JP2024501279A - 質量分析法を使用したラジカル粒子濃度のモニタリング - Google Patents
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Abstract
【課題】性能が向上した、質量分析法を使用したラジカル粒子濃度のモニタリングシステム及び方法を提供する。【解決手段】モニタリングシステムは、ガス内のラジカル粒子の数量の検出及び測定を行う。テストチャンバは、ガスを伝送するフローチャネルに結合される。テストチャンバは、テストチャンバとフローチャネルを接続するアパーチャを定義し、アパーチャは、ガスのサブセットがフローチャネルからテストチャンバに入ることができるようにする。イオナイザは、テストチャンバ内に位置決めされ、ガスのサブセットのラジカル粒子からラジカルイオンを生成する。質量分析計は、ラジカルイオンの数量を測定し、それにより、ガス内のラジカル粒子の測定を提供する。
Description
関連出願の相互参照
この出願は、2020年12月23日に出願された米国仮特許出願第63/130257号明細書の利益を主張する。上記の出願の教示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
この出願は、2020年12月23日に出願された米国仮特許出願第63/130257号明細書の利益を主張する。上記の出願の教示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
リモートプラズマ源(RPS)は、半導体処理において、ラジカル粒子の生成のために広く使用されている。最近では、ラジカル粒子は、エッチング及び堆積プロセスにおける帯電又はスパッタリング損傷が回避されるというそれらの利点により、半導体素子製作に(特に、20nm未満のプロセスノードにおいて)広く適用されている。RPSシステムは、半導体処理において実装される際、ガス流量、パワー及び圧力を含めて、同じパラメータの下で、一貫して動作することができる。しかし、共通のパラメータの下でさえ、堆積レート、エッチングレート及び洗浄効率における性能は、ラジカル粒子の濃度の変化により、動作間で大きく異なり得る。この変化は、保守サイクルに続いて又は延長動作サイクルの間に起こり得る。その結果、半導体処理における性能が予測不可能になり得る。
例示的な実施形態は、テストチャンバ、イオナイザ及び質量分析計を含む、ラジカル粒子をモニタするためのシステムを含む。テストチャンバは、ガスを伝送するように適応させたフローチャネルに結合するように構成することができる。テストチャンバは、テストチャンバとフローチャネルを接続するアパーチャを定義することができ、アパーチャは、ガスのサブセットがフローチャネルからテストチャンバに入ることができるように構成することができる。イオナイザは、テストチャンバ内に位置決めすることができ、ガスのサブセットのラジカル粒子からラジカルイオンを生成するように構成することができる。質量分析計は、ラジカルイオンの数量を測定するように構成することができる。
質量分析計は、残留ガス分析器(RGA)であり得る。テストチャンバは、そのガス圧力をフローチャネルのガス圧力より低く維持するように構成することができる。テストチャンバ内のガス圧力は、1e-2トル未満であり得、フローチャネル内のガス圧力は、0.01トルを超え得る。イオナイザは、アパーチャから4インチ以内の所に位置決めすることができる。イオナイザは、ラジカルイオンを生成し、非ラジカルイオンの生成を最小化するために、低エネルギー状態で動作するように構成することができ、低エネルギー状態は、非ラジカルイオンの生成と関連付けられたエネルギー状態より低い。イオナイザは、多数の低エネルギー状態で動作するように構成することができ、多数の低エネルギー状態の各々は、それぞれのラジカル粒子に対応する。イオナイザは、ガスのサブセットの非ラジカル粒子に基づいて参照信号を取得できるようにするために高エネルギー状態で動作するように構成することができる。アパーチャは、1ミリメートル未満の直径を有し得る。アパーチャは、フローチャネル内のガスに存在する割合の0.1%を超えるラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合の、テストチャンバへの、通過を可能にすることができる。
テストチャンバの突出部は、フローチャネル内まで延在し、テストチャンバのボリュームを包含し得、アパーチャは、突出部に位置決めされる。突出部は、実質的に円錐形状を呈し得、アパーチャは、円錐形状の先端部に位置決めされる。イオナイザは、円錐形状によって定義されるボリューム内でラジカルイオンを生成するように位置決めすることができる。円錐形状は、イオナイザの静電要素として構成することができる。静電レンズは、質量分析計に向けてラジカルイオンをビームとして誘導するように構成することができる。
コントローラは、質量分析計によって測定されたラジカルイオンの数量に基づいてラジカル粒子源の動作を制御するように構成することができる。この制御は、1)所定の時間にわたるラジカル粒子生成の数量、及び、2)ラジカル粒子が生成される時間長の少なくとも1つを制御することを含み得る。また、この制御は、ラジカル源のフローチャネルのウェットパスのパワー、ガス流、ガス圧力及び温度の少なくとも1つを制御することも含み得る。また、この制御は、ツールプロセスを制御することも含み得る。
ストッパは、アパーチャを選択的に密閉するように構成することができる。アパーチャを取り囲む表面は、非金属製であり得、金属面より低いラジカル粒子に対する反応性及び再結合係数を呈し得る。或いは、アパーチャを取り囲む表面は、金属製であり得、ラジカル粒子との低い反応性を呈し得る。フローチャネルは、ラジカル源からプロセスチャンバまで延在する管路でも、プロセスチャンバの反応ゾーンの下流の領域でも、プロセスチャンバの下流の管路でもあり得る。
