JP2013217776A - 表面処理状況モニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングや成膜のプロセスにおいて、時々刻々と変化するエッチング深さ或いは堆積厚さのモニタリングに関して、ノイズに対して堅牢な測定を行うことのできる方法を提供する。
【解決手段】光源１０より所定の波長幅を有する測定光を試料５０中の測定対象構造に照射し、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を光ファイバ２３中で干渉させ、該干渉光のスペクトルを生成する。このような干渉光スペクトルを、時間を隔てた２つの時点で分光部３０により取得し、データ処理部４０において絶対差面積算出部４２はその差スペクトルの絶対差面積を求める。この絶対差面積は、測定対象構造の寸法がλ/4変化する毎に周期的に変化するため、その変化に基づいて測定対象構造の寸法を求めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種のエッチング加工によって半導体基板などに形成される微細な孔、例えばＴＳＶ（＝Through Silicon Via：シリコン貫通ビア）の深さや段差、各種の研磨加工によって表面が削られる基板や結晶体などの厚さ、或いはＣＶＤなどにより基板表面に成膜を行う際の膜厚などを、加工中に略リアルタイムで測定するための表面処理状況モニタリング装置に関する。

半導体集積回路の製造プロセスでは、シリコンウエハ等の半導体基板にごく微細な孔や溝を形成するために低圧プラズマ等を用いたエッチング加工が行われている。通常、エッチング工程では、まず、基板上で孔や溝を形成しない部分にレジスト膜によるマスキングを行った上でエッチング加工を実行する。これにより、マスキングされていない部分のみが選択的に削られるから、加工後にレジスト膜を除去することで任意の形状の孔や溝を形成することが可能となる。このときに形成される孔や溝の深さはエッチングの時間、ガス種類、ガス圧などの様々な条件に依存するから、孔や溝の深さを目標深さにするために、加工中に実際の深さをモニタリングしながらエッチングの終了点を決めたり条件を調整したりする制御がなされる。
また、エッチングとは逆に、マスキングを施していない部分に酸化膜や金属膜等を生成する成膜処理も行われるが、この場合も、処理の終了時点を定めるために成膜部分の厚さをモニタリングする必要がある。

エッチングによって形成される微細孔の深さや段差、削られる膜層の膜厚、研磨等によって表面が徐々に削られる基板や結晶体の厚さ、或いは成膜厚さなどを光学的に測定する技術として、以下に述べるように、従来から様々な提案がなされている。

特許文献１〜３には、測定対象である孔や溝の底部からの反射光とその孔周囲や溝上縁の部位からの反射光との干渉により生じる干渉光、或いは測定対象である基板表面からの反射光と基板底面からの反射光との干渉により生じる干渉光を分光測定することで干渉スペクトルデータを取得し、そのスペクトルに対するフィッティングによって干渉縞を解析し、その干渉縞に基づいて孔や溝深さ、或いは基板や膜層の厚さを算出する装置が開示されている。

また特許文献４には、測定対象である膜層の両面からの反射光の干渉により生じる干渉光を分光測定することで干渉スペクトルデータを取得し、そのスペクトルに対するフーリエ変換を実行することにより膜厚を求めることが開示されている。

また特許文献５、６には、分光測定により取得した干渉スペクトルに対し時間微分を適用し、計算した時間微分スペクトルと予め求めておいた所望のプロセス条件を満たした際の過去の参照スペクトルとの比較を行うことにより、プロセスの進行をチェックすることが開示されている。

特許文献７には、エッチングされている構造物に波長λのレーザーを照射し、反射波の干渉振幅の極大及び極小を検出することによりλ/4だけエッチングが進行した点を検出する技術が記載されている。

特開平１１−２７４２５９号公報 特開２００４−５０７０７０号公報 特開２００４−２５３５１６号公報 特開２００５−１８４０１３号公報 特開２００２−８１９１７号公報 特開２００８−２１８８９８号公報 特開平１０−３２５７０８号公報

上記従来技術のうち、特許文献１〜３に記載の方法はフィッティングによる干渉縞の解析であるため、時間的変化の速い事象（エッチング・成膜）には対応することができない。
特許文献４に記載の方法は絶対値が保障される利点はあるものの、測定精度は低い。 特許文献５、６に記載の方法では、時間微分スペクトルと、予め取得しデータベースに格納しておいた所望のプロセス条件を満たした際の過去のデータとの比較に基づいてプロセスの進行をチェックするため、厚さや深さといった寸法（数値）を測定することができない。
特許文献７に記載の方法は、エッチング・成膜される構造（穴・堆積物）が比較的小さい場合、図７（特許文献７では図１２）に示されるように、極大・極小を示す強度変化が小さくなり、ノイズに埋もれやすくなるという欠点がある。

