(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する方法において、
プラズマリアクタに発生されるプラズマの少なくとも１つの属性と、プラズマ中の１つ以上のイオンのドーズ量との間の直線的相関を得るステップであって、上記プラズマリアクタは、プラズマプロセスを遂行するように構成され、且つ上記プラズマリアクタは、上記プラズマリアクタに発生されるプラズマの上記少なくとも１つの属性を監視するように構成されたセンサを備えたものであるステップと、
上記プラズマリアクタに基板を位置させるステップと、
上記プラズマリアクタにプラズマを発生して、プラズマプロセスを開始させるステップと、
上記センサを使用して上記プラズマの上記少なくとも１つの属性のリアルタイム値を得るステップと、
上記プラズマの上記少なくとも１つの属性のリアルタイム値、及び上記プラズマの上記少なくとも１つの属性と上記プラズマ中の上記１つ以上のイオンのドーズ量との間の直線的相関に基づいて、上記プラズマプロセスの終了点を決定するステップと、を備え、
上記プラズマの少なくとも１つの属性は、上記プラズマ中の１つ以上のイオンの光学放射強度の時間積分である、方法。
【請求項２】
上記プラズマの上記少なくとも１つの属性のリアルタイム値、及び上記プラズマの上記少なくとも１つの属性と上記プラズマ中の上記１つ以上のイオンのドーズ量との間の直線的相関に基づいて、上記プラズマリアクタのパラメータを調整するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記センサは、光学放射分光計である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記直線的相関は、ルックアップテーブルの形態で得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記プラズマの少なくとも１つの属性と、上記プラズマ中の上記１つ以上のイオンのドーズ量との間の直線的相関を得る上記ステップは、
上記プラズマプロセスの複数の試運転を遂行して、それら複数の試運転の各々について上記プラズマの少なくとも１つの属性を得る段階と、
上記複数の試運転の各々について実際のドーズ量を得る段階と、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記複数の試運転の各々について上記プラズマの少なくとも１つの属性と実際のドーズ量との間の直線的相関を生成する段階を更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記プラズマプロセスは、プラズマ浸漬イオン注入である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記１つ以上のイオンは、硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、又はその組み合せを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記プラズマプロセスは、プラズマエンハンスト化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、イオン注入プロセス、及びプラズマエッチングプロセスの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
基板を処理する装置において、
プロセス容積部を画成するプロセスチャンバーと、
上記プロセス容積部に位置された導電性支持ペデスタルと、
ガスパネルに接続され、上記導電性支持ペデスタルに平行に位置されたガス分配アッセンブリであって、該ガス分配アッセンブリと上記導電性支持ペデスタルとの間にＲＦプラズマバイアス電源が結合されるようにしたガス分配アッセンブリと、
上記プロセス容積部に流体連通されたトロイダル状のプラズマソースと、
上記プロセス容積部に発生されたプラズマの１つ以上の属性を監視するように構成されたセンサと、
上記センサに結合され、上記センサからの信号を受け取って分析し、上記プラズマの１つ以上の属性のリアルタイム値を得るように構成されたコントローラと、を備え、
上記プラズマの１つ以上の属性は、上記プラズマ中の１つ以上のイオンの光学放射強度の時間積分であり、
上記コントローラは、上記プラズマの１つ以上の属性のリアルタイム値に基づいて、プラズマの１つ以上の属性とプラズマ中の１つ以上のイオンのドーズ量との間の予め取得された直線的相関から、上記プラズマ中の１つ以上のイオンのドーズ量を決定する、装置。
【請求項１１】
上記センサは、光学放射分光計である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記光学放射分光計は、上記プロセスチャンバーに形成された窓の外側に位置される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
