JP2002081917A

JP2002081917A - 発光分光法による被処理材の膜厚測定方法及び装置とそれを用いた被処理材の処理方法及び装置

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Publication number: JP2002081917A
Application number: JP2001077431A
Authority: JP
Inventors: Taketo Usui; 建人臼井; Takashi Fujii; 敬藤井; Motohiko Kikkai; 元彦吉開; Tetsunori Kaji; 哲徳加治
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industries Co Ltd; Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Plant Technologies Ltd; Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-03-22
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP3854810B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ処理、特にプラズマエッチング処理に
おいて、被処理層の実際の厚さをオンラインで正確に測
定する。【解決手段】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光
の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンを設
定する。次いで、前記第１の被処理材と同一構成の第２
の被処理材についての干渉光の強度を複数波長について
それぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の、
波長をパラメータとする実パターンを求める。前記標準
パターンと前記微分値の実パターンとに基づき、前記第
２の被処理材の膜厚を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
製造等における被処理材の膜厚を発光分光法により検出
する膜厚測定方法及びそれを用いた被処理材の処理方法
に関し、特に、プラズマ放電を用いたエッチング処理に
より基板上に設けられる各種層の膜厚を正確に測定し所
望の厚さとするのに適した被処理材の膜厚測定方法及び
装置とそれを用いた被処理材の処理方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハの製造では、ウェハの表面
上に形成された様々な材料の層および特に誘電材料の層
の除去またはパターン形成にドライエッチングが広く使
用されている。プロセス・パラメータの制御にとって最
も重要なことは、このような層の加工中に所望の厚さで
エッチングを停止するためのエッチング終点を正確に決
定することである。

【０００３】半導体ウェハのドライエッチング処理中に
おいて、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特
定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半
導体ウェハのエッチング終点検出方法の１つとして、従
来から、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定
波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づい
て特定の膜のエッチング終点を検出する方法がある。そ
の際、ノイズによる検出波形のふらつきに基づく誤検出
を防ぐ必要がある。発光強度の変化を精度良く検出する
ための方法としては、例えば、特開昭６１−５３７２８
号公報，特開昭６３−２００５３３号公報等が知られて
いる。特開昭６１−５３７２８号公報では移動平均法に
より、また、特開昭６３−２００５３３号公報では１次
の最小２乗法による近似処理によりノイズの低減を行っ
ている。

【０００４】近年の半導体の微細化，高集積化に伴い開
口率（半導体ウェハの被エッチング面積）が小さくなっ
ており、光センサーから光検出器に取り込まれる特定波
長の発光強度が微弱になっている。その結果、光検出器
からのサンプリング信号のレベルが小さくなり、終点判
定部は、光検出器からのサンプリング信号に基づいてエ
ッチングの終点を確実に検出することが困難になってい
る。

【０００５】また、エッチングの終点を検出し処理を停
止させる際、実際には、誘電層の残りの厚さが所定値と
等しいことが重要である。従来のプロセスでは、それぞ
れの層のエッチング速度が一定であるという前提に基づ
く時間厚さ制御技法を使用して、全体のプロセスを監視
している。エッチング速度の値は、例えば、予めサンプ
ルウェハを処理して求める。この方法では、時間監視法
により、所定のエッチング膜厚に対応する時間が経過す
ると同時にエッチング・プロセスが停止する。

【０００６】しかし、実際の膜、例えばＬＰＣＶＤ（lo
w pressure chemical vapordeposition）技法により形
成されたＳｉＯ₂ 層は、厚さの再現性が低いことが知ら
れている。ＬＰＣＶＤ中のプロセス変動による厚さの許
容誤差はＳｉＯ₂ 層の初期厚の約１０％に相当する。し
たがって、時間監視による方法は、シリコン基板上に残
るＳｉＯ₂ 層の実際の最終厚さを正確に測定することは
できない。そして、残っている層の実際の厚さは、最終
的に標準的な分光干渉計を用いた技法により測定され、
過剰エッチングされていると判明した場合は、そのウェ
ハを不合格として廃棄することになる。

【０００７】また、絶縁膜エッチング装置では、エッチ
ングを繰り返すにつれてエッチング速度が低下するなど
の経時的な変化が知られている。場合によっては、エッ
チングが途中でストップしてしまう場合もあり、その解
決は必須である。それに加えて、エッチング速度の経時
的な変動をモニターしておくこともプロセス安定稼動の
ためには重要であるが、従来の方法では、単に終点判定
の時間モニターのみであり、エッチング速度の経時的な
変化や変動に対処する適切な方法がなかった。しかも、
エッチング時間が１０秒程度と短い場合の終点判定は、
判定準備時間を短くする終点判定方法としなければなら
ないことと、判定時間の刻みも十分短くする必要がある
が、必ずしも十分ではない。さらに、絶縁膜では、被エ
ッチング面積が１％以下の場合が多く、エッチングにと
もなって発生する反応生成物からのプラズマ発光強度変
化が小さい。したがって、僅かな変化も検出することの
できる終点判定システムが必要になるが、実用的で安価
なシステムは見当たらない。

【０００８】一方、半導体ウェハのエッチング終点検出
方法の他の方法として、特開平５−１７９４６７号公
報,特開平８−２７４０８２号公報,特開２０００−９７
６４８公報，特開２０００−１０６３５６公報等に開示
された干渉計を使用する方法も知られている。この干渉
計使用法では、レーザから放出された単色放射線が異種
材の積層構造を含むウェハに垂直入射角で当てられる。
例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄層の上にＳｉＯ₂ 層積層が積層されて
いるものにおいて、ＳｉＯ₂ 層の上面で反射した放射光
と、ＳｉＯ₂ 層とＳｉ₃Ｎ₄層との間に形成された境界面
で反射した放射光により、干渉じまが形成される。反射
した放射光は適当な検出器に照射され、これが、エッチ
ング中のＳｉＯ₂ 層の厚さによって強さが変化する信号
を生成する。エッチングプロセス中、ＳｉＯ２層の上面
が露出されると、ただちにエッチング速度と現行エッチ
ング厚を連続して正確に監視することができる。レーザ
の代わりに、プラズマによって放出される所定の放射光
を分光計によって計測する方法も知られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】干渉計を使用する方法
によれば、積層構造の境界面の位置が正確に測定され
る。しかし、ある層の上面で反射した放射光と境界面で
反射した反射した放射光により干渉じまが形成されるた
めには、処理が境界面まで到達した場合であり、それ以
前の時点では測定できない。したがって、実際のエッチ
ングプロセスにおいて、放射光の干渉じまから厚みをオ
ンラインで測定し、処理が境界面まで到達したとしてプ
ロセス制御にフィードバックしたとしても、被処理層は
過剰エッチングされざるを得ない。過剰エッチングを避
けるためには、前記時間監視法との併用等が必要になる
が、これは膜厚値などについての前提が必要であり前記
した理由により、近年の半導体の微細化要求のもとで適
正なエッチングを行うのは困難である。

【００１０】上記した各従来文献の内容を要約すると以
下のようになる。特開平５−１７９４６７号公報におい
ては、赤，緑，青の３種類のカラーフィルタを用いて、
干渉光（プラズマ光）を検出し、エッチングの終点検出
を行う。

