JP3832198B2 - 半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ表面に形成された各種薄膜の化学的機械的研磨を行うときの半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハをＣＭＰ（化学的機械的研磨）装置により研磨する際に、配線幅が微細化するのに伴い配線中央が削れすぎて配線部分の中央がへこむディッシングと呼ばれる影響や、配線が集中するのに伴い密集した配線エリアの中心部分が削れすぎて、削れすぎた配線の断面積が小さくなるエロージョンと呼ばれる影響が無視できなくなってきた。
このため、複数の膜を研磨する際に膜毎に効率の良い研磨液を用いて研磨する複数のステップに分割した研磨方法が採られるようになった。半導体ウェハの化学的機械的研磨の終点を検出する先行技術に特開平１１−３４５７９１号がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例によれば、金属膜、バリア膜、絶縁膜等半導体ウェハ表面に形成された薄膜の全てを一回の研磨により終点検出を行う。従って、分割研磨により金属膜除去後のウェハを対象とした研磨終点を検出できない。
【０００４】
一般的に、半導体デバイスは、最上層の金属膜と最下層の絶縁膜との間にバリア膜といわれる金属膜の拡散を防止するための膜が形成されており、この金属膜除去後のウェハにおいて研磨終点検出は行えない。また、研磨ムラにより研磨が終了している部分と、研磨終了していない部分が混在している場合があり、未研磨部分がある場合には後工程で検査された後、再度研磨を行わなければならず、研磨ムラによる未研磨部分の残りが問題になっていた。更に、研磨ムラは、金属膜除去時に既に発生している場合があり、それがどの程度なのかをモニタする手段が無く、次行程に頼らざるを得なかった。
このような背景から、金属膜除去後のウェハに対してウェハ面上各点に及ぶ研磨終点を精度良く検出する必要があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを精度良く検出し、研磨終点として検出することのできる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することを目的とする。
また、半導体ウェハ表面には研磨そのものによるムラや、前工程の成膜工程による研磨前膜厚バラツキなどによる研磨ムラを生じるが、１以上の測定系を用いてウェハ面上の研磨進行状況の分布を計測し、ウェハ研磨面上の任意位置の研磨終点を検出して研磨終了としたり、研磨が最も遅い部分の研磨終点で研磨を終了させる等、半導体ウェハ表面上の研磨分布により研磨終点を適宜変え、最適な研磨結果が得られるようにしたり、研磨ムラを減らす意図でＣＭＰ装置にウェハ研磨分布情報を伝えることのできる、半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００６】
また、ある計測点に対し２種類以上の計測を行っている場合、その計測データを他の計測点の研磨終点判定に役立て、同一半導体ウェハ上であれば、どの計測点でも同じ研磨進行度合での計測データは同じ計測方法毎に等しくなるため、他の計測点に対し、より少ない種類の計測を行い、多い種類の計測点と比べ、行っていない種類の計測値を共通する種類の計測値を元に推測し計測の種類を少なくした半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
更に、１以上の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合いを表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認できる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００７】
また、金属配線形成後ではあるが配線以外の絶縁膜上のバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象として、複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合を表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認可能とし、更にウェハ面上各点における研磨状態を考慮し最適な研磨終点の検出を行うとともに、研磨中に研磨進行度合を把握し、研磨ムラを小さくする意図でＣＭＰ装置に研磨分布情報を与える、半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために請求項１に記載の発明は、
１以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出装置において、所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段と、前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、前記第１測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第１の終点検出信号を送出する第１終点検出部と、前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第２の終点検出信号を送出する第２終点検出部と、前記第１測定部から出力された反射光量信号及び前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該２つの反射光量信号の差分あるいは比率の時間変化から研磨終点を検出し、第３の終点検出信号を送出する第３終点検出部と、第３終点検出部と、前記第１から第３の終点検出信号のいずれか１つに基づいて前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号が前記目標値に到達したときに研磨終点を検出し、第４の終点検出信号を送出する第４終点検出部と、を有することを特徴とする。
これにより、ウェハ表面において１つの波長の光では研磨終点が検出できないような場合であっても、同じ位置に異なる波長の光を照射する測定部を設け、いずれかの波長と同じ波長の光を照射する測定部を他点に設けることで、多様なウェハの研磨終点を検出することができると共に、ウェハ全面の研磨状態を検出することができる。また、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第３測定部と該第３測定部に対応する前記第４終点検出部とをそれぞれ複数有することを特徴とする。
これにより、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第１測定部から出力され前記第１及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第１及び第３終点検出部に出力する第１平均値算出部と、前記第２測定部から出力され前記第２及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第２及び第３終点検出部に出力する第２平均値算出部と、前記第３測定部から出力され前記４終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第４終点検出部に出力する第３平均値算出部と、をさらに有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、研磨装置のポリッシャが前記反射光量の測定を阻害したことを検知するセンサをさらに備え、前記第１から第４終点検出部は、前記センサにより測定の阻害が検知されたときに入力された反射光量信号を含んで算出された平均データを無効とし、その前後の有効な平均データを用いて前記無効とされた平均データを直線補間することを特徴とする。
これにより、研磨装置のポリッシャによって反射光量の測定が阻害された場合であっても、精度よく平均データを算出することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第１及び第２終点検出部は、前記平均データの時間変化が研磨開始の一定時間後から低下した後に上昇して変化率が小さくなり安定したとき、または、研磨開始の一定時間後から低下して変化率が徐々に小さくなり安定したときに研磨終点を検出することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、１以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出方法において、所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第２測定部と、前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、を有する半導体ウェハの研磨終点検出装置における研磨終点検出方法であって、前記第１測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第２測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第１測定部から出力された反射光量信号と前記第２測定部から出力された反射光量信号との差分あるいは比率の時間変化のいずれか１つから終点検出信号を出力する過程と、前記終点検出信号が出力されたときに前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号が前記目標値に到達したときに終点検出信号を出力する過程と、を有することを特徴とする。
これにより、ウェハ表面において１つの波長の光では研磨終点が検出できないような場合であっても、同じ位置に異なる波長の光を照射する測定部を設け、いずれかの波長と同じ波長の光を照射する測定部を他点に設けることで、多様なウェハの研磨終点を検出することができると共に、ウェハ全面の研磨状態を検出することができる。また、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の一実施形態を示す図である。
本発明の半導体ウェハの研磨終点検出装置は、半導体ウェハ研磨装置に測定系を付加して構成される。ここでは、水平面内で回転しながら研磨圧力に充分耐えられるように支持されているウェハ１と、このウェハ１に対して所定圧力をかけて接触し、回転しながらウェハ１の半径方向に揺動するポリッシャ２を有する半導体ウェハ研磨装置が例示されている。
【００２１】
測定系は、ウェハ１上に所定の径と角度で照射される所定波長の検査光１１２の発光源である光源１１１と、光源１１１から照射された検査光１１２がウェハ１上で正反射した反射光１１３の光軸上にあり、反射光１１３を受光してその反射光量を測定する受光素子１１４と、反射光１１３が受光素子１１４の受光面に集光し、受光素子１１４に接続され反射光量を反射光量信号１１６として出力する受光素子アンプ１１５と、研磨終点を検出するための終点検出装置１５１を有する。
【００２２】
終点検出装置１５１は、図４にその内部構成を示すように、反射光量信号１１６を入力してウェハ１回転の平均値を算出し、平均データ４１２として記憶し出力する平均値算出部４１１と、平均データ４１２の複数点の平均的傾きを算出して傾きデータ４１４として記憶し、出力する傾き算出部４１３と、傾きデータ４１４の時間変化から研磨終点を検出して終点検出信号４１５として出力する演算部４１６で構成される。
【００２３】
図２は、研磨対象である半導体ウェハ１表面の断面形状を示す一例である。図では、絶縁膜２０３を覆うように最上層に金属膜２０１がウェハ面上に膜付けされており、最上層の金属膜２０１と下層の絶縁膜２０３との間に金属膜の拡散を防止するためのバリア膜２０２が形成されている。
半導体ウェハをＣＭＰ装置により研磨し、溝部分の金属膜を残すことで配線を形成する際に、配線幅が微細化するのに伴い配線中央が削れすぎて配線部分の中央がへこむディッシングと呼ばれる影響や、配線が集中するのに伴い密集した配線エリアの中心部分が削れすぎて、削れすぎた配線の断面積が小さくなるエロージョンと呼ばれる影響が無視できなくなっており、こういった影響を最小限にするために特定の膜を効率よく研磨する研磨液を用いて研磨を数ステップに分割して行うことは上述したとおりである。
【００２４】
図２に示す例では、１次研磨により金属膜２０１を効率よく研磨するが、バリア膜２０２は研磨されにくい研磨液を用いて１次研磨終点２０５を検出し、２次研磨ではバリア膜２０２を効率よく研磨するが金属膜２０１は研磨されにくい研磨液を用い、研磨中にディッシングやエロージョンの影響を起こしにくくした上で、１次研磨終点２０５の後に残った金属膜２０１である配線部分２０４以外の露出しているバリア膜２０２を研磨により除去した時点である研磨終点２０６を検出する。
分割研磨を行う場合、次工程に渡す直前である研磨終点２０６において、研磨不足による配線部分の溝以外の絶縁膜２０３上にバリア膜２０２の残りがなく、かつ絶縁膜２０３の過研磨がないことが重要であり、本発明では、金属膜２０１を除去した後のウェハに対して精度良く研磨終点２０６を検出することを目的とすることは上述したとおりである。
【００２５】
図１に示す測定系として、光源１１１から照射された所定波長の検査光１１２は、ウェハ１上の照射位置Ａに所定径で照射され、照射位置Ａで正反射された反射光１１３の光束が受光素子１１４の受光面に集光する。
そのために、光源１１１である半導体レーザを図示せぬコリメータレンズで平行光とし、かつビーム径変換光学系や光ビームを所定径の穴などのマスクで覆うことで受光素子１１４の受光面より小さい所定径とする。この時、ウェハ表面上の研磨液表面の波などにより光が若干ゆらぎ、そのため径が多少変動しても、ほぼ全て受光素子に入るよう小さい側に余裕を持たせた径としている。
検査光１１２は、反射角度の変動の影響を小さくしたり、研磨液表面での反射を小さくするため、全反射角度より十分小さい所定角で照射する。
【００２６】
光源１１１は、半導体レーザ以外に固体レーザや気体レーザなどの一般的なレーザを用いること可能であり、平行光を出射するレーザであればコリメートレンズは不要である。必要に応じて反射ミラーなどを用いてポリッシャの揺動や研磨動作を阻害しないように光が通る光路を設計し構成する。
光源１１１の波長は金属膜２０１での反射率がなるべく大きく、バリア膜２０２や下層膜の反射率が小さい波長を選択する。例えば、金属膜が銅の場合、波長が６００ｎｍから１０μｍ程度だと分光反射率が９０％を越えることが分かっているので、この波長範囲内の光を用いる。そしてバリア膜や下層膜での反射率が金属膜２０１での反射率より小さく、かつ光路調整を行いやすくするためと、赤外だと熱放射の影響が出てくるので６００ｎｍ以上かつ可視光領域の波長を用いるとよい。金属膜２０１がアルミなど他の材質の場合にも反射率が大きくなるように、かつバリア膜２０２や下層膜での反射率が金属膜での反射率より小さい波長を選択する。
【００２７】
図２における照射位置Ａに関して、予め図３に示すウェハ１の被研磨面にある研磨液３によって検査光１１２および反射光１１３がウェハ１上で正反射するのを阻害しないように研磨液排除装置４にて反射光が研磨液表面の波の影響を大きく受けない程度まで研磨液を排除しておく。
【００２８】
ここで、研磨液排除装置４は、照射位置Ａに対してエアノズルのようにエアを絞ってウェハ１上に吹き付け研磨液を排除してもよい。また、検査光に対し透明でウェハの照射位置Ａを覆う広さで接触し回転しても傷が付かない物質を用いて研磨液を排除してもよく、更に、ウェハ１に接触し回転しても傷が付かない物質を用いて自動車のワイパーのようなものをウェハ回転方向上流に照射位置Ａの幅を覆う広さで設置し、照射位置付近の研磨液を排除してもよい。
ここではウェハ１の研磨進行に伴う反射光量信号１１６の変化を研磨液が阻害しないことが重要であり、研磨進行具合の変化を反射光量信号１１６により測定できればよく、更に研磨液が研磨液の下のウェハ表面の反射率計測に大きな影響を及ぼさない場合には研磨液排除装置４はなくても構わない。
【００２９】
対象となる金属によっては例えば銅は空気中の酸素の影響で酸化するため研磨液を完全に除去しないように表面に薄く研磨液が残るようにする。更に、先に半導体レーザをコリメートレンズで平行光にすると示したが、反射光が殆ど全て受光面に入るならば平行光でなくても構わず、収束光であっても広がっていく光でもよい。研磨動作中にウェハ１は回転し、ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号１１６はウェハ１の回転により主に配線部分２０４の粗密に依存して変化するため、反射光量信号１１６は、周期的な変化を有する信号として終点検出装置１５１に入力される。
【００３０】
次に、終点検出装置１５１における動作について図４および図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）は、研磨中における平均データ４１２の時間変化の一例を表すグラフであり、図５（ｂ）は、研磨中における傾きデータ４１４の時間変化の一例を表すグラフである。
研磨の進行状態は、反射光量信号１１６の周期的な変化を除去した信号変化に現れる。図４に示すように、平均値算出部４１１は、一定間隔で反射光量信号１１６を入力し、ウェハ１の１回転分の反射光量信号１１６を平均して平均データ４１２として算出し、１回転毎の時間経過と共に記憶する。この時、反射光量信号１１６を１回転の自然数倍毎あるいは１回転全てでなく１回転中の所定時間の範囲を１回転の自然数倍毎に平均し、平均データを算出してもよい。
【００３１】
図５（ａ）に示すグラフは、金属膜２０１を除去した後で、バリア膜１０２を有するウェハ１を研磨した際の研磨進行に伴う平均データの変化の一例を示したグラフである。平均データは、研磨の進行に伴って以下に列挙する（１）〜（４）で示す特徴的な変化が見られる。
（１）研磨初期には比較的大きな変化が発生する
（２）反射光量が低下していく。
（３）反射光量が上昇していく。
（４）反射光量変化が小さくなり安定する。
【００３２】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。（２）における反射光量低下は、研磨進行によりバリア膜が薄くなるのに伴う変化で、金属膜２０１の反射率よりバリア膜２０２の下層膜の反射率や干渉の効果も含むバリア膜の反射率の方が低く、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜２０２の影響の占める割合が少なくなってくることから生じる。
【００３３】
（３）における反射光量の上昇はバリア膜２０２が薄くなり、バリア膜２０２より絶縁膜２０３あるいは多層に配線パターンが形成されているウェハ１などにおける更に下層にある配線パターンや干渉の効果も含んだバリア膜２０２より反射率の高い層の反射の影響を受けるためである。反射率は素材そのものの影響だけでなく膜の厚さに起因する干渉によっても決まる。
（４）における反射光量が安定するのは、バリア膜２０２が除去されて配線部分の溝にある金属膜２０１の反射と絶縁膜２０３を含む下層膜の反射により反射光量が決まり、金属部分と絶縁膜部分の面積が変わらないため反射光量が安定する。この安定期間は、配線部分を形成する金属膜２０１が検査光１１２を反射するのに十分な厚みを維持している間、かつ絶縁膜２０３の厚さが変わることにより干渉の具合が大きく変化しない間であり、この期間を過ぎると再び反射光量は変化する。
ただし、本発明による研磨終点の検出は、配線部分を過研磨しないことが一つの目的であり、この安定期間中に研磨を終了するため、反射光量が安定期を過ぎた後に関しては考慮外とする。
【００３４】
研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に発生するもので、平均値算出部４１１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、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点の誤検出を防止するため研磨開始から一定時間は平均データ４１２を無視する。平均データ４１２の研磨初期の不安定要素を除去できても、ウェハ半径方向研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入により平均データ４１２はノイズ成分が残るため更に平均データ４１２を充分に平滑化する必要がある。そこで、傾き算出部４１３により平均データ４１２のうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出し、傾きデータ４１４として出力する。
【００３５】
図５（ｂ）に示すグラフは、傾きデータ４１４の変化の一例である。平均的傾きの算出は複数のデータの最小二乗法を用いてもよいし、複数のデータの平均値と所定数過去に遡った時点付近における複数のデータの平均値を結ぶ傾きでもよい。図５（ａ）における平均データの変化と、図５（ｂ）における傾きデータの変化のグラフは時間軸を一致させてあり、図５（ａ）、図５（ｂ）両方のグラフを比較すると、傾きデータの変化のグラフにおいて反射光量変化のノイズ成分が除去されているのが分かる。
この傾きデータ４１４をもとにして演算部４１６により最終的な研磨終点の判定を行い、終点検出信号４１５として研磨が終了したことを研磨装置に通知し研磨を終了する。
【００３６】
次に、演算部４１６による研磨終点の判定のアルゴリズム（以下アルゴリズムａとする）について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、図５（ａ）に示す平均データ４１２の変化の特徴である平均データ４１２の上昇を検出する第１ステップの処理を行う。
第１ステップの処理においては、平均データ４１２が上昇する、傾きが負から正に転ずることを検出するために、傾きデータ４１４が正の値か否かを判定する（ステップＳ１０１）。ただし、突発的なノイズによる瞬間的あるいは一時的に傾きデータが０近傍になったことや、反射光量が増加せずにそのまま安定したために起こる傾きデータが０近傍になったのを誤認識しないため、単純に傾きデータが負から０を越えたかどうか判定するのではなく、予め０近傍の閾値を決めておき、傾きと閾値との比較を行うことにより、傾きデータが閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ１０２）。
更に、閾値を所定回数連続して越えたか否かを判定（ステップＳ１０３）し、所定回数を越えた場合に第１ステップの処理を完了する。この第１ステップにおける条件ループを回っている状態の時、ステップ１０１で同時に傾きデータを確認し、傾きデータが最大であれば、その値を傾きデータ最大として保持しておく。
【００３７】
次に第２ステップの処理においては、平均データ上昇後の平均データが安定することを検出する。
ここでは、第１ステップの処理と同様に、まず、ステップＳ２０４で傾きデータをチェックし、最大であれば、その傾きデータを最大として保持しておく。次にステップＳ２０５で「傾きデータ＜傾きデータ最大＊所定倍率」を満足するか否かを判断し、その傾きデータが、傾きデータの最大値に所定倍率乗じた値との大小比較を行う。そして、ステップＳ２０６で、ステップＳ２０５で示す条件を所定回数満たすか否かをチェックし、所定回数満たした場合、研磨終点として検出する（ステップＳ２０７）。
【００３８】
ここで、傾きデータ最大に所定倍率を乗じた値と傾きデータ４１４を比較する理由は、平均データの上昇が小さい場合には、傾きデータの変化は０近傍で緩やかに変化することから傾きデータの最大は比較的小さな値となり、傾きデータ最大の値に所定倍率を乗じた閾値を用いることで、研磨終点、すなわち傾きデータが極力０近傍の閾値とすることができる。
逆に平均データの上昇が大きい場合には、傾きデータの変化は急峻であることから傾きデータ最大は比較的大きな値となり、傾きデータ最大の値に所定倍率を乗じた閾値を用いることで、急峻な変化に対応した閾値とすることができ、研磨終点検出の精度を高めることが出来る。
