特許 7201828 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】

(24)【登録日】2022-12-26

(45)【発行日】2023-01-10

(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 20060101AFI20221227BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 103

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021542197

(86)(22)【出願日】2020-09-17

(86)【国際出願番号】 JP2020035193

(87)【国際公開番号】W WO2022059114

(87)【国際公開日】2022-03-24

【審査請求日】2021-07-20

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】特許業務法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】永沢 充

(72)【発明者】

【氏名】江藤 宗一郎

(72)【発明者】

【氏名】臼井 建人

(72)【発明者】

【氏名】中元 茂

【審査官】加藤 芳健

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１１１３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１７６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１２２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０７２２６４（ＪＰ，Ａ）

(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】

真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、
前記処理室内にウエハを載置し、前記プラズマが形成されてから前記エッチングが終了するまでの複数の時刻において、前記ウエハの表面で反射された干渉光を受光して、前記干渉光の強度を示す信号を生成する工程と、
エッチング前後における、前記ウエハの膜厚を測定する工程と、
生成された前記信号に基づいて、前記ウエハにおけるエッチング開始時刻を決定する工程と、
決定された前記エッチング開始時刻に基づいて、前記信号と前記膜厚との対応関係を導出する工程と、を有するプラズマ処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記干渉光の強度を示す信号は、スペクトルの波形を含み、複数の時刻における前記スペクトルの波形を処理することにより、前記エッチング開始時刻を決定するプラズマ処理方法。

【請求項3】

請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和が所定の閾値以上となった時刻を前記エッチング開始時刻として決定するプラズマ処理方法。

【請求項4】

請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和における時間に対する変化率の平均値に基づいて、前記エッチング開始時刻を決定するプラズマ処理方法。

【請求項5】

請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和における時間に対する変化率を曲線で近似したときに、前記曲線上において第１の変曲点と第２の変曲点がこの順序の時系列で存在し、前記第１の変曲点の時刻を前記エッチング開始時刻として決定し、前記第１の変曲点から前記第２の変曲点までの時間を第１処理区間とし、前記第２の変曲点以降の時間を、前記第１処理区間よりもエッチング速度が大きい第2処理区間とするプラズマ処理方法。

【請求項6】

請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
決定された前記エッチング開始時刻まで前記膜厚が一定であると見做すプラズマ処理方法。

【請求項7】

真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された膜をエッチングするプラズマ処理装置であって、
前記プラズマが形成されてから前記エッチングが終了するまでの複数の時刻において、前記ウエハの表面で反射された干渉光を受光して、前記干渉光の強度を示す信号を生成する検出装置と、
複数の時刻における前記信号の差分に基づいて、エッチング開始時刻を決定する判定器と、を有するプラズマ処理装置。

【請求項8】

請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記干渉光の強度を示す信号は、スペクトルの波形を含み、
前記判定器は、複数の時刻における前記スペクトルの波形を処理することにより、前記エッチング開始時刻を決定するプラズマ処理装置。

【請求項9】

請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
前記判定器は、隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和が所定の閾値以上となった時刻を前記エッチング開始時刻として決定するプラズマ処理装置。

【請求項10】

請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
前記判定器は、隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和における時間に対する変化率の平均値に基づいて、前記エッチング開始時刻を決定するプラズマ処理装置。

【請求項11】

請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
隣接する時刻における前記スペクトルの波形の差をそれぞれ算出し、前記差の和における時間に対する変化率を曲線で近似したときに、前記曲線上において第１の変曲点と第２の変曲点がこの順序の時系列で存在し、
前記判定器は、前記第１の変曲点の時刻を前記エッチング開始時刻として決定し、前記第１の変曲点から前記第２の変曲点までの時間を第１処理区間とし、前記第２の変曲点以降の時間を、前記第１処理区間よりもエッチング速度が大きい第2処理区間とするプラズマ処理装置。

【請求項12】

請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記判定器は、決定された前記エッチング開始時刻まで膜厚が一定であると見做すプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造において、ウエハの表面上に様々なコンポーネントやそれらを相互接続する配線などが形成される。これらコンポーネントや配線は、導体・半導体・絶縁体など種々の材料の成膜と、不要な部分の除去の繰り返しにより形成することができる。

【0003】

不要な部分の除去プロセスとして、プラズマを用いたドライエッチング（以下、プラズマエッチングという）が広く使用されている。プラズマエッチングでは、エッチング装置の処理室内に導入したガスを高周波電源などでプラズマ化し、ウエハをプラズマ化したガスに暴露することでエッチング処理を行う。この時、プラズマ中のイオンによるスパッタリングやラジカルによる化学反応などによって異方性や等方性のエッチングが行われ、これらを使い分けることでウエハ表面上には種々の構造のコンポーネントや配線が形成される。

【0004】

このようなエッチング処理により得られた加工形状が設計形状と異なる場合、製造された半導体は所望の性能を発揮できないため、加工形状を設計形状に近づけるべく、エッチング処理を監視・安定化するプロセスモニタ技術が必要である。

【0005】

特に、半導体デバイスは近年微細化が進むことで微細化プロセスは増加しており、それに伴って半導体デバイスのパターン形成方法が多様化されるため、エッチング開始直後からの膜厚・深さ変化を監視するニーズが高まっている。

【0006】

これに対し、例えば処理中のウエハからの反射光を計測することによりウエハ上に成膜された膜の膜厚やウエハ上に形成された溝や穴の深さを測定するプロセスモニタに関する技術がある。プロセスモニタは膜厚・深さモニタと呼ばれ、エッチング処理の終点判定などに利用されてきた。

【0007】

エッチングの監視技術の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１には、ウエハ上に堆積された導体膜に対して、その導体膜上に形成されたフォトレジストパターンをエッチングマスクとしてプラズマドライエッチング処理を施す工程において、ドライエッチング処理中にプラズマから検出される所望の波長の発光波形の変化開始点Ａから変化終了点Ｂまでを連続的に監視することにより、被エッチング面内における被エッチング膜のエッチング速度の均一性を測定し、それを基に被エッチング膜のエッチング量の最適値を把握する技術が開示されている。

【0008】

また、特許文献２には、エッチング処理中の試料表面からの複数波長の干渉光を検出する検出器と、試料の処理中の任意の時刻に得られた前記干渉光に関する実偏差パターンデータと、この試料の処理前に得られた別の試料の処理に関する複数波長の干渉光のデータであって前記膜の複数の厚さに各々対応する複数の標準偏差パターンとを比較して、その偏差を演算するパターン比較手段と、これらの間の偏差と予め設定された偏差とを比較して試料のその時点の膜の厚さに関するデータを出力する偏差比較手段と、前記膜の厚さに関するデータを時系列データとして記録する残膜厚さ時系列データ記録手段と、前記膜の厚さデータを用いて所定量のエッチングが終了したことを判定する終点判定器を備えるプラズマ処理装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２００３－２４３３６８号公報

【文献】特開２００７－２３４６６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記の従来技術では、以下のような問題が生じていた。

【0011】

まず、特許文献１の技術では、エッチング処理の信頼性を向上させるため、エッチング処理中にプラズマから検出される所定の波長の発光波形の、変化開始点Ａから変化終了点Ｂまでの電圧を連続的に検出することにより、エッチング膜のエッチング速度の均一性を測定している。また、得られたエッチング速度に基づいてエッチング量の最適値を定めている。

【0012】

しかし、特許文献１の技術では、感度の高い所望の波長の電圧が一様に増減し、所謂単調に変化することを前提としており、実際のエッチング中のプラズマ発光の光量のように、処理中に増減するものに対しては考慮されておらず、膜厚を精度よく検出することが困難となるおそれがある。

【0013】

さらに、特許文献２の技術では、予め取得した複数波長の干渉光のパターンのデータベースを用いて、処理中の任意の時刻にウエハの表面から得られた干渉光のパターンとデータベース中のパターンとを比較して、偏差が最も小さいデータに対応する膜厚の値を時系列に膜厚情報として記録し、これらの時系列の膜厚のデータから任意の時刻のエッチング量（深さ、残り膜厚、速度）等を算出してエッチング処理の終点への到達を判定することができるとされている。

【0014】

しかし、特許文献２の技術では、エッチング処理においてプラズマが形成されて発光が開始された直後からエッチング処理が所定の値以上の速度で進行してその残り膜厚が一様に低減して変化することを前提として、エッチング量の検出が行われる。

【0015】

したがって、エッチング処理が一様に進行しない、例えばプラズマの発光開始から所定の初期の期間では処理が容易に進行しない場合等では、膜厚の検出の精度が大きく損なわれるおそれがある。

【0016】

以上のように、プラズマの発光の開始直後の処理の初期を含め処理が行われる期間で、発光の量や処理の進行の速度等の残り膜厚やエッチング量の検出のパラメータがバラついてしまう条件では、これらエッチング量の検出の精度が損なわれてしまい、処理の歩留まりが低下してしまうという問題について、従来の技術では解消することが困難であった。

【0017】

本発明は、処理対象の膜のエッチング量を高い精度で検出して処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置またはプラズマ処理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】

【0018】

上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、
前記処理室内にウエハを載置し、前記プラズマが形成されてから前記エッチングが終了するまでの複数の時刻において、前記ウエハの表面で反射された干渉光を受光して、前記干渉光の強度を示す信号を生成する工程と、
エッチング前後における、前記ウエハの膜厚を測定する工程と、
生成された前記信号に基づいて、前記ウエハにおけるエッチング開始時刻を決定する工程と、
決定された前記エッチング開始時刻に基づいて、前記信号と前記膜厚との対応関係を導出する工程と、を有することにより達成される。

【0019】

また、代表的な本発明にかかるプラズマ処理装置の一つは、真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された膜をエッチングするプラズマ処理装置であって、
前記プラズマが形成されてから前記エッチングが終了するまでの複数の時刻において、前記ウエハの表面で反射された干渉光を受光して、前記干渉光の強度を示す信号を生成する検出装置と、
複数の時刻における前記信号の差分に基づいて、エッチング開始時刻を決定する判定器と、を有することにより達成される。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、処理対象の膜のエッチング量を高い精度で検出して処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供できる。
本発明の構成、作用・効果の詳細は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

