JP2013501384A - 非炭素流動性ｃｖｄプロセスを使用する酸化ケイ素の形成 - Google Patents

非炭素流動性ｃｖｄプロセスを使用する酸化ケイ素の形成 Download PDF

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Abstract

酸化ケイ素層を形成する方法が記載されている。この方法は、炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体とラジカル前駆体とを混合するステップと、ケイ素および窒素含有層を基板上に堆積させるステップとを含むことができる。次いで、ケイ素および窒素含有層は、酸化ケイ素層に変換される。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１０年７月２１日出願の「ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＩＬＩＣＯＮ ＯＸＩＤＥ ＵＳＩＮＧ ＮＯＮ−ＣＡＲＢＯＮ ＦＬＯＷＡＢＬＥ ＣＶＤ ＰＲＯＣＥＳＳＥＳ」という名称の米国特許出願第１２／８４０，７６８号、および２００９年８月６日出願の「ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＩＬＩＣＯＮ ＯＸＩＤＥ ＵＳＩＮＧ ＮＯＮ−ＣＡＲＢＯＮ ＦＬＯＷＡＢＬＥ ＣＶＤ ＰＲＯＣＥＳＳＥＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／２３１，７２９号の利益を主張する。両願を、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込む。
半導体デバイスの形状寸法は、数十年前に導入されて以来、劇的に低減してきた。現在の半導体製造機器は日常的に、特徴寸法が４５ｎｍ、３２ｎｍ、および２８ｎｍのデバイスを生産しており、さらに小さい形状寸法を有するデバイスを作るために、新しい機器が開発および実施されている。特徴寸法が低減する結果、デバイス上の構造的な特徴の空間的次元が低減する。デバイス上の間隙および溝の幅は、この間隙を誘電体材料で充填するのが困難になるほど間隙の深さと幅のアスペクト比が大きくなるところまで、狭くなっている。堆積させる誘電体材料は、間隙が完全に充填される前に上部で詰まりやすく、間隙の中間にボイドまたはシームを生じさせる。
ここ数年、誘電体材料で間隙の上部を詰ませないように、または形成されたボイドもしくはシームを「回復」させるように、多数の技法が開発されてきた。１つの手法は、回転する基板表面に対して非常に流動性の高い前駆体材料を液相で塗布すること（たとえば、ＳＯＧ堆積技法）から開始することであった。これらの流動性の前駆体は、非常に小さい基板間隙内へ流れ込んで充填することができ、ボイドまたは弱いシームを形成しない。しかし、これらの非常に流動性の高い材料は、堆積させた後、硬化させて固体の誘電体材料にしなければならない。
多くの場合、硬化プロセスは、堆積させた材料から炭素基およびヒドロキシル基を除去して酸化ケイ素などの固体の誘電体を残すための熱処理を含む。しかし残念ながら、離れていく炭素種およびヒドロキシル種は、硬化させた誘電体内に孔を残すことが多く、最終材料の品質を低減させる。さらに、硬化する誘電体には、体積が縮小する傾向もあり、誘電体と周囲の基板の境界面に亀裂および空間を残す可能性がある。場合によっては、硬化した誘電体の体積は、４０％以上低減する可能性がある。
したがって、基板の間隙および溝の中にボイド、シーム、または両方を生成することなく、構築された基板上に誘電体材料を形成する新しい堆積プロセスおよび材料が必要とされている。また、より少ない孔およびより少ない体積の低減で、流動性の誘電体材料を硬化させる材料および方法も必要とされている。本願では、上記その他の必要に対処する。
従来のＳＯＧ技法によってもたらされるのより少ない孔およびより小さい縮小率で、流動性材料から酸化ケイ素層を形成する方法、材料、およびシステムについて説明する。これらの方法は、炭素を含まないケイ素および窒素前駆体ならびにラジカル前駆体からケイ素および窒素含有膜（たとえば、ケイ素−窒素−水素（Ｓｉ−Ｎ−Ｈ）膜）を堆積させることを含むことができる。炭素をもたないケイ素および窒素膜が形成されるため、この膜から硬化させた酸化ケイ素への変換は、より少ない孔の形成およびより小さい体積の縮小率で行われる。
ケイ素および窒素膜から酸化ケイ素への変換は、酸素含有雰囲気中でケイ素および窒素膜を加熱することによって行うことができる。この雰囲気中の酸素含有ガスは、酸素含有ガスの中でもとりわけ、ラジカル原子状酸素（Ｏ）、分子状酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、および／または蒸気（Ｈ２Ｏ）を含むことができる。加熱温度、時間、および圧力は、ケイ素および窒素膜を酸化させて酸化ケイ素膜にするのに十分なものである。
本発明の実施形態は、酸化ケイ素層を形成する方法を含む。これらの方法は、炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体とラジカル前駆体とを混合するステップと、ケイ素および窒素含有層を基板上に堆積させるステップとを含むことができる。次いで、ケイ素および窒素含有層は、後の硬化および／またはアニールステップを通じて酸化ケイ素層に変換される。
本発明の実施形態は、体積の縮小率を低減させて酸化ケイ素層を形成する方法をさらに含むことができる。これらの方法は、少なくとも１つの間隙を含む基板を提供するステップと、基板上に炭素を含まないケイ素および窒素含有層を堆積させるステップとを含むことができる。この基板を酸素含有雰囲気中で加熱して、炭素を含まないケイ素および窒素含有層を酸化ケイ素層に変換することができる。酸化ケイ素層は、間隙内に堆積させた炭素を含まないケイ素および窒素含有層の約８５％以上の体積を保持することができる。
