(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面をマスクで覆ったマスク面とマスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、
所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、
前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、
前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、
前記反射干渉スペクトルに対し、干渉成分信号の抽出と波長−波数変換とを行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分との重ね合わせによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する光路差解析部と、
前記光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを補正前ピークとして抽出し、当該補正前ピークのピーク位置の光路差を補正前Ｂ−Ｃ干渉距離として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、
前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離に与えた光路差のずれ量と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して補正テーブルとして記憶させる補正テーブル部と、
前記３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光から算出した補正前Ｂ−Ｃ干渉距離とは独立にマスク厚さを算出するマスク厚さ計測部と、
前記マスク厚さと前記補正テーブルとから前記光路差のずれ量を算出し、前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離を当該光路差のずれ量で補正した補正後Ｂ−Ｃ干渉距離を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、
前記補正後Ｂ−Ｃ干渉距離と前記マスク厚さとからエッチング深さを算出するエッチング深さ算出部とを備えたことを特徴とするエッチングモニタ装置。
【請求項２】
前記マスク厚さ計測部は、マスク面ａと基板表面ｂとの２つの反射面だけの領域に測定光を照射して干渉測定を行うことによりマスク厚さを測定する請求項１に記載のエッチングモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチングプロセス中に被エッチング面と基板表面との段差であるエッチング深さをリアルタイムでモニタリングするエッチングモニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等に所望の溝や孔をパターン加工する際に、被エッチング面（溝や孔となる部分）を残して基板表面（エッチング処理が行われない表面）をマスク（フォトレジスト層）で覆ってマスク面とし、エッチングガスを用いてプラズマを発生させ、被エッチング面をエッチングするエッチングプロセスが用いられている。エッチングプロセスでは、被エッチング面を所望の深さまで加工するために、時間とともに変化するエッチング深さをリアルタイムでモニタリングすることが必要になる。
【０００３】
エッチング深さのモニタリングには、マスクで覆われた領域と、被エッチング面の領域との深さの差に伴う光の干渉を利用する方法が利用されている。
光干渉を利用したモニタリング方法の中でも最も利用されている方法は、単波長の光（単長光）を照射してエッチング深さの変化に伴う干渉強度の時間変化のモニタリングを行い、干渉強度の極大極小の波をカウントすることによりエッチング深さを計測する方法である（特許文献１〜４参照）。以下、単長光が示すエッチング深さ変化に伴う干渉強度の時間変化を利用したモニタリング方法を「時間変化モニタリング法」と称する。
【０００４】
また、光干渉を利用したもう１つのモニタリング方法として、ある程度の波長幅（波長帯域）を持つ光を照射し、その反射干渉スペクトルを利用する方法も開示されている。例えばウェハ表面膜の反射モデルから予測されるモデル予測スペクトル（理論値）を算出しておき、反射干渉光スペクトルの実測結果とのスペクトルフィッティング（カーブフィッティング）によりモニタリングを行う方法が開示されている（特許文献５）。以下、ある程度の波長幅を持つスペクトルが示すスペクトル干渉を利用する方法を「スペクトル干渉法」と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６４４４５号公報
【特許文献２】特開２００９−１５６８７６号公報
【特許文献３】特開２０００−２９２１２９号公報
【特許文献４】特開平１０−３２５７０８号公報
【特許文献５】特開２００４−２５３５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光の干渉を利用したエッチング深さのモニタリングでは、フォトレジストのマスク領域が存在する場合に、モニタリングに用いる干渉の時間変化やスペクトル干渉縞に、非常に周期（時間変化周期ｏｒスペクトル干渉縞の周期）が近い２つの光路が存在することになり、これらに起因して生じる測定の曖昧さが問題となる。以下、この現象について説明する。
