JP4427767B2

JP4427767B2 - 測定方法

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Publication number: JP4427767B2
Application number: JP18938899A
Authority: JP
Inventors: 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP2001021317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定方法及び測定装置、特に半導体ウェハ上の膜厚測定または膜の除去工程や成膜工程で工程終了点の測定を行う方法及び装置、及び半導体装置製造プロセスにてウェハの研磨を行う方法及び研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス（半導体装置）の高密度化は限界を見せず進展を続けており、高密度化するにつれ、多層配線と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシンなどの金属電極形成の技術の重要度は大きく増大している。当然こうした層間絶縁膜や金属電極膜の膜厚や形状（正しく埋め込まれているかどうかなど）のモニタは大きな課題となる。勿論、膜厚のモニタは薄膜形成やエッチングのような工程でも必要とされるが、最近特に重要視されて来ているのは、平坦化プロセスにおける工程終了点の検知（測定）である。
【０００３】
最近のリソグラフィプロセスに於ける露光波長の短波長化に付随した、露光時の焦点深度の短縮を考慮すると、露光の解像度を確保するために少なくとも露光領域程度の範囲での層間層の平坦化の精度要求は大きい。また、金属電極層の埋め込みであるいわゆる象嵌（プラグ、ダマシン）では、金属層の成膜後に余分な金属層の除去及び平坦化が要求される。
【０００４】
成膜法などの改良により、ウェハ表面の層間層を局所的に平滑化する方法が多く提案、実行されているが、より広いウェハ領域での効率的な平坦化技術としては、ＣＭＰと呼ばれる研磨工程がある。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing またはPlanarization ）は、物理的研磨に、化学的な作用（研磨剤溶液による溶かし出し）とを併用して、半導体素子のウェハ表面の凹凸を除いていく工程であり、広い領域の平坦化技術の有力な方法となっている。具体的には、酸、アルカリなどの研磨対象物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布で、ウェハ表面を加圧し、相対運動により摩擦することにより研磨を進行させる。加圧力と相対運動の速度をウェハ全面において一様とすることで、ウェハ全面に於いて一様な研磨が可能になる。
【０００５】
この研磨工程は、成膜工程やエッチング工程ほどはプロセスの安定性や再現性が一般に良くないため、これを解決して研磨工程の効率化を図るために研磨工程へ必要な情報を迅速にフィードバックする必要があり、そのために層間層や金属層の膜厚の常時測定が要請されている。
従来は、膜厚の測定のために一般的な膜厚測定装置を用いることが多い。研磨後洗浄されたウェハの、微小なブランク部分（膜厚の２次元分布即ちパターン構造が無い位置）を測定位置として選択して種々の方式で測定する。実際に知りたい部分の膜厚（微細構造を有するパターン構造部分であるため測定できないことが多い。）は、この値から較正して算出する。この方法はフィードバックが遅いという問題がある。
【０００６】
平坦化のための研磨工程において、よりフィードバックが速い膜厚の測定の方法としては、除去対象の研磨層から異なる層へ研磨が進んだ場合の摩擦変動を、ウェハ回転やパッドの回転のモータトルクの変化によって測定する方法がある。また、研磨パッドに光路を設けたり、ウェハ裏面からの、ウェハ透過性の光（赤外光）を利用して、膜面に光を照射し、光学的な干渉によって研磨中の薄膜の膜厚を測定する方法も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のＣＭＰ工程などにおける層間膜や金属層などの膜厚を迅速簡便に測定する技術は、要請が高まっているにも関わらず、決定的といえる方式がない。
上記の膜厚測定機での測定は、研磨後洗浄したウェハを、ステージ保持など充分安定な状態に移送、保持し、測定する。現状で充分な精度が得られ、信頼性のあるデータが得られるものの、装置そのものが大がかりなものになり、測定値を得るまでに長時間を要するために工程へのフィードバックが遅くなる。
【０００８】
さらに、大きな問題として、ウェハ上の膜厚の測定位置の設定の問題がある。パターン構造が存在する半導体素子ウェハにおいては、パターンが無い部分を測定位置とするためにパターンが無い部分を探して膜厚を測定しなければならないが、一般にはパタ−ンがない部分は面積的に非常に小さい上に、半導体素子ウェハの種類によって位置が一定ではない。
【０００９】
先ず、測定範囲を小さくすることが装置的に容易でない。また、小さい部分を高速に探索して測定することも簡単ではない。小さい部分を高速に探索するためにはパターンの画像を取り込んでその小さい部分を認識、処理する複雑な機構を持つ必要があり、これはハード（撮像素子、精密位置合わせ機構など）、ソフト（画像処理ソフト）ともに、負荷が大きく高価なものになる。実現できても、画像処理、位置探索および位置ぎめの時間が測定時間を大きく増加させる。また、上で述べたように、こうして得られた膜厚は、あくまで較正値であって、下に述べるパターン依存などの評価は、この値に対して煩雑なキャリブレーション（較正）を行わなければならないという問題がある。
