JPH11288921A

JPH11288921A - プラズマ処理の終点検出方法及びその装置並びにそれを用いた半導体デバイスの製造方法及びその装置

Info

Publication number: JPH11288921A
Application number: JP10088424A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Hideaki Sasazawa; 秀明笹澤; Takanori Ninomiya; 隆典二宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-19
Anticipated expiration: 2018-04-01
Also published as: JP4041579B2

Abstract

(57)【要約】【課題】回路パターンの微細化に伴い、エッチング終点
時の発光信号変化が微弱になり、レジスト物質や処理室
内石英部材のエッチングに伴う反応生成物の発生等の背
景雑音やプラズマの１／ｆ雑音の影響が相対的に大きく
なり、従来のプラズマ発光検出法では、終点検出が困難
になるという課題があった。【解決手段】被処理基板を配置した処理室の内部にプラ
ズマを発生させ、このプラズマにより被処理基板を処理
し、処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出
し、この検出した所定の波長の光の発光信号の中からプ
ラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所
定の周期で抽出し、この抽出した信号成分の強度の変化
に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検
出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板
の処理を終了するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理の終
点検出方法及びその装置並びにそれを用いた半導体デバ
イスの製造方法及びその装置に関するものであり、特
に、処理室内に発生させたプラズマにより基板を処理す
るのに好適な方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エッチング装置を始めとして、プラズマ
を用いた処理が半導体製造工程や液晶表示装置用基板製
造工程に広く適用されている。

【０００３】図１４に示すエッチング装置を例にとり、
従来の技術について説明する。このエッチング装置で
は、高周波電源５からの高電圧を、処理室１内に互いに
平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加
し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラ
ズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導
体ウェハ４をエッチングする。エッチング処理に際して
は、エッチングの進行状況を監視し、その終点をできる
だけ正確に検出して、所定のパターン形状及び深さだけ
エッチング処理を行うようにしている。高周波電源５の
電源周波数は例えば、４００ｋＨｚ程度である。

【０００４】従来から、エッチングの終点を検出する方
法には、分光分析、質量分析等の手法が用いられてお
り、中でも特開平６−２８２５２号公報に示されるよう
に、装置が簡便で感度の高い分光分析が広く用いられて
いる。具体的には、エッチング用ガス、その分解生成物
または反応生成物等のラジカルやイオン等の活性種のう
ち特定の活性種を選択し、選択された活性種の発光スペ
クトルの発光強度を測定する。即ち、図１４において、
プラズマからの発光８を窓７を通してモノクロメータ等
の分光器９で分光し、所望の波長の発光成分１０だけを
取り出す。この発光成分１０はホトマル等の光電変換素
子１１で受光されて電気信号に変換され、プラズマ励起
用高周波電源よりも十分低い１００〜数ｋＨｚ程度の帯
域を有するアンプ１２で増幅された後、終点判定ユニッ
ト１３に送られる。

【０００５】終点判定ユニット１３では、図１５に示す
ように発光強度の時間変化１５を観測していき、変化点
での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等
を予め設定しておいた閾値Ｓと比較することにより、エ
ッチングの終点位置Ｅが決定される。終点が検出される
と、電源制御装置１４により、高周波電源５の出力を停
止する。この方法では、アンプ１２の帯域がプラズマ励
起周波数よりも十分低いため、プラズマ発光の直流成分
を検出していることになる。

【０００６】選択する活性種はエッチング用ガスの種類
により異なる。例えば、ＣＦ等のフルオロカーボン系の
エッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチング
する場合には、その反応生成物であるＣＯからの発光ス
ペクトル（２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍ等）、ある
いは、中間生成物であるＣＦからの発光スペクトル（２
６０ｎｍ等）を測定する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術によれ
ば、簡単な構成にしてエッチングの終点を求めることが
できる。しかし、半導体の回路パターンの微細化に伴
い、エッチングされる部分の総面積が小さくなり、反応
生成物の絶対量が低下する傾向にある。その結果、図１
５に一点鎖線１６で示すように、発光強度そのものが低
下するとともに終点位置での発光強度の変化量が大幅に
低下し、レジスト物質や処理室１内の石英部材のエッチ
ングに伴う反応生成物の発生等の背景雑音や、プラズマ
の揺らぎ等の１／ｆ雑音の影響が相対的に大きくなり、
終点位置の判定が困難になる。

【０００８】これらの課題を解決するため、例えば、特
開昭５９−６１０３６号公報に示されるように、２つの
発光信号を使ってその比を計算することにより、終点時
の信号の振幅を向上させる方法や、特開平６−２２９８
２７号公報に示されるように、１／ｆ雑音の影響を低減
するために、プラズマ発光の直流成分を検出するのでは
なく、プラズマ発光をチョッパで変調し、変調用信号を
参照信号として、あるいは、チョッパを使用せずプラズ
マ生成用のＲＦ信号を参照信号として、ロックインアン
プで復調する方法が提案されている。

【０００９】また、発光信号の中から単にチョッピング
周波数成分だけを取り出すのではなく、特開平９−１１
５８８３号公報に示されるように、エッチング反応に同
期した成分だけを選択的に取り出すことにより、終点時
の信号変化を顕在化する方法も提案されている。この方
法によれば、微細パターンでのエッチング終点検出精度
の向上が期待できる。しかし、２５６ＭｂｉｔＤＲＡ
Ｍ、さらには１ＧｂｉｔＤＲＡＭへと高集積化が進む半
導体の分野においては、回路パターンの微細化はとどま
るところを知らず、特にコンタクトホールのエッチング
では、ウェハ総面積に対する被エッチング部の面積は
０．５％以下になろうとしている。このようなより微細
なパターンのエッチングにおいては、前記の方法を用い
たとしても、高精度な終点検出は困難である。

【００１０】一方、エッチング装置本体においても、エ
ッチング反応に伴って処理室の窓に反応生成物等が堆積
し、窓の透過率が低下して検出光量が低下し、終点検出
がさらに困難になるという課題が生じている。

【００１１】本発明の目的は、被処理パターンの微細化
や外乱の影響を受けることなく、プラズマ処理の終点が
常に安定かつ高精度に検出可能な、プラズマを用いた被
処理基板の処理の終点を検出する方法及びその装置、並
びにそれを用いた半導体製造方法及びその装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明では、プラズマを用いた被処理基板の処理の
終点を検出する方法において、被処理基板を処理中のプ
ラズマの発光の所定の波長の光を検出し、この検出した
所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理
の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出
し、この抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラ
ズマによる処理の終点を検出するようにした。

【００１３】そして、プラズマによる処理の進行に応じ
て変化する信号成分は、プラズマを発生させるプラズマ
励起用高周波電源の高周波の周波数、もしくはその整数
倍と同期した成分であるようにした。

【００１４】また、プラズマによる処理の進行に応じて
変化する信号成分は、被処理基板を載置する載置台に印
加する高周波電力の電源の周波数、もしくはその整数倍
と同期した成分であるようにした。

【００１５】また、検出する処理中のプラズマの発光の
所定の波長の光は、プラズマによる処理によって生じる
反応生成物の発光信号であるようにした。

【００１６】また、検出する処理中のプラズマの発光の
所定の波長の光は、プラズマによる処理に使用される反
応ガスもしくは中間生成物の発光信号であるようにし
た。

【００１７】更に、本発明は、プラズマを用いて被処理
基板を処理する方法において、被処理基板を処理中のプ
ラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する
波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成
分の光とをそれぞれ分離して検出し、この発光強度が増
加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光
とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した発光強
度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成
分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる処理の
終点を検出するようにした。