【０００７】
図３は、基板表面ｂをマスクで覆ったマスク面ａと、マスクで覆われていない被エッチング面ｃとが形成された断面であり、エッチング深さｄ［ｕｍ］、マスク厚ｔ［ｕｍ］の試料（Ｓｉ基板）について、干渉計測した際の光の反射の様子を示す。試料からの反射光はマスク表面反射Ａ（反射Ａという）、基板表面反射（正確にはマスク／基板界面）Ｂ（反射Ｂという）、被エッチング面反射Ｃ（反射Ｃという）の３つの反射光が観測される。
【０００８】
反射Ａを基準としたそれぞれの反射光の光学的な光路長（光路差）は、マスク材料の屈折率をｎとすると、反射Ａでは０、反射Ｂでは２ｎｔ、反射Ｃでは２（ｄ＋ｔ）となる。それぞれの反射光は、その振幅をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとして次式(1)〜(3)で表される。
Ａ:  Aexp(kX+ωT+0/λ*2π)  …(1)
Ｂ:  Bexp(kX+ωT+2nt/λ*2π)  …(2)
Ｃ:  Cexp(kX+ωT+(d+t)/λ*2π)  …(3)
ここで、ｋは波数、Ｘは位置、ωは周波数、Ｔは時間である。
【０００９】
反射光の強度はそれぞれを加算し、次式(4)で表される。
|A+B+C|2
=|Aexp(kx+ωt+0/λ*2π)+Bexp(kx+ωt+2nt/λ*2π)+Cexp(kx+ωt+(d+t)/λ*2π)|2
=A2+B2+C2+2ABcos(2nt/λ*2π)+2BCcos(2(d+t-nt)/λ*2π)+2CAcos(2(d+t)/λ*2π)
…(4)
式（４）より、スペクトルにはＡ−Ｂ干渉（ａ面とｂ面による干渉）、Ｂ−Ｃ干渉（ｂ面とｃ面による干渉）、Ｃ−Ａ干渉（ｃ面とａ面による干渉）の３つのｃｏｓ関数（余弦関数）の干渉成分が現れることが分かる。
【００１０】
これらの３つの干渉成分のうち、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉の２つのｃｏｓ成分の位相が非常に近く、その差は−ｎｔである。
ここで、マスク厚ｔはエッチング深さｄと比較すると、エッチング中の時間変化が小さく、また絶対値も小さい。このことが光干渉を用いたエッチング深さのモニタリングに悪影響を及ぼすことになる。
以下、＜１＞時間変化モニタリング法、＜２＞スペクトル干渉法の双方に及ぼす問題点についてそれぞれ述べる。
【００１１】
＜１＞時間変化モニタリング法に関する問題点
一般にマスク材料は、被エッチング材料と比較してエッチングされる速度が非常に遅く（選択比が大きく）、ある波長における干渉強度の増減変化はＢ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉でほとんど差異がない（ｎｔの差が非常に小さい）。このため、その時間変化は２つの干渉のビート成分となり、ここから正確にエッチング深さを知ることは困難となる。以下さらに具体的な例で示す。
【００１２】
例えば、マスク面ａと被エッチング面ｃとの選択比を２０とすると、被エッチング材料がｄ［ｕｍ］エッチングされる間に、マスク厚ｔはｄ／２０［ｕｍ］削られる。マスク材料の屈折率をｎ＝１．５、エッチング開始前のマスク初期厚をｔ０とし、
t=t0-d/20
を式(4)の各干渉項に代入する。
【００１３】
式(4)の各干渉項は、式(5)〜(7)で表される。
Ａ−Ｂ干渉：  ABcos(0.15d/λ*2π＋3t0/λ*2π)  …(5)
Ｂ−Ｃ干渉：  BCcos(1.95d/λ*2π＋t0/λ*2π)  …(6)
Ｃ−Ａ干渉：  CAcos(2.1d/λ*2π＋2t0/λ*2π)  …(7)
【００１４】
式(6)(7)より、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉はエッチング深さｄの進行に対して、ｃｏｓ関数の位相成分の変化が非常に近い（増減の周期が近い）ために、これら２つの位相変化を独立して読み取るのは非常に困難である。この点を、さらに図を用いて説明する。
【００１５】
反射Ａ、Ｂ、Ｃの反射光の振幅（強度）Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれの領域面積に比例するものとする。測定面積と比較した被エッチング面ｃの面積（開口率）は一般に小さいので、反射光振幅（強度）は、
AorB>>C
であるとする。
【００１６】
Ａ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉のそれぞれの干渉成分の時間変化例を図４に示す。図４は波長０．８５ｕｍの光を用いて、マスク面と被エッチング面がエッチングされていく際の反射光強度の時間変化のシミュレーション結果であり、３つの反射干渉光を個別に示している。なお横軸は時間軸であるが、エッチング深さが時間に比例するものとして、横軸を「エッチング深さ」で表している（後述する図５、図６も同様である）。
式(5)〜(7)から得られるように、それぞれの干渉の増減周期は以下のような数値になっており、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉は非常に周期が近い。
Ａ−Ｂ干渉：  λ/0.15=5.67um
Ｂ−Ｃ干渉：  λ/1.95=0.44um
Ｃ−Ａ干渉：  λ/2.1=0.40um
【００１７】
図５は３つの干渉成分全てを足し合わせた時間変化データである。Ａ−Ｂ干渉による大きな振幅の干渉に、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉による小さな振幅の干渉が重畳された複雑な形状の時間変化データになっている。
