JP7110492B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ処理装置およびそれを用いたプラズマ処理方法に関する。
特許文献１には、エッチング処理の歩留まりを向上させるため、処理対象の膜の残り厚さを精密に検出する技術が開示されている。エッチング処理対象は、下地膜上に被処理膜が積層された膜構造を有するウエハであり、プラズマからの光が膜構造に照射されることにより、膜間の境界、界面部で反射して反射光を発生する。下地膜からの反射光と被処理膜からの反射光との間には光路差が生じるため、干渉光が形成される。干渉光の強度は、エッチングの進行に伴い、被処理膜の残り厚さが減少することに応じて変化する。そこで、特許文献１開示の技術においては、処理中に得られるウエハからの干渉光強度の実パターンデータと、あらかじめ参照用として用意した干渉光強度の実パターンデータとを比較した結果を用いて、ウエハ処理中の任意の時刻における被処理膜のエッチング量を算出する。
特開２０１６－１８４６３８号公報
特許文献１においてエッチング処理の被処理膜として想定されているのは平面的に形成された膜、あるいはウエハの最上層に形成された膜である。これに対して、３次元化の進んだ半導体デバイスにおいては、２種類以上の膜が互いに積層した多層膜（積層構造体）に対して、そのうちの１種類の膜を選択的に横方向へエッチングするプロセスを有する場合がある。例えば、次世代３Ｄ－ＮＡＮＤフラッシュメモリのゲート電極を形成する工程には、タングステン膜と絶縁膜との積層構造体に形成された高アスペクト比の微細な幅の溝から、タングステン膜を横方向（溝の上下深さ方向に対する水平方向）にエッチングする処理が含まれている。従来、このような横方向エッチングについては、エッチングを行う時間によって、エッチング量を制御していた。エッチング量は、エッチング前後のウエハの重さの違いによって計測することができる。しかしながら、半導体デバイスの微細化により、例えば、原子層レベルの高い精度でタングステン膜をエッチングすることが求められるとすると、時間制御ではもはや困難であり、エッチング量をモニタして、エッチングの終点を判定することが必要になると考えられる。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
基板上に絶縁膜と金属を含む被処理膜とが交互に積層される多層膜が形成されたウエハに対して、被処理膜のプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置であって、真空容器内に配置される処理室と、処理室内に配置され、ウエハが載置される試料台と、ウエハに照射された光がウエハで反射した反射光を検出する検出部と、ウエハへのプラズマ処理を制御する制御部と、反射光の光スペクトルの波長方向の振動の振幅の変化に基づき、被処理膜へのエッチングの終点を判定する終点判定部とを有し、制御部は、終点判定部による終点の判定を受けて、ウエハへのプラズマ処理を停止する。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。被処理膜のエッチング量を処理中にモニタリングして終点判定が可能となることにより、エッチング処理の歩留まりを向上させることができる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
プラズマ処理装置の概略構成図である。 多層膜の横方向エッチング処理の概略を示すフローチャートである。 被処理膜の横方向エッチングの終点を判定するフローチャートである。 横方向エッチング前の積層構造体の縦断面図である。 横方向エッチングが進行途中の積層構造体の縦断面図である。 横方向エッチング後の積層構造体の縦断面図である。 横方向エッチング中の積層構造体に外部光を照射することにより検出される光スペクトルである。 図５に示した光スペクトルについて、波長λaの光強度Ｉ（λa）と波長λbの光強度Ｉ（λb）との強度比（Ｉ（λa）／Ｉ（λb））の時間変化を示す図である。 図５に示した光スペクトルについて、波長λaの光強度Ｉ（λa）と波長λbの光強度Ｉ（λb）から求めた振幅強度（Ｉ（λa）－Ｉ（λb））の時間変化を示す図である。 図５に示した光スペクトルについて波長方向に１次微分処理を行って得た１次微分光スペクトルである。 図８Ａに示した１次微分光スペクトルの振幅強度の時間変化を示す図である。 図５に示した光スペクトルについて波長方向に２次微分処理を行って得た２次微分光スペクトルである。 図９Ａに示した２次微分光スペクトルの振幅強度の時間変化を示す図である。 被処理膜の横方向エッチングの終点を判定するフローチャートである。 ウエハからの反射光を検出部で検出した光スペクトルである。 ＦＦＴ処理に用いるスペクトルデータである。 ＦＦＴ処理によって得られたパワースペクトルである。 パワースペクトルの時間変化を示す図である。 パワースペクトルのピーク値の時間変化を示す図である。 プラズマ処理装置の概略構成図である。 比較例のエッチング量測定方法の原理を説明するための図である。
図４Ａ～Ｃに、半導体ウエハなどの基板上に形成された積層構造体にプラズマエッチングを施すことによる時間的な変化を模式的に示す。図４Ａは、エッチング前の積層構造体の縦断面図である。下地膜（シリコン基板）４０１上に、エッチング処理対象のタングステン膜４０２と絶縁膜である酸化シリコン膜４０３とが交互に積層された多層膜（積層構造体）に高いアスペクト比の溝４１１が形成されている。図４Ｂは、横方向エッチングが進行途中の積層構造体の縦断面図である。タングステン膜４０２をエッチングするためにフッ素を含有するガスを用いてプラズマを形成する。プラズマ中のフッ素を含む反応種４０４が溝４１１内に供給され、タングステン膜４０２表面と反応してタングステンを含む反応生成物４０５が生成される。反応生成物４０５が上方に除去されることにより、タングステン膜４０２のエッチングが進行する。図４Ｃは、エッチング後の積層構造体の縦断面図である。
