JP2002093870A - エッチング深さ測定方法および装置、エッチング方法 - Google Patents
エッチング深さ測定方法および装置、エッチング方法Info
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Abstract
に測定することができるエッチング深さ測定装置を提供
する。 【解決手段】 配線構造の上部に配置された絶縁膜層の
内部に形成されたエッチング溝を有する基板16に対し
て光を照射する光源12と、基板16からの反射光のう
ち、配線構造の配線間隔の2倍よりも大きい波長を有す
る光を検出する検出器24と、検出器24によって検出
された光の強度に基づいて、絶縁膜層の膜厚およびエッ
チング溝の深さのうちの少なくとも一方を算出する算出
部26と、から構成されたエッチング深さ測定装置であ
る。
Description
工程における、エッチング深さを測定する方法および装
置に係り、特に、配線構造の上部に配置された絶縁膜層
の内部に配線溝を形成する際に、その絶縁膜層の厚さお
よび形成された配線溝の深さを測定することができる方
法および装置、並びに、そのエッチング深さ測定方法を
用いたエッチング方法に関する。
線構造を次のような方法で形成している。まず最初に、
半導体基板の全面に、後に加工されて配線を構成する金
属膜層を堆積する。金属膜層堆積後、リソグラフィー技
術によってレジストパターンを金属膜層の上部に形成す
る。そして、そのレジストパターンをエッチングマスク
として用いて、金属膜層を反応性イオンエッチングする
ことで、配線構造を形成する。
化、高密度化に伴い、上述した、反応性イオンエッチン
グによる配線構造の形成は、技術的に困難になる一方で
ある。このため、絶縁膜層の内部にあらかじめ配線溝を
形成し、その配線溝の内部に配線を構成する金属膜層を
埋め込む、ダマシン加工を採用する傾向が大きくなって
来ている。ところが、このダマシン加工では、絶縁膜層
の内部に形成される配線溝の深さは、通常、そのエッチ
ング時間を管理することで制御されている。具体的に
は、たとえば、数回の予備実験からエッチング速度をあ
らかじめ算出し、その速度を用いたエッチング時間制御
によってエッチング深さを定めている。したがって、配
線溝加工時のエッチング状態の予期せぬ変動等によっ
て、その制御性、再現性が低下し、配線溝の深さ、すな
わち、配線断面積にバラツキが生じてしまうという問題
点がある。
のダマシン加工では、エッチング時間の管理によって配
線溝の深さを制御している。このため、配線溝の深さの
制御性を向上させることが困難であるという問題があっ
た。
シン加工における配線溝の深さを高精度に測定すること
ができるエッチング深さ測定方法および装置を提供する
ことを目的とする。
る配線溝の深さを、そのエッチング中に測定すること
で、その深さの制御性を向上させることができるエッチ
ング方法を提供することである。
め、本発明は、配線構造の上部に配置された絶縁膜層の
内部に形成されたエッチング溝を有する基板に対して光
を照射する光源と、その基板からの反射光のうち、配線
構造の配線間隔の2倍よりも大きい波長を有する光を検
出する検出器と、その検出された光の強度に基づいて、
絶縁膜層の膜厚およびエッチング溝の深さのうちの少な
くとも一方を算出する算出部と、を具備するエッチング
深さ測定装置であることを特徴とする。
りも配線構造の配線間隔が短いため、配線層よりも下層
には入射光が到達しない。このため、得られる反射光強
度には配線層よりも下の構造は影響を与えない。したが
って、配線層よりも下に複雑な構造が存在しても、それ
らは無視でき、反射強度分布から、配線層よりも上層に
位置するエッチング深さを求める際に、配線層よりも上
の単純な膜構造による反射光のみを考慮すれば良く、精
度良く膜厚およびエッチング深さを算出することが可能
となる。
施の形態について説明する。以下の図面の記載におい
て、同一または類似の部分には同一または類似の符号が
付してある。
1の実施の形態に係るエッチング深さ測定装置の概略構
成図である。この第1の実施の形態に係るエッチング深
さ測定装置10は、可視光領域から赤外領域にかけて連
続スペクトル分布を有するタングステンランプを光源1
2として備えている。そして、図1に示すように、光源
