(57)【要約】【課題】マスク層の種類に関わらず，被エッチング層のエッチング量を正確に検出する。【解決手段】光Ｌａの一部は，フォトレジストマスク層３１６の上面で反射し，反射光Ｌａ１が得られる。光Ｌａの他の一部は，ホールＨの底面で反射し，反射光Ｌａ２が得られる。反射光Ｌａ１と反射光Ｌａ２は，相互に干渉し合い干渉光Ｌａｉを生じさせる。光Ｌｂの一部は，フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４の界面で反射し，反射光Ｌｂ１が得られる。光Ｌｂの他の一部は，フォトレジストマスク層３１６の上面で反射し，反射光Ｌｂ２が得られる。反射光Ｌｂ１と反射光Ｌｂ２は，相互に干渉し合い干渉光Ｌｂｉを生じさせる。干渉光Ｌａｉと干渉光Ｌｂｉを用いて，ポリシリコン膜３０４のエッチング量を算出する。【選択図】    図６
2004363367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層に対してエッチング処理を施す際に，前記被エッチング層のエッチング量を検出する方法であって，
前記被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，前記第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射する工程と，
前記第１の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，前記第１の光が前記被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出する工程と，
前記第２の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，前記第２の光が前記マスク層と前記被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する工程と，
前記第１の干渉光と前記第２の干渉光に基づいて，前記被エッチング部のエッチング量を算出する工程と，
を有することを特徴とする，エッチング量検出方法。
【請求項２】
前記マスク層は，感光性材料から成り，
前記第１の波長は，前記感光性材料の感光波長よりも短く，
前記第２の波長は，前記感光性材料の感光波長よりも長いことを特徴とする，請求項１に記載のエッチング量検出方法。
【請求項３】
前記第１の干渉光と前記第２の干渉光に基づいて，前記被エッチング部のエッチング量を算出する工程は，
前記第１の干渉光に基づいて，前記マスク層の表面と前記被エッチング部の底面との高低差を算出する工程と，
前記第２の干渉光に基づいて，前記マスク層のエッチング量を算出する工程と，
前記マスク層の表面と前記被エッチング部の底面との高低差に，前記マスク層のエッチング量を加算する工程と，
を含むことを特徴とする，請求項１または２に記載のエッチング量検出方法。
【請求項４】
前記被エッチング層は，シリコン含有膜から成ることを特徴とする，請求項１〜３に記載のエッチング量検出方法。
【請求項５】
パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層をエッチングする方法であって，
前記被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，前記第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射する工程と，
前記第１の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，前記第１の光が前記被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出する工程と，
前記第２の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，前記第２の光が前記マスク層と前記被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する工程と，
前記第１の干渉光と前記第２の干渉光に基づいて，前記被エッチング部のエッチング量を算出する工程と，
を有することを特徴とする，エッチング方法。
【請求項６】
パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層に対してエッチング処理を施すエッチング装置であって，
前記被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，前記第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射する光源と，
前記第１の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，前記第１の光が前記被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出し，さらに，前記第２の光が前記マスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，前記第２の光が前記マスク層と前記被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する光検出部と，
前記第１の干渉光と前記第２の干渉光に基づいて，前記被エッチング部のエッチング量を算出する演算部と，
を備えることを特徴とする，エッチング装置。
【請求項７】
前記マスク層は，感光性材料から成り，
前記第１の波長は，前記感光性材料の感光波長よりも短く，
前記第２の波長は，前記感光性材料の感光波長よりも長いことを特徴とする，請求項６に記載のエッチング装置。
【請求項８】
前記演算部は，
前記第１の干渉光に基づいて，前記マスク層の表面と前記被エッチング部の底面との高低差を算出し，
前記第２の干渉光に基づいて，前記マスク層のエッチング量を算出し，
前記マスク層の表面と前記被エッチング部の底面との高低差に，前記マスク層のエッチング量を加算することによって前記被エッチング部のエッチング量を算出することを特徴とする，請求項６または７に記載のエッチング装置。
【請求項９】
