(57)【要約】【課題】半導体ウェハの複数の材料の膜を連続して研磨する工程において、先行テスト作業の頻度を増やして生産効率を落とすことなく、膜厚を精度良く管理して、研磨精度の保証と生産性の確保を両立させることができる研磨方法を提供する。【解決手段】半導体ウェハ研磨システムを用いる化学的機械的研磨工程において、研磨パッドの温度と、回転テーブルのトルクと、研磨ヘッドのトルクとから構成される装置状態パラメータの全てあるいは一部のパラメータの測定値を、ウェハ研磨毎に連続サンプリングして記憶装置に時系列データとして記録し、装置状態パラメータの測定値の連続サンプリング時系列データから最下層の膜の研磨に相当する区間だけを切り出し、切り出した連続サンプリング時系列データを用いて最下層の膜の研磨量あるいは研磨レートを予測する。そして、最下層の膜の研磨量を最適にする研磨時間を計算してウェハを研磨する。【選択図】図４
2009004442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを対象とし、研磨パッドを貼り付けた回転テーブルと研磨対象ウェハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドとを備えた研磨装置を用いて、前記回転テーブルと前記研磨ヘッドを回転させることにより、前記研磨対象ウェハの表面に積層した複数の材料の膜を連続して研磨する化学的機械的研磨工程を含み、
前記化学的機械的研磨工程においては、
前記研磨パッドの温度と、前記回転テーブルのトルクと、前記研磨ヘッドのトルクとから構成される装置状態パラメータの全てあるいは一部のパラメータの測定値を、ウェハ研磨毎に連続サンプリングして記憶装置に時系列データとして記録する第１ステップと、
前記装置状態パラメータの測定値の連続サンプリング時系列データから最下層の膜の研磨に相当する区間だけを切り出す第２ステップと、
前記切り出した連続サンプリング時系列データを用いて前記最下層の膜の研磨量あるいは研磨レートを予測する第３ステップと、をコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記第２ステップは、複数ウェハの研磨毎に記録した装置状態パラメータの測定値の連続サンプリング時系列データの主成分分析によって統計的に抽出する方法で切り出し区間を決めることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記第２ステップは、複数ウェハの研磨毎に記録した装置状態パラメータの測定値の連続サンプリング時系列データと前記最下層の膜の研磨レートの測定データとの相関解析によって統計的に抽出する方法で切り出し区間を決めることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記第２ステップは、研磨中ウェハの研磨面からの反射光の波長信号あるいは研磨対象の金属薄膜に誘起したうず電流信号の変化を直接測定することにより前記最下層の１つ上の層の研磨終了時刻を判定し、その研磨終了時刻から、あるいはその研磨終了時刻に予め定めた所定のシフト量を加えた研磨終了修正時刻から、装置に設定した研磨時間までを切り出し区間とすることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記第３ステップで予測した研磨レートを用いて、前記研磨装置の異常検知を行う第４ステップをさらにコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記第３ステップで予測した研磨レートを用いて、次に研磨するウェハの研磨時間を決める第５ステップをさらにコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記装置状態パラメータの測定値から、複数の材料の膜の研磨に相当する区間をそれぞれ切り出して、それぞれの膜の研磨レートを予測し、その予測した研磨レートを用いて、次に研磨するウェハのそれぞれの膜の研磨時間を計算し、その研磨時間を合算して装置に設定する研磨時間とする第６ステップをさらにコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項８】
請求項４記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記最下層の１つ上の層の研磨終了時刻を判定してから、さらに追加研磨時間だけ研磨を継続する研磨工程を含み、
前回のウェハ研磨終了後に予測した研磨レートを用いて計算しておいた最下層の膜の研磨時間を装置に設定する前記追加研磨時間とするステップをさらにコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項９】
素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを対象とし、研磨パッドを貼り付けた回転テーブルと研磨対象ウェハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドとを備えた研磨装置を用いて、前記回転テーブルと前記研磨ヘッドを回転させることにより、前記研磨対象ウェハの表面に積層した複数の材料の膜を連続して研磨する化学的機械的研磨工程を含み、
前記化学的機械的研磨工程においては、
前記研磨パッドの温度と、前記回転テーブルのトルクと、前記研磨ヘッドのトルクとから構成される装置状態パラメータの全てあるいは一部のパラメータの測定値を、ウェハ研磨毎に連続サンプリングして記憶装置に時系列データとして記録する第１ステップと、
各膜の研磨中に前記装置状態パラメータの連続サンプリング時系列データの記録された分から各膜の研磨レートおよび各膜の研磨時間を連続して実時間で予測する第２ステップと、をコンピュータシステムを用いて実行し、
前記各膜の実時間での予測研磨時間だけ連続して研磨することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の半導体ウェハの研磨方法において、
半導体装置の配線高さあるいは配線断面積が目標とする値になるように、前記予測した研磨レートを用いて研磨時間の計算を行うことを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項１１】
素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを対象とし、研磨パッドを貼り付けた回転テーブルと研磨対象ウェハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドとを備えた研磨装置を用いて、前記回転テーブルと前記研磨ヘッドを回転させることにより、前記研磨対象ウェハの表面に形成した膜を研磨する化学的機械的研磨工程を含み、
前記化学的機械的研磨工程においては、
前記研磨パッドの温度と、前記回転テーブルのトルクと、前記研磨ヘッドのトルクとから構成される装置状態パラメータの全てあるいは一部のパラメータの測定値を、ウェハ研磨毎に連続サンプリングして記憶装置に時系列データとして記録する第１ステップと、
前記装置状態パラメータの測定値の連続サンプリング時系列データの情報量あるいは記述量を計算する第２ステップと、
過去のウェハの研磨に対する情報量あるいは記述量と、今回のウェハの研磨に対する情報量あるいは記述量とを比較し、その差に基づいて異常検知を行う第３ステップと、をコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項１２】
素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを対象とし、研磨パッドを貼り付けた回転テーブルと研磨対象ウェハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドとを備えた研磨装置を用いて、前記回転テーブルと前記研磨ヘッドを回転させることにより、前記研磨対象ウェハの表面に形成した膜を研磨する化学的機械的研磨工程を含み、
前記化学的機械的研磨工程においては、
消耗材である前記研磨パッドを交換してからの累計使用時間と、前記研磨パッドのドレッシングを行うドレッサを交換してからの累計使用時間と、前記研磨ヘッドを保守してからの累計使用時間とから構成される装置消耗材使用時間の全てあるいは一部の値をウェハ研磨毎に記録するステップと、
前記装置消耗材使用時間を用いて前記最下層の膜の研磨量あるいは研磨レートを予測するステップと、をコンピュータシステムを用いて実行することを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の半導体ウェハの研磨方法において、