【図2】図２は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の膜厚・深さ判定部の構成を模式的に示すブロック図である。

【図3】図３は、比較例によるエッチング処理中の時間の経過に対する膜厚の変化および検出される膜厚の誤差の変化を模式的に示すグラフである。

【図4】図４は、比較例によるエッチング処理中の時間の経過に対する膜厚の変化および検出される膜厚の誤差の変化を模式的に示すグラフである。

【図5】図５は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置がウエハのエッチング処理を開始した時刻の前後で得られる干渉光のスペクトルの例を示すグラフである。

【図6】図６は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置のデータベース部のデータとこれから検出される残り膜厚の対応を示す図である。

【図7】図７は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置において干渉光のスペクトルの特徴データを含む膜厚・スペクトルデータを、データベース部に格納する動作の流れを示すフローチャートである。

【図8】図８は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の残り膜厚の検出に用いられる干渉光のデータにおけるサンプリング時刻毎の残り膜厚及び誤差の例を模式的に示すグラフである。

【図9】図９は、図１の実施形態のプラズマ処理装置において、エッチングの進行が開始したことを検出した時刻が実際の時刻よりわずかに遅れた場合において、処理中に検出される残り膜厚と実際の残り膜厚の値およびこれらの間の誤差の関係を示したグラフである。

【図10】図１０は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置が検出するスペクトルの変化の量を模式的に示すグラフである。

【図11】図１１は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置が検出するスペクトルの変化の量を模式的に示すグラフである。

【図12】図１２は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置がウエハの処理中の各サンプリング時刻で検出する干渉光１５のスペクトルについて、直前のサンプリング時刻での干渉光１５のスペクトルとの差の和の時間の経過に伴う変化を模式的に示すグラフである。

【図13】図１３は、図１に示す実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置が検出する干渉光のスペクトル差の和の時間の経過に伴う変化を模式的に示すグラフである。

【図14】図１４は、図１３に示す本発明の変形例に係るプラズマ処理装置の残り膜厚の検出に用いられる干渉光のデータにおけるサンプリング時刻毎の残り膜厚及び誤差の例を模式的に示すグラフである。

【図15】図１５は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の信号処理部の構成を模式的に示すブロック図である。

【図16】図１６は、図１に示す実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

【図17】図１７は、図１６に示す変形例に係るプラズマ処理装置の動作の流れを模式的に示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

【0023】

以下、本発明の実施形態を図１乃至１５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本図に示すプラズマ処理装置１０は、円筒形状を少なくとも一部に備えた真空容器１１と、その内部に配置され減圧された内側の空間にプラズマ１２が形成される処理室１９を備えている。

【0024】

処理室１９の内部には、ガス導入手段（図示せず）から導入されたエッチング用の処理ガスが導入され、高周波電源（図示せず）等から供給された電力により所定の周波数帯の高周波電界やマイクロ波の電界またはソレノイドコイル等の磁界の発生器により磁界が形成される。これら電界又は電界と磁界との相互作用によって処理用ガスの原子または分子が励起され、電離、解離してプラズマ１２が形成される。

【0025】

処理室１９内部では、プラズマ１２が形成された状態で、処理室１９内部の試料台１３上面上に配置され保持された処理対象の試料である半導体ウエハ（以下、ウエハという）１４が、当該プラズマ１２内の反応性、活性の高い粒子やイオン等の荷電粒子に接し、これらの粒子とウエハ１４表面に予め配置された処理対象の膜層表面の材料との物理的、化学的作用が生起されてエッチングが進行する。

【0026】

本実施形態において、処理室１９の内部へのガスの導入や、電界または磁界の形成とこれによるプラズマ１２の生成、消失およびその強度や分布の調節、試料台１３内に配置されプラズマ１２の形成中に供給されてウエハ１４上方にバイアス電位を形成するための高周波電力の供給、停止等のプラズマ処理装置１０の各部の動作は、これらと有線ケーブルや無線でデータを通信可能に接続された制御部２３によって行われる。

【0027】

本実施形態の制御部２３は、内部に上記通信の入出力が行われるインターフェースと、半導体デバイスによるマイクロプロセッサ等の演算器と、内部にデータやソフトウエアが記録されたＲＡＭやＲＯＭあるいはハードディスクドライブやＤＶＤ－ＲＯＭドライブ等の記憶装置とを有して、これらが通信可能に接続された構成を備える。制御部２３により、処理室１９内でウエハ１４上の処理対象の膜層に所望のエッチング処理が実現されるように、各部の動作の量や開始、終了等の同期を含む動作のタイミングの調節を行うことができる。また、制御部２３は、後述する図７のフローチャートの制御を実行するプログラムを格納し、該プログラムに従ってプラズマ処理装置１０の制御を実行する。

【0028】

エッチング処理中には、処理室１９内に形成されたプラズマ１２で生じた光がウエハ１４に照射される。照射された光は、ウエハ１４表面に処理に先立って予め形成されていた半導体デバイスの回路を構成する膜構造で反射され、膜構造の最表面あるいは上下に積層された２つの膜の界面と回路のパターンの内側の底面等の複数の面で反射し、これら照射され反射した光が、その経路の長さの差に起因して干渉を生じた干渉光１５となる。

【0029】

干渉光１５は、透光性を有した材料から構成され処理室１９の内側に面した窓部材を通して真空容器１１の壁面に取り付けられた石英等透光性を有した材料製の窓、およびその上方に配置されたレンズとを備える受光器１６で受光される。さらに干渉光１５は、受光器１６と光学的に接続された光ファイバ等の光伝達用の経路を介して、これに接続された検出部１７に伝送される。検出部１７は、所定の帯域の波長の光を予め定められた波長間隔の波長の光毎に分ける分光器を有しており、処理中の任意の時刻において、検出部１７において分光された干渉光１５は、当該任意の時刻における各波長ごとの干渉光の光量を示す干渉光１５のスペクトルとして検出される。受光器１６と検出部１７とで、検出装置を構成する。

【0030】

本実施形態では、ウエハ１４の処理中の予め定められた時刻の間隔（時間）毎に、干渉光１５のスペクトルが検出される。これらの各サンプリング時刻毎の信号は、干渉光１５のスペクトルを示す時系列の信号として、検出部１７から送信される。

【0031】

検出部１７で検出された任意の時刻の干渉光１５のスペクトルを示す信号は、信号処理部２０に伝送され、信号処理部２０において、エッチング量や終点をより精度良く検出することが可能になるような信号に変換され、あるいは処理される。具体的には、信号処理部２０に入力された信号には、光量オフセットの処理や高周波ノイズを除去する等の処理が行われる。

【0032】

このような処理がされた信号は、膜厚・深さ判定部（判定器）２１に伝送され、送信された信号から任意の時刻における膜厚あるいは深さの値が検出される。本実施形態では、各時刻に対応する信号から当該時刻でのエッチング量を検出しても良く、さらに、当該時刻でのエッチング量とこの時刻より前の処理中の時刻において検出されたエッチング量とを用いて、さらに精度の高いこの時刻でのエッチング量を検出しても良い。

【0033】

検出されたエッチング量の値を示す信号は、表示部２２に送信されて表示または報知される。また、膜厚・深さ判定部２１で検出された結果から、この処理において目標とするエッチング量あるいは残り膜厚となったことが判定された場合は、制御部２３はプラズマ処理装置１０に指令信号を発信して、処理用ガスの供給あるいはプラズマの形成を停止してウエハ１４のエッチング処理を終了させる。

【0034】

なお、プラズマ処理装置１０は、図１に示すような構成に限られるものではないことは言うまでもない。ここでは外部装置として示した、信号処理部２０や膜厚・深さ判定部や制御部２３等をプラズマ処理装置１０が含む構成としても構わない。

【0035】

図２は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の膜厚・深さ判定部の構成を模式的に示すブロック図である。本図では、各機能を奏する各ブロックが接続された膜厚・深さ判定部２１の構成が模式的に示されている。

【0036】

この図に示すとおり、信号処理部２０で処理されて適切な信号の形状にされた任意の時刻における干渉光１５のスペクトルを示す信号は、膜厚・深さ判定部２１に送信され、比較部３１において当該信号のデータが予め得られたデータと比較が行われる。比較の対象となるデータは、比較部３１と通信可能に接続されたデータベース部３０の記憶装置内に予め記憶され格納されている。

【0037】

データベース部３０の記憶装置には、例えば、プラズマ処理装置１０を用いてウエハ１４を処理して製造される半導体デバイス用の回路のための膜構造と同じか、これとみなせる程度に近似した寸法や種類を有する膜構造を、当該ウエハ１４の処理条件と同じかこれと同じとみなせる程度に近似した条件で処理した際に得られる膜厚と、干渉光１５の所定の複数の波長のスペクトルの時系列のデータが対応付けて記憶されている。

【0038】

このようなデータは、予めウエハ１４と同等の膜構造を有した別のウエハ（テスト用のウエハとする）を同等の処理の条件で処理した際に検出したデータであっても良く、あるいはシミュレーション等の計算の結果のデータであっても良い。本実施形態では、このように予め得られたデータから、処理中の残り膜厚等の複数のエッチング量の値と、波長の変化に対する干渉光１５のスペクトルの光量またはその微分値の変化の複数のパターンとの間、あるいは波長をパラメータとする干渉光１５の光の量またはその微分値の複数のパターンとの間で対応付けがなされて、データベース部３０の記憶装置に記憶されている。

【0039】

例えば、上記のテスト用のウエハの処理の開始前における処理対象の膜厚と、処理後の膜厚とを測定しておき、膜厚の値とデータベース部３０に記憶されたデータとを用いて、同じ処理対象においてエッチングの進行に応じて変化する膜厚（複数のエッチング量）の値の各々と、干渉光１５のスペクトルとの間で対応付けがされ、この対応付けされた情報と共に時系列のパターンのデータがデータベース部３０に格納される。膜厚と干渉光のスペクトルの特徴データとの対応関係を示すデータを、膜厚・スペクトルデータという。スペクトルの特徴データとは、例えばスペクトルの波形や、波長に対応する強度、微分値の変化など、そのスペクトルを表す情報をいう。微分値を用いた場合、原信号に含まれるスパイクノイズなどの影響を抑制でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。

