(57)【要約】  プラズマにおけるイオン種を監視する飛行時間型イオンセンサは、ハウジングを含む。ハウジング内にはドリフトチューブが配置される。プラズマからのイオンを引き付けるよう、ハウジング内のドリフトチューブの第１の端部に抽出器電極が配置される。抽出器電極の近傍のドリフトチューブの第１の端部には複数の電極が配置される。複数の電極は、引き付けられたイオンの少なくとも一部がドリフトチューブに入り、ドリフトチューブの第２の端部の方へ移動するようバイアスされる。ドリフトチューブの第２の端部の近傍にはイオン検出器が配置される。イオン検出器は、引き付けられたイオンの少なくとも一部に関連する到着時間を検出する。【選択図】図１
2009529765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマにおけるイオン種を監視するための飛行時間型イオンセンサであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置されるドリフトチューブと、
前記ハウジング内の前記ドリフトチューブの第１の端部に配置され、プラズマからのイオンを少なくとも引き付けるか、または、跳ね返す抽出器電極と、
前記抽出器電極の近傍の前記ドリフトチューブの第１の端部に配置され、前記引き付けられたイオンの少なくとも一部が前記ドリフトチューブに入り、前記ドリフトチューブの第２の端部の方に移動するようバイアスされる複数の電極と、
前記ドリフトチューブの前記第２の端部の近傍に配置され、前記引き付けられたイオンの前記少なくとも一部に関連する到着時間を検出するイオン検出器と、
を備えるイオンセンサ。
【請求項２】
前記抽出器電極は、電気的にフロート状態になるか、または、プラズマからのイオンを少なくとも引き付けるかまたは跳ね返す電位でバイアスされる、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項３】
前記複数の電極の少なくとも１つは、前記イオンを集束する静電レンズを含む、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項４】
前記複数の電極の少なくとも１つは、前記イオンを偏向させるグリッドを含む、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項５】
前記抽出器電極に電気的に接続される出力を有し、前記プラズマにおけるイオンを少なくとも引き付けるかまたは跳ね返す、前記抽出器電極におけるＤＣ電圧を生成するＤＣ電源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項６】
前記抽出器電極に電気的に接続される出力を有し、前記プラズマにおけるイオンを少なくとも引き付けるかまたは跳ね返す、前記抽出器電極におけるパルス電圧信号を生成するパルス電源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項７】
前記パルス電圧信号は、周期信号である、請求項６に記載のイオンセンサ。
【請求項８】
前記複数の電極の１つに電気的に接続される出力を有し、イオンを引き付けるかまたは跳ね返す電圧パルス信号を生成するパルス電源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項９】
前記電圧パルス信号は、前記複数の電極の前記１つから脱着させるか、または、前記複数の電極の前記１つに堆積させる、請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１０】
前記電圧パルス信号は、前記プラズマにより処理されるウェハに印加される電圧と同期する、請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１１】
前記電圧パルス信号は、前記イオンの時間分解測定を実現すべく、タイミング基準信号に関して遅延する、請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１２】
前記電圧パルス信号における少なくともいくつかの電圧パルスは、特定のイオン質量を選択するために選ばれた幅を有する、請求項８に記載のイオンセンサ。
【請求項１３】
前記複数の電極の１つに電気的に接続される出力を有し、ＲＦ信号を生成するＲＦ電源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項１４】
前記ＲＦ信号は、前記複数の電極の前記１つから脱着させるか、または、前記複数の電極の前記１つに堆積させる、請求項１３に記載のイオンセンサ。
【請求項１５】
前記ＲＦ電源は、パルスＲＦ電源を含む、請求項１３に記載のイオンセンサ。
【請求項１６】
前記ＲＦ電源は、ＣＷ
ＲＦ電源を含む、請求項１３に記載のイオンセンサ。
【請求項１７】
前記ドリフトチューブに電気的に接続される出力を有する電源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項１８】
前記抽出器電極の近傍に配置されて前記抽出器電極の近傍にイオンを生成するイオン源をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項１９】
エネルギー分析器をさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項２０】
前記ドリフトチューブは、前記エネルギー分析器として構成される、請求項１９に記載のイオンセンサ。
【請求項２１】
