JP2016152313A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】異なる複数種類の膜が交互に積層された積層体のエッチング時に、ある時刻でのプラズマの発光強度の変動に関係なく終点検出を行うことができる半導体製造装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、製造処理部３９１と、信号取得部と、周波数特性取得部３９２１と、終点取得部３９２４と、を備える半導体製造装置が提供される。前記信号取得部は、積層体の加工処理中と前記積層体の加工処理後とで異なる挙動を示す第１処理信号を取得する。前記周波数特性取得部３９２１は、前記積層体の前記加工処理中に、前記積層体の周期構造に起因するノイズの周波数特性を、前記第１処理信号から取得する。前記終点取得部３９２４は、取得した前記周波数特性を用いて、前記加工処理の終点を検出する。前記製造処理部３９１は、前記終点が検出されると前記加工処理を終了する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。
ドライエッチングでは、ある時刻でのプラズマの発光強度を基準とし、そこから所定の割合だけ発光強度が落ちた場合に終点であるとするのが一般的である。ここで、基準値となるある時刻での発光強度は変動しないことが望ましい。
近年では、積層構造のメモリセルを有する３次元構造型の不揮発性半導体記憶装置が提案されている。このような３次元構造型の不揮発性半導体記憶装置の製造では、異なる複数種類の膜が交互に積層された積層体をエッチングする処理が行われる。この積層体のエッチング時に、プラズマの発光強度が波状に変動する。そのため、ドライエッチングで通常用いられる終点検出を用いると、終点検出時間にばらつきが生じてしまう。
特開平６−３１４６６８号公報
本発明の一つの実施形態は、異なる複数種類の膜が交互に積層された積層体のエッチング時に、ある時刻でのプラズマの発光強度の変動に関係なく終点検出を行うことができる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、製造処理部と、信号取得部と、周波数特性取得部と、終点取得部と、を備える半導体製造装置が提供される。前記製造処理部は、基板上に形成された、異なる種類の膜が周期的に複数積層された積層体の加工処理を行う各処理部を制御する。前記信号取得部は、前記積層体の前記加工処理中と前記積層体の加工処理後とで異なる挙動を示す第１処理信号を取得する。前記周波数特性取得部は、前記積層体の前記加工処理中に、前記積層体の周期構造に起因するノイズの周波数特性を、前記第１処理信号から取得する。前記終点取得部は、取得した前記周波数特性を用いて、前記加工処理の終点を検出する。前記製造処理部は、前記終点が検出されると前記加工処理を終了する。
図１は、加工対象の積層体の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、第１の実施形態による半導体製造装置の構成の一例を模式的に示す図である。 図３は、発光強度測定部で得られるプラズマの発光強度の時間変化の一例を示す図である。 図４は、発光強度波形の周波数特性の一例を示す図である。 図５は、フィルタリングした周波数特性の一例を示す図である。 図６は、ノイズ除去発光強度波形の一例を示す図である。 図７は、第１の実施形態による半導体製造方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図８は、ある基板に対して膜厚またはエッチングレートにバラつきがある場合のフィルタリング処理の概要を示す図である。 図９は、第２の実施形態による半導体製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。 図１０は、フィルタリング周波数設定処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図１１は、第２の実施形態によるフィルタリング周波数設定処理の概要の一例を示す図である。 図１２は、第３の実施形態による半導体製造装置の制御部の機能構成の一例を模式的に示すブロック図である。 図１３は、第３の実施形態によるプラズマの発光強度の時間変化の一例を示す図である。 図１４は、図１３のプラズマの発光強度の時間変化をフーリエ変換した図である。 図１５は、第３の実施形態による半導体製造方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１６は、実施形態による半導体製造装置をＣＭＰ装置に適用した例を模式的に示す図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下では、異なる複数種類の膜が交互に積層された積層体のエッチング処理または研磨処理を行う場合を例に挙げる。図１は、加工対象の積層体の一例を模式的に示す断面図である。たとえば、半導体基板（ウェハ）１０上に、絶縁膜１１を介して異種の第１膜１３と第２膜１２とが交互に複数層積層された積層体１５が形成される。異種膜の積層体１５としては、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体、あるいはシリコン膜とシリコン酸化膜との積層体などを例示することができる。各第１膜１３は略同じ厚さを有し、たとえば数十ｎｍの厚さを有する。各第２膜１２は略同じ厚さを有し、たとえば数十ｎｍの厚さを有する。また、膜厚方向に隣接する１層の第１膜１３と１層の第２膜１２との組を以下では、ペア層１４という。また、最上層のペア層１４を第１層目として下位のペア層１４を数えるものとする。ペア層１４の数がＮの場合、最上層からｋ番目のペア層１４は、第ｋペア層と表記する。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｋは１以上Ｎ以下の整数である。図１では、積層体１５上に、積層体１５をパターニングするためのマスク１６が形成されている。
