WO2021130798A1 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理に用いる波長選択方法 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理に用いる波長選択方法 Download PDF

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Abstract

残り膜厚やエッチング量を高い精度で検出できる波長選択方法またはプラズマ処理方法を提供するため、真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内に処理用のガスを供給して生成したプラズマを用いて前記ウエハの表面に予め形成された処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法であって、前記処理対象の膜層の処理中に生じるプラズマの複数の波長の発光のうち相互情報量の大きな複数の波長のものから選択された少なくとも２つの波長の前記発光の時間変化を検出した結果に基づいて前記膜層の処理の終点を判定する。

Description

プラズマ処理方法およびプラズマ処理に用いる波長選択方法
　本発明は、半導体集積回路を製造する工程が用いられ、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置において、処理中に検出された処理室内からの発光を用いて試料表面の膜厚さまたは処理の量を検出するための波長の選択方法またはプラズマ処理方法に関する。
　半導体デバイスを製造する工程では、半導体ウエハ等の基板状の試料を真空容器内部の処理室内に配置して、当該処理室内に形成したプラズマを用いて、試料表面上に形成された誘電材料やマスク層を含む複数の膜層を有した膜構造をエッチングし半導体デバイスの回路のパターンを形成する処理、所謂ドライエッチング処理が実施されている。このようなエッチング処理においては、近年増大する半導体デバイスの集積度を実現するため、当該処理を上記の膜層を所望の膜厚さ或いはエッチング深さで停止させ回路のパターンを高い精度で実現するために、エッチングの終点をより正確に決定し処理の条件を適切に調節することが求められている。
　一般的に、このようなエッチング処理は、真空容器内部の処理室内に半導体ウエハが配置された状態で、当該処理室内に供給した処理用のガスに電界または磁界が供給されてその原子または分子が励起されてプラズマが形成され、これを用いて試料上の膜構造のうちの処理対象の膜の処理が行われる。処理中においては処理室内のプラズマの発光に含まれる特定の波長の光の強度は、処理対象の特定の膜または処理が進行している任意の膜のエッチングの進行に伴って変化する。
　そこで、従来から、処理の終点を精度良く検出する技術として、エッチング処理中に処理室からの発光に含まれる当該特定の波長の強度の変化を検出し、この結果に基づいて処理の終点を検出するものが知られている。しかし、上記の発光には通常、処理中のプラズマの特性や膜の状態に大きな相関を有する反応により生じる特定の波長の発光以外にも、時間経過に伴う強度変化を伴う発光も含まれており、終点の判定の際にはこのような所謂ベースラインにより生じた検出対象の波長の波形の変動に起因した誤検出を低減または抑制する必要がある。
　このようなノイズに対応して発光の強度の変化を精度良く検出するための技術としては、特開２０１５－２３１０４号公報（特許文献１）がある。この従来技術は、ＩＩＲ（無限インパルスレスポンス）フィルタにより、発光の強度の信号から時間変化のベースライン成分をその傾きの時間変化に追従しながら検出し、検出したベースラインの成分を発光の強度の信号から除くことにより変化の成分を抽出するものである。
特開２０１５－２３１０４号公報
　上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
　すなわち、特許文献１の技術は、発光の強度の信号からベースラインの成分を効果的に取り除くものであるものの、終点検出に適するとしてあらかじめ選択した波長（基本波長）の光は、処理室の光を透過させて検出する窓部材や内壁面に付着して堆積する物質により、強度が弱められたり或いはサチュレーションが起こったり、ベースラインが大きくなったりする。このため、基本波長のみを使用して終点を検出しようとすると検出の精度が損なわれてしまう虞があった。このような問題を解決して終点の検出の精度を高める上では、基本波長以外の波長を用いる等複数の波長の光を処理の終点やエッチング量、残り膜厚さの検出に用いる必要がある。しかしながら、上記従来の技術では、このような終点の判定に用いる複数の波長を適切に選択するための技術については、何ら考慮されていなかった。