本発明の実施形態は、酸化ケイ素層を形成するプラズマ化学気相堆積方法をさらに含む。これらの方法は、炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体ならびにラジカル前駆体を、基板を収容する反応チャンバへ導入するステップを含むことができる。プラズマは、炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体ならびにラジカル前駆体を含む混合物から形成することができる。このプラズマから、ケイ素および窒素含有層を基板上へ堆積させることができ、ケイ素および窒素含有層を、酸化ケイ素層へ変換することができる。
追加の実施形態および特徴について、部分的には以下の説明で述べるが、部分的には、本明細書の説明を読めば当業者には明らかになり、または本発明の実施によって習得することができる。本発明の特徴および利点は、本明細書に記載する道具、組合せ、および方法を用いて実現および達成することができる。
本発明の性質および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分および図面を参照することによって実現することができ、いくつかの図面全体にわたって、同じ参照番号を使用して類似の構成要素を指す。場合によっては、参照番号にサブラベルが関連付けられ、ハイフンに続いて複数の類似の構成要素の１つを指す。既存のサブラベルを指定しないで参照番号を参照するときは、そのような複数の類似の構成要素をすべて参照するものとする。
本発明の実施形態によって酸化ケイ素膜を作製する選択されたステップを示す流れ図である。 本発明の実施形態によって基板間隙内に酸化ケイ素膜を形成する選択されたステップを示す別の流れ図である。 本発明の実施形態によって酸化ケイ素膜を作製するプラズマ化学気相堆積方法における選択されたステップを示す別の流れ図である。 本発明の実施形態による基板処理システムを示す図である。 本発明の実施形態による基板処理チャンバを示す図である。 本発明の実施形態による基板処理チャンバのシャワーヘッドを示す図である。
流動性のケイ素および窒素含有層から、多孔率および縮小率を低減させて酸化ケイ素層を形成することについて説明する。流動性のケイ素および窒素含有層は、炭素含有部分をもたない前駆体から、実質上炭素を含まない状態で形成することができる。実質上炭素を含まないケイ素および窒素含有層が酸化ケイ素層へ変換されるとき、ケイ素および窒素含有層から開始するのと比較すると、この層内に炭素がない結果、酸化物層の孔の形成および縮小率は小さくなる。酸化ケイ素層を形成する方法およびシステムに関するさらなる詳細について、次に説明する。
例示的な酸化ケイ素形成プロセス
図１は、本発明の実施形態によって酸化ケイ素膜を作製する方法１００における選択されたステップを示す流れ図である。方法１００は、炭素を含まないケイ素前駆体を反応チャンバへ提供するステップ１０２を含む。炭素を含まないケイ素前駆体は、ケイ素前駆体の種類の中でもとりわけ、たとえばケイ素および窒素前駆体、ケイ素および水素前駆体、またはケイ素、窒素、および水素含有前駆体とすることができる。これらの前駆体の特有の例は、シリルアミンの中でもとりわけ、Ｈ２Ｎ（ＳｉＨ３）、ＨＮ（ＳｉＨ３）２、およびＮ（ＳｉＨ３）３などのシリルアミンを含むことができる。これらのシリルアミンは、キャリアガス、反応性ガス、または両方として作用できる追加のガスと混合することができる。追加のガスの例は、ガスの中でもとりわけ、Ｈ２、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈｅ、およびＡｒを含むことができる。炭素を含まないケイ素前駆体の例はまた、単独で、または他のケイ素含有ガス（たとえば、Ｎ（ＳｉＨ３）３）、水素含有ガス（たとえば、Ｈ２）、および／もしくは窒素含有ガス（たとえば、Ｎ２、ＮＨ３）と混合された状態で、シラン（ＳｉＨ４）を含むことができる。炭素を含まないケイ素前駆体はまた、単独で、または互いにもしくは前述の炭素を含まないケイ素前駆体と組み合わせた状態で、ジシラン、トリシラン、より高次のシラン、および塩化シランを含むことができる。
ケイ素前駆体は、炭素がないことに加えて、酸素のないものにすることができる。酸素がない結果、これらの前駆体から形成されるケイ素および窒素層内のシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基の濃度がより低くなる。堆積させた膜内の余分なシラノール部分は、堆積させた層からヒドロキシル（−ＯＨ）部分を除去する堆積後のステップ中に、多孔率および縮小率を増大させる可能性がある。
ラジカル窒素前駆体もまた、反応チャンバへ提供される（１０４）。ラジカル窒素前駆体は、反応チャンバの外側でより安定した窒素前駆体から生成された窒素ラジカル含有種である。たとえば、ＮＨ３および／またはヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などの比較的安定した窒素前駆体を反応チャンバの外側のプラズマユニット内で活性化させ、ラジカル窒素前駆体を形成することができ、次いでこのラジカル窒素前駆体が反応チャンバ内へ輸送される。異なる実施形態では、安定した窒素前駆体はまた、ＮＨ３およびＮ２、ＮＨ３およびＨ２、ＮＨ３およびＮ２およびＨ２、ならびにＮ２およびＨ２を含む混合物とすることもできる。Ｎ２およびＨ２を有する混合物内で、ＮＨ３の代わりに、またはＮＨ３と組み合わせて、ヒドラジンを使用することもできる。生じさせるラジカル窒素前駆体は、・Ｎ、・ＮＨ、・ＮＨ２などの１つまたは複数とすることができ、また、プラズマ内で形成されたイオン化種を伴うことができる。
