TWI873384B - 半導體處理腔室中之原子氧偵測 - Google Patents

Abstract

本文描述了使用位於基板處理腔室的基板處理區域內的一原子氧感測器來量測原子氧位準的半導體處理系統。處理系統可包括半導體腔室，該半導體腔室具有限定基板處理區域的腔室主體。處理腔室亦可包括位於基板處理區域內的基板支撐件。原子氧感測器可位於腔室的基板處理區域中的基板支撐件附近。本文亦描述了半導體處理方法，包括用位於半導體處理腔室中的原子氧感測器偵測基板處理區域中的原子氧濃度。原子氧感測器可包括至少一個電極，該電極包括可選擇性滲透原子氧而非分子氧的材料，且可進一步包括選擇性傳導原子氧離子的固體電解質。

Description

半導體處理腔室中之原子氧偵測

本申請案主張於2020年9月21日提交的美國專利申請第17/026,905號的權益及優先權，該申請案標題為「半導體處理腔室中的原子氧偵測(ATOMIC OXYGEN DETECTION IN SEMICONDUCTOR PROCESSING CHAMBERS)」，其全部內容以引用方式併入本文。

本技術係關於半導體系統、製程及設備。更具體而言，本技術係關於偵測半導體處理腔室中原子氧的系統及製程。

透過在基板表面產生複雜圖案化材料層的製程，積體電路成為可能。在基板上產生圖案化材料需要用於形成及移除材料的受控方法。隨著元件尺寸持續縮小，膜特性及圖案化精度對元件效能的影響越來越大。從基板表面形成、圖案化及移除材料的操作可能影響所產生元件的操作特性。隨著材料厚度及元件尺寸持續減小，需要改進的設備及方法來監控即時元件製造條件，並對該等條件進行調整，以將該等條件保持在越來越窄的工作範圍內。

因此，需要可用於生產高品質元件及結構的改進系統及方法。本技術解決了該等及其他需求。

本技術包括使用位於基板處理腔室的基板處理區域內的原子氧感測器量測原子氧位準的半導體處理系統及方法。在本技術的一些實施例中，感測器可用於量測在腔室的基板處理區域中形成的含氧電漿中的原子氧位準。在額外的實施例中，感測器可用於量測從腔室外的遠端電漿源進入基板處理區域的電漿流出物中的原子氧位準。由該等感測器進行的原位即時原子氧量測可併入各種半導體處理操作中，包括電漿健康評估、預測故障及終點偵測及其他處理操作。

本技術的實施例包括半導體腔室，其具有限定基板處理區域的腔室主體。在一些實施例中，處理腔室亦可包括位於基板處理區域內的基板支撐件。原子氧感測器可位於腔室的基板處理區域中的基板支撐件附近。

在進一步的實施例中，原子氧感測器可包括至少一個由金屬金製成的電極。在又一些實施例中，原子氧感測器可具有包括氧化釔穩定的氧化鋯的陶瓷電解質。在又一些實施例中，原子氧感測器可被離子抑制罩包圍，該離子抑制罩減少接觸感測器的離子通量。在又一些實施例中，原子氧感測器可包括可逆阻障器，該可逆阻障器可逆地防止半導體處理腔室中的氣體接觸感測器。在一些實施例中，原子氧感測器可位於半導體處理腔室中允許氣體流入基板處理區域的進氣口與基板支撐件之間。在額外的實施例中，原子氧感測器可位於基板支撐件與允許氣體流出基板處理區域的出氣口之間。在又一些實施例中，半導體處理腔室可為電漿處理腔室，該電漿處理腔室包括以下各者中至少一者：在基板處理區域中產生電感耦合電漿的複數個線圈、在基板處理區域中產生電容耦合電漿的至少兩個電極，或者由位於半導體處理腔室外部的遠端電漿系統產生的遠端電漿流出物的入口。

本技術的實施例亦包括半導體處理腔室，該半導體處理腔室包括限定基板處理區域的腔室主體。該腔室亦可包括在腔室主體中的進氣口，其用以向基板處理區域供應氣體，及在腔室主體中的出氣口，其用以從基板處理區域移除氣體流出物。在實施例中，原子氧感測器可位於進氣口與出氣口之間的基板處理區域內。

在進一步的實施例中，原子氧感測器的位置可比出氣口更靠近進氣口。在其他實施例中，原子氧感測器的位置可比進氣口更靠近出氣口。在又一些實施例中，原子氧感測器可包括至少一個金屬金電極及由氧化釔穩定的氧化鋯製成的陶瓷電解質。在一些實施例中，包括原子氧感測器的半導體處理腔室亦可包括位於該腔室的基板處理區域內的基板支撐件。

本技術的實施例進一步包括用於偵測半導體處理腔室中原子氧的半導體處理方法。在一些實施例中，該方法可包括將含氧氣體流入半導體處理腔室的基板處理區域。該方法可進一步包括用位於半導體處理腔室中的原子氧感測器偵測基板處理區域中的原子氧濃度。原子氧感測器可包括至少一個電極，該電極包括可選擇性滲透原子氧而非分子氧的材料，並且亦可包括選擇性傳導原子氧離子的固體電解質。該方法亦可包括基於由原子氧感測器偵測到的原子氧濃度來調節進入半導體處理腔室的含氧氣體的流量。

在進一步的實施例中，該方法可包括用原子氧感測器偵測原子氧，該原子氧感測器包括至少一個原子氧可滲透的電極，該電極可由金屬金製成，並且可進一步包括由氧化釔穩定的氧化鋯製成的固體電解質。在額外的實施例中，該方法可包括減少基板處理區域中的離子通量與原子氧感測器的接觸。在又一些實施例中，該方法可包括解除原子氧感測器與基板處理區域中氣體的隔離，以允許感測器偵測基板處理區域中的原子氧濃度。在又一些實施例中，該方法可包括使原子氧感測器偵測從半導體處理腔室中的進氣口供應至基板處理區域的含氧氣體中的原子氧濃度。在額外的實施例中，該方法可包括使原子氧感測器在廢氣透過半導體處理腔室中的出氣口離開基板處理區域之前，偵測廢氣中的原子氧濃度。在又一些實施例中，該方法可進一步包括利用流入基板處理區域的含氧氣體產生電漿，並使原子氧感測器偵測電漿中的原子氧濃度。

