JP2001099622A - 深さ測定装置及び深さ測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】処理開始時における薄膜の膜厚、試料と薄膜の
選択比、開口率、穴の径及び形状等を考慮することで、
深さ測定をより高精度に行うことができる深さ測定装置
を提供すること。 【解決手段】試料Ｗに所定の処理を行うチャンバ３１
と、検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
て試料上の薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定手段と、上
記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づいて
試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段と
を備え、上記深さ測定手段は、上記処理手段による処理
開始前の上記膜厚値に基づいて上記深さを補正するよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板のエッ
チング装置等に適用されるエッチング深さ測定装置、エ
ッチング深さ測定方法及び光による計測を行う半導体製
造用モニタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、エッチング深さ測定装置１０の
構成を示す図であり、図１０に示すように、試料Ｗに形
成された穴部Ｈの深さＥと試料Ｗ上に形成されたＳｉＮ
等のマスク（薄膜）Ｍの膜厚Ｌを測定するものである。
なお、エッチング処理に伴い穴部Ｈ内のｐｏｌｙ−Ｓｉ
からなるセルＣが削られて所望の深さＥの穴部Ｈが得ら
れることになる。

【０００３】エッチング深さ測定装置１０は、試料Ｗを
その底部に収容するとともにエッチング処理を行うエッ
チング装置のチャンバ１１に取り付けられている。チャ
ンバ１１の天井部にはチャンバ窓１２上が設けられてい
る。チャンバ窓１２にはレンズ１３を介して光ファイバ
１４の端部が対向配置されている。この光ファイバ１４
の他の端部には、紫外光ランプ１５、可視光ランプ１
６、干渉フィルタ１７及び分光器１８が接続されてい
る。なお、干渉フィルタ１７には、フォトマルチプライ
ヤ２０が接続されている。

【０００４】分光器１８には膜厚測定用計算機２１が接
続され、フォトマルチプライヤ２０には深さ測定用計算
機２２が接続されている。また、膜厚測定用計算機２１
の出力は深さ測定用計算機２２に接続されている。

【０００５】このようなエッチング深さ測定装置１０で
は、次のようにして試料Ｗの深さ測定及び膜厚測定を行
う。すなわち、紫外光ランプ１５からの紫外光をチャン
バ窓１２まで光ファイバ１４で導き、レンズ１３を通し
て平行光で試料Ｗに照射する。試料ＷのマスクＭ上で反
射した光と穴部Ｈ内のセルＣ上で反射した光の干渉光
は、干渉フィルタ１７及びフォトマルチプライヤ２０を
通し深さ測定用計算機２２に取り込まれ、深さを算出す
るための干渉信号Ｑとして処理される。深さ測定用計算
機２２で算出される値は段差Ｄであるため、膜厚測定用
計算機２１で後述するようにして算出された膜厚Ｌに基
づいて穴部Ｈの深さＥが求められる。

【０００６】一方、可視光ランプ１６からの可視光をチ
ャンバ窓１２まで光ファイバ１４で導き、レンズ１３を
通して平行光で試料Ｗに照射する。試料Ｗからの正反射
光を、光ファイバ１４を通して分光器１８を通して膜厚
測定用計算機２１内で検出し、理論波形とのマッチング
により膜厚Ｌを算出する。測定された膜厚Ｌは、深さ測
定用計算機２２に送られる。

【０００７】ここで、深さ測定用計算機２２において、
段差Ｄを算出する原理を説明する。すなわち、マスクＭ
と穴部Ｈの面積比（開口率）をαとしたとき、マスクＭ
からの反射光Ｐ_１ と穴部Ｈからの反射光Ｐ_２ は以下
のようになる。

【０００８】 Ｐ_１ ＝γ_ｍａｓｋ（１−α）Ａ_０ … （１） Ｐ_２ ＝γ_ｈｏｌｅαＡ_０ ｅｘｐ（２πｉＤ／λ） … （２） 但し、Ａ_０ は全体の入射光強度、αはマスクＭと穴部
Ｈの面積比、γ_{ｍａｓ ｋ}はマスクＭの複素振幅反射率、
γ_ｈｏｌｅは穴部Ｈの複素振幅反射率、ＤはマスクＭ上
面と穴部Ｈの底、すなわちセルＣ上面との段差、λは測
定に用いた光の波長をそれぞれ示している。

