(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの表面に形成された被処理材である膜に処理を行う半導体ウエハの処理方法であって、
前記処理中に前記半導体ウエハ表面から得られる複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出するステップと、
前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のデータと、前記検出された前記複数の波長に関する強度の微分値の組とに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えた半導体ウエハの処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
検出された前記処理中の前記膜に対する処理の量が予め定められた量に達すると判断された場合に前記処理の条件を切替えてこの半導体ウエハの処理を行うステップを備えた半導体ウエハの処理方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記検出される処理の量として前記膜の残り厚さを検出するステップを備えた半導体ウエハの処理方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の組の検出より以前に求められた前記処理の量を用いた回帰分析により、前記処理の量が予め定められた量に達する時刻を予測するステップを備えた半導体ウエハの処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記回帰分析により前記処理の速度を求めるステップを備えた半導体ウエハの処理方法。
【請求項６】
真空容器内の試料台上に配置された処理対象の半導体ウエハをこの真空容器内に形成されたプラズマを用いて所定の処理を行う半導体ウエハの処理装置であって、
前記処理中に前記半導体ウエハ表面からの複数の波長の干渉光を受光する測定装置を有し、この測定装置において受光した前記複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出し、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のデータと前記検出された前記複数の波長に関する強度の微分値の組とを用いて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出する機能を備えた半導体ウエハの処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体ウエハの処理装置であって、
前記検出された処理中の前記半導体ウエハに対する該処理の量が予め定められた量に達すると判断された場合に前記処理の条件を切替えてこの半導体ウエハの処理を行う機能を備えた半導体ウエハの処理装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の半導体ウエハの処理装置であって、
前記検出される処理の量として前記膜の残り厚さが検出される半導体ウエハの処理装置。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の半導体ウエハの処理装置であって、
前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の組の検出よりも以前に求められた前記処理の量を用いた回帰分析により、前記処理の量が予め定められた量に達する時刻を予測する半導体ウエハの処理装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体ウエハの処理方法であって、
前記回帰分析により前記処理の速度を求める半導体ウエハの処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を製造するための半導体ウエハの処理方法および処理装置に係り、特に、処理対象である半導体ウエハの表面に形成された被処理材の膜に対して行う処理の量を半導体ウエハからの光を分析して処理の量等の処理の状態を検出する半導体ウエハの処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハの製造では、ウェハの表面上に形成された様々な材料の層および、特に誘電材料の層の除去またはパターン形成にドライエッチングが広く使用されている。プロセス・パラメータの制御にとって最も重要なことは、このような層の加工中に所望のエッチング深さ及び膜厚でエッチングを停止するためのエッチング終点を正確に決定することである。
【０００３】
半導体ウェハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウェハのエッチング終点検出方法の１つとして、従来から、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点を検出する方法がある。その際、ノイズによる検出波形のふらつきに基づく誤検出を防ぐ必要がある。発光強度の変化を精度良く検出するための方法としては、例えば、特開昭６１−５３７２８号公報，特開昭６３−２００５３３号公報等が知られている。特開昭６１−５３７２８号公報では移動平均法により、また、特開昭６３−２００５３３号公報では１次の最小２乗法による近似処理によりノイズの低減を行っている。
【０００４】
近年の半導体の微細化，高集積化に伴い開口率（半導体ウェ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反応生成物の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、予めサンプルウェ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(Iow Pressure Chemical Vapor Deposition）技法により形成されたＳｉＯ2 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ＳｉＯ2 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ＳｉＯ2 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を用いた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、そのウェハを不合格として廃棄することになる。
【０００７】
また、絶縁膜エッチング装置では、エッチングを繰り返すにつれてエッチング速度が低下するなどの経時的な変化が知られている。場合によっては、エッチングが途中でストップしてしまう場合もあり、その解決は必須である。それに加えて、エッチング速度の経時的な変動をモニターしておくこともプロセス安定稼動のためには重要であるが、従来の方法では、単に終点判定の時間モニターのみであり、エッチング速度の経時的な変化や変動に対処する適切な方法がなかった。しかも、エッチング時間が１０秒程度と短い場合の終点判定は、判定準備時間を短くする終点判定方法としなければならないことと、判定時間の刻みも十分短くする必要があるが、必ずしも十分ではない。さらに、絶縁膜では、被エッチング面積が１％以下の場合が多く、エッチングにともなって発生する反応生成物からのプラズマ発光強度変化が小さい。したがって、僅かな変化も検出することのできる終点判定システムが必要になるが、実用的で安価なシステムは見当たらない。
