JP3383236B2 - エッチング終点判定方法及びエッチング終点判定装置 - Google Patents

エッチング終点判定方法及びエッチング終点判定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はエッチング終点判定
方法及び装置及びそれを用いたエッチング方法に係り、
特にプラズマ放電を用いたエッチング処理の終点を発光
分光法により検出するのに好適なエッチング終点判定方
法及び装置及びそれを用いた絶縁膜のエッチング方法に
関するものである。絶縁膜としては、シリコン酸化膜
（以後、単に酸化膜と称する。）や低誘電率材料からな
るｌｏｗ−ｋ膜などがある。
【０００２】
【従来の技術】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検出方法の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。
その際、ノイズによる検出波形のふらつきに基づく誤検
出を防ぐ必要がある。発光強度の変化を精度良く検出す
るための方法としては、例えば、特開昭６１−５３７２
８号公報、特開昭６３−２００５３３号公報等が知られ
ている。特開昭６１−５３７２８号公報では移動平均法
により、また、特開昭６３−２００５３３号公報では１
次の最小２乗近似処理によりノイズの低減を行ってい
る。
【０００３】ところで、プラズマ放電によりエッチング
処理されるウェハのエッチング終点判定を発光分光法に
より行うエッチング終点判定装置は、ウェハを処理する
毎に堆積物付着等により検出信号が弱まり、例えば特開
昭６３−２５４７３２号公報に記載のように、安定した
エッチング終点検出を行うため検出信号のゲイン値、オ
フセット値を変更することで検出信号を補正していた。
また、例えば特公平４−５７０９２号公報に記載のよう
に、安定したエッチング終点検出を行うため、ゲイン、
オフセット調整機能を付加することなしに、光電変換手
段に取り込まれる検出信号を設定値に調整することで補
正を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】近年の半導体の微細
化、高集積化に伴い開口率(半導体ウェハの被エッチン
グ面積)が小さくなっており、光センサーから光検出器
に取り込まれる特定波長の発光強度が微弱になってい
る。その結果、光検出器からのサンプリング信号のレベ
ルが小さくなり、終点判定部は、光検出器からのサンプ
リング信号に基づいてエッチングの終点を確実に検出す
ることが困難になっている。
【０００５】また、半導体デバイスの微細化が進むにつ
れて、配線間の電気的な絶縁を取るために使用されてき
たシリコン酸化膜では電気容量が大きく、配線間の信号
ロスが無視できなくなってきた。その解決策として、配
線間の絶縁材料に低誘電率材料を使用し、配線間の電気
容量を小さくする方法が開発されている。低誘電率材料
（以後、ｌｏｗ−ｋ材と称する）の候補として種々の材
料が開発されてきているが、たとえば、月刊Semiconduc
tor World 1998.11号の７４ページに記載のように、無
機系ｌｏｗ−ｋ膜のＦＳＧ（ｋ＝３．３〜３．６）、Ｈ
ＳＱ（ｋ＝２．９〜３．１）、Ｘｅｒｏｇｅｌ（ｋ＝
２．０以下）が知られているし、有機系ｌｏｗ−ｋ膜と
しては、ＳｉＬｋ（ｋ＝２．６）、ＢＣＢ（ｋ＝２．
６）、ＦＬＡＲＥ（ｋ＝２．８）、ＰＡＥ（ｋ＝２．
８）や有機ＳＯＧ（ｋ＝２．８〜２．９）、ＨＳＧ（ｋ
＝２．９）などがある。
【０００６】さらに、ｌｏｗ−ｋ膜を用いるとともに、
化学的機械的研磨技術を用いた平坦化法（ＣＭＰ）を使
用するプロセスにより、従来の配線材料より電気抵抗の
小さい銅による配線を可能にするダマシンプロセスが開
発されつつある。
【０００７】このダマシンプロセスでは、初めに配線間
および層間の絶縁材料となるｌｏｗ−ｋ膜を形成した
後、プラズマエッチングにより配線用の溝を形成し、か
つ下層への電気的な接続を取るためのコンタクトホール
を２層間に形成するデュアルダマシン法が主流である。
デュアルダマシン法のプロセスも最初にコンタクトホー
ルをエッチングするか、あるいは溝をエッチングするか
で工程が違うし、現在種々の方法が検討されている段階
である。いずれにしても、ｌｏｗ−ｋ膜に溝やコンタク
トホールをプラズマエッチングで形成する必要がある。
このプラズマエッチングを高精度でしかも工程数の少な
いプロセスを使用することができれば、歩留まり向上お
よびコスト削減にもつながるため、プラズマエッチング
の特性（エッチング可能な工程および性能）を十分高め
ることが必要となる。
【０００８】しかし、現在実際に製作したとして報告さ
れているダマシン構造では、ｌｏｗ−ｋ膜に設けられる
溝と穴の境界に窒化シリコン膜を挿入してエッチングの
ストッパー層としている。このため、ストッパー層の形
成工程や、ストッパー層を挿入したことによる膜の誘電
率上昇が問題となる。ストッパー層の誘電率が低ければ
問題ないが、プラズマエッチングのストッパー層とする
ために、ｌｏｗ−ｋ膜とのエッチング選択比や密着性な
どの要求があり、現在では窒化シリコン層が一般的に使
用されている。
【０００９】また、ストッパー層を挿入しても膜厚を厚
くすることは誘電率増加の観点から実施できないため、
エッチングが進行してストッパー層に達したか否かを正
確に判定しなければならない。通常の終点判定システム
でも検出可能であるが、より高精度な判定が望まれる。
さらに望むらくは、ストッパー層を挿入しない構造であ
るが、現状ではエッチングが困難となっている。
【００１０】また、絶縁膜エッチング装置では、エッチ
ングを繰り返すにつれてエッチング速度が低下するなど
の経時的な変化が知られている。場合によっては、エッ
チングが途中でストップしてしまう場合もあり、その解
決は必須である。それに加えて、エッチング速度の経時
的な変動をモニターしておくこともプロセス安定稼動の
ためには重要であるが、従来の方法では、単に終点判定
の時間モニターのみである。しかも、エッチング時間が
１０秒程度と短い場合の終点判定は、判定準備時間を短
くする終点判定方法としなければならないことと、判定
時間の刻みも十分短くする必要があるが、必ずしも十分
ではない。さらに、絶縁膜では、被エッチング面積が１
％以下の場合が多く、エッチングにともなって発生する
反応生成物からのプラズマ発光強度変化が小さい。した
がって、僅かな変化も検出することのできる終点判定シ
ステムが必要になるが、実用的で安価なシステムは見当
たらない。
【００１１】次に、絶縁膜のコンタクトホールを形成す
るエッチングにおいて、リソグラフィの位置ズレを解消
するため、セルフアラインコンタクト技術が開発されて
いる。この技術における終点判定も最後のコンタクト部
の被エッチング面積が１％以下と少ないため、プラズマ
発光強度変化の検出感度を十分高くしたシステムが必要
であるが、安価で高精度という要求を満たした終点判定
システムとはなっていない。
【００１２】本発明の第１の目的は、低開口率の半導体
ウェハであっても、半導体ウェハのエッチング終点を安
定に検出できるエッチング終点判定方法及び装置を提供
することにある。
【００１３】本発明の第２の目的は、プラズマ処理の、
特にプラズマエッチング処理において、プラズマ発光の
僅かな変化も検出可能で、しかも短時間で計測可能な終
点判定システムを用い、半導体薄膜のプラズマエッチン
グの終点を検出することで、高度なエッチング結果を得
る方法に関する。
【００１４】本発明の他の目的は、発光強度のサンプリ
ング信号にパルス状のノイズが乗った場合、例えば、放
電電力の瞬時停止、不安定等でプラズマ状態が急変し発
光強度に変調を来した異常時でも終点判定の誤検出を無
くすことのできるエッチング終点判定方法及び装置を提
供することにある。
【００１５】本発明の他の目的は、プラズマ放電異常が
起こったことを容易にエッチング処理の履歴として表示
することのできるエッチング終点判定方法及び装置を提
供することにある。
【００１６】本発明の他の目的は、半導体デバイスの絶
縁膜エッチング工程の終点を高精度に計測できる方法も
しくはシステムを用い、その性能を利用してダマシンプ
ロセスおよびセルフアラインプロセスのエッチングを高
精度に実施するエッチング方法を提供することにある。
【００１７】本発明の他の目的は、ダマシンプロセスの
ストッパー層までの時間やセルフアラインコンタクトプ
ロセスのゲート上の絶縁膜までのエッチング時間を計測
してエッチング速度を求め、かつその変動をモニター
し、エッチング装置の経時的な変化によるエッチング不
良を防止することにある。また、ダマシンプロセスのス
トッパー層に達した時間を正確に判定することで薄い窒
化シリコン層の削れを抑制し、実質的な選択比を向上さ
せることにある。
【００１８】本発明の他の目的は、ダマシンプロセスや
セルフアラインコンタクトプロセスの下地の上に形成さ
れた窒化シリコン層を除去する工程において、エッチン
グは短時間で終了するが、終了時間を正確に判定して下
地層のエッチングが過剰に進むのを抑制し、デバイスの
性能低下を抑制することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、ドライ
エッチングのエッチング終点判定方法において、入力信
号波形を第１デジタルフィルタ手段によりノイズを低減
するステップと、多項式平滑化微分法により前記信号波
形の微係数の時系列データを求めるステップと、前のス
テップで求めた前記信号波形の微係数の時系列データの
ノイズ成分を第２デジタルフィルタ手段により低減して
平滑化微係数値を求めるステップと、該平滑化微係数値
と予め設定された値とを判別手段により比較しエッチン
グの終点を判定するステップとを含むエッチング終点判
定方法にある。
