JP4681718B2 - ウェーハの直流バイアス電圧を原位置において測定するための容量性プローブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、半導体ウェーハ処理設備の診断用計測に関し、より詳しく述べれば、半導体ウェーハ処理システム内で処理中の半導体ウェーハ上に累積した直流バイアス電圧を原位置において測定するための容量性プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ処理システムを監視する場合、ウェーハ上の直流バイアス電圧を正確に測定することが重要である。この値を測定する１つの方法は、直流バイアス“プラグ”を用いることである。例えば、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials製のP5000金属エッチチャンバでは、黒鉛、または中実の炭化シリコンシャフトからなる直流ピックアップ、または“プラグ”を、プラズマに直接接触させて配置する。プラズマにまたがる電圧降下がほぼ０であるものとすれば、ウェーハ上の直流バイアスを推定することができる。不幸にも、これらの型の“プラグ”は劣化して行き、チャンバの保守費用を増加させる消耗材料になっている。更に“プラグ”が消耗して行くにつれて、汚染物が処理環境内へ解放される。従って、“プラグ”を、プラズマと直接接触せずに直流バイアス電圧を測定するようなデバイスに置換することが好ましい。
【０００３】
１つの重要な測定技術は、ウェーハがペデスタルと同一電位にあるものと仮定して、ペデスタルにおけるＲＦ電圧の振幅（例えば、ピーク・ピーク電圧）を測定することである。この値の測定は、ウェーハ上の直流バイアスを推定するために修正される。しかしながら、この解決方法は、ペデスタルアセンブリの直近のＲＦ雑音が高レベルであり、電気測定回路内に侵入するために不正確であることが解っている。更に、この技術は、プローブ及びその関連回路をペデスタルに結合するのを容易にするために、チャンバを実質的に変更する必要がある。
【０００４】
従って、プラズマと接触する電圧プローブのＲＦ雑音及び／または物理的劣化の制約及び誤りの多い効果を受けることなく、処理中のウェーハの直流バイアス電圧を推定することができるデバイスに対する要望が存在している。
【０００５】
【発明の概要】
従来の技術に伴う上述した欠陥は、処理チャンバ内に配置されたウェーハ上の電圧を測定するための本発明のプローブによって解消される。本発明のプローブは、誘電体材料内に埋込まれた導電性部材からなっている。誘電体材料は、処理チャンバの壁と接触し、チャンバの内部に曝される。誘電体材料は、石英、アルミナ等であることができる。プローブは、好ましくは銅のような金属である導電性材料製の電極を有している。プローブは測定計器に結合するための導体を有しており、測定計器は導電性部材によって検出された電圧レベルを測定するための電圧計であることができる。
【０００６】
１実施の形態においては、本発明のプローブは、チャンバの外壁内に埋込まれた（例えば、チャンバ壁内の石英窓内に取付けられた）導電性部材、即ち電極を使用する。この位置において電極はプラズマのＲＦ電圧振動を受け、これらの電圧振動を測定機器へ結合する。若干の回路解析仮定を行うことによって、測定機器に結合される値が、ウェーハ上の推定直流バイアス電圧を表す。このようなプローブ形態は、雑音レベルが低いので良好な信号精度が得られ、粒子が生成されず、そして現在使用中のシステムに容易に適合させ得るという利点をもたらす。
【０００７】
本発明は、以下の添付図面に基づく説明から容易に理解できよう。理解を容易にするために、全図に共通の同一要素に対しては同一の参照番号を付してある。
【０００８】
【実施の形態】
図１は、本発明のプローブ１０２が取付られているプラズマ反応チャンバ１００の簡易断面図である。ウェーハ処理におけるプラズマ反応チャンバ及びその動作に関しては、1995年10月24日付米国特許第5,460,689号の図面及びその詳細な説明を参照されたい。この説明には、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials製の、バイアスされた高密度プラズマ反応チャンバが参照されている。
【０００９】
詳述すれば、プラズマ反応チャンバ１００は、チャンバ壁１０４、天井１０８、及び底１１０によって限定される密封内部容積１２２を有している。チャンバ底１１０には、ペデスタル１１１及びウェーハ支持体１１２（即ち、静電チャック）が配置されている。ウェーハ支持体１１２自体は、処理されるウェーハ１１３を支持する。プラズマ１２０を点弧し、ウェーハ１１３を電気的にバイアスして処理状態を最適化するために、１つまたはそれ以上の電源がチャンバ１００に接続されている。例えば、第１の電源１２６は、チャンバ天井１０８の上に配置されているコイル１２８に接続されている。コイル１２８はチャンバ１００内に容量的に結合されていてプラズマ１２０を点弧させ、このプラズマ１２０は誘導性の場によって維持される。第２の電源１２４はウェーハ支持体１１２に接続されていて、ウェーハ１１３をバイアスする。
【００１０】
