JP6227262B2 - 表面電位測定装置および表面電位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の表面電位を測定する装置および方法に関し、特に絶縁膜の表面電位、または絶縁膜および金属配線を有するデバイスの表面電位を測定する装置および方法に関する。

半導体デバイスの製造工程では、シリコン基板上に物性の異なる様々な膜が形成され、これら膜に様々な加工が施されることで微細な金属配線が形成される。例えば、ダマシン配線形成工程においては、膜に配線溝を形成し、この配線溝に金属を埋め込み、その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により余分な金属を除去することで金属配線が形成される。このようなダマシン配線形成工程を経て製造された基板の表面には、金属膜、バリア膜、絶縁膜などの多様な膜が存在する。

基板を研磨するＣＭＰ装置（研磨装置）は、通常、基板を研磨するだけでなく、研磨された基板を洗浄し、乾燥するように構成されている。基板の洗浄は、基板を回転させながら、ロールスポンジなどの洗浄具を基板に摺接させることによって行われる。基板の洗浄後は、回転する基板に超純水（ＤＩＷ）が供給され、これによって基板がリンスされる。基板を乾燥させる前においても、基板を回転させながら基板に超純水を供給することで基板をリンスすることが行われている。

回転する基板に供給される超純水は、比抵抗値（≧１５ＭΩ・cm）が高く、超純水との接触により基板表面が帯電されることが一般的に知られている。実際に、金属配線や絶縁膜などが形成されている基板の表面が帯電することが実験によって確認されている。この帯電現象の要因は、超純水が高い比抵抗値を有することや、回転する基板上の超純水の流れにあると考えられているが定かでは無い。基板表面の帯電は、基板表面の洗浄により除去されたはずのパーティクル再付着や放電によるデバイス破壊の原因となる。また、銅配線を有するデバイスでは、銅自体（Ｃｕ）が静電気の影響を受けて移動しやすく、絶縁膜上に銅が付着することがある。その結果、配線間でショートカットまたは電流のリークが発生したり、銅配線と絶縁膜との密着性不良が起こることがある。

基板表面の帯電はデバイスの信頼性を低下させる要因となりうるため、基板表面の帯電量、すなわち表面電位を測定し、これを監視する必要がある。しかしながら、従来の基板の表面電位を測定する装置は非常に高価であり、結果としてデバイス製造コストを上昇させてしまう。また、基板の表面電位は様々な外部要因によって変わりやすい。例えば、剥離帯電、誘導帯電、および大気中の帯電は、基板の表面電位の測定値に影響するため、これまで高精度にて正確な基板の表面電位を測定し把握することは難しかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、基板上の膜などの被測定物の表面電位を正確に測定することができる安価な装置および方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、シリコン基板上に形成された被測定物の表面電位を測定する装置であって、プローブと、前記プローブを介して表面電位を測定する電位測定器と、前記シリコン基板を支持する第１支持部材と、シリコン基板からなる基準構造体と、前記基準構造体を支持するための第２支持部材と、前記第１支持部材および前記第２支持部材を接地するアース線と、前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、さらに前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させることができる相対移動機構と、前記電位測定器と前記相対移動機構の動作を制御する制御部とを備え、前記相対移動機構は、前記プローブが前記第２支持部材上の前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、前記電位測定器は、前記プローブを介して前記基準構造体の表面電位を測定し、前記制御部は、前記表面電位の測定値が０となるように前記電位測定器を較正し、その後、前記相対移動機構は、前記プローブが前記被測定物に対向するまで、前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、前記電位測定器は、前記プローブを介して前記被測定物の表面電位を測定することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記被測定物の表面電位の測定後、前記相対移動機構は、前記プローブが前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、前記電位測定器は、前記基準構造体の表面電位を測定してその測定値を再度取得し、前記制御部は、前記再度取得された測定値が所定の範囲内にあるか否かを判定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去するイオナイザーをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を測定する静電気測定器をさらに備え、前記制御部は、前記静電気の測定値が所定の目標範囲内に収まるように前記イオナイザーの動作を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１支持部材と前記第２支持部材は、同じ導電性材料から構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記被測定物は、絶縁膜、または絶縁膜および金属配線を有するデバイスであることを特徴とする。

