JP2004273872A

JP2004273872A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2004273872A
Application number: JP2003064322A
Authority: JP
Inventors: Taketo Usui; 建人臼井; Motohiko Kikkai; 元彦吉開; Kazuhiro Shiroo; 和博城尾; Tetsuo Ono; 哲郎小野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP4500500B2

Abstract

【課題】処理のスループットを向上させた半導体製造装置を提供する。
【解決手段】容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウェハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記処理の所定の間前記ウェハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の変化を検出する検出器と、前記２つの波長のうち一方の波長の光についての量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との時間と所定の値とを比較して前記エッチング処理の状態を判定する機能と、を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハをエッチングして半導体素子を製造する装置に関し、エッチングした深さを測定する手段を備えた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を形成する工程では、半導体ウエハの表面上に形成された誘電材料，絶縁材料の層等の様々な材料の層を除去するためやこれらの層にパターンを形成するために、ドライエッチングが広く使用されている。このドライエッチングを行う上では、上記の層の加工中に所望のエッチング深さや層の膜厚となるようにエッチングを調節することが重要であり、このためエッチングの終点や膜の厚さを正確に検出することが求められている。
【０００３】
ところで、半導体ウエハを、プラズマを用いてドライエッチングする処理の際、プラズマ光に含まれる特定波長の光からの発光の強度が、特定の膜のエッチングが進行するに伴って変化することが知られている。そこで、この半導体ウエハのエッチングの終点や膜厚さといったエッチングの状態の検出する技術の１つとして、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点や膜厚さを検出する技術が知られている。この検出の精度を向上するには、ノイズによる検出波形の変動に起因する誤検出を低減する必要がある。
【０００４】
近年は、半導体の微細化，高集積化に伴い開口率（半導体ウエハの被エッチング面積）が小さくなっており、光センサーから光検出器に取り込まれる特定波長の発光強度が微弱になっている。その結果、光検出器からのサンプリング信号のレベルが小さくなり、終点判定部は、光検出器からのサンプリング信号に基づいてエッチングの終点を確実に検出することが困難になっている。
【０００５】
また、エッチングの終点を検出し処理を停止させる際、実際には、誘電層の残りの厚さが所定値と等しいことが重要である。従来のプロセスでは、それぞれの層のエッチング速度が一定であるという前提に基づく時間厚さ制御技法を使用して、全体のプロセスを監視している。エッチング速度の値は、例えば、予めサンプルウエハを処理して求める。この方法では、時間監視法により、所定のエッチング膜厚に対応する時間が経過すると同時にエッチング・プロセスが停止する。
【０００６】
しかし、実際の膜、例えばＬＰＣＶＤ技法により形成されたＳｉＯ_２層は、厚さの再現性が低いことが知られている。ＬＰＣＶＤ中のプロセス変動による厚さの許容誤差はＳｉＯ_２層の初期厚の約１０％に相当する。したがって、時間監視による方法は、シリコン基板上に残るＳｉＯ_２層の実際の最終厚さを正確に測定することはできない。そして、残っている層の実際の厚さは、最終的に標準的な分光干渉計技法により測定され、過剰エッチングされていると判明した場合は、そのウエハを不合格として廃棄することになる。
【０００７】
このような半導体ウエハのエッチングの終点をウエハ表面を計測して検出する技術としては、特開平５−１７９４６７号公報（特許文献１），特開平８−
２７４０８２号公報（特許文献２），特開２０００−９７６４８号公報（特許文献３），特開２０００−１０６３５６号公報（特許文献４）等に開示された干渉計を使用するものが知られている。
【０００８】
