基板研磨装置及基板研磨方法与流程

本申请主张基于2017年7月24日提出申请的日本申请jp2017-142545的优先权，在此引用其全部内容作为参考。

本发明涉及对半导体晶片等基板的表面进行处理的基板处理装置及方法。

背景技术：

用于对半导体晶片等基板通过所谓的cmp(chemicalmechanicalpolishing：化学机械研磨)来研磨基板的表面的基板研磨装置已广为人知。在这样的基板研磨装置中，具备用于测定研磨中的基板的膜厚的膜厚测定器。

作为膜厚测定器已知有光学式的膜厚测定器。在该光学式膜厚测定器中，向基板的表面照射测定光，接收从基板反射的测定光而取得光谱。反射光的光谱特性根据基板的膜厚而变化，所以在膜厚测定器中，基于规定的算法来分析反射光的光谱而推定基板的膜厚(国际公开2015/163164号)。

伴随着半导体器件的高集成化、高密度化，电路的配线越来越微细化，多层配线的层数也在增加，制造工序中的半导体器件表面的平坦化、被研磨层与底层之间的界面的检测精度变得越来越重要。因此，为了适当地控制基板研磨终止的时间点，希望准确地测定研磨中的基板的膜厚。

在基于反射光的光谱推定基板的膜厚的情况下，在该光谱的变化具有线性时，可以说推定的膜厚的可靠性较高，但是在光谱的变化不为一定(非线性)时，推定的膜厚的可靠性较低。另外，在基板的膜厚较厚的情况下(或较薄的情况下)，根据膜厚推定的算法，推定出的膜厚会产生误差，其结果是，得到的膜厚的可靠性有时较低。另外，根据残留膜厚不同而最适合的膜厚推定的算法根据残留膜厚而变化，但在以往的方式中未考虑残留膜厚。

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

本发明鉴于上述情况而作出，其目的是提供一种能够通过更准确地推定研磨中的基板的膜厚，而适当地检测基板研磨的终点的基板研磨装置及方法。

作为本发明的一个实施方式的基板研磨装置的特征在于，具备：顶环，所述顶环用于通过将基板向研磨垫按压而进行基板研磨；光谱生成部，所述光谱生成部对基板的被研磨面进行光照射并接收其反射光，并且算出该反射光的与波长对应的反射率光谱；存储部，所述存储部存储用于基于反射率光谱来推定被研磨面的膜厚的多个膜厚推定算法；算法设定部，所述算法设定部从存储于该存储部的膜厚推定算法之中设定多个膜厚推定算法及其切换条件；以及膜厚推定部，所述膜厚推定部通过由算法设定部设定的膜厚推定算法推定被研磨面的膜厚，并在满足了切换条件的情况下切换应适用的膜厚推定算法。

在上述基板研磨装置中，优选的是，具备终点检测部，在被研磨面的膜厚达到了规定的目标值时，所述终点检测部输出指示基板研磨的终点的控制信号。

另外，优选的是，在被研磨面的膜厚的推定值达到了设定值时，切换膜厚推定算法。或者，优选的是，由两个膜厚推定算法推定出的膜厚的推定值之差小于规定值时，切换膜厚推定算法。

在上述基板研磨装置中，优选的是，在切换膜厚推定算法前，通过使用了切换前后的两个膜厚推定算法的加权函数来推定被研磨面的膜厚。由此，能够防止在算法的切换前后，推定值产生不连续性。另外，优选的是，作为膜厚推定算法，包括使用fft推定膜厚的第一方法和使用拟合推定膜厚的第二方法，在第一方法之后切换为第二方法。

作为本发明的一个实施方式的基板研磨方法，通过将基板按压于研磨垫而进行基板研磨，所述基板研磨方法的特征在于，具备如下的步骤：对基板的被研磨面进行光照射并接收其反射光，并且算出该反射光的与波长对应的反射率光谱；从存储用于基于反射率光谱而推定被研磨面的膜厚的多个膜厚推定算法的存储部中，设定多个膜厚推定算法及其切换条件；以及通过所设定的所述膜厚推定算法推定被研磨面的膜厚，并且在满足了切换条件的情况下切换应适用的膜厚推定算法。

