(57)【要約】【課題】  構造的ノイズの量を減らし、Ｓ／Ｎ比を向上させ、モニタ精度を向上させる。【解決手段】  被モニタリング試料３０に光を照射する光源１０と、光を被モニタリング試料３０の表面に集光させる光学系１２と、直径が２００μｍより大きく、被モニタリング試料３０で反射した光を伝播する光ファイバ２０と、光ファイバ２０を伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、被モニタリング試料３０の幾何学的情報を算出する算出部２６とを備える。【選択図】      図１
2005093524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被モニタリング試料に光を照射する光源と、
前記光を前記被モニタリング試料の表面に集光させる光学系と、
直径が２００μｍより大きく、前記被モニタリング試料で反射した光を伝播する光ファイバと、
前記光ファイバを伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、前記被モニタリング試料の幾何学的情報を算出する算出部
とを備えることを特徴とするモニタ装置。
【請求項２】
前記光ファイバは、ステップインデックス型であることを特徴とする請求項１に記載のモニタ装置。
【請求項３】
前記光ファイバを光軸に対して略直交する任意の方向に機械的振動させる光ファイバ振動機構を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のモニタ装置。
【請求項４】
前記光ファイバの光を入射する側の端部にアパーチャを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモニタ装置。
【請求項５】
光源から被モニタリング試料に光を照射するステップと、
前記光を前記被モニタリング試料の表面に集光させるステップと、
前記被モニタリング試料で反射した光を直径が２００μｍより大きい光ファイバで伝播するステップと、
前記光ファイバを伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、前記被モニタリング試料の幾何学的情報を算出するステップ
とを含むことを特徴とするモニタ方法。
【請求項６】
前記光ファイバとして、ステップインデックス型のものを用いることを特徴とする請求項５に記載のモニタ方法。
【請求項７】
前記被モニタリング試料で反射した光を前記光ファイバで伝播する際に、前記光ファイバを光軸に対して略直交する任意の方向に機械的振動させることを特徴とする請求項５又は６に記載のモニタ方法。
【請求項８】
前記被モニタリング試料で反射した光を前記光ファイバの光を入射する側の端部に配置したアパーチャを介して前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のモニタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法における光学的プロセスモニタのモニタ装置及びモニタ方法に関し、特にモニタ装置に使用する光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高密度化、高集積化に伴い、成膜プロセスあるいはこの逆のエッチングプロセスには高い精度が要求されている。半導体装置の製造工程において、化学気相成長（ＣＶＤ）等の成膜プロセス、あるいはエッチングプロセスでは、膜厚やエッチング深さをそれぞれの工程の行われる時間を管理することで制御することが一般的である。
【０００３】
しかしながら、プロセス状態の予期せぬ変動やバラツキが生じることがあるので時間の管理だけでは制御は困難である。このために、エンドポイントをモニタするプロセスモニタ方法が導入されている。そのプロセスモニタ方法として、光を基板に入射させ、反射光を検出してプロセス状態をモニタする光学的プロセスモニタがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−９３８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光学的プロセスモニタ方法には、検出波形スペクトルに不規則な構造を持った構造的ノイズがのることがある。この構造的ノイズの原因は、伝送モードパタンや、モード毎に光路差が異なることにより発生する干渉パタン（スペックルパタン）であると考えられている。この構造的ノイズが多く発生すると、検出波形の信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が悪くなり、モニタ精度が悪化してしまう。特に、プラズマを用いた加工プロセスと同時に膜厚及びエッチング深さ等をインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で測定するインサイチュ光学的プロセスモニタにおいては、プラズマ光も同時に検出してしまうことでバックグラウンドの構造的ノイズとなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、モニタ精度が悪化してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、構造的ノイズの量を減らし、Ｓ／Ｎ比を向上させることで、モニタ精度を向上させるモニタ装置及びそのモニタ装置を用いるモニタ方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）被モニタリング試料に光を照射する光源と、（ロ）光を被モニタリング試料の表面に集光させる光学系と、（ハ）直径が２００μｍより大きく、被モニタリング試料で反射した光を伝播する光ファイバと、（ニ）光ファイバを伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、被モニタリング試料の幾何学的情報を算出する算出部とを備えるモニタ装置であることを要旨とする。
