JP3854810B2 - Method and apparatus for measuring film thickness of material to be processed by emission spectroscopy, and method and apparatus for processing material using the same - Google Patents

Method and apparatus for measuring film thickness of material to be processed by emission spectroscopy, and method and apparatus for processing material using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理材である半導体ウエハの処理方法および処理装置に係り、特に、処理対象である半導体ウエハの表面に形成された被処理材の膜に対して行う処理の量を半導体ウエハからの光を分析して処理の量等の処理の状態を検出する半導体ウエハの処理方法および処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウェハの製造では、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が広く使用されている。プロセス・パラメータの制御にとって最も重要なことは、このような層の加工中に所望の厚さでエッチングを停止するためのエッチング終点を正確に決定することである。
【0003】
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61−53728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乗法による近似処理によりノイズの低減を行っている。
【0004】
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、エッチングの終点を検出し処理を停止させる際、実際には、誘電層の残りの厚さが所定値と等しいことが重要である。従来のプロセスでは、それぞれの層のエッチング速度が一定であるという前提に基づく時間厚さ制御技法を使用して、全体のプロセスを監視している。エッチング速度の値は、例えば、予めサンプルウェハを処理して求める。この方法では、時間監視法により、所定のエッチング膜厚に対応する時間が経過すると同時にエッチング・プロセスが停止する。
【0006】
しかし、実際の膜、例えばLPCVD(low pressure chemical vapor deposition)技法により形成されたSiO2 層は、厚さの再現性が低いことが知られている。LPCVD中のプロセス変動による厚さの許容誤差はSiO2 層の初期厚の約10%に相当する。したがって、時間監視による方法は、シリコン基板上に残るSiO2 層の実際の最終厚さを正確に測定することはできない。そして、残っている層の実際の厚さは、最終的に標準的な分光干渉計を用いた技法により測定され、過剰エッチングされていると判明した場合は、そのウェハを不合格として廃棄することになる。
【0007】
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り、エッチング速度の経時的な変化や変動に対処する適切な方法がなかった。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。
【0008】
一方、半導体ウェハのエッチング終点検出方法の他の方法として、特開平5−179467号公報,特開平8−274082号公報,特開2000−97648公報,特開2000−106356公報等に開示された干渉計を使用する方法も知られている。この干渉計使用法では、レーザから放出された単色放射線が異種材の積層構造を含むウェハに垂直入射角で当てられる。例えば、Si34層の上にSiO2 層積層が積層されているものにおいて、SiO2 層の上面で反射した放射光と、SiO2 層とSi34層との間に形成された境界面で反射した放射光により、干渉じまが形成される。反射した放射光は適当な検出器に照射され、これが、エッチング中のSiO2 層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。エッチングプロセス中、SiO2層の上面が露出されると、ただちにエッチング速度と現行エッチング厚を連続して正確に監視することができる。レーザの代わりに、プラズマによって放出される所定の放射光を分光計によって計測する方法も知られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
干渉計を使用する方法によれば、積層構造の境界面の位置が正確に測定される。しかし、ある層の上面で反射した放射光と境界面で反射した反射した放射光により干渉じまが形成されるためには、処理が境界面まで到達した場合であり、それ以前の時点では測定できない。したがって、実際のエッチングプロセスにおいて、放射光の干渉じまから厚みをオンラインで測定し、処理が境界面まで到達したとしてプロセス制御にフィードバックしたとしても、被処理層は過剰エッチングされざるを得ない。過剰エッチングを避けるためには、前記時間監視法との併用等が必要になるが、これは膜厚値などについての前提が必要であり前記した理由により、近年の半導体の微細化要求のもとで適正なエッチングを行うのは困難である。
【0010】
上記した各従来文献の内容を要約すると以下のようになる。
特開平5−179467号公報においては、赤,緑,青の3種類のカラーフィルタを用いて、干渉光(プラズマ光)を検出し、エッチングの終点検出を行う。
【0011】
また、特開平8−274082号公報(USP 5658418)では、2つの波長の干渉波形の時間変化とその微分波形を用いて、干渉波形の極値(波形の最大,最小:微分波形の零通過点)をカウントする。カウントが所定値に達するまでの時間を計測することによりエッチング速度を算出し、算出したエッチング速度に基づき所定の膜厚に達する迄の残りのエッチング時間を求め、それに基づきエッチングプロセスの停止を行う。
【0012】
また、特開2000−97648公報では、処理前の干渉光の光強度パターン(波長をパラメータとする)と処理後または処理中の干渉光の光強度パターンとの差の波形(波長をパラメータとする)を求め、その差波形とデータベース化されている差波形との比較により段差(膜厚)を測定する。
【0013】
また、特開2000−106356公報は回転塗布装置に関し、多波長にわたる干渉光の時間変化を測定して膜厚を求める。
【0014】
また、USP6081334では、干渉光の時間変化の特徴的な振る舞いを測定より求めデータベース化し、そのデータベースと測定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。この判定により、エッチングプロセス条件の変更を促す。
【0015】
以上の公知例では、以下の問題点が生じる。
▲1▼エッチングされる材料の薄膜化に伴い、干渉光強度が小さくなり、また、干渉縞の数が少なくなる。
▲2▼マスク材(例えば、レジスト)を用いたエッチングを行うと、エッチングされる材料からの干渉光にマスク材からの干渉光が重畳される。
▲3▼プロセス中にエッチング速度が変化すると干渉波形が歪む。
【0016】
以上の点から被処理層、特に、プラズマエッチング処理における被処理層の厚さを、要求される測定精度で正確に測定,制御することは困難であった。
【0017】
本発明の目的は、被処理材の処理の量をより正確に検出し、あるいは制御できる半導体ウエハの処理方法および処理装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記目的を達成するため、半導体ウエ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その強度の微分値を検出し、それに基づきこれらの微分値の波長をパラメータとするパターンを求め、そのパターンに基づいて半導体ウエハの処理の量の検出を行うようにしたものである。
【0021】
本願発明において、干渉波形の時間微分値の波長依存性を示すパターンを用いる理由は以下の通りである。
【0022】
エッチング中のin-situ(リアルタイム)測定を前提にした計測であるため、被処理膜の膜厚は時々刻々変化している。従って、干渉波形の時間微分処理が可能である。更に、この微分処理により干渉波形のノイズの除去を行える。また、エッチングされる材料(例えば、シリコンとマスク材の窒化膜)の屈折率が波長に対し異なっている。従って、多波長にわたる干渉光計測によりそれぞれの物質の特徴的な変化(膜厚依存)を検出可能となる。
【0023】
より具体的には、上記目的は、真空処理室内に配置された半導体ウエハ表面の膜についてこの真空処理室内に形成したプラズマを用いて処理する半導体ウエハの処理方法であって、前記処理中に前記真空処理室内の前記プラズマに面し前記半導体ウエハ表面から得られる複数の波長の干渉光が透過するポートを介して前記干渉光を受け前記複数の波長の各々の前記干渉光の強度の微分値を検出するステップと、この検出された前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の前記波長をパラメータとするパターンと前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値からなるパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えた半導体ウエハの処理方法によって達成される。
【0024】
また、真空容器内の試料台上に配置された処理対象の半導体ウエハ表面の膜についてこの真空容器内に形成されたプラズマを用いて所定の処理を行う半導体ウエハの処理装置であって、前記真空容器内の前記プラズマに面してこの真空容器内の光が透過するポートと、前記処理中に前記半導体ウエハ表面からの複数の波長の干渉光を前記ポートを介して受光する測定装置を有し、この測定装置において受光した前記複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出し、この検出された前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の前記波長をパラメータとするパターンと前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出する機能を備えた半導体ウエハの処理装置により達成される。
【0025】
さらには、前記検出される処理の量に基づいて前記半導体ウエハの前記膜の処理を調節するステップを備えたことにより達成される。
【0026】
さらには、前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンと、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の少なくとも3つの異なる前記所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えたことにより達成される。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下に本願発明の各実施例を説明する。なお、以下の各実施例において、第1実施例と同様の機能を有するものは第1実施例と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【0031】
以下、図1〜図4で本発明の第1の実施例を説明する。この実施例は、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の所定膜厚に対する、干渉光の微分値の波長依存性を示す(波長をパラメータとする)標準パターンを設定する。次に、サンプル用被処理材と同一構成の被処理材についての実際の処理における干渉光の複数波長の強度をそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長依存性を示す(波長をパラメータとする)実パターンを求め、微分値の標準パターンと実パターンとを比較して、被処理材の膜厚を求めるものである。
【0032】
まず、図1を用いて、本発明の膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を説明する。エッチング装置1は真空容器2を備えており、そ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。膜厚測定装置10の分光器11が有する測定用光源(例えばハロゲン光源)からの多波長の放射光が、光ファイバー8により真空容器2内に導かれ、被処理材4に垂直入射角で当てられる。被処理材4はここではポリシリコン層を含む、放射光はポリシリコン層の上面で反射した放射光と、ポリシリコン層と下地層との間に形成された境界面で反射した放射光により干渉光が形成される。干渉光は光ファイバー8を介して膜厚測定装置10の分光器11に導かれ、その状態に基づき膜厚測定や終点判定の処理を行う。
【0033】
膜厚測定装置10は、分光器11,第1デジタルフィルタ回路12,微分器13,第2デジタルフィルタ回路14,微分波形パターンデータベース15,微分波形比較器16及び比較器の結果を表示する表示器17を備えている。なお、図1は膜厚測定装置10の機能的な構成を示したものであり、表示器17と分光器11を除いた膜厚測定装置10の実際の構成は、CPUや、膜厚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、及び通信制御装置により構成することができる。
【0034】
分光器11が取り込んだ多波長の発光強度は、それぞれ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11により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RAM等の記憶装置に収納される。この時系列データyijは次に、第1デジタルフィルタ回路12により平滑化処理され平滑化時系列データYijとしてRAM等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データYijを基に、微分器13により微係数値(1次微分値あるいは2次微分値9の時系列データdijが算出され、RAM等の記憶装置に収納される。微係数値の時系列データdijは、第2デジタルフィルタ回路14により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データDijとしてRAM等の記憶装置に収納される。そして、この平滑化微係数時系列データDijから干渉光強度の微分値の波長依存性を示す(波長をパラメータとする)実パターンが求められる。
【0035】
一方、微分波形パターンデータベース15には、膜厚測定の対象となる被処理材の材料、例えばポリシリコンに対応した前記各波長に対応する干渉光強度の微分波形パターンデータ値Pjが予め設定されている。微分波形比較器16において、実パターンと微分波形パターンデータ値Pjが比較され被処理材の膜厚が求められる。その結果は、結果表示器17により表示される。
【0036】
なお、実施例では分光器11が1個だけの場合を示してあるが、被処理材の面内を広く測定して制御したい場合には、複数の分光器11を設ければよい。
【0037】
図2(a),図2(b)に、エッチング処理途中の被処理材4の縦断面形状及び干渉光の波長実パターンの例を示す。図2(a)において、被処理材(ウェハ)4は、基板40の上に下地材41,その上に被エッチング材42,マスク材43が積層されている。例えばゲート膜のエッチングを行う場合、被処理材4の基板はSiO2 の絶縁膜であり、ソース,ドレーン間に対応して多結晶の下地材の上にポリシリコンのゲート層が形成される。