発明者らは、干渉光強度を用いて横方向エッチングのエッチング量をモニタする方法について検討した。データの取得方法の詳細については後述するが、図４Ａ～Ｃに示した積層構造体の横方向エッチング中に外部光源からの光（外部光）を照射して、反射光を検出すると、図５のような光スペクトル（波長ごとの光の強度を示す波形）が観測される。図５は、横方向エッチングを開始してから、５秒後（細実線）、１０秒後（破線）、１５秒後（太実線）の光スペクトルを示している。
検出される波長ごとの光の強度は、主にウエハに照射された光源の波長ごとの光の強度と処理中の積層構造体の分光反射率によって決まる。エッチング開始前は、図４Ａに示すように、溝４１１側のタングステン膜４０２と酸化シリコン膜４０３の端の位置は一致している。タングステンは金属としての性質を持ち、紫外～赤外領域における各波長の反射率が凡そ１であるため、エッチング開始前においては照射されたほとんどの外部光が最上層のタングステン膜で反射されることにより、外部光の光スペクトルがほぼそのまま検出される。
次に、タングステン膜４０２の横方向エッチングが進行した状態では、図４Ｂに示すように、酸化シリコンとタングステンとが境を接して上下方向に積層した領域４２０と、タングステンが除去された領域、いわば、酸化シリコンと真空とが境を接して上下方向に積層した領域４２１とが存在する。この状態において、領域４２０に照射された外部光のほとんどは、最上層のタングステン膜で反射された光が検出される。一方、領域４２１に照射された外部光は、酸化シリコンの屈折率に従って反射および透過する。領域４２１は複数の膜が積層された構造であるため、各層の酸化シリコン膜において多重反射が起こり、干渉光となって検出される。
干渉光の強度は、図５に示すように波長方向に振動し、その振動の周期および位相は、多重反射した膜の材質および各層の膜厚さに依存する。領域４２１の積層膜を構成する材質は酸化シリコンと真空であることから、検出されるスペクトルの振動の周期は、真空は屈折率１であるため無視でき、上下方向に積層した酸化シリコン膜の膜厚さによって決まる。
以上より、図４Ａ～Ｃに示す横方向エッチング中の積層構造体に外部光を照射することにより検出される光スペクトルは、領域４２０からの反射光強度と領域４２１からの干渉光強度との和であり、さらに、積層構造体のタングステン膜のエッチング処理が進行することで、領域４２０および領域４２１の幅、言い換えればウエハ表面における開口率が変化することにより、横方向エッチングが進行するにつれて検出される光スペクトルは、領域４２０からの光強度と領域４２１からの光強度の割合が変化することによって変化する。タングステン膜と酸化シリコン膜の積層構造においてタングステン膜を加工するプロセスでは、酸化シリコン膜に対する選択比が非常に高く、領域４２１の上下方向の各層の厚さはエッチング処理中に変化しないため、領域４２１からの干渉光の波長方向の振動の周期および位相はエッチング期間を通じて変化しない。
図５に示すようなエッチング中に現れる光スペクトルから横方向エッチングの進行状況を推定することを検討する。一案（比較例）として、所定の波長における光強度の時間変化を用いることを検討する。図１５は、図５の光スペクトルについて、波長515nm（丸印）、574nm（三角印）、658nm（四角印）における光強度の時間変化を示したものである。上述のように、領域４２１からの干渉光の波長方向の振動の周期および位相はエッチング期間を通じて変化しないので、特定波長における光強度は、ウエハ表面における領域４２０と領域４２１との比率によって決定されることとなる。領域４２１からの単位面積当たりの干渉光強度に対して、領域４２０からの単位面積当たりの反射光強度の方が大きいため、各波長において光強度は単調減少する。
このように、理論的には、光スペクトルにおける、ある波長における強度変化の時間変化からエッチングの進行状況を検出できる。しかしながら、実際には検出器から検出される光強度にはさまざまなノイズ成分が加算されているため、時間微分等の信号処理を行って、信号成分とノイズ成分とを分離することが一般的である。ところが、この場合、信号成分が時間に対して単調減少するため、所定の波長の光量に対して時間微分を施すと、光量の時間変化率がエッチング量にかかわらず一定であるため、光強度と横方向エッチング量との対応関係が失われてしまう。このため、図１５の関係から横方向エッチング量を推定するには、ノイズ成分を除去するための信号処理に制約を受けてしまうことにより、精度面での限界がある。
これに対して、本実施例のエッチング終点判定方法では、光スペクトルの波長方向の振動を利用して精度よくエッチング量を測定する。以下、図面を参照して、エッチング量を精度よく制御可能な終点判定部を備えたプラズマ処理装置の構成、その終点判定方法について説明する。
（プラズマ処理装置）
図１にプラズマ処理装置１の概略構成を示す。プラズマ処理装置１は真空容器内部に配置される処理室１０を備えている。処理室１０の上方及び周囲には、図示しない同軸ケーブルとアンテナ、あるいはマイクロ波を伝播する導波管などの電界発生器、またはソレノイドコイルなどの磁界発生器が配置される。電界発生器または磁界発生器に高周波電力が供給され、高周波電界または高周波磁界が処理室１０内部に供給される。
また、処理室１０の天井面には、その内部に試料台１４上面に載せられて保持されるウエハ１６を処理するためのガスが導入される複数の導入孔が配置されている。これら導入孔には、図示しない配管などのガス供給路とその上流に配置される流量調節機（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）とを備えるガス導入機構が連結されている。
