JP7402383B2

JP7402383B2 - 半導体プロセス装置、並びにその反応チャンバ及び膜層堆積方法

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Publication number: JP7402383B2
Application number: JP2023528533A
Authority: JP
Inventors: ハイフォンチン; ユンフォンラン; シュァイタオシー; ファンユーワン; ファンヂャン; ウェンチィァンヂャン
Original assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: TW202221164A; EP4249633A4; KR20230074564A; JP2023546522A; CN112458440A; WO2022105778A1; CN112458440B; EP4249633A1; TWI786949B; KR102641211B1

Description

本発明は、半導体の加工技術分野に関し、具体的に半導体プロセス装置の反応チャンバ、半導体プロセス装置及び膜層堆積方法に関する。

二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）薄膜は半導体プロセスにおいて最もよく使用されている薄膜の１つであり、従来のＳｉＯ₂薄膜の堆積方法例えば酸化プロセスなどは高温環境において行われる必要があり、温度が一般的に１０００℃を超えるが、高温環境において望ましくない副生成物を生成して、さらに薄膜の被覆率に影響を与える恐れがある。

プラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ、ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法は低温環境においてＳｉＯ₂薄膜を堆積することを実現することができ、温度が一般的に７０℃～３００℃であり、酸化プロセスに比べて、ＰＥＡＬＤ方法はより高い薄膜被覆率を有し、且つ薄膜の厚さをより正確に制御できる。

現在、ＰＥＡＬＤ方法によるＳｉＯ₂薄膜の堆積は一般的にビスジエチルアミノシラン（ＳＡＭ２４）及び酸素（Ｏ₂）を前駆体として用い、図１は従来のＰＥＡＬＤ方法によるＳｉＯ₂薄膜の堆積のフローチャートであり、図１に示すように、堆積過程は少なくとも、ＳＡＭ２４前駆体を反応チャンバに入れてウェハーの表面に吸着させるステップＳ１′と、Ｏ_２前駆体を反応チャンバに入れて反応チャンバに高周波電界を印加することにより、ＳＡＭ２４の高分子を小分子に分解し、酸素分子を励起して活性酸素原子及び酸素遊離基等の様々な活性基を形成し、ＳＡＭ２４の分解された小分子が酸素の活性基と反応してＳｉＯ₂薄膜を形成するステップＳ２′と、を含む。上記過程は１回の循環とされるが、実際のプロセスにおいて形成されたＳｉＯ₂薄膜の厚さが実際のニーズを満たすようにするために一般的に複数回繰り返し循環する必要がある。

しかしながら、反応チャンバに高周波電界を印加すると、点火遅延ひいては点火失敗等の異常が発生する恐れがあり、複数回の循環のうち１回の循環に異常が発生すると、生成されたＳｉＯ₂薄膜の厚さが目標の厚さからずれる恐れがあり、さらにチップの間の厚さの適合性が低くなり、製品の品質に影響を与えてしまう。

本発明は、従来技術に存在する技術的課題の一つを少なくとも解決するために、半導体プロセス装置の反応チャンバ、半導体プロセス装置及び膜層堆積方法を提供することを目的とする。

上記目的を実現するために、本発明は半導体プロセス装置の反応チャンバを提供し、チャンバ本体と、監視モジュールと、堆積モジュールと、制御モジュールとを含み、
前記堆積モジュールは、前記チャンバ本体内に１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行することに用いられ、
前記監視モジュールは、前記チャンバ本体に接続され、前記堆積モジュールが前記堆積ステップを実行する度に前記チャンバ本体の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つ前記プラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成することに用いられ、
前記制御モジュールは、前記監視モジュールに接続され、少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、前記堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行することに用いられる。

選択可能に、前記異常処理プロセスは、具体的に、
前記制御モジュールが異常警報信号を出し、及び／又は、前記堆積モジュールを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。

選択可能に、前記制御モジュールは、具体的に、
少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、プラズマ点火異常が発生した前記堆積ステップがあるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、前記目標膜層の厚さが異常であると判定して、前記異常処理プロセスを実行することに用いられる。

選択可能に、前記制御モジュールは処理サブモジュール及び制御サブモジュールを含み、前記監視モジュール及び前記制御サブモジュールがいずれも前記処理サブモジュールに接続され、
前記処理サブモジュールは、毎回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号が予め設定された範囲を超えるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、該回の前記堆積ステップに対応する第２信号を生成することに用いられ、
前記制御サブモジュールは、前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数を統計し、前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数が０よりも大きい場合、前記目標膜層の厚さが異常であると判定して、前記異常処理プロセスを実行することに用いられる。

選択可能に、前記異常処理プロセスは、具体的に、
前記制御サブモジュールは前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数に基づいて、前記堆積モジュールを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。

