(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン電流密度測定装置が形成された半導体ウェハを用いてプラズマ処理装置のイオン電流密度を測定するイオン電流密度測定方法において、
前記イオン電流密度測定装置として、
第１の導体膜または半導体膜と、
該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、
該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、
該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜とを備え、
該第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより前記溝の底面に前記第２の導体膜が露出された領域と、
前記第１の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを有するイオン電流密度測定装置を用い、
当該イオン電流密度測定装置を備えた半導体ウェハを所定時間プラズマに曝し、
前記ウェハをプラズマに曝した時間を測定し、
当該測定された暴露時間と、前記電流が流れやすくなっている領域が絶縁破壊に至る電荷量と前記第２の導体膜が露出された領域の面積とから、
前記プラズマに曝した際に前記ウェハに流れたイオン電流密度を計算することを特徴とするイオン電流密度測定方法。
【請求項２】
イオン電流密度測定装置が形成された半導体ウェハを用いてプラズマ処理装置のイオン電流密度を測定するイオン電流密度測定方法において、
前記イオン電流密度測定装置は、第１の導体膜または半導体膜と、
該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、
該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、
該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを備え、
かつイオン電流密度測定装置の表面には、前記第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより、前記表面に対して照射される荷電粒子線に対する立体角が全立体角よりも小さい領域が形成され、
当該イオン電流密度測定装置を備えた半導体ウェハを所定時間プラズマに曝し、
前記ウェハをプラズマに曝した時間を測定し、
当該測定された暴露時間と、前記電流が流れやすくなっている領域が絶縁破壊に至る電荷量と、前記第２の導体膜が露出された領域の面積とから、前記プラズマに曝した際に前記ウェハに流れたイオン電流密度を計算することを特徴とするイオン電流密度測定方法。
【請求項３】
ウエハ上に形成されるイオン電流密度測定装置であって、かつ該ウェハをプラズマ処理装置内でプラズマに曝し、該プラズマ暴露時のイオン電流密度を測定するイオン電流密度測定装置において、
第１の導体膜または半導体膜と、
該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、
該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、
該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを備え、
更に、イオン電流密度測定装置表面に、前記第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより、前記表面に対して照射される荷電粒子線に対する立体角が全立体角よりも小さい領域が形成されたことを特徴とするイオン電流密度測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のイオン電流密度測定装置において、
前記溝の形状が長方形状であり、かつ該溝のアスペクト比において、短辺の長さが高さのl/２以下、１/４以上であることを特徴とするイオン電流密度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、エッチングやＣＶＤなどのプラズマ処理においてプラズマの特性のひとつであるウエハに入射するイオン電流密度およびその分布を測定するイオン電流密度測定方法および測定装置並びに半導体デバイス製造方法に好適である。