【０００７】
本発明の第２の特徴は、（イ）光源から被モニタリング試料に光を照射するステップと、（ロ）光を被モニタリング試料の表面に集光するステップと、（ハ）被モニタリング試料で反射した光を直径が２００μｍより大きい光ファイバで伝播するステップと、（ニ）光ファイバを伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、被モニタリング試料の幾何学的情報を算出するステップとを含むモニタ方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、構造的ノイズの量を減らし、Ｓ／Ｎ比を向上させ、モニタ精度を向上させるモニタ装置及びそのモニタ装置を用いるモニタ方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るモニタ装置１ａは、図１に示すように、被モニタリング試料３０に光を照射する光源１０と、光を被モニタリング試料３０の表面に集光させる光学系１２と、被モニタリング試料３０で反射した光を伝播する光ファイバ２０と、光ファイバ２０を伝播してきた光のスペクトル毎の反射率に基づいて、被モニタリング試料３０の幾何学的情報を算出する算出部２６とを備える。算出部２６は、マイクロプロセッサやコンピュータのＣＰＵで構成可能である。スペクトル毎の反射率は、分光検出部２で検出される。分光検出部２は、光ファイバ２０を伝播してきた光を取り込みスペクトルに分ける分光器２２と、分光器２２に接続され、スペクトル毎の反射率を検出する検出器２４とを備える。光源１０には、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（Ｗ）ランプを用いる。被モニタリング試料３０の材料には、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体基板を用いることができるが、半導体基板に限定されるものではない。
【００１１】
例えば、光学系１２は１：１の等倍光学系とする。ピンホール１１の直径を５０μｍとしたときには、被モニタリング試料３０上には直径５０μｍの光が投影される。また、光ファイバ２０の受光面には被モニタリング試料３０からの反射光が焦点を結ぶように設定されており、直径５０μｍの光が入射する。光学系１２はレンズを適宜選択して縮小光学系としても良い。
【００１２】
構造的ノイズを減少させるためには、光ファイバ（マルチモードファイバ）２０の中で多くの異なる反射角を持った光（モード）を立たせること、及び伝播する光の干渉性を下げることが有用であるため、光ファイバ２０には、モードにより生じるモードパタンやスペックルパタンを時間空間的に平均化させるものを用いる。光ファイバにはグレーデッドインデックス型とステップインデックス型があり、ステップインデックス型はコア部全体が光るため多くのモードが重なりモードパタンが平均化できる。そこで、光ファイバ２０には、ステップインデックス型を用いる。また、ステップインデックス型の光ファイバ２０は、スポット径が大きいために分光器２２上で１チャンネルに対して入射するスペクトルが多くなり、スペックルパタンを平均化できる。
【００１３】
光ファイバ２０は、多くのモードを存在させるために、直径が大きいものが好ましい。光ファイバ２０に多くのモードを存在させることで、各種モードが重なりモードパタンが平均化される。また、直径の大きい光ファイバ２０は、多くのモードがあるためスペックルパタンも細かくなると考えられる。更に、直径の大きい光ファイバ２０は、伝播する光の干渉性を低くすることができ、干渉性に依存するスペックルパタンの発生を抑えることができる。具体的に光ファイバ２０の直径は、２００μｍより大きいものが良い。光ファイバ２０の直径として好ましくは、６００μｍ以上である。光ファイバ２０の直径が２００μｍ以下のときは、反射率の波長依存性を表す図２に示すように、構造的ノイズが発生している。構造的ノイズはスペックルパタンの発生に起因すると考えられる。すなわち、分光器２２が備えるＣＣＤ等の受光部で光が偏ることで構造的ノイズが発生すると考えられる。そこで、直径が２００μｍより大きい光ファイバ２０として、例えば、直径６００μｍの実施例の光ファイバ２０を用いた場合について、図２のグラフを得た同じ被モニタリング試料３０の反射率の波長依存性を図３に示す。直径６００μｍの光ファイバ２０を用いたときの反射率の波長依存性の波形は、構造的ノイズがほとんど無視できるレベルまで減少している。
【００１４】
