JP2007073567A

JP2007073567A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2007073567A
Application number: JP2005255801A
Authority: JP
Inventors: Taketo Usui; 建人臼井; Motohiko Kikkai; 元彦吉開; Kazuhiro Shiroo; 和博城尾; Shigeru Nakamoto; 茂中元
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-05
Also published as: JP4654097B2

Abstract

【課題】
半導体素子をより低廉に製造できる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】
容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記処理の所定の間前記ウエハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の時間変化を検出する検出器と、前記２つの波長のうち一方の波長の光についての時間変化量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との間の時間と所定の値とを比較して、前記エッチング処理の状態を判定する判定手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子をエッチングして製造する装置に関し、エッチングした深さ等のエッチング処理の状態を判定する機能を備えた半導体製造装置に関する。

半導体素子の形成では、半導体ウエハの表面上に形成された誘電材料，絶縁材料の層等の様々な材料の層を除去するためやこれらの層にパターンを形成するために、ドライエッチングが広く使用されている。このドライエッチングを行う上では、上記の層の加工中に、層の所望のエッチング深さや層の所望の膜厚が得られるようにエッチングを調節することが重要であり、このためエッチングの終点や膜の厚さを正確に検出することが求められている。

ところで、半導体ウエハを、プラズマを用いてドライエッチングする処理の際、プラズマ光に含まれる特定波長の光からの発光の強度が、特定の層のエッチングが進行するに伴って変化することが知られている。そこで、この半導体ウエハのエッチングの終点や層の膜厚などのエッチングの状態の検出する技術の１つとして、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層のエッチング終点や該層の膜厚を検出する技術が知られている。この検出の精度を向上するには、ノイズによる検出波形の変動に起因する誤検出を低減する必要がある。

近年は、半導体の微細化，高集積化に伴い開口率（半導体ウエ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。

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、予めサンプルウエハを処理して求める。この方法では、時間監視法により、所定の膜厚（エッチング処理における残りの膜厚：
remaining film thickness）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。

しかし、実際の膜、例えばＬＰＣＶＤ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、そのウエハを不合格として廃棄することになる。

このような半導体ウエハのエッチングの終点をウエハ表面を計測して検出する技術としては、特開平５−１７９４６７号公報（文献１），ＵＳＰ５６５８４１８公報（文献２），特開２０００−９７６４８号公報（文献３），特開２０００−１０６３５６号公報（文献４）等に開示された干渉計を使用するものが知られている。

特開平５−１７９４６７号公報（文献１）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。ＵＳＰ５６５８４１８公報（文献２）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っている。

特開２０００−９７６４８号公報（文献３）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。特開２０００−１０６３５６号公報（文献４）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ている。

エッチングの終点を検出して処理を停止させる際、実際には、膜層の残りの厚さが所定の値にできるだけ近いか等しいことが重要である。従来の技術では、それぞれの層のエッチングの速度が一定であるという前提に基づいて時間を調節することで上記膜の厚さを監視している。この基準となるエッチング速度の値は、例えば、予めサンプルとなるウエハを処理して求めておく。この技術では、所定の膜厚に対応した時間が経過するとエッチングプロセスが停止される。

特開平５−１７９４６７号公報ＵＳＰ５６５８４１８公報特開２０００−９７６４８号公報特開２０００−１０６３５６号公報

しかしながら、上記の従来技術では次のような問題点が有った。

すなわち、多数の異なる種類の膜の構造を有する半導体ウエハを少量ずつ処理して製造する場合には、それぞれの処理対象であって製品となるべきウエハに対して、多波長微分干渉パターンのデータベースを作成することになり、このために、実際のウエハと同一の膜の構成を有するウエハを用いて、試験的なエッチング処理を行うと、ウエハ自体のコストも高く、さらにこの試験的処理が行われるウエハ分だけ余分にウエハを用意する必要があり、少量の生産ではこの試験に係るコストが高く、ひいては素子の生産のコストを増大させてしまうという問題があった。

また、上記従来技術の多波長の干渉パターンのデータベースには多量のデータが格納されており、このため、膜厚さを判定するには、実際のウエハを処理中に得られたデータとデータベース内の多数のデータとを比較して、そのうちから最も適したデータを選択することになり、多くの演算が必要となって判定までに多くの時間が掛かることになる。実際に処理を行う時間は膜層の厚さが近年薄くなっていることから短縮化が進んでおり、膜厚を判定した時点では処理が過度に進んでいる虞が有る。また、演算時間は短縮しようとして単にデータベースのデータの数を低下させてしまうと、精度を損なってしまうことになる。なぜなら、処理中に得られた発光からのデータには異常放電，測定基準レベルの遷移やノイズといった誤差の要因が多く含まれているからである。

また、上記従来の技術では、用いられるウエハの膜の厚さを検出し、厚さの検出結果を用いて製品用のウエハを処理する際の半導体製造装置の運転条件を設定する場合にも、厚さ計測のためサンプルのウエハが必要となっていた。例えば、１つのロット中から任意のウエハを選び測定に供していた。このため、計測のための時間やウエハが必要となり、半導体製造のスループットを低下させていた。

本発明の目的は上記従来技術の問題点を解消するようにした半導体製造装置を提供することである。

本発明の別の目的は、処理のスループットを向上させた半導体製造装置を提供することである。

上記目的は、容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記処理の所定の間前記ウエハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の時間変化を検出する検出器と、前記２つの波長のうち一方の波長の光についての時間変化量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との間の時間と所定の値とを比較して、前記エッチング処理の状態を判定する判定手段とを備えた半導体製造装置により達成される。

さらに、前記判定手段は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理される前記膜の厚さを判定することにより達成される。

さらには、前記判定手段は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理を停止することにより達成される。

また、容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置された半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間前記ウエハ表面からの光の干渉を検出する検出器と、前記検出器から出力された少なくとも２つの波長のうち一方の波長の光についての時間変化量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との間の時間と所定の値とを比較する手段と、この比較手段からの出力を受けて前記エッチング処理を調節する制御装置とを備えた半導体製造装置により達成される。

さらには、前記制御装置は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理を停止することにより達成される。

また、容器内に配置されその表面に形成された第１の膜とこの膜の上方に形成された第２の膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記第２の膜がエッチング処理される所定の間の前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量の時間変化を検出する光検出器と、前記検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記第１の膜の厚さを検出する検出手段とを備えた半導体製造装置により達成される。

さらには、前記光検出器が前記ウエハ表面からの干渉光の量の時間に伴う変化を複数の波長について検出すると、前記検出手段は前記光検出器の出力の特徴的な変化を検出することにより達成される。

以下に本願発明の実施例を、添付図面を用いて説明する。

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。

また、以下の実施例では、本発明による真空処理装置及びその被処理材であるウエハ等試料のエッチング処理について説明する。特に、試料をエッチングした量（エッチングされた深さあるいはエッチングされた膜厚）等エッチングの条件を検出する装置と方法について説明する。なお、以下の説明で単に「膜厚」という場合は、エッチング処理における現在処理中の膜の残っている膜の厚さを言う。

以下、図１乃至図３で本発明の第１の実施例を説明する。図１は、本願発明に係る真空処理装置に係る第１の実施例について構成の概略を縦断面とブロックとを用いて示す図である。図２は、第１の実施例における処理対象となるウエハ上の構成及び光の干渉の概略を示す模式図である。図３は、第１の実施例で光の干渉を用いて得られるデータの例を示すグラフである。

まず、図１を用いて、本発明の真空処理装置の第一の実施例に係り、膜厚測定装置を備えた半導体ウエハ等試料のエッチング処理を行う真空処理装置の全体の構成の概略を説明する。図１は、本発明を、有磁場ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング装置の縦断面の模式図である。