【００２０】本発明の他の特徴は、発光強度の微係数の
時系列データによりエッチングの終点を判定するエッチ
ング終点判定方法において、デジタルフィルタ手段によ
り該時系列データを平滑化処理して平滑化時系列データ
を求めるステップと、該平滑化時系列データについて多
項式平滑化微分法により微係数の時系列データを求める
テスップと、前記微係数の時系列データの変遷を表示手
段に表示し、異常検出時に前記微係数の時系列データの
表示上に異常を示す表示を加えるステップを含むエッチ
ング終点判定方法にある。
【００２１】本発明の他の特徴は、発光分光法を用いた
ドライエッチングの終点判定装置において、特定波長の
発光強度の時系列データを得るＡＤ変換手段と、該時系
列データを平滑化処理する第１のデジタルフィルタリン
グ手段と、該平滑化時系列データについて多項式平滑化
微分法により微係数の時系列データを求める演算手段
と、算出された前記微係数の時系列データを平滑化処理
する第２のデジタルフィルタリング手段と、該平滑化微
係数値と予め設定された値とを比較し、エッチングの終
点を判定する判別手段を備えたことを特徴とするエッチ
ング終点判定装置にある。
【００２２】
【００２３】本発明によれば、発光強度の変化を精度良
く算出することができるので、非常に安定性のよいエッ
チング処理終点を判定する方法を提供することができ
る。また、終点判定のための微係数算出処理を行う終点
判定において、微係数算出処理の前段と後段にデジタル
フィルタリング処理を設けることにより、効果的に光検
出器からのサンプリング信号のノイズ低減が行え、安定
性の良い終点判定が可能となる。
【００２４】また、エッチング処理異常時に前段のデジ
タルフィルタリング処理と微係数算出処理及び後段のデ
ジタルフィルタリング処理において係数補正処理を設け
ることにより、より効果的に光検出器からのサンプリン
グ信号のノイズ低減が行え、安定性の良い高精度な終点
判定が可能となる。
【００２５】さらに、微分係数表示において、エッチン
グ処理異常時、特徴ある色彩を持った配色によりゼロま
たは、予め設定された表示位置に描画すれば、エッチン
グ処理中の異常監視を容易にする優れた装置を提供する
ことができる。
【００２６】また、本発明によれば、終点判定を正確に
実行できるので、時間管理のエッチングに比較して、オ
ーバーエッチングを少なく設定できるという効果があ
る。その結果、過剰な下地層の削れが抑制できる。ま
た、オーバーエッチング時間を短縮できるので、その分
のスループット向上が期待できる。さらに、エッチング
時間の経時的な変化をモニターできるので、エッチング
装置の異常を早期に発見することができ、エッチング不
良の大量発生を未然に防止できるという効果がある。
【００２７】また、本発明によれば、目標とする光電子
増倍管の出力電圧に対しセンス電圧値を関係式を用いて
導き使用することで、目標とする光電子増倍管の出力電
圧に対しセンス電圧値を正確に求めることができる。従
って、開口率が小さい半導体ウェハであっても、半導体
ウェハのエッチング終点を安定に検出するためのエッチ
ング終点検出に用いる信号を、ウェハ間でばらつくこと
なく一定値へ再現性よく制御すことができる。
【００２８】さらに、本発明の終点判定システムを用い
ることにより短時間で判定準備が可能であり、しかもわ
ずかなプラズマ発光強度変化も検出できるので、被エッ
チング面積の小さい絶縁膜エッチングの終点判定に適用
できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例を説
明する。まず、図１を用いて、半導体ウェハのエッチン
グを説明する。まず、図１を用いて、半導体ウェハのエ
ッチング装置１及びエッチング終点検出装置１０の構成
概要を説明する。
【００３０】エッチング装置１は、エッチングチャンバ
２の内部に導入されたエッチングガスがマイクロ波電力
等により分解しプラズマとなり、このプラズマにより半
導体ウェハがエッチングされる。エッチング終点判定検
出装置１０は、半導体ウェハのエッチング処理中にエッ
チングチャンバ２内に発生するプラズマ光を検出し、そ
の状態に基づき終点判定の処理を行う。エッチング終点
判定検出装置１０は、光検出器１１、オフセット(加算
回路)１５、ゲイン(乗算回路)１６、ＡＤ変換器１７、
デジタルフィルタ回路１８、微係数演算回路１９、デジ
タルフィルタ回路２０、ＲＡＭ２１、判定回路２２、Ｄ
Ａ変換器２３およびＣＰＵ３０を備えている。ＣＰＵ３
０で実行される、オートオフセット／オートゲイン制御
処理、センス電圧設定処理、平滑化処理を含むサンプリ
ング処理及び終点判定処理に対応するプログラムは、Ｒ
ＯＭ３１に保持されている。３２は外部記憶装置、３３
は入出力装置である。
【００３１】光検出器１１は、エッチング処理中にエッ
チングチャンバ２内に発生したプラズマからの特定波長
の発光を分光器１２にて得た後、光ファイバを介して光
電子増倍管１３へ取り込む。取り込んだ特定波長の発光
強度は、光電子増倍管１３により発光強度に応じた電流
検出信号となり、ＩＶ変換器１４にて電圧信号へ変換さ
れる。またＩＶ変換器１４の電圧信号に対して差動回路
(オフセット)１５、増幅回路(ゲイン)１６をかける。
【００３２】ＡＤ変換器１７によりサンプリング信号と
して出力された信号は、時系列データｙｉとしてＲＡＭ
２１に収納される。時系列データｙｉはデジタルフィル
タ回路１８により平滑化処理され平滑化時系列データＹ
ｉとしてＲＡＭ２１に収納される。平滑化時系列データ
Ｙｉは、微係数演算回路１９により微係数値（１次微分
値あるいは２次微分値）の時系列データｄｉが算出さ
れ、ＲＡＭ２１に収納される。微係数値の時系列データ
ｄｉは、デジタルフィルタ回路２０により、平滑化処理
され平滑化微係数時系列データＤｉとしてＲＡＭ２１に
収納される。平滑化微係数値は、判定回路２２により予
め設定されている値と比較され、これらの生波形信号ま
たは演算波形信号を使用してエッチングの終点検出を行
う。この生波形信号および演算波形信号は、エッチング
チャンバ１でウェハを処理する毎にエッチングチャンバ
１内に堆積物付着等により検出信号が弱くなり、ウェハ
毎に終点を検出する条件が変化してしまう。そこで光電
子増倍管１３の出力電圧を制御するセンス電圧と増幅回
路１６のゲインの二つを変化させることによりウェハ毎
の検出信号を同一にし、同一条件でエッチングの終点検
出を行うことができる。 本発明のエッチング終点判定検出装置１０は、図に示す
ように、オートオフセット／オートゲイン制御処理、セ
ンス電圧設定処理、平滑化処理を含むサンプリング処理
及び終点判定処理の各機能を有する。これらの処理につ
いて、図２以下で説明する。
【００３３】エッチング処理開始に伴い、サンプリング
開始命令が出される（１００）。エッチングの進行に従
って変化する特定波長の発光強度が、光検出器により発
光強度に応じた電圧の光検出信号として検出される。こ
の光検出信号は、ＡＤ変換器によりサンプリング信号Ｉ
ｉとしてデジタル値に変換され、ＲＡＭに収納される。
Ａ／Ｄ変換時のオートオフセット／オートゲイン制御に
おいて、次式（１）の時系列データｙiを求める（１０
１）。
【００３４】 ｙi＝Ｉi＋ｄi ……（１） 但し、Ｉiはオフセットゼロで低ゲイン、ｄiはオフセッ
トゼロで高いゲイン。
【００３５】次に、光検出器１１のセンス電圧設定時間
以内か判断する（１０２）。もし、電圧設定時間の時、
センス電圧設定の処理に進む（１０３）。センス電圧設
定時間以降の時は、時系列データｙiが予め設定された
値、例えば４Ｖ以上か否か判断する（１０６）。時系列
データｙiが４Ｖ以上のときは、センス電圧を時系列デ
ータｙiが予め設定された、例えば０．６Ｖ以下に変更
する（１０７）。時系列データｙiが４Ｖ未満のとき
は、平滑化処理に進む。
【００３６】すなわち、第１段目のデジタルフィルタに
よりノイズを低減し、平滑化時系列データｙiを求める
（１０８）。次に、微分処理（Ｓ−Ｇ法）により信号波
形の微係数（１次または２次）ｄiを求める（１０
９）。さらに、上記時系列微係数波形のノイズ成分を２
段目のデジタルフィルタにより低減した平滑化微係数時
系列データＤiを求める（１０８）。そして、予め設定
された終点判定レベルＬを用いて、（Ｄi−Ｌ）＊（Ｄ
i-1−Ｌ）を求める（１１１）。
【００３７】次に、（Ｄi−Ｌ）＊（Ｄi-1−Ｌ）符号の
正負判定により、エッチングプロセスの終点判定処理を
行う（１１２）。すなわち、負であれば真と判定し、サ
ンプリングを終了する（１１３）。もし、正あれば最初
のステップ１０１に戻る。
【００３８】次に、センス電圧設定の処理（１０３）で
は、光検出器１１のセンス電圧と出力電圧の関係式か
ら、平滑化時系列データｙiと検出器の暗電流値を用い
て、平滑化時系列データｙiが予め設定された電圧ｙsと
なるセンス電圧を算出する（１０４）。さらに、設定さ
れたセンス電圧において、平滑化時系列データｙiが、
次式（２）のように、予め設定された電圧ｙsとなって
いるかどうかをチェックし、なっていなければ、センス
電圧を変更し（１０５）、最初のステップ１０１に戻
る。
【００３９】 ｙi−ｙs0≦ｙs≦ｙi＋ｙs0 ｙs0＝０．１Ｖ ……（２） 本発明によれば、オートセンスすなわち、光電素子の特
性を利用し、光信号強度を最適化することができる。こ
れにより、光信号強度を高速に最適レベルに設定でき
る。このオートセンスは、ステップエッチング時に効果
が大きい。
【００４０】サンプリング信号Ｉｉ の検出精度は、増
幅回路１６のゲインとＡＤ変換器１７の分解能により制
限される。例えば、ゲイン１の増幅回路と制限電圧±１
０Ｖで分解能１２ビットのＡＤ変換器を用いた場合、最
小分解電圧は４.８８ｍＶであり、光検出信号が約２.５
Ｖの変動検出精度は、０.２％（０．０４８８ｍＶ／２.
