JP2001210625A - エッチング深さの検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光等の単色光を用いて干渉波形を得て
周波数解析等によりエッチング深さを検出しているが、
この干渉波形では特定の位相での周期的な歪みが避け難
く、この歪みの部分のエッチング速度が周期的に大きく
ずれ、エッチング深さを正確に測定し、モニターするこ
とができない。 【解決手段】 本発明のエッチング深さの検出方法は、
半導体ウエハＷの被エッチング層Ｅの上面と被エッチン
グ部Ｅ’の表面から反射する３種類の波長を異にする干
渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を検出し、次いで各干渉光の周波
数解析を行ってそれぞれの干渉光波形の周波数ω
_１(ｔ)、ω_２(ｔ)、ω_３を求めた後、これらの周波数に
基づいて各干渉波形に即したエッチング速度を算出して
算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３として求
め、次いでいずれかの干渉波形の歪みに基づく算出エッ
チング速度のずれを他の歪みのない干渉波形の算出エッ
チング速度で平均化した後、平均エッチング速度Ｅ
_ａｖｅを積分してエッチング深さσを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リアルタイムでエッチ
ング深さを検出することができるエッチング深さの検出
方法及びエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを用いたエッチング方法は、従
来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広
く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、処
理室内に互いに平行に配設された上部電極と下部電極を
備え、下部電極に半導体ウエハを載置した状態で上部電
極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラ
ズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理体を所定のパ
ターンに即してエッチングする。エッチングを監視する
方法として発光分光分析法が提案されているが、これは
エッチングによって発生したガスの発光スペクトルの特
定波長が変化した時点をエッチングの終点として検出す
る方法であり、エッチングの深さを知ることはできな
い。

【０００３】エッチング深さを検出できるエッチング装
置は例えば特許第２５４５９４８号明細書において提案
されている。このエッチング装置の場合には、上部電極
に観測用の窓を設け、この窓を介して処理室の外側から
半導体ウエハ表面に光を照射し、半導体ウエハの表面で
干渉した反射光を検出器で検出し、この検出器で光電変
換された信号を波形解析手段において最大エントロピー
法を用いて干渉波形の周波数解析を行い、干渉波の周波
数分布に基づいてエッチング深さを計算しリアルタイム
でエッチング深さを検出するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
エッチング深さの検出方法は、レーザ光等の単色光を用
いて干渉波形を得て周波数解析等によりエッチング深さ
を検出しているが、この干渉波形では特定の位相での周
期的な歪みが避け難く、この歪みの部分のエッチング速
度が周期的に大きくずれ、エッチング深さを正確に測定
し、モニターすることができないという課題があった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、干渉波形の特定位相に歪みがあっても歪み
の影響を抑制してエッチング深さを精度良く検出するこ
とができるエッチング深さの検出方法を提供することを
目的としている。または、本発明は、エッチング深さを
短時間で計算することができる時間応答性に優れたエッ
チング深さの検出方法を併せて提供することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
のエッチング深さの検出方法は、被処理体に光を照射
し、その反射光を用いてエッチング深さを検出する方法
において、上記被処理体に波長を異にする複数の光を照
射する工程と、被エッチング層の上面及び被エッチング
部の表面からの反射光により周期変動する波長を異にす
る複数の干渉光を検出する工程と、複数の干渉光の周波
数解析を行うことによりそれぞれの干渉波形の周波数を
求める周波数解析工程と、複数の干渉波形の周波数を用
いてエッチング速度を算出するエッチング速度算出工程
と、エッチング速度からエッチング深さを求める工程と
を備えたことを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の請求項２に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項１に記載の発明において、
上記エッチング速度算出工程は、上記各干渉波形の周波
数に基づいてエッチング速度を算出してそれぞれの算出
エッチング速度を求める工程と、いずれかの干渉波形の
歪みに基づく算出エッチング速度のずれを他の歪みのな
い干渉波形に基づく算出エッチング速度で補完してエッ
チング速度を求める工程とを備えたことを特徴とするも
のである。

【０００８】また、本発明の請求項３に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項２に記載の発明において、
上記各干渉波形の歪みの大きさに応じてそれぞれの算出
エッチング速度を加重平均して上記エッチング速度を求
めることを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明の請求項４に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項３に記載の発明において、
上記周波数解析工程で上記各干渉波形それぞれの位相も
求め、これらの干渉波形の位相に応じてそれぞれの算出
エッチング速度を加重平均することを特徴とするもので
ある。

【００１０】また、本発明の請求項５に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項１〜請求項４のいずれか１
項に記載の発明において、上記各干渉波形それぞれの波
長が同時にｎπ＋１/２πとならない波長を選択するこ
とを特徴とするものである。

【００１１】また、本発明の請求項６に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、被処理体に光を照射し、その反射
光を用いてエッチング深さを検出する方法において、上
記被処理体に光を照射する工程と、被エッチング層の上
面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期変
動する干渉光を検出する工程と、干渉光の近似式を決定
する近似式決定工程と、干渉光強度から近似式の定数を
決定する近似式定数決定工程と、定数の決定した近似式
と干渉光強度とに基づきエッチング深さを算出するエッ
チング深さ算出工程とを備えたことを特徴とするもので
ある。

【００１２】また、本発明の請求項７に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項６に記載の発明において、
上記近似式定数決定工程は、近似式から近似式の包絡線
を決定する工程と、干渉光強度から包絡線の定数を求め
ることにより近似式の定数を決定する工程とを備えたこ
とを特徴とするものである。

