(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置の動作をオンウエハで計測することができるオンウエハ・モニタリング・システムであって、
シリコン基板上に設けた、１つ又は複数のセンサ部，電源部，及び、外部との信号を入出力する入出力部を備え、
前記センサ部には、半導体デバイスに該当するＳｉＯ２層のパターン部分と、該パターン部の下に位置する分析素子部分とを有し、該パターン部分と該分析素子部分を貫通する微細穴を有し、該分析素子部分にはプラズマのイオン及び電子をエネルギーにより分離するために、複数の電極とを有するとともに、該パターン部分の直下の複数の電極の一番上である電極は前記シリコン基板と同電位とし、
前記電源部は、プラズマ電位より電力を取り出すか、又は、ＰＬＺＴ素子の起電力により電力を取り出す
ことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項２】
請求項１に記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサ部の複数の電極はＡｌ電極であり、それぞれのＡｌ電極間はγ−Ａｌ２Ｏ３で絶縁されている
ことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項３】
請求項２に記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記Ａｌ電極の側面は、薄い酸化膜皮膜で覆うことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記入出力部は、光で外部との信号の入出力を行うことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサとして、センサ部底部にコレクタ電極を有し、該コレクタ電極におけるイオン電流を測定して、イオン・エネルギー分布を得るイオン・エネルギー・分析器を含むことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサとして、パターン内に入射する光を絶縁膜中に発生する光誘起電流で検出するフォトン検出器を含むことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項７】
請求項６に記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記フォトン検出器は、前記絶縁膜上に金属薄膜を形成し、該金属薄膜を透過した光のなかで、該金属の仕事関数と前記絶縁膜の伝導帯底とのエネルギー差に相当するエネルギー以上の光を検出することを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサとして、フォトダイオードで光を検出するフォトン検出器を含むことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサとして、電子銃からの電子とラジカル又はイオンとの衝突による発光を検出することでラジカルやイオンを特定するイオン・ラジカル分析器を含むことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記イオン・ラジカル分析器は、発光検出のために分光器を有することを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のオンウエハ・モニタリング・システムにおいて、
前記センサとして、電子電流，電子エネルギー分布，イオン電流，電子温度，電子密度，又は、電荷蓄積量の少なくとも１つを検出するプローブを含むことを特徴とするオンウエハ・モニタリング・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はプラズマ処理装置において、ウエハ表面でプラズマを計測するためのマイクロ・ナノセンシング・システム技術に関する。
【０００２】
【技術的背景】
図１に、半導体製造工程に用いられるプラズマ処理装置１００の概略を示す。この図において、プラズマ処理装置１００で、プラズマ１１０を用いて、レジスト１３２でマスクした基板１３０を加工処理しているところを示している。プラズマ１１０は、真空（１Ｔｏｒｒ〜１０−４Ｔｏｒｒ）中に、ガス（Ｃｌ２等）を導入し、高周波電界（４００ｋＨｚ〜２．４５ＭＨｚ）を印加して、プラズマ１１０を発生させている。このプラズマ１１０を用いて、レジスト１３２でマスクした基板１３０に基板電源（４００ｋＨｚ〜１３．５６ＧＨｚ）を印加することにより加工処理を行っている。このプラズマ処理装置では、プラズマの気相反応制御（電子エネルギー分布制御，ガス分子構造の最適化，滞在時間制御等）と基板の表面反応制御（基板温度制御，表面不純物制御，反応生成物制御，基板バイアス制御等）を行う必要がある。
