JP2015523461A - 濃度の不確実性の補償 - Google Patents

Abstract

均一のホウ素含有膜を堆積させる方法および装置が開示される。第１の前駆体が、第１の流量コントローラおよび組成センサを有する第１の経路を通って、チャンバへ供給される。第２の前駆体が、第２の流量コントローラを含む第２の経路によって、第１の経路および第２の経路を流体的に結合する混合点へ供給される。振動センサならびに第１の流量コントローラおよび第２の流量コントローラに、コントローラが結合される。第１の前駆体は、ジボランと希釈ガスとの混合物とすることができ、第２の前駆体は、典型的には、希釈ガスである。第１の前駆体の流量は、組成センサの読取り値から第１の前駆体中のジボランの濃度を判定し、ジボランの所望の流量を維持するように流量を設定することによって設定することができる。第２の前駆体の流量は、チャンバへの所望の流量を維持するように設定することができる。【選択図】図１

Description

本明細書に記載する実施形態は、一般に、ホウ素含有膜を堆積させる方法および装置に関する。より詳細には、本明細書に記載する実施形態は、堆積装置に堆積物の前駆体を提供する方法および装置に関する。

半導体の製造において、ホウ素は重要な材料である。ホウ素含有膜は、半導体製造プロセスの様々な段階でドーピング材料、マスキング材料、および絶縁材料として使用される。ホウ素膜を、ドーパント源として半導体上に堆積させることができる。窒化ホウ素膜を、マスク材料または絶縁材料として堆積させることができる。ホウ素炭素膜を、マスク材料として使用することもできる。

ホウ素含有膜を形成する典型的なプロセスは、ジボランをホウ素源として使用することを伴う。ジボランは、場合によっては別の前駆体とともに処理区域に提供され、ジボランからのホウ素が、基板上に堆積させられる。ジボランは、ジボラン分子の特有のエネルギー構成を活用して基板上へホウ素を抽出するように設計された反応性の変換にかけられる。

ジボランは、ボランの二量体であり、両者は擬平衡状態で存在する。ジボランは、容易に保管して輸送することができ、処理中に蒸発させることができるため、堆積プロセスで最も一般的に使用される。しかし時間がたつと、ジボランはボランおよび他のボランオリゴマーとある程度平衡になり、前駆体中のジボランの量が低減する。前駆体中のジボランの量が低減するにつれて、反応性の変換から入手可能なホウ素の量も変動し、堆積プロセスは不均一になる。

均一性は、さらに小型化する半導体デバイスを製造するプロセスにとってますます重要な特徴であるため、前駆体中のジボランの濃度が変動するにつれてホウ素堆積プロセスを制御する方法および装置が必要とされている。

本発明の実施形態は、一般に、均一のホウ素含有膜を堆積させる方法および装置に関する。第１の前駆体が、第１の流量コントローラおよび組成センサを備える第１の経路を通って、処理チャンバへ供給される。第２の前駆体が、第２の経路によって、第１の経路および第２の経路を流体的に結合する混合点へ供給される。第２の経路は第２の流量コントローラを含む。組成センサ、第１の流量コントローラ、および第２の流量コントローラに、コントローラが結合される。第１の前駆体は、典型的には、ジボランなどのホウ素源と希釈ガスとの混合ガスであり、第２の前駆体は、典型的には、希釈ガスである。第１の前駆体の流量は、組成センサの読取り値から第１の前駆体中のホウ素の濃度を判定し、ホウ素の所望の流量を維持するように流量を設定することによって設定することができる。次いで、第２の前駆体の流量は、処理チャンバへの一定のガス流量を維持するように設定することができる。

組成センサは、赤外センサもしくは質量分析計などの分光センサ、または振動センサとすることができ、振動センサは、圧力もしくは運動センサなどの音響センサ、たとえばＰｉｅｚｏｃｏｎなどの圧電センサとすることができる。電子コントローラによって遠隔操作バルブに信号を送り、前駆体の流量を制御することができる。

本発明の上記の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、実施形態を参照することによって得ることができる。これらの実施形態のいくつかを、添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。

一実施形態による処理システムを示すプロセス図である。 別の実施形態による方法を要約する流れ図である。

理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および特徴は、さらなる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができることが企図される。

