JP2014038875A

JP2014038875A - エッチングモニタリング装置

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Publication number: JP2014038875A
Application number: JP2010273833A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Nagumo; 雄三南雲; Hiroomi Goto; 洋臣後藤; Akira Arakawa; 彰荒川; Yoshio Tsunasawa; 義夫綱澤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2012077652A1

Abstract

【課題】エッチング実行中にマスク膜厚の影響を除去し正確且つ高分解で孔深さや段差を算出する。
【解決手段】所定波長幅の測定光を被エッチング部位とその周囲のマスク部位とに跨るように照射し、各種反射光による干渉光を分光検出して分光スペクトルを得た後、光源の発光スペクトルの影響を除去するように規格化した干渉スペクトルを求める（Ｓ１、Ｓ２）。干渉スペクトルは周期の異なる複数の正弦波の合成であるとみなせるから、周期毎に分解した分解干渉スペクトルを求める（Ｓ４）。この分解により干渉スペクトルにおける試料上の構造の影響はその構造毎に分離されるため、時間経過に伴う分解干渉スペクトルの干渉縞の移動方向に基づいて孔深さに対応した周期を抽出し、その周期の分解干渉スペクトルの干渉縞の移動量から相対的な変化量を高分解能で算出してピーク計数による絶対値と併せて孔深さを算出する（Ｓ５、Ｓ６）。
【選択図】図６

Description

本発明は、エッチング加工により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）の深さや段差などを、加工中に略リアルタイムで測定するためのエッチング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。

従来、エッチングにより形成される微細孔の深さを光学的に測定する技術として特許文献１〜３に記載のものが知られている。これら文献に記載の装置は、エッチングにより基板上に形成される微細な孔の深さを測定するために、単色光源、該単色光源からの光を計測対象の孔に照射する光学系、その孔からの反射光の強度を測定する検出器、などを備える。エッチングの進行に伴って被エッチング部である微細孔が深くなってゆくとき、孔の底面からの反射光とその孔の開口周囲の面からの反射光との干渉により、検出器に入射する光強度は繰り返し変化する。即ち、図１７（ａ）に示すように、エッチング深さがλ／２（λ：単色光の波長）進行するに伴い検出器による信号強度は強弱の周期を繰り返す。そこで、従来は、この信号強度の時間的変化のピーク（極大又は極小）を計数することにより孔深さを計測するようにしている。

なお、上記特許文献１〜３に記載の装置では、孔深さ計測用とは別に、分光測定用光源、該分光測定用光源からの光を計測対象のマスク層に照射する光学系、マスク層からの反射光を分光して検出する分光検出器、などを備えるが、これは被エッチング部以外の基板表面をマスキングするマスク層の膜厚を測定するためのものであり、孔深さの計測には関係しない。

上述した光強度の時間変化に対し単純なピーク（又はボトム）の計数で孔深さを求めるという従来のエッチング深さ（段差）計測方法は、光を反射する面が２つである場合には特に問題が生じない。しかしながら、レジスト膜や他の層構造のために光を反射する面が３面以上あると、干渉光の振幅の時間的変動が図１７（ｂ）に示すように複雑になる。そのため、正確なピークの計数が困難になる。特に、エッチングにより形成される孔がごく微細な径であったり深かったりする場合には、孔底面からの反射光が弱くなるのでレジスト層等の孔周囲の面からの反射光が支配的となり、被エッチング部の深さを反映した干渉の振幅が小さくなるために計数ミスを引き起こす可能性が高くなる。そのため、被エッチング部である孔の深さや段差の計測の精度が低下し、エッチング不良の大きな原因となる。

特許第２８５９１５９号公報特開平１０−３２５７０８号公報特開２００１−２８４３２３号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、レジスト層の膜厚やそのほかの膜構造の影響、被エッチング部である孔の小ささや深さ、或いは、不均等なエッチングなどの様々な要因による干渉光の振幅の変動や振幅の縮小が生じた場合であっても、孔深さや段差などの計測の精度の低下がない又は少ないエッチングモニタリング装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、そのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチング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、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング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を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記検出手段による検出信号に基づいて干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求め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り得られた干渉スペクトル波形を周期毎の正弦波波形に分解した複数の分解干渉スペクトルを求める波形分解手段と、
c)エッチングの進行に伴って繰り返し得られる干渉光の強度分布に基づく周期毎の複数の分解干渉スペクトルにおいて、該スペクトルに現れる正弦波波形の移動方向を調べることで被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトルを抽出し、少なくともそのうちの１つ又は複数の分解干渉スペクトルにおける正弦波波形を利用して被エッチング部位の深さ又は段差の変化量を求めるエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴としている。

