(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定領域の少なくとも一部においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に配置された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得るステップと、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に、前記第１の光に対して透明な第２の透明材料膜からなる上層構造を設けるステップと、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップと、
前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップと、
前記規格化された反射干渉分光波形強度に前記上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、前記測定領域の上方における前記第２の透明材料膜の膜厚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２】
測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に配置された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得るステップと、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に、前記第１の光に対して透明な第２の透明材料膜の表面の一部に溝が形成された上層構造を設けるステップと、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップと、
前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップと、
前記規格化された反射干渉分光波形強度に前記上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、前記溝下における前記第２の透明材料膜の残膜厚さ又は前記溝の深さ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３】
前記測定領域を複数の位置に設け、前記複数の位置のそれぞれにおいて前記第２の光を照射して前記溝の深さを算出することにより、前記溝の深さを測定することを特徴とする請求項２に記載のモニタ方法。
【請求項４】
測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に配置された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得るステップと、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に、前記第１の光に対して透明な第２の透明材料膜の表面の一部に溝が形成された上層構造を設けるステップと、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップと、
前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップと、
前記規格化された反射干渉分光波形強度の最小値又は極小値を求めるステップと、
前記規格化された反射干渉分光波形強度から前記最小値又は極小値を差し引き、前記規格化された反射干渉分光波形強度の振幅成分を抽出するステップと、
前記抽出された振幅成分に基づいて前記第２の透明材料膜の残膜厚さ又は前記溝の深さ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５】
前記第１及び第２の光の偏光方向が、前記遮光性材料のパターンの長手方向に対して平行とされることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のモニタ方法。
【請求項６】
測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に形成された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に前記第１の光に対して透明な第２の透明材料膜を形成し、前記第２の透明材料膜の表面の一部にエッチング溝を設けて上層構造を形成する工程であって、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度に前記上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、前記エッチング溝下における前記第２の透明材料膜の残膜厚さ又は前記エッチング溝の深さを算出するステップとにより前記エッチング溝の深さを測定し、前記測定結果に基づいてエッチングのエンドポイントを決定するようにして前記第２の透明材料膜をエッチングする工程
とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項７】
前記参照分光波形を得る工程が、前記第２の透明材料膜をエッチングするエッチングチャンバー内で行われることを特徴とする請求項６に記載のエッチング方法。
【請求項８】
前記エッチングがプラズマを用いるものであり、前記エッチングの前にプラズマ発光の分光波形を測定する工程を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載のエッチング方法。
【請求項９】
前記反射干渉分光波形を得るステップの後に、さらに、前記反射干渉分光波形より前記プラズマ発光の分光波形成分を差し引きプラズマ補正反射干渉分光波形を得る段階を含み、
前記プラズマ補正反射干渉分光波形を前記参照分光波形の強度で規格化し、前記規格化されたプラズマ補正反射干渉分光波形強度に基づいて、前記第２の透明材料膜の残膜厚さ又は前記エッチング溝の深さを算出することを特徴とする請求項８に記載のエッチング方法。
【請求項１０】
測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に形成された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に前記第１の光に対して透明な第２の透明材料膜を形成し、前記第２の透明材料膜の表面の一部にエッチング溝を設けて上層構造を形成する工程であって、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度の最小値又は極小値を求めるステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度から前記最小値又は極小値を差し引き、前記規格化された反射干渉分光波形強度の振幅成分を抽出するステップ、前記抽出された振幅成分に基づいて前記第２の透明材料膜の残膜厚さ又は前記エッチング溝の深さを算出するステップとにより前記エッチング溝の深さを測定し、前記測定結果に基づいてエッチングのエンドポイントを決定するようにして前記第２の透明材料膜をエッチングする工程
とを含むことを特徴とするエッチング方法。
【請求項１１】
前記第１及び第２の光の偏光方向が、前記遮光性材料のパターンの長手方向に対して平行とされることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のエッチング方法。
【請求項１２】
半導体基板上に、測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の導電材料からなるパターンが第１の絶縁材料膜の上部に設けられた下層構造を形成する工程と、
前記下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に前記第１の光に対して透明な第２の絶縁材料膜を形成し、前記第２の絶縁材料膜の表面の一部をエッチングすることで配線溝が設けられた上層構造を形成する工程であって、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、前記反射干渉分光波形を得た後、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の導電材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度に前記上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、前記配線溝下における前記第２の絶縁材料膜の残膜厚さ又は前記配線溝の深さを算出するステップとによりエッチングされた配線溝の深さを測定し、前記測定結果に基づいて前記エッチングのエンドポイントを決定するようにして前記第２の絶縁材料膜をエッチングする工程と、