前記イオンセンサは、プラズマチャンバの側壁を通じて設置され、前記抽出器電極は、前記プラズマの一端の近傍に配置される、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項２２】
前記イオン検出器からデータを受信し、制御信号および故障検出信号の少なくとも１つを生成するプロセッサをさらに備える、請求項１に記載のイオンセンサ。
【請求項２３】
プラズマにおけるイオン種を監視する方法であって、
前記プラズマからのイオンを少なくとも引き付けるかまたは跳ね返すバイアス電圧を抽出器電極に印加することと、
前記引き付けられたイオンの少なくとも一部をドリフトチューブを介し移動させる電圧信号を、前記抽出器電極の近傍に配置される複数の電極の少なくとも１つに印加することと、
前記引き付けられたイオンの前記少なくとも一部に関連する到着時間を前記ドリフトチューブの一端で検出することと、
前記到着時間から前記プラズマに関する情報を決定することと、
を含む方法。
【請求項２４】
前記電圧信号は、パルス電圧信号を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電圧信号は、ＲＦ電圧信号を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記抽出器電極の近傍でイオンを生成することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記ドリフトチューブにバイアス電圧を印加することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記ドリフトチューブに印加される前記バイアス電圧は、パルス化されている、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
予め決められた時間内は前記ドリフトチューブ内にイオンが移動するのを阻止すべく、前記予め決められた時間に、前記電極の少なくとも１つに阻止電圧を印加することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記ドリフトチューブを介しイオンの伝達を調整することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記調整は周期的である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記複数の電極の少なくとも１つへの前記電圧信号は、前記複数の電極の前記少なくとも１つから脱着させるために選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の電極の少なくとも１つへの前記電圧信号は、前記複数の電極の前記少なくとも１つに堆積させるよう選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
プラズマからのイオンを少なくとも引き付けるか、または、跳ね返すバイアス電圧を抽出器電極に印加する手段と、
前記引き付けられたイオンの少なくとも一部をドリフトチューブを介し移動させる電圧信号を、前記抽出器電極の近傍に配置される複数の電極の少なくとも１つに印加する手段と、
前記引き付けられたイオンの前記少なくとも一部に関連する到着時間を前記ドリフトチューブの一端で検出する手段と、
を備える飛行時間型イオンセンサ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００６年３月１０日に出願された、米国特許出願第１１／３７１、９０７号、「プラズマプロセスの監視制御技術」の一部継続出願であり、そのすべての開示内容は、参照により本願明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において、例えば、薄膜を形成またはエッチングすべくさまざまなドーパントをウェハに注入するためにプラズマプロセスが広く用いられている。予測可能かつ再現可能なプロセス結果を得るためには、プラズマ特性を厳密に監視制御することが重要である。例えば、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）プロセスの研究は、プラズマのイオン組成がドーパント種、ドーパント深さプロフィール、プロセスに関連するコンタミネーションを決定付ける重要な情報であることを示している。イオン組成は、ガス比、総ガス圧力、および、放電などのＰＬＡＤプロセスパラメータにより変化する。イオン組成は、また、プラズマチャンバの調整状態によっても著しく変化する。したがって、再現可能かつ予測可能なプロセス結果を得るためには、ＰＬＡＤプロセス中の、好ましくは、現場のリアルタイムのイオン組成を知ることが重要である。
【０００３】
既存のプラズマツールでは、プラズマの詳細なリアルタイム情報（例えばイオン組成）を提供する能力に欠けることがよくある。典型的なＰＬＡＤプロセスでは、プラズマは、ファラデーカップ電流に基づき注入線量を監視することにより制御される。しかしながら、ファラデーカップは、総電荷計測器に過ぎず、異なる荷電粒子を区別することはなく、あるいは、プラズマ特性のいかなる洞察も提供しない。いくつかの従来のビームラインイオン注入システムでは現場質量分析が用いられているが、スループットを高めるためには、一般的にプラズマベースのイオン注入システムは避けられている。
【０００４】