【0040】

このようなデータベース部３０内の膜厚・スペクトルデータと、ウエハ１４のエッチング処理時に信号処理部２０で処理されて実際に得られた任意の時刻の干渉光のスペクトルとを比較することにより、実際のデータに最も近いと判定された光量のパターンに対応するエッチング量の値が、当該任意の時刻のウエハ１４のエッチング量（残り膜厚あるいは深さ）として検出される。

【0041】

なお、膜厚・深さを決定する方法は上記に限ったものではない。例えば、データベース部３０の膜厚・スペクトルデータが少ない場合は、膜厚・スペクトルデータにおける複数のスペクトルに基づいて補間を行うことで、新たなスペクトルを生成し、膜厚もそれに応じた値となるように設定することで、膜厚・スペクトルデータを増やしても構わない。また、予め測定するテスト用のウエハを複数準備して、複数の条件ごとに膜厚・スペクトルデータを設定しても構わない。また、量産化時、ウエハ１４のエッチング処理前後の膜厚検査結果を用いてデータベース部３０に追加し、比較する膜厚・スペクトルデータを増やしても構わない。

【0042】

また、上記の膜厚・深さ判定部２１において、比較部３１は１つ以上の半導体デバイスまたはその回路で構成されていても良く、また１つの半導体デバイス内部の一部の回路であっても良い。データベース部３０は、ＲＡＭやＲＯＭ、あるいはハードディスクドライブやＤＶＤ－ＲＯＭドライブ等の記憶装置と、該記憶装置と比較部３１との間で有線または無線で通信可能に接続されデータの送受信を行えるインターフェースとを備えていてよい。データベース部３０は、プラズマ処理装置１０に比較部３１と共に取り付けられていても、遠隔した箇所に配置されていても良い。

【0043】

（比較例）
図３，４は、比較例によるエッチング処理中の時間の経過に対する膜厚の変化および検出される膜厚の誤差の変化を模式的に示すグラフである。

【0044】

図３（ａ）は、比較例に係るエッチング処理の期間中に検出される処理対象の膜層の残り膜厚と実際の残り膜厚との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、（ａ）に示されるエッチング中に検出された残り膜厚と実際の残り膜厚との差（膜厚誤差）の変化を示したグラフである。これらの図において、横軸はエッチング時間であって、エッチング処理の開始の時刻を０、エッチング処理の終了時刻をＴｅとし、処理開始前の残り膜厚の値をＤｉ、処理終了後の残り膜厚の値をＤｅとする。

【0045】

ここでは、予め、半導体デバイス製造用のウエハ１４と同等の膜の構造を有したテスト用のウエハ１４を、半導体デバイス製造用に処理する際のものと同等の処理の条件で処理するか又は計算上でシミュレートして、干渉光１５の波長をパラメータとする強度(スペクトル)のデータを入手する工程が行われる。

【0046】

この工程において、処理室１９内にプラズマ１２が形成されるか或いは試料台１３内部に配置されたバイアス電位形成用の電極に高周波電力が供給された時点が処理開始時刻として見做され、当該開始の時刻から以降のサンプリング時刻毎にウエハ１４表面からの干渉光１５が検出されて、当該時刻での残り膜厚が算出される。さらに、算出された時刻での残り膜厚の値と共に、当該時刻より前の処理中のサンプリング時刻での膜厚の値が用いられて、最終的に当該時刻での残り膜厚の値が算出される。この際、各サンプリング時刻における最終的な残り膜厚の算出には、少なくとも１つの当該時刻より前の時刻での残り膜厚の値を用いた再帰分析の手法が用いられる。

【0047】

さらに、比較例において、予め得られた処理中の各時刻での干渉光のスペクトルの特徴データを用いて、半導体デバイスを製造するために処理の終点まで行われるウエハ１４のエッチング処理中の残り膜厚の算出では、処理対象の膜層がエッチングされ始めた時刻をプラズマが形成されたか又はバイアス形成用の高周波電力が供給され始めた時刻と見做している。しかし、実際には、プラズマ１２が形成され、さらに高周波電力が試料台１３内の電極に供給され始めた時刻直後からの処理の初期では、プラズマ１２の強度とその分布やバイアス電位の大きさやその分布が安定せず、処理の速度（レート）や実質的に処理の進行が始まる時点が、ウエハ１４毎や複数の工程から構成された処理であれば各工程毎にバラついてしまう。

【0048】

つまり、実際のウエハ１４のエッチング処理中には、プラズマ１２が形成され発光が開始された直後からエッチングとその進行が安定して行われるわけではない。具体的には、図３（ａ）の実線４１として表される実際の残り膜厚の値は、縦軸の近傍において膜厚Ｄの値がほぼ一定に示されているように、プラズマ１２が形成された以降も状態が安定してエッチングの進行が安定するまでに、膜種類や処理の条件に応じて所定の時間（本例では時刻０からＴｉまでの時間）を要して、この期間の間処理対象の膜層のエッチングは実質的に進行しない。そのため、実際のエッチングの開始の時刻はＴｉだけシフトすることとなる。

【0049】

しかし、比較例では、処理の開始と見做された時点の残り膜厚の値として、開始前の処理の対象の残り膜厚は値Ｄｉから処理の終点に到達したと判定された際の残り膜厚Ｄｅまで安定して一様に低減すると見做しており、処理中の任意の時刻における残り膜厚が当該時刻より前の時刻での残り膜厚の値を用いて再帰的に算出される。このため、比較例で検出される各時刻での残り膜厚Ｄの値は、時刻０（縦軸上）の厚さＤｅを通る直線として図３（ａ）の破線４０で模式的に示されるように、時刻０から時刻Ｔｅまでの処理の期間中の各々の時刻より前の時刻での値が補間されたものとなる。

【0050】

その結果、比較例では、図３（ｂ）に示すように、検出された残り膜厚の値と実際の残り膜厚の値との間の乖離（膜厚誤差）が生じ、これはプラズマ１２の形成あるいはバイアス電位形成用の高周波電力の試料台１３への供給の開始された直後から所定の時間（時刻Ｔｉ）に最も大きいものとなる。

【0051】

図３では、エッチングの処理が終点に到達したと判定された時刻（終了時刻）での残り膜厚の値はＤｅとして一致している。しかし、データベース部３０に格納されるデータを入出するためのテスト用のウエハ１４の処理では、データベース部３０のデータを膜構造の下地層やマスク層等の各層の膜厚や形状、寸法等の構造のパラメータの値は、実際のウエハ１４のものより広い範囲に亘るものにするため、実際の工程の終点より深く設定するのが通常である。そのため、終点の目標となる残り膜厚Ｄｔが検出された時刻Ｔｔでエッチング処理を終えると、残り膜厚はＤｔと一致せず誤差が生じる。その結果、図３（ｂ）の実線４２に示すように、エッチング開始時刻Ｔｉをピークとして検出される残り膜厚の誤差が発生し、エッチング処理を終了する推定時刻Ｔｔでも膜厚誤差が発生している。ただし、エッチング時間が長いほど膜厚誤差は小さく見える傾向があるため、長時間エッチングでは膜厚誤差は小さい。

【0052】

しかし、エッチング処理の開始から終了までの時間が短くなるほど、この影響は無視することができなくなる。図４（ａ）は、短時間エッチングにおける、データベース作成時のエッチング時間に対する比較例の膜厚推定と実際の膜厚の関係を示したグラフ、図４（ｂ）は、長時間エッチングにおける、比較例の膜厚誤差を示したグラフである。各符号は図３と同じであるため、その説明を省略する。短時間エッチングの場合、エッチング開始時刻Ｔｉのシフトの影響が相対的に大きくなるため、目標の残り膜厚Ｄｔで処理を終えた場合の時刻Ｔｔの残り膜厚の誤差は、図４（ｂ）に示すように大きくなるという問題が生じる。

【0053】

図５は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置がウエハのエッチング処理を開始した時刻の前後で得られる干渉光のスペクトルの例を示すグラフである。図５（ａ）は、処理室１９内にプラズマ１２が形成された時刻から処理対象の膜層のエッチングが開始された時刻Ｔｉまでの各サンプリング時刻における干渉光１５の強度の値を、横軸に波長（周波数）を採って所定の複数の波長（周波数）毎にプロットしたスペクトルを重ねた結果を示す。図５（ｂ）は、時刻Ｔｉ以降の各サンプリング時刻で得られた干渉光１５のスペクトルを重ねた結果を示している。

【0054】

図５（ａ）に示されるように、時刻Ｔｉまで干渉光１５のスペクトルの変化はほとんど見られない。一方、図５（ｂ）に示すように、時刻Ｔｉ以降の各サンプリング時刻で得られた干渉光１５のスペクトルには同じ波長で明らかに異なる値となっているものが見られ、値がプロットされた線同士の間には上下方向に差が生じており、スペクトルが変化していることが判る。

【0055】

干渉光１５のスペクトルが示す光の強度情報は、ウエハ１４表面に配置された回路パターンを構成する膜構造を構成する膜層の残り膜厚を示しているので、時刻Ｔｉ以降に、プラズマ１２の状態が安定して処理対象の膜層のエッチングが所定の閾値以上に進行したことが判り、時刻Ｔｉにエッチングが開始されたと見做すことができる。

【0056】

このように、各サンプリング時刻での干渉光１５におけるスペクトルまたはその波形同士の間に所定の閾値以上の変化の量が有るか無いかを判定し、変化が閾値以上になったと判定されたサンプリング時刻をエッチング処理の開示された時刻として見做すことで、エッチングの処理の開始時刻を判定可能となる。

【0057】

図６は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置のデータベース部のデータとこれから検出される残り膜厚の対応を示す図である。特に、図６では、処理開始後の任意の時刻において得られた干渉光１５のスペクトルの特徴データを、データベース部３０に格納された膜厚・スペクトルデータを照会して、膜厚・深さ判定部２１の比較部３１で比較した結果、差が最も小さいと判定されたスペクトルに対応する膜厚を、比較例と本実施形態とで比較して示す。