第１の実施の形態のモニタ装置１ａは、プラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置等のドライプロセス装置６に設置される。ドライプロセス装置６では、例えばチャンバー６０内に下部電極６１及び上部電極６２が配置される。もちろん、ドライプロセス装置６は対向電極型以外のものでも良い。この下部電極６１の上面には、エッチングされる被モニタリング試料３０が載置される。また、下部電極６１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。上部電極６２は、被モニタリング試料３０を下部電極６１とで挟むように被モニタリング試料３０の上方に配置され、モニタ装置１ａの光を透過させる開口部を有する構造となっている。
【００１５】
チャンバー６０には、反応性ガスをチャンバー６０内に導入するためのガス供給管（図示しない）、及びチャンバー６０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。更に、チャンバー６０の上部には、例えば石英ガラスからなる計測窓６３が配置されている。この計測窓６３を介して、被モニタリング試料３０への入射光がチャンバー６０内に導入され、被モニタリング試料３０からの反射光がチャンバー６０内から取り出される。 
モニタ装置１ａを備えることにより、ドライプロセスにおける、膜厚及びエッチング深さをインサイチュで測定し、更に、その測定結果をフィードバックすることで、膜厚及び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。
【００１６】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係るモニタ装置１ａを用いたモニタ方法を図１を参照しながら説明する。
【００１７】
（イ）まず、図１に示す光源１０から光を照射する。照射された光は所望の直径を有するピンホール１１に入射し、光を絞ることで所望の径の点光源とする。
【００１８】
（ロ）次に、ピンホール１１を透過した光は光学系１２によって、被モニタリング試料３０上に照射される。
【００１９】
（ハ）次に、被モニタリング試料３０で反射された反射光は、ハーフミラー１３によって光路が変更され、光ファイバ２０に入射する。光ファイバ２０は、入射した反射光を伝播して、分光器２２に導入する。
【００２０】
（ニ）次に、分光器２２に導入された反射光はスペクトルに分けられる。分光器２２によって分光された反射光は、各スペクトルとして検出器２４に入力される。検出器２４は、各スペクトルの反射率を検出し、検出結果の反射干渉分光波形を算出部２６に出力する。算出部２６は、反射干渉分光波形に基づいて被モニタリング試料３０上の所定の箇所の膜厚及びエッチング深さ等の幾何学情報を算出する。
【００２１】
（ホ）算出された幾何学情報は、チャンバー６０内のプロセスを制御するプロセス制御部（図示しない）に出力される。プロセス制御部は、その算出された膜厚及びエッチング深さをモニタする。また、プロセス制御部は算出された膜厚及びエッチング深さの結果に基づいたプロセス状態の制御によって、所望の膜厚及びエッチング深さを実現する。
【００２２】
第１の実施の形態に係るモニタ装置１ａによれば、光ファイバ２０の直径を大きくすることでモードパタン及びスペックルパタンの発生を抑制することができる。したがって、モードパタン及びスペックルパタンのために発生する構造的ノイズが減少し、Ｓ／Ｎ比が向上することで、プロセスの精度の高いモニタが可能となる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るモニタ装置１ｂは、図４に示すように、図１に示したモニタ装置１ａに対して光ファイバ２０に光ファイバ振動機構４０を更に備える点が異なる。他は図１に示したモニタ装置１ａと実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【００２４】
光ファイバ振動機構４０は、光ファイバ２０を分光器２２におけるサンプリンタイムよりも短い周期で振動させる機構である。つまり、光ファイバ振動機構４０は、被モニタリング試料３０で反射した反射光を、光ファイバ２０で伝播して分光器２２がサンプリングを行う間に少なくとも１回光ファイバ２０を光軸に対して略直交する任意の方向に機械的振動させる。光ファイバ振動機構４０が光ファイバ２０を振動させることで、時間的に平均すると多数のモードが一様に伝播しているようにみえるのでモードパタンもスペックルパタンも平均化され、分光器２２が備えるＣＣＤ等の受光部に満遍なく平均して光が入射するようになり、モードパタン及びスペックルパタンの発生を抑制することができる。例えば、分光器２２のサンプリングタイムが５００ｍｓｅｃのとき、光ファイバ振動機構４０の振動周期は３００ｍｓｅｃとして行った反射率の波長依存性を図５に示す。図５に示すように、光ファイバ振動機構４０を用いたときの反射干渉分光波形は、図３に示した直径６００μｍの光ファイバ２０を用いた反射率の波長依存性に比して更に構造的ノイズが減少している。
【００２５】