　さらに、終点の判定に用いる光の波長を選択するために従来から用いられてきた決定係数に基づく選択や主成分分析や非負値行列因子分解を用いるものでは、ベースラインの影響などで変化が大きい波長が抽出されるに過ぎず、抽出される波長が終点や残り膜厚さの検出に適する波長ではなく、同様に検出の精度が損なわれてしまう虞が有った。
　本発明の目的は、用いる複数の波長を適切に選択して残り膜厚やエッチング量を高い精度で検出できるプラズマ処理方法およびプラズマ処理に用いる波長選択方法を提供することにある。
　上記目的は、真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内に処理用のガスを供給して生成したプラズマを用いて前記ウエハの表面に予め形成された処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法であって、前記処理対象の膜層の処理中に生じるプラズマの複数の波長の発光のうち相互情報量の大きな複数の波長のものから選択された少なくとも２つの波長の前記発光の時間変化を検出した結果に基づいて前記膜層の処理の終点を判定するプラズマ処理方法により達成される。
　本発明によれば、プラズマ処理装置の、特にエッチング処理装置において、基本波長がサチュレーションやベースラインで隠れてしまった場合でも、線形・非線形を問わずエッチング量や終点と発光強度変化との従属性が高い波長だけを基本波長を代替する波長として選択できる。このようにして選択された波長に基づいて被処理層の実際のエッチング量や終点をより高精度で検出することができる。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。 図１に示す波長選択器の構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す終点判定器を模式的に示すブロック図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が終点を判定する動作の流れを示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
　本実施の形態は、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等基板状の試料上面に予め配置されたマスク層と処理対象の膜層とを含む複数層有する膜構造を処理室内に形成されたプラズマを用いてエッチングする際に、試料の表面の膜構造で反射された光を含む処理室内からの発光を用いて、エッチングの量の検出やエッチングの終点を判定するプラズマ処理装置とその運転方法を説明する。特に、本例では、線形・非線形を問わずエッチング量や終点と発光強度変化との従属性が高い複数の波長だけを基本波長を代替する波長として選択し、膜構造の処理対象の膜層のエッチングの量またはその終点を高い精度で検出し、膜構造がエッチングされて形成される半導体デバイスの回路を構成するパターンの形状を所期のものに近づけることができるプラズマ処理方法が開示される。
　本発明の実施例を図１乃至４を用いて説明する。
　図１を用いて、本実施例に係るプラズマ処理装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。特に、本実施例のプラズマ処理装置１００は、内部に配置された処理室内に搬送された半導体ウエハ等の基板状の試料をエッチング処理して半導体デバイスを製造する工程に用いられる装置であって、試料を処理したエッチング量、例えばマスクや処理対象の膜層の残り膜厚やエッチングして形成した溝または孔の深さを検出する検出器を備え、検出器からの出力に基づいて半導体ウエハ等試料の処理が調節されるように構成されたプラズマエッチング装置である。
　本例のプラズマ処理装置１００は、内部に円筒形を備えた処理室１０２が配置されて円筒形の外形を有した真空容器１０１と、真空容器の１０１外部に配置され処理室１０２内部の空間にプラズマ１０３を形成するために供給される電界または磁界を形成する手段であるプラズマ形成装置と、真空容器１０１の下方でこれと連結され処理室１０２内の空間からガスの原子、分子やプラズマ１０３を構成するイオンや活性の高い粒子等を排気するターボ分子ポンプ等の真空ポンプ及び当該排気の流量または速度を調節する調節器を含む排気装置とを備えて構成されている。