前記被エッチング層は，シリコン含有膜から成ることを特徴とする，請求項６〜８に記載のエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，エッチング量検出方法，エッチング方法，およびエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いたエッチング処理は，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。このエッチング処理に用いられるエッチング装置は，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る。そして，下部電極に半導体ウェハ等の被処理体を載置し，上部電極と下部電極間の放電によってエッチング用ガスにプラズマを発生させ，所定の形状にパターニングされたマスク層を用いて被エッチング層をエッチングする。
【０００３】
このような被エッチング層のエッチング状態を監視する方法の一つとして，発光分光分析法が提案されている。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において，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，被エッチング層のエッチングの深さ（エッチング量）を知ることはできない。
【０００４】
また，例えば特許文献１には，エッチング量を検出できるエッチング装置が開示されている。このエッチング装置によれば，処理室の外側の光源から所定の波長の光が射出され，この光が上部電極に設けられた観測用の窓を介して被処理体に照射される。この照射光の一部は，マスク層と被エッチング層との界面で反射し，他の一部は被エッチング層の被エッチング部（エッチングホールまたはエッチング溝）の底面で反射する。これら２つの反射光から生じる干渉光（干渉波）は，検出器によって検出され光電変換される。さらに，光電変換された信号は，増幅されディジタル化された後に，波形解析手段において周波数解析される。そして，これらの信号処理の結果得られる干渉波の周波数分布に基づいてエッチング量が算出される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−７１５１７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記の特許文献１に記載されたような技術では，マスク層の種類によっては，エッチング量を正確に検出できない場合がある。例えば，マスク層が，光源から射出される光の波長において大きい吸収係数を有する場合，光源から射出された光がマスク層を透過しなくなり，マスク層と被エッチング層との界面からの反射光が得られなくなる。この界面からの反射光が得られなければ，被エッチング層のエッチング量の算出は困難となる。
【０００７】
マスク層と被エッチング層との界面からの反射光が得られない場合，この界面からの反射光に代えて，マスク上面からの反射光に着目し，この反射光と被エッチング層の被エッチング部の底面からの反射光との干渉波を検出するようにしてもよい。ただしこの場合，マスク層と被エッチング層とのエッチング選択比が極めて大きくなるように，マスク層の構成材料を選定する必要がある。被エッチング層のエッチングが進んだときにマスク層もエッチングされてしまうと，基準面になるべきマスク層の上面の高さがエッチング開始時に比べて低くなってしまい，被エッチング層のエッチング量が正しく算出できなくなる。
【０００８】
本発明は，上記問題点に鑑みてなされたものであり，その目的は，マスク層の種類に関わらず，被エッチング層のエッチング量を正確に検出することが可能な，新規かつ改良されたエッチング量検出方法，エッチング方法，およびエッチング装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層に対してエッチング処理を施す際に，被エッチング層のエッチング量を検出する方法が提供される。そして，このエッチング量検出方法は，被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射する工程と，第１の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，第１の光が被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出する工程と，第２の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，第２の光がマスク層と被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する工程と，第１の干渉光と第２の干渉光に基づいて，被エッチング部のエッチング量を算出する工程とを有することを特徴としている。
【００１０】
また，上記課題を解決するため，本発明の第２の観点によれば，パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層をエッチングする方法が提供される。そして，このエッチング方法は，被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射する工程と，第１の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，第１の光が被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出する工程と，第２の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，第２の光がマスク層と被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する工程と，第１の干渉光と第２の干渉光に基づいて，被エッチング部のエッチング量を算出する工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
かかるエッチング量検出方法およびエッチング方法によれば，マスク層の種類に応じて，第１の光の波長（第１の波長）と第２の光の波長（第２の波長）をそれぞれ調整し，第１の干渉光と第２の干渉光を正確に検出することが可能となる。この結果，マスクの種類に関わらず，被エッチング部のエッチング量を高い精度で算出することができるようになる。
【００１２】
また，第１の干渉光と第２の干渉光に基づいて，被エッチング部のエッチング量を算出する工程は，第１の干渉光に基づいて，マスク層の表面と被エッチング部の底面との高低差を算出する工程と，第２の干渉光に基づいて，マスク層のエッチング量を算出する工程と，マスク層の表面と被エッチング部の底面との高低差に，マスク層のエッチング量を加算する工程とを含むことが好ましい。この方法によれば，被エッチング部のエッチング量が容易に算出される。
