特許 6186152 プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6186152

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20170814BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 103

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-70933(P2013-70933)

(22)【出願日】2013年3月29日

(65)【公開番号】特開2014-195005(P2014-195005A)

(43)【公開日】2014年10月9日

【審査請求日】2016年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】中元 茂

(72)【発明者】

【氏名】臼井 建人

(72)【発明者】

【氏名】井上 智己

(72)【発明者】

【氏名】廣田 侯然

(72)【発明者】

【氏名】福地 功祐

【審査官】 齊田 寛史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２１８８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２３４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７３５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７３８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８３７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００４０６５８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器の内部の処理室内に載置されたウエハ上面に予め形成され処理対象の膜及びその下方に配置された下地膜を有する膜構造に含まれる前記処理対象の膜を前記処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法であって、
前記処理中に前記ウエハ表面から得られた複数の波長の干渉光の強度を検出するステップと、
前記処理中の任意の時刻に検出した前記複数の波長の干渉光の強度からそれらの時間微分の時系列データを検出するステップと、
前記複数の波長についての前記時系列データを用いて波長をパラメータとする実微分波形パターンデータを検出するステップと、
前記ウエハの処理の前に予め作成した検出用微分波形パターンデータであって前記下地膜の厚さが異なる２種類の前記膜構造の各々についての前記処理対象の膜の残り厚さ及び前記干渉光の波長をパラメータとする基本微分波形パターンデータを用いて作成した検出用微分波形パターンデータと前記実微分波形パターンデータとを比較した結果を用いて前記任意の時刻の残り膜厚さを算出するステップと、
前記残り膜厚さを用いて前記処理の目標への到達を判定するステップとを備えたプラズマ処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理中の複数の任意の時刻の各々において、前記２つの基本微分波形パターンデータを用いて前記検出用微分波形パターンデータを作成し、当該検出用微分波形パターンデータと各時刻の実微分波形パターンデータとを比較した結果を用いて前記各時刻の残り膜厚さを算出するプラズマ処理方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記２つの基本微分波形パターンデータ各々と前記実微分波形パターンデータとの最小の差分同士の比率を用いて前記２つの基本微分波形パターンデータを内挿して前記検出用微分波形パターンデータを作成するプラズマ処理方法。

【請求項4】

請求項１または２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記任意の時刻において、前記検出用微分波形パターンデータと前記実微分波形パターンデータとを比較しこれらの差が最小となる検出用微分波形パターンデータの残り厚さを前記任意の時刻の残り膜厚さとして記憶すると共に当該任意の時刻の残り膜厚さと予め記憶された前記処理中の前記任意の時刻より前の時刻における残り膜厚さとを用いて改めて前記任意の時刻の残り膜厚さを算出し、
前記改めて算出した前記残り膜厚さを用いて前記処理の目標への到達を判定するプラズマ処理方法。

【請求項5】

真空容器の内部に配置された処理室と、この処理室内に配置されウエハがその上面に載置される試料台とを備え、前記ウエハの上面に予め形成され処理対象の膜及びその下方に配置された下地膜を有する膜構造に含まれる前記処理対象の膜を前記処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
前記処理中に前記ウエハ表面から得られた複数の波長の干渉光の強度を検出し、
前記処理中の任意の時刻に検出した前記複数の波長の干渉光の強度からそれらの時間微分の時系列データを検出し、前記複数の波長についての前記時系列データを用いて波長をパラメータとする実微分波形パターンデータを検出し、この実微分波形パターンデータと前記ウエハの処理の前に予め作成した検出用微分波形パターンデータであって前記下地膜の厚さが異なる２種類の前記膜構造の各々についての前記処理対象の膜の残り厚さ及び前記干渉光の波長をパラメータとする基本微分波形パターンデータを用いて作成した検出用微分波形パターンデータとを比較した結果を用いて前記任意の時刻の残り膜厚さを算出し、この残り膜厚さを用いて前記処理の目標への到達を判定するプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項５に記載のプラズマ処理装置であって、
前記処理中の複数の任意の時刻の各々において、前記２つの基本微分波形パターンデータを用いて前記検出用微分波形パターンデータを作成し、当該検出用微分波形パターンデータと各時刻の実微分波形パターンデータとを比較した結果を用いて前記各時刻の残り膜厚さを算出するプラズマ処理装置。

【請求項7】

請求項５または６に記載のプラズマ処理装置であって、
前記２つの基本微分波形パターンデータ各々と前記実微分波形パターンデータとの最小の差分同士の比率を用いて前記２つの基本微分波形パターンデータを内挿して前記検出用微分波形パターンデータを作成するプラズマ処理装置。