與習用系統及技術相比，此種技術可提供諸多好處。例如，原子氧感測器可在處理操作期間量測半導體處理系統中原子氧的原位即時濃度。原子氧感測器足夠小，以適合安裝在處理腔室內側，並精確偵測存在原子氧的位準，不需要大型複雜的化學儀器，如質譜分析法。原子感測器亦可偵測基態原子氧，而不必激發氧並利用激發態尋找發射。此外，原子氧感測器對原子氧比分子氧具有高選擇性，且可提供存在於具有較大分子氧比例的氣體中存在的小部分原子氧的精確量測。結合以下描述及附圖，更詳細地描述該等及其他實施例，及實施例的諸多優點及特徵。

本技術包括半導體處理系統及方法，其包括原子氧感測器，該等原子氧感測器在使用一或更多種含氧氣體的半導體處理操作期間量測原子氧位準。隨著半導體處理操作的發展，人們越來越有興趣理解複雜系統的化學動力學，如用於沉積材料及處理半導體基板的電漿。電漿包括在半導體處理腔室的處理區域中產生的原位電漿，及由腔室外部產生的電漿向處理腔室提供電漿流出物的遠端產生電漿。由於存在大量物種，及該等物種在電漿動態環境中經歷的快速變化，即時辨識及量測該等電漿中存在的物種已被證明是具有挑戰性的。

由於分子氧(O ₂)及氧離子（例如，O ^-、O ₂ ^-等）相關物質的干擾，原子氧在電漿環境中是一個特別難以表徵的物種。習用偵測技術包括光學吸收光譜及質譜，其嘗試用位於處理腔室外部的設備來表徵原子氧。該等技術大體太慢且不準確，無法精確、即時地表徵處理腔室內的半導體處理區域中原子氧的非均質分佈。因此，基板處理腔室的基板處理區域中的含氧電漿及電漿流出物的化學動力學仍然很難表徵。若沒有對該等化學動力學的更好理解，在改進利用該等含氧電漿的操作上只能取得有限的進展。

本技術的實施例透過將原子氧感測器定位在處理腔室內部的半導體處理區域中來提供處理腔室中原子氧的原位即時量測，從而解決了習用原子氧偵測技術的該等及其他問題。原子氧感測器可足夠小，以適合安裝在處理腔室的基板處理區域內，而不干擾腔室內的半導體製造操作。在一些實施例中，原子氧感測器足夠小，以適合定位以表徵半導體處理區域的某個位置的原子氧位準，如允許含氧氣體及流出物流入處理腔室的進氣口附近，或允許含氧氣體及流出物流出處理腔室的出氣口附近。在額外的實施例中，原子氧感測器可位於基板支撐件附近，該基板支撐件在包括一或更多種含氧氣體或電漿的一或更多個半導體處理操作期間，保持基板在基板處理腔室中的位置。將原子氧感測器定位在處理腔室內的基板處理區域中的不同位置的能力允許在原子氧的空間分佈可能非均質的區域中精確表徵原子氧。

本技術的實施例亦解決了在包括可能干擾原子氧偵測的相關氧物種的環境中表徵原子氧位準的問題。在本技術的實施例中，提供了原子氧感測器，其可偵測原子氧，而不偵測分子氧(O ₂)及離子氧物種，如O ₂ ^-。在實施例中，原子氧感測器包括感測器，該感測器包括至少一個由金屬金製成的電極，該電極選擇性地偵測原子氧而非O ₂。在進一步的實施例中，原子氧感測器可被離子抑制罩包圍，該離子抑制罩減少接觸感測器的氧離子通量。在又一些實施例中，原子氧感測器可偵測基態原子氧，而不必激發氧，且當氧恢復較低能態時偵測光子發射。該等實施例允許在基板處理操作期間，在基板處理區域中存在的含氧氣體及電漿中存在常見的其他氧物種的情況下，精確偵測原子氧。

儘管剩餘的揭示內容將利用本案揭示的技術常規地辨識特定的含氧沉積及處理製程，但是將容易理解的是，該些系統及方法同樣適用於可能出現在所描述的腔室中的各種其他製程。因此，該技術不應被認為局限於僅與所描述的沉積及處理製程一起使用。在描述根據本技術的一些實施例的系統及方法或示例性處理序列的操作之前，本揭示案將論述可與本技術一起使用的一種可能的系統及腔室。應當理解，該技術不限於所描述的設備，且所論述的製程可在任何數量的處理腔室及系統中執行。

第1A-1C圖示出了示例性半導體處理腔室100的橫剖面實施例，其中原子氧感測器103位於該腔室的基板處理區域中的不同位置。第1A圖示出了半導體處理腔室100的橫剖面實施例，其中原子氧感測器103在基板支撐組件101上的基板124附近定位。示例性處理腔室100可為例如電漿處理腔室、氧化處理腔室、遠端電漿氧化腔室、退火腔室、物理氣相沉積腔室、化學氣相沉積腔室或離子佈植腔室，及可接收含氧氣體的其他類型的處理腔室。

