JP3868427B2 - プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置を用いて半導体ウエハを加工処理するにあたって、半導体ウエハの実際の加工状態をリアルタイムでモニタリングすることが可能な、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置に関する。

半導体デバイス、マイクロナノマシンなどの各種先端デバイスを製造するにあたっては、ナノオーダーのエッチング加工や薄膜堆積を高精度で実現する必要がある。したがってこのような加工のためのプラズマプロセスにおいて、実際のウエハ上でのプロセスのモニタが必要不可欠である。この目的のために、シリコン基板上にプラズマモニタ用のセンサ、光インターコネクションによるデータ送受信処理回路および電源を一体に構成したオンウエハモニタリングシステムが既に提案されている（特許文献１参照）。

プラズマプロセスのモニタは、このシステムをプラズマ装置内の加工位置上に設置してプラズマを発生させることにより行う。即ち、オンウエハモニタリングシステムを実際に加工処理を行う半導体ウエハの代わりにプラズマ装置内に置いて、プロセスをシミュレーションすることにより、プラズマプロセスのモニタを行うようにしている。

特開２００３−２８２５４６

ところが、特許文献１に記載されたオンウエハモニタリングシステムは、プロセス（例えばエッチング）終了時あるいはプロセス中の一時点でのウエハの表面状態を把握するものであって、プロセスの経過と共に変化するウエハの状態を把握するものではない。さらに、あくまでもプラズマプロセスのシミュレーションによるモニタであって、実際に半導体ウエハを加工処理する時点でのリアルタイムモニタではない。

半導体デバイスの微細化に伴って、プラズマプロセスをリアルタイムでかつ高精度に制御することが益々重要となっている。さらに、エッチング等のプロセス終点をリアルタイムで検出することは、微細加工を高精度でしかも歩留まり良く達成するために非常に重要となっている。しかしながら、上記のシステムではこのようなリアルタイムモニタおよびリアルタイムでのプロセス終点検出を行うことはできない。

本発明はかかる点に関して為されたもので、実際の半導体ウエハの処理をリアルタイムで観測すること、さらには、プロセス終点をリアルタイムで検出することが可能な、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置を提供することをその課題とする。

本発明のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置は、前記課題を解決するために、半導体デバイスを形成するためのマスクパターンが形成された半導体ウエハの異なる位置に貼付された複数の測定ユニットと、この個々の測定ユニットから送信される信号を受信する受信装置と、受信した信号に基づいて半導体ウエハの状態を検出するデータ処理装置とを備え、測定ユニットは、プラズマプロセスの終点を検出するためのエンドポイントモニタを含む少なくとも１個のプラズマプロセス検出センサと、このプラズマプロセス検出センサ出力を光出力に変換する発光素子と、この発光素子に駆動電力を供給する電源部とを含んで構成される。

さらに、プラズマプロセス検出センサは集積化チップとして半導体基板上に形成され、発光素子と電源部はこの集積化チップに外付けされている。

前記の測定ユニットはさらに、プラズマプロセス検出センサとしてプラズマエッチングの終点を検出するエンドポイントモニタを備えている。また、前記の測定ユニットは、プラズマプロセス検出センサとしてプラズマ処理装置内のスパークの発生を光電変換により検出するプラズマ誘起電流測定センサを備えている。また、前記の測定ユニットは、プラズマプロセス検出センサとしてイオンエネルギーアナライザー、マイクロ分光器等を備えている。

前記のエンドポイントモニタは、半導体ウエハのプラズマ処理対象部分と同じ構造を有する実パターン部とこの実パターン部下部に埋め込まれた低抵抗層とを有する。前記のプラズマ誘起電流測定センサは、二酸化シリコン層と該二酸化シリコン層中に埋め込まれバイアス電圧が印加された電極層とを有する。

本発明のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置は、以上に述べたように、プラズマプロセス検出センサとこのセンサ出力を光出力に変換する発光素子とセンサおよび発光素子に駆動電力を供給する電源部とを一体として測定ユニットを構成し、この測定ユニットを複数個半導体ウエハに貼り付けた状態でプラズマ処理を行うようにしている。したがって、プラズマ処理中のウエハの変化を、測定ユニットからの発光出力の変化として装置外部においてリアルタイムでモニタすることができる。