更に、壁１０４の１つは窓１０６を備えている。窓１０６は、セラミック、プラスチック、その他のような適当な誘電体材料からなることができる。石英、アルミナ、及びウルテム（Ultem^TM：ポリエーテルイミド）が、良好な窓材料の例である。好ましくは、窓１０６は、約0.635ｃｍ厚の石英のシートである。窓１０６は、以下に詳細を説明するように、プローブ１０２を埋込み易くするために多重層からなることができる。プローブ１０２を窓１０６内に埋込んで、プローブ１０２を内部容積１２２から隔離する他の方法も考えられる。プローブ１０２は、窓１０６内に埋込まれている導電性材料製の電極１１４を有している。プローブ１０２は電圧測定計器１１６に接続され、計器１１６は交流（ピーク・ピーク）電圧、または直流（バイアスレベル）電圧を測定することができる。
【００１１】
典型的なプラズマエッチング反応チャンバ１００においては、ウェーハ１１３はウェーハ支持体１１２によって支持される。ウェーハ１１３は、静電クランピングによって、または代替として重力によって、または機械的にウェーハ支持体１１２上に保持される。エッチング処理を支援するために、チャンバ１００の内部容積１２２内にプラズマ１２０が生成される。適切な条件が満たされると、即ちプラズマが点弧されて維持され、温度及び圧力レベルが確立されると、ウェーハ処理が開始される。上述したように、直流ウェーハバイアスを監視し、調整することによって、良好な最終製品、即ち高い歩留まり面積を有し、殆ど欠陥のないウェーハが保証される。本発明のプローブ１０２は、プラズマ１２０と物理的に接触することなく、従って、劣化、交換の必要性、及び普通の“プラグ”に伴う微粒子の生成を最小にしながら、ウェーハ１１３上の直流バイアス電圧レベルに比例する電圧レベルを測定する。
【００１２】
詳しく述べれば、電極１１４は、窓１０６を通して受けた電流を、電圧測定計器１１６へ伝送することができる。これらの電流は、プラズマ１２０の電圧レベルの変動によって誘起されたものである。これらの変動は、ウェーハ支持体１１２に結合されるＲＦ電力の振動の結果である（プラズマ電位に対応する振動が誘起される）。従って、電圧測定計器１１６の読みは、ウェーハ１１３上のピーク・ピーク電圧に比例する。このピーク・ピーク電圧は、ウェーハ１１３上の直流バイアス電圧に相関している。
【００１３】
より詳しく述べれば、図２Ａは、プローブ１０２の断面図である。プローブ１０２は、ある長さの同軸ケーブル２０２が接続されている電極１１４からなっている。同軸ケーブル２０２の中心導体２０６は、半田２００を使用して電極１１４に半田付けされている。代替として、半田２００を、クリンピング等のような他の普通の電気的取付け方法に容易に置換することができる。同軸ケーブル２０２の外側シールド２１０は、電圧測定計器１１６を介して接地される。プローブ１０２は、壁１０４及び内部容積１２２（即ち、図１のプラズマ１２０）の両者から電極１１４が隔離されるように、窓１０６内に物理的に埋込まれている。
【００１４】
好ましくは、電極１１４は、第２の石英層２５４と、それに融合された第１の石英層２５６との間に挟まれている0.25インチ直径の導電性の箔（即ち、金属）である。第１の層２５６には、オプションとして、電極１１４を収容しても、第１の層２５６の面と第２の層２５４の面とが合うようにする凹み２５８を設けることができる。代替として、第１の層２５６の凹み２５８内に電極１１４をスパッタしてもよい。電極１１４のサイズは、例として0.25インチ直径の導電性の箔（好ましくは、銅）であると説明したが、電極１１４のサイズは、プローブ１０２及び壁１０４のインピーダンス、窓の材料、及び電極１１４と内部容積１２２との間の距離に依存する。
【００１５】
図２Ｂに示す本発明の代替実施の形態では、プローブ１０２は壁１０４内の穴２５０の中に取付けられている。穴２５０は内部容積１２２に開いており、電極１１４をカプセル封じしているセラミックのような誘電体材料２５２で実質的に充填されている。しかしながら、電極１１４をカプセル封じするために他の型の材料を使用することもでき、石英、アルミナ、ウルテム（ポリエーテルイミド）等からなるグループから選択することができる。誘電体材料２５２の一部分２６０は、電極１１４を内部容積１２２から分離する。穴２５０の深さは、電極１１４のカプセル封じを容易にするのに十分な大きさだけあればよい。
【００１６】
プローブ１０２の別の実施の形態を図２Ｃに示す。プローブ１０２は、誘電体材料２５２内にカプセル封じされた電極１１４を有している。誘電体材料２５２は、壁１０４上に配置されており、内部容積１２２に曝されている。
【００１７】
図３の回路図は、チャンバ雰囲気内の要素と、プローブ１０２との物理的相互作用を近似した分圧回路３００を示している。ＲＦ源１２６及びマッチング回路３０４は、チャンバ内で遂行されるエッチング処理を実行するために必要な電圧波形、及びインピーダンスを確立する。第１のプラズマシース１１８を横切ってウェーハ１１３とプラズマ１２０との間に存在する容量は、キャパシタＣwafer３０６で表されている。第２のプラズマシース１２１を横切ってプラズマ１２０とチャンバ壁１０４との間に存在する第２の容量は、キャパシタＣwall３１６で表されている。第３のプラズマシース１１９を横切ってプラズマ１２０と石英窓１０６との間に存在する第３の容量は、キャパシタＣwindow３０８で表されている（この第３のキャパシタＣwindow３０８は、図２Ｂに示す代替実施の形態のプローブ１０２を使用する場合には、プラズマ１２０と誘電体２５４の部分との間に存在する）。第４の容量は、シース１１９に接触している内面から電極１１４まで、石英窓１０６を横切って存在する。この容量はＣprobe３１０で表されている。最後の容量Ｃinstrumentation３１２は、電圧測定計器１１６内の容量を表している。
