(57)【要約】【課題】  放電モニタ要素を複数個配設したウェハ上に、部分的に厚さの異なる絶縁膜を堆積し、反応時刻を制限する放電モニタを提供する。【解決手段】  本発明は、少なくとも２つ以上の電荷収集電極と両者をつなぐ低融点金属配線、および低融点金属配線を保護する第一の絶縁保護層から構成される放電モニタ要素が、複数並列に配置された放電モニタ基板において、放電モニタ要素を保護する第二の絶縁保護層を配置したことを特徴とする放電モニタに関する。【選択図】図１
2008108855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造プロセス中の静電放電によるダメージを検知する放電モニタであって、
表面が絶縁性の基板上に、
少なくとも２つ以上の電荷収集電極と前記電極間をつなぐ低融点金属配線とから構成される放電モニタ要素を複数並列に配置するとともに、
前記放電モニタ要素の表面に絶縁保護層を配設し、当該絶縁保護層のエッチングプロセスを含む製造プロセスによる侵食を用いて、反応開始時刻を遅延させることを特徴とする放電モニタ。
【請求項２】
前記絶縁保護層は、前記低融点金属配線を保護する第一の絶縁保護層と前記放電モニタ要素を保護する第二の絶縁保護層とに分離配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放電モニタ。
【請求項３】
前記基板上に配置される放電モニタ要素において、前記第二の絶縁保護層の厚さを局所的に異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の放電モニタ。
【請求項４】
前記第二の絶縁保護層の厚さの異なる複数の放電モニタ要素を一組として、前記基板内の複数個所に配設したことを特徴とする請求項３に記載の放電モニタ。
【請求項５】
前記放電モニタ要素を配設する基板が、磁気ヘッドを含む実デバイスを形成する基板であることを特徴とする請求項１に記載の放電モニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、および磁気ディスクヘッド等のウェハプロセスにおける、素子ダメージの発生状況を監視する技術に係り、とくに、イオンミリング、プラズマエッチング等の表面加工プロセスを対象としたＥＳＤ (Electro-Static Discharge：静電気放電) 現象の検出技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
半導体、および磁気ディスクヘッド等のデバイスを製造するにあたって、イオンミリングやプラズマエッチング等の荷電粒子を用いた製造プロセスにおいて、静電気や電気的ストレスの発生によってデバイスそのものが損傷を受け、デバイスの歩留りを低下させる大きな要因の一つとなっている。
【０００３】
とくに、磁気ディスクヘッドにおける磁気抵抗素子の製造工程においては、ＥＳＤによる過大電流が磁気抵抗素子に流れて磁気特性を悪化させる可能性のある、イオンミリング工程やプラズマエッチング工程等の荷電粒子を用いた工程が存在する。こうした静電気による過大電流が磁性膜に流れ、磁性膜の温度が上昇してその磁化方向が不安定な状態になり、同時に、過大電流による磁場が磁性膜の磁化方向に影響してスピン反転を誘発することになる。また、ＴＭＲ（Tunnel-Magnet Resistance）素子においては、トンネル絶縁膜の絶縁破壊をもたらすことになる。
【０００４】
これらを防止するために、製造工程において、磁気抵抗効果素子のシールドと電極とをヒューズを介して電気的に接続することによって、磁気抵抗効果素子を静電破壊から保護することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、半導体の製造工程においても、半導体チップに複数のヒューズを組み込み、ヒューズの溶断状態を観測して印加された静電気量を評価することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、上記の特許文献１における提案の場合には、磁気抵抗効果素子毎にヒューズを設ける必要があり、製造工程数が増加するとともに、静電気発生の原因をインプロセスで究明することができないという問題を抱えている。