【請求項8】

請求項５または６に記載のプラズマ処理装置であって、
前記任意の時刻において、前記検出用微分波形パターンデータと前記実微分波形パターンデータとを比較しこれらの差が最小となる検出用微分波形パターンデータの残り厚さを前記任意の時刻の残り膜厚さとして記憶すると共に当該任意の時刻の残り膜厚さと予め記憶された前記処理中の前記任意の時刻より前の時刻における残り膜厚さとを用いて改めて前記任意の時刻の残り膜厚さを算出し、前記改めて算出した前記残り膜厚さを用いて前記処理の目標への到達を判定するプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体集積回路の製造等で基板状の試料をエッチング処理する際にエッチング終了点を検出するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、特に、真空容器内の処理室内に配置した半導体ウエハ等の基板状の試料の上面に予め設けられた処理対象の膜を含む膜構造を処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理を処理の状態を検出しつつ行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウエハ等の基板状の試料から半導体デバイスを製造する工程では、当該ウエハの表面上に形成された様々な材料の膜層、特には、誘電材料の膜層の除去或いは当該膜でのパターンの形成に、真空容器内の処理室に形成したプラズマを用いるドライエッチングの技術が広く使用されている。このようなプラズマを用いたエッチング処理装置では、真空容器内の処理用空間である処理室内に導入された処理ガスに電界または磁界を作用させてプラズマ化し、得られたプラズマ内のイオン等荷電粒子や高活性の粒子（ラジカル）をウエハ表面に予め配置されている処理対象の膜層を含む膜構造と反応させることにより当該処理対象の膜をエッチング加工するものが一般的である。

【0003】

このようなウエハのエッチング処理中においては、形成したプラズマの発光における特定の波長の強度が、被処理膜のエッチング進行に伴って変化することが知られている。そこで、このような処理中のプラズマからの特定波長の発光強度の変化を処理中に検出し、この検出した結果に基づいて膜がエッチングにより除去される或いは所期の深さまで到達したエッチングの終点を検出する技術が従来から知られていた。

【0004】

特に、半導体デバイスのより高い集積度化や加工の微細化を達成するために、エッチング処理の工程において被処理膜の残り厚さを所定値で処理を終了させることが重要となっている。このような被処理膜の厚さを所定値にしてエッチング処理を終了させる技術として、エッチングの進行に伴い被処理膜の残り厚さが減少することに応じて、被処理膜を含むウエハ表面からの光は干渉した波形を形成することを利用して、干渉した光（干渉光）の強度の変化を用いて残り膜厚さを検出する技術が知られていた。

【0005】

例えば、特許文献１には、干渉光の少なくとも２種類の波長を検出し、これら複数の波長の干渉光の強度の値を用いて被処理膜の残り厚さを検出するものが開示されている。また、特許文献２には、複数の波長の干渉光を検出し、予め求めておいた複数の波長の波長をパラメータとする干渉光の強度に関するデータのパターンと実際に得られた干渉光の強度に関するデータとを比較することにより、被処理膜の残り厚さを検出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−０８５３８８号公報

【特許文献2】特開２００３−０８３７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記従来技術は、次のような点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。

【0008】

例えば、LPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により成膜された酸化膜は膜の厚さの再現性が低いことが知られており、その再現性は１０％程度であると言われている。一方、エッチング工程においては、被処理膜の厚さがこのようなばらつきを有していても、特許文献１や特許文献２開示の技術では、残り膜厚さの絶対値に応じた干渉光の強度の変化を検出することで精度良く被処理膜の残り厚さを検出することが出来る。

【0009】

しかしながら、被処理膜の下層の膜である下地膜の膜が光を透過する材質であってその厚さが試料毎に大きなばらつきを有している場合には、各々のウエハで得られる干渉光の強度は例え被処理膜の残り厚さが同じであっても異なるものとなるため、正確に被処理膜の残り厚さを検出することが出来なくなるという問題が生じていた。このような問題について、上記従来の技術では考慮されていなかった。

