JP2013243418A - モニタリング方法、プラズマモニタリング方法、モニタリングシステム及びプラズマモニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】実パターン上のチャージアップをリアルタイムに測定し、更に、自己整合バイアスのウェハ内面分布を測定する。
【解決手段】ウェハ表面の異なる箇所に複数のセンサ５０を貼着し、プラズマチャンバ内のステージ上に載置する。ＲＦバイアスを印加し、プラズマチャンバ内にプラズマ３２を発生させてウェハをプラズマ３２に曝す。ウェハをプラズマ３２に曝すと、電子遮蔽効果によって各センサ５０内のコンタクトホール５６の底に、チャージアップが発生する。即ち、コンタクトホールパターン表面とコンタクトホール５６の底との間に電荷の偏りができる。そのため、上部電極５５と下部電極５３に異なる電位が発生する。この時、上部電極５５及び下部電極５３の両方又は一方の電位を測定し、あるいは、上部電極５５及び下部電極５３間の電位差Δを測定し、モニタリングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造プロセス（工程）及びその他のプラズマを用いる全ての製造プロセスに適用できるモニタリング方法とそのモニタリングシステム、及びプラズマモニタリング方法とそのプラズマモニタリングシステムに関するものである。

従来、プラズマ処理装置内に設置されたウェハの処理過程をモニタするためのプラズマモニタリング方法やプラズマモニタリングシステムに関する技術として、次のような技術が知られている。

図７は、従来のプラズマモニタリングシステムを示す概略の構成図である。

特許文献１及び２には、プラズマモニタリングシステムの技術が記載されている。この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。プラズマ処理装置１０は、高周波（以下「ＲＦ」という。）バイアスの印加により、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であるウェハ２０に対するエッチングや成膜を行う装置である。ステージ１３には、交流電圧成分除去用のコイル１４を介して、自己整合バイアス測定用の電圧計１５が接続されている。ウェハ２０上には、プラズマプロセス検出用のセンサ２１等が貼着されている。

プラズマプロセスのモニタを行う場合、ＲＦバイアスの印加により、プラズマチャンバ１１内にプラズマ１２が発生し、ウェハ２０に対してプラズマ処理（例えば、プラズマエッチング）が行われる。この際、例えば、センサ２１によって検出される電圧値を観測することにより、プラズマエッチングの終了時点を検出でき、ウェハ２０の高精度加工が可能になる。

又、プラズマエッチングにおいて、プラズマ１２から発生するイオンのエネルギにより、ウェハ２０におけるパターンの形状や寸法や電気的ダメージが影響を受けることが一般に知られている。よって、プラズマ１２からのイオンの入射エネルギとその分布を観察することは重要である。しかし、イオンの入射エネルギは直接測定できないため、自己整合バイアスをモニタして間接的に指標としている。通常、この自己整合バイアスは、プラズマチャンバ１１内のステージ１３下に設置された電圧計１５で平均値を測定している。ここで、自己整合バイアスは交流電圧であり、交流電圧のＲＦ成分を除去し、一定の直流電圧のみを電圧計１５で測定するように、コイル１４で交流電圧成分を除去し、電圧計１５で電圧を測定している。

図８は、自己整合バイアスの説明図である。
状態１に示すように、ウェハ２０をプラズマ１２に曝すと、プラズマ１２は電子ｅと正イオンｈが僅かに分離した状態であり、電子ｅと正イオンｈが共にウェハ２０に帯電するように動く。しかし、この時、正イオンｈより電子ｅの方が遥かに軽いため、電子ｅの方が速度が速く、ウェハ２０上（ウェハ２０の下にステージ１３がある場合はステージ１３にも）には大量の電子ｅが帯電する。そのため、状態２に示すように、その電子帯電によってウェハ２０にはマイナスの電位が発生する。

次に、状態３に示すように、速い電子ｅとは反対の電荷を持つプラスの正イオンｈがウェハ２０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。よって、最終的にはプラズマ１２からマイナスの電子ｅもプラスの正イオンｈもウェハ２０上に到達し、帯電することになるが、最初（状態１）のマイナスの電子ｅの帯電量が大きいために、ウェハ２０の電位はマイナス電位で安定状態となる。このマイナス電位を自己整合バイアスと呼んでいる。