【0058】

図６では、半導体デバイスを製造するエッチング処理が施されるウエハ１４と同等の構成を有するテスト用のウエハ１４上の処理対象の膜を処理室１９内に配置してエッチング処理した際に得られた、またはシミュレーション等で当該エッチング処理を計算して得られたウエハ１４からの干渉光１５のスペクトルについて示している。

【0059】

図６のデータでは、エッチング処理する工程が開始され処理室１９内にプラズマ１２が形成された時刻、または試料台１３内の電極に高周波電力が供給されてプラズマ１２中のイオン等荷電粒子をウエハ１４に誘引するバイアス電位が形成された、または計算でこれと想定された時刻を上記工程の期間の時刻０としている。

【0060】

図６において、当該工程の期間の時刻０とこれ以降の各サンプリング時刻における干渉光１５のスペクトルがプロットされてグラフとして示された波形と、比較例に係るプラズマ処理装置および本実施形態のプラズマ処理装置１０が各時刻に対応する値として検出する残り膜厚の値とが、横軸に採られた工程の期間中の時刻に対応付けされて示されている。

【0061】

なお、本実施形態では、サンプリング時刻同士の間隔（サンプリング間隔）を０．１秒（ｓｅｃ）としている。また、エッチング処理の開始前の処理対象の膜の厚さをＤｉ、エッチングの処理の終点となる目標の残り膜厚をＤｅとする。

【0062】

図６に示すように、本実施形態のデータでは、干渉光１５から得られるスペクトルを示すグラフの波形は時刻０からＴｉまで変化がないと見做されるほど同等であって、時刻Ｔｉ直後のサンプリング時刻（Ｔｉ＋０．１秒）から波形が変化する。

【0063】

すなわち、本実施形態では、時刻０の以降のサンプリング時刻で得られたスペクトルの予め定められた波長（周波数）の値の変化あるいはスペクトル波形と、当該時刻の以前における任意のサンプリング時刻（本実施形態では１つ前のサンプリング時刻）のスペクトル波形との差の量（差分）が、所定の閾値より小さいと判定され、処理対象の膜のエッチングが進行していない未処理の状態であると判定される。この結果として、時刻０から時刻Ｔｉまでの残り膜厚はエッチング処理前の値のＤｉと同じ値として検出され、時刻０からＴｉまでの期間は、処理対象の膜が未処理である期間と見做される。

【0064】

時刻（Ｔｉ＋０．１）［秒］において、上記所定の閾値以上のスペクトルの値または波形の変化の量が検出された結果、当該時刻（Ｔｉ＋０．１）にエッチングの処理が開始された、つまり時刻（Ｔｉ＋０．１）がエッチング期間が開始された時刻と判定される。さらに、本実施形態では時刻Ｔｅに残り膜厚の値が目標である終点の残り膜厚Ｄｅに到達したと判定され、時刻（Ｔｉ＋０．１）以降時刻Ｔｅまでの期間（エッチング処理が進行する期間）中の残り膜厚は、単位サンプリング時間毎に残り膜厚の変化量（Ｄｉ－Ｄｅ）をサンプリング時刻の個数で除した値Δｄ’だけ変化すると見做されて、各時刻での残り膜厚が算出される。例えば、時刻（ＴＩ＋０．１）での残り膜厚の算出値は（Ｄｉ－Δｄ’）となり、時刻Ｔｔ＝（Ｔｉ＋０．１）×ｍ［秒］での残り膜厚は（Ｄｉ－Δｄ’）×ｍとなる。

【0065】

一方、比較例では、時刻０から時刻Ｔｉの間の未処理の期間を含む時刻Ｔｅまでの時間がエッチング処理の期間として見做され、残り膜厚の値Ｄｉ，Ｄｅとの差を当該時刻０乃至Ｔｅまでのサンプリング時刻の個数（工程の期間÷サンプリング間隔）で除して得られる単位サンプリング間隔当たりの残り膜厚の変化Δｄを用いて、時刻０．１［秒］の膜厚は（Ｄｉ－Δｄ）、時刻Ｔｉの残り膜厚は０乃至Ｔｉの期間のサンプリング時刻がｎ個あるとすると（Ｄｉ－Δｄ）×ｎとして算出され、さらに時刻Ｔｔの膜厚はＤｉ－Δｄ×（ｎ＋ｍ）として算出される。

【0066】

このように比較例で用いられる複数の干渉光１５のスペクトルや強度のパターンを示すデータには、エッチング処理が行われると見做した期間に未処理の期間が含められている。このため、このようなデータと対応付けされた残り膜厚の値には誤差が生じた。さらに、このようにデータを用いて半導体デバイスの量産のためのウエハ１４の処理中に残り膜厚を検出すると、実際の残り膜厚は所期の値との間の乖離（膜厚誤差）が生じており、処理対象の膜を処理する工程または実際のエッチングが進行する処理の時間が短くなるほど、上記誤差の影響が大きくなり処理の歩留まりが損なわれてしまう。

【0067】

そこで、本実施形態では、上記のように、工程が開始された時刻０の以降は、各サンプリング時刻で得られたスペクトル波形（あるいはスペクトルの予め定められた波長（周波数）に対応する強度の変化）と、当該時刻の以前の任意の時刻（本例では１つ前のサンプリング時刻）のスペクトル波形との差が、所定の閾値より大きくなったと判定される時刻（Ｔｉ＋０．１）まで、このようなスペクトルの波形の変化を示す干渉光１５に対しては、処理対象の膜のエッチングが進行していない未処理の状態であると判定し、時刻（Ｔｉ＋０．１）から時刻Ｔｅまでのエッチング処理が進行する期間の干渉光１５のスペクトルを示す上記データを用いて残り膜厚を検出する。

【0068】

図７は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置において干渉光のスペクトルの特徴データを含む膜厚・スペクトルデータを、データベース部に格納する動作の流れを示すフローチャートである。本実施形態においては、上記の通り、半導体デバイスを量産するウエハ１４の処理の開始前に、予め、当該ウエハ１４と同等の構成を備えたテスト用のウエハ１４における処理対象の膜層のエッチング処理の進行に伴う複数の波長の干渉光１５のスペクトルの特徴データを、膜層の残り膜厚と対応付けして格納される。

【0069】

図７には、予め行われるこのようなデータを取得して膜厚・深さ判定部２１内のデータベース部３０に、膜厚・スペクトルデータとして格納するまでの動作の流れが示されている。当該動作のフローが開始されると、まず、ステップＳ７０１において、半導体デバイスを量産する工程に用いられるウエハ１４と同じ構成（表面に形成された膜も含めた寸法、構造）が同じかまたはこれと見做せる程度に近似した同等のテスト用のウエハ１４の処理の工程を開始する前の処理対象の膜層の残り膜厚Ｄｉが測定され、制御部２３内部の記憶装置内に記憶され格納される。

【0070】

本ステップにおいて、膜厚の測定は、断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等の従来から知られた測定技術のいずれを使用しても良い。なお、実際に処理室１９内でエッチング処理してデータを取得する場合には、テスト用のウエハ１４として量産に用いられるものと同じロットのものを用いることが好ましい。

【0071】

次に、ステップＳ７０２において、テスト用のウエハ１４を真空容器１１内部の処理室１９内に搬送し試料台１３上に載せて固定する。

【0072】

ステップＳ７０３において、量産用のウエハ１４と同じかこれと見做せる程度に近似した条件でエッチング処理の工程を開始する。すなわち、処理室１９内が所定の範囲内の真空度の圧力に維持され、処理室１９に供給された処理用のガスを用いてプラズマ１２が形成され、試料台１３内部の電極にバイアス電位形成用の高周波電力が供給されて工程が開始される。なお、本実施形態では、この工程が開始された時刻を当該工程の期間中の時刻０と定めている。

【0073】

本実施形態のプラズマ処理装置１０では、処理対象の膜を処理する工程が開始された時点、及び開始後、膜厚・深さ判定部２１において、所定の間隔のサンプリング時刻毎に、受光器１６を介して受光したウエハ１４からの干渉光１５のスペクトルを用いて処理対象の膜層の残り膜厚が予め定められた目標の値に到達したか否かが判定され、到達していない場合には、判定されるまでエッチング処理が継続される。

【0074】

すなわち、各サンプリング時刻で受光器１６を介して受光されたウエハ１４からの複数波長の干渉光１５のスペクトルが検出部１７において検出された後、信号処理部２０で処理されて膜厚・深さ判定部２１に伝送され、各時刻毎の複数波長の干渉光１５のスペクトルの特徴データが当該時刻(処理開始時点を含む)と対応付けされて内部のデータベース部３０内の記憶装置内部に記憶される（ステップＳ７０４）。

【0075】

なお、本実施形態では、目標となる値に対象の膜層の残り膜厚が到達したか否かの判定は、処理が開始されてから予め定められた目標の膜厚に到達すると想定される時間が経過したか、あるいはサンプリング時刻の個数に達したか否かを判定することで行われる。

【0076】

所望の膜厚に到達したと想定される時間が経過したことが判定されると、ステップＳ７０５に進み、テスト用のウエハ１４のエッチング処理が終了される。さらに、ステップＳ７０６でテスト用のウエハ１４が処理室１９から搬出される。

【0077】

その後、ステップＳ７０７において、ステップＳ７０１と同様の工程により、テスト用のウエハ１４の処理対象の膜層の残り膜厚Ｄｅが測定され、制御部２３内の記憶装置内に記憶され格納される。ここまでのステップで、テスト用のウエハ１４の処理対象の膜層がエッチングされる前後の残り膜厚と、当該膜層をエッチングする工程の期間中の各サンプリング時刻毎の干渉光１５のスペクトルの特徴データが取得される。

【0078】

本実施形態では、取得された干渉光１５の特徴データから、工程の開始時刻からの干渉光１５の各波長の光の強度の変化、あるいは干渉光１５の波長の変化に対する光の強度の変化を示すスペクトルの波形の変化が検出される。

【0079】

ステップＳ７０８で、当該変化の量と所定の閾値との大小が膜厚・深さ判定部２１内の比較部３１で比較され、変化の量が閾値を超えたと判定された時刻が、エッチングの進行の開始された時刻として検出される。

