JP3887238B2

JP3887238B2 - 絶縁膜のエッチング方法

Info

Publication number: JP3887238B2
Application number: JP2002007437A
Authority: JP
Inventors: 建人臼井; 健吉岡; 祥二幾原; 廣治西畑; 主人高橋; 哲徳加治; 中元　　茂
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP2002280368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁膜の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】
半導体ウエ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、半導体ウエ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エ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、ウエ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(半導体ウエ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Semiconductor 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）、ＨＳＱ（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エハであっても、半導体ウエ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を用いた絶縁膜のエッチング方法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絶縁膜のエッチング方法を提供することにある。
【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を用いた絶縁膜のエッチング方法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を用いた絶縁膜のエッチング方法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、試料の表面に配置され酸化シリコンよりも誘電率の小さな低誘電率の材料による第１の絶縁膜の層及び第２の絶縁膜の層と、これら第１、第２の絶縁膜の層の境界に形成され該絶縁膜のバルクとは状態の異なる界面とを含む層構造に配線を形成するためにプラズマを用いて前記層構造をエッチングするエッチング方法であって、前記第１の絶縁膜のエッチングを開始して後、このエッチングを行いつつ前記プラズマの光に関する信号を検出し、検出された前記プラズマ光に関する信号を微分処理して得られた値を予め設定された値と比較して前記第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との境界の前記界面のエッチングを検知し、この検知した結果にもとづいて前記層構造の前記第２の絶縁膜のエッチングを調節することにある。
【００２０】
本発明の他の特徴は、前記エッチング方法であって、前記検知した結果に基づいて前記エッチングの条件を異ならせて前記第２の絶縁膜をエッチングすることにある。
【００２１】
本発明の他の特徴は、前記いずれかのエッチング方法であって、前記エッチングを開始した時点から前記境界に達するまでの時間を測定し、この測定したデータを用いて得られたエッチング速度を検出することにある。
【００２２】
本発明の他の特徴は、前記いずれかのエッチング方法であって、前記プラズマからの発光を検出して得られた信号の波形を第１のデジタルフィルタを用いてノイズを低減するステップと、このステップにより得られた信号を微分処理してこの信号の１次または２次の微係数の信号を求めるステップと、前記１次または２次の微係数の信号を第２のデジタルフィルタを用いてノイズを低減するステップと、このステップにより得られた結果と予め設定された値とを比較して前記境界のエッチングを検知するステップとを備えたことにある。
【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を抑制できる。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エハであっても、半導体ウエ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、ウエ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、半導体ウエハのエッチングを説明する。まず、図１を用いて、半導体ウエ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エ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、半導体ウエ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、ＤＡ変換器２３およびＣＰＵ３０を備えている。ＣＰＵ３０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、ＲＯＭ３１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ＲＡＭ２１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Ｙｉ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でウエ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、ウエ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エ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（１０１）。
【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。
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。
【００３５】
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（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、（Ｄ_i−Ｌ）＊（Ｄ_i-1−Ｌ）を求める（１１１）。
【００３６】
次に、（Ｄ_i−Ｌ）＊（Ｄ_i-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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
サンプリング信号Ｉ_i 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±１０Ｖ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２.５Ｖ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。
【００４０】
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）。ＡＤ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Ｉ_i を取得する（１０１３）。このサンプリング信号Ｉ_i をＲＡＭ２１に収納する（１０１４）。
【００４１】
次に、ＣＰＵ３０は前記サンプリング信号値Ｉ_i 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（１０１６）。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ΔＩ_i を取得する（１０１７）。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Ｉ_i とΔＩ_i との加算値を光検出信号の時系列データｙ_i 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ｙ_i の信号強度比較演算や微分処理演算などを行う。
【００４２】
本発明のオートオフセット制御は、次の点に特徴がある。
【００４３】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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ｙ_i 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ｙ_i 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。
【００５４】
次に、センス電圧設定の処理について説明する。
【００５５】
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１３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。
【００５６】
Ｉ＝Ｈｖ^a (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。
【００５７】
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。
【００５８】
Ｖ₁＝Ｈｖ₀／５０＊Ｅｘｐ(１／ａ×Ｌｏｇ（Ｉ₁／(Ｉ₀−Ｉ_d))−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、I_d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。
【００５９】
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。
【００６０】
この暗電流を求めるタイミングであるが、例えばウエハがチャンバへ搬入後プラズマ発生前に測定する、もしくはウエ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。
【００６１】
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。
【００６２】
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１Ｖ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。
【００６３】
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（１０３１）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（１０３３）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）。
【００６４】
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（１０４０）、センス調整及びゲイン補正終了とする（１０４１）。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（１０３８）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。
【００６５】
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。
【００６６】
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２Ｖ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。
【００６７】
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、ゲインによるウエハ毎の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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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（Ｓ−Ｇ法）を用いて式（７）から以下のように算出される。