ある元素の希望ドーズを基板に注入する方法において、
励起された状態の上記元素の属性を監視するように構成されたセンサを有するプラズマリアクタを用意するステップと、
上記元素の属性と上記元素のドーズ値との間の直線的相関を生成するステップと、
上記プラズマリアクタ内に基板を位置させるステップと、
上記励起状態の元素を含むプラズマを上記プラズマリアクタ内に発生するステップと、
上記センサを使用して上記元素の属性のリアルタイム値を得るステップと、
上記元素の属性と上記元素のドーズ値との間の上記直線的相関を使用して上記元素のリアルタイムドーズ値を決定するステップと、
上記リアルタイムドーズ値が希望ドーズのエラー範囲内であるときにはプラズマを終了させるステップと、を備え、
上記元素の属性は、上記元素の光学放射強度の時間積分である、方法。
【請求項１４】
上記直線的相関を生成するステップは、
上記注入の複数の試運転を遂行して、その複数の試運転の各々について上記元素の属性の監視を得る段階と、
上記複数の試運転の各々について実際のドーズ量を得る段階と、を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
上記元素の属性及び上記実際のドーズ量のルックアップテーブルを生成するステップを更に備えた、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般に、基板を処理するための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、半導体基板のプラズマ処理中に１つ以上の種のドーズ量を監視するための方法及び装置に関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]プラズマエンハンスト化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、プラズマ浸漬イオン注入プロセス（Ｐ３Ｉ）及びプラズマエッチングプロセスのようなプラズマ処理中には、イオンドーズ量を制御することが重要である。集積回路製造におけるイオン注入プロセスは、特に、半導体基板に希望のイオンドーズを達成するための計装及び制御を必要とする。
【０００３】
[0003]イオン注入におけるドーズとは、一般に、処理されている基板の仮想表面平面を通過する単位面積当たりの合計イオン数を指す。注入されたイオンは、それ自体、基板の体積全体にわたり分布する。注入イオン密度（単位体積当たりのイオン数）の主な変化は、通常、基板表面に対して直角（垂直）方向であるイオン束の方向に沿って生じる。垂直方向に沿ったイオン密度（単位体積当たりのイオン）の分布は、イオン注入深さプロフィールと称される。イオン注入ドーズ（単位面積当たりのイオン）を調整するための計装及び制御システムは、時々、ドーズ計測と称される。
【０００４】
[0004]イオン注入は、イオンビーム注入装置及びプラズマ浸漬イオン注入装置において遂行することができる。イオンビーム注入装置は、基板の表面にわたりラスタスキャンされなければならない細いイオンビームを発生するもので、典型的に、一度に１つの原子種しか注入しない。このような装置のイオン電流は、実際のドーズを計算するために正確に測定され、時間で積分される。全イオンビームが基板に衝突するために及びビーム内の原子種が既知であるために、イオン注入ドーズを正確に決定することができる。これは、イオンビーム注入装置において重要である。というのは、この装置は、出力電流に著しいドリフトを受けるＤＣイオンソースを使用し、且つビーム注入マシンに使用される種々のグリッド及び電極もドリフトを生じるからである（ＤＣソースがコンポーネントの表面上に堆積される材料の蓄積を受けるために）。従って、イオンビーム注入装置では、正確なドーズ計測が必須となる。瞬時電流注入ドーズを計算するために、正確に監視されたイオンビーム電流が時間で積分され、ドーズが所定のターゲット値に達するや否や、プロセスが停止される。
【０００５】
[0005]対照的に、プラズマ浸漬イオン注入リアクタは、ドーズ計測において異なる問題を引き起こす。典型的に、基板に入射するイオンの原子重量は、正確に決定することができない。というのは、このようなリアクタは、希望のイオン注入種及び他の種を含む先駆ガスを使用するからである。例えば、純粋な硼素は、室温において固体であるから、硼素のプラズマ浸漬イオン注入は、硼素及び水素イオンの両方が基板に入射するように、Ｂ２Ｈ６のような多種ガスをプラズマ先駆体として使用しなければならない。その結果、測定電流から硼素ドーズを決定することが困難になる。プラズマ浸漬イオン注入リアクタにおいてドーズ計測を実施する際の別の難題は、プラズマイオンが基板全体に連続的に衝突し、従って、基板の上で基板への合計イオン電流を直接測定することが困難なことである。むしろ、ドーズは、非常に小さなエリアにわたって得られた測定値から間接的に推定されなければならない。あるプラズマ浸漬イオン注入リアクタで遭遇する更に別の難題は、チャンバー内に電磁ノイズ又は干渉が生じて、イオン電流の正確な測定を妨げ得ることである。これは、ＲＦプラズマソース電源又はＲＦプラズマバイアス電源を使用するリアクタにおいて特に言えることである。
