JP2024052690A - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定するプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】表面に処理対象の膜を備えたウエハをプラズマ処理するプラズマ処理装置１によるプラズマ処理方法であって、プラズマ処理中の所定の複数の時刻に、ウエハである処理対象１６の表面からの反射光２４を検出レンズ２６により受光するステップと、分光器である検出部２８により、受光した反射光に含まれる複数の波長の光量を示すデータについて、当該データに含まれる波長の方向についての振動成分を低減するデータ信号処理を行うステップと、エッチング量算出部により、信号処理から得られたデータを用いて記プラズマ処理中の処理対象の膜の横方向のエッチング量を検出するステップと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置した半導体ウエハ等の基板状の試料を当該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方法およびプラズマ処理装置に係る。特に処理室内からの光を用いてウエハの処理に関する量を検出しつつ処理を行うプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
半導体デバイスの製造では、半導体ウエハの表面上に、様々な機能を奏する回路の一纏まりとしてのコンポーネントやそれらを相互接続する配線を形成する工程が行われる。これらコンポーネントや配線の形成は、半導体ウエハ等の基板状の試料表面に予め形成された導体あるいは半導体または絶縁体を含む種々の材料の膜層の形成やこれらの膜層の不要な部分の除去等の処理の工程を繰り返すことで行われる。このような不要な部分の除去の工程では、プラズマを用いたドライエッチングの処理（プロセス）が広く使用されている。
このようなプラズマを用いたエッチング（プラズマエッチング）は、処理装置の真空容器内部に備えられた処理室内に処理用のガスを導入すると共に処理室内に高周波電源から供給された高周波電力による高周波電界を供給する。導入したガスの原子または分子を励起して電離または解離させてプラズマ化し、処理室内に設置された試料表面をプラズマに暴露してプラズマに接触させることによって、プラズマ中の粒子と処理対象の膜層との間の反応が生起される。この際、プラズマ中のイオン等荷電粒子によるスパッタリング等の物理的反応やラジカル（反応活性を有した粒子、活性種）による化学的反応などによって処理対象の膜層の異方性または等方性のエッチングが行われる。ウエハ表面上には、このような各々に異なる特性を有した処理が適切に選択されて適用され、上記種々の機能を奏する回路の構造を有したコンポーネントや配線が形成される。
プラズマエッチングによる加工形状が設計と異なる場合、形成される各種コンポーネントはその機能を実現できない。そのため、エッチング処理を監視・安定化するプロセスモニタ技術が多数提案されてきた。処理中のウエハからの反射光を計測することによりウエハ上に成膜された膜の膜厚やウエハ上に形成された溝や穴の深さを測定するプロセスモニタは膜厚・深さモニタと呼ばれ、エッチング処理の終点判定などに利用されてきた。
特許文献１にはこの膜厚・深さモニタを用いた加工精度高精度化方法が記載されている。この方法では、プラズマ光を光源とした膜厚・深さモニタを用いて処理対象の膜が完全に除去される直前を検知し、当該エッチング処理を終了する。
特許文献２には膜厚・深さモニタの膜厚や深さの測定精度の高精度化技術が記載されている。この方法ではウエハに照射する光源としてプラズマ光の代わりに外部光源を使用する。これにより、光源の光量変動が小さくなり高精度な膜厚・深さの測定を実現する。
特開平１１－２６０７９９号公報 特表２００４－５０７０７０号公報
３次元化の進んだ半導体デバイスにおいては、２種類以上の膜が互いに積層した多層膜（積層構造体）に対して、そのうちの１種類の膜を選択的に横方向へエッチングするプロセスを有する場合がある。例えば、次世代３Ｄ－ＮＡＮＤフラッシュメモリのゲート電極を形成する工程には、金属膜と絶縁膜との積層構造体に形成された高アスペクト比の微細な幅の溝から、タングステン膜を横方向（溝の上下深さ方向に対する水平方向）にエッチングする処理が含まれている。
従来、このような横方向エッチングについては、エッチングを行う時間によって、エッチング量を制御していた。エッチング量は、エッチング前後のウエハの重さの違いによって計測することができる。しかし、本手法では金属膜の横方向のエッチング量を厳密に制御することはできないため、横方向のエッチング量をモニタして、エッチング終点を判定する技術が必要である。
エッチング量をモニタする方法としては、特許文献１と同様に、エッチング中にウエハ反射光のスペクトルを測定し、予め参照用として用意したスペクトルとエッチング量が対応するデータベース（Ｄａｔａｂａｓｅ，ＤＢ）と測定スペクトルを比較し、エッチング中に横方向のエッチング量を算出する方法が考えられる。この方法では、エッチング量とスペクトルの関係が常に一定であることが必要となる。ここで、３Ｄ－ＮＡＮＤでは、金属膜と絶縁膜の積層は数十から数百層であるため、例えば絶縁膜の膜厚が成膜ばらつきによる１ｎｍ変化した場合、絶縁膜の層数が１００層では積層膜全体の高さが１００ｎｍと大きく変化する。絶縁膜のみを形成したウエハの反射光のスペクトルを検出する場合、絶縁膜の厚さの違いに応じて、スペクトルのピーク位置やピーク数が大きく変化することが知られている。このように、積層膜全体の高さが変わるとき、金属膜の横方向のエッチングに起因するスペクトルが得られたとしても、積層膜全体高さの違いに起因するスペクトルの変化分がノイズとして含まれてしまい、測定されたスペクトルとエッチング量の対応関係は参照用データのスペクトルとエッチング量に一致しなくなる。従って、積層膜全体の高さが変化する場合、ウエハ反射光のスペクトルを用いて横方向のエチング量を推定し、エッチング終点を判定することは困難となる。特許文献１や特許文献２には、こうした積層膜全体高さの違いに起因するスペクトルの変化に対する課題認識が開示されていない。