図１において、エッチング処理を行う真空処理装置１は、１０^-6Torr程度の真空度を達成可能な真空容器である処理室１００を備え、その上部にプラズマ発生手段としての電磁波を放射するアンテナ１１０を、さらにその下部にはウエハなどの試料４を載置する下部電極１３０を、それぞれ備えている。

処理室１００を内側に含む真空容器２は、側壁１０２やその上に側壁１０２等が取り付けられるベースブロックである真空室１０３を備えて構成され、この真空室１０３に接続された真空排気系１０４と圧力制御手段１０５により真空室１０３とともに内部の真空排気と圧力調整がなされて、内部の圧力がたとえば０.５Ｐａ以上４Ｐａ以下程度の所定の値に制御できる。処理室１００，側壁１０２および真空室１０３は、アース電位となっている。処理室１００の側壁１０２は、図示しない温度制御手段により、たとえば５０℃程度に温調されている。

アンテナ１１０と下部電極１３０は、平行して対向する形で設置されている。処理室
１００の周囲には、たとえば電磁コイルとヨークからなる磁場形成手段１０１が設置されており、所定の分布と強度をもつ磁場が形成される。そして、アンテナ１１０から処理室１００内に放射される電磁波と磁場形成手段１０１により形成される処理室１００内に供給される磁場との相互作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマ３を発生させ、下部電極１３０上に載置された試料４を処理する。

電磁波を放射するアンテナ１１０は、円板状導電体１１１と、誘電体１１２及び誘電体リング１１３からなり、真空容器２の一部としてのハウジング１１４に保持される。この円板状導電体１１１は図示しない温度制御手段により、たとえば３０℃に温調されている。また、円板状導電体１１１のプラズマに接する側の面には、プレート１１５が設置されており、試料のエッチング，成膜等の処理を行う処理ガスは、ガス供給手段１１６から所定の流量と混合比をもって供給され、円板状導電体１１１の内部で均一化されて、プレート１１５に設けられた多数の孔を通して処理室１００に供給される。

また、アンテナ１１０には、アンテナ電源１２１及びアンテナバイアス電源１２３並びにマッチング回路・フィルタ系１２２，１２４，１２５からなるアンテナ電源系１２０が導入端子１２６を介して接続される。アンテナ電源１２１は、望ましくは３００ＭＨｚから９００ＭＨｚのＵＨＦ帯周波数の電力を供給して、アンテナ１１０からＵＨＦ帯の電磁波を放射する。

アンテナバイアス電源１２３は、円板状導電体１１１を介してプレート１１５に、たとえば１００ｋＨｚ程度あるいは数ＭＨｚから１０ＭＨｚ程度の周波数のバイアスを印加して、プレート１１５の表面での反応を制御することもできる。特に、ＣＦ系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいては、プレート１１５の材質を高純度のシリコンやカーボンなどとすることで、プレート１１５の表面でのＦラジカルやＣＦｘラジカルの反応を制御して、ラジカルの組成比を調整することが可能である。この目的のために、プレート１１５の材料として高純度のシリコンを用いることも可能である。

本実施例では、被処理材としては試料４上に積層された酸化膜上のポリシリコン部材であるので、プレート１１５の材料として石英等の絶縁部材を使用している。また、円板状導電体１１１およびハウジングにはアルミ，誘電体１１２および誘電体リング１１３には石英を用いている。本実施例では、アンテナ電源１２１は４５０ＭＨｚ、アンテナバイアス電源１２２は１３.５６ＭＨｚの周波数として、ギャップは７０mmに設定している。

処理室１００の下部には、アンテナ１１０に対向して下部電極１３０が設けられている。下部電極１３０は、静電吸着装置１３１により、その上面すなわち試料載置面にウエハなどの試料４を載置保持する。試料Ｗの外周部には、たとえば高純度のシリコンで形成された試料台リング１３２が絶縁体１３３上に設置されている。下部電極１３０には、望ましくは４００ｋＨｚから１３.５６ＭＨｚの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１３４が、マッチング回路・フィルタ系１３５を介して接続されて、試料Ｗに印加するバイアスを制御する。本実施例では、バイアス電源１３４は周波数を８００ｋＨｚとしている。

次に、試料４の表面の状態を計測するために設置された計測ポート１４０について説明する。本実施例では、計測ポート１４０は試料４に対向したアンテナ１１０に取り付けられており、後述するように、プレート１１５に形成された多数の貫通孔を通して、試料４の表面上に配置された薄膜などの状態を略垂直上方から計測できる。また、別の計測ポート１４０を試料Ｗの外周部を計測する位置や試料４の外周と中心の中間位置に設置することにより、試料Ｗの表面の面内分布に関する情報を得ることができる。もちろん、計測ポートの取り付けはここで説明したように外周部と中間部の２カ所等に限られるものではなく、１カ所のみあるいは３カ所以上としてもよく、あるいはたとえば円周上に配列するなど別の配置にしてもよいことはいうまでもない。

上記計測ポート１４０の各々には、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段
１５１が設けられており、光学伝送手段１５１が設けられており、プラズマ３からの直接光や、あるいはプラズマ３の試料４表面での反射光あるいは干渉光等の試料４の表面状態を反映する光学情報が、例えば、カメラや干渉薄膜計あるいは画像処理装置などからなる計測器１５２に伝送されて計測される。

計測器１５２は、膜厚さや処理の終点を判定するための判定装置１０を含む計測器制御・演算手段１５３により制御されるとともに、さらに上位のシステム制御手段１５４と接続される。システム制御手段１５４は、制御インタフェース１５５を介して、装置や装置を含むシステムの状態をモニタしたり調節したりする制御用のコントローラである。上記計測器制御・演算手段１５３は、複数の半導体メモリ用チップやマイクロプロセサ等から構成される電子回路や、ワンチップマイコン等の１つのチップ中に構成された電子回路が考えられる。

本実施例による真空処理装置１は以上のように構成されており、このプラズマエッチング装置を用いて、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の詳細な手順は次の通りである。

まず、処理の対象物である試料４は、図示していない試料搬入機構から処理室１００に搬入された後、下部電極１３０の上に載置・吸着され、必要に応じて下部電極の高さが調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理室１００内は真空排気系１０４により真空排気され、一方、試料４のエッチング処理に必要なガスがガス供給手段１１６から、所定の流量と混合比をもって、アンテナ１１０のプレート１１５から処理室１００に供給される。同時に処理室１００の内部が所定の処理圧力になるように調整される。

他方、磁場形成手段１０１により、アンテナ電源１２１の周波数の４５０ＭＨｚに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度に相当する概略１６０ガウスのほぼ水平な磁場がプレート１１５の下方付近に形成される。そして、アンテナ電源１２１によりアンテナ１１０からＵＨＦ帯の電磁波が放射され、磁場との相互作用により処理室１００内にプラズマ３が生成される。このプラズマ３により、処理ガスを解離させてイオン・ラジカルを発生させ、さらにアンテナバイアス電源１２３，バイアス電源１３４から供給される高周波電力を制御して、試料４にエッチング等の処理を行う。

各電源の投入電力は、被処理対象となる試料４に対する処理の使用に応じて調節され、たとえば、アンテナ電源１２１は１０００Ｗ、アンテナバイアス電源１２３は３００Ｗ、バイアス電源１４１は８００Ｗ程度である。そして、エッチング処理の終了にともない、電力および処理ガスの供給を停止してエッチングを終了する。

