(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な回路パターンが形成された基板の表面を光学的に透明な薄膜で被覆されて周辺部に位置基準が設けられた試料を研磨盤上で回転させながら研磨加工中に該研磨盤に設けた光学的に透明な窓部を介して前記試料に白色光を照射し、該白色光の照射による前記試料からの反射光を前記窓部を介して検出し、前記研磨盤上で回転する試料に設けられた前記位置基準の位置を計測して前記反射光を検出した箇所の前記試料上の位置情報を得、該試料上の位置情報と前記検出した反射光の分光波形情報とに基づいて前記研磨加工中に予め設定した前記試料上の複数の所望の位置における前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測して前記試料上での前記光学的に透明な薄膜の膜厚の分布を求めることを特徴とする薄膜の膜厚計測方法。
【請求項２】
前記試料はLSIチップが多数形成された半導体ウェハであって、前記予め設定した前記試料上の複数の所望の位置は、前記光学的に透明な薄膜の膜厚の分布を予め計測して前記LSIチップ内での計測位置を決定し、前記多数形成したLSIチップのうちから選択した所望のLSIチップについて前記決定した計測位置を前記予め設定した試料上の複数の所望の位置としたものであることを特徴とする請求項1記載の薄膜の膜厚計測方法。
【請求項３】
前記検出した反射光の分光波形情報が該分光波形の反射光強度に基づくことを特徴とする請求項１記載の薄膜の膜厚計測方法。
【請求項４】
前記検出した反射光の分光波形情報が該検出分光波形の周波数スペクトル強度に基づくことを特徴とする請求項１記載の薄膜の膜厚計測方法。
【請求項５】
前記検出した反射光の分光波形情報が予め計測した膜厚分布に基づく分光波形の類似性であることを特徴とする請求項１記載の薄膜の膜厚計測方法。
【請求項６】
微細な回路パターンが形成された基板の表面を光学的に透明な薄膜で被覆されて周辺部に位置基準が設けられた試料を研磨盤上で回転させながら研磨中に該研磨盤に設けた光学的に透明な窓部を介して前記試料に白色光を照射する照明手段と、該照明手段により白色光が照射された前記試料からの反射光を前記窓部を介して検出する反射光検出手段と、前記研磨盤上で回転する試料に設けられた前記位置基準の位置を計測して前記反射光を検出した箇所の前記試料上の位置情報を得る試料位置検出手段と、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記反射光の分光波形情報を得る信号処理手段と、前記試料位置検出手段で検出した試料上の位置情報と前記信号処理手段で得た反射光の分光波形情報とに基づいて前記研磨中に前記光学的に透明な薄膜の前記試料上での分布を求める膜厚分布算出手段とを備え、該膜厚分布算出手段は、前記試料位置検出手段で検出した前記反射光を検出した箇所の前記試料上の位置情報と予め設定した前記試料上の複数の所望の位置の情報とを用いて前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測することにより前記光学的に透明な薄膜の前記試料上での分布を求めることを特徴とする薄膜の膜厚計測装置。
【請求項７】
前記試料はLSIチップが多数形成された半導体ウェハであって、前記予め設定した前記試料上の複数の所望の位置は、前記光学的に透明な薄膜の膜厚の分布を予め計測して前記LSIチップ内での計測位置を決定し、前記多数形成したLSIチップのうちから選択した所望のLSIチップについて前記決定した計測位置を前記予め設定した試料上の複数の所望の位置としたものであり、前記膜厚分布算出手段は前記多数形成されたLSIチップの中から選択されたLSIチップ内の所定の計測位置の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を計測することにより前記半導体ウェハ上の前記光学的に透明な薄膜の膜厚の分布を求めることを特徴とする請求項６記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項８】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記分光波形の反射光強度に基づく分光波形情報を得ることを特徴とする請求項６記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項９】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記分光波形の周波数スペクトル強度に基づく分光波形情報を得ることを特徴とする請求項６記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項１０】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して予め計測した膜厚分布に基づく分光波形の類似性を分光波形情報として得ることを特徴とする請求項６記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項１１】
