JP2020513647A - 製造プロセスにおける粒子によって誘発されるアークの検出のための組成発光分光分析 - Google Patents
製造プロセスにおける粒子によって誘発されるアークの検出のための組成発光分光分析 Download PDFInfo
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Abstract
本明細書で説明するのは、ウェハ製造プロセス中に収集されたスペクトルデータから異常事象(すなわち、アーク事象)を検出し、分析するためのアーキテクチャ、プラットフォーム、および方法である。
Description
本出願は、２０１６年１１月１８日に出願された「Compositional Optical Emission Spectroscopy for the Characterization of an Etch Process」と題する米国仮特許出願第６２／４２４，１５３号（整理番号：ＴＥＡ−１３８ＵＳ１−ＰＲＯ）に基づいており、その優先権を主張する。
エッチングプロセスを含むプラズマ製造プロセスは、ウェハ歩留まり、生産性、信頼性、およびコストに影響を及ぼす多くの問題にさらされることがある。このような問題には、プラズマチャンバ内でのアーキング（arcing）が含まれ、この場合、アーキングは、粒子によって誘発されることがある。このような問題を診断することは非常に困難である可能性がある。特に、このような問題の診断は、プラズマ又はプロセスチャンバを大気に開放することを含むことがある。一旦チャンバが大気に開放されると、チャンバは、ポンプで排気され、パージされ、同じ数のウェハでシーズニングされて、エッチングプロセスは、ウェハ生産について再度資格を得る。このサイクルは、機械利用性および製造生産性の点で非常にコストがかかる可能性がある。
発明を実施するための形態を添付の図面を参照して説明する。図では、参照番号の左端の数字は、その参照番号が最初に登場する図を識別する。同様の特徴および構成要素を参照するように図面全体にわたって同じ番号が使用される。
本明細書で説明するのは、ウェハ製造プロセス中に収集されたスペクトルデータから異常事象（すなわち、アーキング事象）を検出し、分析するためのアーキテクチャ、プラットフォーム、および方法である。例えば、分光計を利用して、ウェハ製造プロセス中にプラズマチャンバからスペクトルデータを収集する。異常事象の発生を検出した後、収集したスペクトルデータの事後分析を実施して、異常事象またはアーキング事象を引き起こした可能性のある化学種を決定することができる。
一実施形態では、化学種の決定は、最初に、ウェハ製造プロセスにおける各プロセスステップで利用される各化学種についての明確なスペクトル特性（すなわち、ケミカル−インプリント識別）を確立することによって実施することができる。例えば、シリコンまたはシリコン含有材料は、ハロゲン含有ケミストリを使用して実施することができる。検出可能な発光分光分析（ＯＥＳ: optical emission spectroscopy）種は、シリコンのハロゲン化物、およびハロゲン種自体（例えば、Ｃｌ、Ｆ、Ｂｒ）を含むことができる。さらに、例えば、シリコン酸化物のエッチングは、フルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンガスなどのフッ素含有ケミストリを使用して実施することができる。検出可能な種は、シリコンのハロゲン化物、およびフルオロカーボンまたはハイドロフルオロカーボンガスの分解によって放出されるハロゲン種（Ｆ）を含むことができる。他の検出可能な副生成物は、膜またはガス混合物からの酸素（Ｏ）と、フルオロカーボンまたはハイドロフルオロカーボンガスからの炭素（Ｃ）との反応によって形成される、一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化炭素（ＣＯ２）を含むことができる。
スペクトルデータの事後分析のために、異常事象の（発生の）特定の時刻瞬間（time instant）の手動決定を実施することができる。例えば、ウェハ製造プロセス中のアーキング事象の発生の視覚的観察は、データ収集サイクルにおける特定の時刻瞬間（すなわち、参照ポイント）、およびアーキング事象が発生したときに現在実行されている特定のプロセスステップの手動観察を容易にすることができる。この例では、スペクトルデータの分析、特に異常事象の分析は、特定の時刻瞬間で取得されたスペクトルおよび／またはその特定の時刻瞬間での対応するプロセスステップに基づくことができる。すなわち、その特定の時刻瞬間の間に実質的に高い強度を有する（すなわち、閾値を超える）化学種について、上述のように記憶されたスペクトル特性（すなわち、ケミカル−インプリント識別）を使用して、原因となる化学種を識別することができる。
別の実施形態では、スペクトルデータの事後分析に関して、プラズマチャンバ内に設置されたフォトダイオードを利用して、アーキング事象の発生を検出することができ、この検出は、スペクトルデータからの異常事象の分析をトリガすることができる。例えば、フォトダイオードは、ウェハ製造プロセスにおける特定のプロセスステップ中の特定の時間「ｔ」における光強度の実質的なスパイクなどのアーキング事象を検出する。特定の時刻瞬間の手動観察に関する上記の議論と同様に、スペクトルデータの事後分析は、特定の時間「ｔ」中に取得されたスペクトル、および／またはデータ取得サイクルの特定の時間「ｔ」の数マイクロ秒前および／または数マイクロ秒後を含み得る、特定の時間「ｔ」での対応するプロセスステップに着目することができる。
本明細書で説明するように、スペクトルデータは、プラズマチャンバからのスペクトル分解発光信号を含むことができる。スペクトル分解発光信号は、アーキング事象を引き起こした化学種を識別するための異常事象の分析における参照のために、事前に予め識別され、記憶され、使用された発光信号を示すことができる。同様に、スペクトルデータは、アーキング事象をさらに増強または増大させる生成された粒子を含み得る非スペクトル分解発光信号を含むことができる。この場合、分光計を使用して、ある波長範囲にわたるそれらの明確な光強度に基づいて、非スペクトル分解発光信号のスペクトル特性を決定することができる。