【0010】

本発明の目的は、プラズマを用いてエッチング処理中に処理対象の膜の残り厚さを精密に検出し、あるいはこれを調節できる半導体ウエハ等のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的は、真空容器の内部に配置された処理室と、この処理室内に配置されウエハがその上面に載置される試料台とを備え、前記ウエハの上面に予め形成され処理対象の膜及びその下方に配置された下地膜を有する膜構造に含まれる前記処理対象の膜を前記処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法であって、前記処理中に前記ウエハ表面から得られた複数の波長の干渉光の強度を検出し、前記処理中の任意の時刻に検出した前記複数の波長の干渉光の強度からそれらの時間微分の時系列データを検出し、前記複数の波長についての前記時系列データを用いて波長をパラメータとする実微分波形パターンデータを検出し、この実微分波形パターンデータと前記ウエハの処理の前に予め作成した検出用微分波形パターンデータであって前記下地膜の厚さが異なる２種類の前記膜構造の各々についての前記処理対象の膜の残り厚さ及び前記干渉光の波長をパラメータとする基本微分波形パターンデータを用いて作成した検出用微分波形パターンデータとを比較した結果を用いて前記任意の時刻の残り膜厚さを算出し、この残り膜厚さを用いて前記処理の目標への到達を判定することにより達成される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例に係るにプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。

【図2】図１に示すプラズマ処理装置がエッチング処理の対象とするウエハ上の膜構造を模式的に示す図である。

【図3】図２に示す膜構造に係る干渉光の強度の値と下地膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【図4】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置のエッチング量を検出する動作の流れを示すフローチャートである。

【図5】図１に示す実施例においてエッチング処理されたウエハの効果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0014】

本発明の実施例について、以下図１乃至５を用いて説明する。

【0015】

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置１を図１に示す。図１は、本発明の実施例に係るにプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。

【0016】

プラズマ処理装置１は、真空容器内部に配置された真空処理室２を備えている。また、真空容器下部は図示していないがターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有する排気装置と連結されている。また、円筒形を有した真空容器の上方及び周囲には、図示していない高周波電力が供給される同軸ケーブルとアンテナ或いはマイクロ波を伝播する導波管等の電界の発生手段またはソレノイドコイル等の磁界の発生手段が配置されて、電界または磁界が真空処理室２内部に供給可能に構成されている。

【0017】

本実施例のプラズマ処理装置１の真空容器の外側側壁は、図示しない別の真空容器と、開口であるゲートを介して連結されている。試料であるウエハ４が、当該別の真空容器内部の減圧された搬送室内を搬送されて真空処理室２との間でやり取りされる。

【0018】

また、真空処理室２の下部の中央部には、ウエハ４が円筒形状を有してその上面に載せられる試料台５が配置されている。さらに、真空容器は、図示していないガス供給用の供給管と連結され、ガス供給管は真空処理室２の上部または天井面に配置された複数のガス導入孔と連通されている。

【0019】

試料４が搬送室内から図示しないロボットアーム等の搬送装置の先端部上に載せられ保持されて、ゲートを通して真空処理室２内部に搬入され、試料台５の上方でこれに受け渡される。この後、ロボットアームが真空処理室２から退出してゲートがゲートバルブにより気密に閉塞されて真空処理室２内部が密封される。

【0020】

さらに、ウエハ４はその載置面である試料台５の誘電体で構成された上面において静電気により吸着されて保持される。ウエハ４の裏面と試料台５の載置面との間にはＨｅ等の熱伝達用のガスが供給されてウエハ４と試料台５との間の熱伝導が促進されている。

【0021】

真空処理室２内部にはガス導入孔からガス源に連結されたガス供給管を通して供給された処理用のガスが導入されると共に、排気装置の動作により真空処理室２内部が排気されて、真空処理室２内部がガスの供給の量速度と排気の量速度とのバランスにより半導体ウエハ等の基板状の試料の処理に適した真空度の圧力まで減圧される。この状態で、真空処理室２内部に電界または磁界の発生手段から電界または磁界が供給され、処理用ガスの粒子が励起されプラズマ３が形成される。試料台５上のウエハ４の上面に予め形成された複数の膜が積層された膜構造がこのプラズマ３に含まれる荷電粒子或いは高い反応性を有する粒子（活性粒子）によりエッチングされる。

【0022】

このプラズマ３に含まれる励起された粒子は高くされたエネルギーを光として放出するため、プラズマ３は発光を生じている。真空処理室２の上方の天井面であって真空容器の上部には、このプラズマの発光を受けて検知するための受光器等透光性部材を有した受光器８が配置されている。プラズマ３の発光は、直接もしくはウエハ上面で反射された後、受光器８に受光され、これに電気的、光学的に連結あるいは接続されたエッチング量検出装置９に信号として伝達される。

