(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの研磨終了点検出装置であって、所定波長の第１の検査光の発光源としての第１のレーザ光源と、該第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射する第１の照射手段と、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光の発光源としての第２のレーザ光源と、該第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射する第２の照射手段と、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力する第１の受光素子と、前記ウェハ上で反射された前記第２の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力する第２の受光素子と、前記ウェハの上面側にあってこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するエアノズルと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力する第１の平均化手段および第２の平均化手段と、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセル手段と、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定手段と、前記初期キャンセル手段での研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定手段で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データそれぞれの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値および第２の基準光量値として出力する第１の基準光量検出手段および第２の基準光量検出手段と、前記第１の基準光量値と前記第２の基準光量値との比を算出し、さらにこの比の値を前記第２の平均化データに乗じた値を算出して補正光量データとして出力する光量補正手段と、前記第１の平均化データと前記補正光量データとの差を算出し光量差データとして出力する光量差算出手段と、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力する第１のしきい値算出手段と、前記光量差算出手段から出力された前記光量差データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する第１の平均傾き算出手段と、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する第１の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項２】
前記光量補正手段から出力された前記補正光量データを受けて、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの変化時間のずれを補正するために、前記第１の平均化データが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の前記第１の平均化データの値とその時点前後の補正光量信号の値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出し、算出したずれ時間の分だけ前記補正光量データの時間軸をずらした第２の補正光量データを前記光量差算出手段に出力する時間軸補正手段を、前記光量補正手段と光量差算出手段との間に含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項３】
半導体ウェハの研磨終了点検出装置であって、所定波長の第１の検査光の発光源としての第１のレーザ光源と、該第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射する第１の照射手段と、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光の発光源としての第２のレーザ光源と、該第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射する第２の照射手段と、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力する第１の受光素子と、前記ウェハ上で反射された前記第２の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力する第２の受光素子と、前記ウェハの上面側にあってこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するエアノズルと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力する第１の平均化手段および第２の平均化手段と、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセル手段と、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定手段と、前記初期キャンセル手段での研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定手段で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値として出力する第１の基準光量検出手段と、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの比を算出し光量比データとして出力する光量比算出手段と、前記光量比算出手段から出力された前記光量比データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量比データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する第１の平均傾き算出手段と、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力する第１のしきい値算出手段と、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する第１の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項４】
前記検査光としてそれぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについてそれぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項５】
前記第１の研磨終了点検出手段は、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する手段であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項６】
前記光量補正手段と、前記光量差算出手段と、前記平均傾き算出手段と、前記第１の研磨終了点検出手段との代わりに、前記第２の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値として出力する第２のしきい値算出手段と、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ第２の平均傾きデータおよび第３の平均傾きデータとして出力する第２の平均傾き算出手段および第３の平均傾き算出手段と、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことをそれぞれ検出する第１の光量上昇検出手段および第２の光量上昇検出手段と、前記第１の光量上昇検出手段および前記第２の光量上昇検出手段で前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータと第１の終点判定しきい値、および前記第３の平均傾きデータの値と第２の終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する第２の研磨終了点検出手段および第３の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項７】
前記第２の研磨終了点検出手段および第３の研磨終了点検出手段は、前記第１の光量上昇検出手段および前記第２の光量上昇検出手段で前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値と終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する手段であることを特徴とする請求項６記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項８】
それぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、それぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする請求項６または７記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項９】
前記第１の光源と前記第１の照射手段と前記第２の光源と前記第２の照射手段と前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の代わりに、内部にそれぞれ波長の異なる複数の光源と１つ以上の受光部とを有し、それぞれ波長の異なる複数の光を同一光軸上に第６の検査光として照射し、かつ前記第６の検査光の前記ウェハからの反射光である第６の正反射光を受光して、それぞれの波長ごとにその受光量を測定し、複数の前記受光量信号を出力する多波長測定手段と、該多波長測定手段から照射される複数波長を含む前記第６の検査光を前記ウェハの表面に導き、所定の径と角度で照射する第６の照射手段と、前記ウェハ上で反射された第６の正反射光を前記多波長測定手段へ導く第６の受光手段とを含むことを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項１０】
前記第６の照射手段と前記第６受光手段と前記多波長測定手段との代わりに、前記第６の照射手段と前記第６受光手段と前記多波長測定手段とを一体とした第２の多波長測定手段を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項１１】
前記第６の照射手段と前記第６の受光手段との代わりに、前記第６の照射手段と前記第６の受光手段を一体とした照射・受光手段を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体ウェハの研磨終了点検出装置。
【請求項１２】
半導体ウェハの研磨終了点検出方法であって、所定波長の第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射するステップと、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射するステップと、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力するステップと、前記ウェハ上で反射された第２の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力するステップと、前記ウェハの上面側においてこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するステップと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力するステップと、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセルステップと、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは前記第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定ステップと、前記初期キャンセルステップでの研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定ステップで研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データそれぞれの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値および第２の基準光量値として出力するステップと、前記第１の基準光量値と前記第２の基準光量値との比を算出し、さらにこの比の値を前記第２の平均化データに乗じた値を算出して補正光量データとして出力する光量補正ステップと、前記第１の平均化データと前記補正光量データとの差を算出し光量差データとして出力する光量差算出ステップと、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力するステップと、前記光量差データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する平均傾き算出ステップと、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１３】