【００１３】また、本発明の請求項８に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項７に記載の発明において、
３つの連続する干渉光強度の極値から包絡線の定数を求
めることを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明の請求項９に記載のエッチン
グ深さの検出方法は、請求項６〜請求項８のいずれか１
項に記載の発明において、上記エッチング深さ算出工程
は、定数の決定した近似式と干渉光強度とに基づいて干
渉波形の位相を求め、この位相に基づいてエッチング深
さを算出することを特徴とするものである。

【００１５】また、本発明の請求項１０に記載のエッチ
ング深さの検出方法は、複数の波長の光を用いてそれぞ
れの波長について請求項６の方法でそれぞれのエッチン
グ深さを検出する工程と、それぞれのエッチング深さを
補完することにより平均エッチング深さを算出すること
を特徴とするものである。

【００１６】また、本発明の請求項１１に記載のエッチ
ング深さの検出方法は、被処理体に光を照射し、その反
射光を用いてエッチング深さを検出する方法において、
上記被処理体に光を照射する工程と、被エッチング層の
上面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期
変動する干渉光を検出する工程と、干渉光の干渉波形の
極値に基づいてその後の干渉波形の振幅を予測する振幅
予測工程と、ある時刻における干渉強度と振幅に基づい
て位相を算出する位相算出工程と、算出された位相に基
づいてエッチング深さを算出するエッチング深さ算出工
程とを備えたことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図８に示す実施形態
に基づいて本発明を説明する。まず、本発明のエッチン
グ深さの検出方法を実現できる本発明のエッチング装置
の一実施形態について図１を参照しながら説明する。図
１に示すエッチング装置１０は、例えばアルミニウム等
の導電性材料からなる処理室１１と、この処理室１１内
の底面に配設され且つ被処理体としての半導体ウエハＷ
を載置する載置台を兼ねた下部電極１２と、この下部電
極１２の上方に所定の間隔を隔てて配設された上部電極
１３とを備えている。処理室１１周面の上部にはガス供
給源（図示せず）が接続されたガス供給部１１Ａが形成
され、処理室１１周面の下部には真空排気装置（図示せ
ず）が接続されたガス排出部１１Ｂが形成されている。
また、下部電極１２にはマッチングボックス１４を介し
て高周波電源１５が接続され、上部電極１３にはマッチ
ングボックス１６を介してより周波数の高い高周波電源
１７が接続され、半導体ウエハＷのエッチングを行う。

【００１８】上記ガス排出部１１Ｂから真空排気装置を
介して排気して処理室１１内を所定の真空度まで減圧し
た後、上下両電極１２、１３にそれぞれ高周波電力を印
加した状態で、ガス供給部１１Ａから処理室１１内へエ
ッチング用ガスを供給すると、両電極１２、１３間でエ
ッチング用ガスのプラズマを発生し、例えば図２に示す
ように下部電極１２上の半導体ウエハＷ表面のレジスト
層Ｒの開口部Ｏから被エッチング層Ｅの被エッチング部
Ｅ’をエッチングし、所定の深さの溝Ｔを形成する。

【００１９】而して、上記処理室１１には筒状のモニタ
ー用の窓部材１８が装着され、この窓部材１８の上端に
は石英ガラス等の透明体からなるモニター用の窓１８Ａ
が取り付けられている。窓部材１８の下端部は上部電極
１３の貫通孔を貫通し、半導体ウエハＷの表面と対向し
ている。そして、この窓部材１８に連結されたエッチン
グモニター装置２０を介して処理室１１内の半導体ウエ
ハＷのエッチング状況をモニターするようにしてある。
このエッチングモニター装置２０は、図１に示すよう
に、光源２１、光ファイバー２２、レンズ２３、ポリク
ロメータ２４、光検出器２５及び解析・演算手段２６及
びメモリ２７を備え、光源２１からの放射光Ｌを処理室
１１内の半導体ウエハＷの表面に照射し、半導体ウエハ
Ｗ表面からの反射する反射光Ｌ_０を検出し、３種類の干
渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に基づいてエッチング状況をリア
ルタイムで監視し、エッチング深さが所定の深さに達す
ると制御装置２８を介して高周波電源１４、１７をオフ
にしてエッチングを終了させる。

【００２０】例えば光源２１から図３に示す波長領域の
スペクトルをもつ光を放射すると、この放射光Ｌが光フ
ァイバー２２を経由して処理室１１内の半導体ウエハＷ
の被エッチング部Ｅ及びレイジスト層Ｒに入射し、それ
ぞれの部分（レジスト層と被エッチング層Ｅとの界面
（被エッチング層Ｅの上面）、被エッチング部Ｅ’）に
おいて反射し、反射光は互いに干渉して干渉光を発生す
る。即ち、図１に示すように反射光Ｌ_０は光ファイバー
２２を経由してポリクロメータ２４を介して分光され、
このうち例えば波長λ＝３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５
０ｎｍをもつ干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３をそれぞれ第１、
第２、第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出す
る。これらの光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは各波長
の干渉光を光電変換してアナログ信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３
として出力する。これらのアナログ信号は図示しない増
幅器を介して増幅後、図示しないＡ/Ｄ変換器を介して
デジタル信号となって解析・演算手段２６に入力する。
解析・演算手段２６は後述のようにしてこれらのデジタ
ル信号に基づいてエッチング深さを求める。尚、光源２
１としては例えばキセノンランプが用いられる。