　さらに、処理室１０２内のプラズマ１０３が形成される空間の下方には、処理対象の半導体ウエハ等の基板状の試料１０４が円形を有したその上面に載せられる試料台１０５が配置されている。また、図示していないが、本実施例では、処理室１０２の内側にはプラズマ１０３を形成して試料１０４を処理するための処理用ガスを導入するためのガス導入孔が配置されるとともに、真空容器１０１はガス導入孔と処理用ガスのガス源との間を連結しその途中にガスの流量または速度を処理に適したものに調節する流量調節器が配置されたガス供給経路を構成するガス用の管路が接続されている。
　さらにまた、本実施例のプラズマ処理装置１００には、真空容器１０１外部に配置されて処理室１０２内で実行されるプラズマ１０３を用いた試料１０４の処理中に生じるプラズマ１０３の発光や試料１０４表面からの干渉光等の処理室１０２内側からの光を受光してその強度や変化を検出して試料１０４の表面に配置されたエッチング処理対象の膜層の残り膜厚さやエッチング量（例えば、溝や孔の深さ）を検出するエッチング量検出器１１０が備えられている。また、処理中の処理室１０２からの光をエッチング量検出器１１０に伝達するため、処理室１０２を囲む真空容器１０１の側壁や処理室１０２上方の真空容器１０１の蓋部分を構成する部材に配置された貫通孔内に、石英等の透光性を有する材料から構成された窓部材が、Ｏリング等のシール材により内外を気密に封止されて配置されている。
　このようなプラズマ処理装置１００では、真空容器１０１の側壁は、図示しない別の真空容器であって、その内部に処理対象の試料１０４が当該内部に配置されたロボットのアーム上に保持されて搬送される減圧された空間である真空搬送室を備えた真空搬送容器に連結されている。処理されていない試料１０４は、真空搬送室内をロボットのアーム上に保持されて搬送され、アームの伸長により、真空搬送室と処理室１０２との間を連通する通路の内側を通ってアームに載せられた試料１０４が処理室１０２内に搬入される。
　処理室１０２内に搬入された試料１０４は試料台１０５に受け渡されて試料台１０５上部を覆う誘電体製の膜の円形を有した上面に載せられる。試料１０４が通過した通路の真空搬送室側の開口が図示しないゲートバルブによって閉塞されて処理室１０２内が気密に封止されると、誘電体製の膜内の電極に供給された直流電力により生起された静電気力により当該誘電体製の膜上に保持される。その後、ガス源からの処理用ガスがガス導入孔から処理室１０２内に流量調節器により流量また速度が適切に調節されて供給されるとともに、試料台１０５の下方に配置され処理室１０２に面して配置された排気用の開口を通して排気装置を構成する真空ポンプの動作により処理室１０２内のガスが外部に排出される。
　処理室１０２に供給される処理用ガスの流量または速度と真空ポンプの動作による排気用の開口からの排気の流量または速度のバランスにより、処理室１０２内側の圧力が試料１０４の処理に適した範囲内の値に調節される。プラズマ形成装置が形成する電界または磁界が処理室１０２内に供給され、処理用のガスの原子または分子が励起されて処理室１０２内の試料台１０５またはその上面に載せられ保持された試料１０４の上方の空間にプラズマ１０３が形成される。
　試料台１０５内部には、図示されていない金属製の円板または円筒形を有した電極が配置され、真空容器１０１外部の同じく図示していない高周波電源と電気的に接続されている。プラズマ１０３が形成された状態で、プラズマ形成装置の電界と異なる周波数の高周波電力が高周波電源から試料台１０５内に配置された電極に供給されて、試料１０４上面上方の処理室１０２内に、プラズマ１０３の電位に応じたバイアス電位が形成される。
　当該バイアス電位とプラズマの電位との電位差に応じて、プラズマ１０３中のイオン等の荷電粒子が試料１０４上面上方に誘引されて、試料１０４の上面に予め配置された有機材料により構成されたマスク層と処理対象の膜層とを含む複数の膜層を有する膜構造の表面と衝突することで、試料１０４表面の膜層のエッチング処理が進行し、プラズマ１０３中のラジカル等の反応性の高い活性種の原子または分子と処理対象の膜層の表面との間の物理的または化学的反応が促進されて、処理対象の膜層の荷電粒子の誘引される方向についての異方性の処理が促進される処理対象の膜層の処理中には、プラズマ１０３中の活性種や上記物理的または化学的な反応を含むプラズマ１０３と試料１０４表面との相互作用により生成された反応生成物に起因して光が放射される。