【００１８】
このように配列された図３の回路は線形であり、Ｃwafer３０６によって表されているプラズマシース１１８にまたがるＲＦ電圧Ｖwaferの読みを近似するために解析することができる。回路解析は、ＲＦ源１２６によってチャンバ１００内に注入されるＲＦ電流が、主として容量Ｃwafer３０６及びＣwall３１６を通って流れるもとの仮定することから始まる。プローブを含む電流枝路（Ｃprobeによって表されている）には電流は殆ど流れず、ノード３１５におけるプラズマ電位Ｖplasmaをセンスするだけのために存在する。プローブを通って流れる電流の大きさは、Ｃprobeによって制御される。即ち、Ｃprobe３１０がＣwall３１６よりも遙かに小さい場合には、回路のプローブ枝路を通って流れる電流は、Ｃwall３１６を通って流れる合計電流に比して無視することができる。従って電極１１４のサイズは、電極１１４のインピーダンスが壁１０４のインピーダンスよりも大きくなるように選択しなければならない。殆ど全ての電流がＣwafer３０６及びＣwall３１６との直列回路を流れるから、Ｃwafer３０６にまたがる電圧Ｖwaferと、Ｃwall３１６にまたがる電圧（プラズマ電位Ｖplasmaと定義される）とは、以下のように関係になる。
Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×Ｖplasma
従って、もし比例常数を導出することができれば、シースにまたがる電圧は、プラズマ電位を監視することによってウェーハにおいて監視することができる。
【００１９】
Ｖplasmaは、キャパシタＣwindow３０８、Ｃprobe３１０、及びＣinstrumentation３１２からなるセンス回路を用いて測定される。ノード３１４における出力電圧Ｖoは、Ｖplasmaと次式のような関係がある。

設計によって、Ｃinstrumentation３１２及びＣprobe３１０は、
（１／Ｃwindow） ≪（１／Ｃinstrumentation）＋（１／Ｃprobe）
であるように小さく選択される。Ａをキャパシタ電極の面積、κを窓材料（例えば、石英）の誘電定数、そしてｄを電極間の間隔として、どの容量もＣ∝κ*Ａ／ｄとして計算されるので、前記関係は、単に電極と内部容積との間の窓の厚みを、窓におけるプラズマシースの厚みより遙かに大きく選択する、即ち
（ｄquartz／κquartz） ≫ｄwindowsheath
とすることによって達成することができる。上式を使用すれば、ＶoとＶplasmaとの間の関係を次のように簡易化することができる。
Ｖo＝〔１／｛１＋（Ｃinstrumentation／Ｃprobe）｝〕×Ｖplasma
ＶoとＶplasmaとの比は、容易に制御できる既知の量だけに依存している。Ｖwafer、Ｖplasma、及びＶoに関係する前記２つの式を組合せると、出力電圧ＶoとＶwaferとの間の最終的な関係が得られる。
Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×｛１＋（Ｃinstrumentation／Ｃprobe）｝×Ｖo
【００２０】
実際には、実験に基づく較正を遂行してＶoとＶwaferとの間の比例常数を見出す。回路解析中になされた仮定から、線形応答を期待することができる。即ち、プローブにおけるピーク・ピーク電圧はウェーハにおけるピーク・ピーク電圧に比例する。ピーク・ピークウェーハ電圧とウェーハ直流バイアスとの間の関係は既知であるから、プローブにおけるピーク・ピーク電圧をウェーハにおける直流バイアス電圧に関係付けることができる。一般に、ピーク・ピーク電圧と直流バイアスとの間には、ｂを定数として、ａＶpeak-to-peak＋ｂの形状のオフセットが存在することが知られている。異なる源電圧レベル（ＲＦ源１２６の電圧Ｖs）を使用して収集された経験的なデータから、Ｖoをウェーハ電圧に関係付ける定数が得られる。
【００２１】
例えば、図５は、プローブにおいて測定されたピーク・ピーク電圧値（丸形）、ウェーハにおいて測定されたピーク・ピーク電圧値（菱形）、及びウェーハにおける直流電圧（方形）をＲＦ源電力に対して示すグラフである。図６は、同じ電圧値を直流バイアス電力に対して示すグラフであり、図７は、同じ電圧値をチャンバ圧力に対して示すグラフである。これらの電圧値は、グラフを比較し易いように基準化されている。何れの場合も、電圧は、電力レベルまたはチャンバ圧力が増加するのに伴ってほぼ線形通路を辿っている。これにより、前記仮定が試験データによって支持されたことになり、分圧回路解析はウェーハ直流バイアスレベルを推定する正確な方法であると言える。
【００２２】