【００２１】ところで、被エッチング部Ｅ’はエッチン
グにより削られて深くなるため、この深さに即して各干
渉光の強度が周期的に変化してそれぞれの干渉波形を形
成する。これらの干渉波形は理論的には下記の(1)式で
示す正弦波として表され時間的と共に変化する。(1)式
における周波数ωとエッチング深さの関係は理論的には
下記の(2)式で表される。(1)式及び(2)式において、Ｉ
_ｄｃは干渉波形の直流成分、Ｉ_ｐｐは干渉波形の交流成
分の振幅、ωは干渉波形の角周波数（以下、「周波数」
と称す。）、ｎは屈折率、δはエッチング深さ、λは測
定に用いられる光の波長である。 Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ)・・・(1) ω＝２πｄ(ｎδ/λ)/ｄｔ・・・(2)

【００２２】上記解析・演算手段２６は、図１に示すよ
うに、最大エントロピー法や高速フーリエ変換を用いて
干渉光の周波数の解析を行う周波数解析手段２６Ａと、
周波数解析手段２６Ａにおいて求められた周波数ωを基
に各干渉波形のエッチング速度を算出するエッチング速
度算出手段２６Ｂと、エッチング速度算出手段２６Ｂに
おいて求められた各エッチング速度を互いに補完してよ
り現実に即したエッチング速度を算出するエッチング速
度補完手段２６Ｃと、エッチング速度補完手段２６Ｃに
おいて求められたエッチング速度に基づいてエッチング
深さを算出するエッチング深さ算出手段２６Ｄと、この
エッチング深さ算出手段２６Ｄにおいて求められたエッ
チング深さを判定する判定手段２６Ｅとを備えている。
また、メモリ２７には最大エントロピー法や高速フーリ
エ変換に関するプログラム、エッチング速度及びエッチ
ング深さを算出する場合に用いられるプログラムや干渉
波形のデータ等が格納されている。

【００２３】上記解析・演算手段２６の周波数解析手段
２６Ａでは、最大エントロピー法や高速フーリエ変換
（本実施形態では最大エントロピー法）を用いて上述し
た３種類の干渉光の周波数の解析を行って、例えば時刻
（ｔ−Δｔ）から時刻ｔにおける周波数ω(ｔ)及び位相
ｐ（ｔ）を各干渉波形について求める。周波数はΔｔ刻
みで求める。

【００２４】エッチング速度Ｅ(ｔ)と周波数ω(ｔ)との
間には下記の(3)式の関係にあることから、エッチング
速度算出手段２６Ｂでは、プログラムに従って時刻(ｔ
−Δｔ)から時刻ｔまでの周波数ω(ｔ)を各干渉波形に
ついて求めると、これらの周波数ω(ｔ)とエッチング速
度との関係から、その時点での各干渉波形に即したエッ
チング速度Ｅ(ｔ)を下記(3)式に基づいてΔｔ刻みで算
出する。 Ｅ(ｔ)＝ｄδ(ｔ)/ｄｔ＝ω(ｔ)λ/(２πｎ)・・・(3)

【００２５】実際に観測される干渉波形は様々の要因に
よって歪む。ところが、周波数解析に用いる時間幅Δｔ
がある程度長い時間(１周期以上、Δｔ＞２π/ω)の場
合にはこの歪みの影響は平均化されて大きな影響はな
い。しかしながら、エッチング速度の時間変化への追随
能力（ここでは、「時間応答性」と称す。）を良くする
ためにはΔｔをできるだけ小さくする必要がある。最大
エントロピー法や高速フーリエ法のいずれもΔｔが観測
している干渉波形の半周期以上（Δｔ＞π/ω)であれば
解析は可能である。ところが、このようにΔｔが短いと
エッチング速度は干渉波形の歪みの影響を受け、丁度ｓ
ｉｎ波において位相ｐ＝π/２に当たるところではエッ
チング速度が例えば２０％程度小さくなり、ｐ＝３π/
２に当たるところではエッチング速度が例えば２０％程
度大きく目の値がでる。

【００２６】このように各干渉波形はそれぞれ特定の位
相（π/２、３π/２、・・・ｍπ/２：ｍは奇数）で歪みを
持ち、これらの位相でのエッチング速度が本来の速度か
らずれるが、歪みを持つ時刻は波長が異なれば干渉波形
によって異なる。そこで、複数種類（本実施形態では３
種類）の波長を異にする干渉波形について、それぞれの
エッチング速度を求めると同時にそれぞれの位相ｐを求
め、一つの干渉波形が歪みを持つ位相では他の二つの干
渉波形は歪みを持たないように干渉波形の波長が選択さ
れているので、前者の干渉波形から求められたエッチン
グ速度を後者の波形から求められたエッチング速度で補
完するようにしている。上記エッチング速度補完手段２
６Ｃでは、プログラム上では、ｉ番目の波長λ_ｉに対し
て時刻ｔで求めた算出エッチング速度Ｅ_ｉ(ｔ)をその時
の位相ｐ_ｉ(ｔ)に対してｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）という重
みを付けを行い、重み付けをしたエッチング速度の平均
値を平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)として下記の(4)
式によって求める。この処理により波形の歪む位相（ｐ
＝π/２、３π/２、・・・）近傍ではｃｏｓ^２（ｐ
_ｉ(ｔ)）が０に近づき、歪まない波形のデータの重みが
相対的に大きくなり、自動的に相互の歪みに伴うエッチ
ング速度のずれを補完し合い、本来のエッチング速度に
近い値として平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を求める
ことができる。但し、エッチング時間内では常に(4)式
の分母であるΣｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）≠０となる波長を
選択しなくてはならない。 Ｅ_ａｖｅ(ｔ)＝〔ΣＥ_ｉ(ｔ)ｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）〕/Σｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)） ・・(4)

