JP2009117685A - ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を備えた半導体素子のプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理の終点を高精度に検知して高精度加工を実現するプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】Ｗを含む膜２０５の処理終点を波長３６８〜４１６ｎｍ、４２４〜６８４ｎｍ、４１６〜４２４ｎｍのプラズマ発光および波長４００〜９００ｎｍの範囲において３種類以上の波長を１０ｎｍ以下の波長ごとに選択した反射光を使用して判定し、ＴｉＮ膜２０３の処理終点を波長４００〜４１０ｎｍのプラズマ発光を用いて判定し、ＴａＳｉＮ膜２０４の処理終点を波長４３５〜４４５ｎｍのプラズマ発光を用いて判定し、膜２０３膜２０４を含む膜の処理終点を波長２６０〜４６０ｎｍの範囲において３種類以上の波長を５ｎｍ以上の波長ごとに選択した反射光を使用して判定し、各材料層のエッチング進行を検知しながらプラズマ処理を行うｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細半導体素子の加工方法にかかわり、とくにｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を備えた半導体素子の微細化に適したプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスの微細化と高機能化に伴い、半導体素子の構造も、微細かつ複雑になってきている。例えば、ゲート絶縁膜と呼ばれる部分の厚みはわずか数ｎｍになり、ゲート電極と呼ばれる部分の横幅にも、わずか数ｎｍの加工精度が要求されている。さらには、プラズマエッチングに対するマスク材も多層化しており、かつ数ｎｍの加工精度が要求されている。

プラズマエッチングにおいて、所望の形状を得るための重要な概念のひとつに、選択比という概念がある。従来のシリコン主体のトランジスタの加工においては、例えば、シリコン酸化物を残してシリコンだけをエッチングしたい場合には、エッチングガスに酸素を添加することで、シリコンのエッチング速度を高く保ったままシリコン酸化物のエッチング速度を下げることができ、したがって、シリコン酸化物に対するシリコンの選択比が向上するので、目的が容易に達成された。

シリコンを主体とした半導体素子を加工する際に、光の干渉を用いて処理の終点を検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３８５４８１０号公報

従来のゲート絶縁膜を備えた半導体素子にあっては、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜を使用し、ゲート電極に多結晶質シリコンを使用し、マスク材にいわゆるフォトレジストと呼ばれる樹脂や、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜などが使用された。しかし、さらに高性能で微細な半導体デバイスを作成するには、前述のようなシリコン主体の半導体では物理的限界があることが知られている。この物理的限界を克服するために、ゲート絶縁膜にはＨｉｇｈ−ｋ材、ゲート電極の最下層または全体に金属材（メタル材）を使用する、いわゆるＨｉｇｈ−ｋ／メタル構造が採用されるようになってきた。Ｈｉｇｈ−ｋ材とは、ＳｉＯ_２よりも誘電率の高い材質を指し、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＨｆＯ_２、ＨｆＳｉＯＮ、ＨｆＳｉＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３などの酸化物が主なものである。これにさらにＭｇやＭｏなどのほかの元素が混入されることもある。さらに、メタル材には大きくわけて３種類ある。１つ目は、シリコンゲートでＰ型と呼ばれるゲートに相当する材料で、例えばＴｉＮなどのＴｉを含む材料がある。２つ目は、シリコンゲートでＮ型と呼ばれるゲートに相当する材料で、例えばＴａＳｉＮ、ＴａＮなどの、Ｔａを含む材料がある。ＴｉやＴａなどの金属は、半導体の電気特性を制御するために使用されている。３つ目は、単に電気伝導率を向上するための目的で採用される材料で、例えばＷなどがある。ＴｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮなどのゲート電極は、その下に位置するｈｉｇｈ−ｋ材、例えばＨｆＳｉＯと接触してＰ型またはＮ型としての特性を得ることができる。

しかし、ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造においては、本発明の発明者らによれば、所望の結果を得るには全ての材料を同じようなエッチングガスで処理する必要があり、したがってシリコン主体の半導体素子（トランジスタ）におけるエッチング処理よりも選択比を得にくいことがわかった。エッチングガスに酸素を添加することで一部の選択比を向上させることは可能であるが、酸素を添加したことによりメタル材が酸化されてしまい、結果として所望の電気特性を発揮できなくなることが懸念される。

本発明は、ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、半導体素子のプラズマ処理の終点を高精度に検知することで高精度加工を実現することができるプラズマ処理方法を提供することを目的としている。

すなわち、本発明は、上記のような微細かつ金属薄膜からなるゲート電極を持つｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のエッチング加工において、所望の加工形状が得られるように正しくエッチング終点を検出する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、Ｗを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長３６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から２種類以上の波長を５０ｎｍ以下の間隔で選択して監視することで判定し、ＴｉまたはＴａを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から２種類以上の波長を６４ｎｍ以下の間隔で選択して監視することで判定する。

上記課題を解決するために、本発明は、金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、Ｗを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長３６８ｎｍから６８４ｎｍの範囲の波長を監視することで判定し、Ｔｉを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４００ｎｍから４１０ｎｍの範囲の波長を監視することで判定し、Ｔａを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４３５ｎｍから４４５ｎｍの範囲の波長を監視することで判定する。

本発明は、金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、Ｗを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長３６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から５０ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長３６８ｎｍから６８４ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視し、Ｔｉを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から６４ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４００ｎｍから４１０ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視し、Ｔａを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から６４ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４３５ｎｍから４４５ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視することで判定する。

本発明は、前記ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、被処理膜の表面から反射される反射光では被処理膜の残り厚みを判定できない場合に、直前に処理された同じ構成のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子における同一材料層の膜厚変化速度を用いて、現に処理されている半導体素子の被処理膜の処理速度を推定する。

本発明は、前記ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、被処理膜の表面から反射される反射光では被処理膜の残り厚みを判定できない場合に、処理中に得られる検出値を用いて現に処理されている半導体素子の被処理膜の処理速度を推定する。

本発明は、前記ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、Ｔｉを含む膜と、Ｔａを含む膜のどちらか一方の面積が被処理物全体の処理面積に対して非常に小さい場合に、面積が比較的大きい膜の処理速度をもとに面積が比較的小さい方の膜の処理速度を推定する。

本発明によれば、ｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造を有する半導体素子のプラズマエッチングにおいて、正しいタイミングで処理の終点を検知することができ、選択的エッチングの難しいｈｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造においても所望の加工形状を得ることができる。

以下に本願発明の前提となる技術を、添付図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、前提技術と同様の機能を有するものは、前提技術で使用した符号と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

まず、プラズマエッチング装置と、半導体被処理物の構造について説明する。図１は、プラズマエッチング装置の構造の一例である。被処理物をプラズマ処理するためのプラズマ処理室１１内には、処理ガスを供給するガス供給手段１２、処理ガスを排気しプラズマ処理室１１内の圧力を制御するバルブ１３、ガス排気手段１４、および圧力計１５が備えられている。また、プラズマ処理室１１内にプラズマ１６を生成するためのプラズマ生成手段１７が備えられており、プラズマ生成手段１７には、該手段に電力を供給する電源１８とインピーダンスを調整するためのチューナ１９が備えられている。さらに、プラズマ処理室１１内には被処理物（半導体ウェハ）２０を支持するステージ（被処理物支持台）２１が設置されており、ステージ２１には、該ステージに電圧を印加するためのＲＦ電源２２とインピーダンスを調整するためのチューナ（整合機）２３が備えられている。

本発明では、このようなプラズマエッチング装置に、本発明の必要性に応じて下記の項目を備える。後述する前提技術および本発明に必要な項目は、プラズマ１６の発光を受光する受光部２４と、受光した光のうち特定の波長における発光強度を読み取る分光器２５と、分光器２５と受光部２４を接続する光伝達手段２６と、分光器２５が受けた光を信号として受信し、分析する計算機２７からなる第１の終点検出系である。第１の終点検出系は、プラズマエッチング装置におけるプラズマの発光状態を検出して、被処理物のエッチング量やエッチング終点到達などのエッチングの状態を検知する手段である。

または、計算機２７は、プラズマ１６の発光を受光し分析する装置であるだけではなく、圧力計１５の検出値、バルブ１３の開度、電源１８および電源２２が印加する電力や、チューナ１９およびチューナ２３が設定したインピーダンスなどの値を収集し（以下、これらの値を装置データと呼ぶ）、これらを分析してプラズマエッチング装置およびプラズマ１６の状態を検出する装置であってもよい。あるいは、計算機２７は装置データとプラズマ１６の発光の両方を収集してプラズマの状態を分析・検出し、エッチングの状態を検知する装置であってもよい。

また、計算機２７が装置データを収集する手段は図示しないが、電気的または光学的な配線、無線による信号の伝達など、いかなる手段を用いてもよい。本発明では、受光部２４に相当するものとして石英レンズを使用し、光伝達手段２６に相当するものとして光ファイバを使用し、分光器２５に相当するものとして、Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ社製のＳＤ２０００を使用した。計算機２７の詳細な構造については、後に具体的に述べる。受光部２４の設置位置は、図１では処理室１１の底面となっているが、プラズマ１６の発光を受光できれば任意の位置でよい。

また、後述する従来技術２において必要な項目は、被処理物２０の表面から放出された光（反射光）を読み取る受光部２８と受光した光のうち特定の波長における発光強度を読み取ることのできる分光器２９と、分光器２９と受光部２８を接続する光伝達手段３０と、分光器２９が受けた光を信号として受信し、分析しエッチング処理の終点を検出する計算機２７である。もちろん計算機２７は、受光部２４から収集した光や装置データを用いて反射光に任意の演算を施してもよい。