【０００６】
[0006]ＤＣ（又はパルス状ＤＣ）プラズマソース電源を使用するプラズマ浸漬イオン注入リアクタは、プラズマから内部リアクタコンポーネントに材料が堆積するためにプラズマイオン電流のドリフトを受け易い。それ故、このようなリアクタは、正確なリアルタイムドーズ計測を必要とする。この問題は、基板周囲の外側でウェハ支持ペデスタル又はカソードに小さなオリフィスを設けて、プラズマイオンをカソードの内部容積へ通過させることにより、対処されている。時々ファラディーカップ(Faraday cup)と称される電極がオリフィスに向けられ、オリフィスを通過するイオンを収集するようにバイアスされる。カソードの内部は、オリフィスを通してイオンを効率的に収集するよう確保するために、プラズマチャンバーより若干低い圧力に排気することができる。カソード内部の電流センサが、イオン収集カソードとそのバイアスソースとの間に流れる電流を測定する。この電流は、ドーズ計測測定の基礎として使用することができる。このような構成に伴う１つの問題は、電流測定を異なる原子種間で区別することができず、それ故、当該種（例えば、硼素）の正確な測定を行えないことである。別の問題は、カソード内部の電流センサから外部コントローラ又はプロセッサへの測定電流の伝送が、プラズマリアクタのノイズ性の電磁環境により歪を受け得ることである。
【０００７】
[0007]別の問題は、カソードのオリフィスが基板の周囲付近で電界を歪ませることがあるので、オリフィスが理想的なプラズマ環境に対し侵入物を構成することである。更に、オリフィスを通過するプラズマは、オリフィス表面をスパッタリングするか、又はオリフィス内面に堆積することにより、オリフィス内部の周期的な清掃を必要とするという問題を引き起こすことにもなる。
【０００８】
[0008]ＲＦプラズマソース電源を使用するプラズマ浸漬イオン注入リアクタでは、正確な又はリアルタイムのドーズ測定が、通常、重要ではなかった。これは、一部分は、ＤＣプラズマソースを使用するリアクタに比して、ＲＦプラズマが内部チャンバーコンポーネントへの材料の堆積に比較的鈍感であり、ウェハ表面のイオン束が著しくドリフトしないためである。更に、このようなリアクタでは、リアルタイムのドーズ測定が困難である。例えば、このようなリアクタの厳しいＲＦ環境は、（上述した）カソード内で得られたイオン電流測定値を、それが外部コントローラ又はプロセッサへ運ばれるときに、歪ませることになる。このような問題を回避するために、ターゲット注入ドーズに到達するに必要な予想又は推定時間に基づいて注入ドーズを確実に制御することができる。しかしながら、半導体デバイスでは特徴部のサイズが益々小さくなってきているので、リアルタイムのドーズ制御が益々要望される。
【０００９】
[0009]それ故、ＲＦプラズマ浸漬イオン注入リアクタのようなプラズマ処理チャンバーにおいて正確なリアルタイムドーズ計測が要望される。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]本発明は、一般に、種々の処理チャンバーにおけるプラズマ処理中にイオンドーズ量を監視するための方法及び装置を提供することである。
【００１１】
[0011]本発明の一実施形態は、基板を処理する方法において、プラズマリアクタに発生されるプラズマの少なくとも１つの属性とプラズマにおける１つ以上のイオンのドーズ量との間の相関を得るステップであって、プラズマリアクタは、プラズマプロセスを遂行するように構成され、且つプラズマリアクタは、そのプラズマリアクタに発生されるプラズマの少なくとも１つの属性を監視するように構成されたセンサを備えたものであるステップと、プラズマリアクタに基板を位置させるステップと、プラズマリアクタにプラズマを発生して、プラズマプロセスを開始するステップと、センサを使用してプラズマの少なくとも１つの属性のリアルタイム値を得るステップと、プラズマの少なくとも１つの属性のリアルタイム値、及びプラズマの少なくとも１つの属性と、プラズマにおける１つ以上のイオンのドーズ量との間の相関に基づいて、プラズマプロセスの終了点を決定するステップと、を備えた方法を提供する。
【００１２】