【００１１】また、特開平８−２７４０８２号公報（Ｕ
ＳＰ５６５８４１８）では、２つの波長の干渉波形の
時間変化とその微分波形を用いて、干渉波形の極値（波
形の最大，最小：微分波形の零通過点）をカウントす
る。カウントが所定値に達するまでの時間を計測するこ
とによりエッチング速度を算出し、算出したエッチング
速度に基づき所定の膜厚に達する迄の残りのエッチング
時間を求め、それに基づきエッチングプロセスの停止を
行う。

【００１２】また、特開２０００−９７６４８公報で
は、処理前の干渉光の光強度パターン（波長をパラメー
タとする）と処理後または処理中の干渉光の光強度パタ
ーンとの差の波形（波長をパラメータとする）を求め、
その差波形とデータベース化されている差波形との比較
により段差（膜厚）を測定する。

【００１３】また、特開２０００−１０６３５６公報は
回転塗布装置に関し、多波長にわたる干渉光の時間変化
を測定して膜厚を求める。

【００１４】また、ＵＳＰ６０８１３３４では、干渉光
の時間変化の特徴的な振る舞いを測定より求めデータベ
ース化し、そのデータベースと測定される干渉波形との
比較によりエッチングの終了判定を行う。この判定によ
り、エッチングプロセス条件の変更を促す。

【００１５】以上の公知例では、以下の問題点が生じ
る。エッチングされる材料の薄膜化に伴い、干渉光強度が
小さくなり、また、干渉縞の数が少なくなる。マスク材（例えば、レジスト）を用いたエッチングを
行うと、エッチングされる材料からの干渉光にマスク材
からの干渉光が重畳される。プロセス中にエッチング速度が変化すると干渉波形が
歪む。

【００１６】以上の点から被処理層、特に、プラズマエ
ッチング処理における被処理層の厚さを、要求される測
定精度で正確に測定，制御することは困難であった。

【００１７】本発明の目的は、プラズマ処理の、特にプ
ラズマエッチング処理において、被処理層の実際の厚さ
をオンラインで正確に測定することのできる被処理材の
膜厚測定方法及び装置とそれを用いた被処理材の処理方
法及び装置を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、半導体デバイスの各
層をオンラインで所定厚さに高精度に制御できるエッチ
ング・プロセスを提供することにある。

【００１９】本発明の他の目的は、被処理層の実際の厚
さをオンラインで正確に測定することのできる被処理材
の膜厚測定装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本願発明者等は上記の従
来技術の問題点を解消すべく、また上記本願発明の目的
を達成すべく、複数の波長の各々についてその干渉波形
の時間微分の波形を求め、それに基づき、干渉波形の微
分値の波長依存性を示すパターン、（即ち、波長をパラ
メータとする干渉波形の微分値のパターン）を求め、そ
のパターンを用いて膜厚の測定を行うようにしたもので
ある。

【００２１】本願発明において、干渉波形の時間微分値
の波長依存性を示すパターンを用いる理由は以下の通り
である。

【００２２】エッチング中のin−situ（リアルタイム）
測定を前提にした計測であるため、被処理膜の膜厚は時
々刻々変化している。従って、干渉波形の時間微分処理
が可能である。更に、この微分処理により干渉波形のノ
イズの除去を行える。また、エッチングされる材料（例
えば、ポリシリコン）の屈折率が波長に対し大きく変化
する。従って、多波長にわたる干渉光計測によりその物
質の特徴的な変化（膜厚依存）を検出可能となる。

【００２３】本願発明の一面によれば、被処理材の膜厚
を測定する膜厚測定方法は、ａ）第１の（サンプル用）被処理材の所定膜厚に対する
干渉光の微分値の、波長をパラメータとする標準パター
ンを設定するステップと；ｂ）前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材に
ついての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメー
タとする実パターンを求めるステップと；ｃ）前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基
づき、前記第２の被処理材の膜厚を求めるステップと、
を備える。

【００２４】なお、本願発明においては、以下のような
態様が考えられる。先ず、被処理材であるエッチングさ
れる材料の膜厚が厚い場合は、干渉縞の周期性が顕著に
なる。この場合は、３波長以上の干渉光を用いることに
より絶対膜厚が求まる。

【００２５】一方、被処理材であるエッチングされる材
料の膜厚が薄い場合は、干渉縞の周期性が現れなくな
る。従って、この場合は、２波長の干渉光を用いること
により絶対膜厚が求まる。

【００２６】本発明によれば、プラズマ処理の、特にプ
ラズマエッチング処理において、被処理層の実際の厚さ
をオンラインで正確に測定することのできる被処理材の
膜厚測定方法及びそれを用いた被処理材の試料の処理方
法を提供することができる。

【００２７】また、半導体デバイスの各層をオンライン
で所定厚さに高精度に制御できるエッチング・プロセス
を提供することができる。さらに、被処理層の実際の厚
さをオンラインで正確に測定することのできる被処理材
の膜厚測定装置を提供することができる。

【００２８】本発明によれば、プラズマ処理の、特にプ
ラズマエッチング処理において、被処理層の実際の厚さ
をオンラインで正確に測定することのできる被処理材の
膜厚測定方法及びそれを用いた被処理材の試料の処理方
法を提供することができる。

【００２９】また、半導体デバイスの各層をオンライン
で所定厚さに高精度に制御できるエッチング・プロセス
を提供することができる。さらに、被処理層の実際の厚
さをオンラインで正確に測定することのできる被処理材
の膜厚測定装置を提供することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に本願発明の各実施例を説明
する。なお、以下の各実施例において、第１実施例と同
様の機能を有するものは第１実施例と同一の符号を付し
てその詳細な説明を省略する。

【００３１】以下、図１〜図４で本発明の第１の実施例
を説明する。この実施例は、半導体ウェハ等の被処理材
をプラズマエッチングする際に、サンプル用の被処理材
の所定膜厚に対する、干渉光の微分値の波長依存性を示
す(波長をパラメータとする)標準パターンを設定する。
次に、サンプル用被処理材と同一構成の被処理材につい
ての実際の処理における干渉光の複数波長の強度をそれ
ぞれ測定し、該測定された干渉光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）実パターンを求
め、微分値の標準パターンと実パターンとを比較して、
被処理材の膜厚を求めるものである。

【００３２】まず、図１を用いて、本発明の膜厚測定装
置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を
説明する。エッチング装置１は真空容器２を備えてお
り、その内部に導入されたエッチングガスがマイクロ波
電力等により分解しプラズマとなり、このプラズマ３に
より試料台５上の半導体ウェハ等の被処理材４がエッチ
ングされる。膜厚測定装置１０の分光器１１が有する測
定用光源（例えばハロゲン光源）からの多波長の放射光
が、光ファイバー８により真空容器２内に導かれ、被処
理材４に垂直入射角で当てられる。被処理材４はここで
はポリシリコン層を含む、放射光はポリシリコン層の上
面で反射した放射光と、ポリシリコン層と下地層との間
に形成された境界面で反射した放射光により干渉光が形
成される。干渉光は光ファイバー８を介して膜厚測定装
置１０の分光器１１に導かれ、その状態に基づき膜厚測
定や終点判定の処理を行う。

