JP2001343219A - エッチング深さ測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】干渉信号が異常波形を出力した場合でも、目標
深さでエッチングを停止させることができるエッチング
深さ測定装置及びその方法を提供すること。 【解決手段】エッチング対象物（７）に光を照射し、該
エッチング対象物（７）のマスク上で反射した光とパタ
ーン穴上で反射した光の干渉信号の極点間隔からエッチ
ング深さを測定するエッチング深さ測定装置において、
前記干渉信号に異常波形を検出したとき、その異常波形
を検出した区間では、予想されるエッチングレートを計
算してエッチング深さを算出する演算手段（４）を備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板のエッ
チング装置等に適用されるエッチング深さ測定装置及び
その方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】（第１の従来の技術）図１３は、従来の
エッチング深さ測定装置の構成を示す図である。この装
置では、深さ測定用の光源１に紫外光ランプを使用し、
この光源１からの紫外光を光ファイバ２で導き、光ファ
イバ２を出射後、レンズ３を通して平行光とし、チャン
バ９内の被処理体であるエッチング対象物７に照射す
る。エッチング対象物７のマスク上で反射した光とエッ
チング対象物７のパターン穴（セル）上で反射した光の
干渉信号は、レンズ３、光ファイバ２、干渉フィルタ
５、フォトマルチプライヤ（受光センサ）６を介し、選
択された波長成分が取り出され、深さ測定用計算機４に
取り込まれ、深さを算出する信号として処理される。な
お、チャンバ９には光を透過するためのチャンバ窓８が
設けられている。

【０００３】図１４は、上記エッチング深さ測定装置の
深さ測定用計算機４における深さ算出方法に係る図であ
る。深さ測定用計算機４では、深さ算出アルゴリズムに
より、干渉信号からエッチングレートを算出する。エッ
チング対象物７のマスク表面で反射した光とエッチング
対象物７のパターン穴上で反射した光の干渉信号は、図
１４のように正弦波状の波形を示す。マスクがエッチン
グされずに、Poly-Siのみがエッチングされると、この
干渉信号の極点間が示す深さは、使用光源波長の１／４
となる。

【０００４】この原理を用いて、深さ測定用計算機４は
得られた干渉信号の極点を検出し、初めの二つの極点を
検出した時に、その極点間のエッチング時間と極点間の
深さが１／４波長であることから、エッチングレート
（ＥＲ１＝極点間深さ／極点間のエッチング時間）を算
出する。深さ測定用計算機４は、算出したエッチングレ
ートを用いて、初めの極点が検出されるまでの時間（Ｔ
１）から、初めの極点までの深さ（α＝ＥＲ１×Ｔ１）
を算出する。それ以降は、極点が検出されるごとに、深
さに極点間深さ（１／４波長）を加算する（β＝１／４
波長×検出極点間数）。

【０００５】そして深さ測定用計算機４は、最終極点前
のエッチングレートをＥＲ１と同様に算出し（ＥＲ２＝
極点間深さ／極点間のエッチング時間）、最終極点から
最終信号までの時間（Ｔ２）から最終極点以降の深さ
（γ＝ＥＲ２×Ｔ２）を算出する。これらのα，β，γ
の三つの深さの合計がエッチング深さであり、この合計
値が狙い深さになったところでエッチングが終了され
る。

【０００６】（第２の従来の技術）図１３に示した従来
のエッチング深さ測定装置にて処理される、干渉信号か
らエッチングレートを算出する従来の深さ算出アルゴリ
ズムを、図１４を用いて説明する。

【０００７】図１５は、エッチング対象物７の膜構造を
示す図である。エッチング対象物７の膜構造は、図１５
に示すようになっており、エッチングではセル（穴）内
のPoly-Siが削られる。

【０００８】上述したように、エッチング対象物７のマ
スク表面で反射した光とエッチング対象物７のパターン
穴上で反射した光の干渉信号は、図１４のように正弦波
状の波形を示す。マスクがエッチングされずに、Poly-S
iのみがエッチングされると、この干渉信号の極点間が
示す深さは、使用光源波長の１／４となる。

【０００９】この原理を用いて、深さ測定用計算機４は
得られた干渉信号の極点を検出し、深さを算出する。深
さ信号自体にはノイズがのっているため、ソフトウェア
によるデジタルフィルタ（バンドパスフィルタ）を適用
している。バンドパスフィルタは、フィルタの周波数領
域を設定する係数Ａとフィルタの窓関数の幅を決定する
係数Ｂの２つから構成されており、従来は、あらかじめ
取得したデータから周波数分析を行ない、信号の周波数
成分を人間系で判定し、品種ごとに設定したフィルタ条
件をデータベースから選択して処理していた。

【００１０】図１６は、上記エッチング深さ測定装置の
処理時の流れを示す図である。まず、(1)ロットの受け
入れでバーコードを読み取ると、(2)オンラインで品種
データがエッチング装置に転送される。次に、(3)エッ
チング装置から深さ測定装置ホストヘレシピデータが転
送され、(4)深さ測定装置内で品種に対応するフィルタ
データがデータベースから選択される。そして、(5)エ
ッチング処理を開始する。