前記最下層の膜の研磨量あるいは研磨レートを予測する第３ステップが、前記装置状態パラメータの連続サンプリング時系列データと請求項１２記載の前記装置消耗材使用時間とを組み合わせて用いることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法により平坦かつ均一に研磨する方法に関し、特に、複数の材料の膜を連続して研磨する方法に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体ウェハの化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法の適用例の１つとして、アルミニウム金属配線パターンを先に形成し、その上に絶縁膜を積層し、絶縁膜の凹凸を平坦にする工程がある。この例では、１種類の材料の膜を研磨し、その膜が適切な膜厚になるようにする。
【０００３】
別の適用例として、絶縁膜に配線の溝パターンを先に形成し、その溝にＣｕ金属をメッキなどで埋め込み、溝の上部のＣｕ金属を研磨して取り去り、溝にＣｕ金属を埋め込むダマシン工程がある。Ｃｕは絶縁膜に拡散する性質があるため、Ｃｕ膜と絶縁膜の間にはＴａ等のバリア膜を積層する。この例では、複数種類の材料の膜を連続して研磨し、最下層の絶縁膜の過研磨量が適切な量になるようにする。
【０００４】
特許文献１には、下地の配線パターンによって生じる上層の絶縁膜の凹凸の影響を半導体装置の品種毎にパラメータ化して研磨時間の計算式に組み込み、装置の研磨能力は基準ウェハを用いた先行テスト研磨で調べ、正確な研磨時間を計算可能にすることで、被研磨対象の半導体装置の品種によらず適切な膜厚になるように制御する方法が述べられている。
【０００５】
特許文献２には、温度やトルク等の研磨装置の状態パラメータの平均値から研磨レートを予測する方法が述べられている。常に収集可能な装置状態パラメータを用いて研磨レートを予測することで、ウェハを１枚研磨する毎に研磨装置のレート変動を反映した正確な研磨時間を計算可能にし、レート変動によらず適切な膜厚になるように制御する方法が述べられている。
【０００６】
特許文献３には、複数種類の材料の膜を連続して研磨する工程と、１層毎に断続的に研磨する工程とを組合せる方法が述べられている。まず、先行して１枚のウェハを断続的に研磨する工程で１層毎に研磨を行い、膜厚等の出来映えを検査して研磨条件の修正を行う。次に、残りのウェハについては、その研磨条件を組み合わせて複数種類の材料の膜を連続して研磨することで、研磨精度の保証と生産性の確保を両立している。
【０００７】
特許文献４には、研磨中のモータのトルク電流値を時間に対する変化率に基づき区分された区間毎に取得し、この区間毎に取得したデータを解析し、研磨レートを算出して研磨時間を決定する方法が述べられている。
【０００８】
非特許文献１には、波形データを正常な波形と比較する方法において、特定の特徴パラメータを抽出して比較するのではなく、波形の情報量（記述量）を圧縮アルゴリズムが計算する圧縮ビット長で近似して比較のための波形信号間の距離を計算する方法が述べられている。
【特許文献１】特開２００４−４７７４７号公報
【特許文献２】特開２００５−３４２８４１号公報
【特許文献３】特開２００７−５９８２８号公報
【特許文献４】特開２００４−１０６１２３号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｓｃｕｌｌｅｙ  ａｎｄ  Ｃａｒｌａ  Ｅ．Ｂｒｏｄｌｅｙ、「Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｌｅａｒｎｉｎｇ：Ａ  Ｎｅｗ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ  ｏｎ  Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｖｅｃｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｄａｔａ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＤＣＣ‘０６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、半導体ウェハの研磨は、例えば２５枚を一組としたロット単位で行われる。その際に、ロットの中の１枚を先行させてテスト研磨を行い、研磨時間のチェックと修正を行った後に残りのウェハの本研磨を行うことで、研磨精度の保証と生産性の確保を両立させて来た。
【００１０】
しかし、さらなる研磨精度の向上のためには、装置の研磨レートの変動に迅速に追従するために、１枚１枚毎回先行テスト研磨を行い、研磨時間のチェックと修正を行うことが望ましい。
【００１１】
しかし、生産性の向上の観点からは、先行テスト研磨の頻度を数ロットに１回にするなどして落としたり、先行テスト研磨を全廃することが望ましい。
【００１２】
研磨精度の保証と生産性の確保を両立させる１つの方法は、前記特許文献２に述べられているように、毎回の研磨毎に収集可能な研磨装置の状態パラメータの測定値を用いて毎回の研磨毎に研磨レートを予測し、最新の研磨レートで研磨時間を計算して研磨精度を保証しながら、先行テスト研磨の頻度を減らすことである。
【００１３】
前記特許文献２では、研磨レートの予測に研磨装置の状態パラメータ測定値の研磨時間全体に渡る平均値を用いている。一般に、温度やトルク等の状態パラメータ測定値の平均値を出力する機能については研磨装置が備えている例が多いため、平均値を利用すると発明を実施しやすい利点がある。層間絶縁膜の研磨を例にとれば、１種類の膜の研磨を行うため、前記特許文献１に述べられているように、製品毎のパターン凹凸を考慮すれば、研磨装置の状態パラメータ測定値の研磨時間全体に渡る平均値を用いて研磨レートを精度良く予測し、膜厚を精度良く管理できる研磨時間を計算することができる。
【００１４】
しかし、ダマシン配線工程のように複数種類の材料の膜を連続して研磨する必要がある場合には、研磨装置の状態パラメータ測定値の研磨時間全体に渡る平均値を用いては、個々の材料の研磨レートを個別に予測することはできないという課題があった。最終的に精度を要求される重要な研磨は最下層の絶縁膜の研磨であるが、研磨装置の状態パラメータ測定値の研磨時間全体に渡る平均値を用いては、最下層の絶縁膜の研磨レートを精度良く予測できないという課題があった。
【００１５】
前記特許文献３では、ダマシン配線工程のように複数種類の材料の膜を連続して研磨する工程に対して、先行テスト研磨と本研磨を組み合わせる方法が展開されている。まず、先行して１枚のウェハを断続的に研磨する工程で１層毎に研磨を行い、膜厚を検査することで、１層毎の研磨レートを得ることができる。しかし、断続的研磨と膜厚検査を繰り返すため、先行テスト研磨に長時間を要し、生産性の向上を図れないという課題があった。
【００１６】
前記特許文献４では、研磨装置を駆動するモータのトルク電流値を時間に対する変化率に基づき区分することによって、平均値よりも詳細な説明変数を得る方法が展開されている。しかし、半導体の微細化に伴い配線層に機械的強度の弱い絶縁膜が導入されるに及び研磨装置のパッドへのウェハ押しつけ力を弱くする傾向にあり、トルク電流値だけでは研磨レートを精度良く予測できなくなってきているという課題があった。また、ダマシン配線工程のように複数種類の材料の膜を連続して研磨する必要がある場合には、装置パラメータ測定値を時間に対する変化率に基づき区分することでは、最下層の絶縁膜の研磨に相当する区間だけを正確に抽出できないという課題があった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決して、半導体ウェハの複数の材料の膜を連続して研磨する工程において、先行テスト作業の頻度を増やして生産効率を落とすことなく、膜厚を精度良く管理して、研磨精度の保証と生産性の確保を両立させることができる研磨方法を提供することにある。
【００１８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２０】
本発明は、上記の目的を達成するために、コンピュータシステムを用いて、温度やトルク等の研磨装置の状態パラメータの測定値を研磨時間中に渡って連続してサンプリングして時系列データとして記録する。このような構成を実現するための装置のデータ出力機能はＥＥＳ（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）として規格化が進展し、装置が備えるに至っている。
【００２１】
