(57)【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライエッチング工程における、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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程では従来より、配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。
【０００３】
しかしながら、近年の半導体装置の高集積化、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来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。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決し、ダマ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。
【０００６】
本発明の他の目的は、ダマシン加工における配線溝の深さを、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、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。
【０００８】
本発明によれば、入射光の波長の１／２よ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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実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。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、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１２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。
【００１１】
次に、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被測定対象である半導体基板１６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。
【００１２】
次に、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１７５ｎｍ、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４５０，５５０，６５０ｎｍの３種類、第２の層間絶縁膜層３０の厚さを８５０，９００，９５０，１０００，１０５０ｎｍの５種類としている。さらに、レジストパターン３４は、幅１７５ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍ（間隔１７５ｎｍ）、厚さ４５０ｎｍとした。
【００１３】
図４および図５は、図１のエッチング深さ測定装置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。
【００１４】
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。
【００１５】
上記のことは、図４および図５から明らかである。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８５０ｎｍ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。
【００１６】
次に、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。
【００１７】
図６は、図１の半導体基板１６の他の一例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４２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。
【００１８】
図６の場合、図２の例と同様、第１の配線層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。
【００１９】
次に、図２に示した半導体基板１６を反応性イオンエッチングすることで、第２の層間絶縁膜層３２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。
【００２０】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、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。
【００２１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２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。
【００２２】
以下、具体的に、本発明の第２の実施の形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の配線方向と直角である場合を示している。
【００２３】
図９から明らかなように、偏光方向を変化させれば、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。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態のエッチング深さ測定装置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。
【００２５】
本発明の第２の実施の形態では、半導体基板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。
【００２６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３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。
【００２７】
本発明の第３の実施の形態のエッチング装置では、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。
【００２８】
エッチングチャンバー５０には、反応性ガスをチャンバー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。
【００２９】
本発明の第３の実施の形態のエッチング装置では、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。
【００３０】
本発明の第３の実施の形態によれば、エッ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。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ダマ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実現できる。
【００３２】
本発明によれば、ダマシン加工における配線溝の深さを、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実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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概略構成図である。
【図２】図１の半導体基板１６の一例を示す断面図である。
【図３】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４】図１のエッチング深さ測定装置１０によって得られる、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。
【図５】図１のエッチング深さ測定装置１０によって得られる、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。
【図６】図１の半導体基板１６の他の一例を示す断面図である。
【図７】図１の半導体基板１６の他の一例を示す断面図である。
【図８】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。
【図９】図８のエッチング深さ測定装置１０ａによって得られる、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。
【図１０】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。
【符号の説明】
１０  エッチング深さ測定装置
１２  光源
１４  レンズ
１６  半導体基板
１８  ビームスプリッター
２０  光ファイバー
２２  分光器
２４  検出器
２６  算出部
２８，３８  第１の層間絶縁膜
３０，４０  第１の配線層
３２，４２  第２の層間絶縁膜
３４，４４  レジストパターン
３６  ゲート電極
４６  配線溝
４８  偏光板
５０  エッチングチャンバー
５２  下部電極
５４  計測窓
【図１】
0003713426.tif 000002
【図２】
0003713426.tif 000003
【図３】
0003713426.tif 000004
【図４】
0003713426.tif 000005
【図５】
0003713426.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003713426.tif 000008
【図８】
0003713426.tif 000009
【図９】
0003713426.tif 000010
【図１０】
0003713426.tif 000011