(57)【要約】【課題】  検出波形スペクトルにノイズが生じない光学式プロセスモニタ装置を提供する。【解決手段】検査光ｈνiを偏光にする偏光子60、検査光ｈνiの偏光面P上に光学軸Aが一致するように配置されたモニタ窓54を備える。【選択図】    図4
2005127797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に向けて検査光を照射する光源と、
前記検査光を直線偏光にする偏光子と、
前記プロセスチャンバに設けられ、前記検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、
前記検査光の偏光面と前記モニタ窓の光学軸の方位との相対的関係を調整する方位調整手段と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備えることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項２】
前記方位調整手段は、前記偏光子の回転機構及び前記モニタ窓の方位調整機構の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載の光学式プロセスモニタ装置。
【請求項３】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に向けて検査光を照射する光源と、
前記検査光を直線偏光にする偏光子と、
前記プロセスチャンバに設けられ、前記検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、
前記検査光の偏光面と前記モニタ窓の光学軸の方位との相対的関係を調整する方位調整手段と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備え、前記モニタ窓の光学軸の方位が前記検査光の進行方向と略平行であることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項４】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に検査光を照射する光源と、
前記プロセスチャンバに前記検査光を透過するように配置されたモニタ窓であって、前記検査光の透過面におけるビーム径よりも小さな径のガス供給口を複数有するモニタ窓と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備えることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項５】
被測定物に向けて検査光を照射するステップと、
前記検査光を直線偏光にするステップと、
前記被測定物を収納するプロセスチャンバに設けられた複屈折性材料からなるモニタ窓の光学軸の方位と、前記検査光の偏光面との相対的関係を調整するステップと、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップ
とを含むことを特徴とする光学式プロセスモニタ方法。
【請求項６】
前記相対的関係を調整するステップは、前記光学軸の方位を前記偏光面と略平行にする手順を含むことを特徴とする請求項５記載の光学式プロセスモニタ方法。
【請求項７】
前記相対的関係を調整するステップは、前記光学軸の方位を前記検査光の進光方向と平行で、かつ前記偏光面と垂直に交わる平面に略平行にする手順を含むことを特徴とする請求項５記載の光学式プロセスモニタ方法。
【請求項８】
複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えたプロセスチャンバに被測定物を収納するステップと、
前記被測定物に向けて検査光を照射するステップと、
前記検査光の透過面におけるビーム径が前記ガス供給口の径よりも大きくなるように前記検査光を集光するステップと、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップ
とを含むことを特徴とする光学式プロセスモニタ方法。
【請求項９】
半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、
複屈折性材料からなるモニタ窓を備えるプロセスチャンバに前記エッチングマスクが形成された前記半導体基板を収納するステップと、
直線偏光の検査光を、前記モニタ窓を透過させ前記半導体基板の表面に照射し、前記直線偏光の偏光方向に対して前記モニタ窓の光学軸の方位の相対的関係を調整するステップと、
前記プロセスチャンバ内で前記絶縁膜をドライエッチングするステップと、
前記検査光の反射光を検出して、前記ドライエッチングのエンドポイントを検出して、前記ドライエッチングを停止するステップ
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、
複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えるプロセスチャンバに前記エッチングマスクが形成された前記半導体基板を収納するステップと、
前記半導体基板の表面に向けて検査光を照射し、前記検査光の透過面におけるビーム径が前記ガス供給口の径よりも大きくなるように前記検査光を集光するステップと、
前記ガス供給口から前記プロセスチャンバ内部に反応性ガスを供給するステップと、
前記プロセスチャンバ内で前記絶縁膜をドライエッチングするステップと、
前記検査光の反射光を検出して、前記ドライエッチングのエンドポイントを検出して、前記ドライエッチングを停止するステップ
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式プロセスモニタ装置、光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造方法に関し、特にエッチング深さや膜厚等の測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程において、エッチング工程におけるエッチング深さの制御や成膜工程における膜厚の制御等は、成膜時間あるいはエッチング時間等の工程時間をモニタすることによって行われていた。しかし工程時間をモニタすることによってエッチング深さや膜厚等を制御する方法は、温度や気圧等の工程環境に予期せぬ変動が生じてもこれに対処することができず、製造工程後の半導体装置に個体差を生じさせてしまう。そのため、工程時間をモニタするのではなく、エッチング深さや膜厚等をリアルタイムにモニタするプロセスモニタが近年導入されている。なかでも、検査光をプロセスチャンバに設けられたモニタ窓からエッチング工程あるいは成膜工程中の半導体基板表面に入射し、反射光を検出することによってエッチングや成膜の進行状況をモニタする光学式プロセスモニタ装置が提案されてきた（例えば、特許文献1参照。）。