【００３３】膜厚測定装置１０は、分光器１１，第１デ
ジタルフィルタ回路１２，微分器１３，第２デジタルフ
ィルタ回路１４，微分波形パターンデータベース１５，
微分波形比較器１６及び比較器の結果を表示する表示器
１７を備えている。なお、図１は膜厚測定装置１０の機
能的な構成を示したものであり、表示器１７と分光器１
１を除いた膜厚測定装置１０の実際の構成は、ＣＰＵ
や、膜厚測定処理プログラムや干渉光の微分波形パター
ンデータベース等の各種データを保持したROMや測定デ
ータ保持用のＲＡＭおよび外部記憶装置等からなる記憶
装置，データの入出力装置、及び通信制御装置により構
成することができる。

【００３４】分光器１１が取り込んだ多波長の発光強度
は、それぞれ発光強度に応じた電流検出信号となり電圧
信号へ変換される。分光器１１によりサンプリング信号
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ＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この
時系列データｙｉｊは次に、第１デジタルフィルタ回路
１２により平滑化処理され平滑化時系列データＹｉｊと
してＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この平滑化時系
列データＹｉｊを基に、微分器１３により微係数値(１
次微分値あるいは２次微分値9の時系列データｄｉｊが
算出され、ＲＡＭ等の記憶装置に収納される。微係数値
の時系列データｄｉｊは、第２デジタルフィルタ回路１
４により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データＤ
ｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。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）実
パターンが求められる。

【００３５】一方、微分波形パターンデータベース１５
には、膜厚測定の対象となる被処理材の材料、例えばポ
リシリコンに対応した前記各波長に対応する干渉光強度
の微分波形パターンデータ値Ｐｊが予め設定されてい
る。微分波形比較器１６において、実パターンと微分波
形パターンデータ値Ｐｊが比較され被処理材の膜厚が求
められる。その結果は、結果表示器１７により表示され
る。

【００３６】なお、実施例では分光器１１が１個だけの
場合を示してあるが、被処理材の面内を広く測定して制
御したい場合には、複数の分光器１１を設ければよい。

【００３７】図２（ａ），図２（ｂ）に、エッチング処
理途中の被処理材４の縦断面形状及び干渉光の波長実パ
ターンの例を示す。図２(ａ）において、被処理材(ウェ
ハ）４は、基板４０の上に下地材４１，その上に被エッ
チング材４２，マスク材４３が積層されている。例えば
ゲート膜のエッチングを行う場合、被処理材４の基板は
ＳｉＯ₂ の絶縁膜であり、ソース，ドレーン間に対応し
て多結晶の下地材の上にポリシリコンのゲート層が形成
される。

【００３８】分光器１１から放出された多波長の光は、
被エッチング材と下地材の積層構造を含む被処理材４に
垂直入射角で当てられる。マスク材４３が無くエッチン
グ処理された部分へ導かれた放射光９は、被エッチング
材４２の上面で反射した放射光９Ａと、被エッチング材
４２と下地材４１との間に形成された境界面で反射した
放射光９Ｂにより干渉光が形成される。放射光９Ａは、
エッチング処理の進行に伴って反射する位置が、Ａ，
Ｂ，Ｃのように変化する。反射した光は分光器１１に導
かれ、エッチング中の被エッチング材４２の層の厚さに
よって強さが変化する信号を生成する。

【００３９】図２（ｂ）に示すように、干渉光の生波形
（多波長）の平滑化時系列データＹｉｊは、境界面から
の距離が零近くまでは比較的大きな値を保ち、零近くで
急速に低減する。なお、境界面からの距離が零の点より
右側はオーバーエッチング処理を示している。この平滑
化時系列データＹｉｊを基に、１次微分値あるいは２次
微分値の微係数値時系列データｄｉｊが算出される。図
２（ｂ）には波長４７５ｎｍの干渉光の１次微分値及び
２次微分値を示している。１次微分値及び２次微分値
は、境界面からの距離がある範囲内の複数箇所で、零値
を横切っている。以下、この零値を横切る点を零通過点
と呼ぶ。

【００４０】図２（ｂ）から明らかなように、零通過点
は境界面からの距離、換言すると膜厚が比較的大きな値
でも現れる。これは、生波形が境界面付近に達するまで
値の変動が少なく零近くで急速に低減するのと比べる
と、大きな相違である。本発明は、この事実に着目し
て、膜厚が比較的大きな値の状態でも膜厚を正確に測定
出来るようにしたことに特徴がある。また、プラズマの
出力が低下しても、干渉光の１次微分値及び２次微分値
は大きな値を維持しているため、正確な膜厚測定が可能
である。

【００４１】図３（ａ），図３（ｂ）に、被処理材（ポ
リシリコン）の上記図２（ａ）のＡ，Ｂ，Ｃに示す所定
膜厚に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとす
る（波長依存性を示す）標準パターンを、各膜厚（境界
面からの距離）に対応する干渉光の微係数値時系列デー
タｄｉｊのパターンとして示す。図３（ａ）は、干渉光
の１次微分波形パターンデータを示し、図３（ｂ）は同
じく２次微分波形パターンデータを示す。図中のＡ，
Ｂ，Ｃは、図２（ａ）のＡ（＝３０ｎｍ），Ｂ（＝２０
ｎｍ），Ｃ（＝１０ｎｍ）の各膜厚における微分波形パ
ターンデータを示している。

【００４２】図３（ａ），図３（ｂ）から明らかなよう
に、干渉光の１次微分波形パターンや２次微分波形パタ
ーンは、被処理材の材料及び膜厚毎に特有のパターンに
なっており、また、特定の波長において、零通過点すな
わち１次微分値や２次微分値が零になることがわかる。
例えば、膜厚Ｃでは、波長５００ｎｍが零通過点となっ
ている。被処理材の材料が異なるとこれらのパターンも
変わってくるので、処理に必要な種々の材料及び膜厚範
囲について、予め実験などによりデータを求め、１次微
分波形パターンや２次微分波形パターンとして記録装置
に保持しておくのが良い。

【００４３】次に、図４のフローチャートにより、図１
の膜厚測定装置１０でエッチング処理を行う際に、被処
理材の膜厚を求める手順について説明する。

【００４４】最初に、目標膜厚値と膜厚パターンデータ
ベースより波長域（少なくとも３個の波長域）の抽出さ
れた微分パターンＰｉと判定値σ０の設定を行う（ステ
ップ４００）。すなわち、予め微分波形パターンデータ
ベース１５に保持されている、図３（ａ），図３（ｂ）
に示すような複数波長についての微分値の標準パターン
の中から、被処理材の処理条件に応じて必要とされる膜
厚に対応した少なくとも３個の標準パターンを設定す
る。

【００４５】次のステップにおいて干渉光のサンプリン
グ（例えば０.２５〜０.４秒毎に）を開始する（ステッ
プ４０２）。すなわち、エッチング処理開始に伴い、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、光検出器により発光
強度に応じた電圧の光検出信号として検出される。分光
器１１の光検出信号はデジタル変換され、サンプリング
信号ｙｉ，ｊを取得する。