５Ｖ）となり十分な検出精度になっていない。そこで、
前記差動回路４のオフセット値と前記増幅回路５のゲイ
ン値を制御することにより検出精度の高精度化を行う。
【００４１】図３に、差動回路１５のオフセット値制御
および増幅回路１６のゲイン値制御のフローチャートを
示す。サンプリング開始命令１００により、まず、差動
回路１５のオフセット値をゼロに設定（１０１０）、増
幅回路１６のゲイン値は１に設定する（１０１１）。Ａ
Ｄ変換器１７により光検出信号のデジタル変換されたサ
ンプリング信号Ｉｉ を取得する（１０１３）。このサ
ンプリング信号Ｉｉ をＲＡＭ２１に収納する（１０１
４）。
【００４２】次に、ＣＰＵ３０は前記サンプリング信号
値Ｉｉ を用いて、ＤＡ変換器２３より差動回路１５の
オフセット値を設定する（１０１５）。そして、増幅回
路１６のゲイン値を予め設定された値に設定する（１０
１６）。次のステップにおいて、光検出器１１の光検出
信号は、前のステップで設定された差動回路１５、増幅
回路１６を介して、ＡＤ変換器１７によりデジタル変換
され、サンプリング信号ΔＩｉ を取得する（１０１
７）。次のステップにおいて、ＣＰＵ３０はすでに収納
したサンプリング信号Ｉｉ とΔＩｉ との加算値を光検
出信号の時系列データｙｉ としてＲＡＭ２１収納する
（１０１８）。ＣＰＵ３０は収納される時系列データｙ
ｉ を基に四則演算を行い、時系列データｙｉ の信号強
度比較演算や微分処理演算などを行う。
【００４３】本発明のオートオフセット制御は、次の点
に特徴がある。 １）オフセット値と差動増幅値との和により入力信号の
絶対値を求める。
【００４４】２）入力信号の絶対値は毎ステップ、オフ
セット値を求め、そのオフセット値より差動増幅値を検
出する。 ３）オフセット値はＡＤ変換のゲインを低ゲインに設定
して検出する。
【００４５】４）差動回路へのオフセット値はＤＡ変換
器の分解能より１ビット切捨て、設定する。
【００４６】本発明のオートオフセット制御は、ＡＤ変
換器の差動増幅回路を利用し、ＡＤ変換器の分解能を最
大限に引き上げる方法に特徴がある。
【００４７】すなわち、最初のステップで、入力信号波
形を低ゲイン動作にてＡＤ変換し信号電圧の大まかな絶
対値を求める。そして次のステップで、ＡＤ変換器の差
動増幅回路への入力電圧を、ＤＡ変換器の分解能を考慮
して、求める（１０ｍＶ以下を切捨て）。さらに、前の
ステップで求めたＡＤ変換器への入力電圧Ｖ０を、ＤＡ
変換器より出力する。
【００４８】さらに、入力信号の差動波形を高ゲイン動
作にてＡＤ変換し、差動信号電圧Ｖ１を高精度に求め
る。そして、次のステップでは、前の２つのステップで
求めた電圧値を合成する。
【００４９】電圧：Ｖ＝Ｖ０＋Ｖ１ 本発明のオートオフセット制御によれば、信号波形の時
間変化を高精度にＡＤ変換可能となる。すなわち、ＡＤ
変換器の最大変換領域測定モードで計測することにより
入力波形強度の大きな信号に対応できる。
【００５０】また、ＡＤにおけるビット量子化誤差を低
減できる。さらに、ＤＡ変換におけるビット量子化誤差
も低減できる。また、差動増幅の結果、出力される信号
レベルは低くなりＡＤ変換器のゲインを最大限に上げ高
精度に計測できる。さらに、入力信号波形の値を高精度
に測定できる。
【００５１】なお、本発明のオートオフセット制御は、
ＥＰＤ等の光信号だけでなく、バイアス信号、圧力信
号、流量信号など電気信号のＡＤ変換処理に適応可能で
ある。また、ＡＤ変換器のダイナミックレンジを拡張で
きる。
【００５２】図４に、オフセット制御およびゲイン制御
を行わない従来例の発光変動測定結果例を示す。図５
に、本発明のオフセット制御およびゲイン制御を行った
場合の発光変動測定結果例を示す。図から本発明の適用
により発光変動検知精度が約0.5％より約０.０２％に向
上していることがわかる。そのため、終点判定に用いる
微係数時系列データを精度良く求めることができ、エッ
チング処理の終点判定を安定に行えると言う効果があ
る。さらに、本発明により求められる時系列データｙ
ｉ はプラズマ発光がない場合をゼロとし、エッチング
処理が行われている状態では、時系列データｙｉ は必
ずゼロより大きな値をもつ。そのため、得られた時系列
データｙｉ を基に四則演算する場合、ゼロ割処理の回
避処理を特別に設ける必要がなく、終点判定処理フロー
が簡素になり、ソフト的な誤作動を低減するという効果
がある。
【００５３】次に、センス電圧設定の処理について説明
する。図１において、ＤＡ変換器２３を介して光電子増
倍管１３のセンス電圧を変化させると、光電子増倍管１
３の出力電圧を制御できる。図６に、光電子増倍管１３
の増倍率特性を示す。光電子増倍管１３の高電圧Ｈｖに
対する高電圧増倍管１３の出力電圧Ｉはベキ乗の関係に
あり、その関係は次式３により求められる。
【００５４】 Ｉ＝Ｈｖａ (例えばａ＝７．５) ……（３） 光電子増倍管１３の高電圧Ｈｖを直接求めることが出来
ない場合、例えば、ＣＰＵによりコントロールされるセ
ンス電圧Ｖを次式４にて変換することにより光電子増倍
管１３の高電圧Ｈｖを求めることができる。
【００５５】 Ｈｖ＝５０×Ｖ＋４００ ……（４） 従って、式３に式４の関係を利用することにより、ある
発光量に対して期待する光電子増倍管１３の出力を得る
ためのセンス電圧Ｖを求めることができる。この関係は
式３、式４より式５にて表される。
【００５６】 Ｖ１＝Ｈｖ0／５０＊Ｅｘｐ(１／ａ×Ｌｏｇ（Ｉ１／(Ｉ０−Ｉｄ))−８ （ただしＨｖ０＝５０×Ｖ０＋４００） ……（５） ここでＩ１は目標とする光電子増倍管１３の出力電圧、
Ｖ１はその時のセンス電圧、Ｉ０は初期の光電子増倍管
の出力電圧、Iｄは光電子増倍管の暗電流による出力電
圧、Ｖ０はその時のセンス電圧である。
【００５７】光電子増倍管には暗電流があり、センス電
圧が小さい場合には光電子増倍管の出力電圧に暗電流が
及ぼす影響が大きい。例えば、Ｉ０は初期の光電子増倍
管の出力電圧でありこの時のセンス電圧が非常に小さい
値であるならば式５のようにＩ０から暗電流による光電
子増倍管の出力電圧Ｉ０を減算することにより、求める
センス電圧が正確に求めることができる。
【００５８】この暗電流を求めるタイミングであるが、
例えばウェハがチャンバへ搬入後プラズマ発生前に測定
する、もしくはウェハがチャンバへ搬入されていない時
に暗電流を測定する方法がある。
【００５９】以上の手法で求めたセンス電圧Ｖ１を設定
することにより目標とする光電子増倍管１３の出力電圧
が出力できる。また増幅回路１６のゲインは通常固定値
倍とする。
【００６０】センス電圧には限界があり、センス電圧の
最大値を設定しても目標とする光電子増倍管の出力電圧
Ｉ１が出力されない場合は、通常固定値倍のゲインを調
整することで演算波形信号を増幅させる。例えば、目標
とする光電子増倍管１３の出力電圧が２Ｖであった場
合、センス電圧を最大値に設定したときの出力電圧が１
Ｖであるとしたならば、増幅回路１６のゲインは通常の
固定値×２倍のゲインを設定すること(ゲイン補正)で、
エッチング終点検出に用いる演算波形信号を同一とする
ことができる。
【００６１】図７に、センス電圧値、ゲイン値を求める
フローチャートの一例を示す。波形調整実施命令（１０
３１）によりセンス調整およびゲイン補正を行う。波形
調整実施命令（１０３１）により現在のセンス電圧値取
得（１０３２）および現在の生波形信号値取得（１０３
３）する。生波形信号が例えば目標電圧値２Ｖになるよ
うに上記で取得したセンス電圧値および生波形信号値と
数３を用いてセンス電圧値を求める（１０３４）。ＤＡ
変換器２３より光電子増倍管１３に求めたセンス電圧値
を出力し（１０３５）、調整の効果が現れるのに必要な
時間だけ待つ（１０３６）。その後、目標電圧値２Ｖと
現在の生波形信号値とを比較し誤差が基準以内かどうか
の判定（１０３７）を行い基準以内であればセンス調整
終了とする（１０３８）。
【００６２】誤差が基準を外れていた場合は、以下のス
テップを踏む。まず、上記出力したセンス電圧値が最大
値以上かどうかの判定を行い（１０３９）、最大値以上
の場合は現在の生波形信号値と２Ｖを比較し比率を通常
設定しているゲイン値に乗算（ゲイン補正）し（１０４
０）、センス調整及びゲイン補正終了とする（１０４
１）。上記出力したセンス電圧値が最大値となっていな
ければ、センス電圧値を現在より０．１Ｖ増減させセン
ス電圧値を出力する（１０４２）。センス調整に要した
時間が一定基準時間以上かどうかの判定を行い一定基準
時間以上（１０４３）であればセンス調整終了（１０３
８）とし、基準時間未満であれば、目標電圧値２Ｖと現
在の生波形信号値との比較（１０３７）へ戻りループと
なる。このループは例えば０．１秒周期である。
【００６３】図８にセンス電圧およびゲイン補正を行う