【００１１】また、反射光信号の強度は、レファレンス
用のウェハを用いてフォトマルチプライヤのゲインを作
業者が手動により操作し、ある頻度で調整を行ってい
る。干渉信号の振幅に関しては、生信号を作業者が観察
し、定性的に振幅の大小レベルを判定し、振幅が小さい
と判断された場合は、マニュアルで深さ測定装置の平行
度アライメントを再調整したり、窓の洗浄、交換を行っ
たりしている。

【００１２】（第３の従来の技術）従来の半導体製造用
モニタ装置は光を利用しており、マスク材とエッチング
穴の段差を光の干渉による強度変化により測定してい
る。このモニタ装置は、以下のような原理及び式により
段差を測定している。まず、その原理を述べる。

【００１３】図１７は、測定対象モデルを示す図であ
る。以下、図１７に示すような構造に対して、マスク材
とエッチング穴の段差の測定について考える。深さ測定
に使用する光の波長をλとし、全体の入射光強度をＡ0
とする。マスク材とエッチング穴からの反射光強度比を
ａとしたとき、マスク材表面、エッチング穴底は平坦で
あるとして、マスク材からの反射光とエッチング穴から
の反射光は以下のようになる。

【００１４】

【数１】

【００１５】実際に観察される光は、この二つの反射光
が干渉したものである。マスク材とエッチング穴底の段
差Ｄのみを変数とした場合、つまりマスク材のエッチン
グ等は考えず、マスク材の複素振幅反射率ｒmaskは変化
しないとして、観測される干渉光は以下のような式で表
わされる。

【００１６】

【数２】

【００１７】図１８は、干渉信号と深さ算出方法に係る
図である。図１８に示されるように、観測される干渉信
号は、測定に使用する波長の１／２だけマスク材とエッ
チング穴の段差が深くなると、１周期の変化をする周期
信号となる。

【００１８】次にエッチング深さの算出方法を述べる。
従来では、信号のエッチング深さに対する周期性を利用
してマスク材とエッチング穴の段差を測定している。干
渉信号の極大・極小点が観察される区間では、極値の個
数を数えることにより深さを算出している（図１８の区
間β）。また、極点が観察されてから次の極点が観察さ
れるまでの時間間隔Ｔからエッチングレートを求め、極
点が観察されない区間の深さを外挿により求める（図１
８の区間α、γ）。これら３区間で算出される深さを足
し合わせることにより（α＋β＋γ）、マスク材とエッ
チング穴の段差を算出している。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】（第１の従来の技術の
課題）図１９は、深さ信号の異常波形を示す図である。
上記第１の従来の技術で述べたような従来の方法で深さ
を算出しようとすると、異常波形検出区間において本来
極点が現れない時間に極点が検出されるか、もしくは本
来検出されるべき時間に極点が検出されないことによっ
て、β＝１／４波長×検出極点間数の深さに誤差を生じ
るという問題がある。

【００２０】（第２の従来の技術の課題）図２０は、深
いエッチングを行った際の干渉信号生データの波形例を
示す図である。この信号には、高周波のノイズが多く混
在している。また、チャンバの窓が曇ることで光が透過
しにくくなり、干渉光の強度が低下し、穴が深くなるに
つれて穴からの反射光が減少するため干渉信号の減衰が
大きくなる。上記第２の従来の技術に示したエッチング
深さ測定装置では、干渉信号の極点を基準に深さ測定を
行うため、ノイズによる極点位置誤検出、信号の減衰、
強度レベルの低下により極点が検出できない状態が発生
すると、深さ測定装置の精度を著しく低下させる要因と
なりうる。

【００２１】そこで従来では、ノイズに対しては、品種
ごとにあらかじめデータを収集し、周波数分析を行ない
適切なバンドパスフィルタの係数を決定して、品種ごと
に決定された係数を固定値で適用してきた。しかしなが
ら、装置のエッチングレートなどの経時変化により、設
定していたバンドパスフィルタに対して適用範囲外の干
渉信号の周波数が発生し、フィルタの不適合によるエラ
ーが発生する可能性があった。

【００２２】ここで、バンドパスフィルタの適用範囲外
の意味を説明する。仮に干渉信号の周波数成分が０．１
８Ｈｚ〜０．３６Ｈｚの範囲でばらつくとした場合に、
バンドパスフィルタの帯域はマージンをみて、０．１２
Ｈｚ〜０．４２Ｈｚのように干渉信号成分を含むように
設定する。このように設定していて、干渉信号成分が設
定周波数の範囲外（仮に０．４５Ｈｚ）のものが来る
と、フィルタが意図したように働かず、本来必要な干渉
信号成分を正確に抽出できなくなる。

【００２３】干渉信号強度に関しては、これまである頻
度でレファレンスのウェハを用いて反射光レベルをチェ
ックし、手動でフォトマルチプライヤのゲインの調整を
行っていたが、設定ミスにより不適切な反射光強度で処
理を継続する可能性が残る。また、干渉信号の振幅に関
しては、人間系により定性的に振幅の大小レベルを判定
しているため、作業者によって判断基準が異なり、一定
レベルに保つことが困難であった。

