WO2023166712A1 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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宗一郎 江藤
茂 中元
功祐 福地
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株式会社日立ハイテク
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Definitions

  • the process of forming components as a collection of circuits that perform various functions and the wiring that interconnects them on the surface of a semiconductor wafer is performed.
  • the formation of these components and wiring includes the formation of film layers of various materials including conductors, semiconductors, and insulators previously formed on the surface of a substrate-like sample such as a semiconductor wafer, and the removal of unnecessary portions of these film layers. is performed by repeating the process of Dry etching using plasma is widely used in the process of removing such unnecessary portions.
  • a reaction occurs between At this time, physical reactions such as sputtering caused by charged particles such as ions in the plasma and chemical reactions caused by radicals (particles having reaction activity, active species) cause anisotropic or isotropic properties of the film layer to be processed. Etching is performed. Processes having different characteristics are appropriately selected and applied to the wafer surface to form components and wiring having circuit structures that perform the various functions described above.
  • a film thickness/depth monitor is a process monitor that measures the thickness of a film formed on a wafer and the depth of grooves and holes formed on the wafer by measuring the reflected light from the wafer being processed. It has been used to determine the end point of etching processing.
  • Patent Document 1 describes a method for improving processing accuracy using this film thickness/depth monitor.
  • a film thickness/depth monitor using a plasma light as a light source is used to detect the time immediately before the film to be processed is completely removed, and the etching process is terminated.
  • a multilayer film laminated structure
  • two or more kinds of films are laminated to each other
  • a process of selectively etching one kind of film in the lateral direction there is for example, in the process of forming the gate electrode of the next-generation 3D-NAND flash memory, a tungsten film is laterally ( It includes a process of etching in the horizontal direction with respect to the vertical depth direction of the groove.
  • the etching amount was controlled by the etching time.
  • the etching amount can be measured by the difference in the weight of the wafer before and after etching.
  • this method cannot strictly control the lateral etching amount of the metal film, it is necessary to monitor the lateral etching amount and determine the etching end point.
  • the spectrum of the reflected light from the wafer is measured during etching, and a database (DB) in which the spectrum prepared in advance for reference and the etching amount correspond to each other and the measured spectrum are used. are compared to calculate the etching amount in the lateral direction during etching.
  • DB database
  • This method requires that the relationship between the etching amount and the spectrum be constant.
  • the number of layers of the metal film and the insulating film is several tens to several hundreds, for example, if the thickness of the insulating film changes by 1 nm due to film formation variation, the number of layers of the insulating film is 100.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 do not disclose the recognition of the problem of the change in spectrum caused by the difference in the total height of the laminated film.
  • a representative plasma processing method of the present invention is a plasma processing method for plasma processing a wafer, comprising: a first step of irradiating the wafer with light; a second step of receiving the light reflected from the wafer at a plurality of predetermined times; a third step of performing signal processing on light amount data for each of the plurality of wavelengths of the received light; and performing the signal processing. a fourth step of determining an etching amount of the wafer during the plasma processing using the processed data; and a fifth step of determining an end point of the plasma processing based on the etching amount.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a plasma processing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of functional blocks of the digital signal processing unit.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a film structure to be processed.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of light obtained during the etching process of the object to be processed.
  • FIG. 5 shows spectra for different SiO 2 film thicknesses.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of data-shaped spectra.
  • FIG. 7 is a diagram showing a result of comparing processed data subjected to signal processing with pattern data.
  • FIG. 8 is a diagram showing a case where the lower envelope is used.
  • FIG. 9 is a diagram showing the case of using the upper envelope.
  • “above” means the vertical direction above the substrate surface of the Si substrate placed on the sample stage, and “below” means the downward direction. Further, “lateral direction” means a direction parallel to the substrate surface.
  • light amount data and “light amount” refer not only to the direct data of the light amount (light intensity) such as the reflectance of the reflected light from the wafer, but also to the data related to the amount of change in the direct data such as the difference in the reflectance. Also includes
  • FIG. 1 A plasma processing method and a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 A plasma processing method and a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 A plasma processing method and a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 and 2 A plasma processing method and a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the plasma processing apparatus according to the first embodiment.
  • a plasma processing apparatus 1 shown in FIG. 1A includes a vacuum processing chamber 10 , a light source section 18 , an optical system 50 , a detection section 28 , an etching amount calculation section 30 and a control section 40 .
  • the vacuum processing chamber 10 excites and decomposes an etching gas introduced from a gas introducing means (not shown) into plasma 12 by electric power or microwaves generated by a high frequency power supply (not shown) or the like. .
  • a processing object 16 such as a semiconductor wafer placed on a sample table 14 is etched (plasma processed) by this plasma 12 .
  • the control unit 40 introduces gas into the vacuum processing chamber 10, generates and controls the plasma 12, and applies a voltage to the processing object 16 by a high-frequency power supply or the like, so that a desired etching process can be realized. Synchronize and adjust timing between devices.
  • the control of pulsing is also performed by the controller 40 .
  • the plasma 12 is pulsed by modulating the on/off of voltage application by a high-frequency power source or the like that converts the etching gas into plasma and microwave irradiation.
  • the plasma is also pulsed by time-modulating the introduction of the etching gas.
  • the plasma processing apparatus 1 has a mechanism for measuring the film thickness and depth of the processing target 16 .
  • Light emitted from the light source unit 18 is introduced into the vacuum processing chamber 10 via the optical system 50 and the introduction lens 20 , and the object 16 to be processed is irradiated with the irradiation light 22 .
  • the light source unit 18 can use continuous light from ultraviolet to infrared, but it is also possible to measure film thickness and depth using a specific wavelength.
  • the reflected light 24 from the processing target 16 is introduced into the detection section 28 via the detection lens 26 and the optical system 50 for detection.
  • the detection unit 28 has a configuration in which a spectroscope is used, for example, and separates the introduced light to detect the amount of light for each wavelength.
  • a photodetector or the like may be used instead of a spectroscope for the detection unit.
  • a photodetector may be used directly, and if continuous light is introduced, a mechanism that selects only the specific wavelength with a monochromator or the like in front of the photodetector. should be set.
  • the introduction lens 20 for introducing light into the vacuum processing chamber 10 and the detection lens 26 for detecting reflected light are installed so as not to overlap each other.
  • the introduction lens 20 and the detection lens 26 must face each other on the same optical path composed of the irradiation light 22 and the reflected light 24 with the processing target 16 as the reflecting surface. It is desirable to install it at an angle so as to
  • the configuration of the introduction lens 20 and the detection lens 26 is not limited to that shown in FIG. 1(a), and the introduction lens 20 and the detection lens 26 may be one common lens as a complete coaxial configuration. In this case, it is desirable that the direction of the light beam of the lens is perpendicular to the object 16 to be processed so that the vertically reflected light obtained as a result of the vertical irradiation can be detected.
  • FIG. 1A shows a pair of introduction systems for the irradiation light 22 and a detection system for the reflected light 24. A plurality of measuring systems may be provided.
  • FIG. 1(a) describes the case where light is incident from the external light source unit 18 as the light source
  • the light source unit 18 may not be used when the light of the plasma 12 is used as the light source. Even when the plasma 12 is used as the light source, the light emitted from the plasma 12 is reflected by the processing target 16 and the reflected light 24 is detected in the same manner as when the light source unit 18 is used.
  • the data of the detection unit 28 is introduced into the etching amount calculation unit 30 to determine the film thickness and depth.
  • FIG. 1(b) is a diagram showing the configuration of the etching amount calculation unit 30. As shown in FIG. FIG. 1B shows the configuration of the etching amount calculation unit 30 shown in FIG. Or, it is a block diagram indicated by an arrow.
  • the time-series data D1 of the amount of light of each wavelength output from the detection unit 28 and introduced into the etching amount calculation unit 30 has various noises and fluctuations removed and corrected by the digital signal processing unit 100, and is processed as time-series data D2 by a waveform comparator. 102.
  • the time-series data D2 output from the digital signal processing unit 100 is received by the waveform comparator 102, and is stored in the waveform pattern database 122 in the waveform comparator 102.
  • a computing unit is used to compare the acquired etching amount with at least one pattern data indicating the correlation between the light amount of each wavelength.
  • the waveform comparator 102 compares pattern data with wavelengths as parameters, in which a plurality of values of the etching amount or time after the start of processing in the waveform pattern database 122 are associated with light intensity values of a plurality of wavelengths, and time.
  • the data D2(i) at each sampling time i of the series data D2 is compared, and the data D2(i ) is detected as the closest pattern data.
  • pattern matching is performed by finding the pattern data closest to the data.
  • the pattern data with the smallest difference for example, the pattern data with the smallest standard deviation between data of a plurality of wavelengths can be used.
