JP2013522884A - 周期的な酸化およびエッチングのための装置と方法 - Google Patents

周期的な酸化およびエッチングのための装置と方法 Download PDF

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Abstract

狭ピッチの適用分野に適した半導体デバイスを製造する装置およびその製造方法が、本明細書に記載されている。材料層の表面を酸化させて酸化物層を形成し；エッチングプロセスによって酸化物層の少なくとも一部を除去し；材料層が所望の形状に形成されるまで酸化および除去処理を周期的に繰り返すことによって、材料層を形成および／または成形するように構成された様々な単一のチャンバが開示されている。いくつかの実施形態では、材料層は、半導体デバイスの浮遊ゲートとすることができる。

Description

本発明の実施形態は、一般に、半導体製造のプロセスとデバイスの分野に関し、具体的には、狭ピッチの適用分野に使用するのに適したデバイスを製造する装置と方法に関する。
単にデバイス構造を縮小することによって半導体デバイスをスケール変更すると、小さい寸法では、許容できる結果が得られないことが多い。たとえば、ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスでは、浮遊ゲートがスケール変更されると、浮遊ゲートの表面積に応じて浮遊ゲートの容量結合（たとえば、側壁容量）がスケール変更される。したがって、浮遊ゲートの表面積が小さければ小さいほど、浮遊ゲートと、たとえば制御ゲートとの間の容量結合も小さくなる。通常、ＮＡＮＤメモリデバイスが引き続き機能する限り、スケール変更のために容量結合を犠牲にする妥協を許容することができる。しかし残念ながら、デバイスノードがかなり小さくなり、その結果、浮遊ゲートと制御ゲートとの間の容量結合が許容動作電圧でデバイスを効果的にプログラムするには小さくなりすぎると、スケール変更は制限される。さらに、隣接する浮遊ゲート間の寄生容量（すなわち、ノイズ）は、ＮＡＮＤメモリデバイス内のシステムコントローラの読取り誤差に対する限界を超えて増大する。したがって、そのような条件下では、ＮＡＮＤデバイスは機能することができない。
デバイス、たとえばＮＡＮＤデバイスおよび他のデバイスの製造方法および装置が提供される。
本明細書では、狭ピッチの適用分野に適した半導体デバイスを製造する装置および方法について記載する。本明細書に記載する様々な装置および方法は、特定のタイプのデバイスの製造に限定されるものではないが、本明細書に記載する装置および方法は、浮遊ゲートを含み、浮遊ゲートの基部近傍の第１の幅が浮遊ゲートの頂部近傍の第２の幅より大きい半導体デバイスを製造するのに特に適している。いくつかの実施形態では、浮遊ゲートの幅は、第１の幅から第２の幅まで非直線的に低減する。
いくつかの実施形態では、基板を処理する装置は、基板を支持するように構成された基板支持体が中に配置された処理チャンバであって、この基板支持体が、基板支持体の温度を第１の温度近傍に制御するように結合された温度制御システムをさらに有する処理チャンバと；少なくとも酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを提供するガス源と；ガス源によって提供されるガスにエネルギーを提供して酸化プラズマまたはエッチングプラズマの少なくとも１つを形成するように処理チャンバに結合されたプラズマ源と；基板にエネルギーを提供して基板の温度を第１の温度を上回る第２の温度まで選択的に上昇させるように処理チャンバに結合された熱源とを含むことができる。本発明の他のさらなる実施形態について、以下に記載する。
１つまたは複数の実施形態によれば、酸化（および／または窒化）ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約３分未満で完了することができる。特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約２分未満で完了することができ、さらに特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約１分未満、たとえば４５秒または３０秒で完了することができる。
本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、実施形態を参照すれば、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明を得ることができる。実施形態の一部を、添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく効果的な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
本発明のいくつかの実施形態による方法および装置を利用して作られた浮遊ゲートを有する半導体構造を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートを形成する方法の流れ図である。 図２の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図２の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図２の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートを形成する方法の流れ図である。 図４の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図４の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図４の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図４の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図４の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートを形成する方法の流れ図である。 図６の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図６の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図６の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 図６の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 ＡおよびＢは、図６の方法のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態によって酸化物厚さを時間の関数として示す概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの一製造段階を示す図である。 Ａ〜Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による構造の製造段階を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による例示的な処理チャンバを示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による第１の例示的な修正されたプラズマ処理チャンバを示す図である。 いくつかの実施形態によるチャンバ内で使用できる基板支持体冷却システムの例示的な実施形態を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による第２の例示的な修正されたプラズマ処理チャンバを示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による第３の例示的な修正されたプラズマ処理チャンバを示す図である。 １つまたは複数の実施形態のチャンバによって材料表面を加熱するために使用できる光源システムを示す図である。 １つまたは複数の実施形態による材料表面を加熱するために使用できる、図１６の光源システムのさらなる細部を示す図である。 本発明の一実施形態による周期的な酸化およびエッチングを実行するための修正されたチャンバを示す図である。 図１８のチャンバの頂部部分を示す図である。 図１８のチャンバの下部を示す図である。 １つまたは複数の実施形態による修正された急速熱処理チャンバを示す図である。 図２１のチャンバ内で使用されるガス分配プレートを示す図である。