この処理中のプラズマ発光やウエハ表面状態を反映する光学情報が、計測ポート１４０等を通して、光学伝送手段１５１等により伝送されて計測器１５２で計測がなされ、計測器制御・演算手段１５３で計測結果に基づいて演算処理がなされ、判定装置１０に判定された膜厚さや処理の終点等の処理の状態が上位のシステム制御手段１５４に伝達されて、制御インタフェース１５５を介して本実施例のプラズマ処理装置が制御される。

すなわち、エッチング量（例えば、エッチング深さ及び膜厚）の分光器１１を含む計測器１５２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、光学伝送手段１５１により処理室１００あるいは真空室１０３内に導かれ、被処理材である試料４に略垂直に入射角で当てられる。被処理材である試料４はここではポリシリコンによる薄膜の層を含む略円形状の半導体製の平板である。この試料４上に到達した放射光は、ポリシリコン層の上面で反射屈折した放射光と、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屈折された放射光とにより、干渉光が形成され試料４の上方向に放射される。

これらの干渉光は計測ポート１４０，光ファイバ８を含む光伝送手段１５１を介して計測器１５２の分光器１１に導かれ、分光器１１からの出力信号に基づいて被処理材のエッチング量及びマスク材の膜厚やプロセス（ここではエッチング）の終点の判定の処理が判定装置１０内の計測器制御・演算手段１５３で行われる。

計測器１５２は、分光器１１を有し、また計測器制御・演算手段１５３に含まれる判定装置１０は、計測器から出力されたデータの信号を受けてこれらに所定の処理を行う第１デジタルフィルタ回路１２，２２，微分器１３，２３，第２デジタルフィルタ回路１４，２４、さらに、膜厚さやエッチングの終点といったエッチングの状態を判定に用いられる微分波形パターンのデータベースを記憶する記憶手段である微分波形データベース（微分零クロス時刻蓄積器）１５，２５，微分波形比較器（微分零クロス時刻比較器）１６及びこれら比較器の結果に基づきエッチングの終点や膜厚さを演算して判定する演算器を含む処理状態判定器２６を備えて、膜厚の検出や終点といった処理の状態の判定のための処理が行われる。さらには、本実施例の真空処理装置１は、上記データ信号や処理後のデータ，判定結果を使用者に表示するための表示手段を備えている。

本実施例の半導体製造装置では、半導体ウエハ等の被処理材をプラズマエッチングする際に、予め、被処理材の光学的な物性値を用いて光干渉波形を演算して得られた結果を用いる等して、所定の膜厚に対する干渉光の微分値が零クロスする（あるいは干渉光の実波形が極値をとる）波長群を予め選択して任意の膜厚と、これに対する零クロスが正から負に変わる（あるいは極大値をとる）波長群λ１と零クロスが負から正に変わる（あるいは極小値をとる）波長群λ２とについてのデータを、記憶或いは記録させておくものである。これらのデータは真空処理装置１本体に備えられ、或いは通信可能に構成された、記憶または記録用の装置に記憶／記録される。

そして、実際の試料４の処理においては、これら波長群λ１とλ２の干渉光についてその強度をそれぞれ測定し、測定された干渉光強度の各波長群の微分値が零クロス（極値となる）する時刻を検出し、この零クロスする時刻を所定の値と比較して、被処理材である試料４上の被処理部材の膜厚を判定する、或いは処理により目標とする膜厚や処理の終点に達したか否かを判定するものである。

なお、本実施例では光検出器である分光器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、複数の光検出器を設ければよい。

また、上記実施例のように真空容器２内に光を供給する光源を用いないで、真空容器２内に発生するプラズマ３からの光を利用して試料４表面からの干渉光を分光器１１で受けて得られた出力から試料４の処理の状態を検出してもよい。この場合は、試料４表面からのプラズマ光の反射光が分光器１１に供給されることになる。

また、プラズマ光の変化を計測するため、真空容器２の側壁に計測ポート１６０或いは光学伝送ユニット１６１が内側の光を受光可能に配置され、これにより検出された信号を参照光とする。この参照光は、試料４表面から直接入射する光路を通る光ではなく、かつプラズマ３からの光の変化が検出可能であることが必要であり、本実施例では、プラズマ３の光を側壁に設けた受光器で得ている。なお、計測ポート１６０で受光された真空容器２内の処理室１００からの光は、光学伝送ユニット１６１及びこれと接続された光ファイバ等を介して分光器１１を備えた計測器１５２に伝達される。

発明者らによれば、開発において、半導体ウエハ等の試料上に形成された膜を被処理部材としてこれのエッチング処理を行う場合、特定の膜厚においてその膜厚さの被処理部材から得られる干渉波形データが一方が極大値、他方が極小値となる特定の複数の波長の群が選択でき、これらの極大または極小となる周波数の各々は膜厚によって異なり、膜厚が小さくなるに伴って小さくなるということが判った。

発明者らは、このことから、特定の膜厚について、一方が極大値となる時刻の前後で他方が極小値をとる時刻との間隔を基準として予め設定しておくことで、特定の波長の干渉光において略同時刻で極大値となる（一次微分の値が負方向に零クロスする）及び極小値となる（一次微分の値が正方向に零クロスする）を検出することで、上記特定の膜厚に達したかを判定することができる、という知見を得た。

すなわち、任意の膜厚さにおいて或いは任意の処理中の時刻において、ほぼ周期的に変化する各波長の干渉光のうちで特定の位相となる波長複数からなる組合せが選択され、これらの波長がその特定の位相となることを検出することで、処理が前記任意の膜厚さに達した、つまり残りの膜厚さを検出することができるというものである。それぞれの特定の位相となったことを検出した波長を少なくとも２つ以上を用いることで、対応する膜厚さを判定する精度が向上する。

また、特定の位相として、極大値，極小値となるものを選択した場合、処理中の干渉光からの信号に含まれる誤差の要因の影響を低減することができ、検出の精度が向上する。また、信号を微分するデータの処理を行うことで、干渉光の強度が変化するその変化の位相を検出する精度が向上する。

光検出器である分光器１１が取り込んだ上記の波長群λ１に含まれる各波長の発光強度は、分光器１１によりサンプリング信号として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て出力される。このような波長群λ１の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。

次に、この時系列データｙijは、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を基にして、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等の記憶装置に収納される。そして、本実施例ではこの平滑化微係数時系列データＤijから干渉光強度の各波長の微分値のパターンを得る。

一方、光検出器２１が取り込んだ上記の波長群λ２に含まれる各波長の発光強度は、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て出力される。このような波長群λ２の複数の特定波長の信号は、時系列データｙ′ijとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。

次に、この時系列データｙ′ijは、第１デジタルフィルタ回路２２により平滑化処理され、平滑化時系列データＹ′ij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Ｙ′ijを基にして、微分器２３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ｄ′ij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２４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Ｄ′ijから干渉光強度の各波長の微分値の実パターンを得る。

また、半導体メモリやハードディスクといった記憶装置内に記録された微分波形データベース１５，２５には、膜厚が変化したことによる上記各波長の干渉光強度データ、あるいはこれらの微分データの波形のそれぞれの値とその時刻が収納される。特に、被処理部材の処理中の時刻の変化に対する各波長の干渉光の強度（以下、干渉波形）の平滑化したデータの１次微分値が山，谷となる極大値，極小値（すなわち、１次微分データ波形の零クロス）となる波長とそれらの時刻Ｔｎ，Ｔ′ｎとが記憶される。つまり、微分波形データベース１５，２５は微分の零クロス時刻が記録され蓄積される装置である。

