JP2000310512A

JP2000310512A - 薄膜の膜厚計測方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその装置

Info

Publication number: JP2000310512A
Application number: JP12125199A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hirose; 丈師廣瀬; Yukio Kenbo; 行雄見坊; Takanori Ninomiya; 隆典二宮; Yoji Tsuchiyama; 洋史土山; Minoru Noguchi; 稔野口; Fumiyuki Kanai; 史幸金井; Mineo Nomoto; 峰生野本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】実際の製品の最表面の透明な膜の厚さを、下地
のパターンの影響を受けることなく高精度に計測して、
高品質な膜厚の管理および、加工のスループットの向上
を図る。【解決手段】実際のデバイスパターンでの高精度膜厚計
測が可能な膜厚計測ユニットを研磨装置に組み込むこと
により、高精度の膜厚計測により高精度の膜厚管理を実
現する。および、加工のスループットの向上を実現す
る。高精度の計測方法として白色光の膜による干渉光の
分光波形に対して周波数解析し、波形の含む周波数成分
の位相と膜厚の関係から膜厚の絶対値の算出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は透明な膜の厚さおよ
び厚さ分布の計測および膜厚管理に関し、例えばシリコ
ンウェハ上に半導体デバイスを製造する製造ラインで、
成膜工程または成膜後表面の平坦化処理工程において、
ウェハの最表面膜厚を計測する方法、および膜厚を計測
することにより、成膜工程または平坦化処理工程を管理
する方法に関する。透明膜の例としては、上記の他DV
D，TFT，LSIレチクル等の薄膜デバイスの製造工程にお
けるレジスト膜や絶縁膜等も含まれる。

【従来の技術】例えば、半導体デバイスは成膜，露光お
よびエッチングにより、デバイスおよび配線パターンを
シリコンウェハ上に形成することにより製造される。近
年、高精度化・高密度化を実現するために微細化・多層
化の方向に進んでいる。このことによってウェハ表面の
凹凸が増大している。このようなウェハ上の凹凸は配線
等の形成に不可欠な露光を困難とするため、ウェハ表面
の平坦化が行われる。この平坦化プロセスとして、化学
的および物理的作用により表面を研磨して平坦化を実現
する方法（CMP：Chemical Mechanical Polishing）が用
いられる。CMPは当該技術分野において既知の加工方法
である。CMP加工において重要な課題として、膜厚管理
が挙げられる。従来は、これを加工時間によって管理し
ていた。一般的には、ＣＭＰ加工の前後で膜厚を計測す
ることにより求まる研磨量と実際に加工を行った研磨時
間とから研磨レートを算出し、これを次の加工時間にフ
ィードバックさせるというものである。膜厚を計測する
際は、チップ周辺部等に形成された従来の膜厚計測装置
で十分計測可能な大きさをもったパターン（ダミーパタ
ーン）上を計測していた。特開平６−２５２１１３号公
報や特開平９−７９８５号公報では、実際のデバイスパ
ターン（実際の製品の微細な回路パターン）上の膜厚の
計測が可能なin-situ計測システムの開示がなされてい
る。特開平９−１０９０２３では加工後、洗浄をせず水
中に保持したままで膜厚を計測することによりスループ
ットの向上を実現するIn-line計測システムの開示がな
されている。特開平６−２５２１１３号公報では実際の
デバイスパターン上の膜厚計測に白色光の膜による干渉
光の分光分布を周波数解析し、分光波形の持つ周波数成
分と膜厚との関係に着目し膜厚の絶対値を算出する。ま
た特開平９−１９３９９５号公報では、分光波形の極値
位置（波長）の検出等から加工の終点検出をするin-sit
u計測システムの開示がなされている。一方、特開平９
−７９８５号公報ではレーザー（単波長）の膜による干
渉光強度の加工時間による変化を検出し、その波形の持
つ周波数成分から膜厚の算出を行うものである。

【発明が解決しようとする課題】例えば半導体デバイス
の製造工程に於ける配線工程を考えた場合、ＣＭＰ加工
を行っても表面が完全に平坦にはならない場合が多い。
この原因は、膜下層の配線パターンの局所的な面積に占
める割合（パターン面積率）が一様ではないからであ
る。一般的に、下層のパターン面積率と加工後の膜厚と
の間には相関があることが知られている。加工後の膜厚
のばらつきが大きい場合、その後の露光工程やエッチン
グ工程において不良の原因となる。そこで加工後の膜厚
を評価する必要がある。しかし従来の膜厚計測装置では
上記のように数〜数十マイクロメータ以上の一様なパタ
ーン上の膜厚しかけいそくすることが出来ない。そのた
め、計測可能な部分が限られ、正確に膜厚のばらつきを
評価することが出来なかった。特開平６−２５２１１３
号公報では白色光の検出波長帯域にもよるが、実際のデ
バイスパターン上での計測精度は±５０ｎｍであり高精
度で膜厚を算出することができない。一方、一般にＣＭ
Ｐの加工時間による膜厚管理では、単位時間あたりの研
磨量（研磨レート）が変動すること等のため、精度の高
い膜厚管理が困難であった。また従来は洗浄・乾燥後に
膜厚を計測していたため、スループット低下の原因とな
っていた。特開平９−７９８５号公報は膜厚の絶対値を
求めることはできず、また対象が配線工程のような複雑
の構造の場合は適用困難である。特開平９−１０９０２
３では限られた部分の膜厚しか計測できない。また、積
層されるパターン、例えば配線パターンの厚さ、パター
ン間容量の管理も、ダミーパターン上の膜厚管理では精
度良くできなかった。また、実際のデバイスパターンの
欠陥検査において膜厚方向の検査は困難だった。本発明
の目的は、透明な膜の膜厚および膜厚分布を、下地パタ
ーンの影響を受けることなく高精度に計測できる方法と
その装置、並びに、それを用いた薄膜デバイスの製造方
法及びその装置を提供することを目的とする。また、本
発明の目的は、透明な膜の膜厚および膜厚分布を例えば
実際のデバイスパターン上で±１０ｎｍ以下の精度で計
測できる方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバ
イスの製造方法及びその装置を提供することを目的とす
る。その一例としてＣＭＰ加工について、実際のデバイ
スパターンとは研磨レートが異なるダミーウェハまたは
製品ウェハ上に形成された従来の膜厚計測装置で計測可
能な大きさを有するダミーパターン上の膜厚ではなく、
実際の製品のデバイスパターン上の最表面膜厚の絶対値
を高精度で計測可能な計測方法・装置を提供すること、
実際のデバイスパターン上の最表面膜厚の計測を高精度
に行うことにより高精度の膜厚管理を可能とする方法お
よび装置、およびプロセスのスループットの向上を実現
する方法および装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、実際のデバイスパターン上の膜厚計測手
法として白色光の膜による干渉光の分光波形に対して周
波数・位相解析し、波形の持つ周波数及び位相成分と膜
厚の関係から、または膜の構造モデルあるいはシミュレ
ーションから導かれる波形とをフィッティングさせるこ
とにより膜厚の絶対値の算出を行う。前記、計測技術を
用いて実際のデバイスパターン上の膜厚分布等を求める
ことにより、高精度膜厚管理及びプロセス安定化を行
う。及び前記、計測技術を搭載した膜厚計測ユニットを
研磨装置に組み込むことにより、スループットの向上を
実現する。上記目的を達成するために、本発明では、半
導体デバイスの表面に形成した光学的に透明な膜を研磨
する工程において、光学的に透明な膜に白色光を照射
し、半導体デバイスからの反射光を検出し、この検出し
た反射光の分光波形の周波数及び位相に基づいて、また
は膜の構造モデルまたはシミュレーションから導かれる
波形とをフィッティングさせることにより光学的に透明
な膜の膜厚を求めるようにした。本発明では、半導体デ
バイス製造工程、例えばエッチング工程等の途中におい
て半導体デバイスの表面に形成した光学的に透明な膜に
光を照射し、この照射による半導体デバイスからの反射
光を検出し、この検出した反射光の周波数及び位相に基
づいて、または膜の構造モデルまたはシミュレーション
から導かれる波形とをフィッティングさせることにより
光学的に透明な膜の膜厚を求めるようにした。本発明で
は、前記膜厚計測手段によって、半導体デバイス上に形
成された光学的に透明な膜の膜厚分布を、デバイスパタ
ーンによらず、例えばウェハ上の任意の位置で高精度に
計測できるようにした。本発明では、前記膜厚分布計測
結果に基づいて成膜やエッチング等の前後プロセスを含
めたプロセスの安定化，最適化を行えるようにした。本
発明では、前記膜厚計測手段によって、半導体デバイス
上に形成された光学的に透明な膜の膜厚分布を高精度に
計測する際に、計測視野の大きさ及び形状を任意に可変
とし、計測対象及び目的に応じて、例えばチップ表面の
凹凸の傾向を見たいときは視野の大きさを大きくする等
の視野の大きさ及び形状の最適化を行えるようにした。
本発明では、前期膜厚計測手段によって、製造の各工程
で膜厚計測を行う等により多層に形成された半導体デバ
イスの表面の膜厚だけでなく下層の膜厚を計測できるよ
うにし、デバイスの性能の予測及びプロセスの安定化お
よび最適化を行えるようにした。本発明では、前記半導
体デバイスの表面に形成した光学的に透明な膜を研磨す
る工程において、光学的に透明な膜に白色光を照射し、
半導体デバイスからの反射光を検出し、この検出した反
射光の分光波形に基づいて表面の凹凸を計測することに
より、前後プロセスを含めたプロセスの安定化，最適化
を行えるようにした。本発明では、半導体デバイスの表
面に形成した光学的に透明な膜を研磨する研磨手段と、
この研磨手段により研磨された光学的に透明な膜に白色
光を照射する照射手段と、この照射手段により照射され
て半導体デバイスから発生する干渉光を検出する検出手
段と、この検出手段により検出した干渉光の位相に基づ
いて、または膜の構造モデルまたはシミュレーションか
ら導かれる波形とをフィッティングさせることにより光
学的に透明な膜の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備え
た半導体デバイスの製造装置を構成した。また、本発明
では、半導体デバイスの表面に形成した光学的に透明な
膜に白色光を照射する照射手段と、この照射手段により
照射されて半導体デバイスから発生する干渉光を検出す
る検出手段と、この検出手段で検出した干渉光の位相に
基づいて、または膜の構造モデルまたはシミュレーショ
ンから導かれる波形とをフィッティングさせることによ
り光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出手段とを備え
た半導体デバイスの製造装置を構成した。