前記エッチング工程の後に、前記配線溝に金属を埋め込み上層の配線を形成する工程
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１３】
前記参照分光波形を得る工程が、前記第２の絶縁材料膜をエッチングするエッチングチャンバー内で行われることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記エッチングがプラズマを用いるものであり、前記エッチング前にプラズマ発光の分光波形を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記反射干渉分光波形を得るステップの後に、さらに、前記反射干渉分光波形より前記プラズマ発光の分光波形成分を差し引きプラズマ補正反射干渉分光波形を得る段階を含み、
前記プラズマ補正反射干渉分光波形を前記参照分光波形の強度で規格化し、前記規格化されたプラズマ補正反射干渉分光波形強度に基づいて、前記第２の絶縁材料膜の残膜厚さ又は前記配線溝の深さを算出することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
半導体基板上に、測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の導電材料からなるパターンが第１の絶縁材料膜の上部に設けられた下層構造を形成する工程と、
前記下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、前記第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、
前記参照分光波形を得た後に、前記下層構造の上部に前記第１の光に対して透明な第２の絶縁材料膜を形成し、前記第２の絶縁材料膜の表面の一部をエッチングすることで配線溝が設けられた上層構造を形成する工程であって、
前記上層構造を設けた後、前記測定領域に対応する前記上層構造の領域に前記第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、前記第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、前記波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の導電材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、前記反射干渉分光波形の強度を前記参照分光波形の強度で規格化するステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度の最小値又は極小値を求めるステップ、前記規格化された反射干渉分光波形強度から前記最小値又は極小値を差し引き、前記規格化された反射干渉分光波形強度の振幅成分を抽出するステップ、前記抽出された振幅成分に基づいて前記第２の絶縁材料膜の残膜厚さ又は前記配線溝の深さを算出するステップとによりエッチングされた配線溝の深さを測定し、前記測定結果に基づいて前記エッチングのエンドポイントを決定するようにして前記第２の絶縁材料膜をエッチングする工程と、
前記エッチング工程の後に、前記配線溝に金属を埋め込み上層の配線を形成する工程
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１７】
前記第１及び第２の光の偏光方向が、前記導電材料のパターンの長手方向に対して平行とされることを特徴とする請求項１２〜１６いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜の厚さやエッチング深さをモニタする方法に関する。さらには、そのモニタ方法を用いたエッチング方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【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、金属膜を堆積する。金属膜堆積後、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、金属膜を反応性イオンエッチング（以下において、「ＲＩＥ」という）することで、配線構造を形成する。このような配線工程では、抵抗が小さく加工のしやすいアルミニウム（Ａｌ）金属膜が主に用いられている。
【０００３】
近年の半導体装置の高集積化、高密度化、高性能化に伴い、低抵抗金属膜による多層配線化が進められている。上述した、ＡｌのＲＩＥによる配線工程を用いる場合は、多層配線化に伴いリソグラフィ工程及びＲＩＥ工程は増加する一方である。また、高密度化による配線ピッチの縮小化により層間絶縁膜の配線間への埋め込みが技術的に困難となる。さらに、高性能化のため、Ａｌに比べ低抵抗化が可能な銅（Ｃｕ）金属膜配線が用いられるようになったが、従来のようにレジストマスクでＲＩＥ等のドライエッチング技術によりＣｕ配線を形成する場合、低温でのＣｕ金属膜のドライエッチングが困難であるいう技術課題がある。
【０００４】
このため、層間絶縁膜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を埋め込み、化学機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて平坦化するダマシン加工を採用する傾向が大きくなって来ている。
【０００５】
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。また、配線溝深さを確認するためには、断面ＳＥＭ観察等の破壊検査となるため、ダミー基板での間接検査とならざるを得ない。そのため、配線溝深さの不良品があっても、少なくとも配線工程終了後での電気的検査により良否判断をせざるを得ず工程に無駄を生じてしまうという問題点がある。
【０００６】
【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等の配線溝形成ドライエッチング工程では、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、再現性あるいは配線溝形成工程の生産性を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決し、配線溝形成等の工程中での膜厚又は溝深さを高精度に算出することができるモニタ方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング溝深さを、エッチング中に測定することで、形成する溝深さの精度及び制御性等を向上させるエッチング方法を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング溝深さを、エッチング中に測定することで、形成する溝深さの精度及び制御性等を向上させるエッチング方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１０】
