JP4909372B2 - エッチング深さの検出方法並びにエッチングモニター装置及びエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、リアルタイムでエッチング深さを検出することができるエッチング深さの検出方法並びにエッチングモニター装置及びエッチング装置に関する。

プラズマを用いたエッチング方法は、従来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、処理室内に互いに平行に配設された上部電極と下部電極を備え、下部電極に半導体ウエハを載置した状態で上部電極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理体を所定のパターンに即してエッチングする。エッチングを監視する方法として発光分光分析法が提案されているが、これはエッチングによって発生したガスの発光スペクトルの特定波長が変化した時点をエッチングの終点として検出する方法であり、エッチングの深さを知ることはできない。

エッチング深さを検出できるエッチング装置は例えば特許第２５４５９４８号明細書において提案されている。このエッチング装置の場合には、上部電極に観測用の窓を設け、この窓を介して処理室の外側から半導体ウエハ表面に光を照射し、半導体ウエハの表面で干渉した反射光を検出器で検出し、この検出器で光電変換された信号を波形解析手段において最大エントロピー法を用いて干渉波形の周波数解析を行い、干渉波の周波数分布に基づいてエッチング深さを計算しリアルタイムでエッチング深さを検出するようにしている。

しかしながら、従来のエッチング深さの検出方法は、レーザ光等の単色光を用いて干渉波形を得て周波数解析等によりエッチング深さを検出しているが、この干渉波形では特定の位相での周期的な歪みが避け難く、この歪みの部分のエッチング速度が周期的に大きくずれ、エッチング深さを正確に測定し、モニターすることができないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、干渉波形の特定位相に歪みがあっても歪みの影響を抑制し、リアルタイムでエッチング深さを短時間で計算することができる時間応答性に優れたエッチング深さの検出方法並びにエッチングモニター装置及びエッチング装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載のエッチング深さの検出方法は、被処理体に光を照射し、その反射光を用いてエッチング深さを検出する方法において、上記被処理体に光を照射する工程と、上記被処理体の被エッチング層の上面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期変動する干渉光を検出する工程と、上記干渉光の強度の波形を示す理論式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ) （但し、Ｉ_ｄｃは干渉波形の直流成分を示す定数、Ｉ_ｐｐは交流成分を示す定数、ωは干渉波形の強度の角周波数を示す定数）に減衰率ｅｘｐ(γｔ)（但し、γは定数）を反映させた近似式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)を上記干渉光の強度の波形として決定する近似式決定工程と、上記干渉光の強度の波形から３つの連続する上記干渉光の強度の極値を検出する極値検出工程と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値と上記近似式に基づいて上記近似式の定数を決定する近似式定数決定工程と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値に基づいてその後の上記干渉光の強度の振幅を上記定数が決定された上記近似式から予測する振幅予測工程と、ある時刻における上記干渉光の波形の強度と上記の予測された振幅との比（〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕）に基づいて上記干渉光の波形の位相を求める位相算出工程と、上記位相と上記エッチング深さとの関係式に基づいて上記エッチング深さを算出するエッチング深さ算出工程と、を備え、上記近似式定数決定工程は、二分法を用いて上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値が通る包絡線を上記近似式から決定する工程と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値から上記包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γをそれぞれ求め、これらの定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを上記近似式の定数として決定する工程と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載のエッチング深さの検出方法は、請求項１に記載の発明において、上記光として複数の波長の光を用いる場合、上記各波長の干渉光に基づいてそれぞれの上記エッチング深さを検出する工程と、それぞれの干渉光から得られるエッチング深さの重み付けを行なって上記各干渉光によるエッチング深さの平均値を算出する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載のエッチングモニター装置は、被処理体に光を照射し、その反射光を用いてエッチング深さを監視するエッチングモニター装置であって、上記被処理体に光を照射する光源と、上記被処理体の被エッチング層の上面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期変動する干渉光を検出する光検出器と、制御装置と、を備え、上記制御装置は、上記干渉光の強度の波形を示す理論式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ) （但し、Ｉ_ｄｃは干渉波形の直流成分を示す定数、Ｉ_ｐｐは交流成分を示す定数、ωは干渉波形の強度の角周波数を示す定数）に減衰率ｅｘｐ(γｔ) （但し、γは定数）を反映させた近似式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)を上記干渉光の強度の波形として決定する近似式決定手段と、上記干渉光の強度の波形から３つの連続する上記干渉光の強度の極値を検出する極値検出手段と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値と上記近似式に基づいて上記近似式の定数を決定する近似式定数決定手段と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値に基づいてその後の上記干渉光の強度の振幅を上記定数が決定された上記近似式から予測する振幅予測手段と、ある時刻における上記干渉光の波形の強度と上記の予測された振幅との比（〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕）に基づいて上記干渉光の波形の位相を求める位相算出手段と、上記位相と上記エッチング深さとの関係式に基づいて上記エッチング深さを算出するエッチング深さ算出手段と、を備え、上記近似式定数決定手段は、二分法を用いて上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値が通る包絡線を上記近似式から決定する手段と、上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値から上記包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γをそれぞれ求め、これらの定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを上記近似式の定数として決定する手段と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載のエッチングモニター装置は、請求項３に記載の発明において、上記光として複数の波長の光を用いる場合には、エッチング深さ算出手段は、上記各波長の干渉光の強度に基づいてそれぞれの上記エッチング深さを算出し、これらのエッチング深さの重み付けを行なって上記各干渉光によるエッチング深さの平均値を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載のエッチング装置は、請求項３または請求項４に記載のエッチングモニター装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、干渉波形の特定位相に歪みがあっても歪みの影響を抑制し、リアルタイムでエッチング深さを短時間で計算することができる時間応答性に優れたエッチング深さの検出方法並びにエッチングモニター装置及びエッチング装置を提供することができる。