さらなる実施形態は、ラジカル粒子をモニタするための方法を含む。テストチャンバとフローチャネルを接続するアパーチャを介して、フローチャネルからテストチャンバにガスのサブセットを誘導することができる。イオナイザを介して、ガスのサブセットのラジカル粒子からラジカルイオンを生成することができる。次いで、質量分析計を介して、ラジカルイオンの数量を測定することができる。
質量分析計は、残留ガス分析器(RGA)であり得る。テストチャンバは、そのガス圧力をフローチャネルのガス圧力より低く維持するように制御することができる。テストチャンバ内のガス圧力は、1e-2トル未満であり得、フローチャネル内のガス圧力は、0.01トルを超え得る。イオナイザは、アパーチャから4インチ以内の所に位置決めすることができる。イオナイザは、ラジカルイオンを生成し、非ラジカルイオンの生成を最小化するために、低エネルギー状態で動作することができ、低エネルギー状態は、非ラジカルイオンの生成と関連付けられたエネルギー状態より低い。イオナイザは、多数の低エネルギー状態で動作することができ、多数の低エネルギー状態の各々は、それぞれのラジカル粒子に対応する。イオナイザは、ガスのサブセットの非ラジカル粒子に基づいて参照信号を取得できるようにするために高エネルギー状態で動作することができる。アパーチャは、1ミリメートル未満の直径を有し得る。アパーチャを介して、フローチャネル内のガスに存在する割合の0.1%を超えるラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合の、テストチャンバへの、通過を可能にすることができる。
テストチャンバの突出部は、フローチャネル内まで延在し、テストチャンバのボリュームを包含し得、アパーチャは、突出部に位置決めされる。突出部は、実質的に円錐形状を呈し得、アパーチャは、円錐形状の先端部に位置決めされる。イオナイザを介して、円錐形状によって定義されるボリューム内でラジカルイオンを生成することができる。円錐形状は、イオナイザの静電要素として構成することができる。静電レンズを介して、質量分析計に向けてラジカルイオンをビームとして誘導することができる。
コントローラを介して、質量分析計によって測定されたラジカルイオンの数量に基づいてラジカル粒子源の動作を制御することができる。この制御は、1)所定の時間にわたるラジカル粒子生成の数量、及び、2)ラジカル粒子が生成される時間長の少なくとも1つを制御することを含み得る。また、この制御は、ラジカル源のフローチャネルのウェットパスのパワー、ガス流、ガス圧力及び温度の少なくとも1つを制御することも含み得る。また、この制御は、ツールプロセス制御も含み得る。
アパーチャは、ストッパを介して選択的に密閉することができる。アパーチャを取り囲む表面は、非金属製であり得、金属面より低いラジカル粒子に対する反応性及び再結合係数を呈し得る。或いは、アパーチャを取り囲む表面は、金属製であり得、ラジカル粒子との低い反応性を呈し得る。フローチャネルは、ラジカル源からプロセスチャンバまで延在する管路でも、プロセスチャンバの反応ゾーンの下流の領域でも、プロセスチャンバの下流の管路でもあり得る。
前述の説明は、添付の図面に示されるように、以下の例示的な実施形態のより具体的な説明から明らかであろう。添付の図面では、異なる図全体を通じて、同様の参照文字は、同じ部分を指す。図面は必ずしも原寸に比例するとは限らず、実施形態を示すことに重点が置かれる。
例示的な実施形態の説明が以下に続く。
残留ガス分析器(RGA)は、典型的には、真空システムにおけるプロセス制御及び汚染モニタリング用に設計されるタイプの質量分析計である。RGAは、様々なイオンを生み出すためにガスの別個の成分をイオン化することによって動作し、次いで、それらのイオンの質量電荷比の検出及び決定を行う。典型的なRGAは、安定した化学化合物を検出するように設計される。対照的に、ラジカル粒子は、典型的には、RGAの粒子サンプラに到達する前に反応を起こす。従って、そのようなRGAは、過度の損失により、かなりの数のラジカル粒子の存在の検出に失敗することになる。
以前のRGAは、極バイアス中軸電位及び陰イオン能力を含めて、イオンサンプリングのための様々な技法を実施した。しかし、そのようなRGAは、半導体プロセスチャンバにおけるラジカル検出に対する(特に、短い寿命及び高い再結合レートを有するラジカルのサンプリングに対する)ソリューションを提供しない。質量分析計以降には、赤外線ダイオードレーザ吸収分光法、レーザ誘起分光法、及びキャビティリングダウン分光法など、ラジカルの様々な測定方法が開発されている。最近では、原子ラジカルは、小型真空紫外吸収分光法を使用した測定も行われている。
しかし、上記の手法は、痕跡量のラジカルの検出における感度が低いこと、他のガス種からの干渉が生じること、プロセス条件の変化が原因で安定したベースラインの達成が困難であること、システムにおいてラジカルを数量化できないことを含む、様々な欠点に悩まされる。従って、以前の手法は、ラジカル濃度を正確且つ確実にモニタすることができない。従って、半導体プロセスでは、プロセスチャンバにおけるラジカル濃度をリアルタイムで精密且つ正確にモニタすることが必要とされる。そのようなモニタリングは、先進技術ノードのラジカルオンウェーハプロセスを適用する際のプロセス制御に特に有利であろう。
図1Aは、例示的な実施形態におけるラジカル粒子モニタ120を実装する半導体処理システム100を描写する。システム100は、エッチング及び/又は堆積プロセスなど、半導体ウェーハ112が処理されるプロセスチャンバ110を含む。この処理を容易にするため、リモートプラズマ源(RPS)、容量結合プラズマ源(CCP)又は誘導結合プラズマ源(ICP)などのラジカル源115は、真っ直ぐな、曲がった又は角度が付いたエルボなどの供給チャネル105を介して、プロセスチャンバ110内にガスを放出することができる。所望のプロセスに応じて、ガスは、安定粒子、ラジカル粒子及びイオン(例えば、プラズマガス)の多くの異なる組成のうちの1つを有し得る。スロットルバルブ190は、選択的に開放して、プロセスチャンバ110からフォアライン192にガスを渡すことができ、次いで、ガスは、システム100から排出することも、又はさらなる使用のために収集することもできる。
