KR101815717B1 - 가스상 핵형성을 검출하기 위한 텅스텐 헥사플루오라이드 공정을 모니터링하기 위한 ｔｐｉｒ 장치, 및 이를 사용하는 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 가스상 핵형성(GPN) 및/또는 생성물 소자의 화학물질 공격과 같은 거동을 지지하는 공정 조건하에서 가스 혼합물이 가스상 핵형성(GPN) 및/또는 생성물 소자의 화학물질 공격을 경험할 수 있는 증착 설비의 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는, 상기 가스 혼합물의 샘플을 통해 방사선원의 방사선을 투과하도록 배열된 방사선원; 및 상기 방사선원의 방사선과 가스 혼합물 샘플의 상호작용으로부터 발생되는 출력 방사선을 수용하고, 상기 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격이 개시되는 경우, 이들의 개시를 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시키도록 배열된 열전퇴 검출기 조립체를 포함한다. 이러한 모니터링 장치 및 방법론은, GPN 또는 화학물질 공격 없이 고속 텅스텐 막 성장을 달성하기 위한 텅스텐 CVD 공정에서 유용하다.
Description
본 발명은, 열전퇴 적외선(thermopile infrared; TPIR) 검출기에 의한 공정의 모니터링, 및 특히 증착 공정 설비내 공정 장치의 가변성 조건의 결과로서 증착 전구체 종의 원치않는 거동(예를 들어, 가스상 핵형성 및 표면 또는 구성요소의 화학물질 공격의 발생)에 민감한 증착 공정 설비를 모니터링하도록 배열된 TRIP 시스템에 관한 것이다. 하나의 양태에서 본 발명은 고속 텅스텐 증착을 수행하면서 티탄 및 실리콘 표면의 공격 및 입자들의 가스상 핵형성(GPN)을 억제하기 위한 가스 혼합물의 제어 및 텅스텐의 화학 증착(CVD)에 관한 것이다.
본원은 제 35 USC 119 항 하에서 "가스상 핵형성을 검출하기 위한 텅스텐 헥사플루오라이드 프로세싱을 모니터링하기 위한 TPIR 장치 및 이를 사용하는 방법과 시스템"을 제목으로 하는, 호세(Jose I. Arno) 등의 명의로 2009년 5월 29일자로 출원된 미국 가출원 제 61/182,527 호를 우선권으로 주장한다.
마이크로 전자장치의 제조에서, 화학 증착에 의한 텅스텐 막의 침착은, 텅스텐 전구체로서 텅스텐 헥사플루오라이드, 및 수소 또는 실란과 같은 환원 가스를 사용함으로써 일반적으로 수행된다.
이러한 적용례에서 수소의 사용은 목적하지 않은 표면 조도를 갖는 막을 제조하고, 노출된 실리콘 및 티탄 표면에 손상 반응의 유발을 유도하여, 과도한 누설 전류 및 접촉 저항을 유발할 뿐만 아니라 텅스텐 막의 막 접착력을 감소시킨다. 이러한 이유 때문에, 높은 텅스텐 증착 속도(deposition rate)를 달성하고 텅스텐 헥사플루오라이드, 또는 텅스텐 헥사플루오라이드의 수소 환원의 결과로서 형성되는 HF에 의한 실리콘 및 티탄 공격의 발생을 감소시키기 위해서 실란이 사용된다.
그러나, WF6의 텅스텐 원소로의 환원은, 하기 반응식 1에 따라 가스상에서 발생할 수 있다:
[반응식 1]
WF6 + SiH4 → W(WSi) + SiF4 + H2 + HF
텅스텐 입자들의 이러한 가스상 핵형성은 침착 필름내로 텅스텐 입자의 상당한 도입을 유발할 수 있어서, 바람직하게는 피한다.
그러나, 실란이 WF6 환원제로서 사용되는 경우, 특정 공정 조건에 따라 화학물질 공격(chemical attack)이 상당할 수 있다. 일반적으로, 화학물질 공격 및 가스상 핵형성 현상은, 이러한 현상 중 하나를 억제하는 공정 조건이 다른 하나를 증가시키는 경향이 있다는 점에서, 상호관련된다.
텅스텐 막의 접착 문제는, 티탄/티탄 질화물 층(Ti:TiN 라이너로 지칭됨)의 사용에 의해 개선될 수 있지만, 수소가 환원제로서 사용되는 경우, 텅스텐 막 성장 속도가 상당히 감소될 수 있다. 이러한 감소된 성장 속도는 다시 목적하는 두께의 막을 달성하기 위한 보다 긴 기간을 요구하지만, 이러한 증가된 증착 기간은 Ti:TiN 라이너 내에 임의의 약점 또는 불연속성을 유발하여, 하부(underlying) 물질에 대한 화학물질 공격을 용이하게 하고, WF6은 Ti:TiN 라이너를 공격하여, 예를 들어, 하기 반응식 2에 의해 생성물인 텅스텐 막내 결점으로서 TiFx 종을 형성할 수 있다.
[반응식 2]
WF6 + TiN → TiF4 + W + HF
전술한 문제점의 결론으로서, 당업계에서는 계속 마이크로 전자장치 제조 적용례에서 텅스텐 침착 프로세싱의 개선을 추구하여 왔다.
본 발명은, 침착 종을 함유하는 가스상 혼합물이 공정 조건에 따라 가스상 핵형성 및 화학물질 공격을 야기할 수 있는, 증착 설비를 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 본 발명은, 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격 거동을 지지하는 공정 조건하에서, 가스종을 포함하는 가스 혼합물이 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격을 야기할 수 있는 증착 설비의 모니터링 장치로서, 상기 가스 혼합물의 샘플을 통해 방사선원(radiation source)의 방사선을 투과하도록 배열된 방사선원; 및 가스 혼합물 샘플과 방사선원의 방사선과의 상호작용으로부터 유발되는 출력 방사선을 수용하고, 상기 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격이 개시되는 경우, 이들의 개시를 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로(responsively) 발생시키도록 배열된 열전퇴 검출기 조립체를 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격의 거동을 지지하는 공정 조건하에서 이러한 거동을 야기할 수 있는, 가스종을 함유하는 가스 혼합물과 기판을 접촉시킴을 포함하는, 증착의 수행 방법으로서, 가스상 혼합물내 하나 이상의 가스 종과 방사선의 상호작용을 위해 상기 가스 혼합물의 샘플에 방사선에 조사하여, 상기 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격이 개시되는 경우, 이들의 개시를 나타내는 특징을 갖는 상기 상호작용으로부터의 출력 방사선을 생성하고; 상기 출력 방사선을 프로세싱하여 상기 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격이 개시되는 경우, 이들의 개시를 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시킴을 포함하는, 방법에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 텅스텐 화학 증착 중에 가스상 핵형성 및 화학물질 공격의 발생을 피하도록 텅스텐 화학 증착을 수행하는 방법에 관한 것으로, 상기 화학 증착은 WF6 및 SiH4를 함유하는 가스 혼합물을, 마이크로 전자장치 기판 상의 Ti:TiN 층과 접촉시킴을 포함하고, 상기 방법은, 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격의 개시를 검출하도록 TPIR 모니터링함으로써, 상기 화학 증착으로부터의 유출물 중 WF6, SiF4 및 SiH4 중 하나 이상을 모니터링하고, 가스상 핵형성 및/또는 화학물질 공격의 계속 또는 발생을 피하도록 상기 화학 증착을 즉각-응답 방식으로 제어함을 포함한다.
또다른 추가의 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 윈도우를 갖는 화학 증착 챔버내 가스상 핵형성의 발생을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 챔버내 화학 증착 동안 챔버 내부의 증기와 상호작용하여, 이러한 상호작용으로부터 출력 방사선을 발생시키기 위해, 윈도우를 통해 챔버로 적외선을 투과하도록 배열된 적외선 다이오드 레이저; 및 챔버의 동일하거나 상이한 윈도우를 통해 투과된 상기 출력 방사선을 검출하고 화학 증착 챔버내의 가스상 핵형성의 발생 또는 비-발생을 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시키는 포토다이오드 검출기를 포함한다.
본 발명의 또다른 추가의 양태는, 하나 이상의 윈도우를 갖는 화학 증착 챔버내 가스상 핵형성의 발생의 측정 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 적외선 다이오드 레이저를 에너지화하여, 챔버내 화학 증착 동안 챔버내 증기와 상호작용하도록 상기 윈도우를 통해 상기 챔버로 적외선을 투과시켜, 이러한 상호작용으로부터 출력 방사선을 발생시키고; 챔버의 동일하거나 상이한 윈도우를 통해 투과된 출력 방사선을 포토다이오드 검출기로 검출하고, 화학 증착 챔버내의 가스상 핵형성의 발생 또는 비-발생을 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시킴을 포함한다.
본 발명의 또다른 양태는, 공정으로부터 물질을 수용하도록 개조된 모니터링 셀을 포함하는 TPIR 모니터링 및 제어 시스템을 사용하여, 사전결정된 작동 체제로 공정을 제어가능하게 유지하는 방법으로서,
모니터링 셀내 물질이 모니터링 시스템에 의해 발생된 적외선과 상호작용하고, 이러한 상호작용으로부터 유래된 적외선이 TPIR 모니터링 및 제어 시스템의 TPIR 검출기에 의해 모니터링 셀로부터의 TPIR 모니터링 출력물로서 검출되고,
상기 방법이,
모니터링 셀로부터 TPIR 모니터링 출력물을 발생시키고;
TPIR 모니터링 출력물로부터 주변 라디오 주파수 노이즈 급등부를 제거하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
2항 평활화 알고리즘(binomial smoothing algorithm)을 사용하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 평활화시켜 제 2 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
모니터링 셀에서 모니터링된 물질 성분들의 신호에 대한 기울기 및 오프셋(offset) 값을 계산하고;
모니터링된 물질 성분들의 기울기 및 오프셋을 사용하여 제 2 보정된 출력물을 온도-보정하여 제 3 보정된 출력물을 생성하고;
제 3 보정된 출력물의 피크 검색 알고리즘을 수행하고 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 계산하여, 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 발생시키고, 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이 차이로부터, 모니터링과 관련된 공정이 사전결정된 작동 체제 내에 있는지 여부를 결정하고;
공정의 하나 이상의 작동 파라미터의 조절에 의해 공정을 상응하게 조정하여, 공정을 사전결정된 작동 체제로 유지함
을 포함하는, 방법을 제공한다.
본 발명의 또다른 양태는,
모니터링을 위해 물질을 수용하도록 개조된 모니터링 셀;
모니터링 셀내 물질과 상호작용하는 방사선을 방출하여 이러한 상호작용으로부터 출력 적외선을 생성하도록 개조된 적외선 공급원;
출력 적외선을 검출하고, 모니터링 셀에서 모니터링된 물질에 대한 TPIR 모니터링 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시키도록 개조된 TPIR 검출기;
모니터링 셀로부터 TPIR 모니터링 출력물을 발생시키고; TPIR 모니터링 출력물로부터 주변 라디오 주파수 노이즈 급등부를 제거하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 생성하고; 2항 평활화 알고리즘을 사용하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 평활화시켜 제 2 보정된 데이타 출력물을 생성하고; 모니터링 셀에서 모니터링된 물질 성분들의 신호에 대한 기울기 및 오프셋 값들을 계산하고; 모니터링된 물질 성분들에 대한 기울기 및 오프셋을 사용하여 제 2 보정된 출력물을 온도-보정하여 제 3 보정된 출력물을 생성하고; 제 3 보정된 출력물의 피크 검색 알고리즘을 수행하고 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 계산하여 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 발생시키고; 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이 차이로부터, 모니터링과 관련된 공정이 사전결정된 작동 체제 내에 있는지 여부를 결정하도록 배열된 컴퓨터 모듈; 및
공정을 사전결정된 작동 체제로 유지하도록, 그의 하나 이상의 작동 파라미터들의 조절에 의해 공정을 상응하게 조정하기 위해, 컴퓨터 모듈과 결합된 제어기
를 포함하는, TPIR 모니터링 및 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 실시양태는, 뒤따르는 명세서 및 첨부된 특허청구범위로부터 보다 충분히 명백해질 것이다.