【０００９】実際に観察される光は、この２つの反射光
Ｐ_１ 、Ｐ_２ との干渉光である。段差Ｄのみを変数と
した場合、つまりマスクＭのエッチング等は考えず、マ
スク複素振幅反射率γ_ｍａｓｋは変化しないとして、観
測される干渉光の干渉信号Ｑは以下のような式で表され
る。

【００１０】 Ｑ＝｜γ_ｍａｓｋ（１−α）Ａ_０ ＋γ_ｈｏｌｅαＡ_０ ｅｘｐ（２πＤｉ／ λ）｜ ＝α＋βｃｏｓ（２πＤ／λ＋φ） …（３） このようにマスクＭがエッチングされずに、セルＣのみ
がエッチングされる場合には、図１１に示すように正弦
波状となり、干渉信号Ｑの各極点Ｋ_１ ，Ｋ_２ ，
Ｋ_３ ，…間が示す深さは使用光源波長λの１／４とな
る。この原理を用いて、得られた干渉信号Ｑの極点を検
出し、初めの２つの極点Ｋ_１ ，Ｋ_２ を検出した時に
極点Ｋ_１ ，Ｋ_２ 間のエッチング時間と極点間の深さ
が１／４波長であることから、エッチングレートＲ_１
（極点間深さ／極点間のエッチング時間）を算出する。

【００１１】算出したエッチングレートＲ_１ を用い
て、初めの極点Ｋ１が検出されるまでの時間Ｔ_１ か
ら、初めの極点Ｋ_１ までの深さｄ１（Ｒ_１ ×
Ｔ_１ ）を算出する。それ以降は、極点が検出される毎
に極点間深さ（１／４波長）を加算するｄ２（１／４波
長×検出極点間数）。

【００１２】そして、最終極点Ｋ_４ 前のエッチングレ
ートＲ_２ （極点間深さ／極点間のエッチング時間）を
エッチングレートＲ_１ 同様に算出し、最終極点Ｋ_４
から最終信号までの時間Ｔ_２ から最終極点以降の深さ
ｄ３（Ｒ_２ ×Ｔ_１ ）を算出する。これら深さｄ１〜
ｄ３の合計値ｄがエッチング深さであり、この合計値が
予め定められた深さに到達した時点でエッチングを終了
する。

【００１３】なお、深さの浅いエッチング処理を行う場
合には、エッチングレートＲ_１ ，Ｒ_２ を算出する代
りに、初めの２つの極点間エッチングレートの平均エッ
チングレートを使用する方法や初めの１つの極点間のエ
ッチングレートのみを使用する方法を用いている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のエッチ
ング深さ測定方法では、次のような問題があった。すな
わち、上記した干渉信号Ｑを示す式（３）を用いて深さ
制御を行うと、図１２に示すように、エッチング開始時
におけるマスクＭの膜厚Ｌ_０ によって深さＥにバラツ
キが生じる。なお、深さＥはＳＥＭによる実測値であ
る。これは以下に述べるような種々の要因により、「干
渉信号の極点間が、測定に使用した波長の１／４のエッ
チング量に相当する」という関係に狂いが生じるため、
算出されるエッチング量に誤差が生じるためである。

【００１５】理由は、マスクと穴のそれぞれの反射光の
強度の比が異なるためである。マスク部での反射光強度
は、マスク膜で干渉をおこすため、膜厚により、反射光
強度が異なる。その膜厚値は、エッチング前の初期膜厚
と、エッチング中の膜厚の減少量（選択比）で決まる。
一方、穴からの反射光強度は、穴部の占める面積率（開
口率）及び波長に対する穴径で決まる。

【００１６】まず、初期膜厚の要因としては、図１３に
示すように各膜層からのくり返し反射などを考慮する
と、エッチング開始時の膜厚Ｌ_０ によって、干渉信号
Ｑの極点間の深さが変化するためである。

【００１７】干渉信号Ｑの極点間深さが、エッチング開
始時のマスクＭの膜厚Ｌ_０ によってどのように変化す
るかをシミュレーションを行った結果の一例を図１４に
示す。例えば、使用波長を２５４ｎｍとした場合には、
極点間の距離となる１／４波長は６３．５ｎｍとなるは
ずであるが、膜厚Ｌ_０ を基準値に対して±６０ｎｍの
範囲で変化させた場合には、５７ｎｍ〜６４ｎｍと変動
していることが分かる。