図面は見やすいように簡略化されており、原寸に比例して描かれていない。理解を容易にするために、複数の図に共通の同一の要素を指すには、可能な限り同一の参照番号を使用した。一実施形態のいくつかの要素を他の実施形態に有益に組み込むことができることが企図される。
単一のチャンバ内で半導体デバイスの材料層の表面を酸化させて酸化物層を形成し、エッチングによって酸化物層の少なくとも一部分を除去する装置および方法が提供される。本発明は特定のデバイスに限定されるものではないが、記載する装置および方法は、狭ピッチの適用分野に適した半導体デバイスおよび構造の製造に使用することができる。本明細書では、狭ピッチの適用分野は、３２ｎｍ以下のハーフピッチ（たとえば、３２ｎｍ以下のデバイスノード）を含む。本明細書では、「ピッチ」という用語は、半導体デバイスの並列構造または隣接構造間の尺度を指す。ピッチは、隣接または実質上並列の構造の同じ側の側面から側面までを測定することができる。当然ながら、半導体デバイスおよび構造は、より大きいピッチを有する適用分野でも同様に利用することができる。半導体デバイスは、たとえばＮＡＮＤもしくはＮＯＲフラッシュメモリ、または他の適したデバイスとすることができる。いくつかの実施形態では、半導体デバイスは、デバイスの浮遊ゲートと、たとえば制御ゲートとの間の側壁容量を維持または改善し、それによって隣接するデバイス内で隣接する浮遊ゲート間の干渉（すなわち、ノイズ）を低減させる。本明細書に開示する本発明の装置および方法は、たとえば処理中にトンネル酸化物層を厚くする可能性のある酸素の拡散など、望ましくない効果を制限することが有利である。さらに、本発明の装置および方法は、従来のリソグラフィパターニングによって課される限界寸法の寸法制限を克服するために、たとえばフィン電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ）デバイス、ハードマスク構造、または他の構造などの他のデバイスまたは構造の製造に適用できることが有利である。１つの構造の形成に関して本明細書に開示する特定の酸化およびエッチング装置および処理は、異なる記載がない限り、本明細書に開示する任意の他の構造の形成で利用できることが企図される。
したがって、本発明の実施形態は、単一のチャンバまたは器具内で周期的な酸化およびエッチングを層ごとに実行する装置および方法を提供し、別個のチャンバまたは器具内で処理を実行した場合より高いスループットを可能にする。別個のチャンバ内で周期的な酸化およびエッチングの複数の反復を実行する必要があるとき、チャンバ間の移送時間のため、スループットは低下する。複数の処理が可能なチャンバまたは器具が提供された場合、スループットを高めることができる。しかし、まったく異なる温度を必要とする複数のエッチングおよび酸化プロセスを実行できるチャンバを入手できるとは考えられない。１つまたは複数の実施形態によれば、単一のチャンバ内で基板の急速な加熱および冷却を可能にするチャンバまたは器具が提供され、それによって周期的な酸化および／または窒化ならびにエッチングプロセスを実行することができる。１つまたは複数の実施形態では、本明細書に開示する処理チャンバは、本明細書に記載する酸化およびエッチングの単一のサイクルを５分未満、４分未満、３分未満、２分未満、１分未満、または３０秒未満で実行することができる。１つまたは複数の実施形態では、酸化プロセスは、約２００℃〜８００℃、より具体的には約３００℃〜５００℃の温度で実行され、エッチングプロセスの一部分は、約１５０℃未満、具体的には約１２０℃未満、より具体的には約１００℃以下の温度で実行される。１つまたは複数の実施形態では、エッチングプロセスは、プラズマ、たとえばフッ素含有プラズマを使用する乾式エッチングプロセスを利用し、エッチングプロセスは、約５０℃未満、具体的には約４０℃未満、より具体的には約２５℃〜３５℃の範囲内で実行される処理と、それに続いて約１００℃を超過し、たとえば約１００℃〜約２００℃の範囲内の温度で実行されるステップとを含む。
本発明によって作ることができる半導体デバイス、ならびに本発明の装置および／または方法の実施形態の一例を、メモリデバイス１００として例示的に適用し、図１に関して以下に記載する。メモリデバイス１００は基板１０２を含み、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置される。トンネル酸化物層１０４上に、浮遊ゲート１０６が配置される。浮遊ゲート１０６、トンネル酸化物層１０４、および基板１０２の下にある部分は、メモリデバイス１００のセル１０３（またはメモリユニット）を構成することができる。メモリデバイスの各セルは分離することができる。たとえば、メモリデバイス１００内では、基板１０２内で各セルの間に、浅いトレンチ隔離（ＳＴＩ）領域１０８が配置される（たとえば、トンネル酸化物層１０４および浮遊ゲート１０６に隣接して配置され、ＳＴＩ領域１０８は、セル１０３を隣接するセル１０５および１０７から分離する）。メモリデバイス１００は、浮遊ゲート１０６の上に配置されたインターポリ誘電体（ＩＰＤ）層１１０と、制御ゲート層１１２とをさらに含む。ＩＰＤ層１１０は、浮遊ゲート１０６を制御ゲート層１１２から分離する。
基板１０２は、結晶シリコン（たとえば、Ｓｉ＜１００＞またはＳｉ＜１１１＞）、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープされたポリシリコンまたはドープされていないポリシリコン、ドープされたシリコンウエハまたはドープされていないシリコンウエハ、パターニングされたウエハまたはパターニングされていないウエハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガラス、サファイアなどの適した材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板１０２はケイ素を含むことができる。トンネル酸化物層１０４は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、もしくはランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）ベースの酸化物もしくは酸素窒化物などの高誘電率誘電体材料、あるいは単層または多層構造の窒化ケイ素（ＳｉＸＮＹ）（たとえば、ＳｉＯ２／高誘電率／ＳｉＯ２）など、ケイ素および酸素を含むことができる。トンネル酸化物層１０４は、任意の適した厚さ、たとえば、約５〜約１２ｎｍを有することができる。トンネル酸化物層１０４は、各セル内で、浮遊ゲート１０６の基部の幅と実質上同等の幅を有することができる。ＳＴＩ領域１０８は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）など、ケイ素および酸素を含むことができる。
浮遊ゲート１０６は通常、ポリシリコン、金属などの導電性材料を含む。浮遊ゲート１０６は、制御ゲート層１１２のうち、隣接するセル間（たとえば、セル１０３、１０５、および１０７間）の部分の配置を容易にするのに適した構成を有する。したがって、浮遊ゲートは、「Ｔ」を逆さにした形状で形成することができる。本明細書では、「Ｔ」を逆さにしたという用語とは、概略的に、浮遊ゲート１０６の上部が浮遊ゲート１０６の基部に対して浮き上がっている構造の形状寸法を指す。そのような浮き上がりは、隣接する浮遊ゲート１０６間の間隙を完全に充填することなく浮遊ゲート１０６の上にＩＰＤ層１１０を形成する場所を提供し、それによって隣接する浮遊ゲート１０６間に制御ゲート層１１２の一部分を配置することができる。
たとえば、図１に示すように、浮遊ゲート１０６を全体として、基部１１５およびステム１１３（または浮遊ゲート１０６の上部）を有する、Ｔを逆さにした形状で示す。浮遊ゲート１０６は通常、特定の適用分野で所望通り任意の寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、浮遊ゲート１０６の高さは、約２０〜約１００ｎｍとすることができる。いくつかの実施形態では、基部１１５の厚さは、約３５ｎｍ以下とすることができる。