プラズマ処理されるウエハ１６は、試料台１４の誘電体で構成された載置面に静電気により吸着されて保持される。ウエハ１６の裏面と試料台１４の載置面との間にはHeガスなどの熱伝達用のガスが供給されることにより、ウエハ１６と試料台１４との間の熱伝導が促進されている。
また、処理室１０を内蔵する真空容器の下方には、処理室１０内部のガスや粒子を排気して内部を減圧するターボ分子ポンプなどの排気装置が配置されている。排気装置は、試料台１４下方の処理室１０の底面に配置された排気口と連通され、これらの間の排気管路には、内側の流路の断面積を増減して排気の流量またはその速度を変化させる排気調節バルブが配置されている。
排気装置の動作により減圧された処理室１０の内部に、ガス導入機構によりエッチング処理用ガスが導入され、排気量とガス供給量とのバランスにより、処理室１０内の圧力がプラズマ処理の開始に適した圧力に調節される。この状態で、高周波電界または高周波磁界が供給され、相互作用によりエッチング処理用ガスの原子または分子が電離または解離して、処理室１０内の試料台１４上方の空間にプラズマ１２が形成される。
本実施例では、このプラズマ中の荷電粒子及び解離して高い反応性（活性）を有する活性種の粒子がウエハ１６の上面に拡散または誘導されて、ウエハ１６に形成された多層膜における処理対象の膜（被処理膜）がエッチング処理（プラズマ処理）される。
処理室１０内に導入するガスの種類の選択、ガスの導入量や排気量、プラズマ１２の着火、生成及び消火、そのための電界や磁界の強さやその分布の制御、ウエハ１６の搬送と試料台１４上での保持、試料台１４内に配置される電極へのバイアス電位形成用の高周波電力の供給、停止などを含むプラズマ処理装置１の動作は、それぞれの動作を行う各機器と通信可能に接続された制御部４０からの指令信号に基づいて行われる。制御部４０は、使用者が所望するエッチング処理の結果が得られるように、各機器間の同期やタイミングを調節する機能を有している。
さらに、本実施例のプラズマ処理装置は、プラズマ処理されるウエハ１６のエッチング量を測定するためのモニタ、終点判定部を備えている。これらの構成の詳細については後述する。
（横方向エッチングプロセス）
ウエハ１６上には、図４Ａに示したようなタングステン膜を含む積層膜が形成されているとする。図２は、ウエハ１６に形成されたタングステン膜を含む積層膜のエッチング処理の概略を示すフローチャートである。
ステップ２０１：処理室１０にフッ素を含有する有機ガスを導入する。フッ素を含有する有機ガスとしては、Ｃ４Ｆ８やＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆなどの他、これらのガスをアルゴンや窒素、酸素などで希釈した混合ガスでもよい。
ステップ２０２：処理室１０内にプラズマ１２を生成し、フッ素を含む有機ガスの原子または分子が活性化されて生成されたＣＦｘなどのラジカル（活性種）がウエハ１６の表面に供給され、タングステン膜の表面に付着する。ここでタングステン膜とは、タングステン単体膜に限られず、タングステンを含む複数の元素を含む金属膜であってもよい。例えば、ＷＮ膜やＷＳｉ２膜のようなものであってもよい。ラジカルなどの反応性を有する粒子は付着したタングステン膜表面の材料と反応してフルオロカーボン層を形成する。形成されるフルオロカーボン層の厚さは、プラズマ１２の生成条件や試料台１４の温度などの処理条件に依存する。
タングステン膜の表面に生成するフルオロカーボン層の組成としては、ＣＦｘの他、水素を含有するプラズマを用いた場合に生成されるＣＨｘＦｙなどが挙げられる。ＣＨｘＦｙはハイドロフルオロカーボン層と呼ばれるが、ここではハイドロフルオロカーボン層も含めて、フルオロカーボン層という呼称を用いる。タングステン膜の表面とフルオロカーボン層との境界には、タングステン及びフッ素を含み自己飽和性を有した中間層が形成される。形成される中間層の厚みは試料台１４あるいはウエハ１６の表面の温度に応じて変化する。このため、中間層の厚さは、試料台１４の温度を制御することにより調整される。
ステップ２０３：所定の厚さの中間層が形成されたことが検出器により、あるいは予め定められた時間の経過の確認等により、制御部４０によって確認された後、排気調節バルブを制御して調圧真空排気配管の流路断面積を大きくすることにより排気量を増大させ、処理室１０内部を大きく減圧させて処理室１０内に供給されたフッ素を含む有機ガスを速やかに排気する。これによりフルオロカーボン層の形成処理が終了する。このとき、有機ガスと置換するようにＡｒなどの不活性（希）ガスを処理室１０内部に供給し、有機ガスの排出を促進させてもよい。
ステップ２０４：フルオロカーボン層と中間層とを除去するための反応ガスとして、酸素を含むガスを処理室１０内に導入する。酸素を含むガスとしては、Ｏ２やＯ３などのほか、これらのガスをアルゴンや窒素などで希釈した混合ガスでもよい。
ステップ２０５：処理室１０内にプラズマ１２を生成し、ガスの原子または分子が活性化されて生成されたラジカル（活性種）がウエハ１６の表面に供給される。その結果、酸素のラジカルを含む活性種とフルオロカーボン層および中間層との反応が生起され、揮発性を有する反応生成物が生成される。反応生成物がその揮発性のため積層膜から昇華あるいは脱離することによって、タングステン膜の表面から除去される。
反応生成物としては、例えばＣＯやＣＯ２、ＣＯＦｘ、ＷＦｘ、ＷＯｘＦｙなどが挙げられる。ウエハ１６から脱離したこれらの反応生成物の粒子は、排気調節バルブ及び排気装置の動作による処理室１０内部の排気動作、これによって生じる処理室１０内部の粒子の流れによって処理室１０から排出される。
ステップ２０６：処理室１０から酸素を含むガスを排気する。
以上のステップ２０１～２０６を一纏まりとした１サイクルによってフルオロカーボン層とともに中間層が除去されることにより、タングステン膜がこれらの層の厚さの分だけ除去される。
（モニタ）
