JP2005521242A - 半導体製造プロセスの制御のための発光化学反応の使用 - Google Patents
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Abstract
半導体の製造に使用される低圧プロセス容器（３）は、化学反応の場からある距離を置いて、例えば、排気ライン（２）内に、光感応性検出器（１）を備える。検出器（１）により、特性波長における発光を伴って緩和／再結合する中間体が放出した光を検出する。この中間体は長寿命であるため、検出器（１）は比較的遠方の位置に配置され得る。
Description
本発明は、半導体の製造において使用されるプロセスの管理に関し、特に半導体エッチングプロセスのエンドポイント検出あるいは膜形成装置洗浄プロセスのエンドポイント検出に関するが、これに限定されるものではない。
光学的技法によりエンドポイントを予想する方法について様々な提案がなされてきた。しかし、いずれの提案も、製造や洗浄のプロセスが進行するにつれ複雑な光学的現象がプロセスチャンバ内で起こるという難点を有している。
本発明の目的は、改良されたプロセス管理形態において使用され得る方法と装置を提供することである。
本発明は、多くの化学反応、特にプラズマ内部で生成するフリーラジカルやイオンの関与する化学反応においては、安定状態に到達したり安定な化合物が生成される前に、反応はいくつかの段階を通り一連の中間体を経由して進行する、という点を利用している。これら中間体が生成される各段階の継続時間は２〜３ナノ秒〜２〜３ミリ秒である。反応がある段階から他の段階に移行する際、光が放出されることがある。もし、このような化学反応の機構が研究、理解され、特性波長の発光を伴って緩和したり再結合したりする長寿命の中間体が特定されれば、その波長にチューニングした検出器を反応の場から離れた外部の好便な場所に設置し、出力を利用して材料のエッチング速度の代りに化学種の濃度をモニタしたり、ひいては真空処理システムの洗浄工程の進行やドライエッチングを利用する製造プロセスの進行をモニタしたりすることができる。
従って、本発明は、低圧エンクロージャ内で起こる化学プロセスを制御する方法を提供するものであって、該プロセスは特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成するものであり、この化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり、本方法は、他のフォトンをリジェクトしながら前記距離で前記フォトンを検出することと、前記フォトンが検出される速度(rate)を利用することとによって前記プロセスを制御するものである。
本明細書において、「相当の距離」という語は主たる化学反応が起こる領域の広さとの関係において相当大きい距離を意味し、一般には５ｃｍを超える距離であり、好ましくは約０．５ｍ以上である。
本方法は、特に、フッ素ラジカルでシリコンを処理するプロセスを制御するために用いることができるが、その化学的緩和プロセスにおいては、二フッ化シリコンラジカルとフッ素ラジカルの結合により電子的に励起された三フッ化シリコンラジカルが生じ、生成したラジカルはその後、多くの場合３８０ｎｍと６５０ｎｍとの間の波長のフォトンを放出しながら基底状態に戻る。
シリコン・プロセスの最も典型的な例は、シリコン／二酸化シリコンのドライエッチング、あるいは他の処理においてエンクロージャの壁に付着堆積したシリコンの洗浄であろう。なお、「シリコン」は二酸化シリコンや他のシリコンベースの堆積物を含むと理解されたい。洗浄プロセスはプラズマ利用化学蒸発エッチングを含むものであることができ、このプラズマは通常、エンクロージャ内部で生成される。また、ラジカルはエンクロージャの上流で生成されるのが好適である。
フォトンの検出は、エンクロージャからの排気ライン内であるいは排気ラインが接続されている真空ポンプ内で行われるのが有利であろう。
本発明は、別の一様相においては、特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成する化学プロセスが起こる反応チャンバとして用いられる低圧エンクロージャと共に使用される装置を提供するものであって、前記化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり、本装置は、前記主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所に配置されたフォトン検出器と、フォトン検出の速度をモニタリングするための手段とを有するものである。
更に、本発明は化学プロセスのための装置を提供するものであって、該装置は低圧チャンバと該チャンバから真空ポンプに延設された排気ラインとを含み、前記チャンバはその使用時において、特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成する化学プロセスが起こる場所を画定しており、この化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり、前記装置は、前記場所から相当の距離を置いた所に配置されたフォトン検出器と、フォトン検出の速度をモニタリングするための手段とを更に有するものである。