図１は、本明細書における実施形態による容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置またはプラズマ処理システム１００の一例の概略断面図を示す。ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）などの他の処理システムを実施でき、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）処理システムを実施できることを理解されたい。特定の実施態様では、プラズマ処理システム１００は、スペクトル分解発光信号を含むスペクトルデータの分析を実施できるウェハ製造プロセスのために使用される。スペクトル分解発光信号とは、それらの明確なケミカル−インプリントによって予め識別された発光信号または化学種（例えば、炭素（Ｃ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、シリコン（Ｓｉ）など）を意味する。これらの化学種のうちの少なくとも１つは、ウェハ製造プロセス中に異常事象（すなわち、アーキング事象）を引き起こす可能性があり、したがって、異常事象の分析は、例えば、制御すべき化学種および／または修正すべきプロセスステップを識別するのに役立てることができる。
プラズマ処理システム１００は、アッシング、エッチング、堆積、洗浄、プラズマ重合、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、プラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）などを含む複数の動作に使用することができる。プラズマ処理は、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属製の真空チャンバとすることができるプラズマ処理チャンバ１０２内で実行することができる。プラズマ処理チャンバ１０２は、グランド１０４などに接地されている。プラズマ処理チャンバ１０２は、プラズマ生成のためのプロセス空間ＰＳ１０６を提供する処理容器を画定する。プラズマ処理チャンバ１０２の内壁は、アルミナ、イットリア、または他の保護剤でコーティングすることができる。プラズマ処理チャンバ１０２は、形状を円筒形とすることができ、あるいは他の幾何学的構成を有することができる。
プラズマ処理チャンバ１０２内の下部の中央領域では、基板ホルダまたはサセプタ１０８（ディスク形状とすることができる）が、例えば、処理される基板Ｗ１１０（半導体ウェハなど）を載置することができる載置テーブルとして機能することができる。基板Ｗ１１０は、ロード／アンロードポート１１２およびゲートバルブ１１４を通じてプラズマ処理チャンバ１０２内に移動することができる。サセプタ１０８は、基板Ｗ１１０を載置するための載置台として機能する第２の電極の一例としての下部電極１１６（下部電極アセンブリ）の一部を形成する。具体的には、サセプタ１０８は、絶縁プレート１２０を介してプラズマ処理チャンバ１０２の底部の略中央に設けられたサセプタ支持体１１８に支持されている。サセプタ支持体１１８は、円筒形とすることができる。サセプタ１０８は、例えば、アルミニウム合金で形成することができる。サセプタ１０８上には、基板Ｗ１１０を保持するための静電チャック１２２（下部電極１１６（下部電極アセンブリ）の一部として）が設けられている。静電チャック１２２には、電極１２４が設けられている。電極１２４は、ＤＣ電源１２６（直流電源）に電気的に接続されている。静電チャック１２２は、直流電源１２６からの直流電圧が電極１２４に印加されたときに発生する静電力を介して基板Ｗ１１０を引き付ける。
サセプタ１０８は、整合部１３２を介して高周波電源１３０と電気的に接続することができる。この高周波電源１３０（第２の電源）は、例えば２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲の高周波電圧を出力することができる。高周波バイアス電力を印加すると、プラズマ処理チャンバ１０２内で生成されたプラズマ中のイオンが基板Ｗ１１０に引き付けられる。サセプタ１０８の上面には、静電チャック１２２を囲むようにフォーカスリング１３４が設けられている。追加的に、ＲＦまたはマイクロ波電力（図示せず）をプラズマ処理チャンバ１０２に供給することができる。プラズマ処理チャンバ１０２に供給されるＲＦまたはマイクロ波電力、ＲＦまたはマイクロ波電力パルス周波数、ＲＦまたはマイクロ波パルスデューティサイクル、およびプラズマ処理チャンバ１０２内の基板ホルダまたはサセプタ１０８に供給されるＲＦ電力は、スペクトルデータの事後分析が実施されるときに異常事象を制御するように最適化することができるパラメータとすることができる。事後分析手段によって、スペクトルデータ、特に異常事象は、以下でさらに論じるように、特定の発生時刻瞬間にわたって分析される。
静電チャック１２２及びサセプタ支持体１１８の外周側には、例えば石英から形成された円筒状とすることができる内壁部材１３６が取り付けられている。サセプタ支持体１１８は、冷却剤流路１３８を含む。冷却剤流路１３８は、プラズマ処理チャンバ１０２の外部に設置されたチラーユニット（図示せず）と連通している。冷却剤流路１３８には、対応するラインを循環する冷却剤（冷却液または冷却水）が供給される。これにより、サセプタ１０８上／上方に載置される基板Ｗ１１０の温度を正確に制御することができる。サセプタ１０８およびサセプタ支持体１１８を貫通するガス供給ライン１４０は、静電チャック１２２の上面に伝熱ガスを供給するように構成されている。ヘリウム（Ｈｅ）などの熱伝達ガス（裏面ガスとしても知られる）を、ガス供給ライン１４０を介して基板Ｗ１１０と静電チャック１２２の間に供給して、基板Ｗ１１０の加熱を支援することができる。