【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の特徴は、（イ）測定領域の少なくとも一部においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に配置された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得るステップと、（ロ）参照分光波形を得た後に、下層構造の上部に、第１の光に対して透明な第２の透明材料膜からなる上層構造を設けるステップと、（ハ）測定領域に対応する上層構造の領域に第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップと、（ニ）波長領域中の隣り合うストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域において、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化するステップと、（ホ）規格化された反射干渉分光波形強度に上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、測定領域の上方における第２の透明材料膜の膜厚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であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば、配線構造上の透明材料膜の厚さを高精度に算出することができるモニタ方法を提供することができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、（イ）測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に配置された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得るステップと、（ロ）参照分光波形を得た後に、下層構造の上部に、第１の光に対して透明な第２の透明材料膜の表面の一部に溝が形成された上層構造を設けるステップと、（ハ）測定領域に対応する上層構造の領域に第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップと、（ニ）波長領域中の隣り合うストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化するステップと、（ホ）規格化された反射干渉分光波形強度に上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、溝下における第２の透明材料膜の残膜厚さ又は溝の深さ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であることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第２の特徴によれば、配線溝形成工程等での透明材料膜の残膜厚さ又は溝深さを高精度に算出することができるモニタ方法を提供することができる。
【００１４】
本発明の第２の特徴において、溝を形成した第２の透明材料膜の複数の位置に光を照射することで、非破壊的に簡便に溝深さを測定することが可能であり、エッチング等による溝形成工程の検査に適用できる。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、（イ）測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の遮光性材料からなるパターンが第１の透明材料膜の上部に形成された下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、（ロ）参照分光波形を得た後に、下層構造の上部に第１の光に対して透明な第２の透明材料膜を形成し、第２の透明材料膜の表面の一部にエッチング溝を設けて上層構造を形成する工程であって、（ハ）測定領域に対応する上層構造の領域に第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の遮光性材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化するステップ、規格化された反射干渉分光波形強度に基づいて、エッチング溝下における第２の透明材料膜の残膜厚さ又はエッチング溝の深さを算出するステップとによりエッチング溝の深さを測定し、その測定結果に上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することによりエッチングのエンドポイントを決定するようにして第２の透明材料膜をエッチングする工程とを含むことを特徴とするエッチング方法であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第３の特徴によれば、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング深さをエッチング中に測定することで、エッチング深さの精度及び制御性等を向上させるエッチング方法を提供することができる。
【００１７】
本発明の第４の特徴は、（イ）半導体基板上に、測定領域の少なくとも一部の領域においてストライプ状の導電材料からなるパターンが第１の絶縁材料膜の上部に設けられた下層構造を形成する工程と、（ロ）下層構造に、３５０ｎｍ以上の可視光領域から赤外領域の波長領域の第１の光を照射し、第１の光の反射光を検知し参照分光波形を得る工程と、（ハ）参照分光波形を得た後に、下層構造の上部に第１の光に対して透明な第２の絶縁材料膜を形成し、第２の絶縁材料膜の表面の一部をエッチングすることで配線溝が設けられた上層構造を形成する工程であって、（ニ）測定領域に対応する上層構造の領域に第１の光と同一のスペクトル分布の第２の光を照射し、第２の光の反射光を検知し反射干渉分光波形を得るステップ、波長領域中の隣り合う前記ストライプ状の導電材料の間隔の少なくとも２倍より大きい波長領域で、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化するステップ、規格化された反射干渉分光波形強度に上層構造に対する分光干渉反射率の理論を適用することにより、配線溝下における第２の絶縁材料膜の残膜厚さ又は配線溝の深さを算出するステップとによりエッチングされた配線溝の深さを測定し、その測定結果に基づいてエッチングのエンドポイントを決定するようにして第２の絶縁材料膜をエッチングする工程と、（ホ）エッチング工程の後に、配線溝に金属を埋め込み上層の配線を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【００１８】
本発明の第４の特徴によれば、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング深さをエッチング中に測定することで、エッチング深さの精度及び制御性等を向上させたエッチング方法を用いる半導体装置製造方法を提供することができる。
【００１９】
本発明の第３及び第４の特徴において、参照分光波形を得る工程が、透明材料膜あるいは絶縁材料膜をエッチングするエッチングチャンバー内で行われることが好ましい。
【００２０】
本発明の第３及び第４の特徴において、別途測定したドライエッチングのプラズマ発光の分光波形を反射干渉分光波形より差し引いて、エッチング深さを測定するステップを含むことが好ましい。
【００２１】
また、本発明の第１乃至第４の特徴において、規格化された反射干渉分光波形強度の最小値又は極小値を求め、規格化された反射干渉分光波形強度からこの最小値又は極小値を差し引くことにより、規格化された反射干渉分光波形強度の振幅成分を抽出し、この抽出された振幅成分に基づいて透明材料膜あるいは絶縁材料膜の溝深さを算出するステップを含むことが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明の第１乃至第４の特徴において、基板への入射光の偏光方向が、配線パターンの長手方向に対して略平行となるように、光を偏光させることが好ましい。
【００２３】
ここで、本発明の第１〜４の特徴に係わる下層材料層としては、Ｓｉあるいは化合物半導体等の半導体基板、複数の素子や配線層が形成された半導体基板等が好適である。
【００２４】