例えば、検査光１１２の光源１１１の光強度が劣化等により長期的に減少する場合など、Ｓ／Ｎ比は変わらないが信号が小さくなり同じ傾きの判定値を用いると検出精度が劣化する場合に対応できる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図７は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の他の実施形態を示す図である。
図７に示す第２の実施形態では、図１に示す全ての構成要素を包含し、図１に示す第１の測定系（図１に示す測定系を、ここでは便宜上第１の測定系と称する）とは異なる所定照射角度、所定波長で、同一照射位置Ａに同一径にて照射される第２の測定系が付加されている。
【００４０】
第２の測定系は、第１の測定系である検査光１１２と波長が異なり、同一径かつ同一照射位置Ａに異なる照射角度で、光学系配置可能な光路をクロスさせて同一照射角度で照射する検査光１２２と、光源１２１から照射された検査光１２２がウェハ１上で正反射した反射光１２３の光軸上にあり反射光１２３を受光してその反射光量を測定する受光素子１２４と、反射光１２３が受光素子１２４の受光面に集光し、受光素子１２４に接続され反射光量を反射光量信号１２６として出力する受光素子アンプ１２５で構成され、その反射光量信号１２６は終点検出装置１５２に入る。
【００４１】
第１の測定系と第２の測定系の波長を変えるのは研磨終点付近での波長毎の反射率の変化の違いをとらえるためで、照射角度が異なるのは、同一照射位置に照射するために物理的にレーザを配置できないためであり、小型レーザや、ミラーなどを用いて光学系配置可能なら光路をクロスさせて同じ照射角度で照射しても構わない。また、第１の測定系と第２の測定系で照射位置を同一箇所にする理由は、同一の場所を検出するためであり、同一径にする理由は、径が異なることにより他の箇所状態が検出信号に混じらないようにするためである。
【００４２】
終点検出装置１５２は、図８に示すように平均データ４１２と平均データ４２２のそれぞれにアルゴリズムａによる研磨終点検出を行い、同時に平均データ４１２と平均データ４２２の差を算出して、差分データ４０２として記憶し出力する差分算出部４０１と、差分データ４０２を入力し、複数点の平均的傾きを算出して差の傾きデータ４０４として記憶し出力する差の傾き算出部４０３と、差の傾きデータ４０４の時間変化から研磨終点を検出して終点検出信号４０５として出力する演算部４０６で構成される。
平均データを傾き算出部４１３差分算出部４０１に並列して入力することで、演算部４１６、４２６と演算部４０６は、並列動作もしくはどちらか一方または両方行わないのいずれかを任意に行うことができる。
【００４３】
図７に示す第２の実施形態において研磨対象となるウェハは図１に示す第１の実施形態と同様であり、研磨に先立ち予め研磨液を測定に影響のないように排除しておく。
光源１２１から照射された所定波長の検査光１２２は、ウェハ１上の照射位置Ａで第１の測定系における検査光１１２と同一径で照射され、照射位置Ａで正反射された反射光１２３の光束が受光素子１２４の受光面にほぼ全て入るようにするために、半導体レーザをコリメートレンズで平行光とし、かつビーム径変換光学系や光ビームを所定径の穴などのマスクで覆うことで受光素子１２４の受光面より小さい所定径とする。
光源は第１の実施形態で述べたように一般的なレーザを用いても構わない。平行光を出射するレーザを用いる場合、コリメートレンズは不要である。
【００４４】
光源１２１の波長に関しては図２に示す金属膜における金属の種類に応じて第１の測定系である光源１１１の反射率と極力大きく異なる波長を選択する。金属膜２０１が銅の場合、第１の実施例で示したように波長が６００ｎｍ以上の可視光だと分光反射率は９０％を越えるが、５５０ｎｍ未満だと６６％未満になることから、例えば、第１の測定系の波長を６５０ｎｍとし、第２の測定系の波長を５００ｎｍとする様に選択する。金属膜２０１が他の材質の場合も同様に波長を決定すればよい。
【００４５】
ここでは、２つの異なる波長の光源を用いるため同一膜で各波長毎に反射率が違い反射光量が異なる。波長が異なることにより膜毎に分光反射率が異なることを利用し、予め決めた基準膜での反射光量と研磨途中のウェハ表面上の反射光量変化を調べ、基準膜の反射率が一致するよう補正した波長の異なる２つの反射光量の差の変化から研磨終点を検出する。
【００４６】
研磨途中のウェハ１表面は、配線パターンや絶縁膜２０３があり特定の一種類のみで反射光量を測定できないことや、膜厚変化に伴う干渉などにより反射光量が変化し、反射率の基準となる基準膜には不向きである。
そこで、ここでは単一膜で干渉による変化がない金属膜２０１を基準膜として、ウェハ全面に金属膜２０１が干渉しないくらい十分厚みのある状態かつ表面が研磨で滑らかになった状態で計測した波長の異なる２つの平均データを一致させるように補正し、この補正を基準光量補正と呼ぶ。各波長の金属膜２０１での平均データを補正により一致させることで、金属膜２０１での反射率を基準としてバリア膜２０２と絶縁膜２０３での反射率の違いからそれぞれの平均データが大きく変わることから、それぞれの補正後の平均データの差を取り、その変化から研磨終点を検出する。
【００４７】
具体的には、金属膜２０１での平均データ４１２または平均データ４２２のどちらかを基準として、他方にある倍率を乗じて金属膜２０１での平均データを一致させる。ところが、本発明の対象となるウェハは金属膜２０１が既に除去された状態から研磨を開始するため、基準となる金属膜２０１での平均データを測定できない。そこで、研磨を行う前に予め金属膜を除去する前のウェハにてデータを取得し保管しておく。例として第１の測定系における金属膜での平均データ４１２を基準とした場合について説明する。
金属膜除去前のウェハにて通常の研磨動作を行い、金属膜除去前の平均データ４１２と平均データ４２２を取得する。この時、通常の研磨動作と同様に研磨初期の大きな変化を無視した後、所定時間平均データ４１２と平均データ４２２を取得し続けて、所定時間での平均値を算出し、それぞれ、第１の基準反射光量、第２の基準反射光量として保存しておく。
保存したデータは研磨開始直後に取り出して基準光量補正で用いる補正倍率の計算を行う。しかし、基準反射光量だけで基準光量補正を行うと、レーザの発光出力は温度や経年などにより変動するが、これを無視することになってしまう。
【００４８】
そこで、基準反射光量を測定する際、同時に第１の測定系および第２の測定系のレーザ出力モニタ値も測定し、基準反射光量の算出と同様に、出力モニタ値の平均を算出して、それぞれ第１の基準出力値、第２の基準出力値を算出して保存する。以降、金属膜が除去されたウェハを研磨する際に、研磨開始時に第１の測定系、第２の測定系から得られるレーザ出力モニタ値を測定し、それぞれ第１の現在出力値、第２の現在出力値として、保存した第１の基準反射光量と第２の基準反射光量および第１の基準出力値と第２の基準出力値を呼出し、以下の式により基準光量補正による補正倍率を算出する。
第１の測定系への補正倍率
＝第１の現在出力値／第１の基準出力値…（１）
第２の測定系への補正倍率
＝（第１の基準反射光量×（第一の現在出力値／第一の基準出力値））
／（第二の基準反射光量×（第二の基準出力値／第２の基準出力値））…（２）
【００４９】
図９に示す３つのグラフは、第２の実施形態における代表的なグラフで、金属膜除去後からの研磨進行、すなわち反射光量信号の時間変化を表すグラフであり、図９（ａ）は、研磨中における平均データ４１２と平均データ４２２の時間変化の一例を表すグラフであり、図９（ｂ）は、金属膜２０１を研磨している最中の平均データ４１２と平均データ４２２を一致するように補正した、補正後の平均データ４１２と補正後の平均データ４２２における時間変化の一例を表すグラフであり、図９（ｃ）は、研磨中における補正後の平均データ４１２と補正後の平均データ４２２における差の傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【００５０】
ここでも第１実施形態と同様に、第１の測定系と第２の測定系それぞれに用意されたアルゴリズムを演算部４１６、４２６で実行するため、第１の実施形態と同様、第１の測定系に対して、平均値算出部４１１は、ウェハ１回転の反射光量を平均して平均データ４１２として算出し記憶する。同様に第２の測定系に対しても、平均値算出部４２１にて平均データ４２２を算出し記録する。
平均データのノイズ成分を除去するため、第１の実施形態と同様に第１の測定系に対して、傾き算出部４１３により平均データ４１２を入力して平均的傾きを算出し、傾きデータ４１４として出力する。第２の測定系も同様に傾き算出部４２３により平均データ４２２を入力して傾きデータ４２４として出力する。
【００５１】
こうして得られた傾きデータ４１４と傾きデータ４２４それぞれに演算部４１６、４２６でアルゴリズムを実行しても、平均データの上昇がないため研磨終点の検出を行えない。
図９（ａ）と図９（ｂ）のグラフより、研磨の進行に伴って以下に列挙する（１）〜（３）の特徴的な変化がわかる。
（１）研磨初期には比較的大きな変化が発生する。
（２）反射光量が低下していく。このとき途中までは平均データ４１２の変化率と平均データ４２２の変化率が異なり、差が開いていく。
（３）研磨終点以降、第１の測定系における平均データ４１２と第２の測定系における平均データ４２２の光量変化率はほぼ同一になり、差が一定となる。
【００５２】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。
（２）における反射光量の低下は、研磨進行によりバリア膜２０２が薄くなるのに伴う変化で、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜２０２が薄くなり、バリア膜２０２の下層が露出することによりバリア膜２０２の占める割合が少なくなっていることから生じる。
【００５３】
ここで図９（ｂ）では波長の異なる二つの補正後の平均データは、変化率が異なり始め差が開いていく。これは下層構造や干渉を含むバリア膜での反射率が波長により異なるために起こり、金属膜２０１での反射率を基準として補正しているため、研磨進行に伴いバリア膜２０２の占める割合が少なくなり、バリア膜２０２除去後の下層構造において波長が異なると反射率が異なるためであり、変化率も異なることから差が大きく開いていく。
（３）については、それぞれの波長における反射率はバリア膜２０２の占める割合が少なくなり下層構造に依存するため、それぞれの反射光量の変化率は安定して波長の異なる２つの補正後の平均データは差が開いた状態で安定する。
【００５４】
金属膜２０１を除去した状態では図９ｂから平均データ４１２の方が平均データ４２２より反射光量低下が大きくなる。これは、反射光量低下率はバリア膜２０２でのそれぞれの波長における反射率の違いにより決まるためである。この時点以降、つまり検査開始後、バリア膜２０２は薄くなって光を透過し始め、下層の影響がより大きくなる。このとき、第１の平均データ４１２と第２の平均データ４２２の間で差が広がっていき、研磨終了時点で差が最大になり、その後は差がほぼ同一になる。
これは、研磨終点に到達したことを表し、第１の実施形態で説明したようにバリア膜除去後の下層構造の反射率で安定することから、それぞれの波長での反射光量つまり平均データが安定するためであり、この時第１の測定系と第２の測定系における平均データの差が一定となるためである。従って、研磨終点を検出するためには、研磨終点に向けて第１の平均データ４１２と第２の平均データ４２２との低下率の差が広がっていき、研磨終点で差が一定になる時点を検出すればよい。
【００５５】
図８を用いて第２の実施形態における終点検出装置１５２について説明する。第１の実施形態と同様に、第１の測定系における平均データ４１２および第２の測定系における平均データ４２２を算出する。差分算出部４０１にて、第１の測定系から得られる平均データ４１２に基準光量補正で求めた第１の測定系への補正倍率を乗じて補正後の第１の平均データを算出し、同様に補正後の第２の平均データを算出して、第１の平均データと第２の平均データの差を求めて差分データ４０２を出力する。
【００５６】
差分データ４０２は、金属膜除去時点でのムラ、研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入によりノイズ成分が残るため更に差分データ４０２のノイズ成分を十分に平滑化する必要がある。そこで、差の傾き算出部４０３により差分データ４０２のうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出し、差の傾きデータ４０４を出力する。こうして得られた差の傾きデータ４０４の時間変化は図９（ｃ）に示す波形となる。
【００５７】
研磨終点は演算部４０６により、この差分データが大きくなった後ほぼ一定になった点を検出する。研磨終点は差分データが一定になった時点であることから、差の傾きデータが０近傍になった時点を検出すれば良いことから、０近傍を判定する値を終点判定閾値として、差の傾きデータ４０４の絶対値が連続して所定回数以上終点判定閾値以内の値であった場合、あるいは差の傾きデータ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閾値以内の値になった場合、または、差の傾きデータ４０４が終点判定閾値以内になる割合が所定割合以上になった場合に研磨が終了したと判定する。
【００５８】
次に図１０を用いて演算部４０６によるアルゴリズム（以下アルゴリズムｂとする）の実行について、差の傾きデータ４０４が終点判定閾値以内になる割合が所定割合以上になった場合に研磨が終了したと判定する場合を例として説明する。
演算部４０６は、アルゴリズムｂ実行の第１ステップにおいて、差の傾きの絶対値が一度大きくなることを検出するために、差の傾きの絶対値が増加しているか否かをチェックする（ステップＳ１０４）。ここで増加していることを確認したら、突発的なノイズなどによる誤判定を防ぐために、差の傾きの絶対値が所定回数連続して満たすまで繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００５９】
次にアルゴリズムｂの第２ステップに移り、一度差が大きくなった後に差がほぼ一定になる点を検出するため、差の傾きデータが所定の閾値以下か否かを判断する（ステップＳ２０６）。ここで差の傾きデータ４０４が０近傍である終点判定閾値に入ったかどうかを判定する。ここでも、突発的なノイズなどによる誤判定を防ぐために、その条件を通算して所定回数越えたか否かを判断し（ステップＳ２０６）、複数回終点判定閾値に入った時点で研磨終点検出とする（ステップＳ２０７）。
ここで、光源光量等の変動を吸収し判定基準を一定にするため、終点判定閾値は第１の基準反射光量に所定の値を乗じて算出しておく。
【００６０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１の実施形態におけるアルゴリズムａと異なるアルゴリズム（以下アルゴリズムｃ）を並列に動作する点だけが異なり、それ以外は第１の実施形態と同じである。従って、ここでは、傾きデータ４１４が算出されるまでの説明を省略し、図１１に示す終点検出装置１５３の内部構成ブロック図を用いて終点検出動作について説明する。
【００６１】
傾きデータ４１４は、アルゴリズムａを実行する演算部４１６とアルゴリズムｃを実行する演算部４１７に並列に入力され、演算部４１７では反射光量が変化しなくなったこと、つまり傾きデータ４１４が０近傍になったことを検出して終点検出信号４１５を出力する。このためアルゴリズムａを実行する演算部４１６とアルゴリズムｃを実行する演算部４１７は並列に動作可能であり、並列動作もしくはどちらか一方または両方行わないことを任意に選択できるが、複数のアルゴリズムを並行して動かすことにより、種類の異なるウェハにおいて研磨終点を検出することができる。
【００６２】
図１２（ａ）は、研磨中における平均データ４１２の時間変化の一例を表すグラフであり、図１２（ｂ）は研磨中における傾きデータ４１４の時間変化の一例を表すグラフである。
第１の実施形態で示したアルゴリズムａでも第２の実施形態で示したアルゴリズムｂにおいても研磨終点の検出を行えない一例である。選択した波長の金属膜の反射率、下層の影響を含むバリア膜２０２の反射率、下層の反射率の変化がバリア膜厚や下層の構造によって各波長で相似になった場合である。
【００６３】
図１２の上のグラフから研磨の進行に伴って平均データが特徴的に以下に列挙する（１）〜（４）のように変化することが分かる
（１）研磨初期には比較的大きな信号変化が発生する。
（２）反射光量が低下していく。この時、変化率はやや大きく変化する。
（３）反射光量は上昇せず徐々に変化率を小さくしていく。
（４）反射光量が安定する。
【００６４】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。（２）おける反射光量低下は、研磨進行によりバリア膜２０２が薄くなるのに伴う変化で、金属膜２０１の反射率よりバリア膜２０２の下層の反射率や干渉の効果も含むバリア膜２０２の反射率の方が低く、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜の占める割合が少なくなっているとから生じる。変化率が大きくなっていくのは、下層構造の反射率や干渉の効果も含むバリア膜２０２の反射率と金属膜２０１の反射率を比較して、金属膜２０１の方がずっと大きいからで
ある。
【００６５】
（３）における反射光量の変化率が小さくなるのは、ウェハ研磨面においてバリア膜２０２が殆どなくなり、下層の絶縁膜２０３の占める割合が多くなってきたためで、バリア膜２０２による影響が少なくなるためである。（４）における反射光量の安定は、ウェハ研磨面においてバリア膜２０２が除去され下層の反射率で安定するためである。
従って、変化率が一度上昇した後、０近傍で一定になる付近が研磨終点であり、この点を検出すればよい。
【００６６】
次に、図１３を用いて演算部４１７で実行されるアルゴリズムｃの動作について説明する。
アルゴリズムｃ実行の第１ステップにおいて、最小点を検出し、研磨開始から最小点検出までの時間を保持する。まず、傾きデータの最小値チェック（ステップＳ１０６）により、最小値であればその値と研磨開始からの時間を保持し、所定回数以上最小点が検出されているか否かの判断（ステップＳ１０７）を行う。ここで所定回数連続して最小値が検出されない場合は、更に、最小値は０以上か否かがチェックされる（ステップＳ１０８）。ここで０以上であればアルゴリズムｃによる検出を中止するが、負の値であれば第２ステップの処理へ進む。
【００６７】
これは、反射光量が研磨進行に伴い小さくなるが、バリア膜２０２が薄くなるに従ってその変化が緩やかになることを検出するためで、一番変化が激しかった時、すなわち、傾きデータの最小値と研磨開始からの時間を保持し、突発的なノイズなどの影響による誤判定防止のため所定回数連続して最小値が検出されないことにより、反射光量の変化が緩やかになったこと、換言すれば傾きデータが負の大きな値から０近傍に近づこうとしていることを検出するためである。ここで、最小値が０以上であると言うことは、反射光量が増えていることを意味するため第１の実施形態に示した反射光量が増えるパターンの途中から始まった可能性があり、アルゴリズムｃにより研磨終点を誤検出しないようにするためアルゴリズムｃ自身を停止する。
【００６８】
次に第２ステップの処理に進み、「傾きデータ≧最小値＊所定倍率」の判定が行われる（ステップＳ２０８）。ここで傾きデータが最小値より所定倍率だけ上昇するまで待つ。
なお、最小値に所定倍数を掛けているのは、傾きデータが０近傍になるまでの時間を予測するのに不可欠な中間時点を求めるためで、最小値から０近傍までを直線と見なし、例えば最小値の１／２を所定倍率として掛けた場合、最小値から所定倍率に達するまでの時間の２倍の時間が経過すると傾きデータが０であると予測できるためである。
そして、ステップＳ２０９で最小値からの経過時間算出し、現在時間を中間時点とし、この時点の時間を中間時点として保持し、更に最小値を検出した時点から中間時点までの所要時間を最小値からの経過時間として保持する。
【００６９】
第３ステップでは、ステップＳ２０８の「中間時点からの経過時間≧経過時間＊所定倍率？」の判定において、例えば、所定倍率が１／２とした場合、傾きデータが最小値からの経過時間が経過した時、最小値から０に掛かるまでの１／２の時間が経過したことを意味し、中間時点から経過時間と同じ時間すなわち所定倍率１倍の時間が経過した時、傾きデータが０に達すると予測できる。
ただし、最小値付近の変化が遅いため、直線近似により傾きデータが０に達すると予想される時間に誤差が生じるのと、第３の実施形態では、第１の実施形態の波形と間違わないようにチェックする機能を有するため、ステップＳ２０８における所定倍率を１／２とした場合、ステップＳ３０１での所定倍率は０．９等の１よりやや小さい値を用いる。
【００７０】
傾きデータが０以上か否かをチェックし（ステップＳ３０２）、ここで、第１の実施形態で示したアルゴリズムａで検出すべき波形と間違わないためのチェックを行う。経過後傾きデータが０以上であればアルゴリズムｃの実行を中止し、負の値であれば、第４ステップの処理へ移行する。
【００７１】
これは、第１の実施形態で示した反射光量が上昇しないことを確認するためであり、傾きデータが０近傍と予測される時点で、傾きデータ上昇が発生する場合、傾きデータの変化率は小さくならずに直線的に変化し正の値となるため、ステップＳ３０２の条件で判別できる。また、ステップＳ３０１で示されるように所定倍率を乗じたのは、最小値から微少時間経過するまで緩やかに変化し、その後直線的に変化するが、直線の傾きを求める際に最小値からの傾きを求めているため実際の直線的な変化の傾きより少し傾斜が緩やかになるためであり、傾きに倍率を乗じるのではなく予測される時間をずらすため所定倍率を０．９倍などに設定するとよい。
こうして求められた傾きデータが０と予測される時点で、傾きデータの値が正の値ならば、第１の実施形態で示した図５（ｂ）のグラフのようになるため、アルゴリズムｃの実行を中止するが、傾きデータの値が負の値ならば、第４ステップの処理へ進む。
【００７２】
第４ステップでは、傾きデータが０近傍の所定閾値より小さくなる条件を通算して所定回数満たしたら研磨終点とする。これは、傾きデータが所定閾値以下であるか否かをチェックし（ステップＳ４０１）、ここでの判断で、０近傍の所定閾値より小さくなったことから反射光量が安定するのを検出して研磨終点として検出するが、突発的なノイズなどによる誤検出防止のために、ステップＳ４０２でステップＳ４０１の判断条件が所定回数満たしたか否かの判断がなされる。ここで、所定閾値は、第１の基準反射光量に所定の値を乗じて算出しておく。
これは基準反射光量が大きい場合は、反射光量の時間変化グラフを見ると反射光量がゆっくりと下降しつづけてしまうが、小さい場合は下降し続けているように見えない程度の変化しかないので、基準反射光量からの変化量に対して相対的な閾値により研磨終点を検出するためである。
【００７３】
（第４の実施形態）
上述した第１の実施形態から第３の実施形態では、ポリッシャ２の揺動が測定系の邪魔をしないことが条件となっていた。しかし、ＣＭＰなどの半導体ウェハ研磨装置では、ポリッシャ２が検査光または反射光の光路を阻害したり、ポリッシャ２の揺動範囲が照射位置にかかる場合がある。以下に示す第４の実施形態は、ポリッシャが測定系を阻害する場合の研磨終点検出方法である。
【００７４】
ポリッシャ２の揺動により測定系が阻害されたことを検出する方法として、一つは、ポリッシャ２の揺動軸上に、センサを取り付けて、測定系を阻害する範囲をセンサで検出する方法と、もう一つは、反射光量信号が０もしくは０近傍の所定値より小さくなったことを検出して測定系を阻害したと検出する、データから検出する方法がある。
ただし、後者の場合には半導体ウェハの層構造を構成する組成によって分光反射が０もしくは極端に小さくならないよう検査光の波長の選択に注意が必要である。どちらの場合も阻害されたと判断する条件が、センサを用いて確認するか、データの値から確認するかの違いしかないためここでは、センサを用いた例について説明する。