このプラズマ処理装置の評価方法としては、代表的なラングミュアー・プローブ等の探針を用いる評価方法がある。この探針を用いる評価方法は、プラズマ内部の特性を計測するのみで、プラズマより被処理材料に入射する各種粒子の密度やエネルギーの測定は不可能である。
【０００３】
プラズマ処理装置により加工または堆積される被処理材料基板のパターン寸法は、数１００ｎｍのオーダーにまで微細化が進んでいる。したがって、このような微細パターンの内部にプラズマから入射する各種粒子の特性を計測する必要性が高まっている。
処理対象の基板に入射する粒子の特性を計測するために、平板にピンホールを形成し、その背後に阻止電界型エネルギー分析器を設置して、入射する粒子の計測を行っている。このような従来の方法は、ピンホールのサイズが〜ｍｍ程度と、実際の加工寸法とはかけ離れた値となっており、精密な入射粒子の計測が不可能であった。また、エネルギー分析器の分析管内での粒子間の衝突によるエネルギーや荷電状態の変化を抑制するために、差動排気システムが必要になるなど、現実の稼働中のプラズマ処理装置での測定は、事実上不可能であった。
このように、従来のプラズマ計測システムは装置が大掛りであり（プローブ、質量分析器等）プラズマへの擾乱も大きい。このため、最も重要であるマイクロ・ナノスケールでエッチング反応の進むウェハ表面上でのプラズマ計測は、従来のプラズマ計測システムでは不可能である。加えて装置コストも高いことなどから実際の生産装置に適用することが困難であった。
さて、半導体製造工程の微細加工の代表例として、シリコン酸化膜のプラズマ・エッチングが挙げられる。シリコン酸化膜のエッチングに寄与するためには、数１００ｅＶのエネルギーを有するイオンが必要である。このイオンのエネルギー分布を阻止電界型エネルギー分析器で計測しようとする場合、阻止電界発生電極に高電圧を印加する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プラズマ処理装置で、加工対象である基板の位置におけるモニタが可能であるオンウエハ・モニタリング・システムの提供である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、プラズマ処理装置の動作をオンウエハで計測することができるオンウエハ・モニタリング・システムであって、シリコン基板上に設けた、１つ又は複数のセンサ部，電源部，及び、外部との信号を入出力する入出力部を備え、前記センサ部には、半導体デバイスに該当するＳｉＯ２層のパターン部分と、該パターン部分の下に位置する分析素子部分とを有し、該パターン部分と該分析素子部分を貫通する微細穴を有し、該分析素子部分にはプラズマのイオン及び電子をエネルギーにより分離するために、複数の電極とを有するとともに、該パターン部分の直下の複数の電極の一番上である電極は前記シリコン基板と同電位とし、前記電源部は、プラズマ電位より電力を取り出すか、又は、ＰＬＺＴ素子の起電力により電力を取り出すことを特徴とする。
前記センサ部の複数の電極はＡｌ電極であり、それぞれのＡｌ電極間はγ−Ａｌ２Ｏ３で絶縁してもよい。このＡｌ電極の側面は、薄い酸化膜皮膜で覆ってもよい。
前記センサとして、センサ部底部にコレクタ電極を有し、該コレクタ電極におけるイオン電流を測定して、イオン・エネルギー分布を得るイオン・エネルギー・分析器を含むことができる。
前記センサとして、パターン内に入射する光を絶縁膜中に発生する光誘起電流で検出するフォトン検出器であり、このフォトン検出器は、前記絶縁膜上に金属薄膜を形成し、該金属薄膜を透過した光のなかで、該金属の仕事関数と前記絶縁膜の伝導帯底とのエネルギー差に相当するエネルギー以上の光を検出することもできる。
また、前記センサとして、フォトダイオードで光を検出するフォトン検出器を含むことができる。
前記センサとして、電子銃からの電子とラジカル又はイオンとの衝突による発光を検出することでラジカルやイオンを特定するイオン・ラジカル分析器を含むことができ、このイオン・ラジカル分析器は、発光検出のために分光器を有することができる。
前記センサとして、電子電流，電子エネルギー分布，イオン電流，電子温度，電子密度，又は、電荷蓄積量の少なくとも１つを検出するプローブを含むこともできる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明におけるオンウエハ・モニタリング・システムの基本構造を図２および図３に示す。
図２において、オンウエハ・モニタリング・システム２００は、基板上にセンサ等を作成して、プラズマ処理装置１００中の処理対象基板の位置に置かれていることを示している。オンウエハ・モニタリング・システム２００は、図３に示すように、基板上に作成された各種センサと、光で外部とデータの入出力を行うデータ入出力部２１０と、これらに電源を供給している電源部２５０とを備えている。オンウエハのデータ入出力部２１０は、外部に設置されている光による入出力部である、レーザ・ダイオード（ＬＤ）３２０やフォト・ダイオード（ＰＤ）３３０と接続されており、外部からの指令を受信したり、モニタしたデータを外部に送信する。