浮遊ゲート１０６の上部が浮き上がるため、浮遊ゲート１０６では、浮遊ゲート１０６の基部１１５近傍の第１の幅１０９が、浮遊ゲート１０６の頂部近傍の第２の幅１１１より大きい。いくつかの実施形態では、第１の幅１０９と第２の幅１１１との比は、少なくとも約２：１である。いくつかの実施形態では、第１の幅１０９は、第２の幅１１１を約４ｎｍ以上もしくは約６ｎｍ以上、または約４〜約６ｎｍ超過することができる。浮遊ゲート１０６の幅は、浮遊ゲート１０６の基部１１５と頂部との間で直線的、非直線的、連続的、非連続的に任意の形態で変動することができる。いくつかの実施形態では、図１に示すように、浮遊ゲート１０６の幅は、第１の幅１０９と第２の幅１１１との間で非直線的に変動する。いくつかの実施形態では、第１の幅は、約３５ｎｍ未満または約２０〜約３５ｎｍとすることができる。第２の幅は、約５〜約３０ｎｍ、たとえば５ｎｍ、１０ｎｍ、１２ｎｍ、１３ｎｍ、１４ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、または３０ｎｍとすることができる。
ステム１１３の側壁部分は、図１に示すように、実質上垂直のプロファイルを有することができる。いくつかの実施形態では、実質上垂直とは、垂直から約１０度以下、または垂直から約５度以下、または垂直から約１度以下を意味する。側壁の実質上垂直のプロファイルは、浮遊ゲート１０６の高さ全体の約４０パーセントまでとすることができ、または約４０パーセントより大きくすることができる。いくつかの実施形態では、実質上垂直のプロファイルは、浮遊ゲート１０６の高さの約４０パーセントより大きい。いくつかの実施形態では、実質上垂直のプロファイルは、約２０〜約１００ｎｍである。
ＩＰＤ層１１０は、任意の適した単層または多層の誘電体材料を含むことができる。単層のＩＰＤは、トンネル酸化物層１０４に関して上記で論じたように、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、高誘電率誘電体材料などを含むことができる。多層のＩＰＤの非限定的な例は、第１の酸化物層、窒化物層、および第２の酸化物層を含む多層のＯＮＯ層である。第１および第２の酸化物層は通常、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などのケイ素および酸素を含む。窒化物層は通常、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などのケイ素および窒素を含む。いくつかの実施形態では、ＳｉＯ２／高誘電率／ＳｉＯ２（ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２など）を含む多層のＩＰＤ層をＩＰＤ層１１０として使用することもできる。いくつかの実施形態では、ＩＰＤ層１１０は、約１２〜約１５ｎｍの厚さまで堆積される。
Ｔを逆さにした形状の浮遊ゲート１０６を覆ってＩＰＤ層１１０を共形に堆積させることで、堆積させたＩＰＤ層１１０内のウェル１１４の形成を容易にする。ウェル１１４は、隣接する浮遊ゲート間に形成される。いくつかの実施形態では、ウェル１１４の幅は約４〜約２０ｎｍであり、深さは約２０〜約９０ｎｍである。
任意選択で、ＩＰＤ堆積の前に、隣接する浮遊ゲート間の間隙を充填するようにＳｉＯ２などの材料層を堆積させ、この材料層を、たとえば化学機械平坦化（ＣＭＰ）によって平坦化して、浮遊ゲート１０６の頂部から余分な材料を除去することによって、隣接する浮遊ゲート間のＩＰＤ浸入の深さレベルを画定することができる。次いで、隣接する浮遊ゲート間の間隙内に残っている材料を所望の深さまでエッチングして、浮遊ゲート間のＩＰＤ浸入レベルを設定することができる。
制御ゲート層１１２は、ＩＰＤ層１１０上およびウェル１１４内に堆積させて、制御ゲートを形成することができる。制御ゲート層１１２は通常、ポリシリコン、金属などの導電性材料を含む。ウェル１１４を追加することで、浮遊ゲート１０６の側壁近傍で制御ゲート層１１２に対してより大きい表面積を提供する。ウェル１１４によって制御ゲート層１１２の表面積を容易に増大することで、浮遊ゲート１０６の側壁と制御ゲートとの間の容量結合を改善できることが有利である。さらに、隣接する浮遊ゲート（たとえば、セル１０３および１０５の浮遊ゲート）間に配置されたウェル１１４は、隣接する浮遊ゲート間の寄生容量、浮遊ゲートの干渉、ノイズなどを低減させることができる。さらに、Ｔを逆さにした形状の浮遊ゲート１０６は、同じ高さでほぼ長方形の浮遊ゲートと比較すると、表面積を低減させる。横断面を低減させることで、ビット線（たとえば、メモリデバイスの異なるワード線および同じビット線）方向に、隣接する浮遊ゲート間の寄生容量を低減させることが有利である。浮遊ゲートと制御ゲートとの間の側壁容量は、浮遊ゲートの高さの制御によって、独立して制御できる（たとえば、所望のレベルで維持される）ことが有利である。
図２は、本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートの形状寸法を有する半導体デバイスを製造する方法２００を示す。本明細書に記載する方法は、まったく異なる温度で処理する能力を有する酸化およびエッチング向けに構成された任意の適した単一のチャンバ内で実行することができる。１つまたは複数の実施形態による周期的な酸化およびエッチングを伴う処理では、酸化は比較的高い温度で実行され、エッチングは比較的低い温度で実行される。たとえば、酸化は、１つまたは複数の実施形態によって５００℃以上の温度で実行することができ、別法として、５００℃以下、より具体的には４００℃以下の温度で実行することができる。たとえば、エッチングプロセスの部分は、低い温度、たとえば２０℃、２５℃、または３０℃などの室温で実行することができる。エッチングプロセスは、最高約７５℃などのより高い温度で実行できることが理解されるであろう。エッチング後、温度を約１００℃まで上昇させて化合物を昇華できることが望ましい。これについて、以下でより詳細に説明する。
本発明の態様は、単一のチャンバ内で酸化プロセス、エッチングプロセス、および昇華を実行することに関する。酸化は、プラズマ酸化、急速熱酸化（ＲＴＯ）、ラジカル酸化などによって実現することができる。適した酸化チャンバは、プラズマ浸漬イオン注入（Ｐ３Ｉ）または結合解除されたプラズマ酸化（ＤＰＯ）などのプラズマチャンバを含むことができる。別法として、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ＲＡＤＩＡＮＣＥ（登録商標）、ＶＡＮＴＡＧＥ（登録商標）ＲＡＤＯＸ（商標）チャンバ、または遠隔および／もしくは局所プラズマ源を含む炉などの熱酸化チャンバを使用することができる。例示的な熱酸化プロセスは、酸素（Ｏ２）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などの１つまたは複数などの酸化ガスと、任意選択で窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの１つまたは複数などの不活性ガスとを含む酸化ガス混合物内で、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）などの１つまたは複数などの還元ガスに対する還元ガス濃度を変動させることを含む、様々な酸化反応で実行することができる。例示的なプラズマ酸化プロセスは、熱酸化プロセスに関して上記で論じた酸化反応のいずれかを使用することができ、加熱チャックの有無にかかわらず実行することができる。光化学処理、たとえば紫外光（ＵＶ）の存在下で酸素種（たとえば、Ｏ２）を利用して酸化物層を形成すること、または湿式化学酸化、たとえば酸化に適した別の酸である硝酸（ＨＮＯ３）を含む化学溶液を利用することを適用することもできる。しかし、これらのチャンバは通常、酸化プロセスのみを実行するように構成され、低温エッチングなどの低温処理向けには構成されていない。したがって、酸化とエッチングとの間で必要な急速な温度変化を実現するには、これらのチャンバに修正を加える必要がある。具体的な詳細については、以下に述べる。