【００１３】
また，上記課題を解決するため，本発明の第３の観点によれば，パターニングされたマスク層をマスクとして被処理体上の被エッチング層に対してエッチング処理を施すエッチング装置が提供される。そして，このエッチング装置は，光源，光検出部，および演算部を備えている。このうち，光源は，被処理体に対して，第１の波長を有する第１の光を照射するとともに，第１の波長と異なる第２の波長を有する第２の光を照射するものである。また，光検出部は，第１の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第１の反射光と，第１の光が被エッチング層においてエッチングされた被エッチング部の底面で反射することによって得られる第２の反射光とが干渉して生じる第１の干渉光を検出し，さらに，第２の光がマスク層の表面で反射することによって得られる第３の反射光と，第２の光がマスク層と被エッチング層の界面で反射することによって得られる第４の反射光とが干渉して生じる第２の干渉光を検出する。また，演算部は，第１の干渉光と第２の干渉光に基づいて，被エッチング部のエッチング量を算出する。
【００１４】
このエッチング装置によれば，光源は，マスク層の種類に応じて，第１の光の波長（第１の波長）と第２の光の波長（第２の波長）をそれぞれ調整し，被処理体に照射する。このため，光検出部は，第１の干渉光と第２の干渉光を的確に検出することが可能となる。そして，演算部は，被エッチング部のエッチング量を高い精度で算出することができるようになる。
【００１５】
また，演算部は，第１の干渉光に基づいて，マスク層の表面と被エッチング部の底面との高低差を算出し，第２の干渉光に基づいて，マスク層のエッチング量を算出し，さらに，マスク層の表面と被エッチング部の底面との高低差に，マスク層のエッチング量を加算することによって被エッチング部のエッチング量を算出することが好ましい。この構成によって，被エッチング部のエッチング量が容易に算出される。
【００１６】
マスク層が感光性材料から構成される場合，第１の波長を感光性材料の感光波長よりも短く，第２の波長を感光性材料の感光波長よりも長く設定することが好ましい。これによって，第１の干渉光に基づいて，マスク層の表面と被エッチング部の底面との高低差をより精度よく算出することができる。また，第２の光を，マスク層を透過させ，マスク層と被エッチング層の界面で反射させることが可能となる。
【００１７】
被エッチング層については，これをシリコン含有膜から構成するようにしてもよい。
【００１８】
なお，本明細書において，１ｍＴｏｒｒは（１０−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０−６／６０）ｍ３／ｓｅｃとする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるエッチング量検出方法，エッチング方法，およびエッチング装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
（エッチング装置）
本実施の形態にかかるエッチング装置の一例として，平行平板型のプラズマエッチング装置１０１の概略構成を図１に示す。
【００２１】
このエッチング装置１０１は，例えば表面が陽極酸化処理（アルマイト処理）されたアルミニウムから成る円筒形状に成形されたチャンバ（処理容器）１０２を有しており，このチャンバ１０２は接地されている。チャンバ１０２内の底部にはセラミックなどの絶縁板１０３を介して，ウェハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台１０４が設けられている。このサセプタ支持台１０４の上には，下部電極を構成するサセプタ１０５が設けられている。このサセプタ１０５にはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０６が接続されている。
【００２２】
サセプタ支持台１０４の内部には，温度調節媒体室１０７が設けられている。そして，導入管１０８を介して温度調節媒体室１０７に温度調節媒体が導入，循環され，排出管１０９から排出される。このような温度調節媒体の循環により，サセプタ１０５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００２３】
サセプタ１０５は，その上側中央部が凸状の円板状に成形され，その上にウェハＷと略同形の静電チャック１１１が設けられている。静電チャック１１１は，絶縁材の間に電極１１２が介在された構成となっている。静電チャック１１１は，電極１１２に接続された直流電源１１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加される。これによって，ウェハＷが静電チャック１１１に静電吸着される。
【００２４】
そして，絶縁板１０３，サセプタ支持台１０４，サセプタ１０５，および静電チャック１１１には，被処理体であるウェハＷの裏面に，伝熱媒体（例えばＨｅガスなどのバックサイドガス）を供給するためのガス通路１１４が形成されている。この伝熱媒体を介してサセプタ１０５とウェハＷとの間の熱伝達がなされ，ウェハＷが所定の温度に維持される。
【００２５】
サセプタ１０５の上端周縁部には，静電チャック１１１上に載置されたウェハＷを囲むように，環状のフォーカスリング１１５が配置されている。このフォーカスリング１１５は，セラミックスもしくは石英などの絶縁性材料，または導電性材料によって構成されている。フォーカスリング１１５が配置されることによって，エッチングの均一性が向上する。
【００２６】
また，サセプタ１０５の上方には，このサセプタ１０５と平行に対向して上部電極１２１が設けられている。この上部電極１２１は，絶縁材１２２を介して，チャンバ１０２の内部に支持されている。上部電極１２１は，サセプタ１０５との対向面を構成し多数の吐出孔１２３を有する電極板１２４と，この電極板１２４を支持する電極支持体１２５とによって構成されている。電極板１２４は例えば石英から成り，電極支持体１２５は例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムなどの導電性材料から成る。なお，サセプタ１０５と上部電極１２１との間隔は，調節可能とされている。
【００２７】