次に、研磨装置状態パラメータの時系列データを解析して、個々の材料の研磨区間毎に分割して切り出す。あるいは、ダマシン工程における最下層の絶縁膜の研磨区間のみを抽出して切り出す。時系列データの研磨区間の分割あるいは抽出のためには、過去の複数枚のウェハ研磨の装置状態パラメータの時系列データに対して、サンプリング点間の主成分分析、あるいは時系列データと研磨レート測定結果との間の回帰分析等の統計解析手法を用いたデータ解析を行い、ウェハ間のばらつきを考慮して予め研磨区間の境界点を決めておく。あるいは、研磨装置状態パラメータとしてウェハ研磨面に照射した光の反射光を取り込み、色の変化から連続研磨における被研磨材料の切り替わりを検出して、研磨区間の境界点としても良い。あるいは、研磨装置状態パラメータとして研磨対象である金属薄膜に誘起したうず電流を取り込み、電流値の変化から連続研磨における被研磨材料の切り替わりを検出して、研磨区間の境界点としても良い。
【００２２】
次に、研磨装置状態パラメータの時系列データの切り出した部分から特徴量を計算する。特徴量としては例えば切り出し区間平均値を用いるが、これに限定するものではない。その他に、最大値、あるいは最小値、あるいは標準偏差や実効値、あるいはサンプリング点間の主成分ローディングを用いた主成分スコア値、あるいは荷重平均値等を用いる。
【００２３】
次に、研磨装置状態パラメータの時系列データの切り出した部分の特徴量を用いて、切り出し区間の研磨レートを予測する。予測式としては例えば回帰式を用いるが、これに限定するものではない。回帰式の係数と切片は、過去の複数枚のウェハ研磨における装置状態パラメータの時系列データの切り出し区間特徴量と切り出し区間研磨レート測定結果との間の回帰分析を行い、予め定めておく。連続研磨における複数の被研磨材料に該当する研磨毎の装置状態パラメータの切り出し区間特徴量を組み合わせて、重回帰式を用いて被研磨材料毎の研磨レートを予測する構成にすると研磨の精度と予測信頼性を向上できることがある。
【００２４】
次に、予測した切り出し区間研磨レートを用いて要求される研磨量を達成するのに必要な研磨時間を計算し、研磨装置あるいはその制御装置に設定する。以上のサイクルを、ウェハを１枚研磨する毎に繰り返す。
【００２５】
また、予測した切り出し区間研磨レートを過去の研磨レートと比較することにより異常検知を行う構成にすると、誤った研磨時間を設定することを防ぐことができ、さらに装置の消耗を早期に検知することができる。さらに、研磨装置状態パラメータの時系列データの情報量あるいは記述量をデータ圧縮手段による圧縮ビット長で近似し、過去の時系列データの圧縮ビット長と比較することにより異常検知を行う構成にすると、特徴量には反映されない異常まで検知することができる。
【００２６】
また、研磨レートを予測する際には、研磨パッドやドレッサ等の装置消耗材使用時間から予測する構成を組み合わせることにより予測精度を向上できることがある。
【発明の効果】
【００２７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２８】
本発明によれば、半導体ウェハの化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法において、Ｃｕダマシン工程における上層金属膜および中間バリア膜および最下層絶縁膜のように、複数種類の材料の膜を連続して研磨し、最下層の膜の研磨量が適切な量になるようにすることができる。このとき、研磨精度の保証と生産性の確保を両立させることができる。
【００２９】
また、本発明によれば、誤った研磨時間を設定することを防ぐことができ、さらに装置の消耗を早期に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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、同一の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。
【００３１】
（実施の形態１）
以下、図１から図１１を用いて、本発明の実施の形態１を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の半導体ウェハの研磨方法を実現する実施の形態１の半導体ウェハ研磨システムの構成図である。本実施の形態の半導体ウェハ研磨システムは、半導体ウェハの研磨装置１０１と、測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２と、時系列データ切り出し装置１０３と、切り出しデータ特徴量計算装置１０４と、最下層膜の研磨レート予測装置１０５と、研磨時間制御装置１０６と、製造実行システム１０７とから構成されている。
【００３３】
研磨装置１０１から測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２に対して、パッド温度１１１、テーブル回転トルク１１２、ヘッド回転トルク１１３、反射光信号１１４などが提供される。また、製造実行システム１０７から測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２に対して、製造実行情報１１５が提供される。そして、順次、測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２、時系列データ切り出し装置１０３、切り出しデータ特徴量計算装置１０４、研磨レート予測装置１０５、研磨時間制御装置１０６で処理が実行され、実行結果が研磨装置１０１に提供される。
【００３４】
図２は、半導体ウェハの研磨装置の構成図である。研磨装置１０１は、被研磨対象である半導体ウェハ（単にウェハとも記す）２０１をパッキング材を介して加圧保持する研磨ヘッド２０２と、連結軸を介して前記研磨ヘッド２０２を回転させるヘッド回転駆動モータ２０３と、ウェハ２０１を研磨する研磨パッド２０４と、前記研磨パッド２０４を張り付けるテーブル２０５と、前記テーブル２０５を回転させるテーブル回転駆動モータ２０６と、前記研磨パッド２０４を目立てるドレッサ２０７と、前記ドレッサ２０７を回転および揺動させるドレッサ駆動モータ２０８と、スラリーを前記研磨パッド２０２の上面に供給するスラリー供給装置２０９とから構成されている。
【００３５】
図３は、図１の半導体ウェハ研磨システムを実現するコンピュータシステムの説明図である。コンピュータシステムは、製造実行システム１０７をソフトウェアによって実現する製造実行用計算機３０１ｃおよび製造実行情報データベース３０１ｄと、測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２をソフトウェアによって実現する時系列データ記録計算機３０２ｃおよび時系列データベース３０２ｄと、時系列データ切り出し装置１０３および切り出しデータ特徴量計算装置１０４をソフトウェアによって実現するデータ解析用計算機３０３ｃおよび切り出し信号特徴量データベース３０３ｄと、研磨レート予測装置１０５をソフトウェアによって実現する研磨レート予測用計算機３０４ｃおよび研磨レートデータベース３０４ｄと、研磨時間制御装置１０６をソフトウェアによって実現する制御用計算機３０５ｃとから構成されている。
【００３６】
これらの計算機およびデータベースから構成されるコンピュータシステムは、研磨装置１０１と共にネットワーク３００に接続され、データの授受と保存と計算を実行するように構成されている。
【００３７】
図４は、図３のコンピュータシステムが実行するステップのフローチャートである。コンピュータシステムが実行するステップは、ウェハの研磨（計算により設定された研磨時間だけ研磨）ステップ（４００）の実行中に装置の測定信号サンプリング時系列データを記録する実行ステップ（４０１）と、ウェハ研磨終了後に測定信号サンプリング時系列データから最下層の膜の研磨に相当する区間だけを切り出し、その区間の特徴量を計算する実行ステップ（４０２）と、切り出し区間の特徴量から研磨レートを予測する実行ステップ（４０３）と、予測した研磨レートから次回ウェハの研磨時間を計算する実行ステップ（４０４）とから構成されている。
【００３８】
図５から図８は、図４の各実行ステップの詳細ステップを説明するフローチャートである。図５は装置の測定信号サンプリング時系列データを記録する実行ステップ（図４の４０１）の詳細を説明する図であり、図６は切り出し区間の特徴量を計算する実行ステップ（図４の４０２）の詳細を説明する図であり、図７は切り出し区間の特徴量から研磨レートを予測する実行ステップ（図４の４０３）の詳細を説明する図であり、図８は予測した研磨レートから次回ウェハの研磨時間を計算する実行ステップ（図４の４０４）の詳細を説明する図である。
【００３９】