本発明以外のエッチング深さの検出方法を適用するエッチング装置の一例を示す構成図である。 半導体ウエハをエッチングする際の干渉光を説明するための説明図である。 図１に示すエッチング装置の光源からの放射光のスペクトルを示す図である。 図１に示すエッチング装置を用いたエッチング深さの検出方法の手順を示すフローチャートである。 図１のエッチング装置を用いた時の被エッチング部と被エッチング層の上面からの反射光によって得られた３種類の干渉波形の干渉信号を示す実測波形図である。 図５に示す単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波形から個別に求めたエッチング速度（ｎｍ/秒）を示すグラフである。 図６に示す単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波形それぞれのエッチング速度を互いに補完し、重み付けをして求めたエッチング速度を示すグラフである。 図７に示す各時刻における４５０ｎｍの単一波長を用いて求めたエッチング深さを示すグラフで、一点鎖線で示したエッチング深さは図６に示すエッチング速度から求めたものを示し、実線で示したエッチング深さは図７に示すエッチング速度から求めたものを示す。 本発明のエッチング装置の一実施形態を示す構成図である。 図１０に示すエッチング装置を用いて干渉波形の振幅の時間変化の予測図である。 図１０に示す予測図に基づいてエッチング深さを求めたグラフである。

まず、本発明のエッチング深さの検出方法と並行して開発されたエッチング深さの検出方法及びこの方法が適用されたエッチング装置について図１〜図８を参照しながら説明する。図１に示すエッチング装置１０は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなる処理室１１と、この処理室１１内の底面に配設され且つ被処理体としての半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた下部電極１２と、この下部電極１２の上方に所定の間隔を隔てて配設された上部電極１３とを備えている。処理室１１周面の上部にはガス供給源（図示せず）が接続されたガス供給部１１Ａが形成され、処理室１１周面の下部には真空排気装置（図示せず）が接続されたガス排出部１１Ｂが形成されている。また、下部電極１２にはマッチングボックス１４を介して高周波電源１５が接続され、上部電極１３にはマッチングボックス１６を介してより周波数の高い高周波電源１７が接続され、半導体ウエハＷのエッチングを行う。

上記ガス排出部１１Ｂから真空排気装置を介して排気して処理室１１内を所定の真空度まで減圧した後、上下両電極１２、１３にそれぞれ高周波電力を印加した状態で、ガス供給部１１Ａから処理室１１内へエッチング用ガスを供給すると、両電極１２、１３間でエッチング用ガスのプラズマを発生し、例えば図２に示すように下部電極１２上の半導体ウエハＷ表面のレジスト層Ｒの開口部Ｏから被エッチング層Ｅの被エッチング部Ｅ’をエッチングし、所定の深さの溝Ｔを形成する。

而して、上記処理室１１には筒状のモニター用の窓部材１８が装着され、この窓部材１８の上端には石英ガラス等の透明体からなるモニター用の窓１８Ａが取り付けられている。窓部材１８の下端部は上部電極１３の貫通孔を貫通し、半導体ウエハＷの表面と対向している。そして、この窓部材１８に連結されたエッチングモニター装置２０を介して処理室１１内の半導体ウエハＷのエッチング状況をモニターするようにしてある。このエッチングモニター装置２０は、図１に示すように、光源２１、光ファイバー２２、レンズ２３、ポリクロメータ２４、光検出器２５及び解析・演算手段２６及びメモリ２７を備え、光源２１からの放射光Ｌを処理室１１内の半導体ウエハＷの表面に照射し、半導体ウエハＷ表面からの反射光Ｌ_０を検出し、３種類の干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に基づいてエッチング状況をリアルタイムで監視し、エッチング深さが所定の深さに達すると制御装置２８を介して高周波電源１５、１７をオフにしてエッチングを終了させる。

