JP2022058184A - 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】半導体ウェハ表面の微細形状にばらつきがある場合であっても、被処理膜の厚さを精度良く検出して処理できるようにする。【解決手段】真空処理室の内部で処理される被処理材の被処理膜の状態を検出する処理状態検出ユニットを備えたプラズマ処理装置において、処理状態検出ユニットを、プラズマの発光を検出する発光検出部と、プラズマの発光の微分波形データを求める演算部と、複数の微分波形パターンデータを記憶しておくデータベース部と、演算部で求めた微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて被処理材で処理されている被処理膜の膜厚の推定値を算出する膜厚算出部と、膜厚算出部で算出した被処理膜の膜厚の推定値に基づいてプラズマ処理の終点を判定する終点判定部とを備えて構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路の製造等における被処理材の処理装置及び処理方法に係り、特に、プラズマ放電を用いたエッチング処理により基板上に設けられる各種層のエッチング量を正確に検出し所望の膜厚およびエッチング深さに加工するのに適したプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造では、半導体ウェハの表面上に形成された様々な材料の層および特に誘電材料の層の除去またはパターン形成にドライエッチング装置を用いた加工が広く使用されている。
このドライエッチング装置では、真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化させイオンやラジカルとし、このイオンやラジカルを半導体ウェハの表面の形成された層と反応させることにより、半導体ウェハのエッチング加工を行なう。
このエッチング加工おいて重要なことは、このような層の加工中に所望の膜厚およびエッチング深さでエッチング加工を停止するためのエッチング終点を正確に検出することである。
半導体ウェハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウェハのエッチング終点判定方法の１つとして、従来からドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点を検出する方法がある。
このような技術の例としては、特開２００７－２３４６６６号公報(特許文献１)に記載のものが、従来から知られていた。この従来技術では、エッチング中の半導体ウェハからの反射光量の時間変化に基づいて終点判定を実施する方法が記載されている。
また、前記の半導体ウェハからの反射光量は、加工中の層以外の層の膜厚によっても変化するため、そのような条件下でも精度よく終点を検出する方法として、特開２０１６－１８４６３８号公報（特許文献２）に記載のものが、従来から知られていた。この従来技術では、被処理膜の下にある層の膜厚（下地膜厚）が異なる場合における高精度な膜厚推定方法が開示されている。
特許文献１には、干渉光の時間変化の特徴的な振る舞いを検出より求めデータベース化し、そのデータベースと検出される干渉波形との比較によりエッチングの終了判定を行う方法が開示されている。データベースは半導体ウェハ等の被処理材をプラズマエッチングする際に、サンプル用の被処理材（サンプル用半導体ウェハ）のエッチング量に対する、干渉光の波長依存性を示す標準パターンを設定することによって作成される。
特許文献２には、下地膜厚が異なる干渉スペクトルパターン（干渉パターン）をデータベースとして準備し、２つのデータベースの合成により生成されるデータベースを作成し、その合成したデータベースと検出される干渉パターンとを比較することで、各時刻の膜厚推定値を算出し、終点を判定することが記載されている。
特開２００７－２３４６６６号公報 特開２０１６－１８４６３８号公報
しかしながら、上記の従来技術では、下地膜厚だけでなくマスク膜厚のばらつき、マスクの幅のばらつき、被処理膜の半導体ウェハ上の位置ごとの膜厚のばらつきなど、半導体ウェハ表面の微細形状に様々なばらつきが生じた場合には、高精度な膜厚推定を実現することができない。
例えば、下地膜厚とマスク膜厚が異なり、被処理対象の半導体ウェハの微細形状が、下地膜厚がやや厚く、マスク膜厚がやや厚い場合を考える。この場合には、下地膜厚の厚い場合、薄い場合、マスク膜厚の厚い場合、薄い場合の４つの半導体ウェハから得られた干渉スペクトルパターンのデータベースを用意し、それらを適切に合成する必要があるが、特許文献１及び２の何れにも、そのような方法は開示されていない。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を考慮し、半導体ウェハ表面の微細形状（例えば、下地膜厚とマスク膜厚）に２つ以上のばらつきが生じた場合であっても、被処理膜の残り膜厚を精密に検出し、あるいは制御できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材を処理する真空処理室と、この真空処理室の内部で処理される被処理材の被処理膜の状態を検出する処理状態検出ユニットと、真空処理室と処理状態検出ユニットとを制御する制御部とを備えたプラズマ処理装置において、処理状態検出ユニットは、真空処理室の内部に発生させたプラズマ発光を検出する発光検出部と、この発光検出部で検出したプラズマ発光の微分波形データを求める演算部と、予め複数の微分波形パターンデータを記憶しておくデータベース部と、演算部で求めた微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて被処理材で処理されている被処理膜の膜厚の推定値を算出する膜厚算出部と、この膜厚算出部で算出した被処理膜の膜厚の推定値に基づいてプラズマ処理の終点を判定する終点判定部とを備えて構成した。
また、本発明は、上記目的を達成するために、真空処理室の内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材に形成された被処理膜を処理するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、真空処理室の内部に発生させたプラズマの発光を発光検出部で検出し、発光検出部で検出したプラズマの発光の微分波形データを演算部で求め、演算部で求めた微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて被処理材で処理されている被処理膜の膜厚の推定値を膜厚算出部で算出し、膜厚算出部で算出した被処理膜の膜厚の推定値に基づいて終点判定部で前記プラズマ処理の終点を判定するようにした。
更に本発明は、上記目的を達成するために、真空処理室の内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材に形成された被処理膜を処理するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、真空処理室の内部に発生させたプラズマの発光を発光検出部で検出し、発光検出部で検出したプラズマの発光の微分波形データを演算部で求め、演算部で求めた微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて被処理材で処理されている被処理膜の膜厚の推定値を膜厚算出部で算出し、膜厚算出部で算出した膜厚の推定値が予め設定した残り膜厚に到達するまで被処理膜を処理し、膜厚算出部で算出した膜厚の推定値が予め設定した残り膜厚に到達した場合には追加処理時間算出器で求めた予め設定した残り膜厚から目標の膜厚に到達するために必要な処理時間だけ被処理膜を更に処理するようにした。
本発明によれば、半導体ウェハの微細形状に様々なばらつきが生じた場合であっても、被処理膜の処理量もしくは残り膜厚を精度よく検出することが出来る。