【００１８】次に、選択比の要因としては、エッチング
処理においては、セルＣだけではなくマスクＭもエッチ
ングされるため、マスクＭの膜厚が減少することで、干
渉現象の基準面が変化するために発生する。

【００１９】図１５は選択比κを変化させたときに、干
渉信号Ｑの極点の発生位置がシフトすることを示したも
のである。

【００２０】しかしながら、式（３）からわかるように
干渉波形がどう歪むかは、複素振幅反射率γ_ｍａｓｋの
変化に左右されるため、複素振幅反射率γ_ｍａｓｋが変
化した場合、正しい補正ができない。選択比κが変化し
た場合の干渉信号波形の歪む様子を図１６に示す。

【００２１】穴の反射光強度比の要因としては、開口率
と穴の形状と穴の径に起因する減衰率によるものがあ
る。図１７の（ａ），（ｂ）は、穴部Ｈのパターンが微
細化されていない試料Ｗと、穴部Ｈのパターンが微細化
された試料Ｗとにおける干渉信号波形を示すものであ
る。すなわち、図１７の（ｂ）に示すようにパターンが
０．５μｍ程度まで微細化されたものでは、穴部Ｈから
の反射光が減衰し、干渉信号に変調の影響が生じる。し
たがって、微細化された穴部Ｈのパターンを有する試料
Ｗに式（３）を適用しても、反射光の減衰が大きくな
り、干渉信号に変調の影響を生じる。干渉信号が変調す
ると、検出される極点の位置がずれ、図１８に示すよう
に、極点間の区間が長くなったり、短くなったりする。
このため、（極点間深さ／エッチング時間）から算出す
るエッチングレートＲに生じる誤差が大きくなり、目標
仕様内でコントロールすることができない。

【００２２】また、干渉信号Ｑの最初の極点が極大から
始まるか、極小から始まるかで極点の間隔が変わるた
め、極点が２つ（エッチングレートが１つ）しか出ない
場合は、特にこの変調の影響を考慮しなければ、高精度
な制御は不可能となる。

【００２３】そこで本発明は、処理開始時における薄膜
の膜厚、試料と薄膜の選択比、開口率、穴の径及び形状
等を考慮することで、深さ測定をより高精度に行うこと
ができる深さ測定装置及び深さ測定方法を提供すること
にある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の深さ測定装置及び深さ測定方
法は次のように構成されている。

【００２５】（１）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
う処理手段と、上記検出光を試料に照射し、試料からの
反射光に基づいて上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定
する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に照射し、試料
からの反射光に基づいて上記試料上に形成される穴の深
さを測定する深さ測定手段と、上記薄膜表面からの反射
光と上記穴部からの反射光強度比を求める反射光強度比
測定手段とを備え、上記深さ測定手段は、上記反射光強
度比に基づいて上記深さを補正することを特徴とする。

【００２６】（２）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
なう処理手段と、上記処理によって変化する前記薄膜の
膜厚値を測定する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に
照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成され
る穴の深さを測定する深さ測定手段とを備え、上記深さ
測定手段は、求めた膜厚値に基づいて上記深さを補正す
ることを特徴とする。

【００２７】（３）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
う処理手段と、上記検出光を試料に照射し、試料からの
反射光に基づいて試料上の薄膜の膜厚値を測定する膜厚
測定手段と、上記検出光を試料に照射し、試料からの反
射光に基づいて試料上に形成される穴の深さを測定する
深さ測定手段とを備え、上記深さ測定手段は、上記処理
手段による処理開始前の上記膜厚値に基づいて上記深さ
を補正するものであることを特徴とする。

【００２８】（４）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
う処理手段と、上記検出光を試料に照射し、試料からの
反射光に基づいて上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定
する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に照射し、試料
からの反射光に基づいて上記試料上に形成される穴の深
さを測定する深さ測定手段と、上記薄膜と上記試料との
エッチング選択比を求める測定手段とを備え、上記深さ
測定手段は、上記エッチング選択比に基づいて上記深さ
を補正することを特徴とする。

