JP2012248855A - 低温ポリシリコンｔｆｔのための多層高品質ゲート誘電体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＦＴデバイスにおける高品質ゲート誘電体層を形成するのに有用な方法及び装置を提供する。
【解決手段】高密度プラズマ酸化（ＨＤＰＯ）処理層がチャネル、ソース、及びドレイン領域上に形成されて誘電体インターフェースを構成し、次に、１つ以上の誘電体層をＨＤＰＯ層上に堆積して高品質ゲート誘電体層を形成する。ＨＤＰＯ処理は、一般的に、誘導及び／又は容量結合ＲＦ伝達デバイスを用いてプラズマを発生し、基板上で発生したプラズマを制御し、また酸化源を含有するガスを注入して界面層を成長させる。次に、第２誘電体層をＣＶＤ又はＰＥＣＶＤ堆積処理を用いて基板上に堆積する。
【選択図】なし

Description

発明の分野

本発明の実施形態は、一般に、プラズマ処理システムを用いた電子機器の製造装置及び方法に関する。

関連技術の説明

フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、液晶セルの製造において、金属相互接続及びその他の構成はガラス基板上に導体、半導体、及び誘電材料の複数層を堆積、除去することで形成される。形成された様々な構成は、例えば、ＦＰＤ上の個々の画素で表示状態が電気的に作り出されるアクティブマトリクスディスプレイスクリーンの製造で集合的に使用するシステムに集積される。ＦＰＤを製造するために用いる処理技法には、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、エッチングその他が含まれる。フラットパネルディスプレイの製造にはプラズマ処理が特によく適しており、これは膜を堆積するのに必要な処理温度が比較的低く、得られる膜の質が高いためである。

ＴＦＴディスプレイの製造で利用される一般的なＦＰＤデバイスは図１の従来技術に示されるように低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）ＴＦＴデバイスである。ＬＴＰＳ ＴＦＴデバイスは光学的に透明な基板１上に形成したソース領域９Ａ，チャネル領域９Ｂ、ドレイン領域９Ｃを備えたＭＯＳデバイスである。ソース領域９Ａ、チャネル領域９Ｂ、ドレイン領域９Ｃは、一般的に、アモルファスシリコンをまず堆積し、典型的には続いてアニーリングによりポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）層を形成することで形成される。ソース、ドレイン、チャネル領域は光学的に透明な基板１上で領域のパターニングと、堆積した最初のａ−Ｓｉ層のイオンドーピングを行い、続いてアニーリングを行うことでポリシリコン層を形成することで形成することができる。次にゲート誘電体層４を堆積したｐ−Ｓｉ層上に堆積し、ゲート５をチャネル、ソース、ドレイン領域から隔離する。ゲート５は、ゲート誘電体層４上に形成される。ゲート誘電体層４は一般的には二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層から成ることからゲート酸化物層としても知られている。次に、絶縁層６及びデバイス接続を絶縁層を通して形成し、ＴＦＴデバイスを制御する。

ｐ−ＳｉＴＦＴデバイスの性能は、ＭＯＳ構造を形成するために堆積する膜の質に依存する。ＭＯＳデバイスにおいて要となる性能要素はｐ−Ｓｉチャネル層膜、ゲート誘電体層膜、ｐ−Ｓｉ／ゲート誘電体層インターフェースの質である。近年、ｐ−Ｓｉチャネル層膜の質に注目が集まっているが、高品質のゲート誘電体層とｐ−Ｓｉ／ゲート誘電インターフェースの作製は達成が困難であった。ゲート誘電体層４はＴＦＴデバイスの電気的性能に重要である。特に、望ましい電気的性能と高破壊電圧（Ｖ_B）を備えたトランジスタを製造するために、ゲート誘電体層は高品質（例えば、低フラットバンド電圧（Ｖ_fb））である必要性がある。ゲート酸化物の質がデバイス性能、ひいてはＦＰＤの質と有用性に影響する。

典型的には、ゲート誘電体層４は例えばＰＥＣＶＤ等の従来技法を用いて堆積した酸化物を含み、通例は約３５０℃〜約４５０℃で堆積される。残念ながら、堆積された膜とｐ−Ｓｉチャネル層とのインターフェースの質は、ＴＦＴデバイスの性能を最高のものにするには不十分なことが多い。良好なインターフェースを堆積した膜とｐ−Ｓｉチャネル層との間に高温（例えば、＞６００℃）堆積法を使用して形成することは不可能なことが多く、これは高堆積温度によりすでに堆積された層におけるドーパントの相互拡散が促進され、またガラスが軟化して寸法的に安定しないことからその上に薄膜トランジスタが形成されるガラス基板と適合しないからである。

堅牢なＬＣＤ ＴＦＴゲート誘電体膜は低インターフェース捕獲電荷、誘電体層の低欠陥数、低固定酸化物電荷と低可動イオン密度を特徴とする高品質Ｓｉ／ＳｉＯ_２インターフェースを有し、全て５００℃未満の処理温度で形成される。

従って、上述の欠点を克服する薄膜トランジスタで使用するための高品質ゲート誘電体層を形成可能な方法及び装置が求められている。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するためのプラズマチャンバを提供するものであり、プラズマ処理領域を形成する１つ以上の壁部、プラズマ処理領域内に取り付けられ、垂直方向の間隔を空けた複数位置で基板を支持するよう用いられる基板支持部材、ＲＦエネルギーをプラズマ処理領域に伝達するために位置されたＲＦ伝達デバイス、ＲＦ伝達デバイスに連結されたＲＦ電源、プラズマ処理領域と連通した酸化ガス供給源を含む。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するためのプラズマチャンバを提供するものであり、プラズマ処理領域を形成する１つ以上の壁部、プラズマ処理領域内に取り付けられ、垂直方向の間隔を空けた複数位置で基板を支持するよう用いられる基板支持部材、ＲＦエネルギーをプラズマ処理領域に伝達するために位置された第１ＲＦ伝達デバイス、ＲＦ伝達デバイスに連結された第１ＲＦ電源、プラズマ処理領域にＲＦエネルギーを伝達するために位置された第２ＲＦ伝達デバイス、ＲＦ伝達デバイスに連結された第２ＲＦ電源、プラズマ処理領域と連通した酸化ガス供給源、第１ＲＦ電源、第２ＲＦ電源、ガス供給源に連結された制御装置を含み、制御装置は第１ＲＦ伝達デバイスに供給されるＲＦエネルギー、第２ＲＦ伝達デバイスに供給されるＲＦエネルギー、酸化ガス供給源からプラズマ処理領域に供給されるガスを制御するよう用いられる。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するための方法を提供する。本方法は、プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域における複数の処理位置の第１位置への基板の移動、プラズマ処理領域への酸化ガス混合物の流入、約５５０℃以下の基板表面温度での、プラズマ処理領域におけるプラズマ発生による基板表面への酸化表面の形成、複数の処理位置の第２位置への基板の移動、基板表面上への誘電体層の形成による、厚さ約１００Å〜約６０００Åを有するゲート誘電体層の形成を含む。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するための方法を提供する。本方法は、プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域における複数の処理位置の第１位置への基板の移動、プラズマ処理領域への酸化ガス混合物の流入、第１ＲＦ伝達デバイスを用いての、約５５０℃以下の基板表面温度でのプラズマ処理領域におけるプラズマ発生、プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域における複数の処理位置の第２位置への基板の移動、誘電体層形成ガス混合物のプラズマ処理領域への流入、第２ＲＦ伝達デバイスを用いての、約５５０℃以下の基板表面温度でのプラズマ処理領域におけるプラズマ発生による基板表面上への誘電体層の形成を含む。

本発明は、概して、基板上に高品質ゲート酸化物層を形成するためのクラスタツールを提供する。クラスタツールは、基板上に酸化表面を形成し、また基板上に誘電体層を堆積してゲート誘電体層を形成するよう用いられる複数のプラズマ処理チャンバと、基板を約５５０℃以下に維持するよう構成された制御装置とを含む。

本発明は、概して、基板上に高品質ゲート酸化物層を形成するためのクラスタツールを提供する。クラスタツールは、基板上に約５５０℃以下の温度で酸化表面を形成するよう用いられる第１チャンバと、基板上の酸化表面上に約５５０℃以下で誘電体層を堆積するよう用いられる第２チャンバを含む。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するためのプラズマチャンバを提供するものであり、プラズマ処理領域を形成する１つ以上の壁部、プラズマ処理領域内に取り付けられ、垂直方向の間隔を空けた複数のプラズマ処理位置で基板を支持するよう用いられる基板支持部材、ＲＦエネルギーをプラズマ処理領域に伝達するために位置されたＲＦコイル、ＲＦコイルに連結されたＲＦ電源、ＲＦエネルギーをプラズマ処理領域に伝達するために位置されたガス分布プレート、ガス分布プレートに連結されたＲＦ電源、プラズマ処理領域と連通した酸化ガス供給源を含む。

