(57)【要約】【課題】  ウエハに形成された膜の膜厚を膜厚計測素子によって計測するのに際して、膜厚計測素子の温度のウエハ温度への調整を容易とし、また膜厚計測素子の交換を容易にする。【解決手段】  サセプター９上にウエハＷおよび膜厚計測素子１（１１）を設置し、ウエハ上および膜厚計測素子１（１１）上に膜を形成し、膜厚計測素子上に形成された膜の膜厚を測定する。好ましくは、膜厚計測素子が、脚部、振動部、振動部に基本振動を励起するための電極、および電極を外部へと電気的に接続するための素子端子部を備えている。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚を測定する方法であって、
サセプター上にウエハおよび膜厚計測素子を設置し、前記ウエハ上および前記膜厚計測素子上に膜を形成し、前記膜厚計測素子上に形成された前記膜の膜厚を測定することを特徴とする、膜厚測定方法。
【請求項２】
前記サセプターによって前記膜厚計測素子を吸着することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記膜厚計測素子が、前記サセプターに支持される脚部と、前記サセプターから離れて振動する振動部とを備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記膜厚計測素子が、前記振動部に基本振動を励起するための電極、およびこの電極を外部へと電気的に接続するための素子端子部を備えており、前記サセプターがサセプター端子部を備えており、前記素子端子部と前記サセプター端子部とを電気的に接続することを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
膜厚を測定するための構造であって、
ウエハを設置するためのサセプター、および前記サセプター上に設置された膜厚計測素子を備えており、前記ウエハ上および前記膜厚計測素子上に膜を形成し、前記膜厚計測素子上に形成された前記膜の膜厚を測定することを特徴とする、膜厚測定構造。
【請求項６】
前記サセプターが前記膜厚計測素子を吸着する手段を備えていることを特徴とする、請求項５記載の構造。
【請求項７】
前記膜厚計測素子が、前記サセプターに支持される脚部と、前記サセプターから離れて振動する振動部とを備えていることを特徴とする、請求項５または６記載の構造。
【請求項８】
前記膜厚計測素子が、前記振動部に基本振動を励起するための電極、およびこの電極を外部へと電気的に接続するための素子端子部を備えており、前記サセプターがサセプター端子部を備えており、前記素子端子部と前記サセプター端子部とが電気的に接続されることを特徴とする、請求項７記載の構造。
【請求項９】
脚部、振動部、この振動部に基本振動を励起するための電極、およびこの電極を外部へと電気的に接続するための素子端子部を備えていることを特徴とする、膜厚計測素子。
【請求項１０】
前記素子端子部が前記脚部の底面に設けられていることを特徴とする、請求項９記載の膜厚計測素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定方法、膜厚測定構造および膜厚計測素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電チャックの基材として、緻密質セラミックスが注目されている。半導体製造装置の分野においては、プラズマを発生させるための高周波電極を内蔵したサセプターが実用化されているが、こうした高周波電力発生装置の分野においても、窒化アルミニウムやアルミナからなる基材中に高周波電極を埋設することが行われている。
【０００３】
半導体製造プロセスにおいては、ウエハ上に成膜された各種の膜、例えば配線用金属膜の膜厚を計測する必要がある。この方法は例えば特許文献１に記載されている。この方法では、リード上に水晶振動子を支持し、振動子上に膜が堆積した際の振動周波数の変化に基づいて堆積膜の膜厚を算出する。
【特許文献１】特開平06-101041
【０００４】
最近は、半導体製造プロセスにおいて、配線ルールの微細化が進行しており、配線パターン精度向上の要求がある。配線パターンの微細化に対応するために、配線用金属膜の薄膜化が進んでおり、例えば膜厚５オングストローム程度の膜を形成することが要求されている。これに伴い、成膜装置として、種々の薄膜を形成可能な熱ＣＶＤ装置による成膜が主流となってきている。更に、ウエハを１枚ごとにサセプター上に着脱して処理する枚様式の成膜装置が主流となってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱ＣＶＤ装置を使用して成膜する際には、ＰＶＤ法等と異なり、ウエハ表面温度は高く、例えば５００℃以上となる。このため、膜厚計測素子上の温度をウエハ温度と同じにしないと、膜厚計測素子上の膜厚を測定しても、その膜厚測定値はウエハ表面における膜厚とは異なることになる。従って、膜厚計測素子の表面温度とウエハ表面温度とを同じにする必要がある。