試料面に照射された測定光に対してマスキング部位から得られる反射光には、試料の基板上面からの反射光、マスク（レジスト等）上面からの反射光などが含まれる。エッチングにより基板上に孔を形成する場合、エッチングの進行に伴って、被エッチング部位の孔深さは徐々に深くなる一方、マスキング部位のマスクの膜厚は僅かずつではあるが減少してゆく。そのため、干渉光学系において波長毎に同一波長の反射光同士が干渉することにより生成された干渉光には、孔深さの増加の影響とマスク膜厚の減少の影響とが少なくとも含まれる。こうした情報が反映された干渉スペクトル波形は互いに周期の相違する複数の正弦波波形を合成したものとみなすことができるから、逆に、干渉スペクトル波形を複数の周期毎の正弦波波形に分解することができる。その分解により取得される分解干渉スペクトルにそれぞれ現れる正弦波波形は２つの反射光（つまり試料上の或る２面からの反射光）の干渉による干渉縞であるが、周期によって反射光の面は相違する。即ち、上記の干渉スペクトルの分解は、試料上の構造毎に干渉光を分離したことに相当する。

また、エッチングの進行に伴って、つまりエッチング実行中の時間経過に伴って、例えば所定時間間隔で繰り返し分解干渉スペクトルを求めると、同周期の分解干渉スペクトル中の干渉縞は孔深さの増加、マスク膜厚の減少などそれぞれの現象に対応して波長増加又は減少方向に移動する。そこでエッチング量算出手段は、このような分解干渉スペクトルにおける干渉縞の移動方向を調べることで被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトルを抽出する。通常、複数の周期の分解干渉スペクトルが抽出可能であるから、少なくともそのうちの１つ又は複数の分解干渉スペクトルを利用して被エッチング部位の深さ又は段差の変化量を求める。これにより、マスクの膜厚の影響を除去して、エッチングにより形成される孔深さや溝の段差などの計測の精度を向上させることができる。

本発明に係るエッチングモニタリング装置の一実施態様として、前記エッチング量算出手段は、被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトル中の特定波長の信号強度の時間的変化で生じる強度ピーク若しくはボトムの計数により、又は干渉スペクトルの周波数解析により、孔深さ若しくは段差の粗い絶対値を算出する一方、前記分解干渉スペクトルに現れる正弦波波形の時間経過に伴う位相変化を利用して前記絶対値よりも高い分解能の相対的な変化量を算出し、前記絶対値と相対的変化量とを併せて孔深さ又は段差の値を計算する構成とするとよい。

例えば特定波長λの信号強度の時間的変化で生じる強度ピーク又はボトムの計数により得られる絶対値はλ／２ピッチであるが、分解干渉スペクトルでは上述したようにマスクの膜厚の影響など目的とする孔深さや溝段差と異なる構造の影響が除去されているので、計数ミスなどが起こりにくく、絶対値算出の正確性が向上する。一方、分解干渉スペクトルに現れる干渉縞の時間経過に伴う位相変化によれば、相対的な変化量ではあるもののλ／２ピッチ以下の高い分解能で変化量を求めることができる。したがって、それらを併せることにより、高い分解能で正確な孔深さ又は段差を求めることができる。また、元の干渉スペクトルを周波数解析（ＦＦＴ）することにより、波長や波数を基準面と反射面との間の距離に変換したグラフを求めることができ、該グラフに現れるピークから基準面（例えば基板表面）からの孔深さや溝段差などの概略値を取得することができる。したがって、こうして得られた概略値を強度ピーク又はボトムの計数により得られる絶対値に代えて用い、相対的変化量と併せて精度の高い孔深さ又は溝段差を算出するようにしてもよい。

また、分解干渉スペクトル中の複数の波長の信号強度を時間経過に従って観測すると、波長に応じて強度ピーク又はボトムの発生時刻がずれてくる。そこで、これを利用し、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、前記エッチング量算出手段は、被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトル中の複数の波長の信号強度の時間的変化で生じる強度ピーク又はボトムの発生順序を利用して測定異常を判別する構成とすることができる。ここでいう測定異常とは例えば、ノイズなどの外乱や測定対象である構造以外の構造の変化の影響などである。

また本発明に係るエッチングモニタリング装置ではさらに、前記波形分解手段は干渉スペクトルにおいて波長方向にノイズを除去する処理を実行した後に周期毎の正弦波波形に分解するとよい。これにより、データを採取した時点毎にノイズ除去を実行できるので、時間方向の複数のデータを用いてノイズ除去を実行する場合のように処理の時間遅れが問題とならず、計測のリアルタイム性の確保に有利である。

