JP2003258052A - エッチング溝深さ分布を測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板表面のエッチング深さの分布を非破壊で測
定することができるエッチング深さ分布測定装置および
エッチング分布測定方法を提供する。 【解決手段】ＸＹステージ２上にウエハＷが保持され
る。赤外用ランプハウス５からの赤外光がウエハＷの表
面に照射され、このウエハＷからの反射光が赤外分光器
５に入射される。この赤外分光器５が出力するスペクト
ル信号に基づき、コンピュータ処理システムは、ウエハ
Ｗの表面に形成されたエッチング溝の深さを検出する。
このエッチング溝深さの検出が、ＸＹステージ２を駆動
して検出位置を変更することによって、複数の検出点に
関して行われる。これにより、ウエハＷの面内における
エッチング溝深さの分布を表すデータが生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウエハ、
液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイバネ
ル用ガラス基板などに代表される基板の表面（これらの
基板自体の表面であってもよいし、基板表面に形成され
た薄膜の表面であってもよい。）に形成されたエッチン
グ溝の基板面内分布を測定するための装置および方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハ上に微細配線を形成する技
術にダマシン法がある。ダマシン法は、ウエハ上に形成
された絶縁膜にエッチング溝を形成する工程と、このエ
ッチング溝内に銅などの配線金属を埋め込む工程と、そ
の後にＣＭＰ（化学的機械的研磨）法によって表面を研
削して溝外の金属を除去する工程とを含む。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】エッチング工程には、
微細エッチング加工が可能なドライエッチャーが用いら
れる。ところが、ドライエッチャーは、不安定なプラズ
マや磁界を扱う装置であり、ガス流の影響もあって、エ
ッチング深さに関して、良好な面内分布を得にくいとい
う特徴がある。しかも、エッチング深さの面内分布は一
様ではなく、装置毎に顕著な差があり、さらに、無視で
きない経時変化を生じることが分かっている。

【０００４】したがって、装置の立ち上げ時やメンテナ
ンス時には、良好な処理の実現のために、エッチング深
さの面内分布の測定を欠かすことができない。そこで、
現在のところ、ウエハを破断し、破断面を走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）で観察する、破壊検査によってエッチン
グ深さの面内分布の測定が行われている。しかし、破壊
検査ではウエハを無駄にせざるを得ないうえ、検査のた
めの労力も少なくない。しかも、破壊検査であるがゆえ
に、抜き取り検査とせざるをえず、多数の抜き取り検査
はもちろんのこと、全数検査は不可能である。

【０００５】そこで、この発明の目的は、基板表面のエ
ッチング深さの分布を非破壊で測定することができるエ
ッチング深さ分布測定装置およびエッチング分布測定方
法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、エッチン
グ溝が形成された基板（Ｗ）を保持するための基板保持
機構（２）と、この基板保持機構に保持された基板の表
面に形成されたエッチング溝の深さを検出するエッチン
グ溝深さ検出機構（４，５，１５，２２）と、上記基板
保持機構に保持された基板上における上記エッチング溝
深さ検出機構による検出位置を変更する検出位置変更機
構（１６，２１）と、上記エッチング溝深さ検出機構に
よる溝深さの検出結果をそれぞれの溝深さ検出位置と関
連付けることによって、上記基板上に形成されたエッチ
ング溝深さの基板面内分布を求めるエッチング溝深さ分
布演算手段（２３）とを含むことを特徴とするエッチン
グ溝深さ分布測定装置である。なお、括弧内の英数字は
後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、
この項において同じ。

【０００７】上記の構成によれば、基板上での位置を変
更しながら基板表面に形成されたエッチング溝の深さが
検出される。そして、検出されたエッチング溝深さとそ
の検出位置とを対応付けることによって、エッチング深
さの面内分布が求められる。こうして、基板を破壊する
ことなく、エッチング溝深さの面内分布を求めることが
できる。しかも、従来の破壊検査では、エッチング溝深
さの分布は、破断面に沿った一次元的な分布が求められ
るに過ぎないのに対して、この発明によれば、たとえ
ば、基板面内全域における二次元分布を求めることもで
きる。