本発明は、概して、基板をプラズマ処理するためのプラズマチャンバを提供するものであり、プラズマ処理領域を形成する１つ以上の壁部、プラズマ処理領域内に取り付けられ、垂直方向の間隔を空けた複数のプラズマ処理位置で基板を支持するよう用いられ、またＲＦ電源から供給されるＲＦエネルギーをプラズマ処理領域に伝達するために位置された基板支持体、プラズマ処理領域に取り付けられ接地されたガス分布プレート、またプラズマ処理領域と連通した酸化ガス供給源を含む。

その幾つかは添付の図面で図示されている実施形態を参照して上記で簡単に概要を述べた本発明のさらに詳しい説明を得ることで、本発明の上述した特徴が詳細に理解可能であるものとする。しかしながら、添付の図面は本発明の典型的な実施形態を図示するに過ぎず、本発明はその他の同等に効果的な態様も認め得るため、本発明の範囲を制限するものと捉えられるものではないことに留意しなくてはならない。

従来の単一薄膜トランジスタ構造の概略図である。 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得るプラズマ処理チャンバの断面図であり、基板支持体が低処理位置にある。 〜 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得る図２〜４に図示の誘導結合ソースアセンブリの断面図である。 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得るプラズマ処理チャンバの断面図であり、基板支持体が最上部処理位置にある。 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得るプラズマ処理チャンバの断面図であり、基板支持体が基板交換位置にある。 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得るプラズマ処理チャンバの断面図であり、プラズマ処理チャンバにおける接地表面の表面積が図２〜４に図示の実施形態より広い。 本願に記載の実施形態を実施するために使用し得るプラズマ処理チャンバの上面図である。 本願に記載の実施形態を実施するために有用なチャンバの等角図である。 本発明の一実施形態による高品質ゲート酸化物層を処理するためのクラスタツールを示す図である。

詳細な説明

本発明は、誘導結合高密度プラズマを用いて基板表面を処理するための装置と方法を提供する。概して、本発明の態様はフラットパネルディスプレイ加工、半導体加工、太陽電池加工、及びその他の基板加工に使用可能である。本発明を、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社の一事業部であるＡＫＴ社から入手可能なプラズマ化学気相成長システム（ＰＥＣＶＤ）等の大面積基板を処理するための化学気相成長システムを参照しながら、以下で具体的に説明する。しかしながら、本発明の装置と方法は、円形基板を処理するように構成されたシステムを含め、その他のシステム構成でも利用できることを理解しなくてはならない。

図1は、薄膜トランジスタ構造の概略断面図である。光学的に透明な基板１は可視スペクトルで原則的に光学的に透明な材料、例えばガラス又は透明プラスチックを含んでいてもよい。光学的に透明な基板１の形状又は寸法は様々であってもよい。典型的には、ＴＦＴ用途としては、光学的に透明な基板１は表面積が約２０００ｃｍ^２より大きいガラス基板である。

バルク半導体層３Ａは光学的に透明な基板１上に形成される。バルク半導体層３Ａは多結晶シリコン（ポリシリコン）又はアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）層を含んでいてもよく、当技術分野で周知の従来技法によりＰＥＣＶＤシステムを用いて堆積することができる。バルク半導体層３Ａは厚さ約１００Å〜３０００Åであってもよい。一実施形態において、バルク半導体層３Ａはドープｎ型又はｐ型ポリシリコン又はα−Ｓｉ層である。一実施形態においては、バルク半導体層３Ａ上に別のポリシリコン又はα−Ｓｉ第２半導体層３Ｂを約１００Å〜約３０００Åの厚さまで堆積する。

光学的に透明な基板１とバルク半導体層３Ａとの間には、任意の絶縁材料２、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）又は窒化ケイ素（ＳｉＮ）層が存在してもよい。

ゲート誘電体層４はバルク半導体層３Ａ上（又は第２半導体層３Ｂ）に形成される。本発明の一態様において、ゲート誘電体層４は、以下に記載の高密度プラズマ酸化（ＨＤＰＯ）処理を用いてすでに堆積したシリコン層の一部を消耗することで成長させた二酸化ケイ素から成る。別の実施形態においては、多層ゲート誘電体層は、ＨＤＰＯ処理を用いて二酸化ケイ素膜を成長させ、続いてプラズマ化学気相成長で二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、及び／又は窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜をＨＤＰＯ処理膜上に堆積することで形成される。一実施形態においては、高密度プラズマＣＶＤ処理を利用して第２層を堆積する。総ゲート誘電体層４は、約１００Å〜約６０００Åの厚さに形成し得る。

ゲート電極層５はゲート誘電体層４上に形成される。ゲート電極層５はＴＦＴデバイス内における荷電担体の動きを制御する導電層を含む。ゲート電極層５は金属、例えば、中でもアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ポリシリコン、又はその組み合わせを含んでいてもよい。ゲート電極層５は従来の堆積、リソグラフィ、エッチング技法を用いて形成し得る。また、従来の堆積、リソグラフィ、エッチング技法を用いることにより、次に絶縁層６、電気的ソース及びドレイン接点７、不動態化層８をゲート電極層５上に形成する。

図２はプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。プラズマ処理チャンバ１００は、概して、ガス分布アセンブリ６４、誘導結合ソースアセンブリ７０、下部チャンバアセンブリ２５を含む。処理容量１８と下部容量１９とから成るチャンバ容量１７はプラズマ処理チャンバ１００内におけるプラズマ処理が生じる領域を形成し、ガス分布アセンブリ６４、誘導結合ソースアセンブリ７０、下部チャンバアセンブリ２５によって包囲されている。

下部チャンバアセンブリ２５は、通常、基板昇降アセンブリ５１、基板支持体２３８、処理チャンバ基部２０２を含む。処理チャンバ基部２０２はチャンバ壁部２０６と、下部容量１９を部分的に形成するチャンバ底部２０８を有する。処理チャンバ基部２０２にはチャンバ壁部２０６のアクセスポート３２を通してアクセスする。アクセスポート３２は、そこを通過させて基板２４０を処理チャンバ基部２０２に出し入れ可能な領域を形成する。チャンバ壁部２０６及びチャンバ底部２０８は、アルミニウム又は処理に耐え得るその他の材料の一体型ブロックから形成してもよい。

温度制御された基板支持体２３８は処理チャンバ基部２０２に連結されている。基板支持体２３８は、処理中、基板２４０を支持する。一実施形態において、基板支持体２３８は少なくとも１つの埋設されたヒータ２３２を包封するアルミニウム本体部２２４を含む。抵抗加熱素子等の埋設ヒータ２３２は基板支持体２３８内に配置される。埋設ヒータ２３２は電源２７４に連結されており、基板支持体２３８とその上の基板２４０を既定の温度まで制御装置３００を用いて制御しながら加熱することが可能である。典型的には、大抵のＣＶＤ処理において、埋設ヒータ２３２は基板２４０をプラスチック基板の場合の約６０℃からガラス基板の場合の約５５０℃の均一な温度範囲に維持する。

一般的に、基板支持体２３８は裏面２２６、正面２３４、軸２４２を有している。正面２３４は基板２４０を支持し、一方、軸２４２は裏面２２６に連結されている。軸２４２に取り付けられた軸基部２４２は基板支持体２３８を図２〜４に図示される様々な位置間で移動させるための昇降アセンブリ４０に連結されている。図４に図示の搬送位置では、システムロボット（図示せず）は基板支持体２３８及び／又は昇降ピン５２を妨害することなくプラズマ処理チャンバ１００内外を自由に出入りすることが可能となる。また、軸２４２は、基板支持体２３８とクラスタツール３１０のその他のコンポーネントとの間の導線・熱電対リード線用の管路としても機能する。昇降アセンブリはプラズマ処理チャンバ１００が真空下にある場合に基板にかかる重力と大気圧に対抗するに必要な力を供給し、プラズマ処理チャンバ１００内に支持アセンブリを正確に位置させるために当技術分野で一般的に使用される空気式又は電動リードスクリュー型昇降アセンブリを備えていてもよい。

ベロー２４６は基板支持体２３８（又は軸２４２）と処理チャンバ基部２０２のチャンバ底部２０８の間に連結されている。ベロー２４６はチャンバ容量１７と処理チャンバ基部２０２外部の大気との間を真空密封し、一方、基板支持体２３８の縦方向の動きを促進する。