附图说明

图1是概略性地表示本发明的实施方式的基板研磨装置的结构的图。

图2是表示研磨头的构造的剖视图。

图3是表示基板研磨装置所具备的光学测定器的结构的剖视图。

图4是表示晶片与研磨台之间的位置关系的俯视图。

图5是表示控制部的结构的框图。

图6是表示来自晶片的反射光的光谱的说明图。

图7是表示基板研磨处理的顺序的一个例子的流程图。

图8是表示基板研磨处理的另一个例子的曲线图。

图9是表示膜厚推定算法的切换处理的一个例子的曲线图。

图10是表示膜厚推定算法的切换处理的另一个例子的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的一个实施方式的基板处理装置。另外，对于同一或相当的构成要素，附以同一附图标记并省略重复的说明。

图1是表示本发明的一个实施方式的研磨装置的图。如图1所示，研磨装置10具备：研磨台13，该研磨台13安装有具有研磨面11a的研磨垫11；研磨头15，该研磨头15用于保持作为基板的一个例子的晶片w并且一边向研磨台13上的研磨垫11按压一边进行研磨；研磨液供给喷嘴14，该研磨液供给喷嘴14用于向研磨垫11供给研磨液(例如悬浊液)；及研磨控制部12，该研磨控制部12控制晶片w的研磨。

研磨台13经由台轴13a而与配置于其下方的台电动机17连结，通过该台电动机17而研磨台13向箭头所示的方向旋转。在该研磨台13的上表面贴附有研磨垫11，研磨垫11的上表面构成研磨晶片w的研磨面11a。研磨头15连结于研磨头传动轴16的下端。研磨头15构成为能够通过真空吸引而在其下表面保持晶片w。研磨头传动轴16通过未图示的上下移动机构而进行上下移动。

晶片w的研磨如下地进行。使研磨头15及研磨台13分别向箭头所示的方向旋转，从研磨液供给喷嘴14向研磨垫1上供给研磨液(悬浊液)。在该状态下，研磨头15将晶片w向研磨垫11的研磨面11a按压。晶片w的表面通过研磨液包含的磨粒的机械性作用和研磨液的化学性作用而被研磨。

图2是表示研磨头15的构造的剖视图。研磨头15具备：圆板状的载体20；圆形的柔软的弹性膜21，该圆形的柔软的弹性膜21在载体20的下方形成多个压力室(气囊)d1、d2、d3、d4；及保持环22，该保持环22以包围晶片w的方式配置，按压研磨垫1。压力室d1、d2、d3、d4形成于弹性膜21与载体20的下表面之间。

弹性膜21具有多个环状的分隔壁21a，压力室d1、d2、d3、d4由上述分隔壁21a相互分隔。中央的压力室d1是圆形的，其他压力室d2、d3、d4是环状的。上述压力室d1、d2、d3、d4呈同心圆状地排列。

压力室d1、d2、d3、d4与流体线g1、g2、g3、g4连接，进行了压力调整后的加压流体(例如加压空气等加压气体)经过流体线g1、g2、g3、g4而向压力室d1、d2、d3、d4内供给。流体线g1、g2、g3、g4与真空线u1、u2、u3、u4连接，通过真空线u1、u2、u3、u4而在压力室d1、d2、d3、d4中形成负压。

压力室d1、d2、d3、d4的内部压力能够通过后述的处理部32及研磨控制部12而相互独立地变化，由此，能够独立地调整对于晶片w的对应的四个区域，即，中央部、内侧中间部、外侧中间部及周缘部的研磨压力。

在保持环22与载体20之间配置有环状的弹性膜21。在该弹性膜21的内部形成有环状的压力室d5。该压力室d5与流体线g5连接，进行了压力调整后的加压流体(例如加压空气)经过流体线g5而向压力室d5内供给。另外，流体线g5与真空线u5连接，通过真空线u5而在压力室d5中形成负压。