例えば光源２１から図３に示す波長領域のスペクトルをもつ光を放射すると、この放射光Ｌが光ファイバー２２を経由して処理室１１内の半導体ウエハＷの被エッチング部Ｅ及びレジスト層Ｒに入射し、それぞれの部分（レジスト層と半導体ウエハとの界面（被エッチング層Ｅの上面）、被エッチング部Ｅ’）において反射し、反射光は互いに干渉して干渉光を発生する。即ち、図１に示すように反射光Ｌ_０は光ファイバー２２を経由してポリクロメータ２４を介して分光され、このうち例えば波長λ＝３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍをもつ干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３をそれぞれ第１、第２、第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出する。これらの光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは各波長の干渉光を光電変換してアナログ信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３として出力する。これらのアナログ信号は図示しない増幅器を介して増幅後、図示しないＡ/Ｄ変換器を介してデジタル信号となって解析・演算手段２６に入力する。解析・演算手段２６は後述のようにしてこれらのデジタル信号に基づいてエッチング深さを求める。尚、光源２１としては例えばキセノンランプが用いられる。

ところで、被エッチング部Ｅ’はエッチングにより削られて深くなるため、この深さに即して各干渉光の強度が周期的に変化してそれぞれの干渉波形を形成する。これらの干渉波形は理論的には下記の(1)式で示す正弦波として表され時間と共に変化する。(1)式における周波数ωとエッチング深さの関係は理論的には下記の(2)式で表される。(1)式及び(2)式において、Ｉ_ｄｃは干渉波形の直流成分、Ｉ_ｐｐは干渉波形の交流成分の振幅、ωは干渉波形の角周波数（以下、「周波数」と称す。）、ｎは屈折率、δはエッチング深さ、λは測定に用いられる光の波長である。
Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ)・・・(1)
ω＝２πｄ(ｎδ/λ)/ｄｔ・・・(2)

上記解析・演算手段２６は、図１に示すように、最大エントロピー法や高速フーリエ変換を用いて干渉光の周波数の解析を行う周波数解析手段２６Ａと、周波数解析手段２６Ａにおいて求められた周波数ωを基に各干渉波形のエッチング速度を算出するエッチング速度算出手段２６Ｂと、エッチング速度算出手段２６Ｂにおいて求められた各エッチング速度を互いに補完してより現実に即したエッチング速度を算出するエッチング速度補完手段２６Ｃと、エッチング速度補完手段２６Ｃにおいて求められたエッチング速度に基づいてエッチング深さを算出するエッチング深さ算出手段２６Ｄと、このエッチング深さ算出手段２６Ｄにおいて求められたエッチング深さを判定する判定手段２６Ｅとを備えている。また、メモリ２７には最大エントロピー法や高速フーリエ変換に関するプログラム、エッチング速度及びエッチング深さを算出する場合に用いられるプログラムや干渉波形のデータ等が格納されている。

上記解析・演算手段２６の周波数解析手段２６Ａでは、最大エントロピー法や高速フーリエ変換（本例では最大エントロピー法）を用いて上述した３種類の干渉光の周波数の解析を行って、例えば時刻（ｔ−Δｔ）から時刻ｔにおける周波数ω(ｔ)及び位相ｐ（ｔ）を各干渉波形について求める。周波数は各時刻ｔ毎に求める。

エッチング速度Ｅ(ｔ)と周波数ω(ｔ)との間には下記の(3)式の関係にあることから、エッチング速度算出手段２６Ｂでは、プログラムに従って時刻(ｔ−Δｔ)から時刻ｔまでの周波数ω(ｔ)を各干渉波形について求めると、これらの周波数ω(ｔ)とエッチング速度との関係から、その時点での各干渉波形に即したエッチング速度Ｅ(ｔ)を下記(3)式に基づいて各時刻ｔ毎に算出する。
Ｅ(ｔ)＝ｄδ(ｔ)/ｄｔ＝ω(ｔ)λ/(２πｎ)・・・(3)

実際に観測される干渉波形は様々の要因によって歪む。ところが、周波数解析に用いる時間幅Δｔがある程度長い時間(１周期以上、Δｔ＞２π/ω)の場合にはこの歪みの影響は平均化されて大きな影響はない。しかしながら、エッチング速度の時間変化への追随能力（ここでは、「時間応答性」と称す。）を良くするためにはΔｔをできるだけ小さくする必要がある。最大エントロピー法や高速フーリエ法のいずれもΔｔが観測している干渉波形の半周期以上（Δｔ＞π/ω)であれば解析は可能である。ところが、このようにΔｔが短いとエッチング速度は干渉波形の歪みの影響を受け、丁度ｓｉｎ波において位相ｐ＝π/２に当たるところではエッチング速度が例えば２０％程度小さくなり、ｐ＝３π/２に当たるところではエッチング速度が例えば２０％程度大き目の値がでる。