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態例として、図
１に、半導体デバイスの製造におけるCMP加工後または
加工中のウェハを対象とし最表面膜厚の計測に適用した
例を示す。１は検出光学系、２はウェハ、３はウェハ２
を載せるステージ、４はパーソナルコンピュータで、検
出光学系１でウェハ２を計測した結果を用いて、膜厚に
関する情報を求める。図２に、本発明を実現するための
検出光学系１の例を示す。検出光学系１は、白色光源
（ハロゲンランプ）６、ピンホール７、ビームスプリッ
ター８、レンズ９、光彩しぼり10、回折格子11、検出器
（ＣＣＤカメラ）12により構成する。光源６より出た白
色光はピンホール７およびビームスプリッター８を通
り、レンズ９によって平行光となり光彩しぼり10を通っ
てウェハ２の表面の被測定膜（図示せず）に入射する。
ウェハ２によって反射した光は、光彩しぼり10、レンズ
９を通りビームスプリッター８により光路を変更し、回
折格子11に入射する。回折格子11によって分光された光
は検出器12上で結像し、分光強度分布15を求めることが
できる。この反射光は被測定膜により干渉を生じ、膜内
の構造に対応した分光強度分布を持つ。この分光強度分
布に対して補正および周波数解析等の膜厚算出処理をす
ることにより該膜厚を算出する。白色光源６としては、
ハロゲンランプの他にキセノンランプ等の広い波長帯域
を持つ光源を用いても良い。また複数の異なる波長のレ
ーザー光を用いてもよい。検出器１２としては、ＣＣＤ
２次元センサーの他に１次元のラインセンサーを用いて
もよい。２次元センサーを用いることによりラインセン
サーの配列方向を回折光にあわせる調整を省くことがで
きる。またＣＣＤ以外のセンサーを用いてもよい。上記
実施例では、ウェハへの照明・反射とも平行光のため、
この場合は基本的にオートフォーカスを必要としない。
図３は、データの取り込みから膜厚算出までの処理の流
れを示したものである。ＣＣＤカメラで取り込むことが
できるデータは、分光強度分布である。取り込んだ２次
元画像（図１37）から分光強度波形を求めるには、画像
の１軸方向の各座標で最大値をとることにより求めるこ
とができる（データ入力（図３））。２次元センサーの
１軸と回折光分布とが一定の角度をなす時は、その角度
から計算により角度によるずれを補正する。要は２次元
の分光分布画像を１次元の分光波形に変換できればよ
い。また２次元センサの分光分布方向に数ラインずつを
処理し、画面内の場所による差を軽減する方法もある。
これにより、各種補正を２次元画像で実施できる。さら
には後述するように光学系の補正を加えてさらに高精度
化する方法もある。得られた分光強度波形は光源の持つ
分光強度特性および光学系の影響を受ける。予め光源の
分光強度分布データ、あるいは反射率特性のわかってい
る材料で補正データを計測しておき、このデータで計測
データを除する等の補正をすることにより分光反射率波
形を求める（反射率補正（図３））。これにより、光源
の分光分布および光学系の影響を十分小さくすることが
できる。周波数解析を行うには横軸を波長（λ）から波
長の逆数（１／λ）に変換する（軸変換（図３））。変
換に際して検出器上の各点に結像する光の波長を知る必
要がある。これは検出器と回折格子との位置関係を求め
ることにより、計算によって求めることができる。また
光源に白色光の代わりにレーザー光（単色光）を用い、
検出器上の結像位置と回折格子と検出器の位置関係から
より高精度に求めることもできる。レーザー光として複
数の波長を用いることにより補正精度は向上する。単色
光源を得る手段として、光源としてレーザーを用いる代
わりに、白色光源と特定の波長帯域のみを通す光学フィ
ルターとを組み合わせてもよい。測定対象が光軸に対し
て垂直でない場合、検出器で検出できる波長帯域に誤差
を生じる。そこで、測定対象の傾きを検出することによ
りセンサの検出波長帯域を正確に決定することが出来
る。計測対象の傾きを検出するには、正反射光（０次
光）を利用する方法が考えられる。０次光13の位置を検
出する絶対位置センサ14を設け、０次光画像から０次光
（ピンホール7の像）の位置を重心計算等で求める。こ
の位置から計測対象の傾きを検出することができる。０
次光の検出には検出器12を必要な時に既測定値に移動
（ステージ図示せず）しても可能である。当然、検出器
12に必要に応じてミラー等を用いて同時に検出する方法
もある。回折光の０次光（図２の13）位置計測データに
よりステージ傾斜にフィードバックをかけ膜厚検出領域
面が光軸に対して垂直に保つようにする方法も考えられ
る。白色光を計測対象に照射し、その反射光の分光分布
を周波数解析することにより膜厚を求める手法の原理を
周波数に着目した場合と位相に着目した場合とでその算
出原理を説明する。図４に示す、膜24内にパターン22が
存在する場合の単純なモデルを考える。ここで最表面膜
厚とはｄ１をさす。この膜に白色光を垂直に照射させ
た場合、膜24表面，パターン22上面および膜下地23で反
射がおこるためこれらの反射光が複雑に干渉したものと
なる。図４でパターンの存在する部分Ａとそうでない部
分Ｂとに分けて考えると、それぞれの部分では単純な単
層の膜と同様の構造となる。膜24表面，パターン22上面
および膜下地23のそれぞれの反射率をｒ３，ｒ２及びｒ
１，パターンの存在する部分の表面に占める割合をαと
すると、フレネルの式より膜全体での強度反射率Ｒは数
１で表される。ｎは膜23材質の屈折率を、λは光の波長
を表す。数１を変形して、高次の項を無視する等の近似
を行うと、強度反射率Ｒは数２で表させる。ここでｒ
３，ｒ２及びｒ１を波長によらず一定とし、1／λ［1/n
m］を横軸に考えた場合、この膜によって生じる干渉光
の分光反射率分布は、膜厚d1，d2およびd3に対応する周
波数をもつ三つの正弦波と定数の和で表される。ここで
それぞれの正弦波の角周波数をωｉ（i=1,2,3）とすれ
ば数２は数３となる。よってそれぞれの角周波数ωi(i=
1,2および3)と膜厚ｄiとの関係は数４で表される。この
ように、分光反射率分布波形に対して周波数解析を行い
波形の持つ周波数成分を求めることにより各部の膜厚を
算出することができる（数５）。