本発明の他の態様は、第１支持部材に支持された下地構造体上の被測定物の表面電位を測定する方法であって、第２支持部材に支持された基準構造体にプローブが対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、前記基準構造体は前記下地構造体と同一の構成を有し、前記第２支持部材が接地されている状態で、電位測定器により前記プローブを介して前記基準構造体の表面電位を測定し、前記表面電位の測定値が０となるように前記電位測定器を較正し、その後、前記プローブが前記被測定物に対向するまで、前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、前記第１支持部材が接地されている状態で、前記電位測定器により前記プローブを介して前記被測定物の表面電位を測定することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記被測定物の表面電位の測定後、前記プローブが前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、前記電位測定器により、前記基準構造体の表面電位を測定してその測定値を再度取得し、前記再度取得された測定値が所定の範囲内にあるか否かを判定する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記被測定物および前記基準構造体の表面電位を測定している間、前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を測定し、前記静電気の測定値が所定の目標範囲内に収まるように前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去することを特徴とする。

本発明によれば、被測定物の表面電位を測定する前に、基準構造体の表面電位の測定値に基づいて電位測定器が較正される。基準構造体は、被測定物の下に存在する下地構造体と同じ構成を有しているので、下地構造体の表面電位は較正によってキャンセルされる。したがって、電位測定器は、プローブを介して被測定物の表面電位を正確に測定することができる。また、プローブおよび電位測定器を含む装置構成要素はいずれも安価に入手することができる。したがって、本発明に係る表面電位測定装置を安価で提供することができる。

本発明の一実施形態に係る表面電位測定装置を示す側面図である。 表面電位測定装置の平面図である。 プローブと電位測定器によって膜の表面電位を非接触で測定する原理を説明する概略図である。 表面電位測定装置の斜視図である。 表面電位を測定する工程を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る表面電位測定装置を示す側面図であり、図２は、表面電位測定装置の平面図である。表面電位測定装置は、プローブ１０と、このプローブ１０に接続された電位測定器１１と、被測定物である膜１が表面に形成された下地構造体２を支持する第１支持部材１５と、基準構造体３を支持するための第２支持部材１６とを備えている。第１支持部材１５および第２支持部材１６は、測定テーブル１８の上面に固定されている。

下地構造体２は、例えば、直径２５ｍｍ〜４５０ｍｍのシリコン基板であり、被測定物は、例えば、シリコン基板上に形成された絶縁膜、または絶縁膜および金属配線を有するデバイスである。図２に示す下地構造体２は、ノッチが形成されているシリコン基板であり、符号１で示す被測定物はシリコン基板上に形成された絶縁膜（ブランケット膜）である。しかしながら、下地構造体２および被測定物１は、これらの例に限定されない。下地構造体２は、膜１が上を向いた状態で第１支持部材１５によって支持される。シリコン基板の場合は、図２に示すように、ノッチが所定の方向を向くようにシリコン基板が第１支持部材１５上に載置されることが好ましい。

基準構造体３は、表面電位の測定が始まる前に第２支持部材１６上に載置される。この基準構造体３は、下地構造体２と同一の構成および同一の材料を有している。例えば、下地構造体２がシリコン基板であれば、基準構造体３もシリコン基板である。下地構造体２が上層Ａと下層Ｂとの多層構造体であれば、基準構造体３も上層Ａと下層Ｂとの多層構造体である。つまり、基準構造体３は、下地構造体２に依存して決定される。

第１支持部材１５および第２支持部材１６は、同じ導電性材料から構成されている。例えば、第１支持部材１５および第２支持部材１６は、銅または金から構成される。好ましくは、銅または金にクロムめっきまたはニッケルめっきを施したものが使用される。第１支持部材１５および第２支持部材１６は、アース線２０を介して接地されている。第１支持部材１５は下地構造体２の下面に接触しており、第２支持部材１６は基準構造体３の下面に接触している。したがって、下地構造体２および基準構造体３の表面電位は０Ｖとなっている。測定テーブル１８は金属などの導電性材料から構成されており、上述したアース線２０を介して接地されている。