このように各干渉波形はそれぞれ特定の位相（π/２、３π/２、・・・ｍπ/２：ｍは奇数）で歪みを持ち、これらの位相でのエッチング速度が本来の速度からずれるが、歪みを持つ時刻は波長が異なれば干渉波形によって異なる。そこで、例えば３種類の波長を異にする干渉波形について、それぞれのエッチング速度を求めると同時にそれぞれの位相ｐを求め、一つの干渉波形が歪みを持つ位相では他の二つの干渉波形は歪みを持たないように干渉波形の波長が選択されているので、前者の干渉波形から求められたエッチング速度を後者の波形から求められたエッチング速度で補完するようにしている。上記エッチング速度補完手段２６Ｃでは、プログラム上では、ｉ番目の波長λ_ｉに対して時刻ｔで求めた算出エッチング速度Ｅ_ｉ(ｔ)をその時の位相ｐ_ｉ(ｔ)に対してｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）という重みを付けを行い、重み付けをしたエッチング速度の平均値を平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)として下記の(4)式によって求める。この処理により波形の歪む位相（ｐ＝π/２、３π/２、・・・）近傍ではｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）が０に近づき、歪まない波形のデータの重みが相対的に大きくなり、自動的に相互の歪みに伴うエッチング速度のずれを補完し合い、本来のエッチング速度に近い値として平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を求めることができる。但し、エッチング時間内では常に(4)式の分母であるΣｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）≠０となる波長を選択しなくてはならない。
Ｅ_ａｖｅ(ｔ)＝〔ΣＥ_ｉ(ｔ)ｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）〕/Σｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）・・(4)

上記エッチング深さ算出手段２６Ｄでは、下記の(5)式にあるように平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を時間積分してエッチング深さδ(ｔ)を各時刻ｔ毎に算出する。そして、判定手段２６Ｅではエッチング深さδ(ｔ)が目標エッチング深さに達しているか否かを判定し、目標エッチング深さに達していないと、目標エッチング深さに達するまで上述の一連の動作を繰り返す。
δ(ｔ)＝∫Ｅ_ａｖｅ(ｔ)ｄｔ・・・(5)

次いで、上記エッチング深さの検出方法について図４を参照しながら説明する。エッチング装置１０の処理室１１内で半導体ウエハＷをエッチングし始めると、エッチングモニター装置２０が自動的に作動し、例えばキセノンランプからなる光源２１から光ファイバー２２を介してウエハＷ表面に対して垂直に放射光Ｌを照射すると（ステップＳ１）、放射光Ｌは被エッチング部及びその他の部分から反射する。反射光Ｌ_０は干渉しながら光ファイバー２２を介してポリクロメータ２４に達し、ここで３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの波長を持った干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に分光する（ステップＳ２）。次いで、各干渉光を第１、第２、第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出し、各光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃにおいて各干渉光をそれぞれ光電変換した後（ステップＳ３）、増幅器及びＡ/Ｄ変換器を経由して各干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３に対応する干渉強度信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を解析・演算部２５の周波数解析手段２６Ａへ出力する。

周波数解析手段２６Ａでは干渉強度信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３に基づいて最大エントロピー法やフーリエ変換を用いて各干渉強度信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を周波数解析し、時間（ｔ−Δｔ）から時間ｔまでの周波数ω_１(ｔ)、ω_２(ｔ)、ω_３(ｔ)及びｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、ｐ_３(ｔ)を求める（ステップＳ４）。尚、時間幅Δｔは各干渉波形の半周期となるように設定してある。周波数解析手段２６Ａは各干渉波形の周波数信号ω_１、ω_２、ω_３をエッチング速度算出手段２６Ｂへ出力すると、エッチング速度算出手段２６Ｂではそれぞれの周波数信号を用いて各干渉波形に対応するエッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)を上記(3)式に基づいて算出する（ステップＳ５）。エッチング速度算出手段２６Ｂは各干渉波形の算出エッチング速度信号Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３をエッチング速度補完手段２６Ｃへ出力すると、エッチング速度補完手段２６Ｃではそれぞれの算出エッチング速度信号を用いてこれらのエッチング速度の平均値Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を上記(4)式に基づいて算出する（ステップＳ６）。エッチング速度補完手段２６Ｃは平均エッチング速度信号Ｅ_ａｖｅをエッチング深さ算出手段２６Ｄへ出力すると、エッチング深さ算出手段２６Ｄではこの平均エッチング速度信号を用いてエッチング深さδ(ｔ)を上記(5)式に基づいて算出する（ステップＳ７）。エッチング深さδ(ｔ)が算出されると判定手段２６Ｅにおいてこのエッチング深さδ(ｔ)が目標エッチング深さに達しているか否かを判定し（ステップＳ８）、目標エッチング深さに達していなければステップＳ２〜ステップＳ８の動作を繰り返し、目標エッチング深さに達すれば、制御装置２８を介して高周波電源１５、１７をオフにしてエッチングを終了する。