【００１０】
また、モータートルクの変化による方式は、簡便で高速ではあるが、異なる層の研磨開始のみを検知できるので、工程終了点の検知に有効であるが、膜厚測定には有効でなく、しかも検知精度の点で不十分である。
また、光学的な干渉を利用する膜厚測定の方法（レーザ光を照射し、反射光量の時間変動を追跡する方法。）などにおいては、測定位置の特定ができないため、半導体素子ウェハのデバイスパターンに依存した不確定性と測定位置による誤差などが指摘されている。メモリー素子であるＤ−ＲＡＭなどは周期構造の継続として、ほぼパターンは均一（パターン種は一つ）とみなしてよく、この問題をクリアできる場合もあるが、ロジック素子やロジック、メモリーの混載の素子においてはパターンが均一でなく、測定位置による問題が顕著になる。特にＣＭＰ工程の場合、研磨がパターン種に依存する、即ち、パターンの密度、精細度によって、研磨速度や、段差解消の様子が大きく異なるため、異なるパターン種毎に膜厚を評価することが重要になる。
【００１１】
更に、ＳＴＩ工程におけるＣＭＰ工程の研磨終了点の検出に於いて、これをモータートルクで検出する方式は、ストッパ層があるとはいえ、実用レベルに達するほど有効でない。（一般に研磨パッドの経時変化によって検出が困難になることも報告されている。）また、レーザ干渉などの現状の光学的な方法においても、SiO2、SixNのような構成層がいずれも透明の膜であり、研磨工程の終了点でも光量変化として十分な変化が見られず、層間誘電体膜のプロセスよりも高い制御精度が要求されるＳＴＩでは、充分な計測（終点判定）能力が不足していることが指摘されている。このため、実際のプロセスにおいては、研磨時間による制御などで対処することが多くなっている。
【００１２】
更にまた、バリアメタル層の存在するＣｕ工程の基板に対する研磨終了点の測定に対しては、これをモータートルクで検出する方式は、実用レベルに達するほど有効でない。このため、実際のプロセスにおいては、やむを得ず研磨時間による制御などで対処することが多くなっている。本発明は、以上の問題を解決し、様々なパターン種から構成されるパターン構造を有する基板及び更にＳＴＩ工程の基板及びバリアメタル層の存在するＣｕ工程の基板に対しても、測定位置の特定、更に膜厚の測定、更にまた膜の除去工程、成膜工程に於ける工程終了点の測定（検知）を精度良く、簡便に、且つ高速で行うことができる測定装置及び測定方法及びこの測定装置を用いた研磨装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
基板上の薄膜の膜厚測定を光学的に行なう方法は種々知られており、干渉現象を用いる方式においても、かなりの精度が実現されている。ただ、いずれも（多層膜含む）パターン構造を有しないブランク膜測定についてのものである。本発明が対象とするのは、表面にパターン構造が存在するウェハであって、２次元的に一様でないものである。この場合、パターン構造を有しない一様なブランク膜から単純に予測される信号は得られない。
【００１４】
本発明においては、パターン構造を有する場合の光学測定において、プローブ光として、多成分の波長の光を用い、反射した信号光の波長依存即ち分光特性を調べることにより、パターン種を特定し、更に必要に応じて膜厚を知る。
また、本発明では、パターン構造のパターン種の特定、更には膜厚の測定を可能とするために、パターンの最小単位に比較して大きなスポット径で光を照射する。
【００１５】
更に、パターン上に照射した光のスポット径の内部でのパターン間の干渉性を制御するために空間コヒーレンス長さ制御部を設ける。
更にまた、パターン面に照射されて戻ってきた光の０次光成分のみを信号光として用い、１次以上の回折光は除去される。
得られた信号光は、予め計算された或いは測定された分光特性と比較することによりパターン上の測定位置が特定され、更には膜厚が測定される。
【００１６】
このようにして、本発明により、簡便且つ高精度に、ウェハの測定位置の特定を行い、更にデバイス半導体ウェハの層の膜厚測定や、工程終了点の検知（測定）を行う。そのため、第一に、「複数の波長成分を有するプローブ光の空間コヒーレンス長さを調整する段階と、表面に光学的特性の異なる複数のパターン構造を有する基板面に、前記プローブ光を照射する段階と、前記基板面から反射または透過した光から信号光を抽出する段階と、前記抽出された信号光の信号波形を取得する段階と、シミュレーション計算もしくは学習ウェハを実測して、前記複数のパターン構造それぞれにおける分光波形を前記基板表面の膜厚毎に取得し、記憶する段階と、前記信号波形と前記記憶した分光波形との比較を行い、最も相関関係が高い前記分光波形を有する前記パターン構造を特定して前記基板内における前記プローブ光の照射位置に対応するパターン構造を決定する段階と、前記最も相関関係が高い前記分光波形に基づいて前記特定された基板表面上の膜厚を決定する段階とを具え、前記抽出された信号光がプローブ光の反射または透過光の正反射成分（０次光）のみを含み、１次以上の回折光成分を含まないことを特徴とする測定方法（請求項１）」を提供する。
【００１８】
また、第二に、「前記プローブ光の前記照射位置でのスポット径は、前記パターン構造を構成するパターンの最小単位の寸法よりも大きく、最も小さい前記パターン構造の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の測定方法」を提供する。また、第三に、「前記プローブ光の空間コヒーレンス長さは、完全にパターン干渉する条件か、全くパターン干渉しない条件に調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の測定方法」を提供する。
【００１９】
