特開 2024-87008 半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024087008

(43)【公開日】2024-06-28

(54)【発明の名称】半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20240621BHJP

   H04N 25/70 20230101ALI20240621BHJP

   G01N 21/68 20060101ALI20240621BHJP

   G01J 3/36 20060101ALI20240621BHJP

   G01J 3/443 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 103

H04N25/70

G01N21/68

G01J3/36

G01J3/443

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024069880

(22)【出願日】2024-04-23

(62)【分割の表示】P 2024512114の分割

【原出願日】2023-09-01

(31)【優先権主張番号】P 2022194694

(32)【優先日】2022-12-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】井口 和也

(72)【発明者】

【氏名】増岡 英樹

(72)【発明者】

【氏名】大塚 賢一

(57)【要約】

【課題】計測光の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測することで、半導体プロセスを高精度に監視できる半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法を提供する。
【解決手段】分光部３は、チャンバ８１からの計測光Ｌ１を第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、検出部４は、第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、判断部６は、第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスの終点を判断する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバからの計測光を分光する分光部と、
前記分光部によって分光された前記計測光の分光像を検出する検出部と、
前記計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、前記チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断部と、を備え、
前記分光部は、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、
前記検出部は、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、
前記判断部は、前記第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２の画素領域において前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスの終点を判断する半導体プロセス監視装置。

【請求項2】

前記判断部は、前記第１のスペクトルデータの長波長領域において所定の波長に第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する請求項１記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項3】

前記第１のスペクトルデータの長波長領域における所定の波長は、６００ｎｍ～８００ｎｍであり、前記第２のスペクトルデータの短波長領域における所定の波長は、３００ｎｍ～４００ｎｍである、請求項２記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項4】

前記判断部は、前記第１のスペクトルデータの長波長領域及び前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に前記第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断する請求項２記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項5】

前記判断部は、前記第２のスペクトルデータの短波長領域においてピークが発生していない波長域において、前記第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する請求項２記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項6】

前記検出部は、
前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタと、
前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤ光検出器である請求項１～５のいずれか一項記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項7】

前記検出部は、
前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部と、
前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部と、
前記第１の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部と、
前記第２の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＣＤ光検出器である請求項１～５のいずれか一項記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項8】

前記検出部は、
前記第１の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第１の読出部と、
前記第２の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＭＯＳ光検出器である請求項１～５のいずれか一項記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項9】

前記第１の画素領域の前記第１の露光時間は、電子シャッタによって制御される請求項１～５のいずれか一項記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項10】

前記第１のスペクトルデータの長波長領域のデータと、前記第２のスペクトルデータの短波長領域のデータとを結合して前記判断部に出力する生成部を更に備える請求項１～５のいずれか一項記載の半導体プロセス監視装置。

【請求項11】

チャンバからの計測光を分光する分光ステップと、
前記分光ステップによって分光された前記計測光の分光像を検出する検出ステップと、
前記計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、前記チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断ステップと、を備え、
前記分光ステップでは、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、
前記検出ステップでは、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有する光検出器において、前記分光像を検出し、
前記判断ステップでは、前記第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２の画素領域において前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスの終点を判断する半導体プロセス監視方法。

【請求項12】

前記判断ステップでは、前記第１のスペクトルデータの長波長領域において所定の波長に第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する請求項１１記載の半導体プロセス監視方法。

【請求項13】

前記第１のスペクトルデータの長波長領域における所定の波長は、６００ｎｍ～８００ｎｍであり、前記第２のスペクトルデータの短波長領域における所定の波長は、３００ｎｍ～４００ｎｍである、請求項１２記載の半導体プロセス監視方法。

【請求項14】

前記判断ステップでは、前記第１のスペクトルデータの長波長領域及び前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に前記第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断する請求項１２記載の半導体プロセス監視方法。

【請求項15】

前記判断ステップでは、前記第２のスペクトルデータの短波長領域においてピークが発生していない波長域において、前記第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する請求項１２記載の半導体プロセス監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法に関する。

【背景技術】

【0002】

分光測定は、対象物で生じた計測光の分光像を検出し、分光像のスペクトルデータに基づいて対象物の分析を行う技術である。分光測定では、対象物の種類などによっては、高ダイナミックレンジのスペクトルを取得することが要求される場合がある（特許文献１参照）。例えば、プラズマプロセスにより対象物をドライエッチングする工程では、エッチングに使用するガスに起因する光が発生し、また、エッチング対象物の材料に起因する光も発生する。このような半導体プロセスにおいて、ガス起因の光の波長域と材料起因の光の波長域とは、互いに異なる傾向がある。また、材料起因の光の強度は、ガス起因の光の強度に比べて微弱である傾向がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１１８４７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年の半導体デバイスの微細化や積層化に伴い、半導体プロセスにて対象物で生じる計測光の強度は、より微弱化する傾向にある。そのため、半導体プロセスを高精度に監視するためには、計測光の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測することが重要となる。

【0005】

本開示では、計測光の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測することで、半導体プロセスを高精度に監視できる半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視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】

本開示の一側面に係る半導体プロセス監視装置は、チャンバからの計測光を分光する分光部と、分光部によって分光された計測光の分光像を検出する検出部と、計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断部と、を備え、分光部は、計測光を第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、検出部は、第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、判断部は、第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスの終点を判断する。

【0007】

この半導体プロセス監視装置では、第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスの終点を判断する。この半導体プロセス監視装置では、互いに露光時間の異なる第１の画素領域及び第２の画素領域での計測光の分光像の検出を組み合わせることで、計測光の分光像の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光と、比較的強度が低い材料起因の計測光とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【0008】

第１の画素領域では、第１の露光時間が第１の画素領域における第１のフレーム時間よりも短く設定され、第２の画素領域では、第２の露光時間が第２の画素領域における第２のフレーム時間と同じ時間に設定されてもよい。このような構成により、互いに露光時間の異なる第１の画素領域及び第２の画素領域での計測光の分光像の検出を組み合わせることで、計測光の分光像の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光と、比較的強度が低い材料起因の計測光とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【0009】

第１の画素領域では、計測光の少なくとも長波長領域で計測光が飽和しないように第１の露光時間が設定され、第２の画素領域では、計測光の少なくとも短波長領域で計測光が飽和しないように第２の露光時間が設定されていてもよい。このような構成により、長波長領域において、比較的強度が高いガス起因の計測光を飽和させずに第１のスペクトルデータを取得できる。また、短波長領域において、比較的強度が低い材料起因の計測光に関する第２のスペクトルデータを良好なＳＮ比で取得できる。したがって、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点の監視精度を更に高めることができる。