微細な回路パターンが形成された基板の表面を光学的に透明な薄膜で被覆されて周辺部に位置基準が設けられた試料を研磨盤上で回転させながら研磨加工し、該研磨加工中に該研磨盤に設けた光学的に透明な窓部を介して前記試料に白色光を照射し、該白色光の照射による前記試料からの反射光を前記窓部を介して検出し、前記研磨盤上で回転する試料に設けられた前記位置基準の位置を計測して前記反射光を検出した箇所の前記試料上の位置情報を得、該試料上の位置情報と前記検出した反射光の分光波形情報とに基づいて前記研磨加工中に予め設定した前記試料上の複数の所望の位置における前記光学的に透明な薄膜の膜厚を求め、該求めた複数の所望の位置における前記光学的に透明な薄膜の膜厚の情報を用いて前記研磨加工を終了することを特徴とする薄膜の研磨加工方法。
【請求項１２】
前記試料はLSIチップが多数形成された半導体ウェハであって、前記予め設定した前記試料上の複数の所望の位置は、前記光学的に透明な薄膜の膜厚の分布を予め計測して前記LSIチップ内での計測位置を決定し、前記多数形成したLSIチップのうちから選択した所望のLSIチップについて前記決定した計測位置を前記予め設定した試料上の複数の所望の位置としたものであることを特徴とする請求項１１記載の薄膜の研磨加工方法。
【請求項１３】
一部に光学的に透明な窓部を設けた研磨盤と、微細な回路パターンが形成された基板の表面を光学的に透明な薄膜で被覆されて周辺部に位置基準が設けられた試料を保持して該試料の前記光学的に透明な薄膜で被覆された面を回転中の前記研磨盤に押し付けながら前記試料を前記研磨盤上で回転させ搖動させる保持部と、前記研磨盤に設けた光学的に透明な窓部を介して前記回転中の研磨盤上で前記保持部により回転し遥動している前記試料に白色光を照射する照明手段と、該照明手段により白色光が照射された前記試料からの反射光を前記窓部を介して検出する反射光検出手段と、前記研磨盤上で回転する試料に設けられた前記位置基準の位置を計測して前記反射光を検出した箇所の前記試料上の位置情報を得る試料位置検出手段と、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記反射光の分光波形情報を得る信号処理手段と、前記試料位置検出手段で検出した試料上の位置情報と前記信号処理手段で得た反射光の分光波形情報と予め設定した前記試料上の複数の所望の位置の情報とを用いて研磨加工中に前記試料上の複数の所望の位置の前記光学的に透明な薄膜の膜厚を求める膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする研磨加工装置。
【請求項１４】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記分光波形の反射光強度に基づく分光波形情報を得ることを特徴とする請求項７記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項１５】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して前記分光波形の周波数スペクトル強度に基づく分光波形情報を得ることを特徴とする請求項７記載の薄膜の膜厚計測装置。
【請求項１６】
前記信号処理手段は、前記反射光検出手段で検出した反射光の検出信号を処理して予め計測した膜厚分布に基づく分光波形の類似性を分光波形情報として得ることを特徴とする請求項７記載の薄膜の膜厚計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透明な膜の厚さおよび厚さ分布の計測および膜厚を管理して、半導体デバイスを製造する方法に関し、例えばシリコンウェハ上に半導体デバイスを製造する製造ラインで、成膜後表面の平坦化処理工程において、ウエハの最表面膜厚を計測する方法、およ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。透明膜の例としては、上記の他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】
例えば、半導体デバイスは成膜，露光およびエッチングにより、デバイスおよび配線パターンをシリコンウエーハ上に形成することにより製造される。近年、高精度化・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。このことによってウエーハ表面の凹凸が増大している。このようなウエーハ上の凹凸は配線等の形成に不可欠な露光を困難とするため、ウエーハ表面の平坦化が行われる。
【０００３】
この平坦化プロセスとして、化学的および物理的作用により表面を研磨して平坦化を実現する方法（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、膜厚管理が挙げられる。特にＣＭＰ加工中の膜厚を計測してｉｎ−ｓｉｔｕ計測システムをＣＭＰ加工システムに組み込んで、所定の膜厚に加工された時点で加工を終了して高精度な平坦性と膜厚ばらつきを低減することが必要である。このため、ｉｎ−ｓｉｔｕ計測技術として種々の方法が提案されている。