基板支持体２３８は、さらに、基板２４０と外接するシャドーフレーム２４８を支持している。一般的に、シャドーフレーム２４８は基板２４０の縁部と基板支持体２３８上への堆積を防止する。一実施形態において、シャドーフレーム２４８は基板昇降アセンブリ５１に取り付けた機構（図示せず）により基板２４０と基板支持体２３８から分離される。別の実施形態においては、シャドーフレーム２４８はプラズマ処理チャンバ１００内に載置された捕捉機構（図示せず）上に溶着されているため、基板支持体が処理位置から下降するにつれ、基板支持体２３８を捕捉機構上にあるシャドーフレーム２４８から離すことが可能となる。捕捉機構の実施形態又は基板昇降アセンブリ実施形態に取り付けた機構により、基板支持体２３８、ひいてはプラズマ処理チャンバ１００からの基板２４０の除去が容易になる。

基板支持体２３８は複数の穴部２２８を有しており、そこに複数の昇降ピン５２を通す。昇降ピン５２は典型的にはセラミック、グラファイト、セラミック被覆金属、又はステンレススチールで形成されている。昇降ピン５２を（図２に示す）後退位置から上昇位置（図示せず）に移動可能な昇降プレート５０により、昇降ピン５２を基板支持体２３８と処理チャンバ基部２０２に相対して作動させてもよい。昇降ピン５２とチャンバ底部２０８のそれぞれに取り付けられた昇降ベロー５４は、下部容量１９をプラズマ処理チャンバ１００外部の大気から隔離するために使用され、同時に、昇降ピン５２の（図２に図示の）後退位置から上昇位置（図示せず）への移動を可能にする。昇降プレート５０は昇降アクチュエータ５６を用いて作動させる。昇降ピン５２が上昇位置にあり、基板支持体２３８が搬送位置にある場合、基板２４０はアクセスポート３２の上端より上に持ち上げられるため、システムロボットがプラズマ処理チャンバ１００内外を出入り可能となる。

蓋アセンブリ６５は、典型的には、ガス供給源１１０によって供給された処理ガスがそこを通ってガス分布プレート６４を通過した後に処理容量１８に導入される投入ポート１１２を含む。ガス供給源１１０から投入ポート１１２へのガス流の適切な制御と調節は質量流量制御装置（図示せず）と制御装置３００によって行われる。ガス供給源１１０は質量流量制御装置（図示せず）を複数備えていてもよい。ここで使用する「質量流量制御装置」という用語はプラズマ処理チャンバ１００に迅速かつ正確にガス流を供給可能な制御弁を指す。投入ポート１１２により、処理ガスはプラズマ処理チャンバ１００に導入され、また均一に分布される。それに加え、投入ポート１１２を任意で加熱してマニホルド内における反応ガスの凝縮を防止してもよい。

また、投入ポート１１２は洗浄剤供給源１２０に連結されている。典型的には、洗浄剤供給源１２０は解離フッ素等の洗浄剤を供給し、洗浄剤は処理容量１８内に導入され、先行の処理工程終了後に残留した堆積副生成物と逸脱して堆積された材料を除去する。

蓋アセンブリ６５は処理容量１８の上部境界線を形成する。典型的には、蓋アセンブリ６５をチャンバ基部２０２及び／又は誘導結合ソースアセンブリ７０から外してプラズマ処理チャンバ１００内のコンポーネントを補修することが可能である。典型的には、蓋アセンブリ６５はアルミニウム（Ａｌ）又は陽極酸化アルミニウム体から製造される。

一実施形態において、蓋アセンブリ６５は外部真空ポンプシステム１５２に連結されたポンププレナム６３を含む。ポンププレナム６３を利用して、処理容量１８からガスと処理副生成物とを均一に排出する。ポンププレナム６３は、概して、チャンバ蓋部６０内部に形成又は取り付けられており、プレート６８によって覆われてポンプチャネル６１を構成する。処理容量１８を確実に均一に排気するために、プレート６８とチャンバ蓋部６０との間に間隙を形成してポンプチャネル６１へのガス流を若干制限する。一実施形態においては、誘導結合ソースアセンブリ７０の蓋部支持部材７２上に形成したシャドー機構７１も用いてさらに制限することで、より確実に処理容量１８を均一に排気する。一般に、所望のチャンバ処理圧に応じて、真空ポンプシステム１５２はターボポンプ、ラフポンプ、及び／又はルーツブロワー（ＲｏｏｔｓＢｌｏｗｅｒ（商標名））等の真空ポンプを有する。

別の実施形態においては、真空ポンプシステム１５０を用いて、下部チャンバアセンブリ２５のポンププレナム２４を通してガスと処理副生成物を処理容量１８から均一に排出する。ポンププレナム２４は、概して、チャンバ底部２０８内部に形成又は取り付けられており、プレート２６によって覆うことで封鎖ポンプチャネル２３を構成してもよい。プレート２６は、通常、ポンプチャネル２３へのガス流に若干の制限を加えることでチャンバ容量１７を確実に均一に排気するための複数の穴部２１（又はスロット）を備える。ポンプチャネル２３はポンプポート１５０Ａを通して真空ポンプシステム１５０に連結されている。一般に、所望のチャンバ処理圧に応じて、真空ポンプシステム１５０はターボポンプ、ラフポンプ、及び／又はルーツブロワー（ＲｏｏｔｓＢｌｏｗｅｒ（商標名））等の真空ポンプを含む。図２〜４に示されるように、一実施形態において、処理容量１８からガスを確実に均等に排気するために、ポンププレナム２４は処理チャンバ中央付近で対称的に配置される。別の実施形態において、ポンププレナム２４は下部チャンバアセンブリ２５において非対称的に位置されている（図示せず）。

別の実施形態においては、ポンププレナム２４とポンププレナム６３の双方を用いて処理容量１８の排気を行う。この実施形態においては、処理容量１８と下部容量１９からそれぞれ真空ポンプシステム１５２、１５０を用いて除去するガスの相対流量を最適化することでプラズマ処理の効果を改善し、プラズマと処理副生成物の下部容量１９への漏れを軽減してもよい。プラズマと処理副生成物の漏れの軽減により、下部チャンバアセンブリ２５コンポーネント上への逸脱した堆積の量が低下し、こういった不要な堆積物を除去するための洗浄時間及び／又は洗浄剤供給源１２０の使用頻度が低下する。

ガス分布プレート６４は蓋アセンブリ６５の上プレート６２に連結されている。ガス分布プレート６４の形状は、典型的には基板２４０の外形に実質的に沿うように構成されている。ガス分布プレート６４は穿孔領域６７を含み、ガス供給源１１０から供給された処理ガス及びその他のガスはそこを通過して処理容量１８へと供給される。ガス分布プレート６４の穿孔領域６７は、ガス分布プレート６４を通って処理容量１８に流れ込むガスが均一に分散されるように構成されている。本発明で有益に使用し得るガス分布プレートは、共通して譲渡される２００３年１月７日にブロニガンその他による米国特許出願第１０／３３７４８３号、ホワイトその他に２００２年１１月１２日に発行された米国特許第６４７７９８０号、チェその他によって２００３年４月１６日に出願された米国特許出願第１０／４１７５９２号に記載されており、これらは引用により本願に組み込まれる。

図２〜４に示されるように、ガス分布プレート６４は一つの一体型部材から形成してもよい。その他の実施形態において、ガス分布プレート６４は２つ以上の別々の部材から形成可能である。複数のガス流路６９がガス分布プレート６４を貫通して形成され、これにより処理ガスを所望のガス分布でガス分布プレート６４を通して処理容量１８に流すことが可能となる。プレナム６６はガス分布プレート６４と上プレート６２との間に形成される。プレナム６６により、ガス供給源１１０からプレナム６６に流入するガスがガス分布プレート６４の幅全体にわたって均一に分散され、ガス流路６９を均一に流れることが可能となる。ガス分布プレート６４は、典型的には、アルミニウム（Ａｌ）、陽極酸化アルミニウム、又はその他のＲＦ導電材料から作製される。ガス分布プレート６４は、電気絶縁部品（図示せず）によってチャンバ蓋部６０から電気的に隔離されている。