好ましくは、フォトン検出器は、エンクロージャの排気ライン内、あるいは排気ラインが接続されている真空ポンプ内に配置される。
好ましくは、フォトン検出器には、オフアクシス光(off-axis light; 軸外光)を除去する光バッフルおよび／または検出器の入光口に向き合う光トラップを備える。
以下、図を参照しつつ本発明の各種実施形態を説明するが、これら実施形態は例示を目的としたものに過ぎない。
図を参照する前に、本発明に係る実施形態が依拠する物理学的基礎を詳述する。
多くの化学反応は、数々の中間体を経由して進行する。例えば、物質ＭとフリーラジカルＲの次の反応について考えてみる。
ａ） Ｍ（ｓ） + ｎＲ → ＭＲｎ（ｇ）
ｂ） ＭＲｎ + Ｒ → ＭＲｎ+１ ＊（ｇ）
ｃ） ＭＲｎ+１ ＊（ｇ） → ＭＲｎ+１（ｇ） + フォトン
ｄ） ＭＲｎ+１（ｇ） + Ｒ → ＭＲｎ+２（ｇ）
ａ） Ｍ（ｓ） + ｎＲ → ＭＲｎ（ｇ）
ｂ） ＭＲｎ + Ｒ → ＭＲｎ+１ ＊（ｇ）
ｃ） ＭＲｎ+１ ＊（ｇ） → ＭＲｎ+１（ｇ） + フォトン
ｄ） ＭＲｎ+１（ｇ） + Ｒ → ＭＲｎ+２（ｇ）
反応ａ）において、物質は一以上の個数のラジカル種と結合することにより固体表面から離れ気相に移行する。反応ｂ）において、更に段階的な結合により電子的にエネルギーの高い中間体を得るが、これはフォトンを放出しながら基底状態まで減衰する。更に段階的な付加により最終安定生成物が生成され、前記システムより吐出される。
一般に、消光剤がない場合、ステップｃ）における光の生成は、電子的に励起された中間体の濃度に直接比例するので、物質Ｍを除去する（エッチングする）反応が進行していることのインジケータとして利用できる。
特定の環境、即ち反応ｂ）が反応カスケード全体を律速しており、かつ、中間体が十分に安定的であることにより、ｂ）が支配的な化学反応となっている環境においては、ステップｃ）における光の生成（必然的に非常に速いプロセスとなっている）は、物質Ｍの除去速度の定量的代替物となろう。反応ｂ）が律速でない場合においても、光の生成の有無を、材料Ｍの除去のエンドポイントを示すインジケータとして利用できる。
もし、プロセス圧およびラジカルＲの濃度が好適なものであれば、エッチングプロセスで生ずる発光は物質Ｍの表面から離れた所で検出することができ、周囲のスペースを数ｍ進むことができる。
もし、洗浄や予防的メンテナンスフェーズの間、あるいはドライエッチングによる素子製造の間において、真空プロセシングシステム内の正常運転圧力が低いｍＴｏｒｒレベルにあるならば、中間体のミーンフリーパス（平均自由行程）は通常のプロセス装置の構造の場合と比べて高いであろう。また、もしそのような圧力の下、反応物(reactants)の濃度が低いことにより中間体ＭＲｎの半減期が延長するなら、ステップｃ）による発光は、ドライエッチングプロセスの間、クリーニングプロセス自身の対象である真空処理システム表面から、あるいは、製造されつつある材料から１ｍも離れたところで起こるであろう。この距離は、化学種ＭＲｎの半減期およびその拡散速度から簡単に求められる。
発光のモニタリングは反応の領域から離れた所で行なわれるので、反応自体が干渉を受けたり中断されたりすることはない。例えば、プロセス容器からの排気ラインに測定手段となる機器を好便に設置することができるが、これに限られるものではない。
上述のタイプの反応の典型例である、有用な反応の一例としては、パーフルオロ化炭化水素や六フッ化イオウ、三フッ化窒素（但し、これらに限定されない）等の化合物のプラズマ分解により生成されるフッ素ラジカルによるシリコンのエッチングが挙げられるが、これに限定されるものではない。
ａ） Ｓｉ + ２Ｆ → ＳｉＦ２
ｂ） ＳｉＦ２ + Ｆ → ＳｉＦ３ ＊
ｃ） ＳｉＦ３ ＊ → ＳｉＦ３ + フォトン
ｄ） ＳｉＦ３ ＊ + Ｆ → ＳｉＦ４
ｂ） ＳｉＦ２ + Ｆ → ＳｉＦ３ ＊
ｃ） ＳｉＦ３ ＊ → ＳｉＦ３ + フォトン
ｄ） ＳｉＦ３ ＊ + Ｆ → ＳｉＦ４
ベース圧が１〜１００ｍＴｏｒｒの通常のシリコンエッチプロセスにおいては、化学反応ａ）により生成される二フッ化シリコンラジカルは数ミリ秒の寿命を有し、励起状態の即時緩和と同時にフォトンを生成しつつ三フッ化ラジカルに転換される前にかなりの距離を拡散する。
放出される光は３８０〜６５０ｎｍの準連続体である。通常のプロセスチャンバの形状の場合、この光の相当の量が排気ライン内に放出される。
本発明の第一の実施形態を図１〜図３により説明する。
図１は、直径が約１ｍの典型的な真空プロセス容器３を示す。プロセス容器３は、排気ライン２を経由して真空ポンプ１１により低圧に維持されている。
前記容器の基本機能である典型的な真空プロセシング技法は、該容器に有機ケイ素化合物（但し、これに限定されるものではない）等の化合物を導入し、次いで加熱した基板表面５でその化合物を分解(dissociate)してポリシリコンを堆積させることであろう。この手続の副作用はシリコンをプロセス容器３の壁に付着堆積させてしまうことである。ここで「シリコン」は、二酸化シリコンや他のシリコンベースの堆積物を含むと理解されたい。そのようなシリコンは、粒状物質の生成やその結果としての装置の故障の一因となるので、容器の基本機能にとって不利である。典型的な洗浄技法としては、三フッ化窒素を上流のプラズマ領域４へ導入し、該領域で三フッ化窒素を分解させて遊離のフッ素ラジカルを生成するものが挙げられよう。フッ素ラジカルは容器の壁に付着堆積したシリコンと反応し、上述したシリコンの化学反応シーケンスを辿る。洗浄プロセスが行われる間、反応容器内の圧力は１〜１００ｍＴｏｒｒ程度である。
