JP5699795B2 - 半導体装置の製造方法及半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体製造装置に関する。

半導体ウェハ上の薄膜をプラズマによってエッチングする場合、エッチングの不足やオーバーエッチングを防止するためには、エッチングの終点を正しく検出する必要がある。エッチングの終点は、分光器を用いてプラズマの発光強度の変化を観測することによって決定できる。

例えば、エッチングストッパ膜の上に形成した絶縁膜をエッチングによってパターニングする場合、絶縁膜がエッチングによって除去されると、その下層のエッチングストッパ膜が露出してくる。このとき、エッチング装置内には、エッチングストッパ膜に起因する波長のプラズマが発生し始める。従って、エッチングストッパ膜のエッチング時に発生するプラズマの発光波長を予め調べておけば、この波長の発光強度の変化から絶縁膜のエッチングの終点を判定できる。

ここで、エッチング終点を正しく検出するために、複数の波長のプラズマの発光を計測することがある。測定するプラズマの発光波長は、以下のプロセスに従って決定される。最初に、エッチング処理を１回以上実施して複数の波長のプラズマの発光強度を取得する。続いて、複数の波長の発光強度の波形をクラスター分析し、波形の類似性に基づいて複数のグループを分類する。さらに、各グループから代表的な波長を１つずつ選択する。このようにして選択した代表的な波長の発光強度の変化を調べてエッチングの終点を決定する。

特開２００４−２３５３６１ 特開２０１０−２１９２６３

しかしながら、絶縁膜やエッチングストッパ膜に起因するプラズマ発光波長の発光強度により終点を判定する場合、発光強度が変化を観測してからの終点判定となるため、オーバーエッチングやエッチング不足が生じる可能性がある。

また、データの一部が欠落したり、データに外部からのノイズが混入したりした場合には、プラズマの発光強度の変動を正しく検出できなくなるので、エッチング終点を正しく検出できない。さらに、データの一部の値が不連続に変化した場合は、プラズマの発光強度の変動を正しく検出できないので、エッチングの終点は正しく検出されない。

実施の形態の一観点によれば、エッチング対象物をプラズマに曝し、前記エッチング対象物のエッチングを開始する工程と、前記プラズマの発光強度を取得し、前記プラズマの発光強度の時間微分の値を算出し、前記算出した前記時間微分の値の符号が変化して前記時間微分の値が所定値に達する第１の時間を決定する工程と、前記第１の時間までに取得した前記プラズマの発光強度を用いて非線形回帰分析し、前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を求める工程と、前記第１の時間後で、前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の値が前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度のピーク値から所定の割合まで低下する第２の時間を求める工程と、前記第２の時間にエッチングを終了する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、実施の形態の別の観点によれば、エッチング対象物を収容可能で、プラズマを発生させる電極を有するチャンバと、前記プラズマの発光強度を取得する発光スペクトル検出器と、非線形回帰分析を用いて前記発光強度の時間変化の回帰式を求め、エッチングの終了時間を決定する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記プラズマの発光強度の時間微分の値を算出し、前記算出した前記時間微分の値の符号が変化して前記時間微分の値が所定値に達する第１の時間を決定し、前記第１の時間経過後で、前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の値が前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度のピーク値から所定の割合まで低下する第２の時間を求め、前記第２の時間にエッチングを終了させるように構成したことを特徴とする半導体製造装置が提供される。

プラズマの発光強度の時間変化から非線形回帰分析を用いてエッチング終点を予測するので、終点を精度良く検出できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の一例を示すブロック図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の処理対象物の一例を示す図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の処理対象物の処理過程の一例を示す図である（その１）。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の処理対象物の処理過程の一例を示す図である（その２）。 図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の処理対象物の処理過程の一例を示す図である（その３）。 図２Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置の処理対象物の処理過程の一例を示す図である（その４）。 図２Ｆは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を構成する半導体素子の一例を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得したプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得したプラズマの発光強度の時間微分のグラフである。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得したプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図７Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置のメンテナンス前のプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図７Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体製造装置のメンテナンス後のプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置の一例を示すブロック図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得した波長４０５ｎｍのプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図１０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得した波長４２５ｎｍのプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図１０Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得した波長４４５ｎｍのプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。 図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造装置の一例を示すブロック図である。 図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体製造装置を用いて取得したプラズマの発光強度の時間変化のグラフである。

発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。

実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、半導体製造装置の概略構成を示す。
エッチング装置１は、半導体製造装置であり、処理ユニット２と制御ユニット３とを有する。処理ユニット２は、シリコン基板５を収容可能なチャンバ４を有する。チャンバ４は、例えば、アルミニウム合金で製造されている。チャンバ４内には、半導体装置を製造するシリコン基板５を載置する下部電極８と、シリコン基板５の上方に配置される上部電極９とを有する。

下部電極８は、例えば、シリコン基板５を吸着保持する静電チャックとしても機能する。下部電極８においてシリコン基板５を保持する部分と、シリコン基板５の間には、不図示の隙間が形成されており、隙間にヘリウムガスを導入することでシリコン基板５の熱が下部電極８に逃がされる。下部電極８の内部には、不図示の流路が形成されており、流路に冷却用の流体を通流させると、下部電極８の温度が所定の値に保たれる。