選択可能に、前記堆積モジュールが前記堆積ステップを追加して実行する回数は前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数と同じである。

選択可能に、前記監視モジュールはフォトレジスト又はフォトダイオードを含み、前記第１信号は前記プラズマ光源の輝度と負相関する電圧信号である。

選択可能に、前記チャンバ本体の側壁に監視口が設けられ、前記監視モジュールは、前記チャンバ本体の外に位置し、前記監視口によって前記チャンバ本体内のプラズマ光源の輝度を監視する。

選択可能に、前記監視モジュール及び前記制御モジュールのうちの少なくとも一方はプリント回路基板に統合され、前記プリント回路基板は前記チャンバ本体に取り付けられ、且つ前記チャンバ本体の外に位置し、
前記反応チャンバは保護ハウジングをさらに含み、前記保護ハウジングは前記プリント回路基板の周りに覆設され、前記プリント回路基板を外部から仕切ることに用いられ、且つ前記保護ハウジングには信号を伝送するためのポートが設けられる。

本発明は半導体プロセス装置をさらに提供し、上記半導体プロセス装置の反応チャンバを含み、前記堆積モジュールは給気装置及び上部電極装置を含み、前記チャンバ本体にはウェハーを載置するためのベースが設けられ、前記給気装置は前記チャンバ本体内に前駆体を導入することに用いられ、前記上部電極装置は前記前駆体を励起してプラズマを形成することに用いられる。

選択可能に、前記半導体プロセス装置はプラズマ強化原子層堆積装置に適用される。

本発明は膜層堆積方法をさらに提供し、上記半導体プロセス装置の反応チャンバに適用され、前記膜層堆積方法は、
前記堆積モジュールが前記チャンバ本体内に１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行することと、
前記堆積モジュールが前記堆積ステップを実行する度に前記チャンバ本体の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つ前記プラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成することと、
少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、前記堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行することと、を含む。

選択可能に、前記異常処理プロセスは、具体的に、
異常警報信号を出し、及び／又は、前記反応チャンバを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。

本発明に係る半導体プロセス装置、並びにその反応チャンバ及び膜層堆積方法の技術案において、監視モジュールは堆積モジュールが堆積ステップを実行する度にチャンバ本体の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つプラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成し、制御モジュールは少なくとも１回の堆積ステップに対応する上記第１信号に基づいて、堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行する。これにより、目標膜層の厚さが異常となった後に異常処理を直ちに行うことができ、さらに目標膜層の厚さが目標の厚さからずれる問題を改善する。

図面は本発明の更なる理解を提供するためのものであって、明細書の一部となり、下記具体的な実施形態とともに本発明を解釈するためのものであるが、本発明を制限するものではない。
従来のＰＥＡＬＤを用いてＳｉＯ₂薄膜を堆積するフローチャートである。本発明の実施例に係る反応チャンバの第１構造模式図である。本発明の実施例に係る反応チャンバの第２構造模式図である。本発明の実施例に係る監視モジュールの回路構造模式図である。本発明の実施例に係る監視過程の模式図である。本発明の実施例に係る膜層堆積方法の第１フローチャートである。本発明の実施例に係る膜層堆積方法の第２フローチャートである。

以下に図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を詳しく説明する。理解されるように、ここに説明した具体的な実施形態は単に本発明を説明及び解釈するためのものであり、本発明を制限するものではない。

本発明は半導体プロセス装置の反応チャンバを提供し、図２は本発明の実施例に係る反応チャンバの第１構造模式図であり、図３は本発明の実施例に係る反応チャンバの第２構造模式図であり、図２及び図３に併せて参照されるように、反応チャンバはチャンバ本体１と、監視モジュール２と、制御モジュール３と、堆積モジュール４とを含み、堆積モジュール４はチャンバ本体１内に１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行することに用いられ、具体的に、チャンバ本体１にはウェハー７を載置するためのベース８が設けられ、堆積モジュール４は例えば給気装置４３及び上部電極装置を含み、毎回の堆積ステップは例えばいずれも、給気装置４３がチャンバ本体１内に前駆体を導入することに用いられることと、上部電極装置がチャンバ本体１内の前駆体を励起してプラズマを形成するようにチャンバ本体１に高周波電界を印加することに用いられ、それによりウェハー７に目標膜層を堆積できることと、を含む。監視モジュール２は、チャンバ本体１に接続され、堆積モジュール４が堆積ステップを実行する度にチャンバ本体１の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つプラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成することに用いられる。選択可能に、検出モジュール２はプラズマ光源の輝度をリアルタイムに検出してもよく、又は一定の時間間隔でプラズマ光源の輝度を検出してもよい。制御モジュール３は、複数回の堆積ステップに対応する第１信号に基づいて、堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行することに用いられる。

