JP2009059879A - 紫外光モニタリングシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体製造プロセス等でのプラズマ等からの紫外光によるダメージを定量的にリアルタイムで精度良くモニタリングする。
【解決手段】電圧源35によって負のバイアス電圧−30Vをモニタ対象物40に印加すると共に、RFバイアス電圧をプラズマ処理装置30に印加し、モニタ対象物40に対してプラズマ処理を行うと、プラズマ32から発生した紫外光UVにより、分離した2つのポリSi電極42−1,42−2上のSiO2膜43に、正孔hと電子eのペアが発生する。ポリSi電極42−1,42−2に負のバイアス電圧−30Vを印加することで、2つのポリSi電極42−1,42−2間の間隙にトラップされた正孔hを誘導電流として電流計36によりリアルタイムで計測できる。この誘導電流を紫外光UVによるSiO2膜43へのダメージの定量的指標としてモニタリングしている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体製造工程(プロセス)等でのプラズマ等からの紫外光によるダメージを定量的にリアルタイムでモニタリングする紫外光モニタリングシステムに関するものである。
例えば、半導体装置では、素子構造の微細化、薄膜化、3次元化の促進により、層間絶縁膜・配線形成工程等で用いられるプラズマから紫外光が放射され、半導体素子の界面まで到達する紫外光照射ダメージが大きな問題となってくる。
この対策として、紫外光照射ダメージをウェハ上の実際のパターンにてリアルタイムでモニタリングする紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)の技術が開発されており、その手法や評価結果が例えば下記の文献に詳細に紹介されている。
特開2003−282546号公報 特開2005−236199号公報 J.Vac.Sci.Technol.A,Vol.23,No.6,Nov/Dec 2005,American Vacuum Society.p.1509−1512 J.Vac.Sci.Technol.B,Vol.23,No.1,Jan/Feb 2005,American Vacuum Society.p.173−177 J.Vac.Sci. Technol.B,Vol.22,No.6, Nov/Dec 2004,American Vacuum Society.p.2818−2822
図8(A)、(B)は、例えば、特許文献2の図6、及び非特許文献2における第174頁の図2(a)に記載された従来のプラズマモニタリングシステムを示す図であり、同図(A)は概略の構成図、及び同図(B)はその課題を示す図である。更に、図9は、図8中の電極を示す概略の平面図である。
図8(A)に示されるプラズマモニタリングシステムは、プラズマ処理装置10を備えている。プラズマ装置10は、高周波(RF)バイアス電圧の印加により、真空状態にしたプラズマチャンバ11内にプラズマ12を発生させ、ステージ13上に載置したモニタ対象物20に対するエッチングや成膜を行う装置である。モニタ対象物20には配線14が接続され、その配線14がプラズマチャンバ11の外部に引き出されている。外部に引き出された配線14には、モニタ対象物20に対して負バイアス電圧(例えば、−30V)を印加するための電圧源15と、モニタ対象物20に流れる誘導電流を測定するための電流計16とが、直列に接続されている。
モニタ対象物20は、ウェハ(例えば、シリコン(Si)基板21)上に、二酸化シリコン膜(SiO2膜)で絶縁された電極(例えば、平面がほぼ長方形の膜からなるポリSi電極22)が形成され、更に、そのポリSi電極22上に、実際の半導体装置で用いる膜(例えば、SiO2膜23)が形成された構造をしている。SiO2膜23の一部が開口されてポリSi電極22の一部が露出し、その露出箇所に、配線接続部24を介して配線14が接続されている。
