JP2003083720A - 半導体素子製造プロセスにおける膜の処理量測定方法と装置、及びそれを用いた被処理材の処理方法と装置、及びそれを用いたプロセスの終点判定方法と装置 - Google Patents
半導体素子製造プロセスにおける膜の処理量測定方法と装置、及びそれを用いた被処理材の処理方法と装置、及びそれを用いたプロセスの終点判定方法と装置Info
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Abstract
ンラインで正確に測定しプロセスの終点を判定する。 【解決手段】第1の被処理材の所定段差に対する干渉光
の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンと被
処理材の所定マスク残膜厚さに対する干渉光の微分値
の、波長をパラメータとする標準パターンを設定する。
次いで、前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理
材についての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ
測定し、該測定された干渉光強度の微分値の、波長をパ
ラメータとする実パターンを求める。前記標準パターン
と前記微分値の実パターンとに基づき、前記第2の被処
理材の段差とマスク残膜厚さを求める。該求められた前
記第2の被処理材の段差およびマスク残膜厚さによりプ
ロセスの終点を判定する。
Description
ロセスの終点判定方法と装置及びそれを用いた被処理材
の処理方法と装置に関し、特に、半導体集積回路の製造
等における被処理材のエッチング量又は被処理材への成
膜量を発光分光法により検出しプロセスの終点を判定す
る半導体素子製造プロセス終点判定方法と装置及び、そ
れを用いた被処理材の処理方法に関する。特に、プラズ
マ放電を用いたエッチング処理により基板上に設けられ
る各種層のエッチング量を正確に測定し所望のエッチン
グ深さ及び膜厚とするのに適した被処理材の深さ及び膜
厚測定方法及び装置とそれを用いた被処理材の処理方法
及び装置に関する。
上に形成された様々な材料の層および、特に誘電材料の
層の除去またはパターン形成にドライエッチングが広く
使用されている。プロセス・パラメータの制御にとって
最も重要なことは、このような層の加工中に所望のエッ
チング深さ及び膜厚でエッチングを停止するためのエッ
チング終点を正確に決定することである。
おいて、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特
定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半
導体ウェハのエッチング終点検出方法の1つとして、従
来から、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定
波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づい
て特定の膜のエッチング終点を検出する方法がある。そ
の際、ノイズによる検出波形のふらつきに基づく誤検出
を防ぐ必要がある。発光強度の変化を精度良く検出する
ための方法としては、例えば、特開昭61−53728
号公報,特開昭63−200533号公報等が知られて
いる。特開昭61−53728号公報では移動平均法に
より、また、特開昭63−200533号公報では1次
の最小2乗法による近似処理によりノイズの低減を行っ
ている。
口率(半導体ウェハの被エッチング面積)が小さくなっ
ており、光センサーから光検出器に取り込まれる反応生
成物の特定波長の発光強度が微弱になっている。その結
果、光検出器からのサンプリング信号のレベルが小さく
なり、終点判定部は、光検出器からのサンプリング信号
に基づいてエッチングの終点を確実に検出することが困
難になっている。
止させる際、実際には、誘電層の残りの厚さが所定値と
等しいことが重要である。従来のプロセスでは、それぞ
れの層のエッチング速度が一定であるという前提に基づ
く時間厚さ制御技法を使用して、全体のプロセスを監視
している。エッチング速度の値は、例えば、予めサンプ
ルウェハを処理して求める。この方法では、時間監視法
により、所定のエッチング膜厚に対応する時間が経過す
ると同時にエッチング・プロセスが停止する。
Pressure Chemical VaporDeposition)技法により形成
されたSiO2 層は、厚さの再現性が低いことが知られ
ている。LPCVD中のプロセス変動による厚さの許容
誤差はSiO2 層の初期厚の約10%に相当する。した
がって、時間監視による方法は、シリコン基板上に残る
SiO2 層の実際の最終厚さを正確に測定することはで
きない。そして、残っている層の実際の厚さは、最終的
に標準的な分光干渉計を用いた技法により測定され、過
剰エッチングされていると判明した場合は、そのウェハ
を不合格として廃棄することになる。
ングを繰り返すにつれてエッチング速度が低下するなど
の経時的な変化が知られている。場合によっては、エッ
チングが途中でストップしてしまう場合もあり、その解
決は必須である。それに加えて、エッチング速度の経時
的な変動をモニターしておくこともプロセス安定稼動の
ためには重要であるが、従来の方法では、単に終点判定
の時間モニターのみであり、エッチング速度の経時的な
変化や変動に対処する適切な方法がなかった。しかも、
エッチング時間が10秒程度と短い場合の終点判定は、
判定準備時間を短くする終点判定方法としなければなら
ないことと、判定時間の刻みも十分短くする必要がある
が、必ずしも十分ではない。さらに、絶縁膜では、被エ
ッチング面積が1%以下の場合が多く、エッチングにと
もなって発生する反応生成物からのプラズマ発光強度変
化が小さい。したがって、僅かな変化も検出することの
できる終点判定システムが必要になるが、実用的で安価
なシステムは見当たらない。
方法の他の方法として、特開平5−179467号公
報,特開平8−274082号公報,特開2000−97
648号公報,特開2000−106356公報等に開
示された干渉計を使用する方法も知られている。この干
渉計使用法では、レーザから放出された単色放射線が異
種材の積層構造を含むウェハに垂直入射角で当てられ
る。例えば、Si3N4層の上にSiO2 層積層が積層さ
れているものにおいて、SiO2 層の上面で反射した放
射光と、SiO2 層とSi3N4層との間に形成された境
界面で反射した放射光により、干渉縞が形成される。反
射した放射光は適当な検出器に照射され、これが、エッ
チング中のSiO2 層の厚さによって強さが変化する信
号を生成する。エッチングプロセス中、SiO2 層の上
面が露出されると、ただちにエッチング速度と現行エッ
チング厚を連続して正確に監視することができる。レー
ザの代わりに、プラズマによって放出される所定の放射
光を分光計によって計測する方法も知られている。
内容を要約すると以下のようになる。特開平5−179
467号公報においては、赤,緑,青の3種類のカラー
フィルタを用いて、干渉光(プラズマ光)を検出し、エ
ッチングの終点検出を行う。
SP 5658418)では、2つの波長の干渉波形の
時間変化とその微分波形を用いて、干渉波形の極値(波
形の最大,最小:微分波形の零通過点)をカウントす
る。カウントが所定値に達するまでの時間を計測するこ
とによりエッチング速度を算出し、算出したエッチング
速度に基づき所定の膜厚に達する迄の残りのエッチング
時間を求め、それに基づきエッチングプロセスの停止を
行う。
は、処理前の干渉光の光強度パターン(波長をパラメー
タとする)と処理後または処理中の干渉光の光強度パタ
ーンとの差の波形(波長をパラメータとする)を求め、
その差波形とデータベース化されている差波形との比較
により段差(膜厚)を測定する。
回転塗布装置に関し、多波長にわたる干渉光の時間変化
を測定して膜厚を求める。
の時間変化の特徴的な振る舞いを測定より求めデータベ
ース化し、そのデータベースと測定される干渉波形との
比較によりエッチングの終了判定を行う。この判定によ
り、エッチングプロセス条件の変更を促す。
る。 マスク材(例えば、レジスト,窒化膜,酸化膜)を
用いたエッチングを行うと、エッチングされる材料から
の干渉光にマスク材からの干渉光が重畳される。 プロセス処理される被処理材である材料(例えば、
シリコン及びその上に設けられたマスク材)のエッチン
グ処理では、シリコンと共にマスク材もエッチングされ
るため、被処理材のエッチング量(エッチング深さ)を
図っただけでは正確にシリコンのエッチング量を測定で
きない恐れがある。 量産プロセスの加工用ウェハは、デバイス構造に起
因してマスク材の初期厚みや被エッチング材の初期厚み
がウェハ面内で分布を持つため、異なった膜厚からの干
渉光が重畳される。
理の対象となる層)、特に、プラズマエッチング処理に
おける被処理層のエッチング深さや残膜量を、要求され
る測定精度で正確に測定,制御することは困難であっ