【００１８】そして、所定の周期で抽出することを、プ
ラズマを発生させる高周波電源の高周波の周波数、若し
くはその整数倍の周期で行うようにした。

【００１９】また、上記目的を達成するために、本発明
は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を
配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、プラズマ
により前記被処理基板を処理し、処理中のプラズマの発
光の所定の波長の光を検出し、この検出した所定の波長
の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応
じて変化する信号成分を所定の周期で抽出し、この抽出
した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処
理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の
終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにし
た。

【００２０】そして、プラズマにより被処理基板を処理
することが、プラズマエッチング処理であるようにし
た。

【００２１】また、本発明は、半導体デバイスの製造方
法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラ
ズマを発生させ、プラズマにより被処理基板を処理し、
処理中のプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度
が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少
する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、発光強
度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成
分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した
発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する
波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる
処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理
の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにし
た。

【００２２】そして、プラズマにより被処理基板を処理
することが、プラズマエッチング処理であるようにし
た。

【００２３】また、本発明は、半導体デバイスの製造方
法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラ
ズマを発生させ、このプラズマにより被処理基板を処理
し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度を被
処理基板の上方の複数の箇所において検出し、この検出
した複数の箇所における所定の波長の光の発光強度の変
化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この
検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基
板の処理を終了するようにした。

【００２４】そして、プラズマにより被処理基板を処理
することが、プラズマエッチング処理であるようにし
た。

【００２５】また、本発明は、半導体デバイスの製造方
法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラ
ズマを発生させ、このプラズマにより前記被処理基板を
処理し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度
を検出し、予め設定した時間が経過したときの所定の波
長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定
し、この判定したプラズマによる処理の状態を予め設定
されたデータと比較し、この比較により判定したプラズ
マによる処理の状態が予め設定されたデータと異なると
きには異常信号を発信するようにした。

【００２６】そして、プラズマによる被処理基板の処理
を、予め設定した時間が経過したときに終了させるよう
にした。

【００２７】更に、上記目的を達成するために、本発明
は、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出す
る装置を、被処理基板を処理中のプラズマの発光の所定
の波長の光を検出する検出手段と、この検出手段で検出
した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる
処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽
出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した信号成分の
強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出
する検出手段とを備えて構成した。

【００２８】そして、抽出手段で信号成分を抽出する所
定の周期は、プラズマ発生手段に印加する高周波電力の
高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分で
あるようにした。

【００２９】また、被処理基板を載置する載置台は、高
周波電源に接続されており、抽出手段で信号成分を抽出
する所定の周期が、載置台に接続された高周波電源の周
波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるように
した。

【００３０】また、発光検出手段は、プラズマ処理によ
って生じる反応生成物の発光を検出するようにした。

【００３１】また、発光検出手段は、ガス導入部から導
入されたガスもしくはプラズマ処理により発生する中間
生成物の発光を検出するようにした。

【００３２】また、発光検出手段は、プラズマと結像関
係にある受光素子を備えた結像光学系で構成されるよう
にした。

【００３３】また、上記目的を達成するために、本発明
は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を
載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、
ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプ
ラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ
発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した
被処理基板を処理中にプラズマの発光の所定の波長の光
を検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出し
た所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる被
処理基板の処理の進行に応じて変化する信号成分を所定
の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した
信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の
終点を検出する終点検出手段と、この終点検出手段で検
出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板
の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。

【００３４】そして、プラズマによる被処理基板の処理
が、プラズマエッチング処理であるようにした。

【００３５】また、本発明は、半導体デバイスの製造装
置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部
とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入
した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズ
マにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズ
マの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長
成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の
光とをそれぞれ分離して検出する発光検出手段と、この
発光検出手段で検出した発光強度が増加する波長成分の
光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定
の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した
発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する
波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる
処理の終点を検出する終点検出手段と、この終点検出手
段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処
理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成し
た。

【００３６】そして、プラズマによる前記被処理基板の
処理が、プラズマエッチング処理であるようにした。

【００３７】また、本発明は、半導体デバイスの製造装
置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部
とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入
した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズ
マにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズ
マの所定の波長の光の発光強度を被処理基板の上方の複
数の箇所において検出する発光検出手段と、この発光検
出手段で検出した複数の箇所における所定の波長の光の
発光強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を
検出する終点検出手段と、この終点検出手段で検出した
プラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理
を終了させる制御手段とを備えて構成した。

【００３８】そして、終点検出手段によるプラズマによ
る処理の終点を検出を、所定の波長の光の発光強度を所
定の周期で抽出して、この抽出した所定の周期における
所定の波長の光の発光強度の変化に基づいて行うように
した。

【００３９】また、本発明は、半導体デバイスの製造装
置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部
とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入
した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズ
マにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズ
マの発光の所定の波長の光の発光強度を検出する発光検
出手段と、予め設定した時間が経過したときの所定の波
長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定
する判定手段と、この判定手段で判定したプラズマによ
る処理の状態を予め設定されたデータと比較する比較手
段と、この比較手段での比較により判定手段で判定した
プラズマによる処理の状態が予め設定されたデータと異
なるときには異常信号を発信する発信手段とを備えて構
成した。

【００４０】そして、プラズマによる前記被処理基板の
処理を、予め設定した時間が経過したときに終了させる
制御手段を更に備えて構成した。

【００４１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１〜図１３に
基づいて説明する。

【００４２】まず、本発明の第１の実施例を図１〜図８
に基づいて説明する。図１は第１の実施例におけるエッ
チング装置とエッチング終点検出装置を示すものであ
る。エッチング終点検出装置は、発光検出光学系１０
１、信号処理・判定・制御系２０１から成る。

【００４３】エッチング装置は、本実施例では平行平板
形プラズマエッチング装置とした。シグナルジェネレー
タ３７からの高周波信号によりパワーアンプ３８の出力
電圧を変調し、この高周波電圧を分配器３９により分配
し、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下
部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッ
チング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で
被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。高
周波信号としては、例えば４００ｋＨｚ程度の周波数が
用いられる。

【００４４】発光検出光学系１０１では、プラズマから
の発光３１を石英窓３０を通して石英レンズ３２により
石英光ファイバ５０の入射端７５に結像させる。プラズ
マ発光領域中でウェハ４上のある一点７４と石英光ファ
イバ５０の入射端７５とが結像関係にある。

【００４５】図２に示すように、石英光ファイバ５０の
入射端７５には、石英窓３０から観測されるプラズマ発
光分布に対応させて長方形の断面形状から成るファイバ
束７６が受光部として形成されている。このファイバ束
７６は、図３に示すように、中央部７７と周辺部７８
ａ、７８ｂの２つの領域に分割されており、中央部７７
は図１中のファイバ５１に、周辺部７８ａ、７８ｂはフ
ァイバ５２に各々つながっている。

【００４６】ファイバ５１はモノクロメータ５３に、ま
たファイバ５２はモノクロメータ５８に各々接続され、
特定の活性種の発光スペクトル成分が選択的に取り出さ
れ、ホトマル等の光電変換素子５４及び５９で光電変換
される。ＣＦ等のフルオロカーボン系のエッチング用
ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合を例
にとると、モノクロメータ５３では反応生成物であるＣ
Ｏからの発光スペクトル、すなわち２１９ｎｍまたは４
８３．５ｎｍの波長成分を検出し、モノクロメータ５８
では中間生成物であるＣＦからの発光スペクトル、すな
わち２６０ｎｍの波長成分を検出する。もちろん、モノ
クロメータでなく干渉フィルタを使用することも可能で
ある。また、発光検出光学系１０１を結像光学系として
構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成
分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばら
つきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点
検出信号の鈍りを低減することが可能である。