図２、２Ａ、２Ｂでは、誘導結合ソースアセンブリ７０は、総じて、ＲＦコイル８２、支持構造体７６、カバー８０、様々な絶縁部品（例えば、内側絶縁体７８、外側絶縁体９０等）を収容する。支持構造体７６は、通常、支持部材８４と蓋部支持部材７２を備え、これらは蓋アセンブリ６５のコンポーネントを支持する接地金属部品である。ＲＦコイル８２は、ＲＦ電源１４０からコイルに供給されるＲＦ電力の支持構造体７６へのアーク放電を防止する又は接地されたチャンバコンポーネント（例えば、処理チャンバ基部２０２その他）への著しい損失を防ぐ数々の部品に支持され取り囲まれている。薄く切れ目のないリング、バンド、又は重なった一連の切片であるカバー８０が支持構造体７６コンポーネントに取り付けられている。カバー８０はＲＦコイル８２をプラズマ堆積化学作用との相互作用あるいはプラズマ処理中に発生したイオンや中性粒子の衝突から又はチャンバ洗浄化学反応に曝されるのを守るためのものである。カバー８０はセラミック材料（例えば、アルミナ又はサファイア）又はその他の処理対応誘電体材料から形成される。また、様々な絶縁部品、例えば内部絶縁部品７８及び外部絶縁部品９０を用いてＲＦコイル８２を支持し、また電気的に接地された支持構造体７６から隔離する。絶縁部品は、通常、電気絶縁材料、例えばテフロン（商標名）又はセラミック材料から成る。真空フィードスルー８３が支持構造体７６に取り付けられており、ＲＦコイル８２を保持及び支持し、また排気した処理容量１８への大気の漏れを防止している。支持構造体７６、真空フィードスルー８３、種々のＯリング８５、８６、８７、８８、８９は、ＲＦコイル８２とガス分布アセンブリ６４を支持する真空気密構造体を構成し、ＲＦコイル８２は、ＲＦによって発生した磁界を阻害する導電性バリアなしで処理容量１８と通ずることが可能となる。

図２〜５に示されるように、ＲＦコイル８２はＲＦインピーダンス整合回路１３８を通してＲＦ電源１４０に接続されている。この構成において、ＲＦコイル８２はプラズマの発生と処理容量１８内で発生したプラズマの制御が可能な誘導結合ＲＦエネルギー伝達デバイスとして機能する。一実施形態においては、ダイナミックインピーダンス整合をＲＦコイル８２に行なう。制御装置３００を用いることで、処理容量１８の周縁部に取り付けられたＲＦコイル８２が基板表面２４０Ａ近辺で発生するプラズマの制御、形状調整を行えるようになる。一実施形態において、図２〜５に図示されるように、ＲＦコイル８２は単巻コイルであり、チャンバ容量１７で発生するプラズマを制御するために使用する。別の実施形態においては、複巻コイルを用いてプラズマ形状と密度を制御する。

構成によっては、単巻コイルのコイル端がプラズマ処理チャンバ１００で発生するプラズマの均一性に影響する場合がある。コイルの端部を重ねることが実際的でない又は望ましくない場合、図６及び７に図示されるギャップ領域Ａをコイル端部間に残してもよい。コイル長さの不足及びコイルの入力端８２Ａと出力端８２ＢでのＲＦ電圧相互作用により、ギャップ領域Ａ近辺のＲＦ発生磁場は弱くなる。この領域での磁場の弱さはチャンバ内のプラズマの均一性に悪影響を与える可能性がある。この問題を解決するため、可変インダクタを用いて処理中にＲＦコイル８２とアースとの間のリアクタンスを継続的又は反復的に調整することが可能であり、ＲＦコイル８２に沿ってＲＦ電圧分布、ひいては発生したプラズマをシフト又は回転させて不均一なプラズマを時間平均し、コイル端部でのＲＦ電圧相互作用を軽減する。ＲＦコイル８２とアースとの間のリアクタンスを調整してコイルにおけるＲＦ電圧分布をシフトさせるための模範方法は、１９９８年３月３１日出願の「コイルスパッタリング分布を制御するための回転コアを有する可変インピーダンスの使用」に詳細に記載されており、引用することで本願で請求の態様と開示に矛盾しない範囲で本願に組み込まれる。この結果、処理容量１８で発生するプラズマは、ＲＦ電圧分布を変化させることによるプラズマ分布の時間平均により更に均一かつ軸を中心に対称的に制御される。ＲＦコイル８２に沿ったＲＦ電圧分布はプラズマ密度、ＲＦ電位プロファイル、基板２４０を含むプラズマ露出表面のイオン衝撃を含む様々なプラズマ特性に影響を与える可能性がある。

一実施形態においては、ガス分布プレート６４はＲＦバイアス印加され、取り付けたインピーダンス整合素子１３０、ＲＦ電源１３２、制御装置３００を用いることで処理容量１８で発生したプラズマを制御、形状調整することができる。ＲＦバイアス印加されたガス分布プレート６４は、処理容量１８内でプラズマを発生、制御可能な容量結合ＲＦエネルギー伝達デバイスとして機能する。

別の実施形態において、ＲＦ電源１３６はＲＦバイアス電力をインピーダンス整合素子１３４を通して基板支持体２３８に印加する。ＲＦ電源１３６、インピーダンス整合素子１３４と制御装置３００の使用により、ユーザは処理容量１８で発生するプラズマの制御、基板２４０のプラズマ照射の制御、基板表面２４０Ａ上のプラズマシース厚を変えることができる。別の実施形態においては、ＲＦ電源１３６及びインピーダンス整合素子１３４を１つ以上のアース接続（図示せず）で代替することで基板支持体２３８を接地する。

プラズマ処理チャンバ１００、処理変数、コンポーネントをその他のクラスタツール３１０コンポーネントと共に制御するために、制御装置３００を適合させて全基板処理シーケンスの全ての側面を制御する。制御装置３００は、インピーダンス整合素子（つまり、１３０、１３４、１３８）、ＲＦ電源（つまり、１３２、１３６、１４０）、プラズマ処理チャンバ１００のその他全ての要素を制御するよう用いられる。プラズマ処理チャンバ１００のプラズマ処理変数は制御装置３００の使用により制御され、典型的にはマイクロプロセッサを用いた制御装置である。制御装置３００は、ユーザ及び／又はプラズマ処理チャンバの様々なセンサからの入力を受信し、様々な入力及び制御装置のメモリに保持されたソフトウェア命令に従ってプラズマ処理チャンバコンポーネントを適切に制御するよう構成されている。制御装置３００は、一般的にメモリとＣＰＵを備え、制御装置はこれらを利用して様々なプログラムを保持、処理、また必要な際に実行する。メモリはＣＰＵに連結されており、１つ以上の入手容易なメモリ、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピー（商標名）ディスク、ハードディスク、又はその他のいずれの形式のローカル又はリモートデジタルストレージでもあってもよい。ソフトウェア命令及びデータをコード化してメモリに記憶させ、ＣＰＵに命令することができる。慣用のやり方でプロセッサを支持するために、支持回路もＣＰＵに接続する。支持回路は当技術分野で周知のキャッシュ、電力供給源、クロック回路、入力／出力回路、サブシステム等を含んでいてもよい。制御装置３００で読み取り可能なプログラム（又はコンピュータ命令）がどのタスクをプラズマ処理チャンバで実行可能かを決定する。好ましくは、プログラムは制御装置３００で読取可能なソフトウェアであり、規定のルールと入力データに基づいてプラズマ処理をモニタ及び制御する命令を含む。

プラズマ処理
操作中、プラズマ処理チャンバ１００を真空ポンプシステム１５０及び／又は真空ポンプシステム１５２を用いて既定の圧力／真空まで排気すると、プラズマ処理チャンバ１００は同じく真空下にある中央搬送チャンバ３１２に取り付けられたシステムロボット（図示せず）から基板２４０を受け取り可能となる。基板２４０をチャンバに搬送するためにプラズマ処理チャンバ１００を中央搬送チャンバ３１２から密閉するスリットバルブ（図８の３４１、３４３、３４５、３４７を参照のこと）が開くことで、システムロボットは処理チャンバ基部２０２のアクセスポート３２を通って伸びることが可能となる。次に昇降ピン５２が伸ばされたシステムロボットから基板２４０を取り除く。システムロボットは次にプラズマ処理チャンバ１００から後退し、チャンバスリットバルブは閉鎖されてプラズマ処理チャンバ１００は中央搬送チャンバ３１２から隔離される。基板支持体２３８は次に昇降ピン５２から基板２４０を持ち上げて基板２４０を所望の処理位置へと移動させる。

基板２４０が一旦収容された後、以下の一般的なプラズマ処理工程を用いて基板２４０への処理シーケンスを完了させる。まず最初に、基板２４０を昇降ピンから持ち上げた後、基板支持体２３８を所望の処理位置へと移動し、またプラズマ処理チャンバを既定のベース圧まで排気する。既定のベース圧に一旦到達したら、真空ポンプシステムによりチャンバ容量１７の排気を継続しながら、ガス供給源１１０から特定の流量の１つ以上の処理ガスをチャンバ容量１７にガス分布プレート６４を通して導入することで、平衡処理圧力を得る。真空ポンプシステム（つまり、１５０及び／又は１５２）の連通を絞る及び／又はガス供給源１１０から導入される処理ガスの流量を調節するのいずれかにより、制御装置３００は処理圧力を調節する。所望の圧力とガス流量が一旦確立されると、各ＲＦ電力供給源を作動させて処理容量１８内でプラズマを発生、また発生したプラズマを制御してもよい。電力は制御装置３００によりＲＦコイル８２、ガス分布プレート６４、及び／又は基板支持体２３８へと独立して供給可能である。ＲＦコイル８２、ガス分布プレート６４及び／又は基板支持体２３８へのＲＦ電力を変化させることで、処理容量１８内で発生するプラズマの密度を変えることができ、これはプラズマイオン密度は発生した磁場及び／又は電場の強度に直接影響を受けるからである。また、プラズマのイオン密度は、処理圧力やＲＦコイル８２及び／又はガス分布プレート６４に供給されるＲＦ電力を調整することで増大又は低下させてもよい。以下に記載の様々なチャンバ処理工程を基板に施した後、昇降ピン５２を上昇させ、基板支持体２３８を下降させて基板２４０を上昇させた昇降ピン５２上に載せ、スリットバルブ（図示せず）を開放し、システムロボットをチャンバ内に伸ばし、昇降ピン５２を下降させて基板２４０をシステムロボットブレード（図示せず）上に載せ、続いてシステムロボットを後退させ、スリットバルブを閉鎖することでプラズマ処理チャンバ１００から基板を除去する。

