パルス蒸着の監視及び制御を行うためのセンサ
パルスガス送出装置によるガスの送出をセンサを使用して検出する。センサは、送出されるガスの振動数を吸収する所定のスペクトル範囲の放射線を発生する源を含む。放射線は、送出されたガスを受け取るレセプタクルを通して伝達される。検出器は、レセプタクル内のガスを通って伝達した後、源から検出器に到達した放射線の強さを検出する。制御装置が、レセプタクル内のガスによって吸収された放射線の量を、検出された強さから決定することによって、ガス送出装置が送出したガスの正確な量を計測する。制御装置は、送出されたガスの量を所望の量に合わせて適応調節することによって、ガスの送出を実時間で監視する。センサ及び制御装置は、更に、ガス送出装置の故障又は仕様外挙動を監視できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年４月１２日に出願された現在継続中の米国特許出願第１０／８２２，３５８号（以下、’３５８出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１４３号）、２００４年１２月１７日に出願された現在継続中の米国特許出願第１１／０１５，４６５号（以下、’４６５出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１４７号）、及び２００５年３月１８日に出願された現在継続中の米国特許出願第１１／０８３，５８６号（以下、’５８６出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１５６号）と関連する。これらの特許出願は全て、本願の譲受人に譲渡されており、これらの特許出願に触れたことにより、これらの特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造には、処理チャンバへの反応体ガスの送出を注意深く同期し、正確に計測することが必要とされる。ＡＬＤ（原子層蒸着）方法では、例えば、一度に一枚の原子層を蒸着することにより薄膜層を形成する。次いで、真空状態に維持した処理チャンバに二つ又はそれ以上の先駆物質ガスのパルスを送出する。各先駆物質ガスは、基板表面を流れ、表面上に吸着単分子層を形成する。次いで、第２先駆物質ガスをチャンバに導入し（第１先駆物質ガスをチャンバから一掃した後）、第１先駆物質と反応させ、自己制限表面反応により所望の薄膜の単分子層を形成する。蒸着サイクルを必要なだけ繰り返すことにより、所望の膜厚を得ることができる。膜厚は、蒸着サイクルの数を数えることによって、原子層の精度で制御できる。同様に、ＡＬＤ方法以外のパルス蒸着システムは、処理チャンバへのガスのパルスの送出を正確に計測することを必要とする。
【０００３】
ＡＬＤ方法で、又は他のパルス蒸着方法で高いレベルの性能を得るためには、半導体加工チャンバ内への先駆物質ガスのパルス状の質量流れの送出を、信頼性が高く且つ正確な方法で計測し、監視しなければならない。流れ及び圧力の制御に基づくＡＬＤ制御技術は、関連した時間単位（即ちミリ秒）での様々な時間的不正確さのため、不正確になりがちである。更に、これらの技術は、全体としての用量を制御せず、むしろ流れ及び圧力を制御し、そのため、温度及びタイミングの効果により用量が大きく変化してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＡＬＤ方法及び他の半導体製造方法で使用するため、再現性が高く且つ正確な量のガスを送出するのが望ましい。処理チャンバに流入するガスの量を実際に計測するための方法及びシステム、及び各パルス中の所望の数の先駆物質の原子を正確に送出するための方法及びシステムが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本装置は、ガスを一つ又はそれ以上のパルスをなして送出するように形成されたパルスガス送出装置と、パルスガス送出装置に連結されたセンサと、制御装置とを含む。センサは、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されている。制御装置は、パルスガス送出装置が送出するガスの量をセンサの応答から決定するように形成されている。
【０００６】
ガス送出装置によるガスの送出をセンサで監視する方法は、ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生する工程と、ガス送出装置が送出したガスを受け入れるレセプタクルすなわち試料チューブを通して光放射線を透過する工程とを含む。この方法は、更に、光放射線がレセプタクル内のガスを透過した後の光放射線の強さを検出する工程を含む。方法は、更に、検出された強さから、レセプタクル内のガスによる光放射線の吸収量を決定することによって、ガス送出装置が送出したガスの量を計測する工程を含む。
【０００７】
パルスガス送出装置によるガスの送出を監視する方法は、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサを、パルスガス送出装置に連結する工程を含む。この方法は、更に、パルスガス送出装置が送出したガスの量をセンサの応答から決定する工程を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
パルスガス送出システムによってガスの送出を正確に監視するためのシステム及び方法を説明する。概略に述べると、システムは、ガスを一つ又はそれ以上のパルスで送出するように形成されたパルスガス送出装置と、パルスガス送出装置に連結されたセンサと、制御装置とを含んでいてもよい。センサは、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されていてもよい。制御装置は、パルスガス送出装置が送出するガスの量をセンサの応答から決定するように形成されていてもよい。
【０００９】
図１Ａに示す実施例では、センサは光学式センサであってもよく、パルスガス送出装置はＡＬＤ（原子層蒸着）システムの部分であってもよい。図１Ａは、原子層を蒸着するためのパルスガス送出システム１００の概略ブロックダイヤグラムであり、光学式センサ２００を使用してＡＬＤシステム１００のガスの送出を監視する。図１Ａに示す実施例はＡＬＤシステムを示すけれども、本開示に記載した技術は、ＡＬＤシステム以外のパルス蒸着システムに適用でき、様々な実施例に様々なパルス蒸着システムが含まれていてもよいということは理解されるべきである。
【００１０】
概略に述べると、ＡＬＤシステム１００は、液体先駆物質源１１０と、ＡＬＤガス送出装置１２０と、処理チャンバ１３０とを含む。液体先駆物質源１１０は、ＡＬＤガス送出装置１２０に液体先駆物質を供給する。ＡＬＤガス送出装置１２０は、先駆物質のガスを処理チャンバ１３０に一連のパルスで送出する。処理チャンバ１３０は少なくとも一つの半導体基板１３２を収容しており、この半導体基板が先駆物質のガスに露呈される。例示のＡＬＤシステムは、’３５８出願、’４６５出願、及び’５８６出願に記載されている。これらの特許出願に触れたことにより、これらの特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【００１１】
ＡＬＤガス送出装置１２０は、液体先駆物質源１１０が供給した液体先駆物質を蒸発して先駆物質のガスを発生する蒸発器（図示せず）を備えていてもよい。例示の実施例では、ＡＬＤガス送出装置１２０は、一体のヒーター／蒸発器モジュールに収容されていてもよいが、幾つかの他の実施例では、ヒーター及び蒸発器が別のモジュールに収容されていてもよい。先ず最初に、液体質量流量制御装置（図示せず）によって、液体先駆物質源１１０からの液体を計量する。液体質量流量制御装置は、別体の装置であってもよいし、蒸発器と組み合わせて一体のユニットにしてもよい。次いで、計量した液体を蒸発器によって蒸発することによって、ＡＬＤ処理用の先駆物質のガスを形成する。
【００１２】
ＡＬＤ反応は、代表的には、約２００℃乃至約４００℃の温度範囲で行ってもよい。原子層蒸着処理は、高度に反応性の先駆物質のガスのパルスに基板１３２を交互に露呈する工程に基づいて行われる。これらのガスのパルスを使用し、一度に一層の原子層で薄膜を蒸着し、これにより厚さを極めて高度に均等に且つ正確に制御できる。各パルス中、自己制限ガス−固体表面反応（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｇａｓ−ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が生じる。代表的なＡＬＤ過程の蒸着サイクルでは、先駆物質又は反応体の二つ又はそれ以上のガスの各々を、ガス相の相互混合が起らないように処理チャンバ１３０に順次導入する。第１反応体ガスの単分子層を基板表面に吸着する。余分の第１反応体を、代表的には不活性の除去ガス（パージガス）の補助により外部に圧送する。第２反応体を処理チャンバ１３０に導入し、第１反応体と反応され、自己制限（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）表面反応により所望の薄膜の単分子層を形成する。この自己制限反応は、第１反応体が第２反応体と反応した後に終了する。余分の第２反応体を、代表的には不活性パージガスの補助により外部に圧送する。所望の膜厚は、蒸着サイクルを必要なだけ繰り返すことによって得られる。
【００１３】