【０００７】
これに対して、本願発明者らは、特願２００５−３０７７３８、および特願２００６−５６０２６の先出願において、二つの電極をヒューズ配線で接続し、静電気が印加された時に誘導された電荷をヒューズ素子に流し、ヒューズ素子を溶断させることを利用した電流検出素子を提案してきた。
【０００８】
図６に、従来のＥＳＤによる破壊を検知する検知素子の構成を示す。ａは、検知素子の上面図、ｂは、ａの上面図におけるＸ−Ｘ’部分の断面図を示している。検知素子は、電極１０２および電極１０３と、それらの電極と接続するアルミニューム等の低融点金属部材よりなるヒューズ素子１００と、ＥＳＤが直接集中しないようにヒューズ素子層を保護するヒューズ保護層１０１とから構成されている。これによって、一連の製造プロセス中で発生したＥＳＤに起因するヒューズ素子の焼損が検出でき、どのプロセスの危険性が高いかを明確化し、プロセス改善の手がかりを得ることができる。
【０００９】
しかしながら、上記した従来の技術では、ＥＳＤによって対象のデバイスが損傷を受けた製造プロセスの特定はできるものの、製造プロセス中のどの段階で損傷が発生したか、ＥＳＤが発生するタイミングを特定することはできなかった。
【００１０】
例えば、イオンミリング装置においては、プロセス開始直後とプロセス終了間際のシャッター開閉時における電荷のアンバランスが危険視されているが、上述の発明では結果としてダメージが発生していることを検知することは出来るが、どのタイミングで発生したかを知ることはできず、プロセス改善の手がかりとしては不十分であった。
【特許文献１】特開２０００−３２２７１５号公報
【特許文献２】特開平０１−０１２５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、上記してきた問題点を解決するため、本発明では、図６の検出素子において、ＥＳＤによる電荷を集積する電極１０２、１０３に、所定の厚さからなる絶縁保護層を設けることによって、ＥＳＤイベント（静電放電の起動）のタイミングを遅らせ、その保護層の厚さを数段階設定して段階的にＥＳＤダメージ（損傷）を捉える構成を提供する。
【００１２】
電荷を収集する電極が常に外部環境に開放され、常時、ＥＳＤイベントを感受する構成としている前記発明に対し、電極部を絶縁物で保護した本願構成によって、電荷は電極に流入せず、ＥＳＤイベントの検知を遅らせ、保護に用いた絶縁層がイオンミリング、プラズマエッチング等のプロセスによって次第に除去された結果、電極が露出されて、その時点からのＥＳＤイベント検知を可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第一の発明は、製造プロセス中の静電放電によるダメージを検知する放電モニタであって、表面が絶縁性の基板上に、少なくとも２つ以上の電荷収集電極と前記電極間をつなぐ低融点金属配線とから構成される放電モニタ要素を複数並列に配置するとともに、前記放電モニタ要素の表面に絶縁保護層を配設し、当該絶縁保護層のエッチングプロセスを含む製造プロセスによる侵食を用いて、反応開始時刻を遅延させることを特徴とする放電モニタに関する。
【００１４】
すなわち、第一の発明によれば、イオンミリングやプラズマエッチング等の静電放電（ＥＳＤ）を伴う、半導体、磁気ヘッド等のデバイスの製造プロセスにおいて、異常な放電によるデバイスのダメージを監視する放電モニタ要素は、表面が絶縁性の基板上に、放電プロセス中の浮遊電荷を収集する２つ以上の電極と、それらをアルミニューム等の低融点部材からなる金属配線から構成され、この放電モニタ要素を複数個並列に配置させたモニタ基板において、それぞれの放電モニタ要素は、放電によるダメージを遅延させるための絶縁保護層を設けた構成とすることによって、静電放電のダメージが製造プロセス中のどの段階（時間）で発生したのかを特定することが可能となる。
【００１５】
第二の発明は、前記絶縁保護層は、前記低融点金属配線を保護する第一の絶縁保護層と前記放電モニタ要素を保護する第二の絶縁保護層とに分離配置されていることを特徴とする上記第一の発明に記載の放電モニタに関する。