【００２７】上記エッチング深さ算出手段２６Ｄでは、
下記の(5)式にあるように平均エッチング速度Ｅ
_ａｖｅ(ｔ)を時間積分してエッチング深さδ(ｔ)をΔｔ
刻みで算出する。そして、判定手段２６Ｅではエッチン
グ深さδ(ｔ)が目標エッチング深さに達しているか否か
を判定し、目標エッチング深さに達していないと、目標
エッチング深さに達するまで上述の一連の動作を繰り返
す。 δ(ｔ)＝∫Ｅ_ａｖｅ(ｔ)ｄｔ・・・(5)

【００２８】次いで、本実施形態のエッチング深さの検
出方法について図４を参照しながら説明する。エッチン
グ装置の処理室１１内で半導体ウエハＷをエッチングし
始めると、エッチングモニター装置２０が自動的に作動
し、例えばキセノンランプからなる光源２１から光ファ
イバー２２を介して半導体ウエハＷ表面に対して垂直に
放射光Ｌを照射すると（ステップＳ１）、放射光Ｌは被
エッチング部及びその他の部分から反射する。反射光Ｌ
_０は干渉しながら光ファイバー２２を介してポリクロメ
ータ２４に達し、ここで３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５
０ｎｍの波長を持った干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に分光す
る（ステップＳ２）。次いで、各干渉光を第１、第２、
第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出し、各光検
出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃにおいて各干渉光をそれぞ
れ光電変換した後（ステップＳ３）、増幅器及びＡ/Ｄ
変換器を経由して各干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に対応する
干渉強度信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ３を解析・演算部２５の周
波数解析手段２６Ａへ出力する。

【００２９】周波数解析手段２６Ａでは干渉強度信号Ｓ
_１、Ｓ_２、Ｓ_３に基づいて最大エントロピー法やフーリ
エ変換を用いて各干渉強度信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を周波
数解析し、時間（ｔ−Δｔ）から時間ｔまでの周波数ω
_１(ｔ)、ω_２(ｔ)、ω_３(ｔ)及びｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、
ｐ_３(ｔ)を求める（ステップＳ４）。尚、時間幅Δｔは
各干渉波形の半周期となるように設定してある。周波数
解析手段２６Ａは各干渉波形の周波数信号ω_１、ω_２、
ω_３をエッチング速度算出手段２６Ｂへ出力すると、エ
ッチング速度算出手段２６Ｂではそれぞれの周波数信号
を用いて各干渉波形に対応するエッチング速度Ｅ
_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)を上記(3)式に基づいて算
出する（ステップＳ５）。エッチング速度算出手段２６
Ｂは各干渉波形の算出エッチング速度信号Ｅ_１、Ｅ_２、
Ｅ_３をエッチング速度補完手段２６Ｃへ出力すると、エ
ッチング速度補完手段２６Ｃではそれぞれの算出エッチ
ング速度信号を用いてこれらのエッチング速度の平均値
Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を上記(4)式に基づいて算出する（ステッ
プＳ６）。エッチング速度補完手段２６Ｃは平均エッチ
ング速度信号Ｅ_ａｖｅをエッチング深さ算出手段２６Ｄ
へ出力すると、エッチング深さ算出手段２６Ｄではこの
平均エッチング速度信号を用いてエッチング深さ(ｔ)を
上記(5)式に基づいて算出する（ステップＳ７）。エッ
チング深さδ(ｔ)が算出されると判定手段２６Ｅにおい
てこのエッチング深さδ(ｔ)が目標エッチング深さに達
しているか否かを判定し（ステップＳ８）、目標エッチ
ング深さに達していなければステップＳ２〜ステップＳ
８の動作を繰り返し、目標エッチング深さに達すれば、
制御装置２８を介して高周波電源１４、１７をオフにし
てエッチングを終了する。

【００３０】この一連の動作により得られた結果を示す
図５〜図８から以下のことが判った。尚、図５は３５０
ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波形を示し、横軸
は経過時間（単位：秒）、縦軸は干渉波の強度を示す。
図５では位相π/２、３π/２において干渉波形が歪んで
いるようには見えないが、波形解析を行うと歪んでいる
ことが判る。図６は(3)式を用いて単一波長３５０ｎ
ｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波から個別に求めた
エッチング速度（ｎｍ/秒）を示す。図７は(4)式を用い
て単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉
波を互いに補完し、重み付けをして求めたエッチング速
度を示す。図８は時間とエッチング深さの関係を示し、
一点鎖線は(3)式に基づいて求めた各時刻における４５
０ｎｍの単一波長のエッチング深さを示し、実線は(4)
式に基づいて求めた各時刻におけるエッチング深さを示
す。

【００３１】図６に示す結果によれば、本来一定である
筈のエッチング速度が３種類の干渉波形から得られた算
出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)の場合
にはいずれも約８００ｎｍ/秒を中心に約±２００ｎｍ
も変化していることが判った。しかしながら、図７に示
す結果によれば、３種類の算出エッチング速度の重み付
けを行うことによりそれぞれの算出エッチング速度を互
いに補完して求めた平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)は
エッチング速度の誤差が約±８０ｎｍ程度に抑制され、
単一の波長を用いた場合と比べてエッチング速度の誤差
が格段に改善されていることが判った。また、図８に示
す結果によれば、３種類の波長を用いて互いを補完し合
った平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)に基づいて得られ
たエッチング深さδは時間と共に直線的に変化する傾斜
を描いているが、単一の波長の場合にはエッチング速度
の誤差の影響で傾斜にうねりがあることが判った。

