JPH1133901A

JPH1133901A - ウェハ研磨装置

Info

Publication number: JPH1133901A
Application number: JP19399597A
Authority: JP
Inventors: Kajiro Ushio; 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1999-02-09
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: JP3327175B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子が形成されたウェハの、層間絶縁
層又は金属電極膜の少なくとも一部を研磨により取り除
く際に、研磨量又は研磨終了点を、精度よく、簡便に、
研磨中あるいは研磨後に検知することができるウェハ研
磨装置を提供する。【解決手段】照射光源６から照射された光は、石英透
光窓５を通してウエハ１表面に投射される。ウエハ１か
らの反射光は、光学系により分光処理され、パーソナル
コンピュータ７によりデータ処理される。パーソナルコ
ンピュータ７は、ウェハ表面から反射されたプローブ光
の波長依存性（分光反射率）の変化により研磨量又は研
磨終了点を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が形成
されたウェハの、層間絶縁層又は金属電極膜の少なくと
も一部を、研磨により取り除くウェハ研磨装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化は限界を見せ
ず進展を続けており、高密度化に伴う様々の障害のいく
つかは、種々の技術、方法により克服されつつある。大
きな課題のひとつとして、グローバルな（比較的大きな
エリアでの）デバイス面の平坦化がある。デバイスの集
積度が上がるにつれ、電極他の更なる積層化は避けられ
ない。リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦
点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の
範囲で、層間層を精度良く平坦化することへの要求は大
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）の要求も高く、この場合、積層後
の余分な金属層の除去及び平坦化が必須のものとして要
求される。

【０００３】従来より、成膜法などの改良により局所的
に層間層を平坦化する方法が多く提案、実行されている
が、今後さらに必要とされる、より大きなエリアでの効
率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ
（Chemical Mechanical PolishingまたはPlanarizatio
n）とよばれる研磨工程である。

【０００４】ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用（研
磨材、溶液による溶かし出し）を併用してウェハーの表
面凹凸を除いていく工程であり、グローバル平坦化技術
の最有力な候補となっている。具体的には、酸、アルカ
リなどの研磨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
面を加圧して相対運動により摩擦することで研磨を進行
させる。ウェハ全面において、加圧と相対運動速度を一
様とすることで面内を一様に研磨することが可能にな
る。

【０００５】この工程は、従来の半導体プロセスとのマ
ッチングの点などでも未だに多くの課題を残している
が、一般的な要求課題の大きなものとして、研磨工程の
終了の検知がある。ことに、研磨工程を行いながらの
（in-situの）研磨終了点の検出は、工程効率化のため
にも要請が大きい。

【０００６】研磨工程の終了を検出する方法のひとつと
して、目的研磨層と異なった層へ研磨が進んだ場合の摩
擦変動を、ウェハやパッドを回転させるモーターのトル
ク変化によって検出する方法が用いられている。

【０００７】また、研磨パッドに光路を設けてウェハ表
面に光を照射したり、ウェハキャリアに光路を設けてウ
ェハ裏面からウェハ透過性の光（赤外光）を照射したり
して、光学的な干渉によって研磨中の薄膜の膜厚を測定
する方法も実用化に向け開発が進められている。

【０００８】これは、研磨されていく層間絶縁膜を計測
する際に、レーザ光を研磨面に照射し、その反射光の強
度の時間変化をモニタするものである。膜厚変動による
照射光の干渉条件の変化から、光量の変動（膜厚減少速
度が一定であれば、通常正弦波的変動となる）がおこ
る。これにより、膜厚即ち研磨量を算出することが可能
になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような、ＣＭＰにおける研磨量や研磨終了点を研磨中に
モニタする技術は、要請が高まっているにも関わらず決
定的といえる解決方法が確立されていない。

【００１０】例えば、研磨終了点をモータートルクで検
出する方法は、現時点においては、明らかに異なる層の
研磨開始を検知する場合にのみ有効で、しかも精度の上
で不十分である。