別法として、本明細書に記載する方法の実施形態は、湿式または乾式エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）など向けに構成された、修正された任意の適したエッチングチャンバ内で実行することができる。例示的なエッチングチャンバは、同じく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ＳＩＣＯＮＩ（商標）、Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）、またはＣａｒｉｎａ（商標）チャンバを含む。１つの非限定的で例示的な乾式エッチングプロセスは、遠隔プラズマによるアンモニア（ＮＨ３）もしくは三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス、または無水フッ化水素（ＨＦ）ガス混合物を含むことができ、この混合物を低温（たとえば、約３０℃）のＳｉＯ２上で凝固させ、反応させて化合物を形成し、この化合物を適度な温度（たとえば、１００℃超）で昇華させてＳｉＯ２をエッチングする。そのような例示的なエッチングプロセスは時間とともに縮小し、最終的に、化合物の一部分を（たとえば、上述した昇華処理によって）除去しない限りさらなるエッチングが発生しない時点で飽和状態になる。エッチングプロセスは、上記の機構を使用して、および／または時間設定されたエッチングプロセス（たとえば、所定の期間にわたるエッチング）によって制御することができる。例示的な湿式エッチングプロセスは、フッ化水素（ＨＦ）などを含むことができる。例示的なプラズマまたは遠隔プラズマエッチングプロセスは、四フッ化炭素（ＣＦ４）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、水素（Ｈ２）などの１つまたは複数のエッチング剤を含むことができ、加熱チャックの有無にかかわらず実行することができる。エッチング選択性は、異種表面などの異なる材料の組合せに対して約１〜約１０００になるように設計することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、エッチング選択性は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のエッチングにおけるケイ素（Ｓｉ）の場合、約１００とすることができる。エッチングは、エッチング速度が初期エッチング速度の約０％〜約９０％または約７５％に低下すると終了させて、エッチングされている材料の厚さ制御を提供することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、上記で論じたようにエッチングプロセスを終了させることで、エッチング時の厚さ制御を提供することができる。この制御は、たとえばケイ素（Ｓｉ）および二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む異種材料上に配置された酸化物層をエッチングするとき、特に有利であろう。ＳＩＣＯＮＩチャンバなどのエッチングチャンバは、チャンバ内で酸化プロセスを実行するための修正を必要とする。これについては、以下でより詳細に説明する。
このように、単一のチャンバ内で実行されることが理解される方法２００は、２０２において、浮遊ゲートに形成すべき材料層を有する基板を設けることから開始される。たとえば、図３Ａに示すように、基板１０２および材料層３０４は、部分的に製造されたメモリデバイス３００の一部とすることができる。メモリデバイス３００は基板１０２を含むことができ、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置される。トンネル酸化物層１０４上に、材料層３０４を堆積させることができる。トンネル酸化物層１０４および材料層３０４に隣接して、浅いトレンチ隔離（ＳＴＩ）領域３０２（ＳＴＩ領域１０８に類似）を配置することができる。方法２００を開始する前に実行される基板および部分的に製造されたメモリデバイス３００を提供する他の製造ステップは、ＳＴＩ領域３０２内にＳｉＯ２などの隔離材料を堆積し、材料層３０４の上面と同じ高さで隔離材料を平坦化し、所望のレベルまで隔離材料をエッチングすることを含み、その結果、基板の材料層３０４は、本明細書に提供する教示によって浮遊ゲートに処理する準備ができる。
材料層３０４は、ポリシリコン、金属などの導電性材料を含むことができる。材料層３０４は通常、わずかに台形または方形の横断面を有することができる。材料層３０４は通常、任意の適した開始形状を有することができ、したがって本明細書に記載する方法によって酸化および／またはエッチングされるとき、材料層３０４は、図１に関して上述したように、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートに形成することができる（たとえば、材料層３０４は、ＳＴＩ構造３０２の形成を容易にするようにパターニングおよびエッチングすることができ、その結果得られる材料層３０４のプロファイルを、本明細書に開示するさらなる処理に対する開始点とすることができる）。
２０４で、材料層３０４を選択的に酸化させて、図３Ｂに示す酸化物層３０６を形成する。酸化物層３０６は、材料層３０４の頂部および側壁上に形成され、酸化ケイ素、金属酸化物などを含むことができる。いくつかの実施形態では、酸化物層３０６は、材料層３０４を約３〜約１５ｎｍまたは約１０ｎｍの深さまで消費することができる。酸化物層３０６は、図３Ｂに示すように、ＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに消費（または他では浸食もしくは置換）することができる。酸化物層３０６は、湿式もしくは乾式酸化、急速熱酸化（ＲＴＯ）、ラジカル酸化、プラズマ酸化、たとえば結合解除されたプラズマ酸化（ＤＰＯ）、または本明細書に記載する任意の他の酸化プロセスを使用して形成することができる。熱量が低いこと、および／または酸素の拡散が低減されることが望ましいいくつかの実施形態では、プラズマ酸化またはラジカル酸化を利用することができる。材料層３０４の酸化中にトンネル酸化物層１０４が厚くなるのを防止するには、低い熱量を必要とすることがある。本明細書では、低い熱量とは、摂氏８５０度のピーク温度で数十分の炉処理より小さい熱量を意味する。
次に２０６で、図３Ｃに示すように、酸化ステップ２０４を実行したのと同じチャンバ内で、酸化物層３０６がエッチングプロセスによって除去される。材料層３０４の酸化および酸化物層３０６の除去後の材料層３０４の残りの部分は、概ねＴを逆さにした形状、たとえば図１に示す浮遊ゲート１０６の形状に類似の形状とすることができる。このエッチングプロセスは、フッ化水素酸（ＨＦ）、塩酸（ＨＣｌ）を含む化学物質もしくはガス、または本明細書に開示する他のエッチングプロセスなどを使用することができる。エッチングプロセスは選択的に行うことができ、たとえば酸化物層３０６を選択的に除去することができる。一実施形態では、エッチングプロセスは、酸化ケイ素に対して選択的であり、ポリシリコンを含む材料層に対して酸化ケイ素を含む酸化物層３０６を除去する。エッチングプロセスは、酸化物層３０６の除去中にＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに除去することができる。
Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成するためのエッチングプロセスが完了すると、方法２００は概ね終了する。メモリデバイスのさらなる処理は、図１に関して記載した層に類似のＩＰＤ層および制御ゲート層の堆積を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＩＰＤ層の堆積前に、隣接する材料層３０４間でＳＴＩ領域３０２上の領域に、間隙充填材料、たとえばＳｉＯ２、またはＳＴＩ領域３０２を構成したのと同じ材料が充填される。次に、この充填された領域の頂部を、化学機械平坦化（ＣＭＰ）または任意の適した平坦化方法によって平坦化して、材料層３０４の頂部と実質上同一平面にすることができる。間隙充填およびＣＭＰに続いて、間隙充填材料のエッチングを行い、ＩＰＤ層の堆積前に、隣接する材料層３０４間のＩＰＤに対する所望の浸入深さを設定する。
別法として、図４に示すように、方法４００を使用して、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成することができる。方法４００について、図５Ａ〜Ｅを参照して例示的に説明する。図５Ａ〜Ｅは、方法４００の実施形態によるメモリデバイス３００の製造段階を示す。方法４００は、犠牲窒化物層の堆積を含む。犠牲窒化物層は、材料層３０４を酸化させるために使用される酸化プロセス中に酸素の拡散を制限するために利用することができる。酸素の拡散を制限することで、後述する酸化物層除去処理中に、トンネル酸化物層１０４の望ましくない厚膜化を防止し、かつ／あるいはトンネル酸化物層１０４および／またはＳＴＩ領域３０２（もしくは間隙充填材料）の一部分の望ましくない除去を防止できることが望ましい。
方法４００は通常、４０２から始まり、図５Ａに示すように、部分的に製造されたメモリデバイス３００が設けられる。メモリデバイス３００については上述したが、基板１０２を含み、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置され、トンネル酸化物層１０４上に材料層３０４が配置される。メモリデバイス３００はＳＴＩ層３０２をさらに含み、ＳＴＩ層３０２は、基板１０２内に、トンネル酸化物層１０４および材料層３０４に隣接して配置される。