いくつかの選択可能な実施例では、上記反応チャンバはＳｉＯ₂薄膜堆積プロセスに適用でき、該プロセスはプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ、ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスを含むが、それに限らない。前駆体はソースガス（例えば、ビスジエチルアミノシランＳＡＭ２４）及び反応ガス（例えば、酸素ガスＯ₂）を含んでもよい。堆積モジュール４内の上部電極装置が高周波電界を印加すると、前駆体中のソースガスは高周波電界においてプラズマを励起してさらに発光し、それによりプラズマ光源を生成し、上部電極装置が高周波電界を印加する際に点火異常（例えば、点火失敗）が発生すると、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度は正常に点火する際のプラズマ光源の輝度と異なり、監視モジュール２はプラズマ光源の輝度に基づいてその関連する第１信号を生成することができ、例えば、第１信号は電圧信号であってもよく、そのサイズがプラズマ光源の輝度に関連する。

本発明の実施例では、監視モジュール２は毎回の堆積ステップにおいていずれも第１信号を生成するが、制御モジュール３は少なくとも１回の堆積ステップにおいて生成された第１信号のサイズに基づいて、反応チャンバ内のプラズマ光源の輝度が異常である（例えば、輝度が低すぎる）か否かを判断することができ、ＹＥＳの場合、堆積された目標膜層の厚さが異常であると判定できる。

本発明の実施例の反応チャンバを用いると、プラズマ光源の輝度によって堆積された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、且つ目標膜層の厚さが異常である場合に異常処理を直ちに行うことができ、さらに堆積された目標膜層の厚さが目標の厚さからずれる問題を改善する。

いくつかの選択可能な実施例では、上記異常処理プロセスは、具体的に、
制御モジュール３が異常警報信号を出し、及び／又は、堆積モジュール４を制御して上記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。

堆積モジュール４を制御して上記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることにより、目標膜層の厚さを増加させることができ、それにより堆積された目標膜層の厚さと目標の厚さとの偏差を減少させる。

発明者が研究中に発見したことは、ＰＥＡＬＤ堆積プロセスにおいて、目標膜層の厚さの異常を引き起こす要因は堆積モジュール４の点火が正常であるか否かであり、堆積モジュール４の点火が正常である場合、反応チャンバ内の前駆体におけるＳＡＭ２４は小分子に分解されることができ、酸素分子は励起されて活性酸素原子及び酸素遊離基等の様々な活性基を形成することができ、ＳＡＭ２４小分子は活性基と反応した後に目標膜層を形成する。そして、堆積モジュール４の点火が異常である場合、目標膜層の堆積に失敗し、さらに目標膜層の厚さが異常となってしまう。

従って、いくつかの具体的な実施例では、堆積モジュール４の点火が異常である場合、目標膜層の厚さが異常であると判定でき、具体的に、制御モジュール３は具体的に、少なくとも１回の堆積ステップに対応する第１信号に基づいて、プラズマ点火異常が発生した堆積ステップがあるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、目標膜層の厚さが異常であると判定して、異常処理プロセスを実行することに用いられる。

いくつかの具体的な実施例では、第１信号は反応チャンバ内のプラズマ光源の輝度と負相関する電圧信号であり、図４は本発明の実施例に係る監視モジュール２の回路構造模式図であり、図４に示すように、監視モジュール２は降圧回路２１と、フォトレジストＲＭ（フォトダイオード）と、信号生成回路２２とを含み、降圧回路２１は、信号生成回路２２に使用されるように第１電圧端子Ｖ１が提供した２４Ｖ電圧を降下させることに用いられ、フォトレジストＲＭの抵抗値がチャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度に応じて変化し、信号生成回路２２は、降圧回路２１が生成した電圧信号及びフォトレジストＲＭの抵抗値に基づいて第１信号を生成することに用いられ、本発明の実施例では、第１信号はアナログ信号であってもよく、勿論、出力信号が様々なニーズを満足できるようにするために、信号生成回路２２はアナログ信号を出力する以外に、パルス信号を出力してもよく、例えば、図４に示すように、具体的に以下のとおりである。

