JP2016219673A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】歩留まりを向上させることができるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し当該処理室内にプラズマを形成して予め前記ウエハ上面に配置され複数の膜層を有した膜構造の処理対象の膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、前記膜構造が少なくとも１つの膜層を含み溝構造を有した下層の膜と前記溝構造の内側及び上端を被って上方に積層された少なくとも１つの膜層を有する上層の膜とを有したものであって、前記下層の膜の前記溝構造の上端を露出するまで前記上層の膜をエッチングして除去する第１のステップと、前記上層の膜の前記溝構造の内側の膜層をエッチング処理する第２のステップと、前記第１のステップが終了した際の前記下層の膜の溝構造の前記内側の膜層の厚さの値を用いて前記第２のステップの終点を判定する判定ステップとを備えた。【選択図】 図１

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハなどの基板上の試料を、処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、特に、試料表面に予め配置された複数の膜層を有する膜構造の対象の膜層の処理中に当該膜構造から得られた光を用いて処理の進行を検出するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。
上記のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法の従来の技術としては、処理対象の膜構造をエッチング等処理する最中に、処理対象の膜がエッチングされてこの膜層の下側に配置された異なる材料の膜層が露出したことにより、プラズマから生じる所定の波長の発光の強度またはその変化を検出することで、当該処理の終点を検出するものが知られている。
また、処理対象の膜を所望の膜厚さ或いは表面からの深さまでエッチング処理する場合には、ウエハ等の試料の上方から処理中に試料の表面からの複数の波長の干渉光の強度またはその変化率の時間的な変化に対する変化を検出して、これらの複数波長の干渉光の時系列のデータを予め得られたデータベースと比較することにより、処理対象の膜の膜厚さや深さを検出することが知られていた。このような従来の技術としては、例えば特開２００３−８３７２０号公報（特許文献１）に開示のものが知られていた。
特開２００３−８３７２０号公報
しかしながら、特許文献１では次のような場合について十分に考慮されておらず問題が生じていた。
近年の半導体デバイスでは、シリコン等の基材となる部材に形成された溝形状の内部に積層されて埋められた複数層の所定の複数の材料により配線の構造を構成することが考えられている。このような構造を形成するうえでは、基材の溝形状の内側及び上方に膜層を十分な厚さまで積層、例えば当該溝の内部を埋めて更に上方まで覆って積層した上で、基材の溝内部を埋めた膜層をデバイスの仕様に応じた所望の残り厚さ或いは基材による溝の上端からの深さとなるまでエッチングする処理が行われると想定される。
上記特許文献１では、試料上面の処理が施される膜構造がトレンチ等のアスペクトレシオが相対的に大きな溝構造とこの溝内部に積層されこれを充填する膜層とを有したものであって、溝内部の膜層をエッチングする処理において当該処理中に溝内部の膜層の残り膜厚さ（当該膜層の上面と下面または溝の底面との間の距離）やこの膜層がエッチングされて削られていくことにより増大していく当該膜層上面と溝構造の上端との間の距離、つまり溝深さを測定することは可能である。
しかし、この従来技術では、このようなエッチング処理の開始前のトレンチの上端から底面までの距離（トレンチの初期の高さ）がウエハ毎にばらついている場合には、溝内部の膜層のエッチング中の溝深さを精度良く測定することとが困難であり、所望の溝深さでエッチング処理を終了させることができず処理の歩留まりが低下してしまうという問題が生じていた。
本発明の目的は、トレンチの内側の膜層を高い精度でエッチングして歩留まりを向上させることができるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。