この一連の動作により得られた結果を示す図５〜図８から以下のことが判った。尚、図５は３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波形を示し、横軸は経過時間（単位：秒）、縦軸は干渉波の強度を示す。図５では位相π/２、３π/２において干渉波形が歪んでいるようには見えないが、波形解析を行うと歪んでいることが判る。図６は(3)式を用いて単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波から個別に求めたエッチング速度（ｎｍ/秒）を示す。図７は(4)式を用いて単一波長３５０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍの干渉波を互いに補完し、重み付けをして求めたエッチング速度を示す。図８は時間とエッチング深さの関係を示し、一点鎖線は(3)式に基づいて求めた各時刻における４５０ｎｍの単一波長のエッチング深さを示し、実線は(4)式に基づいて求めた各時刻におけるエッチング深さを示す。

図６に示す結果によれば、本来一定である筈のエッチング速度が３種類の干渉波形から得られた算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)の場合にはいずれも約８００ｎｍ/秒を中心に約±２００ｎｍも変化していることが判った。しかしながら、図７に示す結果によれば、３種類の算出エッチング速度の重み付けを行うことによりそれぞれの算出エッチング速度を互いに補完して求めた平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)はエッチング速度の誤差が約±８０ｎｍ程度に抑制され、単一の波長を用いた場合と比べてエッチング速度の誤差が格段に改善されていることが判った。また、図８に示す結果によれば、３種類の波長を用いて互いを補完し合った平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)に基づいて得られたエッチング深さδは時間と共に直線的に変化する傾斜を描いているが、単一の波長の場合にはエッチング速度の誤差の影響で傾斜にうねりがあることが判った。

上記たエッチング深さの検出方法では、半導体ウエハＷに波長を異にする３種類の光を照射し、レジスト層Ｒと被エッチング層Ｅの界面（被エッチング層Ｅの上面）及び被エッチング部Ｅ’の表面からの反射光Ｌ_０が解析・演算手段２０の入射すると、解析・演算手段２０において、反射光Ｌ_０の周期変動する波長を異にする３種類の干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を第１、第２、第３光検出器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃで検出した後、これらの干渉光Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の周波数解析を行うことによりそれぞれの干渉波形の周波数ω_１(ｔ)、ω_２(ｔ)、ω_３(ｔ)を求め、更に、これらの周波数に基づいてそれぞれの干渉波形に即したエッチング速度を算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)として求め、これらの算出エッチング速度に対して各干渉波形の位相ｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、ｐ_３(ｔ)に基づいた重み付けした加重平均を行って３種類の干渉波形の平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を求めた後、この平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)を積分してエッチング深さδ(ｔ)を算出するようにしたため、ある時刻で一つの干渉波形が特定位相（例えば、π/２）に該当して歪みがあっても他の干渉波形はπ/２の位相に該当しないため、後者の２つの算出エッチング速度で前者の１つのエッチング速度を補完して前者のπ/２における歪みの影響を抑制し、エッチング深さを正確に検出することができる。

また、エッチング速度を算出する際に、３種類の干渉波形の周波数ω_１(ｔ)、ω_２(ｔ)、ω_３(ｔ)に基づいてそれぞれのエッチング速度を算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)を求め、いずれかの干渉波形の歪みに基づく算出エッチング速度のずれを他の歪みのない干渉波形に基づく算出エッチング速度で補完した平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)をエッチング速度として求めるようにしたため、いずれかの干渉波形が歪みを持っていてもその歪みの影響を抑制したエッチング速度を求めることができる。いずれかの干渉波形の歪みに基づく算出エッチング速度のずれを他の歪みのない干渉波形に基づく算出エッチング速度で補完する方法としては、周波数解析の際、３種類の干渉波形それぞれの位相ｐ_１(ｔ)、ｐ_２(ｔ)、ｐ_３(ｔ)も求め、これらの干渉波形の位相に応じてそれぞれの算出エッチング速度Ｅ_１(ｔ)、Ｅ_２(ｔ)、Ｅ_３(ｔ)をｃｏｓ^２（ｐ_ｉ(ｔ)）で加重平均した平均エッチング速度Ｅ_ａｖｅ(ｔ)をエッチング速度として求めるようにしたため、各干渉波形で歪みの現れるπ/２π、３/２、・・・（ｎ＋１/２）πではそれぞれの歪みの影響を確実に抑制することができる。加重平均の際、３種類の干渉波形の波長が同時に（ｎ＋１/２）πにならない干渉波形を選択したため、いずれかの干渉波形の歪みに基づく算出エッチング速度のずれを他の歪みのない干渉波形に基づく算出エッチング速度で確実に補完することができる。

図９は本発明のエッチング深さの検出方法を実施するエッチング装置の一実施形態を示す構成図である。
本実施形態のエッチング装置１０Ａは、図９に示すように、半導体ウエハＷの処理室１１と、この処理室１１内の半導体ウエハＷのエッチング状況をモニターするエッチングモニター装置３０とを備え、本実施形態のエッチングモニター装置３０以外は図１に示すエッチング装置１０に準じて構成されている。そこで、以下ではエッチングモニター装置３０を中心に説明する。