図１の測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２は、研磨装置１０１と製造実行システム１０７に接続し、ウェハ研磨が実行される毎に製造実行システム１０７から製造実行情報１１５を取得し（図５の４１１）、研磨装置１０１に備えた各種センサ（図示せず）の値をウェハを研磨している間に渡って所定の時間間隔でサンプリングし（図５の４１２）、製造実行情報１１５に含まれるウェハ番号を付けて時系列データベース３０２ｄ（図３）に記録する（図５の４１３）。なお、サンプリングに高速性が要求される場合は、サンプリングの実行部分は研磨装置１０１に搭載したコンピュータ（図示せず）が行うようにしても良い。
【００４０】
図１には、各種装置パラメータのセンサの値の例として、研磨パッド２０４の温度を測る放射温度計（図示せず）から取得したパッド温度１１１と、テーブル回転駆動モータ２０６の電流を図る電流計（図示せず）から取得したテーブル回転トルク１１２と、ヘッド回転駆動モータ２０３の電流を図る電流計（図示せず）から取得したヘッド回転トルク１１３と、研磨中ウェハの研磨面に照射した光の反射光を図る分光計（図示せず）から取得した反射光信号１１４を図示するが、これに限定される訳ではない。
【００４１】
次に、図１の時系列データ切り出し装置１０３は、測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２が記録した測定信号サンプリング時系列データを時系列データベース３０２ｄ（図３）から取得し（図６の４２１）、最下層の膜の研磨に相当する区間だけを切り出す（図６の４２２）。次に、図１の切り出しデータ特徴量計算装置１０４が、切り出した区間の特徴量を計算し（図６の４２３）、製造実行情報１１５に含まれるウェハ番号を付けて切り出し信号特徴量データベース３０３ｄ（図３）に記録する（図６の４２４）。対象とする全ての装置パラメータについて、取得ステップと切り出しステップと特徴量計算ステップが完了したかどうかを判定し（図６の４２５）、未完の場合は処理を繰り返す。
【００４２】
次に、図１の研磨レート予測装置１０５が、切り出しデータ特徴量計算装置１０４が記録した切り出し区間の特徴量を切り出し信号特徴量データベース３０３ｄ（図３）から取得し（図７の４３１）、研磨レートを予測し（図７の４３２）、製造実行情報１１５に含まれるウェハ番号を付けて研磨レートデータベース３０４ｄ（図３）に記録する（図７の４３３）。
【００４３】
次に、図１の研磨時間制御装置１０６が、研磨レート予測装置１０５が記録した最新の研磨レートと必要に応じて過去の研磨レートの履歴を研磨レートデータベース３０４ｄ（図３）から取得し（図８の４４１）、研磨レートの異常判定を行う（図８の４４２）。研磨レートの異常を検知した場合は、着工停止の手続きを取る（図８の４４３）。研磨レートに異常がない場合は、要求されている研磨量（膜厚）と研磨レートから研磨時間を計算し（図８の４４４）、研磨時間を研磨装置に設定する（図８の４４５）。
【００４４】
次に、図５のステップに戻り、ウェハの研磨と前述した実行ステップを繰り返す。
【００４５】
以下、図９から図１１を用いて、研磨の対象と実行ステップの詳細を説明する。
【００４６】
図９は、研磨対象ウェハの断面拡大図である。この断面拡大図は、孔エッチング加工および溝エッチング加工を施した下層絶縁膜５０１と、その上に積層した中間層バリア膜５０２と、孔と溝に埋め込んだ上層金属膜５０３とを積層したダマシンプロセスの研磨前の配線１層の断面を説明する図である。上部の配線部５１７は孔部５１８を介して下部の配線層（図示せず）と接続する。例えば、Ｃｕダマシンプロセスの場合には、上層金属膜５０３はＣｕ金属膜に、また中間層バリア膜５０２はＴａ等のバリア膜に、また下層絶縁膜５０１はＳｉＯＣ等の層間絶縁膜に相当する。下層絶縁膜５０１がＳｉＯＣ等の低誘電率膜の場合には、バリア膜と低誘電率膜の間に、強度を確保する等の理由でＳｉＯ２酸化膜を配して中間層バリア膜５０２を２層構造にする場合があるが、３層構造の説明で一般性を失うことはない。
【００４７】
図１０および図１１は、研磨装置１０１（図１）の測定信号サンプリング時系列データの例として、それぞれパッド温度およびヘッド回転トルクのサンプリング時系列データの研磨時間に対する推移を説明した図である。図１０の縦軸はパッド温度１１１（図１）、図１１の縦軸はヘッド回転トルク１１３（図１）であり、横軸は中間層バリア膜５０２の研磨開始から下層絶縁膜５０１の研磨終了までの研磨時間６０５である。図１０および図１１には、２枚のウェハａとウェハｂのサンプリング時系列データ（６００ａと６００ｂ、６０６ａと６０６ｂ）がそれぞれ記載されている。なお、横軸の６０１は研磨開始時間Ｔ１、６０２は中間層バリア膜の研磨終了時間（ウェハ面内の一部）Ｔ２、６０３は中間層バリア膜の研磨終了時間（ウェハ面内の全域）Ｔ３、６０４は下層絶縁膜の過研磨終了時間Ｔ４を示す。
【００４８】
ここで、図１０のウェハａのパッド温度６００ａは研磨時間Ｔ２（６０２）とＴ３（６０３）の間で変化率が変化しているが、ウェハｂのパッド温度６００ｂの変化率は変化していないことに注意する必要がある。すなわち、この場合、装置パラメータ測定信号のサンプリング時系列データの被研磨材料毎の研磨区間をその変化率から区分することは必ずしもできないことに注意する必要がある。
【００４９】
図１２は、研磨レートと切り出しデータ特徴量計算装置１０４（図１）が計算した特徴量との関係を説明した図である。縦軸は下記に説明する細線化量５０７（図１０）の研磨レート７０２であり、横軸はヘッド回転トルク１１３（図１）のサンプリング時系列データの特徴量として計算した平均トルク７０１である。
【００５０】
図９の上層金属膜５０３と中間層バリア膜５０２との境界５０４では被研磨材料の変化によって反射光の色が変わるため、金属膜厚あるいは装置研磨レートの変動に係わらず、反射光信号１１４（図１）の変化によって上層金属膜５０３の研磨の終点を知ることができる。中間層バリア膜５０２と下層絶縁膜５０１との境界５０５でも同様である。
【００５１】
ただし、配線層全体の研磨は、中間層バリア膜５０２と下層絶縁膜５０１の境界５０５で終了させるのではなく、ウェハ面内全域での研磨残りを防ぐために下層絶縁膜に食い込んだ過研磨面５０６まで研磨する。この時、研磨が所定の過研磨面５０６まで達していないと、ウェハ面内の一部で研磨残りが生じてウェハ面内に配置した配線間の絶縁性が劣化することがある。他方、研磨が所定の過研磨面５０６を超えてしまうと、配線高さ５０８が小さくなり、配線断面積縮小によって配線抵抗が増大し、半導体装置の演算スピードの低下や消費電量の増大をもたらす。よって、ダマシンプロセスによる配線層の研磨では、中間層バリア膜５０２と下層絶縁膜５０１との境界５０５から過研磨面５０６までの研磨量を表す細線化量５０７を所定の値に制御することが重要になる。
【００５２】
以下の説明では、研磨工程を境界５０４までの上層金属膜５０３の研磨（I）と過研磨面５０６までの研磨（II）の２つに分け、境界５０４から過研磨面５０６までの研磨（II）を例に詳細に説明するが、中間層バリア膜５０２と下層絶縁膜５０１の２種類の材料の膜を連続して研磨するため、発明の説明として一般性を失うことはない。なお、反射光信号１１４（図１）を用いた上層金属膜５０３の研磨終点検出により、研磨工程を研磨（I）と研磨（II）分割することは容易である。
【００５３】
また、以下の説明では、装置パラメータ測定信号のサンプリング時系列データの例として図１１のヘッド回転トルクを用いて説明するが、図１０のパッド温度やその他の装置パラメータに対して一般性を失うものではない。
【００５４】
図１１の横軸の研磨時間６０５のＴ１（６０１）からＴ２（６０２）までが中間層バリア膜５０２（図９）の研磨を行っている区間であり、またＴ２（６０２）からＴ３（６０３）までが中間層バリア膜５０２（図９）から下層絶縁膜５０１（図９）に被研磨材料がウェハ面内で遷移する区間であり、Ｔ３（６０３）からＴ４（６０４）までが下層絶縁膜５０１（図９）の研磨を行っている区間である。
【００５５】
このとき、切り出しデータ特徴量計算装置１０４（図１）が計算するサンプリング時系列データの特徴量の例として、図１１に示すヘッド回転トルク１１３の研磨時間の平均Ａｖｅ１（ｗａｆｅｒ）を考えることができる。平均Ａｖｅ１（ｗａｆｅｒ）は下記の（１）式から計算される。（１）式において、Ｘ（ｎ）はサンプリング時系列データとしてのヘッド回転トルク１１３のサンプリング点ｎ番目の値であり、Ｎ（Ｔ４）は研磨時間６０５のＴ４時刻までの全てのサンプリング点数である。
【００５６】
【数１】
2009004442.tif 000003
【００５７】