12からの光を、レンズ14を用いた縮小光学系によっ
て、半導体基板16上に照射する。半導体基板16から
の反射光は、ビームスプリッター18および光ファイバ
ー20を通って、分光器22に入力される。分光器22
は入力した反射光を分光した後、検出器24に出力す
る。そして、検出器24は、波長ごとの反射強度を検出
し、その検出結果を算出部26に出力する。算出部26
は、検出結果に基づいて、半導体基板16上の所定の箇
所のエッチング深さを算出する。
ッチング深さ測定装置の被測定対象である半導体基板1
6について説明する。図2は、図1の半導体基板16の
一例を示す断面図である。図2に示すように、この半導
体基板16の主面上には、第1の層間絶縁膜層28、お
よび、配線構造を有する第1の配線層30が順次配置さ
れている。第1の配線層30の配線構造は、周期的なも
のであっても、非周期的なものであっても構わない。そ
して、第1の配線層30の上部には、第2の層間絶縁膜
層32が配置されており、この第1の実施の形態は、こ
の第2の層間絶縁膜層32の内部に形成され、後に第2
の配線層が埋め込まれる配線溝の深さを測定するもので
ある。第2の層間絶縁膜層32上には、レジストパター
ン34が形成されており、このレジストパターン34が
エッチングマスクの役目を果たすことになる。ここで、
レジストパターン34と第1の配線層30の配線パター
ンとの位置関係を図3に示す。図3は、図2のレジスト
パターン34と第1の配線層30の配線パターンとの位
置関係を示す平面図である。図3に示すように、本発明
の第1の実施の形態では、レジストパターン34と第1
の配線層30の配線パターンとは、直交しているものと
する。もちろん、本発明は、この位置関係に限るもので
はない。
ッチング深さ測定装置10の動作について説明する。こ
こでは、図2の第1の配線層30として、幅175n
m、厚さ250nm、線間175nmのタングステンを
用いている。また、第1の層間絶縁膜層28および第2
の層間絶縁膜層32は共にシリコン酸化膜で構成し、第
1の層間絶縁膜層28の厚さを450,550,650
nmの3種類、第2の層間絶縁膜層30の厚さを85
0,900,950,1000,1050nmの5種類
としている。さらに、レジストパターン34は、幅17
5nm、ピッチ350nm(間隔175nm)、厚さ4
50nmとした。
測定装置10を用いて得られた、上記の半導体基板16
の反射光の波長スペクトルを示す図である。図4は、図
2の第1の層間絶縁膜層28の厚さを550nmに固定
し、第2の層間絶縁膜層32の厚さを850,900,
950,1000,1050nmと振ったときのスペク
トルを重ねて示している。一方、図5は、図2の第2の
層間絶縁膜層32の厚さを950nmに固定し、第1の
層間絶縁膜層28の厚さを450,550,650nm
と振ったときのスペクトルを重ねて示している。なお、
図4および図5では、図1の検出器24によって検出さ
れる反射光の波長領域は、900nmから1600nm
の赤外領域である。
グ深さ測定装置10の最大の特徴は、検出器24が検出
する反射光の波長領域を、図2に示した半導体基板16
上の第1の配線層30の間隔の2倍よりも大きい値とす
る点にある。このような値の波長領域を有する光は、第
1の配線層30を透過することができず、このため、エ
ッチング深さ測定装置10に得られる反射干渉波形に寄
与する層は、第1の配線層30よりも上方の層のみとな
る。一方、第1の配線層30よりも下方の層は、何ら反
射干渉波形に影響を及ぼすことはない。
である。図4から明らかなように、第1の配線層30よ
り上方に位置する第2の層間絶縁膜層32の厚さを85
0nmから1050nmまで変化させた場合、その変化
に伴って、波長スペクトルも変化していく。一方、図5
から明らかなように、第1の配線層30よりも下方に位
置する第1の層間絶縁膜層28の厚さを450nmから
650nmまで変化させても、得られる波長スペクトル
はほとんど変化しない。すなわち、第1の配線層30よ
り下方の第1の層間絶縁膜層28の厚さは、得られる波
長スペクトルの形状に影響を及ぼすことはない。
ッチング深さ測定装置10のエッチング深さの算出方法
について説明する。上記の半導体基板16の場合、レジ
ストパターン34の幅、間隔は、共に175nmであ