また、本発明の第１〜４の特徴に係わる透明材料膜としては、一般的によく知られているシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、あるいは無機、有機の低誘電率膜などの絶縁材料膜が好適である。これらの絶縁材料膜は半導体基板上に形成される集積化回路の多層配線の層間絶縁膜として、層間絶縁膜に形成された配線溝やビアホールに埋め込み形成された金属膜を、化学機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて平坦化するダマシン加工に用いられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の第１乃至第３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。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ことに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。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。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る溝深さ測定装置１０は、３５０ｎｍ以上の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、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、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、半導体基板１６上の所定の箇所の溝深さを算出する。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、半導体基板１６の主面上には、第１の透明材料膜２８、および遮光性材料からなる配線層３０が順次配置されている。配線層３０の配線構造は、少なくとも一部領域が紙面の左右方向に延びるストライプ状の配線パターンであり、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。その後、図２（ｂ）に示すように、配線層３０の上部には、第２の透明材料膜３２が配置される。第２の透明材料膜３２上には、レジストパターン３４が形成される。レジストパターン３４は、少なくとも一部が紙面の前後方向に延びるストライプ状のパターンであり、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。
【００２８】
ここで、遮光性材料からなる配線層３０の上方の層を、第１の層Ａと第２の層Ｂからなる多層膜とみなすことができる。第１及び第２の層Ａ、Ｂを構成する第２の透明材料膜３２及びレジストパターン３４のレジストは、いずれも光に対して透明な膜である。後述するように、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。第１の実施の形態は、この第２の透明材料膜３２の内部に形成され、後に配線金属膜が埋め込まれる配線溝の深さを測定するものである。
【００２９】
図３に示すように、Ｒj-1、Ｒj、Ｒj+1、Ｒj+2、・・・・は、各々、ストライプ状に配列されたレジストパターン３４の隣り合うレジストストライプの間隔であり、また同様に、Ｓi、Ｓi+1、・・・・は、各々、ストライプ状に配列された配線層３０の隣り合う配線ストライプの間隔である。ここでは、レジストパターン３４と配線層３０の配線パターンとは直交しているが、もちろん、本発明は、この位置関係に限るものではない。
【００３０】
図２の配線層３０として、幅１７５ｎｍ、厚さ２５０ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍのストライプ状タングステン（Ｗ）金属膜を用い、ここでは、配線パターンは等間隔で、間隔Ｓi、Ｓi+1、・・・・は全て１７５ｎｍとしている。第１の透明材料膜２８および第２の透明材料膜３２は共にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で構成している。この透明材料膜は上層及び下層に形成される金属膜配線に対しての層間絶縁膜となり、例えば第１の透明材料膜２８は半導体基板１６表面層と配線層３０に対する層間絶縁膜となる。
【００３１】
レジストパターン３４は、幅１７５ｎｍ、厚さ４５０ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍであり、レジストパターン３４も等間隔で、間隔Ｒj-1、Ｒj、Ｒj+1、Ｒj+2、・・・・は全て１７５ｎｍとしている。
【００３２】
図４は、図２の第１の透明材料膜２８の厚さを５５０ｎｍに固定し、第２の透明材料膜３２の厚さを８５０，９００，１０００，１０５０ｎｍの４種類について測定したときの反射干渉分光波形を重ねて示している。図５は、図２の第２の透明材料膜３２の厚さを９５０ｎｍに固定し、第１の透明材料膜２８の厚さを４５０，５５０，６５０ｎｍの３種類について測定したときの反射干渉分光波形を重ねて示している。なお、図４および図５で示されている反射干渉分光波形の反射強度は、半導体基板１６に第１の透明材料膜２８を形成する前の状態の下地半導体基板からの反射光をあらかじめ測定し参照光とし、検知された反射光を参照光で割り算したものである。また、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。配線層３０の配線間隔、例えばＳ、あるいはレジストパターン３４のパターン間隔、例えばＲは、いずれも等間隔で１７５ｎｍであり、２倍以上大きな波長領域である。
【００３３】
ここでは、配線層３０とレジストパターン３４の間隔は、等間隔としているが、配線層３０とレジストパターン３４の間隔はお互いに相違してもよく、また、配線層３０あるいはレジストパターン３４各々の配線間隔あるいはパターン間隔はそれぞれ相違してもよい。その場合は、例えば、配線層３０の最大の配線間隔の２倍以上の波長領域とすればよい。
【００３４】
図４に示すように、配線層３０より上方に位置する第２の透明材料膜３２の厚さを８５０ｎｍから１０５０ｎｍまで変化させた場合、反射干渉分光波形も大きく変化していく。一方、図５に示すように、配線層３０よりも下方に位置する第１の透明材料膜２８の厚さを４５０ｎｍから６５０ｎｍまで変化させた場合、反射干渉分光波形の変化は小さい。上述したように、検出反射光の波長を、配線層３０のパターンの間隔の２倍よりも大きい赤外領域としている。このような波長領域の光は、配線層３０をほとんど透過せず、反射される。従って、溝深さ測定装置１０で得られる反射干渉分光波形に寄与するのは、ほとんど配線層３０よりも上方の層と考えられる。
【００３５】
図２（ｂ）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。従って、測定波長領域では、第２の層Ｂは等価屈折率層、即ちレジストパターン３４と真空と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（例えば、菊田久雄、オー・プラス・イー（O Plus E.）、Vol.21，No.5  P.543参照）。上記の半導体基板１６の場合、配線層３０よりも上層を、第１の層Ａと、第２の層Ｂ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（例えば、ジー・アール・ファウルス、イントロダクション・トゥ・モダン・オプティクス（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によって実行される。この算出部２６は、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される。
【００３６】
しかし、図５の各々の反射干渉分光波形にはばらつきがあり、算出される第２の透明材料膜３２の厚さは、１０％にも及ぶばらつきを示す。これは、膜厚あるいは配線溝深さを高精度に測定する場合には、実際には第１の配線層３０を僅かながら透過する光の影響を無視できないことを示している。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態に係わるモニタ方法は、まず、少なくとも一部領域において遮光性材料からなるストライプ状パターンの配線層３０が第１の透明材料膜２８の上部に配置された下層構造に、光を照射し、その光の反射光を検知し参照分光波形を得る。その後、配線層３０の上部に、光に対して透明な第２の透明材料膜３２を形成し、その表面の一部にレジストパターン３４を設け、上層構造とする。この上層構造に光を照射し、光の反射光を検知して反射干渉分光波形を得る。ストライプ状パターンの配線層３０の配線間隔の２倍より大きい波長領域において、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化し、規格化された反射干渉分光波形強度に基づいて溝の深さを算出する。
【００３８】
図２に示した構造を持つ半導体基板１６上の第２の透明材料膜３２の厚さを測定する場合、通常行うように下地半導体基板からの反射光を参照光とするのではなく、図２（ａ）のように、第２の透明材料膜３２が形成されていない半導体基板１６の配線層３０からの反射光を参照光とすることになる。
【００３９】