伴随着压力室d5内的压力变化，保持环22整体与弹性膜21一起沿着上下方向移动，因此压力室d5内的压力施加于保持环22，保持环22构成为能够相对于弹性膜21独立地直接按压研磨垫11。在晶片w的研磨中，保持环22在晶片w的周围按压研磨垫11，并且弹性膜21将晶片w向研磨垫11按压。

载体20固定于头传动轴16的下端，头传动轴16连结于上下移动机构25。该上下移动机构25构成为，使头传动轴16及研磨头15上升及下降，进一步使研磨头15定位于规定的高度。上下移动机构25作为该研磨头定位机构发挥作用，作为上下移动机构25使用伺服电动机与滚珠丝杠机构的组合。

上下移动机构20使研磨头15位于规定的高度，在该状态下，向压力室d1～d5供给加压流体。弹性膜21受到压力室d1～d4内的压力而将晶片w向研磨垫11按压，保持环22受到压力室d5内的压力而按压研磨垫11。在该状态下晶片w被研磨。

研磨装置10具备取得晶片w的膜厚的光学测定器30。该光学测定器30具备：取得根据晶片w的膜厚而变化的光学信号的光传感器31、根据光学信号算出来自晶片w的反射光的光谱的处理部32。

光传感器31配置于研磨台13的内部，处理部32与研磨控制部12连接。光传感器31如图1中的符号a所示的那样与研磨台13一体地旋转，取得保持于研磨头15的晶片w的光学信号。光传感器31与处理部32连接，向处理部32发送由光传感器31取得的光学信号。

图3是表示具备光学测定器30的研磨装置的示意剖视图。研磨头传动轴16构成为，通过传动带等连结单元33而与研磨头电动机34连结，从而能够旋转。通过该研磨头传动轴16的旋转，而研磨头15向箭头所示的方向旋转。

光学测定器30具备光传感器31和处理部32。光传感器31构成为，光照到晶片w的表面，接收来自晶片w的反射光，按照波长来分解该反射光。光传感器31具备：投光部41，该投光部41向晶片w的被研磨面照射光；作为受光部的光纤42，该光纤42接收从晶片w返回的反射光；及分光器43，该分光器43按照波长分解来自晶片w的反射光，在规定的波长范围中测定反射光的强度。

在研磨台13上形成有在其上表面开口的第一孔50a及第二孔50b。另外，在研磨垫11上在与这些孔50a、50b对应的位置形成有通孔51。孔50a、50b与通孔51连通，通孔51在研磨面11a开口。第一孔50a经由液体供给路径53及旋转接头(未图示)而与液体供给源55连结，第二孔50b与液体排出路径54连结。

投光部41具备发出多波长的光的光源45和与光源45连接的光纤46。光纤46是将由光源45发出的光引导至晶片w的表面的光传送部。光纤46、42的顶端位于第一孔50a内，且位于晶片w的被研磨面的附近。光纤46、42的各顶端朝向保持于研磨头15的晶片w配置。每当研磨台13旋转时向晶片w的多个区域照射光。优选的是，光纤46、42的各顶端配置为通过保持于研磨头15的晶片w的中心。

在晶片w的研磨中，从液体供给源55经由液体供给路径53而向第一孔50a供给水(优选的是纯水)作为透明的液体，充满晶片w的下表面与光纤46、42的顶端之间的空间。水进一步流入第二孔50b，并经过液体排出路径54而排出。研磨液与水一起排出，由此确保了光路。在液体供给路径53上设有与研磨台13的旋转同步地动作的阀(未图示)。该阀以晶片不位于通孔51的上方时阻止水流或减少水的流量的方式动作。

两根光纤46、42相互并列地配置，各自的顶端配置为垂直于晶片w的表面，光纤46向晶片w的表面垂直地照射光。

在晶片w的研磨中，从投光部41向晶片w照射光，通过光纤(受光部)42接收来自晶片w的反射光。分光器43在规定的波长范围中测定各波长下的反射光的强度，将得到的光强度数据向处理部32发送。该光强度数据是反映了晶片w的膜厚的光学信号，由反射光的强度及对应的波长构成。