本実施例のプラズマ処理装置１は、図１に示すように、プラズマ処理中に横方向エッチングにより形成される横溝深さを反映するエッチング量を測定するモニタを備えている。モニタは、処理室１０内に照射する外部光を発光する光源部１８、処理室１０の天井面に配置され、光ファイバで連結された光源部１８からの外部光を処理室１０内のウエハ１６に照射するレンズ２０、処理室１０の天井面に配置され、処理室１０内のウエハ１６から反射される光を受光するレンズ２６、レンズ２６と光ファイバで連結され、受光された光の強度を検出する検出部２８、検出部２８からの検出信号からプラズマ処理中のウエハ１６のエッチング量に基づきエッチングの終点を判定する終点判定部３０を備えている。終点判定部３０の行った終点判定情報や検出信号から算出されるエッチング量は表示部３１に表示される。
光源部１８からの外部光は、光ファイバを伝播してレンズ２０を介して処理室１０の天井面から導入され、照射光２２としてウエハ１６の上面に照射される。光源部１８の照射する外部光としては紫外から赤外までの連続光を用いるものとする。なお、連続光を発光する光源ではなく、終点判定方法に応じて、特定波長の光を発光する光源を用いてもよい。照射光２２がウエハ１６に照射されることによる反射光２４は、検出用のレンズ２６で集光される。図４Ａ～Ｃを用いて説明したように、反射光２４は、領域４２０からの反射光と領域４２１からの反射光とを含んでいる。レンズ２６で集光された反射光２４は光ファイバを伝播して検出部２８に導入される。
検出部２８は分光器を備え、導入された反射光を分光器により複数の波長に分離し、波長ごとに光の強度を検出する。特定波長の光強度からエッチングの終点判定を行う場合には、フォトディテクタを用い、モノクロメータなどをその前段に設けることにより、特定波長の光を選択的に検出することができる。また、光源として特定波長の光源を用いる場合には、フォトディテクタによって直接検出すればよい。
図１に示すように、レンズ２０及びレンズ２６は処理室１０の天井面に配置される。しかしながら、一般的にウエハ１６の直上にはガス導入口や反応ガスなどを処理室１０に均等に供給するためのシャワープレートなどが設置されているため、レンズ２０及びレンズ２６をウエハ１６の直上に配置できない場合がある。そのような場合には、照射光２２、反射光２４の光路が妨げられないよう、レンズ２０及びレンズ２６を互いに距離をあけて配置する。この場合、照射光２２の光路及び反射光２４の光路（反射光２４の光路は、照射光２２がウエハ１６で鏡面反射されて形成される光路とする）とレンズ２０の光軸及びレンズ２６の光軸がそれぞれ一致するよう、レンズを処理室１０の天井面に傾斜させて配置することが望ましい。
なお、ウエハ１６の直上にレンズを配置することが可能な場合には、照射光２２と反射光２４の光路が同一となるようにして、レンズ２０とレンズ２６とを１つのレンズで構成してもよい。この場合、１つのレンズの光軸はウエハ１６に対して垂直とされ、照射光２２はウエハ１６に対して垂直に照射され、垂直に反射した反射光２４が検出される。
さらに、光源部１８、レンズ２０，２６及び検出部２８の組を複数備え、ウエハ１６上面の半径方向について複数の箇所でエッチング量の検出、終点の判定を行う構成としてもよい。この場合、複数の箇所で検出したエッチング量に対して重み付けをして求めたエッチング量の重み付け平均に基づき、プロセスの停止を制御することが可能である。
検出部２８は、ウエハ１６からの反射光２４の強度を検出し、検出信号は、終点判定部３０に送信され、後述する判定方法にしたがって横方向エッチングされたウエハ１６のエッチングの終点が判定される。
（横方向エッチング終点判定方法）
図３は、終点判定部３０がウエハ１６の被処理膜の横方向エッチングの終点を判定するフローチャートである。
本実施例における横方向エッチング終点判定方法では、横方向エッチング処理期間中における光スペクトルの波長方向の振動の振幅に着目する。図５の例では、およそ500～600nmの波長範囲において顕著であるが、波長方向の振動の振幅が、エッチング期間が長くなるにつれて大きくなっていることが分かる。この振幅の拡大は、ウエハからの反射光に占める、領域４２１（図４Ｂ参照）からの干渉光の割合が、エッチングの進行について大きくなっているためであると考えられる。このことは、波長方向の振幅の時間変化に基づいて、横方向エッチング量を算出できることを意味する。そこで、図３のフローチャートでは、ウエハ上に形成されたエッチング対象である多層膜に対して、ウエハからの反射光の光強度を計測する２波長を設定し、２波長の反射光の強度比が所定の設定値に達したときにエッチングの終点を判定する。
まず、ウエハ上に形成された横方向エッチング対象である多層膜に対して、光強度を測定する２波長を設定し、ウエハのエッチングの終点とする２波長の反射光の強度比を設定する（ステップ３０１）。この設定値は制御部４０のＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk-Read only memory）といった外部記憶装置やＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭといった半導体メモリ装置等の記憶装置に記憶され、制御部４０により読み出された設定値のデータが制御部４０と通信可能に構成された終点判定部３０に送信され、エッチングの終点の判定に用いられる。
ここで、モニタする２波長は、２波長での光強度の比に、波長方向の振幅の時間変化が反映される２波長を選択すればよい。ただし、光強度の比の変化が大きく表れるほど、ノイズ等に対してロバストな測定が行えるため、図５の例であれば、550nm近傍の光スペクトルの波長方向の振動の山となる波長と谷となる波長とを２つの波長として選択することが望ましい。このように、好適な波長は、エッチング対象である積層構造体の材料、外部光源の種類、すなわち外部光（照射光）の有する光スペクトルの特性によって変わってくるので、測定する２波長はエッチング対象とする積層構造体に応じて設定する。