　本実施例では、このような処理中に処理室１０２内で生じる発光をエッチング量検出器１１０により当該処理中に検出して、処理の量（例えば、処理対象の膜或いは当該膜上方に配置されたフォトレジスト等のマスク層の残り膜厚や、処理対象の膜に形成される溝や孔のエッチング深さ）を高い精度で検出して、処理の終点の判定あるいは供給される処理用ガスの流量や処理室１０２内の圧力、プラズマを形成するための電界または磁界の強度の値とその分布等処理の条件が調節可能に構成されている。エッチング量検出器１１０は、窓部材の外側に配置されて窓部材を通過した処理室１０２内からの光を受光する受光器と、光ファイバー１０６等の伝達器を介して受光器から伝達された光を所定の周波数または波長の複数のスペクトルに分解する分光器１１１とを備えている。特に、本実施例では、分光器１１１の内部には図示していない測定用光源（例えばハロゲン光源）が備えられ、これから放射された多波長の光は光ファイバー１０６を介して窓部材を通り処理室１０２内の試料台１０５上面に配置された試料１０４表面の膜構造に対して導入される。
　本実施例では、窓部材は処理室１０２の上方で試料１０４上面に対向して配置された処理室１０２の天井面を構成する部材に形成された貫通孔内に配置されプラズマ１０３に面して配置され、測定用光源から放射された放射光は当該窓部材を通って処理室１０２内に進入し試料１０４上面に垂直またはこれと見做せる程度に近似した角度で入射する。試料１０４上面に達した放射光は試料１０４上面に予め配置された膜構造の複数の膜層の境界面で処理室１０２に向けて反射され再度窓部材を通して光ファイバー１０６を介してエッチング量検出器１１０の受光器及びこれに光学的にまたは電気的に接続された分光器１１１に伝達される。
　試料１０４表面に垂直に入射して膜構造の異なる深さ方向の位置に配置された複数の膜層同士の間の複数の境界で反射された放射光は、相互に干渉してこれらの深さ位置の間の距離に応じた強度を有する干渉光となる。複数の波長が含まれる放射光によるこのような干渉光の各々の波長の光の強度は、分光器１１１に導入されて各波長毎に分解されて検出される。
　本実施例のエッチング量検出器１１０では、試料１０４の処理中に検出された干渉光の強度の信号から、以下に述べる、基本波長の代替となる複数波長を選択する機能を備え、試料１０４上の処理対象の膜層、例えばポリシリコン膜のエッチング深さや残り膜厚さ或いはマスク層の残り膜厚さを高い精度で検出できる。また、エッチング処理の終点への到達の判定を高い精度行うことができる。
　分光器１１１で検出された所定の複数の波長の干渉光の強度を示す信号は、処理室１０２内からの複数の波長の光の時間波形に含まれる成分であって、発光強度信号と呼ぶ。発光強度信号は、分光器１１１と電気的に接続された発光強度データベース１１２に送信され、格納される。発光強度信号は、終点判定部１１４にも送信される。
　発光強度データベース１１２に格納された複数のウエハを処理した際に得られた発光強度信号は、波長選択部１１３に送信される。波長選択部１１３では、複数ウエハの発光強度信号から、各波長の強度変化に対して基本波長の強度変化との相互情報量が計算される。さらに、相互情報量の大きさに応じて、エッチング量や終点の判定に使用する波長が選択される。波長選択部１１３において選択された波長および波長毎の相互情報量は、終点判定部１１４に送信される。
　終点判定部では、波長選択部１１３において選択された波長を用いて、分光器１１１から受信した発光強度信号から、エッチング量を検出し終点の判定を行う。さらに、波長選択部１１３において算出された波長毎の相互情報量を乗算した発光強度信号に基づいて、エッチング量を検出し終点の判定を行ってもよい。このようなエッチング量あるいは終点の判定の技術としては、例えば、特開２００７－２３４６６６号公報等の従来公知の技術を用いることができる。
　　また、本実施例において、終点判定部１１４で検出された試料１０４のエッチング量は、ＣＲＴや液晶のモニタ等を備えて構成された表示器１１５に送信されて表示される。
　次に、本実施例の波長選択部１１３の構成について図２を用いて説明する。図２は、図１に示すエッチング量検出器１１０を構成する波長選択部１１３の構成を模式的に示すブロック図である。
　図２において、発光強度データベース１１２から出力されて波長選択部１１３に送信された複数のウエハを処理したときの発光強度信号は、まず差分算出器２０１に送信され、ここで複数ウエハに対する波長毎の時間波形の時間差分が算出される。時間差分を用いることにより、各波長の時間波形が有する長期的なトレンド成分の影響が少ない時間波形が得られる。
　差分算出器２０１で検出された複数ウエハに対する波長毎の干渉光の強度の時間差分値を示す信号は正規化処理器２０２に送信され、これら時間差分信号のウエハおよび時間にわたっての平均値、ウエハおよび時間にわたっての標準偏差値、および複数ウエハに対する時間差分信号から全ウエハおよび時間にわたっての平均値を差し引いて全ウエハおよび時間にわたっての標準偏差値で除算した値（正規化差分信号）が算出される。これにより、長期的なトレンド成分の影響がより一層軽減されることが期待でき、また、波長ごとの強度の大小の違いの影響が軽減される。