在一些實施例中，離子抑制阻障器113可位於氧感測器103周圍，以減少或消除離子從腔室100的基板處理區域向原子氧感測器103的遷移。離子抑制阻障器113可包括導電金屬絲網或穿孔板及其他阻障器，當施加電勢時，該等阻障器保持庫侖場。庫侖場防止帶電離子穿過離子抑制阻障器113，同時允許中性物種穿過，如原子氧。更具體而言，與施加到離子抑制阻障器113的電勢具有相同電荷的離子將被推離離子抑制阻障器，而具有相反電荷的離子將被拉離感測器而朝向阻障器。到達感測器的正離子及負離子的通量都將減少，而包括原子氧在內的中性物質可自由穿過離子抑制阻障器。在實施例中，此減少了離子化物種在基板處理區域的原子氧表徵中的干擾。

在一些實施例中，離子抑制阻障器113或另一阻障器（未示出）可可逆地保護原子氧感測器103免受處理腔室100的基板處理區域中的所有氣體及電漿流出物的影響。可逆阻障器可包括開口、閥、擋板、門、快門、孔或一些其他可逆打開的隔板，以允許基板處理區域中的氣體及電漿流出物接觸原子氧感測器103。控制原子氧感測器103曝露於基板處理區域中的氣氛可防止感測器接觸可能污染或腐蝕感測器部件的氣體及電漿流出物。例如，在沉積或蝕刻操作期間，原子氧感測器103可與基板處理區域中的氣氛隔離，在此操作期間，氣體及電漿流出物存在於可能損壞感測器的區域中。在實施例中，當原子氧感測器103表徵基板處理區域中的原子氧位準時，可逆阻障器可解除隔離。在一些實施例中，當氣體及電漿流出物在基板處理區域中處於降低的壓力下或被提供降低的功率時，可能出現該等無阻擋時段。

處理腔室100可包括具有側壁104、基座106及蓋108的腔室主體102，且蓋108可封閉處理區域110。注射裝置112可與腔室主體102的側壁104及/或蓋108耦接。氣體面板114可與注射裝置112流體耦接，以允許一或更多種含氧氣體及其他處理氣體被提供到處理區域110中。注射裝置112可為一或更多個噴嘴或入口，或者是噴淋頭。處理氣體及任何處理副產物可透過形成在腔室主體102的側壁104或基座106中的排氣口116從處理區域110移除。排氣口116可與泵送系統140連接，泵送系統140可包括節流閥、幫浦或用於控制處理區域110內的真空位準的其他材料。

在一些實施例中，可激勵處理氣體以在處理區域110內形成電漿。例如，可透過將射頻功率電容耦合或電感耦合至處理氣體來激勵處理氣體。在第1A圖所示的實施例中，用於感應耦接電漿產生的複數個線圈118可安置在處理腔室100的蓋108上方，並且可透過匹配電路120耦接至射頻電源122。

在第1A圖所示的實施例中，基板支撐組件101可安置在注射裝置112下方的處理區域110中。基板支撐組件101可包括靜電卡盤150及基座組件105。基座組件可與靜電卡盤150及設施板107耦接。設施板107可由接地板111支撐，並且可被配置為便於與基板支撐組件101的電連接、冷卻連接、加熱連接及氣體連接。接地板111可由處理腔室的基座106支撐，但在一些實施例中，該組件可與軸連接，該軸可在腔室的處理區域內垂直平移。絕緣板109可將設施板107與接地板111絕緣，並且可在部件之間提供熱絕緣及/或電絕緣。

基座組件105可包括或限定與流體輸送系統117耦接的致冷劑通道。在一些實施例中，流體輸送系統117可為低溫冷卻器，但本技術不限於低溫應用，此將在下文進一步解釋。流體輸送系統117可經由連接至致冷劑通道入口的致冷劑入口導管123及連接至致冷劑通道出口的致冷劑出口導管125與致冷劑通道流體連通，使得基座組件105可維持在預定溫度，如第一溫度。在一些實施例中，流體輸送系統117可與介面盒耦接，以控制致冷劑的流速。致冷劑可包括能夠維持任何溫度的材料，包括低溫，該溫度可低於或為約0℃，低於或為約-50℃，低於或為約-80℃，低於或為約-100℃，低於或為約-125℃，低於或為約-150℃或更低。

同樣，應當理解，本技術涵蓋的其他基板支撐件亦可被配置為在各種其他處理溫度下操作，包括高於或約0℃、高於或約100℃、高於或約250℃、高於或約400℃或更高溫度。流體輸送系統117可提供致冷劑，該致冷劑可透過基座組件105的致冷劑通道循環。流經致冷劑通道的致冷劑可使基座組件105能夠維持在處理溫度，此可有助於控制靜電卡盤150的橫向溫度分佈，使得安置在靜電卡盤150上的基板124可均勻地維持在低溫加工溫度。

設施板107可包括或限定與冷卻器119耦接的冷卻劑通道。冷卻器119可經由連接至冷卻劑通道入口的冷卻劑入口導管127及連接至冷卻劑通道出口的冷卻劑出口導管129與冷卻劑通道流體連通，使得設施板107可維持在第二溫度，在一些實施例中，第二溫度可大於第一溫度。在一些實施例中，單個共用冷卻器可用於將流體輸送到基座組件及設施板。因此，在一些實施例中，流體輸送系統117及冷卻器119可為單個冷卻器或流體輸送系統。在一些實施例中，冷卻器119可與介面盒連接，以控制冷卻劑的流速。冷卻劑可包括一材料，該材料能夠維持溫度高於或約0℃，並可維持溫度高於或約20℃、高於或約30℃、高於或約40℃、高於或約50℃或更高溫度。在一些實施例中，可採用替代的加熱機構，包括電阻加熱器，其可分佈在設施板、靜電卡盤或基座組件中。在一些實施例中，設施板可不包括加熱部件。冷卻器119可提供冷卻劑，冷卻劑可透過設施板107的冷卻劑通道循環。流經冷卻劑通道的冷卻劑可使設施板107維持在預定溫度，此可有助於例如使絕緣板109維持在高於第一溫度的溫度。