[0012]本発明の別の実施形態は、基板を処理する装置において、プロセス容積部を画成するプロセスチャンバーと、プロセス容積部に位置された導電性支持ペデスタルと、ガスパネルに接続され、導電性支持ペデスタルに平行に位置されたガス分配アッセンブリであって、このガス分配アッセンブリと導電性支持ペデスタルとの間にＲＦプラズマバイアス電源が結合されるようにしたガス分配アッセンブリと、プロセス容積部に流体連通されたトロイダル状のプラズマソースと、プロセス容積部に発生されたプラズマの１つ以上の属性を監視するように構成されたセンサと、このセンサに結合され、このセンサからの信号を受け取って分析するように構成されたコントローラと、を備えた装置を提供する。
【００１３】
[0013]本発明の更に別の実施形態は、ある元素の希望ドーズを基板に注入する方法において、励起された状態の元素の属性を監視するように構成されたセンサを有するプラズマリアクタを用意するステップと、元素の属性と元素のドーズ値との間の相関を生成するステップと、プラズマリアクタ内に基板を位置させるステップと、励起状態の元素を含むプラズマをプラズマリアクタ内に発生するステップと、センサを使用して元素の属性のリアルタイム値を得るステップと、元素の属性と元素のドーズ値との間の相関を使用して元素のリアルタイムドーズ値を決定するステップと、そのリアルタイムドーズ値が希望ドーズのエラー範囲内にあるときにはプラズマを終了させるステップと、を備えた方法を提供する。
【００１４】
[0014]本発明の前述した特徴を詳細に理解できるように、概要を上述した本発明について、幾つかが添付図面に例示された実施形態に関連して、以下により特定して説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を例示するものに過ぎず、本発明の範囲をこれらに限定しようとするものではなく、本発明は、同様の効果を発揮する他の実施形態も包含し得ることに注意されたい。
【００１５】
[0023]理解を容易にするために、添付図面に共通な同じ要素を示すのに可能な限り同じ参照番号を使用する。ある実施形態に開示された要素は、特に詳述せずに他の実施形態にも有益に利用されることが意図される。
【詳細な説明】
【００１６】
[0024]本発明の実施形態は、プラズマプロセスにおいてイオンドーズ量を監視するための方法、及びこの方法を遂行するための装置を提供する。
【００１７】
[0025]図１は、本発明の一実施形態によるプラズマチャンバー１の等尺概略断面図である。このプラズマチャンバー１は、プラズマエンハンスト化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、イオン注入プロセス、エッチングプロセス、及び他のプラズマプロセスのために構成することができる。
【００１８】
[0026]プラズマリアクタ１は、プラズマチャンバー１の本体３に結合されたトロイダル状のプラズマソース１００を備えている。本体３は、蓋１０及び底部１５に結合された側壁５を備え、内部容積部２０と境界を接している。プラズマチャンバー１の他の例は、２００２年６月５日に出願されて２００５年９月６日に発行された米国特許第６，９３９，４３４号、及び２００４年２月２４日に出願されて２００５年５月１７日に発行された米国特許第６，８９３，９０７号に見ることができ、これらの両特許は、参考としてここに全体を援用する。
【００１９】
[0027]内部容積部２０は、ガス分配アッセンブリ２００と基板支持体３００との間に形成された処理領域２５を備えている。ポンピング領域３０が基板支持体３００の一部分を包囲している。このポンピング領域３０は、底部１５に形成されたポート４５に配置されたバルブ３５を通して真空ポンプ４０と選択的に連通する。一実施形態において、バルブ３５は、内部容積部２０からポート４５を経て真空ポンプ４０へ至るガス又は蒸気の流れを制御するように適応されるスロットルバルブである。一実施形態において、バルブ３５は、Ｏリングを使用せずに動作し、これについては、参考としてここに全体を援用する２００５年４月２６日に出願された米国特許出願第２００６／０２３７１３６号に更に説明されている。
【００２０】
[0028]トロイダル状のプラズマソース１００は、本体３の蓋１０に配置される。一実施形態において、トロイダル状のプラズマソース１００は、一般的に“Ｕ”字型の第１コンジット１５０Ａと、一般的に“Ｍ”字型の第２コンジット１５０Ｂとを備えている。第１コンジット１５０Ａ及び第２コンジット１５０Ｂは、各々、少なくとも１つのアンテナ１７０Ａ及び１７０Ｂを含む。これらアンテナ１７０Ａ及び１７０Ｂは、各コンジット１５０Ａ／１５０Ｂの内部領域１５５Ａ／１５５Ｂ内に、誘導的に結合されたプラズマを各々生成するように構成される。図２に示すように、各アンテナ１７０Ａ／１７０Ｂは、ＲＦ電源１７１Ａ／１７１Ｂのような電源に結合された巻線又はコイルでよい。また、ＲＦインピーダンス整合システム１７２Ａ／１７２Ｂも、各アンテナ１７０Ａ／１７０Ｂに結合することができる。ヘリウム、アルゴン、及び他のガスのようなプロセスガスを、各コンジット１５０Ａ、１５０Ｂの内部領域１５５Ａ、１５５Ｂに供給することができる。一実施形態において、プロセスガスは、ドーパント含有ガスを含んでもよく、これは、各コンジット１５０Ａ／１５０Ｂの内部領域１５５Ａ／１５５Ｂに供給される。一実施形態では、プロセスガスは、ガスパネル１３０Ｂからトロイダル状のプラズマソース１００へ配送することができる。別の実施形態では、プロセスガスは、プラズマチャンバー１の本体３に形成されたポート５５に接続されたガスパネル１３０Ａからガス分配アッセンブリ２００を通して配送されてもよい。