第１支持部材１５と第２支持部材１６とは同じ高さを有していることが好ましい。より具体的には、第１支持部材１５によって支持された下地構造体２の上面の高さは、第２支持部材１６によって支持された基準構造体３の上面の高さと同じであることが好ましい。

図１に示すように、下地構造体２の上面には、被測定物としての膜１が形成されている。プローブ１０および電位測定器１１は、ケルビンプローブ法に基づいて被測定物の表面電位（帯電量）［Ｖ］を測定するように構成されている。このようなプローブ（ケルビンプローブとも呼ばれる）１０および電位測定器１１は、市場で入手可能な公知のものを使用することができる。プローブ１０は、第１支持部材１５に支持されている下地構造体２上の膜１の上方に配置されている。プローブ１０は図示しない部材によって支持されており、プローブ１０の位置は固定されている。膜１とプローブ１０とは非接触に保たれる。膜１とプローブ１０との距離は、例えば、０．５０ｍｍ〜２．００ｍｍである。

図３は、プローブ１０と電位測定器１１によって膜１の表面電位を非接触で測定する原理を説明する概略図である。プローブ１０を膜（被測定物）１の近くに配置すると、プローブ１０の先端のセンサ電極と膜１とはインピーダンスＺを介して等価的に接続される。この状態で、プローブ１０と膜１との間に静電容量Ｃが生じる。この静電容量Ｃを打ち消すようにプロープ１０の電位を発生させ、プロープ１０と膜１の表面とを同電位にする。この電位は膜１の表面電位に依存する値を示していることから、プローブ１０および電位測定器１１は、膜１の表面電位を非接触で測定することができる。

図４は、表面電位測定装置の斜視図である。図４に示すように、表面電位測定装置は、プローブ１０と第１支持部材１５とを相対的に移動させ、さらにプローブ１０と第２支持部材１６とを相対的に移動させる相対移動機構２３を備えている。より具体的には、相対移動機構２３は、測定テーブル１８を水平方向に移動させるＸ軸移動機構２３ＡおよびＹ軸移動機構２３Ｂの組み合わせから構成されている。Ｘ軸移動機構２３Ａは測定テーブル１８をＸ軸に沿って移動させ、Ｙ軸移動機構２３Ｂは、Ｘ軸に垂直なＹ軸に沿って測定テーブル１８を移動させるように配置されている。これらＸ軸移動機構２３ＡおよびＹ軸移動機構２３Ｂは、ボールねじ機構と、このボールねじ機構を駆動するサーボモータとから構成されている。これらのＸ軸移動機構２３ＡおよびＹ軸移動機構２３Ｂにより、プローブ１０は、プログラムされた膜１の表面上の所定の１つまたは複数の測定ポイント（Ｘ−Ｙ座標系上のポイント）で表面電位を自動的に測定し、制御部３０は取得された測定値から膜１の表面における帯電分布などを生成することができる。

相対移動機構２３は、第１支持部材１５上の下地構造体２および第２支持部材１６上の基準構造体３を一体に同一水平面内で移動させることができる。上述したように、プローブ１０の位置は固定されている。相対移動機構２３は、下地構造体２および基準構造体３を移動させることによって、プローブ１０を膜１または基準構造体３のいずれか一方に対向させる。なお、相対移動機構２３の他の構成例として、測定テーブル１８に代えて、プローブ１０を水平面内で移動させるようにしてもよい。相対移動機構２３のさらに他の構成例として、測定テーブル１８およびプローブ１０の両方を別々に移動させるようにしてもよい。

図２に示すように、測定テーブル１８には、下地構造体２の外周縁に沿って配列された複数のストッパピン２７が固定されている。これらのストッパピン２７は、相対移動機構２３によって第１支持部材１５を水平方向に移動させたときに、下地構造体２およびその上の膜１が第１支持部材１５に対して相対的に移動してしまうこと防止するための移動制限部材である。ストッパピン２７は、樹脂から構成されており、第１支持部材１５上の下地構造体２からやや離れて配置されている。