【００７５】
第４の実施形態は、第１から第３の実施形態の全てにおいて、平均値算出部および傾き算出部または差の傾き算出部のみを変更すれば良く、構成などに関してはそれぞれの実施形態と同じであるため、ここでは、第１の実施形態における平均値算出部４１１および傾き算出部４１３を例として説明する。
図１４に平均算出部、傾き算出部４１３の詳細フローを示す。ただし、一例として、ここではセンサアクティブの時、ポリッシャ２が測定系を阻害している状態とする。
まず、ステップＳ１４１にて平均値算出部４１１は、センサアクティブか否かをチェックする。アクティブの時は、更に所定回数に達したか否かを判断し（ステップＳ１４４）、１回転中のアクティブになった回数を計数して所定回数に達したら、無効データとして平均データとしてあり得ない値を格納する（ステップＳ１４６）。例えば、平均データが負の値を取らないのであれば、負の値を格納するか、極端に大きい値を格納するなどして通常の平均データとの区別を行う。
【００７６】
ステップＳ１４１において、センサがアクティブでないときは、ステップＳ１４２の「サンプリング周期で反射光量加算、時間取得処理」へ進み、ここで１回転分の反射光量信号を加算する。なお、サンプリング周期はウェハ１回転での反射光量としてウェハ面上の配線の粗密部分に影響されず、ウェハの研磨状況を十分知ることができる小さい値で無ければならない。
【００７７】
検査光の径と軌跡の長さと１回転に掛かる時間、すなわち回転周期から予め算出し、連続した軌跡を描く程度に小さい値であれば、検査光の当たっている円周上において反射光量をムラ無く測定できるが、パターンの粗密が少ない場合などの理由で１回転の平均がウェハ研磨状況を十分知ることができれば、より荒くても構わない。
【００７８】
また、時間取得に関しては、１回転毎に算出される平均データ取得時点での時間を記録するためで、１回転終了した時点（ステップＳ１４３）で、サンプリング毎に得られる時間の最初や最後や平均のいずれかで求めた時間を、平均データを取得した時間として後述の傾き算出部４１３で用いる、ステップＳ１４５の「１回転平均値を算出し、平均データとして格納処理」において、センサがアクティブでない、すなわち有効なデータ数と有効な反射光量信号を加算した値から平均値を算出し、平均データ４１２として傾き算出部４１３に出力する。
ここで、ステップＳ１４４に示す所定回数は、１回転のサンプリングで得られるデータ数と比較して反射光量変化を考慮した上で、センサアクティブで無効となるデータ数の割合が十分小さくなる値に設定しなければ、精度良い測定はできなため予め判定精度が劣化しない回数未満とする。これは、第１の実施形態で説明したように、ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号１１６は主に配線部分２０４の粗密に依存して変化するため、反射光量信号１１６は、周期的な変化を有するためである。
【００７９】
次に、傾き算出部４１３では、所定数過去に遡り無効データを除外し（ステップＳ１４７）、残ったデータと平均値算出部４１１で取得した時間から傾きを算出し、傾きの平均値を算出する（ステップＳ１４８）。
ここで、所定数過去に遡るのは第１の実施形態でも示したように、研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入により平均データ４１２は、ノイズ成分が残るためである。また、無効データを除外した後の平均データから傾きの平均値を求めるには、平均データのうち所定回数過去に遡った２点の和と平均値算部４１１において求めた時間差から傾きを算出する。
【００８０】
第４の実施形態で示した方法により、ポリッシ２ャの揺動が１回転の最初もしくは最後のごく微少時間だけ測定系を阻害した場合や、ウェハ１が１回転にかかる時間と比較してポリッシャ２の揺動スピードが十分早く、ごく微少時間しか測定系を阻害しない場合などに有効な平均データを反射光量として研磨終点検出が行える。逆に、ポリッシャ２が測定系を阻害する時間が１回転にかかる時間と比較して無視できないくらい大きい場合は、サンプリング毎にセンサを確認せずに、ウェハ１の１回転データ取得開始直前と直後だけセンサを確認し、どちらか一方もしくは両方でセンサがアクティブな時に無効な平均データとして、有効な平均データを反射光量として研磨終点検出が行える。
ただし、第４の実施形態で示した方法で、ポリッシャ２の揺動により測定系を阻害される平均データの割合が大きいと、研磨終点検出が遅れたり、研磨中に殆ど全て測定系を阻害される場合には検出そのものができなくなる。このことから、全平均データのうち、およそ１／３以上の平均データが有効となる状態が望ましい。
【００８１】
上述した第１の実施形態から第４の実施形態では、照射位置が一つの場合についてのみ説明してきた。以下に示す第５の実施形態ではウェハ半径方向に複数の照射位置を用意して、それぞれの照射位置において第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態について説明した測定系を設置し、更にポリッシャ２の揺動が測定系を阻害する照射位置には第４の実施形態を適用することで、新たな研磨終点の検出方法について説明する。
【００８２】
複数の照射位置において研磨終点を検出することから、研磨ムラによる終点検出が照射位置毎に異なり、研磨進行度合が遅い点では当然ながら終点の検出も遅くなる。更に第４の実施形態で示したポリッシャ２の揺動により測定系が阻害される場合、阻害されている時の無効データは前後の有効な平均データの直線補間で推測しているに過ぎず、平均データがある値に漸近することを検出する場合に遅れが生じてしまう。
以下に示す第５の実施形態では終点検出の遅れを補足する研磨終点の検出方法を提供する。ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号は主に配線部分の粗密に依存して変化するが、回転しているため各照射位置において、一周平均したときの反射光量つまり平均データは研磨状態が同じであればほぼ同じ値が得られる。そこで、終点検出が遅れている照射位置において最初に検出した照射位置での平均データを比較してほぼ同じ値になったとき終点として判断するアルゴリズムｄ（後述する）による終点検出を行うことで、研磨終点の検出遅れによる過研磨を防止する。
【００８３】
（第５の実施形態）
図１５は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の更に他の実施形態を示す図である。
図において、水平面内で回転するウェハ１とウェハ１に対して所定圧力をかけて接触し回転しながらウェハ１の半径方向に揺動するポリッシャ２と、ウェハ１の一番外側に照射位置Ａとして第２の実施形態で示した第１の測定系と第２の測定系を配置して、それぞれの測定系において独立にアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う。更に第１の測定系と第２の測定系から第２の実施形態で示したアルゴリズムｂによる終点検出を並列に行う。
最も中心寄りに照射位置Ｃとしてアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う第４の測定系を配置し、照射位置Ａと照射位置Ｃの間に照射位置Ｂとアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う第３の測定系を配置する。
【００８４】
ここで、各測定系の波長は、それぞれの反射光量比較を行う際、分光反射率が異なると比較が出来ないため、第１の測定系と第２の測定系は第２の実施形態で示すように金属膜２０１での反射率が高く異なる波長を選択し、第３の測定系と第４の測定系の波長は、第１の測定系または第２の測定系と同じ波長とし、更に照射径についても同一条件で比較を行った方が簡単なため同一径とすると比較が簡単に行える。照射径が異なると、周りの影響により時間ズレが生じるためである。また、照射位置Ａ、Ｂは、共にポリッシャの揺動により測定系が阻害されず、照射位置Ｃはポリッシャ２の揺動により測定系が阻害されるものとして第４の実施形態を同時に適用する。
それぞれの測定系における構成については、前述の各実施形態で説明済みであるためここでは説明を省略する。また、測定系の配置および実施形態は単独もしくは重複した多数の組み合わせが可能である。
【００８５】
図１６に、第５の実施形態における終点検出装置１５５の内部構成を示す。ここでは、アルゴリズムｄを実行する演算部以外の演算部及び平均値算出部や傾き算出部についての説明は、第１〜第４の実施形態で示してきたので、アルゴリズムｄに関わる部分以外の説明を省略する。
照射位置Ａの研磨終点検出装置としてとして、第１の測定系において、平均データ４１２は、傾き算出部４１３とアルゴリズムｄを実行する演算部４１８に並列に入力され、第２の測定系において、平均データ４２２は、傾き算出手部４２３とアルゴリズムｄを実行する演算部４２８に並列に入力され、照射位置Ｂの研磨終点検出装置として第３の測定系において、平均データ４３２は、傾き算出部４３３とアルゴリズムｄを実行する演算部４３８に並列に入力され、照射位置Ｃの研磨終点検出装置として第４の測定系において、平均データ４４２は、傾き算出部４４３とアルゴリズムｄを実行する演算部４４８に並列に入力され、各演算部４１８、４２８、４３８、４４８でアルゴリズムｄの並列処理を行う。
【００８６】
次に図１７を用いて照射位置Ａで最初に研磨終点を検出し、この時点で照射位置Ｃの研磨進行度合が遅れていた場合を例にとり、アルゴリズムｄの動作を説明する。
照射位置Ｃにおける第４の測定系では、第１の測定系と第３の測定系と同じ波長で同一径、同一照射角度の光学系が設置されている。まず、アルゴリズムｄ実行の第１ステップにおいて、アルゴリズムｃは第４ステップに到達したか否かをチェックする（ステップＳ１０９）。ここで第４の測定系にて第３の実施形態で示したアルゴリズムｃの第４ステップに到達するまで待つが、これは先に照射位置Ａにおいて終点が検出された場合、第１の測定系における平均データ４１２と第４の測定系における平均データ４４２を比較する際に、第１の実施形態で示した反射光量の上昇がある場合の研磨終了時点における平均データ４１２の値は、研磨終了前にも存在しており、平均データ４４２が誤って研磨終了前の同じ値で誤検出を行わないようにするためで、アルゴリズムｃの第４ステップに到達する条件の一つは平均データが上昇しないことを利用するためである。
【００８７】
次に、他の照射位置で研磨終点を検出するまで待つ（ステップＳ１１０）。これは、アルゴリズムｄが照射位置Ａでの研磨終点における平均データ４１２を利用するためで、ステップＳ１１１の「検出した照射位置での検出時点の平均データを取得し、目標値として保持する」動作にて他の照射位置で終点が検出されるとその値を目標値として保持する。ただし、第２の測定系は波長が異なることによる分光反射率に差があるため目標値としてはならない。また、第１ステップの順序は、ステップＳ１１０→ステップＳ１１１→ステップＳ１０９の順序でも同一効果を得られるため、順序を変えてもよい。
【００８８】
次に第ステップに進み、ステップＳ２１０の「｜平均データ−目標値｜≦所定しきい値？」の判断が行われる。ここで、先に検出した照射位置Ａでの研磨終点における平均データ４１２と、照射位置Ｃにおける平均データ４４２を比較するが、測定精度により全く同じ値になるとは限らないため、平均データ４４２と目標値の差の絶対値が所定閾値より小さい場合に研磨終点とする。ここで、所定閾値は、測定誤差などを考慮して０に近い値を設定すればよい。
こうすることで、第５の実施形態で示した構成において、照射位置Ａで第１の測定系と第２の測定系によるアルゴリズムｂだけが研磨終点を検出できる場合、もしくは第４の測定系と波長の異なる（この場合第２の測定系）測定系においてアルゴリズムａだけが研磨終点を検出できる場合でも、照射位置Ｂ、Ｃのように測定系を一つしか持たない測定系でも研磨終点検出が行えることから、ウェハ面上各点において未研磨状態の部分がないように研磨終点を検出が可能である。
【００８９】
第６の実施形態では、第５の実施形態に示したように、複数の照射位置で研磨終点の検出を行う場合に、研磨中でも研磨ムラを表示することを可能とする。これは、第５の実施形態で説明したように、研磨終点での平均データは同一種類のウェハもしくはパターンの粗密が似通ったウェハにおいて同じになることを利用する。
【００９０】
ウェハの研磨開始時点が金属膜で研磨終点がバリア膜を除去した後の絶縁膜が露出した状態までとすれば、全体的に見ると研磨開始から研磨終了に向かって平均データは下降する曲線をたどることから、同一種類のウェハもしくはパターンの粗密が似通ったウェハの研磨終点における平均データから現在の研磨進行度合を知ることが出来る。この研磨進行度合を照射位置毎に表示することにより、研磨進行度合の差から研磨ムラを確認することができる。
研磨進行度合の計算式は、ＡＶｓを金属膜での平均データ、ＡＶｅを前回研磨した同一種類のウェハもしくはパターン粗密が似通ったウェハの終点における平均データ、ＡＶｎを研磨中の平均データとすると、研磨進行度合ＡＶｒは以下の式で表すことができる。
ＡＶｒ＝（ＡＶｎ−ＡＶｅ）／（ＡＶｓ−ＡＶｅ）…（３）
【００９１】
この式により算出できる値に１００を掛け百分率にすることで、感覚的に残りの研磨量を推測できるようになる。但し、第１の実施形態のように、バリア膜２０２が薄くなりその下の構造により、平均データが上昇する場合には、一度負の値を表示することになり、この場合には目安として用いる。
しかし、このような場合でも、全てのアルゴリズムにおける進行度合を表示することで、研磨進行度合とアルゴリズム進行度合から残りの研磨量を正確に推測できるようになる。実際に時間に対する平均データの変化をグラフでリアルタイムに表示しても微妙な変化は掴みにくい場合もあるが、アルゴリズムの進捗を表示することにより、各アルゴリズムで実行中のステップと、そのステップでループなどにおける所定数がどの程度進んでいるかを表示することによって、そのステップが後どのくらいで終わるのかを容易に推測できるようになる。
【００９２】
アルゴリズムｄを例として表示の一例を挙げると、アルゴリズムｄの第ステップのステップＳ１０９に示す「アルゴリズムｃは第４ステップに到達したか？」という部分の処理中には、”ALG4:ALG_C ステップ4待ち中"と表示し、ステップＳ１１０に示す「他の照射位置で終点検出したか？」という部分の処理中には、”ALG4:他点の検出待ち中"などと表示し、第２ステップのステップＳ２１０に示す「平均データ−目標値≦所定しきい値？」判定中には、"ALG4:aaaa≦bbbb待ち中"としてaaaaに”平均データ−目標値”で算出される値とbbbbに"所定しきい値"を表示することで、アルゴリズムがどの程度進行しているかが分かるようになる。
以上を全ての測定系およびアルゴリズムについて行うことで、研磨進行度合とアルゴリズムの進行度合から研磨の進行度合が照射位置毎に分かることで研磨ムラがどの程度あるのか分かるようになる。
【００９３】
（第７の実施形態）
第４の実施形態では、ポリッシャ２の揺動により発生する無効データにより、データの欠損部分を前後の有効データから直線として保管した。
しかし、実際には研磨進行に伴う反射光量の変化は曲線となることから、検出精度は必然的に悪くなってしまう。そこで、第７の実施形態では、ポリッシャ２の揺動により測定系が阻害される照射位置に関して、第６の実施形態で示した研磨進行度合を調べ、最も進行度合の近い照射位置もしくは測定系から欠落したデータを補間することで研磨終点検出精度を高めることを可能とする。
【００９４】
図１８に、第７の実施形態の動作をフローで示し、例として、第５の実施形態で示した構成において、照射位置Ａと照射位置Ｃの研磨進行度合がほぼ同じだが少し照射位置Ａが進んでいて、照射位置Ｂは照射位置Ａより進んでいる場合について説明する。 まず、照射位置Ｃのアルゴリズム毎の進捗を取得するが（ステップＳ１８１）、全てのアルゴリズムで検出時点を１００となるように重み付けを行い、その達成を％で表示する方法や、アルゴリズム毎にステップやループの数が異なり、ループも所定回数ループや”最大値＊所定倍率以下”ループの場合などを定量的にステップ毎に表す方法など、様々であるが、ステップＳ１８３の「照射位置Ｃより進んでいる照射位置はあるか？」の判断方法の例として、測定系毎のアルゴリズム別に、ステップ内の所定回数ループを”現在数／所定数”，”最大値＊所定倍率以下待ち”のループを、”現在値／（最大値＊所定倍率）”等として、それぞれの項目を１で達成と分かるようにし、図１９に（表１）として示すようなマトリックスを配列などに格納する。
【００９５】
ここで、第２の測定系である照射位置Ｂ、第３の測定系である照射位置Ｃは、測定系が１つしかないため、アルゴリズムｂを実行できないので、全く進行していないという意味で０と入れておき、照射位置Ａは第１の測定系と第２の測定系があるが、同じ値を格納する。 こうして、第４の測定系において、最も進んでいるのはアルゴリズムＣで第３ステップ１／５程度が完了していることが分かる。これは測定系別にステップの大小を比較して最も１に近い値もしくは最も大きい値を取り出せばよい。
【００９６】
図１９に示す（表１）を用いて、図１８に示すフローチャートの動作を最初から説明する。
まず、ステップＳ１８１の「自照射位置におけるアルゴリズム毎の進捗を取得」において、この例の場合、照射位置Ｃすなわち第４の測定系で測定系が阻害されているので、第４の測定系におけるアルゴリズム毎の進捗を取得する。
次に、ステップＳ１８２の「他の照射位置における進捗を取得」において、この例の場合、第１の測定系と第２の測定系と第３の測定系におけるアルゴリズム毎の進捗を取得する。ステップＳ１８３の「照射位置Ｃより進んでいる照射位置があるか？」において、この例の場合、照射位置Ｂにおける第３の測定系と照射位置Ａにおける第１の測定系が照射位置Ｃより進んでいることがわかる。これは比較元となる照射位置Ｃにおける第４の測定系と他の照射位置において、同一アルゴリズムであれば単純にステップの値と進捗の値から判断できるが、アルゴリズムが異なる場合には、第１の実施形態で示した平均データが上昇する場合などで判断を誤る可能性があるため、対象外としても構わない。同一アルゴリズムであれば、第４の測定系と大小を比較して第４の測定系以上の測定系を探せばよい。もしも照射位置Ｃが一番進んでいる場合は、補間を中止して無効データとして平均データに記録する。
【００９７】
ステップＳ１８４の「その中で最も進捗が近い照射位置を選別」処理において、ステップＳ１８３の条件を満たした照射位置の内、最も進捗が近い照射位置を選別する。この例の場合、照射位置Ｃと他の照射位置のアルゴリズム進捗を比較し、同じか少しだけ進んでいる照射位置を検索すればよく、照射位置Ｃと同等の進捗で少しだけ進んでいるのは、照射位置Ａにおける第１の測定系でアルゴリズムＣの第３ステップ６／１５程度を完了しており、その差は１／１５しかないことが分かる。この時の検索方法は、第４の測定系の進捗と大小比較して第４の測定系以上の測定系を探せばよい。
【００９８】
ステップＳ１８５の「その照射位置における平均データを取得処理」において、ステップＳ１８４までで検索できた照射位置Ｃ（第４の測定系）より進んでいて最も進捗が近い測定系における平均データを取得する。この例の場合、照射位置Ａの第１の測定系における現在の平均データであるが、ここでは新しい順番に、４．４，４．６，４．７，４．９，５，… だったと仮定する。
ステップＳ１８６の「自照射位置における最新の有効な平均データを取得」処理において、この例の場合、照射位置Ｃ（第４の測定系）の現在から過去へ遡って最初に見つかる有効データで、常に値を補間できていれば直前の平均データを表すが、直前のデータが、ステップＳ１８３で無効データとなった場合には更に１回転分過去に遡って有効データになるまで繰り返す。なければ、そのまま無効データとしてフローを中断する。ここでは、第４の測定系における直前の平均データが無効データで、更に１回転分過去のデータが４．８と仮定する。
【００９９】
次に、ステップＳ１８７の「他照射位置の平均データを遡って取得した値に近いデータを検索する」処理において、ステップＳ１８５で示したように照射位置Ｃ（第４の測定系）において有効データである２回転前のデータ４．８に近い値は、照射位置Ａ（第１の測定系）の３回転前と４回転前のデータに近い値があり、順番に現在から過去に遡って検索することで３回転前のデータである４．７が検索される。検索の際、許容できる割合を予め決めておき、その値の範囲内で最初に見つかるデータでも良いし、その値より大きくなった所を探してもよい。
ステップＳ１８８の「前回有効データと現在データまでの時間を算出」処理において、この例の場合、照射位置Ｃにおける４．８を検出した時点から現在に至るまでの経過時間のことだが、間に１回転分の無効データがあるため、経過時間としては２回転分の時間を意味する。
【０１００】
ステップＳ１８９の「他照射位置の平均データから、現在値と無効データを補間する」処理において、この例の場合、照射位置Ｃにおいて、新しい順に 現在値, 無効データ,４．８となっており、補間すべきデータは、現在値と無効データである。そこで、有効データに近い値が見つかった第１の測定系の３回転前と２回転前のデータを直線で補間したとして、１回転分の変化は、４．６−４．７＝−０．１であることから、照射位置Ｃにおいて４．８の次の値は、４．８−０．１として、４．７を補間値として格納する。
次に、第１の測定系の２回転前と１回転前で同様に処理を行い、４．４−４．６＝−０．２であることから、先ほど計算により求めた４．７から引き算を行い、４．７−０．２＝４．５として補間を行う。
このようにして研磨進行状態の近い照射位置の平均データの変化に沿って補間値を求めることにより、単純な直線での補間を行うよりも、無効データが連続した場合に精度良く補間が可能である
【０１０１】
（第８の実施形態）
第８の実施例では、操作ミスなどにより、例えばパターン形成される前の絶縁膜のみのウェハなどを研磨してしまった場合に誤検出もしくは研磨終点が見つからないことを防ぐ方法ならびに装置である。構成は第３の実施形態に示した測定系を最低限一つ必要とする。
まず、絶縁膜などの配線が形成されていないウェハ１を研磨すると反射光量は金属膜２０１やバリア膜２０２を研磨する場合に比べて非常にゆっくりと上昇あるいは下降する。図２０に絶縁膜２０３のみのウェハを研磨した波形の一例を示す。このグラフから以下のように変化していることが分かる。ただし、ゆっくりと上昇するか下降するかは照射位置の組成と検査光の波長により決定されるので一概にはどちらか言えないが、どちらの場合でもゆっくりと変化することにかわりはない。
【０１０２】
このグラフから、研磨初期には比較的大きな信号変化が発生することと、反射光量は非常にゆっくりと低下することがわかる。
前者における研磨初期の比較的大きな信号変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に発生するもので、初期不安定領域で研磨進行に伴う変化とは異なる。後者における非常にゆっくりとした反射光量の低下は、研磨進行に伴って膜厚が薄くなり検査光を透過して下層の反射の影響や、膜厚変化による検査光の干渉などによるものである。
【０１０３】
第３の実施形態で示したアルゴリズムｃにて、例えば第１ステップの“所定回数以上最小値が検出されない”条件において、所定回数が少ないと誤検出の恐れがあり、また、傾き算出部４１３において、平均データのうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出する際にも、“所定数過去に遡った”個数が少ないと、傾きデータも微少ながら上下の変化を起こしてしまい、こういった変化をアルゴリズムが誤検出してしまう可能性がある。しかし、これらの所定数を極端に大きくすると終点検出が遅れたり、検出できないことがある。
そこで、こういった微小変化による誤検出を防ぐため、ゆっくりと低下する場合には検出自体を行わないようにし、さらに、所定時間経過しても終点を検出できない場合には強制的に研磨を終了する。
【０１０４】