図１は、一実施形態による処理システム１００を示すプロセス図である。図１の処理システム１００は、前駆体混合物中の特定の成分の濃度が変化するにつれて混合物のその成分の流量を維持することを伴うプロセスを実行するのに有用である。処理システム１００は、処理チャンバ１０２および前駆体供給システム１０４を含み、処理チャンバ１０２は、任意の適した処理チャンバとすることができる。例示的なチャンバには、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）のチャンバのうちのいずれかが含まれる。

前駆体供給システム１０４は、処理チャンバ１０２へ第１の前駆体を流す第１の経路１０６と、処理チャンバへ第２の前駆体を流す第２の経路１０８とを含む。第１の経路１０６と第２の経路１０８は混合点１１０で合流し、混合点１１０で第１の前駆体と第２の前駆体が混合し、遮断バルブ１１２を通り、導管１１４を介して入り口１１６から処理チャンバ１０２まで流れる。

第１の前駆体源１１８は、導管１２０によって第１の経路１０６内へ結合され、導管１２０は、第１の前駆体を第１の前駆体源１１８から第１の制御バルブ１２２へ流す。第１の経路内には組成センサ１２４が配置され、第１の前駆体中の所望の成分の濃度を検出する。第１の流量コントローラ１２６が、第１の前駆体の流量を感知する。第２の流量コントローラ１３２が、第２の前駆体源（図示せず）に結合された導管１２８から第２のバルブ１３０を通って流れる第２の前駆体の流量を感知する。

組成センサ１２４は、質量分析計もしくは赤外センサなどの分光写真センサ、または振動センサとすることができ、振動センサは、圧力センサまたは運動センサとすることができる。圧力センサの一例は、Ｐｉｅｚｏｃｏｎなどの圧電センサである。運動センサの一例は、ダイアフラムセンサである。ガスクロマトグラフなどのクロマトグラフセンサを使用することもできる。ほとんどの場合、組成センサ１２４は、処理チャンバ内で実行される化学プロセスの良好な制御を与えるため、約１％の相対的な精度を有する。たとえば、精度が１％の場合、組成センサ１２４は、１０．０％の濃度または１０．１％の濃度または９．９％の濃度を登録することができ、したがって濃度のわずかな変化を精密に追跡することができる。

組成センサ１２４は、コントローラ１３４へ信号を送り、コントローラ１３４は、組成センサ１２４からのこの信号を、組成センサ１２４を通って流れる材料の密度に関係付ける。コントローラ１３４は、組成センサ１２４からの信号を処理して組成データをコントローラ１３４の他の部分へ渡すための専用の組成信号プロセッサ１３５を有することができる。組成センサ１２４がＰｉｅｚｏｃｏｎである場合、組成信号プロセッサ１３５は、Ｐｉｅｚｏｃｏｎコントローラとすることができる。次いで、組成センサ１２４によって登録された組成から、この材料の密度を、第１の前駆体の既知の成分の濃度に関係付けることができる。たとえば、第１の前駆体がヘリウム中にジボランを混ぜた混合ガスである場合、混合物の全体的な密度のわずかな変化は、ヘリウム中のジボランの濃度の変動を示す。

流量センサ１２６および１３２は、第１の前駆体および第２の前駆体それぞれの流量をコントローラ１３４に登録する。組成センサ１２４によって送られた濃度信号に基づいて、コントローラ１３４は、制御バルブ１２２を操作することによって、濃度が変化するにつれてプロセスチャンバ１０２へ流れる主成分、たとえばジボランの所望の流量を維持するように、第１の前駆体の流量を調整することができる。コントローラ１３４はまた、第２の制御バルブ１３０を操作することによって、チャンバ１０２への所望の総ガス流量を維持するように、第２の前駆体の流量を調整することができる。制御バルブ１２２は、図１で前駆体源１１８と組成センサ１２４との間に示されているが、制御バルブ１２２は、第１の経路１０６に沿って任意の場所に位置することができる。制御バルブ１２２はまた、流量センサ１２６と一体化させて流量コントローラを形成することができ、この流量コントローラは、コントローラ１３４へ信号を送り、かつコントローラ１３４から信号を受け取って、第１の前駆体の流量を制御する。制御バルブ１３０と流量センサ１３２も同様に、一体化させて流量コントローラにすることができ、この流量コントローラは、コントローラ１３４と通信して、第２の前駆体の流量を制御する。