　次に、正規化処理器２０２で算出された複数ウエハに対する正規化差分信号は時間平滑化器２０３に送信される。時間平滑化器２０３は、受信した複数ウエハに対する正規化差分信号に対して、時間方向に平滑化された信号（時間平滑化信号）を算出する。これにより、高周波ノイズの影響が軽減される。
　次に、時間平滑化器２０３で算出された複数ウエハに対する時間平滑化信号は相互情報量算出器２０４に送信される。相互情報量算出器２０４は、受信した複数ウエハに対する時間平滑化信号に基づいて、各波長の強度変化に対する基本波長の強度変化との相互情報量を算出する。本実施例では、終点検出に適した基本波長が膜の組成の情報に基づいて事前に少なくとも１つ判明していることを前提とする。
　次に、相互情報量算出器２０４で算出された波長毎の相互情報量は波長選択器２０５に送信される。波長選択器２０５は、受信した相互情報量が大きい波長を選択する。たとえば、相互情報量が大きい順に規定個数の波長を選択してもよく、相互情報量が規定の閾値以上である波長を選択してもよい。
　次に、図２に示した各々のブロックにおいて実施される処理の詳細を説明する。
　まず、本実施例では、便宜上、試料１０４の処理中の所定の期間における任意の時刻ｔで分光器１１１から出力された処理室１０２からの各々の波長の光の強度の変化を示す時間波形の信号を、各々のウエハ、各々の波長についてｙ＿ｍ，ｎ，ｔと表す。ｍはウエハを表すインデックスであって、処理した潤に値が増減するように付されていても良く、また適切に選択されたウエハだけピックアップしてインデックスを振り直したものであっても良い。ｎは波長を表すインデックスであって、本実施例では、短波長から長波長まで規則的に値が増減するように付されていても良く、また適切に選択された複数の波長をピックアップしてインデックスを振り直したものであっても良い。ｔは時間インデックスとする。
　差分算出器２０１では、ｙ＿ｍ，ｎ，ｔからウエハ毎波長毎に差分値Δｙ＿ｍ，ｎ，ｔが算出される。算出の手順の例としては、例えばΔｙ＿ｍ，ｎ，ｔ＝ｙ＿ｍ，ｎ，ｔ－ｙ＿｛ｍ，ｎ，ｔ－１｝のように算出することが考えられる。ここで、最初のサンプル点においては、Δｙ＿ｍ，ｎ，ｔ＝０とする。
　この差分は、１次回帰係数の傾きで代用しても良いし、同様に２次差分、２次回帰係数の傾きで代用しても良い。また、時間毎の信号が１単位時間毎に得られるような場合は、差分算出についても１サンプルずつ行うような構成を取ることができる。
　全ての時間のサンプルが一度に得られる場合（オフライン処理）では、全ての時間の差分値をバッチ処理で求めるような構成としても良い。このように、サンプル毎にデータが得られる場合は、サンプル毎に処理を行い、一度にサンプルが得られる場合は処理も一度に行うような構成を、本発明の中のあらゆる処理で同様に取るものとする。
　正規化処理器２０２においては、ウエハ毎波長毎の差分値Δｙ＿ｍ，ｎ，ｔに対する全ウエハおよび時間にわたっての平均値μ＿ｎが、アンサンブル平均形式で求められる。さらに、全ウエハおよび時間にわたっての標準偏差値σ＿ｎが、（Δｙ＿ｍ，ｎ，ｔ－μ＿ｎ）２のアンサンブル平均の平方根として算出される。さらに、正規化差分信号がｚ＿ｍ，ｎ，ｔ＝（Δｙ＿ｍ，ｎ，ｔ－μ＿ｎ）／σ＿ｎとして算出される。
　時間平滑化器２０３においては、ウエハ毎波長毎の正規化差分信号ｚ＿ｍ，ｎ，ｔに対して、時間方向に平滑化した信号（時間平滑化信号）ｓ＿ｍ，ｎ，ｔが算出される。時間平滑化の手順の例としては、例えば、ｓ＿ｍ，ｎ，ｔ＝（ｚ＿｛ｍ，ｎ，ｔ－１｝＋ｚ＿ｍ，ｎ，ｔ＋ｚ＿｛ｍ，ｎ，ｔ＋１｝）／３のように３点平均で算出することができる。ここで、最初のサンプル点においては、ｓ＿ｍ，ｎ，ｔ＝（ｚ＿ｍ，ｎ，ｔ＋ｚ＿｛ｍ，ｎ，ｔ＋１｝）／２とする。最後のサンプル点においては、ｓ＿ｍ，ｎ，ｔ＝（ｚ＿｛ｍ，ｎ，ｔ－１｝＋ｚ＿ｍ，ｎ，ｔ）／２とする。
　この時間平滑化は、３点平均、５点平均、７点平均など任意のサンプル個数の平均処理でも良く、中央値フィルタリングで代用しても良く、低域通過フィルタの畳込み演算でも良く、スプライン平滑化でも良い。
　相互情報量算出器２０４においては、ウエハ毎波長毎の時間平滑化信号ｓ＿ｍ，ｎ，ｔから、基本波長ｎ＿０での強度変化に対する各波長ｎでの強度変化の相互情報量Ｉ＿ｎが算出される。相互情報量計算の手順としては、まず、基本波長ｎ＿０に対し、全ウエハｍ、全時間ｔにわたるｓ＿｛ｍ，ｎ＿０，ｔ｝を昇順に並べる。この昇順リストをＬ（ｎ＿０）とする。