【００３２】以上説明したように本実施形態によれば、
半導体ウエハＷに波長を異にする３種類の光を照射し、
レジスト層Ｒと被エッチング層Ｅの界面（被エッチング
層Ｅの上面）及び被エッチング部Ｅ’の表面からの反射
光Ｌ_０が解析・演算手段２０の入射すると、解析・演算
手段２０において、反射光Ｌ_０の周期変動する波長を異
にする３種類の干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を第１、第２、
第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出した後、こ
れらの干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の周波数解析を行うこと
によりそれぞれの干渉波形の周波数ω_１(ｔ)、ω
_２(ｔ)、ω_３(ｔ)を求め、更に、これらの周波数に基づ
いてそれぞれの干渉波形に即したエッチング速度を算出
エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)として求
め、これらの算出エッチング速度に対して各干渉波形の
位相ｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、ｐ_３(ｔ)に基づいた重み付け
した加重平均を行って３種類の干渉波形の平均エッチン
グ速度Ｅ_{ａ ｖｅ}(ｔ)を求めた後、この平均エッチング速
度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を積分してエッチング深さδ(ｔ)を算出
するようにしたため、ある時刻で一つの干渉波形が特定
位相（例えば、π/２）に該当して歪みがあっても他の
干渉波形はπ/２の位相に該当しないため、後者の２つ
の算出エッチング速度で前者の１つのエッチング速度を
補完して前者のπ/２における歪みの影響を抑制し、エ
ッチング深さを正確に検出することができる。

【００３３】本実施形態では、エッチング速度を算出す
る際に、３種類の干渉波形の周波数ω _１(ｔ)、ω
_２(ｔ)、ω_３(ｔ)に基づいてそれぞれのエッチング速度
を算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)を
求め、いずれかの干渉波形の歪みに基づく算出エッチン
グ速度のずれを他の歪みのない干渉波形に基づく算出エ
ッチング速度で補完した平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅを
エッチング速度として求めるようにしたため、いずれか
の干渉波形が歪みを持っていてもその歪みの影響を抑制
したエッチング速度を求めることができる。いずれかの
干渉波形の歪みに基づく算出エッチング速度のずれを他
の歪みのない干渉波形に基づく算出エッチング速度で補
完する方法としては、周波数解析の際、３種類の干渉波
形それぞれの位相ｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、ｐ_３(ｔ)も求
め、これらの干渉波形の位相に応じてそれぞれの算出エ
ッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)をｃｏｓ^２
（ｐ_ｉ(ｔ)）で加重平均した平均エッチング速度Ｅ
_ａｖｅ(ｔ)をエッチング速度として求めるようにしたた
め、各干渉波形で歪みの現れるπ/２π、３/２、・・・
（ｎ＋１/２）πではそれぞれの歪みの影響を確実に抑
制することができる。加重平均の際、３種類の干渉波形
の波長が同時に（ｎ＋１/２）πにならない干渉波形を
選択したため、いずれかの干渉波形の歪みに基づく算出
エッチング速度のずれを他の歪みのない干渉波形に基づ
く算出エッチング速度で確実に補完することができる。

【００３４】図９は本発明の他のエッチング深さの検出
方法を実現できるエッチング装置の一例を示す構成図で
ある。本実施形態のエッチング装置１０Ａは、図９に示
すように、半導体ウエハＷの処理室１１と、この処理室
１１内の半導体ウエハＷのエッチング状況をモニターす
るエッチングモニター装置３０とを備え、エッチングモ
ニター装置３０以外は上記実施形態のエッチング装置１
０に準じて構成されている。そこで、以下ではエッチン
グモニター装置３０を中心に説明する。

【００３５】本実施形態のエッチングモニター装置３０
は、図９に示すように、光源３１、光ファイバー３２、
レンズ３３、モノクロメータ３４、光検出器３５及び解
析・演算手段３６及びメモリ３７を備え、光源３１から
の放射光Ｌを処理室１１内の半導体ウエハＷの表面に照
射し、半導体ウエハＷ表面からの反射する反射光Ｌ_０を
検出し、単一の干渉光Ｌ_１に基づいてエッチング状況を
リアルタイムで監視し、エッチング深さが所定の深さに
達すると制御装置３８を介してエッチングを終了させ
る。

【００３６】上記解析・演算手段３６は、図９に示すよ
うに、干渉光Ｌ_１の干渉波形の連続する極大値及び極小
値を検出する極値検出手段３６Ａと、この極値検出手段
３６Ａを介して検出された干渉波形の極大値及び極小値
に基づいてその後の干渉波形の振幅を予測する振幅予測
手段３６Ｂと、ある時刻における干渉波形の強度と予測
振幅の比に基づいて干渉波形の位相を算出する位相算出
手段３６Ｃと、この位相算出手段３６Ｃを介して得られ
た位相に基づいてエッチング深さを算出するエッチング
深さ算出手段３６Ｄと、このエッチング深さ算出手段３
６Ｄにおいて求められたエッチング深さを判定する判定
手段３６Ｅとを備えている。

