JP2000354961A

JP2000354961A - 検出装置及び検出方法

Info

Publication number: JP2000354961A
Application number: JP26812399A
Authority: JP
Inventors: Kajiro Ushio; 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2000-12-26
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP4505893B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体デバイスのＣＭＰにおける研磨終了
点を研磨中にいわゆるin-situ でモニタする技術は、従
来、精度的に不十分であり、光学的な方法においても、
下地パターン影響や、測定位置の影響によって十分な計
測（終点判定）能力が不足する問題があった。【解決手段】本検出方法は、半導体素子形成における、
金属電極層の少なくとも一部を、研磨により除くことを
目的とする研磨平坦化工程において、半導体素子形成を
行うウェハ研磨面の、一部または全部にプローブ光を照
射し、その反射光あるいは透過光の波長依存性（分光特
性）の変化により、研磨量および、研磨終了点を検知す
る方法において、反射光あるいは透過光の正反射成分
（０次光）のみを検出し、その他の成分の光を検出しな
いことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜の除去工程、特
に研磨工程、更に特に半導体製造プロセスのＣＭＰ工程
に於ける除去量（膜厚）または工程終了点の検出装置及
び検出方法に関する。

【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、高密度実現のため、種々な技術、
方法の開発が進められている。その一つが、多層配線で
あり、これに伴う技術的課題に、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および、上下層
間の配線がある。

【０００３】リソグラフィの短波長化に伴う露光時の焦
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）の要求も多層配線実現にとっては大きく、この場
合、積層後の余分な金属層の除去及び平坦化が行わなけ
ればならない。これらの、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と呼ばれ
る研磨工程である。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Poli
shing またはPlanarization ）は、物理的研磨に、化学
的な作用（研磨剤、溶液による溶かしだし）とを併用し
て、ウェハーの表面層を除いていく工程で、グローバル
平坦化および、電極形成技術の最有力な候補となってい
る。具体的には、適当な研磨布を用い、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介して研磨布をウェハ表面に加圧
し、且つ研磨布とウェハとの相対運動によりウェハ表面
を摩擦することにより研磨を進行させる。ウェハ全面に
おいて、加圧と相対運動速度とを一様とすることでウェ
ハ表面内の一様な研磨が可能になる。

【０００４】この工程の解決課題の大きなものの一つと
して、研磨工程の終了点の検出及び研磨工程中の膜厚の
検出がある。ことに、研磨工程を行いながらの（in-sit
u の）研磨終了点及び膜厚の検出は、工程効率化のため
にも重要度が高い。従来、研磨終了点及び膜厚の検出方
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、ウェハ回転やパッドの回転のモ
ータートルクの変化によって検出する方法が用いられて
いる。また、研磨パッドに光路を設けたり、ウェハ裏面
から透過させた、ウェハ（シリコン）透過性の光（赤外
光）を利用して、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むけ開発が進められてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、ＣＭ
Ｐにおける研磨終了点を研磨中にいわゆる同時に（in-s
itu ）でモニタする技術は、特に金属研磨において、要
請が高まっている。しかるに、満足のできる方式が供給
されているとは言いがたい。例えば、研磨終了点をモー
タートルクの変化で検出する方式は、異なる層の研磨開
始を検知する金属研磨時、等に有効な場合もあるが、あ
る種の電極金属（バリアメタル層をもったＣｕ層など）
に対して有効でないことが指摘されており、有効な場合
においても精度の上で不十分である。例えば、研磨パッ
ドが経時変化すると、この変化がモータトルクに影響を
及ぼすことがあるために、検出が困難になることも報告
されている。また、光学的な方法においても、下地パタ
ーン影響や、測定位置の影響によって十分な計測（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。