４０４で、図５Ｃに示すように、材料層３０４およびＳＴＩ領域３０２の露出表面上に窒化物層５０２が形成される。窒化物層５０２は、任意の適した窒化処理、たとえばプラズマ窒化または窒化ケイ素堆積によって形成することができる。窒化物層５０２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、または両方を含むことができる。窒化物層５０２は、材料層３０４およびＳＴＩ領域３０２の水平表面上に、材料層３０４の側壁と比較するとより大きい厚さまで（たとえば、方向性の窒化処理によって）形成することができる。いくつかの実施形態では、材料層３０４およびＳＴＩ領域３０２の水平表面上の窒化物層の厚さと、材料層３０４の側壁上の厚さとの比は、約２：１〜約１０：１である。いくつかの実施形態では、窒化物層５０２の厚さは、材料層３０４およびＳＴＩ領域３０２の水平表面上では約５〜約１０ｎｍである。いくつかの実施形態では、窒化物層５０２の厚さは、材料層３０４の側壁上では約１ｎｍ以下である。
４０６で、窒化物層５０２および材料層３０４を選択的に酸化させて、酸素窒化物層５０４および酸化物層５０６を形成する。酸化プロセスは、窒化ステップ４０４と同じチャンバ内で実行される。酸化ステップ４０６は、方法２００に関して上記で論じた任意の適した酸化プロセスを含むことができ、図５Ｃ〜Ｄに関して記載する単一段階の処理で実行することができる。最初に、図５Ｃに示すように、酸化プロセスは、酸素窒化物層５０４の形成を容易にする。酸素窒化物層５０４は、材料層３０４およびＳＴＩ領域３０２の水平表面上では窒化物層５０２の一部分を消費することができ、材料層３０４の側壁上では実質上窒化物層５０２全体を消費することができる。水平表面上で窒化物層５０２の厚さを増大させることで、下にある表面の酸化を制限または防止することができる。材料層３０４の側壁上で窒化物層５０２を消費する際、酸化プロセスは材料層３０４の一部分を消費することができる。側壁の表面上には消費されていない窒化物層５０２が配置されたまま残っているため、材料層の側壁の酸化は水平表面上より迅速に進行することができる。
図５Ｄに示すように、酸化プロセスは、材料層３０４の側壁上でより速い速度で進行し、側壁内側から材料層３０４を概ね消費することによって、酸化物層５０６を形成する。材料層３０４のうち消費されていない残りの部分は、概ねＴを逆さにした所望の形状になることができる。さらに、図５Ｄに示すように、酸化プロセスは、側壁における材料層３０４の消費より遅い速度ではあるが、残りの窒化物層５０２の一部分およびＳＴＩ領域３０２の一部分を引き続き消費する。
４０８で、酸素窒化物層５０４および酸化物層５０６を除去することができ、その結果、図５Ｅに示すように、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートが得られる。これらの層は、エッチングプロセス、たとえば方法２００に関して上記で論じた湿式または乾式化学エッチング、反応性イオンエッチングなどによって除去することができる。エッチングプロセスは選択的に行うことができ、たとえば酸素窒化物層５０４および酸化物層５０６を選択的に除去することができる。一実施形態では、エッチングプロセスは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、および窒化ケイ素（ＳｉＮ）に対して選択的であり、ポリシリコンを含む材料層３０４に対して選択的に、ＳｉＮを含む窒化物層５０２、ＳｉＯＮを含む酸素窒化物層５０４、およびＳｉＯ２を含む酸化物層５０６を除去する。エッチングプロセスは、図５Ｅに示すように、ＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに選択的に除去することができる。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、多段階のエッチングプロセスとすることができる。たとえば最初に、エッチングプロセスは、酸化物層５０６を除去するように、ＳｉＯ２のみに対して選択的に行うことができる。次に、エッチングプロセスは、酸素窒化物層５０４および窒化物層５０２を除去するように、ＳｉＯＮおよびＳｉＮに対して選択的に行うことができる。Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成するためのエッチングプロセスが完了すると、メモリデバイス３００は、たとえば図１に関して記載した層に類似のＩＰＤ層および制御ゲート層を堆積させることによって、さらに処理することができる。上記で論じたように、隣接する材料層３０４間の充填領域の間隙充填およびＣＭＰ、それに続いて充填領域のエッチングを実行してから、ＩＰＤ層の堆積を行うことができる。
上記で論じたように、いくつかの実施形態では、たとえばトンネル酸化物層１０４またはＳＴＩ領域３０２の厚膜化を制限するために、熱量が低いこと（たとえば、ドーパント、酸素（Ｏ２）、またはケイ素（Ｓｉ）の１つまたは複数などの材料の拡散が低いこと）が望ましいであろう。しかし、そのような望ましくない厚膜化の影響を制限することが可能な場合、高熱量の処理（すなわち、高い酸素の拡散）を利用することもできる。たとえば、高熱量の処理（たとえば、湿式、乾式、またはＲＴＯ）により、共形の酸化、より速い酸化速度、より厚い酸化（たとえば、厚さ約５〜約１５ｎｍ）、およびより効率的な側壁酸化を提供することができる。さらに、高熱量の酸化プロセスは、浮遊ゲートを形成するために使用される材料層の異なる結晶方位に対する感度を低減させ、したがって酸化中に平滑な表面を生成することが有利である。たとえば多結晶材料を含む材料層を使用して浮遊ゲートを形成するとき、結晶方位に対する感度を低減させることが望ましいであろう。平滑な表面は、たとえば接合抵抗を低減させることなどによって、メモリデバイス内の信頼性を改善することが有利である。
したがって、図６に関して後述するようないくつかの実施形態では、材料層７０２を有する部分的に製造されたメモリデバイス７００を使用して、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成することができる。材料層７０２は、たとえば図３Ａおよび５Ａそれぞれに示した材料層３０４と比較すると、より高くすることができる。さらに、ＳＴＩ領域３０２の高さは、（たとえば、上記で論じたように、ＳｉＯ２などの間隙充填材料を堆積させて再びエッチングすることによって）材料層７０２の高さとともにスケール変更して、露出表面とトンネル酸化物層との間の距離を増大させ、それによって高熱量処理中のトンネル酸化物層内への酸化拡散に対する抵抗を促進する。いくつかの実施形態では、材料層７０２の頂部とＳＴＩ領域３０２の頂部との間の間隙は、図３Ａおよび５Ａに示す類似の構造と実質上同等の距離にすることができる。図３Ａおよび５Ａの類似のメモリデバイスと比較すると、材料層７０２とＳＴＩ領域３０２の両方の高さを増大させることで、酸素原子がトンネル酸化物層１０４に到達するのに進まなければならない距離を長くできることが有利である。両構造の高さを増大させることで、より高い熱量の酸化プロセスを使用することができ、トンネル酸化物層１０４の厚膜化を制限することができる。したがって、メモリデバイス７００内のＳＴＩ領域３０２の高さを増大させることによって、高熱量の酸化プロセスを使用して、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成できることが有利である。高熱量の酸化プロセスおよびそれによって形成された酸化物層の除去に続いて、エッチングプロセスおよび／またはより制御可能な低熱量の酸化プロセスを使用して、浮遊ゲートの基部の厚さを低減させることができる。高熱量の酸化プロセスと、エッチングプロセスまたは低熱量の酸化プロセスのいずれかとのそのような組合せについて、図６〜８に関して後述する。
たとえば、図６は、本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲートを有する半導体デバイスを製造する方法６００を示す。方法６００について、図７Ａ〜Ｄおよび図８Ａ〜Ｂを参照して例示的に説明する。図７Ａ〜Ｄおよび図８Ａ〜Ｂは、方法６００の実施形態によるメモリデバイス７００の製造段階を示す。