【背景技術】
【０００３】
半導体デバイスの製造において、特にプラズマを用いるウエハ処理装置においてはウエハに入射するイオンの電流密度およびその分布はエッチングあるいはデポジションの速度およびその均一性、あるいは素子のダメージなどその処理の性質を決定する重要な要因である。
【０００４】
イオンの電流密度を測るにはプローブ法と呼ばれる手法が知られ、例えば堤井信力著：プラズマ基礎工学，１９８６年５月３０日第１版発行の第３章に記載されている。これはイオン電流密度を測定したい領域にプローブを挿入し、プローブに印加された電圧により正に帯電したイオンを選択的に測定部に引き込み、イオン電流密度を測定するというものである。
【０００５】
また、ウエハに細工を施してイオン電流を測定するものとしては、例えば特開平８−２１３３７４号公報が挙げられる。
【０００６】
上記従来の技術はプラズマ中の任意の位置のイオン電流密度を測定できるという利点があるものの半導体デバイスの量産に用いられるプラズマ処理装置においてはプローブの挿入により金属汚染や異物が発生する恐れやあるいは量産装置に電気配線用のポートを設ける必要があるなど、プローブの挿入によるイオン電流密度測定は困難であった。
【０００７】
特開平８−２１３３７４号公報に記載のものは、原理的に上記のプローブをウエハに作り込んだものであるため、電圧制御あるいは信号取り出しのための電気配線をウエハからプラズマ処理装置の外まで設置する必要があり、量産装置に適したものとは言い難い。
【０００８】
本発明の目的はプラズマ処理装置に配線を通したり、ウエハあるいはウエハ支持具に特殊な細工を施すことなく、ウエハに入射するイオンの電流密度を測定し、量産に適したイオン電流密度測定方法および測定装置並びに半導体デバイス製造方法を提供することにある。
【発明の開示】
上記目的を達成するため本発明は、第１の導体膜または半導体膜と、該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜とを備え、該第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより前記溝の底面に前記第２の導体膜が露出された領域と、前記第１の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを有するイオン電流密度測定装置を備えた半導体ウェハを所定時間プラズマに曝し、前記ウェハをプラズマに曝した時間を測定し、当該測定された暴露時間と、前記電流が流れやすくなっている領域と絶縁破壊に至る電荷量と前記第２の導体膜が露出された領域の面積とから、前記プラズマに曝した際に前記ウェハに流れたイオン電流密度を計算する。
【０００９】
これにより、ウエハに入射するイオンの電流密度をウエハ上でウエハあるいはウエハ支持具に特殊な細工を施すことなく測定でき、量産に適したイオン電流密度測定装置が実現される。
【００１０】
また、本発明は、第１の導体膜または半導体膜と、該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを備え、かつイオン電流密度測定装置の表面には、前記第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより、前記表面に対して照射される荷電粒子線に対する立体角が全立体角よりも小さい領域が形成されたイオン電流密度測定装置を備えた半導体ウェハを所定時間プラズマに曝し、前記ウェハをプラズマに曝した時間を測定し、当該測定された暴露時間と、前記電流が流れやすくなっている領域が絶縁破壊に至る電荷量と、前記第２の導体膜が露出された領域の面積とから、前記プラズマに曝した際に前記ウェハに流れたイオン電流密度を求めるものである。
【００１１】
