JP2002005635A - エッチング深さ測定方法および測定装置並びにエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エッチング加工前のサンプル毎に変動する初
期深さが存在する場合でも、また、エッチングレートが
深さ方向に対して一定でない場合でも、正確にエッチン
グ深さを算出するエッチング深さ測定方法および測定装
置、並びにそれを用いたエッチング装置を提供するこ
と。 【解決手段】 段差（エッチング溝４）の深さを算出す
る演算工程を、干渉波形の最終極点以前の深さはシミュ
レーションによって深さを算出し、最終極点以降はシミ
ュレーションによってエッチング深さ信号を参照しなが
らエッチング終点を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板のエッ
チング装置等に用いられる高精度なエッチング深さ測定
方法およびその測定装置、並びにエッチング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造プロセスで用いられて
いる半導体基板の配線工程では、微細化が進むにつれ
て、従来のように成膜された金属膜をエッチングして配
線を形成する加工方法では、アスペクト比が大きくなり
過ぎたため、所望の良好な形状が得るのが困難になって
きている。

【０００３】そこで、あらかじめＳｉ基板上に成膜され
ている絶縁体に溝を形成しておき、その後、絶縁体の上
に溝の内部も含めた配線用の金属層を形成し、さらに、
この金属層をＣＭＰ（化学的機械的研磨）により絶縁体
の表面まで一様に研磨することにより、絶縁体上の配線
金属を除去して、絶縁体にエッチングにより形成されて
いる溝の中にのみ金属を付けるプロセス（ダマシンプロ
セス）に変わりつつある。

【０００４】この場合、配線金属の電気抵抗は配線の断
面積で決まるため、絶縁体のエッチングによる溝の深さ
は高精度に管理する必要がある。

【０００５】エッチング加工中のエッチング溝の深さの
測定原理は図８に示すように、エッチング加工中のＳｉ
基板５１を照射して、Ｓｉ基板５１からの２つの反射光
Ｒ_１、Ｒ_２を検出することによって行っている。

【０００６】すなわち、この２つの反射光Ｒ_１、Ｒ_２は
エッチング加工中のエッチング溝５６の底からの反射光
Ｒ_１とＳｉ基板５１の表面のマスク５５からの反射光Ｒ
_２で形成されており、２つの反射光Ｒ_１、Ｒ_２の干渉現
象により干渉光を発生させ光センサ５７で検出する。こ
の干渉光は加工中のエッチング溝５６が深くなるにつれ
て周期的な強弱の変化が生じる。しかも、その干渉光が
極点間の半周期（あるいは一周期）変化したときの深さ
の変化量は物理的に決まり、エッチング溝５６が形成さ
れた層のエッチング速度とマスク５５のエッチング速度
の比であるエッチング選択比が無限大の場合は、照射し
た単波長の光の１／４深くなったことになる。それによ
りエッチング溝５６の深さを測定することができる。

【０００７】次に、干渉信号からエッチングレートを算
出する深さ算出アルゴリズムを、図９を用いて説明す
る。

【０００８】エッチング対象物のマスク表面で反射した
光とエッチング対象物のパターン孔上で反射した光の干
渉信号は、図２のように正弦波状の波形を示す。マスク
がエッチングされずに、エッチング対象体の絶縁層（Ｐ
ｏｌｙ−Ｓｉ）のみがエッチングされると、この干渉信
号の極点間が示す深さは使用光源波長のｌ／４となる。
この原理を用いて、得られた干渉信号の極点を検出し、
初めの２つの極点を検出した時にその極点間のエッチン
グ時間と極点間の深さがｌ／４波長であることから、エ
ッチングレート（ＥＲ１＝極点間深さ／極点間のエッチ
ング時間）を算出する。

【０００９】算出したエッチングレートを用いて、初め
の極点が検出されるまでの時間（Ｔｌ）から、初めの極
点までの深さ（α＝ＥＲｌ×Ｔｌ）を算出する。それ以
降は，極点が検出されるごとに極点間深さ（ｌ／４波
長）をプラスする（β＝ｌ／４波長×検出極点関数）。
そして、最終極点前のエッチングレートをＥＲ１同様に
算出し（ＥＲ２＝極点間深さ／極点間のエッチング時
間）、最終極点から最終信号までの時間（Ｔ２）から最
終極点以降の深さ（γ＝ＥＲ２×Ｔｌ）を算出する。