【０００６】
しかし、特許文献１記載のような膜厚計測素子は水晶製であるので、熱ＣＶＤ法において要求される高温に耐えることができない。また、膜厚計測素子がリードによって支持されている構造では、ウエハの高さと膜厚計測素子の高さとを揃えることが事実上困難であり、膜厚計測素子の温度をウエハ表面温度と同じに調整することができない。更に、枚様式の半導体製造装置の場合には、ウエハを１枚ごとにサセプターに着脱する。この場合には、まず１枚めのウエハ上に膜を形成しつつ、リード上に固定された膜厚計測素子上に形成された膜の膜厚を測定する。次いで、膜形成の終わったウエハをサセプターから外してチャンバー外に移送する。この際、リードに固定された膜厚計測素子上にも膜が形成されているので、膜厚計測素子を取り外して新しい膜厚計測素子に入れ換える必要がある。しかし、リード上に固定された膜厚計測素子を取り替えることは難しく、もし実施するとしても煩雑な処理を必要とし、現実的ではない。
【０００７】
本発明の課題は、ウエハに形成された膜の膜厚を膜厚計測素子によって計測するのに際して、膜厚計測素子の温度のウエハ温度への調整を容易とし、また膜厚計測素子の交換を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、膜厚を測定する方法であって、サセプター上にウエハおよび膜厚計測素子を設置し、ウエハ上および膜厚計測素子上に膜を形成し、膜厚計測素子上に形成された膜の膜厚を測定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、膜厚を測定するための構造であって、ウエハを設置するためのサセプター、およびサセプター上に設置された膜厚計測素子を備えており、ウエハ上および膜厚計測素子上に膜を形成し、膜厚計測素子上に形成された膜の膜厚を測定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、脚部、振動部、振動部に基本振動を励起するための電極、およびこの電極を外部へと電気的に接続するための素子端子部を備えていることを特徴とする、膜厚計測素子に係るものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の膜厚測定方法および構造によれば、サセプター上に膜厚計測素子を設置し、サセプター上のウエハに膜形成するのと同時に膜厚計測素子上にも膜形成し、膜厚計測素子上の膜厚を計測する。従って、膜厚計測素子をリードに固着して支持する必要がない。この結果、膜厚計測素子の高さをウエハの高さに合わせることは容易であり、これによって膜厚計測素子の温度をウエハ温度に容易に合わせることができる。また、サセプターへの膜厚計測素子の着脱によって膜厚計測素子を交換できる。
【００１２】
また、本発明の膜厚計測素子によれば、振動部と別個に脚部を設け、振動部を振動させるための電極用の端子を設けてある。従って、この脚部をチャンバー内の所定箇所に設置することによって、リードに対して膜厚計測素子を固着させることなく膜厚計測素子の固定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る膜厚計測素子１を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は素子１の上面図であり、図２は素子１の底面図である。素子１の本体２は圧電性材料からなり、リング状の脚部２ｂと略円形の薄い振動部２ａとを備えている。脚部２ｂの内側には略円形の凹部３が形成されており、脚部２ｂの底面２ｃ上には例えば一対の端子部６Ａ、６Ｂが形成されている。本例では各端子部６Ａ、６Ｂは略円形である。振動部２ａの上側には電極４Ａが形成されており、振動部２ａの下側には電極４Ｂが形成されている。電極４Ａは接続部５Ａを通じて端子部６Ａに電気的に接続されており、電極４Ｂは接続部５Ｂを通じて端子部６Ｂに接続されている。
【００１４】
また、図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る膜厚計測素子１１を概略的に示す断面図であり、図３（ｂ）は素子１１の上面図であり、図４は素子１１の底面図である。本例では電極および接続部が保護膜７によって被覆されており、チャンバー内に露出しないようになっている。
【００１５】