特開２００３−２８２５４６号公報 特開２００５−２３６１９９号公報

しかしながら、従来のモニタリング方法、プラズマモニタリング方法、モニタリングシステム及びプラズマモニタリングシステムでは、以下のような第１の課題（１）、及び第２の課題（２）があった。

（１） 第１の課題
ウェハ２０上に大規模集積回路（以下「ＬＳＩ」という。）等を形成するための加工では、例えば、プラズマエッチングにより複数のコンタクトホールが形成される。ところが、従来技術では、ウェハ２０の表面の電位とコンタクトホール底の電位の両方をモニタすることができないため、電荷蓄積（チャージアップ）による電荷の偏りを測定することができない。アスペクト比（コンタクトホールの直径に対する深さの比）が高い場合、電子ｅはコンタクトホール底へ到達し難い（電子遮蔽効果）。そのため、コンタクトホール底は電子ｅの供給が不足し、コンタクトホールパターン表面に比較すると、コンタクトホール底はプラスにチャージアップする。これらはトランジスタの絶縁破壊、エッチング速度低下、エッチングが進行しない等の問題を引き起こす。先端の６５ｎｍ世代以降のコンタクトホール径はΦ０．１μｍであり、アスペクト比１０位と大きいため、チャージアップは深刻な問題である。

又、一般的にチャージアップをモニタする場合、記録用メモリトランジスタ（Non-Volatile Memory Transistor、以下「ＮＶＭ」という。）や、回路パターンが形成されていないウェハ（ブランクウェハ）を用いている。しかし、両者共に実パターン上のチャージアップの測定も、リアルタイムでの測定もできないという課題がある。次に、この課題（ａ）、（ｂ）を詳細に説明する。

（ａ） ＮＶＭ方式の課題
ＮＶＭ方式は、プラズマ１２に対して露出しているウェハ２０の表面上のアンテナ（導体）がウェハ２０内に埋め込まれているＮＶＭのゲート電極に接続されている。ＮＶＭはゲート電極に印加される電位の大きさによって、トランジスタの特性（トランジスタのソース電極・ドレイン電極間の電流の流れ易さ）が変化する。そのため、チャージアップがＮＶＭ方式チャージアップモニタウェハ上に起こると、アンテナに電荷が貯まり、アンテナの電位が変化する。このアンテナはＮＶＭのゲート電極に繋がっているので、アンテナ電位の大きさによって、ＮＶＭの特性が変化する。つまり、チャージアップ量の大きさ（電位変化幅）をトランジスタの特性変化量から知ることができる。従って、ＮＶＭ方式は一旦、モニタ対象であるセンサウェハをプラズマ１２に曝し、ＮＶＭの特性を変化させた後、プラズマ１２からセンサウェハを取り出して、ＮＶＭの特性がプラズマ１２に曝す前と後とで、どの位変化（トランジスタの電流の流れ易さの変化量）したかを測定機で測定する。

よって、プラズマ１２中でチャージアップが起きている時には、チャージアップ（例えば、アンテナの電位）を観察することができず、リアルタイムでは観察できない。又、平坦なアンテナ（導体）でチャージアップを受ける（拾う）ので、コンタクトホールのような実際のＬＳＩ製品等が有するパターンの中で発生するようなチャージアップを測定できない。

（ｂ） ブランクウェハを用いたときの課題
ブランクウェハは、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜がシリコン基板上一面に単に形成されているだけである。この絶縁膜が形成されたウェハ２０をプラズマ１２に曝すと、絶縁膜表面がチャージアップされる。次に、このウェハ２０をプラズマチャンバ１１から取り出すと、絶縁膜上に蓄積された電荷が残っている（チャージアップの残留）。この残留電荷量を非接触タイプの電位測定機で測定し、チャージアップ度合いを計測する。そのため、この方式も、プラズマ１２から一旦センサウェハを取り出した後での測定であり、実際にプラズマ１２中でチャージアップが発生している時ではなく、リアルタイム測定はできない。又、シリコン基板上の無地の絶縁膜であるので、コンタクトホールのような実際のパターン（コンタクトホール等）中のチャージアップは測定できない。

（２） 第２の課題
プラズマ１２によるウェハ２０へのイオンの入射エネルギは、直接測定できないため、自己整合バイアスをモニタして間接的に指標としている。通常、この自己整合バイアスは、ステージ１３下に設置された電圧計１５で平均値を測定しているため、自己整合バイアスの面内分布を測定することができないという課題がある。次に、この課題を詳細に説明する。