前記補正光量データを受けて、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの変化時間のずれを補正するために、前記第１の平均化データが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の前記第１の平均化データの値とその時点前後の補正光量信号の値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出し、算出したずれ時間の分だけ前記補正光量データの時間軸をずらした第２の補正光量データを前記光量差算出ステップに出力する時間軸補正ステップを、前記光量補正ステップと光量差算出ステップとの間に含むことを特徴とする請求項１２記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１４】
半導体ウェハの研磨終了点検出方法であって、所定波長の第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射するステップと、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射するステップと、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力するステップと、前記ウェハ上で反射された第２の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力するステップと、前記ウェハの上面側においてこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するステップと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力するステップと、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセルステップと、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは前記第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定ステップと、前記初期キャンセルステップでの研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定ステップで研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値として出力するステップと、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの比を算出し光量比データとして出力する光量比算出ステップと、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力するステップと、前記光量比データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記光量比データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する平均傾き算出ステップと、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１５】
前記検査光としてそれぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについてそれぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする請求項１２〜１４いずれか記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１６】
前記研磨終了点検出ステップは、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定するステップであることを特徴とする請求項１２〜１５いずれか記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１７】
前記光量補正ステップと、前記光量差算出ステップと、前記平均傾き算出ステップと、前記第１の研磨終了点検出ステップとの代わりに、前記第２の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値として出力する第２のしきい値算出ステップと、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ第２の平均傾きデータおよび第３の平均傾きデータとして出力するステップと、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことをそれぞれ検出する第１の光量上昇検出ステップおよび第２の光量上昇検出ステップと、前記第１の光量上昇検出ステップおよび前記第２の光量上昇検出ステップで前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータと第１の終点判定しきい値、および前記第３の平均傾きデータの値と第２の終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする請求項１２記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１８】
前記研磨終了点検出ステップは、前記第１の光量上昇検出ステップおよび前記第２の光量上昇検出ステップで前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値と終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が前記終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップであることを特徴とする請求項１７記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【請求項１９】
それぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、それぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする請求項１７または１８記載の半導体ウェハの研磨終了点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェハの研磨終了点検出装置及びその方法に関し、特に半導体ウェハの研磨装置における研磨終了点の検出方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハ上に構成する各種デバイスの配線やビア等を形成する場合、絶縁層を覆うようにウェハ全面に金属層を膜付けした後、化学的機械的研磨により不要な部分を除去する方法が用いられている。この研磨工程においては、研磨終了点を精度良く検出する必要がある。研磨が十分行われていない場合には、表面に金属層が残り配線間の短絡が発生してしまうし、研磨が過度になると形成された配線層の断面積不足が発生してしまうからである。研磨終了点を検出するための従来の技術としては、例えば、特許第２５６１８１２号公報に示される技術がある。
【０００３】
図１０は従来の一例を示す構成図である。図１０に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、所定寸法の検出穴４３を設けた研磨定盤２と、研磨定盤２の上にあって研磨定盤２と同一位置に検出穴４３を設けた研磨布３と、検出穴４３から検出光学系への研磨液１７の流入を防ぐ研磨液流入防止手段としての検出穴４３を封止するビューウインドウ４４と、検出穴４３とビューウインドウ４４を通して研磨対象であるウェハ１の研磨面に所定径の検査光４５を照射するレーザ光源４６と、ウェハ１上で反射される正反射光４７を受光してその光量を測定し、光量信号ｏとして出力する受光素子４８と、光量信号ｏを受けて、光量信号ｏをウェハ１の１回転間隔毎に平均化し、離散的に第３の平均化データｐとして出力する平均化手段４９と、平均化手段４９から出力された平均化データｐを、ウェハ１上に形成される材料の反射率やパターン密度等のウェハ１の構造から決定される所定のしきい値と比較し、平均化データｐがしきい値を下回った時点を研磨終了点として検出する研磨終了点検出手段５０とを含んで構成される。
【０００４】
まず、第３のレーザ光源４６から照射された検査光４５は、検出穴４３とビューウインドウ４４を通してウェハ１の研磨面に照射されウェハ１上で反射される。ウェハ１上で反射された第３の正反射光４７は、受光素子４８で受光されて光量が測定され光量信号ｏとして出力される。次に、平均化手段４９は光量信号ｏを受けてこれをウェハ１の１回転間隔毎に平均化し、離散的に１回転毎平均化データｐとして出力する。
【０００５】
平均化手段４９で算出された平均化データｐの時間変化は、研磨初期においては反射率が高い金属層３０（図２参照）がウェハ１の最上層全面に膜付けされているため高い値を示す。次に、研磨が進行していくと金属層３０が除去されていき反射率が低い絶縁層２９が露出し始めるため、あるいは絶縁層２９が光を透過する場合には検査光は露出し始めた絶縁層２９を透過して反射率が低い基板で反射されるため、反射光量は低下していく。
【０００６】
研磨終了時点での平均化データｐの値は、ウェハ１上に形成される材料の反射率やパターン密度等のウェハ１の構造が同一であれば、ウェハ毎にほぼ同一の値を示す。そこで、研磨終了点検出手段５０では、平均化手段４９から出力された平均化データｐをウェハ１上に形成される材料の反射率やパターン密度等のウェハ１の構造から決定される所定のしきい値と比較し、平均化データｐがしきい値を下回った時点を研磨終了点として検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような、単一波長の反射光量を測定し、所定しきい値と比較して研磨終了点を検出する方法は、ウェハ１上に形成される半導体の材質や膜厚、配線パターンの形状や粗密等の構造によっては適用できないという問題点があった。特に、バリア膜３１を有するウェハの場合、平均化データｐは、大きく低下後一旦上昇して研磨終了点を迎えるような変化を示す場合がある。この場合、所定しきい値との比較では、一旦上昇する手前の時点でも研磨終了時点の値と同一の値が存在することになるため、研磨終了点を正しく検出できない。
【０００８】
本発明の目的は、研磨終了点を正確に検出することが可能な半導体ウェハの研磨終了点検出装置及びその方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体ウェハの研磨終了点検出装置は、所定波長の第１の検査光の発光源としての第１のレーザ光源と、該第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射する第１の照射手段と、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光の発光源としての第２のレーザ光源と、該第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射する第２の照射手段と、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力する第１の受光素子と、前記ウェハ上で反射された前記第２の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力する第２の受光素子と、前記ウェハの上面側にあってこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するエアノズルと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力する第１の平均化手段および第２の平均化手段と、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセル手段と、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定手段と、前記初期キャンセル手段での研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定手段で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データそれぞれの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値および第２の基準光量値として出力する第１の基準光量検出手段および第２の基準光量検出手段と、前記第１の基準光量値と前記第２の基準光量値との比を算出し、さらにこの比の値を前記第２の平均化データに乗じた値を算出して補正光量データとして出力する光量補正手段と、前記第１の平均化データと前記補正光量データとの差を算出し光量差データとして出力する光量差算出手段と、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力する第１のしきい値算出手段と、前記光量差算出手段から出力された前記光量差データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する第１の平均傾き算出手段と、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する第１の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする。
【００１０】