さらに、本発明は、第１の導体膜または半導体膜と、  該第１の導体膜または半導体膜上に形成された第１の絶縁体膜と、  該第１の絶縁膜上に形成された第２の導体膜と、  該第２の導体膜上及びその周囲に形成された第２の絶縁膜と、該第２の絶縁膜が局所的に薄くなっていることにより電流が流れやすくなっている領域とを備え、更に、イオン電流密度測定装置表面に、前記第２の絶縁膜が前記第２の導体膜に達する溝を備えることより、前記表面に対して照射される荷電粒子線に対する立体角が全立体角よりも小さい領域が形成されたイオン電流密度測定装置を備えたウエハを、一定時間プラズマに曝した後に前記半導体又は導体と前記第２の導体の容量対電圧特性を測定し、前記プラズマに曝す前の容量対電圧特性より前記局所的に薄くされた領域を流れる電流を算出し、前記第２の導体の表面に露出した面積によりイオン電流密度を求めるものである。
【００１２】
さらに、本発明はプラズマ処理装置のイオン電流密度分布を測定し、測定されたその分布が基準となるイオン電流密度分布に対して適性であるか否かを確認して半導体デバイスが製造されるものである。
【００１３】
これにより、半導体デバイスを製造する際に、イオン電流密度分布を測定し、測定されたその分布が基準となるイオン電流密度分布に対して適性であることを確認するので、半導体デバイスの量産において、量産品を破壊して点検する必要がない。
【００１４】
さらに、本発明はウエハの上にイオンと電子が入射される第１の領域とイオンは入射されるが電子は入射しない第２の領域を作成し、ウエハをプラズマに曝し、第１の領域と第２の領域を利用してプラズマのイオン電流密度を測定し、半導体デバイスを製造するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
第１図は、本発明の一実施の形態によるイオン電流密度測定装置を示す上面図、第２図は、第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は、同じくＣ−Ｃ断面図、第４図は、第２図の破線部分の拡大断面図、第５図は、本発明の他の実施の形態によるイオン電流密度測定装置をウエハ上に配置した様子を示す平面図、第６図は、本発明のさらに他の実施の形態によるエッチング装置におけるイオン電流密度測定方法を示すフローチャート図、第７図は本発明のさらに他の実施の形態によるイオン電流密度測定装置を示す上面図、第８図は第７図のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。第１図はウエハ上に形成されたイオン電流密度測定装置を示し、図において、絶縁体６の上に設けられた半導体又は導体としてシリコン１が設けられ、その上に形成され局所的にその厚さが数ｎｍ以下の領域を有する絶縁体として酸化シリコン膜２が形成されている。酸化シリコン膜２の厚さの薄い領域に接するシリコン１の領域は不純物濃度は低く保たれているがそれ以外の領域は不純物の打ち込みなどにより不純物濃度を高くして、抵抗率が小さくされている。シリコン１の酸化シリコン膜２の薄い領域に接する領域は不純物の濃度の低い半導体で形成しておき、その他の領域は別の導体材料で形成しておいてもよい。
【００１７】
酸化シリコン膜２の上には第２の導体として導体膜４が形成されている。導体膜４としては導電性の高いアルミニウムや銅などの金属、あるいは高濃度に不純物がドープされたポリシリコン膜などを用いることが良い。
【００１８】
このように上から金属などの導体、酸化シリコン膜、シリコンを積層した構造はＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ）キャパシタと呼ばれている。導体膜４の上には幅Ｗ、高さＨのほぼ長方形の断面を持つ絶縁体５が一定の間隔で形成されている。導体膜４の端部あるいは側壁は絶縁体５で覆われており、導体膜４のうち表面に露出している領域は絶縁体５に挟まれた幅Ｗの領域のみに限定されている。これにより、この第２の領域は、その表面から臨む立体角が絶縁体２の上に設置された第２の導体４と、半導体又は導体１あるいは第２の導体４のいずれか一方でその表面から略全立体角が臨める第１の領域よりも小さくされている。
【００１９】
絶縁体５はホトレジストあるいは酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などで第２の領域の形状が長方形状となるように、かつその短辺の長さが高さの１／２以下、１／１０以上となるようにされ、Ｈ／Ｗ≧２が保たれるようにすることが良い。