り、これらは検出される波長よりも十分短いものであ
る。したがって、このレジストパターン34は、レジス
トと真空の平均的な屈折率を有する均一な混合層である
とみなすことができる。すなわち、このレジストパター
ン34は、等価屈折率領域とみなすことができる(たと
えば、菊田久雄、Vol25, No.5, p543, O Plus E.参
照)。したがって、上記の半導体基板16の場合、第1
の配線層30よりも上層を、第2の層間絶縁膜32と混
合層(レジストパターン34)との多層膜とみなすこと
ができる。そして、この多層膜に対して、分光干渉反射
率の理論(たとえば、G. R. Fowles, Introduction to
Modern Optics, Dover Publications, Inc., New York
(1975)参照)を用いて、膜厚をパラメータとして測定値
をフィッティングすることにより、各層の厚さを算出す
ることができる。以上の算出方法は、図1の算出部26
によって実行され、この算出部26は、たとえば、ソフ
トウェアや、ハードウェア化されたプログラム等によっ
て実現可能である。
を示す断面図である。図6に示すように、この半導体基
板の主面上には、ゲート電極36が配置されている。ゲ
ート電極36を含む半導体基板16上には、図2の例と
同様に、第1の層間絶縁膜層38、および、配線構造を
有する第1の配線層40が順次配置されている。そし
て、第1の配線層40の上部には、第2の層間絶縁膜4
2が配置されており、この第2の層間絶縁膜層42の内
部に、後に第2の配線層が埋め込まれる配線溝が形成さ
れる。第2の層間絶縁膜層42上には、レジストパター
ン44が形成されており、このレジストパターン44が
エッチングマスクの役目を果たすことになる。ここで
も、図2の例の場合と同様、レジストパターン44と第
1の配線層40の配線パターンとは、直交しているもの
とする。もちろん、本発明は、この位置関係に限るもの
ではない。
層40よりも下方の層は、反射スペクトルに影響を与え
ることはない。この場合、第1の配線層40の上方の層
を、図6に示すように、第1の層Aと第2の層Bとから
成る多層膜とみなすことができる。ここで、第1の層A
は第2の層間絶縁膜層42に相当し、第2の層Bはレジ
スト44と真空とから成る混合層に相当する。そして、
第1の層Aの厚さを、上述した分光干渉反射率の理論に
基づいて算出することで、第2の層間絶縁膜層42の厚
さを求めることができる。
性イオンエッチングすることで、第2の層間絶縁膜層3
2の内部に複数の配線溝46を形成した場合について説
明する。図7は、図2の半導体基板16を反応性イオン
エッチングした後の断面図である。図7の場合、第1の
配線層30よりも上方の層は、第1の層C、第2の層D
および第3の層Eから成る多層膜とみなすことができ
る。ここで、第1の層Cは第1の層間絶縁膜層32aに
相当し、第2の層Dは層間絶縁膜層32bと真空とから
成る第1の混合層に相当し、第3の層Eはレジスト34
と真空とから成る第2の混合層に相当する。そして、第
2の層Dの厚さを算出することで、配線溝の深さを求め
ることができる。
の形態によれば、ドライエッチング工程における、エッ
チング深さを容易に、かつ、高精度に測定することが可
能となる。特に、本発明の第1の実施の形態によれば、
ダマシン加工によって多層配線構造を実現する場合、下
層の配線層より下層の構造からの影響を受けることな
く、上層の配線層を構成する配線溝の深さを高精度に測
定することが可能となる。したがって、多層配線構造を
実現する上で、本発明の工業的価値は非常に大である。
の実施の形態について説明する。図8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概略構成
図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1
の実施の形態において、光源12とビームスプリッター
18との間に偏光板48を配置し、半導体基板16への
入射光を偏光させるようにした例である。この第2の実
施の形態によれば、この入射光の偏光によって、より一
層精度良く、エッチング深さの測定が可能となる。
態の動作について説明する。図9は、図8のエッチング