た。
解消しうる、半導体素子製造プロセスの終点判定方法と
装置及びそれを用いた被処理材の処理方法と装置を提供
することにある。
にプラズマエッチング処理において、被処理層の実際の
エッチング深さや残膜量をオンラインで正確に測定しプ
ロセスの終点を判定することのできる、半導体素子製造
プロセスの終点判定方法と装置及びそれを用いた被処理
材の処理方法と装置を提供することにある。
の各層をオンラインで所定のエッチング深さ及び膜厚に
高精度に制御できるエッチング・プロセスを提供するこ
とにある。
のエッチング深さ及び膜厚をオンラインで正確に測定す
ることのできる被処理材のエッチング深さや膜厚測定装
置を提供することにある。
来技術の問題点を解消すべく、また上記本願発明の目的
を達成すべく、一例として、複数の波長の各々について
その干渉波形の時間微分の波形を求め、それに基づき、
干渉波形の微分値の波長依存性を示すパターン、(即
ち、波長をパラメータとする干渉波形の微分値のパター
ン)を求め、そのパターンを用いて膜厚の測定を行うよ
うにしたものである。
の波長依存性を示すパターンを用いる理由は以下の通り
である。エッチング中のin−situ(リアルタイム)測定
を前提にした計測であるため、被処理膜の膜厚は時々刻
々変化している。従って、干渉波形の時間微分処理が可
能である。更に、この微分処理により干渉波形のノイズ
の除去を行える。また、エッチングされる材料(例え
ば、シリコンとマスク材の窒化膜)の屈折率が波長に対
し異なっている。従って、多波長にわたる干渉光計測に
よりそれぞれの物質の特徴的な変化(膜厚依存)を検出
可能となる。
チング量を測定するエッチング深さ及び膜厚測定方法
は、 a) マスク材を含む第1の被処理材の所定エッチング
量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする
第1の被処理材の標準パターンを設定するステップと; b) 前記第1の被処理材の前記マスク材の所定エッチ
ング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
するマスク材の標準パターンを設定するステップと; c) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
についての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測
定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメ
ータとする実パターンを求めるステップと; d) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク
材の標準パターンと前記実パターンとに基づき、前記第
2の被処理材のエッチング量を求めるステップと、を備
える。
ラズマエッチング処理において、被処理層の実際のエッ
チング量をオンラインで正確に測定することのできる被
処理材のエッチング深さ及び膜厚測定方法とそれを用い
た被処理材の試料の処理方法を提供することができる。
で所定のエッチング量になるように高精度に制御できる
エッチング・プロセスを提供することができる。さら
に、被処理層の実際のエッチング量をオンラインで正確
に測定することのできる被処理材のエッチング深さ及び
膜厚測定装置を提供することができる。
する。なお、以下の各実施例において、第1実施例と同
様の機能を有するものは第1実施例と同一の符号を付し
てその詳細な説明を省略する。以下の実施例では、本発
明による半導体素子製造プロセスの終点判定方法とし
て、被処理材のエッチングプロセスにおけるエッチング
量(エッチング深さ及び膜厚)を測定する方法について
説明する。しかし、本発明はこれに限らず、プラズマC
VD,スパッタリング等の成膜処理における成膜量(成
膜厚さ)等を測定する方法にも適用可能である。
を説明する。この実施例においては、半導体ウェハ等の
被処理材をプラズマエッチングする際に、サンプル用の
被処理材(サンプル用ウェハ)と該処理材が有するマス
ク材の各エッチング量に対する、干渉光の微分値の波長
依存性を示す(波長をパラメータとする)標準パターン
PS とPM をそれぞれ設定する。次に、サンプル用被処
理材と同一構成の実際の被処理材(実際のウェハ)につ
いての実際の処理における干渉光の複数波長の強度をそ
れぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長
依存性を示す(波長をパラメータとする)実パターンを
求め、微分値の標準パターンと実パターンとを比較し
て、実際の被処理材のエッチング量(プロセスの終点)
を求めるものである。
量(ここでは実際の処理材のエッチング深さ及び膜厚)
測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体
構成を説明する。エッチング装置1は真空容器2を備え
ており、その内部に導入されたエッチングガスがマイク
ロ波電力等により分解しプラズマとなり、このプラズマ
3により試料台5上の半導体ウェハ等の被処理材の4が
エッチングされる。エッチング量(例えば、エッチング
深さ及び膜厚)測定装置10の分光器11が有する測定
用光源(例えばハロゲン光源)からの多波長の放射光
が、光ファイバー8により真空容器2内に導かれ、被処
理材4に垂直に入射角で当てられる。被処理材4として
は、図2(a)に示すように、ここでは被エッチング材
のシリコン40と、マスク材としての窒化膜41とを有
しており、放射光はマスク材により反射する放射光9A
と、マスク材が無いシリコン表面で反射する放射光とに
より干渉光が形成される。即ち、この干渉光はマスク材
とシリコンとの段差による干渉成分である。前記マスク
材からの反射光9Aは窒化膜表面で反射する放射光9a
と窒化膜とシリコンとの境界面で反射する放射光9bで
あり、これらの放射光により干渉光が形成される。即
ち、この干渉光はマスク材の削れによる干渉成分であ
る。これらの干渉光は光ファイバー8を介してエッチン
グ量測定装置10の分光器11に導かれ、その状態に基
づきシリコンのエッチング深さ及びマスク材の膜厚測定
やプロセス(ここではエッチング)の終点判定の処理を
行う。
1,第1デジタルフィルタ回路12,22、微分器1
3,23、第2デジタルフィルタ回路14,24、微分
波形パターンデータベース16,26、微分波形比較器
15,25、これら比較器の結果に基づきエッチングの
終点を判定する終点判定器30、及び終点判定器30の
判定結果を表示する表示器17を備えている。
機能的な構成を示したものであり、表示器17と分光器
11を除いたエッチング量測定装置10の実際の構成
は、CPUや、エッチング深さ及び膜厚測定処理プログ
ラムや干渉光の微分波形パターンデータベース等の各種
データを保持したROMや測定データ保持用のRAMお
よび外部記憶装置等からなる記憶装置、データの入出力
装置、及び通信制御装置により構成することができる。
これは、図5等の他の実施例についても同様である。
多波長の発光強度は、それぞれ発光強度に応じた電流検
出信号となり電圧信号へ変換される。分光器11により
サンプリング信号として出力された複数の特定波長の信
号は、時系列データyij,y′ijとして図示しない
RAM等の記憶装置に収納される。この時系列データy
ij,y′ijの第1,第2の波長帯域は、それぞれ、
次に、第1デジタルフィルタ回路12,22により平滑
化処理され平滑化時系列データYij,Y′ijとしてR
AM等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列デー
タYij,Y′ijを基に、微分器13,23によりそ
れぞれ微係数値(1次微分値あるいは2次微分値)の時
系列データdij,d′ijが算出され、RAM等の記
憶装置に収納される。微係数値の時系列データdij,
d′ijは、第2デジタルフィルタ回路14,24によ
りそれぞれ、平滑化処理され平滑化微係数時系列データ
Dij,D′ijとしてRAM等の記憶装置に収納され
る。そして、この平滑化微係数時系列データDij,
D′ijから干渉光強度の微分値の波長依存性を示す
(波長をパラメータとする)実パターンが求められる。
ターンを得るために図1の装置は以下のように構成され
る。即ち、第1,第2の波長帯が同じ場合には、第1デ
ジタルフィルタ回路12,22の微係数を異なる値と
し、その場合には、微分器13,23の値を同一又は異
なるようにし、第2デジタルフィルタ回路14,24の
微係数も同一又は異なるようにして良い。一方、第1,
第2の波長帯が異なる場合には、第1デジタルフィルタ
回路12,22の微係数を同一又は異なる値とし、微分
器13,23の値も同一又は異なるようにし、第2デジ
タルフィルタ回路14,24の微係数も同一又は異なる
ようにして良い。
ルタ回路,微分器,第2デジタルフィルタ回路,微分波
形パターンデータベース,微分波形比較器からなる構成
を、それぞれ第1,第2の波長帯域について別々に設け