ラジカル粒子モニタ(RPM)120は、ガス内のラジカル粒子の存在をモニタするように動作する。RPM 120は、テストチャンバ130、イオナイザ132及び質量分析計122を含み得る。テストチャンバ130は、テストチャンバ130向けのガスのサブセットを受け取るために、供給チャネル105などのガスフローチャネルに結合することができる。結合ポイントは、真っ直ぐな、曲がった又は角度が付いたフローチャネル105の一部分であり得る。テストチャンバ130内に位置決めされたイオナイザ132は、テストチャンバ130内でラジカルイオンを生成するためにガスのサブセットのラジカル粒子をイオン化するように構成することができる。質量分析計122は、残留ガス分析器(RGA)又は同等のシステムであり得、質量分析器124、コントローラ126及びポンプ128を含み得る。質量分析器124は、イオナイザ132からラジカルイオンを受け取り、ラジカルイオンにおける質量フィルタリング及びイオン検出を実行して、ラジカルイオンの存在を測定することができる。次いで、コントローラ126は、質量分析器124からの測定値を処理してさらなる結果(ガスの質量スペクトルなど)を生成し、結果に基づいて、ラジカル源115の動作又はシステム100の他のパラメータを制御するようにさらに構成することができる。ポンプ128(例えば、真空又はターボポンプ)は、チャンバを適切な圧力(例えば、1e-2トル未満)に維持するために、質量分析器124及びテストチャンバ130からガスを送り出し、フォアライン192又は別の排気管にガスを転送するように動作することができる。
典型的な質量分析計(RGAなど)とは対照的に、RPM 120は、ガス内のラジカル粒子の信頼できる測定を提供する。この能力は、本明細書で説明されるいくつかの特徴によって可能にすることができ、それらの特徴は、以下で提供されるように、様々な組合せで実装することができる。具体的には、テストチャンバ130は、テストチャンバ130に入るラジカル粒子の反応を最小化しながら、最適なガスのサンプルを捕捉するように適応させることができる。イオナイザ132は、テストチャンバ130に入るラジカル粒子のイオン化を直接最大化するように構成することもできる。テストチャンバ130、イオナイザ132及び関連要素の様々な特徴については、図3A~Fを参照して以下で説明する。さらに、質量分析計122は、以下で説明されるように、非ラジカル粒子からの干渉を受けることなく、ラジカル粒子のイオン化及び測定を行うために、1つ又は複数の低エネルギー状態で動作することができる。RPM 120は、例えば、以下で説明されるように異なるエネルギー状態で動作することによって、異なるラジカル粒子の存在及び非ラジカル粒子の存在の検出及び測定を行うために、複数の動作モードを提供するようにさらに構成することができる。
図1B~Dは、さらなる実施形態における半導体処理システム101~103を示す。システム101~105は、異なる構成のラジカル粒子モニタ及び/又はラジカル源を実装できることを除いて、上記で説明されるシステム100の特徴のいくつか又はすべてを組み込むことができる。図1Bは、RPM 120が、プロセスチャンバ110の壁に結合され、プロセスチャンバにおけるラジカル粒子の存在をモニタするように構成される、システム101を示す。図1Cは、RPM 120がスロットルバルブ190の上方のフォアライン192の壁に結合されるシステム102を示し、図1Dは、RPM 120がスロットルバルブ190の下方のフォアライン192に結合されるシステム103を描写する。
所定のガスがシステム100~103を通じて伝送される場合、RPM 120によってサンプリングされるガスは、サンプルが収集される場所に起因して異なり得る。具体的には、ラジカル濃度は、ラジカル源115からの距離と共に下がる可能性が高く、バックグラウンドガス及び他の粒子の濃度は、ウェーハ112及びガスを閉じ込める内面との相互作用後に変わり得る。これらの理由から、RPM 120をサンプリング場所に基づいて較正すること、並びに/或いは、RPM 120によって提供されるラジカル粒子及び他の粒子の測定値をサンプリング場所に基づいて計算することができる。
図1E及び1Fは、ラジカル源115がプロセスチャンバ110の下方に位置決めされるシステム104、105を描写する。図1Eでは、ラジカル源115は、スロットルバルブ190の上方のフォアライン192に位置決めされ、図1Fでは、ラジカル源115は、スロットルバルブ190の下方に位置決めされる。そのような構成では、ラジカル源115は、保守サイクルの間に、スロットルバルブ190及び/又はフォアライン192の洗浄のためにラジカル粒子を放出するように動作することができる。ガス内のラジカル粒子(任意選択により、非ラジカル粒子)の存在をモニタするため、RPM 120は、ラジカル源115の下流のフォアライン192に結合することができる。RPM 120によって捕捉された測定値は、保守サイクルのステータス及び進捗を決定するため、並びに、ラジカル源115の動作(ガス流及び圧力、ラジカル粒子生成、温度及び保守サイクルの長さなど)を制御するために使用することができる。
図2A~Cは、さらなる実施形態における半導体処理システム200~202を示す。システム200~202は、上記で説明されるようなラジカル源115の代わりに(又はそれに加えて)容量結合プラズマ源(CCP)又は誘導結合プラズマ源(ICP)などのラジカル粒子源116を実装することを除いて、上記で説明されるシステム100の特徴のいくつか又はすべてを組み込むことができる。ラジカル粒子源116は、プロセスチャンバ110の上方ボリュームを占めることも、又はプロセスチャンバ110に隣接する別個のチャンバに含めることも可能である。この構成により、ラジカル粒子のサンプリングに対して供給チャネルを利用することはできない。それに従って、RPM 120は、図2Aに示されるように、代わりに、プロセスチャンバ110の壁に結合することができ、プロセスチャンバ110におけるラジカル粒子の存在をモニタするように構成することができる。或いは、RPM 120は、図2Bに示されるように、スロットルバルブ190の上方のフォアライン192の壁に結合することも、又は図2Cに示されるように、スロットルバルブ190の下方のフォアライン192に結合することもできる。