高品質ゲート酸化物形成
本発明の実施形態は、安定した、再現性のある、望ましい電気的性能のＴＦＴデバイスを確実に製造するための高品質ゲート誘電体層を形成するための方法を記載する。本発明の実施形態は、概して、上記のプラズマ処理チャンバ１００において高品質ゲート誘電体層を形成するために使用する１つ以上の処理工程を記載する。

本発明の一実施形態においては、以下に記載の単一高密度プラズマ酸化処理（ＨＤＰＯ）を用いてゲート誘電体層を形成する。この実施形態におけるＨＤＰＯ処理層は厚さ約２０〜１０００オングストローム（Å）であってもよいが、好ましくは約５０〜約１５０Åである。

別の実施形態においては、まずＨＤＰＯ処理を行い、次にＣＶＤ膜を最初のＨＤＰＯ処理層上に形成することで二層膜を形成している。この実施形態において、ＣＶＤ膜はＰＥＣＶＤテトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）（又はテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ））型堆積処理を用いて堆積したＳｉＯ_２である。この実施形態におけるＨＤＰＯ処理層は厚さ約２０〜約５００オングストローム（Å）であるが、好ましくは約５０〜約１５０Åである。ゲート誘電体層４の全体厚さは約１００〜約６０００Åである。

高密度プラズマ酸化処理
ＨＤＰＯ処理は、シリコン基板表面２４０Ａをガス分布プレート６４を通してガス供給源１１０から処理容量１８に供給される酸素含有ガス又はガス混合物を用いて発生させたプラズマに曝露することで完了する。シリコンを酸化させるために使用する従来のサーマル型酸化処理では、通常＞９００℃である非常に高温を必要とすることが多い。従って、高品質ゲート誘電性層を形成するために必要な温度を最低限とするために、本発明の態様を低温（＜５５０℃）で使用して高品質ゲート誘電体層を形成してもよい。典型的には、ＨＤＰＯ処理は約６０℃〜約５５０℃の温度で行う。従来のサーマル酸化処理においては、処理温度の低下により酸化物層の成長速度が低下し、チャンバ処理時間とそれに伴ってシステムスループットが長くなる。成長速度を上げ、それに伴いチャンバ処理時間を短縮するために、ＨＤＰＯ処理ではＲＦエネルギーを利用してゲート酸化物成長速度を促進する。ＲＦエネルギーの印加により（１）反応種の解離又はイオン化が促進、（２）反応種のエネルギー（又は活性）が増大、（３）イオン及び中性粒子衝突を通した基板表面２４０Ａへのエネルギー追加、（４）高密度プラズマの発生によって作り出された熱放射へ基板表面２４０Ａが曝露されることから、ＨＤＰＯ処理は成長速度を上げることが可能だと思われる。

一実施形態において、ＨＤＰＯ処理には、ＲＦコイル８２に供給されるＲＦ電力を制御して処理チャンバ１８において基板表面２４０Ａ上で発生するプラズマのプラズマイオン密度を制御することを必要とする。典型的には、ＲＦコイル８２に供給されたＲＦ電力は約０．３ＭＨｚ〜１０ＧＨｚを越える周波数で約２５０〜約２５０００ワット／ｍ^２である。好ましくは、ＲＦ周波数は約１３ＭＨｚ〜約８０ＭＨｚである。一実施形態においては、周波数、インピーダンス整合回路、又は順電力サーボでの周波数の調整により、ＲＦコイル８２のダイナミックインピーダンス整合を行う。

別の実施形態においては、ガス分布プレート６４に供給されるＲＦエネルギーによりＨＤＰＯ処理プラズマを発生、制御する。典型的には、ガス分布プレート６４に供給されるＲＦ電力は約０．３ＭＨｚ〜約１０ＧＨｚを越える周波数で約２５０〜約２５０００ワット／ｍ^２である。好ましくは、ＲＦ周波数は約１３ＭＨｚ〜約８０ＭＨｚである。一実施形態においては、周波数、インピーダンス整合回路、又は順電力サーボでの周波数の調整による、ガス分布プレート６４のダイナミックインピーダンス整合を行う。

別の実施形態においては、ＲＦエネルギーをＲＦコイル８２とガス分布プレート６４に同時に供給することでＨＤＰＯ処理を完了する。この場合、ガス分布プレート６４とＲＦコイル８２に供給されるＲＦ電力は約０．３ＭＨｚ〜約１０ＧＨを越える周波数で約２５０〜約２５０００ワット／ｍ^２である。好ましくは、ＲＦ周波数は約１３ＭＨｚ〜約８０ＭＨｚである。ＲＦコイル８２とガス分布プレート６４に供給されたＲＦ電力の相互作用を回避するために、各デバイスに供給されるＲＦ電力の周波数は意図的に若干異なるＲＦ周波数にしてもよい。例えば、ＲＦコイル８２を約１３．５６ＭＨｚで作動させ、ガス分布プレートを約１２．５６ＭＨｚ、あるいはその逆で駆動させる。

さらに別の実施形態において、ＲＦエネルギーをＲＦコイル８２及び／又はガス分布プレート６４に供給しながら、基板２３８のＲＦバイアス印加又は接地を行う。この場合、ガス分布プレート６４、ＲＦコイル８２、基板支持体２３８に供給されるＲＦ電力は約０．３ＭＨｚ〜１０ＧＨｚを越える周波数で約２５０〜約２５０００ワット／ｍ^２である。好ましくは、ＲＦ周波数は約１３ＭＨｚ〜約８０ＭＨｚである。この場合、ＲＦコイル８２、基板支持体２３８、ガス分布プレート６４に供給するＲＦ電力を異なる周波数で駆動させることで、発生したＲＦ磁場の相互作用によって引き起こされる望ましくない作用を軽減することも有益である。

ＨＤＰＯ処理中に発生したプラズマイオン密度は様々な処理パラメータ、例えば処理ガスやチャンバに導入されるガス混合物のタイプ、チャンバ圧、及び／又はガス又はガス混合物を励起するためにチャンバに供給するエネルギー（例えば、ＲＦ電力等）によって変化する。一実施形態において、ＨＤＰＯ処理ガスは酸素源を含有するガス、例えば純酸素ガス又はその他のガス、例えばヘリウム、水素、アルゴン、キセノン、クリプトン、又はその組み合わせと混合した酸素を含む。一実施形態においては、純粋酸素ガスのみを使用する。別の実施形態においては、Ｈ_２Ｏをチャンバに注入し、酸化物成長過程を促進する。

一実施形態においては、ＨＤＰＯ処理中で使用する高密度プラズマを発生及び維持するために、酸素ガスと１つ以上のその他のガス（例えば、ヘリウム、アルゴン等）をチャンバ容量１７に注入して約１ｍＴｏｒｒ〜約０．５Ｔｏｒｒのチャンバ圧を実現する。好ましくは、ＨＤＰＯ処理は酸素ガスとヘリウムを約３ｍＴｏｒｒ〜約２５０ｍＴｏｒｒで使用する。