図２や図３に示したオンウエハ・モニタリング・システム２００では基板上に、センサとして、イオン・エネルギー・アナライザ４００，ＶＵＶフォトン検出器５００，ラジカル・イオン種発光分光装置６００を備えた例である。これらのセンサの構成は後で詳しく説明する。
【０００７】
図３に示すように、これらの測定系をＳｉウエハ上に集積することで、様々なプラズマプロセス装置での計測を、容易に行なうことができる。図３には、電圧駆動系、信号検出系をＳｉウエハ上に電気回路を形成することで構築した例を示したが、Ｓｉウエハ上に、受光素子、発光素子を設置することで、センサーの駆動や信号の検出を、光を用いて真空装置の外から制御することもできる。本発明の特徴は、微細なセンサを用いて、プラズマ・プロセスの計測をワイアレスで行なうことにある。基本的に、オンウエハ・モニタリング・システムのセンサー部はマイクロマシン技術、信号処理部分はＬＳＩ技術を用いて開発する。
ワンチップのサイズについては、例えば２ｃｍ×２ｃｍ程度である。ウエハ・サイズは、最終的に８インチおよび１２インチである。また、ＴＥＧ（test element group）的なものではなく、専用ウエハに作りこみ、ウエハ面内の分布も全て計測できるものとする。
この様にして、イオン・エネルギー・アナライザ、イオン・エネルギー・アナライザーをベースとしたプローブ、フォトン検出器、およびイオン種・ラジカル種発光分光器をロックイン・アンプ、フォト・ダイオード、メモリ回路、スイッチング回路、フィルター回路、入出力信号系のＬＳＩと集積化し、さらに電源系も１チップに作りこむ。データの送受信は全て光インターコネクトで行い、完全なワイアレス・インライン・システムを構築することができる。
また、図２に示すように、このオンウエハ・モニタリング・システムを用いて、取得したデータをワイヤレスでコンピュータ３１０に送信することにより、リアルタイムでプラズマ処理のプロセスをシミュレーションできる。また、このシミュレーションによる予測を、プラズマ発生装置にフィードバックして、プロセス進行中にプロセスを制御することもできる。
【０００８】
＜入出力部＞
信号のワイアレス送受信のためには、フォト・ダイオード（ＰＤ）による光インターコネクト技術を用いている。
図４に入出力部の構成例を示す。図４（ａ）は、フォト・ダイオード２１２及び２１４による受信部を示している。外部のレーザ・ダイオード（ＬＤ）からの光信号による指令は、フォト・ダイオード２１２により受信され、バックグランド光を受けているフォト・ダイオード２１４からの出力と作動アンプ２１６により差を取られる。その後、選択回路２１８により、各センサ等に指令として送られる。
このように、光信号により、外部とオンウエハ・モニタリング・システム２００とをワイヤレスで通信することができる。
【０００９】
＜電源＞
さて、各種センサに供給する電源２５０は、基板上に作成されており、プラズマ処理装置１００のプラズマにより発生するポテンシャル（数十Ｖ〜数百Ｖ）を利用して、電圧可変回路と結びつけることで電圧を制御している。
図５に電源部２５０の構成例を示している。図５において、プラズマ１１０におけるプラズマ空間電位とグランドとの電位差を電極２７１〜２７３で受けている。この電位差を受けて、トランジスタ２５２〜２５４及びトランジスタ２５５〜２５７をデコーダで流れる電流を制御することで、所望の電圧Ｖ＝ｎＲＩを得ている。なお、Ｒは抵抗２６２〜２６４の抵抗値，ｎは抵抗の個数である。
より高電圧が必要な場合には、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）素子を用いる。この素子では３ｋＶ／ｃｍ程度の電圧の供給が可能である。この例を図６に示す。図６において、分極処理をしたＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）素子２８０に対して波長３６５ｎｍ以上の紫外光を照射すると、その照射光強度に対応した内部電流が流れ、電極２８２及び電極２８４の間に、電極間距離に応じて３．３ｋＶ／ｃｍの電圧が生じる。使用する紫外光としてはプラズマからの紫外光や外部から照射した紫外光を用いる。これにより、高電圧の電源をオンウエハ・モニタリング・システム２００内部に設置することができる。このように、オンウエハ・モニタリング・システム２００に供給する電源には、図５に示すようにウエハ上に発生したポテンシャルを取り出すことや、図６に示すように紫外線照射によって高電圧を発生させることの可能なＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）素子を用いることができる。
【００１０】
＜オンウエハ・イオン・エネルギー・アナライザ＞
まず、オンウエハ・モニタリング・システム２００に搭載するセンサの例として、図７及び図８を用いて、イオン・エネルギー・アナライザの構成について説明する。図７（ａ）は上から見た平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’を切断した断面図である。図７（ｂ）の半導体デバイスに該当するパターン・サイズを有する部分（図ではＳｉＯ２４２１）と、分析素子部分の下層にあるコレクタ電極４１３は、例えば図７（ａ）に示すようなジグザグの線状に形成する構造としている。図８は、図７に示した電極等を用いた測定装置全体の構成を示している。