洗浄プロセスの効率を最大化するために、汚染シリコン(silicon contaminate)のエッチ速度をモニタリングし、この速度が所定のレベルを下回ったら洗浄プロセスを停止することが望ましい。
図１において、検出器１はプロセス容器３の排気ライン２に接続されている。図２は検出器の好ましい一形態の詳細を示し、ここで検出器は波長区別フィルタ８、光電子増倍管９およびそれらの前にある光バッフル７からなっている。検出器１の反対側に光トラップ６が配置されている。この実施例における光バッフル７は、フィルタ８の前に設けられた数枚の不透明な平行プレートから構成され、各プレートは複数の穿孔を有し、そのパターンや空間的配置は排気ライン２に沿った反応領域から反射される光をリジェクトする機能を有している。光トラップ６は一方が開いたシリンダからなり、該シリンダの壁面には数々の突出するバッフルが設けられ、全内表面は光の吸収を最大とするためにマットな黒（mat black）とされている。
特定の実施形態においては、光バッフル７は、オンアクシス光(on-axis light；軸光)のみフォトン検出器に達するよう一枚一枚に穴を穿たれた一連の不透明なプレートから構成されていてもよい。
プレートの孔は、個々のプレートの面方向におけるその穿孔配置パターンが不規則的であるような配置で穿孔される。それは、オフアクシス光が第一のプレート中のある孔を特定の角度で通過しその結果、多重則（multiple rule）により、この光が、次のプレートにおいて関連する視線上の孔（the associated line-of-sight aperture)ではなく或るオフアクシスを通り、次いで同じ多重則によりその後のプレート群における他の視線上の孔を通過することができてしまう状況を避けるためである。孔のサイズは、フォトン検出器に隣接するプレートが最小径の孔を有し、プレートを追うごとに孔径が増大して最大径の孔がフォトン検出器から最も遠いプレートにあるようにされている。この場合、孔径の増大は、フォトン検出器の位置の観察者が、観察者に最も近いプレートの孔のエッジのみを見ることができ、観察者に隣接しないプレート内の孔についてはそのいかなるエッジも見ることができないようになされている。
光バッフル７とこれに対向する光トラップ６の組み合わせは、緊密に閉じ込められた検出領域内に放出された光のみ検出されるという効果を有する。
図３は、シリコン汚染物質(silicon contaminant)の除去速度を決定するために用いることができる、光電子増倍管からの典型的な出力のグラフである。洗浄サイクル履歴データを参照し、曲線形状認識や摂動解析等のデジタル信号プロセス技法によってエンドポイントを決定することができ、これにより更に洗浄サイクルを自動化することができる。
図４は、シリコンのエッチングを制御するために用いる第二の実施形態に係る図である。
図４は直径が約１ｍの典型的な真空プロセス容器３を示す。典型的なプロセシング技法は、容器内に気体状の六フッ化イオウ（但し、これに限定されない）等のフッ素源の導入によるシリコンのエッチングであろう。反応容器内の圧力は１〜１００ｍＴｏｒｒであり、電場が、二個の電極１３に対して、その二個の間にプラズマが形成されるように適用される。エッチングされるべきシリコン基板１４は、接地された電極上に配置され、反応体である六フッ化イオウの分解により生成されたフッ素ラジカルは、上述した反応シーケンスによりシリコンと反応する。
この例において、二酸化シリコンの層がシリコンウェーハ１４の内部に存在し、この埋設された層までエッチングが進み、そこでタイミング良く停止することが望まれていると考えてみよう。シリコンのエッチングが二酸化シリコンの層に達したとき、エッチ速度は低下し、この事象はシリコンの反応中間体の濃度が低下することにより検出できる。
図４においては、図１におけるのと同様、検出器１は、プロセスチャンバ３の排気ライン２に接続されている。検出器１は図２に示されるものと同じものとするのが好適であり、検出器からの出力は図３に示したものと同様となろう。
請求項に規定する本発明の範囲内において、前記の実施形態に対して各種修正を行なうことができる。検出器は、反応の場から適切な距離を置いてプロセス容器自身の内部に配置されても良いし、真空ポンプ内に組み込まれても良かろう。しかしながら、検出器を排気ラインに接続するように配置することが最も便利である。本発明は、適切な発光中間体の段階が存在する反応の場合でありさえすれば、シリコン／フッ素以外の如何なるプロセスにも利用できる。
Claims (18)
- 低圧エンクロージャ内で起こる化学プロセスを制御する方法であって、該プロセスは特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成するものであり、この化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり、本方法は、他のフォトンを拒絶しながら前記距離で前記フォトンを検出することと、前記フォトンが検出される速度を利用することとを含み、これによって前記プロセスを制御するものであることを特徴とする化学プロセスの制御方法。