  • the etching amount corresponding to this closest pattern data is calculated as the etching amount at the sampling time i.
  • the etching amount at each sampling time i calculated by the waveform comparator 102 is transmitted to the etching amount storage unit 104 and output as time-series data D3(i). or stored in a storage device such as a semiconductor RAM or ROM.
  • the light amount data of each wavelength in the waveform pattern database 122 is data processed by the signal processing performed by the digital signal processing unit 100, and preferably the same signal processing as the time-series data D2, but may be different. .
  • the waveform pattern database 122 has a plurality of databases of pattern data of the etching amount and the light amount of each wavelength, the film thickness/depth D3 determined using each database is supplied to the etching amount storage unit 104. Sometimes.
  • the etching amount storage unit 104 outputs the etching amount time-series data D4 to the etching amount correction unit 106 .
  • the etching amount correction unit 106 can correct the etching amount at each time based on the time-series transition of the calculated etching amount. For example, if there is fluctuation due to noise or the like in the time-series transition of the calculated etching amount, the etching amount at each time is corrected by linearly approximating the temporal transition of the etching amount.
  • the etching amount corrected by the etching amount correction unit 106 is output as the etching amount data to the outside.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of functional blocks of the digital signal processing unit 100.
  • the spectrum input from the detection unit 28 to the digital signal processing unit 100 is processed by the preprocessing unit 202 for the purpose of removing noise and offset, and correcting variations in the amount of light.
  • a low-pass filter is used to remove noise on the time axis of each wavelength.
  • a secondary Butterworth low-pass filter for example, can be used as the low-pass filter, and the time-series data D2 is obtained by the following equation.
  • Dk(i) indicates data at time i of each data Dk
  • coefficients b and a have different numerical values depending on the sampling frequency and the cutoff frequency.
  • signal processing for calculating the amount of light amount change between times and a differential value may be used.
  • time-series data output by using the SG (Savitzky-Golay) method along the time axis is a differential value.
  • This differential value is a polynomial-fit smoothed differential method and is given by the following equation.
  • the light intensity value of each wavelength is It is possible to apply processing for normalization by the average value of the light amounts of all the wavelengths or the sum of the absolute values.
  • the data shaping unit 204 shapes the number of data points in the wavelength direction. For example, when the subsequent wavelength direction signal processing unit 206 performs digital signal processing on the basis of the wavenumber axis (reciprocal of wavelength), the spectrum at each time converts the wavelength into wavenumbers, and is arranged at regular intervals along the wavenumber axis. Resample spectral data. Spline interpolation, for example, is used for resampling. Further, for example, when the wavelength direction signal processing unit 206 performs digital signal processing on the basis of the wavelength axis, spectrum data is resampled so that the spectrum at each time has equal intervals on the wavelength axis.
  • the signal output from the data shaping section 204 undergoes signal processing in the wavelength direction by the wavelength direction signal processing section 206 .
  • the LPF is performed along the wavelength axis.
  • the LPF may be performed along the wavelength axis in this way, if optical interference causes the light amount to oscillate along the wavelength axis or the wavenumber axis, the light amount oscillates at a frequency close to the wavenumber axis. Therefore, performing LPF in the wavenumber axis may be more effective for vibration elimination.
  • the Hilbert transform and peak or bottom detection are performed on the wavelength axis or the wavenumber axis.
  • the Hilbert transform when the amount of light oscillates at a frequency close to the wavenumber axis, it is desirable to perform signal processing on the wavenumber axis rather than on the wavelength axis, as described above.
  • the data need not be evenly spaced with respect to the wavelength axis or the wavenumber axis, so either the wavelength axis or the wavenumber axis may be used.
  • a signal output from the wavelength direction signal processing unit 206 is supplied to the post-processing unit 208 .
  • the post-processing unit 208 if there is signal processing such as LPF for removing noise in the time direction of the input signal or noise removal that was not performed in the pre-processing unit 202, such processing is performed. .
  • signal processing such as LPF for removing noise in the time direction of the input signal or noise removal that was not performed in the pre-processing unit 202
  • the spectrum at each time is separately signal-processed in the wavelength direction signal processing unit 206, the spectrum is smoothed between each time for the purpose of ensuring temporal continuity. be.
  • a signal D2 subjected to these signal processes is output from the digital signal processing unit 100 and input to the waveform comparator 102 .
  • the plasma processing apparatus shown in FIG. 1(a) uses the signal indicating the etching amount output from the etching amount calculation unit 30 to determine the end point. That is, when the end point determiner that receives the signal from the etching amount calculator 30 compares the etching amount indicated by the signal with a predetermined target etching amount and determines that the etching amount is within a predetermined allowable range. is determined not to have reached the end point if it is outside the permissible range.
  • the plasma processing apparatus 1 based on the received etching stop signal, the etching process of the target film layer of the processing target 16 for which etching has been detected is stopped, or after changing the processing conditions, the processing process for the next processing target 16 is started. implement. This operation enables the plasma processing apparatus 1 to perform the end point determination operation using the etching amount monitor.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a film structure to be processed.
  • a plurality of oxide films 301 and metal films 302 are alternately stacked vertically on a Si substrate 303 .
  • This film structure film as shown in FIG. It has a side wall surface 305 .
  • FIG. 3(a) shows the state before the start of the etching process. In the unetched state, the position of the edge of metal film 302 facing trench 304 is the same as the position of the edge of oxide film 301 adjacent above or below it.
  • FIG. 3(b) shows the state in which the etching process has started and progressed. A portion of the metal film 302 facing the trench 304 is removed, and a recess is formed in the trench 304 laterally with respect to the edge of the oxide film 301 .
  • the etching process of the first embodiment is performed on the multilayer film structure in which the oxide film 301 and the metal film 302 are stacked vertically, with the side wall surface 305 before the etching process as a reference.
  • the metal film 302 is recessed (retracted) by removing a desired amount.
  • the film thicknesses of the oxide film 301 and the metal film 302 are each 25 nm, and the number of layers of the metal film 302 is 100 layers. Therefore, the total height of the multilayer film is 5 ⁇ m or more, which is a very thick structure.
  • the width of the trenches 304 is 200 nm, and the trenches 304 are formed on the Si substrate 303 with a pitch of 1 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows an example of the spectrum detected from the light obtained from the surface of the processing object 16 placed in the vacuum processing chamber 10 of the plasma processing apparatus 1 of this embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of light obtained during the etching process of the object to be processed.
  • FIG. 4A shows light amount data of the reflected light 24 from the surface of the processing target 16 when the etching amount from the start of the processing of the metal film 302 is 25 nm and 30 nm. It is shown as a spectrum. It corresponds to the data of D1.
  • the amount of etching of the metal film 302 is the depth of the lateral depression of the metal film 302 from the edge of the oxide film 301 facing the trench 304, i.
  • the position of the edge of the metal film 302 is set to zero, and the lateral direction in which etching progresses is positive. As shown in FIG. 4A, it can be confirmed that the spectrum changes as the etching progresses.
  • the reflectance spectrum shown in FIG. 4(a) appears at first glance to vary smoothly with wavelength, in fact it can be seen from this figure that the spectrum obtained during the etching of the stacked film structure varies with wavelength It can be seen that it vibrates in the axial direction. This is because, in the film structure of a semiconductor wafer, there are regions such as a repeating structure of a vacuum portion where an oxide film and a metal film are removed and a trench groove through which light can pass up to the Si substrate 303 portion, and the height of the region is several ⁇ m. and very large.
  • the optical path length difference between them differs depending on the wavelength. Since the change in the optical path length difference due to this wavelength increases in proportion to the stacked portion of the oxide film and the vacuum and the height of the trench, constructive and destructive interference in the wavelength direction is repeatedly observed in this film structure, and the resulting wavelength The amount of light (intensity) is observed to oscillate in the direction.
  • FIG. 4B shows the result of calculating the light amount data of the reflected light 24 from the spectrum of the amount of change in reflectance (hereinafter also referred to as "spectrum difference” or “light amount difference”). It corresponds to output data of the preprocessing unit 202 .
  • the solid line spectrum is the spectral difference when the metal film 302 is changed from 20 nm to 25 nm, and the dashed line is the spectral difference when the metal film 302 is changed from 25 nm to 30 nm. Since a change in the spectral difference can also be confirmed as the etching progresses, it can be seen that the etching amount of the metal film 302 can be estimated by using the spectra and the spectral difference in FIGS.
  • the film thickness of the oxide film 301, the metal film 302, and the like varies in the height direction. For example, if the oxide film increases by 1 nm, the height of the entire laminated film changes by 100 nm.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining spectra when the SiO 2 film thickness is different.
  • FIG. 5 shows the spectral difference observed when the SiO 2 film thickness is 25 nm and when it is 26 nm due to film deposition variations.