特開平５−１７９４６７号公報（特許文献１）においては、赤，緑，青の３種類のカラーフィルタを用いて、干渉光（プラズマ光）を検出し、エッチングの終点検出を行うものであり、特開平８−２７４０８２号公報（ＵＳＰ５６５８４１８）（特許文献２）では、２つの波長の干渉波形の時間変化とその微分波形を用いて、干渉波形の極値（波形の最大，最小：微分波形の零通過点）をカウントする。カウントが所定値に達するまでの時間を計測することによりエッチング速度を算出し、算出したエッチング速度に基づき所定の膜厚に達するまでの残りのエッチング時間を求め、それに基づきエッチングプロセスの停止を行っている。
【０００９】
特開２０００−９７６４８号公報（特許文献３）では、処理前の干渉光の光強度パターン（波長をパラメータとする）と処理後または処理中の干渉光の光強度パターンとの差の波形（波長をパラメータとする）を求め、その差波形とデータベース化されている差波形との比較により段差（膜厚）を測定する。特開２０００−１０６３５６号公報（特許文献４）は回転塗布装置に関し、多波長にわたる干渉光の時間変化を測定して膜厚を求めている。
【００１０】
エッチングの終点を検出して処理を停止させる際、実際には、膜層の残りの厚さが所定の値にできるだけ近いか等しいことが重要である。従来の技術では、それぞれの層のエッチングの速度が一定であるという前提に基づいて時間を調節することで上記膜の厚さを監視している。この基準となるエッチング速度の値は、例えば、予めサンプルとなるウエハを処理して求めておく。この技術では、所定の膜厚さに対応した時間が経過するとエッチング・プロセスが停止される。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−１７９４６７号公報
【特許文献２】
特開平８−２７４０８２号公報
【特許文献３】
特開２０００−９７６４８号公報
【特許文献４】
特開２０００−１０６３５６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数の異なる種類の膜の構造を有する半導体ウエハを少量ずつ処理して製造する場合には、それぞれの処理対象であって製品となるべきウエハに対して、多波長微分干渉パターンのデータベースを作成することになり、このために、実際のウエハと同一の膜の構成を有するウエハを用いて、試験的なエッチング処理を行うと、ウエハ自体のコストも高く、さらにこの試験的処理が行われるウエハ分だけ余分にウエハを用意する必要があり、少量の生産ではこの試験に係るコストが高く、ひいては素子の生産のコストを増大させてしまうという問題があった。
【００１３】
また、上記従来の技術では、用いられるウエハの膜の厚さを検出し、厚さの検出結果を用いて製品用のウエハを処理する際の半導体製造装置の運転条件を設定する場合にも、厚さ計測のためサンプルのウエハが必要となっていた。例えば、１つのロット中から任意のウエハを選び測定に供していた。このため、計測のための時間やウエハが必要となり、半導体製造のスループットを低下させていた。
【００１４】
本発明の目的は、処理のスループットを向上させた半導体製造装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記処理の所定の間前記ウエハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の変化を検出する検出器と、前記２つの波長のうち一方の波長の光についての量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との時間と所定の値とを比較して前記エッチング処理の状態を判定する機能と、を備えた半導体製造装置により達成される。
【００１６】
また、容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置された半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間前記ウエハ表面からの光の干渉を検出する検出器と、この検出器から出力された少なくとも２つの波長のうち一方の波長の光についての量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との時間と所定の値とを比較して前記エッチング処理を調節する制御装置、とを備えた半導体処理装置により達成される。
【００１７】
さらには、所定の値よりも前記時間が小さくなったと判定された場合に前記エッチング処理される前記膜の厚さを判定することにより達成される。
【００１８】
さらにまた、前記所定の値よりも前記時間が小さくなったと判定された場合に前記エッチング処理を停止することにより達成される。
【００１９】
また、上記目的は、容器内に配置されその表面に形成された第１の膜とこの膜の上方に形成された第２の膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記第２の膜がエッチング処理される所定の間の前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量の変化を検出する光検出器と、この検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記第１の膜の厚さを検出する機能と、を備えた半導体製造装置により達成される。