【０００８】
一方、半導体ウェハのエッチング終点検出方法の他の方法として、特開平５−１７９４６７号公報,特開平８−２７４０８２号公報,特開２０００−９７６４８号公報，特開２０００−１０６３５６公報等に開示された干渉計を使用する方法も知られている。この干渉計使用法では、レーザから放出された単色放射線が異種材の積層構造を含むウェハに垂直入射角で当てられる。例えば、Ｓｉ3Ｎ4層の上にＳｉＯ2 層積層が積層されているものにおいて、ＳｉＯ2 層の上面で反射した放射光と、ＳｉＯ2 層とＳｉ3Ｎ4層との間に形成された境界面で反射した放射光により、干渉縞が形成される。反射した放射光は適当な検出器に照射され、これが、エッチング中のＳｉＯ2 層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。エッチングプロセス中、ＳｉＯ2 層の上面が露出されると、ただちにエッチング速度と現行エッチング厚を連続して正確に監視することができる。レーザの代わりに、プラズマによって放出される所定の放射光を分光計によって計測する方法も知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した各従来文献の内容を要約すると以下のようになる。
特開平５−１７９４６７号公報においては、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。
【００１０】
また、特開平８−２７４０８２号公報（ＵＳＰ  ５６５８４１８）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迄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う。
【００１１】
また、特開２０００−９７６４８号公報では、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。
【００１２】
また、特開２０００−１０６３５６公報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る。
【００１３】
また、ＵＳＰ６０８１３３４では、干渉光の時間変化の特徴的な振る舞いを測定より求めデータベース化し、そのデータベースと測定される干渉波形との比較によりエッチングの終了判定を行う。この判定により、エッチングプロセス条件の変更を促す。
【００１４】
以上の公知例では、以下の問題点が生じる。
▲１▼  マスク材（例えば、レジスト，窒化膜，酸化膜）を用いたエッチングを行うと、エッチングされる材料からの干渉光にマスク材からの干渉光が重畳される。
▲２▼  プロセス処理される被処理材である材料（例えば、シリコン及びその上に設けられたマスク材）のエッチング処理では、シリコンと共にマスク材もエッチングされるため、被処理材のエッチング量（エッチング深さ）を図っただけでは正確にシリコンのエッチング量を測定できない恐れがある。
▲３▼  量産プロセスの加工用ウェハは、デバイス構造に起因してマスク材の初期厚みや被エッチング材の初期厚みがウェハ面内で分布を持つため、異なった膜厚からの干渉光が重畳される。
【００１５】
以上の点から被処理層（半導体プロセス処理の対象となる層）、特に、プラズマエッチング処理における被処理層のエッチング深さや残膜量を、要求される測定精度で正確に測定，制御することは困難であった。
【００１６】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を考慮し、エッチング深さや残膜量といった処理の量をより精密に検出し、あるいは制御できる半導体ウエハの処理方法および処理装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記目的を達成するため、半導体ウエハの表面から得られる干渉光の複数の波長の各々についてその干渉波形の時間微分を求め、それに基づき干渉波形の微分値のパターンを求め、そのパターンを用いて処理の量の測定を行うようにしたものである。
【００２１】
本願発明において、干渉波形の時間微分値を用いる理由は以下の通りである。エッチング中のin-situ(リアルタイム) 測定を前提にした計測であるため、被処理膜の膜厚は時々刻々変化している。従って、干渉波形の時間微分処理が可能である。更に、この微分処理により干渉波形のノイズの除去を行える。また、エッチングされる材料（例えば、シリコンとマスク材の窒化膜（の屈折率が波長に対し異なっている。従って、多波長にわたる干渉光計測によりそれぞれの物質の特徴的な変化（膜厚依存）を検出可能となる。
【００２２】
より具体的には、上記目的は、半導体ウエハの表面に形成された被処理材である膜に処理を行う半導体ウエハの処理方法であって、前記処理中に前記半導体ウエハ表面から得られる複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出するステップと、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のデータと、前記検出された前記複数の波長に関する強度の微分値の組とに基づいて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出するステップとを備えた半導体ウエハの処理方法によって達成される。
【００２３】
また、真空容器内の試料台上に配置された処理対象の半導体ウエハをこの真空容器内に形成されたプラズマを用いて所定の処理を行う半導体ウエハの処理装置であって、前記処理中に前記半導体ウエハ表面からの複数の波長の干渉光を受光する測定装置を有し、この測定装置において受光した前記複数の波長の干渉光のそれぞれの強度の微分値を検出し、前記半導体ウエハに略同一の構成の半導体ウエハについて予め得られた前記処理の所定の量に対する前記複数の波長の干渉光の強度の微分値のデータと前記検出された前記複数の波長に関する強度の微分値の組とを用いて、前記処理中の前記膜に対する処理の量を検出する機能を備えた半導体ウエハの処理装置により達成される。
【００２４】
さらには、検出された前記処理中の前記膜に対する処理の量が予め定められた量に達すると判断された場合に前記処理の条件を切替えてこの半導体ウエハの処理を行うことにより達成される。さらにまた、前記検出される処理の量として前記膜の残り厚さを検出することにより達成される。さらにまた、前記複数の波長の干渉光の強度の微分値の組の検出より以前に求められた前記処理の量を用いた回帰分析により、前記処理の量が予め定められた量に達する時刻を予測することにより達成される。さらにまた、前記回帰分析により前記処理の速度を求めることにより達成される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本願発明の各実施例を説明する。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素子製造プロセスの終点判定方法として、被処理材のエッチングプロセスにおけるエッチング量（エッチング深さ及び膜厚）を測定する方法について説明する。しかし、本発明はこれに限らず、プラズマＣＶＤ，スパッタリング等の成膜処理における成膜量（成膜厚さ）等を測定する方法にも適用可能である。