【特許文献１】特開2002- 93870号公報（第3頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし従来の光学式プロセスモニタ装置においては、光学系に偏光子が配置され、かつプロセスチャンバに設けられたモニタ窓が複屈折特性をもっていると、検査光が複屈折による位相差の影響を受け、検出波形スペクトルに干渉ノイズが生じ、検出精度を悪化させるという問題があった。
【０００４】
また、光学式プロセスモニタ装置を組み込むプロセスチャンバの上部電極にはガス供給口が設けられ、そこから反応性ガスが噴出される。しかし、上部電極にモニタ窓を設けるとモニタ窓にはガス供給口がないことから、モニタ窓の下部近傍では反応性ガスの密度が低下し、エッチング速度あるいは成膜速度が減少し、エッチング速度や成膜速度のウェハ面内均一性が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点を鑑み、モニタ窓の複屈折特性の影響を受けない光学式プロセスモニタ装置、光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。さらには、プロセスチャンバ内の反応の均一性が良好な光学式プロセスモニタ装置、光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造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）被測定物を格納するプロセスチャンバと、（ロ）被測定物に向けて検査光を照射する光源と、（ハ）検査光を直線偏光にする偏光子と、（ニ）プロセスチャンバに設けられ、検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、（ホ）検査光の偏光面とモニタ窓の光学軸の方位との相対的関係を調整する方位調整手段と、（ヘ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置とを備える光学式プロセス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）被測定物を格納するプロセスチャンバと、（ロ）被測定物に向けて検査光を照射する光源と、（ハ）検査光を直線偏光にする偏光子と、（ニ）プロセスチャンバに設けられ、検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、（ホ）検査光の偏光面とモニタ窓の光学軸の方位との相対的関係を調整する方位調整手段と、（ヘ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置とを備え、モニタ窓の光学軸の方位が検査光の進行方向と略平行である光学式プロセスモニタ装置であることを要旨とする。
【０００８】
本発明の第3の特徴は、（イ）被測定物を格納するプロセスチャンバと、（ロ）被測定物に検査光を照射する光源と、（ハ）プロセスチャンバに検査光を透過するように配置されたモニタ窓であって、検査光の透過面におけるビーム径よりも小さな径のガス供給口を複数有するモニタ窓と、（ニ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置とを備える光学式プロセスモニタ装置であることを要旨とする。
【０００９】
本発明の第4の特徴は、（イ）被測定物に向けて検査光を照射するステップと、（ロ）検査光を直線偏光にするステップと、（ハ）被測定物を収納するプロセスチャンバに設けられた複屈折性材料からなるモニタ窓の光学軸の方位と、検査光の偏光面との相対的関係を調整するステップと、（ニ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップとを含む光学式プロセスモニタ方法であることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第5の特徴は、（イ）複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えたプロセスチャンバに被測定物を収納するステップと、（ロ）被測定物に向けて検査光を照射するステップと、（ハ）検査光の透過面におけるビーム径がガス供給口の径よりも大きくなるように検査光を集光するステップと、（ニ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップとを含む光学式プロセスモニタ方法であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第6の特徴は、（イ）半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、（ロ）絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、（ハ）複屈折性材料からなるモニタ窓を備えるプロセスチャンバにエッチングマスクが形成された半導体基板を収納するステップと、（ニ）直線偏光の検査光を、モニタ窓を透過させ半導体基板の表面に照射し、直線偏光の偏光方向に対してモニタ窓の光学軸の方位の相対的関係を調整するステップと、（ホ）プロセスチャンバ内で絶縁膜をドライエッチングするステップと、（ヘ）検査光の反射光を検出して、ドライエッチングのエンドポイントを検出して、ドライエッチングを停止するステップとを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第7の特徴は、（イ）半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、（ロ）絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