なお、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、検出手段から得られる検出信号には干渉の分光強度分布のみならず光源の発光スペクトルなども含まれるから、干渉の分光強度分布のみを抽出して干渉スペクトルを作成する規格化処理が必要となる。そのために、前記スペクトル取得手段は、前記検出手段による検出信号に基づく分光強度分布を規格化して干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求めるために、予め取得しておいた前記光源を含む測定系分光強度分布をｆ（ω）、得られた分光強度分布をｇ（ω）としたとき、次の式により目的とする干渉スペクトルＩ（ω）を計算するとよい（ただし、ωは光の角周波数）。

本発明に係るエッチングモニタリング装置によれば、レジスト等のマスク膜厚やその変化の影響などを受けずに、エッチングにより形成される目的の孔の深さや段差などを正確に且つ高い分解能でもって計測することができる。また、そうした計測を高いリアルタイム性をもって行うことができるため、エッチングの終点検知や条件変更などの制御に好適である。

本発明の一実施例であるエッチングモニタリング装置の概略構成図。本実施例のエッチングモニタリング装置において得られる干渉スペクトルの概略図。試料表面にレジスト層がない状態での干渉スペクトルに基づく孔深さ算出の手法の説明図。エッチングの進行に伴う孔深さ（段差）の変化の２つのケースを示す概略図。干渉縞の時間的移動を利用した孔深さ変化量の算出方法の説明図。本実施例のエッチングモニタリング装置においてエッチング中の孔深さ算出のためのデータ処理手順を示すフローチャート。孔深さが５μm、１５μm、及び２５μmであるときの分光スペクトル及び干渉スペクトルの一例を示す図。孔深さが５μmであるときの干渉スペクトルを周期の異なる正弦波に分解した結果を示す図。孔深さが１５μmであるときの干渉スペクトルを周期の異なる正弦波に分解した結果を示す図。孔深さが２５μmであるときの干渉スペクトルを周期の異なる正弦波に分解した結果を示す図。孔深さ２５μmから０．１μm刻みのエッチング進行に対する周期毎の分解干渉スペクトルの変化の様子を示す図。孔深さ２５μmから０．１μm刻みのエッチング進行に対する周期毎の分解干渉スペクトルの変化の様子を示す図。従来手法と本発明による手法とにおける信号強度の時間的変化の様子を比較した図。エッチング実行中に観測される３つの波長における信号強度の時間的変化の一例を示す図。基板表面に凹凸がある場合の試料断面の一例を示す図。基板表面に凹凸がある場合における孔深さ計測方法の説明図。単色光が被エッチング部に照射されたときの反射光強度の時間的変化の一例を示す図。

本発明の一実施例であるエッチング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は本実施例のエッチングモニタリング装置の概略構成図である。

このエッチングモニタリング装置は、エッチング装置の真空チャンバ１内に載置された処理対象である試料５０に形成される微小孔の深さや溝の段差などをモニタリングする装置であり、計測部１０と、光源・分光検出部２０と、データ処理部３０と、を備える。計測部１０と光源・分光検出部２０とは光ファイバ２４を介して接続されている。

光源・分光検出部２０は、低コヒーレンス性を持ちながら発光強度が高く、目的とする孔深さの計測に必要な波長幅を有する光を放射する計測用光源２１を備える。計測用光源２１としては、例えば中心波長が８３５nm、半値全幅が４０nmであるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることができる。この計測用光源２１から発せられた測定光は、入射側光ファイバ２２に取り込まれ、ファイバカプラ２３を介して光ファイバ２４中を進行して計測部１０に進む。計測部１０において光ファイバ２４の端部から出射された測定光はコリメートレンズ１８を介し、ビームスプリッタ１３によって試料５０側に折り曲げられる。そして、この測定光は対物レンズ１２及び真空チャンバ１に設けられた計測窓１１を介して試料５０上に照射される。

図１中のＡ拡大図に示すように、この試料５０は、被エッチング体である基板５１と、その上面に薄く塗布されたエッチング保護用レジストであるレジスト層５３と、レジストが塗布されずに基板５１が露出した被エッチング部５２と、を含む。この図は、被エッチング部５２に対するエッチングが進行し、被エッチング部５２に微細な孔が形成された状態を示している。上述のように、試料５０上に照射される光ビーム４０のスポット径は、試料５０上の被エッチング部５２とその周囲のレジスト層５３とに跨るようなサイズに調整されている。このため、試料５０上では、レジスト層５３表面からの反射光４３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４２と、被エッチング部５２（図１Ａでは孔の底面）からの反射光４１と、が主として生じる。