深さ測定装置10aを用いて得られた、半導体基板16
の反射光の波長スペクトルを示す図である。ここで、測
定に用いた半導体基板16は、上記の第1の実施の形態
と同様の条件のものを用いている。図8の検出器24に
よって検出される反射光の波長領域は、350nmから
1000nmの可視光の領域である。また、図9におい
て、「偏光方向:平行」とは、半導体基板16への入射
光の電場方向が第1の配線層30の配線方向と平行であ
る場合を示し、「偏光方向:垂直」とは、半導体基板1
6への入射光の電場方向が第1の配線層30の配線方向
と直角である場合を示している。
させれば、反射スペクトルも変化することがわかる。こ
の変化は、以下に述べる理由によるものである。すなわ
ち、入射光の電場方向が第1の配線層30の配線方向に
直交する場合、入射光は第1の配線層30を透過してし
まう。このため、第1の配線層30の下部の第1の層間
絶縁膜層28の厚さが反射スペクトルに影響を及ぼして
しまう。一方、入射光の電場方向が第1の配線層30の
配線方向に平行である場合、入射光は第1の配線層30
を透過することができず、第1の配線層30で反射して
しまう。したがって、この場合、反射スペクトルは第1
の層間絶縁膜層28の厚さに影響されることはない。
さ測定装置10aは、上記の点に着目して構成されたも
のである。すなわち、多層配線構造を実現する場合にお
いて、既に形成済みの下層の配線方向に電場方向が平行
となるように、入射光の偏光状態を調節し、その電場方
向が調節された入射光を用いて、上層の配線溝の深さを
測定する。このため、下層配線より下の層の構造は、何
ら測定に影響を及ぼすことはなく、それにより、より一
層高精度に測定することが可能となる。
板16からの反射光が偏光板48を通過することを避け
るために、偏光板48を光源12とビームスプリッター
18との間に配置しているが、本発明はこの配置に限る
ものではない。たとえば、反射光が偏光板48を通過す
るようにしてももちろん構わない。具体的には、ビーム
スプリッター18とレンズ14との間、レンズ14と半
導体基板16との間に配置しても良い。
の実施の形態について説明する。図10は、本発明の第
3の実施の形態に係るエッチング装置の概略構成図であ
る。この第3の実施の形態は、周知のドライエッチング
装置に、上記の第1の実施の形態に係るエッチング深さ
測定装置10を設けた例を示すものである。図10に示
すように、この第3の実施の形態に係るエッチング装置
は、第1の実施の形態のエッチング深さ測定装置10を
備えることにより、ドライエッチング工程における、エ
ッチング深さを“in-situ”で測定し、さらに、その測
定結果をフィードバックすることで、エッチング深さを
高精度に制御して形成することを可能とする。図10で
は、第1の実施の形態に係るエチング深さ測定装置10
を備えた例を示しているが、第1の実施の形態に係るエ
ッチング装置10に替えて、上記の第2の実施の形態に
係るエッチング深さ測定装置10aを備え付けても良い
ことはもちろんである。
置では、エッチングチャンバー50内に下部電極52が
配置する。この下部電極52の上面には、エッチングさ
れる半導体基板16が載置される。また、下部電極52
は、マッチングネットワーク(図示しない)を介して、
高周波電源(図示しない)に接続する。
スをチャンバー50内に導入するためのガス供給管(図
示しない)、およびチャンバー50内のガスを排気する
排気管(図示しない)が設けられている。さらに、エッ
チングチャンバー50の上部には、たとえば石英ガラス
から成る計測窓54が配置されている。この計測窓54
を介して、半導体基板16への入射光チャンバー50内
に導入され、半導体基板16からの反射光がチャンバー
50内から取り出されることになる。
置では、エッチングチャンバー50内の下部電極52上
に半導体基板16が載置された後、反応性ガスがガス供
給管を介してチャンバー50内に導入される。そして、
この反応性ガスがプラズマ化されると、半導体基板16
に対するエッチング処理が実行される。このエッチング
処理中に、光源12から光が出力されると、この光は、
計測窓54を通過して半導体基板16に対して照射され
る。そして、半導体基板16上で反射した反射光は、計
測窓54を通過してチャンバー50の外に取り出され