【００２０】
また、容器内に配置されその表面に形成された酸化膜とこの酸化膜の上方に形成された膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記上方に形成された膜がエッチング処理される所定の間に前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量を検出する光検出器と、この検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記酸化膜の厚さを検出する機能と、を備えた半導体製造装置により達成される。
【００２１】
さらに、前記ウエハ表面からの干渉光の量の時間に伴う変化を複数の波長について検出する前記光検出器と、この光検出器の出力の特徴的な変化を検出することにより達成される。
【００２２】
ウエハからの光から極大値，極小値を検出する場合には、予め、被エッチング材料の光学的物性値を用いた理論的な干渉解析より各波長に対する干渉波形変化を求めておき、所定膜厚において異なった２つの波長の干渉波形が山と谷に相当する相関関係にある２つの波長を選択する。さらに、この２つの波長の干渉波形を測定して干渉波形の微分処理により微分値が零点通過する時間を求める。このようにして、それぞれの零点通過する時間が所定の値内になった場合に、所望の膜厚さに達したと判定しても良い。
【００２３】
また、上記エッチング処理において得られらた、所定の膜厚までの複数の波長の干渉光についての微分干渉パターンを作成し、この多波長の微分干渉パターンをウエハのエッチング処理毎に蓄積しておき、これらの干渉パターンのデータの値を平均処理して信頼性の高い多波長微分干渉のデータを求めても良い。このデータを用いて上記所定膜厚において山と谷とに想到する相関関係になる異なる２つの波長の干渉波形を選択するようにすることで、膜厚等エッチング条件をより高い精度で検出，判定することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【００２５】
なお、以下の各実施例において、第１実施例と同様の機能を有するものは第１実施例と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。以下の実施例では、本発明による半導体製造装置及びその被処理材であるウエハのエッチング処理におけるエッチング量（エッチング深さあるいは膜厚）等のエッチング条件を測定する方法について説明する。
【００２６】
以下、図１〜図３で本発明の第１の実施例を説明する。図１は、本発明に係る半導体製造装置に係る第１の実施例について構成の概略を縦断面とブロックとを用いて示す図である。図２は、第１の実施例における処理対象となるウエハ上の構成及び光の干渉の概略を示す膜式図である。図３は、第１の実施例で光の干渉を用いて得られるデータの例を示すグラフである。
【００２７】
まず、図１を用いて、本発明の膜厚測定装置を備えた半導体ウエハのエッチング装置の全体構成を説明する。
【００２８】
エッチング装置１は真空容器２を備えており、その内部に導入されたエッチング用のガスがマイクロ波電力等により分解しプラズマ３となり、このプラズマ３により試料台５上の半導体ウエハ等の被処理材４がエッチングされる。膜厚測定装置１０の測定用光源（例えばハロゲン光源）からの多波長の放射光が、光ファイバー８により真空容器２内に導かれ、被処理材４に垂直入射角で当てられる。被処理材４はここではポリシリコン層を含む、放射光はポリシリコン層の上面で反射屈折した放射光と、ポリシリコン層と下地層との間に形成された境界面で反射屈折した放射光により干渉光が形成される。干渉光は光ファイバー８を介して膜厚測定装置１０の分光器１１に導かれ、その状態に基づき膜厚測定や終点判定の処理を行う。
【００２９】
膜厚測定装置１０は、分光器１１，第１デジタルフィルタ回路１２，微分器
１３，第２デジタルフィルタ回路１４，微分波形データベースである微分データ記憶装置１５，微分波形比較器１６及び処理状態判定器２６と結果表示器１７等を備えている。なお、図１は膜厚測定装置１０の機能的な構成を示したものであり、膜厚測定装置１０の実際の構成は、ＣＰＵや、膜厚測定処理プログラムや干渉光の微分波形パターンデータベース等の各種データを保持したＲＯＭや測定データ保持用のＲＡＭおよび外部記憶装置等からなる記憶装置，データの入出力装置、及び通信制御装置により構成することができる。
【００３０】
本実施例の半導体製造装置では、半導体ウエハ等の被処理材をプラズマエッチングする際に、予め、被処理材の光学的な物性値を用いて光干渉波形を演算したうえ、所定の膜厚に対する干渉光の微分値が零クロスする（あるいは極値をとる）波長群を予め選択し、零クロスが正から負に変わる（あるいは極大値をとる）波長群λ１と零クロスが負から正に変わる（あるいは極小値をとる）波長群λ２のデータを、半導体製造装置本体に備えられた或いは通信可能に構成された、記憶または記録手段に記憶／記録させておくものである。そして、実際の被処理材４の処理においては、これら波長群λ１とλ２の干渉光についてその強度をそれぞれ測定し、測定された干渉光強度の各波長群の微分値が零クロス（極値となる）する時刻を検出し、この零クロスする時刻を所定の値と比較して、被処理材の膜厚を求めるものである。