また、本発明によれば、ウェハ間、ロット間などにおける各種構造ばらつきに対して高精度な膜厚推定および終点判定を実現可能となり、デバイス製造の歩留まりを向上することができる。
本発明の実施例1に係るプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例1に係る被処理材の断面図で、処理前の状態を示す。 本発明の実施例1に係る被処理材の断面図で、処理中の状態を示す。 本発明の実施例1に係る計算に用いる行列データの説明図である。 本発明の実施例1に係る計算に用いる行列データの説明図である。 本発明の実施例1に係る計算に用いる微分波形パターンを示すグラフである。 本発明の実施例1に係る計算に用いるデータベースから抽出した微分波形パターンのばらつきを示すグラフである。 本発明の実施例1に係る計算に用いるデータベースから抽出した微分波形パターンのばらつきから求めた標準偏差を示すグラフである。 本発明の実施例1に係るエッチング処理における被処理膜の残り膜厚もしくはエッチング量を算出する手順を示すフローチャートである。 図６のフローチャートのステップＳ６０３におけるレシピ最適化の詳細な手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例1に係るエッチング処理の効果を説明する被処理ウェハからの反射光を検出して得られた微分波形パターンとデータベースに格納された微分波形パターンを示すグラフであって、微分波形パターンデータベースを重みづけすることで、被処理材の微細形状がばらつく場合であっても、微細形状が類似したテスト用半導体ウェハにて測定された微分波形パターンデータベースを用いて、精度良く膜厚を検出することが出来ることを示している。 本発明の実施例２にかかる微分波形パターンデータベース集合１４に格納されている各膜厚に対応付けられた干渉光パターンデータの数を説明する図である。 本発明の実施例２にかかるプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２にかかる処理手順を示すフローチャートである。 図１１におけるフローチャートのステップＳ１３１２の詳細な手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２の効果にかかる説明図で、処理ウェハごとの処理後残膜厚のばらつきを示すグラフである。
本発明は、プラズマ処理装置に各種膜厚・構造の複数の干渉スペクトルをデータベースに備えたエッチング量測定ユニットを装備して、このエッチング量測定ユニットにより、エッチング中の干渉スペクトルと各データベースとの距離に基づきデータベースの膜厚を混合し、膜厚推定値を決定することにより、下地膜厚以外の膜厚・構造のばらつきに対しても高精度な膜厚推定を実現可能にしたものである。
本発明において膜厚を推定する具体的な手順を、以下に示す。
（ａ）各種膜厚・構造に起因する干渉スペクトルパターンが異なる複数のデータベースを準備する。
（ｂ）ウェハ処理中の干渉スペクトルのパターンとデータベースの干渉スペクトルのパターンの差に従う重みづけを算出し、重み付けとデータベースの膜厚値を用いて膜厚推定値を算出する。
（ｃ） 推定膜厚を用いて目標への到達を判定する。
ここで、膜厚推定値を算出することをより具体的に説明すると、予め収集した干渉スペクトルと膜厚のデータを用いて、干渉スペクトルの波長域を、最適化する。具体的には、同一膜厚における干渉スペクトルのばらつきの大きい波長域を除外し、データベース間の相互膜厚推定により精度を評価する。精度が良ければ、その波長域を膜厚推定に用いる。
本発明では、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法において、処理中の実干渉光パターンを当該実パターンとの差の値に応じて重み付けられた３個以上の合成用干渉光パターンを用い、合成用干渉光パターンからそれぞれ算出した膜厚を重みに従い合成することで、処理中の膜厚を検出できるようにしたものである。
また、本発明は、半導体ウェハ表面の微細形状が異なることを考慮して複数の半導体ウェハから得られた干渉光の微分波形パターンデータベースを登録しておき、エッチング処理中に半導体ウェハの表面から得られる干渉光の複数の波長の各々について時間微分を求め、干渉光の波形の微分値のパターンを求め、そのパターンと複数の微分波形パターンデータベースとのパターンの差に基づく重みを、各々の微分波形パターンデータベースについて算出する。
この重みを用いて、各々の微分波形パターンデータベースから計算される膜厚の重み付き和を計算することで、被処理対象の半導体ウェハとの微細形状がより類似したパターンデータベースを用いて、被処理膜の残り膜厚を精度よく検出できるようにしたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関するものである。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。
ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
以下、図１から図５を用いて、本発明のエッチング量（ここでは実際の処理材のエッチング深さ及び膜厚）を検出する手段を備えた半導体ウェハのプラズマ処理装置の全体構成を説明する。
本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を図１に示す。プラズマ処理装置１は、真空処理室２とエッチング量測定ユニット８及び制御部３０を備えている。
真空処理室２は、内部に半導体ウェハ等の被処理材４を載置する試料台５と、内部で発生したプラズマ３の発光を検出する受光器７と、受光器７で受光したプラズマ３の発光を伝送する光ファイバ７１、被処理材４に光を照射する光源２２を備えている。真空処理室２には、内部にガスを導入するガス導入手段や、内部を真空に排気する真空排気手段、電力を供給する電力供給手段などを更に備えるが、説明を簡単にするために、それらの図示を省略する。
エッチング量測定ユニット８は、分光器９、第１デジタルフィルタ１０、微分器１１、第２デジタルフィルタ１２、個別膜厚算出器１３、微分波形パターンデータベース集合１４、微分波形パターンデータベース１５、被処理膜の膜厚２１０を算出する重付膜厚算出器１６、重付膜厚算出器１６の計算に用いられる膜厚算出レシピ１７、回帰分析器１８、回帰分析器１８の結果に基づきエッチングの終了を判定する終点判定器１９、終点判定器１９の判定結果を表示する表示器２０、膜厚算出レシピ１７の値を最適化するレシピ最適化器２１、を備えている。
なお、図１におけるエッチング量測定ユニット８は、機能的な構成を示したものであり、表示器２０と分光器９を除いたエッチング量測定ユニット８の実際の構成は、ＣＰＵや、エッチング深さ及び膜厚検出処理プログラムや干渉光６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や検出データ保持用の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。
制御部３０は、エッチング量測定ユニット８からの信号や外部からの信号を受けて、真空処理室２に接続している図示していないガス導入手段や、真空排気手段、電力供給手段など制御する。
真空処理室２の内部に図示を省略したガス導入手段から導入されたエッチングガスが、図示を省略した電力供給手段から供給されたマイクロ波電力等により分解しプラズマ３となり、このプラズマ３により試料台５上の半導体ウェハ等の被処理材４がエッチングされる。
プラズマ３の発光は、直接もしくは干渉光６のように半導体ウェハ等の被処理材４で反射後、その一部が受光器７で受光されて、真空処理室２から光ファイバ７１を通して分光器９に導入される。分光器９では、入射したプラズマ発光は分光され光強度をデジタル信号に変換される。なお、プラズマ３の発光の代わりに光源２２から被処理材４に光を照射して、その反射光を分光器９で計測するようにしても良い。