本実施形態のエッチングモニター装置３０は、図９に示すように、光源３１、光ファイバー３２、レンズ３３、モノクロメータ３４、光検出器３５及び解析・演算手段３６及びメモリ３７を備え、光源３１からの放射光Ｌを処理室１１内の半導体ウエハＷの表面に照射し、半導体ウエハＷ表面からの反射する反射光Ｌ_０を検出し、単一の干渉光Ｌ_１に基づいてエッチング状況をリアルタイムで監視し、エッチング深さが所定の深さに達すると制御装置３８を介してエッチングを終了させる。

上記解析・演算手段３６は、図９に示すように、干渉光Ｌ_１の干渉波形の連続する極大値及び極小値を検出する極値検出手段３６Ａと、この極値検出手段３６Ａを介して検出された干渉波形の極大値及び極小値に基づいてその後の干渉波形の振幅を予測する振幅予測手段３６Ｂと、ある時刻における干渉波形の強度と予測振幅の比に基づいて干渉波形の位相を算出する位相算出手段３６Ｃと、この位相算出手段３６Ｃを介して得られた位相に基づいてエッチング深さを算出するエッチング深さ算出手段３６Ｄと、このエッチング深さ算出手段３６Ｄにおいて求められたエッチング深さを判定する判定手段３６Ｅとを備えている。

即ち、干渉波形は前述したように(1)式で表されるように周期的に変化する。ところが、干渉光はプラズマ発光の影響を受けると共に反射率、透過率がエッチング深さに依存するため、図５に示すように振幅が徐々に減衰する。そこで、本実施形態では(1)式に減衰率ｅｘｐ(γｔ)を考慮した干渉波形を下記の(6)式で近似する。近似式(6)において、Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γは定数である。
Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)・・・(6)

そして、上記極値検出手段３６Ａでは、実際の干渉波形の位相ｐ＝ωｔがπ/２、３π/２、５π/２、・・・ｍπ/２（ｍは奇数）になるところで干渉波形強度Ｉの極大値及び極小値を検出する。厳密に云えばこれらは極値ではないが、観測される干渉波形では経験的に周波数ωがγよりも遥かに大きく、近似的に極値と看做すことができる。ところが、定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γもωと比べるとゆっくりとではあるが時間的に変化する。そこで、各時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３において近傍の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を３つ連続して検出し、これらの極値信号Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を振幅予測手段３６Ｂへ出力する。これらの極値は図１０では×で示してある。

上記振幅予測手段３６Ｂでは、極値検出手段３６Ａからの連続する３つの干渉強度の極値の値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から数値解析法である二分法を用いて３つの極値が通る包絡線を近似式(6)から決定する。次いで、この包絡線の３つの極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に基づいて近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ及びγを求めて近似式(6)の定数を決定し、ひいては定数の決定された近似式(6)を決定し、位相算出手段３６Ｃへ出力する。

上記位相算出手段３６Ｃでは振幅予測手段２６Ｂで決定された定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを用いて、ある時間(ｔ)の干渉波形の強度Ｉ(ｔ)を検出すれば、(6)式を変形して得られる下記の(7)式からある時間(ｔ)の位相ｐ(ｔ)を求めることができ、その位相信号をエッチング深さ算出手段３６Ｄへ出力する。
ｐ(ｔ)＝Ａｒｃｓｉｎ〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕・・・(7)

上記エッチング深さ算出手段３６Ｄでは、位相算出手段３６Ｃで求められた、ある時間(ｔ)のエッチング深さδ(ｔ)は、位相ｐ(ｔ)とエッチング深さδ(ｔ)との間の関係を表す下記の(8)式を用いて求めることができる。このようにして求められたエッチング深さδ(ｔ)と時間との関係を示すグラフが図１１である。図１１からも明らかなようにエッチング深さはうねりがなく、一定のエッチング速度を持つことが判る。
δ(ｔ)＝ｐ(ｔ)λ/（２πｎ）・・・(8)

定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求める時にはより多くの点を用いて最小二乗法等によって求めることもできるが、このようにして求められた近似式(6)の場合には干渉波形（Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)）が全ての極値を通るとは限らず、極値近傍における位相ｐ(ｔ)の値が極めて不正確になる。ところが、本実施形態のように３つの極値から定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求めた場合には干渉波形は全ての極値を必ず通るため、干渉波形の精度を確保することができる。