【００２４】（第３の従来の技術の課題）上述した第３
の従来の技術の前提条件として、エッチング穴底の形状
は平坦であり、不変であるとされていた。実際にはエッ
チングするパターンに依存して、エッチングが進むにつ
れ、エッチング穴底の形状が変化していく。このとき、
エッチング穴底からの反射光は、穴底形状の起伏分だけ
位相の異なった光を合成したものとなる。この合成され
た光の反射面の位置をエッチング穴底からの反射光の中
心面と呼ぶことにする。この場合、実際の測定したいエ
ッチング深さは、最深部の深さであり、この中心面とは
深さが異なるため、正確なエッチング深さ測定ができな
い問題が生じる。以下、この一例を図２１、図２２、図
２３，図２４を基に説明する。

【００２５】図２１は、パターンをウェハ上面から見た
図であり、メッシュ状の溝の部分がエッチングされてい
る。図２２は、図２１中の切断面ＡＡに沿ったウェハの
断面図を示している。図２３は、エッチング底反射光中
心面とエッチング深さの関係を示す図である。図２４
は、従来技術に係るエッチング深さと測定誤差の関係を
示す図である。

【００２６】図２１に示すように、エッチングが進むに
つれ、平坦であったエッチング底形状は、メッシュの交
点Ｂが深くエッチングされる。そして図２２に示すよう
に、エッチングの深さが浅く穴底形状が平坦であったも
のが、エッチングの進行に伴い、エッチングの深さが深
くなり穴底形状に起伏が発生し、凹凸になってゆく。測
定したいエッチング穴底の深さは最深部の深さである
が、このとき図２３に示すように、最深部の深さと従来
技術でエッチング深さとされるエッチング穴底からの反
射光の中心面との間に誤差が生じる。この誤差は、図２
４に示すように、エッチング深さが深くなり、エッチン
グ穴底の形状の起伏が大きくなるに従い拡大してゆく。

【００２７】本発明の第１の目的は、干渉信号が異常波
形を出力した場合でも、目標深さでエッチングを停止さ
せることができるエッチング深さ測定装置及びその方法
を提供することにある。

【００２８】本発明の第２の目的は、安定した信号処理
を行なうことができるエッチング深さ測定装置及びその
方法を提供することにある。

【００２９】本発明の第３の目的は、エッチング穴底深
さの測定精度を向上させるエッチング深さ測定装置及び
その方法を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のエッチング深さ測定装置及び
その方法は以下の如く構成されている。

【００３１】（１）本発明のエッチング深さ測定装置
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定装置において、前記干渉信号に異常波
形を検出したとき、その異常波形を検出した区間では、
予想されるエッチングレートを計算してエッチング深さ
を算出する演算手段を備えている。

【００３２】（２）本発明のエッチング深さ測定装置は
上記（１）に記載の装置であり、かつ前記演算手段は、
目標深さが前記区間にある時、それまでのエッチングレ
ートの変動から予想されるエッチングレートを用いてエ
ッチング深さを算出し、目標深さが前記区間を通過した
後は、その前後の極点間のエッチングレートの平均値を
用いてエッチング深さを算出する。

【００３３】（３）本発明のエッチング深さ測定装置は
上記（１）または（２）に記載の装置であり、かつ前記
演算手段は、エッチングレートと所定のしきい値との大
小関係を基に、前記異常波形を検出する。

【００３４】（４）本発明のエッチング深さ測定方法
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定方法において、前記干渉信号に異常波
形を検出したとき、その異常波形を検出した区間では、
予想されるエッチングレートを計算してエッチング深さ
を算出する。

【００３５】（５）本発明のエッチング深さ測定方法は
上記（４）に記載の方法であり、かつ目標深さが前記区
間にある時、それまでのエッチングレートの変動から予
想されるエッチングレートを用いてエッチング深さを算
出し、目標深さが前記区間を通過した後は、その前後の
極点間のエッチングレートの平均値を用いてエッチング
深さを算出する。

【００３６】（６）本発明のエッチング深さ測定方法は
上記（４）または（５）に記載の方法であり、かつエッ
チングレートと所定のしきい値との大小関係を基に、前
記異常波形を検出する。

【００３７】（７）本発明のエッチング深さ測定装置
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定装置において、前記エッチング対象物
の処理後に前記干渉信号を周波数分析し、深さを表す周
波数成分を抽出して、その周波数成分を基に所定のデー
タベースに設定されている信号処理のためのフィルタ係
数を参照する演算手段を備えている。

【００３８】（８）本発明のエッチング深さ測定装置は
上記（７）に記載の装置であり、かつ前記干渉信号の強
度の減少の際に、メイン処理前の処理の信号強度を参照
して、メイン処理時の光検出器のゲインを自動的に調整
するゲイン制御手段を備えている。

【００３９】（９）本発明のエッチング深さ測定装置は
上記（７）または（８）に記載の装置であり、かつ干渉
信号の振幅を自動的に算出して、その振幅の大きさをチ
ェックし、既定値レベルより低い場合は、自動的に平行
度アライメント調整を行なう調整手段を備えている。