特開平６−２５２１１３号公報や特開平９−７９８５号公報では、実際のデバイスパターン（実際の製品の微細な回路パターン）上の膜厚の計測が可能なｉｎ−ｓｉｔｕ計測システムの開示がなされている。特開平６−２５２１１３号公報では実際のデバイスパターン上の膜厚計測に白色光の膜による干渉光の分光分布を周波数解析し、分光分布波形の持つ周波数成分と膜厚との関係に着目し膜厚の絶対値を算出する。一方、特開平１０−８３９７７号公報ではレーザー（単波長）光の透明膜による干渉光強度の加工時間による変化を検出し、その波形の持つ周波数成分から膜厚の算出を行うものである。
【０００５】
また、特開平１０−２９４２９７号公報や特開２０００−７７３７１号公報には計測位置を特定してｉｎ−ｓｉｔｕ計測する技術が開示されている。特開平１０−２９４２９７号公報は回路パターンの画像の特徴を抽出又は回折格子をパターンのスクライブエリアに形成して計測位置を特定している。特開２０００−７７３７１号公報では分光波形の極大値や極小値に着目して、既測定した分光波形の極大値、極小値と比較処理等から計測位置を特定して加工中の膜厚を計測するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般にＣＭＰの加工時間による膜厚管理では、単位時間あたりの研磨量（研磨レート）が変動すること、ウエーハ上に形成されたパターンの平面内にしめる割合（以降、パターン面積率）によって研磨レートが異なること等のため、精度の高い膜厚管理が困難であった。図１７は発明者らが特開２０００―３１０５１２号公報で開示した技術を用いて、計測した半導体デバイスの膜厚分布計測結果である。図１７はＣＭＰ加工後のウエハの約□２０mmの面積での透明膜（層間絶縁膜）の膜厚分布計測結果１６０である。図１７は配線パターン部１６１、１６２、周辺回路部１６３、周辺回路部と配線パターン部の境界部１６４、１６５の膜厚分布を示している。膜厚分布計測結果１６０からも分かるように、周辺回路部と配線パターン部の境界部１６４、１６５では約□２mm程度の領域で数１００nmの膜厚変化が生じている。一方、配線パターン部１６１、１６２や周辺回路部１６３では、数mmの領域で比較的平坦な膜厚である。
【０００７】
この膜厚分布はパターン面積率や加工装置の研磨用パッドの種類、研磨液（スラリー）の種類などの加工条件に起因して生じるため、半導体回路パターンの種類や加工条件（研磨パッドの消耗状態やスラリー濃度）によって異なり、製品毎あるいはウエハ１枚の枚葉毎に変化する。上述したようにＣＭＰ加工中のｉｎ−ｓｉｔｕ計測では計測する視野領域によっては、膜厚が大きく変化している領域を計測する事になり計測精度が低下する問題が生じる。また、計測位置を特定する方法として、特開平１０−２９４２９７号公報や特開２０００−７７３７１号公報で開示されているが、これらの公報においても計測視野が着目されず比較的大きい領域（約φ２mm程度）で計測視野を決定しているため、図１７に示すような膜厚分布の状態を計測する場合には計測精度が低下するおそれがある。すなわち、分光波形が下地の配線状態や膜厚が異なる広いエリアからの情報が含まれた波形データとなり、所望の計測位置を特定する事が困難である。このため、ＣＭＰ加工工程で、所定の膜厚に加工された時点で加工を終了して高精度な平坦性と膜厚ばらつきを低減することができず、高精度な膜厚管理をする事が困難であり、半導体デバイスの歩留まりが低下する問題があった。また、従来からＣＭＰ加工工程ではスラリーを研磨液として使用している。
【０００８】
特開平１０−８３９７７号公報でも開示されているが、ポリッシングパッドへ透明窓を形成してスラリー中のウエハ表面からの分光波形を抽出してｉｎ−ｓｉｔｕ計測を行っている。スラリーはシリカや水酸化カリウムなどの粒子を含んだ研磨液であるため、光学的に半透明であり透過率が小さい。また、使用中に透明窓が研磨液に含まれている粒子によって加工されすりガラス状の凹凸が生じて、ウエハ表面からの分光反射率が著しく低下し、分光計測が安定に出来ず、ＣＭＰ加工工程で、所定の膜厚に加工された時点で加工を終了して高精度な膜厚管理が困難になる問題もあった。
【０００９】
本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるＬＳＩ領域の膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に高精度に計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるウエハ面内での膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に高精度に計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるＬＳＩ領域の膜厚分布やウエハ面内での膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に所望の計測視野で高精度に計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるＬＳＩ領域の膜厚分布やウエハ面内での膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