도 1은, 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6) 및 실란(SiH4)이 개별적으로 Ti 라이너(Ti:TiN 층 구조물)을 갖는 받침대를 그 위에 포함하는 증착 챔버로 유동하는, 텅스텐 CVD 공정 시스템의 개략도이며, 여기서 공정 조건은 Ti 공격 반응을 선호하도록 하는 것이다.
도 2는, 공정 조건이 가스상 핵형성의 발생을 유도하는, 도 1의 텅스텐 CVD 공정 시스템의 해당 개략도이다.
도 3은, 광대역 적외선(IR) 공급원이, 다성분 가스 혼합물이 유동하는 가스 셀을 통해 적외선을 투과하도록 배열된, 열전퇴 적외선(TPIR) 검출기의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 하나의 실시양태에서 본 발명에 따라 텅스텐 CVD 공정 시스템에서 사용될 수 있는 TPIR 모니터링 장치의 투시도이다.
도 5는, 또다른 실시양태에 따른 TRIP 모니터링 장치의 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 하나의 실시양태에 따라 텅스텐 CVD 시스템내 WF6, SiH4 및 SiF4를 모니터링하도록 배열된 TPIR 검출기의 모니터링 출력물의 그래프이다.
도 7은, 0.7초의 모니터링 시스템 지연, 및 50sccm의 SiH4 유속과 300sccm의 WF6 유속으로 작동하는 텅스텐 CVD 시스템에 대한 TRIP 모니터링 장치의 모니터링 데이타의 그래프이다.
도 8은, 10개의 상이한 가스 혼합물 레시피를 평가한, 텅스텐 CVD 시스템으로부터의 모니터링 데이타의 그래프로서, 여기서 +부호의 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않았음을 나타낸다.
도 9는, 도면의 왼손측의 적외선 공급원이 적외선 빔을 방출하고, 이것이 가스셀를 통해 수회 반사된 후, TPIR 검출기에 도달하는, 거울의 다중-패스 배열을 나타낸다.
도 10은, 모니터링 장치의 광학장치(optics)가 가스 유동에 직접 노출되지 않는, 인라인(in-line) 다중-패스 셀 배열의 사시도이다.
도 11은, 모니터링 장치의 광학장치가 가스 유동에 직접 노출되지 않는, 인라인 다중-패스 셀 배열의 전방 전면도이다.
도 12는, 20 웨이퍼 로트에 대한, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의 웨이퍼 프로세싱 데이타의 그래프로서, 이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 포함하고, 상기 그래프는 3개의 스펙트럼의 구별되는 특징을 나타낸다.
도 13은, 0.7초의 모니터링 장치 지연, 및 40sccm의 실란 유속과 250sccm의 텅스텐 헥사플루오라이드 유속의, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의, TPIR 모니터링 데이타의 그래프로서,이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 나타낸다.
도 14는, 9개의 상이한 가스 혼합물 레시피가 평가된, 텅스텐 CVD 시스템으로부터의 모니터링 데이타의 그래프로서, 여기서 +부호 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않음을 나타내고, -부호 막대는 GPN이 발생함을 나타낸다.
도 15는, 5회 패스의 적외선 빔이 달성된 본 발명의 또다른 양태에 따른 다중-패스 셀의 개략도이다.
도 16은, 적외선 공급원과 TPIR 검출기(센서) 사이에 위치한 원통형 파이프 내부에 거울들이 장착되어 있어서 연장된 방사선 경로 길이를 제공하는, 또다른 다중-패스 셀 배열의 개략도이다.
도 17은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포한하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiF4 신호와 SiH4 유속의 상관관계를 나타내는, SiF4 신호 대 SiH4 유속의 그래프이다.
도 18은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포함하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiH4 유속 대 WF6 유속의 비와 SiH4 신호 대 WF6 신호의 신호 비의 상관관계를 나타내는 SiH4 유속 대 WF6 유속의 비의 함수로서, SiH4 신호 대 WF6 신호의 비의 그래프이다.
도 19는, 모니터링 셀의 방사선 출력 스펙트럼에서 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6의 피크 높이를 검출하기 위해 프로그램가능하도록(programmably) 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 20은, 모니터링 셀의 방사선 출력물에서 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6의 스펙트럼 곡선의 피크 면적을 검출하기 위해 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 21은, 모니터링 셀의 방사선 출력물에서 실리콘 테트라플루오라이드 및 WF6의 스펙트럼 곡선의 기울기(S; SSiF4 및 SWF6)를 측정하기 위해 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 22는, 단지 피크의 진폭보다는, 임의의 구체적인 시점에서 피크 높이를 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 22는, 실란(SiH4)을 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, SiF4 및 SiH4의 스펙트럼을 포함한다.
도 23은 텅스텐 CVD 동안 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시를 검출하기 위해 사용되는 TPIR 모니터링 장치 출력물이다.
도 24는, 기준 채널, 및 실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드 및 실란용 채널을 포함하는 4-채널 검출기를 위한 TPIR 모니터링 시스템 출력물이다.
도 25는, 급등부가 제거된, 도 24의 TPIR 모니터링 시스템의 출력물의 그래프이다.
도 26은, 데이타 평활화 이전에, 도 24 및 도 25의 4-채널 TPIR 모니터링 시스템의 TPIR 출력물이다.
도 27은, 데이타 평활화 후, 도 26의 데이타에 대한 TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 28은, 기울기 및 오프셋을 계산하기 위한, 4-채널 TPIR 모니터링 시스템 중 채널 4에 대한 채널 3의 선형 피팅의 그래프이다.
도 29는, 온도 보정 이전의 TPIR 모니터링 시스템의 출력물이다.
도 30은, 도 29의 데이타의 온도 보정 후, 이러한 데이타를 나타내는 TPIR 모니터링 시스템의 출력물의 그래프이다.
도 31은, 텅스텐 헥사플루오라이드 신호를 검색함으로써 수득된 피크 검색 결과를 나타내는, 텅스텐 CVD 시스템의 출력 스펙트럼의 그래프이다.
도 32는, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 피크 높이를 나타내는, TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 33은, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드 신호 사이의 피크 높이 차이를 나타내는, TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 34는, SiH4, WF6 및 SiF4의 적외선 흡수 밴드를 포함하는, WCVD 공정 가스 및 WCVD 핵형성 스페이지에 내포된 부산물에 대해 보정된 스펙트럼이다.
도 35는, TPIR 모니터링을 수행하기 위한 예시적인 배열로서, 침착 시스템, TPIR 시스템 및 데이타 취득 시스템의 개략도이다.
도 36은, 가스상 핵형성 없이 WCVD 공정의 모니터링 동안 TPIR 시스템으로 보정된 스펙트럼 데이타의 그래프이다.
도 37은, GPN 없이, WCVD 공정 동안 TPIR 시스템에 의해 수득된 적외선 스펙트럼 데이타를 나타낸다.
도 38은, 다중-패스 TPIR 시스템을 사용하여 WCVD 공정 동안 수득되고, 측정된 WF6 및 SiF4 신호 강도 및 비의 분석에 기초하여, 구체적으로 GPN을 유발하는 조건을 나타내도록 프로세싱된 적외선 스펙트럼 데이타를 나타낸다.
도 2는, 공정 조건이 가스상 핵형성의 발생을 유도하는, 도 1의 텅스텐 CVD 공정 시스템의 해당 개략도이다.
도 3은, 광대역 적외선(IR) 공급원이, 다성분 가스 혼합물이 유동하는 가스 셀을 통해 적외선을 투과하도록 배열된, 열전퇴 적외선(TPIR) 검출기의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 하나의 실시양태에서 본 발명에 따라 텅스텐 CVD 공정 시스템에서 사용될 수 있는 TPIR 모니터링 장치의 투시도이다.
도 5는, 또다른 실시양태에 따른 TRIP 모니터링 장치의 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 하나의 실시양태에 따라 텅스텐 CVD 시스템내 WF6, SiH4 및 SiF4를 모니터링하도록 배열된 TPIR 검출기의 모니터링 출력물의 그래프이다.
도 7은, 0.7초의 모니터링 시스템 지연, 및 50sccm의 SiH4 유속과 300sccm의 WF6 유속으로 작동하는 텅스텐 CVD 시스템에 대한 TRIP 모니터링 장치의 모니터링 데이타의 그래프이다.
도 8은, 10개의 상이한 가스 혼합물 레시피를 평가한, 텅스텐 CVD 시스템으로부터의 모니터링 데이타의 그래프로서, 여기서 +부호의 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않았음을 나타낸다.
도 9는, 도면의 왼손측의 적외선 공급원이 적외선 빔을 방출하고, 이것이 가스셀를 통해 수회 반사된 후, TPIR 검출기에 도달하는, 거울의 다중-패스 배열을 나타낸다.
도 10은, 모니터링 장치의 광학장치(optics)가 가스 유동에 직접 노출되지 않는, 인라인(in-line) 다중-패스 셀 배열의 사시도이다.
도 11은, 모니터링 장치의 광학장치가 가스 유동에 직접 노출되지 않는, 인라인 다중-패스 셀 배열의 전방 전면도이다.
도 12는, 20 웨이퍼 로트에 대한, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의 웨이퍼 프로세싱 데이타의 그래프로서, 이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 포함하고, 상기 그래프는 3개의 스펙트럼의 구별되는 특징을 나타낸다.
도 13은, 0.7초의 모니터링 장치 지연, 및 40sccm의 실란 유속과 250sccm의 텅스텐 헥사플루오라이드 유속의, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의, TPIR 모니터링 데이타의 그래프로서,이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 나타낸다.
도 14는, 9개의 상이한 가스 혼합물 레시피가 평가된, 텅스텐 CVD 시스템으로부터의 모니터링 데이타의 그래프로서, 여기서 +부호 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않음을 나타내고, -부호 막대는 GPN이 발생함을 나타낸다.
도 15는, 5회 패스의 적외선 빔이 달성된 본 발명의 또다른 양태에 따른 다중-패스 셀의 개략도이다.
도 16은, 적외선 공급원과 TPIR 검출기(센서) 사이에 위치한 원통형 파이프 내부에 거울들이 장착되어 있어서 연장된 방사선 경로 길이를 제공하는, 또다른 다중-패스 셀 배열의 개략도이다.
도 17은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포한하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiF4 신호와 SiH4 유속의 상관관계를 나타내는, SiF4 신호 대 SiH4 유속의 그래프이다.
도 18은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포함하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiH4 유속 대 WF6 유속의 비와 SiH4 신호 대 WF6 신호의 신호 비의 상관관계를 나타내는 SiH4 유속 대 WF6 유속의 비의 함수로서, SiH4 신호 대 WF6 신호의 비의 그래프이다.
도 19는, 모니터링 셀의 방사선 출력 스펙트럼에서 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6의 피크 높이를 검출하기 위해 프로그램가능하도록(programmably) 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 20은, 모니터링 셀의 방사선 출력물에서 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6의 스펙트럼 곡선의 피크 면적을 검출하기 위해 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 21은, 모니터링 셀의 방사선 출력물에서 실리콘 테트라플루오라이드 및 WF6의 스펙트럼 곡선의 기울기(S; SSiF4 및 SWF6)를 측정하기 위해 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 22는, 단지 피크의 진폭보다는, 임의의 구체적인 시점에서 피크 높이를 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, 및 SiF4의 스펙트럼을 포함한다.
도 22는, 실란(SiH4)을 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열된 TPIR 모니터링 장치에 의한, 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6를 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출을 나타내는, WF6, SiF4 및 SiH4의 스펙트럼을 포함한다.
도 23은 텅스텐 CVD 동안 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시를 검출하기 위해 사용되는 TPIR 모니터링 장치 출력물이다.
도 24는, 기준 채널, 및 실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드 및 실란용 채널을 포함하는 4-채널 검출기를 위한 TPIR 모니터링 시스템 출력물이다.
도 25는, 급등부가 제거된, 도 24의 TPIR 모니터링 시스템의 출력물의 그래프이다.
도 26은, 데이타 평활화 이전에, 도 24 및 도 25의 4-채널 TPIR 모니터링 시스템의 TPIR 출력물이다.