上部電極１２１における電極支持体１２５の中央には，ガス導入口１２６が設けられている。このガス導入口１２６には，ガス供給管１２７が接続されている。さらにこのガス供給管１２７には，バルブ１２８およびマスフローコントローラ１２９を介して，処理ガス供給源１３０が接続されている。
【００２８】
この処理ガス供給源１３０から，プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお，図１には，ガス供給管１２７，バルブ１２８，マスフローコントローラ１２９，および処理ガス供給源１３０等から成る処理ガス供給系を１つのみ示しているが，エッチング装置１０１は，複数の処理ガス供給系を備えている。例えば，ＣＦ４，Ｏ２，Ｎ２，ＣＨＦ３等のエッチングガスが，それぞれ独立に流量制御され，チャンバ１０２内に供給される。
【００２９】
チャンバ１０２の底部には排気管１３１が接続されており，この排気管１３１には排気装置１３５が接続されている。排気装置１３５は，ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており，チャンバ１０２内を所定の減圧雰囲気（例えば０．６７Ｐａ以下）に調整する。また，チャンバ１０２の側壁にはゲートバルブ１３が設けられている。このゲートバルブ１３２が開くことによって，チャンバ１０２内へのウェハＷの搬入，および，チャンバ１０２内からのウェハＷの搬出が可能となる。なお，ウェハＷの搬送には例えば，ウェハカセットが用いられる。
【００３０】
上部電極１２１には，第１の高周波電源１４０が接続されており，その給電線には第１の整合器１４１が介挿されている。また，上部電極１２１にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４２が接続されている。この第１の高周波電源１４０は，５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有する電力を出力することが可能である。このように高い周波数の電力を上部電極１２１に印加することにより，チャンバ１０２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ，従来と比べて低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。第１の高周波電源１４０の出力電力の周波数は，５０〜８０ＭＨｚが好ましく，典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の周波数に調整される。
【００３１】
下部電極としてのサセプタ１０５には，第２の高周波電源１５０が接続されており，その給電線には第２の整合器１５１が介挿されている。この第２の高周波電源１５０は数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有する電力を出力することが可能である。このような範囲の周波数の電力をサセプタ１０５に印加することにより，被処理体であるウェハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源１５０の出力電力の周波数は，典型的には図示した２ＭＨｚまたは１３．５６ＭＨｚ等に調整される。
【００３２】
（エッチング量検出装置）
さらに，本実施の形態にかかるエッチング装置１００は，図２に示すように，エッチング量検出装置２００を備えている。このエッチング量検出装置２００は，集光レンズ２０２，光ファイバ２０４，光源２０６，ポリクロメータ（光検出部）２０８，および演算部２１０から構成されている。光源２０６は，例えばキセノンランプ，タングステンランプ，各種レーザ，あるいはこれらの組み合わせによって構成されており，１種類の光Ｌａまたは少なくとも波長の異なる２種類の光Ｌａ，Ｌｂを出射することが可能である。
【００３３】
上部電極１２１には，筒状の観察部１６０が設けられている。この観察部１６０の上端には，例えば石英ガラスによって構成された窓部１６２が設けられている。観察部１６０は，窓部１６２に対向して設けられた集光レンズ２０２および光ファイバ２０４によって，光源２０６およびポリクロメータ２０８に光学的に接続されている。
【００３４】
光源２０６から出射された光Ｌａ，Ｌｂは，光ファイバ２０４を経由し，観察部１６０を介してウェハＷに照射される。光ＬａがウェハＷの高低差のある複数の箇所で反射すると，これら複数の反射光（例えば，反射光Ｌａ１，Ｌａ２）は相互に干渉し合い干渉光Ｌａｉを生じさせる。同様に，光ＬｂがウェハＷの高低差のある複数の箇所で反射すると，これら複数の反射光（例えば，反射光Ｌｂ１，Ｌｂ２）は相互に干渉し合い干渉光Ｌｂｉを生じさせる。各干渉光Ｌａｉ，Ｌｂｉは，光ファイバ２０４を経由してポリクロメータ２０８に達し，ここで検出される。
【００３５】
演算部２１０は，ポリクロメータ２０８に検出された各干渉光Ｌａｉ，Ｌｂｉの光強度変化に基づいて，ウェハＷの被エッチング層のエッチング量を算出する。制御部２２０は，演算部２１０による演算結果に従って，第１の高周波電源１４０，第１の整合器１４１，第２の高周波電源１５０，および第２の整合器１５１を制御する。これによって，被エッチング層のエッチング速度を調整し，またエッチングを停止することが可能となる。エッチング量検出装置２００の動作の詳細については後述する。
【００３６】
（ウェハの膜構造）
次に，本実施の形態にかかるエッチング量検出方法の適用を受けるウェハの膜構造の具体例について図３および図４を参照しながら説明する。
【００３７】
図３に示した膜構造と図４に示した膜構造の相違点は，被エッチング層であるポリシリコン膜３０４の上に形成されるマスクにある。すなわち，図３に示した膜構造は，酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）から成るマスク層３０６を有し，図４に示した膜構造は，フォトレジスト材（感光性材料）から成るマスク層３１６を有する。
【００３８】
図３に示した酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）から成るマスク層３０６を有する膜構造は以下のようにして形成される。
【００３９】
まず，例えば直径２００ｍｍのシリコン基板３００の上面に，ゲート酸化膜（例えばＳｉＯ２膜）３０２を形成する。
【００４０】
次に，ゲート酸化膜３０２の上全面に被エッチング層としてのポリシリコン膜３０４を形成する。
【００４１】