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】次に周波数と位相から膜厚を算出する方法について説明
する。図５（ａ）は図４に示す膜構造でd1=400，d2=180
0及びd3=2200とおいたときの干渉光の理論分光反射率分
布25を横軸に波長の逆数をとって示したものである。実
際に検出器によって検出できる波長の帯域は限られるた
め、求めることができる分光反射率分布Ｒは数６で表さ
れる（図５（ｂ）参照）。ここでλ０は検出可能な波長
帯域の最大値を表す。周波数による算出の時と同様に、
それぞれの正弦波の位相をφiとすれば数６は数７とな
る。数８は位相φiと膜厚ｄiとの関係を示したものであ
る。膜厚に比例して位相が変化する。このように、周波
数解析を行って位相を求めることによっても膜厚を算出
することができる（数９）。

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】周波数解析にＦＦＴを用いた場合、解析によって求めら
れる位相τiは、−πからπの間の値として求まる。そ
のため数９は数１０のように書ける。この位相τiは全
体の位相の変化量φiから2ｍπだけ引いた部分となる。
例えば波長帯域400〜800nmを考えた場合、膜厚に対する
周波数及び位相の変化量を比較すると位相の変化量のよ
うが大きいことがわかる。よって周波数による算出より
も高い精度が得られる。

【数１０】

【数１１】図３の軸変換までの補正を行ったデータに対して周波数
解析を行い、分光反射率分布波形の含む周波数とその位
相とを求める。このとき周波数解析手法としてはＦＦＴ
やＭＥＭまたはその他の周波数解析手法を用いてもよ
い。最表面の膜厚による成分を識別するには、例えば予
め指定したある範囲内で最も強度の大きい周波数成分を
抽出する方法がある。また、図４を例にした場合加工の
前後でｄ２は変化しない。加工の前後でスペクトル位置
が変化するものの中で最も角周波数が小さいものが最表
面膜厚を示す。よって計測対象膜が複数層のパターンが
存在する場合でも、計測を複数回行うことによりスペク
トル位置の変化のあるものの中で最も角周波数の小さい
ものを最表面膜厚を示すと判断することができる。本実
施例では周波数解析にＦＦＴとＭＥＭとを用いた場合を
示す（図３）。角周波数を用いて膜厚を算出する場合
は、ＦＦＴによる角周波数スペクトル強度分布またはＭ
ＥＭによる角周波数スペクトルの強度分布17の極大値を
示す角周波数をもとめ、数３にその角周波数を代入する
ことにより求める（図３（ａ））。図３（ｂ）を用いて
周波数解析にＦＦＴを用いた場合の位相を用いた膜厚算
出の一例を説明する。数１０を数１２に書き換える。図
６中の51は角周波数分布を、19は位相分布を表す。位相
による算出の場合は、数１３においてmを決める必要が
ある。ｍを決定する方法としては、まず周波数の場合と
同様に角周波数スペクトル強度の極大値を示す角周波数
20をもとめる。同時にこの角周波数の位相21を求める。
求めた角周波数より一旦数２により膜厚を算出する。数
３によって求めた膜厚が数１３を満たすように整数ｍを
決定する。このｍより数１２からｄfiを、極大値を示す
角周波数の位相からｄτiを求める。ｄfiとｄτiとの和
をとることにより膜厚ｄiを求めることができる。