これら各時刻Ｔｎ，Ｔ′ｎは、その時刻の間の時間の大きさが微分波形比較器１６において、予め設定されるか又は記憶／記録されている所定の値と比較される。ここで、微分波形比較器１６は、微分の零クロス時刻を比較する手段でも有する。これら所定の値よりもＴｎ，Ｔ′ｎ間の時間の大きさが小さい場合には、その時刻Ｔｎ或いはＴ′ｎの前後で被処理部材４０の膜厚さがこれら時刻に対応する所定の値に達したと判定され、被処理部材の膜厚が判定される。

試料４の膜厚を判定した結果は、表示器１７により表示される。

表示器１７は、液晶やＣＲＴを用いたディスプレイや、所定の膜厚や終点に到達したことを光，音等で報知する報知ユニット、あるいはこれらの組合せ等が考えられる。本実施例は、計測データをグラフとして表示するディスプレイと、光または音で報知するユニットとを備えた表示器１７を備えている。

また、上記のように、微分波形データベース１５，２５には、被処理対象である試料４からの干渉光の微分波形データの変化が記憶されるとともに、干渉波形のデータが極値
（極大値，極小値。即ち、微分データ波形の零クロス）をとる時刻が、すなわち、膜厚が変化したことによる干渉光強度の山や谷の時刻についてのデータが記憶されている。このようにして微分波形データベース１５，２５に記憶された情報は、例えば、エッチング処理を行った際の所定の範囲の波長について、処理中の所定の時刻での干渉光のデータの値は、上記表示器１７に送信されてこの表示器１７上に表示される。

また、本実施例では、複数の波長の干渉光について、その微分値が零を通過する（１次微分値の正から負への零クロスは干渉波形の極大、負から正への零クロスは干渉波形の極小となる）時刻についてのデータも、表示器１７上に表示可能に構成されている。

さらに、本実施例の装置では、表示器１７に表示される計測データを用い、この表示されたデータを視認した使用者が望む特定の情報を表示したり、特定の情報を検出または演算するために必要な情報を使用者に指定させたりする機能を備えている。これらの量を所定の位置に使用者が認識し易く表示する機能等を備えている。

例えば、表示器１７上に表示された時間−波長の座標上の特定の点や任意の点、或いはそのデータを指定するためのポインタ等の指定機能や、指定した点におけるデータの値やこれらの値から特定の量、例えば、特定の時刻間の時間や波長，エッチングの速度や膜厚等エッチングの状態を示す量を演算あるいは検出する機能を備えていても良い。

上記の量を演算するためのユニットは、装置に備えられた演算器でもよく、装置とは距離が離れた場所に配置され計測または検出したデータを通信ユニットを介して授受可能な別の演算器を用いても良い。

なお、図１においては、エッチング量の測定装置の機能的な構成を示したものであり、表示器１７と分光器１１を除いた判定器１０の実際の構成は、ＣＰＵや、エッチング深さ及び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。これは、以下説明する他の実施例についても同様である。

図２に、本実施例の処理装置における処理の一例として、ゲートエッチング処理に用いられる半導体ウエハ等の被処理材である試料４の縦断面形状の例を示す。

この図において、処理対象の膜である被処理部材（ポリシリコン）４０は、試料（ウエハ）４の上に下地材である酸化膜４２上に形成されており、さらにこの被処理部材４０上にマスク材４１が積層されている。この試料４に対して、例えば、ゲート膜のエッチングを行う場合、被処理部材４０の下地材は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。

また、各素子のゲート電極部４８の独立動作を保証するための素子分離部４９が酸化膜により形成されている。また、本実施の例では、“マスク材４１の下部の酸化膜４２による素子分離部（Shallow Trench Isolation，ＳＴＩ）４９が形成された側方に”ゲート電極部４８が構成されており、ゲート電極部４８での酸化膜４２の厚さよりも素子分離部
４９での酸化膜４２の膜厚さが大きくされ、素子分離部４９が左右のゲート電極部を４８区画している。

このような構成の試料４の表面に対して、分光器１１或いはプラズマ３から放出された複数の波長域に亙る光は、被処理部材４０と下地材である酸化膜４２の積層構造を含む試料４にほぼ垂直な入射角で当てられる。酸化膜（下地材）４２が薄いゲート電極部４８へ導かれた放射光は、被処理部材４０の上面で反射した放射光と、被処理部材４０と下地材である酸化膜４２との間に形成された境界面で反射した放射光とを含み、これらの箇所で反射されて試料４の上方放射された反射光によって干渉光９５Ａが形成される。

また同様に、酸化膜４２が厚い素子分離部４９へ導かれた放射光は、被処理部材４０の上面で反射した放射光と、被処理部材４０と酸化膜４２との間に形成された境界面で反射した放射光とを含み、これらの箇所で反射されて試料４の上方へ放射された反射光により干渉光９５Ｂが形成される。これらの干渉光は下地酸化膜の厚さが薄くなると干渉強度が弱くなるため、干渉光９５Ａ，９５Ｂの強度は９５Ｂ＞９５Ａの関係がある。

反射した干渉光は分光器１１に導かれ、エッチング中の被処理部材４０の層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。分光器１１を通して検出される干渉光は、酸化膜
４２の膜が厚い部分からの干渉光９５Ｂの方が干渉光９５Ａよりも支配的で、本実施例において、干渉光を用いて検出される膜厚、エッチング溝深さ等のエッチング状態は、素子を分離する溝である素子分離部４９上のもの（例えば膜厚４６等）の方が精度が高くなる。

図３は、本実施例の半導体製造装置で検出される干渉光から得られる信号波形のデータであり、複数の波長について、その時間変化を示したグラフである。この図に示すように、幾つかの波長の組合せで、一方が極値（極大値）となる時刻の前後の時刻で、データが極小値となる波長を選択できることが分かる。さらに、発明者らは、２つの波長のそれぞれで極大−極小となる時刻の間の時間差が、処理が進むにつれて（残りの膜厚が減少するに伴って）小さくなり、この時間差と膜厚との間に相関関係があるという知見を得た。

また、ほぼ同時刻で一方で極大値（１次微分値が負方向に０クロス）、他方で極小値
（１次微分値が正方向に０クロス）する特定の波長（群）の対を検出することで残り膜厚（エッチング（溝）深さ）や処理の終点を判定することができる、あるいは、特定の対の２つの波長のそれぞれで極大−極小となる時刻の間の時間差を判定することで残り膜厚
（エッチング（溝）深さ）や処理の終点を判定することができる、という知見を得て、本発明を想起したものである。

図４は、図１に示す処理装置の動作の流れを示し、特に、被処理部材のエッチングの状態を検出してエッチング処理を調節する動作の流れを示す図である。

本実施例において、半導体製造装置は、ステップ４００で、被処理部材４０であるポリシリコン膜に対するエッチング処理の条件を取得する。このステップでは、予め記憶装置，記録装置等に記憶，記録された処理条件のデータベース上の情報を受信しても良く、また、使用者が上記表示器１７に備えられたキーボード，マウス等の入力装置によって入力したものを受信しても良く、或いは、予め半導体ウエハ等の試料４を収容したカセットや試料４自身に記録された膜の構成を示すデータを取得して、図示してはいない演算ユニット等で検出しても良い。

次に、ステップ４０１において、上記微分データ記憶装置に記憶されたデータを用いて、あるいは別の記憶／記録装置上に記憶／記録された各波長と各強度の微分データとを比較して、エッチング状態を判定するための波長群λ１，２を検出する。さらには、上記１次微分が零クロスとなる時刻同士の時間差について基準となる時間差ΔＴを設定する。

