JP3846016B2 - 電子シェーディングダメージの測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスの測定に関し、特にプラズマを用いた半導体プロセスにおける電子シェーディングダメージの測定に関する。
【0002】
本明細書において、「電子シェーディングダメージ」とは、電子が遮蔽(シェーディング)されることにより、導電性表面に正電荷が過剰に注入されることに起因するダメージをいう。
【0003】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の製造において、高集積化(微細化)と半導体ウエハの大口径化が進んでいる。これらの変化に伴い、低圧高密度プラズマが半導体微細加工技術として必須のものとなっている。これらのプラズマ加工において、プラズマから半導体基板に注入されるチャージによる悪影響を避けるため、プラズマ内での正電荷と負電荷の均一化が計られている。
【0004】
しかしながら、平坦な表面に対しては均一な電荷分布を示すプラズマを用いても、アスペクト比の高い開口部を有するレジスト(または絶縁膜)マスクを用いたプラズマ加工においては、電子シェーディングダメージと呼ばれる高密度プラズマ特有のチャージングダメージが発生することが報告されている。
【0005】
電子シェーディングダメージは、電子とイオンの行動の差によって生じるものと考えられる。エッチング対象である導電層と半導体基板とが電気的に分離され、且つゲート酸化膜等の薄い絶縁膜を介して基板と対向している場合を考える。
【0006】
通常、半導体基板とプラズマ間にはバイアス電位が生じ、正電荷を有するイオンが基板に対して加速されながら入射する。これに対し、負電荷を有する電子は、電界によって減速される。これらの結果、イオンは基板に対してほぼ垂直に入射するのに対し、電子は基板表面方向の速度成分が大きくなり、基板に対し斜めに入射する。
【0007】
加工すべき導電性表面を囲んで絶縁物のパターンがあると、斜め入射する電子は絶縁物パターンに遮られてしまう。このような絶縁物のパターンがあっても、垂直に入射するイオンは絶縁物パターンに遮蔽されることなく、加工すべき導電性表面に垂直に入射する。このため、導電性表面には過剰な正電荷が流入することになる。
【0008】
絶縁物パターン側壁上に電子が捕獲されると、入射する電子をはね返す向きの電場が形成される。垂直方向の運動エネルギが小さな電子は、この電場によってほとんどはね返されてしまう。このようにして電子シェーディングが生じると考えられる。
【0009】
正電荷を有するイオンは、この電場によってはね返されることなく、絶縁物パターン下の導電性表面に入射する。絶縁物パターン下の導電層には、正電荷が蓄積されることになる。導電層が絶縁ゲート電極に接続されている場合、蓄積された正電荷によりゲート絶縁膜に電界が印加されることになる。この電界によってゲート絶縁膜にトンネル電流が流れると、導電層に蓄積される正電荷は定常状態に達するであろう。しかし、ゲート絶縁膜は、トンネル電流によって劣化する。
【0010】
ゲート絶縁膜の厚さが厚い場合は、トンネル電流がなかなか流れず、導電層の蓄積正電荷が大きくなる。すると、蓄積された正電荷により、表面に電子を引き込む方向の電場を発生させる。この電場によって電子が引き込まれると、トンネル電流が流れなくても定常状態になると考えられる。
【0011】
MOSトランジスタの微細化に伴い、ゲート酸化膜の厚さはますます薄くなる傾向にある。ゲート絶縁膜が薄くなると、トンネル電流が流れ易くなり、電子シェーディングに起因するトンネル電流によってゲート絶縁膜の寿命が短くなってしまう。
【0012】
低圧高密度プラズマを用いて半導体基板を加工する場合、電子シェーディングによるチャージングダメージ(電子シェーディングダメージ)がどの程度生じるかを測定することは製造される半導体装置の信頼性向上のため欠くことができないものとなる。
【0013】
電子シェーディングダメージの測定方法としては、たとえばMOSトランジスタのゲート電極に櫛形アンテナを接続し、櫛形アンテナにプラズマ処理を行なうことによって生じるMOSトランジスタの閾値電圧シフトを測定する方法が知られている。
【0014】
電子シェーディングダメージにより、ゲート酸化膜にトンネル電流が流れると、MOSトランジスタの閾値電圧はシフトする。シフトした閾値電圧を測定することにより、ゲート酸化膜に流れた電荷量を推定することができる。
【0015】
この方法は、電子シェーディングダメージを測定するためにMOSトランジスタを作成することが必要となる。プロセスの立ち上げ時においては、種々のプロセスパラメータを最適化することが要求される。このような場合、プロセスの状態をモニタするだけの目的で、MOSトランジスタを作成したサンプルを作ることはコストの上昇につながる。
【0016】