【数１２】

【数１３】位相を用いて膜厚を算出する際も周波数解析手法として
ＦＦＴ以外の周波数解析手法を用いてもよい。周波数解
析にＦＦＴを用いる場合、解析結果の周波数分解能は解
析データの長さによって決まる。周波数と膜厚とは比例
関係にあるため、必要な算出結果の分解能を得るには周
波数分解能を高くする必要がある。このために算出した
横軸が波長の逆数の分光反射率分布のデータに対し、解
析結果の分解能が必要な分解能を得るに必要なデータ数
となるように０値のデータを付け加えた後に周波数解析
を行う。こうすることにより任意の周波数分解能が得ら
れる。または周波数解析結果に対してスプライン等の補
完手法を適用しても良い。周波数解析にＦＦＴを用いた
場合、解析結果の角周波数スペクトルは周波数解析時の
窓関数によって決まる特有の分布持つ。このため２つの
スペクトルの位置が近い場合、スペクトルの分布が重な
るためそのピークは真のピーク位置よりずれる。そこで
得られる角周波数スペクトルに対しSimplex法等の波形
分離処理を用いてスペクトル位置を求めることにより正
確な極大値を求めることができる。周波数解析にＭＥＭ
（Maximum Entropy Method：最大エントロピー法）等
の、スペクトル位置が近い場合にもそのスペクトルの重
なりの小さいまたは無い周波数解析手法を用いてもよ
い。ＭＥＭは解析時に設定する解析モデル次数によって
結果が異なるという特徴を持つため最適化が必要であ
る。対象波形の解析範囲を最適化することにより解析モ
デル次数によるばらつきがなく誤差の小さい解析を行う
ことができる。解析範囲を変えて複数の次数により解析
を行い、目的のスペクトル位置が解析次数によらないず
一定となる様に解析範囲を選ぶことで最適化ができる。
計測対象の屈折率や吸収係数の検出波長帯域内での変化
がある場合、検出できる分光波形はその変化に起因する
変形した波形となり算出値に誤差を生じる。周波数解析
の前に波形全体のトレンド除去や、影響を打ち消す係数
分布を分光分布に加えるまたは乗ずる等の処理を行うこ
とにより、補正することができる。上記位相を利用した
実施例により得られる膜厚計測精度は±２０ｎｍ以下
（パターン面積率：２０％程度，配線幅：０．３５μ
ｍ）となり、周波数のみからによる方法（計測精度：±
５０ｎｍ）と比較して高い計測精度が得られる。従来の
光学式の計測手法では、計測対象に例えば１μｍ以上の
大きさの計測視野内で一様の構造であることが必要であ
った。本実施によれば、計測視野内にデバイスパターン
等の段差が存在する場合そのパターン上の膜厚を計測す
ることができる。このとき計測精度は対象とするパター
ンよりも下層からの反射光の影響を受けるため計測視野
におけるパターンの占める割合（パターン面積率）及び
パターンの形状に依存する。例えば、計測対象がサブミ
クロンピッチのラインアンドスペース状のパターン上の
膜厚である場合、光はパターンにより回折を起こすた
め、下層からの反射光は同じ面積率の単体のパターンの
場合よりも相対的に強度が小さくなる。このため、計測
には微細なパターンの方が都合が良い。図６は図４と同
様の構造をもつサンプルに対して最表面の膜厚（ｄ１）
を周波数と位相とにより求めた結果を示す。図６より位
相で算出するほうが周波数で算出するより高い精度で計
測できることが解る。実際のデータから膜厚を算出する
際にはノイズ等が含まれるため周波数による算出では周
波数解析の際の誤差が大きい。位相による算出では周波
数によるより分解能が高い、すなわち膜厚の変化量に対
して変化量が大きいために相対的に誤差の小さい高精度
の算出が可能となる。上述は図４に示す比較的単純な構
造の場合について説明したが、パターンが複数層の場合
でも同様の手法で最表面の膜厚の計測が可能である。こ
の場合、複数層とは配線自体が多層に配置されている場
合と、その配線間の絶縁膜自体が多層構造の場合の２つ
をさす。膜が複数層の場合で個々の材質の特性が近い場
合や、検出できる波長帯域に対して膜が非常に薄い場
合、上記周波数解析を用いた手法では実際の膜厚と算出
値とが線形一次の関係にならない場合がある。この場合
算出誤差を小さくするために、実際の膜厚と算出値との
関係に適当な曲線を仮定し、算出値を補正すればよい。
この補正のための曲線を創出する方法としては、構造及
び材質が既知であれば分光波形を算出でき、この波形か
ら本手法で膜厚を算出することによって得ることができ
る。また、他の信頼できる膜厚計測装置を用いて実際の
試料を計測し、その計測結果と本手法での計測結果とを
比較することによっても得られる（図７参照）。白色光
を計測対象に照射し、その反射光の分光分布と理論分光
分布とをフィッティングさせることにより膜厚を求める
手法の原理を示す。前述のように、計測対象の膜構造と
それぞれの層の材質が既知であれば、その構造の膜に白
色光を照射したときの分光反射率波形を算出することが
できる。この理論分光反射率波形を、膜厚等をパラメー
タとして実際に計測した分光反射率分布と比較し、両者
の誤差が最も小さくなるようなパラメータを選定（フィ
ッティング）することにより膜厚を算出することができ
る（図８参照）。この手法も従来は、計測視野内で計測
対象の構造が一様であるものに対して適用されていた。
しかし、例えば図４のような計測視野内で構造が一様で
ない場合でも、その構造と構造に起因する回折の影響を
理論計算に取り入れれば、構造が一様な場合と同様にフ
ィッティングにより膜厚を算出することができる。計測
対象構造は設計情報から得ることができる。上記フィッ
ティング手法を用いれば、計測精度±５ｎｍ程度が得ら
れる。計測対象とする構造が複雑な場合は、分光反射率
分布波形（横軸が波長の逆数）に対して、移動平均処理
等の適当なフィルタ処理により特定の周波数の波形を抽
出あるいは減衰させてからフィッティングを行っても良
い。次に上記の膜厚検出系のＣＭＰ加工装置又はライン
への適用方法の実施例を示す。適用方法に関する第一の
実施例を図８（ａ）に示す。第一の実施例は従来のStan
d-aloneタイプの膜厚計測装置の代わりに本発明の膜厚
計測技術を搭載した膜厚計測装置を用いるものである。
Stand-aloneタイプであるため１枚のウェハまたは１チ
ップについて、例えばチップ内を数十〜数百点計測する
等の詳細な検討が可能である。適用方法に関する第二の
実施例を図８（ｂ）に示す。第二の実施例は研磨加工終
了後にウェハを一時保管するストッカー（保管庫）内ま
たはストッカーに搬送されるまでのウェハ経路30の途中
に計測ステージを設け、計測を行う。適用方法に関する
第二の実施例により、in-lineの計測が可能となる。適
用方法に関する第二の実施例により、計測した膜厚情報
の利用方法を示す。計測した膜厚から、研磨レートを算
出しこれを次に加工するウェハの研磨時間にフィードバ
ックする。適用方法に関する第二の実施例によって膜厚
を計測した場合、膜厚を既製の膜厚計で測定する際の洗
浄・乾燥に要する時間を短縮できスループットの向上が
はかれる。得られた膜厚情報からそれが所望の膜厚に達
しているか、または予め設定した膜厚の範囲に入ってい
るかを判断し、膜厚が予め設定された厚さ又は範囲に達
していない場合そのウェハの再加工等を判断することも
できる。適用方法に関する第三の実施例を図８（ｃ）に
示す。検出光学系１を研磨盤29に設置し、研磨盤29表面
に計測窓を設け、その窓から膜厚の計測を行う。適用方
法に関する第三の実施例により、加工を中断することな
くin-situで計測が可能となる。適用方法に関する第三
の実施例により、計測した膜厚情報の利用方法を説明す
る。計測した膜厚から、研磨レートを算出しこれを次に
加工するウェハの研磨時間にフィードバックする。適用
方法に関する第三の実施例によって膜厚を計測した場
合、膜厚を既製の膜厚計で測定する際のウェハのロー
ド，アンロードおよび洗浄・乾燥に要する時間を短縮で
きスループットの向上がはかれる。計測はin-situで行
われるため、得られた膜厚情報から研磨レートを算出し
現在研磨を行っているウェハの研磨時間にフィードバッ
クすることもできる。また得られた膜厚情報からそれが
所望の膜厚に達しているか、または予め設定した膜厚の
範囲に入っているかを判断し加工の終了を判定すること
もできる。適用方法に関する第四の実施例を図８（ｄ）
に示す。第四の実施例はＣＭＰ加工を一時中断し、ウェ
ハ支持具28を研磨盤29から離し研磨盤29とウェハ支持具
28との間に検出光学系１を挿入、またはウェハ支持具28
を研磨盤29上よりずらして研磨盤付近に設置した検出光
学系上に移動して膜厚の計測を行う。適用方法に関する
第四の実施例により、加工を一時中断することによりin
-lineで計測が可能となる。適用方法に関する第四の実
施例により、計測した膜厚情報の利用方法を説明する。
計測した膜厚から、研磨レートを算出しこれを次に加工
するウェハの研磨時間にフィードバックする。適用方法
に関する第ニの実施例によって膜厚を計測した場合、膜
厚を既製の膜厚計で測定する際のウェハのロード，アン
ロードおよび洗浄・乾燥に要する時間を短縮できスルー
プットの向上がはかれる。計測は加工を中断して行われ
るため、得られた膜厚情報から研磨レートを算出し現在
研磨を行っているウェハの研磨時間にフィードバックす
ることもできる。また得られた膜厚情報からそれが所望
の膜厚に達しているか、または予め設定した膜厚の範囲
に入っているかを判断し加工の終了を判定することもで
きる。次に上記それぞれの適用方法における実施例の詳
細を示す。図９は適用方法に関する第一の実施例のため
の装置システムの一例の詳細を示したものである。分光
波形を検出する検出光学系1，ステージ３，ステージ制
御部31，膜厚算出及び計測点選定を行う信号処理部32，
計測設定及び結果等を表示するためのインターフェース
33を備える。信号処理部，ステージ制御部及びインター
フェースとして一台又は複数台のパーソナルコンピュー
タを用いても良い（図１参照）。図１０に検出光学系の
一例の詳細を示す。白色光源34から出た光はビームスプ