た。しかし、そのような構成を第1,第2の波長帯域に
ついて共通に1つだけ設け、所定時間毎に微係数等を切
り換えて、交互に第1,第2の波長帯域について実パタ
ーンを得るようにしても良い。
には、エッチング量測定の対象となる被処理材であるシ
リコンとマスク材との段差に対応した前記第1の波長帯
域に対する干渉光強度の微分波形パターンデータ値PS
j が予め設定される。また、微分波形パターンデータ
ベース26には、被処理材のマスク材の膜厚に対応した
前記第2の波長帯域に対する干渉光強度の微分波形パタ
ーンデータ値PMj が予め設定されている。微分波形比
較器15においては、段差に対応した実パターンと微分
波形パターンデータ値PSj とが比較されて段差(マス
ク材の表面からシリコンのエッチング加工された溝の底
部までの深さ)が求められる。微分波形比較器25にお
いては、マスク材の膜厚に対応した実パターンと微分波
形パターンデータ値PMj とが比較されてマスク材の膜
厚(残膜厚)が求められる。その結果、被処理材のエッ
チング量、即ち、エッチング深さが求められ、表示器1
7により表示される。
光器11が1個だけの場合を示してあるが、被処理材の
面内を広く測定して制御したい場合には、複数の分光器
11を設ければよい。
材4の縦断面形状及び図2(b),図2(c)に、干渉
光の波長実パターンの例を示す。図2(a)において、
被処理材(ウェハ)4は、シリコン基板40の上にマス
ク材41が積層されている。このエッチングプロセスで
はシリコン基板が被エッチング材料であり、このような
加工処理は例えば素子分離を行うためのSTI(Shallow
Trench Isolation)エッチングと呼ばれている。
被エッチング材とマスク材の積層構造を含む被処理材4
に垂直に入射角で当てられる。マスク材41に導かれた
放射光9は、マスク材41の上面で反射した放射光9a
と、マスク材41とシリコン基板40との間に形成され
た境界面で反射した放射光9bとにより干渉光が形成さ
れる。マスク材41が無くエッチング処理された部分に
導かれた放射光9は、被エッチング材40の上面で反射
した放射光9Bと、前記したマスク材41からの反射す
る放射光9A(9aと9bにより形成される)により干
渉光が形成される。放射光9Bと9aは、それぞれエッ
チング処理の進行に伴って反射する位置が、A(a),
B(b),C(c)のように変化する。反射した光は分
光器11に導かれ、エッチング中の被エッチング材40
とマスク材の層の厚さによって強さが変化する信号を生
成する。
2の波長帯域:例えば700nm)の干渉光の生波形は
エッチング処理が進むにつれゆっくり変化する。一方、
図2(c)に示すように、短波長領域(第1の波長帯
域:例えば300nm)の干渉光の生波形は周期の長い
波に周期の短い波が重畳され変化する。これは長波長領
域の干渉光がマスク材の削れ(図2(a)のa,b,c
面)による干渉成分の変化を示し、短波長領域(例えば
300nm)の干渉光には被エッチング材であるシリコ
ン基板とマスク材との段差44(図2(a)のa,b,
c面とA,B,C面とのそれぞれの差)による干渉成分
の変化が現れているためである。これらの多波長にわた
る干渉光の平滑化時系列データYij,Y′ijを基
に、それぞれ1次微分値あるいは2次微分値の微係数値
時系列データdij,d′ijが算出される。図2
(b)には波長700nmの干渉光の1次微分値及び2
次微分値を示し、図2(c)には波長300nmの干渉
光の1次微分値及び2次微分値を示している。
に、これらの微分処理により、マスク材の削れによる干
渉成分の変化及びシリコン基板とマスク材との段差によ
る干渉成分の変化が明確になる。これは、エッチングさ
れる材料の屈折率(例えば、シリコンとマスク材の窒化
膜の屈折率及び溝部分の真空の屈折率)が波長に対し異
なっているためである。本発明は、この事実に着目し
て、短波長領域の干渉光によりシリコン基板とマスク材
との段差44を求め,長波長領域の干渉光によりマスク
材の削れ(マスク材の残膜厚さ41)を正確に測定出来
るようにしたことに特徴がある。
ーンデータを示し、図3(b)は同じく二次微分波形パ
ターンデータを示す。
PCは、図2(a)のA(段差44=300nm),B
(段差=400nm),C(段差=500nm)の各エ
ッチング量における微分波形パターンデータを示してい
る。同様に、図3(a),図3(b)中のPa,Pb,
Pcは、図2(a)のa(マスク材の残膜厚42=95
nm),b(マスク材残膜厚=65nm),c(マスク
材残膜厚=35nm)の各エッチング量における微分波
形パターンデータを示している。なお、この時のシリコ
ンのエッチング深さ43は、図2(a)のAの位置で2
05nm、Bの位置で335nm、そしてCの位置で4
65nmである。
に、干渉光の一次微分波形パターンや二次微分波形パタ
ーンは、被処理材のエッチング量毎に特有のパターンに
なっていることがわかる。被処理材の材料が異なるとこ
れらのパターンも変わってくるので、処理に必要な種々
の材料及びエッチング量の範囲について、予め実験など
によりデータを求め、一次微分波形パターンや二次微分
波形パターンを標準パターンとして記録装置(16,2
6)に保持しておくのが良い。
のエッチング量測定装置10でエッチング処理を行う際
に、被処理材のエッチング量を求める手順について説明
する。最初に、目標エッチング量(即ち、目標段差と目
標マスク残膜厚)の設定と、パターンデータベース1
6,26より目標段差と目標マスク残膜厚に対応する微
分パターンPSj,PMjと、判定値σS0,σM0の設定を
行う(ステップ400と420)。すなわち、予め微分
波形パターンデータベース16に保持されている、図3
(a),図3(b)に示すような複数波長についての微
分値の標準パターンPA,PB,PCの中から、目標段
差に対応した1つの微分パターンを設定する。同様に、
予め微分波形パターンデータベース26に保持されてい
る、図3(a),図3(b)に示すような複数波長につ
いての微分値の標準パターンPa,Pb,Pcの中か
ら、目標マスク残膜厚に対応した1つの微分パターンを
設定する。
グ(例えば0.25〜0.4秒毎に)を開始する(ステッ
プ402)。すなわち、エッチング処理開始に伴い、サ
ンプリング開始命令が出される。エッチングの進行に従
って変化する多波長の発光強度が、分光器11中の光検
出器により発光強度に応じた電圧の光検出信号として検
出される。分光器11の光検出信号はデジタル変換さ
れ、サンプリング信号yi,j、y′i,jを取得す
る。
j,y′i,jを第1段目のデジタルフィルタ回路1
2,22により平滑化(filtering)し、時系列データ
Yi,j、Y′i,jをそれぞれ算出する(ステップ4
04,424)。すなわち、第1段目のデジタルフィル
タによりノイズを低減し、平滑化時系列データyiを求
める。
(Savitzky−Golay method)により、それぞれ微係数d
i,j、d′i,jを算出する(ステップ406,42
6)。すなわち、微分処理(S−G法)により信号波形
の係数(1次または2次)diを求める。さらに、第2
段目のデジタルフィルタ回路14,24により平滑化(s
moothing)微係数時系列データDi,j、D′i,jを
それぞれ算出する(ステップ408,428)。次に、
微分波形比較器15において、段差に関してσ=Σ(D
i,j−PSj)2 値の算出を行う(ステップ410)。
同様に、微分波形比較器25において、マスク材の削れ
(残膜厚)に関しても、σ′=Σ(D′i,j−PMj)
2 値の算出を行う(ステップ430)。更に、終点判定
器20において、σ≦σS 0とσ′≦σM 0の判定をそれぞ
れ行う(ステップ412)。σ≦σS 0及びσ′≦σM 0であ
る場合、段差とマスク材の残膜厚とがそれぞれ所定値に
なったものと判定し、エッチング処理を終了するように
すると共に、その結果を表示器17に表示する。σ≦σ
S 0,σ′≦σM 0のいずれかが満たされない場合、ステッ
プ404,424に戻る。最後に、サンプリング終了の
設定を行う(ステップ414)。
D′iの算出について説明する。デジタルフィルタ回路
12,22,14,24としては、例えば2次バタワー
ス型のローパスフィルタを用いる。デジタルフィルタ回
路12,22は同一構成であり、係数b,aがデジタル
フィルタ回路12,22間で同一又は異なっていて良
い。ここでは、デジタルフィルタ回路12についてのみ
説明する。2次バタワース型のローパスフィルタにより
平滑化時系列データYiは式(1)により求められる。 Yi=b1yi+b2yi−1+b3yi−2 −[a2Yi−1+a3Yi−2] …(1) ここで、係数b,aは、サンプリング周波数及びカット
オフ周波数により数値が異なる。また、このデジタルフ
ィルタの係数値は段差に関する波長域(第1波長帯
域)、例えば、275nmから500nmとマスク材の
削れ(残膜厚)に関する波長域(第2波長帯域)、例え
ば、525nmから750nmとで異なっていても良
い。例えば、段差に関する波長域の場合、a2=−1.