より簡単な測定用サンプルとしては、MOSトランジスタ構造とせず、MOSキャパシタ(ゲート電極のみ)を用いる方法がある。MOSキャパシタをサンプルとする場合、閾値電圧は測定できないため、MOSキャパシタの絶縁膜の耐圧を測定することになる。しかしながら、MOSキャパシタの絶縁耐圧測定は、精度が低く、要求されるチャージングダメージの程度を定量化することが困難である。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
このように、MOSトランジスタをテスト素子としてプロセスをモニタすれば、電子シェーディングダメージを定量的に測定することができるが、サンプル作成のコストが高くなる。MOSキャパシタをテスト素子とすれば、サンプル作成のコストは低減できるが、測定精度が低くなってしまう。
【0018】
通常、半導体基板全面上に形成された導電層は、いずれかの場所(たとえばスクライブライン)において半導体基板に電気的に接続されている。
【0019】
電子シェーディングダメージは、オープンスペースの導電性被エッチング層のエッチングが終了した後、マイクロローディング効果により残存した配線間の狭いスペース部の被エッチング層がオーバーエッチングされ終わるまでの間に被エッチング層に注入され、ゲート酸化膜に流れた電荷によって生じるものである。
【0020】
従って、電子シェーディングダメージは、オープンスペースでの主エッチング終了時から狭いスペース部でのオーバーエッチング終了時点までの時間の長短に依存する。すなわち、電子シェーディングダメージの測定は、被エッチング層のオーバーエッチングの時間長に依存し、オーバーエッチングの時間が短いと十分な精度で測定を行うことが難しい。
【0021】
測定しようとするプラズマの電子シェーディングダメージを詳細に究明しようとする場合等、所望の十分長い時間電子シェーディングダメージを測定できることが望まれる。
【0022】
本発明の目的は、サンプルの作成コストが低く、かつ十分な精度を与えることのできる電子シェーディングダメージ測定方法を提供することである。
【0023】
本発明の目的は、所望の時間長電子シェーディングダメージを測定することのできる電子シェーディングダメージ測定方法を提供することである。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第1キャパシタ構造に強制的に電流を流し、注入電荷量に対するフラットバンド電圧の変化を測定した特性曲線を準備する工程と、半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第2キャパシタ構造を準備する工程と、前記第2キャパシタ構造上に開口を有する絶縁層を前記半導体基板上に形成し、その上にTiNまたはTiONの下層とマイクロローディング効果を生じる導電体の上層を含み、前記開口で前記導電層に接続される導電性のアンテナ層を形成し、その上に低密度パターン領域と高密度パターン領域を含む絶縁性マスクパターンを形成したサンプルを形成する工程と、第1のプラズマによるドライエッチング工程であって、低密度パターン領域においてアンテナ層がなくなるまでエッチングする第1エッチング工程と、第1エッチング工程に続いて、ハロゲン含有ガスと酸素との混合ガス、HBr、フッ素系ガスのいずれかのプラズマによるプラズマ処理を行う工程と、ウエットエッチングにより高密度パターン領域に残る導電性アンテナ層のうち、少なくともTiNまたはTiONの下層をエッチングする第2エッチング工程と、前記プラズマ処理工程前後の前記第2キャパシタ構造のフラットバンド電圧を測定し、その変化を算出する工程と、前記特性曲線を用いて、得られたフラットバンド電圧の変化から前記プラズマ処理で前記第2キャパシタ構造に注入された電荷量を推定する工程とを含む電子シェーディング効果の測定方法が提供される。
【0025】
導電層/窒化膜/酸化膜/半導体基板の積層(MNOS)キャパシタ構造を作成することにより、注入電荷量に対して敏感に変化するフラットバンド電圧を得ることができる。フラットバンド電圧の変化を測定することにより、キャパシタ構造に注入された電荷量を推定することができる。
【0026】
測定対象であるHBr、酸素含有ガス、あるいはフッ素系ガスのプラズマはTiNまたはTiONをほとんどエッチングしない。従ってこれらのガスのプラズマ処理を所望の時間行うことができる。プラズマ生成条件によらず、一定時間のプラズマ処理を行えるので、データの比較、解釈が容易になる。
【0027】
【発明の実施の形態】
半導体集積回路装置の構成要素のうち、電子シェーディングダメージによって最も影響を受ける要素は、通常MOSトランジスタのゲート酸化膜である。ゲート電極に上部配線が接続されている場合、上部配線のエッチング時に注入された電荷は、ゲート電極に集中し、ゲート酸化膜を流れるトンネル電流となる。
【0028】
ゲート酸化膜は、流れたトンネル電流の累積値によってほぼその寿命が制限される。したがって、プロセス中ゲート酸化膜に流れたトンネル電流の累積値を知ることが重要となる。