- 前記相当の距離が５ｃｍを超える距離であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記相当の距離が約０．５ｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 前記化学的プロセスはフッ素ラジカルによるシリコン処理を含み、前記化学的緩和プロセスにおいては、二フッ化シリコンラジカルとフッ素ラジカルの結合により電子的に励起された三フッ化シリコンラジカルを生じ、生成したラジカルはその後、多くの場合３８０ｎｍと６５０ｎｍとの間の波長のフォトンを放出しながら基底状態に戻るものであることを特徴とする先の請求項のいずれか１項に記載の方法。
- シリコン処理がシリコン／二酸化シリコンのドライエッチングであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- シリコン処理が、他の処理においてエンクロージャの壁に付着堆積したシリコン／二酸化シリコンまたは他のシリコン・ベース物質の洗浄であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 洗浄プロセスがプラズマ利用化学蒸発エッチングを利用するものであり、このプラズマはエンクロージャ内部で生成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
- プラズマがエンクロージャの上流で生成されるラジカルによって発生することを特徴とする請求項７に記載の方法。
- フォトンの検出が、エンクロージャからの排気ライン内で、または排気ラインが接続されている真空ポンプ内で行われることを特徴とする先の請求項のいずれか１項に記載の方法。
- 特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成する化学プロセスが起こる反応チャンバとして用いられる低圧エンクロージャと共に使用される装置であって、前記化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり、本装置は、前記主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所に配置されたフォトン検出器と、フォトン検出の速度をモニタリングするための手段とを有するものであることを特徴とする装置。
- 化学的処理のための装置であって、該装置は低圧チャンバと該チャンバから真空ポンプに延びる排気ラインとを含み；前記チャンバはその使用時において、特定の化学的再結合／緩和プロセスによって既知の波長あるいは波長分布を有するフォトンを放出する化学種を生成する化学プロセスが起こる場所を画定しており、この化学種は、前記エンクロージャの気圧において、主たる化学反応の場から相当の距離を置いた所で検出され得る寿命特性を有するものであり；前記装置は、前記場所から相当の距離を置いた所に配置されたフォトン検出器と、フォトン検出の速度をモニタリングするための手段とを更に有するものであることを特徴とする装置。
- フォトン検出器が排気ライン内、または排気ラインが接続されている真空ポンプ内に配置されていることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の装置。
- フォトン検出器は、オフアクシス光を除去する光バッフルおよび／または検出器の入光口に向き合う光トラップを備えることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の装置。
- 光バッフルは、不規則に配置された穿孔を有する複数のプレートを備えていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
- 穿孔された孔のサイズが、フォトン検出器に隣接するプレートが最小径の孔を有し、プレートを追うごとに孔径が増大して最大径の孔がフォトン検出器から最も遠いプレートにあるようにされていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
- 穿孔された孔の孔径と孔配置は、フォトン検出器の位置の観察者が、観察者に最も近いプレートの孔のエッジのみを見ることができ、観察者に隣接しないプレート内の孔についてはそのいかなるエッジも見ることができないようになされていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
- フォトン検出器が前記場所から少なくとも５ｃｍ離れていることを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載の装置。
- フォトン検出器が前記場所から０．５ｍ以上離れていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
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