도 27은, 데이타 평활화 후, 도 26의 데이타에 대한 TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 28은, 기울기 및 오프셋을 계산하기 위한, 4-채널 TPIR 모니터링 시스템 중 채널 4에 대한 채널 3의 선형 피팅의 그래프이다.
도 29는, 온도 보정 이전의 TPIR 모니터링 시스템의 출력물이다.
도 30은, 도 29의 데이타의 온도 보정 후, 이러한 데이타를 나타내는 TPIR 모니터링 시스템의 출력물의 그래프이다.
도 31은, 텅스텐 헥사플루오라이드 신호를 검색함으로써 수득된 피크 검색 결과를 나타내는, 텅스텐 CVD 시스템의 출력 스펙트럼의 그래프이다.
도 32는, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 피크 높이를 나타내는, TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 33은, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드 신호 사이의 피크 높이 차이를 나타내는, TPIR 모니터링 시스템 출력물의 그래프이다.
도 34는, SiH4, WF6 및 SiF4의 적외선 흡수 밴드를 포함하는, WCVD 공정 가스 및 WCVD 핵형성 스페이지에 내포된 부산물에 대해 보정된 스펙트럼이다.
도 35는, TPIR 모니터링을 수행하기 위한 예시적인 배열로서, 침착 시스템, TPIR 시스템 및 데이타 취득 시스템의 개략도이다.
도 36은, 가스상 핵형성 없이 WCVD 공정의 모니터링 동안 TPIR 시스템으로 보정된 스펙트럼 데이타의 그래프이다.
도 37은, GPN 없이, WCVD 공정 동안 TPIR 시스템에 의해 수득된 적외선 스펙트럼 데이타를 나타낸다.
도 38은, 다중-패스 TPIR 시스템을 사용하여 WCVD 공정 동안 수득되고, 측정된 WF6 및 SiF4 신호 강도 및 비의 분석에 기초하여, 구체적으로 GPN을 유발하는 조건을 나타내도록 프로세싱된 적외선 스펙트럼 데이타를 나타낸다.
본 발명은, 침착 종을 함유하는 가스상 혼합물이 공정 조건에 따라 가스상 핵형성 및 화학물질 공격을 야기할 수 있는, 증착 설비를 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히, Ti:TiN 라이너를 포함하는 기판 상에 텅스텐을 침착시키기 위한 시약으로서 텅스텐 헥사플루오라이드 및 실란이 사용되는 텅스텐 침착 시스템을 모니터링하는데 유용성을 갖는다. 본 발명은 이후에서 텅스텐 CVD 시스템의 모니터링에 대해 기술하고 있지만, 본 발명의 유용성은 이로서 한정되는 것이 아니라는 점 및 본 발명은 시스템 작동시 원치않은 상황으로서 가스상 핵형성 및 기판의 화학물질 공격에 민감한 폭넓게 다양한 공정 시스템에서 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 방법의 장치에서 사용되는 열전퇴 적외선 검출기와 관련하여, 폭넓은 변종 유형의 TPIR 조립체가 본 발명의 폭넓은 수행에서 유용하게 사용될 수 있으며, 그 예로 TPIR 조립체 및 방법론은, 2003년 9월 9일자로 허여된 미국특허 제 6,617,175 호, 2006년 3월 14일자로 허여된 미국특허 제 7,011,614 호, 2004년 11월 23일자로 허여된 미국특허 제 6,821,795 호, 2007년 2월 6일자로 허여된 미국특허 제 7,172,918 호, 2006년 3월 14일자로 허여된 미국특허 제 7,011,614 호, 2006년 10월 31일자로 허여된 미국특허 제 7,129,519 호 및 2008년 4월 1일자로 허여된 미국특허 제 7,351,976 호에 기술되어 있으며, 이들 모든 미국특허는 호세 아르노의 명의이다. 이러한 특허 전부의 개시내용은, 모든 목적을 위해 본원에서 그 전체를 참고로 인용한다.
본원의 배경기술에서 논의한 바와 같이, Ti:TiN 층 상의 텅스텐의 침착에서 가스상 핵형성(GPN) 및 Ti:TiN 공격의 발생을 피하는 것이 바람직하다. 본 발명은, GPN 및 Ti:TiN 공격의 최초 발생(개시)을 결정하고, 이러한 모니터링 없는 해당 텅스텐 CVD 공정에 비해 이러한 GPN 및 Ti:TiN 공격의 감소 및 바람직하게는 제거를 달성하도록 텅스텐 CVD 공정의 공정 조건을 즉각-응답 방식으로 조정하도록, 텅스텐 CVD 공정의 유출물 가스 혼합물을 모니터링함으로써 이러한 문제점을 해소한다. 이로서, 본 발명은, 활성 CVD 공정이 GPN 및 Ti:TiN 공격이 거의 또는 전혀 없이 수행되도록 한다.
도 1은 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6) 및 실란(SiH4)이 개별적으로 Ti 라이너(Ti:TiN 층 구조물)를 갖는 받침대를 그 위에 포함하는 증착 챔버로 유동하는, 텅스텐 CVD 공정 시스템의 개략도이며, 여기서 공정 조건은 하기 반응식 2의 Ti 공격 반응을 선호한다.
[반응식 2]
WF6 + TiN = TiF4 + W + HF
여기서, WF6는 Ti 라이너를 공격하여, 반응 부산물로서 TiF4 및 HF를 제조한다.
도 2는, 하기 반응식 1의 반응을 선호하도록 공정 조건을 바꾼, 도 1의 텅스텐 CVD 공정 시스템의 대응 개략도이다:
[반응식 1]
WF6 + SiH4 = W(WSi) + SiF4 + H2 + HF
여기서, 가스상 핵형성이 발생하여, 반응 부산물로서 텅스텐 실리사이드(WSi), SiF4, H2 및 HF가 형성된다.
도 1 및 도 2 CVD 공정 시스템 조건으로 설명되는 작동적 과제는, GPN 및 Ti 라이너 공격이 없는 공정 조건 체제를 달성 및 유지하는 것이다. 이러한 작동 체제는 안정적으로 유지하기 어려운데, 그 이유는 임의의 상당한 공정 조건 변동이 GPN 또는 Ti 라이너 공격을 발생시킬 수 있기 때문이다. 따라서, GPN 및 Ti 라이너 공격 상태 간에는 좋은 균형점이 있다.
도 3은, 광대역 적외선(IR) 공급원이, 다성분 가스 혼합물이 유동하는 가스 셀을 통해 적외선을 투과하도록 배열된, 열전퇴 적외선(TPIR) 검출기의 개략도이다. 따라서, 상기 셀을 투과한 방사선은, 가스 혼합물내 가스 종에 의한 방사선의 반사, 흡수 및 산란을 포함한 방식으로 상기 셀에서 가스 종과 상호작용하여, 상기 셀로부터 방사선 출력물을 유발하고, 이는 그다음 좁은 밴드갭 적외선 필터에 의해, 가스 혼합물의 잠재적 성분들에 대한 관심 스펙트럼 영역으로 여과된다. 그다음, 결과물인 여과된 방사선을 TPIR 검출기 구성요소 상에 조사하여, 상기 스펙트럼 영역내 방사선-상호작용 출력물을 생성하는 해당 가스 종의 존재 및 농도를 나타내는 관심 스펙트럼 영역 각각에 대한 출력 DC 신호를 생성한다.
도 3에서 도시한 TPIR 시스템의 민감도는, 예를 들어 일련의 거울들 및/또는 렌즈들을 사용하여 가스 셀내 가스 혼합물을 통한 방사선 경로의 증가된 유효 길이를 제공하여, 적외선 경로의 길이를 증가시킴으로써 개선될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 하나의 실시양태에서 본 발명에 따라 텅스텐 CVD 공정 시스템에서 사용될 수 있는 TPIR 모니터링 장치의 투시도이다. 모니터링 장치는, 텅스텐 CVD 시스템으로부터 가스 혼합물을 수용하는 가스 혼합물 주입구, 및 공정 시스템에서 재순환 또는 다른 배치를 위해 모니터링된 가스 혼합물을 배출하기 위한 가스 혼합물 배출구를 포함한다. 가스 혼합물 주입구와 가스 혼합물 배출구 사이에는, 가스 셀이 존재하는데, 이 가스 셀을 통해, CVD 시스템으로부터의 가스 혼합물이, 상기 셀을 통과한 적외선과 상호작용하기 위해, 유동된다.
도 4 장치내 적외선은, 관심 가스 혼합물 성분(들)에 대한 적외선 스펙트럼의 적합한 스펙트럼 영역에서 적외선 공급원으로부터 발생시킨다. TPIR 검출기는 적외선 공급원에 대해 마주보도록 배열된다. 도 4 장치의 TPIR 검출기는 적외선 공급원과 일렬인 것으로 도시되어 있지만, TPIR 검출기가 적외선 공급원과 일련의 레지스트레인션이 아닌 다른 배열이 사용될 수 있고, 대신 출력 방사선이 가스 셀로부터 검출기를 지향하도록 위치된 일련의 거울들, 렌즈들 등에 의해 다른 위치에서 가스 셀로부터의 출력 방사선을 수용함을 인식할 것이다.
본 발명의 TPIR 모니터링 장치에 검출기를 사용하여 가스상 핵형성 또는 Ti 공격 상태의 개시를 감지하고, GPN 또는 Ti 공격의 발생 또는 지속이 텅스텐 침착 공정 동안 배제되도록 텅스텐 CVD 공정 조건을 조정하기 위한 즉각-응답 방식으로 출력물을 생성한다. GPN의 개시를 감지하기 위해서, TPIR 검출기의 입자에 대한 검출능은 유리하게는 크기(직경) 측면에서 0.2㎛ 정도로 작다.
TPIR 장치의 검출기는 유리하게는 CVD 공정의 유출물을 모니터링하도록 배열되어, GPN 또는 Ti 공격 개시로부터 유발되는 반응 생성물 종을 가스 셀을 통과한 유출물 스트림에서 검출하고, 해당 출력물을 발생시켜, 비-GPN 및 비-TI 공격 CVD 작동을 수립 또는 재수립한다.
따라서, TPIR 검출기는 텅스텐 CVD 시스템의 피드백 제어를 제공하여, CVD 작동이 비-GPN 및 비-Ti 공격 체제로 유지되도록 한다. 본 발명의 TPIR 모니터링 장치는 CVD 시스템에 대해 종말점 모니터링능을 제공하도록 설정되어, CVD 공정의 종말점을 나타내는 유출물 가스 조성을 감지하고 TPIR 장치가 모니터링 작동 및/또는 CVD 공정을 종결하기 위한 제어 신호를 즉각-응답 방식으로 출력한다.
TPIR 모니터링 장치는 유출물 특징(예를 들어, 농도 및 일시적 프로파일)과 GPN 또는 Ti 공격 사건들의 상관관계에 기초하여 CVD 유출물 가스 스트림을 모니터링하도록 유리하게 배열된다. 정상 텅스텐 CVD 공정 및 GPN 사건 관련 화학은 충분히 상이하여, 가스 유출물 종(예를 들어, WF6, SiF4 및 SiH4)의 농도를 모니터링함으로써 TPIR 장치는 이러한 작동 상태를 구별하고, CVD 시스템에서 현재 진행중인 이러한 정상 상태 및 GPN 상태 중 구체적인 하나와 상관관계를 갖는 출력물을 발생시킨다.
이러한 목적을 위한 TPIR 모니터링 장치는, GPN 상태하에서 출력 알람 신호 및/또는 다른 제어 신호를 제공할 모니터링 작동에서 소프트웨어 알고리즘을 수행하도록 프로그램적으로 배열될 수 있다.
해당 모니터링 고려사항 및 배열은, Ti 공격 상태에도 유사하게 적용가능하다.