【0010】

生成部は、第１のスペクトルデータの長波長領域のデータと、第２のスペクトルデータの短波長領域のデータとを結合して判断部に出力してもよい。このような構成により、監視対象の波長域の全体にわたって広いダイナミックレンジで計測光のスペクトルデータを生成できる。これにより、異常の有無の判断及びプロセスの終点の判断を簡便且つ精度良く行うことができる。

【0011】

判断部は、第１のスペクトルデータの長波長領域において所定の波長に第１のピークが出現したか否かに基づいて、半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に第２のピークが出現した場合に、半導体プロセスの終点を判断してもよい。半導体プロセスにおける材料起因の計測光及びガス起因の計測光のピークの出現傾向に応じた判断を行うことで、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点の監視精度を更に高めることができる。

【0012】

検出部は、第１の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタと、第２の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤ光検出器であってもよい。このような構成により、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素で生じた電荷を読み出す際の読み出しノイズの増加を回避できる。

【0013】

検出部は、第１の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部と、第２の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部と、第１の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部と、第２の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＣＤ光検出器であってもよい。このような構成においても、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素で生じた電荷を読み出す際の読み出しノイズの増加を回避できる。

【0014】

検出部は、第１の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第１の読出部と、第２の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＭＯＳ光検出器であってもよい。このような構成により、例えば、列ごとに電荷の読み出しを行うＣＣＤ光検出器に比べ消費電力を低く抑えることができる。

【0015】

第１の画素領域の第１の露光時間は、電子シャッタによって制御されてもよい。このような構成により、第２の露光時間を短く設定し、且つ第１の露光時間を第２の露光時間に比べて十分に短く設定する場合でも、第１の露光時間を精度良く調整できる。第１の露光時間を第２の露光時間に対して十分に短くすることで、計測のダイナミックレンジを一層十分に高めることが可能となる。

【0016】

本開示の一側面に係る半導体プロセス監視方法は、チャンバからの計測光を分光する分光ステップと、分光ステップによって分光された計測光の分光像を検出する検出ステップと、計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断ステップと、を備え、分光ステップでは、計測光を第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、検出ステップでは、第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有する光検出器において、分光像を検出し、判断ステップでは、第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスの終点を判断する。

【0017】

この半導体プロセス監視方法では、第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて半導体プロセスの終点を判断する。この半導体プロセス監視装置では、互いに露光時間の異なる第１の画素領域及び第２の画素領域での計測光の分光像の検出を組み合わせることで、計測光の分光像の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光と、比較的強度が低い材料起因の計測光とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、計測光の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測することで、半導体プロセスを高精度に監視できる半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示された検出部の構成を示す図である。

【図3】検出部を構成するＣＣＤ光検出器の一例を示す図である。

【図4】図４（ａ）は、図３に示された検出部における第１の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。図４（ｂ）は、図３に示された検出部における第２の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。

【図5】検出部を構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。

【図6】検出部を構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。

【図7】図７（ａ）は、図５及び図６に示された検出部における第１の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。図７（ｂ）は、図５及び図６に示された検出部における第２の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。

【図8】検出部を構成するＣＭＯＳ光検出器の一例を示す図である。

【図9】図９（ａ）は、図８に示された検出部における第１の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。図９（ｂ）は、図８に示された検出部における第２の画素領域の動作例を示すタイミングチャートである。

【図10】本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示すフローチャートである。

【図11】本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示す詳細なフローチャートである。

【図12】第１のスペクトルデータの一例を示す図である。

【図13】第２のスペクトルデータの一例を示す図である。

【図14】計測光のスペクトルデータの生成について説明するための図である。

【図15】本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示す詳細なフローチャートである。

【図16】図１６（ａ）は、異常無の場合のスペクトルデータを示す図である。図１６（ｂ）は、異常有の場合のスペクトルデータを示す図である。

【図17】図１７（ａ）は、半導体プロセスの継続を判断する場合のスペクトルデータを示す図である。図１７（ｂ）は、半導体プロセスの終点を判断する場合のスペクトルデータを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照しながら、本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視装置及び半導体プロセス監視方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0021】

図１は、本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視装置１の構成を示すブロック図である。半導体プロセス監視装置１は、導光部２と、分光部３と、検出部４と、生成部５と、判断部６とを備えている。生成部５及び判断部６は、物理的には、例えばＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶媒体を備えるコンピュータ７である。コンピュータ７は、表示部や入力部を一体に備えたスマートフォン或いはタブレット端末などのスマートデバイスであってもよい。コンピュータ７は、マイコンやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で構成されていてもよい。半導体プロセス監視装置１は、計測対象となるドライエッチング装置８から到達した計測光Ｌ１のスペクトルデータを生成し、スペクトルデータに基づいた制御を行う。

【0022】

ドライエッチング装置８は、ドライエッチングプロセスで使用される装置である。ドライエッチング装置８は、チャンバ８１と、監視窓８２とを有している。監視窓８２は、例えば、無色透明のガラスであり、チャンバ８１の側壁に嵌め込まれている。ドライエッチング装置８の操作者は、チャンバ８１内に基板Ｗを搬入し、チャンバ８１内にエッチングガスを流入させ、プラズマＰＬを発生させる。プラズマＰＬによって基板Ｗのエッチングが行われる。ドライエッチング装置８からの計測光Ｌ１は、監視窓８２を介して外部に出力される。計測光Ｌ１は、エッチングに使用するガスに起因する光、及び基板Ｗの材料に起因する光を含んでいる。詳細については後述するが、ガスに起因する光は、比較的長波長の波長領域に出現し、且つ比較的強度が高い傾向がある。材料に起因する光は、比較的短波長の波長領域に出現し、比較的強度が低い傾向がある。

【0023】

導光部２は、ドライエッチング装置８から入射した計測光Ｌ１を後段の分光部３に導光する。導光部２は、例えば光ファイバである。導光部２は、単芯の光ファイバであってもよいし、複数の光ファイバが結束されたバンドルファイバであってもよい。導光部２は、入射端２ａと、出射端２ｂとを有している。計測光Ｌ１は、入射端２ａに入射し、出射端２ｂから出射される。入射端２ａは、ドライエッチング装置８の監視窓８２と対向しており、監視窓８２から所定の間隔を空けて配置されている。出射端２ｂは、分光部３と対向しており、分光部３と例えばコネクタを介して光学的に接続されている。