【0038】
分光器11から放出された多波長の光は、被エッチング材と下地材の積層構造を含む被処理材4に垂直入射角で当てられる。マスク材43が無くエッチング処理された部分へ導かれた放射光9は、被エッチング材42の上面で反射した放射光9Aと、被エッチング材42と下地材41との間に形成された境界面で反射した放射光9Bにより干渉光が形成される。放射光9Aは、エッチング処理の進行に伴って反射する位置が、A,B,Cのように変化する。反射した光は分光器11に導かれ、エッチング中の被エッチング材42の層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。
【0039】
図2(b)に示すように、干渉光の生波形(多波長)の平滑化時系列データYijは、境界面からの距離が零近くまでは比較的大きな値を保ち、零近くで急速に低減する。なお、境界面からの距離が零の点より右側はオーバーエッチング処理を示している。この平滑化時系列データYijを基に、1次微分値あるいは2次微分値の微係数値時系列データdijが算出される。図2(b)には波長475nmの干渉光の1次微分値及び2次微分値を示している。1次微分値及び2次微分値は、境界面からの距離がある範囲内の複数箇所で、零値を横切っている。以下、この零値を横切る点を零通過点と呼ぶ。
【0040】
図2(b)から明らかなように、零通過点は境界面からの距離、換言すると膜厚が比較的大きな値でも現れる。これは、生波形が境界面付近に達するまで値の変動が少なく零近くで急速に低減するのと比べると、大きな相違である。本発明は、この事実に着目して、膜厚が比較的大きな値の状態でも膜厚を正確に測定出来るようにしたことに特徴がある。また、プラズマの出力が低下しても、干渉光の1次微分値及び2次微分値は大きな値を維持しているため、正確な膜厚測定が可能である。
【0041】
図3(a),図3(b)に、被処理材(ポリシリコン)の上記図2(a)のA,B,Cに示す所定膜厚に対する干渉光の微分値の、波長をパラメータとする(波長依存性を示す)標準パターンを、各膜厚(境界面からの距離)に対応する干渉光の微係数値時系列データdijのパターンとして示す。図3(a)は、干渉光の1次微分波形パターンデータを示し、図3(b)は同じく2次微分波形パターンデータを示す。図中のA,B,Cは、図2(a)のA(=30nm),B(=20nm),C(=10nm)の各膜厚における微分波形パターンデータを示している。
【0042】
図3(a),図3(b)から明らかなように、干渉光の1次微分波形パターンや2次微分波形パターンは、被処理材の材料及び膜厚毎に特有のパターンになっており、また、特定の波長において、零通過点すなわち1次微分値や2次微分値が零になることがわかる。例えば、膜厚Cでは、波長500nmが零通過点となっている。被処理材の材料が異なるとこれらのパターンも変わってくるので、処理に必要な種々の材料及び膜厚範囲について、予め実験などによりデータを求め、1次微分波形パターンや2次微分波形パターンとして記録装置に保持しておくのが良い。
【0043】
次に、図4のフローチャートにより、図1の膜厚測定装置10でエッチング処理を行う際に、被処理材の膜厚を求める手順について説明する。
【0044】
最初に、目標膜厚値と膜厚パターンデータベースより波長域(少なくとも3個の波長域)の抽出された微分パターンPiと判定値σ0の設定を行う(ステップ400)。すなわち、予め微分波形パターンデータベース15に保持されている、図3(a),図3(b)に示すような複数波長についての微分値の標準パターンの中から、被処理材の処理条件に応じて必要とされる膜厚に対応した少なくとも3個の標準パターンを設定する。
【0045】
次のステップにおいて干渉光のサンプリング(例えば0.25〜0.4秒毎に)を開始する(ステップ402)。すなわち、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。エッチングの進行に従って変化する多波長の発光強度が、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。分光器11の光検出信号はデジタル変換され、サンプリング信号yi,jを取得する。
【0046】
次に、分光器からの多波長出力信号yi,jを第1段目のデジタルフィルタ12により平滑化し、時系列データYi,jを算出する(ステップ404)。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。
【0047】
次に、S−G法により、微係数di,jを算出する(ステップ406)。すなわち、微分処理(S−G法)により信号波形の係数(1次または2次)diを求める。さらに、第2段目のデジタルフィルタ14により平滑化微係数時系列データDi,jを算出する(ステップ408)。そして、σ=Σ(Di,j−pj)2値の算出を行う(ステップ410)。次に、微分波形比較器16において、σ≦σ0の判定を行い(ステップ412)、σ≦σ0の場合、被処理材の膜厚が所定値になったものとしてその結果を表示器17に表示する。σ≦σ0でない場合、ステップ404に戻る。最後に、サンプリング終了の設定を行う(ステップ414)。
【0048】
ここで、平滑化微係数時系列データDiの算出について説明する。デジタルフィルタ回路としては、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 0003854810
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。
【0049】
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(2)から以下のように算出される。
Figure 0003854810
ここで、w−2=2,w−1=−1,w0=−2,w1=−1,w2=2、である。
【0050】
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(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のa,b係数とは異なっても良い)により式(3)により求められる。
Figure 0003854810
このようにして、図1の膜厚測定装置によれば、3(a),図3(b)にA,B,Cとして示したような、複数波長についての微分値の標準パターンを少くとも1つ設定し、被処理材の干渉光の複数波長の強度をそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の各波長の微分値の実パターンを求め、標準パターンと微分値の実パターンとを比較することにより、被処理材の膜厚を求めることができる。例えば、膜厚30nmすなわち図2のAを検出したい場合には、予め、膜厚Aに対応する複数波長についての微分値の標準パターンを設定し、複数の波長において実パターンの標準パターンに対する一致率が判定値σ0以内に達したことにより、被処理材の膜厚が30nmになったことを検出できる。標準パターンとしては、1次微分値パターン,2次微分値パターンのいずれか一方あるいは両方を用いればよい。
【0051】
この実施例によれば、境界面からの距離が例えば30nmと比較的大きい値でも、被処理材の膜厚を正確に測定することができる。
【0052】
次に、本発明の第2実施例を図5〜図7で説明する。この実施例では、予め、所定の膜厚に対応する、複数波長についての微分値の標準パターンを基に、この標準パターンの中の1つの零通過点の波長λ0と一致したこと、及び、他の1つの波長λpにおける微分値の実際の値の標準パターンに対する一致率が判定値σ0以内に達したことの2つの条件により、被処理材の膜厚が所定値になったことを検出できる。
【0053】
図5において、分光器11によりサンプリング信号として出力された2つの特定波長の信号は、時系列データyi,λoとyi,λpとしてRAM等の記憶装置(図示せず)に収納される。これらの時系列データは次に、第1デジタルフィルタ回路12により平滑化処理され平滑化時系列データYi,λoとYi,λpとして記憶装置に収納される。これらの平滑化時系列データYi,λoとYi,λpを基に、微分器13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,λoとdi,λpが算出され、記憶装置に収納される。これらの微係数値の時系列データは、第2デジタルフィルタ回路14により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データDi,λoとDi,λpとして記憶装置に収納される。そして、これらの平滑化微係数時系列データDi,λoとDi,λpから干渉光強度の各波長についての微分値の実パターンが求められる。
【0054】
一方、微分波形パターンデータベース15には、予め、標準パターンの中の1つの零通過点の波長λ0と、他の1つの波長λpにおける微分値の標準パターンが設定されている。微分波形比較器16において、これらが比較され被処理材の膜厚が求められる。
【0055】
例えば、膜厚30nmすなわち図2(a)のAを検出したい場合には、図7に示すように、零通過点λ0の波長と、他の波長λp=450nmに対応する1次微分値Ppを設定する。
【0056】
なお、本実施例においても構成要素12−16はCPU,メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0057】
この実施例の動作を図6のフローチャートで説明する。まず、目標膜厚値と膜厚パターンデータベースより零通過波長λoと、少なくとも1つの他の波長λpと、波長λpの微分値Ppと判定値σpの設定を行う(ステップ600)。
【0058】
次に、被処理材の干渉光のサンプリングを開始し(ステップ602)、分光器からの波長λ0とλpの出力信号を第1段目のデジタルフィルタにより平滑化時系列データYi,oとYi,pを算出する(ステップ604)。
【0059】
次に、S−G法により微係数di,oとdi,pを算出する(ステップ606)。さらに、第2段目のデジタルフィルタにより平滑化微係数時系列データDi,oとDi,pを算出する(ステップ608)。さらに、σ=Σ(Di,p−Pp)2の算出を行う(ステップ610)。
【0060】
次に、Di−1,o*Di,o≦0 かつσ≦σ0の判定を行う(ステップ612)。
【0061】
Di−1,o*Di,oの符号の正負判定において負であれば真と判定し、かつ、σ≦σ0であれば膜厚判定を終了する(ステップ614)。もし、Di−1,o*Di,oの符号が正、あるいはσ>σ0であればステップ604に戻る。
【0062】
この実施例によれば、2つの特定の波長に着目するだけで、すなわち図7に示す微分値パターンがλ0で零(X軸)を横切って通過したこと及び他の波長λpの微分値Ppが判定値σ0になったことにより、被処理材の膜厚を測定できる。特に、境界面からの距離が例えば30nmと比較的大きい値でも、被処理材の膜厚を正確に測定することができる。
【0063】
本発明の第3の実施例を、図8〜図10で説明する。この実施例では、被処理材の所定膜厚に対する干渉光のなかで、ターゲットとなる波長(ターゲット波長)λT の微分値の零通過パターンPjを設定し、被処理材の実際の干渉光強度の微分値の零通過パターンを求め、零通過の回数nから、被処理材の膜厚を求めるものである。
【0064】
図8において、分光器11によりサンプリング信号として出力されたターゲット波長λT の信号は、時系列データyi,λT としてRAM等の記憶装置(図示せず)に収納される。この時系列データは次に、第1デジタルフィルタ回路12により平滑化処理され平滑化時系列データYi,λT として記憶装置に収納される。この平滑化時系列データを基に、微分器13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,λT が算出され、記憶装置に収納される。この微係数値の時系列データは、第2デジタルフィルタ回路14により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データDi,λT として記憶装置に収納される。一方、微分波形パターンデータベース15には、予め、標準パターンの零通過パターンPjのデータが設定されている。そして、微分波形比較器16において、この平滑化微係数時系列データが微分値の零通過パターンPjと比較され、零通過回数から、被処理材の膜厚を求める。
【0065】
図9に示すように、例えば、ターゲット波長λT の3つの零通過点が、それぞれ膜厚A,B,Cに対応する場合、微分値がこれらの零通過点を通過したことにより、C点の例えば10nmという膜厚を測定することができる。
【0066】
なお、本実施例においても構成要素12−16はCPU,メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0067】
この実施例の動作を図10のフローチャートで説明する。
まず、最初に目標膜厚値と膜厚パターンデータベースから、分光器の波長λT と目標零通過回数NT を設定してから(ステップ1000)、サンプリングを開始する(ステップ1002)。次に、分光器(波長λT )からの出力信号を第1段目のデジタルフィルタにより平滑化し時系列データYi,λT を算出する(ステップ1004)。次に、S−G法により微係数di,λT を算出する(ステップ1006)。さらに、第2段目デジタルフィルタにより平滑化微係数時系列データDi,λT を算出する(ステップ1008)。
【0068】
次に、(Di−1,λT )*(Di,λT )の値符号の正負判定を行い、負=真により微分係数の零通過を検出する(ステップ1010)。さらに、微分係数の零通過回数を加算(n=n+1)し(ステップ1012)、目標零通過回数NT とnとの比較をする(ステップ1014)。もし、目標零通過回数NT に達していなかったらステップ1004に戻り、また、目標零通過回数NT に達していたら所定の膜厚になったものと判定してサンプリング終了の設定を行う。
【0069】
この実施例では、特定波長λT の微分値波形の零通過パターンPjを設定し、実際のパターンの零通過回数から被処理材の膜厚を求めるものであり、境界面からの距離が比較的大きい値でも、被処理材の膜厚を正確に測定することができる。
【0070】
次に、本発明による膜厚測定方法の第4の実施例を図11〜図14で説明する。この実施例では、被処理材の干渉光における特定の波長を、ガイド波長λG 及びターゲット波長λT として選定し、ガイド波長λG の微分値の零通過パターンから、被処理材の膜厚範囲を求め、この膜厚範囲にある被処理材の膜厚を、ターゲット波長λT の微分値の零通過パターンから求めるものである。
【0071】
図11において、分光器11によりサンプリング信号として出力された2つの特定波長の信号は、時系列データyi,λG とyi,λT として記憶装置(図示せず)に収納される。これらの時系列データは次に、2個の第1デジタルフィルタ回路12(12A,12B)により平滑化処理され平滑化時系列データYi,λG とYi,λT として記憶装置に収納される。これらの平滑化時系列データを基に、2個の微分器13(13A,13B)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,λG とdi,λT が算出され、記憶装置に収納される。これらの微係数値の時系列データは、2個の第2デジタルフィルタ回路14(14A,14B)により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データDi,λG とDi,λT として記憶装置に収納される。一方、微分波形パターンデータベース15には、予め、波長λG ,λT の零通過パターンPjのデータが設定されている。そして、2個の微分波形比較器16(16A,16B)において、これらの平滑化微係数時系列データが微分値の零通過パターンPjと比較され、被処理材の膜厚を求める。
【0072】