【００２９】（５）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
なう処理手段と、上記処理によって変化する前記薄膜の
膜厚値を測定する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に
照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成され
る穴の深さを測定する深さ測定手段と、上記処理によっ
て前記穴からの反射光の強度を測定する反射光強度測定
手段とを備え、上記深さ測定手段は、求めた反射光強度
に基づいて上記深さを補正することを特徴とする。

【００３０】（６）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
なう処理手段と、上記処理によって変化する前記薄膜の
膜厚値を測定する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に
照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成され
る穴の深さを測定する深さ測定手段と、上記薄膜表面に
対する前記穴部の開口率を求める開口率測定手段とを備
え、上記深さ測定手段は、求めた開口率に基づいて上記
深さを補正することを特徴とする。

【００３１】（７）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定装置において、上記試料に所定の処理を行
なう処理手段と、上記処理によって変化する前記薄膜の
膜厚値を測定する膜厚測定手段と、上記検出光を試料に
照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成され
る穴の深さを測定する深さ測定手段と、上記穴の形状と
穴の径とに起因する前記反射光の強度の減衰率を求める
減衰率測定手段とを備え、上記深さ測定手段は、求めた
減衰率に基づいて上記深さを補正することを特徴とす
る。

【００３２】（８）上記（１）〜（７）のいずれかに記
載された深さ測定装置であって、上記深さ測定手段は、
干渉信号の極点のうち最初に得られる極点が極大か極小
を検知する極値判別手段と、この極値判別手段により検
知された極点の極大又は極小に基づいて補正を行うこと
を特徴とする。

【００３３】（９）表面に薄膜が形成された試料に検出
光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定
する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を行
う処理工程と、上記検出光を試料に照射し、試料からの
反射光に基づいて上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定
する膜厚測定工程と、上記検出光を試料に照射し、試料
からの反射光に基づいて上記試料上に形成される穴の深
さを測定する深さ測定工程と、上記薄膜表面からの反射
光と上記穴部からの反射光強度比を求める反射光強度比
測定工程とを備え、上記深さ測定工程は、上記反射光強
度比に基づいて上記深さを補正することを特徴とする。

【００３４】（１０）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行なう処理工程と、上記処理によって変化する前記薄膜
の膜厚値を測定する膜厚測定工程と、上記検出光を試料
に照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成さ
れる穴の深さを測定する深さ測定工程とを備え、上記深
さ測定工程は、求めた膜厚値に基づいて上記深さを補正
することを特徴とする。

【００３５】（１１）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行う処理工程と、上記検出光を試料に照射し、試料から
の反射光に基づいて試料上の薄膜の膜厚値を測定する膜
厚測定工程と、上記検出光を試料に照射し、試料からの
反射光に基づいて試料上に形成される穴の深さを測定す
る深さ測定工程とを備え、上記深さ測定工程は、上記処
理工程による処理開始前の上記膜厚値に基づいて上記深
さを補正するものであることを特徴とする。

【００３６】（１２）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行う処理工程と、上記検出光を試料に照射し、試料から
の反射光に基づいて上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測
定する膜厚測定工程と、上記検出光を試料に照射し、試
料からの反射光に基づいて上記試料上に形成される穴の
深さを測定する深さ測定工程と、上記薄膜と上記試料と
のエッチング選択比を求める測定工程とを備え、上記深
さ測定工程は、上記エッチング選択比に基づいて上記深
さを補正することを特徴とする。

【００３７】（１３）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行なう処理工程と、上記処理によって変化する前記薄膜
の膜厚値を測定する膜厚測定工程と、上記検出光を試料
に照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成さ
れる穴の深さを測定する深さ測定工程と、上記処理によ
って前記穴からの反射光の強度を測定する反射光強度測
定工程とを備え、上記深さ測定工程は、求めた反射光強
度に基づいて上記深さを補正することを特徴とする。

【００３８】（１４）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行なう処理工程と、上記処理によって変化する前記薄膜
の膜厚値を測定する膜厚測定工程と、上記検出光を試料
に照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成さ
れる穴の深さを測定する深さ測定工程と、上記薄膜表面
に対する前記穴部の開口率を求める開口率測定工程とを
備え、上記深さ測定工程は、求めた開口率に基づいて上
記深さを補正することを特徴とする。