他の実施例のフローチャートを示す。基本的な処理の流
れは図７に示したものと同様である。センス値がオーバ
ーフローした場合（１０３９）、もしくはセンス調整に
一定時間経過した場合（１０４３）は、目標とする生波
形の出力電圧、例えば２Ｖと現在の生波形信号値の比を
とり、メモリ内に記憶する。
【００６４】また、その時のセンス電圧値もメモリ内に
記憶する。センス値には求めたセンス電圧値を出力し、
ゲインは固定値のままとする。このままでは、目標の２
Ｖにはならないが、マイクロコンピュータのプログラム
内で２Ｖと現在の生波形信号値の比を踏まえた計算を行
うことによりセンス調整終了（１０３８）とする。
【００６５】以上本実施例のエッチング終点判定装置で
は、数３を使用することで光電子増倍管１３の目標出力
電圧に対するセンス電圧値を正確に求めることができる
ため、ゲインが通常一定値となり、ゲインによるウェハ
毎のＳ／Ｎ比及び暗電流の増幅のばらつきを抑えること
ができる。また、センス電圧値がオーバーフローした場
合でもゲイン値で補正、または目標出力電圧と現在出力
電圧との比をプログラム内部で補正することにより、目
標となる演算波形を求めることができるので、安定性の
よいエッチング終点判定を行うことができる。
【００６６】次に、図９により、本発明の平滑化微係数
時系列データＤｉの算出フローを説明する。デジタルフ
ィルタ回路１８としては、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（６）により求め
られる。
【００６７】 Ｙｉ＝ｂ１ｙｉ＋ｂ２ｙｉ−１＋ｂ３ｙｉ−２ −[ａ２Ｙｉ−１＋ａ３Ｙｉ−２] ・・・・・・・（６） ここで、係数ｂ、ａは、サンプリング周波数及びカット
オフ周波数により数値が異なる。例えば、サンプリング
周波数１０Ｈｚ、カットオフ周波数１Ｈｚの時、 a２=
-1.143、a３=0.4128、b１=0.067455、b２=0.13491、b３
=0.067455となる。
【００６８】２次微係数値の時系列データｄｉは、微係
数演算回路６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（７）から以下のように算出
される。
【００６９】 ここで、w−２=2、w−１=-1、w０=-2、w１=-1、w２=2、
である。なお、Ｓ−Ｇ法の係数の算出は、参考文献：
Ａ．Ｓａｖｉｔｚｋｙ、Ｍ．Ｊ．Ｅ．Ｇｏｌａｙ著“Ａ
ｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ”３６（１９
６４）ｐ１６２７に示されている。
【００７０】前記微係数値の時系列データｄｉを用い
て、平滑化微係数時系列データＤｉはデジタルフィルタ
回路７（２次バタワース型のローパスフィルタ、但し、
デジタルフィルタ回路５のａ、ｂ係数とは異なっても良
い）により式（８）により求められる。 Ｄｉ＝ｂ１ｄｉ＋ｂ２ｄｉ−１＋ｂ ３ｄｉ−２ −[ａ ２Ｄｉ−１＋ａ ３Ｄｉ−２] ・・・・・・・・（８） 図１０に、比較例として、エッチング中の元波形及びデ
ジタルフィルタ回路１８とデジタルフィルタ回路２０を
使用しないで求めた２次微係数時系列データｄｉを示
す。サンプリング時系列データより処理開始から４．２
秒でエッチングの終点を迎えていることがわかるが、２
次微係数時系列データｄｉからは、ノイズのためその判
定が不正確となった。
【００７１】図１１に、本発明によるデジタルフィルタ
回路１８とデジタルフィルタ回路２０を使用した場合の
波形変化を示す。図より、平滑化２次微係数時系列デー
タＤｉはノイズが低減され、明確なエッチング処理の終
点が求まり終点判定が安定に行われた。このように微係
数演算回路１９にデジタルフィルタ回路１８とデジタル
フィルタ回路２０を備えることにより、微係数時系列デ
ータのノイズを効果的に低減できる。そのため、終点判
定に用いる微係数時系列データを精度良く求めることが
でき、エッチング処理の終点判定を安定に行えると言う
効果がある。
【００７２】本発明の他の実施例を、図１２〜図１４を
用いて説明する。エッチング終点判定方法は前の実施例
と同様である。ここでは、エッチング処理中にエッチン
グ異常が起こり発光強度のサンプリング信号にパルス状
のノイズが乗った場合の処理について説明する。図１２
は、時間２．５秒〜３．５秒の間にパルス状のノイズが
乗った場合の前の実施例の処理手順に従って算出した２
次微分波形を示す。図より、平滑化時系列データＹｉに
大きな大きなアンダーシュートが現れ、その影響によ
り、平滑化２次微分値波形が不正確となることがわか
る。
【００７３】そこで、本実施例では図１３のダイアグラ
ムに示すように、平滑化２次微係数時系列データＤｉ算
出処理手順を一時中断し、異常時処理を行うものであ
る。今、ｉ＝ｍで異常が発生した場合に、デジタルフィ
ルタ回路１８により平滑化処理され、平滑化時系列デー
タはＹｍ−１＝ｙｍ、Ｙｍ＝ｙｍと代入される。また、
ｉ＝ｍ＋１ステップ目ではＹｍ＋１＝ｙｍ＋１とする。
ｉ＝ｍ＋２ステップ目のＹｍ＋３は、前記デジタルフィ
ルタ回路１８の２次バタワースローパスフィルタリング
処理により求める。ｉ＝ｍ＋３ステップ目では、Ｙｉの
５点データ列を用い、微係数演算回路１９により微係数
値の時系列データｄｍ＋１を演算し、その値をｄｍ−
１、ｄｍ、及びＤｍ−１、Ｄｍに代入する。
【００７４】これらの値を用いて、平滑化処理され平滑
化微係数時系列データＤｍ＋１を求める。ｉ＝ｍ＋４以
降は図９に示した処理手順に従って平滑化微係数時系列
データを算出する。この異常時処理手順により過去の時
系列データ変化を無した平滑化微係数時系列データを異
常発生から３ステップ目より得ることができる。
【００７５】図１４に、前記異常時処理を施した場合の
平滑化時系列データＹｉと平滑化２次微分値波形Ｄｉを
示す。図より２次微分値のゼロを通過する時刻（パルス
状の異常が無い場合は４．５秒であり、本処理では４．
５６秒となる）が、図１２と異なり、より正確に求まっ
ていることがわかる。この様に、異常時処理を行うこと
により、パルス状の発光強度変動がある場合でも、発光
変動の影響を短時間に低減できるため、終点判定に用い
る微係数時系列データを精度良く求めることができ、エ
ッチング処理の終点判定を安定に行えると言う効果があ
る。
【００７６】本発明は、デジタルフィルタを利用し、微
分処理（Ｓ−Ｇ法）を採用しているため、光信号に含ま
れるノイズ（光受光素子のショットノイズ、プラズマ光
変動など）を低減できる。
【００７７】本発明の微分処理によれば、まず、入力信
号波形を第１デジタルフィルタによりノイズを低減す
る。次に、微分処理（Ｓ−Ｇ法）により信号波形の微係
数（１次または２次）を求める。さらに、前のステップ
で求めた時系列微係数波形のノイズ成分を第2デジタル
フィルタにより低減する。
【００７８】また、本発明によれば、瞬間的に（サンプ
リング間隔）、生信号レベルの変化量が設定値を超えた
場合、異常時処理がなされる。
【００７９】すなわち、微分値平滑化信号の終点判定処
理を中断し、微分値平滑化信号の表示処理を中断し、表
示画面に異常を表示する。もし、生信号レベルの変化量
が設定値以下であれば、最初のステップの平滑化信号時
系列を過去に２ステップ下がり現時点の値を代入する。
さらに、微分値信号と微分値平滑化信号に対し、Ｓ−Ｇ
法の次数ステップ過去に下がり現時点の値を代入する。
【００８０】本発明の異常時処理によれば、デジタルフ
ィルタのフィルタ特性を制御することにより、ノイズ低
減レベルと時間応答特性を設定できる。
【００８１】また、Ｓ−Ｇ法の微分処理により直接、１
次または２次の微係数を算出するため、数学的に精度の
高い微分値を高速処理できる。また、微分値に含まれる
ノイズ成分を除去できる。（整数処理時の効果大） さらに、異常時後の高速微分処理ができ、かつ、異常時
の履歴を容易に表示できる。また、異常後の高速微分処
理も可能である。
【００８２】本発明の異常時処理によれば、光信号以外
の装置信号からの異常フラグとの併用可能である。ま
た、デジタルフィルタ処理はアナログフィルタと異な
り、いつでも生信号を演算処理に組み込める。さらに、
ステップエッチング時に効果が大きい。
【００８３】本発明の他の実施例は、前の実施例におい
て異常が発生した時点ｍ及びｍ−１ステップ目を表示す
る表示方法に関するものである。通常、エッチング処理
中はエッチング処理の様子をいつでもモニタできる表示
装置のモニタ画面に微係数時系列データを描画してい
る。例えば、モニタ画面は、図１１、図１４の（ｂ）の
ようなものである。
【００８４】異常が発生した時点ｍ及びｍ−１での平滑
化微係数時系列データＤｍ−１、ＤｍはＲＡＭ９に補正
された値が収納され、つぎのステップ平滑化微係数時系
列データを求めるために利用される。しかし、エッチン