  • the spectral difference of the solid line is for a SiO 2 film thickness of 25 nm
  • the spectral difference of the dashed line is for a SiO 2 film thickness of 26 nm.
  • the etching amount of the metal film is 25 nm
  • the spectral difference between the etching amounts of 20 nm and 25 nm is shown.
  • the etching amount of the metal film is the same, it can be seen that the spectrum changes when the film thickness of the SiO 2 film changes.
  • the process of detecting the etching amount of the film structure to be processed will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
  • FIG. the etching amount is detected by the etching amount calculator 30 .
  • the wafer is etched and the etching amount of the metal film is estimated.
  • the SiO 2 film thickness of the film structure formed on the surface of the processing object 16 is 25 nm.
  • the light amount data processed by the preprocessing unit 202 is transmitted to the data shaping unit 204, signal processing is performed as necessary, and spectral data at each time is resampled.
  • the wavelength axis is converted into wavenumbers for the spectrum at each sampling time, and spline interpolation is performed so that the wavenumbers 1/300 nm to 1/900 nm (the denominator is the wavelength) are divided into 512 points at equal intervals on the wavenumber axis. was used to generate resampled and data-shaped spectral data.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of data-shaped spectra.
  • FIG. 6( a ) shows an example of spectral differences in which the horizontal axis is converted into wavenumbers in the data shaping section 204 .
  • the horizontal axis is the wave number
  • the vertical axis is the difference in reflectance derived from the difference in light intensity.
  • the vibration in the wavelength direction oscillates like a sine wave at a substantially constant frequency with respect to the wavenumber axis.
  • the spectrum oscillates with amplitudes containing multiple maxima or minima for changes in wavenumber or wavelength.
  • a signal indicating the spectrum data after such data shaping is transmitted to the wavelength direction signal processing section 206 and further signal-processed.
  • spectral data in which light intensity values are arranged at equal intervals along the wavenumber axis are subjected to high-frequency component removal by LPF, or envelope detection by Hilbert transform or peak/bottom detection.
  • LPF is performed in the wavelength direction to remove vibrational components in the wavelength direction.
  • FIG. 6(b) shows an example of the spectral difference from which the oscillation in the wavelength direction has been removed by the wavelength direction signal processing section 206.
  • FIG. 6(a) since the vibration component has a substantially constant frequency, it can be seen in FIG. 6(b) that the vibration component is sufficiently removed by the LPF.
  • the cutoff frequency of the LPF was set to 1/2 of the vibration frequency based on the vibration frequency in FIG. 6(a).
  • the cutoff frequency should be equal to or lower than the oscillation frequency, but if it is too low, not only high frequency components but also low frequency components are removed, and the spectrum shape may be distorted. Therefore, it is desirable to set the cutoff frequency to the extent that the vibration frequency can be removed.
  • the data that has undergone signal processing in the wavelength direction is input to the post-processing unit 208, and the amount of light for each wavelength is smoothed in the time direction.
  • the wavelength direction signal processing unit 206 as a result of independently performing signal processing on the spectrum at each time, there are cases where the change in the amount of light at each wavelength becomes discontinuous between times. In that case, LPF is performed on the light amount of each wavelength in the time direction, or a moving average is calculated.
  • data is smoothed by moving average of the past 1 sec for the spectrum at each time.
  • the data to be processed obtained by performing these processes is transmitted to the waveform comparator 102 and compared with the data stored in the waveform pattern database 122 for pattern matching.
  • pattern data is registered in which spectra of a plurality of predetermined wavelengths obtained by pre-etching the processing object 16 having the film structure shown in FIG. 3 are associated with etching amounts of the metal film 302. It is In the present embodiment, pattern data corresponding to a laminated film having a SiO 2 film thickness of 24 nm is used, and the structure is different from the SiO 2 film thickness of 25 nm of the actual processing object 16 on which the etching process is performed. Pattern data corresponding to the film structure were used.
  • the pattern data is composed of spectra obtained by performing the same signal processing as the spectrum obtained from the actual processing object 16 undergoing the etching process.
  • the waveform comparator 102 compares the spectrum data obtained at an arbitrary sampling time during processing with the spectrum of the pattern data stored in the database, and the etching corresponding to the pattern data with the smallest difference as a result of pattern matching. amount is detected as the etching amount at that time.
  • FIG. 7 is a diagram showing a result of comparing processed data subjected to signal processing with pattern data.
  • FIG. 7 shows the result of comparing the spectrum data detected during plasma processing of the processing object 16 with the pattern data spectrum stored in the waveform pattern database 122 when the etching amount is 25 nm.
  • the solid line indicates the spectral difference data obtained during the processing of the processing target 16 having a SiO 2 film thickness of 25 nm as the oxide film 301, with the horizontal axis representing the wavelength, and the broken line indicates data stored in the waveform pattern database 122.
  • 2 shows spectrum difference data of pattern data with a SiO 2 film thickness of 26 nm as the oxide film 301 .
  • Any spectral difference indicates a difference from the spectrum in the case of a predetermined etching amount.
  • the distributions of the two spectral differences match with high accuracy. Data can be accurately matched, and the etching amount can be detected.
  • the etching amount thus detected is processed by the etching amount storage unit 104 and the etching amount correction unit 106, and then input as data indicating the etching amount to the control unit 40 communicably connected to the plasma processing apparatus. and the data is stored in the internal storage device.
  • the control unit 40 determines whether the etching amount at the sampling time indicated by the data has reached the target value, and if it determines that the etching amount has reached the target value, sends a command to stop the etching process to the plasma processing apparatus, and performs the etching process. is stopped and terminated.
  • the film structure of the object 16 to be processed, the material of the film layer, and the factors of variation in the height of the stack are only examples, and the vibration in the wavelength direction due to the variation in the structure and material other than the part to be etched. It can be used to keep the correlation between the etching amount and the spectrum constant even when the oscillation frequency and amplitude of the spectrum to be processed fluctuate. For example, it can be applied to spectrum fluctuations when the material of the film layer is non-uniform and the refractive index is different.
  • pattern matching using a spectral difference is used as a method for determining the etching amount, but the method for determining the etching amount from the spectrum is not limited to this embodiment.
  • the amount of etching may be determined using feature amount data extracted from the spectrum.
  • the amount of etching was determined using the spectral difference (amount of change in spectrum), but the present invention is not limited to this.
  • the spectral data obtained from the reflected light is converted from wavelength to wavenumber, but the present invention is not limited to this.
  • FIG. 8 is a diagram showing a case where the lower envelope is used.
  • FIG. 8A shows the result of detecting the lower envelope of the spectral data obtained during the processing of the processing target 16 having a SiO 2 film thickness of 25 nm as the oxide film 301 shown in FIG. is shown.
  • the dashed line which is the original signal, indicates the spectrum of multiple wavelengths detected from the reflected light obtained at an arbitrary sampling time during the processing of the processing target 16, and the solid line is the lower envelope of the spectral data indicated by the dashed line. shows the data of the spectrum detected as .
  • the lower envelope shown in FIG. 8A is detected as a line connecting the minimum value (bottom part) of the light amount (parameter indicated by the vertical axis in the figure) in a specific wavelength section, It was used as spectral data for detecting the amount of etching.
  • the data shaping unit 204 in FIG. 2 used the lower envelope as the spectrum data without changing the wavelength axis and resampling the light amount data.
  • the oscillation in the wavelength direction seems to change in frequency, and envelope detection may not function well. In such a case, it is desirable to convert the spectrum to the wavenumber axis and perform envelope detection processing.
  • FIG. 8(b) shows the result of pattern matching in the waveform comparator 102 using the spectral data of FIG. 8(a).
  • the two spectral data are obtained when the etching amount is 25 nm
  • the solid line is the spectral difference obtained during the treatment of the film structure of the treatment object 16, in which the SiO 2 film as the oxide film 301 has a thickness of 25 nm.
  • the dashed line indicates the spectral difference created using the pattern data stored in the waveform pattern database 122 where the SiO 2 film as the oxide film 301 has a thickness of 26 nm.
  • the spectral data corresponding to the same etching amount agree with each other with high accuracy.
  • FIG. 9 is a diagram showing the case of using the upper envelope.
  • FIG. 9 shows an example in which the upper envelope is detected with respect to the spectral data obtained during the processing of the film structure in which the SiO 2 film as the oxide film 301 has a thickness of 25 nm shown in FIG. 6(a). shown.
  • the dashed line which is the original signal, indicates the spectrum of multiple wavelengths detected from the reflected light obtained at an arbitrary sampling time during the processing of the processing target 16, and the solid line is the lower envelope of the spectral data indicated by the dashed line. shows the data of the spectrum detected as .