プラズマと基板表面２４０Ａとの相互作用は、発生したプラズマ密度に影響される一方で、プラズマチャンバ内での位置や基板支持体２３８の非接地、接地、ＲＦバイアス印加の影響も受ける。一般的に、プラズマ発生源から基板が遠ければ遠いほど、基板表面２４０Ａの発生したプラズマとの反応は低い。高品質ゲート酸化物層を形成するのに最適な基板支持体の位置は基板表面でのプラズマ密度、基板表面に衝突するイオンエネルギー、処理温度、所望のチャンバ処理時間に依存する。図２はプラズマ処理チャンバの概略断面図であり、基板支持体は処理チャンバの中間位置にあり、これは一実施形態においてＨＤＰＯ層を形成するに最適な位置である。図３はプラズマ処理チャンバの概略断面図であり、基板支持体はガス分布プレート６４の表面に近接して位置されており、一実施形態においてはＲＦ電力をガス分布プレート６４に印加することで慣用のＰＥＣＶＤ酸化物層を形成するに最適な位置である。ＨＤＰＯ層成長速度と処理の均一性は基板表面と発生したプラズマとの相互作用に影響されるため、基板支持体の処理位置はＨＤＰＯ層処理処方で見出した処理変数に従って調整してもよい。最適なプラズマ処理位置はプラズマ処理チャンバの属性（例えば、チャンバサイズ、ポンプポートに対する基板位置その他）、基板表面に相対したＲＦエネルギー伝達デバイスの構成に強く依存する。一実施形態においては、処理位置を、ＨＤＰＯ層処理工程中にプラズマイオン密度を調節するにつれ、処理位置を変える。図２はＨＤＰＯ酸化成長処理とＨＤＰ堆積処理に好ましい位置を示す。図３は慣用のＰＥＣＶＤ堆積処理に好ましい位置を示す。好ましい位置はチャンバ「間隔」としても知られる処理容量１８の高さによって測定可能である。間隔は、例えば基板支持体２３８の基板支持表面２３０上に載置された基板２４０とガス分布プレート２４０Ａとの距離であるが、通常は基板表面２４０Ａからガス分布プレート６４（つまり、処理容量１８の縁部）へ直角に測定した距離と定義される。一実施形態において、ＨＤＰＯ処理を７３０ｍｍｘ９２０ｍｍ基板上に施すために用いられる処理チャンバにおける間隔は、１つ以上のＲＦエネルギー伝達デバイスを使用する場合、約５０〜約５００ｍｍである。チャンバ間隔は基板サイズが上がるにつれ変化する。

図４はプラズマ処理チャンバ１００の一実施形態の概略断面図であり、基板支持体２３８はプラズマ処理チャンバの底部又はその近傍に位置している。この位置は、処理済みの基板を未処理のものと交換する際に使用する。

図５はプラズマ処理チャンバ１００の一実施形態の概略断面図であり、処理チャンバ内の接地表面の表面積（基板支持体が接地された場合の接地チャンバ壁部表面Ｂ１と基板支持体表面Ｂ３を参照のこと）は、処理容量１８と接触している容量結合電極表面（つまり、ＲＦエネルギー伝達デバイス（ガス分布プレート表面Ｂ２及び／又は基板支持体表面Ｂ３を参照のこと））に相対して増大しており、基板支持体が接地された場合に最適な基板バイアスを生み、発生したプラズマの均一性を改善し、基板を含む接地コンポーネントの衝突の強度を最小限とする。一実施形態において、基板支持体２３８は基板支持体２３８とＲＦ電源１３６との間に設置された阻止コンデンサ（図示せず）を有するＲＦ駆動電極である。この実施形態において、接地表面面積とＲＦ駆動電極表面面積との比は、ＲＦ駆動基板支持体を用いてＨＤＰＯ層を形成する又はプラズマＣＶＤ処理を用いて誘電体層を堆積する際に基板バイアスとプラズマ均一性が最適化されるように設計される。この実施形態において、ガス分布プレート６４は接地され、接地した電極の総表面積と基板支持体表面積との比は好ましくは約１：１〜約２：１である。

半導体デバイスの製造における重要な要因は半導体デバイスの形成に関連する所有するコスト（cost of ownership:COO）である。ＣＯＯは数々の要因に影響されるが、チャンバのスループット又は単に高品質ゲート誘電体層の堆積に必要な処理時間に大きく影響される。ゲート酸化物層に必要な厚さは所望のＴＦＴの電気的性能に依存する。特に、ゲート誘電体層は製造したトランジスタが所望の電気的性質を有するように高品質（例えば、フラットバンド電圧（Ｖ_ｆｂ））でなくてはならない。高品質なゲート誘電体層を実現するには、厚さ均一性が非常に高い（＜１％）良好なゲート誘電体層を開発すること、及び所望のステップカバレッジの度合いと破壊電圧を得るに十分な厚みのゲート誘電体層を有することが重要である。所望のステップカバレッジと破壊電圧を実現するためのゲート誘電体層厚は典型的にはおよそ１０００Åである。一実施形態において、ＨＤＰＯ処理成長速度は約１０Å／分である。従って、ありそうにないが成長速度を一定と仮定した場合、１０００Åの膜を成長させるには約１００分かかる。１００分の処理時間ではプラズマ処理チャンバ１００のスループットは容認し難いほどに低くなり、その結果、クラスタツールのＣＯＯに悪影響を及ぼす。従って、ずっと薄い誘電体層を使用する、又は処理時間の短い多層スタックを使用する必要がある。

化学気相成長処理
より採算に見合った高品質ゲート誘電体層を得るために、一部の実施形態においては、ＨＤＰＯ処理を行って良好なインターフェースを形成して、次に良好なバルク電気特性とより高い堆積速度を有する１つ以上の層をＨＤＰＯ層上に堆積する必要がある。一実施形態においては、薄いＨＤＰＯ処理層をチャネル上に形成して高品質の誘電体インターフェースを構成し、次に１つ以上の誘電体層をＨＤＰＯ層上に堆積して高品質ゲート誘電体層を形成する。一実施形態においては、プラズマ処理チャンバのＣＯＯを最小限にするために、二段階ゲート酸化物形成処理を使用することができる。この実施形態においては、ＨＤＰＯ処理を行って良好なゲート誘電体層インターフェース（ｐ−ＳｉからＨＤＰＯ層）を得た後に、ＨＤＰＯ処理より早い堆積速度を有する第２層をＨＤＰＯ層上に堆積する。

一実施形態においては、高密度プラズマ（ＨＤＰ）ＣＶＤ堆積法を用いてゲート誘電体層４の残留厚さを堆積して、所望の物理的及び電気的要件を満たす膜を形成する。一実施形態においては、ＨＤＰ
ＣＶＤ処理を完了するために、シリコン含有ガス又はガス混合物、及び酸素含有ガス又はガス混合物を図２に図示の構成のチャンバに導入する。次に、ＲＦコイル８２と１つ又は双方のその他のＲＦ源（例えば、ガス分布プレート６４、基板支持体２３８等）を使用してＨＤＰ
ＣＶＤ酸化物膜を既存のＨＤＰＯ層上に堆積する。別の実施形態においては、シリコン含有ガス（又はガス混合物）、酸素含有ガス及び／又は窒素含有ガスを用いてＨＤＰ処理を完了する。

一実施形態においては、ＴＥＯＳ堆積処理を用いてゲート誘電体層の残留厚さを堆積して所望の物理的及び電気的要件を満たす膜を形成する。７３０ｍｍｘ９２０ｍｍフラットパネルディスプレイ基板に使用する典型的なＰＥＣＶＤ ＴＥＯＳ処理の一例としては、約１００ｓｃｃｍのキャリアガス（例えば、ヘリウム）と共に約６００ｓｃｃｍのテトラエチルオキシシランと約７０００ｓｃｃｍの酸素を総ガス圧約０．５〜約３Ｔｏｒｒ、基板温度約３５０℃〜約５５０℃で流して発生させたプラズマに基板を曝露する方法が挙げられる。好ましくは、チャンバ圧は約１Ｔｏｒｒであり、基板温度は約４００±５０℃である。周波数約１３．５６ＭＨｚで約２０００ワットのＲＦ電力を基板処理間隔約１０〜約５０ｍｍで、約１５００オングストローム／分の堆積速度を実現するには典型的にはガス分布プレート６４から約１５ｍｍの間隔でガス分布プレートに供給する。ＴＥＯＳ堆積処理で形成した二酸化ケイ素は、一般的には半導体業界で金属間誘電膜として使用される。ＴＥＯＳ堆積処理は、典型的にはテトラエチルオルトシリケート含有ガス混合物等の誘電体層形成ガスを用いて行って誘電体層を堆積する。ＴＥＯＳを用いて堆積するための典型的な方法の例が、１９９５年１０月３１日出願の米国特許第５４６２８９９号「ＳｉＯ_２を形成するための化学気相成長法」、及び２００２年９月１７日出願の米国特許第６４５１３９０号「パルスＲＦプラズマを使用したＴＥＯＳ酸化物堆積」にさらに記載されており、引用することで本願で請求の態様と開示に矛盾しない範囲で本願に組み込まれる。