半導体デバイスに該当するパターン部分（ＳｉＯ２４２１）と、分析素子部分とを別々に有するために、分析素子部分に所定の微細穴（例えば１００ｎｍ）さえ形成しておけば、分析素子における穴径や深さは、数μｍまでのオーダで自由に設計することが可能となる。表面のシースやプラズマに対する擾乱は、デバイ長よりも小さいパターン・サイズにすることで防ぐことができる。
イオン・エネルギー・アナライザは、高アスペクト・パターン内で電圧・電流特性を測定できることが必要である。そのため、図７に示すように、プラズマ処理対象であるＳｉＯ２層４２１のパターンの下に電圧を印加する電極を埋め込むこととなる。印加する電圧は、シリコン酸化膜エッチングまで想定すると、〜１ｋＶと極めて高いため、絶縁膜材料には高耐圧が必要である。そのため、材料の選定が極めて重要である。現状ではアルミを陽極酸化したＡｌ２Ｏ３を用いるとよい。
【００１１】
側壁電極には、電子リターディング電圧印加用電極４２４、イオン・エネルギー分離電圧用電極４２６、２次電子除去電極４２８が配置されている。各電極には、図８に示すように、流入電子の阻止電圧Ｖ１４６２、イオン・エネルギー分離用電圧Ｖ２４６４、２次電子除去電圧Ｖ３４６６が印加される。また、一番上（ＳｉＯ２層４２１の直下）の側壁電極４２２は、図８に示すように、Ｓｉ層４１１と直結して同電位としている。これは、通常のプラズマ・エッチング処理では、ＳｉＯ２層４２１の下はＳｉ層４１１であり、それをこのセンサで模擬的に実現するために行っている。
各電極の電圧を適当に設定することで、エッチング・パターン（図７ではＳｉＯ２層４２１）に入射する、電子電流／エネルギー、イオン電流／エネルギーの計測が行なえる他、入射粒子の中から、電子・イオンといった荷電粒子を除去し、中性粒子・フォトンの取り出しが可能である。
【００１２】
イオン・エネルギー・アナライザ等では、入射イオン・エネルギーを分離するために、数百Ｖ以上の高電圧をミクロ領域に印加しなければならず、絶縁膜には高耐圧であるＡｌ２Ｏ３が用いられている。電圧を印加するアルミ電極表面は薄い酸化膜皮膜で覆われており、ポリマーなどの堆積物があっても影響を受けない構造になっている。
イオン・エネルギー・アナライザ４００では、イオン・エネルギー分離用電圧Ｖ２４６４として、図８に示すように、直線的に増加する電圧と、周波数発生器４５２からの一定周波数の電圧とを合成した電圧を印加する。そして、コレクタ電極４１３に流れる微小なイオン電流を測定するため、プラズマからのノイズに関してはロックイン・アンプ４５４を用いてノイズを除去して、電圧・イオン電流特性を測定する。その値を微分することでイオン・エネルギー分布を算出している。
【００１３】
個々の電極は絶縁材料で分離されており、本発明では、電界コンデンサのバリア皮膜として用いられている高耐圧のγ−Ａｌ２Ｏ３を電極間の絶縁材料として使用している。計測する荷電粒子のエネルギーに応じて、他の絶縁材料（ＳｉＯ２やその他のセラミック材料）を用いても構わない。また、計測の種類や必要な測定精度によっては、阻止電界発生用の電極の数を減じても構わない。
実際のプラズマ・プロセス中では、上記構造上に堆積物が形成される場合があり、この堆積物による阻止電界の変動が問題になる。例えば、ＳｉＯ２をエッチングする場合、Ｃ−Ｆ系ガスを用いて行うと、側壁電極にテフロン（登録商標）のような構造を有する有機物が堆積する場合がある。本発明では、側壁に露出する電極表面に十分容量の大きな皮膜（例えば、Ａｌ２Ｏ３）を形成しておくことで、堆積物が測定に与える影響を抑えている。
【００１４】
表面のシースやプラズマに対する擾乱は、デバイ長よりも小さいパターン・サイズにし、また、センサー表面は基板と同電位にすることで殆ど抑制することができる。
ノイズに対してはロックイン・アンプを用い、ノイズを除去してイオン電流を測定する方法を用いている。上述のように、基板内にロックインアンプ回路を形成することも可能であるが、光インターコネクトを用いて信号を外部に送信して、外部にロックインアンプを設置しても良い。
上述のオンウエハ・イオン・エネルギー・アナライザ４００は、ＳｉＯ２層のパターン内にあけた微細穴構造に入射するイオン・エネルギー分布を、プラズマからのノイズや堆積膜の影響無しに計測することができる。
【００１５】
このイオン・エネルギー・アナライザの構造は、半導体デバイス製造技術を応用して、Ｓｉウエハ上に形成される。図９，図１０は、製造過程の１例である。
図９（ａ）（１）において、シリコン基板４１１を酸化して、基板上に酸化膜４１２を形成し、アルミニウムを成膜した後、例えば図７（ａ）に示すように、ジグザグの線状にパターニングして、アルミニウム電極（コレクタ電極４１３）を形成する。次に、陽極酸化してアルミニウム層上にγ−Ａｌ２Ｏ３層を形成すると共に、形成したＡｌ２Ｏ３層に対して、ＲＩＥ（reactive ion etching）を行い、微細穴を形成する（図９（ａ）（２）参照）。