【００２６】
以下、図１〜図４で本発明の第１の実施例を説明する。
この実施例においては、半導体ウェハ等の被処理材をプラズマエッチングする際に、サンプル用の被処理材（サンプル用ウェハ）と該処理材が有するマスク材の各エッチング量に対する、干渉光の微分値の波長依存性を示す（波長をパラメータとする）標準パターンＰS とＰM をそれぞれ設定する。次に、サンプル用被処理材と同一構成の実際の被処理材（実際のウェハ）についての実際の処理における干渉光の複数波長の強度をそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の微分値の波長依存性を示す（波長をパラメータとする）実パターンを求め、微分値の標準パターンと実パターンとを比較して、実際の被処理材のエッチング量（プロセスの終点）を求めるものである。
【００２７】
まず、図１を用いて、本発明のエッチング量（ここでは実際の処理材のエッチング深さ及び膜厚）測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を説明する。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ガスがマイクロ波電力等により分解しプラズマとなり、このプラズマ３により試料台５上の半導体ウェハ等の被処理材の４がエッチングされる。エッチング量（例えば、エッチング深さ及び膜厚）測定装置１０の分光器１１が有する測定用光源（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に垂直に入射角で当てられる。被処理材４としては、図２（ａ）に示すように、ここでは被エッチング材のシリコン４０と、マスク材としての窒化膜４１とを有しており、放射光はマスク材により反射する放射光９Ａと、マスク材が無いシリコン表面で反射する放射光とにより干渉光が形成される。即ち、この干渉光はマスク材とシリコンとの段差による干渉成分である。前記マスク材からの反射光９Ａは窒化膜表面で反射する放射光９ａと窒化膜とシリコンとの境界面で反射する放射光９ｂであり、これらの放射光により干渉光が形成される。即ち、この干渉光はマスク材の削れによる干渉成分である。これらの干渉光は光ファイバー８を介してエッチング量測定装置１０の分光器１１に導かれ、その状態に基づきシリコンのエッチング深さ及びマスク材の膜厚測定やプロセス（ここではエッチング）の終点判定の処理を行う。
【００２８】
エッチング量測定装置１０は、分光器１１，第１デジタルフィルタ回路１２，２２、微分器１３，２３、第２デジタルフィルタ回路１４，２４、微分波形パターンデータベース１６，２６、微分波形比較器１５，２５、これら比較器の結果に基づきエッチングの終点を判定する終点判定器３０、及び終点判定器３０の判定結果を表示する表示器１７を備えている。
【００２９】
なお、図１はエッチング量測定装置１０の機能的な構成を示したものであり、表示器１７と分光器１１を除いたエッチング量測定装置１０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、図５等の他の実施例についても同様である。
【００３０】
分光器１１が取り込んだ被処理材に関する多波長の発光強度は、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，ｙ′ｉｊとして図示しないＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この時系列データｙｉｊ，ｙ′ｉｊの第１，第２の波長帯域は、それぞれ、次に、第１デジタルフィルタ回路１２，２２により平滑化処理され平滑化時系列データＹｉｊ，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Ｙｉｊ，Ｙ′ｉｊを基に、微分器１３，２３によりそれぞれ微係数値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列データｄｉｊ，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，ｄ′ｉｊは、第２デジタルフィルタ回路１４，２４によりそれぞれ、平滑化処理され平滑化微係数時系列データＤｉｊ，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Ｄｉｊ，Ｄ′ｉｊから干渉光強度の微分値の波長依存性を示す（波長をパラメータとする）実パターンが求められる。
【００３１】
第１，第２の波長帯域について異なる実パターンを得るために図１の装置は以下のように構成される。即ち、第１，第２の波長帯が同じ場合には、第１デジタルフィルタ回路１２，２２の微係数を異なる値とし、その場合には、微分器１３，２３の値を同一又は異なるようにし、第２デジタルフィルタ回路１４，２４の微係数も同一又は異なるようにして良い。一方、第１，第２の波長帯が異なる場合には、第１デジタルフィルタ回路１２，２２の微係数を同一又は異なる値とし、微分器１３，２３の値も同一又は異なるようにし、第２デジタルフィルタ回路１４，２４の微係数も同一又は異なるようにして良い。
【００３２】
なお、図１の構成では、第１デジタルフィルタ回路，微分器，第２デジタルフィルタ回路，微分波形パターンデータベース，微分波形比較器からなる構成を、それぞれ第１，第２の波長帯域について別々に設けた。しかし、そのような構成を第１，第２の波長帯域について共通に１つだけ設け、所定時間毎に微係数等を切り換えて、交互に第１，第２の波長帯域について実パターンを得るようにしても良い。
【００３３】
一方、微分波形パターンデータベース１６には、エッチング量測定の対象となる被処理材であるシリコンとマスク材との段差に対応した前記第１の波長帯域に対する干渉光強度の微分波形パターンデータ値ＰSｊ が予め設定される。また、微分波形パターンデータベース２６には、被処理材のマスク材の膜厚に対応した前記第２の波長帯域に対する干渉光強度の微分波形パターンデータ値ＰMｊ が予め設定されている。微分波形比較器１５においては、段差に対応した実パターンと微分波形パターンデータ値ＰSｊ とが比較されて段差（マスク材の表面からシリコンのエッチング加工された溝の底部までの深さ）が求められる。微分波形比較器２５においては、マスク材の膜厚に対応した実パターンと微分波形パターンデータ値ＰMｊ とが比較されてマスク材の膜厚（残膜厚）が求められる。その結果、被処理材のエッチング量、即ち、エッチング深さが求められ、表示器１７により表示される。
【００３４】
なお、本実施例及び以下の各実施例では分光器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、複数の分光器１１を設ければよい。
【００３５】
図２（ａ）にエッチング処理途中の被処理材４の縦断面形状及び図２（ｂ），図２（ｃ）に、干渉光の波長実パターンの例を示す。図２（ａ）において、被処理材（ウェハ）４は、シリコン基板４０の上にマスク材４１が積層されている。このエッチングプロセスではシリコン基板が被エッチング材料であり、このような加工処理は例えば素子分離を行うためのＳＴＩ(Shallow Trench Isolation）エッチングと呼ばれている。
【００３６】