制御部４０はウエハの処理を開始し、処理中に得られるウエハからの反射光の光スペクトルを検出部２８で検出する。検出された光スペクトルは、終点判定部３０に入力される（ステップ３０２）。ここで、検出される反射光の光強度は、エッチング終点条件として設定した少なくとも２波長の光強度を含んでいればよく、連続光の光スペクトルであっても、測定波長として設定された２波長の光強度であってもよい。
次に、終点判定部３０は、入力された２波長の光強度データについて、ステップ３０１で設定した強度比と同じ計算式により、強度比（測定強度比とよぶ）を算出する（ステップ３０３）。
次に、終点判定部３０は、測定強度比と設定値とを比較する（ステップ３０４）。測定強度比が設定値未満であると判定された場合には、ステップ３０２の処理に戻る。測定強度比が設定値以上であると判定されると、目標のエッチング量に到達したと判定し、プロセスを終了させる信号を制御部４０に発信する（ステップ３０５）。
制御部４０はプロセス終了信号を受けて、プラズマ処理装置１の各機構にプロセス終了するための指令信号を発行する。具体的には、高周波電界または高周波磁界の生成を停止し、試料台１４内の電極への高周波電力の供給を停止することで、プラズマ１２が消火されエッチング処理が停止される。
その後、ウエハ１６の静電気による試料台１４への吸着が解除され、処理室１０外部に搬送され、必要に応じて次のウエハ１６の処理が開始される。このとき、ウエハに応じてエッチング処理の制御パラメータが変更されてもよい。プラズマ１２を消火することなく、複数のウエハに対するエッチング処理を実行してもよい。
図６に、図５に示した光スペクトルについて、波長λa（564nm）の光強度Ｉ（λa）と波長λb（556nm）の光強度Ｉ（λb）との強度比（Ｉ（λa）／Ｉ（λb））の時間変化を示す。なお、この例では、波長λa（564nm）は振動の山、波長λb（556nm）は振動の谷となっている。このように、２波長の測定強度比がエッチング時間に応じて単調増加していることが観測される。したがって、エッチング対象の積層構造体における横方向のエッチング量が所望のエッチング量に到達した時点における２波長の反射光の強度比をあらかじめ調べて閾値として設定しておくことで、エッチング処理の終点を判定することができる。また、２波長の反射光の強度比の時間変化は、領域４２０および領域４２１の幅（図４Ｂ参照）の変化に対応しているため、２波長の反射光の強度比からその時点におけるエッチング量を算出することができる。以下に説明する他の終点判定方法においても同様である。
図３では２波長の反射光の強度比を指標として判定したが、これに限定されない。２波長以上の反射光の強度比を指標としてもよい。また、強度比に限られず、光スペクトルの波長方向の振動の振幅強度を指標とすることもできる。図７に、図５に示した光スペクトルについて、波長λa（564nm）の光強度Ｉ（λa）と波長λb（556nm）の光強度Ｉ（λb）から求めた振幅強度（Ｉ（λa）－Ｉ（λb））の時間変化を示す。このように、振幅強度がエッチング時間に応じて単調増加していることが観測される。したがって、エッチング対象の積層構造体における横方向のエッチング量が所望のエッチング量に到達した時点における振幅強度をあらかじめ調べて閾値として設定しておくことで、エッチング処理の終点を判定することができる。
また、以上は検出部で検出された光スペクトル（光強度）から、エッチングの終点を判定する例を説明したが、光スペクトルの波長方向の１次微分または２次微分を用いて判定することもできる。
図８Ａは、図５に示した光スペクトルについて波長方向に１次微分処理を行って得たスペクトル（１次微分光スペクトルという）であり、図８Ｂに１次微分光スペクトルの振幅強度の時間変化を示している。なお、ここでは、振幅強度を１次微分光スペクトルの山にあたる波長560nmの値と１次微分光スペクトルの谷にあたる波長554nmの値との差として算出している。
同様に、図９Ａは、図５に示した光スペクトルについて波長方向に２次微分処理を行って得たスペクトル（２次微分光スペクトルという）であり、図９Ｂに２次微分光スペクトルの振幅強度の時間変化を示している。なお、ここでは、振幅強度を２次微分光スペクトルの山にあたる波長544nmの値と２次微分光スペクトルの谷にあたる波長552nmの値との差として算出している。
このように、１次微分光スペクトル、２次微分光スペクトルのいずれについても、エッチング時間が長くなるにつれて振幅が増大していることが確認できる。したがって、図３のフローチャートと同様の手続きによって、１次微分光スペクトルまたは２次微分光スペクトルに基づき、エッチング処理の終点を判定することができる。なお、振幅により判定する例を説明したが、同様に２波長でのスペクトル強度比に基づき判定することも可能である。ただし、この場合、１次微分光スペクトル値、２次微分光スペクトル値のいずれも０をとる可能性があるため、微分値が０となる波長は避け、微分光スペクトル値の振動の山、谷となる２波長をとることが望ましい。
さらに別の終点判定方法について、図１０～図１３を用いて説明する。図５に示されるように、積層構造体からの反射光のスペクトルは、波長方向に振動している。このように周期性のあるスペクトルに対して高速フーリエ変換解析（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を行うことで、スペクトルに含まれるすべての周波数成分をパワースペクトル（周波数ごとのパワー密度）として表現することができる。上述したように、積層構造体のタングステン膜の横方向エッチング処理が進行することで、光スペクトルの振幅強度が増大しているため、光スペクトルの波長方向の振動周波数に対応するパワースペクトルのピーク値も増大する。したがって、横方向エッチング処理が進行し、図４Ｃに示す所望の膜構造となった時点における、パワースペクトルの、反射光のスペクトルの波長方向の振動周波数に対応するピーク強度の値を判定の閾値として、エッチングの終点を判定することができる。