図９（ｂ）（１）〜（３）に示すように、ＳｉＯ２層をコレクタ電極のＡｌ層４１３上に保護のためにＣＶＤ（chemical vapor deposition）により形成して、形成したＳｉＯ２層をＣＭＰ（chemical mechanical polishuing）することで、γ−Ａｌ２Ｏ３層とそろえて平坦にする。その上にアルミニウムをスパッタして電極を形成する。次にその電極にＲＩＥを行って微細穴を形成した後、陽極酸化して、γ−Ａｌ２Ｏ３層４２７を形成する。この陽極酸化を行うときに、アルミニウムの電極の側面に露出している部分にＡｌ２Ｏ３層を形成している。
この後に、γ−Ａｌ２Ｏ３層上のアルミニウム電極のスパッタ、ＲＩＥによる微細穴形成、陽極酸化によるγ−Ａｌ２Ｏ３層形成を、複数回（図では２回）繰り返して、最後にアルミニウム電極のスパッタ、ＲＩＥによる微細穴形成を行ったものが図９（ｃ）に示されている。
次に、図１０（ｄ）（１）に示すように、先ほどＣＶＤにより形成した保護のためのＳｉＯ２層をＲＩＥにより取り除き、その後、微細穴内を含めて多結晶シリコンを形成する。そして、多結晶Ｓｉをエッチバックして平坦化する（図１０（ｄ）（２）参照）。そして、図１０（ｅ）に示すように、平坦化した平面上にＳｉＯ２層を形成し、形成したＳｉＯ２層に微細穴をＲＩＥにより作成する。最終的に、多結晶シリコンをＲＩＥにより取り除き、微細穴をコレクタ電極４１３まで貫通させる（図１０（ｆ）参照）。
このようにして、イオン・エネルギー・アナライザを、半導体デバイス製造技術を応用して、Ｓｉウエハ上に形成することができる。
【００１６】
＜オンウエハ・フォトン検出器＞
オンウエハ・フォトン検出器は、パターン内に入射する真空紫外光（ＶＵＶ）などの光の強度や波長などを、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜などの絶縁膜中に発生する光誘起電流に変換して測定する。それぞれの材料のエネルギー・バンドギャップを越えるエネルギーを持つ光を検出するここができる。例えば、シリコン酸化膜は８．８ｅＶであり、真空紫外光を計測することができる。シリコン窒化膜は５ｅＶであり、シリコン酸窒化膜は前２つの値の間の値である。
また、絶縁膜上に１μｍ程度の金属薄膜を置くと、その金属内の電子密度で決まるプラズマ振動数を超える光のみ透過する。さらに、この金属膜を極薄膜化することで、プラズマ振動数以下の波長も透過する。このとき、金属の仕事関数と絶縁膜の伝導帯底とのエネルギー差に相当する光が、金属膜と絶縁膜との界面で吸収され、絶縁膜伝導帯に電子キャリヤを生成する、即ち光誘起電流が発生する。これにより、特定の波長の光を検出することができる。金属の種類・膜厚を変えることで、固有のプラズマ振動数あるいは仕事関数を変化させることができる。絶縁膜の種類・膜厚を変えることで固有のバンドギャップを変化させることができる。これにより、絶縁膜材料，金属，半導体（Ｓｉ）を組み合わせることで、様々な波長の光を検出することができる。さらに、放射光だけパターン内に入射できるように電子やイオンをリターディングする電圧を印加して測定することもできるし、金属膜を絶縁膜上に堆積することによっても、電子やイオンを除去することができる。
フォトン検出器５００の構成を図１１（ａ）に示す。その構造は、図７に示したイオン・エネルギー・アナライザ４００と基本的に同じであるが、図１１（ａ）に示すように、底部の電極５１３の表面にＳｉＯ２膜５１４がカバーされている。前述のように、このシリコン酸化膜５１４は、シリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜等の絶縁膜でもよく、絶縁膜の種類や厚さにより検出する光の波長を特定することができる。この絶縁膜５１４は、光の波長に対する吸光度が既知であり、膜厚を制御して設置している。この絶縁膜５１４中に発生する光誘起電流を、コレクタ電極５１３で集めて測定することでフォトンを測定する。コレクタ電極５１３に流れる電流をモニターすることで、パターン内に入射する光の波長に関する情報を得ることができる。
また、図１１（ｂ）に示すように、コレクタ電極の代わりに、Ｓｉ基板５６１に４５°の角度で加工した鏡５６３を形成し、入射した光のみを反射させ、フォトダイオード５５０で入射光強度を計測する構成としてもよい。
図１１（ａ）及び（ｂ）のフォトン検出器５００においても、それぞれの電極には、図８に示したイオン・エネルギー・アナライザと同様の電圧を印加して、電子やイオンをコレクタ電極等には届かないようにしている。また、作成方法も図９及び図１０と同様である。
【００１７】
＜オンウエハ・ラジカル・イオン種発光分光装置＞