도 5는, 또다른 실시양태에 따른 TRIP 모니터링 장치의 사시도로서, 폐쇄 부재와 결합하기 위한 플랜지 말단을 갖는 중심 가스 셀 및 CVD 시스템의 유동 회로망과 결합하기 위한 플렌지 말단을 갖는, 방사상 연장된 주입구 및 배출구 경로를 도시한다. 적외선 공급원은 상기 장치의 상부 말단에 존재하고, 그의 맞은편에는 상기 장치의 하부 말단에 TPIR 검출기 조립체 모듈이 존재하고, 상기 공급원과 검출기 구성요소들 각각은 가스 셀의 내부 용적과 연통되어 있는 관형 부재와 연결된다.
하나의 양태에서의 TPIR 장치는, CVD 시스템의 펌프 라인 상에 설치된 것으로, 표준 스풀 피스 위에 13인치의 방사선 경로를 갖는 단일 패스 방사선 투과능을 갖는다.
도 6은, 본 발명의 하나의 실시양태에 따라 텅스텐 CVD 시스템내 WF6, SiH4 및 SiF4를 모니터링하도록 배열된 TPIR 검출기의 모니터링 출력물의 그래프로서, 여기서 상부 스펙트럼 출력물은 SiF4이고, 중간 스펙트럼 출력물은 WF6로서 그의 피크는 SiF4 출력물과 밀접하게 매칭되지만, SiF4 출력물보다 깊은 홈이 있고, 바닥의 스펙트럼 출력물은 SiF4이다.
도 7은, 0.7초의 모니터링 시스템 지연, 및 50sccm의 SiH4 유속과 300sccm의 WF6 유속으로 작동하는 텅스텐 CVD 시스템에 대한 TRIP 모니터링 장치의 모니터링 데이타의 그래프이다. 약 11:11AM 및 11:20 AM 직후에서의 약 100유닛(임의 출력 스케일)을 갖는 출력 피크를 갖는 스펙트럼은 WF6 스펙트럼이고, 11:14 AM과 11:19 AM 사이에서 약 100 유닛 초과의 3개의 피크를 갖는 스펙트럼은 SiF4 스펙트럼이다. 이러한 피크들은, 개별적인 스펙트럼이, GPN 상태를 모니터링하기 위한 능력을 정량적으로 충분히 제공할 수 있음을 나타낸다.
텅스텐 CVD 시스템내 본 발명의 모니터링 장치의 특정 테스트에서, 10개의 상이한 가스 혼합물의 레시피를 평가하였고, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 도 8의 그래프에서, +부호 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않았음을 나타낸다. 외관 조사(Eye inspection; EI) 결과는, GPN이 EI 결정에 의해서 명백히 보이는 경우에는 적외선 검출에서도 명백함을 나타내는 데이터와의 상관 관계를 보여준다.
이러한 또는 다른 실증적 결과는, GPN이, WF6보다 일찍 제공되는 과량의 SiH4 또는 SiH4에 의해 야기된다는 점 및 SiF4 및 WF6의 피크 높이의 변화는 GPN과 상관관계를 보여줄 수 있다는 점을 나타낸다. 따라서, 타이밍 뿐만 아니라 SiH4 및 WF6의 농도는 GPN에 있어서 중요하다. 모니터링 작동은 웨이퍼 프로세싱 작동의 어떠한 장애도 수반하지 않으며, 연속적인 모니터링이 용이하게 수행된다.
본 발명의 TPIR 모니터링 장치에서, 가스 셀은 단일-패스(single-pass) 또는 다중-패스 특성을 가질 수 있다. 도 9는, 도면의 왼손측에서 적외선 공급원이 적외선 빔을 방출하고, 이것이 가스 셀을 통해 수회 반사된 후, TPIR 검출기에 도달하는, 거울의 다중-패스 배열을 나타낸다.
도 10은, 모니터링 장치의 광학장치가 가스 유동에 직접 노출되지 않고 방사선 경로 길이가 8배 증가한, 인라인 다중-패스 셀 배열의 사시도이고, 도 11은 그의 전방 전면도이다.
도 12는, 20 웨이퍼 로트에 대한, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의 웨이퍼 프로세싱 데이타의 그래프로서, 이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 포함하고, 상기 그래프는 3개의 스펙트럼의 구별되는 특징을 나타낸다.
도 13은, 0.7초의 모니터링 장치 지연, 및 40sccm의 실란 유속과 250sccm의 텅스텐 헥사플루오라이드 유속의, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치의, TPIR 모니터링 데이타의 그래프로서, 이는 상부의 SiF4 스펙트럼, 중간의 WF6 스펙트럼, 및 하부의 SiH4 스펙트럼을 나타낸다. 상기 데이타는 또다시 3개의 스펙트럼의 차이나는 특성들을 나타낸다.
텅스텐 CVD 시스템내 본 발명의 모니터링 장치의 또다른 테스트에서, 9개의 상이한 가스 혼합물 레시피를 평가하였고, 그 결과를 도 14에 나타냈다. 도 14 그래프에서, +부호 막대는 어떠한 GPN도 발생하지 않음을 나타내고, -부호 막대는 GPN이 발생함을 나타낸다. 도 14의 데이타는, 강한 GPN 및 비-GPN 사건을 확인하는 것이 가능함을 나타낸다.
본 발명의 TPIR 장치의 실증적인 테스트는, SiH4 유속, 및 SiH4과 WF6 수송간 지연 시간이 GPN를 야기하는 2개의 주요 인자임을 나타낸다. 본 발명의 TPIR 장치는 10ppm의 농도로 SiF4 및 WF6가 감소되는 것을 정확하게 측정하고, SiH4의 양과 생성된 SiF4 양의 상관관계를 보여줄 수 있다. 전형적인 지연 조율 범위는 0.7 내지 1.0초이고, 0.1초 이하의 크기에 대한 정확도가 요구된다.
따라서, 본 발명의 TPIR 장치는 텅스텐 CVD 공정으로부터의 유출물에서 가스 종(SiF4, WF6, SiH4)을 모니터링함으로써 가스상 핵형성의 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 이러한 가스의 농도 뿐만 아니라 이들의 출현/소멸 속도와 이들의 농도차는, 텅스텐 CVD 시스템의 CVD 시스템에서 발생되는 반응의 유형을 나타내는 척도 및 CVD 챔버에서 가스상 핵형성이 발생하는지 여부의 조짐을 제공한다.
전술한 내용은 TPIR 장치가 CVD 시스템으로부터 유출물을 분해하기 위한 펌프 라인의 모니터링을 위해 배열되는 TPIR 장치의 CVD 시스템 배열에 관한 것이지만, 보다 높은 농도 및 보다 정확한 타이밍을 모니터링할 수 있는 CVD 챔버로의 가스 수송 라인의 모니터링을 위해 TPIR 장치를 배열하는 것이 가능하다. 예를 들어, CVD 챔버로의 유입 SiH4 수송 라인을 모니터링하여, 실란의 개선된 검출을 제공할 수 있다.
본 발명의 모니터링 장치에서 적외선 공급원 및 적외선 센서 사이의 다중-패스 셀을 사용하면, 상기 장치의 민감성을 보다 개선시킬 수 있고, 그의 검출 시간을 보다 줄일 수 있다. TPIR 모니터링 장치에서 거울을 사용하여 상기 거울을 셀내 유동 스트림에 노출시키는 배열에서, 부식 환경에서 우수한 반사성을 갖는, 예를 들어 니켈 또는 다른 방식성 물질의, 거울 위로의 방식성 코팅이 유리하게 사용될 수 있다.
도 15는, 5회 패스의 적외선 빔이 달성된 본 발명의 또다른 양태에 따른 다중-패스 셀의 개략도이다. 적외선의 빔 앵글을 변화시킴으로써, 상기 장치에서 보다 많은 패스가 달성될 수 있다.
도 16은, 적외선 공급원과 TPIR 검출기(센서) 사이에 위치한 원통형 파이프 내부에 거울들이 장착되어 있어서, 연장된 방사선 경로 길이를 제공하는, 또다른 다중-패스 셀 배열의 개략도이다.
도 17은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포함하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiF4 신호와 SiH4 유속의 상관관계를 나타내는, SiF4 신호 대 SiH4 유속의 그래프이다.
도 18은, 본 발명의 TPIR 모니터링 장치를 포함하는 텅스텐 CVD 시스템에서, SiH4 유속 대 WF6 유속의 비와 SiH4 신호 대 WF6 신호의 비의 상관관계를 나타내는 SiH4 유속 대 WF6 유속의 비의 함수로서 SiH4 신호 대 WF6 신호의 비의 그래프이다.
본 발명에서, TPIR 유닛에 의해 검출된 가스 종을 알고리즘적으로 특징화하기 위한 다양한 접근법을 고려한다. 이러한 접근법들은, 중심 프로세싱 유닛, 예를 들어, TPIR 장치에 의해 샘플화된 가스내 관심 가스 종의 알고리즘적 검출을 수행하도록 이행가능한 프로그램, 펌웨어 등을 포함하는, 프로그램가능한 로직 컨트롤러, 마이크로프로세서, 컴퓨터 또는 서버(메모리 또는 기타 데이타 캐리어)에 의해, 수행될 수 있다. 가스 종은, TPIR 장치에 의해 모니터링되는 공급원 물질, 반응물, 반응 생성물 또는 스펙트럼내 기타 종을 포함할 수 있다. 이렇게 특별히 개조된 기기가, 예를 들어 본원의 도 5에서 도시한 유형과 같은, TPIR 검출기-함유 모듈에 매립될 수 있다.
본 발명은 하나 이상의 관심 가스 종을 함유하는 가스 스트림에 대한 적용례에 대해 주로 기술하고 있지만, 본 발명은 이러한 적용가능성으로만 한정되지 않는다는 점 및 본 발명은, 가스 및/또는 액체 및/또는 고체 성분들을 함유하는 스트림의, 가스 및/또는 액체 및/또는 고체 성분들, 또는 액체 성분 및/또는 고체 성분과 같은 다른 종을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 동일한 양태에서, 다른 형태의 물질들, 예를 들어 플라즈마 종, 흡착 종, 나노입자 복합 물질 등이, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 모니터링될 수 있다.
실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6을 함유하는 가스 스트림에서의 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출과 관련된 하나의 양태에서, TPIR 모니터링 장치는, 본원의 도 19에서 WF6 및 SiF4의 스펙트럼에서 도시한 바와 같이, 모니터링 셀의 방사선 출력 스펙트럼에서 이러한 성분들의 피크 높이를 검출하기 위해 프로그램가능하도록 배열될 수 있다.
이러한 모니터링 작동에서 SiF4 및 WF6의 피크의 높이(HWF6 및 HSiF4)를 측정함으로써, 상기 모니터링 장치는 GPN 및/또는 Ti 공격을 예측가능하다. 이러한 예측은 또한 GPN 및/또는 Ti 공격에 대한 개시 상태를 결정하는, SiF4 및 WF6의 피크 높이 차이(HWF6 - HSiF4) 또는 피크 높이 비(HWF6/HSiF4)를 측정함으로써 유도될 수 있다.
실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6을 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출과 관련된 또다른 양태에서, TPIR 모니터링 장치는, 본원의 도 20에서 도시한 상기 성분들의 스펙트럼에서와 같이, 모니터링 셀의 방사선 출력에서의 상기 성분들의 스펙트럼 곡선의 피크 면적을 검출하기 위해 프로그램가능하도록 배열될 수 있다.
이러한 모니터링 작동에서 SiF4 및 WF6의 피크 면적(곡선 하부 면적 또는 AUC)를 측정함으로써, 모니터링 장치는 GPN 및/또는 Ti 공격을 예측할 수 있다. 이러한 예측은 또한, GPN 및/또는 Ti 공격의 개시 상태를 결정하기 위해서 SiF4 및 WF6의 AUC 차이(AUCSiF4 - AUCWF6) 또는 AUC 비율(AUCSiF4/AUCWF6)을 측정함으로써 유도될 수 있다.
실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6을 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출과 관련된 추가의 양태에서, TPIR 모니터링 장치는, 본원의 도 21에서 도시한 이러한 성분들의 스펙트럼에서 도시한 바와 같이, 모니터링 셀의 방사선 출력물에서 이러한 성분들의 스펙트럼 곡선의 기울기(S; SSiF4 및 SWF6)를 측정하기 위해서 프로그램가능하도록 배열될 수 있다.