図３はプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図であり、基板支持体２３８は基板２４０表面上へのプラズマＣＶＤ堆積を促進するためにガス分布プレート６４に近接して位置されている。ＰＥＣＶＤ又はＨＤＰ ＣＶＤ堆積処理の均一性と堆積速度は基板表面と発生したプラズマとの相互作用に影響されるため、基板支持体の処理位置はプラズマＣＶＤ処理処方で見出した処理変数に従って調整してもよい。最適なプラズマ処理位置はプラズマ処理チャンバの属性（例えば、チャンバサイズ、ポンプポートに対する基板位置その他）、基板表面に相対したＲＦエネルギー伝達デバイスの構成に強く依存する。一実施形態においては、プラズマイオン密度をプラズマ処理工程中に調整するにつれ、処理位置を変える。

アーク放電、プラズマによるチャンバコンポーネントの損傷を回避、及び／又は電力損失や基板支持体２３８及びチャンバ基部２０２への誘電体材料の不要な堆積を最小限にするためには、下部容量１９におけるプラズマ発生又はコンポーネントとの相互作用を最小限にする必要がある。典型的には、プラズマ処理チャンバはチャンバ容量１７における望ましくない領域でのプラズマ発生を防止するように設計されているが、一般的に用いられる技法はチャンバコンポーネント間又は大面積基板（例えば、＞２０００ｃｍ^２）の処理に使用するコンポーネント間での相対運動が可能なチャンバには適用できない。大面積基板には、大気と真空との界面にあるコンポーネントに高大気圧が与える影響、ＲＦ設置によるチャンバ複雑度の上昇、及び基板サイズによる熱均一性への懸念、及び／又はこういった大コンポーネントの部品コスト高といった特有の問題がある。こういった問題を解決するために、一実施形態においては、基板支持体２３８とチャンバ基部２０２との相対運動が可能な物的障壁（図示せず）を取り付けることで下部容量１９でのプラズマの漏れや発生を防止又は阻止している。この実施形態において、物的障壁はチャンバ底部２０８と可動式基板支持体２３８の表面に取り付け可能である。一実施形態において、物的障壁は導電性、好ましくは金属のベロー又は可撓性導線メッシュ又はグリッドであり、プラズマの発生を防止可能なように取り付けられている。別の実施形態においては、下部容量１９の個々のコンポーネント（図示せず）の遮断がその表面への堆積やプラズマとの相互作用を最小限にするにあたって有益である。別の実施形態においては、真空ポンプシステム１５２及び／又は真空ポンプシステム１５０の排気速度（例えば、ポンプ速度と処理容量１８と下部容量１９との間のコンダクタンス）を制御して処理容量１８から下部容量１９へのガス流が最小限になるよう制御し、プラズマ衝突と化学反応の影響を最小限にする。

プラズマ処理チャンバ１００における表面から不要な堆積物を除去するためには、投入ポート１１２に連結された洗浄剤供給源１２０からの洗浄ガスを用いてチャンバ容量１７のコンポーネント上の堆積物を除去する。洗浄剤供給源１２０は、典型的には、解離フッ素等のチャンバ容量１７に導入する洗浄剤を供給する。

クラスタツール装置及びウェハシーケンス
本発明の態様は、高品質ゲート誘電体層を堆積可能な少なくとも１つのプラズマ処理チャンバ１００を含むクラスタツール３１０も提供する。クラスタツール３１０は基板の予備加熱、処理に先立っての基板表面の洗浄等の予備処理工程と、処理後のアニーリングや冷却といった後処理工程の双方を１つの制御環境内で全てサポートしている点で有利である。制御環境を使用してのゲート誘電体層の堆積は高品質ゲート誘電体層の形成における重要な側面であり、これは別々のチャンバ又は、さらに悪くは別々のシステムを用いてＨＤＰＯ層と誘電体層を堆積する場合、ＨＤＰＯ層と誘電体層堆積工程間での基板表面の大気汚染への曝露が、形成されるゲート層の電気特性の劣化につながる可能性があるからである。また、アニーリング、予備洗浄及び／又は予備加熱チャンバ（全て以下にて記載）のクラスタツールへの組み込みにより、これらの処理を大気汚染源への曝露を伴わずに完了する、あるいはＨＤＰＯ層及び／又は誘電体層堆積処理の直前又は直後に完了するならば、形成されるゲート誘電体層４の欠陥の発生が軽減される。

図８は、プラズマ処理チャンバ１００を組み込んだ代表的なクラスタツール３１０である。クラスタツール３１０は基板２４０を空気に曝露することなく処理するために使用可能なクラスタツールを表す。クラスタツール３１０は中央搬送チャンバ３１２を含み、中央搬送チャンバ３１２にはロードロック／冷却チャンバ３１４Ａ、３１４Ｂ、予備加熱チャンバ３０２、処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６が連結されている。中央搬送チャンバ３１２、ロードロック／冷却チャンバ３１４Ａ、３１４Ｂ、予備加熱チャンバ３０２、及び処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６は共に密閉され閉鎖環境を形成し、システムは内部圧力約１０ｍＴｏｒｒ〜約１Ｔｏｒｒで作動される。ロードロック／冷却チャンバ３１４Ａと３１４Ｂは、基板２４０をクラスタツール３１０に搬送するための、装填扉３１６Ａ、３１６Ｂをそれぞれ備えた閉鎖可能な開口部を有している。基板２４０は基板格納位置３８Ａ−Ｄの１つからロードロック／冷却チャンバ３１４Ａ又は３１４Ｂのいずれかへと大気ロボット（図示せず）を用いて搬送される。

ロードロック／冷却チャンバ３１４Ａと３１４Ｂは、基板を支持、冷却するための複数の棚を取り付けたカセット３１７をそれぞれ備える。ロードロック／冷却チャンバ３１４のカセット３１７は棚一段の高さごとに徐々にカセット３１７を上昇・下降させるための昇降アセンブリ（図示せず）上に載置されている。チャンバ３１４に基板を装填するために、装填扉を開放し、基板２４０をロードロック／冷却チャンバ３１４Ａのカセット３１７の棚の１つに設置する。続いて、昇降アセンブリがカセット３１７を棚一段分上げることで、装填扉３１６Ａに空の棚が対向する。別の基板を空の棚上に配置し、この工程をカセット３１７の全ての棚が埋るまで繰り返す。この時点で、装填扉３１６Ａを閉鎖し、ロードロック／冷却チャンバ３１４Ａをクラスタツール３１０の圧力まで排気する。

中央搬送チャンバ３１２に隣接した、ロードロック／冷却チャンバ３１４Ａの内壁上のスリットバルブ３２０Ａを次に開放する。基板２４０を中央搬送チャンバ３１２内のロボット３２２により予備加熱チャンバ３０２に搬送し、ここで基板を所望の温度にまで予備加熱する。一実施形態においては、基板２４０を予備加熱チャンバ３０２内で約２５０℃〜約４５０℃まで加熱する。別の実施形態においては、基板２４０をロードロック／冷却チャンバ３１４で約２５０℃〜約４５０℃まで予備加熱するため、予備加熱チャンバ３０２はこの機能を実行する必要がない。制御装置３００によって制御されたロボット３２２を用いて、基板をロードロック／冷却チャンバ３１４Ａのカセット３１７から引き出して予備加熱チャンバカセット３２９に挿入した後に撤退すると、予備加熱チャンバ３０２の棚上には基板が残る。典型的には、予備加熱チャンバカセット３２９は予備加熱チャンバ３０２内の昇降アセンブリ（図示せず）上に載置される。棚の一つに基板を装填後、予備加熱チャンバカセット３２９を上昇又は下降させて、ロボット３２２がアクセスする別の空の棚を表に出す。続いて、ロボット３２２はロードロック／冷却チャンバ３１４Ａのカセット３１７から別の基板を回収する。

同様のやり方で、ロボット３２２は予備加熱チャンバカセット３２９から４つの処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６のうちの１つへと全て又は一部の基板２４０を搬送する。各処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６には、任意で、その内壁３４０Ａ、３４２Ａ、３４４Ａ、３４６Ａにそれぞれ関連するスリットバルブ３４１、３４３、３４５、又は３４７を処理ガスの隔離のために取り付けられている。一実施形態において、上述したように、処理チャンバ３４０、３４２、３４６はプラズマ処理チャンバ１００である。この構成におけるプラズマ処理チャンバはＨＤＰＯ層の形成及び高品質ゲート酸化物層の慣用のＰＥＣＶＤ堆積処理を全て同一のチャンバ内で行うことが可能である。この実施形態により基板のスループット（例えば、時間あたりの基板処理枚数）は向上し、これはクラスタツール３１０内のＨＤＰＯとＰＥＣＶＤチャンバ間でのロボット３２２のハンドオフ回数が大幅に減少するからである。また、この実施形態は、多くの異なるタイプの処理チャンバと処理チャンバ構成をクラスタツール３１０に取り付けて、処理シーケンスのボトルネックの解消を促進することが可能である。別の実施形態においては、ＨＤＰＯ処理をクラスタツールシステムの第１チャンバで完了し、第２誘電体堆積工程をクラスタツールシステムの第２処理チャンバで完了する。この実施形態においては、第１モジュール（例えば処理チャンバ３４０）は上述したＨＤＰＯ処理を実行するよう構成されており、第２モジュール（例えば、処理チャンバ３４２）は誘電体層を堆積するＨＤＰ ＣＶＤ又はＰＥＣＶＤ反応装置として構成される。この実施形態においては、次のモジュール（例えば、処理チャンバ３４２）で基板２４０に誘電体層を適用する前に、ＨＤＰＯ層を基板２４０上で成長させる。一実施形態においては、基板２４０を次のモジュール（例えば、処理チャンバ３４２）で処理するに先立って、基板２４０を第１モジュール（例えば、処理チャンバ３４０）から予備加熱チャンバ３０２へと搬送する。基板は、次のモジュールで処理する前に予備加熱チャンバで約２５０℃〜約４５０℃に加熱される。