靜電卡盤150可包括支撐表面，基板124可安置在該支撐表面上，並且亦可包括與支撐表面相對的底表面132。在一些實施例中，靜電卡盤150可為或包括陶瓷材料，如氧化鋁、氮化鋁或其他合適的材料。此外，靜電卡盤150可為或包括聚合物，如聚醯亞胺、聚醚醚酮、聚芳醚酮或任何其他可作為處理腔室內的靜電卡盤操作的聚合物。

靜電卡盤150可包括併入卡盤主體內的卡盤電極126。卡盤電極126可配置為單極或雙極電極，或者用於靜電夾持基板的任何其他合適的佈置。卡盤電極126可透過射頻(RF)濾波器耦接至卡盤電源134，卡盤電源134可提供直流(DC)電功率，以將基板124靜電固定至靜電卡盤150的支撐表面。射頻濾波器可防止用於在電漿處理腔室100內形成電漿的射頻功率損壞電氣設備或在腔室外部造成電氣危險。

靜電卡盤150可包括併入卡盤主體內的一或更多個電阻加熱器128。電阻加熱器128可用於將靜電卡盤150的溫度升高到適於處理安置在支撐表面上的基板124的處理溫度。電阻加熱器128可透過設施板107耦接至加熱器電源136。加熱器電源136可向電阻加熱器128提供功率，該功率可為數百瓦或更大。加熱器電源136可包括用於控制加熱器電源136的操作的控制器，加熱器電源136大體可被設定成將基板124加熱至預定處理溫度。在一些實施例中，電阻加熱器128可包括複數個橫向分離的加熱區域，並且控制器可使得電阻加熱器128的至少一個區域能夠相對於位於一或更多個其他區域中的電阻加熱器128被優先加熱。例如，電阻加熱器128可同心地佈置在複數個單獨的加熱區中。電阻加熱器128可將基板124維持在適於處理的處理溫度。

基板支撐組件101可包括安置在其中的一或更多個探針。在一些實施例中，一或更多個低溫光學探針組件可與探針控制器138耦接。溫度探針可安置在靜電卡盤150中，以決定靜電卡盤150的各個區域的溫度。在一些實施例中，每個探針可對應於電阻加熱器128的複數個橫向分離的加熱區域中的一個區域。探針可量測靜電卡盤150的每個區域的溫度。探針控制器138可與加熱器電源136耦接，使得電阻加熱器128的每個區域可被獨立加熱。此可允許靜電卡盤150的橫向溫度分佈基於溫度量測維持大體上均勻，此可允許安置在靜電卡盤150上的基板124均勻地維持在處理溫度。

在本技術的實施例中，原子氧感測器103可位於處理腔室100中的不同位置。第1B圖示出了半導體處理腔室100的橫剖面實施例，其中原子氧感測器103位於注射裝置112附近，注射裝置112可用作一或更多種含氧氣體的進氣口。將原子氧感測器103定位在注射裝置112附近允許感測器表徵氣體或電漿中的原子氧位準，其中處理氣體被引入處理腔室100。在一些處理方法的實施例中，位於注射裝置112附近的原子氧感測器103可用於表徵在處理腔室100外部產生的含氧電漿流出物中的原子氧位準。在額外的實施例中，來自原子氧感測器103的資料可用於調節遠端產生的電漿中的條件，該遠端產生的電漿透過注射裝置112向處理腔室100供應含氧電漿流出物。與遠離注射裝置定位的感測器相比，來自定位於注射裝置112附近的原子氧感測器103的即時資料可提供關於遠端產生的電漿的健康狀況的更及時回饋。

第1C圖示出了半導體處理腔室100的橫剖面實施例，其中原子氧感測器103在形成在腔室中的排氣口116附近定位。排氣口116可用作出氣口，出氣口允許含氧氣體及電漿流出物流出處理腔室100。在一些處理方法的實施例中，位於排氣口116附近的原子氧感測器103可用於表徵含氧氣體及電漿流出物曝露於基板後的原子氧位準。在額外的實施例中，來自原子氧感測器103的資料可用於表徵基板處理區域中的條件及事件，包括例如對操作終點的偵測。來自定位於排氣口116附近的原子氧感測器103的即時資料亦可提供關於處理腔室100的基板處理區域中原位產生的電漿的健康狀況的及時回饋。

第2圖示出了根據本技術實施例的原子氧感測器200的簡化示意圖。在所示實施例中，原子氧感測器200包括陰極電極202、參考電極204及陽極電極206。電極可形成在固體電解質208上，固體電解質208可起作用而在陰極電極202與陽極電極206之間傳輸氧物種（例如O ₂ ^-）。在實施例中，原子氧感測器200可透過量測在陰極電極202、固體電解質208及基板處理區域的相鄰氣氛之間的邊界處離子化的氧原子(中性物質)通量，來量測接觸感測器的氣氛中的原子氧位準。在一些實施例中，參考電極204可用於維持陰極電極202處的恆定電壓，以防止由於陰極電極處的電壓電勢的變化而導致的氧離子形成速率的變化。

在陰極電極202處形成的氧離子(例如，O^2-離子)可藉由電極之間的電勢差被驅動穿過固體電解質208到達陽極電極206。當氧離子到達陽極電極206時，其可在由固體電解質208、陽極電極206及分子氧釋放於其中的相鄰氣氛形成的邊界處被中性化成為分子氧。在陽極電極206處從氧離子移除的電子可產生電流，該電流穿過外部電路(未示出)回到陰極電極202。電流量可與陰極電極202處的感測器吸收的原子氧通量成正比，以提供一信號，該信號可經校準以決定基板處理區域的氣氛中原子氧分壓。