方法６００は通常、６０２から始まり、浮遊ゲートに形成すべき材料層を有する基板を設けることができる。たとえば、図７Ａに示すように、基板１０２および材料層７０２は、部分的に製造されたメモリデバイス７００の一部とすることができる。メモリデバイス７００は基板１０２を含むことができ、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置される。トンネル酸化物層１０４上に、材料層７０２を堆積させることができる。基板１０２内でトンネル酸化物層１０４および材料層７０２に隣接して、浅いトレンチ隔離（ＳＴＩ）領域３０２を配置することができる。基板１０２、トンネル酸化物層１０４、およびＳＴＩ領域３０２については、上記で論じた。
材料層７０２は、ポリシリコン、金属などの導電性材料を含むことができる。材料層７０２は、実質上方形またはわずかに台形の横断面を含む開始形状を有することができる。材料層７０２は通常、任意の適した開始形状を有することができ、したがって本明細書に記載する方法によって酸化および／またはエッチングされるとき、材料層７０２は、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートに形成することができる。材料層７０２の高さは、約３０ｎｍより大きくすることができ、または最高約１３０ｎｍとすることができる。材料層７０２の高さと幅の比は、約２：１より大きくすることができる。
次に６０４で、材料層７０２を選択的に酸化させて、図７Ｂに示す第１の酸化物層７０４を形成する。第１の酸化物層７０４は、材料層７０２の頂部および側壁上に形成され、酸化ケイ素、金属酸化物などを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の酸化物層７０４は、材料層７０２を約５〜約１５ｎｍまたは約１０ｎｍの深さまで消費することができる。第１の酸化物層７０４は、ＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに厚くすることができる。酸化物層の形成は、湿式もしくは酸化、急速熱酸化（ＲＴＯ）、ラジカル酸化、またはプラズマ酸化、たとえば結合解除されたプラズマ酸化（ＤＰＯ）を使用して実行することができる。熱量が低いこと、および／または酸素の拡散が低減されることが望ましいいくつかの実施形態では、プラズマ酸化またはラジカル酸化を利用することができる。材料層７０２の酸化中にトンネル酸化物層１０４が厚くなるのを防止するには、低い熱量を必要とすることがある。
酸化後の材料層７０２の残りの部分は、概ねＴを逆さにした形状とすることができ、所望の最終的な形態より大きい寸法を有することができる（たとえば、基部の高さおよび／またはステムの幅をより大きくすることができる）。６０６で、第１の酸化物層７０４は、ステップ６０４と同じチャンバ内でエッチングプロセスによって除去され、その結果、図７Ｃに示す材料層７０２の残りの部分によって示すように、概ねＴを逆さにした形状を有する浮遊ゲートが得られる。エッチングプロセスは、湿式もしくは乾式エッチング、または反応性イオンエッチングとすることができる。このエッチングプロセスは、フッ化水素酸（ＨＦ）、塩酸（ＨＣｌ）などを含む化学物質またはガスを使用することができる。エッチングプロセスは選択的に行うことができ、たとえば第１の酸化物層７０４を選択的に除去することができる。一実施形態では、エッチングプロセスは、酸化ケイ素に対して選択的であり、ポリシリコンを含む材料層に対して酸化ケイ素を含む第１の酸化物層７０４を除去する。エッチングプロセスは、第１の酸化物層７０４の除去中にＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに除去することができる。
６０８で、図７Ｄに示すように、エッチングプロセスを使用して残りの材料層７０２の追加の部分を除去し、所望のＴを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成することができる。このエッチングプロセスは、湿式または乾式エッチング、反応性イオンエッチングなどを含むことができる。一実施形態では、エッチングプロセスは反応性イオンエッチングである。方法６００を使用して形成される浮遊ゲートは、上記で論じた方法２００および４００で形成される浮遊ゲートに類似の寸法とすることができる。
材料層７０２をエッチングして、Ｔを逆さにした形状および上記で論じた寸法を有する浮遊ゲートを形成すると、方法６００は概ね終了し、メモリデバイスの製造を完了するためのさらなる処理を実行することができる。メモリデバイス７００のさらなる処理は、上記で論じたように、ＩＰＤ層および制御ゲート層の堆積を含むことができる。任意選択で、上記で論じたように、間隙充填およびＣＭＰ処理を行い、それに続いて充填領域を再びエッチングして隣接する浮遊ゲート間の領域内のＩＰＤ層の所望の深さの制御を実行してから、ＩＰＤ層の堆積を行うことができる。
別法として、いくつかの実施形態では、第１の酸化物層７０４を除去した後、方法６００は、同じチャンバ内で６０６から６１０へ進むことができ、材料層を選択的に酸化させて第２の酸化物層７０６を形成することができる。第２の酸化物層７０６は、図８Ａに示すように、材料層７０２の残りの部分の頂部および側壁上に形成され、酸化ケイ素、金属酸化物などを含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の酸化物層７０６は、材料層７０２を約５〜約１５ｎｍまたは約１０ｎｍの深さまで消費することができる。酸化物層の形成は、湿式もしくは酸化、急速熱酸化（ＲＴＯ）、ラジカル酸化、またはプラズマ酸化、たとえば結合解除されたプラズマ酸化（ＤＰＯ）を使用して実行することができ、熱量が低いこと、および／または酸素の拡散が低減されることが望ましく、プラズマ酸化またはラジカル酸化を利用することができる。いくつかの実施形態では、低熱量の方向性の酸化（たとえば、プラズマ酸化）を使用することができ、第２の酸化物層７０６は材料層７０２の水平表面上で、側壁表面上より速い速度で成長する。
第２の酸化物層７０６を形成するための選択的な酸化後の材料層７０２の残りの部分は、概ねＴを逆さにした形状とすることができる。６１２で、第２の酸化物層７０６をエッチングプロセスによって除去し、図８Ｂに示す材料層７０２の残りの部分によって示すように、Ｔを逆さにした形状を有する浮遊ゲートの形成を完成させる。エッチングプロセスは、乾式エッチングまたは反応性イオンエッチングとすることができる。このエッチングプロセスは、フッ化水素酸（ＨＦ）、塩酸（ＨＣｌ）などを含む化学物質またはガスを使用することができる。エッチングプロセスは選択的に行うことができ、たとえば第２の酸化物層７０６を除去するように選択的に行うことができる。一実施形態では、エッチングプロセスは、酸化ケイ素に対して選択的であり、ポリシリコンを含む材料層７０２に対して酸化ケイ素を含む第２の酸化物層７０６を除去する。エッチングプロセスは、第２の酸化物層７０６の除去中にＳＴＩ領域３０２の一部分をさらに除去することができる。
材料層７０２の残りの部分をエッチングして第２の酸化物層７０６を除去し、所望のＴを逆さにした形状を有する浮遊ゲートを形成すると、方法６００は概ね終了する。方法６００によって形成された浮遊ゲートは、６０８に上記で論じたものと同等の寸法を有することができる。メモリデバイス７００のさらなる処理は、上記で論じたように、ＩＰＤ層および制御ゲート層の堆積を含むことができる。
上記で論じたように、いくつかの実施形態では高熱量の処理が有利であるが、上記の材料層７０２などの材料層の酸化速度は、より高い熱量が印加されると飽和状態になる傾向がある。たとえば、この結果、所望の寸法を有する形状に材料層７０２を成形すること、トンネル酸化物層１０４を厚くすること、またはその両方ができなくなる可能性がある。さらに、広範囲の温度のいずれか、たとえば摂氏約３０〜約１１００度を使用すると酸化速度が飽和状態になる可能性があるが、初期酸化速度は、摂氏３０度など、その範囲内のより低い温度でも速い。この温度範囲は、本明細書に開示するすべての酸化プロセスに有効である。さらに、プラズマ酸化または光化学（ＵＶもしくはオゾン）あるいは乾式／湿式化学（たとえば、オゾン、硝酸、過酸化水素）ベースの酸化を、室温以下で行うことができる。したがって、本発明者らは、以下で論じるように高い初期酸化速度を利用することが有利である材料層７０２などの材料層を成形する方法を開発した。