本願発明は、エッチングや成膜のプロセスにおいて、時々刻々と変化するエッチング深さ或いは堆積厚さのモニタリングに関して、ノイズに対して堅牢な測定を行うことのできる方法を提供するものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造の寸法を測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光の波長毎の強度を検出してスペクトルを生成する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a)時間を隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ干渉光のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの絶対差面積を求める差面積算出手段と、
c)前記絶対差面積の変化に基づき測定対象構造の寸法を求める解析手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明における表面処理加工とは典型的には、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチングとも含む）による孔や溝などの形成、研磨（化学研磨、機械研磨とも含む）による表面除去、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等による膜層の形成、などである。

測定対象構造が基板である場合には、上記第１部位と第２部位とは基板の表面と裏面である。測定対象構造が基板上に形成されている膜層である場合には、上記第１部位と第２部位とは膜層の上面と下面である。測定対象構造が基板表面に形成されている孔や溝である場合には、上記第１部位と第２部位とは孔や溝の底面と孔周囲や溝上縁の面である。

前記２つの干渉光のスペクトルを取得する２つの時点の間隔Δtは、測定対象構造の寸法の変化速度vに該時間間隔Δtを乗じた値が測定光の中心波長λの1/4（1/4λ）よりも小さくなるような値とするとよい。

本発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、単一波長ではなく、或る程度の波長幅を持った光源を用いて、或る時刻からの干渉縞波形の変化分の面積（波長方向の積分値）をモニタリングする。具体的には、測定対象構造の２つの部位で反射される光の干渉光のスペクトルの絶対差面積を求める。このため、本発明では光源から波長方向全体の情報を用いてモニタリングを行うことになる。このスペクトルの絶対差面積の変化は、中心波長の増減と一致した変化を示し、その変化の大きさは、単一波長で測定する場合と比較すると、おおよそ測定波長の個数（すなわち、分光器のアレイ検出器のチャンネルの数）分だけ倍加される。一方、ノイズ成分は波長軸方向に積算されるため、その大きさは測定波長個数の平方根倍となる。これは、回数平均化の概念と同じである。従って、本発明によれば、測定対象構造の寸法変化について、S/N比の高い測定を行うことが可能となる。

本発明の一実施例である表面処理状況モニタリング装置の概略構成図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置における孔深さ測定時(a)と基板厚さ測定時(b)の反射光の状態の模式図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置における測定動作を示すフローチャート。 本発明の原理を説明するための図であり、(a)は基準スペクトルと僅かにエッチングが進行したときのスペクトルの重畳図、(b)はその差スペクトル、(c)は基準スペクトルとエッチングが大きく進行したときのスペクトルの重畳図、(d)はその差スペクトル。 本発明の原理を説明するための図であり、(a)は差スペクトルの絶対差面積を表す概念図、(b)はエッチングの進行に伴う絶対差面積の変化を示す図。 本発明の実施例の計算例であり、(a)は50%ノイズを重畳させた干渉スペクトルの波形図、単一波長を用いて測定した場合のエッチングの進行に伴う差スペクトルの変化を示す図、(c)は本発明による絶対差面積の変化を示す図。 従来技術によるエッチング深さ測定時の反射回折光強度の時間変化の波形図。

本発明の一実施例である表面処理状況モニタリング装置について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の概略構成図、図２は孔深さ測定時(a)と基板厚さ測定時(b)の反射光の状態の模式図である。

この表面処理状況モニタリング装置は、例えばプラズマエッチング装置や基板研磨装置などにより加工処理される試料５０の基板厚みや形成されるトレンチ深さなど、時々刻々と変化する試料５０との間の距離をモニタリングする装置である。該装置は、光源１０と、測定光学系２０と、分光部３０と、データ処理部４０とを備える。光源１０と測定光学系２０、また測定光学系２０と分光部３０とは光ファイバを介して接続されている。