図６は３つの干渉成分の中で最も大きな振幅成分であるマスク領域による変動（Ａ−Ｂ干渉）だけを取り除き、被エッチング面に起因する干渉項（Ｂ−Ｃ干渉およびＣ−Ａ干渉）を抽出したときの時間変化データである。このように、仮にＡ−Ｂ干渉だけを除去することができたとしても、増減変化は非常に周期の近い２つの干渉を足し合わせたビート成分となる。ビート成分の波形は節部分（振幅が小さい部分）が一部つぶれており、そのため、極大、極小のカウントや位相情報を正確に得ることが困難であり、正確にエッチング深さを導出するのは原理的に非常に困難であることが分かる。
【００１８】
＜２＞スペクトル干渉法に関する問題点
一般にマスク厚ｔは、エッチング深さｄと比較して非常に小さい（光路長が短い）ため、スペクトル干渉縞の周波数はＢ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉でほとんど差異がない（ｎｔの光路差が非常に小さい）。このため、スペクトル解析を行うことが非常に困難となる。以下さらに具体的な例で示す。
【００１９】
例えばマスク厚が２ｕｍ、被エッチング材料の深さが５０ｕｍである際の干渉成分は、マスク材料の屈折率をｎ＝１．５として式(4)の各干渉項に代入すると、次式(8)〜(10)で表される。
Ａ−Ｂ干渉：  ABcos(6/λ*2π)  …(8)
Ｂ−Ｃ干渉：  BCcos(98/λ*2π)  …(9)
Ｃ−Ａ干渉：  CAcos(104/λ*2π)  …(10)
【００２０】
式(9)(10)より、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉は波長?軸方向に対してｃｏｓ関数の位相成分の変化が非常に近い（周波数が近い）ために、２つの周波数を独立して読み取るのは非常に困難である。この点を、図を用いて説明する。
【００２１】
上記＜１＞の時間変化モニタリング法と同様に、シミュレーションによりスペクトル干渉縞を算出した。図７は波長０．８５ｕｍを中心に半値全幅１５ｎｍの波長帯域のスペクトルを持つ光源を想定し、マスク厚が２ｕｍ、被エッチング材料の深さが５０ｕｍとしたときのシミュレーション結果であり、３つの反射干渉光を個別に示したスペクトルデータである。
式(8)〜(10)から得られるように、それぞれの干渉縞の周期は波数（ω＝１／λ［ｎｍ−１］）領域で以下のような数値になっており、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉とは周期が非常に近い。
Ａ−Ｂ干渉：  1/6=0.1667nm-1
Ｂ−Ｃ干渉：  1/98＝0.0102nm-1
Ｃ−Ａ干渉：  1/104＝0.0096nm-1
【００２２】
図８は３つの干渉成分全てを足し合わせたスペクトルデータである。Ａ−Ｂ干渉による大きな振幅の干渉に、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉による小さな振幅の干渉が重畳された複雑な形状のスペクトルデータになっている。
図９は３つの干渉成分の中で最も大きな振幅成分であるマスク領域による変動（Ａ−Ｂ干渉）だけを取り除き、被エッチング面に起因する干渉項（Ｂ−Ｃ干渉およびＣ−Ａ干渉）を抽出したときのスペクトルデータである。この場合も、仮にＡ−Ｂ干渉だけを除去することができたとしても、その干渉縞は非常に周期の近い２つの干渉を足し合わせたビート成分となる。ビート成分の波形は一部がつぶれており、そのため、理論値とのカーブフィッティングで正確にエッチング深さを導出するのは原理的に非常に困難であることが分かる。
もしカーブフィッティングの際に誤って一周期ずれた位置にフィッティングしてしまうと、エッチング深さを大きく読み誤ることになるので、不適切なモニタリングを行ってしまうことになりかねない。
【００２３】
また、カーブフィッティングによる測定では、フィッティング精度を高めるためには膨大なデータを扱うことが必要になるので計算に時間がかかり、リアルタイムで処理を行うには計算に大きな負荷がかかることになり、それだけの処理能力を有した装置が必要になるという別の問題も有している。
【００２４】
以上のことから、光の干渉を利用してエッチング深さをモニタリングする手法ではマスク領域が存在することにより周期（時間変化周期ｏｒスペクトル干渉縞周期）が非常に近い２つの光路が存在する影響で、ビート状の変化が出現し、特に節部分での測定の曖昧さが問題となっていた。
【００２５】
そこで、本発明は干渉を生じうるマスク領域が存在することにより、非常に周期の近い２つの光路が存在して測定の曖昧さを生じさせてしまう場合であっても、エッチング深さを高い精度で計測することができるエッチングモニタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記課題を解決するためになされた本発明のエッチングモニタ装置は、基板表面をマスクで覆ったマスク面とマスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、前記反射干渉スペクトルに対し、干渉成分信号の抽出と波長−波数変換とを行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分との重ね合わせによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する光路差解析部と、前記光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを補正前ピークとして抽出し、当該補正前ピークのピーク位置の光路差を補正前Ｂ−Ｃ干渉距離として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離に与えた光路差のずれ量と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して補正テーブルとして記憶させる補正テーブル部と、前記３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光から算出した補正前Ｂ−Ｃ干渉距離とは独立にマスク厚さを算出するマスク厚さ計測部と、前記マスク厚さと前記補正テーブルとから前記光路差のずれ量を算出し、前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離を当該光路差のずれ量で補正した補正後Ｂ−Ｃ干渉距離を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、前記補正後Ｂ−Ｃ干渉距離と前記マスク厚さとからエッチング深さを算出するエッチング深さ算出部とを備えるようにしている。
【００２７】
本発明では、基板加工領域でのエッチング深さｄ（基板表面と被エッチング面との段差）のモニタリングを行う際にスペクトル干渉法での測定を行う。そのためＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉が含まれるスペクトルを生じうる波長帯域の測定光を基板加工領域に照射する。そして基板加工領域からの反射干渉光を分光計によって波長分散した反射干渉スペクトル（横軸が波長軸）に対し、ＤＣ成分を除いて干渉成分信号の抽出を行うとともに、波長−波数変換した反射干渉スペクトル（横軸が波数軸）を算出する。続いて反射干渉スペクトル（横軸が波数軸）に対する逆フーリエ変換によって、光路差ごとの強度分布（横軸光路差、縦軸スペクトル強度）を求める光路差解析を行う。
光路差解析により求めた光路差解析データには、Ａ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉に対応する干渉ピークが、対応する光路差の位置（横軸が光路差）に出現することになる。
【００２８】
これらのピークのうち、Ｂ−Ｃ干渉のピークがエッチング深さｄに対応するピークであるため、Ｂ−Ｃ干渉のピークを独立に抽出することができればよいことになる。しかしながら、Ｂ−Ｃ干渉は光路差が小さいＣ−Ａ干渉の影響を受けてピークが融合しているため、真のＢ−Ｃ干渉のピークを光路差解析データから独立に求めることが困難になっている。
すなわち、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉とは、マスク材料の屈折率をｎ、マスク厚をｔとすると光路差はｎｔとなるが、この値が小さいため、また、２つの反射干渉光が複素数の信号として重ね合わされるため、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉のピークは独立して出現せずに、融合した「複合干渉ピーク」となる。具体的には、Ｂ−Ｃ干渉成分にＣ−Ａ干渉成分が混ざりあい、１つのピークからなる「複合干渉ピーク」が出現する場合と、Ｂ−Ｃ干渉成分が主に含まれるピークとＣ−Ａ干渉成分が主に含まれるピークとの２つピークからなる「複合干渉ピーク」が出現する場合とが生じるようになる（後述する図１１参照）。なお、Ａ−Ｂ干渉によるピークは位置が大きく外れているので明らかに区別できる。
【００２９】
そこで、光路差解析データに出現するピークのうち、主にＢ−Ｃ干渉成分が含まれる「複合干渉ピーク」を抽出し、これを「補正前ピーク」とする。
すなわち、２つのピークが現れる複合干渉ピークのときは主にＢ−Ｃ干渉成分が含まれるピークを「補正前ピーク」とし、１つのピークが現れるときはそのピークを「補正前ピーク」とする。後述するが、２つのピークが生じた場合であっても、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉との反射率差や光路差の大小関係から、「補正前ピーク」として選択されるピークは値が大きく、光路差が小さい側のピークとして簡単に特定される。
【００３０】
「補正前ピーク」のピーク位置に対応する光路差（横軸の値）は、Ｂ−Ｃ干渉成分だけの真のピークを仮定した場合のピーク位置の光路差（Ｂ−Ｃ干渉の真の光路差）を基準にして、Ｃ−Ａ干渉の影響を「光路差のずれ量」（解析誤差）として加減された値となる。以下、「補正前ピーク」のピーク位置の光路差の値を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」と称する。
【００３１】
後述する演算式によって詳述するが、マスク面ａと基板表面ｂとの光路差ｎｔに起因する光路差の解析誤差を求めた結果、マスク面ａの反射光の強度Ａと基板表面ｂの反射光の強度Ｂとの比（式(1)(2)における振幅Ａ、Ｂの比Ａ／Ｂ）が一定で、マスク材料の屈折率ｎが一定であれば、光路差のずれ量は理論計算で求めることができ、しかもこの値は、マスク材料（屈折率ｎ）、マスク厚さｔに依存するが、エッチング深さｄや被エッチング面からの反射光の強度ｃ（式(3)の振幅ｃ）には依存しない。
そこで、補正テーブルとしてマスク厚さｔによる「光路差のずれ量」を算出して記憶しておき、エッチング中にマスク厚さｔだけを別の手段で独立にモニタリングして、補正テーブルから「光路差のずれ量」を算出するようにする。
【００３２】