【００４７】光電変換素子５４で光電変換された波長２
１９ｎｍのＣＯ成分の発光信号は、プラズマ励起用の高
周波電力に比べ十分広い２ＭＨｚ程度の帯域を有するア
ンプ５５により増幅され、信号処理回路５６に送られ
る。図４（ａ）に、エッチング最中の発光波形７０ａを
示す。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋ
Ｈｚの基本周期に、プラズマ中での活性種の励起・減衰
に伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰
り返されているのが判る。４００ｋＨｚ周期の高いピー
クの繰り返しに対し、同じく４００ｋＨｚで位相が１８
０°ずれた振幅の低いピークの繰り返しが存在するの
は、上部及び下部電極へ印加される高周波電圧の極性が
互いに丁度１８０°ずれていることに起因するものであ
る。

【００４８】図４（ｂ）は、シリコン酸化膜が完全にエ
ッチングされた、すなわち終点に達した直後でのＣＯ成
分の発光波形７０ｂである。反応生成物の発生量の低下
と同期して図４（ａ）における高いピークの振幅が大き
く減衰しているのに対し、低いピークの振幅はほとんど
変化しないことが判る。つまり、エッチング反応生成物
であるＣＯ成分の発光波形には、同じ４００ｋＨｚ成分
であっても、エッチング終点時に大きく減衰する成分と
ほとんど変化しない成分が混在していることが判る。従
って、単純にロックインアンプを用いたのでは、この大
きく変化する成分だけを選択的に取り出すことはできな
い。

【００４９】そこで、本実施例では、図１に示すよう
に、サンプリング信号発生回路６９において、シグナル
ジェネレータ３７からの４００ｋＨｚの高周波信号に基
づき、図４（ｃ）に示すようにパルス幅Δｔ、周波数４
００ｋＨｚの矩形波関数から成るサンプリング信号７２
を発生する。このサンプリング信号７２は図１中の位相
シフタ６５により、発光波形に応じて所望の量だけ位相
が調整された後、信号処理回路５６に送られる。位相の
調整法は、例えばアンプ５５からの発光信号７０をオシ
ロスコープ６３で観測し、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示
すように、終点時に大きく変化する高いピーク成分をサ
ンプリングするように、サンプリング信号７２の位相を
調整する。

【００５０】図１中のオシロスコープ６３から位相シフ
タ６５へ向かうライン６４は、波形を観測しながらサン
プリング信号７２の位相を調整する行為を示している。
図中６３はオシロスコープに限定されるものではなく、
発光波形７０ａから選択すべき発光成分の位相を検出す
る様々な手段を含む。例えば、２値化回路等で高いピー
クのみを検出してピークの位相を求める手段であっても
よいし、シグナルジェネレータ３７からの高周波信号の
正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮
して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。
また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰
したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、４
００ｋＨｚ周期の低いほうのピークを捉えることも可能
である。

【００５１】いずれにせよ、位相シフト量は、処理室内
圧力、エッチングガス等のプロセス条件に応じて、エッ
チング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわ
ち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングで発光波
形がサンプリングされるように設定されることが望まし
い。また、パルス幅Δｔも、同様に終点時の振幅変化が
最大となる時間幅に設定されることが望ましい。信号処
理回路５６では、アンプ５５からの発光信号７０に対し
サンプリング信号７２が乗算され、パルス幅Δｔに対応
した区間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化す
る高いピークが選択的に検出され、出力される。

【００５２】信号処理回路５６からの出力信号は帯域１
００Ｈｚ程度のローパスフィルタ５７に送られ、図６に
実線で示す発光信号８０が得られる。信号強度が急激に
減衰する時間ｔＥがエッチングの終点に対応する。尚、
破線７９は、従来の直流成分検出法による発光信号であ
る。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映
されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大
となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエ
ッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほう
が、エッチング終点時の信号変化が約２倍大きいことが
判る。

【００５３】この方法によれば、微細パターンでのエッ
チング終点検出精度の向上が期待できる。しかし、２５
６ＭｂｉｔＤＲＡＭ、さらには１ＧｂｉｔＤＲＡＭへと
高集積化が進む半導体の分野においては、パターンの微
細化はとどまるところを知らず、特にコンタクトホール
のエッチングでは、ウェハ総面積に対する被エッチング
部の面積は０．５％以下になろうとしている。このよう
なより微細なパターンのエッチングにおいては、前記の
方法を用いたとしても、高精度な終点検出が困難な場合
が生じる恐れがある。

【００５４】そこで、本実施例では、本発明の大きな特
徴として、反応生成物ＣＯだけでなく、図１に示すモノ
クロメータ５８で検出された中間生成物ＣＦからの発光
スペクトル、すなわち２６０ｎｍの波長成分に対しても
前記と同様の信号処理を施し、２つの発光信号を組み合
わせることにより、より微細なパターンに対しても高精
度な終点検出を実現する。

【００５５】光電変換素子５９で光電変換された波長２
６０ｎｍのＣＦ成分の発光信号は、プラズマ励起用の高
周波電力に比べ十広い２ＭＨｚ程度の帯域を有するアン
プ６０により増幅され、信号処理回路６１に送られる。
図５（ａ）に、エッチング最中の発光波形７１ａを示
す。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋＨ
ｚの基本周期に、プラズマ中での活性種の励起・減衰に
伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰り
返されているのが判る。４００ｋＨｚ周期のピークの繰
り返しに対し、同じく４００ｋＨｚで位相が１８０°ず
れたやや振幅の低いピークの繰り返しが存在するのは、
ＣＯ成分の場合と同様、上部及び下部電極へ印加される
高周波電圧の極性が互いに丁度１８０°ずれていること
に起因するものである。

【００５６】図５（ｂ）は、シリコン酸化膜が完全にエ
ッチングされた、すなわち終点に達した直後でのＣＦ成
分の発光波形７１ｂである。エッチングの終了に伴い中
間生成物ＣＦの消費量が低下し、図５（ａ）におけるや
や高いピークの振幅が大きく増加しているのに対し、低
いピークの振幅はほとんど変化しないことが判る。つま
り、エッチングの中間生成物であるＣＦ成分の発光波形
には、同じ４００ｋＨｚ成分であっても、エッチング終
点時に大きく増加する成分とほとんど変化しない成分が
混在していることが判る。ＣＯ成分の場合と同様、単純
にロックインアンプを用いたのでは、この大きく変化す
る成分だけを選択的に取り出すことはできない。

【００５７】そこで、ＣＯ成分の場合と同様、図１に示
すように、サンプリング信号発生回路６９において、シ
グナルジェネレータ３７からの４００ｋＨｚの高周波信
号に基づき、図５（ｃ）に示すようにパルス幅Δｔ、周
波数４００ｋＨｚの矩形波関数から成るサンプリング信
号７３を発生する。このサンプリング信号７３は図１中
の位相シフタ６８により、発光波形に応じて所望の量だ
け位相が調整された後、信号処理回路６１に送られる。
位相の調整法は、ＣＯ成分の場合と同様、例えばアン
プ６０からの発光信号７１をオシロスコープ６６で観測
し、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、終点時に大
きく変化する高いピーク成分をサンプリングするよう
に、サンプリング信号７３の位相を調整する。