【００２０】
一般にＭＯＳキャパシタの上部電極に絶縁体５を有する構造はシェード構造付きＭＯＳキャパシタと呼ばれ、このような構造を上部に持つシリコン１は酸化シリコン膜などの絶縁体６上に置かれている。絶縁体６の上に上記のような構造を形成するには、例えばＳＯＩウエハを使うことが望ましい。
【００２１】
シェード構造付きＭＯＳキャパシタは、上記の構造を形成する前あるいは途中あるいは後でＳＯＩウエハの片側のシリコンを島状にエッチングして、エッチングにより残された半導体領域を周囲の半導体領域と電気的に切り離すことによって形成される。
【００２２】
つぎに、シェード構造付きＭＯＳキャパシタを有するウエハをプラズマ処理装置の所定の位置に設置し、プラズマに曝す。半導体装置製造用のエッチングや気相成長に用いられるプラズマはウエハに正に帯電したイオンを引き込むためのバイアス電圧がウエハに印加されていることが多く、正に帯電したイオンのウエハに垂直な速度成分は増加し、イオンはウエハに垂直な速度成分が卓越した速度分布関数でウエハに入射することとなる。一方、電子は質量が小さいためにバイアス電圧の影響をあまり受けずに等方的に飛行する。
【００２３】
シェード構造付きＭＯＳキャパシタを有するウエハが上記プラズマに曝されたとき、表面に露出しているシリコン１の領域あるいは絶縁体５の上面のようにプラズマがおおよそ全立体角分臨めるような位置においては平均的にその面へ電子とイオンが同じフラックスだけ到達する。ところが周囲を絶縁体５で囲まれて表面に露出している導体膜４はプラズマを臨む立体角が小さくなっているので、シリコン１に垂直に飛行する確率が高く、運動エネルギーの高いイオンのフラックスが、運動エネルギーの低い電子のフラックスよりも大きくなる。よって導体４はシリコン１に対して正の電位Ｖｇとなる。
導体４とシリコン１の間に電位差があるとき、酸化シリコン膜２の厚さの薄い領域を電流が流れる。これは電流−電圧特性と呼ばれ薄い酸化シリコン膜の厚さが４．５ｎｍ、面積が３０μｍ２の場合の特性（測定値）を表１に示す。この面積とは薄い酸化シリコン膜を熱酸化によって形成するのに用いた窒化シリコン膜のマスクの面積である。
0003780849.tif 000002
【００２４】
表１のように一般に薄い酸化シリコン膜の電流−電圧特性は印加電圧Ｖが約5Ｖ以下では微小の電流しか流れないが、それ以上の電圧を印加すると印加電圧の増大とともに流れる電流が徐々に増加し、約7Ｖ以上印加すると流れる電流が急激に増加する。
【００２５】
プラズマに曝された状態では導体4はシリコン1に対し正の電位Ｖｇとなるが，酸化シリコン膜2の電流−電圧特性によりＶｇに応じた電流Ｉｇが流れる。
【００２６】
シリコン１に到達するイオンの電流密度ｆを１ｍＡ／ｃｍ２、また、表面に露出している導体面積をＳとし、例えば、Ｖｇが５．８Ｖであったすると、Ｉｇは１×１０−８Ａである。このＩｇは単位時間に表面に露出した導体部分に到達する正電荷、すなわちイオンと負電荷、すなわち電子の差に等しい。
【００２７】
このとき溝の底へのイオンのフラックスが溝の上部の平坦部へのイオンのフラックスと等しく、かつ溝の底には電子は到達しないと考えても、すなわち溝底への実質的なイオンのフラックスを最大に考えても、Ｉｇを得るのに必要なＳは
Ｓ＝Ｉｇ／ｆ （１）
である。Ｉｇ＝１×１０−８Ａ、ｆ＝１ｍＡ／ｃｍ２を代入するとＳ＝１×１０−５ｃｍ２＝１０００μｍ２である。この値は前述の酸化シリコン膜２のうち厚さの薄い領域の面積Ｓｇ（＝３０μｍ２）とすればその約３０倍である。
【００２８】
表面に露出した導体面積Ｓが酸化シリコン膜2のうち厚さの薄い領域面積Ｓｇの約１００００倍の3×10−３ｃｍ２のとき、Ｉｇは３×１０−６ＡでありこのときでもＶｇは７Ｖに過ぎない。したがって、Ｓ／Ｓｇが約１００００以下であれば、Ｖｇは７Ｖ程度にしかならない。
【００２９】
Ｖｇが高々７Ｖ程度にしかならないときのイオンおよび電子の挙動は以下のようになる。
【００３０】