高い熱量での酸化速度の飽和の概略図を図９に示す。図９は、酸化物層厚さの図を時間の関数として概略的に示す。等温線１０００は、酸化物層が所望の任意の温度で連続的に成長する酸化プロセスを表す。最初、等温線１０００内の第１の期間１００２では、第１の期間１００２に成長する第１の酸化物層厚さ１００４によって示すように、酸化速度は速い。時間（および熱量）が増大すると、酸化速度は飽和し始める。たとえば、持続時間が第１の期間１００２と同等である、第１の期間１００２直後の第２の期間１００６では、第２の期間１００６中の酸化速度がより遅いため、第２の期間１００６中に成長する第２の酸化物層厚さ１００８は、第１の酸化物層厚さ１００４より小さい。本発明者らは、様々な温度で等温線１０００の形状を概ねたどることをさらに発見した。
したがって、材料層７０２を所望の形状に成形するには、浮遊ゲートの所望の寸法を形成するのに必要な酸化物層の厚さを実現するために、高い熱量を必要とすることがある。しかし残念ながら、いくつかの構造の製造中、高熱量の酸化プロセスを適用することで、露出した酸化物層（トンネル酸化物層１０４など）内への望ましくない酸素（Ｏ２）の拡散を引き起こし、酸化物層の望ましくない厚膜化を引き起こす可能性がある。
したがって、図９で上述したように、方法６００のいくつかの実施形態では、酸化およびエッチングプロセスを反復して、第１の期間１００２中に適用される高い初期酸化速度を利用することが有利である。たとえば、いくつかの実施形態では、６０４で、材料層（たとえば、材料層７０２）の表面を酸化させて、酸化物層（たとえば、第１の酸化物層７０４）を初期酸化速度で形成することができる。材料層７０２は、初期酸化速度が比較的速い第１の期間（たとえば、第１の期間１００２）に酸化させることができる。たとえば第２の期間１００６中に酸化速度が所定の量まで低減した後、酸化プロセスが終了される。いくつかの実施形態では、第１の酸化物層７０４の形成は、酸化速度が初期酸化速度の約９０％以下または約７５％以下になったときに終了させることができる。いくつかの実施形態では、第１の酸化物層７０４の形成は、酸化速度が初期速度の約０％〜約９０％または約７５％になったときに終了させることができる。
酸化プロセスが終了した後、６０６で、第１の酸化物層７０４の少なくとも一部がエッチングプロセス（上記で論じ、図７Ｃに示す）によって除去される。図７Ｃに示すように、第１の酸化物層７０４が除去された後、材料層７０２は、上記で論じたように、少なくとも部分的に所望の形状に形成することができる。第１の酸化物層７０４を除去することで、材料層７０２の新しい露出表面を提供し、材料層の所望の形状が形成されるまで、この新しい露出表面をさらに酸化させることができる。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、上述したように、２段階の凝固および昇華エッチングプロセスとすることができる。いくつかの実施形態では、エッチングプロセスは、エッチング速度が初期エッチング速度の約０％〜約７５％または約９０％になると終了させることができる。エッチング速度の低減は、材料の対比（たとえば、ＳｉとＳｉＯ２の選択性）または拡散に関連する飽和（たとえば、均質なＳｉＯ２層上）のために生じることがある。エッチングプロセス中のエッチング速度の時間依存性は、犠牲酸化中に材料除去をさらに独立して制御する方法を提供することができる。これにより、浮遊ゲートの形成構造内に例示するように、異種表面（Ｓｉ／ＳｉＯ２）上で層ごとに除去することができる。不均一な材料除去を回避するために、異種基板から酸化した材料を除去するときは、この方法を使用できることが有利である。
たとえば、６１０で、部分的に成形された材料層７０２の露出表面を再び酸化させて、別の酸化物層（たとえば、第２の酸化物層７０６）を形成する。酸化プロセスは、第１の酸化物層７０４の除去のため、第１の酸化層７０４に関して上記で論じた初期酸化速度と実質上同等とすることができる初期酸化速度で進む。上記のように、酸化速度が所定の量まで低減した後、たとえば第２の期間１００６中に、酸化プロセスが終了する。処理の所望の終了時点は、上記で論じたものと類似の任意の時間とすることができる。第２の酸化物層７０６を形成するための酸化について、図８Ａに示す。
酸化プロセスの繰返しが終了した後、６１２で、第２の酸化物層７０６の少なくとも一部がエッチングプロセス（上記で論じ、図８Ｂに示す）によって除去される。図８Ｂに示すように、第２の酸化物層７０６が除去された後、材料層７０２は、上記で論じたように、所望の形状に形成することができる。別法として、この場合も第２の酸化物層７０６を除去することで、材料層７０２の新しい露出表面を提供し、材料層の所望の形状が形成されるまで、この新しい露出表面をさらに酸化させることができる。したがって、酸化およびエッチングプロセスを１回だけ繰り返すと開示するが、これらの処理の繰返しは、材料層の所望の形状を形成するのに必要なだけ何回でも継続することができる（すなわち、この処理は１回または複数回繰り返すことができる）。
酸化物層の周期的な酸化および除去のプロセスで酸化させることにより、連続して実行される酸化プロセスと比較して、同じ熱量でより多くの酸化物を形成することが可能になる。単一のチャンバ内で酸化物層の周期的な酸化および除去のプロセスを実行することで、処理スループットを大いに増大させることができる。たとえば、図９に示すように、第１の期間１００２および第２の期間１００６にわたって適用される等温線１０００によって示すものなど、連続して適用される酸化プロセスは、第１の厚さ１００４と第２の厚さ１００８との和である厚さを有する酸化物層を形成する。しかし、周期的な酸化および除去のプロセス、たとえば第１の期間１００２で第１の酸化物層（たとえば、第１の酸化物層７０４）を形成し、第１の酸化物層を除去し、第２の期間１００６で材料層を酸化させて第２の酸化物層（たとえば、第２の酸化物層７０６）を形成する結果、すべての酸化物の厚さ（たとえば、第１の酸化物層７０４と第２の酸化物層７０６との厚さの和）は、連続する酸化プロセスと同じ熱量を使用すると、第１の厚さ１００４の２倍になる。
周期的な酸化および除去のプロセスを概略的に示す等温線１０１０を、図９に示す。図示のように、等温線１０１０は、第１の期間１００２後、等温線１０００（連続する酸化プロセスを表す）から実質上外れる。等温線１０１０について、図９では直線として示すが、これは単に例示的である。等温線１０１０は、周期的な酸化および除去のプロセスがどのように適用されるかに基づいて、任意の形状を有することができる。たとえば、繰り返される各酸化プロセスが同じ期間（たとえば、第１の期間１００２）にわたって行われる場合、等温線１０１０は、連続する各ステップの第１の期間１００２中に等温線１０１０の形状を繰り返す形状を有することができる。別法として、周期的な酸化および除去のプロセスにおける次のステップは、第１の期間（図示せず）とは異なる持続時間にわたって適用することができ、それに応じて等温線１０１０の形状は変動することができる。しかし、周期的な酸化および除去のプロセス中に形成されるすべての酸化物は、同じ熱量を使用すると、連続する酸化プロセス（たとえば、等温線１０００）によって形成されるものより大きい。いくつかの実施形態では、周期的な酸化および除去のプロセス中に形成されるすべての酸化物は、同じ熱量を使用すると、連続する酸化プロセスによって形成されるものより最高約３倍大きい。
上記の周期的な酸化および除去のプロセスを使用して、サブリソグラフィ寸法を有する構造を含む他の構造を形成できることが有利である。そのような構造は、たとえば、超薄型の浮遊ゲート、ｆｉｎＦＥＴデバイスのフィン、パターニングされたハードマスクなどを含むことができる。
たとえば、いくつかの実施形態では、周期的な酸化および除去のプロセスを利用して、図１０Ａ〜Ｄに示すように、超薄型の浮遊ゲートを形成することができる。図１０Ａ〜Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による浮遊ゲート１１０２の製造段階を示す。この方法は、図１０Ａに示すように、部分的に製造されたメモリデバイス１１００を設けることから始まる。メモリデバイス１１００は、上記で論じたメモリデバイス１００に構造および組成が類似している。メモリ構造１１００は基板１０２を含み、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置される。トンネル酸化物層１０４上には、上記で論じた材料層に組成が類似している材料層１１０２が配置される。材料層１１０２の両側に、材料層１１０２に隣接して、上記で論じたＳＴＩ領域に組成が類似しているＳＴＩ領域１１０４が配置される。ＳＴＩ領域１１０４は、デバイス１１００の個々のメモリセルを分離する。通常、ＳＴＩ領域１１０４の頂面１１０３および材料層１１０２の頂面１１０５は実質上平面である。