図3Aは、RPM 120の一部分をさらに詳細に示す。ここでは、テストチャンバ130は、アパーチャ140を介して供給チャネル105とガス連通するように示されている。供給チャネル105が示されているが、テストチャンバ130は、図1B~F及び2A~Cに示されるように、プロセスチャンバ110又はフォアライン192などの異なるフローチャンバに代わりに結合することができる。アパーチャ140は、粒子検出を容易にするためにテストチャンバ内の低ガス圧力を維持すると同時に、反応を起こすことなく許容数のラジカル粒子の通過を可能にするようにサイズ指定することができる。例えば、質量分析器124がRGAとして構成される場合は、供給チャネルが0.01~10トルの範囲で圧力を維持しているにもかかわらず、テストチャンバ130は、1e-2トル未満の圧力を維持する必要があり得る。そのような用途では、アパーチャ140は、1ミリメートル未満の直径を有し得、一例では、約35mmの直径を有し得る。本明細書で説明されるように構成されたアパーチャ140は、過度の損失が生じることなく、質量分析計122による検出に適した数量のラジカル粒子の、テストチャンバ130への、通過を可能にすることができる。この結果は、供給チャネル105内のガスに存在する割合と対比させた、テストチャンバ130内のガスに存在するラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合として表現することができる。例えば、アパーチャ140は、供給チャネル105内のガスに存在する割合の0.1%を超えるラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合の、テストチャンバ130への、通過を可能にすることができる。さらなる実施形態では、テストチャンバ130内に存在する割合は、テストチャンバ130が結合される供給チャネル105又は別のフローチャネル(図1B~Fに示されるようなプロセスチャンバ110若しくはフォアライン192)内に存在する割合より1%以上大きいものであり得る。
ラジカル粒子が供給チャネル105を通じて移送される際、供給チャネル105の壁の近くのラジカルは、壁面と衝突することが多く、高い再結合レートを有し、ラジカル粒子の損失につながり得る。従って、壁の近くのラジカル粒子の密度は、比較的低く、ラジカル源115から届けられるラジカル粒子の真の個体数を表さない場合がある。従って、壁にアパーチャが位置する供給チャネル105の壁の近くのラジカル粒子のサンプリングは、以下で説明されるように、ラジカルサンプリングの最適な効率を有さない場合がある。
円錐形状サンプラ150は、サンプラ150の端部にアパーチャ140が位置決めされており、サンプルポイントがラジカル源115からのガスストリームの中心近くまで伸びており、サンプリングされる種は、より少ない表面衝突を経験し得る。そのようなサンプリング場所は、供給チャネル105の壁のサンプリング場所よりもはるかに高いラジカル密度を有し得る。さらに、イオナイザ132は、アパーチャ140を通過した後にテストチャンバ130内に広がるラジカルの視円錐の大部分をインターセプトすることによって検出感度を増加するために、サンプラ150に極めて接近して(例えば、4インチ以内、及び、示される例では、0.5インチ以内の所に)位置決めすることができる。また、サンプラ150の円錐形状により、テストチャンバ130の入口において、より広い経路を粒子に与えることによって、アパーチャ140を通過するラジカル粒子との衝突が最小化される。或いは、サンプラ150は、広範な異なる形状(半球形、円筒形、角柱形又は楕円形若しくは卵形など)のうちの1つを定義する突出部を形成することができる。そのような代替の形態では、突出部は、供給チャネル105又は別のフローチャネル内まで延在し、テストチャンバ130のボリュームを包含し得、アパーチャ140は、突出部の端部又は別の表面に位置決めされる。サンプラ150は、測定予定のラジカル粒子の所定のセット(H、N、O、OH、NHx、CHx及びNOのラジカル粒子など)との低い再結合レート(金属面と比較して)を呈する、ガラス、石英、サファイヤ、SiO2、Al2O3又は別の材料から構成される非金属面を有し得る。或いは、サンプラ150は、測定予定のラジカル粒子の所定のセット(F、Cl、NFx及びCFxのラジカル粒子など)との低い反応レート(非金属面と比較して)を呈する、アルミニウム若しくはステンレス鋼、又は窒化アルミニウム若しくは酸化アルミニウム又は別の材料から構成される金属面を有し得る。
上記の特徴は、テストチャンバ130内の高真空(例えば、1e-5トル)と共に、テストチャンバ130内の粒子に対する長い平均自由行程を可能にすることができる。従って、アパーチャ140を通じて移動するラジカル粒子の大部分は、壁又は別の粒子と衝突する前にイオナイザ132に到達し、ラジカルのイオン化率の上昇につながる。供給チャネル105内までアパーチャ140を伸ばすことや、円錐形状サンプラ150を介してフリーラジカルに対するクリアランスを可能にすることや、イオナイザ132をアパーチャ140の近くに位置決めすることを含めて、上記の特徴のいくつか又はすべての組合せにより、イオナイザ132は、ラジカル粒子からより多くのラジカルイオンを生成することができ、それにより、より高いラジカル検出感度を質量分析器124に提供することができる。
図3B~Fは、さらなる実施形態におけるRPM 120の一部分を示す。実施形態は、供給チャネル105(又は他のフローチャネル)とテストチャンバ130との間のインタフェースが以下で説明されるように構成されることを除いて、図1A~3Aを参照して上記で説明されるRPM 120のいくつか又はすべての特徴を含み得る。図3Bは、テストチャンバ130と供給チャネル105が共通の壁を共有し、供給チャネル内への突出部を設けることなく、アパーチャ141が共通の壁に位置する、構成を示す。アパーチャ141は、共通の壁のより大きな開口部に設置された(例えば、溶接された)オリフィスを有する事前製作された表面(例えば、ステンレス鋼ガスケット)であり得る。或いは、アパーチャ141は、共通の壁にドリルで穴を開けた単純なオリフィスであり得る。