上記目的は、真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し当該処理室内にプラズマを形成して予め前記ウエハ上面に配置され複数の膜層を有した膜構造の処理対象の膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、前記膜構造が少なくとも１つの膜層を含み溝構造を有した下層の膜と前記溝構造の内側及び上端を被って上方に積層された少なくとも１つの膜層を有する上層の膜とを有したものであって、前記下層の膜の前記溝構造の上端を露出するまで前記上層の膜をエッチングして除去する第１のステップと、前記上層の膜の前記溝構造の内側の膜層をエッチング処理する第２のステップと、前記第１のステップが終了した際の前記下層の膜の溝構造の前記内側の膜層の厚さの値を用いて前記第２のステップの終点を判定する判定ステップとを備えたことにより達成される。
また、真空容器内部に配置された処理室内に配置された処理対象のウエハの上方に形成されたプラズマを用いて当該ウエハ上面に予め配置され複数膜層を有した膜構造の処理対象の膜をエッチングするプラズマ処理装置であって、前記膜構造が少なくとも１つの膜層を含み溝構造を有した下層の膜と前記溝構造の内側及び上端を被って上方に積層された少なくとも１つの膜層を有する上層の膜とを有したものであって、前記溝構造の上方の前記上層の膜をエッチングする第１のエッチングよる前記溝構造の上端の露出を検出する検出器と、前記溝構造の上端が露出した後に前記溝構造の内側の膜層をエッチングする第２のエッチングの終点を前記溝構造の上端の露出が検出された際の前記溝構造の内側の前記膜層の深さの値を用いて判定する判定器とを備えたことにより達成される。
トレンチ上端面の露出によるプラズマ発光の特定波長の発光強度の変化を捉えることにより終点を判定すると同時に、非処理膜の残膜厚を算出することにより、精度良くトレンチ上端面からトレンチ底面までのトレンチ高さを算出でき、トレンチ高さを初期膜厚として利用し、さらにトレンチ内に成膜されている被処理膜の残膜厚をトレンチ高さから減算することにより、トレンチ上端面からトレンチ内に成膜されている膜層の被処理面までのトレンチ深さを精度良く検出することができる。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置によって処理を施される対象となる膜構造の構成を模式的に示す断面図の例である。 図１に示す実施例に係る微分波形パターンデータベースを作成する工程の流れを示すフローチャートおよびデータベースのデータの例を模式的に示すグラフである。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がエッチングの終点を判定する動作の流れを示すフローチャートである。
本発明の実施の形態を、図面を用いて以下説明する。
本発明の実施例を図１乃至４を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。
本実施例のプラズマ処理装置１は、真空容器とその内部に配置された真空処理室２を備えている。真空処理室２内の空間は、図示を省略したガス導入手段から真空処理室２の内側に導入されたエッチングガスが図示を省略した高周波電源等により励起されてプラズマ３が形成される室である。
円筒形状を有した真空処理室２内の中央であってプラズマ３が形成される空間の下方には、円筒形を有した試料台５が配置され、図示しない真空容器外部のロボットアーム等の搬送装置により基板状の試料である半導体製のウエハ４が真空処理室２内に搬送されて試料台５に受け渡され、その上面を構成する誘電体製の膜上に載せられる。試料台５上に載せられたウエハ４は誘電体膜内に配置された複数の膜状の電極に供給された直流電力によって形成された静電気力により誘電体膜上に吸着されて保持され、この状態で上記プラズマ３が真空処理室２内に形成される。
さらに、試料台５内部の金属製の電極に供給される高周波電力によってウエハ４の上方にバイアス電位が形成されプラズマ３との電位差に応じてプラズマ３内部のイオン等の荷電粒子がウエハ４上面に誘引されて、プラズマ３中の活性種との相互作用によりウエハ４の予め形成された複数の膜層を含んで構成される膜構造の処理対象の膜層のエッチング処理が実施される。このようなプラズマ３は、これに含まれる励起された処理用ガスや処理中に形成された反応生成物の原子または分子のエネルギー準位の低下によって光を放出する。
本実施例では、このような真空処理室２内のプラズマ３の発光を直接的、もしくはウエハ４表面の上記膜構造で反射されたプラズマ３からの発光が、真空処理室２の上方の真空容器の上部及び真空処理室２を囲む円筒形の真空容器の側壁に配置された石英等の透光性を有する材料から構成された窓部材を有する受光器７’，８’により受光される。受光された光は受光器７’，８’と連結された光ファイバ７，８を通して分光器１０，１６の各々に導入されて分光され、複数の波長のものを含む当該光の強度がデジタル信号に変換される。これら７，８、受光器７’，８、分光器１０，１６は、膜厚測定器９を構成する。