【０００８】請求項２記載の発明は、エッチング溝が形
成された基板（Ｗ）の表面に形成されたエッチング溝の
深さを検出するエッチング溝深さ検出ステップと、この
エッチング溝深さ検出ステップを、基板上における検出
位置を変更して複数回繰り返すステップと、上記エッチ
ング溝深さ検出ステップによる溝深さの検出結果をそれ
ぞれの溝深さ検出位置と関連付けることによって、上記
基板上に形成されたエッチング溝深さの基板面内分布を
求めるエッチング溝深さ分布演算ステップとを含むこと
を特徴とするエッチング溝深さ分布測定方法である。

【０００９】この方法により、請求項１に関連して述べ
た効果と同様な効果を達成できる。なお、上記検出位置
変更機構は、基板保持機構とエッチング溝深さ検出機構
との相対位置を変更する手段（２，１６）を含んでいて
もよい。すなわち、たとえば、検出位置変更機構は、エ
ッチング溝深さ検出機構の光学系（４）を上記基板保持
機構に対して移動させる機構を含んでいてもよいし、エ
ッチング溝深さ検出機構の光学系に対して上記基板保持
機構を移動させる機構（２，１６）を含んでいてもよ
い。

【００１０】また、上記エッチング溝は、ダマシン工程
において形成される溝であってもよい。このようなエッ
チング溝は、配線用金属が埋め込まれる溝であってもよ
い。さらに、上記エッチング溝は、基板面内にほぼ一様
に分布して形成されていてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係るエッチング溝深さ分布測定装置
の構成を説明するためのブロック図である。この装置
は、たとえば、半導体ウエハＷ（以下、「ウエハＷ」と
いう。）の表面に形成された絶縁膜に金属配線を埋設す
るためのいわゆるダマシン工程において用いられ、絶縁
膜に形成された配線金属埋め込み用のエッチング溝の深
さに関して、ウエハＷの面内での分布を測定するための
装置である。

【００１２】配線材料埋め込みのためのエッチング溝
は、ドライエッチャーによって、たとえばウエハＷの面
内にほぼ一様に分布して形成される。このエッチング溝
形成後のウエハＷは、測定室１内に配置されたＸＹステ
ージ２上に水平に載置される。測定室１の天面には、ガ
ラス等の透明部材からなる観察窓３が設けられている。
この観察窓３に対向する位置に、ウエハＷの鏡面の観察
のために用いられるレンズユニット４（光学系）が配置
されている。

【００１３】レンズユニット４には、ハロゲンランプな
どを備えた赤外用ランプハウス５からの赤外光が、光フ
ァイバ６およびピンホール部材７に形成されたピンホー
ルを介して入射されるようになっている。レンズユニッ
ト４は、この赤外光をウエハＷの表面に集光させる。一
方、ピンホール部材７とレンズユニット４との間には、
ピンホール７側から順に、２つのハーフミラー８，９が
配置されている。ハーフミラー８には、画像処理用ラン
プハウス１０から、光ファイバ１１を介して、レンズユ
ニット４の光軸の側方から可視光が導かれるようになっ
ている。すなわち、画像処理用ランプハウス１０から光
ファイバ１１を介して導かれた可視光は、ハーフミラー
１２で反射されてハーフミラー８へと導かれ、このハー
フミラー８によってさらに反射されて、レンズユニット
４へと導かれ、ウエハＷの表面を照明する。

【００１４】一方、ハーフミラー１２に対してハーフミ
ラー８と反対側には、ＣＣＤカメラ等の撮像装置１３が
配置されている。ウエハＷの表面において反射され、レ
ンズユニット４およびハーフミラー９を通り、さらにハ
ーフミラー８によって反射されてくる可視光は、撮像装
置１３によって検出される。したがって、撮像装置１３
は、レンズユニット４の光軸近傍の位置に相当するウエ
ハＷの表面の映像を表わす映像信号を出力する。

