(57)【要約】【課題】  精度のよい評価が得られるようにしたプラズマダメージ検出装置などを提供すること。【解決手段】  生地のウエハを用意し、その表面上に、ゲート酸化膜に模擬させた絶縁膜を作成し、その絶縁膜上に印加される電位を測定するための測定電極１０２を設けて測定用のウェハ１０１とし、これをプラズマ処理装置の処理室内に載置し、測定電極１０２の電荷を高インピーダンス分割プローブ１０４と大気側高電圧プローブ３０４を介して出力機器３０５に取り出し、ウェハ１０１のチャージアップ状態を大気側にある出力機器３０５のモニタにより観測し、データが測定できるようにした。【選択図】図４
2008258375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生地のウエハの表面上に、ゲート酸化膜に模擬させた絶縁膜を作成し、その絶縁膜上に印加される電位を測定するための電極として、当該絶縁膜上に導通性の膜を蒸着させて測定電極とした測定用のウエハとし、このウエハをプラズマ処理装置の処理室内に載置させて前記電位の検出と測定を行うことを特徴とするプラズマダメージ検出測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマダメージ検出測定装置において、
前記電極が、前記測定用ウエハに少なくとも２個、形成されていることを特徴とするプラズマダメージ検出測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のプラズマダメージ検出測定装置において、
前記電極が、高周波プラズマから保護する為に絶縁された抵抗・コイル・コンデンサなどの電気素子と絶縁及びシールドされたリード線から構成されたプローブを備え、
前記電位が、前記プローブを介して大気側に取り出されることを特徴とするプラズマダメージ検出測定装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のプラズマダメージ検出測定装置において、
前記電極が、当該電極の電荷を無線周波数の電磁波として送信するアンテナを備え、
前記電位が、前記アンテナと前記処理室内に設置した電圧信号受動素子を介して大気側に取り出されることを特徴とするプラズマダメージ検出測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の何れかのプラズマダメージ検出測定装置を備え、前記処理室内のプラズマが、前記プラズマダメージ検出測定装置によるプラズマダメージの検出測定結果に応じて制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
チャージアップ波形を表示するモニタ手段と、少なくともチャージアップ減少条件を含んだ情報を格納するデータベースとを備え、
前記プラズマダメージ検出測定装置によるプラズマダメージの検出測定処理が、予め設定してあるδVdc 設定値が得られるまで繰り返されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の製造に使用されるプラズマ処理装置に係り、特に、プラズマ処理装置におけるプラズマダメージを検出し測定するプラズマダメージ検出測定装置及びプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの微細化と高集積化に伴ない、半導体デバイスの製造時におけるプラズマエッチングに際して、チャンバー内でのウェハ表面にチャージアップされる電荷を評価することが重要な課題になっている。これは、半導体デバイスのゲート酸化膜厚が微細化と高集積化に伴なって薄くなってゆくので、膜厚が耐えうる電圧、つまり耐電圧が徐々に低くなり、従って、耐電圧の管理が重要になってゆくことに起因する。
【０００３】
また、このときエッチングに用いられるプラズマは、高周波電力により生成されるため、プラズマにウェハを暴露させたときには、プラズマからの影響だけでなく、高周波による電界の影響も考慮する必要もあり、このため、第１の従来技術として、高周波電圧を印加するための電極の下に、コンデンサ・抵抗・インダクタ・ダイードなどの電気的素子を設けると共に、電極表面にゲート酸化膜を模擬したチップを埋設させ、これによりチップに与えられる電圧と電流、それに、このときゲート酸化膜を通過する電荷量を測定する方法が提案されている。
【０００４】