本実施例の膜厚測定器９は、真空容器と連結され、光ファイバ７，８、分光器１０，１６、第１デジタルフィルタ１１、微分器１２、第２デジタルフィルタ１３、微分波形比較器１４、微分波形パターンデータベース１５、回帰分析器１７、終点判定器２１、表示器２２とを備えて、これらが有線、無線に選らず通信手段により通信可能に接続されている。なお、本図の膜厚測定器９は、その機能的な構成が示されており、光ファイバ７，８と分光器１０，１６と表示器２２を除いた膜厚測定器９の実際の構成は、ＣＰＵや、エッチング深さ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１５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、および通信制御装置により構成することができる。
以下に、本実施例における膜厚さの検出の態様について説明する。その上面に積層された複数の膜層を有する膜構造の処理対象の膜層をエッチングする処理中に膜構造で反射されて受光器７’において受光される光は、処理対象の膜層の上面で反射された光とその底面または下方の膜層との界面で反射された光との２つが重畳され、これら２つの光路を経て届く光の経路長が異なるため２つが干渉したものとなる。このような干渉光は、処理中の時間の変化に伴なって変化する処理対象の膜層の厚さの変化に応じて少なくとも一方の経路長が変化するため、その強度が時間変化に伴なって増減を繰り返すことになる。
本実施例において、受光器７’において受光されて分光器１０に導入されたウエハ４の表面で反射された真空処理室２内部からの干渉光は、所定の複数の波長の光に分けられて、各々の波長の光の強度がこれに応じた電流検出信号となって電圧信号へ変換される。このような複数の特定波長（例えばｊ個）の干渉光は、予め定められた時間の間隔（サンプリング時間）毎にそれらの強度が検出され、これら検出された結果としての信号は当該検出された時刻またはサンプリングの計時番号ｉ毎に強度を示すデータが並べられた時系列データｙｉ，ｊとして膜厚測定器９内に配置された図示を省略したＲＡＭ等の記憶装置に収納され記憶される。
分光器１０において検出された時刻ｉにおける複数波長の干渉光の強度の時系列データｙｉ，ｊは第１デジタルフィルタ１１に送信されて、その内部での各々の時刻での値が平滑化処理されて平滑化時系列データＹｉ，ｊとして検出され、膜厚測定器９内の図示を省略したＲＡＭ等の記憶装置に収納される。
平滑化時系列データＹｉ，ｊは微分器１２に送信されて従来から用いられてきた技術、例えばＳ−Ｇ法（Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ ｍｅｔｈｏｄ）等を用いて、その時刻毎の値の時間についての変化率である微係数値（１次微分値あるいは２次微分値）が算出されて、微係数値の時系列データｄｉ，ｊが検出される。得られた時系列データｄｉ，ｊは図示を省略したＲＡＭ等の記憶装置に収納される。
微係数値の時系列データｄｉ，ｊは、第２デジタルフィルタ１３に送信され平滑化処理され、平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊが算出される。当該平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊは図示を省略したＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを用いて干渉光強度の微分値の波長依存性を示す（波長ｊをパラメータとする）実パターンが求められる。
次に、ｊ個の波長のうち任意の波長の平滑化微係数時系列データＤｉの算出について説明する。本実施例では、第１デジタルフィルタ１１として２次バタワース型のローパスフィルタが用いられる。この２次バタワース型のローパスフィルタにおいて任意の波長に関する平滑化時系列データＹｉは式（１）により求められる。

Yi = b1・yi + b2・yi-1 + b3・yi-2 - [ a2・Yi-1 + a3・Yi-2]・・・（１）
ここで係数ａ，ｂはサンプリング周波数およびカットオフ周波数により数値が異なるものである。また、デジタルフィルタの係数値は、例としてa2 = -1.143, a3 = 0.4128, b1 = 0.067455, b2 = -0.013491, b3 = 0.067455（サンプリング周波数１０Ｈｚ、カットオフ周波数１Ｈｚ）である。
本実施例において、平滑化時系列データＹｉの２次の微係数値の時系列データｄｉは、微分器１２において５点の時系列データＹｉの多項式適合平滑化微分法が用いられて以下のように式（２）によって算出される。

j=2
di = Σwj・Yi+j ・・・（２）
j=-2
ここで、本実施例の重み係数ｗは、ｗ−２＝２，ｗ−１＝−１，ｗ０＝−２，ｗ１＝−１，ｗ２＝２に設定されている。