プラズマエッチング装置は、装置全体を制御する制御部３２を有している。制御部３２は、計算機２７の分析結果などに基づいて、プラズマエッチング装置の動作を制御する。

次に、本発明においてもプラズマエッチング処理の対象となる、Ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造の半導体素子の代表的な例を、その断面を模式的に示す図である図２（ａ）を用いて説明する。ｈｉｇｈ−ｋメタル構造の半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）単結晶基盤２０１の上に、Ｈｉｇｈ−ｋ材膜２０２、Ｐ型ゲート材膜２０３とＮ型ゲート材膜２０４、ゲート材膜２０５、マスク材膜２０６、反射防止膜（ＢＡＲＣ）２０７、フォトレジストのマスクパターン２０８を積層して構成される。Ｐ型ゲート材膜２０３とＮ型ゲート材膜２０４はそれぞれ例えばＦＥＴのゲート電極が配置される箇所に設けられる。

シリコン単結晶基盤２０１には、図示しない素子分離層やウェルなどが形成される。本発明では、Ｈｉｇｈ−ｋ材２０２にＨｆＳｉＯＮを使用し、その厚さは２ナノメートル（ｎｍ）とした。Ｐ型ゲート材２０３にＴｉＮを、Ｎ型ゲート材２０４にＴａＳｉＮを使用し、その物理的厚みは１０ｎｍとした。ゲート材２０５にＷを使用し、その物理的厚みは５０ｎｍとした。マスク材２０６にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を使用し、その厚みは、反射防止膜やフォトレジストの材質・厚みなどの露光条件に従って適切に調整した。

図２（ａ）を用いて説明したＨｉｇｈ−ｋ／メタル構造をプラズマエッチングでゲート電極の形状に形成するには、各層に下記のガスを使用した。まず反射防止膜２０７をエッチングすると同時にマスクパターン２０８の横幅を細らせるために、最初１５秒はＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを圧力１．０Ｐａで用いた。次いで、反射防止膜２０７がエッチングされて下地のマスク材２０６が露出するまで、ＨＢｒガスとＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを圧力０．４Ｐａで使用した。

次に、下地のゲート材２０５が露出するまで、ＳＦ_６ガスとＣＨＦ_３ガスとＡｒガスの混合ガスを圧力１．２Ｐａで用いてマスク材２０６をエッチングした。さらに、Ｐ型ゲート材２０３とＮ型ゲート材２０４が露出するまで、ＣＦ_４ガスとＣｌ_２ガスとＮ_２ガスの混合ガスを用いて圧力０．４Ｐａでゲート材２０５をエッチングし、最後にＨｉｇｈ−ｋ膜２０２が露出するまで、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスとＮ_２ガスの混合ガスを用いて圧力０．５ＰａでＰ型ゲート材２０３とＮ型ゲート材２０４をエッチングした。以上の工程が終わると、得られる形状は電子顕微鏡で観察した断面図である図２（ｂ）のようになる。図２（ｂ）の形状を概念的に説明したのが、図２（ｃ）である。

その後、場合によっては残されたフォトレジスト２０８と反射防止膜２０７をＯ_２ガス０．４Ｐａを用いて除去する場合もあり、また、Ｈｉｇｈ−ｋ膜２０２を、基盤２０１が露出するまで三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）ガスとＣＦ_４ガスの混合ガスなどでエッチングする場合もある。

以上に述べたものが、典型的なｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造とそのプラズマエッチング方法である。これ以外に、ゲート材２０５にＷではなくＰｏｌｙ−Ｓｉを使う場合があり、その場合、ゲート材２０５の処理ガスはＣｌ_２ガスとＨＢｒガスとＯ_２ガスの混合ガスを使用することが多く、それに希ガスを添加することがある。また、Ｎ型ゲート材２０４を使用せず、ゲート材２０５が直接ｈｉｇｈ−ｋ材２０２に接触する構造を使用する場合もある。さらに、Ｎ型ゲート材２０４の直下とＰ型ゲート材２０３の直下にそれぞれ異なる組成のｈｉｇｈ−ｋ材を使用する場合もあるが、これらのｈｉｇｈ−ｋ材をプラズマエッチングで除去する場合にも、塩素とフッ素のどちらかひとつ以上を含んだ混合ガスで処理されることが多い。

以上に説明した処理条件では、マスク材（ＳｉＮ）２０６、ゲート材（Ｗ）２０５、Ｐ型ゲート材（ＴｉＮ）２０３およびＮ型ゲート材（ＴａＳｉＮ）２０４、ｈｉｇｈ−ｋ材（ＨｆＳｉＯＮ）２０２の処理ガスが非常に似通っているために、それぞれの膜を選択的にエッチングすることができない。例えば、マスク材２０６のエッチングが完了したことを適切に検知できなければ、その下層のゲート材２０５のエッチングが進行してしまう。この問題は、それぞれの膜の界面についても同様である。そのため、これらｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造においては、下地膜が露出したことを適切に検知する方法が必要である。

以上、図１に説明したプラズマエッチング処理装置で図２に示した被処理物をプラズマエッチング処理する場合において、前提となるエッチング方法を、前提技術１として以下に述べる。この前提技術１は、プラズマの発光のうち１種類以上の波長の光を選択し、この波長での発光強度の時間変化を受光部２４で監視することによるエッチング処理の終点を判定する方法である。

前提技術１によれば、例えば、フォトレジストからなるマスク材２０８の終点検出に有効な波長は、３８５ｎｍから３９５ｎｍである。そのほかには、４１２ｎｍから４２５ｎｍの波長が挙げられる。これらの波長の発光強度が急速に弱くなり、所定の強度以下になった時点をマスク材２０８のエッチング終点とすればよい。

例えば、Ｗからなるゲート材２０５の終点判定は、波長３６８ｎｍから４１６ｎｍ、波長４２４ｎｍから６８４ｎｍを用い、これらの波長の発光強度が低下して所定の値になったとき、あるいは波長４１６ｎｍから４２４ｎｍを用い、これらの波長の発光強度が増加して所定の値になったとき、もしくは、両者を満足するときに終点とすればよい。

Ｐ型ゲート材料２０３であるＴｉＮの終点判定は波長４００ｎｍから４１０ｎｍを用い、Ｎ型ゲート材料２０４であるＴａＳｉＮの終点判定は波長４３５ｎｍから４４５ｎｍを用いることが好適である。

これらの波長の発光強度が終点判定に有用な理由は、被処理物である膜が除去されて下地の膜が露出した場合に、プラズマと被処理物との化学反応の仕方が変化し、結果としてプラズマの状態が変化するためである。

上記のような終点を観測するには、プラズマ発光の上記波長の光を受光部２４が受光し、光伝達手段２６を介して分光器２５が検知してそれぞれの波長に分光し、分光器２５が出力した各波長毎の発光強度信号に基づいて計算機２７が各処理膜の処理の終点を判定して処理の終点であるときに終点信号を出力し、終点信号出力を見てエッチング装置の運転者が被処理膜のエッチングを終了する。あるいは、計算機２７が自動的に終点を判断してエッチングを終了する。

上記の動作を行う計算機２７は、図３に示すように、入力部２７１と、波長選択部２７２と、演算部２７３と、終点判定基準記憶部２７４と、終点判定後動作記憶部２７５と、波形記憶部２７６とを備えている。演算結果は、告知部３１に出力される。

入力部２７１は、受光部２４が受光したプラズマ発光から分光した各波長の強度である分光器２５の出力を読み取る手段である。波長選択部２７２は、所定の膜の処理の終点を判定するために必要な波長を記憶しておく手段である。演算部２７３は、入力部２７１の入力信号を読み取り、波長選択部２７２に記憶された終点判定波長を選択し、波形記憶部２７６に記憶された関数Ｉ（時間の経過に伴うそれぞれの波長における発光強度の変化のパターン）を参照して所定の膜のエッチング処理の終点を演算する。演算結果は、ＣＲＴや液晶のディスプレイなどの告知部３１に送られ操作者に告知される。

告知部３１は、電子メール発信装置や音声発生装置であってもよい。エッチング装置の運転者は、告知部３１によって告知された演算結果を元にエッチング装置を操作する。操作に必要な手動入力装置は、エッチング装置が備えてもよいが、計算機２７が備えた方が複雑な操作ができて好適である。入力装置（図示しない）には、例えば、マウス、タッチペン、タッチパネル、キーボード、ボタン、レバー、音声認識装置などが使用できるが、任意の方法でよい。

運転者による判断と手動での操作によらずに、計算機２７が自動でエッチングの終点を判断し、エッチング装置を操作する場合には、さらに終点判定基準記憶部２７４と、終点判定後動作記憶部２７５を備えているとよい。この場合、演算部２７３は、終点判定基準に関するデータおよび終点判定のための演算手順を格納した終点判定基準記憶部２７４および波形記憶部２７６から、必要なデータと演算手順を読み出したあと、演算手順にしたがって入力部２７１からの入力を演算し、エッチング処理の終点を検出したと判断した場合には、終点判定後動作記憶部２７５に記憶された終点判定後の動作手順に従ってエッチング装置の終点判定後の動作を行う。このために必要なエッチング装置の制御部３２と計算機２７との通信手段は図示しないが、例えば、電気的配線、光学的配線、あるいは無線などのいずれの手段を用いてもよい。