【００４６】次に、分光器からの多波長出力信号ｙｉ，
ｊを第１段目のデジタルフィルタ１２により平滑化し、
時系列データＹｉ，ｊを算出する（ステップ４０４）。
すなわち、第１段目のデジタルフィルタによりノイズを
低減し、平滑化時系列データｙｉを求める。

【００４７】次に、Ｓ−Ｇ法により、微係数ｄｉ，ｊを
算出する（ステップ４０６）。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
を求める。さらに、第２段目のデジタルフィルタ１４に
より平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを算出する（ス
テップ４０８）。そして、σ＝Σ（Ｄｉ，ｊ−ｐｊ)2値
の算出を行う（ステップ４１０）。次に、微分波形比較
器１６において、σ≦σ０の判定を行い(ステップ４１
２)、σ≦σ０の場合、被処理材の膜厚が所定値になっ
たものとしてその結果を表示器１７に表示する。σ≦σ
０でない場合、ステップ４０４に戻る。最後に、サンプ
リング終了の設定を行う(ステップ４１４)。

【００４８】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。デジタルフィルタ回路として
は、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用い
る。２次バタワース型のローパスフィルタにより平滑化
時系列データＹｉは式（１）により求められる。Ｙｉ＝ｂ１ｙｉ＋ｂ２ｙｉ−１＋ｂ３ｙｉ−２ −［ａ２Ｙｉ−１＋ａ３Ｙｉ−２］・・・・・・・（１）ここで、係数ｂ，ａは、サンプリング周波数及びカット
オフ周波数により数値が異なる。例えば、サンプリング
周波数１０Ｈｚ，カットオフ周波数１Ｈｚの時、ａ２＝
−１.１４３，ａ３＝０.４１２８，ｂ１＝０.０６７４
５５，ｂ２＝０.１３４９１，ｂ３＝０.０６７４５５と
なる。

【００４９】２次微係数値の時系列データｄｉは、微係
数演算回路６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。ここで、ｗ−２＝２，ｗ−１＝−１，ｗ０＝−２，ｗ１
＝−１，ｗ２＝２、である。

【００５０】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（２次バタワース型のローパスフィルタ、但し、デ
ジタルフィルタ回路のａ，ｂ係数とは異なっても良い）
により式（３）により求められる。Ｄｉ＝ｂ１ｄｉ＋ｂ２ｄｉ−１＋ｂ３ｄｉ−２ −［ａ２Ｄｉ−１＋ａ３Ｄｉ−２］・・・・・・・・（３）このようにして、図１の膜厚測定装置によれば、３
（ａ），図３（ｂ）にＡ，Ｂ，Ｃとして示したような、
複数波長についての微分値の標準パターンを少くとも１
つ設定し、被処理材の干渉光の複数波長の強度をそれぞ
れ測定し、該測定された干渉光強度の各波長の微分値の
実パターンを求め、標準パターンと微分値の実パターン
とを比較することにより、被処理材の膜厚を求めること
ができる。例えば、膜厚３０ｎｍすなわち図２のＡを検
出したい場合には、予め、膜厚Ａに対応する複数波長に
ついての微分値の標準パターンを設定し、複数の波長に
おいて実パターンの標準パターンに対する一致率が判定
値σ０以内に達したことにより、被処理材の膜厚が３０
ｎｍになったことを検出できる。標準パターンとして
は、１次微分値パターン，２次微分値パターンのいずれ
か一方あるいは両方を用いればよい。

【００５１】この実施例によれば、境界面からの距離が
例えば３０ｎｍと比較的大きい値でも、被処理材の膜厚
を正確に測定することができる。

【００５２】次に、本発明の第２実施例を図５〜図７で
説明する。この実施例では、予め、所定の膜厚に対応す
る、複数波長についての微分値の標準パターンを基に、
この標準パターンの中の１つの零通過点の波長λ０と一
致したこと、及び、他の１つの波長λｐにおける微分値
の実際の値の標準パターンに対する一致率が判定値σ０
以内に達したことの２つの条件により、被処理材の膜厚
が所定値になったことを検出できる。

【００５３】図５において、分光器１１によりサンプリ
ング信号として出力された２つの特定波長の信号は、時
系列データｙｉ，λｏとｙｉ，λｐとしてＲＡＭ等の記
憶装置（図示せず）に収納される。これらの時系列デー
タは次に、第１デジタルフィルタ回路１２により平滑化
処理され平滑化時系列データＹｉ，λｏとＹｉ，λｐと
して記憶装置に収納される。これらの平滑化時系列デー
タＹｉ，λｏとＹｉ，λｐを基に、微分器１３により微
係数値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列デー
タｄｉ，λｏとｄｉ，λｐが算出され、記憶装置に収納
される。これらの微係数値の時系列データは、第２デジ
タルフィルタ回路１４により、平滑化処理され平滑化微
係数時系列データＤｉ，λｏとＤｉ，λｐとして記憶装
置に収納される。そして、これらの平滑化微係数時系列
データＤｉ，λｏとＤｉ，λｐから干渉光強度の各波長
についての微分値の実パターンが求められる。

【００５４】一方、微分波形パターンデータベース１５
には、予め、標準パターンの中の１つの零通過点の波長
λ０と、他の１つの波長λｐにおける微分値の標準パタ
ーンが設定されている。微分波形比較器１６において、
これらが比較され被処理材の膜厚が求められる。

【００５５】例えば、膜厚３０ｎｍすなわち図２（ａ）
のＡを検出したい場合には、図７に示すように、零通過
点λ０の波長と、他の波長λｐ＝４５０ｎｍに対応する
１次微分値Ｐｐを設定する。

【００５６】なお、本実施例においても構成要素１２−
１６はＣＰＵ，メモリ等を有するコンピュータにより構
成して良い。

【００５７】この実施例の動作を図６のフローチャート
で説明する。まず、目標膜厚値と膜厚パターンデータベ
ースより零通過波長λｏと、少なくとも１つの他の波長
λｐと、波長λｐの微分値Ｐｐと判定値σｐの設定を行
う（ステップ６００）。

【００５８】次に、被処理材の干渉光のサンプリングを
開始し（ステップ６０２）、分光器からの波長λ０とλ
ｐの出力信号を第１段目のデジタルフィルタにより平滑
化時系列データＹｉ，ｏとＹｉ，ｐを算出する（ステッ
プ６０４）。

【００５９】次に、Ｓ−Ｇ法により微係数ｄｉ，ｏとｄ
ｉ，ｐを算出する(ステップ６０６)。さらに、第２段目
のデジタルフィルタにより平滑化微係数時系列データＤ
ｉ，ｏとＤｉ，ｐを算出する(ステップ６０８)。さら
に、σ＝Σ（Ｄｉ，ｐ−Ｐｐ)2の算出を行う（ステップ
６１０）。

【００６０】次に、Ｄｉ−１，ｏ＊Ｄｉ，ｏ≦０かつ
σ≦σ０の判定を行う（ステップ６１２）。

【００６１】Ｄｉ−１,ｏ＊Ｄｉ,ｏの符号の正負判定に
おいて負であれば真と判定し、かつ、σ≦σ０であれば
膜厚判定を終了する(ステップ６１４)。もし、Ｄｉ−
１，ｏ＊Ｄｉ，ｏの符号が正、あるいはσ＞σ０であれ
ばステップ６０４に戻る。