【0023】

図２を用いて、本実施例でエッチング処理される膜構造の典型的な例を説明する。図２は、図１に示すプラズマ処理装置がエッチング処理の対象とするウエハ上の膜構造を模式的に示す図である。

【0024】

図２（Ａ）に示すように、本実施例の処理対象の膜構造は、被処理膜であるポリシリコン膜２０１とその下方に境を接して配置された膜層である下地膜である酸化膜２０２とシリコン基板２０３とを有し構成されている。このような構成の膜構造に対して入射するプラズマからの光は、各膜間の境界あるいは界面部で反射して反射光を発生する。この反射光には、ポリシリコン膜２０１表面で反射する反射光２２１とポリシリコン膜２０１と酸化膜２０２の境界で反射する反射光２２２と酸化膜２０２とシリコン基板２０３の境界で反射する反射光２２３が存在する。

【0025】

これらの反射光の間には光路差が生じるため干渉光が形成される。また、エッチングの進行に伴い被処理膜であるポリシリコン膜２０１の膜の厚さは減少するため、各反射光の光路差は変化してその光の波長毎にその強度の変化の周期が異なる干渉現象が発生する。このように強度が変化する干渉光は、図１の真空処理室２の上部でプラズマ３に面している受光器８を介して、エッチング量検出装置９の分光器１０に伝達される。エッチング量検出装置９は、伝達された干渉光に係る信号から干渉光の強度の値及びその変化の量を検出し、その結果に基づいて被処理膜であるポリシリコン膜２０１のエッチング深さや残り膜厚さ等エッチング量や処理の終点への到達の判定を行う。

【0026】

図１に示すように、本実施例のエッチング量検出装置９は、分光器１０、第１デジタルフィルタ１２、微分器１３、第２デジタルフィルタ１４、微分波形比較器１ １５、微分波形パターンデータベース１ １６、微分波形比較器２ １７、微分波形パターンデータベース２ １８、これら微分波形比較器の結果に基づき割合を求める適合係数算出器１９、適合係数算出器１９が算出した適合係数を用いて適合パターンデータベースを作成する適合パターンデータベース作成器２０、適合パターンデータベース２１、微分波形比較器３ ２２、この微分波形比較器３ ２２からの出力に基づいて被処理膜の残膜厚さを算出しこれを時系列に記録する残膜厚さ時系列データ記録器２３と、この残膜厚さ時系列データ記録器２３により記録された残膜厚さの時系列データを用いて現在の残膜厚さの値を算出する回帰分析器２４、現在の残膜厚さの値からエッチングの終了を判定する終点判定器２５、及び終点判定器２５の判定結果を表示する表示器２６を備えている。

【0027】

なお、本実施例のエッチング量検出装置９は、表示器２６を除き、各々が複数の機能の各々を奏するマイクロプロセッサ等の半導体デバイスを含む検出用ユニットが有線または無線の通信回線で接続されたものでもよく、これら複数の機能を奏することのできる１つの半導体デバイスで構成されていても良い。半導体デバイスを含む用の検出用ユニットは、マイクロプロセッサ等の演算器と、外部と信号を通信するための通信インターフェースと、信号、データやソフトウエアを記憶するＲＡＭ，ＲＯＭ、あるいはハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の記憶装置が通信可能に接続されて構成されている。

【0028】

真空処理室２内に形成されたプラズマ３の発光はウエハ４の上面で反射され受光器８を通して分光装置１０に伝達される。受光器８からの信号を受けた分光装置１０では、干渉光の信号は所定の周波数に分光され各々の波長の強度がデジタル信号に変換されて出力される。

【0029】

分光器１０により、ウエハ４の処理中の任意の時刻におけるサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は時系列データyijとして図示しないＲＡＭ等の記憶装置に記憶される。この時系列データyijは第１デジタルフィルタ１２に伝達されて平滑化処理され、平滑化時系列データYijとしてＲＡＭ等の記憶装置に記憶される。

【0030】

次に、平滑化時系列データYijは微分器１３に伝達され、その時間微分（微係数）値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列データdijが算出されＲＡＭ等の記憶装置に記憶される。微係数値の時系列データdijは第２デジタルフィルタ１４により平滑化処理され、平滑化微係数時系列データDijとしてＲＡＭ等の記憶装置に記憶される。そしてこの平滑化微係数時系列データDijから干渉光の強度の微分値の波長依存性を示す（波長をパラメータとする）微分波形のパターン（実パターン）が求められる。