図６及び図７は、図２の第２の透明材料膜３２の厚さを８００ｎｍに固定し、第１の透明材料膜２８の厚さを４５０、６５０、８５０，１０５０ｎｍの４種類について、図１の溝深さ測定装置１０を用いて測定したときの反射干渉分光波形を重ねて示している。図１の検出器２４によって検出される反射光は、９００ｎｍから１６００ｎｍの赤外領域で、配線層３０の配線間隔より２倍以上大きい波長領域である。図６は、比較のため下地半導体基板からの反射光を参照光として反射干渉分光波形を求めた場合である。それに対して、図７は、図２（ａ）に示した配線構造からの反射光を参照光として反射干渉分光波形を求めた場合である。図６及び図７の比較より、下地半導体基板からの反射光で規格化したものよりも、図２（ａ）に示す配線層３０からの反射光で規格化した方が第1の透明材料膜２８の厚さ依存性が少なく、配線層３０よりも下方に透過し反射してくる光の影響が少なくなっていることが分かる。図７より求まる第２の透明材料膜３２の厚さのばらつきは５％以内となり、第１の透明材料膜２８の影響が抑えられ、より高精度に厚さを求めることが可能となる。
【００４０】
図８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８に示すように、この半導体基板１６の主面上には、複数のゲート電極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の透明材料膜３８、および、配線構造を有する配線層４０が順次配置されている。この状態で、あらかじめ配線層４０の反射光を測定し、参照光とする。
【００４１】
それから、配線層４０の上部には、第２の透明材料膜４２が形成され、この第２の透明材料膜４２の内部に、後に配線金属膜が埋め込まれる配線溝が形成される。第２の透明材料膜４２上には、レジストパターン４４が形成され、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。配線層４０とレジストパターン４４との位置関係は図３で説明したものと同様である。
【００４２】
そして、図８の構造の半導体基板１６からの反射光の分光波形を測定し、配線層４０からの参照光の分光波形で規格化する。この規格化した反射干渉分光波形を用いて、第２の透明材料膜４２の厚さを求める。
【００４３】
図８の場合も図２の例と同様、配線層４０の上方の層を、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の透明材料膜４２に相当し、第２の層Ｂはレジストと真空とから成るレジストパターン４４の混合層に相当する。配線層４０下に複雑な構造を有していても、上述したように、配線層４０の配線間隔の２倍よりも大きい波長領域の光を用いることにより、配線層４０を透過する光を抑制できる。さらに、第２の透明材料膜４２を形成する前に、あらかじめ配線層４０からの反射光を測定して参照光とすることにより、配線層４０より下方に僅かながら透過している光の影響を補正することができる。
【００４４】
このように、第１の実施の形態に係わるモニタ方法によれば、配線層４０の下層に複雑な構造を有していても、第２の透明材料膜４２の厚さを高精度に求めることができる。
【００４５】
次に、図２に示した半導体基板１６をＲＩＥして、第２の透明材料膜３２の内部に複数の配線溝４６を形成して、溝の深さを測定する場合について説明する。ここで、エッチングする半導体基板１６の構造は、図２及び図３で説明した例と同様である。
【００４６】
図９は、図２（ｂ）の半導体基板１６を従来のＲＩＥ装置を用いて、所定の時間エッチングした後の断面図である。第２の透明材料膜３２の内部に形成された配線溝４６には、後に金属膜が埋め込み形成されて新たな上部の配線層が形成されることになる。
【００４７】
図９の場合、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は一様な第２の透明材料膜３２ａに相当し、第２の層Ｄは第２の透明材料膜３２ｂと配線溝４６部分の真空とから成る混合層に相当し、第３の層Ｅはレジストと真空とから成るレジストパターン３４の混合層に相当する。レジストパターン３４あるいは配線溝４６のパターンあるいは溝の間隔の２倍よりも大きい波長領域では、この第２の層Ｄは第３の層Ｅと同様に、第２の透明材料膜と真空との平均的な屈折率を有する均一な等価屈折率層とみなすことができる。この多層膜に対して、分光干渉反射率の理論を適用することにより、各層の厚さが求まり、さらに求まる第２の層Ｄの厚さよりエッチングされた溝の深さが導出される。
【００４８】
本発明の第１の実施の形態に係わるエッチング溝の深さ測定方法は、以下のようになる。まず、半導体基板１６上に第１の透明材料膜２８を形成し、遮光性材料からなり、所定のパターンを有する配線層３０を形成する。次に、配線層３０に、光を照射し、その光の反射光を検知し参照分光波形を測定する。その後、配線層３０上に、光に対して透明な第２の透明材料膜３２を形成する。第２の透明材料膜３２上に、レジストパターン３４を形成する。ＲＩＥ装置に基板を搬入し、レジストパターン３４をマスクとして、第２の透明材料膜３２の一部を選択的にエッチングし、配線溝４６を形成する。配線溝４６の幅はレジストパターン３４のパターン間隔とほぼ一致する。ＲＩＥ装置より取り出した半導体基板１６を、図１に示す溝深さ測定装置に載置する。半導体基板１６に光を照射し、その光の反射光を検知し反射干渉分光波形を測定する。配線層３０の配線間隔の２倍より大きい波長領域において、反射干渉分光波形の強度を参照分光波形の強度で規格化し、規格化された反射干渉分光波形強度に基づいてエッチングされた配線溝４６の深さを算出する。
【００４９】
本発明の第１の実施の形態に係わるモニタ方法によれば、ドライエッチング工程におけるエッチング溝の深さを容易に、かつ、高精度に測定することが可能となる。特に、ダマシン加工によって多層配線構造を実現する場合、配線層３０より下層の構造からの影響を受けることなく、新たに上層構造に配線層を形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。
【００５０】
第１の実施の形態によれば、溝を形成した第２の透明材料膜の複数の位置に光を照射することで、非破壊的に簡便に溝深さを測定することが可能であり、ドライエッチング等による溝形成工程の検査に適用できる。例えば、図１のエッチング深さ測定装置１０において、走査ステージに半導体基板１６を載置し、適宜走査ステージを制御することにより配線溝４６の深さの分布が非破壊的に、かつ容易に得られる。
【００５１】
また、図２（ｂ）の構造の半導体基板１６に、低温で透明材料膜を選択的に堆積する場合についても、本発明の第１の実施の形態に係わるモニタ方法が適用できることは言うまでもない。即ち、透明材料膜を堆積した部分について、いずれも光に対して透明な、透明材料膜とレジストとの混合層とみなすことができ、これまでの説明同様の手順で堆積された透明材料膜の厚さを精度よく求めることができる。
【００５２】
さらに、本発明の第１の実施の形態に係わるモニタ方法が、透明材料膜を全面エッチングする場合にも適用できることは言うまでもない。例えば、平坦な透明材料膜や、あるいはレジスト等のマスク材を除去した後のエッチング溝等を有する透明材料膜を全面エッチバックした場合、透明材料膜の残膜厚を、これまで説明した測定方法により、精度よく求めることができる。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係わるモニタ方法によれば、透明材料膜の厚さあるいは、ドライエッチング工程におけるエッチング溝の深さばかりか、選択的に堆積した透明材料膜の厚さや全面エッチングした透明材料膜の残膜厚なども容易に、かつ、高精度に測定することが可能となる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る溝深さ測定装置の概略構成図である。第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に係わる溝深さ測定装置において、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。第２の実施の形態に係るモニタ方法によれば、入射光の偏光によって、より一層精度良く、溝深さの測定が可能となる。第２の実施の形態によるモニタ方法は、入射光の偏光方向を調整することに特徴があり、他は第１の実施の形態と同様であるので、重複した記載を省略する。
【００５５】