【００３１】
光検出器１１が取り込んだ上記の波長群λ１に含まれる１つの波長の発光強度は、それぞれ発光強度に応じた電流検出信号となり電圧信号へ変換される。分光器１１によりサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は、時系列データｙｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この時系列データｙｉｊは次に、第１デジタルフィルタ回路１２により平滑化処理され平滑化時系列データＹｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データＹｉｊを基に、微分器１３により微係数値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列データｄｉｊが算出され、ＲＡＭ等の記憶装置に収納される。微係数値の時系列データｄｉｊは、第２デジタルフィルタ回路１４により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データＤｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。そして、この平滑化微係数時系列データＤｉｊから干渉光強度の各波長の微分値の実パターンが求められる。
【００３２】
一方、光検出器２１が取り込んだ上記の波長群λ２に含まれる１つの波長の発光強度は、それぞれ発光強度に応じた電流検出信号となり電圧信号へ変換される。分光器１１によりサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は、時系列データｙｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この時系列データｙ′ｉｊは次に、第１デジタルフィルタ回路２２により平滑化処理され平滑化時系列データＹ′ｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データＹ′ｉｊを基に、微分器２３により微係数値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列データｄ′ｉｊが算出され、ＲＡＭ等の記憶装置に収納される。微係数値の時系列データｄｉｊは、第２デジタルフィルタ回路２４により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データＤ′ｉｊとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。そして、この平滑化微係数時系列データＤ′ｉｊから干渉光強度の各波長の微分値の実パターンが求められる。
【００３３】
また、微分データ記憶装置１５，２５には、膜厚が変化したことによる上記各波長の干渉光強度データ、あるいはこれらの微分データの波形のそれぞれの値とその時刻が収納される。特に、微分データ波形の山，谷となる極大値，極小値とそれらの時刻Ｔｍ，Ｔ′ｎとが記憶される。これら各時刻Ｔｍ，Ｔ′ｎは、その時刻の間の時間の大きさが微分波形比較器１６において、予め設定されるか又は記憶／記録されている所定の値と比較演算される。この所定の値よりもＴｍ，Ｔ′ｎ間の時間の大きさが小さい場合には、残り膜厚さが所定の大きさに達したか、ほぼ達したと判定され、被処理材の残り膜厚さが判定される。その結果は、結果表示器１７により表示される。
【００３４】
発明者らは、半導体ウエハ上に形成された膜のエッチングを行う場合、特定の膜厚さとなる時刻の前後の近傍で、その微分波形データが一方が極大値、他方が極小値となる複数の波長の群が選択でき、これらの群に属する波長の波形が極大または極小となる時刻間の時間は膜厚さが小さくなるに伴ってその大きさが小さくなることを発見した。これにより、特定の膜厚さについて、一方が極大値となる時刻の前後で、他方が極小値をとる時刻との間隔が定まり、この間隔を基準として予め設定しておくことで、上記特定の膜厚さに達したかを判定することができる、という知見を得た。
【００３５】
さて、微分データ記憶装置１５には、被処理対象である半導体ウエハ４からの干渉光の微分波形データの変化が記憶されるとともに、微分波形のデータが極値（極大値，極小値）をとる時刻が記憶されている。すなわち、膜厚が変化したことによる干渉光強度の山や谷の時刻についてのデータが記憶される。また、この微分データ記憶装置１５からは、例えば、エッチング処理を行った際の所定の範囲の波長について、処理中の所定の時間での干渉光データの微分データの値が上記結果表示器１７に送信されてこの結果表示器１７上に示される。また、複数の波長の干渉光について、その微分値が極大，極小となる時刻についてのデータも、表示器１７上に表示可能に構成されている。