次に、第２の従来技術では、発光素子・電気素子を用いてウェハ表面上に検出回路を構成し、荷電粒子の流入量の差に応じて発生する電位差を利用し、それにより発光する素子の発光強度を測定し、ウェハ表面上の電位を測定する方法について提案されている。
【０００５】
一方、このゲート酸化膜のプラズマによるチャージアップダメージの評価方法として広く用いられている第３の従来技術として、ＴＥＧ(Test Element Group)と呼ばれる評価方法があり、この手法の場合、まず、ゲート酸化膜にアンテナが接続された複数のチップ構成からなるウェハを使用し、実デバイスの作成と同じレシピ条件のもとでプラズマ処理を行い、プラズマ処理された結果としてダメージを受けたであろうと推定されるゲート酸化膜を得る。
【０００６】
次に、こうして得たゲート酸化膜に対して、絶縁破壊が現れるまで徐々に低電圧から電圧を印加してゆき、このときの電圧値Ｖと、それによる電流値Ｉを測定し、得られたＩ−Ｖ特性から膜の劣化レベルを評価するという、いわゆるＣＶＳ法(Constant Voltage Stress)と呼ばれている方法を適用し、結果としてゲート酸化膜のプラズマによるチャージアップダメージを評価するのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術は、評価に要するコストに配慮がされているとは言えず、適用に制限を受けてしまうという問題があった。
【０００８】
すなわち、ます、上記第１の従来技術の場合は、実際にデバイスを作成する際の下部電極とは異なった電極構造になってしまうので、プラズマが生成されるチャンバー内の雰囲気が変化し、実デバイスウェハ上に印加される電圧値が異なってしまうことになり、よって、デバイスを開発するためのチャンバーを用いて、実デバイス内のゲート酸化膜を通過する電荷量を正しく把握することは、この第１の従来技術では困難である。
【０００９】
次に、上記第２の従来技術の場合、電気素子を利用した複雑な回路を構成しなくてはならず、しかもこのとき高周波による素子の破壊も考慮に入れて構成する必要があり、実施が難しく、精度にも問題がある。
【００１０】
また、記したＴＥＧ評価法による第３の従来技術では、１度プラズマに暴露し、ＣＶＳ法により劣化具合を測定したら、そのウエハを再度使用することは不可能であり、従って、評価条件毎に高コストのウェハが必要になり、このため採算性の面から適用に制限を受けてしまうのである。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ゲート酸化膜のプラズマによるチャージアップダメージの評価のためのコストが抑えられ、精度のよい評価が得られるようにしたプラズマダメージ検出装置とプラズマダメージ測定装置を提供し、それを用いたプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ウェハに印加される電位を計測するため、測定用ウェハに薄膜電極を設け、この電極によりウェハがチャージアップしている様子を観測し、更に自動制御することにより、上記の目的が達成されるようにしている。
【００１３】
このため、本発明では、薄膜の測定電極をプラズマ生成用高周波に対応させた電圧プローブとしてウエハに組み込み、それを、製品デバイスを作成するプラズマ生成装置内に搬入し、実デバイスの作成条件によるレシピのもとで、大気外にある出力モニタを用い、ウェハ上にチャージアップしている様子をモニタリングするものであり、更に、このときのモニタリングによる波形や数値結果により、次の処理のためのレシピ条件を変更してゆくものである。
【００１４】
従って、上記目的は、第１の手段によれば、生地のウエハの表面上に、ゲート酸化膜に模擬させた絶縁膜を作成し、その絶縁膜上に印加される電位を測定するための電極として、当該絶縁膜上に導通性の膜を蒸着させて測定電極とした測定用のウエハとし、それをプラズマ処理装置内に載置させて前記電位の検出と測定を行うことにより達成される。
【００１５】
このとき、前記電極が、前記測定用ウエハに少なくとも２個、形成されているようにしてもよく、前記電極が、高周波プラズマから保護する為に絶縁された抵抗・コイル・コンデンサなどの電気素子と絶縁及びシールドされたリード線から構成されたプローブを備え、前記電位が、前記プローブを介して大気側に取り出されるようにしてもよく、更に、このとき、前記電極がアンテナを備え、前記電位が、前記電極から電波により伝送され、大気側に取り出されるようにしてもよい。