他方、今回の発明では、切り出しデータ特徴量計算装置１０４（図１）が計算するサンプリング時系列データの特徴量として平均を考える場合には、（１）式の平均Ａｖｅ１の代わりに、図１１に示すヘッド回転トルク１１３の研磨時間の限定区間平均Ａｖｅ２（ｗａｆｅｒ）を用いる。限定区間平均Ａｖｅ２（ｗａｆｅｒ）は下記の（２）式から計算される。（２）式において、Ｎ（Ｔ３）は研磨時間６０５のＴ３時刻までの全てのサンプリング点数であり、分母の［Ｎ（Ｔ４）−Ｎ（Ｔ３）＋１］は絶縁膜研磨時間に該当する。切り出しデータ特徴量計算装置１０４（図１）は、絶縁膜研磨時間に区間を限定してヘッド回転トルク１１３あるいは他の装置状態パラメータの平均を計算する。
【００５８】
【数２】
2009004442.tif 000004
【００５９】
中間層バリア膜５０２（図９）の膜厚の違いや装置研磨能力の変動によって、Ｔ３時刻はウェハ毎に変動する可能性がある。そこで本実施の形態では、過去に研磨した実績あるいは実験から各ウェハのＴ３時刻Ｔ３（ｗａｆｅｒ）の平均値を下記（３）式により予め求めておく。
【００６０】
【数３】
2009004442.tif 000005
【００６１】
図１２の細線化量の研磨レート７０２とヘッド回転トルク１１３（図１）の特徴量の関係を説明する図に、（１）式から計算した全区間平均Ａｖｅ１（ｗａｆｅｒ）を黒三角（▲）を用いてプロットし、（２）式から計算した限定区間平均Ａｖｅ２（ｗａｆｅｒ）を黒丸（●）を用いてプロットする。図１１に示すウェハａのヘッド回転トルク６００ａの全区間平均Ａｖｅ１（ウェハａ）を黒三角（▲）７０５ａにプロットし、限定区間平均Ａｖｅ２（ウェハａ）を黒丸（●）７０３ａにプロットする。また、ウェハｂのヘッド回転トルク６００ｂの全区間平均Ａｖｅ１（ウェハｂ）を黒三角（▲）７０５ｂにプロットし、限定区間平均Ａｖｅ２（ウェハｂ）を黒丸（●）７０３ｂにプロットする。
【００６２】
細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇ（ｗａｆｅｒ）と平均トルクＡｖｅ（ｗａｆｅｒ）の関係を統計的に予め求めた下記（４）式の回帰直線を図１２の７００Ｃに示す。図１２では各軸の値を正規化して示しているため、（４）式の係数ａ＝１、切片ｂ＝０となっている。
【００６３】
【数４】
2009004442.tif 000006
【００６４】
（４）式の平均トルクＡｖｅ（ｗａｆｅｒ）に測定値から計算した平均値を代入することにより、細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇ（ｗａｆｅｒ）の予測値を計算することができ、図１２に白三角（△）と白丸（○）を用いてプロットする。また、予測値の上限許容誤差を７００Ｕで、また下限許容誤差を７００Ｌで示す。
【００６５】
ウェハａのヘッド回転トルク６００ａ（図１１）の全区間平均Ａｖｅ１（ウェハａ）のプロット（▲）７０５ａは、回帰直線７００Ｃの上の予測値より誤差７０６ａだけ離れていて、予測値の上限許容誤差７００Ｕを超えている。他方、限定区間平均Ａｖｅ２（ウェハａ）のプロット（▲）７０３ａは、回帰直線７００Ｃの上の予測値に対して図示できるほど大きな誤差は生じていない。
【００６６】
また、ウェハｂのヘッド回転トルク６００ｂ（図１１）の全区間平均Ａｖｅ１（ウェハｂ）のプロット（▲）７０５ｂは、回帰直線７００Ｃの上の予測値より誤差７０６ｂだけ離れていて、予測値の下限許容誤差７００Ｌを超えている。他方、限定区間平均Ａｖｅ２（ウェハｂ）のプロット（▲）７０３ｂは、回帰直線７００Ｃの上の予測値より誤差７０４ｂだけ離れているが、予測値の下限許容誤差７００Ｌ上の近辺にある。
【００６７】
このように、装置パラメータの測定値のサンプリング時系列データを下層絶縁膜研磨区間に限定して、ウェハ研磨毎の特徴量としての平均値を計算した方が細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇ（ｗａｆｅｒ）の予測精度が良くなり、許容誤算範囲で予測可能となる効果がある。なお、予測誤差の大きな細線化量から研磨レートを計算し次回ウェハ研磨の条件とすると、研磨過小により再研磨が必要になり生産効率を落としたり、研磨過多によりウェハをスクラップにして生産コストを上昇させたりすることになる。
【００６８】
なお、（４）式は、ヘッド回転トルク１１３等の単項目の装置パラメータの区間限定特徴量を用いた単回帰による予測式を説明する式であるが、複数の項目の装置パラメータの区間限定特徴量を組合せた方が予測精度が上がる場合は、下記（５）式の重回帰式を用いれば良い。（５）式で、ｉは装置パラメータの各項目を、Ｙは区間限定平均値等の区間限定特徴量を示す。区間限定特徴量としては、区間限定平均値の他に、区間限定最大値、あるいは区間限定最小値、あるいは区間限定標準偏差、あるいは一般的に表現すると区間限定の重み付き平均等がある。
【００６９】
【数５】
2009004442.tif 000007
【００７０】
最下層の研磨レート予測装置１０５（図１）が、まず（４）式あるいは（５）式を用いて、研磨したウェハｗａｆｅｒの最下層絶縁膜の細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇ（ｗａｆｅｒ）の予測を行い、次に研磨時間制御装置１０６（図１）が、下記（６）式を用いて、細線化量の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆに対して最適な最下層絶縁膜の研磨時間を計算してＴ３に加えることにより研磨時間Ｔ４＿Ｎｅｗを計算し、研磨装置１０１に設定して次回ウェハの研磨を最適に行う。なお、Ｔ３時刻は（３）式によって予め設定されている。
【００７１】
【数６】
2009004442.tif 000008
【００７２】
なお、（６）式では細線化量５０７（図９）の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆに対して最適な最下層絶縁膜の研磨時間Ｔ４＿Ｎｅｗを計算しているが、半導体装置の動作スピードの歩留りを確保するために、配線高さ５０８（図９）を一定にするように細線化量の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆを変えて研磨時間Ｔ４＿Ｎｅｗを計算するようにしても良い。配線高さ５０８（図９）の狙い値をＷｉｒｅＨｅｉｇｈｔＲｅｆとし、最下層絶縁膜の溝高さ５１０（図９）をＴｒｅｎｃｈＤｅｐｔｈとした場合、細線化量５０７（図９）の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆは下記（７）式より計算すれば良い。
【００７３】
【数７】
2009004442.tif 000009
【００７４】
さらに、溝幅５１１（図９）も変動するようなら配線断面積を一定にするように細線化量５０７（図９）の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆを変えて研磨時間Ｔ４＿Ｎｅｗを計算するようにしても良い。配線断面積の狙い値をＷｉｒｅＳｑｕａｒｅＲｅｆとし、最下層絶縁膜の溝幅５１１（図９）をＴｒｅｎｃｈＷｉｄｔｈとした場合、細線化量５０７（図９）の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆは下記（８）式より計算すれば良い。
【００７５】
【数８】
2009004442.tif 000010
【００７６】
また、半導体ＡＰＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）で予測値の平滑化に通常使われるＥＷＭＡ（指数重み付き移動平均）を適用し、研磨レート予測値の微細変動を除去しても良い。その場合は、（４）式あるいは（５）式の研磨レートＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇに対して（９）式のＥＷＭＡフィルタを適用したＲａｔｅＴｈｉｎｎｉｎｇＥＷＭＡを研磨レートの予測値として用いる。ただし、ｊは予測計算の履歴回数である。
【００７７】
【数９】
2009004442.tif 000011
【００７８】
次回ウェハの研磨では、研磨中の装置状態パラメータのサンプリングから上記のステップを繰り返す。
【００７９】
以上説明した本実施の形態によれば、ウェハの研磨中に装置の測定信号サンプリング時系列データを記録し、ウェハ研磨終了後に測定信号サンプリング時系列データから最下層の膜の研磨に相当する区間だけを切り出し、その区間の特徴量を計算し、切り出し区間の特徴量から研磨レートを予測し、予測した研磨レートから最適にする次回ウェハの研磨時間を計算してウェハを研磨することで、Ｃｕダマシンプロセスにおける上層金属膜および中間バリア膜および最下層絶縁膜のように、複数種類の材料の膜を連続して研磨し、最下層の膜の研磨量が適切な量になるようにすることができる。このとき、研磨精度の保証と生産性の確保を両立させることができる。また、誤った研磨時間を設定することを防ぐことができ、さらに装置の消耗を早期に検知することができる。
【００８０】