【0029】
図1(A)、(B)、(C)は、プロセスのモニタ前に行なっておく予備実験を示す。図1(A)は予備実験に用いるサンプルおよびこのサンプルに電流ストレスを印加する工程を示し、図1(B)はストレス印加前後のサンプルのC−V測定の結果を概略的に示し、図1(C)は予備実験により得られる注入電荷量Qに対するフラットバンド電圧Vfbの変化を示す。
【0030】
図1(A)に示すように、n型Si基板1の表面上に活性領域に開口部を有するフィールド酸化膜2をLOCOSによりたとえば厚さ約400nm形成する。フィールド酸化膜2の開口部に、たとえば厚さ約2nmの酸化膜3を熱酸化により形成し、その上にたとえば厚さ約100nmの窒化膜4をCVDにより成長する。なお、酸化膜3の面積は、たとえば約500μm×500μmである。
【0031】
窒化膜4の上に、多結晶Siで形成された電極5をCVDにより成長する。電極5は、絶縁ゲート電極に相当し、たとえば厚さ数百nm程度である。ただし、この電極の厚さは低抵抗が得られればよく、厳密なものではない。また、多結晶Si電極の代わりに、多結晶Siの下層とシリサイドの上層からなるポリサイド電極を用いてもよい。金属電極を用いることも可能である。電極5、窒化膜4の積層を、パターニングして測定用サンプルを作成する。なお、測定に供するサンプルは測定前にアニーリングして加工時の影響を除去しておくことが望ましい。
【0032】
初めに、図1に示す測定用サンプルのキャパシタンスを印加電圧の関数として測定し、C−V特性を測定する。C−V測定は、たとえば周波数1MHz、電圧−5V〜+5Vで行なう。なお、窒化膜4の厚さを薄くした時は測定電圧範囲を狭める。
【0033】
測定しているMNOSキャパシタの容量が、式(1)に示した、MIS(Metal−Insulator−Semiconductor)キャパシタのフラットバンド容量CFBになるようなゲート電圧Vgをフラットバンド電圧Vfbと定義する。
【0034】
【数1】
CFB=εi/{d+(εi/εs)(kTεs/ni/q2 )1/2 }…(1)
ただし、d;絶縁膜の厚さ、εi;絶縁膜の誘電率、εs;半導体基板の誘電率、ni;真性キャリア密度である。初期フラットバンド電圧をVfb0とする。
【0035】
n型Si基板1を接地し、Si電極5を正極とし、定電流源6から電流を注入する。定電流源6には、電流計7を接続し、流れた電流をモニタする。電流計7は、たとえば基準抵抗とその両端の電圧降下を測定する電圧計で構成される。電極5を負極とし、逆極性電流ストレスを印加するサンプルも準備する。
【0036】
定電流源6を用い、Si電極5、窒化膜4、酸化膜3、n型Si基板1からなるMNOSキャパシタに電流を流すと、窒化膜4、酸化膜3にトンネル電流が流れ、酸化膜3はトンネル電流によるダメージを受ける。このトンネル電流によるダメージは、酸化膜3を流れた電荷量、すなわち電流計7を流れた電流の累積値によって推定することができる。電流ストレス印加後、再びC−V測定を行う。
【0037】
図1(B)は、C−V測定の結果を概略的に示すグラフである。ストレス印加前のC−V特性が曲線Cφで示され、ストレス印加後のサンプルのC−V特性がC1で示される。ストレス印加後のC−V特性のフラットバンド電圧をVfb1で示す。すなわち、電流ストレス印加により、フラットバンド電圧はΔVfb=Vfb1−Vfb0だけ変化している。このフラットバンド電圧の変化量ΔVfbを、定電流源6から流した電荷量の関数として得る。
【0038】
図1(C)は、注入電荷量Qの関数としてフラットバンド電圧のシフト量ΔVfbを示す。横軸が注入電荷量Q(μC/cm2 )を示し、縦軸がフラットバンド電圧のシフト量ΔVfb(V)を示す。用いたMNOSキャパシタは、上述のように、電極面積250000μm2 、窒化膜の厚さ100nm、酸化膜の厚さ2nmを有する。
【0039】
図1(C)に示すように、注入電荷量Qの関数としてのフラットバンド電圧シフト量ΔVfbを一旦得れば、その後同一構成のサンプルを用い、測定対象であるプロセスを行ない、フラットバンド電圧シフト量を測定すれば、プロセス中に酸化膜に流れた電荷量を知ることができる。
【0040】
図2(A)、(B)、(C)、図3(A)、(B)、(C)は、プロセスモニタ用サンプルの構成を示す。
【0041】
図2(A)において、n型Si基板1の上にフィールド酸化膜2、酸化膜3、窒化膜4、電極5を作成する。これらの構成は、図1(A)に示した電流ストレス測定用のサンプルと同一である。このMNOSキャパシタ構造を作成した後、400℃、30分間のアニーリングをO2 /N2 雰囲気中で行ない、電極5のエッチング工程の影響を除去する。その後、初期C−V測定を行なう。得られたフラットバンド電圧を初期フラットバンド電圧とする。
【0042】