【００５８】図１中のオシロスコープ６６から位相シフ
タ６８へ向かうライン６７は、波形を観測しながらサン
プリング信号７３の位相を調整する行為を示している。
図中６８はオシロスコープに限定されるものではなく、
発光波形７１ａから選択すべき発光成分の位相を検出す
る様々な手段を含む。例えば、２値化回路等で高いピー
クのみを検出してピークの位相を求める手段であっても
よいし、シグナルジェネレータ３７からの高周波信号の
正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮
して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。
また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰
したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、４
００ｋＨｚ周期の低いほうのピークを捉えることも可能
である。

【００５９】いずれにせよ、位相シフト量は、エッチン
グ反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終
点時の振幅変化が最大となるタイミングで発光波形がサ
ンプリングされるように設定されることが望ましい。ま
た、パルス幅Δｔも、同様に終点時の振幅変化が最大と
なる時間幅に設定されることが望ましい。信号処理回路
６１では、アンプ６０からの発光信号７１に対しサンプ
リング信号７３が乗算され、パルス幅Δｔに対応した区
間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化する高い
ピークが選択的に検出され、出力される。

【００６０】信号処理回路６１からの出力信号は帯域１
００Ｈｚ程度のローパスフィルタ６２に送られ、図７に
実線で示す発光信号８２が得られる。信号強度が急激に
増加する時間ｔＥがエッチング終点に対応する。尚、破
線８１は、従来の直流成分検出法による発光信号であ
る。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映
されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大
となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエ
ッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほう
が、エッチング終点時の信号変化が約２倍大きいことが
判る。

【００６１】ローパスフィルタ５７及び６２から出力さ
れる反応生成物ＣＯ及び中間生成物ＣＦの各発光信号は
終点判定回路７４に送られ、両信号間で除算処理（ＣＯ
発光信号／ＣＦ発光信号）、あるいは減算処理（ＣＯ
発光信号−ＣＦ発光信号）等が行われ、終点時の信号変
化が強調される。図８に、ＣＯ発光信号８０（図６）を
ＣＦ発光信号８２（図７）で除して得られた信号波形８
４を示す。破線８３は従来の直流成分検出法で得られた
２つの発光信号（図６の破線７９及び図７の破線８１）
同士の除算結果である。図６のＣＯ発光信号８０単独の
場合に比べ、終点時の信号変化が大きくなっていること
が判る。

【００６２】さらに、同じ２つの波長で得られた発光信
号間の演算処理であっても、本実施例の信号処理を用い
るほうが、従来の直流成分検出法に比べ、エッチング終
点時の信号変化が約２倍大きいことが判る。また、プラ
ズマ自身の揺らぎや突発的な変動の影響は両発光信号に
同じように現れるので、前記演算処理によりこれを相殺
できる。２つの発光信号を使ってプラズマの揺らぎや変
動を相殺する効果は、本実施例の信号処理を用いるほう
が、従来の直流成分検出法に比べその効果が大きいこと
が実験的に確認されている。これも、本発明の大きな特
徴の一つである。

【００６３】終点判定回路７４では、信号変化点での信
号強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め
設定しておいた閾値と比較することにより、エッチング
終点位置が正確に決定される。例えば、図８に示すよう
に、発光強度が閾値ＩＥ以下になった時間ｔＥを終点と
判定する。閾値ＩＥは、高周波電力、圧力等の装置条件
と、被加工膜の膜厚、材質、エッチングガス等のプロセ
ス条件に応じて設定される。終点が検出されると、制御
信号７４ｃに基づきパワーアンプ３８の出力を停止す
る。

【００６４】本実施例の場合、反応生成物あるいは中間
生成物等の発光はプラズマ励起用高周波電力に同期して
いるが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映
した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分
とほとんど変化しない成分が混在している。従来の直流
成分検出法では、この終点時に変化しない成分をも検出
していた。本実施例では、プラズマ励起用高周波電力と
同期した成分の中から、さらにエッチング終点時に大き
く変化する振幅成分だけを選択的に取り出すことによ
り、不要成分を除去し終点時の信号変化を拡大してい
る。その結果、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆ
る１／ｆ雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパ
ターンでのエッチングの進行を正確に捉えることが可能
になり、高精度な終点検出が可能になる。

【００６５】さらに、反応生成物だけでなく、中間生成
物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除
算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号
変化のさらなる拡大とＳＮ比の向上、さらには突発的な
プラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であ
ったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。そ
の結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチ
ングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これ
により、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不
良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の
製造が可能となる。

【００６６】また、パターン開口率が０．５％あるいは
それ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、
現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチ
レートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理
で終了させている。このように、エッチング途中で余分
な先行作業が入るため、エッチング工程のスループット
が低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い
精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業
が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造
ライン全体の自動化も可能となる。

【００６７】また、反応生成物等の堆積による窓の光透
過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とＳＮ比
の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加す
るという効果がある。

【００６８】また、窓の光透過率低下を防止する手段を
設ければ、本発明によるエッチングの終点検出方法は、
更に長時間にわたって、安定に検出することができる。
ここで、窓の光透過率低下を防止する手段としては、エ
ッチング処理中に、窓の内側（処理室側）の表面近傍
に、ガスを吹き付ける方法や、窓の内側に透明フィルム
を貼り付けて、光の透過率が低下したらフィルムを取り
替える方法、処理室内で窓の近くにオリフィスを設け
て、このオリフィスを通してプラズマの発行を検出する
方法などが挙げられる。また、発光検出光学系１０１を
結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限ら
れた領域の発光成分を検出することができるため、被加
工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつ
きに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能
である。

【００６９】本発明の第２の実施例を図９に基づいて説
明する。発光検出光学系１０１と信号処理・判定・制御
系２０２の基本構成及び機能は第１の実施例とほぼ等し
い。第１の実施例のエッチング装置は、プラズマ励起用
高周波電源とイオン加速用高周波電源が共用され同一周
波数となっている平行平板形プラズマエッチング装置で
あったが、本実施例のエッチング装置は２周波電源方式
と呼ばれているものであり、両者が別電源、別周波数と
なっている点が異なる。上部電極２には、プラズマ励起
用高周波電源８５から周波数２７．１２ＭＨｚの高周波
電力が、下部電極３には、イオン加速用高周波電源８６
から周波数８００ｋＨｚの高周波電力が各々印加されて
いる。エッチング反応は主として下部電極３に印加され
ている８００ｋＨｚの高周波電力に同期して進行する。

【００７０】発光検出光学系１０１では、第１の実施例
と同様、プラズマからの発光３１を石英窓３０を通して
石英レンズ３２により結像し、石英光ファイバ５０によ
り信号処理・判定・制御系２０２に導く。信号処理・判
定・制御系２０２では、やはり第１の実施例と同様、モ
ノクロメータ５３により反応生成物ＣＯの発光スペクト
ル、２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍの波長成分が、モ
ノクロメータ５８により中間生成物ＣＦの発光スペクト
ル、２６０ｎｍの波長成分が各々検出され、光電変換素
子５４、５９で光電変換される。

【００７１】サンプリング信号発生回路６９では、イオ
ン加速用高周波電源８６から分岐して取り出した周波数
８００ｋＨｚの高周波信号に基づき、図４（ｃ）、図５
（ｃ）に示すと同様のパルス幅Δｔ、周波数８００ｋＨ
ｚの矩形波関数から成るサンプリング信号７２、７３を
発生する。以降の信号処理は、第１の実施例と全く同一
であり、信号処理回路５６、６１にて、サンプリング信
号７２、７３に基づき、反応生成物ＣＯの発光信号及び
中間生成物ＣＦの発光信号の中から、エッチング反応を
反映し終点時に大きく変化する振幅成分だけが選択的に
取り出される。