이러한 모니터링 작동에서 SiF4 및 WF6 스펙트럼의 곡선의 기울기를 측정함으로써, 모니터링 장치가 GPN 및/또는 Ti 공격을 예측할 수 있다. 이러한 예측은, 또한 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시 상태를 결정하기 위해서, SiF4 및 WF6의 기울기의 차이(SSiF4 - SWF6) 또는 기울기의 비율(SSiF4/SWF6)을 측정함으로써 유도될 수도 있다.
WF6 및 SiF4 스펙트럼 곡선의 기울기는, 텅스텐 CVD 공정의 반응 속도를 반영하기 때문에, 유용하게 사용될 수 있고, GPN 상태에 대한 이러한 성분들의 스펙트럼 곡선은 전형적으로 웨이퍼 표면 상의 텅스텐의 정상(GPN-부재 및 Ti-공격 부재) 침착의 상태에서 수득된 스펙트럼 곡선과는 상당히 상이하다.
실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6을 함유하는 가스 스트림내 GPN 및/또는 Ti 공격의 검출과 관련된 또다른 양태에서, TPIR 모니터링 장치는, 도 22의 WF6(상부 곡선) 및 SiF4(하부 곡선)의 스펙트럼 곡선에서 도시된 바와 같이, 단순히 피크의 진폭이 아니라, 임의의 구체적인 시점에서의 피크 높이를 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열될 수 있다. 구체적인 시점에서의 피크 높이의 이러한 모니터링은, GPN 및/또는 Ti 공격의 개시를 결정하는데 상당히 유용할 수 있는데, 이는 가스들의 상대적 농도가 공정 중 임의의 시점에서 변하여 GPN 또는 Ti 공격을 야기할 수 있기 때문이다.
WF6 및 SiF4 스펙트럼 곡선의 피크의 일시적 흔적은, GPN 및/또는 Ti 공격을 야기할 수 있는 또다른 인자인, 가스 분해의 타이밍을 반영할 수 있다.
따라서, 스펙트럼의 "시간 슬라이스"(ΔH)는 WF6 및 SiF4 스펙트럼 곡선 각각에 대해 수득가능하고, 독립적으로 또는 총체적으로(예를 들어, 차이 또는 비율로서) GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 상관관계를 결정하기 위해서 사용될 수 있다.
실리콘 테트라플루오라이드(SiF4) 및 WF6을 함유하는 가스 스트림의 GPN 및/또는 Ti 공격의 개시의 검출과 관련된 또다른 추가의 양태에서, TPIR 모니터링 장치는, 도 23에서 도시한 스펙트럼 곡선들(상부 곡선 WF6, 중간 곡선 SiF4, 및 하부 곡선 SiH4)에서와 같이 실란(SiH4)을 모니터링하기 위해서 프로그램가능하도록 배열될 수 있다.
이러한 모니터링 모드는, 텅스텐 CVD 동안 SiH4가 전형적으로 완전히 소모된다는 점에 기초한다. 따라서, GPN 및/또는 Ti 공격의 지시자로서 임의의 잔류 SiH4가 사용될 수 있다.
전술한 모니터링 배열의 실시에서, 예를 들어 도 5에서 도시한 장치의 하단부에 도시한 바와 같이, 모니터링 검출 모듈을 구성하여, GPN 및/또는 Ti 공격을 억제 또는 제거하도록 CVD 공정을 조절하기 위한 출력 신호를 제공하는 CPU를 모듈의 일부로서 도입하는 것이 바람직할 수 있음에 주목한다. 이러한 CPU가 유용하게 도입되거나 GPN 및 Ti 공격의 개시의 스펙트럼 또는 스펙트럼 특징을 포함하는 데이타베이스와 연계 결합될 수 있어서, GPN 또는 Ti 공격의 개시가 현재 발생하였는지 및 이러한 GPN 또는 Ti 공격이 초기인지 여부를 결정하고, 그다음 이러한 GPN 또는 Ti 공격 거동을 피하도록 CVD 공정의 조정을 위한 출력물을 제공하기 위해, 상기 데이타베이스에, 현재 모니터링 스펙트럼 또는 스펙트럼 특징을 매칭할 수 있거나, 다르게는 상관관계를 밝히거나 프로세싱할 수 있다.
상기 출력물 및 CVD 공정의 결과적인 조정은 임의의 적합한 공정 조건(예를 들어, 프로세싱 챔버로 유동되는 가스들 또는 개별적인 가스 종의 압력, 온도, 유속 및 조성)의 임의의 적합한 변화를 포함할 수 있다. 따라서, 텅스텐 CVD에 대한 적용례에서, 실란 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 상대적 유속은, 샘플링 셀로부터의 출력 방사선의 모니터링 감지에 대한 반응으로 조절될 수 있어서, 증착 챔버내 가스 혼합물의 가스상 구성은 GPN 또는 Ti 공격을 유도하지 않으며, 이로써 증착 공정을 통해 정상 작동이 유지될 수 있다.
GPN 및 Ti 공격 상태를 억제 및 피하기 위한 공정 시스템의 조정은, 본원의 개시내용에 기초하여 당업계의 기술인, 통상적인 신호 프로세싱, 투과 및 제어 구성요소들(예를 들어, 유동 제어 밸브 및 밸브 작동기 조립체, 압력 변환기, 열전쌍 센서 등)을 사용하는 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다.
또다른 양태에서 본 발명의 TPIR 모니터링 시스템은, GPN 및 Ti 공격 상태를 피하도록 공정 시스템의 제어 및 모니터링 작동의 해결능을 증가시키기 위해서, 데이타 분석을 위한 시스템 및 알고리즘을 구현한다.
TPIR 모니터는, 고온 필라멘트 적외선 공급원 및 열전퇴 적외선 검출기를 사용한다. 온도 변화를 측정하는 기능의 열전퇴 검출기의 특성으로 인하여, 적외선 검출기는 입사 적외선 광 뿐만 아니라 CVD 공정의 주변에서의 주변 온도 변화에도 민감하다. 추가로, 주변 광 및 전자제품(예를 들어, 전원 공급기)으로부터의 화이트 노이즈(white noise)도 적외선 모니터링 작동에서 신호-대-노이즈 수준에 잠재적으로 부정적인 영향을 미치도록 작동한다.
따라서, 이러한 추가 양태에서의 본 발명은, TPIR 모니터링 시스템으로부터의 신호를 검량하기 위한 알고리즘 접근법을 사용하는데, 상기 알고리즘 접근법은, 모니터링 및 제어 시스템의 프로세서 및 다른 구성요소와 회합될 수 있되, 그 안에 데이타 분석 알고리즘 및 관련 모니터링 및 제어 작동 지침이 저장되어 있는, 예를 들어 메모리 유닛(예를 들어, RAM, ROM, PROM 소자)에 포함되는 것과 같은, 데이타 분석 알고리즘을 사용하여, 모니터링, 데이타 분석 및 제어 기능을 수행하도록 프로그램가능하도록 배열된 모니터링 및 제어 시스템에 의해 수행되되, 여기서 상기 프로세서는 데이타 분석 알고리즘 및 관련 모니터링 및 제어 작동 지침을 접근 및 이행하도록 배열된다. 선택적으로, 데이타 분석 알고리즘 및 관련 모니터링 및 제어 작동 지침은 컴퓨터-판독가능 매체, 예를 들어 디스크, 메모리스틱, 또는 기타 데이타 캐리어 소자에 저장되어, 상기 데이타 캐리어 장치 상에 저장된 모니터링, 데이타 분석 및 제어 기능을 수행하도록 개조된 컴퓨터 시스템에서 사용될 수 있다.
TPIR 모니터링 및/또는 제어를 위한 본원에서 또는 이후에 기술한 방법 및 기법은, 예를 들어, 메모리 유닛 및/또는 데이타 캐리어 소자에 의해, 관련 프로세서 및 모니터링 및 제어 시스템의 다른 구성요소들과 함께, 앞서 기술한 바와 같이 본 발명의 폭넓은 수행에서 수행될 수 있는 것으로 고려됨이 인식될 것이다.
TPIR 모니터링 시스템으로부터의 신호를 검량하기 위한 이러한 알고리즘 접근법은, 예시적인 적용례와 관련하여 하기에서 설명된다.
모니터링 셀의 방사선 출력 신호는, 주변 라디오 주파수 노이즈로 인하여 급등부를 가질 수 있다. 이러한 주변 노이즈는 쉽게 제거할 수 있는데, 이는 대부분의 급등부가 본질적인 모니터링 신호에 비해 상당히 크기 때문이다. 도 24는 CVD 공정 시스템내 모니터링 셀의 방사선 출력 신호에 대한 미프로세싱(raw) 데이타의 그래프를 도시하고, 도 25는 급등부가 제거된 해당 신호 출력물을 도시한다. 출력 신호는 실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드, 실란 및 기준 신호("REF")에 대한 스펙트럼을 포함한다.
급등부 제거 방법을 위한 해당 코드는 하기와 같다:
코드:
출력물로부터 급등부를 이렇게 제거한 후에도, 주로 모니터링 및 CVD 공정 시스템의 관련 전자 제품으로부터의 소위 "쇼트 노이즈(short noise)" 때문에, 데이타에는 여전히 노이즈가 존재한다. 상기 데이타를 평활화하기 위하여, 50의 평활화 값(smoothing term)에 의한 2항 평활화 알고리즘이 사용된다. 해당 코드는 하기와 같다:
코드:
이러한 데이타 평활화 작업은, 도 24 및 25에 도시한 동일한 스펙트럼 성분 및 기준에 대해(실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드, 실란 및 "REF" 기준 신호), 도 26에서 나타낸 데이타를 평활화하기 위해서 사용되고, 해당 평활화된 데이타는 도 27에 나타낸다.
나타낸 바와 같이, TPIR 검출기는 주변 온도 변화에 민감하고, 이러한 가변성 온도를 보상하기 위하여 온도 보정 작업이 유리하게 사용된다. 주변 온도는 모니터링 셀의 출력 신호의 기준선의 큰 변화를 도입하여, 후속적인 분석을 어렵게 할 수 있다. TPIR은, 예를 들어 실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드 및 실란의 모니터링에 대한 예시적인 경우에 있어서, 기준 채널을 포함해서, 4개의 채널은 갖고, 여기서 기준 채널은 나머지 화학 시약 채널을 검량하기 위해서 사용된다.
TPIR 모니터링 시스템에 의해 경험되는 주변 온도 변화는, 검출기의 모든 4개의 채널에 있어서 동일한 경향의 신호 변화를 도입한다. 검출기 설정이 동일하게 유지되는 한, 채널 2, 3 및 4(각각 실리콘 테트라플루오라이드, 텅스텐 헥사플루오라이드 및 실란)에서의 신호 변화는 채널 1(기준 채널)에 비례한다. 채널 2, 3 및 4의 기울기 및 오프셋이 채널 1을 기준으로 계산되는 경우, 그 결과는, 모니터링 시스템의 온도 보정에 대해 사용될 수 있다. 상응하는 코드는 하기와 같다:
코드:
여기서, Ch는 채널이다.
도 28은, 기울기 및 오프셋을 계산하기 위한, 채널 4에 대한 채널 3의 선형 피팅의 그래프이다.
그다음, 하기 코드를 사용하여 온도 보정이 수행된다:
코드:
도 29는, 온도 보정 이전에 4개의 채널에 대한 스펙트럼 플롯을 도시한다. 도 30은, 온도 보정 후, 해당 스펙트럼을 나타낸다. 온도 보정 후에도 기준선에는 여전히 일부 만곡부를 가질 수 있지만, 이러한 만곡부는 추가 데이타 분석에 영향을 미치지 않을 것으로 보인다.