ＡＬＤ先駆物質ガスは、用途に応じて大きく変化させてもよい。新たな先駆物質が開発され続けており、様々な基板及び薄膜蒸着必要条件について試験されている。Al(CH3)3（Al2O3 の薄膜を蒸着する）、HfCl4 （HfO2の薄膜を蒸着する）、及びZrCl4 （ZrO2の薄膜を蒸着する）が、三つの一般的な先駆物質である。これらのガスの各々についての酸素先駆物質は、代表的には、H2O 、又はO2、又はO3である。ＡＬＤ技術又はＣＶＤ技術によって付着できるこの他の種類の薄膜には、Ni、W、SiO2、Ta2O5 、TaN 、TiO2、WN、ZnO、ZrO2、WCN 、Ru、Ir、Pt、RuTiN 、Ti、Mo、ZnS 、WNxCy 、HfSiO 、LaxCayMnO3 、CuLnS2、In2S3、HfN 、TiN 、Cu、V2O5、及びSiN が含まれる。
【００１４】
処理チャンバ１３０は、代表的には、真空状態に維持される。処理チャンバ１３０内に収容された基板１３２は、代表的には、支持体即ちチャック１３３に載っている。チャック１３３及び基板１３２を加熱するため、ヒーター１３４がチャック１３３に連結されていてもよい。チャンバ環境を所望のパラメータに合わせてもよい。例えば、原子層蒸着を行うため、基板の温度を上昇してもよい。
【００１５】
図１Ｂは、ＡＬＤガス送出装置１２０の断面図を示す。例示の実施例では、ＡＬＤガス送出装置１２０は、ガスのパルスを図１Ａに示す処理チャンバ１３０に送出するパルス送出装置である。概略に述べると、ＡＬＤガス送出装置１２０の例示の実施例は、ガス送出オン／オフバルブ１２２と、パージバルブ１２４と、一つ又はそれ以上のヒーター１２６と、圧力変換器１２８とを含む。
【００１６】
冒頭に説明したように、源１１０からの液体先駆物質を、保持容器に送出する前に蒸発器によって蒸発させてもよい。保持容器は、ヒーター１２６によって適当な温度に加熱してもよい。例示の実施例では、ヒーターは、６ゾーン（６−ｚｏｎｅ）ヒーターであってもよいが、本開示は６ゾーンヒーターに限定されない。
【００１７】
圧力変換器１２８は、処理チャンバ１３０内の圧力の計測値を提供するような形体を備えていてもよい。ＡＬＤガス送出装置１２０で使用するための適当な圧力変換器１２８の一例は、本開示の譲受人であるマサチューセッツ州アンドーバーのＭＫＳインスツルメンツ社から入手できる、バラトロン商標の圧力変換器である。
【００１８】
所望量の先駆物質ガスを、加熱した保持容器から処理チャンバ１３０内に送出するのにオン／オフ型ガスバルブ１２２を使用してもよい。換言すると、処理チャンバ１３０内に送出される先駆物質ガスのパルスを、ガス送出オン／オフバルブ１２２及びパージバルブ１２４を使用して制御してもよい。所望量の先駆物質ガス及び除去用ガス（すなわち、パージガス）の夫々を処理チャンバ１３０内に送出するため、バルブ１２２及び１２４を所定期間開放してもよい。バルブ１２２及び１２４は、現場で交換可能なバルブである。
【００１９】
ＡＬＤ蒸着過程では、非常に正確に計測し且つ制御された量の先駆物質ガスを処理チャンバ１３０に送出することが必要である。かくして、先駆物質ガスの送出を、高度に正確に且つ再現性を以て監視し且つ制御しなければならない。同様に、他の種類のパルス蒸着過程では、同様に、ガスの送出を正確に監視し且つ制御することが必要である。圧力及びバルブのオン／オフ期間を監視することによってガスの質量流量を概算する流れ−圧力モード技術は、関連した時間単位（即ちミリ秒）での様々な時間的不正確さのため、不正確でありがちである。こうした技術は、全用量を制御できず、即ち処理チャンバ１３０に流入するガスの実際の質量を計測できず、その代わり、流れ又は圧力を制御する。これにより、温度及びタイミングの効果により用量が大幅に変化する。
【００２０】
図１Ａを再び参照すると、ＡＬＤガス送出装置１２０からのガスの送出量を実時間で監視するのにセンサ２００を使用してもよい。センサ２００は、ＡＬＤガス送出装置１２０と処理チャンバ１３０との間に配置してもよい。センサ２００は、ガス送出装置１２０によって送出された各パルスのガスの濃度を、送出されたガスによって光放射線が吸収されることによる光放射線の減少を検出することによって計測できる光学式センサであってもよい。光学式センサは、例えば、赤外線を検出し、赤外線がガスによって吸収されることによる赤外線の減少を検出することによって、各パルス中のガスの濃度を計測するように形成されたＩＲ（赤外線）センサであってもよい。別の態様では、光学式センサは、赤外線範囲の外側の光放射線を検出するように形成された、ＵＶ（紫外線）センサ、又は可視光を検出するように形成されたセンサを含むがこれに限定されないセンサであってもよい。
【００２１】
センサ２００により、各パルス毎に、先駆物質ガスの所望の数の原子を正確に送出できる。センサ２００により、制御を精密に行うことができる。これは、温度及び圧力の変化を完全に考慮できるためである。
【００２２】
図２は、ＡＬＤ過程中にガスの送出を監視し且つ制御するためにＡＬＤシステム（図１Ａ参照）で使用される光学式センサ２００の概念図である。図２は光学式センサを示すけれども、他の実施例では、ガス送出装置１２０が送出した各パルスのガスの濃度を、送出されたガスの濃度又は分圧に対する信号を検出することによって計測できる、種類が異なるセンサを使用してもよい。これらのセンサには、音響センサ、光音響センサ、質量分析計、蛍光分析計、電解センサが含まれるが、これに限定されない。
【００２３】
赤外線を発生し検出するように形成されたＩＲ（赤外線）光センサを図２に示すが、他の実施例は、可視光スペクトル範囲又は紫外線スペクトル範囲を含むがこれらの範囲に限定されない、赤外線以外のスペクトル範囲の光を吸収するガス用に設計された光学式センサを使用してもよい。
【００２４】
概略に述べると、光学式センサ２００は、ＡＬＤガス送出装置１２０（図１Ａ及び図１Ｂ参照）が送出する先駆物質ガスの吸収スペクトルを含むスペクトル範囲の光放射線を発生するように形成された放射線源２１０と、放射線源２１０により放射された光放射線を検出することができる検出器２３０と、検出されるべき先駆物質ガスに対して開放した、検出器２３０と放射線源２１０との間の光路を提供するレセプタクル即ち試料チューブ２２０と、を含む。先駆物質ガスは、ガス送出装置１２０から試料チューブ２２０に流入する。
【００２５】
検出器２３０は、放射線源２１０が発生し、そして試料チューブ２２０内の先駆物質ガスを透過した後、検出器２３０に到達したＩＲ放射線の特定の周波数及び／又はスペクトル範囲を検出し、かつ検出された強さを表す一つ又はそれ以上の検出器信号を発生するように形成される。
【００２６】
制御装置２４０が検出器２３０に接続されている。制御装置２４０は、検出器信号を演算処理することによって、送出されたガスの量を計測するように形成された信号演算処理回路を含む。制御装置２４０は、ＩＲ放射線の検出された強さから、試料チューブ２２０内のガスによって吸収されたＩＲ放射線の量を決定する。試料チューブ２２０内のガスが、放射線源２１０が発生した光放射線からエネルギを吸収する場合には、検出器２３０は、放射線が放射線源２１０から検出器２３０に全強さで達した場合に有するであろう強度よりも弱い強さを検出する。この放射線の減少により、送出されたガスの濃度を計測できる。一実施例では、放射線の減少は、吸光度と正比例する。他の実施例では、放射線の減少を論理的に導くため、様々な代数的方法を使用してもよい。
【００２７】
図２に示す光学式センサの実施例では、放射線源２１０は、ガス送出装置１２０が送出する先駆物質ガスの吸収スペクトルを含むスペクトル範囲の赤外光を発生する。正確に適合する吸収周波数を持つ赤外光だけが検出器に当たる場合、先駆物質ガスによる吸収が検出される。多くの放射線源は、広いスペクトル範囲に亘る放射線を発生し、多くの検出器は、広いスペクトル範囲に亘る放射線を検出するから、放射線源２１０からのエネルギは、検出器２３０が、主として、試料チューブ２２０内の先駆物質ガスによって吸収される光子を見るように、制限されなければならない。
【００２８】
光学式センサ２００は、従って、代表的には、波長選択装置２２５を含む。例えば、波長選択装置２２５は、適当な所望の周波数の光を検出器上に選択的に透過するように形成された、適当な周波数の赤外線挟帯域フィルタ２２５であってもよい。波長選択装置２２５は、更に、適当な周波数で作動する一つ以上の赤外線挟帯域フィルタ２２５を含んでいてもよい。波長選択装置２２５は、更に、適当な周波数を含む一つ又はそれ以上のＩＲ帯域で作動する。別の態様では、波長選択装置２２５は、格子、プリズム、干渉計、レーザー、特定周波数ダイオード、及び音響−光フィルタのうちの一つ又はそれ以上であってもよい。
【００２９】
送出装置１２０が送出した先駆物質ガス用の試料チューブ２２０は、放射線透過性ウィンドウ２２２を備えていてもよい。このウィンドウにより、ＩＲ光を放射線源２１０から試料チューブ２２０に、及び試料チューブ２２０から検出器２３０に通すことができる。一実施例では、試料チューブ２２０は、ＡＬＤ処理チャンバ１３０（図１Ａ参照）の部分であってもよい。放射線源２１０が発生した光を試料チューブ２２０に焦合する焦合鏡又はレンズ２１５を設けてもよい。
【００３０】
放射線源２１０が発生したＩＲ光は、ＩＲ光が試料チューブ２２０を透過するときに試料チューブ２２０内のガス分子と衝突し、光子のエネルギがガス分子の特性エネルギ状態（振動や回転等）と正確に一致した場合、ＩＲ光の一つ又はそれ以上の光子から、ガス分子によってエネルギが吸収される。各ガス分子は、非常に特定の吸収波長の組を示す。これは、ガス分子を形成する原子間の化学的結合の強さで決まる。
【００３１】