紫外光UVのモニタを行う場合、RFバイアス電圧の印加により、モニタ対象物20に対してプラズマ処理を行うと、プラズマ12から発生した紫外光UVにより、ポリSi電極22上のSiO2膜23に、正孔(Hole)hと電子(Electron)eのペアが発生する。電圧源15により、ポリSi電極22に負バイアス電圧を印加することで、正孔hを誘導電流として電流計16によりリアルタイムで計測する。この誘導電流を紫外光UVによるSiO2膜23へのダメージの定量的指標としてモニタリングしている。
又、非特許文献2における第174頁の図2(b)に記載されているように、プラズマ12からのイオンiや電子eの影響をできるだけ排除するために、開口部を含めたSiO2膜23の表面をアルミニュウム(Al)系の金属膜で覆う構造が採用される場合がある。
図8(B)に示すように、モニタ対象物20をプラズマ12に曝すと、プラズマ12は正イオンに分離した状態であり、電子eと正孔hが共にSiO2膜23に帯電するように動く。この時、正孔hより電子eの方が遥かに軽いので、電子eの方が速度が速く、SiO2膜23上には大量の電子eが帯電する。そのため、その電子帯電によってSiO2膜23上には負の電位が発生する。次に、遅い電子eとは反対の電荷を持つ正孔hがSiO2膜23上に到達するが、先に帯電した電子eを打ち消すほどの量は帯電しない。従って、最終的にはプラズマ12から負の電子eも正の正孔hもSiO2膜23上に到達し、帯電することになるが、最初の負の電子eの帯電量が大きいために、SiO2膜23上の電位は負電位で安定状態となる。この負電位を自己整合バイアスVdcと呼んでいる。
このように、通常、プラズマ処理プロセスでは、一般的にパターン表面に自己整合バイアスVdcが負電位で形成されることが知られている。この電位はプラズマ処理の条件によって大きく値が変動する。例えば、自己整合バイアスVdcが−80Vの場合、引き込みのバイアスは一定(この場合は−30V)なので、紫外光UVにより、評価対象となるSiO2膜23に発生した正孔hの一部は、ポリSi電極22ではなくSiO2膜23の表面方向へ引き寄せられてしまい、正確な誘導電流の測定ができなくなってしまうという課題があった。
本発明の紫外光モニタリングシステムは、対向して配置され、紫外光の照射に伴って発生する正孔を引き込む第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の電極の近傍に形成され、前記紫外光の照射によるダメージの評価対象となる評価対象膜と、前記紫外光のモニタ時に、前記第1の電極、前記第1及び第2の電極間の間隙、及び前記第2の電極により形成される直列経路に対して所定のバイアスを印加する電源とを有することを特徴とする。
本発明によれば、分離した第1及び第2の電極を対向させる構造にしたので、紫外光により第1及び第2の電極上及び電極間の評価対象膜中に発生した正孔及び電子を、第1及び第2の電極間の間隙の部分で捕獲(トラップ)できる。そのため、評価対象膜の表面に形成される自己整合バイアスによる影響を低減でき、従来よりも精度の高い誘導電流値の測定が可能となる。
紫外光モニタリングシステムの1つである例えばプラズマモニタリングシステムは、対向して配置され、プラズマ処理により放射される紫外光の照射に伴って発生する正孔を引き込む第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の電極の近傍に形成され、前記紫外光の照射によるダメージの評価対象となる評価対象膜と、前記紫外光のモニタ時に、前記第1の電極、前記第1及び第2の電極間の間隙、及び前記第2の電極により形成される直列経路に対して所定のバイアスを印加する電源とを有している。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)の概略の構成図である。更に、図2は、図1中の電極を示す概略の平面図である。
図1に示されるプラズマモニタリングシステムは、プラズマ処理装置30を備えている。プラズマ装置30は、RFバイアス電圧の印加により、真空状態にしたプラズマチャンバ31内にプラズマ32を発生させ、ステージ33上に載置したモニタ対象物40に対するエッチングや成膜を行う装置である。モニタ対象物40には銅線等の配線34が接続され、その配線34がプラズマチャンバ31の外部に引き出されている。外部に引き出された配線34には、モニタ対象物40に対して負のバイアス電圧(例えば、−30V)を印加するための電圧源35と、モニタ対象物40に流れる誘導電流を測定するための電流計36とが、直列に接続されている。