【０００６】本発明の目的は、以上の問題を解決して、
ＣＭＰプロセス、特にデバイス半導体ウェハの金属層研
磨プロセスにおいて、下地パターン（ウェハのデバイス
パターン）の種類に依存せず、且つ測定位置（プローブ
光照射位置）に依存せず、且つ精度よく、尚且つ簡便に
研磨終了点および膜厚を、研磨中あるいは研磨後に精度
よく検出する方法および装置を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、そのために、
第一に、「最表面に金属層とその下部にパターン構造層
とを有する基板から金属層の少なくとも一部を除去する
工程において、基板の一部または全部にプローブ光を照
射する段階と、前記基板からの反射光または透過光の正
反射成分（０次光）のみを抽出する段階とを具えること
を特徴とする除去量または工程終了点の片方または両方
を検出する検出方法（請求項１）」を提供する。

【０００８】また、第二に、「最表面に金属層とその下
部にパターン構造層とを有する基板から金属層の少なく
とも一部を除去する工程において、基板の一部または全
部にプローブ光を照射する段階と、前記基板からの反射
光または透過光の正反射成分（０次光）を除去する段階
とを具えることを特徴とする除去量または工程終了点の
片方または両方を検出する検出方法（請求項２）」を提
供する。

【０００９】また、第三に、「更に、前記プローブ光の
スポット径を前記パターン構造層のパターンの最小単位
よりも大きく調整する段階と、前記プローブ光の空間コ
ヒーレンス長を制御する段階とを具えることを特徴とす
る請求項１〜２何れか１項記載の検出方法（請求項
３）」を提供する。また、第四に、「前記反射光または
透過光の分光特性における少なくとも一つの極大値、極
小値、極大値もしくは極小値の位置（波長）、極大値も
しくは極小値の個数、または全ての極大値と全ての極小
値とこれらの位置と個数を少なくとも部分的に用いて計
算されたパラメータ、から選ばれた一つ以上を用いる段
階を具えることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記
載の検出方法（請求項４）」を提供する。

【００１０】また、第五に、「前記反射光または透過光
の分光特性の所定の波長域に於ける各波長の信号強度の
分散を用いる段階を具えることを特徴とする請求項１〜
３何れか１項記載の検出方法（請求項５）」を提供す
る。また、第六に、「前記反射光または透過光の分光特
性と参照波形とのフィッティングが行なわれる段階を具
えることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の検
出方法（請求項６）」を提供する。

【００１１】また、第七に、「前記フィッティングが相
互相関係数、自己相関係数、または最小二乗法の群から
選ばれた一つ以上の方法で行なわれることを特徴とする
請求項6 記載の検出方法（請求項７）」を提供する。ま
た、第八に、「前記反射光または透過光の分光特性のフ
ーリエ変換の成分を用いる段階を具えることを特徴とす
る請求項１〜３何れか１項記載の検出方法（請求項
８）」を提供する。

【００１２】また、第九に、「請求項４〜８から選ばれ
た二つ以上を併用することを特徴とする検出方法（請求
項９）」を提供する。また、第十に、「前記除去する工
程が、研磨体と前記研磨体に加圧された前記基板との相
対運動により行なわれ、前記プローブ光を照射する段階
が、プローブ光を前記研磨体に設けられた透光性部分を
通過させたり、あるいは前記研磨体から前記基板がはみ
出した部分に照射することにより行われ、研磨進行中に
同時（ｉｎ−ｓｉｔｕ）に除去量または工程終了点の片
方または両方を検出することを特徴とする請求項１〜９
何れか１項記載の検出方法（請求項１０）」を提供す
る。

【００１３】また、第十一に、「請求項１〜１０何れか
１項記載の検出方法を用い、最表面に金属層とその下部
にパターン構造層とを有する基板から少なくとも金属層
の一部を除去する工程に於いて、金属層の除去量または
工程終了点の片方または両方を検出する検出装置（請求
項１１）」を提供する。また、第十二に、「前記除去す
る工程が、半導体素子形成に於ける研磨平坦化工程であ
ることを特徴とする請求項１〜１０何れか１項記載の検
出方法（請求項１２）」を提供する。