MNOSキャパシタ構造の表面上にたとえば厚さ500nmの絶縁膜10をCVD等によって作成する。絶縁膜10は、たとえばボロホスホシリケートガラス(BPSG)等の酸化膜、窒化膜等である。MNOSキャパシタ構造上に開口を有するホトレジストマスクを作成し、開口内に露出した絶縁膜11を選択的に除去し、接続用開口HCを形成する。
【0043】
絶縁膜10に開口HCを形成した後、エッチングの影響を除去するため、たとえばO2 /N2 雰囲気中で30分間約400℃のアニーリングを行なう。MNOSキャパシタ構造作成時のエッチングおよび絶縁膜11の開口形成用エッチングによって、MNOSキャパシタのフラットバンド電圧がシフトしている場合、このシフトはアニーリングによって除去される。この状態で、MNOSキャパシタ構造の初期フラットバンド電圧をC−V測定により測定してもよい。
【0044】
なお、MNOSキャパシタ構造を作成するためのエッチングおよび、絶縁膜10の開口を形成するエッチングをチャージングダメージの全くない方法、たとえばウェットエッチングで行なう場合は、アニーリング工程を省略することも可能である。
【0045】
その後、Si基板1表面上に、TiNまたはTiONの下層11とWSi2 等の導電体の上層12とを含むアンテナ層を堆積する。アンテナ層は、絶縁膜10の開口を介して、MNOSキャパシタ構造の上部電極である電極5に接続される。
【0046】
なお、初期フラットバンド電圧の測定を、電極5、窒化膜4をパターニングした後、および/または絶縁膜10の開口形成後に行なう場合を説明したが、アンテナ層堆積後、上述同様のアニーリングを行い、ここでもフラットバンド電圧の測定を行なってもよい。初期フラットバンド電圧の測定は、MNOSキャパシタ構造がプロセスによる影響を受けていない状態でどのようなフラットバンド電圧を有するかを測定できるものであればよい。
【0047】
なお、アンテナ層堆積後のフラットバンド電圧は、MNOSキャパシタ構造のキャパシタンスのみでなく、周囲に拡がる広い面積のアンテナ層のキャパシタンスも含めて測定することになるため、最終的なフラットバンド電圧の変化を算出するデータとしては精度が低くなる。
【0048】
アンテナ層11、12堆積後、その表面上にホトリソグラフィにより、レジストマスクパターン13を作成する。
【0049】
図2(B)は、レジストマスクパターン13の平面図を概略的に示す。MNOSキャパシタ構造上に、電極5とほぼ同一平面形状または電極5の面積内に収まる形状の分離パターン13aが配置され、その周囲を複数のループ状パターン13bが複数の狭いループ状間隙を介して幾重にも取り囲んでいる。
【0050】
分離パターン13aは、閉ループ状の間隙14aにより隣接するループ状パターン13bから分離されている。ループ状パターン13bは、たとえば約1μmのギャップで約1μm幅のパターンを配置した構成である。たとえば、レジストマスクパターン13の厚さを制御することにより、レジストマスクパターン13の開口部14aのアスペクト比を種々に変化させる。
【0051】
ループ状パターンが高密度パターン領域を形成し、その周囲のオープンスペースが低密度パターン領域を形成する。低密度パターン領域に両側に広い開口部を有する疎なパターンを形成してもよい。このように準備した測定用サンプルに対し、測定対象であるドライプロセスを含む処理を行なう。
【0052】
図4は、測定対象であるドライプロセスを行なう装置の代表例である誘導結合プラズマエッチング装置の構成を概略的に示す。真空容器20の底部には、底部電極21が配置されている。真空容器20の上部には、誘電体窓22が配置され、その上に誘導コイル23が配置されている。誘導コイル23には、たとえば13.56MHzの高周波電源25が接続される。また、底部電極21にもたとえば13.56MHzの高周波電源26が接続される。
【0053】
図2(A)、(B)に示したような構成を有する測定用サンプル28を底部電極21上に配置し、真空容器20内に作動ガスを導入し、電源25、26から高周波電力を供給することにより、真空容器20内にプラズマ29を発生させる。プラズマ29により、レジストマスクパターン13の開口部に露出したアンテナ層11、12がエッチングされる。
【0054】
なお、アンテナ層11、12が、基板上いずれかの個所において基板表面とコンタクトしている場合は、アンテナ層11、12に電荷が注入されても、その電荷は基板に逃げる。
【0055】
レジストマスクパターン13の開口部の幅が狭く、アスペクト比がある程度以上高いと、電子シェーディング効果が生じる。
【0056】
電子シェーディング効果は、エッチングとしてはマイクロローディング効果を生じさせる。マイクロローディング効果により、高密度パターン領域におけるエッチレートは、低密度パターン領域におけるエッチレートより低くなる。
【0057】
以下、導電体の上層12がWSi2 で形成され、下層11がTiN又はTiON(まとめてTi(O)Nと表す)で形成されている場合を例にとって説明する。