モニタ対象物40は、ウェハ(例えば、Si基板41)を有し、そのSi基板41上に、それぞれSiO2膜で絶縁されて対向して配置された第1及び第2の電極が形成されている。第1及び第2の電極は、例えば、所定の間隙を有するスリット42aを介して対向して配置され、それぞれ平面がほぼ長方形の膜からなる一対のポリSi電極42−1,42−2により形成されている。一対のポリSi電極42−1,42−2上には、実際の半導体装置で用いる膜(例えば、SiO2膜43)が形成されている。SiO2膜43において各ポリSi電極42−1,42−2上の一部が開口されて、その各ポリSi電極42−1,42−2の一部が露出し、その露出箇所に、各配線接続部44−1,44−2を介して配線34が接続されている。
(モニタ対象物40の製造例)
図3−1(A)〜(E)及び図3−2(F)〜(I)は、図1中のモニタ対象物40の製造例を示す概略の断面工程図である。
モニタ対象物40を製造する場合、先ず、図3−1(A)の熱酸化膜形成工程において、Si基板41上に熱酸化膜51を約600nm形成する。図3−1(B)のリンドープポリSi形成工程において、熱酸化膜51上に、気相成長法(以下「CVD法」という。)により、6E20atm/cm3のリン濃度のポリSi膜42を形成する。図3−1(C)の電極ホトリソグラフィ工程において、ホトリソグラフィ技術により、例えば間隙300nmのスリットを有するレジスト膜からなるスリットパターン52を形成する。図3−1(D)の電極ドライエッチング・レジスト灰化工程において、ドライエッチング技術(例えば、プラズマエッチング)により、スリットパターン52をマスクにしてポリSi膜42を加工し(即ち、ポリSi膜42のエッチングとスリットパターン52の灰化を行い)、スリット42aにより分離された2つのポリSi電極42−1,42−2を形成する。図3−1(E)の酸化シリコン膜形成工程において、減圧CVD法(以下「LP−CVD法」という。)により、紫外光UVによるダメージの評価対象となる絶縁膜(例えば、SiO2膜43)を約150nm形成する。
次に、図3−2(F)のパッドホトリソグラフィ工程において、2つに分離したポリSi電極42−1,42−2を覆うSiO2膜43上に、ホトリソグラフィ技術により、約4mm×4mmのボックス型のレジスト抜きパターン53を形成する。図3−2(G)のパッドドライエッチング・レジスト灰化工程において、レジスト抜きパターン53をマスクにしてエッチング技術にて、ポリSi電極42−1,42−2上までSiO2膜43を加工し(即ち、SiO2膜43のエッチングとレジスト抜きパターン53の灰化を行い)、開口する。図3−2(H)のパッド配線接着工程において、開口したポリSi電極42−1,42−2上の配線接続部44−1,44−2に、絶縁物54で被覆した銅線等の配線34の両端を導電性ペースト55で接着する。最後に、図3−2(I)のパッド接続部モールド工程において、導電性ペースト55部分をモールド樹脂56で封止すれば、モニタ対象物40の製造が終了する。
(実施例1の動作)
プラズマ処理により放射される紫外光UVのモニタを行う場合、図1に示すように、モニタ対象物40をプラズマチャンバ31のステージ33上に載置し、ポリSi電極42−1,42−2上に接着していないほうの配線34の端部を、プラズマチャンバ31の壁部に設けた電力入力端子を通して外部へ引き出し、電流計36を介して、例えば負のバイアス電圧−30Vを供給するための電圧源35に接続する。
電圧源35によって負のバイアス電圧−30Vをモニタ対象物40に印加すると共に、RFバイアス電圧をプラズマ処理装置30に印加し、モニタ対象物40に対してプラズマ処理(例えば、エッチング、成膜等)を行うと、プラズマ32から発生した紫外光UVにより、ポリSi電極42−1,42−2上のSiO2膜43に、正孔hと電子eのペアが発生する。電圧源35により、ポリSi電極42−1,42−2に負のバイアス電圧−30Vを印加することで、2つのポリSi電極42−1,42−2間にトラップされた正孔hを誘導電流として電流計36によりリアルタイムで計測できる。この誘導電流を紫外光UVによるSiO2膜43へのダメージの定量的指標としてモニタリングしている。