このように求められた微係数値の時系列データｄｉから第２デジタルフィルタ１３において平滑化微係数時系列データＤｉが算出される。本実施例の第２デジタルフィルタ１３は、例えば２次バタワース型回路を備えて構成されたローパスフィルタが用いられ、Ｄｉは以下の式（３）により算出される。

Di = b1・di + b2・di-1 + b3・di-2 - [ a2・Di-1 + a3・Di-2 ]・・・（３）
本実施例の膜厚測定器９の微分波形パターンデータベース１５には、予め別のウエハ上に形成された同等またはこれと見做せる程度に近似した膜構造を処理対象のウエハ４の処理の条件と同等またはこれと見做せる程度に近似した条件（処理用ガスの種類と組成、真空処理室２内の圧力、プラズマ３を形成するための電界または磁界の強度とその分布、処理の工程における処理を実施する時間等）により、エッチング処理した際に、処理中の時刻毎に得られた複数の波長毎の発光の強度の微分波形のパターンに対して各時刻における膜厚さを対応させたパターンのデータがデータベースとして格納されている。なお、微分波形パターンデータベース１５は、図示を省略したＲＡＭ等の記憶装置に記憶される。
微分波形比較器１４では、上記微分波形パターンデータベース１５に記憶された微分波形パターンのデータと第２デジタルフィルタ１３から受信した任意の時刻ｉにおける平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊとが比較され、当該記憶されたデータのうちで膜厚を求めるべき任意の時刻ｉにおけるｊ個の波長をパラメータとする実微分波形パターンに最も近いと判定されたものが算出され、当該最も近いと判定された上記パターンに対応する膜厚さが時刻ｉの瞬時膜厚値Ｚｉとして検出される。本実施例の微分波形比較器１４におけるデータの比較では、上記２つのパターンに係るデータ個々の偏差の二乗平均値σ２が算出され、膜厚測定器９に含まれる半導体製のマイクロプロセッサ等の演算器は当該偏差の二乗平均が最小となる微分波形パターンデータベース１５に記憶された微分波形パターンを実微分波形パターンに最も近いものと判定する。
微分波形比較器１４において算出された時刻ｉの瞬時膜厚値Ｚｉは回帰分析器１７に送信されて、当該回帰分析器１７において時刻ｉ以前の複数の時刻における瞬時膜厚値のデータと共に用いられて、所定のアルゴリズムに沿った演算によって現在の膜厚値が算出される。本実施例では、時刻ｉの瞬時膜厚値Ｚｉと時刻ｉ以前の複数の時刻における瞬時膜厚値とを用いた回帰直線近似法が用いられて時刻ｉでの膜厚値が算出される。すなわち、回帰分析器１７において１次回帰直線 Ｙ＝Ｘａ・ｔ＋Ｘｂ（Ｙ:残膜量、ｔ：エッチング時間、Ｘａ：Ｘａの絶対値がエッチング速度、Ｘｂ：初期膜厚）が求められ、この回帰直線の式から時刻ｉでの膜厚（計算膜厚）値が算出される。また、この計算膜厚値からさらに処理対象の膜層の初期厚さの値のデータを用いて、当該初期厚さの値から計算膜厚値を減算してエッチング深さの値が算出されるように構成されても良い。
回帰分析器１７において算出された計算膜厚値またはエッチング深さの値は終点判定器２１に送信されて、当該終点判定器２１において予めＲＡＭ等に記憶された目標となる膜厚さ或いはエッチング深さの値と比較され、目標に到達した或いはこれを超えたと判定された場合には、膜厚測定器９においてエッチングの処理の終点であると判定される。処理の終点への到達の当否が判定されると、判定の結果は終点判定器２１から液晶あるいはＣＲＴ等を含んで構成された表示器２２に送信されて表示され、装置１の使用者にこれが報知される。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて、本実施例の装置１がエッチング処理を施す対象となる膜構造の構成について説明する。図２は、図１に示す実施例が処理を施す対象となる膜構造の構成を模式的に示す断面図の例である。
本実施例の対象とするウエハ４上面に予め形成される膜構造は、下方に配置された膜層とこの上方に配置されて下方の膜層を覆う膜層とを備えている。特に、下方に配置された膜層は少なくとも１つの溝形状（トレンチ）を有し、溝形状の内部が上方に配置された膜層によって埋められて充填されている。
本実施例では、溝形状が形成された下方の膜層２０２は光を反射する材料、例えばＳｉ（シリコン）により構成されている。また、膜層２０２の溝の内部及びその溝の側壁を構成する部分の上端上方の部分に配置された上方の膜層２０１は光を透過する材料、例えばＳｉＯ２やＰｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）、ＳｉＮ等の材料により構成されている。
上方の膜層２０１を構成する材料は、従来周知の技術、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等によって、膜層２０２の溝の内部を埋めて充填し、さらに溝（側壁の）上端面よりも上方の高さまで積層され膜が形成される。