測定用の光源１０としては、例えば中心波長が830nm、半値全幅が15nmであるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や、同程度以上の波長幅を有するその他の光源を用いることができる。この光源１０から発せられた測定光は入射側光ファイバ２１に取り込まれ、ファイバカプラ２２を介して光ファイバ２３中を進行し、光ファイバ２３先端より空間に射出される。光ファイバ２３端部から出射された測定光はコリメートレンズ２４を介して試料５０上に照射される。

試料５０の測定対象構造における干渉の状態を図２を用いて説明する。例えば研磨中の基板５０Ｂの厚みを測定する場合には、図２(b)に示すように、基板５０Ｂ表面からの反射光６４、及び基板５０Ｂ中に進入した光による裏面からの反射光６５の２つの反射光による干渉が生ずる。またエッチング中のトレンチ深さを測定する場合には、図２(a)に示すように基板５１表面のレジスト層５３表面からの反射光６２と、レジスト層５３中に入り込んだ光に対する基板５１表面からの反射光６３と、被エッチング部である1つ又は複数のトレンチ孔５２の底面からの反射光６１と、が主として干渉する。これら反射光６１〜６３又は６４〜６５はコリメートレンズ２４を光照射時とは逆に辿って光ファイバ２３に入射する。そして、ファイバカプラ２２を経て分光部３０に達する。光ファイバ２３中を通って分光部３０に達するまでに、複数の反射光は十分に干渉し干渉光となる。

分光部３０において干渉光は回折格子３１等の分光手段により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ等のアレイ検出器３２により複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器３２による各波長に対応した検出信号はデータ処理部４０に入力される。データ処理部４０は機能ブロックとして、基準スペクトル記憶部４１、絶対差面積算出部４２、光学距離算出部４３、校正部４４を含み、後述する処理を実行することで被研磨基板５０Ｂの板厚や被エッチング部であるトレンチ孔５２の深さなどが算出される。その算出結果は表示部４５により観測者に提示される。

なお、データ処理部４０の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータに予めインストールされたデータ処理用ソフトウエアを実行することにより、データ処理部４０としての機能を発揮させるようにすることができる。

まず、データ処理部４０におけるデータ処理の原理を説明する。光源１０より、波長λを中心に分散σの正規分布形の波長広がりを有する光Ref(ω)（ここでωは周波数であり、ω＝1/λ）を入射したとき、測定対象構造である膜層の厚さ（或いはエッチング孔の深さなど）dに起因する２つの面A、B（例えば、面Aが基板表面、面Bがエッチング底面）で反射される光のスペクトルをそれぞれF_A(ω)、F_B(ω)とする。A面反射光及びB面反射光の振幅をそれぞれA_A、A_Bとすると、F_A(ω)、F_B(ω)はそれぞれ次の(1)、(2)式で与えられる。
Ｆ_A(ω)＝√[Ref(ω)]・A_A・exp（kx−ωt＋0） …(1)
Ｆ_B(ω)＝√[Ref(ω)]・A_B・exp（kx−ωt＋2dω・2π） …(2)
ここで、kxは定数である。分光測定により得られる光は上の２つの反射光F_A(ω)、F_B(ω)が干渉したものであり、その干渉光のスペクトルF(d,ω)は(3)式で表される。
F(d,ω)＝｜F_A(ω)＋F_B(ω)｜²
＝Ref(ω)[A_A ²＋A_B ²＋2A_AA_Bcos(2dω・2π)]
＝(A_A ²＋A_B ²)Ref(ω)＋2A_AA_BRef(ω)cos(2dω・2π) …(3)

ここで、該当光路長がdの時点から微小距離Δdだけ進んだ時点で得られた干渉スペクトルをF(d＋Δd,ω)とすると、両干渉スペクトルの差Fs(ω)は、
Fs(ω)＝F(d＋Δd,ω)−F(d,ω)
＝2A_AA_BRef(ω)[cos(2(d＋Δd)ω・2π)−cos(2dω・2π)]
＝−4A_AA_BRef(ω)sin(2πΔd・ω)sin(4πdω−2πΔdω) …(4)
となる。ここで、Δd・ωは光源の波長帯域に亘ってほとんど一定と考えられるため、これをΔd・ω_cとおくと、差スペクトルは次のようになる。
Fs(ω)＝−4A_AA_BRef(ω)sin(2πΔd・ω_c)sin(4πdω−2πΔdω_c) …(5)
この差スペクトルの絶対値の面積（絶対差面積）の２乗S²を計算する。光源からの光Ref(ω)は波長幅σのガウス分布であり、Ref(ω)＝exp(−(ω−ω₀)²/σ²)であることから、
{S(Δd)}²＝∫{Fs(ω)}²dω （∫は−∞から＋∞まで）
＝16A_A ²A_B ²sin²(2πΔd・ω_c)∫{exp(−2(ω−ω₀)²/σ²)sin²(4πdω
−2πΔdω_c)}dω
＝16A_A ²A_B ²sin²(2πΔd・ω_c){1/2(σ/√(2π))
−σ/(2√(2π))exp(−8π²d²σ²)cos²(8πdω−4πΔdω_c)} …(6)