图4是表示晶片w与研磨台13之间的位置关系的俯视图。投光部41及受光部42与晶片w的表面相向地配置。投光部41在研磨台13每旋转一次时向包含晶片w的中心的多个区域(图4中的多个黑圆点)照射光。

晶片w具有下层膜和形成于其上方的上层膜(例如硅层或绝缘膜)。向晶片w照射的光在介质(例如水)与上层膜之间的界面及上层膜与下层膜之间的界面反射，在这些界面反射后的光的波相互干涉。该光的波的干涉的方法根据上层膜的厚度(即光路长)而变化。因此，由来自晶片w的反射光生成的光谱根据上层膜的厚度而变化。

分光器43按照波长而对反射光进行分解，按照各波长来测定反射光的强度。另外，处理部32根据从分光器43得到的反射光的强度数据(光学信号)生成光谱。以下，将根据来自被研磨的晶片w的反射光生成的光谱称为测定光谱(反射率光谱)。该测定光谱作为表示光的波长与强度之间的关系的线曲线图(即分光波形)来表示。光的强度能够作为反射率或相对反射率等相对值来表示。

图6是表示由处理部32生成的测定光谱的图，横轴表示光的波长，纵轴表示基于从晶片w反射的光的强度而算出的相对反射率。在此，相对反射率是表示光的反射强度的一个指标，具体而言，是光的强度与规定的基准强度之比。在各波长中，通过将光的强度(实测强度)除以基准强度而从实测强度中去除装置的光学系统、光源固有的强度的偏差等不需要的噪声，由此，能够得到仅反映了膜的厚度信息的测定光谱。

基准强度例如能够设为对未形成膜的硅片(裸片)在水的存在下进行水研磨时得到的光的强度。在实际的研磨中，从实测强度减去黑电平(在切断了光的条件下得到的背景强度)而求出补正实测强度，此外从基准强度减去上述黑电平而求出补正基准强度，并且，将补正实测强度除以补正基准强度，由此求出相对反射率。具体而言，相对反射率r(λ)能够通过下式求出。

r(λ)＝(e(λ)-d(λ))/(b(λ)-d(λ))

在此，λ是波长，e(λ)是从晶片反射的波长λ下的光的强度，b(λ)是波长λ下的基准强度，d(λ)是在切断了光的状态下取得的波长λ下的背景强度(黑电平)。

图5是表示研磨控制部12的结构的框图，研磨控制部12具备：存储器61、算法设定部62、膜厚推定部63及终点检测部64。此外，在本实施方式中，处理部32与研磨控制部12分离，但也可以构成为使处理部32包含于研磨控制部12。

在存储器61中除了存储有用于驱动处理部32、研磨控制部12的程序以外，还存储有用于执行后述的膜厚推定算法的处理程序、用于切换膜厚推定算法的切换条件等各种数据。

算法设定部62从存储于存储器61的多个膜厚推定算法中设定应用于晶片w的研磨处理的多个膜厚推定算法及其适用条件。该设定能够经由未图示的操作输入部由操作员手动地输入。或者，也可以构成为根据被研磨层乃至其底层的材质和研磨终止时的膜厚的目标值等而自动地设定。

膜厚推定部63对由处理部32生成的反射光的光谱适用在算法设定部62中设定的膜厚推定算法，来推定研磨中的晶片w的膜厚。另外，膜厚推定部63在研磨中的晶片w的膜厚达到了规定值时，或者满足了规定的切换条件时，切换应适用的膜厚算法。终点检测部64判定该推定的膜厚是否达到规定的目标值，在达到的情况下生成指示研磨终止的控制信号。

在此，作为推定晶片w的膜厚的算法，例如能够使用参照光谱(fittingerror：拟合误差)算法、fft(fastfouriertransform：快速傅里叶变换)算法、峰谷(peakvalley)算法及研磨指数(polishingindex)算法。