まず、反射光量がゆっくり変化しているかどうかを検出する方法を示す。研磨初期の比較的大きな信号変化を無視するため所定時間経過した後、最初に得られる平均データを保持する。この後、１回転毎に得られる平均データに対して、保持した値と比較して所定割合以上の変動がある場合に全てのアルゴリズムの第１ステップを開始する。複数の照射位置で検出している場合は照射位置毎に行っても良いし、特定の１つの照射位置で、平均データに変動があることを検出して全ての照射位置のアルゴリズムを開始してもどちらでも良いが、照射位置別に検出することにより、特定の照射位置の測定系がレーザの耐久年数を越えたり、破損して光が出なくなっている場合でも終点検出を行える効果がある。
【０１０５】
次に強制的に終了する方法は、研磨開始からの経過時間が所定時間を越えた場合に、アラーム出力を行ったり、強制的に研磨終点検出として装置に出力すればよい。所定時間に関しては、ウェハ１の種類やバリア膜２０２の厚み，バリア膜２０２の材質，研磨液の種類などにより左右されるが、最も研磨時間が長いウェハを研磨する際に研磨開始から明確に変化したと分かるまでに掛かる時間より少し長めで、研磨終了までの時間に対して十分小さい時間でよい。この強制終了を持たせることで、従来予想していなかった素材でバリア膜２０２が構成された場合に、研磨し続けてポリッシャ２や研磨液を無駄に消耗する事を最小限に防ぐことができる。
更に、上述した反射光量がゆっくり変化しているかどうかを検出する際に、別の所定時間を設定できるようにして、最も研磨に時間が掛かるウェハの研磨時間と別の所定時間を比較して、最も時間が掛かるウェハの研磨時間を経過しても所定割合以上の変動がなかった場合に強制終了することで、ウェハ研磨中に研磨液がレンズなどに飛び散って測定不可能な状態になるなどの予測できない場合でも研磨し続けてポリッシャ２や研磨液を無駄に消耗する事を最小限に防ぐことができる。
【０１０６】
（第９の実施形態）
図２１に示す第９の実施形態では、ウェハ面内分布がある場合に複数の測定系を用いて研磨終了を判断する方法と、研磨分布半導体ウェハの研磨終点検出装置の更に他の実施形態を示す図である。構成に関しては測定系の組み合わせにより無限に存在するため、一例として第５の実施形態で示した構成を用いる。
終点検出信号４０５、終点検出信号４１５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５を出力するまでの構成と動作に関する説明は第１の実施形態から第８の実施形態に示した通りであり、重複を避ける意味でここでは省略する。
終点検出信号出力装置９１１は、終点検出信号４０５、終点検出信号４１５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５を入力し、ＣＭＰ装置９００が研磨分布を認識できるデータフォーマットに変換した研磨進捗信号９２２を出力し、同時に、任意に選択される研磨終了条件から判断して研磨終了の際に研磨終了信号９２１を出力して構成される。
【０１０７】
以下、動作について説明する。各測定系が出力する終点検出信号は第７の実施形態で示した（表１）の様にアルゴリズムの進捗とする。これは、現在の研磨状況を正確に把握しなければならないためで、反射光量信号では研磨終点における反射光量信号は測定系毎またはウェハ１が変わってもほぼ一定の値となるが、第１の実施形態で示したように平均データが上昇する場合には、研磨途中であっても研磨終点での反射光量信号と同レベルな信号があるため、一概に研磨分布を調べるのに適していないためである。従って終点検出信号はアルゴリズムの進捗を示すべきであり、第７の実施形態でも示したが、以下に詳細に示す。
【０１０８】
照射位置Ａの研磨進捗を表すのは、終点検出信号４１５と終点検出信号４０５と終点検出信号４２５の中で最も進捗が進んでいる所である。終点検出信号４１５は、アルゴリズムａ、アルゴリズムｃ、アルゴリズムｄを実行する演算部４１６、４１７、４１８のそれぞれが存在し、それぞれの進捗を情報として出力する。
【０１０９】
最初にアルゴリズムａの進捗の表し方を示す。アルゴリズムａは、図６に示すようにステップ数は２つである。各アルゴリズムは、それぞれをステップで分割していて、更に、ステップ内で、ある条件を満たすための条件ループが存在するため、ステップの進捗と、条件進捗を分けて考える。そこで、ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうして、ステップ進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
【０１１０】
次に、条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図６のステップＳ１０２の「傾きデータ＞閾値？」処理と、ステップＳ１０３の「所定回数越えた？」処理を複合して、条件進捗＝傾きデータ＞閾値の条件達成回数／所定回数で表す。例えば、所定回数５回で現在２回傾きデータ＞閾値の条件をクリアした場合２／５とする。こうして、条件進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、条件達成時に１となり、次のステップへ進み、ステップ進捗と条件進捗が共に１となった時、研磨終点検出となることから、ステップ進捗と条件進捗から研磨状況を判別できる。
【０１１１】
第１ステップと同様に第２ステップにおいて、図６のステップＳ２０５の「傾きデータ＜傾きデータ最大＊所定倍率？」処理と、ステップＳ２０４の「所定回数越えた？」処理を複合して、条件進捗＝現在の傾きデータ＜（傾きデータ最大＊所定倍率）達成回数／所定回数で表す。こうして、アルゴリズムａを実行する演算部４１６はステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１２】
同様にアルゴリズムｃの進捗の表し方を示す。アルゴリズムｃは図１３に示すようにステップ数は４つである。ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／４とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／４とし、第２ステップ実行中なら２／４とし、第３ステップ実行中なら３／４とし、第４ステップ実行中なら４／４とする。こうして、ステップ進捗は未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップの第４ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
【０１１３】
次に条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図１３のステップＳ１０７の「所定回数以上最小点が検出されていない？」の判断で、条件進捗＝現在の最小点未検出回数／所定回数で表す。ステップＳ１０８の「最小値は０以上？」の判断に関しては、アルゴリズムｃを中止するか実行するかの判断だけでループしないので、条件進捗に影響はない。
第２ステップにおいて、図１３のステップＳ２０８の「傾きデータ≧最小値＊所定倍率？」の判断において、条件進捗＝（最小値＊所定倍率）／現在の傾きデータで表し、第３ステップにおいて、図１３のステップＳ３０１の「中間時点からの経過時間≧経過時間＊所定倍率？」の判断において、条件進捗＝中間時点からの経過時間／（経過時間＊所定倍率）で表し、第４ステップにおいて、図１３のステップＳ４０１の「傾きデータが所定閾値以下か？」とステップＳ４０２の「上記条件を所定回数満たしたか？」の条件を複合して、条件進捗＝傾きデータが所定しきい値以下になった回数／所定回数で表し、アルゴリズムａと同様に、アルゴリズムｃは、ステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１４】
同様にアルゴリズムｄの進捗の表し方を示す。アルゴリズムｄは、図１７に示すようにステップ数は２つである。ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうしてアルゴリズムａで説明したのと同様に以降の比較を行いやすくできる。
次に条件進捗の表し方は、第１ステップでは、ステップＳ１０９の「アルゴリズムｃはステップ４に到達したか？」の判断と、ステップＳ１１０の「他の照射位置で終点検出したか？」の判断の２つの条件ループがあり、例えば、ステップＳ１０９の判断ではアルゴリズムｃの進捗において第４ステップ、すなわち最終ステップを意味するステップ進捗が１となるまでループするが、これを定量的にアルゴリズムｃの第４ステップに到達した時点を１となる換算を行ってもよいが、簡略して条件進捗を求めた方が容易である。
ここでは、条件ループが２つあるため、ステップＳ１０９の条件ループ中は、１／２とし、ステップＳ１１０の条件ループ中は、２／２として表す。
【０１１５】
第２ステップで、図１７のステップＳ２１０の「｜平均データ−目標値｜≦所定しきい値？」の判断において、条件進捗＝｜平均データ−目標値｜／所定閾値で表し、アルゴリズムａと同様にアルゴリズムｄは、ステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
こうして第１の測定系における終点検出信号４１５は、アルゴリズムａのステップ進捗と条件進捗と、アルゴリズムｃのステップ進捗と条件進捗とアルゴリズムｄのステップ進捗と条件進捗で表される。第２の測定系における終点検出信号４２５，第３の測定系における終点検出信号４３５、第４の測定系における終点検出信号４４５においても同様に表す。
【０１１６】
アルゴリズムｂの進捗の表し方は、図１０に示すように、ステップ数は２つであり、ステップ進捗はアルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムを実行していて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうして、ステップ進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
次に条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図１０のステップＳ１０４の「差の傾きの絶対値は増加しているか？」と、ステップＳ１０５の「上記条件を所定回数連続で満たした？」を複合して、条件進捗＝現在の連続条件達成数／所定回数で表し、第２ステップにおいて、図１０のステップＳ２０５の「差の傾きデータが所定閾値以下か？」と、ステップＳ２０６の「上記条件を通算して所定回数越えたか？」を複合して、条件進捗＝現在の通算所定閾値以下達成数／所定回数で表す。こうして、他のアルゴリズム同様、アルゴリズムｂはステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１７】
照射位置Ａにおける研磨進行状態を表すには、終点検出信号４１５における、アルゴリズムａとアルゴリズムｃとアルゴリズムｄのそれぞれから得られるステップ進捗と条件進捗を比較してステップ進捗と条件進捗の両方が１に近い値であることを判定して、そのアルゴリズムの進捗が終点検出信号４１５から得られる研磨進捗を表す。
ここで、比較を行う際に、条件進捗はステップが変わる度にリセットされてしまうため、ステップ進捗と条件進捗の和をとって２に近い値を最も進んだアルゴリズムと判断してはならない。最初にステップ進捗を比較して、最も進んでいるアルゴリズムが２つ以上ある場合、条件進捗の比較を行い終点検出信号における進捗とするか、重み付けによって比較を行わなければならない。
重み付けの一例として、ステップ進捗を１０倍して条件進捗との和を取り、アルゴリズム毎に比較して最も１１に近い値もしくは、最も大きい値を示すアルゴリズムの進捗を終点検出信号４１５とすればよい。
【０１１８】
こうして、終点検出信号４１５、終点検出信号４０５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５の進捗を得ることができる。終点検出信号においてアルゴリズム毎に進捗を比較したのと同様の比較を行うことで、照射位置毎の進捗がわかる。
照射位置Ａにおいて、終点検出信号４１５と終点検出信号４０５と終点検出信号４２５の比較を行い、最も進捗の進んでいるところが照射位置Ａの進捗を表し、照射位置Ｂは終点検出信号４３５そのものであり、照射位置Ｃも同様に終点検出信号４４５そのもので表し、研磨進捗信号９２２として出力する。全ての照射位置での研磨進捗はウェハ研磨面上の研磨分布を表す。
【０１１９】
従って、ウェハ面内分布を少なくするように研磨するためには、ＣＭＰ装置９００がアルゴリズム進捗の比較を行ったのと同様の機能を有する場合、研磨進捗信号９２２は、全ての照射位置における進捗として、ＣＭＰ装置９００にて進捗の比較を行い、最も研磨の遅れているところを重点的に研磨すればよいが、ＣＭＰ装置９００に比較機能がければ、終点検出信号出力手段にて照射位置毎の進捗を比較し、進捗の遅れている照射位置もしくは進捗の進んでいる照射位置を研磨進捗信号９２２として出力し、ＣＭＰ装置９００は、進捗の遅れている所を重点的に研磨し、進捗の進んでいる所は研磨しない研磨プロセスを実行してウェハ研磨面における研磨分布を小さくすることができる。
【０１２０】
また、ウェハ面内の任意な点の研磨終点検出により研磨を終了する方法を以下に示す。研磨終了信号９２１は、終点検出信号出力手段にて、アルゴリズム進捗の比較で行ったのと同様に、全ての照射位置での進捗を比較して、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置において研磨終点を検出した時点で研磨終了信号９２１を出力する。ＣＭＰ装置９００は、研磨終了信号９２１を受けて研磨動作を終了する。この方法では、特に研磨されにくい点が予め分かっている場合に有効である。
【０１２１】
更に、前工程からの面内分布の影響を受けたり、研磨ムラによる面内分布が存在する場合、部分的に研磨状態が良好な所と過研磨の所と研磨不足のところが１枚のウェハに混在することになり、この比によって歩留まりが大きく変わってしまうことも考えられる。この対処方法としては、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置で研磨終点を検出するのではなく、最初に研磨終点を検出した時間を保持して、この後、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置における研磨終点が所定の時間を経過しても検出できなかった場合、強制的に研磨終点検出信号を出力する。
こうすることで、最初に研磨が完了した部分の過研磨を最小限に押さえることができ、歩留まりを安定させることが可能である。
【０１２２】
以上説明のように本発明によれば、絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを精度良く検出し、研磨終点として検出することのできる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供できる。
また、半導体ウェハ表面には研磨そのものによるムラや、前工程の成膜工程による研磨前膜厚バラツキなどによる研磨ムラを生じるが、これを全くムラのない状態にすることは困難である。本発明は、複数の測定系を用いてウェハ面上の研磨進行状況の分布を計測し、ウェハ研磨面上の任意位置の研磨終点を検出して研磨終了としたり、研磨が最も遅い部分の研磨終点で研磨を終了させる等半導体ウェハ表面上の研磨分布により研磨終点を適時変え、最適な研磨結果が得られるようにしたり、研磨ムラを減らす目的でＣＭＰ装置にウェハ研磨分布情報を伝えることができる。
【０１２３】
更に、ある計測点に対し２種類以上の計測を行っている場合、その計測データを他の計測点の研磨終点判定に役立て、同一半導体ウェハ上であれば、どの計測点でも同じ研磨進行度合での計測データは同じ計測方法毎に等しくなるため、他の計測点に対し、より少ない種類の計測を行い、多い種類の計測点と比べ、行っていない種類の計測値を共通する種類の計測値を元に推測し計測の種類を少なくできる。また、本発明の半導体ウェハ研磨終点検出装置および方法は複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合いを表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認できる。
なお、本発明の研磨終点検出装置および方法は、金属配線形成後ではあるが配線以外の絶縁膜上のバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象として、複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合を表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認可能とし、更にウェハ面上各点における研磨状態を考慮し最適な研磨終点の検出を行うものであり、また研磨中に研磨進行度合を把握し、研磨ムラを小さくする目的でＣＭＰ装置に研磨分布情報を与えることもできる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、配線部分の金属膜とバリア膜を除く絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを検出するため、金属膜が配線部分以外で除去され、かつバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象に、最終の研磨終点を精度良く検出することができる。また、ウェハ面上の任意の位置における研磨終点を検出、あるいは各点の研磨状況を組み合わせて判断し、研磨終了とすることが可能である。
更に、複数の測定系を配置することで、それぞれの点において研磨終点検出を行い、研磨終点判定アルゴリズムの判定状況から、だいたいの研磨進行程度が分かるため、各点の研磨進行度合を計測しＣＭＰ装置に伝えることができ、ＣＭＰ装置側で研磨ムラをなくす目的で装置を制御する機能があれば、研磨中に研磨ムラをなくすようＣＭＰ装置にフィードバックできる。
【０１２５】
また、同一ウェハ上では計測位置が違っても同じ研磨進行程度なら計測データも同じであり、複数の測定系を配置して研磨進行度合の近い測定系からデータを推測して補間するため、パッドの揺動により測定系の一部の光路が遮られる場合においても、ある程度測定データが取得できれば、阻害された時点でのデータを補間できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】 本発明において使用される半導体ウェハ表面の断面形状を示す図である。
【図３】 半導体ウェハの被研磨面上にある研磨液排除装置を示す図である。
【図４】 図１に示す第１の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図５】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図６】 第１の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムａの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図７】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の他の実施形態（第２の実施形態）を示す図である。
【図８】 図７に示す第２の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図９】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図１０】 本発明の第２の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムｂの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図１１】 本発明の第３の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図１３】 第４の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムｃの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図１４】 本発明の第４の実施形態において、平均算出部、傾き算出部の動作をフローチャートで示した図である。
【図１５】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第５の実施形態を示す図である。
【図１６】 図１５に示す実施形態において使用される終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図１７】 アルゴリズムｄを実行する演算部の動作手順をフローチャートで示した図である。
【図１８】 本発明における第７の実施形態の動作をフローチャートで示した図である。
【図１９】 本発明における第７の実施形態にて使用されるマトリクステーブルを（表１）として示した図である。
【図２０】 本発明の第８の実施形態における絶縁膜のみのウェハを研磨した波形の一例を示す図である。
【図２１】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第９の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…ウェハ、２…ポリッシャ、３…研磨液、４…研磨液排除装置、１１１…光源、１１２…検査光、１１３…反射光、１１４…受光素子、１１５…受光素子アンプ、１１６…反射光量信号、１５１…終点検出装置、４１１…平均値算出部、４１３…傾き算出部、４１６…アルゴリズム演算部、９００…ＣＭＰ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ表面に形成された各種薄膜の化学的機械的研磨を行うときの半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハをＣＭＰ（化学的機械的研磨）装置により研磨する際に、配線幅が微細化するのに伴い配線中央が削れすぎて配線部分の中央がへこむディッシングと呼ばれる影響や、配線が集中するのに伴い密集した配線エリアの中心部分が削れすぎて、削れすぎた配線の断面積が小さくなるエロージョンと呼ばれる影響が無視できなくなってきた。
このため、複数の膜を研磨する際に膜毎に効率の良い研磨液を用いて研磨する複数のステップに分割した研磨方法が採られるようになった。半導体ウェハの化学的機械的研磨の終点を検出する先行技術に特開平１１−３４５７９１号がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例によれば、金属膜、バリア膜、絶縁膜等半導体ウェハ表面に形成された薄膜の全てを一回の研磨により終点検出を行う。従って、分割研磨により金属膜除去後のウェハを対象とした研磨終点を検出できない。
【０００４】
一般的に、半導体デバイスは、最上層の金属膜と最下層の絶縁膜との間にバリア膜といわれる金属膜の拡散を防止するための膜が形成されており、この金属膜除去後のウェハにおいて研磨終点検出は行えない。また、研磨ムラにより研磨が終了している部分と、研磨終了していない部分が混在している場合があり、未研磨部分がある場合には後工程で検査された後、再度研磨を行わなければならず、研磨ムラによる未研磨部分の残りが問題になっていた。更に、研磨ムラは、金属膜除去時に既に発生している場合があり、それがどの程度なのかをモニタする手段が無く、次行程に頼らざるを得なかった。
このような背景から、金属膜除去後のウェハに対してウェハ面上各点に及ぶ研磨終点を精度良く検出する必要があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを精度良く検出し、研磨終点として検出することのできる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することを目的とする。