【００１６】
同じく、上記目的は、請求項１乃至請求項４に記載の何れかのプラズマダメージ検出測定装置を備え、プラズマダメージの検出測定結果に応じてプラズマが制御されるようにしても達成される。
【００１７】
このとき、チャージアップ波形を表示するモニタ手段と、少なくともチャージアップ減少条件を含んだ情報を格納するデータベースとを備え、前記プラズマダメージ検出測定装置によるプラズマダメージの検出測定処理が、予め設定してあるδVdc 設定値が得られるまで繰り返されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、デバイス作成に使用するプラズマ生成装置の構成を大きく変えることなく、簡易な電位・電流計測素子を用いて、被加工膜上に分布する電位や電流の方向性、それにゲート酸化膜を通過する電荷量が簡易に測定でき、把握できるので、チャージアップダメージの低減に有効な計測系及び装置系を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、製品化されたプラズマ生成装置内において、チャージアップによりウェハ上面に不均一に流動する電流、電位、電荷量が測定でき、且つ、リアルタイムにモニタリングが可能なチャージングダメージ計測系及びチャージングダメージ低減装置系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明によるプラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置並びにプラズマ処理装置について、夫々図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２１】
・実施形態例１
図１は、測定用ウェハに測定電極と測定用プローブを設置し、プラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置とした場合の本発明の一実施形態を示した概略図で、この場合、生地のウエハ(Bare Silicon Wafer)を用意し、それを測定用ウェハ１０１として、その表面上に、ゲート酸化膜に模擬させた絶縁膜を作成し、その絶縁膜上に印加される電位を測定するための電極として、当該絶縁膜上にアルミテープなどの導通性のある膜を蒸着させたものである。
【００２２】
ここで、作成に際しては、ウェハ表面に生じる電位が、プラズマからの影響によるものに統一されるようにする為、ある大きさを持った同一面積の膜を作る。そして、その外周部分を絶縁膜でシールドし、異方性エッチングによる模擬酸化膜の裂傷を抑えるようにして測定電極１０２を作成する。そして、この測定電極１０２に装着される高インピーダンス分割プローブ１０４として、電源から供給される高周波を遮断するためのコイルやコンデンサ等の電気素子を接続し、更に測定電極に印加されるプラズマによるウェハ表面上の電位を考慮した大きさの抵抗素子を接続する。
【００２３】
このとき、これらの電気素子やリード線１０３を完全に絶縁体で覆い、プローブ中の電気素子がバイアス電源から影響を受けて電位が発生してしまうのが阻止できるようにしてあり、この点について、更に図２により説明する。ここで、この図２は、測定電極の断面図と高インピーダンス分割プローブが接続されている様子を簡略的に示したので、図示のように、まず、ゲート酸化膜を模擬したオキサイド(Oxide)系の絶縁膜２０１を、その膜厚や面積を考慮した上で、プラズマが不均一に分布するウェハ上の２点以上の部位に設ける。そして、その直上に、制御された大きさ(面積)と導電性を持つ薄膜２０２を蒸着させる。
【００２４】
そうすると、このときの導電性の薄膜２０２の面積により、単位時間当りに通過する電荷の量を算出することが可能になる。そこで、次に、その外周部分を絶縁体の膜で覆うことで、少なくとも２個の測定電極１０２を作成する。そして、導電性の薄膜２０２にプラズマが均一にあたるような形で、導電性薄膜と同一素材である高インピーダンス分割プローブ１０４の先端を取り付けるのである。
【００２５】
次に、図３は、ウェハ１０１と、その測定電極１０２に接続された高インピーダンス分割プローブ１０４が真空の処理室内に載置され、大気側にある出力機器３０５に接続されるまでの状況を簡易的に示したもので、ここには、プラズマからの大電流が一気に出力機器３０５に流れ込むのを避けるため、インピーダンス分割回路３０１が設けられている様子が示されている。