また、第四に、「前記プローブ光が前記基板面に垂直に照射されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の測定方法」を提供する。また、第五に、「前記比較が、相互相関係数、自己相関係数、及び最小二乗法から選ばれた少なくとも一つを用いて行われることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の測定方法」を提供する。
【００２０】
また、第六に、「前記シミュレーション計算もしくは学習ウェハの実測により取得した、前記複数のパターン構造それぞれにおける分光波形とそのときの前記基板表面の膜厚は、データテーブルとして記憶されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の測定方法」を提供する。また、第七に、「更に、前記特定結果を基に、所望の測定位置への測定点移動を行う段階を具えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の測定方法」を提供する。
【００２１】
また、第八に、「更に、前記特定または前記測定点移動された各測定位置に対して、前記基板面の膜の膜厚を測定する段階を具えることを特徴とする請求項７に記載の測定方法」を提供する。また、第九に、「更に、前記膜が成膜工程または除去工程に置かれている場合に、前記各測定位置に対して、各膜厚推移を測定する段階を具えることを特徴とする請求項７または８に記載の測定方法」を提供する。
【００２２】
また、第十に、「前記基板が、半導体素子のウェハであり、半導体装置製造工程における、前記ウェハ上の絶縁層または電極層の成膜工程や除去工程に於ける前記ウェハの膜厚の測定、および前記工程終了点を検知するための前記ウェハの膜厚測定に用いられることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の測定方法」を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる実施の形態を以下に理解を容易にするために図を用いて説明するが、本発明はこれらの図に限定されるものではない。
図２は本実施形態の測定装置を示す概念図であり、図３は図２の光学測定部の一実施例の詳細図である。図１は本実施形態の測定装置の動作を示すフローチャートであり、図２の主に信号処理部６の動作を示す。
【００３０】
図２に於いて、１は測定対象の表面にパターン構造を有する基板であり、パターン面が上に向けられている。２は光学測定部であり、６は信号処理部であり、８は表示部である。
図３に於いて、１は測定対象の表面にパターン構造を有する基板であり、パターン面が下に向けられている。９は複数の波長成分光を発する光源、１０は空間コヒーレンス制御部（可変径絞り）、１１は光学レンズ、３４はスポット径調整部、１２はビームスプリッター、１３、１３０は光学レンズ、１４はミラー、１５は光学レンズ、３５は０次光選別部、１６は分光部（回折格子）、１７は光検出部である。
【００３１】
図３で示す測定装置に於いて、光源９から発せられた複数の波長成分を有する光は、空間コヒーレンス制御部１０を通り、光学レンズ１１を透過し、スポット径調整部としての視野絞り３４を通り、ビームスプリッター１２によりその一部が透過され、光学レンズ１３によりコリメートされてプローブ光３として基板１のパターン面２９に照射される。パターン面２９からの反射光４は再び光学レンズ１３を透過し、ビームスプリッター１２をその一部が反射し、光学レンズ１３０を透過し、ミラー１４で反射し、光学レンズ１５を透過し、０次光選別部としての絞り３５により１次以上の回折光が除去され、信号光のみが選別されて分光部１６に入射する。信号光は分光部１６で分光され、異なる角度方向に異なる波長の光が反射する。異なる角度方向に反射した光は、異なる角度方向に対応する異なる位置に入射する光を独立して検出することが可能な光検出部１７に入射する。これらの光は光検出部１７から信号５として信号処理部６に出力する。
【００３２】
信号処理部６は、図１に示すように動作する。処理が開始すると、光学測定部２から信号のデータ（Ｒ（ｔ））を取得する（Ｓ１）。次の段階に行く前に、事前に測定対象のウェハのパターン面のシミュレーション計算が行われるか（Ｓ６）、事前にパターン面が測定されるかして（Ｓ７）、パターン面の分光波形（Ｒ_ｋ）が参照値として決定されている（Ｓ８）。この分光波形はパターン密度毎及び膜厚構成毎に対応するパターン種毎、最上層の膜厚毎にｋ組決定する。
【００３３】
次に、信号のデータ（Ｒ（ｔ））と分光波形（Ｒ_k）との相似度を計算する（Ｓ２）。
次に、ｋの値を１だけ減らす（Ｓ３）。
次に、ｋ＝１であるかどうかを判定する（Ｓ４）。
ｋ＝１でなければ、再びＳ２に戻り、信号のデータ（Ｒ（ｔ））と分光波形（Ｒ_k）との相似度を計算し、Ｓ３を通り、Ｓ４でＹＥＳになるまでこのループを繰り返す。
【００３４】
Ｓ４でＹＥＳ、即ちｋ＝１になれば、Ｓ５に行く。
Ｓ５では相似度が最良の分光波形（Ｒ_k）を見つけ、そのＲ_kに対応するパターン種と膜厚を測定対象のパターン面の測定位置に対する膜厚として決定する。ここで、図２及び図３に於いて、プローブ光３のスポット径とパターンの最小寸法と信号光の空間コヒーレンス長さとの関係が重要である。
【００３５】
通常、プローブ光が照射されたパターン構造部分からの反射光は、デバイス（積層薄膜）の各層、各部分からの光波の重ね合わせとみることができ、波長依存（分光特性）の波形は、複雑な干渉効果のため、ブランク膜とは大きく異なったものになる。このような曲線から、測定したい膜厚の値を解析的に計算することは、容易なことではない。我々は、様々な実験を伴う考察の結果、この干渉効果の複雑性は、プローブ光が照射されるパターン面のパターン種とプローブ光の空間コヒーレンス長さとスポット径、パターンの精細度、回折成分等の相互関係の多様性のためであることを発見した。