第２の実施の形態に係るモニタ装置１ｂによれば、光ファイバ２０の直径が大きい且つ光ファイバ２０をサンプリング中に振動させることでモードパタン及びスペックルパタンの発生を抑制することができる。したがって、スペックルパタンのために発生する構造的ノイズが減少し、Ｓ／Ｎ比が向上することで、プロセスの精度の高いモニタが可能となる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るモニタ装置１ｃは、図６に示すように、図１に示したモニタ装置１ａに対して反射光を入射する側の光ファイバ２０の端部に配置されたアパーチャ５０を更に備える点が異なる。他は図１に示したモニタ装置１ａと実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【００２７】
アパーチャ５０は、図７に示すように、プラズマＣＶＤやプラズマエッチング等のドライプロセスにおけるプラズマ光を光ファイバ２０に入射するのを防ぎ、被モニタリング試料３０からの反射光のみを光ファイバ２０に入射させる部材である。アパーチャ５０を備えないで光ファイバ２０にプラズマ光が入射したときは、図８に示すように、プラズマに起因するスペクトルが、本来測定すべき被モニタリング試料３０からの反射光に重なって測定され、バックグラウンドノイズとなる。次に、図９に示すように、直径２００μｍのアパーチャ５０を備えたときの反射率の波長依存性は、プラズマ起因のスペクトルがほとんど無視できるレベルまで減少する。アパーチャ５０の最小直径は、反射光の径と同じサイズである。但し、アパーチャ５０の直径を小さくすると位置合わせが難しくなってしまうので、アパーチャ５０の直径は反射光の径の４倍程度であっても良い。
【００２８】
第３の実施の形態に係るモニタ装置１ｃによれば、アパーチャ５０を備えることによって、光ファイバ２０に入射するプラズマ光を抑制することができるので、プラズマに起因するバックグラウンドノイズが省かれる。したがって、プラズマに起因する構造的ノイズが減少し、Ｓ／Ｎ比が向上することで、プロセスの精度の高いモニタが可能となる。
【００２９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００３０】
例えば、本発明の第２の実施の形態に係るモニタ装置１ｂに設けた光ファイバ振動機構４０と、第３の実施の形態に係るモニタ装置１ｃに設けたアパーチャ５０とを共に備えても構わない。光ファイバ振動機構４０とアパーチャ５０を共に備えることで、スペックルパタンの発生の抑制と、プラズマに起因するバックグラウンドノイズの削減を同時に行えるようになり、より精度の高いプロセスのモニタが可能となる。
【００３１】
また、本発明の第１〜第３の実施の形態においてモニタ対象の被モニタリング試料３０を半導体基板として記載しているが、モニタ対象は半導体基板に限定されずドライプロセスに用いられる磁性体基板、超伝導材料基板、石英ガラス基板及びセラミック基板等も用いることができる。
【００３２】
本発明の第１の実施の形態において、直径の大きい光ファイバ２０を用いて多くのモードを発生させてモードパタンを平均化させることを記載したが、長さ１ｍ以上の長い光ファイバ２０を用いることで各種のモードを干渉させてモードパタンを平均化させてもよい。また、光ファイバ２０を曲げる、大きな開口数（ＮＡ）の光ファイバ２０を用いる、及び光ファイバ２０の入射端コア全面に反射光を入射する等によってもモードを多く発生させることができ、モードパタンを平均化させることが可能である。
【００３３】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るモニタ装置の概略構成図である。
【図２】２００μｍ以下の光ファイバを用いたときの反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図３】６００μｍの光ファイバを用いたときの反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るモニタ装置の概略構成図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るモニタ装置を用いたときの反射率の反射依存性の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るモニタ装置の概略構成図である。
【図７】アパーチャを設置した光ファイバの受光部の拡大図である。
【図８】アパーチャを設置していない場合の反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図９】アパーチャを設置した場合の反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１ａ〜１ｃ…モニタ装置
２…分光検出部
６…ドライプロセス装置
１０…光源
１１…ピンホール
１２…光学系
１３…ハーフミラー
２０…光ファイバ
２２…分光器
２４…検出器
２６…算出部
３０…被モニタリング試料
４０…光ファイバ振動機構
５０…アパーチャ
６０…チャンバー
６１…下部電極
６２…上部電極
６３…計測窓
【図１】
2005093524.tif 000003
【図２】
2005093524.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005093524.tif 000009
【図８】
2005093524.tif 000010
【図９】
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