リッタ35で方向を変え、レンズ（１）36により試料（ウ
ェハ２）上に照射される。試料からの反射光はレンズ
（２）37を介して視野絞りの役割をはたすピンホール38
設置面上に結像する。ピンホールとレンズとのフーリエ
変換面には空間フィルタ39が設置され試料による散乱光
や回折光を削減することができる。ピンホール38を通っ
た光は分光器40に導入され、分光波形を得ることができ
る。また計測位置観察及び計測点周辺の画像を取り込む
ためのＣＣＤカメラ41を設置している。検出光学系には
前述した図２に示す光学系を用いても良い。分光光学系
は顕微鏡に分光器を取り付けることによっても実現でき
る。検出光学系に顕微鏡を利用するような結像系の場
合、対物レンズのＮＡを考慮する必要がある。前述した
フィッティング法を用いる場合、理論波形の算出に対物
レンズＮＡの影響を考慮しなければならない。あるい
は、上記のように空間フィルタによって０次光のみを検
出し、ＮＡの影響を削減または減少させる方法もある。
周波数解析を利用する場合は空間フィルタを用いる方法
のほか、前述の計測値の補正をすれば実用上問題はなく
なる。信号処理部は検出した分光波形からの膜厚の算出
及び計測点の分光波形やデバイス設計情報等から計測点
の選定を行う。表示装置は計測対象の構造や材質等の計
測に必要な情報の入力や設定に用いるほかに結果の表示
を行う。検出光学系はウェハに対して位置合わせされ
る。計測対象によっては、計測視野サイズ，パターンの
配置や形状等により計測可能な点が限られるため、計測
可能な点への位置決めが必要である。このため必要に応
じてアライメント等が実施される。例えば計測視野の大
きさがφ１０μｍ程度の場合、±１μｍ程度の位置決め
精度が必要となる場合が考えられる。位置決め方法とし
ては、オペレータの操作や、ウェハまたはチップ上の座
標を指定する方法がある。位置決め方法として、チップ
毎または計測対象パターン毎にアライメントまたはティ
ーチングをすることにより正確に位置決めすることがで
きる（図１１）。パターン配置や面積率等のデバイスの
設計情報から計測可能な点を決定することができる。指
定した座標近傍で計測可能な点を探索し計測する方法も
ある。探索方法としては例えば指定座標近傍で分光波形
を検出し後述する計測可否判定によって計測点を自動で
選択する方法がある。計測点周辺の画像からパターンの
面積率を算出し、計測可能な点を自動で選定する方法も
考えられる。計測点周辺の画像は必要に応じて保存して
おくことができる。実際の計測点周辺の画像と設計情報
との比較により選定する方法もある（図１２）。本計測
技術は従来技術の様に計測視野内で一様な構造である必
要がなく、適当なパターン面積率と形状であれば、チッ
プ内で任意の位置で計測が可能である。これは例えばチ
ップ内の膜厚を任意の間隔の格子の格子点を計測するこ
とができ（図１３）、回路によらない一律すなわち標準
的な膜厚管理の実現にもなる。また上記分布計測点の間
隔は、パターン面積率から膜厚分布のうねりの細かさを
予測することができ、この予測した大きさからサンプリ
ング定理によって自動で決定することもできる。また位
置決め方法として、上記の複数の方法を組み合わせるこ
とも考えられる。位置決め精度またはその他の原因によ
り、所望の計測点へ位置決めされない場合が考えられる
また予め所望した計測点に位置決めされた場合でも、例
えば計測点の計測視野内のパターン面積率が必要以下で
ある場合等の実際には膜厚の計測が困難である場合が考
えられる（図１４参照）。この場合、位置決めされた点
が所望の計測点であるかを判定（計測可否判定）する必
要がある。この判定方法として計測点周辺の画像情報か
ら得られるパターン形状や面積率、デバイスの設計情報
から得られるパターン形状や面積率等を利用する。例え
ば、画像から計測視野内のパターン面積率を算出し、こ
の値と予め設定したしきい値とを比較することにより判
定する方法がある。位置決めされた点で分光波形を計測
し、分光波形の特徴から計測可否判定をする方法があ
る。波形の特徴からの計測可否判定方法としては、波形
の特定のピークの位置の検出による方法やＦＦＴ等の周
波数解析をし特定の範囲にある周波数成分の位置や大き
さから判断することも考えられる。例えば、ＦＦＴ解析
後ある２つの特定周波数帯域内のピークスペクトルピー
クに着目し、両者の大きさを比較することにより判定す
る方法がある。また上記処理を自動で行うことも考えら
れる。計測可能判定は、計測点毎に行ってもよいし、一
連の複数の計測が終了してから行っても良い。後者の場
合、上記判定方法の他に判定対象点以外の点の計測結果
を利用でき、より信頼性の高い判定が可能となる。計測
可否判定を全点の分光検出の終了後に行う場合、計測不
可の判定となった点は膜厚の算出ができず計測エラーと
なる。この場合例えば、隣接する計測点の値から計測エ
ラー点の値を補間する方法がある。このとき補間方法と
しては、周囲の点の平均値とする方法や線形補間やスプ
ライン等で算出する方法がある。計測視野の大きさは検
出できる光量によって制限される。必要な光量が確保で
きれば、任意の大きさ及び形状の計測視野で計測が可能
である。膜厚を計測する際の計測視野は、その大きさ及
び形状を変えることができる。切り替える方法として
は、例えば対物レンズの切り替えによって視野の大きさ
を変化させる方法がある（図１５）。ピンホールの大き
さや形状を切り替えることによって変化させる方法があ
る。また両者の組み合わせによる方法もある。計測する
際の視野の大きさによって膜厚分布計測結果は異なって
くる。計測視野を小さくすればより小さい間隔で膜厚分
布を求めることができる。しかし図１６（ｂ）に示すよ
うに計測視野の大きさがパターンの間隔に近い場合、パ
ターン上の膜厚のみを評価できなくなる。そこで、計測
の目的や計測対象によって計測視野の最適化を行なう。
この最適化を、計測結果や予め取り込んでおいたデバイ
スの設計情報から自動で行うことが考えられる。視野の
小さな場合は高分解能測定が可能となるが、最表面にパ
ターンの存在しない領域では最表面パターン上の膜厚は
計測できず、下層のパターンから表面の膜厚が算出され
るため算出値が大きくなる。最表面パターン上（または
所望）の膜厚を抽出する操作、例えば既知の膜厚値に近
い値のみ抽出する、または最頻度の膜厚値を抽出する等
の操作をすれば、より使いやすい情報となる、視野が大
きい、例えばチップあるいはウェハの大きさ場合、その
平均的な膜厚を抽出することが可能となる。チップ位置
情報等にとらわれないウェハ上膜厚管理が可能となる。
無論上記の中間の視野や組み合わせも可能である。本実
施例による膜厚計測の結果として、チップ，ウェハ面内
での膜厚分布を求めることができる。例えば、チップま
たはウェハ面内での膜厚の最大値，最小値及びそれらの
位置を求めることができる。膜厚の最大値，最小値及び
それらの位置を求める方法として、例えば最初は大きな
間隔の格子の格子点で膜厚の分布を求めておき次にその
最大値と最小値付近を小さな間隔の格子の格子点で計測
を行うことにより、あるいは分布の傾斜、更にはパター
ン情報他のウェハの膜厚情報を利用して、計測範囲、位
置を決め計測することにより、正確に求めることができ
る。また上記操作を自動で行うことができる。また非常
に小さな間隔の格子を設定することによっても実現でき
る。例えば10×10mmサイズのチップ内では数百点程度の
計測をすれば膜厚の最大値，最小値及びそれらの位置を
求めることができる。インターフェース（パーソナルコ
ンピュータ）を通して計測に必要な情報の入力や設定を
するほか、計測中あるいは計測終了後に計測点座標，計
測点画像，計測結果，膜厚分布及び加工条件等を同時に
または切替で表示でき、装置オペレーターが常に監視で
きる。膜厚を計測するためには、それに必要な情報を予
め入力しておく必要がある。膜厚算出に必要な情報とし
ては、膜の構造（縦構造，平面構造），膜材質（屈折
率，吸収係数），膜厚の概値，算出対象膜の指定及び検
出波形の補正条件（移動平均処理，トレンド除去等）等
がある。また計測に必要な情報として，ウェハサイズ，
チップマトリクス，計測チップの指定，計測点座標（位
置，格子点の場合の格子の間隔や基準点），計測点数，
計測点位置決め操作（自動，マニュアル），計測点位置
決め方法（前述の画像処理のよる方法等）等がある。こ
れらの入力は、数値で指定する方法のほかに例えばウィ
ンドウズの様なＧＵＩによって行う方法もある。膜構造
の設定で膜の平面構造の設定をする場合の一例示す（図
１７）。例えばＳＴＩのような構造を設定する場合、ま
ずパターンの平面形状を設定（図１７ 51）する。次に
設定したパターンの配置を設定する（図１７ 52）。こ
れで計測視野のでのパターンの形状が指定でき、パター
ン密度やパターによる回折の影響を算出することができ
る。最後に平面状での各領域の縦構造を設定すれば膜の
構造を指定することができる。例えば一チップの計測に
おいて、設定した格子の格子点上を計測する方法の一例
を示す（図１８）。このときチップサイズ及びチップマ
トリクスは予め設定されているとする。まず格子全体の
大きさ及び格子の基準位置を指定する（図１８の53）。
次に縦横の格子の数または格子の間隔を指定する（図１
８の53）。最後に格子点での位置決め方法を指定する。
格子は複数設定することもできる。また一度大きい間隔
の格子点を計測した後に、その計測結果の最大値と最小
値付近を小さい格子で計測するという計測を自動でする
設定も可能である。ステージ上にロードされたウェハは
アライメントされる。次に検出光学系は前述の方法で計
測点に位置決めされる。このとき必要に応じて各チップ
毎にアライメントすることもできる。位置決めされた
後、オートフォーカスされ、分光波形を検出する。この
とき必要に応じて前述の計測可否判定をする。検出した
分光波形から同じく前述の膜厚算出アルゴリズムにより
膜厚を算出する。全点計測後、計測結果を必要に応じて
表示する。（図１９）表示装置（パーソナルコンピュー
タ）は、計測結果として膜厚値，膜厚分布グラフ，膜厚
の最大値，最小値及びその位置等を表示することができ