そして、前記光量補正手段から出力された前記補正光量データを受けて、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの変化時間のずれを補正するために、前記第１の平均化データが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の前記第１の平均化データの値とその時点前後の補正光量信号の値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出し、算出したずれ時間の分だけ前記補正光量データの時間軸をずらした第２の補正光量データを前記光量差算出手段に出力する時間軸補正手段を、前記光量補正手段と光量差算出手段との間に含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明による半導体ウェハの研磨終了点検出装置は、所定波長の第１の検査光の発光源としての第１のレーザ光源と、該第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射する第１の照射手段と、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光の発光源としての第２のレーザ光源と、該第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射する第２の照射手段と、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力する第１の受光素子と、前記ウェハ上で反射された前記第２の検査光の正反射光軸上にあってその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力する第２の受光素子と、前記ウェハの上面側にあってこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するエアノズルと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力する第１の平均化手段および第２の平均化手段と、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセル手段と、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定手段と、前記初期キャンセル手段での研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定手段で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値として出力する第１の基準光量検出手段と、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの比を算出し光量比データとして出力する光量比算出手段と、前記光量比算出手段から出力された前記光量比データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量比データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する第１の平均傾き算出手段と、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力する第１のしきい値算出手段と、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する第１の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする。
【００１２】
そして、前記検査光としてそれぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについてそれぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする。また、前記第１の研磨終了点検出手段は、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する手段であることを特徴とする。
【００１３】
更に、前記光量補正手段と、前記光量差算出手段と、前記平均傾き算出手段と、前記第１の研磨終了点検出手段との代わりに、前記第２の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値として出力する第２のしきい値算出手段と、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ第２の平均傾きデータおよび第３の平均傾きデータとして出力する第２の平均傾き算出手段および第３の平均傾き算出手段と、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことをそれぞれ検出する第１の光量上昇検出手段および第２の光量上昇検出手段と、前記第１の光量上昇検出手段および前記第２の光量上昇検出手段で前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータと第１の終点判定しきい値、および前記第３の平均傾きデータの値と第２の終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する第２の研磨終了点検出手段および第３の研磨終了点検出手段とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２の研磨終了点検出手段および第３の研磨終了点検出手段は、前記第１の光量上昇検出手段および前記第２の光量上昇検出手段で前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値と終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する手段であることを特徴とする。
【００１５】
そして、それぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、それぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の光源と前記第１の照射手段と前記第２の光源と前記第２の照射手段と前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の代わりに、内部にそれぞれ波長の異なる複数の光源と１つ以上の受光部とを有し、それぞれ波長の異なる複数の光を同一光軸上に第６の検査光として照射し、かつ前記第６の検査光の前記ウェハからの反射光である第６の正反射光を受光して、それぞれの波長ごとにその受光量を測定し、複数の前記受光量信号を出力する多波長測定手段と、該多波長測定手段から照射される複数波長を含む前記第６の検査光を前記ウェハの表面に導き、所定の径と角度で照射する第６の照射手段と、前記ウェハ上で反射された第６の正反射光を前記多波長測定手段へ導く第６の受光手段とを含むことを特徴とする。また、前記第６の照射手段と前記第６受光手段と前記多波長測定手段との代わりに、前記第６の照射手段と前記第６受光手段と前記多波長測定手段とを一体とした第２の多波長測定手段を含むことを特徴とする。更に、前記第６の照射手段と前記第６の受光手段との代わりに、前記第６の照射手段と前記第６の受光手段を一体とした照射・受光手段を含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明による半導体ウェハの研磨終了点検出方法は、所定波長の第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射するステップと、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射するステップと、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力するステップと、前記ウェハ上で反射された第２の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力するステップと、前記ウェハの上面側においてこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するステップと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力するステップと、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセルステップと、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは前記第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定ステップと、前記初期キャンセルステップでの研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定ステップで研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データそれぞれの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値および第２の基準光量値として出力するステップと、前記第１の基準光量値と前記第２の基準光量値との比を算出し、さらにこの比の値を前記第２の平均化データに乗じた値を算出して補正光量データとして出力する光量補正ステップと、前記第１の平均化データと前記補正光量データとの差を算出し光量差データとして出力する光量差算出ステップと、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力するステップと、前記光量差データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する平均傾き算出ステップと、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
そして、前記補正光量データを受けて、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの変化時間のずれを補正するために、前記第１の平均化データが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の前記第１の平均化データの値とその時点前後の補正光量信号の値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出し、算出したずれ時間の分だけ前記補正光量データの時間軸をずらした第２の補正光量データを前記光量差算出ステップに出力する時間軸補正ステップを、前記光量補正ステップと光量差算出ステップとの間に含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明による半導体ウェハの研磨終了点検出方法は、所定波長の第１の検査光を前記ウェハ上に所定の径と角度で照射するステップと、前記第１の検査光とは異なる波長の第２の検査光を前記第１の検査光の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射するステップと、前記ウェハ上で反射された前記第１の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第１の光量信号として出力するステップと、前記ウェハ上で反射された第２の検査光の正反射光軸上においてその正反射光を受光してその光量を測定し第２の光量信号として出力するステップと、前記ウェハの上面側においてこのウェハ上の前記第１の検査光および前記第２の検査光を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアーを吹き付けて研磨液を排除するステップと、前記第１の光量信号および前記第２の光量信号を受けてこれ等第１の光量信号および第２の光量信号を、前記ウェハの回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し離散的に第１の平均化データおよび第２の平均化データとして出力するステップと、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするために、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセルステップと、研磨速度のばらつきによる研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するために、前記第１の平均化データあるいは前記第２の平均化データが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定ステップと、前記初期キャンセルステップでの研磨初期の所定時間の未検知動作後から前記検出開始判定ステップで研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における前記第１の平均化データの最大値あるいは平均値を検出して第１の基準光量値として出力するステップと、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データとの比を算出し光量比データとして出力する光量比算出ステップと、前記第１の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値として出力するステップと、前記光量比データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記光量比データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータとして出力する平均傾き算出ステップと、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする。
【００２０】
そして、前記検査光としてそれぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについてそれぞれ並列に研磨終了点の検出を行うことを特徴とする。
【００２１】
また、前記研磨終了点検出ステップは、前記第１の平均傾きデータの値と前記第１の終点判定しきい値とを比較し、前記第１の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは前記第１の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第１の平均傾きデータの値が前記第１の終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、前記ウェハの研磨が終了したと判定するステップであることを特徴とする。