上部電極９は、例えば、シリコンや、カーボン、アルミナなど、導電性と熱伝導性に優れた材料から製造されている。上部電極９は、例えば、アルミニウム製の支持体１０に支持されている。プラズマの安定性と、上部電極９の過熱防止のために、上部電極９は温度制御されている。上部電極９の温度制御のために、支持体１０の内部には冷却用の液体が流される。

下部電極８と上部電極９は、高周波電源１１に接続されている。高周波電源１１は、例えば、４００ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、６０ＭＨｚの高周波を出力可能な装置を用いる。また、チャンバ４には、ガス供給装置１２や排気装置１３が接続されている。さらに、チャンバ４の側面には、観察窓１４が設けられている。ここで、処理ユニット２の放電方式や形状、配置、材料は、図１に限定されない。

制御ユニット３は、ＯＥＳ（Optical Emission Spectroscopy）検出部２１と、エッチング制御装置３１とを有する。ＯＥＳ検出器２１は、観察窓１４の近傍に配置され、例えば、チャンバ４内のプラズマの発光が観察窓１４を通して入射される分光器と、分光後の光の強度を測定する光電素子を有する。ＯＥＳ検出器２１は、観察窓１４に近接して配置、又は直接取り付けても良い。また、チャンバ４内のプラズマの光は、光ファイバを通してＯＥＳ検出器２１に導いても良い。

ＯＥＳ検出器２１の出力は、エッチング制御装置３１に接続されている。エッチング制御装置３１は、チャンバ４の制御や、プラズマ発光のデータを取得してデータ処理をする。ここで、エッチング制御装置３１には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ
などを有する制御部４１と、データの入出力を制御する入出力装置４２と、データを表示する表示部４３と、データやプログラムを記憶する記憶装置４４とが含まれる。

制御部４１は、記憶装置４４に格納されている半導体製造プログラムを実行することで、エッチングの制御と、エッチング終点の予測処理とを行う。ここで、制御部４１は、分析部５１と、期間判定部５２と、処理制御部５３と、診断部５４に機能分割される。

分析部５１は、プラズマの発光強度のデータを非線形回帰分析して発光強度の時間変化の回帰式を算出する。さらに、分析部５１は、回帰式の残差平方和を算出する。
期間判定部５２は、プラズマの発光強度を取得する期間を決定する。発光強度のデータの収集期間は、例えば、プラズマの発光強度の時間微分の符号の変化から決定する。
処理制御部５３は、エッチングの開始や終了など、処理ユニット２の制御を行う。
診断部５４は、プラズマの発光強度に異常が検出されたときに、異常の原因を判定したり、必要な措置を指令したりする。

次に、エッチング装置１を用いたエッチング方法について説明する。
最初に、エッチングの対象物の一例について、図２Ａを参照して説明する。エッチング対象物は、半導体ウェハであるシリコン基板５の上方に形成したポリシリコン膜６１である。ポリシリコン膜６１は、シリコン基板５上のゲート絶縁膜６０上に形成されている。ゲート絶縁膜６０は、シリコン基板５の表面を熱酸化することによって数ｎｍの厚さに形成される。ポリシリコン膜６１は、例えばＣＶＤ法を用いて２００ｎｍの厚さに形成される。

ポリシリコン膜６１は、エッチング工程によってパターニングされ、ゲート電極となる。このために、エッチングを開始する前に、ポリシリコン膜６１の上に、ＳＩＯ膜６２を形成する。さらに、ＳＩＯ膜６２の上に、レジスト膜を塗布する。レジスト膜をパターニングしてマスク６３を形成する。続いてドライエッチング装置にて、例えば、ＣＦ_４ガス、Ｃ_２Ｆ_６ガス、Ｃ_４Ｆ_８ガス、フロロカーボンガス等を用いてＳＩＯ膜６２をパターニングする。このドライエッチング装置は、続いて行われるポリシリコン膜６１のエッチング装置と真空を保持したまま搬送可能なマルチチャンバーで構成されていることが好ましい。また、このＳＩＯ膜６２のドライエッチングに本発明を用いてもよい。

続いて、ポリシリコン膜６１のエッチング工程について、図３のフローチャートを参照して説明する。
図３のステップＳ１０１に示すように、最初にエッチング装置１がエッチングを開始する。エッチングを行うときには、シリコン基板５がチャンバ４内に搬入される。シリコン基板５の搬入は、不図示のロードロックを経由させる。シリコン基板５は、下部電極８の上に位置決めして載置される。さらに、チャンバ４内を排気装置１３を用いて所定の真空度まで減圧する。この後、チャンバ４内にガス供給装置１２からエッチングガスを供給する。エッチングで使用するガスは、例えば、臭化水素ガス、酸素ガス、塩素ガス等の混合ガス等がある。

ガス流量、チャンバ４内の圧力、シリコン基板５の温度などが安定したら、処理制御部５３は、上下の電極８，９の間に高周波電源１１から高周波の交流電圧を印加する。これによって、上下の電極８，９の間の空間にプラズマが発生し、プラズマに晒されることでポリシリコン膜６１のエッチングが開始される。