る。計測した膜厚分布55と別途計測した凹凸分布56と、
予め取り込んでおいたデバイスパターン情報54とを同時
に並べてまたは同時に重ねてまたは切り替えて表示する
ことができる（図２０）。上記を同時に表示する方法と
して上層から３次元的またはある切断面として表示等の
方法がある。デバイスパターン情報とは、パターンの形
状や局所的なパターン面積率等をさす。膜厚分布と別途
計測した凹凸分布との差をとることにより下層膜の凹凸
を算出することができる。この際必要に応じて両者の値
を補正する。表示手段はまた、計測データより算出され
た横軸が波長の逆数の分光反射率分布や計測膜厚から逆
に算出した理論分光反射率分布を表示することもでき
る。両者を同時に表示することもでき、両者を最少二乗
法等の手段を用いて比較することにより両者の相関をみ
ることができる。またオペレーターが任意に設定した膜
厚の理論分光分布と計測データより算出された分光分布
とを同時に表示し比較することもできる。計測結果（膜
厚値，膜厚分布，膜厚の最大値，最小値及びその位置）
は必要に応じて、外部に出力できる。例えばＥｘｃｅｌ
形式等で出力すれば後に利用しやすい。計測結果（膜厚
分布，凹凸分布，パターン面積率分布等）の値を必要に
応じて演算することにより、相関を見ることができる。
これに基づきＣＭＰの加工条件（パッド材質及び表面形
状，スラリー濃度，材質及び供給量，チャック圧力，研
磨盤回転数等）を変更し、ディッシング等の不良の低減
や膜厚むらの低減等のＣＭＰプロセスを最適化するため
の設定条件を求めることが自動でできる。例えば膜厚分
布とパターン面積率との相関が小さく、かつ膜厚分布と
凹凸分布との相関が大きいとき、パッドを硬質のもに変
える等の最適化のための設定条件を自動で求めることが
できる。このようにして求めた最適化のための条件に設
定した状態でＣＭＰプロセスを行うと、下地のパターン
によらず膜厚分布や凹凸分布が所定値以下の高品質な加
工を実現できる。また、計測した膜厚情報に基づいて前
あるいは後の工程のプロセスの最適化が自動でできる。
例えば前の工程である成膜工程において、ＣＭＰ加工前
に膜厚を計測することにより成膜厚さがわかり、成膜仕
様と比較して成膜時間等の成膜条件の最適化及び安定化
のための設定条件を求めることが自動で行える。後工程
においても例えばエッチ条件を実際のデバイスパターン
上膜厚からより高い精度で自動で決定し、加工すること
ができる（図２１）。ウェハ支持具が加工中のウェハに
対して任意の圧力分布を生じさせて加圧できる場合、上
記の膜厚分布から自動で最適な加圧分布を設定し面内で
膜厚が均一な加工面を得ることができる。本手法は、膜
厚を計測するために分光波形を計測する必要があるが、
これを既存の膜厚計測装置等で計測しても良く、その計
測したデータに対して信号処理をしても膜厚算出が可能
である。要は分光波形が求められればよい。例えば既存
の膜厚計測装置等と膜厚算出信号処理コンピューターと
をＬＡＮ等の通信手段で接続し既存装置で計測した分光
分布データを自動で上記コンピューターに取り込み膜厚
を算出する方法が考えられる。図は適用方法に関する第
二の実施例のための装置システムの一例の詳細を示した
ものである。水中で膜厚を計測する方法として、水中に
表面が上向きに保持されたウェハ2に対して、検出光学
系1を水中に挿入して計測を行うことによって実現でき
る（図２２（ａ））。また、水中に表面が下向きに保持
されたウェハ2に対して、検出光学系1を光学窓30を介し
て計測を行うことによっても実現できる（図２２
（ｂ））。水中である以外は、基本的に前述の適用方法
に関する第一の実施例のための装置システムの一例と同
様である。水と大気とでは、光学的な特性が異なる。そ
のためウェハ（試料）が水中にある場合、検出できる分
光波形63は大気中での検出62と異なる。例えば、SiO2膜
の膜厚を計測する場合、水中では検出できる波形のコン
トラスト（凹凸）が小さくなる。このような場合、膜下
地の材質の光学的特性の影響が相対的に大きく現れる。
例えば下地がTiNの場合波形全体が歪んだ形状となる。
このとき、前述した周波数解析を用いた膜厚算出方法で
は誤差が生じる原因となる。そこで、膜下地の光学特性
の影響を除去又は減少させる必要がある。これを実現す
る方法として、例えば前述したトレンド63を除去する方
法がある。例えば上記のTiN上のSiO2膜の場合予めTiNの
光学的特性を評価しておき、評価した屈折率特性を波形
に現れているトレンドとしてトレンド除去をする方法が
ある（図２３）。第三の実施例（In-situ計測）のため
の装置システムの一例の詳細を示しす。研磨盤に設けら
れた検出窓からウェハ（試料）の膜厚を計測する。スラ
リーが介在しているため、得られる分光波形は水中での
ものと同様となる。研磨盤に設ける検出窓の大きさ及び
形状は研磨に影響が出ない限り任意に決定することがで
きる。例えば、ウェハ対してその直径の半分程度の長さ
でその長さの１０分の１程度の幅の窓にすれば、ウェハ
チャックに揺動運動がある場合でも確実に１回転毎に膜
厚の計測が可能となる。上記の様に大きな視野で計測す
る場合、計測される膜厚は計測視野内での膜厚の平均値
となる。そのため検出窓を大きくすることにより、一回
毎に計測位置がずれたとしても位置の違いによる膜厚ば
らつきの影響を行けず、常にウェハ面内の膜厚の平均値
を評価することができる。検出光学系は必要に応じてウ
ェハにアライメントされるが、上記のように計測視野が
大きい場合はアライメントが必要ないという利点があ
る。加工中の計測のタイミングは、例えばウェハからの
反射光の強度の変化から決定する方法がある。ウェハが
検出光学系上にある場合とそうでない場合とでは検出す
る光量が異なる。光量の変化を検出しその変化がある設
定した条件を満たした場合に検出をする方法がある。検
出した波形から前述したアルゴリズムにより膜厚の絶対
値を算出し加工の終点検出をする。または波形の特徴の
変化、例えばあるピークの位置変化から終点検出する方
法も考えられる。上記計測手法をメタルのＣＭＰに適用
したとき、ウェハからの反射光の分光波形の形状変化か
ら加工の終点検出が可能となる。適用方法に関する第三
から四の実施例においてもそれぞれ検出器とウェハとの
相対位置を変化させることによってウェハ面内で複数点
計測することにより膜厚の分布を得ることができる。例
えば適用方法に関する第一の実施例では研磨盤とウェハ
支持具との相対位置を調整する事によっても実現でき
る。適用方法に関する第ニの実施例の場合は挿入する検
出光学系とウェハ支持具との間の相対位置を任意に可変
できるように検出光学系またはウェハ支持具を移動させ
る事によっても実現できる。膜厚分布を求める方法とし
て、例えば直線上の複数の点の分光波形を２次元のセン
サを用いて同時に検出することによっても実現できる。
また、検出器とウェハの相対位置を変化させることによ
って２次元の膜厚分布を求めることができる。上記検出
器を複数用い並列に設置し同時に計測することにより高
速に膜厚分布を求めることができる。多層構造の計測対
象膜を計測する際、下層からの反射光が誤差の原因とな
る。そこで膜による吸収の大きい波長帯域の光を用いる
ことにより下層からの反射光の影響を小さくでき、高精
度の計測が可能となる。計測対象構造が多層である場
合、加工の前後で膜厚を計測する等によりその任意の層
の厚さを計測することができる。例えば、表面の膜厚だ
けでなく、パターンの厚さや下層の層間膜厚を求めるこ
とができる（図２４）。膜厚計測用のパターンを形成す
る必要が無いため有効面積の大きなデバイスが作れる。
層間膜厚を計測することにより、配線間の電気的な容量
等を評価することができ、デバイスの性能を予測するこ
とができる。任意の層の膜厚を計測して高精度に膜厚を
管理・制御することにより、高精度にデバイスの性能を
コントロールすることができる。反射光の分光分布を解
析処理する、または別に表面の凹凸計測手段をそなえ、
膜厚と凹凸とを同時に計測することができる（図１
１）。凹凸計測手段として例えば、特開平７−７４０８
８号公報記載の表面凹凸計測手段を用いても実現でき
る。計測視野をパターン幅以下にすれば、膜厚を計測す
ることによってパターン形状の確認ができる。得られた
計測結果と、予め取り込んでおいたパターン情報とを比
較することによりデバイスパターンの形状不良や異物を
検出することができる（図１６（ｃ））。このときその
異物や形状等の不良の表面からの深さがわかるので、そ
れらがどの工程で発生したかを特定することができる。
計測した膜厚あるいは分布データを歩留りあるいは品質
管理システム等に供給し不良解析に使用することもでき
る。異物検査装置や外見検査装置は層間絶縁膜工程では
その膜厚によって感度が変化する。そのためこれら検査
装置に膜厚計測装置を取り付けることにより計測感度の
自動条件出しや感度補正を行うことができ高精度な検査
が可能となる。例えば計測した膜厚によって検出器の位
置を変化させる等により感度の低下を小さくすることが
できる。加工の前後で計測を行う等のことにより、加工
による被加工物質の材質例えば屈折率等の変化を検出す
ることができる。またこの変化より、材料内部の転移密
度等の変化を予測することができる。検出器で検出した
反射光の強度から、計測対象の局所的なパターン面積率
や表面の面荒れの状態を求めることができる。以上に説
明したように、シリコンウェハ上に半導体デバイスを製
造する方法および製造ラインにおける成膜後の表面の平
坦化処理装置に本発明による膜厚計測ユニット組み込む
ことにより、平坦化処理を行ったウェハに対して最表面
膜厚を高精度に計測することが可能となるので、高精度
な膜厚管理が可能となり、膜厚管理のために平坦化処理
装置を調整する時間を削減することが可能になり、工程
のスループットの向上がはかれる。上記実施例はＣＭＰ
加工後のパターンの形成されたウェハ表面の膜厚につい
て述べているが。対象が同様の構造の他の工程又は半導
体デバイス以外の他の膜、または光学的に透明な多層構
造の膜に対しても同様の膜厚計測が可能である。