以下、具体的に、第２の実施の形態の方法について説明する。図１１は、図１０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の反射干渉分光波形を示す図である。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（図２、図３参照）を用いている。図１０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の可視光を含む領域である。また、図１１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、配線層３０の配線パターンの長手方向（配線方向と称する）に対して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、配線層３０の配線方向と直交する場合を示している。
【００５６】
図１１から明らかなように、偏光方向を変化させれば、反射波形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配線層３０の配線方向に直交する場合、入射光は配線層３０の配線間隔の２倍より大きい波長領域であっても、配線層３０を透過しやすくなる。このため、配線層３０の下部の第１の透明材料膜２８の厚さが反射波形に影響を及ぼしてしまう。一方、入射光の電場方向が配線層３０の配線方向に平行である場合、入射光は配線層３０をほとんど透過することができず、配線層３０で大部分は反射してしまう。したがって、この場合、反射干渉分光波形の第１の透明材料膜２８の厚さによる影響は小さい。
【００５７】
第２の実施の形態のモニタ方法は、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略平行となるように、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、配線層３０形成後及び、その上層の第２の透明材料膜３２に対する配線溝形成後における半導体基板１６からの反射光を検知する。このように、配線層３０の配線間隔の２倍より大きい波長領域において、偏光を用いて配線層３０の下層への透過光の量を減じ、さらに配線層３０からの参照光を用いて規格化することにより、配線層３０より下の層の構造は、測定に影響を及ぼすことはなく、より一層高精度に測定することが可能となる。
【００５８】
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。
【００５９】
（第３の実施の形態）
図１２は、本発明の第３の実施の形態に係わるモニタ方法に用いる装置の概略構成図である。この第３の実施の形態に係わる溝深さ測定装置１０ｂは、周知の平行平板型のＲＩＥ装置に、上記の第１の実施の形態に係る溝深さ測定装置１０を設けたものである。図１２に示すように、第３の実施の形態では、エッチング深さ測定装置１０ｂ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「その場」（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。特に、ダマシン加工によって多層配線構造を形成する場合に最適である。
【００６０】
図１２に示すように、溝深さ測定装置１０ｂとして第１の実施の形態に係る溝深さ測定装置１０を備えた例を示しているが、第１の実施の形態に係る溝深さ測定装置１０に替えて、上記の第２の実施の形態に係る溝深さ測定装置１０ａを備え付けても良いことはもちろんである。
【００６１】
第３の実施の形態で用いるＲＩＥ装置には、エッチングチャンバー５０内に下部電極５２が配置されている。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（図示省略）を介して、高周波電源（図示省略）に接続される。
【００６２】
エッチングチャンバー５０には、反応性ガスをエッチングチャンバー５０内に導入するためのガス供給配管（図示省略）、およびエッチングチャンバー５０内のガスを排気する排気装置（図示省略）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への入射光がエッチングチャンバー５０内に導入され、また半導体基板１６からの反射光がエッチングチャンバー５０内から取り出されることになる。
【００６３】
第３の実施の形態に係わるモニタ方法では、まず、図２（ａ）に示す配線層３０を形成した半導体基板１６を、エッチングチャンバー５０内の下部電極５２上に載置し、溝深さ測定装置１０ｂにより反射光を測定し参照光とする。その後、図２（ｂ）に示すように半導体基板１６の第１の配線層３０上に第２の透明材料膜３２及びレジストパターン３４を形成する。その半導体基板１６を、再びエッチングチャンバー５０内の下部電極５２上に載置し、排気装置によりエッチングチャンバー５０内を真空排気した後、反応性ガスをガス供給配管を介してエッチングチャンバー５０内に導入する。その後、高周波電力が印加され反応性ガスがプラズマ化されると、半導体基板１６の第２の透明材料膜３２がレジストパターン３４をマスクとして選択エッチングされ、配線溝４６が形成される。このエッチング処理中に、半導体基板１６に光が照射され、その光の反射光は、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によって検出される。配線層３０の配線間隔の２倍より大きい波長領域において算出部２６は、その反射干渉分光波形を参照光により規格化し、この規格化した反射干渉分光波形に基づいて、エッチング溝深さを算出する。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（図示省略）にフィードバックされる。エッチング溝の深さを一定時間ごとに測定し、エッチングのエンドポイントを決定するようにして透明材料膜をエッチングし、図９に示すように所望のエッチング深さを実現する。
【００６４】
第３の実施の形態に係わるモニタ方法によれば、エッチング処理中であっても、エッチングチャンバー５０内で第２の透明材料膜３２に形成される配線溝４６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、エッチング時間を含めたエッチング条件の調整を「その場」（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行なうことが可能となり、所望のエッチング深さが精度よく達成できるようになる。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、エッチング溝深さを制御することができる。
【００６５】
次に、図１３を用いて、本発明の第３の実施の形態のエッチング深さ測定方法を用いたダマシン加工について説明する。なお、ここではシングルダマシン工程を用いて説明するが、デュアルダマシン工程においても同様に適用できることは勿論である。
【００６６】
（イ）図１３（ａ）に示すように、複数の素子（図示省略）が形成された半導体基板１６の主面上に、第１の透明材料膜５８、および、配線構造を有する第１の配線層６０が順次形成される。第１の透明材料膜５８は、４５０ｎｍ厚さの絶縁材料膜のシリコン酸化膜で構成している。第１の配線層６０として、幅１７５ｎｍ、厚さ２５０ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍのストライプ状タングステン（Ｗ）金属膜を用い、配線間隔は等間隔１７５ｎｍである（図２、図３参照）。
【００６７】
（ロ）半導体基板１６を、図１２に示すエッチングチャンバー５０の下部電極５２上に載置する。エッチング深さ測定装置１０ｂにより、第１の配線層６０からの反射光を測定し、参照光とする。なお、ここではプラズマ放電は行わない。測定に用いる光の波長領域は９００ｎｍから１６００ｎｍであり、第１の配線層６０の配線間隔や、あるいは後述するレジストパターン６４の間隔の２倍より大きい波長領域である。
【００６８】
（ハ）半導体基板１６をエッチングチャンバー５０より取り出し、図１３（ｂ）に示すように、第１の配線層６０上に第２の透明材料膜６２、及びレジストパターン６４を形成する。第２の透明材料膜６２は８００ｎｍ厚さのシリコン酸化膜で構成している。レジストパターン６４は、通常のフォトリソグラフィにより形成され、このレジストパターン６４がエッチングマスクの役目を果たすことになる。また、レジストパターン６４は、幅１７５ｎｍ、厚さ４５０ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍであり、レジストパターン３４もパターン間隔は等間隔１７５ｎｍで、第１の配線層６０の配線パターンとは直交している（図２、図３参照）。もちろん、本発明は、この位置関係に限るものではない。
【００６９】