さらに、市販の質量／エネルギーアナライザ、および、四重極質量分析計などの従来のイオンセンサの大部分は、大きくて、製造ツールに実装するには場所を取り過ぎる。大きいイオンセンサは、測定下にあるプラズマをかき乱すので、正確なプロセス結果が出ない。さらに、従来のイオンセンサのサイズおよび重量は、多くの場合、半導体プロセスツールの配置の選択の余地を制限する。さらに、プラズマがオン／オフ状態に切り替わるパルスプラズマ処理では、プラズマの時間分解測定がしばしば要求される。しかしながら、既存のイオンセンサでは時間分解測定ができない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の完全なる理解を促すべく、添付の図面を参照されたい。同様の構成要素は、同様の番号で示される。これらの図面は、例に過ぎず、本開示を限定するものとして解釈されるべきでない。
【０００６】
【図１】本開示の一実施形態における典型的なイオンセンサを示す。
【０００７】
【図２】本開示の一実施形態における１つの典型的な構成を有するイオンセンサを示す。
【０００８】
【図２ａ】本開示の一実施形態におけるエネルギー分析器を有するイオンセンサを示す。
【０００９】
【図３】本開示の一実施形態における他の典型的な構成を有するイオンセンサを示す。
【００１０】
【図４】本開示の一実施形態におけるさらなる他の典型的な構成を有するイオンセンサを示す。
【００１１】
【図５】本開示の一実施形態におけるイオンセンサの１つの設置オプションを示す。
【００１２】
【図６】本開示の一実施形態におけるイオンセンサの他の設置オプションを示す。
【００１３】
【図６ａ−ｃ】本開示の実施形態におけるプラズマ処理チャンバの異なる例を示す。
【００１４】
【図７】本発明の一実施形態におけるイオンセンサのさらなる他の設置オプションを示す。
【００１５】
【図７ａ−ｂ】本発明の一実施形態におけるプロセス制御用イオンセンサを用いる典型的なシステムを示す。
【００１６】
【図８】本開示の一実施形態における典型的なイオンセンサを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面に示されるような典型的な実施形態を参照しながら本開示を詳細に説明する。本開示を以下に典型的な実施形態を参照しながら説明するが、本開示はこれに制限されないことを理解されたい。本願明細書における教示に接する機会を有する当業者であれば、本願明細書中に記載される本開示の範囲内の他の使用分野のみ、本開示のいずれが重要な有用性を有するかに関して、追加の実装、修正、および実施形態が理解できるであろう。
【００１８】
本開示の複数の実施形態は、プラズマプロセスのその場での監視制御に適した飛行時間型（ＴＯＦ）イオンセンサの多数のコンパクト設計を提供する。これらの設計は、フレキシブルなイオン抽出およびイオン集束技術を用いてプラズマチャンバにおけるイオン組成を測定する。それぞれのＴＯＦイオンセンサは、プラズマチャンバ内にさまざまな方法で設置されてよく、例えば、その場でのプロセス制御、チャンバの準備確認、故障検出、注入線量修正、および、注入の均一性の測定など、多くの機能のために構成され得る。各イオンセンサの感度およびサイズは、プラズマの時間分解測定および空間測定を可能にしうる。
【００１９】
図１を参照すると、本開示の一実施形態における典型的なイオンセンサ１００が示されている。いくつかの実施形態では、イオンセンサ１００は、イオンセンサ１００の入口近傍でイオンを生成するイオン源１０１を含む。一実施形態では、イオン源１０１は、低エネルギー電子源を用いて電子雲を生成する。電子雲中の電子は、中性原子および分子のイオン化、および、電子付着によるイオンの変換を促進する電子衝撃を生ずる。他の多くの実施形態では、イオン源１０１は、イオン衝撃、および／または、フォトン衝撃によるイオン化によりイオンセンサ１００の入口近傍にイオンを生成する。イオン源１０１は、連続的またはパルス化したイオン源である。イオン源１０１は、中性ガスまたはより速い中性種の従来のＲＧＡ型測定を提供するのに望ましいいくつかの用途に役立つ。
【００２０】
イオンセンサ１００は、プラズマチャンバのビューポートに設置されることができ、差動ポンピングを収容し得るハウジング１０２を含む。ここまでこのハウジング１０２は、望ましい電位Ｖhousingで個別にバイアスされうる。ハウジング１０２の左側は、プラズマから抽出されるイオンがハウジング１０２の左側の開口（ハウジング開口）を介しイオンセンサ１００に入るので、「抽出器側」と称されうる。ハウジング１０２の右側は、ハウジング１０２の右側でイオン検出が行われるので、「検出器側」と称されうる。
【００２１】
イオンセンサ１００は、例えば、望ましい電位ＶＬ３で個別に同様にバイアスされうるハウジング１０２の内側のドリフトチューブ１０４を含む。ドリフトチューブ１０４は、通常、ごくわずかな電磁界による中空空間を有する。ドリフトチューブ１０４の抽出器側は、イオンが入る開口（ドリフトチューブ開口）を有しうる。ドリフトチューブ１０４の検出器側は、外部電界から遮蔽しつつイオンが出て行くのを許容するグリッド１２４を有しうる。プラズマチャンバの圧力は、一般的に１乃至３，０００ｍＴｏｒｒであり、一方、ドリフトチューブの圧力は、一般的に２×１０−６Ｔｏｒｒ以下である。差動ポンピングを用いることにより、圧力差を維持できる。
【００２２】
さまざまな実施形態は、ハウジング開口とドリフトチューブ開口との間のドリフトチューブ１０４の抽出器側近傍にレンズまたは偏向器を形成する１つ以上の電極および／またはグリッドを含む。いくつかの実施形態では、イオンを抽出して集束させる一連の電極が存在する。例えば、ハウジング開口近傍に抽出器電極１０６が存在しうる。抽出器電極１０６は、直径１０乃至５００ミクロン（いくつかの実施形態では好ましくは５０乃至２００ミクロン）の開口を有してよいが、実際の開口サイズは、差動ポンピングの必要条件に応じて少なくとも部分的に変化しうる。抽出器電極１０６は、プラズマからの陽または陰イオンを引き付けるのに適した電位Ｖｅｘｔｒａｃｔｏｒでバイアスされうる。引き付けられたイオンは、さまざまな角度で進行していてよい。