また、半導体ウェハ表面には研磨そのものによるムラや、前工程の成膜工程による研磨前膜厚バラツキなどによる研磨ムラを生じるが、１以上の測定系を用いてウェハ面上の研磨進行状況の分布を計測し、ウェハ研磨面上の任意位置の研磨終点を検出して研磨終了としたり、研磨が最も遅い部分の研磨終点で研磨を終了させる等、半導体ウェハ表面上の研磨分布により研磨終点を適宜変え、最適な研磨結果が得られるようにしたり、研磨ムラを減らす意図でＣＭＰ装置にウェハ研磨分布情報を伝えることのできる、半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００６】
また、ある計測点に対し２種類以上の計測を行っている場合、その計測データを他の計測点の研磨終点判定に役立て、同一半導体ウェハ上であれば、どの計測点でも同じ研磨進行度合での計測データは同じ計測方法毎に等しくなるため、他の計測点に対し、より少ない種類の計測を行い、多い種類の計測点と比べ、行っていない種類の計測値を共通する種類の計測値を元に推測し計測の種類を少なくした半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
更に、１以上の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合いを表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認できる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００７】
また、金属配線形成後ではあるが配線以外の絶縁膜上のバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象として、複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合を表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認可能とし、更にウェハ面上各点における研磨状態を考慮し最適な研磨終点の検出を行うとともに、研磨中に研磨進行度合を把握し、研磨ムラを小さくする意図でＣＭＰ装置に研磨分布情報を与える、半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供することも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために請求項１に記載の発明は、
１以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出装置において、所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段と、前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、前記第１測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第１の終点検出信号を送出する第１終点検出部と、前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第２の終点検出信号を送出する第２終点検出部と、前記第１測定部から出力された反射光量信号及び前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該２つの反射光量信号の差分あるいは比率の時間変化から研磨終点を検出し、第３の終点検出信号を送出する第３終点検出部と、第３終点検出部と、前記第１から第３の終点検出信号のいずれか１つに基づいて前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号が前記目標値に到達したときに研磨終点を検出し、第４の終点検出信号を送出する第４終点検出部と、を有することを特徴とする。
これにより、ウェハ表面において１つの波長の光では研磨終点が検出できないような場合であっても、同じ位置に異なる波長の光を照射する測定部を設け、いずれかの波長と同じ波長の光を照射する測定部を他点に設けることで、多様なウェハの研磨終点を検出することができると共に、ウェハ全面の研磨状態を検出することができる。また、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第３測定部と該第３測定部に対応する前記第４終点検出部とをそれぞれ複数有することを特徴とする。
これにより、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第１測定部から出力され前記第１及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第１及び第３終点検出部に出力する第１平均値算出部と、前記第２測定部から出力され前記第２及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第２及び第３終点検出部に出力する第２平均値算出部と、前記第３測定部から出力され前記４終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第４終点検出部に出力する第３平均値算出部と、をさらに有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、研磨装置のポリッシャが前記反射光量の測定を阻害したことを検知するセンサをさらに備え、前記第１から第４終点検出部は、前記センサにより測定の阻害が検知されたときに入力された反射光量信号を含んで算出された平均データを無効とし、その前後の有効な平均データを用いて前記無効とされた平均データを直線補間することを特徴とする。
これにより、研磨装置のポリッシャによって反射光量の測定が阻害された場合であっても、精度よく平均データを算出することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置において、前記第１及び第２終点検出部は、前記平均データの時間変化が研磨開始の一定時間後から低下した後に上昇して変化率が小さくなり安定したとき、または、研磨開始の一定時間後から低下して変化率が徐々に小さくなり安定したときに研磨終点を検出することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、１以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出方法において、所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第２測定部と、前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、を有する半導体ウェハの研磨終点検出装置における研磨終点検出方法であって、前記第１測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第２測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第１測定部から出力された反射光量信号と前記第２測定部から出力された反射光量信号との差分あるいは比率の時間変化のいずれか１つから終点検出信号を出力する過程と、前記終点検出信号が出力されたときに前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号が前記目標値に到達したときに終点検出信号を出力する過程と、を有することを特徴とする。
これにより、ウェハ表面において１つの波長の光では研磨終点が検出できないような場合であっても、同じ位置に異なる波長の光を照射する測定部を設け、いずれかの波長と同じ波長の光を照射する測定部を他点に設けることで、多様なウェハの研磨終点を検出することができると共に、ウェハ全面の研磨状態を検出することができる。また、コストが上昇したり、機器配置が困難となったりすることなく、ウェハ表面における研磨分布に対応した複数の位置での測定を行うことができ、ウェハ全体としての研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の一実施形態を示す図である。
本発明の半導体ウェハの研磨終点検出装置は、半導体ウェハ研磨装置に測定系を付加して構成される。ここでは、水平面内で回転しながら研磨圧力に充分耐えられるように支持されているウェハ１と、このウェハ１に対して所定圧力をかけて接触し、回転しながらウェハ１の半径方向に揺動するポリッシャ２を有する半導体ウェハ研磨装置が例示されている。
【００２１】
測定系は、ウェハ１上に所定の径と角度で照射される所定波長の検査光１１２の発光源である光源１１１と、光源１１１から照射された検査光１１２がウェハ１上で正反射した反射光１１３の光軸上にあり、反射光１１３を受光してその反射光量を測定する受光素子１１４と、反射光１１３が受光素子１１４の受光面に集光し、受光素子１１４に接続され反射光量を反射光量信号１１６として出力する受光素子アンプ１１５と、研磨終点を検出するための終点検出装置１５１を有する。
【００２２】
終点検出装置１５１は、図４にその内部構成を示すように、反射光量信号１１６を入力してウェハ１回転の平均値を算出し、平均データ４１２として記憶し出力する平均値算出部４１１と、平均データ４１２の複数点の平均的傾きを算出して傾きデータ４１４として記憶し、出力する傾き算出部４１３と、傾きデータ４１４の時間変化から研磨終点を検出して終点検出信号４１５として出力する演算部４１６で構成される。
【００２３】
図２は、研磨対象である半導体ウェハ１表面の断面形状を示す一例である。図では、絶縁膜２０３を覆うように最上層に金属膜２０１がウェハ面上に膜付けされており、最上層の金属膜２０１と下層の絶縁膜２０３との間に金属膜の拡散を防止するためのバリア膜２０２が形成されている。
半導体ウェハをＣＭＰ装置により研磨し、溝部分の金属膜を残すことで配線を形成する際に、配線幅が微細化するのに伴い配線中央が削れすぎて配線部分の中央がへこむディッシングと呼ばれる影響や、配線が集中するのに伴い密集した配線エリアの中心部分が削れすぎて、削れすぎた配線の断面積が小さくなるエロージョンと呼ばれる影響が無視できなくなっており、こういった影響を最小限にするために特定の膜を効率よく研磨する研磨液を用いて研磨を数ステップに分割して行うことは上述したとおりである。
【００２４】
図２に示す例では、１次研磨により金属膜２０１を効率よく研磨するが、バリア膜２０２は研磨されにくい研磨液を用いて１次研磨終点２０５を検出し、２次研磨ではバリア膜２０２を効率よく研磨するが金属膜２０１は研磨されにくい研磨液を用い、研磨中にディッシングやエロージョンの影響を起こしにくくした上で、１次研磨終点２０５の後に残った金属膜２０１である配線部分２０４以外の露出しているバリア膜２０２を研磨により除去した時点である研磨終点２０６を検出する。
分割研磨を行う場合、次工程に渡す直前である研磨終点２０６において、研磨不足による配線部分の溝以外の絶縁膜２０３上にバリア膜２０２の残りがなく、かつ絶縁膜２０３の過研磨がないことが重要であり、本発明では、金属膜２０１を除去した後のウェハに対して精度良く研磨終点２０６を検出することを目的とすることは上述したとおりである。
【００２５】
図１に示す測定系として、光源１１１から照射された所定波長の検査光１１２は、ウェハ１上の照射位置Ａに所定径で照射され、照射位置Ａで正反射された反射光１１３の光束が受光素子１１４の受光面に集光する。
そのために、光源１１１である半導体レーザを図示せぬコリメータレンズで平行光とし、かつビーム径変換光学系や光ビームを所定径の穴などのマスクで覆うことで受光素子１１４の受光面より小さい所定径とする。この時、ウェハ表面上の研磨液表面の波などにより光が若干ゆらぎ、そのため径が多少変動しても、ほぼ全て受光素子に入るよう小さい側に余裕を持たせた径としている。
検査光１１２は、反射角度の変動の影響を小さくしたり、研磨液表面での反射を小さくするため、全反射角度より十分小さい所定角で照射する。
【００２６】
光源１１１は、半導体レーザ以外に固体レーザや気体レーザなどの一般的なレーザを用いること可能であり、平行光を出射するレーザであればコリメートレンズは不要である。必要に応じて反射ミラーなどを用いてポリッシャの揺動や研磨動作を阻害しないように光が通る光路を設計し構成する。
光源１１１の波長は金属膜２０１での反射率がなるべく大きく、バリア膜２０２や下層膜の反射率が小さい波長を選択する。例えば、金属膜が銅の場合、波長が６００ｎｍから１０μｍ程度だと分光反射率が９０％を越えることが分かっているので、この波長範囲内の光を用いる。そしてバリア膜や下層膜での反射率が金属膜２０１での反射率より小さく、かつ光路調整を行いやすくするためと、赤外だと熱放射の影響が出てくるので６００ｎｍ以上かつ可視光領域の波長を用いるとよい。金属膜２０１がアルミなど他の材質の場合にも反射率が大きくなるように、かつバリア膜２０２や下層膜での反射率が金属膜での反射率より小さい波長を選択する。
【００２７】
図２における照射位置Ａに関して、予め図３に示すウェハ１の被研磨面にある研磨液３によって検査光１１２および反射光１１３がウェハ１上で正反射するのを阻害しないように研磨液排除装置４にて反射光が研磨液表面の波の影響を大きく受けない程度まで研磨液を排除しておく。
【００２８】
ここで、研磨液排除装置４は、照射位置Ａに対してエアノズルのようにエアを絞ってウェハ１上に吹き付け研磨液を排除してもよい。また、検査光に対し透明でウェハの照射位置Ａを覆う広さで接触し回転しても傷が付かない物質を用いて研磨液を排除してもよく、更に、ウェハ１に接触し回転しても傷が付かない物質を用いて自動車のワイパーのようなものをウェハ回転方向上流に照射位置Ａの幅を覆う広さで設置し、照射位置付近の研磨液を排除してもよい。
ここではウェハ１の研磨進行に伴う反射光量信号１１６の変化を研磨液が阻害しないことが重要であり、研磨進行具合の変化を反射光量信号１１６により測定できればよく、更に研磨液が研磨液の下のウェハ表面の反射率計測に大きな影響を及ぼさない場合には研磨液排除装置４はなくても構わない。
【００２９】
対象となる金属によっては例えば銅は空気中の酸素の影響で酸化するため研磨液を完全に除去しないように表面に薄く研磨液が残るようにする。更に、先に半導体レーザをコリメートレンズで平行光にすると示したが、反射光が殆ど全て受光面に入るならば平行光でなくても構わず、収束光であっても広がっていく光でもよい。研磨動作中にウェハ１は回転し、ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号１１６はウェハ１の回転により主に配線部分２０４の粗密に依存して変化するため、反射光量信号１１６は、周期的な変化を有する信号として終点検出装置１５１に入力される。
【００３０】
次に、終点検出装置１５１における動作について図４および図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）は、研磨中における平均データ４１２の時間変化の一例を表すグラフであり、図５（ｂ）は、研磨中における傾きデータ４１４の時間変化の一例を表すグラフである。
研磨の進行状態は、反射光量信号１１６の周期的な変化を除去した信号変化に現れる。図４に示すように、平均値算出部４１１は、一定間隔で反射光量信号１１６を入力し、ウェハ１の１回転分の反射光量信号１１６を平均して平均データ４１２として算出し、１回転毎の時間経過と共に記憶する。この時、反射光量信号１１６を１回転の自然数倍毎あるいは１回転全てでなく１回転中の所定時間の範囲を１回転の自然数倍毎に平均し、平均データを算出してもよい。
【００３１】
図５（ａ）に示すグラフは、金属膜２０１を除去した後で、バリア膜１０２を有するウェハ１を研磨した際の研磨進行に伴う平均データの変化の一例を示したグラフである。平均データは、研磨の進行に伴って以下に列挙する（１）〜（４）で示す特徴的な変化が見られる。
（１）研磨初期には比較的大きな変化が発生する
（２）反射光量が低下していく。
（３）反射光量が上昇していく。
（４）反射光量変化が小さくなり安定する。
【００３２】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。（２）における反射光量低下は、研磨進行によりバリア膜が薄くなるのに伴う変化で、金属膜２０１の反射率よりバリア膜２０２の下層膜の反射率や干渉の効果も含むバリア膜の反射率の方が低く、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜２０２の影響の占める割合が少なくなってくることから生じる。
【００３３】
（３）における反射光量の上昇はバリア膜２０２が薄くなり、バリア膜２０２より絶縁膜２０３あるいは多層に配線パターンが形成されているウェハ１などにおける更に下層にある配線パターンや干渉の効果も含んだバリア膜２０２より反射率の高い層の反射の影響を受けるためである。反射率は素材そのものの影響だけでなく膜の厚さに起因する干渉によっても決まる。
（４）における反射光量が安定するのは、バリア膜２０２が除去されて配線部分の溝にある金属膜２０１の反射と絶縁膜２０３を含む下層膜の反射により反射光量が決まり、金属部分と絶縁膜部分の面積が変わらないため反射光量が安定する。この安定期間は、配線部分を形成する金属膜２０１が検査光１１２を反射するのに十分な厚みを維持している間、かつ絶縁膜２０３の厚さが変わることにより干渉の具合が大きく変化しない間であり、この期間を過ぎると再び反射光量は変化する。
ただし、本発明による研磨終点の検出は、配線部分を過研磨しないことが一つの目的であり、この安定期間中に研磨を終了するため、反射光量が安定期を過ぎた後に関しては考慮外とする。
【００３４】
研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に発生するもので、平均値算出部４１１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、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点の誤検出を防止するため研磨開始から一定時間は平均データ４１２を無視する。平均データ４１２の研磨初期の不安定要素を除去できても、ウェハ半径方向研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入により平均データ４１２はノイズ成分が残るため更に平均データ４１２を充分に平滑化する必要がある。そこで、傾き算出部４１３により平均データ４１２のうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出し、傾きデータ４１４として出力する。
【００３５】
図５（ｂ）に示すグラフは、傾きデータ４１４の変化の一例である。平均的傾きの算出は複数のデータの最小二乗法を用いてもよいし、複数のデータの平均値と所定数過去に遡った時点付近における複数のデータの平均値を結ぶ傾きでもよい。図５（ａ）における平均データの変化と、図５（ｂ）における傾きデータの変化のグラフは時間軸を一致させてあり、図５（ａ）、図５（ｂ）両方のグラフを比較すると、傾きデータの変化のグラフにおいて反射光量変化のノイズ成分が除去されているのが分かる。
この傾きデータ４１４をもとにして演算部４１６により最終的な研磨終点の判定を行い、終点検出信号４１５として研磨が終了したことを研磨装置に通知し研磨を終了する。
【００３６】
次に、演算部４１６による研磨終点の判定のアルゴリズム（以下アルゴリズムａとする）について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、図５（ａ）に示す平均データ４１２の変化の特徴である平均データ４１２の上昇を検出する第１ステップの処理を行う。
第１ステップの処理においては、平均データ４１２が上昇する、傾きが負から正に転ずることを検出するために、傾きデータ４１４が正の値か否かを判定する（ステップＳ１０１）。ただし、突発的なノイズによる瞬間的あるいは一時的に傾きデータが０近傍になったことや、反射光量が増加せずにそのまま安定したために起こる傾きデータが０近傍になったのを誤認識しないため、単純に傾きデータが負から０を越えたかどうか判定するのではなく、予め０近傍の閾値を決めておき、傾きと閾値との比較を行うことにより、傾きデータが閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ１０２）。
更に、閾値を所定回数連続して越えたか否かを判定（ステップＳ１０３）し、所定回数を越えた場合に第１ステップの処理を完了する。この第１ステップにおける条件ループを回っている状態の時、ステップ１０１で同時に傾きデータを確認し、傾きデータが最大であれば、その値を傾きデータ最大として保持しておく。
【００３７】
次に第２ステップの処理においては、平均データ上昇後の平均データが安定することを検出する。
ここでは、第１ステップの処理と同様に、まず、ステップＳ２０４で傾きデータをチェックし、最大であれば、その傾きデータを最大として保持しておく。次にステップＳ２０５で「傾きデータ＜傾きデータ最大＊所定倍率」を満足するか否かを判断し、その傾きデータが、傾きデータの最大値に所定倍率乗じた値との大小比較を行う。そして、ステップＳ２０６で、ステップＳ２０５で示す条件を所定回数満たすか否かをチェックし、所定回数満たした場合、研磨終点として検出する（ステップＳ２０７）。
【００３８】
ここで、傾きデータ最大に所定倍率を乗じた値と傾きデータ４１４を比較する理由は、平均データの上昇が小さい場合には、傾きデータの変化は０近傍で緩やかに変化することから傾きデータの最大は比較的小さな値となり、傾きデータ最大の値に所定倍率を乗じた閾値を用いることで、研磨終点、すなわち傾きデータが極力０近傍の閾値とすることができる。
逆に平均データの上昇が大きい場合には、傾きデータの変化は急峻であることから傾きデータ最大は比較的大きな値となり、傾きデータ最大の値に所定倍率を乗じた閾値を用いることで、急峻な変化に対応した閾値とすることができ、研磨終点検出の精度を高めることが出来る。
例えば、検査光１１２の光源１１１の光強度が劣化等により長期的に減少する場合など、Ｓ／Ｎ比は変わらないが信号が小さくなり同じ傾きの判定値を用いると検出精度が劣化する場合に対応できる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図７は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の他の実施形態を示す図である。
図７に示す第２の実施形態では、図１に示す全ての構成要素を包含し、図１に示す第１の測定系（図１に示す測定系を、ここでは便宜上第１の測定系と称する）とは異なる所定照射角度、所定波長で、同一照射位置Ａに同一径にて照射される第２の測定系が付加されている。
【００４０】
第２の測定系は、第１の測定系である検査光１１２と波長が異なり、同一径かつ同一照射位置Ａに異なる照射角度で、光学系配置可能な光路をクロスさせて同一照射角度で照射する検査光１２２と、光源１２１から照射された検査光１２２がウェハ１上で正反射した反射光１２３の光軸上にあり反射光１２３を受光してその反射光量を測定する受光素子１２４と、反射光１２３が受光素子１２４の受光面に集光し、受光素子１２４に接続され反射光量を反射光量信号１２６として出力する受光素子アンプ１２５で構成され、その反射光量信号１２６は終点検出装置１５２に入る。
【００４１】
第１の測定系と第２の測定系の波長を変えるのは研磨終点付近での波長毎の反射率の変化の違いをとらえるためで、照射角度が異なるのは、同一照射位置に照射するために物理的にレーザを配置できないためであり、小型レーザや、ミラーなどを用いて光学系配置可能なら光路をクロスさせて同じ照射角度で照射しても構わない。また、第１の測定系と第２の測定系で照射位置を同一箇所にする理由は、同一の場所を検出するためであり、同一径にする理由は、径が異なることにより他の箇所状態が検出信号に混じらないようにするためである。
【００４２】