상기 데이타로부터 의미있는 정보를 추출하도록, 각각의 개별적인 웨이퍼의 CVD 공정에 해당하는 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 피크가 확인되어야만 한다. 웨이퍼에 있어서 피크의 위치는, 임의의 적합한 피크 검색 알고리즘을 사용하여 달성할 수 있다. 예를 들어, 신호 (n + A) - 신호(n)(여기서, A는 미리-정의된 파라미터이다)의 막대 그래프를 포함하는 단순 피크 검색 알로리즘이 사용될 수 있다. 채널 2(실리콘 테트라플루오라이드) 또는 채널 3(텅스텐 헥사플루오라이드)이 각각의 검색을 위해 사용될 수 있다. 해당 코드는 하기와 같다:
코드:
텡스텐 헥사플루오라이드 신호의 검색에 의해 수득된 피크 검색 결과의 그래프는 도 31에 도시된다.
그다음, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 피크 높이는 최소 검색으로 계산된다. 종종 기준선이 여전히 만곡부를 보유할 수 있기 때문에, 피크 높이를 보정하기 위해서는 기준선 보정을 하는 것이 필요하다. 해당 코드는 하기와 같다:
코드:
실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드의 피크 높이의 결과 그래프는 도 32에 도시되어 있다.
TPIR 모니터링 시스템 데이타로부터 피크 높이를 추출한 후, 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드 신호의 차이에 기초하여, 시스템은, GPN 경고를 출력할지 여부를 결정할 수 있다. 전형적으로 SiF4 신호가 클수록, 이는 실란이 과량이고 이러한 상태하에서는 GPN이 발생하기 쉽다는 것을 의미한다. 따라서, 경고 또는 웨이퍼 프로세싱 종결이 필요하다. 이러한 작업을 위한 해당 코드는 하기와 같다:
코드:
도 33은, 개별적인 실리콘 테트라플루오라이드 및 텅스텐 헥사플루오라이드 출력 신호와 함께 SiF4와 WF6 사이의 피크 높이 차이의 그래프이다. 도 33에 데이타가 도시된 시스템은 GPN 문제를 보유하지 않는다.
텅스텐 헥사플루오라이드 CVD 시스템의 GPN 모니터링과 관련하여, 전술한 알고리즘 데이타 분석 방법을 예시적으로 설명하였다. 그러나, 이러한 알고리즘 방법은 GPN 모니터링 적용례로 한정되지 않고, 다른 TPIR 모니터링 적용례에서는 기준선 및 온도 보정 절차 뿐만 아니라 피크 검색 및 피크 높이(면적) 계산이 사용될 수 있다. 예를 들어, 데이타 분석 알고리즘 방법은, 유출물 농도를 계산하기 위해서 사용될 수 있고, 일시적 프로파일을 사용하여 화학 공정 모니터링 또는 다른 적용례에서 동력학적 속도 또는 기타 시간-민감성 정보를 계산하는데 사용될 수 있다.
전술한 알고리즘 데이타 분석 방법은, 열전퇴 적외선 검출 시스템으로 하여금 주변 라디오 주파수 노이즈, 전자제품으로부터의 쇼트 노이즈, 및 주변 온도 변동을 검량하고 이들을 보정하도록 한다.
하나의 실시양태에서, 데이타 분석 방법은,
모니터링 셀로부터 TPIR 모니터링 출력물을 발생시키고;
주변 라디오 주파수 노이즈 급등부를 제거하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
2항 평활화 알고리즘을 사용하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 평활화시켜 제 2 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
가스 셀에서 모니터링된 출력 성분들의 신호에 대한 기울기 및 오프셋 값을 계산하고;
모니터링된 성분들의 기울기 및 오프셋을 사용하여 제 2 보정된 출력물을 온도-보정하여 제 3 보정된 출력물을 생성하고;
제 3 보정된 출력물의 피크 검색 알고리즘을 수행하여 출력 성분들의 피크 높이를 계산하여, 이러한 출력 성분들의 피크 높이를 발생시키고, 이러한 출력 성분들의 피크 높이 차이로부터, 모니터링과 관련된 공정이 사전결정된 작동 체제 내에 있는지 여부를 결정하고;
공정의 하나 이상의 작동 파라미터의 조절에 의해 공정을 상응하게 조정함
을 포함한다.
예를 들어, 텅스텐 CVD의 경우의 사전결정된 작동 체제는, GPN 및/또는 Ti 공격 부재 체제일 수 있고, 공정이 목적하는 작동 체제로 재설정되도록 하는 제어 단계의 수행 이외에, 이러한 사전결정된 체제 밖에 있는 것으로 결정된 공정 조건이 출력 알람을 발생하도록 배열될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 공정으로부터 물질을 수용하도록 개조된 모니터링 셀을 포함하는 TPIR 모니터링 및 제어 시스템을 사용하여, 사전결정된 작동 체제로 공정을 제어가능하게 유지하는 방법으로서,
모니터링 셀내 물질이 모니터링 시스템에 의해 발생된 적외선과 상호작용하고, 이러한 상호작용으로부터 유래된 적외선이 TPIR 모니터링 및 제어 시스템의 TPIR 검출기에 의해 모니터링 셀로부터의 TPIR 모니터링 출력물로서 검출되고,
방법이,
모니터링 셀로부터 TPIR 모니터링 출력물을 발생시키고;
TPIR 모니터링 출력물로부터 주변 라디오 주파수 노이즈 급등부를 제거하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
2항 평활화 알고리즘을 사용하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 평활화시켜 제 2 보정된 데이타 출력물을 생성하고;
모니터링 셀에서 모니터링된 물질 성분들의 신호에 대한 기울기 및 오프셋 값을 계산하고;
모니터링된 물질 성분들의 기울기 및 오프셋을 사용하여 제 2 보정된 출력물을 온도-보정하여 제 3 보정된 출력물을 생성하고;
제 3 보정된 출력물의 피크 검색 알고리즘을 수행하고 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 계산하여, 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 발생시키고, 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이 차이로부터, 모니터링과 관련된 공정이 사전결정된 작동 체제 내에 있는지 여부를 결정하고;
공정의 하나 이상의 작동 파라미터의 조절에 의해 공정을 상응하게 조정하여, 공정을 사전결정된 작동 체제로 유지함
을 포함한다.
이러한 방법에서, TPIR 모니터링 및 제어 시스템은, 상기 방법을 위한 데이타 분석 알고리즘 및 관련된 모니터링 및 제어 작동 지침이 저장되어 있고 상기 지침이 모니터링 및 제어 시스템 프로세서에 의해 접근 및 이행가능한 메모리 유닛을 포함한다.
하나의 구체적인 실시양태의 방법은, 텅스텐 CVD 공정을 포함하고, 사전결정된 작동 체제가 GPN 및/또는 Ti 공격이 없는 공정 작동 체제를 포함한다.
상기 방법은, 공정이 사전결정된 작동 체제를 벗어난 것으로 결정되면, 알람을 출력함을 추가로 포함할 수 있다.
또다른 구체적인 실시양태에서, 상기 방법은, 유출물을 생성하는 화학 공정을 포함하되, 상기 방법으로부터의 상기 물질이 유출물 물질을 포함하고, 사전결정된 작동 체제가 사전결정된 값 미만의 농도의 유출물을 포함한다.
추가 양태의 본 발명은,
모니터링을 위해 물질을 수용하도록 개조된 모니터링 셀;
모니터링 셀내 물질과 상호작용하는 방사선을 방출하여 이러한 상호작용으로부터 출력 적외선을 생성하도록 개조된 적외선 공급원;
출력 적외선을 검출하고, 모니터링 셀에서 모니터링된 물질에 대한 TPIR 모니터링 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시키도록 개조된 TPIR 검출기;
모니터링 셀로부터 TPIR 모니터링 출력물을 발생시키고, TPIR 모니터링 출력물로부터 주변 라디오 주파수 노이즈 급등부를 제거하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 생성하고, 2항 평활화 알고리즘을 사용하여 제 1 보정된 데이타 출력물을 평활화시켜 제 2 보정된 데이타 출력물을 생성하고, 모니터링 셀에서 모니터링된 물질 성분들의 신호에 대한 기울기 및 오프셋 값들을 계산하고, 모니터링된 물질 성분들에 대한 기울기 및 오프셋을 사용하여 제 2 보정된 출력물을 온도-보정하여 제 3 보정된 출력물을 생성하고, 제 3 보정된 출력물의 피크 검색 알고리즘을 실행하고 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 계산하여 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이를 발생시키고, 이러한 모니터링된 물질 성분들의 피크 높이 차이로부터 모니터링과 관련된 공정이 사전결정된 작동 체제 내에 있는지 여부를 결정하도록 배열된 컴퓨터 모듈; 및
공정을 사전결정된 작동 체제로 유지하도록 공정의 하나 이상의 작동 파라미터들을 조절함으로써 공정을 상응하게 조정하기 위한, 컴퓨터 모듈과 결합된 제어기
를 포함하는, TPIR 모니터링 및 제어 시스템에 관한 것이다.
구체적인 실시양태의 TPIR 모니터링 및 제어 시스템은, 데이타 분석 알고리즘 및 관련 모니터링 및 제어 작동 지침이 저장된 메모리 유닛, 및 상기 지침을 접근 및 이행하도록 배열된 프로세서를 포함한다.
본원의 논의는 주로 텅스텐 CVD 공정에 관한 것이지만, 예를 들어, 에피 층 형성, 폴리실리콘 침착, SiN 층의 형성, 및 옥사이드 형성에 대한, 많은 기타 CVD 공정이, 관련 공정 제어 및 입자 형성 문제점을 갖는데, 여기서 본 발명과 관련된 모니터링이 가치있을 수 있다.
본 발명의 모니터링 장치 및 방법론이 유리하게 사용될 수 있는 다른 방법은, 하기의 구체적인 침착 반응의 모니터링을 포함한다:
SiH4 + NH3 → SiN
TEOS + O2 → SiO2
TDMAH(Hf) + TMA (Al) + O3 → HfO2
상기 식에서, TEOS는 테르라에틸오르쏘실리케이트이고, TDMAH(Hf)는 테트라키스(다이메틸아미노)하프늄이고, TMA(Al)는 트라이메틸알루미늄이다.
본 발명의 추가 양태는, 텅스텐 CVD 시스템에서 GPN의 발생을 검출하기 위한 또다른 적외선 모니터링 기법에 관한 것이다.
본원에서 앞서 논의한 것에 상응하도록, 텅스텐 CVD의 화학은 하기 2개의 주요 침착 반응을 포함한다:
SiH4 + WF6 → SiF4 + W + HF
WF6 + H2 → W + HF
SiH4 농도가 WF6 농도보다 많이 높은 경우, SiH4과 WF6의 반응은 가스상으로 발생될 수 있다. 웨이퍼 표면에 텅스텐을 침착하기 전에, 가스상 반응(가스상 핵형성, GPN)은 텅스텐의 미세(수nm 내지 수백 nm 크기) 입자를 형성하며, 이는 웨이퍼 품질을 위협한다. 따라서, 증착 챔버로의 SiH4 및 WF6의 도입 타이밍은, 텅스텐 CVD를 효과적으로 실행하는데 있어서 중요하다. 생산 설비에서, 웨이퍼들은 50 이상의 배치로 프로세싱될 수 있다.
GPN의 발생은, 이러한 전체 배치의 웨이퍼들에 결함을 유발하거나 심지어 이들의 의도된 목적으로 사용할 수 없도록 할 수 있다. GPN이 발생하면, 미세 입자의 "구름"이 전형적으로 층착 장비 챔버 내부에 발생된다.
본 발명은 텅스텐 CVD 작동 도중에 챔버 내부의 가스 용적으로 적외선을 투과하도록 챔버의 윈도우에 배열된 적외선 다이오드 레이저로, 증착 챔버를 모니터링함을 고려한다. GPN "구름"이 발생하면, 레이저 빔은 산란되고, 결과적인 후방 산란 적외선의 파열이 적절하게 위치된 포토다이오드 검출기에 의해 검출될 수 있다.
선택적으로, CVD 챔버에는 서로 마주보는 윈도우가 배열될 수 있는데, 그 중 하나는 레이저 다이오드로부터 적외선의 입사 투과를 위해 배열된 것이고, 다른 하나의 윈도우는, 인라인 또는 다르게는 적합하게 위치된 포토다이오드 검출기(예를 들어, 거울/렌즈 배열이 검출기로 방출 방사선을 유도하기 위해서 사용되는 경우)로의 방출 방사선의 투과를 위해 배열된 것이다. 이러한 투과율 검출 배열에서, GPN의 발생은, 입사 방사선 빔을 약화시키는 작동을 하고, 따라서 검출된 신호는 GPN의 이러한 발생과 상관관계를 가질 것이다.