【0031】

ここで、平滑化微係数時系列データDiの算出について説明する。本実施例では、デジタルフィルタ回路１２として例えば２次バタワース型のローパスフィルタが用いられる。２次バタワース型のローパスフィルタにより平滑化処理される平滑化時系列データYiは式（１）により求められる。

【0032】

Yi = b1・yi + b2・yi-1 + b3・yi-2 ? [ a2・Yi-1 + a3・Yi-2] ・・・（１）
ここで係数b、aはサンプリング周波数およびカットオフ周波数により数値が異なる。また、本実施例でのデジタルフィルタの係数値は例えば a2=-1.143、a3=0.4128、b1=0.067455、b2=-0.013491、b3=0.067455（サンプリング周波数１０Hz、カットオフ周波数１Hz）が用いられる。２次微係数値の時系列データdiは微分器１３により５点の時系列データYiの多項式適合平滑化微分法を用いて式（２）から以下のように算出される。

【0033】

j=2
di = Σwj・Yi+j ・・・（２）
j=-2
ここで重み係数ｗに関して w−２=２、ｗ−１＝−１、ｗ０＝−２、ｗ１＝−１、ｗ２＝２である。
前記微係数値の時系列データdiを用いて平滑化微係数時系列データDiはデジタルフィルタ回路１４としては、例えば2次バタワース型ローパスフィルタにより式（３）から以下のように算出される。

【0034】

Di = b1・di + b2・di-1 + b3・di-2 ? [ a2・Di-1 + a3・Di-2] ・・・（３）
微分波形パターンデータベース１ １６には、所定の膜厚さを有した下地の酸化膜上方に配置されたエッチング量測定の対象となる被処理膜であるポリシリコンのエッチング処理中の残り膜厚さの量（残膜量）に対する干渉光の強度の微分波形パターンデータ値P1sjが、ウエハ４の処理に先立って予め記憶されている。微分波形比較器１ １５においては、ウエハ４の処理中に実際に得られた干渉光に係る微分波形データである実パターンと微分波形パターンデータベース１ １６に記憶されていた微分波形パターンデータ値P1sjとが比較されて、両パターン同士の差の値が算出される。

【0035】

同様に、微分波形パターンデータベース２ １８には、前記微分波形パターンデータベース１ １６とは異なる所定の膜厚さを有した下地の酸化膜上方に配置されたエッチング量測定の対象となる被処理膜であるポリシリコンの残膜量に対する干渉強度の微分波形パターンデータ値P2sjが予め設定されている。微分波形比較器２ １７においては、ウエハ４の処理中に実際に得られた干渉光に係る微分波形データである実パターンと微分波形パターンデータベース２ １８に記憶されていた微分波形パターンデータ値P2sjとが比較されて、両パターン同士の差の値が算出される。本実施例では、微分波形パターンデータベース１ １６と微分波形パターンデータベース２ １８とに記憶され、残膜量の厚さの検出に用いるものとして登録される微分波形データの各々は、任意の範囲でばらつく下地膜である酸化膜２０２の膜厚さの上限および下限値またはこれらに近い値の膜厚さを有した酸化膜２０２の上方に配置されたエッチング量測定の対象となる被処理膜であるポリシリコンのエッチング処理中の残り膜厚さの量（残膜量）に対する干渉光の強度の微分波形パターンデータが用いられている。

【0036】

一方、図２の（Ｂ）は、下地膜である酸化膜２１１、２１２の膜の厚さが異なるウエハの断面を示している。LPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により成膜された酸化膜は膜の厚さの再現性が低いことが知られておりその再現性はおよそ１０％程度といわれている。

【0037】

このように下地膜である酸化膜２１１、２１２の膜の厚さが異なった場合に問題が生じる。被処理膜であるポリシリコンの残膜量が同じ場合でも、下地膜である酸化膜２１１、２１２の膜の厚さが異なる場合、図２の（Ｃ）に示すように下地膜である酸化膜と基板との境界で反射した光２２３とその他の反射光２２１、２２２との光路差は異なることになる。干渉においては、この光路差により干渉光の強度の極大極小が決まるため、同じポリシリコン膜２０１の厚さでも干渉光の強度の値は異なるものとなり、干渉光の強度に基づいて膜厚さを精度良く検出することが困難となる。

【0038】

図３に、光の波長７００ｎｍで被処理膜がポリシリコンで下地膜である酸化膜の膜厚値が５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍであった場合のポリシリコンの残り膜厚に対する干渉強度の変化を図示する。図３は、図２に示す膜構造に係る干渉光の強度の値と下地膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【0039】