即ち、従来は、図9に示すように、ポリSi電極22の表面で正孔を検出(センシング)していたが、本実施例1では、図2に示すように、対向した2つのポリSi電極42−1,42−2間のスリット42aの部分(側面部)でセンシングしている。
(実施例1の効果)
本実施例1によれば、次の(1)、(2)のような効果がある。
(1) ポリSi膜42を分離して2つのポリSi電極42−1,42−2を形成し、その2つのポリSi電極42−1,42−2を対向させる構造としたので、紫外光UVによりポリSi電極42−1,42−2上のSiO2膜43中に発生した正孔hを2つのポリSi電極42−1,42−2間のスリット42aの部分でトラップできる。そのため、モニタ対象物40の表面に形成される自己整合バイアスによる影響を低減でき、従来よりも精度の高い誘導電流値の測定が可能となる。
(2) 本実施例1のプラズマモニタリングシステムを利用して半導体製造を行う場合は、例えば、実際にプラズマ処理するためのウェハ上、又はその近傍のステージ33上等に、モニタ対象物40を貼着しておき、電流計36により誘導電流値を計測してプラズマ処理の終了時点等をセンシングして製造プロセスを制御する。あるいは、プラズマ処理対象となるウェハモデルに対して、予め電流計36により誘導電流値を計測して計測結果を求めておき、その計測結果に基づき、実際のウェハの製造プロセスを制御する。これにより、ウェハに対する高精度なプラズマ処理が可能になる。
(実施例2の構成・動作)
図4は、本発明の実施例2を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)におけるモニタ対象物40中の電極を示す概略の平面図であり、実施例1を示す図2中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例2では、図1中のモニタ対象物40内に設けられる第1及び第2の電極として、スリット42aに相当する所定の間隙(スペース)をおいて対向する2つの櫛形のポリSi電極42−1A,42−2Aを有し、その2つの櫛形のポリSi電極42−1A,42−2Aが互いに噛み合うように配置されている。
2つのポリSi電極42−1A,42−2Aの製造方法は、例えば、図3−1(C)及び図3−1(D)に示すように、対向した2つの電極を分離するパターン形成工程において、ホトリソグラフィとプラズマエッチング等のドライエッチングを行う際に、スリット42aに相当するスペースは300nmのままでパターンを櫛形状に形成すれば良い。
その他の構成や動作は、実施例1と同様である。
(実施例2の効果)
本実施例2によれば、分離した2つの櫛形のポリSi電極42−1A,42−2Aを互いに噛み合うように対向して配置したので、2つのポリSi電極42−1A,42−2A間の対向する部分の面積が実施例1よりも大きくなる。そのため、実施例1よりも誘導電流のセンシング感度が向上して、より高精度の測定が可能になる。
(実施例3の構成)
図5は、本発明の実施例3を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)におけるモニタ対象物の概略の断面図であり、実施例1を示す図1及び図3−2(I)中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例3のプラズマモニタリングシステムでは、図1に示す実施例1のモニタ対象物40に代えて、それとは構成の異なるモニタ対象物40Bが使用される。モニタ対象物40Bは、Si基板41を有し、そのSi基板41上に、熱酸化膜51を介して第1、第2の電極である2つのポリSi電極42−1,42−2が形成されている。2つのポリSi電極42−1,42−2は、実施例1と同様に、所定の間隙を有するスリット42aを介して対向して配置されているが、実施例1と異なり、そのスリット42a内に評価対象膜であるSiO2膜43が配置され、そのSiO2膜43がポリSi電極42−1,42−2の表面と同一の高さに形成されている。