143 ,a3=0.4128,b1=0.06745
5,b2=0.13491,b3=0.067455(サンプリ
ング周波数10Hz,カットオフ周波数1Hz)であ
り、マスク材の残膜厚に関する波長域の場合、a2=−
0.00073612,a3=0.17157,b1=0.292
71,b2=0.58542,b3=0.29271(カ
ットオフ周波数0.25Hz)である。
は、微分器13,23それぞれにより5点の時系列デー
タYiの多項式適合平滑化微分法を用いて式(2)から
以下のように算出される。 ここで、重みwに関して、w−2=2,w−1=−1,
w0=−2,w1=−1,w2=2、である。なお、微
分器13,23の間で、jは同一又は異なって良い。
を用いて、平滑化微係数時系列データDi,D′iはデ
ジタルフィルタ回路14,24(2次バタワース型のロ
ーパスフィルタ)により式(3),(4)により求めら
れる。但し、デジタルフィルタ回路14,24の間で係
数a,bの値は異なっても良い。 Di=b1di+b2di−1+b3di−2 −[a2Di−1+a3Di−2] …(3) D′i=b1d′i+b2d′i−1+b3d′i−2 −[a2D′i−1+a3D′i−2] …(4)
装置によれば、図3(a),図3(b)にPA,PB,
PC,Pa,Pb,Pcとして示したような、複数波長
についての微分値の標準パターンを少くとも1つ設定
し、被処理材の干渉光の複数波長の強度をそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の各波長の微分値の実パタ
ーンを求め、標準パターンと微分値の実パターンとを比
較することにより、段差とマスク材の残膜厚を求めるこ
とができる。例えば、シリコンエッチング深さ335n
mすなわち図2のBの位置を検出したい場合には、予
め、エッチング量(段差,マスク材の残膜厚)B,bに
対応する複数波長についての微分値の標準パターンP
B,Pbを設定し、複数の波長において実パターンのこ
れら標準パターンに対する一致率が、それぞれ判定値σ
S0,σM0以内に達したことにより、マスク材表面からの
段差44が400nmで、マスク材の残膜厚42が65
nm(被処理材のシリコン深さ43が335nm)にな
ったことを検出できる。標準パターンとしては、一次微
分値パターン,二次微分値パターンのいずれか一方ある
いは両方を用いればよい。この実施例によれば、被処理
材のエッチング量(段差,マスク材残膜厚)を求めるこ
とによりシリコンエッチング深さが例えば335nmであ
ることを正確に測定することができる。
を多く含む場合に、測定するエッチング量の精度を向上
するようにした第1実施例の変形例を、該変形例の構成
を示す図5のブロック図と図6のフローチャートにより
説明する。この変形例は、例えば、ウェハ毎にそのパタ
ーンが異なり、従ってウェハ毎にエッチング条件(例え
ば、放電条件)が異なることにより干渉波がウェハ毎に
異なる場合に適用される。最初に、被処理材(シリコ
ン,マスク材)の目標加工深さ(ここでは、目標エッチ
ング深さ:図2(a)の43)を設定する(ステップ5
50)。次に、予め保存されている段差,マスク残膜厚
に関する微分波形パターンと収束判定値(段差:P
Sj,σS 0、マスク残膜厚:PMj,σM 0)とを微分波形
パターンデータベース16,26から読出して微分波形
比較器15,25にそれぞれ設定する。エッチング処理
開始に伴い、干渉光のサンプリングを開始する(ステッ
プ502)。次いで、図4のステップ404,410,4
24−430と同様にして、ステップ504−510,
524−530を実行する。分光器11からの短波長域
と長波長域の光はそれぞれ第1デジタルフィルタ回路1
2,22と微分器13,23と第2デジタルフィルタ回
路14,24を介し平滑化微係数時系列データDi,
j、D′i,jを求める。これらの平滑化微係数時系列
データDi,j、D′i,jと予め微分波形比較器15,
25に設定された微分パターンPSj,PMjをそれぞれ
比較し、その時刻での段差値Siとマスク材削れ量(残
膜厚)Miを算出する(ステップ515,535)。こ
こで、σ>σS 0(又はσ>σM 0)の時は、ステップ515
(またはステップ535)の時刻で得られたSi(また
はMi)は収納せず、回帰分析器19での処理ではこの
時刻での残膜厚さデータは除外する。
とマスク材削れ量(残膜厚)は時系列データSi,Mi
としそれぞれデータ記録器18,28に収納される。収
納された過去の時系列データSj,Mjを用いて、回帰
分析器19,29により1次回帰直線Y=Xa*t+X
b(Y:エッチング量(段差値,マスク材残膜厚),
t:エッチング時間,Xa:Xaの絶対値がエッチング
速度,Xb:初期膜厚)を求め、この回帰直線より現時
点のエッチング量(段差:S,マスク材残膜厚:M)を
算出する(ステップ516,536)。ここで、エッチ
ング時間,エッチング速度,初期膜厚,残膜厚等はプロ
セス量(ここではエッチング量)である。
ッチング量S,Mにより加工深さ(=S−M)(図2
(a)の43)を求め、この値と目標加工深さとを比較
し、目標加工深さ以上であれば被処理材のエッチング量
が所定値になったものとしてエッチング処理を終了し、
その結果を表示器17に表示する。目標加工深さ以下で
ある場合、ステップ504,524に戻る。最後に、サ
ンプリング終了の設定を行う(ステップ514)。
深さの測定結果(ステップ516,536での算出値)
を示す。図には、シリコン加工深さ、及びマスク材から
の段差の時間的変化を示しており、STI加工時おける
エッチングの様子が明確にわかる。なお、この実施例で
は、シリコン深さ506nm(段差529nm)までエ
ッチング処理を行った。
置によれば、半導体デバイスの製造プロセス等における
被処理材のエッチング量を正確に測定することができ
る。従って、このシステムを利用して、被処理材のエッ
チングを高精度に実施する方法を提供することができ
る。また、変形例によれば、第1実施例と異なり、標準
パターンで設定した被処理材のエッチング量以外の任意
のエッチング量を測定できる。
ルタ回路,微分器,第2デジタルフィルタ回路,微分波
形パターンデータベース,微分波形比較器,回帰分析器
からなる構成を、それぞれ第1,第2の波長帯域につい
て別々に設けた。しかし、そのような構成を第1,第2
の波長帯域について共通に1つだけ設け、所定時間毎に
微係数等を切り換えて、交互に第1,第2の波長帯域に
ついて実パターンを得るようにしても良い。
図10,図11を用いて説明する。図8に示す本実施例
の構成は、図5の一方の波長帯域についての構成11−
19と同一であり、終点判定器130の動作が図5の終
点判定器30の動作と異なる。エッチング加工する被処
理材の構造を図9に示す。このエッチング処理において
加工されるポリシリコン50の領域はマスク材51(例
えば、窒化膜やホトレジスト)の無い部分であり、観測
される干渉光はポリシリコン50表面の反射光90Aと
下地酸化膜52からの反射光90Bとの干渉により起こ
る。この干渉光の計測によりポリシリコン50のエッチ
ング量(残膜厚53:下地酸化膜からのポリシリコンの
厚み)を測定する方法を図10のフローチャートにした
がって説明する。
残膜値と、微分波形パターンデータベース16に予め保
存されているポリシリコンの膜厚に関する全ての標準微
分パターン(PZj)と収束判定値σZ 0を微分波形比較
器15に設定する(ステップ600)。エッチング処理
開始に伴い、干渉光のサンプリングを開始する(ステッ
プ602)。分光器11からの多波長の光はそれぞれ第
1デジタルフィルタ12と微分器13と第2デジタルフ
ィルタ回路14を介し、第1実施例のステップ404−
410と同様にして、平滑化微係数時系列データDi,
jを求める。これらの平滑化微係数時系列データDi,
jと予め微分波形比較器15に設定された微分パターン
PZj を比較し、その時刻での残膜値Ziを算出する
(ステップ615)。ここで、σ>σz 0の時は、ステッ
プ615でこの時刻で得られたZi値は収納せず、回帰
分析器19での処理ではこの時刻での残膜厚さデータは
除外する。
データZiとしてデータ記録器18に収納される。収納
された過去の時系列データZiを用いて、回帰分析器1
9により1次回帰直線Y=Xa*t+Xb(Y:残膜
量,t:エッチング時間,Xa:Xaの絶対値がエッチ
ング速度,Xb:初期膜厚)を求め、この回帰直線より
現時点の残膜量Zを算出する(ステップ616)。
Zと目標残膜値を比較し、目標残膜以下であれば被処理
材のエッチング量が所定値になったものとしてその結果
を表示器17に表示する。目標残膜以上である場合、ス
テップ604に戻る。最後に、サンプリング終了の設定
を行う(ステップ614)。
るポリシリコンの膜厚に関する微分波形パターンデータ
ベースPZj より少ないとステップ618で判定された
場合は、以下のような処理を行いエッチング処理を終了
する。残膜量Zが保存されているポリシリコンの膜厚に
関する微分波形パターンデータベースの最小膜厚Ymと
等しくなった時に、上記1次回帰直線Y=Xa*t+X
bより、目標残膜値YT になるエッチング時刻(tT=
[YT−Xb]/Xa)を算出し、この時刻tT までエ
ッチング処理を継続し行う。
コンの残膜測定結果を示す。これは、ポリシリコン膜厚
に関する微分波形パターンデータベースには最小膜厚Y
m=45nmまでのデータベースを用い目標残膜値Yt
=20nmを予測したものであり、1次回帰直線により
目標残膜値が20nmとなるエッチング時刻96秒が明
確にわかる。これにより微分波形パターンデータベース
が無い残膜量の終点判定が可能になる。
Xa|)はエッチング速度を示しており、このエッチン