演算部２７３が、終点判定基準記憶部２７４と波形記憶部２７６から必要なデータと演算手順を読み出し、終点判定を判断するまでの詳細を以下に述べる。入力部２７１からの入力信号は、例えば波長λと時刻ｔの関数として読み込まれた、発光強度関数Ｉ（λ、ｔ）とする。この関数Ｉ（λ、ｔ）は、分光器２５の性能上、波長λに対応したピクセルごとに離散化されていたり、強度がΔＩごとに離散化されていたり、時間ｔがΔｔごとに離散化されていたりするが、説明の便宜上、関数Ｉ（λ、ｔ）を連続的な関数とする。離散化されているか連続的かは、本発明の本質的な部分ではなく、その実施を妨げもしない。

演算部２７３は、時間間隔Δｔごとに入力部２７１からの実時間の関数Ｉ（λ、ｔ）を読み取る。ここで、演算方法が指定されていればその演算方法によって終点判定を演算し、指定されていなければそのままの関数Ｉ（λ、ｔ）を用いる。終点判定のための演算とは、例えば、時間微分や時間での２階微分、２種類以上の波長間での発光強度の四則演算や多変量解析などである。そして、いずれの演算方法が指定されているにせよ、演算された値がある閾値σの値を横切る時刻を以ってエッチングの終点とする。

以上のことから、終点判定基準記憶部２７４が記憶し、演算部２７３が読み出すべきデータなどは、時間間隔Δｔの値と、閾値σ、演算方法とである。Δｔが常に一定の場合は、Δｔの値を終点判定基準記憶部２７５に記憶させる必要も、演算部２７３が読み出す必要もない。

ここで、終点判定に好適な演算の一例は、例えば、時間に関する１次微分または２次微分の値が閾値σ＝０を横切る時刻である。時間微分を計算するにあたっては、時刻Δｔごとの差分値を計算することも有用であるが、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法が望ましい。Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法を用いる場合には、微分に使用する時間区間を終点判定基準記憶部２７５が記憶し、演算部２７３がそれを読み出す必要がある。

あるいは、多変量解析によって、近似的に単位階段曲線θ（ｔ−ｔ_０）を構築してもよい。単位階段曲線θ（ｔ−ｔ_０）は、例えばｔ＜ｔ_０のときにはθ（ｔ−ｔ_０）＝０、ｔ≧ｔ_０のときにはθ（ｔ−ｔ_０）＝１となるような関数である。つまり、単位階段関数ではｔ_０が終点時刻に相当する。このような単位階段関数を用いると終点判定に便利であり、これを多変量解析により近似的に構成して使用することもある。すなわち、ある２種類以上の波長λ_１、…λ_ｎを選択し、ΣＡ_ｋＩ（λ_ｋ、ｔ）≒θ（ｔ−ｔ_０）、あるいはθ（ｔ−ｔ_０）の定数倍となるようフィッティングパラメータＡ_ｋを決定することである。ここで、Σは、添え字kについての和を意味している。フィッティングパラメータＡ_ｋの決定には、最小二乗法などを使用すればよい。このようにして構成した、近似的な単位階段曲線ΣＡ_ｋＩ（λ_ｋ、ｔ）は、時刻ｔ_０を境に明確に０から１に変化するわけではないので、このときも０＜σ≦１なる閾値σを設定して、近似的な単位階段曲線ΣＡ_ｋＩ（λ_ｋ、ｔ）が閾値σを横切るときをもってエッチングの終点ｔ_０を判定すればよい。あるいは、これと類似して、関数Ｉ（λ_ｋ、ｔ）の時間１階微分であるｄＩ（λ_ｋ、ｔ）／ｄｔの線形結合により、時間微分の線形結合式ΣＡ_ｋｄＩ（λ_ｋ、ｔ）／ｄｔで近似的にδ関数やガウス型関数、ローレンツ型分布関数などのピーク関数を形成し、そのピークを以って終点を判定してもよいし、あるいはバイポーラー関数を作成してそのゼロクロス点を以って終点を判定してもよい。上記のような近似的に関数を作成する手法において、任意の階数の時間微分の線形結合式ΣＡ_ｋｄ^ｎＩ（λ_ｋ、ｔ）／ｄｔ^ｎを用いてもよい。

この場合、終点判定基準記憶部２７４は、２種類以上の波長λ_１、…λ_ｎのセットと、各フィッティングパラメータＡ_ｋの値と、閾値σを記憶すればよく、演算部２７３は読み出した波長λ_１、…λ_ｎのセットと、各Ａ_ｋの値とを用いて、入力部２７１から読み出した関数Ｉ（λ_ｋ、ｔ）を元に、ΣＡ_ｋＩ（λ_ｋ、ｔ）を演算し、閾値σの値と比較すればよい。

上述の例では、終点判定の例として、発光スペクトルの関数Ｉ（λ、ｔ）の変化を利用する方法について述べたが、下地膜の露出によるプラズマの変化は、例えば圧力計１５やバルブ１３の開度、電源１８および電源２２が印加する電力や、チューナ１９およびチューナ２３が設定したインピーダンスなどの装置データの変化として現れるため、これらの装置データを用いて、類似の演算を行うことによっても終点判定が達成される。

以上、本発明の前提技術１として、プラズマの発光強度や装置データを使用して終点を検出する方法を述べた。しかし、厳密な意味での終点をこの方法で正確に検知するには、終点前と終点後とでエッチングを停止して取り出し、被処理物２０の表面や断面を観察したり、膜厚を測定したりして、終点の信号と考えているものが本当に下地の膜の露出の瞬間を意味しているのかを確認しなければならない。このような方法は時間がかかる上、エッチング途中で取り出した被処理物のエッチングを再開しても正常な結果が得られる可能性は少なく、したがって無駄に不良品を発生させる元になる。被処理物を取り出さずに実時間で被処理物の状態を検知する方法が望ましい。また、前提技術１では、下層の膜が露出した場合にしか終点を検知できないが、被処理膜の厚みを数ｎｍ程度残して処理を終了あるいは処理条件を変更した方が、より高精度で複雑な加工を行える場合もある。このような処理は、前提技術１では実施できない。

この問題を解決するための、前提技術２を述べる。前提技術２では、図１の装置において、さらに、受光部２８と分光器２９と光伝達手段３０と計算機２７からなる第２の終点検出系を使用する。受光部２８は、被処理物２０の表面から発せられる光（反射光すなわち干渉光）を受光できるようになっている。被処理物２０の処理が進行すると、表面状態が変化し、結果として光の反射率などの光学特性が変化する。そのため、被処理物２０に光を照射するなどの操作を行うと、被処理物２０から発せられる光のスペクトルが変化する。特に、被処理物２０に入射し、反射された光は膜の厚みに応じた干渉波形をつくるので、これを元に被エッチング膜の厚みを計算することができる。このとき、被処理物を照射する光の光源は、プラズマ１６であってもよいし、図示しないレーザー源やＬＥＤ、水銀ランプやハロゲンランプなどの光源を別途設けて使用してもよい。

まず、処理したい被処理物２０に関する光の干渉波形データがない場合には、最初に被処理物２０を１枚エッチングする。このとき被処理物２０の表面から反射された光の強度を、波長λ、時刻ｔの関数Ｉ（λ、ｔ）として波形記憶部（干渉波形記憶部）２７６に格納する。ここで、読み取りは時間Δｔごとに、波長λは対応するピクセルごとに行われるが、前提技術１と同様、説明の便宜上関数Ｉ（λ、ｔ）を連続関数とみなす。連続関数か離散化関数かは、前提技術２の本質ではない。また関数、Ｉ（λ、ｔ）の格納の際に、適当な演算を行って規格化してもよい。格納された１枚目の被処理物の関数Ｉ（λ、ｔ）を、以下では関数Ｉ_１（λ、ｔ）と表記する。以下、関数Ｉの添え字は、何枚目のウェハの処理によって得た関数であるかを示す。

前提技術２では、光源としてプラズマ処理室１１内に発生したプラズマ１６を使用し、Ｐ型ゲート材であるＴｉＮ膜、Ｎ型ゲート材であるＴａＳｉＮ膜をプラズマエッチングしたときの被処理物表面からの反射光を観察し、図４の干渉波形を観測した。図４（ａ）は、ＴａＳｉＮ膜の干渉波形であり、１枚目のウェハの干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ）を、波長λごとに、エッチング時間中の最大値が１、最小値が０になるよう規格化してある。正弦関数や余弦関数に類似した波の形がはっきりと捉えられ、エッチング時間の進行とともに短波長側の発光強度が強くなることがわかる。図４（ｂ）は、ＴｉＮ膜の干渉波形であり、ＴａＳｉＮ膜のエッチングの場合と同様、１枚目のウェハの干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ）を、波長λごとに、エッチング時間中の最大値を１、最小値を０にするよう規格化してある。こちらは正弦関数や余弦関数からゆがんだ形をしているが、これは後述するように、ＴｉＮが光の吸収係数がある程度高い膜であるためである。図４（ｂ）では、３５０、〜４００ｎｍの領域を除いた他の波長λにおいて、エッチングの終了時点では干渉波の強度が０となっている。

ｎ≧２枚目の被処理物２０の処理では、実時間で得られたｎ枚目のウェハの干渉光の強度の関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）と１枚目のウェハの干渉光の強度の関数Ｉ_１（λ、ｔ）とを１種類以上の波長λについて比較することで、膜厚の計算が行われる。ここで、関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）について、関数Ｉ_１（λ、ｔ）と同様、必要な規格化演算を行ってもよい。膜厚の計算例は、具体的には下記の手順である。まず、１枚目の被処理物２０において処理したい膜の処理厚みをＴ_１、エッチング開始時刻をｔ_ｓ１、目的の膜のエッチングが終点に達した終了時刻をｔ_ｅ１とおく。また、１枚目の被処理物２０におけるエッチング速度をＥ_１＝Ｔ_１／（ｔ_ｅ１−ｔ_ｓ１）で定義する。もしも、ｎ枚目の被処理物において、実時間で観測されたウェハの干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）が１枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ）の時刻ｔ´の波形と一致した場合は、残りの厚みは、Ｔ_１―Ｅ_１（ｔ´−ｔ_ｓ１）であると判別がつく。