【００３７】即ち、干渉波形は前述したように(1)式で
表されるように周期的に変化する。ところが、干渉光は
プラズマ発光の影響を受けると共に反射率、透過率がエ
ッチング深さに依存するため、図５に示すように振幅が
徐々に減衰する。そこで、本実施形態では(1)式に減衰
率ｅｘｐ(γｔ)を考慮した干渉波形を下記の(6)式で近
似する。近似式(6)において、Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γは定
数である。 Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)・・・(6)

【００３８】そして、上記極値検出手段３６Ａでは、実
際の干渉波形の位相ｐ＝ωｔがπ/２、３π/２、５π/
２、・・・ｍπ/２（ｍは奇数）になるところで干渉波形強
度Ｉの極大値及び極小値を検出する。厳密に云えばこれ
らは極値ではないが、観測される干渉波形では経験的に
周波数ωがγよりも遥かに大きく、近似的に極値と看做
すことができる。ところが、定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γも
ωと比べるとゆっくりとではあるが時間的に変化する。
そこで、各時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３において近傍の極値Ｉ
_１、Ｉ_２、Ｉ_３を３つ連続して検出し、これらの極値信
号Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ _３を振幅予測手段３６Ｂへ出力する。
これらの極値は図１０では×で示してある。

【００３９】上記振幅予測手段３６Ｂでは、極値検出手
段３６Ａからの連続する３つの干渉強度の極値の値
Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から数値解法である二分法を用いて３
つの極値が通る包絡線を近似式(6)から決定する。次い
で、この包絡線の３つの極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に基づい
て近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ及びγを求めて近似
式(6)の定数を決定し、ひいては定数の決定された近似
式(6)を決定し、位相算出手段３６Ｃへ出力する。

【００４０】上記位相算出手段３６Ｃでは振幅予測手段
２６Ｂで決定された定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_{ｐ ｐ}、γを用いて、
ある時間(ｔ)の干渉波形の強度Ｉ(ｔ)を検出すれば、
(6)式を変形して得られる下記の(7)式からある時間(ｔ)
の位相ｐ(ｔ)を求めることができ、その位相信号をエッ
チング深さ算出手段３６Ｄへ出力する。 ｐ(ｔ)＝Ａｒｃｓｉｎ〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕・・・(7)

【００４１】上記エッチング深さ算出手段３６Ｄでは、
位相算出手段３６Ｃで求められた、ある時間(ｔ)のエッ
チング深さδ(ｔ)は、位相ｐ(ｔ)とエッチング深さδ
(ｔ)との間の関係を表す下記の(8)式を用いて求めるこ
とができる。このようにして求められたエッチング深さ
δ(ｔ)と時間との関係を示すグラフが図１１である。図
１１からも明らかなようにエッチング深さはうねりがな
く、一定のエッチング速度を持つことが判る。 δ(ｔ)＝ｐ(ｔ)λ/（２πｎ）・・・(8)

【００４２】定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求める時にはよ
り多くの点を用いて最小二乗法等によって求めることも
できるが、このようにして求められた近似式(6)の場合
には干渉波形（Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ
(ωｔ)）が全ての極値を通るとは限らず、極値近傍にお
ける位相ｐ(ｔ)が値が極めて不正確になる。ところが、
本実施形態のように３つの極値から定数Ｉ_ｄｃ、
Ｉ_ｐｐ、γを求めた場合には干渉波形は全ての極値を必
ず通るため、干渉波形の精度を確保することができる。

【００４３】次に、図１０、図１１を参照しながら本実
施形態のエッチング深さの検出方法について説明する。
モノクロメータ３４及び光検出器３５を介して干渉光の
信号が演算・解析手段３６へ入力すると、極値検出手段
３６Ａで干渉強度の極値を時間の経過と共に検出する。
例えば図１０に示すように、極値検出手段３６Ａでは時
刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３で干渉強度の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３
を順次検出する。振幅予測手段３６Ｂではこれらの干渉
強度に基づいて数値解析法である二分法を用いて連続す
る３つの点を通る包絡線を近似式(6)から決定した後、
この包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求め、これらの
定数を近似式(6)の定数として決定し、近似式(6)を決定
する。次の時刻ｔ_３と時刻ｔ_４の間では定数の決定され
た近似式及びその時の干渉強度から式(7)、式(8)を用い
てその間（時刻ｔ_３と時刻ｔ_４の間）のエッチング深さ
を逐次求めることができる。次の極値となる時刻ｔ_４で
は、この時の干渉強度の極値Ｉ_４を含めた３つの連続す
る極値Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４の値から二分法を用いて上述の
場合と同様の手順でこの時点の定数及び近似式(6)を決
定する。そして、時刻ｔ_４と時刻ｔ_５の間のエッチング
深さは新たに決定された近似式及びその間の干渉強度の
極値から求めることができる。同様の手順をエッチング
終了まで繰り返し、最終的には所定のエッチング深さに
達した時点で制御装置２８を介して高周波電源１５、１
７をオフにしてエッチングを終了する。

【００４４】以上説明したように本実施形態によれば、
半導体ウエハＷに光Ｌを照射する工程と、被エッチング
層Ｅの上面及び被エッチング部Ｅ’の表面からの反射光
Ｌ_０による周期変動する干渉光Ｌ_１を検出する工程と、
干渉光Ｌ_１の近似式(6)を決定する近似式決定工程と、
干渉光強度から近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを
決定する近似式定数決定工程と、定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、
γの決定した近似式(6)と干渉光強度の極値Ｉ_１、
Ｉ_２、Ｉ_３とに基づきエッチング深さδ(ｔ)を算出する
エッチング深さ算出工程とを備えているため、少なくと
も３つの極値を検出すれば少ない計算量で短時間で計算
してエッチング深さを求めることができ、時間応答性に
優れている。