グ速度を量産管理することによりエッチング装置の状態
管理が行える。すなわち、エッチング速度がある許容値
以内であれば、エッチング装置が正常稼動していること
を、また許容値以外である場合は異常であることを監視
できる。
被処理材の初期膜厚を示しており、この初期膜厚を量産
管理することによりエッチング処理前の成膜状態の管理
が行える。すなわち、初期膜厚がある許容値以内であれ
ば、成膜装置が正常稼動していることを、また許容値以
外である場合は異常であることを監視しフィードバック
できる。
3を用いて説明する。本実施例は、エッチング深さを管
理する時、ウェハ毎に有機膜の膜厚に誤差があるため、
初期膜厚と測定した残膜厚とからエッチング深さを測定
するようにするものである。図12に示す本実施例の構
成は、図8の構成11−19と同一であり、終点判定器
230の動作が図8の終点判定器130の動作と異な
る。エッチング加工する被処理材の構造を図13に示
す。このエッチング処理において加工される有機膜60
の領域(溝構造)はマスク材61(例えば、窒化膜やホ
トレジスト)の無い部分であり、観測される干渉光は有
機膜60表面の反射光と配線材62(例えば、Cu)か
らの反射光との干渉により起こる。
チング量(溝深さ:DとEとの距離65)を測定する方
法を図14のフローチャートにしたがって説明する。最
初に、被処理材(有機膜)の目標深さ値と、微分波形パ
ターンデータベース16に予め保存されている有機膜の
膜厚に関する全ての標準微分パターン(PFj )と収束
判定値(σF 0)を微分波形比較器15に設定する(ステ
ップ700)。エッチング処理開始に伴い、干渉光のサ
ンプリングを開始する(ステップ702)。分光器11
からの多波長の光はそれぞれ第1デジタルフィルタ回路
12と微分器13と第2デジタルフィルタ回路14を介
し、第2実施例のステップ604−610と同様にし
て、平滑化微係数時系列データDi,jを求める。これ
らの平滑化微係数時系列データDi,jと予め微分波形
比較器15に設定された微分パターンPFj を比較し、
その時刻での残膜値Fiを算出する(ステップ71
5)。ここで、σ>σF 0の時は、この時刻での残膜厚さ
値は収納せず、回帰分析器19での処理ではこの時刻で
の残膜厚さデータは除外する。
データFiとしてデータ記録器18に収納される。収納
された過去の時系列データFjを用いて、回帰分析器1
9により1次回帰直線Y=Xa*t+Xb(Y:残膜
量,t:エッチング時間,Xa:絶対値がエッチング速
度,Xb:初期膜厚)を求め、この回帰直線より現時点
の残膜量Fと初期膜厚Xbを算出する(ステップ71
6)。
の溝深さ(=Xb−F)(図13の65)を残膜量F
(図13の64)と初期膜厚Xb(図13の63)より
求め、この溝深さと目標深さ値と比較し、目標深さ以上
であれば被処理材のエッチング量が所定値になったもの
としてその結果を表示器17に表示する。目標深さ以下
である場合、ステップ704に戻る。最後に、サンプリ
ング終了の設定を行う(ステップ714)。このよう
に、溝加工時のエッチング深さは残膜量Fと初期膜厚X
bを回帰分析により求めることにより測定が可能であ
る。
6,図17を用いて説明する。図15に示す本実施例の
構成は、図12の構成11−19と同一であり、終点判
定器330の動作が図12の終点判定器230の動作と
異なり、更に制御装置1000が設けられている。同一のエ
ッチング装置1を用いて、種々膜質の異なる被エッチン
グ材をエッチング処理することがしばしばある。この場
合、制御装置1000に予め設定されたエッチング条件(例
えば、エッチングガス条件やプラズマ発生電力条件やバ
イアス条件など)に基づき、制御装置1000によりガ
ス供給装置1001やプラズマ発生装置1002やウェ
ハバイアス電源1003を時間制御しエッチング処理が
行われる。しかしながら、エッチング加工する被処理材
が半導体素子構造により図16に示すような積層構造に
なっている場合、エッチング処理が複雑となり、単純な
時間制御によるエッチング処理ではダメージのない素子
加工が困難になる。図16を用いて、このような積層構
造素子のエッチング加工について説明する。このエッチ
ング処理において加工されるポリシリコン膜70の上に
は、BARC73(Back Anti-Reflection Coating)や
マスク材71(例えば、窒化膜やホトレジスト)が、ま
たポリシリコン膜70の下には、下地酸化膜72が形成
されている。さらに、下地酸化膜72はトランジスタの
ゲート電極部78の厚み(例えば、約2nm)とトラン
ジスタ素子を分離するための溝部79(STI)の厚み
(例えば、約300nm)とが大きく異なっている構造
となっている。この構造の加工においては、まず、BA
RC73のエッチング処理を行い、続いてポリシリコン
膜70のエッチング処理を同一のエッチング装置で一貫
処理する。このようなエッチング処理では、それぞれの
膜を適切にエッチングできないとゲート電極部78の下
地酸化膜72を削り過ぎてしまい、素子にダメージを与
える。そのため、まずBARC73エッチング処理にお
いて、ポリシリコン膜70をできる限り削らない様にエ
ッチングを制御する必要がある。このことは、BARC
73エッチング処理においてBARCの残膜量を測定
し、僅かな残膜量75(例えば、20nm)になった時
点で、エッチング条件をポリシリコンが削れ難い条件に
変更し残っているBARC材をエッチングすることが重
要である。次に、ポリシリコン膜70のエッチング処理
においては、ポリシリコンの残膜量(残膜厚)を測定
し、僅かな残膜量(残膜厚)77(例えば、20nm)
になった時点で、エッチング条件を下地酸化膜が削れ難
い条件に変更し残っているポリシリコン材をエッチング
することが重要である。
BARC表面からの反射光とポリシリコン境界面からの
反射光との干渉光96を利用する。また、ポリシリコン
の残膜厚さ量測定に用いる光は、ポリシリコン表面から
の反射光と下地酸化膜境界面からの反射光との干渉光9
5A又は95Bを利用する。この際、下地酸化膜の厚み
がゲート電極部78の厚み77とトランジスタ素子を分
離するための溝部79の厚み76とが異なっているた
め、それぞれの部分からの干渉光強度95A,95Bは
異なっており、素子分離部79からの干渉光強度95B
の方がゲート電極部78からの干渉光強度95Aに比べ
大きい。従って、ポリシリコンの残膜厚さ測定において
は、素子分離部79上のポリシリコンを対象として行
う。つまり、ポリシリコンのエッチング処理ではこの点
を考慮し干渉光強度95Bを用いて、ポリシリコンを残
膜厚さが厚み76になるまでエッチング処理を行い、そ
の後、下地酸化膜が削れ難いエッチング条件でのポリシ
リコン材のエッチング処理を行う。
フローチャートにしたがって説明する。最初に、制御装
置1000に積層膜(例えば、BARC73とポリシリ
コン膜70)に対するエッチング条件(例えば、ガス条
件,放電条件,圧力条件など)と各膜73,70の目標
残膜厚さ値75,76と収束判定値が設定される(ステ
ップ800)。次に、それぞれの膜種に応じて、微分波
形パターンデータベース16に予め保存されている各膜
73,70の膜厚に関する全ての標準微分パター(PZ
j )と、収束判定値(σZ 0)を微分波形比較器15に
設定される(ステップ801)。次のステップにおいて
エッチング処理の開始と干渉光のサンプリングを開始す
る(ステップ802)。次に、制御装置1000からの
指示により第1に処理される被エッチング材(例えば、
BARC材)に関する標準微分パターンPZj と収束判
定値σZ 0が微分波形パターンデータベース16から微分
波形比較器15に設定される(ステップ803)。分光
器11からの多波長の光はそれぞれ第1デジタルフィル
タ回路12より平滑化時系列データYi,jを求める
(ステップ804)。さらに、微分器13と第2デジタ
ルフィルタ回路14を介し、第3実施例のステップ70
4−710と同様にして、平滑化微係数時系列データD
i,jを求める(ステップ806,808)。これらの
平滑化微係数時系列データDi,jと予め微分波形比較
器15に設定された微分パターンPFj を比較し、収束
値σ=Σ(Di,j−PZj)2が最も小さい収束値に対す
る残膜厚さを求める。この時、σ≦σZ 0である場合は求
めた残膜厚さをこの時刻での残膜厚さ値Ziとしデータ
記録器18に収納する(ステップ810,815)。σ
>σZ 0である場合、この時刻での残膜厚さ値は収納せ
ず、回帰分析器19での処理ではこの時刻での残膜厚さ
データは除外する(ステップ815)。収納された過去の
時系列データZiを用いて、回帰分析器19により1次
回帰直線Y=Xa*t+Xbを求め、この回帰直線より
現時点の残膜厚さ量Zを算出する(ステップ816)。
の残膜厚さ量Zと制御装置1000からの目標残膜厚さ
値75と比較し(例えば、BARC残膜厚さ20n
m)、目標残膜値75以下であれば被処理材のエッチン
グ量が所定値になったものとしてその結果を表示器17
に表示すると、同時にエッチング条件を切り換えて次の
エッチング処理(ポリシリコンが削れにくいBARCエ
ッチング条件)を行う(ステップ818)。目標残膜値
以上である場合、ステップ804に戻る。切り換えた次
のエッチング処理(ポリシリコンが削れにくいBARC
エッチング条件)は例えば、制御装置1000によりウ
ェハバイアス電源1003を制御し、残膜部をエッチン
グし、予め設定された時間が経過後に、エッチング条件
の切り換えを行う、すなわち、次の膜種のエッチングの
ためにエッチング条件を切り換える必要があるかどうか
を判定する(ステップ819)。
のエッチングでは、予め設定されたエッチング条件にガ
ス供給装置1001やプラズマ発生装置1002やウェ