グ処理の推移を表示するモニタ画面においては、特徴あ
る色彩を持った配色でゼロあるいは予め設定された表示
位置に描画する。これにより、エッチング異常がモニタ
画面上に記憶されるため、エッチング異常の履歴が表示
装置上に残り、異常をリアルタイムにできる監視できる
と言う効果がある。
【００８５】以上、本実施例のエッチング終点判定検出
方法は、発光強度の変化を精度良く算出することができ
るので、本方法を用いたエッチング終点判定検出方法は
非常に安定性のよいエッチング処理終点を判定する方法
を提供することができる。
【００８６】図１５に、本発明の他の実施例になる終点
判定制御のフローチャートを示す。この実施例では、２
波長の比較による終点判定を行う。
【００８７】エッチング処理開始に伴い、サンプリング
開始命令が出される（１００）。エッチングの進行に従
って変化する特定波長の発光を光検出信号として検出す
る。この光検出信号は、ＡＤ変換器によりサンプリング
信号Ｉｉとしてデジタル値に変換され、ＲＡＭに収納さ
れる。Ａ／Ｄ変換時にオートオフセット／オートゲイン
制御がなされる（１０１、１０１’）。次に、光検出器
１１のセンス電圧設定時間以内か判断する（１０２、１
０２’）。もし、電圧設定時間の時、センス電圧設定の
処理（１０３）に進む。センス電圧設定時間以降の時
は、時系列データｙi、ｙi’が４Ｖ以上か否か判断する
（１０６、１０６’）。時系列データｙi、ｙi’が４Ｖ
以上のときは、センス電圧を０．６Ｖ以下に変更する
（１０７）。時系列データｙi、ｙi’が４Ｖ未満のとき
は、平滑化処理に進む。
【００８８】平滑化処理では、まず、時系列データｙi
とｙi’との比を算出する（１２０）。第１段目のデジ
タルフィルによりノイズを低減し、平滑化時系列データ
ｙiを求める（１０８）。次に、微分処理（Ｓ−Ｇ法）
により信号波形の微係数（１次または２次）ｄiを求め
る（１０９）。さらに、上記時系列微係数波形のノイズ
成分を２段目のデジタルフィルタにより低減した平滑化
微係数時系列データＤiを求める（１０８）。そして、
予め設定された終点判定レベルＬを用いて、（Ｄi−
Ｌ）＊（Ｄi-1−Ｌ）を求める（１１１）。
【００８９】次に、（Ｄi−Ｌ）＊（Ｄi-1−Ｌ）符号の
正負判定により、エッチングプロセスの終点判定処理を
行う（１１２）。すなわち、負であれば真と判定し、サ
ンプリングを終了する（１１３）。もし、正あれば最初
のステップ１０１に戻る。
【００９０】なお、センス電圧設定の処理（１０３）
は、図２と同じなので説明を省略する。
【００９１】以上述べた本発明の終点判定処理システム
によれば、半導体デバイスの絶縁膜エッチング工程の終
点を高精度に計測できる。従って、このシステムを利用
して、ダマシンプロセスおよびセルフアラインプロセス
のエッチングを高精度に実施する方法を提供することが
できる。以下、このようなシステムを利用した半導体デ
バイスの製造プロセスを説明するまず、図１６から図１
９は代表的なダマシンプロセスの工程を示したものであ
る。図１６はセルフアラインデュアルダマシン、図１７
は溝を先に加工するプロセス、図１８は穴を先に加工す
るプロセス、図１９は穴と溝の境界層が形成されていな
い場合のプロセスである。図１９に示したプロセスは最
も工程数が少なく、理想的なプロセスであるが、穴と溝
の境界面が形成されていないため、ウエハ面内のエッチ
ング速度均一性やエッチング速度の再現性など、エッチ
ング特性への要求が厳しく、量産プロセスで採用する上
で解決しなければならない課題が多い。
【００９２】図１６のセルフアラインデュアルダマシン
の例でダマシンプロセスの工程について説明する。先ず
穴を加工するために、レジスト２０１に露光現像により
穴があけられる。レジストの下には、窒化シリコン膜２
０２、ｌｏｗ−ｋ膜２０３、窒化シリコン膜２０４、下
層の配線となる下地２０５が形成されている。始めに、
レジスト２０１に穴の形状に対応したマスクを露光現像
により形成し、次に、プラズマエッチングでストッパー
層となる窒化シリコン膜２０２にレジスト２０１の穴に
対応した開口部を形成する。次に、レジスト２０１を除
去し、窒化シリコン膜２０２の上にｌｏｗ−ｋ膜２０
６、酸化膜２０７を形成する。このｌｏｗ−ｋ膜２０６
は上部の配線層間絶縁膜になる。
【００９３】次に、酸化膜２０７の上に溝加工用のレジ
ストマスク２０９を露光現像で形成し、プラズマエッチ
ングで酸化膜２０７とｌｏｗ−ｋ膜２０６をエッチング
する。この時のエッチングは、ｌｏｗ−ｋ膜２０６の下
地に相当するストッパー層の窒化シリコン層２０２で停
止する。次に、酸化膜２０７を溝２０８のマスクとし、
窒化シリコン膜２０２を穴のマスクとしてプラズマエッ
チングすると、穴２１０が形成される。最後に下地２０
５とのコンタクトを取るため、窒化シリコン膜２０４を
エッチングする。この後、開口部（穴２１０）にアルミ
ニウムや銅などの配線材料を埋め込み、上部を平坦化し
て配線が形成される。
【００９４】セルフアラインデュアルダマシンのプラズ
マエッチングで問題となるのは、ストッパー層の窒化シ
リコン膜２０２が厚いと全体としての誘電率が高くなっ
てしまうため、数ｎｍ程度に薄膜化されることにある。
非常に薄い膜なので、ｌｏｗ−ｋ膜との選択比を高くし
なければならない。また、エッチング速度の均一性や再
現性が悪いと、オーバーエッチを過剰に実施しなければ
ならず、これも選択比を高くしなければならない理由と
なる。
【００９５】本発明においては、ｌｏｗ−ｋ膜２０６、
２０３のエッチング時間を終点判定システムにより判定
し、所定のオーバーエッチングを施した後、エッチング
を終了する。この場合、短時間の時間刻み、好ましくは
０．１ｓ程度の時間刻みで終点を判定することが要求さ
れる。なぜなら、ストッパー層の窒化シリコン膜２０２
や２０４が数ｎｍと非常に薄いためである。
【００９６】本発明の終点判定方法を用いることによ
り、ｌｏｗ−ｋ膜のエッチングが終了し窒化シリコン膜
まで達した時間を正確に判定することができるので、ス
トッパー層の窒化シリコン２０２が必要以上にエッチン
グされるのを防止することができる。
【００９７】さらに、本発明では、下地２０５の上に形
成された窒化シリコン膜２０４をエッチングするのに終
点判定システムでエッチング終了時間を判定し、所定の
オーバーエッチングを施した後、エッチングを終了す
る。本発明の方法により、下地２０５のエッチングを少
なくすることが可能になるが、このための終点判定シス
テムには、前述の短時間で終点を判定できる機能の他
に、プラズマが点灯してエッチングが開始してから終点
判定が可能になるまでの準備時間が短くなければならな
い。この時間は好ましくは５ｓ以下が望ましい。この様
な短時間でかつ短い時間刻みで終点が判定できると、１
０ｓ程度でエッチングが終了する場合も、エッチング終
点判定によるオーバーエッチング量の設定が可能にな
り、下地２０５の削れも制御できる。
【００９８】次に、図１７、図１８は、ダマシンプロセ
スの工程の他の例を示したものである。図１７は溝を先
に加工するプロセス、図１８は穴を先に加工するプロセ
スであり、図１７と図１８は、穴を先に加工するか溝に
するかの違いであり、本発明の適用に関しては上述の内
容と同じである。いずれの場合も、酸化膜３０２、ｌｏ
ｗ−ｋ膜３０３、窒化シリコン膜３０４、ｌｏｗ−ｋ膜
３０５、窒化シリコン膜３０６及び下層の配線となる下
地３０７が形成されている。
【００９９】図１７では、先ず、溝加工用のレジストマ
スク３０１を露光現像で形成し、プラズマエッチングで
酸化膜３０２とｌｏｗ−ｋ膜３０３をエッチングし、溝
３０８を形成する。この時のエッチングは、ｌｏｗ−ｋ
膜３０３の下地に相当するストッパー層の窒化シリコン
層３０４で停止する。次に、レジストマスク３０９を塗
布して露光現像し、プラズマエッチングを行いレジスト
マスク３０９を除去すると、穴３１０が形成される。最
後に下地３０７とのコンタクトを取るため、窒化シリコ
ン膜３０６をエッチングする。この後、開口部（３１
０）にアルミニウムや銅などの配線材料を埋め込み、上
部を平坦化して配線が形成される。
【０１００】また、図１８では、穴加工用のレジストマ
スク３０１を露光現像で形成し、プラズマエッチングで
酸化膜とｌｏｗ−ｋ膜をエッチングし、穴３１０を形成
する。この時のエッチングは、ｌｏｗ−ｋ膜３０５の下
地に相当するストッパー層の窒化シリコン膜３０６で停
止する。次に、溝加工用のレジストマスク３１１を露光
現像し、プラズマエッチングを行いレジストマスクを除
去すると、溝３０８が形成される。最後に下地３０７と
のコンタクトを取るため、窒化シリコン膜３０６をエッ
チングする。この後、開口部にアルミニウムや銅などの
配線材料を埋め込み、上部を平坦化して配線が形成され
る。
【０１０１】図１７、図１８のダマシンプロセスによれ