次いで，ポリシリコン膜３０４上に，酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）を堆積させ，さらにその上にフォトレジスト材を塗布し，フォトレジスト膜（図示せず）を形成する。
【００４２】
続いて，フォト・リソグラフィ法を用いてフォトレジスト膜を所定の形状にパターニングしてフォトレジストマスク（図示せず）を形成する。そして，このフォトレジストマスクを用いてポリシリコン膜３０４上の酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）を選択的にエッチング除去して，マスク層３０６を形成する。この酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）から成るマスク層３０６は，ポリシリコン膜３０４との間で高いエッチング選択性が得られる。以下，このマスク層を「ハードマスク層」３０６と言う。
【００４３】
以上の工程を経て，図３に示した膜構造を有するウェハが得られる。これに対して，図４に示したフォトレジスト材から成るマスク層３１６を有する膜構造は以下のようにして形成される。
【００４４】
まず，例えば直径２００ｍｍのシリコン基板３００の上面に，ゲート酸化膜（例えばＳｉＯ２膜）３０２を形成する。
【００４５】
次に，ゲート酸化膜３０２の上全面に被エッチング層としてのポリシリコン膜３０４を形成する。
【００４６】
次いで，ポリシリコン膜３０４上にフォトレジスト材を塗布し，フォトレジスト膜を形成する。
【００４７】
続いて，フォト・リソグラフィ法を用いてフォトレジスト膜を所定の形状にパターニングしてマスク層３１６を形成する。以下，このマスク層を「フォトレジストマスク層」３１６と言う。
【００４８】
以上の工程を経て，図４に示した膜構造を有するウェハが得られる。
【００４９】
本実施の形態によれば，図３および図４に示したマスク層の種類が異なるウェハのいずれに対してもエッチング処理が可能であり，またエッチング処理中のエッチング量検出が可能である。ただし，本実施の形態の主たる特徴は，図４に示したフォトレジストマスク層３１６を有するウェハに対するエッチング処理中のエッチング量検出動作およびこの動作に関連する装置構成にある。この特徴がより明確となるように，まず，図３に示したハードマスク層３０６を有するウェハに対するエッチング処理動作および並行して行われるエッチング量検出動作について説明する。その後に，これと比較する形で，図４に示したフォトレジストマスク層３１６を有するウェハに対するエッチング処理動作および並行して行われるエッチング量検出動作について説明する。
【００５０】
（マスク層がハードマスク層である場合のエッチング処理）
まず，図３に示したウェハに対して，少なくともＣＦ４とＯ２を含む混合ガスを用いてポリシリコン膜３０４の露出面の自然酸化膜を除去するエッチング処理を行う（ブレークスルーエッチング工程）。
【００５１】
このブレークスルーエッチングを行う際の条件としては，例えばチャンバ１０２内の圧力を１０ｍＴｏｒｒ，上部電極１２１とサセプタ１０５との間隔を１４０ｍｍ，ＣＦ４／Ｏ２のガス流量比（ＣＦ４のガス流量／Ｏ２のガス流量）を１３４ｓｃｃｍ／２６ｓｃｃｍとする。また，ウェハを吸着するために静電チャック１１０に印加する電圧を２．５ｋＶ，ウェハＷの裏面冷却ガス圧力をセンタ，エッジともに３ｍＴｏｒｒとする。また，チャンバ１０２内の設定温度については下部電極を７５℃，上部電極を８０℃，側壁部を６０℃とする。
【００５２】
ブレークスルーエッチング工程では，サセプタ１０５と上部電極１２１にそれぞれ高い高周波電力を印加する。例えば上部電極１２１に印加する高周波電力を６５０Ｗ，サセプタ１０５に印加する高周波電力を２２０Ｗとする。これにより，ポリシリコン膜３０４の露出面の自然酸化膜が除去される。
【００５３】
次いで，ハードマスク層３０６（マスクパターン）の開口部において，深さ方向へポリシリコン膜３０４をエッチングするメインエッチング工程を行う。
【００５４】
このメインエッチング工程では，少なくともＨＢｒとＯ２を含む混合ガスを処理ガスとして用いて，マスクパターンの開口部において，ポリシリコン膜３０４を深さ方向へ削る。ポリシリコン膜３０４は，例えば元の膜厚の８５％の深さまでエッチングされる。
【００５５】
メインエッチングを行う際の条件としては，例えばチャンバ１０２内の圧力を２０ｍＴｏｒｒ，上部電極１２１とサセプタ１０５との間隔を１４０ｍｍ，ＨＢｒ／Ｏ２のガス流量比（ＨＢｒのガス流量／Ｏ２のガス流量）を４００ｓｃｃｍ／１ｓｃｃｍとする。また，ウェハを吸着するために静電チャック１１０に印加する電圧を２．５ｋＶ，ウェハＷの裏面冷却ガス圧力をセンタ，エッジともに３ｍＴｏｒｒとする。また，チャンバ１０２内の設定温度については下部電極を７５℃，上部電極を８０℃，側壁部を６０℃とする。
【００５６】
メインエッチング工程では，サセプタ１０５と上部電極１２１にそれぞれ比較的高い高周波電力を印加する。例えば上部電極１２１に印加する高周波電力を２００Ｗ，サセプタ１０５に印加する高周波電力を１００Ｗとする。これによって，図５（Ａ）に示すように，ハードマスク層３０６の開口部に位置するポリシリコン膜３０４が選択的にエッチング除去され，ポリシリコン膜３０４にホールＨが形成される。さらにエッチング処理が進むと，図５（Ｂ）に示すように，ホールＨが深くなる。
【００５７】
本実施の形態にかかるエッチング装置１００は，ハードマスク層３０６を用いたエッチング処理中におけるポリシリコン膜３０４のエッチング量，すなわちホールＨの深さ寸法を検出するために次のように動作する。
【００５８】
エッチング量検出装置２００に属する光源２０６は，光Ｌａを出射する（図２参照）。この光Ｌａは，光ファイバ２０４，集光レンズ２０２，および観察部１６０を経由してウェハＷ上に照射される。
【００５９】
図５に示したように，光Ｌａの一部は，ハードマスク層３０６を透過し，ハードマスク層３０６とポリシリコン膜３０４の界面に達し，ここで反射する。この反射光Ｌａ１１は，ハードマスク層３０６を透過して外部に出射される。
【００６０】
また，光Ｌａの他の一部は，ポリシリコン膜３０４の被エッチング部であるホールＨの底面で反射する。この反射光Ｌａ１２と，上述の反射光Ｌａ１１は，相互に干渉し合い干渉光を生じさせる。
【００６１】
反射光Ｌａ１１と反射光Ｌａ１２から得られる干渉光は，観察部１６０，集光レンズ２０２，および光ファイバ２０４を経由して，ポリクロメータ２０８によって検出される。
【００６２】