（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態による半導体製造装置の構成の一例を模式的に示す図である。なお、図２では、半導体製造装置として平行平板型のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を例に挙げている。ＲＩＥ装置３０は、チャンバ３１と、プラズマ発生部３２と、電源部３３と、減圧部３４と、圧力制御部３５と、ガス供給部３６と、流量制御部３７と、発光強度測定部３８と、制御部３９と、を備える。
チャンバ３１は、両端が閉塞された略円筒形状を呈し、減圧雰囲気が維持可能な気密構造となっている。チャンバ３１内部にはプラズマＰを発生させるプラズマ発生部３２が設けられている。チャンバ３１の側壁上部には、窓３１１が設けられている。窓３１１は、石英などの透明材料から形成され、光が透過できるようになっている。なお、窓３１１を設ける位置はチャンバ３１の側壁上部に限定されるわけではなく適宜変更することができる。
プラズマ発生部３２は、下部電極３２１と、上部電極３２２と、を有する。下部電極３２１は、チャンバ３１内のプラズマＰを発生させる領域の下方に設けられている。下部電極３２１には、被処理物である基板Ｗを保持するための図示しない保持部が設けられている。図示しない保持部は、例えば静電チャックなどとすることができる。そのため、下部電極３２１は、上面（載置面）に基板Ｗを載置、保持する載置部ともなる。上部電極３２２は、下部電極３２１に対向させるようにして設けられている。
下部電極３２１には、ブロッキングコンデンサ３３２を介して電源３３１が接続される。また、上部電極３２２は接地される。プラズマ発生部３２は、プラズマＰを発生させる領域に電磁エネルギを供給することでプラズマＰを発生させることができる。
電源部３３は、電源３３１と、ブロッキングコンデンサ３３２と、を有する。電源３３１は、１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の高周波電力を下部電極３２１に印加する。ブロッキングコンデンサ３３２は、プラズマＰの中で発生し下部電極３２１に到達した電子の移動を阻止するために設けられている。
減圧部３４は、チャンバ３１の底面に圧力制御部３５を介して接続される。減圧部３４は、チャンバ３１の内部を所定の圧力まで減圧する。減圧部３４として、たとえばターボ分子ポンプなどが用いられる。圧力制御部３５は、チャンバ３１の内圧を検出する図示しない真空計の出力に基づいて、チャンバ３１の内圧が所定の圧力となるように制御する。すなわち、チャンバ３１は、内部にプラズマＰを発生させる領域を有し、大気圧よりも減圧された雰囲気を維持できるようになっている。
ガス供給部３６は、プラズマＰを発生させる領域にエッチングガスＧを供給する。流量制御部３７は、ガス供給部３６から供給されるエッチングガスＧの流量の制御を行う。流量制御部３７は、制御部３９からの指示によってエッチングガスＧの供給量を調整する。図の例では、流量制御部３７は、チャンバ３１の側壁上部に配管３７１を介して設けられる。そして、ガス供給部３６は、流量制御部３７に配管３６１を介して接続される。
発光強度測定部３８は、エッチング処理時に発生するプラズマＰの所定の波長の光の発光強度を測定する。発光強度測定部３８は、受光部３８１と、分光分析部３８２と、を備える。
受光部３８１は、窓３１１に面するようにして設けられている。また、受光部３８１と分光分析部３８２とは光ケーブルなどで光学的に接続されている。そのため、窓３１１を介して受光部３８１に入射した光を分光分析部３８２に伝送することができるようになっている。
分光分析部３８２は、プラズマ処理を実行した際に発生した光を分光分析する。すなわち、分光分析部３８２は、受光部３８１から伝送されてきた光（チャンバ３１の内部で発生した光）を発光分光分析法（ＯＥＳ；Optical Emission Spectroscopy）を用いて分析する。また、発光分光分析法により求められた所定の波長に対する発光強度を電気信号に逐次変換し、これを制御部３９に提供する。発光強度の電気信号は、第１処理信号に相当する。
図３は、発光強度測定部で得られるプラズマの発光強度の時間変化の一例を示す図である。この図で横軸は加工時間であり、縦軸はプラズマの所定の波長の発光強度である。通常、プラズマの発光強度は一定であるが、積層体１５の各ペア層１４をエッチングする際に生じるノイズが周期的に生じるため、この図に示されるように、発光強度は周期的に変動している。また、時間の経過とともに振幅は小さくなる。１つの周期、たとえばある山から隣接する山まで、で１層のペア層１４（第２膜１２と第１膜１３）がエッチングされることを示している。