図２Ａはエッチング対象である被処理材４表面の微細形状を示している。半導体ウェハ等の被処理材４は、シリコン基板２００の上に例えば、ポリシリコンなどで構成される被処理膜２０２と酸化膜などで構成される下地膜２０３とが積層して形成されている。また、被処理膜２０２の上には、レジストなどで構成されるマスク２０１のパターンが形成されている。
図２Ｂは、被処理膜２０２をエッチングしているときの模式図である。被処理材４に入射するプラズマ光２０４は、被処理材４の表面で反射するが、それには、まずマスク２０１表面での反射光２０５とマスク２０１と被処理膜２０２の境界での反射光２０６が存在する。また、マスク２０１で覆われておらず被処理膜２０２が露出している部分において、被処理膜２０２表面での反射光２０７、被処理膜２０２と下地膜２０３の境界での反射光２０８と、下地膜２０３とシリコン基板２００の境界での反射光２０９が存在する。
これらの反射光の間には光路差が生じるため干渉光が形成される。エッチングの進行に伴い被処理膜２０２の膜の厚さは減少するため、各反射光の光路差は変化し波長毎に周期の異なる干渉現象が発生する。これらの多波長の干渉光６のうち受光器７で受光された多波長の干渉光６は、光ファイバ７１を介してエッチング量測定ユニット８の分光器９に導かれ、その状態に基づいて被処理膜２０２のエッチング量の測定やプロセス（ここではエッチング）の終点判定の処理を行う。
図２Ｂにおいて、膜厚検出の対象となる膜厚は被処理膜２０２の膜厚２１０である。しかしながら、受光器７で受光されて分光器９で計測される多波長の干渉光６は、マスク膜厚２１１、下地膜厚２１２、被処理膜領域２１３とマスク領域２１４の面積比、被処理膜の膜厚２１０の半導体ウェハ上の位置ごとのばらつき、といった半導体ウェハ微細形状のばらつきによっても変動する。これらのばらつきが、被処理膜の膜厚２１０の検出の誤差要因となる。
分光器９が取り込んだ被処理材４に関する多波長の干渉光６は、それぞれの波長ごとの発光強度に応じた電流検出信号となり電圧信号へ変換される。分光器９により任意のサンプリング時刻ｉに得られたサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は、時系列データｙｉｊとして図示していないＲＡＭ等の記憶装置に一旦収納される。ここでｊは、波長を示す。
次に、分光器９から出力されてＲＡＭ等の記憶装置に一旦収納された時系列データｙｉｊは、第１デジタルフィルタ１０に伝送されて、ノイズ成分となる所定の周波数以上の波形が除かれて平滑化処理され、平滑化時系列データＹｉｊとして、図示していないＲＡＭ等の記憶装置に一旦収納される。
このＲＡＭ等の記憶装置に一旦収納された平滑化時系列データＹｉｊは、微分器１１に送信され、所定のサンプリング時刻ｉの微分値（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、図示していないＲＡＭ等の記憶装置に収納される。このＲＡＭ等の記憶装置に一旦収納された微分値の時系列データｄｉｊは、第２デジタルフィルタ１２に送信されて再度平滑化処理され平滑化微分係数時系列データＤｉｊとして図示していないＲＡＭ等の記憶装置に収納される。
ここで、平滑化微分係数時系列データＤｉの算出について説明する。第１デジタルフィルタ１０としては、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いる。２次バタワース型のローパスフィルタにより平滑化時系列データＹｉは式（１）により求められる。
Figure 2022058184000002
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。またデジタルフィルタの係数値は例えば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。
微分係数の時系列データｄｉは微分器１１により５点の時系列データＹｉの多項式適合平滑化微分法を用いて式（２）から以下のように算出される。
Figure 2022058184000003
ここで重み係数ωに関して ω－２=２、ω－１＝－１、ω０＝－２、ω１＝－１、ω２＝２である。
前記微分係数の時系列データｄｉを用いて平滑化微分係数時系列データＤｉは第２デジタルフィルタ１２としては、例えば２次バタワース型ローパスフィルタにより式（３）から以下のように算出される。
Figure 2022058184000004
この計算を波長ｊごとに実行し、平滑化微分係数時系列データＤｉｊを得ることが出来る。さらに、平滑化微分係数時系列データＤｉｊを、平滑化時系列データＹｉｊで除算した値をＤｉｊとして以降の計算では用いる。なお、平滑化微分係数時系列データＤｉｊをそのまま用いてもよい。
一方、微分波形パターンデータベース集合１４は、微分波形パターンデータベース１５を３つ以上保持したものである。微分波形パターンデータベース１５には、半導体デバイスを製造するための処理対象である被処理材４およびその表面の膜構造について材料、形状、構成が同等であるテスト用の被処理材を当該被処理材４と同等の条件でエッチング処理した場合に得られる干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊが予め格納されている。
微分波形パターンデータベース１５は、異なる複数のテスト用の被処理材において計測されたものが複数格納されている。ｍはデータベースのＩＤを示し、ｓは処理開始からカウントしたサンプリング時の経過時間、ｊは発光波長を示す。干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊは、被処理膜の異なる残り膜厚或いはこれを示すデータの値に対応した、被処理膜からの干渉光の強度のパターンを含んでいる。
なお横方向にもエッチングが進む場合には、残り膜厚の代わりに、被処理膜領域２１３の幅やマスク領域２１４の幅を示すパラメータを含めてもよい。この微分波形パターンデータベース１５は、エッチング量測定ユニット８内部の図示を省略したＲＡＭあるいはＲＯＭ等のメモリーデバイスやハードディスク、ＤＶＤディスク等の記憶装置に格納されている。
微分波形パターンデータベース集合１４に格納される微分波形パターンデータベース１５は、製造上のばらつきなどによって、マスク２０１の厚いもの薄いものというように、少しずつ異なる微細形状の被処理材から得られたものである。また、微細形状の少しずつ異なるテスト用の被処理材を用意して、微分波形パターンデータベース１５を作成しても良い。
個別膜厚算出器１３は、前出の微分波形パターンデータベース１５から被処理膜の残り膜厚と干渉光のパターンのデータＰ（ｍ）ｓｊを抽出する処理である。例えば、上記の微分波形パターンデータベース１５おのおのについて、ｓが所定の経過時間以上となるデータと、その時間に対応する残り膜厚のデータを抽出しても良い。
また、上記の微分波形パターンデータベース１５おのおのについて、所定の経過時間に対応する干渉光の実パターンＤｉｊとを比較して、最もパターン差の小さい経過時間とその時の膜厚値を検出しても良い。すなわち、微分波形パターンデータベース１５に格納されたパターンのデータＰ（ｍ）ｓｊのうち実パターンＤｉｊとの差を算出し、差の値が最も小さいパターンのデータを求め、当該パターンのデータに対応する残り膜厚を抽出してもよい。
このようにして抽出した、干渉光のパターンのデータをＱ（ｍ）ｓｊと呼ぶ。このデータには、その経過時間における残り膜厚が対応付けられている。この対応付けられた残り膜厚をｒ（ｍ）ｓと呼ぶ。
重付膜厚算出器１６では、データベース毎に抽出された干渉光のパターンのデータＱ（ｍ）ｓｊと残り膜厚のデータｒ（ｍ）ｓを用いて、時刻ｉにおける瞬時膜厚値Ｚｉの値を算出する。瞬時膜厚値Ｚｉ算出のために、ここでは、図３Ａに示す行列Ｒ：３０１および、図３Ｂに示す行列Ｑ：３０２を作成する。
図３Ａの行列Ｒ：３０１は、ｒ（ｍ）ｓをｍ＝１から順に行方向に結合した行列である。以下ではｕ行目の要素をＲｕで表わす。図３Ｂの行列Ｑ：３０２は、Ｑ（ｍ）ｓｊをｍ＝１から順に行方向に結合した行列である。以下では、ｕ行ｖ列目の要素をＱｕｖで表わす。ＲｕとＱｕｖは、それぞれ同じデータベースの同じ経過時間に対応付けられている。また、以下ではそれぞれの行数としてＮを用いる。