本発明の実施例では、降圧回路２１は第１コンパレータＭ１、ダイオードＤ、インダクタンスＴ、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、第１発光ダイオードＬ１及び第１抵抗Ｒ１を含む。第１コンパレータＭ１の第１端子は第１電圧端子Ｖ１に接続され、第１コンパレータＭ１の第２端子は第２電圧端子Ｖ２に接続され、第１コンパレータＭ１の第３端子はインダクタンスＴの第２端子、第１コンデンサＣ１の第２端子、第２コンデンサＣ２の第２端子、第３コンデンサＣ３の第２端子及び第１発光ダイオードＬ１の第１端子に接続され、第１コンパレータＭ１の第４端子は第２電圧端子Ｖ２に接続され、第１コンパレータＭ１の出力端子はインダクタンスＴの第１端子及びダイオードＤの第２端子に接続され、ダイオードＤの第１端子、第１コンデンサＣ１の第１端子及び第２コンデンサＣ２の第１端子はいずれも第２電圧端子Ｖ２に接続され、第３コンデンサＣ３の第１端子、第１抵抗Ｒ１の第１端子はいずれも接地端子に接続され、第１発光ダイオードＬ１の第２端子は第１抵抗Ｒ１の第２端子に接続される。

信号生成回路２２はスライド抵抗器Ｒ′と、第２抵抗Ｒ２と、第３抵抗Ｒ３と、第４抵抗Ｒ４と、第４コンデンサＣ４と、第２コンパレータＭ２と、第２発光ダイオードＬ２とを備える。第２コンパレータＭ２の第１端子は第２抵抗Ｒ２の第１端子、フォトレジストＲｍの第２端子、第４コンデンサＣ４の第２端子及び第１出力端子ＡＯに接続され、第２コンパレータＭ２の第２端子はスライド抵抗器Ｒ′の第３端子に接続され、第２コンパレータＭ２の第３端子はスライド抵抗器Ｒ′の第２端子、第２抵抗Ｒ２の第２端子、第３抵抗Ｒ３の第２端子及び第２発光ダイオードＬ２の第１端子に接続される。第２コンパレータＭ２の第４端子はスライド抵抗器Ｒ′の第１端子、フォトレジストＲｍの第１端子及び第４コンデンサＣ４の第１端子に接続される。第２コンパレータＭ２の出力端子は第３抵抗Ｒ３の第１端子、第４抵抗Ｒ４の第１端子及び第２出力端子ＤＯに接続される。

本発明の実施例では、第１出力端子ＡＯから出力された電圧信号は第１信号であり、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的高い場合、フォトレジストＲｍの抵抗値が比較的低く、フォトレジストＲｍの分圧も比較的低く、それにより第１出力端子ＡＯに比較的低いアナログ信号を出力し、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的低い場合、フォトレジストＲｍの抵抗値が比較的高く、フォトレジストＲｍの分圧も比較的高く、それにより第１出力端子ＡＯに比較的高いアナログ信号を出力する。

チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的高い場合、フォトレジストＲｍの抵抗値は比較的低く、フォトレジストＲｍの分圧も比較的低く、第２コンパレータＭ２の第１端子が受信した電圧は比較的低く、第２端子が受信した電圧よりも低い場合、第２コンパレータＭ２は低レベルを出力し、プラズマ光源の輝度が正常であることを表し、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的低い場合、フォトレジストＲｍの抵抗値は比較的高く、フォトレジストＲｍの分圧も比較的高く、第２コンパレータＭ２の第１端子が受信した電圧は比較的高く、第２端子が受信した電圧よりも高い場合、第２コンパレータＭ２は高レベルを出力し、プラズマ光源の輝度が異常であることを表す。

第２コンパレータＭ２が低レベルを出力する場合、第２発光トランジスタＬ２は発光可能であり、第２コンパレータＭ２が高レベルを出力する場合、消灯可能であり、これにより提示する。

なお、上記例では、第２コンパレータＭ２がＮＰＮ型である場合を例として説明したが、本発明の実施例における第２コンパレータＭ２の型番を制限するものではなく、実際の製品において、第２コンパレータＭ２はさらにその他の型番を用いてもよく、ここで制限しない。

本発明の実施例では、スライド抵抗器Ｒ′の抵抗値が調整可能であり、それにより監視の感度を調整することができる。

図２及び図３に併せて参照されるように、いくつかの具体的な実施例では、制御モジュール３は処理サブモジュール３１及び制御サブモジュール３２を含み、監視モジュール２及び制御サブモジュール３２がいずれも処理サブモジュール３１に接続される。

本発明の実施例では、監視モジュール２及び処理サブモジュール３１のうちの少なくとも一方はプリント回路基板（ＰＣＢ、ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）Ａに統合されてチャンバ本体１に取り付けられてもよく、且つチャンバ本体１の外に位置する。制御サブモジュール３２はプログラマブルロジックコントローラＢ（ＰＬＣ、ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に統合されてもよい。プリント回路基板Ａのアスペクト比は５／３に設定される。