なお、本実施例においても構成要素12A,12B〜16A,11BはCPU,メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0073】
ここで、波長λG ,λT の零通過パターンPjのデータの関係について、図12,図13で説明する。図において、ターゲット波長λT の4つの零通過点が、それぞれ膜厚A,B,C,Dに対応し、ガイド波長λG の3つの零通過点が、それぞれ膜厚a,b,cに対応している。そして、各膜厚a,b,cに対応するガイド波長λG の3つの零通過点と、各目標の膜厚A,B,C,Dすなわちターゲット波長λT の4つの零通過点の、膜厚に対する関係は図13のようになる。
【0074】
従って、例えば、膜厚Dを目標膜厚として測定する場合を考えると、膜厚cに対応するガイド波長λG の零通過点が膜厚Dに対応するターゲット波長λT の零通過点に先行して出現することがわかる。そこで、ガイド波長λG で3つの零通過点が検出され、ターゲット波長λT で4つの零通過点が検出されると、目標膜厚Dになっていることが分かる。
【0075】
この実施例の動作を図14のフローチャートで説明する。まず、目標膜厚値と膜厚パターンデータベースから、分光器のガイド波長λG とターゲット波長λT 、各波長の目標零通過回数NG ,NT を設定する(ステップ1400)。
【0076】
次に、ガイド波長λG の目標零通過回数mを知るために、分光器(波長λG )からの出力信号を第1段目のデジタルフィルタにより平滑化時系列データYi,λG を算出する(ステップ1402)。さらに、S−G法により微係数di,λG を算出する(ステップ1404)。次に、第2段目のデジタルフィルタにより平滑化微係数時系列データDi,λG を算出する(ステップ1406)。さらに、(Di−1,λG )*(Di,λG )値符号の正負判定(負=真)により微分係数の零通過を検出する(ステップ1410)。そして、零通過を検出したら微分係数の零通過回数を加算(m=m+1)し(ステップ1412)、目標零通過回数NG との比較を行い(ステップ1414)、目標零通過回数mに達したら、次に、ターゲット波長λT の目標零通過回数nを求める処理に進む。
【0077】
ターゲット波長λT の目標零通過回数nを求めるために、まず、分光器(波長λT )からの出力信号を第1段目のデジタルフィルタにより平滑化時系列データYi,λT を算出する(ステップ1416)。次に、S−G法により微係数di,λT を算出する(ステップ1418)。さらに、第2段目のデジタルフィルタにより平滑化微係数時系列データDi,λT を算出する(1420)。次に、(Di−1,λT )*(Di,λT )値符号の正負判定(負=真)により微分係数の零通過を検出する(ステップ1422)。そして、零通過を検出したら微分係数の零通過回数を加算(n=n+1)し(ステップ1424)、目標零通過回数NT との比較を行い(ステップ1426)、目標零通過回数nに達したら、目標膜厚になっているので、その結果を記録,出力すると共にサンプリング終了の設定を行う。
【0078】
この実施例では、ガイド波長λG とターゲット波長λT の零通過回数によって膜厚を判定するので、境界面からの距離が比較的大きい値でも、被処理材の膜厚を正確に測定することができる。
【0079】
発明者等の実験によれば、絶縁膜の加工を例にとると、多波長についての1次微分波形パターン,2次微分波形パターンの零通過点は、図15に示すような特性がある。すなわち、膜厚の大きい範囲では、1次微分波形パターン,2次微分波形パターンのいずれにも零通過点が現れる。しかし、膜厚が薄くなると1次微分波形パターンには零通過点が現れなくなる。従って、膜厚の大きい範囲では、1次微分波形パターン,2次微分波形パターンのいずれの波長を、ガイド波長λG あるいはターゲット波長λT にしても良い。しかし、膜厚が薄い範囲では、1次微分波形パターンの波長をガイド波長λG とし、2次微分波形パターンの波長をターゲット波長λT にするのが望ましい。図15の特性を利用して、例えば絶縁膜を加工したい場合には、ガイド波長λG を475nmとし、残りの膜厚が50nmの場合、ターゲット波長λT は2次微分波形パターンの波長455nm、あるいは1次微分波形パターンの波長475nmとする。残りの膜厚が15nm以下の場合、ターゲット波長λT は、2次微分波形パターンを用いる。残りの膜厚が15nm〜35nmの場合、ターゲット波長λT は1次微分波形パターンのm=1.35nm 〜100nmの場合、1次微分波形パターンのm=2を採用する。
【0080】
以上述べた本発明の膜厚測定装置によれば、半導体デバイスの製造プロセス等における被処理材の膜厚を正確に測定することができる。従って、このシステムを利用して、被処理材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、このような半導体デバイスの製造プロセスを説明する。
【0081】
まず、図16は、図1〜図4で説明した本発明の第1の実施例を採用したエッチング装置の構成例である。表示器17の被処理材の膜厚のデータは、プラズマ発生装置20に送られ、真空容器内のプラズマの発生条件を制御するのに利用される。例えば、図17(a)に示すような被処理材に対して、本発明の膜厚測定装置により求めた膜厚すなわち被エッチング材のエッチングの進行状況に応じて、真空容器内のプラズマの発生条件を変更することにより、図17(b)に示すような適切な形状のエッチング処理を行うことが可能になる。
【0082】
なお、本実施例においても構成要素12−16はCPU,メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0083】
以下、エッチング処理の手順について簡単に説明する。
最初に、被処理材に関するエッチング処理条件の設定を行う。この中には、エッチング処理される被処理材の各層の膜毎に処理パターンに応じた目標膜厚値と膜厚毎の所定の波長域(少なくとも3個の波長域)の微分パターン抽出Piと判定値σ0が含まれる。次に、被処理材を電極上に搬入し、真空容器を減圧排気する。そして、真空容器内に所定の処理ガスを導入し、プラズマを発生させて被処理材のエッチングを開始する。同時に、干渉光のサンプリングを開始するエッチングの進行に従って変化する多波長の発光強度が、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。分光器11の光検出信号はデジタル変換され、サンプリング信号yi,jを取得する。次に、分光器からの多波長出力信号yi,jを平滑化し、時系列データYi,jを算出する。次に、微分処理(S−G法)により信号波形の係数(1次または2次)diを求め、さらに、平滑化微係数時系列データDi,jを算出する。そして、σ=Σ(Di,j−pj)2値の算出を行うと共にσ≦σ0の判定を行い、σ≦σ0の場合、被処理材の膜厚が所定値になったものとして、エッチング処理を終了し、処理ガスを排気し、被処理材を真空容器から搬出する。
【0084】
例えば、膜厚を図2(a)のC値にしたい場合には、予め、各膜厚A,B,Cに対応する微分値の波長依存性を示す標準パターンを設定し、複数の波長において実パターンの標準パターンに対する一致率が判定値σ0以内に達したことにより、被処理材の残りの膜厚が順次A,Bになったことを検出して処理ガス供給などプラズマによる処理条件を適宜制御しながら処理を進め、膜厚が正確にCとなるように制御してエッチング処理を終了する。
【0085】
場合によっては、所定の膜厚、例えば膜厚Aになったことを検知した状態で一旦エッチング処理を停止し、必要な処理,操作を行った後、エッチング処理を再開するようにしても良い。あるいは、膜厚を連続的に正確に測定しつつ、膜厚に応じてエッチング処理条件を連続的に変える処理を行うようにしても良い。
【0086】
また、本発明の他の実施例の計測方法を採用して同様なプラズマエッチング制御を行っても良い。また、本発明は、プラズマCVD,スパッタ,CMP(chemical mechanical polishing)或いは熱CVD等の処理にも適用できる。
【0087】
次に、図18は、本発明の第1の実施例を採用したエッチング装置の他の構成例である。表示器17の被処理材の膜厚のデータは制御装置18で処理され、プラズマ発生装置20,ガス供給装置21,ウエハバイアス電源22に送られ、真空容器内のプラズマの発生条件を制御するのに利用される。例えば、絶縁膜の孔加工のように被エッチング材の膜厚がかなり厚い場合、図19(a),図19(b),図19(c)に示すようにエッチングを2段階の処理に分け、本発明の膜厚測定装置により測定した膜厚すなわち被エッチング材のエッチングの進行状況に応じて図19(b)、真空容器内の各種処理条件を変更することにより、図19(c)に示すように処理速度を早くしてかつ下地材に対するオーバーエッチングのない適切な形状のエッチング処理を行うことが可能になる。この場合も、本発明の他の実施例を採用して同様な制御を行っても良い。
【0088】
なお、本実施例においても構成要素12−16はCPU,メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0089】
なお、以上述べた各実施例は、光源を有する分光器から多波長の放射光を放出し、被処理物からの反射光の干渉光を利用して膜厚を測定するものである。一方、光源を有しない分光器を用いプラズマによって放出される多波長の放射光を光源として利用しても良い。例えば、図20に示すように、プラズマ光による被処理材上の干渉光を上面から観察すべく真空容器2の上部壁に設けたポートから光ファイバーによって干渉光を第1の分光計11Aに導き、分光器真空容器2の側壁に設けた他のポートから光ファイバーによってプラズマ光の状態を観察すべくこれを第2の分光計11Bに導き、両分光計の光を除算器19で処理したものを、微分器に導き、以下、既に述べた方法で処理するようにしても良い。尚、分光計11A,11Bは光源を有しない。また、図20においても、構成要素13,15,16,19はCPU、メモリ等を有するコンピュータにより構成して良い。
【0090】
上記の方法によれば、独立した光源が不要であり、また、プラズマ光が変化しても、常に安定して正確な膜厚の計測が可能である。さらに、被処理の処理枚数が増えることによってプラズマ処理装置が経時変化して処理時間が長くなるのを検知出来るので、メンテナンスの指示を出すこともできる。
【0091】
次に、本発明における膜厚精度を向上する実施例を説明する。実際のエッチング処理では、エッチング処理中にプラズマが変動することがある。そのために、測定される膜厚値の精度が悪くなることが起こる。図21は下地酸化膜2.5nmのポリシリコンエッチング時の膜厚変化を示したもので、●印は本発明のパターン比較により求めた各時刻の膜厚測定値を示す。エッチング初期にポリシリコンの厚みが厚くポリシリコンからの干渉光強度が弱い場合、または、エッチング処理中にプラズマ変動があった場合、膜厚測定値のバラツキがしばしば起こる。このような場合、膜厚精度を向上するために以下の処理を行う。以下の処理は、上記コンピュータのソフトウエアで行う。
【0092】
▲1▼膜厚算出開始はポリシリコンの厚みが薄く(例えば175nm以下)かつプラズマ変動の少ない時刻T1、例えばエッチング処理開始から30秒経過時から行う。時刻T1以降は、▲2▼過去の膜厚測定値を用いて、回帰直線を算出する。▲3▼その回帰直線からはずれている膜厚測定値はノイズとする(例えば、ノイズとして扱わない膜厚測定値の許容値は±10nmとする)。▲4▼ノイズを除いた膜厚測定値から回帰直線を再度算出する。▲5▼その再度算出した回帰直線から現在の膜厚値を算出し、膜厚算出値とする。以下、所定時間経過毎に上記処理▲2▼から▲5▼を繰り返し行い各時刻の膜厚算出値を求め、この膜厚算出値が最終目標膜厚値Thfに一致するまで上記処理を行う。なお、膜厚算出値が最終目標膜厚値Thfに達すると、エッチング処理を終了する。
【0093】
次に、本発明におけるエッチング処理状態監視に関する実施例を説明する。上記した各時刻における膜厚算出値のデータ列を上記コンピュータ内のメモリまたは外部記録器に収納すると共に、該収容したデータ列をウェハ処理番号と関連付けてデータベース化する。このデータベースにおいて、エッチング処理終了時間が予定のエッチング処理終了時間に対して例えば±5%を超えた場合、または、エッチング処理中の適当な時間(例えば時刻T2)における膜厚算出値が、該時刻T2での目標膜厚値(図21のTh2)に対して例えば±5%を超えた場合、このウェハ処理番号のエッチング処理が異常であることを示す警告を発する。
【0094】
この方法によれば、膜厚測定値にバラツキがあっても精度よく膜厚を算出でき、目標とする膜厚を正確に判定するエッチング処理が行える。また、エッチング処理の状態監視が行え、ウェハの不良処理枚数を最小限度に抑えることができる。
【0095】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理材の処理の量をより正確に検出し、あるいは制御できる半導体ウエハの処理方法および処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図2】エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状及び干渉光の波長実パターンの例を示す図である。
【図3】図2(a),図2(b)のA,B,Cに示す各膜厚(境界面からの距離)に対応する、干渉光の微係数値時系列データの波長をパラメータとする図である。
【図4】図1の膜厚測定装置でエッチング処理を行う際に、被処理材の膜厚を求める手順を示すフローチャートである。
【図5】本発明の第2の実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図6】図5の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図7】図5の実施例の動作説明図である。
【図8】本発明の第3の実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図9】図8の実施例の動作を説明するためのグラフ図である。
【図10】図8の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図11】本発明の第4の実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図12】図11の実施例において、エッチング処理される、被処理材の断面形状を示す図である。
【図13】図11の実施例の動作説明図である。
【図14】図11の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図15】図11の実施例の動作説明図である。
【図16】本発明の第5の実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図17】図16の実施例において、エッチング処理される被処理材の断面形状を示す図である。
【図18】本発明の第6の実施例になる膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図19】図18の実施例において、エッチング処理される、被処理材の断面形状を示す図である。
【図20】本発明の第7の実施例による膜厚測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図21】本発明の更に第8の実施例を説明するための、膜厚変化を示す図である。
【符号の説明】