オンウエハ・ラジカル・イオン種発光分光装置は、基板に入射してくるイオンおよびラジカル種を特定するために、質量分析器の代わりに使用されるものである。質量分析器は質量を分離するのにある程度の距離が必要となり、シリコン基板上に作りこむことが難しい。また、長い距離輸送することで損失したり種々の反応が生じる可能性があり精度の良い測定が難しい。そこで、ミクロな領域でのイオン種、ラジカル種の特定が実現でき、微細化・集積化に対応できるマイクロ電子銃を用いた発光分光器を開発した。
図１２に示すオンウエハ・ラジカル・イオン種発光分光装置６００は、パターン６４４内に入射してくるイオン、電子、ラジカルを上述したイオン・エネルギー・アナライザで用いたものと同様の電極構造（６３８〜６４４）を用いて分離する。これらの電極には、電子を阻止する電圧６２２やイオンを阻止する電圧６２４を印加する。なお、ここで用いている電極構造はシリコンと窒化シリコンで構成しているが、図７と同様にＡｌとＡｌ２Ｏ３を用いてもよい。
入射ラジカルおよびイオンは、マイクロ電子銃６１０により生成されるエネルギー可変電子ビームにより発光し、その発光をマイクロ分光器に伝搬して分光する。発光を分光器に伝搬させるために光導波路６４５を用いる。分光器は２０ｎｍ以下の分解能で分光を行える。
また、同時にラジカルの電子ビームによるイオン化電位をイオン・コレクタ電極６１５により測定し、発光分光と併せてラジカルなどの特定を行える構造となっている。これは、電源６１４の電圧を変化させ、イオン・コレクタ電極６１５への印加電圧を変化させて電圧−電流特性を測定し、中性粒子固有の出現電位を求めることで、ラジカル放出を検出することができる。
【００１８】
イオン種、ラジカル種を検出する発光分光器では、イオンやラジカルを発光させるための電子ビーム源をマイクロ電界放出型電子銃を用いて製作する。これを図１３，図１４を用いて説明する。
図１３は、論文（ＪＪＡＰ  ３６（１９９７）Ｌ９３９）に記されている電界放出型電子銃である。この電子銃は、シリコン基板６５１上の酸化膜６５２にアルミの電極を設けている。この上にシリコン層６５４とシリコン酸化膜６５５を設けてプラチナの電極６５６を生成している。また、プラチナ電極６５６の１ｃｍ上に、電子を放出するための電界を印加するための電極６５７を設けている。アルミ電極６５３とプラチナ電極６５６間に電圧１１０Ｖ，プラチナ電極６５６とその上の電極６５７との間に電圧５ｋＶを印加すると、放出電子密度１．４ｍＡ／ｃｍ２が得られている。
さて、電界放出電子電流に関するFowler-Nordheimの式は、仕事関数φ［ｅＶ］及び電界強度Ｆ［Ｖｃｍ−１］に依存しており、電流密度Ｊ０に対して以下のことが成り立つ。
【数１】
0004175456.tif 000002
ここで、電極間隔１ｃｍ，印加電圧５ｋＶとすると、電界強度は５×１０３［Ｖ／ｃｍ］となり、これをマイクロ化して電極間隔を１／１０００とすると、同じ電界強度を得るために、５Ｖを印加すればよいことになる。
【００１９】
これを実現したものが図１４に示した電子銃である。図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は上から見た平面図である。図１３と同様の構成で、アルミニウム電極６３２，シリコン層６３３，ＳｉＯ２層６３４，プラチナ電極６３５と、プラチナ電極６３６とで電子銃を構成している。電極６１５のカバー６１６やデポ避け用カバー６３７はＳｉ３Ｎ４で作成されており、電極６１５やプラチナ電極６３５に堆積物が着くことを阻止している。
電子銃による発光は、ＳｉＯＮ膜をＳｉＯ２膜で挟んだ構造のものか、ＳｉＯ２表面にＭｇをドーピングした構造の導波路６４５により伝搬され、マイクロ分光器６５０で分光解析される。
【００２０】
マイクロ分光器６５０の構成を図１５で説明する。図１５に示すように、入力光を、光導波路に設けた例えばのこぎり歯状に加工したブレーズド格子６９０で反射することで、波長λ１〜λ３にスペクトル分解して、受光素子６７４〜６７８で検出している。このように回折素子を半導体素子で作成することで、マイクロ分光器６５０を構成している。光導波路は、（ａ）に示すように屈折率が低い（ｎ２）層の中に高い（ｎ１）層を形成するか、（ｂ）に示すように屈折率が低い（ｎ２）層で高い（ｎ１）層を挟むように形成する。この屈折率の違う層を作成するには、ＳｉＯ２層にイオンドープにより屈折率が低い部分を作成するか、ポリイミドで導波路を形成してもよい。
マイクロ分光器を用いることで、微小な光でも感度良く検出される。ラジカルの場合には、同時にイオン化された電流値を観察することで、出現電位をモニタリングする。これら個別マイクロ・センサ技術を集積化する。
【００２１】
オンウエハ・ラジカル・イオン種発光分光装置６００の製造過程の１例を図１６及び図１７を用いて説明する。
図１６（ａ）では、シリコン基板６３０上に酸化膜６３１を形成している。その酸化膜６３１上にシリコンを堆積してエッチングすることで、Ｓｉ層６３３を形成する（図１６（ｂ）参照）。このＳｉ層６３３にアルミニウムを蒸着することで電極６３２を形成する（図１６（ｃ）参照）。また、Ｓｉ層６３３上にＳｉＯ２を堆積してエッチングすることでＳｉＯ２層６３４を形成する（図１６（ｄ）参照）。