ハバイアス電源1003を制御すると共に、次の膜種
(例えば、ポリシリコン)の残膜厚さ76に関する標準
微分パターン(PZj,σZ 0)を微分波形比較器15に設
定し(ステップ803)、再びステップ804から81
8を実行する。終点判定器330において、ポリシリコ
ンの残膜厚さ量Zが目標残膜厚さ値76となった(例え
ば、ポリシリコン残膜厚さ20nm)ことを判定し(ス
テップ818)、その結果を表示器17に表示すると、
同時にエッチング条件を切り換えて次のエッチング処理
(下地酸化膜が削れにくいポリシリコンのエッチング条
件)を行う(ステップ818)。このエッチング処理
(下地酸化膜が削れにくいポリシリコンのエッチング条
件)は時間制御によりポリシリコンの残膜部をエッチン
グし、予め設定された時間が経過後に、エッチング条件
切り換えの判定を行う(ステップ819)。次のエッチン
グ処理が無い場合は、エッチング処理の終了及びサンプ
リング終了の設定を行う(ステップ814)。
法では、被処理材の残膜厚さに関する微分パターンデー
タベースが十分になくとも、残膜厚さを予測することが
できる。さらに、残膜厚さに関する微分パターンデータ
ベースの作成において、サンプルウェハを完全にエッチ
ングする必要が無くなり、サンプルウェハを削減するこ
とができる。
速度が求められるので、エッチング速度のウェハ毎の監
視により量産管理が行え、製品ウェハの不良発生を未然
に防止できる。
初期膜厚が算出できるので、その結果を成膜装置にフィ
ードバックすることにより、成膜装置とエッチング装置
との一貫処理の量産管理が行える。
の初期膜厚にバラツキがあっても、精度良くエッチング
深さを算出でき、目標とするエッチング深さを正確に判
定するエッチング処理が行える。
構造を持った被処理材のエッチング処理において、それ
ぞれの膜をエッチングする時に残膜厚さ測定を行い、所
定の残膜厚さにおいて、エッチング条件を切り換えるこ
とにより、下地膜のエッチング削れを僅かにすることが
できる。
グにおいては、素子分離部からの干渉光によりポリシリ
コン残膜厚さを測定することにより、正確に所定残膜厚
さを判定でき、ゲート電極部の下地酸化膜を過剰にエッ
チングすることが無く、ウェハの不良処理枚数を最小限
に抑えることができる。
有する分光器から多波長の放射光を放出し、被処理材か
らの反射光の干渉光を利用して測定を行う。一方、光源
を有しない分光器を用い、プラズマにより放出される多
波長の放射光を光源として利用するようにしても良い。
る。 (1)試料のエッチング途中に測定したデータを蓄積
し、該蓄積された過去データを用いて前記エッチングに
おけるエッチング深さを予測し、所定のエッチング深さ
で前記エッチングを止めることを特徴とするエッチング
方法。 (2)下地膜を有さない被エッチング材のエッチング方
法において、前記被エッチング材の上に形成されたマス
クの削れ量と前記マスク上面からの前記被エッチング材
のエッチング底面までのエッチング段差を測定し、前記
被エッチング材のエッチング深さを管理することを特徴
とするエッチング方法。 (3)試料のエッチング途中の干渉光データを用いて、
前記試料の被エッチング部の残膜厚さを予測し、所定の
残膜厚さで前記エッチングを止めることを特徴とするエ
ッチング方法。 (4)ダマシンエッチングにおいて、前記エッチング途
中の干渉光データを用いて、初期膜厚を予測し溝深さを
決め、所定の溝深さで前記エッチングを止めることを特
徴とするエッチング方法。 (5)面内厚さが異なる下地膜上に形成されたゲート材
をエッチングする方法において、前記下地膜の厚さの厚
い部分で干渉光を測定し、前記厚さの厚い下地膜の上に
形成されたゲート材の残膜厚さを測定し、前記ゲート材
の膜厚を管理することを特徴とするエッチング方法。 (6)複数の膜が積層された被エッチング材のエッチン
グにおいて、前記被エッチング材からの干渉光を測定
し、前記膜毎にデジタルフィルタを切り換えて干渉光の
データを処理し、前記膜毎に膜厚を管理することを特徴
とするエッチング方法。 (7)BARCエッチングにおいて、エッチング中の被
処理材から測定した干渉光を用いて前記BARCの膜厚
を管理し、下地の被エッチング材の削れを防止すること
を特徴とするエッチング方法。 (8)STI部を有する半導体素子の製造において、前
記半導体素子の一部を形成するPoly−Siのエッチ
ングを行う際に、前記STI部上に形成されたPoly
−Siの残膜厚さで、前記Poly−Siのエッチング
を管理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
プラズマエッチング処理において、被処理層の実際のエ
ッチング量をオンラインで正確に測定することのできる
被処理材のエッチング深さ及び膜厚測定方法とそれを用
いた被処理材の試料の処理方法とそれを用いたプロセス
の終点判定方法を提供することができる。
で所定のエッチング量になるように高精度に制御できる
エッチング・プロセスを提供することができる。さら
に、被処理層の実際のエッチング量をオンラインで正確
に測定することのできる被処理材のエッチング深さ及び
膜厚測定装置を提供することができる。
置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を
示すブロック図である。
断面形状を示す図であり、(b),(c)はそれぞれ異な
る波長の干渉光の波長実パターンの例を示す図である。
A,B,Cに示す各段差(マスク材表面からの距離)及
びa,b,cに示すマスクの各残膜厚さに対応する、干
渉光の微係数値時系列データの波長をパラメータとする
図である。
を行う際に、被処理材の段差及びマスク残膜厚さを求め
る手順を示すフローチャートである。
グ深さ測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置
の全体構成を示すブロック図である。
る。
図である。
を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示
すブロック図である。
示す図である。
ある。
結果及び回帰直線を示す図である。
測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体
構成を示すブロック図である。
を示す図である。
である。
測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体
構成を示すブロック図である。
を示す図である。
である。
…被処理材、5…試料台、8…光ファイバー、9…放射
光、10…測定装置、11…分光器、12,22…第1
デジタルフィルタ回路、13,23…微分器、14,2
4…第2デジタルフィルタ回路、15,25…微分波形
比較器、16,26…微分波形パターンデータベース、
17…表示器、18,28…時系列データ記録器、1
9,29…回帰分析器、30,130,230,330
…終点判定器、40…シリコン、41…窒化膜、50…
ポリシリコン、51,61,71…マスク材、52…下
地酸化膜、60…有機膜、62…配線材、70…ポリシ
リコン膜、72…下地酸化膜、73…BARC、78…
ゲート電極部、79…溝部、1000…制御装置、10
01…ガス供給装置、1002…プラズマ発生装置、1
003…ウェハバイアス電源。
Claims (26)
- 【請求項1】半導体素子製造プロセスにおける膜の処理
量測定方法は、 a) 第1の被処理材(4,5等)の膜の所定処理に対
する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする第1の
被処理材の標準パターンを設定するステップと; b) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(4,5等)についての干渉光の強度を複数波長につい
てそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の
波長をパラメータとする実パターンを求めるステップ
と; c) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記実パタ
ーンとに基づき、前記第2の被処理材の膜の処理量(4
3)を求めるステップと、を備えることを特徴とする膜
の処理量測定方法。 - 【請求項2】半導体素子製造プロセスにおける膜の処理
量測定方法は、 a) 第1の被処理材(4,5等)の膜の所定処理に対
する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする第1の
被処理材の標準パターンを設定するステップと; b) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(4,5等)についての干渉光の強度を複数波長につい
てそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の
波長をパラメータとする実パターンを求めるステップ
と; c) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記実パタ
ーンとに基づき、前記第2の被処理材の膜の処理量(4
3)を求めるステップと; d) 前記第2の被処理材の膜の処理量が所定値になる
と、プロセス条件を切り換えて処理を行うステップと、
を備えることを特徴とする膜の処理量測定方法。 - 【請求項3】被処理材のエッチング量を測定するエッチ
ング量測定方法は、 a) マスク材(41)を含む第1の被処理材(4)の
所定エッチング量に対する干渉光の微分値の、波長をパ
ラメータとする第1の被処理材の標準パターン(PS )