在一些實施例中，陰極電極202可包括金屬金。與鉑及其他鑄幣金屬不同，金對原子氧的吸收選擇性高於分子氧(O₂)。主要由金屬金製成的陰極電極202可選擇性地吸收及離子化原子氧，以產生氧離子，該等氧離子成為原子氧感測器中的載流子。含金陰極電極202以低得多的速率吸收(或者根本不吸收)存在於具有原子氧的基板處理區域的氣氛中的分子氧，並且不會顯著干擾感測器對原子氧分壓的量測。

在一些實施例中，固體電解質208可包括能夠傳輸（即傳導）由陰極電極202處的原子氧離子化形成的氧離子的陶瓷材料。在額外的實施例中，固體電解質208可包括維持在對氧離子具有高導電性的溫度下的氧化釔穩定的氧化鋯(yttria-stabilized zirconia; YSZ)。在一些實施例中，在感測器操作期間，固體電解質208的溫度可表徵為大於或約400℃、大於或約425℃、大於或約450℃、大於或約475℃、大於或約500℃或更高。在額外的實施例中，原子氧感測器200可進一步包括加熱單元（未示出），以在感測器操作期間升高及維持固體電解質208的溫度。

第3圖示出了根據本技術實施例的原子氧感測器300的簡化示意電路。在實施例中，感測器300可包括佈置在固體電解質308上的陰極電極302、參考電極304及陽極電極306。在所示的實施例中，原子氧感測器300可進一步包括基板310及加熱元件312a-b，加熱元件312 a-b接觸基板310的一表面，該表面與電極接觸的一表面相對。

在實施例中，陰極電極302及陽極電極306可與在電極之間施加電壓的電壓源314電連通。該電壓可在電極之間產生電化學電勢的梯度，該梯度驅動從陰極電極302吸收的原子氧在離子化後產生的氧離子前往陽極電極306。由氧離子透過電解質308的遷移所產生的淨電荷通量與流過併入有電壓源314的外部電路316的電流成正比。流過外部電路的電流的變化提供了關於透過電解質308遷移的氧離子通量的資訊。氧離子通量與原子氧在陰極電極302處被吸收的速率成正比。陰極處原子氧的吸收率與處理腔室中基板處理區域附近的氣氛中原子氧的分壓成正比。因此，併入有原子氧感測器的電子電路320中電流的校準量測可提供基板處理區域的氣氛中對感測器附近的原子氧分壓的量測。

在一些實施例中，加熱器元件312a-b可提供電阻加熱，以將基板310及固體電解質308加熱至一溫度，該溫度有助於氧離子在感測器操作期間透過電解質傳導。在實施例中，加熱器元件312a-b可用於將基板310及固體電解質308升高並維持在大於或約400℃、大於或約425℃、大於或約450℃、大於或約475℃、大於或約500℃或更高的溫度。原子氧感測器300亦可包括溫度感測器及控制器（未示出），該溫度感測器及控制器監控固體電解質308的溫度，並調節輸送到加熱器元件312a-b的功率量，以在感測器操作期間維持電解質溫度。

在一些實施例中，原子氧感測器300亦可包括電子耦接至參考電極304及電壓源314的控制器316。在實施例中，控制器316及電壓源314可作為穩壓器318協同工作，穩壓器318在接觸陰極電極302的氣氛中原子氧分壓變化期間，維持參考電極304與陰極電極302之間的恆定電壓。為維持該恆定電壓，由電壓源314提供的電壓位準變化可與原子氧分壓的變化成正比。因此，在一些實施例中，可透過穩壓器318的電壓源314輸出的電壓位準的變化來量測原子氧分壓的變化。

在實施例中，原子氧感測器300可透過以下方式表徵處理腔室的基板處理區域中的原子氧分壓：量測電子電路320中的電流量或穩壓器318輸出的電壓位準中的至少一者。如上所述，原子氧感測器300可取決於感測器在處理腔室中的放置，來表徵基板處理區域中不同點處的原子氧分壓。在一些實施例中，兩個或多個感測器可放置在處理腔室中，以表徵在具有非均質原子氧分佈的基板處理區域中的兩個或多個點處的原子氧分壓。

在一些實施例中，原子氧感測器300可提供關於處理腔室的基板處理區域中原子氧分壓的即時資訊。在實施例中，該即時資訊的及時性可由原子氧感測器300對原子氧分壓變化的響應時間來表徵。該響應時間可透過感測器在量測原子氧靜態分壓的固定感測器信號的5%內所經過的時長來量測。在一些實施例中，原子氧感測器300的特徵在於2秒或更短、1秒或更短、0.5秒或更短、0.1秒或更短或更短的響應時間。感測器的快速響應時間提供了關於基板處理區域中的氣體或電漿條件的即時資訊，並且允許在處理操作期間及時調整處理參數。在一些實施例中，該等處理參數可包括含氧氣體或電漿流出物進入處理腔室的流速、處理腔室中的氣體壓力、及輸送到遠端電漿或基板處理區域中的含氧氣體處理氣體的功率位準及其他處理參數。

在本技術的實施例中，原子氧感測器可用於表徵半導體處理方法中的原子氧位準。第4圖示出了根據本技術實施例的偵測處理腔室的處理區域中的原子氧的方法400中的選定操作的流程圖。應當理解，可使用能夠執行本處理方法的一或更多個操作的任何處理腔室。此外，該等方法可用包括一或更多個前述原子氧感測器的實施例的腔室或系統來實施。方法400可包括在所述方法操作開始之前的一或更多個操作，包括前端處理、沉積、蝕刻、拋光、清潔或可在所述操作之前執行的任何其他操作。該方法可包括圖中所示的多個可選操作，該等操作可或可不與根據本技術的方法具體關聯。例如，描述許多操作是為了提供更大範圍的半導體製程，但是對於技術而言並不至關重要，或者可藉由下文將進一步論述的替代方法來執行。