【0024】

分光部３は、導光部２によって導光された計測光Ｌ１を分光し、分光像を検出部４の画素領域上に形成する。分光部３は、グレーティング又はプリズム等の分光素子によって計測光Ｌ１を各波長成分に分光する。分光部３としては、結像性の良好な分光器が用いられる。分光部３を構成する分光器としては、例えば非点収差補正が可能なツェルニターナ型分光器、ダイソン型分光器、オフナー型分光器などが挙げられる。分光部３は、計測光Ｌ１を分光像の波長軸と平行な第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を検出部４の画素領域４１に結像させる。

【0025】

検出部４は、分光部３によって分光された計測光Ｌ１を検出する。図２は、図１に示された検出部４の構成を示す図である。検出部４は、図２に示すように、分光像Ｐを撮像する画素領域４１を有している。画素領域４１では、複数の画素４２が行方向及び列方向に配列されている。図２の例では、第１の方向に対応する行方向は、分光部３による分光像Ｐの波長分解方向に沿っており、第２の方向に対応する列方向は、各画素４２の電荷転送方向に沿っている。各画素４２は、波長分解された分光像Ｐを受光し、光の強度に応じた電荷を発生及び蓄積する。図２の例では、分光像Ｐは、５つの分光像Ｐとして、行方向に沿って互いに離間した状態で結像している。分光像Ｐは、いずれも画素４２の列方向に直線状に延在している。

【0026】

図２の例では、画素領域４１は、行方向の画素数が列方向の画素数よりも多い横長の長方形状の領域をなしている。画素領域４１は、列方向に分割された第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂを有している。ここでは、第１の画素領域４１Ａと第２の画素領域４１Ｂとは、列方向の中央にて区分されている。すなわち、画素領域４１において、列方向の中央よりも一方側の画素４２は、第１の画素領域４１Ａに属し、列方向の中央よりも他方側の画素４２は、第２の画素領域４１Ｂに属している。ここで、列方向の中央から第１の画素領域４１Ａに向けて列方向に沿う方向を列方向Ａ１とし、列方向の中央から第２の画素領域４１Ｂに向けて列方向に沿う方向を列方向Ａ２とする。列方向Ａ１と列方向Ａ２とは、互いに反対の方向である。

【0027】

第１の画素領域４１Ａにおける各画素４２の第１の露光時間と、第２の画素領域４１Ｂにおける各画素４２の第２の露光時間とは、互いに独立して設定可能となっている。本実施形態では、第１の露光時間より、第２の露光時間の方が長く設定される。

【0028】

生成部５には、計測光Ｌ１の分光像Ｐの検出結果から得られたデータが検出部４から入力される。生成部５は、分光像Ｐの検出結果に基づいた計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成する。生成部５は、計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを判断部６に出力する。判断部６は、生成部５から入力されたスペクトルデータＳに基づいて、チャンバ８１内での半導体プロセスの進行状況を判断する。生成部５又は判断部６は、検出部４を制御してもよい。

【0029】

図３～図９にかけて、検出部４のより詳細な具体例について説明する。検出部４は、例えばＣＣＤ光検出器或いはＣＭＯＳ光検出器によって構成される。図３は、検出部４Ａを構成するＣＣＤ光検出器の一例を示す図である。検出部４Ａは、上述した第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂを含む画素領域４１と、第１の画素領域４１Ａに対応する第１の水平シフトレジスタ４３Ａと、第２の画素領域４１Ｂに対応する第２の水平シフトレジスタ４３Ｂと、ダミー画素とを有している。

【0030】

第１の画素領域４１Ａでは、各画素４２で生成されて蓄積されていた電荷は、第１の水平シフトレジスタ４３Ａへ列方向Ａ１に沿って転送されて、各列にある画素４２の電荷が第１の水平シフトレジスタ４３Ａにおいて列毎に足し合わされる（以下では、この動作を「縦転送」という。）。その後、第１の水平シフトレジスタ４３Ａにおいて列毎に足し合わされた電荷は、順次に第１の水平シフトレジスタ４３Ａから読み出される（以下では、この動作を「横転送」という。）。そして、第１の水平シフトレジスタ４３Ａから読み出された電荷の量に応じた電気信号（例えば、電圧値を示す信号）が第１のアンプ４４Ａから出力され、その電気信号がＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。デジタル値は、生成部５に出力される。

【0031】

第２の画素領域４１Ｂでは、各画素４２で生成されて蓄積されていた電荷は、第２の水平シフトレジスタ４３Ｂへ列方向Ａ２に沿って転送されて、各列にある画素４２の電荷が第２の水平シフトレジスタ４３Ｂにおいて列毎に足し合わされる（縦転送）。その後、第２の水平シフトレジスタ４３Ｂにおいて列毎に足し合わされた電荷は、順次に第２の水平シフトレジスタ４３Ｂから読み出される（横転送）。そして、第２の水平シフトレジスタ４３Ｂから読み出された電荷の量に応じた電気信号（例えば、電圧値を示す信号）が第２のアンプ４４Ｂから出力され、その電気信号がＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。デジタル値は、生成部５に出力される。

【0032】

図４は、図３に示された検出部４Ａの動作例を示すタイミングチャートである。この図は、フルフレームトランスファー型ＣＣＤイメージセンサを用いた場合のタイミングチャートである。この場合、縦転送期間中に蓄積された電荷の半分がその縦転送で水平シフトレジスタへ転送され、残りの半分は次回の縦転送で水平シフトレジスタへ転送される。図４（ａ）は、第１の画素領域４１Ａの動作例を示すタイミングチャートである。第１の露光時間Ｔ１は、電子シャッタにより設定することができる。電子シャッタは、例えば、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ：anti-blooming gate）を利用することで実現することができる。

【0033】

電子シャッタは、第１の画素領域４１Ａで生成された電荷の蓄積と蓄積された電荷の排出とを切り替える。図４（ａ）の例では、第１の水平シフトレジスタ４３Ａによる横転送の開始から、次回の縦転送の終了までを第１のフレーム時間ＦＴ１としている。第１のフレーム時間ＦＴ１は、第１の画素領域４１Ａにおけるフレームレートの逆数に相当する。その場合、検出部４Ａは、電子シャッタを横転送中に切り替えることによって、電荷を第１のフレーム時間ＦＴ１の開始から所定時間ＤＴに亘って排出する。それにより、検出部４Ａは、第１のフレーム時間ＦＴ１のうち所定時間ＤＴを除く時間を第１の露光時間Ｔ１としている。そのため、図４（ａ）の例では、第１の露光時間Ｔ１は、第１のフレーム時間ＦＴ１よりも短い。