を設定するステップ(400)と; b) 前記第1の被処理材の前記マスク材の所定エッチ
ング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
するマスク材の標準パターン(PM )を設定するステッ
プ(420)と; c) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(4)についての干渉光の強度を複数波長についてそれぞ
れ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパ
ラメータとする実パターンを求めるステップ(402−
108,424−428)と; d) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク
材の標準パターン(PSとPM)と前記実パターンとに基づ
き、前記第2の被処理材のエッチング量(44)を求める
ステップ(410,430,412)と、を備えること
を特徴とするエッチング量測定方法。 - 【請求項4】被処理材のエッチング量を測定するエッチ
ング量測定方法は、 a) マスク材(41)を含む第1の被処理材(4)の
複数の所定エッチング量の各々に対する干渉光の微分値
の、波長をパラメータとする第1の被処理材の標準パタ
ーン(PS)を設定するステップ(500)と; b) 前記第1の被処理材の前記マスク材の複数の所定
エッチング量の各々に対する干渉光の微分値の、波長を
パラメータとするマスク材の標準パターン(PM )を設
定するステップ(520)と; c) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(4)についての干渉光の強度を複数波長についてそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長を
パラメータとする実パターンを求めるステップ(502
−508,524−528)と; d) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク
材の標準パターン(PSとPM )と前記実パターンとに基
づき、前記第2の被処理材のエッチング量を求めるステ
ップ(510−515,530−535)と; e) ステップd)で求めた過去の前記第2の被処理材
のエッチング量を用いた回帰分析により現時点での前記
第2の被処理材のエッチング量(S,M)を求めるステ
ップ(516,536)と、を備えることを特徴とする
エッチング量測定方法。 - 【請求項5】被処理材のエッチング量を測定するエッチ
ング量測定方法は、 a) 第1の被処理材(5)の複数の所定エッチング量
の各々に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
する第1の被処理材の標準パターン(Pz)を設定する
ステップ(600)と; b) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(5)についての干渉光の強度を複数波長についてそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長を
パラメータとする実パターンを求めるステップ(602
−608)と; c) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記実パタ
ーンとに基づき、前記第2の被処理材のエッチング量を
求めるステップ(610−615)と; d) ステップc)で求めた過去の前記第2の被処理材
のエッチング量を用いた回帰分析により、前記第2の被
処理材のエッチング量が目標値となる時刻を予測するス
テップ(616,618)と、を備えることを特徴とす
るエッチング量測定方法。 - 【請求項6】請求項5記載のエッチング量測定方法は、
更に、ステップc)で求めた過去の前記第2の被処理材
のエッチング量を用いた前記回帰分析によりエッチング
速度を求めるステップを備えるエッチング量測定方法。 - 【請求項7】請求項5記載のエッチング量測定方法は、
更に、ステップc)で求めた過去の前記第2の被処理材
のエッチング量を用いた前記回帰分析により前記第2の
被処理材の初期膜厚を求めるステップを備えるエッチン
グ量測定方法。 - 【請求項8】請求項5記載のエッチング量測定方法は、
更に、 ステップc)で求めた過去の前記第2の被処理材のエッ
チング量を用いた前記回帰分析により前記第2の被処理
材の初期膜厚と残膜厚とを求めるステップと;該求めた
前記第2の被処理材の初期膜厚と残膜厚とに基づき前記
第2の被処理材のエッチング深さを求めるステップと、
を備えるエッチング量測定方法。 - 【請求項9】複数の膜が積層された半導体素子における
被処理材の処理方法は、 前記被処理材の残膜厚さを測定するステップと;前記残
膜厚さが所定値になるとエッチング条件を切り換えてエ
ッチング処理を行うステップとを備えることを特徴とす
る被処理材の処理方法。 - 【請求項10】複数の膜が積層された半導体素子におい
て、厚さの異なる部分を有する下地膜上に形成された被
処理材のエッチング方法は、 厚い下地膜の部分上に形成された前記被処理材の残膜厚
さを測定するステップと;該測定された前記被処理材の
残膜厚さに基づきエッチング処理を管理するステップと
を備えることを特徴とする被処理材のエッチング方法。 - 【請求項11】請求項10記載の被処理材のエッチング
方法は、更に、 前記測定された前記被処理材の残膜厚さが所定値になる
とエッチング条件を切り換えてエッチング処理を行うス
テップとを備える被処理材のエッチング方法。 - 【請求項12】複数の膜が積層された半導体素子におけ
る被処理材のエッチング方法は、 a) 第1の被処理材(7)の複数の所定エッチング量
の各々に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
する第1の被処理材の標準パターン(Pz)を設定する
ステップ(800−801)と; b) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(7)についての干渉光の強度を複数波長についてそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長を
パラメータとする実パターンを求めるステップ(802
−808)と; c) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記実パタ
ーンとに基づき、前記第2の被処理材のエッチング量を
求めるステップ(810−815)と; d) ステップc)で求めた過去の前記第2の被処理材
のエッチング量を用いた回帰分析により、前記第2の被
処理材の残膜厚さを求めるステップ(816,618)
と; e) 該求めた前記被処理材の残膜厚さが所定値になる
とエッチング条件を切り換えてエッチング処理を行うス
テップと、を備えることを特徴とする被処理材のエッチ
ング方法。 - 【請求項13】半導体素子製造プロセスにおける膜の処
理量測定装置は、 第1の被処理材(4,5等)の膜の所定処理に対する干
渉光の微分値の、波長をパラメータとする第1の被処理
材の標準パターンを設定するユニットと;前記第1の被
処理材と同一構成の第2の被処理材(4,5等)につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、
該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメータと
する実パターンを求めるユニットと;前記第1の被処理
材の標準パターンと前記実パターンとに基づき、前記第
2の被処理材の膜の処理量(43)を求めるユニット
と、を備えることを特徴とする膜の処理量測定装置。 - 【請求項14】半導体素子製造プロセスにおける膜の処
理量測定装置は、 第1の被処理材(4,5等)の所定プロセス量に対する
干渉光の微分値の、波長をパラメータとする第1の被処
理材の標準パターンを設定するユニットと;前記第1の
被処理材と同一構成の第2の被処理材(4,5等)につ
いての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメー
タとする実パターンを求めるユニットと;前記第1の被
処理材の標準パターンと前記実パターンとに基づき、前
記第2の被処理材の膜の処理量(43)を求めるユニッ
トと;前記第2の被処理材の膜の処理量が所定値になる
と、プロセス条件を切り換えて処理を行うユニットと、 を備えることを特徴とする膜の処理量測定装置。 - 【請求項15】被処理材のエッチング量を測定するエッ
チング量測定装置は、 マスク材(41)を含む第1の被処理材(4)の所定エ
ッチング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメー
タとする第1の被処理材の標準パターン(PS)を設定す
るユニットと;前記第1の被処理材の前記マスク材の所
定エッチング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラ
メータとするマスク材の標準パターン(PM )を設定す
るユニットと;前記第1の被処理材と同一構成の第2の
被処理材(4)についての干渉光の強度を複数波長につ
いてそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値
の波長をパラメータとする実パターンを求めるユニット
と;前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク材
の標準パターン(PSとPM)と前記実パターンとに基づ