センサのドリフト及び較正ドリフトを減少するため、ドリフトがない信号を監視できるように、ＩＲ光源２１０を時間で変調してもよい。ＩＲ光源２１０は、約１０Ｈｚ又はそれ以上の速度で変調してもよい。幾つかの実施例では、ＩＲ光源２１０は、最大１００Ｈｚ又はそれ以上の速度で変調してもよい。ＡＬＤパルスの持続時間は約１秒であってもよい。これらのパラメータは、必要な計測を行う上で必要とされる感度及び検出器の種類を決定する。１０Ｈｚ又はそれ以上で十分である場合には、検出器２３０は、例えば、LiTaO3検出器として形成されていてもよい。高速の検出器が必要とされる場合には、検出器２３０は、ＤＴＧＳ検出器、ＰｂＳ検出器、ＰｂＳｅ検出器、又はＭＣＴ検出器のうちの一つ又はそれ以上を含んでいてもよいが、これらに限定されない。
【００３２】
制御装置２４０は、蒸着工程の前又は後に、又は蒸着ガスが流れていないときに蒸着パルス間で、センサ２００を自動的にゼロにできる回路を備えていてもよい。制御装置は、ガス送出装置１２０によるガス送出がゼロであるかどうかを確認するように形成されていてもよく、ガス送出がゼロである場合には、センサをリセットし、ゼロを報告する。制御装置は、更に、光学式センサ２００をガス又は基準材料の周知の量で較正した後、周知のガスの量又は基準材料を使用することによってセンサ２００の較正をリセットするように形成された較正回路を備えていてもよい。
【００３３】
冒頭に言及したように、ＡＬＤガス送出装置を説明したが、本開示に記載した技術は、任意のパルスガス送出システムに適用でき、ＡＬＤシステムに限定されない。
【００３４】
制御装置２４０は、送出されるガスの量を、検出器信号が示す検出された強さに応じて、所望の量に合わせて適応調節する一つ又はそれ以上の制御信号を発生し伝達することによって、ガスの送出を実時間で監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、各ＡＬＤパルス中に送出されるガスの量を決定でき且つ監視でき、即ちＡＬＤガス送出装置からチャンバ１３０に送出されるＡＬＤ先駆物質の量を計測でき且つ監視できる。
【００３５】
制御装置２４０は、更に、複数のＡＬＤパルスを含む期間中に送出されたガスの総量を決定でき且つ監視できる。例えば、制御装置２４０は、ＡＬＤサイクル毎のＡＬＤ先駆物質の総量を計測でき且つ監視できる。ＡＬＤシステム１００（図１Ａ参照）は、かくして、絶対集中法（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）で監視してもよい。ＡＬＤシステム１００は、最適の最終製品を提供するため、更に、信号（帯域）の強さ又は領域の代数的組み合わせで監視し、絶対集中又はイベントすなわち事象間の弁別のいずれかを提供してもよい。制御装置２４０は、約１％の計測精度で、及び１０Ｈｚ又はそれ以上の分析速度で、ＡＬＤ送出システムに実時間フィードバックを提供してもよい。
【００３６】
別の態様では、ガスの送出を所望の量に合わせて適応調節する一つ又はそれ以上の制御信号を発生し伝達することによって、ガスの送出を実時間で監視するように形成された別の監視装置（図示せず）を設けてもよい。
【００３７】
制御装置２４０は、ＡＬＤシステムが送出したガスのドリフトを監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、ＡＬＤガス送出装置の上昇時間及び低下時間を監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、更に、ＡＬＤガス送出装置１２０の絶対ゼロを監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、更に、バルブを何時交換する必要があるかどうかを、及びガス送出装置１２０が保守を必要としているかどうかを確認するように、バルブ１２２及び／又は１２４の何らかの故障を監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、ＡＬＤ過程への多数の寄与を監視し及び／又は制御する統計的プロセス制御システムとして形成されていてもよい。
【００３８】
上文中に説明した方法により、適合制御を行うことができる。換言すると、制御装置２４０は、送出されたパルスに含まれるガスの量を計測する検出器信号に応じて、送出しなければならない所望の量を示す適当な制御信号を発生することによって、ガスの送出を所望量に合わせて適応制御する。
【００３９】
この方法により、更に、制御装置２４０は、例えばバルブがガスを漏洩している場合や、バルブが開放状態及び閉鎖状態での許容差から外れている場合にバルブ１２２及び／又は１２４が正しく機能しているかどうかを確認できる。センサの感度が極めて高く、各パルス毎に所望数の先駆物質原子を正確に送出できるため、制御装置２４０は、少なくとも一方のバルブが閉鎖状態即ち「オフ」状態でガスを漏洩している場合にはいつでも検出するように形成できる。
【００４０】
このようにして、上文中に説明した方法は、先駆物質を一定に且つ正確に送出することが、蒸着した薄膜層の品質及び性能にとって重要である場合には、重要な反応体をＡＬＤチャンバ内に送出するための閉ループ制御を提供する。上文中に説明した方法及びシステムにより、各パルス毎に所望数の先駆物質原子を正確に送出できる。上文中に説明したセンサ及び制御装置により、温度及び圧力の変化を完全に考慮して、ＡＬＤ工程を厳密に制御できる。例えば、バルブ毎の変化、バルブの経時的劣化、及び／又は送出条件の変化によるＡＬＤ工程の変化を小さくすることができる。
【００４１】
結論として、以上説明した方法及び装置は、ＡＬＤシステムを絶対集中法で監視でき且つ制御できる。上文中に説明した光学式センサにより、監視されるべきＡＬＤガスの送出を、読みの数％内で、即ち１００ｐｐｍ±２ｐｐｍで監視できる。上文中に説明したセンサは、更に、パルス送出を用いるＡＬＤシステム以外の任意のガス送出システムで使用してもよい。センサは、最新の装置と関連して使用してもよい。これは、これらのプロセスの持続時間が、通常は非常に短いためである。
【００４２】
パルス蒸着の監視及び制御を行うための装置及び方法の特定の実施例を説明したけれども、これらの実施例に内在する概念は、他の実施例でも使用できるということは理解されよう。本願の保護は、専ら特許請求の範囲によって限定される。
【００４３】
特許請求の範囲では、単数で表したエレメントは、特段の記載のない限り、「一つ及び唯一」を意味しようとするものではなく「一つ又はそれ以上」である。本開示に亘って記載した様々な実施例のエレメントの、当業者に周知の、又は後に当業者に知られる構造的及び機能的等価物は、明らかに、本明細書中に含まれ、これは特許請求の範囲に含まれる。更に、本明細書中に開示されていない事項は、こうした開示が特許請求の範囲に明快に記載されているかどうかに関わらず、公共に供されるものである。特許請求の範囲に記載されていないエレメントは、「ための手段」というフレーズを使用して明白に記載されていない限り、又は方法の特許請求の範囲の場合、エレメントが「ための工程」というフレーズを使用して記載されていない限り、米国特許法第１１２条第６項の規定に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】図１Ａは、パルスガス送出システムの一実施例の概略ブロックダイヤグラムである。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示すパルスガス送出装置のガス送出装置を示す図である。
【図２】図２は、ガスの送出を監視するための光学式センサの概念を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００ パルスガス送出システム
２００ 光学式センサ
１１０ 液体先駆物質源
１２０ ＡＬＤガス送出装置
１３０ 処理チャンバ
１３２ 半導体基板
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年４月１２日に出願された現在継続中の米国特許出願第１０／８２２，３５８号（以下、’３５８出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１４３号）、２００４年１２月１７日に出願された現在継続中の米国特許出願第１１／０１５，４６５号（以下、’４６５出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１４７号）、及び２００５年３月１８日に出願された現在継続中の米国特許出願第１１／０８３，５８６号（以下、’５８６出願と呼ぶ）（代理人事件番号第ＭＫＳ−１５６号）と関連する。これらの特許出願は全て、本願の譲受人に譲渡されており、これらの特許出願に触れたことにより、これらの特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造には、処理チャンバへの反応体ガスの送出を注意深く同期し、正確に計測することが必要とされる。ＡＬＤ（原子層蒸着）方法では、例えば、一度に一枚の原子層を蒸着することにより薄膜層を形成する。次いで、真空状態に維持した処理チャンバに二つ又はそれ以上の先駆物質ガスのパルスを送出する。各先駆物質ガスは、基板表面を流れ、表面上に吸着単分子層を形成する。次いで、第２先駆物質ガスをチャンバに導入し（第１先駆物質ガスをチャンバから一掃した後）、第１先駆物質と反応させ、自己制限表面反応により所望の薄膜の単分子層を形成する。蒸着サイクルを必要なだけ繰り返すことにより、所望の膜厚を得ることができる。膜厚は、蒸着サイクルの数を数えることによって、原子層の精度で制御できる。同様に、ＡＬＤ方法以外のパルス蒸着システムは、処理チャンバへのガスのパルスの送出を正確に計測することを必要とする。