【００２１】
[0029]一実施形態において、コンジット１５０Ａ／１５０Ｂの各反対端は、プラズマチャンバー１の蓋１０に形成された各ポート５０Ａ−５０Ｄに結合される（この図には５０Ａ及び５０Ｂしか示されていない）。処理中に、プロセスガスは、各コンジット１５０Ａ／１５０Ｂの内部領域１５５Ａ／１５５Ｂに供給され、ＲＦ電源が各アンテナ１７０Ａ／１７０Ｂに印加されて、ポート５０Ａ−５０Ｄ及び処理領域２５を経て進む循環プラズマ経路を生成する。より詳細には、図１において、循環プラズマ経路は、ポート５０Ａからポート５０Ｂへ又はその逆に進み、ガス分配アッセンブリ２００と基板支持体３００との間の処理領域２５を通して進む。各コンジット１５０Ａ／１５０Ｂは、そのコンジット１５０Ａ／１５０Ｂの各端とポート５０Ａ−５０Ｄとの間に結合されたプラズマチャンネル化区分４００を備えている。一実施形態において、このプラズマチャンネル化区分４００は、各コンジット１５０Ａ／１５０Ｂ内に形成されるプラズマ経路を分割し及び広げるように構成される。
【００２２】
[0030]ガス分配アッセンブリ２００は、環状壁２１０及び孔付きプレート２２０を備えている。環状壁２１０、孔付きプレート２２０、及び蓋１０は、プレナム２３０を画成する。孔付きプレート２２０は、１つ又は複数の対称的又は非対称的パターンで貫通形成された複数の開口２２１を含む。一実施形態において、ドーパント含有プロセスガスは、ガスパネル１３０Ａに接続されたガス分配アッセンブリ２００から処理領域２５へ配送することができる。ドーパント含有ガスのようなプロセスガスは、ポート５５からプレナム２３０に供給することができる。一般に、ドーパント含有ガスは、硼素（シリコンにおけるｐ型導電率の不純物）又は燐（シリコンにおけるｎ型導電率の不純物）のようなドーパント不純物原子、並びにフッ素及び／又は水素のような揮発性種より成る化学物質である。従って、硼素、燐、又は他のドーパント種、例えば、砒素、アンチモン等のフッ化物及び／又は水素化物をドーパントガスとすることができる。例えば、硼素ドーパントが使用される場合には、ドーパント含有ガスは、三フッ化硼素（ＢＦ３）又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）を含んでもよい。ガスは、開口２２１を通して、孔付きプレート２２０の下の処理領域２５へ流れ込むことができる。一実施形態では、孔付きプレート２２０は、処理領域２５にプラズマを発生し及び／又は維持する上で助けとなるようにＲＦバイアスされる。
【００２３】
[0031]基板支持体３００は、上部プレート３１０及びカソードアッセンブリ３２０を含む。上部プレート３１０は、基板を支持するように構成された滑らかな基板支持面３１０Ｂを有する。上部プレート３１０は、埋め込まれた電極３１５を備え、この電極は、処理中に上部プレート３１０の基板支持面３１０Ｂと基板との間の静電吸引を容易にするためにＤＣ電源３０６に接続される。また、一実施形態において、埋め込まれた電極３１５は、処理領域２５に容量性ＲＦエネルギーを与えるための電極として使用されてもよい。埋め込まれた電極３１５は、ＲＦインピーダンス整合回路３０５Ｂを経てＲＦバイアス電源３０５Ａに接続されてもよい。
【００２４】
[0032]また、基板支持体３００は、基板を上部プレート３１０の上に選択的に持ち上げて支持することにより１つ以上の基板を移送するように構成された複数のリフトピン５１０を含むリフトピンアッセンブリ５００も備えることができる。リフトピン５１０は、離間されていて、それらの間にロボットブレードを位置させることができる。
【００２５】
[0033]図２は、図１に示すプラズマチャンバー１の等尺概略上面図である。プラズマチャンバー１の側壁５は、スリットバルブ（図示せず）によって選択的にシールできる基板ポート７を有する。プロセスガスは、ポート５５に結合されたガスパネル１３０Ａによりガス分配アッセンブリ２００に供給される。ガスパネル１３０Ｂを通して第１及び第２のコンジット１５０Ａ、１５０Ｂへ１つ以上のプロセスガスが供給されてもよい。
【００２６】
[0034]プラズマチャンバー１は、更に、プラズマチャンバー１内で遂行されるプロセスを監視し制御するように構成されたコントローラ６００を備えている。このコントローラ６００は、１つ以上のセンサに接続され、センサデータをサンプリングし、分析しそして記憶するように構成できる。一実施形態において、コントローラ６００は、異なるプロセスに対して制御タスクを遂行する能力をもつことができる。コントローラ６００は、プラズマチャンバー１の操作部に接続されて、それら操作部に制御信号を送信することができる。コントローラ６００は、センサデータに基づいてプロセスパラメータを調整することにより閉ループ制御タスクを遂行し、希望のプロセス結果を達成することができる。