【００１４】また、第十三に、「前記除去する工程が、
半導体素子形成に於ける研磨平坦化工程であることを特
徴とする請求項１１記載の検出装置（請求項１３）」を
提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明にかかる研磨終了点の実施
の形態の例を以下に説明するが、本発明はこの例に限定
されるものではない。先に述べたように、研磨終了点を
知るにあたり、光学的方法が提案されており、代表的な
ものは、レーザ光を研磨面に照射し、その反射光の強度
の時間変化を追跡するものである。金属研磨では、研磨
進行によって下地の誘電層が（一部）露出すると、反射
光量が低下するため、この強度変化を検知することで、
研磨終了点を知ることができるというものである。誘電
膜研磨の場合は、膜厚変動によって、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）がおこり、膜厚即ち除去
量を算出することが可能になる。光照射にあたっては、
ウェハ表面からの光照射のほか、ウェハを透過する赤外
光を、ウェハ裏面から照射する方法も提案されている。
金属研磨工程の工程終了点の検出のためのこの光学式方
法は、トルク検知などの方法に比較して精度的に優れる
とされている。

【００１６】しかしながら、以上のような光学的方式を
用いても尚、金属研磨における工程終了点の検出に於け
る問題が解決されていない。先ず、こうした光量変動検
知においては、その変動は終点に向かって緩やかであ
り、はっきりとした工程終了点の判定が精度よくできな
い場合が多い。また、メタルパターンが多層になってい
るデバイスから最上層の金属層を研磨する工程で、誘電
体層が露出した瞬間を研磨終了点とする場合は、研磨し
ている金属層がなくなって、その下層の誘電体層が露出
しても、その誘電体層（光学的に透明な層）の下に金属
層が存在することが多いため、研磨終了点付近で光量変
化として十分な変化が見られず、検出が困難になること
もある。さらに、研磨中にウェハ表面へ光照射を行って
観察する同時（in-situ ）計測の系においては、ウェハ
の運動によってプローブ光が照射されている位置即ち計
測点の特定が難しい。一般のパターンではいろいろのパ
ターンの密度および精細度の部分が存在し、これによる
計測（照射）位置による信号の変動が検出能を落とす結
果となる。

【００１７】そこで、本発明においては、こうしたパタ
ーン存在のウェハの光学計測を、より精度を上げて適切
に行えるような方式を提供する。本発明においては、検
出用のプローブ光として、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。勿論ウェハ裏面からの照射
でもよいが、その場合は赤外域での多成分波長光源が必
要になる。このプローブ光の反射光（あるいは赤外光の
場合は透過光も考えうる。）の波長依存即ち分光特性を
検知することにより、研磨の状態を知ろうとするもので
ある。

【００１８】半導体製造プロセスの金属層研磨の工程に
おいては、初期状態は、ウェハの殆ど全面が金属層に覆
われた状態であり、研磨の進行によって、部分的に金属
層が除去され、パターン構造が露出してくる。本発明に
おいては、研磨進行による光の強度の変化というより
は、パターンが出現することによる、パターン各部分か
らの光波の重ね合わせ、すなわち、パターン間の干渉現
象が発現することを捉えて、検知しようとするものであ
る。基本的な概念図を図１に示す。図１の上図は本発明
の対象のデバイスパターンの断面を模式的に示したもの
である。上図は研磨前、下図は研磨終了点付近に於ける
状態を示し、１は金属電極層、２は誘電体層である。

【００１９】本発明の研磨終了点検出に於いてはパター
ンの最小単位よりも大きなスポット径の光をパターン構
造を有するウェハ面に照射する。ここで、パターンの最
小単位は、例えば図９のパターン面の平面図で示すよう
に、周期構造を有するパターンの最小単位のことであ
る。この場合、ブランクではないパターン構造部分から
の反射光（または透過光）は、図１に於いて、デバイス
を構成する積層薄膜の各部分からの反射光波（図１の１
００、２００、３００及びａ、ｂなど）の重ね合わせで
生じた波長依存性（分光特性）を見せ、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。このデバイスを構成する積層薄膜がパター
ン構造を有する。この分光特性の信号波形を研磨進行中
にモニタして、目的のパターンに対応する干渉波形を検
知することにより、研磨終了点を検出することが可能に
なる。