分光器１１から放出された多波長の光は、被エッチング材とマスク材の積層構造を含む被処理材４に垂直に入射角で当てられる。マスク材４１に導かれた放射光９は、マスク材４１の上面で反射した放射光９ａと、マスク材４１とシリコン基板４０との間に形成された境界面で反射した放射光９ｂとにより干渉光が形成される。マスク材４１が無くエッチング処理された部分に導かれた放射光９は、被エッチング材４０の上面で反射した放射光９Ｂと、前記したマスク材４１からの反射する放射光９Ａ（９ａと９ｂにより形成される）により干渉光が形成される。放射光９Ｂと９ａは、それぞれエッチング処理の進行に伴って反射する位置が、Ａ（ａ），Ｂ（ｂ），Ｃ（ｃ）のように変化する。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とマスク材の層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、長波長領域（第２の波長帯域：例えば７００ｎｍ）の干渉光の生波形はエッチング処理が進むにつれゆっくり変化する。一方、図２（ｃ）に示すように、短波長領域（第１の波長帯域：例えば３００ｎｍ）の干渉光の生波形は周期の長い波に周期の短い波が重畳され変化する。これは長波長領域の干渉光がマスク材の削れ（図２（ａ）のａ，ｂ，ｃ面）による干渉成分の変化を示し、短波長領域（例えば３００ｎｍ）の干渉光には被エッチング材であるシリコン基板とマスク材との段差４４（図２（ａ）のａ，ｂ，ｃ面とＡ，Ｂ，Ｃ面とのそれぞれの差）による干渉成分の変化が現れているためである。これらの多波長にわたる干渉光の平滑化時系列データＹｉｊ，Ｙ′ｉｊを基に、それぞれ１次微分値あるいは２次微分値の微係数値時系列データｄｉｊ，ｄ′ｉｊが算出される。図２（ｂ）には波長７００ｎｍの干渉光の１次微分値及び２次微分値を示し、図２（ｃ）には波長３００ｎｍの干渉光の１次微分値及び２次微分値を示している。
【００３８】
図２（ｂ），図２（ｃ）から明らかなように、これらの微分処理により、マスク材の削れによる干渉成分の変化及びシリコン基板とマスク材との段差による干渉成分の変化が明確になる。これは、エッチングされる材料の屈折率（例えば、シリコンとマスク材の窒化膜の屈折率及び溝部分の真空の屈折率）が波長に対し異なっているためである。本発明は、この事実に着目して、短波長領域の干渉光によりシリコン基板とマスク材との段差４４を求め，長波長領域の干渉光によりマスク材の削れ（マスク材の残膜厚さ４１）を正確に測定出来るようにしたことに特徴がある。
【００３９】
図３（ａ）は、干渉光の一次微分波形パターンデータを示し、図３（ｂ）は同じく二次微分波形パターンデータを示す。
【００４０】
図３（ａ），図３（ｂ）中のＰＡ，ＰＢ，ＰＣは、図２（ａ）のＡ（段差４４＝３００ｎｍ），Ｂ（段差＝４００ｎｍ），Ｃ（段差＝５００ｎｍ）の各エッチング量における微分波形パターンデータを示している。同様に、図３（ａ），図３（ｂ）中のＰａ，Ｐｂ，Ｐｃは、図２（ａ）のａ（マスク材の残膜厚４２＝９５ｎｍ），ｂ（マスク材残膜厚＝６５ｎｍ），ｃ(マスク材残膜厚＝３５ｎｍ)の各エッチング量における微分波形パターンデータを示している。なお、この時のシリコンのエッチング深さ４３は、図２（ａ）のＡの位置で２０５ｎｍ、Ｂの位置で３３５ｎｍ、そしてＣの位置で４６５ｎｍである。
【００４１】
図３（ａ），図３（ｂ）から明らかなように、干渉光の一次微分波形パターンや二次微分波形パターンは、被処理材のエッチング量毎に特有のパターンになっていることがわかる。被処理材の材料が異なるとこれらのパターンも変わってくるので、処理に必要な種々の材料及びエッチング量の範囲について、予め実験などによりデータを求め、一次微分波形パターンや二次微分波形パターンを標準パターンとして記録装置（１６，２６）に保持しておくのが良い。
【００４２】
次に、図４のフローチャートにより、図１のエッチング量測定装置１０でエッチング処理を行う際に、被処理材のエッチング量を求める手順について説明する。
最初に、目標エッチング量（即ち、目標段差と目標マスク残膜厚）の設定と、パターンデータベース１６，２６より目標段差と目標マスク残膜厚に対応する微分パターンＰSｊ，ＰMｊと、判定値σS0，σM0の設定を行う（ステップ４００と４２０）。すなわち、予め微分波形パターンデータベース１６に保持されている、図３（ａ），図３（ｂ）に示すような複数波長についての微分値の標準パターンＰＡ，ＰＢ，ＰＣの中から、目標段差に対応した１つの微分パターンを設定する。同様に、予め微分波形パターンデータベース２６に保持されている、図３（ａ），図３（ｂ）に示すような複数波長についての微分値の標準パターンＰａ，Ｐｂ，Ｐｃの中から、目標マスク残膜厚に対応した１つの微分パターンを設定する。
【００４３】
次のステップにおいて干渉光のサンプリング（例えば０.２５〜０.４秒毎に）を開始する（ステップ４０２）。すなわち、エッチング処理開始に伴い、サンプリング開始命令が出される。エッチングの進行に従って変化する多波長の発光強度が、分光器１１中の光検出器により発光強度に応じた電圧の光検出信号として検出される。分光器１１の光検出信号はデジタル変換され、サンプリング信号ｙｉ，ｊ、ｙ′ｉ，ｊを取得する。
【００４４】
次に、分光器からの多波長出力信号ｙｉ，ｊ，ｙ′ｉ，ｊを第１段目のデジタルフィルタ回路１２，２２により平滑化（filtering）し、時系列データＹｉ，ｊ、Ｙ′ｉ，ｊをそれぞれ算出する（ステップ４０４，４２４）。すなわち、第１段目のデジタルフィルタによりノイズを低減し、平滑化時系列データｙｉを求める。
【００４５】
次に、微分器１３，２３により、Ｓ−Ｇ法（Savitzky−Golay method）により、それぞれ微係数ｄｉ，ｊ、ｄ′ｉ，ｊを算出する（ステップ４０６，４２６）。すなわち、微分処理（Ｓ−Ｇ法）により信号波形の係数（１次または２次）ｄｉを求める。さらに、第２段目のデジタルフィルタ回路１４，２４により平滑化(smoothing）微係数時系列データＤｉ，ｊ、Ｄ′ｉ，ｊをそれぞれ算出する（ステップ４０８，４２８）。次に、微分波形比較器１５において、段差に関してσ＝Σ（Ｄｉ，ｊ−ＰSｊ)2 値の算出を行う（ステップ４１０）。同様に、微分波形比較器２５において、マスク材の削れ（残膜厚）に関しても、σ′＝Σ（Ｄ′ｉ，ｊ−ＰMｊ)2 値の算出を行う（ステップ４３０）。更に、終点判定器２０において、σ≦σS0とσ′≦σM0の判定をそれぞれ行う(ステップ４１２)。σ≦σS0及びσ′≦σM0である場合、段差とマスク材の残膜厚とがそれぞれ所定値になったものと判定し、エッチング処理を終了するようにすると共に、その結果を表示器１７に表示する。σ≦σS0，σ′≦σM0のいずれかが満たされない場合、ステップ４０４，４２４に戻る。最後に、サンプリング終了の設定を行う（ステップ４１４）。
【００４６】
ここで、平滑化微係数時系列データＤｉ，Ｄ′ｉの算出について説明する。デジタルフィルタ回路１２，２２，１４，２４としては、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いる。デジタルフィルタ回路１２，２２は同一構成であり、係数ｂ，ａがデジタルフィルタ回路１２，２２間で同一又は異なっていて良い。ここでは、デジタルフィルタ回路１２についてのみ説明する。２次バタワース型のローパスフィルタにより平滑化時系列データＹｉは式（１）により求められる。
0003694662.tif 000002