【発明の効果】本発明のよれば透明膜を高精度に膜厚計
測することが可能となり、計測した膜厚データを基に高
精度の膜厚管理が可能となる。また、本発明によれば、
下地パターンの影響を受けることなく表面の透明な膜の
膜厚及びその分布を、±２０ｎｍ以下の高い精度で計測
できるので、高精度な膜厚の管理を行うことができる。
また、本発明によれば、下地パターンの影響を受けるこ
となく表面の透明な膜の膜厚及びその分布を計測できる
ので、試料上の任意の点に膜厚を高精度に測定すること
ができる。さらに、本発明を、半導体デバイスの製造工
程に適用した場合、下地パターンの影響を受けることな
く表面に形成された透明な膜の厚さ計測できるので、ウ
ェハ全面での膜厚の分布とともに、ウェハ上に形成され
た各チップ内の膜厚の分布も計測できるので、この計測
した結果を製造工程にフィードバックすることにより、
高精度な膜厚の管理が可能になり、高品質な半導体デバ
イスを、安定して生産できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明をＣＭＰ加工装置に適用した例
を示す概略構成図である。

【図２】図２は、本発明による検出光学系の正面の略断
面図である。

【図３】図３は、本発明によるデータの取り込みから膜
厚を算出するまでの処理の流れの概略図である。

【図４】図４は、本発明の検出対象の膜で、一層のパタ
ーンが存在する場合の断面図である。

【図５】図５は、（ａ）理論分光反射率分布の一例，
（ｂ）検出波長範囲に制限がある場合の理論分光反射率
分布の一例である。

【図６】図６は、膜厚算出に周波数と位相とを用いた場
合の算出結果例を示すグラフである。

【図７】図７は、補正曲線の一例である。

【図８】図８は、ＣＭＰ加工装置と本発明による膜厚
計測装置との概略構成を説明する正面図で、（ａ）は洗
浄、乾燥工程後、（ｂ）は研磨加工終了後で洗浄・乾
燥を行う前，（ｃ）は研磨加工中，（ｄ）は研磨加工を
中断して、それぞれ計測を行う場合を示す。

【図９】図９は、本発明による装置構成の一例を示す正
面図である。

【図１０】図１０は、本発明による光学系の一例を示す
正面図である。

【図１１】図１１は、アライメント方法の一例を示す平
面図である。

【図１２】図１２は、設計情報を用いた場合の計測位置
決め方法を示すパターンの平面図である。

【図１３】図１３は、１チップの計測で設定した格子の
格子点を計測する場合の計測点の一例を示す平面図であ
る。

【図１４】図１４は、計測が可能な場合と困難な場合の
計測視野位置の一例を示すパターンの平面図である。

【図１５】図１５は、計測視野の大きさの切り替え手段
を備えた光学系の正面図である。

【図１６】図１６は、計測視野の違いによる計測結果の
違いの一例を示す図である。

【図１７】図１７は、膜の平面構造の設定方法の一例を
示すデイスプレイ画面の正面図である。

【図１８】図１８は、格子点計測する際の格子の設定方
法の一例を示すデイスプレイ画面の正面図である。

【図１９】図１９は、本発明の実施例の装置の計測シー
ケンスの一例を示すフロー図である。

【図２０】図２０は、ウェハ表面の膜厚分布と表面凹凸
とを同時に計測する場合の概略構成及び結果表示の一例
を示すデイスプレイ画面の正面図である。

【図２１】図２１は、膜厚計測結果をプロセス条件にフ
ィードバックするシステムの一例を示す概略構成図であ
る。

【図２２】図２２は、研磨加工終了後で洗浄・乾燥を行
う前に水中に有るウェハの膜厚を計測する場合の構成を
示す正面の略断面図であり、（ａ）は光学検出系の一部
を水中に挿入して計測をする場合、（ｂ）は光学窓を介
して計測をする場合である。