【００１５】ウエハＷの表面からレンズユニット４を通
った光の一部は、ハーフミラー９によって反射され、光
ファイバ１４を介して赤外分光器１５へと導かれるよう
になっている。この赤外分光器１５は、赤外波長域にお
ける強度分布スペクトル信号を生成して出力する。ＸＹ
ステージ２には、このＸＹステージ２を水平面に沿う２
つの直交方向であるＸ方向およびＹ方向に沿って駆動す
るためのステージ駆動機構１６が結合されている。この
ステージ駆動機構１６を駆動することにより、レンズユ
ニット４の光軸に対するウエハＷの相対位置を変化させ
ることができるから、ウエハＷの表面上の複数の位置に
おいて、エッチング溝深さを検出することができる。

【００１６】ステージ駆動機構１６は、コンピュータ処
理システム２０によって制御されるようになっている。
このコンピュータ処理システム２０には、撮像装置１３
が出力する映像信号が入力されており、さらに赤外分光
器１５が出力するスペクトル信号が入力されている。ま
た、コンピュータ処理システム２０には、ＣＲＴや液晶
表示装置等の表示装置３０や、プリンタ４０、およびキ
ーボード等の操作部５０が接続されている。

【００１７】図２は、コンピュータ処理システム２０の
構成を説明するためのブロック図である。コンピュータ
処理システム２０は、撮像装置１３からの映像信号に基
づいてステージ駆動機構１６を制御することにより、ウ
エハＷ上のいずれの位置においてエッチング溝深さを検
出すべきかを制御する検出位置制御部２１を備えてい
る。また、コンピュータ処理システム２０は、赤外分光
器１５からのスペクトル信号に基づいて、エッチング溝
深さを演算する溝深さ検出演算部２２を備えている。

【００１８】検出位置制御部２１は、検出位置データを
マッピング処理部２３に与え、一方、溝深さ検出演算部
２２は、演算された溝深さデータをマッピング処理部２
３に与える。マッピング処理部２３は、検出位置データ
と溝深さデータとを関連づけることによって、ウエハ上
に形成されたエッチング溝の深さのウエハ面内分布（マ
ッピング）を表わす基礎データとしてのマッピングデー
タを生成する。このマッピングデータは、コンピュータ
処理システム２０に備えられたハードディスク装置２４
に格納される。

【００１９】ハードディスク装置２４に蓄積されたマッ
ピングデータに基づき、表示制御部２５の働きによっ
て、ウエハＷ表面におけるエッチング溝深さ分布情報を
表示させることができる。また、印刷制御部２６の働き
によって、プリンタ４０から、ウエハＷ表面におけるエ
ッチング溝深さ分布情報を、用紙上にプリント出力させ
ることもできる。検出位置制御部２１、溝深さ検出演算
部２２およびマッピング処理部２３などの働きは、実際
には、コンピュータ処理システム２０に備えられたハー
ドウェアとしてのＣＰＵが実行するプログラム処理によ
って、ソフトウェア的に実現されることになる。

【００２０】図３は、検出位置制御部２１の働きを説明
するための図である。ウエハＷ上には、複数の集積回路
形成領域ＦＡが設定されている。たとえば、複数の集積
回路形成領域ＦＡには、同一設計の集積回路が作り込ま
れ、半導体装置の製造最終段階においては、ウエハＷを
ダイシングして個々の集積回路形成領域ＦＡ毎に分断す
ることにより、集積回路素子の複数の個片（チップ）が
得られることになる。検出位置制御部２１は、撮像装置
１３からの映像信号に基づき、個々の集積回路形成領域
ＦＡ内における所定の溝深さ検出点Ｐ（図３において記
号「＋」で表す。）を見い出し、レンズユニット４の光
軸を当該溝深さ検出点Ｐに一致させる。