【００２３】
引き付けられたイオンが有限ビーム角範囲内（例えば＋／−１．５度以下）で検出器側に向かって進むことを確実にすべく、２つ以上の電極（例えば静電レンズ１０８および１１０）は、直列に配置されることができ、それらの開口は、ハウジング１０２、抽出器１０６、および、ドリフトチューブ１０４の開口と整列配置される。各静電レンズは、イオンの集束ビームを導く望ましい静電界を形成すべく個別にバイアスされうる。さまざまな動作モードにおいて、静電レンズは、正または負電圧のいずれかでバイアスされうる。静電レンズの１つに電圧パルスが設けられることにより、引き付けされたイオンの一部（一束）をドリフトチューブ１０４に入れることができる。電圧パルスは、イオンの定期的またはほぼ連続したサンプリングのためのタイミングで繰り返されうる。
【００２４】
さまざまな実施形態では、リペラー電圧および抽出電圧パルスの組み合わせが任意の対の電極に印加されることにより、陽イオンがドリフトチューブ１０４に打ち込まれる。イオンの飛行時間は、抽出パルスが発生する時間に関連して決定される。例えば、一実施形態では、静電レンズ１０８は、正電圧パルスＶＬ１でバイアスされる。正電圧パルスは、周期的、または、非周期的でありうる。静電レンズ１１０は、正のリペラー電圧ＶＬ２でバイアスされる。一実施形態では、陽イオンがリペラー電極を介してドリフトチューブ１０４に打ち込まれるよう、正のリペラー電圧が静電レンズ１１０に印加され、正の電圧パルスが近くの静電レンズ１０８に印加される。正のリペラー電圧は、周期的であってもなくてもよい。ドリフトチューブ１０４は、ＶＬ３にバイアスされると、直列の第３の静電レンズとして機能しうる。ドリフトチューブにおけるバイアス電圧は、パルス電圧でありうる。陰イオンも同じようにしてドリフトチューブ内に抽出されうる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、電極の少なくとも２つ以上に電圧パルスが印加される。例えば、電圧パルスは、ドリフトチューブ１０４、抽出器１０６、静電レンズ１０８、および、静電レンズ１１０の少なくとも２つに印加されうる。少なくとも２つの電圧パルスは、イオンをドリフトチューブに入れるために、同時に、または、予め決められた時間遅れて印加されうる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、イオンがドリフトチューブ１０４に進むのを効果的に阻止すべく、抽出器１０６、静電レンズ１０８、および、静電レンズ１１０の少なくとも１つに阻止電圧が印加される。いくつかの動作方法では、阻止電圧の大きさは、いくつかのイオンをドリフトチューブに入れるために周期的に変化する。ドリフトチューブ１０４を通過するイオンの飛行時間は、この阻止電圧が変化する時間に関連して決定される。
【００２７】
一旦ドリフトチューブ１０４に入ると、イオンは、いかなる電界にも実質的に影響されない検出器端の方へ移動する。イオンは、一般的に、同じ運動エネルギーを有する。重いイオンは比較的ゆっくり、軽いイオンは比較的速く移動する。十分な飛行時間が与えられると（すなわち、ドリフトチューブ１０４の長さが十分だと）、イオンは、そのイオン種のイオン質量に基づき、個別の束に分けられる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、ドリフトチューブを介したイオンの伝達は、四重極子を用いて調整される。一実施形態では、調整は、周期的である。一実施形態では、調整は、非周期的である。変調は、個別の四重極子に関連してＲＦまたはＤＣ電圧を変化させることによりなしうる。これらの実施形態では、イオンの飛行時間は、調整が起きる時間に関連して決定される。
【００２９】
さまざまな他の実施形態では、ドリフトチューブを介したイオン（陽または陰）の伝達は、多くの他の手段によって調整されうる。例えば、イオンの伝達は、イオンの静電偏向によって調整されうる。イオンの伝達は、例えば、機械的ゲート制御、多段チョッパなどの機械的手段、または、他のいかなるタイプの機械的断続器によっても調整されうる。例えば、一実施形態では、機械的断続器は、機械的シャッタである。機械的手段による調整は、低エネルギー用途にとって好都合な場合もある。これらの実施形態でも、イオンの飛行時間は、調整が起きる時間に関連して決定される。
【００３０】
検出器側では、イオンを検出するために検出器アセンブリ１１２が用いられうる。検出器アセンブリ１１２は、市販の、あるいは、特製の、いかなるタイプのイオン検出デバイス（例えばマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）アセンブリ）でありうる。イオンの検出および／または収集は、例えば、ＶＭＣＰなどの１つ以上の電圧バイアスにより制御されうる。検出器アセンブリ１１２は、プリアンプ１１８に結合されてよく、プリアンプ１１８は、電子インターフェース１２０を介しプロセッサユニット１２２に結合される。電子インターフェース１２０は、例えば、速いデータ収集カードでありうる。プロセッサユニット１２２は、例えば、パソコン（ＰＣ）または、産業用コンピュータであってよい。
【００３１】