【００１１】また、干渉利用の膜厚計測の方法（レーザ
光を照射し、反射光量の時間変動を追跡する方法）にお
いても、パターン依存での不確定性、測定位置による誤
差などが指摘されている。

【００１２】すなわち、この方法で問題になることの一
つとして、研磨ウェハが光学的に一様な性質を持たない
ことがある。この理由を図６を用いて説明する。一般に
は、図６（ａ）のように、研磨ウェハ１の下地に金属配
線層１０２などがある状態で層間絶縁膜１０１の研磨を
行ったり、（ｂ）のような状態で、層間絶縁層１０１上
の金属膜１０２の研磨を行う。

【００１３】このようなデバイスパターン（下地パター
ン）が存在するため、プローブ光の反射光あるいは透過
光が、それによる様々な影響を受ける。簡単な例をあげ
ると、下地に金属電極１０２のパターンがあれば、その
部分においては、（通常の波長では）透過光は存在しな
くなるし、反射光は大きくなる。

【００１４】また、図６（ａ）に示されるような場合に
は、膜厚変動するのは、ウェハ一面でなくその一部であ
る凸部のみであることが多いため、その部分からの光量
変動のみしか検出されない。さらに、凹凸が存在する場
合の研磨の進行は、平面状に研磨されていくという形で
はなく、不均一な形で進行することが多いため、一様な
膜厚変化から単純に予測される信号は得られない。

【００１５】そのため、ブランクのウェハ（パターンの
存在しない一面成膜のウェハ）においては良好な膜厚計
測性能をみせる干渉膜厚計測機構も、電極の設けられた
パターンウェハにおいては、信号にノイズが多く混入す
るようになり、場合によっては計測が困難になるという
ことも報告されている。

【００１６】また、研磨中に同時計測（in-situ計測）
を行なおうとすると、どうしても運動中のウェハを計測
しなければならなくなり、さらに信号が複雑になるう
え、光線上に研磨剤であるスラリ−が介在することによ
り測定値（反射光強度など）が不安定度を増すという問
題点がある。

【００１７】このように、研磨量や研磨終了点を研磨中
にモニタする技術が不十分なため、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、その精度不足のため、必要以上の膜厚を成膜するこ
とになっている。

【００１８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、半導体素子が形成されたウェハ
の、層間絶縁層又は金属電極膜の少なくとも一部を研磨
により取り除く際に、研磨量又は研磨終了点を、精度よ
く、簡便に、研磨中あるいは研磨後に検知することがで
きるウェハ研磨装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、半導体素子が形成されたウェハ中の層
間絶縁層又は金属電極膜の少なくとも一部を研磨により
除くウェハ研磨装置であって、半導体素子が形成された
ウェハ研磨面の一部または全部にプローブ光を照射する
プローブ光照射部と、ウェハ表面から反射されたプロー
ブ光又はウェハを透過したプローブ光の波長依存性（分
光反射率又は分光透過率）の変化により研磨量又は研磨
終了点を検知する検知部を有してなることを特徴とする
ウェハ研磨装置（請求項１）である。

【００２０】半導体素子が形成されたウェハ研磨面から
の反射光及び透過光は、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見ることができ、波長
依存性（分光反射率又は分光透過率）の波形は、研磨し
ている層（最上層）の膜厚により変化する。この変化
は、反射光量、透過光量の変化に比して安定しており
（再現性があり）、かつ介在スラリーや、膜厚の不均
一、表面・界面の凹凸等の影響を受けにくい。よって、
前記装置によればこれらのノイズ要因にかかわらず、ウ
ェハ厚さ、研磨量又は研磨終了点を正確に検知すること
ができる。なお、研磨量は、ウェハの初期厚さと測定さ
れたウェハ厚さから間接的に測定する。

【００２１】前記課題を解決するための第２の手段は、
第１の手段において、検知部が、反射率又は透過率の分
光曲線における少なくとも一つの極大点もしくは極小
点、又はその両方の位置（波長）の変動、又は極大点、
極小点の出現もしくは消滅を検出することにより、研磨
量又は研磨終了点を検知するものであるウェハ研磨装置
（請求項２）である。