【００２１】より具体的には、赤外用ランプハウス５か
ら発生される赤外光には可視光領域の光も含まれている
ので、この可視光領域の光がウエハＷの表面に形成する
集光スポットＬＰと、溝深さ検出点Ｐとを一致させるよ
うに、ステージ駆動機構１６を制御する。これにより、
赤外分光器１５には、１つの集積回路形成領域ＦＡ内に
おける溝深さ検出点Ｐの付近からの反射光が光ファイバ
１４を介して入射することになる。集光スポットＬＰと
集積回路形成領域ＦＡ内の溝深さ検出点Ｐとが一致した
とき、検出位置制御部２１は、マッピング処理部２３に
向けて、当該溝深さ検出点Ｐの位置データを出力する。
この位置データが、赤外分光器１５が出力するスペクト
ル信号に基づいて求められる溝深さ検出データと結びつ
けられることによって、マッピングデータが生成され
る。

【００２２】このような処理が、複数の溝深さ検出点Ｐ
に対して繰り返し実行される。図４は、マッピング処理
部２３が生成するマッピングデータによって構成される
溝深さ面内分布データ（ハードディスク装置２４に蓄積
されるデータ）を表わす図である。ハードディスク装置
２４に蓄積されるマッピングデータに基づいて、溝深さ
の等しい位置間を曲線または直線で結合することによっ
て、ウエハＷに対応した円形領域ＷＡ内に、複数の等高
線ＥＬが描かれる。こうして、ウエハＷの表面における
溝深さの二次元分布を図示することができる。

【００２３】隣接する等高線ＥＬ間または等高線ＥＬで
囲まれた閉領域を色分けして表わせば、さらに見易い図
形表示が可能になる。表示装置３０やプリンタ４０に
は、図４に示された態様で溝深さ面内分布が図示されて
もよいし、ハードディスク装置２４に蓄積された溝深さ
面内分布データが数値表示されてもよい。むろん、図４
図示の態様の図形表示と数値表示とが併用されてもよ
い。図５および図６は、溝深さ検出演算部２２による溝
深さ検出原理を説明するための図である。

【００２４】まず、図５は、ウエハＷの表面に形成され
た絶縁膜Ｉの膜厚Ｔを測定する原理を説明するための図
である。この場合、図５(a)に示されているように、絶
縁膜Ｉの外側の空気層から照射された赤外光Ｌは、絶縁
膜ＩとウエハＷとの界面で反射される。この反射光の一
部は絶縁膜Ｉから空気層へと出射するが、残りの部分は
空気層と絶縁膜Ｉとの界面で反射されて再びウエハＷの
表面へと向かう。同様にして、ウエハＷと絶縁膜Ｉとの
界面および絶縁膜Ｉと空気層との界面での多重反射が生
じ、その結果、膜厚Ｔに対応した光路長の相違のため
に、特定波長の光は強め合い、別の特定波長の光は弱め
合うことになる。

【００２５】すなわち、赤外光Ｌの波長に対する強度分
布を調べると、図５(b)に示すように、特定波長の光の
強度が強く、別の特定波長の光の強度が弱くなる。こう
して得られるスペクトル（波長対強度特性）は、膜厚Ｔ
に依存するから、このスペクトルに基づいて膜厚Ｔを特
定することができる。次に、図６は、ウエハＷ上の絶縁
膜Ｉに深さＤのエッチング溝ＩＴが形成されている場合
（図６(a)）に、深さＤを検出する方法を説明するため
の図である。集積回路形成領域ＦＡ（図３参照）内に深
さＤのエッチング溝ＩＴが一定の面積比で形成されてい
るとすれば、集積回路形成領域ＦＡの表面状態（図６
(a)）は、巨視的に見れば、図６(b)の状態と図６(c)の
状態との混合状態であると言える。すなわち、膜厚Ｔの
絶縁膜Ｉが形成された状態（図６(b)）と、膜厚Ｔ−Ｄ
の絶縁膜Ｉが形成された状態（図６(c)）との混合状態
であり、その混合比を集積回路形成領域ＦＡにおけるエ
ッチング溝ＩＴの面積比に基づいて定めれば、図６(a)
の状態が得られることになる。集積回路形成領域ＦＡに
おけるエッチング溝ＩＴの面積比は、集積回路の設計に
基づいて定めることができる。