【００４５】近似式定数決定する際には、近似式(6)か
ら近似式(6)の包絡線を決定し、干渉光強度Ｉ_１、
Ｉ_２、Ｉ_３から包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求め
ることによりこれらの定数を近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、
Ｉ_ｐｐ、γとして決定するため、最小二乗法等の手法に
比べて精度の高い干渉波形を得ることができる。また、
３つの連続する干渉光強度の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から
包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求めるため、極めて
少ないデータで包絡線を決定することができ、短時間で
エッチング深さを求めることができ、時間応答性に優れ
ている。更に、エッチング深さ算出する際に、式(8)を
用いて定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γの決定した近似式(6)と
干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３とに基づいて干渉波形の位
相ｐ(ｔ)を求め、この位相に基づいてエッチング深さを
算出するため、極めて少ないデータから短時間でエッチ
ング深さを求めることができる。

【００４６】従って、本実施形態では、干渉光Ｌ１の干
渉波形の連続する３つの極大値及び極小値を極値Ｉ_１、
Ｉ_２、Ｉ_３として極値検出手段３６Ａで検出し、これら
の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に基づいてその後の干渉波形の
振幅を近似式(6)から予測し、ある時刻ｔにおける干渉
強度Ｉと振幅の比〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘ
ｐ(γｔ)）〕から位相ｐ(ｔ)を算出し、この位相ｐ(ｔ)
に基づいてエッチング深さδ(ｔ)を算出するようにした
ため、少なくとも３つの極値を検出すれば、少ない計算
量でその後のエッチング速度を短時間で計算してエッチ
ング深さを求めることができる。

【００４７】また、後者の実施形態では位相ｐ(ｔ)は、
ｐ(ｔ)＝Ａｒｃｓｉｎ（ｆ(ｔ)）、ｆ(ｔ)＝（Ｉ(ｔ)−
Ｉ_ｄｃ）/Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)を用いて求めているが、
位相ｐ(ｔ)の誤差Δｐは下記の(9)式になり。位相ｐ＝
ｍπ/２（ｍは正の奇数）において誤差を生じる。そこ
で、前者の実施形態と同様に複数の波長を持つ光を用
い、一つの干渉波形が歪みを持つ位相ｐ(ｔ)では他の干
渉波形の位相を用いることにより上述の誤差を確実に抑
制することができ、エッチング深さを高精度で求めるこ
とができる。プログラム上では(10)式のように前者の実
施形態と同様に各波長λに対し(8)式で求めたエッチン
グ深さδｉをｃｏｓ^２(ｐ)で重み付けを行って平均値を
取る。この場合のエッチング装置は図９のモノクロメー
タ、光検出器に代えてポリクロメータ、複数の光検出器
を用いる。 Δｐ＝ｄｐ/ｄｆ＊Δｆ＝１/ｃｏｓ(ｐ)＊Δｆ・・・(9) δ(ｔ)＝〔Σδ(ｔ)ｃｏｓ^２(ｐ(ｔ))/Σｃｏｓ^２(ｐ(ｔ))・・・(10)

【００４８】尚、上記各実施形態では、最大エントロピ
ー法や高速フーリエ変換法を用いてエッチング深さを検
出する方法、干渉波形の振幅の時間変化を予測してエッ
チング深さを検出する方法について説明したが、前者の
方法は干渉波形の歪みの影響を受け難く、しかもプログ
ラミングを簡便に行うことができる特性を有し、後者の
方法は時間応答性及び計算速度に優れた特性を有してい
る。従って、エッチングの内容によってこれらの方法を
適宜使い分け、あるいは最後に説明したようにこれら両
者を適宜組み合わせて使用すれば良い。また、本発明は
上記各実施形態に何等制限されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない限り本発明に包含される。

【００４９】

【発明の効果】本発明の請求項１〜請求項５及び請求項
１０に記載の発明によれば、干渉波形の特定位相に歪み
があっても歪みの影響を抑制してエッチング深さを精度
良く検出することができるエッチング深さの検出方法を
提供することができる。

【００５０】また、本発明の請求項６〜請求項１１記載
の発明によれば、エッチング深さを短時間で計算するこ
とができる時間応答性に優れたエッチング深さの検出方
法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエッチング深さの検出方法を適用する
エッチング装置の一実施形態を示す構成図である。

【図２】半導体ウエハをエッチングする際の干渉光を説
明するための説明図である。

【図３】図１に示すエッチング装置の半導体ウエハから
の反射光のスペクトルを示す図である。

【図４】図１に示すエッチング装置を用いて本発明のエ
ッチング深さの検出方法の手順を示すフローチャートで
ある。

【図５】図１のエッチング装置を用いた時の被エッチン
グ部と被エッチング層の上面からの反射光によって得ら
れた３種類の干渉波形の干渉信号を示す実測波形図であ
る。

【図６】図５に示す単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、
５５０ｎｍの干渉波形から個別に求めたエッチング速度
（ｎｍ/秒）を示すグラフである。

【図７】図６に示す単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、
５５０ｎｍの干渉波形それぞれのエッチング速度を互い
に補完し、重み付けをして求めたエッチング速度を示す
グラフである。