続く、ステップＳ１０２では、エッチング制御装置３１が発光強度のデータを収集する。ポリシリコン膜６１のエッチングが開始すると、チャンバ４内には、プラズマによる発光が生じる。この発光は、チャンバ４に取り付けられた観察窓１４を通してＯＥＳ検出器
２１に取り込まれる。ＯＥＳ検出器２１は、所定の波長の光の発光強度のデータを取得し、エッチング制御装置３１に出力する。エッチング制御装置３１に取り込まれる波長としては、例えば、反応物質Ｓｉに起因する２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長の光がある。また、反応物質ＳｉＢｒ_ｘに起因する４００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長の光、反応物質Ｃｌに起因する６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長の光がある。

ステップＳ１０３に示すように、エッチング制御装置３１は、所定のデータ収集期間が経過するまで、光の発光強度のデータを収集する。データは、エッチング開始から例えば、１秒間に５回ずつ測定する。エッチング処理時間とプラズマの発光強度の関係について、図４を参照して説明する。図４は光の発光強度の時間変化の一例を示すグラフであり、横軸が時間である。縦軸が発光強度を示し、○印は非線形回帰分析に使用した実測値である。△印は、非線形回帰分析後に取得した実測値である。曲線は、非線形回帰分析によって得られる回帰式をグラフ化したものである。

図４に示すように、プラズマの発光強度は、エッチングの初期段階では、時間の経過に従って増加する。時間の経過と共に発光強度の増加量は減少して４秒経過後でピークを迎え、その後は減少する。ピークを過ぎた後にエッチングの終点が現れる。

ここで、エッチングの進捗とプラズマの発光強度の関係について、図２Ａから図２Ｅと図４を参照して説明する。
図４の処理時間０秒では、エッチングは開始されていない。即ち、図２Ａに示すように、ポリシリコン膜６１がエッチングされていない。
図４の処理時間２秒付近では、発光強度が処理時間の経過に従って増加している。この段階では、図２Ｂに示すように、レジスト膜をマスクとしてポリシリコン膜６１が上部から徐々にエッチングされる。エッチングされていないポリシリコン膜６１は、比較的に多い。

図４の処理時間４秒付近では、発光強度がピークを迎える。この段階では、図２Ｃに示すように、ポリシリコン膜６１は、殆どエッチングされて、底部などに僅かに残る。
図４の処理時間５秒から６秒の間では、エッチングが終了する。この段階では、図２Ｄに示すように、ポリシリコン膜６１は、マスクされている領域を除いてエッチングによって除去される。マスクによって残されたポリシリコン膜６１の幅は、所望のサイズになっている。

さらに、図４で６秒を越えるまでエッチングすると、オーバーエッチングになる。この場合は、図２Ｅに示すように、ポリシリコン膜６１の下のゲート絶縁膜６０や、シリコン基板５がエッチングされてしまう。さらに、マスク６３の下のポリシリコン膜６１の側壁のエッチングが進んで、ゲート電極の幅が細くなる。

したがって、図２Ｅに示すようなオーバーエッチングになる前に、エッチングを終了する必要がある。このためには、エッチング終点を精度良く予測する必要がある。

ここで、図２Ｆに示すように、ポリシリコン膜６１をエッチングするとゲート電極６１Ａが形成する。さらに、ゲート電極６１Ａをマスクにして、シリコン基板５に不純物をイオン注入する。ゲート電極６１Ａの側部のそれぞれには、絶縁性サイドウォール６５が形成される。続いて、絶縁性サイドウォール６５とゲート電極６１Ａをマスクとして用い、シリコン基板５に不純物を再びイオン注入する。これにより、ゲート電極６１Ａの側方のそれぞれに、ソース／ドレイン領域６６が形成される。これによって、シリコン基板５上に半導体素子であるトランジスタＴ１が形成される。さらに、シリコン基板５の上方に不図示の配線層を形成することで、半導体装置が形成される。

さらに、エッチング終点の予測に必要なデータの収集期間について、図４及び図５を参照して説明する。図５は図４の発光強度の実測値を時間微分して得られる勾配の時間変化を示す。横軸は時間を、縦軸は勾配の値をそれぞれ示す。

図５に示すように、エッチング開始直後は、プラズマの発光強度の時間変化の勾配はプラスになっている。その後、勾配は徐々に減少し、４秒経過後にゼロを経てマイナスになる。この実施の形態におけるデータの収集期間は、エッチングを開始してから、勾配がプラスからゼロを越えてマイナス領域に突入し、さらに予め定められたマイナスの値ｋ１に達する第１の時間ｔ１までとする。予め定められたマイナスの値ｋ１は、エッチング終点における発光強度の勾配の値ｋ２より大きい値である。データ収集期間が発光強度のピークを越えているのは、非線形回帰分析の精度を向上させるためである。さらに、エッチング終点を迎えるタイミングより早いタイミングでデータ収集を終了するのは、収集したデータを用いて非線形回帰分析を終了させてエッチング終点を予測するためである。