1…エッチング装置、2…真空容器、3…プラズマ、4…被処理材、5…試料台、8…光ファイバー、10…膜厚測定装置、11…分光器、12…第1デジタルフィルタ回路、13…微分器、14…第2デジタルフィルタ回路、15…微分波形パターンデータベース、16…微分波形比較器、17…結果表示器、18…制御装置、19…除算器、20…プラズマ発生装置、21…ガス供給装置、22…ウエハバイアス電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionBACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a processing method and a processing apparatus for a semiconductor wafer as a processing material, and in particular, analyzes light from the semiconductor wafer for the amount of processing performed on the film of the processing material formed on the surface of the semiconductor wafer as a processing target The present invention relates to a semiconductor wafer processing method and a processing apparatus for detecting a processing state such as a processing amount.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of semiconductor wafers, dry etching is widely used for the removal or patterning of various material layers and especially dielectric material layers formed on the surface of the wafer. The most important for process parameter control is to accurately determine the etch endpoint to stop the etch at the desired thickness during processing of such a layer.
[0003]
During the dry etching process of the semiconductor wafer, the emission intensity of the specific wavelength in the plasma light changes with the progress of the etching of the specific film. Therefore, as one of the methods for detecting the etching end point of a semiconductor wafer, conventionally, a change in emission intensity of a specific wavelength from plasma is detected during the dry etching process, and the etching end point of a specific film is detected based on the detection result. There is a way to do it. At that time, it is necessary to prevent erroneous detection based on the fluctuation of the detected waveform due to noise. As a method for accurately detecting a change in emission intensity, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 61-53728 and 63-200533 are known. In Japanese Patent Laid-Open No. 61-53728, noise is reduced by a moving average method, and in Japanese Patent Laid-Open No. 63-200533, noise is reduced by approximation processing by a first-order least square method.
[0004]
With the recent miniaturization and high integration of semiconductors, the aperture ratio (area to be etched of a semiconductor wafer) has been reduced, and the emission intensity of a specific wavelength taken into the photodetector from the optical sensor has become weak. As a result, the level of the sampling signal from the photodetector is reduced, and it is difficult for the end point determination unit to reliably detect the etching end point based on the sampling signal from the photodetector.
[0005]
In addition, when detecting the end point of etching and stopping the process, it is actually important that the remaining thickness of the dielectric layer is equal to a predetermined value. Conventional processes monitor the entire process using time thickness control techniques based on the assumption that the etch rate of each layer is constant. The value of the etching rate is obtained by processing a sample wafer in advance, for example. In this method, the etching process is stopped simultaneously with the elapse of time corresponding to a predetermined etching film thickness by the time monitoring method.
[0006]
However, actual films such as SiO formed by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) technique2 Layers are known to have low thickness reproducibility. Thickness tolerance due to process variations during LPCVD is SiO2 This corresponds to about 10% of the initial thickness of the layer. Therefore, the method by time monitoring is the SiO remaining on the silicon substrate.2 The actual final thickness of the layer cannot be measured accurately. The actual thickness of the remaining layer is then measured by a standard spectroscopic interferometer technique, and if it is found to be over-etched, the wafer is discarded as rejected. become.
[0007]
In addition, in an insulating film etching apparatus, a change over time is known such that the etching rate decreases as etching is repeated. In some cases, etching may stop in the middle, and the solution is essential. In addition, it is important for the stable operation of the process to monitor the variation of the etching rate over time. However, the conventional method only monitors the time for determining the end point. There was no appropriate way to deal with major changes and fluctuations. In addition, when the etching time is as short as about 10 seconds, the end point determination must be an end point determination method that shortens the determination preparation time, and the step of the determination time needs to be sufficiently shortened, but is not necessarily sufficient. Furthermore, in the insulating film, the area to be etched is often 1% or less, and the plasma emission intensity change from the reaction product generated by etching is small. Therefore, an end point determination system that can detect even a slight change is required, but no practical and inexpensive system is found.
[0008]
On the other hand, as another method for detecting the etching end point of a semiconductor wafer, the interference disclosed in JP-A-5-179467, JP-A-8-274082, JP-A-2000-97648, JP-A-2000-106356, etc. A method of using a meter is also known. In this interferometer usage, monochromatic radiation emitted from a laser is applied at a normal incidence angle to a wafer containing a laminated structure of dissimilar materials. For example, SiThreeNFourSiO on the layer2 In the case where the layer stack is stacked, SiO2 Synchrotron radiation reflected from the top surface of the layer and SiO2 Layer and SiThreeNFourInterference fringes are formed by the radiation reflected at the interface formed between the layers. The reflected radiation is applied to a suitable detector, which is the SiO during etching.2 Generates a signal whose strength varies with layer thickness. As soon as the upper surface of the SiO2 layer is exposed during the etching process, the etching rate and the current etching thickness can be monitored continuously and accurately. There is also known a method of measuring a predetermined radiation emitted by plasma instead of a laser by a spectrometer.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
According to the method using the interferometer, the position of the boundary surface of the laminated structure is accurately measured. However, an interference fringe is formed by the radiant light reflected from the upper surface of a layer and the reflected radiant light reflected from the boundary surface, when the process reaches the boundary surface and is measured before that time. Can not. Therefore, in the actual etching process, even if the thickness is measured on-line from the interference pattern of the radiated light, and the process reaches the boundary surface and is fed back to the process control, the layer to be processed must be over-etched. In order to avoid excessive etching, it is necessary to use in combination with the time monitoring method, etc., but this requires the premise of the film thickness value, etc. Therefore, it is difficult to perform proper etching.