すなわち、素子１１の本体２は圧電性材料からなり、リング状の脚部２ｂと略円形の薄い振動部２ａとを備えている。脚部２ｂの内側には略円形の凹部３が形成されており、脚部２ｂの底面２ｃ上には例えば一対の端子部６Ａ、６Ｂが形成されている。本例では各端子部６Ａ、６Ｂは略円形である。振動部２ａの上側には電極４Ａが形成されており、振動部２ａの下側には電極４Ｂが形成されている。電極４Ａは接続部５Ａを通じて端子部６Ａに電気的に接続されており、電極４Ｂは接続部５Ｂを通じて端子部６Ｂに接続されている。
【００１６】
電極４Ａおよび接続部５Ａは保護膜７によって被覆されている。脚部底面２ｃの端子部６Ａは露出している。また、電極４Ｂおよび接続部５Ｂは保護膜７よって被覆されている。脚部底面２ｃの端子部６Ｂは露出している。
【００１７】
図５は、本発明の一実施形態に係るサセプター９を概略的に示す断面図であり、図６は、サセプター９上にウエハＷおよび膜厚計測素子１（あるいは１１）を設置した状態を概略的に示す断面図であり、図７は、サセプター９および膜厚計測素子１（１１）を概略的に示す斜視図である。
【００１８】
本例のサセプター９は、基体１０と誘電体層２０とを備えている。基体１０と誘電体層２０との間に、ウエハ吸着用の静電チャック電極１２が形成されており、電極１２は端子１３を通してサセプターの背面側から外部電源に電気的に接続されている。また、また、サセプター９の端部には膜厚計測素子吸着用の静電チャック電極１５が基体１０と誘電体層２０との間に形成されており、電極１５は端子１６を通して外部電源に電気的に接続されている。
【００１９】
サセプター９の表面では、電極１５の上方において例えば一対の端子１４Ａ、１４Ｂが露出しており、端子１４Ａ、１４Ｂは、信号処理回路１７およびプロセッサ１８に接続されている。
【００２０】
ここで、膜厚計測素子１（または１１）を、図７に示すようにサセプター９上に配置し、図６に示すようにサセプター９の表面に設置する。好ましくは、静電チャック電極１５に直流電圧を供給し、電極１５上に膜厚計測素子１（１１）を吸着してセットする。この際、膜厚計測素子１（１１）の底面の端子部６Ａ、６Ｂが、サセプター側の端子部１４Ａ、１４Ｂと接触し、通電できるようにしておく。
【００２１】
ウエハＷ上に所定の膜が形成されるときには、同時に膜厚計測素子１（１１）上にも同様の膜が形成される。ここで、本実施形態においては、サセプター９上にウエハＷと膜厚計測素子９とが設置されることから、ウエハＷ上の環境と膜厚計測素子上の環境とはほぼ同等となり、従ってウエハ上の膜厚と膜厚計測素子上の膜厚とは同程度となる。従って、膜厚計測素子上の膜厚を測定することによって、ウエハ上の膜厚を正確に知ることができる。あるいは、膜厚計測素子上の膜厚をウエハ上の膜厚とみなすことによって、ウエハ上の膜厚を管理することができる。
【００２２】
膜厚計測素子による膜厚の測定方法は特に限定されない。
好適な実施形態においては、膜厚計測素子の振動部に基本振動を励起し、振動部上に膜が堆積するときの振動状態の変化に基づいて膜厚を算出する。
【００２３】
振動部に基本振動を励起する方法は特に限定されず、以下の方法がある。
（１）  電極４Ａ、４Ｂに交流電圧を印加し、圧電性材料からなる振動部２ａを励振する。この振動モードは特に限定されないが、例えば振動部の主面に垂直方向にたわむモードや厚み滑り振動モードである。
（２）  電極４Ａ、４Ｂによって静電引力を発生させ、振動部に変形を与える。
（３）  素子吸着用電極１５への印加電圧を一定周波数で周期的に変化させることによって、振動部をその周期で振動させる。この場合には駆動電極４Ａ、４Ｂは必ずしも必要ない。
（４）  パルスレーザによって振動部を局所的に加熱し、振動部を一定周波数で変形させる。この場合には駆動電極は必ずしも必要ない。
【００２４】
振動部の変形を計測する方法も特に限定されず、以下の方法がある。
（１）  測定用レーザ光を振動部へと照射し、振動部からの反射光から振動部の変形を測定する。
（２）  振動部２の周波数変化に基づいて電極４Ａ、４Ｂに現れる交流信号を検出する。この際にはいわゆるＱＣＭ素子と同様にして周波数変化を検出することができる。
【００２５】
好適な実施形態においては、測定部１７に自励発振回路と周波数カウンターを設け、膜厚計測素子の振動部２ａにおける共振周波数を測定する。振動部の共振周波数は、振動部への吸着質量によって減少するため、周波数変化値から付着質量を見積もることができる。
【００２６】
本発明の膜厚測定方法および膜厚測定構造においては、サセプター上に設置可能である限り、膜厚計測素子の形態や動作原理は特に限定されない。好適な実施形態においては、膜厚計測素子が、サセプター上に支持される脚部と、サセプターから離れて振動する振動部とを備えている。これによって、サセプター上での膜厚計測素子の所定位置への固定を容易に実施できる。特にサセプターに、膜厚計測素子の静電チャック機能を付与することにより、膜厚計測素子の確実な着脱が可能である。