図２（ａ）は、エッチング処理を開始する前の初期状態における膜構造の構成を模式的に示した縦断面図である。本図において、下層の膜層２０２は側壁部分の高さ２０４を有した溝２０２’がその上面に形成されて、溝２０２’の深さとして高さ２０４を有している。
さらに、上方の膜層２０１が溝２０２’の内部を充填して埋めた上で、さらにその上面が溝２０２’の側壁上方の高さ位置まで積層されている。本図の初期状態において、膜構造の上方の膜層２０１は下層の膜層２０２の溝の底面までの膜厚さ２０３を有している。
図２（ｂ）は、膜構造に対するエッチング処理の第１のステップが終了した状態における当該膜構造の構成を模式的に示した縦断面図である。第１のステップは、上方の膜層２０１をエッチングする工程であって、膜層２０１をその上面から下方の膜層２０２の溝２０２’の側壁の上端面が露出するまでエッチングするものである。
すなわち、第１のステップのエッチングが終了した場合に、上方の膜層２０１の上部であって膜層２０２の溝２０２’の上端上方の部分が取り除かれて、溝２０２’の側壁上端面が上方の真空処理室２に露出された状態となる。そして、この状態で、溝２０２’内部においてその上面から溝２０２’の底面までの距離である上方の膜層２０１の膜厚さ２０６は、実質的に溝２０２’の高さ２０４と等しいかこれと見做せる程度に近似した値となっている。
図２（ｃ）は、本実施例の装置が膜構造に対して実施するエッチング処理の第２のステップが終了した状態における当該膜構造の構成を模式的に示した縦断面図である。第２のステップは、第一のステップと同様に上方の膜層２０１をエッチングするものであって、下方の膜層２０２の溝２０２’の内部の膜層２０１をエッチングして当該膜層２０２の溝２０２’の内部であってその側壁部分同士の内側に膜層２０１の上面を底面とし膜層２０２の溝２０２’の側壁面に挟まれた新たな溝（トレンチ）２１０を、その深さ２０８が所定の値になるまで形成するものである。
すなわち、第２のステップでは、膜層２０２の溝２０２’の内部の膜層２０１がエッチングされて除去され膜層２０２の溝２０２’の壁部分の側壁面が露出され、膜層２０１の上面と露出された膜層２０２の側壁部分とで囲まれる新たな溝形状であるトレンチ２１０が形成される。なお、本実施例の第２のステップは、膜層２０２の溝２０２’内部の膜層２０１が完全に除去されずに膜厚２０９を有した状態を終点とするものである。
第２のステップの終了後、トレンチ２１０の内側は、当該エッチングが終了し必要であれば別の処理が施された後にウエハ４から切り出されて形成される半導体デバイスの配線構造を構成する別の材料が積層されて埋められる。このようなデバイスの性能や機能は、上記トレンチ２１０内側に配置される配線の形状によって影響を受けることから、この形状がデバイス個々によって（すなわちデバイスの配線構造となるウエハ４上の膜構造の異なる位置や個々のウエハによって）バラつきが大き過ぎた場合には性能が許容される範囲を外れた不良品のデバイスの割合が増大してしまうという問題が生じてしまう。これを抑制するためには、上記のエッチングの工程においてウエハ４の深さ２０８の値のバラつきを抑制してこれを精度良く実現することが重要となる。
なお、本例の膜構造は、膜層が１つずつ上方及び下方に配置された構成を示したが、上下の膜層各々が複数の異なる材料から構成された膜層を有したものであっても良い。例えば、下方の膜層として基材となるＳｉにより構成されて溝２０２’が形成された及び当該溝２０２’の側壁部分の上端に配置され光の反射率がＳｉより小さな別の材料であって上方の膜層２０１の材料と異なる材料から構成された膜層を有して、溝２０２’が２つの膜層から構成されたものであっても良い。このような材料としては、例えばＳｉＣ，ＳｉＮ，ＳｉＯ２が考えられる。また、この膜層は溝２０２’またはトレンチ２１０形成のマスクとして機能できることから樹脂製の材料を用いた所謂レジストマスクでも良い。
また、上方の膜層２０１が下方の膜層２０２の溝２０２’の底面を覆ってその上方の底部に配置され光の反射率が基材であるＳｉまたは膜層２０２の溝２０２’の側壁部上端面を構成する材料より大きな別の材料により構成された底部膜層及び膜層２０２の溝２０２’の内部に配置され当該底部膜層の上方を覆って溝２０２’を埋めて積層された上部膜層とを備えたものであっても良い。さらに、上部膜層は下方の膜層２０２の溝２０２’の内側を埋めて当該溝の側壁部の上端面と同じかこれと見做せる程度に近似した高さまで積層されたものであって、さらにその溝２０２’の側壁部の上端面及び上部膜層の上方を別の膜層が被覆して深さ２０３となる高さ位置まで積層されて上方の膜層２０１が構成されるものであっても良い。