このとき、ｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）が、時刻ｔ´における１枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ）に一致したかどうかの判別方法はいくつか考えられる。波長λが１種類の場合の第一の方法は、ある波長λについての変化の状態を表す（Ｉ_２（λ、ｔ）―Ｉ_１（λ、ｔ´））^２を計算し、この値が閾値σ_Ｂより小さくなり、かつ最小となるｔ´を読み取る方法である。波長λが２種類以上の場合については、選択された全ての波長λ_ｋについて、Σ（Ｉ_２（λ_ｋ、ｔ）―Ｉ_１（λ_ｋ、ｔ´））^２を計算し、この値が閾値σ_Ｂより小さくなり、かつ最小となる時刻ｔ´を求めればよい。ここでΣは、添え字ｋについての和を意味している。このとき、閾値σ_Ｂより小さな値が得られない状態がしばらく続く場合は、処理異常が起こっているとして処理を停止させたり、処理方法を変更したり、あるいはそのような異常が起こっていることを装置運転者に告知してもよい。この場合、どのタイミングで処理異常と判定させるかの時間も、終点判定基準記憶部２７４に記憶させ、演算部２７３に読み込ませ、処理異常や装置異常の判定に資することができる。閾値σ_Ｂは、運転者が設定することができる値であり、あらかじめ終点判定基準記憶部２７４に記憶させるなどしておき、演算部２７３に読み込ませて使用させる。

また、λが１種類の場合の第二の方法は、２枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_２（λ、ｔ）と１枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ´）の積Ｉ_２（λ、ｔ）Ｉ_１（λ、ｔ´）を計算し、この値が閾値σ_Ｐより大きくかつ最大となる時刻ｔ´を読み取る方法である。波長λが２種類以上の場合については、選択された全ての波長λ_ｋについて式ΣＩ_２（λ_ｋ、ｔ）Ｉ_１（λ_ｋ、ｔ´）を計算し、この値が閾値σ_Ｐより大きくなり、かつ最大となる時刻ｔ´を求めてもよい。ここでΣは、添え字ｋについての和を意味する。このとき、閾値σ_Ｐより大きな値が得られない状態がしばらく続く場合は、処理異常が起こっているとして処理を停止させたり、処理方法を変更したり、あるいはそのような異常が起こっていることを装置運転者に告知してもよい。ここで閾値σ_Ｐは、運転者が設定することができる値であり、あらかじめ終点判定基準記憶部２７４に記憶させるなどしておき、演算部２７３に読み込ませて使用させる。また、どのタイミングで処理異常と判定させるかの時間も、終点判定基準記憶部２７４などに記憶させ、演算部２７３に読み込ませ、処理異常や装置異常の判定に資することができる。

また、例としてｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）を１枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_１（λ、ｔ´）と比較する手法を述べたが、ｍ＜ｎにおけるｍ枚目のウェハの発光強度の関数Ｉ_ｍ（λ_ｋ、ｔ´）と比較してもよい。この場合はｍ枚目のエッチング速度Ｅ_ｍとｎ枚目のエッチング速度Ｅ_ｎがほぼ同じであるとして、エッチング速度をＥ_ｍ＝Ｔ_ｍ／（ｔ_ｅｍ−ｔ_ｓｍ）で定義し（前記式で、Ｅ_ｍはｍ枚目のエッチング速度であり、Ｔ_ｍはｍ枚目の膜厚、ｔ_ｅｍはｍ枚目のエッチング終了時刻、ｔ_ｓｍはｍ枚目のエッチング開始時刻である）、ｍ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｍ（λ_ｋ、ｔ´）とｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）とが一致する時刻ｔ´が得られた際には、ｎ枚目の残り厚みをＴ_ｍ―Ｅ_ｍ（ｔ´−ｔ_ｓｍ）と計算できる。好適には、ｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）を１枚前のＩ_ｎ−１（λ、ｔ´）と比較するのがよい。また、ｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）ではなく、その時間微分ｄＩ_１（λ、ｔ）／ｄｔや、ｋ階微分ｄＩ_１（λ、ｔ）／ｄｔを使用してもよい。時間微分を行うには、時間区間Δｔごとの差分を計算してもよいが、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法がより好適である。

また、時間微分ｄＩ_１（λ、ｔ）／ｄｔを使用して別の方法でも膜の厚みを計算することができる。例えば、ある波長λにおいて、ｄＩ_１（λ´、ｔ´）／ｄｔ＝０となる時刻ｔ´が求められたとする。このとき、時刻ｔ´における膜の厚みは、Ｔ_１―Ｅ_１（ｔ´−ｔ_ｓ１）と求めることができる（前記式で、Ｔ_１は１枚目の膜厚あり、Ｅ_１は１枚目のエッチング速度で、ｔ_ｓ１は１枚目のエッチング開始時刻である）。これを用いて、任意のｎ枚目のウェハの処理においてｄＩ_ｎ（λ´、ｔ）／ｄｔ＝０が観測されたら、それをもとにこの時刻ｔのときの厚みはＴ_１―Ｅ_１（ｔ´−ｔ_ｓ１）であると決定することができる。膜が厚いときには、ｄＩ_１（λ、ｔ）／ｄｔ＝０となる波長λがいくつか存在し、例えばｄＩ_１（λ´、ｔ）／ｄｔ＝０とｄＩ_１（λ´´、ｔ）／ｄｔ＝０となるような波長λ´と波長λ´´が見つかるが、このような場合にも、このときを時刻ｔ´とし、この時刻に対応する厚みをＴ_１―Ｅ_１（ｔ´−ｔ_ｓ１）と定義し、以後、任意のｎ枚目の被処理物の処理においてｄＩ_ｎ（λ´、ｔ）／ｄｔ＝０とｄＩ_ｎ（λ´´、ｔ）／ｄｔ＝０が観測された場合には、この時刻の厚みをＴ_１―Ｅ_１（ｔ´−ｔ_ｓ１）とすることができる。監視しているいくつかの波長λのいずれにおいてもｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ＝０が得られなかった場合には、それ以前の時刻においてｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ＝０が得られたときに計算された厚みと、そのときの時刻からエッチング速度Ｅ_ｎを決定し、それを元に残り厚みをＴ_ｎ―Ｅ_ｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）として計算すればよい。

以上の説明では、時間に関する１階微分を用いたが、もちろんｋ階微分を使用してもよい。

他にも膜厚を計算するための方法が知られているが、既知のいずれの方法を用いてもよい。

以上のような手順でＴａＳｉＮ膜とＴｉＮ膜とＷ膜の膜厚を判定させたのが図５である。

図５（ａ）には、エッチング時間中にＴａＳｉＮ膜の厚みが減少していく様子が確認された結果が０．５秒ごとに刻まれた点で示されている。最初の１２秒はプラズマの発光が安定するのを待つなどの諸準備のための膜厚計算デッドタイムで、この時間帯では膜厚の計算を行わない。このようにしてエッチング中に推定された膜の厚みを、ウェハを外に取り出してからＸ線を用いて測定した結果を図５（ｂ）にまとめてある。図５（ｂ）から、Ｗ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＮのいずれの膜も、およそ１ｎｍの精度で正しく推定できていることがわかる。

また、光の干渉を利用して膜の厚みを計算しているために、プラズマ処理の処理条件が違っていても、ある程度膜の厚みを推定することができる。本発明の発明者らの実験に依れば、Ｃｌ_２ガスとＣＨＦ_３ガスとＮ_２ガスの混合ガスでＴａＳｉＮ膜を処理した際に得られた干渉波形を元に、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスでＴａＳｉＮ膜を処理するときの膜の厚みを推定させたところ、２ｎｍ程度の精度で膜厚を推定することができた（図６（ａ））。実際、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスでＴａＳｉＮ膜を処理したときに得られた干渉波形図６（ｂ）と、ＣＨＦ_３ガスとＣｌ_２ガスとＮ_２ガスの混合ガスで処理したときに得られた干渉波形図４（ａ）を比べてみると、よく似ていることがわかった。

上記のようにして膜厚を計算するには、被処理物２０の表面から放出された光を受光部２８が受光し、光伝達手段３０を介して分光器２９が複数の波長の強度を検知し、分光器２９が出力した信号に基づいて計算機２７が終点信号を演算して出力し、終点信号の出力を見てエッチング装置の運転者が当該膜のエッチングを終了する。あるいは、計算機２７が自動的に終点を判断して当該膜のエッチングを終了する。

上記の動作を行うには、図３に示したように、計算機２７は、分光器２９の出力を読み取る入力部２７１と、膜厚を計算するために必要な波長を記憶しておく波長選択部２７２を備えており、さらに波形記憶部２７６を備えている。また、計算機２７は演算部２７３を備え、入力部２７１の入力信号を読み取り、波形記憶部２７６からすでに格納されている干渉波形を読み出し、波長選択部２７２で指定された波長について必要な演算を行い膜厚またはエッチングの終点を判断する。演算結果は、計算機２７に備えられた、ＣＲＴや液晶のディスプレイなどの告知部３１により告知される。または、電子メールや音声などによってエッチング装置の運転者に告知してもよい。エッチング装置の運転者は、告知部３１に表示された演算結果を元にエッチング装置を操作する。操作に必要な手動入力装置は、エッチング装置が備えてもよいが、計算機２７が備えた方が複雑な操作ができて好適である。入力装置（図示しない）には、例えば、マウス、タッチペン、タッチパネル、キーボード、ボタン、レバーなどが使用できるが、任意の方法でよい。