一般に、窒素を含まないラジカル前駆体でも、ケイ素および窒素含有層を形成することができる。ラジカル前駆体は、前述の前駆体とともに遠隔プラズマ領域へ供給される窒素を含む場合、ラジカル窒素前駆体とすることができる。ラジカル前駆体は、前駆体が混合および反応して堆積基板（たとえば、半導体ウェーハ）上にケイ素および窒素層を堆積させる堆積領域から区切られた反応チャンバの一区域内に生成される。ラジカル前駆体がラジカル窒素前駆体である一実施形態では、安定した窒素前駆体が遠隔プラズマ領域内へ流れ込み、プラズマによって励起される。安定した窒素前駆体（およびラジカル窒素前駆体）は、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン、ヘリウムなどのキャリアガスを伴うこともできる。開示する実施形態では、本質的に窒素（Ｎ２）からなる入力ガス（追加の不活性キャリアガスを有するかどうかにかかわらない）から形成されたラジカル窒素前駆体もまた、有益な膜を生じさせることがわかった。ケイ素含有前駆体が窒素を含む実施形態では、ラジカル窒素前駆体は、本質的に水素（Ｈ２）からなる入力ガス（および任意選択で不活性キャリアガス）から形成されるラジカル前駆体と交換することもできる。
反応チャンバ内では、炭素を含まないケイ素前駆体とラジカル窒素前駆体が混合および反応して、堆積基板上にケイ素および窒素含有膜を堆積させる（１０６）。堆積させたケイ素および窒素含有膜は、実施形態のいくつかの方策の組合せに適合するように堆積することができる。他の実施形態では、堆積させたケイ素および窒素含有膜は、従来の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜堆積技法とは異なり、流動特性を有する。形成の流動性の性質により、膜は、基板の堆積表面上の狭い間隙、溝、および他の構造内へ流れ込むことができる。
流動性は、ラジカル窒素前駆体と炭素を含まないケイ素前駆体とを混合することに起因する様々な特質によってもたらすことができる。これらの特質は、堆積させた膜内にかなりの水素成分が存在すること、および／または短鎖ポリシラザンポリマーが存在することを含むことができる。これらの短鎖は、成長して網状組織をなし、膜の形成中および形成後に、より高密度の誘電体材料を形成する。たとえば、堆積させた膜は、シラザンタイプのＳｉ−ＮＨ−Ｓｉバックボーン（すなわち、Ｓｉ−Ｎ−Ｈ膜）を有することができる。ケイ素前駆体とラジカル窒素前駆体のどちらにも炭素がないとき、堆積させたケイ素および窒素含有膜にも、実質上炭素がない。もちろん、「炭素がない」とは、膜に微量の炭素すらないことを必ずしも意味するわけではない。前駆体材料内には、堆積させたケイ素および窒素前駆体内に入り込んだ炭素汚染物質が存在することがある。しかし、これらの炭素不純物の量は、炭素部分（たとえば、ＴＥＯＳ、ＴＭＤＳＯなど）を有するケイ素前駆体内に見られるものよりはるかに少ない。
ケイ素および窒素含有層の堆積に続いて、堆積基板を酸素含有雰囲気へ導入することができる（１０８）。堆積基板は、酸素含有雰囲気が導入されるとき、反応チャンバ内に残すことができ、または基板は、酸素含有雰囲気が導入される異なるチャンバへ移動させることができる。酸素含有雰囲気は、酸素含有ガスの中でもとりわけ、分子状酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、および酸化窒素（ＮＯ、ＮＯ２など）などの１つまたは複数の酸素含有ガスを含むことができる。酸素含有雰囲気はまた、遠隔で生成して基板チャンバ内へ輸送できる原子状酸素（Ｏ）、水酸化物（ＯＨ）などのラジカル酸素種およびヒドロキシル種を含むことができる。酸素含有種のイオンもまた、存在することがある。
酸素含有雰囲気は、酸素を提供して、ケイ素および窒素含有膜を酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜に変換する（１１０）。前述のように、ケイ素および窒素含有膜内に炭素がない結果、最終の酸化ケイ素膜内に形成される孔はかなり少なくなる。またその結果、酸化ケイ素への変換中の膜の体積の低減（すなわち、縮小率）が小さくなる。たとえば、炭素含有ケイ素前駆体から形成されるケイ素−窒素−炭素層が、酸化ケイ素に変換されるとき、４０体積％以上縮小することがある場合、実質上炭素を含まないケイ素および窒素膜は、約１５体積％以下縮小することがある。
図２を次に参照すると、本発明の実施形態によって基板間隙内に酸化ケイ素膜を形成する方法２００における選択されたステップを示す別の流れ図が示されている。方法２００は、間隙を含む基板を提供するステップを含むことができる（２０２）。基板は、基板上に形成されたデバイス構成要素（たとえば、トランジスタ）の間隔および構造に対して複数の間隙を有することができる。これらの間隙は、１：１よりかなり大きい高さと幅のアスペクト比（ＡＲ）（すなわち、Ｈ／Ｗ）（たとえば、５：１以上、６：１以上、７：１以上、８：１以上、９：１以上、１０：１以上、１１：１以上、１２：１以上など）を画定する高さおよび幅を有することができる。多くの場合、高いＡＲは、その範囲の間隙幅が約９０ｎｍ〜約２２ｎｍ以下（たとえば、約９０ｎｍ、６５ｎｍ、４５ｎｍ、３２ｎｍ、２２ｎｍ、１６ｎｍなど）と小さいことによる。
流動性のケイ素および窒素含有層を、基板上に堆積させることができる（２０４）。この層は、流動性であるため、充填材料の中心周辺にボイドまたは弱いシームを生じさせることなく、高いアスペクト比を有する間隙を充填することができる。たとえば、堆積する流動性材料は、完全に充填される前に早まって間隙の上部に詰まって、間隙の中間にボイドを残すことはほとんどない。
次いで、堆積させたケイ素および窒素含有層は、酸素含有雰囲気中で加熱することができる。加熱温度は、室温から約１１００℃の範囲とすることができる（たとえば、異なる実施形態では、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、または１０００℃の１つを超える）。酸素含有雰囲気は、原子状酸素（Ｏ）、分子状酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、およびこれらの混合物の形で実質上純粋な酸素を含むことができる。この雰囲気はまた、酸素と蒸気（Ｈ２Ｏ）の混合物を含有することもできる。たとえば、堆積させたケイ素および窒素層は、オゾン（Ｏ３）および蒸気（Ｈ２Ｏ）を含有する雰囲気中で加熱することができる。