図７に示すように、通常、ステージ１３は導電性の電極であり、プラズマ１２内で自己整合バイアスが発生すると、ステージ１３のプラズマ１２に曝されている領域（外周等）は自己整合バイアスが印加される。このステージ１３から下に電圧計１５が繋がっており、自己整合バイアスを電圧計１５で読む。そのため、自己整合バイアスは、ステージ１３のプラズマ露出部分の全面積（例えば、ステージ１３の外周部分）をアンテナとして測定することになる。よって、ウェハ２０上（ステージ１３上）の複数のポイントで自己整合バイアスがどの程度異なるか等の測定はできない。図７では、ステージ１３の外周部分の領域をアンテナとした場合の平均的自己整合バイアス（ステージ１３の外周部分の領域の様々なポイントでは若干バイアスが異なっても、それら各バイアスの平均値）を測定することになる。

前記課題を解決するために、本発明の内の第１の発明であるモニタリング方法は、基板と、前記基板の表面上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の一部を露出する貫通孔を備えて前記第１の電極上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の表面上に形成された第２の電極と、を有するセンサを使用する。前記モニタリング方法は、測定対象の電位を、前記第１の電極は前記貫通孔によって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得し、前記センサは、前記第１の電極によって取得された電位及び前記第２の電極によって取得された電位を検出することを特徴とする。

第２の発明であるプラズマモニタリング方法は、基板と、前記基板とは絶縁された状態で前記基板上に形成された導電性の第１の電極と、前記第１の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成され、前記絶縁膜の表面から前記第１の電極に達する深さを有するコンタクトホールと、前記絶縁膜の表面に形成され、プラズマプロセス中はプラズマに面する導電性の第２の電極と、を有するセンサを使用する。前記プラズマモニタリング方法は、前記プラズマプロセス中、前記プラズマプロセスによって発生する電位を取得した前記第１及び第２の電極の電位、又は前記第１及び第２の電極間の電位差、を測定し、モニタリングすることを特徴とする。

第３の発明であるモニタリグシステムは、基板と、前記基板の表面上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の一部を露出する貫通孔を備えて前記第１の電極上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の表面上に形成された第２の電極と、を有するセンサと、前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位、又は前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位の差分を測定する電位計と、を備えている。前記モニタリグシステムは、測定対象の電位を、前記第１の電極は前記コンタクトホールによって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得することを特徴とする。

第４の発明であるプラズマモニタリグシステムは、基板と、前記基板とは絶縁された状態で前記基板上に形成された導電性の第１の電極と、前記第１の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成され、前記絶縁膜の表面から前記第１の電極に達する深さを有するコンタクトホールと、前記絶縁膜の表面に形成され、プラズマプロセス中はプラズマに面する導電性の第２の電極と、を有するセンサと、前記プラズマプロセス中、前記第１及び第２の電極の電位、又は前記第１及び第２の電極間の電位差、を測定する電位計と、を備えている。前記プラズマモニタリグシステムは、測定対象の電位を、前記第１の電極は前記コンタクトホールによって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得することを特徴とする。

本発明によれば、第２の絶縁膜の表面上に形成された第２の電極と、第２の絶縁膜が備える貫通孔によって露出された第１の電極とを備えたセンサによって、第１の電極は前記貫通孔によって露出された表面にて取得し、第２の電極は第２の電極の表面にて取得することとしたので、第２の絶縁膜の表面及び貫通孔の内部が実際に測定対象の電位から受ける影響をより正確に検出できる。よって、プロセス条件を最適化し、チャージアップ起因の歩留り低下を改善できる。

本発明の実施例１を示すプラズマプロセス検出用センサの概略の断面図である。 本発明の実施例１を示す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のセンサの製造方法例を示す概略の断面工程図である。 図１のセンサの製造方法例を示す概略の断面工程図である。 図１のセンサの製造方法例を示す概略の断面工程図である。 図１のセンサの製造方法例を示す概略の断面工程図である。 図１の上部電極５５の電位と下部電極５３の電位の自己整合バイアス依存を示す実験データの図である。 本発明の実施例２を示すプラズマモニタリングシステムの概略の構成図である。 本発明の実施例３を示すプラズマプロセス検出用センサ５０Ａの概略の断面図である。 従来のプラズマモニタリングシステムを示す概略の構成図である。 自己整合バイアスの説明図である。

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１のモニタリングシステム）
図２は、本発明の実施例１を示す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。