ここで、w−２=2、w−１=-1、w０=-2、w１=-1、w２=2、である。Ｓ−Ｇ法の係数の算出は、参考文献：Ａ．Ｓａｖｉｔｚｋｙ、Ｍ．Ｊ．Ｅ．Ｇｏｌａｙ著“ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ”３６（１９６４）ｐ１６２７に示されている。
【００７１】
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＋ｂ３ｄｉ−２−[ａ２Ｄｉ−１＋ａ３Ｄｉ−２] ・・・・・・・・（８）
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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、１０２’）。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。
【００９０】
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、（Ｄ_i−Ｌ）＊（Ｄ_i-1−Ｌ）を求める（１１１）。
【００９１】
次に、（Ｄ_i−Ｌ）＊（Ｄ_i-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。
【００９２】
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。
【００９３】
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１９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。
【００９４】
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２０２、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２０６、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。
【００９５】
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２０５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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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、１０ｓ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。
【０１００】
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、ｌｏｗ−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。
【０１０１】
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（３１０）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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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、ｌｏｗ−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４０３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。
【０１０５】
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２０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ｌｏｗ−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５０３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。
【０１０６】
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５０６とのコンタクト用の穴である。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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６０２、ＳＯＧなどの酸化膜６０３、窒化シリコン膜６０４、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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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６０２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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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ＯＮ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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
(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。
【０１２０】
(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。
【０１２１】
(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。
【０１２２】
【発明の効果】
以上、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できる絶縁膜のエッチング方法を提供することができる。
【０１２３】
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エハであっても、半導体ウエ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、ウエ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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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を抑制できる。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】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、１５…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。

Claims

試料の表面に配置され酸化シリコンよりも誘電率の小さな低誘電率の材料による第１の絶縁膜の層及び第２の絶縁膜の層と、これら第１、第２の絶縁膜の層の境界に形成され該絶縁膜のバルクとは状態の異なる界面とを含む層構造に配線を形成するためにプラズマを用いて前記層構造をエッチングするエッチング方法であって、
前記第１の絶縁膜のエッチングを開始して後、このエッチングを行いつつ前記プラズマの光に関する信号を検出し、
検出された前記プラズマ光に関する信号を微分処理して得られた値を予め設定された値と比較して前記第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との境界の前記界面のエッチングを検知し、この検知した結果にもとづいて前記層構造の前記第２の絶縁膜のエッチングを調節するエッチング方法。
請求項１に記載のエッチング方法であって、前記検知した結果に基づいて前記エッチングの条件を異ならせて前記第２の絶縁膜をエッチングするエッチング方法。
請求項１ないし２のいずれかに記載のエッチング方法であって、
前記エッチングを開始した時点から前記境界に達するまでの時間を測定し、この測定したデータを用いて得られたエッチング速度を検出するエッチング方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載のエッチング方法であって、
前記プラズマからの発光を検出して得られた信号の波形を第１のデジタルフィルタを用いてノイズを低減するステップと、このステップにより得られた信号を微分処理してこの信号の１次または２次の微係数の信号を求めるステップと、前記１次または２次の微係数の信号を第２のデジタルフィルタを用いてノイズを低減するステップと、このステップにより得られた結果と予め設定された値とを比較して前記境界のエッチングを検知するステップとを備えたエッチング方法。