JPH0815148B2 - 食刻深さ測定方法 - Google Patents

食刻深さ測定方法

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JPH0815148B2
JPH0815148B2 JP59058235A JP5823584A JPH0815148B2 JP H0815148 B2 JPH0815148 B2 JP H0815148B2 JP 59058235 A JP59058235 A JP 59058235A JP 5823584 A JP5823584 A JP 5823584A JP H0815148 B2 JPH0815148 B2 JP H0815148B2
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体装置製造時のドライエッチング工程
において、食刻の深さを測定する方法に関する。
〔発明の背景〕
エッチング工程において、食刻の深さを測定する方法
としては第1図,第2図および第3図を用いて説明する
光の干渉を利用した方法が知られている。
この測定方法を、高周波電源9、該電源から高周波電
力が印加される電極6および7、反応処理が行なわれる
真空室5から構成される平行平板形ドライエッチング装
置に適用した例を、第1図により説明する。
この測定方法を実施する装置は、コヒーレントな光を
射出する光源1、この光を真空室5内に導入する窓55、
被測定物8から反射した光を光検出器3に送るためのハ
ーフミラー2および光検出器3からの信号を処理して深
さを算出する信号処理系4より構成される。
コヒーレント光源1から射出する光ビームはハーフミ
ラー2を通して被食刻中の被食刻物8に達する。被食刻
物8は第2図に示す断面形状をしており、被食刻部9、
透明なレジスト10により構成されており、レジスト10を
マスクにして被食刻部9が食刻される。
従って、レジスト10の下の被食刻部9の表面11および
被食刻面12で反射した光が、食刻により光路長の差違に
より干渉を生じる。そのため、被食刻物8で反射しハー
フミラー2で反射して光検出器3に達した光は、食刻の
径過とともに次式(1)に示す光強度変化を生じる。
ここで、Iは、光検出器3が検出する光の強度、λは
照射光の波長、As・Abはそれぞれ面11,12の面積、hは
食刻の深さである。ここでレジストの厚さは無視した。
以上の装置による検出波形は第3図のようになってい
る。式(1)から明らかなように、曲線13の変化の位相
を読みとることで深さhが測定できる。
式(1)から明らかなように、被食刻部の面積が非食
刻部の面積に比べて小さい場合には、光強度Iの変化量
が、Iのレベルに比べて小さくなるために、ノイズなど
の影影により、干渉による光強度変化を検出できないと
いう課題があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、食刻工程に
おいて形成される面積が微小な被食刻部における食刻深
さを光干渉法によって測定できるようにして所望の深さ
の微細なパターンを食刻して製造できるようにした食刻
深さ測定方法を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、レーザ光源か
ら出射された単色のコヒーレントのレーザ光をビーム径
拡大光学系によりビーム径を拡大し、該拡大したビーム
径のコヒーレントのレーザ光を、光軸がほぼ垂直な集束
光学系により、正反射光近傍の0次回折光が得られるよ
うに集束させるビーム径を制御して表面に薄膜が形成さ
れた対象物上の所望の領域に照射し、この照射された領
域における被食刻部の面と非食刻部の面とから反射して
得られる0次回折光の内、前記集束光学系の光軸小部分
に得られる正反射光を取り除いて正反射光近傍の0次回
折光の光強度変化を検出し、該検出される光強度変化の
位相に基づいて前記薄膜に対する補正を加えて前記被食
刻部における食刻深さを算出することを特徴とする食刻
深さ測定方法である。即ち、基板上に形成された凹凸パ
ターンに光を照射した場合、表面および溝部からそれぞ
れ反射した光は、バビネ(Babinet)の原理(参考:物
理学大系光学II(みすず書房))に従いそれぞれまった
く等しい光強度分布を持って回折することに着目し、食
刻中の被食刻物に照射したコヒーレント光が反射し回折
してくる光の強度変化を検出することにより被食刻部の
面積が小さい場合にも深さの干渉法による測定を可能に
した。
従来の方法では、干渉し合う2つの光強度比が大きい
ため干渉による光強度変化を検出できなかったので、バ
ビネ(Babinet)の原理で示される回折の原理を用いる
方法を発明した。
バビネの原理によれば、回折を起こさせるある図形に
よる回折像と、その図形の透明部分と本透明部分とを入
れかえてできる図形による回折像とはフランホーファー
領域においては、回折像面の中央の小部分(光の直進
部)を除いて全く同じ光強度分布を持つ。
そこで、中心部以外の回折像の光強度を検出し従来と
同じ干渉法による計測を行なえば、同じ光強度を持つ2
つの光束が干渉を起こすことになるから、光強度は、概