瞬時膜厚値Ｚｉの値は、以下の式（４）および式（５）にて計算される。
Figure 2022058184000005
上記は行列の演算式であり、Ａ、Ｗは、それぞれ以下の行列である。Ｔは転置を表す。 Ａ：補正のためのＮ行Ｎ列の行列である。各要素が、Ｗの要素の和の逆数であるＮ行Ｎ列の対角行列であっても良い。また、カーネルリッジ回帰のように（Ｋ－λＩ）の逆行列であっても良い。ここでＫは、ｕ行ｖ列目の要素が下記の式（５）で表わされるｋｕｖとなるＮ行Ｎ列の行列である。λは任意の係数、Ｉは要素が１のＮ行Ｎ列の対角行列である。
Figure 2022058184000006
上記の式（５）において、ｊの総和を取る波長域と係数σは膜厚算出レシピ１７に格納された値によって指定される。ｅｘｐは、自然対数の底の指数関数である。
Ｗ：各要素が、時刻ｉにおける平滑化微分値時系列データＤｉｊと、各データベースとのパターン差に従う重みを示す。例えば、ｕ番目の要素Ｗｕが以下の式（６）のように、パターン差の大きさに従い単調減少する関数によって値が算出される。
Figure 2022058184000007
上記の式（６）において、ｊの総和を取る波長域と係数σは、式（５）と同様に膜厚算出レシピ１７に格納された値によって指定される。
上記の式（６）を用いることで、時刻ｉにおける被処理材４の微分波形パターンと、各データベースの微分波形パターンがより類似するものは大きな値になり、類似していないものは小さな重みが得られる。そのような重みを式（４）に用いることで、瞬時膜厚値Ｚｉは、微分波形パターンの類似したデータベースの残り膜厚から算出されることになる。
例えば、図４に示すように、被処理材４の微分波形パターン４１０と各データベースの微分波形パターン４０１～４０３が得られていた場合には、ＤＢ１の微分波形パターン４０１とＤＢ２の微分波形パターン４０２に大きな重みがつき、ＤＢ３の微分波形パターン４０３に小さな重みが付くことで、より微分波形パターンの近いＤＢ１の微分波形パターン４０１とＤＢ２の微分波形パターン４０２により瞬時膜厚値Ｚｉが算出される。
被処理材４の表面上の微細形状が類似していると干渉光の微分波形パターンも類似したパターンをとるため、これによって被処理材４と表面上の微細形状が類似したデータベースを用いて、瞬時膜厚値Ｚｉを算出することができる。なお、重みＷｕの計算式は式（６）に限定するものではなく、パターン差が大きいときに、小さな重みが計算される関数であれば良い。
当該サンプリング時刻での瞬時膜厚値をＺｉとして検出し、瞬時膜厚値Ｚｉの値を時系列のデータとしてエッチング量測定ユニット８内の記憶装置内に格納する。
膜厚算出レシピ１７は、前出の式（５）式（６）において和を取る波長の範囲と、式内の係数σを指定するデータである。これは、設計者が定めても良いし、後述するレシピ最適化器２１によって設定してもよい。
回帰分析器１８において、重付膜厚算出器１６からの出力を受信あるいは記憶装置に格納された当該サンプリング時刻ｉの瞬時膜厚Ｚｉのデータを読み出すと共に時刻ｉ以前の瞬時膜厚値を記憶装置から読み出して、これらを用いた回帰分析を行い回帰直線近似した結果から時刻ｉの膜厚値を算出する。
すなわち、回帰分析器１８により１次回帰直線Ｙ=Ｘａ・ｔ＋Ｘｂ （Ｙ:残膜量、ｔ：エッチング時間、Ｘａ：絶対値がエッチング速度、Ｘｂ：初期膜厚）を求め、この回帰直線からサンプリング時刻ｉの膜厚Ｙｉ（計算膜厚）の値を算出する。なお、微分波形パターンデータベース１５にある残り膜厚よりも、被処理膜の所望の残り膜厚が小さい場合は、瞬時膜厚Ｚｉの計算を行わずに１次回帰直線のみを用いて時刻ｉの膜厚値を算出しても良い。
次に、得られた計算膜厚Ｙｉの値を示すデータが終点判定器１９に送信され、終点判定器１９において、膜厚Ｙｉの値とエッチング処理の目標となる膜厚（目標膜厚）値が比較され、膜厚Ｙｉが目標膜厚値以下であると判定された場合には、被処理材４の被エッチング膜のエッチング量が目標に到達したとして、その結果が表示器２０に表示される。
その後、プラズマ形成部の電界または磁界の発生が停止されプラズマ３が消失し被処理材４のエッチング処理が終了する、さらにエッチング処理用のガスや圧力等の処理の条件が変更されて被エッチング膜の処理が行われる。
レシピ最適化器２１は、前述の膜厚算出レシピ１７を設定する処理を行うものである。これは、被処理材４のプラズマ処理が始まる前の前処理として実施される。レシピ最適化器２１は、微分波形パターンデータベース１５のそれぞれのデータベースから、指定された残り膜厚（例えば目標膜厚）における微分波形パターンを抽出する。抽出されたＤＢ１の微分波形パターン５０１とＤＢ２の微分波形パターン５０２とＤＢ３の微分波形パターン５０３とが図５Ａである。
この抽出した微分波形パターンの各波長における強度のばらつきである標準偏差５１０を、図５Ｂに示すように算出する。このばらつきが大きい波長は、プラズマやチャンバの状態などの、残り膜厚とは別の要因によって強度が変化していると想定されるため、除外することで精度を向上できる。
したがって、図５Ｂにおいて、５１１のように標準偏差の大きい波長は式（４）式（５）の和を取る波長から除外して、５１２の波長域のみを用いて瞬時膜厚Ｚｉを計算するように、膜厚算出レシピ１７に波長域を格納する。
なお除外する波長域は、全波長のうちのばらつきの上位１０％の波長、２０％の波長というように相対的な大きさ決定しても良いし、ばらつきに閾値を定めても良い。なお、データベースの微分波形パターンが複数のグループに分かれる場合には、グループ毎の標準偏差を算出し、その平均を用いても良い。
さらにレシピ最適化器２１は、除外する波長域の割合を決定するために、微分波形パターンデータベース１５の１つのデータベース（ＤＢｐ）を抜き出して、残りの微分波形パターンデータベース１５を用いて式（４）を用いて瞬時膜厚を算出する処理を行う。
複数の波長域の候補、例えば上位１０％のばらつきを除外した場合、上位２０％のばらつきを除外した場合のそれぞれについて、ＤＢｐの時刻ｓにおける瞬時膜厚Ｚｓを算出し、膜厚ｒ（ｍ）ｓとの差分を計算し、より差分の小さい波長域を最適な波長域として選択する。
なお、式（５）式（６）の係数σについても複数の係数σを設定して、瞬時膜厚Ｚｓを算出し、波長域と係数σの組合せについて、差分の小さい組合せを特定する処理を行ってもよい。このようにして特定された波長域および係数σが、膜厚算出レシピ１７に格納される。
本実施例では、式（６）を用いることで、複数あるデータベースのうち被処理材４から得られる微分波形パターンとの差分の小さい複数のデータベースの重み付き和にて、膜厚が算出される。微細形状が近い被処理材からは、より類似した微分波形パターンが得られるため、被処理材４の微細形状がばらつく場合であっても、微細形状が類似する被処理材のデータベースを用いて、精度よく終点判定を行うことが可能となる。
次に、図６のフローチャートを用いて、図１のエッチング量測定ユニット８でエッチング処理を行う際に被処理膜の残り膜厚もしくはエッチング量を算出する手順について説明する。図６は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の残り膜厚エッチング量を検出する動作の流れを示すフローチャートである。主に、エッチング量測定ユニット８の動作の流れを示している。処理はステップＳ６０１からスタートする。
本実施例では被処理材４の処理に先立って、被処理膜の目標の残り膜厚の値と、その検出あるいは判定に用いる複数の微分波形パターンデータベースの設定を行う（ステップＳ６０２）。
微分波形パターンデータベースには半導体デバイスを製造するための処理対象である被処理材４およびその表面の膜構造について材料、形状、構成が同等であるテスト用の被処理材を当該被処理材４と同等の条件でエッチング処理した場合に得られる干渉光パターンのデータを、複数の被処理材について収集したデータＰ（ｍ）ｓｊを用いる。
次に、瞬時膜厚の算出に用いる波長域および係数を最適化する処理を行う（ステップＳ６０３）。本処理については、後述の図７のフローチャートにて説明する。また、本処理を実行せずに、予め指定された波長域および係数を用いても良い。