このようにして，ポリクロメータ２０８によって検出された干渉光の光強度は，図５（Ａ）と図５（Ｂ）に示すようにホールＨが深くなると，これに従い周期的に増減する。演算部２１０は，干渉光の光強度変化に基づいて，ポリシリコン膜３０４のエッチング量（ホールＨの深さ）をリアルタイムに算出する。制御部２２０は，この演算結果に従って，第１の高周波電源１４０，第１の整合器１４１，第２の高周波電源１５０，および第２の整合器１５１を制御する。そして，演算部２１０による演算の結果，ホールＨの底部が所定の深さに達したと判断された時点でポリシリコン膜３０４に対するエッチング処理が終了する。なお，演算部２１０による演算の結果に基づいて，ポリシリコン膜３０４のエッチング速度を調整するようにしてもよい。
【００６３】
このエッチング量の検出方法によれば，ハードマスク層３０６とポリシリコン膜３０４の界面を基準として，ホールＨの深さが検出されることになる。ハードマスク層３０６とポリシリコン膜３０４の界面は，エッチングの影響を受けることなく，その絶対的な高さは一定である。したがって，たとえエッチング前のハードマスク層３０６の膜厚にばらつきがあっても，または，図５（Ｂ）に示したように，ポリシリコン膜３０４に対するエッチング処理に付随してハードマスク層３０６の上面が削られてしまっても（削れ量Ｄ１１），ホールＨの深さは正確に検出される。
【００６４】
ところで，ポリシリコン膜３０４のエッチング中における反射光Ｌａ１１と反射光Ｌａ１２から得られる干渉光の強度変化の周期は，光源２０６から出射される光Ｌａの波長に依存する。光Ｌａの波長が長い場合には，干渉光の強度変化の周期が緩慢になり，結果的に高い精度でホールＨの深さを算出できなくなる。この点，本実施の形態では，光Ｌａの波長は，比較的短い２６１ｎｍに設定されている。したがって，ホールＨを創出するエッチング処理をより厳密に制御することが可能となる。
【００６５】
このように，エッチング量の検出のためには，短い波長の光Ｌａを用いることが好ましいが，被エッチング層であるポリシリコン膜３０４の上に形成されるマスク層の種類によって，光Ｌａの波長が制限される場合がある。その代表例がフォトレジスト材から成るマスク層である。
【００６６】
図５に示したように，酸化ケイ素材（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素材（Ｓｉ３Ｎ４）から成るハードマスク層３０６を有するウェハの場合，波長２６１ｎｍの光Ｌａは，ハードマスク層３０６を透過し，ハードマスク層３０６とポリシリコン膜３０４の界面に達する。これに対して，フォトレジスト材から成るフォトレジストマスク層３１６を有するウェハの場合，波長２６１ｎｍの光Ｌａがフォトレジストマスク層３１６を透過しないおそれがある。フォトレジスト材は，通常，波長２６１ｎｍを含む波長領域に大きな吸収係数を有するためである。
【００６７】
したがって，本実施の形態にかかるエッチング装置１００は，フォトレジストマスク層３１６を有するウェハにエッチング処理を行う場合には，上述のハードマスク層３０６を有するウェハにエッチング処理を行う場合とは異なる方法で，エッチング量を検出する。以下，図４に示したフォトレジストマスク層３１６を有するウェハのエッチング処理動作および並行して行われるエッチング量検出動作について説明する。
【００６８】
（マスク層がフォトレジストマスク層である場合のエッチング処理）
フォトレジストマスク層３１６を有するウェハは，上述のハードマスク層３０６を有するウェハに対するエッチング処理条件と同様の条件で，ブレークスルーエッチング処理およびメインエッチング処理が施される。これによって，ポリシリコン膜３０４の露出面の自然酸化膜が除去され，図６（Ａ）に示すように，フォトレジストマスク層３１６の開口部に位置するポリシリコン膜３０４が選択的にエッチング除去され，ポリシリコン膜３０４にホールＨが形成される。さらにエッチング処理が進むと，図６（Ｂ）に示すように，ホールＨが深くなる。
【００６９】
本実施の形態にかかるエッチング装置１００は，フォトレジストマスク層３１６を用いたエッチング処理中におけるポリシリコン膜３０４のエッチング量，すなわちホールＨの深さ寸法を検出するために次のように動作する。
【００７０】
エッチング量検出装置２００に属する光源２０６は，光Ｌａ（第１の光）および光Ｌｂ（第２の光）を出射する（図２参照）。光Ｌａと光Ｌｂは，それぞれ異なる波長を有する。本実施の形態においては，光Ｌａの波長は２６１ｎｍであり，光Ｌｂの波長は３８７ｎｍである。これらの光Ｌａおよび光Ｌｂは，光ファイバ２０４，集光レンズ２０２，および観察部１６０を経由してウェハＷ上に照射される。
【００７１】
図６に示したように，光Ｌａの一部は，フォトレジストマスク層３１６の上面で反射し，反射光Ｌａ１（第１の反射光）が得られる。また，光Ｌａの他の一部は，ポリシリコン膜３０４の被エッチング部であるホールＨの底面で反射し，反射光Ｌａ２（第２の反射光）が得られる。反射光Ｌａ１と反射光Ｌａ２は，相互に干渉し合い干渉光Ｌａｉ（第１の干渉光）を生じさせる。なお，本実施の形態において，フォトレジストマスク層３１６の光吸収帯には光Ｌａの波長２６１ｎｍが含まれる。したがって，
光Ｌａは，フォトレジストマスク層３１６を透過できず，フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４の界面における光Ｌａの反射光は得られない。
【００７２】
一方，光Ｌｂは，光Ｌａの波長２６１ｎｍよりも長い波長３８７ｎｍを有している。このため，その一部は，フォトレジストマスク層３１６を透過し，フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４の界面に達し，ここで反射する。この反射光Ｌｂ１（第３の反射光）は，フォトレジストマスク層３１６を透過して外部に出射される。
【００７３】
また，光Ｌｂの他の一部は，フォトレジストマスク層３１６の上面で反射する。この反射光Ｌｂ２（第４の反射光）と，上述の反射光Ｌｂ１は，相互に干渉し合い干渉光Ｌｂｉ（第２の干渉光）を生じさせる。
【００７４】
反射光Ｌａ１と反射光Ｌａ２から得られる干渉光Ｌａｉと，反射光Ｌｂ１と反射光Ｌｂ２から得られる干渉光Ｌｂｉは，観察部１６０，集光レンズ２０２，および光ファイバ２０４を経由して，ポリクロメータ２０８によって検出される。
【００７５】
このようにして，ポリクロメータ２０８によって検出された干渉光Ｌａｉの光強度は，図６（Ａ）と図６（Ｂ）に示すようにホールＨが深くなると，これに従い周期的に増減する。演算部２１０は，干渉光Ｌａｉの光強度変化に基づいて，ポリシリコン膜３０４のエッチング量（ホールＨの深さ）をリアルタイムに算出する。干渉光Ｌａｉの光強度変化に基づいて，演算部２１０がポリシリコン膜３０４のエッチング量Ｄ２を算出した結果を図７に示す。