図3C及び3Dは、円錐形状を含む図3Aのサンプラ150に似たサンプラ152、153と、サンプラ152の端部のそれぞれのアパーチャ142とを有する構成を示す。さらに、図3Aとは対照的に、サンプラ152、153は、供給チャネル105の壁に部分的に(図3C)又は完全に(図3D)埋め込まれる。これらの構成は、供給チャネル105又は他のフローチャネルへの接近が制限される(RPM 120のコンポーネント(例えば、イオナイザ132及び/又は質量分析計122)をフローチャネルからある程度の距離の所に位置決めしなければならないことを意味する)用途において有利であり得る。しかし、これらの構成には、フローチャネルを通じるガス流との干渉を低減することや、イオナイザ132のより近くにアパーチャ142を位置決めしてテストチャンバ130内でイオン化されるラジカル粒子の数量を増加することなど、さらなる利点もあり得る。
図3Eは、供給チャネル106がT字形の構造を有することを除いて、図3Aのものと同等の構成を示し、T字形の構造は、ラジカル源115からの単一の流入口及び2つ以上の流出口を含み、2つ以上の流出口の一方又は両方は、フローがアパーチャ144から対称的に遠ざかるように、プロセスチャンバ110につながっている。テストチャンバ130は、十字形配列を形成するように、供給チャネル106の流入口とは反対側に位置決めされ、これは、サンプラ154のアパーチャ144がガス流の経路と軸上で位置合わせされることを意味する。この構成の結果、ラジカル源115からのラジカル粒子は、粒子の反応又は再結合を引き起こし得る事前の壁衝突を起こすことなく、テストチャンバ130に入る可能性が高い。
図3Fは、さらなる構成におけるサンプリング配列を示す。ここでは、図3A及び3C~Eに示されるようなサンプラの代わりに、サンプリング管160が実装される。この構成は、RPM 120のいくつか又はすべてをサンプリング予定のフローチャネルからより遠ざけて位置決めしなければならない際に有利であり得る。サンプリング管160は、示されるように、供給チャネル105のガス流内まで部分的に延在し得、テストチャンバ130内への開口部の前の管路165内においてその距離にわたって延在し得る。サンプリング管160の内部のボリュームに沿ったラジカル粒子の移送を容易にするため、サンプリング管160は、測定予定のラジカル粒子との低い反応性又は再結合レートを有する材料から構成する(又は材料でコーティングする)ことができる。例えば、サンプリング管160は、N及びHラジカル粒子との低い再結合レートを呈する石英又はサファイヤの内面を有し得る。或いは、サンプリング管160は、アルミニウム、ステンレス鋼、ガラス又は同等の材料から構成される表面を有し得、異なる表面は、ラジカル粒子の所定のセットの反応の最小化に最適であり得る。
図4A~Cは、ラジカル粒子モニタで実装することができる事前製作された流入ポート401~403を示す。ポート401~403は、図1A~3Fを参照して上記で説明される実施形態においてなど、テストチャンバへのフローチャネル内のガスのサブセットのフローを制御するために、フローチャネルとテストチャンバとの間に位置決めすることができる。ポート401は、円筒形プラグ450を含み、アパーチャ440は、その中心を通る。アパーチャ440は、上記で説明される他のアパーチャとしてサイズ指定及び構成することができ、示されるように、プラグ450の一方又は両方の側に1つ又は複数の凹部を含み得、それにより、反応を起こすことなく、ラジカル粒子のより大きなフローを可能にすることができる。ポート402は、サンプラ450を含み、サンプラ450は、ディスク形状を定義し、その中心に向かう円錐形状を有し、アパーチャ441は、円錐形状の端部を占める。サンプラ441は、上記で説明される他のサンプラと同等に構成することができる。ポート403は、サンプリング管460を含み、サンプリング管460は、ポート(例えば、ポート401のような円筒形プラグ)を通じて延在し、アパーチャ442で終端する。サンプリング管460は、図3Fを参照して上記で説明されるサンプリング管160のいくつか又はすべての特徴を含み得る。ポート401~403の各々は、ステンレス鋼など、ガス移送及び真空用途に適したいかなる材料からも構成することができ、上記で説明されるようなターゲットラジカル粒子との低い再結合レート及び反応を有する材料で構成される1つ又は複数の表面を有し得る。
図5A及びBは、バイアス電圧及び温度制御特徴用にそれぞれ構成された流入ポート501、502を示す。図5Aでは、流入ポート501は、サンプラ551を含み、サンプラ551は、導電性であり、バイアス電圧に結合される。バイアス電圧により、サンプラ551は、あるイオンに反発する電荷を呈し、それにより、アパーチャ541中のそれらのイオンの通過が低減し、隣接するテストチャンバ内のイオン干渉が低減する。バイアス電圧は、ターゲットイオンに応じて、正又は負電圧であり得る。例えば、正バイアス電圧は、窒素ラジカル粒子の測定と干渉し得る窒素イオン(N+)などの陽イオンに反発し得る。或いは、負バイアス電圧は、フッ素ラジカル粒子の測定と干渉し得るフッ素イオン(F-)などの陰イオンに反発し得る。
図5Bに移ると、流入ポート502は、1つ又は複数の内部管路を有するサンプラ552を含み、1つ又は複数の内部管路は、水又は他の液体のフローをサンプラ552に通すように適応され、それにより、ターゲット温度に向けてサンプラ552を冷却する(又は加熱する)。RPMの動作の間、サンプラ552の表面におけるラジカル再結合により、サンプラ552に熱が付与され、その温度が上昇し、後続のラジカル粒子との再結合レートが増加する。サンプラ552を通じて冷却剤を誘導することにより、サンプラ552をより低い温度に維持することができ、それにより、ラジカル粒子とのその再結合レートが低減する。さらなる実施形態では、サンプラは、サンプラ551、552のバイアス電圧及び温度制御特徴を組み合わせることができる。