、（ハ）複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えるプロセスチャンバにエッチングマスクが形成された半導体基板を収納するステップと、（ニ）半導体基板の表面に向けて検査光を照射し、検査光の透過面におけるビーム径がガス供給口の径よりも大きくなるように検査光を集光するステップと、（ホ）ガス供給口からプロセスチャンバ内部に反応性ガスを供給するステップと、（ヘ）プロセスチャンバ内で絶縁膜をドライエッチングするステップと、（ト）検査光の反射光を検出して、ドライエッチングのエンドポイントを検出して、ドライエッチングを停止するステップとを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、モニタ窓の複屈折特性の影響を受けない光学式プロセスモニタ装置、光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。また本発明によれば、プロセスチャンバ内の反応の面内均一性が良好な光学式プロセスモニタ装置、光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造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】
【００１４】
次に図面を参照して、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を付している。なお以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【００１５】
（第1の実施の形態）
図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ装置10は、光源12、光源12で発せられた検査光ｈνiを受けるモニタ光学系120、モニタ光学系120の下部に配置されたプロセスチャンバ50に設けられたモニタ窓54、モニタ窓54に接続されたモニタ窓54の光学軸の方位を調整する方位調整機構6、モニタ光学系120を透過した検査光の反射光ｈνrを受けるモニタ情報算出装置28を備える。方位調整機構6は、例えば、Z軸ゴニオステージのような機能を有するのが好ましいが、1軸の回転ステージ等でも使用可能である。
【００１６】
光源12から発せられた検査光ｈνiは光ファイバ20aでモニタ光学系120に導かれる。モニタ光学系120は、検査光ｈνiから不規則な強度分布の変動を取り除くスペイシャルフィルタ62、スペイシャルフィルタ62を通過した検査光ｈνiを受けるビームスプリッタ18、ビームスプリッタ18を透過した検査光ｈνiを受けるレンズ14、レンズ14で集光された検査光ｈνiを光軸周りの特定の回転角（方位角）の直線偏光にする偏光子60を備える。偏光子60は回転角を設定するための回転機構5を備えている。なお方位調整機構6と回転機構5は方位調整手段7として機能する。
【００１７】
プロセスチャンバ50内部には基板ホルダ15が配置される。基板ホルダ15上には検査光ｈνiを受ける被測定物16が配置される。基板ホルダ15は被測定物16を回転させるターンテーブル等の回転機構を有していてもよい。例えば、モニタ窓54の光学軸の方位の調整をモニタ窓54のみの回転等ではなく、プロセスチャンバ50全体の回転等で行う場合は、基板ホルダ15を回転させて、偏光面と被測定物16との方位の再調整をすることが可能である。
【００１８】
偏光子60で特定の方向への直線偏光になった検査光ｈνiはモニタ窓54を透過して被測定物16に照射される。被測定物16表面で反射した反射光ｈνrはモニタ窓54、偏光子60、レンズ14を経由してビームスプリッタ18、光ファイバ20bを経てモニタ情報算出装置28に導かれる。
【００１９】
モニタ情報算出装置28は、反射光ｈνrを分光する分光器22、分光器22に接続され、波長ごとの反射光強度を検出する検出器24、検出器24に接続され、波長ごとの反射光強度の情報から被測定物16の厚さ方向のモニタ情報を算出する算出部26を備える。ここで「厚さ方向のモニタ情報」とは、薄膜の膜厚やエッチング溝の深さ等の厚さ方向に関する情報である。
【００２０】
第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ装置の被測定物16の一例が図2であり、半導体基板80、半導体基板80上に配置された第1の絶縁膜81、第1の絶縁膜81上に配置された第1の配線層82、第1の配線層82上に配置された第2の絶縁膜83、第2の絶縁膜83上に配置されたレジストマスク85a, 85b, 85c, 85d, 85e, 85fを備える。レジストマスク85a〜85fのそれぞれは図3に示すように、パターン方向Dを長手方向にして第2の絶縁膜83上にストライプ状に配置されている。また、第2の絶縁膜83の直下では、第1の配線層82a, 82b, 82c, 82d, 82eが例えばレジストマスク85a〜85fの長手方向と垂直な方向にラインアンドスペースパターン状に形成されている。
【００２１】
ここで図1に示した偏光子60は、光源12から発せられた検査光ｈνiの偏光面を、図3に示したラインアンドスペースパターン状に配置された第1の配線層82a〜82eの長手方向と略平行になるように回転機構5により回転角（方位角）を調整する。このように調整することにより、検査光ｈνiは第1の配線層82a〜82eをほとんど透過できず、第1の配線層82a〜82eで大部分が反射する。このため、第1の配線層82a〜82eより下の層の影響を抑えることが可能となる。
【００２２】
さらに図1に示した偏光子60とモニタ窓54の光学的な配置関係を示したのが図4、図5である。ここでモニタ窓54は複屈折性結晶を材料としており、サファイア、石英、方解石等が使用可能である。これら複屈折性結晶には結晶内部に複屈折が生じない一定方向の軸があり、これを「光学軸」という。モニタ窓54は検査光ｈνiの偏光面Pに対してこの光学軸Aの方位の相対的関係を調整する方位調整機構6を図1に示すように備えている。図4においては、偏光子60を透過した検査光ｈνiの偏光面P上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54が配置されている。また図5においては、偏光子60を透過した検査光ｈνiの入射方向と平行で、かつ検査光ｈνiの偏光面Pと垂直に交わる平面Xと光学軸Aが一致するようにモニタ窓54が配置されている。