  • LPF Low Pass Filter
  • HPF High Pass Filter
  • Hilbert transform the same spectral data shown in FIG. obtained respectively.
  • Low-frequency components are removed from the spectrum data after high-pass filtering by the HPF, and only vibrations in the wavenumber direction are extracted.
  • Hilbert transform is applied to such high-pass filtered spectral data, and the envelope of the vibration component is calculated as a spectrum.
  • the upper envelope is detected by adding the calculated envelope spectrum and the spectrum of the low-frequency components after low-pass filtering.
  • FIG. 9B shows the result of pattern matching with the spectrum of the pattern data stored in the waveform pattern database 122 in the waveform comparator 102 using the upper envelope thus obtained as the spectrum data used for detecting the etching amount.
  • the two spectral data are obtained when the etching amount is 25 nm
  • the solid line is the spectral difference obtained during the treatment of the film structure of the treatment object 16, in which the SiO 2 film as the oxide film 301 has a thickness of 25 nm.
  • the dashed line indicates the spectral difference created using the pattern data stored in the waveform pattern database 122 where the SiO 2 film as the oxide film has a thickness of 26 nm.
  • the spectral data corresponding to the same etching amount agree with each other with high accuracy.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
  • the lower envelope was used in the second embodiment, the upper envelope can also be used as spectral data for detecting the etching amount, and the upper envelope was used in the third embodiment, but the lower The envelope can also be used as spectral data for detecting the amount of etching.

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Abstract

横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定するプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。　本発明にかかるプラズマ処理方法は、ウエハをプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、前記ウエハに光を照射する第１ステップと、前記ウエハのプラズマ処理中に所定の複数の時刻にウエハから反射した光を受光する第２ステップと、受光した前記光の複数の波長ごとの光量データに対して、信号処理を行う第３ステップと、前記信号処理を行った被処理データを用いて前記プラズマ処理中の前記ウエハのエッチング量を決定する第４ステップと、前記エッチング量に基づき前記プラズマ処理の終点を判定する第５ステップと、を含む。

Description

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置
　本発明は、真空容器内部の処理室内に配置し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方法およびプラズマ処理装置に係る。特に処理室内からの光を用いてウエハの処理に関する量を検出しつつ処理を行うプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
　半導体デバイスの製造では、半導体ウエハの表面上に、様々な機能を奏する回路の一纏まりとしてのコンポーネントやそれらを相互接続する配線を形成する工程が行われる。これらコンポーネントや配線の形成は、半導体ウエハ等の基板状の試料表面に予め形成された導体あるいは半導体または絶縁体を含む種々の材料の膜層の形成やこれらの膜層の不要な部分の除去等の処理の工程を繰り返すことで行われる。このような不要な部分の除去の工程では、プラズマを用いたドライエッチングの処理（プロセス）が広く使用されている。
　このようなプラズマを用いたエッチング（プラズマエッチング）は、処理装置の真空容器内部に備えられた処理室内に処理用のガスを導入すると共に処理室内に高周波電源から供給された高周波電力による高周波電界を供給する。導入したガスの原子または分子を励起して電離または解離させてプラズマ化し、処理室内に設置された試料表面をプラズマに暴露してプラズマに接触させることによって、プラズマ中の粒子と処理対象の膜層との間の反応が生起される。この際、プラズマ中のイオン等荷電粒子によるスパッタリング等の物理的反応やラジカル（反応活性を有した粒子、活性種）による化学的反応などによって処理対象の膜層の異方性または等方性のエッチングが行われる。ウエハ表面上には、このような各々に異なる特性を有した処理が適切に選択されて適用され、上記種々の機能を奏する回路の構造を有したコンポーネントや配線が形成される。
　プラズマエッチングによる加工形状が設計と異なる場合、形成される各種コンポーネントはその機能を実現できない。そのため、エッチング処理を監視・安定化するプロセスモニタ技術が多数提案されてきた。処理中のウエハからの反射光を計測することによりウエハ上に成膜された膜の膜厚やウエハ上に形成された溝や穴の深さを測定するプロセスモニタは膜厚・深さモニタと呼ばれ、エッチング処理の終点判定などに利用されてきた。
　特許文献１にはこの膜厚・深さモニタを用いた加工精度高精度化方法が記載されている。この方法では、プラズマ光を光源とした膜厚・深さモニタを用いて処理対象の膜が完全に除去される直前を検知し、当該エッチング処理を終了する。
　特許文献２には膜厚・深さモニタの膜厚や深さの測定精度の高精度化技術が記載されている。この方法ではウエハに照射する光源としてプラズマ光の代わりに外部光源を使用する。これにより、光源の光量変動が小さくなり高精度な膜厚・深さの測定を実現する。
特開平１１－２６０７９９号公報 特表２００４－５０７０７０号公報
　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、金属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、本手法では金属膜の横方向のエッチング量を厳密に制御することはできないため、横方向のエッチング量をモニタして、エッチング終点を判定する技術が必要である。
　エッチング量をモニタする方法としては、特許文献１と同様に、エッチング中にウエハ反射光のスペクトルを測定し、予め参照用として用意したスペクトルとエッチング量が対応するデータベース（Ｄａｔａｂａｓｅ，ＤＢ）と測定スペクトルを比較し、エッチング中に横方向のエッチング量を算出する方法が考えられる。この方法では、エッチング量とスペクトルの関係が常に一定であることが必要となる。ここで、３Ｄ－ＮＡＮＤでは、金属膜と絶縁膜の積層は数十から数百層であるため、例えば絶縁膜の膜厚が成膜ばらつきによる１ｎｍ変化した場合、絶縁膜の層数が１００層では積層膜全体の高さが１００ｎｍと大きく変化する。絶縁膜のみを形成したウエハの反射光のスペクトルを検出する場合、絶縁膜の厚さの違いに応じて、スペクトルのピーク位置やピーク数が大きく変化することが知られている。このように、積層膜全体の高さが変わるとき、金属膜の横方向のエッチングに起因するスペクトルが得られたとしても、積層膜全体高さの違いに起因するスペクトルの変化分がノイズとして含まれてしまい、測定されたスペクトルとエッチング量の対応関係は参照用データのスペクトルとエッチング量に一致しなくなる。従って、積層膜全体の高さが変化する場合、ウエハ反射光のスペクトルを用いて横方向のエチング量を推定し、エッチング終点を判定することは困難となる。特許文献１や特許文献２には、こうした積層膜全体高さの違いに起因するスペクトルの変化に対する課題認識が開示されていない。
　本発明は上述した課題を解決し、横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定するプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。