期間判定部５２は、プラズマの発光強度の時間変化の勾配を算出する。さらに、勾配の符号がプラスからマイナスに変化し、値ｋ１に達したら、データの収集を終了する。

ここで、期間判定部５２は、プラズマの発光強度の変化の勾配がプラスからゼロになった点でデータ収集を終了しても良い。また、プラズマの発光強度の変化の勾配がプラスからマイナスに符号が変化した点でデータ収集を終了しても良い。プラズマの発光強度の変化の勾配がゼロを含んでプラスとマイナスの間で変化する場合は、勾配が所定回数継続してゼロ又はマイナスになったときを基準にしてデータの収集期間を決定しても良い。

続くステップＳ１０４では、分析部５１が、収集したデータを用いて非線形回帰分析（ＮＬＳ）を行う。非線形回帰分析を開始するタイミングは、期間判定部５２で決定したデータの収集期間が終了したときである。

ｙをプラズマの発光強度、ｔを処理時間、ｃを係数としたとき、エッチング終点近傍ではｄｙ／ｄｔ＝ｃｙが成り立つと考えられる。この微分方程式の一般解はｔの指数関数となるため、回帰式にはｔの指数関数項を含むことが適当である。
回帰分析のモデルは、例えば、ｙ＝ａ_０＋ａ_１×ｔ＋ａ_２×ｅｘｐ（ａ_３×ｔ）とする。ここで、ｙはプラズマの発光強度を示し、ｔは処理時間を示す。非線形分析のアルゴリズムには、例えば、ニュートン法や、パターン法を用い、各係数のａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３と、残差平方和Ｅを計算する。残差平方和Ｅは、

で算出される。ｘ_iは実測値である。ｘ_ｅiは予測値で、ｐはデータ数を示す。実測値ｘ_iと予測値ｘ_ｅiの差が大きいと、残差平方和は大きくなり、エッチング装置１の異常や、発光強度の異常値が生じた可能性がある。

図４に示す例では、ａ_０＝２５６．５、ａ_１＝２．８４０、ａ_２＝−０．０６７、ａ_３＝０．９５２、残差平方和Ｅ＝０．７７２という結果が得られた。各係数のａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３の算出結果から、発光強度と処理時間の関係は、ｙ＝２５６．５＋２．８４０×ｔ−０．０６７×ｅｘｐ（０．９５２×ｔ）であると計算される。

続くステップＳ１０５では、この回帰式を用いてエッチング終点を決定する。エッチング終点は、発光強度ｙがピーク時の値から所定の割合まで下がった第２の時間ｔ２とする。

ここで、エッチング終点は、発光強度ｙのピーク時から所定時間経過したポイントにしても良い。発光強度ｙのピークが所定時間継続して平らになるときは、平らになった領域の最初の時間や発光強度を基準にしてエッチング終点を決定しても良いし、平らになった領域の最後の時間や発光強度を基準にしてエッチング終点を決定しても良い。エッチング終点は、エッチング装置１の性能などによって決定される。

ステップＳ１０８において、非線形回帰分析から得られた回帰式を用いて予測したエッチング終点に達したら、処理制御部５３がエッチングを終了させる。図４に示すように、回帰式から得られる曲線と、非線形回帰分析後に得られた発光強度の実測値△とは高い精度で一致している。従って、この半導体装置の製造方法では、エッチングの終点を精度良く予測できる。

一方、ステップＳ１０４から分岐するステップＳ１０６において、分析部５１は、残差平方和Ｅが所定値以下であるか調べる。さらに、診断部５４は、残差平方和Ｅの値を用いて、エッチング中にアーキングを起こしたなど、プラズマ状態に異常が発生したか判定する。例えば、図６の発光強度の時間変化のグラフに矢印Ｄ１，Ｄ２で示すように、エッチング開始から２秒付近でアーキングによる発光強度の変動があった場合、残差平方和Ｅが増加する。アーキングが発生しなかったときの残差平方和は図４に示すように０．７７２程度であるのに対し、図６の例では、残差平方和Ｅが例えば、８．５１５に増加する。残差平方和Ｅが予め定められた所定値以下であれば（ステップＳ１０６でＮｏ）、エッチングを継続させる。この場合は、エッチング終点までエッチングを継続した後、ステップＳ１０８でエッチングを終了する。

これに対し、残差平方和Ｅが所定値を越えていれば（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、ステップＳ１０７に進んで、異常対応処理を行う。異常対応処理では、例えば、診断部５４の指令に基づいて処理制御部５３がエッチング装置１を停止させてエッチングを中断する。

また、診断部５４の指令に基づいて入出力装置４２や表示部４３を用いて警告を発するなどして、オペレータに異常発生を連絡する。エッチング装置１に異常が発生した可能性があるので、オペレータはメンテナンスなどの復旧措置を講じる。エッチング中に異常を検出した場合にオペレータに連絡する方法としては、エッチング装置１の制御画面に警告を表示させたり、装置状態を示す表示ランプを点灯させたり、アラームを出力するなどがある。さらに、工場の集中管理室に異常を通知するデータを出力したり、電子メールを送信したりしても良い。

エッチング装置１の異常の原因を診断部５４で特定できる場合には、推定される異常の原因を併せて通知する。例えば、残差平方和Ｅの大きさやプラズマ発光強度の値と、エッチング装置１の異常の原因とを関連付けたデータベースを記憶装置４４に格納しておき、このデータベースを診断部５４が検索することで、異常の原因を特定する。