【００２６】
そこで、測定電極１０２の電位による電流は、インピーダンス分割回路３０１により分圧された電圧に変換され、シールドケーブル３０４の芯線３０２を介して、プラズマ生成処理装置外にある高電圧測定プローブ３０４に供給され、ここで更に分圧された上で出力機器３０５に取り込まれる。このとき、図示のように、プローブ３０４は、真空のプラズマ処理装置内における高周波電力の影響及び大電流流入の影響を考慮してシールドされている。ここで、３０６は大気側高電圧プローブアース線である。
【００２７】
そして、このように、２個以上の測定電極及びプローブを用いてゲート酸化膜にかかる電位を測定することにより、測定電極単体が受けた電位を出力機器３０５において、それぞれ可視化することができ、導電性膜を通過する電荷を算出することができる。また、このとき、各電荷の差分をとることにより、不均一なプラズマから生まれる電流の方向性及び測定電極間に発生している電位の把握が可能になり、この結果、ゲート酸化膜に模擬させた絶縁膜のチャージアップダメージを評価することができる。
【００２８】
次に、図４により、測定用ウェハ及び測定用プローブをプラズマ生成処理装置の処理室内に組み込んだ場合について説明する。このとき、プラズマ生成処理装置は、プラズマ生成処理室下カバー４０４とプラズマ生成処理室上カバー４０５で構成され、この中に測定電極１０２を備えたウエハ１０１が、石英リング４０３と共に載置される。このときプラズマ生成処理装置の中にはシャワープレート４０６があり、これに高周波電力発生装置４０７から電力が供給されて高周波電界が形成され、この結果、プラズマ４０１が生成されている。このときプラズマから電荷を持った粒子を引き寄せるため、高周波電力発生装置４０９から下部電極４０２に高周波電圧が印加されており、これの影響により下部電極４０２に置かれたウェハ上の測定電極１０２に電位が印加されている。なお、４０８、４１０はアースである。
【００２９】
こうして測定電極１０２が影響を受けた結果、現れてしまう電位は、真空中にある高インピーダンス分割プローブ１０４と大気中にある高電圧測定プローブ３０４を介して、リアルタイムのモニタリングが可能な測定データモニターとして、出力機器３０５が接続されている。従って、このとき出力機器３０５の設定を変更することにより、２個以上の電極間の電流差と方向性、及び流入した電荷の量を知ることができ、従って、この実施形態によれば、測定用ウェハを用いるだけで、絶縁膜のチャージアップダメージを評価することができる。
【００３０】
・実施形態例２
図５は、製品デバイスを作成する過程で、チャージアップダメージによる酸化膜のダメージを検証するために、製品デバイスのウエハに直接、測定電極１０２を設置し、プラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置とした場合の本発明の一実施形態を示した概略図で、この場合、或る条件のもとでエッチングしたい被加工膜５０１を区切り、それらの上に測定電極１０２を設置する。このとき、これらの測定電極１０２については、図１と図２で説明した場合と同じである。
【００３１】
そして、これら測定電極１０２により得られた電位を、これも先に説明したプローブ１０５を介して、図３で説明した外部機器３０５に供給することにより、前記実施形態１の場合と同様にモニタリングすることができる。ここで、５０２はエッチストッパ層で、５０３は被加工膜である。
【００３２】
次に、図６は、製品デバイスのウェハに測定電極を設けた図５の場合の測定動作を説明するための等価回路を示したもので、ここで、静電容量６０１、６０２は、夫々図５の測定電極１０２と被加工膜５０２により形成されるコンデンサによるものであり、このときの静電容量Ｚc１は、測定電極１０２の膜面積や絶縁膜２０１の膜厚を変更することにより可変容量コンデンサの役割を果たす。
【００３３】
一方、コンデンサ６０３は、下部電極表面に溶射してある被加工膜５０３により形成されるもので、それによる静電容量Ｃｆは、プラズマ中から余分に入射してくる電荷をウェハ全体に均一に分布させる働きがあり、このため、他の被加工膜５０２によるコンデンサ６０２の静電容量Ｚc１'は、ウェハ上のどの地点においても均一な静電容量を持つとすると、これらについては、Ｚc１≒Ｚc１'の関係にある静電容量をもたせるようにする必要がある。