る。この反射光は、ビームスプリッター18および光フ
ァイバー20を介して分光器22に導かれ、分光された
後、検出器24によって所定の波長領域の光が検出され
る。算出部26は、検出結果を受け取り、その検出結果
に基づいて、所定の位置のエッチング深さを算出する。
算出された結果は、エッチングチャンバー50内のエッ
チング状態を制御するエッチング制御部(図示しない)
に出力される。エッチング制御部は、その算出されたエ
ッチング深さをモニターし、エッチング状態の制御によ
って、所望のエッチング深さを実現する。
チング処理中であっても、チャンバー50内の半導体基
板16上に形成される溝の深さをリアルタイムに測定す
ることができる。このため、所望のエッチング深さが達
成できるように、エッチング時間の調整等を行なうこと
が可能となる。それにより、従来の時間管理のようにエ
ッチング状態の変動等に何ら影響を受けることなく、エ
ッチング深さを測定することができる。
配線溝の深さを高精度に測定することができるエッチン
グ深さ測定方法および装置を実現できる。
線溝の深さを、そのエッチング中に測定することで、そ
の深さの制御性を向上させることができるエッチング方
法を実現できる。
さ測定装置の概略構成図である。
る。
0の配線パターンとの位置関係を示す平面図である。
られる、半導体基板16の反射光の波長スペクトルの一
例を示す図である。
られる、半導体基板16の反射光の波長スペクトルの他
の一例を示す図である。
である。
である。
さ測定装置の概略構成図である。
得られる、半導体基板16の反射光の波長スペクトルの
一例を示す図である。
装置の概略構成図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 配線構造の上部に配置された絶縁膜層の
内部に形成されたエッチング溝を有する基板に対して光
を照射する工程と、 該基板からの反射光のうち、前記配線構造の配線間隔の
2倍よりも大きい波長を有する光を検出する工程と、 該検出された光の強度に基づいて、前記絶縁膜層の膜厚
およびエッチング溝の深さのうちの少なくとも一方を算
出する工程とを少なくとも含むことを特徴とするエッチ
ング深さ測定方法。 - 【請求項2】 前記光を照射する工程は、前記基板への
入射光の電場方向が、前記配線構造の配線方向に対して
平行となるように、前記光を偏光させる工程を含む、こ
とを特徴とする請求項1に記載のエッチング深さ測定方
法。 - 【請求項3】 配線構造の上部に配置された絶縁膜層の
内部に形成されたエッチング溝を有する基板に対して光
を照射する光源と、 該基板からの反射光のうち、前記配線構造の配線間隔の
2倍よりも大きい波長を有する光を検出する検出器と、 該検出器によって検出された光の強度に基づいて、前記
絶縁膜層の膜厚およびエッチング溝の深さのうちの少な
くとも一方を算出する算出部とを具備することを特徴と
するエッチング深さ測定装置。 - 【請求項4】 前記光源と前記基板との間に配置され、
前記基板への入射光の電場方向が、前記配線構造の配線
方向に対して平行となるように、前記光を偏光させる偏
光光学系を、さらに具備することを特徴とする請求項3
に記載のエッチング深さ測定装置。 - 【請求項5】 配線構造の上部に配置された絶縁膜層を
有する基板をエッチングチャンバーに搬入する工程と、 エッチングにより前記絶縁膜層の内部にエッチング溝を
形成する工程と、 該エッチング中に、前記エッチング溝の深さを一定時間
ごとに測定する工程とを少なくとも含み、 前記エッチング深さ測定工程は、さらに、 前記基板に対して光を照射するステップと、 前記基板からの反射光のうち、前記配線構造の配線間隔
の2倍よりも大きい波長を有する光を検出するステップ
と、 該検出された光の強度に基づいて、前記絶縁膜層の膜厚
およびエッチング溝の深さのうちの少なくとも一方を算
出するステップとを少なくとも含むことを特徴とするエ
ッチング方法。 - 【請求項6】 前記光を照射するステップは、前記基板
への入射光の電場方向が、前記配線構造の配線方向に対
して平行となるように、前記光を偏光させるステップを
含む、ことを特徴とする請求項5に記載のエッチング方
法。
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