【００３６】
これらが、ある限定された関係になければ、同一パターン形状、同一膜厚に対しても反射光から得られる信号光が定まらず、その結果信号光を分析して得られる膜厚も定まらないのである。
そこで、本発明は、パターン構造を有する基板上の膜厚測定のために、先ずパターン種を特定する。そのために、先ず、パターン上にはプローブ光として複数の波長成分を有する光源の一つとして白色光（あるいはそれを分光した成分）が照射される。
【００３７】
照射は、パターン構造を有する基板のパターン面側から行っても、その裏面側から照射を行なって、透過光を検出する方式でも良いが、後者の場合は赤外域での多成分波長光源が必要になる。
次に、照射スポット径がパターン構造を形成している最小単位に比較して大きく、かつパターンがウェハ全面にわたって均一に分布しているような場合（Ｄ−ＲＡＭのパターン構造などがこれにあたる。）は、平均情報として、場所によらない安定で再現性のある信号が得られることは、［従来の技術］で述べた通りである。この場合は、ウェハを工程後に測定するいわゆるin-line 測定においても、工程中に測定する同時（in-situ ）測定においても、測定位置（照射位置）にあまり留意する必要なく、信号波形から、膜厚を算出したり、工程の終了点を知ることが可能である。しかしながら、パターンの分布が不均一なＣＰＵやＡＳＩＣなどのデバイスのパターン構造は、照射位置によって信号波形が大きく異なり、照射位置による再現性がとれなくなる。
【００３８】
我々は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣなどのデバイスのパターン構造を詳細に調査した結果、多くの場合、不均一なパターンとはいえ、光学的特性の異なる複数の分離されたブロックに分割することができることに気付いた。実際に、我々は、種々のデバイスにおいて、プローブ光が垂直に入射する条件下で、各ブロック内での信号の再現性は良好であることを見つけた。これら各ブロックに対して膜構成とパターン密度は異なるが、膜構成が共通条件下で、パターン密度とパターンの精細度が同じなら、同一波形である。ここで、パターン密度は、図５に概略的に示されたパターン構造を有する基板の電極層部分の面積（Ａ部分面積の総和）の全体の面積（Ａ部分面積の総和＋Ｂ部分面積の総和）に対する比率に対応する。パターン密度の意義については、特願平１１−１７１０９４に詳しく開示されている。パターンの精細度は、パターンの最小単位の長さと空間コヒーレンス長さとの大小関係、即ち、パターンの最小単位の寸法のプローブ光の空間コヒーレンス長さに対しての精細度を意味し、例えばパターンの最小単位の寸法が２μｍの場合、プローブ光の空間コヒーレンス長さが５μｍの場合は精細度が高く、同じパターン寸法に対してプローブ光の空間コヒーレンス長さが１μｍの場合は精細度が低いといえる。ここでパターンの最小単位の寸法は、図５のパターンを例に挙げると、Ａ部分の長さ＋Ｂ部分の長さに相当する。
【００３９】
本発明の実施形態の図２及び図３で示された測定装置に於いて、プローブ光は垂直入射され、更に空間コヒーレンス長さが調整されている。本測定装置では空間コヒーレンス長さは測定対象のパターンの最小寸法よりも充分に大きくするか逆に充分に小さくしている。この空間コヒーレンス長さの調整の意義については特願平１１−０４７４８５に詳しく開示されている。空間コヒーレンス長さは、図３に於いて可変径絞り１０の口径を小さくすることにより長く、そして大きくすることにより短くすることができる。この調整は、測定値をシミュレーション計算値と比較することにより行われる。
【００４０】
パターン構造がある場合の基板面からの反射について以下に更に詳しく説明する。
基板面にパターン構造がある場合の薄膜からの反射光においては、膜厚による干渉現象（振幅分割の干渉）とともに、パターンによる干渉（波面分割の干渉）が加わる。このパターンによる干渉は、プローブ光の照射面における（空間）コヒーレンス長さの範囲内のみのパターン同士での現象であるため、パターンの最小単位の幅が空間コヒーレンス長さより大きい場合は、起こらない。従って空間コヒーレンス長さより大きい粗いパターンでは、パターンの各部からの光強度の単なる足し合わせによって信号波形が決定される。我々は、このことを利用して、精細度の低いパターンからの信号分離を行うことを考案、実行した。（特願平１１−１７１０９４）
プローブ光のスポット径は最小でも、この中にパターン構造を形成しているパターンの最小単位よりも大きくなくてはならず、また、最大でも、一つのパターン種に対応する一つのブロックよりも小さくなくてはならない。ここで、照射スポット径が最小単位に比較して大きいとは、スポット径が少なくともパターンの最小単位全体を完全に照射し得る寸法を持つことを意味し、スポット径がプロックの寸法よりも小さいとは、スポットがブロックの中に収まり得ることを意味する。
【００４１】
また、信号光からは０次反射光のみが選別され、１次以上の回折光成分が除去されるのが好ましい。これはパターンの精細度の違いによる回折成分の寄与度の変動の影響を除去するためであり、特願平１０−２８９１７５に詳しく開示されている。
以上のようにプローブ光に対して配慮をしても、パターン面からの反射光から得られた信号光から直接解析的に膜厚を求めることは容易なことではない。そこで、図２の信号処理部では、図１のフローチャートに示すように、信号とシミュレーション計算した分光波形、または予め実測された分光波形（学習ウェハ等）などの参照値との相似度の比較操作によりフィッティングがなされるのである。
【００４２】