【００７２】ローパスフィルタ５７、６２通過後の発光
信号は、図６及び図７に示すと同様であり、従来の直流
成分検出法に比べ、終点時の信号変化が拡大している。
さらに、終点判定回路８７にて両信号に対する除算処理
等を実行することにより、図８に示すと同様、終点時の
信号変化がさらに拡大された発光信号が得られる。

【００７３】終点判定回路８７では、信号変化点での信
号強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め
設定しておいた閾値と比較することにより、エッチング
終点位置が正確に決定される。終点が検出されると、制
御信号８７ｃが図示しないエッチング装置の制御回路に
送られ、これに基づき高周波電源８５及び８６の出力が
停止されエッチングを終了する。

【００７４】本実施例の場合、反応生成物あるいは中間
生成物等の発光はイオン加速用高周波電力に同期してい
るが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映し
た、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分と
ほとんど変化しない成分が混在している。本実施例で
は、イオン加速用高周波電力と同期した成分の中から、
さらにエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけ
を選択的に取り出すことにより、不要成分を除去し終点
時の信号変化を拡大している。その結果、第１の実施例
と同様、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる１／
ｆ雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパターン
でのエッチングの進行を正確に捉えることが可能にな
り、高精度な終点検出が可能になる。

【００７５】さらに、反応生成物だけでなく、中間生成
物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除
算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号
変化のさらなる拡大とＳＮ比の向上、さらには突発的な
プラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であ
ったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。そ
の結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチ
ングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これ
により、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不
良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の
製造が可能となる。

【００７６】また、パターン開口率が０．５％あるいは
それ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、
現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチ
レートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理
で終了させている。このように、エッチング途中で余分
な先行作業が入るため、エッチング工程のスループット
が低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い
精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業
が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造
ライン全体の自動化も可能となる。

【００７７】また、反応生成物等の堆積による窓の透過
率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とＳＮ比の
向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加する
という効果がある。

【００７８】また、第１の実施例と同様、発光検出光学
系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェ
ハ上の限られた領域の発光成分を検出することができる
ため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの
面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減する
ことが可能である。

【００７９】本発明の第３の実施例を図１０に基づいて
説明する。エッチング装置は、第２の実施例と同様、平
行平板形プラズマエッチング装置であり、上部電極２に
は、プラズマ励起用高周波電源８５から周波数２７．１
２ＭＨｚの高周波電力が、下部電極３には、イオン加速
用高周波電源８６から周波数８００ｋＨｚの高周波電力
が各々印加されている。エッチング反応は主として下部
電極３に印加されている８００ｋＨｚの高周波電力に同
期して進行する。

【００８０】第１及び第２の実施例において、発光検出
光学系はウェハ上のある１点を結像する構成となってい
たが、本実施例の発光検出光学系１０２では、プラズマ
からの発光２０をガルバノミラー２３等の走査形ミラー
で反射させた後、石英レンズ２４により石英光ファイバ
５０の入射端２５に結像させる。プラズマ発光領域中で
ウェハ４上のある一点２１と石英光ファイバ５０の入射
端２５とが結像関係にある。ガルバノミラー２３を駆動
系２２により高速に回転走査することにより、ウェハ4
上の複数点（黒丸）からの発光を石英光ファイバ５０の
入射端２５上に逐次結像させることができる。

【００８１】すなわち、ウェハ上の複数点での発光をほ
ぼ同時に検出することが可能となる。発光検出光学系１
０２と信号処理・判定・制御系２０３の構成、機能は、
ガルバノミラー２３の駆動制御と、時系列的に得られる
各点での発光信号の並べ替え制御が付加された点を除
き、第２の実施例と同等である。石英光ファイバ５０で
検出された発光は信号処理・判定・制御系２０３におい
て、第１及び第２の実施例と同様の信号処理を施され、
最終的に、終点判定・制御回路８８にて、ガルバノミラ
ー２３の駆動と同期して、ウェハ上の各点でのエッチン
グ終点が検出される。例えば、最も遅い終点が検出され
た時点で、制御信号８８ｃに基づき高周波電源８５及び
８６の出力が停止される。

【００８２】本実施例によれば、第1及び第２の実施例
と同様の効果が得られるだけでなく、ウェハ上の任意の
１点もしくは複数点でのプラズマ発光をほぼ同時に計測
し、その中から、エッチング反応をより正確に反映した
位置での検出信号を選択し、終点判定を実行することに
より、微小開口パターンでの終点判定精度が向上する。
その結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッ
チングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。こ
れにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の
不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子
の製造が可能となる。また、各点での発光信号強度のば
らつきや終点時間のばらつきから、プラズマ密度の面内
ばらつき、被加工膜厚ばらつき、エッチングレートばら
つき等の診断とその結果に基づく装置へのフィードバッ
クが可能である。

【００８３】本発明の第４の実施例を図１１に基づいて
説明する。エッチング装置は、第１の実施例と同様、平
行平板形プラズマエッチング装置であり、プラズマ励起
用高周波電源とイオン加速用高周波電源は共用され、周
波数は４００ｋＨｚである。発光検出光学系１０１の構
成と機能は第１の実施例と全く同じであり、また信号処
理・判定・制御系２０４も、石英光ファイバ５０から終
点判定回路８９までの構成と機能は第１の実施例と全く
同じであるので、説明を省略する。

【００８４】本実施例では、第１〜第３の実施例のよう
に検出されたエッチング終点に基づいて高周波電源（パ
ワーアンプ）の出力を停止するのではなく、終点時間は
被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチングレート
等のプロセス条件及び装置条件から予め設定しておく。
本実施例では、実測されたエッチング終点と設定された
エッチング時間との差を常時観測することによる、ウェ
ハごとのオーバーエッチング時間の管理と、膜厚、エッ
チングレート等の異常の検出を目的とする。このため、
本実施例の信号処理・判定・制御系２０４は、第１の信
号処理・判定・制御系２０１に、終点制御ユニット９１
及び終点管理ユニット９３が付加された構成となってい
る。

【００８５】以下、詳細を説明する。終点制御ユニット
９１は、被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチン
グレート等のプロセス・装置条件９２に基づき、エッチ
ング時間ｔＥＰを設定し、パワーアンプ３８に制御信号
９１ｃを送って高周波電力を出力させ、エッチングを開
始する。同時に設定したエッチング時間情報９２ａを終
点管理ユニット９３に送る。設定されたエッチング時間
が来ると、制御信号９１ｃに基づきパワーアンプ３８の
出力を停止する。終点判定回路８９では、図１２に示す
ように、各ウェハごとに検出された発光信号９６〜９９
から終点ｔａ、ｔｂ、ｔｃを各々求め、この終点時間情
報９０を終点管理ユニット９３に送る。

【００８６】終点管理ユニット９３では、各ウェハ単
位、あるいはロット単位の被加工膜厚情報・エッチング
レート情報９４を参照して、図１２に示すように、ウェ
ハごとに設定エッチング時間ｔＥＰと実際のエッチング
終点時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃとを比較し、異常の有無を判
定する。例えば、設定エッチング時間ｔＥＰに対し、Δ
ｔＥＰをオーバーエッチング時間の許容限界とする。発
光信号98の終点ｔｃに対するオーバーエッチング時間Δ
ｔｃは許容範囲に入っているが、発光信号９６、９７に
対するオーバーエッチング時間Δｔａ、Δｔｂは許容範
囲を超えている。この場合には、終点管理ユニット９３
から異常が、例えば警報ランプの点滅や、警報ブザーに
よる警報音の発信、表示画面上への異常の表示、また
は、外部制御手段や外部装置へのアラーム信号の発信な
どが発報される。