本発明は上述した課題を解決し、横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定するプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。
上記の課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理方法は、表面に処理対象の膜を備えたウエハをプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、前記プラズマ処理中の所定の複数の時刻に前記ウエハの表面からの光を受光するステップと、受光した前記光に含まれる複数の波長の光量を示すデータについて、当該データに含まれる前記波長の方向についての振動成分を低減するデータ信号処理を行うステップと、前記信号処理から得られた前記データを用いて前記プラズマ処理中の前記処理対象の膜の横方向のエッチング量を検出するステップと、を含む。
本発明によれば、横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定することが実現される。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、デジタル信号処理部の機能ブロックの構成を示す図である。 図３は、処理対象の膜構造を模式的に示す縦断面図である。 図４は、処理対象のエッチング処理中に得られた光の光量を示す図である。 図５は、ＳｉＯ２膜厚が異なる場合のスペクトルを示す図である。 図６は、データ整形したスペクトルの例を示す図である。 図７は、信号処理が行われた被処理データをパターンデータと比較した結果を示す図である。 図８は、下部包絡線を用いた場合を示す図である。 図９は、上部包絡線を用いた場合を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、こ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、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
本開示において、「上方」とは、試料台に載置したＳｉ基板の基板面の垂直方向の上方向を意味し、「下方」は下方向を意味する。さらに「横方向」は、前記基板面に水平な方向を意味する。
また、「光量データ」「光量」とは、ウエハからの反射光の反射率などの光量（光の強度）の直接的データだけでなく、反射率の差といった直接的データの変化量に関わるデータをも含む。
［第１実施形態］
図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を説明する。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）に示されるプラズマ処理装置１は、真空処理室１０、光源部１８、光学系５０、検出部２８、エッチング量算出部３０、制御部４０を備える。
真空処理室１０は、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を、図示を省略した高周波電源等を用いて発生させた電力やマイクロ波によって励起・分解しプラズマ１２を生成させる。このプラズマ１２により、試料台１４に設置された半導体ウエハ等の処理対象１６がエッチング処理（プラズマ処理）される。制御部４０は、真空処理室１０内へのガスの導入、プラズマ１２の生成及び制御、高周波電源等によって行われる処理対象１６への電圧印加などを行い、所望のエッチング処理が実現されるように各機器間での同期およびタイミング調整をする。プラズマ１２をパルス化する場合、パルス化の制御も制御部４０によって行われる。この時、プラズマ１２は、エッチングガスをプラズマ化する高周波電源等による電圧印加およびマイクロ波照射などのオン／オフを変調することによってパルス化される。また、エッチングガスの導入を時間変調することによっても、プラズマはパルス化される。
プラズマ処理装置１は、処理対象１６の膜厚・深さを測定する機構を備えている。光源部１８から射出された光は光学系５０及び導入レンズ２０を介して真空処理室１０内に導入され、照射光２２が処理対象１６に照射される。光源部１８は紫外から赤外までの連続光を用いることが可能であるが、特定の波長を用いて膜厚・深さ測定を実施することも可能である。処理対象１６からの反射光２４は、検出用の検出レンズ２６及び光学系５０を介して検出部２８に導入される。
検出部２８は、たとえば分光器が用いられる構成であり、導入された光を分光し、波長毎の光量を検出する。特定波長を用いて膜厚・深さ測定を行う場合、検出部には分光器に限らずフォトディテクタ等を用いてもよい。このとき、検出部２８に導入される光が所望の特定波長のみであれば直接フォトディテクタを用いればよく、連続光が導入される場合にはフォトディテクタ前段にモノクロメータなどで特定波長のみを選択する機構を設ければよい。
ここで、図１（ａ）では、真空処理室１０に光を導入する導入レンズ２０と反射光を検出する検出レンズ２６は、位置が重ならないように設置されている。この構成の場合、反射光２４を最も効率よく検出するためには、導入レンズ２０と検出レンズ２６を、処理対象１６を反射面とした照射光２２と反射光２４からなる同一光路上で互いに対向するように傾斜させて設置することが望ましい。