この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。プラズマ処理装置３０は、ＲＦバイアスの印加により、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、導電性のステージ３３上に載置したモニタ対象物であるシリコンウェハ等といった半導体ウェハ等のウェハ４０に対するエッチングや成膜を行う装置である。ステージ３３には、交流電圧成分除去用のコイル３４を介して、自己整合バイアス測定用の電圧計３５が接続されている。ウェハ４０の表面内における所定の１箇所、あるいは異なる複数箇所（図２では２箇所の例が示されている。）には、センサとしての２つのプラズマプロセス検出用センサ５０（＝５０−１，５０−２）が貼着されている。

図１は、本発明の実施例１である図２中に示すプラズマプロセス検出用センサ５０の概略の断面図である。

このプラズマプロセス検出用センサ５０は、基板（例えば、シリコン基板）５１を有し、このシリコン基板５１上に、膜厚約１．０μｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる第１の絶縁膜としての絶縁膜５２が形成されている。絶縁膜５２上には、膜厚約３００ｎｍのポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の導電性物質からなる第１の電極（例えば、下部電極）５３が選択的に形成され、この上に、膜厚約１．０μｍのシリコン酸化膜等からなる第２の絶縁膜としての絶縁膜５４が堆積されている。絶縁膜５４上には、膜厚約３００ｎｍのポリシリコン等の導電性物質からなる第２の電極（例えば、上部電極）５５が選択的に形成されている。上部電極５５には、実際にウェハに形成される複数の断面円形のコンタクトホール５６からなるコンタクトホールパターンが形成されている。各コンタクトホール５６は、断面円形の直径が約１００ｎｍで、深さは上部電極５５の表面から下部電極５３の表面に達する長さを有し、約１．３μｍである。

絶縁膜５４の表面の露出箇所には、配線接続用エリア５７が開口され、下部電極５３の表面が露出している。上部電極５５は、絶縁膜５４の表面と交差する第１の側面と、第１の側面と交差する第１の表面とを有している。上部電極５５の第１の表面には配線５８が接続されると共に、下部電極５３にも配線５９が接続され、この２つの配線５８，５９が図示しない端子を介して図２のプラズマチャンバ３１の外部に引き出されている。外部に引き出された２つの配線５８，５９のうち、一方の配線５８には、電位を測定するための第２の電位計としての電位計６０が接続され、この電位計６０が基準電位（例えば、グランド電位）の端子６２に接続されている。同様に、他方の配線５９にも、電位を測定するための第１の電位計としての電位計６１が接続され、この電位計６１が基準電位（例えば、グランド電位）の端子６３に接続されている。

（実施例１のセンサの製造方法）
図３−１〜図３−４は、図１のセンサ５０の製造方法例を示す概略の断面工程図である。図１のセンサ５０は、例えば、以下のような工程（１）〜（９）により製造される。

絶縁膜形成工程（１）において、熱酸化処理により、シリコン基板５１上に膜厚約１．０μｍのシリコン酸化膜からなる絶縁膜５２を形成する。導電膜形成工程（２）において、気相成長法（以下「ＣＶＤ法」という。）により、絶縁膜５２上に、所定の不純物イオン濃度を有する膜厚約３００ｎｍのポリシリコン膜からなる導電膜５３ａを形成する。電極形成工程（３）において、ホトリソグラフィ技術により、導電膜５３ａ上に、レジスト膜からなる電極パターンのマスクを形成し、次に、プラズマエッチング等のドライエッチング技術により、導電膜５３ａをエッチングして下部電極５３を形成した後、不要になったマスクを灰化して除去する。

絶縁膜形成工程（４）において、ＣＶＤ法により、膜厚約１．０μｍのシリコン酸化膜からなる絶縁膜５４を堆積する。導電膜形成工程（５）において、工程（２）と同様に、ＣＶＤ法により、絶縁膜５４上に、所定の不純物イオン濃度を有する膜厚約３００ｎｍのポリシリコン膜からなる導電膜５５ａを形成する。電極形成工程（６）において、工程（３）と同様に、ホトリソグラフィ技術により、導電膜５５ａ上に、レジスト膜からなる電極パターンのマスクを形成し、プラズマエッチング等のドライエッチング技術により、導電膜５５ａをエッチングして上部電極５５を形成する。