き、前記第2の被処理材のエッチング量(44)を求め
るユニットと、を備えることを特徴とするエッチング量
測定装置。 - 【請求項16】被処理材のエッチング量を測定するエッ
チング量測定装置は、 マスク材(41)を含む第1の被処理材(4)の複数の
所定エッチング量の各々に対する干渉光の微分値の、波
長をパラメータとする第1の被処理材の標準パターン
(PS)を設定するユニットと;前記第1の被処理材の
前記マスク材の複数の所定エッチング量の各々に対する
干渉光の微分値の、波長をパラメータとするマスク材の
標準パターン(PM )を設定するユニットと;前記第1
の被処理材と同一構成の第2の被処理材(4)について
の干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、該
測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメータとす
る実パターンを求めるユニットと;前記第1の被処理材
の標準パターンと前記マスク材の標準パターン(PS と
PM )と前記実パターンとに基づき、前記第2の被処理
材のエッチング量を求めるユニットと;前記求めた過去
の前記第2の被処理材のエッチング量を用いた回帰分析
により現時点での前記第2の被処理材のエッチング量
(S,M)を求めるユニットと、を備えることを特徴と
するエッチング量測定装置。 - 【請求項17】被処理材のエッチング量を測定するエッ
チング量測定装置は、 第1の被処理材(5)の複数の所定エッチング量の各々
に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする第
1の被処理材の標準パターン(Pz)を設定するユニッ
トと;第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(5)についての干渉光の強度を複数波長についてそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長を
パラメータとする実パターンを求めるユニットと;前記
第1の被処理材の標準パターンと前記実パターンとに基
づき、前記第2の被処理材のエッチング量を求めるユニ
ットと;前記求めた過去の前記第2の被処理材のエッチ
ング量を用いた回帰分析により、前記第2の被処理材の
エッチング量が目標値となる時刻を予測するユニット
と、を備えることを特徴とするエッチング量測定装置。 - 【請求項18】請求項17記載のエッチング量測定装置
は、更に、 前記求めた過去の前記第2の被処理材のエッチング量を
用いた前記回帰分析により前記第2の被処理材の初期膜
厚と残膜厚とを求めるユニットと;該求めた前記第2の
被処理材の初期膜厚と残膜厚とに基づき前記第2の被処
理材のエッチング深さを求めるユニットと、を備えるエ
ッチング量測定装置。 - 【請求項19】複数の膜が積層された半導体素子におけ
る被処理材の処理装置は、 前記被処理材の残膜厚さを測定するユニットと;前記残
膜厚さが所定値になるとエッチング条件を切り換えてエ
ッチング処理を行うユニットとを備えることを特徴とす
る被処理材の処理装置。 - 【請求項20】複数の膜が積層された半導体素子におい
て、厚さの異なる部分を有する下地膜上に形成された被
処理材のエッチング装置は、 厚い下地膜の部分上に形成された前記被処理材の残膜厚
さを測定するユニットと;該測定された前記被処理材の
残膜厚さに基づきエッチング処理を管理するユニットと
を備えることを特徴とする被処理材のエッチング装置。 - 【請求項21】請求項20記載の被処理材のエッチング
装置は、更に、 前記測定された前記被処理材の残膜厚さが所定値になる
とエッチング条件を切り換えてエッチング処理を行うユ
ニットとを備える被処理材のエッチング装置。 - 【請求項22】複数の膜が積層された半導体素子におけ
る被処理材のエッチング装置は、 第1の被処理材(7)の複数の所定エッチング量の各々
に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする第
1の被処理材の標準パターン(Pz)を設定するユニッ
トと;前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
(7)についての干渉光の強度を複数波長についてそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長を
パラメータとする実パターンを求めるユニットと;前記
第1の被処理材の標準パターンと前記実パターンとに基
づき、前記第2の被処理材のエッチング量を求めるユニ
ットと;前記求めた過去の前記第2の被処理材のエッチ
ング量を用いた回帰分析により、前記第2の被処理材の
残膜厚さを求めるユニットと;該求めた前記被処理材の
残膜厚さが所定値になるとエッチング条件を切り換えて
エッチング処理を行うユニットと、を備えることを特徴
とする被処理材のエッチング装置。 - 【請求項23】半導体素子製造プロセスの終点判定方法
は、 a) マスク材を含む第1の被処理材の所定エッチング
量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする
第1の被処理材の標準パターンを設定するステップと; b) 前記第1の被処理材の前記マスク材の所定エッチ
ング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
するマスク材の標準パターンを設定するステップと; c) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
についての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測
定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメ
ータとする実パターンを求めるステップと; d) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク
材の標準パターンと前記実パターンとに基づき、前記第
2の被処理材のエッチング量を求めるステップと; e) 前記求められた第2の被処理材のエッチング量に
よってプロセスの終点を判定するステップと、を備える
ことを特徴とする終点判定方法。 - 【請求項24】第1の被処理材の所定段差に対する干渉
光の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンと
被処理材の所定マスク残膜厚さに対する干渉光の微分値
の、波長をパラメータとする標準パターンを設定するス
テップと、 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、
該測定された干渉光強度の微分値の、波長をパラメータ
とする実パターンを求めるステップと、 前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基づ
き、前記第2の被処理材の段差とマスク残膜厚さを求め
るステップと、 前記求められた第2の被処理材の段差およびマスク残膜
厚さによりプロセスの終点を判定するステップと、を有
することを特徴とするプロセスの終点判定方法。 - 【請求項25】半導体素子製造プロセスの終点判定装置
は、 a) マスク材を含む第1の被処理材の所定エッチング
量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする
第1の被処理材の標準パターンを設定するユニットと; b) 前記第1の被処理材の前記マスク材の所定エッチ
ング量に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータと
するマスク材の標準パターンを設定するユニットと; c) 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材
についての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測
定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメ
ータとする実パターンを求めるユニットと; d) 前記第1の被処理材の標準パターンと前記マスク
材の標準パターンと前記実パターンとに基づき、前記第
2の被処理材のエッチング量を求めるユニットと; e) 前記求められた第2の被処理材のエッチング量に
よってプロセスの終点を判定するユニットと、を備える
ことを特徴とする終点判定装置。 - 【請求項26】第1の被処理材の所定段差に対する干渉
光の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンと
被処理材の所定マスク残膜厚さに対する干渉光の微分値
の、波長をパラメータとする標準パターンを設定するユ
ニットと、 前記第1の被処理材と同一構成の第2の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、
該測定された干渉光強度の微分値の、波長をパラメータ
とする実パターンを求めるユニットと、 前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基づ
き、前記第2の被処理材の段差とマスク残膜厚さを求め
るユニットと、 前記求められた第2の被処理材の段差およびマスク残膜
厚さによりプロセスの終点を判定するユニットと、を備
えることを特徴とするプロセスの終点判定装置。
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