【００２７】
[0035]図１に示すように、本体３に形成された石英窓６の付近に光学放射分光計６０１が配置される。この光学放射分光計６０１は、プラズマチャンバー１内に発生されたプラズマ中で励起された種からの光学放射を量的に測定するように構成される。プラズマ中で励起された種は、励起されたエネルギーレベルから、光を放射することにより低いエネルギーレベルへ減衰して戻ることができる。個別の原子エネルギーレベル間に遷移が生じるので、放射された光の波長を使用して、励起された種を識別することができる。一実施形態では、放射光の強度は、１つ以上の種を含むプラズマにおける異なる種の濃度又は分布を反映することができる。プラズマは、一般的に、光スペクトル内の波長、即ち約１８０ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長を有する放射を含む電磁放射を発生する。これら放射の一部分は、分光計、例えば、光学放射分光計６０１、又は他の適当な装置、例えば、１つ以上のホトダイオードが装備されたスペクトルフィルタのモノクロメーターにより検出することができる。
【００２８】
[0036]光学放射分光計（ＯＥＳ）６０１は、石英窓６付近に配置されたレンズ６０２を備えることができる。このレンズ６０２は、石英窓６を通過するプラズマの放射を、分光計６０４に接続された光ファイバケーブル６０３へとコリメートするように構成できる。分光計６０４は、波長に基づいて放射をスペクトル的に分離し、１つ以上の空間的に分離された波長に対する検出信号を発生する。コントローラ６００内のデータ取得装置を使用して、分離された波長を表わすデータ、ここでは、プラズマ中のイオン種の特性を、周期的なサンプリングレートで収集することができる。収集されたデータを処理して分析し、ＲＦプラズマバイアス電源３０５Ａ、ＲＦプラズマソース電源１７１Ａ／１７１Ｂ、ガスパネル１３０Ａ／１３０Ｂ、ポンプ４０、又はプラズマチャンバー１の他の制御可能なコンポーネントへ制御信号を発生し、プロセスパラメータ、例えば、圧力、電力強度、流量、プロセス期間を調整することができる。
【００２９】
[0037]また、他のセンサを使用して、プラズマチャンバー１におけるプロセス特性を測定することもできる。一実施形態では、プラズマ中の異なる種の分布を測定するように構成された質量分布センサ６０５をガス分配アッセンブリ２００に位置させることができる。別の実施形態では、ＲＦインピーダンス整合回路３０５Ｂと、埋め込まれた電極３１５との間に電圧／電流センサ６０６を位置させて、埋め込まれた電極３１５に与えられる電流及び電圧を監視することができる。
【００３０】
[0038]説明の一実施形態では、分光計、例えば、光学放射分光計６０１により測定されたプラズマの１つ以上のイオン種のピーク強度を使用して、プラズマプロセス、例えば、プラズマエンハンスト化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、イオン注入プロセス、エッチングプロセス、及び他のプラズマプロセスにおいて１つ以上のイオンドーズ量を監視し制御することができる。
【００３１】
[0039]一実施形態において、ドーパント含有プラズマ内の１つ以上のイオン種のピーク強度を使用して、プラズマ浸漬イオン注入プロセスのドーズ量を制御することができる。
【００３２】
[0040]基板におけるイオン注入の実際のドーズ量は、二次イオン質量分光計測（ＳＩＭＳ）のような後処理測定により決定することができる。イオン注入が完了すると、ＳＩＭＳを使用して基板を測定することができ、ここでは、基板の小さなスポットをスパッタしつつ、直角質量分光計がスパッタ深さの関数として二次イオン放出を感知し、当該種の深さにわたってイオン注入密度分布を得る。図３は、各々５秒、１０秒、２０秒、３０秒、及び４０秒の異なる時間巾の間に同じプロセス条件で硼素を注入したテスト基板において深さにわたる硼素注入密度分布の結果を概略的に示す。図３のｘ軸は、基板における測定スポットの深さを示す。ｙ軸は、全硼素濃度をイオン／立方センチメートルの数値で示す。全濃度を深さで積分することにより、各基板における硼素の実際のドーズ量（イオン／平方センチメートルの数値）を計算することができる。
【００３３】
[0041]一般的に、ＯＥＳから測定されるプラズマ中のイオン種のピーク強度は、チャンバー圧力の増加と共に、及びＲＦバイアス電源の電力レベル、例えば、ＲＦプラズマバイアス電源３０５Ａからの電力レベルの増加と共に、著しく増加する。また、ピーク強度は、処理ガスの流量の増加、及びＲＦ電源、例えば、ＲＦプラズマ電源１７１Ａ／１７１Ｂの電力レベルの増加と共に、若干増加する。