半導体デバイスが微細化するに伴って、エッチング深さを正確に制御すること、例えばコンタクトホールの深さを正確に制御することの重要性が増しているが、従来のプラズマプロセスでは穴の径が小さいコンタクトホールのエッチング終点をリアルタイムで観測することは殆ど不可能であった。ところが、本発明の装置において、プラズマプロセス検出センサとしてウエハのエッチング終点をモニタするエンドポイントモニタを使用すれば、エッチングの終了の時点を正確に検出することができる。そのため、微細なコンタクトホールを有する半導体デバイスを歩留まり良く製造することができる。

また、プラズマ誘起電流測定センサを用いてプラズマ装置側壁に蓄積した電荷による放電（スパーク）を検出することにより、プラズマに何らかのマクロな変化が生じたことをその瞬間に知ることができる。これによって、プロセス制御に対する速やかで適切な対応が可能となる。

図１に、本発明の一実施形態にかかるプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置の概略構成を示す。図において、１はプラズマチャンバであり、例えば、真空（１Ｔｏｒｒ〜１０^−４Ｔｏｒｒ）中に塩素ガス等を導入してこれに高周波電界（４０ｋＨｚ〜２．４５ＭＨｚ）を印加することによって、プラズマ２を発生させる。３は、基台４上に設置された例えば３００ｍｍ径の半導体ウエハであり、レジスト等によるマスクによって加工パターンが形成されている。５はチャンバ側壁に設けた窓、６はデータ処理装置であり、ウエハ３上からの光出力を受信する光検出器７を有している。

図２は、ウエハ３の構成と、ウエハ３とデータ処理装置６間の光通信を模式的に示す図である。図２において、８はミラーおよびレンズからなる光学系であって、ミラーを回転させることによりウエハ３の略全面を走査して光検出が可能な様にされている。

ウエハ３上には、複数のプロセス測定ユニット１０が貼り付けられている。測定ユニット１０は、ウエハ３上のプラズマの２次元的な分布をできるだけ正確に検出することが可能なように、ウエハ上に均等に分散して配置されている。

図３に測定ユニット１０の構造を示す。測定ユニット１０は、半導体基板上に複数のセンサ（１個でも良い）１１〜１４を集積化して形成したセンサチップ１５と、このセンサチップ１５にワイヤボンディング等を介して外付けされた発光素子１６およびセンサ駆動用電源１７を備えている。発光素子１６は、各センサから得られた電圧または電流出力を光出力に変換するためのものであり、レーザダイオードあるいは発光ダイオードで構成される。

レーザダイオードまたは発光ダイオードは、各センサ１１〜１４に対応してそれぞれ異なる色を発光する４個の素子で構成されていても良い。この場合は、光検出器７において検出された色の違いからそれぞれのセンサを特定することができる。

センサチップ１５は、半導体ウエハ上に複数個のチップを一体に形成し、各チップをスクライブすることによって形成される。

センサチップ１５は、プラズマプロセス測定用センサとして、少なくとも１個のエンドポイントモニタ１１を備えている。センサチップ１５はさらにプラズマ誘起電流測定用センサ１２を備えていることが好ましい。センサとしては、これらの他に、例えば特許文献１に記載されている各種の表面状態センサ、例えばイオンエネルギーアナライザー、フォトン検出器、マイクロ分光分析器等がある。

なお、センサチップ１５上のセンサの数は、図３に示す４個に限定されるものではなく、少なくともエンドポイントモニタ１１を含む１個以上のセンサがあれば良く、また同じ種類のセンサが複数個配置されていても良い。

以上のように、本実施形態のリアルタイムモニタ装置は、センサチップ１５に発光素子１６および電源装置１７を外付けしてあらかじめ構成された測定ユニット１０を、実際の加工に使用する半導体ウエハ３上に複数個貼り付け、これをプラズマチャンバ１内に設置してプラズマプロセスを実行することにより、リアルタイムでプラズマプロセスを観測できるようにしたものである。このとき、プロセスの状態は、測定ユニット１０から光出力として送信される情報をデータ処理装置６で分析することにより検出される。

図４は、エンドポイントモニタ１１の構造およびその動作を示す図である。本実施形態のエンドポイントモニタ１１は、シリコン基板２０を例えば熱酸化することによって形成した二酸化シリコン膜２１の下部に、埋め込み電極２２を形成した構造を有する。二酸化シリコン膜２１の上部には半導体ウエハ３のマスクパターンと同じマスクパターン２３が形成されている。したがって、シリコン基板２０と二酸化シリコン膜２１およびマスクパターン２３は、半導体ウエハ３の実パターンを形成する。