これら反射光４１〜４３は様々な方向に向かうが、そのうち、再び計測窓１１の方向に進んだ光は、対物レンズ１２、ビームスプリッタ１３、コリメートレンズ１８を上記光照射時とは逆に辿って光ファイバ２４に入射する。そして、光ファイバ２４中を通って光源・分光検出部２０に戻り、ファイバカプラ２３を経て分光ユニット２５に達する。前述したように、試料５０上からは互いに光路差を有する複数の反射光４１〜４３が生じるが、これら反射光４１〜４３は主として光ファイバ２４を通過する過程で波長毎に干渉して干渉光となる。即ち、この光ファイバ２４は本発明における導入光学系の一部であるとともに干渉光学系でもある。

分光ユニット２５において干渉光は回折格子等の分光器２６により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ等のアレイ検出器２７により複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器２７による各波長に対応した検出信号はデータ処理部３０に入力され、データ処理部３０において後述する処理が実行されることで被エッチング部５２である孔の深さやレジスト層５３の膜厚などが算出される。

計測部１０に含まれる観測用カメラ１７は、試料５０上面の全体又は特定の一部を観察するためのものである。即ち、観測用補助光源１６から出射される補助光はコリメートレンズ１５、ビームスプリッタ１４、１３を介して、計測用光源２１から来る主光ビームと略同一の光軸に沿って試料５０を照らす。この補助光に対する反射光を観測用カメラ１７により撮影することにより得られた画像は、試料５０上の被エッチング部５２の位置の確認などに利用される。

なお、データ処理部３０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３０としての機能を発揮させるようにすることができる。

本実施例のエッチングモニタリング装置では、真空チャンバ１内における試料５０に対するエッチング処理実行中に、試料５０上の被エッチング部５２付近の反射光に由来する干渉光の強度分布を、所定の時間間隔で繰り返し取得する。したがって、図２に示すように、波長と信号強度との関係を示す干渉スペクトルが所定の時間間隔で得られる。計測対象である被エッチング部５２の孔深さやその孔の周囲のレジスト層５３の膜厚などを反映した情報は、１つの干渉スペクトルの中に含まれるとともに干渉スペクトルの時間的な変化にも含まれる。データ処理部３０では得られたデータからこうした情報を抽出し、エッチングの進行に伴って時々刻々と変化する孔深さなどをリアルタイムで算出し出力する。

次に、干渉スペクトルを利用した孔深さ算出の基本的な手法を説明する。ここでは、まず、図３（ａ）に示すように、試料５０表面にレジスト層５３がない場合、つまり基板５１上に被エッチング部５２として微小孔が形成されている状態を想定する。

この場合、試料５０上の基板５１表面からの反射光４０と被エッチング部５２である孔底面からの反射光４１とが上述したように主として光ファイバ２４を通過する過程で干渉するため、アレイ検出器２７で波長毎に検出される光は干渉成分を含む。したがって、アレイ検出器２７の検出信号に基づいて作成される波長毎の強度分布、つまり分光スペクトルは、典型的には図３（ｂ）に示すような波形となる。この分光スペクトルでは、被エッチング部５２の孔深さが深いほどピーク間隔が狭くなる。

ただし、図３（ｂ）に示した分光スペクトルは計測用光源２１の発光スペクトルなど、反射光の干渉以外の波長依存要因を含むため、干渉のない状態で基準光に対し予め求めておいた強度分布を用いて上記分光スペクトルを規格化し、本来の干渉スペクトルを求める（図３（ｃ）参照）。そして、干渉計算のために、横軸を波長からその逆数である波数（cm^-1）に変換する（図３（ｄ）参照）。さらに、この横軸を波数とした干渉スペクトルをフーリエ変換することで、横軸が基準面と反射面との間の距離を表すグラフ（図３（ｅ）参照）に換算する。この場合、試料５０の上面つまり基板５１の上面が基準面となり、図３（ｅ）に示すように被エッチング部５２である孔底面からの反射に起因するピークが一つだけ現れるので、通常、ガウス関数を適合させる方法によって、そのピークの距離ｈを孔深さとして即座に求めることができる。