エッチング装置１の異常が回復できる範囲であれば、診断部５４は、自動修復を指令する。自動修復の手段としては、高周波電源１１の出力、チャンバ４内の圧力、ガス流量の変更などがある。これに対して、異常の原因を特定できないときは、診断部５４は、分析結果、例えば、残差平方和Ｅの異常値などから、エッチング装置１の緊急停止、アイドリ
ング状態での待機など、ダメージを最小限に止める措置を指令する。

以上、説明したように、この実施の形態では、プラズマの発光強度の時間変化から、非線形回帰分析を用いてエッチング終点を予測するようにした。これによって、エッチング終点が高精度に予測される。予めエッチング終点を予測することが可能になるので、データの処理落ちなどによるオーバーエッチングが防止される。非線形回帰分析は、プラズマの発光強度がピークに達した後に計算するので、回帰式の精度を向上できる。

また、非線形回帰分析を用いたので、一部のデータが欠落していた場合でもエッチング終点を予測できる。収集したデータ中の異常値の有無は、回帰式の残差平方和Ｅの大きさから判定できるので、エッチング終点の予測精度を向上できる。残差平方和Ｅが所定値以上のときは、エッチングを停止したり、必要な措置を講じるようにオペレータに指示を出したりすることが可能になる。従って、エッチングの異常が生じたときに早期の発見が可能になる。さらに、エッチング工程を速やかに復旧することができる。

ここで、従来のように過去のデータから統計的手法を用いてエッチング終点を決定する場合には、半導体ウェハの処理枚数の累積によるエッチング装置の状態から経時的に変化した場合や、部品交換した場合に、過去のデータから導き出した回帰式が成り立たなくことがある。この場合には、統計処理用のデータを新たに取り直す必要がある。

これに対して、図７Ａ及び図７Ｂに、複数品種に対して非線形回帰分析を行った結果を示す。図７Ａは、メンテナンス前のエッチング装置で２品種に対して非線形回帰分析し、合計７７枚のシリコン基板５を処理した結果を示す。図７Ｂは、メンテナンス後のエッチング装置で３品種に対して非線形回帰分析し、合計６２枚処理した結果を示す。図７Ｂに示すメンテナンス後の非線形回帰分析は、メンテナンス前の回帰式を用いて行った。図７Ａ及び図７Ｂは、横軸が時間、縦軸が発光強度を示す。

図７Ａに示す品種Ｓ１、品種Ｓ２は、プラズマの発光強度の実測値が回帰式と高い精度で一致した。また、図７Ｂに示すように、同じエッチング装置１をメンテナンスした後に、同じ回帰式を用いて係数を変えて品種Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５についてプラズマの発光強度を計算したところ、実測値と高い精度で一致した。

この結果からは、同じエッチング装置１であれば、メンテナンス前後でも同じ回帰式を用いることができる。このことから、メンテナンス毎に、回帰式を再計算する必要がないことがわかる。回帰式の係数は、品種ごとに異なる値が計算される。この実施の形態では、異なる品種であっても、同じモデルの回帰式を用い、係数を変化させるだけで、エッチング終点の予測を行えた。
（第２の実施の形態）

第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
エッチング中に発生するプラズマの発光波長は複数あるので、データ収集する波長の選択によっては、エッチング終点を予測し難いことがある。この実施の形態では、複数の波長のプラズマ発光を測定することで、エッチング終点の予測に最適な波長を選択してエッチングを制御する。

図８にエッチング装置７１の概略構成を示す。エッチング装置７１は、処理ユニット２と制御ユニット３Ａとを有する。制御ユニット３Ａの制御部４１は、分析部５１と、期間判定部５２と、処理制御部５３と、診断部５４と、波長選択部５５に機能分割される。

分析部５１は、複数の波長の発光強度のデータを用いて非線形回帰分析する。また、複
数の波長のそれぞれについて、残差平方和Ｅを算出する。
波長選択部５５は、残差平方和Ｅの値を波長ごとに比較し、エッチング終点の予測をする波長を残差平方和Ｅが最も小さくなる波長として選択する。これによって、エッチング終点の予測精度が向上する。また、波長選択部５５は、残差平方和Ｅが所定値以下になる波長から選択しても良い。

図９のフローチャートに示すように、ステップＳ１０１でエッチング装置７１がエッチングを開始する。ステップＳ１０２及びＳ１０３で発光強度のデータを収集する。このとき、データ収集は、処理ユニット２内は発生した複数の波長の光に対して行う。ステップＳ１０４では、複数の波長のデータのそれぞれについて、非線形回帰分析する。ステップＳ１０４Ａでは、複数の波長の中から、エッチング終点の予想に使用する波長を選択する。ステップＳ１０５では、選択した波長の回帰式を用いてエッチング終点を予測する。また、ステップＳ１０６では、残差平方和Ｅを調べる。残差平方和Ｅが所定値以下であれば、予想したエッチング終点でエッチングを終了する。これに対して、残差平方和Ｅが所定値を越えていれば、エッチングを終了したり、エッチング条件を変更したりする。また、必要に応じて警告を発する。