図３に示すように、下地酸化膜の膜厚値が異なると干渉光の強度の変化が異なるものとなる。干渉光の強度の極小値は、下地酸化膜の膜厚値が異なるウエハではポリシリコン膜の残り膜厚が異なる。これは、光干渉を利用した残り膜厚判定を行う装置にとって下地膜酸化膜の膜厚値によって、判定精度が悪くなることを意味している。

【0040】

本実施例では、下地の酸化膜２０２の膜厚さの値の異なる膜構造をエッチング処理に対応する微分波形データベースを微分波形パターンデータベース１ １６および微分波形パターンデータベース２ １８に各々記憶しておき、これらのデータベースに記憶されたデータを基本データベースとして組み合わせて新たにパターンデータ或いはそのデータベースを作成しそのパターンデータを膜厚さの検出に用いることにより、下地の酸化膜２０２の膜厚さの値がばらついた場合でも、その上方のポリシリコン膜２０１の膜厚さあるいは終点を精度良く判定することが出来る。図１では、微分波形パターンデータベースは２つ表示しているが、２つ以上であっても良い。

【0041】

以下に、本実施例において、異なる膜厚さの酸化膜２１１，２１２の各々に応じた微分波形データベースに記憶されたパターンデータを基本データとして組み合わせて膜厚さ検出用の微分波形を算出する構成を説明する。微分波形比較器１ １５および微分波形比較器２ １７の各々では、微分波形データベース１ １６、微分波形データベース２ １８各々に記憶された微分波形データのパターンと、半導体デバイスを製造する製品用のウエハ４の処理中に得られた微分波形データの実パターンとの最小残差σｓ１（ｔ）とσｓ２（ｔ）とが求められる。本例の残差は以下に示すように各時系列データ値の自乗誤差の大きさを用いている。

【0042】

この最小残差σｓ１（ｔ）とσｓ２（ｔ）との値が伝達された適合係数算出器１９では、この二つの最小残差の比を適合係数α（ｔ）を以下の式（４）を用いて算出して出力する。

【0043】

α(t)= σs2(t)/( σs1(t)+ σs2(t)) ・・・（４）
適合パターンデータベース作成器２０は、受信した適合係数α（ｔ）の値と微分波形パターンデータ値P1sj及びP2sjとを用いて、適合パターンデータベース２１を以下の式（５）で作成して記憶装置に出力して記憶させる。

【0044】

NDBsj=α(t)・P1sj + (1-α(t))・P2sj ・・・（５）
次に、微分波形比較器３ ２２が、適合パターンデータベース２１と実パターンとを比較し、任意の時刻におけるポリシリコン膜の残り膜厚（瞬時膜厚）を求め残膜厚さ時系列データ記録器２３に格納する。回帰分析器２４は、残膜厚さ時系列データ記録器２３に記録された現時点（任意の時刻）と過去の複数の時刻での残り膜厚（瞬時膜厚）を用いて、回帰演算により現在の残り膜厚（計算膜厚）を算出する。

【0045】

この回帰演算により算出された結果としての残り膜厚が終点判定器２５に伝達され、終点判定器２５が予め設定された目標残厚さ値と現在の残り膜厚（計算）を比較して目標残膜厚さ値を現在の残り膜厚（計算）以下であるかを判定する。目標以下であると判定された場合には、被処理膜のエッチング量が所定値になった（修訂に到達した）ものと判定されてエッチング処理を終了する指令をプラズマ処理装置１に送信する。さらに、その判定の結果が表示器２６に伝達され、液晶或いはＣＲＴを有する表示器２６上に表示に当該結果が表示され使用者に報知される。なお、表示器２６には、プラズマ処理装置１の運転、動作中の異常や動作のエラーの情報も報知される。

【0046】

次に図４のフローチャートを用いて、図１のエッチング量検出装置９でエッチング処理を行う際に被処理膜のエッチング量を求める手順について説明する。図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置のエッチング量を検出する動作の流れを示すフローチャートである。主に、エッチング量検出装置９の動作の流れを示している。

【0047】

本実施例では、ウエハの４処理に先立って、被処理膜であるポリシリコン膜２０１の目標の残り膜厚さの値とその検出あるいは判定に用いる微分波形パターンデータベース１ １６と微分波形パターンデータベース２とに記憶されたパターンデータの設定を行う（ステップ３００）。この２つ微分波形パターンデータベースで選択されたパターンデータとしては、下地層の酸化膜２０２が異なる膜厚さであるものを選択し設定する。