図３（ａ）の分光スペクトル又はこれを規格化した図３（ｂ）の干渉スペクトルにおいて、或る特定の波長λに対する信号強度は、この単一波長λの光を試料５０に照射した場合と同様の時間的変化を示す。即ち、エッチングの進行に伴って孔深さがλ／２だけ深くなる毎に、波長λに対する信号強度は強弱の１周期を繰り返す。しかしながら、１つの波長λに着目して信号強度の強弱を計数することにより孔深さの変化を求めるという解析を行った場合には、ノイズの混入や反射面の状態変化などにより反射光振幅が大きく変動すると計数ミスなど、前述の問題が生じることになる。そこで、本実施例のエッチングモニタリング装置では、以下に説明するように、特定波長の光に対する信号強度の時間的変化だけでなく、複数の波長に対する信号強度の時間的変化も併せて利用して、安定的且つ正確に孔深さを求めるようにしている。

エッチング加工の際には、そのプロセスの進行に伴って計測対象である深さ（段差）が増加していく場合（図４（ａ）参照）と減少していく場合（図４（ｂ）参照）との２つのケースがあるが、いずれであるかは当然、エッチングを実施する前に既知である。エッチングの進行により孔深さ（段差）が増加していくと、図３（ｄ）に示した干渉スペクトル中の干渉縞波形は低波数方向（左方向）に移動する。逆に、孔深さ（段差）が減少していくと、その干渉縞波形は高波数方向（右方向）に移動する。このときの移動量は孔深さ（段差）の変化量を反映しているから、干渉縞波形の移動方向を予め把握した上でその方向への移動量を検出し、その移動量を被エッチング部５２の孔深さや段差の算出に利用することができる。

例えば図４（ａ）に示した孔深さが増加する方向のエッチング実施中に、或る時刻ｔ1において得られる干渉縞波形とその時点から僅かにエッチングが進行した時刻ｔ2における干渉縞波形とが、図５に示す状態であったとする。上述のように、孔深さが増加する状態では、横軸が波数である干渉縞波形は低波数方向に移動することが予め判っているから、時刻ｔ1における或るピーク（又はボトム）と次の時刻ｔ2における上記ピークの移動後のピークとの対応付けを容易に行うことができる。

図５において、いまλ1がピーク（又はボトム）を計数している波長であって、時刻ｔ1においては波数１／λ1（波長：λ1）にピークのトップが位置していたとする。このピークが時刻ｔ2においては図５に示すように左方にシフトしていたとする。このときのシフト量つまり波数差Ｄ2を求める。また、時刻ｔ2における上記ピークのトップ位置１／λ2とこれに隣接する別のピークのトップ位置１／λ3とを求め、その波数差Ｄ1を求める。このとき時刻ｔ1から時刻ｔ2までの間のエッチングによる孔深さの変化量Δは次の(1)式となる。
Δ＝（Ｄ2／Ｄ1）・（λ1／2） …(1)
Ｄ2／Ｄ1＜１であるから、(1)式によりλ1／２以下の深さ（段差）の変化量を求めることができる。そこで、エッチングの進行に伴う干渉縞のピーク又はボトムの計数により算出可能な粗い（つまりλ1／２ピッチである）孔深さの値に、上記(1)式により算出される細かく相対値である孔深さの変化量を加えることにより、従来よりも細かい（λ1／２以下の）ピッチで、つまりは高い分解能でもって孔深さを算出することができる。

なお、干渉縞波形において上記の波数差Ｄ1、Ｄ2を求める部位は必ずしも正弦波状のピークのトップ位置である必要はなく、ボトムの位置や零クロス点の位置などを用いてもよい。また、干渉縞のピーク又はボトムの計数により算出される粗い孔深さ値を用いる代わりに、図３（ｅ）に示したように干渉スペクトルを周波数解析（ＦＦＴ）した結果に基づいて得られた孔深さ値を用いるようにしてもよい。

さて、上記説明では、図３（ａ）に示したような試料５０表面にレジスト層５３がない場合を想定しており、その場合には、もともと干渉スペクトルは比較的正弦波に近い形状となる。しかしながら、図１或いは図４に示すように、試料５０表面にレジスト層５３が存在し、該レジスト層５３表面での反射光の影響が大きくなると、干渉スペクトル波形は周期の異なる複数種の正弦波が合成された形状を呈し、そのままでは上記のような波形移動を利用した孔深さ変化量の算出は困難になる。そこで、本実施例のエッチングモニタリング装置では、次のような特徴的な処理を実行して、エッチングによる孔深さや段差を計測する。