基板２４０を処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６の少なくとも１つで処理した後、基板をロードロック／冷却チャンバ３１４Ｂのカセット３１７に搬送する。基板は、カセット３１７に載せられた基板から熱を取り除く冷却面の使用により冷却チャンバ内で冷却される。冷却面は、冷却面に取り付けられた熱交換器を流れる慣用の熱交換流体を用いて冷却される。典型的には約２０〜約１５０℃の所望の温度に基板が一旦達したら、開放した装填扉３１６Ｂを通してチャンバ３１４Ｂから基板を除去し、基板格納位置３８Ａ−Ｄの１つに配置する。

クラスタツール３１０の一実施形態において、クラスタツール３１０は処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６位置、又は予備加熱チャンバ３２９位置の１つに取り付けられた少なくとも１つの予備洗浄チャンバを含む。予備洗浄チャンバをシステムに加えることで、ゲート誘電体層４の堆積に先立って、不要な物質（例えば、表面酸化物、汚染物その他）を除去する。予備洗浄処理はプラズマ洗浄処理であり、酸化物及びその他の汚染物質は光スパッタエッチング及び／又はプラズマエッチング化学反応（例えば、ＮＦ_３、ＣＦ_３その他）の使用により基板表面から除去される。予備洗浄処理は、典型的には不活性ガス（例えば、アルゴン、キセノン、クリプトン等）を用いて、また約０．３ＭＨｚ〜１０ＧＨｚを越えるＲＦ周波数で駆動される誘導及び／又は容量結合プラズマを用いて完了する非選択的ＲＦプラズマエッチング処理である。予備洗浄処理を行うために必要なＲＦ電力は、チャンバのサイズ、所望の予備洗浄エッチング速度、基板バイアス電圧に強く依存する。予備洗浄処理は、予備加熱工程の前又は後であるがプラズマ処理工程に先立ってクラスタツール３１０処理シーケンスに追加してもよい。一実施形態においては、予備加熱及び予備洗浄処理を同一チャンバ内で完了される。別の実施形態においては、この予備加熱処理はプラズマ処理チャンバで完了され、予備洗浄工程は予備加熱工程に先立って完了される。別の実施形態においては、予備洗浄処理は処理に先立ってプラズマ処理チャンバ１００でインシチュで行われる。さらに別の実施形態においては、予備洗浄及び予備加熱処理は処理に先立ってプラズマ処理チャンバ１００でインシチュで行われる。あるいは、別の実施形態においては、基板２４０を、クラスタツール３１０に挿入する前に、ＨＦ、ＮＨ_４ＯＨ／Ｈ_２Ｏ_２、ＨＮＯ_３又はＨＣｌを含有する水溶液又は弱アルカリ性溶液等の湿式化学洗浄剤を用いて洗浄することが可能である。クラスタツールの制御環境下における予備洗浄チャンバの使用は、高品質ゲート酸化物層の形成における重要な側面であり、これは予備洗浄処理を完了後かつＨＤＰＯ層形成前での、ｐ−Ｓｉソース、ドレイン、チャネル表面の大気汚染への曝露がゲート層の電気特性の劣化にもつながり、結果として予備洗浄処理の目的が無と化す可能性があるからである。

クラスタツール３１０の一実施形態において、クラスタツール３１０は、処理チャンバ３４０、３４２、３４４、３４６位置又は予備加熱チャンバ３２９位置の１つに取り付けられた少なくとも１つのアニーリングチャンバを含む。アニーリングチャンバをシステムに追加することで、ゲート誘電体層形成中に発生する欠陥数が低減される。アニーリング処理は熱処理であり、基板を約４００℃〜約５５０℃で所望の時間にわたってアニーリングチャンバで処理する。アニーリング工程は窒素、不活性ガス、又は窒素と水素の混合物、例えば窒素９５％と水素５％を含有する雰囲気中で実施してもよい。また、アニーリング処理は真空下で行ってもよい。アニーリング工程は約５分〜約３０分、例えば約１０分行ってもよい。スループットを向上させるために、２つ以上のアニーリングチャンバを設置することが望ましい。アニーリング工程完了後、基板２４０を冷却／ロードロックチャンバ３１４Ａ−Ｂの１つに搬送して、取扱い温度まで冷却する。アニーリング処理を実施するための模範的な方法とクラスタツール内の模範ハードウェア構成は、２００１年９月１０日出願の米国特許第６６１０３７４号「大面積ガラス基板のアニーリング方法」にさらに記載されており、引用することで本願で請求の態様と開示に矛盾しない範囲で本願に組み込まれる。クラスタツールの制御環境下におけるアニーリングチャンバの使用は高品質ゲート酸化物層の形成における重要な側面であり、これはゲート誘電体層形成処理直後のアニーリング工程の実行により、ゲート誘電体層への内的応力と外的応力に起因する損傷を軽減することが可能なためである。

上記は本発明の実施形態についてのものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明のその他及びさらに別の実施形態を考案することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (13)

1. プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域内の第１処理位置に基板を配置し、
   ガス分布プレートを通してプラズマ処理領域内へ処理ガス混合物を流入し、
   ガス分布プレートにＲＦ電力を通電し、
   プラズマ処理領域の周囲に位置するコイルに誘電結合電力を通電し、プラズマ処理領域内において処理ガス混合物からプラズマを形成し、
   基板表面温度を約５５０℃以下に維持し、
   基板表面上に誘電体層を形成し、厚さ約１００Å〜約６０００Åを有するゲート誘電体層を形成することを含む基板上にゲート誘電体層を形成するための方法。
2. 約２０Å〜約５００Åの厚みを有する誘電体層の下に酸化表面を形成する請求項１記載の方法。
3. 基板表面上に形成される誘電体層がテトラエチルオルトシリケートを用いて形成される請求項１記載の方法。
4. 処理ガス混合物が酸素源を含有する請求項１記載の方法。
5. 処理ガス混合物がヘリウム、水素、アルゴン、キセノン、クリプトン、又はその組み合わせを更に含む請求項４記載の方法。
6. プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域における複数の処理位置の第１位置へ基板を移動し、
   プラズマ処理領域へ酸化ガス混合物を流入し、
   第１ＲＦ伝達デバイスを用いて、約５５０℃以下の基板表面温度でプラズマ処理領域において誘導結合高密度プラズマを発生させ、
   プラズマ処理チャンバのプラズマ処理領域における複数の処理位置の第２位置へ基板を移動し、
   誘電体層形成ガス混合物をプラズマ処理領域へ流入させ、
   第２ＲＦ伝達デバイスを用い、約５５０℃以下の基板表面温度でプラズマ処理領域において容量結合プラズマを発生させ、基板表面上で誘電体層を形成することを含む基板上にゲート誘電体層を形成するための方法。
7. 第１ＲＦ伝達デバイスは誘導結合ＲＦ伝達デバイスであり、第２ＲＦ伝達デバイスは容量結合ＲＦ伝達デバイスである請求項６記載の方法。
8. 誘電体層形成ガスがテトラエトキシシラン又はテトラエチルオルトシリケートを含有する請求項６記載の方法。
9. 酸化ガス混合物が酸素源を含有する請求項６記載の方法。
10. 酸化ガス混合物がヘリウム、水素、アルゴン、キセノン、クリプトン、又はその混合物を更に含む請求項９記載の方法。
11. プラズマ処理領域における第１ＲＦ伝達デバイスを用いての誘導結合高密度プラズマ発生が、プラズマ処理領域における第２ＲＦ伝達デバイスを用いての容量結合プラズマ発生を更に含む請求項６記載の方法。
12. 誘電体層の形成が、誘導結合ＲＦエネルギー伝達デバイスと容量結合ＲＦエネルギー伝達デバイスを用いてシリコン、酸素及び／又は窒素含有ガスを用いて完了される請求項６記載の方法。
13. 容量結合ＲＦエネルギー伝達デバイスがガス分布プレート又は基板支持体である請求項１２記載の方法。