【００２２】ウェハ表面から反射されたプローブ光又は
ウェハを透過したプローブ光の波長依存性（分光反射率
又は分光透過率）の変化のうちでも、反射率又は透過率
の分光曲線における少なくとも一つの極大点もしくは極
小点、又はその両方の位置（波長）の変動、又は極大点
極小点の出現もしくは消滅は、研磨している層（最上
層）の膜厚と特に相関関係があり、安定した再現性のあ
る信号である。よって、この信号を研磨量又は研磨終了
点を検知するための信号として用いることにより、正確
な測定が可能となる。

【００２３】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段において、検知部が、予め算出又は実測
された研磨終了点における分光反射率又は分光透過率の
波形と、実測された分光反射率又は分光透過率の波形と
を比較することにより、研磨終了点を検知するものであ
るウェハ研磨装置（請求項３）である。

【００２４】一般に研磨終了点においては、分光反射率
又は分光透過率の波形は、研磨終了前の分光反射率又は
分光透過率の波形と大きく異なったパターンを有するの
で、これを計算又は実測により求めておき、実測値と予
め求められた研磨終了点における分光反射率又は分光透
過率を比較することにより、研磨終了点を正確に検知す
ることができる。

【００２５】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のいずれかにおいて、プ
ローブ光が、ウェハのデバイスの最小構造より十分大き
なスポット径で、ウェハのパタ−ン構造部分に照射され
るウェハ研磨装置（請求項４）である。

【００２６】研磨対象であるウェハには小さな個別素子
の集合体である多数の周期構造が存在し、ウエハは微細
に見れば一様でない。よって、照射されるプローブ光の
スポット径が小さいときは、反射光又は透過光は、この
微細構造の影響を受け、照射位置によって変化し、これ
がノイズとなる可能性がある。しかしながら、照射する
プローブ光のスポット径をウェハのデバイスの最小構造
より十分大きなものとすることにより、反射光又は透過
光は、プローブ光の照射位置に関係なく一定となり、安
定した信号が得られる。

【００２７】前記課題を解決するための第５の手段は、
第４の手段において、検知部が、ウェハのパタ−ン構造
部分のみがプローブ光に照射されているときの信号のみ
を用いて研磨量又は研磨終了点を検知するものであるウ
ェハ研磨装置（請求項５）である。

【００２８】既に説明したように、本ウェハ研磨装置に
おいて、研磨量又は研磨終了点を検知する原理は、半導
体素子が形成されたウェハ研磨面からの反射光及び透過
光が、デバイス（積層薄膜）の各層、各部分からの光波
の重ね合わせと見ることができるということである。従
って、プローブ光が、パターン構造の無い部分に照射さ
れた場合には、有意な検出信号が得られない。よって、
ウェハのパタ−ン構造部分のみがプローブ光に照射され
ているときの信号のみを用いて研磨量又は研磨終了点を
検知することにより、有意な信号のみを用いて検出を行
うことができ、測定結果が正確になる。

【００２９】前記課題を解決するための第６の手段は、
前記第１の手段から第５の手段のいずれかにおいて、プ
ローブ光が、研磨定盤及び研磨パッドに設けられた透光
部材を通してウェハに照射されるウェハ研磨装置（請求
項６）である。

【００３０】通常、研磨は、回転する研磨定盤に設けら
れた研磨パッドに、ウェハキャリアに保持されたウェハ
を押し付けて回転させながら揺動させることによって行
われる。よって、研磨定盤及び研磨パッドに透光部材を
設け、当該透光部材を通してプローブ光をウェハ面に照
射することにより、研磨進行中（in-situ）であっても
測定を行うことができる。

【００３１】前記課題を解決するための第７の手段は、
前記第１の手段から第５の手段のいずれかにおいて、プ
ローブ光が、研磨パッドからはみだしたウェハ部分に照
射されるウェハ研磨装置（請求項７）である。