制御部３９は、製造処理部３９１と、終点検出部３９２と、を有する。製造処理部３９１は、たとえば予め生成されたレシピにしたがって、減圧部３４、ガス供給部３６、電源３３１、圧力制御部３５、流量制御部３７などを制御してプラズマ処理を行う。製造処理部３９１では、終点検出部３９２から終点の通知を受けると、プラズマ処理を終了する。
終点検出部３９２は、分光分析部３８２から取得した発光強度の電気信号（以下、発光強度波形という）に対して所定の処理を行い、終点を検出する。終点検出部３９２は、周波数特性取得部３９２１と、フィルタリング周波数設定部３９２２と、フィルタ部３９２３と、終点取得部３９２４と、を有する。
周波数特性取得部３９２１は、分光分析部３８２から取得した発光強度波形から、発光強度の周波数特性を求める。これによって、発光強度波形に含まれる周期的なノイズの周波数が求められる。ここで周波数を求めるのは、複数のペア層１４をエッチングした後である。周波数は、フーリエ変換によって算出してもよいし、発光強度波形から直接周波数を求めてもよい。
図４は、発光強度波形の周波数特性の一例を示す図である。図４は、図３の発光強度波形の周波数特性を示している。この図で横軸は周波数を示し、縦軸は強度を示している。ここでは、周波数Ａ［Ｈｚ］付近に大きなピークが見られるが、これが積層体１５の加工の際のノイズ、すなわち図４で周期的な振動を与えるノイズである。
フィルタリング周波数設定部３９２２は、周波数特性取得部３９２１で取得した周波数特性からフィルタリングを行う周波数を決定する。これは、たとえば所定の強度以上の周波数が存在する場合には、所定の強度以上のそれぞれの周波数に対して、その周波数を中心とした所定の範囲の周波数をフィルタリング周波数として設定することができる。また、たとえば図示しない表示部に周波数特性を表示し、ユーザによって図示しない入力部を介して選択される周波数範囲をフィルタリング周波数として設定してもよい。
図５は、フィルタリングした周波数特性の一例を示す図である。図５は、図４の周波数特性から、設定されたフィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去したものである。
フィルタ部３９２３は、設定されたフィルタリング周波数の成分を発光強度波形から除去し、第２処理信号に相当するノイズ除去発光強度波形を生成する。フィルタ部３９２３は、たとえばフィルタリング周波数設定部３９２２で設定されたフィルタリング周波数の成分を、発光強度波形から除去するデジタルフィルタである。
図６は、ノイズ除去発光強度波形の一例を示す図である。この図で横軸は加工時間であり、縦軸はプラズマの所定の波長の発光強度である。この図に示されるように、図４で示された振動のノイズは除去され、発光強度がほぼ一定の値となっている。なお、ノイズ除去発光強度波形は、たとえば、図５に示されるフィルタリングされた周波数特性から逆フーリエ変換によって求めることができる。
終点取得部３９２４は、フィルタ部３９２３で生成されたノイズ除去発光強度波形から終点を求める。終点の取得方法は、従来公知の方法で行うことができる。たとえば、Delay Timeと呼ばれるある時刻ｔDの発光強度を基準発光強度とする。そして、発光強度が基準発光強度に比して所定の割合Ｘ％だけ落ちた時点を終点とする。終点取得部３９２４は、終点を検知したことを示す信号を製造処理部３９１に渡す。
次に、このような構成の半導体製造装置における半導体製造方法について説明する。図７は、第１の実施形態による半導体製造方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、たとえば図１に示されるような半導体基板（ウェハ）１０上に複数種類の絶縁膜が交互に積層された積層体１５を形成し、積層体１５上にマスク１６を形成する（ステップＳ１１）。マスク１６は、たとえば積層体１５上にレジストを塗布し、リソグラフィ処理と現像処理とによって所望の形にパターニングすることによって形成される。あるいは、積層体１５上にハードマスクを配置し、このハードマスクにレジストパターンを転写したものをマスク１６としてもよい。
ついで、半導体基板１０を図２に示されるＲＩＥ装置３０のチャンバ３１内に搬入し、下部電極３２１上に載置する。このとき、半導体基板１０はたとえば静電チャック機構などで固定される。その後、チャンバ３１内が所定の圧力となるように減圧部３４と圧力制御部３５が製造処理部３９１によって制御される。
チャンバ３１内が所定の状態、たとえば所定の圧力になると、製造処理部３９１は、半導体基板１０上の積層体１５に対してプラズマ処理を開始する（ステップＳ１２）。このとき、チャンバ３１内のエッチングガスの圧力が所定の値となるように、減圧部３４と圧力制御部３５とガス供給部３６と流量制御部３７とが製造処理部３９１によって制御される。また、電源３３１からブロッキングコンデンサ３３２を介して下部電極３２１に高周波電力が印加され、下部電極３２１と上部電極３２２との間でプラズマＰを発生させる。そして、プラズマ化したエッチングガスを用いてエッチングが行われる。
プラズマ処理中に、発光強度測定部３８は、チャンバ３１に設けられた窓３１１からプラズマの所定の波長の光の強度をモニタする（ステップＳ１３）。発光強度測定部３８は、発光強度波形を周波数特性取得部３９２１に送る。なお、プラズマの発光強度のモニタは、プラズマ処理が終了するまで継続的に行われる。