【００３４】
このときプラズマと下部電極間に発生するイオンシース６０４は、プラズマから下部電極側へ荷電粒子の流入を瞬間的に保持するため、ウェハ上の測定電極１０２に接続しているプローブ１０４において、荷電粒子の一過的な負荷を考慮する必要がある。よって、プローブ内にブロッキングコンデンサ６０５を設け、その静電容量Ｚｐについては、イオンシース６０４による静電容量Ｚc２による影響が無視できるように、Ｚｐ≫Ｚc２として圧倒的に大きくしておく必要がある。
【００３５】
・実施形態例３
図７は、測定用ウェハに測定電極と測定用プローブを設置し、プラズマ処理装置とした場合の本発明の一実施形態を示した概略図で、この場合、前記の実施形態例１と同じ構成により測定したデータを解析し、次のプロセス条件を変更し、チャージアップダメージ低減が得られるようにしたものであり、これは、本件の発明者等が実験を行い、膨大なデータを獲得したことにより、条件を自動的に判断することが可能になった結果である。
【００３６】
図７において、測定電極１０２を備えたウエハ１０１は、プラズマ生成処理室７０１内のプラズマ生成処理室下カバー４０４の上に載置される。従って、プラズマ生成処理室７０１内に生成されたプラズマにより、測定電極１０２に電位が印加される。そこで、この電位を、高インピーダンス分割プローブ１０４を介して、プラズマ生成処理室下カバー４０４に装備した下部電極内高電圧プローブ７０２に伝達させ、ここから大気中にあるＡＤ信号変換器７０３に取り出し、装置制御モニタ７０４と条件設定データベース７０５に供給する。
【００３７】
そして、装置制御モニタ７０４ではチャージアップ波形が表示され、条件設定データベース７０５には、チャージアップ減少条件情報を含んだ条件設定データが保存されることになる。そこで、装置制御モニタ７０４に表示され波形に基づいて、操作者が条件を入力して処理を実行し、その情報は、設定条件ロード部７０６から制御処理コントローラ７０７を介してバッファ処理部７０８に伝達される。
【００３８】
そこで、バッファ処理した情報に基づいてプラズマ処理条件が設定され、この設定されたプラズマ処理条件に基づいてプラズマ処理が稼動される。そして、このプラズマ処理条件の設定と、設定されたプラズマ処理条件に基づくプラズマ処理の稼動は、検出された電荷が、チャージアップダメージが減少し、それが許容される電圧として予め設定してあるδVdc 設定値になるまで繰り返される。
【００３９】
従って、この実施形態によれば、チャージアップダメージが減少する方向でプラズマの状態が自動的に制御されることになり、この結果、ゲート酸化膜についてダメージコントロールされることにより、信頼性に富んだ半導体デバイスの製造に寄与するプラズマ処理装置が得られることになる。
【００４０】
また、このとき、得られた結果から、自動的にチャージアップダメージを減少させるように制御されることも可能で、この場合、条件設定データベース７０５に入力されたデータに基づいて、制御処理コントローラ７０７が条件出しを行い、最適な条件を算出し、その情報を、バッファ処理部７０８を介して、プラズマ生成処理室７０１内にフィードバックさせ、フィードバックされたプロセス条件に基づいて処理することにより、チャージアップの少ないプラズマを発生させることができる。
【００４１】
・実施形態例４
次に、本発明の第４の実施形態として、プローブを用いない、いわゆるプローブレスにより、チャージアップダメージの減少が自動的に得られるようにしたプラズマ処理装置について、図８により説明する。この場合、図示のように、プラズマ生成処理室７０１内には測定用のウェハ８０１が配置されるが、この測定用ウェハ８０１には、ウェハ表面上の電位を無線周波数の電磁波で飛ばすことのできるアンテナ付の測定電極８０２が形成してある。
【００４２】
そして、このアンテナ付の測定電極８０２から送信された電磁波は、プラズマ生成処理室７０１内に設置されている電圧信号受動素子８０３により受信され、これからＡＤ信号変換器７０３に供給され、これから装置制御モニタ７０４と条件設定データベース７０５に供給される。そこで、以後、図７で説明した実施形態と同じ構成により処理される。
【００４３】