導入レンズ２０と検出レンズ２６の構成は図１（ａ）に限ったものではなく、完全同軸構成として、導入レンズ２０と検出レンズ２６を１つのレンズで共通にしてもよい。この場合、レンズの光線方向は処理対象１６に垂直とし、垂直照射した結果得られる垂直反射光を検出できる構成にすることが望ましい。また、図１（ａ）では１対の照射光２２の導入系統と反射光２４の検出系統を記載しているが、処理対象１６の複数の位置で膜厚・深さを測定する場合には測定系を複数設ければよい。
図１（ａ）では光源として外部の光源部１８からの光入射した場合について説明したが、光源としてプラズマ１２の光を用いる場合には光源部１８は使用しなくてもよい。プラズマ１２を光源として用いる場合もプラズマ１２から放出された光は処理対象１６により反射し、反射光２４が光源部１８を用いた場合と同様に検出される。検出部２８のデータはエッチング量算出部３０に導入され膜厚・深さが決定される。
図１（ｂ）は、エッチング量算出部３０の構成を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すエッチング量算出部３０の構成を、各機能を奏する部分毎にブロックとして分けて表し、これら同士の間のデータや情報のやり取りや流れを線または矢印で示したブロック図である。
検出部２８から出力されエッチング量算出部３０に導入された各波長の光量の時系列データＤ１は、デジタル信号処理部１００により各種ノイズや変動が除去・補正され、時系列データＤ２として波形比較器１０２に供給される。
第１実施形態において、デジタル信号処理部１００から出力された時系列データＤ２は、波形比較器１０２で受信され、当該波形比較器１０２において、波形パターンデータベース１２２内に格納されたデータであって予め取得されたエッチング量と各波長の光量との相関を示す少なくとも１つのパターンデータとの比較が演算器を用いて行われる。波形比較器１０２では、波形パターンデータベース１２２内のエッチング量または処理の開始後の時間の複数の値と複数の波長の光の強度の値とが対応付けられた波長をパラメータとするパターンデータと時系列データＤ２の各サンプリング時刻ｉのデータＤ２（ｉ）とが比較され、エッチング量または処理の開始後の時間毎の複数の波長の光量（光の強度）のパターンデータのうちでデータＤ２（ｉ）との差が最も小さいものが最も近いパターンデータとして検出される。このように、パターンマッチングは、データに最も近いパターンデータを検出することによって行われる。
差が最も小さいパターンデータとしては、例えば、複数の波長のデータ同士の間の標準偏差が最小となるものを用いることができる。この最も近いパターンデータの対応するエッチング量が当該サンプリング時刻ｉのエッチング量として算出される。波形比較器１０２において算出された各サンプリング時刻ｉのエッチング量はエッチング量記憶部１０４に送信され時系列データＤ３（ｉ）として出力され、エッチング量記憶部１０４とデータを通信可能に接続されたハードディスクや半導体製のＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置内に格納される。
波形パターンデータベース１２２における各波長の光量データはデジタル信号処理部１００で実施される信号処理で処理されたデータであり、時系列データＤ２と同じ信号処理であることが望ましいが、異なっていてもよい。ここで、波形パターンデータベース１２２にエッチング量と各波長の光量のパターンデータのデータベースが複数存在する場合、各データベースを用いて決定される膜厚・深さＤ３がエッチング量記憶部１０４に供給される場合がある。
エッチング量記憶部１０４はエッチング量の時系列データＤ４をエッチング量補正部１０６に出力する。
エッチング量補正部１０６では算出されたエッチング量の時系列推移に基づき各時刻のエッチング量を補正することが可能である。例えば、算出したエッチング量の時系列推移にノイズ等に起因する揺らぎがある場合、エッチング量の時間推移を線形近似して各時刻のエッチング量を補正する。エッチング量補正部１０６にて補正されたエッチング量は外部にエッチング量データを出力する。
図２は、デジタル信号処理部１００の機能ブロックの構成を示す図である。デジタル信号処理部１００において、検出部２８よりデジタル信号処理部１００に入力されたスペクトルは前処理部２０２にてノイズやオフセット除去、光量変動の補正を目的とした信号処理が実施される。例えば、各波長の時間軸におけるノイズの除去にはローパスフィルタが使用される。ローパスフィルタは、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いることができ、時系列データＤ２は次式により求められる。
Figure 2024052690000002
ここで、Ｄｋ（ｉ）は各データＤｋの時刻ｉのデータを示し、係数ｂ、ａ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。各波長の光量オフセットを除去し、光量の時間変化を観測する場合においては、時刻間の光量変化量や微分値を算出する信号処理を用いればよい。例えば、時間軸に沿ったＳ－Ｇ（Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ）法を用いることで出力される時系列データは微分値となる。この微分値は多項式適合平滑化微分法であり、次式により与えられる。
Figure 2024052690000003
ここで重み係数ｗｊに関して、１次微分計算では、例えばｗ－２＝－２、ｗ－１＝－１、ｗ０＝０、ｗ１＝１、ｗ２＝２が用いられる。また、２次微分計算では、例えばｗ－２＝２、ｗ－１＝－１、ｗ０＝－２、ｗ１＝－１、ｗ２＝２が用いられる。
また、何れかのサンプリング時刻のデータＤｋ（ｉ）において、そのデータのうち検出する対象の全ての波長の光量の値が同じ割合で時間変化している場合には、各波長の光量の値を当該全ての波長の光量の平均値や絶対値の総和の値により規格化する処理を適用することができる。