に所望の計測位置を特定して高精度に計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるＬＳＩ領域の膜厚分布やウエハ面内での膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に所望の計測視野および所望の計測位置を特定して高精度に計測した膜厚計測結果を、ＣＭＰ加工工程後の製造工程（エッチングや成膜等）のプロセス条件に用いて高精度な薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の目的は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるスラリの分光透過特性の低下の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中にＳ／Ｎの高い分光波形を抽出して高精度に計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は、透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工で生じるＬＳＩ領域の膜厚分布の影響を受けることなく、ＣＭＰ加工中に例えば実際のデバイスパターン上で±数10ｎｍ以下の精度で計測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。その一例として特開２０００−３１０５１２号公報に開示されているような計測技術を用いて、ＣＭＰ加工後に実際のデバイスパターン上の最表面膜厚の計測を行い、ＬＳＩ領域での膜厚分布を抽出し、該膜厚分布の結果を基に計測視野および計測位置を決定して、ＣＭＰ加工中のデバイスパターンからの所望の計測視野、計測位置からの分光波形を抽出して、ＣＭＰ加工中の最表面膜厚の計測を高精度に行うことにより高精度の膜厚管理を可能とする方法および装置、およびプロセスのスループットの向上を実現する方法および装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【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では、ＣＭＰ加工中の透明な膜の膜厚を計測する視野および計測位置は、ＣＭＰ加工された実際のデバイスパターンのＬＳＩ領域での膜厚分布の計測結果を基に決定する。実際のデバイスパターンを計測する技術は、発明者達が開発した特開２０００−３１０５１２号公報で開示されているような膜厚計測方法（以下実パターン膜厚計測方法と表現する）を用いて、デバイスパターンの膜厚分布を計測し、計測結果を基に所望の計測視野を決定する。図１７の計測結果例から、計測視野をφ５０〜１００μｍ程度にして、膜厚が急峻な変化（１mm程度で数１００nmの厚み変化）をしても高精度な計測精度を確保できる視野にすることが望ましい。
また、膜厚分布がＬＳＩ領域で平坦な場合は、計測視野を数mmに大きくしても良い。
【００１６】
計測位置については、図１７で示した比較的平坦な領域１６１、１６２の膜厚を計測する事が高精度計測を実現するのに望ましい。領域１６１や１６２は配線回路パターン部であり、透明膜下部の下地の配線パターン密度が数１０％程度であり安定しているため、ＣＭＰ加工においても平坦性が良い領域である。また、半導体の製造プロセスにおいても、コンタクトホール等を形成して層間接続する配線形成領域であり、エッチング条件等決定するためにも、配線回路形成領域の膜厚を管理する事が望ましい。本発明における計測位置の決定は
（１）分光反射光の強度差を抽出する。
（２）分光反射光の周波数スペクトル強度を抽出する。
（３）実パターン膜厚計測方法で計測した分光波形と比較する。
等のいずれか一つ以上の手段を用いて行う。
【００１７】
この方法によれば、配線形成領域に限らず、ＬＳＩの周辺回路部やスクライブエリヤ等の場所からの分光波形の特徴量から、計測位置を選択してそれぞれの位置での膜厚を管理することが出来る。
【００１８】
上記は半導体ウエハに形成されたＬＳＩ領域（チップ領域と表現する）での計測視野、計測位置の決定について述べたが、ウエハ面内での膜厚管理を行うことも出来る。ＣＭＰ加工ではウエハを回転運動と揺動運動しながら加工する。本発明では、ウエハのオリエンテーションフラット位置やノッチ位置を、ウエハホルダに概略位置決めした状態で保持し、ウエハホルダからのウエハのオリエンテーションフラット位置やノッチ位置指示情報に基づき、ＣＭＰ加工中のｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚計測系の計測位置がウエハの中心部か周辺部か等を判断して、計測して計測結果を出力するようにした。
【００１９】