イオンは印加する数十ボルトあるいはそれ以上のバイアス電圧によって加速され、そのため高々７Ｖの電圧によってはイオンの挙動に影響を与えない。すなわち、もともとシリコン１に対して垂直な成分が卓越したイオンはＶｇによっても軌跡をほとんど曲げられないまま導体膜に到達する。また、電子に関しては溝の側壁上部はすでに到達した電子によってシリコン１に対し負に帯電しているので溝内部には到達しにくくなっており、高々７Ｖ程度にしかならない溝底に引き込まれる効果は無視できる。
【００３１】
電子が溝底に到達しなくなる条件としては、溝の高さ対幅（Ｈ／Ｗ）で定義される溝のアスペクト比が大きなほど顕著である。溝を構成する面がすべて電気的に中性であれば、等方的な運動をする電子が溝の底に到達する割合は、溝底から溝の外を臨む立体角を考慮すればよいことになる。
【００３２】
アスペクト比が大きくなるほどこの立体角は小さくなる。特にアスペクト比が２以上であれば、溝底に到達する電子のフラックスは溝上部の平坦部に到達する電子のフラックスの２０％以下である。溝底に到達する電子のフラックスを小さくするには、溝のアスペクト比を大きくすればよく、さらに望ましいのはアスペクト比を４以上にすることである。アスペクト比４を以上にすると、溝底に到達する電子のフラックスは溝上部の平坦部に到達する電子のフラックスの１０％以下となる。ただし、これ以上アスペクト比を大きくしても、電子のフラックスはあまり減少せず、また溝構造が形成しにくくなる。また、溝の側壁の上部が負に帯電すると溝底に到達する電子のフラックスはさらに減少する。一方、イオンに関しては溝のアスペクト比にはあまり依存しない。
以上、アスペクト比が２以上のとき溝底の導体に電子はほとんど到達せず、逆にイオンはほぼ全部到達する。このとき１秒間に表面に露出した導体膜４に到達する電荷の総量は薄い酸化シリコン膜２を流れる電流Ｉｇに等しくなる。すなわち、Ｉｇ＝ｆ×Ｓ （２）である。
【００３３】
さらに、薄い酸化シリコン膜２の特性として絶縁破壊に至るのに必要な薄い酸化シリコン膜２を流れる電荷Ｑがあり、Ｑ以上の電荷が薄い酸化シリコン膜２を流れると、それ以前の電流−電圧特性とは異なる電流−電圧特性を示し、この状態を薄い酸化シリコン膜２が破壊した状態とみなす。この電流−電圧特性はシリコン１と導体４の間に流れる電流と印加する電圧の関係である。薄い酸化シリコン膜２は時間Ｔだけプラズマに曝されて破壊に至ったとする。
【００３４】
これを式で表現すると、
Ｑ＝Ｉｇ×Ｔ （３）
となり、式（２）と式（３）より
ｆ＝Ｑ／Ｓ／Ｔ （４）    と変形できる。
【００３５】
この式の右辺はすべて調べることができるものであり、これらの値を用いてイオン電流密度ｆを計測する。
【００３６】
ある条件において別な方法によって求められた正確なイオン電流密度ｆ’と本発明を用いて算出されるｆに
ｆ’＝ａ×ｆ＋ｂ （４’）
などの関係があったとき、ｆを式（４’）を用いて変換し、より正確なイオン電流密度ｆを求めることでも良い。Ｑは、プラズマに曝すものと同一のシェード構造付きＭＯＳキャパシタを用意して、その薄い酸化シリコン膜２に電圧を印加し、そのときに薄い酸化シリコン膜２に流れる電流を測定しておけば電圧を印加してゲート破壊に至る時間Ｔから算出できる。Ｓは表面に露出している導体４の面積であり、設計値あるいはＳＥＭ写真などから予め求めておくことができる。Ｔはシェード構造付きＭＯＳキャパシタをプラズマに曝して薄い酸化シリコン膜２が破壊した時間であり、測定することができる。
【００３７】
一枚のウエハ上にＱあるいはＳの異なる上記のイオン電流密度測定装置を複数配置しておけば、少ない回数でｆおよびその分布を求めることができる。その例を第５図を参照して説明する。この例では三種類の異なるＳ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を持つイオン電流測定装置を一枚のウエハ上に配置する。ひとつのシリコン１上に三個のイオン電流密度測定装置を配置している。
【００３８】
一枚のウエハに既に説明したような構造でＳの異なるものを複数用意しているので、ある臨界値Ｓｃｒ未満のＳのゲートは破壊しないがそれ以上のＳのゲートは破壊するという臨界値Ｓｃｒを一回で測定することができ、イオン電流密度ｆあるいはそのウエハ上の分布が計測できる。
【００３９】