実施形態は、異なる温度および雰囲気による複数の加熱段階を含むことができる。たとえば、第１の加熱段階は、蒸気（Ｈ２Ｏ）を含む雰囲気中で、より低い第１の温度で実行することができ、第２の加熱段階は、実質上水蒸気のない乾燥した酸素含有雰囲気中で、より高い第２の温度で実行することができる。第３の加熱段階はまた、酸素を含有しない雰囲気（たとえば、乾燥したＮ２、Ｈｅ、Ａｒなど）中で実施することができる。
酸素含有雰囲気中で堆積させたケイ素および窒素含有層を加熱することで、基板間隙を含む基板上に酸化ケイ素層を形成する（２０８）。上述のように、酸化ケイ素層は、熱処理ステップ前にかなりの量の炭素が層内に存在する炭素含有前駆体で形成される類似の層より孔が少なく、体積の低減が小さい。多くの場合、体積の低減は、酸化ケイ素が縮小する結果として間隙内に形成される空間を充填、回復、または他の方法で解消させるための熱処理後のステップを回避するのに十分なほどわずかである（たとえば、約１５体積％以下）。
図３は、本発明の実施形態によって酸化ケイ素膜を作製するプラズマ化学気相堆積方法３００における選択されたステップを示す別の流れ図である。方法３００は、炭素を含まないケイ素前駆体およびラジカル窒素前駆体をプラズマ化学気相堆積チャンバ内へ導入するステップ３０２を含むことができる。ラジカル窒素前駆体は、たとえば、ＣＶＤ堆積チャンバに外部で結合された遠隔プラズマシステムを通過する安定した窒素含有ガス（たとえば、アンモニア、分子状窒素（Ｎ２）、Ｎ２とＨ２の混合物など）から、プラズマＣＶＤ堆積チャンバの外側で生成することができる。
プラズマＣＶＤチャンバ内でケイ素前駆体およびラジカル窒素前駆体から、プラズマを形成することができる（３０４）。チャンバ内に位置決めされた基板もまた、プラズマに露出させることができ、それによって、基板上にケイ素および窒素含有層を堆積させる（３０６）。堆積させた層は、Ｓｉ−ＮＨ−Ｓｉバックボーンを有する流動性のシラザンタイプの材料を含むことができ、それによってこの層は、酸化ケイ素膜の従来のＰＥＣＶＤ堆積より少ないボイドおよび弱いシームで、基板の間隙および他の構築された要素を充填することができる。
ケイ素および窒素含有膜の堆積に続いて、酸素含有ガスをプラズマＣＶＤチャンバ内へ導入し、堆積させたケイ素および窒素層を酸化ケイ素層に変換することができる。酸素含有ガスは、ガスの中でもとりわけ、分子状酸素、オゾン、および水蒸気を含むことができる。場合によっては、酸素含有ガスを含む混合物からプラズマを当てることができ、他の場合は、これらのガスからプラズマは形成されない。
ＣＶＤチャンバに入る酸素含有ガスは、チャンバに入る前に活性化（たとえば、ラジカル化、イオン化など）された１つまたは複数の化合物を含むことができる。たとえば、酸素含有ガスは、遠隔プラズマ源を通じてより安定した前駆体化合物を露出させることによって活性化されたラジカル酸素種、ラジカルヒドロキシル種などを含むことができる。より安定した前駆体は、ヒドロキシル（ＯＨ）ラジカルおよびイオンを生じさせる水蒸気および過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、ならびに原子状酸素（Ｏ）ラジカルおよびイオンを生じさせる分子状酸素および／またはオゾンを含むことができる。
例示的な酸化ケイ素堆積システム
本発明の実施形態を実施できる堆積チャンバは、チャンバのタイプの中でもとりわけ、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰ−ＣＶＤ）チャンバ、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ、減圧化学気相堆積（ＳＡＣＶＤ）チャンバ、および熱化学気相堆積チャンバを含むことができる。本発明の実施形態を実施できるＣＶＤシステムの特有の例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＣＥＮＴＵＲＡ ＵＬＴＩＭＡ（登録商標）のＨＤＰ−ＣＶＤチャンバ／システム、およびＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）のＰＥＣＶＤチャンバ／システムを含む。
本発明の例示的な方法で使用できる基板処理チャンバの例は、Ｌｕｂｏｍｉｒｓｋｙらの２００６年５月３０日出願の「ＰＲＯＣＥＳＳ ＣＨＡＭＢＥＲ ＦＯＲ ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ ＧＡＰＦＩＬＬ」という名称の本願の譲受人に譲渡された米国仮特許出願第６０／８０３，４９９号に図示および記載されているものを含むことができる。同願の内容全体を、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込む。追加の例示的なシステムは、米国特許第６，３８７，２０７号および第６，８３０，６２４号に図示および記載されているものを含むことができる。両特許もまた、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込む。
堆積システムの実施形態は、集積回路チップを生産するより大型の製造システム内へ組み込むことができる。図４は、開示する実施形態による堆積チャンバ、焼成チャンバ、および硬化チャンバの１つのそのようなシステム４００を示す。この図では、１対のＦＯＵＰ（前方開口型統一ポッド）４０２が、基板（たとえば、直径３００ｍｍのウェーハ）を供給し、これらの基板は、ロボットアーム４０４によって受け取られ、低圧保持領域４０６内へ配置されてから、ウェーハ処理チャンバ４０８ａ〜ｆの１つ内へ配置される。第２のロボットアーム４１０を使用して、基板ウェーハを保持領域４０６から処理チャンバ４０８ａ〜ｆへ、またその逆へ輸送することができる。