【0080】

ステップＳ７０９で、時刻０からこのエッチングの開始された時刻（図６の時刻（Ｔｉ＋０．１）秒）までのエッチング処理が進行していない未処理の期間の各サンプリング時刻では、残り膜厚がＤｉとして検出されて各時刻のデータに対応付けされる。さらに、エッチングの開始された時刻以降の各サンプリング時刻での残り膜厚の値が、エッチング処理の開始時刻での膜厚Ｄｉと、終点の膜厚Ｄｅの値とに基づいて各サンプリング時刻で線形に補間して得られた値として、各時刻のスペクトルの特徴データに対応付けされて、データベース部３０に記憶され格納される。このようにして、干渉光１５のスペクトルの特徴データと残り膜厚の値との間の対応付けがされた膜厚・スペクトルデータが、データベース部３０に格納されてデータベースが構築されて、フローが終了する。
なお、膜厚・深さ判定部２１は、エッチング開始時刻およびそれ以前のスペクトルにエッチング処理前の膜厚を割り当て、エッチング終了時刻のスペクトルにエッチング処理後の膜厚を割り当て、その間のスペクトルはエッチング時間に対する線形補間にて導出した膜厚を割り当てるようにして、膜厚・スペクトルデータ（膜厚とスペクトルとの対応関係）を生成すると好ましい。

【0081】

図８を用いて、図７で得られた干渉光１５のデータにおける各サンプリング時刻毎の残り膜厚の値と誤差の大きさとを説明する。図８は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の残り膜厚の検出に用いられる干渉光のデータにおけるサンプリング時刻毎の残り膜厚及び誤差の例を模式的に示すグラフである。

【0082】

図８（ａ）は、データベース部３０に格納された膜厚・スペクトルデータにより得られる残り膜厚と実際の残り膜厚との関係を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示される２つの残り膜厚の値の間の差（膜厚誤差）を示している。

【0083】

図８（ａ）において、横軸はウエハ１４のエッチング処理する工程が開始された時点以降の時間、縦軸は処理対象の膜層の残り膜厚または深さ、及びデータを用いて検出される残り膜厚（深さ）の値と実際の値との間の誤差の大きさである。各符号は図３で示したものと同じであるため、説明を省略する。

【0084】

図８（ａ）において、実線４１で示されるように、プラズマ１２が形成されエッチング処理の工程が開始された時刻０から、プラズマ１２の強度が安定して処理対象の膜層のエッチングの進行が開始される直前の時刻Ｔｉまでの未処理の状態である未処理期間が発生している。このため、当該未処理期間では、実際の残り膜厚はほぼ一定またはその変化は所定の閾値内ものとなる。本実施形態では、このような未処理期間が生じる場合でも、エッチング処理の進行が開始される時刻を干渉光１５のスペクトルの変化から検出し、当該時刻以降の時刻におけるスペクトルの特徴データを用いて残り膜厚を検出する。

【0085】

例えば、量産用のウエハ１４を処理する工程の期間中の任意の時刻において検出された実際の干渉光１５のスペクトルの特徴データと、データベース部に格納された上記の未処理期間が除かれた期間のサンプリング時刻の干渉光１５のスペクトルの特徴データとが比較され、これら各時刻の特徴データのうち実データとの差が最も小さいものに対応する残り膜厚の値が、当該の時刻の膜厚として検出される。

【0086】

或いは、量産用のウエハ１４の処理の工程の開始（時刻０）から所定の初期の期間中のサンプリング時刻において、干渉光１５のスペクトルの特徴データの変化が予め定められた閾値より小さいと判定された場合には、当該時刻は未処理の期間中であると判定され、残り膜厚が工程開始前の値Ｄｉであるものと見做す。

【0087】

さらに、その後に変化の大きさが閾値を超えた時刻にエッチング処理が開始されたことを検出した上で、当該開始された時刻（上記の例では時刻（Ｔｉ＋０．１）秒）以降の任意のサンプリング時刻に検出された干渉光１５のスペクトルの特徴データと、データベース部３０内の膜厚・スペクトルデータとが比較部３１で比較されて、該膜厚・スペクトルデータにおいて、検出されたスペクトルの特徴データに対応する膜厚を、当該時刻の残り膜厚を瞬時膜厚として抽出すると共に、この瞬時膜厚の値及び当該任意の時刻より過去のエッチング処理中のサンプリング時刻で検出された残り膜厚とを用いた再帰分析から、この任意の時刻での残り膜厚を計算膜厚として算出しても良い。この場合、再帰分析に用いられる過去のサンプリング時刻の残り膜厚は、時刻（Ｔｉ＋０．１）秒以降の複数の時刻で検出されてデータベース部３０または制御部２３に記憶され格納された計算膜厚の値である。

【0088】

このように、干渉光１５のスペクトルの特徴データからエッチング未処理の状態か、エッチング処理の進行が開始されたかを判定することができる。これにより未処理の期間後のエッチング処理が開始された時点以降の干渉光１５のスペクトルの特徴データを用いて、エッチングの開始以降の各サンプリング時刻で残り膜厚を算出することで、再帰分析により残り膜厚を算出する場合でも、図８（ａ）の破線４３として表される残り膜厚の値は、ウエハ１４の処理の工程の期間の各時刻において、高い精度で検出される。その結果、図８（ｂ）に実線４２として表されるように、膜厚誤差、すなわち実際の残り膜厚との間の誤差が低減される。

【0089】

図９は、図１の実施形態のプラズマ処理装置において、エッチングの進行が開始したことを検出した時刻が実際の時刻よりわずかに遅れた場合において、処理中に検出される残り膜厚と実際の残り膜厚の値およびこれらの間の誤差の関係を示したグラフである。図９（ａ）は、横軸に時間を採り時間の経過に伴う残り膜厚の値の変化を示すグラフを示し、図９（ｂ）は、時間の経過に伴う誤差の変化を示すグラフである。

【0090】

図９（ａ）に示すように、前後に隣接するサンプリング時刻同士の間にエッチングの進行が開始された場合には、当該プラズマ処理装置１０の膜厚・深さ判定部２１または制御部２３が進行を判定することのできる時刻は、早くとも次のサンプリング時刻となり実際のものよりわずかに遅れることになる。

【0091】

この場合には、実線４１に示す実際の残り膜さの変化と破線４３に示す検出される膜厚の変化との間にずれが生じており、誤差が生じている。しかし、図３，４に示された実線４０、破線４１との間の差の大きさと比べて小さくすることができるため、図９（ｂ）の実線４２に示すように、膜厚誤差を小さくすることが可能となる。

【0092】

なお、図９ではエッチング開始時刻の判定が遅れた場合を説明しているが、判定が早まった場合でも同様の効果が得られることは、言うまでもない。

【0093】

次に、本実施形態において干渉光１５のスペクトルの変化を検出する構成について説明する。図１０及び図１１は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置が検出するスペクトルの変化の量を模式的に示すグラフである。

【0094】

これら図１０（ａ）から図１１（ｃ）までの図では、プラズマ処理装置１０が検出する干渉光１５の連続する２つのサンプリング時刻でのスペクトル波形の差が、横軸に波長を採って示されている。それぞれの図は、処理対象の膜層をエッチング処理する工程が開始して以降の６つのサンプリング時刻（時刻Ｔ＝０．１，０．３，Ｔｉ，（Ｔｉ＋０．１），（Ｔｉ＋０．２），（Ｔｉ＋０．３）［秒］）において検出された干渉光１５の複数の波長の光の強度と、直前のサンプリング時刻での光の強度との差を、横軸に波長を、縦軸はスペクトル差（光の強度の差）を採って示している。

【0095】

これらの図に示される通り、プラズマ１２が形成されエッチング工程が開始された時刻直後の０．１秒や０．３秒では、時刻Ｔｉ以降のものと比べて、所定の複数の波長の範囲にわたりスペクトル差は小さいことが判る。これは、処理対象の膜層のエッチングが進行しておらず干渉光１５に含まれる複数波長の光の強度変化が少ないことが理由であり、干渉光１５の強度を時間の経過に伴って変化させる要因としては、プラズマ１２の強度或いは分布の変動やプラズマ処理装置１０に用いられる電気回路を流れる高周波のノイズ等の大きさとして相対的に小さいもののみであるためと考えられる。

【0096】

一方、図１１（ｃ）に示すように、時刻Ｔｉ秒に複数波長でスペクトル差が大きくなっている。このような変化は、プラズマ１２によってウエハ１４上の回路パターンを形成ための処理対象の膜層のエッチングが十分に進行して当該エッチングが開始されたことを示している。そして、時刻Ｔｉ以降も、（Ｔｉ＋０．１），（Ｔｉ＋０．２），（Ｔｉ＋０．３）［秒］の各々でスペクトル差は、Ｔｉより前の時刻のものを示す図１０（ａ），（ｂ）のものと比べ大きくなっており、特に、時間の経過に伴ってスペクトル差の量（例えば、各周波数毎の差の総和）は大きくなっていることが判る。

【0097】

なお、図示はしていないが、時刻（Ｔｉ＋０．３）秒以降のサンプリング時刻においても、スペクトル差の形状のばらつきはあるものの絶対値的な変化は見られなくなり、安定的に対象材料がエッチングされていると判断される。これらの結果より、直前の時刻のものとのスペクトル差の大きさが所定の閾値より大きくなった時刻Ｔｉを、処理対象の膜層のエッチング処理の開始された時刻として検出できる。

【0098】

以上述べたように、干渉光１５のスペクトルの波形あるいは複数波長の光の強度変化を連続する２時刻のスペクトル差を用いて検出することにより、処理対象の膜層のエッチングの開始された時刻を正確に検出することが可能となる。

【0099】

なお、スペクトルの変化を検出する構成は、上記のものに限定されない。例えば、連続する２時刻の特定の波長のスペクトル比（強度の比）を算出し、所定の閾値と比較することでスペクトル変化を観測しても構わない。また、所定時刻（例えばプラズマ１２が形成され発光が生じた直後）の光スペクトルを基準として算出した各時刻の光スペクトルとの差分や比を用いても構わない。