【0034】

図４（ｂ）は、第２の画素領域４１Ｂの動作例を示すタイミングチャートである。第２の画素領域４１Ｂの動作例では、電子シャッタは、常時オフ状態であり電荷は常時蓄積されていく。図４（ｂ）の例では、第２の水平シフトレジスタ４３Ｂによる横転送の開始から、次回の縦転送の終了までを第２のフレーム時間ＦＴ２としている。第２のフレーム時間ＦＴ２は、第２の画素領域４１Ｂにおけるフレームレートの逆数に相当する。第２の露光時間Ｔ２は、第２のフレーム時間ＦＴ２と一致している。また、図４の例では、第１のフレーム時間ＦＴ１と第２のフレーム時間ＦＴ２とが同じ時間となっているが、第１のフレーム時間ＦＴ１と第２のフレーム時間ＦＴ２とは、異なっていてもよい。

【0035】

電子シャッタを利用せずとも、第１の露光時間Ｔ１に対して第２の露光時間Ｔ２を長くすることは可能である。例えば、検出部４Ａは、第１の画素領域４１Ａから生成部５にデジタルデータを出力する周期に対して、第２の画素領域４１Ｂから生成部５にデジタルデータを出力する周期を５倍とする。その場合、第１の露光時間Ｔ１に対して、第２の露光時間Ｔ２は、約５倍となる。また、第１のフレーム時間ＦＴ１に対して第２のフレーム時間ＦＴ２を５倍にしてもよいし、第１のフレームレートに対して第２のフレームレートを１／５倍にしてもい。これらの場合でも、第１の露光時間Ｔ１に対して、第２の露光時間Ｔ２は、約５倍となる。

【0036】

図５及び図６は、検出部４Ｂを構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。検出部４Ｂは、第１の画素領域４１Ａの各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部４５Ａと、第２の画素領域４１Ｂの各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部４５Ｂと、第１の蓄積部４５Ａで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部４６Ａと、第２の蓄積部４５Ｂで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部４６Ｂとを有している。

【0037】

第１の蓄積部４５Ａは、第１の画素領域４１Ａの列方向Ａ１の端部に列毎に配置されている。第１の画素領域４１Ａに属する各列の画素４２で生じた電荷は、列方向Ａ１に沿って縦転送され、第１の蓄積部４５Ａに蓄積される。第２の蓄積部４５Ｂは、第２の画素領域４１Ｂの列方向Ａ２の端部に列毎に配置されている。第２の画素領域４１Ｂに属する各列の画素４２で生じた電荷は、列方向Ａ２に沿って縦転送され、第２の蓄積部４５Ｂに蓄積される。

【0038】

第１の読出部４６Ａは、第１の画素領域４１Ａ側の端部において第１の蓄積部４５Ａの後段に配置され、第２の読出部４６Ｂは、第２の画素領域４１Ｂ側の端部において第２の蓄積部４５Ｂの後段に配置されている。第１の読出部４６Ａは、第１の蓄積部４５Ａで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の第１の電気信号を出力する。第２の読出部４６Ｂは、第２の蓄積部４５Ｂで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の第２の電気信号を出力する。第１の電気信号及び第２の電気信号は、例えば、電圧値を示す信号である。

【0039】

第１の読出部４６Ａは、図５に示すように、トランジスタ５１Ａと、信号出力用のボンディングパッド５２Ａとを有している。トランジスタ５１Ａの制御端子（ゲート）は、第１の蓄積部４５Ａに電気的に接続されている。トランジスタ５１Ａの一方の電流端子（ドレイン）は、第１の画素領域４１Ａの各列にわたって共通に設けられた配線５３Ａを介してボンディングパッド５４Ａに電気的に接続されている。ボンディングパッド５４Ａには、所定の大きさの電圧が常に印加される。

【0040】

トランジスタ５１Ａの他方の電流端子（ソース）は、信号出力用のボンディングパッド５２Ａに電気的に接続されている。トランジスタ５１Ａの制御端子には、第１の蓄積部４５Ａから出力される第１の電気信号に応じた電圧が印加される。トランジスタ５１Ａの他方の電流端子からは、印加電圧に応じた電流が出力され、信号出力用のボンディングパッド５２Ａを介して取り出される。信号出力用のボンディングパッド５２Ａから出力した第１の電気信号は、第１のアンプによって増幅された後、ＡＤ変換器に出力される。第１の電気信号は、ＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。デジタル値は、生成部５に出力される。

【0041】

第２の読出部４６Ｂは、図６に示すように、トランジスタ５１Ｂと、信号出力用のボンディングパッド５２Ｂを有している。トランジスタ５１Ｂの制御端子（ゲート）は、第２の蓄積部４５Ｂに電気的に接続されている。トランジスタ５１Ｂの一方の電流端子（ドレイン）は、第２の画素領域４１Ｂの各列にわたって共通に設けられた配線５３Ｂを介してボンディングパッド５４Ｂに電気的に接続されている。ボンディングパッド５４Ｂには、所定の大きさの電圧が常に印加される。

【0042】

トランジスタ５１Ｂの他方の電流端子（ソース）は、信号出力用のボンディングパッド５２Ｂに電気的に接続されている。トランジスタ５１Ｂの制御端子には、第２の蓄積部４５Ｂから出力される第２の電気信号に応じた電圧が印加される。トランジスタ５１Ｂの他方の電流端子からは、印加電圧に応じた電流が出力され、信号出力用のボンディングパッド５２Ｂを介して取り出される。信号出力用のボンディングパッド５２Ｂから出力した第２の電気信号は、第２のアンプによって増幅された後、ＡＤ変換器に出力される。第２の電気信号は、ＡＤ変換器によりＡＤ変換されてデジタル値とされる。デジタル値は、生成部５に出力される。

【0043】

図７は、図５及び図６に示された検出部４Ｂの動作例を示すタイミングチャートである。図７（ａ）は、第１の画素領域４１Ａの動作例を示すタイミングチャートである。図７（ｂ）は、第２の画素領域４１Ｂの動作例を示すタイミングチャートである。図４において説明した検出部４Ａの動作例と異なる点のみを説明する。図７（ａ）の例では、第１の読出部４６Ａが、第１の蓄積部４５Ａで蓄積された電荷の読み出しを開始してから、電荷の大きさに応じた各列の第１の電気信号を出力するまでを読み出し期間としている。図７（ａ）の例では、読み出し期間の開始から、次回の縦転送の終了までを第１のフレーム時間ＦＴ１としている。検出部４Ｂは、電子シャッタを読み出し期間中に切り替えることによって、電荷を、第１のフレーム時間ＦＴ１の開始から所定時間ＤＴに亘って排出する。それにより、検出部４Ｂは、第１のフレーム時間ＦＴ１のうち所定時間ＤＴを除く時間を第１の露光時間Ｔ１としている。そのため、図７（ａ）の例では、第１の露光時間Ｔ１は、第１のフレーム時間ＦＴ１よりも短い。図７（ｂ）の例では、読み出し期間の開始から、次回の縦転送の終了までを第２のフレーム時間ＦＴ２としている。第２の露光時間Ｔ２は、第２のフレーム時間ＦＴ２と一致している。