【００２７】
好ましくは、膜厚計測素子１（１１）を構成する本体２の全体が、同じ材質からなるバルク体である。また、本体２の材質は特に限定されず、圧電単結晶や圧電セラミックスを利用できる。圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体は、キュリー点が高いので、高温まで使用可能である。圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛やそれに添加物を加えたいわゆるPZT系の圧電セラミックスや、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ビスマス層状化合物などを例示できる。
【００２８】
また、ＡｌＮからなる振動子を利用できる。ＡｌＮ振動子は、還元性雰囲気中では１０００℃程度まで動作可能である。更に、シリコンのマイクロマシニングによって形成した振動子も利用できる。また、ランガサイト振動子は、融点が１４７０℃と高く、１０００℃程度まで動作可能である。
【００２９】
膜厚計測素子の振動部を駆動するための電極は特に限定されないが、金膜、金とクロムとの多層膜、金とチタンとの多層膜、銀膜、銀とクロムとの多層膜、銀とチタンとの多層膜、鉛膜、白金膜等の金属膜、ＴｉＯ２等の金属酸化物膜が好ましい。金膜と酸化物単結晶、例えば水晶とは密着性が低いので、金膜と振動部２ａとの間には、下地層、例えば少なくともクロム層またはチタン層を介在させることが好ましい。また、高温で動作させる場合には、電極表面は白金で覆われていることが好ましい。
【００３０】
膜厚計測素子の表面を表面保護膜で被覆することによって、電極を構成する金属からの半導体汚染を防止することができるので、特に好ましい。こうした表面保護膜は、酸化タンタル、酸化アルミナ、酸化珪素、ダイアモンドライクカーボン等の耐蝕性物質をスパッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、溶射等の各種成膜方法で成膜することで、形成できる。
【００３１】
サセプターを構成する材質は特に限定されず、耐蝕性のある絶縁性物質であれば良いが、セラミックスが特に好ましく、窒化アルミニウム、アルミナ、サイアロンのようなアルミニウム系セラミックスが特に好ましい。また、その他、窒化アルミニウム、窒化珪素、サイアロンのような窒化物系セラミックス、炭化珪素のような炭化物系セラミックスが特に好ましいが、ジルコニア、アルミナ等の酸化物系セラミックスでもよい。
【００３２】
サセプター内の電極や端子の材質は特に限定されない。しかし、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性の観点からは、ニッケル、モリブデン、タングステン、白金、ロジウム、これらの合金が好ましい。
【００３３】
サセプターには、静電チャック電極を埋設することが好ましいが、この埋設は必須ではない。この場合には、静電吸着以外の手段によって膜厚計測素子をサセプター上に吸着（例えば真空吸着）することができる。あるいは、吸着以外の手段によって膜厚計測素子をサセプター上に固定することもできる。また、サセプター中には、抵抗発熱体や高周波発生用電極を埋設することができる。
【００３４】
静電チャック電極、高周波発生用電極の形態は特に限定されない。好ましくは、セラミックス内に埋設する電極導電性部材がバルク状の面状物である。面状の金属バルク体とは、例えば、線体あるいは板体をらせん状、蛇行状に配置することなく、一体の面状として形成したものをいう。導電性部材の形態は、金属平板であって良いが、金属線材の結合体からなる板状体、または多数の小孔が形成された板状体とすることが特に好ましい。こうした板状体としては、パンチングメタル、エッチングメタル、金網、フェルト、不織布を例示できる。
【実施例】
【００３５】
（実施例１）
図３、図４に示すような膜厚計測素子１１を作製した。本体２は窒化アルミニウム単結晶によって形成した。本体２の振動部２ａの半径を１．５ｍｍとし、厚さを０．２ｍｍとした。センサ駆動用電極４Ａ、４Ｂ、接続部５Ａ、５Ｂ、端子部６Ａ、６Ｂは、クロム、金の多層膜をメタルマスクでパターニングし、スパッタで成膜した。さらに、表面保護膜７として、酸化タンタルをスパッタで成膜した。
【００３６】
また、図５、図６、図７に示すサセプター９を以下のように作製した。具体的には、窒化アルミニウム粉末を所定形状に成形して成形体を形成した後、この成形体上に、モリブデンからなる膜厚計測素子吸着用電極１５とウエハ吸着用内部電極１２と素子用配線１９を配置し、さらにこの上に窒化アルミニウム粉末を充填し、再度成形し、電極と配線を埋設した円盤状の成形体を得た。次いで、この成形体を窒素雰囲気中で焼結することにより、サセプター９を作製した。