処理チャンバ４０８ａ〜ｆは、基板ウェーハ上の流動性の誘電体膜を堆積、アニール、硬化、および／またはエッチングする１つまたは複数のシステム構成要素を含むことができる。一構成では、２対の処理チャンバ（たとえば、４０８ｃ−ｄおよび４０８ｅ−ｆ）を使用して、基板上に流動性の誘電体材料を堆積させることができ、第３の対の処理チャンバ（たとえば、４０８ａ−ｂ）を使用して、堆積させた誘電体をアニールすることができる。別の構成では、同じ２対の処理チャンバ（たとえば、４０８ｃ−ｄおよび４０８ｅ−ｆ）は、基板上に流動性の誘電体膜を堆積させかつアニールするように構成することができ、第３の対のチャンバ（たとえば、４０８ａ−ｂ）は、堆積させた膜のＵＶまたは電子ビーム硬化に使用することができる。さらに別の構成では、３対すべてのチャンバ（たとえば、４０８ａ〜ｆ）が、基板上に流動性の誘電体膜を堆積および硬化させるように構成することができる。さらに別の構成では、２対の処理チャンバ（たとえば、４０８ｃ−ｄおよび４０８ｅ−ｆ）は、流動性の誘電体の堆積とＵＶまたは電子ビーム硬化の両方に使用することができ、第３の対の処理チャンバ（たとえば、４０８ａ−ｂ）は、誘電体膜をアニールするために使用することができる。記載のプロセスのいずれか１つまたは複数は、異なる実施形態で示す製造システムから分離されたチャンバ（複数可）上で実施することができる。
さらに、プロセスチャンバ４０８ａ〜ｆの１つまたは複数は、湿式処理チャンバとして構成することができる。これらのプロセスチャンバは、湿気を含む雰囲気中で流動性の誘電体膜を加熱するステップを含む。したがって、システム４００の実施形態は、堆積させた誘電体膜上で湿式アニールとドライアニールの両方を実行するために、湿式処理チャンバ４０８ａ−ｂおよびアニール処理チャンバ４０８ｃ−ｄを含むことができる。
図５Ａは、開示する実施形態による基板処理チャンバ５００である。遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）５１０がガスを処理することができ、次いでこのガスは、ガス入り口アセンブリ５１１を通って進む。ガス入り口アセンブリ５１１内には、２つの別個のガス供給チャネルが見える。第１のチャネル５１２は、遠隔プラズマシステムＲＰＳ５１０を通過するガスを運び、第２のチャネル５１３は、ＲＰＳ５００を迂回する。開示する実施形態では、第１のチャネル５１２をプロセスガスに使用することができ、第２のチャネル５１３を処理ガスに使用することができる。リッド（または導電性の上部部分）５２１および穿孔された区間５５３を示すが、その間に絶縁リング５２４が位置し、それによって、穿孔された区間５５３に対してリッド５２１に交流電位を印加することができる。プロセスガスは、第１のチャネル５１２を通ってチャンバプラズマ領域５２０内へ進み、チャンバプラズマ領域５２０内でプラズマによって単独で、またはＲＰＳ５１０と組み合わせて励起させることができる。本明細書では、チャンバプラズマ領域５２０および／またはＲＰＳ５１０の組合せを遠隔プラズマシステムと呼ぶことがある。穿孔された区間（シャワーヘッドとも呼ばれる）５５３は、チャンバプラズマ領域５２０とシャワーヘッド５５３の下にある基板処理領域５７０とを分離する。シャワーヘッド５５３により、チャンバプラズマ領域５２０内に存在するプラズマは、基板処理領域５７０内のガスを直接励起させることを回避でき、それでもなお、励起された種は、チャンバプラズマ領域５２０から基板処理領域５７０内へ進むことができる。
シャワーヘッド５５３は、チャンバプラズマ領域５２０と基板処理領域５７０の間に位置決めされており、それによってチャンバプラズマ領域５２０内で生じたプラズマ廃水（前駆体または他のガスの励起された誘導体）は、板の厚さを横断する複数の貫通孔５５６を通過することができる。シャワーヘッド５５３はまた、１つまたは複数の中空の体積５５１を有し、これらの中空の体積５５１は、蒸気またはガスの形の前駆体（ケイ素含有前駆体など）で充填することができ、また小さい孔５５５を通って基板処理領域５７０内へ入ることができるが、チャンバプラズマ領域５２０内へ直接入ることはない。この開示する実施形態では、シャワーヘッド５５３は、貫通孔５５６の最も小さい直径５５０の長さより厚い。チャンバプラズマ領域５２０から基板処理領域５７０へ浸透する励起された種のかなりの濃度を維持するために、貫通孔の最も小さい直径５５０の長さ５２６は、シャワーヘッド５５３の途中に貫通孔５５６の直径がより大きい部分を形成することによって制限することができる。開示する実施形態では、貫通孔５５６の最も小さい直径５５０の長さは、貫通孔５５６の最も小さい直径と同じ程度の大きさ、またはそれ未満とすることができる。
図示する実施形態では、シャワーヘッド５５３は、チャンバプラズマ領域５２０内でプラズマによる励起時に、酸素、水素、および／もしくは窒素を含有するプロセスガス、ならびに／またはそのようなプロセスガスのプラズマ廃水を分散させることができる（貫通孔５５６を介して）。実施形態では、ＲＰＳ５１０内へ導入されたプロセスガス、および／または第１のチャネル５１２を通ってチャンバプラズマ領域５２０内へ導入されたプロセスガスは、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ４を含むＮｘＨｙ、シラン、ジシラン、ＴＳＡ、およびＤＳＡの１つまたは複数を含有することができる。プロセスガスはまた、ヘリウム、アルゴン、窒素（Ｎ２）などのキャリアガスを含むことができる。第２のチャネル５１３はまた、プロセスガスおよび／もしくはキャリアガス、ならびに／または成長もしくは堆積させた膜から望ましくない成分を除去するために使用される膜硬化ガスを送達することができる。プラズマ廃水は、プロセスガスのイオン化誘導体または中性誘導体を含むことができ、本明細書では、導入されたプロセスガスの原子状の構成要素を指して、ラジカル酸素前駆体および／またはラジカル窒素前駆体と呼ぶことがある。