【００１０】これらのα，β，γの３つの深さの合計が
エッチング深さであり、この合計値が狙い、この深さに
なったところでエッチング加工を終了する。

【００１１】これらのエッチング深さ測定装置につい
て、図１０の模式図を用いて説明する。深さ測定用の光
源は紫外光源７１を使用し、紫外光源７１からの光を光
ファイバ７２ａで導き、光ファイバ７２ａの端部から出
射後、レンズ７３を通して平行光でエッチングチャンバ
７４の透光窓７５を介して、エッチングチャンバ７４内
に収納されているエッチング対象体７６に照射する。な
お、エッチング対象体７６は、ウエハ表面に成膜された
絶縁層の上にエッチングパターンに応じたマスクが形成
されている。

【００１２】エッチング対象体７６のマスク上で反射し
た光とエッチング対象体７６のパターン溝（不図示）上
で反射した光の干渉信号は、干渉フィルタ８１、フォト
マルチプライヤ８２（受光センサ）を通し、深さ測定用
計算機８３に取り込まれ、深さを算出する信号として処
理される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
エッチング深さ測定方法では、エッチング加工前の測定
対象物のサンプル毎に変動する初期深さ（２０ｎｍ〜３
０ｎｍ程度）が存在する場合、その深さを定数としたエ
ッチング深さ算出法を用いているが、それによるかぎ
り、エッチング深さの正確な深さコントロールを行なう
ことが出来ない。

【００１４】またエッチングレートが深さ方向に一定で
ない場合、最終極点以後の深さ外挿区間においては、正
しい深さ算出を行なうことが出来ず、その場合は、エッ
チング深さのコントロールに誤差を生じる。

【００１５】本発明はそれらの事情に基づきなされたも
ので、その目的とするところは、エッチング加工前のサ
ンプル毎に変動する初期深さが存在する場合でも、ま
た、エッチングレートが深さ方向に対して一定でない場
合でも、正確にエッチング深さを算出するエッチング深
さ測定方法および測定装置、並びにそれを用いたエッチ
ング装置を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、光源からの光を被測定体の段差に測定光と
して照射する照射工程と、この照射工程により照射され
た前記段差からの反射光の干渉波形を受光する受光工程
と、この受光工程により受光された前記干渉波形にもと
づいて前記段差の深さを算出する演算工程とを有するエ
ッチング深さ測定方法において、前記演算工程は、前記
干渉波形の最終極点以前の深さはシミュレーションによ
って深さを算出し、最終極点以降は前記シミュレーショ
ンによってエッチング深さ信号を参照しながらエッチン
グ終点を検出することを特徴とするエッチング深さ測定
方法である。

【００１７】また請求項２の発明による手段によれば、
前記エッチング深さの参照は、前記干渉波形の最終極点
以降の前記シミュレーションによる信号と実測信号との
強度比較によりおこなうことを特徴とするエッチング深
さ測定方法である。

【００１８】また請求項３の発明による手段によれば、
前記シミュレーションによる信号と実測信号との強度比
較は、前記シミュレーション信号の極点における信号強
度を前記実測信号の極点における信号強度に倍化して行
なうことを特徴とするエッチング深さ測定方法である。

【００１９】また請求項４の発明による手段によれば、
光源からの光を被測定体の段差に測定光として伝達し、
かつ、前記被測定体からの反射光を受光手段に伝達する
光学手段と、前記受光手段により受光された干渉光の干
渉波形により段差を算出する演算手段を有するエッチン
グ深さ測定装置において、前記演算手段は、前記干渉波
形の最終極点以前の深さはシミュレーションによって深
さを算出し、最終極点以降はシミュレーションのエッチ
ング深さ信号を参照しながらエッチング終点を検出する
演算部を有することを特徴とするエッチング深さ測定装
置である。

【００２０】また請求項５の発明による手段によれば、
上記のエッチング深さ測定方法を用いてエッチング量を
制御しながらエッチングを行なうことを特徴とするエッ
チング装置である。

【００２１】また請求項６の発明による手段によれば、
上記のエッチング深さ測定装置を用いてエッチング量を
制御しながらエッチングを行なうように構成されている
ことを特徴とするエッチング装置である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のエッチング深さの
測定方法およびその測定装置、並びにエッチング装置に
ついて図面を参照して説明する。

【００２３】まず、エッチング溝の深さの測定原理、お
よびそれに用いる式について説明する。エッチング溝の
深さの測定は、図１に測定対象モデルと測定原理の説明
図を示すように、被エッチング材は、ウエハ１の表面に
絶縁層２とマスク３が形成され、ウエハ１上に光源（不
図示）から光を照射して、絶縁層２にマスク３のパター
ンに応じたエッチング溝４を形成しながら、マスク３と
エッチング溝４の段差を光の干渉による強度変化により
モニタ装置（不図示）で測定している。