排気通路１４２は、内壁部材１３６の外周及びプラズマ処理チャンバ１０２の内側側壁面に沿って形成することができる。排気通路１４２の底部には、排気ポート１４４（または複数の排気ポート）が設けられている。ガス排気部１４６は、ガス排気ライン１４８を介して各排気ポートに接続されている。ガス排気部１４６は、プラズマ処理チャンバ１０２内のプラズマプロセス空間を所望の真空状態に減圧するように構成されたターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含むことができる。ガス排気部１４６は、プラズマ処理チャンバ１０２内を排気し、内部の圧力を所望の真空度まで減圧する。
上部電極１５０（すなわち、上部電極アセンブリ）は、第１の電極の一例であり、下部電極１１６と平行に対向するように下部電極１１６の垂直方向上方に配置されている。プラズマ生成空間またはプロセス空間ＰＳ１０６は、下部電極１１６と上部電極１５０の間に画定される。上部電極１５０は、円盤形状を有する内側上部電極１５２を含み、外側上部電極１５４は、環状であり、内側上部電極１５２の周囲を取り囲むことができる。また、内側上部電極１５２は、下部電極１１６に載置された基板Ｗ１１０上方のプロセス空間ＰＳ１０６内に所定量の処理ガスを注入するための処理ガス注入口として機能する。
より具体的には、内側上部電極１５２は、ガス注入開口１５８を有する電極プレート１５６（典型的には円形である）を含む。また、内側上部電極１５２は、電極プレート１５６の上側を取り外し可能に支持する電極支持体１６０を含む。電極支持体１６０は、電極プレート１５６と実質的に同じ直径を有する円盤の形状に形成することができる（電極プレート１５６の形状が円形として具現化される場合）。代替の実施形態では、電極プレート１５６は、正方形、長方形、多角形などとすることができる。電極プレート１５６は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ドープＳｉ、アルミニウムなどの導体または半導体材料で形成することができる。電極プレート１５６は、表面浸食後に所与のプレートを交換する際の便宜のために、上部電極１５０と一体とすることができ、あるいは電極支持体１６０によって取り外し可能に支持することができる。また、上部電極１５０は、電極プレート１５６の温度を制御するための冷却プレートまたは冷却機構（図示せず）を含むことができる。
電極支持体１６０は、例えばアルミニウムで形成することができ、バッファチャンバ１６２を含むことができる。バッファチャンバ１６２は、処理ガスを拡散させるために使用され、ディスク形状の空間を画定することができる。プロセスガス供給システム１６４からの処理ガスは、上部電極１５０にガスを供給する。プロセスガス供給システム１６４は、基板Ｗ１１０での成膜、エッチング等の特定のプロセスを行うための処理ガスを供給するように構成することができる。プロセスガス供給システム１６４には、処理ガス供給路を形成するガス供給ライン１６６が接続されている。ガス供給ライン１６６は、内側上部電極１５２のバッファチャンバ１６２に接続されている。次いで、処理ガスは、バッファチャンバ１６２からその下面のガス注入開口１５８に移動することができる。バッファチャンバ１６２に導入される処理ガスの流量は、例えば、マスフローコントローラを用いて調整することができる。また、導入された処理ガスは、電極プレート１５６（シャワーヘッド電極）のガス注入開口１５８からプロセス空間ＰＳ１０６に均一に排出される。内側上部電極１５２は、シャワーヘッド電極アセンブリを提供するように部分的に機能する。
内側上部電極１５２と外側上部電極１５４の間には、リング形状を有する誘電体１６８が介在することができる。外側上部電極１５４とプラズマ処理チャンバ１０２の内周壁の間には、例えばアルミナで形成されているリング形状を有するシールド部材とすることができる絶縁体１７０が気密に介在している。
外側上部電極１５４は、給電部１７４、上部給電ロッド１７６、整合部１７８を介して高周波電源１７２（第１の高周波電源）と電気的に接続されている。高周波電源１７２は、周波数が１３ＭＨｚ（メガヘルツ）以上（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電圧を出力することができる、あるいは３０〜３００ＭＨｚの周波数を有する超高周波（ＶＨＦ）電圧を出力することができる。この電源１７２は、バイアス電源と比較して、主電源と呼ぶことができる。給電部１７４は、例えば、下面が開口した略円筒形状に形成することができる。給電部１７４は、その下側端部において、外側上部電極１５４と接続することができる。給電部１７４は、その上面中央部において、上部給電ロッド１７６の下側端部と電気的に接続されている。上部給電ロッド１７６は、その上側端部において整合部１７８の出力側に接続されている。整合部１７８は、高周波電源１７２に接続され、負荷インピーダンスと高周波電源１７２の内部インピーダンスとを整合させることができる。しかし、外側上部電極１５４は任意選択であり、実施形態は単一の上部電極で機能することができることに留意されたい。
給電部１７４は、プラズマ処理チャンバ１０２の直径と実質的に同じ直径の側壁を有する円筒形とすることができる。接地導体１８０は、その下側端部においてプラズマ処理チャンバ１０２の側壁の上部に接続されている。上部給電ロッド１７６は、接地導体１８０の上面の中央部を貫通している。接地導体１８０と上部給電ロッド１７６との接触部には、絶縁部材１８２が介在している。