　上記の課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理方法は、ウエハをプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、前記ウエハに光を照射する第１ステップと、前記ウエハのプラズマ処理中に所定の複数の時刻にウエハから反射した光を受光する第２ステップと、受光した前記光の複数の波長ごとの光量データに対して、信号処理を行う第３ステップと、前記信号処理を行った被処理データを用いて前記プラズマ処理中の前記ウエハのエッチング量を決定する第４ステップと，前記エッチング量に基づき前記プラズマ処理の終点を判定する第５ステップと、を含む。
　本発明によれば、横方向のエッチング量を正確に推定し、推定したエッチング量に基づき終点を判定することが実現される。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、デジタル信号処理部の機能ブロックの構成を示す図である。 図３は、処理対象の膜構造を模式的に示す縦断面図である。 図４は、処理対象のエッチング処理中に得られた光の光量を示す図である。 図５は、ＳｉＯ２膜厚が異なる場合のスペクトルを示す図である。 図６は、データ整形したスペクトルの例を示す図である。 図７は、信号処理が行われた被処理データをパターンデータと比較した結果を示す図である。 図８は、下部包絡線を用いた場合を示す図である。 図９は、上部包絡線を用いた場合を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
　本開示において、「上方」とは、試料台に載置したＳｉ基板の基板面の垂直方向の上方向を意味し、「下方」は下方向を意味する。さらに「横方向」は、前記基板面に水平な方向を意味する。
　また、「光量データ」「光量」とは、ウエハからの反射光の反射率などの光量（光の強度）の直接的データだけでなく、反射率の差といった直接的データの変化量に関わるデータをも含む。
［第１実施形態］
　図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を説明する。
　図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）に示されるプラズマ処理装置１は、真空処理室１０、光源部１８、光学系５０、検出部２８、エッチング量算出部３０、制御部４０を備える。
　真空処理室１０は、内部に図示を省略したガス導入手段から導入されたエッチングガスを、図示を省略した高周波電源等を用いて発生させた電力やマイクロ波によって励起・分解しプラズマ１２を生成させる。このプラズマ１２により、試料台１４に設置された半導体ウエハ等の処理対象１６がエッチング処理（プラズマ処理）される。制御部４０は、真空処理室１０内へのガスの導入、プラズマ１２の生成及び制御、高周波電源等によって行われる処理対象１６への電圧印加などを行い、所望のエッチング処理が実現されるように各機器間での同期およびタイミング調整をする。プラズマ１２をパルス化する場合、パルス化の制御も制御部４０によって行われる。この時、プラズマ１２は、エッチングガスをプラズマ化する高周波電源等による電圧印加およびマイクロ波照射などのオン／オフを変調することによってパルス化される。また、エッチングガスの導入を時間変調することによっても、プラズマはパルス化される。
　プラズマ処理装置１は、処理対象１６の膜厚・深さを測定する機構を備えている。光源部１８から射出された光は光学系５０及び導入レンズ２０を介して真空処理室１０内に導入され、照射光２２が処理対象１６に照射される。光源部１８は紫外から赤外までの連続光を用いることが可能であるが、特定の波長を用いて膜厚・深さ測定を実施することも可能である。処理対象１６からの反射光２４は、検出用の検出レンズ２６及び光学系５０を介して検出部２８に導入される。
　検出部２８は、たとえば分光器が用いられる構成であり、導入された光を分光し、波長毎の光量を検出する。特定波長を用いて膜厚・深さ測定を行う場合、検出部には分光器に限らずフォトディテクタ等を用いてもよい。このとき、検出部２８に導入される光が所望の特定波長のみであれば直接フォトディテクタを用いればよく、連続光が導入される場合にはフォトディテクタ前段にモノクロメータなどで特定波長のみを選択する機構を設ければよい。
　ここで、図１（ａ）では、真空処理室１０に光を導入する導入レンズ２０と反射光を検出する検出レンズ２６は、位置が重ならないように設置されている。この構成の場合、反射光２４を最も効率よく検出するためには、導入レンズ２０と検出レンズ２６を、処理対象１６を反射面とした照射光２２と反射光２４からなる同一光路上で互いに対向するように傾斜させて設置することが望ましい。
　導入レンズ２０と検出レンズ２６の構成は図１（ａ）に限ったものではなく、完全同軸構成として、導入レンズ２０と検出レンズ２６を１つのレンズで共通にしてもよい。この場合、レンズの光線方向は処理対象１６に垂直とし、垂直照射した結果得られる垂直反射光を検出できる構成にすることが望ましい。また、図１（ａ）では１対の照射光２２の導入系統と反射光２４の検出系統を記載しているが、処理対象１６の複数の位置で膜厚・深さを測定する場合には測定系を複数設ければよい。
　図１（ａ）では光源として外部の光源部１８からの光入射した場合について説明したが、光源としてプラズマ１２の光を用いる場合には光源部１８は使用しなくてもよい。プラズマ１２を光源として用いる場合もプラズマ１２から放出された光は処理対象１６により反射し、反射光２４が光源部１８を用いた場合と同様に検出される。検出部２８のデータはエッチング量算出部３０に導入され膜厚・深さが決定される。
　図１（ｂ）は、エッチング量算出部３０の構成を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すエッチング量算出部３０の構成を、各機能を奏する部分毎にブロックとして分けて表し、これら同士の間のデータや情報のやり取りや流れを線または矢印で示したブロック図である。
　検出部２８から出力されエッチング量算出部３０に導入された各波長の光量の時系列データＤ１は、デジタル信号処理部１００により各種ノイズや変動が除去・補正され、時系列データＤ２として波形比較器１０２に供給される。
　第１実施形態において、デジタル信号処理部１００から出力された時系列データＤ２は、波形比較器１０２で受信され、当該波形比較器１０２において、波形パターンデータベース１２２内に格納されたデータであって予め取得されたエッチング量と各波長の光量との相関を示す少なくとも１つのパターンデータとの比較が演算器を用いて行われる。波形比較器１０２では、波形パターンデータベース１２２内のエッチング量または処理の開始後の時間の複数の値と複数の波長の光の強度の値とが対応付けられた波長をパラメータとするパターンデータと時系列データＤ２の各サンプリング時刻ｉのデータＤ２（ｉ）とが比較され、エッチング量または処理の開始後の時間毎の複数の波長の光量（光の強度）のパターンデータのうちでデータＤ２（ｉ）との差が最も小さいものが最も近いパターンデータとして検出される。このように、パターンマッチングは、データに最も近いパターンデータを検出することによって行われる。
　差が最も小さいパターンデータとしては、例えば、複数の波長のデータ同士の間の標準偏差が最小となるものを用いることができる。この最も近いパターンデータの対応するエッチング量が当該サンプリング時刻ｉのエッチング量として算出される。波形比較器１０２において算出された各サンプリング時刻ｉのエッチング量はエッチング量記憶部１０４に送信され時系列データＤ３（ｉ）として出力され、エッチング量記憶部１０４とデータを通信可能に接続されたハードディスクや半導体製のＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置内に格納される。
　波形パターンデータベース１２２における各波長の光量データはデジタル信号処理部１００で実施される信号処理で処理されたデータであり、時系列データＤ２と同じ信号処理であることが望ましいが、異なっていてもよい。ここで、波形パターンデータベース１２２にエッチング量と各波長の光量のパターンデータのデータベースが複数存在する場合、各データベースを用いて決定される膜厚・深さＤ３がエッチング量記憶部１０４に供給される場合がある。
　エッチング量記憶部１０４はエッチング量の時系列データＤ４をエッチング量補正部１０６に出力する。
　エッチング量補正部１０６では算出されたエッチング量の時系列推移に基づき各時刻のエッチング量を補正することが可能である。例えば、算出したエッチング量の時系列推移にノイズ等に起因する揺らぎがある場合、エッチング量の時間推移を線形近似して各時刻のエッチング量を補正する。エッチング量補正部１０６にて補正されたエッチング量は外部にエッチング量データを出力する。
　図２は、デジタル信号処理部１００の機能ブロックの構成を示す図である。デジタル信号処理部１００において、検出部２８よりデジタル信号処理部１００に入力されたスペクトルは前処理部２０２にてノイズやオフセット除去、光量変動の補正を目的とした信号処理が実施される。例えば、各波長の時間軸におけるノイズの除去にはローパスフィルタが使用される。ローパスフィルタは、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いることができ、時系列データＤ２は次式により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｄｋ（ｉ）は各データＤｋの時刻ｉのデータを示し、係数ｂ、ａはサンプリング周波数およびカットオフ周波数により数値が異なる。また、デジタルフィルタの係数値は、例えば、ａ２＝－１.１４３、ａ３＝０.４１２８、ｂ１＝０.０６７４５５、ｂ２＝－０.０１３４９１、ｂ３＝０.０６７４５５（サンプリング周波数１０Ｈｚ、カットオフ周波数１Ｈｚ）である。各波長の光量オフセットを除去し、光量の時間変化を観測する場合においては、時刻間の光量変化量や微分値を算出する信号処理を用いればよい。例えば、時間軸に沿ったＳ－Ｇ（Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ）法を用いることで出力される時系列データは微分値となる。この微分値は多項式適合平滑化微分法であり、次式により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで重み係数ｗｊに関して、１次微分計算では、例えばｗ－２＝－２、ｗ－１＝－１、ｗ０＝０、ｗ１＝１、ｗ２＝２が用いられる。また、２次微分計算では、例えばｗ－２＝２、ｗ－１＝－１、ｗ０＝－２、ｗ１＝－１、ｗ２＝２が用いられる。