【００６２】この実施例によれば、２つの特定の波長に
着目するだけで、すなわち図７に示す微分値パターンが
λ０で零（Ｘ軸）を横切って通過したこと及び他の波長
λｐの微分値Ｐｐが判定値σ０になったことにより、被
処理材の膜厚を測定できる。特に、境界面からの距離が
例えば３０ｎｍと比較的大きい値でも、被処理材の膜厚
を正確に測定することができる。

【００６３】本発明の第３の実施例を、図８〜図１０で
説明する。この実施例では、被処理材の所定膜厚に対す
る干渉光のなかで、ターゲットとなる波長(ターゲット
波長)λT の微分値の零通過パターンＰｊを設定し、被
処理材の実際の干渉光強度の微分値の零通過パターンを
求め、零通過の回数ｎから、被処理材の膜厚を求めるも
のである。

【００６４】図８において、分光器１１によりサンプリ
ング信号として出力されたターゲット波長λT の信号
は、時系列データｙｉ，λT としてＲＡＭ等の記憶装置
（図示せず）に収納される。この時系列データは次に、
第１デジタルフィルタ回路１２により平滑化処理され平
滑化時系列データＹｉ，λT として記憶装置に収納され
る。この平滑化時系列データを基に、微分器１３により
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ｄｉ，λT が算出され、記憶装置に収納される。こ
の微係数値の時系列データは、第２デジタルフィルタ回
路１４により、平滑化処理され平滑化微係数時系列デー
タＤｉ，λT として記憶装置に収納される。一方、微分
波形パターンデータベース１５には、予め、標準パター
ンの零通過パターンＰｊのデータが設定されている。そ
して、微分波形比較器１６において、この平滑化微係数
時系列データが微分値の零通過パターンＰｊと比較さ
れ、零通過回数から、被処理材の膜厚を求める。

【００６５】図９に示すように、例えば、ターゲット波
長λT の３つの零通過点が、それぞれ膜厚Ａ，Ｂ，Ｃに
対応する場合、微分値がこれらの零通過点を通過したこ
とにより、Ｃ点の例えば１０ｎｍという膜厚を測定する
ことができる。

【００６６】なお、本実施例においても構成要素１２−
１６はＣＰＵ，メモリ等を有するコンピュータにより構
成して良い。

【００６７】この実施例の動作を図１０のフローチャー
トで説明する。まず、最初に目標膜厚値と膜厚パターン
データベースから、分光器の波長λTと目標零通過回数
ＮT を設定してから（ステップ１０００）、サンプリ
ングを開始する（ステップ１００２）。次に、分光器
（波長λT ）からの出力信号を第１段目のデジタルフィ
ルタにより平滑化し時系列データＹｉ，λT を算出する
（ステップ１００４）。次に、Ｓ−Ｇ法により微係数ｄ
ｉ，λT を算出する（ステップ１００６）。さらに、第
２段目デジタルフィルタにより平滑化微係数時系列デー
タＤｉ，λT を算出する（ステップ１００８）。

【００６８】次に、（Ｄｉ−１，λT ）＊（Ｄｉ，λT
）の値符号の正負判定を行い、負＝真により微分係数
の零通過を検出する（ステップ１０１０）。さらに、微
分係数の零通過回数を加算（ｎ＝ｎ＋１）し（ステップ
１０１２）、目標零通過回数ＮT とｎとの比較をする
（ステップ１０１４）。もし、目標零通過回数ＮT に達
していなかったらステップ１００４に戻り、また、目標
零通過回数ＮT に達していたら所定の膜厚になったもの
と判定してサンプリング終了の設定を行う。

【００６９】この実施例では、特定波長λT の微分値波
形の零通過パターンＰｊを設定し、実際のパターンの零
通過回数から被処理材の膜厚を求めるものであり、境界
面からの距離が比較的大きい値でも、被処理材の膜厚を
正確に測定することができる。

【００７０】次に、本発明による膜厚測定方法の第４の
実施例を図１１〜図１４で説明する。この実施例では、
被処理材の干渉光における特定の波長を、ガイド波長λ
G 及びターゲット波長λT として選定し、ガイド波長λ
G の微分値の零通過パターンから、被処理材の膜厚範囲
を求め、この膜厚範囲にある被処理材の膜厚を、ターゲ
ット波長λT の微分値の零通過パターンから求めるもの
である。

【００７１】図１１において、分光器１１によりサンプ
リング信号として出力された２つの特定波長の信号は、
時系列データｙｉ，λG とｙｉ，λT として記憶装置
（図示せず）に収納される。これらの時系列データは次
に、２個の第１デジタルフィルタ回路１２（１２Ａ，１
２Ｂ）により平滑化処理され平滑化時系列データＹｉ，
λG とＹｉ，λT として記憶装置に収納される。これら
の平滑化時系列データを基に、２個の微分器１３（１３
Ａ，１３Ｂ）により微係数値（１次微分値あるいは２次
微分値）の時系列データｄｉ，λG とｄｉ，λT が算出
され、記憶装置に収納される。これらの微係数値の時系
列データは、２個の第２デジタルフィルタ回路１４（１
４Ａ，１４Ｂ）により、平滑化処理され平滑化微係数時
系列データＤｉ，λG とＤｉ，λT として記憶装置に収
納される。一方、微分波形パターンデータベース１５に
は、予め、波長λG ，λT の零通過パターンＰｊのデー
タが設定されている。そして、２個の微分波形比較器１
６（１６Ａ，１６Ｂ）において、これらの平滑化微係数
時系列データが微分値の零通過パターンＰｊと比較さ
れ、被処理材の膜厚を求める。

【００７２】なお、本実施例においても構成要素１２
Ａ，１２Ｂ〜１６Ａ，１１ＢはＣＰＵ，メモリ等を有す
るコンピュータにより構成して良い。

【００７３】ここで、波長λG ，λT の零通過パターン
Ｐｊのデータの関係について、図１２，図１３で説明す
る。図において、ターゲット波長λT の４つの零通過点
が、それぞれ膜厚Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応し、ガイド波長
λG の３つの零通過点が、それぞれ膜厚ａ，ｂ，ｃに対
応している。そして、各膜厚ａ，ｂ，ｃに対応するガイ
ド波長λG の３つの零通過点と、各目標の膜厚Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄすなわちターゲット波長λT の４つの零通過点
の、膜厚に対する関係は図１３のようになる。

【００７４】従って、例えば、膜厚Ｄを目標膜厚として
測定する場合を考えると、膜厚ｃに対応するガイド波長
λG の零通過点が膜厚Ｄに対応するターゲット波長λT
の零通過点に先行して出現することがわかる。そこで、
ガイド波長λG で３つの零通過点が検出され、ターゲッ
ト波長λT で４つの零通過点が検出されると、目標膜厚
Ｄになっていることが分かる。

【００７５】この実施例の動作を図１４のフローチャー
トで説明する。まず、目標膜厚値と膜厚パターンデータ
ベースから、分光器のガイド波長λG とターゲット波長
λT、各波長の目標零通過回数ＮG ，ＮT を設定する
（ステップ１４００）。

