 000002
【００６２】
…（１）
それらの和Ｓがゼロに近い状態であれば、殆どの波形の山の位置は照合されていると判断され、照合されたことを基に研磨の終点を検出する。基準位置からのそれぞれの山位置における波長のずれ量がゼロより十分に大きい値である場合、まだ照合されていないと判断し研磨を続行する。
【００６３】
この波形の照合プロセスにおいて、照合までにどれだけ研磨しなければならないかも、大まかに予測することができる。例えば、ある山を基準に双方の波形を並べると、双方の波形が完全に照合されていない場合、次のような形態となる。即ち、双方の基準の山位置は照合されているが、次の山の部分の位置では僅かに、波長がずれ、その次の山部分では、その前よりもさらに波長がずれ、といった形で、基準位置のずれ量ゼロに対して殆ど比例関係でずれていく。
【００６４】
仮に、この双方の山位置における波長のずれ量が単純な比例関係ではなく、例えば、ある特定の山位置からずれだし、その後一定のずれ量という場合などでは、その一定のずれ量を得た付近で、補正の際に山の数を一つ数えて落としていることなどが推定される。こうした場合、再度波形の精製をすれば、波形が補正されて（図６（ａ））、参照波形と完全に照合することも可能となる。
【００６５】
このように波形を照合する場合においても、照合する波形のずれ方の変化が一様な増分を基にずれていくのか、それとも一定のステップで変化しその後その一定の変化を維持するのかなどによって、波形の照合が不十分であるのか、それともその前の波形の補正処理が不十分であるのか、そうした内容の見極めを正確に行うことが、本発明に示した照合ステップを用いることで可能となる。
【００６６】
最後に、ＳＯＩ構造のウェーハＷに対して実測した反射率波形において、そのままの反射率波形（図７（ａ））と、フーリエ変換後、その周期性を基に波形を精製し、その後、逆フーリエ変換して、周期性の波形成分を正確に取り出して補正した反射率波形例（図７（ｂ））を示す。このように、Ｓｉ表面から得られる実反射率スペクトルでは必ずしもきれいな周期波形を得られていないが（図７  （ａ））、その後の補正処理によって、周期成分が顕著になり、照合可能な山部分が復元されていることが分かる（図７（ｂ）中の↓の位置）。このように補正処理をしない場合、参照波形との照合処理を行っても、正確に終了点を判別できないことが多く、実質上使用できるものではなかった。
【００６７】
なお、参照波形としての基準反射率波形データは、予め実測したデータではなく、ウェーハの厚さや透光度、膜面の反射率などの光学的特性から算出できる理論的な反射率波形データであってもよい。また、投光／受光の光路或いは光学系を複数系統設けて、複数の反射光反射率波形と基準反射率波形とを照合するようにしてもよい。      
【００６８】
研磨終了のタイミングを決定するにあたっては、種々の手法が考えられる。例えば、所定の反射率波形の変曲点により一致度の変化を検知し、それぞれの変曲点のずれから一致度を求めるようにしてもよい。
【００６９】
また、反射率波形の一致度の変化部分に、一致度が良くなるステップと一致度が悪くなるステップを含むことにより、一致度のピークを確実に検出できる。
【００７０】
波形の変曲点が最大変曲点であったことを確定するのには、ある程度の時間が経過した後にすべきであり、これにより最大変曲点を誤りなく認識できる。上記の時間は研磨速度などから必要量が予測できるので、一定とすることができ、別の膜厚測定方法によって求めたウェーハの研磨所要時間から決定してもよい。
【００７１】
反射率波形の一致度の変化部分を、波形の変曲点群の包絡線もしくは近似曲線の最大変曲点としてもよく、これによりノイズなどの外乱の影響をさらに軽減できる。
【００７２】
反射率波形の一致度の算出には、波長を微分した波形の内積を使用してもよい。この場合も、スパイク状のノイズ部分などの影響を軽減する効果がある。
【００７３】
本発明の研磨状態モニタ方法／研磨状態モニタ装置と、別の研磨状態モニタ方法とを併用し、別の研磨状態モニタ方法の結果のある範囲において、本発明の研磨状態モニタ方法を使用するようにしてもよい。
【００７４】
なお、この発明は上記の実施形態に限定するものではなく、この発明の技術的範囲内において種々の改変が可能であり、この発明がそれらの改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ＣＭＰ装置の斜視図。
【図２】プラテンとパッドの断面図。
【図３】ＳＯＩウェーハの構成例と、その典型的な反射率波形例を示す図であり、（ａ）はＳＯＩウェーハの構成例を示す断面図、（ｂ）はその典型的な反射率波形例。
【図４】実測の反射率波形を補正する方法を説明するための図であり、（ａ）は実測の反射率波形例、（ｂ）は補正により復元された反射率波形、（ｃ）はフーリエ変換により区分けされた周期性成分、（ｄ）はフィルタリング後の波形を逆フーリエ変換して復元された反射率波形。
【図５】変化する周期性部分を精製する方法を説明するための図。
【図６】補正反射率波形を参照波形と照合する方法を説明するための図であり、（ａ）は再度の波形精製により山谷位置を修復した反射率波形、（ｂ）は実測の補正反射率波形と参照波形との比較対比の態様を示す図、（ｃ）は比較対比の結果算出された波長のずれ量例を示す表。
【図７】実測の反射率波形例と補正後の反射率波形例を示す図であり、（ａ）は実測の反射率波形例、（ｂ）は図（ａ）の反射率波形について補正を施した後の反射率波形例。
【符号の説明】
【００７６】
１    ＣＭＰ装置
２    プラテン
３    モータ
４    駆動機構
５    パッド    
６    研磨ヘッド
７    孔
８    孔
９    窓
１０    対物レンズ
Ｗ    ウェーハ
【図１】
0005241321.tif 000003
【図２】
0005241321.tif 000004
【図３】
0005241321.tif 000005
【図４】
0005241321.tif 000006
【図５】
0005241321.tif 000007
【図６】
0005241321.tif 000008
【図７】
0005241321.tif 000009