次に、真空処理室２内においてプラズマ３を形成して被処理材４の被エッチング膜の処理を開始して、当該エッチング処理中に被エッチング膜から得られる干渉光を所定のサンプリング間隔（たとえば０．１～０．５秒）毎に検出する（ステップＳ６０４）。この際、エッチング処理の開始に伴いサンプリング開始命令が出される。
処理中はエッチングの進行に従って変化する多波長の干渉光の強度が、エッチング量測定ユニット８の分光器９に伝達されその光検出器により所定の周波数毎に光の強度に応じた電圧の光検出信号として検出され出力される。
分光器９の光検出信号はデジタル変換され、任意の時刻に対応付けられたデータ信号としてのサンプリング信号ｙｉｊが取得される。次に、分光器９からの多波長出力信号ｙｉｊが第１段目の第１デジタルフィルタ１０により平滑化され、任意の時刻の時系列データＹｉｊが算出される（ステップＳ６０５）。
次に、微分器１１に時系列データＹｉｊが伝達され、多項式適合平滑化微分法により時系列の微分係数ｄｉｊが算出される（ステップＳ６０６）。すなわち、多項式適合平滑化微分法により信号波形の微分係数ｄｉが検出される。
微分係数ｄｉｊが、第２段目の第２デジタルフィルタ１２に伝達され、平滑化微分係数時系列データＤｉｊが算出される（ステップＳ６０７）。得られた平滑化微分係数時系列データＤｉｊは、平滑化時系列データＹｉｊで除算され、個別膜厚算出器１３に伝達される。
なおここでは、平滑化微分係数時系列データＤｉｊを使用しているが、Ｙｉｊ自身、もしくはＹｉｊに対して最小二乗法を用いて算出した値など、被処理材４の違いが反映された時系列データであればどのような値を用いても良い。
個別膜厚算出器１３においては、微分波形パターンデータベース集合１４にある複数の微分波形パターンデータベース１５のそれぞれについて、被処理膜の残り膜厚と干渉光のパターンのデータＱ（ｍ）ｓｊを抽出する（ステップＳ６０８）。
例えば、上記の微分波形パターンデータベース１５おのおのについて、ｓが所定の経過時間以上となるデータと、その時間に対応する残り膜厚のデータを抽出する。
または、本エッチング処理の開始からの経過時間を求め、その経過時間から所定の範囲（例：±１０秒など）に経過時間ｓがあるデータと、その時間に対応する残り膜厚のデータを抽出しても良い。
または、上記の微分波形パターンデータベース１５おのおのについて、所定の経過時間に対応する干渉光の実パターンＤｉｊとを比較して、最もパターン差の小さい経過時間とその時の残り膜厚を抽出しても良い。
次に重付膜厚算出器１６では、データベース毎に抽出された干渉光のパターンのデータＱ（ｍ）ｓｊと残り膜厚のデータｒ（ｍ）ｓを用いて、時刻ｉにおける瞬時膜厚値Ｚｉの値を算出する（ステップＳ６０９）。
瞬時膜厚値Ｚｉ算出のために、各微分波形パターンデータベース１５から抽出したパターンをデータＱ（ｍ）ｓｊを結合した行列Ｑ、様に抽出した残り膜厚Ｒｕを結合した行列Ｒを作成する。
瞬時膜厚値Ｚｉの値は、Ｑ、Ｒおよび時刻ｉにおける平滑化微分値時系列データＤｉｊを、前述の式（４）式（５）及び式（６）に代入することにより算出される。なお、式（５）式（６）において総和を取る波長域および係数σは、予め定められた値、もしくは後述の図７で示すフローによって定められた値を用いる。
次に回帰分析器１８は、算出された瞬時膜厚値Ｚｉと、記憶装置に格納された当該サンプリング時刻ｉの瞬時膜厚Ｚｉを用いて、１次回帰直線を求め、その１次回帰直線に従い、計算膜厚を算出する（ステップＳ６１０）。
さらに、現在の被処理膜の計算膜厚がステップＳ３０２で設定した目標残膜厚と比較され、目標残膜厚以下と判定されると、目標に到達したと判定され、エッチング処理を終了させる信号がプラズマ処理装置１に発信される（ステップＳ６１１）。到達していないと判定された場合は、ステップＳ３０５の処理に戻る。到達したと判定されたならば、最後にサンプリング終了の設定を行う（ステップＳ６１２）。
次に、図７のフローチャートを用いて、図６のS６０３に対応する図１のエッチング量測定ユニット８で行うレシピ最適化処理を行う際の手順について説明する。処理はステップＳ７０１からスタートする。
まず、レシピ最適化器２１は、微分波形パターンを比較する残り膜厚（基準膜厚）を決定する。これは例えば、目標残膜厚でもよい（ステップＳ７０２）
次に、各微分波形パターンデータベース１５において、基準膜厚における微分波形のパターンのデータＰ（ｍ）ｓｊを抽出する（ステップＳ７０３）。
次に、抽出したパターンのデータＰ（ｍ）ｓｊを用いて、波長ｊごとのＰ（ｍ）ｓｊの標準偏差を算出する（ステップＳ７０４）。
次に、相対的に標準偏差の大きい波長から順に除外し、残った波長域を利用する波長域の候補とする（ステップＳ７０５）。ここでは、１０％を除外した場合、２０％を除外した場合というように複数の候補を作成する。
次に、式（５）および式（６）の係数σの候補を複数作成する（ステップＳ７０６）。
そして、微分波形パターンデータベース１５の１つのデータベースを抜き出して、残りの微分波形パターンデータベース１５を用いて式（４）を用いて瞬時膜厚を算出し、残り膜厚のデータｒ（ｍ）ｓとの誤差を算出する処理を行う（ステップＳ７０７）。この処理を、波長域と係数σの組合せについて行い、誤差の小さい組合せを特定する。
前記のようにして、特定された波長域および係数σが、膜厚算出レシピ１７に格納される（ステップＳ７０８）。
以上で処理を終了する（Ｓ７０９）。
本実施例の効果を、図８を用いて説明する。ここでは、被処理材４からの反射光を検出して得られた微分波形パターン８１０と、２つの微分波形パターンデータベース１５を例に挙げる。図８中のＤＢ４の微分波形パターン８１１は、被処理材４よりも、微分波形パターンデータベース１５を測定したテスト用半導体ウェハ（テスト用の被処理材）の被処理膜領域２１３が小さく、マスク膜厚２１１が厚い場合である。ＤＢ５の微分波形パターン８１２は、被処理材４と、微分波形パターンデータベース１５を測定したテスト用半導体ウェハの被処理膜領域２１３が同程度であり、マスク膜厚２１１についても同程度の場合である。
また、図８の波長域８０２には、被処理膜２０２の干渉光の時間変化が主に測定されるものとする。波長域８０１には、被処理膜２０２の干渉光の時間変化だけでなく、被処理膜よりも薄いマスク２０１の干渉光の時間変化との和が測定されるものとする。
ここで、ＤＢ４の微分波形パターン８１１と被処理材４の微分波形パターン８１０を比較し、両者の差の小さいときの膜厚を、瞬時膜厚計算に用いる場合を考える。まず、ＤＢ４では、被処理材４の被処理膜領域２１３が小さいため、測定される被処理膜２０２の干渉光の時間変化が小さく、波長域８０２における微分波形パターンの振幅が被処理材４よりも小さくなる。そのためＤＢ４の微分波形パターン８１１を用いると、被処理膜２０２の干渉光を示す微分波形パターンの大きさが一致せずに、微分波形パターンの差の計算精度が低下する。
また、マスク膜厚２１１の干渉光の時間変化（波長域８０１）の差が小さい微分波形パターンが選ばれることにもなるため、マスク膜厚２１１が厚さが近い場合、すなわちＤＢ４においてよりエッチングが進んだ状態（被処理膜２０２が薄い場合）の微分波形パターン８１１が選択され、瞬時膜厚計算に誤差が生じる。
このように、被処理材４上の微細形状が異なるテスト用半導体ウェハの微分波形パターンデータベース１５を用いると、残り膜厚の計算精度が低下することがわかる。一方で、微細形状が類似した被処理材４では、ＤＢ５の微分波形パターン８１２のように微分波形パターンの差が小さくなる。
そのため、微分波形パターンの差を用いて微分波形パターンデータベース１５を重みづけすることで、被処理材４の微細形状がばらつく場合であっても、それぞれの被処理材４において、微細形状が類似したテスト用半導体ウェハにて測定された微分波形パターンデータベース１５を用いて、精度良く膜厚を検出することが出来る。
本実施例によれば、ウェハ間、ロット間などにおける各種構造ばらつきに対して高精度な膜厚推定および終点判定を実現可能となり、デバイス製造の歩留まりを向上することができる。