コンタクトホール形成工程（７）において、ホトリソグラフィ技術により、上部電極５５上に、レジストパターンを形成した後、プラズマエッチング等のドライエッチング技術により、レジストパターンをマスクにして上部電極５５及び絶縁膜５４を下部電極５３の表面の深さまでエッチングし、複数の断面円形のコンタクトホール５６からなるコンタクトホールパターンを形成する。各コンタクトホール５６の断面円形の直径は約１００ｎｍ、深さは約１．３μｍである。配線接続用エリア開口工程（８）において、ホトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、絶縁膜５４の露出した表面から下部電極５３の表面までエッチングして配線接続用エリア５７を開口する。

その後、配線接続工程（９）において、上部電極５５と下部電極５３に配線５８，５９をそれぞれ接続し、図２に示すプラズマチャンバ３１の外部に設けた電位計６０，６１にそれぞれ接続する。

（実施例１のモニタリング方法）
次に、本実施例のモニタリング方法（例えば、プラズマモニタリング方法）について説明する。
前記のようにして製造した実際のコンタクトホールパターンからなるセンサ５０を複数（例えば、２つ）用意する。そして、図２に示すウェハ４０の表面の異なる２箇所に、２つのセンサ５０（＝５０−１，５０−２）を貼着し、このセンサ付きウェハ４０をプラズマ処理装置３０におけるプラズマチャンバ３１内のステージ３３上に載置する。次に、例えば、プラズマチャンバ３１内の圧力を１２０ｍＴｏｒｒ、封入ガスとしてＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｎ２及びＡｒの混合ガスを封入し、プラズマ処理装置３０に１６００ＷのＲＦバイアスを印加し、プラズマチャンバ３１内にプラズマ３２を発生させてウェハ４０をプラズマ３２に曝す。

ウェハ４０をプラズマ３２に曝すと、図１に示すように、電子遮蔽効果（電子シェーディング効果）によって各センサ５０（＝５０−１，５０−２）内のコンタクトホール５６の底に、チャージアップが発生する。即ち、下部電極５３より上部電極５５の方が電子ｅが多く蓄積し、コンタクトホールパターン表面とコンタクトホール５６の底との間に電荷の偏りができる。そのため、上部電極５５と下部電極５３に異なる電位が発生する。この時、上部電極５５及び下部電極５３の両方又は一方の電位を電位計６０，６１で測定し、あるいは、上部電極５５及び下部電極５３間の電位差Δ（＝Ｖ２−Ｖ１、但し、Ｖ２；電位計６１の指示値、Ｖ１；電位計６０の指示値）を電位計６０，６１で測定し、モニタリングする。

この際、プラズマ３２内で自己整合バイアスＶｄｃが発生すると、導電性のステージ３３のプラズマ３２に曝されている領域（外周等）は自己整合バイアスＶｄｃが印加される。このステージ３３から下に電圧計３５が接続されているので、自己整合バイアスＶｄｃを電圧計３５で読む。そのため、自己整合バイアスＶｄｃは、ステージ３３のプラズマ露出部分の全面積（例えば、ステージ３３の外周部分）をアンテナとして測定することになる。

（実施例１の効果）
図４は、図１の上部電極５５の電位と下部電極５３の電位の自己整合バイアス依存を示す実験データの図であり、横軸に自己整合バイアスＶｄｃ（Ｖ）、及び縦軸に上部電極５５と下部電極５３の電位（Ｖ）が採られている。

本実施例１によれば、各センサ５０（＝５０−１，５０−２）において実際のコンタクトホールパターン表面とコンタクトホール底に上部電極５５と下部電極５３を設け、電位計６０，６１により、コンタクトホールパターン表面の電位とコンタクトホール底の電位を同時に計測するので、図４に示す実験データから分かるように、実際のコンタクトホールパターン中に発生するチャージアップを上部電極５５の電位と下部電極５３の電位との電位差として観察することができる。そのため、チャージアップの影響をより正確に検出できる。しかも、その電位差をプラズマ発生中に測定するので、リアルタイムでチャージアップを観察することができる。よって、プロセス条件を最適化し、チャージアップ起因の歩留り低下を改善できる。

更に、図４に示す実験データから分かるように、上部電極５５の電位は、図２の電圧計３５で測定された自己整合バイアスＶｄｃと相関関係にある。よって、ウェハ面内の異なる複数箇所（例えば、２箇所）にセンサ５０−１，５０−２を配置しているので、間接的に自己整合バイアス電圧Ｖｄｃの面内分布をモニタリングすることができる。モニタリング精度を上げるためには、センサ５０の設置数を増やせば良い。