方法400可涉及將半導體基板執行特定製造操作的可選操作。儘管在一些實施例中，方法400可在基礎結構上執行，但是在一些實施例中，該方法可在其他材料形成之後執行。例如，當原子氧感測器被啟動並偵測基板處理區域中的原子氧位準時，可執行任意數量的沉積、遮蔽或移除操作，以在基板上產生任意電晶體、記憶體或其他結構態樣。在一些實施例中，基板可安置在處理腔室的基板處理區域中的基板支撐件上。基板操作可在可執行方法400的態樣的同一腔室中執行，並且一或更多個操作亦可在與可實施方法400的操作的腔室相似的平臺上的一或更多個腔室中執行，或者在其他平臺上執行。

在一些實施例中，方法400可包括將至少一種含氧氣體或電漿流出物流入處理腔室的基板處理區域405。在實施例中，含氧氣體或電漿流出物可包括一或更多種原子氧物種，如基態原子氧及電子激發態原子氧。在額外的實施例中，含氧氣體或電漿可包括分子氧(O ₂)。在又一些實施例中，含氧氣體或電漿可包括一或更多種載氣及惰性氣體，如氦、分子氮(N ₂)及氬，及其他載氣及惰性氣體。在又一些實施例中，含氧氣體或電漿可包括一或更多種反應性氣體，如分子氫(H ₂)、氨、含矽氣體、含鹵素氣體及其他反應性氣體。

在一些實施例中，流入基板處理區域的含氧氣體或電漿流出物可將處理腔室維持在壓力範圍內。例如，處理腔室的特徵在於大於或約0.01托、大於或約0.1托、大於或約1托、大於或約2托、大於或約5托或更大的壓力。在額外的實施例中，含氧氣體或電漿流出物可向處理腔室提供原子氧分壓。例如，處理腔室的特徵可在於大於或約1毫托、大於或約10毫托、大於或約100毫托或更大的原子氧分壓。原子氧是一種高反應性物種，容易與包括其他原子氧在內的其他物種結合，以形成更穩定的分子氧。因此，可理解，在處理腔室的基板處理區域中的不同位置，原子氧的分壓可隨時間快速變化。在更多實施例中，含氧氣體或電漿流出物可向處理腔室提供分子氧分壓。例如，處理腔室的特徵可在於大於或約0.01托、大於或約0.1托、大於或約1托、大於或約2托、大於或約5托或更大的分子氧分壓。在本技術的實施例中，原子氧感測器可選擇性地量測基板處理區域中原子氧的分壓，而分子氧不會干擾量測。

在一些實施例中，方法400可進一步包括啟動原子氧感測器410。在實施例中，啟動操作可包括將感測器的固體電解質部件加熱到一溫度，該溫度有助於氧離子透過電解質傳導。氧離子傳導的示例性溫度範圍可包括大於或約400℃、大於或約425℃、大於或約450℃、大於或約475℃、大於或約500℃或更高溫度。在額外的實施例中，啟動操作可包括解除原子氧感測器與基板處理區域中的氣體及電漿流出物的隔離，以允許感測器表徵該區域的某個位置的原子氧量。在一些實施例中，解除隔離的操作可包括開口、閥、擋板、門、快門、孔或一些其他可逆打開的隔板，以允許基板處理區域中的氣體及電漿流出物至少接觸原子氧感測器上的陰極電極。控制原子氧感測器曝露於基板處理區域的氣氛，防止感測器接觸可能污染或腐蝕感測器部件的氣體及電漿流出物。例如，在沉積或蝕刻操作期間，原子氧感測器可與基板處理區域中的氣氛隔離，在此操作期間，氣體及電漿流出物存在於該區域中，可能損壞感測器。在實施例中，原子氧感測器的啟動包括在基板處理區域中該等氣體及電漿流出物處於降低的壓力，或被提供降低的功率的期間解除隔離。

在額外的實施例中，啟動原子氧感測器410可包括產生庫侖場，該庫侖場減少基板處理區域的氣氛中被感測器偵測到的離子通量。在一些實施例中，庫侖場可透過向離子抑制阻障器（如導電材料的絲網或穿孔板）施加電勢來產生，來自基板處理區域的離子可穿過該阻障器，到達原子氧感測器。在該等實施例中，與施加的電勢具有相同電荷的離子將被推離離子抑制阻障器，而具有相反電荷的離子則將被拉離感測器而朝向阻障器。到達感測器的正離子及負離子的通量都將減少，而包括原子氧在內的中性物種可自由穿過離子抑制阻障器。在實施例中，此減少了離子化物種在基板處理區域中原子氧表徵中的干擾。

在實施例中，方法400可進一步包括透過原子氧感測器偵測基板處理區域中的原子氧位準415。在實施例中，處理腔室的基板處理區域中的原子氧分壓可透過電路的電流來表徵，該電流包括一氧離子通量，該氧離子通量從陰極電極移動穿過原子氧感測器的固體電解質到達陽極電極。在額外的實施例中，基板處理區域中原子氧分壓的特徵可在於：由陰極電極與固體基板的界面處的原子氧產生的氧離子通量的變化，引起從電壓源到陰極電極及參考電極的電壓變化。在實施例中，由原子氧感測器產生的電流或電壓信號可相對於基板處理區域中已知的原子氧分壓進行校準，以表徵正在表徵分壓的氣氛中的原子氧分壓。

在一些實施例中，方法400可進一步包括基於由原子氧感測器偵測到的原子氧濃度，來調整進入半導體處理腔室的含氧氣體流量420。在實施例中，流量調節可由電子流量控制器進行，該電子流量控制器將來自原子氧感測器的、含有關於半導體處理腔室中原子氧濃度的資訊的資料信號與參考信號進行比較。電子流量控制器可基於資料信號與參考信號的比較，來調整進入半導體處理腔室的含氧氣體的流量。在進一步的實施例中，該等比較及流量位準調整可在半導體處理腔室中的半導體製造操作期間連續進行。在額外的實施例中，在半導體製造操作期間，該等比較及調整可由控制器自動進行，而無需操作員干預。在額外的實施例中，該等比較及調整可由控制器在半導體製造操作期間即時進行。