ね以下の式(2)に従って変化することになり、光強度
の弱い位置ではほぼ0になり、光強度変化を容易に検出
できる。
ここで、I0は光強度変化の平均値、hは溝の深さであ
る。
〔発明の実施例〕
本発明の実施例を、第4図から第7図を用いて説明す
る。この実施例は、食刻中に真空室内の被測定物の深さ
を測定するものである。
本実施例の装置構成を第4図を用いて説明する。
本実施例は、コヒーレント光源20、レンズ56を56aか
ら56bの範囲で動かすことで、光源20からの光ビームを
任意の径のビームに広げることができるレンズ系21、広
がったビームを被処理物28上に絞るレンズ系26、被処理
物28から反射した光を光検出器24に導入するための鏡22
およびレンズ系23、光検出器24により検出された信号を
処理する信号処理系31から構成される測定装置であり、
反応処理が行なわれる真空室25、高周波電源30、および
高周波電源30から高周波電力が印加される電極27および
29から構成される平行平板形ドライエッチング装置に適
用したものである。
コヒーレント光源20は、波長λ=0.6328μmのHe−Ne
レーザを用いる。コヒーレント光源20から射出した光
は、レンズ系21により、直径Dなるビームに広げられ、
鏡22の中心部に設けられた光透過部32を通りレンズ系26
に達する。レンズ系26は、直径Dなるブームを被処理物
28上に焦点を結ばせる。この時、被処理物28上に焦点を
結ばれた光のスポット径d′は次の式(3)に従う。
ここで、fはレンズ系26の焦点距離である。
式(3)が示すように、被処理物8上のスポット径
d′は、ビーム径Dを変えることで可変である。
被処理物28に達し、表面で反射し回折した光の内、光
軸近傍(中心部)(後述する第8図に示す回折角度が59
で示す領域)は直進し、その外側の領域が鏡22で反射し
て、レンズ系23を通り検出系24に達する。
次に本実施例において、第5図および第6図に示すよ
うな平面形状および断面形状を持つ被食刻中の被食刻物
の深さ測定を行う場合を例にとって詳細に説明する。
まず、スリット(溝:被食刻部)の幅d、スリット
(溝:被食刻部)の中心間距離1、及びスリット(溝:
被食刻部)の数Nなる平行スリット(平行溝:平行被食
刻部)を考え、このスリット(溝:被食刻部)に波長λ
なるコヒーレント光を照射した場合の距離bなるフラン
ホーファー領域での回折像の強度分布Iは次の式(4)
に従う。
ここでxは光が直進してフランホーファー領域に設定
したスクリーンに到達した点を基準にとったスクリーン
上の位置である。
従ってNが大きい時次の式(5)で示した方向に強い
光が分布することになる。
このような平面形状の被測定物にコヒーレント光を照
射する場合、式(4)より、Nが大きい時は、式(5)
が示す方向θに強い光強度の極大点がでる。式(5)よ
りパターンのピッチlが変わった場合、方向θは大きく
変わるため、本実施例に示したドライエッチング装置に
Nが大きくなるビームを照射した場合、光検出器の設定
位置が問題になる。そこで、ビーム径を小さくすること
により式(4)におけるNを小さくして、回折像の強度
分布がするどい極大を持たないようにする。
その結果、回折光強度分布は第7図に示す曲線52のよ
うになり、Nが大きい場合の回折光強度分布を示す曲線
53と異なり、ピッチ1にかかわりなく、正反射光近傍の
0次回折光が生じて、正反射光の方向(正反射方向)59
に近い方向(近傍)方向54にも広がりを持った光強度分
布を持つことになる。
ここで、第5図に示す領域(スリット数Nが1〜2程
度となる。)48における反射回折光の強度分布を考えて
みると、第6図に示す被食刻部(スリット部)の面51お
よび非食刻部の面50で反射して回折してくる光の強度分
布は、それぞれ第8図に示す曲線57および58のようにな
る。すなわち、この回折がフランホーファー領域である
ため、バビネの原理により中心の小部分(第4図に示す
光軸上小部分は鏡22で反射されず除かれる。)59を除い
て光強度分布が等しく、また正反射光近傍の0次回折光
が生じて、正反射方向59に近い方向(近傍方向)60にお
いても広がりを持った検出可能な光強度分布を持つこと
になる。
そこで、方向60における回折光(正反射光近傍の0次
回折光)を取り込んで干渉光の強度変化を見れば良い。
本実施例においては、レンズ系26によってコヒーレン
ト光のビーム径を絞り(集束させ)、被測定物(被処理
物)28上に直径約10μm程度(面積に換算すると約79μ
m2となる。)の円(領域)48にして照射する。この場合
式(4)におけるスリット数Nの値は1〜2程度となる
から正反射方向59に近い方向(近傍方向)60に広がりを
持った光強度分布を持つ回折光(正反射光近傍の0次回
折光)が射出する。この場合光照射領域48は、円である
必要はなく、面積10〜5000μm2(被食刻部の面積が小さ
い場合において、Nの値を1〜2程度にするには、集束
されたビーム径、即ち光照射領域48の面積は、10〜5000
μm2の内、小さい値の範囲になることは明らかであ
る。)の範囲の適当な値を持つ図形であっても良い。
鏡22として、ハーフミラーを用いずに、中心にコヒー