前処理部２０２から出力された信号はデータ整形部２０４にて波長方向のデータ点数を整形する。例えば、後続する波長方向信号処理部２０６にて波数軸（波長の逆数）を基準にデジタル信号処理を行う場合、各時刻のスペクトルは波長を波数に換算し、波数軸で等間隔となるようにスペクトルデータをリサンプリングする。リサンプリングには、例えばスプライン補間を用いる。また例えば、波長方向信号処理部２０６にて波長軸を基準にデジタル信号処理を行う場合、各時刻のスペクトルは波長軸で等間隔となるようにスペクトルデータをリサンプリングする。
データ整形部２０４から出力された信号は波長方向信号処理部２０６にて波長方向の信号処理が実施される。例えば、波長方向の光量の振動成分を除去する場合、波長軸に沿ってＬＰＦを実施する。このように波長軸に沿ってＬＰＦを実施してもよいが、光学干渉によって波長軸又は波数軸に沿った光量の振動が発生している場合、波数軸に対して光量は近い周波数で振動するため、波数軸においてＬＰＦを実施する方が振動除去に効果的である場合がある。
また、例えば、波長方向の光量の振動成分の包絡線を検出することを目的に、波長軸または波数軸に対してヒルベルト変換やピークまたはボトム検出を実施する。ヒルベルト変換において、波数軸に対して光量が近い周波数で振動する場合、上述と同様に波長軸よりも波数軸にて信号処理を実施することが望ましい。一方、ピーク又はボトム検出による包絡線検出であれば、波長軸や波数軸に対してデータは等間隔である必要はないため、波長軸や波数軸のいずれを用いても良い。
波長方向信号処理部２０６から出力された信号は後処理部２０８に供給される。後処理部２０８では入力された信号の時間方向のノイズの除去を目的としたＬＰＦや、前処理部２０２にて実施しなかったノイズ除去等の信号処理がある場合に、それらの処理を実施する。また、波長方向信号処理部２０６では各時刻のスペクトルが別々に信号処理されるため、それらの時間的な連続性を担保することを目的とし、各時刻間でのスペクトルの平滑化処理が実施される。これら信号処理を実施した信号Ｄ２はデジタル信号処理部１００から出力され、波形比較器１０２に入力する。
図１（ａ）に示すプラズマ処理装置は、エッチング量算出部３０から出力されたエッチング量を示す信号を用いて終点判定を実施する。すなわち、エッチング量算出部３０からの信号を受信した終点判定器において当該信号の示すエッチング量が予め定められた目標のエッチング量とが比較されて所定の許容範囲内であると判定された場合には処理が終点へ到達したことが、許容範囲外である場合には到達していないことが判定される。目標のエッチング量への到達が判定された場合には、図示しないモニターやランプ、信号機等の報知器によって上記到達が報知されるとともに、到達を示す信号を受信した制御部４０によって、エッチング処理の停止または処理の条件を変更する信号をプラズマ処理装置に発信する。
プラズマ処理装置１では受信したエッチング停止信号に基づいてエッチングを検出した処理対象１６の対象膜層のエッチング処理を停止させる、あるいは、処理の条件を変更した後に次の処理対象１６に対する処理の工程を実施する。この動作により、本プラズマ処理装置１はエッチング量モニタを用いた終点判定動作が可能である。
次に、図３を参照して、第１実施形態に係るプラズマ処理装置を用いたエッチング量を検出しつつエッチング処理を実施する対象である膜構造を説明する。図３は、処理対象の膜構造を模式的に示す縦断面図である。
処理対象１６の膜構造では、Ｓｉ基板３０３上に酸化膜３０１と金属膜３０２とが上下方向に交互に複数積層されている。この膜構造は、図３に示されるように、中央部において縦方向（上下方向）に形成された溝または孔状の構造であるトレンチ３０４を有しており、当該トレンチ３０４内部に面した側壁面３０５を有している。
第１実施形態のプラズマ処理装置１において、処理対象１６に対して施されるエッチング工程では、膜構造の金属膜３０２を選択的にトレンチ３０４に面する側壁面３０５の表面から横方向にエッチングする。図３（ａ）は、エッチング工程の開始前の状態を示す。エッチングされていない状態であるため、トレンチ３０４に面する金属膜３０２の端部の位置は、その上方又は下方に隣接する酸化膜３０１の端部の位置と同じである。一方、図３（ｂ）は、エッチング工程が開始され進行した状態を示す。金属膜３０２のトレンチ３０４に面した部分が除去されており、トレンチ３０４に酸化膜３０１の端部に対して、横方向に凹み（リセス）が形成されている。
このように、第１実施形態のエッチング工程は、酸化膜３０１と金属膜３０２とが上下方向に積層された多層積層の膜構造に対して、エッチング工程前の側壁面３０５を基準にして、これから金属膜３０２を所望の量だけ除去して凹ませる（後退させる）ものである。ここで、第１実施形態では、酸化膜３０１と金属膜３０２の膜厚はそれぞれ２５ｎｍであり、金属膜３０２の積層数は１００層である。このため、多層膜の全体高さは５μｍ以上と非常に厚い構造である。トレンチ３０４の幅は２００ｎｍであり、トレンチ３０４はピッチ１μｍでＳｉ基板３０３上に形成される。
次に、図４および図５を参照して、エッチング量に現れる膜厚の影響について説明する。
本実施形態のプラズマ処理装置１の真空処理室１０内に配置された処理対象１６の表面から得られる光から検出されたスペクトルの例を図４に示す。図４は、処理対象のエッチング処理中に得られた光の光量を示す図である。
図４（ａ）は、金属膜３０２の処理の開始時からのエッチング量が２５ｎｍおよび３０ｎｍである際の、処理対象１６の表面からの反射光２４の光量データを、複数の波長における反射率のスペクトルとして示したものである。Ｄ１のデータに相当する。ここで、金属膜３０２のエッチング量は、酸化膜３０１のトレンチ３０４に面する端縁からの金属膜３０２の横方向の凹みの深さの値、すなわちエッチング工程の開始前においてトレンチ３０４に面した金属膜３０２の端部の位置を基準としてゼロとし、エッチングが進行する横方向を正にとっている。この図４（ａ）に示されるように、スペクトルはエッチング進行に伴い変化していることが確認できる。