ステップ４０２，４０３，４０４では、実際の試料４を処理して得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ４０１で設定した判定用の波長群λ１，２の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが零クロスとなる時刻Ｔ１，Ｔ２を演算する。

ステップ４１８は、上記の通り、微分波形比較器１６を用いてステップ４０４で演算したＴ１，Ｔ２との時間差（Ｔ１−Ｔ２又はＴ２−Ｔ１）とステップ４０１で設定された基準となる時間差ΔＴとを比較する。Ｔ１−ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴを満たさない、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差より時間差ΔＴの方が小さいと判断されると、所望の膜厚に達していないと判定されてステップ４０３に戻り、被処理部材４０の処理を継続する。

一方、Ｔ１−ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴを満たす、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差よりΔＴの方が大きいか又は等しいと判断されると、所望の膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定され、ステップ４１４に進みエッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う。本実施例は、ここでエッチングを停止し、分光器１１を介した波長群λ１，２の干渉光のサンプリングも停止する。

このように、上記実施例では、任意の膜厚さにおいて或いは任意の処理中の時刻において、ほぼ周期的に変化する各波長の干渉光のうちで特定の位相となる波長複数からなる組合せが選択され、これらの波長がその特定の位相となることを検出することで、処理が前記任意の膜厚さに達した、つまり残りの膜厚さを検出し、或いは所定の膜厚さとなったことを判定している。それぞれの特定の位相となったことを検出した波長を少なくとも２つ以上を用いることで、対応する膜厚さを検出，判定する精度が向上する。また、特定の位相として、極大値，極小値となるものを選択しており、処理中の干渉光からの信号に含まれる誤差の要因の影響を低減することができ、検出の精度が向上する。また、信号を微分するデータの処理を行うことで、干渉光の強度が変化するその変化の位相を検出する精度が向上する。

さて、発明者らによれば、酸化膜４２の影響を考慮した被処理部材（ポリシリコン膜）４０の干渉について検討した結果、ポリシリコン４０がエッチングされ膜厚が変化した時に現れる干渉波形は下地膜である酸化膜４２の厚さに影響を受けることがわかった。

図５（ａ），（ｄ）及び図６（ａ），（ｂ）は、図１の真空処理装置１でエッチング処理を行う際に、測定した波長４００ｎｍ及び測定波長３８０ｎｍの干渉光のデータについての微分値が負より正に零クロスするポリシリコン膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が正より負に零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。

図５（ａ）は、被処理部材４０であるポリシリコン膜の厚さが前後６０ｎｍである場合において、検出された値を１次微分して得られたデータが負から正に変化して零クロスする（実データが極小値に達する）波長４００ｎｍの干渉光に対応して判定されるポリシリコン膜厚の値の変化を、下地酸化膜の厚さの変化に対して示したグラフである。この図に示されるように、判定されるポリシリコン膜厚の値は、下地の酸化膜４２の厚さ約１３０ｎｍ毎におよそ周期的に変化する。これは、被処理部材４０であるポリシリコン膜の干渉が繋がって下地の酸化膜４２の干渉が続くためである。すなわち、判定される上記膜厚は、sin(４πｎｄ／λ) の周期性を持っていると考えて良い。ここで、ｎは酸化膜４２の屈折率、ｄは酸化膜の厚さ、λは干渉光の波長である。

図５（ｂ）に、波長４００ｎｍの干渉光の微分データが負から正に変化して零クロスする時刻の前後で、その微分データが正から負に変化する零クロスを行う(極大値に達した)干渉光の波長群を示す。図に示されるように、その波長群は約４３０から５００ｎｍにわたり存在する。したがって、波長４００ｎｍの干渉光と約４３０から５００ｎｍの波長群の干渉光とを測定することにより、酸化膜４２の大まかな厚みを判定することができる。

例えば、検出した波長４００ｎｍの干渉光を微分して得られたデータが極値となった時刻と波長４４０ｎｍの干渉光の微分データが極値となった時刻とが一致した（或いはこれらの時刻の間隔が所定の値以内であった）場合には、下地の酸化膜４２の厚さを約数ｎｍ〜１３０ｎｍ、約１７０ｎｍ〜２６０ｎｍ、または約３３０ｎｎｍ〜３８０ｎｍと対応つけることができる。

また、波長４００ｎｍと、波長４４０ｎｍ並びに４８０ｎｍの零クロスが一致した（或いはこれらの零クロスが生じる時刻間の時間差が所定の値以内であった）場合に、下地の酸化膜４２の膜厚さは約１４０ｎｍ〜１７０ｎｍ、約３００ｎｍ〜３３０ｎｍであると対応つけることができる。さらに、予め定められた試料４の仕様が有れば、これを考慮すると、さらに下地の酸化膜４２の膜厚が限定される。例えば、本実施例では酸化膜４２の厚さを約３００〜３３０ｎｍであるとする。

このようにして求められ限定された酸化膜４２の厚さを用いることで、波長群λ１の検出対象の波長の干渉光の微分データが負から正に零クロスする時刻に（或いは所定の値以内の時間に）その微分データが正から負に零クロスする波長群λ２の波長域は、酸化膜
４２の膜厚さが限定されない場合と比べてより小さい範囲となる。

図６（ａ）は、検出された値を１次微分して得られたデータが負から正に変化して零クロスする（実データが極小値に達する）波長３８０ｎｍの干渉光に対応して判定されるポリシリコン膜厚の値の変化を、下地の酸化膜４２の膜厚さの変化に対して示したグラフである。また、図６（ｂ）は、検出対象の波長３８０ｎｍの干渉光の微分データが負から正に変化して零クロスする時刻の前後で、その微分データが正から負に変化する零クロスを行う（極大値に達した）干渉光の波長群λ２の波長をしたグラフである。

これら図に示すように、酸化膜４２の膜厚さを約３００ｎｍ〜３３０ｎｍであると限定して判定することで、酸化膜４２の膜厚さを限定しない場合に得られる被処理部材４０の判定された膜厚（４８ｎｍ〜５６ｎｍ）及び波長域（約４１０ｎｍから４５０ｎｍ）と比べて、約５２ｎｍ〜５５ｎｍ及び約４１０ｎｍ〜４２０ｎｍとなり、判定する膜厚の精度の向上、さらには波長域の狭帯域化がなされている。

さて、上記した酸化膜４２の影響を考慮してポリシリコン膜である被処理部材４０の干渉光を解析した結果によると、被処理部材４０がエッチングされその膜厚が変化した時に現れる干渉光は、酸化膜４２の厚さによってその波長域をグループ分けでき、処理中に変化する被処理部材４０のポリシリコン膜の厚さに応じてこのグループを適宜、選択／設定することにより被処理部材４０のポリシリコン膜の厚さを測定できることがわかった。次に、この知見に基づいた実施例を述べる。

図１４は、図１に示す実施例を用いて、下地として特定の厚さの酸化膜を有する被処理部材（ここではポリシリコン膜）を処理した際に被処理部材の表面から得られた干渉光の各波長での強度を示した図である。左側のグラフは縦軸に波長を、横軸に被処理部材の膜厚（或いは処理時刻）をとって、干渉光の強度変化を示したものであり、右側のグラフは、左側のグラフ上に点線で示す特定の時刻の３００ｎｍ未満の波長から７００ｎｍ以上の波長にわたる波長域の強度の変化を示すグラフである。

この図のように、干渉光は、特定の波長の前後で急激な変化を示し、その強度の微分データは大きく上下していることが分かった。

図１５（ａ），１５（ｂ）は、図１４と同様に、縦軸に波長、横軸に膜厚（処理時刻）をとって、干渉光の強度変化を示したものであり、図１５（ａ）では、被処理部材４０であるポリシリコン下方に形成された膜である酸化膜４２の厚さが２９０ｎｍの場合、図
１５（ｂ）は、下地の酸化膜４２が３３０ｎｍの場合である。