このフィッティングに於ける相似度の計算方法は特に限定されないが、好ましくは、相互相関係数、自己相関係数、または最小二乗法から選ばれた何れか一つの方法を用いることができる。このフィッティング操作に用いる各参照値に対応してパターン密度等のパターン種、膜厚、等のパターン情報をパラメータとしているので、測定位置のみならず、この測定位置に対応させて膜厚情報を得ることが可能になる。
【００４３】
具体的な計算例として、膜構成が一定条件下では、パターン種は、パターン密度のみにより決まり、パターン密度（シリサイドを含めた金属層の分布状況）をパラメータとして変化させて、且つ最上層の膜厚をパラメータとして変化させて計算を行う。計算にはこの他に膜の定数として、屈折率、吸収係数、膜厚を用いる。計算に当たっては前述のように少なくとも一種類の基板に対しては、実際の測定に当たるプローブ光の空間コヒーレンス長さに対応させて、パターンの精細度が全ての測定位置に於いて高くなる、即ちパターン間干渉が完全に起きる条件か、パターンの精細度が全ての測定位置に於いて低くなる、即ちパターン間干渉が全く起きない条件で行う。
【００４４】
パラメータとしてパターン密度を変化させる場合、パターン密度を未知数として０〜１００％間でまんべんなく変化させて計算してもよいが、より、効率的な方法としては、測定対象の半導体素子のブロック毎のパターン密度の値を予め取得しておき、そのパターン密度の値でのみ計算し、その計算値でのみフィッティングを行うこともできる。このようにして計算量と計算時間を減らし、フィッティング計算の計算量と所要時間を減らすことができる。
【００４５】
パターン密度を求める方法は、ＣＡＤなどの設計データからでもよいが、実際のパターンでは設計値との差異があることがあるので、これを顕微鏡観察の画像などからの測定とフィッティングによって予め算出しておくこともできる。
フィッティング計算をより高速に、より効率的に行うために、測定対象の半導体素子の、パターン構造のあらゆるブロック部分で、想定される（最上層の）膜厚範囲において、シミュレーション計算した複数の組の分光波形を予め参照値としてメモリに格納しておき、そのデータを逐次呼び出して信号波形と比較することは好ましい方法である。このようにして、毎回フィッティングを行う度にシミュレーション計算を行うよりも、高速に測定位置の特定と膜厚の決定を行える。いわゆるルックアップテーブルと言われるものの作成であるが、分光波形の数については、膜厚測定の要求精度に応じて、取得膜厚間隔を適宜選んで用意しておくことが好ましい。
【００４６】
また、計算による波形ではなく、学習ウェハ（ダミーウェハ）などで事前に取得した工程目標の厚での波形との比較によって工程終了点検知を行う場合も、事前に実測などを行って、パターン構造を有する半導体素子ウェハの信号波形を、各ブロック毎に取得、メモリに格納しておき、実測の信号波形との比較を行うことにより、各測定位置を高速且つ適切に特定し、更に膜厚を測定したり、工程終了点を測定（検知）することが可能になる。
【００４７】
即ち、信号波形によって照射位置（測定位置）のブロックを判断、特定し、各測定位置に対応して膜厚を求める。
また、本測定装置を半導体装置の製造プロセスの成膜プロセスまたはＣＭＰのような除去プロセスに用いた場合、工程終了点の目標特性値を、予め参照値としてプローブ光が照射される可能性がある全ての照射位置に対して取得しておくことにする。こうすることで、どの照射位置に照射して測定した場合でも、照射位置を特定し、膜厚を算出し、プロセスの制御をすることが可能になる。
【００４８】
このように測定位置の特定が可能になることにより、照射位置の移動機構を持った測定装置の場合は、取得した信号波形と事前に設計値等から得たパターン情報から所望の測定位置へのプローブ光の移動を行うことが可能になるため、人がパターン（ブロック）を観察しながら、測定位置を合わせるなどの必要がない。以上、本発明の測定の説明に於いて、膜厚測定対象の膜を光透過性の誘電体膜（層間絶縁膜）として説明したが、測定対象の膜が金属層の場合においても本発明は適用可能である。一般に、埋め込み電極層（象嵌）を形成する際に、基板面( ウェハ) 全面に形成された金属層をエッチングや研磨で除去していく場合、工程終了時には金属層のある部分とない部分が出現する。反射光の信号波形( 分光特性の波形) は、金属層においては通常波長に対して滑らかなものである。金属層がなくなり、下地のパターン層が出現すると、下地誘電体層以下のパターン層の影響をうけ、信号波形は大きく変動し、一般には波形にうねりが生じるようになる。この変動を観察することで、金属層の研磨の終了点を検知できる。この場合、信号波形と下地が出現した場合の参照値との類似性の比較により、測定位置の特定、更には研磨の終了点の検知を行うことができる。
【００４９】
更に、研磨工程が、２種類以上の層を同時に研磨する段階を含む場合もこの発明により好ましく測定が出来る。これの例として、図８にＣｕ層とＳｉＯ₂層の間にバリアメタル層３７を有するパターン構造の断面を示した。バリアメタルとしてはタンタルナイトライド（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、等が用いられる。これらの材料の光学的性質（光学定数）はＣｕとは異なるので、当然に、Ｃｕ層が信号波形に与える信号寄与はバリアメタル層が信号波形に与える信号寄与とは異なる。従って、図８（ａ）の研磨前の段階の信号と、図８（ｂ）のバリアメタル層が露出した（パターン構造が現れる）段階の信号と、図８（ｃ）のバリアメタル層と下地層の両方が露出した段階の信号は異なるので、これらの各段階での反射特性をシミュレーション計算または事前測定して参照値として用いることにより各段階での膜厚または工程終了点の測定（検知）を適切に行うことができる。更に、Ｃｕ層やバリアメタル層は層厚が薄くなるとプローブ光を透過することができるので、これを用いて図８（ｂ）、図８（ｃ）の段階のみならず、その中間段階に於いても、Ｃｕ層やバリアメタル層の層厚を測定することができる。このように、この場合も膜厚及び工程終了点を精度良く簡便に測定（検知）することができる。