レント光のビームが通る程度の穴を設けた反射鏡とした
のは、正反射方向59の正反射光を取り除くためである。
そして鏡22で反射した正反射光近傍の0次回折光はレン
ズ系23で集束され、光検出器24で検出されることにな
る。仮に鏡22として、ハーフミラーを用いて、光強度が
大きい正反射光を検出系(光検出器)24に入射させる
と、検出系内の撮像素子がブルーミングを起こし、正反
射光近傍の0次回折光の検出が困難となるためである。
次に、検出した光強度変化から、深さhを算出する方
法を第6図にもとづいて説明する。
面49、面50、面51における強度反射率をそれぞれrs
rc,reとし、食刻のマスクに用いている薄膜46の屈折率
をnとし、被食刻材47の食刻速さをvs、薄膜46の食刻速
さをvrとし、薄膜46の初期厚さをd0とすると、食刻開始
から時間t過ぎた時に検出する光強度Iは次の式で示さ
れる。
この式において、vr≪vsおよび、rerc≪rsより、光
強度Iは時間tに対して第9図のように変化する。
h=vst…… (7) 従って、vr≪vs、rerc≪rsという近似を用いても、
第9図における曲線から深さhを求めた場合、n(d0
vrt)だけ実際より浅く求められることになり、その分
の補正を加えることで、正確は深さhが算出できる。
以上の実施例においては、被食刻部の面積が非食刻部
の面積に比べて小さい場合の被処理物の食刻深さを食刻
中に測定することができる。
またこの際、パターンに大きさや形状が変わってもレ
ンズ系21内のレンズを移動させるという容易な動作で対
応できる。しかもこの動作も極端な大きさ、形状の変化
の時のみ必要であって、例えば、2μmプロセスにおけ
る各デバイスのエッチングにおいては変える必要はな
い。
また、被処理物の位置合せも、ビームスポットの照射
される場所にパターンが存在するような大まかなもので
良いため、事実上、位置合せは必要ない。同時に、パタ
ーンの大きさ形状の変化にともなう回折光の方向の変化
の影響をなくしているため、光検出器の位置を動かす必
要がない。
さらに、本実施例においては、本発明を平行平板形ド
ライエッチング装置に適用した例を示したが、他の形式
のエッチング装置に適用しても同様の効果を生むことは
明らかである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、食刻の深さを干渉法により測定する
際、被食刻部の面積が微小であっても、被食刻部から反
射する回折光と非食刻部から反射する回折光の強度を同
程度にすることができ、その結果面積が微小な被食刻部
の深さを干渉法により測定することを可能にして所望の
深さの微細パターンからなる被食刻部、例えば素子分離
用の微細な深溝、或いはMOSメモリ用の微細なコンデン
サ、その他の用途に用いる微細な深溝を有する半導体装
置等を製造することを可能にできる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例の縦断面図、第2図は被食刻物の縦断面
図、第3図は検出信号を示す特性図、第4図は本発明に
よる実施例の縦断面図、第5図は被食刻物の平面図、第
6図は第5図のA−A断面図、第7図は回折光強度分布
を示す特性図、第8図は領域48からの回折強度分布を示
す特性図、第9図は検出信号を示す特性図である。 符号の説明 20……コヒーレント光源、21……レンズ系 22……鏡、26……レンズ系 24……検出系、25……被食刻物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−57436(JP,A) Journal of the Ele ctrochem.Soc.:SOLID −STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY,Vol.125,N o.5(1978)(米)P.798−803

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ光源から出射された単色のコヒーレ
    ントのレーザ光をビーム径拡大光学系によりビーム径を
    拡大し、該拡大したビーム径のコヒーレントのレーザ光
    を、光軸がほぼ垂直な集束光学系により、正反射光近傍
    の0次回折光が得られるように集束させるビーム径を制
    御して表面に薄膜が形成された対象物上の所望の領域に
    照射し、この照射された領域における被食刻部の面と非
    食刻部の面とから反射して得られる0次回折光の内、前
    記集束光学系の光軸小部分に得られる正反射光を取り除
    いて正反射光近傍の0次回折光の光強度変化を検出し、
    該検出される光強度変化の位相に基づいて前記薄膜に対
    する補正を加えて前記被食刻部における食刻深さを算出
    することを特徴とする食刻深さ測定方法。
JP59058235A 1984-03-28 1984-03-28 食刻深さ測定方法 Expired - Lifetime JPH0815148B2 (ja)

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