以上のようなエッチング装置と手順で、干渉波形を用いてエッチング処理中の膜厚を計算できるが、ｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）をｍ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｍ（λ、ｔ´）と比較する手順において、可能な全ての波長λにおける比較を行うと、計算に時間がかかる場合がある。エッチング速度Ｅ_ｎが非常に速い場合、計算に時間がかかると正しい膜厚を計算することができなくなる。そこで、いくつかの波長を選択し、比較する必要がある。本発明の発明者らの検討によれば、ゲート材（Ｗ）２０５のエッチング終点を判定するには、波長３６０ｎｍから９００ｎｍの範囲で２種類以上の波長を選択でき、計算機２７の計算速度が許容できる限り多いほどよいが、計算速度と測定精度を両立させるには、１０種類から３０種類あれば十分であることがわかった。さらには、この波長範囲において波長５０ｎｍ以下の間隔で波長を選択するとより好適である。また、Ｐ型ゲート材（ＴｉＮ）２０３とＮ型ゲート材（ＴａＳｉＮ）２０４のエッチング終点を判定するには、これらが１０ｎｍ程度の厚さの時には、波長２６０ｎｍから４６０ｎｍの範囲で１０種類から３０種類の波長を選択すると膜厚の判定精度が向上することが判った。さらには、この波長範囲において波長２０ｎｍ以下の間隔で波長を選択するとより好適である。１０ｎｍよりも厚いＰ型ゲート材（ＴｉＮ）２０３とＮ型ゲート材（ＴａＳｉＮ）２０４の場合には、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲で１０種類から３０種類の波長を選択すると膜厚の判定精度が向上することが判った。さらには、この波長範囲において波長６４ｎｍ以下の間隔で波長を選択するとより好適である。

上記のような監視波長の種類の制限は、計算機２７の演算速度が限定されたものである場合に必要となる。計算機２７の演算速度が十分に速ければ、監視波長を増やすほど膜厚の計算精度が向上する。したがって、計算機２７が複数の演算部２７３を持ち、それにより演算速度を向上できる場合、または計算機２７と同様の計算機が複数あり、それぞれで演算を分担することで演算速度を向上できる場合は、監視波長の種類を３０種類までに限定することはなく、可能な限り多種類の波長を選択すればよい。

運転者による判断と手動での操作によらず、計算機２７が自動で終点を判断し、エッチング装置を操作する場合には、さらに終点判定基準記憶部２７４と、終点判定後動作記憶部２７５を備えておけばよい。この場合、演算部２７３は終点判定基準記憶部２７４から、必要なデータと演算手順を読み出したあと、演算手順に従って入力部２７１からの入力を演算し、終点の信号を得たと判断した場合には、終点判定後動作記憶部２７５に記憶された動作にしたがってエッチング装置を操作する。このために必要なエッチング装置の制御部３２と計算機２７との通信手段は図示しないが、例えば電気的配線、光学的配線、あるいは無線などのいずれの手段を用いてもよい。

演算部２７３が終点判定基準記憶部２７４から必要なデータと演算手順を読み出し、終点判定を判断するまでの詳細を以下に述べる。入力部２７１からの入力信号は、ｎ番目の被処理物２０の表面から発せられた、ｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）とする。

演算部２７３は、時間間隔Δｔごとに入力部２７１からのｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）を読み取る。ここで、終点判定基準記憶部２７４によって演算方法が指定されていれば演算部２７３は指定された方法に従って演算し、指定されていなければそのままのｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）を用いる。演算とは、例えば時間での１階微分や２階微分、任意のｋ階微分、強度の規格化などである。あるいは、受光部２４から受光され、計算機２７に記録されている発光スペクトルで割り算した値を用いてもよい。そして、いずれの演算方法が指定されているにせよ、実時間で得られているｎ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）などを、干渉波形記憶部２７６に格納されている、ｍ＜ｎにおけるｍ枚目のウェハ干渉光の強度関数Ｉ_ｍ（λ、ｔ´）と比較することにより、膜厚の計算を行う。以上のことから、終点判定基準記憶部２７４が記憶し、演算部２７３が読み出すべきデータは、時間間隔Δｔの値と、演算方法と、閾値σである。時間間隔Δｔが常に一定の場合は、時間間隔Δｔの値を終点判定基準記憶部２７４に記憶させる必要も、演算部２７３が読み出す必要もない。

また、残り膜厚がゼロになった時点を終点とするのではなく、例えば残り膜厚がＴ_ｅになった場合を終点とするのであれば、Ｔ_ｅを終点判定基準記憶部２７４に記憶させ、演算部２７３に読み出させる。

時間微分を計算するにあたっては、時刻Δｔごとの差分値を計算することも有用であるが、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法が望ましい。Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法を用いる場合には、微分に使用する時間区間も終点判定基準記憶部２７４が記憶し、演算部２７３がそれを読み出す必要がある。また、計算機２７に記録されている発光スペクトルで割り算してもよい。また、計算機２７は、プラズマ発光によるエッチング終点の検出と、プラズマ干渉波によるエッチング終点の検出との双方を演算することができる。

また、前提技術２において、例えば、図２に示したＰ型ゲート材２０３とＮ型ゲート材２０４を同時に処理し、かつ同時に膜厚を算出する必要がある場合も存在する。この場合、Ｐ型ゲート材から得られる干渉波形を関数Ｐ_ｎ（λ、ｔ）、Ｎ型ゲート材から得られる干渉波形を関数Ｎ_ｎ（λ、ｔ）とすると、観測される干渉波形の関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）は、その合成関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）＝Ｓ_ＰＰ_ｎ（λ、ｔ）＋Ｓ_ＮＮ_ｎ（λ、ｔ）として与えられる。ここで、Ｓ_Ｐ、Ｓ_Ｎは合成の重みで、例えばＰ型部分とＮ型部分の面積などに依存する。以上からわかることは、処理性能の変化により、例えば、Ｐ型のエッチング速度が速くなり、Ｎ型のエッチング速度が遅くなってしまうと、関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）はいずれのｍ＜ｎにおける関数Ｉ_ｍ（λ、ｔ）とも類似しなくなることである。つまり、２種類の膜を同時処理する場合には、膜厚の判定を正しく行えない場合が起こりうる。

以上のように、前提技術２に依れば、膜の厚みを計算することにより正確な終点判定が可能になる。しかし、Ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造の被処理物では、光の吸収係数の高い材料が多く使われており、したがって、光の干渉波形では精度のよい膜厚計算が行えない場合がある。

例えば、Ｗ膜の場合、本発明の発明者らの実験によれば、光の吸収係数が大きいために、エッチング開始８０秒後まで被処理物２０の表面からの光はほとんど変化しないことがわかった（図７（ａ））。そのため、およそ１０ｎｍ以上の厚みの場合には、図７（ｂ）に示すように、破線で示す推定膜厚にノイズがのったような挙動（実線）を示し、膜厚の推定精度が荒くなることがわかっている。

上記のように、光の吸収係数が大きい物質でも、薄くなれば光の吸収量が低下し、干渉波形を観測することができるので、残り数ｎｍの膜厚を検知したい場合には問題が無い。また、１０ｎｍより厚い膜であっても、干渉波形が大きく変化したことをもって膜の厚みが薄くなったことを検知し、その時点から膜の厚み計算を開始すれば、１０ｎｍ以下の膜厚を推定することは可能である。

しかし、より精度の高いエッチングや、複雑なエッチングが必要な三次元構造のトランジスタ、たとえばＦｉｎ−ＦＥＴと呼ばれる構造の加工には、残り数ｎｍの膜厚からしか厚みを検知できないのでは有効ではない。

そこで、本発明の実施例１では、１枚目の被処理物をエッチングする前に、サンプル２種類以上を１枚ずつエッチングすることでこの問題を解決する。サンプルの構造は、図８（ａ）に示すとおり、Ｐ型の膜と、Ｎ型の膜を別々に備えた２種類を用意する。あるいは図８（ｂ）のサンプルのように、Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材より上部の膜構造をもたないサンプルを使用したほうが、サンプルのコストが安価になるが、厳密には、Ｐ型ゲート材２０３の表面と底部ないしＮ型ゲート材２０４の表面と底部による光の干渉だけでなく、マスクパターン２０８の表面とＰ型ゲート材２０３の表面ないしＮ型ゲート材２０４の表面との段差を起因とする光路長差でも光の干渉が起こるので、図８（ａ）のサンプルを用いることの方が好ましい。このとき、図８（ａ）のサンプルの基盤２０１には、素子分離層やウェルを形成した方が厳密な干渉波形サンプルが得られるが、コストの面を考慮した上で、これらの作成を省略してもよい。

Ｐ型ゲート材（ＴｉＮ）のサンプル（１種類目）とＮ型ゲート材（ＴａＳｉＮ）のサンプル（２種類目）をエッチングしたときの干渉波形をそれぞれＰ_０（λ、ｔ）、Ｎ_０（λ、ｔ）とすると、現にエッチングされているｎ番目の被処理物の干渉波形Ｉ_ｎ（λ、ｔ）からＰ型とＮ型のそれぞれの膜厚を判定させるには、例えば（Ｉ_ｎ（λ、ｔ）−（Ｓ_ＰＰ_０（λ、ｔ´）＋Ｓ_ＮＮ_０（λ、ｔ´´））^２が最小になる時刻ｔ´と時刻ｔ´´を求めればよい。Ｓ_ＰとＳ_Ｎは、前述したように被処理物におけるＰ型とＮ型とが占める割合から決定させればよい。つまり、被処理物表面においてＰ型が占める面積が４０％、Ｎ型が占める面積が６０％ならば、Ｓ_Ｐ＝０．４、Ｓ_Ｎ＝０．６とすればよい。あるいは（Ｉ_ｎ（λ、ｔ）−（Ｓ_ＰＰ_０（λ、ｔ´）＋Ｓ_ＮＮ_０（λ、ｔ´´）））^２が最小になるようＳ_ＰとＳ_Ｎを決定させてもよい。