【００５０】
更にまた、研磨工程が、２種類以上のプローブ光に対して透明な層を同時に研磨する段階を有する段階を含む場合もこの発明により好ましく測定が出来る。この例として図９にＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）を目的とする工程を示した。この工程は、図９に概念的に示すように、Ｓｉx Ｎ層３９とＳｉ４０から構成される素子部をＳｉＯ₂の絶縁層２８を２次元的に配置することによって電気的に分離するものである。図９に於いて、ＳｉＯ₂絶縁層２８とＳｉx Ｎ層３９は共にプローブ光に対して透明であり、トレンチ４１もＳｉＯ₂層であるので透明である。図９（ａ）は研磨前の状態、図９（ｂ）は理想的に研磨が終わってトレンチ４１が形成された状態を示す。ＳｉＯ₂絶縁層２８とＳｉx Ｎ層３９とは研磨速度が異なり、一般にＳｉＯ₂絶縁層がＳｉx Ｎ層よりも速い。この程度は研磨条件に依存するが、ある研磨剤を使った例ではＳｉＯ₂絶縁層の４に対してＳｉx Ｎ層が１の割合である。そのため、研磨に於いては膜厚は常にこの割合で減少し、その結果、図９（ｃ）のようにトレンチ部分が窪んだ構造状態即ちディッシングが生じる。その理由は、研磨速度の違いにより、Ｓｉx Ｎ層が４２で示される厚みだけ除去される間にＳｉＯ₂絶縁層は４３で示される膜厚が除去されるからである。各除去膜厚の比率は除去膜厚の大きさに依存せず一定である。従って、Ｓｉx Ｎ層３９の残膜厚Ｔ₁とＳｉＯ₂絶縁層４２の残膜厚Ｔ₂とは一つの一定の関係で結びつけられることが分かる。即ちＴ₁が決まればＴ₂が決まり、Ｔ₂が決まればＴ₁が決まる。この対応関係を予め実験と測定により求めておき、参照値としてのシミュレーション計算にあたってはこの求められた対応関係の膜厚Ｔ₁、Ｔ₂を用いるのである。勿論参照値としては事前測定に依っても良い。このようにディッシング量を予測し、膜厚測定または工程終了点の設定に利用することにより、研磨速度一定で、図９（ｂ）のようなモデルを仮定した場合の測定誤差の発生を防ぎ測定精度を向上することができる。
【００５１】
以上の測定装置の説明ではプローブ光の反射光から信号光を抽出したが、透過光から抽出しても良いことは言うまでもない。また、説明の簡便性のために、取得する信号が、分光特性信号の場合を説明したが、取得する信号は分光特性信号ばかりでなく、そのフーリエ変換値信号も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。この場合、参照値としてはシミュレーション計算した分光特性値または事前測定した分光特性値のフーリエ変換値が用いられるのは勿論である。フーリエ変換値信号を取得する信号として用いる場合、通常は測定した分光特性信号を信号処理装置６内で電気的にフーリエ変換する。このフーリエ変換値信号から例えば不都合な周波数成分を除去したフーリエ変換値信号に対してフィッティングを行うことにより測定精度向上が期待できる。
【００５２】
本発明の測定装置は、平坦化工程を行いながら測定を行う、同時（in-situ）測定の研磨装置に適用することが出来る。図４は本発明の研磨装置である。２１はパターン構造を有するウェハ１を保持する研磨ヘッド、２０は研磨パッド、１９は研磨パッドを固定した定盤、２２は研磨剤供給機構、２３は研磨剤、２は光学測定部、６は信号処理部、８は表示部である。ウェハ１の被研磨面を研磨パッド２０に加圧し、ウェハ１の被研磨面と研磨パッド２０とに各々の駆動機構（駆動方向の例のみを矢印で示す）により相対運動を与え、被研磨面と研磨パッド２０の加工面の間に研磨剤供給機構２２により研磨剤２３を供給しつつ研磨を行う。このとき、研磨パッド２０および定盤１９の一部を透光性として、そこからプローブ光と反射光をやり取りすることは好ましい方法である。半導体素子ウェハ１は研磨の間常に移動しているので、一般にプローブ光が照射される測定位置は定まらず、様々な測定位置からの信号が連続で取得される。このような場合は、本発明の測定装置を用い、取得した信号を参照値と比較することによって、照射位置を特定し、更に特定した測定位置毎に膜厚を取得し、データの処理を行うことで、膜の除去プロセスでのプロセス制御が可能になる。更に、本研磨装置で、測定位置を特定してプローブ光を所望の測定位置へ測定点移動することにより、半導体素子ウェハ１のパターン（測定位置）によって、研磨性（研磨速度、段差解消性、等のパターン依存性）などに違いがある場合でも、常に所望の同じ測定位置（ブロック）からのデータのみを選別して処理することもできる。また、様々な測定位置（ブロック）からのデータを測定位置（ブロック）毎に振り分けて個々に処理することもできる。このようにして、様々なパターンにおける膜厚管理が可能となる。
【００５３】
以上説明の研磨装置は、定盤および研磨パッドに設けられた透光窓１８を通過するプローブ光と反射光により測定を行ったが、本発明は、更に、研磨中に研磨パッドからはみだしたウェハ部分にプローブ光を照射することによっても測定可能であることは言うまでもない。
以上、本発明の測定装置及び方法を平坦化工程に用いる研磨装置及び方法に適用する例を説明したが、本発明の測定装置及び方法は半導体装置の他の製造プロセス、例えば成膜工程あるいはエッチング工程にも好ましく適用できることは言うまでもない。
【００５４】
【実施例】
［実施例１］