次に、図１０、図１１を参照しながら本実施形態のエッチング深さの検出方法について説明する。モノクロメータ３４及び光検出器３５を介して干渉光の信号が演算・解析手段３６へ入力すると、極値検出手段３６Ａで干渉強度の極値を時間の経過と共に検出する。例えば図１０に示すように、極値検出手段３６Ａでは時刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３で干渉強度の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を順次検出する。振幅予測手段３６Ｂではこれらの干渉強度に基づいて数値解析法である二分法を用いて連続する３つの点を通る包絡線を近似式(6)から決定した後、この包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求め、これらの定数を近似式(6)の定数として決定し、近似式(6)を決定する。次の時刻ｔ_３と時刻ｔ_４の間では定数の決定された近似式及びその時の干渉強度から式(7)、式(8)を用いてその間（時刻ｔ_３と時刻ｔ_４の間）のエッチング深さを逐次求めることができる。次の極値となる時刻ｔ_４では、この時の干渉強度の極値Ｉ_４を含めた３つの連続する極値Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４の値から二分法を用いて上述の場合と同様の手順でこの時点の定数及び近似式(6)を決定する。そして、時刻ｔ_４と時刻ｔ_５の間のエッチング深さは新たに決定された近似式及びその間の干渉強度の極値から求めることができる。同様の手順をエッチング終了まで繰り返し、最終的には所定のエッチング深さに達した時点で制御装置２８を介して高周波電源１５、１７をオフにしてエッチングを終了する。

以上説明したように本実施形態によれば、半導体ウエハに光Ｌを照射する工程と、被エッチング層Ｅの上面及び被エッチング部Ｅ’の表面からの反射光Ｌ_０による周期変動する干渉光Ｌ_１を検出する工程と、干渉光Ｌ_１の近似式(6)を決定する近似式決定工程と、干渉光強度から近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを決定する近似式定数決定工程と、定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γの決定した近似式(6)と干渉光強度の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３とに基づきエッチング深さδ(ｔ)を算出するエッチング深さ算出工程とを備えているため、少なくとも３つの極値を検出すれば少ない計算量で短時間で計算してエッチング深さを求めることができ、時間応答性に優れている。

近似式定数決定する際には、近似式(6)から近似式(6)の包絡線を決定し、干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求めることによりこれらの定数を近似式(6)の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γとして決定するため、最小二乗法等の手法に比べて精度の高い干渉波形を得ることができる。また、３つの連続する干渉光強度の極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３から包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを求めるため、極めて少ないデータで包絡線を決定することができ、短時間でエッチング深さを求めることができ、時間応答性に優れている。更に、エッチング深さ算出する際に、式(8)を用いて定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γの決定した近似式(6)と干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３とに基づいて干渉波形の位相ｐ(ｔ)を求め、この位相に基づいてエッチング深さを算出するため、極めて少ないデータから短時間でエッチング深さを求めることができる。

従って、本実施形態では、干渉光Ｌ_１の干渉波形の連続する３つの極大値及び極小値を極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３として極値検出手段３６Ａで検出し、これらの極値Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に基づいてその後の干渉波形の振幅を近似式(6)から予測し、ある時刻ｔにおける干渉強度Ｉと振幅の比〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕から位相ｐ(ｔ)を算出し、この位相ｐ(ｔ)に基づいてエッチング深さδ(ｔ)を算出するようにしたため、少なくとも３つの極値を検出すれば、少ない計算量でその後のエッチング速度を短時間で計算してエッチング深さを求めることができる。

また、後者の実施形態では位相ｐ(ｔ)は、ｐ(ｔ)＝Ａｒｃｓｉｎ（ｆ(ｔ)）、ｆ(ｔ)＝（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）を用いて求めているが、位相ｐ(ｔ)の誤差Δｐは下記の(9)式になり、位相ｐ＝ｍπ/２（ｍは正の奇数）において誤差を生じる。そこで、前者の実施形態と同様に複数の波長を持つ光を用い、一つの干渉波形が歪みを持つ位相ｐ(ｔ)では他の干渉波形の位相を用いることにより上述の誤差を確実に抑制することができ、エッチング深さを高精度で求めることができる。プログラム上では(10)式のように前者の実施形態と同様に各波長λに対し(8)式で求めたエッチング深さδ_ｉをｃｏｓ^２(ｐ)で重み付けを行って平均値を取る。この場合のエッチング装置は図９のモノクロメータ、光検出器に代えてポリクロメータ、複数の光検出器を用いる。
Δｐ＝ｄｐ/ｄｆ＊Δｆ＝１/ｃｏｓ(ｐ)＊Δｆ・・・(9)
δ(ｔ)＝Σδ(ｔ)ｃｏｓ^２(ｐ(ｔ))/Σｃｏｓ^２(ｐ(ｔ))・・・(10)

尚、上記実施形態では、干渉波形の振幅の時間変化を予測してエッチング深さを検出する方法について説明し、また、これと並行して開発された最大エントロピー法や高速フーリエ変換法を用いるエッチング深さを検出する方法について説明したが、前者の方法は時間応答性及び計算速度に優れた特性を有し、後者の方法は干渉波形の歪みの影響を受け難く、しかもプログラミングを簡便に行うことができる特性を有している。従って、エッチングの内容によってこれらの方法を適宜使い分け、あるいは最後に説明したようにこれら両者を適宜組み合わせて使用すれば良い。また、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り本発明に包含される。