ここで、ステップＳ１０４の非線形回帰計算及びステップＳ１０４Ａの波長選択について詳細に説明する。
最初に、複数の波長のプラズマの発光強度を同時に取得する。取得する波長は、４２５ｎｍに加えて、例えば、４０５ｎｍ及び４４５ｎｍとする。図１０Ａに４０５ｎｍの発光強度と処理時間のグラフの一例を示す。図１０Ｂに４２５ｎｍの発光強度と処理時間のグラフの一例を示す。さらに、図１０Ｃに４４５ｎｍの発光強度と処理時間のグラフの一例を示す。
これら３つの波長のそれぞれに対して、回帰分析のモデルをｙ＝ａ_０＋ａ_１×ｔ＋ａ_２×ｅｘｐ（ａ_３×ｔ）とし、各係数のａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３と、残差平方和Ｅを計算する。
図１０Ａに示すように、波長４０５ｎｍに対して非線形回帰分析した結果、ａ_０＝１８０．２、ａ_１＝１．５１、ａ_２＝−０．０３、ａ_３＝１．０４、残差平方和Ｅ＝１．２５であった。
図１０Ｂに示すように、波長４２５ｎｍに対して非線形回帰分析した結果、ａ_０＝２７０．５、ａ_１＝３．３０、ａ_２＝−０．０９、ａ_３＝０．９６、残差平方和Ｅ＝１．４２であった。
図１０Ｃに示すように、波長４４５ｎｍに対して非線形回帰分析した結果、ａ_０＝４８４．４、ａ_１＝１．５２、ａ_２＝−０．００３、ａ_３＝１．７５、残差平方和Ｅ＝２．５５であった。

ここでは、波長４４５ｎｍの発光は、残差平方和Ｅが他の２つより大きい。これは、プラズマの揺らぎに起因する。このために、波長選択部５５は、波長４０５ｎｍの発光、又は波長４２５ｎｍの波長を選択する。分析部５１は、波長選択部５５で選択された波長のプラズマの発光強度の回帰式を用いてエッチング終点を予想する。

この実施の形態では、複数の波長からエッチング終点の予測に最適なプラズマの発光波長を選択することができる。従って、エッチング終点の予測精度をさらに向上できる。

（第３の施の形態）
第３の実施の形態について図面を参照して説明する。
この実施の形態は、収集したデータの中に異常な値のデータが含まれていた場合であっても、エッチング終点を精度良く予測することを目的とする。

図１１にエッチング装置７１の概略構成を示す。エッチング装置８１は、処理ユニット２と制御ユニット３Ｂとを有する。制御ユニット３Ｂの制御部４１は、分析部５１と、期間判定部５２と、処理制御部５３と、診断部５４と、波長選択部５５と、棄却判定部５６に機能分割される。

分析部５１は、複数の波長の発光強度のデータを用いて非線形回帰分析し、残差平方和Ｅを算出する。また、分析部５１は、棄却検定後のデータに対して非線形分析と残差平方和の算出をする。
棄却判定部５６は、収集したデータに対して棄却検定を行って、異常値や外れ値を除外する。

図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ１０１でエッチング装置７１がエッチングを開始する。ステップＳ１０２及びＳ１０３で発光強度のデータを収集する。このとき、データ収集は、複数の波長の光に対して行う。ステップＳ１０４では、複数の波長のデータのそれぞれについて、非線形回帰分析する。ステップＳ１０４Ａでは、複数の波長の中から、エッチング終点の予想に使用する波長を選択する。ステップＳ１０４Ｂでは、棄却検定を用いて異常値又は外れ値を除去する。続く、ステップＳ１０４Ｃでは、棄却処理後に残ったデータを用いて再度、非線形回帰分析して回帰式を算出する。ステップＳ１０５では、回帰式を用いてエッチング終点を予測する。また、ステップＳ１０６では、残差平方和Ｅを調べる。残差平方和Ｅが所定値以下であれば、予想したエッチング終点でエッチングを終了する。これに対して、残差平方和Ｅが所定値を越えていれば、エッチングを終了したり、エッチング条件を変更したりする。また、必要に応じて警告を発する。

ここで、ステップＳ１０４Ｂの棄却検定について詳細に説明する。
棄却判定部５６は、棄却検定によって残差の大きいデータを除去する。残差は、例えば、ｅ_ｉ＝ｘ_ｉ−ｘ_ｅiで表される。ここで、ｅ_ｉは残差、即ち実測値と予測値の差である。ｘiは実測値であり、ｘ_ｅiは予測値である。さらに、棄却されるデータの範囲としては、

である。ここで、ｅ_ｍは残差ｅ_ｉの平均値であり、Ｓ_ｅは残差ｅ_ｉの標準偏差である。また、ｔ（Ｎ−１，α）は、自由度Ｎ−１、有意水準αにおけるｔ値（ｔ分布）を示す。

例えば、図１３に一例を示すように、従来ではプラズマの発光強度の管理限界線（ＵＣＬ：上部管理限界線、ＬＣＬ：下部管理限界線）を予め定め、２つの管理限界線の範囲外となる発光強度が観測された場合に、プラズマの異常が発生した判定していた。この場合には、矢印Ｄ３，Ｄ４に示すような異常値や外れ値を特定することができなかった。これは、異常値が正常値の変動幅内にあるためである。従って、異常値や外れ値を除外せずに非線形分析することになるので、エッチング終点を精度良く予測できない。これに対して、この実施の形態では、棄却判定部５６が、矢印Ｄ３，Ｄ４に示すような異常発光のデータを除去する。さらに、ステップＳ１０４Ｃにおいて、分析部５１は、棄却検定後に残されたデータを用いて再度、非線形回帰分析してエッチング終点を予測する。従って、エッチング終点の予測の精度をさらに向上できる。