【００７６】
干渉光Ｌａｉの光強度変化に基づく演算結果から，本実施の形態においては，時刻Ｔ０からポリシリコン膜３０４に対するエッチングが開始され，時刻Ｔ１では，そのエッチング量が５．１７μｍに達していることが把握できる。しかし，以下の理由により，干渉光Ｌａｉのみに基づく演算結果からは，ポリシリコン膜３０４の真のエッチング量を得ることはできない。
【００７７】
干渉光Ｌａｉは，フォトレジストマスク層３１６の上面における反射光Ｌａ１とホールＨの底面における反射光Ｌａ２から得られるものである。したがって，ホールＨの底部の絶対的な高さを算出するためには，フォトレジストマスク層３１６の上面の高さが不変であることが条件となる。
【００７８】
しかし，ポリシリコン膜３０４にホールＨを形成するためのエッチングガスには，フォトレジストマスク層３１６の表面もさらされるため，フォトレジストマスク層３１６がエッチングされることは避けられない。しかも，フォトレジストマスク層３１６のエッチングレートは，上述のハードマスク層３０６に比べて大きく，ポリシリコン膜３０４のホールＨの底面が深さＤ２に達するときには，フォトレジストマスク層３１６の上面も比較的大きく削られてしまう（削れ量Ｄ１）。つまり，干渉光Ｌａｉの光強度変化のみに基づいて計算した結果には，このフォトレジストマスク層３１６の上面の削れ量Ｄ１が含まれることになる。
【００７９】
そこで，本実施の形態においては，ポリシリコン膜３０４のエッチング量を求めるために，干渉光Ｌａｉの光強度変化の他，干渉光Ｌｂｉの光強度変化をも考慮される。
【００８０】
ポリクロメータ２０８によって検出された干渉光Ｌｂｉの光強度は，図６（Ａ）と図６（Ｂ）に示すようにフォトレジストマスク層３１６の上面が削られると，これに従い周期的に増減する。演算部２１０は，干渉光Ｌｂｉの光強度変化に基づいて，フォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１をリアルタイムに算出する。干渉光Ｌｂｉの光強度変化に基づいて，演算部２１０がフォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１を算出した結果を図７に示す。
【００８１】
干渉光Ｌｂｉの光強度変化に基づく演算結果から，本実施の形態においては，時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の間に，フォトレジストマスク層３１６が１．３２μｍ削られていることが把握できる。なお，このフォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１については，フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４の界面を基準として算出される。フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４の界面は，エッチングの影響を受けないため，その絶対的な高さは一定である。したがって，たとえエッチング前のフォトレジストマスク層３１６の膜厚にばらつきがあっても，フォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１は正確に算出される。
【００８２】
エッチング量検出装置２００に属する演算部２１０は，干渉光Ｌａｉの光強度の変化から求めたホールＨの底面の位置（フォトレジストマスク層３１６の上面とホールＨの底面との高低差）に，干渉光Ｌｂｉの光強度の変化から求めたフォトレジストマスク層３１６のエッチング量（削れ量Ｄ１）を加算することによって，ポリシリコン膜３０４の真のエッチング量（ホールＨの絶対的な深さ寸法Ｄ２）を算出する。本実施の形態の場合，図７に示したように，時刻Ｔ１におけるポリシリコン膜３０４のエッチング量は，６．４９（＝５．１７＋１．３２）μｍである。
【００８３】
制御部２２０は，この演算結果に従って，第１の高周波電源１４０，第１の整合器１４１，第２の高周波電源１５０，および第２の整合器１５１を制御する。そして，演算部２１０による演算の結果，ホールＨの底部が所定の深さに達したと判断された時点でポリシリコン膜３０４に対するエッチング処理が終了する。なお，演算部２１０による演算の結果に基づいて，ポリシリコン膜３０４のエッチング速度を調整するようにしてもよい。
【００８４】
ここまで，光Ｌａの波長が２６１ｎｍであり，光Ｌｂの波長が３８７ｎｍである場合に即して本実施の形態を説明したが，本発明において各波長はこれに限定されるものではない。次のような観点に基づいて各波長を設定することが好ましい。
【００８５】
まず，ポリシリコン膜３０４のエッチング量を高い精度で算出するためには，光Ｌａの波長はより短い方が有利となる。ただし，フォトレジストマスク層３１６の上面の反射率とホールＨの底部における反射率が大きくなる波長を選択する必要がある。他の部位からの反射光が支配的になれば，干渉光Ｌａｉの検出が困難となる。
【００８６】
また，光Ｌｂは，フォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１を検出するために用いられる。したがって，光Ｌｂの波長については，フォトレジストマスク層３１６の上面での反射率と，フォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４との界面での反射率が大きくなるように選択されることが好ましい。特に，光Ｌｂをフォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４との界面で反射させ，その反射光Ｌｂ２をフォトレジストマスク層３１６の上面から取り出すためには，フォトレジストマスク層３１６の吸収帯に含まれない波長の光Ｌｂを採用する必要がある。
【００８７】
一般的に，フォトレジストマスク層３１６を形成する際に用いられる露光光の波長は，フォトレジストマスク層３１６の吸収帯の最も長波長側に位置する。換言すれば，露光光の波長にフォトレジストマスク層３１６の吸収帯が合うように，フォトレジストマスク層３１６を構成するフォトレジスト材が選択調整される。このことから，フォトレジストマスク層３１６を構成するフォトレジスト材の感光波長を基準として，光Ｌｂの波長を長波長側に調整すれば，光Ｌｂはフォトレジストマスク層３１６に吸収されることなくフォトレジストマスク層３１６とポリシリコン膜３０４との界面に到達し，ここで反射することになる。また，反射光Ｌｂ２もフォトレジストマスク層３１６に吸収されることなくフォトレジストマスク層３１６の上面から取り出されることになる。