２４は、二酸化シリコン膜２１に選択エッチングによって開口を形成して埋め込み電極２２の一部を露出し、この露出部に形成した電極パッド部であり、埋め込み電極２２の一端の電位を検出すべく、ワイヤがボンディングされている。電極２２は、燐をドープしたポリシリコンで形成され、そのシート抵抗は例えば４０Ω／□である。したがって、電極２２は、低抵抗体として動作するものである。

図４（ａ）に示すエンドポイントモニタ１１は、チップセンサ１５に他のセンサと集積化されて形成され、レジストによるマスクパターン２３を形成した状態で半導体ウエハ３上に貼り付けられ、プラズマチャンバ１内に設置される。マスクパターンは、半導体ウエハ３に例えばホール径０．５μｍ、アスペクト比２．６のコンタクトホール２５（図（ｂ）および（ｃ））を形成するためのパターンである。

図（ａ）のエンドポイントモニタ１１を有する測定ユニット１０が半導体ウエハ３に貼り付けられてプラズマチャンバ内に設置されプラズマの照射を受けると、二酸化シリコン膜２１のマスクパターンの形成されていない表面がプラズマによってエッチングされ、ホールが形成される。このとき、ホール２５の底部にプラズマによって生成された正イオンが堆積し、チャージアップ電圧を形成する（図４（ｂ）参照）。

図５は、図４の電圧計２６によって埋め込み電極２２のボンディング部２４の電圧を測定した結果を示す。エッチングの初期においては、二酸化シリコン膜２１は絶縁体であるのでホール２５内に正イオンが蓄積されていても電極２２に電流は流れない。エッチングが進んで、電極２２とエッチングホール２５の底部との距離が近接すると、その間に電流が流れ始め、電圧計２６は電圧を検出するようになる（図５の点Ｐ参照）。

さらにエッチングが進んでホール２５の底部が電極２２と接すると、電流計２６はプラズマによる正イオンの供給によって決まる一定電圧Ｖｔを維持するようになる。したがって、電圧計２６において一定電圧Ｖｔに達した時点が図４の（ｃ）に示すエッチングの終了時である。

本実施形態では、電圧計２６に代わって発光ダイオードを接続し、その発光強度をプラズマチャンバ１の外部に設けた光検出器７およびデータ処理装置６により観察することによって、エッチングの終了時をリアルタイムで検出するようにしている。さらに、発光ダイオードが一定の発光強度となった時点の、その強度に対する電圧値Ｖｔを求める事により、エッチング終了時のコンタクトホール２５底部のチャージアップ電圧（＝Ｖｔ）を知ることができる。

半導体ウエハ３は、製造の過程でその耐圧以上の電圧が印加されると絶縁破壊を起こし、内部のＩＣ回路が破壊されてしまう。したがって、コンタクトホールの形成時に、ホール底部に生じるチャージアップ電圧をこの耐圧以下に制御する必要がある。本発明のエンドポイントモニタでは、発光素子の発光強度によって、エッチングの終了時のチャージアップ電圧Ｖｔを容易に検出することができるので、その結果をプラズマのプロセス制御にフィードバックすることができる。即ち、チャージアップ電圧が耐圧以上である場合はプラズマプロセスを見直して、その値が耐圧以下となるようにプラズマの生成条件を変える。あるいは半導体ウエハ３の設計を見直して、その耐圧を上げる。

半導体デバイスが微細化するにつれて、コンタクトホールの形状も微細化し、現在では０．１μｍ程度となっている。このような微細な孔を外部から光あるいはプラズマの発光分光などによって観察し、エッチングが正常に行われたか否かを判断することは殆ど不可能である。これに対して本発明のエンドポイントモニタは、モニタによって検出される電圧値の観測によって、エッチングの終了時点を正確に検出することができるので、半導体ウエハの高精度加工において非常に有用である。

図６は、プラズマ誘起電流測定用センサ１２の構造を示す図である。本センサ１２は、シリコン基板３０上に二酸化シリコン膜３１を形成してシリコン基板３０と絶縁を取った上で、アルミニウム電極３２を形成し、このアルミニウム電極３２を埋め込むようにさらに二酸化シリコン膜３３を形成する。さらに、二酸化シリコン膜３３に開口を形成してアルミニウム電極３２にワイヤ３４をボンディングし、電流計３６、電源３７を介して電極３２を接地することにより形成される。