【００３６】
微分波形比較器１６において、実パターンと微分波形パターンデータ値Ｐｊが比較され被処理材の膜厚が求めるられる。その結果は、結果表示器１７により表示される。
【００３７】
なお、実施例では光検出器１１が１個だけの場合を示してあるが、被処理材の面内を広く測定して制御したい場合には、複数の光検出器１１を設ければよい。
【００３８】
図２に、ゲートエッチング処理に用いられる半導体ウエハ等の被処理材４の縦断面形状の例を示す。図２において、処理対象の膜である被処理部材（ポリシリコン）４０は、半導体ウエハ（基板）４の上に下地材である酸化膜４２、その上に形成されており、さらにこの被処理部材４０上にマスク材４１が積層されている。例えばゲート膜のエッチングを行う場合、被処理部材４０の下地材はＳｉＯ_２の絶縁膜であり、ソース，ドレーン間に対応して多結晶の下地材の上にポリシリコンのゲート層が形成される。また、各素子のゲート電極部４８の独立動作を保証するために素子分離用溝４９が酸化膜により形成されている。また、本実施の例では、マスク７１の下部には素子分離溝（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ，ＳＴＩ）４２が形成された側方にゲート電極部４８が構成されている。
【００３９】
分光器１１或いはプラズマ３から放出された複数の波長域に亙る光は、被処理部材４０と下地材である酸化膜４２の積層構造を含む被処理材４にほぼ垂直な入射角で当てられる。下地材４２が薄いゲート電極部４８へ導かれた放射光は、被エッチング材４０の上面で反射した放射光と、被処理部材４０と下地材４２との間に形成された境界面で反射した放射光により干渉光９５Ａが形成される。また同様に、下地材４２が厚い素子分離部４９へ導かれた放射光は、被処理部材４０の上面で反射した放射光と、被処理部材４０と下地材４２との間に形成された境界面で反射した放射光により干渉光９５Ｂが形成される。これらの干渉光は下地酸化膜厚さが薄くなると干渉強度が弱くなるため、９５Ｂ＞９５Ａに関係がある。
【００４０】
反射した光は分光器１１に導かれ、エッチング中の被エッチング材４０の層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。分光器１１を通して検出される干渉光は、処理膜が厚い部分からの干渉光９５Ｂの方が干渉光９５Ａよりも支配的で、本実施例において、干渉光を用いて検出される膜厚さ，エッチング溝深さ等のエッチング状態は素子分離溝４２上のもの（例えば膜厚さ４６等）の方が精度が高くなる。
【００４１】
結果表示器１７は、液晶やＣＲＴを用いたディスプレイや、所定の膜厚さや終点に到達したことを光，音等で報知する報知手段あるいはこれらの組み合わせ等が考えられる。本実施例では、計測データをグラフとして表示するディスプレイと光，音で報知する手段とを備えた結果表示器１７を備えている。
【００４２】
さらに、本実施例の装置では、結果表示器１７に表示される計測データを用い、この表示されたデータを視認した使用者が望む特定の情報を表示したり、特定の情報を検出または演算するために必要な情報を使用者に指定させたりする機能を備えている。例えば、結果表示器１７上に表示された時間−波長の座標上の特定の点や任意の点、或いはそのデータを指定するためのポインタ等の指定機能や、指定した点におけるデータの値やこれらの値から特定の量、例えば特定の時刻間の時間や波長，エッチングの速度や膜厚さ等エッチングの状態を示す量を演算あるいは検出する機能、これらの量を所定の位置に使用者が認識し易く表示する機能を備えている。
【００４３】
上記の量を演算するための手段は、装置に備えられた演算器でもよく、装置とは距離が離れた場所に配置され計測または検出したデータを通信手段を介して授受可能な別の演算器を用いても良い。
【００４４】
なお、図１は、エッチング量の測定装置の機能的な構成を示したものであり、結果表示器１７と分光器を除いた計測器１５２の実際の構成は、ＣＰＵや、エッチング深さ及び膜厚測定処理プログラムや干渉光の微分波形パターンデータベース等の各種データを保持したＲＯＭや測定データ保持用のＲＡＭおよび外部記憶装置等からなる記憶装置，データの入出力装置、及び通信制御装置により構成することができる。これは、以下説明する他の実施例についても同様である。
【００４５】
図３は、本実施例の半導体製造装置で検出される干渉光データを微分したデータについて、複数波長について、その時間変化を示したグラフである。この図に示すように、幾つかの波長の組合せで、一方が極値（極大値）となる時刻の前後の時刻で、データが極小値となる波長を選択できることが分かる。発明者らは、２つの波長のそれぞれで極大−極小となる時刻の間の時間差が、処理が進むにつれて（膜厚が減少するに伴って）小さくなり、この時間差と膜厚との間に相関関係があって、時間差を判定することで残り膜厚さ（エッチング（溝）深さ）や終点を判定することができるという知見を得て、これを元に本発明を想起したものである。
【００４６】