ここで、係数ｂ，ａは、サンプリング周波数及びカットオフ周波数により数値が異なる。また、このデジタルフィルタの係数値は段差に関する波長域（第１波長帯域）、例えば、２７５ｎｍから５００ｎｍとマスク材の削れ（残膜厚）に関する波長域（第２波長帯域）、例えば、５２５ｎｍから７５０ｎｍとで異なっていても良い。例えば、段差に関する波長域の場合、ａ２＝−１.１４３ ，ａ３＝０.４１２８，ｂ１＝０.０６７４５５，ｂ２＝０.１３４９１，ｂ３＝0.067455（サンプリング周波数１０Ｈｚ，カットオフ周波数１Ｈｚ）であり、マスク材の残膜厚に関する波長域の場合、ａ２＝−０.０００７３６１２，ａ３＝0.17157,ｂ１＝０.２９２７１，ｂ２＝０.５８５４２，ｂ３＝０.２９２７１（カットオフ周波数０.２５Ｈｚ）である。
【００４７】
２次微係数値の時系列データｄｉ，ｄ′ｉは、微分器１３，２３それぞれにより５点の時系列データＹｉの多項式適合平滑化微分法を用いて式（２）から以下のように算出される。
0003694662.tif 000003
ここで、重みｗに関して、ｗ−２＝２，ｗ−１＝−１，ｗ０＝−２，ｗ１＝−１，ｗ２＝２、である。
なお、微分器１３，２３の間で、ｊは同一又は異なって良い。
【００４８】
前記微係数値の時系列データｄｉ，ｄ′ｉを用いて、平滑化微係数時系列データＤｉ，Ｄ′ｉはデジタルフィルタ回路１４，２４（２次バタワース型のローパスフィルタ）により式（３），（４）により求められる。但し、デジタルフィルタ回路１４，２４の間で係数ａ，ｂの値は異なっても良い。
0003694662.tif 000004
【００４９】
このようにして、図１のエッチング量測定装置によれば、図３（ａ），図３（ｂ）にＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃとして示したような、複数波長についての微分値の標準パターンを少くとも１つ設定し、被処理材の干渉光の複数波長の強度をそれぞれ測定し、該測定された干渉光強度の各波長の微分値の実パターンを求め、標準パターンと微分値の実パターンとを比較することにより、段差とマスク材の残膜厚を求めることができる。例えば、シリコンエッチング深さ３３５ｎｍすなわち図２のＢの位置を検出したい場合には、予め、エッチング量（段差，マスク材の残膜厚）Ｂ，ｂに対応する複数波長についての微分値の標準パターンＰＢ，Ｐｂを設定し、複数の波長において実パターンのこれら標準パターンに対する一致率が、それぞれ判定値σS0，σM0以内に達したことにより、マスク材表面からの段差４４が４００ｎｍで、マスク材の残膜厚４２が６５ｎｍ（被処理材のシリコン深さ４３が３３５ｎｍ）になったことを検出できる。標準パターンとしては、一次微分値パターン，二次微分値パターンのいずれか一方あるいは両方を用いればよい。この実施例によれば、被処理材のエッチング量（段差，マスク材残膜厚）を求めることによりシリコンエッチング深さが例えば335ｎｍであることを正確に測定することができる。
【００５０】
次に、計測される干渉光強度にノイズ成分を多く含む場合に、測定するエッチング量の精度を向上するようにした第１実施例の変形例を、該変形例の構成を示す図５のブロック図と図６のフローチャートにより説明する。この変形例は、例えば、ウェハ毎にそのパターンが異なり、従ってウェハ毎にエッチング条件（例えば、放電条件）が異なることにより干渉波がウェハ毎に異なる場合に適用される。最初に、被処理材（シリコン，マスク材）の目標加工深さ（ここでは、目標エッチング深さ：図２（ａ）の４３）を設定する（ステップ５５０）。次に、予め保存されている段差，マスク残膜厚に関する微分波形パターンと収束判定値（段差：ＰSｊ，σS0、マスク残膜厚：ＰMｊ，σM0）とを微分波形パターンデータベース１６，２６から読出して微分波形比較器１５，２５にそれぞれ設定する。エッチング処理開始に伴い、干渉光のサンプリングを開始する(ステップ502）。次いで、図４のステップ４０４，４１０，４２４−４３０と同様にして、ステップ５０４−５１０，５２４−５３０を実行する。分光器１１からの短波長域と長波長域の光はそれぞれ第１デジタルフィルタ回路１２，２２と微分器１３，２３と第２デジタルフィルタ回路１４，２４を介し平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊ、Ｄ′ｉ，ｊを求める。これらの平滑化微係数時系列データＤｉ,ｊ、Ｄ′ｉ,ｊと予め微分波形比較器１５，２５に設定された微分パターンＰSｊ，ＰMｊをそれぞれ比較し、その時刻での段差値Ｓｉとマスク材削れ量（残膜厚）Ｍｉを算出する（ステップ５１５，５３５）。ここで、σ＞σS0(又はσ＞σM0)の時は、ステップ５１５（またはステップ５３５）の時刻で得られたＳｉ（またはＭｉ）は収納せず、回帰分析器１９での処理ではこの時刻での残膜厚さデータは除外する。
【００５１】
ステップ５１５，５３５で得られた段差値とマスク材削れ量（残膜厚）は時系列データＳｉ，Ｍｉとしそれぞれデータ記録器１８，２８に収納される。収納された過去の時系列データＳｊ，Ｍｊを用いて、回帰分析器１９，２９により１次回帰直線Ｙ＝Ｘａ＊ｔ＋Ｘｂ（Ｙ：エッチング量（段差値，マスク材残膜厚），ｔ：エッチング時間，Ｘａ：Ｘａの絶対値がエッチング速度，Ｘｂ：初期膜厚）を求め、この回帰直線より現時点のエッチング量（段差：Ｓ，マスク材残膜厚：Ｍ）を算出する（ステップ５１６，５３６）。ここで、エッチング時間，エッチング速度，初期膜厚，残膜厚等はプロセス量（ここではエッチング量）である。
【００５２】
次に、終点判定器３０において、これらエッチング量Ｓ，Ｍにより加工深さ（＝Ｓ−Ｍ）（図２（ａ）の４３）を求め、この値と目標加工深さとを比較し、目標加工深さ以上であれば被処理材のエッチング量が所定値になったものとしてエッチング処理を終了し、その結果を表示器１７に表示する。目標加工深さ以下である場合、ステップ５０４，５２４に戻る。最後に、サンプリング終了の設定を行う（ステップ５１４）。
【００５３】
図７に、上記実施例により行ったシリコン深さの測定結果（ステップ５１６，５３６での算出値）を示す。図には、シリコン加工深さ、及びマスク材からの段差の時間的変化を示しており、ＳＴＩ加工時おけるエッチングの様子が明確にわかる。なお、この実施例では、シリコン深さ５０６ｎｍ（段差５２９ｎｍ）までエッチング処理を行った。
【００５４】
以上述べた本実施例のエッチング量測定装置によれば、半導体デバイスの製造プロセス等における被処理材のエッチング量を正確に測定することができる。従って、このシステムを利用して、被処理材のエッチングを高精度に実施する方法を提供することができる。また、変形例によれば、第１実施例と異なり、標準パターンで設定した被処理材のエッチング量以外の任意のエッチング量を測定できる。
【００５５】
なお、図５の構成では、第１デジタルフィルタ回路，微分器，第２デジタルフィルタ回路，微分波形パターンデータベース，微分波形比較器，回帰分析器からなる構成を、それぞれ第１，第２の波長帯域について別々に設けた。しかし、そのような構成を第１，第２の波長帯域について共通に１つだけ設け、所定時間毎に微係数等を切り換えて、交互に第１，第２の波長帯域について実パターンを得るようにしても良い。
【００５６】
次に、本発明の第２実施例を図８，図９，図１０，図１１を用いて説明する。図８に示す本実施例の構成は、図５の一方の波長帯域についての構成１１−１９と同一であり、終点判定器１３０の動作が図５の終点判定器３０の動作と異なる。エッチング加工する被処理材の構造を図９に示す。このエッチング処理において加工されるポリシリコン５０の領域はマスク材５１（例えば、窒化膜やホトレジスト）の無い部分であり、観測される干渉光はポリシリコン５０表面の反射光９０Ａと下地酸化膜５２からの反射光９０Ｂとの干渉により起こる。この干渉光の計測によりポリシリコン５０のエッチング量（残膜厚５３：下地酸化膜からのポリシリコンの厚み）を測定する方法を図１０のフローチャートにしたがって説明する。