本実施例では、過去の量産工程において、表面の膜構造について材料、形状、構成が被処理材４と同等である複数の被処理材（ウェハ）を、当該被処理材４と同等の条件でエッチング処理した際に得られたデータを用いて、実施例1で説明した微分波形パターンデータベース１５および微分波形パターンデータベース集合１４に相当するデータベースおよびその集合を準備する場合を想定する。
本実施例では、表面の膜構造について材料、形状、構成が被処理材４と同等である２００枚のウェハに対して、被処理膜の目標残り膜厚（ここでは１４０ｎｍとする）に設定してエッチング処理した。そして、このエッチング処理により得られた干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊと、各干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊに対応する被処理膜の膜厚値のデータを用いて、当該２００枚のウェハの微分波形パターンデータベース１５１が含まれる微分波形パターンデータベース集合１４１を作成した。
当該２００枚のウェハ上の被処理膜は、予め設定された目標の残り膜厚（１４０ｎｍ）までエッチング処理される予定である。しかし、実際にはエッチング処理室内環境の経時変化や被処理材表面の微細形状の違いにより、各ウェハ上の被処理膜に対するエッチング処理条件が変化し、エッチング処理後の被処理膜の残り膜厚がウェハ毎にばらつく。すなわち、目標よりも薄い残り膜厚でエッチング処理を終了したウェハと、目標よりも厚い残り膜厚でエッチング処理を終了したウェハが混在する。
図９のグラフ９００は、当該２００枚のウェハから得られたデータを用いて作成した微分波形パターンデータベース集合１４１に格納されている各膜厚に対応付けられた干渉光パターンデータＰ（ｍ）ｓｊの数を、エッチング処理後の残り膜厚が同じ膜厚であったウェハ毎に凡例模様を統一して積み上げ棒形式で示したものである。
干渉光パターンデータＰ（ｍ）ｓｊのデータ数は、データ９０１に示した残り膜厚（被処理膜の膜厚）１４５ｎｍまでは全ウェハ枚数と同数の２００データ存在しているが、残り膜厚（被処理膜の膜厚）が１４４ｎｍよりも少なくなると徐々に減少していくことがわかる。データ９０２に示した目標の残り膜厚が１４０ｎｍの場合では、データ数が１０８しか存在しない。実際の製品ウェハをエッチング処理する量産工程においてもこのように目標の残り膜厚付近のデータ数が減少する状況が予想される。
このような状況を、実施例1で説明した図８のグラフにあてはめて考えてみる。例えば、ＤＢ５：８１２に対応するウェハは目標よりも厚い残り膜厚でエッチングが終了しており、目標の残り膜厚においてＤＢ５の干渉光パターンデータが存在しないことが考えられる。そのような場合、ＤＢ４：８１１においてよりエッチングが進んだ状態（被処理膜２０２が薄い場合）の干渉光パターンが選択され、瞬時膜厚値Ｚｉの計算に誤差が生じる。
このように、実施例1で説明した微分波形パターンデータベース集合１４に含まれる一部または全部の微分波形パターンデータベース１５において、目標の残り膜厚に対応する干渉パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊが存在しないことにより、エッチング処理の終点を判定する精度が劣化すると考えられる。
本実施例では、上記のように目標の残り膜厚付近の膜厚に対応する干渉光パターンデータに不足があったとしても、高精度にエッチング処理の終点を判定する方法について述べる。
実施例２にかかるプラズマ処理装置１１０を図１０に示す。図１に示した実施例１にかかるプラズマ処理装置１との相違は、エッチング量測定ユニット８１に、上記した微分波形パターンデータベース１５１と微分波形パターンデータベース集合１４１に加えて、終点判定器１９に換えて膜厚推定終点判定器１１９、処理中の過去時刻の計算膜厚値のデータを格納するための記憶部４０、および追加処理時間算出器２３を有する点である。他の構成は、図１に示す実施例１のプラズマ処理装置１と同等の構成であり、同等の作用を奏するものであるので、詳細な説明は省略する。
実施例２のプラズマ処理装置１１０では、実施例１と同様に式（４）式（５）及び式（６）から瞬時膜厚値Ｚｉを算出する方法を用いて、許容範囲内の精度が得られる所定の残り膜厚に到達するまでエッチング処理を実施し、当該所定残り膜厚到達検知後は過去時刻に検出した残り膜厚データから算出されるエッチングレートを用いて目標の残り膜厚到達に必要な追加エッチング時間を算出し、当該算出時間だけエッチング処理を継続した後、エッチング処理を終了する。
図１１は、図１０に示す実施例２にかかるプラズマ処理装置１１０の被処理膜の残り膜厚もしくはエッチング量を検出し、エッチング処理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。主に、エッチング量測定ユニット８１の動作の流れを示している。処理はステップＳ１３０１からスタートする。
本実施例では被処理材４の処理に先立って、被処理膜の目標の残り膜厚（エッチングの終点の残り膜厚）の値の設定と、前述の式（４）式（５）及び式（６）を用いた瞬時膜厚値Ｚｉの算出を終了する残り膜厚（膜厚推定の終点の残り膜厚）の値の設定と、前述の式（４）式（５）及び式（６）を用いた瞬時膜厚値Ｚｉの算出に用いる複数の微分波形パターンデータベースの設定と、記憶装置に格納されたエッチング処理中の各時刻の計算膜厚値のデータの中からステップＳ１３１２において１次回帰直線を求めるために使用する計算膜厚値のデータとして抽出する時刻範囲の設定を行う（ステップＳ１３０２）。ただし、エッチングの終点の残り膜厚は、膜厚推定の終点の残り膜厚よりも薄い膜厚である。
本実施例における膜厚推定の終点の残り膜厚は、瞬時膜厚値Ｚｉの算出精度が許容範囲内となる残り膜厚範囲のうち最も薄い膜厚に設定する。本実施例では当該膜厚を１４４ｎｍであるとして、膜厚推定の終点の残り膜厚値を１４４ｎｍと設定した。
また、本実施例におけるエッチング終点の残り膜厚値は、図９のグラフ９００に示したデータ９０２に相当する１４０ｎｍと設定した。また、記憶装置に格納されたエッチング処理中の各時刻の計算膜厚値のデータの中からステップＳ１３１２において１次回帰直線を求めるために使用する計算膜厚値のデータとして抽出する時刻範囲は、膜厚推定の終点に到達時から遡って５．０秒前から膜厚推定の終点到達時までの５．０秒間とした。
微分波形パターンデータベース１５１には、表面の膜構造について材料、形状、構成が被処理材４と同等である３枚以上の複数のウェハを当該被処理材４と同等の条件でエッチング処理した場合に得られる干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊおよび各干渉光パターンデータＰ（ｍ）ｓｊに対応する膜厚値データを用いる。
次に、瞬時膜厚の算出に用いる波長域および係数を最適化する処理であるレシピ最適化の実施を行う（ステップＳ１３０３）。本処理については、実施例1において図７のフローチャートにて説明した処理と同じである。また、本処理を実行せずに、予め指定された波長域および係数を用いても良い。
次に、真空処理室２内においてプラズマ３を形成して被処理材４の被エッチング膜の処理を開始して、当該エッチング処理中に被処理膜から得られる干渉光を受光器７で所定のサンプリング間隔（たとえば０．１～０．５秒）毎に検出する（ステップＳ１３０４）。この際、エッチング処理の開始に伴いサンプリング開始命令が出される。
処理中はエッチングの進行に従って変化する多波長の干渉光の強度が、エッチング量測定ユニット８１の分光器９に伝達され、この分光器９により所定の周波数毎に光の強度に応じた電圧の光検出信号として検出され出力される。
分光器９の光検出信号はデジタル変換され、任意の時刻に対応付けられたデータ信号としてのサンプリング信号ｙｉｊが取得される。次に、分光器９からの多波長出力信号ｙｉｊが第1デジタルフィルタ１０により平滑化され、任意の時刻の時系列データＹｉｊが算出される（ステップＳ１３０５）。