図４は、図１に示す半導体製造装置の動作の流れを示し、特に、被処理部材のエッチングの状態を検出してエッチング処理を調節する動作の流れを示す図である。
【００４７】
本実施例において、半導体製造装置は、ステップ８００で、被処理部材４０であるポリシリコン膜に対するエッチング処理の条件を取得する。このステップでは、予め記憶装置，記録装置等に記憶，記録された処理条件のデータベース上のデータを受信しても良く、また、使用者が上記結果表示器１７に備えられたキーボード，マウス等の入力装置によって入力したものを受信しても良く、また、予め半導体ウエハ４を収容したカセットや半導体ウエハ４自身に記録された膜の構成を示すデータを取得して、図示してはいない演算手段等で検出してもよい。
【００４８】
次に、ステップ８０１において、上記微分データ記憶装置に記憶されたデータを用いて、あるいは別の記憶／記録装置上に記憶／記録された各波長と各強度の微分データとを比較して、エッチング状態を判定するための波長群λ１，λ２を検出し、これらの波長での上記零クロスの際の方向を検出する。さらには、上記逆の極値となる時刻同士の時間差について基準となる時間差ΔＴを設定する。
【００４９】
ステップ８０２，８０３，８０４では、実際の半導体ウエハ４を処理して得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ８０１で設定した判定用の波長群λ１，λ２の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが極値となる時刻Ｔ１，Ｔ２を演算する。
【００５０】
ステップ８０５は、上記の通り、微分波形比較器１６を用いてステップ８０４で演算したＴ１，Ｔ２との時間差とステップ８０１で設定された基準となる時間差ΔＴとを比較する。時間差ΔＴの方が小さいと判断されると、所望の膜厚に達していないと判定されてステップ８０３に戻り、被対象部材４０の処理を継続する。一方、ΔＴの方が大きいと判断されると、所望の膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定される。
【００５１】
本実施例は、ここでエッチングを停止し、分光器１１を介した波長群λ１，λ２の干渉光のサンプリングも停止する。
【００５２】
さて、発明者らによれば、下地膜（酸化膜）４２の影響を考慮した被処理部材（ポリシリコン膜）４０の理論的な干渉解析によると、ポリシリコン４０がエッチングされ膜厚が変化した時に現れる干渉波形は下地膜（酸化膜）の厚さに依存することがわかった。
【００５３】
図５，図６は、図１に示す装置においてエッチング処理を行った場合で、測定した波長４００ｎｍ及び３８０ｎｍの光の検出結果の微分値が負から正に零クロスする際に、ポリシリコン層の膜から得られるこれらの波長の干渉光が受ける下地酸化膜の厚さからの影響（下地酸化膜依存性）と、その膜厚での上記波長の光の検出結果の微分値が正から負に零クロスする際の下地酸化膜依存性とを示すグラフである。
【００５４】
図５（ａ）は、ポリシリコン膜厚約６０ｎｍにおいて、零クロスが負から正に変化する（極小値に達した）波長４００ｎｍ光の下地酸化膜厚さに対するポリシリコン膜厚を示す。この図に示されるように、下地酸化膜厚さ約１３０ｎｍの周期性を持ってポリシリコン膜厚が変化する。これは、ポリシリコン膜の干渉が繋がって下地酸化膜の干渉が続くためである。
【００５５】
すなわち、ｓｉｎ（４πｎｄ／λ）の周期性を持つ。ここで、ｎは下地酸化膜の屈折率、ｄは下地酸化膜の厚さ、λは波長である。図５（ｂ）に、波長４００ｎｍ光の零クロスが負から正に変化するポリシリコン膜厚の時に、干渉光の零クロスが正から負に変化する（極大値に達した）波長群を示す。図に示されるように、その波長群は約４３０から５００ｎｍにわたり存在する。したがって、波長４００ｎｍ光と約４３０から５００ｎｍの波長群を測定することにより、下地酸化膜に大まかな厚みを求めることができる。
【００５６】
例えば、波長４００ｎｍと波長４４０ｎｍの極値が一致した場合、下地酸化膜は約数ｎｍ〜１３０ｎｍ，約１７０ｎｍ〜２６０ｎｍ、または約３３０ｎｍ〜３８０ｎｍと求まる。
【００５７】
また、波長４００ｎｍと波長４４０ｎｍそして４８０ｎｍの零クロスが一致した場合、下地酸化膜は約１４０ｎｍ〜１７０ｎｍ，約３００ｎｍ〜３３０ｎｍであると求まる。さらに、ウエハの製品仕様を考慮するとより下地酸化膜膜厚が限定される。このようにして求めた下地酸化膜厚さ（約３００ｎｍ〜３３０ｎｍ）を用いて、図６（ａ）に示される測定波長３８０ｎｍが負から正に零クロス時に、正から負に零クロスする波長群λ２が約４１０ｎｍから４２０ｎｍと狭帯域化（約４１０ｎｍから４５０ｎｍ）される（図６（ｂ）参照）と共に、ポリシリコン膜厚判定が約４８ｎｍ〜５６ｎｍであったものが約５２ｎｍ〜５５ｎｍへと精度向上が図れる。
【００５８】
なお、被処理材の面内を広く測定して制御したい場合には、複数の分光器を設けてもよい。
【００５９】