전술한 적외선 레이저 및 포토다이오드 검출기 배열은, 텅스텐 CVD 설비의 현존하는 제어 시스템과 통합될 수 있고, 비-GPN 상태의 설정을 용이하게 하기 위해서 침착 작동을 중단시키도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 적외선 공급원 및 검출기 장치는, GPN 상태의 존재 또는 부재를 나타내는 출력 신호를 제공하도록 개조될 수 있고, 이러한 출력 신호는, CVD 작동의 중지 없이 비-GPN 상태가 설정되도록, CVD 공정 장비를 제어하는데 사용된다.
앞서 논의한 모니터링 시스템에서 적외선 레이저 공급원을 사용하면, 주변 광에 의한 적외선의 간섭을 피할 것이고, 현존하는 CVD 설비에 용이하게 장착된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 하기 비-제한적인 실시예를 통해 보다 충분히 밝혀진다.
실시예 1
텅스텐 화학 증착(WCVD) 반응 가스를 모니터링함에 의한 가스상 핵형성의 실시간 검출을, 시판중인 WCVD 장비의 전방선(foreline)에 설치된 빌트인 아날로그/디지탈(A/D) 데이타 취득 시스템과 함께 NDIR(non-dispersive infrared) 분광광도계를 사용하여, 수행하였다. 상기 소자는, 깨끗하고 직접적인 광학 경로가 적외선 광 공급원과 검출기 유닛 사이에 존재하는, 반응기의 공정 가스 유동 구간에 설치되었다.
a) 광대역 적외선 공급원, b) 가변성 경로 길이의 샘플화 영역, 및 c) 4-채널 열전퇴 검출기 유닛을 포함하는, 도 3에서 도시한 유형의 TPIR 시스템을 사용하였다. 상기 시스템은 4종의 개별적이고 별도의 가스 종을, 동시에, 모니터링 및 기록할 수 있다. 구체적인 가스 종에 대한 적외선 흡수 밴드과 직접적인 상관관계를 보여주는 각각의 열전퇴 채널을 위해, 좁은 대역-패스 필터가 선택된다. 특정 가스에 대해 여러개의 흡수 파장이 존재파는 경우, 특정 가스들로부터 관찰되는 간섭을 최소화하기 위해서, 상기 시스템에 존재하는 다른 가스들의 흡수와 중첩되지 않도록 파장을 선택하였다.
열전퇴 검출기는, 센서 구성요소에서 일시적 온도 변화를 측정하고, 특정 가스의 흡수로부터 유발되는 입사 적외선 강도와 직접적인 상관관계를 보여주었다. 공지된 농도로 미리 혼합된 가스들로 분광광도계를 검량하였다.
도 34는 SiH4, WF6 및 SiF4의 적외선 흡수 밴드를 포함하는, WCVD 공정 가스 및 WCVD 핵형성 스페이지에 포함된 부산물에 대해 보정된 스펙트럼을 나타낸다. 상응하는 적외선 밴드-패스 필터는, WF6, SiH4 및 SiF4 각각에 대해, ν3(712cm-1에서의 W-F 연신), ν3(2191cm-1에서의 Si-H 연신) 및 v3(1032cm-1에서의 Si-F 연신) 밴드에 매칭되도록 구체적으로 선택되었다. SiF4의 v3 밴드는, 약 1060cm-1에서의 SiH4의 (v1+v2) 조합 밴드와 중첩된다. WCVD 반응의 핵형성 단계 동안 SiH4 반응물이 대량으로 소모되고, 조합 밴드 강도는 일반적으로 상온에서 보다 낮은 자리수(orders of magnitude)를 갖기 때문에, SiF4의 v3 밴드에 대한 SiH4의 (v1+v2) 밴드로부터의 기여도는 무시할 만 한다. 제 4 검출기 채널을 블랭크 오프(blank off)하여, 기준 채널로서 사용하였다.
도 35는, 증착 시스템, TPIR 시스템 및 데이타 취득 시스템의 개략도이다. 이러한 배열은 TPIR 분석 데이타를 수집하는데 사용하기 위한 3가지의 잠재적이지만, 뚜렷한 셋-업(set-up)인, (a) 실제 웨이퍼 프로세싱 챔버를 가로지르는 TPIR 모니터링, (b) 실제 웨이퍼 프로세싱 영역으로부터 하류인 전방선 펌핑 영역을 가로지르는 TPIR 모니터링, 및 (c) 상기 웨이퍼 프로세싱 챔버 이전의 실제 가스 도입 대역 부근의, 가스 혼합 다기관 영역의 배출구에서의 TPIR 모니터링을 제공한다. 공간 및 광학 경로에 대한 고려로 인하여, TPIR 시스템은, 웨이프 프로세싱 챔버의 하류 및 배출 전방선 부분에서, 영역(b)에서 실행된다.
IR 공급원 및 검출기 유닛은 전방선의 스풀 피스의 각각의 측면에 장착되고, 상기 스풀 플랜지는 가스 샘플 영역으로서 사용되었다. 적외선 광은 한쌍의 ZnSe 윈도우를 통해 스풀 플랜지에 도입 및 배출된다. 열전퇴 검출기로부터의 전압 신호는 빌트인 A/D 컨버터로 디지털화하고, 에이티엠아이(미국 코넥티커트주 덴부리 소재)에서 개발한 소프트웨어를 사용하는 데이타-수집 및 분석용 랩탑 컴퓨터(PC)로 보낸다. 피드백-제어-루프-시스템(feedback-control-loop-system)은, 가스상 핵형성(GPN)을 검출하는 경우, 공정을 제어하고 공정 장비를 자동적으로 중단시키기 위해, 공정 장비에 작동 명령을 보내도록 배열되었다.
적외선 분석과 가시적 GPN 관찰과의 상관관계를 보여주기 위해서, 2세트의 테스트를 수행하였다. 제 1 세트의 테스트는, 샘플화 경로가 0.33m인 TPIR 분광광도계에 대해 단일 패스 배치를 사용하여 수행되었다. 제 2 세트의 테스트는, 2.0m의 총 샘플화 경로 길이를 갖는 다중-패스 배치를 사용하였다. GPN을 야기하는 것으로 확인된 인자로는, 기판 온도, 총 압력, 및 SiH4/WF6의 비를 포함하였다. 웨이퍼 온도는 제조 장비를 사용하여 정확하게 제어 및 모니터링되었다.
GPN의 주요 원인은, 가스 필터 막힘, 집단 유동(mass-flow) 제어기의 막힘, 집단 유동 제어기의 반응 시간 변화, 및 공기압 작동 밸브의 고장 또는 지연을 포함하는 불량하게 작동하는 가스 수송 시스템과 관련된다. 이러한 불량은, 각각 SiH4 및 WF6의 수송 타이밍의 변화 및/또는 그의 각각의 분압 및 농도의 변화를 야기할 수 있다. 이것을 확인하기 위해서, 상이한 밸브 지연 및 SiH4/WF6 유속을 실험적으로 테스트하여 GPN과의 상관 관계를 입증하였다.
4Hz 샘플링 속도에서, SiF4, WF6 및 SiH4의 가스상 농도를 측정하기 위해서 TPIR 시스템을 사용하였다. WF6 및 SiF4 사이의 관찰된 피크 강도의 변화는, GPN과의 직접적인 상관관계를 보여주고, GPN의 개시를 결정하기 위해서 사용하였다. TPIR 데이타는, WCVD 공정을 제어하기 위해서 사용된 가시적 점검 방법과 비교하였다.
단일-패스 가스 분석
고안된 실험은, GPN의 개시에 대한 구체적인 변수의 영향을 평가하고, 단일 패스 가스 셀 배치를 사용하여 관련 TPIR 반응을 평가하기 위해서 수행하였다. 고안된 실험 중 제 1 세트는, 하기 도 1에서 나타낸 바와 같이, 3개 인자 완전 요인 배치법(3 factor-full-factorial-design) 및 응답 테스트(replication test)로 구성된다. 공정의 가시적 점검으로부터의 TPIR 반응 및 상보적인 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다. TPIR 반응은, 가시적 점검 결과와 우수하게 일치하였다.
TPIR 분광광도계가 공정 장비의 배기 전방성 영역에 설치되기 때문에, 가스들이, CVD 공정 챔버내에서 화학 반응을 경험한 후의, 미-반응 가스 및 반응 부산물 둘다를 포함하는 반응 유출물을 모니터링하는 것이 가능하였다. 반응 유출물내 예상된 적외선 활성 가스는 WF6 및 SiF4이었다. SiH4가 전혀 관찰되지 않거나 약간 관찰되는데, 그 이유는 대부분의 SiH4가 CVD 반응에서 소모되어, 쉽게 SiF4로 전환되고 비교적 작은 적외선 단면을 디스플레이하기 때문이다. SiF4가 SiH4 환원의 주요 반응 부산물이면, [SiH4] 농도는 [SiF4] 신호로부터 외삽하였다. SiF4/WF6의 비는 SiH4/WF6 비에 비례하기 때문에, GPN을 유도하는 반응 비의 간접적인 측정을 허용한다. WCVD 반응 동안 SiF4/SiHF3의 농도는, 반응물의 유동 비와 GPN의 정도에 따라 변하였다. SiF4 및 SiHF3는 유사한 적외선 흡수 영역을 공유하기 때문에, SiF4 적외선 데이타는 SiF4 및 SiHF3 둘다를 포함한다.
전술한 도 7, 및 도 36은 WCVD 공정의 모니터링 동안 TPIR 시스템으로 수집된 스펙트럼 데이타의 그래프이다. (좌측으로부터 우측으로) 일시적으로 분리되어 있고 WCVD 제조 공정과 연관된 5개의 스펙트럼 피크가 도시되어 있다. 제 1 피크는 예비-코팅 공정과 관련되는 반면, 그다음 3개의 피크는 실제 WCVD 공정에 의한 것이다. 각각의 도면의 우측의 마지막 피크(진한 적색 피크)는 WCVD 공정을 종료한 후, 장비 배기 단계와 관련된다. 도 36에서 도시된 바와 같이, 실제 WCVD 공정 단계 동안, SiF4 피크의 강도(청색선)는 적색선(WF6) 강도보다 높았다. 가시적 점검에 의해 확인된 바와 같이, 가스상 핵형성이 발생하는 경우, 이러한 스펙트럼 특징에 주목하였다.
도 36에서 도시한 바와 같이, WF6 및 SiF4의 스펙트럼 강도가 유사한 경우, 어떠한 가스상 핵형성도 관찰되지 않았다. SiF4에 대한 WF6의 비는, 양쪽 시나리오의 가시적 점검에 의해 확인되는 바와 같이, WCVD 공정 동안 GPN에 대해 강한 상관관계를 제공한다.
고안된 실험의 결과는, 정량적으로 및 정성적으로, 둘다로 분석하였다. 여러개의 스펙트럼의 수집 및 WCVD 공정의 가시적 점검과의 비교에 기초하여, WCVD 공정 동안 GPN이 발생할 가능성에 대해 계산하기 위해 수학적 알고리즘을 개발하였다 [SiF4] 농도에 대한 [WF6]의 상대적 비 및 강도를 비교함으로써, GPN이 발생하는 경우, 계산되었다.
전술한 바와 같이, 도 8은, TPIR 시스템을 갖는 WCVD 공정 동안 수득된 적외선 스펙트럼 데이타를 도시하며, 여기서 프로세싱된 스펙트럼 데이터의 상대적 위치 및 가스 농도 비는 GPN의 존재 또는 부재와 직접적인 상관관계를 제공한다. WCVD 공정 동안 GPN의 존재 또는 부재를 기술한 선이 도 8에 도시되며, -15의 임의 값(arbitrary value)과 동일하다. 이 값을 넘으면, 어떠한 GPN도 관찰되지 않는 반면, 이 값 미만은 GPN에 해당된다. 추가로, -15와 실제 계산된 수행 값과의 차이가 클수록, GPN의 형성이 보다 강하다.