【００２３】
図4及び図5に示す偏光子60とモニタ窓54との関係において、図1に示す光学式プロセスモニタ装置10で反射光をモニタし、検出器24で取得された検出波形スペクトルを図6に示す。また、図7に示すように、偏光子60を透過した検査光ｈνiの偏光面Pと45°の角度で交わる平面上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54を配置した場合の検出波形スペクトルについても図6に示す。図6に示すように、偏光子60を透過した検査光ｈνiの偏光面Pと45°の角度をなして交わる平面上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54を配置すると、検査光ｈνiがモニタ窓54を透過する際に複屈折による位相差の影響を受けるため、検出波形スペクトルがノイズにより鋸歯状となっている。これに対し、図4に示す関係(0°）で偏光子60とモニタ窓54を配置あるいは、図5に示す関係(90°）で偏光子60とモニタ窓54を配置すると、図6に示すように検出波形スペクトルに鋸歯状のノイズが生じない。なお、図4、図5においては、偏光子60を透過した検査光ｈνiの偏光面P又は偏光面Pと垂直な平面X上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54が配置されているが、偏光面P又は平面Xと光学軸Aとの間に多少のずれが生じることは許容される。すなわちこのようなずれが±1°程度以内で偏光面P又は平面Xと光学軸Aの方位が略平行となるような相対的関係でモニタ窓54を配置すればよい。
【００２４】
また図8に示すように、モニタ窓54の光学軸Aの軸方向と検査光ｈνiの入射方向が一致するように予めモニタ窓54を作製することによっても、検出波形スペクトルにノイズが生じるのを防ぐことが可能である。この場合も、光学軸Aの軸方向と検査光ｈνiの入射方向のなす角度が±1°程度以内で、互いに略平行な相対的関係となるように、モニタ窓54を設定すればよい。
【００２５】
以上示したように第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ装置10は、図4に示したように偏光子60を透過した検査光ｈνiの偏光面P上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54が配置されているか、あるいは図5に示したように偏光子60を透過した検査光ｈνiの入射方向と平行で、かつ検査光ｈνiの偏光面Pと垂直な平面X上に光学軸Aが一致するようにモニタ窓54が配置されているか、あるいは図8に示したようにモニタ窓54の光学軸Aの軸方向と検査光ｈνiの入射方向を一致させるため、検出波形スペクトルに生じるうるノイズを防ぐことが可能となる。従来の光学式プロセスモニタ装置においては、偏光子と複屈折性結晶を材料とするモニタ窓の光学的な配置関係が考慮されていなかった。そのため、検出波形スペクトルにノイズが発生し、モニタ精度が悪化するという問題があった。これに対して、第1の実施の形態に係る図1に示した光学式プロセスモニタ装置10は、検出波形スペクトルにノイズが発生することがなく、高い精度で被測定物16の厚さ方向のモニタ情報を取得することが可能となる。よって、微細な構造を有する半導体装置等の製造プロセスを精度良くモニタすることも可能となる。
【００２６】
次に、図9を用いて第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法を説明する。
(a)まずステップS101で、被測定物として、図2及び図3に示した表面に第2の絶縁膜83及び第2の絶縁膜83上にストライプ状に配置されたレジストマスク85a〜85fを有する半導体基板80を図1に示したプロセスチャンバ50の基板ホルダ15上に配置する。
【００２７】
(b)ステップS102で、光源12よりスペイシャルフィルタ62、ビームスプリッタ18、レンズ14、偏光子60及びモニタ窓54を経て検査光ｈνiを被測定物16に照射する。さらにステップS103で、検査光ｈνiの偏光方向Eが図3に示したラインアンドスペースパターン状に配置された第1の配線層82a〜82eの長手方向と一致するように図1に示した偏光子60を光軸に関して回転機構5を駆動させて回転する。なお、手動で回転させてもよい。
【００２８】
(c)ステップS104で、偏光子60を透過し所定の回転角（方位角）の直線偏光にされた検査光ｈνiに対して、モニタ窓54の光学軸Aの方位が図4又は図5に示した相対的関係となるよう、モニタ窓54の光学軸Aの方位を方位調整機構6で調整する。
【００２９】
(d)ステップS105で、モニタ窓54、偏光子60、レンズ14、ビームスプリッタ18及び光ファイバ20bを経由して導かれる検査光ｈνiの反射光ｈνrからモニタ情報算出装置28は検出波形スペクトルを取得し、図2及び図3に示した第2の絶縁膜83の厚さ方向のモニタ情報を算出する。
【００３０】
従来の光学式プロセスモニタ方法においては検出波形スペクトルに複屈折を要因とするノイズが生じたため、被測定物の厚さ方向のモニタ情報を精度良く取得することが困難であった。これに対し、第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法は、検査光ｈνiの偏光方向Eに対して規定された方向にモニタ窓の光学軸Aを配置することにより、検出波形スペクトルにノイズが生じなくなり、高い精度で被測定物の厚さ方向のモニタ情報を算出することが可能となる。
【００３１】
次に、活性素子としてnMOSトランジスタを例に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を図10を用いて説明する。
【００３２】