　次に、波長ｎに対し、全ウエハｍ、全時間ｔにわたるｓ＿ｍ，ｎ，ｔを昇順に並べる。この昇順リストをＬ（ｎ）とする。離散化サンプル数Ｇに規定の最小離散化サンプル数Ｇ＿ｍｉｎを代入する。そして、昇順に並べられたＬ（ｎ＿０）の要素をＧ個のグループに等分割する。
　等分割後のリストをＬＧ（ｎ＿０）とする。昇順に並べられたＬ（ｎ）の要素をＧ個のグループに等分割する。等分割後のリストをＬＧ（ｎ）とする。ここで、ＬＧ（ｎ＿０）のグループのインデックスをｇとし、ＬＧ（ｎ）のグループのインデックスをｈとする。
　ｃ（ｇ）はＬＧ（ｎ＿０）のグループｇの要素数とし、ｃ（ｈ）はＬＧ（ｎ）のグループｈの要素数とする。ｃ（ｇ，ｈ）は、ｓ＿｛ｍ，ｎ＿０，ｔ｝がＬＧ（ｎ＿０）のグループｇに属し、かつｓ＿ｍ，ｎ，ｔがＬＧ（ｎ）のグループｈに属するような、ｍとｔの組の個数とする。ここで、相互情報量は、
　　Ｉ＿Ｇ，ｎ＝Σ＿ｇ　Σ＿ｈ　ｃ（ｇ，ｈ）／（ＭＴ）×
　　　　　　　　｛ｌｏｇ（ｃ（ｇ，ｈ）／（ＭＴ））－
　　　　　　　　　ｌｏｇ（ｃ（ｇ）／（ＭＴ））－ｌｏｇ（ｃ（ｈ）／（ＭＴ））｝
として算出される。ただし、Ｍは全ウエハ数、Ｔは全時間インデックス数である。
　次に、Ｇに１を加算し、同様の処理により、Ｉ＿｛Ｇ＋１，ｎ｝を算出する。このように、Ｇを規定の最小離散化サンプル数Ｇ＿ｍｉｎから最大離散化サンプル数Ｇ＿ｍａｘまで増加させながら、Ｉ＿｛Ｇ＿ｍｉｎ，ｎ｝，Ｉ＿｛Ｇ＿ｍｉｎ＋１，ｎ｝，・・・，Ｉ＿｛Ｇ＿ｍａｘ，ｎ｝を計算する。Ｉ＿｛Ｇ＿ｍｉｎ，ｎ｝，Ｉ＿｛Ｇ＿ｍｉｎ＋１，ｎ｝，・・・，Ｉ＿｛Ｇ＿ｍａｘ，ｎ｝のうちで、最大のＩ＿Ｇ，ｎを最終的な相互情報量Ｉ＿ｎとして出力する。
　波長選択器２０５においては、波長毎の相互情報量Ｉ＿ｎに対して、Ｉ＿ｎが大きいｎから順に規定の個数だけ複数個選択する。Ｉ＿ｎが規定の閾値以上であるｎを複数個選択しても良い。
　次に、本実施例の終点判定部１１４の構成について図３を用いて説明する。図３は、図１に示すエッチング量検出器１１０を構成する終点判定部１１４の構成を模式的に示すブロック図である。
　図３において、分光器１１１から出力されて終点判定部１１４に送信された波長毎の発光強度信号は、まず差分算出器３０１に送信され、ここで波長毎の時間波形の時間差分が算出される。時間差分を用いることにより、各波長の時間波形が有する長期的なトレンド成分の影響が少ない時間波形が得られる。
　差分算出器３０１で検出された波長毎の干渉光の強度の時間差分値を示す信号は正規化処理器３０２に送信され、時間差分信号から全ウエハおよび時間にわたっての平均値を差し引いて全ウエハおよび時間にわたっての標準偏差値で除算した値（正規化差分信号）が算出される。これにより、長期的なトレンド成分の影響がより一層軽減されることが期待でき、また、波長ごとの強度の大小の違いの影響が軽減される。なお、時間差分信号のウエハおよび時間にわたっての平均値、ウエハおよび時間にわたっての標準偏差値として、波長選択部１１３の正規化処理器２０２であらかじめ計算された値を使用する。
　次に、正規化処理器３０２で算出された正規化差分信号は時間平滑化器３０３に送信される。時間平滑化器３０３は、受信した正規化差分信号に対して、時間方向に平滑化された信号（時間平滑化信号）を算出する。これにより、高周波ノイズの影響が軽減される。
　次に、時間平滑化器３０３で算出された時間平滑化信号は相互情報量乗算器３０４に送信される。相互情報量乗算器３０４は、受信した波長毎の時間平滑化信号に対して、波長毎の相互情報量を乗算した信号（相互情報量乗算後信号）を算出する。これにより、相互情報量による重みを付け、エッチング量や終点と発光強度変化との従属性が低い波長の影響が軽減される。相互情報量乗算器３０４は同時に、波長毎の相互情報量乗算後信号に対して、波長選択部１１３から送られる選択波長の信号のみを残し、それ以外の波長の信号を消去する。これにより、さらに高い選択性を得ることができる。
　次に、相互情報量乗算器３０４で算出された相互情報量乗算後信号はエッチング量推定器３０５に送信される。エッチング量推定器３０５は、相互情報量乗算後信号の各時刻ｔにおける全波長の値を並べたベクトルに対して、エッチング量と紐付いてあらかじめ保存された相互情報量乗算後信号の各時刻の全波長の値を並べたベクトルとの類似度を算出し、もっとも類似度が高いベクトルに紐付いたエッチング量を出力する。ベクトル同士の類似度として、たとえば、コサイン類似度を用いて良く、ユークリッド距離の逆数を用いてもよい。