在一些實施例中，方法400可進一步包括記錄基板處理區域中原子氧分壓隨時間的變化425。在實施例中，原子氧分壓可在基板處理操作之前、期間及之後記錄一或更多次。在額外的實施例中，原子氧分壓可在處理操作的整個持續時間內記錄，或者在整個操作的一小部分期間記錄。在又一些額外的實施例中，可記錄操作的起點或處理操作的終點中的一者或兩者處原子氧分壓，以便指示處理操作的開始或結束。

在實施例中，可處理透過記錄原子氧分壓隨時間變化而產生的資料，並且處理後的資料可用於產生或啟動結果或輸出庫，該結果或輸出庫可促進額外的處理操作。該產生的庫可被處理器存取用於機器學習，其中可實施演算法來從處理場景中辨識模式，此可提供機器學習模型來促進對處理或腔室條件的預測性調整。演算法可包括對腔室條件、製程條件、系統部件的材料或特性的考慮，及可在處理期間收集及分析以訓練機器學習模型的任何數量的其他考慮。可為諸如沉積、圖案化及蝕刻等基板製造操作開發深度機器學習演算法。機器學習可進一步填充資料庫，並迭代改進對任意數量的腔室或處理場景的預測。因此，隨著時間的推移，該模型可透過基於原子氧位準預測效應來控制處理，並且可原位調整任意數量的處理參數以保護基板或腔室部件，並改善製程輸出。

一或更多個計算裝置或部件可經調適以透過存取以電腦可讀形式呈現的軟體指令來提供本文描述的一些期望的功能。例如，計算裝置可處理或存取用於本技術的一或更多個部件的操作的信號，如聲學發射處理器或控制器。當使用軟體時，可使用任何合適的程式化、腳本或其他類型的語言或語言組合來執行所描述的製程。然而，並不需要專門使用軟體，或者根本不需要使用。例如，上述本技術的一些實施例亦可由硬連線邏輯或其他電路實現，包括但不限於特殊應用電路。電腦執行的軟體及硬連線邏輯或其他電路的組合亦可能是合適的。

本技術的一些實施例可由適於執行上文論述的一或更多個操作的一或更多個合適的計算裝置來執行。如上所述，此種裝置可存取包含電腦可讀指令的一或更多個電腦可讀媒體，當該等電腦可讀指令由可併入裝置中的至少一個處理器執行時，使得該至少一個處理器實現本技術的一或更多個態樣。額外地或替代地，計算裝置可包括使該等裝置可操作以實現本案所述方法或操作中一或更多者的電路系統。

可使用任何合適的電腦可讀媒體來實現或實踐本技術的一或更多個態樣，包括但不限於磁碟、驅動器及其他基於磁的儲存媒體、光儲存媒體，包括諸如CD-ROM、DVD-ROM或其變體的磁碟、快閃記憶體、隨機存取記憶體、唯讀記憶體及其他記憶體裝置等。

在上文的描述中，出於解釋的目的，已經闡述了諸多細節，以便提供對本技術的各種實施例的理解。然而，對於熟習此項技術者而言顯而易見的是，某些實施例可在沒有該等細節中的一些者或者額外增添了細節的情況下實施。

本文揭示了數個實施例，熟習此項技術者將會認識到，在不脫離實施例的精神的情況下，可使用各種修改、替代構造及等同物。此外，為了避免不必要地使本技術發生混淆，沒有描述許多公知的製程及元件。因此，以上描述不應被視為限制該技術的範疇。

在提供數值範圍的情況下，應當理解，本文亦專門揭露了該範圍的上限與下限之間的每個中介值，精確至下限單位的最小分數，除非上下文另有明確規定。所述範圍內的任何所述值或未描述的中介值與所述範圍內的任何其他所述值或中介值之間的任何較小範圍都已包含。該等較小範圍的上限及下限可獨立地包括在該範圍之內或排除在該範圍之外，並且每個範圍（其中較小範圍包括上限或下限、包括上限與下限，或上限與下限都不包括）亦包含在該技術中，受所述範圍內的任何專門排除的限制所約束。當所述範圍包括一個或兩個極限時，亦包括排除了一個或兩個所包括限制的範圍。

如本文及所附專利申請範圍中所使用的，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該」包括複數引用，除非上下文另有明確規定。因此，例如，提及「一層」包括複數個此種層，且提及「該探針」包括提及熟習此項技術者已知的一或更多個探針及其等同物，等等。

此外，當在本說明書及以下專利申請範圍中使用時，詞語「包括(comprise)」、「包括(comprising)」、「包含(contain)」、「包含(containing)」、「包含(include)」、「包含(including)」意欲指定所述特徵、整數、部件或操作的存在，但不排除一或更多個其他特徵、整數、部件、操作、動作或群組的存在或添加。

100:半導體處理腔室 101:基板支撐組件 102:腔室主體 103:原子氧感測器 104:側壁 105:基座組件 106:基座 107:設施板 108:蓋 109:絕緣板 110:處理區域 111:接地板 112:注射裝置 113:離子抑制阻障器 114:氣體面板 116:排氣口 117:流體輸送系統 118:線圈 119:冷卻器 120:匹配電路 122:射頻電源 123:致冷劑入口導管 124:基板 125:致冷劑出口導管 126:卡盤電極 127:冷卻劑入口導管 128:電阻加熱器 129:冷卻劑出口導管 132:底表面 134:卡盤電源 136:加熱器電源 138:探針控制器 140:泵送系統 150:靜電卡盤 200:原子氧感測器 202:陰極電極 204:參考電極 206:陽極電極 208:固體電解質 300:原子氧感測器 302:陰極電極 304:參考電極 306:陽極電極 308:固體電解質 310:基板 312a:加熱器元件 312b:加熱器元件 314:電壓源 316:外部電路 318:穩壓器 320:電子電路 400:方法 405:步驟 410:步驟 415:步驟 420:步驟 425:步驟 A:電流 e-:負電荷 V:電壓