いくつかの具体的な実施例では、反応チャンバは保護ハウジング６をさらに含んでもよく、該保護ハウジング６はプリント回路基板Ａを外部から仕切るようにプリント回路基板Ａの周りに覆設され、それによりプリント回路基板Ａを保護する。プリント回路基板Ａは信号線を介してプログラマブルロジックコントローラＢに接続されてもよい。例えば、保護ハウジング６には信号を伝送するためのポートが設けられ、プリント回路基板Ａは該ポートに接続され、信号線は、プラグＣを含み、プラグＣによって保護ハウジング６に設けられるポートに接続され、それによりプリント回路基板ＡとプログラマブルロジックコントローラＢとの接続を実現する。信号線のプラグＣは４ピンプラグを用いてもよい。

本発明の実施例では、監視モジュール２及び処理サブモジュール３１のうちの少なくとも一方をプリント回路基板Ａに統合することにより、生産コストを削減して取り付けの利便性を向上させることができる。

本発明の実施例では、処理サブモジュール３１は、毎回の堆積ステップに対応する第１信号が予め設定された範囲を超えるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、該回の堆積ステップに対応する第２信号を生成することに用いられる。制御サブモジュール３２は、処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数を統計し、処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数が０よりも大きい場合、目標膜層の厚さが異常であると判定して、異常処理プロセスを実行することに用いられる。

選択可能に、毎回の堆積ステップに対応する第１信号が予め設定された範囲を超えないと、該回の堆積ステップに対応する第３信号を生成する。

本発明の実施例では、処理サブモジュール３１はフィルタリング回路を含んでもよく、予め設定された範囲は堆積モジュール４が正常に点火する際にチャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度に対応する電圧信号の範囲であってもよい。第２信号及び第３信号はデジタル信号であってもよく、例えば、第２信号はデジタル信号「１」であり、第３信号はデジタル信号「０」である。制御サブモジュール３２が第２信号を受信した場合、制御サブモジュール３２は累積カウントを行うことができ、且つ第２信号を受信した度に現在の累計値に１を加え、このようにして、制御サブモジュール３２が第２信号を受信する回数（すなわち累計値）が０よりも大きい場合、堆積周期においてチャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が異常輝度である堆積ステップが少なくとも１回あると説明され、このとき、制御サブモジュール３２は目標膜層の厚さが異常であると判定し、さらに異常処理プロセスを実行する。

いくつかの具体的な実施例では、堆積モジュール２は制御サブモジュール３２に接続され、上記異常処理プロセスは具体的に、制御サブモジュール３２は処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数に基づいて、堆積モジュール２を制御して堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。具体的に、処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数が０よりも大きい場合、制御サブモジュール３２は処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数に基づいて、堆積モジュール４を制御して堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含む。

本発明の実施例では、目標膜層がＳｉＯ₂膜層であって、目標の厚さが１３Åである場合を例とし、１つの堆積周期において、堆積ステップを１回経た度に、ウェハー７に所定の厚さ（例えば、１Å）のＳｉＯ₂膜層が形成され、１つの堆積周期において、堆積ステップを所定の回数（例えば、１３回）実行することにより、ウェハー７に目標の厚さのＳｉＯ₂膜層を形成することができる。そして、１つの堆積周期において、処理サブモジュール３１が第２信号を生成する度に、堆積モジュール４が高周波電界を印加する際に点火異常が発生したと説明されるが、堆積モジュール４の点火異常は、今回の堆積ステップにおいてウェハー７に形成されたＳｉＯ₂の厚さが１Åよりも小さく、さらに最終的に形成されたＳｉＯ₂膜層の厚さが目標の厚さよりも小さく、すなわち、目標膜層の厚さが異常となることを引き起こしてしまう。従って、本発明の実施例では、処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する場合、制御サブモジュール３２は堆積モジュール４を制御して堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させ、それにより堆積モジュール４の点火失敗によるＳｉＯ₂膜層が目標膜層よりも小さい問題を補償する。

理解されるように、本発明の実施例では、追加して実行する堆積ステップは堆積周期において一般的に実行する堆積ステップと同じであり、いずれもチャンバ本体１内に前駆体ガスを導入して高周波電界を印加することを含む。そして、制御サブモジュール３２が堆積モジュール４を制御して堆積ステップを追加して実行させる具体的な回数は実際の必要に応じて決定されてもよく、例えば、いくつかの具体的な実施例では、堆積モジュール４が堆積ステップを追加して実行する回数は処理サブモジュール３１が堆積周期において第２信号を生成する回数と同じであり、それにより堆積モジュール４が堆積ステップを追加して実行する回数を堆積モジュール４の堆積周期における点火異常の回数と同じにし、さらにＳｉＯ₂膜層の厚さが不十分である問題を最大限に補償する。

本発明の実施例では、反応チャンバは堆積過程を監視し、且つ堆積モジュール４に点火異常が発生する場合に自動的に補償することができ、それにより堆積モジュール４の点火異常による目標膜層の厚さが目標の厚さからずれる問題を改善することができ、さらにプロセス結果の安定性を向上させ、チップの間の厚さの適合性を向上させることに有利である。