実際に６インチウェハ（基板）上の半導体素子のＳｉＯ₂層間絶縁膜をＣＭＰ装置によって研磨し、その研磨終了点検出を試みた。その概略の説明図は図６に示される。研磨した素子は、図７（ａ）に示したようなＡ〜Ｆのブロック構造を持ち、各ブロックは互いに異なるパターン密度のパターン種を有している。プローブ光照射は、図４に示されるＣＭＰ装置を用い、下面の研磨パッド２０（エポキシ系）および、その定盤１９（いずれも６００ｍｍ直径）に約１ｃｍ×４ｃｍの矩形孔を開け、パッド面と同一面に、石英の透光窓１８を設けた観測窓から行うこととした。透光窓の両面にはウェハの接触等による傷の発生を防止するためのハードコーティングまたはプローブ光の反射損失を低減させるための反射防止膜の片方または両方が形成されている。
【００５５】
光学測定部は、図３に示すように、キセノンランプ９を光源とする光を可変径絞り１０を通して空間コヒーレンス長さを完全にパターン間干渉する条件に調整し、更に視野絞り３４を調整し、０．５ｍｍのスポット径のプローブ光をウェハ１面に垂直入射させ、その反射光をピンホール通過後（散乱光、１次以上の回折光を除去し）、回折格子１６で波長分解し、異なった方向に異なった波長の光が向かうようにして、光ダイオード型のリニアセンサ（５１２素子）１７で検出する形とした。測定波長範囲は約４００ｎｍから８００ｎｍである。更に、測定信号波形を参照値と比較しながら絞り１０を調節してプローブ光が完全にパターン干渉をするようにした。リニアセンサ１７から出力された信号は、信号処理部６を具えたパソコンで処理される。信号処理に先立って、キセノンランプ９の劣化、リニアセンサ１７の感度低下、等に起因する信号強度の大きさの変動を正規化するために、予め測定された光源光の分光強度情報が、処理時の係数として用いられる
【００５６】
研磨は、シリカ粒をアルカリ溶媒に分散させた研磨剤（スラリー）を用い、約１００ｇ／ｃｍ²の研磨圧で行った。スラリー介在による光量への影響（主に散乱損失）は１％以下であった。
ウェハの半導体素子表面上のＳｉＯ₂層間絶縁膜は、プラズマＣＶＤによって約１０００ｎｍの厚みに形成されている。このＳｉＯ₂層間絶縁層を研磨して除去し、ブロックＡで約５００ｎｍの残膜厚で研磨終了させる研磨を行うこととした。ここで、予め、図７で示される各ブロックＡ〜Ｆのパターン密度は顕微鏡観察された画像からの計算により取得されている。このパターン密度と、下層の膜厚、屈折率、及び吸収係数、等の情報を用い、ＳｉＯ₂層間絶縁層の膜厚を１０２０nmから４８０nmまでの範囲で５ｎｍのピッチ毎に分光反射率を事前にシミュレーション計算した。計算値は、１ブロックにつき１０９個、トータルで６５４個であり、これらをデータテーブルとして内部メモリーに格納しておいた。これら６５４個のデータが、図１のステップＳ８に於けるｋ組の参照値に対応する。
【００５７】
ウェハ、研磨パッドを共に６０rpm の回転数で研磨を行いながら、透光窓１８より信号（分光反射率データ）を取得した。本例においては、信号取得時間は、１点の信号取得に対して約２ｍｓｅｃであって、定盤１９が一回転する間に、８点の測定を行う。フィッティングのためにこの８点分の信号に対するデータを事前に格納されているブロック毎のデータと比較した。比較のために信号波形と各参照値との相互相関係数を計算し、最も相互相関係数の値が最も大きいときの参照値を決定し、測定位置のパターン種と膜厚を決定する。その判別の様子を図７に示す。相互相関係数が、所定の値に満たないものは、ウェハのエッジ、等の測定に不適当な部分からの信号と考えて解析データから除く。８点の各データに対する、以上説明した相互相関係数の計算、測定位置のパターン種と膜厚の決定は、次の信号取得（一般には、定盤が１回転後、研磨パッドの透光窓が再びウェハの下に来るタイミング）迄に行われる。
【００５８】
こうして、研磨中に信号波形と最も良い相互相関係数を示す参照値のパターン種と膜厚を次々に決定し、これら各パターン種と各膜厚を、対応するそれぞれのブロックに振り分け、各ブロック毎の膜厚の推移を同時に（in-situ で）測定したところ、ブロックＡ換算で目標の残膜厚５００ｎm に達したので、研磨終了した。このウェハのブロックＡの膜厚を実際に断面のＳＥＭ観察により測定したところ、目標残膜厚の約３％の誤差の範囲内にあり、本実施例により工程終了点の検知が出来ることが確認できた。
［実施例２］
本実施例では実施例１で行った分光反射率のシミュレーション計算の替わりに、最終目標膜厚（５００ｎm)に研磨したダミーウェハの図７（ａ）で示される各ブロックＡ〜Ｆにおける分光反射率（トータル６個）を実測し、同じくデータテーブルとして格納した。そして、ブロックＦ（ブランク部）で約５００ｎｍの残膜厚で研磨終了させる研磨を行うこととした。この他の実験条件は全て実施例１と同様であった。
【００５９】
研磨を進行し、時間管理によって、工程終了点が近づいたところで、信号の取得を開始し、事前に格納されている最終目標残膜厚（５００ｎm)に対応する波形と比較するために相互相関係数の計算を始めた。
パターンＦ換算での残膜厚５００ｎｍでの相互相関係数が基準値を超えたところで研磨を終了して、このウェハのブロックＦの膜厚を実際にエリプソメトリー法により測定したところ、目標研磨厚の約３％の誤差の範囲内にあり、本実施例により工程終了点の検知が出来ることが確認できた。本実施例によりシミュレーション計算の労力を省くことができ、更にフィッティング計算の量を減らすことが出来るので、より高速にパターン種の特定ができるようになった。
【００６０】
以上実施例１、２により簡便、高精度、高速、且つ同時に（in-situ で）、測定位置従ってその測定位置のパターン種を特定でき、且つ膜厚を測定し、工程終了点の検知（測定）が可能であることが確認できた。