【００２０】このように、パターンの最小単位よりも大
きなスポット径の光を照射することにより、パターンが
出現したときの干渉効果をできるだけ大きくして、検知
することができる。これは、パターンが出現すると、パ
ターン間干渉が生ずることにより、観測される分光反射
率（または透過率）波形の、極大値、極小値の差、いわ
ゆる分光特性の振幅が拡大され、検出が高精度、且つ容
易化されるからである。プローブ光のスポット径の調整
はスリット２４により行なわれる。

【００２１】ここで、パターンの各部分からの光波の干
渉の程度（重ねあわせの程度）を規定しているのは、照
射光学系の空間コヒーレンス長（可干渉長）である。空
間コヒーレンス長よりも、パターン構造中のパターンの
最小単位が小さければ、各パターン部からの光波は互い
に干渉し、大きければ、干渉しない。干渉しない場合、
観測される信号波形は、パターンの各部分からの光波の
強度の単なる足し合わせとなる。

【００２２】従って本発明の終点検出装置の光学系にお
いては、パターン干渉の発現を規定する空間コヒーレン
ス長を制御する。一般的には、空間コヒーレンス長を大
きな値に設定することで様々なパターンに対応できる
が、場合によっては、計測するパターンの例えば最小単
位に応じてこの値を変化させることは好ましい。プロー
ブ光の反射光は、パターン構造が存在することにより、
いわゆる正反射成分のみならず、他の成分を一般に有す
る。この他の成分には、細かい凹凸等による散乱成分の
ほか、１次以上の回折光成分が含まれる。研磨終了点で
のパターン構造出現に伴う、パターン間干渉の観測を行
うことを意図する本発明においては、これらの０次光以
外の成分を除くこともやはり、信号波形の振幅、つまり
検出信号のＳ/ Ｎ比を上げるために有効である。よっ
て、０次光以外の成分を除く機構をもつことも検知機構
において望ましい。また逆に、この０次光以外の成分の
発生を、検知して、研磨終了点を検出することも考えら
れる。これも本発明の検出系を一部改変することで容易
に可能になる。

【００２３】研磨終了点の検出のために、分光反射率の
計測を適用した従来例は存在するが、これは、本発明の
ような、パターン間干渉を利用するという目的と、その
ための機構を持ったものでなく、その効果は本発明の検
出機構に比して小さい。本発明において、研磨終了に伴
う信号波形の変化を定量的に評価するには種々の方法が
考えられる。

【００２４】直接的であるのは、干渉現象を、信号波形
の極大値、極小値により判断する方法であり、例えば、
測定された極大値または極小値と設定した極大値または
極小値との大小比較（実際には極大値は用いにくい）
や、測定された極大値と極小値との差（いわゆる振幅）
や、より直接的には極大値、極小値の数などにより研磨
終了点を検出できる。

【００２５】また、分光反射率（または透過率）波形
の、指定された波長範囲での分散によってもこの干渉現
象を評価することができる。具体的には、観測されたあ
る波長での反射率をＲ( λ) としたとき次式、等により
求めた値を判定に使う。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここで、λ₂は測定波長域の上限を、λ₁
は下限を示す。Ｒ_AVE( λ）はＲ( λ) の波長域λ₁〜
λ₂に於ける平均値である。うことになる。ＣＭＰ工程
の対象のウェハの、研磨終了点における、分光反射率
（または透過率）波形を参照波形として予め計算もしく
は実測しておき、参照波形と、ＣＭＰ工程中のウェハの
観測波形との比較により、研磨終了点の判定を行うこと
も有効である。

【００２８】参照波形と観測波形との比較対象として
は、両波形の極大極小値の位置（波長）を用いても両波
形の相互相関係数や自己相関係数や最小二乗法など曲線
相似（フィッティング）の方法を用いても良い。前者の
場合は簡便に研磨終了点の判定ができ、後者の場合は処
理が複雑になるが判定の精度が高い。さらに、以上述べ
たような判定方法の２つ以上を併用して実施することも
考えられる。