終点検出装置１５２は、図８に示すように平均データ４１２と平均データ４２２のそれぞれにアルゴリズムａによる研磨終点検出を行い、同時に平均データ４１２と平均データ４２２の差を算出して、差分データ４０２として記憶し出力する差分算出部４０１と、差分データ４０２を入力し、複数点の平均的傾きを算出して差の傾きデータ４０４として記憶し出力する差の傾き算出部４０３と、差の傾きデータ４０４の時間変化から研磨終点を検出して終点検出信号４０５として出力する演算部４０６で構成される。
平均データを傾き算出部４１３差分算出部４０１に並列して入力することで、演算部４１６、４２６と演算部４０６は、並列動作もしくはどちらか一方または両方行わないのいずれかを任意に行うことができる。
【００４３】
図７に示す第２の実施形態において研磨対象となるウェハは図１に示す第１の実施形態と同様であり、研磨に先立ち予め研磨液を測定に影響のないように排除しておく。
光源１２１から照射された所定波長の検査光１２２は、ウェハ１上の照射位置Ａで第１の測定系における検査光１１２と同一径で照射され、照射位置Ａで正反射された反射光１２３の光束が受光素子１２４の受光面にほぼ全て入るようにするために、半導体レーザをコリメートレンズで平行光とし、かつビーム径変換光学系や光ビームを所定径の穴などのマスクで覆うことで受光素子１２４の受光面より小さい所定径とする。
光源は第１の実施形態で述べたように一般的なレーザを用いても構わない。平行光を出射するレーザを用いる場合、コリメートレンズは不要である。
【００４４】
光源１２１の波長に関しては図２に示す金属膜における金属の種類に応じて第１の測定系である光源１１１の反射率と極力大きく異なる波長を選択する。金属膜２０１が銅の場合、第１の実施例で示したように波長が６００ｎｍ以上の可視光だと分光反射率は９０％を越えるが、５５０ｎｍ未満だと６６％未満になることから、例えば、第１の測定系の波長を６５０ｎｍとし、第２の測定系の波長を５００ｎｍとする様に選択する。金属膜２０１が他の材質の場合も同様に波長を決定すればよい。
【００４５】
ここでは、２つの異なる波長の光源を用いるため同一膜で各波長毎に反射率が違い反射光量が異なる。波長が異なることにより膜毎に分光反射率が異なることを利用し、予め決めた基準膜での反射光量と研磨途中のウェハ表面上の反射光量変化を調べ、基準膜の反射率が一致するよう補正した波長の異なる２つの反射光量の差の変化から研磨終点を検出する。
【００４６】
研磨途中のウェハ１表面は、配線パターンや絶縁膜２０３があり特定の一種類のみで反射光量を測定できないことや、膜厚変化に伴う干渉などにより反射光量が変化し、反射率の基準となる基準膜には不向きである。
そこで、ここでは単一膜で干渉による変化がない金属膜２０１を基準膜として、ウェハ全面に金属膜２０１が干渉しないくらい十分厚みのある状態かつ表面が研磨で滑らかになった状態で計測した波長の異なる２つの平均データを一致させるように補正し、この補正を基準光量補正と呼ぶ。各波長の金属膜２０１での平均データを補正により一致させることで、金属膜２０１での反射率を基準としてバリア膜２０２と絶縁膜２０３での反射率の違いからそれぞれの平均データが大きく変わることから、それぞれの補正後の平均データの差を取り、その変化から研磨終点を検出する。
【００４７】
具体的には、金属膜２０１での平均データ４１２または平均データ４２２のどちらかを基準として、他方にある倍率を乗じて金属膜２０１での平均データを一致させる。ところが、本発明の対象となるウェハは金属膜２０１が既に除去された状態から研磨を開始するため、基準となる金属膜２０１での平均データを測定できない。そこで、研磨を行う前に予め金属膜を除去する前のウェハにてデータを取得し保管しておく。例として第１の測定系における金属膜での平均データ４１２を基準とした場合について説明する。
金属膜除去前のウェハにて通常の研磨動作を行い、金属膜除去前の平均データ４１２と平均データ４２２を取得する。この時、通常の研磨動作と同様に研磨初期の大きな変化を無視した後、所定時間平均データ４１２と平均データ４２２を取得し続けて、所定時間での平均値を算出し、それぞれ、第１の基準反射光量、第２の基準反射光量として保存しておく。
保存したデータは研磨開始直後に取り出して基準光量補正で用いる補正倍率の計算を行う。しかし、基準反射光量だけで基準光量補正を行うと、レーザの発光出力は温度や経年などにより変動するが、これを無視することになってしまう。
【００４８】
そこで、基準反射光量を測定する際、同時に第１の測定系および第２の測定系のレーザ出力モニタ値も測定し、基準反射光量の算出と同様に、出力モニタ値の平均を算出して、それぞれ第１の基準出力値、第２の基準出力値を算出して保存する。以降、金属膜が除去されたウェハを研磨する際に、研磨開始時に第１の測定系、第２の測定系から得られるレーザ出力モニタ値を測定し、それぞれ第１の現在出力値、第２の現在出力値として、保存した第１の基準反射光量と第２の基準反射光量および第１の基準出力値と第２の基準出力値を呼出し、以下の式により基準光量補正による補正倍率を算出する。
第１の測定系への補正倍率
＝第１の現在出力値／第１の基準出力値…（１）
第２の測定系への補正倍率
＝（第１の基準反射光量×（第一の現在出力値／第一の基準出力値））
／（第二の基準反射光量×（第二の基準出力値／第２の基準出力値））…（２）
【００４９】
図９に示す３つのグラフは、第２の実施形態における代表的なグラフで、金属膜除去後からの研磨進行、すなわち反射光量信号の時間変化を表すグラフであり、図９（ａ）は、研磨中における平均データ４１２と平均データ４２２の時間変化の一例を表すグラフであり、図９（ｂ）は、金属膜２０１を研磨している最中の平均データ４１２と平均データ４２２を一致するように補正した、補正後の平均データ４１２と補正後の平均データ４２２における時間変化の一例を表すグラフであり、図９（ｃ）は、研磨中における補正後の平均データ４１２と補正後の平均データ４２２における差の傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【００５０】
ここでも第１実施形態と同様に、第１の測定系と第２の測定系それぞれに用意されたアルゴリズムを演算部４１６、４２６で実行するため、第１の実施形態と同様、第１の測定系に対して、平均値算出部４１１は、ウェハ１回転の反射光量を平均して平均データ４１２として算出し記憶する。同様に第２の測定系に対しても、平均値算出部４２１にて平均データ４２２を算出し記録する。
平均データのノイズ成分を除去するため、第１の実施形態と同様に第１の測定系に対して、傾き算出部４１３により平均データ４１２を入力して平均的傾きを算出し、傾きデータ４１４として出力する。第２の測定系も同様に傾き算出部４２３により平均データ４２２を入力して傾きデータ４２４として出力する。
【００５１】
こうして得られた傾きデータ４１４と傾きデータ４２４それぞれに演算部４１６、４２６でアルゴリズムを実行しても、平均データの上昇がないため研磨終点の検出を行えない。
図９（ａ）と図９（ｂ）のグラフより、研磨の進行に伴って以下に列挙する（１）〜（３）の特徴的な変化がわかる。
（１）研磨初期には比較的大きな変化が発生する。
（２）反射光量が低下していく。このとき途中までは平均データ４１２の変化率と平均データ４２２の変化率が異なり、差が開いていく。
（３）研磨終点以降、第１の測定系における平均データ４１２と第２の測定系における平均データ４２２の光量変化率はほぼ同一になり、差が一定となる。
【００５２】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。
（２）における反射光量の低下は、研磨進行によりバリア膜２０２が薄くなるのに伴う変化で、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜２０２が薄くなり、バリア膜２０２の下層が露出することによりバリア膜２０２の占める割合が少なくなっていることから生じる。
【００５３】
ここで図９（ｂ）では波長の異なる二つの補正後の平均データは、変化率が異なり始め差が開いていく。これは下層構造や干渉を含むバリア膜での反射率が波長により異なるために起こり、金属膜２０１での反射率を基準として補正しているため、研磨進行に伴いバリア膜２０２の占める割合が少なくなり、バリア膜２０２除去後の下層構造において波長が異なると反射率が異なるためであり、変化率も異なることから差が大きく開いていく。
（３）については、それぞれの波長における反射率はバリア膜２０２の占める割合が少なくなり下層構造に依存するため、それぞれの反射光量の変化率は安定して波長の異なる２つの補正後の平均データは差が開いた状態で安定する。
【００５４】
金属膜２０１を除去した状態では図９ｂから平均データ４１２の方が平均データ４２２より反射光量低下が大きくなる。これは、反射光量低下率はバリア膜２０２でのそれぞれの波長における反射率の違いにより決まるためである。この時点以降、つまり検査開始後、バリア膜２０２は薄くなって光を透過し始め、下層の影響がより大きくなる。このとき、第１の平均データ４１２と第２の平均データ４２２の間で差が広がっていき、研磨終了時点で差が最大になり、その後は差がほぼ同一になる。
これは、研磨終点に到達したことを表し、第１の実施形態で説明したようにバリア膜除去後の下層構造の反射率で安定することから、それぞれの波長での反射光量つまり平均データが安定するためであり、この時第１の測定系と第２の測定系における平均データの差が一定となるためである。従って、研磨終点を検出するためには、研磨終点に向けて第１の平均データ４１２と第２の平均データ４２２との低下率の差が広がっていき、研磨終点で差が一定になる時点を検出すればよい。
【００５５】
図８を用いて第２の実施形態における終点検出装置１５２について説明する。第１の実施形態と同様に、第１の測定系における平均データ４１２および第２の測定系における平均データ４２２を算出する。差分算出部４０１にて、第１の測定系から得られる平均データ４１２に基準光量補正で求めた第１の測定系への補正倍率を乗じて補正後の第１の平均データを算出し、同様に補正後の第２の平均データを算出して、第１の平均データと第２の平均データの差を求めて差分データ４０２を出力する。
【００５６】
差分データ４０２は、金属膜除去時点でのムラ、研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入によりノイズ成分が残るため更に差分データ４０２のノイズ成分を十分に平滑化する必要がある。そこで、差の傾き算出部４０３により差分データ４０２のうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出し、差の傾きデータ４０４を出力する。こうして得られた差の傾きデータ４０４の時間変化は図９（ｃ）に示す波形となる。
【００５７】
研磨終点は演算部４０６により、この差分データが大きくなった後ほぼ一定になった点を検出する。研磨終点は差分データが一定になった時点であることから、差の傾きデータが０近傍になった時点を検出すれば良いことから、０近傍を判定する値を終点判定閾値として、差の傾きデータ４０４の絶対値が連続して所定回数以上終点判定閾値以内の値であった場合、あるいは差の傾きデータ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閾値以内の値になった場合、または、差の傾きデータ４０４が終点判定閾値以内になる割合が所定割合以上になった場合に研磨が終了したと判定する。
【００５８】
次に図１０を用いて演算部４０６によるアルゴリズム（以下アルゴリズムｂとする）の実行について、差の傾きデータ４０４が終点判定閾値以内になる割合が所定割合以上になった場合に研磨が終了したと判定する場合を例として説明する。
演算部４０６は、アルゴリズムｂ実行の第１ステップにおいて、差の傾きの絶対値が一度大きくなることを検出するために、差の傾きの絶対値が増加しているか否かをチェックする（ステップＳ１０４）。ここで増加していることを確認したら、突発的なノイズなどによる誤判定を防ぐために、差の傾きの絶対値が所定回数連続して満たすまで繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００５９】
次にアルゴリズムｂの第２ステップに移り、一度差が大きくなった後に差がほぼ一定になる点を検出するため、差の傾きデータが所定の閾値以下か否かを判断する（ステップＳ２０６）。ここで差の傾きデータ４０４が０近傍である終点判定閾値に入ったかどうかを判定する。ここでも、突発的なノイズなどによる誤判定を防ぐために、その条件を通算して所定回数越えたか否かを判断し（ステップＳ２０６）、複数回終点判定閾値に入った時点で研磨終点検出とする（ステップＳ２０７）。
ここで、光源光量等の変動を吸収し判定基準を一定にするため、終点判定閾値は第１の基準反射光量に所定の値を乗じて算出しておく。
【００６０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１の実施形態におけるアルゴリズムａと異なるアルゴリズム（以下アルゴリズムｃ）を並列に動作する点だけが異なり、それ以外は第１の実施形態と同じである。従って、ここでは、傾きデータ４１４が算出されるまでの説明を省略し、図１１に示す終点検出装置１５３の内部構成ブロック図を用いて終点検出動作について説明する。
【００６１】
傾きデータ４１４は、アルゴリズムａを実行する演算部４１６とアルゴリズムｃを実行する演算部４１７に並列に入力され、演算部４１７では反射光量が変化しなくなったこと、つまり傾きデータ４１４が０近傍になったことを検出して終点検出信号４１５を出力する。このためアルゴリズムａを実行する演算部４１６とアルゴリズムｃを実行する演算部４１７は並列に動作可能であり、並列動作もしくはどちらか一方または両方行わないことを任意に選択できるが、複数のアルゴリズムを並行して動かすことにより、種類の異なるウェハにおいて研磨終点を検出することができる。
【００６２】
図１２（ａ）は、研磨中における平均データ４１２の時間変化の一例を表すグラフであり、図１２（ｂ）は研磨中における傾きデータ４１４の時間変化の一例を表すグラフである。
第１の実施形態で示したアルゴリズムａでも第２の実施形態で示したアルゴリズムｂにおいても研磨終点の検出を行えない一例である。選択した波長の金属膜の反射率、下層の影響を含むバリア膜２０２の反射率、下層の反射率の変化がバリア膜厚や下層の構造によって各波長で相似になった場合である。
【００６３】
図１２の上のグラフから研磨の進行に伴って平均データが特徴的に以下に列挙する（１）〜（４）のように変化することが分かる
（１）研磨初期には比較的大きな信号変化が発生する。
（２）反射光量が低下していく。この時、変化率はやや大きく変化する。
（３）反射光量は上昇せず徐々に変化率を小さくしていく。
（４）反射光量が安定する。
【００６４】
（１）における研磨初期の比較的大きな変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に生じるものであり、初期不安定領域で研磨進行とは異なる変化である。（２）おける反射光量低下は、研磨進行によりバリア膜２０２が薄くなるのに伴う変化で、金属膜２０１の反射率よりバリア膜２０２の下層の反射率や干渉の効果も含むバリア膜２０２の反射率の方が低く、研磨進行に伴いウェハ面上でバリア膜の占める割合が少なくなっているとから生じる。変化率が大きくなっていくのは、下層構造の反射率や干渉の効果も含むバリア膜２０２の反射率と金属膜２０１の反射率を比較して、金属膜２０１の方がずっと大きいからで
ある。
【００６５】
（３）における反射光量の変化率が小さくなるのは、ウェハ研磨面においてバリア膜２０２が殆どなくなり、下層の絶縁膜２０３の占める割合が多くなってきたためで、バリア膜２０２による影響が少なくなるためである。（４）における反射光量の安定は、ウェハ研磨面においてバリア膜２０２が除去され下層の反射率で安定するためである。
従って、変化率が一度上昇した後、０近傍で一定になる付近が研磨終点であり、この点を検出すればよい。
【００６６】
次に、図１３を用いて演算部４１７で実行されるアルゴリズムｃの動作について説明する。
アルゴリズムｃ実行の第１ステップにおいて、最小点を検出し、研磨開始から最小点検出までの時間を保持する。まず、傾きデータの最小値チェック（ステップＳ１０６）により、最小値であればその値と研磨開始からの時間を保持し、所定回数以上最小点が検出されているか否かの判断（ステップＳ１０７）を行う。ここで所定回数連続して最小値が検出されない場合は、更に、最小値は０以上か否かがチェックされる（ステップＳ１０８）。ここで０以上であればアルゴリズムｃによる検出を中止するが、負の値であれば第２ステップの処理へ進む。
【００６７】
これは、反射光量が研磨進行に伴い小さくなるが、バリア膜２０２が薄くなるに従ってその変化が緩やかになることを検出するためで、一番変化が激しかった時、すなわち、傾きデータの最小値と研磨開始からの時間を保持し、突発的なノイズなどの影響による誤判定防止のため所定回数連続して最小値が検出されないことにより、反射光量の変化が緩やかになったこと、換言すれば傾きデータが負の大きな値から０近傍に近づこうとしていることを検出するためである。ここで、最小値が０以上であると言うことは、反射光量が増えていることを意味するため第１の実施形態に示した反射光量が増えるパターンの途中から始まった可能性があり、アルゴリズムｃにより研磨終点を誤検出しないようにするためアルゴリズムｃ自身を停止する。
【００６８】
次に第２ステップの処理に進み、「傾きデータ≧最小値＊所定倍率」の判定が行われる（ステップＳ２０８）。ここで傾きデータが最小値より所定倍率だけ上昇するまで待つ。
なお、最小値に所定倍数を掛けているのは、傾きデータが０近傍になるまでの時間を予測するのに不可欠な中間時点を求めるためで、最小値から０近傍までを直線と見なし、例えば最小値の１／２を所定倍率として掛けた場合、最小値から所定倍率に達するまでの時間の２倍の時間が経過すると傾きデータが０であると予測できるためである。
そして、ステップＳ２０９で最小値からの経過時間算出し、現在時間を中間時点とし、この時点の時間を中間時点として保持し、更に最小値を検出した時点から中間時点までの所要時間を最小値からの経過時間として保持する。
【００６９】
第３ステップでは、ステップＳ２０８の「中間時点からの経過時間≧経過時間＊所定倍率？」の判定において、例えば、所定倍率が１／２とした場合、傾きデータが最小値からの経過時間が経過した時、最小値から０に掛かるまでの１／２の時間が経過したことを意味し、中間時点から経過時間と同じ時間すなわち所定倍率１倍の時間が経過した時、傾きデータが０に達すると予測できる。
ただし、最小値付近の変化が遅いため、直線近似により傾きデータが０に達すると予想される時間に誤差が生じるのと、第３の実施形態では、第１の実施形態の波形と間違わないようにチェックする機能を有するため、ステップＳ２０８における所定倍率を１／２とした場合、ステップＳ３０１での所定倍率は０．９等の１よりやや小さい値を用いる。
【００７０】
傾きデータが０以上か否かをチェックし（ステップＳ３０２）、ここで、第１の実施形態で示したアルゴリズムａで検出すべき波形と間違わないためのチェックを行う。経過後傾きデータが０以上であればアルゴリズムｃの実行を中止し、負の値であれば、第４ステップの処理へ移行する。
【００７１】
これは、第１の実施形態で示した反射光量が上昇しないことを確認するためであり、傾きデータが０近傍と予測される時点で、傾きデータ上昇が発生する場合、傾きデータの変化率は小さくならずに直線的に変化し正の値となるため、ステップＳ３０２の条件で判別できる。また、ステップＳ３０１で示されるように所定倍率を乗じたのは、最小値から微少時間経過するまで緩やかに変化し、その後直線的に変化するが、直線の傾きを求める際に最小値からの傾きを求めているため実際の直線的な変化の傾きより少し傾斜が緩やかになるためであり、傾きに倍率を乗じるのではなく予測される時間をずらすため所定倍率を０．９倍などに設定するとよい。
こうして求められた傾きデータが０と予測される時点で、傾きデータの値が正の値ならば、第１の実施形態で示した図５（ｂ）のグラフのようになるため、アルゴリズムｃの実行を中止するが、傾きデータの値が負の値ならば、第４ステップの処理へ進む。
【００７２】
第４ステップでは、傾きデータが０近傍の所定閾値より小さくなる条件を通算して所定回数満たしたら研磨終点とする。これは、傾きデータが所定閾値以下であるか否かをチェックし（ステップＳ４０１）、ここでの判断で、０近傍の所定閾値より小さくなったことから反射光量が安定するのを検出して研磨終点として検出するが、突発的なノイズなどによる誤検出防止のために、ステップＳ４０２でステップＳ４０１の判断条件が所定回数満たしたか否かの判断がなされる。ここで、所定閾値は、第１の基準反射光量に所定の値を乗じて算出しておく。
これは基準反射光量が大きい場合は、反射光量の時間変化グラフを見ると反射光量がゆっくりと下降しつづけてしまうが、小さい場合は下降し続けているように見えない程度の変化しかないので、基準反射光量からの変化量に対して相対的な閾値により研磨終点を検出するためである。
【００７３】
（第４の実施形態）
上述した第１の実施形態から第３の実施形態では、ポリッシャ２の揺動が測定系の邪魔をしないことが条件となっていた。しかし、ＣＭＰなどの半導体ウェハ研磨装置では、ポリッシャ２が検査光または反射光の光路を阻害したり、ポリッシャ２の揺動範囲が照射位置にかかる場合がある。以下に示す第４の実施形態は、ポリッシャが測定系を阻害する場合の研磨終点検出方法である。
【００７４】
ポリッシャ２の揺動により測定系が阻害されたことを検出する方法として、一つは、ポリッシャ２の揺動軸上に、センサを取り付けて、測定系を阻害する範囲をセンサで検出する方法と、もう一つは、反射光量信号が０もしくは０近傍の所定値より小さくなったことを検出して測定系を阻害したと検出する、データから検出する方法がある。
ただし、後者の場合には半導体ウェハの層構造を構成する組成によって分光反射が０もしくは極端に小さくならないよう検査光の波長の選択に注意が必要である。どちらの場合も阻害されたと判断する条件が、センサを用いて確認するか、データの値から確認するかの違いしかないためここでは、センサを用いた例について説明する。
【００７５】
第４の実施形態は、第１から第３の実施形態の全てにおいて、平均値算出部および傾き算出部または差の傾き算出部のみを変更すれば良く、構成などに関してはそれぞれの実施形態と同じであるため、ここでは、第１の実施形態における平均値算出部４１１および傾き算出部４１３を例として説明する。
図１４に平均算出部、傾き算出部４１３の詳細フローを示す。ただし、一例として、ここではセンサアクティブの時、ポリッシャ２が測定系を阻害している状態とする。
まず、ステップＳ１４１にて平均値算出部４１１は、センサアクティブか否かをチェックする。アクティブの時は、更に所定回数に達したか否かを判断し（ステップＳ１４４）、１回転中のアクティブになった回数を計数して所定回数に達したら、無効データとして平均データとしてあり得ない値を格納する（ステップＳ１４６）。例えば、平均データが負の値を取らないのであれば、負の値を格納するか、極端に大きい値を格納するなどして通常の平均データとの区別を行う。
【００７６】
ステップＳ１４１において、センサがアクティブでないときは、ステップＳ１４２の「サンプリング周期で反射光量加算、時間取得処理」へ進み、ここで１回転分の反射光量信号を加算する。なお、サンプリング周期はウェハ１回転での反射光量としてウェハ面上の配線の粗密部分に影響されず、ウェハの研磨状況を十分知ることができる小さい値で無ければならない。
【００７７】
検査光の径と軌跡の長さと１回転に掛かる時間、すなわち回転周期から予め算出し、連続した軌跡を描く程度に小さい値であれば、検査光の当たっている円周上において反射光量をムラ無く測定できるが、パターンの粗密が少ない場合などの理由で１回転の平均がウェハ研磨状況を十分知ることができれば、より荒くても構わない。
【００７８】