実施形態では、貫通孔５５６の数は、約６０個〜約２０００個とすることができる。貫通孔５５６は、様々な形状を有することができるが、円形に形成するのが最も容易である。開示する実施形態では、貫通孔５５６の最も小さい直径５５０は、約０．５ｍｍ〜約２０ｍｍまたは約１ｍｍ〜約６ｍｍとすることができる。貫通孔の断面形状の選択には許容範囲があり、円錐形、円筒形、または２つの形状の組合せとすることができる。異なる実施形態では、基板処理領域５７０内へガスを導入するために使用される小さい孔５５５の数は、約１００個〜約５０００個または約５００個〜約２０００個とすることができる。小さい孔５５５の直径は、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍとすることができる。
図５Ｂは、開示する実施形態による処理チャンバで使用するためのシャワーヘッド５５３の底面図である。シャワーヘッド５５３は、図５Ａに示すシャワーヘッドに一致する。シャワーヘッド５５３の底部で内径（ＩＤ）がより大きく、上部でＩＤがより小さい貫通孔５５６を示す。小さい孔５５５は、貫通孔５５６の間でも、シャワーヘッドの表面全体にわたって実質上均一に分散され、それによって、本明細書に記載する他の実施形態より均一の混合を提供するのに役立つ。
シャワーヘッド５５３内の貫通孔５５６を通って到達するプラズマ廃水が、中空の体積５５１から小さい孔５５５を通って到達するケイ素含有前駆体と混ざると、基板処理領域５７０内でペデスタル（図示せず）によって支持される基板上に、例示的な膜が生成される。硬化などの他のプロセスに対するプラズマを支持するために基板処理領域５７０を装備することができるが、例示的な膜の成長中には、プラズマは存在しない。
シャワーヘッド５５３の上のチャンバプラズマ領域５２０内で、またはシャワーヘッド５５３の下の基板処理領域５７０内で、プラズマを着火することができる。チャンバプラズマ領域５２０内にプラズマが存在すると、窒素および水素含有ガスの流入からラジカル窒素前駆体を生じさせる。処理チャンバの導電性の上部部分５２１とシャワーヘッド５５３の間に、典型的に無線周波数（ＲＦ）範囲内の交流電圧が印加され、堆積中にチャンバプラズマ領域５２０内でプラズマを着火する。ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚという高いＲＦ周波数を生成するが、他の周波数を単独で、または１３．５６ＭＨｚの周波数と組み合わせて生成することもできる。
基板処理領域５７０内で底部のプラズマを点けて膜を硬化させ、または基板処理領域５７０と境界をなす内部表面を洗浄するとき、上部のプラズマは、低い電力、または電力のない状態にすることができる。基板処理領域５７０内のプラズマは、シャワーヘッド５５３とチャンバのペデスタルまたは底部の間に交流電圧を印加することによって着火される。洗浄ガスは、プラズマが存在する間に基板処理領域５７０内へ導入することができる。
ペデスタルは、熱交換チャネルを有することができ、この熱交換チャネルを通って熱交換流体が流れ、基板の温度を制御する。この構成により、基板温度を冷却または加熱して、比較的低い温度（０℃〜約１２０℃）を維持することができる。熱交換流体は、エチレングリコールおよび水を含むことができる。ペデスタルのウェーハ支持プラター（好ましくは、アルミニウム、セラミック、またはこれらの組合せ）はまた、比較的高い温度（約１２０℃〜約１１００℃）を実現するために、平行な同心円の形で完全に２回転するように構成された埋込み型の単一ループのヒータ要素を使用して、抵抗加熱することができる。ヒータ要素の外側部分は、支持プラターの周囲に隣接して進むことができるが、内側部分は、より小さい半径を有する同心円の経路上を進む。ヒータ要素への配線は、ペデスタルの軸を通過する。
基板処理システムは、システムコントローラによって制御される。例示的な実施形態では、システムコントローラは、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ、および処理装置を含む。処理装置は、単一基板コンピュータ（ＳＢＣ）、アナログおよびデジタル入出力基板、インターフェース基板、ならびにステッパモータコントローラ基板を含む。ＣＶＤシステムの様々な部分は、基板、カードケージ、およびコネクタの寸法および型を規定するＶｅｒｓａ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｅｕｒｏｐｅａｎ（ＶＭＥ）標準に適合する。ＶＭＥ標準はまた、バス構造について、１６ビットのデータバスおよび２４ビットのアドレスバスを有するものと規定する。
システムコントローラは、ＣＶＤ機の活動のすべてを制御する。システムコントローラは、コンピュータ可読媒体内に記憶されたコンピュータプログラムであるシステム制御ソフトウェアを実行する。この媒体は、ハードディスクドライブであることが好ましいが、他の種類のメモリとすることもできる。コンピュータプログラムは、タイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、ＲＦ電力レベル、サセプタ位置、および特定のプロセスの他のパラメータを指示する命令セットを含む。たとえばフロッピーディスクまたは他の別の適当なドライブを含めて、他の記憶装置上に記憶された他のコンピュータプログラムを使用して、システムコントローラに命令することもできる。