【0044】

図８は、検出部４Ｃを構成するＣＭＯＳ光検出器の一例を示す図である。検出部４Ｃでは、第１の画素領域４１Ａと、第２の画素領域４１Ｂと、第１の読出部４７Ａと、第２の読出部４７Ｂとを有している。第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂにおける各画素４２は、フォトダイオード６１と、アンプ６２とを有している。フォトダイオード６１は、計測光Ｌ１の入力によって生成された電子（光電子）を電荷として蓄積する。アンプ６２は、フォトダイオード６１に蓄積された電荷を電気信号（例えば、電圧値を示す信号）に変換し、増幅する。また、アンプ６２は、入力端子と出力端子との間に接続された容量部（図示しない）と、容量部に並列に接続されたリセットスイッチ（図示しない）とを含んでいてもよい。その場合、検出部４Ｃは、外部の制御回路（例えば、生成部５）からリセット信号を受信した際に、リセットスイッチをオンすることによって、容量部に蓄積された電荷をリセット（排出）する。

【0045】

アンプ６２によって増幅された電気信号は、各画素４２の選択スイッチ６３の切り替えによって、行方向の画素４２同士を接続する垂直信号線６４に転送される。垂直信号線６４のそれぞれには、ＣＤＳ（correlated double sampling）回路６５が配置されている。ＣＤＳ回路６５は、各画素４２間の読み出しノイズを軽減すると共に、垂直信号線６４に転送された電気信号を一時的に保管する。

【0046】

ＡＤ変換器６６は、ＣＤＳ回路６５に保管された電圧値をデジタル値に変換する。第１の画素領域４１Ａに対応するデジタル値は、第１の読出部４７Ａを介して、生成部５に出力される。つまり、第１の画素領域４１Ａの各画素４２で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号が第１の読出部４７Ａから出力される。第２の画素領域４１Ｂに対応するデジタル値は、第２の読出部４７Ｂを介して、生成部５に出力される。つまり、第２の画素領域４１Ｂの各画素４２で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号が第２の読出部４７Ｂから出力される。

【0047】

図９は、図８に示された検出部４Ｃの動作例を示すタイミングチャートである。図９（ａ）は、第１の画素領域４１Ａの動作例を示すタイミングチャートである。図９（ｂ）は、第２の画素領域４１Ｂの動作例を示すタイミングチャートである。検出部４Ｃは、外部の制御回路（例えば、生成部５）からリセット信号を受信している間に、蓄積された電荷を排出する。リセット信号は、例えばパルスである。検出部４Ｃは、パルスがＨｉレベルの間に、蓄積された電荷を排出する。検出部４Ｃは、外部の制御回路（例えば、生成部５）から読み出し信号を受信した際に、第１の読出部４７Ａを介して、デジタル値を生成部５に出力すると共に、第２の読出部４７Ｂを介して、デジタル値を生成部５に出力する。読み出し信号は、例えばパルスである。図９の例では、リセット信号の立下りから読み出し信号の立上りまでの期間を露光時間として設定している。図９の例では、リセット信号の立下りから読み出し信号の立上りまでの期間を電子シャッタによって調整し得る。この場合、電子シャッタによって第１の露光時間Ｔ１と第２の露光時間Ｔ２とをそれぞれ個別に設定できる。図９（ａ）の例では、第１の露光時間Ｔ１は、第１のフレーム時間ＦＴ１に相当する。図９（ｂ）の例では、第２の露光時間Ｔ２は、第２のフレーム時間ＦＴ２に相当する。或いは、リセット信号の立下りから次のリセット信号の立下りまでを第１のフレーム時間ＦＴ１及び第２のフレーム時間ＦＴ２としてもよい。その場合、第１の露光時間Ｔ１は、第１のフレーム時間ＦＴ１よりも短く、第２の露光時間Ｔ２は、第２のフレーム時間ＦＴ２よりも短くてもよい。

【0048】

ここで、第１の露光時間Ｔ１及び第２の露光時間Ｔ２とダイナミックレンジとの関係について説明する。ダイナミックレンジは、検出可能な最大レベルと最小レベルとの比に対して、第２の露光時間Ｔ２と第１の露光時間Ｔ１との比を乗算することによって算出される。検出可能な最大レベルとは、例えば、ＡＤ変換器の最大の出力ビット数である。具体的には、１６ビットの場合は、１０進数表記で６５５３５である。検出可能な最小レベルとは、検出部４にて検出可能なノイズレベルである。検出可能な最大レベルと最小レベルとの比は、検出部４の仕様によって決まる値であるため、ダイナミックレンジは、第２の露光時間Ｔ２と第１の露光時間Ｔ１との比に依存する。

【0049】

検出部４Ａ、４Ｂ、４Ｃでは、電子シャッタを用いて第１の露光時間Ｔ１を制御することで、ダイナミックレンジを広い範囲で設定できる。検出部４Ａ、４Ｂでは、イメージセンサのフレーム時間は、最短でも約１０ｍｓである。電子シャッタを用いない場合、ダイナミックレンジ（第２の露光時間Ｔ２と第１の露光時間Ｔ１との比）を１００に設定すると、第２の露光時間Ｔ２は、１０００ｍｓとなる。これでは、半導体プロセスを監視するにあたって、サンプリング間隔が大きすぎる。そこで、電子シャッタを用いて第１の露光時間Ｔ１を第１のフレーム時間ＦＴ１よりも短い時間である１ｍｓに設定した場合、第２の露光時間Ｔ２は、１００ｍｓとなる。電子シャッタを用いない場合に比べ、サンプリング間隔を１／１０に短縮することができる。検出部４Ｃにおいても、電子シャッタを用いて第１の露光時間Ｔ１と第２の露光時間Ｔ２とをそれぞれ個別に設定することで、ダイナミックレンジを大きくできる。