異なるイオン質量数を有する個別のイオンパケットが検出器により連続的に検出される。検出された信号は、プリアンプ１１８により増幅される。増幅された信号は、プロセッサユニット１２２により処理される。それぞれの個別のパケットに対応する信号は、質量スペクトルにおける質量ピークを生じる。質量スペクトルは、プラズマからのイオン種の１つ以上のサンプリングに基づき、プラズマのイオン組成を正確に反映する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、検出器アセンブリ１１２は、特定の予め決められた位置でイオンを検出するのに用いられる位置検知型粒子検出器を含む。これらの位置検知型粒子検出器は、イオン質量またはイオンエネルギーを決定するのに用いられうるイオン位置情報を提供する。さまざまな実施形態では、イオン検出に用いられる検出器表面の一部は、電気、磁気、または、機械的手段により選択される。例えば、電気的にアドレス指定可能な検出器アレイが位置の関数としてのイオンを検出すべく用いられうる。検出器信号から位置検知データを抽出すべく、ソフトウェアアルゴリズムが用いられうる。また、検出器に衝撃を与えるイオンの有効な発散を制御すべく、機械的手段が用いられてよい。例えば、検出器の一部を遮蔽する機械的バリアが用いられうる。さらに、イオンを偏向または平行化することにより、検出器の望ましい部分にのみ衝撃を与えるよう、イオン偏向器またはイオンコリメータが用いられうる。
【００３３】
本開示の複数の実施形態によれば、イオンセンサ１００は、電位の異なる組み合わせをハウジング１０２、ドリフトチューブ１０４、抽出器電極１０６、静電レンズ１０８、１１０、および、検出器アセンブリ１１２に印加することによりフレキシブルに構成されうる。図２乃至４に典型的な構成が示される。
【００３４】
図２は、本開示の一実施形態における１つの典型的な構成を有するイオンセンサ２００を示す。イオンセンサ２００は、図１に示されるイオンセンサ１００と実質的に同じ構成要素を備える。この典型的な構成では、ハウジング１０４は、接地されるか、および／または、プラズマチャンバ壁に取り付けられる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、抽出器電極１０６は、陽イオン抽出のための
【数１】
2009529765.tif 000003
または、陰イオン抽出のための
【数２】
2009529765.tif 000004
の抽出器電圧でバイアスされる。他の実施形態では、抽出器電極１０６にパルス電圧またはＲＦ信号が印加されることにより、イオンを引き付けるか跳ね返す。他の実施形態では、抽出器電極１０６は、電気的にフロート状態にある。さまざまな実施形態では、パルス電圧は、周期的または非周期的であり、ＲＦ信号は、パルスドまたはＣＷである。パルスドおよびＲＦ電圧信号は、電極表面からの脱着あるいは電極表面への堆積を可能にすべく用いられうる。
【００３６】
説明の便宜上、以下の説明では、陽イオンのみがサンプリングされることとする。しかしながら、本開示の実施形態は、陰イオンに関しても容易に適合または構成されうることに留意されたい。さらに、説明を簡単にすべく、静電レンズ１０８はレンズ１、静電レンズ１１０はレンズ２、ドリフトチューブ１０４は、レンズ３と称する。レンズ１およびレンズ３は、例えば−１５０Ｖ乃至−３００Ｖの固定値でありうる同じまたは同様の電位に保たれてよい。望ましい電位は、例えば、ドリフトチューブ１０４の長さ、および、望ましいイオン質量分解能などの因子によって決定される。
【００３７】
いくつかの実施形態では、レンズ１およびレンズ３は、異なる電位（例えば、ＶＬ１＝−４００Ｖ乃至−２００Ｖ、ＶＬ３＝−２００Ｖ）でバイアスされうる。レンズ２は、ＶＬ２＝−５００Ｖ乃至−９００Ｖでバイアスされうる。レンズ２は、さらに、ドリフトチューブ１０４の「ゲート」として構成されてもよい。ゲートを開くには、短い電圧パルス（例えば５０乃至５００ナノ秒）をレンズ２に供給することによりイオンパケットがドリフトチューブ１０４に入るようにする。ゲートを閉じるには、比較的大きい陽電位をレンズ２にかけることにより、陽イオンがドリフトチューブ１０４に入るのを阻止するようにする。一実施形態によれば、レンズ２（すなわちゲート電極）は、非常に短いゲート開閉期間以外は、通常、例えば＋３０Ｖ以上の正電圧でバイアスされうる。例えば、ゲートパルス幅が１００ｎｓ、ウェハのパルス周波数が５，０００ｋＨｚ（期間＝２００マイクロ秒）であり、ウェハのパルスごとにサンプルがとられると仮定すると、ゲート電極は、期間の９９．９５％（１９９．９マイクロ秒）は閉じていて、期間の０．０５％のみ開いている。
【００３８】
ゲートパルスがウェハパルスと同期するとき、ウェハパルスに関しゲートパルスが開いている状態を制御すべく、遅延が導入されうる。この方法では、時空間における異なるポイントにおいて高分解能でプラズマをサンプリングすることができる。レンズ１乃至３へのバイアスの効果により、入ってくるイオンを限られた発散角のイオンビームに集束させる静電界を生じる。検出器側では、検出器アセンブリ１１２が高電圧ＶＭＣＰでバイアスされうる。グリッド１２４は、ドリフトチューブ１０４を高電圧ＶＭＣＰから静電的に遮蔽する。
【００３９】
イオンセンサ２００は、プラズマの時間分解測定用にも構成されうる。多くの半導体処理用プラズマは、周期的にオンオフ（アフターグロー）状態が切り替わるパルスプラズマである。プラズマのオン状態は、各サイクルの１乃至５０％（以上）続いてよい。パルス動作は、プラズマ条件およびプロセス化学におけるダイナミックな変化をもたらしうる。イオン種のサンプリングは、プラズマパルスまたはウェハバイアスパルスのいずれかと同期してよく、あるいは、プラズマパルスとウェハパルスとが同期していればそれら両方と同期しうる。基準パルス（プラズマパルスおよび／またはウェハバイアス）に関するゲート遅延を変更することにより、すべての期間にわたって時間分解測定を実行することができる。