【００３２】これにより、研磨進行中にウェハを一時的
に研磨パッドからはみださせて測定を行うことができる
ので、研磨進行中であっても正確な測定ができる。

【００３３】前記課題を解決するための第８の手段は、
前記第１の手段から第７の手段のいずれかにおいて、ウ
ェハに照射されるプローブ光が広範囲の波長成分を有す
るものであり、かつ、反射光もしくは透過光を分光する
分光器、又は反射光もしくは透過光中の特定波長の選別
を行うフィルタを有するウェハ研磨装置（請求項８）で
ある。

【００３４】これにより、照射光を分光して単一波長の
光とし、逐次的に異なる波長の光を照射してその反射光
又は透過光を検出することにより分光特性を検出する装
置に比して、短時間で研磨量又は研磨終了点を検出する
ことができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例を
示す図である。

【００３６】図１において、研磨されるウエハ１はウエ
ハキャリア２に保持されている。研磨定盤３の表面には
研磨パッド４が設けられており、研磨定盤３は、その中
心軸の周りに回転している。ウエハキャリア２は、ウエ
ハ１を研磨パッド４の上に押圧しながら回転すると共に
往復運動を行い、研磨パッド４によりウエハ１を研磨す
る。研磨定盤３及び研磨パッド４には、石英透光窓５が
設けられている。照射光源６から照射された光は、この
石英透光窓５を通してウエハ１表面に投射される。ウエ
ハ１からの反射光は、図２に示されるような光学系によ
り分光処理され、パーソナルコンピュータ７によりデー
タ処理されて、研磨量又は研磨終了点が検知される。

【００３７】図２は、図１に示す実施の形態において使
用される光学系の一例の詳細を示す図である。図２にお
いて、照射光源であるキセノンランプ８からの光は、レ
ンズ９により平行光束に変換され、スリット１０を通っ
た後、レンズ１１によりビームスプリッタ１２に集光さ
れる。ビームスプリッタ１２を通過した光は、レンズ１
３により再び平行光束とされ、図１における石英透光窓
５を通してウエハ１の表面に投射される。

【００３８】その反射光は、再び石英透光窓５、レンズ
１３を通してビームスプリッタ１２に集光される。ビー
ムスプリッタ１２において、反射光は９０°方向を変え
られ、レンズ１４により平行光束とされる。そして、反
射鏡１５で反射され、レンズ１６でピンホール１７上に
集光される。そして、散乱光、回折光等のノイズ成分を
除去され、レンズ１８を介して回折格子１９に投射さ
れ、分光される。分光された光は、リニアセンサ２０に
入射し、分光強度が測定される。

【００３９】パーソナルコンピュータ７は、分光強度の
分布の変化を検知し、予め定められたアルゴリズムに基
づいて、研磨している層（最上層）の膜厚や、研磨終了
点を検出する。また、ウェハの初期厚さと、研磨してい
る層（最上層）の膜厚から、研磨量を求める。

【００４０】この方式によれば、装置を変更することな
く、層間絶縁膜研磨時と金属電極膜研磨時の双方におい
て、研磨量又は研磨終了点を計測することが可能とな
る。

【００４１】照射光を、ウェハの、パタ−ンの無い部分
に照射する場合には、分光反射率又は分光透過率は予測
が容易な単純波形となり、既存の膜厚検出装置で実現さ
れているように膜厚の算出も容易である。しかし、一般
にはパタ−ンのない部分は面積的に非常に小さい上に、
ウェハによって位置が一定ではないため、この方法で
は、簡単な機構で高速に計測することは困難である。

【００４２】本発明の特徴は、このようなブランク面へ
の照射だけでなく、電極パタ−ンや凹凸のある部分への
照射によっても計測が可能なことにある。

【００４３】ブランクでない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、通常複雑な干渉効果のため、多数個の極大極小値
（ピ−ク）を持ったものとなる。

【００４４】あらかじめ、計測しているデバイスの構造
（二次元構造および膜厚）を知っておけば、この波形を
解析することで、研磨している層（最上層）の膜厚を求
めることが可能である。