(a)まずステップS201で、図11に示すｎ型シリコンウェハである半導体基板1にボロン(B)をイオン注入後、熱拡散しpウェル302を形成させる。次に、半導体基板1の一部をエッチングし、素子分離溝303, 403それぞれを形成させ、化学蒸着(CVD)法等で素子分離溝303, 403のそれぞれの内部に素子分離絶縁層304を埋め込む。さらに、半導体基板1表面を熱酸化しゲート酸化膜305を形成させ、CVD法及びエッチング法によりポリシリコンゲート電極307をゲート酸化膜305上に形成する。半導体基板1にポリシリコンゲート電極307をマスクにして自己整合的にリンをイオン注入後、加熱処理し、pウェル302に主電極（ｎ型ソース／ドレイン領域）310, 311それぞれを形成させる。その後、CVD法で半導体基板1の表面に層間絶縁膜400を堆積させる。
【００３３】
(b)ステップS202で、層間絶縁膜400表面にリソグラフィー法で図12及び図13に示すように長手方向に延びるラインアンドスペースのエッチングマスク900, 901, 902のそれぞれを形成させ、ステップS203で、図1に示すプロセスチャンバ50に半導体基板1を収納する。
【００３４】
(c)ステップS204で、図1に示した光源12からモニタ窓54を通して層間絶縁膜400に直線偏光の検査光ｈνiを照射し、検査光ｈνiの偏光面Pに対するモニタ窓54の光学軸Aの方位の相対的関係が図4又は図5に示すものとなるようモニタ窓54の配置を方位調整機構6を用いて調整する。
【００３５】
(d)ステップS205で、プロセスチャンバ50内を真空排気後、反応性ガスを内部に導入する。さらに、高周波電力を印加して反応性ガスをプラズマ化し、図12及び図13に示したエッチングマスク900, 901, 902のそれぞれをマスクにして層間絶縁膜400を選択的にドライエッチング除去する。
【００３６】
(e)ステップS206で、層間絶縁膜400表面で反射し、図1に示したモニタ窓54、ビームスプリッタ18及び光ファイバ20bを介して導かれる検査光ｈνiの反射光ｈνrをモニタ情報算出装置28で検出し、ドライエッチングで形成される図14に示す配線形成用の溝800, 801のエンドポイントを検出し、エッチング処理を終了する。
【００３７】
(f)ステップS207で、半導体基板1をプロセスチャンバ50から取り出し、さらに溝800, 801と連通し、主電極310, 311に達するホールをドライエッチングで形成する。その後、メッキ法等により溝800, 801及びホールのそれぞれに銅(Cu)等を埋め込む。さらに絶縁膜400表面を化学機械研磨(CMP)処理し、配線層を形成させる。その後、層間絶縁膜形成、ステップS202〜S207で示したエッチング工程、ビア、コンタクトの形成、配線層の形成を繰り返し、半導体装置が完成する。
【００３８】
従来においては検出波形スペクトルにノイズが生じたため、エッチング工程や成膜工程を精度良く制御することが困難であり、エッチング不良や成膜不良に伴うショートの発生等が問題となっていた。これに対し、第1の実施の形態によれば、図4、図5及び図8に示したように検査光ｈνiの偏光方向Eに対して規定された方向にモニタ窓54の光学軸Aを配置することにより検出波形スペクトルにノイズが生じない。よって、高い精度でエッチング工程や成膜工程の進捗状況を把握することが可能となり、半導体装置の製造工程において、歩留まりの向上をもたらすものとなる。
【００３９】
（第2の実施の形態）
図15に示す本発明の第2の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ装置を構成するドライプロセス装置30は、底部31、底部31の外周上に配置された側壁32、側壁32上部に配置された天井部33を有するプロセスチャンバ40を備える。
【００４０】
天井部33の下部には側壁32に挟まれて上部電極45が配置される。底部31、側壁32及び上部電極45のそれぞれで囲まれた空間領域は反応空間66を構成している。プロセスチャンバ40は、側壁32に設けられた排気口48を介して真空排気系36に接続される。底部31上には下部電極を構成する基板ホルダ15が配置される。また、基板ホルダ15内部には基板温度制御手段35が埋め込まれており、基板ホルダ15上には被測定物16が配置される。
【００４１】
天井部33、上部電極45及び側壁32のそれぞれで囲まれた領域はガスヘッド65を構成している。ここで天井部33には天井窓55が設けられている。また上部電極45の天井窓55の下部にはモニタ窓56が設けられている。ガスヘッド65は側壁32に設けられたガス導入口47を介してガス供給系37に接続される。ガスヘッド65内部にはガス供給系37より反応性ガスが供給される。ここで上部電極45にはガス供給口71a, 71b, 71c, 71dが設けられている。さらに、図15及び図16に示すように、モニタ窓56にはモニタ窓ガス供給口70a, 70b, 70c, 70d, 70e, 70f, 70g, 70h, 70i, 70j, 70k, 70l, 70m, 70n, 70o, 70p, 70q, 70r, 70s, 70t, 70u, 70v, 70w, 70x, 70yが設けられている。図15に示す反応空間66の内部にはガスヘッド65からガス供給口71a〜71d及びモニタ窓ガス供給口70a〜70yのそれぞれを介して反応性ガスが供給される。
【００４２】
下部電極である基板ホルダ15は可変コンデンサ等のインピーダンス整合器42に接続される。インピーダンス整合器42は高周波電源43に接続される。インピーダンス整合器42は高周波電源43の出入インピーダンスと下部電極側の入力インピーダンスとの整合をとる。また、上部電極45は接地されている。
【００４３】
ドライプロセス装置30の外部には、図1に示した光源12、モニタ光学系120及びモニタ情報算出装置28が配置される。光源12、モニタ光学系120及びモニタ情報算出装置28それぞれの詳細は図1と同じであるので説明は省略する。
ここで、モニタ窓56に設けられたモニタ窓ガス供給口70a〜70yそれぞれの径aは、図1に示した光源12から発せされる検査光ｈνiの図15に示すモニタ窓56の透過面におけるビーム径dよりも小さいサイズである。例えば、検査光ｈνiのビーム径dは6〜7mmであり、モニタ窓ガス供給口70a〜70yそれぞれの径aは1mmである。
【００４４】