図１０は、終点判定部３０がウエハ１６の被処理膜の横方向エッチングの終点を判定するフローチャートである。
まず、以下の事前設定を行う。エッチングの終点条件となる、反射光の光スペクトルの振動周波数と、ウエハのエッチングの終点とする振動周波数に対応するパワースペクトルのピーク値とを設定する（ステップ１００１）。また、検出部で検出される光スペクトルのうち、パワースペクトルの算出に使用する波長の範囲を設定する（ステップ１００２）。パワースペクトルの算出に使用する光スペクトルの範囲を干渉光に起因する周波数方向の振動が顕著に表れている領域に限定することによって、対応するピークの特定を容易にするためである。また、ＦＦＴのサンプリング点数を設定する（ステップ１００３）。これらの設定値も図３のフローと同様に制御部４０の記憶装置に記憶され、終点判定部３０に送信されて、エッチングの終点の判定に用いられる。
制御部４０はウエハの処理を開始し、処理中に得られるウエハからの反射光の光スペクトルを検出部２８で検出する。検出された光スペクトルは、終点判定部３０に入力される（ステップ１００４）。ここで、ステップ１００５に進む前に、波長ごとの光強度データである光スペクトルを、波数（波長の逆数）ごとの光強度データに変換して、ステップ１００５以降の処理を行ってもよい。波数ごとの光強度データに変換した光スペクトルについてＦＦＴを行う方が、ＦＦＴの精度がよくなることが知られている。
次に、終点判定部３０は、光スペクトルに対して、ステップ１００２で設定した波長範囲の光強度データに対してスプライン補間処理を行い、スプライン補間処理を行った光スペクトルに対して、ステップ１００３で設定したＦＦＴのサンプリング点数のデータを得る（ステップ１００５）。このときサンプリングは、サンプリング間隔が等距離となるように行う。
次に、終点判定部３０は、ステップ１００５で得たサンプリングデータに対して、ＦＦＴの窓関数を乗算する（ステップ１００６）。ここで、窓関数としてハミング関数を使用する例を示しているが、ステップ１００２において設定した波長範囲におけるスペクトルの形状を考慮して他の窓関数を使用してもよい。また、窓関数の乗算が不要であればステップ１００６を行わず、ステップ１００７に進んでもよい。
次に、終点判定部３０は、ＦＦＴ処理を行い、周波数ごとのパワースペクトルを算出する（ステップ１００７）。
次に、終点判定部３０は、ステップ１００７で得られたパワースペクトルについて、ステップ１００１で設定した振動周波数におけるパワースペクトルの値（ピーク値）を読み取る（ステップ１００８）。
次に、終点判定部３０は、ステップ１００８で読み取ったパワースペクトルの値と、ステップ１００１で設定したウエハのエッチングの終点とする設定値とを比較する（ステップ１００９）。読み取られたパワースペクトルの設定値未満であると判定された場合には、ステップ１００４の処理に戻る。読み取られたパワースペクトルが設定値以上であると判定されると、目標のエッチング量に到達したと判定し、プロセスを終了させる信号を制御部４０に発信する（ステップ１０１０）。
図１１Ａ～Ｃを用いて、図１０のフローチャートでの処理について説明する。図１１Ａは、ウエハ１６からの反射光を検出部で検出したスペクトルであり、凡そ200～850nmの波長範囲の光スペクトルである。次に、得られた光スペクトルデータを終点判定部３０に入力し、ステップ１００２の設定値に従って、エッチング終点判定処理に使用する波長範囲の光スペクトルデータを抽出する。ここでは、500～700nmが使用する波長範囲として設定されている。図１１Ｂに当該波長範囲の光スペクトルデータを太実線で示している。この光スペクトルデータに対してスプライン補間処理を行い、波長方向のデータ数がステップ１００３の設定値に従ったサンプリング点数のデータを生成し、スプライン補間処理を行ったサンプリングデータに対してハミング関数を乗算したスペクトルデータを生成する。図１１Ｂにステップ１００６にて得られるスペクトルデータ（ハミング関数を乗算したスペクトルデータ）を細実線で示している。ステップ１００７においてハミング関数を乗算したスペクトルデータに対してＦＦＴ処理を実行し、図１１Ｃに示されるパワースペクトルを得る。この例では、サンプリングポイント（横軸）12の位置にパワースペクトルのピーク（ピーク値＝340）がみられる。このサンプリングポイント（横軸）12が、光スペクトルの波長方向の振動周波数に対応している。なお、サンプリングポイントの値が大きいほど、光スペクトルの波長方向の振動の周期が短いことを意味している。また、ピークの大きさ（パワースペクトル強度）は、ＦＦＴ処理実行前のスペクトルに見られた波長方向の振動の振幅の大きさに対応している。
図１２は、図５に示した各時刻（エッチング処理開始後５、１０、１５秒）における、パワースペクトルの時間変化を示している。各時刻（５秒後：黒実線、１０秒後：破線、１５秒後：灰実線）とも、サンプリングポイント１２の位置にスペクトルのピークがみられる。図１３に、図１２の各時刻におけるパワースペクトルのピーク値の値と時刻との関係を示している。エッチング時間が長くなるにつれてピーク値が大きくなっていることが分かる。したがって、図１０のフローチャートの手続きによって、光スペクトルのパワースペクトルに基づき、エッチング処理の終点を判定することができる。
なお、上述したように、図１２の横軸は、図５に示した反射光の光スペクトルの波長方向の振動周波数に対応している。この波長方向の振動周波数は、積層構造体の酸化シリコン膜の厚さに対応するものである。したがって、エッチング中にパワースペクトルのピーク位置が変化していると、酸化シリコン膜の厚さが変化していると判断できるため、不良ウエハの判定も行える。同様の理由で、パワースペクトルのピーク位置付近の波形から、当該膜構造における酸化シリコン膜の厚さの均一度を推定することもできる。