本発明は、エッチング技術に好適に利用することができる。

１０、１０Ａ エッチング装置
１１ 処理室
１２ 下部電極
１３ 上部電極
２０、３０ エッチングモニター装置
２１、３１ 光源
２２、３２ 光ファイバー（導光手段）
２６、３６ 解析・演算手段
２６Ａ 周波数解析手段
２６Ｂ エッチング速度算出手段
２６Ｃ エッチング速度補完手段
２６Ｄ エッチング深さ算出手段
３６Ａ 極値検出手段
３６Ｂ 振幅予測手段
３６Ｃ 位相算出手段
３６Ｄ エッチング深さ算出手段
Ｅ 被エッチング部
Ｅ’被エッチング層
Ｄｂ、Ｄａ 対照デバイス

Claims (5)

1. 被処理体に光を照射し、その反射光を用いてエッチング深さを検出する方法において、
   上記被処理体に光を照射する工程と、
   上記被処理体の被エッチング層の上面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期変動する干渉光を検出する工程と、
   上記干渉光の強度の波形を示す理論式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ) （但し、Ｉ_ｄｃは干渉波形の直流成分を示す定数、Ｉ_ｐｐは交流成分を示す定数、ωは干渉波形の強度の角周波数を示す定数）に減衰率ｅｘｐ(γｔ)（但し、γは定数）を反映させた近似式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)を上記干渉光の強度の波形として決定する近似式決定工程と、
   上記干渉光の強度の波形から３つの連続する上記干渉光の強度の極値を検出する極値検出工程と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値と上記近似式に基づいて上記近似式の定数を決定する近似式定数決定工程と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値に基づいてその後の上記干渉光の強度の振幅を上記定数が決定された上記近似式から予測する振幅予測工程と、
   ある時刻における上記干渉光の波形の強度と上記の予測された振幅との比（〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕）に基づいて上記干渉光の波形の位相を求める位相算出工程と、
   上記位相と上記エッチング深さとの関係式に基づいて上記エッチング深さを算出するエッチング深さ算出工程と、を備え、
   上記近似式定数決定工程は、
   二分法を用いて上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値が通る包絡線を上記近似式から決定する工程と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値から上記包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γをそれぞれ求め、これらの定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを上記近似式の定数として決定する工程と、を有する
   ことを特徴とするエッチング深さの検出方法。
2. 上記光として複数の波長の光を用いる場合、上記各波長の干渉光に基づいてそれぞれの上記エッチング深さを検出する工程と、それぞれの干渉光から得られるエッチング深さの重み付けを行なって上記各干渉光によるエッチング深さの平均値を算出する工程と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエッチング深さの検出方法。
3. 被処理体に光を照射し、その反射光を用いてエッチング深さを監視するエッチングモニター装置であって、
   上記被処理体に光を照射する光源と、
   上記被処理体の被エッチング層の上面及び被エッチング部の表面からの反射光による周期変動する干渉光を検出する光検出器と、
   制御装置と、を備え、
   上記制御装置は、
   上記干渉光の強度の波形を示す理論式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｓｉｎ(ωｔ) （但し、Ｉ_ｄｃは干渉波形の直流成分を示す定数、Ｉ_ｐｐは交流成分を示す定数、ωは干渉波形の強度の角周波数を示す定数）に減衰率ｅｘｐ(γｔ) （但し、γは定数）を反映させた近似式Ｉ＝Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)ｓｉｎ(ωｔ)を上記干渉光の強度の波形として決定する近似式決定手段と、
   上記干渉光の強度の波形から３つの連続する上記干渉光の強度の極値を検出する極値検出手段と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値と上記近似式に基づいて上記近似式の定数を決定する近似式定数決定手段と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値に基づいてその後の上記干渉光の強度の振幅を上記定数が決定された上記近似式から予測する振幅予測手段と、
   ある時刻における上記干渉光の波形の強度と上記の予測された振幅との比（〔（Ｉ(ｔ)−Ｉ_ｄｃ）/（Ｉ_ｐｐｅｘｐ(γｔ)）〕）に基づいて上記干渉光の波形の位相を求める位相算出手段と、
   上記位相と上記エッチング深さとの関係式に基づいて上記エッチング深さを算出するエッチング深さ算出手段と、を備え、
   上記近似式定数決定手段は、
   二分法を用いて上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値が通る包絡線を上記近似式から決定する手段と、
   上記３つの連続する上記干渉光の強度の極値から上記包絡線の定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γをそれぞれ求め、これらの定数Ｉ_ｄｃ、Ｉ_ｐｐ、γを上記近似式の定数として決定する手段と、を有する
   ことを特徴とするエッチングモニター装置。
4. 上記光として複数の波長の光を用いる場合には、エッチング深さ算出手段は、上記各波長の干渉光に基づいてそれぞれの上記エッチング深さを算出し、これらのエッチング深さの重み付けを行なって上記各干渉光によるエッチング深さの平均値を算出することを特徴とする請求項３に記載のエッチングモニター装置。
5. 請求項３または請求項４に記載のエッチングモニター装置を備えたことを特徴とするエッチング装置。

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