【図８】図７に示す各時刻における４５０ｎｍの単一波
長を用いて求めたエッチング深さを示すグラフで、一点
鎖線で示したエッチング深さは図６に示すエッチング速
度から求めたものを示し、実線で示したエッチング深さ
は図７に示すエッチング速度から求めたものを示す。

【図９】本発明のエッチング装置の他に実施形態を示す
構成図である。

【図１０】図１０に示すエッチング装置を用いて干渉波
形の振幅の時間変化の予測図である。

【図１１】図１０に示す予測図に基づいてエッチング深
さを求めたグラフである。

【符号の説明】

１０、１０Ａ エッチング装置 １１ 処理室 １２ 下部電極 １３ 上部電極 ２０、３０ エッチングモニター装置 ２１、３１ 光源 ２２、３２ 光ファイバー（導光手段） ２６、３６ 解析・演算手段 ２６Ａ 周波数解析手段 ２６Ｂ エッチング速度算出手段 ２６Ｃ エッチング速度補完手段 ２６Ｄ エッチング深さ算出手段 ３６Ａ 極値検出手段 ３６Ｂ 振幅予測手段 ３６Ｃ 位相算出手段 ３６Ｄ エッチング深さ算出手段 Ｅ’被エッチング部 Ｅ 被エッチング層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K057 DA12 DB06 DD01 DJ07 DM03 4M106 AA01 AA20 BA04 CA48 CA70 DH03 DH12 DH31 DJ11 DJ12 DJ20 DJ21 5F004 BA04 CB10

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体に光を照射し、その反射光を用
   いてエッチング深さを検出する方法において、上記被処
   理体に波長を異にする複数の光を照射する工程と、被エ
   ッチング層の上面及び被エッチング部の表面からの反射
   光により周期変動する波長を異にする複数の干渉光を検
   出する工程と、複数の干渉光の周波数解析を行うことに
   よりそれぞれの干渉波形の周波数を求める周波数解析工
   程と、複数の干渉波形の周波数を用いてエッチング速度
   を算出するエッチング速度算出工程と、エッチング速度
   からエッチング深さを求める工程とを備えたことを特徴
   とするエッチング深さの検出方法。
2. 【請求項２】 上記エッチング速度算出工程は、上記各
   干渉波形の周波数に基づいてエッチング速度を算出して
   それぞれの算出エッチング速度を求める工程と、いずれ
   かの干渉波形の歪みに基づく算出エッチング速度のずれ
   を他の歪みのない干渉波形に基づく算出エッチング速度
   で補完してエッチング速度を求める工程とを備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載のエッチング深さの検出方
   法。
3. 【請求項３】 上記各干渉波形の歪みの大きさに応じて
   それぞれの算出エッチング速度を加重平均して上記エッ
   チング速度を求めることを特徴とする請求項２に記載の
   エッチング深さの検出方法。
4. 【請求項４】 上記周波数解析工程で上記各干渉波形そ
   れぞれの位相も求め、これらの干渉波形の位相に応じて
   それぞれの算出エッチング速度を加重平均することを特
   徴とする請求項３に記載のエッチング深さの検出方法。
5. 【請求項５】 上記各干渉波形それぞれの波長が同時に
   （ｎ＋１/２）πとならない波長を選択することを特徴
   とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のエッ
   チング深さの検出方法。
6. 【請求項６】 被処理体に光を照射し、その反射光を用
   いてエッチング深さを検出する方法において、上記被処
   理体に光を照射する工程と、被エッチング層の上面及び
   被エッチング部の表面からの反射光による周期変動する
   干渉光を検出する工程と、干渉光の近似式を決定する近
   似式決定工程と、干渉光強度から近似式の定数を決定す
   る近似式定数決定工程と、定数の決定した近似式と干渉
   光強度とに基づきエッチング深さを算出するエッチング
   深さ算出工程とを備えたことを特徴とするエッチング深
   さの検出方法。
7. 【請求項７】 上記近似式定数決定工程は、近似式から
   近似式の包絡線を決定する工程と、干渉光強度から包絡
   線の定数を求めることにより近似式の定数を決定する工
   程とを備えたことを特徴とする請求項６に記載のエッチ
   ング深さの検出方法。
8. 【請求項８】 ３つの連続する干渉光強度の極値から包
   絡線の定数を求めることを特徴とする請求項７に記載の
   エッチング深さの検出方法。
9. 【請求項９】 上記エッチング深さ算出工程は、定数の
   決定した近似式と干渉光強度とに基づいて干渉波形の位
   相を求め、この位相に基づいてエッチング深さを算出す
   ることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項
   に記載のエッチング深さの検出方法。
10. 【請求項１０】 複数の波長の光を用いてそれぞれの波
    長について請求項６の方法でそれぞれのエッチング深さ
    を検出する工程と、それぞれのエッチング深さを補完す
    ることにより平均エッチング深さを算出することを特徴
    とするエッチング深さの検出方法。
11. 【請求項１１】 被処理体に光を照射し、その反射光を
    用いてエッチング深さを検出する方法において、上記被
    処理体に光を照射する工程と、被エッチング層の上面及
    び被エッチング部の表面からの反射光による周期変動す
    る干渉光を検出する工程と、干渉光の干渉波形の極値に
    基づいてその後の干渉波形の振幅を予測する振幅予測工
    程と、ある時刻における干渉強度と振幅に基づいて位相
    を算出する位相算出工程と、算出された位相に基づいて
    エッチング深さを算出するエッチング深さ算出工程とを
    備えたことを特徴とするエッチング深さの検出方法。