[0010]
The contents of the above-mentioned conventional documents are summarized as follows.
In Japanese Patent Laid-Open No. 5-179467, interference light (plasma light) is detected using three types of color filters of red, green, and blue, and etching end point detection is performed.
[0011]
In Japanese Patent Laid-Open No. 8-274082 (US Pat. No. 5,658,418), the extreme values of the interference waveform (maximum and minimum of the waveform: zero pass point of the differential waveform) are obtained by using the temporal change of the interference waveform of the two wavelengths and its differential waveform. ). The etching rate is calculated by measuring the time until the count reaches a predetermined value, the remaining etching time until the predetermined film thickness is reached is obtained based on the calculated etching rate, and the etching process is stopped based on the etching time.
[0012]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-97648 discloses a waveform of a difference between a light intensity pattern of interference light before processing (with wavelength as a parameter) and a light intensity pattern of interference light after processing or during processing (with wavelength as a parameter). ) And the step (film thickness) is measured by comparing the difference waveform with the difference waveform stored in the database.
[0013]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-106356 relates to a spin coater and determines the film thickness by measuring the temporal change of interference light over multiple wavelengths.
[0014]
In US Pat. No. 6,081,334, characteristic behavior of interfering light with respect to time is obtained by measurement and stored in a database, and the end of etching is determined by comparing the database with the measured interference waveform. This determination prompts a change in the etching process conditions.
[0015]
In the above known example, the following problems occur.
(1) As the material to be etched becomes thinner, the intensity of interference light decreases and the number of interference fringes decreases.
(2) When etching is performed using a mask material (for example, a resist), interference light from the mask material is superimposed on interference light from the material to be etched.
(3) When the etching rate changes during the process, the interference waveform is distorted.
[0016]
From the above points, it has been difficult to accurately measure and control the thickness of the layer to be processed, particularly the layer to be processed in the plasma etching process, with the required measurement accuracy.
[0017]
  The purpose of the present invention is toAn object of the present invention is to provide a semiconductor wafer processing method and processing apparatus that can detect or control the amount of processing of a workpiece more accurately.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above-mentioned object, the inventors have determined the respective wavelengths of the interference light obtained from the surface of the semiconductor wafer.Detects the differential value of the intensity, obtains a pattern using the wavelength of the differential value as a parameter based on the differential value, and detects the processing amount of the semiconductor wafer based on the patternIs to do.
[0021]
In the present invention, the reason for using the pattern showing the wavelength dependence of the time differential value of the interference waveform is as follows.
[0022]
  Since the measurement is based on in-situ (real-time) measurement during etching, the film thickness of the film to be processed changes every moment. Therefore, time differentiation processing of the interference waveform is possible. Further, the noise of the interference waveform can be removed by this differentiation process. In addition, the refractive index of the material to be etched (for example, the nitride film of silicon and mask material)Is different.Therefore, interference light measurement over multiple wavelengthsIt becomes possible to detect characteristic changes (film thickness dependence) of each substance.
[0023]
  More specifically, the purpose isA film on the surface of the semiconductor wafer disposed in the vacuum processing chamber is processed using the plasma formed in the vacuum processing chamber.A method for processing a semiconductor wafer, comprising:During the processing, the interference light is received through a port that faces the plasma in the vacuum processing chamber and transmits interference light of a plurality of wavelengths obtained from the surface of the semiconductor wafer.Detecting a differential value of the intensity of the interference light of each of a plurality of wavelengths, and a differential value of the detected intensity of the interference light of the plurality of wavelengthsA pattern with the wavelength as a parameterThe process obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer.A pattern comprising differential values of the intensity of the interference light of the plurality of wavelengths with respect to a predetermined amount;And a method for processing a semiconductor wafer, comprising: detecting a processing amount for the film being processed.
[0024]
  Also,Predetermined processing is performed on the film on the surface of the semiconductor wafer to be processed arranged on the sample stage in the vacuum vessel using the plasma formed in the vacuum vessel.A semiconductor wafer processing apparatus comprising:A port that faces the plasma in the vacuum vessel and transmits light in the vacuum vessel;From the surface of the semiconductor wafer during the treatment.Receives interference light of multiple wavelengths via the portHaving a measuring device, detecting a differential value of the intensity of each of the plurality of wavelengths of interference light received by the measuring device, and detecting a differential value of the intensity of the detected interference light of the plurality of wavelengthsA pattern with the wavelength as a parameter;The process obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer.And a pattern of differential values of the intensity of the interference light of the plurality of wavelengths for a predetermined amount,This is achieved by a semiconductor wafer processing apparatus having a function of detecting the amount of processing for the film being processed.
[0025]
  Moreover,Adjusting the processing of the film of the semiconductor wafer based on the detected amount of processing.Is achieved.
[0026]
  Moreover,Interference of the plurality of wavelengths with respect to at least three different predetermined amounts of the processing obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer and a pattern of differential values of the intensity of interference light of the plurality of wavelengths And detecting a processing amount for the film during the processing based on a differential value pattern of light intensity.Is achieved.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the present invention will be described below. In the following embodiments, those having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
[0031]
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. This example shows the wavelength dependence of the differential value of the interference light with respect to a predetermined film thickness of the sample processing material when plasma processing the processing material such as a semiconductor wafer (with wavelength as a parameter). Set the pattern. Next, the intensities of multiple wavelengths of interference light in the actual processing of the material to be processed having the same configuration as the sample material to be processed are measured, and the wavelength dependence of the differential value of the measured interference light intensity is shown ( The actual pattern (with the wavelength as a parameter) is obtained, and the standard pattern of the differential value is compared with the actual pattern to obtain the film thickness of the material to be processed.
[0032]
First, the overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with the film thickness measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. The etching apparatus 1 includes a vacuum vessel 2. The etching gas introduced into the inside of the etching apparatus 1 is decomposed by microwave power or the like to form plasma. The plasma 3 etches the material to be processed 4 such as a semiconductor wafer on the sample stage 5. Is done. Multi-wavelength radiated light from a measurement light source (for example, a halogen light source) included in the spectroscope 11 of the film thickness measuring device 10 is guided into the vacuum vessel 2 by the optical fiber 8 and applied to the workpiece 4 at a vertical incident angle. . The material to be processed 4 includes a polysilicon layer, and the radiated light is interfered by the radiated light reflected by the upper surface of the polysilicon layer and the radiated light reflected by the boundary surface formed between the polysilicon layer and the base layer. Light is formed. The interference light is guided to the spectroscope 11 of the film thickness measuring device 10 through the optical fiber 8 and performs film thickness measurement and end point determination processing based on the state.
[0033]
The film thickness measuring apparatus 10 includes a spectroscope 11, a first digital filter circuit 12, a differentiator 13, a second digital filter circuit 14, a differential waveform pattern database 15, a differential waveform comparator 16, and a display that displays the results of the comparator. 17 is provided. FIG. 1 shows a functional configuration of the film thickness measuring apparatus 10, and the actual configuration of the film thickness measuring apparatus 10 excluding the display unit 17 and the spectroscope 11 includes a CPU and a film thickness measuring process. It can be composed of a ROM that holds various data such as a program and a differential waveform pattern database of interference light, a RAM that holds measurement data, and an external storage device, a data input / output device, and a communication control device. .
[0034]
The multi-wavelength emission intensities captured by the spectroscope 11 are converted into voltage signals as current detection signals corresponding to the emission intensities. Signals of a plurality of specific wavelengths output as sampling signals by the spectroscope 11 are stored in a storage device such as a RAM as time series data yij. The time series data yij is then smoothed by the first digital filter circuit 12 and stored in a storage device such as a RAM as smoothed time series data Yij. Based on the smoothed time series data Yij, the differentiator 13 calculates the differential coefficient value (the primary differential value or the secondary differential value 9 time series data dij is stored in a storage device such as a RAM. The numerical time series data dij is smoothed by the second digital filter circuit 14 and stored in a storage device such as a RAM as the smoothed differential coefficient time series data Dij, and the smoothed differential coefficient time series data Dij. Thus, an actual pattern showing the wavelength dependence of the differential value of the interference light intensity (with the wavelength as a parameter) is obtained.
[0035]
On the other hand, the differential waveform pattern database 15 is preset with differential waveform pattern data values Pj of interference light intensity corresponding to the respective wavelengths corresponding to the material of the material to be processed for film thickness measurement, for example, polysilicon. Yes. In the differential waveform comparator 16, the actual pattern and the differential waveform pattern data value Pj are compared to determine the film thickness of the material to be processed. The result is displayed on the result display 17.
[0036]
In addition, although the case where only one spectrometer 11 is shown is shown in the embodiment, a plurality of spectrometers 11 may be provided when it is desired to measure and control the in-plane of the material to be processed widely.
[0037]
FIG. 2A and FIG. 2B show examples of the longitudinal sectional shape of the material to be processed 4 during the etching process and the actual wavelength pattern of interference light. In FIG. 2A, a material to be processed (wafer) 4 includes a base material 41 on a substrate 40, and a material to be etched 42 and a mask material 43 stacked thereon. For example, when the gate film is etched, the substrate of the material 4 to be processed is SiO.2 A polysilicon gate layer is formed on a polycrystalline base material corresponding to between the source and drain.
[0038]
The multi-wavelength light emitted from the spectroscope 11 is applied to the material to be processed 4 including a laminated structure of the material to be etched and the base material at a vertical incident angle. The radiated light 9 guided to the etched portion without the mask material 43 is a boundary surface formed between the radiated light 9A reflected from the upper surface of the etched material 42 and the etched material 42 and the base material 41. Interference light is formed by the radiated light 9B reflected by. The reflected position of the radiated light 9A changes as A, B, and C as the etching process proceeds. The reflected light is guided to the spectroscope 11 and generates a signal whose intensity changes depending on the thickness of the layer 42 to be etched.
[0039]
As shown in FIG. 2B, the smoothed time series data Yij of the interference light raw waveform (multi-wavelength) maintains a relatively large value until the distance from the boundary surface is close to zero, and rapidly increases near zero. To reduce. The right side from the point where the distance from the boundary surface is zero indicates the over-etching process. Based on the smoothed time series data Yij, the differential value time series data dij of the primary differential value or the secondary differential value is calculated. FIG. 2B shows the first and second derivative values of interference light having a wavelength of 475 nm. The primary differential value and the secondary differential value cross the zero value at a plurality of locations within a certain distance from the boundary surface. Hereinafter, a point crossing this zero value is referred to as a zero passing point.