【００４０】（１０）本発明のエッチング深さ測定方法
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定方法において、前記エッチング対象物
の処理後に前記干渉信号を周波数分析し、深さを表す周
波数成分を抽出して、その周波数成分を基に所定のデー
タベースに設定されている信号処理のためのフィルタ係
数を参照する。

【００４１】（１１）本発明のエッチング深さ測定方法
は上記（１０）に記載の方法であり、かつ前記干渉信号
の強度の減少の際に、メイン処理前の処理の信号強度を
参照して、メイン処理時の光検出器のゲインを自動的に
調整する。

【００４２】（１２）本発明のエッチング深さ測定方法
は上記（１０）または（１１）に記載の方法であり、か
つ干渉信号の振幅を自動的に算出して、その振幅の大き
さをチェックし、既定値レベルより低い場合は、自動的
に平行度アライメント調整を行なう。

【００４３】（１３）本発明のエッチング深さ測定装置
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定装置において、予めエッチング深さと
エッチング穴の底形状の変化に起因する測定誤差との関
係を求め、測定したエッチング深さから前記関係に基づ
き測定誤差を推定し、この測定誤差と前記測定したエッ
チング深さとを加算する演算手段を備えている。

【００４４】（１４）本発明のエッチング深さ測定方法
は、エッチング対象物に光を照射し、該エッチング対象
物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反射した光
の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測定するエ
ッチング深さ測定方法において、予めエッチング深さと
エッチング穴の底形状の変化に起因する測定誤差との関
係を求め、測定したエッチング深さから前記関係に基づ
き測定誤差を推定し、この測定誤差と前記測定したエッ
チング深さとを加算する。

【００４５】上記手段を講じた結果、それぞれ以下のよ
うな作用を奏する。

【００４６】（１）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、干渉信号が異常波形を出力した場合でも、正し
く深さを算出し、目標深さでエッチングを停止させるこ
とができる。

【００４７】（２）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、異常波形を検出した区間での深さ算出方法を変
更し、その区間でのエッチングレートを適切に選ぶこと
によって、その干渉信号に異常な波形を検出した時で
も、より目標深さに近くエッチングを停止させることが
できる。

【００４８】（３）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、異常波形を的確に検出することができる。

【００４９】（４）本発明のエッチング深さ測定方法に
よれば、干渉信号が異常波形を出力した場合でも、正し
く深さを算出し、目標深さでエッチングを停止させるこ
とができる。

【００５０】（５）本発明のエッチング深さ測定方法に
よれば、異常波形を検出した区間での深さ算出方法を変
更し、その区間でのエッチングレートを適切に選ぶこと
によって、その干渉信号に異常な波形を検出した時で
も、より目標深さに近くエッチングを停止させることが
できる。

【００５１】（６）本発明のエッチング深さ測定方法に
よれば、異常波形を的確に検出することができる。

【００５２】（７）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、常にフィルタの条件が最適に保たれ、フィルタ
不適合によるエラー連続処理を未然に防ぐことが可能と
なり、安定した信号処理を行なうことができる。

【００５３】（８）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、干渉信号強度が下がった場合でも、信号強度レ
ベルを一定に保ち安定した信号処理を行なうことが可能
になる。

【００５４】（９）本発明のエッチング深さ測定装置に
よれば、干渉信号の振幅を一定レベルに保つことが可能
になる。

【００５５】（１０）本発明のエッチング深さ測定方法
によれば、常にフィルタの条件が最適に保たれ、フィル
タ不適合によるエラー連続処理を未然に防ぐことが可能
となり、安定した信号処理を行うことができる。

【００５６】（１１）本発明のエッチング深さ測定方法
によれば、干渉信号強度が下がった場合でも、信号強度
レベルを一定に保ち安定した信号処理を行なうことが可
能になる。

【００５７】（１２）本発明のエッチング深さ測定方法
によれば、干渉信号の振幅を一定レベルに保つことが可
能になる。

【００５８】（１３）本発明のエッチング深さ測定装置
によれば、マスクとエッチング穴の底形状との段差を測
定する際、エッチングの進行に伴うエッチング穴の底形
状の変化を考慮することで、エッチング穴底深さの測定
精度を向上させることができる。

【００５９】（１４）本発明のエッチング深さ測定方法
によれば、マスクとエッチング穴の底形状との段差を測
定する際、エッチングの進行に伴うエッチング穴の底形
状の変化を考慮することで、エッチング穴底深さの測定
精度を向上させることができる。

【００６０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００６１】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態に係るエッチング深さ測定装置の構成は図１３に
示したものと同一であるため、説明を省略する。なお、
このエッチング深さ測定装置では、干渉フィルター５と
フォトマルチプライヤ６を用いて単色光を取り出してい
るが、必要な単色光を取り出すことができれば、他の要
素を用いてもよい。また光源１に関しても、紫外光ラン
プ以外の種類のものを用いてもよい。

【００６２】図１の（ａ），（ｂ）は、上記エッチング
深さ測定装置の深さ測定用計算機４におけるエッチング
レートから異常波形を検出する方法に係る図である。深
さ測定用計算機４では、極点検出に要した時間とその極
点間の深さが光の波長の１／４であることから、極点間
におけるエッチングレートを常にモニターしている。