基板上に膜積層体を堆積させるプロセス、またはチャンバを洗浄するプロセスは、システムコントローラによって実行されるコンピュータプログラム製品を使用して実施することができる。コンピュータプログラムコードは、任意の従来のコンピュータ可読プログラミング言語、たとえば６８０００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｐａｓｃａｌ、Ｆｏｒｔｒａｎその他で書き込むことができる。適したプログラムコードは、従来のテキストエディタを使用して単一のファイルまたは複数のファイル内へ入力され、コンピュータのメモリシステムなどのコンピュータが使用できる媒体内で記憶または実施される。入力されたコードテキストが高級言語である場合、コードはコンパイルされ、次いで、その結果得られるコンパイラコードは、事前コンパイルされたＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）のライブラリルーチンのオブジェクトコードとリンクされる。リンクされたコンパイル済みのオブジェクトコードを実行するには、システムユーザはオブジェクトコードを呼び出し、コンピュータシステムにコードをメモリ内へロードさせる。次いでＣＰＵは、コードを読み取って実行し、プログラム内に特定されたタスクを実行する。
ユーザとコントローラの間のインターフェースは、フラットパネルの接触感知型モニタを介してなされる。好ましい実施形態では、２つのモニタが使用され、一方は、操作者用に洗浄室の壁に取り付けられ、他方は、サービス技術者用に壁の後ろに取り付けられる。２つのモニタは、同じ情報を同時に表示することができ、その場合、一度に一方だけが入力を受け入れる。特定のスクリーンまたは機能を選択するには、操作者は、接触感知型モニタの指定の領域に触れる。触れた領域では、強調された色が変化し、または新しいメニューもしくはスクリーンが表示され、操作者と接触感知型モニタの間の通信を確認する。接触感知型モニタの代わりに、またはそれに加えて、キーボード、マウス、または他のポインティングもしくは通信デバイスなどの他のデバイスを使用することができ、それによってユーザは、システムコントローラと通信することができる。
チャンバプラズマ領域またはＲＰＳ内の領域は、遠隔プラズマ領域と呼ぶことができる。実施形態では、ラジカル窒素前駆体は、遠隔プラズマ領域内で生成され、基板処理領域内へ進み、基板処理領域内で、ラジカル窒素前駆体によって炭素を含まないケイ素含有前駆体が励起される。実施形態では、炭素を含まないケイ素含有前駆体は、ラジカル窒素前駆体のみによって励起される。実施形態では、ラジカル窒素前駆体が炭素を含まないケイ素含有前駆体への主な励起を提供するように、プラズマ電力は本質的に、遠隔プラズマ領域のみに印加することができる。
チャンバプラズマ領域を用いる実施形態では、堆積領域から区切られた基板処理領域の区域内で、励起されたプラズマ廃水が生成される。本明細書では基板処理領域とも呼ばれる堆積領域は、プラズマ廃水が炭素を含まないケイ素含有前駆体と混合および反応して堆積基板（たとえば、半導体ウェーハ）上にケイ素および窒素層を堆積させる領域である。励起されたプラズマ廃水はまた、不活性ガス（例示的な場合、アルゴン）を伴う。実施形態では、炭素を含まないケイ素含有前駆体は、基板のプラズマ領域に入る前にプラズマを通過しない。本明細書では、基板処理領域について、ケイ素および窒素含有層の成長中に「プラズマがない」と説明することができる。「プラズマがない」とは、この領域がプラズマをもたないことを必ずしも意味するわけではない。プラズマ領域内で生成されるイオン化種および自由電子は、区間（シャワーヘッド）内の孔（開口）を通って進むが、炭素を含まないケイ素含有前駆体は実質上、プラズマ領域に印加されるプラズマ電力によって励起されない。チャンバプラズマ領域内のプラズマの境界は、画定するのが困難であるが、シャワーヘッド内の開口を通って基板処理領域に侵入することがある。誘導結合されたプラズマの場合、基板処理領域内で直接、わずかな量のイオン化が生じることがある。さらに、形成される膜の所望の特徴をなくすことなく、基板処理領域内で低強度のプラズマが生成されることがある。励起されたプラズマ廃水の生成中のチャンバプラズマ領域（または、その点では遠隔プラズマ領域）よりプラズマのイオン密度がはるかに低いすべての原因は、本明細書で「プラズマがない」範囲から逸脱しない。
本明細書では「基板」は、上に層が形成されるかどうかにかかわらず、支持基板とすることができる。支持基板は、様々なドーピング濃度およびプロファイルの絶縁体または半導体とすることができ、たとえば、集積回路の製造で使用されるタイプの半導体基板とすることができる。「酸化ケイ素」層は、ケイ素および酸素含有材料の略称として区別なく使用される。したがって、酸化ケイ素は、窒素、水素、炭素などの他の元素成分の濃度を含むことができる。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素は本質的に、ケイ素および酸素からなる。「前駆体」という用語は、表面から材料を除去するため、または表面上へ材料を堆積させるための反応を担う任意のプロセスガスを指すために使用される。「励起された状態」にあるガスとは、ガス分子の少なくとも一部が振動で励起、解離、および／またはイオン化された状態にあるガスを表す。ガスは、２つ以上のガスの組合せとすることができる。「ラジカル前駆体」は、表面から材料を除去するため、または表面上に材料を堆積させるための反応に加わるプラズマ廃水（プラズマを励起させる励起された状態のガス）を表すために使用される。「ラジカル窒素前駆体」は、窒素を含有するラジカル前駆体である。「不活性ガス」という語句は、膜内へ組み込まれたときに化学結合を形成しないあらゆるガスを指す。例示的な不活性ガスは希ガスを含むが、（典型的に）微量が膜内に取り込まれたときに化学結合が形成されない限り、他のガスを含むこともできる。
「溝」という用語を本明細書全体にわたって使用するが、エッチングされた形状寸法が大きな水平のアスペクト比を有することを示唆するものではない。表面の上から見ると、溝は、円形、楕円形、多角形、方形、または様々な他の形状に見えることがある。「バイア」という用語は、垂直の電気的接続を形成するために金属で充填されるかどうかにかかわらず、アスペクト比が低い溝を指すために使用される。本明細書では、共形の層とは、表面と同じ形状の表面上で概ね均一の材料層を指し、すなわち層の表面と覆われている表面は、概ね平行である。堆積させた材料は、１００％共形ではない可能性が高く、したがって「概ね」という用語は許容公差を可能にすることが、当業者には理解されるであろう。