本発明によって実現される最大の長所は、チャンバに埋込まれたプローブ１０２を使用して、要求されるデータを測定するその能力である。プローブ１０２がチャンバに埋込まれているために、高い電圧源への近接に起因する近傍の伝送ラインまたはＲＦ雑音によって信号が劣化させられる機会は存在しなくなる。更に本発明のプローブによって検出されるどのような雑音も、電極１１４のサイズを変更することによって排除することができる。電圧測定計器１１６から見た信号レベルは、電極１１４のサイズに比例する。従って、もし実質的な背景雑音が検出されれば、電極サイズを増加させて信号対雑音比を改善することができる。このようにすると、電極１１４において受信される電圧変動の量は、雑音の量（所与の周波数に対しては一定であると仮定される）に対して増加する。
【００２３】
以上に、本発明を組み入れたいろいろな実施の形態を説明したが、当分野に精通していれば、本発明を組み入れた他のさまざまな実施の形態を容易に考案することができよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブを組み入れたウェーハ処理チャンバの簡易断面図である。
【図２Ａ】本発明のプローブ及び図１の処理チャンバの一部分の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの本発明のプローブの代替実施の形態の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの本発明のプローブの別の代替実施の形態の断面図である。
【図３】本発明のプローブが形成する分圧回路の回路図である。
【図４】ウェーハ電圧及びプラズマ電圧の振動、及びウェーハ上の直流バイアスレベルのグラフである。
【図５】基準化された電圧値対源電力のグラフである。
【図６】基準化された電圧値対バイアス電力のグラフである。
【図７】基準化された電圧値対圧力のグラフである。
【符号の説明】
１００ プラズマ反応チャンバ
１０２ プローブ
１０４ チャンバ壁
１０６ 窓
１０８ 天井
１１０ 底
１１１ ペデスタル
１１２ ウェーハ支持体
１１３ ウェーハ
１１４ 電極
１１６ 電圧測定計器
１１８ 第１のプラズマシース
１１９ 第３のプラズマシース
１２０ プラズマ
１２１ 第２のプラズマシース
１２２ 内部容積
１２４ 第２の電源
１２６ 第１の電源
１２８ コイル
２００ 半田
２０２ 同軸ケーブル
２０６ 中心導体
２１０ 外部シールド
２５０ 穴
２５２ 誘電体材料
２５４、２５６ 石英層
２５８ 凹み
２６０ 誘電体材料の一部分
３００ 分圧回路
３０４ マッチング街路
３０６ Ｃwafer
３０８ Ｃwindow
３１０ Ｃprobe
３１２ Ｃinstrumentation
３１４ 出力電圧ノード
３１５ Ｖplasmaノード
３１６ Ｃwall

Claims (32)

1. 処理チャンバ内に配置されているウェーハ上の直流バイアス電圧を測定する装置であって、前記処理チャンバは少なくとも１つの壁を有しており、前記装置は、
   前記壁内に配置されており、該壁から絶縁されている導電性部材と、
   前記導電性部材に結合されている測定機器と、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記チャンバ壁は窓を含み、前記導電性部材が該窓の内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記窓は、誘電体材料で作られていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記窓は、石英であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記窓は、アルミナであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記導電性部材は、電極であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記電極は、銅であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記測定機器は、電圧計であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記チャンバ壁は、
   前記処理チャンバの内部容積に開いている穴と、
   前記穴内に配置されている誘電体材料であって、前記導電性部材が該誘電体材料の内部に配置されている前記誘電体材料と、
   を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、及びポリエーテルイミドからなるグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記窓は、アルミナであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記導電性部材は、電極であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
13. 前記電極は、銅であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記測定機器は、電圧計であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