また、時間取得に関しては、１回転毎に算出される平均データ取得時点での時間を記録するためで、１回転終了した時点（ステップＳ１４３）で、サンプリング毎に得られる時間の最初や最後や平均のいずれかで求めた時間を、平均データを取得した時間として後述の傾き算出部４１３で用いる、ステップＳ１４５の「１回転平均値を算出し、平均データとして格納処理」において、センサがアクティブでない、すなわち有効なデータ数と有効な反射光量信号を加算した値から平均値を算出し、平均データ４１２として傾き算出部４１３に出力する。
ここで、ステップＳ１４４に示す所定回数は、１回転のサンプリングで得られるデータ数と比較して反射光量変化を考慮した上で、センサアクティブで無効となるデータ数の割合が十分小さくなる値に設定しなければ、精度良い測定はできなため予め判定精度が劣化しない回数未満とする。これは、第１の実施形態で説明したように、ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号１１６は主に配線部分２０４の粗密に依存して変化するため、反射光量信号１１６は、周期的な変化を有するためである。
【００７９】
次に、傾き算出部４１３では、所定数過去に遡り無効データを除外し（ステップＳ１４７）、残ったデータと平均値算出部４１１で取得した時間から傾きを算出し、傾きの平均値を算出する（ステップＳ１４８）。
ここで、所定数過去に遡るのは第１の実施形態でも示したように、研磨進行ムラ、計測精度、ノイズの混入により平均データ４１２は、ノイズ成分が残るためである。また、無効データを除外した後の平均データから傾きの平均値を求めるには、平均データのうち所定回数過去に遡った２点の和と平均値算部４１１において求めた時間差から傾きを算出する。
【００８０】
第４の実施形態で示した方法により、ポリッシ２ャの揺動が１回転の最初もしくは最後のごく微少時間だけ測定系を阻害した場合や、ウェハ１が１回転にかかる時間と比較してポリッシャ２の揺動スピードが十分早く、ごく微少時間しか測定系を阻害しない場合などに有効な平均データを反射光量として研磨終点検出が行える。逆に、ポリッシャ２が測定系を阻害する時間が１回転にかかる時間と比較して無視できないくらい大きい場合は、サンプリング毎にセンサを確認せずに、ウェハ１の１回転データ取得開始直前と直後だけセンサを確認し、どちらか一方もしくは両方でセンサがアクティブな時に無効な平均データとして、有効な平均データを反射光量として研磨終点検出が行える。
ただし、第４の実施形態で示した方法で、ポリッシャ２の揺動により測定系を阻害される平均データの割合が大きいと、研磨終点検出が遅れたり、研磨中に殆ど全て測定系を阻害される場合には検出そのものができなくなる。このことから、全平均データのうち、およそ１／３以上の平均データが有効となる状態が望ましい。
【００８１】
上述した第１の実施形態から第４の実施形態では、照射位置が一つの場合についてのみ説明してきた。以下に示す第５の実施形態ではウェハ半径方向に複数の照射位置を用意して、それぞれの照射位置において第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態について説明した測定系を設置し、更にポリッシャ２の揺動が測定系を阻害する照射位置には第４の実施形態を適用することで、新たな研磨終点の検出方法について説明する。
【００８２】
複数の照射位置において研磨終点を検出することから、研磨ムラによる終点検出が照射位置毎に異なり、研磨進行度合が遅い点では当然ながら終点の検出も遅くなる。更に第４の実施形態で示したポリッシャ２の揺動により測定系が阻害される場合、阻害されている時の無効データは前後の有効な平均データの直線補間で推測しているに過ぎず、平均データがある値に漸近することを検出する場合に遅れが生じてしまう。
以下に示す第５の実施形態では終点検出の遅れを補足する研磨終点の検出方法を提供する。ウェハ上には粗密のあるパターンが並んでおり、反射光量信号は主に配線部分の粗密に依存して変化するが、回転しているため各照射位置において、一周平均したときの反射光量つまり平均データは研磨状態が同じであればほぼ同じ値が得られる。そこで、終点検出が遅れている照射位置において最初に検出した照射位置での平均データを比較してほぼ同じ値になったとき終点として判断するアルゴリズムｄ（後述する）による終点検出を行うことで、研磨終点の検出遅れによる過研磨を防止する。
【００８３】
（第５の実施形態）
図１５は本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の更に他の実施形態を示す図である。
図において、水平面内で回転するウェハ１とウェハ１に対して所定圧力をかけて接触し回転しながらウェハ１の半径方向に揺動するポリッシャ２と、ウェハ１の一番外側に照射位置Ａとして第２の実施形態で示した第１の測定系と第２の測定系を配置して、それぞれの測定系において独立にアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う。更に第１の測定系と第２の測定系から第２の実施形態で示したアルゴリズムｂによる終点検出を並列に行う。
最も中心寄りに照射位置Ｃとしてアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う第４の測定系を配置し、照射位置Ａと照射位置Ｃの間に照射位置Ｂとアルゴリズムａとアルゴリズムｃを並列動作した終点検出を行う第３の測定系を配置する。
【００８４】
ここで、各測定系の波長は、それぞれの反射光量比較を行う際、分光反射率が異なると比較が出来ないため、第１の測定系と第２の測定系は第２の実施形態で示すように金属膜２０１での反射率が高く異なる波長を選択し、第３の測定系と第４の測定系の波長は、第１の測定系または第２の測定系と同じ波長とし、更に照射径についても同一条件で比較を行った方が簡単なため同一径とすると比較が簡単に行える。照射径が異なると、周りの影響により時間ズレが生じるためである。また、照射位置Ａ、Ｂは、共にポリッシャの揺動により測定系が阻害されず、照射位置Ｃはポリッシャ２の揺動により測定系が阻害されるものとして第４の実施形態を同時に適用する。
それぞれの測定系における構成については、前述の各実施形態で説明済みであるためここでは説明を省略する。また、測定系の配置および実施形態は単独もしくは重複した多数の組み合わせが可能である。
【００８５】
図１６に、第５の実施形態における終点検出装置１５５の内部構成を示す。ここでは、アルゴリズムｄを実行する演算部以外の演算部及び平均値算出部や傾き算出部についての説明は、第１〜第４の実施形態で示してきたので、アルゴリズムｄに関わる部分以外の説明を省略する。
照射位置Ａの研磨終点検出装置としてとして、第１の測定系において、平均データ４１２は、傾き算出部４１３とアルゴリズムｄを実行する演算部４１８に並列に入力され、第２の測定系において、平均データ４２２は、傾き算出手部４２３とアルゴリズムｄを実行する演算部４２８に並列に入力され、照射位置Ｂの研磨終点検出装置として第３の測定系において、平均データ４３２は、傾き算出部４３３とアルゴリズムｄを実行する演算部４３８に並列に入力され、照射位置Ｃの研磨終点検出装置として第４の測定系において、平均データ４４２は、傾き算出部４４３とアルゴリズムｄを実行する演算部４４８に並列に入力され、各演算部４１８、４２８、４３８、４４８でアルゴリズムｄの並列処理を行う。
【００８６】
次に図１７を用いて照射位置Ａで最初に研磨終点を検出し、この時点で照射位置Ｃの研磨進行度合が遅れていた場合を例にとり、アルゴリズムｄの動作を説明する。
照射位置Ｃにおける第４の測定系では、第１の測定系と第３の測定系と同じ波長で同一径、同一照射角度の光学系が設置されている。まず、アルゴリズムｄ実行の第１ステップにおいて、アルゴリズムｃは第４ステップに到達したか否かをチェックする（ステップＳ１０９）。ここで第４の測定系にて第３の実施形態で示したアルゴリズムｃの第４ステップに到達するまで待つが、これは先に照射位置Ａにおいて終点が検出された場合、第１の測定系における平均データ４１２と第４の測定系における平均データ４４２を比較する際に、第１の実施形態で示した反射光量の上昇がある場合の研磨終了時点における平均データ４１２の値は、研磨終了前にも存在しており、平均データ４４２が誤って研磨終了前の同じ値で誤検出を行わないようにするためで、アルゴリズムｃの第４ステップに到達する条件の一つは平均データが上昇しないことを利用するためである。
【００８７】
次に、他の照射位置で研磨終点を検出するまで待つ（ステップＳ１１０）。これは、アルゴリズムｄが照射位置Ａでの研磨終点における平均データ４１２を利用するためで、ステップＳ１１１の「検出した照射位置での検出時点の平均データを取得し、目標値として保持する」動作にて他の照射位置で終点が検出されるとその値を目標値として保持する。ただし、第２の測定系は波長が異なることによる分光反射率に差があるため目標値としてはならない。また、第１ステップの順序は、ステップＳ１１０→ステップＳ１１１→ステップＳ１０９の順序でも同一効果を得られるため、順序を変えてもよい。
【００８８】
次に第ステップに進み、ステップＳ２１０の「｜平均データ−目標値｜≦所定しきい値？」の判断が行われる。ここで、先に検出した照射位置Ａでの研磨終点における平均データ４１２と、照射位置Ｃにおける平均データ４４２を比較するが、測定精度により全く同じ値になるとは限らないため、平均データ４４２と目標値の差の絶対値が所定閾値より小さい場合に研磨終点とする。ここで、所定閾値は、測定誤差などを考慮して０に近い値を設定すればよい。
こうすることで、第５の実施形態で示した構成において、照射位置Ａで第１の測定系と第２の測定系によるアルゴリズムｂだけが研磨終点を検出できる場合、もしくは第４の測定系と波長の異なる（この場合第２の測定系）測定系においてアルゴリズムａだけが研磨終点を検出できる場合でも、照射位置Ｂ、Ｃのように測定系を一つしか持たない測定系でも研磨終点検出が行えることから、ウェハ面上各点において未研磨状態の部分がないように研磨終点を検出が可能である。
【００８９】
第６の実施形態では、第５の実施形態に示したように、複数の照射位置で研磨終点の検出を行う場合に、研磨中でも研磨ムラを表示することを可能とする。これは、第５の実施形態で説明したように、研磨終点での平均データは同一種類のウェハもしくはパターンの粗密が似通ったウェハにおいて同じになることを利用する。
【００９０】
ウェハの研磨開始時点が金属膜で研磨終点がバリア膜を除去した後の絶縁膜が露出した状態までとすれば、全体的に見ると研磨開始から研磨終了に向かって平均データは下降する曲線をたどることから、同一種類のウェハもしくはパターンの粗密が似通ったウェハの研磨終点における平均データから現在の研磨進行度合を知ることが出来る。この研磨進行度合を照射位置毎に表示することにより、研磨進行度合の差から研磨ムラを確認することができる。
研磨進行度合の計算式は、ＡＶｓを金属膜での平均データ、ＡＶｅを前回研磨した同一種類のウェハもしくはパターン粗密が似通ったウェハの終点における平均データ、ＡＶｎを研磨中の平均データとすると、研磨進行度合ＡＶｒは以下の式で表すことができる。
ＡＶｒ＝（ＡＶｎ−ＡＶｅ）／（ＡＶｓ−ＡＶｅ）…（３）
【００９１】
この式により算出できる値に１００を掛け百分率にすることで、感覚的に残りの研磨量を推測できるようになる。但し、第１の実施形態のように、バリア膜２０２が薄くなりその下の構造により、平均データが上昇する場合には、一度負の値を表示することになり、この場合には目安として用いる。
しかし、このような場合でも、全てのアルゴリズムにおける進行度合を表示することで、研磨進行度合とアルゴリズム進行度合から残りの研磨量を正確に推測できるようになる。実際に時間に対する平均データの変化をグラフでリアルタイムに表示しても微妙な変化は掴みにくい場合もあるが、アルゴリズムの進捗を表示することにより、各アルゴリズムで実行中のステップと、そのステップでループなどにおける所定数がどの程度進んでいるかを表示することによって、そのステップが後どのくらいで終わるのかを容易に推測できるようになる。
【００９２】
アルゴリズムｄを例として表示の一例を挙げると、アルゴリズムｄの第ステップのステップＳ１０９に示す「アルゴリズムｃは第４ステップに到達したか？」という部分の処理中には、”ALG4:ALG_C ステップ4待ち中"と表示し、ステップＳ１１０に示す「他の照射位置で終点検出したか？」という部分の処理中には、”ALG4:他点の検出待ち中"などと表示し、第２ステップのステップＳ２１０に示す「平均データ−目標値≦所定しきい値？」判定中には、"ALG4:aaaa≦bbbb待ち中"としてaaaaに”平均データ−目標値”で算出される値とbbbbに"所定しきい値"を表示することで、アルゴリズムがどの程度進行しているかが分かるようになる。
以上を全ての測定系およびアルゴリズムについて行うことで、研磨進行度合とアルゴリズムの進行度合から研磨の進行度合が照射位置毎に分かることで研磨ムラがどの程度あるのか分かるようになる。
【００９３】
（第７の実施形態）
第４の実施形態では、ポリッシャ２の揺動により発生する無効データにより、データの欠損部分を前後の有効データから直線として保管した。
しかし、実際には研磨進行に伴う反射光量の変化は曲線となることから、検出精度は必然的に悪くなってしまう。そこで、第７の実施形態では、ポリッシャ２の揺動により測定系が阻害される照射位置に関して、第６の実施形態で示した研磨進行度合を調べ、最も進行度合の近い照射位置もしくは測定系から欠落したデータを補間することで研磨終点検出精度を高めることを可能とする。
【００９４】
図１８に、第７の実施形態の動作をフローで示し、例として、第５の実施形態で示した構成において、照射位置Ａと照射位置Ｃの研磨進行度合がほぼ同じだが少し照射位置Ａが進んでいて、照射位置Ｂは照射位置Ａより進んでいる場合について説明する。 まず、照射位置Ｃのアルゴリズム毎の進捗を取得するが（ステップＳ１８１）、全てのアルゴリズムで検出時点を１００となるように重み付けを行い、その達成を％で表示する方法や、アルゴリズム毎にステップやループの数が異なり、ループも所定回数ループや”最大値＊所定倍率以下”ループの場合などを定量的にステップ毎に表す方法など、様々であるが、ステップＳ１８３の「照射位置Ｃより進んでいる照射位置はあるか？」の判断方法の例として、測定系毎のアルゴリズム別に、ステップ内の所定回数ループを”現在数／所定数”，”最大値＊所定倍率以下待ち”のループを、”現在値／（最大値＊所定倍率）”等として、それぞれの項目を１で達成と分かるようにし、図１９に（表１）として示すようなマトリックスを配列などに格納する。
【００９５】
ここで、第２の測定系である照射位置Ｂ、第３の測定系である照射位置Ｃは、測定系が１つしかないため、アルゴリズムｂを実行できないので、全く進行していないという意味で０と入れておき、照射位置Ａは第１の測定系と第２の測定系があるが、同じ値を格納する。 こうして、第４の測定系において、最も進んでいるのはアルゴリズムＣで第３ステップ１／５程度が完了していることが分かる。これは測定系別にステップの大小を比較して最も１に近い値もしくは最も大きい値を取り出せばよい。
【００９６】
図１９に示す（表１）を用いて、図１８に示すフローチャートの動作を最初から説明する。
まず、ステップＳ１８１の「自照射位置におけるアルゴリズム毎の進捗を取得」において、この例の場合、照射位置Ｃすなわち第４の測定系で測定系が阻害されているので、第４の測定系におけるアルゴリズム毎の進捗を取得する。
次に、ステップＳ１８２の「他の照射位置における進捗を取得」において、この例の場合、第１の測定系と第２の測定系と第３の測定系におけるアルゴリズム毎の進捗を取得する。ステップＳ１８３の「照射位置Ｃより進んでいる照射位置があるか？」において、この例の場合、照射位置Ｂにおける第３の測定系と照射位置Ａにおける第１の測定系が照射位置Ｃより進んでいることがわかる。これは比較元となる照射位置Ｃにおける第４の測定系と他の照射位置において、同一アルゴリズムであれば単純にステップの値と進捗の値から判断できるが、アルゴリズムが異なる場合には、第１の実施形態で示した平均データが上昇する場合などで判断を誤る可能性があるため、対象外としても構わない。同一アルゴリズムであれば、第４の測定系と大小を比較して第４の測定系以上の測定系を探せばよい。もしも照射位置Ｃが一番進んでいる場合は、補間を中止して無効データとして平均データに記録する。
【００９７】
ステップＳ１８４の「その中で最も進捗が近い照射位置を選別」処理において、ステップＳ１８３の条件を満たした照射位置の内、最も進捗が近い照射位置を選別する。この例の場合、照射位置Ｃと他の照射位置のアルゴリズム進捗を比較し、同じか少しだけ進んでいる照射位置を検索すればよく、照射位置Ｃと同等の進捗で少しだけ進んでいるのは、照射位置Ａにおける第１の測定系でアルゴリズムＣの第３ステップ６／１５程度を完了しており、その差は１／１５しかないことが分かる。この時の検索方法は、第４の測定系の進捗と大小比較して第４の測定系以上の測定系を探せばよい。
【００９８】
ステップＳ１８５の「その照射位置における平均データを取得処理」において、ステップＳ１８４までで検索できた照射位置Ｃ（第４の測定系）より進んでいて最も進捗が近い測定系における平均データを取得する。この例の場合、照射位置Ａの第１の測定系における現在の平均データであるが、ここでは新しい順番に、４．４，４．６，４．７，４．９，５，… だったと仮定する。
ステップＳ１８６の「自照射位置における最新の有効な平均データを取得」処理において、この例の場合、照射位置Ｃ（第４の測定系）の現在から過去へ遡って最初に見つかる有効データで、常に値を補間できていれば直前の平均データを表すが、直前のデータが、ステップＳ１８３で無効データとなった場合には更に１回転分過去に遡って有効データになるまで繰り返す。なければ、そのまま無効データとしてフローを中断する。ここでは、第４の測定系における直前の平均データが無効データで、更に１回転分過去のデータが４．８と仮定する。
【００９９】
次に、ステップＳ１８７の「他照射位置の平均データを遡って取得した値に近いデータを検索する」処理において、ステップＳ１８５で示したように照射位置Ｃ（第４の測定系）において有効データである２回転前のデータ４．８に近い値は、照射位置Ａ（第１の測定系）の３回転前と４回転前のデータに近い値があり、順番に現在から過去に遡って検索することで３回転前のデータである４．７が検索される。検索の際、許容できる割合を予め決めておき、その値の範囲内で最初に見つかるデータでも良いし、その値より大きくなった所を探してもよい。
ステップＳ１８８の「前回有効データと現在データまでの時間を算出」処理において、この例の場合、照射位置Ｃにおける４．８を検出した時点から現在に至るまでの経過時間のことだが、間に１回転分の無効データがあるため、経過時間としては２回転分の時間を意味する。
【０１００】
ステップＳ１８９の「他照射位置の平均データから、現在値と無効データを補間する」処理において、この例の場合、照射位置Ｃにおいて、新しい順に 現在値, 無効データ,４．８となっており、補間すべきデータは、現在値と無効データである。そこで、有効データに近い値が見つかった第１の測定系の３回転前と２回転前のデータを直線で補間したとして、１回転分の変化は、４．６−４．７＝−０．１であることから、照射位置Ｃにおいて４．８の次の値は、４．８−０．１として、４．７を補間値として格納する。
次に、第１の測定系の２回転前と１回転前で同様に処理を行い、４．４−４．６＝−０．２であることから、先ほど計算により求めた４．７から引き算を行い、４．７−０．２＝４．５として補間を行う。
このようにして研磨進行状態の近い照射位置の平均データの変化に沿って補間値を求めることにより、単純な直線での補間を行うよりも、無効データが連続した場合に精度良く補間が可能である
【０１０１】
（第８の実施形態）
第８の実施例では、操作ミスなどにより、例えばパターン形成される前の絶縁膜のみのウェハなどを研磨してしまった場合に誤検出もしくは研磨終点が見つからないことを防ぐ方法ならびに装置である。構成は第３の実施形態に示した測定系を最低限一つ必要とする。
まず、絶縁膜などの配線が形成されていないウェハ１を研磨すると反射光量は金属膜２０１やバリア膜２０２を研磨する場合に比べて非常にゆっくりと上昇あるいは下降する。図２０に絶縁膜２０３のみのウェハを研磨した波形の一例を示す。このグラフから以下のように変化していることが分かる。ただし、ゆっくりと上昇するか下降するかは照射位置の組成と検査光の波長により決定されるので一概にはどちらか言えないが、どちらの場合でもゆっくりと変化することにかわりはない。
【０１０２】
このグラフから、研磨初期には比較的大きな信号変化が発生することと、反射光量は非常にゆっくりと低下することがわかる。
前者における研磨初期の比較的大きな信号変化は、ウェハ１とポリッシャ２が馴染むまでの間に発生するもので、初期不安定領域で研磨進行に伴う変化とは異なる。後者における非常にゆっくりとした反射光量の低下は、研磨進行に伴って膜厚が薄くなり検査光を透過して下層の反射の影響や、膜厚変化による検査光の干渉などによるものである。
【０１０３】
第３の実施形態で示したアルゴリズムｃにて、例えば第１ステップの“所定回数以上最小値が検出されない”条件において、所定回数が少ないと誤検出の恐れがあり、また、傾き算出部４１３において、平均データのうち現時点の値を含んで所定数過去に遡った複数のデータの平均的傾きを算出する際にも、“所定数過去に遡った”個数が少ないと、傾きデータも微少ながら上下の変化を起こしてしまい、こういった変化をアルゴリズムが誤検出してしまう可能性がある。しかし、これらの所定数を極端に大きくすると終点検出が遅れたり、検出できないことがある。
そこで、こういった微小変化による誤検出を防ぐため、ゆっくりと低下する場合には検出自体を行わないようにし、さらに、所定時間経過しても終点を検出できない場合には強制的に研磨を終了する。
【０１０４】
まず、反射光量がゆっくり変化しているかどうかを検出する方法を示す。研磨初期の比較的大きな信号変化を無視するため所定時間経過した後、最初に得られる平均データを保持する。この後、１回転毎に得られる平均データに対して、保持した値と比較して所定割合以上の変動がある場合に全てのアルゴリズムの第１ステップを開始する。複数の照射位置で検出している場合は照射位置毎に行っても良いし、特定の１つの照射位置で、平均データに変動があることを検出して全ての照射位置のアルゴリズムを開始してもどちらでも良いが、照射位置別に検出することにより、特定の照射位置の測定系がレーザの耐久年数を越えたり、破損して光が出なくなっている場合でも終点検出を行える効果がある。
【０１０５】
次に強制的に終了する方法は、研磨開始からの経過時間が所定時間を越えた場合に、アラーム出力を行ったり、強制的に研磨終点検出として装置に出力すればよい。所定時間に関しては、ウェハ１の種類やバリア膜２０２の厚み，バリア膜２０２の材質，研磨液の種類などにより左右されるが、最も研磨時間が長いウェハを研磨する際に研磨開始から明確に変化したと分かるまでに掛かる時間より少し長めで、研磨終了までの時間に対して十分小さい時間でよい。この強制終了を持たせることで、従来予想していなかった素材でバリア膜２０２が構成された場合に、研磨し続けてポリッシャ２や研磨液を無駄に消耗する事を最小限に防ぐことができる。
更に、上述した反射光量がゆっくり変化しているかどうかを検出する際に、別の所定時間を設定できるようにして、最も研磨に時間が掛かるウェハの研磨時間と別の所定時間を比較して、最も時間が掛かるウェハの研磨時間を経過しても所定割合以上の変動がなかった場合に強制終了することで、ウェハ研磨中に研磨液がレンズなどに飛び散って測定不可能な状態になるなどの予測できない場合でも研磨し続けてポリッシャ２や研磨液を無駄に消耗する事を最小限に防ぐことができる。
【０１０６】
（第９の実施形態）
図２１に示す第９の実施形態では、ウェハ面内分布がある場合に複数の測定系を用いて研磨終了を判断する方法と、研磨分布半導体ウェハの研磨終点検出装置の更に他の実施形態を示す図である。構成に関しては測定系の組み合わせにより無限に存在するため、一例として第５の実施形態で示した構成を用いる。
終点検出信号４０５、終点検出信号４１５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５を出力するまでの構成と動作に関する説明は第１の実施形態から第８の実施形態に示した通りであり、重複を避ける意味でここでは省略する。