ば、短時間で終点判定システムが立ち上がり、短時間刻
みの終点判定が可能なので、このシステムを用いて窒化
シリコン膜までのエッチング終点を判定して所定のオー
バーエッチングを実施することにより、ストッパー層な
どの薄膜の過剰エッチングを抑制し、高精度なエッチン
グ結果を得ることができる。
【０１０２】次に、図１９を用いて、図１６のストッパ
ー層である窒化シリコン膜２０２が形成されていない場
合のデュアルダマシンプロセスを説明する。穴加工用の
マスクが形成されたレジスト４０１、酸化膜４０２、ｌ
ｏｗ−ｋ膜４０３、窒化シリコン膜４０４、下地４０５
が形成された層をエッチングする。始めに、窒化シリコ
ン膜４０４まで達する穴４０６をｌｏｗ−ｋ膜４０３に
プラズマエッチングで形成する。次にレジストを塗布し
て露光現像し、溝加工用のマスクが形成されたレジスト
４０７とする。このレジスト４０７をマスクに溝を加工
するが、ｌｏｗ−ｋ膜４０３に所定の溝深さが形成され
た時点でエッチングを停止する。このｌｏｗ−ｋ膜４０
３は一様なので、窒化シリコン膜に達した時点を終点と
するような終点判定はできない。したがって、エッチン
グ速度を予め測定しておき、エッチング時間を管理する
ことで溝深さまでエッチングを実施する。この場合のエ
ッチングは、ウエハ面内のエッチング速度均一性および
再現性が厳しく要求される。
【０１０３】本発明の終点判定システムのように、短時
間で測定準備の立ち上げが可能で判定時間刻みも短いよ
うな高精度システムで、かつプラズマの僅かな変化（僅
かなエッチング特性の変動）をも判定することが可能な
システムを使用することにより、以下の方法が可能とな
り、より高精度な溝加工が可能となる。すなわち、図２
０に示したようなｌｏｗ−ｋ膜構造を導入する。酸化膜
５０１、ｌｏｗ−ｋ膜５０２、界面５０３、ｌｏｗ−ｋ
膜５０４、窒化シリコン膜５０５、下地５０６から形成
された層構造とする。この時、ｌｏｗ−ｋ膜５０２とｌ
ｏｗ−ｋ膜５０４は膜種の異なる低誘電体材料とする。
なお、同じ膜種であっても僅かに仕様が異なるものや、
ｌｏｗ−ｋ膜５０４を形成した後、一旦膜形成を中断し
て大気に晒したり、表面状態がバルクと異なるようなプ
ロセスとし、ｌｏｗ−ｋ膜５０２と５０４の間に界面５
０３が形成されることが重要である。この構造では、界
面５０３が形成されているものの、構成膜材料は全て低
誘電率材料なので、膜全体の誘電率を低く維持すること
が可能である。
【０１０４】次に、この膜をプラズマエッチングする
が、マスク材は図１９等と同様なので省略した。図１９
の溝加工工程からスタートし、界面５０３に溝深さが達
したとき、バルクと界面５０３ではエッチング特性が僅
かに変化する。本発明の終点判定システムを用いると界
面５０３に達した時間を判定できるので、この時点でエ
ッチングを終了すると、界面５０３を溝深さとしたスト
ッパー層の窒化シリコンが挿入されないデュアルダマシ
ン構造が完成する。この場合の終点判定に要求される性
能は、界面５０３のエッチングは極短時間で終了するの
で、プラズマの僅かな変化を高精度で検出することがで
きるばかりでなく、短い時間刻みでプラズマ発光を計測
して変化量を判断することができなければならない。な
お、本発明の終点判定システムは上記の要求を満足する
ことができるという特徴がある。なお、５０８は下地５
０６とのコンタクト用の穴である。
【０１０５】次に、セルフアラインコンタクト技術への
本発明の適用例を示す。図２１はセルフアラインコンタ
クトのエッチング前の断面図であり、図２２はエッチン
グ後の断面図である。従来のコンタクトホールはゲート
間の距離分より若干小さい距離に設計され、リソグラフ
ィの位置合わせのズレを解消するようにしている。これ
に対し、図２１、図２２に示したように、本発明のセル
フアラインコンタクト構造では、ゲートの上面と側面に
絶縁膜を形成するので、ゲート上にコンタクトホールが
重なっても絶縁膜で保護されるようになっている。した
がって、リソグラフィの位置ズレに対する裕度が大きく
取れるので、ゲート電極間距離を従来より狭めた設計が
可能となっている。
【０１０６】図２１のセルフアラインコンタクトは、レ
ジスト６０１、ＴＥＯＳやＢＰＳＧなどの酸化膜６０
２、ＳＯＧなどの酸化膜６０３、窒化シリコン膜６０
４、下地６０５、ゲート６０６の膜構造となっている。
ゲート６０６の間が最終的なコンタクトを取る領域であ
り、本実施例の膜構造では、窒化シリコン膜６０４に穴
底６０７が形成されている。したがって、酸化膜６０２
のエッチングが終了した後、窒化シリコン膜６０７の除
去工程が必要である。セルフアラインコンタクト膜のプ
ラズマエッチングは、ＣＦ系のガスを使用したプロセス
が開発されていて、エッチング特性に関する研究例も多
数報告されているので、ここではエッチングについての
記載は省略する。
【０１０７】エッチングの課題は、図２２に示したよう
に、レジストの穴底（６０７に対応）の削れが顕著であ
ることや、窒化シリコン膜６０４の肩の部分６０８が削
れてしまう問題などがある。特に、酸化膜エッチングで
は、エッチングを繰り返し実施していると、エッチング
室内壁の温度が変動したり、内壁へのエッチングガスや
エッチング反応生成物の堆積特性が変動したり内壁から
のガス放出挙動が変化したりといった現象により、エッ
チング特性が変化し、場合によっては下地までエッチン
グができなくなることもある。この現象は、エッチスト
ップと呼ばれることもある。エッチストップが発生する
と、デバイス不良が多量に発生するため、絶対に防止し
なければならない。それに加えて、発生した場合に現象
を検出することも重要である。
【０１０８】本発明の終点判定システムを用いた場合
は、短時間でプラズマ発光の変化、すなわちエッチング
特性の変化を測定することができるとともに、プラズマ
変化の測定時間刻みが短いので、僅かなエッチング特性
の変動検出の時間精度も高い。この様な特徴を利用し、
図２１の状態でエッチングを開始した時点から酸化膜６
０２のエッチングが進行し、酸化膜６０３の上面（酸化
膜６０２と酸化膜６０３の界面）に達した時間を測定す
る。このデータと予め測定してある酸化膜６０２の膜厚
からエッチング速度を求め、それを酸化膜６０２のエッ
チング速度データとして記録したり、保存したりする。
また、それまでにエッチングした場合のエッチング速度
データとこのデータを比較することで、エッチング装置
の経時的な変化を知ることができる。これを、たとえば
エッチング装置のコントロールパネルに表示し、装置の
安定性を確認しながら生産を続けることも歩留まり向上
に効果がある。
【０１０９】本発明の方法によれば、エッチング速度が
エッチングを実施しながら簡便に測定できるので、装置
安定稼動のモニターとしても活用できる。次に、酸化膜
６０３をエッチングしてゲート間の狭い領域をエッチン
グすることになるが、肩の部分６０８のエッチングを抑
制して選択比向上を図ったり、、窒化シリコン膜６０４
の穴底６０７に達した後のオーバーエッチング時間を定
めたりする場合の基礎データに、上記の方法で求めたエ
ッチング速度を使用することも可能である。また、ゲー
ト間の酸化膜６０３のエッチング速度を同じような方法
で求め、エッチング特性の安定性確認やエッチストップ
の発見に役立てることもできる。なお、膜厚が事前にわ
かっていない場合でも、エッチング時間がウエハ毎にど
の程度変化しているかを調べることで、ロット内のエッ
チング特性の安定性確認を行うことができる。これも、
前述したように、装置のコントローラーに表示させて常
時モニターすることも可能であり、これにより、プロセ
ス条件変更時期や全掃期間を決定できる。
【０１１０】本発明のもう一つの実施例は、短時間に測
定準備が可能で短い時間刻みで終点判定できるという特
徴を活かしたものである。セルフアラインコンタクトの
エッチングが終了した状態を示した図２２において、窒
化シリコン膜６０４をエッチングにより除去し、下部
（下地６０５）と上部とのコンタクトを形成する場合
に、本発明の終点判定システムを用いた短時間高精度終
点判定を実施する。窒化シリコン膜６０４の底６０７が
非常に薄いため、エッチング終点が正確に判定できなけ
れば、下地６０５がエッチングされ過ぎてしまう。エッ
チング時間は１０数秒と短いので、従来以上にプラズマ
計測準備時間を短くしなければならないが、本発明の終
点判定システムを使用することで、問題なく終点を判定
できる。
【０１１１】また、図１の実施例では、チャンバ２内に
発生したプラズマからの特定波長の発光を分光器１２に
て得ているが、分光器１２の代わりに特定波長領域の光
を通過させ、その他の波長領域の光は阻止もしくは大幅
に減衰させる光学フィルタを用いても同じ効果が得られ
る。
【０１１２】さらに、チャンバ２内に発生したプラズマ