【0058】
まず、WSi2 層12をCl2 、Cl2 /O2 、SF6 /HBr等のガスによるプラズマを用いてレジストパターン13をマスクとして用い選択的にエッチングする。
【0059】
図2(C)は、低密度パターン領域のオープンスペースにおいて、WSi2 層12がちょうどエッチングされた状態を示す。この時、マイクローディング効果により、高密度パターン領域においては、WSi2 層12のエッチングは未だ終了せず、WSi2 層12の一部が残存している。
【0060】
図3(A)に示すように、オープンスペース部でTi(O)N層11が露出した後、エッチングガスをCl2 に切り換え、Cl2 プラズマによりTi(O)N層11のエッチングを行う。このエッチングにより、低密度パターン領域におおいてはTi(O)N層11のエッチングが行われ、高密度パターン領域においては、残ったWSi2 層12のオーバーエッチングが行われる。
【0061】
図3(A)は、低密度パターン領域のオープンスペース部において、Ti(O)N層11のエッチングがちょうど終了した状態を示す。図においては、この時高密度パターン領域においてWSi2 層12のエッチングがちょうど終了した状態を示すが、WSi2 層12が未だ残っていても、WSi2 層12のエッチングが終了し、さらにTi(O)N層111のエッチングが一部進行していてもよい。
【0062】
マイクローディング効果により、高密度パターン領域のエッチング速度は低密度パターン領域のエッチング速度よりも遅くなるため、低密度パターン領域においてTi(O)N層11のエッチングがちょうど終了した時点においては、高密度パターン領域においてTi(O)N層11の少なくとも一部は未だ残存している。
【0063】
図3(B)に示すように、この状態で測定対象であるプラズマのエレクトロンシェーディングダメージの評価を行う。すなわち、プラズマを形成するガスとしてHBrガス単独、Cl2 /O2 、HBr/O2 等のハロゲン系ガスと酸素を含むガス、またはフッ素系ガスを用い、プラズマ16を発生させる。上述のガスのプラズマ16は、Ti(O)N層11をほとんどエッチングしないため、所望の時間プラズマ処理を行っても、高密度パターン領域におけるTi(O)N層11はほとんどそのまま残存する。所望の時間プラズマ処理を行い、電子シェーディング効果を進行させ、フラットバンド電圧の十分な変化を得る。
【0064】
プラズマ処理が終了した後、高密度パターン領域に残存したTi(O)N層11をH2 SO4 /H2 O2 によりウエットエッチングする。等方的なウェットエッチングが進むとレジストパターン13下方のTi(O)N層11もサイドエッチングされ、やがてTi(O)N層11全てがエッチングされる。同時に、Ti(O)N層11上にあったWSi2 層12、レジストパターン13a、13bも除去される。図3(C)は、エッチングを終了した状態を示す。ウエットエッチングによっては、ゲート電極5に正電荷が注入されることはなく、フラットバンド電圧の変化は生じない。
【0065】
なお、ゲート電極5上のアンテナ層11、12が周囲のループ状パターンから電気的に分離された状態でエッチングを終了させることもできる。但し、この場合、ゲート電極5上のアンテナ層11、12が付随容量を形成するので、測定精度は低下する。
【0066】
この状態で、MNOSキャパシタのフラットバンド電圧をCV法により測定する。ゲート電極5に接続されたアンテナ層11a、12bは周辺のアンテナ層11b、12bから電気的に分離されているため、高精度のフラットバンド電圧測定が行える。
【0067】
プラズマ処理前のフラットバンド電圧とプラズマ処理後のフラットバンド電圧とを比較することにより、フラットバンド電圧シフト量を求める。得られたフラットバンド電圧シフト量を、図1(C)に示す特性と比較することにより、ゲート絶縁膜に注入された電荷量を知ることができる。すなわち、電子シェーディングダメージを定量化して測定することができる。
【0068】
以上説明した実施例においては、エッチングする導電層として、WSi2 層とTi(0)N層の積層を用いたが、WSi2 層の代わりに他の導電層を用いてもよい。例えば、マイクロローディング効果を生じる導電体として知られている多結晶Si、WなどをWSi2 の代わりに用いることができる。プラズマ処理装置も誘導結合型エッチング装置に限定されない。例えば、エレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)エッチング装置等を用いることもできる。
【0069】
電子シェーディング効果を測定するためには、図3(A)に示すような過渡的アンテナ構造を形成すればよい。ここで、アンテナ層の下層11と上層12とは、必ずしも別の材料で形成される必要はない。アンテナ層11、12全体として要求される条件は、
(1)導電性を有すること、
(2)RIEラグを生じる材料であること、