【００３９】（１５）表面に薄膜が形成された試料に検
出光を照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測
定する深さ測定方法において、上記試料に所定の処理を
行なう処理工程と、上記処理によって変化する前記薄膜
の膜厚値を測定する膜厚測定工程と、上記検出光を試料
に照射し、試料からの反射光に基づいて試料上に形成さ
れる穴の深さを測定する深さ測定工程と、上記穴の形状
と穴の径とに起因する前記反射光の強度の減衰率を求め
る減衰率測定工程とを備え、上記深さ測定工程は、求め
た減衰率に基づいて上記深さを補正することを特徴とす
る。

【００４０】（１６）上記（９）〜（１５）のいずれか
に記載された深さ測定装置であって、上記深さ測定工程
は、干渉信号の極点のうち最初に得られる極点が極大か
極小を検知する極値判別工程と、この極値判別工程によ
り検知された極点の極大又は極小に基づいて補正を行う
ことを特徴とする。

【００４１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態に
係るエッチング深さ測定装置３０の構成を示す図であ
る。エッチング深さ測定装置３０は、試料Ｗをその底部
に収容するとともにエッチング処理を行うエッチング装
置のチャンバ３１に取り付けられている。チャンバ３１
の天井部にはチャンバ窓３２が設けられている。チャン
バ窓３２にはレンズ３３を介して光ファイバ３４の端部
が配置されている。この光ファイバ３４の他の端部に
は、紫外光ランプ３５、可視光ランプ３６、干渉フィル
タ３７及び分光器３８が接続されている。干渉フィルタ
３７には、フォトマルチプライヤ４０を介して極値判別
部４１が接続されている。また、極値判別部４１にはデ
ータベース５０が接続されている。また、分光器３８に
は膜厚測定用計算機６０が接続されている。また、膜厚
測定用計算機６０の出力はデータベース５０に接続され
ており、データベース５０には深さ測定用計算機７０が
接続されている。

【００４２】極値判別部４１は、入力された干渉信号か
ら最初の極値が極大値であるか、極小値であるかを判別
する機能を有している。また、データベース５０には、
エッチング開始前のマスク膜厚値、選択比κ、反射光強
度比の各パラメータが変化した場合における極点間深さ
の関係が記憶されており、得られた干渉信号を補正して
深さ測定に用いる極点間深さを決定する機能を有してい
る。

【００４３】ここで、データベース５０に記憶される膜
厚Ｌ_０ 、選択比κ、開口率αにおける極点間深さの関
係に基づく補正曲線の導出方法について説明する。

【００４４】第１の方法は、実験データを実際に膜厚の
違うサンプルをまとめてエッチング処理することで得る
方法である。すなわち、エッチング処理後のＳＥＭ断面
写真からエッチング深さを算出し、エッチング処理装置
自体の真のエッチングレートを算出する。同時にエッチ
ング処理中の干渉信号もすべて収集し、真のエッチング
レートを用いて、各膜厚における干渉信号の極点間深さ
を逆算する。このプロットから図２に示すように補正曲
線を導出する。

【００４５】この方法によれば、理論で必要となる高精
度な光学定数、モデルなしを使用することなく、実際の
現象に即した補正曲線を求めることができる。但し、多
くのサンプルを補正曲線導出のためにエッチングする必
要がある。

【００４６】第２の方法は、理論データを図１５に示し
たシミュレーションの結果を用いて得る方法である。こ
の方法によれば、サンプルを補正曲線導出のためにエッ
チングする必要がない。但し、モデリングに使用する定
数の高精度化、理論モデルの最適化が必要となる。

【００４７】第３の方法は、第１の方法と第２の方法を
合わせるもので、実験データと理論データに基づいて、
少ないサンプルで正確な補正曲線を求める方法である。
すなわち、実験データと理論データから測定誤差を求
め、これを干渉信号波形の半周期が出現する個数で割る
ことにより、干渉信号半周期のエッチング深さの変動量
を求める。これをプローブ光波長の４分の１にあたる、
従来技術での干渉信号半周期のエッチング深さに足すこ
とで、補正曲線を決定する。

【００４８】これら第１〜第３の方法のうち最適な方法
を適宜選択し、膜厚Ｌ_０ が変化した場合の補正曲線を
決定し、補正テーブルを作成する。同様にして選択比
κ、反射光強度比が変化した場合の補正曲線を決定し、
補正テーブルを作成する。なお、図３及び図４は実際に
作成された補正テーブルの一例を示す図である。