次に、図１６（ｅ）に示すように、プラチナを堆積してパターニングすることで、電極６３５と電極６３６を形成する。そして、Ｓｉ３Ｎ４を堆積してエッチングすることで、電極に対して保護を行うカバー６３７，６１６を形成する（図１６（ｆ）参照）。
図１７（ｇ），（ｈ）に示すように、ＳｉＯ２（犠牲層を含む）を堆積してエッチングするとともに、形成したＳｉＯ２上にＳｉ３Ｎ４を堆積してエッチングすることで、電極６１５に対するカバー６１６を完成する。次に、導波路６４５を作成するために、ＳｉＯ２を堆積してエッチングするとともに、イオンドープを行う（図１７（ｉ）参照）。
図１７（ｊ），（ｋ）に示すように、プラズマからの電子やイオンを阻止するための電極を形成するために、Ｓｉ３Ｎ４を堆積してエッチングした後に、この電極形成時に使用したＳｉＯ２の犠牲層もエッチングして取り除く。なお、図１７（ｊ），（ｋ）のときに、図示していないが、パターン層として、例えば図１２のＳｉＯ２層６４４や電極Ｓｉ６４３も形成する。
【００２２】
電子銃の他の構成を図１８に示す。図１４には、４角形で３辺から電子放出し、１辺に導波路６４５を設置する構成が記載されているが、図１８に示すように、形状を円形としてもよい。図１８において、同心円の電子放出用電極７１２とメッシュ電極７１４間に電圧を印加することで、電子銃から放出される電子を特定領域（同心円の中心部分）７１６に集中させることができる。
また、図１９は、イオン・ラジカル分析器で、電子銃による発光を観測するための分析器として、光干渉多層膜と光ダイオードとを組み合わせた構成を使用するイオン・ラジカル分析器の概略を示す。図示の概略構成は、中性粒子等の電子衝突による発光を、光干渉多層膜で構成した狭帯域透過光学フィルタ８４４と光ダイオード８４３で検出している。このイオン・ラジカル分析器の構成の電子銃８１０としては、図１８に示した電子銃の構成を用いることが適している。なお、光ダイオード８４２は、光干渉多層薄膜８４４を透過する紫外線等の光を検出しているフォトン検出器を構成している。
【００２３】
＜オンウエハ・プローブ＞
オンウエハ・プローブは、図２０に示すように、基本的に図７に示されているイオン・エネルギー・アナライザと同じ構造で、底部電極であるコレクターで電圧電流測定を行う。エッチング・パターン内に入ってくる電子電流、電子エネルギー分布，イオン電流、電子温度、電子密度、電荷蓄積量などの測定を、各電極に印加する電圧等を制御することで行うことのできるマイクロ・プローブである。これをオンウエハ・モニタリング・システムのセンサとして搭載することもできる。
【００２４】
＜その他の応用＞
図７や図２０に示したセンサ構造をプラズマにさらした後、各電極間に一定電圧を印加し、電極間を流れる電流を測定することで、側壁導電性のアスペクト依存性を容易に測定することができる。
また、各電極をそれぞれ、フラッシュ・メモリの制御電極に接続しておき、プラズマにさらした後、浮遊電極に蓄積された電荷を、制御電極のＶｔｈシフトとして測定することで、プラズマ・プロセスによる帯電量の深さ依存性を、一度に評価可能となる。
【００２５】
＜デポの影響＞
本発明におけるプラズマ・オンウエハ・モニタリングは、主にプラズマ・エッチング・プロセスを想定している。特にシリコン酸化膜エッチングにおけるポリマー堆積などによりモニタリングに影響を及ぼすことが考えられる。そこで、本発明では、ポリマー堆積膜の影響を最小限に抑える工夫を行っている。イオン・エネルギー・アナライザにおいては側壁に電圧を印加して電子のリターディングやイオンのエネルギー分離を行うので側壁へのポリマー堆積は影響を与える。そこで、側壁電極表面を薄い絶縁膜で覆うことで、ポリマーなどの堆積があっても側壁の容量が殆ど変化しない状況を作ることができ、電圧変動などを抑制することができる。
また、コンタクト・ホール底部のイオン・コレクタ電極部分には高エネルギー・イオンが常に衝撃するのでポリマーの堆積は極めて少ないと言えるが、信頼性を高め、繰り返し使用回数を長くするためには、測定終了後に底部に高電圧を印加してＡｒイオンあるいは酸素イオンにて表面をクリーニングできるようなシーケンスを組む必要がある。これはプローブやフォトン検出器についても同様の方法で堆積膜の影響を抑制することができる。一方、イオン種・ラジカル種発光分光分析装置に関して、入射イオン・レンズ系はイオン・エネルギー・アナライザと同様の工夫により堆積膜などの影響を制御することは可能である。
マイクロ電子銃および光導波路、マイクロ分光器については、電子銃をカバーする窒化膜スリットを設置したりレイアウトを工夫して、ラジカルが届かないようにする工夫をしている。
【００２６】
＜素子によるイオン・シースの擾乱、素子温度の上昇、電磁ノイズ対策＞
素子によるイオン・シースの擾乱については、基板表面の電極とシリコン基板を同電位にすることで防ぐことができる。また、素子温度の上昇に関しては、全てのセンサーをシリコン基板内部にμｍオーダー・サイズで作りこむため、エッチング装置の基板冷却により十分に制御することが可能である。電磁ノイズについては、ロックイン・アンプの回路をシリコン基板中に作りこみ、ノイズを除去してイオン電流を測定することで解決できる。