【００８７】また、波形９９は、設定エッチング時間ｔ
ＥＰ内で終点に至っていない。この場合も異常が発報さ
れる。波形９６、９７に対応するウェハはラインより排
除されて、下地膜の状態がチェックされ、、また、波形
９９に対応するウェハは残膜測定後、追加エッチングを
行う。

【００８８】終点管理ユニット９３では、さらに、被加
工膜厚情報・エッチングレート情報９４に基づき、各ウ
ェハあるいは各ロットごとに終点の予測値を求め、その
予測値と実測値ｔａ、ｔｂ、ｔｃとを比較し、その差が
ある許容範囲を超えた場合には、突発的な膜厚異常、あ
るいはエッチレート異常が生じているとして、異常を発
報する。

【００８９】本実施例によれば、第1及び第２の実施例
と同様、微細なパターンのエッチングにおいて高精度な
終点検出が可能となるため、ウェハごとのオーバーエッ
チング時間の管理と、膜厚、エッチングレート等の異常
の検出が可能となる。その結果、エッチング不足による
膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダ
メージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程
中のエッチング起因の不良を低減することが可能とな
り、高品質の半導体素子の製造が可能となる。

【００９０】本発明の第５の実施例を図１３に基づいて
説明する。本実施例では、先に述べた４つの実施例に基
づく発光検出光学系１０１〜１０２と信号処理・判定・
制御系２０１〜２０４から成るエッチング終点検出装置
を半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程に導入す
る。図１３に示すように、まず、膜付け装置３０１によ
り、半導体ウェハ上にシリコン酸化膜等の被加工膜が形
成される。

【００９１】膜厚測定装置３０２により、ウェハ上複数
点での膜厚が測定された後、レジスト塗布装置３０３に
より、レジストが塗布される。露光装置３０４により、
レチクルやマスク上の所望の回路パターンが転写され
る。露光された半導体ウェハは、現像装置３０５で転写
パターンに対応したレジスト部が除去される。エッチン
グ装置３０６では、このレジストパターンをマスクとし
てレジスト除去部の被加工膜がエッチングされる。エッ
チング中に生じる反応生成物や中間生成物の発光スペク
トルは発光検出光学系１０１〜１０２で検出され、信号
処理・判定・制御系２０１〜２０４で発光信号からエッ
チング終点が検出されると、制御信号２００ｃに基づき
エッチング装置３０６の高周波電源の出力を停止する。
エッチング終了後の半導体ウェハはアッシング装置３０
７に送られ、レジストが除去された後、洗浄装置３０８
により洗浄される。

【００９２】本実施例によれば、ホトリソグラフィ工程
中のエッチング装置に、先に述べた実施例に基づく発光
検出光学系１０１〜１０２と信号処理・判定・制御系２
０１〜２０４から成るエッチング終点検出装置を用いる
ことにより、エッチング終点検出精度が向上し、エッチ
ング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地
膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリ
ソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減するこ
とが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能とな
る。

【００９３】また、パターン開口率が０．５％あるいは
それ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、
現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチ
ングレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間
管理で終了させている。このように、エッチング途中で
余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループ
ットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に
高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行
作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、
製造ライン全体の自動化も可能となる。

【００９４】さらに、第４の実施例と本実施例とを組み
合わせ、図１２に示す検出波形と終点時間の変動を観測
することにより、膜厚ばらつきの増加、エッチングレー
トの変動、あるいはエッチング条件の誤設定、さらに
は、露光・現像工程での露光過不足、現像過不足等を検
知することが可能となる。その結果、膜付け装置３０
１、エッチング装置３０６、露光装置３０４、現像装置
３０５の不具合を早期に発見することができ、それぞれ
に対し、図１３中のライン３１１、３１２、３１３、３
１４に示すように、早期に対策をすることが可能となる
ため、不良製品の発生防止と歩留まりの向上を図ること
が可能となる。

【００９５】尚、以上の実施例では、プラズマ励起用高
周波電力は４００ｋＨｚ、あるいは２７．１２ＭＨｚと
し、イオン加速用高周波電力は４００ｋＨｚ、あるいは
８００ｋＨｚとしたが、本発明はこれらの周波数に限定
されるものではなく、周期的なプラズマ発光が観測され
うる帯域の周波数であれば、１３．５６ＭＨｚ等他の周
波数に対しても適用可能であるし、また、検出の際は、
これらの周波数と同期した成分だけでなく、その整数倍
の成分を検出することも可能である。

【００９６】また、以上の実施例では、２つの波長は２
１９ｎｍと２６０ｎｍとしたが、これらの波長は一例で
あり、本発明はこれに限定されるものではない。エッチ
ング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に変化
の現れる波長であれば、いかなる波長も適用可能であ
る。

【００９７】また、以上の実施例では、反応生成物と中
間生成物に対応した２つの波長の発光信号から終点を検
出しているが、本発明は２波長に限定されるものではな
く、３つ以上の波長に対しても適用可能である。また、
終点時に十分な信号変化が検出される場合は１波長のみ
であってもかまわない。

【００９８】また、以上の実施例では、２つの波長の発
光信号の両者に対してエッチング反応を反映した成分を
取り出す信号処理を施したが、どちらか一方のみに信号
処理を施し、他方は従来の直流成分検出法を適用するこ
とも可能である。

【００９９】また、以上の実施例では、酸化膜エッチン
グを例にとり説明したが、本発明はアルミニウム等の金
属やポリシリコン、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ
４）等のエッチングに対しても適用可能である。また、
以上の実施例では、発光信号からエッチング反応が反映
された成分だけを選択的に取り出す方法として、矩形波
関数のサンプリング信号を用いたが、これに限定される
ものでなく、コム関数（インパルス列）から成るサンプ
リング信号を用いることも可能である。また、ハイパス
フィルタ等により発光信号から直流成分を除去した後、
発光信号の変調成分の振幅のみ（交流成分）をサンプリ
ングすることも可能である。

【０１００】また、以上の実施例では、エッチング装置
は平行平板形プラズマエッチング装置としたが、本発明
はこれに限定されるものではなく、各種のエッチング装
置、例えばＥＣＲエッチング装置、あるいはマイクロ波
エッチング装置等にも適用可能であることは言うまでも
ない。

【０１０１】更に、前記実施例では、本発明のエッチン
グ装置への適用例について説明したが、本発明はエッチ
ング処理の終点検出あるいはプラズマ発光計測に限定さ
れるものではなく、プラズマ処理が進行するに従い、発
光スペクトル強度が変化するような各種プラズマ処理装
置、例えばスパッタ処理装置やプラズマＣＶＤ装置の終
点検出あるいはプラズマ発光計測に適用することが可能
である。また、被処理体も半導体ウェハに限定されるも
のではなく、液晶表示装置用基板、半導体レーザ素子
等、その製造工程においてプラズマ処理が施される様々
な素子、材料にも適用される。