ここで、各実施の形態は、指標となるデータの時間変化が下向きに凸となるプロファイ
ルを有するプロセスにおいてプロセスの終点の予測に用いることが可能である。
また、図２、図９及び図１２のフローチャートの処理は、並列処理を有するが、直列処理、例えばステップＳ１０５の後にステップＳ１０６を実行し、その後にステップＳ１０７を行っても良い。

各実施の形態の半導体装置の製造方法は、薄膜のエッチング以外に適用しても良い。例えば、基板の上方に形成した薄膜をＣＭＰ法にて研磨するときの研磨の終点の予測に適用できる。この場合は、研磨する薄膜の厚さが光の干渉を利用したセンサで検出される。センサは、研磨布に設けられた光学用窓を通して、基板の研磨面に照射する。さらに、研磨面で反射した光が光学用窓を通して受光素子により入力する。例えば、基板上に形成したＣｕ膜を研磨するときは、Ｃｕ膜の研磨が終了すると、研磨面の表面からＣｕが除去される。その結果、特定の周波数の光が吸収される。この特定の周波数の光の強度の時間変化を測定し、非線形回帰分析によって回帰式を求め、研磨の終点を予測する。

各実施の形態には、半導体装置の製造方法をコンピュータに実行させるプログラムが含まれる。さらに、プログラムを保存した記録媒体や、プログラムをダウンロード可能な状態にコンピュータに保管することも各実施の形態の実施に含まれる。

回帰式は、各実施の形態に記載したものに限定されない。例えば、ｙ＝ａ_０＋ａ_１×ｔ＋ａ_２×ａ_３＾ｔ（＾はべき乗演算子）であっても良い。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。

以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） エッチング対象物をプラズマに曝し、前記エッチング対象物のエッチングを開始する工程と、前記プラズマの発光強度を取得し、前記プラズマの発光強度の時間微分の符号が変化する第１の時間を決定する工程と、前記第１の時間までに取得した前記プラズマの発光強度を用いて非線形回帰分析し、前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を求める工程と、前記第１の時間後で、エッチングを終了させる第２の時間を前記回帰式から求める工程と、前記第２の時間にエッチングを終了する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２） 前記発光強度の時間微分の符号が、複数回マイナスとなった場合に前記第１の時間とすることを特徴とする付記１記載の半導体装置の製造方法。
（付記３） ｙをプラズマの発光強度、ｔを処理時間とし、各係数をａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３としたときに、前記回帰式として、ｙ＝ａ_０＋ａ_１×ｔ＋ａ_２×ｅｘｐ（ａ_３×ｔ）を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４） 前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の予測値と、前記プラズマの発光強度の実測値とを用いて残差平方和を求める工程を含むことを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５） 前記残差平方和が所定値を越えたら、警告を発する工程を含む付記４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６） 前記警告が発生した際に、前記エッチングを行う装置を停止する工程を含む付記４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７） 前記プラズマの発光強度を複数の波長について取得する工程と、前記複数の波長毎に求めた前記残差平方和の最も低い波長の前記プラズマの発光強度を用いて前記第
２の時間を決める工程とを含むことを特徴とする付記４に記載の半導体装置の製造方法。（付記８） 取得した前記プラズマの発光強度の実測値と、前記回帰式から求めた同じ時刻の発光強度の計算値との差が所定の範囲より大きい場合は、前記実測値を削除してから再び非線形回帰分析することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９） 前記実測値の削除に棄却検定を用いることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記第２の時間は許容範囲外と判定された前記実測値を除いた前記非線形回帰分析から算出することを特徴とする付記８又は付記９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１） エッチング対象物を収容可能で、プラズマを発生させる電極を有するチャンバと、前記プラズマの発光強度を取得する発光スペクトル検出器と、非線形回帰分析を用いて前記発光強度の時間変化の回帰式を求め、エッチングの終了時間を決定する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記プラズマの発光強度の時間微分の符号が変化する第１の時間を決定し、前記第１の時間経過後で、エッチングを終了させる第２の時間を前記回帰式から求め、前記第２の時間にエッチングを終了することを特徴とする半導体製造装置。
（付記１２） 前記プラズマの発光強度を取得するデータ収集期間を前記発光強度の時間微分の符号の変化から決定する期間判定部と、前記データ収集期間内の前記プラズマの発光強度を取得し、非線形回帰分析を用いて発光強度の時間変化の回帰式を算出する分析部と、を含むことを特徴とする付記１１に記載の半導体製造装置。
（付記１３） 前記データ収集期間内に収集した前記プラズマの発光強度から、前記回帰式から外れたデータを棄却検定により取り除く棄却判定部を有し、前記分析部は、棄却されたデータを除いたデータを用いて、発光強度の時間変化の回帰式を算出する付記１２に記載の半導体製造装置。
（付記１４） 複数の波長について、発光強度の時間変化の回帰式を算出したときの残差平方和を比較し、前記残差平方和が所定値以下の波長を、エッチング終点を決定するデータを取得する波長として選択する波長選択部を有する付記１２又は付記１３に記載の半導体製造装置。
（付記１５） 前記プラズマの発光強度を取得し、非線形回帰分析によって前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を求め、前記プラズマの発光強度の時間微分の符号が変化する第１の時間を決定し、前記第１の時間後で、エッチングを終了させる第２の時間を前記回帰式から求める工程と、前記第２の時間にエッチングを終了する処理をコンピュータに実行させる半導体製造装置のプログラム。
（付記１６） 前記データ収集期間内に収集した前記プラズマの発光強度から、前記回帰式から外れたデータを棄却検定により取り除き、棄却されたデータを除いたデータを用いて、前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を算出する処理をコンピュータに実行させる付記１５に記載の半導体製造装置のプログラム。
（付記１７） 複数の波長について、前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を算出したときの残差平方和を比較し、前記残差平方和が所定値以下の波長を、エッチング終点を決定するデータを取得する波長として選択する処理をコンピュータに実行させる付記１５又は付記１６に記載の半導体製造装置のプログラム。
（付記１８） 半導体装置を製造するにあたり、処理時間によって変化するデータを取得する工程と、前記データがピークに達した後、前記データを用いて非線形回帰分析し、前記データの時間変化の回帰式を求める工程と、前記回帰式を用いて、処理の終了点として、処理開始後から前記データがピークを経て所定値に下がるまでに要する時間を算出する工程と、前記処理の終了点において処理を終了する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