【００２７】
【発明の効果】
上述するように、本発明のオンウエハ・モニタリング・システムは、プラズマ処理装置を計測するもので、プラズマ処理装置には何も改造を加えることなく、加工対象である基板の位置におけるモニタがオンラインで可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ処理装置の概要を示す図である。
【図２】本発明のオンウエハ・モニタリング・システムの概略構成を示す図である。
【図３】オンウエハ・モニタリング・システムのウエハ上の構成例を示す図である。
【図４】オンウエハ・モニタリング・システムの入出力部の構成を示す図である。
【図５】オンウエハ・モニタリング・システムの電源の構成を示す図である。
【図６】電源の別の構成を示す図である。
【図７】オンウエハ・イオン・エネルギー・アナライザの構造を示す図である。
【図８】イオン・エネルギー・アナライザの測定系を示す図である。
【図９】イオン・エネルギー・アナライザの製造工程を示す図である。
【図１０】イオン・エネルギー・アナライザの製造工程の続きを示す図である。
【図１１】フォトン検出器の構成を示す図である。
【図１２】イオン・ラジカル分析器の構成を示す図である。
【図１３】電子銃の基本構成を示す図である。
【図１４】イオン・ラジカル分析器に使用する電子銃の構成を示す図である。
【図１５】マイクロ分光器の構成を示す図である。
【図１６】イオン・ラジカル分析器の製造工程を示す図である。
【図１７】イオン・ラジカル分析器の製造工程の続きを示す図である。
【図１８】電子銃の他の構成を示す図である。
【図１９】イオン・ラジカル分析器の他の概略構成を示す図である。
【図２０】マイクロ・プローブの構成を示す図である。
【符号の説明】
１００        プラズマ処理装置
１１０        プラズマ
１３０        シリコン基板
１３２        レジスト
２００        オンウエハ・モニタリング・システム
２１０        データ入出力部
２１２，２１４              フォト・ダイオード
２１６        作動アンプ
２１８        選択回路
２５０        電源部
２５２，２５３，２５４，２５５，２５６，２５７          トランジスタ
２６２，２６３，２６４      抵抗
２７１，２７２，２７４      電極
２８０        ＰＬＺＴ素子
２８２，２８４              電極
４００        イオン・エネルギー・アナライザ
４１１        シリコン基板
４１２        酸化膜
４１３        コレクタ電極
４２１        ＳｉＯ２層
４２２        側壁電極
４２４        電子リターディング電圧印加用電極
４２６        イオン・エネルギー分離電圧用電極
４２７        絶縁層
４２８        ２次電子除去電極
４５２        周波数発生器
４５４        ロックイン・アンプ
５００        フォトン検出器
５１３        コレクタ電極
５１４        ＳｉＯ２膜
５５０        フォトダイオード
５６１        シリコン基板
５６３        鏡
６００        ラジカル・イオン種発光分光装置
６１０        マイクロ電子銃
６１４        電源
６１５        イオン・コレクタ電極
６１６        カバー
６２２        電子減速用電圧
６２４        イオン減速用電圧
６３０        シリコン基板
６３１        酸化膜
６３２        アルミニウム電極
６３３        シリコン層
６３４，      ＳｉＯ２層
６３５，６３６              プラチナ電極
６３７        デポ避け用カバー
６４４        パターン
６４５        光導波路
６５０        マイクロ分光器
６５１        シリコン基板
６５２        酸化膜
６５３        アルミ電極
６５４        シリコン層
６５５        シリコン酸化膜
６５６        プラチナ電極
６５７        電極
６７４        受光素子
６９０        ブレーズド格子
７１２        電子放出用電極
７１４        メッシュ電極
８１０        電子銃
８４２，８４３              光ダイオード
８４４        狭帯域透過光学フィルタ
６３７，６１６              カバー
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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