【０００３】
ＡＬＤ方法で、又は他のパルス蒸着方法で高いレベルの性能を得るためには、半導体加工チャンバ内への先駆物質ガスのパルス状の質量流れの送出を、信頼性が高く且つ正確な方法で計測し、監視しなければならない。流れ及び圧力の制御に基づくＡＬＤ制御技術は、関連した時間単位（即ちミリ秒）での様々な時間的不正確さのため、不正確になりがちである。更に、これらの技術は、全体としての用量を制御せず、むしろ流れ及び圧力を制御し、そのため、温度及びタイミングの効果により用量が大きく変化してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＡＬＤ方法及び他の半導体製造方法で使用するため、再現性が高く且つ正確な量のガスを送出するのが望ましい。処理チャンバに流入するガスの量を実際に計測するための方法及びシステム、及び各パルス中の所望の数の先駆物質の原子を正確に送出するための方法及びシステムが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本装置は、ガスを一つ又はそれ以上のパルスをなして送出するように形成されたパルスガス送出装置と、パルスガス送出装置に連結されたセンサと、制御装置とを含む。センサは、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されている。制御装置は、パルスガス送出装置が送出するガスの量をセンサの応答から決定するように形成されている。
【０００６】
ガス送出装置によるガスの送出をセンサで監視する方法は、ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生する工程と、ガス送出装置が送出したガスを受け入れるレセプタクルすなわち試料チューブを通して光放射線を透過する工程とを含む。この方法は、更に、光放射線がレセプタクル内のガスを透過した後の光放射線の強さを検出する工程を含む。方法は、更に、検出された強さから、レセプタクル内のガスによる光放射線の吸収量を決定することによって、ガス送出装置が送出したガスの量を計測する工程を含む。
【０００７】
パルスガス送出装置によるガスの送出を監視する方法は、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサを、パルスガス送出装置に連結する工程を含む。この方法は、更に、パルスガス送出装置が送出したガスの量をセンサの応答から決定する工程を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
パルスガス送出システムによってガスの送出を正確に監視するためのシステム及び方法を説明する。概略に述べると、システムは、ガスを一つ又はそれ以上のパルスで送出するように形成されたパルスガス送出装置と、パルスガス送出装置に連結されたセンサと、制御装置とを含んでいてもよい。センサは、ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されていてもよい。制御装置は、パルスガス送出装置が送出するガスの量をセンサの応答から決定するように形成されていてもよい。
【０００９】
図１Ａに示す実施例では、センサは光学式センサであってもよく、パルスガス送出装置はＡＬＤ（原子層蒸着）システムの部分であってもよい。図１Ａは、原子層を蒸着するためのパルスガス送出システム１００の概略ブロックダイヤグラムであり、光学式センサ２００を使用してＡＬＤシステム１００のガスの送出を監視する。図１Ａに示す実施例はＡＬＤシステムを示すけれども、本開示に記載した技術は、ＡＬＤシステム以外のパルス蒸着システムに適用でき、様々な実施例に様々なパルス蒸着システムが含まれていてもよいということは理解されるべきである。
【００１０】
概略に述べると、ＡＬＤシステム１００は、液体先駆物質源１１０と、ＡＬＤガス送出装置１２０と、処理チャンバ１３０とを含む。液体先駆物質源１１０は、ＡＬＤガス送出装置１２０に液体先駆物質を供給する。ＡＬＤガス送出装置１２０は、先駆物質のガスを処理チャンバ１３０に一連のパルスで送出する。処理チャンバ１３０は少なくとも一つの半導体基板１３２を収容しており、この半導体基板が先駆物質のガスに露呈される。例示のＡＬＤシステムは、’３５８出願、’４６５出願、及び’５８６出願に記載されている。これらの特許出願に触れたことにより、これらの特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【００１１】
ＡＬＤガス送出装置１２０は、液体先駆物質源１１０が供給した液体先駆物質を蒸発して先駆物質のガスを発生する蒸発器（図示せず）を備えていてもよい。例示の実施例では、ＡＬＤガス送出装置１２０は、一体のヒーター／蒸発器モジュールに収容されていてもよいが、幾つかの他の実施例では、ヒーター及び蒸発器が別のモジュールに収容されていてもよい。先ず最初に、液体質量流量制御装置（図示せず）によって、液体先駆物質源１１０からの液体を計量する。液体質量流量制御装置は、別体の装置であってもよいし、蒸発器と組み合わせて一体のユニットにしてもよい。次いで、計量した液体を蒸発器によって蒸発することによって、ＡＬＤ処理用の先駆物質のガスを形成する。
【００１２】
ＡＬＤ反応は、代表的には、約２００℃乃至約４００℃の温度範囲で行ってもよい。原子層蒸着処理は、高度に反応性の先駆物質のガスのパルスに基板１３２を交互に露呈する工程に基づいて行われる。これらのガスのパルスを使用し、一度に一層の原子層で薄膜を蒸着し、これにより厚さを極めて高度に均等に且つ正確に制御できる。各パルス中、自己制限ガス−固体表面反応（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｇａｓ−ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が生じる。代表的なＡＬＤ過程の蒸着サイクルでは、先駆物質又は反応体の二つ又はそれ以上のガスの各々を、ガス相の相互混合が起らないように処理チャンバ１３０に順次導入する。第１反応体ガスの単分子層を基板表面に吸着する。余分の第１反応体を、代表的には不活性の除去ガス（パージガス）の補助により外部に圧送する。第２反応体を処理チャンバ１３０に導入し、第１反応体と反応され、自己制限（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）表面反応により所望の薄膜の単分子層を形成する。この自己制限反応は、第１反応体が第２反応体と反応した後に終了する。余分の第２反応体を、代表的には不活性パージガスの補助により外部に圧送する。所望の膜厚は、蒸着サイクルを必要なだけ繰り返すことによって得られる。
【００１３】
ＡＬＤ先駆物質ガスは、用途に応じて大きく変化させてもよい。新たな先駆物質が開発され続けており、様々な基板及び薄膜蒸着必要条件について試験されている。Al(CH3)3（Al2O3 の薄膜を蒸着する）、HfCl4 （HfO2の薄膜を蒸着する）、及びZrCl4 （ZrO2の薄膜を蒸着する）が、三つの一般的な先駆物質である。これらのガスの各々についての酸素先駆物質は、代表的には、H2O 、又はO2、又はO3である。ＡＬＤ技術又はＣＶＤ技術によって付着できるこの他の種類の薄膜には、Ni、W、SiO2、Ta2O5 、TaN 、TiO2、WN、ZnO、ZrO2、WCN 、Ru、Ir、Pt、RuTiN 、Ti、Mo、ZnS 、WNxCy 、HfSiO 、LaxCayMnO3 、CuLnS2、In2S3、HfN 、TiN 、Cu、V2O5、及びSiN が含まれる。
【００１４】
処理チャンバ１３０は、代表的には、真空状態に維持される。処理チャンバ１３０内に収容された基板１３２は、代表的には、支持体即ちチャック１３３に載っている。チャック１３３及び基板１３２を加熱するため、ヒーター１３４がチャック１３３に連結されていてもよい。チャンバ環境を所望のパラメータに合わせてもよい。例えば、原子層蒸着を行うため、基板の温度を上昇してもよい。
【００１５】
図１Ｂは、ＡＬＤガス送出装置１２０の断面図を示す。例示の実施例では、ＡＬＤガス送出装置１２０は、ガスのパルスを図１Ａに示す処理チャンバ１３０に送出するパルス送出装置である。概略に述べると、ＡＬＤガス送出装置１２０の例示の実施例は、ガス送出オン／オフバルブ１２２と、パージバルブ１２４と、一つ又はそれ以上のヒーター１２６と、圧力変換器１２８とを含む。
【００１６】
冒頭に説明したように、源１１０からの液体先駆物質を、保持容器に送出する前に蒸発器によって蒸発させてもよい。保持容器は、ヒーター１２６によって適当な温度に加熱してもよい。例示の実施例では、ヒーターは、６ゾーン（６−ｚｏｎｅ）ヒーターであってもよいが、本開示は６ゾーンヒーターに限定されない。
【００１７】
圧力変換器１２８は、処理チャンバ１３０内の圧力の計測値を提供するような形体を備えていてもよい。ＡＬＤガス送出装置１２０で使用するための適当な圧力変換器１２８の一例は、本開示の譲受人であるマサチューセッツ州アンドーバーのＭＫＳインスツルメンツ社から入手できる、バラトロン商標の圧力変換器である。
【００１８】
所望量の先駆物質ガスを、加熱した保持容器から処理チャンバ１３０内に送出するのにオン／オフ型ガスバルブ１２２を使用してもよい。換言すると、処理チャンバ１３０内に送出される先駆物質ガスのパルスを、ガス送出オン／オフバルブ１２２及びパージバルブ１２４を使用して制御してもよい。所望量の先駆物質ガス及び除去用ガス（すなわち、パージガス）の夫々を処理チャンバ１３０内に送出するため、バルブ１２２及び１２４を所定期間開放してもよい。バルブ１２２及び１２４は、現場で交換可能なバルブである。