【００４９】なお、反射光強度比における理論シミュレ
ーションでは、各膜厚からのくり返し反射などを考慮す
るとともに、穴部Ｈからの反射に関しては、深さＥをパ
ラメータとした指数関数の減衰項を考慮してモデルを作
成し、指数関数内の係数ｋを調整して、実波形と理論波
形を一致させる。

【００５０】理論モデルの減衰係数を決定後に、理論波
形の極点間の深さが、エッチング開始時の膜厚Ｌ_０ に
よってどのように変化するかを確認するために、シミュ
レーションを行った結果を図５に示す。この結果は、３
つの極点を検出し、そこから算出される２つの極点間深
さの平均値を極点間深さとして示したものである。

【００５１】また、エッチング量が少なく、極点が２つ
（エッチングレートＲが１つ）しか計測できない場合
は、干渉信号の最初の極点が極大から始まるか、極小か
ら始まるかで極点の間隔が変化するため、初めの極点が
極大か極小かを判定し、予めそれぞれの場合に別々の補
正曲線を算出しておく。

【００５２】このように構成されたエッチング深さ測定
装置３０は、次のようにして穴部Ｈの深さＥを測定す
る。

【００５３】まず、エッチングされる試料Ｗ毎に選択比
κを計測する。選択比κはエッチング前後でマスクＭの
膜厚を膜厚測定光学系により測定し、これに対して試料
Ｗのエッチング量とを比較することにより求める。な
お、選択比κは試料Ｗ毎に大きく変動することはないた
め、１枚前の選択比κの情報を使用、開口率αは試料の
品種で決定される。

【００５４】次に、マスクＭのエッチング開始時におけ
る膜厚Ｌ_０ の測定を行う。可視光ランプ３６からの可
視光（検出光）を使用し、平行光で光ファイバ３４を通
して試料Ｗに検出光を照射する。試料Ｗからの正反射光
は、光ファイバ３４を通して膜厚測定用計算機６０内で
検出され、理論波形とのマッチングによりマスクＭの膜
厚Ｌを測定する。測定されたマスクＭの膜厚Ｌ_０ は、
データベース５０に入力される。

【００５５】次に穴部Ｈの深さＥの測定を行う。紫外光
ランプ３５からの紫外光（検出光）をチャンバ窓３１ａ
まで光ファイバ３４で導き、レンズ３３を通して平行光
で試料Ｗに照射する。試料ＷのマスクＭ上で反射した光
と試料Ｗの穴部Ｈ上で反射した光の干渉信号は、干渉フ
ィルタ３７、フォトマルチプライヤ４０を介して極値判
別部４１に入力される。

【００５６】極値判別部４１では、図６に示すように、
初めの極点を検出し、検出された極点が極大か極小かを
判定する。そして、検出された極点の種類に応じて適当
な補正曲線１又は補正曲線２を採用するようにデータベ
ース５０に指令を行う。これはエッチング量が少なく、
極点が２つしか検出されずにレートを１つしか算出でき
ない場合に用いられる。

【００５７】データベース５０には、膜厚Ｌ、干渉信号
Ｑ及び判定された極値が入力される。干渉信号Ｑは、エ
ッチング開始時における膜厚Ｌ_０ 、選択比κ等により
補正される。

【００５８】この補正された干渉信号が深さ測定用計算
機７０に入力される。そして、極点からエッチングレー
トＲを算出して従来と同様に段差Ｄを算出する。そし
て、この段差Ｄから膜厚測定用計算機６０により出力さ
れた膜厚Ｌを引くことにより、穴部Ｈの深さＥが算出さ
れる。

【００５９】上述したように本実施の形態に係るエッチ
ング深さ測定装置３０によれば、エッチング開始前のマ
スクＭの膜厚Ｌ_０ に無関係に干渉信号Ｑの極点間深さ
を一定の値として深さ算出計算を行った場合と比べ、デ
ータベース５０により補正を行うことで深さ算出精度を
向上できる。

【００６０】図７はデータベース５０を使用した場合の
誤差を示すものである。本エッチング深さ測定装置３０
によれば、従来に比べエッチング算出深さの誤差が減少
していることがわかる。