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば、反応生成物や中間生成
物等の複数の発光信号から、エッチング反応を強く反映
した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する振幅
成分だけを選択的に取り出し、複数の信号間で除算、減
算等の処理を実行することにより、不要成分を除去し、
終点時の信号変化を大幅に拡大できる。その結果、従来
法では困難であったより微細なパターンにおける終点時
の微弱な信号変化を明瞭に捉えることが可能になり、高
精度な終点判定が可能になる。

【０１０３】また、本発明によれば、ゆるやかなプラズ
マ発光の変動等いわゆる１／ｆ雑音の影響が受けにくい
だけでなく、ＳＮ比の向上、さらには突発的なプラズマ
の変動の相殺が実現できるという効果を有する。

【０１０４】さらに、本発明によれば、エッチング不足
による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけず
れが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中の
エッチング起因の不良を低減することが可能となり、高
品質の半導体素子の製造が可能になるという効果を有し
ている。

【０１０５】また、本発明によれば、パターン開口率が
０．５％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールの
エッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチ
ング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッ
チングを時間管理で終了させている。このように、エッ
チング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工
程のスループットが低下していた。しかし、本実施例に
よれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、こ
のような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産
性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。

【０１０６】また、本発明によれば、反応生成物等の堆
積による窓の透過率低下に対しても、終点時の信号変化
の拡大とＳＮ比の向上により、安定検出稼動時間が従来
法よりも増加するという効果がある。

【０１０７】また、発光検出光学系を結像光学系として
構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成
分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばら
つきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点
検出信号の鈍りを低減することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるエッチング装置
とエッチング終点検出装置を示す図である。

【図２】石英光ファイバの入射端の形状を示す図であ
る。

【図３】石英光ファイバ束の断面形状を示す図である。

【図４】エッチング最中の波長２１９ｎｍのＣＯ成分の
発光波形（ａ）と、終点に達した直後の発光波形（ｂ）
と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形（ｃ）
を示す図である。

【図５】エッチング最中の波長２６０ｎｍのＣＦ成分の
発光波形（ａ）と、終点に達した直後の発光波形（ｂ）
と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形（ｃ）
を示す図である。

【図６】信号処理後（実線）と従来法（破線）のＣＯ成
分の発光信号を示す図である。

【図７】信号処理後（実線）と従来法（破線）のＣＦ成
分の発光信号を示す図である。

【図８】信号処理後（実線）のＣＯ発光信号をＣＦ発光
信号で除して得られた信号波形と、従来法（破線）での
信号波形を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施例におけるエッチング装置
とエッチング終点検出装置を示す図である。