マスク厚さｔのモニタリング方法としては、基板表面ｂにマスクが塗布されたマスク面ａに対し、基板加工領域に照射する測定光とは別のマスク厚用測定光を照射して周知の光学的な干渉計測法を採用することができる。この測定は基板表面ｂとマスク面ａとの２つの面だけによる単純な干渉であるので、例えば従来技術として説明した時間変化モニタリング法等で簡単に測定できる。
【００３３】
独立に測定したマスク厚さｔを補正テーブルに適用し、Ｂ−Ｃ干渉の真のピーク位置からの「光路差のずれ量」を求めて「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」を補正することにより、Ｂ−Ｃ干渉だけに対応する真の干渉距離が求められる。以下、補正後の値を「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」と称する。
そして、エッチング深さｄは、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」とマスク厚さｔとの光学的な関係から一意的に求めることができる。
【００３４】
このように、マスク材料（すなわち屈折率ｎ）が同じであれば、補正テーブルを作成しておくことで、エッチング量（エッチング時間）やエッチング速度にかかわらず、マスク厚さｔだけをモニタリングしさえすれば、基板加工領域からの測定光から求めた「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に対する補正量を定めることができるようになる。その結果、１つの補正テーブルを利用して、正確なＢ−Ｃ干渉距離である「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を求めることができるようになり、ひいては正確なエッチング深さ（基板表面と被エッチング面との距離）を求めることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、エッチング深さを計測する際に、フォトレジストのようなマスクが存在することに起因する曖昧さを解消することができるようになり、エッチング深さを高い精度で計測することができる。
また、マスク材料が同じで、加工される基板、測定光源が同じであれば、エッチング速度やエッチングの選択比に依存することなく、１つの補正テーブルを利用することができるので、同じ加工を繰り返して行う場合等に、精度の高い優れたエッチングモニタとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態であるエッチングモニタ装置の構成を示す図。
【図２】図１の装置によるモニタリング動作を説明するフローチャート。
【図３】基板加工領域の断面および干渉光の反射状態を示す図。
【図４】基板加工領域に波長８５０ｎｍの光源を用いて計測した際の３つの反射干渉光の時間変化を示した図。
【図５】図４の３つの反射干渉光を足し合わせた図。
【図６】図４のＢ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉のみを足し合わせた図。
【図７】基板加工領域に波長８５０ｎｍを中心に半値全幅１５ｎｍの波長帯域のスペクトルを持つ光源を用いて計測した際の２つの反射干渉光のスペクトルの図。
【図８】図７の３つの反射干渉光を足し合わせた図。
【図９】図７のＢ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉のみを足し合わせた図。
【図１０】基板加工領域に波長８５０ｎｍを中心に半値全幅１５ｎｍの波長帯域のスペクトルを持つ光源を用いて計測した際の２つの反射干渉光のスペクトルの図。
【図１１】２つのガウシアンが複素振幅の重ね合わせにより融合した模式図。
【図１２】Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置をエッチング深さｄ（光路差）に対してプロットしたグラフ。
【図１３】検出最大ピーク位置ｘを、真値とｘのずれ量Ｘ＝ｘ−２（ｔ＋ｄ−ｎｔ）に座標変換したときの強度分布ｆ（Ｘ）を示す図。
【図１４】マスク厚ｔに対する補正値Ｘ１の補正テーブルの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について説明する。最初に本発明での干渉現象の説明を行う。
【００３８】
＜反射干渉スペクトルの光路差解析データの具体例＞
図１０はエッチング深さｄが４０．００ｕｍ、マスク厚３．００ｕｍの際の反射干渉スペクトル例と、これに対する逆フーリエ変換による光路差解析の結果である光路差解析データとの一例を示す。
図１０（ａ）のスペクトルは中心波長が８５０ｎｍ、光源の帯域が２０ｎｍのガウス型スペクトルを想定し、図３で示した基板加工領域からの反射干渉スペクトル（横軸波長）を、式(4)に基づいて計算した結果である。図示は省略するが、この反射干渉スペクトルに対し、直流成分を除去する正規化を行って干渉成分信号を抽出するとともに、ｃｏｓ波を線形的に扱うために波長−波数変換による波数軸へ変換した反射干渉スペクトル（横軸波数軸）を算出する。
その上で、逆フーリエ変換（以下ＲＦＴ（Reverse  Fourie  transform）とも称する）を行うことにより、図１０（ｂ）に示す光路差ごとの強度分布を示している逆フーリエ変換後の信号（ＲＦＴ信号）による光路差解析データを算出する。ＲＦＴ信号は単純なガウス型ではなく２つのガウス型が融合したような形状をしている。これは、エッチング深さｄ、マスク厚ｔ、マスク屈折率ｎとして（図３）、光路差のピーク位置が２（ｄ＋ｔ−ｎｔ）［ｕｍ］であるＢ−Ｃ干渉と、ピーク位置が２（ｄ＋ｔ）［ｕｍ］のＣ−Ａ干渉とが複素振幅の重ね合わせにより融合したものである。融合後のピーク位置（信号の最大値を示す位置）は、２（ｄ＋ｔ−ｎｔ）［ｕｍ］または２（ｄ＋ｔ）［ｕｍ］のどちらも示さない。