いくつかの実施形態について説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正、代替構造、および均等物を使用できることが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明を不必要に曖昧にするのを回避するため、複数の周知のプロセスおよび要素については説明しなかった。したがって、上記の説明は、本発明の範囲を限定すると見なされるべきではない。
値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限の間に介在するそれぞれの値は、文脈上別途明示しない限り下限の単位の１０分の１まで、明確に開示されることが理解される。記載の範囲内の任意の記載の値または介在する値と、その記載の範囲内の任意の他の記載の値または介在する値との間のより小さいそれぞれの範囲が包含される。これらのより小さい範囲の上限および下限は、独立して範囲内に含まれても、除外されてもよく、また、より小さい範囲内に限度のいずれかを含む範囲、どちらも含まない範囲、またはどちらも含む範囲はそれぞれ、記載の範囲内の任意の明確に除外された限界に応じて、本発明の範囲内に包含される。記載の範囲が限界の一方または両方を含む場合、これらの含まれる限度のいずれかまたは両方を除外する範囲も含まれる。
本明細書および添付の特許請求の範囲では、単数形は、文脈上別途明示しない限り、複数の指示対象を含む。したがって、たとえば「プロセス」への言及は、複数のそのようなプロセスを含み、「前駆体」への言及は、当業者には知られている１つまたは複数の前駆体およびその均等物への言及を含み、以下同様である。
また、本明細書および以下の特許請求の範囲で使用する「含む」、その活用形、および同義の語は、記載の特徴、整数、構成要素、またはステップの存在を指定するものであるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、構成要素、ステップ、動作、または群の存在または追加を排除しない。

Claims (15)

  1. 炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体とラジカル前駆体とを混合することと、
    ケイ素および窒素含有層を基板上に堆積させることと、
    前記ケイ素および窒素含有層を前記酸化ケイ素層に変換することと
    を含む、酸化ケイ素層の形成方法。
  2. 前記ラジカル前駆体がラジカル窒素前駆体である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ラジカル前駆体が水素を含むが、本質的に窒素を含まない、請求項１に記載の方法。
  4. 前記炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体がシリルアミンを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記シリルアミンがＮ（ＳｉＨ３）３を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記ラジカル前駆体を、前記炭素を含まないケイ素および窒素含有前駆体と混合する前に、プラズマを使用して窒素および水素含有ガスから生成する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記窒素および水素含有ガスが、ヒドラジン、アンモニア、Ｎ２、およびＨ２からなる群から選択されるガスを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記ケイ素および窒素含有層を、酸素含有雰囲気に露出させることによって、前記酸化ケイ素層に変換する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記酸素含有雰囲気が、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、および蒸気（Ｈ２Ｏ）からなる群から選択される１つまたは複数のガスを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 体積縮小率を低減させて酸化ケイ素層を形成する方法であって、
    少なくとも１つの間隙を含む基板を提供することと、
    前記基板上に炭素を含まないケイ素および窒素含有層を堆積させることと、
    前記基板を酸素含有雰囲気中で加熱して、前記炭素を含まないケイ素および窒素含有層を前記酸化ケイ素層に変換することと
    を含み、前記酸化ケイ素層が、前記間隙内に堆積させた前記炭素を含まないケイ素および窒素含有層の約８５％以上の体積を保持する、方法。
  11. 前記炭素を含まないケイ素および窒素含有層を、ケイ素および窒素前駆体とラジカル前駆体との反応によって前記基板上に堆積させる、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記ケイ素および窒素前駆体がＮ（ＳｉＨ３）３を含み、前記ラジカル前駆体を、プラズマで活性化されたＮＨ３から形成する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記炭素を含まないケイ素および窒素含有層がＳｉ−Ｎ−Ｈ層を含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記基板間隙が約５０ｎｍ以下の幅を有する、請求項１０に記載の方法。
  15. 前記間隙内の前記酸化ケイ素層に実質上ボイドがない、請求項１０に記載の方法。
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