プラズマチャンバ１はその内面が絶縁膜で覆われているために、プラズマ３８で発生した電荷が蓄積し、蓄積量が大きくなるとスパークを起こし、プラズマ３８の状態を大きく変化させる。プラズマの状態が変化すると、ウエハの加工工程が大きな影響を受ける。したがって、スパークの発生、即ちプラズマのマクロな異常の発生をリアルタイムで検出することは、半導体装置の製造工程を制御する上で非常に重要である。

プラズマチャンバ内でスパークが発生すると紫外光３９が発生し、絶縁膜である二酸化シリコン膜３３に入射する。これにより、二酸化シリコン膜３３内で電子−正孔対が生成される。電子に比べて移動度の遅い正孔は二酸化シリコン膜中の欠陥に捕獲され固定電荷となるため、電極３２にバイアス電圧を印加するとこれらの電荷を電流として測定できる。したがって、電流計３６の電流値を外部よりモニタしていることによって、プラズマチャンバ内部で発生したプラズマのマクロな変化を、瞬時に検出することができる。電流値のモニタは、エンドポイントモニタと同様に、電流計３６の変わりに発光ダイオードを接続することによって行うことができる。

なお、スパークによるプラズマの変化は、エンドポイントモニタなどでも観測可能であるが、その影響は光による電流の生成に比べて非常にゆっくりしたものとして現れるので、異常状態の瞬時の検出には適さない。

本発明のプラズマプロセスリアルタイムモニタ装置の概略構成を示す図。 図１に示す装置の一部を拡大して示す図。 測定ユニットの構成を示す図。 エンドポイントモニタの構成を示す図。 エンドポイントモニタの時間に対する電圧変化を示す図。 プラズマ誘起電流測定センサの構成を示す図。

符号の説明

１…プラズマチャンバ
２…プラズマ
３…半導体ウエハ
４…基台
５…窓
６…データ処理装置
７…光検出器
８…光学系
１０…測定ユニット
１１…エンドポイントモニタ
１２…プラズマ誘起電流測定センサ
１３、１４…プラズマプロセス検出センサ（表面状態センサ）
１５…半導体基板
１６…発光素子
１７…電源部

Claims (6)

1. 半導体デバイス形成のためにプラズマ処理装置内に設置された半導体ウエハの処理過程をリアルタイムでモニタするプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、
   半導体デバイスを形成するためのマスクパターンが形成された半導体ウエハ上の異なる位置に貼付された複数の測定ユニットと、
   前記個々の測定ユニットから送信される信号を受信する受信装置と、
   前記受信した信号に基づいて前記半導体ウエハの状態を検出するデータ処理装置と、を備え、
   前記測定ユニットは、プラズマプロセスの終点を検出するためのエンドポイントモニタを含む少なくとも１個のプラズマプロセス検出センサと、前記プラズマプロセス検出センサ出力を光出力に変換する発光素子と、前記発光素子に駆動電力を供給する電源部とを含み、前記プラズマプロセス検出センサは集積化チップとして形成され、前記発光素子と前記電源部は前記集積化チップに外付けされていることを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。
2. 請求項１に記載のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、前記測定ユニットは、前記プラズマプロセス検出センサとして前記プラズマ処理装置内のスパークの発生を光電変換により検出するプラズマ誘起電流測定センサを備えることを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、前記測定ユニットは、前記プラズマプロセス検出センサとしてイオンエネルギーアナライザーを備えることを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、前記測定ユニットは、前記プラズマプロセス検出センサとしてマイクロ分光器を備えることを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。
5. 請求項１に記載のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、前記エンドポイントモニタは、前記半導体ウエハのプラズマ処理対象部分と同じ構造を有する実パターン部と、前記実パターン部下部に埋め込まれた低抵抗層とを有し、前記実パターン部は、シリコン基板を熱酸化して形成した二酸化シリコン層上に、前記半導体ウエハ上に形成された前記マスクパターンと同じ構造を有するマスクパターンを形成して構成され、前記低抵抗層は前記二酸化シリコン層中の前記シリコン基板に近接する位置に埋め込まれており、さらに前記低抵抗層の一部が露出されてこの露出部に前記発光素子との接続のための電極が形成されていることを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。
6. 請求項２に記載のプラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置であって、前記プラズマ誘起電流測定センサは、二酸化シリコン層と該二酸化シリコン層中に埋め込まれバイアス電圧が印加された電極層とを有することを特徴とする、プラズマプロセスのリアルタイムモニタ装置。

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