藉由參考說明書的剩餘部分及附圖，可實現對本揭露技術的特性及優勢的進一步理解。

第1A-C圖示出了根據本技術的一些實施例的示例性處理系統的橫剖面視圖。

第2圖示出了根據本技術的一些實施例的示例性原子氧感測器的簡化示意圖。

第3圖示出了根據本技術的一些實施例的示例性原子氧感測器的簡化電氣示意圖。

第4圖示出了根據本技術的一些實施例的偵測基板處理區域中的原子氧的方法中的選定操作。

其中多幅圖式是示意圖。應理解，該等圖式以說明為目的，除非特別聲明按比例繪製，否則不視其為按比例繪製。此外，作為示意圖，提供該等圖式用於協助理解，且與現實表示相比，該等圖式可能不包括所有態樣或資訊，且可能包括用於說明目的而誇示的材料。

在附圖中，相似的部件及/或特徵可具有相同的元件符號。此外，相同類型的各種部件可透過在元件符號後添加字母來區分，該字母在相似的部件之間不同。若說明書中僅使用第一元件符號，則該描述適用於具有同一第一元件符號的任何一個類似部件，無論字母為何。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

400:方法

405:步驟

410:步驟

415:步驟

420:步驟

425:步驟

Claims (20)

1. 一種半導體處理腔室，包括：限定一基板處理區域的一腔室主體；位於該基板處理區域內且被配置為支撐該腔室主體中的一基板的一基板支撐件；及一原子氧感測器，位於該基板處理區域內，在該基板支撐件上。
2. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器包括在該腔室主體內側且包含金屬金的至少一個電極。
3. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器包括在該腔室主體內側的一陶瓷電解質，該陶瓷電解質包括氧化釔穩定的氧化鋯。
4. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器被在該腔室主體內側的一離子抑制罩包圍，該離子抑制罩減少接觸該原子氧感測器的一離子通量。
5. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器包括在該腔室主體內側的一可逆阻障器，以可逆地防止該腔室中的氣體接觸該原子氧感測器。
6. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該半導體處理腔室進一步包括一進氣口，以允許氣體流入該基板處理區域，且其中該原子氧感測器位於該進氣口與該基板支撐件之間。
7. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該 半導體處理腔室進一步包括一出氣口，以允許氣體流出該基板處理區域，且其中該原子氧感測器位於該基板支撐件與該出氣口之間。
8. 如請求項1所述的半導體處理腔室，其中該半導體處理腔室是一電漿處理腔室，包括以下各者中至少一者：複數個線圈，用於在該基板處理區域中產生一電感耦合電漿；至少兩個電極，用於在該基板處理區域中產生一電容耦合電漿；或者由位於該半導體處理腔室外部的一遠端電漿系統產生的遠端電漿流出物的一入口。
9. 一種半導體處理腔室，包括：限定一基板處理區域的一腔室主體；該腔室主體中的一進氣口，用於向該基板處理區域供應氣體，及該腔室主體中的一出氣口，用於從該基板處理區域移除氣體流出物；及該基板處理區域內的一原子氧感測器，位於該進氣口與該出氣口之間，使得氣體穿過在該腔室主體內側的該原子氧感測器流出該進氣口或流入該出氣口。
10. 如請求項9所述的半導體處理腔室，其中該半導體處理腔室進一步包括位於該基板處理區域內的一基板支撐件。
11. 如請求項9所述的半導體處理腔室，其中該 原子氧感測器的位置比該出氣口更靠近該進氣口。
12. 如請求項9所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器的位置比該進氣口更靠近該出氣口。
13. 如請求項9所述的半導體處理腔室，其中該原子氧感測器包括在該腔室主體內側且包含金屬金的至少一個電極，且包括在該腔室主體內側且包含氧化釔穩定的氧化鋯的一陶瓷電解質。
14. 一種半導體處理方法，包括以下步驟：將一含氧氣體流入一半導體處理腔室的一基板處理區域；用位於該半導體處理腔室中的一原子氧感測器偵測該基板處理區域中的一原子氧濃度，其中該原子氧感測器包括在該腔室主體內側的至少一個電極，該電極包括可選擇性透過原子氧而非分子氧的一材料，且包括在該腔室主體內側且選擇性傳導原子氧離子的一固體電解質；及基於由該原子氧感測器偵測到的該原子氧濃度，來調整進入該半導體處理腔室的該含氧氣體的一流量。
15. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該方法進一步包括以下步驟：減少該基板處理區域中的一離子通量與該原子氧感測器的接觸。
16. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該方法進一步包括以下步驟：解除該原子氧感測器與該基板處理區域中的氣體隔離，以允許該感測器偵測該基 板處理區域中的該原子氧濃度。
17. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該原子氧感測器的至少一個電極包括金屬金，且該原子氧感測器的該固體電解質包括氧化釔穩定的氧化鋯。
18. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該原子氧感測器偵測從該半導體處理腔室中的一進氣口供應至該基板處理區域的該含氧氣體中的該原子氧濃度。
19. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該原子氧感測器在一廢氣透過該半導體處理腔室中的一出氣口離開該基板處理區域之前，偵測該廢氣中的該原子氧濃度。
20. 如請求項14所述的半導體處理方法，其中該方法進一步包括以下步驟：從該含氧氣體產生一電漿，其中該原子氧感測器偵測該電漿中的該原子氧濃度。

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