【００３７】
このサセプター９をコールドウォール枚葉式熱ＣＶＤ成膜装置内に設置した。サセプター９の設置面上に、直径２００ｍｍのシリコンウエハＷを設置した。シリコンウエハ吸着用電極１２に５００ボルトの直流電圧を印加し、シリコンウエハＷをサセプター９に吸着させた。
【００３８】
このサセプター９の設置面上に膜厚計測素子１１を設置した。素子吸着用電極１５に５００ボルトの直流電圧を印加し、膜厚計測素子１１をサセプター９に吸着させた。素子１１はサセプター内のセンサ配線用端子１４Ａ、１４Ｂおよび配線１９を介して測定部１７に接続されている。測定部は、自励発振回路と周波数カウンターを有しており、振動部の共振周波数を測定することが出来る。測定に用いた共振の振動モードは、振動部の主面に垂直方向にたわむモードを用いた。素子の振動部の共振周波数は、振動部への吸着質量によって減少するため、、周波数変化値から付着質量を見積もることができる。
【００３９】
この状態で、シリコンウエハＷと膜厚計測素子１１を300℃に加熱し、チャンバー内に原料ガスとして、WF6SiH4を投入し、タングステン薄膜を成膜した。成膜条件としては、圧力0.1Torr、ガス流量比を１とし，ウエハ表面に均一にタングステン薄膜を堆積させるブランケット成長を行った。成膜の結果、シリコンウエハWと膜厚計測素子の双方に均一で良好なタングステン薄膜を形成することができた。成膜中の測定器信号変化を記録し、成膜後、エリプソメーターによる膜厚測定値との相関を調べた。測定結果の一例を図８に示す。膜厚と相関の有るデータが得られており、本方法で膜厚測定が可能なことが判る。感度は成膜量５オングストロームあたり、−４．２Ｈｚの周波数変化であった。
【００４０】
（実施例２）
実施例１と同様にしてサセプター９および素子１１を作製した。ただし、素子の振動部２ａの厚さを、図９に示すように変更した。これによる測定感度の変化を図９に示す。この結果、センサ厚さは感度に影響を及ぼさないことが分かった。
【００４１】
（実施例３）
実施例１と同様にしてサセプター９および素子１１を作製した。ただし、素子の振動部２ａの半径を、図１０に示すように変更した。これによる測定感度の変化を図１０に示す。この結果、センサ厚さは感度に影響を及ぼさないことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る膜厚計測素子１を概略的に示す断面図であり、（ｂ）は、膜厚計測素子１の上面図である。
【図２】膜厚計測素子１の底面図である。
【図３】（ａ）は、表面保護膜７の形成された膜厚計測素子１１を概略的に示す断面図であり、（ｂ）は、素子１１の上面図である。
【図４】膜厚計測素子１１の底面図である。
【図５】サセプター９を模式的に示す断面図である。
【図６】サセプター９に膜厚計測素子１（１１）が設置されている状態を模式的に示す断面図である。
【図７】サセプター９および膜厚計測素子１（１１）を模式的に示す斜視図である。
【図８】膜厚計測素子における周波数変化量と膜厚との関係を示すグラフである。
【図９】膜厚計測素子における周波数変化量と振動部の肉厚との関係を示すグラフである。
【図１０】膜厚計測素子における周波数変化量と振動部の半径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１  膜厚計測素子：          ２  本体：          ２ａ  振動部：          ２ｂ  脚部：          ３  凹部：          ４Ａ、４Ｂ  駆動（検出）電極：          ５Ａ、５Ｂ  接続部：          ６Ａ、６Ｂ  端子部：          ７  表面保護膜          ９  サセプター：          １０  基体：          １２  ウエハ用静電チャック電極：          １４Ａ、１４Ｂ  サセプター側端子部：          １５  膜厚計測素子用静電チャック電極：          １７  測定部：          １８  プロセッサ：          ２０  誘電体層
【図１】
2006131951.tif 000003
【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】
2006131951.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006131951.tif 000011
【図１０】
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