ついで、加工開始から所定の数のペア層１４がエッチングされた後、周波数特性取得部３９２１は、発光強度波形の周波数特性を求める（ステップＳ１４）。これによって、たとえば図４に示されるような発光強度波形の周波数特性が得られる。
その後、フィルタリング周波数設定部３９２２は、取得した発光強度波形の周波数特性からフィルタリング周波数を選択する（ステップＳ１５）。図４の例では、Ａ［Ｈｚ］付近のピークを除去するように、Ａ１［Ｈｚ］からＡ２［Ｈｚ］の範囲の周波数をフィルタリングする。これによって、図５に示されるデジタルフィルタ後の周波数特性が得られる。
ついで、フィルタ部３９２３は、取得した発光強度波形から、フィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去したノイズ除去発光強度波形を生成する（ステップＳ１６）。たとえば、図３で示された振動のノイズは除去され、発光強度がほぼ一定の値となっている図６に示されるノイズ除去発光強度波形が生成される。
その後、終点取得部３９２４は、ノイズ除去発光強度波形のある時刻ｔDでの発光強度を取得し、基準発光強度に設定する（ステップＳ１７）。ついで、フィルタ部３９２３は、分光分析部３８２から継続的に送られてくる発光強度波形から、フィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去する（ステップＳ１８）。
その後、終点取得部３９２４は、ノイズ除去発光強度波形において、現在観測される発光強度が、基準発光強度から所定の割合以上低下したかを判定する（ステップＳ１９）。現在の発光強度が基準発光強度から所定の割合以上低下していない場合（ステップＳ１９でＮｏの場合）には、まだエッチングが終わっていないので、ステップＳ１８に戻り、モニタを継続する。
また、現在の発光強度が基準発光強度から所定の割合以上低下している場合（ステップＳ１９でＹｅｓの場合）には、エッチングが終わったとして、製造処理部３９１に終点の検出を通知する（ステップＳ２０）。
製造処理部３９１は、終点の検出の通知を受けると、プラズマ処理を終了する（ステップＳ２１）。ここでは、電源３３１から下部電極３２１への高周波電力の供給を止めるとともに、ガス供給部３６からチャンバ３１内へのガスの供給を止めるように制御する。そして、下部電極３２１から半導体基板１０が搬出され、処理が終了する。その後は、エッチングされた積層体１５を用いて所定の半導体装置の製造処理が実行される。
なお、上記の処理は、基板を処理するたびに実行されることが望ましい。図８は、ある基板に対して膜厚またはエッチングレートにバラつきがある場合のフィルタリング処理の概要を示す図である。図８で、（ａ）は元の発光強度波形を示し、（ｂ）は発光強度波形の周波数特性を示し、（ｃ）はデジタルフィルタでフィルタリングを行った発光強度波形の周波数特性を示し、（ｄ）はノイズ除去発光強度波形を示している。
図８で実線は、ある半導体基板１０の積層体１５における発光強度波形または周波数特性を示している。この半導体基板１０を基準基板とする。基準基板に対してペア層１４の膜厚が薄い基板またはエッチングレートが速い基板の場合には、基準基板の場合に比してノイズの周波数は小さくなる。そのため、図８（ｂ）に示されるように、ノイズ８００は、基準基板のピークに対して左側、すなわち周波数が小さい方にずれる。その結果、図８（ｃ）に示されるように、フィルタリング周波数も周波数が小さい方にずれることになる。そして、このフィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去することで、図８（ｄ）に示されるように、この半導体基板１０のノイズを除去することができる。
一方、基準基板に対してペア層１４の膜厚が厚い基板またはエッチングレートが遅い基板の場合には、基準基板の場合に比してノイズの周波数は大きくなる。そのため、図８（ｂ）に示されるように、ノイズ８００は、基準基板のピークに対して右側、すなわち周波数が大きい方にずれる。その結果、図８（ｃ）に示されるように、フィルタリング周波数も周波数が大きい方にずれることになる。そして、このフィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去することで、図８（ｄ）に示されるように、この基板のノイズを除去することができる。
このように、半導体基板１０ごとに膜厚またはエッチングレートが異なることがあるが、本実施形態の方法を半導体基板１０ごとのエッチングに用いることで、半導体基板１０ごとの膜厚またはエッチングレートの差異を調整することが可能になる。
第１の実施形態では、加工開始から所定の数のペア層１４が加工された後に、ノイズとなる周波数を求め、この周波数成分を発光強度波形からデジタルフィルタで除去した。これによって、プラズマ発光強度がほぼ一定となるので、基準強度から所定の割合以上減少した場合に終点であるとする終点検知法を採用することができる。その結果、正確にエッチング処理の終点を検出することができるという効果を有する。