下地構造体２に接触するようにストッパピン２７を配置してもよい。この場合には、ストッパピン２７は樹脂ではなく、第１支持部材１５および第２支持部材１６同じ導電性材料（例えば、銅または金）から構成される。好ましくは、銅または金にクロムめっきまたはニッケルめっきを施したものが使用される。導電性材料からなるストッパピン２７は、第１支持部材１５および第２支持部材１６と同様に、アース線２０を介して接地される。

図１乃至図４に示すように、表面電位測定装置は、電位測定器１１および相対移動機構２３の動作を制御する制御部３０をさらに備えている。この制御部３０は、予めプログラムされた動作シーケンスに従って、電位測定器１１および相対移動機構２３の動作を制御するようになっている。

測定テーブル１８に近接して、イオナイザー３２が配置されている。このイオナイザー３２は、プラスイオンおよびマイナスイオンを発生させ、基板上空の空間へイオンを供給することで、膜１および基準構造体３の上方空間を含む周囲の大気中の電荷の偏りを中和するコロナ放電式イオナイザーである。膜１の上方には、膜１および基準構造体３の上方空間を含む周囲の大気中の静電気を測定する静電気測定器３４が膜１から１０ｍｍ〜２００ｍｍだけ離れて配置されており、膜１および基準構造体３の上方空間を含む周囲の大気中の静電気を測定することができる。この静電気測定器３４は制御部３０に接続されており、静電気の測定値が制御部３０に送られる。制御部３０は、膜１および基準構造体３の上方空間を含む周囲の大気中の静電気の測定値が所定の目標範囲内−１．０Ｖ〜１．０Ｖに収まるようにイオナイザー３２をフィードバック制御する。

次に、表面電位測定装置の動作について図５を参照して説明する。図５は、表面電位を測定する工程を示すフローチャートである。この図においては、下地構造体（基板）２は、帯電を防止する構造を有する導電性ハンド（図示せず）によって第１支持部材１５上に載置される。また、自動搬送機構によって下地構造体（基板）２を第１支持部材１５上に載置することも可能である。

以下に説明する各種動作および動作シーケンスは、上述した制御部３０によって制御される。ステップ１では、イオナイザー３２が作動して、膜１および基準構造体３の周囲の大気中の静電気を除去する。イオナイザー３２の動作は、静電気測定器３４によって測定された静電気の測定値に基づいて制御部３０によって制御される。例えば、静電気の測定値が−１．０Ｖ〜１．０Ｖの範囲内に収まるようにイオナイザー３２の動作が制御される。

静電気の測定値が−１．０Ｖ〜１．０Ｖの範囲内にあれば、次に相対移動機構２３を作動させて基準構造体３を移動させ、プローブ１０を基準構造体３の上方に位置させる。プローブ１０が基準構造体３を向いている状態で、電位測定器１１はプローブ１０を介して基準構造体３の表面電位を測定する（ステップ２）。この表面電位の測定値は制御部３０に送られる。制御部３０は、基準構造体３の表面電位の測定値が０．００［Ｖ］となるように、自動的に電位測定器１１を較正する（ステップ３）。

次に、相対移動機構２３を作動させて下地構造体２を移動させ、プローブ１０を下地構造体２上の膜１の上方に位置させる。プローブ１０が膜１を向いている状態で、電位測定器１１はプローブ１０を介して膜１の表面電位を測定する（ステップ４）。電位測定器１１は、膜１の表面電位を複数回測定し、得られた複数の測定値の平均を取得することが好ましい。膜１の表面電位は、所定の複数の測定点で測定してもよい。例えば、膜１の半径方向に沿って並ぶ複数の測定点で膜１の表面電位を測定してもよい。さらに、膜１の全体に亘ってその表面電位を測定することも可能である。

膜１の表面電位の測定後、相対移動機構２３を作動させて基準構造体３を移動させ、再びプローブ１０を基準構造体３の上方に位置させる。そして、プローブ１０が基準構造体３を向いている状態で、電位測定器１１はプローブ１０を介して基準構造体３の表面電位を測定し、測定値を再度取得する（ステップ５）。以下、この再度取得された測定値を検証用測定値という。検証用測定値は制御部３０に送られる。制御部３０は、検証用測定値が所定の範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップ６）。検証用測定値が所定の範囲内に収まっている場合には、膜１の表面電位の測定値は信頼性の高い測定値である。一方、検証用測定値が所定の範囲内に収まっていない場合には、制御部３０は測定エラーを示す警報を発する。