　また、何れかのサンプリング時刻のデータＤｋ（ｉ）において、そのデータのうち検出する対象の全ての波長の光量の値が同じ割合で時間変化している場合には、各波長の光量の値を当該全ての波長の光量の平均値や絶対値の総和の値により規格化する処理を適用することができる。
　前処理部２０２から出力された信号はデータ整形部２０４にて波長方向のデータ点数を整形する。例えば、後続する波長方向信号処理部２０６にて波数軸（波長の逆数）を基準にデジタル信号処理を行う場合、各時刻のスペクトルは波長を波数に換算し、波数軸で等間隔となるようにスペクトルデータをリサンプリングする。リサンプリングには、例えばスプライン補間を用いる。また例えば、波長方向信号処理部２０６にて波長軸を基準にデジタル信号処理を行う場合、各時刻のスペクトルは波長軸で等間隔となるようにスペクトルデータをリサンプリングする。
　データ整形部２０４から出力された信号は波長方向信号処理部２０６にて波長方向の信号処理が実施される。例えば、波長方向の光量の振動成分を除去する場合、波長軸に沿ってＬＰＦを実施する。このように波長軸に沿ってＬＰＦを実施してもよいが、光学干渉によって波長軸又は波数軸に沿った光量の振動が発生している場合、波数軸に対して光量は近い周波数で振動するため、波数軸においてＬＰＦを実施する方が振動除去に効果的である場合がある。
　また、例えば、波長方向の光量の振動成分の包絡線を検出することを目的に、波長軸または波数軸に対してヒルベルト変換やピークまたはボトム検出を実施する。ヒルベルト変換において、波数軸に対して光量が近い周波数で振動する場合、上述と同様に波長軸よりも波数軸にて信号処理を実施することが望ましい。一方、ピーク又はボトム検出による包絡線検出であれば、波長軸や波数軸に対してデータは等間隔である必要はないため、波長軸や波数軸のいずれを用いても良い。
　波長方向信号処理部２０６から出力された信号は後処理部２０８に供給される。後処理部２０８では入力された信号の時間方向のノイズの除去を目的としたＬＰＦや、前処理部２０２にて実施しなかったノイズ除去等の信号処理がある場合に、それらの処理を実施する。また、波長方向信号処理部２０６では各時刻のスペクトルが別々に信号処理されるため、それらの時間的な連続性を担保することを目的とし、各時刻間でのスペクトルの平滑化処理が実施される。これら信号処理を実施した信号Ｄ２はデジタル信号処理部１００から出力され、波形比較器１０２に入力する。
　図１（ａ）に示すプラズマ処理装置は、エッチング量算出部３０から出力されたエッチング量を示す信号を用いて終点判定を実施する。すなわち、エッチング量算出部３０からの信号を受信した終点判定器において当該信号の示すエッチング量が予め定められた目標のエッチング量とが比較されて所定の許容範囲内であると判定された場合には処理が終点へ到達したことが、許容範囲外である場合には到達していないことが判定される。目標のエッチング量への到達が判定された場合には、図示しないモニターやランプ、信号機等の報知器によって上記到達が報知されるとともに、到達を示す信号を受信した制御部４０によって、エッチング処理の停止または処理の条件を変更する信号をプラズマ処理装置に発信する。
　プラズマ処理装置１では受信したエッチング停止信号に基づいてエッチングを検出した処理対象１６の対象膜層のエッチング処理を停止させる、あるいは、処理の条件を変更した後に次の処理対象１６に対する処理の工程を実施する。この動作により、本プラズマ処理装置１はエッチング量モニタを用いた終点判定動作が可能である。
　次に、図３を参照して、第１実施形態に係るプラズマ処理装置を用いたエッチング量を検出しつつエッチング処理を実施する対象である膜構造を説明する。図３は、処理対象の膜構造を模式的に示す縦断面図である。
　処理対象１６の膜構造では、Ｓｉ基板３０３上に酸化膜３０１と金属膜３０２とが上下方向に交互に複数積層されている。この膜構造膜は、図３に示されるように、中央部において縦方向（上下方向）に形成された溝または孔状の構造であるトレンチ３０４を有しており、当該トレンチ３０４内部に面した側壁面３０５を有している。
　第１実施形態のプラズマ処理装置１において、処理対象１６に対して施されるエッチング工程では、膜構造の金属膜３０２を選択的にトレンチ３０４に面する側壁面３０５の表面から横方向にエッチングする。図３（ａ）は、エッチング工程の開始前の状態を示す。エッチングされていない状態であるため、トレンチ３０４に面する金属膜３０２の端部の位置は、その上方又は下方に隣接する酸化膜３０１の端部の位置と同じである。一方、図３（ｂ）は、エッチング工程が開始され進行した状態を示す。金属膜３０２のトレンチ３０４に面した部分が除去されており、トレンチ３０４に酸化膜３０１の端部に対して、横方向に凹み（リセス）が形成されている。
　このように、第１実施形態のエッチング工程は、酸化膜３０１と金属膜３０２とが上下方向に積層された多層積層の膜構造に対して、エッチング工程前の側壁面３０５を基準にして、これから金属膜３０２を所望の量だけ除去して凹ませる（後退させる）ものである。ここで、第１実施形態では、酸化膜３０１と金属膜３０２の膜厚はそれぞれ２５ｎｍであり、金属膜３０２の積層数は１００層である。このため、多層膜の全体高さは５μｍ以上と非常に厚い構造である。トレンチ３０４の幅は２００ｎｍであり、トレンチ３０４はピッチ１μｍでＳｉ基板３０３上に形成される。
　次に、図４および図５を参照して、エッチング量に現れる膜厚の影響について説明する。
　本実施形態のプラズマ処理装置１の真空処理室１０内に配置された処理対象１６の表面から得られる光から検出されたスペクトルの例を図４に示す。図４は、処理対象のエッチング処理中に得られた光の光量を示す図である。
　図４（ａ）は、金属膜３０２の処理の開始時からのエッチング量が２５ｎｍおよび３０ｎｍである際の、処理対象１６の表面からの反射光２４の光量データを、複数の波長における反射率のスペクトルとして示したものである。Ｄ１のデータに相当する。ここで、金属膜３０２のエッチング量は、酸化膜３０１のトレンチ３０４に面する端縁からの金属膜３０２の横方向の凹みの深さの値、すなわちエッチング工程の開始前においてトレンチ３０４に面した金属膜３０２の端部の位置を基準としてゼロとし、エッチングが進行する横方向を正にとっている。この図４（ａ）に示されるように、スペクトルはエッチング進行に伴い変化していることが確認できる。
　図４（ａ）に示される反射率のスペクトルは、一見すると波長が変化するにつれてなめらかに変化するようにみえるものの、実際この図から、積層された膜構造のエッチング中に得られるスペクトルは、波長軸方向に振動していることが分かる。これは、半導体ウエハの膜構造では、酸化膜と金属膜が除去された真空部分との繰り返し構造やトレンチ溝のように光がＳｉ基板３０３部分まで透過できる領域があり、その高さが数μｍと非常に大きいことに起因する。
　このような数μｍを透過しＳｉ基板３０３で反射した光と最上層の酸化膜表面で反射した光が干渉するとき、それらの光路長差は波長により異なる。この波長による光路長差の変化は酸化膜と真空の積層部分やトレンチの高さに比例して大きくなるため、本膜構造では波長方向の干渉の強め合いと弱め合いが繰り返し観測され、結果波長方向に光量（強度）が振動して観測される。
　エッチング進行に伴い反射率のスペクトルは変化する。図４（ｂ）は、反射光２４の光量データを反射率の変化量のスペクトル（以下、「スペクトル差」「光量差」ともいう。）により算出した結果である。前処理部２０２の出力データに相当する。実線のスペクトルは金属膜３０２が２０ｎｍから２５ｎｍに変化した際のスペクトル差であり、破線は金属膜３０２が２５ｎｍから３０ｎｍに変化した際のスペクトル差である。スペクトル差においてもエッチング進行に伴い変化が確認できることから、図４（ａ）、（ｂ）のスペクトル及びスペクトル差を用いることで金属膜３０２のエッチング量を推定できることが分かる。
　ここで、図３（ａ）の積層膜は１００層であるため、この構造を製造する場合、酸化膜３０１や金属膜３０２などは高さ方向に関わる膜厚の成膜にばらつきが発生する。例えば、酸化膜が１ｎｍ増加すると、積層膜全体の高さは１００ｎｍも変化することになる。
　図５は、ＳｉＯ２膜厚が異なる場合のスペクトルを説明する図である。図５において、ＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍの場合と成膜ばらつきにより２６ｎｍになった場合において観測されるスペクトル差が示される。実線のスペクトル差はＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍのものであり、破線のスペクトル差はＳｉＯ２膜厚が２６ｎｍのものである。いずれのスペクトル差も金属膜のエッチング量は２５ｎｍであり、エッチング量２０ｎｍと２５ｎｍのスペクトル差で示している。金属膜のエッチング量が同じにも関わらず、ＳｉＯ２膜の膜厚が変わることでスペクトルは変化することが分かる。このため、スペクトルからエッチング量を推定する場合、図１（ｂ）の波形パターンデータベース１２２に特定のスペクトルとエッチング量の相関を有する比較対象のデータであるパターンデータを登録するだけでは、積層膜全体高さがウエハ間でばらつくことによりスペクトルのパターンマッチングによるエッチング量を高い精度で検出することは困難である。
　次に、図６および図７を参照して、処理対象の膜構造のエッチング量を検出する処理について説明する。
　以下の説明において、当該エッチング量は、エッチング量算出部３０において検出される。また、ウエハをエッチングし、その金属膜のエッチング量の推定を行う。また、処理対象１６の表面に形成された膜構造のＳｉＯ２膜厚は２５ｎｍである。
　前処理部２０２で処理された光量データはデータ整形部２０４に伝達され、必要に応じて信号処理が行われ各時刻のスペクトルデータのリサンプリングが行われる。本実施形態では、各サンプリング時刻のスペクトルに対して、波長軸を波数に換算し、波数軸で波数１／３００ｎｍ～１／９００ｎｍ（分母は波長）を５１２点等間隔に分割するようにスプライン補完を用いてリサンプリングし、データ整形したスペクトルデータを生成した。