【００５７】
最初に、被処理材（ポリシリコン）の目標残膜値と、微分波形パターンデータベース１６に予め保存されているポリシリコンの膜厚に関する全ての標準微分パターン（ＰZｊ）と収束判定値σZ0を微分波形比較器１５に設定する（ステップ６００）。エッチング処理開始に伴い、干渉光のサンプリングを開始する（ステップ６０２）。分光器１１からの多波長の光はそれぞれ第１デジタルフィルタ１２と微分器１３と第２デジタルフィルタ回路１４を介し、第１実施例のステップ４０４−４１０と同様にして、平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを求める。これらの平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊと予め微分波形比較器１５に設定された微分パターンＰZｊ を比較し、その時刻での残膜値Ｚｉを算出する（ステップ６１５）。ここで、σ＞σz0の時は、ステップ６１５でこの時刻で得られたＺｉ値は収納せず、回帰分析器１９での処理ではこの時刻での残膜厚さデータは除外する。
【００５８】
ステップ６１５で得られた残膜値は時系列データＺｉとしてデータ記録器１８に収納される。収納された過去の時系列データＺｉを用いて、回帰分析器１９により１次回帰直線Ｙ＝Ｘａ＊ｔ＋Ｘｂ（Ｙ：残膜量，ｔ：エッチング時間，Ｘａ：Ｘａの絶対値がエッチング速度，Ｘｂ：初期膜厚）を求め、この回帰直線より現時点の残膜量Ｚを算出する（ステップ６１６）。
【００５９】
次に、終点判定器１３０において、残膜量Ｚと目標残膜値を比較し、目標残膜以下であれば被処理材のエッチング量が所定値になったものとしてその結果を表示器１７に表示する。目標残膜以上である場合、ステップ６０４に戻る。最後に、サンプリング終了の設定を行う（ステップ６１４）。
【００６０】
ところで、目標残膜値が予め保存されているポリシリコンの膜厚に関する微分波形パターンデータベースＰZｊ より少ないとステップ６１８で判定された場合は、以下のような処理を行いエッチング処理を終了する。残膜量Ｚが保存されているポリシリコンの膜厚に関する微分波形パターンデータベースの最小膜厚Ｙｍと等しくなった時に、上記１次回帰直線Ｙ＝Ｘａ＊ｔ＋Ｘｂより、目標残膜値ＹT になるエッチング時刻（ｔT＝［ＹT−Ｘｂ］／Ｘａ）を算出し、この時刻ｔT までエッチング処理を継続し行う。
【００６１】
図１１に、本実施例により行ったポリシリコンの残膜測定結果を示す。これは、ポリシリコン膜厚に関する微分波形パターンデータベースには最小膜厚Ｙｍ＝４５ｎｍまでのデータベースを用い目標残膜値Ｙｔ＝２０ｎｍを予測したものであり、１次回帰直線により目標残膜値が２０ｎｍとなるエッチング時刻９６秒が明確にわかる。これにより微分波形パターンデータベースが無い残膜量の終点判定が可能になる。
【００６２】
また、１次回帰直線の傾きの絶対値（＝｜Ｘａ｜）はエッチング速度を示しており、このエッチング速度を量産管理することによりエッチング装置の状態管理が行える。すなわち、エッチング速度がある許容値以内であれば、エッチング装置が正常稼動していることを、また許容値以外である場合は異常であることを監視できる。
【００６３】
さらに、１次回帰直線の切片（＝Ｘｂ）は被処理材の初期膜厚を示しており、この初期膜厚を量産管理することによりエッチング処理前の成膜状態の管理が行える。すなわち、初期膜厚がある許容値以内であれば、成膜装置が正常稼動していることを、また許容値以外である場合は異常であることを監視しフィードバックできる。
【００６４】
次に、本発明の第３実施例を図１２，図１３を用いて説明する。本実施例は、エッチング深さを管理する時、ウェハ毎に有機膜の膜厚に誤差があるため、初期膜厚と測定した残膜厚とからエッチング深さを測定するようにするものである。図１２に示す本実施例の構成は、図８の構成１１−１９と同一であり、終点判定器２３０の動作が図８の終点判定器１３０の動作と異なる。エッチング加工する被処理材の構造を図１３に示す。このエッチング処理において加工される有機膜６０の領域（溝構造）はマスク材６１（例えば、窒化膜やホトレジスト）の無い部分であり、観測される干渉光は有機膜６０表面の反射光と配線材６２（例えば、Ｃｕ）からの反射光との干渉により起こる。
【００６５】
この干渉光の計測により有機膜６０のエッチング量（溝深さ：ＤとＥとの距離６５）を測定する方法を図１４のフローチャートにしたがって説明する。最初に、被処理材（有機膜）の目標深さ値と、微分波形パターンデータベース１６に予め保存されている有機膜の膜厚に関する全ての標準微分パターン（ＰFｊ ）と収束判定値（σF0）を微分波形比較器１５に設定する（ステップ７００）。エッチング処理開始に伴い、干渉光のサンプリングを開始する（ステップ７０２）。分光器１１からの多波長の光はそれぞれ第１デジタルフィルタ回路１２と微分器１３と第２デジタルフィルタ回路１４を介し、第２実施例のステップ６０４−６１０と同様にして、平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを求める。これらの平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊと予め微分波形比較器１５に設定された微分パターンＰFｊ を比較し、その時刻での残膜値Ｆｉを算出する（ステップ７１５）。ここで、σ＞σF0の時は、この時刻での残膜厚さ値は収納せず、回帰分析器１９での処理ではこの時刻での残膜厚さデータは除外する。
【００６６】
ステップ７１５で得られた残膜値は時系列データＦｉとしてデータ記録器１８に収納される。収納された過去の時系列データＦｊを用いて、回帰分析器１９により１次回帰直線Ｙ＝Ｘａ＊ｔ＋Ｘｂ（Ｙ：残膜量，ｔ：エッチング時間，Ｘａ：絶対値がエッチング速度，Ｘｂ：初期膜厚）を求め、この回帰直線より現時点の残膜量Ｆと初期膜厚Ｘｂを算出する（ステップ７１６）。
【００６７】
次に、終点判定器２３０において、現時点の溝深さ（＝Ｘｂ−Ｆ）（図１３の６５）を残膜量Ｆ（図１３の６４）と初期膜厚Ｘｂ（図１３の６３）より求め、この溝深さと目標深さ値と比較し、目標深さ以上であれば被処理材のエッチング量が所定値になったものとしてその結果を表示器１７に表示する。目標深さ以下である場合、ステップ７０４に戻る。最後に、サンプリング終了の設定を行う（ステップ７１４）。このように、溝加工時のエッチング深さは残膜量Ｆと初期膜厚Ｘｂを回帰分析により求めることにより測定が可能である。
【００６８】