検証用測定値が取得された後、イオナイザー３２の運転が停止され、周囲大気の静電気除去が停止される（ステップ７）。このように、イオナイザー３２は、膜１および基準構造体３の表面電位が測定されている間は、常に動作している。したがって、空間帯電の影響を排除することができる。

より正確な表面電位の測定を行うために、周囲の大気の湿度は６０％以下であることが望ましい。さらに、相対移動機構２３は、接地された導電性台の上に設置されることが望ましい。さらに、表面電位測定装置は、帯電防止された仕切り壁（例えば帯電防止カーテン）などで囲むことが望ましい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 膜（被測定物）
２ 下地構造体
３ 基準構造体
１０ プローブ
１１ 電位測定器
１５ 第１支持部材
１６ 第２支持部材
１８ 測定テーブル
２０ アース線
２３ 相対移動機構
２７ ストッパピン
３０ 制御部

Claims (10)

1. シリコン基板上に形成された被測定物の表面電位を測定する装置であって、
   プローブと、
   前記プローブを介して表面電位を測定する電位測定器と、
   前記シリコン基板を支持する第１支持部材と、
   シリコン基板からなる基準構造体と、
   前記基準構造体を支持するための第２支持部材と、
   前記第１支持部材および前記第２支持部材を接地するアース線と、
   前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、さらに前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させることができる相対移動機構と、
   前記電位測定器と前記相対移動機構の動作を制御する制御部とを備え、
   前記相対移動機構は、前記プローブが前記第２支持部材上の前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、
   前記電位測定器は、前記プローブを介して前記基準構造体の表面電位を測定し、
   前記制御部は、前記表面電位の測定値が０となるように前記電位測定器を較正し、
   その後、前記相対移動機構は、前記プローブが前記被測定物に対向するまで、前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、
   前記電位測定器は、前記プローブを介して前記被測定物の表面電位を測定することを特徴とする装置。
2. 前記被測定物の表面電位の測定後、前記相対移動機構は、前記プローブが前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、
   前記電位測定器は、前記基準構造体の表面電位を測定してその測定値を再度取得し、
   前記制御部は、前記再度取得された測定値が所定の範囲内にあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去するイオナイザーをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を測定する静電気測定器をさらに備え、
   前記制御部は、前記静電気の測定値が所定の目標範囲内に収まるように前記イオナイザーの動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記第１支持部材と前記第２支持部材は、同じ導電性材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記被測定物は、絶縁膜、または絶縁膜および金属配線を有するデバイスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第１支持部材に支持された下地構造体上の被測定物の表面電位を測定する方法であって、
   第２支持部材に支持された基準構造体にプローブが対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、前記基準構造体は前記下地構造体と同一の構成を有し、
   前記第２支持部材が接地されている状態で、電位測定器により前記プローブを介して前記基準構造体の表面電位を測定し、
   前記表面電位の測定値が０となるように前記電位測定器を較正し、
   その後、前記プローブが前記被測定物に対向するまで、前記プローブと前記第１支持部材とを相対的に移動させ、
   前記第１支持部材が接地されている状態で、前記電位測定器により前記プローブを介して前記被測定物の表面電位を測定することを特徴とする方法。
8. 前記被測定物の表面電位の測定後、前記プローブが前記基準構造体に対向するまで、前記プローブと前記第２支持部材とを相対的に移動させ、
   前記電位測定器により、前記基準構造体の表面電位を測定してその測定値を再度取得し、
   前記再度取得された測定値が所定の範囲内にあるか否かを判定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記被測定物および前記基準構造体の表面電位を測定している間、前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を測定し、
    前記静電気の測定値が所定の目標範囲内に収まるように前記被測定物および前記基準構造体の周囲の大気中の静電気を除去することを特徴とする請求項９に記載の方法。

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