ここで、エッチングが或る程度進んだ時点では、深さdは光源の持つ波長幅σよりも十分大きく、exp(-8π²d²σ²)はほぼ0となるため、絶対差面積の二乗値S²は
S²＝4√(2(σ/√π))A_A ²A_B ²sin²(2πΔd・ω_c) …(7)
となる。つまり、S²はΔd＝λ/4となったときに極大値を示す。
また、エッチング開始直後であってdが未だ非常に小さく、exp(-8π²ｄ²σ²)がほぼ0とはみなせない領域についても、エッチング開始時d＝0の際のスペクトルを差分に用いるため、式(6)におけるcos²(8πdω−4πΔdω_c)はcos(−4πΔdω_c)となり、式(6)の当該第2項もΔd＝λ/4において初めての極大値0を示す。

このように、絶対差面積Sの変化を測定してゆくことにより、エッチング深さを測定することができる。この面積変化を用いた測定対象構造の寸法変化の測定は、λ/4を超えた範囲でも可能であるが、極大値の時点でのスペクトルを、次の極大値を求めるための基準スペクトルに用いることにより、計算が容易となる。すなわち、この場合、常にd＝k・λ/4（kは整数）となるスペクトルを差分の基準に用いることとなるが、これによりcos²(8πdω−4πΔdω_c)＝cos(−4πΔdω_c)が成立し、S²はΔd＝λ/4で極大値を示す。

データ処理部４０は、このような計算を図３のような手順で行う。すなわち、エッチング処理を開始するとともに本測定を開始し、最初の時点（d＝0）で、分光部３０から送られてくるスペクトルデータを基準スペクトル記憶部４１に記憶する（ステップＳ１）。

その後、エッチング処理が進行すると、測定対象構造に2つの部位（高い点・低い点）が生じ、両部位からの反射光が干渉して干渉光として分光部３０により測定される（ステップＳ２）。データ処理部４０は、この干渉光のスペクトルを分光部３０から受け取り、そのスペクトルと基準スペクトル記憶部４１に記憶されているスペクトルとの差スペクトルを算出する（ステップＳ３）。そして、絶対差面積算出部４２はその差スペクトルの絶対差面積を算出する（ステップＳ４）。光学距離算出部４３は、この絶対差面積の値を、校正部４４に記憶されている校正式を使って、又は、校正部４４に保存されている校正表と対照し、光学距離、すなわちエッチング深さを求める（ステップＳ５）。校正部４４に保存されている校正式又は校正表は、予め同じ光源１０を用いて測定対象構造の既知の段差量と絶対差面積の関係を測定することにより定めておくことができる。

次に、求めたエッチング深さがが所定の値でない場合は(ステップＳ６でNo)、現時点での絶対差面積が極大値であるか否かを判定する（ステップＳ７）。これは、校正式又は校正表に基づいて判断することもできるし、面積値の変化自体から判断することもできる。現時点が極大値であると判断した場合、その時点での干渉光スペクトルを基準スペクトルとして基準スペクトル記憶部４１に記憶する（ステップＳ１）。以降は、その基準スペクトルと各時点の干渉スペクトルの絶対差面積を測定することになる。一方、ステップＳ７で現時点での絶対差面積が極大値でないと判定された場合にはステップＳ２へ戻る。この場合には、基準スペクトルは更新されない。
このようにしてエッチング深さを測定してゆき、深さが所定の値となった時点で（ステップＳ６でYes）エッチング処理を終了する。