【００１６】
すなわち、第二の発明によれば、まず、第一の絶縁保護層が低融点金属配線部に設けられた放電モニタ要素の表面全体に、さらに第二の絶縁保護層を設ける構成とすることによって、第一、第二の絶縁保護層の役割を機能分離させることとなり、検知対象プロセス毎に、侵食性の異なる部材構成を選択することが可能となる。
【００１７】
第三の発明は、前記基板上に配置される放電モニタ要素において、前記第二の絶縁保護層の厚さを局所的に異ならせたことを特徴とする上記第二の発明に記載の放電モニタに関する。
【００１８】
すなわち、第三の発明によれば、基板上に複数配置された放電モニタ要素における第二の絶縁保護層の厚さをそれぞれ変えることによって、静電放電で浸食される時間を変化させることが可能となり、製造プロセス中の時間に対する放電モニタの感受性を段階的に遅延させて、そのダメージが生じるタイミングを捉えることが可能となる。
【００１９】
第四の発明は、前記第二の絶縁保護層の厚さの異なる複数の放電モニタ要素を一組として、前記基板内の複数個所に配設したことを特徴とする上記第三の発明に記載の放電モニタに関する。
【００２０】
すなわち、第四の発明によれば、第二の絶縁保護層の厚さの異なる複数の放電モニタ要素を一組として、ウェハ内の複数箇所に配設する構成とすることによって、局所的に発生した静電放電のダメージに対しても発生タイミングを検知することが可能となる。さらに、本放電モニタを実デバイスウェハに組み込む場合にも本構成が好適となる。
【００２１】
第五の発明は、前記放電モニタ要素を配設する基板が、磁気ヘッドを含む実デバイスを形成する基板であることを特徴とする上記第一の発明に記載の放電モニタに関する。
【００２２】
すなわち、第五の発明によれば、例えば、磁気ディスクヘッド用ウェハに混在させることにより、磁気ヘッド素子の製造プロセス内のどこで、いつ異常が発生するのかをリアルタイムで捉えることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
以上、放電モニタ要素を複数個配設したウェハ上に、部分的に厚さの異なる絶縁保護層を堆積させることによって、反応時刻を制限した放電モニタが実現される。
【００２４】
本発明により以下の効果が生まれる。
【００２５】
従来の放電モニタは、製造プロセスにおいて対象のデバイスに与えるダメージの発生タイミングを知ることができず、プロセス改善の力点をどこに置くかという命題に回答を与えるものではなかった。本発明では、保護に用いている第二の絶縁保護層が、イオンミリングやプラズマエッチング等の表面加工プロセスによって次第に除去されて電極が露出すると、その露出した時点から静電放電イベントを検知することが可能となる。このため複数の領域における低融点金属配線の焼損状況を比較することによって、静電放電によるダメージの発生タイミングを凡そ知ることができ、また、より精緻なプロセス改善の指針を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００２７】
以下の実施例では、磁気ヘッド素子の製造プロセスへの適用を想定しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、半導体などの静電放電（ＥＳＤ）を伴う製造プロセスにも適用されうるものである。
【００２８】
磁気ヘッド素子は、基板上に導電膜や絶縁膜、ＭＲ（Magnetic Registive：磁気抵抗）膜を始めとする磁性膜などを積層した断面構造を持っている。一方、磁気ヘッド素子の製造工程では、各種の絶縁膜やシールド膜、磁性膜などを、スパッタ法などを用いて成膜する工程、フォトリソグラフィによるパターニング工程、イオンミリングやドライエッチングによるエッチング工程がある。
【００２９】
これらの工程を何度も繰り返す過程において、例えば、イオンミリングによるエッチング工程では、過剰な静電気が発生することにより導電性の電極部分に流入するイオンと電子のバランスが崩れ、素子に過剰な電流が引加され、結果的に素子が破壊する原因となる。
【００３０】