【００７６】次に、ガイド波長λG の目標零通過回数ｍ
を知るために、分光器（波長λG ）からの出力信号を第
１段目のデジタルフィルタにより平滑化時系列データＹ
ｉ，λG を算出する（ステップ１４０２）。さらに、Ｓ
−Ｇ法により微係数ｄｉ，λG を算出する（ステップ１
４０４）。次に、第２段目のデジタルフィルタにより平
滑化微係数時系列データＤｉ，λG を算出する（ステッ
プ１４０６）。さらに、（Ｄｉ−１，λG ）＊（Ｄｉ，
λG ）値符号の正負判定（負＝真）により微分係数の零
通過を検出する（ステップ１４１０）。そして、零通過
を検出したら微分係数の零通過回数を加算（ｍ＝ｍ＋
１）し（ステップ１４１２）、目標零通過回数ＮG との
比較を行い（ステップ１４１４）、目標零通過回数ｍに
達したら、次に、ターゲット波長λT の目標零通過回数
ｎを求める処理に進む。

【００７７】ターゲット波長λT の目標零通過回数ｎを
求めるために、まず、分光器（波長λT ）からの出力信
号を第１段目のデジタルフィルタにより平滑化時系列デ
ータＹｉ，λT を算出する（ステップ１４１６）。次
に、Ｓ−Ｇ法により微係数ｄｉ，λT を算出する（ステ
ップ１４１８）。さらに、第２段目のデジタルフィルタ
により平滑化微係数時系列データＤｉ，λT を算出する
（１４２０）。次に、（Ｄｉ−１，λT ）＊（Ｄｉ，λ
T ）値符号の正負判定（負＝真）により微分係数の零通
過を検出する（ステップ１４２２）。そして、零通過を
検出したら微分係数の零通過回数を加算（ｎ＝ｎ＋１）
し（ステップ１４２４）、目標零通過回数ＮT との比較
を行い（ステップ１４２６）、目標零通過回数ｎに達し
たら、目標膜厚になっているので、その結果を記録，出
力すると共にサンプリング終了の設定を行う。

【００７８】この実施例では、ガイド波長λG とターゲ
ット波長λT の零通過回数によって膜厚を判定するの
で、境界面からの距離が比較的大きい値でも、被処理材
の膜厚を正確に測定することができる。

【００７９】発明者等の実験によれば、絶縁膜の加工を
例にとると、多波長についての１次微分波形パターン，
２次微分波形パターンの零通過点は、図１５に示すよう
な特性がある。すなわち、膜厚の大きい範囲では、１次
微分波形パターン，２次微分波形パターンのいずれにも
零通過点が現れる。しかし、膜厚が薄くなると１次微分
波形パターンには零通過点が現れなくなる。従って、膜
厚の大きい範囲では、１次微分波形パターン，２次微分
波形パターンのいずれの波長を、ガイド波長λG あるい
はターゲット波長λT にしても良い。しかし、膜厚が薄
い範囲では、１次微分波形パターンの波長をガイド波長
λG とし、２次微分波形パターンの波長をターゲット波
長λT にするのが望ましい。図１５の特性を利用して、
例えば絶縁膜を加工したい場合には、ガイド波長λG を
４７５ｎｍとし、残りの膜厚が５０ｎｍの場合、ターゲ
ット波長λT は２次微分波形パターンの波長４５５ｎ
ｍ、あるいは１次微分波形パターンの波長４７５ｎｍと
する。残りの膜厚が１５ｎｍ以下の場合、ターゲット波
長λT は、２次微分波形パターンを用いる。残りの膜厚
が１５ｎｍ〜３５ｎｍの場合、ターゲット波長λT は１
次微分波形パターンのｍ＝１.３５ｎｍ〜１００ｎｍの
場合、１次微分波形パターンのｍ＝２を採用する。

【００８０】以上述べた本発明の膜厚測定装置によれ
ば、半導体デバイスの製造プロセス等における被処理材
の膜厚を正確に測定することができる。従って、このシ
ステムを利用して、被処理材のエッチングを高精度に実
施する方法を提供することができる。以下、このような
半導体デバイスの製造プロセスを説明する。

【００８１】まず、図１６は、図１〜図４で説明した本
発明の第１の実施例を採用したエッチング装置の構成例
である。表示器１７の被処理材の膜厚のデータは、プラ
ズマ発生装置２０に送られ、真空容器内のプラズマの発
生条件を制御するのに利用される。例えば、図１７
（ａ）に示すような被処理材に対して、本発明の膜厚測
定装置により求めた膜厚すなわち被エッチング材のエッ
チングの進行状況に応じて、真空容器内のプラズマの発
生条件を変更することにより、図１７（ｂ）に示すよう
な適切な形状のエッチング処理を行うことが可能にな
る。

【００８２】なお、本実施例においても構成要素１２−
１６はＣＰＵ，メモリ等を有するコンピュータにより構
成して良い。

【００８３】以下、エッチング処理の手順について簡単
に説明する。最初に、被処理材に関するエッチング処理
条件の設定を行う。この中には、エッチング処理される
被処理材の各層の膜毎に処理パターンに応じた目標膜厚
値と膜厚毎の所定の波長域（少なくとも３個の波長域）
の微分パターン抽出Ｐｉと判定値σ０が含まれる。次
に、被処理材を電極上に搬入し、真空容器を減圧排気す
る。そして、真空容器内に所定の処理ガスを導入し、プ
ラズマを発生させて被処理材のエッチングを開始する。
同時に、干渉光のサンプリングを開始するエッチングの
進行に従って変化する多波長の発光強度が、光検出器に
より発光強度に応じた電圧の光検出信号として検出され
る。分光器１１の光検出信号はデジタル変換され、サン
プリング信号ｙｉ，ｊを取得する。次に、分光器からの
多波長出力信号ｙｉ，ｊを平滑化し、時系列データＹ
ｉ，ｊを算出する。次に、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を求め、さら
に、平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを算出する。そ
して、σ＝Σ（Ｄｉ，ｊ−ｐｊ)2値の算出を行うと共に
σ≦σ０の判定を行い、σ≦σ０の場合、被処理材の膜
厚が所定値になったものとして、エッチング処理を終了
し、処理ガスを排気し、被処理材を真空容器から搬出す
る。

【００８４】例えば、膜厚を図２（ａ）のＣ値にしたい
場合には、予め、各膜厚Ａ，Ｂ，Ｃに対応する微分値の
波長依存性を示す標準パターンを設定し、複数の波長に
おいて実パターンの標準パターンに対する一致率が判定
値σ０以内に達したことにより、被処理材の残りの膜厚
が順次Ａ，Ｂになったことを検出して処理ガス供給など
プラズマによる処理条件を適宜制御しながら処理を進
め、膜厚が正確にＣとなるように制御してエッチング処
理を終了する。

【００８５】場合によっては、所定の膜厚、例えば膜厚
Ａになったことを検知した状態で一旦エッチング処理を
停止し、必要な処理，操作を行った後、エッチング処理
を再開するようにしても良い。あるいは、膜厚を連続的
に正確に測定しつつ、膜厚に応じてエッチング処理条件
を連続的に変える処理を行うようにしても良い。