以上、本実施例におけるエッチング終点判定方法の例について説明した。以上、述べてきた実施例は本発明の実施形態の一部の例にすぎず、本発明の実施形態は上記に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
例えば、プラズマ処理装置においてはプラズマ処理時に発生するプラズマが発光する。このプラズマからの光（プラズマ光と呼ぶ）は、処理ガスに依存して光スペクトルは異なるものの、紫外～可視光領域の波長を含み、外部光の光スペクトルの波長領域と重なっている。このため、プラズマ発光中にエッチング量モニタのための外部光の照射を行うと、検出部で検出される光量にはプラズマ発光の影響が合算される。具体的には、検出部２８では、照射光（外部光）の反射光に加え、プラズマ光、及びプラズマ光のウエハからの反射光が検出されることになる。この場合であっても、照射光（外部光）の反射光及びプラズマ光の反射光は、波長方向の振動の振幅がエッチングの進行につれて増大するため、本実施例の原理にしたがって、エッチング量の算出、終点の判定が可能である。ただし、干渉光の光スペクトルにおける波長方向の振動に対して、プラズマ光の発光量の時間変動がバックグラウンドノイズとなり、Ｓ／Ｎ比を低下させるおそれがある。
Ｓ／Ｎ比の低下を抑制する一方法として、ウエハからの干渉光を極力検出しない位置（例えば、処理室１０の側面）にプラズマ光の発光量を主に検出する検出部をさらに備え、プラズマ光の時間変動要因を除去してエッチング量の算出や終点の判定を行えばよい。また、別の方法としては、光源部１８の発光強度を高めることが考えられる。これにより、プラズマ光による干渉光強度に対する外部光による干渉光強度の比を大きくすることができ、その結果、プラズマ光の発光量の時間変動によるＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。例えば、光源部（外部光源）としてＬＥＤを用いる場合には、プラズマ光の発光強度の数倍から十数倍の発光強度の照射光をウエハに照射することが可能である。これら２つの方法を併用してもよい。
さらにプラズマ処理装置１が図２に示したプラズマ処理によりプラズマエッチングを行う場合には、プラズマを発生させていないタイミングで外部光を照射することにより、プラズマ光の影響を受けることなく、エッチング量の算出、終点の判定が可能となる。具体的には、図２のステップ２０６の排気処理時においてはプラズマが発生していない。あるいはステップ２０５において、反応生成物を除去させる過程においてはプラズマを発生させていない。そこで、ステップ２０６、あるいはステップ２０５のプラズマを発生させていない期間において外部光をウエハに照射し、反射光を検出することによって、プラズマ光の影響を受けることなく、エッチング量の算出、終点の判定を行うことが可能になる。
また、外部光源（光源部）はＬＥＤに限られない。外部光をウエハに照射して得られる干渉光に現れる波長方向の振動が顕著に表れる波長帯は、エッチング対象である積層構造体の材料、構造によって異なるため、それに応じた光源を用いることで精度よくエッチング量のモニタリングが可能になる。例えば、光源部１８としてキセノンランプやハロゲンランプなどを用いることも可能である。
逆に、プラズマ光の発光帯域で干渉光の光スペクトルにおける波長方向の振動が強く表れる場合には、外部光源を使用することなく、プラズマ光のウエハからの反射光を検出することにより、エッチング量を算出することができる。その場合のプラズマ処理装置１ｂの構成を図１４に示す。図１４に示すプラズマ処理装置１ｂでは、プラズマ光の時間変動要因を除去するため、プラズマ光の発光量を主に検出する検出部５２を処理室１０の側面に設け、終点判定精度を向上させている。図１に示したプラズマ処理装置１と同様の構成については同じ符号を付して示している。レンズ５１は主にプラズマ光を集光し、検出部５２によってプラズマ光の強度を測定する。プラズマ光の強度の時間変動の影響を除いてエッチング量の算出、終点判定処理を行うことにより、エッチング処理の精度を向上させることが可能になる。
また、本実施例では図４Ａ～Ｃに示すタングステン膜を含む積層構造体を例に示したが、金属を含む膜を被処理膜とする積層構造体に対して適用可能である。例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏの膜あるいはそれらの酸化膜を被処理膜とする積層構造体に対しても同様のエッチング量のモニタリングが可能である。また、積層構造体の絶縁膜としては、酸化シリコン膜に限られず、酸窒化シリコン膜のような絶縁膜であってもよい。
１，１ｂ：プラズマ処理装置、１０：処理室、１２：プラズマ、１４：試料台、１６：ウエハ、１８：光源部、２０，２６，５１：レンズ、２２：照射光、２４：反射光、２８，５２：検出部、３０：終点判定部、３１：表示部、４０：制御部、４０１：下地膜、４０２：タングステン膜、４０３：酸化シリコン膜、４０４：反応種、４０５：反応生成物、４１１：溝。

Claims (15)

  1. 基板上に絶縁膜と金属を含む被処理膜とが交互に積層される多層膜が形成されたウエハに対して、前記被処理膜のプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置であって、
    真空容器内に配置される処理室と、
    前記処理室内に配置され、前記ウエハが載置される試料台と、
    前記ウエハに照射された光が前記ウエハで反射した反射光を検出する検出部と、
    前記ウエハへのプラズマ処理を制御する制御部と、
    前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の振幅の変化に基づき、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定する終点判定部とを有し、