　図６は、データ整形したスペクトルの例を示す図である。図６（ａ）は、データ整形部２０４において横軸を波数に換算したスペクトル差の例を示す。横軸は波数、縦軸は光量差に基づき導出される反射率の差であり、ＳｉＯ２膜厚２５ｎｍで金属膜のエッチング量が２０ｎｍと２５ｎｍのスペクトル差を示す。図６（ａ）に示されるように、波長方向の振動は波数軸に対してほぼ一定の周波数で正弦波のように振動している。言い換えると、スペクトルは、波数または波長の変化に対して、複数の極大値または極小値を含む振幅を有して振動する。
　このようなデータ整形後のスペクトルデータを示す信号は、波長方向信号処理部２０６に伝達されてさらに信号処理される。波長方向信号処理部２０６では、波数軸に等間隔に光量値が並んだスペクトルデータに対し、ＬＰＦによる高周波成分の除去、又はヒルベルト変換やピーク／ボトム検出による包絡線検出が行われる。
第１実施形態では、波長方向にＬＰＦが実施され、波長方向の振動成分が除去された。
　図６（ｂ）は、波長方向信号処理部２０６において波長方向の振動が除去されたスペクトル差の例を示す。図６（ａ）に示したスペクトル差の例では、振動成分はほぼ一定周波数であるため、図６（ｂ）ではＬＰＦにより振動成分が十分に除去できていることが分かる。
　ここで、ＬＰＦのカットオフ周波数は図６（ａ）の振動周波数に基づき、振動周波数の１/２に設定された。カットオフ周波数は振動の周波数以下であればよいが、下げ過ぎると高周波成分の除去だけでなく低周波成分も除去され、スペクトル形状が歪む可能性がある。そのため、カットオフ周波数は振動の周波数が除去できる程度に設定することが望ましい。
　波長方向の信号処理されたデータは後処理部２０８に入力され、各波長の時間方向の光量平滑化などが行われる。例えば、波長方向信号処理部２０６では各時刻のスペクトルに対して独立に信号処理を行った結果、各波長の時刻間の光量変化が不連続となる場合がある。その場合、各波長の光量を時間方向に対してＬＰＦを実施したり、移動平均を算出したりする。本実施形態では各時刻のスペクトルに対し、過去１secの移動平均によりデータの平滑化が行われる。
　これら処理を行って得られた被処理データは、波形比較器１０２に送信されて波形パターンデータベース１２２に格納されたデータと比較され、パターンマッチングが行われる。波形パターンデータベース１２２には、図３に示す膜構造を有する処理対象１６を予めエッチングして得られた所定の複数の波長のスペクトルと金属膜３０２のエッチング量とが対応付けられたパターンデータが登録されている。本実施形態では、パターンデータとしてＳｉＯ２膜厚が２４ｎｍである積層膜に対応するものが用いられ、エッチング処理工程が行われている実際の処理対象１６のＳｉＯ２膜厚２５ｎｍとは異なる構成の膜構造に対応するパターンデータが用いられた。
　一方、パターンデータは、エッチング処理工程が行われている実際の処理対象１６から得られたスペクトルに対して施される信号処理と同一の信号処理が施されて得られたスペクトルから構成されている。波形比較器１０２では、処理中の任意のサンプリング時刻に得られたスペクトルのデータとデータベースに格納されたパターンデータのスペクトルとが比較され、パターンマッチングされた結果最も差異が小さいパターンデータに対応するエッチング量を当該時刻のエッチング量として検出される。
　ここで、処理中の任意の時刻に得られた或いは複数の時刻で得られた時系列のスペクトルのデータについて、図２に示すデータ整形部２０４、波長方向信号処理部２０６、後処理部２０８におけるデータ処理が実施されない場合は、金属膜３０２の同じエッチング量におけるスペクトルは、図５に示すように異なる値となってしまい、例え予め獲得した精度の高いパターンデータを用いて処理中に得られたスペクトルのデータとパターンマッチングしても、精度良くエッチング量を検出するが妨げられる。一方で、本実施形態では図２に示すデジタル信号処理部１００において信号処理を行うことにより、処理対象１６の複数の積層膜を有する膜構造の全体の高さが変化する場合においても、実際のエッチングの量を精度良く示すスペクトルが取得可能となる。
　図７は、信号処理が行われた被処理データをパターンデータと比較した結果を示す図である。図７において、エッチング量が２５ｎｍである場合における、処理対象１６をプラズマ処理中に検出したスペクトルのデータと波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータのスペクトルとを比較した結果が示される。図７において、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の処理中に得られた波長を横軸とするスペクトル差のデータを示し、破線は波形パターンデータベース１２２に格納された酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜厚が２６ｎｍであるパターンデータのスペクトル差のデータを示す。いずれのスペクトル差も、所定のエッチング量の場合のスペクトルとの差分を示している。図７に示されるように、２つのスペクトル差は分布が精度良く一致しており、本実施形態に示す構成を用いて得られたスペクトル差のデータを用いて波形パターンデータベース１２２に格納されたパターンデータと精度の良いマッチングを行うことができ、エッチング量を検出することができる。
　このように検出されたエッチング量は、エッチング量記憶部１０４、エッチング量補正部１０６にて処理された後に、エッチング量を示すデータとして、プラズマ処理装置と通信可能に接続された制御部４０に入力され、内部の記憶装置にデータが記憶される。制御部４０は、データが示すサンプリング時刻のエッチング量が目標値に到達しているかを判定して、到達していると判定した場合、プラズマ処理装置にエッチング処理の停止命令を送り、エッチング処理工程を実施している処理対象１６のエッチング処理が停止され終了する。
（作用・効果）
　以上の通り、第１実施形態において、処理対象１６の表面に予め形成された複数の膜層が積層された膜構造の全体の高さが複数の処理対象１６の間で変動した場合においても、処理対象１６表面からの反射光２４から得られたスペクトルの光量データを用いて信号処理を行うことにより、高い精度で処理対象の金属膜３０２の横方向のエッチング量が検出可能となり、処理対象１６のエッチング処理の終点を正確に判定することが可能となる。
　ここで、第１実施形態において、処理対象１６の膜構造やその膜層の材料、積層の高さのばらつき要因は一例であり、エッチング対象の部分以外の構造や材料のばらつきにより波長方向に振動するスペクトルの振動周波数や振幅が変動する場合において、エッチング量とスペクトルの相関を一定に保つために使用することが可能である。例えば膜層の材質が不均一で屈折率に違いが出た場合のスペクトルの変動にも適用可能である。また、本実施形態ではエッチング量の決定方法としてスペクトル差を用いたパターンマッチングを使用したが、スペクトルからエッチング量を決定する手法は本実施形態に限ったものではなく、スペクトルの特定波長の光量データやスペクトルから抽出した特徴量データを用いてエッチング量の決定を行ってもよい。
　また、スペクトル差（スペクトルの変化量）を用いてエッチング量の決定を行ったが、本願発明はこれに限定されない。たとえば、反射光から得られたスペクトルのデータと、パターンデータのスペクトルと、を比較して、エッチング量を決定することも可能である。また、反射光から得られたスペクトルのデータについて波長から波数への換算をしたデータを用いたが、本願発明はこれに限定されない。たとえば、波長のままのデータでエッチング量を決定することも可能である。
［第２実施形態］
　上記の第１実施形態では、データ整形部２０４にて波長軸の換算及び光量データのリサンプリングを実施した。これらのデータ処理を行わず、波長方向信号処理部２０６において下部包絡線検出を用いることによっても、エッチング量を高い精度で検出することができる。第２実施形態では、このようなエッチング量の検出の構成について説明する。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、図１乃至７に説明した実施形態と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
　図８は、下部包絡線を用いた場合を示す図である。図８（ａ）には、図５に示す酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の処理中に得られたスペクトルデータに対して、下部包絡線を検出した結果が示される。元の信号である破線は、処理対象１６の処理中の任意のサンプリング時刻に得られた反射光から検出された複数波長のスペクトルを示し、実線は当該破線で示されたスペクトルデータの下部包絡線として検出されたスペクトルのデータを示す。第２実施形態では、図８（ａ）に示される下部包絡線を、特定の波長の区間における光量（図上の縦軸でしめすパラメータ）の最小値（ボトム部分）を結ぶ線として検出し、エッチング量を検出するスペクトルのデータとして用いた。
　図８（ａ）の例では、図２のデータ整形部２０４にて波長軸の変化及び光量データのリサンプリングを行なわずに下部包絡線をスペクトルデータとして用いたが、波長軸のままスペクトルと取り扱うと、波長方向の振動は周波数が変化しているように見え、包絡線検出も上手く機能しない場合がある。そのような場合においては、スペクトルを波数軸に換算して包絡線検出処理を実施することが望ましい。
　図８（ａ）のスペクトルデータを用いて、波形比較器１０２においてパターンマッチングした結果を図８（ｂ）に示す。２つのスペクトルデータはエッチング量が２５ｎｍである場合のものであり、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の膜構造の処理中に得られたスペクトル差を示し、破線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２６ｎｍである波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータを用いて作成されたスペクトル差を示す。本図に示すとおり、同じエッチング量に対応するスペクトルのデータは高い精度で一致していることが分かる。