【００８６】また、本発明の他の実施例の計測方法を採
用して同様なプラズマエッチング制御を行っても良い。
また、本発明は、プラズマＣＶＤ，スパッタ，ＣＭＰ(c
hemical mechanical polishing）或いは熱ＣＶＤ等の処
理にも適用できる。

【００８７】次に、図１８は、本発明の第１の実施例を
採用したエッチング装置の他の構成例である。表示器１
７の被処理材の膜厚のデータは制御装置１８で処理さ
れ、プラズマ発生装置２０，ガス供給装置２１，ウエハ
バイアス電源２２に送られ、真空容器内のプラズマの発
生条件を制御するのに利用される。例えば、絶縁膜の孔
加工のように被エッチング材の膜厚がかなり厚い場合、
図１９（ａ），図１９（ｂ），図１９（ｃ）に示すよう
にエッチングを２段階の処理に分け、本発明の膜厚測定
装置により測定した膜厚すなわち被エッチング材のエッ
チングの進行状況に応じて図１９（ｂ）、真空容器内の
各種処理条件を変更することにより、図１９（ｃ）に示
すように処理速度を早くしてかつ下地材に対するオーバ
ーエッチングのない適切な形状のエッチング処理を行う
ことが可能になる。この場合も、本発明の他の実施例を
採用して同様な制御を行っても良い。

【００８８】なお、本実施例においても構成要素１２−
１６はＣＰＵ，メモリ等を有するコンピュータにより構
成して良い。

【００８９】なお、以上述べた各実施例は、光源を有す
る分光器から多波長の放射光を放出し、被処理物からの
反射光の干渉光を利用して膜厚を測定するものである。
一方、光源を有しない分光器を用いプラズマによって放
出される多波長の放射光を光源として利用しても良い。
例えば、図２０に示すように、プラズマ光による被処理
材上の干渉光を上面から観察すべく真空容器２の上部壁
に設けたポートから光ファイバーによって干渉光を第１
の分光計１１Ａに導き、分光器真空容器２の側壁に設け
た他のポートから光ファイバーによってプラズマ光の状
態を観察すべくこれを第２の分光計１１Ｂに導き、両分
光計の光を除算器１９で処理したものを、微分器に導
き、以下、既に述べた方法で処理するようにしても良
い。尚、分光計１１Ａ，１１Ｂは光源を有しない。ま
た、図２０においても、構成要素１３，１５，１６，１
９はＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータにより構成
して良い。

【００９０】上記の方法によれば、独立した光源が不要
であり、また、プラズマ光が変化しても、常に安定して
正確な膜厚の計測が可能である。さらに、被処理の処理
枚数が増えることによってプラズマ処理装置が経時変化
して処理時間が長くなるのを検知出来るので、メンテナ
ンスの指示を出すこともできる。

【００９１】次に、本発明における膜厚精度を向上する
実施例を説明する。実際のエッチング処理では、エッチ
ング処理中にプラズマが変動することがある。そのため
に、測定される膜厚値の精度が悪くなることが起こる。
図２１は下地酸化膜２.５ｎｍのポリシリコンエッチン
グ時の膜厚変化を示したもので、●印は本発明のパター
ン比較により求めた各時刻の膜厚測定値を示す。エッチ
ング初期にポリシリコンの厚みが厚くポリシリコンから
の干渉光強度が弱い場合、または、エッチング処理中に
プラズマ変動があった場合、膜厚測定値のバラツキがし
ばしば起こる。このような場合、膜厚精度を向上するた
めに以下の処理を行う。以下の処理は、上記コンピュー
タのソフトウエアで行う。

【００９２】膜厚算出開始はポリシリコンの厚みが薄
く（例えば１７５ｎｍ以下）かつプラズマ変動の少ない
時刻Ｔ１、例えばエッチング処理開始から３０秒経過時
から行う。時刻Ｔ１以降は、過去の膜厚測定値を用い
て、回帰直線を算出する。その回帰直線からはずれて
いる膜厚測定値はノイズとする（例えば、ノイズとして
扱わない膜厚測定値の許容値は±１０ｎｍとする）。
ノイズを除いた膜厚測定値から回帰直線を再度算出す
る。その再度算出した回帰直線から現在の膜厚値を算
出し、膜厚算出値とする。以下、所定時間経過毎に上記
処理からを繰り返し行い各時刻の膜厚算出値を求
め、この膜厚算出値が最終目標膜厚値Ｔｈｆに一致する
まで上記処理を行う。なお、膜厚算出値が最終目標膜厚
値Ｔｈｆに達すると、エッチング処理を終了する。

【００９３】次に、本発明におけるエッチング処理状態
監視に関する実施例を説明する。上記した各時刻におけ
る膜厚算出値のデータ列を上記コンピュータ内のメモリ
または外部記録器に収納すると共に、該収容したデータ
列をウェハ処理番号と関連付けてデータベース化する。
このデータベースにおいて、エッチング処理終了時間が
予定のエッチング処理終了時間に対して例えば±５％を
超えた場合、または、エッチング処理中の適当な時間
（例えば時刻Ｔ２）における膜厚算出値が、該時刻Ｔ２
での目標膜厚値（図２１のＴｈ２）に対して例えば±５
％を超えた場合、このウェハ処理番号のエッチング処理
が異常であることを示す警告を発する。

【００９４】この方法によれば、膜厚測定値にバラツキ
があっても精度よく膜厚を算出でき、目標とする膜厚を
正確に判定するエッチング処理が行える。また、エッチ
ング処理の状態監視が行え、ウェハの不良処理枚数を最
小限度に抑えることができる。

【００９５】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマ処理の、特に
プラズマエッチング処理において、被処理層の実際の厚
さをオンラインで正確に測定することができるという効
果がある。

【００９６】また、半導体デバイスの各層をオンライン
で所定厚さに高精度に制御できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による膜厚測定装置を備えた
半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図であ
る。

【図２】エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状及
び干渉光の波長実パターンの例を示す図である。

【図３】図２（ａ），図２（ｂ）のＡ，Ｂ，Ｃに示す各
膜厚（境界面からの距離）に対応する、干渉光の微係数
値時系列データの波長をパラメータとする図である。

【図４】図１の膜厚測定装置でエッチング処理を行う際
に、被処理材の膜厚を求める手順を示すフローチャート
である。

【図５】本発明の第２の実施例による膜厚測定装置を備
えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図
である。

【図６】図５の実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図７】図５の実施例の動作説明図である。

【図８】本発明の第３の実施例による膜厚測定装置を備
えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図
である。

【図９】図８の実施例の動作を説明するためのグラフ図
である。

【図１０】図８の実施例の動作を示すフローチャートで
ある。

【図１１】本発明の第４の実施例による膜厚測定装置を
備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す
図である。

【図１２】図１１の実施例において、エッチング処理さ
れる、被処理材の断面形状を示す図である。

【図１３】図１１の実施例の動作説明図である。

【図１４】図１１の実施例の動作を示すフローチャート
である。

【図１５】図１１の実施例の動作説明図である。

【図１６】本発明の第５の実施例による膜厚測定装置を
備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す
図である。

【図１７】図１６の実施例において、エッチング処理さ
れる被処理材の断面形状を示す図である。

【図１８】本発明の第６の実施例になる膜厚測定装置を
備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す
図である。