（ニ）半導体基板１６を再度、エッチングチャンバー５０の下部電極５２上に載置し、真空排気後、反応性ガスをエッチングチャンバー５０内に導入する。高周波電力を印加して反応性ガスをプラズマ化し、半導体基板１６のエッチングを行う。このエッチング処理中に、溝深さ測定装置１０ｂの光源１２から、計測窓５４を通して半導体基板１６に光が照射される。半導体基板１６からの反射光は、再び計測窓５４を通過してチャンバー５０より取り出される。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によって反射干渉分光波形が得られる。算出部２６は、先に測定した参照光により検出した反射干渉分光波形を規格化して、エッチング溝深さを算出する。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（図示省略）にフィードバックされる。こうして、エッチング溝の深さを一定時間ごとに測定し、エッチングのエンドポイントを決定するようにして第２の透明材料膜６２をエッチングする。このようにして、図１３（ｃ）に示すように、所望のエッチング深さの配線溝６６を形成する。この例では、配線溝６６の深さは４００ｎｍとしている。
【００７０】
（ホ）半導体基板１６をエッチングチャンバー５０より取り出し、レジストパターン６４を除去する。図１３（ｄ）に示すように、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア層６８をプラズマＣＶＤ法で配線溝６６に等方的に堆積した後、銅（Ｃｕ）よりなる金属膜７０をリフロースパッタ法によりバリア層６８上に堆積し、配線溝６６に埋め込む。堆積厚さは、バリア層６８が５０ｎｍ、第２の配線層７０が５００ｎｍである。バリア層６８はＣｕの半導体基板への拡散防止のためのものであり、良好なバリア特性が得られるのであれば、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化シリコンチタン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ２）、窒化シリコンタングステン（ＷＳｉＮ）等の材料が選択でき、また厚さについても適宜選択できる。バリア層６８の堆積法もＣＶＤ法、あるいはスパッタ法なども使用できる。また、金属膜７０としては、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）等も用いることができ、堆積法としてＣＶＤ法、鍍金法など適用できるのは勿論である。
【００７１】
（ヘ）次いで、化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により、配線溝６６以外の部分の金属膜７０及びバリア層６８を除去し、図１３（ｅ）に示すように第２の配線層７２を形成する。
【００７２】
このように、本発明の第３の実施の形態を適用してダマシン加工の操作（イ）〜（ヘ）を繰り返せば、所望の多層配線構造が高精度で形成できる。
【００７３】
図１３（ｂ）の場合、第１の配線層６０の上方の層を、第２の透明材料膜６２よりなる第１の層Ａと、レジストと真空とから成るレジストパターン６４の混合層よりなる第２の層Ｂとから成る多層膜とみなすことができる。第１の配線層６０下に複雑な構造を有していても、上述したように、第１の配線層６０からの反射光を参照光として規格化した反射干渉分光波形より分光干渉反射率の理論に基づいて算出することで、第１の配線層６０より下方に僅かながら透過している光の影響を補正することができ、第２の透明材料膜６２の厚さを高精度に求めることができる。
【００７４】
また、図１３（ｃ）に示した半導体基板１６をＲＩＥして、第２の透明材料膜６２の内部に複数の配線溝６６を形成する場合、第１の配線層６０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は一様な第２の透明材料膜６２ａに相当し、第２の層Ｄは第２の透明材料膜６２ｂと真空とから成る混合層に相当し、第３の層Ｅはレジストと真空とから成るレジストパターン６４の混合層に相当する。第１の層Ｃ及び第２の層Ｄ（並びに第３の層Ｅ）は、エッチング中は刻々変化する。ＲＩＥ中の反射干渉分光波形を用い、第１の層Ｃ及び第２の層Ｄの厚さを算出し、その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）でエッチング状態を制御する。エッチング溝深さの算出に、参照光としてあらかじめ測定された第１の配線層６０の反射光を用いるため、第１の配線層６０より下方に僅かながら透過している光の影響を補正することができ、配線溝の深さを高精度に求めることができる。
【００７５】
以上説明したように、検出反射光に対する参照光として、半導体基板１６の第２の透明材料膜６２が形成されていない第１の配線層６０の配線構造表面からの反射光を用いることにより、第１の配線層６０よりも下方の層に僅かながら透過している透過光の影響を補正することが可能となる。本発明の第３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、中間の配線層より下層の構造からの影響を極めて小さくでき、上層の配線層を構成する配線溝の深さをより高精度に測定することが可能となる。
【００７６】
また、本発明の第２の実施の形態と同様に、既に形成済みの下層の配線方向に電場方向が略平行となるように、入射光の偏光状態を調整して反射光強度を求めれば、さらに中間の配線層より下層の構造からの影響を抑えることができ、上層の配線層を構成する配線溝の深さをより一層高精度に測定することが可能となることも、これまでの説明より明らかである。
【００７７】
（変形例）
次に、本発明の第３の実施の形態の変形例に係わるモニタ方法を上記したダマシン加工を用いて説明する。第３の実施の形態の変形例では、プラズマ光ノイズ成分の除去方法、及び測定データから溝深さを求める処理過程に特徴があり、他は第３の実施の形態と同様であるので、重複した記載を省略する。
【００７８】
上述した第３の実施の形態においては、エッチング処理中のプラズマ光が測定反射干渉光に取り込まれる。変形例においては、エッチング処理中のプラズマ発光による分光波形成分を取除くため、別途、ＲＩＥ装置内で半導体基板又は透明材料膜付の半導体基板等を用いて、プラズマ発光の分光波形を求める。
【００７９】
実際には、図１２の測定装置１０ｂにより、例えば半導体基板からの反射光をプラズマ発光有り及び無しの場合について測定し、プラズマ発光有りの場合の反射光からプラズマ発光無しの場合の反射光を引き算し、プラズマ光の分光波形成分を求めておく。
【００８０】
それから、上述のダマシン加工工程（イ）〜（ヘ）を行うが、第３の実施の形態の変形例においては、工程（ニ）において、反射干渉分光波形の算出処理手続に対し、新たにプラズマ光補正及び、規格化の処理を追加する。
【００８１】
まず上述のとおり、工程（ニ）においてエッチング処理中の半導体基板１６からの反射光を測定する。検出された反射干渉分光波形から、プラズマ光による分光波形成分を引き算し、プラズマ光成分を補正した反射干渉分光波形を得る。
【００８２】
次に、ノイズ成分を取除くために、得られたプラズマ光成分を補正した反射干渉分光波形及び工程（ロ）において得られた参照分光波形に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）フィルター等によってノイズ除去処理を行う。そして、このプラズマ光成分を補正し、さらにノイズが取除かれた反射干渉分光波形を、ノイズが取除かれた参照分光波形で割算し、規格化することによって、第１の規格化反射干渉分光波形を求める。
【００８３】
図１４に、このようにして求めた第１の規格化反射干渉分光波形の一例を示す。上述した第３の実施の形態においては、第１の規格化反射干渉分光波形をそのまま理論波形と比較している。
【００８４】
あるいは、第１の規格化反射干渉分光波形の最大値−最小値を１−０でさらに規格化して、図１５に示すような第２の規格化反射干渉分光波形を算出し、理論波形と比較する方法もある。
【００８５】
反射干渉分光波形には直流成分と交流成分が含まれている。波形の直流成分及び交流成分の振幅即ち反射強度は、膜の屈折率を反映し、交流成分の周期は膜厚を反映している。これらの規格化反射干渉分光波形から、透明材料膜と真空の屈折率の混合比と膜厚をパラメータとしてパラメータフィッティングによって膜厚を求めることになる。
【００８６】