また、半導体基板１０を処理するごとに毎回発光強度波形からフィルタリング周波数を求め、終点を検出するので、半導体基板１０ごとに膜厚のばらつきが発生した場合またはエッチングレートが変動した場合にも対応することができるという効果を有する。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、１枚の基板における膜厚のばらつきがないことまたはエッチングレートが変動しないことを前提にしていた。そのため、加工開始から所定の数のペア層の加工が終わった後に、フィルタリング周波数を求め、そのフィルタリング周波数で以後の発光強度波形のフィルタリングを行っていた。しかし、１枚の基板における膜厚にバラつきが生じた場合またはエッチングレートが変動した場合には、上手くノイズを除去することができない。そこで、第２の実施形態では、１枚の基板において、膜厚にバラつきが生じた場合またはエッチングレートが変動した場合の半導体製造処理の終点検出について説明する。
第２の実施形態による半導体製造装置の構成は、第１の実施形態のフィルタリング周波数設定部３９２２の機能が異なる。フィルタリング周波数設定部３９２２は、１回のエッチング処理中（加工開始から積層体１５に対する加工処理が終了する前まで）にフィルタリング周波数の設定を複数回行う。たとえば、加工開始から第ａペア層までを加工すると、１回目のフィルタリング周波数の設定処理を行う。次に、第（ａ＋１）ペア層から第ｂペア層までを加工すると、２回目のフィルタリング周波数の設定処理を行う。その後同様にして、最終的にＮ回目（Ｎは３以上の整数、ａ，ｂは２以上Ｎ以下の整数、ａ＜ｂ）のフィルタリング周波数の設定を行う。
また、フィルタリング周波数設定部３９２２は、設定したフィルタリング周波数がそれまで使用していたフィルタリング周波数と同じかを判定し、同じ場合には、それまでのフィルタリング周波数を使用し、異なる場合にはそれ以降にモニタされた発光強度波形について新たに設定したフィルタリング周波数を使用する。なお、その他の構成要素については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、第２の実施形態による半導体製造装置を用いた半導体製造方法について説明する。図９は、第２の実施形態による半導体製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。
第１の実施形態の図７のステップＳ１１〜Ｓ１３と同様に、積層体１５上にマスク１６を形成した半導体基板１０を、半導体製造装置の下部電極３２１上に固定し、チャンバ３１内を所定の圧力にし、エッチングガスを導入する。その後、プラズマを発生させ、プラズマ処理を開始して、プラズマ発光強度をモニタする（ステップＳ３１〜Ｓ３３）。
ついで、周波数特性取得部３９２１は、加工開始から第１周波数算出期間の第１発光強度波形から第１周波数特性を取得する（ステップＳ３４）。第１周波数算出期間は、たとえば加工開始から第ａペア層までがエッチングされる期間である。その後、フィルタリング周波数設定部３９２２は、第１発光強度波形の第１周波数特性から第１フィルタリング周波数を選択する（ステップＳ３５）。
その後、フィルタ部３９２３は、第１発光強度波形から、第１フィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去した第１ノイズ除去発光強度波形を生成する（ステップＳ３６）。
その後、次の周波数算出期間でのフィルタリング周波数の設定処理を行う（ステップＳ３７）。図１０は、フィルタリング周波数設定処理の手順の一例を示すフローチャートである。まず、次の周波数算出期間での発光強度波形の周波数特性を求める（ステップＳ５１）。ついで、フィルタリング周波数設定部３９２２は、取得した発光強度波形の周波数特性からフィルタリング周波数を取得する（ステップＳ５２）。また、フィルタリング周波数設定部３９２２は、取得したフィルタリング周波数が、前の周波数算出期間でのフィルタリング周波数と同じであるかを求める（ステップＳ５３）。
なお、取得したフィルタリング周波数と前の周波数算出期間でのフィルタリング周波数との一致の度合いは、完全に一致する場合でもよいが、前の周波数算出期間でのフィルタリング周波数に対して、所定の範囲内に取得したフィルタリング周波数が存在する場合に両者が一致するとしてもよい。
フィルタリング周波数が前の周波数算出期間のフィルタリング周波数と同じ場合（ステップＳ５３でＹｅｓの場合）には、フィルタリング周波数設定部３９２２は、前の周波数算出期間のフィルタリング周波数をそのままとする（ステップＳ５４）。また、フィルタリング周波数が前の周波数算出期間のフィルタリング周波数と異なる場合（ステップＳ５４でＮｏの場合）には、フィルタリング周波数設定部３９２２は、取得したフィルタリング周波数を選択する（ステップＳ５５）。以上で、フィルタリング周波数設定処理が終了し、処理が図９に戻る。
図９に戻り、その後、フィルタ部３９２３は、次の周波数算出期間以降に取得した発光強度波形から選択されたフィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去する（ステップＳ３８）。なお、第１周波数算出期間の次に行われるステップＳ３７〜Ｓ３８では、次の周波数算出期間は第２周波数算出期間となり、求められたフィルタリング周波数は第２フィルタリング周波数となる。
その後、フィルタリング周波数設定部３９２２は、次の周波数算出期間があるかを判定する（ステップＳ３９）。次の周波数算出期間がある場合（ステップＳ３９でＹｅｓの場合）には、ステップＳ３７に戻る。また、次の周波数算出期間がない場合（ステップＳ３９でＮｏの場合）には、ノイズ除去発光強度波形のある時間での強度を基準発光強度とする（ステップＳ４０）。