(3)薬液または電荷を有さないプラズマ生成物(ラジカル)でエッチング除去可能であること(すなわち、化学的にエッチングされる材料であること)、
である。
【0070】
また、測定されるべきプラズマは、図3(A)に示すような過渡的アンテナを有するキャパシタ構造に対し、エッチング速度が十分遅いプラズマである。
【0071】
このような条件を満たす場合、アンテナ層11、12を単一層で形成することができる。たとえば、単一のTi(O)N層によって過渡的アンテナ層11、12を形成してもよい。また、アルミニウム、アルミニウム合金の単一層によって過渡的アンテナ構造11、12を形成してもよい。アルミニウム(アルミニウム合金)は、RIEラグが大きいので、図3(A)に示すような過渡的アンテナ構造を形成する導電膜として優れている。アルミニウム(合金)は、フッ素系ガスプラズマと、酸素を多く含むプラズマに対してはエッチング速度が極めて低い。また、WSi2 、Wは、Cl2 系ガス、フッ素系ガス等によってエッチングされるが、HBr/O2 、HBr等によってはあまりエッチングされない。そこで、WSi2 、Wの単一層によって過渡的アンテナ構造を形成することもできる。
【0072】
このような単一層で過渡的アンテナ構造を形成できる材料およびエッチング方法をまとめると、以下のようになる。
【0073】
【表1】
【0074】
測定精度を上げるためには、電子シェーディング効果によるチャージングダメージを大きくすることが好ましい。本実施例では、図3(B)のプラズマ処理を希望するだけ長時間行うことができるので、希望する大きさのチャージングダメージを得ることができる。さらに、MNOSキャパシタ構造の面積に対し、レジストマスクパターンの開口部に露出するアンテナ面積を広くすることもできる。
【0075】
なお、電子シェーディング効果によるチャージングダメージのみを測定するためには、電子シェーディング効果以外の影響をなるべく排除することが好ましい。たとえば、プラズマ自体に不均一がある場合、アスペクト比の高いレジストマスクパターン開口部のみではなく、広く露出した面積においても、電荷の注入を受ける。このような影響を除去するためには、測定用サンプルと共に参照用サンプルを用いることが好ましい。
【0076】
図5(A)、(B)、(C)は、参照用サンプルの構成を示す。図5(A)、(B)は、プロセスを行なう前のサンプルの断面図および平面図を示す。
【0077】
図2(A)、(B)のサンプル構成と較べ、レジストマスクパターン13の形状のみが異なる。レジストマスクパターン13は矩形状であり、その面積は電極5の面積と等しくする。このような矩形パターンのレジストマスクパターンでは、電子シェーディング効果はほとんど生じない。したがって、電子シェーディング効果以外の影響があれば、図5(A)、(B)に示すサンプルによってその程度を測定することができる。
【0078】
図5(A)、(B)に示すサンプルにおいても、図2(A)、(B)に示すサンプルと同様の処理を行い、初期フラットバンド電圧を測定しておく。図5(A)、(B)に示すサンプルに対し、図2(A)、(B)に示すサンプルと同様のプロセスを行い、その後レジストマスクパターン13を除去し、図5(C)に示すサンプルを得る。このサンプルに対し、C−V法によりフラットバンド電圧を測定する。
【0079】
図2(A)、(B)、(C)、図3(A)、(B)、(C)に示したサンプルで得たフラットバンド電圧の変化量から、図3(A)、(B)、(C)に示すサンプルで得たフラットバンド電圧の変化量を減算することにより、電子シェーディング効果によるチャージングダメージのみによるフラットバンド電圧のシフト量を求めることができる。
【0080】
MNOSキャパシタの上に、電気的に分離されたアンテナ層が形成される場合を説明したが、アンテナパターンの形状は上述のものに限定されない。例えば、アンテナ層として広く用いられる櫛型パターン等を利用することもできる。櫛型パターンの接続部分にMNOSキャパシタが接続されるようにすればよい。但し、このような櫛型パターンの場合には、上述の処理を終了した後も櫛型のアンテナ層がMNOSキャパシタに接続された状態で残存する。
【0081】
この状態のまま、フラットバンド電圧を測定することも可能であるが、アンテナ層が基板等と容量を形成し、測定精度が低下してしまう。このような場合には、図3(C)に示す処理の後、さらにアンテナ層12、11を除去することが好ましい。このアンテナ層の除去は、フラットバンド電圧に変化を与えないようウエットエッチングで行うことが望ましい。
【0082】
MNOSキャパシタの上部に電気的に分離されたアンテナ層が残るサンプル形状は、図3(C)に示す工程の後直ちにフラットバンド電圧の測定ができる点で望ましい。
【0083】
エッチングが終了した時点で、MNOSキャパシタ構造がアンテナ構造から分離されていれば、残ったアンテナ層を除去することなく、C−V測定を高精度に行なうことができる。このためには、MNOSキャパシタ構造の直上部分を取り囲むように、ループ状の開口部が存在すればよい。