図４（ａ）に示される反射率のスペクトルは、一見すると波長が変化するにつれてなめらかに変化するようにみえるものの、実際この図から、積層された膜構造のエッチング中に得られるスペクトルは、波長軸方向に振動していることが分かる。これは、半導体ウエハの膜構造では、酸化膜と金属膜が除去された真空部分との繰り返し構造やトレンチ溝のように光がＳｉ基板３０３部分まで透過できる領域があり、その高さが数μｍと非常に大きいことに起因する。
このような数μｍを透過しＳｉ基板３０３で反射した光と最上層の酸化膜表面で反射した光が干渉するとき、それらの光路長差は波長により異なる。この波長による光路長差の変化は酸化膜と真空の積層部分やトレンチの高さに比例して大きくなるため、本膜構造では波長方向の干渉の強め合いと弱め合いが繰り返し観測され、結果波長方向に光量（強度）が振動して観測される。
エッチング進行に伴い反射率のスペクトルは変化する。図４（ｂ）は、反射光２４の光量データを反射率の変化量のスペクトル（以下、「スペクトル差」「光量差」ともいう。）により算出した結果である。前処理部２０２の出力データに相当する。実線のスペクトルは金属膜３０２が２０ｎｍから２５ｎｍに変化した際のスペクトル差であり、破線は金属膜３０２が２５ｎｍから３０ｎｍに変化した際のスペクトル差である。スペクトル差においてもエッチング進行に伴い変化が確認できることから、図４（ａ）、（ｂ）のスペクトル及びスペクトル差を用いることで金属膜３０２のエッチング量を推定できることが分かる。
ここで、図３（ａ）の積層膜は１００層であるため、この構造を製造する場合、酸化膜３０１や金属膜３０２などは高さ方向に関わる膜厚の成膜にばらつきが発生する。例えば、酸化膜が１ｎｍ増加すると、積層膜全体の高さは１００ｎｍも変化することになる。
図５は、ＳｉＯ２膜厚が異なる場合のスペクトルを説明する図である。図５において、ＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍの場合と成膜ばらつきにより２６ｎｍになった場合において観測されるスペクトル差が示される。実線のスペクトル差はＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍのものであり、破線のスペクトル差はＳｉＯ２膜厚が２６ｎｍのものである。いずれのスペクトル差も金属膜のエッチング量は２５ｎｍであり、エッチング量２０ｎｍと２５ｎｍのスペクトル差で示している。金属膜のエッチング量が同じにも関わらず、ＳｉＯ２膜の膜厚が変わることでスペクトルは変化することが分かる。このため、スペクトルからエッチング量を推定する場合、図１（ｂ）の波形パターンデータベース１２２に特定のスペクトルとエッチング量の相関を有する比較対象のデータであるパターンデータを登録するだけでは、積層膜全体高さがウエハ間でばらつくことによりスペクトルのパターンマッチングによるエッチング量を高い精度で検出することは困難である。
次に、図６および図７を参照して、処理対象の膜構造のエッチング量を検出する処理について説明する。
以下の説明において、当該エッチング量は、エッチング量算出部３０において検出される。また、ウエハをエッチングし、その金属膜のエッチング量の推定を行う。また、処理対象１６の表面に形成された膜構造のＳｉＯ２膜厚は２５ｎｍである。
前処理部２０２で処理された光量データはデータ整形部２０４に伝達され、必要に応じて信号処理が行われ各時刻のスペクトルデータのリサンプリングが行われる。本実施形態では、各サンプリング時刻のスペクトルに対して、波長軸を波数に換算し、波数軸で波数１／３００ｎｍ～１／９００ｎｍ（分母は波長）を５１２点等間隔に分割するようにスプライン補間を用いてリサンプリングし、データ整形したスペクトルデータを生成した。
図６は、データ整形したスペクトルの例を示す図である。図６（ａ）は、データ整形部２０４において横軸を波数に換算したスペクトル差の例を示す。横軸は波数、縦軸は光量差に基づき導出される反射率の差であり、ＳｉＯ２膜厚２５ｎｍで金属膜のエッチング量が２０ｎｍと２５ｎｍのスペクトル差を示す。図６（ａ）に示されるように、波長方向の振動は波数軸に対してほぼ一定の周波数で正弦波のように振動している。言い換えると、スペクトルは、波数または波長の変化に対して、複数の極大値または極小値を含む振幅を有して振動する。
このようなデータ整形後のスペクトルデータを示す信号は、波長方向信号処理部２０６に伝達されてさらに信号処理される。波長方向信号処理部２０６では、波数軸に等間隔に光量値が並んだスペクトルデータに対し、ＬＰＦによる高周波成分の除去、又はヒルベルト変換やピーク／ボトム検出による包絡線検出が行われる。
第１実施形態では、波長方向にＬＰＦが実施され、波長方向の振動成分が除去された。
図６（ｂ）は、波長方向信号処理部２０６において波長方向の振動が除去されたスペクトル差の例を示す。図６（ａ）に示したスペクトル差の例では、振動成分はほぼ一定周波数であるため、図６（ｂ）ではＬＰＦにより振動成分が十分に除去できていることが分かる。
ここで、ＬＰＦのカットオフ周波数は図６（ａ）の振動周波数に基づき、振動周波数の１/２に設定された。カットオフ周波数は振動の周波数以下であればよいが、下げ過ぎると高周波成分の除去だけでなく低周波成分も除去され、スペクトル形状が歪む可能性がある。そのため、カットオフ周波数は振動の周波数が除去できる程度に設定することが望ましい。
波長方向の信号処理されたデータは後処理部２０８に入力され、各波長の時間方向の光量平滑化などが行われる。例えば、波長方向信号処理部２０６では各時刻のスペクトルに対して独立に信号処理を行った結果、各波長の時刻間の光量変化が不連続となる場合がある。その場合、各波長の光量を時間方向に対してＬＰＦを実施したり、移動平均を算出したりする。本実施形態では各時刻のスペクトルに対し、過去１secの移動平均によりデータの平滑化が行われる。