【００２６】ウエハＷの表面に膜厚Ｔの絶縁膜Ｉが形成
されているとき、赤外分光器１５が出力するスペクトル
信号は、図６(e)に示すとおりであり、ウエハＷの表面
に膜厚Ｔ−Ｄの絶縁膜Ｉが形成されているときに赤外分
光器１５が出力するスペクトル信号が図６(f)に示すと
おりであるとする。この場合、図６(a)の表面状態に対
応した赤外分光器１５の出力は、図６(e)(f)のスペクト
ルを上記混合比で混合した結果である図６(d)のように
なる。

【００２７】したがって、溝深さ検出演算部２２は、赤
外分光器１５が出力するスペクトル信号に基づき、エッ
チング溝ＩＴの深さＤを特定することができる。より具
体的には、溝深さ検出演算部２２は、深さＤをパラメー
タとして種々に変化させ、各Ｄの値に対応したスペクト
ル（図６(c)の表面状態に対応したスペクトル）の理論
値を求める。この理論値と図６(e)のスペクトルとを上
記混合比によって混合して、各Ｄの値に対応した混合ス
ペクトル（図６(d)に示すようなスペクトル）を求め
る。そして、赤外分光器１５が出力するスペクトル信号
と演算によって求められた混合スペクトルとを照合し
て、最も高い一致度が得られた混合スペクトルに対応し
たパラメータＤの値をエッチング深さデータとして出力
する。

【００２８】以上のように、この実施形態によれば、ウ
エハＷの表面において個々の集積回路形成領域ＦＡ毎に
設定されたエッチング溝深さ検出点Ｐでのエッチング深
さが検出され、これに基づき、ウエハＷ表面における溝
深さ面内分布データがハードディスク装置２４に蓄積さ
れる。したがって、ウエハＷを破壊することなくエッチ
ング溝深さの面内分布を求めることができる。また、ウ
エハＷを破断して行う破壊検査では、破断面内における
エッチング溝深さの分布が検出できるにすぎないから、
いわば一次元的な溝深さ分布の測定のみが可能である。
これに対して、この実施形態によれば、図４に示すとお
り、二次元的なエッチング溝深さ面内分布の測定が可能
となる。

【００２９】さらに、ウエハＷを破断する破壊検査に比
較して、エッチング溝深さの面内分布の測定を速やかに
行うことができる。これらの効果から派生して、ドライ
エッチャー装置の立ち上げやメンテナンスを速やかに行
うことができ、また複数のドライエッチャーの管理を効
率的に行うという効果を得ることができる。さらには、
エッチング溝深さの面内分布を非破壊で測定することが
できるから、全てのウエハＷの検査を行う全数検査も可
能であって、これにより、より信頼性の高い半導体装置
を製造することが可能となる。

【００３０】以上、この発明の一実施形態について説明
したが、この発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、上記の実施形態では、個々の集積回路形成領
域ＦＡ毎にエッチング溝深さ検出点Ｐを設定している
が、必ずしもすべての集積回路形成領域ＦＡにエッチン
グ溝深さ検出位置を設定する必要はない。すなわち、た
とえば、ウエハＷの表面において４点〜５点のエッチン
グ溝深さ検出位置を設定することによって、ウエハＷの
面内における大まかなエッチング溝深さ面内分布を求め
るようにしてもよい。また、個々の集積回路形成領域Ｆ
Ａ内に２点以上のエッチング溝深さ検出位置を設定し
て、より詳細な溝深さ面内分布を測定することとしても
よい。