【００２９】さらにまた、以上の比較に先立ってウェハ
上へのプローブ光の照射位置の特定を行う。特定する方
法としては、参照波形と観測波形との曲線相似（フィッ
ティング）や、観測された分光特性の基準値との比較を
用いる。この特定方法については特願平１１−１８９３
８８に詳しく開示されている。本発明の計測は研磨工程
後の洗浄前計測、いわゆるインライン（in-line ）計
測、または研磨工程後の洗浄後計測、いわゆるオフライ
ン（off-line）計測でも勿論有効であるが、研磨進行中
に同時（in-situ ）に計測することができればさらに有
効である。これを実現するするために、研磨パッドおよ
び定盤の一部を透光性としてそこからプローブ光を研磨
中のウェハの被研磨面に照射して反射光計測を行なった
り、研磨中のウェハを研磨パッドより一時的にはみ出さ
せてそこでプローブ光を照射して反射光計測を行なうこ
とは好ましい方法である。

【００３０】同時（in-situ ）計測では、研磨スラリー
の影響や、ウェハが動いている影響などにより、反射光
（または透過光）信号はノイズ成分を含みやすい。しか
しながら本発明の方法では、反射光量の絶対値ではな
く、分光反射特性の形状全体を検知に利用し、しかもこ
の分光反射特性の波長間の変動がノイズと較べて大きい
ので、本質的にノイズに非常に強い検出方法となってい
る。

【００３１】また、同時（in-situ ）計測において特に
問題となる、デバイスパターンの計測位置による検出能
低下についても本発明の機構は大きな利点をもつ。パタ
ーン構造を有するウェハには様々の密度および精細度の
パターンが混在しており、そのため、検出信号はプロー
ブ光の照射位置によって一般に異なり、その結果光強度
も一般に異なる。光強度を検出する方法などでは、この
位置による光強度の差異によって、研磨終了点の検出に
支障をきたすことも多いが、本発明の方式では、研磨終
了点においての信号の変化（例えば極大値と極小値との
差の変化）は、通常のデバイスパターンの計測位置によ
る信号差異よりはるかに大きいことが確かめられてお
り、十分に検出が可能である。

【００３２】本発明による膜の除去量の検出は、初期の
膜厚を既知として、例えば、初期膜厚から現膜厚を減ず
ることにより行なわれる。本発明の最上層は、ここでは
金属層の場合を説明したが、金属層でなくとも、少なく
ともプローブ光に対して本質的に不透明である、あらゆ
る層の場合に適用できることは言うまでもない。

【００３３】

【実施例】［実施例１］実際に図２（Ａ）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Ｃｕダ
マシン（象嵌）の作製における研磨終了点検出を試み
た。図２（Ａ）にて、４はウェハ、５は研磨ヘッド（キ
ャリア）、６は研磨パッド、７は透光窓、８は光照射及
び検出部、そして１２は定盤である。研磨の際、研磨ヘ
ッド５にはウェハ４が保持され、研磨パッド６の加工面
に加圧されると共に回転運動（方向のみを矢印で示す）
と揺動運動が与えられる。研磨パッド６は定盤１２に固
定され、回転運動（方向のみを矢印で示す）が与えられ
る。このようにウェハ４と研磨パッド６との間には相対
運動が与えられ、研磨剤（図示されない）がウェハ４と
研磨パッド６との間に供給される。研磨中に光照射及び
検出部８からのプローブ光が透光窓７を通ってウェハ４
の被研磨面に照射されるとともにウェハ４からの反射光
が光照射及び検出部８により検出される。