次に、本発明の第４実施例を図１５，図１６，図１７を用いて説明する。図１５に示す本実施例の構成は、図１２の構成１１−１９と同一であり、終点判定器３３０の動作が図１２の終点判定器２３０の動作と異なり、更に制御装置1000が設けられている。同一のエッチング装置１を用いて、種々膜質の異なる被エッチング材をエッチング処理することがしばしばある。この場合、制御装置1000に予め設定されたエッチング条件（例えば、エッチングガス条件やプラズマ発生電力条件やバイアス条件など）に基づき、制御装置１０００によりガス供給装置１００１やプラズマ発生装置１００２やウェハバイアス電源１００３を時間制御しエッチング処理が行われる。しかしながら、エッチング加工する被処理材が半導体素子構造により図１６に示すような積層構造になっている場合、エッチング処理が複雑となり、単純な時間制御によるエッチング処理ではダメージのない素子加工が困難になる。図１６を用いて、このような積層構造素子のエッチング加工について説明する。このエッチング処理において加工されるポリシリコン膜７０の上には、ＢＡＲＣ７３（Back Anti-Reflection Coating）やマスク材７１（例えば、窒化膜やホトレジスト）が、またポリシリコン膜７０の下には、下地酸化膜７２が形成されている。さらに、下地酸化膜７２はトランジスタのゲート電極部７８の厚み（例えば、約２ｎｍ）とトランジスタ素子を分離するための溝部７９（ＳＴＩ）の厚み（例えば、約３００ｎｍ）とが大きく異なっている構造となっている。この構造の加工においては、まず、ＢＡＲＣ７３のエッチング処理を行い、続いてポリシリコン膜７０のエッチング処理を同一のエッチング装置で一貫処理する。このようなエッチング処理では、それぞれの膜を適切にエッチングできないとゲート電極部７８の下地酸化膜７２を削り過ぎてしまい、素子にダメージを与える。そのため、まずＢＡＲＣ７３エッチング処理において、ポリシリコン膜７０をできる限り削らない様にエッチングを制御する必要がある。このことは、ＢＡＲＣ７３エッチング処理においてＢＡＲＣの残膜量を測定し、僅かな残膜量７５（例えば、２０ｎｍ）になった時点で、エッチング条件をポリシリコンが削れ難い条件に変更し残っているＢＡＲＣ材をエッチングすることが重要である。次に、ポリシリコン膜７０のエッチング処理においては、ポリシリコンの残膜量（残膜厚）を測定し、僅かな残膜量（残膜厚）７７（例えば、２０ｎｍ）になった時点で、エッチング条件を下地酸化膜が削れ難い条件に変更し残っているポリシリコン材をエッチングすることが重要である。
【００６９】
ＢＡＲＣの残膜厚さ量測定に用いる光は、ＢＡＲＣ表面からの反射光とポリシリコン境界面からの反射光との干渉光９６を利用する。また、ポリシリコンの残膜厚さ量測定に用いる光は、ポリシリコン表面からの反射光と下地酸化膜境界面からの反射光との干渉光９５Ａ又は９５Ｂを利用する。この際、下地酸化膜の厚みがゲート電極部７８の厚み７７とトランジスタ素子を分離するための溝部７９の厚み７６とが異なっているため、それぞれの部分からの干渉光強度９５Ａ，９５Ｂは異なっており、素子分離部７９からの干渉光強度９５Ｂの方がゲート電極部７８からの干渉光強度９５Ａに比べ大きい。従って、ポリシリコンの残膜厚さ測定においては、素子分離部７９上のポリシリコンを対象として行う。つまり、ポリシリコンのエッチング処理ではこの点を考慮し干渉光強度９５Ｂを用いて、ポリシリコンを残膜厚さが厚み７６になるまでエッチング処理を行い、その後、下地酸化膜が削れ難いエッチング条件でのポリシリコン材のエッチング処理を行う。
【００７０】
このエッチング処理を行う手順を図１７のフローチャートにしたがって説明する。最初に、制御装置１０００に積層膜（例えば、ＢＡＲＣ７３とポリシリコン膜７０）に対するエッチング条件(例えば、ガス条件，放電条件，圧力条件など)と各膜７３，７０の目標残膜厚さ値７５，７６と収束判定値が設定される（ステップ８００）。次に、それぞれの膜種に応じて、微分波形パターンデータベース１６に予め保存されている各膜７３，７０の膜厚に関する全ての標準微分パター（ＰZｊ ）と、収束判定値（σZ0）を微分波形比較器１５に設定される（ステップ８０１）。次のステップにおいてエッチング処理の開始と干渉光のサンプリングを開始する（ステップ８０２）。次に、制御装置１０００からの指示により第１に処理される被エッチング材（例えば、ＢＡＲＣ材）に関する標準微分パターンＰZｊ と収束判定値σZ0が微分波形パターンデータベース１６から微分波形比較器１５に設定される（ステップ８０３）。分光器１１からの多波長の光はそれぞれ第１デジタルフィルタ回路１２より平滑化時系列データＹｉ，ｊを求める（ステップ８０４）。さらに、微分器１３と第２デジタルフィルタ回路１４を介し、第３実施例のステップ７０４−７１０と同様にして、平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊを求める（ステップ８０６，８０８）。これらの平滑化微係数時系列データＤｉ，ｊと予め微分波形比較器１５に設定された微分パターンＰFｊ を比較し、収束値σ＝Σ(Ｄｉ，ｊ−ＰZｊ)2が最も小さい収束値に対する残膜厚さを求める。この時、σ≦σZ0である場合は求めた残膜厚さをこの時刻での残膜厚さ値Ｚｉとしデータ記録器１８に収納する（ステップ８１０，８１５）。σ＞σZ0である場合、この時刻での残膜厚さ値は収納せず、回帰分析器１９での処理ではこの時刻での残膜厚さデータは除外する(ステップ８１５)。収納された過去の時系列データＺｉを用いて、回帰分析器１９により１次回帰直線Ｙ＝Ｘａ＊ｔ＋Ｘｂを求め、この回帰直線より現時点の残膜厚さ量Ｚを算出する（ステップ８１６）。
【００７１】
次に、終点判定器３３０において、現時点の残膜厚さ量Ｚと制御装置１０００からの目標残膜厚さ値７５と比較し（例えば、ＢＡＲＣ残膜厚さ２０ｎｍ）、目標残膜値７５以下であれば被処理材のエッチング量が所定値になったものとしてその結果を表示器１７に表示すると、同時にエッチング条件を切り換えて次のエッチング処理（ポリシリコンが削れにくいＢＡＲＣエッチング条件）を行う（ステップ８１８）。目標残膜値以上である場合、ステップ８０４に戻る。切り換えた次のエッチング処理（ポリシリコンが削れにくいＢＡＲＣエッチング条件）は例えば、制御装置１０００によりウェハバイアス電源１００３を制御し、残膜部をエッチングし、予め設定された時間が経過後に、エッチング条件の切り換えを行う、すなわち、次の膜種のエッチングのためにエッチング条件を切り換える必要があるかどうかを判定する（ステップ８１９）。
【００７２】
次の膜種（例えば、ポリシリコン膜７０）のエッチングでは、予め設定されたエッチング条件にガス供給装置１００１やプラズマ発生装置１００２やウェハバイアス電源１００３を制御すると共に、次の膜種（例えば、ポリシリコン）の残膜厚さ７６に関する標準微分パターン(ＰZｊ，σZ0）を微分波形比較器１５に設定し（ステップ８０３）、再びステップ８０４から８１８を実行する。終点判定器３３０において、ポリシリコンの残膜厚さ量Ｚが目標残膜厚さ値７６となった（例えば、ポリシリコン残膜厚さ２０ｎｍ）ことを判定し（ステップ８１８）、その結果を表示器１７に表示すると、同時にエッチング条件を切り換えて次のエッチング処理（下地酸化膜が削れにくいポリシリコンのエッチング条件）を行う（ステップ８１８）。このエッチング処理（下地酸化膜が削れにくいポリシリコンのエッチング条件）は時間制御によりポリシリコンの残膜部をエッチングし、予め設定された時間が経過後に、エッチング条件切り換えの判定を行う(ステップ８１９)。次のエッチング処理が無い場合は、エッチング処理の終了及びサンプリング終了の設定を行う（ステップ８１４）。
【００７３】
以上のように、第２実施例による上記の方法では、被処理材の残膜厚さに関する微分パターンデータベースが十分になくとも、残膜厚さを予測することができる。さらに、残膜厚さに関する微分パターンデータベースの作成において、サンプルウェハを完全にエッチングする必要が無くなり、サンプルウェハを削減することができる。
【００７４】
また、本発明の回帰分析によりエッチング速度が求められるので、エッチング速度のウェハ毎の監視により量産管理が行え、製品ウェハの不良発生を未然に防止できる。
【００７５】