実施例１を行使する場合には、計算機２７における、例えば干渉波形記憶部２７６にＰ型ゲート材２０３の干渉波形Ｐ_０（λ、ｔ´）とＮ型ゲート材２０４の干渉波形Ｎ_０（λ、ｔ´´）とを記憶させ、さらにＳ_ＰとＳ_Ｎの値をセットで記憶させればよく、演算部２７３は膜厚判定が必要になると、これらの干渉波形とＳ_Ｐ、Ｓ_Ｎの値を読み出す。

しかし、実施例１で紹介した式から明らかなように、例えば極端に、Ｓ_Ｐ＞＞Ｓ_Ｎである場合には、干渉波形からＮ型ゲート材の膜厚を判定させることは難しい。

このような場合には、下記のように対処するとよい。ｍ回目のエッチングにおいて、Ｎ型ゲート材２０４のエッチング速度がＥ_Ｎｍ、Ｐ型ゲート材料２０３のエッチング速度がＥ_Ｐｍであったとする。現にエッチングされているｎ回目のサンプルまでのエッチングデータから、ｍ＜ｎのデータからｋ個のデータを選択して、ΔＥ_Ｎｍ＝Ｅ_Ｎｍ−（１／ｋ）（Σ Ｅ_Ｎｌ）、ΔＥ_Ｐｍ＝Ｅ_Ｐｍ−（１／ｋ）（Σ Ｅ_Ｐｌ）が得られたとする。Σは、選択されたｋ個のデータに含まれる添え字ｌについての和をとることを意味する。ここで、任意のｍに対し、ΔＥ_Ｎｍ＝γ＋δΔＥ_Ｐｍなる関係が回帰分析により認められ、γとδが決定された場合には、以後は任意のｎに対し、関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）からＰ型ゲート材の残り膜厚と、Ｐ型ゲート材のエッチング速度Ｅ_Ｐｎを求め、それによってＮ型ゲート材のエッチング速度Ｅ_Ｎｎ＝（１／ｋ）（Σ Ｅ_Ｎｌ）＋γ＋δΔＥ_Ｐｎを求め、さらにＴ_Ｎｎ（ｔ）＝Ｔ_Ｎｎ−Ｅ_Ｎｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）によってＮ型ゲート材の残り膜厚Ｔ_Ｎｎ（ｔ）を求めればよい。

Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材の２種類に限らず、例えばＨｉｇｈ−ｋ材を２種類用いて両方を同時にエッチングする場合もあり、材料を問わず２種類以上の材料を同時にエッチングしなければならない場合にも、上記の方法は有効である。

また、上記の例では、Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材の参照干渉波形を得るために、サンプルを１枚ずつエッチングする方法を述べたが、それぞれの膜の光学特性、特に複素屈折率が明らかになっている場合は、光学理論を元に干渉波形を構築してもよく、この場合には、膜厚計算に必要な参照すべき干渉波形をとるためのサンプルは１枚も必要ない。この例について具体的に説明すると、複素屈折率をもつ膜による光の干渉は、フレネルの式で説明することができる。この理論波形を、現にエッチングされている被処理物２０から得られる関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）に、最小二乗法などでフィッティングし、膜の厚みを決定してもよいが、このような計算は時間がかかるので、被処理膜の厚みを実時間で求めるのには向いていない。むしろ、被処理膜の厚みが早さＥで減少する場合の理論干渉波形をあらかじめ格納しておき、この理論干渉波形を関数Ｉ_ｒ（λ、ｔ）として、すでに前述した方法、例えば関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）がＩ_ｒ（λ、ｔ´）に一致するような時刻ｔ´を求め、そのときの膜厚をもって被処理膜の残り厚みとするほうがよい。ここで両関数が一致しているか否かについては、これまでに述べた、あるいは既知のいかなる方法を用いてもよい。

なお、光の吸収のない膜の場合には、干渉光が最大あるいは最小となる点をもって、膜の厚みを計算することも可能であり、そのような技術も公開されているが、光の吸収強度が大きい場合には、吸収が原因で波の位相がずれるために、このような最大値や最小値をもとに膜の計算をすることができない。そのため、光の吸収係数の大きな膜をプラズマ処理する場合には、本発明のとおり、参照となる干渉波形を準備し、それと一致する時刻を算出することで膜厚を計算するほうが的確である。

この問題に対処する本発明のエッチング処理方法を、実施例２として説明する。実施例２では、前提技術２および実施例１で使用した受光部２８と、分光器２９と、光伝達手段３０と、計算機２７からなる第２の終点検出系を使用する。

ｎ枚目の被処理物２０を、現にエッチングされている被処理物とする。処理中であるｎ枚目の被処理物の時刻ｔにおける膜厚Ｔ_ｎ（ｔ）は、Ｔ_ｎ（ｔ）＝Ｔ_ｎ−Ｅ_ｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）から計算できる。ここで、Ｔ_ｎは初期の膜厚で、Ｅ_ｎはエッチング速度、ｔ_ｓｎはエッチング開始の時刻である。ここで、光の吸収が強いために干渉波形から膜厚を計算できない場合には、現にエッチングされている被処理物２０のエッチング速度Ｅ_ｎを測定する方法もない。そこで、ｎ枚目のエッチング速度Ｅ_ｎとその１枚前のエッチング速度Ｅ_ｎ−１が等しい（Ｅ_ｎ＝Ｅ_ｎ−１）と仮定し、Ｅ_ｎ−１は、前提技術２における干渉波形から算出すればよい。このようにすることで、光の干渉波形で膜厚を測定できないときにも、ある程度の推測を立てることができる。その後、干渉波形が観測されるようになった時点で、干渉波形による厚みの計算に切り替えればよい。もちろん、干渉波形による厚み計算に切り替えずとも、そのままＴ_ｎ（ｔ）＝Ｔ_ｎ−Ｅ_ｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）なる計算による厚み推定を続けてもよい。しかし、干渉波形による厚み算出の方が高精度な加工が実現でき、好適である。

あるいは、干渉波形から計算したＥ_ｎが、Ｅ_ｎ−１からおおきく外れたときには異常が起きているとして運転者に告知してもよいし、計算部が自動的にエッチング装置を制御してもよい。Ｅ_ｎが、Ｅ_ｎ−１から外れているか否かの判定のためには、例えば判定のための閾値σ_Ｅを設定し、｜Ｅ_ｎ−Ｅ_ｎ−１｜＞σ_Ｅ が認められた場合に、Ｅ_ｎがＥ_ｎ−１から大きく外れたとすればよい。そのため、閾値σ_Ｅを終点判定基準記憶部２７４が記憶し、演算部２７３が読み出すようにすればよい。

ところで、実施例２で膜厚を計算するに当たり、２つの仮定を用いた。１つ目は、現にエッチングしている被処理物の初期膜厚Ｔ_ｎが最初からわかっているものとしたことである。初期膜厚Ｔ_ｎを定めるには、エッチング装置に被処理物２０を搬入するより上流の工程において初期膜厚Ｔ_ｎを測定し、何らかの方法で計算機２７に伝達するか、初期膜厚Ｔ_ｎ＝Ｔ_１なる仮定を用いるしかない。通常は、量産ラインでは被処理物２０の構造がよく管理されているので、初期膜厚Ｔ_ｎはｎに依らず一定で、概ね初期膜厚Ｔ_ｎ＝Ｔ_１なる仮定は成立する。２つ目は、エッチング速度Ｅ_ｎ＝Ｅ_ｎ−１の仮定であるが、この仮定は、処理性能が大きく変化した場合には成立しない。

Ｅ_ｎ＝Ｅ_ｎ−１の仮定が成立しない場合に有効なのが、実施例３である。この実施例では、実施例２と同じく、受光部２４と、分光器２５と、光伝達手段２６と、計算機２７からなる第１の終点検出系と、前提技術２で使用した受光部２８と、分光器２９と、光伝達手段３０と、計算機２７からなる第２の終点検出系の両方を使用する。この両方を用いることにより、現にエッチングされている被処理物の処理速度（エッチング速度）Ｅ_ｎを算出する。

エッチング速度Ｅ_ｎの算出には以下の手続きを用いる。ｍ＜ｎにおいて、ｍ枚目の干渉波形の関数Ｉ_ｍ（λ、ｔ）から計算されたエッチング速度Ｅ_ｍと、Ｅ_ｍが得られたときの発光スペクトルの時間平均、あるいは瞬間的な発光スペクトルの関数Ｊ_ｍ（λ）のセットをｋ（≦ｍ）個だけ記録する。その後、発光スペクトルの関数Ｊ_ｍ（λ）とエッチング速度Ｅ_ｍとの関係を統計解析により関連付け、回帰式を作成する。回帰式の作成には、特定の波長λを選択して発光強度との相関を調べた単回帰分析でもよいが、多変量解析などが有効である。中でも好適なのは、主成分回帰分析である。