次に、実際の計算例を説明する。図４(a)は中心波長830nm、波長幅15nmの光源を用いて測定される穴深さd＝19.5um（マイクロメートル）の時の干渉縞、及び、そこから0.02umエッチングが進行したd＝19.52umの時の干渉縞を重ねたものである。これら2つの干渉縞スペクトルの差は図４(b)に示す通りとなる。
図４(c)は同じ光源光を用いて、穴深さd＝19.5um（マイクロメートル）の時と、そこから0.1umエッチングが進行したd＝19.6umの時の干渉縞を重ねたものであり、図４(d)はその差スペクトルである。
図４(b)と(d)を比較すると分かるように、エッチングが進行するにつれて干渉縞のズレは大きくなる。上記絶対差面積は、このズレを算出するものである。絶対差面積の概念図を図５(a)に、エッチング進行に伴うその変化を図５(b)に示す。図５(b)から明らかなように、両干渉縞スペクトルのズレは、両干渉縞スペクトルの位相差がπとなるとき、つまり、エッチング深さがλ/4＝0.2075um進行したときに最大となる。
この面積が極大となった時点を新たな基準時刻t₀とし、そこから新たに差分波形の面積をモニタリングすることにより、λ/4毎にエッチングが進行したことを検出することができる。

本実施例の装置では以上のようにエッチング深さや成膜厚さ等を測定することができるが、そのノイズ抑制効果について次に説明する。
通常、ショットノイズNphは平均回数Kの平方根に反比例して減少することから、信号強度をS、ノイズ強度をNとすると、平均化した後の信号強度S'、N'及びS/N比SNR'は、式(8)〜(10)のように表わすことができる。
S'＝(Σ_KS)/K＝S …(8)
N'＝(Σ_NN)/K＝(1/√K)・N …(9)
SNR'＝S/((1/√K)・N)＝√K・SNR …(10)
上記エッチング深さ測定の際の面積変化に関するS/N比を計算すると、次の通りとなる。波長軸方向のアレイ検出器の画素数をKとし、簡単のために波長軸方向の干渉縞強度分布は一定であると仮定すると、信号強度S''、ノイズ強度N''、S/N比SNR''は、
S''＝(Σ_KS)＝K・S …(11)
N''＝(Σ_NN)＝KN'＝√K・N …(12)
SNR''＝K・S/(√(K)・N)＝√K・SNR …(13)
式(13)より、面積変化に関しても、平均化の効果と同様にS/N比は１点のみ（短波長のみ）の測定時のS/Nと比較すると√K倍向上する。

このノイズ抑制効果について、シミュレーションによる例を用いて説明する。図６(a)に、50%ノイズを重畳させた干渉スペクトルを示す。測定する構造が測定光の照射面積に対して十分小さい場合、観測スペクトルの大きさに対して干渉振幅が小さくなることから、図６(a)に示した状況が発生する。ここで、観測スペクトル中の或る一つの波長の増減（極大及び極小）をモニタリングする場合には、図６(b)に示すようにノイズ成分が多く含まれ、極大・極小判定を行うことが困難となる。ノイズについて平均化を行うことが一つの解決策として考えられるが、時間軸方向の平均化は、時間変化を正確に測定することを目的とする測定（極大・極小検出）に悪影響を及ぼす。
それに対し、絶対差面積は波長軸方向の積分値であるため、面積の変化に重畳されるノイズは前記説明の通り、減少する。ここで、19.5um時の干渉波形を基準として差分をとった干渉波計の面積変化を図６(c)に示すが、図６(b)と比較すると明らかなとおり、本実施例の装置・方法において極大・極小検出は非常に容易となる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を加えても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

１０…光源
２０…測定光学系
２１…入射側光ファイバ
２２…ファイバカプラ
２３…光ファイバ
２４…コリメートレンズ
３０…分光部
３１…回折格子
３２…アレイ検出器
４０…データ処理部
４１…基準スペクトル記憶部
４２…絶対差面積算出部
４３…光学距離算出部
４４…校正部
４５…表示部
５０…試料
５０Ａ、５０Ｂ、５１…基板
５２…トレンチ孔
５３…レジスト層
６１〜６５…反射光

Claims (2)

1. 表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造の寸法を測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光の波長毎の強度を検出してスペクトルを生成する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
   a)時間を隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ干渉光のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
   b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの絶対差面積を求める差面積算出手段と、
   c)前記絶対差面積の変化に基づき測定対象構造の寸法を求める解析手段と
   を備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
2. 前記スペクトル取得手段が、２つの干渉光のスペクトルを取得する２つの時点の間隔Δtを、測定対象構造の寸法の変化速度vに該時間間隔Δtを乗じた値が測定光の中心波長λの1/4よりも小さくなるように計測中に自動で調整することを特徴とする請求項１に記載の表面処理状況モニタリング装置。

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