【００６３】そして、このエッチングレートと設定され
たしきい値５±３ｎｍ／ｓとの大小関係を検出して、エ
ッチングレートが前記しきい値を外れた時に、これを異
常波形として検出する。

【００６４】深さ測定用計算機４は、異常波形検出区間
では、上述したβ＝１／４波長×検出極点間数とする深
さ算出方法から、その区間内の予測エッチングレートと
その区間の時間を掛け合わせた外挿深さを用いて深さを
計算する方法に変更する。上記の予測エッチングレート
は、これまでのエッチングレートの履歴に対して２次曲
線を近似させ、その関数を用いて得ることができる。

【００６５】図２は、深さ測定用計算機４における異常
波形検出区間に目標深さがある時の深さ算出方法に係る
図である。図２では、区間‘Ａ’の深さは、Ａ＝Ｅ／Ｒ
×ｔ１、区間‘Ｂ’の深さは、Ｂ＝１／４×光の波長
×極点間隔数、区間‘Ｃ’の深さは、Ｃ＝Ｅ／Ｒ×ｔ
２である。よって、異常波形検出区間に目標深さがある
時のエッチング深さは、Ａ＋Ｂ＋Ｃとして求めることが
できる。

【００６６】図３は、深さ測定用計算機４における異常
波形検出区間を過ぎた後に目標深さがある時の深さ算出
方法に係る図である。図３では、区間‘Ａ’の深さは、
Ａ＝Ｅ／Ｒ×ｔ１、区間‘Ｂ’の深さは、Ｂ＝１／４
×光の波長×極点間隔数、区間‘Ｃ’の深さは、Ｃ＝Ｅ
／Ｒ×ｔ２、区間‘Ｄ’の深さは、Ｄ＝１／４×光の
波長×極点間隔数、区間‘Ｅ’の深さは、Ｅ＝Ｅ／Ｒ
×ｔ３である。よって、異常波形検出区間を過ぎた後に
目標深さがある時のエッチング深さは、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ
＋Ｅとして求めることができる。

【００６７】図４は、上記エッチング深さ測定装置によ
る実施例に係る図であり、（ａ）は深さ信号、（ｂ）は
エッチングレート、（ｃ）は従来の方法で深さを算出し
た結果、（ｄ）は本発明の方法で深さを算出した結果を
示す図である。

【００６８】図４の（ａ）に示す深さ信号の異常波形検
出区間を極点として検出した時、従来の方法では、図４
の（ｃ）に示すように深さ合計は１４８９ｎｍとなり、
実際のエッチング深さ１３００ｎｍと比べ１８９ｎｍと
大きな誤差を生じる。しかし、図４の（ｂ）に示す如き
異常波形検出区間と初期外挿区間、最終外挿区間のエッ
チングレートの変動を予測する本発明のエッチングレー
トを用いた場合は、図４の（ｄ）に示すように深さ合計
は１２６７ｎｍとなり、誤差は３３ｎｍと大幅に減少す
る。

【００６９】以上述べたように本第１の実施の形態によ
れば、異常波形検出区間での深さ算出方法を変更し、そ
の区間でのエッチングレートを適切に選ぶことによっ
て、その干渉信号に異常な波形を検出した時でも、より
目標深さに近くエッチングを停止させることができる。

【００７０】（第２の実施の形態）図５は、本発明の第
２の実施の形態に係るエッチング深さ測定装置の構成を
示す図である。図５において図１３と同一な部分には同
符号を付してある。この装置は図１３の構成に加えて、
バンドパスフィルタ設定情報データベース１０、周波数
演算部１１、ＡＧＣ（オートゲインコントロール）設定
部１２、干渉信号振幅チェック部１３、自動平行度アラ
イメント調整部１４を備えている。

【００７１】この装置では、深さ測定用の光源１に紫外
光ランプを使用し、この光源１からの紫外光を光ファイ
バ２で導き、光ファイバ２を出射後、レンズ３を通して
平行光とし被処理体であるエッチング対象物７に照射す
る。エッチング対象物７のマスク上で反射した光とエッ
チング対象物７のパターン穴（セル）上で反射した光の
干渉信号は、レンズ３、光ファイバ２、干渉フィルタ
５、フォトマルチプライヤ（受光センサ）６を介し、選
択された波長成分が取り出される。

【００７２】そして、エッチング対象物７であるウェハ
の処理を終了するたびに、周波数演算部１１にてＦＦＴ
による干渉信号の周波数分析を行ない、干渉信号成分の
深さを表わす周波数成分を周波数分布から自動的に判別
し、干渉信号の周波数を算出する。その算出した干渉信
号の周波数に対して、規定のマージン（フィルタ係数）
がフィルタの周波数帯域として設定されている否かのチ
ェックを、バンドパスフィルタ設定情報データベース１
０を参照して行なう。ここで、規定のマージンが確保さ
れていれば、データベースをそのままとし、規定が満た
さない場合は、自動的にフィルタの周波数帯域を設定
し、バンドパスフィルタ設定情報データベース１０を更
新する。