【００４５】反射光信号の絶対値については、種々これ
を乱す要因がある。例えばin-situの場合の介在スラリ
−や、膜質の不均質による光学定数のばらつき、表面あ
るいは膜界面の凹凸などである。従って、従来技術のよ
うに、反射光信号の絶対値から研磨量又は研磨終了点を
検出しようとすると誤差が大きくなる。

【００４６】本発明においては、これら雑音因子を考慮
して、請求項１にかかる発明においては、波長依存性
（分光反射率又は分光透過率）の変化を、請求項２にか
かる発明においては、分光特性における極大極小の位置
（波長）を重要な判断デ−タとする。本発明者等は、こ
れらのデータが上記の種々の誤差要因に対しあまり敏感
でないことを見いだした。反射光量の絶対値の時間変化
から研磨終了点を検知する従来提案の方法と比較して、
本発明が雑音影響に強い、優れた検出法となる理由は、
この波長依存性の変化、特に分光特性の極大極小位置を
利用する点にある。

【００４７】デバイスが多層で、複雑な構造になると、
この方法（分光特性から膜厚の計算を行う）をとること
が容易でないこともある。そのような場合は、あらかじ
め、研磨終了として望ましい所定の膜厚になったデバイ
ス構造からの分光反射波形を計算（これは、波形からの
逆算よりははるかに容易である）し、この波形の形状に
測定された波形の形状が一致したこと、典型的にはその
計算された波形の極大極小位置に、測定値の極大極小位
置が一致したことをもって研磨終了点とすることが有効
である。

【００４８】さらに、デバイス研磨において通常行なわ
れるダミ−のウェハ研磨により、望ましい終了点まで研
磨したものの分光反射率の実測値を得ることができる場
合は、この実測値をレファレンスとして使用して研磨終
了点を判断することが、より実際的で簡便である。

【００４９】以上、専ら干渉を引き起こす誘電体膜（層
間絶縁膜）の膜厚測定を念頭においた説明としたが、本
発明は、金属膜研磨においても全く同様に適用可能であ
る。即ち、一般に、電極層埋め込み（象嵌）の、全面に
積層された金属を研磨していく場合、研磨が進むと、金
属層のある部分とない部分がでてくる。反射光の分光曲
線は、金属膜においては通常滑らかなものである（表面
凹凸の大きい場合はこの限りではない）。金属膜がなく
なり、パターンが出現すると、下地誘電体層の影響を受
け、分光波形は大きく変化する（多数の極大極小が現れ
る）。この変動を観察することで、金属膜研磨の終了即
ち下地の出現を検知できる。

【００５０】ＣＭＰにおいて研磨対象であるウェハは、
集積されたデバイスであり、メモリーであってもＣＰＵ
であっても、構造的には、小さな個別素子（配線パター
ン）のかなり多数の周期構造が存在する。６４ＭのＤＲ
ＡＭを例にとると、ほぼ１μｍ□のセルの集積体であっ
て、このセルが、約１ｃｍ²に敷きつめられた１チップ
がさらに並べられてウェハを構成している。従って微細
に見れば、一様でない様に見えてもマクロに見ると（一
般に数ｍｍから、数ｃｍオ−ダで見れば）均一と見るこ
とができる場合が多い。

【００５１】こういう構造へ、セルの最小単位よりも十
分大きなスポットの光を照射すれば、照射位置の制御を
行なわなくても、あるいは非常に簡単な制御を行なうこ
と（例えばエッジなどの特別な位置をさけるというよう
な処置）だけで一様な信号を得ることができ、本発明で
の計測が可能になる。

【００５２】これら計測は研磨工程後に計測するいわゆ
るin-lineまたはoff-line計測でも勿論有効であるが、
研磨進行中にin-situで計測することができればさらに
有効である。普通の研磨装置においては、研磨パッドの
ほうが、ウェハより大きいので、これを実現するために
は、図１に示すように、パッドおよび定盤の一部を透光
性としてそこから照射及び反射光計測を行なったり、ウ
ェハをパッドよりはみ出させて、そこで照射及び反射光
計測を行なうことなどが考えられる。