[0040]
As is clear from FIG. 2B, the zero passing point appears even when the distance from the boundary surface, in other words, the film thickness is relatively large. This is a great difference compared to the fact that the value does not fluctuate until the raw waveform reaches the vicinity of the boundary surface, and it rapidly decreases near zero. Focusing on this fact, the present invention is characterized in that the film thickness can be accurately measured even when the film thickness is relatively large. Even if the output of the plasma is reduced, the primary differential value and the secondary differential value of the interference light maintain large values, so that accurate film thickness measurement is possible.
[0041]
3A and 3B, the wavelength of the differential value of the interference light with respect to the predetermined film thickness indicated by A, B, and C in FIG. 2A of the material to be processed (polysilicon) is used as a parameter. The standard pattern (indicating wavelength dependence) is shown as a pattern of derivative coefficient time series data dij of interference light corresponding to each film thickness (distance from the boundary surface). FIG. 3A shows the primary differential waveform pattern data of the interference light, and FIG. 3B shows the secondary differential waveform pattern data. A, B, and C in the figure indicate differential waveform pattern data at respective film thicknesses A (= 30 nm), B (= 20 nm), and C (= 10 nm) in FIG.
[0042]
As apparent from FIGS. 3A and 3B, the first-order differential waveform pattern and the second-order differential waveform pattern of the interference light are unique patterns for each material and film thickness of the material to be processed. It can also be seen that at a specific wavelength, the zero passing point, that is, the primary differential value and the secondary differential value become zero. For example, in the film thickness C, a wavelength of 500 nm is a zero passing point. Since these patterns change depending on the material of the material to be processed, data is obtained in advance through experiments etc. for various materials and film thickness ranges required for processing as primary differential waveform patterns and secondary differential waveform patterns. It is good to hold in the recording device.
[0043]
Next, the procedure for obtaining the film thickness of the material to be processed when performing the etching process with the film thickness measuring apparatus 10 of FIG. 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0044]
First, the differential pattern Pi extracted from the wavelength region (at least three wavelength regions) from the target film thickness value and the film thickness pattern database and the determination value σ0 are set (step 400). That is, according to the processing conditions of the material to be processed from the standard patterns of differential values for a plurality of wavelengths as shown in FIG. 3A and FIG. At least three standard patterns corresponding to the required film thickness are set.
[0045]
In the next step, sampling of interference light (for example, every 0.25 to 0.4 seconds) is started (step 402). That is, a sampling start command is issued with the start of the etching process. The multi-wavelength emission intensity that changes with the progress of etching is detected by the photodetector as a photodetection signal having a voltage corresponding to the emission intensity. The photodetection signal of the spectroscope 11 is digitally converted to obtain sampling signals yi, j.
[0046]
Next, the multi-wavelength output signal yi, j from the spectroscope is smoothed by the first-stage digital filter 12 to calculate time-series data Yi, j (step 404). That is, noise is reduced by the first-stage digital filter to obtain smoothed time series data yi.
[0047]
Next, the differential coefficient di, j is calculated by the SG method (step 406). That is, the coefficient (primary or secondary) di of the signal waveform is obtained by differential processing (SG method). Further, the smoothed differential coefficient time series data Di, j is calculated by the second stage digital filter 14 (step 408). Then, σ = Σ (Di, j−pj) 2 value is calculated (step 410). Next, the differential waveform comparator 16 determines σ ≦ σ0 (step 412). If σ ≦ σ0, the result is displayed on the display 17 assuming that the film thickness of the material to be processed has reached a predetermined value. To do. If σ ≦ σ0 is not satisfied, the process returns to step 404. Finally, the end of sampling is set (step 414).
[0048]
Here, calculation of the smoothed differential coefficient time series data Di will be described. As the digital filter circuit, for example, a secondary Butterworth low-pass filter is used. The smoothed time series data Yi is obtained by the equation (1) using a secondary Butterworth low-pass filter.
Figure 0003854810
Here, the coefficients b and a have different numerical values depending on the sampling frequency and the cutoff frequency. For example, when the sampling frequency is 10 Hz and the cutoff frequency is 1 Hz, a2 = −1.143, a3 = 0.4128, b1 = 0.067455, b2 = 0.13491, b3 = 0.067455.
[0049]
The time-series data di of the secondary differential coefficient value is calculated by the differential coefficient calculation circuit 6 from the equation (2) as follows using the polynomial-adapted smoothing differentiation method of the 5-point time-series data Yi.
Figure 0003854810
Here, w−2 = 2, w−1 = −1, w0 = −2, w1 = −1, and w2 = 2.
[0050]
Using the time-series data di of the differential coefficient value, the smoothed differential coefficient time-series data Di is a digital filter circuit (second-order Butterworth low-pass filter, but may be different from the a and b coefficients of the digital filter circuit. ) Is obtained from equation (3).
Figure 0003854810
In this way, according to the film thickness measuring apparatus of FIG. 1, at least a standard pattern of differential values for a plurality of wavelengths, as indicated by A, B, and C in FIGS. Set one, measure the intensity of the multiple wavelengths of the interference light of the material to be processed, obtain the actual pattern of the differential value of each wavelength of the measured interference light intensity, and obtain the standard pattern and the actual pattern of the differential value By comparing, the film thickness of the material to be processed can be obtained. For example, when it is desired to detect a film thickness of 30 nm, that is, A in FIG. 2, a standard pattern of differential values for a plurality of wavelengths corresponding to the film thickness A is set in advance, and a match rate with respect to the standard pattern of the actual pattern at the plurality of wavelengths. Has reached within the determination value σ0, it can be detected that the film thickness of the material to be processed has reached 30 nm. As the standard pattern, either one or both of the primary differential value pattern and the secondary differential value pattern may be used.
[0051]
According to this embodiment, even when the distance from the boundary surface is relatively large, for example, 30 nm, the film thickness of the material to be processed can be accurately measured.
[0052]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, based on a standard pattern of differential values for a plurality of wavelengths corresponding to a predetermined film thickness, it matches the wavelength λ0 of one zero passing point in this standard pattern, and others It is possible to detect that the film thickness of the material to be processed has reached a predetermined value based on two conditions that the coincidence rate of the actual value of the differential value at one wavelength λp with respect to the standard pattern has reached within the determination value σ0.
[0053]
In FIG. 5, signals of two specific wavelengths output as sampling signals by the spectroscope 11 are stored in a storage device (not shown) such as a RAM as time-series data yi, λo and yi, λp. These time series data are then smoothed by the first digital filter circuit 12 and stored in the storage device as smoothed time series data Yi, λo and Yi, λp. Based on these smoothed time series data Yi, λo and Yi, λp, time series data di, λo and di, λp of derivative values (primary differential values or secondary differential values) are calculated by the differentiator 13. Stored in a storage device. The time series data of these differential coefficient values is smoothed by the second digital filter circuit 14 and stored in the storage device as smoothed differential coefficient time series data Di, λo and Di, λp. Then, an actual pattern of differential values for each wavelength of the interference light intensity is obtained from the smoothed differential coefficient time series data Di, λo and Di, λp.
[0054]
On the other hand, the differential waveform pattern database 15 is set in advance with a standard pattern of differential values at one wavelength λ0 of the zero passing point and another wavelength λp in the standard pattern. In the differential waveform comparator 16, these are compared to determine the film thickness of the material to be processed.
[0055]
For example, when it is desired to detect a film thickness of 30 nm, that is, A in FIG. 2A, as shown in FIG. 7, the first-order differential value Pp corresponding to the wavelength of the zero passing point λ0 and the other wavelength λp = 450 nm is obtained. Set.
[0056]
Also in this embodiment, the constituent elements 12-16 may be constituted by a computer having a CPU, a memory and the like.
[0057]
The operation of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the zero-pass wavelength λo, at least one other wavelength λp, the differential value Pp of the wavelength λp, and the determination value σp are set from the target film thickness value and the film thickness pattern database (step 600).
[0058]
Next, sampling of the interference light of the material to be processed is started (step 602), and the output signals of the wavelengths λ0 and λp from the spectroscope are smoothed by the first stage digital filter Yi, o and Yi, p is calculated (step 604).
[0059]
Next, the differential coefficients di, o and di, p are calculated by the SG method (step 606). Further, the smoothed differential coefficient time series data Di, o and Di, p are calculated by the second stage digital filter (step 608). Further, σ = Σ (Di, p−Pp) 2 is calculated (step 610).
[0060]
Next, Di-1, o * Di, o ≦ 0 and σ ≦ σ0 are determined (step 612).
[0061]
If the sign of Di-1, o * Di, o is negative in the positive / negative determination, it is determined to be true, and if σ ≦ σ0, the film thickness determination is terminated (step 614). If the sign of Di-1, o * Di, o is positive or σ> σ0, the process returns to step 604.
[0062]
According to this embodiment, it is only necessary to pay attention to two specific wavelengths, that is, that the differential value pattern shown in FIG. 7 has passed through zero (X axis) at λ0, and the differential values Pp of other wavelengths λp are When the determination value is σ0, the film thickness of the material to be processed can be measured. In particular, even when the distance from the boundary surface is relatively large, for example, 30 nm, the film thickness of the material to be processed can be accurately measured.
[0063]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a zero-pass pattern Pj having a differential value of a target wavelength (target wavelength) λT is set in the interference light with respect to a predetermined film thickness of the material to be processed, and the actual interference light intensity of the material to be processed is set. A zero-pass pattern of the differential value is obtained, and the film thickness of the material to be processed is obtained from the number n of zero passes.
[0064]
In FIG. 8, the signal of the target wavelength λT outputted as the sampling signal by the spectroscope 11 is stored in a storage device (not shown) such as a RAM as time series data yi, λT. The time series data is then smoothed by the first digital filter circuit 12 and stored in the storage device as smoothed time series data Yi, λT. Based on the smoothed time series data, the differentiator 13 calculates the derivative data (primary differential value or secondary differential value) time series data di, λT and stores it in the storage device. The time series data of the differential coefficient values is smoothed by the second digital filter circuit 14 and stored in the storage device as smoothed differential coefficient time series data Di, λT. On the other hand, the differential waveform pattern database 15 is preliminarily set with data of a zero-passing pattern Pj as a standard pattern. Then, the differential waveform comparator 16 compares the smoothed differential coefficient time series data with the zero pass pattern Pj of the differential value, and obtains the film thickness of the material to be processed from the number of zero passes.
[0065]
As shown in FIG. 9, for example, when three zero-passing points of the target wavelength λT correspond to film thicknesses A, B, and C, respectively, the differential value passes through these zero-passing points, so For example, a film thickness of 10 nm can be measured.