からの特定波長の発光量の時系列信号を得る方法とし
て、図１の実施例では分光器と光電子増倍管を用いる例
を示したが、特開昭５９−１８４２４号公報に記載され
ている様に、スリット、グレーディング及びラインセン
サを用いて多波長に対応した信号をＡＤ変調器によりデ
ィジタル化し、所定周期毎に記憶装置に蓄えると共に、
所望波長に対応したデータを所定周期毎に取り出すこと
によっても行うことができる。このシステムでは、色々
の所望波長を電子的に設定できる利点がある。
【０１１３】なお、スリット、グレーディング及びライ
ンセンサを用いた場合、ラインセンサの走査スタート信
号の間隔を長くすると蓄積される電荷が増大し、出力信
号が大きくなる性質があるため、ラインセンサからの出
力信号の大きさをモニタリングし、その最大値を所定の
値になる様にラインセンサの走査スタート信号の間隔を
調節することにより、自動ゲイン調節ができる。
【０１１４】また、ラインセンサの素子数が所望の波長
精度に対して不十分な場合は、内挿することにより波長
精度を向上することができる。
【０１１５】このシステムにおけるグレーディング毎の
特性のバラツキは、リニアセンサ面に分光される光の波
長のばらつきになる。このため、スリットに入力する光
として、チャンバーからの光の外に既知の光スペクトル
を有する較正用標準光源からの光も入力可能とし（例え
ば二又ファイバの使用）、定期的に較正用標準光源をＯ
Ｎして、上記記憶装置に蓄えられるデータの対応波長の
較正を行うこともできる。
【０１１６】なお、本実施例はプラズマを用いたエッチ
ング終点判定について述べたが、同じくプラズマを用い
たクリーニングの終点判定にも有効であり、エッチング
処理後のプラズマクリーニングやプラズマＣＶＤ後のプ
ラズマクリーニングの終点判定にも適用、すなわち、プ
ラズマ処理の終点判定に適用でき、次の特徴を有する。
【０１１７】(1)発光分光法を用いたプラズマ処理の終
点判定において、特定波長の発光強度の時系列データを
得るＡＤ変換手段と、該時系列データを平滑化処理する
第１のデジタルフィルタリング手段と、該平滑化時系列
データの微係数を求める微分演算手段と、更に、算出さ
れた微係数の時系列データを平滑化処理する第２のデジ
タルフィルタリング手段と、該平滑化微係数値と予め設
定された値とを比較し、プラズマ処理の終点を判定する
判別手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理終点判
定装置。
【０１１８】(2)上記のプラズマ処理終点判定装置にお
いて、プラズマ処理の異常を検出する手段と、この異常
検出時に前記平滑化時系列データと前記微係数の時系列
データと前記平滑化微係数時系列データとをそれぞれ修
正する、第１デジタルフィルタリング補正手段と、前記
微分演算補正手段と、第２デジタルフィルタリング補正
手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理終点判定
装置。
【０１１９】(3)発光強度の微係数の時系列データによ
りプラズマ処理の終点を判定する方法において、前記微
係数の時系列データの変遷を示す表示手段と、異常検出
時に前記微係数の時系列データ表示上に異常を示す表示
手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理終点判定装
置。
【０１２０】
【発明の効果】以上本発明のエッチング終点判定検出方
法は、発光強度の変化を精度良く算出することができる
ので、本方法を用いたエッチング終点判定検出方法は非
常に安定性のよいエッチング処理終点を判定する方法を
提供することができる。
【０１２１】また、本発明によれば、目標とする光電子
増倍管の出力電圧に対しセンス電圧値を関係式を用いて
導き使用することで目標とする光電子増倍管の出力電圧
に対しセンス電圧値を正確に求めることができる。従っ
て、開口率が小さい半導体ウェハであっても、半導体ウ
ェハのエッチング終点を安定に検出するためのエッチン
グ終点検出に用いる信号を、ウェハ間でばらつくことな
く一定値へ再現性よく制御する方法を提供できる。
【０１２２】また、本発明によれば、終点判定のための
微係数算出処理を行う終点判定において、微係数算出処
理の前段と後段にデジタルフィルタリング処理を設ける
ことにより、効果的に光検出器からのサンプリング信号
のノイズ低減が行え、安定性の良い終点判定が可能とな
る。また、エッチング処理異常時に前段のデジタルフィ
ルタリング処理と微係数算出処理及び後段のデジタルフ
ィルタリング処理において係数補正処理を設けることに
より、より効果的に光検出器からのサンプリング信号の
ノイズ低減が行え、安定性の良い高精度な終点判定が可
能となる。さらに、微分係数表示において、エッチング
処理異常時、特徴ある色彩を持った配色によりゼロまた
は、予め設定された表示位置に描画すれば、エッチング
処理中の異常監視を容易にする優れた装置を提供するこ
とができる。
【０１２３】さらに、本発明によれば、終点判定を正確
に実行できるので、時間管理のエッチングに比較して、
オーバーエッチングを少なく設定できるという効果があ
る。その結果、過剰な下地層の削れが抑制できる。ま
た、オーバーエッチング時間を短縮できるので、その分
のスループット向上が期待できる。さらに、エッチング
時間の経時的な変化をモニターできるので、エッチング
装置の異常を早期に発見することができ、エッチング不
良の大量発生を未然に防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例になるエッチング終点判定装置
のシステム系統図である。
【図２】図１の装置における処理手順の第１の実施例を
示すダイアグラム図である。
【図３】図２の処理手順の中の、オフセット制御及びゲ
イン補正のフローチャート例を示す図である。
【図４】オフセット制御およびゲイン制御を行わない従
来例の発光変動測定結果例を示す図である。
【図５】図５に、本発明のオフセット制御およびゲイン
制御を行った場合の発光変動測定結果例を示す図であ
る。
【図６】光電子増倍管の増倍率特性を示すグラフであ
る。
【図７】センス電圧およびゲイン補正のフローチャート
例を示す図である。
【図８】センス電圧およびゲイン補正の他の例のフロー
チャート図である。
【図９】本発明の平滑化微係数時系列データＤｉの算出
フローを説明する図である。
【図１０】図１の装置のデジタルフィルタ手段を使用し
ない場合の元波形及び処理波形を示す波形図である。
【図１１】図１の装置の元波形及び処理波形を示す波形
図である。
【図１２】図９の処理手順に従いノイズが生じた場合の
元波形及び処理波形を示す波形図である。
【図１３】本発明の平滑化微係数時系列データＤｉの算
出フローの第２の実施例における処理手順を示すダイア
グラム図である。
【図１４】図１３の実施例の元波形及び処理波形を示す
波形図である。
【図１５】図１の装置における処理手順の第２の実施例
を示すダイアグラム図である。
【図１６】セルフアラインデュアルダマシンプロセスの
例を示す図である。
【図１７】溝を先に加工するダマシンプロセスの工程例
を示す図である。
【図１８】穴を先に加工するダマシンプロセスの工程例
を示す図である。
【図１９】穴と溝の境界層が形成されていない場合のプ
ロセスの工程例を示す図である。
【図２０】ｌｏｗ−ｋ膜構造を導入したプロセスの工程
例を示す図である。
【図２１】セルフアラインコンタクト技術への本発明の
適用例を示す図であり、セルフアラインコンタクトのエ
ッチング前の断面図である。
【図２２】セルフアラインコンタクト技術への本発明の
適用例を示す図であり、セルフアラインコンタクトのエ
ッチング後の断面図である。
【符号の説明】
１…エッチング装置、２…エッチングチャンバ、１０…
エッチング終点判定検出装置、１１…光検出器１１、１
５…オフセット(加算回路)１５、１６…ゲイン(乗算回
路)、１７…ＡＤ変換器、１８…デジタルフィルタ回
路、１９…微係数演算回路、２０…デジタルフィルタ回
路、２１…ＲＡＭ、２２…判定回路、２３…ＤＡ変換