　エッチング量推定器３０５は、別法として、相互情報量乗算後信号の各時刻ｔにおける全波長の値を並べたベクトルに対して、相互情報量乗算後信号の時刻ｔ－Ｄにおける全波長の値を並べたベクトルとの類似度を算出する。ただし、Ｄは規定の正の定数である。さらに、算出した時刻毎の類似度に対して、時間差分値の絶対値を計算する。さらに、時間差分絶対値の時間方向の累積値をエッチング量として出力する。
　次に、エッチング量推定器３０５で算出されたエッチング量は終点判定器３０６に送信される。終点判定器３０６は、時間毎のエッチング量に応じて、現時刻が終点かどうかを判定する。終点かどうかの判定には、たとえば、その時刻のエッチング量が規定の閾値以上であることで判定してもよく、その時刻のエッチング量の時間差分値の絶対値が閾値以上であることで判定してもよく、その時刻のエッチング量の時間２次差分がゼロクロスを有することで判定してもよい。
　本実施例のエッチング処理のフローチャートを図４に示す。図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がエッチング量を判定する動作の流れを示すフローチャートである。
　本実施例では、プラズマ処理装置１００が試料１０４を処理する前または試料１０４の表面に予め配置されたマスク層と処理対象の膜層とを含む膜構造をエッチング処理する処理の開始または処理中に得られたデータを処理する前に、パラメータを最初に設定する（ステップ４０１）。本実施例では、運転の開始前に設定する構成を備えている。
　次に、処理室１０２内にプラズマが形成され高周波電源からの高周波電力により試料１０４表面上方にバイアス電位が形成され試料１０４の上記処理対象の膜層のエッチング処理が開始された後、処理室１０２内からの光の検出が開始される（ステップ４０２）。本実施例では、図３に示したように、処理室１０２内からの光を受光して分光して得られた所定の複数の波長のスペクトルの各波長の光の強度の変化をサンプリング間隔Δｔの時刻ｔ毎に検出する。間隔Δｔ毎に検出された複数の波長の光各々の強度の信号からその時間差分Δｙ＿ｎ，ｔが差分計算により算出される（ステップ４０３）。
　次に、得られた時間差分の信号Δｙ＿ｎ，ｔに対して正規化差分信号ｚ＿ｎ，ｔが算出される（ステップ４０４）。さらに、正規化差分信号ｚ＿ｎ，ｔに対して時間平滑化信号ｓ＿ｎ，ｔが算出される（ステップ４０５）。得られた時間平滑化信号ｓ＿ｎ，ｔに対して相互情報量Ｉ＿ｎが乗算され、相互情報量乗算後信号が算出される（ステップ４０６）。相互情報量乗算後信号に基づいて、エッチング量が推定される（ステップ４０７）。
このようにして推定されたエッチング量に応じて終点判定が実行され（ステップ４０８）、所望のエッチング量に到達したと判定された場合には、処理室１０２内からの光の検出を終了すると共にプラズマが消火されこれによる試料１０４表面の処理対象の膜層のエッチング処理が終了する（ステップ４０９）。エッチング量が所望の値に到達していないと判断された場合には、次の当該膜層のエッチングが継続され次の時刻ｔ＋Δｔにおいて処理室１０２内からの光の検出がエッチング量検出器１１０により実施される。
　上記エッチングの終点やエッチング量の判定は、処理対象の膜層の下方の境界に接して配置された下膜層からの反応生成物に係る波長のプラズマからの発光の強度の変化を検出する等の従来から知られた手段、方法の技術を用いることが出来る。また、試料１０４表面に予め配置された複数の膜層を含む膜構造の複数の境界面からの干渉光の強度の変化を検出し、この検出結果と予め取得された残り膜厚さの値と波長をパラメータとする干渉光の強度またはその微分値の値とのパターンとを比較して残り膜厚さ或いは初期の膜厚さからのエッチング量を検出する従来の技術を用いることができる。
　なお、本実施例は、たとえば、処理対象の膜層が異なる材料から構成され相互に境界を接して上下に積層された２つの膜層を有し、それら２つの膜層を構成する前記材料または当該材料と前記処理用のガスとの化合物からの発光が相互情報量の大きな複数の波長を含む場合に有効である。
　また、処理対象の膜層が下層の第１の膜層と上層の第２の膜層と当該第２の膜層が前記第１の膜層上方に形成される際にこれらの間に挟まれて形成された第３の膜層を有し、前記第１の膜層及び第２の膜層あるいは前記第２の膜層及び第３の膜層が前記２つの膜層を構成する場合にも、本実施例は有効である。なぜならば、このような場合、エッチング量を推定するために用いるべき波長の強度変化と基本波長の強度変化とは必ずしも線形の相関関係を有するとは限らず、従属関係を有してもその関係が非線形である場合があるからである。非線形の場合、相関係数などの指標で従属性の高さを測ることはできないが、相互情報量ならば従属性の高さを測ることができるという利点がある。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線が開示されたものとは限らない。実際の装置では、これを構成する多くの部品の個々やこれらを組み合わせられて構成された一纏まりユニット同士が相互に接続されている。