[0066]
Also in this embodiment, the constituent elements 12-16 may be constituted by a computer having a CPU, a memory and the like.
[0067]
The operation of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, from the target film thickness value and the film thickness pattern database, the wavelength λT of the spectroscope and the target zero passage number NT are set (step 1000), and sampling is started (step 1002). Next, the output signal from the spectroscope (wavelength λT) is smoothed by the first stage digital filter to calculate time series data Yi, λT (step 1004). Next, the differential coefficients di and λT are calculated by the SG method (step 1006). Further, the smoothed differential coefficient time series data Di, λT is calculated by the second stage digital filter (step 1008).
[0068]
Next, the sign of the value sign of (Di-1, λT) * (Di, λT) is determined, and zero passage of the differential coefficient is detected when negative = true (step 1010). Further, the number of zero passes of the differential coefficient is added (n = n + 1) (step 1012), and the target zero pass number NT is compared with n (step 1014). If the target zero passage number NT has not been reached, the process returns to step 1004. If the target zero passage number NT has been reached, it is determined that the predetermined film thickness has been reached and the end of sampling is set.
[0069]
In this embodiment, a zero-pass pattern Pj having a differential waveform of a specific wavelength λT is set, and the film thickness of the material to be processed is obtained from the number of zero passes of the actual pattern, and the distance from the boundary surface is relatively large. Even with the value, the film thickness of the material to be processed can be accurately measured.
[0070]
Next, a fourth embodiment of the film thickness measuring method according to the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the specific wavelength in the interference light of the material to be processed is selected as the guide wavelength λG and the target wavelength λT, and the film thickness range of the material to be processed is obtained from the zero pass pattern of the differential value of the guide wavelength λG. The film thickness of the material to be processed within this film thickness range is obtained from the zero-pass pattern of the differential value of the target wavelength λT.
[0071]
In FIG. 11, signals of two specific wavelengths output as sampling signals by the spectroscope 11 are stored in a storage device (not shown) as time series data yi, λG and yi, λT. These time series data are then smoothed by the two first digital filter circuits 12 (12A, 12B) and stored in the storage device as smoothed time series data Yi, λG and Yi, λT. Based on these smoothed time series data, time series data di, λG and di, λT of differential coefficient values (primary differential values or secondary differential values) are calculated by two differentiators 13 (13A, 13B). And stored in a storage device. The time series data of these differential coefficient values are smoothed by the two second digital filter circuits 14 (14A, 14B) and stored in the storage device as smoothed differential coefficient time series data Di, λG and Di, λT. Is done. On the other hand, the differential waveform pattern database 15 is preliminarily set with data of zero pass patterns Pj of wavelengths λG and λT. Then, in the two differential waveform comparators 16 (16A, 16B), the smoothed differential coefficient time series data is compared with the zero-passing pattern Pj of the differential value to obtain the film thickness of the material to be processed.
[0072]
Also in this embodiment, the constituent elements 12A, 12B to 16A, 11B may be constituted by a computer having a CPU, a memory and the like.
[0073]
Here, the relationship between the data of the zero-pass pattern Pj of the wavelengths λG and λT will be described with reference to FIGS. In the figure, four zero passing points of the target wavelength λT correspond to the film thicknesses A, B, C, and D, respectively, and three zero passing points of the guide wavelength λG correspond to the film thicknesses a, b, and c, respectively. ing. The film thicknesses of the three zero pass points of the guide wavelength λ G corresponding to the respective film thicknesses a, b, c and the four zero pass points of the target film thicknesses A, B, C, D, ie, the target wavelength λ T, are obtained. The relationship to is as shown in FIG.
[0074]
Therefore, for example, when measuring the film thickness D as the target film thickness, the zero pass point of the guide wavelength λG corresponding to the film thickness c precedes the zero pass point of the target wavelength λT corresponding to the film thickness D. You can see that it appears. Thus, when three zero-passing points are detected at the guide wavelength λG and four zero-passing points are detected at the target wavelength λT, it can be seen that the target film thickness D is reached.
[0075]
The operation of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, from the target film thickness value and the film thickness pattern database, the spectroscope guide wavelength λ G, the target wavelength λ T, and the target zero passage times NG and NT for each wavelength are set (step 1400).
[0076]
Next, in order to know the target zero-passage number m of the guide wavelength λG, smoothed time series data Yi, λG is calculated from the output signal from the spectroscope (wavelength λG) by the first stage digital filter (step 1402). ). Further, the differential coefficients di and λG are calculated by the SG method (step 1404). Next, the smoothed differential coefficient time series data Di, λ G is calculated by the second stage digital filter (step 1406). Further, the zero passage of the differential coefficient is detected by the positive / negative determination (negative = true) of the (Di-1, λG) * (Di, λG) value sign (step 1410). When zero passage is detected, the number of zero passages of the differential coefficient is added (m = m + 1) (step 1412) and compared with the target zero passage number NG (step 1414). When the target zero passage number m is reached, Next, the process proceeds to a process of obtaining the target zero passage number n of the target wavelength λT.
[0077]
In order to obtain the target zero-passage number n of the target wavelength λT, first, smoothed time series data Yi, λT is calculated from the output signal from the spectroscope (wavelength λT) by the first stage digital filter (step 1416). . Next, the differential coefficients di, λT are calculated by the SG method (step 1418). Further, the smoothed differential coefficient time series data Di, λT is calculated by the second stage digital filter (1420). Next, zero passage of the differential coefficient is detected by positive / negative judgment (negative = true) of the (Di-1, λT) * (Di, λT) value sign (step 1422). When zero passage is detected, the number of zero passages of the differential coefficient is added (n = n + 1) (step 1424) and compared with the target zero passage number NT (step 1426). When the target zero passage number n is reached, Since the target film thickness is reached, the result is recorded and output, and the end of sampling is set.
[0078]
In this embodiment, since the film thickness is determined by the number of zero passes of the guide wavelength λG and the target wavelength λT, the film thickness of the material to be processed can be accurately measured even when the distance from the boundary surface is relatively large. .
[0079]
According to experiments by the inventors, taking the processing of the insulating film as an example, the zero-pass points of the first-order differential waveform pattern and the second-order differential waveform pattern for multiple wavelengths have the characteristics shown in FIG. That is, in the range where the film thickness is large, a zero passing point appears in both the primary differential waveform pattern and the secondary differential waveform pattern. However, when the film thickness is reduced, the zero passing point does not appear in the first-order differential waveform pattern. Therefore, in the range where the film thickness is large, any wavelength of the primary differential waveform pattern and the secondary differential waveform pattern may be set to the guide wavelength λG or the target wavelength λT. However, in the range where the film thickness is small, it is desirable that the wavelength of the first-order differential waveform pattern is the guide wavelength λG and the wavelength of the second-order differential waveform pattern is the target wavelength λT. For example, when the insulating film is to be processed using the characteristics shown in FIG. 15, when the guide wavelength λ G is 475 nm and the remaining film thickness is 50 nm, the target wavelength λ T is the wavelength 455 nm of the second-order differential waveform pattern, or 1 The wavelength of the second derivative waveform pattern is 475 nm. When the remaining film thickness is 15 nm or less, the target wavelength λT uses a second-order differential waveform pattern. When the remaining film thickness is 15 nm to 35 nm, the target differential wavelength λ T employs the primary differential waveform pattern m = 2 when the primary differential waveform pattern m = 1.35 nm to 100 nm.
[0080]
According to the film thickness measuring apparatus of the present invention described above, it is possible to accurately measure the film thickness of a material to be processed in a semiconductor device manufacturing process or the like. Therefore, it is possible to provide a method for performing etching of a material to be processed with high accuracy using this system. Hereinafter, a manufacturing process of such a semiconductor device will be described.
[0081]
First, FIG. 16 is a configuration example of an etching apparatus that employs the first embodiment of the present invention described with reference to FIGS. Data on the film thickness of the material to be processed in the display 17 is sent to the plasma generator 20 and used to control the plasma generation conditions in the vacuum vessel. For example, with respect to the material to be processed as shown in FIG. 17 (a), the generation of plasma in the vacuum container according to the film thickness obtained by the film thickness measuring apparatus of the present invention, that is, the progress of etching of the material to be etched. By changing the conditions, it becomes possible to perform an etching process having an appropriate shape as shown in FIG.
[0082]
Also in this embodiment, the constituent elements 12-16 may be constituted by a computer having a CPU, a memory and the like.
[0083]
Hereinafter, the procedure of the etching process will be briefly described.
First, the etching process conditions for the material to be processed are set. Among these, a target film thickness value corresponding to a processing pattern for each film of each layer of the material to be etched and a differential pattern extraction Pi for a predetermined wavelength region (at least three wavelength regions) for each film thickness; The determination value σ0 is included. Next, the material to be treated is carried onto the electrode, and the vacuum container is evacuated under reduced pressure. Then, a predetermined processing gas is introduced into the vacuum container, plasma is generated, and etching of the material to be processed is started. At the same time, the multi-wavelength emission intensity that changes with the progress of the etching that starts sampling of the interference light is detected by the photodetector as a photodetection signal having a voltage corresponding to the emission intensity. The photodetection signal of the spectroscope 11 is digitally converted to obtain sampling signals yi, j. Next, the multiwavelength output signal yi, j from the spectroscope is smoothed to calculate time series data Yi, j. Next, the coefficient (primary or secondary) di of the signal waveform is obtained by differentiation (SG method), and the smoothed differential coefficient time series data Di, j is calculated. Then, σ = Σ (Di, j−pj) 2 is calculated, and σ ≦ σ0 is determined. If σ ≦ σ0, the film thickness of the material to be processed is assumed to be a predetermined value, and the etching process is performed. , The processing gas is exhausted, and the material to be processed is carried out of the vacuum container.
[0084]
For example, when it is desired to set the film thickness to the C value shown in FIG. 2A, a standard pattern indicating the wavelength dependence of the differential values corresponding to the respective film thicknesses A, B, and C is set in advance, and at a plurality of wavelengths. When the coincidence rate of the actual pattern with respect to the standard pattern reaches within the judgment value σ 0, it is detected that the remaining film thickness of the material to be processed has sequentially changed to A and B, and processing conditions by plasma such as processing gas supply are appropriately set The process proceeds while controlling, and the etching process is terminated by controlling the film thickness to be accurately C.
[0085]
In some cases, the etching process may be stopped once it has been detected that the film thickness has reached a predetermined film thickness, for example, film thickness A, and the etching process may be resumed after performing the necessary processes and operations. Or you may make it perform the process which changes an etching process condition continuously according to a film thickness, measuring a film thickness correctly continuously.
[0086]
Further, the same plasma etching control may be performed by employing the measurement method of another embodiment of the present invention. The present invention can also be applied to processes such as plasma CVD, sputtering, CMP (chemical mechanical polishing), or thermal CVD.