これらの図から分かるように、発明者らは、下地の酸化膜４２からの反射により試料４表面からの干渉光が影響を受け、上記特定波長の前後での急激な変化を生じる。さらに、下地の酸化膜４２の厚さによって、干渉光の微分データの強度が大きく上下に変化する波長の値が変化し、この波長と下地酸化膜４２の厚さとに相関関係があることが判った。そこで、本実施例において試料の処理状態を判定するために選択する波長群は、上記急激な変化が生じている特定波長を考慮して選択される必要が有り、特定波長の値に影響を与える下地の酸化膜４２の厚さの値に応じ波長群はグループ分けされる必要が有る。例えは、後述するようにこの急激な変化が生じている波長の範囲を避けて、上記波長群が選択される。本発明の実施例はこの知見に基づいて想起されたものである。

図７は、グループ分けした下地の酸化膜１ｎｍ〜１０ｎｍにおける干渉光のデータが正から負へ、または負から正へ零クロスする干渉光の波長の被処理部材（ポリシリコン）の膜厚への依存性を示す。図中、実線は干渉光のデータの１次微分値が負から正へ零クロスするものであり、破線は正から負へ零クロスするものである。また、□印は上記微分したデータの値が負から正へ零クロスする（実データ値が極小値となる）際にその膜厚が判定されて検出されたポリシリコン膜の厚さの値の各最大，最小，平均膜厚を示す。

この図に示されるように、１次微分値が零クロスする波長はポリシリコン膜厚に対してほぼ直線的に変化する。このことから、この近似直線を用いることで目当てとして検出しようとする膜厚で１次微分値が零クロスする波長が決定される。例えば、検出しようとする膜厚が５０ｎｍである場合には、波長約４２５ｎｍの干渉光（のデータの１次微分値）が負から正へ零クロスし、また波長約５７５ｎｍの干渉光が正から負へ零クロスする。こうして、検出を必要とする膜の厚さの範囲に対応して、検出に用いられる干渉光の波長と膜厚さとの関係を示す直線群とこれら直線上の波長群が得られる。

また、図に示す矩形領域枠は、検出の目標とする膜厚複数に対して膜厚判定を行うための零クロス波長を決める近似直線を選択する領域を示している。例えば、目標膜厚領域
（１２０〜８８ｎｍ）は負から正への零クロス波長は近似直線ｙ＝０.４０２６ｘ−
７６.４８８で、正から負への零クロス波長はｙ＝０.３１４１ｘ−６２.４２８により得ることができる（領域（ｉ））。ここで、ｙは目標膜厚、ｘは干渉光の波長である。また、目標膜厚領域（８８〜６５ｎｍ）は負から正への零クロス波長はｙ＝０.２２６９ｘ−４７.４７９で、正から負への零クロス波長はｙ＝０.３１４１ｘ−６２.４２８により得ることができる（領域（ii））。目標膜厚領域（６５〜３８ｎｍ）は負から正への零クロス波長はｙ＝０.２２６９ｘ−４７.４７９で、正から負への零クロス波長はｙ＝0.1418ｘ−３３.８７１により得ることができる（領域 (iii)）。目標膜厚領域(３８〜２０ｎｍ)は正から負への零クロス波長はｙ＝０.１４１８ｘ−３３.８７１により得ることができる（領域（iv））。目標膜厚領域（２０〜１０ｎｍ）は負から正への零クロス波長はｙ＝
０.０４９５ｘ−１５.５４８により得られる（領域（ｖ））ことを示している。

このように、それぞれの領域において、正から負への零クロス波長の直線と負から正への零クロス波長の直線とが対として選択できるようにされており、ポリシリコン膜厚さに対応して上記対に対応した波長の対が選択され膜厚さ、終点を検出または判定することが可能となる。すなわち、下地酸化膜の厚みによるグループ分けを行うと共に、目標の膜厚に対する零クロス波長の近似直線を目標膜厚領域により選択／設定することにより精度良い膜厚判定を行うアルゴリズムが構築できる。

図８は、下地酸化膜厚みが２７０ｎｍ〜３４０ｎｍであるグループにおいて、上記零クロス波長の近似直線と目標膜厚領域を示すグラフである。図１５に示すように、特定波長（この場合約４７０ｎｍ）の前後で干渉光の強度（の１次微分データ）が大きく変化するので、これを避けて波長群を選択する必要が有り、図８ではこの急激な変化の範囲以外で近似した直線を選択している。

すなわち、酸化膜４２の影響を受ける被処理部材４０の干渉光では、このグループにおいては、下地酸化膜による干渉の周期性(約１３０ｎｍ)のために、干渉波長約４５０ｎｍ〜５００ｎｍにおいて干渉波形の歪みが生じる。膜厚判定用波長を設定する際、この歪みによる判定ミスをさけるため近似直線は約４５０ｎｍ〜５００ｎｍ波長域を避ける必要があることがわかった。

そこで、図示するように、各目標の膜厚の領域（（ｉ）〜（viii））に対応して近似直線を選択する。これら選択した直線に対応して、それぞれの領域における目標となる膜の厚さに応じた検出されるべき干渉光の波長が得られ、こうして得られた波長群の干渉光の一次微分データが零クロスすることを検出することで、被処理部材４０の膜厚さが目標の膜厚さに達したことが判定される。

図９は、上記したポリシリコンの干渉波形解析結果を用いた処理装置の動作の流れを示し、特に、被処理部材のエッチングの状態を検出してエッチング処理を調節する動作の流れを示す図である。

本実施例において、半導体製造装置は、ステップ９００で、被処理部材４０であるポリシリコン膜に対するエッチング処理の条件（エッチング放電条件，エッチング残膜厚さや下地酸化膜厚さ）を取得する。次に、ステップ９０１では、予め記憶装置，記録装置等に記憶，記録された目標膜厚に対する１次微分値が負から正へ零クロスする波長の近似直線と、１次微分値が正から負へ零クロスする波長の近似直線とより、２つの波長群λ１，２の判定に用いる波長を選択し、その波長と零クロス方向、さらには、上記逆の極値となる時刻同士の時間差について、基準となる時間差ｄＴを設定する。

ステップ９０２，９０３，９０４では、実際の試料４を処理して得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ９０１で設定した判定用の波長群λ１，２の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが極値となる時刻ｔ１，ｔ２を演算する。

ステップ９０５は、上記の通り、微分波形比較器１６を用いてステップ９０４で演算したＴ１，Ｔ２との時間差（Ｔ１−Ｔ２又はＴ２−Ｔ１）とステップ９０１で設定された基準となる時間差ｄＴとを比較する。｜Ｔ１−Ｔ２｜≦ｄＴを満たさない、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差より時間差ｄＴの方が小さいと判断されると、所望の膜厚に達していないと判定されてステップ９０３に戻り、被処理部材４０の処理を継続する。一方、｜Ｔ１−Ｔ２｜≦ｄＴを満たす、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差よりｄＴの方が大きいか又は等しいと判断されると、所望の膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定され、ステップ９０９に進みエッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う。

本実施例は、ここでエッチングの処理を停止し、分光器１１を介した波長群λ１，２の干渉光のサンプリングも停止する。

図１０に、本発明の実施例によって判定したポリシリコン膜厚の下地酸化膜依存性を示す。図より、下地酸化膜１ｎｍ〜１０ｎｍの領域おけるポリシリコンの膜厚判定（膜厚
９０ｎｍから１０ｎｍの範囲）が約±２ｎｍ精度で行えることがわかる。