【００３９】
図１１に、２つのガウシアンを複素振幅の重ね合わせにより融合した模式図を示す。図３から明らかなように、Ｂ−Ｃ干渉はＣ−Ａ干渉と比較し干渉距離が短く、またマスク面ａよりも基板表面ｂ（マスク／基板界面）の反射率が高いため、ＲＦＴによる光路差解析後の図１１のグラフではＢ−Ｃ干渉が左側に比較的大きい強度で出現し、右側にＣ−Ａ干渉が比較的小さい強度で出現する。ここで、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉の成分は複素振幅の重ね合わせとなるため、図１１（ａ）に示すように弱めあい、Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置が本来の位置よりも短距離側に検出される場合と、図１１（ｂ）に示すように互いに強めあい、Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置が本来の位置よりも長距離側に検出される場合があり、マスク厚ｔの厚みが測定波長の半分（光路長が往復となるため）の周期で２つの状態間を繰り返す。これら２つのピークは単なる強度の重ね合わせではなく複素振幅の重ね合わせのため、通常のピーク分離法を用いて分離することは不可能であり、スペクトル干渉縞の光路差解析によってエッチング深さをモニタリングする際に、数ミクロンオーダーの誤差を生み重大な問題を引き起こす。
【００４０】
図１２は、Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置をエッチング深さｄに対してプロットしたグラフを示す。上述した光路差解析データのグラフでは、（エッチング）深さ測定のピーク位置が実際のピーク位置（Ｂ−Ｃ干渉単独での真のピーク位置）に対して揺らぐ結果となる。
【００４１】
＜光路差のずれの定量的解析＞
そこで、（エッチング）深さ測定ピーク位置の、真のピーク位置に対するずれの量を定量的に見積もることを検討する。Ａ、Ｂ、Ｃの３つの光波が足しあわされた信号強度Ｉは、光源のスペクトル形状を幅σのガウシアンと仮定する。
すると、式(4)を用いて式(11a)で表される。
【００４２】
【数１】
0005888111.tif 000002
【００４３】
ここで、ｃｏｓ波のｘ軸を線形にプロットするために、波長λ軸を波数ω（＝１／λ軸）に変換し、式(11b)を得る。
【００４４】
【数２】
0005888111.tif 000003
【００４５】
ＤＣバイアスを除き、干渉成分のみを考える（正規化）と、取得スペクトルｓ（ω）は、式(12)となる。
【００４６】
【数３】
0005888111.tif 000004
【００４７】
式(12)の逆フーリエ変換Ｓ（ｘ）を考える。まず、Ｐｃｏｓ（Ｌω２π）ｅｘｐ｛−ａ（ω−ωｃ）２｝の逆フーリエ変換は、式(13)となる。
【００４８】
【数４】
0005888111.tif 000005
【００４９】
帯域σのガウシアンは式(13)で、ａ＝１／σ２なので、干渉信号ｓ（ω）の逆フーリエ変換Ｓ（ｘ）は、式(14)となる。
【００５０】
【数５】
0005888111.tif 000006
【００５１】
ここで、エッチングが十分に進行し、エッチング深さｄがマスク厚ｔよりも十分に大きくなったとき、つまり２ｎｔ＜＜ｄのとき、図１３に示すように検出最大ピーク位置ｘを、真値とｘのずれ量Ｘ＝ｘ−２（ｔ＋ｄ−ｎｔ）に座標変換すると、Ｘ＝０付近では第一項はゼロと考えられるために省略し、式(3)の第二項、第三項のみを考えると、その強度分布ｆ（Ｘ）は、式(15)で与えられる。
【００５２】
【数６】
0005888111.tif 000007
【００５３】
【数７】
0005888111.tif 000008
【００５４】
式(16)よりＸ１、つまり真値とのずれ量はマスク厚ｔ、マスク材料（屈折率ｎおよび反射率Ａ、Ｂ）、光源の帯域σ（または光源のスペクトル形状）にのみ依存し、エッチング深さｄや被エッチング材料からの反射光量Ｃには依存しないことが分かる。
【００５５】
したがって、式(16)の解を補正値として用いることにより、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉が混在したスペクトル干渉縞を、逆フーリエ変換（ＲＦＴ）による光路差解析結果のピーク位置を元にして上記補正値で補正することで、真の解（補正後Ｂ−Ｃ干渉距離）を得ることができる。
【００５６】
ただし、式(16)は解析的に解くことは困難であるので、補正式を用いるのではなく、図１４に示すような実測した光源スペクトルを基に数値解を計算した結果のマスク厚に対する補正値Ｘ１のテーブルを光路差解析結果に適応することによって、真の解を求めることになる。
【００５７】
算出された真の解である補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’は、図３に示される光学的関係から、
d'=2(d+t-nt)  …(17)
となるので、エッチング深さｄは、補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’とマスク厚さｔとから、
d=d'/(2-t+nt)  …(18)
を計算することにより求められる。
【００５８】
＜装置構成＞