（実施例２の構成）
図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例２を示す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り、実施例１を示す図１及び図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。

複数（例えば、２つ）のウェハ４０−１，４０−２上に、実施例１のセンサ５０（＝５０−１〜５０−５）をそれぞれ貼着する。この時、ウェハ４０−１，４０−２上のセンサ５０−１，・・・のコンタクトホール部分の総面積（＝コンタクトホール５６の断面円形の面積×ウェハ４０−１，４０−２上にあるコンタクトホール５６の数）がそれぞれ異なるようにセンサ付きウェハ４０−１，４０−２を構成する。例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）では、配置するセンサ５０−１，・・・の数をウェハ４０−１，４０−２毎に変えており、図５（Ａ）では、ウェハ４０−１の面内に２つのセンサ５０−１，５０−２を配置し、図５（Ｂ）では、ウェハ４０−２の面内に５つのセンサ５０−１〜５０−５を配置している。これにより、ウェハ４０−２に配置されたセンサ５０−１〜５０−５におけるコンタクトホール部分の総面積は、ウェハ４０−１に配置されたセンサ５０−１，５０−２におけるコンタクトホール部分の総面積の２．５倍になる。

（実施例２のモニタリング方法）
次に、本実施例のモニタリング方法（例えば、プラズマモニタリング方法）について説明する。
センサ５０−１，・・・が配置された２種類のウェハ４０−１，４０−２を、同一条件のプラズマ３２に曝す。即ち、先ず、１種類目のセンサ付きウェハ４０−１をプラズマチャンバ３１内に設置し、あるプラズマ条件に曝した後、そのセンサ付きウェハ４０−１はプラズマチャンバ３１から取り出し、次に、２種類目のセンサ付きウェハ４０−２をプラズマチャンバ３１内に入れて１回目と同じプラズマ条件に曝す。

すると、電子遮蔽効果によってセンサ５０−１，・・・のコンタクトホール底にチャージアップが発生するため、上部電極５５と下部電極５３に異なる電位が発生する。この時、各ウェハ４０−１，４０−２に配置されているセンサ５０−１，・・・の電極間の電位差を電位計６０，６１で測定し、モニタリングする。

ここで、１つのセンサ５０の電位差を測定する方法としては、センサ１つに対して２つの電位計６０，６１を接続し、その２つの電位計６０，６１で測定した電位を比較する方法（電位の差をとる方法）や、１つのセンサ５０の２つの上部電極５５及び下部電極５３に１つの電圧計（この電圧計は２電極分の電位を測定するために２つの端子を持つ）を接続し、直接電極間電圧を測定する等の方法がある。よって、電位計で測定する場合は１つのセンサ毎に２つの電位計が必要になり、電圧計で測定する場合は、１つのセンサ毎に１つの電圧計が必要になるが、いずれの方法を採用しても良い。

（実施例２の効果）
本実施例２によれば、同一プラズマ条件の下で、ウェハ４０−１，４０−２上に配置されたセンサ５０−１，・・・のコンタクトホール部分の総面積が異なるセンサ付きウェハ４０−１，４０−２に対して測定された電位差を比較する。これにより、チャージアップのパターンレシオ依存（ウェハ当たりのコンタクトホール部分の総面積依存）を観察できる。

即ち、通常、プラズマエッチングする対象面積が広いほど、プラズマエッチングのために消費されるプラズマガスの量が大きくなるが（エッチング対象物との反応ガス量が多いため）、この時、消費量に対してプラズマガスの供給量が不十分になると、プラズマエッチングされるスピードが遅くなる。このプラズマガスの供給量に対して消費量が増加することで、エッチングスピードが減速することをローディング効果と呼び、これはエッチングスピードのパターンレシオ依存（エッチングされる面積依存）を測定して調べる。

本実施例２のセンサ５０−１，・・・もコンタクトホール５６内の側壁絶縁膜等が僅かにエッチングされるものと考えられる。従って、ウェハ４０−１，４０−２内に存在するコンタクトホール５６の面積が広い程（コンタクトホール５６の数が多い場合や１つのコンタクトホール５６の直径が大きい等）、コンタクトホール側壁絶縁膜等と反応するガスが多くなり（プラズマチャンバ３１内のプラズマガスの内、コンタクトホール５６内で消費されるガス量が増える）、その結果、プラズマチャンバ３１内のプラズマ状態が変化する。そのため、プラズマ３２の変化に起因したチャージアップ変化が起きると考えられる。よって、チャージアップのパターンレシオ依存を観察することにより、プラズマ状態を的確にモニタリングすることができる。