【００１９】
ＡＬＤ蒸着過程では、非常に正確に計測し且つ制御された量の先駆物質ガスを処理チャンバ１３０に送出することが必要である。かくして、先駆物質ガスの送出を、高度に正確に且つ再現性を以て監視し且つ制御しなければならない。同様に、他の種類のパルス蒸着過程では、同様に、ガスの送出を正確に監視し且つ制御することが必要である。圧力及びバルブのオン／オフ期間を監視することによってガスの質量流量を概算する流れ−圧力モード技術は、関連した時間単位（即ちミリ秒）での様々な時間的不正確さのため、不正確でありがちである。こうした技術は、全用量を制御できず、即ち処理チャンバ１３０に流入するガスの実際の質量を計測できず、その代わり、流れ又は圧力を制御する。これにより、温度及びタイミングの効果により用量が大幅に変化する。
【００２０】
図１Ａを再び参照すると、ＡＬＤガス送出装置１２０からのガスの送出量を実時間で監視するのにセンサ２００を使用してもよい。センサ２００は、ＡＬＤガス送出装置１２０と処理チャンバ１３０との間に配置してもよい。センサ２００は、ガス送出装置１２０によって送出された各パルスのガスの濃度を、送出されたガスによって光放射線が吸収されることによる光放射線の減少を検出することによって計測できる光学式センサであってもよい。光学式センサは、例えば、赤外線を検出し、赤外線がガスによって吸収されることによる赤外線の減少を検出することによって、各パルス中のガスの濃度を計測するように形成されたＩＲ（赤外線）センサであってもよい。別の態様では、光学式センサは、赤外線範囲の外側の光放射線を検出するように形成された、ＵＶ（紫外線）センサ、又は可視光を検出するように形成されたセンサを含むがこれに限定されないセンサであってもよい。
【００２１】
センサ２００により、各パルス毎に、先駆物質ガスの所望の数の原子を正確に送出できる。センサ２００により、制御を精密に行うことができる。これは、温度及び圧力の変化を完全に考慮できるためである。
【００２２】
図２は、ＡＬＤ過程中にガスの送出を監視し且つ制御するためにＡＬＤシステム（図１Ａ参照）で使用される光学式センサ２００の概念図である。図２は光学式センサを示すけれども、他の実施例では、ガス送出装置１２０が送出した各パルスのガスの濃度を、送出されたガスの濃度又は分圧に対する信号を検出することによって計測できる、種類が異なるセンサを使用してもよい。これらのセンサには、音響センサ、光音響センサ、質量分析計、蛍光分析計、電解センサが含まれるが、これに限定されない。
【００２３】
赤外線を発生し検出するように形成されたＩＲ（赤外線）光センサを図２に示すが、他の実施例は、可視光スペクトル範囲又は紫外線スペクトル範囲を含むがこれらの範囲に限定されない、赤外線以外のスペクトル範囲の光を吸収するガス用に設計された光学式センサを使用してもよい。
【００２４】
概略に述べると、光学式センサ２００は、ＡＬＤガス送出装置１２０（図１Ａ及び図１Ｂ参照）が送出する先駆物質ガスの吸収スペクトルを含むスペクトル範囲の光放射線を発生するように形成された放射線源２１０と、放射線源２１０により放射された光放射線を検出することができる検出器２３０と、検出されるべき先駆物質ガスに対して開放した、検出器２３０と放射線源２１０との間の光路を提供するレセプタクル即ち試料チューブ２２０と、を含む。先駆物質ガスは、ガス送出装置１２０から試料チューブ２２０に流入する。
【００２５】
検出器２３０は、放射線源２１０が発生し、そして試料チューブ２２０内の先駆物質ガスを透過した後、検出器２３０に到達したＩＲ放射線の特定の周波数及び／又はスペクトル範囲を検出し、かつ検出された強さを表す一つ又はそれ以上の検出器信号を発生するように形成される。
【００２６】
制御装置２４０が検出器２３０に接続されている。制御装置２４０は、検出器信号を演算処理することによって、送出されたガスの量を計測するように形成された信号演算処理回路を含む。制御装置２４０は、ＩＲ放射線の検出された強さから、試料チューブ２２０内のガスによって吸収されたＩＲ放射線の量を決定する。試料チューブ２２０内のガスが、放射線源２１０が発生した光放射線からエネルギを吸収する場合には、検出器２３０は、放射線が放射線源２１０から検出器２３０に全強さで達した場合に有するであろう強度よりも弱い強さを検出する。この放射線の減少により、送出されたガスの濃度を計測できる。一実施例では、放射線の減少は、吸光度と正比例する。他の実施例では、放射線の減少を論理的に導くため、様々な代数的方法を使用してもよい。
【００２７】
図２に示す光学式センサの実施例では、放射線源２１０は、ガス送出装置１２０が送出する先駆物質ガスの吸収スペクトルを含むスペクトル範囲の赤外光を発生する。正確に適合する吸収周波数を持つ赤外光だけが検出器に当たる場合、先駆物質ガスによる吸収が検出される。多くの放射線源は、広いスペクトル範囲に亘る放射線を発生し、多くの検出器は、広いスペクトル範囲に亘る放射線を検出するから、放射線源２１０からのエネルギは、検出器２３０が、主として、試料チューブ２２０内の先駆物質ガスによって吸収される光子を見るように、制限されなければならない。
【００２８】
光学式センサ２００は、従って、代表的には、波長選択装置２２５を含む。例えば、波長選択装置２２５は、適当な所望の周波数の光を検出器上に選択的に透過するように形成された、適当な周波数の赤外線挟帯域フィルタ２２５であってもよい。波長選択装置２２５は、更に、適当な周波数で作動する一つ以上の赤外線挟帯域フィルタ２２５を含んでいてもよい。波長選択装置２２５は、更に、適当な周波数を含む一つ又はそれ以上のＩＲ帯域で作動する。別の態様では、波長選択装置２２５は、格子、プリズム、干渉計、レーザー、特定周波数ダイオード、及び音響−光フィルタのうちの一つ又はそれ以上であってもよい。
【００２９】
送出装置１２０が送出した先駆物質ガス用の試料チューブ２２０は、放射線透過性ウィンドウ２２２を備えていてもよい。このウィンドウにより、ＩＲ光を放射線源２１０から試料チューブ２２０に、及び試料チューブ２２０から検出器２３０に通すことができる。一実施例では、試料チューブ２２０は、ＡＬＤ処理チャンバ１３０（図１Ａ参照）の部分であってもよい。放射線源２１０が発生した光を試料チューブ２２０に焦合する焦合鏡又はレンズ２１５を設けてもよい。
【００３０】
放射線源２１０が発生したＩＲ光は、ＩＲ光が試料チューブ２２０を透過するときに試料チューブ２２０内のガス分子と衝突し、光子のエネルギがガス分子の特性エネルギ状態（振動や回転等）と正確に一致した場合、ＩＲ光の一つ又はそれ以上の光子から、ガス分子によってエネルギが吸収される。各ガス分子は、非常に特定の吸収波長の組を示す。これは、ガス分子を形成する原子間の化学的結合の強さで決まる。
【００３１】
センサのドリフト及び較正ドリフトを減少するため、ドリフトがない信号を監視できるように、ＩＲ光源２１０を時間で変調してもよい。ＩＲ光源２１０は、約１０Ｈｚ又はそれ以上の速度で変調してもよい。幾つかの実施例では、ＩＲ光源２１０は、最大１００Ｈｚ又はそれ以上の速度で変調してもよい。ＡＬＤパルスの持続時間は約１秒であってもよい。これらのパラメータは、必要な計測を行う上で必要とされる感度及び検出器の種類を決定する。１０Ｈｚ又はそれ以上で十分である場合には、検出器２３０は、例えば、LiTaO3検出器として形成されていてもよい。高速の検出器が必要とされる場合には、検出器２３０は、ＤＴＧＳ検出器、ＰｂＳ検出器、ＰｂＳｅ検出器、又はＭＣＴ検出器のうちの一つ又はそれ以上を含んでいてもよいが、これらに限定されない。
【００３２】
制御装置２４０は、蒸着工程の前又は後に、又は蒸着ガスが流れていないときに蒸着パルス間で、センサ２００を自動的にゼロにできる回路を備えていてもよい。制御装置は、ガス送出装置１２０によるガス送出がゼロであるかどうかを確認するように形成されていてもよく、ガス送出がゼロである場合には、センサをリセットし、ゼロを報告する。制御装置は、更に、光学式センサ２００をガス又は基準材料の周知の量で較正した後、周知のガスの量又は基準材料を使用することによってセンサ２００の較正をリセットするように形成された較正回路を備えていてもよい。
【００３３】
冒頭に言及したように、ＡＬＤガス送出装置を説明したが、本開示に記載した技術は、任意のパルスガス送出システムに適用でき、ＡＬＤシステムに限定されない。
【００３４】
制御装置２４０は、送出されるガスの量を、検出器信号が示す検出された強さに応じて、所望の量に合わせて適応調節する一つ又はそれ以上の制御信号を発生し伝達することによって、ガスの送出を実時間で監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、各ＡＬＤパルス中に送出されるガスの量を決定でき且つ監視でき、即ちＡＬＤガス送出装置からチャンバ１３０に送出されるＡＬＤ先駆物質の量を計測でき且つ監視できる。
【００３５】
制御装置２４０は、更に、複数のＡＬＤパルスを含む期間中に送出されたガスの総量を決定でき且つ監視できる。例えば、制御装置２４０は、ＡＬＤサイクル毎のＡＬＤ先駆物質の総量を計測でき且つ監視できる。ＡＬＤシステム１００（図１Ａ参照）は、かくして、絶対集中法（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）で監視してもよい。ＡＬＤシステム１００は、最適の最終製品を提供するため、更に、信号（帯域）の強さ又は領域の代数的組み合わせで監視し、絶対集中又はイベントすなわち事象間の弁別のいずれかを提供してもよい。制御装置２４０は、約１％の計測精度で、及び１０Ｈｚ又はそれ以上の分析速度で、ＡＬＤ送出システムに実時間フィードバックを提供してもよい。