図6A~Cは、アパーチャストッパを実装する例示的な構成を示す。上記で説明されるようなRPMが動作していない際は、フローチャネル内のガス圧力又は温度がかなり上昇している場合は特に、フローチャネルとテストチャンバとの間のアパーチャを密閉することによって、RPMを保護することが有利であり得る。アパーチャを選択的に密閉するため、様々な機械手段を使用することができる。例えば、図6Aに示されるように、サンプラ651とテストチャンバとの間に、機械式スロットルバルブ670を位置決めすることができる。スロットルバルブ670を作動すると、サンプラ651とテストチャンバとの間に密閉が形成され、それにより、粒子がサンプラを通じてテストチャンバに入ることを防ぐことができる。図6Bでは、フローチャネルを挟んでサンプラ652とは反対側の埋め込みチャンバに、自動ストッパ680が存在し得る。作動すると、ストッパ680は、横方向に移動してアパーチャ642の周りを密閉し、それにより、サンプラ652の反対側において、テストチャンバからフローチャネルが遮断される。最後に、図6Cでは、テストチャンバ内に又はそれに隣接して存在する自動ストッパ680が示されている。作動すると、ストッパ681は、サンプラ653との密閉が形成されるまでアパーチャ643に向けて移動し、それにより、テストチャンバからフローチャネルが遮断される。
図7は、さらなる実施形態におけるRPMの一部分を示す。RPMは、図1A~6Cを参照して上記で説明される実施形態のいくつか又はすべての適用可能な特徴を含み得、アパーチャ740を介して供給チャネル105からテストチャンバ130にガスのサブセットを方向転換するために供給チャネル105及びサンプラ750に結合されたテストチャンバ130を含む。上記の実施形態とは対照的に、イオナイザ732は、サンプラ750の近くに位置決めされ、サンプラ750によって定義されるボリューム内でラジカル粒子をイオン化し、ラジカルイオンのビーム790を生成するように構成される。それを行うため、イオナイザ732は、電子源733及びシールド734を含み得る。断面で示されるシールド734は、電子源733の2つ以上の面を覆い、電子源733とサンプラ750との間に、電子源733からサンプラ750のボリューム内を通ってアパーチャ740の近くの領域まで電子のビームを誘導するためのスリット又はオリフィスを含み得る。
電子ビームは、サンプラ750のボリューム内のラジカル粒子をイオン化し、イオンビーム790を生成する上で役立ち、イオンビーム790は、シールド734の別の開口部を通じてRPMの質量分析器124に向けて誘導される。この構成では、サンプラ750の円錐形状は、イオナイザ732の静電要素としての役割を果たし得る。また、シールド734は、イオンビーム790から電子をそらすために、電子源733の他の面も覆い得る。イオンビーム790は、質量分析器124に向けて伸び、静電レンズ770によって質量分析器124の流入口に集光される。質量分析器124は、イオンビーム790のラジカルイオンを受け取り、ラジカルイオンにおける質量フィルタリング及びイオン検出を実行して、ラジカルイオンの存在を測定することができる。次いで、コントローラ126は、図1Aを参照して上記で説明されるように、質量分析器124からの測定値を処理してさらなる結果(ガスの質量スペクトルなど)を生成し、結果に基づいて、ラジカル源の動作又はそれぞれの半導体処理システムのツールプロセス制御パラメータを制御するようにさらに構成することができる。
図8は、ラジカル粒子濃度をモニタするプロセス800のフロー図である。プロセス800は、上記で説明されるRPMを実装するシステムのいずれかによって行うことができる。図1A及び3Aの例示的な実施形態を参照すると、ガスが供給チャネル105などのフローチャネル中を流れる場合、ガスのサブセットは、サンプラ150を介してテストチャンバ130内に誘導することができる(805)。テストチャンバ130内のガスのサブセットのガスのラジカル粒子から、ラジカルイオンを生成することができる(810)。ラジカルイオンを生成するため、イオナイザ132は、低エネルギー状態で動作することができ、低エネルギー状態は、同じ質量の非ラジカルイオンの生成と関連付けられたエネルギー状態より低い。質量分析器124は、イオンビーム790のラジカルイオンを受け取り、ラジカルイオンにおける質量フィルタリング及びイオン検出を実行して、ラジカルイオンの存在及び数量を測定することができる(815)。異なるラジカル粒子は、異なるエネルギー状態でイオン化することができる。例えば、イオナイザ132は、Nラジカルを24eVでイオン化できる一方で、フッ素ラジカルは、21eVの異なるエネルギー状態でイオン化する必要がある。従って、ガス内の複数の異なるラジカルの数量を測定することが望ましい場合は、測定予定のラジカル粒子の各々に対して動作810、815を繰り返し、各繰り返しの間でイオナイザ132のエネルギーレベルを変更することができる。例えば、RPM 120は、動作810、815を実行してNラジカルを24eVで測定し、次いで、イオナイザのエネルギーレベルを修正し、動作810、815を繰り返してHラジカルを16eVで測定することができる。次いで、N、O、OH、F、H、Cl、NHx、CHx及びNxOyのラジカル粒子の数量を測定するために、相次いで、さらに複数回プロセスを繰り返すことができる。従って、イオナイザ132は、多数の低エネルギー状態で動作することができ、多数の低エネルギー状態の各々は、それぞれのラジカル粒子に対応する。