在参照光谱算法中，提前准备包含与不同的膜厚对应的多个参照光谱的多个光谱组。选择包含形状与来自处理部32的光谱信号(反射率光谱)最接近的参照光谱的光谱组。并且，在晶片研磨中，生成用于测定膜厚的测定光谱，从所选择的光谱组之中选择形状最接近的参照光谱，并将与该参照光谱对应的膜厚推定为研磨中的晶片的膜厚。

在fft算法中，对来自处理部32的光谱信号(反射率光谱)进行fft(快速傅里叶变换)而提取出频率分量与其强度，使用规定的关系式(是表示被研磨层的厚度的函数，根据实测结果等求出)来将得到频率分量转换为被研磨层的厚度。由此，生成表示被研磨层的厚度与频率分量的强度之间的关系的频率光谱。在与根据频率分量转换的被研磨层的厚度对应的光谱的峰值强度超过了阈值的情况下，将与该峰值强度对应的频率分量(被研磨层的厚度)推定为研磨中的晶片的膜厚。

在峰谷(peakvalley)算法中，关于来自处理部32的光谱信号(反射率光谱)，提取出成为表示其极值(极大值或极小值)的极值点的波长。伴随着被研磨层的膜厚减少，成为极值点的波长向短波长侧转移，所以能够通过伴随着晶片的研磨而监视极值点而推定被研磨层的膜厚。并且，能够通过在晶片的径向上的多个点，监视成为极值点的波长，而取得图表。

在研磨指数(polishingindex)算法中，接收来自处理部32的光谱信号(反射率光谱)，算出每规定时间的光谱的变化量，沿着研磨时间对该光谱的变化量进行积算，由此算出光谱累积变化量。光谱的累积变化量伴随着晶片的研磨而单调增加，另一方面膜厚单调减少，所以能够将光谱累积变化量达到规定的目标值的时点判定为研磨终止。

图7是表示切换适用于研磨中的晶片w的膜厚推定算法并进行膜厚推定的实施例的流程图。输入晶片w的研磨的目标值(最终膜厚)、被研磨层及底层的材质这样的信息，并且选择用于晶片w的膜厚推定的多个算法(在图7的例子中为三个)(步骤s10)。

在图7的例子中，作为膜厚推定算法，选择fft、拟合误差及研磨指数这三个算法。在晶片w的膜厚较厚的情况下，测定光的干涉波形的峰值(波峰和波谷)的数量较多，因此优选的是通过fft进行膜厚推定。并且，伴随着膜厚变薄，峰值的数量减少，所以在例如膜厚为1μm以下的情况下，优选的是通过其他算法(拟合误差)来推定膜厚。此外，当膜厚进一步变薄而例如成为50nm以下时，难以捕捉干涉条纹，因此优选的是基于研磨指数算法的干涉波形的变化量来推定膜厚。

因此，在图7的例子中，在算法设定部62中，从存储器61读出fft、拟合误差及研磨指数的膜厚推定算法的处理程序，并以fft、拟合误差及研磨指数的顺序设定(步骤s11)。并且，作为算法的切换条件，设定为晶片w的被研磨层的膜厚为1μm以下(切换条件1)、50nm以下(切换条件2)(步骤s12)。然后，开始进行基板研磨(步骤s13)。

当基板研磨开始时，在膜厚推定部63中，按照fft算法推定研磨中的晶片w的膜厚(步骤s14)。并且，判定膜厚是否成为1μm以下(是否满足切换条件1)(步骤s15)，在未满足的情况下(推定出的膜厚超过1μm的情况下)，返回步骤s14，一边进行晶片w的研磨一边反复进行基于fft算法的膜厚推定。

另一方面，在满足切换条件1的情况下，在膜厚推定部63中，按照拟合误差算法来推定研磨中的晶片w的膜厚(步骤s16)。并且，判定膜厚是否成为50nm以下(是否满足切换条件2)(步骤s17)，在未满足的情况下(推定出的膜厚超过50nm的情况下)，返回步骤s16，一边进行晶片w的研磨一般反复进行基于拟合误差算法的膜厚推定。