15. プラズマ処理チャンバ内で処理中の基板上の直流バイアス電圧を監視するシステムであって、
    前記チャンバの壁内に配置され、前記プラズマに曝されるように位置決めされている誘電体材料と、
    前記誘電体材料内に埋込まれている導電性部材と、
    前記導電性部材に接続され、前記部材の電圧レベルを測定するように構成されている電圧測定デバイスと、
    を備え、
    前記測定される電圧は、前記基板上のバイアス電圧に比例している、
    ことを特徴とするシステム。
16. 前記電圧測定デバイスは、前記プラズマのＲＦ電圧振動を測定することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 前記比例常数は、前記チャンバ、前記埋込まれた導電性部材、及び前記電圧測定デバイス内に存在する容量の比であることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
18. 前記電圧測定デバイスは、電圧計からなることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
19. 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、及びポリエーテルイミドからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
20. 前記誘電体材料は、前記チャンバ壁内の穴の中に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
21. 処理チャンバ内に配置されているウェーハ上の直流バイアス電圧を推定する装置であって、
    内部容量を限定しているチャンバ壁と、
    前記チャンバ壁上に配置され、前記内部容量に曝されている誘電体材料と、
    前記誘電体材料内に配置され、前記処理チャンバ内のプラズマによって生成された電圧レベルを測定するための電圧測定計器に電気的に接続されている電極と、
    を備え、
    前記電極によって検出される電圧は、前記ウェーハ上の電圧に比例している、
    ことを特徴とする装置。
22. 前記電圧測定計器は、前記プラズマのＲＦ電圧振動を測定することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記比例常数は、前記チャンバ、前記電極、及び前記電圧測定計器内に存在する容量の比であることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
24. 前記電圧測定計器は、電圧計からなることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
25. 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、及びポリエーテルイミドからなるグループから選択されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
26. 前記チャンバ壁は、前記処理チャンバの内部容積に開いている穴を更に備え、前記誘電体材料は、前記チャンバ壁内の前記穴の中に配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
27. プラズマ処理チャンバ内で処理中の基板上の直流バイアス電圧を監視する方法であって、
    前記チャンバの内部に曝されている誘電体材料内に埋込まれている導電性部材を準備するステップと、
    前記導電性部材の電圧レベルを測定するステップと、
    を含み、
    前記導電性部材によって測定される前記電圧レベルは、前記基板上の直流バイアス電圧に比例している、
    ことを特徴とする方法。
28. 前記誘電体材料は、前記チャンバの壁内に設けられていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記直流バイアス電圧と前記測定された電圧との間の比例は、前記チャンバ、前記埋込まれた導電性部材、及び前記導電性部材の前記電圧レベルを測定するために使用される電圧測定デバイス内に存在する容量の比によって限定されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 前記誘電体材料及び前記導電性部材は、前記プラズマのＲＦ電圧振動に曝される位置内に設けられていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
31. 前記導電性部材の前記電圧レベルは、前記プラズマのＲＦ電圧振動を表していることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
32. 前記導電性部材は、背景雑音に対して前記ＲＦ電圧振動を優先的に検出するのを保証するように十分に大きいサイズで設けられていることを特徴とする請求項３１に記載の方法。

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