よって、モニタ窓ガス供給口70a〜70yのそれぞれの位置では検査光ｈνiが焦点を結んでいないために、モニタ窓ガス供給口70a〜70yのそれぞれが検査光ｈνiに散乱を生じさせる等の影響は無視できる。そのため、図1に示したモニタ情報算出装置28で得られる検出波形スペクトルにモニタ窓ガス供給口70a〜70yのそれぞれが悪影響を及ぼすことがない。また、従来の光学式プロセスモニタ装置のモニタ窓にはモニタ窓ガス供給口が無かった。そのため、反応空間内のモニタ窓の下部においては反応性ガスの密度が低下し、エッチング速度が低下し、面内均一性が低下するため、エンドポイントモニタリングの精度が低下するという問題が生じていた。これに対し、図16に示したモニタ窓56には複数のモニタ窓ガス供給口70a〜70yが設けられているので、図15に示した反応空間66内のモニタ窓56下部の領域においても反応性ガスの密度が低下しない。よってモニタ窓56の直下に当たる部分とそうでない部分においてエッチング速度をほぼ等しくすることが可能となり、エッチング速度の面内均一性が向上し、エンドポイントモニタリングの精度を高くすることを可能とする。
【００４５】
なお、第2の実施の形態に係るモニタ窓56の材料としては、複屈折特性を有さないガラス等のアモルファス物質でも、第1の実施の形態に係るモニタ窓54の材料のように、サファイア、石英、方解石等の複屈折材料を使用してもよい。
【００４６】
次に、図17を用いて第2の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法を説明する。
(a)まずステップS301で図15に示すように被測定物16をドライプロセス装置30の基板ホルダ15上に配置する。
【００４７】
(b)ステップS302で、図1に示した光源12より検査光ｈνiを被測定物16に向けて照射し、さらにステップS303で検査光ｈνiのビーム径dが図15及び図16に示したモニタ窓56のモニタ窓ガス供給口70a〜70yのそれぞれの径aよりも大きくなるようにレンズ14で検査光ｈνiを集光する。
【００４８】
(c)ステップS304で、図1に示したモニタ情報算出装置28の検出器24は被測定物16表面からの反射光ｈνrの検出波形スペクトルを取得する。取得した検出波形スペクトルより、算出部26は被測定物16の厚さ方向のモニタ情報を算出する。
【００４９】
次に、図18を用いて第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
(a)ステップS401からステップS402は図10のステップS201からステップS202と同じであるので説明は省略する。次にステップS403で、図15に示すプロセスチャンバ40に図12に示す半導体基板1を収納した後、ステップS404で図1に示した光源12から図15に示すモニタ窓56を通して層間絶縁膜400に対して検査光ｈνiを照射し、検査光ｈνiの透過面におけるビーム径dがモニタ窓56のモニタ窓ガス供給口70a〜70yそれぞれの径aよりも大きくなるように図1に示したレンズ14で検査光ｈνiを集光する。
【００５０】
(b)ステップS405で、プロセスチャンバ40内を真空排気系36で真空排気する。真空排気後、反応性ガスをモニタ窓ガス供給口70a〜70y及び上部電極45のガス供給口71a〜71dのそれぞれを介してプロセスチャンバ40の内部に導入する。さらにステップS406で、下部電極である基板ホルダ15に高周波電力を印加して反応性ガスをプラズマ化し、図12及び図13に示したエッチングマスク900, 901, 902のそれぞれをマスクにして層間絶縁膜400を選択的にドライエッチング除去する。
【００５１】
(c)ステップS407で、層間絶縁膜400表面で反射し、図1に示したモニタ窓54、ビームスプリッタ18及び光ファイバ20bを介して導かれる検査光ｈνiの反射光ｈνrをモニタ情報算出装置28で検出し、ドライエッチングで形成される図14に示す配線形成用の溝800, 801のエンドポイントを検出し、エッチング処理を終了する。
【００５２】
(d)ステップS408で、半導体基板1をプロセスチャンバ40から取り出し、さらに溝800, 801に連通し、主電極310, 311に達するホールをドライエッチングで形成する。その後、メッキ法等により溝800, 801及びホールのそれぞれに銅(Cu)等を埋め込む。さらに絶縁膜400表面を化学機械研磨(CMP)処理し、配線層を形成させる。その後、層間絶縁膜形成、ステップS402〜S408で示したエッチング工程、ビア、コンタクトの形成、配線層の形成を繰り返し、半導体装置が完成する。
【００５３】
以上示した第2の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法及び半導体装置の製造方法によれば、検査光ｈνiに散乱等を生じさせることなく、反応空間66内部のモニタ窓56近傍においても反応性ガスをガスヘッド65から供給することが可能となる。そのため、配置位置に依存せず、反応の面内均一性が良好な成膜やエッチング等のドライプロセスが可能となる。
【００５４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば、実施の形態においては、トランジスタを例に半導体装置の製造方法を説明したが、ダイオード等の活性素子を有する他の半導体装置の製造方法にも本発明は適用可能であるのは勿論である。また、第2の実施の形態において、図15に示した基板ホルダ（下部電極）15上にウェハが搭載される反応性イオンエッチング(RIE)方式のプラズマ処理装置を例示したが、ウェハが放電部とは離れて設置されるダウンフローエッチング（ケミカルドライエッチング）等のダウンフロー（ダウンストリーム）方式のプラズマ処理装置でもかまわない。ダウンフロープロセス装置としては、プラズマを形成する活性化領域と、ウェハが設置される反応領域が完全に分離されたタイプの他、バレル型のプラズマエッチング装置のようなウェハと放電部が近い構造でもよい。又、プラズマ処理だけでなく、ガスエッチング、光エッチング、熱CVD、あるいは光CVD等のドライプロセスにも使用可能である。さらに、ドライプロセス装置以外にもCMP装置等、厚さ方向のモニタ情報を取得する必要のある様々な装置に本発明の光学式プロセスモニタ装置は利用可能である。このように、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となろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明からは妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第1の実施の形態に係る半導体基板の断面図である。