図６は、本発明の実施例３を示すプラズマプロセス検出用センサ５０Ａの概略の断面図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。

実施例１及び２のセンサ５０において、上部電極５５と下部電極５３との間に、１つ又は複数の中間電極を設けても良い。１つの中間電極を追加した例が本実施例３の図６に示されている。

本実施例３のセンサ５０Ａでは、下部電極５３と上部電極５５との間の絶縁膜５４中に、所定の不純物イオン濃度を有する膜厚約３００ｎｍのポリシリコン膜からなる第３の電極としての中間電極６４が形成されている。中間電極６４には、配線６５によって電位計６６が接続され、この電位計６６が基準電位（例えば、グランド電位）の端子６７に接続されている。

プラズマ３２により、コンタクトホール５６の内壁にもチャージアップが起きるので、ＬＳＩ製品等でコンタクトホール５６をプラズマエッチングで形成する際は、エッチングを促進する正イオンｈがコンタクトホール内壁の電位の影響を受けてコンタクトホール底方向への軌道が曲がり、内壁に衝突してこの内壁がエッチングされる現象が起きる。コンタクトホール５６の内壁のエッチングが顕著であると、製品歩留りが悪くなる等の問題となる。よって、コンタクトホール内壁の電位はプラズマ３２からの正イオンｈの軌道に影響を与えるので、中間電極６４を設けることにより、上部電極５５と下部電極５３との間のコンタクトホール内壁の電位を電位計６６で測定でき、コンタクトホール５６内のチャージアップをより詳細に調べることが可能になる。

なお、中間電極６４を２つ以上設ける場合は、上部電極５５と下部電極５３との間を３等分、４等分等と均等に等分した位置に設けるか、あるいは、上部電極５５と下部電極５３との間において電位を測定したい位置に設ければ良い。

（変形例）
本発明は、上記実施例１〜３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）〜（ｉｖ）のようなものがある。

（ｉ） 本発明では、図示のプラズマ処理装置３０、及びセンサ５０，５０Ａ，・・・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） 図２では、ウェハ４０の表面に２つのセンサ５０−１，５０−２を設けているが、使用方法等によっては１つのセンサ５０−１をウェハ４０の表面、あるいはウェハ４０の近傍（例えば、ステージ３３の外周等）に設けても良い。同様に、図５では、各ウェハ４０−１，４０−２の表面に複数のセンサ５０−１，・・・をそれぞれ設けているが、センサ５０−１，・・・にそれぞれ形成されるコンタクトホール５６の数を変える等して、１つのセンサ５０−１をウェハ４０−１又は４０−２に設けてモニタリングしても良い。

（ｉｉｉ） 図２に示すプラズマモニタリングシステムでは、プラズマ処理装置３０を備えているが、使用方法等によっては、図１に示すセンサ５０及び電位計６０，６１によりプラズマモニタリングシステムを構成したり、あるいは、１つ又は複数のセンサ５０が装着されたセンサ付きウェハ４０と電位計６０，６１とによりプラズマモニタリングシステムを構成しても良い。この際、電位計６０，６１を小型化し、この小型化した電位計６０，６１と他の回路部品（例えば、駆動用電池やデータ蓄積用メモリ等）とをセンサ５０内あるいはセンサ付きウェハ４０内に内蔵させれば、プラズマモニタリングシステムを小型化できて使い勝手が良い。

（ｉｖ） 実施例では、プラズマを用いた半導体製造プロセスについて説明したが、本発明は、半導体製造プロセス以外の平面パネル製造等といった他のプラズマを用いる全ての製造プロセスに応用可能である。

３０ プラズマ処理装置
３１ プラズマチャンバ
３２ プラズマ
３３ ステージ
３５ 電圧計
４０，４０−１，４０−２ ウェハ
５０，５０−１〜５０−５，５０Ａ センサ
５１ シリコン基板
５２，５４ 絶縁膜
５３ 下部電極
５５ 上部電極
５６ コンタクトホール
６０，６１，６６ 電位計
６４ 中間電極

Claims (14)