これら処理を行って得られた被処理データは、波形比較器１０２に送信されて波形パターンデータベース１２２に格納されたデータと比較され、パターンマッチングが行われる。波形パターンデータベース１２２には、図３に示す膜構造を有する処理対象１６を予めエッチングして得られた所定の複数の波長のスペクトルと金属膜３０２のエッチング量とが対応付けられたパターンデータが登録されている。本実施形態では、パターンデータとしてＳｉＯ２膜厚が２４ｎｍである積層膜に対応するものが用いられ、エッチング処理工程が行われている実際の処理対象１６のＳｉＯ２膜厚２５ｎｍとは異なる構成の膜構造に対応するパターンデータが用いられた。
一方、パターンデータは、エッチング処理工程が行われている実際の処理対象１６から得られたスペクトルに対して施される信号処理と同一の信号処理が施されて得られたスペクトルから構成されている。波形比較器１０２では、処理中の任意のサンプリング時刻に得られたスペクトルのデータとデータベースに格納されたパターンデータのスペクトルとが比較され、パターンマッチングされた結果最も差異が小さいパターンデータに対応するエッチング量を当該時刻のエッチング量として検出される。
ここで、処理中の任意の時刻に得られた或いは複数の時刻で得られた時系列のスペクトルのデータについて、図２に示すデータ整形部２０４、波長方向信号処理部２０６、後処理部２０８におけるデータ処理が実施されない場合は、金属膜３０２の同じエッチング量におけるスペクトルは、図５に示すように異なる値となってしまい、例え予め獲得した精度の高いパターンデータを用いて処理中に得られたスペクトルのデータとパターンマッチングしても、精度良くエッチング量を検出するが妨げられる。一方で、本実施形態では図２に示すデジタル信号処理部１００において信号処理を行うことにより、処理対象１６の複数の積層膜を有する膜構造の全体の高さが変化する場合においても、実際のエッチングの量を精度良く示すスペクトルが取得可能となる。
図７は、信号処理が行われた被処理データをパターンデータと比較した結果を示す図である。図７において、エッチング量が２５ｎｍである場合における、処理対象１６をプラズマ処理中に検出したスペクトルのデータと波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータのスペクトルとを比較した結果が示される。図７において、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の処理中に得られた波長を横軸とするスペクトル差のデータを示し、破線は波形パターンデータベース１２２に格納された酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜厚が２６ｎｍであるパターンデータのスペクトル差のデータを示す。いずれのスペクトル差も、所定のエッチング量の場合のスペクトルとの差分を示している。図７に示されるように、２つのスペクトル差は分布が精度良く一致しており、本実施形態に示す構成を用いて得られたスペクトル差のデータを用いて波形パターンデータベース１２２に格納されたパターンデータと精度の良いマッチングを行うことができ、エッチング量を検出することができる。
このように検出されたエッチング量は、エッチング量記憶部１０４、エッチング量補正部１０６にて処理された後に、エッチング量を示すデータとして、プラズマ処理装置と通信可能に接続された制御部４０に入力され、内部の記憶装置にデータが記憶される。制御部４０は、データが示すサンプリング時刻のエッチング量が目標値に到達しているかを判定して、到達していると判定した場合、プラズマ処理装置にエッチング処理の停止命令を送り、エッチング処理工程を実施している処理対象１６のエッチング処理が停止され終了する。
（作用・効果）
以上の通り、第１実施形態において、処理対象１６の表面に予め形成された複数の膜層が積層された膜構造の全体の高さが複数の処理対象１６の間で変動した場合においても、処理対象１６表面からの反射光２４から得られたスペクトルの光量データを用いて信号処理を行うことにより、高い精度で処理対象の金属膜３０２の横方向のエッチング量が検出可能となり、処理対象１６のエッチング処理の終点を正確に判定することが可能となる。
ここで、第１実施形態において、処理対象１６の膜構造やその膜層の材料、積層の高さのばらつき要因は一例であり、エッチング対象の部分以外の構造や材料のばらつきにより波長方向に振動するスペクトルの振動周波数や振幅が変動する場合において、エッチング量とスペクトルの相関を一定に保つために使用することが可能である。例えば膜層の材質が不均一で屈折率に違いが出た場合のスペクトルの変動にも適用可能である。また、本実施形態ではエッチング量の決定方法としてスペクトル差を用いたパターンマッチングを使用したが、スペクトルからエッチング量を決定する手法は本実施形態に限ったものではなく、スペクトルの特定波長の光量データやスペクトルから抽出した特徴量データを用いてエッチング量の決定を行ってもよい。
また、スペクトル差（スペクトルの変化量）を用いてエッチング量の決定を行ったが、本願発明はこれに限定されない。たとえば、反射光から得られたスペクトルのデータと、パターンデータのスペクトルと、を比較して、エッチング量を決定することも可能である。また、反射光から得られたスペクトルのデータについて波長から波数への換算をしたデータを用いたが、本願発明はこれに限定されない。たとえば、波長のままのデータでエッチング量を決定することも可能である。
［第２実施形態］
上記の第１実施形態では、データ整形部２０４にて波長軸の換算及び光量データのリサンプリングを実施した。これらのデータ処理を行わず、波長方向信号処理部２０６において下部包絡線検出を用いることによっても、エッチング量を高い精度で検出することができる。第２実施形態では、このようなエッチング量の検出の構成について説明する。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、図１乃至７に説明した実施形態と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