第１の規格化反射干渉分光波形をそのまま理論波形と比較する方法においては、波形の直流成分がパラメータフィッティングにおいて支配的になった場合、得られる膜厚の誤差が大きくなる可能性がある。また、第２の規格化反射干渉分光波形の場合、波形の最大−最小を１−０で規格化することにより、波形の振幅に反射強度、即ち屈折率の情報が含まれているため、１−０規格化によって屈折率の混合比の誤差が大きくなってしまい、算出膜厚の誤差が大きくなる可能性がある。
【００８７】
そこで、変形例においては、図１６に示すように、直流成分はカットし、波形の振幅は１−０で規格化しないでそのまま使う方法により得られる第３の規格化反射干渉分光波形を用いる。即ち、第１の規格化反射干渉分光波形の最小値、あるいは極小値を０とし、交流成分の振幅はそのままの状態で理論波形との比較を行う。この方法によれば、反射干渉分光波形の直流成分はカットされて、交流成分はこの操作により影響を受けないため算出される溝深さの誤差は極めて小さく抑えることができる。第１乃至第３の規格化反射干渉分光波形を用いて、溝の深さを算出し、実際のエッチングされた溝の深さとの比較を行った。第３の規格化反射干渉分光波形による方法で最も再現性良く誤差の少ない結果が得られた。
【００８８】
第３の実施の形態の変形例によれば、プラズマ発光の影響を補正し、さらに、再現性良く誤差の小さいモニタ方法を提供できる。
【００８９】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の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。この開示から当業者にはさまざまな大体実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９０】
本発明の第１〜第３の実施の形態においては、説明の便宜上、測定領域の配線層の配線構造及びレジストパターンは、ともにストライプ状のパターンとしたが、パターン間隔及び、レジストあるいは透明材料膜と真空との混合層の平均屈折率が判れば、任意のパターンでもよいのは勿論である。実際には、パターン形成用のマスクパターンデータをもとに、予めパターン間隔及び、レジストあるいは透明材料膜と真空との面積比を求めておけばよいので、複雑なパターンであっても問題はない。また、半導体基板の半導体素子が形成されない領域に、配線層の配線構造及びレジストパターンのダミーパターン、例えば図３に示したような単純なストライプ状パターンを設けて、測定領域としてもよいことは勿論である。
【００９１】
既に述べた第１及び第３の実施の形態の説明においては、プラズマを用いるドライエッチング方法として平行平板型のＲＩＥを用いているが、使用する電磁波の周波数帯、電磁波の導入方法、電磁波と磁界の印加法によって種々の形態のプラズマ源、例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）に代表される有磁場マイクロ波型、マグネトロン型、ヘリコン波型、表面波型等がドライエッチング用として使用できるのは勿論である。
【００９２】
また、透明材料膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ）を用いて説明したが、他の絶縁材料膜、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）、燐あるいは燐とボロンを拡散したシリコン酸化膜（ＰＳＧあるいはＢＰＳＧ）、シリコーン系樹脂によるスピン・オン・グラス膜（ＳＯＧ）、ポリイミド樹脂膜、フッ素添加シリコン酸化膜、オルガノポリシロキサン系化合物、無機ポリシロキサン系化合物等が使用できることも明らかである。
【００９３】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、透明材料膜の厚さ、あるいは透明材料膜に形成された溝深さを高精度に算出することができるモニタ方法を提供することができる。
【００９５】
また、本発明によれば、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング溝深さを、エッチング中に測定することで、形成する溝深さの精度及び制御性等を向上させるエッチング方法を提供することができる。
【００９６】
さらに、本発明によれば、配線溝形成等のエッチング工程でのエッチング溝深さを、エッチング中に測定することで、形成する溝深さの精度及び制御性等を向上させるエッチング方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【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溝深さ測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るモニタ方法に用いる半導体基板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と配線層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の溝深さ測定装置によって得られる、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の一例を示す図である。
【図５】図１の溝深さ測定装置によって得られる、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の他の一例を示す図である。
【図６】図１の溝深さ測定装置によって得られる、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の他の一例を示す図である。
【図７】図１の溝深さ測定装置によって得られる、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の他の一例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るモニタ方法に用いる半導体基板の他の一例を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るモニタ方法に用いる半導体基板の他の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る溝深さ測定装置の概略構成図である。
【図１１】図１０の溝深さ測定装置によって得られる、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の一例を示す図である。
【図１２】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。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係わるダマシン加工を説明するための工程断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態の変形例に係わるモニタ方法の説明のための、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の一例を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態の変形例に係わるモニタ方法の説明のための、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の他の一例を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態の変形例に係わるモニタ方法の説明のための、半導体基板の反射光の反射干渉分光波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ  溝深さ測定装置
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、５８  第１の透明材料膜
３０、４０  配線層
３２、３２ａ、３２ｂ、４２、６２、６２ａ、６２ｂ  第２の透明材料膜
３４、４４、６４  レジストパターン
３６  ゲート電極
４６、６６  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
６０  第１の配線層
６８  バリア層
７０  金属膜
７２  第２の配線層
【図１】
0003901533.tif 000002
【図２】
0003901533.tif 000003
【図３】
0003901533.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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