【0084】
アンテナ層の分離されたパターン12a、11aが、MNOSキャパシタ構造の電極5の面積内に収まり、アンテナ層の次の外側パターン12b、11bは電極5上より外側に配置されていれば、アンテナ層が残存していてもC−V測定は十分高精度で行なえる。他の部分におけるアンテナ形状は、種々に選択することができる。
【0085】
図6は、アンテナ形状の他の例を示す。 図6(A)は、図2(B)に示す複数の矩形ループ状開口が各コーナにおいて互いに接続されたパターン形状を示す。分離パターン13aは、図中垂直方向に沿って設けられた間隙14aと図中水平方向に沿って設けられた間隙15aとで定義されるループ状の開口部で囲まれており、隣接する直線状のパターン13b1〜13b4から分離されている。図6(A)の例においては、開口部は間隙14aと間隙15aとで囲まれたループ状開口部を含み、そのループ状開口部に他の矩形状開口が接続されて構成されている。
【0086】
図6(B)は、MNOSキャパシタ構造上の分離されたパターン13aの上下に水平方向に互いに平行な複数のストライプ状パターン13b1を配置し、左右に図中垂直方向に互いに平行な複数のストライプ状パターンを配置した構成を示す。分離パターン13aは、図中垂直方向に沿って設けられた間隙14aと図中水平方向に沿って設けられた間隙15aとで定義されるループ状の開口部で囲まれており、隣接する図中水平方向に平行な直線状のパターン13b1と図中垂直方向に平行な直線状のパターン13b2から分離されている。
【0087】
図6(B)の例においては、開口部は間隙14aと間隙15aとで囲まれたループ状開口部を含み、さらにそのループ状開口部に図中垂直方向に沿った直線状の開口14b、14bが接続されて構成されている。これらの構成においても、鎖線IIA−IIAに沿う断面は、図2(A)と同様となる。
【0088】
図6(C)は、MNOSキャパシタ構造の上にほぼ同一の形状を有する分離されたパターン13aを配置し、他の部分に櫛歯状のアンテナパターン13bを配置し、分離されたパターン13aを取り囲んだ構成を示す。分離パターン13aは、図中垂直方向に沿って設けられた間隙14aと図中水平方向に沿って設けられた間隙15aとで定義されるループ状の開口部で囲まれており、隣接する櫛歯状のアンテナパターン13bから分離されている。
【0089】
図6(C)の例においては、開口部は間隙14aと間隙15aとで囲まれたループ状開口部を含み、さらにそのループ状開口部に図中水平方向に沿った直線状の開口14b、14bが接続されて構成されている。開口部のエッチングが終了すると、中央の分離されたパターン13aは周囲のパターン13bから分離される。
【0090】
図6(D)は、MNOSキャパシタ構造の上にほぼ同一の平面形状を有するパターン13aを配置し、その周囲の領域に図中水平方向に互いに平行なストライプ状のパターン13bを配置した構成を示す。分離パターン13aは、図中垂直方向に沿って設けられた間隙14aと図中水平方向に沿って設けられた間隙15aとで定義されるループ状の開口部で囲まれており、隣接する図中水平方向に平行な直線状のパターン13bから分離されている。
【0091】
図6(D)の例においては、開口部は間隙14aと間隙15aとで囲まれたループ状開口部を含み、さらにそのループ状開口部に図中水平方向に沿った直線状の開口14b、14bが接続されて構成されている。分離されたパターン13aの周囲にはループ状の開口が形成されている。
【0092】
このように、アンテナパターン形状はリング状に限らず、キャパシタ直上の電極の周辺にマイクロローディング効果によるRIEラグが生じるのに十分なほど狭いスペースを挟んで密集パターン群が配置されていればよい。
【0093】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0094】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所望の時間長プラズマ処理を行い、電子シェーディングダメージを高精度に測定することができる。プラズマの性質を高精度に測定でき、簡単、迅速にプロセスの最適化等を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例による測定方法に用いるサンプルおよび測定結果を示す断面図およびグラフである。
【図2】 本発明の実施例による測定方法を説明するためのサンプルの断面図および平面図である。
【図3】 本発明の実施例による測定方法を説明するためのサンプルの断面図である。
【図4】 本発明の実施例に用いるプラズマエッチング装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図5】 本発明の実施例による測定方法に用いるサンプルの断面図および平面図である。