ポリSi電極42−1,42−2上には、保護膜である例えばシリコン窒化膜(SiNx膜)57が形成されている。SiNx膜57において各ポリSi電極42−1,42−2上の一部が開口されて、その各ポリSi電極42−1,42−2の一部が露出し、その露出箇所の各配線接続部に、絶縁物54で被覆した銅線等の配線34の両端が導電ペースト55により接着されている。導電性ペースト55の部分は、モールド樹脂56で封止されている。
その他の構成は、実施例1と同様である。
(モニタ対象物40Bの製造例)
図6−1(A)〜(E)、図6−2(F)〜(H)、及び図6−3(I)〜(K)は、図5のモニタ対象物40Bの製造例を示す概略の断面工程図である。
モニタ対象物40Bを製造する場合、先ず、図6−1(A)の熱酸化膜形成工程において、Si基板41上に熱酸化膜51を約600nm形成する。図6−1(B)のリンドープポリSi形成工程において、CVD法により、熱酸化膜51上に6E20atm/cm3のリン濃度のポリSi膜42を形成する。図6−1(C)のSiNx膜形成工程において、LP−CVD法により、ポリSi膜42上にSiNx膜57を約100nm形成する。図6−1(D)の電極ホトリソグラフィ工程において、ホトリソグラフィ技術により、SiNx膜57上に、約300nmのスリット42aを有するレジスト膜からなるスリットパターン52を形成する。図6−1(E)の電極ドライエッチング・レジスト灰化工程において、スリットパターン52をマスクにしてプラズマエッチング等のドライエッチング技術により、SiNx膜57及びポリSi膜42をエッチングし、そのポリSi膜42を分離して第1、第2の電極である2つのポリSi電極42−1,42−2を形成した後、スリットパターン52を灰化して除去する。
次に、図6−2(F)のSiO2膜形成工程において、高密度プラズマ(以下「HDP」という。)により、紫外光UVによるダメージを評価するための評価対象膜であるシリコン系絶縁膜(例えば、SiO2膜43)を約1000nm形成する。図6−2(G)のSiO2膜平坦化工程において、化学的機械研磨法(以下「CMP法」という。)により、SiO2膜43を削って平坦化し、更に、SiNx膜57を表面から約50nm付近まで削る。図6−2(H)のSiO2膜ウェットエッチング工程において、例えば、0.3%フッ酸溶液により、SiO2膜43の表面がポリSi電極42−1,42−2の表面と同じ高さになるようにエッチングする。
図6−3(I)のパッドホトリソグラフィ工程において、ホトリソグラフィ技術により、2つに分離したSiNx膜57/ポリSi電極42−1,42−2の積層膜上に、約4mm×4mmのボックス型のレジスト抜きパターン53を形成する。図6−3(J)のパッドドライエッチング・レジスト灰化工程において、プラズマエッチング等のドライエッチングにより、レジスト抜きパターン53をマスクにしてSiNx膜57をポリSi電極42−1,42−2上まで削って開口した後、レジスト抜きパターン53を灰化して除去する。図6−2(K)のパッド配線接着工程において、開口したポリSi電極42−1,42−2上の配線接続部に、絶縁物54でそれぞれ被覆した2つの配線34の端部を導電ペースト55により接着する。その後、図5に示すパッド接続部モールド工程において、導電ペースト55上をモールド樹脂56で封止すれば、モニタ対象物40Bの製造が終了する。
(実施例3の動作)
モニタ対象物40Bについて、プラズマ処理により放射される紫外光UVのモニタを行う場合の動作は、実施例1と同様である。
(実施例3の効果等)
本実施例3によれば、次の(a)、(b)のような効果等がある。
(a) 図7は、図5のモニタ対象物40Bの一部分における断面の電子顕微鏡(SEM)写真を示す図である。
本実施例3によれば、ポリSi電極42−1,42−2の表面と評価対象膜であるSiO2膜43の表面とを同じ高さに揃えたので、図7に示すように、評価したい膜のポリSi電極42−1,42−2に対する被膜特性に影響されず、常に2つのポリSi電極42−1,42−2間の膜厚、及び高さが一定且つ最適となるので、紫外光UVの波長と評価する膜の相関関係が安定し、より精度の高い測定が可能になる。