【００３４】研磨対象の撮像素子は、最小線幅約0.3 μ
ｍ、最小単位長約１μｍの構造を持つ。図２（Ｂ）に断
面を示したごとく、９はＣｕ層、１０は誘電体（ＳｉＯ
₂）層であり、誘電体層１０の上層ばかりでなく誘電体
層１０の下層にも電極の存在する構造である。バリアメ
タル（図示されず。膜厚約６０ｎｍ）はTaの窒化物であ
る。図３は終点検出装置の光学系の構成を示す図であ
り、この光学系は図２（Ａ）のプローブ光照射及び検出
部８に相当する。１１はキセノンランプ、３０は可変径
絞り、４はウェハ、１３はコリメートレンズ、２４はス
リット、１４、１５、１６、１７、１８はリレーレン
ズ、２３はビームスプリッタ、１９はミラー、２０はピ
ンホール、２１は回折格子、そして２２は光ダイオード
型のリニアセンサ（２５６素子）である。

【００３５】図２（Ａ）にて、光照射は、下面の研磨パ
ッド（エポキシ系研磨布）６、およびその定盤１２に約
１ｃｍ×４ｃｍの矩形孔を開け、研磨パッド６の加工面
とほぼ同一面に、石英ガラスの透光窓７を設けた構成で
行うこととした。石英ガラスの透光窓７の上面または下
面の片方または両方には、使用光の波長域における反射
防止コートを施した。研磨終了点の検出は以下のように
行なう。図３にて、キセノンランプ光源１１からの光
は、空間コヒーレンス長制御部である可変径絞り３０、
コリメートレンズ１３、スリット２４、リレーレンズ１
４、ビームスプリッタ２３、リレーレンズ１５を通っ
て、ウェハ４の被研磨面に垂直に照射される。ウェハ４
からの反射光は、再びリレーレンズ１５を通り、ビーム
スプリッタ２３を反射し、リレーレンズ１６を通り、ミ
ラー１９で反射し、リレーレンズ１７を通り、ピンホー
ル２０を通過して、散乱光、回折光などの０次光以外の
成分が除去され、リレーレンズ１８を通り、回折格子２
１で分光し、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２２（２５
６素子）で検出される。ここで、可変径絞り３０はパタ
ーンの最小寸法に応じて調節され、一般には空間コヒー
レンス長が、少なくともパターンの最小寸法よりも大き
くなるように絞り径が調節されている。計測波長範囲は
約４００ｎｍから約８００ｎｍであり、照射スポット系
は約0.5 ｍｍΦである。リニアセンサ２２からの出力
は、図示されないが、増幅後、信号波形としてパソコン
で処理される。その際、予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。具体的には
例えば、適時、ウェハ４がアルミニウムミラー、等の参
照ミラーに置き換えられ、この状態で測定された信号波
形が光源光の分光強度情報（参照値）とされる。ウェハ
研磨時に測定された信号波形は、この参照ミラーで測定
された信号波形との比較に於いて処理されてウェハの分
光特性が求められるのである。

【００３６】図２（Ａ）に示す研磨システムにおいて、
シリカ粒を過酸化水素水溶液に分散させた研磨剤（スラ
リー）を用い、約３００nm/minの研磨レートで研磨を行
なった。本実施例では、Ｃｕ、バリアメタルとも同一の
スラリーにより行い、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。図４に示すよう
に、研磨が進行すると、初期（初期膜厚約５００nm) の
波形が、しばらくは殆ど変化せずに観察されるが、バリ
アメタルの露出後の研磨終了点付近において、大きな波
形変化を見せる。初期信号、終点直前（メタル残り膜厚
約５０ｎｍ）の波形、及び工程終了点( 研磨終了点) の
波形とを併せて比較すれば分かるように、研磨終了点付
近で波形が急激に変化する。この顕著な変化を追うこと
で、研磨終了点が高精度且つ容易に検出、判定できた。［実施例２］更に、実施例２として、最上層の金属層を
含む２種類以上の層を同時に研磨する場合を示す。図８
（ａ）は研磨対象のデバイスの断面構造である。２６は
Ｃｕ層、２７はＴｉＮ層、そして２８はＳｉＯ₂層であ
り、Ｃｕ層とＳｉＯ₂層の間にバリアメタル層としてＴ
ｉＮ層を有する。ＴｉＮの光学的性質（光学定数）はＣ
ｕ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ＴｉＮ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）の研磨初期段階と、図８
（ｂ）のＴｉＮ層露出段階の信号と、図８（ｃ）の工程
（研磨）終了点では信号の形が異なる筈である。図７
に、実線に研磨初期段階の信号と、一点鎖線にＴｉＮ層
露出段階の信号と、そして鎖線に工程（研磨）終了点の
信号とを併せて示すように、これらの信号は互いに明確
に区別されるので、研磨終了点のみならず、ＴｉＮ層露
出段階も精度良く且つ容易に検出できる。このようにＴ
ｉＮ層露出段階が検出できることは工程管理上都合が良
い。ここで、実施例１と同様な図２（Ａ）の研磨装置
と、図３の終点検出装置の光学系を用いた。