また、本発明では、光学的に不透明なスラリーを介在してウエハ表面の分光波形を高Ｓ／Ｎで計測するため、分光波形計測窓の近傍では純水等の光学的に透明な液体を供給してスラリーを希釈して分光計測できるようにしている。また、分光波形計測窓に用いる透明窓の材料はスラリーの分光屈折率に近い材料を用いて、スラリーと透明窓の界面での屈折率の違いによる反射率の増加（分光透過率を向上）を低減している。このためＣＭＰ加工中でも高Ｓ／Ｎの分光波形を抽出して膜厚管理の精度が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例として、半導体デバイスの製造におけるＣＭＰ工程を対象とし、その加工中のウェハ表面に形成された透明な膜の膜厚を、ＣＭＰ加工中に例えば実際のデバイスパターン上で数10ｎｍ以内の精度で計測する方法に適用した例を示す。
【００２１】
図１は、本発明の膜厚管理方法をＣＭＰ加工装置に適用した一実施例である。ＣＭＰ加工装置は研磨盤１上に研磨パッド２が形成され、ホルダ３に被加工物のウエハ４が保持されている。また、研磨パッド２上にはパッド表面の目立てをするドレッサ５により定期的にパッドの目立てを行い加工レートを一定に保つようにしている。研磨用の塗粒が混入された液状のスラリ６が研磨パッド上に供給される構造になっている。ＣＭＰ加工中の膜厚を計測するため、計測光学系７が研磨盤１の下方から、研磨パッド２に設けられた計測窓８から、ウエハ表面の分光波形を計測出来るように構成されている。計測した分光波形は膜厚計測コントローラ９で膜厚を算出する。膜厚計測コントローラ９には、実パターン膜厚計測装置１０からの情報が得られるように実パターン膜厚計測装置１０に接続されている。実パターン膜厚計測装置１０は、特開２０００−３１０５１２号公報に開示されているような計測方式により、予めウエハ４と同品種の工程のウエハの膜厚分布を計測してあり、この膜厚分布計測結果に基づき、計測条件コントローラ１１で計測光学系７で用いる計測視野やそれぞれの計測位置での膜厚に対応する分光波形を選定し膜厚計測コントローラ９に入力する。
【００２２】
ウエハ４は、研磨盤１を矢印Ａ方向に回転運動し、ホルダ３は矢印Ｂ方向の回転運動と矢印Ｃ方向へ揺動運動させながらウエハ４の全面を加工すると共に、ドレッサ５も定期的に矢印Ｄ方向の回転運動と矢印Ｅ方向へ揺動運動しながらパッド２の目たてを行う。上記構成において、研磨盤１が回転すると計測窓８に組み込まれれているウインドウガラス８１は研磨盤１が一回転毎に計測光学系７の計測光路１２０上を通過し、ウエハ４の分光波形を計測光学系７で検出し、検出された分光波形は膜厚計測コントローラ９に入力され、所望の計測位置での膜厚を算出する。
【００２３】
図２は、図１の計測光学系７と膜厚計測コントローラ９の詳細な一実施例を示すものである。計測光学系７は検出レンズ７１、照明光源７２、ハーフミラー７３、空間フィルタ７４、結像レンズ７５、視野絞りユニット７６、視野絞り７６１、視野絞り７６２、分光器７７からなる。計測光学系７では、照明光原に白色照明光（波長３００ｎｍ〜８００ｎｍ程度）をハーフミラー７３で検出レンズ７１、ウインドウガラス８１を介して加工中のウエハ４に照明する。ウエハ４からの反射光を空間フィルタ７４、結像レンズ７５、視野絞り７６１を介して分光器７７に導き分光する。分光された波形信号を、膜厚計測コントローラ９で計測し、分光波形９１を後述するスラリーによる波形歪みの影響を除く波形補正処理９２を行う。波形補正された分光波形から特開２０００−３１０５１２号公報に開示されている、周波数・位相解析計測方式あるいはパターン構造フィティング計測方式により、加工中のデバイスパターン上の膜厚算出９４を行い、所定の膜厚に加工された時点で加工を終了する。また、計測条件コントローラ１１では実パターン膜厚計測装置１０からの膜厚分布に基づく計測視野情報や分光波形データを、膜厚コントローラ９に入力する。
【００２４】
膜厚コントローラ９では検出した分光波形９１について膜厚計測データとして適用するか否かを判定し、計測に必要な分光波形を選択し膜厚算出に用いる。計測視野は膜厚計測開始前にパラメータとして設定し、計測光学系７の絞りユニット７６を切り替えて視野絞り径を決定して所望の計測視野を決定する。計測光学系７の空間フィルタ７４は配線パターンのエッジからの散乱光や検出レンズのＮ．Ａに起因する高次の回折光を除去する事が出来るため、回折光が分光波形に大きな歪みを生じる場合など波形歪みを低減する効果があり、分光波形のＳ／Ｎ向上に効果がある。
【００２５】
図３は、本実施例の計測視野を説明する図である。図３に示すウインドウガラス８１を１０〜５０mm、計測視野７６３を検出視野がφ５０〜１００μｍにして、光学系倍率を考慮して視野サイズを決定して分光波形を計測する実施例を示す概略図である。研磨盤１の１回転に対して、ウインドウガラス８１からウエハ４の複数箇所の分光波形データを検出する。図３の実施例では４回分光データを抽出する状態が記載されているが、計測箇所が多いほど高精度な膜厚評価が可能である。実際にはＣＭＰ加工機の研磨盤１の回転数と計測窓の大きさ、分光機のサンプリング速度、照明系の光量、ウエハからの反射光等から計測サンプリング数が決定される。図３で示した例では、研磨盤１の直径Ｄφ２５０mm、回転数１００ｒｐｍ、分光器７７のサンプリングを速度１mmｓとすると、φ５０μｍ×０．４mmの幅の面積を計測する事になる。ウインドウガラス８１の大きさを直径１０mmにしても、１０回の計測が可能になる。すなわち研磨盤１回転でウエハ４の１０カ所の分光データから必要な分光波形を選択して膜厚コントローラ９に入力して膜厚算出を行う。