次に、上述した動作原理を利用した本発明のエッチングモニタの装置構成の一例について説明する。
図１は本発明の一実施形態であるエッチングモニタ装置の概略構成図である。このエッチングモニタ装置１０は、例えばプラズマエッチング装置によりエッチング加工処理される試料１２に形成されるトレンチ深さなど、時々刻々と変化する距離をモニタリングする装置である。エッチングモニタ装置１０は、光源１１と、計測光学系１３と、分光部１４と、データ処理部１５とを備える。光源１１と計測光学系１３、また計測光学系１３と分光部１４とは光ファイバ１６を介して接続されている。
【００５９】
光源１１としては、反射干渉スペクトルを出現させることができる帯域を有すればよく、例えば中心波長が８３０ｎｍ、半値全幅が３０ｎｍであるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や、同程度の波長幅を有するその他の光源を用いることができる。この光源１１から発せられた測定光は入射側光ファイバ１６に取り込まれ、ファイバカプラ１７を介して光ファイバ１８中を進行し、光ファイバ１８先端より空間に射出される。光ファイバ１８端部から出射された測定光は、コリメートレンズ１９を介して試料１２上に照射される。
【００６０】
試料１２の基板加工領域における干渉の状態を同図内の拡大図を用いて説明する。エッチング中のトレンチ深さを計測する場合には、基板２３表面のレジスト層２４表面（マスク面）からの反射光２５と、レジスト層２４中に入り込んだ光に対する基板２３表面からの反射光２６と、トレンチ孔２８の底面（被エッチング面）からの反射光２７とが干渉する。これら３つの反射光２５〜２７はコリメートレンズ１９を光照射時とは逆に辿って光ファイバ１８に入射する。そして、ファイバカプラ１７を経て分光部１４に達する。光ファイバ１８を通って分光部１４に達するまでに、反射光は十分に干渉し干渉光となる。
分光部１４において干渉光は回折格子２９等の分光手段により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ等のアレイ検出器３０により所定の波長帯域の光が同時に検出される。アレイ検出器３０による各波長に対応した検出信号はデータ処理部１５に入力される。
【００６１】
また、基板２３にレジスト層２４だけが形成された領域に、レジスト層２４の厚さ（マスク厚）を光学的に計測するためのマスク計測部４０が設けられている。このマスク計測部４０は、例えば、光源４１、光ファイバ４２、ファイバカプラ４３、コリメートレンズ４４、分光器４５、検出器４６からなり、時間モニタリング法による干渉測定が行われる。すなわち、光源４１から単波長の測定光が照射され、基板２３、レジスト層２４（マスク面）で反射された測定光が検出器４６で検出され、データ処理部１５に入力される。
【００６２】
なお、マスク計測部４０によるマスク厚の光学的な計測についてはこれに限られず、スペクトル反射法による計測であってもよい。具体的には、例えば特許文献３（特開２０００−２９２１２９号公報）に記載されているスペクトル反射法でのマスク膜厚の測定手法を用いてもよい。
【００６３】
データ処理部１５はパーソナルコンピュータからなり、予めインストールされたデータ処理用ソフトウエアを実行することにより、データ処理部１５としての演算機能を発揮するようにしてある。
【００６４】
データ処理部１５が実行する演算処理を機能ごとにブロック化して説明すると、光路差解析部５１と、補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２と、マスク厚さ計測部５３と、Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４と、エッチング深さ算出部５５と、補正テーブル部５６とを備えている。
【００６５】
光路差解析部５１は、反射干渉スペクトルに対し、ＤＣ成分を除いて干渉成分信号の抽出を行い、波長−波数変換を行った上で、逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分との重ね合わせによって形成される１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する演算を行う（式(11a)〜(14)）。
【００６６】
補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２は、算出された光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを「補正前ピーク」として抽出し、補正前ピークのピーク位置の光路差を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として求める演算を行う。
【００６７】
補正テーブル部５６は、予め、Ｃ−Ａ干渉成分が「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に与えた「光路差のずれ量」とマスクのマスク厚さとの関係を式(16)により数値解で算出し、補正テーブルとしてデータ処理部１５のメモリに記憶する。なお、マスク材料を変更した場合のために、式(16)を記憶させて、必要なときにマスクの屈折率ｎ、反射率Ａ、Ｂ、光源の波長帯域σを入力すれば数値解を算出できるようにしておき、補正テーブルを更新するようにしてもよい。
【００６８】
マスク厚さ計測部５３は、マスク計測部４０からの検出信号により、光学的にマスク厚さを算出する演算を行う。
【００６９】
Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４は、マスク厚さ計測部５３により算出されたマスク厚さと記憶された補正テーブルとから「光路差のずれ量」を算出し、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」を「光路差のずれ量」で補正した「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出する演算を行う。
【００７０】
エッチング深さ算出部５５は、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」とマスク厚さとから式(18)によりエッチング深さを算出する演算を行う。
【００７１】
次に、エッチングモニタ装置１０による計測動作について、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
エッチングの開始とともにトレンチ深さの計測が開始されると、データ処理部１５は所定時点で観測信号を取得する（Ｓ１０１）。具体的には分光部１４のアレイ検出器３０で所定の波長範囲に亘るスペクトルデータを取り込む処理を行う。同時にマスク計測部４０からのレジスト膜厚（マスク厚）の計測のための干渉信号を取り込む処理も行う。
【００７２】
取得した観測信号から、図８（ａ）に示すようなスペクトルデータ（横軸が波長軸）が得られるので、これを波数軸に変換（式(11b)に相当）する（Ｓ１０２）。
【００７３】
続いて、ＤＣバイアススペクトルを差し引いて干渉成分信号のみを抽出する正規化（式(12)に相当）を行う（Ｓ１０３）。
【００７４】
続いて、波数軸に変換した正規化後スペクトルデータを、逆フーリエ変換（ＲＦＴ；式(14)に相当）する。その結果、図８（ｄ）に示すような光路差解析データ（横軸が光路差）を得る（Ｓ１０４）。
【００７５】
ＲＦＴ後、光路差解析データのグラフに現れるピーク信号に対し、例えばガウスフィットのような手法を用いて最大値のピーク位置を検出する（Ｓ１０５）。このとき、図９（ａ）のようにピークが２つに分離される場合には左側（短距離側）のピーク信号を検出対象とするが、通常左側ピークのほうが比較的強度が大きいため、ピークが１つの場合と２つの場合どちらにおいても最大値の位置を検出して差し支えない。
ここで、ピーク位置を検出したことにより、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれる「補正前ピーク」が抽出されたことになる。そして「補正前ピーク位置」の横軸から「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」が求められる。
【００７６】
一方、「補正前ピーク」とは別に、マスク計測部４０からの信号によりマスク厚ｔを計測する（Ｓ１０６）。
【００７７】
そして、予め記憶させてある補正テーブル（図１４）とマスク厚ｔとを用いて、Ｃ−Ａ干渉の融合に起因する「光路差のずれ量」を算出する（Ｓ１０７）。
【００７８】
続いて「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に対し、「光路差のずれ量」で補正することにより、真のＢ−Ｃ干渉距離の値である「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」を算出する（Ｓ１０８）。
【００７９】
続いて「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」を用いて、式(18)によりエッチング深さｄを算出する（Ｓ１０９）。
【００８０】
以上の処理により、マスク領域が存在することにより、ビート状の変化が出現する場合でも、正確なエッチング深さの計測が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、エッチングモニタ装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０  エッチングモニタ装置
１１  スーパールミネセントダイオード（光源）
１３  計測光学系
１４  分光部
１５  データ処理部
２３  基板
２４  レジスト層（マスク）
２５、２６、２７  反射光
２８  トレンチ孔底面（エッチング面）
５１  光路差解析部
５２  補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部
５３  マスク厚さ計測部
５４  Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部
５５  エッチング深さ算出部
５６  補正テーブル部
【図１】
0005888111.tif 000009
【図２】
0005888111.tif 000010
【図３】
0005888111.tif 000011
【図４】
0005888111.tif 000012
【図５】
0005888111.tif 000013
【図６】
0005888111.tif 000014
【図７】
0005888111.tif 000015
【図８】
0005888111.tif 000016
【図９】
0005888111.tif 000017
【図１０】
0005888111.tif 000018
【図１１】
0005888111.tif 000019
【図１２】
0005888111.tif 000020
【図１３】
0005888111.tif 000021
【図１４】
0005888111.tif 000022