在满足了切换条件2的情况下，在膜厚推定部63中，按照研磨指数算法推定研磨中的晶片w的膜厚(步骤s18)。并且，判定膜厚是否达到目标值(步骤s19)，在达到了目标值的情况下，在终点检测部64中输出使基板研磨终止的控制信号(步骤s20)。另一方面，在膜厚未达到目标值的情况下，返回步骤s18，一边进行晶片w的研磨一边反复进行基于研磨指数算法的膜厚推定。

这样，根据基板的膜厚来切换使用膜厚推定算法，所以适用适合于基板研磨的进展状况的膜厚推定算法，由此能够更准确地推定膜厚，能够适当地检测出基板研磨的终点。

本发明的膜厚推定算法的切换方法不限定于上述实施例，能够组合适当的方法。图8是组合了峰谷算法与拟合误差算法的情况下的例子，关于拟合误差算法，以仅膜厚对应于h1～h2的范围内的基准光谱(膜厚通过h1～h2的参照晶片而测量出的膜厚与基准光谱的数据)存储于存储器61为前提。即，能够通过拟合误差算法推定的膜厚范围设为h1～h2。

在该情况下，在研磨膜厚超过h2的晶片w的情况下，难以通过拟合误差算法推定基板的膜厚。因此，如图8所示，在能够适用拟合误差的区间(膜厚h1～h2)中推定为研磨率恒定，对膜厚超过h1的区间进行外插，在外插的区域(外插区域)中通过峰谷算法推定膜厚。

在图8的例子中，在时间t0，当膜厚超过h2的基板的研磨开始时，在膜厚推定部63中通过峰谷算法推定膜厚。并且，在时刻t1，在晶片w的膜厚成为h1的时点，膜厚推定部63将推定算法切换为拟合误差算法，并进行晶片w的膜厚推定。在无法通过某个膜厚推定算法应对的膜厚下，通过其他算法进行膜厚推定，由此能够扩大能够应对的膜厚范围。

在上述实施方式中，在膜厚推定时，适用单一的膜厚推定算法，切换多个算法时推定膜厚有可能变得不连续。因此，优选的是在切换前的一定区间中同时适用多个算法。

图9是表示在通过两个算法推定出的膜厚值取最小值的情况下(或者成为规定值以下的情况下)，切换适用的算法的例子。通过算法1进行膜厚推定并进行基板研磨，在时间t4推定出的膜厚成为h3的情况下，膜厚推定部63使基于算法1的膜厚推定继续，并使用其他算法2进行膜厚推定。

然后，在时间t5，在通过上述两个算法1、2推定出的膜厚在h4一致的情况下(或者成为规定值以下的情况下)，膜厚推定部63将应适用的算法切换为算法2。由此，在算法切换时，能够防止推定膜厚变得不连续。

图10表示同时适用多个算法的其他例子的情况。在该例子中，通过算法1进行膜厚推定并进行基板研磨，在时间t6推定出的膜厚成为h5的情况下，膜厚推定部63通过算法1和算法2进行膜厚推定，并通过下式推定膜厚f(w)。

f(w)＝(1-w)×x1+w×x2

在此，x1是算法1的膜厚推定值，x2是算法2的膜厚推定值，w是将时间t作为输入值而由例如下式表示的加权系数。

w(t)＝(t-t6)/(t7-t6)

这样，使用加权系数w而同时使用多个算法进行膜厚推定，由此在算法的切换时，能够防止推定膜厚变得不连续。

上述实施方式以具有本发明所属的技术领域的一般知识的人能够实施本发明为目的而记载。若是本领域技术人员，则当然能够实施上述实施方式的各种变形例，本发明的技术思想也能够适用于其他实施方式。本发明不限定于所记载实施方式，应以符合权利要求定义技术思想的最大的范围解释。