次に、図１に示した微分波形パターンデータベース１５を作成する工程について図３を用いて説明する。図３は、図１に示す実施例に係る微分波形パターンデータベースを作成する工程の流れを示すフローチャートおよびデータベースのデータの例を模式的に示すグラフである。
図３（ａ）は、本実施例の微分波形パターンデータベースが作成される工程の流れの概略を示すフローチャートである。本実施例では、ＳＴＡＲＴ（ステップ３０１）後、上記の通り、製品となる半導体デバイスを製造するためのウエハ４の処理に先立って、予め当該ウエハ４と同じかこれと見做せる程度に近似した構成を有した膜構造を上面に備えた測定用の試料（サンプルウエハ）の処理対象の膜層の厚さを検出する（ステップ３０２）。
本実施例では処理対象の膜層は上方の膜層２０１であるから、ステップ３０２において処理の開始前の初期の膜厚さ２０３が検出される。この検出には従来周知の技術、例えば測長ＳＥＭ等を用いることができる。
次に，サンプルウエハのエッチング処理を実施する。このエッチング処理の条件は、ウエハ４の処理の条件と同等またはこれと見做せる程度に近似した条件（処理用ガスの種類と組成、真空処理室２内の圧力、プラズマ３を形成するための電界または磁界の強度とその分布、各々の工程における処理を実施する時間等）である。
その処理中において所定の時間間隔の複数の時刻でサンプルウエハの表面から反射されて検出される干渉光の各波長の強度のパターンを検出して記憶装置内に記憶する。これら時間の経過に伴う当該干渉光の強度を示す時系列のデータは、図１に示す膜厚測定器９の第１デジタルフィルタ１１および微分器１２および第２デジタルフィルタ１３を介してその微分波形が算出され、波長をパラメータとする干渉光の強度について時系列の平滑化微分波形パターンが検出される（ステップ３０３）。
このようなサンプルウエハの処理の対象と条件とは、装置１において製品デバイス製造用のウエハ４に対して実施される処理と同等またはこれと見做せる程度に近似したものでから、図２に示された膜構造に対して第１のステップとこれに続く第２のステップとを含むエッチング処理が実施され、工程各々において上記時系列の微分波形パターンが検出される。なお、第１のステップにおける時系列微分波形パターンと第２のステップにおける時系列微分波形パターンとの各々を異なるサンプルウエハの処理において検出しても良い。
次に、図２（ｂ）に示す第１のステップ終了後の膜層２０１の膜厚さ２０６及び図２（ｃ）に示す膜層２０１のエッチング処理の第２ステップ終了後の膜層２０１の膜厚さ２０９を、例えば測長ＳＥＭ等を用いて検出する（ステップ３０４）。これらの検出は、ステップ３０３に係る処理が実施されるサンプルウエハとは別のサンプルウエハについて実施されても良い。
ステップ３０２，３０４において検出された、膜層２０１の初期の膜厚さ２０３、第１のステップの終了後で第２のステップの開始前の膜層２０１の膜厚さ２０６、および第２のステップの終了後またはエッチング処理終了後の膜層２０１の膜厚さ２０９を、複数波長の干渉光の強度についての時系列の微分波形パターンの各々の時刻に対して割り当てて対応させることにより、時系列の微分波形パターンのデータベースを算出する（ステップ３０５）。
このような時系列の微分波形パターンの例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、ステップ３０５で検出された複数波長の干渉光の強度についての時系列の微分波形パターンを模式的に示すグラフである。
本図は横軸に第１のステップのエッチングの開始を始点とした時間変化を採り、これに実線または破線で示される曲線の各々は、ステップ３０３においてサンプルウエハを処理中に検出された所定の複数の波長Ａ、波長Ｂ、波長Ｃの各々の波長の干渉光の強度の平滑化された微分値の時間の変化に伴う変化を示している。横軸の値は処理中の時刻に対応するものであるが、エッチング処理の速度（レート）が処理中に一定またはこれと見做せる程度に近似した許容範囲内の値である場合には、膜層２０１の残り膜厚さ或いはエッチングされた量、本例ではトレンチ２１０の深さに対応する。
本図に示すように、各々の時刻または残り膜厚さ或いは加工された深さの値に対して複数の波長の微分値の組合せが波長をパラメータとするパターンとして一意に定まることが示されている。ステップ３０６において、このようにエッチングの処理中の時刻毎あるいは処理対象の膜の残り膜厚さ或いは加工の深さの各々と対応させた前述の波長をパラメータとする干渉光の強度の微分波形パターンのデータを微分波形パターンデータベース１５として、図示しない記憶装置内に記憶して保存する。
図４を用いて本実施例におけるエッチングの終点の判定の動作について説明する。図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がエッチングの終点を判定する動作の流れを示すフローチャートである。