【００５３】研磨中に計測をする際に留意しなければな
らないこととして、ウェハ、研磨パッドとも常に動いて
いることがある。パッドもウェハ（キャリア）も回転し
ており、ウェハ（キャリア）は揺動も行うことが普通で
あるため、相当複雑な機構（照射光源が、ウェハと同期
運動をするなど）としない限り、ウェハの一定位置を観
察することは困難である。そうした場合、照射されてい
る場所が変動することにより観察する光信号は当然影響
を受ける。しかるに前述のように、比較的大きなスポッ
トで平均的な信号を取得している限りにおいては、移動
の影響を小さく抑えることは可能である。

【００５４】ただし、やはり、照射部分の一部または全
部が平均的構造部分をはずれることはあり得る。例えば
ウェハそのものが検出照射部分から外れたり、照射光が
エッジの部分（パターン構造のない部分）を大きく含む
ところへ照射されることなどである。

【００５５】こうしたマクロにみた不均質部分からの反
射光による変動は、不連続で量的にも大きなものが多い
ため、信号処理の段階で除くことが可能なことが多い
が、照射位置を認識しながら計測を行うことで影響を除
く方式も考えられる。これには、ＣＣＤなどの撮像素子
でウェハ表面を観察し、パターンを認識しながら、所定
の構造へ適切にプローブ光を照射して計測することを行
えばよい。この場合、照射位置の変更を行う機構を設け
ることも有効である。

【００５６】また、適切に照射していないときは信号取
得を行なわないことでもよい。これは、照射面のパター
ンを認識し、照射が所定の周期構造へ適切に行われてい
る期間のみ信号の検出を行うものである。この方式の問
題点は、信号の検出ができない間に研磨が進み、研磨の
要求精度を超えて研磨してしまうことである。研磨に要
する時間をｔｐとし、研磨の要求精度を研磨量のｐ
（％）とすれば、研磨の要求精度分を研磨する時間は、
tp×p／100となる。信号検出不能時間がこの値に比して
十分短ければ、前記のように計測不能時間中に余分に研
磨してしまうことを避けることができる。

【００５７】高速でウェハが回転している研磨進行中に
固定位置から計測する場合には、その計測所用時間も重
要となる。できるだけ高速に行うことが望ましい。この
要求に沿うために、図１に示す本発明の実施の形態にお
いては、照射光として多成分の波長の光を用いる。具体
的には、白色光（あるいはそれを分光した成分）を照射
することが考えられる。入射光として広波長域の光を含
む光を入射し、反射光を回折格子、ホログラムなどの素
子を用いて分光処理し、各波長の強度を多分割の受光セ
ンサで受けることが考えられる。

【００５８】この方法によれば、計測としては単なる反
射光を取得するだけであり、分光処理が即時にできるの
で迅速な計測が可能になる。この方法によって分光特性
を測定する際には、当然光源の波長分布も考慮する（あ
らかじめ計測したり、分岐光路において計測するなど）
必要がある。

【００５９】また、取得信号としての情報量は減るが、
色選別フィルタやダイクロイックミラーを用い、反射光
の波長分布情報を得る構成も高速計測の一例として考え
られる。

【００６０】勿論、時間が許せば、波長の異なる単波長
の光を逐次的に照射し、各々の反射光を測定することに
より分光特性を求めてもよい。

【００６１】以上においては、図１に示すように、ウェ
ハの表面側（研磨面側）からプローブ光を照射する方式
について説明してきたが、たとえば図１におけるウェハ
キャリア２に光源を埋め込み、ウェハ１の裏面からプロ
ーブ光を照射してもよい。この方式は、照射光のウエハ
研磨面からの反射光の波長依存即ち分光特性をみること
により、研磨状況を知るものである。この場合は、ウェ
ハを透過する赤外域での多成分波長光源が必要になる。

【００６２】また、図１において、ウェハキャリア２に
も石英透光窓を設け、ウェハ１を透過してきた光を、ウ
ェハキャリア２側に設けられた受光部で受けて分光特性
を測定するようにしてもよい。逆に、ウェハキャリア２
側に投光部を、研磨定盤３側に受光部を設けて、分光透
過特性を測定してもよい。