【0048】

また、本実施例では比較する微分波形パターンデータベースは２つであるが、２つ以上であっても良い。３つ以上の微分波形パターンデータベースを用いる場合には、上記の最小残差σｓｉ（ｔ）のより小さいものから２つを選択して式（４）によって適合係数α（ｔ）を求めても良い。

【0049】

次に、真空処理室２内においてウエハ４の処理を開始して得られる干渉光のサンプリング（たとえば０．１〜０．５秒毎に）を開始する（ステップ３０１）。この際、エッチング処理の開始に伴いサンプリング開始命令が出される。エッチングの進行に従って変化する多波長の発光強度が、エッチング量検出装置９の分光器１０に伝達されその光検出器により所定の周波数毎に光の強度に応じた電圧の光検出信号として検出され出力される。

【0050】

分光器１０の光検出信号はデジタル変換され、任意の時刻に対応付けられたデータ信号としてのサンプリング信号yijが取得される。次に、分光器１０からの多波長出力信号yijが第１段目のデジタルフィルタ回路１２により平滑化され、任意の時刻の時系列データYijが算出される（ステップ３０２）。

【0051】

次に、微分器１３に時系列データYijが伝達され、S-G法（Savitzky-Golay method）により時系列の微係数dijが算出される（ステップ３０３）。すなわち、微分処理（S-G法）により信号波形の係数（１次または２次）diが検出される。

【0052】

微係数dijが、第２段目のデジタルフィルタ回路１４に伝達され、平滑化（smoothing）微係数時系列データDijが算出される（ステップ３０４）。得られた平滑化微係数時系列データDijは、微分波形比較器１ １５及び微分波形比較器２ １７に伝達される。

【0053】

微分波形比較器１ １５においては、σｓ（ｔ）＝√（Σ(Dij-P1sj)2/j)値の算出し最小のσｓ１（ｔ）がされる（ステップ３０５）。同様に、微分波形比較器２ １７においてはσs(t)=√(Σ(Dij-P２sj)2/j)値の算出し最小のσs２(t)が算出される（ステップ３０６）。ステップ３０５，３０７は並行して実施されても良い。得られたσｓ１（ｔ）とσｓ２（ｔ）とが適合係数算出器１９に伝達されて、これらから適合係数α（ｔ）= σｓ２（ｔ）/( σｓ１（ｔ）+ σｓ２（ｔ）)が算出される（ステップ３０７）。

【0054】

適合パターンデータベース作成器２０に得られた適合係数α（ｔ）が伝達され、微分波形パターンデータベース１ １６に設定された微分波形データパターン値及び微分波形パターンデータベース２ １８に設定された微分波形データパターン値とを用いて、式（５）により適合微分波形パターンデータベース２１が作成され記憶装置に記憶される（ステップ３０８）。微分波形比較器３ ２２が、ステップ３０８で作成した適合微分波形パターンデータベース２１のデータ値とステップ３０４で作成した平滑化微係数時系列データDijから得られた微分波形パターンである実パターンのデータとをパターンマッチングし、最も適合したパターンデータとして最小の残差となる適合微分波形パターンデータベース２１のデータに対応する残り膜厚さを当該任意の時刻（現時刻）での瞬時膜厚データZiとして算出する（ステップ３０９）。

【0055】

ステップ３０９で残膜厚さ時系列データ記録器２３において記録された瞬時膜厚時系列データZiと処理中の過去の複数の時刻での瞬時膜厚時系列データZiとを用いて、回帰分析器２４により現在の計算膜厚値が算出され記憶される（ステップ３１０）。すなわち、回帰分析器２４の演算により、１次回帰直線Y=Xa・ｔ＋Xb （Y:残膜量、ｔ：エッチング時間、Xa：Xaの絶対値がエッチング速度、Xb：初期膜厚）が求められ、この回帰直線から現時刻でのエッチング量（または残膜量）が算出され記憶装置に記憶される（ステップ３１０）。

【0056】

なお、ステップ３０９において、比較した結果実パターンの適合微分波形パターンデータとの最小の残差が、予め定めた閾値以上であった場合には、当該最小の残差となる適合微分波形パターンデータに対応する膜厚さを現時刻での瞬時膜厚データZiとして記憶せずにおくこともできる。また、過去の処理中の時刻（例えば現時刻の直前のサンプリング時刻）の瞬時膜厚データZiや上記回帰演算したものを代わりに現時刻の瞬時膜厚Ziとしてステップ３１０における回帰分析器２４での演算を行っても良い。