１，７１，８１ エッチング装置
２ 処理部
３，３Ａ，３Ｂ エッチング制御部
２１ ＯＥＳ検出器（発光スペクトル検出器）
３１ エッチング制御装置
４１ 制御部
５１ 分析部
５２ 期間判定部
５３ 処理制御部
５４ 診断部
５５ 波長選択部
５６ 棄却判定部

Claims (10)

1. エッチング対象物をプラズマに曝し、前記エッチング対象物のエッチングを開始する工程と、
   前記プラズマの発光強度を取得し、前記プラズマの発光強度の時間微分の値を算出し、前記算出した前記時間微分の値の符号が変化して前記時間微分の値が所定値に達する第１の時間を決定する工程と、
   前記第１の時間までに取得した前記プラズマの発光強度を用いて非線形回帰分析し、前記プラズマの発光強度の時間変化の回帰式を求める工程と、
   前記第１の時間後で、前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の値が前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度のピーク値から所定の割合まで低下する第２の時間を求める工程と、
   前記第２の時間にエッチングを終了する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. ｙをプラズマの発光強度、ｔを処理時間とし、各係数をａ０、ａ１、ａ２、ａ３としたときに、前記回帰式として、ｙ＝ａ０＋ａ１×ｔ＋ａ２×ｅｘｐ（ａ３×ｔ）を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の予測値と、前記プラズマの発光強度の実測値とを用いて残差平方和を求め、前記残差平方和が所定値を越えていれば、エッチングを停止する工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記プラズマの発光強度を複数の波長について取得する工程と、
   前記複数の波長毎に求めた前記残差平方和の最も低い波長の前記プラズマの発光強度を用いて前記第２の時間を決める工程と
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 取得した前記プラズマの発光強度の実測値と、前記回帰式から求めた同じ時刻の発光強度の計算値との差が所定の範囲より大きい場合は、前記実測値を削除してから再び非線形回帰分析することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記実測値の削除に棄却検定を用いることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. エッチング対象物を収容可能で、プラズマを発生させる電極を有するチャンバと、
   前記プラズマの発光強度を取得する発光スペクトル検出器と、
   非線形回帰分析を用いて前記発光強度の時間変化の回帰式を求め、エッチングの終了時間を決定する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記プラズマの発光強度の時間微分の値を算出し、前記算出した前記時間微分の値の符号が変化して前記時間微分の値が所定値に達する第１の時間を決定し、
   前記第１の時間経過後で、前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度の値が前記回帰式から求めた前記プラズマの発光強度のピーク値から所定の割合まで低下する第２の時間を求め、前記第２の時間にエッチングを終了させるように構成したことを特徴とする半導体製造装置。
8. 前記プラズマの発光強度を取得するデータ収集期間を前記発光強度の時間微分の符号の変化から決定する期間判定部と、
   前記データ収集期間内の前記プラズマの発光強度を取得し、非線形回帰分析を用いて発光強度の時間変化の回帰式を算出する分析部と、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造装置。
9. 前記データ収集期間内に収集した前記プラズマの発光強度から、前記回帰式から外れた
   データを棄却検定により取り除く棄却判定部を有し、前記分析部は、棄却されたデータを除いたデータを用いて、発光強度の時間変化の回帰式を算出する請求項８に記載の半導体製造装置。
10. 複数の波長について、発光強度の時間変化の回帰式を算出したときの残差平方和を比較し、前記残差平方和が所定値以下の波長を、エッチング終点を決定するデータを取得する波長として選択する波長選択部を有する請求項８又は請求項９に記載の半導体製造装置。
    

Images