なお、この実施の形態では、ウェハ研磨装置の状態パラメータに基づいて研磨レートを予測する前記（４）式あるいは（５）式を計算する際に、収集したウェハのデータを選別せずに用いていた。これに対して、研磨レートの分布に基づき、分布の中央の研磨レートを示すウェハのデータを除外して、分布の上下端近傍のウェハのデータのみを用いて計算するようにすると、管理精度が分布の中央よりも要求される分布の上端および下端近傍の研磨レートをより精度良く予測することができるようになるという効果がある。
【００８１】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、中間層バリア膜５０２（図９）と下層絶縁膜５０１（図９）の境界５０５（図９）までの研磨時刻Ｔ３（図１１の６０３）を、（３）式によってウェハ間の平均値になるように設定し、データ切り出し区間としての下層絶縁膜研磨区間（Ｔ３からＴ４）を求めていたが、研磨時刻Ｔ３の決定は容易ではない。本実施の形態では、複数のウェハに対する装置状態パラメータの測定信号サンプリング時系列データから、統計処理によって研磨時刻Ｔ３を求める方法を説明する。
【００８２】
ウェハｗａｆｅｒの装置状態パラメータのサンプリング時系列データＸを（１０）式で表す。ｎはサンプリング点である。（１１）式に示すように、主成分分析を用いて、ウェハＷ枚分のサンプリング時系列データＸを主成分に分解する。
【００８３】
【数１０】
2009004442.tif 000012
【００８４】
【数１１】
2009004442.tif 000013
【００８５】
ただし、Ｔは主成分スコアであり、Ｐは主成分ローディングであり、Ｅは主成分分解誤差である。第１主成分だけ分解した時の各行列あるいはベクトルの要素は下記（１２）から（１５）式の通りであり、添え字はウェハ番号を、（）内の数字はサンプリング点を表す。主成分の数を増やすと、主成分スコアＴの列数と主成分ローディングの行数が主成分の数だけ増える。
【００８６】
【数１２】
2009004442.tif 000014
【００８７】
【数１３】
2009004442.tif 000015
【００８８】
【数１４】
2009004442.tif 000016
【００８９】
【数１５】
2009004442.tif 000017
【００９０】
（１１）式の主成分分解計算の作用を図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、サンプリング時系列データＸの絶縁膜研磨前の［Ｔ３−１］時刻と絶縁膜研磨開始時の［Ｔ３］時刻のサンプリング時系列データＸの散布図８０１であり、各点は各ウェハを研磨した時のデータを説明する。他方、図１３（ｂ）は、サンプリング時系列データＸの絶縁膜研磨開始時の［Ｔ３］時刻と絶縁膜研磨開始後の［Ｔ３＋１］時刻のサンプリング時系列データＸの散布図８０２である。
【００９１】
各ウェハの細線化量５０７（図９）がばらついている原因が下層絶縁膜研磨時の装置状態のばらつきであるとすると、細線化量５０７は装置状態の一瞬のサンプリング点の変動で決定する量ではないため、図１３（ｂ）の散布図８０２に例を示すように、下層絶縁膜研磨区間に入る横軸のＸ（Ｔ３）（８１２）および縦軸のＸ（Ｔ３＋１）（８１３）の両軸のサンプリングデータが各ウェハ毎に同じ変動を示し相関を持って散在する。他方、図図１３（ａ）の散布図８０１に例を示すように、縦軸のＸ（Ｔ３）（８１２）が下層絶縁膜研磨区間に入り、横軸のＸ（Ｔ３−１）（８１１）が下層絶縁膜研磨区間から外れる場合は、両軸のサンプリング時系列データは各ウェハ毎に異なる変動を示し相関を持たない。よって、（１２）式に示すサンプリング点に対して主成分分析を行い、（１１）式に示すように主成分分解を行うと、（１４）式の主成分ローディングは下層絶縁膜研磨区間の重みが大きくなるように計算される。
【００９２】
図１４に、ウェハ３枚分（ウェハａ（６０６ａ）、ウェハｂ（６０６ｂ）、ウェハｃ（６０６ｃ））のヘッド回転トルクのサンプリング時系列データの例を示す。このようなヘッド回転トルクのサンプリング時系列データに対して、ウェハ１００枚分につき主成分分析を適用して求めた（１４）式のローディング８２２を図１５に示す。図１５の横軸は研磨時間６０５であり、縦軸は主成分ローディング８２１の大きさである。ここで、主成分ローディングの大きな区間を抽出するためにしきい値８２３を設定すると、下層絶縁膜研磨区間（Ｔ３からＴ４）を抽出することができ、下層絶縁膜の開始時刻Ｔ３（６０３）を決定できる。このように、複数ウェハの研磨毎に記録した装置パラメータのサンプリング時系列データの主成分分析によって、ウェハ間でサンプリング点がまとまってばらつく区間を統計的に抽出する方法で切り出し区間を決めることができる。
【００９３】
よって、本実施の形態によれば、前記実施の形態１の効果に加え、研磨した全てのウェハに対して記録している装置状態パラメータのサンプリング時系列データのみを用いて、研磨出来映えである細線化量のばらつきに対応した下層絶縁膜研磨区間を切り出すことができるという効果がある。
【００９４】
（実施の形態３）
前記実施の形態２では、各ウェハの装置状態パラメータのサンプリング時系列データから、主成分分析によって研磨時刻Ｔ３を求めて切り出し区間を決める方法を示した。本実施の形態では、別の統計手法によって切り出し区間を求める方法を説明する。
【００９５】
（１６）式に示すように、重回帰分析を用いて、（１０）式で表すウェハＷ枚分の連続サンプリングデータＸと細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｉｎｎｉｎｇの測定データとを関連付ける。ただし、Ａはサンプリング時系列データの各サンプリング点に対する重回帰係数であり、Ｅは回帰誤差である。各ベクトルの要素は下記（１７）式から（１９）式の通りであり、（１７）式および（１９）式の（）内はウェハ番号を表し、（１８）式の（）内はサンプリング点番号を表す。
【００９６】
【数１６】
2009004442.tif 000018
【００９７】
【数１７】
2009004442.tif 000019
【００９８】
【数１８】
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【００９９】
【数１９】
2009004442.tif 000021
【０１００】
次に、（１８）式の重回帰係数に各サンプリング点の値Ｘのウェハ間の変動の大きさδを乗じることで、細線化量の研磨レートＲａｔｅＴｉｎｎｉｎｇへの寄与度Ｃを（２０）式によって計算する。ウェハ間の変動の大きさδとしては、例えば標準偏差等を使う。
【０１０１】
【数２０】
2009004442.tif 000022
【０１０２】
各ウェハの細線化量５０７（図９）がばらついている原因が下層絶縁膜研磨時の装置状態のばらつきであるとすると、細線化量の研磨レートは装置状態と相関を持ち、サンプリング時系列データの各サンプリング点のうち相関が強い点の寄与度Ｃがより大きくなる。
【０１０３】
図１６に、ウェハ１００枚分につき図１４に（ウェハ３枚分の）例を示すヘッド回転トルクのンプリング時系列データと細線化量研磨レートとの重回帰分析により求めた（２０）式の寄与度８３２を示す。図１６の横軸は研磨時間６０５であり、縦軸は細線化量研磨レートへの寄与度８３１の大きさである。ここで、寄与度の大きな区間を抽出するためにしきい値８３３を設定すると、下層絶縁膜研磨区間（Ｔ３からＴ４）を抽出することができ、下層絶縁膜の開始時刻Ｔ３（６０３）を決定できる。このように、複数ウェハの研磨毎に記録した装置パラメータと細線化量研磨レートとの重回帰分析によって統計的に相関区間を抽出する方法で、切り出し区間を決めることができる。なお、重回帰分析の代わりに単回帰分析あるいは相関解析を全てのサンプリング点に対して行っても良い。
【０１０４】
よって、本実施の形態によれば、前記実施の形態１の効果に加え、研磨した全てのウェハに対して記録している装置状態パラメータのサンプリング時系列データから、研磨出来映えである細線化量研磨レートの測定データと照合するデータを抜き出して突き合わせることにより、精度良く下層絶縁膜研磨区間を切り出すことができるという効果がある。
【０１０５】
（実施の形態４）
前記実施の形態２および前記実施の形態３では、各ウェハの装置状態パラメータのサンプリング時系列データから、統計処理によって研磨時刻Ｔ３を求めて切り出し区間を決める方法を示した。図１１のＴ１（６０１）からＴ２（６０２）のバリア膜研磨区間、およびＴ２（６０２）からＴ３（６０３）の材料遷移区間がウェハ間で大きく違わない場合に効果がある方法である。本実施の形態では、Ｔ１（６０１）からＴ３（６０３）の研磨時間がウェハ間で大きく変動する場合に効果がある別の方法を図１７を用いて説明する。
【０１０６】