【図２３】図２３は、水中で膜厚を計測を行う際の影響
及び補正方法の一例を示す図である。

【図２４】図２４は、多層構造の各厚さを計測する場合
の概略構成及び結果表示の一例を示すデイスプレイ画面
の正面図である。

【符号の説明】

1……検出光学系 2……ウェハ 3……ステージ 4……パーソナルコンピュータ 5……計測チップ
6……光源 7……ピンホール 8……ビームスプリッタ 9……
レンズ 10……虹彩しぼり 11……回折格子 12……ＣＣＤ
カメラ 13……０次光 14……０次光位置検出センサ 15……分光強度分布画
像 16……０次光強度分布画像 17……ＦＦＴ周波数スペ
クトル 18……ＭＥＭ周波数スペクトル 19……位相スペクト
ル 20……ピーク周波数 21……ピーク周波数の位相
22……パターン（配線） 23……膜下地 24……膜 25……分光波形 26……検出帯域が限られる場合の分光波形 27……補
正曲線 28……ウェハ支持具 29……研磨盤 30……ウェハ
搬送路（水中） 31……ステージ制御部 32……信号処理部 33……
インターフェース 34……白色光源 35……ビームスプリッタ 36……
レンズ（１） 37……レンズ（２） 38……空間フィルタ 39……
ピンホール 40……分光器 41……ＣＣＤカメラ 42……アライ
メントパターン 43……計測点 44……計測視野 45……配線パター
ン 46……対物レンズ 47……パターン 48……膜 49……異物 51……
パターン設定画面 52……パターン配置図 53……格子設定画面 54…
…設計情報 55……膜厚分布 56……表面凹凸分布 57……デバ
イスパターン 59……研磨パッド 60……スラリー 61……検出窓 62……大気中計測時の分光波形 63……水中計測時の
分光波形 64……トレンド成分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者二宮隆典茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者土山洋史東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者野口稔神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者金井史幸東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者野本峰生神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB22 CC18 CC19 CC31 DD00 FF04 FF27 FF56 GG02 GG03 GG04 GG22 GG23 GG24 JJ02 JJ03 JJ25 JJ26 LL22 LL30 LL42 LL46 LL67 PP22 PP24 QQ16 QQ24 QQ25 QQ29 QQ39 QQ44 SS03 SS13 UU05 UU07 3C034 AA13 AA17 BB93 CA03 CA22 CA30 CB13 DD20 3C058 AA07 AC02 BA07 BA09 CB01 CB03 CB10 DA12 DA17 4M106 AA01 AA20 BA04 BA05 CA48 DH03 DH12 DH31 DH32 DH37 DH57 DJ18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射し、該白色光の照射により前記試料から
発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光波形
に基づいて前記光学的に透明な膜の膜厚を求めることを
特徴とする薄膜の膜厚計測方法。
【請求項２】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射し、該白色光の照射により前記試料から
発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光波形
の位相に基づいて前記光学的に透明な膜の膜厚を求める
ことを特徴とする薄膜の膜厚計測方法。
【請求項３】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射し、該白色光の照射により前記試料から
発生する反射光を検出し、該検出した反射光の分光波形
と膜の構造モデルまたはシミュレーションから導かれる
波形とのフィッティングにより前記光学的に透明な膜の
膜厚を求めることを特徴とする薄膜の膜厚計測方法。
【請求項４】前記光学的に透明な膜の膜厚を、±２０ｎ
ｍ以下の精度で求めることを特徴とする請求項１乃至３
の何れかに記載の薄膜の膜厚計測方法。
【請求項５】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射する照射手段と、該照射手段により照射
されて前記試料から発生する反射光を検出する検出手段
と、該検出手段により検出した反射光の分光波形に基づ
いて前記光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする薄膜の膜厚計測装置。
【請求項６】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射する照射手段と、該照射手段により照射
されて前記試料から発生する反射光を検出する検出手段
と、該検出手段により検出した反射光の分光波形の位相
に基づいて前記光学的に透明な膜の膜厚を算出する算出
手段とを備えたことを特徴とする薄膜の膜厚計測装置。
【請求項７】表面に光学的に透明な薄膜を形成した試料
に白色光を照射する照射手段と、該照射手段により照射
されて前記試料から発生する反射光を検出する検出手段
と、該検出手段により検出した反射光の分光波形と膜の
構造モデルまたはシミュレーションから導かれる波形と
のフィッティングにより前記光学的に透明な膜の膜厚を
算出する算出手段とを備えたことを特徴とする薄膜の膜
厚計測装置。
【請求項８】前記膜厚算出手段は、前記光学的に透明な
膜の膜厚を、±２０ｎｍ以下の精度で算出することを特
徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の薄膜の膜厚計
測装置。
【請求項９】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に透
明な膜を研磨する工程において、前記光学的に透明な膜
に白色光を照射し、該白色光の照射により前記薄膜デバ
イスから発生する反射光を検出し、該検出した反射光の
分光波形に基づいて前記光学的に透明な膜の膜厚を求め
ることを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項１０】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜を研磨する工程において、前記光学的に透明な
膜に白色光を照射し、該白色光の照射により前記薄膜デ
バイスから発生する反射光を検出し、該検出した反射光
の分光波形の位相に基づいて前記光学的に透明な膜の膜
厚を求めることを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項１１】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜を研磨する工程において、前記光学的に透明な
膜に白色光を照射し、該白色光の照射により前記薄膜デ
バイスから発生する反射光を検出し、該検出した反射光
の分光波形と膜の構造モデルまたはシミュレーションか
ら導かれる波形とのフィッティングにより前記光学的に
透明な膜の膜厚を求めることを特徴とする薄膜デバイス
の製造方法。
【請求項１２】前記白色光を照射し、前記反射光を検出
することを、前記光学的に透明な膜を研磨しながら行う
ことを特徴とする請求項９乃至１１の何れかに記載の薄
膜デバイスの製造方法。
【請求項１３】前記白色光を照射し、前記反射光を検出
することを、前記光学的に透明な膜を研磨した後に行う
ことを特徴とする請求項９乃至１１の何れかに記載の薄
膜デバイスの製造方法。
【請求項１４】薄膜デバイスの製造工程の途中において
前記薄膜デバイスの表面に形成した光学的の透明な膜に
光を照射し、該照射による前記薄膜デバイスからの反射
光を検出し、該検出した反射光の分光波形の位相に基づ
いて前記光学的に透明な膜の膜厚を求めることを特徴と
する薄膜デバイスの製造方法。
【請求項１５】薄膜デバイスの製造工程の途中において
前記薄膜デバイスの表面に形成した光学的の透明な膜に
光を照射し、該照射による前記薄膜デバイスからの反射
光を検出し、該検出した反射光の分光波形と膜の構造モ
デルまたはシミュレーションから導かれる波形とのフィ
ッティングにより前記光学的に透明な膜の膜厚を求める
ことを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項１６】前記薄膜デバイスが半導体デバイスであ
って、前記光学的に透明な膜の膜厚を求めることを、半
導体デバイスの基板ウェハ上に多数形成されたチップの
内の少なくとも１つのチップに対して複数の個所で行
い、該チップ内の膜厚の分布を求めることを特徴とする
請求項９乃至１１または１４または１５の何れかに記載
の薄膜デバイスの製造方法。
【請求項１７】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜を研磨する研磨手段と、該研磨手段により研磨
された前記光学的に透明な膜に白色光を照射する照射手
段と、該照射手段により照射されて前記薄膜デバイスか
ら発生する反射光を検出する検出手段と、検出手段によ
り検出した反射光の分光波形の位相に基づいて前記光学
的の透明な膜の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えた
ことを特徴とする薄膜デバイスの製造装置。
【請求項１８】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜を研磨する研磨手段と、該研磨手段により研磨
された前記光学的に透明な膜に白色光を照射する照射手
段と、該照射手段により照射されて前記薄膜デバイスか
ら発生する反射光を検出する検出手段と、検出手段によ
り検出した反射光の分光波形と膜の構造モデルまたはシ
ミュレーションから導かれる波形とのフィッティングに
より前記光学的の透明な膜の膜厚を算出する膜厚算出手
段とを備えたことを特徴とする薄膜デバイスの製造装
置。
【請求項１９】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜に白色光を照射する照射手段と、該照射手段に
より照射されて前記薄膜デバイスから発生する反射光を
検出する検出手段と、検出手段により検出した反射光の
分光波形の位相に基づいて前記光学的の透明な膜の膜厚
を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする薄膜デ
バイスの製造装置。
【請求項２０】薄膜デバイスの表面に形成した光学的に
透明な膜に白色光を照射する照射手段と、該照射手段に
より照射されて前記薄膜デバイスから発生する反射光を
検出する検出手段と、検出手段により検出した反射光の
分光波形と膜の構造モデルまたはシミュレーションから
導かれる波形とのフィッティングにより前記光学的の透
明な膜の膜厚を算出する算出手段とを備えたことを特徴
とする薄膜デバイスの製造方法。
【請求項２１】前記薄膜デバイスが半導体デバイスであ
って、前記検出手段は、前記薄膜デバイスから発生する
反射光を検出することを半導体デバイスの基板ウェハ上
に多数形成されたチップの内の少なくとも１つのチップ
に対して複数の個所で行い、前記算出手段は、前記光学
的の透明な膜の膜厚を前記検出手段で検出した前記多数
形成されたチップの内の少なくとも１つのチップの複数
の個所について算出して該チップ内の膜厚の分布を求め
ることを特徴とする請求項１７乃至２０の何れかに記載
の薄膜デバイスの製造装置。