【００３４】
[0042]ドーパントのドーズ量は、プロセスパラメータが同じに保たれる間に、プロセス中のドーパントのピーク強度と実質的に直線的に相関することが観察されている。図４は、硼素の注入に対するドーズ量と測定ドーパントピーク強度との間の直線的関係を概略的に示す。ｘ軸は、光学放射分光計を使用して注入プロセス中に得た（平均）硼素ピーク強度を示す。ｙ軸は、基板のＳＩＭＳ測定から計算された基板の硼素濃度を示す。図４に示すように、硼素濃度は、硼素ピーク強度に対して実質的に直線的である。
【００３５】
[0043]本発明の一実施形態において、当該種のピーク強度及び種のドーズ量の直線的相関、例えば、図４に示す直線的相関は、プロセスの前に得ることができ、また、推定ドーズ量は、プロセス中のピーク強度測定値及び直線的相関から得ることができる。
【００３６】
[0044]本発明の一実施形態は、当該種のピーク強度測定を使用して終了点を決定することによるドーズ量制御方法を提供する。
【００３７】
[0045]図５は、注入プロセス中のプラズマ内のイオン種のピーク強度を概略的に示す。ｘ軸は、時間を示す。ｙ軸は、ＯＥＳを使用して測定できるピーク強度を示す。斜線領域のサイズは、ピーク強度と注入時間との積（以下、ＰＩＩＴ）を示す。プロセス中に、ＰＩＩＴは、測定されたピーク強度を時間で積分することによって計算できる。ＰＩＩＴとドーズ量との間の実質的な直線的相関が観察されている。
【００３８】
[0046]図６は、硼素注入プロセスのＰＩＩＴとドーズ値との間の直線的相関を概略的に示す。ｘ軸は、プロセスのＯＥＳからのピーク強度測定値から計算されたＰＩＩＴ値を示す。ｙ軸は、プロセス後に遂行されたＳＩＭＳからの実際のドーズ量測定値を示す。５個のサンプル基板のドーズ量−ＰＩＩＴ対は、実線の曲線ｙ＝２ｘ１０１３ｘ＋９ｘ１０１５で示すように、実質的に直線のように見える。従って、プラズマプロセスのドーズ量は、リアルタイムのＰＩＩＴ値、及びＰＩＩＴとドーズ量との間の所定の相関からその場(in-situ)で決定することができる。
【００３９】
[0047]図７は、本発明の一実施形態によりプラズマプロセスの終了点を検出する方法７００を示す。
【００４０】
[0048]ステップ７１０において、１つ以上の当該種のドーズ量と、それに対応する１つ以上の種のＰＩＩＴとの間の相関を決定することができる。この決定は、ターゲットプロセスの何回もの試運転を行なうことで遂行されてもよい。各試運転のＰＩＩＴを計算し、各試運転の実際のドーズ量を得ることができる。一実施形態では、複数のドーズ量−ＰＩＩＴ値対のためのルックアップテーブルの形態で相関を得ることができる。このルックアップテーブルを見ることにより所与のＰＩＩＴ値に対してドーズ量を得ることができる。所与のＰＩＩＴ値がルックアップテーブルにおける２つのＰＩＩＴ値間に入るときには、対応するドーズ量に対して補間を行うことができる。別の実施形態では、一次多項式のような数式の形態で相関を得ることができ、その数式に所与のＰＩＩＴ値を入れることで、所与のＰＩＩＴ値のドーズ量を得ることができる。
【００４１】
[0049]ステップ７２０において、プラズマプロセスを開始することができる。このステップは、プラズマチャンバー内に基板を位置させ、プラズマチャンバーをポンプ排気し、処理ガスを流し込み、及び／又はプラズマを発生することを含むことができる。
【００４２】
[0050]ステップ７３０において、ＯＥＳのような分光計を使用して、１つ以上の当該種のピーク強度を周期的に測定することができる。
【００４３】
[0051]ステップ７４０において、各ピーク強度測定値を時間で積分することによりリアルタイムＰＩＩＴ値を計算することができる。
【００４４】
[0052]ステップ７５０において、リアルタイムＰＩＩＴ値及び決定された相関を使用してリアルタイムドーズ量を決定することができる。
【００４５】
[0053]ステップ７６０において、リアルタイムドーズ量を希望のドーズ量と比較することができる。希望のドーズ量が得られた場合には、プロセスは、ステップ７７０で終了となる。希望のドーズ量がまだ得られない場合には、プロセスが続く。一実施形態において、リアルタイムピーク強度及び／又はドーズ量の値に基づいて動作パラメータを調整するために、ステップ７６５を遂行することができる。
【００４６】
[0054]方法７００は、希望のピーク強度が短期間又は長期間に時間と共に増加又は減少するときに、たとえプラズマに系統的なドリフトがあっても、設定エラー範囲内の希望のドーズを得るように注入時間を能動的に調整するのに使用できる。従って、方法７００は、処理環境が時間と共に変化しても、高い生産一貫性を与える。
【００４７】
[0055]別の実施形態では、方法７００は、プロセス運転の中間でプラズマの中断が生じたときに基板を「修理」するのに使用できる。
【００４８】