【図１０】本発明の第３の実施例におけるエッチング装
置とエッチング終点検出装置を示す図である。

【図１１】本発明の第４の実施例におけるエッチング装
置とエッチング終点検出装置を示す図である。

【図１２】各ウェハごとに検出された発光信号を示す図
である。

【図１３】本発明の第５の実施例において、エッチング
終点検出装置が導入された半導体製造ラインのホトリソ
グラフィ工程を示す図である。

【図１４】プラズマエッチング装置と従来のエッチング
終点検出装置を示す図である。

【図１５】従来のエッチング終点検出装置による、活性
種の発光強度の時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１…処理室、２…上部電極、３…下部電極、４…半導体
ウェハ、５、８５、８６…高周波電源、６…プラズマ、
７…窓、８、２０、３１…プラズマ発光、９、５３、５
８…分光噐（モノクロメータ）、１０…活性種発光成
分、１１、５４、５９…光電変換素子、１２、５５、６
０…アンプ、１３…終点判定ユニット、１４…電源制御
装置、１５、１６…活性種発光強度の時間波形、２３…
ガルバノミラー、２４、３２…石英レンズ、３０…石英
窓、３７…シグナルジェネレータ、３８…パワーアン
プ、３９…分配器、５０…石英光ファイバ、５６、６１
…信号処理回路、５７、６２…ローパスフィルタ、６９
…サンプリング信号発生回路、６５、６８…位相シフ
タ、７６…ファイバ束、７０… ＣＯ成分の発光波形、
７１… ＣＦ成分の発光波形、７２、７３…サンプリン
グ信号、７４、８７、８９…終点判定回路、８０…信号
処理後のＣＯ成分の発光信号、８２…信号処理後のＣＦ
成分の発光信号、８４、９６、９７、９８、９９… Ｃ
Ｏ発光信号／ＣＦ発光信号処理後の信号波形、８８…終
点判定・制御回路、９１…終点制御ユニット、９３…終
点管理ユニット、１０１、１０２…発光検出光学系、２
０１、２０２、２０３、２０４…信号処理・判定・制御
系、３０１…膜付け装置、３０２…膜厚測定装置、３０
３…レジスト塗布装置、３０４…露光装置、３０５…現
像装置、３０６…エッチング装置、３０７…アッシング
装置、３０８…洗浄装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩ // Ｃ２３Ｃ 14/54 Ｃ２３Ｃ 14/54 ＺＧ０１Ｎ 21/67 Ｇ０１Ｎ 21/67 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを用いた被処理基板の処理の終点
を検出する方法であって、前記被処理基板を処理中の前
記プラズマの発光の所定の波長の光を検出し、該検出し
た所定の波長の光の発光信号の中から前記プラズマによ
る処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で
抽出し、該抽出した信号成分の強度の変化に基づいて前
記プラズマによる処理の終点を検出しすることを特徴と
するプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項２】前記プラズマによる処理の進行に応じて変
化する信号成分は、前記プラズマを発生させるプラズマ
励起用高周波電源の高周波の周波数、もしくはその整数
倍と同期した成分であることを特徴とする請求項１記載
のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項３】前記プラズマによる処理の進行に応じて変
化する信号成分は、前記被処理基板を載置する載置台に
印加する高周波電力の電源の周波数、もしくはその整数
倍と同期した成分であることを特徴とする請求項１記載
のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項４】前記検出する処理中の前記プラズマの発光
の所定の波長の光は、該プラズマによる処理によって生
じる反応生成物の発光信号であることを特徴とする請求
項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項５】前記検出する処理中の前記プラズマの発光
の所定の波長の光は、該プラズマによる処理に使用され
る反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であることを
特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方
法。
【請求項６】プラズマを用いて被処理基板を処理する方
法であって、前記被処理基板を処理中の前記プラズマの
発光の中から前記処理に伴って発光強度が増加する波長
成分の光と前記処理に伴って発光強度が減少する波長成
分の光とをそれぞれ分離して検出し、該発光強度が増加
する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光と
をそれぞれ所定の周期で抽出し、該抽出した発光強度が
増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の
光との強度の変化に基づいて前記プラズマによる処理の
終点を検出することを特徴とするプラズマ処理の終点検
出方法。
【請求項７】前記所定の周期で抽出することを、前記プ
ラズマを発生させる高周波電源の高周波の周波数、若し
くはその整数倍の周期で行うことを特徴とする請求項６
記載のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項８】被処理基板を配置した処理室の内部にプラ
ズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理基板を処
理し、該処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光
を検出し、該検出した所定の波長の光の発光信号の中か
ら前記プラズマによる処理の進行に応じて変化する信号
成分を所定の周期で抽出し、該抽出した信号成分の強度
の変化に基づいて前記プラズマによる処理の終点を検出
し、該検出したプラズマによる処理の終点に基づいて前
記被処理基板の処理を終了することを特徴とする半導体
デバイスの製造方法。
【請求項９】前記プラズマにより被処理基板を処理する
ことが、プラズマエッチング処理であることを特徴とす
る請求項８記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】被処理基板を配置した処理室の内部にプ
ラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理基板を
処理し、該処理中の前記プラズマの発光の中から前記処
理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と前記処理
に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ
分離して検出し、該発光強度が増加する波長成分の光と
発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周
期で抽出し、該抽出した発光強度が増加する波長成分の
光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に
基づいて前記プラズマによる処理の終点を検出し、該検
出したプラズマによる処理の終点に基づいて前記被処理
基板の処理を終了することを特徴とする半導体デバイス
の製造方法。
【請求項１１】前記プラズマにより被処理基板を処理す
ることが、プラズマエッチング処理であることを特徴と
する請求項１０記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】被処理基板を配置した処理室の内部にプ
ラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理基板を
処理し、該処理中の前記プラズマの所定の波長の光の発
光強度を前記被処理基板の上方の複数の箇所において検
出し、該検出した複数の箇所における所定の波長の光の
発光強度の変化に基づいて前記プラズマによる処理の終
点を検出し、該検出したプラズマによる処理の終点に基
づいて前記被処理基板の処理を終了することを特徴とす
る半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】前記プラズマにより被処理基板を処理す
ることが、プラズマエッチング処理であることを特徴と
する請求項１２記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】被処理基板を配置した処理室の内部にプ
ラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理基板を
処理し、該処理中の前記プラズマの所定の波長の光の発
光強度を検出し、予め設定した時間が経過したときの前
記所定の波長の光の発光強度から前記プラズマによる処
理の状態を判定し、該判定したプラズマによる処理の状
態を予め設定されたデータと比較し、該比較により前記
判定したプラズマによる処理の状態が予め設定されたデ
ータと異なるときには異常信号を発信することを特徴と
する半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】前記プラズマによる前記被処理基板の処
理を、予め設定した時間が経過したときに終了させるこ
とを特徴とする請求項１４記載の半導体デバイスの製造
方法。
【請求項１６】プラズマを用いた被処理基板の処理の終
点を検出する装置であって、前記被処理基板を処理中の
前記プラズマの発光の所定の波長の光を検出する検出手
段と、該検出手段で検出した所定の波長の光の発光信号
の中から前記プラズマによる処理の進行に応じて変化す
る信号成分を所定の周期で抽出する抽出手段と、該抽出
手段で抽出した信号成分の強度の変化に基づいて前記プ
ラズマによる処理の終点を検出する検出手段とを備えた
ことを特徴とするプラズマ処理の終点検出装置。
【請求項１７】前記抽出手段で信号成分を抽出する所定
の周期は、前記プラズマ発生手段に印加する高周波電力
の高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分
であることを特徴とする請求項１６記載のプラズマ処理
の終点検出装置。
【請求項１８】前記被処理基板を載置する載置台は、高
周波電源に接続されており、前記抽出手段で信号成分を
抽出する所定の周期が、前記載置台に接続された高周波
電源の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であ
ることを特徴とする請求項１６記載のプラズマ処理の終
点検出装置。
【請求項１９】前記発光検出手段は、前記プラズマ処理
によって生じる反応生成物の発光を検出することを特徴
とする請求項１６記載のプラズマ処理の終点検出装置。
【請求項２０】前記発光検出手段は、前記ガス導入部か
ら導入されたガスもしくはプラズマ処理により発生する
中間生成物の発光を検出することを特徴とする請求項１
６記載のプラズマ処理の終点検出装置。
【請求項２１】前記発光検出手段は、前記プラズマと結
像関係にある受光素子を備えた結像光学系で構成される
ことを特徴とする請求項１６記載のプラズマ処理の終点
検出装置。
【請求項２２】内部に被処理基板を載置する載置台とガ
ス導入部とを備えた処理室手段と、前記ガス導入部によ
りガスを導入した前記処理室手段の内部にプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段で発
生させたプラズマにより前記載置台に載置した被処理基
板を処理中に前記プラズマの発光の所定の波長の光を検
出する発光検出手段と、該発光検出手段で検出した所定
の波長の光の発光信号の中から前記プラズマによる前記
被処理基板の処理の進行に応じて変化する信号成分を所
定の周期で抽出する抽出手段と、該抽出手段で抽出した
信号成分の強度の変化に基づいて前記プラズマによる処
理の終点を検出する終点検出手段と、該終点検出手段で
検出したプラズマによる処理の終点に基づいて前記被処
理基板の処理を終了させる制御手段とを備えたことを特
徴とする半導体デバイスの製造装置。
【請求項２３】前記プラズマによる前記被処理基板の処
理が、プラズマエッチング処理であることを特徴とする
請求項２２記載の半導体デバイスの製造装置。
【請求項２４】内部に被処理基板を載置する載置台とガ
ス導入部とを備えた処理室手段と、前記ガス導入部によ
りガスを導入した前記処理室手段の内部にプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段で発
生させたプラズマにより前記載置台に載置した被処理基
板を処理中に前記プラズマの発光の中から前記処理に伴
って発光強度が増加する波長成分の光と前記処理に伴っ
て発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離し
て検出する発光検出手段と、該発光検出手段で検出した
発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する
波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出する抽出手
段と、該抽出手段で抽出した発光強度が増加する波長成
分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変
化に基づいて前記プラズマによる処理の終点を検出する
終点検出手段と、該終点検出手段で検出したプラズマに
よる処理の終点に基づいて前記被処理基板の処理を終了
させる制御手段とを備えたことを特徴とする半導体デバ
イスの製造装置。
【請求項２５】前記プラズマによる前記被処理基板の処
理が、プラズマエッチング処理であることを特徴とする
請求項２４記載の半導体デバイスの製造装置。
【請求項２６】内部に被処理基板を載置する載置台とガ
ス導入部とを備えた処理室手段と、前記ガス導入部によ
りガスを導入した前記処理室手段の内部にプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段で発
生させたプラズマにより前記載置台に載置した被処理基
板を処理中に前記プラズマの所定の波長の光の発光強度
を前記被処理基板の上方の複数の箇所において検出する
発光検出手段と、該発光検出手段で検出した複数の箇所
における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいて前
記プラズマによる処理の終点を検出する終点検出手段
と、該終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終
点に基づいて前記被処理基板の処理を終了させる制御手
段とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造装
置。
【請求項２７】前記終点検出手段によるプラズマによる
処理の終点を検出を、前記所定の波長の光の発光強度を
所定の周期で抽出して、該抽出した所定の周期における
前記所定の波長の光の発光強度の変化に基づいて行うこ
とを特徴とする請求項２６記載の半導体デバイスの製造
装置。
【請求項２８】内部に被処理基板を載置する載置台とガ
ス導入部とを備えた処理室手段と、前記ガス導入部によ
りガスを導入した前記処理室手段の内部にプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段で発
生させたプラズマにより前記載置台に載置した被処理基
板を処理中に前記プラズマの発光の所定の波長の光の発
光強度を検出する発光検出手段と、予め設定した時間が
経過したときの前記所定の波長の光の発光強度から前記
プラズマによる処理の状態を判定する判定手段と、該判
定手段で判定した前記プラズマによる処理の状態を予め
設定されたデータと比較する比較手段と、該比較手段で
の比較により前記判定手段で判定したプラズマによる処
理の状態が予め設定されたデータと異なるときには異常
信号を発信する発信手段とを備えたことを特徴とする半
導体デバイスの製造装置。
【請求項２９】前記プラズマによる前記被処理基板の処
理を、予め設定した時間が経過したときに終了させる制
御手段を更に備えたことを特徴とする請求項２８記載の
半導体デバイスの製造装置。