[0087]
Next, FIG. 18 shows another configuration example of the etching apparatus employing the first embodiment of the present invention. Data on the film thickness of the material to be processed in the display 17 is processed by the control device 18 and sent to the plasma generator 20, the gas supply device 21, and the wafer bias power source 22 to control the plasma generation conditions in the vacuum vessel. Used for For example, when the thickness of the material to be etched is considerably large as in the hole processing of the insulating film, the etching is divided into two stages as shown in FIGS. 19 (a), 19 (b), and 19 (c). FIG. 19B shows the film thickness measured by the film thickness measuring apparatus of the present invention, that is, the progress of the etching of the material to be etched. As shown, it is possible to increase the processing speed and perform etching processing with an appropriate shape without over-etching the base material. Also in this case, the same control may be performed by adopting another embodiment of the present invention.
[0088]
Also in this embodiment, the constituent elements 12-16 may be constituted by a computer having a CPU, a memory and the like.
[0089]
In each of the embodiments described above, multi-wavelength radiated light is emitted from a spectroscope having a light source, and the film thickness is measured using interference light of reflected light from an object to be processed. On the other hand, multi-wavelength radiation emitted by plasma using a spectroscope without a light source may be used as the light source. For example, as shown in FIG. 20, the interference light is guided to the first spectrometer 11A by an optical fiber from a port provided on the upper wall of the vacuum vessel 2 so as to observe the interference light on the material to be processed by the plasma light from above. In order to observe the state of the plasma light from the other port provided on the side wall of the spectrometer vacuum vessel 2 by an optical fiber, this is guided to the second spectrometer 11B, and the light from both spectrometers is processed by the divider 19, You may make it guide to a differentiator and may be made to process by the method already described below. The spectrometers 11A and 11B have no light source. Also in FIG. 20, the constituent elements 13, 15, 16, and 19 may be configured by a computer having a CPU, a memory, and the like.
[0090]
According to the above method, an independent light source is unnecessary, and even when the plasma light changes, the film thickness can be measured stably and accurately. Further, since it is possible to detect that the plasma processing apparatus is changed with time and the processing time is increased due to an increase in the number of processed objects, a maintenance instruction can be issued.
[0091]
Next, an embodiment for improving the film thickness accuracy in the present invention will be described. In an actual etching process, the plasma may fluctuate during the etching process. Therefore, the accuracy of the film thickness value to be measured is deteriorated. FIG. 21 shows the change in film thickness during polysilicon etching of the underlying oxide film of 2.5 nm. The mark ● indicates the film thickness measurement value at each time obtained by the pattern comparison of the present invention. When the thickness of the polysilicon is thick at the beginning of etching and the intensity of interference light from the polysilicon is weak, or when there is a plasma fluctuation during the etching process, variations in the measured film thickness often occur. In such a case, the following processing is performed to improve the film thickness accuracy. The following processing is performed by the software of the computer.
[0092]
(1) The film thickness calculation is started at time T1 when the thickness of the polysilicon is thin (for example, 175 nm or less) and the plasma fluctuation is small, for example, when 30 seconds have elapsed from the start of the etching process. After time T1, (2) a regression line is calculated using past film thickness measurement values. (3) The film thickness measurement value deviating from the regression line is set as noise (for example, the allowable value of the film thickness measurement value not treated as noise is ± 10 nm). (4) Calculate the regression line again from the film thickness measurement value excluding noise. (5) The current film thickness value is calculated from the recalculated regression line to obtain the film thickness calculation value. Thereafter, the processes {circle around (2)} to {circle around (5)} are repeated every predetermined time to obtain the calculated film thickness at each time, and the above processes are performed until the calculated film thickness matches the final target film thickness value Thf. When the calculated film thickness reaches the final target film thickness value Thf, the etching process is terminated.
[0093]
Next, an embodiment relating to the etching processing state monitoring in the present invention will be described. The data string of the film thickness calculation values at each time described above is stored in the memory in the computer or the external recorder, and the stored data string is associated with the wafer processing number and made into a database. In this database, when the etching process end time exceeds, for example, ± 5% with respect to the scheduled etching process end time, or the calculated film thickness at an appropriate time during the etching process (for example, time T2), If, for example, ± 5% is exceeded with respect to the target film thickness value at T2 (Th2 in FIG. 21), a warning indicating that the etching process of this wafer process number is abnormal is issued.
[0094]
According to this method, the film thickness can be accurately calculated even when there are variations in the film thickness measurement value, and the etching process for accurately determining the target film thickness can be performed. Moreover, the state of the etching process can be monitored, and the number of wafers that can be processed can be minimized.
[0095]
【The invention's effect】
  According to the present invention,It is possible to provide a semiconductor wafer processing method and processing apparatus capable of more accurately detecting or controlling the amount of processing of a workpiece.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a longitudinal cross-sectional shape of a material to be processed during an etching process and an actual wavelength pattern of interference light.
FIG. 3 shows the wavelength of derivative time-series data of interference light corresponding to each film thickness (distance from the boundary surface) shown in A, B, and C of FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG.
4 is a flowchart showing a procedure for obtaining a film thickness of a material to be processed when performing an etching process with the film thickness measuring apparatus of FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
6 is a flowchart showing the operation of the embodiment of FIG.
FIG. 7 is an operation explanatory diagram of the embodiment of FIG. 5;
FIG. 8 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph for explaining the operation of the embodiment of FIG. 8;
FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the embodiment of FIG.
FIG. 11 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing a cross-sectional shape of a material to be processed that is etched in the embodiment of FIG.
13 is an operation explanatory diagram of the embodiment of FIG.
14 is a flowchart showing the operation of the embodiment of FIG.
15 is an operation explanatory diagram of the embodiment of FIG.
FIG. 16 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
17 is a view showing a cross-sectional shape of a material to be processed in the embodiment of FIG.
FIG. 18 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a cross-sectional shape of a material to be processed that is etched in the example of FIG.
FIG. 20 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a view showing a change in film thickness for explaining an eighth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Etching apparatus, 2 ... Vacuum container, 3 ... Plasma, 4 ... Material to be processed, 5 ... Sample stand, 8 ... Optical fiber, 10 ... Film thickness measuring apparatus, 11 ... Spectroscope, 12 ... 1st digital filter circuit, 13 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Differentiator, 14 ... 2nd digital filter circuit, 15 ... Differential waveform pattern database, 16 ... Differential waveform comparator, 17 ... Result indicator, 18 ... Control device, 19 ... Divider, 20 ... Plasma generator, 21 ... Gas supply device, 22... Wafer bias power source.

Claims (6)

真空処理室内に配置された半導体ウエハ表面の膜についてこの真空処理室内に形成したプラズマを用いて処理する半導体ウエハの処理方法であって、
前記処理中に前記真空処理室内の前記プラズマに面し前記半導体ウエハ表面から得られる複数の波長の干渉光が透過するポートを介して前記干渉光を受け前記複数の波長の各々の前記干渉光の強度の微分値を検出するステップと、
この検出された前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の前記波長をパラメータとするパターンと前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えた半導体ウエハの処理方法。
A semiconductor wafer processing method of processing a film on a surface of a semiconductor wafer disposed in a vacuum processing chamber using plasma formed in the vacuum processing chamber,
During the processing, the interference light is received through a port facing the plasma in the vacuum processing chamber and through which interference light of a plurality of wavelengths obtained from the surface of the semiconductor wafer is transmitted, and the interference light of each of the plurality of wavelengths is transmitted. Detecting a differential value of intensity;
The pattern for the predetermined amount of the processing previously obtained for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the pattern having the wavelength as a parameter of the differential value of the detected intensity of the interference light of the plurality of wavelengths. And a step of detecting a processing amount for the film during processing based on a differential value pattern of the intensity of interference light having a wavelength of.
請求項1に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記検出される処理の量に基づいて前記半導体ウエハの前記膜の処理を調節するステップを備えた半導体ウエハの処理方法。
A method for processing a semiconductor wafer according to claim 1, comprising:
A method of processing a semiconductor wafer, comprising the step of adjusting the processing of the film of the semiconductor wafer based on the detected amount of processing.
請求項1または2に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンと、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の少なくとも3つの異なる前記所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えた半導体ウエハの処理方法。
A method of processing a semiconductor wafer according to claim 1 or 2 ,
Interference of the plurality of wavelengths with respect to at least three different predetermined amounts of the processing obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer and a pattern of differential values of the intensity of interference light of the plurality of wavelengths And a step of detecting an amount of processing for the film being processed based on a pattern of differential values of light intensity.
真空容器内の試料台上に配置された処理対象の半導体ウエハ表面の膜についてこの真空容器内に形成されたプラズマを用いて所定の処理を行う半導体ウエハの処理装置であって、
前記真空容器内の前記プラズマに面してこの真空容器内の光が透過するポートと、前記処理中に前記半導体ウエハ表面からの複数の波長の干渉光を前記ポートを介して受光する測定装置を有し、
この測定装置において受光した前記複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出し、この検出された前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の前記波長をパラメータとするパターンと前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出する機能を備えた半導体ウエハの処理装置。
A semiconductor wafer processing apparatus for performing predetermined processing on a film on a surface of a semiconductor wafer to be processed disposed on a sample stage in a vacuum vessel, using plasma formed in the vacuum vessel,
A port that faces the plasma in the vacuum vessel and transmits light in the vacuum vessel; and a measuring device that receives interference light of a plurality of wavelengths from the surface of the semiconductor wafer through the port during the processing. Have
Detecting a differential value of the intensity of each of the interference light beams of the plurality of wavelengths received by the measuring apparatus, and a pattern using the detected wavelength of the differential value of the interference light intensity of the plurality of wavelengths as a parameter; Based on a pattern of differential values of the intensity of interference light of the plurality of wavelengths with respect to a predetermined amount of the processing obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer, the processing of the film being processed A semiconductor wafer processing apparatus having a function of detecting a quantity.
請求項4に記載の半導体ウエハの処理装置であって、
前記検出される処理の量に基づいて前記半導体ウエハの前記膜の処理を調節する半導体ウエハの処理装置。
The semiconductor wafer processing apparatus according to claim 4,
A semiconductor wafer processing apparatus for adjusting the processing of the film of the semiconductor wafer based on the detected amount of processing.
請求項4に記載の半導体ウエハの処理装置であって、
前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のパターンと、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の少なくとも3つの異なる前記所定の量に対する前記異なる波長の干渉光の強度の微分値のパターンとに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出する半導体ウエハの処理装置。
The semiconductor wafer processing apparatus according to claim 4,
The pattern of the differential value of the intensity of the interference light of the plurality of wavelengths and the interference light of the different wavelengths with respect to at least three different predetermined amounts of the processing obtained in advance for a semiconductor wafer having substantially the same configuration as the semiconductor wafer A processing apparatus for a semiconductor wafer, which detects a processing amount for the film being processed based on a pattern of differential values of the intensity.
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