主成分解析を用いた場合は、次の手順により回帰式を作成できる。まず、Ｊ_ｍ（λ）を主成分解析により直交関数の和に展開し、発光スペクトルの関数Ｊ_ｍ（λ）＝ｌ_０（λ）＋Σｓ_ｉｍｌ_ｉ（λ）と書き表す。Σは、添え字ｉについての和を表す。ついで、エッチング速度Ｅ_ｍ＝α＋Σβ_ｉｓ_ｉｍなる関係式を回帰分析により決定する。その後は任意のｎについて、直交関数の性質を用いてｓ_ｉｎ＝∫ｄλ（Ｊ_ｎ（λ）−ｌ_０（λ））ｌ_ｉ（λ）を算出し、それに基づいてエッチング速度Ｅ_ｍを決定すればよい。これにより、現に観測されている発光スペクトルの関数Ｊ_ｎ（λ）からエッチング速度Ｅ_ｎを推定することが可能になる。あるいは、ｓ_ｉｎ＝∫ｄλ（Ｊ_ｎ（λ）−ｌ_０（λ））ｌ_ｉ（λ）をエッチング速度Ｅ_ｎ＝α＋Σβ_ｉｓ_ｉｎなる関係式に代入することで、エッチング速度Ｅ_ｎ＝α＋∫ｄλ（Σβ_ｉｌ_ｉ（λ））（Ｊ_ｎ（λ）−ｌ_０（λ））を得れば、ｓ_ｉｎを計算せずとも、発光スペクトルの関数Ｊ_ｎ（λ）から直接エッチング速度Ｅ_ｎを算出することができる。こうして時刻ｔにおける膜厚Ｔ_ｎ（ｔ）＝Ｔ_ｎ−Ｅ_ｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）なる計算により膜厚を計算し、干渉波形による膜厚計算が可能な厚みになったら、干渉波形による厚み計算に基づく終点判定法に切り替えればよい。もちろん、干渉波形による厚み計算に切り替えずとも、時刻ｔにおける膜厚Ｔ_ｎ（ｔ）＝Ｔ_ｎ−Ｅ_ｎ（ｔ−ｔ_ｓｎ）なる計算によって終点判定が十分可能であるが、信頼性においては干渉波形を用いることがより好適である。

または、前述のようにＪ_ｍ（λ）から算出したエッチング速度をＥ_ｎ、干渉波形Ｉ_ｎ（λ、ｔ）から算出したエッチング速度をＦ_ｎとして、例えば｜Ｅ_ｎ−Ｆ_ｎ｜がある正数σ_Ｅを超えたときに処理異常が起きているとして運転者に告知するか、あるいは演算部がプラズマエッチング処理装置を制御してもよい。

以上、実施例３によれば、実施例１においてＥ_ｎ＝Ｅ_ｎ−１という仮定を用いることができない場合でも、エッチング速度を算出することができる。

また、エッチング速度の算出に、実施例２と実施例３では、プラズマの発光スペクトルＪ_ｍ（λ）を用いる例を示したが、装置パラメータを代わりに用いてもよい。この場合、ｘ番目の装置パラメータの値をＪ_ｍ（ｘ）とすれば、λをｘに置き換えて全く同じ議論ができる。あるいは、装置パラメータと発光スペクトルの両方を使用してもよい。

また、膜厚の判定方法として、干渉波形を用いたが、干渉波形の時間微分を用いてもよく、２次以上の高次の時間微分を用いてもよい。これら微分値を計算するには、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌｅｙ法が好適である。微分値を利用すると、発光強度の絶対値に左右されなくなるため、受光部が曇ったりした場合に有効になる。

また、干渉波形の関数Ｉ_ｎ（λ、ｔ）高次の微分値をいくつか同時に利用すると、膜厚の判定精度がよくなる。この例を以下に示す。膜厚を測定するための参照干渉波形としてＩ_１（λ、ｔ´）を用いるとする。前提技術２で説明したように、膜厚を計算するには例えば内積∫ｄλＩ_ｎ（λ、ｔ）Ｉ_１（λ、ｔ´）が最大になる時刻ｔ´を決定すればよい。しかし、Ｉ_ｎ（λ、ｔ）とＩ_１（λ、ｔ´）のどちらも光の強度の揺らぎに起因した誤差をもつため、その分だけ時刻ｔ´の推定誤差が大きくなる。ここで、時間に関する１階微分を加えて、内積∫ｄλＩ_ｎ（λ、ｔ）Ｉ_１（λ、ｔ´）＋∫ｄλ（ｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ）（ｄＩ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ´）が最大になるｔ´を求めるようにすればよい。なぜならば、Ｉ_ｎ（λ、ｔ）は光の強度に起因する揺らぎをもつが、このような揺らぎは偶発的なものなので、時間微分まで含めてＩ_１（λ、ｔ´）に一致する可能性は低いからである。このようにすることで、光の強度に起因する揺らぎがあっても、高い確率で時刻ｔ´を正確に決定することができるようになる。このことについて説明するために、ゲート材のエッチングにおける膜厚判定結果を図９に示した。図９（ａ）のグラフの縦軸は（ｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ）（ｄＩ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ）／（Ｎ_ｎＮ_１）^１／２の値で、横軸はｔ´となっている。ここでＮ_ｋは規格化因子で、Ｎ_ｋ＝∫ｄλ（ｄＩ_ｋ（λ、ｔ）／ｄｔ）^２とした。

この図より、最大値が得られる時刻ｔ´は５７と決定され、この時刻ｔ´に対応する膜厚２１．５ｎｍが残り膜厚として推定される。しかし、このグラフには何箇所か時刻ｔ´が大きくなるところが見られ、こうしたピークの時刻ｔ´を演算部が読み取り、膜厚を誤判定する場合がある。一方、図９（ｂ）では、縦軸を∫ｄλ（ｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ）（ｄＩ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ）／（Ｎ_ｎＮ_１）^１／２／２＋∫ｄλ（ｄ^２Ｉ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ^２）（ｄ^２Ｉ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ^２）／（Ｍ_ｎＭ_１）^１／２／２の値とし、横軸を時刻ｔ´にした。ここで、Ｍ_ｋは規格化因子で、Ｍ_ｋ＝∫ｄλ（ｄ^２Ｉ_ｋ（λ、ｔ）／ｄｔ^２）^２である。この演算処理によって、先の時刻ｔ´＝５７以外のピークが小さくなることがわかる。したがって、このようなピークを演算部２７３が最大値として誤判定することが減り、正しく時刻ｔ´が求められるようになる。

また、上記の方法とは別に、（Ｉ_ｎ（λ、ｔ）―Ｉ_１（λ、ｔ´））^２＋（ｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ―ｄＩ_１（λ、ｔ´））^２や、（ｄＩ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ―ｄＩ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ）^２＋（ｄ^２Ｉ_ｎ（λ、ｔ）／ｄｔ^２―ｄ^２Ｉ_１（λ、ｔ´）／ｄｔ^２）^２が最小になるような時刻ｔ´を求めてもよい。

以上に説明したように、本発明では、膜の残り厚みを計算することで、任意の厚みを残して処理を終了したり、あるいは処理を切り替えたりできる。このような工程は、Ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造のトランジスタを製造する上で非常に有利な効果をもたらす。例えば、ゲート材をエッチングしてＰ型ゲート材とＮ型ゲート材を露出してから、Ｎ型ゲート材とＰ型ゲート材のエッチング速度がほぼ等しくなる処理条件に切り替えたとする。Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材が露出した瞬間にこのような切り替えができればよいが、通常は何秒かの誤差が生じ、ゲート材の処理条件で、露出したＰ型ゲート材とＮ型ゲート材を僅かに処理してしまうことになる。ゲート材の処理条件において、たまたまＰ型ゲート材とＮ型ゲート材のエッチング速度が同じであればよいが、例えばＰ型ゲート材に対してＮ型ゲート材のエッチング速度の方が格段に速い場合、これだけでＰ型ゲート材とＮ型ゲート材の残膜量に相違が生じ、極端な場合にはＮ型ゲート材の処理が完了してしまい、さらに下地のＨｉｇｈ−ｋ材が露出する場合も起こる。このような状態からＰ型ゲート材とＮ型ゲート材のエッチング速度が同じになる処理条件に切り替えても意味が無く、先に露出したＮ型ゲート材の下層にあるＨｉｇｈ−ｋ材にダメージを与える結果となる。

そこで、より好適な処理の方法としては、ゲート材が数ｎｍ（２ｎｍ以上１０ｎｍ以下）残っている間にＰ型ゲート材とＮ型ゲート材のエッチング速度が等しくなる処理条件に切り替える方法がある。このようにすることで、Ｐ型ゲート材の下層にあるＨｉｇｈ−ｋとＮ型ゲート材の下層にあるＨｇｉｈ−Ｋ材の露出のタイミングがほぼ等しくなり、無用なダメージを与えずに済む。

また、上記のようにゲート材が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下残っている間に処理条件を切り替えると、次の利点もある。例えば、プラズマエッチングにおいて、ゲート材の残りの膜厚が１ｎｍといっても、それは平均値であり、部分的にはそれ以上薄くなっていることもある。このような場合、エッチングで除去すべきゲート材がまだ残っているにも関わらず、下地のＰ型ゲート材やＮ型ゲート材のエッチングも開始されてしまう場合がある。このような場合、本発明の発明者らの実験によれば、例えば、Ｎ型ゲート材がエッチングされたときに発生する化学反応生成物が、除去すべきゲート材の表面に付着してしまい、ゲート材のエッチング速度がＰ型ゲート材の上とＮ型ゲート材の上とで異なってきて、その結果、Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材のそれぞれが存在する部分で、処理結果の断面形状が異なることになる。このようなＰ型ゲート材の部分とＮ型ゲート材の部分とで断面形状が異なる場合には、トランジスタの電気特性が十分に発揮されがたい。