【００６３】

【実施例】

（実施例１）実際に図１に示す研磨システムにおいて、
６インチウェハ上の撮像素子の層間絶縁膜ＳｉＯ₂を研
磨し、その研磨終了点検出を試みた。研磨した撮像素子
は、約１０μｍ□の最小周期構造を持つ。光照射は、下
面の研磨パッド４（エポキシ系研磨布）及び研磨定盤３
に約２ｃｍφの円形孔を開け、研磨パッド面と同一面に
石英の透光窓５を設けた構成で行うこととした。

【００６４】照射光学系は、図２のようなキセノンラン
プ８からの光をウェハ１面に垂直入射させる光学系で、
その反射光をピンホール１７で散乱光、回折光を除去し
た後、回折格子１９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２０（５０素子）で検出する方式とした。計
測波長範囲はほぼ４００ｎｍから８００ｎｍ、照射スポ
ット系は約２ｍｍφである。センサからの出力は増幅
後、パソコン７で処理される。その際、あらかじめ計測
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。

【００６５】研磨材（スラリー）は、シリカ粒をアルカ
リ溶媒に分散させたものを用い、１００ｇ／ｃｍ²程度
の研磨圧で研磨を行った。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。

【００６６】得られた分光反射率を観察すると、セル部
分に照射されている場合は、照射位置が移動しても殆ど
変化（差違）は見られず、安定して図３のような波形が
得られた。図３において実線と点線は、照射位置が異な
る部分からの反射光の波形を示すが、両者は殆ど重なっ
ており、照射位置による変化（差違）が無いことを示し
ている。

【００６７】照射光が、セル以外の部分、即ちスクライ
ブラインと呼ばれるセルの周囲部分や、ウェハエッジ近
傍のセルのない部分に照射されると、波形は大きく異な
り、反射率の絶対値は約２倍となった。本例において
は、特定波長の光量が一定値以上となった場合に信号取
得を行わない（取得信号を処理しない）アルゴリズムと
することで、これら特殊部分の影響を除くことができ
た。

【００６８】デバイス最表面に、約４００ｎｍのＣＶＤ
成膜した絶縁膜ＳｉＯ₂を研磨し、約１５０ｎｍの厚み
で研磨終了させる研磨を行うこととした。先ずダミーと
して、所定研磨を行ったサンプルの計測を行い、図４の
ような分光特性波形を得、その極大極小位置を抽出した
（ピークサーチのプログラム使用）。実際に研磨を行っ
て信号を取得し、この抽出位置（図の丸印）に分光特性
波形の極大極小位置が一致した状態をもって研磨終了と
した。研磨終了と判断したウェハを何枚か実際に観察す
ると、表面は平坦化され、目的研磨厚の約１０％程度の
誤差で研磨されていることが確認できた。

【００６９】（実施例２）実施例１と同様の計測を行い
ながら、本例では、あらかじめ研磨終了点の構造の反射
光分光特性を計算し、その極大極小値の計算値と実測値
を比較することを行った。計算による反射光波形は、実
測波形とその絶対値においてはフィッティングしなかっ
たが、極大極小位置については良好な一致をみせた。こ
の計算極大極小位置を用いた研磨終了点検出で、やは
り、膜厚の１０％程度の精度での研磨終了検知が可能に
なった。

【００７０】（実施例３）実施例１の測定と、同様の機
構配置により、金属層（Ａｌ）研磨のモニタを行った。
研磨開始時には全面を金属が覆った形であり、反射光を
観察すると概ね平坦な図５のａのような分光特性波形が
得られる。研磨が進行し、絶縁層が露出するにつれ、反
射光量の絶対値が下がるとともに、干渉効果によって極
大、極小値をもつ波形ｂが出現する。この波形ｂが安定
した時点で研磨終了とすることで、３００ｎｍほど研磨
する工程において、約１０％の精度での終了検知が可能
になった。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、半導体素子が形成されたウェハ中の層間絶縁層又は
金属電極膜の少なくとも一部を研磨により除くウェハ研
磨装置であって、半導体素子が形成されたウェハ研磨面
の一部または全部にプローブ光を照射するプローブ光照
射部と、ウェハ表面から反射されたプローブ光又はウェ
ハを透過したプローブ光の波長依存性（分光反射率又は
分光透過率）の変化により、研磨量又は研磨終了点を検
知する検知部を有しているので、半導体研磨において、
研磨中あるいは研磨後の研磨量又は研磨終了点の検知が
感度よく、簡便な機構でなされる。この装置は雑音に強
く、信号擾乱の影響も小さい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である装置の一例を示す図
である。