次に、微分器１１に時系列データＹｉｊが伝達され、多項式適合平滑化微分法により時系列の微分係数ｄｉｊが算出される（ステップＳ１３０６）。すなわち、多項式適合平滑化微分法により信号波形の微分係数ｄｉが検出される。
微分係数ｄｉｊが第２デジタルフィルタ１２に伝達され、平滑化微分係数時系列データＤｉｊが算出される（ステップＳ１３０７）。得られた平滑化微分係数時系列データＤｉｊは、平滑化時系列データＹｉｊで除算され、個別膜厚算出器１３に伝達される。
なおここでは、平滑化微分係数時系列データＤｉｊを使用しているが、Ｙｉｊ自身、もしくはＹｉｊに対して最小二乗法を用いて算出した値など、処理室内の雰囲気の違いが反映された時系列データであればどのような値を用いても良い。
個別膜厚算出器１３においては、微分波形パターンデータベース集合１４１にある複数の微分波形パターンデータベース１５１のそれぞれについて、被処理膜の残り膜厚と干渉光のパターンのデータＱ（ｍ）ｓｊを抽出する（ステップＳ１３０８）。
次に重付膜厚算出器１６では、データベース毎に抽出された干渉光のパターンのデータＱ（ｍ）ｓｊと残り膜厚のデータｒ（ｍ）ｓを用いて、時刻ｉにおける瞬時膜厚値Ｚｉの値を算出する（ステップＳ１３０９）。
瞬時膜厚値Ｚｉ算出のために、各微分波形パターンデータベース１５１から抽出したパターンをデータＱ（ｍ）ｓｊを結合した行列Ｑ，同様に抽出した残り膜厚Ｒｕを結合した行列Ｒを作成する。
瞬時膜厚値Ｚｉの値は、Ｑ、Ｒおよび時刻ｉにおける平滑化微分値時系列データＤｉｊを、前述の式（４）式（５）及び式（６）に代入することにより算出される。なお、式（５）式（６）において総和を取る波長域および係数σは、予め定められた値、もしくは後述の図７で示すフローによって定められた値を用いる。
次に回帰分析器１８は、算出された瞬時膜厚値Ｚｉと、記憶装置に格納された当該サンプリング時刻ｉの瞬時膜厚Ｚｉを用いて、１次回帰直線を求め、その１次回帰直線に従い、計算膜厚を算出する（ステップＳ１３１０）。
次に膜厚推定終点判定器１１９では、ステップＳ１３１０で算出した現在の被処理膜の計算膜厚が、ステップＳ１３０２で設定した膜厚推定の終点の残り膜厚と比較され（ステップＳ１３１１）、膜厚推定の終点の残り膜厚以下と判定されると、膜厚推定の終点に到達したと判定され（ステップＳ１３１１でＹｅｓ）、ステップＳ１３１２に進む。到達していないと判定された場合は（ステップＳ１３１１でＮｏ）、ステップＳ１３０５の処理に戻る。
次に、ステップＳ１３１２の詳細を、図１２に示す。ステップＳ１３１２に進むと、追加処理時間算出器２３は、記憶部４０に格納された処理中の過去時刻の計算膜厚値のデータの中から、ステップＳ１３０２で設定した時刻範囲内の複数時刻の計算膜厚値のデータを選択し（Ｓ３１２１）、選択した計算膜厚値時系列データを用いて、１次回帰直線：Ｙ=Ｘｃ・ｔ＋Ｘｄ （Ｙ:残り膜厚、ｔ：エッチング時間、Ｘｃ：絶対値がエッチング速度、Ｘｄ：初期膜厚）を求める（ステップＳ３１２２）。ただし、本ステップＳ３１２２で求める１次回帰直線は、ステップＳ１３１０で求めた１次回帰直線とは異なる別の回帰直線である。本ステップＳ３１２２により、エッチングレートが算出される（Ｓ３１２３）。さらに、ステップＳ１３１１で膜厚推定の終点を判定した現在の被処理膜の計算膜厚とエッチング終点の残り膜厚との差を残りエッチング量として算出し(Ｓ３１２４)、当該残りエッチング量を当該エッチングレートで除算することにより、エッチング終点の残り膜厚到達に必要な追加処理時間を算出する（Ｓ３１２５）。
そして、ステップＳ１３１３へ進んで膜厚推定の終点を判定した時刻からステップＳ１３１２で算出した追加処理時間だけエッチング処理を継続し（Ｓ１３１３でＮｏ）、算出した追加処理時間が経過したら（Ｓ１３１３でＹｅｓ）、エッチング処理を終了させる信号がプラズマ処理装置１に発信される。最後にサンプリング終了の設定を行い、処理を終了する（ステップＳ１３１４）。
以上の実施形態を用いて、エッチング終点判定を実施した結果を図１３に示す。図１３のグラフ１４００において、１４０１は処理したウェハの処理後の残り膜厚を示しており、図13のグラフ全体で、処理後の残り膜厚のばらつきを示している。処理後の残り膜厚は全てのウェハで目標の残り膜厚１４０ｎｍ近傍であり、誤差も±１.０ｎｍ以下となっており、高い加工精度でのエッチング処理が実現できていることが分かる。
この結果から、本実施例によれば、微分波形パターンデータベース集合１４１に含まれる一部または全部の微分波形パターンデータベース１５１に格納されている目標の残り膜厚に対応する干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊが存在しない場合においても、精度良くエッチングの終点を判定できることが明らかとなった。
本実施例では、膜厚推定の終点の残り膜厚を、実施例２で説明した微分波形パターンデータベース集合１４１内にあるすべての微分波形パターンデータベース１５１が共通して持っている残り膜厚範囲のうち最も薄い膜厚に設定した場合について述べる。これ以外の条件に関しては実施例２のプラズマ処理装置１１０と同等の構成であり、同等の作用を奏するものであるので、詳細な説明は省略する。
本実施例では、微分波形パターンデータベース集合１４１に含まれる微分波形パターンデータベース１５１が共通して持っている残り膜厚範囲のうち最も薄い膜厚を、図９のグラフ９００におけるデータ９０１に相当する１４５ｎｍとする。そこで、実施例２で説明した図１１のステップＳ１３０２における膜厚推定の終点の残り膜厚値を１４５ｎｍに設定し、図１１に示すフローに従って、残り膜厚１４５ｎｍを検出するまでは前述の式（４）式（５）及び式（６）を用いて残り膜厚の算出を行い、膜厚推定の終点検出後はステップＳ１３１２で算出した時間だけ追加でエッチング処理を行い、エッチング処理の終点判定を行った。
その結果、実施例２と同様なエッチング終点判定精度が得られた。したがって、本実施例の方法により、微分波形パターンデータベース集合１４１に含まれる一部または全部の微分波形パターンデータベース１５１に格納されている目標の残り膜厚に対応する干渉光パターンのデータＰ（ｍ）ｓｊが存在しない場合においても、精度良くエッチングの終点を判定できることが明らかとなった
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１、１１０ プラズマ処理装置
２ 真空処理室
３ プラズマ
４ 被処理材
５ 試料台
６ 干渉光
７ 受光器
８、８１ エッチング量測定ユニット
９ 分光器
１０ 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 個別膜厚算出器
１４、１４１ 微分波形パターンデータベース集合
１５、１５１ 微分波形パターンデータベース
１６ 重付膜厚算出器
１７ 膜厚算出レシピ
１８ 回帰分析器
１９ 終点判定器
２０ 表示器
２１ レシピ最適化器
２２ 光源
２３ 追加処理時間算出器
４０ 記憶部
１１９ 膜厚推定終点判定器

Claims (15)

  1. 内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材を処理する真空処理室と、
    前記真空処理室の内部で処理される前記被処理材の被処理膜の状態を検出する処理状態検出ユニットと、
    前記真空処理室と前記処理状態検出ユニットとを制御する制御部とを備えたプラズマ処理装置であって、
    前記処理状態検出ユニットは、
    前記真空処理室の内部に発生させた前記プラズマの発光を検出する発光検出部と、
    前記発光検出部で検出した前記プラズマの発光の微分波形データを求める演算部と、
    予め複数の微分波形パターンデータを記憶しておくデータベース部と、
    前記演算部で求めた前記微分波形データと前記データベース部に記憶された複数の前記微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて前記被処理材で処理されている前記被処理膜の膜厚の推定値を算出する膜厚算出部と、
    前記膜厚算出部で算出した前記被処理膜の前記膜厚の推定値に基づいて前記プラズマを用いた処理の終点を判定する終点判定部と