    前記制御部は、前記終点判定部による終点の判定を受けて、前記ウエハへのプラズマ処理を停止するプラズマ処理装置。
  2. 請求項１において、
    光源と、
    前記処理室の天井面に配置される第１のレンズ及び第２のレンズとを有し、
    前記光源からの光は前記第１のレンズを通して前記ウエハに照射され、前記第２のレンズで受光された前記反射光が前記検出部で検出されるプラズマ処理装置。
  3. 請求項２において、
    前記制御部は、前記処理室内にプラズマが発生されていないタイミングで、前記光源からの光を前記ウエハに照射させるプラズマ処理装置。
  4. 請求項１において、
    前記処理室の天井面に配置されるレンズを有し、
    前記処理室内に発生されたプラズマからの光が前記ウエハに照射され、前記レンズで受光された前記反射光が前記検出部で検出されるプラズマ処理装置。
  5. 請求項１において、
    前記終点判定部は、第１波長における前記反射光の強度と第２波長における前記反射光の強度との強度比が所定の設定値以上になったときに、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定し、
    前記第１波長及び前記第２波長は、それぞれ前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の山及び谷となる波長として設定されるプラズマ処理装置。
  6. 請求項１において、
    前記終点判定部は、第１波長における前記反射光の強度と第２波長における前記反射光の強度との差が所定の設定値以上になったときに、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定し、
    前記第１波長及び前記第２波長は、それぞれ前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の山及び谷となる波長として設定されるプラズマ処理装置。
  7. 請求項１において、
    前記終点判定部は、前記反射光の光スペクトルを波長方向に１次微分処理または２次微分処理を行った微分光スペクトルを算出し、前記微分光スペクトルの波長方向の振動の振幅の変化に基づき、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定するプラズマ処理装置。
  8. 請求項１において、
    前記終点判定部は、前記反射光の光スペクトルのパワースペクトルを算出し、前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の振動周波数に対応する前記パワースペクトルのピーク値が所定の設定値以上になったときに、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定するプラズマ処理装置。
  9. 請求項１において、
    前記絶縁膜は酸化シリコン膜であり、前記被処理膜はタングステン膜であるプラズマ処理装置。
  10. 真空容器内に配置される処理室と、前記処理室内に配置され、ウエハが載置される試料台と、光検出部と、前記ウエハへのプラズマ処理を制御する制御部と、前記ウエハに対するプラズマエッチングの終点を判定する終点判定部とを備えるプラズマ処理装置を用い、基板上に絶縁膜と金属を含む被処理膜とが交互に積層される多層膜が形成された前記ウエハに対して、前記被処理膜のプラズマエッチングを行うプラズマ処理方法であって、
    前記光検出部は、前記ウエハに照射された光が前記ウエハで反射した反射光を検出し、
    前記終点判定部は、前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の振幅の変化に基づき、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定し、
    前記制御部は、前記終点判定部による終点の判定を受けて、前記ウエハへのプラズマ処理を停止するプラズマ処理方法。
  11. 請求項１０において、
    前記プラズマ処理装置は光源を備え、
    前記制御部は、前記処理室内にプラズマが発生されていないタイミングで、前記光源からの光を前記ウエハに照射させるプラズマ処理方法。
  12. 請求項１０において、
    前記終点判定部は、第１波長における前記反射光の強度と第２波長における前記反射光の強度との強度比または前記第１波長における前記反射光の強度と前記第２波長における前記反射光の強度との差が所定の設定値以上になったときに、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定し、
    前記第１波長及び前記第２波長は、それぞれ前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の山及び谷となる波長として設定されるプラズマ処理方法。
  13. 請求項１０において、
    前記終点判定部は、前記反射光の光スペクトルを波長方向に１次微分処理または２次微分処理を行った微分光スペクトルを算出し、前記微分光スペクトルの波長方向の振動の振幅の変化に基づき、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定するプラズマ処理方法。
  14. 請求項１０において、
    前記終点判定部は、前記反射光の光スペクトルのパワースペクトルを算出し、前記反射光の光スペクトルの波長方向の振動の振動周波数に対応する前記パワースペクトルのピーク値が所定の設定値以上になったときに、前記被処理膜へのエッチングの終点を判定するプラズマ処理方法。
  15. 請求項１０において、
    前記絶縁膜は酸化シリコン膜であり、前記被処理膜はタングステン膜であるプラズマ処理方法。
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