【図２】図１に示す装置において用いられる光学系の例
の概要図である。

【図３】実施例１での研磨終了前の計測波形を示す図で
ある。

【図４】実施例１における研磨終了点での波形を示す図
である。

【図５】実施例３における金属面の計測波形と、研磨終
了点における計測波形を示す図である。

【図６】ＣＭＰによる研磨加工の模式図である。（ａ）
は層間絶縁層の研磨、（ｂ）は金属層（象嵌）の研磨を
示す。いずれも上図が研磨前、下図が研磨後である。

【符号の説明】

１…ウェハ２…ウェハキャリア３…研磨定盤４…研磨パッド５…石英透光窓６…照射光源７…パーソナルコンピュータ８…キセノンランプ９、１１、１３、１４、１６、１８…レンズ１０…スリット１２…ビームスプリッタ１５…ミラー１７…ピンホール１９…回折格子２０…リニアセンサ１０１…層間絶縁層１０２…金属電極膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子が形成されたウェハ中の層間
絶縁層又は金属電極膜の少なくとも一部を研磨により除
くウェハ研磨装置であって、半導体素子が形成されたウ
ェハ研磨面の一部または全部にプローブ光を照射するプ
ローブ光照射部と、ウェハ表面から反射されたプローブ
光又はウェハを透過したプローブ光の波長依存性（分光
反射率又は分光透過率）の変化により研磨量又は研磨終
了点を検知する検知部を有してなることを特徴とするウ
ェハ研磨装置。
【請求項２】前記検知部が、反射率又は透過率の分光
曲線における少なくとも一つの極大点もしくは極小点、
又はその両方の位置（波長）の変動、又は極大点、極小
点の出現もしくは消滅を検出することにより、研磨量又
は研磨終了点を検知するものであることを特徴とする請
求項１に記載のウェハ研磨装置。
【請求項３】前記検知部が、予め算出又は実測された
研磨終了点における分光反射率又は分光透過率の波形
と、実測された分光反射率又は分光透過率の波形とを比
較することにより、研磨終了点を検知するものであるこ
とを特徴とする請求項１に記載のウェハ研磨装置。
【請求項４】前記プローブ光が、ウェハのデバイスの
最小構造より十分大きなスポット径で、ウェハのパタ−
ン構造部分に照射されることを特徴とする請求項１から
請求項３のいずれか１項に記載のウェハ研磨装置。
【請求項５】前記検知部が、ウェハのパタ−ン構造部
分のみがプローブ光に照射されているときの信号のみを
用いて研磨量又は研磨終了点を検知するものであること
を特徴とする請求項４に記載のウェハ研磨装置。
【請求項６】前記プローブ光が、研磨定盤及び研磨パ
ッド或いはウェハキャリアに設けられた透光部材を通し
てウェハに照射されることを特徴とする請求項１から請
求項５のうちいずれか１項に記載のウェハ研磨装置。
【請求項７】前記プローブ光が、研磨パッドからはみ
だしたウェハ部分に照射されることを特徴とする請求項
１から請求項５のうちいずれか１項に記載のウェハ研磨
装置。
【請求項８】前記ウェハに照射されるプローブ光が広
範囲の波長成分を有するものであり、かつ、反射光もし
くは透過光を分光する分光器、又は反射光もしくは透過
光中の特定波長の選別を行うフィルタを有することを特
徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記
載のウェハ研磨装置。