【００６１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明に従えば、半導体素子ウェハの測定にあたって、半導体素子ウェハがパターン構造を有していても、またパターン種が複数であっても、更にＳＴＩ工程のウェハでも、バリアメタルがある場合の工程のウェハでもプローブ光の調整と適切な光学系配置と的確なシミュレーション計算技術により、簡便、高精度、高速、必要に応じては且つ同時に（in-situ で）、測定位置のパターン種を特定でき、且つ膜厚を測定することができ、工程終了点の検知（測定）が可能であり、工程制御を行うことができる。更に、以上の測定が可能で、高精度で簡便に終点検出可能な研磨装置及び研磨方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】は本実施形態の測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図２】は本実施形態の測定装置の概要を示す概要図である。
【図３】は図２の測定装置の光学測定部２の一例の詳細図である。
【図４】は本発明の研磨装置を説明する図である。
【図５】はパターン密度の概念を説明する図である。
【図６】は実施例１、２を説明する図である。
【図７】（ａ）は実施例１、２の半導体素子のチップの図であり、このチップは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦの各ブロックで区分された各パターン種を有している。（ｂ）は実施例１、２の一回の信号取得時間で得られた信号の振り分けの様子を示す。
【図８】はバリアメタル層がある場合の研磨を説明する図である。
【図９】はＳＴＩ工程を説明する図である。
【符号の説明】
１基板（ウェハ）
２光学測定部
３プローブ光
４反射光
５信号
６信号処理部
７測定値の信号
８表示部
９光源（キセノンランプ）
１０空間コヒーレンス長さ制御部（可変径絞り）
１１光学レンズ
１２ビームスプリッター
１３光学レンズ
１４ミラー
１５光学レンズ
１６分光部（回折格子）
１７光検出部
１８透光窓
１９定盤
２０研磨パッド
２１研磨ヘッド
２２研磨剤供給機構
２３研磨剤
２４ウェハ
２５熱酸化膜
２６電極層
２７反射防止膜
２８誘電体層
２９パターン面
３０測定位置（プローブ光スポット）
３１研磨パッド回転方向
３２研磨パッド揺動方向
３３チップ
３４プローブ光口径調整部（視野絞り）
３５０次光抽出部（絞り）
３６Ｃｕ層
３７バリアメタル層
３８ＳｉＯ₂層
３９Ｓｉx Ｎ層
４０Ｓｉ
４１トレンチ
４２Ｓｉx Ｎ層層の除去膜厚
４３ＳｉＯ₂絶縁層の除去膜厚
１３０光学レンズ
Ａパターン部
Ｂ非パターン部
Ｔ₁Ｓｉx Ｎ層の残膜厚
Ｔ₂ＳｉＯ₂絶縁層４２の残膜厚

Claims

複数の波長成分を有するプローブ光の空間コヒーレンス長さを調整する段階と、
表面に光学的特性の異なる複数のパターン構造を有する基板面に、前記プローブ光を照射する段階と、
前記基板面から反射または透過した光から信号光を抽出する段階と、
前記抽出された信号光の信号波形を取得する段階と、
シミュレーション計算もしくは学習ウェハを実測して、前記複数のパターン構造それぞれにおける分光波形を前記基板表面の膜厚毎に取得し、記憶する段階と、
前記信号波形と前記記憶した分光波形との比較を行い、最も相関関係が高い前記分光波形を有する前記パターン構造を特定して前記基板内における前記プローブ光の照射位置に対応するパターン構造を決定する段階と、
前記最も相関関係が高い前記分光波形に基づいて前記特定された基板表面上の膜厚を決定する段階とを具え、
前記抽出された信号光がプローブ光の反射または透過光の正反射成分（０次光）のみを含み、１次以上の回折光成分を含まないことを特徴とする測定方法。
前記プローブ光の前記照射位置でのスポット径は、前記パターン構造を構成するパターンの最小単位の寸法よりも大きく、最も小さい前記パターン構造の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
前記プローブ光の空間コヒーレンス長さは、完全にパターン干渉する条件か、全くパターン干渉しない条件に調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の測定方法。
前記プローブ光が前記基板面に垂直に照射されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の測定方法。
前記比較が、相互相関係数、自己相関係数、及び最小二乗法から選ばれた少なくとも一つを用いて行われることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の測定方法。
前記シミュレーション計算もしくは学習ウェハの実測により取得した、前記複数のパターン構造それぞれにおける分光波形とそのときの前記基板表面の膜厚は、データテーブルとして記憶されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の測定方法。
更に、前記特定結果を基に、所望の測定位置への測定点移動を行う段階を具えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の測定方法。
更に、前記特定または前記測定点移動された各測定位置に対して、前記基板面の膜の膜厚を測定する段階を具えることを特徴とする請求項７に記載の測定方法。
更に、前記膜が成膜工程または除去工程に置かれている場合に、前記各測定位置に対して、各膜厚推移を測定する段階を具えることを特徴とする請求項７または８に記載の測定方法。
前記基板が、半導体素子のウェハであり、
半導体装置製造工程における、前記ウェハ上の絶縁層または電極層の成膜工程や除去工程に於ける前記ウェハの膜厚の測定、および前記工程終了点を検知するための前記ウェハの膜厚測定に用いられることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の測定方法。