ベン・ベンサウラ
TOFWERK スイス
はじめに
原子層堆積法（ALD）は、さまざまな薄膜材料に対する標準的な技術として急速に普及しており、半導体分野では不可欠なツールとなっている。ALDは、複雑な3次元形状を持つ基板上でさえ、薄膜の厚さと適合性をサブナノメートル単位で制御するために、シーケンシャル・モードでの2つの気体反応体の自己限定的な表面反応に依存している。成膜された薄膜の物理化学的特性は、主に表面分解反応と成長メカニズムに依存する。したがって、これらのプロセスを完全に特性化して理解し、プロセスの最適化サイクルを短縮し、生産環境でリアルタイムのモニタリングと制御を提供する計測ツールを活用することが重要である。.
ALD用Semicon Processソリューション
このアプリケーションノートでは、原子層蒸着装置（SC-1、スイス・クラスター社製、トゥーン、スイス）にTOFWERK Semicon Processソリューションを統合し、薄膜製造プロセスをリアルタイムでモニタリングする方法を紹介します。Semicon Processアナライザーは、すべてのイオン化分子を同位体分解能で同時に検出します。5 ダイナミック・レンジ、質量スペクトル取得レートは最大1kHz。化学データ取得はその場で行われるため、適用された蒸着パラメーターの結果を即座にモニターすることができ、温度やパルス／パージ時間などのプロセス実験条件を即座に修正することができる。 さらに、最適条件からの逸脱や装置の故障も検出される。このSemicon Processアナライザーによるin-situ取得は、大幅な遅延を伴う死後（ex-situ）の化学的・構造的特性評価法に比べて大きな利点があります。.
実験セットアップ
ALDプロセスは、ALDとPVDを組み合わせた新しいコンパクトクラスターシステムSC-1を用いて行われた。この研究では、SC-1のALDモジュールのみを使用した。基板温度は120℃に設定した。トリメチルアルミニウム、Al（CH3)3 (TMA、純度98 %、Strem社製）およびDI H2Oを使用した。これら2つのガス前駆体は、Al2O3, モデルALDシステムである。このプロセスの化学的性質は、多くの研究で広く分析されており、本研究で示した結果の評価にも役立った。両方の前駆体は室温で蒸着チャンバーに供給され、99.9995%純度のアルゴン（Air Liquide製）がパージガスとして使用された。.
実験は20回のALDサイクルで構成された。各サイクルには、50msのTMAパルスと30msのH2OをArキャリアガスなしで使用し、目的のガスのみがチャンバーに導入されるようにした。ガス前駆体パルスの間には、30秒間にわたり50sccmのアルゴン・ガス・パージが行われた。.
結果
ALDでは、順次導入されるガス前駆体と表面との反応により、図1に示すような副生成物が放出される。これらの副生成物の化学的性質と量は、基本的な反応メカニズムに関する重要な情報を提供し、工業的規模での信頼性と再現性の高いプロセスのためのモニタリング・プロトコルの開発に示唆を与える。.
我々は、Al2O3 TMAとHを用いた析出2で測定された信号分布に基づいて、Oを特徴付けることができる。 m/Q = 16 Th, 18 Th, 27 Th, 40 Thで、TMA Al (27 Th)、H2O (18 Th)、副生成物CH4 (16Th)とArキャリアガス(40Th)から検出されました。しかし、図2に示すように、すべての質量を同時に検出することができるため、これまで検出されなかった副生成物を観察することができ、Semicon Processアナライザーの高い質量分解能と精度がなければ、同定することは困難であったでしょう。.
Semicon Processソリューションが提供するもう一つの重要な特徴は、図3に示すように、リアクター内に存在するすべての化学種の時間変化をモニターできることである。 図4は 27Al信号の分布、すなわち 27TMAバルブが開いているときのAl信号のピーク振幅と、その半値幅（FWHM）。これら2つの値の変動は、供給されたTMAの量がサイクル間で変化したことを示している。ALDプロセスは自己制限的であり、TMA前駆体の過剰は層厚の増加を誘発しないが、前駆体消費量は最適化できる。対照的に、前駆体の量が少ないと、部分的な単層析出となり、ヘテロ構造の析出が目的の場合、表面形態が粗くなり、界面が理想的でなくなる。このように、Semicon Processアナライザーを用いて可能になる、サイクルごとのALDプロセスの再現性をリアルタイムで定量化することは、プロセスの最適化（R&D）と製造の両方において重要である。.
結論
このアプリケーションノートで紹介されているように、ALDシステムにSemicon Processアナライザーを組み込むことで、イオン化したすべての分子とフラグメントを同時にリアルタイムで検出することができます。したがって、最適なプロセスからの逸脱や故障を早期に検出することができ、その結果、プリカーサー温度、パルス時間、圧力などの成膜パラメータを直ちに修正して、意図した薄膜化学構造の成膜を確実にすることができます。.
ALDプロセスにおけるin situ Semicon Processソリューションの利点は、化学気相成長などの他の成膜技術や、プロセスの最適化、モニタリング、制御のためのエッチング・アプリケーションにも広がるだろう。エンドポイント検出は、二元合金、三元合金、四元合金を含む遷移のような複雑な界面にも実装できる。さらに、高い取得速度は、パルスモードで動作するソースや、ナノレイヤースタックの蒸着やエッチングを含むプロセスにとって重要である。 Semicon Processソリューションは、複雑なガス環境中の化学種を正確に割り当て、その時間変化を測定する必要がある、他の半導体プロセスにおけるモニタリングツールとして広く応用できます。.
謝辞
EMPA Eidg（トゥーン）とSwiss Cluster（トゥーン）には、本アプリケーションノートのデータ収集と分析にご協力いただいた。.