いくつかの具体的な実施例では、チャンバ本体１の側壁に監視口５が設けられ、監視モジュール２は、チャンバ本体１の外に位置し、監視口５によってチャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度を監視する。

いくつかの具体的な実施例では、監視モジュール２は監視口５に覆われてもよく、それにより監視口５の少なくとも一部を遮蔽して、外部環境光が監視モジュール２を干渉することを回避する。

いくつかの具体的な実施例では、反応チャンバにはウェハー７を載置するためのベース８が設けられ、堆積モジュール４内の上部電極装置はチャンバ本体１の頂部に設けられる上部電極４１及びそれに電気的に接続される上部高周波電源Ｖを含み、上部高周波電源Ｖが上部電極４１によってチャンバ本体１の内部に高周波電界を印加する。

選択可能に、該ベース８に下部電極４２が設けられ、該下部電極４２が例えば接地可能であり、監視口５が下部電極４２と上部電極４１との間に位置する。

いくつかの具体的な実施例では、反応チャンバはチャンバ本体１内に前駆体を導入するための給気装置４３をさらに含む。上部電極４１、下部電極４２及び給気装置４３はプログラマブルロジックコントローラＢに接続されてもよく、プログラマブルロジックコントローラＢの制御によって堆積ステップを実行する。

本発明の実施例の反応チャンバを用いると、堆積して形成された膜層の厚さの均一性が＜０．４％であり、厚さの偏差が＜０．４Aであり、比較的良い成膜品質を有する。

図５は本発明の実施例に係る監視過程の模式図であり、以下に図２～図５を参照して本発明の実施例に係る反応チャンバの堆積過程を説明する。

堆積プロセスが開始する前に、上位コンピュータはプロセスメニュー及びプロセス開始命令をプログラマブルロジックコントローラＢに送信し、プロセスメニューには目標の厚さを実現するために行う必要がある堆積ステップの回数が記録され、プログラマブルロジックコントローラＢはプロセスメニューに基づいて堆積モジュール４を制御して堆積ステップを実行させ、上位コンピュータはウェイト状態に入る。

堆積ステップは具体的に下記第１～第４ステップを含んでもよい。

第１ステップ給気装置４３がチャンバ本体１内にソースガス（例えば、ＳＡＭ２４）を導入し、ソースガスが不活性ガス（例えば、アルゴンガスＡｒ）に含まれてチャンバ本体１内に入ってウェハー７の表面に吸着される。このとき、監視モジュール４が監視を開始してもよい。

第２ステップソースガスが十分に吸着された後にパージガスでチャンバ本体１及び給気装置４３をパージし、それによりソースガスのその他の位置での残留を最大限に減少させる。

第３ステップ高周波電源Ｖをオンにすることにより、上部電極４１と下部電極４２との間に高周波電界を印加しながら反応ガス（例えば、酸素ガスＯ₂）を導入し、高周波電界の作用下で、ソースガスの高分子が小分子に分解され、酸素ガス分子が励起されて活性酸素原子及び酸素遊離基等の様々な活性基を形成する。ソースガスの分解された小分子が酸素の活性基と反応してウェハー７にＳｉＯ₂膜層を形成する。

本ステップにおいて、監視モジュール２はプラズマ光源の輝度と負相関する第１信号を出力することができ、第１信号は電圧信号であってもよく、例えば、堆積モジュール４に点火異常が発生すると、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的低く、監視モジュール２が比較的大きな第１信号を生成し、堆積モジュール４に点火異常が発生しないと、チャンバ本体１内のプラズマ光源の輝度が比較的高く、監視モジュール２が比較的小さな第１信号を生成する。処理サブモジュール３１は第１信号をフィルタリングした後、比較的大きな第１信号を第２信号に処理し、第２信号がデジタル信号「１」であってもよい。

第４ステップチャンバ本体１及び給気装置４３を再びパージする。これまで１つの完全な堆積ステップが完了する。

上位コンピュータがプログラマブルロジックコントローラＢに送信した堆積ステップの回数が全て実行されるまで、１つの堆積ステップが完了した後に２回目の循環を行い、これまでは１つの堆積周期である。

上記堆積周期において、制御サブモジュール３２は処理サブモジュール３１が第２信号を生成する回数を統計し、上記堆積周期が終了した後、制御サブモジュール３２は処理サブモジュール３１が第２信号を生成する回数が０よりも大きいと統計した場合、制御サブモジュール３２は処理サブモジュール３１が第２信号を生成する回数に基づいて、堆積モジュール４を制御して上記堆積ステップを追加して行わせ、追加する回数は処理サブモジュール３１が第２信号を生成する回数と同じであり、それにより点火異常によるＳｉＯ₂膜層の厚さと目標の厚さとの偏差を補償する。それと同時に、制御サブモジュール３２はさらに、点火異常の回数及び堆積ステップを追加して実行する回数を含んでもよい点火異常信号を上位コンピュータに送信し、上位コンピュータは点火異常信号を受信した後、ウェイト状態を維持して、新たな命令をプログラマブルロジックコントローラＢに送信することを停止してもよい。