上記のような磁気ヘッド素子の製造プロセスへの適用を例として、静電放電によるダメージを検知する本発明の放電モニタについて以下に示す。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態になる放電モニタの基本構成を示す。本実施例では、放電モニタ（以後、ＥＳＤモニタと表現）において、製造プロセス中の静電放電（以後、ＥＳＤと表現）によるダメージの進行を遅らせるための絶縁保護層の厚さを４分割させた例について示している。
【００３２】
図１ａ）は、表面が絶縁されたウェハ基板を放電モニタ要素の絶縁保護層の厚さによって、ｔ０、ｔ１、ｔ２、およびｔ３の４つの分割領域の一部に放電モニタ要素が配置された例を示し、また、図１ｂ）は、放電モニタ要素の構成を示す。
【００３３】
ここで、ｔ０、ｔ１、ｔ２、およびｔ３は、後に述べるモニタの絶縁保護層５（第二の絶縁保護層）の厚さに対応した領域である。
【００３４】
ウェハ基板には、４インチのシリコン基板を用いている。また、磁気ヘッドの実デバイスであるときは、表面を絶縁性物質( 例えば、アルミナ  Ａｌ２Ｏ３) で被覆したＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ（アルミナチタンカーボン）基板が適用される。
【００３５】
ウェハ基板上に配置される放電モニタ要素は、プロセス中の電荷を収集する電極２、３（電荷収集電極）と、それらの電極間をつなぐヒューズ１（低融点金属配線）と、ヒューズ１を保護するヒューズの絶縁保護層４と、ＥＳＤによる浸食を遅らせる遅延層としてのモニタの絶縁保護層５（第二の絶縁保護層）とから構成される。
【００３６】
電極２、３の形状は、面積２００μｍ□×厚さ０．３μｍとし、Ａｕ（金）による蒸着膜を適用した。ヒューズ１の細い溶融部のサイズは、幅０．５μｍ×長さ５μｍ×厚さ０．５μｍとし、Ａｌ（アルミニューム）による蒸着膜とした。
【００３７】
また、ヒューズ１の絶縁保護層４は、スパッタリングによって０．３μｍのＳｉＯ２膜を形成させた（スピンナーによるレジスト膜による場合は１．０μｍとしている）。
【００３８】
以下に、本構成の放電モニタの作製手順について説明する。
１）ＳｉＯ２絶縁膜が施されたシリコン基板（４インチ）を用意する。
２）ヒューズ１としてＡｌ膜を蒸着法、スパッタリング法等を用いて、一面に０．５μｍの厚さに形成する。
３）レジストを塗布し、ヒューズパターンを形成し、塩素系ガスを用いたドライエッチングによってヒューズ形状を形成する。
４）続いて、電極としてＡｕ膜を０．３μｍ程度、マスク蒸着法などにより形成する。
５）ヒューズの絶縁保護層４として、ＳｉＯ２膜をスパッタリング法によって、ヒューズ１上に０．３μｍの厚さに形成させる。こうして、シリコン基板上に、複数の放電モニタ要素が形成される。
６）複数の放電モニタ要素が配列した上記放電モニタ基板に、モニタの絶縁保護層５として、レジスト膜をスピンナーを用いて１．０μｍ形成させた。
【００３９】
以上の工程によって、放電モニタが完成する。
【００４０】
上記の放電モニタは、例えば、プラズマエッチング装置のプロセスチャンバー内に導入し、プロセス中に放電モニタのレジストによる絶縁保護層が徐々にエッチングされ電極が露出されることで起動し、プロセス中の時間に対する静電放電によるダメージを捉えることが可能となった。
【００４１】
従来のＥＳＤモニタでは、デバイスへのダメージの発生タイミングを知ることができず、製造プロセス改善の指針を得るのに十分ではなかったのに対し、上記の構成になる本発明では、保護に用いているモニタの絶縁保護層５（第二の絶縁保護層）がイオンミリング、プラズマエッチング等のプロセスによって次第に除去され、電極２、３が露出すると、その露出した時点からＥＳＤイベントを検知することが可能となる。このため複数の領域におけるヒューズ１の焼損状況を比較することによって、ＥＳＤダメージの発生タイミングを凡そ知ることができ、これにより、より精緻なプロセス改善の指針を得ることが可能となる。
【００４２】