次に、本発明の別の実施例について、図１１を用いて説明する。

この実施例は目標となる膜厚さ以外に、その膜厚より厚い膜厚さに処理が到達したことすなわち、試料４の被処理部材４０の厚さが目標の膜厚より大きな値を経過したことを検知することにより処理の終点や膜厚さの検出，判定の信頼性を向上するものである。ここでは、この目標膜厚より厚い膜厚を通過膜厚と呼ぶ。この通過膜厚を検知し、目標膜厚の判定を開始することにより、目標膜厚が薄い場合における誤判定を抑制できる。

本実施例において、ステップ１１００で半導体処理装置は、被処理部材４０であるポリシリコン膜に対するエッチング処理の条件（エッチング放電条件，エッチング残膜厚さや下地酸化膜厚さ）を取得する。次に、ステップ１１０１では、予め記憶装置，記録装置等に記憶，記録された目標膜厚に対する１次微分値が負から正へ零クロスする波長の近似直線と１次微分値が正から負へ零クロスする波長の近似直線とにより２つの波長群の判定に用いる波長を選択し、その波長と零クロス方向、上記逆の極値となる時刻同士の時間差について基準となる時間差ｄＴを設定する。さらには、目標膜厚に応じて設定される通過膜厚に関しても、予め記憶装置，記録装置等に記憶，記録された通過膜厚に対する１次微分値が負から正へ零クロスする波長の近似直線と１次微分値が正から負へ零クロスする波長の近似直線とより２つの波長群の判定に用いる波長を選択し、その波長と零クロス方向を設定する。

例えば、下地酸化膜１ｎｍ〜１０ｎｍのグループにおける目標膜厚１０ｎｍの場合、この目標膜厚での通過膜厚は１００ｎｍ，５０ｎｍ，４０ｎｍが対応しており、通過膜厚
１００ｎｍの判定波長は４３０ｎｍの正から負への零クロスと５１０ｎｍの負から正への零クロス検知、通過膜厚５０ｎｍの判定波長は４２５ｎｍの正から負への零クロスと580ｎｍの負から正への零クロス検知、そして、通過膜厚４０ｎｍの判定波長は３８０ｎｍの正から負への零クロスと５００ｎｍの負から正への零クロス検知、そして、目標膜厚の判定波長は５００ｎｍの正から負への零クロス検知が設定される。この通過膜厚の検知後の目標膜厚判定により、判定波長は５００ｎｍの正から負への零クロスを誤検知することなく判定できる。

ステップ１１０２，１１０３，１１０４では、実際の試料４を処理して得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ１１０１で設定した通過膜厚用の２つの波長群の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが極値となる時刻ｔ１，ｔ２を演算する。

ステップ１１０５は、上記の通り、微分波形比較器１６を用いてステップ１１０４で演算したｔ１，ｔ２との時間差（ｔ１−ｔ２又はｔ２−ｔ１）とステップ１１０１で設定された基準となる時間差ｄＴとを比較する。

｜ｔ１−ｔ２｜≦ｄＴを満たさない、すなわち、ｔ１，ｔ２との時間差より時間差ｄＴの方が小さいと判断されると、所望の通過膜厚に達していないと判定されてステップ1103に戻り、被処理部材４０の処理を継続する。一方、｜ｔ１−ｔ２｜≦ｄＴを満たす、すなわち、ｔ１，ｔ２との時間差よりｄＴの方が大きいか又は等しいと判断されると、所望の通過膜膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定され、ステップ１１０６に進み目標膜厚の判定を行う。

ステップ１１０６，１１０７では、試料４の処理中に得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ１１０１で設定した目標膜厚判定用の２つの波長群の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが極値となる時刻Ｔ１，Ｔ２を演算する。

ステップ１１０８は、上記の通り、微分波形比較器１６を用いてステップ１１０７で演算したＴ１，Ｔ２との時間差（Ｔ１−Ｔ２又はＴ２−Ｔ１）とステップ１１０１で設定された基準となる時間差ｄＴとを比較する。

｜Ｔ１−Ｔ２｜≦ｄＴを満たさない、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差より時間差ｄＴの方が小さいと判断されると、所望の膜厚に達していないと判定されてステップ１１０６に戻り、被処理部材４０の処理を継続する。一方、｜Ｔ１−Ｔ２｜≦ｄＴを満たす、すなわち、Ｔ１，Ｔ２との時間差よりｄＴの方が大きいか又は等しいと判断されると、所望の膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定され、ステップ１１０９に進みエッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う。

本実施例は、ここでエッチングを停止し、分光器１１を介した干渉光のサンプリングも停止する。

なお、目標となる膜厚さを判定する際、複数の通過膜厚を設定し、それらの通過膜厚と通過時刻より目標膜厚を予測してエッチングを終了しても良い。例えば、通過膜厚として、１００ｎｍから３０ｎｍまでを１０ｎｍ毎に設定し、それぞれの通過時刻を測定する。そして、それらの通過膜厚と通過時刻を用いて、例えば回帰直線を求め、この回帰直線より目標膜厚に達する時刻を算出し、その時刻で判定する。

また、干渉波形測定においては、干渉光を得るための光源の突然の光量変動やプラズマ光の突然の光量変動が起こりえる。このような場合、上記した膜厚さの判定のために選択した２つの波長群以外の干渉波長を同時に測定し、その干渉波形の１次微分値が正（又は負）の値であるかどうかを検知する。この検知により、上記した光変動のようなすべての波長域における同様な変動がある場合における干渉波形判定の誤動作を防ぐことができる。

この干渉波形判定の誤動作を防ぐための干渉波形の波長はその干渉波形の変曲点、すなわち、２次微分の零クロス位置より得ることができる。

図１２，図１３に、本実施例の装置において、干渉波形判定の誤動作を防ぐための干渉波形波長の近似直線を下地酸化膜１ｎｍ〜１０ｎｍのグループと下地酸化膜２７０ｎｍ〜３４０ｎｍのグループとに分けた例を示す。このように干渉波形波長の近似直線を、検出すべき対象に応じて分けられた波長のグループ各々において設定することで、誤動作を抑制し、精度の高い検出が行える。

次に、上記実施例の変形例について、図１６を用いて説明する。

上記図１４，図１５に示したように、下地の酸化膜の厚さによっては被処理部材及び下地材で反射されて生じる干渉光は、特定の波長の前後でその値（及び微分値）が急激な変化を示し、その強度の微分データは大きく上下していることが分かる。発明者らは、下地の酸化膜４２の厚さによって、干渉光の微分データの強度が大きく上下に変化する波長の値が変化し、この波長と下地酸化膜４２の厚さとに相関関係があることから、下方の酸化膜の厚さを、その上方にある被処理対象の膜のエッチング処理の際に得た干渉光のデータを用いて検出できるとの知見を得た。次に説明する本発明の変形例はこの知見に基づいて想起されたものである。

図１６は、図１４，図１５に係る干渉光を得た図１に示す実施例の真空処理装置の動作の流れを示す流れ図である。この図に示されるのは、図４に示す本発明の実施例の変形例である。

本変形例は、ポリシリコン膜のゲートエッチングをする際に、波長が約３００ｎｍから７００ｎｍ領域の波長の干渉光強度を検出しその微分データを得て、ポリシリコンの被処理部材４０の膜厚が減少する際に、零クロスする（極値となる）波長が、順次短波長側にシフトする性質とは異なり、下地の酸化膜厚によって、長い波長の側の波長より先に短い側の波長がする性質を利用して、その反転する波長から下地酸化膜厚を算出するものである。