堆積ステップの追加実行が完了した後、プログラマブルロジックコントローラＢは追加完了信号を上位コンピュータに送信してもよく、上位コンピュータは追加完了信号を受信した後、ウェイト状態を停止して、その他のプロセスステップを行うように新たな命令を送信する。

本発明の実施例は膜層堆積方法をさらに提供し、図６は本発明の実施例に係る膜層堆積方法の第１フローチャートであり、図６に示すように、該膜層堆積方法は下記ステップＳ１～Ｓ４を含む。

Ｓ１堆積モジュール４がチャンバ本体１内に１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行し、
具体的に、毎回の堆積ステップはいずれも、チャンバ本体１内に前駆体を導入して反応チャンバに高周波電界を印加することで反応チャンバ内にプラズマ光源を形成し、且つプラズマ光源によってウェハーに目標膜層を堆積することを含む。

具体的に、前駆体はソースガス及び反応ガスを含み、ステップＳ１において、まず反応チャンバ内にソースガスを導入し、ソースガスが十分にウェハーの表面に吸着された後、反応チャンバに高周波電界を印加しながら反応ガスを導入してもよい。堆積ステップを実行した度に、完了した堆積ステップの回数が目標回数に達したか否かを判断し、ＹＥＳの場合、ステップＳ３を実行し、ＮＯの場合、ステップＳ１を実行し続ける。

Ｓ２、堆積ステップを実行する度に反応チャンバ内のプラズマ光源の輝度を監視し、且つプラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成する。

Ｓ３、少なくとも１回の堆積ステップに対応する第１信号に基づいて、堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行する。

選択可能に、堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常ではない場合、正常堆積信号を出すことができ、次のプロセスを行うことができるようにユーザー及び／又はシステムに通知する。

本発明の実施例に係る膜層堆積方法を用いると、プラズマ光源の輝度によって堆積された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断することができ、且つ目標膜層の厚さが異常となった後に異常警報信号を出し、それにより堆積ステップの追加を容易にし、さらに堆積膜層の厚さが目標の厚さからずれる問題を改善する。

いくつかの具体的な実施例では、第１信号は反応チャンバ内のプラズマ光源の輝度と負相関する電圧信号であり、図７は本発明の実施例に係る膜層堆積方法の第２フローチャートであり、図７に示すように、ステップＳ３は、
第１信号が予め設定された範囲を超えるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、第２信号を生成するＳ３１と、
堆積周期において第２信号を生成する回数を統計するＳ３２と、
堆積周期において第２信号を生成する回数が０よりも大きいか否かを判断し、ＹＥＳの場合、目標膜層の厚さが異常であると判定して、異常処理プロセスを実行するＳ３３と、を含む。

選択可能に、ステップＳ３１において、第１信号が予め設定された範囲を超えない場合、第３信号を生成する。例えば、第２信号及び第３信号はデジタル信号であってもよく、例えば、第２信号はデジタル信号「１」であり、第３信号はデジタル信号「０」である。

いくつかの具体的な実施例では、膜層堆積方法は、
堆積周期において第２信号を生成する回数が０よりも大きい場合、堆積周期において第２信号を生成する回数に基づいて堆積ステップを少なくとも１回追加して実行するＳ４をさらに含む。

堆積ステップの追加実行が完了した後、追加完了信号を送信してもよく、その他のプロセスステップを行うことを容易にする。

いくつかの具体的な実施例では、堆積ステップを追加して実行する回数は堆積周期において第２信号を生成する回数と同じである。

本発明の実施例は上記反応チャンバを含む半導体加工装置をさらに提供する。図２に示すように、堆積モジュール４は給気装置４３及び上部電極装置を含み、チャンバ本体１にはウェハーを載置するためのベース８が設けられ、給気装置４３はチャンバ本体１内に前駆体を導入することに用いられ、上部電極装置は前駆体を励起してプラズマを形成することに用いられる。

具体的に、上記上部電極装置はチャンバ本体１の頂部に設けられる上部電極４１及びそれに電気的に接続される上部高周波電源Ｖを含んでもよく、上部高周波電源Ｖが上部電極４１によってチャンバ本体１の内部に高周波電界を印加する。