図７は、計算機シミュレーションにより求めた、孔深さが５μm、１５μm、及び２５μmであるときの分光スペクトル（左側）及び規格化された干渉スペクトル（右側）の一例を示す図である。また、図７（ａ）〜（ｃ）の右側に記載の干渉スペクトルを周期の異なる正弦波に分解した結果（分解干渉スペクトル）をそれぞれ、図８〜図１０に示す。図８〜図１０中の＃１〜＃１０は、それぞれ干渉スペクトルに含まれる周期の異なる干渉縞であり、本装置では、各被計測構造（孔深さやレジスト層厚み）における光学距離（光路長）それぞれに対応する周期の干渉縞である。図８から分かるように、孔深さ５μmでは距離＃７以上に対応する周期の干渉縞は確認されないが、孔深さが１５μm→２５μmとエッチングが進行するに伴い、距離＃７のみならず、距離＃８、距離＃９、距離＃１０にそれぞれ対応する周期の干渉縞も出現してくることが分かる。

図１１及び図１２は、孔深さ２５μmから０．１μm刻みのエッチング進行に対する周期毎の干渉スペクトルの変化の様子を示した図である。それぞれの周期の干渉縞の移動方向に着目すると、距離＃１、距離＃２においては干渉縞が左方向（波長が短くなる方向、波数でいえば増える方向）に移動しているのに対し、距離＃６〜距離＃１０においては反対に干渉縞は右方向（波長が長くなる方向、波数でいえば減る方向）に移動している。これは、距離＃１、距離＃２はレジスト層５３の厚みの減少に起因した干渉縞であり、一方、距離＃６〜距離＃１０は孔深さの増加に対応した干渉縞であることを示している。

即ち、上記結果は、干渉スペクトルを周期毎の干渉縞が現れた分解干渉スペクトルに分解することにより、干渉スペクトルに含まれる情報を、基板５１の被エッチング部５２とレジスト層５３という別の構造の深さ、厚さの情報に分離できることを示している。したがって、上記のように干渉スペクトルを各周期に分解した分解干渉スペクトル上で干渉縞の時間的変化を調べることにより、被エッチング部５２の孔深さとレジスト層５３の厚さの時間的変化を分離して観測することが可能となる。即ち、このような干渉スペクトルを分解して得られる特定の１又は複数の分解干渉スペクトルにおける干渉縞の時間的変化について、上述した干渉縞のピーク等の移動量を用いた孔深さ変化量の算出手法を適用することにより、レジスト層５３の影響を除去して孔深さを正確に算出することができる。

本実施例のエッチングモニタリング装置において上記のような処理を行う際のデータ処理手順のフローチャートを図６に示す。エッチング実行中には、被エッチング部の孔深さをできるだけ時間遅れなくモニタするために、図６に示した一連の処理が所定の時間間隔で繰り返し実行される。

まず、計測用光源２１由来の測定光を試料５０上に照射し、試料５０からの各種反射光による干渉光を分光ユニット２５で分光検出し、データ処理部３０では分光スペクトルを取得する（ステップＳ１）。次に、この分光スペクトルを例えば後述のような手法により規格化して干渉スペクトルを求める（ステップＳ２）。前述のようにこの規格化後の干渉スペクトル波形は様々な周期の正弦波の重なりであるとみなせるため、周期毎の干渉縞が現れた分解干渉スペクトルに分解する（ステップＳ３）。分解された干渉スペクトルデータはデータ処理部３０に内蔵されたデータ記憶部に格納されるとともに、孔深さを算出するための処理に供される。

即ち、データ処理部３０では、過去の直近（つまり１回前の同処理時）にデータ記憶部に格納された干渉スペクトルデータが読み出され、今回得られた干渉スペクトルデータをその過去の同周期の干渉スペクトルデータと比較して干渉縞の移動方向を判別し、その方向に応じて孔深さを反映した周期の干渉スペクトルデータを選択する（ステップＳ５）。前述したとおり、各周期の干渉縞の移動量とその干渉縞のピーク（又はボトム）の計数結果とから、高い分解能で孔深さを算出する（ステップＳ６）。そして、複数の周期の干渉縞それぞれについて算出された孔深さの値の平均を計算し、それをこの時点での孔深さとして出力し（ステップＳ７）、一連の処理を終了して次の処理、例えばステップＳ１に戻る。

図７と同条件の計算機シミュレーションにより得られた、従来の手法による単一波長光に対する信号強度の時間的変化（つまりは信号強度とエッチング深さとの関係）を図１３（ａ）に示す。また、図７〜図１２に示したシミュレーション結果に基づく、距離＃１及び距離＃７の周期における中心波長の信号強度の時間的変化を図１３（ｂ）及び（ｃ）に示す。図１３（ａ）と比較すると図１３（ｂ）、（ｃ）は単純な増減となっており、ピーク又はボトムの計数が容易であって正確性が高いことは明らかである。ここで、図１３（ｂ）と（ｃ）とで信号強度の時間的変化の周期が異なるのはレジスト層の膜厚の減少とエッチング深さの増加の比（選択比）が等しくないためであり、干渉スペクトルの波長軸上での周期とは全く別の現象である。