電極支持体１６０の上面には、下部給電ロッド１８４が電気的に接続されている。下部給電ロッド１８４は、コネクタを介して上部給電ロッド１７６に接続されている。上部給電ロッド１７６および下部給電ロッド１８４は、高周波電源１７２から上部電極１５０に高周波電力を供給する給電ロッドを形成している。下部給電ロッド１８４には可変コンデンサ１８６が設けられている。可変コンデンサ１８６の容量を調整することにより、高周波電源１７２から高周波電力を印加するときに、外側上部電極１５４の直下に形成される電界強度と、内側上部電極１５２の直下に形成される電界強度との相対比を調整することができる。上部電極１５０の内側上部電極１５２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８８と電気的に接続されている。ＬＰＦ１８８は、高周波電源１３０からグランドに低周波を通過させながら、高周波電源１７２からの高周波を遮断する。システムの下部、すなわち下部電極１１６の一部を形成するサセプタ１０８は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１９０に電気的に接続されている。ＨＰＦ１９０は、高周波電源１７２からの高周波をグランドに通過させる。
３ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの範囲にある高周波電力が高周波電源１７２から上部電極１５０に印加される。これにより、上部電極１５０とサセプタ１０８または下部電極１１６の間に高周波電界が生成される。次いで、プロセス空間ＰＳ１０６に搬送された処理ガスは、解離され、プラズマに変換されることができる。０．２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ程度の範囲にある低周波電力が高周波電源１３０から下部電極１１６を構成するサセプタ１０８に印加することができる。言い換えると、二重周波数システムを使用することができる。その結果、プラズマ中のイオンがサセプタ１０８に引き寄せられ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高まる。なお、便宜上、図１は、上部電極１５０に電力を供給する高周波電源１７２を示している。別の実施形態では、高周波電源１７２を下部電極１１６に供給することができる。これにより、主電力（通電電力）とバイアス電力（イオン加速電力）の両方を下部電極に供給することができる。
プラズマ処理システム１００の構成要素は、制御部１９２に接続され、制御部１９２によって制御されることができ、制御部１９２は、対応する記憶部１９４およびユーザインタフェース１９６に接続されることができる。ユーザインタフェース１９６を介して様々なプラズマ処理動作を実行することができ、様々なプラズマ処理レシピおよび動作を記憶部１９４に記憶することができる。したがって、所与の基板は、様々な微細加工技術を用いてプラズマ処理チャンバ内で処理することができる。動作において、プラズマ処理装置は、上部電極および下部電極を使用して、プロセス空間ＰＳ１０６内にプラズマを生成する。次いで、この生成されたプラズマは、プラズマエッチング、化学蒸着、ガラス材料の処理、ならびに薄膜太陽電池、他の光電池、およびフラットパネルディスプレイのための有機／無機プレートなどの大型パネルの処理などの様々なタイプの処理で、ターゲット基板（基板Ｗ１１０など、または処理される任意の材料）を処理するために使用することができる。
制御部１９２は、１つ以上のプロセッサ、マイクロコンピュータ、コンピューティングユニットなどを含むことができる。記憶部１９４は、メモリを含むことができ、本明細書で説明する様々な機能を実行するために、制御部１９２によって実行される命令を記憶するための非一時的なコンピュータ可読記憶媒体の一例である。例えば、記憶部１９４は、一般に、揮発性メモリおよび不揮発性メモリ（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭなど）の両方を含むことができる。メモリは、本明細書では、メモリまたはコンピュータ可読記憶媒体と呼ばれることがある。メモリは、本明細書の実施形態で説明する動作および機能を実行するように構成された特定の機械として制御部１９２によって実行され得る、コンピュータ可読プロセッサ実行可能プログラム命令を、コンピュータプログラムコードとして記憶することが可能である。
メモリは、１つ以上のアプリケーション（図示せず）をさらに記憶することができる。アプリケーションは、予め構成された／インストールされた、およびダウンロード可能なアプリケーションを含むことができる。追加的に、メモリは、本明細書で説明するように、化学種のケミカル−インプリント識別を生成するために分析される、使用されたスペクトル分解発光信号またはスペクトルデータを記憶することができる。
プラズマ処理システム１００は、分光計１９８および窓１９９をさらに含むことができる。分光計１９８は、プラズマチャンバからのスペクトル分解発光信号を含むスペクトルデータを収集するために使用される。すなわち、異なる化学種または複数の異なる化学種を、プラズマチャンバからスペクトル分解発光信号として収集することができ、これらの化学種のうちの少なくとも１つが、本明細書で説明するような異常事象の発生源である可能性がある。分光計１９８は、制御部１９２、または他のコントローラ／システムに接続することができる。
プラズマ処理システム１００は、分光計１９８に加えて別個に設置することができるフォトダイオード（図示せず）または任意の光検出器（図示せず）をさらに含むことができる。例えば、フォトダイオードは、アーキング事象の発生を検出するために使用することができ、その結果、この検出は、スペクトルデータ分析をトリガして、アーキング事象の発生源である可能性がある化学種のケミカル−インプリント識別を決定する。フォトダイオードは、制御部１９２、または他のコントローラ／システムに接続することができる。
図２は、スペクトルおよびプラズマ監視を実施する例示的なプラズマ処理システムの例示的な概略ブロック図である。一実施形態では、例示的なプラズマ処理システムを最初に使用して、以下でさらに論じるように、ウェハ製造プロセス中の各プロセスステップに利用される異なる化学種のスペクトル特性を手動で定義することができる。その後、例示的なプラズマ処理システムを使用して、実際のウェハ製造プロセス中にスペクトルデータを収集し、アーキング事象の発生検出を容易にすることができる。収集されたスペクトルデータの事後分析は、アーキング事象の発生が観察された時間に基づくことができ、かつ／あるいは、発生が観察された時間に対応するプロセスステップにおいて利用される化学種に着目することができる。