【００８８】
ただし，フォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１を高い精度で検出するためには，光Ｌｂの波長はできるだけ短い方が好ましい。例えば，フォトレジストマスク層３１６を構成するフォトレジスト材として，キセノンランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）に感光するタイプが採用されている場合には，本実施の形態のように，光Ｌｂの波長を，ｉ線の波長よりも長く，しかもこの波長に近い波長，例えば３８７ｎｍに設定する。波長３８７ｎｍの光Ｌｂは，例えばＮ２レーザによって得られる。
【００８９】
以上のように，本実施の形態によれば，ポリシリコン膜３０４のエッチング処理中に，フォトレジストマスク層３１６の上面とホールＨの底面の高低差が算出され，さらにフォトレジストマスク層３１６の削れ量Ｄ１が算出される。そして，これらの値が演算（加算）されることによって，ポリシリコン膜３０４の真のエッチング量が，高精度に，かつリアルタイムに検出される。
【００９０】
また，本実施の形態では，ポリシリコン膜３０４のエッチング量を検出するために，光Ｌａと光Ｌｂの二つの光が用いられている。このうち，比較的長い波長の光Ｌｂがマスク層を透過する。このため，光Ｌａを，マスク層を透過させる必要がなく，その波長をより短く設定できる。したがって，マスクパターンの微細化が進んでホールＨの内径が小さく，またホールＨが深くなっても，ポリシリコン膜３０４のエッチング量を高い精度で検出することが可能となる。
【００９１】
添付図面を参照しながら本発明にかかるエッチング量検出方法およびエッチング装置の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９２】
例えば，ポリシリコン膜３０４（シリコン含有膜）をエッチングする場合について本発明の実施の形態を説明したが，その他の被エッチング層についても本発明を適用することができる。
【００９３】
また，本発明は，被エッチング層の上のマスク層がフォトレジスト材から成る場合に限定されるものではない。例えば，図５に示したように，マスク層がハードマスク層３０６である場合にも，本発明の適用は可能である。上述のように，光Ｌａはハードマスク層３０６にほとんど吸収されないため，光Ｌａだけでもポリシリコン膜３０４のエッチング量を検出できる。しかし，エッチング量の検出結果により厳密さが要求される場合には，光Ｌｂを用いてハードマスク層３０６の削れ量Ｄ１１を検出することが好ましい。反射光Ｌａ１１の光強度変化に基づいてポリシリコン膜３０４のエッチング量を算出する際に，ハードマスク層３０６の削れ量Ｄ１１（ハードマスク層３０６の厚み）を考慮すれば，ポリシリコン膜３０４のエッチング量をより正確に検出することが可能となる。
【００９４】
また，３種類以上の光をウェハに照射して，各光の反射光から得られる干渉光を用いて被エッチング層のエッチング量を検出することも可能である。例えば，被エッチング層の上に複数の層が存在する場合に有効となる。
【００９５】
また，フォトレジストマスク層３１６を構成するフォトレジスト材が，ｉ線（波長３６５ｎｍ）によって感光するタイプである場合に即して本発明の実施の形態を説明したが，フォトレジスト材がＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ），ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ），またはＦ２エキシマレーザ光（波長１５７ｎｍ）のいずれかに感光するタイプであっても，本発明の適用は可能である。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば，マスク層の種類に関わらず，被エッチング層のエッチング量を正確に，かつリアルタイムに検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるエッチング装置の概略構成図である。
【図２】図１のエッチング装置が備えるエッチング量検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】同実施の形態に適用されるハードマスク層を有するウェハの膜構成を示す概略断面図である。
【図４】同実施の形態に適用されるフォトレジストマスク層を有するウェハの膜構成を示す概略断面図である。
【図５】図３のウェハのポリシリコン膜をエッチングしたときの光の反射状態を示す説明図である。
【図６】図４のウェハのポリシリコン膜をエッチングしたときの光の反射状態を示す説明図である。
【図７】図４のウェハのポリシリコン膜をエッチングしたときのエッチング時間とエッチング量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１      エッチング装置
１０２      チャンバ
１０５      サセプタ
１２１      上部電極
１４０      第１の高周波電源
１４１      第１の整合器
１５０      第２の高周波電源
１５１      第２の整合器
１６０      観察部
２００      エッチング量検出装置
２０２      集光レンズ
２０４      光ファイバ
２０６      光源
２０８      ポリクロメータ
２１０      演算部
２２０      制御部
３００      シリコン基板
３０２      ゲート酸化膜
３０４      ポリシリコン膜
３０６      ハードマスク層
３１６      フォトレジストマスク層
Ｌａ，Ｌｂ      光
Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２      反射光
Ｌａｉ，Ｌｂｉ      干渉光
Ｗ      半導体ウェハ
【図１】
2004363367.tif 000003
【図２】
2004363367.tif 000004
【図３】
2004363367.tif 000005
【図４】
2004363367.tif 000006
【図５】
2004363367.tif 000007
【図６】
2004363367.tif 000008
【図７】
2004363367.tif 000009