【００７３】干渉光強度レベルに関しては、多ステップ
のエッチングを行なう際に、メインステップに入る前の
ステップにおける干渉光強度の強度レベルを基準に、Ａ
ＧＣ設定部１２にて自動的にフォトマルチプライヤ６の
ゲインの倍率をコントロールする。また、干渉信号の振
幅に関しては、干渉信号振幅チェック部１３にて、干渉
の生信号をフィルタリングした補正信号における初めの
３つの振幅の平均値を自動的に算出して、振幅の大きさ
を自動的にチェックする。そして、振幅の平均値が既定
値レベルより低い場合は、自動平行度アライメント調整
部１４にて自動的に光軸の平行度アライメント調整を行
ない、さらにチャンバ窓８の洗浄、交換を作業者に促す
アラーム信号を発生することで、干渉信号の振幅を一定
レベルに保つ。

【００７４】図６は、上記エッチング深さ測定装置の処
理時の流れとバンドパスフィルタ設定データの流れを示
す図である。干渉信号のノイズ・減衰対策に関しては、
従来ではあらかじめ設定したバンドパスフィルタを使用
して処理してきたが、上述したような問題が発生するた
め、本実施の形態では以下の手順を取る。

【００７５】まず、(1)ロットの受け入れをバーコード
で読み取ると、(2)オンラインで品種データがエッチン
グ装置に転送される。次に、(3)エッチング装置から深
さ測定装置ホストヘレシピデータが転送され、(4)深さ
測定装置内で品種に対応するフィルタデータがデータベ
ースから選択される。そして、(5)エッチング処理を開
始する。

【００７６】そしてウェハを処理するたびに、(6)処理
終了後にＦＦＴによる周波数分析を行う。(7)その後、
干渉信号成分の周波数成分を周波数分布から自動的に判
別し、干渉信号の周波数を算出する。その算出した干渉
信号の周波数に対して規定のマージンがフィルタの周波
数帯域として設定されているか否かのチェックを、デー
タベースを参照して行う。

【００７７】そして、(8)規定のマージンが確保されて
いれば、データベースをそのままとし、規定を満たさな
い場合は自動的にフィルタの周波数帯域を設定し、デー
タベースを更新する。これにより、常にフィルタの条件
が最適に保たれ、フィルタ不適合によるエラー連続処理
を未然に防ぐことが可能となる。

【００７８】また、干渉光強度の低下に関して、従来で
は手動によりある頻度でフォトマルチプライヤの設定を
行ってきたが、本実施の形態では、多ステップのエッチ
ングを行なう際に、メインステップに入る前のステップ
の干渉光強度の強度レベルを基準に、自動的にゲインの
倍率をコントロールするオートゲインコントロール（Ａ
ＧＣ）機能を組み込んでいる。これにより、チャンバ窓
の曇りの影響により干渉信号強度が下がっても、信号強
度レベルを一定に保ち安定した信号処理を行なうことが
可能である。

【００７９】図７は、ＡＧＣ設定部１２におけるＡＧＣ
の手順を示すフローチャートである。図７に示すよう
に、まずステップＳ１で、メインステップ前の干渉信号
強度チェックを行ない、ステップＳ２で、強度レベルの
範囲ごとにＡＧＣ倍率を決定し、ステップＳ３で、決定
したＡＧＣ倍率を適用する。

【００８０】図８の（ａ）は具体的なＡＧＣの設定基準
を示す図、図８の（ｂ）はＡＧＣを適用しない信号例、
図８の（ｃ）はＡＧＣを適用した信号例を示す図であ
る。ＡＧＣでは、図８の（ａ）にＡで示す初めのエッチ
ング終了前の５秒間の平均強度を用いて、その電圧に応
じて倍率を８段階に調整する。ゲインの倍率の設定は、
これまでの実験サンプルから品種の違いの影響を考慮し
て決定する。図８の（ｂ）に比べて図８の（ｃ）では、
自動的にゲインの倍率をコントロールしており、メイン
エッチングではパワーをかけるため、チャンバ内で検出
波長が発生し信号の強度が強くなっている。

【００８１】また、干渉信号の振幅に関しては、干渉信
号振幅チェック部１０にて干渉の生信号をフィルタリン
グした補正信号の振幅を自動的に算出して、振幅の大き
さを自動的にチェックし、既定値レベルより低い場合
は、自動平行度アライメント調整部１１にて自動的に光
軸の平行度アライメント調整を行ない、チャンバ窓の洗
浄、交換を作業者に促すアラーム信号を発生すること
で、干渉信号の振幅を一定レベルに保つことが可能であ
る。

【００８２】図９は、干渉信号振幅チェック部１３にお
ける処理の手順を示すフローチャートである。図９に示
すように、まずステップＳ１１で、干渉フィルタ５によ
る補正後の信号の振幅チェックを行ない、ステップＳ１
２で既定値以上である場合、ステップＳ１３で、そのま
ま次の処理を行なう。ステップＳ１２で既定値未満であ
る場合、次の処理を開始する前に、エラー警告をすると
ともに、光軸の平行度アライメント自動調整を行なわせ
る。