研磨パッド２０４（図２）に設けた窓孔（図示せず）から光を照射し、その反射光を分光計で測定することにより反射光信号１１４（図１）を得ることができる。この反射光信号１１４を測定信号サンプリング時系列データ記録装置１０２でサンプリングして記録し、切り出しデータ特徴量計算装置１０４で反射光の色の変化を解析すると、図１７に示すようにバリア膜の下層から絶縁膜がウェハ面内で一部露出を開始したＴ２（６０２）にて反射光変化点６１１を得ることができ、さらに絶縁膜がウェハ面内で完全露出したＴ３（６０３）にて反射光変化点６１２を得ることができる。
【０１０７】
反射光変化点６１２が得られる場合には、反射光変化点６１２から研磨時間の終了までを下層絶縁膜研磨の切り出し区間とすれば良い。信号強度の問題等で反射光変化点６１２を得ることが難しい場合には、反射光変化点６１１を得て所定のオフセットを加えることでＴ３（６０３）を予測し、予測したＴ３から研磨時間の終了までを下層絶縁膜研磨の切り出し区間とすれば良い。
【０１０８】
よって、本実施の形態では、前記実施の形態１の効果に加え、反射光変化点から被研磨材料の遷移点を得ることにより、Ｔ１（６０１）からＴ３（６０３）の研磨時間がウェハ間で大きく変動する場合にも、精度良く下層絶縁膜研磨の切り出し区間を求めることができるとい効果がある。
【０１０９】
また、複数の被研磨対象膜が金属膜と絶縁膜から成り、これらの膜を連続して研磨する場合には、金属膜に誘起したうず電流を測定することにより金属膜から絶縁膜への材料の遷移点を得る形態としても良い。
【０１１０】
（実施の形態５）
前記実施の形態１では、中間層バリア膜５０２（図９）と下層絶縁膜５０１（図９）の境界５０５（図９）までの研磨時刻Ｔ３（図１０の６０３）に、最新の下層絶縁膜研磨レートに基づく下層絶縁膜研磨時間を加えることで、（６）式により次回の研磨時間設定値を得ていた。中間層バリア膜５０２の膜厚が変動する場合、あるいは中間層バリア膜５０２の研磨レートが変動する場合には、（６）式により計算した次回の研磨時間設定値は正確でなくなるという課題がある。本実施の形態では、中間層バリア膜５０２の研磨レートも別途求めて、正確な次回の研磨時間設定値を求める方法を説明する。
【０１１１】
中間層バリア膜５０２の研磨レートＲａｔｅＢａｒｒｉｅｒは、研磨したウェハｗａｆｅｒの中間層バリア膜厚ＢａｒｒｉｅｒＴｈｉｃｋｎｅｓｓと前記で求めたＴ３（６０３）とを用いて下記（２１）式から計算する。
【０１１２】
【数２１】
2009004442.tif 000023
【０１１３】
あるいは、前記（５）式の細線化量研磨レート予測式と同様に、下記（２２）式に示すように装置パラメータの区間限定特徴量から中間層バリア膜研磨レートを予測する。（２２）式で、ｉは装置パラメータの各項目を、ＹはＴ１からＴ２あるいはＴ３までの区間限定平均値等の区間限定特徴量を示す。区間限定特徴量としては、区間限定平均値の他に、区間限定最大値、あるいは区間限定最小値、あるいは区間限定標準偏差、あるいは一般的に表現すると区間限定の重み付き平均等がある。
【０１１４】
【数２２】
2009004442.tif 000024
【０１１５】
次に、研磨時間制御装置１０６（図１）が、下記（２３）式に示すように、次回研磨するウェハｗａｆｅｒＮｅｗの中間層バリア膜厚ＢａｒｒｉｅｒＴｈｉｃｋｎｅｓｓに対して最適な中間層バリア膜の研磨時間と、細線化量の狙い値ＴｈｉｎｎｉｎｇＲｅｆに対して最適な最下層絶縁膜の研磨時間とを計算し両者を合算することで研磨時間Ｔ４＿Ｎｅｗを計算し、研磨装置１０１に設定して次回ウェハの研磨を最適に行う。
【０１１６】
【数２３】
2009004442.tif 000025
【０１１７】
各膜の研磨中に装置状態パラメータの連続サンプリング時系列データの記録された分から各膜の研磨レートおよび各膜の研磨時間を連続して実時間で予測し、各膜の実時間での予測研磨時間だけ連続して研磨する構成としても良い。
【０１１８】
よって、本実施の形態では、前記実施の形態１の効果に加え、中間層バリア膜と下層絶縁膜のそれぞれの研磨レートを求め、各々の層の研磨時間を個別に計算して合算することにより次回研磨時間としているため、各々の層の膜厚あるいは研磨レートが変動しても細線化量を一定に制御できるという効果がある。
【０１１９】
（実施の形態６）
上記の実施の形態では、図４に示すように、前回のウェハの研磨の実績と装置の状態から次回のウェハの最適な研磨時間を予め決定し、次回のウェハの研磨中に調整することはなかった。研磨装置の状態が今回のウェハ研磨と次回のウェハ研磨で変わる場合に、次回のウェハの研磨中に研磨時間を調整できる構成を取ることが望ましい。本実施の形態では、ウェハの研磨中に研磨時間を調整する方法を図１８を用いて説明する。
【０１２０】
前回のウェハの研磨の実績と装置の状態から次回のウェハの最下層絶縁膜の最適な研磨時間（Ｔ３からＴ４）を計算するステップ（４０４）を実行し、最下層絶縁膜の研磨時間のみを予め決定しておく。
【０１２１】
次に、次回のウェハの研磨を実行し、例えば反射光のサンプリングとデータ解析を中間層バリア膜の研磨中に行い、絶縁膜がウェハ面内で完全露出したかどうかを反射光の色の変化に基づいて実時間で解析することにより、最下層絶縁膜の研磨開始Ｔ３（図１７の６０３）に至ったかどうかを判定するステップ（４５１）を実行する。なお、Ｔ３（６０３）を得ることが難しければ、バリア膜の下層から絶縁膜がウェハ面内で一部露出を開始したＴ２（６０２）を検出してから所定のオフセット時間（Ｔ２からＴ３）が経過したかどうかを判定するようにすれば良い。
【０１２２】
最下層絶縁膜の研磨開始Ｔ３（図１７の６０３）に至った後に、前回ウェハの研磨結果から予め決定しておいた最下層絶縁膜の研磨時間だけ研磨を行うステップ（４５２）を続行して、最適な細線化量を得る。
【０１２３】
さらに、最下層絶縁膜の研磨中に前記（４）式あるいは（５）式を装置状態パラメータの連続サンプリング時系列データの記録された分から実時間で実行して、最下層絶縁膜の研磨レートを現在のウェハを研磨している装置状態パラメータに基づいて予測し、研磨時間を更新するようにすれば、細線化量の制御精度を上げることができる。
【０１２４】
よって、本実施の形態では、前記実施の形態１の効果に加え、研磨中の装置状態に基づいて研磨時間を制御することにより、研磨の間隔が開いたり、装置の保守により装置の状態が変わるような場合にも、精度良く細線化量の制御を行うことができるという効果がある。
【０１２５】
（実施の形態７）
上記の実施の形態では、装置状態パラメータのサンプリング時系列データを用いて研磨レートを求めた。研磨装置には、研磨パッド、ドレッサ、ウェハ保持用パッキングと言った使用時間に比例して消耗する消耗材があり、これらの消耗材使用時間から研磨レートを見積もることができる。図１９に、消耗材使用時間と研磨レートの関係の一例を示す。図１９の横軸は、サンプリングしたウェハの番号６２０を研磨実施順に示す。図１９の左の縦軸は消耗材使用時間６２１であり、これに対して消耗材使用時間データ６２１ｄをプロットする。一方、図１９の右の縦軸は細線化量研磨レート６２２であり、これに対して細線化量研磨レート測定データ６２２ｄをプロットする。図１９から、消耗材使用時間データ６２１ｄと細線化量研磨レート測定データ６２２ｄは負の相関関係が存在し、消耗材使用時間６２１から細線化量研磨レート６２２を予測することができる。この消耗材使用時間と装置状態パラメータを組み合わせれば、装置変動の説明因子を増やすことによって、さらに精度良く細線化量研磨レートを予測し、細線化量の制御精度を上げることができるという効果がある。
【０１２６】
あるいは、消耗材使用時間データから消耗材の切換タイミングを抽出し、各消耗材の切換毎に前記（４）式あるいは（５）式の予測式を計算するようにすると、消耗材の切換毎に発生する装置の測定できていない変動に予測式を追従させ精度の良い予測をすることによって、細線化量の制御精度を上げることができるという効果がある。
【０１２７】
（実施の形態８）
前記実施の形態では、図８に示すように、予測した研磨レートの挙動を調べて異常判定をしていた（図８の４４２）。この方法では研磨レートに反映される異常しか検知できないという課題がある。本実施の形態では、装置状態パラメータのサンプリング時系列データの挙動を調べて異常判定する方法を図２０を用いて説明する。
【０１２８】
ウェハ研磨が終了した後に、装置状態パラメータのサンプリング時系列データの挙動の変化を過去の履歴と照合して異常判定を行う。研磨時間のサンプリング点数は１回の研磨で１０００点以上にも及ぶことがあるため、１点１点を照合することは困難である。そこで、装置状態パラメータの連続サンプリング記録測定値を波形と見なして、波形の特徴量を抽出し、過去の履歴と照合することが一般に行われる。波形の特徴量としては、平均値、あるいは最大値、あるいは極大、極小値、あるいは実効値、あるいは立ち上がり速度、立ち下がり速度などが用いられる。しかし、連続サンプリング記録測定値の挙動の全てを少数の特徴量で表すことは困難であり、また特徴量の数を多くすると異常判定の精度を維持するための判定しきい値の管理が困難になる。