[0056]本発明は、更に、プラズマ中の１つ以上のイオン種のピーク強度を監視することによりプロセスレシピを監視する方法を提供する。例えば、ＯＥＳにより監視されるピーク強度は、ガス、プラズマ又はプロセスの不安定さ、及び設定強度範囲を外れるドリフトのために、あるイオン種のピーク強度が設定レシピ内にないときに、プロセスを停止するのに使用できる。
【００４９】
[0057]上述したように、プラズマ中のイオン種のピーク強度は、チャンバー圧力の増加と共に増加する。ＯＥＳにより測定されるピーク強度は、チャンバー圧力に対して実質的に直線的であることが観察されている。図８は、硼素含有プラズマを使用するプロセスにおいてチャンバー圧力に関して測定された硼素ピーク強度を概略的に示すグラフである。ピーク強度とチャンバー圧力との間の直線的関係を使用して、プロセス中にプラズマ圧力を監視することができる。ピーク強度の範囲を設定するように圧力要求をマップすることができ、ピーク強度がその設定範囲からドリフトして出たときにプロセスを停止することができる。
【００５０】
[0058]別の実施形態において、１つ以上のイオン種のピーク強度を監視して、正しいガスが正しい流量でチャンバーへ供給されるよう確保することができる。
【００５１】
[0059]本出願では硼素（Ｂ）のイオン注入について述べたが、本発明の方法及び装置は、砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、及びプラズマプロセスに使用される他の種のドーズ量を監視し、制御するのにも使用できる。
【００５２】
[0060]本発明の方法及び装置は、プラズマ浸漬イオン注入プロセスに基づいて説明したが、当業者であれば、プラズマエンハンスト化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、イオン注入プロセス、及びエッチングプロセスのような他のプラズマプロセスにも適することが分るであろう。
【００５３】
[0061]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、他の及び更に別の実施形態を案出することができ、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲により決定される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態によるプラズマチャンバーの等尺概略断面図である。
【図２】図１のプラズマチャンバーの等尺概略上面図である。
【図３】深さにわたる硼素注入密度分布の結果を概略的に示すグラフである。
【図４】硼素注入に対するドーズ量と測定ドーパントピーク強度との間の直線的な関係を概略的に示すグラフである。
【図５】注入プロセス中のプラズマにおけるイオン種のピーク強度を概略的に示すグラフである。
【図６】硼素注入プロセスのＰＩＩＴ（時間で積分されたピーク強度）とドーズ値との間の直線的相関を概略的に示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態によりプラズマプロセスの終了点を検出する方法を示す図である。
【図８】硼素含有プラズマを使用するプロセスにおいてチャンバー圧力に関して測定された硼素ピーク強度を概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１…プラズマチャンバー、３…本体、５…側壁、６…石英窓、７…基板ポート、１０…蓋、１５…底部、２０…内部容積部、２５…処理領域、３０…ポンピング領域、３５…バルブ、４０…真空ポンプ、４５…ポート、５０Ａ…ポート、５０Ｂ…ポート、５０Ｃ…ポート、５０Ｄ…ポート、５５…ポート、１００…トロイダル状のプラズマソース、１３０Ａ…ガスパネル、１３０Ｂ…ガスパネル、１５０Ａ…第１コンジット、１５０Ｂ…第２コンジット、１５５Ａ…内部領域、１５５Ｂ…内部領域、１７０Ａ…アンテナ、１７０Ｂ…アンテナ、１７１Ａ…ＲＦ電源、１７１Ｂ…ＲＦ電源、１７２Ａ…ＲＦインピーダンス整合システム、１７２Ｂ…ＲＦインピーダンス整合システム、２００…ガス分配アッセンブリ、２１０…環状壁、２２０…孔付きプレート、２２１…開口、２３０…プレナム、３００…基板支持体、３０５Ａ…ＲＦプラズマバイアス電源、３０５Ｂ…回路、３０６…ＤＣ電源、３１０…上部プレート、３１０Ｂ…支持面、３１５…埋め込まれた電極、３２０…カソードアッセンブリ、４００…プラズマチャンネル化区分、５００…リフトピンアッセンブリ、５１０…リフトピン、６００…コントローラ、６０１…光学放射分光計（ＯＥＳ）、６０２…レンズ、６０３…光ファイバケーブル、６０４…分光計、６０５…質量分布センサ、６０６…電圧／電流センサ、７００…方法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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