【００８３】従来は、信号のノイズ、減衰対策として、
品種ごとにあらかじめ設定したバンドパスフィルタを固
定値として使用してきた。また、干渉信号強度に関して
は、フォトマルチプライヤのゲインをマニュアルで随時
調整し、干渉信号振幅に関しては、人間系で定性的に管
理していた。本実施の形態では、これらの各項目に対し
て、毎処理ごとに周波数分析を行ない、バンドパスフィ
ルタの係数を自動的にチェックし、データベースを更新
するシステムを構築したり、メインステップに入る前の
ステップの干渉光強度の強度レベルを基準に、自動的に
ゲインの倍率をコントロールするオートゲインコントロ
ール（ＡＧＣ）機能を組み込んだり、さらに振幅の大き
さを自動的にチェックし、既定値レベルより低い場合
は、自動的に装置の平行度アライメント調整を行ない、
チャンバ窓の洗浄、交換を作業者に促すアラーム信号を
発生したりすることで、信号処理の安定性を大幅に向上
できる。

【００８４】（第３の実施の形態）図１０の（ａ）は、
本発明の第３の実施の形態に係るエッチング深さ測定装
置を適用した半導体製造モニタ装置の構成を示す図であ
り、図１０の（ｂ）は測定ヘッドの構成を示す図であ
る。この装置では、エッチング対象物であるウェハを収
容したチャンバ２１の上部に測定ヘッド２２が備えられ
ている。チャンバ２１と測定ヘッド２２には、コンピュ
ータからなる演算部２３が接続されている。

【００８５】測定ヘッド２２は、エッチング深さを測定
するための深さ測定光学系をなしている。測定ヘッド２
２では、水銀ランプ２４から発せられた照射光が、光フ
ァイバ２５とレンズ２６を介してチャンバ２１内のウェ
ハへ照射される。ウェハからの反射光は、光ファイバ２
５を介して光検出部２７に入射される。

【００８６】演算部２３は、エッチング深さを計算する
機能を有している。演算部２３は、エッチングされるウ
ェハパターン毎に、エッチング穴底形状の変化に起因す
る測定誤差、すなわちエッチング穴底反射光の中心面と
測定したいエッチング穴底の最深部との差と、エッチン
グ深さをパラメータとした補正テーブルを格納してい
る。

【００８７】次に、以上のように構成された半導体製造
モニタ装置によるエッチング深さ算出誤差の抑制方法に
ついて述べる。手順は、以下のようになっている。

【００８８】(1)あらかじめ演算部２３にて、エッチン
グ深さを測定したいウェハパターンについて、エッチン
グ深さとエッチング穴底形状の変化に起因する測定誤差
との関係を求め、これらの補正テーブルを作成しておく
（作成の方法は後述する）。この補正テーブルは、従来
技術によるエッチング深さ算出値と測定したい部分のエ
ッチング深さとの相関をとることで作成する。

【００８９】(2)演算部２３にて、光検出部２７の検出
結果から干渉信号波形を観察し、従来技術の手法により
エッチング深さを算出する。

【００９０】(3)演算部２３にて、ウェハパターンと、
従来技術で求めたエッチング深さから、上記補正テーブ
ルを用い測定誤差を推定する。さらに、この誤差推定値
と従来技術で求めたエッチング深さを加算することで、
正確なエッチング深さを算出する。

【００９１】次に、上記補正テーブルの作成方法につい
て述べる。手順は、以下のようになっている。

【００９２】(1)演算部２３は、エッチング深さが異な
る複数のサンプルを作成する。この際、モニタによる観
察を行ない、従来方法での深さ測定値を算出する。

【００９３】(2)次に、ＳＥＭ等の方法を用いて、破壊
検査により、サンプルにおける測定したい部分のエッチ
ング深さ（ここではエッチング穴の最深部）を求める。

【００９４】(3)図１１にＢで示すような、従来方法で
の深さ算出値と実際に測定したいエッチング深さとの相
関グラフを得る。このグラフを補正テーブルとし、従来
方法による深さ算出値から本発明の方法による深さ算出
値への変換を行なう。

【００９５】図１２は、従来技術と本発明を適用したと
きのモニタ測定誤差を示す図である。図１２に示すよう
に、従来技術ではエッチング深さが深くなるに伴い、エ
ッチング穴底形状の起伏が拡大することによりエッチン
グ深さ（最深部）の測定誤差が拡大していたが、本発明
を適用することにより、測定誤差を抑制することができ
ることが分かる。

【００９６】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施で
きる。例えば、上記各実施の形態では測定したいエッチ
ング深さを最深部としたが、最深部に限らず、一番エッ
チング深さが浅いところとしたり、もしくはエッチング
深さの平均値として良い。

【００９７】

【発明の効果】本発明によれば、干渉信号が異常波形を
出力した場合でも、目標深さでエッチングを停止させる
ことができるエッチング深さ測定装置及びその方法を提
供できる。

【００９８】また本発明によれば、安定した信号処理を
行なうことができるエッチング深さ測定装置及びその方
法を提供できる。

【００９９】また本発明によれば、エッチング穴底深さ
の測定精度を向上させるエッチング深さ測定装置及びそ
の方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
装置の深さ測定用計算機におけるエッチングレートから
異常波形を検出する方法に係る図。