【0050】

図１０は、本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示すフローチャートである。本監視方法は、分光ステップＳ１１と、検出ステップＳ１２と、生成ステップＳ１３と、判断ステップＳ１４とを含んで構成されている。図１１は、本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示す詳細なフローチャートである。図１１は、図１０における分光ステップＳ１１、検出ステップＳ１２、及び生成ステップＳ１３に対応する。分光部３は、チャンバ８１からの計測光Ｌ１を分光する（ステップＳ２１）。検出部４は、分光された計測光Ｌ１を検出する（ステップＳ２２）。検出部４は、計測光Ｌ１を検出した結果から得られたデータを生成部５に出力する。生成部５は、第１の画素領域４１Ａにおける分光像Ｐの検出結果に基づいた第１のスペクトルデータを生成する（ステップＳ２３）。生成部５は、第２の画素領域４１Ｂにおける分光像Ｐの検出結果に基づいた第２のスペクトルデータを生成する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３とステップＳ２４は、同時に行われてもよく、いずれが先に行われてもよい。

【0051】

図１２は、第１のスペクトルデータＳ１の一例を示す図である。図１２に示されるように、第１のスペクトルデータＳ１では、全ての波長域において計測光Ｌ１が飽和しておらず、生成部５は、全ての波長域において飽和の無い強度を取得する。ここで、計測光Ｌ１が高強度となる波長域は、低強度となる波長域に比べ、長波長となる傾向にある。長波長且つ高強度の計測光Ｌ１は、エッチングガスに起因し、短波長且つ低強度の計測光Ｌ１は、エッチング対象となる材料に起因する傾向がある。そこで、計測光Ｌ１が高強度となる波長域を含む波長領域を長波長領域Δλ１とし、計測光Ｌ１が低強度となる波長域を含む波長領域を短波長領域Δλ２とする。長波長領域Δλ１と短波長領域Δλ２との境界の波長は、例えば、紫外線の波長と可視光の波長との境界である４００ｎｍである。

【0052】

図１３は、第２のスペクトルデータＳ２の一例を示す図である。第２のスペクトルデータＳ２では、長波長領域Δλ１において、計測光Ｌ１が飽和している波長域（飽和波長域Δλ３）を含んでいる。一方で、第２のスペクトルデータＳ２では、短波長領域Δλ２において、計測光Ｌ１が飽和していない波長域（非飽和波長域Δλ４）を含んでいる。これに対して、第１のスペクトルデータＳ１では、長波長領域Δλ１における第２のスペクトルデータＳ２の飽和波長域Δλ３に対応する波長域において、強度を正確に取得できている。つまり、第１の画素領域４１Ａでは、計測光Ｌ１の少なくとも長波長領域Δλ１で計測光Ｌ１が飽和しないように第１の露光時間Ｔ１が設定されている。

【0053】

第１のスペクトルデータＳ１では、短波長領域Δλ２における第２のスペクトルデータの非飽和波長域Δλ４に対応する波長域において、ノイズが重畳しており、ＳＮ比が悪い。一方、第２のスペクトルデータＳ２では、短波長領域Δλ２（非飽和波長域Δλ４）においても、ノイズが重畳せず、生成部５は、高精度なデータを取得することができる。つまり、第２の画素領域４１Ｂでは、計測光Ｌ１の少なくとも短波長領域Δλ２（非飽和波長域Δλ４）で計測光Ｌ１が飽和しないように第２の露光時間Ｔ２が設定されている。

【0054】

続いて、生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１の一部のデータと第２のスペクトルデータＳ２の一部のデータとを結合して（つなぎ合わせて）計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成する（ステップＳ２５）。例えば、生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１における第２のスペクトルデータＳ２の飽和波長域Δλ３に対応する波長域のデータと、第２のスペクトルデータＳ２の非飽和波長域Δλ４のデータとを結合して（つなぎ合わせて）計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成してもよい。また、生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１の長波長領域Δλ１のデータと第２のスペクトルデータＳ２の短波長領域Δλ２のデータとを結合して（つなぎ合わせて）計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成してもよい。図１４は、計測光Ｌ１のスペクトルデータＳの生成について説明するための図である。例えば、生成部５は、計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを以下の様に生成する。第１のスペクトルデータＳ１に対しては、第１のスペクトルデータＳ１を第１の露光時間Ｔ１で除算し、除算した結果に基準露光時間を乗算する。一方、生成部５は、第２のスペクトルデータＳ２に対しては、第２のスペクトルデータＳ２を第２の露光時間Ｔ２で除算し、除算した結果に基準露光時間を乗算する。それにより、生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１のスケールと第２のスペクトルデータＳ２のスケールとを合わせたうえで、計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成する。スペクトルデータＳでは、全ての波長域において計測光Ｌ１が飽和することなく、且つノイズが重畳せずに、全ての波長域において飽和の無い強度を取得する。

【0055】

図１５は、本開示の一実施形態に係る半導体プロセス監視方法を示す詳細なフローチャートである。図１５は、図１０における判断ステップＳ１４に対応する。判断部６は、計測光Ｌ１のスペクトルデータＳに基づいて、半導体プロセスにおける異常の有無を判断する。まず、判断部６は、スペクトルデータＳの長波長領域Δλ１において所定の波長（例えば、６００ｎｍ～８００ｎｍの波長）に第１のピークが出現したか否か判断する（ステップＳ３１）。第１のピークが出現した場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、判断部６は、半導体プロセスに異常有と判断する（ステップＳ３２）。その場合、判断部６は、装置の操作者にアラームを発してもよいし、エッチングプロセスを終了させてもよい。そして、一連の判断フローが終了する。なお、ステップＳ３４は、判断部６が、スペクトルデータＳの長波長領域Δλ１及び短波長領域Δλ２の両方のスペクトルデータに基づいて、半導体プロセスに異常有と判断することを含む。

【0056】

図１６は、半導体プロセスにおける異常の有無を判断する処理について説明するための図である。図１６は、スペクトルデータＳの長波長領域Δλ１のデータを拡大して図示している。図１６（ａ）は、異常無の場合のスペクトルデータＳを示す。図１６（ｂ）は、異常有の場合のスペクトルデータＳを示す。図１６（ｂ）では、図１６（ａ）ではピークが発生していない波長域において、第１のピークＰ１が発生している。第１のピークＰ１は、例えば、外部から混入した窒素ガスに起因して発生する。例えば、チャンバ８１の扉の開閉を繰り返す中で、扉とチャンバ８１本体との間のシール部材が摩耗し、チャンバ内を真空にする際に、窒素ガスが外部から混入する場合があり得る。その際に、外部から混入した窒素ガスが所定の値以上である場合に発生する第１のピークＰ１を検出することによって、外部からエッチングチャンバ内にガスが過剰に混入した状態を異常状態として高精度に検出することができる。