【００２２】
また、前記光量補正ステップと、前記光量差算出ステップと、前記平均傾き算出ステップと、前記第１の研磨終了点検出ステップとの代わりに、前記第２の基準光量値に所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値として出力する第２のしきい値算出ステップと、前記第１の平均化データと前記第２の平均化データのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った前記第１の平均化データおよび前記第２の平均化データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ第２の平均傾きデータおよび第３の平均傾きデータとして出力するステップと、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことをそれぞれ検出する第１の光量上昇検出ステップおよび第２の光量上昇検出ステップと、前記第１の光量上昇検出ステップおよび前記第２の光量上昇検出ステップで前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータと第１の終点判定しきい値、および前記第３の平均傾きデータの値と第２の終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、前記平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、第１の終点判定しきい値および前記第２の終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれ前記ウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップとを含むことを特徴とする。
【００２３】
そして、前記研磨終了点検出ステップは、前記第１の光量上昇検出ステップおよび前記第２の光量上昇検出ステップで前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が正の値をとったことが検出された後、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値と終点判定しきい値とをそれぞれ比較し、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータのが連続して所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは、前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、または前記第２の平均傾きデータおよび前記第３の平均傾きデータの値が前記終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれウェハの研磨が終了したと判定する研磨終了点検出ステップであることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例につき図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施例による半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、図２に示すような最上層の金属膜３０と下層の絶縁膜２９との間にバリア膜３１といわれる金属膜の金属の拡散を防止するための膜を有する半導体ウエハを対象としており、精度の良い研磨終了点の検出を行うものである。
【００２５】
図２は本発明の研磨対象であるバリア膜を有したウェハ１の一例を示す断面図である。ウェハ１の最上層には、絶縁層２９を覆うように金属層３０が全面に膜付けされており、最上層の金属層３０と下層の絶縁層２９との間に金属層３０の金属の拡散を防止するためのバリア膜３１が形成されている。
【００２６】
図１は本発明の実施例の構成を示す図である。図１を参照すると、本発明の対象とするウェハ研磨終了点検出装置は、研磨定盤２によりウェハ１を水平面内で回転し、研磨液１７を供給しつつポリッシャ４により研磨布３を所定の圧力でウェハ１の被研磨面に接触させ、ポリッシャ４をウェハ１に垂直な軸を中心とした回転とウェハ１に平行に揺動することでウェハ１の研磨を行う研磨装置における研磨終了点の検出をなすものである。なお、この研磨の目的は、金属層３０およびバリア膜３１を、絶縁層２９が露出するまで研磨除去することで金属配線を形成することである。
【００２７】
第１のレーザ光源７から出射された所定波長の第１の検査光６は、反射ミラー等で構成された第１の照射手段８により、全反射角度より十分小さい所定角度でウェハ１上の研磨動作中に露出する所定位置に向けて所定の径で照射される。第２のレーザ光源１０から出射された第１の検査光６とは異なる波長の第２の検査光９は、反射ミラー等で構成された第２の照射手段１１により、全反射角度より十分小さい所定角度で第１の検査光６の照射位置と同一位置に同一径で照射される。次に、第１の検査光６および第２の検査光９はウェハ１上で反射される。
【００２８】
ウェハ１上で反射された第１の正反射光１２および第２の正反射光１４は、それぞれ、各正反射光軸上に配置された第１の受光素子１３および第２の受光素子１５で受光され、その受光量が測定されて第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂとして出力される。
【００２９】
このとき、ウェハ１上には粗密のあるパターンが並んでおり、研磨動作中にウェハ１は回転するので、反射光量はパターンの粗密に依存して変化するため、第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂは周期的な変化を有する信号となる。研磨の進行状態は、この周期的な変化を除去した信号変化に現れるため、第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂそれぞれに対応する第１の平均化手段１９および第２の平均化手段２０により、ウェハ１を保持する研磨定盤２の回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に、例えば１回転間隔毎にそれぞれ平均化され、離散的に１回転毎第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄとして出力される。
【００３０】
バリア膜を有するウェハ１を研磨した際の第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄは、研磨の進行に伴って以下のように変化する。
▲１▼研磨初期には比較的大きな変化が発生する。
▲２▼研磨開始から所定時間経過後、光量は大きく低下を開始する。
▲３▼光量低下開始後は光量が低下していく。光量低下開始後ある一定時間は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄとは、ほぼ同じ光量低下率（単位時間毎の光量低下量）光量が低下していく。
▲４▼光量低下途中から第１の平均化データｃと第２の平均化データｄそれぞれの光量低下率に差が生じ始める。
▲５▼研磨終了点以降、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの光量変化率はほぼ同一になる。
【００３１】
研磨初期の比較的大きな変化は、研磨開始直後の研磨不安定や研磨前の初期状態が一定ではないために発生するもので、第１の平均化手段１９および第２の平均化手段２０で周期的変化を除去しても、研磨の進行とは異なる変化を示し、誤判定の要因となる。そこで、初期キャンセル手段２１と検出開始判定手段２２との併用で、研磨初期における、研磨の進行とは異なる変化による研磨終了点の誤検出を防止する。
【００３２】
初期キャンセル手段２１では、予め設定してある所定時間と現在までの研磨経過時間とを比較して、現在までの研磨経過時間が予め設定してある所定時間以下であれば、第１の動作有効・無効フラグを”無効”にして研磨終了点検出動作を無効にしておき、研磨経過時間が予め設定してある所定時間を越えた時点で第１の動作有効・無効フラグを”有効”にする。
【００３３】
検出開始判定手段２２では、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄのうちの最大値を検出し、検出された最大値と現在の第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄとの差あるいは比を算出して、その差あるいは比が、予め設定してある所定値あるいは所定倍数以下であれば、第２の動作有効・無効フラグを”無効”にして研磨終了点検出動作を無効にしておき、算出した差あるいは比が予め設定してある所定値あるいは所定倍数を越えた時点で第２の動作有効・無効フラグを”有効”にする。
【００３４】
初期キャンセル手段２１と検出開始判定手段２２とは併用し、第１の動作有効・無効フラグと第２の動作有効・無効フラグの少なくともどちらか一方が”無効”であれば研磨終了点検出動作を無効とし、両方ともが”有効”である場合に研磨終了点検出動作を有効とする。
【００３５】
大きな光量低下を開始する時点は、配線になる部分以外の金属層３０が光を透過するほど薄くなり、あるいは一部金属層３０が除去されバリア膜３１が露出して、バリア膜３１の反射率の影響が出始めた時点である。光量低下は金属層３０とバリア膜３１との反射率の違いに起因する。つまり、この光量低下は第１の検査光６と第２の検査光９の波長において金属層３０の反射率の方がバリア膜３１の反射率よりも大きいために発生する。
【００３６】
光量低下開始後は光量が低下していくが、このとき途中までは第１の平均化データｃと第２の平均化データｄはほぼ同じ光量低下率で光量が低下していき、途中からどちらかの平均化データ、例えば第１の平均化データｃの方の光量低下が大きくなる。光量低下に差が生じるのは、バリア膜３１除去後の下層構造での反射率が第１の検査光６と第２の検査光９で異なるため、例えば第１の検査光６の反射率の方が第２の検査光９の反射率よりも低いためである。
【００３７】
さらに研磨が進むと、バリア膜３１は薄くなって光を透過し始めて下層の影響が出始め、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率に差が生じ、研磨終了時点以後は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差がほぼ一定になる。これは、研磨の進行に伴って金属層３０からバリア膜３１そしてバリア膜３１除去後の下層構造と表面が変化していき、下層構造が露出すると表面が変化しなくなって光量変化がなくなるためである。厳密には、下層構造の膜厚の変化により光の干渉状態が変化して若干は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄが変化するが、変化の速度が上記の変化に比べて遅く、一定になることを判断する時間の長さで区別ができる。
【００３８】
従って、研磨終了点を検出するためには、研磨終了点に向けて第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率の差が変化し、研磨終了点以降、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差がほぼ一定になる時点を検出すればよい。そこで、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差を算出し、この差がほぼ一定になることを検出して研磨終了点とする。
【００３９】
まず、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差を算出するにあたり、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの計測条件の違いを修正して変化量の基準をあわせる。この基準としては全面が金属層３０で覆われているときの測定値を使用し、第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３で、初期キャンセル手段２１での研磨初期の所定時間の未検知動作後から検出開始判定手段２２で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における、第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄそれぞれの最大値あるいは平均値を検出して、第１の基準光量値ｅおよび第２の基準光量値ｆとして出力する。光量補正手段２４では、この第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３から出力された第１の基準光量値ｅと第２の基準光量値ｆの比を算出し、第２の平均化データｄに算出した比の値を乗じたものを補正光量データｇとして出力する。
【００４０】
次に、光量差算出手段２５で第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差を算出して光量差データｈとして出力し、この光量差データｈを用いて研磨終了点を検出する。研磨終了点では、光量差データｈがほぼ一定になったことを検出すればよい。このためには、光量差データｈの微分値を算出し微分値が０近傍になったことを検出する。
【００４１】