ついで、フィルタ部３９２３は、分光分析部３８２から継続的に送られてくる発光強度波形から、フィルタリング周波数の成分をデジタルフィルタで除去する（ステップＳ４１）。その後、終点取得部３９２４は、ノイズ除去発光強度波形において、現在観測される発光強度が、基準発光強度から所定の割合以上低下したかを判定する（ステップＳ４２）。現在の発光強度が基準発光強度から所定の割合以上低下していない場合（ステップＳ４２でＮｏの場合）には、まだエッチングが終わっていないので、ステップＳ４１に戻り、モニタを継続する。
また、現在の発光強度が基準発光強度から所定の割合以上低下している場合（ステップＳ４２でＹｅｓの場合）には、エッチングが終わったとして、製造処理部３９１に終点の検出を通知する（ステップＳ４３）。製造処理部３９１は、終点の検出の通知を受けると、第１の実施形態の図７のステップＳ２１と同様に、プラズマ処理を終了する（ステップＳ４４）。そして、処理が終了する。その後は、エッチングされた積層体１５を用いて所定の半導体装置の製造処理が実行される。
図１１は、第２の実施形態によるフィルタリング周波数設定処理の概要の一例を示す図である。この図では、モニタリングされた発光強度波形を示している。この図では、横軸に加工開始からの経過時間を取り、縦軸にプラズマの発光強度を取っている。この図に示されるように加工開始の時刻０〜ｔ21までが第１周波数算出期間であり、時刻ｔ21〜ｔ22までが第２周波数算出期間であり、時刻ｔ22〜ｔ23までが第３周波数算出期間である。すなわち、３回のフィルタリング周波数設定処理を行っている。たとえば、第１〜第３周波数算出期間のそれぞれで算出された第１〜第３フィルタリング周波数のそれぞれが異なる場合には、第１〜第３周波数算出期間では、それぞれ第１〜第３フィルタリング周波数が設定されることになる。また、第１と第２フィルタリング周波数が同じで、第３フィルタリング周波数が異なる場合には、第１と第２周波数算出期間では第１フィルタリング周波数が設定され、第３周波数算出期間では第３フィルタリング周波数が設定される。
なお、基準発光強度を求めるのを、ステップＳ３９の次の周波数算出期間がないと判定した後にしているが、ステップＳ３６の第１フィルタリング周波数でノイズを除去した第１ノイズ除去発光強度波形の生成後で、ステップＳ４２での終点検出判定の前であれば、どのタイミングに入れてもよい。
第２の実施形態では、複数の周波数算出期間を設け、周波数算出期間ごとにモニタリングされた発光強度のフィルタリング周波数を求めた。また、求めたフィルタリング周波数が前の周波数算出期間と同じかを判定し、同じである場合には、前の周波数算出期間のフィルタリング周波数を用い、異なる場合には、求めたフィルタリング周波数を設定した。これによって、１枚の半導体基板１０で積層膜に膜厚のばらつきがある場合あるいはエッチングガスによるエッチングレートのばらつきが生じる場合にも、発光強度の元波形から周期的なノイズを精度よく取り除くことが可能になる。その結果、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
第１と第２の実施形態では、モニタされた発光強度の周波数特性を取得し、そこからフィルタリング周波数を求め、ノイズを除去した発光強度波形を用いて終点検出を行っていた。第３の実施形態では、別の方法で終点検出を行う場合を説明する。
図１２は、第３の実施形態による半導体製造装置の制御部の機能構成の一例を模式的に示すブロック図である。なお、制御部３９以外の半導体製造装置の構成は、図２に示したものと同様であるので、その説明を省略する。
第３の実施形態による半導体製造装置の制御部３９は、製造処理部３９１と、終点検出部３９２と、を有する。製造処理部３９１は、第１の実施形態で説明したものと同様である。終点検出部３９２は、周波数特性取得部３９２１と、終点取得部３９２４と、を備える。
周波数特性取得部３９２１は、所定の期間ごとに分光分析部３８２から取得した発光強度信号からフーリエ変換によってノイズの周波数を算出する。
終点取得部３９２４は、周波数特性取得部３９２１で得られた所定の期間ごとの周波数を観測し、ある期間で周波数が何も出力されない場合にエッチングが終了したと判定し、その結果を製造処理部３９１に渡す。実際には周波数が全く出力されなくなることはあまり考えられないので、算出されたすべての周波数が所定の強度未満となった場合を、周波数が何も出力されない場合とすることができる。
第３の実施形態によるエッチングの終点検知の原理について説明する。上記したように、積層体１５のエッチング処理においては、規則的な積層構造をエッチングしている際には、発光強度の変化が正弦波のように周期的に変化する。しかし、積層体１５がなくなり、積層体１５の下の膜（図１では絶縁膜１１）に到達すると周波数は出力されなくなる。そこで、第３の実施形態では、周波数が出力されなくなった時点をエッチングの終点とするものである。
図１３は、第３の実施形態によるプラズマの発光強度の時間変化の一例を示す図である。図１４は、図１３のプラズマの発光強度の時間変化をフーリエ変換した図であり、（ａ）は積層膜のエッチングの際の周波数と時間との関係の一例を示す図であり、（ｂ）は積層膜がエッチングされている際の状況の一例を示す図であり、（ｃ）は積層膜のエッチングが終了した際の状況の一例を示す図である。