【００３７】以上実施例１、２で検出された研磨終了点
信号を用い、研磨システムの自動化を図ることができ
る。研磨終了点の検出、判定のパラメータとして、計測
波形（分光特性）の極大値と極小値との差や、長波長域
（例えば６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下）における分散
値を選定して、工程制御を行った。図５に分散値の追跡
結果を示すが、工程終了点（研磨終了点）付近で非常に
大きな変化を見せているために研磨終了点を充分なS/N
で検出することが可能となった。極大値と極小値との差
を用いた場合も同様に充分なS/N で検出することが可能
であった。

【００３８】図４、図５に示したデータは、図２（Ｂ）
下図にてパターン面上の照射部分の電極パターン（Ｃｕ
層）密度が約３０％の場合であるが、電極パターン密度
が約１０％〜６０％の範囲であれば、研磨終了点付近に
おける分散値の波形に大きな変化はなく、パターン密度
の違いに依存せず同時に（In-situ で）研磨終了点を充
分なS/N で検出することが可能なことが確認された。判
定のパラメータとして、極大値と極小値との差を用いた
場合も同様に充分なS/N で検出することが可能なことが
確認された。

【００３９】図６の実線の波形と破線の波形の比較から
も分かるように、選ばれる波長によっては、研磨初期か
ら工程終了点にかけて、約４４０ｎｍ、約５１０ｎｍ、
約６１０ｎｍ、及び約７５０ｎｍで見られるように、反
射光強度が殆ど変化していない。これは波長を固定して
の（レーザーなどの単色光光源を用いての）反射光強度
モニタなどでは、研磨終了点の検出を安定的に充分なS/
N で検出することができないことを示している。

【００４０】一方、本発明のシステムのようなパターン
間干渉の利用を考慮していない一般的分光光学系によっ
て、同様の研磨工程において得られた波形を図６の一点
鎖線に示す。研磨終了点においての波形変化は見られる
ものの、本発明の破線の波形の変化に比してその変化は
小さく、研磨終了点検出においての能力が低いことが示
された。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、パターン
間干渉を用いているので、半導体デバイスの金属層研磨
において、除去量あるいは研磨終了点の片方または両方
の検出が、高精度、高速、且つ容易になされる。この方
式は信号の変化量が大きいので、ノイズの影響が小さ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の計測概念図である。