【図２】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
用計算機における異常波形検出区間に目標深さがある時
の深さ算出方法に係る図。

【図３】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
用計算機における異常波形検出区間を過ぎた後に目標深
さがある時の深さ算出方法に係る図。

【図４】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
装置による実施例に関する図。

【図５】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
装置の構成を示す図。

【図６】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測定
装置の処理時の流れとバンドパスフィルタ設定データの
流れを示す図。

【図７】本発明の実施の形態に係るＡＧＣの手順を示す
フローチャート。

【図８】本発明の実施の形態に係るＡＧＣに関する図。

【図９】本発明の実施の形態に係る干渉信号振幅チェッ
ク部における処理の手順を示すフローチャート。

【図１０】本発明の実施の形態に係るエッチング深さ測
定装置を適用した半導体製造モニタ装置の構成を示す
図。

【図１１】本発明の実施の形態に係る従来方法での深さ
算出値と実際に測定したいエッチング深さとの相関グラ
フを示す図。

【図１２】本発明の実施の形態に係る従来技術と本発明
を適用したときのモニタ測定誤差を示す図。

【図１３】本発明の実施の形態及び従来例に係るエッチ
ング深さ測定装置の構成を示す図。

【図１４】従来例に係るエッチング深さ測定装置の深さ
測定用計算機における深さ算出方法に係る図。

【図１５】従来例に係るエッチング対象物の膜構造を示
す図。

【図１６】従来例に係るエッチング深さ測定装置の処理
時の流れを示す図。

【図１７】従来例に係る測定対象モデルを示す図。

【図１８】従来例に係る干渉信号と深さ算出方法に係る
図。

【図１９】従来例に係る深さ信号の異常波形を示す図。

【図２０】従来例に係る深いエッチングを行った際の干
渉信号生データの波形例を示す図。

【図２１】従来例に係るパターンをウェハ上面から見た
図。

【図２２】従来例に係るウェハの断面図を示す図。

【図２３】従来例に係るエッチング底反射光中心面とエ
ッチング深さの関係を示す図。

【図２４】従来例に係るエッチング深さと測定誤差の関
係を示す図。

【符号の説明】

１…光源 ２…光ファイバ ３…レンズ ４…深さ測定用計算機 ５…干渉フィルタ ６…フォトマルチプライヤ ７…エッチング対象物 ８…チャンバ窓 ９…チャンバ １０…バンドパスフィルタ設定情報データベース １１…周波数演算部 １２…ＡＧＣ設定部 １３…干渉信号振幅チェック部 １４…自動平行度アライメント調整部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益川 和之 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内 Ｆターム(参考） 2F065 AA25 CC19 CC32 DD08 DD11 FF52 GG03 GG21 HH03 JJ17 LL02 LL22 QQ16 QQ17 QQ25 QQ29 QQ33 4M106 AA01 AA10 AA13 AB15 AB16 CA21 CA22 CA25 CA32 CA51 DB08 DB12 DB15 DB21 DH03 DH12 DH32 DH38 DH55 DJ14 DJ15 DJ17 DJ18 DJ19 DJ20 DJ32 5F004 CB10 CB17

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定装置において、 前記干渉信号に異常波形を検出したとき、その異常波形
   を検出した区間では、予想されるエッチングレートを計
   算してエッチング深さを算出する演算手段を備えたこと
   を特徴とするエッチング深さ測定装置。
2. 【請求項２】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定方法において、 前記干渉信号に異常波形を検出したとき、その異常波形
   を検出した区間では、予想されるエッチングレートを計
   算してエッチング深さを算出することを特徴とするエッ
   チング深さ測定方法。
3. 【請求項３】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定装置において、 前記エッチング対象物の処理後に前記干渉信号を周波数
   分析し、深さを表す周波数成分を抽出して、その周波数
   成分を基に所定のデータベースに設定されている信号処
   理のためのフィルタ係数を参照する演算手段を具備した
   ことを特徴とするエッチング深さ測定装置。
4. 【請求項４】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定方法において、 前記エッチング対象物の処理後に前記干渉信号を周波数
   分析し、深さを表す周波数成分を抽出して、その周波数
   成分を基に所定のデータベースに設定されている信号処
   理のためのフィルタ係数を参照することを特徴とするエ
   ッチング深さ測定方法。
5. 【請求項５】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定装置において、 予めエッチング深さとエッチング穴の底形状の変化に起
   因する測定誤差との関係を求め、測定したエッチング深
   さから前記関係に基づき測定誤差を推定し、この測定誤
   差と前記測定したエッチング深さとを加算する演算手段
   を備えたことを特徴とするエッチング深さ測定装置。
6. 【請求項６】エッチング対象物に光を照射し、該エッチ
   ング対象物のマスク上で反射した光とパターン穴上で反
   射した光の干渉信号の極点間隔からエッチング深さを測
   定するエッチング深さ測定方法において、 予めエッチング深さとエッチング穴の底形状の変化に起
   因する測定誤差との関係を求め、測定したエッチング深
   さから前記関係に基づき測定誤差を推定し、この測定誤
   差と前記測定したエッチング深さとを加算することを特
   徴とするエッチング深さ測定方法。