【0057】

第１のピークＰ１が検出されなかった場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、判断部６は、半導体プロセスに異常無と判断する（ステップＳ３３）。続いて、判断部６は、半導体プロセスの終点を判断する。まず、判断部６は、スペクトルデータＳの短波長領域Δλ２において所定の波長（例えば、３００ｎｍ～４００ｎｍの波長）に第２のピークが検出されたか否か判断する（ステップＳ３４）。第２のピークが検出されなかった場合（ステップＳ３４：ＮＯ）、判断部６は、半導体プロセスの継続を判断し、判断フローはステップ３１に戻る。一方で、第２のピークが検出された場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、判断部６は、半導体プロセスの終点を判断し（ステップＳ３５）、判断フローが終了する。なお、ステップＳ３４は、判断部６が、スペクトルデータＳの長波長領域Δλ１及び短波長領域Δλ２の両方のスペクトルデータに基づいて、半導体プロセスに異常無と判断することを含む。

【0058】

図１７は、半導体プロセスの終点を判断する処理について説明するための図である。図１７は、スペクトルデータＳの短波長領域Δλ２のデータを拡大して図示している。図１７（ａ）は、半導体プロセスの継続を判断する場合のスペクトルデータＳを示す。図１７（ｂ）は、半導体プロセスの終点を判断する場合のスペクトルデータＳを示す。図１７（ｂ）では、図１７（ａ）ではピークが発生していない波長域において、第２のピークＰ２が発生している。第２のピークＰ２は、エッチング対象となる材料に起因して発生する。例えば、基板Ｗ上に下地層が形成され、下地層の上にエッチング対象層が形成されているものとする。この場合、第２のピークＰ２は、下地層に起因して発生する。エッチングプロセスが進行し、エッチング対象層のエッチングが完了すると、下地層がエッチングパターン底部に露出し得る。その際に、第２のピークＰ２を検出することによって、エッチングプロセスが終了して下地層が露出されたことを高精度に検出することができる。

【0059】

以上説明したように、本開示の一側面に係る半導体プロセス監視装置１では、第１の画素領域４１Ａにおいて第１の露光時間Ｔ１で得られた第１のスペクトルデータＳ１に基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域４１Ｂにおいて第１の露光時間Ｔ１よりも長い第２の露光時間Ｔ２で得られた第２のスペクトルデータＳ２に基づいて半導体プロセスの終点を判断する。なお、第１のスペクトルデータＳ１及び第２のスペクトルデータＳ２両方のスペクトルデータＳに基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断してもよい。この半導体プロセス監視装置では、互いに露光時間の異なる第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂでの計測光Ｌ１の分光像Ｐの検出を組み合わせることで、計測光Ｌ１の分光像Ｐの強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光Ｌ１と、比較的強度が低い材料起因の計測光Ｌ１とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【0060】

第１の画素領域４１Ａでは、第１の露光時間Ｔ１が第１の画素領域４１Ａにおける第１のフレーム時間ＦＴ１よりも短く設定され、第２の画素領域４１Ｂでは、第２の露光時間Ｔ２が第２の画素領域４１Ｂにおける第２のフレーム時間ＦＴ２と同じ時間に設定されている。このような構成により、互いに露光時間の異なる第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂでの計測光Ｌ１の分光像Ｐの検出を組み合わせることで、計測光Ｌ１の分光像Ｐの強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光Ｌ１と、比較的強度が低い材料起因の計測光Ｌ１とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【0061】

第１の画素領域４１Ａでは、計測光Ｌ１の少なくとも長波長領域Δλ１（長波長領域Δλ１における第２のスペクトルデータＳ２の飽和波長域Δλ３に対応する波長域）で計測光Ｌ１が飽和しないように第１の露光時間Ｔ１が設定され、第２の画素領域４１Ｂでは、計測光Ｌ１の少なくとも短波長領域Δλ２で計測光Ｌ１が飽和しないように第２の露光時間Ｔ２が設定されている。このような構成により、長波長領域Δλ１において、比較的強度が高いガス起因の計測光Ｌ１を飽和させずに第１のスペクトルデータＳ１を取得できる。また、短波長領域Δλ２において、比較的強度が低い材料起因の計測光Ｌ１に関する第２のスペクトルデータＳ２を良好なＳＮ比で取得できる。したがって、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点の監視精度を更に高めることができる。

【0062】

生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１の長波長領域Δλ１のデータと、第２のスペクトルデータＳ２の短波長領域Δλ２のデータとを結合して（つなぎ合わせて）判断部６に出力する。このような構成により、監視対象の波長域の全体にわたって広いダイナミックレンジで計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成できる。これにより、異常の有無の判断及びプロセスの終点の判断を簡便且つ精度良く行うことができる。

【0063】

判断部６は、第１のスペクトルデータＳ１の長波長領域Δλ１において所定の波長に第１のピークＰ１が出現したか否かに基づいて、半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２のスペクトルデータＳ２の短波長領域Δλ２において所定の波長に第２のピークＰ２が出現した場合に、半導体プロセスの終点を判断する。半導体プロセスにおける材料起因の計測光Ｌ１の第２のピークＰ２及びガス起因の計測光Ｌ１の第１のピークＰ１の出現傾向に応じた判断を行うことで、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点の監視精度を更に高めることができる。

【0064】

検出部４は、第１の画素領域４１Ａの各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタ４３Ａと、第２の画素領域４１Ｂの各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタ４３Ｂと、を有するＣＣＤ光検出器である。このような構成により、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素４２で生じた電荷を読み出す際の読み出しノイズの増加を回避できる。

【0065】

検出部４は、第１の画素領域４１Ａの各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部４５Ａと、第２の画素領域４１Ｂの各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部４５Ｂと、第１の蓄積部４５Ａで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部４６Ａと、第２の蓄積部４５Ｂで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部４６Ｂと、を有するＣＣＤ光検出器である。このような構成においても、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素４２で生じた電荷を読み出す際の読み出しノイズの増加を回避できる。

【0066】

検出部４は、第１の画素領域４１Ａの各画素４２で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第１の読出部４７Ａと、第２の画素領域４１Ｂの各画素４２で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第２の読出部４７Ｂと、を有するＣＭＯＳ光検出器である。このような構成により、例えば、列ごとに電荷の読み出しを行うＣＣＤ光検出器に比べ消費電力を低く抑えることができる。

【0067】

第１の画素領域４１Ａの第１の露光時間Ｔ１は、電子シャッタによって制御される。このような構成により、第２の露光時間Ｔ２を短く設定し、且つ第１の露光時間Ｔ１を第２の露光時間Ｔ２に比べて十分に短く設定する場合でも、第１の露光時間Ｔ１を精度良く調整できる。第１の露光時間Ｔ１を第２の露光時間Ｔ２に対して十分に短くすることで、計測のダイナミックレンジを一層十分に高めることが可能となる。