【００４０】
イオンの飛行時間は、スタート信号とストップ信号との間の時間差を観察することにより決定される。イオン調整イベント（電気的または機械的イベント）は、スタート信号により開始される。ストップ信号は、イオンがイオン検出器に到着する時間により決定される。いくつかの実施形態では、スタートおよびストップ信号は、既知の周波数のパルス列をゲートで制御するために用いられることにより、飛行時間に比例するカウントを付与することができる。１つの特定の実施形態では、スタートおよびストップ信号は、コンデンサ全体の電圧を生成し、一定の速度で排出される。排出期間は、パルス列をゲート制御して飛行時間に比例したカウントを付与するよう用いられる。他の実施形態では、スタートおよびストップ信号は、飛行時間に比例する大きさを有するアナログパルスを生成することを可能とすべく用いられる。
【００４１】
イオンセンサ２００は、イオンおよび／またはプラズマ電位のエネルギー分布を測定するようにも構成されうる。一実施形態では、抽出器電極１０６、静電レンズ１０８、および、静電レンズ１１０などの電極またはグリッドは、遅延要素となるべくバイアスされる。その後、電極電圧の関数である伝達されたイオン数が測定される。エネルギー分布およびプラズマ電位はどちらも測定されたデータから決定されることができる。
【００４２】
他の実施形態では、イオンのエネルギー分布は、検出器アセンブリ１２２におけるイオンの到着時間の幅を観察することにより決定される。例えば、位置検知型粒子検出器は、図１に関連して説明したように、特定の予め決められた位置におけるイオンを検出するよう用いられうる。また、エネルギー分布は、周知の技術である方法により直接測定されうる。例えば、較正された粒子検出器は、該検出器により生成された信号の増幅を観察することにより、エネルギーまたは質量を測定するよう用いられうる。
【００４３】
さらなる他の実施形態では、ドリフトチューブ１０４は、エネルギー分析器の機能を実行するよう構成される。ドリフトチューブ１０４をエネルギー分析器として構成する多数の方法がある。例えば、一実施形態では、ドリフトチューブ１０４は湾曲形状に形成されて、静電または磁界偏向要素を含む。ドリフトチューブ１０４の形状は、異なるエネルギーを有するイオンが異なる角度で屈折するよう選択される。他の実施形態では、ドリフトチューブ１０４は、検出器アセンブリ１１２へのドリフト経路の一部として平行板エネルギー分析器を含む。例えば、エネルギー分析器は、４５度屈折タイプのエネルギー分析器であってよい。他の実施形態では、ドリフトチューブ１０４は、検出器アセンブリ１１２へのドリフト経路の一部としての円筒形ミラーまたは球面エネルギー分析器を含む。他の実施形態では、１つ以上のグリッドがイオン経路に配置されることにより、逆電圧分析器としてのドリフトチューブ１０４が構成される。また、他の実施形態では、ドリフトチューブは、ＲＦまたはＤＣ電圧を調整することにより異なるエネルギーのイオンを区別する能力を有するＲＦ四極子、または、１つ以上の永久または電磁石を含みうる。永久磁石の位置は、調整できる。
【００４４】
図２ａは、本開示の一実施形態におけるエネルギー分析器１１４を有するイオンセンサ２００Ａを示す。エネルギー分析器１１４は、ドリフトチューブ１０４と検出器アセンブリ１１２との間に配置される。エネルギー分析器１１４は、望ましいエネルギー範囲内のイオンを選択すべく用いられうる。
【００４５】
図３は、本開示の一実施形態における他の典型的な構成を有するイオンセンサ３００を示す。イオンセンサ３００は、図１に示されるイオンセンサ１００と実質的に同じ構成要素を備えうる。しかしながら、この典型的な構成では、抽出器電極１０６は、ＲＦ（１乃至３００ＭＨｚ、典型的には１３．５６ＭＨｚ）バイアスを受ける。ＲＦバイアスの抽出器電極１０６は、二重機能として役立ちうる。すなわち、抽出器電極１０６は、イオンを抽出すると共に、堆積が優位な環境においては抽出器の開口から堆積物を取り除くことができる。
【００４６】
薄膜材料がプラズマチャンバに堆積される堆積優位環境においては多くの半導体製造プロセスが実行される。厚い絶縁膜が抽出器開口をふさぐ場合、抽出器電極１０６のＤＣバイアスは、もはや有効でない可能性がある。ＲＦバイアスは、抽出器開口をスパッタ洗浄して堆積された材料を取り除くのに役立ちうる。このように、ＲＦバイアスは、イオンセンサ３００に「自己洗浄」能力を提供しうる。イオン抽出のために、ＲＦバイアスは、−５０Ｖ乃至０Ｖの負の平均電位（またはＲＦセルフバイアス）、および、０Ｖ乃至１００Ｖのピークピーク値を有しうる。スパッタ洗浄のためには、ＲＦセルフバイアスは、スパッタリング閾値より大きくてよく、ピークピーク値は、１００乃至１０００Ｖ以上でありうる。
【００４７】
図４は、本開示の一実施形態におけるさらなる他の典型的な構成を有するイオンセンサ４００を示す。イオンセンサ４００は、図１に示されたイオンセンサ１００と実質的に同じ構成要素を備えうる。しかしながら、本例の構成では、抽出器電極１０６は、ゲートとしても機能しうる。抽出器電極１０６にゲートパルスが供給されることにより、イオンパケットをイオンセンサ４００へと引き込むことができる。レンズ２には、イオンビームを集束させるＤＣバイアスが設けられる。
【００４８】
本開示の実施形態におけるイオンセンサは、プラズマチャンバにおけるイオン種のフレキシブルな検出のために多数の方法で設置されうる。典型的な設置オプションが図５乃至７に示される。