【００６１】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではない。すなわち、半導体製造装置のエッチン
グ特性が安定している、かつ、深さ光学系が精度よくウ
エハ上の同一点を観測できる場合、エッチング選択比κ
及びマスク・穴部からの反射光強度比をウエハ毎に測定
する必要はない。さらにマスクの膜厚も高い再現精度で
制御できる場合、ウエハ毎に膜厚を測定する必要がなく
なる。つまり、エッチング選択比κ、反射光強度比、マ
スク膜厚をあらかじめ実験により求めておき、これらの
値に対してテーブルから補正値を選択する。この際、膜
厚測定光学系が不要となる。このほか、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論であ
る。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、処理開始時における薄
膜の膜厚、試料と薄膜の選択比、反射光強度比等を考慮
することで、深さ測定をより高精度に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るエッチング深さ測
定装置の構成を示す図。

【図２】同エッチング深さ測定装置におけるデータベー
スに記憶された実験データから決定した補正曲線を示す
図。

【図３】同エッチング深さ測定装置におけるデータベー
スに記憶された選択比が変化した場合の補正テーブルの
一例を示す図。

【図４】同エッチング深さ測定装置におけるデータベー
スに記憶された反射光選択比が変化した場合の補正テー
ブルの一例を示す図。

【図５】同エッチング深さ測定装置におけるデータベー
スに記憶された膜厚と極点間深さとの関係を示す図。

【図６】同エッチング深さ測定装置に組み込まれた極値
判別部におけるフローを示す図。

【図７】同エッチング深さ測定装置におけるデータベー
スに記憶された反射光強度比と誤差との関係を示す図。

【図８】同エッチング深さ測定装置におけるエッチング
後の膜厚と深さとの関係を示す図。

【図９】従来のエッチング深さ測定装置の構成を示す
図。

【図１０】試料とマスクとの関係を示す模式図。

【図１１】同エッチング深さ測定装置における深さ測定
の原理を示す説明図。

【図１２】同エッチング深さ測定装置におけるエッチン
グ後の膜厚と深さとの関係を示す図。

【図１３】減衰の影響を示す説明図。

【図１４】同エッチング深さ測定装置における膜厚と極
点間深さとの関係を示す図。

【図１５】同エッチング深さ測定装置における選択比が
変化した場合のエッチング時間と干渉信号強度との関係
を示す図。

【図１６】同エッチング深さ測定装置における選択比が
変化した場合のエッチング時間と干渉信号強度との関係
を示す図。

【図１７】同エッチング深さ測定装置における選択比が
変化した場合のエッチング時間と干渉信号強度との関係
を示す図であって、（ａ）はパターンが微細化されてい
ないもの、（ｂ）はパターンが微細化されているもの。

【図１８】同エッチング深さ測定装置におけるエッチン
グ深さと干渉信号強度との関係を示す図。

【符号の説明】

３０…エッチング深さ測定装置 ３１…チャンバ ３５…紫外光ランプ ３６…可視光ランプ ４１…極値判別部 ５０…データベース ６０…膜厚測定用計算機 ７０…深さ測定用計算機

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA25 AA30 CC17 EE05 FF44 FF51 GG21 HH03 HH13 HH17 JJ01 JJ09 JJ17 LL02 LL04 LL22 LL67 PP01 QQ00 QQ13 QQ17 QQ25 QQ26 QQ29 QQ38 4M106 AA01 AA10 BA04 CA48 DH03 DH04 DH12 DH31 DH38 DH40 DH55 DJ18 DJ19 DJ20 5F004 BB05 CB09 CB16