【0100】

次に、エッチング処理の開始された時刻を定量的に検出する別の手段について説明する。この手段では、プラズマ処理装置１０がウエハ１４をエッチング処理する工程を開始した後の各サンプリング時刻において検出した干渉光１５のスペクトルと、直前のサンプリング時刻での干渉光１５のスペクトルとの差を算出し、当該差を各サンプリング時刻毎に足し合わせた合計値が所定の値を超えたことを検出した時刻を、処理対象の膜層のエッチングが開始された時刻として検出する。

【0101】

図１２は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置がウエハの処理中の各サンプリング時刻で検出する干渉光１５のスペクトルについて、直前のサンプリング時刻での干渉光１５のスペクトルとの差（以下、スペクトル差という）の和の時間の経過に伴う変化を模式的に示すグラフである。図１２の横軸はウエハ１４のエッチング処理の工程が開始された時点以降の時間を示し、縦軸はスペクトル差の和の値を示している。

【0102】

ここで、スペクトル差は上記工程が開始された以降の任意のサンプリング時刻で得られた干渉光１５のスペクトルについて、その直前のサンプリング時刻での干渉光１５のスペクトルとの差である。前後２つのサンプリング時刻で得られる干渉光１５の波長ごとの強度は、図１０，１１に示すように、干渉光１５の複数の各波長で増加するものと減少するものとが存在し、これらの光の強度の差は正及び負の値のものが各波長で異なって存在する。本実施形態では、これらの差の絶対値の和、或いは各差の２乗値の和を算出した値を「スペクトル差の和」として、ウエハ１４を処理する工程が開始された時刻以降の各サンプリング時刻において当該スペクトル差の和を算出する。スペクトル差の和は、スペクトルの特徴データとなり得る。

【0103】

図１２に示すように、プラズマ１２を用いたウエハ１４を処理する工程が開始された直後のサンプリング時刻で算出されたスペクトル差の和の値は小さく、時間の経過に伴って徐々に増大した後、急激に増大する。さらに、その後の時刻において増加の割合が徐々に低下して、所定の値に漸近していく。本実施形態では、上記スペクトル差の和の値が急激に増大した時刻が検出され、エッチングが開始された時刻として見做される。このようなスペクトル差及びスペクトル差の和の算出と、エッチングの進行が開始された時刻の検出は、膜厚・深さ判定部２１、あるいは比較部３１で行われる。

【0104】

図１２（ａ）に示す例では、プラズマ処理装置１０の膜厚・深さ判定部２１は、各サンプリング時刻において閾値５０を用い、スペクトル差の和が閾値５０を超えたことが検出されたサンプリング時刻をエッチング処理が開始された時刻Ｔｉとして判定する。

【0105】

このような閾値は、処理対象の膜層の材料や処理の条件に応じて変動するものであり、プラズマ処理装置１０の使用者により、予めテスト用のウエハ１４を処理した際に得られた干渉光１５のスペクトルの特徴データから、エッチングの開始された時刻と見做せるスペクトル差の和の値が、適切に選択されて定められる。

【0106】

図１２（ｂ）に示す例では、各サンプリング時刻においてスペクトル差の和の時間に対する変化率（傾き）を算出し、特定の期間における変化率５１の平均値を用いてエッチング処理が開始された時刻Ｔｉが判定される。例えば、対象となる測定点の平均傾き５１を含む直線を導出した後、該直線が横軸と交じわる点Ｔｉをエッチング処理が開始された時点と判定する。これにより、エッチング開始時刻を定量的に求めることが可能である。なお、Ｔｉを判定する方法は、平均傾き直線と横軸との交点に限定されない。図１２（ａ）の閾値と組み合わせて、閾値と平均傾き直線の交点としても構わない。

【0107】

以上述べたように、連続する２時刻のスペクトル誤差の和を各時刻でプロットし、閾値や平均傾きといった任意の条件で時刻Ｔｉを設定することで、エッチング開始時刻を定量的に判定することが可能である。なお、和をとる波長範囲は、感度のある任意波長域であればどの領域でも構わない。また、スペクト誤差の和の変化を正確に把握するため、縦軸を対数スケールにしたり、プロットを平滑化したりしても構わない。

【0108】

一方、スペクトル差の和が相対的に長い期間にわたり変化する場合には、処理対象の膜層のエッチングの進行は徐々にその速度、度合いが増大するように変化すると考えられる。このような場合には、エッチング処理の開始の時刻を上記実施形態で説明した構成で検出して、残り膜厚の値とその終点の検出の判定とを、当該開始の時刻前の未処理の期間以降にシフトするのみでは対応することが困難となると考えられる。次に、このような場合に残り膜厚を精度良く検出するための変形例を示す。

【0109】

図１３は、図１に示す実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置が検出する干渉光のスペクトル差の和の時間の経過に伴う変化を模式的に示すグラフである。本変形例では、上記のようにスペクトル差の和の値がウエハ１４を処理するための工程の開始後が、相対的に長い期間で徐々に増大する場合に、複数の閾値が用いられてエッチングの処理の開始の時刻が検出される。

【0110】

すなわち、図１３に示すように、本変形例においても図１２に示した例と同様に、ウエハ１４を処理する工程が開始された直後のサンプリング時刻で算出されたスペクトル差の和の値は時間の経過に伴って徐々に増大した後、急激に増大し、その後の時刻において増加の割合が徐々に低下して、所定の値に漸近していく。図に示されるグラフの値が所定の値に漸近した状態では、安定したエッチングが開始されたと考えられる。このようなスペクトル差の和が、時間に対する変化率（増加率）が低下して所定の値に漸近し始めるのは閾値５０に達したサンプリング時刻からである。

【0111】

本変形例では、このような閾値５０と共に、スペクトル差の和の値が増大を始めたサンプリング時刻でのスペクトル差の和の値を第２の閾値５２として、２つの閾値が予め設定され、スペクトルの特徴データとして制御部２３または膜厚・深さ判定部２１内の記憶装置に記憶され格納されている。この第２の閾値５２は、処理対象の膜層のエッチングの速度が増大して明らかにエッチングが進行し始めた際のスペクトル差の和の値であると想定される。

【0112】

本変形例では、膜厚・深さ判定部２１が、エッチング差の和が閾値５０に達したサンプリング時刻をエッチングが開始された時刻Ｔｉとして判定し、さらにエッチング差の和の値が閾値５２に達したサンプリング時刻をエッチングの速度が変化し始めた（変化が開始された）時刻Ｔｊとして判定して、２つのエッチングの速度の変化点を検出する。
換言すれば、図１３に示すエッチング差の和における時間に対する変化率を曲線で近似したときに変曲点が２つ存在するといえる。かかる場合、時間的に先行する第１の変曲点の時刻Ｔｊをエッチング開始時刻とし、また時間的に後行する第２の変曲点の時刻をＴｉとする。

【0113】

図１４は、図１３に示す本発明の変形例に係るプラズマ処理装置の残り膜厚の検出に用いられる干渉光のデータにおけるサンプリング時刻毎の残り膜厚及び誤差の例を模式的に示すグラフである。図１４（ａ）は、データベース部３０に格納された膜厚・スペクトルデータから得られる残り膜厚と、実際の残り膜厚との関係を示している。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示される２つの残り膜厚の値の間の差（膜厚誤差）を示している。

【0114】

図１４において、横軸はウエハ１４のエッチング処理する工程が開始された時点以降の時間、縦軸は処理対象の膜層の残り膜厚または深さ、及びデータを用いて検出される残り膜厚（深さ）の値と実際の値との間の誤差の大きさである。各符号は図３，１３で示したものと同じであるため、説明を省略する。

【0115】

図１４（ａ）に示される実線４１のように、ウエハ１４を処理する工程でエッチングが開始された直後からの所定の期間において、プラズマの状態等の処理の条件が不安定となり、検出される残り膜厚も変化が大きくなってしまう場合がある。このような場合では、破線４３に示すように、工程開始直後（時刻０）からサンプリング時刻Ｔｊまでの期間は、干渉光１５のスペクトルの変化が所定の閾値より小さい未処理の状態、すなわち残り膜厚が開始前のものと同じで一定である。一方、時刻Ｔｉ以降（第２の区間）はプラズマの特性が安定してバラつきが小さい範囲内の安定した速度で残り膜厚が変化（減少）する安定期間となる。さらに、本変形例では、当該安定期間と初期の未処理の期間との間の時刻Ｔｊ乃至時刻Ｔｉの時間（第１の区間）では、上記の安定期間での残り膜厚の減少する率（速度）よりも小さい速度でエッチングが進行すると見做されて、当該小さいエッチングの速度が設定される。つまり、第２の区間のエッチング速度は、第１の区間のエッチング速度よりも大きい。

【0116】

本変形例では、このようにプラズマの条件が初期の状態から安定化してウエハ１４のエッチング処理の速度が安定する速度が変化するまでのエッチングの条件が遷移する期間で、安定した状態でのエッチング速度より小さい値のエッチング速度となると見做されたデータが用いられる。このことにより、図８の実施形態と比較して、半導体デバイスを量産するウエハ１４の処理において、遷移する期間が相対的に長い場合でも、検出される処理対象の膜層の残り膜厚は、図１４（ｂ）の実線４２に示されるように、実際の残り膜厚との間の誤差が狭小化される。

【0117】

なお、本変形例では、用いる閾値として２つの値が予め設定されているが、２つに限定されないことは言うまでもない。また、閾値の値はウエハ１４の処理対象の膜層の種類、処理室１９内の圧力等の処理の条件によって異なるので、図１３に示した例に限られない。また、スペクトル差の和の時間変化に対する傾きの平均値等閾値と異なる種類の値を用いても良く、さらに２つ以上の値およびこれらに各々対応する２つ以上の時刻を検出し、残り膜厚を判定しても良い。

【0118】

以上述べたように、本変形例では、ウエハ１４の処理対象の膜層を処理する工程が開始された後、処理対象の膜層のエッチングの進行が開始され、エッチングの速度が安定するまで、エッチング速度が徐々に変化する場合で、予め定めた複数のエッチング速度の閾値に対応する複数の時刻が検出される。さらに、データベース部３０内に予め格納される本変形例で用いられる干渉光１５のデータでは、これらの時刻で区画される複数の期間毎に、検出されるエッチング速度の範囲が設定されると共に、これら複数の期間のエッチング速度の範囲の上下限値は、時間の経過一様に増加するように、時間の経過に伴う残り膜厚の変化が設定される。このことにより、実際の量産用のウエハ１４を処理する工程で残り膜厚の実際の値との差を低減して、残り膜厚あるいは深さの検出や目標の膜厚への到達の判定が高い精度で実現される。