【００３６】
別の態様では、ガスの送出を所望の量に合わせて適応調節する一つ又はそれ以上の制御信号を発生し伝達することによって、ガスの送出を実時間で監視するように形成された別の監視装置（図示せず）を設けてもよい。
【００３７】
制御装置２４０は、ＡＬＤシステムが送出したガスのドリフトを監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、ＡＬＤガス送出装置の上昇時間及び低下時間を監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、更に、ＡＬＤガス送出装置１２０の絶対ゼロを監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、更に、バルブを何時交換する必要があるかどうかを、及びガス送出装置１２０が保守を必要としているかどうかを確認するように、バルブ１２２及び／又は１２４の何らかの故障を監視するように形成されていてもよい。制御装置２４０は、ＡＬＤ過程への多数の寄与を監視し及び／又は制御する統計的プロセス制御システムとして形成されていてもよい。
【００３８】
上文中に説明した方法により、適合制御を行うことができる。換言すると、制御装置２４０は、送出されたパルスに含まれるガスの量を計測する検出器信号に応じて、送出しなければならない所望の量を示す適当な制御信号を発生することによって、ガスの送出を所望量に合わせて適応制御する。
【００３９】
この方法により、更に、制御装置２４０は、例えばバルブがガスを漏洩している場合や、バルブが開放状態及び閉鎖状態での許容差から外れている場合にバルブ１２２及び／又は１２４が正しく機能しているかどうかを確認できる。センサの感度が極めて高く、各パルス毎に所望数の先駆物質原子を正確に送出できるため、制御装置２４０は、少なくとも一方のバルブが閉鎖状態即ち「オフ」状態でガスを漏洩している場合にはいつでも検出するように形成できる。
【００４０】
このようにして、上文中に説明した方法は、先駆物質を一定に且つ正確に送出することが、蒸着した薄膜層の品質及び性能にとって重要である場合には、重要な反応体をＡＬＤチャンバ内に送出するための閉ループ制御を提供する。上文中に説明した方法及びシステムにより、各パルス毎に所望数の先駆物質原子を正確に送出できる。上文中に説明したセンサ及び制御装置により、温度及び圧力の変化を完全に考慮して、ＡＬＤ工程を厳密に制御できる。例えば、バルブ毎の変化、バルブの経時的劣化、及び／又は送出条件の変化によるＡＬＤ工程の変化を小さくすることができる。
【００４１】
結論として、以上説明した方法及び装置は、ＡＬＤシステムを絶対集中法で監視でき且つ制御できる。上文中に説明した光学式センサにより、監視されるべきＡＬＤガスの送出を、読みの数％内で、即ち１００ｐｐｍ±２ｐｐｍで監視できる。上文中に説明したセンサは、更に、パルス送出を用いるＡＬＤシステム以外の任意のガス送出システムで使用してもよい。センサは、最新の装置と関連して使用してもよい。これは、これらのプロセスの持続時間が、通常は非常に短いためである。
【００４２】
パルス蒸着の監視及び制御を行うための装置及び方法の特定の実施例を説明したけれども、これらの実施例に内在する概念は、他の実施例でも使用できるということは理解されよう。本願の保護は、専ら特許請求の範囲によって限定される。
【００４３】
特許請求の範囲では、単数で表したエレメントは、特段の記載のない限り、「一つ及び唯一」を意味しようとするものではなく「一つ又はそれ以上」である。本開示に亘って記載した様々な実施例のエレメントの、当業者に周知の、又は後に当業者に知られる構造的及び機能的等価物は、明らかに、本明細書中に含まれ、これは特許請求の範囲に含まれる。更に、本明細書中に開示されていない事項は、こうした開示が特許請求の範囲に明快に記載されているかどうかに関わらず、公共に供されるものである。特許請求の範囲に記載されていないエレメントは、「ための手段」というフレーズを使用して明白に記載されていない限り、又は方法の特許請求の範囲の場合、エレメントが「ための工程」というフレーズを使用して記載されていない限り、米国特許法第１１２条第６項の規定に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】図１Ａは、パルスガス送出システムの一実施例の概略ブロックダイヤグラムである。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示すパルスガス送出装置のガス送出装置を示す図である。
【図２】図２は、ガスの送出を監視するための光学式センサの概念を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００ パルスガス送出システム
２００ 光学式センサ
１１０ 液体先駆物質源
１２０ ＡＬＤガス送出装置
１３０ 処理チャンバ
１３２ 半導体基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置において、
ガスを一つ又はそれ以上のパルスをなして送出するように形成されたパルスガス送出装置と、
前記パルスガス送出装置に連結された、前記ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサと、
前記センサの応答から、前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの量を決定するように形成された制御装置とを含む、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記センサは光学式センサを含み、
前記光学式センサは、
前記ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生するように形成された光源と、
前記光放射線の強さを検出するように形成されたレセプタクルであって、前記光放射線は、前記レセプタクル内のガスを通って透過した後、前記光源から検出器に到達する、レセプタクルと、
前記レセプタクル内のガスを透過した後、前記光源から検出器に到達した前記光放射線の強さを検出するように形成された検出器とを含み、
前記制御装置は、前記ガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記検出器が検出した強さ、即ち前記レセプタクル内の前記ガスによる前記光放射線の吸収量から決定するように形成されている、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記検出器は、更に、前記光放射線の検出された強さを表す一つ又はそれ以上の検出器信号を発生するように形成されており、前記制御装置は、更に、検出器信号を演算処理することによって、前記送出されたガスの量を計測するように形成されている、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、
前記制御装置は、所望の量に合わせて送出された前記ガスの量を、前記検出器信号に応じて適応調節する制御信号を発生し伝達することによって、前記ガスの送出を実時間で監視するように形成されている、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、更に、
前記ガスの送出を所望の量に合わせて適応調節する制御信号を発生し伝達することによって、前記ガスの送出を実時間で監視するように形成された監視装置を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記制御装置は、前記ガス送出装置によるガスの送出がゼロであるかどうかを確認し、ゼロである場合に前記センサをリセットし、ゼロを報告するように形成されている、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記制御装置は、前記パルスの各々中に送出された前記ガスの量を決定し監視するように形成されており、
前記制御装置は、更に、複数のパルスを含む期間中に送出されたガスの総量を決定し監視するように形成されている、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記ガス送出装置は、少なくとも一つのＡＬＤ（原子層蒸着）先駆物質ガスをＡＬＤ処理チャンバに送出するように形成されたＡＬＤガス送出装置を含む、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、各パルス中にＡＬＤガス送出装置からＡＬＤ処理チャンバに送出されるＡＬＤ先駆物質ガスの濃度を決定し監視するように形成されており、
前記制御装置は、更に、ＡＬＤガス送出装置、ＡＬＤ処理チャンバ、及びＡＬＤガス送出装置用の液体先駆物質源を含むＡＬＤシステムの１サイクル中に送出されるＡＬＤ先駆物質ガスの総量を決定し監視するように形成されている、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、ＡＬＤシステムのガスの送出の変化を監視するように形成されている、装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、前記パルスガス送出装置の上昇時間及び低下時間の少なくとも一方を監視するように形成されている、装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、前記パルスガス送出装置の絶対ゼロを監視するように形成されている、装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、