選択可能に、該ベース８には、例えば接地可能な下部電極４２が設けられる。

理解されるように、以上の実施形態は単に本発明の原理を説明するために用いた例示的な実施形態であるが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の主旨及び本質を逸脱せずに、種々の変形及び改良を行うことができ、これらの変形及び改良も本発明の保護範囲と見なされる。

Claims

半導体プロセス装置の反応チャンバであって、
チャンバ本体と、監視モジュールと、堆積モジュールと、制御モジュールとを含み、
前記堆積モジュールは、前記チャンバ本体内で１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行することに用いられ、
前記監視モジュールは、前記チャンバ本体に接続され、前記堆積モジュールが前記堆積ステップを実行する度に前記チャンバ本体の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つ前記プラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成することに用いられ、
前記制御モジュールは、前記監視モジュールに接続され、少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、前記堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行することに用いられ、前記異常処理プロセスは、具体的に、前記堆積モジュールを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含むことを特徴とする半導体プロセス装置の反応チャンバ。
前記異常処理プロセスは、さらに、
前記制御モジュールが異常警報信号を出すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の反応チャンバ。
前記制御モジュールは、具体的に、
少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、プラズマ点火異常が発生した前記堆積ステップがあるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、前記目標膜層の厚さが異常であると判定して、前記異常処理プロセスを実行することに用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応チャンバ。
前記制御モジュールは処理サブモジュール及び制御サブモジュールを含み、前記監視モジュール及び前記制御サブモジュールがいずれも前記処理サブモジュールに接続され、
前記処理サブモジュールは、毎回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号が予め設定された範囲を超えるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、該回の前記堆積ステップに対応する第２信号を生成することに用いられ、
前記制御サブモジュールは、前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数を統計し、前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数が０よりも大きい場合、前記目標膜層の厚さが異常であると判定して、前記異常処理プロセスを実行することに用いられることを特徴とする請求項３に記載の反応チャンバ。
前記異常処理プロセスは、具体的に、
前記制御サブモジュールは前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数に基づいて、前記堆積モジュールを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含むことを特徴とする請求項４に記載の反応チャンバ。
前記堆積モジュールが前記堆積ステップを追加して実行する回数は前記処理サブモジュールが前記堆積周期において前記第２信号を生成する回数と同じであることを特徴とする請求項５に記載の反応チャンバ。
前記監視モジュールはフォトレジスト又はフォトダイオードを含み、前記第１信号は前記プラズマ光源の輝度と負相関する電圧信号であることを特徴とする請求項１に記載の反応チャンバ。
前記チャンバ本体の側壁に監視口が設けられ、前記監視モジュールは、前記チャンバ本体の外に位置し、前記監視口によって前記チャンバ本体内のプラズマ光源の輝度を監視することを特徴とする請求項１に記載の反応チャンバ。
前記監視モジュール及び前記制御モジュールのうちの少なくとも一方はプリント回路基板に統合され、前記プリント回路基板は前記チャンバ本体に取り付けられ、且つ前記チャンバ本体の外に位置し、
前記反応チャンバは保護ハウジングをさらに含み、前記保護ハウジングは前記プリント回路基板の周りに覆設され、前記プリント回路基板を外部から仕切ることに用いられ、且つ前記保護ハウジングには信号を伝送するためのポートが設けられることを特徴とする請求項１、７又は８に記載の反応チャンバ。
半導体プロセス装置であって、
請求項１～９のいずれか１項に記載の反応チャンバを含み、前記堆積モジュールは給気装置及び上部電極装置を含み、前記チャンバ本体にはウェハーを載置するためのベースが設けられ、前記給気装置は前記チャンバ本体内に前駆体を導入することに用いられ、前記上部電極装置は前記前駆体を励起してプラズマを形成することに用いられることを特徴とする半導体プロセス装置。
プラズマ強化原子層堆積装置に適用されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体プロセス装置。
膜層堆積方法であって、
請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体プロセス装置の反応チャンバに適用され、前記膜層堆積方法は、
前記堆積モジュールが前記チャンバ本体内に１つの堆積周期における複数回の堆積ステップを実行することと、
前記堆積モジュールが前記堆積ステップを実行する度に、前記チャンバ本体の内部で生成されたプラズマ光源の輝度を監視し、且つ前記プラズマ光源の輝度に基づいて第１信号を生成することと、
少なくとも１回の前記堆積ステップに対応する前記第１信号に基づいて、前記堆積ステップを複数回実行した後に取得された目標膜層の厚さが異常であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合、異常処理プロセスを実行することと、を含むことを特徴とする膜層堆積方法。
前記異常処理プロセスは、具体的に、
異常警報信号を出し、及び／又は、前記反応チャンバを制御して前記堆積ステップを少なくとも１回追加して実行させることを含むことを特徴とする請求項１２に記載の膜層堆積方法。