【００２４】この場合、光源の深さ測定に使用する光の
波長は単一の波長を用いている。測定に使用する光の波
長をλとし、また、全体の入射光強度をＡ_０とし、マス
ク３とエッチング溝からの反射光強度比をαとしたと
き、マスク３からの反射光とエッチング溝からの反射光
ｈａは、以下のようになる。

【数１】 （数式１）

【数２】 （数式２）また、図２に示すように、複素反射率Ｒは、
膜厚ｄに関する次のような式で表される。

【数３】 （数式３）実際に観測される光は、この２つの反射光が
干渉した干渉光Ｒである。干渉光Ｒの強度Ｉは以下のよ
うな式で表される。

【数４】 （数式４）次に、これらの原理を応用した本発明の測定
方法と測定装置について説明する。

【００２５】図３は、本発明の測定装置の模式構成図で
ある。なお、エッチング装置は、一般に使用されている
装置を用いているので、その説明は省略する。

【００２６】被エッチング材である被測定体７を内部に
収納した真空装置であるエッチングチャンバ８の透光窓
９（石英ガラス等で形成）の上方には、レンズ１１と、
このレンズ１１に一方の端部から伝送した光を入光する
光ファイバ束１２が配置されている。

【００２７】この光ファイバ束１２には、紫外光源１３
に接続した光ファイバ１２ａ、可視光源１４に接続した
光ファイバ１２ｂ、分光器１５に接続した光ファイバ１
２ｃおよび干渉フィルタ１６を介してフォトマルチプラ
イヤ１７に接続した光ファイバ１２ｄとで構成されてい
る。なお、分光器１５は膜厚測定用演算機１８に接続し
ており、また、フォトマルチプライヤ１７は深さ測定用
演算機１９を介して膜厚測定用演算機１８に接続してい
る。

【００２８】なお、図１で示したように、被測定体７で
あるエッチング対象体はウエハ１の表面に成膜された絶
縁層２（セル）の上にエッチングパターンに応じたマス
ク３が形成されている。

【００２９】これらの構成による動作を説明すると、ま
ず、被測定体７の絶縁層のエッチング深さ測定は、光源
に紫外光源１３を使用し、紫外光源１３からの光を光フ
ァイバ２で導きその端部から出射後、レンズ１１を通し
て平行光に整形しでエッチングチャンバ８の透光窓９を
透過して、エッチングチャンバ８内の被測定体７を照射
する。

【００３０】この照射を受けて被測定体７のマスク上で
反射した光と被測定体７の絶縁層２上で反射した反射光
の干渉信号は、照射光と逆の光学経路で透光窓９を経由
してレンズ１１を介して光ファイバ１２ｄに入光する。

【００３１】光ファイバ１２ｄに入光した反射光は干渉
フィルタ１６、フォトマルチプライヤ１７を通して選択
した波長成分のみを電気信号として取り出し、深さ測定
用演算機１９に取り込まれる。

【００３２】一方、マスク３の膜厚測定は可視光源１４
を使用し、可視光源１４からの光を光ファイバ１２ａで
導きその端部から出射後、レンズ１１により集光されエ
ッチングチャンバ８の透光窓９を透過して、エッチング
チャンバ８内の被測定体７の所定個所を選択的に照射す
る。

【００３３】この照射を受けて被測定体７のマスク３上
で反射した光と被測定体７の絶縁層２上で反射した反射
光の干渉信号は、照射光と逆の光学経路で透光窓９を経
由してレンズ１１を介して光ファイバ１２ｃに入光す
る。

【００３４】光ファイバ１２ｃに入光した反射光は、分
光器１５に取り込まれて電気的な信号に変換された後、
膜厚測定用演算機１８でマスク３の膜厚を算出され、そ
の結果が深さ測定用演算機１９に取り込まれる。

【００３５】なお、この実施の形態では干渉フィルタ１
６とフォトマルチプライヤ１７を用いて単色光を取り出
しているが、これ以外の手段でも必要な単色光を取り出
すことができれば、それを用いることができる。

【００３６】また、可視光源１４と分光器１５を用いて
マスク３の膜厚を測定しているが、別の手段でマスク３
の膜厚を知ることが出来れば、上述のような可視光源１
４と分光器１５を用いなくてもよい。