前記放射線源は、変調放射線源を含む、装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、
前記源を、約１０Ｈｚよりも大きい速度で変調する、装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置において、
前記光学式センサは、更に、前記レセプタクル内で前記光放射線の所望の帯域幅を、前記レセプタクルから前記検出器まで選択的に伝達するように形成された波長選択装置を含み、
前記波長選択装置は、
フィルタ、
格子、
プリズム、
レーザー、
特定周波数ダイオード、
干渉計、及び
音響光フィルタのうちの少なくとも一つを含む、装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置において、
前記検出器は、感光検出器を含む、装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の装置において、
前記レセプタクルは、
前記光放射線を前記源から前記レセプタクル内に透過できる放射線透過性ウィンドウ、及び
前記光放射線を前記レセプタクルから前記検出器上に透過できる放射線透過性ウィンドウのうちの少なくとも一つを含む、装置。
【請求項１８】
ガス送出装置によるガスの送出をセンサで監視する方法において、
前記ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生する工程と、
前記光放射線を、前記ガス送出装置によって送出されたガスが入ったレセプタクルを通して伝達する工程と、
前記光放射線が前記レセプタクル内のガスを透過した後の前記光放射線の強さを検出する工程と、
前記ガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記検出された強さ、即ち前記レセプタクル内の前記ガスによる前記光放射線の吸収量を決定することにより計測する工程とを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、更に、
前記ガス送出装置によって送出された前記ガスの量を所望の量に合わせて適応調節する工程を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
前記ガス送出装置によって送出された前記ガスの量を計測する工程は、
パルスガス送出装置が発生した個々のパルスの各々によって送出されたガスの量を計測する工程と、
前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの総量を、複数のパルスを含むパルスサイクル中に計測する工程とを含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、更に、
最初に、複数のパルスの送出前にセンサを再ゼロ化する工程と、
前記複数のパルスの各々の間にセンサを再ゼロ化する工程とを含む、方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、更に、
前記パルスガス送出装置のドリフトを監視する工程と、
前記パルスガス送出装置の上昇時間及び低下時間の少なくとも一方を監視する工程とを含む、方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の方法において、
前記光放射線を発生する工程は、前記センサのドリフトを実質的になくすように前記光放射線を変調する工程を含む、方法。
【請求項２４】
請求項２に記載の方法において、
前記光学式センサは、ＩＲ（赤外線）センサを含み、前記源はＩＲ源を含み、前記光放射線はＩＲ放射線を含み、前記吸収振動数はＩＲ吸収周波数を含み、前記検出器はＩＲ検出器を含む、方法。
【請求項２５】
請求項２に記載の方法において、
前記光学式センサは、
ＵＶ放射線源及びＵＶ検出器を含むＵＶ（紫外線）センサ、及び
可視光源及び可視光を検出するように形成された検出器を含む可視光センサのうちの少なくとも一つを含む、方法。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、前記ガス送出装置が保守を必要とするかどうかを決定するように形成されている、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、
前記ガス送出装置は一つ又はそれ以上のバルブを含み、各バルブは、オン状態にあるとき、前記送出装置から処理チャンバにガスを流すことができるように形成されており、各バルブは、更に、オフ状態にあるとき、前記送出装置から前記処理チャンバ上へのガスの流れを妨げるように形成されており、
前記制御装置は、更に、一つ又はそれ以上のバルブが故障しているかどうかを決定するように形成されている、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、
前記ガス送出装置は、前記ガスをチャンバに送出するように形成されており、前記装置は、更に、前記チャンバ内の圧力を計測するように形成された圧力変換器を含み、前記保守は、
前記圧力変換器、
一つ又はそれ以上のバルブ、及び
前記制御装置のソフトウェアのうちの少なくとも一つの保守を含む、方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、少なくとも一方のバルブがオフ状態にあるとき、前記ガス送出装置を通るガスの漏出を監視するように形成されている、方法。
【請求項３０】
請求項６に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、前記パルスの各々の間で前記センサをリセットしゼロを報告するように形成されている、方法。
【請求項３１】
請求項１に記載の方法において、前記センサは、
音響センサと、
光音響センサと、
質量分析計と、
蛍光分析計と、
電解センサとのうちの少なくとも一つを含む、方法。
【請求項３２】
パルスガス送出装置によるガスの送出を監視する方法において、
前記ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサを前記パルスガス送出装置に連結する工程と、
前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記センサの応答から決定する工程とを含む、方法。
【請求項３３】
請求項１６に記載の装置において、
前記感光検出器は、
LiTaO3検出器、
PbS 検出器、
PbSe検出器、
ＤＴＧＳ検出器、及び
ＭＣＴ検出器のうちの少なくとも一つを含む、装置。
【請求項１】
装置において、
ガスを一つ又はそれ以上のパルスをなして送出するように形成されたパルスガス送出装置と、
前記パルスガス送出装置に連結された、前記ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサと、
前記センサの応答から、前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの量を決定するように形成された制御装置とを含む、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記センサは光学式センサを含み、
前記光学式センサは、
前記ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生するように形成された光源と、
前記光放射線の強さを検出するように形成されたレセプタクルであって、前記光放射線は、前記レセプタクル内のガスを通って透過した後、前記光源から検出器に到達する、レセプタクルと、
前記レセプタクル内のガスを透過した後、前記光源から検出器に到達した前記光放射線の強さを検出するように形成された検出器とを含み、
前記制御装置は、前記ガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記検出器が検出した強さ、即ち前記レセプタクル内の前記ガスによる前記光放射線の吸収量から決定するように形成されている、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記検出器は、更に、前記光放射線の検出された強さを表す一つ又はそれ以上の検出器信号を発生するように形成されており、前記制御装置は、更に、検出器信号を演算処理することによって、前記送出されたガスの量を計測するように形成されている、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、
前記制御装置は、所望の量に合わせて送出された前記ガスの量を、前記検出器信号に応じて適応調節する制御信号を発生し伝達することによって、前記ガスの送出を実時間で監視するように形成されている、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、更に、
前記ガスの送出を所望の量に合わせて適応調節する制御信号を発生し伝達することによって、前記ガスの送出を実時間で監視するように形成された監視装置を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記制御装置は、前記ガス送出装置によるガスの送出がゼロであるかどうかを確認し、ゼロである場合に前記センサをリセットし、ゼロを報告するように形成されている、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記制御装置は、前記パルスの各々中に送出された前記ガスの量を決定し監視するように形成されており、