１００…プラズマ処理装置、
１０１…真空容器、
１０２…処理室、
１０３…プラズマ、
１０４…試料、
１０５…試料台、
１０６…光ファイバー、
１１０…エッチング量検出器、
１１１…分光器、
１１２…発光強度データベース、
１１３…波長選択部、
１１４…終点判定部、
１１５…表示器。

Claims (9)

  1. 　真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内に処理用のガスを供給して生成したプラズマを用いて前記ウエハの表面に予め形成された処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法であって、
    　前記処理対象の膜層の処理中に生じるプラズマの複数の波長の発光のうち相互情報量の大きな複数の波長のものから選択された少なくとも２つの波長の前記発光の時間変化を検出した結果に基づいて前記膜層の処理の終点を判定するプラズマ処理方法。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
    　前記処理対象の膜層が異なる材料から構成され相互に境界を接して上下に積層された２つの膜層を有し、前記少なくとも２つの波長が、前記２つの膜層を構成する前記材料または当該材料と前記処理用のガスとの化合物からの発光のうち前記相互情報量の大きな複数の波長のものから選択されたプラズマ処理方法。
  3. 　請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
    　前記処理対象の膜層が下層の第１の膜層と上層の第２の膜層と当該第２の膜層が前記第１の膜層上方に形成される際にこれらの間に挟まれて形成された第３の膜層を有し、前記第１の膜層及び第２の膜層あるいは前記第２の膜層及び第３の膜層が前記２つの膜層を構成するプラズマ処理方法。
  4. 　請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    　前記２つの波長各々の相互情報量の値と前記発光の強度を乗じた値の時間変化または前記発光の強度の時間変化の値とを乗じた値を用いて前記膜層の処理の終点を判定するプラズマ処理方法。
  5. 　請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    　前記終点が判定された後に前記処理対象の膜層を処理する条件を変更して当該処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法。
  6. 　真空容器内部の処理室内に処理対象のウエハを配置し、前記処理室内に処理用のガスを供給して生成したプラズマを用いて前記ウエハの表面に予め形成された処理対象の膜層を処理するプラズマ処理の終点の判定に用いる当該処理中のプラズマから生じる発光の所定の波長を選択する波長の選択方法であって、
    　前記処理対象の膜層の処理中に生じるプラズマの複数の波長の発光のうち前記終点への到達の前後の期間中において相互情報量の大きな複数の波長のものから少なくとも２つの波長を選択する波長の選択方法。
  7. 　請求項６記載の波長の選択方法であって、
    　前記処理対象の膜層が異なる材料から構成され相互に境界を接して上下に積層された２つの膜層を有し、前記２つの膜層を構成する前記材料または当該材料と前記処理用のガスとの化合物からの発光のうち前記相互情報量の大きな複数の波長のものから前記少なくとも２つの波長を選択する波長の選択方法。
  8. 　請求項７に記載の波長の選択方法であって、
    　前記処理対象の膜層が下層の第１の膜層と上層の第２の膜層と当該第２の膜層が前記第１の膜層上方に形成される際にこれらの間に挟まれて形成された第３の膜層を有し、前記第１の膜層及び第２の膜層あるいは前記第２の膜層及び第３の膜層が前記２つの膜層を構成する波長の選択方法。
  9. 　請求項６乃至８の何れかに記載の波長の選択方法であって、
    　前記膜層の処理の終点の判定は、前記２つの波長各々の相互情報量の値と前記発光の強度を乗じた値の時間変化または前記発光の強度の時間変化の値とを乗じた値を用いてされる波長の選択方法。
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