次いで、コントローラ126は、測定されたラジカル数量とそれぞれの閾値又はターゲット値とを比較することができる(815)。ターゲットが満たされている場合は、プロセスの繰り返しに伴って、モニタリングを継続することができる。そうでなければ、コントローラ126は、ラジカル源115及び/又はツールプロセス制御と通信して動作を修正することができる(820)。例えば、コントローラ126は、所定の時間にわたるラジカル粒子生成の数量及び/又はラジカル粒子が生成される時間長を制御することによって、ラジカル源115又は別のラジカル粒子源(例えば、ラジカル粒子源116)の動作を制御することができる。さらに、コントローラ126は、フローチャネルのウェットパスのパワー、ガス流、ガス圧力及び温度のうちの1つ又は複数を調整するために、ラジカル源115又は116にフィードバックを送信することができる。コントローラ126は、プロセスパラメータを調整するために、プロセスツールにフィードバックを送信することができる。測定されたラジカル粒子の数量に応答して行われるそのような調整は、ラジカル粒子の数量を適切なレベルに増加することによって、又は、ウェーハ112がラジカル粒子への十分な露光を受けることを保証するために、処理サイクルの時間を延ばすことによって、処理サイクルの性能を改善することができる。調整(820)に続いて、システム100におけるラジカル粒子の継続的なモニタリングを提供するために、プロセス800を繰り返すことができる。
さらなる実施形態では、プロセス800は、非ラジカル粒子(例えば、バックグラウンド又は参照ガス)の数量を測定するための「高エネルギー」モードを含み得る。高エネルギーモードを実行するため、RPM 120は、イオナイザ132のエネルギー状態をより高いエネルギー状態(40eV又は70eVなど)に調整し、次いで、上記で説明されるプロセス800と同等のプロセスを動作することができる。それを行う際、RPM 120は、サンプリングされるガスを構成する1つ又は複数の非ラジカル粒子の数量を測定することができる。例えば、RPM 120は、最初に、15eVの「低エネルギー状態」で動作して、Nラジカル粒子を測定することができる。このエネルギーレベルは、15.6eVのイオン化電位を有するアルゴンなどの特定の参照ガスをイオン化するには低過ぎる。次いで、この走査に続いて、RPM 120は、40eVの高エネルギー状態に切り替えて、アルゴン粒子及び他の参照ガスをイオン化することができる。相対的な感度の適切な数学的調整により、この信号を使用して、測定されているラジカルイオンに対するRPMの応答の正規化又は較正を行い、測定の精密な繰り返し性を保証することができる。
例示的な実施形態を具体的に示し、説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって網羅される実施形態の範囲から逸脱しない範囲で、形態及び詳細の様々な変更を行えることが理解されよう。
Claims (48)
- ラジカル粒子をモニタするためのシステムであって、
ガスを伝送するように適応させたフローチャネルに結合するように構成されたテストチャンバであって、前記テストチャンバと前記フローチャネルを接続するアパーチャを定義するテストチャンバであり、前記アパーチャが、前記ガスのサブセットが前記フローチャネルから前記テストチャンバに入ることができるように構成される、テストチャンバと、
前記テストチャンバ内に位置決めされたイオナイザであって、前記ガスの前記サブセットのラジカル粒子からラジカルイオンを生成するように構成されたイオナイザと、
前記ラジカルイオンの数量を測定するように構成された質量分析計と
を含む、システム。 - 前記質量分析計が、残留ガス分析器(RGA)である、請求項1に記載のシステム。
- 前記テストチャンバが、そのガス圧力を前記フローチャネルのガス圧力より低く維持するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記テストチャンバ内の前記ガス圧力が、1e-2トル未満であり、前記フローチャネル内の前記ガス圧力が、0.01トルを超える、請求項3に記載のシステム。
- 前記イオナイザが、前記アパーチャから4インチ以内に位置決めされる、請求項1に記載のシステム。
- 前記イオナイザが、前記ラジカルイオンを生成し、非ラジカルイオンの生成を最小化するために、低エネルギー状態で動作するように構成され、前記低エネルギー状態が、前記非ラジカルイオンの前記生成と関連付けられたエネルギー状態より低い、請求項1に記載のシステム。
- 前記イオナイザが、多数の低エネルギー状態で動作するように構成され、前記多数の低エネルギー状態の各々が、それぞれのラジカル粒子に対応する、請求項1に記載のシステム。
- 前記イオナイザが、前記ガスの前記サブセットの非ラジカル粒子に基づいて参照信号を取得できるようにするために高エネルギー状態で動作するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記アパーチャが、1ミリメートル未満の直径を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記アパーチャが、前記フローチャネル内の前記ガスに存在する割合の0.1%を超えるラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合の、前記テストチャンバへの、通過を可能にする、請求項1に記載のシステム。
- 前記フローチャネル内まで延在し、前記テストチャンバのボリュームを包含する前記テストチャンバの突出部をさらに含む、請求項1に記載のシステムであって、前記アパーチャが、前記突出部に位置決めされる、システム。
- 前記突出部が、実質的に円錐形状を呈し、前記アパーチャが、前記円錐形状の先端部に位置決めされる、請求項11に記載のシステム。
- 前記イオナイザが、前記円錐形状によって定義されるボリューム内でラジカルイオンを生成するように位置決めされる、請求項12に記載のシステム。