動作のＳＴＡＲＴ（ステップ４０１）の後、まず、図３に示す微分波形パターンデータベース１５のデータを作成するため、サンプルウエハのエッチング処理を実施して、得られた干渉光の波長をパラメータとする平滑化された時系列の微分波形パターンのデータを微分波形パターンデータベース１５に格納される。このステップでは、サンプルウエハの処理中に複数波長の干渉光の強度についての微分波形の時系列データが検出されるとともに、エッチング処理開始前及び処理中並びに処理終了後における膜構造の処理対象の膜の厚さが検出されて、これらの厚さと前記時系列データとが対応付けされてデータベースが作成される（ステップ４０２）。
次に、半導体デバイスを製造する対象となる製品用のウエハ４が真空処理室２内の試料台５上に載置されて保持され、真空処理室２内にプラズマ３が形成される。試料台５内の電極に高周波電源からの高周波電力が印加されて、ウエハ４上面の膜構造の上方の膜層２０１のエッチングが開始され（ステップ４０３）、図２（ａ）に示す膜層２０１の初期の状態から図２（ｂ）に示す下方の膜層２０２の溝２０２’の側壁部上端面が露出するまで、エッチングの第一ステップが実施される。
本実施例では、第１のステップにおいて膜層２０２の溝２０２’の側壁部分の上端面が露出するまでの間、図１に示す膜厚測定器９において、真空処理室２上方に配置されその受光面がウエハ４上面と対向して配置された受光器７’を通して受光したウエハ４上面の膜構造からの干渉光を用いて膜厚さを検出しつつ、真空容器側壁に配置され真空処理室２の側方でプラズマ３に面して配置された受光器８’を通して受光したプラズマ３の発光の特定の波長の光の強度についての特徴的な時間的変化を検出する（ステップ４０４）。受光器１６において分光されて得られた特定の波長のプラズマ３の発光の強度を示す信号のデータから、膜層２０２の側壁部分の上端面が露出した際に生じる反応生成物に起因する特定波長のプラズマ３の発光の強度についての時間変化が検出される。
このような受光器８’で受光され分光器１６に送信されたプラズマ３の発光の特徴的な時間変化は、図１に示す第１デジタルフィルタ１１、微分器１２、第２デジタルフィルタ１３を用いて算出された平滑化された微係数を用いて検出されても良い。このような発光の強度またはその微分値の時間的な変化は、例えば下方の膜層２０２の側壁部材の上端面が真空処理室２内のプラズマ３に露出した結果、これを構成する材料であるＳｉを成分として含む粒子がプラズマ３中に遊離し、この粒子の発光に対応する波長の光の強度が増大することにより発生する。
当該発光強度の特徴的な時間変化は終点判定器２１に送信されて、終点判定器２１において検出されたこのような強度の時間変化を用いて第１のステップの終点への到達の当否が判定される（ステップ４０５）。なお、終点検出については分光器１６へ入射したプラズマ発光を利用し実施しているが、分光器１０へ入射したプラズマ発光を利用しても良い。
第１のステップの終点が判定されると、膜厚測定器９において受光器７’を通して受光されたウエハ４からの干渉光から膜層２０１の残りの膜厚さ２０６が算出され（ステップ４０６）、算出された膜層２０１の膜厚さ２０６の値を膜層２０２の溝２０２’の高さ２０４の値として図示しない膜厚測定器９の記憶装置に記憶する（ステップ４０７）。その後、膜層２０１の膜厚２０６を第２のステップにおける処理対象の膜層２０１の初期の膜厚として当該膜層２０１をエッチング処理する第２のステップを開始する（ステップ４０８）。
第２のステップの間、所定の時間間隔で受光器７’を通してウエハ４上面の膜構造からの干渉光を用いて膜層２０１の残り膜厚さ２０９が計算膜厚として算出され、計算膜厚または残りの膜厚さ２０９がステップ４０７にて保存された膜層２０２についての高さ２０４または膜厚さ２０６の値から減算されてトレンチ２１０の深さ２０８が算出される（ステップ４０９）。深さ２０８の値は、終点判定器２１において、予め設定され記憶装置に記憶された目標の値と比較され第２のステップまたはエッチング処理の終点への到達の当否が判定され、終点へ到達したと判定された場合に第２のステップまたはエッチングの処理が終了される（ステップ４１０）。
上記の実施例の通り、第１のステップ終了後に検出された残り膜厚さ及び第２のステップ中に検出された膜厚さとを用いてトレンチ２１０の深さまたは残り膜厚さが高い精度で算出される。また、トレンチ２１０の高さ２０４は、図２（ａ）に示す初期状態から膜厚測定を実施しておき、図２（ｂ）に示す形状になったタイミング、すなわち膜層２０２の溝２０２’の上端面が露出することによるプラズマ３の発光の特定波長の発光の強度の特徴的な時間変化を捉えることにより第１のステップの終点の判定が行われることで、高い精度で検出される。
上記のような実施例によれば、下方の膜層２０２の溝２０２’の高さ２０４または膜厚さ２０６がウエハ４毎に大きくばらついた場合でも、精度良くトレンチ２１０の深さ２０８を算出でき、所望のトレンチ深さ２０８となる時点でエッチング処理を終了させて加工後の形状の精度が向上する。このことにより処理の歩留まりを向上することができる。