Ｓを異ならせる代わりに異なるＱとしてウエハ内に複数用意しておくことでも同様のことが行える。異なるＱを有する薄い酸化シリコン膜は、厚さや面積Ｓｇの異なる薄い酸化シリコン膜を形成したり、酸化シリコン膜の形成条件を変えることで構成することが可能である。そして、そのためには薄い酸化シリコン膜を形成するための時間、温度またはマスクパターンを変更すればよい。
【００４０】
さらに、回数は増えるがプラズマに曝す時間を変えることでもイオン電流密度ｆあるいはそのウエハ上の分布を計測しても良い。つまり、上記と同様の測定を複数回行い，統計的処理を施すことによりＱ、Ｔ、ｆを求めれば測定の信頼性を高めることができる。
【００４１】
プラズマに一定時間Ｔだけ曝しても薄い酸化シリコン膜が破壊しなかったものについてはプラズマに曝さない状態でその薄い酸化シリコン膜２に電圧を印加し、そのときに薄い酸化シリコン膜２に流れる電流を測定し、薄い酸化シリコン膜を破壊し、プラズマに曝さない状態でゲート破壊に必要な薄い酸化シリコン膜２を流れた電荷Ｑ’を算出し、Ｑ’用いて
ｆ＝（Ｑ−Ｑ’）／Ｓ／Ｔ       （５）
によりイオン電流密度ｆが計測できる。これが成り立つためには、シリコン１の電位がその近傍のプラズマにのみに影響される状態でなければならず、プラズマが一様でないときにも、シリコン１の電位が遠く離れた位置のプラズマの影響を受けてはいけないようにする。
【００４２】
シリコン１の電位が遠く離れた位置のプラズマの影響を受けているとすると、シェード構造がなくてもＭＯＳキャパシタの上部の導体４とシリコン１の電位に差が生じる可能性がある。そして、導体４とシリコン１に電位差があると、その電位差に応じた電流が薄い酸化シリコン膜２に流れることになり、薄い酸化シリコン膜２を流れる電流が薄い酸化シリコン膜を挟むシリコン１と導体４に流れ込む電流密度の差で決まらなくなる。
【００４３】
そこで、シリコン１及び導体４は酸化シリコン膜２の局所的に薄い領域からプラズマの状態がほぼ一定とみなすことができる範囲に限定することが良い。
【００４４】
さらに、表面に露出したシリコン１の周囲には酸化シリコン膜などの絶縁体６を配置し、シリコン１を他の領域とは電気的に絶縁している。その結果、プラズマが均一でないときでもシリコン１の電位はその近傍のプラズマの影響で定まる。
【００４５】
シェード構造付きＭＯＳキャパシタのシリコン１を絶縁させるのに、ＳＯＩウエハを使う方法以外にも、シェード構造付きＭＯＳキャパシタを絶縁体に貼り付ける方法やシリコン１が絶縁されていないシェード構造付きＭＯＳキャパシタを絶縁体に貼り付けた後に、シリコン１をエッチングするという方法などが良い。
【００４６】
次に第７図、第８図を参照して他の実施形態を説明する。第１図で示したものと異なるのは、局所的に膜の厚さが薄くなっている領域を有する酸化シリコン膜２と導体膜４の間に図示されていない窒化シリコン膜３を挟んだことにある。
【００４７】
このような構造をＭＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｎｉｔｒｉｄｅ ＯｘｉｓｉｄｅＳｉｌｉｃｏｎ）キャパシタと呼ばれている。ＭＮＯＳキャパシタに電圧Ｖｇを印加するとその電圧に応じてシリコン１から電子または正孔が注入され、その結果フラットバンド電圧Ｖｆｂがシフトする。また、ＭＮＯＳキャパシタにもＭＯＳキャパシタと同様の電流−電圧特性があり、印加した電圧Ｖｇに応じて電流Ｉｇが流れる。
【００４８】
ＭＮＯＳキャパシタの導体４上に、第１図で説明したようなシェード構造を設け、このシェード構造付きＭＮＯＳキャパシタをプラズマに曝すと、導体４はシリコン１に対し正の電位Ｖｇなり、ＭＮＯＳキャパシタは正の電位Ｖｇに応じて電子をトラップする。フラットバンド電圧のシフト量（ΔＶｆｂ）を測定すると正の値となる。ΔＶｆｂとＶｇの関係をあらかじめ調べておけば、プラズマに曝した後で測定したΔＶｆｂからプラズマに曝しているときに薄い酸化シリコン膜２に印加されていた電圧Ｖｇがわかる。また、あらかじめ調べておいたＭＮＯＳキャパシタの電流−電圧特性により電圧Ｖｇが印加されているときに流れる電流Ｉｇが分かる。Ｉｇは前述のようにイオンの電流密度ｆと表面に露出した導体面積Ｓの積に等しい。
したがって、          ｆ＝Ｉｇ／Ｓ     （６）となり、