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行う処理手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定手
   段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定
   手段と、 上記薄膜表面からの反射光と上記穴部からの反射光強度
   比を求める反射光強度比測定手段とを備え、 上記深さ測定手段は、上記反射光強度比に基づいて上記
   深さを補正することを特徴とする深さ測定装置。
2. 【請求項２】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行なう処理手段と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
   膜厚測定手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段
   とを備え、 上記深さ測定手段は、求めた膜厚値に基づいて上記深さ
   を補正することを特徴とする深さ測定装置。
3. 【請求項３】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行う処理手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上の薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段
   とを備え、 上記深さ測定手段は、上記処理手段による処理開始前の
   上記膜厚値に基づいて上記深さを補正するものであるこ
   とを特徴とする深さ測定装置。
4. 【請求項４】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行う処理手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定手
   段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定
   手段と、 上記薄膜と上記試料とのエッチング選択比を求める測定
   手段とを備え、 上記深さ測定手段は、上記エッチング選択比に基づいて
   上記深さを補正することを特徴とする深さ測定装置。
5. 【請求項５】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行なう処理手段と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
   膜厚測定手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段
   と、 上記処理によって前記穴からの反射光の強度を測定する
   反射光強度測定手段とを備え、 上記深さ測定手段は、求めた反射光強度に基づいて上記
   深さを補正することを特徴とする深さ測定装置。
6. 【請求項６】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行なう処理手段と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
   膜厚測定手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段
   と、 上記薄膜表面に対する前記穴部の開口率を求める開口率
   測定手段とを備え、 上記深さ測定手段は、求めた開口率に基づいて上記深さ
   を補正することを特徴とする深さ測定装置。
7. 【請求項７】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定装置において、 上記試料に所定の処理を行なう処理手段と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
   膜厚測定手段と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定手段
   と、 上記穴の形状と穴の径とに起因する前記反射光の強度の
   減衰率を求める減衰率測定手段とを備え、 上記深さ測定手段は、求めた減衰率に基づいて上記深さ
   を補正することを特徴とする深さ測定装置。
8. 【請求項８】上記深さ測定手段は、干渉信号の極点のう
   ち最初に得られる極点が極大か極小を検知する極値判別
   手段と、 この極値判別手段により検知された極点の極大又は極小
   に基づいて補正を行うことを特徴とする請求項１乃至７
   のいずれか記載の深さ測定装置。
9. 【請求項９】表面に薄膜が形成された試料に検出光を照
   射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する深
   さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行う処理工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定工
   程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
   て上記試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定
   工程と、 上記薄膜表面からの反射光と上記穴部からの反射光強度
   比を求める反射光強度比測定工程とを備え、 上記深さ測定工程は、上記反射光強度比に基づいて上記
   深さを補正することを特徴とする深さ測定方法。
10. 【請求項１０】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行なう処理工程と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
    膜厚測定工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定工程
    とを備え、 上記深さ測定工程は、求めた膜厚値に基づいて上記深さ
    を補正することを特徴とする深さ測定方法。
11. 【請求項１１】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行う処理工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上の薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定工程
    とを備え、 上記深さ測定工程は、上記処理工程による処理開始前の
    上記膜厚値に基づいて上記深さを補正するものであるこ
    とを特徴とする深さ測定方法。
12. 【請求項１２】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行う処理工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て上記試料上の上記薄膜の膜厚値を測定する膜厚測定工
    程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て上記試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定
    工程と、 上記薄膜と上記試料とのエッチング選択比を求める測定
    工程とを備え、 上記深さ測定工程は、上記エッチング選択比に基づいて
    上記深さを補正することを特徴とする深さ測定方法。
13. 【請求項１３】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行なう処理工程と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
    膜厚測定工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定工程
    と、 上記処理によって前記穴からの反射光の強度を測定する
    反射光強度測定工程とを備え、 上記深さ測定工程は、求めた反射光強度に基づいて上記
    深さを補正することを特徴とする深さ測定方法。
14. 【請求項１４】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行なう処理工程と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
    膜厚測定工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定工程
    と、 上記薄膜表面に対する前記穴部の開口率を求める開口率
    測定工程とを備え、 上記深さ測定工程は、求めた開口率に基づいて上記深さ
    を補正することを特徴とする深さ測定方法。
15. 【請求項１５】表面に薄膜が形成された試料に検出光を
    照射して上記表面側に形成された穴部の深さを測定する
    深さ測定方法において、 上記試料に所定の処理を行なう処理工程と、 上記処理によって変化する前記薄膜の膜厚値を測定する
    膜厚測定工程と、 上記検出光を試料に照射し、試料からの反射光に基づい
    て試料上に形成される穴の深さを測定する深さ測定工程
    と、 上記穴の形状と穴の径とに起因する前記反射光の強度の
    減衰率を求める減衰率測定工程とを備え、 上記深さ測定工程は、求めた減衰率に基づいて上記深さ
    を補正することを特徴とする深さ測定方法。
16. 【請求項１６】上記深さ測定工程は、干渉信号の極点の
    うち最初に得られる極点が極大か極小を検知する極値判
    別工程と、 この極値判別工程により検知された極点の極大又は極小
    に基づいて補正を行うことを特徴とする請求項９乃至１
    ５のいずれか記載の深さ測定方法。