図示のように、監視システム２０２は、プラズマ処理システム１００の構成要素である分光計１９８の一部とすることができる。監視システム２０２は、ウェハ製造プロセスにおける各プロセスステップについての各化学種のスペクトル特性の初期事前識別中に使用されることができる。その後、監視システム２０２を使用して、データ取得サイクル中にスペクトルを収集し、本明細書で説明するように、異常事象の事後分析に使用されるスペクトルデータを生成することができる。
監視システム２０２の構成要素は、発光分光分析システム２０４、レーザ誘起蛍光システム２０６、レーザ干渉計２０８、質量分析計２１０、およびフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）システム２１２を含むことができるが、これらに限定されない。
一実施形態では、発光分光分析システム２０４を使用して、光量２００からの発光信号を分析することによってスペクトルまたはスペクトルデータを得ることができる。例えば、ウェハ製造プロセスにおける各プロセスステップについての各化学種のスペクトル特性の初期事前識別に関して、発光分光分析システム２０４は、光量２００を使用して、プロセスステップに関与する化学種の別個のスペクトル特性を確立することができる。この例では、発光分光分析システム２０４は、レーザ誘起蛍光システム２０６などの他の構成要素を利用することができる。
例えば、発光分光分析システム２０４は、光量２００を処理するとき、ある範囲の波長にわたるスペクトルの収集を容易にするレーザ誘起蛍光システム２０６を利用する。さらに、発光分光分析システム２０４は、波の干渉現象を使用する測定方法のためにレーザ干渉計２０８を利用する。またさらに、発光分光分析システム２０４は、質量分析計２１０を利用して、データ取得サイクル中のスペクトルのサンプル内の質量を測定する。またさらに、発光分光分析システム２０４は、ウェハ製造プロセス中の光量２００のガスの吸収または放出の赤外スペクトルを得るためにＦＴＩＲシステム２１２を利用する。
一実施形態では、ウェハ製造プロセスにおける各プロセスステップについての各化学種のスペクトル特性の手動による事前識別の後に、ケミカル−インプリント識別を、プラズマ監視に関する将来的な参照のために記憶部１９４に記憶することができる。
プラズマ監視中、発光分光分析システム２０４は、実際のウェハ製造プロセス中に光量２００からの発光信号を同様に分析することによってスペクトルデータを得るために使用することができる。得られたスペクトルデータは、予め識別され、そのスペクトル特性が記憶部１９４に記憶されている化学種を含む可能性があるスペクトル分解発光信号を含むことができる。異常事象の発生を検出すると、得られたスペクトルデータの事後分析を実施して、どの化学種が異常事象を引き起こした可能性があるかを決定する。
図３は、本明細書で説明するようなウェハ製造プロセスで使用される異なる化学種についての、事前に識別されたケミカル−インプリント識別チャート３００の例示的な図である。分光計１９８、特に上記の発光分光分析システム２０４は、ウェハ製造プロセスでの各プロセスステップについての化学種３０２の手動または機械ベースの事前識別を容易にすることができる。例えば、化学種（例えば、化学種３０２−２）についての光強度は、特定の波長（例えば、波長３０４−２）で分析することができる。この例では、特定の波長３０４−２での化学種３０２−２の光強度は、他の化学種３０２−４、３０２−６などとは対照的に、その明確なスペクトル特性の確立を容易にすることができる。別の例では、分光計１９８は、化学種３０２−２の光強度にロックされてもよく、ロックされた光強度は、その明確なスペクトル特性を確立するために、ある範囲の波長で分析される。
プラズマ監視中、および各プロセスステップについて、化学種３０２のすべてが分光計１９８を通して可視でなくてもよい。例えば、シリコンの酸化のプロセスステップの場合、シリコン（Ｓｉ）３０２−４０は、乾式酸化中に高温で酸素ガス（Ｏ２）と反応する。酸素ガスは、特定量の処理ガスをプロセス空間ＰＳ１０６に注入するための処理ガス注入口としても機能する内側上部電極１５２を介して供給され得る。この例では、分光計１９８は、化学種ＳｉおよびＯ２を検出することができるが、他の化学種３０２からの光強度は、可視またはほとんど可視でなくてもよい。
チャート３００を参照すると、異なる波長３０４は、異なる化学種３０２の光強度に対応することができる。上記の例示的なプロセスステップ（すなわち、シリコンの酸化）では、分光計１９８は、波長２１３．９ｎｍ（すなわち、波長３０４−２）〜７８９．６ｎｍ（すなわち、波長３０４−ｎ）を走査するようにダイヤルすることができ、スペクトルデータは、化学種ＳｉおよびＯ２についての光強度を生成することができるが、化学種３０２の残りに対応する光強度は、可視またはほとんど可視でなくてもよい。
図４は、本明細書で説明するスペクトルデータからの異常事象組成４００の事後評価の例示的な図である。図示のように、異常事象組成４００は、粒子４０２および４０４、アーキング事象４０６、スペクトルデータ４０８、アーキング事象４０６の発生時間を表す特定の時刻瞬間４１０、スペクトルデータ４０８の波長４１２、ＰＳ１０６、ウェハ１１０、および化学種３０２を含む。
アーキング事象４０６は、高過渡信号をもたらす電圧および／または電流の突然のスパイクであることがあり、一般に、電極（すなわち、アノード電極およびカソード電極）間の空間によって画定され得るＰＳ１０６から発生し、観察することができる。例えば、化学種３０２からの粒子４０２が、プラズマ破壊電圧よりも大きい電界を生成する場合、アーキング事象４０６は、カソード電極からアノード電極までずっと生成され得る。その結果、追加の粒子４０４が生成されることがあり、粒子４０４は、過渡信号−アーキング事象４０６をもたらす電圧および／または電流の突然のスパイクをさらに増強または誇張する可能性がある。