図８は、下部包絡線を用いた場合を示す図である。図８（ａ）には、図５に示す酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の処理中に得られたスペクトルデータに対して、下部包絡線を検出した結果が示される。元の信号である破線は、処理対象１６の処理中の任意のサンプリング時刻に得られた反射光から検出された複数波長のスペクトルを示し、実線は当該破線で示されたスペクトルデータの下部包絡線として検出されたスペクトルのデータを示す。第２実施形態では、図８（ａ）に示される下部包絡線を、特定の波長の区間における光量（図上の縦軸でしめすパラメータ）の最小値（ボトム部分）を結ぶ線として検出し、エッチング量を検出するスペクトルのデータとして用いた。
図８（ａ）の例では、図２のデータ整形部２０４にて波長軸の変化及び光量データのリサンプリングを行なわずに下部包絡線をスペクトルデータとして用いたが、波長軸のままスペクトルと取り扱うと、波長方向の振動は周波数が変化しているように見え、包絡線検出も上手く機能しない場合がある。そのような場合においては、スペクトルを波数軸に換算して包絡線検出処理を実施することが望ましい。
図８（ａ）のスペクトルデータを用いて、波形比較器１０２においてパターンマッチングした結果を図８（ｂ）に示す。２つのスペクトルデータはエッチング量が２５ｎｍである場合のものであり、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の膜構造の処理中に得られたスペクトル差を示し、破線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２６ｎｍである波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータを用いて作成されたスペクトル差を示す。本図に示すとおり、同じエッチング量に対応するスペクトルのデータは高い精度で一致していることが分かる。
（作用・効果）
以上から、第２実施形態のように、下部包絡線を用いて得られたスペクトルを用いることによっても、図１乃至７に示される第１実施形態と同様に、高い精度でエッチング量を検出することができ、高い精度で終点判定が実現可能となる。
［第３実施形態］
第２実施形態では下部包絡線を用いる例を示したところ、波長方向信号処理部２０６において上部包絡線を検出して、これをスペクトルデータとしてパターンマッチングに用いた場合においても、高い精度でエッチング量を検出できる。第３実施形態では、このようなエッチング量の検出の構成について説明する。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、第１実施形態および第２実施形態に説明した構成と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
図９は、上部包絡線を用いた場合を示す図である。図９には、図６（ａ）に示す酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである膜構造の処理中に得られたスペクトルデータに対して、上部包絡線を検出した例が示される。元の信号である破線は、処理対象１６の処理中の任意のサンプリング時刻に得られた反射光から検出された複数波長のスペクトルを示し、実線は当該破線で示されたスペクトルデータの上部包絡線として検出されたスペクトルのデータを示す。
図９に示される上部包絡線の検出では、ＬＰＦとＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）とヒルベルト変換とが用いられる。先ず、同じカットオフ周波数のＬＰＦとＨＰＦとにより、図６（ａ）に示す同一のスペクトルデータに対して、ＬＰＦを用いて低域通過濾過した結果とＨＰＦを用いて高域通過濾過した結果が各々取得される。ＨＰＦによる高域通過濾過後のスペクトルデータは低周波成分が除去され、波数方向の振動のみが抽出される。
さらに、第３実施形態では、このような高域通過濾過されたスペクトルデータに対して、ヒルベルト変換が施され、振動成分の包絡線がスペクトルとして算出される。算出された包絡線スペクトルと低域通過濾過後の低周波成分によるスペクトルとが足し合わされることで、上部包絡線が検出される。
このようにして得られた上部包絡線をエッチング量の検出に用いるスペクトルデータとして、波形比較器１０２において波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータのスペクトルとパターンマッチングした結果を図９（ｂ）に示す。２つのスペクトルデータはエッチング量が２５ｎｍである場合のものであり、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の膜構造の処理中に得られたスペクトル差を示し、破線は酸化膜としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２６ｎｍである波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータを用いて作成されたスペクトル差を示す。本図に示すとおり、同じエッチング量に対応するスペクトルのデータは高い精度で一致していることが分かる。
（作用・効果）
以上の通り、第３実施形態のように、上部包絡線を用いて得られたスペクトルを用いることによっても、図１乃至７に示される第１実施形態と同様に、高い精度でエッチング量を検出することができ、高い精度で終点判定が実現可能となる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば第２実施形態において下部包絡線を用いたが、上部包絡線を用いてエッチング量を検出するためのスペクトルデータとして用いることもでき、また第３実施形態において上部包絡線を用いたが、下部包絡線をエッチング量を検出するためのスペクトルデータとして用いることもできる。