すなわち、装置制御モニタ７０４ではチャージアップ波形が表示され、条件設定データベース７０５には、チャージアップ減少条件情報を含んだ条件設定データが保存されることになる。そこで、装置制御モニタ７０４に表示され波形に基づいて、操作者が条件を入力して処理を実行させる。そして、その情報は、設定条件ロード部７０６から制御処理コントローラ７０７を介してバッファ処理部７０８に伝達される。そこで、バッファ処理した情報に基づいてプラズマ処理条件が設定され、この設定されたプラズマ処理条件に基づいてプラズマ処理が稼動される。
【００４４】
そして、このプラズマ処理条件の設定と、設定されたプラズマ処理条件に基づくプラズマ処理の稼動は、ダメージが減少するδVdc 設定値が得られるまで繰り返され、従って、この実施形態によっても、ゲート酸化膜についてダメージコントロールされ、この結果、信頼性にとんだ半導体デバイスの製造に寄与するプラズマ処理装置が得られることになるが、ここで、この実施形態の場合、プローブは不要であり、従って、その分、構成が簡単になる。
【００４５】
また、この実施形態でも、得られた結果から、自動的にチャージアップダメージを減少させるように制御されることも可能で、この場合、条件設定データベース７０５に入力されたデータに基づいて、制御処理コントローラ７０７が条件出しを行い、最適な条件を算出し、その情報を、バッファ処理部７０８を介して、プラズマ生成処理室７０１内にフィードバックさせ、フィードバックされたプロセス条件に基づいて処理することにより、チャージアップの少ないプラズマを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるプラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置の実施形態における測定電極配置の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態における測定電極の断面図である。
【図３】本発明によるプラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置の実施形態における全体の説明図である。
【図４】本発明によるプラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置をプラズマ処理室内に設置した場合の説明図である。
【図５】本発明の他の一実施形態における測定電極の断面図である。
【図６】本発明によるプラズマダメージ検出装置及びプラズマダメージ測定装置の一実施形態の等価回路図である。
【図７】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す説明図である。
【図８】本発明によるプラズマ処理装置の他の一実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１：ウェハ
１０２：測定電極
１０３：高インピーダンス分割プローブリード線
１０４：高インピーダンス分割プローブ
２０１：絶縁膜
２０２：導電性薄膜
２０３：シールド用絶縁膜
３０１：インピーダンス分割回路
３０２：芯線(シールドケーブルの芯線)
３０３：シールドケーブル
３０４：大気側高電圧プローブ
３０５：出力機器(測定データモニター)
３０６：大気側高電圧プローブアース線
４０１：プラズマ生成装置内発生プラズマ
４０２：下部電極
４０３：石英リング
４０４：プラズマ生成処理室下カバー
４０５：プラズマ生成処理室上カバー
４０６：シャワープレート
４０７：高周波発生電源
４０８：アース
４０９：高周波発生電源
４１０：アース
５０１：被加工膜
５０２：エッチストップ
５０３：被加工膜
６０４：イオンシース
６０５：高電圧分割プローブ
７０１：プラズマ生成処理室
７０２：下部電極内高電圧プローブ
７０３：ＡＤ信号変換器
７０４：装置制御モニタ
７０５：条件設定データベース
７０６：設定条件ロード部
７０７：制御処理コントローラ
７０８：バッファ処理部
８０１：ウエハ
８０２：アンテナ付き測定電極
８０３：電圧信号受動素子
【図１】
2008258375.tif 000003
【図２】
2008258375.tif 000004
【図３】
2008258375.tif 000005
【図４】
2008258375.tif 000006
【図５】
2008258375.tif 000007
【図６】
2008258375.tif 000008
【図７】
2008258375.tif 000009
【図８】
2008258375.tif 000010