    を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    前記被処理材の前記被処理膜は複数の層が積層して形成されており、前記データベース部は、前記複数の層が積層されて形成された前記被処理膜について前記複数の層のそれぞれの膜厚及び構造の違いに起因する干渉スペクトルパターンが異なる複数のデータベースを記憶していることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項1記載のプラズマ処理装置であって、
    前記膜厚算出部は、前記データベース部に記憶された前記複数の微分波形パターンデータのうち、指定した基準膜厚に対応する複数の微分波形パターンデータの各波長における強度のばらつきである標準偏差が大きい部分を除外した波長範囲の複数の微分波形パターンデータを用いて前記被処理膜の膜厚の前記推定値を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    前記膜厚算出部は、前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとの差に基づく重み付けを算出し、前記算出した前記重み付けと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとを用いて前記被処理膜の前記膜厚の推定値を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項４記載のプラズマ処理装置であって、
    前記膜厚算出部は、前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとの差に基づく前記重み付けとして、ある時刻における前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと、各データベースの前記微分波形パターンデータがより類似するものは大きな値とし、前記微分波形データと前記微分波形パターンデータが類似していないものは小さな値とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    前記被処理材に光を投射するための光源を有し、
    前記発光検出部は、前記光源から前記被処理材に投射した光の反射光を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 真空処理室の内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材に形成された被処理膜を処理するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    真空処理室の内部に発生させた前記プラズマの発光を発光検出部で検出し、
    前記発光検出部で検出した前記プラズマの発光の微分波形データを演算部で求め、
    前記演算部で求めた前記微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて前記被処理材で処理されている前記被処理膜の膜厚の推定値を膜厚算出部で算出し、
    前記膜厚算出部で算出した前記被処理膜の前記膜厚の推定値に基づいて終点判定部で前記プラズマを用いた処理の終点を判定する
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、
    前記膜厚算出部で前記被処理膜の膜厚の推定値を算出することを、前記データベース部に記憶された膜厚及び構造の違いに起因する干渉スペクトルパターンが異なる複数のデータベースを用いて算出することを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、
    前記膜厚算出部で前記被処理膜の膜厚の推定値を算出することを、前記データベース部に記憶された複数の前記微分波形パターンデータのうち、指定した基準膜厚に対応する複数の微分波形パターンデータの各波長における強度のばらつきである標準偏差が大きい部分を除外した波長範囲の複数の微分波形パターンデータを用いて行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、
    前記被処理膜の膜厚の推定値を算出することを、前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとの差に基づく重み付けを算出し、前記算出した前記重み付けと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとを用いて前記被処理膜の膜厚の推定値を算出することを特徴とするプラズマ処理方法。
  11. 請求項１０記載のプラズマ処理方法であって、
    前記被処理膜の膜厚の推定値を算出するときに、前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと前記データベース部に記憶しておいた前記微分波形パターンデータとの差に基づいて算出する前記重み付けとして、ある時刻における前記演算部で求めた前記プラズマの発光の前記微分波形データと、各データベースの前記微分波形パターンデータがより類似するものは大きな値とし、前記微分波形データと前記微分波形パターンデータが類似していないものは小さな値とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  12. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、
    前記発光検出部は、前記被処理材に光を投射するための光源から前記被処理材に投射した光の反射光を検出することを特徴とするプラズマ処理方法。
  13. 真空処理室の内部を真空に排気した状態でプラズマを発生させて被処理材に形成された被処理膜を処理するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記真空処理室の内部に発生させた前記プラズマの発光を発光検出部で検出し、
    前記発光検出部で検出した前記プラズマの発光の微分波形データを演算部で求め、
    前記演算部で求めた前記微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差に基づく重みを付けて前記被処理材で処理されている前記被処理膜の膜厚の推定値を膜厚算出部で算出し、
    前記膜厚算出部で算出した前記膜厚の推定値が予め設定した残り膜厚に到達するまで前記被処理膜を処理し、
    前記膜厚算出部で算出した前記膜厚の推定値が予め設定した残り膜厚に到達した場合には追加処理時間算出器で求めた前記予め設定した残り膜厚から目標の膜厚に到達するために必要な処理時間だけ前記被処理膜を更に処理する
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  14. 請求項１３に記載のプラズマ処理方法であって、
    予め収集した干渉スペクトルと膜厚のデータを用いて前記演算部で求めた前記微分波形データとデータベース部に記憶された複数の微分波形パターンデータとの差を算出する波長域を指定するステップを備え、当該ステップにて、同一膜厚における前記干渉スペクトルのばらつきの大きい波長域を除外することで前記波長域を指定することを特徴とする、プラズマ処理方法。
  15. 請求項１３に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記追加処理時間算出器において、前記膜厚算出部で算出した複数の時刻における前記膜厚の推定値からエッチングレートを算出し、前記算出したエッチングレートと前記予め設定した残り膜厚とから前記目標の膜厚に到達するために必要な処理時間を求めることを特徴とする、プラズマ処理方法。
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