スペクトルデータ４０８は、アーキング事象４０６の発生の特定のインスタント（すなわち、特定の時刻瞬間４１０）中のスペクトルを含むことができる。すなわち、スペクトルデータ４０８は、スペクトルの目標部分、または分光計１９８によってＰＳ１０６から収集された全スペクトルデータを含むことができる。上述のように、特定のインスタント４１０は、アーキング事象４０６の実際の発生の手動および視覚的観察に基づくことができる。例示の異常事象組成４００の場合、アーキング事象４０６の手動で観察された視覚的発生は、特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２によって表すことができる。
別のシナリオでは、フォトダイオードを利用して、アーキング事象４０６の発生時間を検出することができる。例えば、フォトダイオードによる検出は、閾値を利用することができ、検出は、スペクトルデータがどのように分析されるか、すなわち事後にどのように分析されるかに関する参照ポイントをトリガすることができる。上記の例の異常事象組成４００では、参照ポイントは、特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２によって表すことができる。この場合、スペクトルデータの分析は、これらの特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２の間に取得されたスペクトルに焦点に着目することができる。
図示のように、アーキング事象４０６は、約５７秒（すなわち、特定の時刻瞬間４１０−２）で開始し、スペクトルデータ４０８の約６１．７秒（すなわち、特定の時刻瞬間４１０−１２）でピークに達する。
図３に戻って参照すると、分光計１９８は、波長３０４−２（すなわち、２１３．９ｎｍ）から波長３０４−ｎ（すなわち、７８９．６ｎｍ）を走査することによってスペクトルデータ４０８を収集する。特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２について、スペクトルデータ４０８の波長４１２（すなわち、４９０ｎｍ〜５２０ｎｍ）に対して、少数の化学種３０２を観察することができる。したがって、波長４１２（すなわち、４９０ｎｍ〜５２０ｎｍ）についての光強度が、それらの明確なケミカル−インプリント識別に関して識別される。
例えば、チャート３００に示すように、波長４１２（すなわち、４９０ｎｍ〜５２０ｎｍ）は、化学種Ｈ（水素について）、Ｈｅ（ヘリウムについて）、Ｏ（酸素について）、Ｃ２（２つの炭素アルケンについて）およびＣＯ（酸化炭素について）を含むことができる。スペクトルデータ４０８に関して、特定の時刻瞬間４１０−１２の場合の化学種は、Ｈ、Ｈｅ、Ｏ、Ｃ２、および／またはＣＯのいずれかである可能性がある。残りの化学種は、波長４１２では可視ではない可能性がある。
一実施形態では、アーキング事象４０６（すなわち、異常事象）は、少なくとも１つ以上の化学種のスペクトルシグネチャに基づいて分類することができる。さらに、アーキング事象の発生源または表面が、プラズマ処理チャンバ内のどこで発展した（evolved）かに関して、それぞれ決定され、識別される。言い換えると、アーキング事象４０６が、電極のアルミニウム支持体の表面、プラズマ処理チャンバのアルミナ内壁、ウェハ１１０、電極プレート１５６の導体または半導体材料などに影響を及ぼしたかどうかである。これにより、識別されたスペクトルシグネチャに関連する少なくとも１つの化学種がプラズマ処理チャンバ内で発展した位置を識別することも同様に実施することができる。
別の実施形態では、プラズマ電気特性（すなわち、アーキング事象４０６の電気特性）を測定することができ、この測定は、異常事象中のプラズマ電気パラメータの挙動に関連付けられることができる。プラズマ電気パラメータは、ＲＦ電力、基板ホルダＲＦ電力、およびプラズマ電位のパラメータを含むことができる。
別の実施形態では、フォトダイオードなどの専用のアーク検出器コントローラを利用して、ＰＳ１０６から収集されたスペクトルのスペクトル分解発光信号を処理することができる。この実施形態では、アーク検出器コントローラは、取得したスペクトル分解発光信号および取得した非スペクトル分解発光信号（すなわち、それらの別個のスペクトル特性によって識別されていない可能性がある化学種）の両方を使用して、アーキング事象４０６を検出するように構成することができる。スペクトル分解発光信号の処理は、プラズマ終点検出器コントローラにおいて実行され得る。
図５は、本明細書で説明されるような異常事象の発生源を分析するために利用することができる例示的なスペクトルデータ５００である。
視覚的観察またはフォトダイオード検出器の使用によって異常事象の発生を検出した後、スペクトルデータ５００などのスペクトルデータの部分を分析して、異常事象を発生させた可能性のある化学種を決定することができる。
図示のように、スペクトルデータ５００は、水平ｘ軸に沿った測定値を定義する波長５０２と、垂直ｙ軸についての測定値を定義する発光信号強度５０４と、閾値５０６と、特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２を含む。さらに、スペクトルデータ５００は、図４のアーキング事象４０６によって生成されたスペクトルデータと同様のスペクトルデータ４０８を示す。またさらに、スペクトルデータ５００は、存在し得る、あるいは異常事象の発生源となり得る化学種を決定するために使用され得る閾値５０６を示す。
一実施形態では、閾値５０６は、アーキング事象４０６の存在を決定するために使用することができる事前に設定された値を含むことができる。図示のように、特定の時刻瞬間４１０−１０（すなわち、５９秒）および４１０〜１２（すなわち、６１．７秒）は、アーキング事象４０６の発生源に関するスペクトルデータ分析の中心とすることができる。その理由は、特定の時刻瞬間４１０−１０および４１０−１２が閾値５０６を超えているからである。
特定の時刻瞬間４１０〜１０および４１０〜１２に対応する（すなわち、閾値５０６を上回る）波長５０４は、示すように、波長５１５〜５１８ｎｍを含むと決定され得る。