ただし、光量差データｈは微小な変動を有しているため、微分値には複数測定点を用いた平均的な値を使用する。すなわち、第１の平均傾き算出手段２７で、光量差算出手段２５から出力された光量差データｈのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータｊとして出力し、第１の研磨終了点検出手段２８で、第１の平均傾きデータｊの値と第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第１の平均傾きデータｊの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、あるいは第１の平均傾きデータの値が、平均傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、または第１の平均傾きデータｊの値が第１の終点判定しきい値ｉ以上になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する。
【００４２】
なお、バリア膜３１が除去された後の反射率はバリア膜３１除去後の下地膜である絶縁層２９での干渉によって決まるため、対象とするウェハ１の種類によっては、２つの検査光だけでは、偶然にバリア膜３１での反射率とともに絶縁層２９での干渉の結果の反射率も一致して研磨終了点の検出ができないこともあり得る。この場合、それぞれ波長の異なる３つ以上の検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについてそれぞれ並列に研磨終了点の検出動作を行うことで、ウェハ１の研磨終了点の検出ができる。検査光の波長を３つ以上にすることによって、膜厚が異なる複数種類のウェハ１を研磨する場合でも、３つ以上の検査光のうちの２つからなる別々の組み合わせのいずれかの組み合わせで平均化データの低下率の差が発生し、いずれかの組み合わせにおいて研磨終了点が検出される。
【００４３】
また、第１の検査光６と第２の検査光９との照射位置および照射径にずれがあり、かつウエハ１の半径方向に研磨速度のムラがあると、第１の平均化データｃの変化と第２の平均化データｄの変化との間に時間的なずれが生じる。これは、第１の検査光６と第２の検査光９との照射位置および照射径のずれとウエハ１の半径方向の研磨ムラがあることにより、照射部分で第１の検査光６と第２の検査光９が重ならない部分の反射率の影響が入るためである。
【００４４】
このような場合には、光量差算出手段２５で第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差をそのまま算出したのでは、ウェハ１表面の変化に起因した正しい光量差データが得られないため、第１の平均化データｃの変化と第２の平均化データｄの変化の時間方向のずれを補正する。
【００４５】
具体的には、第１の平均化データｃが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の第１の平均化データｃの値と、その時点前後の補正光量データｇの値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出して、補正光量データｇの時間軸を算出したずれ時間の分だけずらした第２の補正光量データｋを算出する。以降は、補正光量データｇの代わりに第２の補正光量データｋを使用して、上記と同様の動作で研磨終了点の検出を行う。
【００４６】
また、第１の検査光６あるいは第２の検査光９の波長において、バリア膜３１の種類および研磨終了時点で露出する下層の構造によっては、バリア膜３１の反射率と研磨終了時点での下層構造が露出した場合の反射率とで、バリア膜３１の反射率の方が小さいことがある。この場合、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄは、大きな信号低下の後、バリア膜３１が露出しバリア膜３１の下層構造の影響が現れる時点で一旦上昇し、研磨終点以降はほぼ一定あるいは再び低下するような変化を示す。
【００４７】
このような場合には、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄの微分値を算出し、その符号が一旦”正”になった後、０近傍の値になる点を研磨終了点として検出する。このとき、検査光の数は特に２本には限定されない。下層構造の反射率は絶縁層２９での干渉により変化することから、絶縁層２９の膜厚によっては、検査光の波長が２つだけではどちらの検査光でも検出可能な信号変化が得られないこともあり得る。
【００４８】
このような場合には、それぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、それぞれで並列に研磨終了点の検出を行うことで、いずれかの検査光で研磨終了点が検出できる。対象とするウェハ１の絶縁層２９の膜厚が限定されており、バリア膜３１の反射率の方が研磨終了時点での下層構造が露出した場合の反射率より低い場合には検査光は１本でもよい。
【００４９】
図１の本発明の第１の実施例を示す構成図を参照して、より詳述する。図１に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、研磨対象であるウェハ１の下面にあってウェハ１を保持し、ウェハ１を水平面内で回転させる研磨定盤２と、ウェハ１の研磨面である上面側にあってウェハ１に接触する研磨布３を有し、研磨布３を所定の圧力でウェハ１に接触させながらウェハ１に垂直な軸を中心とした回転とウェハ１に対し平行に揺動を行うことでウェハ１の被研磨面の研磨を行うポリッシャ４とで構成される半導体ウェハ研磨装置５を前提としている。
【００５０】
この装置５には、更に所定波長の第１の検査光６の発光源としての第１のレーザ光源７と、第１のレーザ光源７から出射された第１の検査光６をウェハ１上に所定の径と角度で照射する第１の照射手段８と、第１の検査光６とは異なる波長の第２の検査光９の発光源としての第２のレーザ光源１０と、第２のレーザ光源１０から出射された第２の検査光９を第１の検査光６の照射位置と同一位置に同一径で所定角度で照射する第２の照射手段１１と、ウェハ１上で反射された第１の検査光６の正反射光軸上にあって、第１の正反射光１２を受光してその光量を測定し第１の光量信号ａとして出力する第１の受光素子１３と、ウェハ１上で反射された第２の検査光９の正反射光軸上にあって、第２の正反射光１４を受光してその光量を測定し第２の光量信号ｂとして出力する第２の受光素子１５とが設けられている。
【００５１】
また、ウェハ１の被研磨面である上面側にあって、ウェハ１上の第１の検査光６および第２の検査光９を照射する位置に向けて所定の圧力と流量でエアー１６を吹き付けることで第１の検査光６および第２の検査光９の照射領域から反射光量変化検出に問題ない程度まで研磨液１７を排除するエアノズル１８と、第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂを受けて、第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂを、それぞれウェハ１を保持する研磨定盤２の回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に平均化し、離散的に第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄとして出力する第１の平均化手段１９および第２の平均化手段２０とが設けられている。
【００５２】
更に、研磨開始直後の研磨不安定に起因する信号変化および研磨前の初期状態が異なることによる研磨開始初期の研磨が安定する前の信号変化を検知しないようにするため、研磨開始から所定時間経過するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく初期キャンセル手段２１と、研磨速度のばらつきによる、研磨初期の信号変動期間のばらつきに対応するため、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄの研磨の進行に伴う大きな変化、例えば、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄが所定値あるいは所定倍数変化するまでは以降の研磨終了点検出動作を無効にしておく検出開始判定手段２２とが設けられている。
【００５３】
更にはまた、初期キャンセル手段２１での研磨初期の所定時間の未検知動作後から検出開始判定手段２２で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における、第１の平均化データｃよび第２の平均化データｄそれぞれの最大値あるいは平均値を検出し、第１の基準光量値ｅおよび第２の基準光量値ｆとして出力する第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３と、第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３から出力された第１の基準光量値ｅと第２の基準光量値ｆの比を算出し、さらに、この比の値を第２の平均化データｄに乗じた値を算出して補正光量データｇとして出力する光量補正手段２４と、第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差を算出し、光量差データｈとして出力する光量差算出手段２５とが設けられいる。
【００５４】
また、第１の基準光量値ｅに所定値を乗じた値を研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値ｉとして出力する第１のしきい値算出手段２６と、光量差算出手段２５から出力された光量差データｈのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、第１の平均傾きデータｊとして出力する第１の平均傾き算出手段２７と、第１の平均傾きデータｊの値と第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第１の平均傾きデータｊの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、あるいは第１の平均傾きデータの値が、平均傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、または第１の平均傾きデータｊの値が第１の終点判定しきい値ｉ以上になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する第１の研磨終了点検出手段２８とが設けられている。
【００５５】
図２は本発明の研磨対象であるバリア膜を有したウェハ１の一例を示す断面図である。ウェハ１の最上層には絶縁層２９を覆うように金属層３０が全面に膜付けされており、最上層の金属層３０と下層の絶縁層２９との間に金属層３０の金属の拡散を防止するためのバリア膜３１が形成されている。
【００５６】
研磨装置５は金属層３０を絶縁層２９が露出するまで研磨することで金属配線を形成する。ウェハ１の研磨は、研磨定盤２によりウェハ１を水平面内で回転させ、研磨液１７を供給しつつポリッシャ４により研磨布３を所定の圧力でウェハ１の被研磨面に接触させ、ポリッシャ４がウェハ１に垂直な軸を中心とした回転とウェハ１に平行に揺動を行うことで行われる。この研磨動作においては、研磨の進行状態を把握し、適切な研磨状態にて研磨を終了させる必要がある。研磨が十分行われていない場合には表面に金属層３０が残り配線層間の短絡が発生してしまい、研磨が過度になると、形成された配線層の断面積不足や、絶縁層２９と金属層３０との研磨速度の違いによる研磨表面の段差が発生してしまうからである。
【００５７】
本発明の第１の実施例の動作を以下に説明する。まず、第１のレーザ光源７から出射された所定波長の第１の検査光６は、反射ミラー等で構成された第１の照射手段８により、全反射角度より十分小さい所定角度でウェハ１上の研磨動作中に露出する所定位置に向けて所定の径で照射される。第２のレーザ光源１０から出射された第１の検査光６とは異なる波長の第２の検査光９は、反射ミラー等で構成された第２の照射手段１１により、全反射角度より十分小さい所定角度で第１の検査光６の照射位置と同一位置に同一径で照射される。このとき、第１の検査光６の波長と第２の検査光９の波長は、金属層３０に対する反射率の方がバリア膜３１に対する反射率より高くなるように選ぶ。
【００５８】
次に、第１の検査光６および第２の検査光９はウェハ１上で反射される。ウェハ１上で反射された第１の正反射光１２および第２の正反射光１４は、それぞれ、各正反射光軸上に配置された第１の受光素子１３および第２の受光素子１５で受光され、その受光量が測定されて第１の光量信号ａおよび第２の光信号ｂとして出力される。
【００５９】
なお、研磨液１７が第１の検査光６および第２の検査光９のウェハ１への照射を阻害しないように、研磨液１７はエアノズル１８でエアー１６を吹き付け、第１の正反射光１２および第２の正反射光１４のビーム形状がウェハ１上の研磨液１７の液膜の表面のゆらぎにより計測に影響を与えるほど変動しない程度に排除しておく。また、第１の受光素子１３および第２の受光素子１５は、フォトダイオードや光電子増倍管などの光を電気信号に変換するものであればよい。
【００６０】
ウェハ１上には粗密のあるパターンが並んでおり、研磨動作中にウェハ１は回転するので、反射光量はパターンの粗密に依存して変化するため、第１の光量信号ａおよび第２の光量信号ｂは周期的な変化を有する信号となる。研磨の進行状態は、この周期的な変化を除去した大きな信号変化に現れるため、第１の平均化手段１９および第２の平均化手段２０により、ウェハ１を保持する研磨定盤２の回転周期の整数倍に同期した周期の時間毎に、例えば１回転間隔毎にそれぞれ平均化され、離散的に１回転毎第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄとして出力される。
【００６１】
図３は図２に示したバリア膜を有するウェハ１を研磨した際の、第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄの研磨の進行に伴う変化の一例を示すグラフである。また、図４は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの光量低下率の違いが分かりやすいように、光量が大きく低下する前の値が２つのデータで一致するように補正を行ったグラフである。