なお、監視対象の製造プロセスによるヒューズの絶縁保護層４（第一の絶縁保護層）およびモニタの絶縁層５（第二の絶縁保護層）の膜除去速度をもとに、当該絶縁保護層の厚さは実験的に決定される。ヒューズの絶縁保護層４は、モニタの絶縁保護層５と比較して高いプロセス耐性（放電耐性）を有することが好ましく、例えば、ヒューズの絶縁保護層４にはＳｉＯ２等の部材、またモニタの絶縁保護層５にはレジストが適用される。
【００４３】
また、モニタの絶縁保護層５の分割は、上記の４つの領域に限定されるものではなく、露光／現像プロセスを複数回繰り返し、絶縁膜の傾斜成長などの手法によって実現することができる。
【００４４】
さらに、ヒューズの絶縁保護層４とモニタの絶縁保護層５とが一体として形成されていても、本出願による効果を阻害するものではない。
【００４５】
図２は、本発明の実施の形態になる放電モニタの絶縁保護層の厚さと反応時間帯の関係を説明する図である。図は、ＥＳＤイベントの発生時刻とヒューズ１の焼損状況との関係を示している。
【００４６】
ある時刻に、ＥＳＤ１のイベントが発生すると、ｔ０ (絶縁保護層なし) 領域のみがＥＳＤ感受性を有するため、当該領域の放電モニタ要素のみが焼損する。一方、ＥＳＤ２のイベントが発生したタイミングでは、モニタの絶縁保護層５が削られてｔ１、ｔ２領域の電極も露出しておりＥＳＤ感受性を有する。したがって、各領域での焼損状況を比較することによって、ＥＳＤイベントの発生タイミングを凡そ推定することが可能となる。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態になるモニタ保護層の形成例−その１（電極を厚くして埋め込む絶縁層厚さを変える構造）を示す。本実施例は、図１におけるモニタの絶縁保護層５を形成する変形例−その１を示している。ａ）、ｂ）は、モニタの絶縁保護層５が、それぞれｔ２、ｔ３である場合に、電極厚さ（Ｌ）を変えて、モニタの絶縁保護層５の厚さと電極厚さの総和がＴを保った状態を示している。
【００４８】
ヒューズの絶縁保護層４の厚さと電荷収集電極（電極２、３）の厚さの和を調整し、放電モニタ要素の総厚さを一定としている。これにより、後続のプロセスにおける表面の平坦化処理等が不要となるため、実デバイスと放電モニタ素子が混在する場合に好適な構成となる。
【００４９】
図４は、本発明の実施の形態になるモニタ保護層の形成例−その２（ヒューズの下に絶縁膜を挿入する構造）を示す。本実施例は、図１におけるモニタの絶縁保護層５を形成する変形例−その２を示している。ａ）は、電極２、３の厚さ（Ｌ）が厚く、ヒューズの絶縁保護層５の厚さｔ２との総和をＴとし、電極の厚み分を補正するため、ヒューズ１の下部にヒューズ嵩上げ層６（絶縁層）を挿入した例を示し、ｂ）は、電極２、３の厚さ（Ｌ）が薄い場合で、ヒューズの絶縁保護層５の厚さｔ３との総和をＴとした例を示している。
【００５０】
ヒューズ配線の下部に絶縁膜を配設し、上記の変形例−その１に示したような電荷収集電極の厚さが異なる場合に、絶縁膜の厚さを調整する層としてヒューズ嵩上げ層６（絶縁層）をヒューズ１の下部に挿入することによって、電荷収集電極（電極２、３）の上端位置とヒューズ配線の上端の高さの関係を一定としたことを特徴とする。これにより、ヒューズ配線の厚さが薄く、電荷収集電極厚が厚い場合でも、熱膨張や膜内ストレスに起因する断線の発生可能性を極小化することが可能となる。
【００５１】
図５は、本発明の実施の形態になる複数の放電モニタ要素をセットとしてウェハ内に配置する構成例を示す。ａ）は、ウェハ内における放電モニタ要素を配置した例を示し、ｂ）は、モニタの絶縁保護層５を異なる厚さとした複数の放電モニタ要素をセットとした例（４つの異なる保護層の厚さを組としている）を示している。
【００５２】
本実施例では、モニタの絶縁保護層５の厚さが、ｔ０、ｔ１、ｔ２、およびｔ３と異なる複数の放電モニタ要素を一組として、例えば、４インチのシリコン基板からなるウェハ内の複数箇所に配設した例を示している。これにより、局所的に発生した静電放電によるダメージに対しても発生タイミングを検知することが可能となる。さらに、本放電モニタを、磁気ヘッド素子用のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ基板等の実デバイスウェハに組み込む場合にも本構成が好適となる。