【0119】

図１５を用いて、上記実施形態または変形例に係るプラズマ処理装置１０が受光器１６で受光された干渉光１５の信号を処理する動作を説明する。図１５は、図１に示す実施形態に係るプラズマ処理装置の信号処理部の構成を模式的に示すブロック図である。

【0120】

図１５において、受光器１６で受光された干渉光１５を示す信号は、検出部１７に光ファイバを通して伝送され、予め定められた複数の波長毎の強度が検出されこれをスペクトルとして示す信号（スペクトル信号）Ｓ１として、信号処理部２０に伝送される。

【0121】

スペクトル信号Ｓ１は光量変動補正部６０に導入され、信号に含まれているプラズマ１２からの光の強度の変動や処理室１９内から受光器１６を介した光の伝送経路での光学的な透過率の経時的な変化等の光量の変動を示す成分を低減する補正が施され、信号Ｓ２となる。信号Ｓ２は第１デジタルフィルタ６１を通して平滑化処理され、プラズマの発光の強度の揺らぎや電気ノイズに起因した高周波ノイズ成分が低減されて信号Ｓ３となる。

【0122】

信号Ｓ３は、含まれるＤＣオフセット成分を低減するために、微分器６２に導入されて微分処理された信号Ｓ４となる。信号Ｓ４は第２デジタルフィルタ６３を通して平滑化の処理が施され、微分器６２の処理によって生じたノイズ成分が低減された信号Ｓ５となる。得られた信号Ｓ５は、信号処理スペクトルとして膜厚・深さ判定部２１に伝送される。

【0123】

次に、上記信号処理部２０おける第１デジタルフィルタ６１、第２デジタルフィルタ６３におけるフィルタリングと微分器６２における微分との処理について説明する。本例の第１デジタルフィルタ６１では、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ている。第１デジタルフィルタ６１に伝送された信号Ｓ２は、内部の２次バタワース型のローパスフィルタにより次式（１）により求められる信号Ｓ３に変換される。
S3(i)= b1*S2(i)+ b2*S2(i-1)+ b3*S2(i-2)- [a2*S2(i-1)+ a3*S2(i-2)] （１）

【0124】

ここで、本例の第１デジタルフィルタ６１のローパスフィルタは、時間軸方向（時間の変化に対して）ではなく、波長軸（周波数）方向について（周波数の変化に対して）処理することを特徴とする。上記式のＳｋ（ｉ）は所定の信号の波長ｉの信号のデータを示し、係数ｂｋとａｋは信号のサンプリング周波数（１／サンプリング間隔）とローパスフィルタに設定するカットオフ周波数から導出されるローパスフィルタ係数である。

【0125】

このようなフィルタリングの処理は、２つ前のデータが正しい値であるときに正しい計算結果を出力できるものの、時間方向にフィルタリングの処理を行う場合にｔ＝０秒（ｓｅｃ）、つまりプラズマ１２が形成されてウエハ１４の処理対象の膜層を処理する工程が開始された直後では、データがないため、信号Ｓ３の値は精度が損なわれる。

【0126】

一方、波長方向にフィルタリング処理する場合は、検出する周波数（波長）の範囲（帯域）の上下限各々の２点を除けば全波長でプラズマ１２が形成され、ウエハ１４の処理が開始された直後から高い精度で安定して処理を行うことができる。

【0127】

微分器６２では、信号Ｓ３に対して従来知られたデータ処理の方法、例えばＳ－Ｇ（Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ）法が用いられて、信号の平滑化が行われる。Ｓ－Ｇ法は、平滑化の対象とするデータと前後または高低方向の近傍の複数のデータとを多項式曲線として近似して得られた多項式を用いてデータを平滑化するものである。さらに、当該多項式の係数を用いて微分値を算出し出力することができる。一例として、信号Ｓ３について、各データとその前後２つずつのデータ計５個の値を用いてＳ－Ｇ法による平滑化および微分値の算出をした信号を信号Ｓ４として出力すると、信号Ｓ４は次式（２）により求められる。
S4(i)= c(-2)*S3(i-2)+ c(-1)*S3(i-1)+ c(0)*S3(i)+ c(1)*S3(i+1)+ c(2)*S3(i+2) （２）

【0128】

ここで、１次微分は、上記の通り時間軸方向ではなく波長軸方向に微分処理することを特徴とする。上記式において、Ｓｋ（ｉ）は信号の所定の波長ｉの値を示し、係数ｃ（ｋ）は任意の次数の微分における多項式次数と窓の数から決定される重み係数である。上記微分器６２は、干渉光１５のスペクトルを示す信号のうち検出の対象となる任意の１つの周波数（波長）の値とその前後各々２つの周波数の値を示すデータを用いて算出した微分値を結果として出力する。

【0129】

時間軸方向に微分する場合には、平滑化対象のデータに対応するサンプリング時刻より後のサンプリング時刻の２つのデータを使用するため、サンプリング間隔２つ分だけ経過するまで、対象のデータの平滑化の処理を行うことができず、遅延が発生する。このため、第１デジタルフィルタ６１におけるフィルタリングの処理と同様に、プラズマ１２が形成されて対象の膜層の処理の工程が開始された時刻（時刻０）の直後は、この時刻より前のデータは存在せず平滑化あるいは微分の処理を行うことができない。

【0130】

一方、波長軸方向に平滑化あるいは微分の処理をする場合は、原則として過去のサンプリング時刻のデータは当該処理に必要とされず、複数の波長の範囲の上下限を除いて、上記工程の開始された時刻０から高い精度で処理を行うことができる。第２デジタルフィルタ６３のフィルタリング処理の流れは、第１デジタルフィルタ６１と同様のものとなるため、説明を省略する。

【0131】

このように、上記実施形態または変形例では、検出された干渉光１５のスペクトル信号Ｓ１に対して、信号処理部２０において波長方向にフィルタリング処理や平滑化あるいは微分処理を行うことで、プラズマ１２を形成してウエハ１４表面の処理対象の膜層の処理を開始した直後から、ノイズの除去や微分処理が高い精度で安定して行われ、Ｓ／Ｎ比が向上する。このため、出力された信号Ｓ５が伝送された膜厚・深さ判定部２１における残り膜厚の検出の精度が向上する。

【0132】

なお、フィルタリングの処理は、上記のようなバタワース型のローパスフィルタに限らず、他のローパスフィルタが用いられても良い。また、微分器６２における信号の処理は、上記のような対象のもの及び前後のものも含めた５点のデータを用いたＳ－Ｇ法による平滑化および１次微分を算出する構成に限らず、２次微分や高次微分が用いられても良く、さらに点数も５個には限定されない。また、平滑化の方法としてＳ－Ｇ法以外の技術が用いられていても良い。

【0133】

また、信号処理の順番や回数は図１５に示した構成に限定されず、処理の順番を入れ替えても良く、求められる信号の品質に応じて選択された回数によって信号処理部２０の構成は図１５のものと異なって良い。また、処理を開始する対象スペクトルの干渉成分を取り出すため、例えば予めシリコン基板やバックグラウンドのスペクトル測定し、その相対比を用いても構わない。

【0134】

また、上記の例は、ウエハ１４の対象の膜層を処理する高低が開始されて直後だけでなく、エッチングが進行していない初期の期間や対象の膜のエッチングの進行が開始された時刻（時刻Ｔｉ）以降の工程の期間中において、得られた干渉光１５のスペクトルを示す信号を周波数（波長軸）方向について信号処理する構成を有している。この場合、膜厚・深さ判定部２１の比較部３１で残り膜厚、深さを検出するために比較されるデータベース部３０に予め格納された膜厚・スペクトルデータは、任意のサンプリング時刻の干渉光１５の複数の周波数（波長）の光の強度が周波数方向について微分されて得られた値のパターンが、対象膜の残り膜厚の複数の値と対応付けられて記憶されたものである。

【0135】

一方で、信号処理部２０では、ウエハ１４を処理する工程が開始されてエッチングの進行が検出されるまでの初期の期間は、検出された干渉光１５のスペクトルについて周波数方向に信号が処理され、エッチング処理が開始された時刻Ｔｉ以降の処理の期間中は、時間軸方向に信号が処理される構成であっても良い。或いは、工程の開始直後および初期の期間中は、検出された干渉光１５のスペクトルが時間軸方向と周波数（波長軸）方向の各々について並行して処理され、各々で得られた結果としての信号が膜厚・深さ判定部２１対して出力されても良い。この場合、膜厚・深さ判定部２１の比較部３１で残り膜厚、深さを検出するために比較されるデータベース部３０に予め格納された膜厚・スペクトルデータは、任意のサンプリング時刻の干渉光１５の複数の波長の光の強度が時間軸方向について微分されて得られた値の（波長をパラメータとする）パターンが、対象膜の残り膜厚の複数の値と対応付けられて記憶されたものとなる。

【0136】

以上の実施形態あるいは変形例では、説明した構成を備えることにより、データベース部３０内に予め記憶され格納された膜厚・スペクトルデータにおいて、複数のサンプリング時刻の干渉光１５のパターンと残り膜厚との対応付けの精度が向上する。このため、当該データを用いて量産用のウエハ１４の処理中の干渉光１５から得られたスペクトルから残り膜厚を検出する精度が向上する。

【0137】

また、目標の残り膜厚の値を精度良く取得することが可能となるため、従来必要であった、検出用のデータから算出された残り膜厚と実際の残り膜厚との差を校正する工程を行う必要がなくなり、結果としてウエハ１４を処理するコストが低減される。また、ウエハ１４の処理のためプラズマ１２が形成されて当該処理の工程が開始された直後から初期の期間で残り膜厚或いはその変化を高い精度で検出することができる。このため、処理対象の膜層のエッチング量が所定の閾値を超えて進行が開始された時刻を検出して、上記初期の期間もエッチングが進行することを想定して残り膜厚を検出する従来の技術に対してエッチング量、深さを高い精度で検出することができる。