図１に示される積層体１５をエッチングしていくとき、図１３に示されるように、浅い領域から深い領域に行くにしたがって１層のペア層１４のエッチングにかかる時間（周期）が長くなる（エッチングレートが大きくなる）。これは、時間が経過するにしたがって発光強度波形に乗るノイズの周波数が小さくなることを意味する。たとえば、図１３の例では、加工開始から時刻ｔ31までの第１期間では、周期は１０秒であり、周波数が０．１Ｈｚであったものが、時刻ｔ31〜ｔ32の第２期間では、周期が２０秒であり、周波数が０．０５Ｈｚになり、さらに時刻ｔ32〜ｔ33の第３期間では、周期が３０秒であり、周波数が０．０３Ｈｚになる。そして、最終的には、周期が無限大になり、周波数が０Ｈｚになる。この様子を示したものが図１４（ａ）である。図１４（ａ）から、出力される周波数がなければエッチングが終了したと判定してよいことになる。
第３の実施形態では、周波数特性取得部３９２１は、所定の期間ごとの発光強度波形についてフーリエ変換を行う。図１３の第１期間〜第３期間についてフーリエ変換を行った結果が図１４（ｂ）に示されている。この図に示されるように、第１期間から第３期間に進むにしたがって、周波数が０の方向に移動している。その後、同様に所定の期間ごとに発光強度波形のフーリエ変換を行い、図１４（ｃ）に示されるように、何も出力されなくなる。終点取得部３９２４は、周波数が何も出力されなくなる状態を検出することで、終点を検出することになる。なお、上記したように、実際にはある強度の周波数が算出される。しかし、終点検出に影響を与えないある閾値Ｉth未満の強度であれば、この周波数は存在しないものとみなすようにすれば、終点検出を行うことが可能になる。
図１５は、第３の実施形態による半導体製造方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。第１の実施形態の図７のステップＳ１１〜Ｓ１３と同様に、積層体１５上にマスク１６を形成した半導体基板１０を、半導体製造装置の下部電極３２１上に固定し、チャンバ３１内を所定の圧力にし、エッチングガスを導入する。その後、プラズマを発生させ、プラズマ処理を開始して、プラズマ発光強度をモニタする（ステップＳ７１〜Ｓ７３）。
ついで、周波数特性取得部３９２１は、加工開始から所定の期間が経過したかを判定する（ステップＳ７４）。所定の期間は、１層のペア層１４をエッチングする時間よりも大きいことが望ましい。所定の期間が経過していない場合（ステップＳ７４でＮｏの場合）には、待ち状態となる。また、所定の期間が経過した場合（ステップＳ７４でＹｅｓの場合）には、周波数特性取得部３９２１は、所定の期間の発光強度波形の周波数特性を求める（ステップＳ７５）。これは、たとえばフーリエ変換によって求めることができる。フィルタ部３９２３は、すべての周波数の強度が所定値未満となっているかを判定する（ステップＳ７６）。
すべての周波数の強度が所定値より大きい場合（ステップＳ７６でＮｏの場合）には、次の所定の期間が経過したかを判定する（ステップＳ７７）。所定の期間が経過していない場合（ステップＳ７７でＮｏの場合）には、待ち状態となる。また、所定の期間が経過した場合（ステップＳ７７でＹｅｓの場合）には、ステップＳ７５に処理が戻る。
ステップＳ７６ですべての周波数の強度が所定値未満である場合（ステップＳ７６でＹｅｓの場合）には、フィルタ部３９２３はエッチングが終わったとして、製造処理部３９１に終点の検出を通知する（ステップＳ７８）。製造処理部３９１は、終点の検出の通知を受けると、第１の実施形態の図７のステップＳ２１と同様に、プラズマ処理を終了する（ステップＳ７９）。そして、処理が終了する。その後は、エッチングされた積層体１５を用いて所定の半導体装置の製造処理が実行される。
第３の実施形態では、所定の周期ごとにモニタされた発光強度波形をフーリエ変換し、その結果得られるすべての周波数の強度が所定値以下であるかを判定した。そして、すべての周波数の強度が所定値以下となった場合には、エッチングの終点を検知し、製造処理部３９１に通知し、プラズマ処理を終了するようにした。これによって、周期的に発光強度が変動する波形の場合にも、エッチング処理の終点を正確に求めることができるという効果を有する。
なお、上記した説明では、半導体製造装置として平行平板型のＲＩＥ装置を例に挙げたが、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）型のＲＩＥ装置、マグネトロン型のＲＩＥ装置など他の型のＲＩＥ装置を用いてもよい。また、半導体製造装置としてＣＤＥ（Chemical Dry Etching）装置を用いてもよい。ＣＤＥを用いる場合は、上記したＲＩＥの場合と同様である。
さらに、半導体製造装置としてＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置を用いてもよい。図１６は、実施形態による半導体製造装置をＣＭＰ装置に適用した例を模式的に示す図である。ＣＭＰ装置５０は、基板Ｗの研磨処理を行う研磨部５１と、研磨部５１での処理を制御する制御部５２と、を備える。
研磨部５１は、回転可能な研磨テーブル５１１と、研磨テーブル５１１上に図示しない接着層を介して貼付された研磨パッド５１２と、研磨パッド５１２の上方に配置され、基板Ｗを保持する研磨ヘッド５１３と、研磨時に研磨スラリー５１５などの薬液を供給するための薬液供給ノズル５１４と、研磨パッド５１２の上方に配置され、研磨パッド５１２の目立てを行うたとえばダイヤモンドディスクからなるドレッサ５１６と、研磨ヘッド５１３を回転させる力であるトルクの値を計測し、トルク値を電気信号に逐次変換し、制御部に出力するトルク値計測部５１７と、を備える。トルク値計測部５１７で得られる第１処理信号であるトルク値の電気信号は、上記のプラズマの発光強度と同様の波形を有する。