前記制御装置は、更に、複数のパルスを含む期間中に送出されたガスの総量を決定し監視するように形成されている、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記ガス送出装置は、少なくとも一つのＡＬＤ（原子層蒸着）先駆物質ガスをＡＬＤ処理チャンバに送出するように形成されたＡＬＤガス送出装置を含む、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、各パルス中にＡＬＤガス送出装置からＡＬＤ処理チャンバに送出されるＡＬＤ先駆物質ガスの濃度を決定し監視するように形成されており、
前記制御装置は、更に、ＡＬＤガス送出装置、ＡＬＤ処理チャンバ、及びＡＬＤガス送出装置用の液体先駆物質源を含むＡＬＤシステムの１サイクル中に送出されるＡＬＤ先駆物質ガスの総量を決定し監視するように形成されている、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、ＡＬＤシステムのガスの送出の変化を監視するように形成されている、装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、前記パルスガス送出装置の上昇時間及び低下時間の少なくとも一方を監視するように形成されている、装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の装置において、
前記制御装置は、更に、前記パルスガス送出装置の絶対ゼロを監視するように形成されている、装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、
前記放射線源は、変調放射線源を含む、装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、
前記源を、約１０Ｈｚよりも大きい速度で変調する、装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置において、
前記光学式センサは、更に、前記レセプタクル内で前記光放射線の所望の帯域幅を、前記レセプタクルから前記検出器まで選択的に伝達するように形成された波長選択装置を含み、
前記波長選択装置は、
フィルタ、
格子、
プリズム、
レーザー、
特定周波数ダイオード、
干渉計、及び
音響光フィルタのうちの少なくとも一つを含む、装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置において、
前記検出器は、感光検出器を含む、装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の装置において、
前記レセプタクルは、
前記光放射線を前記源から前記レセプタクル内に透過できる放射線透過性ウィンドウ、及び
前記光放射線を前記レセプタクルから前記検出器上に透過できる放射線透過性ウィンドウのうちの少なくとも一つを含む、装置。
【請求項１８】
ガス送出装置によるガスの送出をセンサで監視する方法において、
前記ガスの吸収周波数を含むスペクトル範囲の光放射線を発生する工程と、
前記光放射線を、前記ガス送出装置によって送出されたガスが入ったレセプタクルを通して伝達する工程と、
前記光放射線が前記レセプタクル内のガスを透過した後の前記光放射線の強さを検出する工程と、
前記ガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記検出された強さ、即ち前記レセプタクル内の前記ガスによる前記光放射線の吸収量を決定することにより計測する工程とを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、更に、
前記ガス送出装置によって送出された前記ガスの量を所望の量に合わせて適応調節する工程を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
前記ガス送出装置によって送出された前記ガスの量を計測する工程は、
パルスガス送出装置が発生した個々のパルスの各々によって送出されたガスの量を計測する工程と、
前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの総量を、複数のパルスを含むパルスサイクル中に計測する工程とを含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、更に、
最初に、複数のパルスの送出前にセンサを再ゼロ化する工程と、
前記複数のパルスの各々の間にセンサを再ゼロ化する工程とを含む、方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、更に、
前記パルスガス送出装置のドリフトを監視する工程と、
前記パルスガス送出装置の上昇時間及び低下時間の少なくとも一方を監視する工程とを含む、方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の方法において、
前記光放射線を発生する工程は、前記センサのドリフトを実質的になくすように前記光放射線を変調する工程を含む、方法。
【請求項２４】
請求項２に記載の方法において、
前記光学式センサは、ＩＲ（赤外線）センサを含み、前記源はＩＲ源を含み、前記光放射線はＩＲ放射線を含み、前記吸収振動数はＩＲ吸収周波数を含み、前記検出器はＩＲ検出器を含む、方法。
【請求項２５】
請求項２に記載の方法において、
前記光学式センサは、
ＵＶ放射線源及びＵＶ検出器を含むＵＶ（紫外線）センサ、及び
可視光源及び可視光を検出するように形成された検出器を含む可視光センサのうちの少なくとも一つを含む、方法。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、前記ガス送出装置が保守を必要とするかどうかを決定するように形成されている、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、
前記ガス送出装置は一つ又はそれ以上のバルブを含み、各バルブは、オン状態にあるとき、前記送出装置から処理チャンバにガスを流すことができるように形成されており、各バルブは、更に、オフ状態にあるとき、前記送出装置から前記処理チャンバ上へのガスの流れを妨げるように形成されており、
前記制御装置は、更に、一つ又はそれ以上のバルブが故障しているかどうかを決定するように形成されている、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、
前記ガス送出装置は、前記ガスをチャンバに送出するように形成されており、前記装置は、更に、前記チャンバ内の圧力を計測するように形成された圧力変換器を含み、前記保守は、
前記圧力変換器、
一つ又はそれ以上のバルブ、及び
前記制御装置のソフトウェアのうちの少なくとも一つの保守を含む、方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、少なくとも一方のバルブがオフ状態にあるとき、前記ガス送出装置を通るガスの漏出を監視するように形成されている、方法。
【請求項３０】
請求項６に記載の方法において、
前記制御装置は、更に、前記パルスの各々の間で前記センサをリセットしゼロを報告するように形成されている、方法。
【請求項３１】
請求項１に記載の方法において、前記センサは、
音響センサと、
光音響センサと、
質量分析計と、
蛍光分析計と、
電解センサとのうちの少なくとも一つを含む、方法。
【請求項３２】
パルスガス送出装置によるガスの送出を監視する方法において、
前記ガス送出装置によるガスの送出の有無に応答するように形成されたセンサを前記パルスガス送出装置に連結する工程と、
前記パルスガス送出装置によって送出されたガスの量を、前記センサの応答から決定する工程とを含む、方法。
【請求項３３】
請求項１６に記載の装置において、
前記感光検出器は、
LiTaO3検出器、
PbS 検出器、
PbSe検出器、
ＤＴＧＳ検出器、及び
ＭＣＴ検出器のうちの少なくとも一つを含む、装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図１Ｂ】
【図２】
【公表番号】特表２００９−５００８５２（Ｐ２００９−５００８５２Ａ）
【公表日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２０２８５（Ｐ２００８−５２０２８５）
【出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２５３３８
【国際公開番号】ＷＯ２００７／００８４３８
【国際公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【出願人】（５９２０５３９６３）エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２５３３８
【国際公開番号】ＷＯ２００７／００８４３８
【国際公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【出願人】（５９２０５３９６３）エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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