終点検出信号出力装置９１１は、終点検出信号４０５、終点検出信号４１５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５を入力し、ＣＭＰ装置９００が研磨分布を認識できるデータフォーマットに変換した研磨進捗信号９２２を出力し、同時に、任意に選択される研磨終了条件から判断して研磨終了の際に研磨終了信号９２１を出力して構成される。
【０１０７】
以下、動作について説明する。各測定系が出力する終点検出信号は第７の実施形態で示した（表１）の様にアルゴリズムの進捗とする。これは、現在の研磨状況を正確に把握しなければならないためで、反射光量信号では研磨終点における反射光量信号は測定系毎またはウェハ１が変わってもほぼ一定の値となるが、第１の実施形態で示したように平均データが上昇する場合には、研磨途中であっても研磨終点での反射光量信号と同レベルな信号があるため、一概に研磨分布を調べるのに適していないためである。従って終点検出信号はアルゴリズムの進捗を示すべきであり、第７の実施形態でも示したが、以下に詳細に示す。
【０１０８】
照射位置Ａの研磨進捗を表すのは、終点検出信号４１５と終点検出信号４０５と終点検出信号４２５の中で最も進捗が進んでいる所である。終点検出信号４１５は、アルゴリズムａ、アルゴリズムｃ、アルゴリズムｄを実行する演算部４１６、４１７、４１８のそれぞれが存在し、それぞれの進捗を情報として出力する。
【０１０９】
最初にアルゴリズムａの進捗の表し方を示す。アルゴリズムａは、図６に示すようにステップ数は２つである。各アルゴリズムは、それぞれをステップで分割していて、更に、ステップ内で、ある条件を満たすための条件ループが存在するため、ステップの進捗と、条件進捗を分けて考える。そこで、ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうして、ステップ進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
【０１１０】
次に、条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図６のステップＳ１０２の「傾きデータ＞閾値？」処理と、ステップＳ１０３の「所定回数越えた？」処理を複合して、条件進捗＝傾きデータ＞閾値の条件達成回数／所定回数で表す。例えば、所定回数５回で現在２回傾きデータ＞閾値の条件をクリアした場合２／５とする。こうして、条件進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、条件達成時に１となり、次のステップへ進み、ステップ進捗と条件進捗が共に１となった時、研磨終点検出となることから、ステップ進捗と条件進捗から研磨状況を判別できる。
【０１１１】
第１ステップと同様に第２ステップにおいて、図６のステップＳ２０５の「傾きデータ＜傾きデータ最大＊所定倍率？」処理と、ステップＳ２０４の「所定回数越えた？」処理を複合して、条件進捗＝現在の傾きデータ＜（傾きデータ最大＊所定倍率）達成回数／所定回数で表す。こうして、アルゴリズムａを実行する演算部４１６はステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１２】
同様にアルゴリズムｃの進捗の表し方を示す。アルゴリズムｃは図１３に示すようにステップ数は４つである。ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／４とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／４とし、第２ステップ実行中なら２／４とし、第３ステップ実行中なら３／４とし、第４ステップ実行中なら４／４とする。こうして、ステップ進捗は未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップの第４ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
【０１１３】
次に条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図１３のステップＳ１０７の「所定回数以上最小点が検出されていない？」の判断で、条件進捗＝現在の最小点未検出回数／所定回数で表す。ステップＳ１０８の「最小値は０以上？」の判断に関しては、アルゴリズムｃを中止するか実行するかの判断だけでループしないので、条件進捗に影響はない。
第２ステップにおいて、図１３のステップＳ２０８の「傾きデータ≧最小値＊所定倍率？」の判断において、条件進捗＝（最小値＊所定倍率）／現在の傾きデータで表し、第３ステップにおいて、図１３のステップＳ３０１の「中間時点からの経過時間≧経過時間＊所定倍率？」の判断において、条件進捗＝中間時点からの経過時間／（経過時間＊所定倍率）で表し、第４ステップにおいて、図１３のステップＳ４０１の「傾きデータが所定閾値以下か？」とステップＳ４０２の「上記条件を所定回数満たしたか？」の条件を複合して、条件進捗＝傾きデータが所定しきい値以下になった回数／所定回数で表し、アルゴリズムａと同様に、アルゴリズムｃは、ステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１４】
同様にアルゴリズムｄの進捗の表し方を示す。アルゴリズムｄは、図１７に示すようにステップ数は２つである。ステップ進捗の表し方は、アルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムが実行されていて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうしてアルゴリズムａで説明したのと同様に以降の比較を行いやすくできる。
次に条件進捗の表し方は、第１ステップでは、ステップＳ１０９の「アルゴリズムｃはステップ４に到達したか？」の判断と、ステップＳ１１０の「他の照射位置で終点検出したか？」の判断の２つの条件ループがあり、例えば、ステップＳ１０９の判断ではアルゴリズムｃの進捗において第４ステップ、すなわち最終ステップを意味するステップ進捗が１となるまでループするが、これを定量的にアルゴリズムｃの第４ステップに到達した時点を１となる換算を行ってもよいが、簡略して条件進捗を求めた方が容易である。
ここでは、条件ループが２つあるため、ステップＳ１０９の条件ループ中は、１／２とし、ステップＳ１１０の条件ループ中は、２／２として表す。
【０１１５】
第２ステップで、図１７のステップＳ２１０の「｜平均データ−目標値｜≦所定しきい値？」の判断において、条件進捗＝｜平均データ−目標値｜／所定閾値で表し、アルゴリズムａと同様にアルゴリズムｄは、ステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
こうして第１の測定系における終点検出信号４１５は、アルゴリズムａのステップ進捗と条件進捗と、アルゴリズムｃのステップ進捗と条件進捗とアルゴリズムｄのステップ進捗と条件進捗で表される。第２の測定系における終点検出信号４２５，第３の測定系における終点検出信号４３５、第４の測定系における終点検出信号４４５においても同様に表す。
【０１１６】
アルゴリズムｂの進捗の表し方は、図１０に示すように、ステップ数は２つであり、ステップ進捗はアルゴリズムを実行していない場合は０／２とし、アルゴリズムを実行していて第１ステップ実行中なら１／２とし、第２ステップ実行中なら２／２とする。こうして、ステップ進捗は、未研磨もしくはアルゴリズム未実行にて０となり、研磨が最終ステップに入ったときに１となり、以降の比較を行いやすくできる。
次に条件進捗の表し方は、第１ステップにおいて、図１０のステップＳ１０４の「差の傾きの絶対値は増加しているか？」と、ステップＳ１０５の「上記条件を所定回数連続で満たした？」を複合して、条件進捗＝現在の連続条件達成数／所定回数で表し、第２ステップにおいて、図１０のステップＳ２０５の「差の傾きデータが所定閾値以下か？」と、ステップＳ２０６の「上記条件を通算して所定回数越えたか？」を複合して、条件進捗＝現在の通算所定閾値以下達成数／所定回数で表す。こうして、他のアルゴリズム同様、アルゴリズムｂはステップ進捗と条件進捗の二つの情報を出力する。
【０１１７】
照射位置Ａにおける研磨進行状態を表すには、終点検出信号４１５における、アルゴリズムａとアルゴリズムｃとアルゴリズムｄのそれぞれから得られるステップ進捗と条件進捗を比較してステップ進捗と条件進捗の両方が１に近い値であることを判定して、そのアルゴリズムの進捗が終点検出信号４１５から得られる研磨進捗を表す。
ここで、比較を行う際に、条件進捗はステップが変わる度にリセットされてしまうため、ステップ進捗と条件進捗の和をとって２に近い値を最も進んだアルゴリズムと判断してはならない。最初にステップ進捗を比較して、最も進んでいるアルゴリズムが２つ以上ある場合、条件進捗の比較を行い終点検出信号における進捗とするか、重み付けによって比較を行わなければならない。
重み付けの一例として、ステップ進捗を１０倍して条件進捗との和を取り、アルゴリズム毎に比較して最も１１に近い値もしくは、最も大きい値を示すアルゴリズムの進捗を終点検出信号４１５とすればよい。
【０１１８】
こうして、終点検出信号４１５、終点検出信号４０５、終点検出信号４２５、終点検出信号４３５、終点検出信号４４５の進捗を得ることができる。終点検出信号においてアルゴリズム毎に進捗を比較したのと同様の比較を行うことで、照射位置毎の進捗がわかる。
照射位置Ａにおいて、終点検出信号４１５と終点検出信号４０５と終点検出信号４２５の比較を行い、最も進捗の進んでいるところが照射位置Ａの進捗を表し、照射位置Ｂは終点検出信号４３５そのものであり、照射位置Ｃも同様に終点検出信号４４５そのもので表し、研磨進捗信号９２２として出力する。全ての照射位置での研磨進捗はウェハ研磨面上の研磨分布を表す。
【０１１９】
従って、ウェハ面内分布を少なくするように研磨するためには、ＣＭＰ装置９００がアルゴリズム進捗の比較を行ったのと同様の機能を有する場合、研磨進捗信号９２２は、全ての照射位置における進捗として、ＣＭＰ装置９００にて進捗の比較を行い、最も研磨の遅れているところを重点的に研磨すればよいが、ＣＭＰ装置９００に比較機能がければ、終点検出信号出力手段にて照射位置毎の進捗を比較し、進捗の遅れている照射位置もしくは進捗の進んでいる照射位置を研磨進捗信号９２２として出力し、ＣＭＰ装置９００は、進捗の遅れている所を重点的に研磨し、進捗の進んでいる所は研磨しない研磨プロセスを実行してウェハ研磨面における研磨分布を小さくすることができる。
【０１２０】
また、ウェハ面内の任意な点の研磨終点検出により研磨を終了する方法を以下に示す。研磨終了信号９２１は、終点検出信号出力手段にて、アルゴリズム進捗の比較で行ったのと同様に、全ての照射位置での進捗を比較して、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置において研磨終点を検出した時点で研磨終了信号９２１を出力する。ＣＭＰ装置９００は、研磨終了信号９２１を受けて研磨動作を終了する。この方法では、特に研磨されにくい点が予め分かっている場合に有効である。
【０１２１】
更に、前工程からの面内分布の影響を受けたり、研磨ムラによる面内分布が存在する場合、部分的に研磨状態が良好な所と過研磨の所と研磨不足のところが１枚のウェハに混在することになり、この比によって歩留まりが大きく変わってしまうことも考えられる。この対処方法としては、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置で研磨終点を検出するのではなく、最初に研磨終点を検出した時間を保持して、この後、任意に選択できる単独もしくは複数の照射位置における研磨終点が所定の時間を経過しても検出できなかった場合、強制的に研磨終点検出信号を出力する。
こうすることで、最初に研磨が完了した部分の過研磨を最小限に押さえることができ、歩留まりを安定させることが可能である。
【０１２２】
以上説明のように本発明によれば、絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを精度良く検出し、研磨終点として検出することのできる半導体ウェハの研磨終点検出方法ならびにその装置を提供できる。
また、半導体ウェハ表面には研磨そのものによるムラや、前工程の成膜工程による研磨前膜厚バラツキなどによる研磨ムラを生じるが、これを全くムラのない状態にすることは困難である。本発明は、複数の測定系を用いてウェハ面上の研磨進行状況の分布を計測し、ウェハ研磨面上の任意位置の研磨終点を検出して研磨終了としたり、研磨が最も遅い部分の研磨終点で研磨を終了させる等半導体ウェハ表面上の研磨分布により研磨終点を適時変え、最適な研磨結果が得られるようにしたり、研磨ムラを減らす目的でＣＭＰ装置にウェハ研磨分布情報を伝えることができる。
【０１２３】
更に、ある計測点に対し２種類以上の計測を行っている場合、その計測データを他の計測点の研磨終点判定に役立て、同一半導体ウェハ上であれば、どの計測点でも同じ研磨進行度合での計測データは同じ計測方法毎に等しくなるため、他の計測点に対し、より少ない種類の計測を行い、多い種類の計測点と比べ、行っていない種類の計測値を共通する種類の計測値を元に推測し計測の種類を少なくできる。また、本発明の半導体ウェハ研磨終点検出装置および方法は複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合いを表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認できる。
なお、本発明の研磨終点検出装置および方法は、金属配線形成後ではあるが配線以外の絶縁膜上のバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象として、複数の測定系を用いてウェハ面上各点での研磨終点の検出を行い、研磨中に研磨進行度合を表示することで、研磨ムラの具合を研磨中に確認可能とし、更にウェハ面上各点における研磨状態を考慮し最適な研磨終点の検出を行うものであり、また研磨中に研磨進行度合を把握し、研磨ムラを小さくする目的でＣＭＰ装置に研磨分布情報を与えることもできる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、配線部分の金属膜とバリア膜を除く絶縁膜上のバリア膜が除去されたことを検出するため、金属膜が配線部分以外で除去され、かつバリア膜が除去されていない半導体ウェハを対象に、最終の研磨終点を精度良く検出することができる。また、ウェハ面上の任意の位置における研磨終点を検出、あるいは各点の研磨状況を組み合わせて判断し、研磨終了とすることが可能である。
更に、複数の測定系を配置することで、それぞれの点において研磨終点検出を行い、研磨終点判定アルゴリズムの判定状況から、だいたいの研磨進行程度が分かるため、各点の研磨進行度合を計測しＣＭＰ装置に伝えることができ、ＣＭＰ装置側で研磨ムラをなくす目的で装置を制御する機能があれば、研磨中に研磨ムラをなくすようＣＭＰ装置にフィードバックできる。
【０１２５】
また、同一ウェハ上では計測位置が違っても同じ研磨進行程度なら計測データも同じであり、複数の測定系を配置して研磨進行度合の近い測定系からデータを推測して補間するため、パッドの揺動により測定系の一部の光路が遮られる場合においても、ある程度測定データが取得できれば、阻害された時点でのデータを補間できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】 本発明において使用される半導体ウェハ表面の断面形状を示す図である。
【図３】 半導体ウェハの被研磨面上にある研磨液排除装置を示す図である。
【図４】 図１に示す第１の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図５】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図６】 第１の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムａの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図７】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の他の実施形態（第２の実施形態）を示す図である。
【図８】 図７に示す第２の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図９】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図１０】 本発明の第２の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムｂの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図１１】 本発明の第３の実施形態における終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】 研磨進行に伴う平均データの変化の一例と、研磨中における傾きデータの時間変化の一例を表すグラフである。
【図１３】 第４の実施形態において演算部が実行するアルゴリズムｃの実行手順をフローチャートで示した図である。
【図１４】 本発明の第４の実施形態において、平均算出部、傾き算出部の動作をフローチャートで示した図である。
【図１５】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第５の実施形態を示す図である。
【図１６】 図１５に示す実施形態において使用される終点検出装置の内部構成を示すブロック図である。
【図１７】 アルゴリズムｄを実行する演算部の動作手順をフローチャートで示した図である。
【図１８】 本発明における第７の実施形態の動作をフローチャートで示した図である。
【図１９】 本発明における第７の実施形態にて使用されるマトリクステーブルを（表１）として示した図である。
【図２０】 本発明の第８の実施形態における絶縁膜のみのウェハを研磨した波形の一例を示す図である。
【図２１】 本発明における半導体ウェハの研磨終点検出装置の第９の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…ウェハ、２…ポリッシャ、３…研磨液、４…研磨液排除装置、１１１…光源、１１２…検査光、１１３…反射光、１１４…受光素子、１１５…受光素子アンプ、１１６…反射光量信号、１５１…終点検出装置、４１１…平均値算出部、４１３…傾き算出部、４１６…アルゴリズム演算部、９００…ＣＭＰ装置
Claims (6)
- １以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出装置において、
所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、
前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段と、
前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、
前記第１測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第１の終点検出信号を送出する第１終点検出部と、
前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号の時間変化から研磨終点を検出し、第２の終点検出信号を送出する第２終点検出部と、
前記第１測定部から出力された反射光量信号及び前記第２測定部から出力された反射光量信号を入力し、該２つの反射光量信号の差分あるいは比率の時間変化から研磨終点を検出し、第３の終点検出信号を送出する第３終点検出部と、
前記第１から第３の終点検出信号のいずれか１つに基づいて前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号を入力し、該反射光量信号が前記目標値に到達したときに研磨終点を検出し、第４の終点検出信号を送出する第４終点検出部と、
を有することを特徴とする半導体ウェハの研磨終点検出装置。 - 前記第３測定部と該第３測定部に対応する前記第４終点検出部とをそれぞれ複数有することを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置。
- 前記第１測定部から出力され前記第１及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第１及び第３終点検出部に出力する第１平均値算出部と、
前記第２測定部から出力され前記第２及び第３終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第２及び第３終点検出部に出力する第２平均値算出部と、
前記第３測定部から出力され前記４終点検出部に入力される反射光量信号を入力し、前記ウェハの所定回転数ごとに算出された平均値である平均データを前記第４終点検出部に出力する第３平均値算出部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置。 - 研磨装置のポリッシャが前記反射光量の測定を阻害したことを検知するセンサをさらに備え、
前記第１から第４終点検出部は、前記センサにより測定の阻害が検知されたときに入力された反射光量信号を含んで算出された平均データを無効とし、その前後の有効な平均データを用いて前記無効とされた平均データを直線補間することを特徴とする請求項３に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置。 - 前記第１及び第２終点検出部は、前記平均データの時間変化が研磨開始の一定時間後から低下した後に上昇して変化率が小さくなり安定したとき、または、研磨開始の一定時間後から低下して変化率が徐々に小さくなり安定したときに研磨終点を検出することを特徴とする請求項３または４に記載の半導体ウェハの研磨終点検出装置。
- １以上の測定系から得られた終点検出信号に基づいて化学的機械的研磨におけるウェハ研磨分布情報を得る研磨終点検出方法において、
所定の波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射されウェハ表面において所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第１測定部と、
前記所定の波長と異なる波長の光を照射する発光手段と、該発光手段から照射され前記所定の位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第２測定部と、
前記第１または第２測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段と、
該発光手段から照射され前記ウェハ表面において前記所定の位置と異なる位置で反射された光を受光し、反射光量を測定して反射光量信号を出力する受光手段とを有する第３測定部と、を有する半導体ウェハの研磨終点検出装置における研磨終点検出方法であって、
前記第１測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第２測定部から出力された反射光量信号の時間変化、または、前記第１測定部から出力された反射光量信号と前記第２測定部から出力された反射光量信号との差分あるいは比率の時間変化のいずれか１つから終点検出信号を出力する過程と、
前記終点検出信号が出力されたときに前記第１または第２測定部のうち前記第３測定部の発光手段と同じ波長の光を照射する発光手段を有する測定部から出力された反射光量信号を目標値とし、前記第３測定部から出力された反射光量信号が前記目標値に到達したときに終点検出信号を出力する過程と、
を有することを特徴とする半導体ウェハの研磨終点検出方法。
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