ＩｇとＳからイオン電流密度ｆがわかる。フラットバンド電圧の変化を調べるには、プラズマに曝す前と曝した後に、容量−電圧特性を測定する。ここで容量とは薄い酸化シリコン膜のコンデンサー容量、電圧とは薄い酸化シリコン膜に印加する直流電圧である。
【００４９】
酸化シリコン膜2と窒化シリコン膜3に−１０Ｖ〜＋１０Ｖ程度の直流電圧Ｖｄを印加した上に１ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加して容量Ｃと印加電圧Ｖｄの関係を調べ、次にプラズマに曝すのと同じ時間Ｔだけ、一定の直流電圧Ｖｇを印加したあとに同様の方法で容量Ｃと印加電圧Ｖｄの関係を調べる。このとき、一定の直流電圧Ｖｇを一定時間Ｔだけ印加する前と印加した後において、ある一定のＣを得るためのＶｄの変化をフラットバンド電圧のシフト量(ΔＶｆｂ)が導ける。このΔＶｆｂをＴとＶｇの関数としてあらかじめ求めておくと、一定時間Ｔだけプラズマに曝した後のΔＶｆｂを求めることで、プラズマによって導体４がシリコン１に対してどのくらいの電位になっているかがわかる。また、別にあらかじめ調べておいた電流−電圧特性により電流に換算できるので、電流Ｉが算出でき、表面に露出している導体面積Ｓを用いると、式（６）によりイオン電流密度ｆが求められる。
【００５０】
一般には前述の印加電圧Ｖｇとフラットバンド電圧のシフト量ΔＶｆｂの関係には、Ｖｇが変化してもΔＶｆｂが変化しない領域がある。このような領域を不感症帯と呼び、シェード構造付きＭＮＯＳキャパシタを用いてイオン電流密度を計測するときに利用したいＶｇがΔＶｆｂの不感症帯に入っている場合などには、あらかじめＭＮＯＳキャパシタに電圧を印加してＶｇ−ΔＶｆｂ特性をずらしておくと、ΔＶｆｂの不感症領域以外のところでシェード構造付きＭＮＯＳキャパシタを作用させることができ、イオン電流密度ｆが計測できる。
【００５１】
シェード構造付きＭＯＳキャパシタやシェード構造付きＭＮＯＳキャパシタの代わりにシェード構造付きのＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性記憶装置によってもイオン電流密度ｆが計測できる。ＥＥＰＲＯＭを例にとるとＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリを絶縁体上に形成し、そのコントロールゲート電極の上に第１図で示したようなシェード構造を絶縁物によって形成する。一方、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリーの基板の一部を表面に露出させた構造を作り、それをプラズマに曝すと電子の到達が抑制されたコントロールゲート電極と抑制されないシリコンとの間に電位差Ｖｇを生じ、それをＥＥＰＲＯＭは閾値電圧のシフト量ΔＶｔｈとして記憶する。ＶｇとΔＶｔｈの関係はあらかじめ調べておくことができ、プロセス終了後、ΔＶｔｈを測定することでＶｇが算出でき、Ｖｇとゲートを流れる電流Ｉｇの関係からイオン電流密度ｆを算出することができる。
【００５２】
以上の説明は、シェード構造は薄い酸化シリコン膜の上の導体上に形成していたが、シリコン１上に形成しても同様のことが行える。
【００５３】
以上説明したようなイオン電流密度測定装置は、半導体デバイスに用いられる材料のみを用いて構成することができるので、一般的なプローブと違い、金属汚染の心配はない。また、電気配線を通す必要もないので、プラズマ処理装置に特殊な細工を施すことなくイオン電流密度を測定することができる。
本例によるイオン電流密度測定装置は従来のプローブ法に代表されるイオン電流密度測定装置とは異なり、量産装置に容易に適用することができる。半導体デバイスの量産において装置をアルコールなどの有機溶剤あるいは純水などを用いたウェットクリーニングの処理を施す時期を決定するのに用いたり、または、ウェットクリーニング後に装置を組み立てたときに基の状態に復帰しているかを確認するのに好適である。
【００５４】
すなわち、第６図に示すように、エッチング装置においては望ましいエッチング結果、ＣＶＤ装置においては望ましいＣＶＤ結果が得られるようなときの所定の条件におけるイオン電流密度分布ｓ０をあらかじめ測定しておくと良い。