【００６２】
第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄは、研磨の進行に伴って以下のように変化する。
▲１▼研磨初期には比較的大きな変化が発生する。
▲２▼研磨開始から所定時間経過後、光量は大きく低下を開始する。
▲３▼光量低下開始後は光量が低下していく。光量低下開始後ある一定時間は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄはほぼ同じ光量低下率（単位時間毎の光量低下量）で光量が低下していく。
▲４▼光量低下途中から第１の平均化データｃと第２の平均化データｄそれぞれの光量低下率に差が生じ始める。
▲５▼研磨終了点以降、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの光量変化率はほぼ同一になる。
【００６３】
研磨初期の比較的大きな変化は、研磨開始直後の研磨不安定や研磨前の初期状態が一定ではないために発生するもので、第１の平均化手段１９および第２の平均化手段２０で周期的変化を除去しても、研磨の進行とは異なる変化を示し、誤判定の要因となる。そこで、初期キャンセル手段２１と検出開始判定手段２２との併用で、研磨初期における、研磨の進行とは異なる変化による研磨終了点の誤検出を防止する。
【００６４】
初期キャンセル手段２１では、あらかじめ設定してある所定時間と現在までの研磨経過時間とを比較して、現在までの研磨経過時間があらかじめ設定してある所定時間以下であれば、第１の動作有効・無効フラグを”無効”にして研磨終了点検出動作を無効にしておき、研磨経過時間があらかじめ設定してある所定時間を越えた時点で第１の動作有効・無効フラグを”有効”にする。
【００６５】
検出開始判定手段２２では、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄのうちの最大値を検出し、検出された最大値と現在の第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄとの差あるいは比を算出して、その差あるいは比が、あらかじめ設定してある所定値あるいは所定倍数以下であれば、第２の動作有効・無効フラグを”無効”にして研磨終了点検出動作を無効にしておき、算出した差あるいは比があらかじめ設定してある所定値あるいは所定倍数を越えた時点で第２の動作有効・無効フラグを”有効”にする。
【００６６】
初期キャンセル手段２１と検出開始判定手段２２とは併用し、第１の動作有効・無効フラグと第２の動作有効・無効フラグの少なくともどちらか一方が”無効”であれば研磨終了点検出動作を無効とし、両方ともが”有効”である場合に研磨終了点検出動作を有効とする。
【００６７】
研磨初期の信号変化は、研磨の最初期においては変化が大きく徐々に変化は小さくなっていく。また、研磨速度はウェハ毎にばらつく。このとき、初期キャンセル手段２１だけで誤判定を防止しようとした場合、初期キャンセル手段２１は所定時間だけ判定動作をしないようにしているので、研磨速度にばらつきがある場合には、研磨終了までの時間がばらつくため研磨終了点の誤検出が発生する。例えば、研磨終了までの時間が早いと研磨終了点検出動作開始前に研磨が終了してしまう。逆に、研磨終了までの時間が遅いと研磨初期の研磨の進行とは異なる信号変化があるうちに研磨終了点検出動作を開始していまい誤判定する。また、検出開始判定手段２２だけで誤判定を防止しようとした場合、検出開始判定手段２２は信号が大きく変化したことを検出して研磨終了点検出動作を開始する手段のため、研磨の最初期の大きな変化を研磨終了点として誤検出してしまう。
【００６８】
従って、初期キャンセル手段２１と検出開始判定手段２２とは併用し、まず、研磨最初期の大きな信号変化を越える時間分だけ初期キャンセル手段２１で誤判定の防止を行い、その後の小さな信号変化での誤判定の防止を検出開始判定手段２２により行う。
【００６９】
大きな光量低下を開始する時点は、配線になる部分以外の金属層３０が光を透過するほど薄くなり、あるいは一部金属層３０が除去されバリア膜３１が露出して、バリア膜３１の反射率の影響が出始めた時点である。光量低下は金属層３０とバリア膜３１との反射率の違いに起因する。つまり、この光量低下は第１の検査光６と第２の検査光９の波長において金属層３０の反射率の方がバリア膜３１の反射率よりも大きいために発生する。
【００７０】
光量低下開始後は光量が低下していくが、このとき途中までは第１の平均化データｃと第２の平均化データｄはほぼ同じ光量低下率で光量が低下していき、途中からどちらかの平均化データ、例えば第１の平均化データｃの方の光量低下が大きくなる。光量低下に差が生じるのは、バリア膜３１除去後の下層構造での反射率が、第１の検査光６と第２の検査光９のうち、例えば第１の検査光６の反射率の方が第２の検査光９の反射率よりも低いためである。
【００７１】
さらに研磨が進むと、バリア膜３１は薄くなって光を透過し始めて下層の影響が出始め、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率に差が生じ、研磨終了時点以後は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差がほぼ一定になる。これは、研磨の進行に伴って金属層３０からバリア膜３１そしてバリア膜３１除去後の下層構造と表面が変化していき、下層構造が露出すると表面が変化しなくなって光量変化がなくなるためである。
【００７２】
厳密には、下層構造の膜厚の変化により光の干渉状態が変化して若干は第１の平均化データｃと第２の平均化データｄが変化するが、変化の速度が上記の変化に比べて遅く、一定になることを判断する時間の長さで区別ができる。
【００７３】
従って、研磨終了点を検出するためには、研磨終了点に向けて第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率の差が変化し、研磨終了点以降、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差がほぼ一定になる時点を検出すればよい。そこで、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差を算出し、この差がほぼ一定になることを検出して研磨終了点とする。
【００７４】
なお、バリア膜３１が除去された後の反射率は絶縁層２９での干渉によって決まる。よって、第１の検査光６の波長と第２の検査光９の波長は、上述したように金属層３０に対する反射率の方がバリア膜３１に対する反射率より高くなるように選ぶが、さらに、バリア膜３１が除去された後の絶縁層２９での干渉による反射率も考慮して、第１の検査光６の波長における金属膜３０での反射率と絶縁層２９での干渉による反射率との比と、第２の検査光９の波長における金属膜３０での反射率と絶縁層２９での干渉による反射率との比との差が大きくなるように、すなわち、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差が大きくなるように、第１の検査光６の波長と第２の検査光９の波長を選定する。
【００７５】
第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差を算出するにあたり、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの計測条件の違いを修正し、変化量の基準をあわせる。この基準としては、全面が金属層３０で覆われているときの測定値を使用する。
【００７６】
まず、第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３で、初期キャンセル手段２１での研磨初期の所定時間の未検知動作後から、検出開始判定手段２２で研磨終了点の検出動作開始が判定されるまでの間における、第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄそれぞれの最大値あるいは平均値を検出し、第１の基準光量値ｅおよび第２の基準光量値ｆとして出力する。次に、光量補正手段２４で、第１の基準光量検出手段２３および第２の基準光量検出手段３３から出力された第１の基準光量値ｅと第２の基準光量値ｆの比を算出し、第２の平均化データｄに算出した比の値を乗じたものを補正光量データｇとして出力する。
【００７７】
次に、光量差算出手段２５で、第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差を算出して光量差データｈとして出力し、この光量差データｈを用いて、研磨終了点を検出する。研磨終了点では、光量差データｈがほぼ一定になったことを検出すればよい。このためには、光量差データｈの微分値を算出し、微分値が０近傍になったことを検出する。
【００７８】
ただし、光量差データｈは微小な変動を有しているため、微分値には、複数測定点を用いた平均的な値を使用する。すなわち、第１の平均傾き算出手段２７で、光量差算出手段２５から出力された光量差データｈのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出して第１の平均傾きデータｊとして出力し、第１の研磨終了点検出手段２８で、第１の平均傾きデータｊの値と第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第１の平均傾きデータｊの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、あるいは第１の平均傾きデータの値が、平均傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、または第１の平均傾きデータｊの値が第１の終点判定しきい値ｉ以上になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する。
【００７９】
研磨終了点検出のための第１の終点判定しきい値ｉは、第１のしきい値算出手段２６で、第１の基準光量値ｅに所定値を乗じて算出しておく。これは、第１の終点判定しきい値ｉを第１の基準光量値ｅの関数とすることで、光源光量等の変動を吸収して判定基準を一定にするためである。
【００８０】
検査光にレーザ光を用いているのは以下の理由による。ウェハ１の研磨時にはポリッシャ４が回転し、その遠心力によって研磨液１７を周囲に飛散させている。研磨液１７が光源の発光面や受光素子の受光面に付着すると検査光の一部が遮られ検出精度が劣化してしまうため、光源や受光素子はウェハ１にあまり近づけられない。また、エアー１６の吹き付けにより研磨液１７を排除する際にウェハ１の表面に研磨液１７が全く残らないように完全に排除してしまうと、研磨液１７中の研磨粒子がウェハ１表面に固着してスクラッチ等を発生させるため、研磨液１７の排除は液膜がある程度残る状態にしておく。すると、ウェハ１上に残った液膜によりウェハ１からの反射光には多少のゆらぎが発生するため、受光素子の受光面の大きさは、ゆらぎも含めて、ウェハ１からの反射光がはみ出ない大きさにしておく必要がある。
【００８１】
従って、光源や受光素子をウェハ１からある程度離しておく必要があること、および、距離を離した場合、拡散する光ではウェハ１からの反射光の全てを受光することはできず、研磨液１７の液膜によるゆらぎで受光量の変動が発生してしまうことから、光源としては光を拡散させることなしに遠距離まで検査光を到達させることができるレーザ光源が最良である。上記の実施例においては波長の異なる２つの検査光を用いたが、検査光の数は特に２つには限定されない。
【００８２】
バリア膜３１が除去された後の反射率はバリア膜３１除去後の下地膜である絶縁層２９での干渉によって決まるため、絶縁層２９の膜厚が異なる複数種類のウェハ１を研磨する場合、上記の実施例では偶然にバリア膜３１での反射率とともに絶縁層２９での干渉の結果の反射率も一致し、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率に差が発生せず、従って研磨終了点の検出ができないこともあり得る。このような場合、それぞれ波長の異なる３つの検査光を使用し、そのうちの２つからなる別々の３つの組み合わせ（３つの検査光をＡ〜Ｃとすると、ＡとＢの組み合わせ、ＢとＣの組み合わせ、ＡとＣの組み合わせの３つ）について、上記と同様の動作でそれぞれ並列に研磨終了点の検出を行えばよい。
【００８３】
検査光の波長を３つにすることによって、膜厚が異なる複数種類のウェハ１を研磨する場合でも、３つの検査光のうちの２つからなる別々の３つの組み合わせのいずれかの組み合わせで平均化データの低下率の差が発生し、いずれかの組み合わせにおいて研磨終了点が検出される。
【００８４】
検査光の波長を３つにしても理論的には平均化データの低下率の差が発生しないこともあり得るが、波長を３つにしたことで、どの組み合わせでも低下率の差が発生しないような反射率になる膜厚の範囲は非常に狭くなるため、実用上は波長が異なる３つの検査光で十分である。但し、当然のことながら、検査光の波長を４つ以上とし、そのうちの２つからなる別々の組み合わせについて、それぞれ並列に研磨終了点の検出動作を行ってもかまわない。
【００８５】
対象とするウェハ１の絶縁層２９の膜厚の種類は無限にあるわけではなく、実際に製造されるウェハ１では離散的に何種類かが用いられるだけなので、絶縁層２９の膜厚の種類や膜厚の範囲が波長の異なる２つの検査光で十分に終点検出が可能なことが分かっている場合であれば、装置を小型で安価なものにできるため、上記の実施例のように検査光は２つとして構成を簡単にした方がよい。
【００８６】
なお、２つ以上の複数の波長のレーザ光を用い、各波長毎の反射光を分離測定するには、上記の実施例のようにそれぞれ別々の光軸にする他、同軸で照射して受光側で波長選択フィルタ、波長選択ミラー、回折格子等の分光手段により分離することもでき、この場合、多波長を発振するマルチラインレーザを使用することができる。
【００８７】