(b) 本実施例3では、実施例1と同様のポリSi電極42−1,42−2を用いているが、実施例2のポリSi電極42−1A,42−2Aを使用しても、実施例2及び実施例3と同様の作用効果が得られる。
(変形例)
本発明は、上記実施例に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。その利用形態や変形例としては、例えば、次の(i)〜(iii)のようなものがある。
(i) 本発明は、図示のプラズマ処理装置30やモニタ対象物40,40Bの構成や製造方法等を、図示以外のものに変更しても良い。
(ii) 実施例1〜3では、評価対象膜として酸化シリコン系絶縁膜であるSiO2膜43を例にとり説明したが、複数の積層膜、酸化シリコン系窒化膜、あるいは有機系低誘電率膜等へも適用可能である。
(iii) 実施例1〜3では、半導体製造のプラズマ処理工程における紫外光UVによる製品へのダメージを想定して説明したが、本発明は、半導体製造以外の平面パネル製造等といった他の全てのプラズマ工程やプラズマ以外からの紫外光UVのモニタリングに対しても応用可能である。
本発明の実施例1を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)の概略の構成図である。 図1中の電極を示す概略の平面図である。 図1中のモニタ対象物の製造例を示す概略の断面工程図である。 図1中のモニタ対象物の製造例を示す概略の断面工程図である。 本発明の実施例2を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)におけるモニタ対象物中の電極を示す概略の平面図である。 本発明の実施例3を示す紫外光モニタリングシステム(例えば、プラズマモニタリングシステム)におけるモニタ対象物の概略の断面図である。 図5のモニタ対象物の製造例を示す概略の断面工程図である。 図5のモニタ対象物の製造例を示す概略の断面工程図である。 図5のモニタ対象物の製造例を示す概略の断面工程図である。 図5のモニタ対象物の一部分における断面の電子顕微鏡(SEM)写真を示す図である。 従来のプラズマモニタリングシステムを示す図である。 図8中の電極を示す概略の平面図である。
符号の説明
30 プラズマ処理装置
31 プラズマチャンバ
32 プラズマ
35 電圧源
36 電流計
40,40B モニタ対象物
41 Si基板
42−1,42−1A,42−2,42−2A ポリSi電極
42a スリット
43 SiO2膜

Claims (6)

  1. 対向して配置され、紫外光の照射に伴って発生する正孔を引き込む第1及び第2の電極と、
    前記第1及び第2の電極の近傍に形成され、前記紫外光の照射によるダメージの評価対象となる評価対象膜と、
    前記紫外光のモニタ時に、前記第1の電極、前記第1及び第2の電極間の間隙、及び前記第2の電極により形成される直列経路に対して所定のバイアスを印加する電源と、
    を有することを特徴とする紫外光モニタリングシステム。
  2. 前記第1及び第2の電極は、平行に配置された方形の導電膜により形成されていることを特徴とする請求項1記載の紫外光モニタリングシステム。
  3. 前記第1及び第2の電極は、互いに噛み合うように配置された櫛形の導電膜により形成されていることを特徴とする請求項1記載の紫外光モニタリングシステム。
  4. 前記評価対象膜は、前記第1及び第2の電極上に形成されて前記紫外光が照射されることを特徴とする請求項2又は3記載の紫外光モニタリングシステム。
  5. 前記評価対象膜は、前記第1及び第2の電極間の前記間隙に配置され、且つ前記第1及び第2の電極の表面と同一の高さに形成されて前記紫外光が照射され、
    前記第1及び第2の電極上には、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項2又は3記載の紫外光モニタリングシステム。
  6. 前記紫外光は、プラズマ処理により放射されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の紫外光モニタリングシステム。
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