なお、上記手法以外にも、図１１及び図１２に示したようなそれぞれの干渉縞の波長（又は波数）軸上の移動量からエッチングに伴う孔深さやレジスト層の膜厚を計算することも可能である。

また、本実施例のエッチングモニタリング装置では、上記のように孔深さ等を計測するのみならず、以下に説明するように、複数の波長における信号強度の時間的変化を用いて、その変化が計測対象である孔深さの変化を反映した適切なものであるか否かを、相互にチェックする機能を加えることができる。

図１４に、エッチング実行中に観測される３つの波長λ１、λ２、λ３における信号強度の時間的変化の一例を示す。図１４から分かるように、エッチングが進行するに伴って、各波長における信号強度の時間的変化の位相（つまりは発生時刻）はその波長に依存してずれてくる。例えばエッチングの進行に伴い孔深さが増加している場合、各波長における信号強度の時間的な変化においてはピーク（又はボトム）が短い波長の側から順次発生することになる。このようなピークの発生順序が乱れた場合、つまりピークが短波長側から順次発生しなかった場合、又は他の波長成分の信号強度の時間的変化から予測されるタイミングとは異なる異常なタイミングでピーク又はボトムが検出された場合には、ノイズや測定対象以外の構造に由来する信号強度の変化の影響があるとみなすことができる。そこで、こうした変化があった場合には、例えばそれを無視する等の処理を行うようにする。このようにして複数の波長間での相互チェックが可能となり、計測結果の信頼性を一層高めることができる。

さらにまた、波長方向の信号強度情報である干渉スペクトルを利用して、各波長の強度の時間変化信号に現れるノイズを除去・軽減することもできる。

即ち、従来の単一波長光を利用したエッチング深さのモニタリングでは、時間的変化に対する信号強度という１次元しか情報が存在しないため、時系列で得られるデータに対し平滑化を行う程度のノイズ除去しか行えず、或る時点で得られたデータのノイズ除去は不可能である。これに対し本実施例のエッチングモニタリング装置では、信号強度の時間的変化のほかに、波長（又は波数）方向の信号強度の分布という別の１次元の情報を用いてノイズを除去することができる。具体的には、波長（又は波数）を横軸としたスペクトルにおいてその波形は１つ又は複数の周期を含む滑らかな複数の正弦波の重ね合わせとなるものと予測されるため、波長方向での平滑化をスムージング処理やローパスフィルタリング処理により行うことは容易である。これにより、或る時点で得られたデータのみを用いて、つまり時間的に前後のデータを用いることなく、ほぼリアルタイムでノイズ除去を行うことができる。

また、計測対象である試料５０の中には、基板５１の表面が複雑な形状を持ち、干渉法で測定すると面の間隔に様々なものが出てくる場合がある。例えば図１５に示すように、基板５１の上面に凹凸がある場合、面の間隔がＰ、Ｑ、Ｒと３つあるため、それを計測して得られた干渉スペクトル（図１６（ａ）参照）をフーリエ変換した結果にも３つのピークＰp、Ｐq、Ｐrが現れる（図１６（ｂ）参照）。このような場合、計測対象ではない２つの面間隔Ｑ、Ｒが既知であれば、計測対象である孔深さはＱ、Ｒ以外のＰであることが分かる。そこで、フーリエ変換後の信号波形から対応するピーク（この例ではＰp）のみ、つまりは特定の距離に対応する信号のみをバンドパスフィルタにより抽出する。その取り出したピーク波形に対して逆フーリエ変換を施すと、ピークＰpに相当する正弦波形を持つスペクトルが得られる（図１６（ｃ）参照）。これを元にして特定の波長光に対する信号強度の時間的変化におけるピーク（又はボトム）を計数するとともに、その正弦波状の信号強度の位相変化を調べて、被エッチング部５２である孔深さの計測を行うことができる。

次に、図６中のステップＳ２で実際される、アレイ検出器２７で得られた検出信号に基づいて作成される分光スペクトルに対し規格化を行って干渉縞を抽出する（干渉スペクトルを求める）手法の一例を説明する。ここでは説明を簡単にするために、図３（ａ）に示したようにレジスト層５３のない状態を想定する。