【００３７】また、光源に関しても紫外光ランプ１、可
視光源１４を使用しているが、相互の光源の波長が異な
れば、特に光源の種類にこだわる必要はない。

【００３８】次に、上述の動作により、本発明の最終極点
以前の深さはシミュレーションによって深さを算出し、
最終極点以降はシミュレーションのエッチング深さ信号
を参照しながら、エッチング終点を検出する方法につい
て説明する。

【００３９】すなわち、上述の装置の動作により測定さ
れたマスク３の膜厚から、シミュレーションをおこな
う。

【００４０】このシミュレーションは、前述の（数式
１）〜（数式４）を用いて行なう。

【００４１】なお、狙い深さ直前の極点におけるエッチ
ング深さをマスク３の膜厚に対する関数として表したの
ものが極点深さ関数である。今回、図４に示すように、
例として３極点目の深さを関数としている。

【００４２】３極点目以降の深さ算出は次のように行な
う。まず、エッチング深さに関する反射強度をシミュレ
ーションにより算出する。

【００４３】シミュレーションによる反射強度と実信号
の反射強度が一致する時のシミュレーション深さがエッ
チング処理時の深さとなる。エッチング終点はシミュレ
ーションにおける目標深さの信号強度と実信号の反射強
度が一致した時である。シミュレーションと実信号の比
較は、その信号強度のスケールが異なる為、以下のよう
な処理を行なう。

【００４４】なお、シミュレーションの極値は第１極値
から第３極値まで順にＡ１、Ａ２およびＡ３、また、実
信号の極値は同様に第１極値から第３極値まで順にＢ
１、Ｂ２およびＢ３とする。

【００４５】第２極点と第３極点間の振幅比較 上記極点間の振幅はシミュレーションの場合（Ａ３−Ａ
２）、実信号の場合（Ｂ３−Ｂ２）で表し、シミュレー
ションにおける振幅のスケールを実信号の振幅のスケー
ルに合わせる為、図５（ａ）にグラフを、また、図５
（ｂ）にデータを示すように、シミュレーション信号の
強度に（Ａ３−Ａ２）／（Ｂ３−Ｂ２）倍の演算処理を
行なって、相互の波形のスケール調整を行なう。

【００４６】振幅のオフセット シミュレーションにおける第３極点は（Ａ３−Ａ２）／
（Ｂ３−Ｂ２）倍され、Ａ３×（Ａ３−Ａ２）／（Ｂ３
−Ｂ２）となる。これと実信号の第３極点Ｂ３との差、
Ｂ３−Ａ３×（Ａ３−Ａ２）／（Ｂ３−Ｂ２）を振幅の
オフセットとして、シミュレーション信号に加える。

【００４７】図６は、以上の処理を行なって実際に行な
った結果を示すデータである。本発明を用いた場合、一
例として従来の方式で計算した場合、９００Å狙いで実
深さが８２０Åのところを、７８０Å狙いで実深さ８２
０Åと誤差は８０Åから４０Åに大幅に減少しているこ
とが確認できた。

【００４８】以上、述べたようにこの発明によれば、エ
ッチング前のサンプル毎に変動する初期深さが存在する
場合とエッチングレートが深さ方向に一定でない場合で
も、シミュレーションによる初期深さの予測と、第３極
点以降のシミュレーション信号と実信号の比較によっ
て、より目標深さに近くエッチングを停止させることが
できる。

【００４９】次に、本発明のエッチング深さ測定方法を
用いたドライエッチング装置の一例を、図７に示す模式
図を参照して説明する。

【００５０】ＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）方
式のエッチング装置３１とモニタ装置３２は光学的に接
続されており、エッチング装置３１は、真空密閉容器で
ある処理室３３内の上部には上部電極３４が設けられ、
それと対向する下方の位置には、図１で示したワークで
ある、表面に絶縁層２とマスク３が形成されたウエハ１
を載置する載置台を兼ねた下部電極３５が設けられてい
る。また、下部電極３５は高周波電源３６に接続されて
いる。また、上部電極３４は中央部に光通過部３７が形
成され、この光通過部３７の上方の処理室３３の天板に
は、石英ガラス製の観察窓３８が形成されている。