また、上記実施例のように、真空室１０３内に光を供給する光源を用いないで、真空室１０３内に発生するプラズマ３からの光を利用して干渉光を分光器１１を用いて計測器で計測してもよい。この場合は、半導体ウエハ４表面からのプラズマ光の反射が分光器である光検出器１１に供給されることになる。また、プラズマ光の変化を計測するため、真空室１０３の側壁に計測ポート，光学伝送手段が内側の光を受光可能に配置され、これにより検出された信号を参照光とする。この参照光は、ウエハ表面から直接入射する光路を通る光ではなく、かつプラズマ光の変化が検出可能な光であることが必要であり、本実施例では、プラズマの光を側壁に設けた受光器で得ている。
【００６０】
次に、本発明の第２の実施例について、図７，図８，図９を用いて説明する。
【００６１】
図７，図８は、本発明の第２の実施例に係る半導体製造装置により検出される干渉波形を示す図である。
【００６２】
図７は、左側のグラフは縦軸に波長を、横軸に膜厚（処理時刻）をとって、干渉光の強度変化を示したものであり、右側のグラフは、左側のグラフ上に点線で示す特定の時刻の３００ｎｍ未満の波長から７００ｎｍ以上の波長に亙る波長域の強度の変化を示すグラフである。
【００６３】
この図のように、干渉光は、特定の波長の前後で急激な変化を示し、その強度の微分データは大きく上下していることが分かる。図８は、図７と同様に、縦軸に波長、横軸に膜厚（処理時刻）をとって、干渉光の強度変化を示した膜であり、（ａ）では、被処理部材４０であるポリシリコン下方に形成された膜である酸化膜４２の厚さが２９０ｎｍの場合、（ｂ）は、下地の酸化膜が３３０ｎｍの場合である。これらの図から分かるように、発明者らは、下地の酸化膜４２の厚さによって、干渉光の微分データの強度が大きく上下に変化する波長の値が変化し、この波長と下地酸化膜４２の厚さとに相関関係があることから、下方の酸化膜の厚さを、その上方にある被処理対象の膜のエッチング処理の際に得た干渉光のデータを用いて検出できるとの知見を得た。本発明の実施例はこの知見に基づいて想起されたものである。
【００６４】
図９は、図７，図８に係る干渉波形を得た実施例の半導体製造装置の動作の流れを示す流れ図である。この実施例では、ポリシリコンゲートエッチング時に、波長が約３００ｎｍから７００ｎｍ領域の波長の干渉光強度を検出しその微分データを得て、処理対象のポリシリコン膜４０の膜厚が減少する際に、零クロスする（極値となる）波長が、順次短波長側にシフトする性質とは異なり、下地の酸化膜厚さによって、長い波長の側の波長より先に短い側の波長がする性質を利用して、その反転する波長から下地酸化膜厚さを算出するものである。
【００６５】
これにより、これまで任意のサンプルとなるウエハを選んで計測して判定していた、下方の膜（下地酸化膜）の厚さを、その上方の膜を処理する際の干渉光のデータを用いることで検出できるので、サンプルの計測を行うために低下していたスループットや製造コストの上昇を抑制できる。
【００６６】
さらに、このように、算出された下地酸化膜の厚さを用いて被処理部材である、ポリシリコンの所定膜厚判定の精度を向上することが可能である。
【００６７】
図９では、被処理部材（ポリシリコン）膜に対するエッチング条件（エッチング放電条件，エッチング残膜厚さ条件）を入力し（ステップ９００）、エッチング残膜厚さ条件からデータ記憶装置に記憶されたデータから判定用２波長群λ１，λ２とそれぞれの零クロス時の方向（極大か極小か（微係数の傾き））と判定時間の幅ΔＴとの設定する（ステップ９０１）。
【００６８】
次に、半導体ウエハ４のエッチング開始及びサンプリング開始し（ステップ９０２）、分光器からの多波長出力信号ｙｉ，ｊから微係数時系列データＤｉ，ｊを算出し（ステップ９０３）、微係数時系列データＤｉ，ｊとＤｍ，ｊの零クロス時刻ＴｉとＴｍとが反転する波長λｉを算出する（９０４）。ここで、ｉは長波長側を、ｍは短波長側の測定波長である。
【００６９】
下地酸化膜の影響がない波長領域では、時刻ＴｉとＴｍとはＴｉ＜Ｔｍの関係が成り立つが、下地酸化膜の影響がある波長領域では、時刻ＴｉとＴｍとはＴｉ＞Ｔｍとなる。この波長λｉを予めデータベースとして持っている下地酸化膜厚さと歪み波長値により下地酸化膜を算出する（ステップ９０５）。算出した下地酸化膜厚さを用いて、微分零クロステーブルから判定用２波長群λ１，λ２や零クロスの向きや判定時間ΔＴ等の再設定を行う（ステップ９０６）。
【００７０】
再設定された判定用２波長群λ１，λ２の干渉波形の微分処理を行い（ステップ９０７）、零クロス時刻Ｔ１とＴ２との比較（Ｔ１−ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴの判定ステップ９０８）により、エッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う（ステップ９０９）。零クロス時刻Ｔ１とＴ２との比較（Ｔ１−ΔＴ≦Ｔ２≦Ｔ１＋ΔＴの判定ステップ９０８）がＮＯの場合は、ステップ９０３から動作を繰り返す。ただし、下地酸化膜が算出できた時には、ステップ９０３から処理９０５は必ずしも行わなくてもよい。
【００７１】