【図３】本発明の第1の実施の形態に係る半導体基板の平面図である。
【図４】本発明の第1の実施の形態に係る偏光子とモニタ窓の光学的な配置関係を示す模式図である（その1）。
【図５】本発明の第1の実施の形態に係る偏光子とモニタ窓の光学的な配置関係を示す模式図である（その2）。
【図６】本発明の第1の実施の形態に係る検出波形スペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明の第1の実施の形態に係る偏光子とモニタ窓の光学的な配置関係を示す模式図である（その3）。
【図８】本発明の第1の実施の形態に係る偏光子とモニタ窓の光学的な配置関係を示す模式図である（その4）。
【図９】本発明の第1の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法を示すフローチャート図である。
【図１０】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１１】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の工程断面図である（その1）。
【図１２】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の工程断面図である（その2）。
【図１３】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の平面図である。
【図１４】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の工程断面図である（その3）。
【図１５】本発明の第2の実施の形態に係るドライプロセス装置の模式図である。
【図１６】本発明の第2の実施の形態に係るモニタ窓の模式図である。
【図１７】本発明の第2の実施の形態に係る光学式プロセスモニタ方法を示すフローチャート図である。
【図１８】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００５６】
A…光学軸
D…パターン方向
E…偏光方向
P…偏光面
X…偏光面と垂直に交わる平面
a…内径
d…ビーム径
ｈνi…検査光
1…半導体基板
5…回転機構
6…方位調整機構
7…方位調整手段
10…光学式プロセスモニタ装置
12…光源
14…レンズ
15…基板ホルダ
16…被測定物
18…ビームスプリッタ
20a, 20b…光ファイバ
22…分光器
24…検出器
26…算出部
28…モニタ情報算出装置
30…ドライプロセス装置
31…底部
32…側壁
33…天井部
35…基板温度制御手段
36…真空排気系
37…ガス供給系
40…プロセスチャンバ
42…インピーダンス整合器
43…高周波電源
45…上部電極
47…ガス導入口
48…排気口
50…プロセスチャンバ
54…モニタ窓
55…天井窓
56…モニタ窓
60…偏光子
62…スペイシャルフィルタ
65…ガスヘッド
66…反応空間
70a, 70b, 70c, 70d, 70e, 70f, 70g, 70h, 70i, 70j, 70k, 70l, 70m, 70n, 70o, 70p, 70q, 70r, 70s, 70t, 70u, 70v, 70w, 70x, 70y…モニタ窓ガス供給口
71a, 71b, 71c, 71d…ガス供給口
80…半導体基板
81…第1の絶縁膜
82…第1の配線層
83…第2の絶縁膜
85a, 85b, 85c, 85d, 85e, 85f…レジストマスク
120…モニタ光学系
302…pウェル
303, 403…素子分離溝
304…素子分離絶縁層
305…ゲート酸化膜
307…ポリシリコンゲート電極
400…層間絶縁膜
800, 801…溝
900, 901, 902…エッチングマスク
【図１】
2005127797.tif 000003
【図２】
2005127797.tif 000004
【図３】
2005127797.tif 000005
【図４】
2005127797.tif 000006
【図５】
2005127797.tif 000007
【図６】
2005127797.tif 000008
【図７】
2005127797.tif 000009
【図８】
2005127797.tif 000010
【図９】
2005127797.tif 000011
【図１０】
2005127797.tif 000012
【図１１】
2005127797.tif 000013
【図１２】
2005127797.tif 000014
【図１３】
2005127797.tif 000015
【図１４】
2005127797.tif 000016
【図１５】
2005127797.tif 000017
【図１６】
2005127797.tif 000018
【図１７】
2005127797.tif 000019
【図１８】
2005127797.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月18日(2004.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に向けて検査光を照射する光源と、
前記検査光を直線偏光にする偏光子と、
前記プロセスチャンバに設けられ、前記検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、
前記検査光の偏光面と前記モニタ窓の光学軸の方位との相対的関係を調整する方位調整手段と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備えることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項２】
前記方位調整手段は、前記偏光子の回転機構及び前記モニタ窓の方位調整機構の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載の光学式プロセスモニタ装置。
【請求項３】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に向けて検査光を照射する光源と、