【００５１】さらに、観察窓３８の上方の処理室３３の
外部には、モニタ装置３２のレンズ３９と反射ミラー４
１が設けられ、その反射光軸上の前方には複数の光ファ
イバ４２ａ、４２ｂ…４２ｄを接続したモニタ用光学系
が設けられている。このモニタ用光学系はアレイレンズ
４３とそれに対応する光ファイバコネクタ４４ａ、４４
ｂ…４４ｄ等で形成され、各光ファイバコネクタ４４
ａ、４４ｂ…４４ｄとアレイレンズ４３の各アレイの光
軸が一致するように設定されている。

【００５２】各光ファイバ４２ａ、４２ｂ…４２ｄの他
端には発光部である光源４５ａ、４５ｂ又は、受光部で
あるセンサ４６ａ、４６ｂがそれぞれ接続されている。
また、センサ４６ａ、４６ｂは深さ演算部４８に接続さ
れている。

【００５３】これらのエッチング装置によれば、エッチ
ング加工の終点を正確に特定することができ、所望の加
工を正確に行なうことができる。

【００５４】

【発明の効果】エッチング加工前のサンプル毎に変動す
る初期深さが存在する場合でも、また、エッチングレー
トが深さ方向に対して一定でない場合でも、正確にエッ
チング深さを算出することができる。またそれにより、
エッチング加工の終点を正確に特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エッチング深さの測定対象モデルと測定原理の
説明図。

【図２】複素反射率の説明図。

【図３】本発明の測定装置の模式構成図。

【図４】極点深さ関数のグラフ。

【図５】（ａ）シミュレーション信号のグラフ、（ｂ）
同データ。

【図６】本発明の結果を示すデータ。

【図７】ドライエッチング装置の模式図。

【図８】エッチング溝の深さの測定原理の説明図。

【図９】エッチング溝の深さ算出アルゴリズムの説明
図。

【図１０】従来の測定装置の模式構成図。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…絶縁層、３…マスク、４…エッチング
溝、７…被測定体、１３…紫外光源、１４…可視光源、
１８…膜厚測定用演算機、１９…深さ測定用演算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｚ 21/302 Ｅ Ｆターム(参考） 2F064 AA09 BB00 CC04 FF03 FF06 GG02 HH01 HH05 JJ01 2F065 AA25 AA30 BB02 BB18 CC20 CC31 FF52 GG21 HH03 JJ01 JJ17 LL02 LL04 LL22 LL67 NN20 QQ00 4K057 DA14 DA19 DB06 DB17 DD03 DD08 DJ07 DJ08 DN01 DN02 4M106 AA01 BA04 BA07 BA20 CA48 DH03 DH12 DH60 DJ18 5F004 AA16 CB09 CB15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を被測定体の段差に測定光
   として照射する照射工程と、この照射工程により照射さ
   れた前記段差からの反射光の干渉波形を受光する受光工
   程と、この受光工程により受光された前記干渉波形にも
   とづいて前記段差の深さを算出する演算工程とを有する
   エッチング深さ測定方法において、 前記演算工程は、前記干渉波形の最終極点以前の深さは
   シミュレーションによって深さを算出し、最終極点以降
   は前記シミュレーションによってエッチング深さ信号を
   参照しながらエッチング終点を検出することを特徴とす
   るエッチング深さ測定方法。
2. 【請求項２】 前記エッチング深さの参照は、前記干渉
   波形の最終極点以降の前記シミュレーションによる信号
   と実測信号との強度比較によりおこなうことを特徴とす
   る請求項１記載のエッチング深さ測定方法。
3. 【請求項３】 前記シミュレーションによる信号と実測
   信号との強度比較は、前記シミュレーション信号の極点
   における信号強度を前記実測信号の極点における信号強
   度に倍化して行なうことを特徴とする請求項２記載のエ
   ッチング深さ測定方法。
4. 【請求項４】 光源からの光を被測定体の段差に測定光
   として伝達し、かつ、前記被測定体からの反射光を受光
   手段に伝達する光学手段と、前記受光手段により受光さ
   れた干渉光の干渉波形により段差を算出する演算手段を
   有するエッチング深さ測定装置において、 前記演算手段は、前記干渉波形の最終極点以前の深さは
   シミュレーションによって深さを算出し、最終極点以降
   はシミュレーションのエッチング深さ信号を参照しなが
   らエッチング終点を検出する演算部を有することを特徴
   とするエッチング深さ測定装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載し
   たエッチング深さ測定方法を用いてエッチング量を制御
   しながらエッチングを行なうことを特徴とするエッチン
   グ装置。
6. 【請求項６】 請求項４に記載したエッチング深さ測定
   装置を用いてエッチング量を制御しながらエッチングを
   行なうように構成されていることを特徴とするエッチン
   グ装置。