【００５５】
エッチング装置やＣＶＤ装置においてプラズマ処理を繰り返すと、エッチング装置あるいはＣＶＤの内壁や電極に膜が堆積したり、内壁や電極が削れたり、内壁の表面が変質したりすることが避けられない。
【００５６】
内壁に膜が堆積すると、エッチングあるいはＣＶＤにも影響を及ぼし、エッチングやＣＶＤに及ぼす影響は量産品を破壊して点検する必要がある場合が多い。
【００５７】
そこで量産プロセスを何回か繰り返す間に定期的に前述の所定の条件の条件における本例によるイオン電流密度測定装置によりイオン電流密度分布を測定する。
【００５８】
これにより、エッチング結果やＣＶＤ結果が得られているときに測定された基準となる結果に対して一定の範囲で一致し、適性な範囲にあればさらに量産を続ける。一致していなければ装置を点検し、部品をアルコールなどの有機溶剤あるいは純水などを用いたウェットクリーニングや部品の交換あるいはその他の調整を行う。そのあとで再び本例のイオン電流密度測定装置を用いてイオン電流密度分布を測定し、その結果が基準値と一定の範囲で一致することを確認したのちに量産を再開する。
【００５９】
以上の方法によれば、ウェットクリーニングの頻度を最小限に抑えることができ、ウェットクリーニング後の装置に量産を再開したときの不良品の発生を抑えることができ、実質的に装置の稼働率を上げることができる。
【００６０】
イオン電流密度を測定する条件は実際の量産に用いられる条件とは異なっていてもよく、弁の調整により装置内の量産に用いられる圧力よりも高くした条件あるいは実際の量産とは異なるガスを用いてイオン電流密度を測定することでも良い。またエッチングや膜の堆積を起こさないガスを用いることで、イオン電流密度測定装置を繰り返し使用することも可能となる。
【００６１】
さらに、量産において歩留まり低下の原因を推定し、その原因を取り除くこともできる。例えば、異物の発生が多発し、それがプラズマ処理室内のある位置に異常放電が原因であった場合、本例のようなイオン電流測定装置を用いれば、ウエハ上のイオン電流密度分布が測定できる。異物が多数発生する状態におけるウエハ上のイオン電流密度分布と正常な状態におけるウエハ上のイオン電流密度分布を比較することによって、装置の状態が確認でき、両者の差の大きな位置近傍を特に着目して異常な状態になる原因を調査すれば、装置を短時間で正常な状態に復帰させることができる。
【００６２】
半導体の製造に用いられるプラズマ装置では、ウエハの処理を加速するために、バイアス電圧を印加してウエハにイオンを引き込むことが多い。ウエハにバイアスを印加した状態においてウエハに到達するイオン電流密度を測定するのにプローブ法を用いようとすると、プローブの絶縁が困難であるためにプローブを挿入することが困難で、実質的にプロ
ーブ法によってイオン電流密度を測定するのは困難である。
【００６３】
本例のようなイオン電流密度測定装置を用いれば、ウエハにバイアスを印加した状態でのイオン電流密度を測定することができる。これにより、プラズマ処理装置あるいは処理プロセスの開発に用いることも可能となる。
【００６４】
プラズマ処理装置においてウエハに印加するバイアス電圧を最適化するのに、従来はエッチングやＣＶＤのレートあるいはパターン付きのウエハを処理したときの断面形状あるいは半導体デバイスの歩留まりによって判断せざるを得なかった。しかし、印加する電圧とウエハに到達するイオン電流密度の関係を調べれば、バイアス電圧を最適化するのが容易となる。
【００６５】
また、イオン電流密度の分布を調べれば、イオン電流分布が所望の分布になるようにウエハの端から処理室の内壁までの距離を定めるなど装置の形状を最適化したり、流量や圧力などを調整したりすることもできる。
【図１】
0003780849.tif 000003
【図２】
0003780849.tif 000004
【図３】
0003780849.tif 000005
【図４】
0003780849.tif 000006
【図５】
0003780849.tif 000007
【図６】
0003780849.tif 000008
【図７】
0003780849.tif 000009
【図８】
0003780849.tif 000010