上述した第１の平均化手段１９〜第１の研磨終了点検出手段２８までの各手段は、コンピュータを用いてソフトウエアにて実現することができ、また、アナログ回路やリレー回路等を用いたハードウエア回路として、あるいはソフトウエアとハードウエア回路を組み合わせて実現することができる。
【００８８】
図５は本発明の第２の実施例を示す構成図であり、図１と同等部分は同一符号にて示している。図５に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、図１に示した第１の実施例の光量補正手段２４と光量差算出手段２５との間に、光量補正手段２４から出力された補正光量データｇを受けて、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの変化時間のずれを補正するため、第１の平均化データｃが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の第１の平均化データｃの値と、その時点前後の補正光量信号の値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出して、補正光量データｇの時間軸を算出したずれ時間のぶんだけずらした第２の補正光量データｋを光量差算出手段２５に出力する時間軸補正手段３２を追加して構成される。
【００８９】
第１の実施例では、光量差算出手段２５で第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差を算出したのに対して、この第２の実施例では、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの変化時間のずれを補正するため、光量補正手段２４と光量差算出手段２５との間に時間軸補正手段３２を追加し、光量差算出手段２５で第１の平均化データｃと時間軸方向にも補正した第２の補正光量データｋとの差を算出することを特徴とする。従って、時間軸補正手段３２以外は、構成、動作とも第１の実施例と同一であるため、以下には、時間軸補正手段３２での動作のみ説明する。
【００９０】
本第２の実施例は、第１の検査光６と第２の検査光９との照射位置および照射径にずれがあり、かつ、ウエハ１の半径方向に研磨速度のムラがあるために、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの変化の間に時間方向のずれが生じる場合に適用するものである。
【００９１】
第１の検査光６と第２の検査光９との照射位置および照射径は完全には一致しない。この照射位置および照射径にずれがあると、第１の受光素子および第２の受光素子ではウェハ１上のそれぞれ別の領域からの反射光を測定することになる。このとき、ウエハ１の半径方向に研磨速度のムラがある場合、第１の平均化データｃの変化と第２の平均化データｄの変化に時間方向のずれが生じる。
【００９２】
そのため、光量差算出手段２５で第１の平均化データｃと補正光量データｇとの差をそのまま算出したのでは、ウェハ１表面の変化に起因した正しい光量差データが得られない。そこで、時間軸補正手段３２で、第１の検査光６と第２の検査光９との照射位置および照射径のずれとウエハ１の半径方向の研磨ムラによる第１の平均化データｃの変化と第２の平均化データｄの変化の時間方向のずれを補正する。
【００９３】
具体的には、第１の平均化データｃが最大値から所定割合あるいは所定量低下した時点の第１の平均化データｃの値と、その時点前後の補正光量データｇの値とを比較して差が最小になる時点を検出し、その２点間の時間差をずれ時間として算出して、補正光量データｇの時間軸を算出したずれ時間のぶんだけずらした第２の補正光量データｋを出力する。以降は、第１の実施例における補正光量データｇの代わりに第２の補正光量データｋを使用して、第１の実施例と同様の動作で研磨終了点の検出を行う。
【００９４】
図６は本発明の第３の実施例を示す構成図であり、図１と同等部分は同一符号にて示している。図６に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、図１に示した第１の実施例における光量補正手段２４と、光量差算出手段２５と、第１の平均傾き算出手段２７と、第１の研磨終了点検出手段２８との代わりに、第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍとして出力する第２の平均傾き算出手段３４および第３の平均傾き算出手段３５と、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍをそれぞれ受けて、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値がそれぞれ正の値をとったことを検出する第１の光量上昇検出手段３６および第２の光量上昇検出手段３７と、第２の基準光量検出手段３３から出力された第２の基準光量値ｆに所定値を乗じた値を第２の検査光９側での研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値ｎとして出力する第２のしきい値算出手段４０と、第１の光量上昇検出手段３６および第２の光量上昇検出手段３７で第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が正の値をとったことが検出された後、第２の平均傾きデータｌの値と第１の終点判定しきい値ｉ、および第３の平均傾きデータｍの値と第２の終点判定しきい値ｎとをそれぞれ比較し、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が、連続して所定回数以上終点判定しきい値以上の値になった場合、あるいは第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以上の値になった場合、または第２の平均傾きデータおよび第３の平均傾きデータの値が終点判定しきい値以上になる割合が所定割合以上になった場合に、それぞれウェハ１の研磨が終了したとそれぞれ判定する第２の研磨終了点検出手段３８および第３の研磨終了点検出手段３９とを含んで構成される。
【００９５】
第１の実施例が、研磨終了点に向けて第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの低下率の差が変化し、研磨終了点以降、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの差がほぼ一定になることに基づいて研磨終了点の検出を行ったのに対して、本第３の実施例は、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄが、研磨終了点の手前で一旦増加した後、研磨終了点以降はほぼ一定あるいは低下することに基づいて研磨終了点の検出を行うものである。
【００９６】
従って、第２の平均傾き算出手段３３および第３の平均傾き算出手段３４以降の研磨終了点検出動作以外は第１の実施例と同一であるため、以下には、第２の平均傾き算出手段３３および第３の平均傾き算出手段３４以降の動作のみ説明する。
【００９７】
第１の検査光６あるいは第２の検査光９の波長において、バリア膜３１の種類および研磨終了時点で露出する下層の構造によっては、バリア膜３１の反射率と研磨終了時点での下層構造が露出した場合の反射率とで、バリア膜３１の反射率の方が小さいことがある。第１の実施例で既に示した図３のグラフのうち、第２の平均化データｄがこれに相当する。この場合、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄは大きな信号低下の後、バリア膜３１が露出してバリア膜３１の下層構造の影響が現れる時点で一旦上昇し、研磨終点以降はほぼ一定あるいは再び低下するような変化を示す。
【００９８】
そこで、第１の平均化データｃあるいは第２の平均化データｄの微分値を算出し、その符号が一旦”正”になった後、０近傍の値になる点を研磨終了点として検出する。しかし、光量信号は微小な変動を含んでいるため、第１の実施例と同様に、微分値としては過去の値を含んだ平均的な傾斜を用いる。
【００９９】
まず、第２の平均傾き算出手段３３および第３の平均傾き算出手段３４で、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量差データの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それぞれ、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍとして出力する。
【０１００】
次に、第１の光量上昇検出手段３６および第２の光量上昇検出手段３７で、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が正の値をとったことをそれぞれ検出する。
【０１０１】
また、第２の検査光９側での研磨終了点を判定するためのしきい値として、第１の検査光６側と同様にして、第２のしきい値算出手段４０で、第２の基準光量検出手段３３から出力された第２の基準光量値ｆに所定値を乗じた値を第２の検査光９側での研磨終了点検出のための第２の終点判定しきい値ｎとして出力する。
【０１０２】
最後に、第２の研磨終了点検出手段３８および第３の研磨終了点検出手段３９で、第２の平均傾きデータｌの値と第１の終点判定しきい値ｉ、および第３の平均傾きデータｍの値と第２の終点判定しきい値ｎとをそれぞれ比較し、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が、連続して所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、あるいは第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上終点判定しきい値以下の値になった場合、または、第２の平均傾きデータｌおよび第３の平均傾きデータｍの値が、終点判定しきい値以下になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したとそれぞれ判定する。
【０１０３】
第１の検査光６側で得られる第１の平均化データｃと第２の検査光９側で得られる第２の平均化データｄの２つのうち、どちらのデータが本第３の実施例が適用可能な変化を示すのかは、第１の検査光６あるいは第２の検査光９の波長と、その波長におけるバリア膜３１の反射率と研磨終了時点での下層構造が露出した場合の反射率とによって決まり、下層構造の反射率は絶縁膜２９での干渉により変化する。そこで、本第３の実施例では、第１の検査光６側と第２の検査光９側の両方について並列に研磨終了点検出を行い、どちらかで研磨終了点が検出できるようにしている。
【０１０４】
この検査光の数は特に２本には限定されない。下層構造の反射率は絶縁層２９での干渉により変化することから、絶縁層２９の膜厚によっては、検査光の波長が２種類だけではどちらの検査光でも本第３の実施例が適用できるような信号変化が得られないこともあり得る。このような場合、それぞれ波長の異なる３本以上の検査光を使用し、それぞれで並列に研磨終了点の検出を行うことで、いずれかの検査光で研磨終了点が検出できる。対象とするウェハ１の絶縁層２９の膜厚が限定されており、バリア膜３１の反射率の方が研磨終了時点での下層構造が露出した場合の反射率より低い場合には検査光は１本でもよい。
【０１０５】
本第３の実施例と上述した第１の実施例あるいは第２の実施例は併用可能である。
【０１０６】
図７は本発明の第４の実施例を示す構成図であり、図１と同等部分は同一符号にて示している。図７に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、図１に示した第１の実施例から第２の基準光量検出手段３３と光量補正手段２４を無くし、かつ光量差算出手段２５と第１の平均傾き算出手段２７と第１の研磨終了点算出手段２８の代わりに、第１の平均化データｃ及び第２の平均化データｄを受けて、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの比を算出して光量比データｐとして出力する光量比算出手段６０と、光量比データｐを受けて、光量比データｐのうち現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量比データｐの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、第５の平均傾きデータｑとして出力する第５の平均傾き算出手段６１と、第５の平均傾きデータｑと第１の終点判定しきい値ｉを受けて、第５の平均傾きデータｑの値と第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第５の平均傾きデータｑの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、あるいは第５の平均傾きデータｑの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、または、第５の平均傾きデータｑの値が第１の終点判定しきい値ｉ以上になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する第５の研磨終了点検出手段６２とを含んで構成される。
【０１０７】
第１の実施例が第１の平均化データｃと第２の平均化データｄを補正した補正光量データｇの差である光量差データｈを用いて研磨終了点の検出を行うのに対して、本第４の実施例では第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの比である光量比データｐを用いて研磨終了点の検出を行うことを特徴とする。
【０１０８】
従って光量比算出手段６０以降の研磨終了点検出動作以外は第１の実施例と同一であるため、以下には、光量比算出手段５０以降の動作のみ説明する。
【０１０９】