【図１９】図１８の実施例において、エッチング処理さ
れる、被処理材の断面形状を示す図である。

【図２０】本発明の第７の実施例による膜厚測定装置を
備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す
図である。

【図２１】本発明の更に第８の実施例を説明するため
の、膜厚変化を示す図である。

【符号の説明】

１…エッチング装置、２…真空容器、３…プラズマ、４
…被処理材、５…試料台、８…光ファイバー、１０…膜
厚測定装置、１１…分光器、１２…第１デジタルフィル
タ回路、１３…微分器、１４…第２デジタルフィルタ回
路、１５…微分波形パターンデータベース、１６…微分
波形比較器、１７…結果表示器、１８…制御装置、１９
…除算器、２０…プラズマ発生装置、２１…ガス供給装
置、２２…ウエハバイアス電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者臼井建人茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者藤井敬山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者吉開元彦山口県下松市大字東豊井794番地日立テクノエンジニアリング株式会社笠戸事業所内 (72)発明者加治哲徳山口県下松市大字東豊井794番地日立笠戸エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB03 CC19 FF44 FF46 FF51 GG02 JJ25 LL02 LL67 QQ13 QQ17 QQ23 QQ25 QQ33 QQ38 SS13 4M106 AA01 BA04 CA48 DH03 DH11 DH40 DJ13 DJ18 DJ21 5F004 AA16 BB14 CB02 CB10 CB15 DB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）第１の被処理材の所定膜厚に対する干
渉光の微分値の、波長をパラメータとする標準パターン
を設定するステップと、ｂ）前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材に
ついての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメー
タとする実パターンを求めるステップと、ｃ）前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基
づき、前記第２の被処理材の膜厚を求めるステップと、を備えたことを特徴とする被処理材の膜厚を測定する膜
厚測定方法。
【請求項２】請求項１記載の被処理材の膜厚測定方法に
おいて、前記ステップｃ）は、所定の膜厚に対応して設定された
少なくとも３個の波長域の微分パターンと判定値とを比
較し、前記少なくとも３個の波長域の微分パターンが前
記判定値以内となったことにより、前記被処理材の前記
所定の膜厚を求める被処理材の膜厚を測定する膜厚測定
方法。
【請求項３】ａ）第１の被処理材の所定膜厚に対する干
渉光の微分値の、波長をパラメータとする標準パターン
を設定するステップと、ｂ）前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材に
ついての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメー
タとする実パターンを求めるステップと、ｃ）前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基
づき、前記第２の被処理材の膜厚を求めるステップと、ｄ）前記求めた前記第２の被処理材の膜厚に基づき、次
の処理を行うステップと、を備えたことを特徴とする被処理材の処理方法。
【請求項４】真空容器内でプラズマにより試料台上の被
処理材をエッチング処理する被処理材の処理方法におい
て、ａ）第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光の微分値
の、波長をパラメータとする標準パターンを設定するス
テップと、ｂ）前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材に
ついての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメー
タとする実パターンを求めるステップと、ｃ）前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基
づき、前記第２の被処理材の膜厚を求めるステップと、ｄ）前記求めた前記第２の被処理材の膜厚に応じてエッ
チング条件を制御しながら前記第２の被処理材のエッチ
ング処理を行うステップと、を備えたことを特徴とする被処理材の処理方法。
【請求項５】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光
の、零通過点の波長及び他の少なくとも１つの波長の微
分値の所定値を設定するステップと、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の複数波長についての強度をそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の微分値の実パターンにお
ける零通過点の波長及び前記他の少なくとも１つの波長
における実パターンの微分値を求めるステップと、前記標準パターンと前記微分値の実パターンにおける、
前記零通過点の波長の一致、及び前記他の少なくとも１
つの波長の微分値の所定値との一致により、前記第２の
被処理材の膜厚を求めるステップと、を備えたことを特
徴とする被処理材の膜厚を測定する膜厚測定方法。
【請求項６】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光
の、複数波長についての微分値の標準の波形パターン又
は零通過パターンを設定するステップと、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の複数波長についての強度をそれぞれ測定
し、該測定された干渉光強度の各波長の微分値の実際の
波形パターン又は零通過パターンを求めるステップと、前記標準のパターンと実際のパターンを比較して、前記
第２の被処理材の膜厚を求めるステップと、を備えたこ
とを特徴とする被処理材の膜厚を測定する膜厚測定方
法。
【請求項７】第２の被処理材の干渉光における特定の波
長を、ガイド波長及びターゲット波長として選定するス
テップと、前記ガイド波長により、前記第２の被処理材と同一構成
の第１の被処理材についての所定膜厚に対する干渉光
の、ガイド波長の微分値零通過パターンから、前記第２
の被処理材の膜厚範囲を求めるステップと、該膜厚範囲にある前記第２の被処理材の膜厚を、前記タ
ーゲット波長の前記干渉光の強度の微分値の零通過パタ
ーンから求めるステップと、を備えたことを特徴とする
被処理材の膜厚を測定する膜厚測定方法。
【請求項８】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光
の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンを保
持した微分波形パターンデータベースと、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定する
分光器と、該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメータと
する実パターンを求める微分器と、前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基づ
き、前記第２の被処理材の膜厚を求めるユニットと、を
備えたことを特徴とする被処理材の膜厚を測定する膜厚
測定装置。
【請求項９】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光
の、零通過点の波長及び他の少なくとも１つの波長の微
分値の所定値を保持した微分波形パターンデータベース
と、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定する
分光器と、該測定された干渉光強度の微分値の実パターンにおける
零通過点の波長及び前記他の少なくとも１つの波長にお
ける実パターンの微分値を求める微分器と、前記標準パターンと前記微分値の実パターンにおける、
前記零通過点の波長の一致、及び前記他の少なくとも１
つの波長の微分値の所定値との一致により、前記第２の
被処理材の膜厚を求めるユニットと、を備えたことを特
徴とする被処理材の膜厚を測定する膜厚測定装置。
【請求項１０】第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉
光の微分値の、波長をパラメータとする標準パターンを
設定するユニットと、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、
該測定された干渉光強度の微分値の波長をパラメータと
する実パターンを求めるステップと、前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基づ
き、前記第２の被処理材の膜厚を求めるユニットと、前記求めた前記第２の被処理材の膜厚に基づき、次の処
理を行うユニットと、を備えたことを特徴とする被処理
材の処理装置。
【請求項１１】真空容器内でプラズマにより試料台上の
被処理材をエッチング処理する被処理材の処理装置にお
いて、第１の被処理材の所定膜厚に対する干渉光の微分値の、
波長をパラメータとする標準パターンを設定するユニッ
トと、前記第１の被処理材と同一構成の第２の被処理材につい
ての干渉光の強度を複数波長についてそれぞれ測定し、
該測定された干渉光強度の微分値の、波長をパラメータ
とする実パターンを求めるユニットと、前記標準パターンと前記微分値の実パターンとに基づ
き、前記第２の被処理材の膜厚を求めるユニットと、前記求めた前記第２の被処理材の膜厚に応じてエッチン
グ条件を制御しながら前記第２の被処理材のエッチング
処理を行うユニットと、を備えたことを特徴とする被処
理材の処理装置。