前記検査光を直線偏光にする偏光子と、
前記プロセスチャンバに設けられ、前記検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備え、前記モニタ窓の光学軸の方位が前記検査光の進行方向と略平行であることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項４】
被測定物を格納するプロセスチャンバと、
前記被測定物に検査光を照射する光源と、
前記プロセスチャンバに前記検査光を透過するように配置されたモニタ窓であって、前記検査光の透過面におけるビーム径よりも小さな径のガス供給口を複数有するモニタ窓と、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置
とを備えることを特徴とする光学式プロセスモニタ装置。
【請求項５】
被測定物に向けて検査光を照射するステップと、
前記検査光を直線偏光にするステップと、
前記被測定物を収納するプロセスチャンバに設けられた複屈折性材料からなるモニタ窓の光学軸の方位と、前記検査光の偏光面との相対的関係を調整するステップと、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップ
とを含むことを特徴とする光学式プロセスモニタ方法。
【請求項６】
前記相対的関係を調整するステップは、前記光学軸の方位を前記偏光面と略平行にする手順を含むことを特徴とする請求項５記載の光学式プロセスモニタ方法。
【請求項７】
前記相対的関係を調整するステップは、前記光学軸の方位を前記検査光の進光方向と平行で、かつ前記偏光面と垂直に交わる平面に略平行にする手順を含むことを特徴とする請求項５記載の光学式プロセスモニタ方法。
【請求項８】
複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えたプロセスチャンバに被測定物を収納するステップと、
前記被測定物に向けて検査光を照射するステップと、
前記モニタ窓上で前記検査光の透過面におけるビーム径が前記ガス供給口の径よりも大きくなるように前記検査光を集光するステップと、
前記被測定物表面からの前記検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップ
とを含むことを特徴とする光学式プロセスモニタ方法。
【請求項９】
半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、
複屈折性材料からなるモニタ窓を備えるプロセスチャンバに前記エッチングマスクが形成された前記半導体基板を収納するステップと、
直線偏光の検査光を、前記モニタ窓を透過させ前記半導体基板の表面に照射し、前記直線偏光の偏光方向に対して前記モニタ窓の光学軸の方位の相対的関係を調整するステップと、
前記プロセスチャンバ内で前記絶縁膜をドライエッチングするステップと、
前記検査光の反射光を検出して、前記ドライエッチングのエンドポイントを検出して、前記ドライエッチングを停止するステップ
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、
複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えるプロセスチャンバに前記エッチングマスクが形成された前記半導体基板を収納するステップと、
前記半導体基板の表面に向けて検査光を照射し、前記モニタ窓上で前記検査光の透過面におけるビーム径が前記ガス供給口の径よりも大きくなるように前記検査光を集光するステップと、
前記ガス供給口から前記プロセスチャンバ内部に反応性ガスを供給するステップと、
前記プロセスチャンバ内で前記絶縁膜をドライエッチングするステップと、
前記検査光の反射光を検出して、前記ドライエッチングのエンドポイントを検出して、前記ドライエッチングを停止するステップ
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の第2の特徴は、（イ）被測定物を格納するプロセスチャンバと、（ロ）被測定物に向けて検査光を照射する光源と、（ハ）検査光を直線偏光にする偏光子と、（ニ）プロセスチャンバに設けられ、検査光を透過させる複屈折性材料からなるモニタ窓と、（ホ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出するモニタ情報算出装置とを備え、モニタ窓の光学軸の方位が検査光の進行方向と略平行である光学式プロセスモニタ装置であることを要旨とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の第5の特徴は、（イ）複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えたプロセスチャンバに被測定物を収納するステップと、（ロ）被測定物に向けて検査光を照射するステップと、（ハ）モニタ窓上で検査光の透過面におけるビーム径がガス供給口の径よりも大きくなるように検査光を集光するステップと、（ニ）被測定物表面からの検査光の反射光を検出してモニタ情報を取得するステップとを含む光学式プロセスモニタ方法であることを要旨とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の第7の特徴は、（イ）半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、（ロ）絶縁膜の表面にエッチングマスクを形成するステップと、（ハ）複数のガス供給口を有するモニタ窓を備えるプロセスチャンバにエッチングマスクが形成された半導体基板を収納するステップと、（ニ）半導体基板の表面に向けて検査光を照射し、モニタ窓上で検査光の透過面におけるビーム径がガス供給口の径よりも大きくなるように検査光を集光するステップと、（ホ）ガス供給口からプロセスチャンバ内部に反応性ガスを供給するステップと、（ヘ）プロセスチャンバ内で絶縁膜をドライエッチングするステップと、（ト）検査光の反射光を検出して、ドライエッチングのエンドポイントを検出して、ドライエッチングを停止するステップとを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。