【００２６】
次に図４〜図７を用いて本発明を更に具体的に説明する。
【００２７】
図４は、ＬＳＩ回路（１チップ）の一例である。ＬＳＩ回路４０には配線回路パターン部４１が中心部に形成され、一部はメモリ回路部４２で規則正しい配線が形成され、配線回路パターン部４１の周辺に周辺回路パターン部４３が形成されている。図５は図４の部分的な拡大図で、計測視野φ１００μｍで計測する場合のそれぞれの配線部と視野の関係を示している。図５（ａ）に配線回路パターン部４１０、（ｂ）に周辺回路パターン部４３０を示す。
【００２８】
配線パターン４１１は最近のＬＳＩでは数μｍ〜０．１μｍの幅で形成され、計測視野４１２をφ１００μｍとすると、計測視野４１２内でパターンが占める面積率は数１０％である。一方、周辺回路パターン４３１や４３３は数１０μｍ〜数１００μｍの幅で形成され、計測視野４３２をφ１００μｍとすると、計測視野４１２内でパターンが占める面積率は５０％〜１００％である。
【００２９】
図６は、図５で示した計測視野領域での分光反射特性を示す。分光波形６１は図５の計測視野４１２、分光波形６２は図５の計測視野４３４、分光波形６３は図５の計測視野４３２の位置で計測した場合の波形である。
【００３０】
図７は、図５で示した計測視野領域の周波数スペクトル特性を示している。すなわち分光反射特性から下地パターン部の計測視野に対する面積率に応じて分光反射特性が異なることが分かる。計測視野に占める下地パターンの面積の比率が大きいと分光反射率は大きくなり、面積が小さいと反射率が小さくなる。特に波長が長い長波長領域にこの傾向が著しい。図７は図４で示した計測視野領域の周波数スペクトル特性を示している。図７の（ａ）は配線回路部、（ｂ）はメモリ回路部、（ｃ）は周辺回路部の周波数スペクトル特性である。計測視野に占める配線パターンの形状に応じてスペクトル特性が異なるため、分光波形の周波数スペクトルからも計測位置を特定出来ることが分かる。
【００３１】
また、図６、図７に示した分光波形の特徴はそれぞれの配線部で再現性があるため、図２で示した実パターン膜厚計測装置１０の分光波形データを基にして、同様の分光波形や反射率、あるいは周波数スペクトル等を比較評価する事により、計測位置を特定できる。
【００３２】
図８は、半導体ウエハの模式図を示す。図９は、図８の中心チップ８２と周辺チップ８３の膜厚分布を実パターン膜厚計測装置１０で計測した膜厚分布計測結果の一例である。図８の中心チップの計測結果は中部がやや暑く周辺部が薄く分布している。図９の（ａ）は（ｂ）に比べて全体が平坦である。図９（ｂ）のチップ最周辺９５は膜厚が著しく薄くなっている。チップの最外周９６にはパターンが形成されないため、ＣＭＰ加工工程では加工レートが大きくなり薄くなると考えられる。
【００３３】
図８で示した実施例ではチップのほぼ中心領域９２、９３を、ＣＭＰ加工中に計測位置として特定出来れば、ウエハ全面での膜厚の状態を高精度に管理できる。すなわち図５で示した比較的平坦に加工されやすい配線回路パターン部４１２を特定して、ウエハ面内の各チップ毎に膜厚を計測する事により、ウエハ全面のチップについてより高精度な膜厚管理が可能となる。本発明におけるウエハ面内の膜厚分布の計測は、図１６で示した膜厚変動の大きい周辺回路パターン部部と配線回路パターン部の境界部や、膜厚変動の大きい外周回路部よりも、比較的平坦配線回路部あるいは周辺回路パターン部のどちらかを特定して計測できる効果がある。
【００３４】
また図６の分光波形はスラリー６が介在しているため分光波形が理想的な正弦波状でなく、歪んだ波形になっている。波形の歪みは、パターン上の透明膜とスラリーの屈折率差が透明膜と空気等より小さいため、透明膜下部の下地パターンの反射強度が影響していると考えられる。図６では波形の歪みとして曲線６００が中心トレンド成分として存在している。
【００３５】
図１０は、図６の分光波形のトレンドを除去するため、それぞれの波形の包絡線から中心成分を波形歪み係数として、図６の分光波形に加算及び乗算して抽出した補正波形である。図１０では分光波形９１が図６の分光波形６１、分光波形９２が図６の分光波形６２、分光波形９３が図６の分光波形６３に該当している。トレンド除去には特開２０００-３１０５１２号公報で開示した手法等をを用いても良く、このように分光波形を補正した波形から膜厚を算出する事で高精度な膜厚算出が出来る。
【００３６】
図１１は、ウエハ表面の分光波形を高Ｓ／Ｎで計測するための説明図である。
【００３７】
図１１では、図２の実施例のウインドウガラス８１にスラリーの屈折率に近い光学材料、例えば、屈折率がほぼ１．４程度の弗化リチュウム（ＭｇＦ２）や弗化マグネシウム（ＭｇＦ２）等のウインドウガラス１０１を用いるた。ウインドウガラス１０１とスラリー１０２の屈折率がほぼ同等であるため、それぞれの界面での反射率成分が低下し、分光器７７で受光する反射光強度が増加して分光反射光のＳ／Ｎが向上する効果がある。また、ウインドウガラス１０１近傍のスラリー１０２付近に純水タンク１０３から配管１０４を経由して局部的に純水を供給するとスラリー１０２が局部的に希釈され、研磨材などで白濁色のスラリー溶液が光学的に透明になる。光学的に透明な水溶液を介して、ウエハ表面の反射光を検出すると、図６で示した分光波形の反射率が向上すると共に、スラリー中の研磨材からの散乱等による波形歪みも低減され、より正弦波に近い分光波形となり、膜厚算出の精度が向上する効果もある。スラリーを光学的に透明にする液体であれば、供給する液体は純水に限定するものではない。