【００５３】
また、実デバイスの製造プロセス内で、基板がチャージアップし、前記対象デバイスが損傷を受ける可能性のあるプロセスの場合には、工程に入る前に放電モニタ要素を形成することが望ましい。
【００５４】
以上述べてきた本発明の実施の態様は、以下の付記に示す通りである。
（付記１）  静電放電を伴う製造プロセスにおいて対象デバイスへの損傷を監視する放電モニタであって、
表面が絶縁性の基板上に、
少なくとも２つ以上の電荷収集電極と前記電極をつなぐ低融点の金属配線層とから構成される放電モニタ要素を複数並列に配置し、
前記基板上の個々の前記放電モニタ要素において前記製造プロセスにおける静電放電による浸食を遅延させる絶縁保護層を形成させたことを特徴とする放電モニタ。
（付記２）  前記絶縁保護層は、前記低融点の金属配線層を保護する第一の絶縁保護層と前記放電モニタ要素を保護する第二の絶縁保護層とを分離配置したことを特徴とする付記１に記載の放電モニタ。
（付記３）  前記基板上に配置される放電モニタ要素において、前記第二の絶縁保護層の厚さを局所的に異ならせたことを特徴とする付記２に記載の放電モニタ。
（付記４）  監視対象の前記製造プロセスによる前記第二の絶縁保護層の膜除去速度から当該第二の絶縁保護層の厚さを決定することを特徴とする付記２または３に記載の放電モニタ。
（付記５）  前記第一の絶縁保護層は、前記第二の絶縁保護層と比較して高いプロセス耐性を有することを特徴とする付記２乃至４のいずれかに記載の放電モニタ。
（付記６）  前記第一の絶縁保護層がＳｉＯ２膜であり、前記第二の絶縁保護層がレジストであることを特徴とする付記２乃至５のいずれかに記載の放電モニタ。
（付記７）  前記基板上に形成される電荷収集電極の厚さと前記第二の絶縁保護層の厚さの合計を同一としたことを特徴とする付記２乃至６のいずれかに記載の放電モニタ。
（付記８）  前記低融点の金属配線の下部に絶縁層を配設し、前記電荷収集電極の上端と前記低融点の金属配線の上端との高さ関係を一定としたことを特徴とする付記７に記載の放電モニタ。
（付記９）  前記第二の絶縁保護層の厚さの異なる複数の放電モニタ要素を一組として、前記基板内の複数個所に配設したことを特徴とする付記３に記載の放電モニタ。
（付記１０）  前記放電モニタ要素を配設する基板が、磁気ヘッドを含む実デバイスを形成する基板であることを特徴とする付記１に記載の放電モニタ。
（付記１１）  前記実デバイスの製造プロセス工程内で、前記基板がチャージアップし、前記対象デバイスが損傷を受ける可能性のある工程の前に、放電モニタ要素を形成することを特徴とする付記１０に記載の放電モニタ。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態になる放電モニタの基本構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる放電モニタの絶縁保護層の厚さと反応時間帯の関係を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態になるモニタ保護層の形成例−その１（電極を厚くして埋め込む絶縁層厚さを変える構造）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になるモニタ保護層の形成例−その２（ヒューズの下に絶縁膜を挿入する構造）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる複数の放電モニタ要素をセットとしてウェハ内に配置する構成例を示す図である。
【図６】従来のＥＳＤによる破壊を検知する検知素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  ヒューズ
２  電極
３  電極
４  ヒューズの絶縁保護層
５  モニタの絶縁保護層
６  ヒューズ嵩上げ層
【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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