【0057】

現在の被処理膜の残膜量が予め設定した目標残膜厚さ値（ステップ３００で設定）と比較され、目標残膜厚さ値以下と判定されると、目標に到達したと判定され、エッチング処理を終了させる信号がプラズマ処理装置１に発信される。到達していないと判断された場合は、ステップ３０２の処理に戻る（ステップ３１１）。エッチングの深さ等エッチング量が判定され（ステップ３１１）これが十分であると判定されたならば、最後にサンプリング終了の設定を行う（ステップ３１２）。

【0058】

ステップ３１１で目標に到達したと判定された場合に、エッチング処理を終了させる制御だけでなく、次のステップのエッチング処理を行うようにプラズマ処理装置１に指令を発信しても良い。例えば、処理速度を低減させたオーバーエッチング処理や、エッチング処理対象の膜が複数の膜層から構成されている場合には下層の膜層に適したものにプラズマ処理装置１の運転条件を変更して当該処理を実施しても良い。

【0059】

図５、本実施例による効果を示す。図５は、図１に示す実施例においてエッチング処理されたウエハの効果を示すグラフである。

【0060】

本図では、下地酸化膜の厚さが６０ｎｍのウエハをエッチングした時の結果を示している。図５のＯｘ５０ｎｍは下地酸化膜の厚さが５０ｎｍの微分波形パターンデータベース単独とのマッチング結果を、Ｏｘ７０ｎｍは下地酸化膜の厚さが７０ｎｍの微分波形パターンデータベース単独とのマッチング結果を、適合ＤＢは本発明による結果であり、下地酸化膜厚の厚さが５０ｎｍと７０ｎｍのものをそれぞれ微分波形パターンデータベース１ １６と微分波形パターンデータベース２ １８に設定し、パターンマッチングした結果である。

【0061】

図５の（Ｂ）は図５（Ａ）を被処理膜の残り膜厚３０ｎｍ付近で拡大したものである。図５（Ｂ）のＯｘ７０ｎｍである下地酸化膜の厚さが７０ｎｍの微分波形パターンデータベース単独とのマッチング結果の場合、４９．５秒でポリシリコンの残膜量３０ｎｍを下回ったことを検出する。

【0062】

図５（Ｂ）のＯｘ５０ｎｍである下地酸化膜の厚さが５０ｎｍの微分波形パターンデータベース単独とのマッチング結果の場合、５０．５秒でポリシリコンの残膜量３０ｎｍを下回ったことを検出する。図５（Ｂ）の適合DBである下地酸化膜厚の厚さが５０ｎｍと７０ｎｍのものをそれぞれ微分波形パターンデータベース１と微分波形パターンデータベース２に設定した本発明アルゴリズムでの処理結果では５０．０秒でポリシリコンの残膜量３０ｎｍを下回ったことを検出している。

【0063】

図５の（Ｂ）では適合DBはＯｘ５０ｎｍとＯｘ７０ｎｍのちょうど中間に位置しており、下地酸化膜の膜厚が６０ｎｍの場合の膜厚推移を示している。また下地酸化膜の膜厚が５０ｎｍの結果が、ポリシリコンの残膜量３０ｎｍに最も遅く到着していることがわかる。これは図３に示した干渉強度の極小値が下地酸化膜厚の膜厚値に依存し下地酸化膜の厚さが７０ｎｍ、６０ｎｍ、５０ｎｍとなるにつれて極小値はポリシリコンの残膜量が多くなっていることと相関が取れる。

【0064】

また、以上の説明の通り、本実施例において下地酸化膜厚の厚さの情報を下地酸化膜厚の生産管理にも使用することが出来る。

【符号の説明】

【0065】

１…プラズマ処理装置
２…真空処理室
３…プラズマ
４…ウエハ
５…試料台
８…受光器
９…エッチング量検出装置
１０…分光器
１２…第1デジタルフィルタ
１３…微分器
１４…第２デジタルフィルタ
１５…微分波形比較器１
１６…微分波形パターンデータベース１
１７…微分波形比較器２
１８…微分波形パターンデータベース２
１９…適合係数算出器
２０…適合パターンデータベース作成器
２１…適合パターンデータベース
２２…微分波形比較器３
２３…残膜厚さ時系列データ記録器
２４…回帰分析器
２５…終点判定器
２６…表示器
２０１…ポリシリコン膜
２０２…酸化膜
２０３…基板
２１１…下地膜
２１２…下地膜。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】