【００３８】
図１２、図１３は、ウエハ全面の膜厚分布を、ＣＭＰ加工工程で計測してウエハ面内の膜厚分布を管理する方法を説明する図である。
【００３９】
図１２、図１３において、図２と同じ構成及び動作については説明を省略する。図１２には新たに、ホルダ１１３に位置センサ１１１と回転角検出器１１２を設け、それぞれの位置と角度の情報を検出して計測位置を算出する、ウエハ位置コントローラ１２１を設けた。また、研磨盤の計測窓８１の位置を検出するため、計測光学系７の光軸１２０の近傍にセンサ１２４を設けている。
【００４０】
図１２（ａ）は、ウエハ４とホルダ１１３の位置合わせ方法を示す図である。ウエハ４を保持して回転可能なウエハホルダ１１４、ウエハ４のノッチを検出するノッチセンサ１１５、から成るプリアライメント部１１７がホルダ１１３の下方に配されている。上記構成において、プリアライメント部１１７のウエハホルダ１１４を回転して、ノッチセンサ１１５でウエハのノッチ１１６を検出して、ウエハホルダ１１３を停止する。次にノッチ１１６と相対関係を保つようにホルダ１１３の位置センサ１１１が例えばノッチ１３４の直上に配するようにして、ホルダ１１３の保持面１１３ａにウエハ４を載置する。ホルダ１１３の保持面１１３ａに保持されたウエハ４はＣＭＰ加工機の研磨盤１上に移動しウエハ４の研磨平坦化を開始する。図１２（ｂ）はＣＭＰ加工機の正面からの概略図、（ｃ）は平面図の一部を示す。
【００４１】
図１２において、ウエハ４の外形Ｌ１、研磨盤１の中心と計測光学系７の計測光軸１２０の間隔Ｌ２、研磨盤１の中心とホルダ１１３の間隔Ｌ３は一定値である。ホルダ１１３は揺動運動するため、基準中心からの揺動量Ｌ４を揺動センサ１１８で検出する。この状態でホルダ１１３の回転検出器１１２の角度位置をリセットしてＣＭＰ加工を開始する。センサ１２４が計測開始ドグ１２３を検出して計測開始の信号をウエハ位置コントローラー１２４で検出すると、計測開始位置１１１ａでのウエハ４の中心から計測光軸１２０の距離Ｌ２−Ｌ４（ウエハ径Ｌ１と検出したノッチ１１６と相対関係にある計測開始ドグ１２４から、ウエハ中心から計測中心１２０の位置関係を演算して求める）とウエハ４の回転角θが定まり、研磨盤１が回転する毎に、計測光学系７で計測された分光波形に基づく膜厚に対するウエハの計測位置が特定される。
【００４２】
このため、図９で示したウエハ面内の中心や周辺のどのチップを計測しているかが判別できる。例えばウエハの相関絶縁膜のＳｉｏ２をＣＭＰ工程でφ２００mmウエハを加工する場合、研磨盤１回転（約１００ｒｐｍ）で数ｎｍ程加工され、１分間に約２００ｎｍ程加工される。本実施例の膜厚計測精度は、数１０ｎｍの膜厚変化を計測する事が可能であるため、研磨盤１回転毎に計測場所を特定して残膜厚を算出して表示することもできる。
【００４３】
図１４、図１５は、残膜厚の計測表示状態を示すものである。図１４はチップ毎の残膜厚、図１５は数チップ毎の領域での残膜厚を表示している。これらの結果はＣＭＰ加工中にリアルタイムで出力され、所定の残膜厚になった状態で加工終了する。図１４、図１５で示した計測結果は、加工されたウエハの来歴として管理する事も可能であり、計測結果をウエハに添付して次工程での加工条件などに用いると、製造工程のスループットと製品品質が向上する効果がある。
【００４４】
図１６は、本発明による半導体デバイスの製造方法を示す図である。本発明による半導体デバイスの製造方法においては、成膜装置１５２でスパタリング等によりウエハ１５１の表面に薄膜を形成した後、このウェハをＣＭＰ加工工程１５３に運ぶ。ＣＭＰ加工工程１５３においては、加工終点検出部１５５で上記した実施例で説明したような方法でウェハ１５１の表面の膜厚管理をしながらＣＭＰ装置１５４を用いて膜厚を平坦に加工し、洗浄装置１５６で洗浄後、必要に応じて膜厚計測装置１５７でウエハ１５１の所望の箇所の膜厚を計測する。なお、この膜厚計測装置１５７を用いた膜厚の計測は、必ずしも全てのウェハに対して行う必要はなく、必要に応じて何枚かに１枚のウェハを抜き取って実施してもよい。ＣＭＰ加工工程１５３を経たウェハは、露光装置工程１５８を経てエッチング工程１５９で配線加工などが行なわれ、次の工程へ運ばれる。
【００４５】
本発明では、ＣＭＰ加工工程における膜厚の計測をＣＭＰ加工中に実施することが出来、しかもウェハ上の位置が特定された膜厚の計測を行うことが出来るので、この膜厚の計測結果をＣＭＰ装置１５４のスラリー条件（材質、濃度、供給量）、パッド条件（材質、形状、ドレス、交換時期等）、研磨回転数、ウエハ支持圧力などのＣＭＰ加工条件にフィードバックすることにより、ウエハの加工面の平坦性を従来の技術に比べて大幅に向上させることができる。このようにしてＣＭＰ加工による表面の平坦性が大幅に向上したウェハを、その後の露光、エッチング工程において処理することにより、微細なパターンを高い信頼性で形成することが可能になる。