図３を再度参照すると、波長５１５〜５１８ｎｍは、化学種ヘリウム（Ｈｅ）および酸化炭素を含むことに対応することができる。したがって、異常事象は、少なくとも化学種ＨｅおよびＣＯによって発生したと決定することができる。
図６は、プラズマ処理システムにおいてウェハ製造プロセス中に異なる化学種を識別するためのケミカル−インプリント識別を確立するための例示的なプロセス６００を示す。異なる化学種の事前識別は、ウェハ製造プロセス中に特定のプロセスステップで使用することができる各化学種について手動で実行され得る。方法を説明する順序は、限定として解釈されることを意図しておらず、説明する任意の数の方法ブロックが、本方法または代替の方法を実施するために任意の順序で組み合わせることができる。追加的に、個々のブロックは、本明細書で説明する主題の精神および範囲から逸脱することなく、方法から削除され得る。さらに、本方法は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の適切なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせで実施することができる。
ブロック６０２では、ウェハ製造プロセスのためのプロセスステップにおいて使用される化学種を識別することが実行される。初期酸化から電気的試験まで、ウェハ上で複数のプロセスステップが実行される。例えば、初期酸化は、熱酸化中に酸化剤として酸素分子を利用することができる。この例では、酸素分子は、この初期酸化プロセスステップで使用される化学種の１つであると識別することができる。
ブロック６０４では、識別された化学種のスペクトル特性を定義することが実行される。例えば、酸素分子の化学種の場合、分光計１９８を使用して、特定の波長、またはある範囲の波長にわたって、酸素分子の明確な光強度特性を検出し、取得することができる。この例では、特定の波長、またはある範囲の波長にわたる分子酸素の明確な光強度特性が、そのケミカル−インプリントシグネチャを定義することができる。
図４において上述したように、異なる化学種に対して予め識別されたケミカル−インプリント識別チャート３００を参照すると、分光計１９８の各波長３０４の設定が各化学種３０２に対する対応する光強度信号を受信するように構成され得る。すなわち、分光計１９８は、波長２１３．９ｎｍ（すなわち、波長３０４−２）から７８９．６ｎｍ（すなわち、波長３０４−ｎ）までの各波長について各化学種を測定するように構成され得る。
ブロック６０６では、識別された化学種の定義されたスペクトル特性を記憶することが実行される。例えば、識別された各化学種のケミカル−インプリントシグネチャ（すなわち、定義されたスペクトル特性）は、記憶部１９４に記憶され得る。この例では、記憶されたケミカル−インプリントシグネチャを、スペクトルデータの事後分析中にスペクトル分解発光信号を識別するための基準として使用することができる。
図７は、プラズマ処理システムにおけるウェハ製造プロセス中の異常事象を監視し検出するための例示的なプロセス７００を示す。一実施形態では、スペクトルデータの分析は、アーキング事象の発生後に実施される。方法を説明する順序は、限定として解釈されることを意図しておらず、説明する任意の数の方法ブロックが、本方法または代替の方法を実施するために任意の順序で組み合わせることができる。追加的に、個々のブロックは、本明細書で説明する主題の精神および範囲から逸脱することなく、方法から削除され得る。さらに、本方法は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の適切なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせで実施することができる。
ブロック７０２では、ウェハ製造プロセス中にプラズマ処理チャンバ内でのプラズマの点火が実行される。例えば、点火は、ウェハ製造プロセスにおいて、反応性イオンエッチング、スパッタリング、プラズマ強化化学蒸着などの間でのプラズマの人工的な生成を伴うことができる。図１を参照すると、点火されたプラズマは、下部電極１１６と上部電極１５０との間にあるプラズマ生成空間ＰＳ１０６に導入され得る。内側上部電極１５２は、下部電極１１６上に載置された基板Ｗ１１０の上方にあるＰＳ１０６に、（現在の処理ステップによって必要とされるような）特定の量の処理ガスを注入するための処理ガス注入口として機能することができる。
ブロック７０４では、スペクトル分解発光信号の検出および取得が実行される。例えば、分光計１９８は、上記の図２に示すように、光量２００を収集する。光量２００は、基板Ｗ１１０上方にあるＰＳ１０６から取り出すことができる。この例では、光量２００は、スペクトル分解発光信号、およびプラズマ処理チャンバからの他の発光またはスペクトルも含むことができる。他の発光またはスペクトルは、分光計１９８を通じて識別される非スペクトル分解発光信号として扱うことができる。
ブロック７０６では、スペクトル分解発光信号の処理が実行される。例えば、分光計１９８は、収集されたスペクトルデータを、スペクトルデータの処理のために、１つ以上のプロセッサ、マイクロコンピュータ、コンピューティングユニットなどを含むことができる制御部１９２に転送することができる。この例では、処理は、閾値５０６を超える光強度信号の識別を伴うことができる。閾値５０６を超える光強度信号の場合、対応する波長３０４を制御部１９２が利用して、記憶部１９４に記憶されているケミカル−インプリントシグネチャを使用して化学種を識別することができる。
ブロック７０８では、処理したスペクトル分解発光信号から異常事象のシグネチャの決定が実行される。例えば、異常事象（すなわち、アーキング事象）の発生後、スペクトルデータを分析して、アーキング事象またはプラズマ不安定性を発生させた可能性のある化学種のケミカル−インプリントシグネチャを決定する。この例では、スペクトルデータの分析のための手動の参照ポイントを実施することができる。