【００４９】
図５は、本開示の一実施形態におけるイオンセンサ５０８の１つの設置オプションを示す。極めて単純化したプラズマチャンバ５００がウェハ５０４を保持するプラテン／陰極５０２と共に示されている。プラテン／陰極５０２上に陽極５０６が配置される。陽極５０６は、必ずしも接地されていなくてもよいが、例えば、−１ｋＶ乃至＋１ｋＶ（他の電圧でもよい）の電圧でバイアスされうる。陽極シャフト５０７は、陽極５０６を垂直方向に移動させることができる。陰極バイアス電圧、または、追加のプラズマ源のいずれかにより、陽極５０６とプラテン／陰極５０２との間にプラズマ５０が生成されうる。
【００５０】
イオン注入用途では、プラテン５０２に負の電圧パルスが印加されることにより、陽イオンがウェハ５０４に引き付けられうる。陰イオンには、正の電圧パルスが用いられうる。イオンセンサ５０８は、プラズマチャンバ５００の側壁に設置されうる。設置は、ビューポートまたは同様の機構を通じて行われてよい。イオンセンサ５０８は、プラズマ５０内、または、プラズマ５０の端部近くにその抽出器チップが拡張した横道を有しうる。抽出器チップは、可動マウントに配置されうる。抽出器チップは小さいので、プラズマ５０に深く挿入されてもあまり邪魔にならない。
【００５１】
図６は、本開示の一実施形態におけるイオンセンサの他の設置オプションを示す。この設置オプションでは、側壁に設置されたイオンセンサ５０８に代わってまたは追加して、イオンセンサ６０２が陽極側に設置される。すなわち、イオンセンサ６０２は、陽極５０６を貫通して縦向きに配置され、その抽出器チップは下向きかあるいはプラズマ５０内へ入ってよい。イオンセンサ６０２は、陽極５０６と電気的に接続されうる。イオンセンサ６０２またはその抽出器チップは、陽極５０６とは無関係に上下に移動することにより、プラズマチャンバ５００内の異なる空間ポイントでイオンをサンプリングしうる。あるいは、イオンセンサ６０２またはその抽出器チップは、異なるプロセス条件をその場で診断するために陽極５０６と共に上下に移動しうる。水平に配置されたイオンセンサ５０８は、プラズマ５０の空間測定のために同様に起動されうる。
【００５２】
図６ａ乃至６ｃは、本開示の実施形態におけるプラズマ処理チャンバの異なる例を示す。
【００５３】
図６ａには、プラズマチャンバ６００Ａが示されている。イオンセンサ６０２は、陽極５０６を貫通して設置されうる。ベローシール６０４は、チャンバ壁を介したイオンセンサ６０２の設置および移動に適応しうる。プラズマ５０は、ウェハ５０４またはプラテン５０２に印加される負のパルス電圧により生成されうる。一実施形態によれば、プラズマ５０からイオンセンサ６０２へのイオン抽出は、プラズマの生成と同期するので、ウェハ５０４における電圧パルスと同期する。
【００５４】
図６ｂには、プラズマチャンバ６００Ｂが示されている。図６ｂに示されているプラズマ生成技術は、図６ａに示されたプラズマ生成技術とは異なる。プラズマチャンバ６００Ｂは、例えば、ＩＣＰまたはヘリコンプラズマ源などの１つ以上の外部プラズマ源を有しうる。例えば、一実施形態では、ＲＦ電源６０５、および、ＲＦマッチングユニット６０７は、ＲＦコイル６０６に結合される。誘電体インタフェース６０９を介し、ＲＦコイル６０６は、ＲＦ電力をプラズマチャンバ６００Ｂに供給しうる。プラテン５０２は、ウェハ５０４に衝撃を与えるイオンエネルギーを制御するようバイアスされうる。
【００５５】
図６ｃには、他のプラズマ生成技術を用いたプラズマチャンバ６００Ｃが示されている。１つ以上のマイクロ波源がプラズマチャンバ６００Ｃに結合されることにより、プラズマ５０を生成しかつ維持する電力が供給される。例えば、マイクロ波供給源６１１は、チューナ６１３、および、導波路またはケーブルを介しマイクロ波キャビティ６０８に結合されうる。マイクロ波キャビティ６０８に供給されるマイクロ波パワーは、当該キャビティ内で「ソースプラズマ」を生成することができ、生成されたソースプラズマがプラズマチャンバ６００Ｃ内に拡散することにより、プラズマ５０が生じうる。あるいは、キャビティ６０８を介しマイクロ波パワーをプラズマチャンバ６００Ｃに結合させることにより、プラズマ５０は、プラズマチャンバ６００Ｃ内で直接生成されうる。
【００５６】
図７は、本開示の一実施形態におけるイオンセンサのさらなる設置オプションを示す。この設置オプションでは、１つ以上のイオンセンサ７０２が陰極側に配置される。すなわち、イオンセンサ７０２は、プラテン／陰極５０２を介し垂直に配置され、抽出器チップは、ウェハ５０４の隣りに配置される。イオンセンサ７０２の設置位置は、ファラデーカップが通常配置されるであろう場所（またはその近く）である。抽出器チップはプラズマ５０を向いているので、イオンセンサ７０２およびウェハ５０４は、プラズマ５０に関し同じまたは同様の視点を共有しうる。その結果、イオンセンサ７０２は、ウェハ５０４が認識するものと同じイオンの組成および線量を認識するので、ウェハ５０４のプラズマ処理の制御をより正確にすることができる。プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）システムでは、例えば、イオンセンサ７０２は、イオンがウェハ５０４に注入されるのを直接検出することができる。イオンセンサ７０２は、必要に応じて空間測定のために上下移動してもよい。
【００５７】
図７ａ乃至７ｂは、本開示の実施形態におけるプロセス制御のためにイオンセンサを用いる典型的なシステムを示す。
【００５８】