また、本発明による膜厚を管理しながらＣＭＰ加工したウエハ１５１には、面内分布の膜厚計測結果を添付する事も出来る。この添付された計測結果を用いることにより、エッチング工程１５９でのエッチング条件（エッチ時間や印加電圧、ガス供給量）等を最適にコントロールして高品質な半導体ウエハ１６０を製造することもできる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によればＣＭＰ工程で研磨加工中の半導体デバイスの透明膜の高精度な膜厚計測が可能となり、計測した膜厚データを基に高精度の研磨加工管理が可能となる。および研磨加工中の半導体デバイスのシリコンウエハ（基板）面内での膜厚分布を高精度に管理することが出来るようになるため、膜厚分布に基づいたＣＭＰ加工工程での平坦化加工の最適化や、成膜工程への成膜条件やエッチング工程での加工条件の最適化を図ることが出来、高精度な半導体デバイスの製造が可能となる。および、上記のシリコンウェハ上に半導体デバイスを製造する方法および製造ラインにおけるＣＭＰ工程において終点検出を高精度に行うことが可能となり、工程のスループット向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による膜厚計測手段を備えたＣＭＰ研磨装置構成の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明による膜厚計測手段を備えたＣＭＰ研磨装置構成の具体的な一例を示す斜視図である。
【図３】本発明による計測視野を説明するウェハを載せた研磨パッドの平面図である。
【図４】半導体用ＬＳＩ回路パターンの平面図である。
【図５】半導体用ＬＳＩ回路パターンと計測視野の詳細な一例を示す半導体用ＬＳＩ回路パターンの平面図である。
【図６】本発明による回路パターンからの分光反射特性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明による回路パターンからの分光スペクトル強度特性の一例を示すグラフである。
【図８】半導体用ＬＳＩウエハの平面図である。
【図９】半導体用ＬＳＩの透明膜の膜厚分布の一例を示す斜視図である。
【図１０】本発明による検出窓の構造の一例を示す正面図である。
【図１１】本発明による膜厚を算出する分光反射特性を示すグラフである。
【図１２】（ａ）本発明による膜厚測定機能を備えたＣＭＰ加工装置の正面図、（ｂ）本発明によるＣＭＰ加工装置の正面図、（ｃ）ＣＭＰ加工装置のホルダの平面図である。
【図１３】本発明によるＣＭＰ加工装置の概略構成を示す正面図である。
【図１４】本発明における計測結果を表示する画面の一例を示す表示画面の正面図である。
【図１５】本発明における計測結果を表示する画面の一例を示す表示画面の正面図である。
【図１６】本発明によるＣＭＰ加工システムを用いて半導体デバイスを製造する工程の一例を示す工程図である。
【図１７】半導体用ＬＳＩの透明膜の膜厚分布の一例を示す半導体用ＬＳＩの斜視図である。
【符号の説明】
1……研磨盤    2……研磨パッド    3……ホルダ    4……ウェハ
5……ドレッサー    6……スラリー    7……計測光学系    8……計測窓
9……膜厚計測コントローラ    10……実パターン膜厚計測装置
11……計測条件コントローラ  81……ウインドウガラス  71……検出レンズ
72……照明光源    73……ハーフミラー    74……空間フィルタ    74……結像レンズ    76……絞りユニット    761……視野絞り    762……視野絞り    763……計測視野    40……LSI回路    41……配線回路パターン部    42……メモリ回路部    43……周辺回路パターン部    412……計測視野    61、62、63……分光波形    82……中心チップ    83……周辺チップ    92、93……チップの中心領域    600……波形のトレンド成分    91、92、93……トレンド補正後の分光波形    101……ウインドウガラス    102……スラリー    103……純水タンク    104……配管    111……位置センサ    112……回転角検出器    113……ホルダ    114……ウエハホルダ    115……ノッチセンサ    116……ノッチ
117……プリアライメント部    113a……保持面    120……計測光軸    151……ウエハ    152……成膜装置    153……ＣＭＰ加工工程    154……ＣＭＰ装置    155……加工終点検出部    156……洗浄装置    157……膜厚計測装置
158……露光装置    159……エッチング工程    151……半導体ウエハ
【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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