【００３１】また、上記の実施形態では、半導体ウエハ
Ｗ上に形成された絶縁膜のエッチング溝深さの面内分布
を測定する例について説明したが、ウエハＷ上に複数層
の配線が形成される場合には、各層の配線に対応した絶
縁層のエッチング溝深さの面内分布を測定することがで
きる。また、半導体ウエハ以外にも液晶表示装置用ガラ
ス基板やプラズマディスプレイ用ガラス基板等の表面に
絶縁膜等の膜を形成し、この薄膜上に形成された溝深さ
の面内分布を測定する場合にも、この発明を適用するこ
とができる。

【００３２】その他、特許請求の範囲に記載された事項
の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係るエッチング溝深さ
分布測定装置の構成を説明するためのブロック図であ
る。

【図２】コンピュータ処理システムの構成を説明するた
めのブロック図である。

【図３】検出位置制御部の働きを説明するための図であ
る。

【図４】マッピング処理部が生成するマッピングデータ
によって構成される溝深さ面内分布データを表わす図で
ある。

【図５】ウエハの表面に形成された絶縁膜の膜厚を測定
する原理を説明するための図である。

【図６】ウエハ上の絶縁膜に形成されたエッチング溝の
深さを検出する原理を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 測定室 ２ ＸＹステージ ３ 観察窓 ４ レンズユニット ５ 赤外用ランプハウス ６ 光ファイバ ７ ピンホール部材 ８ ハーフミラー ９ ハーフミラー １０ 画像処理用ランプハウス １１ 光ファイバ １２ ハーフミラー １３ 撮像装置 １４ 光ファイバ １５ 赤外分光器 １６ ステージ駆動機構 ２０ コンピュータ処理システム ２１ 検出位置制御部 ２２ 溝深さ検出演算部 ２３ マッピング処理部 ２４ ハードディスク装置 ２５ 表示制御部 ２６ 印刷制御部 ３０ 表示装置 ４０ プリンタ ５０ 操作部 Ｄ 深さ ＥＬ 等高線 ＦＡ 集積回路形成領域 Ｉ 絶縁膜 ＩＴ エッチング溝 Ｌ 赤外光 ＬＰ 集光スポット Ｐ 溝深さ検出点 Ｐ 測定位置Ｐ Ｔ 膜厚 Ｔ−Ｄ 膜厚 Ｗ ウエハ ＷＡ 円形領域

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA45 BB02 CC19 FF04 GG02 JJ03 JJ19 JJ26 LL02 LL30 LL67 MM02 PP12 QQ23 SS06 SS13 2F069 AA43 AA47 AA64 BB15 CC06 GG04 GG07 GG12 GG39 GG52 HH30 MM24 PP02 4M106 AA01 AA13 BA08 CA48 DH03 DH13 DJ04 DJ11 DJ17 DJ20 5F004 AA16 BB05 CA05 CB02 EB03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エッチング溝が形成された基板を保持する
   ための基板保持機構と、 この基板保持機構に保持された基板の表面に形成された
   エッチング溝の深さを検出するエッチング溝深さ検出機
   構と、 上記基板保持機構に保持された基板上における上記エッ
   チング溝深さ検出機構による検出位置を変更する検出位
   置変更機構と、 上記エッチング溝深さ検出機構による溝深さの検出結果
   をそれぞれの溝深さ検出位置と関連付けることによっ
   て、上記基板上に形成されたエッチング溝深さの基板面
   内分布を求めるエッチング溝深さ分布演算手段とを含む
   ことを特徴とするエッチング溝深さ分布測定装置。
2. 【請求項２】エッチング溝が形成された基板の表面に形
   成されたエッチング溝の深さを検出するエッチング溝深
   さ検出ステップと、 このエッチング溝深さ検出ステップを、基板上における
   検出位置を変更して複数回繰り返すステップと、 上記エッチング溝深さ検出ステップによる溝深さの検出
   結果をそれぞれの溝深さ検出位置と関連付けることによ
   って、上記基板上に形成されたエッチング溝深さの基板
   面内分布を求めるエッチング溝深さ分布演算ステップと
   を含むことを特徴とするエッチング溝深さ分布測定方
   法。