図２は、別の実施形態による方法２００を要約する流れ図である。方法２００は、図１の装置１００を使用して実行することができる。２０２で、ジボランを含む第１のガスおよび第１の希釈ガスが、送出ラインを通って処理チャンバ内へ提供される。２０４で、第２の希釈ガスが送出ライン内へ流されて、第１のガスと混合する。

２０６で、組成センサを使用して、第１のガス中のジボランの濃度が測定される。組成センサは、図１に関連して上述したように、分光写真センサまたは振動センサとすることができる。次いでこの信号は、ガスの密度に対する既知の関係に基づいて濃度に変換され、次いで気体の法則の関係によって濃度に変換される。

ガスが組成センサを流れるとき、センサ信号が規則的な間隔でサンプリングされる。２０８で、６０秒などの長時間および３秒などの短時間にわたってセンサ信号から導出される濃度の平均が維持される。２１０で、各間隔で検出される濃度と長時間平均との間の差が、第１のガス中のジボランの濃度の変化の指標として計算される。

２１２で、第１のガスの流量は、２１０で得られた差に応じて濃度の長時間平均または短時間平均に基づいて調整される。この差が比較的大きい場合、ターゲット流量からの偏差が大きいまたは速いことが示され、したがって、この差が特定の閾値を上回っているときは、濃度の短時間平均を使用して流量設定点を判定し、急速に変化する濃度を追跡して、ジボランの流量を所望のレベルで維持する。差が比較的小さく、閾値レベルを下回っている場合、長時間平均を使用して、流量に対する変化を最小にする。

２１４で、第２の希釈ガスの流量が、第１のガスの流量に基づいて、プロセスチャンバへの所望の総ガス流量を維持するように調整される。

一例では、濃度を監視する圧電式圧力センサを有する図１の装置に類似の装置を使用して、ヘリウム中にジボランを混ぜた前駆体混合物が、第１の経路を通ってプロセスチャンバへ流される。ヘリウム中のジボランの濃度は、公称では約１０重量％であるが、本明細書に記載する前駆体供給システムは、ソース濃度の変動に対応する。第２の経路を通ってヘリウムガスが提供される。

前駆体中のジボランの濃度は、圧電センサを使用して監視される。３秒の濃度移動平均および６０秒の濃度移動平均が、コントローラによって維持される。各瞬間濃度の読取り値が６０秒の移動平均と比較され、６０秒の移動平均からの偏差が監視される。ジボラン含有前駆体の流量は、次のように判定される。
Ｆ_Ｐ＝Ｆ_Ｔ（Ｘ_Ｔ／（１＋Ｘ_Ｔ））＊（１＋１／Ｘ_Ｐ）
上式で、Ｆ_Ｐは、ジボラン含有前駆体の所望の流量であり、Ｆ_Ｔは、処理チャンバへの所望の総ガス流量であり、Ｘ_Ｔは、処理チャンバ内へ流れるガス中のジボランのターゲット濃度であり、Ｘ_Ｐは、ジボラン含有前駆体中のジボランの濃度である。

ターゲット流量Ｆ_Ｐを判定するためにコントローラによって使用される濃度は、６０秒の移動平均からの瞬間濃度の偏差に依存する。偏差が０．００１より大きい場合、３秒の移動平均が使用され、したがってコントローラは、急速に変化する前駆体中の濃度を補償するように、流量をより迅速に調整する。偏差が０．００１より小さい場合、６０秒の移動平均が使用され、したがって流量調整はより小さくなる。第２の経路を通るヘリウムの流量は、ジボラン含有前駆体に対する流量調整を補償するように調整され、したがって総ガス流量は、ターゲット流量Ｆ_Ｔまたはそれに近い値で維持される。

そのような制御方法は、ジボランが分解されてボランおよび他のボランオリゴマーになるときに前駆体のジボラン濃度の変動を補償することに有用であり、またＲＦの照射、および典型的にはジボラン濃度が変動する前駆体源アンプルの変化など、破壊的なプロセス事象を補償することに有用である。そのような方法を使用して、処理チャンバ内のジボランの濃度の変動を最小にし、均一の処理が実現される。