図７ａは、ウェハ５０４の隣りに設置されるイオンセンサ７０２を示す。ファラデーカップ７０４は、ウェハ５０４のもう一方の側に設置されうるか、または、ウェハ５０４を部分的に囲んでもよい。イオンセンサ７０２およびファラデーカップ７０４は、どちらもウェハ５０４のようにプラズマ（図示せず）に面する。イオンセンサ７０２は、イオンセンサ７０２から受け取った検出データに基づき、その場のイオン組成を計算するユニット７０６に結合されうる。ファラデーカップ７０４は、ファラデーカップの電流に基づき、総イオン線量を計算する電荷計測器７０８に結合されうる。イオン組成情報、および、イオン線量データは、線量修正モジュール７１０に入力されうる。さらに、イオン組成データは、さらなるプロセス制御のためのシステムコントローラ７１２に入力されうる。
【００５９】
図７ｂは、ウェハ５０４のまわりに設置される２つ以上のイオンセンサ７０２を示す。これらのイオンセンサ７０２からのその場のイオン組成データは、システムコントローラ７１２に入力されうる。システムコントローラ７１２の出力機能７１４は、それに限定されないが、イオン線量修正、線量均一性制御、プラズマチャンバ調整、および／または、プロセス故障検出を含みうる。センサがウェハ５０４のまわりのプラテンに設置される実施形態では、ドリフトチューブ１０４（図１）は、プラテンから分離されるか、または、プラテン電位にある。
【００６０】
プラズマ５０の陰極側（またはウェハ側）の測定では、イオンセンサ７０２は、図２乃至４に示されるものとは異なる構成を有しうる。一例が図８に示される。
【００６１】
図８は、本開示の一実施形態における典型的なイオンセンサ８００を示す。イオンセンサ８００は、抽出器電極１０６が取り除かれたこと以外は図２に示すイオンセンサ２００と実質的に同じ構成を備えうる。抽出器側におけるハウジング開口は、ほぼ１０乃至５００ミクロン（好ましくは５０乃至２００ミクロン）まで縮小されうる。ハウジング１０２は、ウェハ５０４と同じまたは同様の電位（例えば０Ｖ乃至−１０ｋＶ）でバイアスされうる。レンズ１、レンズ３（ドリフトチューブ１０４）および検出器アセンブリ１１２も、同じまたは同様の電位でバイアスされてよい。レンズ２は、イオンパケットをドリフトチューブ１０４に律動的に送るゲートとして機能しうる。
【００６２】
この時点で、上記の本開示におけるイオンセンサは、一般的に、入力データの処理と、出力データの生成とをある程度含むことに留意されたい。さまざまな実施形態では、この入力データ処理および出力データ生成は、ハードウェアまたはソフトウェアに実装されうる。例えば、上記の本開示におけるイオン種のその場での監視に関連した機能を実装するプラズマ処理ツール、または、同様もしくは関連した回路内で特定の電子部品が用いられうる。または、格納された命令に従い動作する１つ以上のプロセッサが上記の本開示におけるイオン種のその場での監視に関連した機能を実装してもよい。そのような場合、上記命令が１つ以上のプロセッサ可読キャリア（例えば磁気ディスク）に格納されるか、または、１つ以上の信号を介し１つ以上のプロセッサに伝達されうることは、本開示の範囲内である。
【００６３】
一実施形態では、線量またはプラズマ条件は、コントローラまたはコンピュータ、および、本発明に従うＴＯＦセンサから得られるデータに応答する電子回路系を含む自動または半自動閉制御ループの一部として変更されうる。検出器アセンブリ１１２から得られたデータは、測定されたＴＯＦスペクトルのさまざまな部分の絶対値または相対値を含みうる。検出器アセンブリ１１２からのデータは、ＦＷＨＭにおける変化など、飛行時間のピークの形状も含みうる。また、検出器アセンブリ１１２からのデータは、小さな（汚染物質）のピークの有無、エネルギー分布、および、質量分布も含みうる。
【００６４】
ＴＯＦセンサからのデータは、ガス不純物、残留汚染物、および、プラズマを制御するために用いられる機器の故障などの障害条件を検出するのに用いられうる。プラズマ条件は、気体流、ガス混合気、圧力、ＲＦパワー、ＲＦ周波数、注入電圧、デューティサイクルなどのＴＯＦセンサの動作パラメータ、または、他のプラズマ関連パラメータを調整することにより、データに応じて変更されうる。
【００６５】
本開示は、本願明細書中に記載される特定の実施形態によって範囲を限定されない。実際には、本願明細書中に記載されているものに加えて、本開示の他のさまざまな実施形態および本開示への修正もありうることは、上記説明および添付の図面から当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および修正は、本開示の範囲内に含まれるものと意図される。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実装という状況で記載されてきたが、それに制限されることなく、本開示は、いかなる数の目的のためのいかなる数の環境においても有益に実施され得ることが当業者であれば理解できよう。したがって、添付の請求項の範囲は、本願明細書に記載される本開示の全範囲および趣旨に鑑み解釈されるべきである。
【図１】
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【図２ａ】
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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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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