（作用・効果）
　以上から、第２実施形態のように、下部包絡線を用いて得られたスペクトルを用いることによっても、図１乃至７に示される第１実施形態と同様に、高い精度でエッチング量を検出することができ、高い精度で終点判定が実現可能となる。
［第３実施形態］
　第２実施形態では下部包絡線を用いる例を示したところ、波長方向信号処理部２０６において上部包絡線を検出して、これをスペクトルデータとしてパターンマッチングに用いた場合においても、高い精度でエッチング量を検出できる。第３実施形態では、このようなエッチング量の検出の構成について説明する。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、第１実施形態および第２実施形態に説明した構成と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
　図９は、上部包絡線を用いた場合を示す図である。図９には、図６（ａ）に示す酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである膜構造の処理中に得られたスペクトルデータに対して、上部包絡線を検出した例が示される。元の信号である破線は、処理対象１６の処理中の任意のサンプリング時刻に得られた反射光から検出された複数波長のスペクトルを示し、実線は当該破線で示されたスペクトルデータの下部包絡線として検出されたスペクトルのデータを示す。
　図９に示される上部包絡線の検出では、ＬＰＦとＨＰＦ（Ｈｉｇｈ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）とヒルベルト変換とが用いられる。先ず、同じカットオフ周波数のＬＰＦとＨＰＦとにより、図６（ａ）に示す同一のスペクトルデータに対して、ＬＰＦを用いて低域通過濾過した結果とＨＰＦを用いて高域通過濾過した結果が各々取得される。ＨＰＦによる高域通過濾過後のスペクトルデータは低周波成分が除去され、波数方向の振動のみが抽出される。
　さらに、第３実施形態では、このような高域通過濾過されたスペクトルデータに対して、ヒルベルト変換が施され、振動成分の包絡線がスペクトルとして算出される。算出された包絡線スペクトルと低域通過濾過後の低周波成分によるスペクトルとが足し合わされることで、上部包絡線が検出される。
　このようにして得られた上部包絡線をエッチング量の検出に用いるスペクトルデータとして、波形比較器１０２において波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータのスペクトルとパターンマッチングした結果を図９（ｂ）に示す。２つのスペクトルデータはエッチング量が２５ｎｍである場合のものであり、実線は酸化膜３０１としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２５ｎｍである処理対象１６の膜構造の処理中に得られたスペクトル差を示し、破線は酸化膜としてのＳｉＯ２膜の膜厚が２６ｎｍである波形パターンデータベース１２２内に格納されたパターンデータを用いて作成されたスペクトル差を示す。本図に示すとおり、同じエッチング量に対応するスペクトルのデータは高い精度で一致していることが分かる。
（作用・効果）
　以上の通り、第３実施形態のように、上部包絡線を用いて得られたスペクトルを用いることによっても、図１乃至７に示される第１実施形態と同様に、高い精度でエッチング量を検出することができ、高い精度で終点判定が実現可能となる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
　例えば第２実施形態において下部包絡線を用いたが、上部包絡線を用いてエッチング量を検出するためのスペクトルデータとして用いることもでき、また第３実施形態において上部包絡線を用いたが、下部包絡線をエッチング量を検出するためのスペクトルデータとして用いることもできる。
１…プラズマ処理装置
１０…真空処理室
１２…プラズマ
１４…試料台
１６…処理対象
１８…光源部
２０…導入レンズ
２２…照射光
２４…反射光
２６…検出レンズ
２８…検出部
３０…エッチング量算出部
４０…制御部
５０…光学系
１００…デジタル信号処理部
１０２…波形比較器
１０４…エッチング量記憶部
１０６…エッチング量補正部
１２２…波形パターンデータベース
２０２…前処理部
２０４…データ整形部
２０６…波長方向信号処理部
２０８…後処理部
３０１…酸化膜
３０２…金属膜
３０３…Ｓｉ基板
３０４…トレンチ
３０５…側壁面
Ｄ１…検出部から出力される時系列データ
Ｄ２…デジタル信号処理部から出力される時系列データ
Ｄ３…波形比較器から出力されるエッチング量データ
Ｄ４…エッチング量記憶部から出力されるエッチング量データ

Claims (14)

  1. 　ウエハをプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
    　前記ウエハに光を照射する第１ステップと、
    　前記ウエハのプラズマ処理中に所定の複数の時刻に前記ウエハから反射した光を受光する第２ステップと、
    　受光した前記光の複数の波長ごとの光量データに対して、信号処理を行う第３ステップと、
    　前記信号処理を行った被処理データを用いて前記プラズマ処理中の前記ウエハのエッチング量を決定する第４ステップと、
    　前記エッチング量に基づき前記プラズマ処理の終点を判定する第５ステップと、
    　を含むプラズマ処理方法。
  2. 　前記信号処理は、
    　前記複数の波長を波数に換算し、前記複数の波数の軸で波数間隔が等間隔になるように前記光量データを補間およびリサンプリングする第６ステップと、を含む請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  3. 　前記第３ステップにおいて、前記光量データは、前記複数の波長または波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含む振幅による振動成分を有し、
    　前記信号処理は、前記光量データから所定の周波数以上の前記振動成分を除く第７ステップ、を含む請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
  4. 　前記第３ステップにおいて、前記光量データは、前記複数の波長または波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含む振幅による振動成分を有し、
    　前記信号処理は、前記光量データの下部包絡線または上部包絡線を検出する第８ステップ、を含む請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
  5. 　前記第４ステップにおいて、前記プラズマ処理を行う前に予め得られた被処理データとエッチング量とが対応付けられたパターンデータを用いて、前記プラズマ処理中の前記被処理データから前記ウエハのエッチング量を決定する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  6. 　前記ウエハは、表面に形成された絶縁膜と金属を含むプラズマ処理の対象膜とが上下方向に交互に積層された多層膜を有し、
    　前記第４ステップにおいて、前記対象膜の横方向のエッチング量を検出する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  7. 　前記絶縁膜がシリコンの酸化物を含む物質から構成され、前記対象膜の表面が前記光を反射する物質から構成された請求項６に記載のプラズマ処理方法。
  8. 　ウエハをプラズマ処理するプラズマ処理装置であって，
    　照射光に対する前記ウエハからの反射光から得られる複数の波長ごとの光量データに対して信号処理を行うデジタル信号処理部と、
    　前記信号処理を行った被処理データを用いて前記プラズマ処理中の前記ウエハのエッチング量を決定する波形比較器と、
    　前記エッチング量に基づき前記プラズマ処理の終点を判定する制御部と、
    　を備えるプラズマ処理装置。
  9. 　前記デジタル信号処理部は、
    　前記複数の波長を波数に換算し、前記複数の波数の軸で波数間隔が等間隔になるように前記光量データを補間およびリサンプリングするデータ整形部を有する、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 　前記光量データは、前記複数の波長または波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含む振幅による振動成分を有し、
    　前記デジタル信号処理部は、前記光量データから所定の周波数以上の前記振動成分を除く波長方向信号処理部を有する、請求項８または９に記載のプラズマ処理装置。
  11. 　前記光量データは、前記複数の波長または波数の変化に対して複数の極大値または複数の極小値を含む振幅による振動成分を有し、
    　前記デジタル信号処理部は、前記光量データの下部包絡線または上部包絡線を検出する波長方向信号処理部を有する、請求項８または９に記載のプラズマ処理装置。
  12. 　前記波形比較器は、前記プラズマ処理を行う前に予め得られた被処理データとエッチング量とが対応付けられたパターンデータを用いて、前記プラズマ処理中の前記被処理データから前記ウエハのエッチング量を決定する、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  13. 　前記ウエハは、表面に形成された絶縁膜と金属を含むプラズマ処理の対象膜とが上下方向に交互に積層された多層膜を有し、
    　前記波形比較器は、前記対象膜の横方向のエッチング量を検出する、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  14. 　前記絶縁膜がシリコンの酸化物を含む物質から構成され、前記対象膜の表面が光を反射する物質から構成された請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
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