このようにして、従来技術においては、行われていたサンプルウエハを用いた測定により、処理のスループットやコストの上昇が生じていたのに対し、本発明では、上層の膜を製品として処理した際に得られたデータから下層の膜厚さを検出することができ、装置を用いた全体としての処理のスループットが向上し、コストの上昇を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる膜厚測定装置を備えた半導体ウエハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図２】ゲートエッチング処理の対象となる被処理材７０の縦断面形状例を示す図である。
【図３】上記図２のエッチング処理途中におけるいくつかの波長に対する干渉光の時間変化の例を示す図である。
【図４】図１の膜厚測定装置でエッチング処理を行う際に、被処理材の膜厚を求める手順を示すフローチャートである。
【図５】図１の実施例から得られる被処理対象材の膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が正より負に零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。
【図６】図１の実施例から得られる被処理対象材の膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が正より負に零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例になる多波長微分干渉パターンと、ポリシリコン膜厚における微分値の波長依存性を示す図である。
【図８】下地酸化膜厚みが異なる場合の多波長微分干渉パターンと、ポリシリコン膜厚における微分値の波長依存性を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エッチング装置、２…真空容器、３…プラズマ、４…被処理材、５…試料台、８…光ファイバー、１０…膜厚測定装置、１１…分光器、１２…第１デジタルフィルタ回路、１３…微分器、１４…第２デジタルフィルタ回路、１５…微分零クロス時刻蓄積器、１６…微分零クロス時刻比較器、１７…結果表示器。

Claims

容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、
前記処理の所定の間前記ウエハ表面から得られる少なくとも２つの波長についての光の量の変化を検出する検出器と、前記２つの波長のうち一方の波長の光についての量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との時間と所定の値とを比較して前記エッチング処理の状態を判定する機能と、を備えた半導体製造装置。
容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置された半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間前記ウエハ表面からの光の干渉を検出する検出器と、この検出器から出力された少なくとも２つの波長のうち一方の波長の光についての量が極大値となる時刻と他方の波長の光についての量が極小値となる時刻との時間と所定の値とを比較して前記エッチング処理を調節する制御装置、とを備えた半導体処理装置。
請求項１に記載の半導体製造装置であって、前記所定の値よりも前記時間が小さくなったと判定された場合に前記エッチング処理される前記膜の厚さを判定する半導体製造装置。
請求項１または２に記載の半導体製造装置であって、前記所定の値よりも前記時間が小さくなったと判定された場合に前記エッチング処理を停止する半導体製造装置。
容器内に配置されその表面に形成された第１の膜とこの膜の上方に形成された第２の膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、
前記第２の膜がエッチング処理される所定の間の前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量の変化を検出する光検出器と、この検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記第１の膜の厚さを検出する機能と、を備えた半導体製造装置。
容器内に配置されその表面に形成された酸化膜とこの酸化膜の上方に形成された膜とを含む複数層の膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記上方に形成された膜がエッチング処理される所定の間に前記ウエハ表面から得られる複数の波長の光の量を検出する光検出器と、この検出器の出力から得られた特定の波形に基づいて前記酸化膜の厚さを検出する機能と、を備えた半導体製造装置。
請求項５または６に記載の半導体製造装置であって、前記ウエハ表面からの干渉光の量の時間に伴う変化を複数の波長について検出する前記光検出器と、この光検出器の出力の特徴的な変化を検出する半導体製造装置。