これにより、これまで任意のサンプルとなるウエハを選んで計測して判定していた、下方の膜（下地酸化膜）の厚さを、その上方の膜を処理する際の干渉光のデータを用いることで検出できるので、サンプルの計測を行うために低下していたスループットや製造コストの上昇を抑制できる。

さらに、このように、算出された下地酸化膜の厚さを用いて被処理部材である、ポリシリコンの所定膜厚判定の精度を向上することが可能である。

図１５では、被処理部材（ポリシリコン）膜に対するエッチング条件（エッチング放電条件，エッチング残膜厚条件）を入力し（ステップ１５００）、エッチング残膜厚条件よりデータ記憶装置に記憶されたデータから“判定用２波長群λ１，λ２とそれぞれの零クロス方向と判定時間の幅ΔＴとの設定する”（ステップ１５０１）。

次に、試料４のエッチング開始及びサンプリング開始し（ステップ１５０２）、“分光器からの多波長出力信号ｙｉ，ｊから微係数時系列データＤｉ，ｊを算出し（ステップ
１５０３）、“ ”微係数時系列データＤｉ，ｊとＤｍ，ｊの零クロス時刻ＴｉとＴｍとが反転する波長λｉを算出する（１５０４）。”ここで、ｉは長波長側を、ｍは短波長側の測定波長である。

下地酸化膜の影響がない波長領域では、時刻ＴｉとＴｍとはＴｉ＜Ｔｍの関係が成り立つが、下地酸化膜の影響がある波長領域では、時刻ＴｉとＴｍとはＴｉ＞Ｔｍとなる。この波長λｉを予めデータベースとして持っている下地酸化膜厚と歪み波長値により下地酸化膜を算出する（ステップ１５０５）。算出した下地酸化膜厚を用いて、微分零クロステーブルから判定用２波長群λ１，λ２との再設定を行う（ステップ１５０６）。さらに、再設定された判定用２波長群λ１，λ２の干渉波形の微分処理を行う(ステップ１５０７)。

次いで、ステップ１５０１で設定された基準となる時間差ΔＴと、零クロス時刻Ｔ１とＴ２との時間差との比較、すなわち、Ｔ１−ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴを満たすか否かの判定（ステップ１５０８）により、エッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う（ステップ１５０９）。時間差ΔＴと零クロス時刻Ｔ１とＴ２との時間差との比較（Ｔ１−
ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴを満たすか否かの判定：ステップ１５０８）がＮＯの場合は、ステップ１５０３から動作を繰り返す。ただし、下地酸化膜が算出できた時には、ステップ１５０３から処理１５０５は必ずしも行わなくてもよい。

一方、ステップ１５０８でＹＥＳと判定されると、ステップ１５０９に進みエッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う。

このようにして、従来技術において行われていたサンプルウエハを用いた測定により、処理のスループットやコストの上昇が生じていたのに対し、本発明では、上層の膜を製品として処理した際に得られたデータから下層の膜厚を検出することができ、装置を用いた全体としての処理のスループットが向上し、コストの上昇を低減できる。

本願発明に係る半導体製造装置に係る第１の実施例について構成の概略を縦断面とブロックとを用いて示す図である。第１の実施例における処理対象となるウエハ上の構成及び光の干渉の概略を示す模式図である。第１の実施例で光の干渉を用いて得られるデータの例を示すグラフである。図１に示す処理装置の動作の流れを示し、特に、被処理部材のエッチングの状態を検出してエッチング処理を調節する動作の流れを示す図である。図１に示す実施例における干渉光のデータの微分値が零クロスするポリシリコン膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。図１に示す実施例における干渉光のデータの微分値が零クロスするポリシリコン膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。グループ分けした下地酸化膜１ｎｍ〜１０ｎｍにおける干渉波形が正から負へ、または負から正へ零クロスする波長のポリシリコン膜厚依存性を示す。下地酸化膜厚みが２７０ｎｍ〜３４０ｎｍのグループに対する、零クロス波長の近似直線と目標膜厚領域を示す。図１に示す実施例にかかる半導体処理装置においてポリシリコンの干渉波形解析結果を用いた動作の流れを示す図である。図１に示す実施例にかかる半導体処理装置によって判定したポリシリコン膜厚の下地酸化膜依存性を示す図である。本発明の別の実施例に係る半導体処理装置の動作の流れを示す図である。干渉波形波長の近似直線を示すグラフである。干渉波形波長の近似直線を示すグラフである。本発明の他の実施例に係る半導体処理装置により得られた干渉波形を示すグラフである。本発明の他の実施例に係る半導体処理装置により得られた干渉波形を示すグラフである。図１３または図１４に係る実施例の半導体処理装置の動作の流れを示す流れ図である。

符号の説明

１…真空処理装置、２…真空容器、３…プラズマ、４…試料、１０…判定装置、１１…分光器、１２，２２…第１デジタルフィルタ回路、１３，２３…微分器、１４，２４…第２デジタルフィルタ回路、１５，２５…微分波形データベース(微分零クロス時刻蓄積器)、１６…微分波形比較器（微分零クロス時刻比較器）、２６…処理状態判定器（終点判定器）、４０…被処理部材（ポリシリコン）、４１…マスク材、４２…酸化膜、４６…膜厚、４８…ゲート電極部、４９…素子分離部、１００…処理室、１０１…磁場形成手段、
１０２…側壁、１０３…真空室、１０４…真空排気系、１０５…圧力制御手段、１１０…アンテナ、１１１…円板状導電体、１１２…誘電体、１１３…誘電体リング、１１４…ハウジング、１１５…プレート、１１６…ガス供給手段、１２０…アンテナ電源系、１２１…アンテナ電源、１２２，１２４,１２５,１３５…マッチング回路・フィルタ系、１２３…アンテナバイアス電源、１２６…導入端子、１３０…下部電極、１３１…静電吸着装置、１３２…試料台リング、１３３…絶縁体、１３４…バイアス電源、１４０，１６０…計測ポート、１５１…光学伝送手段、１５２…計測器、１５３…計測器制御・演算手段、
１５４…システム制御手段、１５５…制御インタフェース、１６１…光学伝送ユニット。

Claims

容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、
前記処理の所定の間前記ウエハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の時間変化を検出する検出器と、
前記２つの波長のうち一方の波長の光についての時間変化量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との間の時間と所定の値とを比較して、前記エッチング処理の状態を判定する判定手段とを備えた半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置において、前記判定手段は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理される前記膜の厚さを判定する半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置において、前記判定手段は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理を停止する半導体製造装置。
容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置された半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間前記ウエハ表面からの光の干渉を検出する検出器と、前記検出器から出力された少なくとも２つの波長のうち一方の波長の光についての時間変化量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との間の時間と所定の値とを比較する手段と、この比較手段からの出力を受けて前記エッチング処理を調節する制御装置とを備えた半導体製造装置。
請求項４記載の半導体製造装置において、前記制御装置は、前記時間が前記所定の値以下になったと判定された場合に前記エッチング処理を停止する半導体製造装置。
容器内に配置されその表面に形成された第１の膜とこの膜の上方に形成された第２の膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、
前記第２の膜がエッチング処理される所定の間の前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量の時間変化を検出する光検出器と、前記検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記第１の膜の厚さを検出する検出手段とを備えた半導体製造装置。
請求項６記載の半導体製造装置において、前記光検出器が前記ウエハ表面からの干渉光の量の時間に伴う変化を複数の波長について検出すると、前記検出手段は前記光検出器の出力の特徴的な変化を検出する半導体製造装置。