【0068】

本開示の一側面に係る半導体プロセス監視方法では、上述の半導体プロセス監視装置１と同様の理由により、計測光の強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測することで、半導体プロセスを高精度に監視できる。

【0069】

以上説明したように、本開示の一側面に係る半導体プロセス監視方法では、第１の画素領域４１Ａにおいて第１の露光時間Ｔ１で得られた第１のスペクトルデータＳ１に基づいて半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、第２の画素領域４１Ｂにおいて第１の露光時間Ｔ１よりも長い第２の露光時間Ｔ２で得られた第２のスペクトルデータＳ２に基づいて半導体プロセスの終点を判断する。この半導体プロセス監視方法では、互いに露光時間の異なる第１の画素領域４１Ａ及び第２の画素領域４１Ｂでの計測光Ｌ１の分光像Ｐの検出を組み合わせることで、計測光Ｌ１の分光像Ｐの強度を高ダイナミックレンジで且つ高精度に計測できる。したがって、半導体プロセスにおいて、比較的強度が高いガス起因の計測光Ｌ１と、比較的強度が低い材料起因の計測光Ｌ１とが混在している場合であっても、半導体プロセスにおける異常の有無及びプロセスの終点を高精度に監視することが可能となる。

【0070】

以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本開示は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

【0071】

生成部５は、第１のスペクトルデータＳ１の長波長領域Δλ１のデータと第２のスペクトルデータＳ２の短波長領域Δλ２のデータとを結合して計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成しなくてもよい。生成部５は、図１１のステップＳ２５を省略してもよい。その場合、判断部６は、第１のスペクトルデータＳ１に基づいて、半導体プロセスにおける異常の有無を判断してもよい。また、判断部６は、第２のスペクトルデータＳ２に基づいて、半導体プロセスの終点を判断してもよい。生成部５が計測光Ｌ１のスペクトルデータＳを生成しないことによって、生成部５の演算負荷を低減できる。

【0072】

本開示の要旨は、以下の［１］～［１５］のとおりである。
［１］チャンバからの計測光を分光する分光部と、前記分光部によって分光された前記計測光の分光像を検出する検出部と、前記計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、前記チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断部と、を備え、前記分光部は、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、前記検出部は、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、前記判断部は、前記第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２の画素領域において前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスの終点を判断する半導体プロセス監視装置。
［２］前記判断部は、前記第１のスペクトルデータの長波長領域において所定の波長に第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する［１］記載の半導体プロセス監視装置。
［３］前記第１のスペクトルデータの長波長領域における所定の波長は、６００ｎｍ～８００ｎｍであり、前記第２のスペクトルデータの短波長領域における所定の波長は、３００ｎｍ～４００ｎｍである、［２］記載の半導体プロセス監視装置。
［４］前記判断部は、前記第１のスペクトルデータの長波長領域及び前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に前記第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断する［２］又は［３］記載の半導体プロセス監視装置。
［５］前記判断部は、前記第２のスペクトルデータの短波長領域においてピークが発生していない波長域において、前記第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する［２］～［４］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［６］前記検出部は、前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタと、前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤ光検出器である［１］～［５］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［７］前記検出部は、前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部と、前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部と、前記第１の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部と、前記第２の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＣＤ光検出器である［１］～［５］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［８］前記検出部は、前記第１の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第１の読出部と、前記第２の画素領域の各画素で蓄積された電荷の大きさに応じた電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＭＯＳ光検出器である［１］～［５］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［９］前記第１の画素領域の前記第１の露光時間は、電子シャッタによって制御される［１］～［８］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［１０］前記第１のスペクトルデータの長波長領域のデータと、前記第２のスペクトルデータの短波長領域のデータとを結合して前記判断部に出力する生成部を更に備える［１］～［９］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視装置。
［１１］チャンバからの計測光を分光する分光ステップと、前記分光ステップによって分光された前記計測光の分光像を検出する検出ステップと、前記計測光の分光像の検出結果から得られたデータに基づいて、前記チャンバ内での半導体プロセスの進行状況を判断する判断ステップと、を備え、前記分光ステップでは、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、前記検出ステップでは、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有する光検出器において、前記分光像を検出し、前記判断ステップでは、前記第１の画素領域において第１の露光時間で得られた第１のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２の画素領域において前記第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で得られた第２のスペクトルデータに基づいて前記半導体プロセスの終点を判断する半導体プロセス監視方法。
［１２］前記判断ステップでは、前記第１のスペクトルデータの長波長領域において所定の波長に第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断し、前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する［１１］記載の半導体プロセス監視方法。
［１３］前記第１のスペクトルデータの長波長領域における所定の波長は、６００ｎｍ～８００ｎｍであり、前記第２のスペクトルデータの短波長領域における所定の波長は、３００ｎｍ～４００ｎｍである、［１２］記載の半導体プロセス監視方法。
［１４］前記判断ステップでは、前記第１のスペクトルデータの長波長領域及び前記第２のスペクトルデータの短波長領域において所定の波長に前記第１のピークが出現したか否かに基づいて、前記半導体プロセスにおける異常の有無を判断する［１２］又は［１３］記載の半導体プロセス監視方法。
［１５］前記判断ステップでは、前記第２のスペクトルデータの短波長領域においてピークが発生していない波長域において、前記第２のピークが出現した場合に、前記半導体プロセスの終点を判断する［１２］～［１４］のいずれか一つ記載の半導体プロセス監視方法。

【符号の説明】

【0073】

１…半導体プロセス監視装置、３…分光部、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…検出部、５…生成部、６…判断部、４１Ａ…第１の画素領域、４１Ｂ…第２の画素領域、４２…画素、４３Ａ…第１の水平シフトレジスタ、４３Ｂ…第２の水平シフトレジスタ、４５Ａ…第１の蓄積部、４５Ｂ…第２の蓄積部、４６Ａ，４７Ａ…第１の読出部、４６Ｂ，４７Ｂ…第２の読出部、８１…チャンバ、Ｌ１…計測光、Ｐ１…第１のピーク、Ｐ２…第２のピーク、Ｓ…スペクトルデータ、Ｓ１…第１のスペクトルデータ、Ｓ２…第２のスペクトルデータ、Ｓ１１…分光ステップ、Ｓ１２…検出ステップ、Ｓ１４…判断ステップ、Ｔ１…第１の露光時間、Ｔ２…第２の露光時間、Δλ１…長波長領域、Δλ２…短波長領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】