このような状況を改善するためには、ある程度ゲート材が残っている時点で、Ｎ型ゲート材の化学反応生成物がゲート材に付着しにくくなるような条件に変更するとよい。具体的には、本発明の実験に使用したＮ型ゲート材はＴａを含んでいるが、Ｔａのフッ化物は蒸気圧が低く付着しやすいために、Ｔａのフッ化物がゲート材の表面に付着するとエッチングを阻害する傾向がある。そこでゲート材がまだ５ｎｍ残っている時点でエッチング条件を変更し、エッチングに使用するガスのうちフッ素の含有比率を下げ、塩素の含有比率を上げたところ、Ｔａの塩化物は比較的揮発しやすいので、これがゲート材のエッチングを阻害することなく、Ｔｉを含むＰ型材の上部にあるゲート材と同じエッチング特性が発揮される。この結果、Ｐ型ゲート材の存在する部分とＮ型ゲート材の存在する部分とで同じようなエッチング結果を得ることができた。

このような条件は多くのメタル材の場合、処理ガス中の塩素原子とフッ素原子の含有比を変えることで実現できる。図１０は、Ｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造に用いられる代表的な材料ＴｉＮとＴａＳｉＮのエッチング速度とエッチングガスの組成との関係を示す。図１０に示すようにＣｌ_２とＣＦ_４の比を変えるとＴｉＮとＴａＳｉＮのエッチング速度は変化して、ＣＦ_４の割合を増やすとＴｉＮの速度は低下して、ＴａＳｉＮの速度は増加する。図に示すようにＣＦ_４の割合が２５％から３５％の範囲では両者のエッチング速度に極端な差はない。これまでの実施例で述べたエッチングの進行度合いを検出して、ＴｉＮ、ＴａＳｉＮが露出する前後を検出して、エッチングガスをＣｌ_２とＣＦ_４の混合比を調整したガス系に切り替えることにより、精度の高いエッチングが可能になる。またフッ素を含むガスはＣＦ_４のほかにはＳＦ_６、ＮＦ_３、ＳｉＦ_４、ＣｌＦ_３や、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６などの各種フロロカーボンガスがあり、一方、塩素を含むガスとしては、Ｃｌ_２のほかにはＢＣｌ_３、ＣｌＦ_３、ＳｉＣｌ_４、ＨＣｌや、ＣＣｌ_４などのカーボンクロライドなどがあり、これら塩素を含むガスとフッ素を含むガスを適量混合したガス系に切り替えればよい。また塩素とフッ素を含むガス系に、希ガスや窒素を混合してもよい。

また、ＴｉやＴａなど多くの金属ではエッチングガスに酸素を添加することによりエッチング速度が小さくなるあるいはエッチングが停止する。光の干渉を用いた監視法により、これらのメタル材の上層（多くの場合多結晶質シリコンあるいはＷ）のエッチングの進行を監視して、上層のエッチングが終了する直前に、エッチングガスを酸素を下地のエッチングがほぼ停止する量添加したガス系に切り替えて、上層の酸化を極力押さえて、上層／メタル界面でエッチングを停止することも可能になる。一旦エッチングを界面にて停止させて、また新たな条件にてＴｉＮ、ＴａＳｉＮなどメタル層をエッチングすることでより高精度のエッチングが可能になる。

また、本発明はエッチング装置の種類（ＥＣＲ、容量結合型、誘導結合型）を問わず、使用することができる。また、ＣＭＰなどの機械研磨にも用いることができる。機会研磨の場合にはプラズマを使用しないので、別途ＬＥＤや水銀ランプなどの光源を使用すれば、本発明の実施が可能である。また、エッチングなどのように膜の厚みを減らす工程だけでなく、膜の厚みを増やすような、例えばＣＶＤやＡＬＤなどの工程にも適用することができる。この場合、光の吸収係数が高い膜では、膜が厚くなるにつれて光の干渉が見えなくなってくる。そこで、膜が薄くて干渉波形が観測できる間に実時間での膜厚計測を行い、成膜速度を算出する。干渉波形を観測できないほど膜が厚くなった状態では、算出しておいた成膜速度を元に、現在の膜の厚みを推定すればよい。

さらに、本発明の効果をさらに向上させるために、次のような改良を行うとよい。例えば、光の干渉による膜厚計算においては、光の偏向を監視するとよりよく膜厚を推定できることが知られている。そのため、受光部に偏光板を取り付け、さらに様々な方向の偏光を監視できるように複数の受光部を設けたり、あるいは偏光板を動かしたりしてもよい。このとき、さらに受光部の視野を動かし、被処理物２０に対する角度をつけてもよい。

また、実施例１で述べたように、Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材の面積が極端に異なる場合もあるので、その場合は、受光部の視野を動かしたり、受光部そのものを動かしたりして、Ｐ型ゲート材とＮ型ゲート材の面積がほぼ等しい領域を観察できるようにしてもよい。このとき、受光部にしぼり機を付加させて、視野の大きさを変更できるようにするとさらに好適である。

本発明を実施するために必要なプラズマ処理装置。 本発明が対象とする被処理物の構造を説明する図。 図１のプラズマ処理装置の計算機２７の構造を説明する図。 プラズマ処理時の干渉波形の一例を説明する図（ａ）ＴａＳｉＮ膜（ｂ）ＴｉＮ膜。 干渉波形に基づく膜厚の計算結果を説明する図（ａ）実時間での推定膜厚の推移（ｂ）処理後の膜厚をＸ線で確認した結果。 膜厚の制定結果を説明する図（ａ）干渉波形を用いてＴａＳｉＮ膜の膜厚を推定した結果ｂ）ＴａＳｉＮ膜の干渉波形。 実施例３に使用するサンプルの構造を説明する図（ａ）正確な参照データを得たい場合のサンプルの構造（ｂ）簡易的に参照データを得たい場合のサンプルの構造。 光の吸収係数が大きいＷ膜をプラズマ処理した場合の実験結果を説明する図（ａ）プラズマ処理中に得られたＷ膜の干渉波形（ｂ）実時間での推定膜厚の推移。 ｔ´測定精度向上を説明する図（ａ）改善前（ｂ）改善後。 ＴｉＮとＴａＳｉＮエッチング速度のフッ素系／塩素系ガスの混合比依存性を説明する図。

符号の説明

１１：処理室、１２：ガス供給手段、１３：バルブ、１４：ガス排気手段、１５：圧力計、１６：プラズマ、１７：プラズマ生成手段、１８：電源、１９：チューナ、２０：被処理物、２１：ステージ、２２：電源、２３：チューナ、２４：受光部、２５：分光器、２６：伝送手段、２７：計算機、２８：受光部、２９：分光器、３０：伝送手段、３１：告知部、３２：制御部、２０１：Ｓｉ基板、２０２：Ｈｉｇｈ−ｋ材、２０３：Ｐ型ゲート材、２０４：Ｎ型ゲート材、２０５：ゲート材、２０６：マスク材、２０７：反射防止膜、２０８：マスクパターン、２７１：入力部、２７２：波長選択部、２７３：演算部、２７４：終点判定基準記憶部、２７５：終点判定後動作記憶部、２７６：波形記憶部。

Claims (7)

1. 金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、
   Ｗを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長３６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から２種類以上の波長を５０ｎｍ以下の間隔で選択して監視することで判定し、
   ＴｉまたはＴａを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から２種類以上の波長を６４ｎｍ以下の間隔で選択して監視することで判定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
2. 金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、
   Ｗを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長３６８ｎｍから６８４ｎｍの範囲の波長を監視することで判定し、
   Ｔｉを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４００ｎｍから４１０ｎｍの範囲の波長を監視することで判定し、
   Ｔａを含む材料層の処理終点は、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４３５ｎｍから４４５ｎｍの範囲の波長を監視することで判定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
3. 金属元素を含む電極材料とその下にＳｉＯ_２よりも誘電率の高い物質からなる膜を備えたｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   前記構造は、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａのいずれか１つを含む材料層１種類以上で形成されており、
   Ｗを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長３６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から５０ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長３６８ｎｍから６８４ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視し、
   Ｔｉを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から６４ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４００ｎｍから４１０ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視し、
   Ｔａを含む材料層の残り厚みを、当該膜の表面から反射された光のうち、波長２６０ｎｍから９００ｎｍの範囲から６４ｎｍ以下の間隔で２種類以上選択された波長と、処理に使用するプラズマから放射された光のうち、波長４３５ｎｍから４４５ｎｍの範囲から１種類以上選択された波長とを用いて監視することで判定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
4. 請求項１または請求項３記載のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   被処理膜の表面から反射される反射光では被処理膜の残り厚みを判定できない場合に、
   直前に処理された同じ構成のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子における同一材料層の膜厚変化速度を用いて、現に処理されている半導体素子の被処理膜の処理速度を推定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
5. 請求項１または請求項３記載のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   被処理膜の表面から反射される反射光では被処理膜の残り厚みを判定できない場合に、
   処理中に得られる検出値を用いて現に処理されている半導体素子の被処理膜の処理速度を推定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項記載のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   ＴａまたはＴｉを含む膜の上部に存在する膜の厚みが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下残っている時点で処理を終了するまたは処理条件を切り替える
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。
7. 請求項１または請求項３記載のｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法において、
   Ｔｉを含む膜と、Ｔａを含む膜のどちらか一方の面積が被処理物全体の処理面積に対して非常に小さい場合に、面積が比較的大きい膜の処理速度をもとに面積が比較的小さい方の膜の処理速度を推定する
   ことを特徴とするｈｉｇｈ−ｋ／メタル構造を有する半導体素子のプラズマ処理方法。

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