【図２】（Ａ）は実施例１、２における計測の概念図で
ある。（Ｂ）は実施例１における工程のデバイス断面図
である。

【図３】は、実施例１、２における光学系の概要図であ
る。

【図４】は、実施例１での計測信号である。初期、終了
点間際、終了点の信号を、併せて示す。

【図５】は、実施例１における波形パラメータ（分散
値）の追跡結果を示す。

【図６】は、実施例１における計測信号と、本発明によ
らない類似計測による信号の比較を示す。

【図７】は、実施例２での計測信号である。初期、Ｔｉ
Ｎ層露出段階、終了点の信号を、併せて示す。

【図８】は、最上層の金属層と中間のＴｉＮバリアメタ
ル層を含むデバイスの断面構造であり、研磨の各段階に
於ける断面を示す。

【図９】は、パターンの最小寸法を説明するパターン例
の図である。

【符号の説明】

１金属電極層（メタル）２誘電体層３プローブ光スポット４ウェハ５研磨ヘッド（キャリア）６研磨パッド（エポキシ系研磨布）７透光窓（石英ガラス）８プローブ光照射及び検出部９Ｃｕ層１０誘電体（ＳｉＯ₂）層１１光源（キセノンランプ）１２定盤１３コリメータレンズ１４〜１８リレーレンズ１９ミラー２０ピンホール２１回折格子２２光ダイオード型のリニアセンサ（２５６素子）２３ビームスプリッタ２４スリット２５プローブ光及び反射光２６Ｃｕ層２７ＴｉＮ層２８ＳｉＯ₂層２９研磨体３０空間コヒーレンス長制御部（可変径絞り）３１誘電体（ＳｉＯ₂）層３２Ｓｉ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】最表面に金属層とその下部にパターン構造
層とを有する基板から金属層の少なくとも一部を除去す
る工程において、基板の一部または全部にプローブ光を
照射する段階と、前記基板からの反射光または透過光の
正反射成分（０次光）のみを抽出する段階とを具えるこ
とを特徴とする除去量または工程終了点の片方または両
方を検出する検出方法。
【請求項２】最表面に金属層とその下部にパターン構造
層とを有する基板から金属層の少なくとも一部を除去す
る工程において、基板の一部または全部にプローブ光を
照射する段階と、前記基板からの反射光または透過光の
正反射成分（０次光）を除去する段階とを具えることを
特徴とする除去量または工程終了点の片方または両方を
検出する検出方法。
【請求項３】更に、前記プローブ光のスポット径を前記
パターン構造層のパターンの最小単位よりも大きく調整
する段階と、前記プローブ光の空間コヒーレンス長を制
御する段階とを具えることを特徴とする請求項１〜２何
れか１項記載の検出方法。
【請求項４】前記反射光または透過光の分光特性におけ
る少なくとも一つの極大値、極小値、極大値もしくは極
小値の位置（波長）、極大値もしくは極小値の個数、ま
たは全ての極大値と全ての極小値とこれらの位置と個数
を少なくとも部分的に用いて計算されたパラメータ、か
ら選ばれた一つ以上を用いる段階を具えることを特徴と
する請求項１〜３何れか１項記載の検出方法。
【請求項５】前記反射光または透過光の分光特性の所定
の波長域に於ける各波長の信号強度の分散を用いる段階
を具えることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載
の検出方法。
【請求項６】前記反射光または透過光の分光特性と参照
波形とのフィッティングが行なわれる段階を具えること
を特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の検出方法。
【請求項７】前記フィッティングが相互相関係数、自己
相関係数、または最小二乗法の群から選ばれた一つ以上
の方法で行なわれることを特徴とする請求項6 記載の検
出方法。
【請求項８】前記反射光または透過光の分光特性のフー
リエ変換の成分を用いる段階を具えることを特徴とする
請求項１〜３何れか１項記載の検出方法。
【請求項９】請求項４〜８から選ばれた二つ以上を併用
することを特徴とする検出方法。
【請求項１０】前記除去する工程が、研磨体と前記研磨
体に加圧された前記基板との相対運動により行なわれ、
前記プローブ光を照射する段階が、プローブ光を前記研
磨体に設けられた透光性部分を通過させたり、あるいは
前記研磨体から前記基板がはみ出した部分に照射するこ
とにより行われ、研磨進行中に同時に除去量または工程
終了点の片方または両方を検出することを特徴とする請
求項１〜９何れか１項記載の検出方法。
【請求項１１】請求項１〜１０何れか１項記載の検出方
法を用い、最表面に金属層とその下部にパターン構造層
とを有する基板から少なくとも金属層の一部を除去する
工程に於いて、金属層の除去量または工程終了点の片方
または両方を検出する検出装置。
【請求項１２】前記除去する工程が、半導体素子形成に
於ける研磨平坦化工程であることを特徴とする請求項１
〜１０何れか１項記載の検出方法。
【請求項１３】前記除去する工程が、半導体素子形成に
於ける研磨平坦化工程であることを特徴とする請求項１
１記載の検出装置。