また、本発明の回帰分析により被処理材の初期膜厚が算出できるので、その結果を成膜装置にフィードバックすることにより、成膜装置とエッチング装置との一貫処理の量産管理が行える。
【００７６】
第３実施例による方法によれば、被処理材の初期膜厚にバラツキがあっても、精度良くエッチング深さを算出でき、目標とするエッチング深さを正確に判定するエッチング処理が行える。
【００７７】
また、第４実施例の方法によれば、積層膜構造を持った被処理材のエッチング処理において、それぞれの膜をエッチングする時に残膜厚さ測定を行い、所定の残膜厚さにおいて、エッチング条件を切り換えることにより、下地膜のエッチング削れを僅かにすることができる。
【００７８】
また、ゲート電極のポリシリコンエッチングにおいては、素子分離部からの干渉光によりポリシリコン残膜厚さを測定することにより、正確に所定残膜厚さを判定でき、ゲート電極部の下地酸化膜を過剰にエッチングすることが無く、ウェハの不良処理枚数を最小限に抑えることができる。
【００７９】
なお、上記の各実施例においては、光源を有する分光器から多波長の放射光を放出し、被処理材からの反射光の干渉光を利用して測定を行う。一方、光源を有しない分光器を用い、プラズマにより放出される多波長の放射光を光源として利用するようにしても良い。
【００８０】
なお、本発明は、さらに次の特徴を有する。
（１）試料のエッチング途中に測定したデータを蓄積し、該蓄積された過去データを用いて前記エッチングにおけるエッチング深さを予測し、所定のエッチング深さで前記エッチングを止めることを特徴とするエッチング方法。
（２）下地膜を有さない被エッチング材のエッチング方法において、前記被エッチング材の上に形成されたマスクの削れ量と前記マスク上面からの前記被エッチング材のエッチング底面までのエッチング段差を測定し、前記被エッチング材のエッチング深さを管理することを特徴とするエッチング方法。
（３）試料のエッチング途中の干渉光データを用いて、前記試料の被エッチング部の残膜厚さを予測し、所定の残膜厚さで前記エッチングを止めることを特徴とするエッチング方法。
（４）ダマシンエッチングにおいて、前記エッチング途中の干渉光データを用いて、初期膜厚を予測し溝深さを決め、所定の溝深さで前記エッチングを止めることを特徴とするエッチング方法。
（５）面内厚さが異なる下地膜上に形成されたゲート材をエッチングする方法において、前記下地膜の厚さの厚い部分で干渉光を測定し、前記厚さの厚い下地膜の上に形成されたゲート材の残膜厚さを測定し、前記ゲート材の膜厚を管理することを特徴とするエッチング方法。
（６）複数の膜が積層された被エッチング材のエッチングにおいて、前記被エッチング材からの干渉光を測定し、前記膜毎にデジタルフィルタを切り換えて干渉光のデータを処理し、前記膜毎に膜厚を管理することを特徴とするエッチング方法。
（７）ＢＡＲＣエッチングにおいて、エッチング中の被処理材から測定した干渉光を用いて前記ＢＡＲＣの膜厚を管理し、下地の被エッチング材の削れを防止することを特徴とするエッチング方法。
（８）ＳＴＩ部を有する半導体素子の製造において、前記半導体素子の一部を形成するＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチングを行う際に、前記ＳＴＩ部上に形成されたＰｏｌｙ−Ｓｉの残膜厚さで、前記Ｐｏｌｙ−Ｓｉのエッチングを管理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチング深さや残膜量といった処理の量をより精密に検出し、あるいは制御できる半導体ウエハの処理方法および処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるエッチング量測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状を示す図であり、(ｂ)，（ｃ）はそれぞれ異なる波長の干渉光の波長実パターンの例を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図２（ａ），図２（ｂ）のＡ，Ｂ，Ｃに示す各段差（マスク材表面からの距離）及びａ，ｂ，ｃに示すマスクの各残膜厚さに対応する、干渉光の微係数値時系列データの波長をパラメータとする図である。
【図４】図１のエッチング量測定装置でエッチング処理を行う際に、被処理材の段差及びマスク残膜厚さを求める手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施例の変形例によるエッチング深さ測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】図５の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図７】図５の実施例のエッチング深さ測定結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例による残膜厚さ測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示すブロック図である。
【図９】エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状を示す図である。
【図１０】図８の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図１１】図８の実施例のポリシリコン残膜厚さの測定結果及び回帰直線を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例によるエッチング深さ測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１３】エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状を示す図である。
【図１４】図１２の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第４の実施例によるエッチング残膜測定装置を備えた半導体ウェハのエッチング装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１６】エッチング処理途中の被処理材の縦断面形状を示す図である。
【図１７】図１５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、９…放射光、１０…測定装置、１１…分光器、１２，２２…第１デジタルフィルタ回路、１３，２３…微分器、１４，２４…第２デジタルフィルタ回路、１５，２５…微分波形比較器、１６，２６…微分波形パターンデータベース、１７…表示器、１８，２８…時系列データ記録器、１９，２９…回帰分析器、３０，１３０，２３０，３３０…終点判定器、４０…シリコン、４１…窒化膜、５０…ポリシリコン、５１，６１，７１…マスク材、５２…下地酸化膜、６０…有機膜、６２…配線材、７０…ポリシリコン膜、７２…下地酸化膜、７３…ＢＡＲＣ、７８…ゲート電極部、７９…溝部、１０００…制御装置、１００１…ガス供給装置、１００２…プラズマ発生装置、１００３…ウェハバイアス電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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