いま、計測用光源２１の発光スペクトル分布を表す関数をｆ（ω）とする。この発光スペクトル分布ｆ（ω）は予め実験で求めておくことが可能である。このスペクトルは被エッチング部５２からの反射光のエネルギーＥ₁を用いて、ｆ（ｘ）Ｅ₁ ²と表すことができる。このＥ₁と基板５１表面からの反射光のエネルギーＥ₂とは同じ形状の分布ｆ（ｘ）を示すと考えられるので、Ｅ₂＝ηＥ₁と表される。ここで、ηは振幅反射係数である。
２つの反射光の干渉を表す式は、次のように２つの反射光エネルギーＥ₁、Ｅ₂を加算して二乗することにより得られる。

アレイ検出器２７により検出されるのは上記(2)式の計測時間の平均（マイクロ秒からミリ秒）である。上記(2)式の３行目において第１項と第２項とは一定の直流成分を表す。また、第３項は時間平均すると零となり、第４項は孔深さ（段差）ｄによって周期的変動を生じる成分であって干渉項である。この第４項により観測される干渉スペクトル中にはビートが現れる。そこで、観測される干渉スペクトルｇ（ω）から、以下のように第４項のみを抽出する。まず、第１項と第２項とを加算したものの時間平均値をＡと置くと、(2)式は次の(3)式となる。
この(3)式を計測用光源２１のバンド幅に亘って周波数ωで積分する。観測される干渉スペクトル中に十分に多くのビートが含まれている場合には、第２項を積分すると殆ど零となる。したがって、
となる。これより、(3)式は次の(4)式となり、求める干渉項が得られることになる。

上記の干渉縞抽出法は以下のような利点がある。即ち、高速フーリエ変換を行う際に直流成分の除去が必要であることは文献（特開平１−１９５８４９号公報、特開平８−５２１２５号公報など）にも記載されているようによく知られている。その場合、２つの反射光のエネルギーＥ₁とＥ₂とを別々に計測することが可能であれば直流成分を容易に評価できる。しかしながら、実際にはＥ₁、Ｅ₂は両者とも同じ試料上からの反射光のエネルギーであり、この２つを分離して計測することは困難である。これに対し、上記方法によれば、強度が不明であっても計測用光源２１の発光スペクトル分布ｆ（ω）が分かってさえいれば、得られた干渉スペクトル波形ｇ（ω）から直流成分を除去することが可能である。

なお、上記実施例は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請求の範囲に包含されることは明らかである。

１…真空チャンバ
１０…計測部
１１…計測窓
１２…対物レンズ
１３、１４、１００…ビームスプリッタ
１５、１８…コリメートレンズ
１６…観測用補助光源
１７…観測用カメラ
２０…光源・分光検出部
２１…計測用光源
２２…入射側光ファイバ
２３…ファイバカプラ
２４…光ファイバ
２５…分光ユニット
２６…分光器
２７…アレイ検出器
３０…データ処理部
５０…試料
５１…基板
５２…被エッチング部
５３…レジスト層

Claims

試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、そのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチング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、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング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を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記検出手段による検出信号に基づいて干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求め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り得られた干渉スペクトル波形を周期毎の正弦波波形に分解した複数の分解干渉スペクトルを求める波形分解手段と、
c)エッチングの進行に伴って繰り返し得られる干渉光の強度分布に基づく周期毎の複数の分解干渉スペクトルにおいて、該スペクトルに現れる正弦波波形の移動方向を調べることで被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトルを抽出し、少なくともそのうちの１つ又は複数の分解干渉スペクトルにおける正弦波波形を利用して被エッチング部位の深さ又は段差の変化量を求めるエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
請求項１に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記エッチング量算出手段は、被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトル中の特定波長の信号強度の時間的変化で生じる強度ピーク若しくはボトムの計数により、又は干渉スペクトルの周波数解析により、孔深さ若しくは段差の粗い絶対値を算出する一方、前記分解干渉スペクトルに現れる正弦波波形の時間経過に伴う位相変化を利用して前記絶対値よりも高い分解能の相対的な変化量を算出し、前記絶対値と相対的変化量とを併せて孔深さ又は段差の値を計算することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
請求項１又は２に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記エッチング量算出手段は、被エッチング部位の深さ又は段差の変化を反映した分解干渉スペクトル中の複数の波長の信号強度の時間的変化で生じる強度ピーク又はボトムの発生順序を利用して測定異常を判別することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記波形分解手段は干渉スペクトルにおいて波長方向にノイズを除去する処理を実行した後に周期毎の正弦波波形に分解することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記スペクトル取得手段は、前記検出手段による検出信号に基づく分光強度分布を規格化して干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求めるために、予め取得しておいた前記光源を含む測定系分光強度分布をｆ（ω）、得られた分光強度分布をｇ（ω）としたとき、次の式により目的とする干渉スペクトルＩ（ω）を計算することを特徴とするエッチングモニタリング装置。