制御部５２は、製造処理部５２１と、終点検出部５２２と、を有する。製造処理部５２１は、たとえば予め生成されたレシピにしたがって、研磨部５１の各処理部を制御してＣＭＰ処理を行う。製造処理部５２１では、終点検出部５２２から終点の通知を受けると、ＣＭＰ処理を終了する。
終点検出部５２２は、第１〜第３の実施形態で説明した終点検出部３９２と同様の手順によって、トルク値計測部５１７から取得した研磨ヘッド５１３のトルク値の電気信号に対して所定の処理を行い、終点を検知する。終点検出部５２２には、第１〜第３の実施形態のいずれかで説明した終点検出部３９２を適用することができる。
このように、ＣＭＰ装置５０における積層体１５の研磨においても、上記した第１〜第３の実施形態と同様に終点を検出することができる。
また、上記した説明では、２種類の膜を交互に積層させた積層体１５を例に挙げた。しかし、上記の実施形態がこれに限定されるものではない。たとえば、３種類以上の膜を所定の順序で周期的に積層させた積層体１５を処理する場合にも、上記した実施形態を適用することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 半導体基板、１１ 絶縁膜、１２ 第２膜、１３ 第１膜、１４ ペア層、１５ 積層体、１６ マスク、３０ ＲＩＥ装置、３１ チャンバ、３２ プラズマ発生部、３３ 電源部、３４ 減圧部、３５ 圧力制御部、３６ ガス供給部、３７ 流量制御部、３８ 発光強度測定部、３９ 制御部、５０ ＣＭＰ装置、５１ 研磨部、５２ 制御部、３１１ 窓、３２１ 下部電極、３２２ 上部電極、３３１ 電源、３３２ ブロッキングコンデンサ、３６１，３７１ 配管、３８１ 受光部、３８２ 分光分析部、３９１，５２１ 製造処理部、３９２，５２２ 終点検出部、５１１ 研磨テーブル、５１２ 研磨パッド、５１３ 研磨ヘッド、５１４ 薬液供給ノズル、５１５ 研磨スラリー、５１６ ドレッサ、５１７ トルク値計測部、３９２１ 周波数特性取得部、３９２２ フィルタリング周波数設定部、３９２３ フィルタ部、３９２４ 終点取得部。

Claims (6)

  1. 基板上に形成された、異なる種類の膜が周期的に複数積層された積層体の加工処理を行う各処理部を制御する製造処理部と、
    前記積層体の前記加工処理中と前記積層体の加工処理後とで異なる挙動を示す第１処理信号を取得する信号取得部と、
    前記積層体の前記加工処理中に、前記積層体の周期構造に起因するノイズの周波数特性を、前記第１処理信号から取得する周波数特性取得部と、
    取得した前記周波数特性を用いて、前記加工処理の終点を検出する終点取得部と、
    を備え、
    前記製造処理部は、前記終点が検出されると前記加工処理を終了する半導体製造装置。
  2. 前記周波数特性からフィルタリング周波数を設定するフィルタリング周波数設定部と、
    前記フィルタリング周波数の成分を前記第１処理信号からフィルタリングして第２処理信号を生成するフィルタ部と、
    をさらに備え、
    前記終点取得部は、前記第２処理信号の所定の時刻における基準信号強度に対して、所定の割合だけ信号強度が減少したときを終点として検出する請求項１に記載の半導体製造装置。
  3. 前記周波数特性取得部は、加工開始から所定の期間に取得した前記第１処理信号についての前記周波数特性を取得し、
    前記フィルタ部は、前記信号取得部で取得される後の前記第１処理信号について、前記周波数特性を用いてフィルタリングを行う請求項２に記載の半導体製造装置。
  4. 前記周波数特性取得部は、加工開始から前記積層体に対する加工処理の終了前までの間に設定された第１〜第Ｎ周波数算出期間（Ｎは２以上の整数）のそれぞれで第１〜第Ｎ周波数特性を複数回取得し、
    前記フィルタリング周波数設定部は、第ｋ周波数算出期間（ｋは１以上Ｎ以下の整数）に対して、第ｋ周波数特性から求めた第ｋフィルタリング周波数を設定し、
    前記フィルタ部は、前記第ｋ周波数算出期間の前記第１処理信号から前記第ｋフィルタリング周波数の成分をフィルタリングする請求項２に記載の半導体製造装置。
  5. 前記周波数特性取得部は、加工開始から所定の周期で、前記所定の周期内における前記第１処理信号の周波数特性を取得する処理を繰り返し実行し、
    前記終点取得部は、前記周波数特性において検出された周波数成分がなくなった時点を前記加工処理の終点として検出する請求項１に記載の半導体製造装置。
  6. 基板上に形成された、異なる種類の膜が周期的に複数積層された積層体を加工処理し、
    前記積層体の前記加工処理中と前記積層体の加工処理後とで異なる挙動を示す第１処理信号を取得し、
    前記積層体の前記加工処理中に、前記積層体の周期構造に起因するノイズの周波数特性を、前記第１処理信号から取得し、
    取得した前記周波数特性を用いて、前記加工処理の終点を検出し、
    前記終点が検出されると前記加工処理を終了する半導体装置の製造方法。
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