【0138】

また、搬入された未処理のウエハ１４の処理対象の膜層の残り膜厚等の初期の状態を検出でき、例えば検出された干渉光１５のスペクトルの特徴データと、データベース部３０内の膜厚・スペクトルデータとの乖離が大きいことが比較部３１または制御部２３で判定された場合には、プラズマ処理装置１０の使用者または管理システムに報知あるいは警告する、さらにはウエハ１４を処理する工程を停止することができる。

【0139】

なお、上記の実施形態あるいは変形例において示された装置の構成やウエハ１４の処理の条件、干渉光１５を検出する条件等は一例であって、これら以外の構成・条件に対しても本発明は適用可能であることは明らかである。また、上記の例は、ウエハ１４の処理対象の膜層の残り膜厚を検出する例であるが、半導体デバイスの回路の構造のラインアンドスペース形状の溝深さやホール形状のホール深さ等にも適用できることは言うまでもない。

【0140】

上記説明した実施形態或いは変形例では、処理室１９内部に形成されたプラズマ１２から放射された光がウエハ１４表面の膜構造を構成する膜層の表面あるいは上下に積層された２つの膜層の境界面を含む高さの位置の異なる複数の表面で反射されて形成された干渉光が真空容器１１の上部に配置された受光器１６で干渉光１５として受光される構成が備えられている。

【0141】

一方、近年では半導体デバイスの集積度の向上に伴って、回路のパターンの溝の幅や穴径が小さくなりウエハ１４表面のエッチングが施される膜層の処理室１９またはプラズマ１２に曝される面積が減少して、処理のために形成されるプラズマ１２の発光の強度も低減する傾向にある。このため、プラズマ１２が発光源として用いられるこれらの例では、プラズマ１２の発光の強度が全体的に小さくなることにより、干渉光１５に含まれるプラズマ１２の変動やノイズの成分の割合が相対的に大きくなり、すなわち干渉光１５のスペクトルのＳ／Ｎ比が悪くなり、干渉光１５を用いた残り膜厚、深さの検出の精度に悪影響が及ぶおそれが大きくなる。

【0142】

図１６を参照して、上記の課題に対して、プラズマ１２の発光の強度が小さい場合でも干渉光１５のスペクトルのＳ／Ｎ比の悪化を抑制して安定して精度の高い検出ができるプラズマ処理装置の例を説明する。図１６は、図１に示す実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

【0143】

本例のプラズマ処理装置１６０と図１に示す実施形態のプラズマ処理装置１０との差異は、プラズマ処理装置１６０には、真空容器１１上部に光源部７０を備えて、処理室１９の上方の外部から内部に配置された試料台１３上面に配置されたウエハ１４の表面に光を照射する構成を備えている点にある。図１に示された実施形態と同じ符号が付されている要素は、当該実施形態と同じ構成、機能を有するもので、必要のない限り以下では説明を省略する。

【0144】

本変形例の光源部７０は、光源として例えばＬＥＤやキセノンランプ、ハロゲンランプ等のランプを有して、当該光源として膜厚・深さ判定部２１における残り膜厚または深さを検出する上で、必要な範囲の波長及び光量の光をウエハ１４表面に照射できる構成を備えている。光源部７０のランプから発光され放射された光は、光源部７０の接続された光ファイバ等の透光性を有した材料で構成された光伝達用の経路を伝達され、真空容器１１の上部に取り付けられ処理室１９の内部に下端部が面した照射レンズ７１からウエハ１４の所定の範囲に向けて照射光７２として照射される。

【0145】

照射光７２は、プラズマ１２から発された光とともにウエハ１４の表面の膜構造の複数の面で反射されて干渉光１５となって受光器１６で受光され、その上方に配置されて連結された光ファイバ等の光伝達用の経路を介して検出部１７に伝送される。検出部１７および信号処理部２０、膜厚・深さ判定部２１、表示部２２および制御部２３の構成および機能、動作は図１に示した実施形態と同等である。

【0146】

ここで、光源部７０から放射されウエハ１４に照射される照射光７２の光の強度は、プラズマ１２の発光のものよりも十分強いことが好ましい。プラズマ１２の発光は、処理の条件によってはプラズマ１２が形成された直後に不安定となり、大きな強度の変動が生じる場合がある。すると、これがエッチングの進行が開始される時刻Ｔｉより前の初期の未処理の期間中のサンプリング時刻において、干渉光１５のスペクトルの変化として検出されてしまい、エッチングの進行の開始された時刻を精度良く検出することが妨げられてしまう。

【0147】

一方、本変形例では、十分な強度の照射光７２を放射できる光源部７０を用いて、プラズマ１２のものよりも大きい光量の外部光がウエハ１４の処理対象の膜層を処理する工程の期間中に照射される。このことで、干渉光１５の強度は、当該照射光による部分が支配的となり、プラズマ１２の発光または強度の変動が複数の波長の干渉光１５の強度の変動に与える影響を軽減し、これを用いた残り膜厚、深さの検出に悪影響を及ぼすことが抑制される。

【0148】

図１７を用いて、図１６に示したプラズマ処理装置１６０において干渉光１５のスペクトルのＳ／Ｎの悪化を抑制する動作の例を説明する。図１７は、図１６に示す変形例に係るプラズマ処理装置の動作の流れを模式的に示すタイムチャートである。特に図１７では、プラズマ１２の発光と光源部７０からの照射光７２と受光器１６により受光される干渉光１５の光の量との時間の経過に伴う増減をグラフとして実線で示している。

【0149】

本変形例において、プラズマ処理装置１６０の構成は図１６と同じものである。一方、プラズマ１２の形成および光源部７０からの照射光７２の照射と、受光器１６での干渉光１５の受光とについて、これらと信号を送受信する制御部２３からの指令信号による動作が異なる。

【0150】

本変形例では、プラズマ１２が形成される時間ｔ＝０から所定のＯＮ（オン）の期間とこれに続くＯＦＦ（オフ）の期間とが切り替えられ、プラズマ１２の形成とこれによる発光が所定の周期で繰り返されて、処理対象の膜層をエッチング処理する工程が行われる。さらに、光源部７０では照射光７２の照射が時刻０以前に開始され処理対処の膜層のエッチング処理の終点に到達したことが膜厚・深さ判定部２１または制御部２３で検出されるまで発光が連続して行われる。

【0151】

一方、受光器１６は、周期的に繰り返されるプラズマ１２の発光のオン期間とオフ期間とは反対に、すなわちプラズマ１２のＯＦＦ期間で干渉光１５を受光し（受光器１６がＯＮ）、プラズマ１２のＯＮの期間では受光しない（受光器１６がＯＦＦ）ように調節される。

【0152】

このような動作を行うことで、プラズマ１２の発光がないかその光量が小さい状態の期間で、照射光７２による干渉光１５が受光器１６で受光される。受光器１６で受光されるプラズマ１２からの光量がゼロか十分に小さいので、プラズマ１２に起因するノイズの成分が低減され、結果として安定した残り膜厚または深さの検出および終点の到達の判定を行うことが可能となる。

【0153】

なお、図１７に示すタイムチャートは、一例にすぎず、その他のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことができる。何れの場合でも、プラズマＯＮのときに受光器１６はＯＦＦとなり、プラズマ１２がＯＦＦの際に照射光７２と受光器１６がＯＮの状態が実現できることが望ましい。

【0154】

なお、上記説明した例では、１枚のウエハ１４表面の処理対象の膜層に対して連続的に処理を行う場合の残り膜厚や深さの検出する構成が記載されているが、他の処理の工程にも上記の構成を適用することが可能である。例えば、複数の工程を１サイクルとして繰り返しエッチングするサイクルエッチング工程や、複数のエッチング処理を行うマルチステップ工程に対しても、同様の処理で、安定した膜厚追従を行うことが可能である。

【0155】

本発明によれば、真空容器内部の処理室内に配置された処理対象を、処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置は、エッチング処理中の所定の複数の時刻に処理室内からの光を受光する受光器と、受光器の出力から検出した予め定められた複数の波長の光スペクトルデータと、エッチング処理前後の膜厚量と、光スペクトルデータと膜厚量を用いて、処理対象のエッチング量を判定する判定器とを少なくとも備え、判定器は、光スペクトルデータのスペクトル変化からエッチング開始時刻を判定し、光スペクトルデータに対応する膜厚量を導出し、処理対象のエッチング量を判定することができる。

【0156】

また本発明によれば、プラズマ処理装置の判定器は、光スペクトルデータのうち連続する２時刻の光スペクトルの差分からエッチング開始時刻を判定することができる。

【0157】

また本発明によれば、プラズマ処理装置の判定器は、光スペクトルの差分の所定の波長帯域の和を用いて、エッチング開始時刻を判定することができる。

【0158】

また本発明によれば、プラズマ処理装置の判定器は、スペクトルの差分の和の時間変化からエッチング速度の変化を導出して、エッチング速度変化時刻を判定することができる。

【0159】

また本発明によれば、プラズマ処理装置の判定器は、エッチング開始時刻およびそれ以前の光スペクトルにエッチング処理前の膜厚を割り当て、エッチング終了時刻の光スペクトルにエッチング処理後の膜厚を割り当て、その間の光スペクトルはエッチング時間に対する線形補間にて膜厚を割り当てることができる。

【0160】

また本発明によれば、プラズマ処理装置の光スペクトルデータは、受光器で検出した後に、波長方向に所定の信号処理を行うことができる。

【0161】

なお、述べてきた実施形態は、本発明の実施形態の一部の例にすぎず、本発明の実施形態は上記に限られるものではない。

【0162】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0163】

１０・・・プラズマ処理装置
１１・・・真空容器
１２・・・プラズマ
１３・・・試料台
１４・・・ウエハ
１５・・・干渉光
１６・・・受光器
１７・・・検出部
１９・・・処理室
２０・・・信号処理部
２１・・・膜厚・深さ判定部（判定器）
２２・・・表示部
２３・・・制御部
３０・・・データベース部
３１・・・比較部
６０・・・光量変動補正部
６１・・・第１デジタルフィルタ
６２・・・微分器
６３・・・第２デジタルフィルタ

【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】