【図6】 アンテナパターンの他の形状例を示す平面図である。
【符号の説明】
1 n型Si基板、 2 フィールド酸化膜、 3 酸化膜、 4 窒化膜、 5 多結晶Si電極、 6 定電流源、 7 電流計、 11絶縁膜、 12 アンテナ層、 13 レジストマスクパターン、 16プラズマ
Claims (7)
- 半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第1キャパシタ構造に強制的に電流を流し、注入電荷量に対するフラットバンド電圧の変化を測定した特性曲線を準備する工程と、半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第2キャパシタ構造を準備する工程と、前記第2キャパシタ構造上に開口を有する絶縁層を前記半導体基板上に形成し、その上にTiNまたはTiONの下層とマイクロローディング効果を生じる導電体の上層を含み、前記開口で前記導電層に接続される導電性のアンテナ層を形成し、その上に低密度パターン領域と高密度パターン領域を含む絶縁性マスクパターンを形成したサンプルを形成する工程と、第1のプラズマによるドライエッチング工程であって、低密度パターン領域においてアンテナ層がなくなるまでエッチングする第1エッチング工程と、第1エッチング工程に続いて、ハロゲン含有ガスと酸素との混合ガス、HBr、フッ素系ガスのいずれかのプラズマによるプラズマ処理を行う工程と、ウエットエッチングにより高密度パターン領域に残る導電性アンテナ層のうち、少なくともTiNまたはTiONの下層をエッチングする第2エッチング工程と、前記プラズマ処理工程前後の前記第2キャパシタ構造のフラットバンド電圧を測定し、その変化を算出する工程と、前記特性曲線を用いて、得られたフラットバンド電圧の変化から前記プラズマ処理で前記第2キャパシタ構造に注入された電荷量を推定する工程とを含む電子シェーディング効果の測定方法。
- 半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第1キャパシタ構造に強制的に電流を流し、注入電荷量に対するフラットバンド電圧の変化を測定した特性曲線を準備する工程と、半導体基板上に導電層/窒化膜/酸化膜を積層した第2キャパシタ構造を準備する工程と、前記第2キャパシタ構造上に開口を有する絶縁層を前記半導体基板上に形成し、その上に単一の導電材料からなり、前記開口で前記導電層に接続される導電性のアンテナ層を形成し、その上に低密度パターン領域と高密度パターン領域を含む絶縁性マスクパターンを形成したサンプルを形成する工程と、第1のプラズマによるドライエッチング工程であって、低密度パターン領域においてアンテナ層がなくなるまでエッチングする第1エッチング工程と、第1エッチング工程に続いて、ハロゲン含有ガスと酸素との混合ガス、HBr、フッ素系ガスのいずれかのプラズマによるプラズマ処理を行う工程と、ウエットエッチングにより高密度パターン領域に残る導電性アンテナ層をエッチングする第2エッチング工程と、前記プラズマ処理工程前後の前記第2キャパシタ構造のフラットバンド電圧を測定し、その変化を算出する工程と、前記特性曲線を用いて、得られたフラットバンド電圧の変化から前記プラズマ処理で前記第2キャパシタ構造に注入された電荷量を推定する工程とを含む電子シェーディング効果の測定方法。
- 前記導電体の上層は、WSi2 、W、多結晶シリコンのいずれかによって形成されている請求項1記載の電子シェーディングダメージの測定方法。
- 前記プラズマ処理後のフラットバンド電圧の測定は、前記アンテナ層の分離されたパターンを電極として用いる請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子シェーディングダメージの測定方法。
- 前記プラズマ処理前のフラットバンド電圧の測定は、前記アンテナ層形成前に行なう請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子シェーディングダメージの測定方法。
- さらに、前記プラズマ処理前のフラットバンド電圧測定の前に前記第2キャパシタ構造をアニールする工程を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子シェーディングダメージの測定方法。
- 前記第2キャパシタ構造は複数個あり、前記サンプルの絶縁性マスクパターンはスペースを介して複数のパターンが近接配置された密集パターンとスペースのない連続パターンを含み、前記フラットバンド電圧の変化は密集パターンのフラットバンド電圧の変化から連続パターンのフラットバンド電圧の変化を差し引いたものとする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電子シェーディングダメージの測定方法。
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