- 前記円錐形状が、前記イオナイザの静電要素として構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記質量分析計に向けて前記ラジカルイオンをビームとして誘導するように構成された静電レンズをさらに含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記質量分析計によって測定された前記ラジカルイオンの前記数量に基づいてラジカル粒子源の動作を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ラジカル粒子源の前記動作を制御することが、1)所定の時間にわたるラジカル粒子生成の数量、及び、2)前記ラジカル粒子が生成される時間長の少なくとも1つを制御することを含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記ラジカル粒子源の前記動作を制御することが、前記フローチャネルのウェットパスのパワー、ガス流、ガス圧力及び温度の少なくとも1つを制御することを含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記アパーチャを選択的に密閉するように構成されたストッパをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記アパーチャを取り囲む表面が、非金属製であり、金属面より低い前記ラジカル粒子に対する反応性及び再結合係数を呈する、請求項1に記載のシステム。
- 前記アパーチャを取り囲む表面が、金属製であり、前記ラジカル粒子との低い反応性を呈する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フローチャネルが、ラジカル源からプロセスチャンバまで延在する管路である、請求項1に記載のシステム。
- 前記フローチャネルが、プロセスチャンバの反応ゾーンの下流の領域である、請求項1に記載のシステム。
- 前記フローチャネルが、プロセスチャンバの下流の管路である、請求項1に記載のシステム。
- ラジカル粒子をモニタするための方法であって、
テストチャンバとフローチャネルを接続するアパーチャを介して、前記フローチャネルから前記テストチャンバにガスのサブセットを誘導することと、
イオナイザを介して、前記ガスの前記サブセットのラジカル粒子からラジカルイオンを生成することと、
質量分析計を介して、前記ラジカルイオンの数量を測定することと
を含む、方法。 - 前記質量分析計が、残留ガス分析器(RGA)である、請求項25に記載の方法。
- 前記テストチャンバのガス圧力を前記フローチャネルのガス圧力より低く維持することをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記テストチャンバ内の前記ガス圧力が、1e-2トル未満であり、前記フローチャネル内の前記ガス圧力が、0.01トルを超える、請求項27に記載の方法。
- 前記イオナイザが、前記アパーチャから4インチ以内に位置決めされる、請求項25に記載の方法。
- 前記ラジカルイオンを生成し、非ラジカルイオンの生成を最小化するために、前記イオナイザを低エネルギー状態で動作することをさらに含む、請求項25に記載の方法であって、前記低エネルギー状態が、前記非ラジカルイオンの前記生成と関連付けられたエネルギー状態より低い、方法。
- 前記イオナイザを多数の低エネルギー状態で動作することをさらに含む、請求項25に記載の方法であって、前記多数の低エネルギー状態の各々が、それぞれのラジカル粒子に対応する、方法。
- 前記ガスの前記サブセットの非ラジカル粒子に基づいて参照信号を取得できるようにするために、前記イオナイザを高エネルギー状態で動作することをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記アパーチャが、1ミリメートル未満の直径を有する、請求項25に記載の方法。
- 前記アパーチャが、前記フローチャネル内の前記ガスに存在する割合の0.1%を超えるラジカル粒子と非ラジカル粒子との割合の、前記テストチャンバへの通過を可能にする、請求項25に記載の方法。
- 前記テストチャンバの突出部が、前記フローチャネル内まで延在し、前記テストチャンバのボリュームを包含し、前記アパーチャが、前記突出部に位置決めされる、請求項25に記載の方法。
- 前記突出部が、実質的に円錐形状を呈し、前記アパーチャが、前記円錐形状の先端部に位置決めされる、請求項35に記載の方法。
- 前記円錐形状によって定義されるボリューム内でラジカルイオンを生成するように前記イオナイザを動作することをさらに含む、請求項36に記載の方法。
- 前記円錐形状が、前記イオナイザの静電要素として構成される、請求項37に記載の方法。
- 静電レンズを介して、前記質量分析計に向けて前記ラジカルイオンをビームとして誘導することをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記質量分析計によって測定された前記ラジカルイオンの前記数量に基づいてラジカル粒子源の動作を制御することをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記ラジカル粒子源の前記動作を制御することが、1)所定の時間にわたるラジカル粒子生成の数量、及び、2)前記ラジカル粒子が生成される時間長の少なくとも1つを制御することを含む、請求項40に記載の方法。
- 前記ラジカル粒子源の前記動作を制御することが、前記フローチャネルのウェットパスのパワー、ガス流、ガス圧力及び温度の少なくとも1つを制御することを含む、請求項40に記載の方法。
- ストッパを介して前記アパーチャを選択的に密閉することをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記アパーチャを取り囲む表面が、非金属製であり、金属面より低い前記ラジカル粒子に対する反応性及び再結合係数を呈する、請求項25に記載の方法。
- 前記アパーチャを取り囲む表面が、金属製であり、前記ラジカル粒子との低い反応性を呈する、請求項25に記載の方法。
- 前記フローチャネルが、ラジカル源からプロセスチャンバまで延在する管路である、請求項25に記載の方法。
- 前記フローチャネルが、プロセスチャンバの反応ゾーンの下流の領域である、請求項25に記載の方法。
- 前記フローチャネルが、プロセスチャンバの下流の管路である、請求項25に記載の方法。
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