１…プラズマ処理装置
１０…真空処理室
１２…プラズマ
１４…試料台
１６…処理対象
１８…光源部
２０…導入レンズ
２２…照射光
２４…反射光
２６…検出レンズ
２８…検出部
３０…エッチング量算出部
４０…制御部
５０…光学系
１００…デジタル信号処理部
１０２…波形比較器
１０４…エッチング量記憶部
１０６…エッチング量補正部
１２２…波形パターンデータベース
２０２…前処理部
２０４…データ整形部
２０６…波長方向信号処理部
２０８…後処理部
３０１…酸化膜
３０２…金属膜
３０３…Ｓｉ基板
３０４…トレンチ
３０５…側壁面
Ｄ１…検出部から出力される時系列データ
Ｄ２…デジタル信号処理部から出力される時系列データ
Ｄ３…波形比較器から出力されるエッチング量データ
Ｄ４…エッチング量記憶部から出力されるエッチング量データ

Claims (10)

  1. 表面に処理対象の膜を備えたウエハをプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ処理中の所定の複数の時刻に前記ウエハの表面からの光を受光するステップと、
    受光した前記光に含まれる複数の波長の光量を示すデータについて、当該データに含まれる前記波長の方向についての振動成分を低減するデータ信号処理を行うステップと、
    前記信号処理から得られた前記データを用いて前記プラズマ処理中の前記処理対象の膜の横方向のエッチング量を検出するステップと、
    を含むプラズマ処理方法。
  2. 前記信号処理から得られた前記データと、前記処理対象の膜の前記エッチング量と対応付けられたものであって予め得られた検出用のパターンデータとを比較して、前記プラズマ処理中の複数の時刻の各々の前記エッチング量を検出する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  3. 前記データは、前記複数の波長またはこれらに対応する波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含んで振動する成分を有し、
    前記信号処理は、前記データに含まれる前記波長の方向について前記振動の成分から、前記振動の所定の周波数以上の成分を除くステップを含む、請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
  4. 前記データは、前記複数の波長またはこれらに対応する波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含んで振動する成分を有し、
    前記信号処理は、振動する前記データから下部包絡線または上部包絡線を検出するステップを含む、請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
  5. 前記ウエハが、金属を含む前記処理対象の膜と絶縁膜とが上下方向に交互に積層された多層膜を有し、前記絶縁膜がシリコンの酸化物を含む物質から構成され、前記処理対象の膜の表面が前記光を反射する物質から構成された、請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
  6. 表面に処理対象の膜を備えたウエハをプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    前記ウエハの表面からの光を受光して得られた複数の波長の光量を示すデータについて、当該データに含まれる前記波長の方向についての振動成分を低減する信号処理を行う信号処理部と、
    前記信号処理から得られた前記データを用いて前記プラズマ処理中の前記処理対象の膜の横方向のエッチング量を検出する波形比較器と、
    前記エッチング量に基づき前記プラズマ処理の終点を判定する制御部と、
    を備えたプラズマ処理装置。
  7. 前記波形比較器において、前記信号処理から得られた前記データと、前記処理対象の膜の前記エッチング量と対応付けられたものであって予め得られた検出用のパターンデータとを比較して、前記プラズマ処理中の複数の時刻の各々の前記エッチング量が検出される、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記データは、前記複数の波長またはこれらに対応する波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含んで振動する成分を有し、
    前記信号処理部において、前記データに含まれる前記波長の方向について前記振動の成分から、前記振動の所定の周波数以上の成分が除かれる、請求項６または７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記データは、前記複数の波長またはこれらに対応する波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含んで振動する成分を有し、
    前記信号処理部において、前記データの下部包絡線または上部包絡線を検出する波長方向信号処理部を有する、請求項６または７に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記ウエハが、金属を含む前記処理対象の膜と絶縁膜とが上下方向に交互に積層された多層膜を有し、前記絶縁膜がシリコンの酸化物を含む物質から構成され、前記処理対象の膜の表面が前記光を反射する物質から構成された、請求項６または７に記載のプラズマ処理装置。
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