따라서, 본 발명은, GPN이 WCVD 공정에서 발생하는 경우를 결정하기 위한 예측 모델도 고려한다. 선택적으로, 증착 장비와 TPIR 모니터링 생산 능력을 바로 통합하면, GPN의 발생을 피하기 위해서 반응 설정이 바뀌거나, WCVD 방법이 중단되는 배열이 수행된다. 각각의 시나리오에서, 공정 장비의 성능이 최적화될 수 있어서, CVD 시스템에 의해 제조가능한 생성물 소자의 수율을 증가시키고, 폐기물을 낮춘다.
이러한 관찰은, WCVD 공정의 단일-패스 동일반응계 분광광도 분석에 기초한, GPN의 존재 또는 부재에 관한 하기 식의 근거를 제공한다:
([WF6] - [SiF4]) 상대적 차이가 > -15 이면, 어떠한 GPN도 관찰되지 않는다.
([WF6] - [SiF4]) 상대적 차이가 < -15이면, GPN이 관찰된다.
도 37은, 연장된 기간의 연속 웨이퍼 프로세싱 시간 동안, WCVD 장비상에 설치된 단일-패스 TPIR 시스템에 의한 생성물 웨이퍼의 연속적인 모니터링에 의해 수득가능한 스펙트럼 데이타를 나타낸다. 제조 공정 중 스펙트럼의 강도의 가변성은, SiF4(청색)에 대한 WF6(적색)의 상대적 강도를 비교함으로써 주목된다. 스펙트럼 강도 수준은 이러한 수행 중에 요동치지만, 상대적 비율은 전체 웨이퍼 프로세싱 순서 중 어떠한 강한 GPN도 존재하지 않았음을 나타낸다. 12,000개 웨이퍼 초과의 마라톤 수행을 통해, WCVD 공정의 동일반응계 모니터링을 위한 TPIR 진단 기법을 사용하는 가능성을 검증하였다.
다중-패스 가스 분석
공정 중 수득된 스펙트럼 데이타의 신호-대-노이즈 비(S/N)를 추가로 개선시키기 위해서, 다중-패스 광학 시스템이 고안되고, 수행되고, 단일-패스 시스템으로서 동일한 배치에서 시험되었다. 그다음, 유사하게 고안된 실험은, WCVD 공정을 모니터링하고, 이전에 개발된 GPN 방법론을 시험하였다. 다중-패스 광학 배치를 사용하는 고안된 실험의 결과는, 가시적인 점검 방법의 결과와 함께 3 완전 요인 배치 실험에 대해 하기 표 2에 요약하였다.
도 38은, 다중-패스 TPIR 시스템을 사용하여 WCVD 공정 동안 수득되고, 측정된 WF6 및 SiF4 신호 강도 및 비의 분석에 기초하여, 구체적으로 GPN을 유발하는 조건을 나타내도록 프로세싱된 적외선 스펙트럼 데이타를 나타낸다. GPN의 개시를 고안한 상대적 위치는, 단일-패스 시스템에 비해, 다중-패스 광학 고안과 함께 변함에 주목해야 한다.
모든 고안된 실험 데이타를 검토하면, 측정된 동일반응계 스펙트럼 데이타의 측면에서, 2개의 WCVD 인자들이 중요하고, 따라서 정확하게 제어되어야만 함이 명백하다. WCVD 중에 랜덤 GPN를 피하기 위해서, 밸브 지연 시간(증착 챔버에 WF6를 도입하기 이전의 시간 지연) 및 SiH4 유속은 둘다 중요한 것으로 관찰되었다. 이러한 인자들 각각은 매우 짧은 시간 간격 동안 높은 비의 SiH4/WF6를 야기할 수 있다. 밸브 지연 0.3초 미만의 변화 또는 SiH4 유속의 20sccm 미만의 변화량은, GPN의 부재로부터 GPN 개시로 WCVD 공정을 완전히 변화시키기에 충분하다. WF6의 유속은 GPN의 가장 무시가능한 영향을 미치는 것으로 보이는데, 이는 WF6이 SiH4에 비해 일반적으로 과량으로 존재하고, 나중에 도입되기 때문인 것임은 놀랍지 않다. 대부분의 경우, 도입된 SiH4는 정량적으로 소모되고 직접 SiF4로 전환된다. WCVD 공정 동안 과량의 WF6은 TiN 배리어 막의 접촉 저항에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
작동적 GPN 기작과 관련하여, 스펙트럼 관찰은, SiH4가 초기에 분해되어 Si(y>=2) 중심 또는 작은 클러스터를 형성하도록 진행되는 GPN과 일관된다. 실리콘 클러스터는, 일단 형성되면, 하기와 같이, 후속적인 반응을 통해 입자 성장을 위한 핵으로서 작용할 수 있다:
2 SiH4 → Si(s)
x WF6 + Si(y) → WxSiy + SiF4
WxSiy + z SiH4 → WxSi(y+z) + H2
짧은 지연 시간은 SiH4가 실리콘 클러스터를 형성하고, 표면 핵형성 단계를 우회하도록 한다. SiH4/WF6의 높은 비율은 또한 과량의 SiH4가 실리콘 클러스터를 형성하는 것을 야기한다.
요약하면, WCVD는 2종의 중요 공정 손상 모드, 즉 기상 핵형성 및 Ti 차단막 공격을 갖는다. 티탄 차단막 공격은 과량의 WF6 반응물에 의해 영향을 미치지만, GPN은 과량의 SiH4 반응물과 SiH4에 대한 WF6의 상대적인 비와 보다 명백하게 관련된다. 열초전(thermopyroelectric) 적외선(TPIR) 분광광도법을 사용하는 동일반응계 공정 모니터링은, WCVD 공정의 효과적인 제어가 달성되는 것을 가능하게 한다. TPIR 분광광도법을 사용한 실시간 GPN 모니터링은, 가시적 관찰에 의해 확인되는 바와 같이, WCVD 유출물 농도, 그의 상대적 비율 및 GPN 사이의 우수한 상관관계를 제공한다. 분광광도계는, GPN을 검출 및 예측할 수 있고, 공정 동안 WF6 반응물 가스를 측정함으로써 티탄 차단막 공격을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 제조 작업에서의 유용한 진단법이다.
본 발명의 TPIR 시스템 및 방법은, 시각적 점검 방법보다 우수한 GPN의 신뢰성 있는 실시간 검출법을 제공한다. 본 발명의 TPIR 시스템 및 방법은 매우 유연성이 있어서, 가스 블렌딩 및 공정 모니터링 둘다에 실시간 피드백을 제공한다. 단일-패스 및 다중-패스 시스템 둘다가, WCVD 공정의 최적화를 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 분광광도 기법은, 화학물질 제어 및 반응 순서가 중요한 다른 공정까지 확장될 수 있다. WCVD 적용레에 대한 적용하면, TPIR 시스템은 WCVD 제조 공정 장비와 쉽게 통합되어, 효과적인 실시간 연통 및 공정 제어를 달성할 수 있음이 이해될 것이다.
Claims (54)
- 가스상 핵형성(nucleation), 화학물질 공격 또는 둘다의 거동을 지지하는 공정 조건하에서, 가스 종-함유 가스 혼합물이 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다를 야기할 수 있는 증착 설비의 모니터링 장치로서,
상기 가스 혼합물의 샘플을 통해 방사선원(radiation source)의 방사선을 투과하도록 배열된 방사선원; 및
방사선원의 방사선과 가스 혼합물 샘플의 상호작용으로부터 발생되는 출력 방사선을 수용하고, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 출력물(output)을 즉각-응답 방식으로(responsively) 발생시키도록 배열된 열전퇴(thermopile) 검출기 조립체를 포함하되,
상기 열전퇴 검출기 조립체가, 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다의 최초 발생과 상관관계를 갖는 특징을 갖는 관심 가스종의 스펙트럼 부분을 포함하는 출력 방사선을 수용하도록 배열된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 소프트웨어 알고리즘을 수행하도록 프로그램적으로 개조되어, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 출력물을 발생시키도록 출력 방사선의 상기 스펙트럼 부분을 프로세싱하는, 모니터링 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
프로세서가,
(i) 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 피크 높이의 측정;
(ii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 차이의 측정;
(iii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 비의 측정;
(iv) 가스 혼합물의 하나 이상의 가스 종의 상기 스펙트럼 부분의 곡선 하부 피크 면적(AUC)의 측정;
(v) 가스 혼합물의 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분의 AUC의 차이의 측정;
(vi) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분의 AUC의 비의 측정;
(vii) 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 측정;
(viii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 차이의 측정;
(ix) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 비의 측정;
(x) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 피크 높이의 측정;
(xi) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 차이의 측정;
(xii) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 피크 높이의 비의 측정; 및
(xiii) 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다의 최초 발생의 지시자로서 증착 동안 소모되는 가스 종 반응물의 모니터링
중 하나 이상을 포함하는 작동에 의해 상기 스펙트럼 부분을 프로세싱하도록 개조된, 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
열전퇴 검출기 조립체가, 관심 가스 종의 스펙트럼 또는 스펙트럼 특징의 데이타베이스를 포함하고,
프로세서가 출력 방사선의 스펙트럼 부분과 데이타베이스의 상관관계를 나타냄으로써, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 출력물을 발생시키도록 배열된, 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
열전퇴 검출기 조립체가, 실란 및 텅스텐 헥사플루오라이드를 포함하는 공급원 가스 혼합물로부터 텅스텐 화학 증착을 모니터링하도록 개조된, 모니터링 장치. - 삭제
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- 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다의 거동을 지지하는 공정 조건하에서 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다를 야기할 수 있는 가스 종을 함유하는 가스 혼합물과 기판을 접촉시킴을 포함하는, 증착 수행 방법으로서,
가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종과 방사선의 상호작용을 위해 상기 가스 혼합물의 샘플에 방사선을 조사하여, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 특징을 갖는 상기 상호작용으로부터의 출력 방사선을 생성하고;
상기 출력 방사선을 프로세싱하여, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 출력물을 즉각-응답 방식으로 발생시키고, 이때 프로세싱이 관심 가스 종에 대한 상기 출력 방사선의 스펙트럼 일부를 분석하여 특징의 존재 또는 부재를 결정함을 포함하고;
상기 분석이,
(i) 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 피크 높이의 측정;
(ii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 차이의 측정;
(iii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 비의 측정;
(iv) 가스 혼합물의 하나 이상의 가스 종의 상기 스펙트럼 부분의 AUC의 측정;
(v) 가스 혼합물의 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분의 AUC의 차이의 측정;
(vi) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분의 AUC의 비의 측정;
(vii) 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 측정;
(viii) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 차이의 측정;
(ix) 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 스펙트럼 부분에서 스펙트럼 곡선의 기울기의 비의 측정;
(x) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 하나 이상의 가스 종의 피크 높이의 측정;
(xi) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종 사이의 피크 높이의 차이의 측정;
(xii) 사전결정된 시점에서 가스 혼합물 중 2종 이상의 가스 종의 피크 높이의 비의 측정; 및
(xiii) 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다의 최초 발생의 지시자로서 증착 동안 소모되는 가스 종 반응물의 모니터링
중 하나 이상을 포함하는, 증착 수행 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 21 항에 있어서,
상기 분석이, 관심 가스 종의 스펙트럼 또는 스펙트럼 특징의 데이타베이스를 입력하고, 출력 방사선의 상기 스펙트럼 부분과 상기 데이타베이스의 상관관계를 나타냄으로써, 상기 가스상 핵형성, 화학물질 공격 또는 둘다가 최초 발생되는 경우, 이들의 최초 발생을 나타내는 출력물을 발생시키는, 증착 수행 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 증착이, 텅스텐 화학 증착을 포함하고, 가스 혼합물이 실란 및 텅스텐 헥사플루오라이드를 포함하는, 증착 수행 방법. - 제 21 항에 있어서,
증착이, Ti:TiN 물질 상의 텅스텐의 침착을 포함하는, 증착 수행 방법. - 삭제
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