1. 基板と、前記基板の表面上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の一部を露出する貫通孔を備えて前記第１の電極上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の表面上に形成された第２の電極と、を有するセンサを用いたモニタリング方法であって、
   測定対象の電位を、前記第１の電極は前記貫通孔によって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得し、
   前記第１の電極によって取得された電位及び前記第２の電極によって取得された電位を検出することを特徴とするモニタリング方法。
2. 前記第２の電極の表面は、前記第２の絶縁膜の表面と交差する第１の側面と、前記第１の側面と交差する第１の表面とを有し、
   前記第２の電極は、前記測定対象の電位を前記第１の表面にて取得することを特徴とする請求項１に記載のモニタリング方法。
3. 前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位との差分を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のモニタリング方法。
4. 前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位との差分の検出は、前記第１の電極と前記第２の電極とで前記測定対象の電圧成分から同時に取得した電位の差分により行うことを特徴とする請求項３に記載のモニタリング方法。
5. 前記測定対象はプラズマであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のモニタリング方法。
6. 前記センサをプラズマチャンバ内に配置し、且つ前記第１の電極に接続された第１の電位計と前記第２の電極に接続された第２の電位計とを用いることにより、前記第１の電極の電位及び前記第２の電極の電位を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のモニタリング方法。
7. 前記第１の電極によって取得された電位及び前記第２の電極によって取得された電位の検出を、前記プラズマチャンバ内の複数箇所に配置した前記センサのそれぞれから行うことを特徴とする請求項６に記載のモニタリング方法。
8. 前記センサは、前記第１及び第２の電極の他に、前記第１及び第２の電極間に絶縁されて配置された１つ又は複数の第３の電極を有し、
   前記第１の電極によって取得された電位と前記第３の電極によって取得された電位との差分、又は前記第２の電極によって取得された電位と前記第３の電極によって取得された電位の差分、を検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモニタリング方法。
9. 基板と、前記基板とは絶縁された状態で前記基板上に形成された導電性の第１の電極と、前記第１の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成され、前記絶縁膜の表面から前記第１の電極に達する深さを有するコンタクトホールと、前記絶縁膜の表面に形成され、プラズマプロセス中はプラズマに面する導電性の第２の電極と、を有するセンサを用い、
   前記プラズマプロセス中、前記プラズマプロセスによって発生する電位を取得した前記第１及び第２の電極の電位、又は前記第１及び第２の電極間の電位差、を測定し、モニタリングすることを特徴とするプラズマモニタリング方法。
10. 基板と、前記基板の表面上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の一部を露出する貫通孔を備えて前記第１の電極上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の表面上に形成された第２の電極と、を有するセンサと、
    前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位、又は前記第１の電極によって取得された電位と前記第２の電極によって取得された電位の差分を測定する電位計と、
    を備え、
    測定対象の電位を、前記第１の電極は前記貫通孔によって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得することを特徴とするモニタリングシステム。
11. 前記第２の電極の表面は、前記第２の絶縁膜の表面と交差する第１の側面と、前記第１の側面と交差する第１の表面とを有し、
    前記第２の電極は、前記測定対象の電位を前記第１の表面にて取得することを特徴とする請求項１０に記載のモニタリングシステム。
12. 前記測定対象は、プラズマであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のモニタリングシステム。
13. 前記センサは、前記第１及び第２の電極の他に、前記第１及び第２の電極間に絶縁されて配置された１つ又は複数の第３の電極を有し、
    前記第１の電極によって取得された電位と前記第３の電極によって取得された電位との差分、又は前記第２の電極によって取得された電位と前記第３の電極によって取得された電位の差分、を検出することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のモニタリングシステム。
14. 基板と、前記基板とは絶縁された状態で前記基板上に形成された導電性の第１の電極と、前記第１の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成され、前記絶縁膜の表面から前記第１の電極に達する深さを有するコンタクトホールと、前記絶縁膜の表面に形成され、プラズマプロセス中はプラズマに面する導電性の第２の電極と、を有するセンサと、
    前記プラズマプロセス中、前記第１及び第２の電極の電位、又は前記第１及び第２の電極間の電位差、を測定する電位計と、
    を備え、
    測定対象の電位を、前記第１の電極は前記コンタクトホールによって露出された表面にて取得し、前記第２の電極は前記第２の電極の表面にて取得することを特徴とするプラズマモニタリングシステム。

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