上記の例では、ジボランおよびヘリウムを処理チャンバ内へ流すという文脈で、本明細書に記載する装置および方法を使用することについて論じたが、同じまたは類似の装置および方法を使用して、アモルファスカーボンなどの炭素含有膜を堆積させるように、水素などの希釈剤中で処理チャンバへ流れる炭化水素の送出の濃度を制御することもできることに留意されたい。水素またはヘリウム希釈ガス中のＣ_１〜Ｃ_４の炭化水素、たとえばアセチレン、エチレン、およびプロピレンなどの炭化水素の化学種は、ジボランほど経時的に不安定ではないが、ソース濃度の変動は、本明細書に記載する方法および装置を使用して補償することができる。

本明細書に記載する装置および方法とともに、ヘリウム以外の希釈ガスを使用することもできる。前駆体に応じて、水素ガス、アルゴン、および窒素を使用することができる。一般に、濃度の正確な監視を可能にするために、前駆体と希釈ガスとの間の分子量にはかなりの差があることが望ましく、希釈ガスは一般に、処理チャンバ内で所望の化学反応性または不活性を有する。第１の前駆体がヘリウム中を流れるジボランである上記の例では、第２の前駆体は、チャンバ内の処理条件に応じて、窒素または水素など、ヘリウム以外の希釈剤とすることができる。第１の前駆体に対する希釈剤も同様に、ヘリウム以外のもの、たとえば窒素または水素とすることができる。

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することもでき、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 第１の流量コントローラおよび振動センサを備える第１の前駆体供給経路と、
   第２の流量コントローラを備える第２の前駆体供給経路と、
   前記第１の前駆体供給経路および前記第２の前駆体供給経路を流体的に結合する混合点と、
   前記第１の流量コントローラ、前記第２の流量コントローラ、および前記振動センサに結合されたコントローラと
   を備える前駆体供給装置。
2. 前記振動センサが圧力センサである、請求項１に記載の前駆体供給装置。
3. 前記振動センサが圧電デバイスである、請求項１に記載の前駆体供給装置。
4. 前記混合点に流体的に結合された背圧レギュレータをさらに備える、請求項１に記載の前駆体供給装置。
5. ホウ素含有膜を形成する装置であって、
   処理チャンバと、
   前記処理チャンバに結合された前駆体供給システムとを備え、前記前駆体供給システムが、
   第１の流量コントローラおよび組成センサを備える第１の前駆体供給経路と、
   第２の流量コントローラを備える第２の前駆体供給経路と、
   前記第１の前駆体供給経路、前記第２の前駆体供給経路、および前記処理チャンバを流体的に結合する混合点と、
   前記第１の流量コントローラ、前記第２の流量コントローラ、および前記振動センサに結合されたコントローラとを備える、装置。
6. 前記組成センサが、圧力センサ、圧電デバイス、振動センサ、質量分析計、またはガスクロマトグラフである、請求項５に記載の装置。
7. 前記組成センサが圧電デバイスである、請求項５に記載の装置。
8. 前記組成センサが振動センサである、請求項５に記載の装置。
9. 処理チャンバへのジボランの供給を制御する方法であって、
   ジボランおよび希釈ガスを含む混合ガスを、第１の経路を通して前記処理チャンバへ流すことと、
   前記第１の経路と混合点で交差する第２の経路を通して前記処理チャンバへ希釈ガスを流すことと、
   前記混合ガスおよび前記希釈ガスの流量を感知することと、
   前記混合ガスの密度を感知し、前記混合ガスの前記密度から前記混合ガス中のジボランの濃度を判定することと、
   ジボランの所望の流量に基づいて、前記混合ガスの流量を調整することと、
   前記処理チャンバへの所望の総ガス流量に基づいて、前記希釈ガスの流量を調整することとを含む方法。
10. 前記混合ガスの密度を感知することが、前記第１の経路の振動を感知することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記混合ガスの前記流量を調整することが、前記濃度の長時間平均および前記濃度の短時間平均を維持することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記混合ガスの前記流量を調整することが、前記濃度と前記長時間平均との間の差を判定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記混合ガスの前記流量を調整することが、前記差に応じて前記長時間平均または前記短時間平均に基づいて、前記混合ガスのターゲット流量を判定することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記混合ガスの前記流量を調整することが、前記長時間平均と前記短時間平均との間の差を計算し、前記差を閾値と比較することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記混合ガスの前記流量を調整することが、前記差が前記閾値より小さい場合、前記長時間平均をターゲット値と比較し、前記差が前記閾値より大きい場合、前記短時間平均を前記ターゲット値と比較することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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