【０１２９】
そこで、連続サンプリング記録測定値の個別の特徴量ではなく、万能かつ汎用的な波形類似度としての情報量あるいは記述量を計算し（４６１）、その唯一の量を過去の情報量あるいは記述量と比較して異常判定し（４６２）、異常の場合は着工停止などの異常検知処理を行う（４６３）構成とした。
【０１３０】
サンプリング時系列データの万能かつ汎用的な波形類似度としての情報量を表す量として、コルモゴロフ記述量（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ  Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）を用いる。コルモゴロフ記述量は計算不可能な量であるが、汎用の圧縮プログラムを用いれば圧縮ビット長で近似値を計算可能なことが知られている。今回のウェハ研磨の装置状態パラメータのサンプリング時系列データＸのコルモゴロフ記述量近似圧縮ビット長をＫ（Ｘ）とする。過去の複数の正常なウェハ研磨の装置状態パラメータのサンプリング時系列データを連結した信号Ｚのコルモゴロフ記述量近似圧縮ビット長をＫ（Ｚ）とする。過去の正常な研磨の装置状態パラメータのサンプリング時系列データＺと、今回の研磨の装置状態パラメータのサンプリング時系列データＸとの間の非類似度を表す距離Ｄを下記（２４）式で計算する。ただし、ＸＺは信号Ｘと信号Ｚを連結した信号である。
【０１３１】
【数２４】
2009004442.tif 000026
【０１３２】
今回の研磨のサンプリング時系列データＸが過去の実績Ｚと全く異なる場合は、過去の実績の情報Ｚを使っても今回の信号Ｘを圧縮できないため、（２４）式は下記（２５）式となり、距離Ｄ＝１となる。
【０１３３】
【数２５】
2009004442.tif 000027
【０１３４】
逆に、今回の研磨のサンプリング時系列データＸが過去の実績Ｚの一部と同じ場合は、圧縮情報量が同様となるため、距離Ｄ→０となる。
【０１３５】
よって、本実施の形態では、前記実施の形態１の効果に加え、適切な判定しきい値を定めて非類似度を表す距離Ｄを判定すれば、装置状態パラメータのサンプリング時系列データを、その波形特徴量に依らないで、波形全体の類似度に基づいて異常判定できるという効果がある。
【０１３６】
なお、コルモゴロフ記述量を用いて非類似度を表す距離Ｄは、例えば非特許文献１において、上記（２４）式の他に幾つか提案されており、他の距離Ｄの計算式を用いても良い。
【０１３７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の半導体ウェハの研磨方法は、素子もしくは配線の形成過程にある半導体ウェハを化学的機械的研磨（ＣＭＰ）方法により平坦かつ均一に研磨する方法に関し、特に、複数の材料の膜を連続して研磨する方法に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の半導体ウェハの研磨方法を実現する実施の形態１の半導体ウェハ研磨システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、半導体ウェハの研磨装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、半導体ウェハ研磨システムを実現するコンピュータシステムの説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、コンピュータシステムが実行するステップのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１において、サンプリング時系列データの記録ステップの詳細フローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１において、切り出し区間の特徴量計算ステップの詳細フローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１において、切り出し区間の特徴量からの研磨レート予測ステップの詳細フローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１において、研磨レートからの次回ウェハの研磨時間計算ステップの詳細フローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１において、研磨対象ウェハの断面拡大図である。
【図１０】本発明の実施の形態１において、パッド温度のサンプリング時系列データの推移図である。
【図１１】本発明の実施の形態１において、ヘッド回転トルクのサンプリング時系列データの推移図である。
【図１２】本発明の実施の形態１において、研磨レートとサンプリング時系列データの特徴量との関係図である。
【図１３】本発明の実施の形態２において、（ａ）（ｂ）は連続サンプリングデータのサンプル点間の散布図である。
【図１４】本発明の実施の形態２において、ヘッド回転トルクのサンプリング時系列データの推移図である。
【図１５】本発明の実施の形態２において、ヘッド回転トルクの各サンプル点の主成分ローディングの推移図である。
【図１６】本発明の実施の形態３において、ヘッド回転トルクの各サンプル点の細線化量研磨レートへの寄与度の説明図である。
【図１７】本発明の実施の形態４において、ウェハ反射光を用いた被研磨材料の変化点検出の説明図である。
【図１８】本発明の実施の形態６において、ウェハの研磨中に研磨時間を調整するステップのフローチャートである。
【図１９】本発明の実施の形態７において、消耗材使用時間と研磨レートとの関係図である。
【図２０】本発明の実施の形態８において、装置パラメータの情報量から異常判定するステップのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４０】
１０１…研磨装置、１０２…測定信号サンプリング時系列データ記録装置、１０３…時系列データ切り出し装置、１０４…切り出しデータ特徴量計算装置、１０５…研磨レート予測装置、１０６…研磨時間制御装置、１０７…製造実行システム、１１１…パッド温度、１１２…テーブル回転トルク、１１３…ヘッド回転トルク、１１４…反射光信号、１１５…製造実行情報、
２０１…半導体ウェハ、２０２…研磨ヘッド、２０３…ヘッド回転駆動モータ、２０４…研磨パッド、２０５…テーブル、２０６…テーブル回転駆動モータ、２０７…ドレッサ、２０８…ドレッサ駆動モータ、２０９…スラリー供給装置、
３００…ネットワーク、３０１ｃ…製造実行用計算機、３０１ｄ…製造実行情報データベース、３０２ｃ…時系列データ記録計算機、３０２ｄ…時系列データベース、３０３ｃ…データ解析用計算機、３０３ｄ…切り出し信号特徴量データベース、３０４ｃ…研磨レート予測用計算機、３０４ｄ…研磨レートデータベース、３０５ｃ…制御用計算機、
５０１…下層絶縁膜、５０２…中間層バリア膜、５０３…上層金属膜、５０４…上層と中間層の境界、５０５…中間層と最下層の界面、５０６…過研磨面、５０７…細線化量、５０８…配線高さ、５０９…孔高さ、５１０…溝高さ、５１１…溝幅、５１７…配線部、５１８…孔部。
【図１】
2009004442.tif 000028
【図２】
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【図３】
2009004442.tif 000030
【図４】
2009004442.tif 000031
【図５】
2009004442.tif 000032
【図６】
2009004442.tif 000033
【図７】
2009004442.tif 000034
【図８】
2009004442.tif 000035
【図９】
2009004442.tif 000036
【図１０】
2009004442.tif 000037
【図１１】
2009004442.tif 000038
【図１２】
2009004442.tif 000039
【図１３】
2009004442.tif 000040
【図１４】
2009004442.tif 000041
【図１５】
2009004442.tif 000042
【図１６】
2009004442.tif 000043
【図１７】
2009004442.tif 000044
【図１８】
2009004442.tif 000045
【図１９】
2009004442.tif 000046
【図２０】
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