本第４の実施例は、特に、図２に示した構造のウェハを研磨する際に、バリア膜３１が露出した時点で研磨を一旦終了し、その後研磨液を代えて研磨を行う２ステップ研磨プロセスに適用し得る。
【０１１０】
図８は図２に示したバリア膜３１を有するウェハ１の研磨において、バリア膜３１が露出した時点で研磨終了とするプロセスにおける、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄと光量比データｐの研磨の進行に伴う変化の一例を示すグラフである。
【０１１１】
この時、金属層３０での反射率とバリア膜３１での反射率の比は、第１の検査光６の波長における比の方が第２の検査光９の波長における比よりも大きい。つまり、金属層３０が研磨されてバリア膜３１が露出する際の光量信号の変化は、第１の検査光６の信号である第１の平均化データｃの方が第２の検査光９の信号である第２の平均化データｄよりも大きい。
【０１１２】
第１の平均化データｃおよび第２の平均化データｄは、第１の実施例で説明したように、研磨が進行して反射率が高い金属層３０が光を透過するほど薄くなり、あるいは一部金属層３０が除去されて反射率が低いバリア膜３１の反射率の影響が出始めた時点から光量が減少し始める。さらに研磨が進行すると、光量はさらに減少し、バリア膜３１が完全に露出し終わって研磨が終了しても光量は減少し続ける。これは、形成された配線部分にディッシングやエロージョン等が生じ、ウェハ１の表面が平面でなくなっていくことで、正反射成分が減少していくことや、バリア膜３１が研磨され続けて薄くなり、絶縁膜２９の反射率の影響が強くなることが原因である。従って単一波長の光量変化のみで研磨終了点を検出することはできない。
【０１１３】
このディッシングやエロージョンによる正反射成分の減少と、バリア膜３１が研磨されつづけて薄くなって行く際の絶縁層２９の反射率の影響は、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの両方共にほぼ等しく影響するため、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの比を算出することで、これらの影響をキャンセルすることができる。
【０１１４】
従って、第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの比である光量比データｐは、金属層３０とバリア膜３１における、第１の検査光６の波長の反射率と、第２の検査光９の波長の反射率の比だけで、その変化のしかたが決まることになる。
【０１１５】
この時、金属層３０での反射率とバリア膜３１での反射率の比は、第１の検査光６の波長における比の方が第２の検査光９の波長における比よりも大きい。つまり、金属層３０が研磨されてバリア膜３１が露出する際の光量信号の変化は、第１の検査光６の信号である第１の平均化データｃの方が第２の検査光９の信号である第２の平均化データｄよりも大きいことから、光量比データｐは、バリア膜３１の露出が始まると減少し、バリア膜３１が完全に露出した時点で一定になる。
【０１１６】
そこで、本第４の実施例では、光量比データｐの微分値を算出し、その符号が一旦“負”になった後、０近傍の値になる点を研磨終了点として検出する。しかし、光量信号は微小な変動を含んでいるため、第１の実施例と同様に、微分値としては過去の値を含んだ平均的な傾斜を用いる。  まず、光量比算出手段６０で第１の平均化データｃと第２の平均化データｄの比を算出し、光量比データｐとして出力する。次に、第５の平均傾き算出手段６１で、光量比データｐのうち、現測定時点の値を含んで過去に遡った複数データを平均した値と、さらに過去に遡った光量比データｐの過去の時点の複数データを平均した値とを結んだ平均的傾きを算出し、それを第５の平均傾きデータｑとして出力する。
【０１１７】
最後に、第５の研磨終了点検出手段６２で、第５の平均傾きデータｑと第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第５の平均傾きデータｑの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、あるいは第５の平均傾きデータｑの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以上の値になった場合、または、第５の平均傾きデータｑの値が第１の終点判定しきい値ｉ以上になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する。
【０１１８】
尚、上記とは逆に、金属層３０での反射率とバリア膜３１での反射率の比が、第２の検査光９の波長における比の方が第１の検査光６の波長における比よりも大きい場合、つまり、金属層３０が研磨されてバリア膜３１が露出する際の光量信号の変化が、第２の検査光９の信号である第２の平均化データｄの方が第１の検査光６の信号である第１の平均化データｃよりも大きい場合には、光量比データｐは、バリア膜３１が露出し始めると増加し、バリア膜３１が完全に露出した時点で一定になる。
【０１１９】
この場合、第５の研磨終了点検出手段６２では、第５の平均傾きデータｑと第１の終点判定しきい値ｉとを比較し、第５の平均傾きデータｑの値が、連続して所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以下の値になった場合、あるいは第５の平均傾きデータｑの値が、平均的傾きの絶対値が所定値以上になってからの通算で所定回数以上第１の終点判定しきい値ｉ以下の値になった場合、または、第５の平均傾きデータｑの値が第１の終点判定しきい値ｉ以下になる割合が所定割合以上になった場合に、ウェハ１の研磨が終了したと判定する。
【０１２０】
図９は本発明の第５の実施例を示す構成図であり、図７と同等部分は同一符号にて示している。図９に示す半導体ウェハ研磨終了点検出装置は、図７に示した第４の実施例における第１のレーザ光源７と第１の照射手段８と第２のレーザ光源１０と第２の照射手段１１と第１の受光素子１３と第２の受光素子１５の代わりに、内部にそれぞれ波長の異なる複数の光源と１つ以上の受光部とを有し、それぞれ波長の異なる複数の光を同一光軸上に第６の検査光６３として照射し、かつ、ウェハ１からの反射光である第６の正反射光６５を受光して、それぞれの波長ごとにその受光量を測定し、複数の受光量信号を出力する多波長測定手段６７と、多波長測定手段６７から照射される複数波長を含む第６の検査光６３をウェハ１の表面に導き、所定の径と角度で照射する第６の照射手段６４と、ウェハ１上で反射された第６の正反射光６５を多波長測定手段６７へ導く第６の受光手段６６とを含んで構成される。
【０１２１】
第４の実施例では、検査光の波長ごとに光源、照射手段、受光素子を使用する構成であったのに対して、本第５の実施例は多波長測定手段６７を用いて、多波長測定手段６７から照射された複数の波長を含む第６の検査光６３を１つの第６の照射手段６４を通してウェハ１の表面に所定の径と角度で照射し、ウェハ１の表面で反射された第６の正反射光６５を１つの第６の受光手段６６を通して多波長測定手段６７で受光し、多波長測定手段６７から出力される波長ごとの受光量信号の、研磨の進行に伴う変化の仕方に基づいて終点検出を行うことを特徴としている。
【０１２２】
従って多波長測定手段６７と第６の照射手段６４と第６の受光手段６６以外は、構成、動作とも第４の実施例と同一であるため、以下には、多波長測定手段６７と第６の照射手段６４と第６の受光手段６６の動作のみ説明する。
【０１２３】
多波長測定装置６７は、内部にそれぞれ波長の異なる複数の光源と１つ以上の受光部とを有し、それぞれ波長の異なる複数の光を同一光軸上に第６の検査光６３として照射し、かつ、ウェハ１からの反射光である第６の正反射光６５を受光して、それぞれの波長ごとにその受光量を測定し、複数の受光量信号を出力するものである。このような多波長測定手段６７としては、例えばオムロン（株）から市販されているカラーセンサＥ３ＭＣ−Ｙ８１が使用できる。多波長測定手段６７としてオムロン（株）のカラーセンサＥ３ＭＣ−Ｙ８１を使用する場合、第６の照射手段６４としては、例えばオムロン（株）のファイバユニットＥ３２−Ｔ１７Ｌが、第６の受光手段６６としては、例えばオムロン（株）のファイバユニットＥ３２−Ｔ１７Ｌが使用できる。
【０１２４】
オムロン（株）のカラーセンサＥ３ＭＣ−Ｙ８１は、中心波長６８０ｎｍの赤色ＬＥＤと中心波長５２５ｎｍの緑色ＬＥＤと中心波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤの３つの光源と、１つの受光部とを有し、それぞれの光を時分割で照射し、それぞれの光の受光量を時分割で測定して３つの受光量信号として出力するものである。
【０１２５】
このカラーセンサＥ３ＭＣ−Ｙ８１を、多波長測定手段６７として本第５の実施例に使用する場合には、赤色、緑色、青色の３つの受光量信号のうちの２つを選んで、第１の光量信号ａ、および第２の光量信号ｂとして使用し、以後は第４の実施例と同一の動作で研磨終了点検出を行う。
【０１２６】
３つの受光量信号のうち、どの２つを使用するかは、金属層３０とバリア膜３１での各波長の反射率の違いで決まり、光量比データｐが１番大きく変化する２つを使用する。例えば、金属層３０の材質がＣｕで、バリア膜３１の材質がＴａＮあるいはＴａの場合、第１光量信号ａには赤色の受光量信号を、第２の光量信号ｂには青色あるいは緑色の受光量信号を使用する。
【０１２７】
これは、赤色ではＣｕとＴａＮあるいはＴａとの反射率の比が大きく、青色あるいは緑色では赤色と比較してＣｕとＴａＮあるいはＴａとの反射率の比が小さいためである。青色と緑色ではＣｕとＴａＮあるいはＴａとの反射率の比がほぼ同じなので、どちらを使用してもかまわない。
【０１２８】
尚、多波長測定手段６７と第６の照射手段６４と第６の受光手段６６としては、これらが一体型となった、例えばオムロン（株）のカラーセンサＥ３ＭＣ−Ａ８１などを用いてもかまわない。
【０１２９】
第６の照射手段６４と第６の受光手段６６としては、投光手段と受光手段が一体となった、例えばオムロン（株）の反射型ファイバユニットＥ３２−ＣＣ２００などを用いてもかまわない。また、研磨液１７がウェハ１上にあっても、研磨終了点検出に十分な光量と安定性を有する正反射光が得られる場合には、エアノズル１８を用いなくてもかまわない。
【０１３０】
以上述べた第１から第５の各実施例は、半導体ウェハの研磨に適用して述べているが、一般には、化学的な反応を起こす研磨液を使用しつつ研磨をなす科学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）にも同様に適用可能であることは明らかである。
【０１３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数の異なる波長の反射光の研磨の進行に伴う光量変化に基く複数の信号を使用して研磨終了点検出を行うようにしたので、バリア膜を有する半導体ウェハであっても、研磨終了点を精度良く検出できるという効果がある。また、ウェハ上に形成された配線部分において生ずるディッシングやエロージョンなどに起因する正反射成分の減少や、バリ膜が研磨されて薄くなっていく際の絶縁膜の反射率の影響をキャンセルすることが可能となって、より正確な研磨終点検出ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明に使用される半導体ウェハの構造を示す図である。
【図３】研磨時間と第１および第２の平均化データの変化を示す図である。
【図４】図３の平均化データを補正した後の第１および第２のデータの変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例の構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施例の構成を示す図である。
【図８】図７の実施例における第１の平均化データと第２の平均化データと光量比データとの、研磨の進行に伴う変化の一例を示す図である。
【図９】本発明の第５の実施例の構成を示す図である。
【図１０】従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１  ウェハ
２  研磨定盤
３  研磨布
４  ポリッシャ
５  研磨装置
６  第１の検査光
７  第１のレーザ光源
８  第１の照射手段
９  第２の検査光
１０  第２のレーザ光源
１１  第２の照射手段
１２  第１の正反射光
１３  第１の受光素子
１４  第２の正反射光
１５  第２の受光素子
１６  エアー
１７  研磨液
１８  エアノズル
１９  第１の平均化手段
２０  第２の平均化手段
２１  初期キャンセル手段
２２  検出開始判定手段
２３  第１の基準光量検出手段
２４  光量補正手段
２５  光量差算出手段
２６  第１のしきい値算出手段
２７  第１の平均傾き算出手段
２８  第１の研磨終了点算出手段
２９  絶縁層
３０  金属層
３１  バリア層
３２  時間軸補正手段
３３  第２の基準光量検出手段
３４  第２の平均傾き算出手段
３５  第３の平均傾き算出手段
３６  第１の光量上昇検出手段
３７  第２の光量上昇検出手段
３８  第２の研磨終了点算出手段
３９  第３の研磨終了点算出手段
４０  第２のしきい値算出手段
６０  光量比算出手段
６１  第５の平均傾き算出手段
６２  第５の研磨終了点検出手段
６３  第６の検査光
６４  第６の照射手段
６５  第６の正反射光
６６  第６の受光手段
【図１】
0003800942.tif 000002
【図２】
0003800942.tif 000003
【図３】
0003800942.tif 000004
【図４】
0003800942.tif 000005
【図５】
0003800942.tif 000006
【図６】
0003800942.tif 000007
【図７】
0003800942.tif 000008
【図８】
0003800942.tif 000009
【図９】
0003800942.tif 000010
【図１０】
0003800942.tif 000011