器、３０…ＣＰＵ、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 幾原 祥二 山口県下松市大字東豊井794番地 日立 テクノエンジニアリング株式会社 笠戸 事業所内 (72)発明者 西畑 廣治 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (72)発明者 高橋 主人 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (72)発明者 加治 哲徳 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (72)発明者 中元 茂 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (56)参考文献 特開 平８−232087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112927（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−53179（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36095（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−71922（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−313009（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−266098（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ドライエッチングのエッチング終点判定方
    法において、入力信号波形を第１デジタルフィルタ手段
    によりノイズを低減するステップと、多項式平滑化微分
    法により前記信号波形の微係数の時系列データを求める
    ステップと、前のステップで求めた前記信号波形の微係
    数の時系列データのノイズ成分を第２デジタルフィルタ
    手段により低減して平滑化微係数値を求めるステップ
    と、該平滑化微係数値と予め設定された値とを判別手段
    により比較しエッチングの終点を判定するステップとを
    含むエッチング終点判定方法。
  2. 【請求項２】発光分光法を用いたドライエッチングのエ
    ッチング終点判定方法において、ＡＤ変換手段により特
    定波長の発光強度の時系列データを得るステップと、第
    １デジタルフィルタ手段により該時系列データを平滑化
    処理して平滑化時系列データを求めるステップと、該平
    滑化時系列データについて多項式平滑化微分法により前
    記信号波形の微係数の時系列データを求めるステップ
    と、該微係数の時系列データを第２デジタルフィルタリ
    ング手段により平滑化処理して平滑化微係数値を求める
    ステップと、該平滑化微係数値と予め設定された値とを
    判別手段により比較しエッチングの終点を判定するステ
    ップとを含むエッチング終点判定方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のエッチング終点
    判定方法において、前記第１または第２のデジタルフィ
    ルタ手段として、バターワース形フィルタを用いたこと
    を特徴とするエッチング終点判定方法。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のエッ
    チング終点判定方法において、入力信号波形を低ゲイン
    動作にてＡＤ変換し信号電圧の大まかな絶対値を求める
    ステップと、ＡＤ変換器の差動増幅回路への入力電圧を
    ＤＡ変換器の分解能を考慮して求めるステップと、前の
    ステップで求めたＡＤ変換器への入力電圧Ｖ0をＤＡ変
    換器より出力するステップと、入力信号の差動波形を高
    ゲイン動作にてＡＤ変換し、差動信号電圧Ｖ1を高精度
    に求めるステップと、前の２つのステップで求めた電圧
    値を合成するステップとを含むことを特徴とするエッチ
    ング終点判定方法。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のエッチング終点判定方法
    において、前記差動回路へのオフセット値はＤＡ変換器
    の分解能より１ビット切捨て、設定することを特徴とす
    るエッチング終点判定方法。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載のエッ
    チング終点判定方法において、エッチング処理の異常を
    検出するステップと、この異常検出時に前記平滑化時系
    列データと前記微係数の時系列データと前記平滑化微係
    数時系列データとをそれぞれ修正するステップを含むエ
    ッチング終点判定方法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のエッチング終点判定方法
    において、生信号レベルの変化量が設定値を超えた場
    合、微分値平滑化信号の終点判定処理を中断し、微分値
    平滑化信号の表示処理を中断し、表示画面に異常を表示
    し、生信号レベルの変化量が設定値以下であれば、最初
    のステップの平滑化信号時系列を過去に２ステップ下が
    り現時点の値を代入し、さらに、微分値信号と微分値平
    滑化信号に対し、微分処理の次数ステップ過去に下がり
    現時点の値を代入するテスップを含むエッチング終点判
    定方法。
  8. 【請求項８】 発光強度の微係数の時系列データによりエ
    ッチングの終点を判定するエッチング終点判定方法にお
    いて、デジタルフィルタ手段により該時系列データを平
    滑化処理して平滑化時系列データを求めるステップと、
    該平滑化時系列データについて多項式平滑化微分法によ
    り微係数の時系列データを求めるテスップと、前記微係
    数の時系列データの変遷を表示手段に表示し、異常検出
    時に前記微係数の時系列データの表示上に異常を示す表
    示を加えるステップを含むエッチング終点判定方法。
  9. 【請求項９】 発光分光法を用いたドライエッチングの終
    点判定装置において、特定波長の発光強度の時系列デー
    タを得るＡＤ変換手段と、該時系列データを平滑化処理
    する第１のデジタルフィルタリング手段と、該平滑化時
    系列データについて多項式平滑化微分法により微係数の
    時系列データを求める演算手段と、算出された前記微係
    数の時系列データを平滑化処理する第２のデジタルフィ
    ルタリング手段と、該平滑化微係数値と予め設定された
    値とを比較し、エッチングの終点を判定する判別手段を
    備えたことを特徴とするエッチング終点判定装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のエッチング終点判定装置
    において、エッチング処理の異常を検出する手段と、こ
    の異常検出時に前記平滑化時系列データと前記微係数の
    時系列データと前記平滑化微係数時系列データとをそれ
    ぞれ修正する、第１デジタルフィルタリング補正手段
    と、前記微分演算補正手段と、第２デジタルフィルタリ
    ング補正手段とを備えたことを特徴とするエッチング終
    点判定装置。
  11. 【請求項１１】 発光強度の微係数の時系列データにより
    エッチングの終点を判定するエッチング終点判定装置に
    おいて、デジタルフィルタ手段により該時系列データを
    平滑化処理して平滑化時系列データを求める手段と、該
    平滑化時系列データについて多項式平滑化微分法により
    微係数の時系列データを求める手段と、前記微係数の時
    系列データの変遷を示す表示手段と、異常検出時に前記
    微係数の時系列データ表示上に異常を示す表示手段を備
    えたことを特徴とするエッチング終点判定装置。
  12. 【請求項１２】 請求項９記載のエッチング終点判定装置
    において、プラズマ放電によるエッチング中に生じる発
    光の特定波長の強度を出力する光電子増倍管と、該光電
    子増倍管から出力された電流値を電圧値に変換するＩＶ
    変換器と、ＩＶ変換器からの出力電圧を加工するための
    オフセットおよびゲインと、ＩＶ変換器の出力とゲイン
    からの出力をデジタイズするＡＤ変換器と、ＡＤ変換器
    でデジタイズされたデータから光電子増倍管の出力を目
    標出力とするためのセンス電圧値を求めるセンス調整手
    段と、光電子増倍管の暗電流を求める暗電流算出手段
    と、求めたセンス電圧値がオーバーフローした場合、通
    常は固定値として使用するゲインを変化させるゲイン補
    正手段と、求まったセンス電圧値、オフセット値、ゲイ
    ン値をアナログ変換しそれぞれ設定するＤＡ変換器を備
    えたことを特徴とするエッチング終点判定装置。
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