例えば、異常事象は、データ取得サイクルの特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２（すなわち、参照ポイント）で発生したことが視覚的に観察された。この例では、スペクトルデータの分析、特に、ケミカル−インプリント識別の決定は、特定の時刻瞬間４１０−２〜４１０−１２内で取得されたスペクトルに基づくことができる。典型的には、閾値５０６を超える光強度を有する化学種は、異常事象の発生源であると考えることができる。
別の実施形態では、フォトダイオードは、異常事象の発生を検出することができ、この検出は、上記の手動の参照の実施態様と同様に、スペクトルデータの分析をトリガすることができる。すなわち、参照ポイントは、フォトダイオードが異常事象の発生を検出した時間に基づく。次いで、参照ポイントの数マイクロ秒前および／または数マイクロ秒後の以内に取得されたスペクトルデータを分析して、アーキング事象を引き起こした化学種のケミカル−インプリントシグネチャを決定することができる。
分析された異常事象を用いて、故障検出の記憶および/またはプラズマ処理システムのオペレータへの通知を実施することができる。さらに、異常事象に関連すると識別された条件でのプラズマ処理システムの動作を防止するようにコントローラ部を設定することをさらに実施することができる。
Claims (20)
- プラズマ処理システム内の異常事象を検出するための方法であって、
プラズマ処理チャンバ内でプラズマを点火するステップと、
前記プラズマ処理チャンバ内のプラズマからスペクトル分解発光信号を検出し、該スペクトル分解発光信号は、異常事象からの発光を含む、ステップと、
前記スペクトル分解発光信号を処理するステップと、
処理した前記スペクトル分解発光信号から異常事象のシグネチャを検出する、方法。 - 前記異常事象は、アーキング事象またはプラズマ不安定性を含む、請求項１に記載の方法。
- 故障の検出のために前記異常事象を記録するか、前記プラズマ処理システムのオペレータに通知するか、あるいはその両方を行うステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 処理した前記スペクトル分解発光信号から少なくとも１つの化学種のスペクトルシグネチャを識別するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの化学種の識別された前記スペクトルシグネチャに基づいて前記異常事象を分類するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 識別された前記スペクトルシグネチャに関連付けられた前記少なくとも１つの化学種が前記異常事象中に前記プラズマ処理チャンバ内で発展した発生源を決定するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 識別された前記スペクトルシグネチャに関連付けられた前記少なくとも１つの化学種が前記異常事象中に前記プラズマ処理チャンバ内で発展した表面を識別するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 識別された前記スペクトルシグネチャに関連付けられた前記少なくとも１つの化学種が前記異常事象中に前記プラズマ処理チャンバ内で発展した位置を識別するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- プラズマ電気パラメータを測定するステップと、
前記異常事象中の前記プラズマ電気パラメータの挙動を前記異常事象と関連付けるステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 前記プラズマ電気パラメータは、無線周波数（ＲＦ）電力、基板ホルダＲＦ電力、およびプラズマ電位を含む群から選択されるパラメータを含む、請求項９に記載の方法。
- 前記異常事象に関連すると識別された条件での前記プラズマ処理システムの動作を防止するようにコントローラを設定する、請求項９に記載の方法。
- 前記スペクトル分解発光信号は、分光計を使用して検出される、請求項１に記載の方法。
- 前記スペクトル分解発光信号を処理するステップは、専用のアーク検出器コントローラにおいて実行される、請求項１に記載の方法。
- 前記アーク検出器コントローラは、高速非スペクトル分解アーク検出器から非スペクトル分解発光信号を受信するように構成されている、請求項１３に記載の方法。
- 前記アーク検出器コントローラは、検出された前記スペクトル分解発光信号と検出された前記非スペクトル分解発光信号との両方を使用して、アーキング事象を検出するように構成されている、請求項１４に記載の方法。
- 前記スペクトル分解発光信号を処理するステップは、プラズマ終点検出器コントローラにおいて実行される、請求項１に記載の方法。
- プラズマ処理システムにおいて異常事象を検出するための装置であって、
前記プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに配置され、前記プラズマ処理チャンバへの光学的アクセスを提供するための窓と、
前記窓を通して、前記プラズマ処理チャンバ内のスペクトル分解発光信号を検出するための分光計と、
前記異常事象を引き起こした化学種を処理し、決定するように構成されたコントローラと、を含む装置。 - 前記異常事象を引き起こした前記化学種を識別するために、スペクトルデータの事後分析における参照のために、事前に予め識別され、記憶され、使用されたスペクトル分解発光信号の記憶部をさらに含む、請求項１７に記載の装置。
- アーキング事象の発生および該アーキング事象の発生の特定の時刻瞬間を検出するように構成されているフォトダイオード検出器をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
- 前記化学種の決定は、それらの対応するケミカル−インプリント識別に基づく、請求項１７に記載の装置。
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