１…プラズマ処理装置
２…真空処理室
３…プラズマ
４…ウエハ
５…試料台
７…光ファイバ
８…光ファイバ
９…膜厚測定器
１０…分光器
１１…第１デジタルフィルタ
１２…微分器
１３…第２デジタルフィルタ
１４…微分波形比較器
１５…微分波形パターンデータベース
１６…分光器
１７…回帰分析器
２１…終点判定器
２２…表示器。

Claims (10)

  1. 真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し当該処理室内にプラズマを形成して予め前記ウエハ上面に配置され複数の膜層を有した膜構造の処理対象の膜をエッチングするプラズマ処理方法であって、
    前記膜構造が少なくとも１つの膜層を含み溝構造を有した下層の膜と前記溝構造の内側及び上端を被って上方に積層された少なくとも１つの膜層を有する上層の膜とを有したものであって、
    前記下層の膜の前記溝構造の上端を露出するまで前記上層の膜をエッチングして除去する第１のステップと、前記上層の膜の前記溝構造の内側の膜層をエッチング処理する第２のステップと、前記第１のステップが終了した際の前記下層の膜の溝構造の前記内側の膜層の厚さの値を用いて前記第２のステップの終点を判定する判定ステップとを備えたプラズマ処理方法。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記第２のステップ中に前記膜構造から得られた複数の波長の干渉光の強度を用いて検出された前記溝構造の内側の前記上層の膜の前記膜層の残り膜厚さの値を用いて前記第２のステップの終点を判定する前記ステップとを備えたプラズマ処理方法。
  3. 請求項１また２に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記溝構造の内側の前記上層の膜の膜層が前記溝構造の上端上方の膜層と同じ材料で構成されたプラズマ処理方法。
  4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記下層の膜の前記溝構造の上端の露出による前記プラズマの発光の変化に基づいて第１のステップの終点を判定するプラズマ処理方法。
  5. 請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記膜構造は前記溝構造の内側の前記膜層の反射率が当該溝構造の上端を構成する膜層の反射率より大きいプラズマ処理方法。
  6. 真空容器内部に配置された処理室内に配置された処理対象のウエハの上方に形成されたプラズマを用いて当該ウエハ上面に予め配置され複数膜層を有した膜構造の処理対象の膜をエッチングするプラズマ処理装置であって、
    前記膜構造が少なくとも１つの膜層を含み溝構造を有した下層の膜と前記溝構造の内側及び上端を被って上方に積層された少なくとも１つの膜層を有する上層の膜とを有したものであって、
    前記溝構造の上方の前記上層の膜をエッチングする第１のエッチングよる前記溝構造の上端の露出を検出する検出器と、前記溝構造の上端が露出した後に前記溝構造の内側の膜層をエッチングする第２のエッチングの終点を前記溝構造の上端の露出が検出された際の前記溝構造の内側の前記膜層の深さの値を用いて判定する判定器とを備えたプラズマ処理装置。
  7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記第２のエッチング中の前記膜構造から得られた複数の波長の干渉光の強度を用いて前記溝構造の内側の前記上層の膜の前記膜層の残り膜厚さを検出する膜厚さ検出器と、当該膜厚検出器により検出された結果を用いて前記第２のエッチングの終点を判定する前記判定器とを備えたプラズマ処理装置。
  8. 請求項６また７に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記溝構造の内側の前記上層の膜の膜層が前記溝構造の上端上方の膜層と同じ材料で構成されたプラズマ処理装置。
  9. 請求項６乃至８の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記溝構造の上端の露出を検出する検出器は当該露出による前記プラズマの発光の変化を検出するプラズマ処理装置。
  10. 請求項６乃至９の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記膜構造は前記溝構造の内側の前記膜層の反射率が当該溝構造の上端を構成する膜層の反射率より大きいプラズマ処理装置。
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