次に、上記で論じた周期的な酸化および除去のプロセスを同じチャンバ内で利用して、材料層１１０２を所望の形状（たとえば、厚さ）まで薄くすることができる。上記で論じたように、材料層１１０２の頂面１１０５を酸化させて、図１０Ｂに示すように、初期酸化速度で酸化物層１１０６を形成することができる。酸化プロセスは、上記で論じたように、酸化速度が初期速度の指定の百分率を下回ると終了する。次いで、図１０Ｃに示すように、酸化物層１１０６は（ＳＴＩ領域１１０４内の酸化物の一部分とともに）エッチングプロセスによって除去される。酸化および除去処理は、材料層１１０２が浮遊ゲートを形成するのに所望の形状まで薄くなるまで繰り返すことができる。
いくつかの実施形態では、材料層１１０２の所望の形状は、材料層１１０２の底部の第１の幅が材料層１１０２の頂部の第２の幅と実質上同等の形状とすることができる。さらに、所望の形状は、たとえば約５ナノメートル未満の材料層１１０２の最終の厚さを含むことができる（しかし、他の厚さ、たとえば約１〜約２０ｎｍまたは約１〜約１０ｎｍも企図される）。周期的な酸化および除去のプロセスは、下にあるトンネル酸化物層１０４の望ましくない酸化による厚膜化を引き起こすことなく、材料層１１０２を薄くして浮遊ゲートの所望の形状にすることが有利である。本発明者らは、ＳＴＩ領域１１０４内に存在する酸化物が障壁として作用し、酸化プロセスがトンネル酸化物層１０４に到達するのを防止することを発見した。図１０Ｄに示すように、薄くした材料層１１０２上にＩＰＤ層１１０８および導電層１１１０を堆積させて、完成したメモリデバイス１１００を形成することができる。ＩＰＤ層１１０８と制御ゲート層１１００はそれぞれ、上記で論じたように、ＩＰＤ層および制御ゲート層に適した任意の材料または材料の組合せを含むことができる。
いくつかの実施形態では、周期的な酸化および除去のプロセスを利用して、リソグラフィ技法によってアクセス可能な寸法より小さい限界寸法に構造を形成することができる。たとえば、図１１Ａ〜Ｃは、周期的な酸化および除去のプロセスを利用して、リソグラフィでパターニングされた構造１２００をサブリソグラフィ限界寸法までトリミングする段階を示す。構造１２００は、たとえば、ＦｉｎＦＥＴなどの部分的に製造された論理デバイス、または部分的に製造されたハードマスク構造とすることができる。
構造１２００は、基板１２０４上に堆積させた材料層１２０２を含む。材料層１２０２は、図１１Ａに示すように、基板１２０４の上面１２０３の１つまたは複数の部分が露出したままになるように堆積させることができる。材料層１２０２上に、マスク層１２０６を堆積させることができる。マスク層１２０６は、たとえば、材料層１２０２をリソグラフィで画定される限界寸法にパターニングするために使用されたものとすることができる。
基板１２０４は、上記で論じたような任意の適した基板とすることができる。いくつかの実施形態では、たとえば論理デバイスの製造では、基板１２０４は、ケイ素（Ｓｉ）または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含むことができる。いくつかの実施形態では、たとえばハードマスク構造の製造では、基板１２０４は、ハードマスクによってパターニングすべきケイ素を含まない層１２１０上に堆積させた層１２０８（図１１Ａ〜Ｃに点線で示す）を含むことができる。層１２０８は、Ｓｉを含まない層１２１０をエッチングするときに第２のハードマスクとして機能することができる。層１２０８は、低い温度で堆積させた二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、もしくは他の材料、またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の製造中に形成されて埋設された酸化物の１つまたは複数を含むことができる。ケイ素を含まない層１２１０は、タングステン（Ｗ）、窒化チタン（ＴｉＮ）などの１つまたは複数などの金属、ならびに／あるいはＳｉＯ２、高誘電率の２元酸化物、３元酸化物、相変化材料（酸化ニッケル、テルル化ゲルマニウムアンチモンなど）、ならびに／または第ＩＶ族材料（たとえば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ）および／もしくは第ＩＩＩ−Ｖ材料（たとえば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰなど）の交替チャネル材料などの誘電体材料、ならびに／あるいは有機物（たとえば、ペンタセン、フラーレンなど）を含むことができる。一部の材料は、摂氏約１００度を上回る温度で劣化することがあるが、デバイス性能を向上させるように本発明の方法によってアクセス可能になるサブリソグラフィパターニングからの利益を得ることができる。
マスク層１２０６は、ハードマスクまたはフォトレジスト層などの任意の適したマスク層とすることができる。マスク層１２０６は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ケイ化チタン（ＴｉＳｉ）、ケイ化ニッケル（ＮｉＳｉ）などのケイ化物、ならびに、ケイ酸アルミニウム（ＡｌＳｉＯ）、ケイ酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ）、ケイ酸ハフニウム（ＨｆＳｉＯ）などのケイ酸塩の少なくとも１つを含むことができる。
上記で論じた周期的な酸化および除去のプロセスを既存の構造１２００に適用して、リソグラフィでパターニングされた材料層１２０２をサブリソグラフィ限界寸法までトリミングすることができる。図１１Ａに示すように、材料層１２０２の側壁１２１２、およびいくつかの実施形態では基板１２０４の露出した上面１２０３を、上記で論じた初期酸化速度で酸化させて、酸化物層１２１４を形成することができる。この酸化プロセスは、第１の期間後に初期酸化速度が上記で論じた初期速度のある割合を下回ると終了させることができる。
酸化物層１２１４は、図１１Ｃに示すように、エッチングプロセスを使用して除去され、このエッチングプロセスは、上記で論じたように、酸化プロセスと同じチャンバ内で実行される任意の適したエッチングプロセスとすることができる。酸化および除去処理は、材料層１２０２を、たとえば所望のサブリソグラフィ寸法を有する所望の形状に形成するのに必要なだけ繰り返すことができる。基板１２０４（または酸化物層１２０８）が酸化および／またはエッチングプロセスによって少なくとも部分的に消費されるいくつかの実施形態では、周期的な酸化およびエッチングのプロセスが完了すると、周期的な処理によって形成された基板１２０４の上昇部分１２１６上に材料層１２０２を配置することができる。上昇部分１２１６の幅は、材料層１２０２の底部近傍の第１の幅および材料層１２０２の頂部近傍の第２の幅と実質上同等にすることができる。いくつかの実施形態では、トリミングされた材料層１２０２の第１の幅および第２の幅は、約１〜約３０ナノメートルとすることができる。いくつかの実施形態では、トリミングされた材料層１２０２（たとえば、所望の形状の材料層）のアスペクト比は、約０．５〜約２０である。いくつかの実施形態では、トリミングされた材料層１２０２の高さは、約１〜約３０ナノメートルである。別法として、いくつかの実施形態では、基板は、周期的な処理によって実質上消費されないことがあり、上昇部分１２１６は存在しないことがある。たとえば、エッチングプロセスが層１２０８の材料に対して選択的である場合、たとえばいくつかの実施形態でＳｉＯ２はエッチングするが、ＳｉＮを含む層１２０８はエッチングできない場合、この上昇部分をなくすことができる。
周期的な酸化および除去のプロセスを使用して材料層１２０２をトリミングした後の構造１２００をさらに処理することができる。たとえば、材料層１２０２は、ＦｉｎＦＥＴデバイス内のフィンとして利用することができ、ゲート層およびソース／ドレイン領域を堆積させることができる。別法として、トリミングされた材料層１２０２自体を利用して、基板１２０４から形成すべきハードマスクの限界寸法を画定することができる。さらに、本発明の方法を利用して、リソグラフィおよびフィンエッチングによって生じるラインエッジ粗さおよび表面粗さを低減できることが有利である。ＦｉｎＦＥＴチャネル形状および側壁表面上の粗さおよび変動を低減させることで、ノイズおよび変動性を低減させることによってデバイスおよびシステム性能を改善することができる。
上述した個々の方法の部分および／または全体は、Ｔを逆さにした形状の浮遊ゲートを有するメモリデバイスを形成するために、適宜区別なく使用できることがさらに企図される。たとえば、部分的に製造されたメモリデバイス７００（図６に関して論じた）の材料層７０２上に窒化物層（図４に関して論じた）を堆積させて、トンネル酸化物層が厚くなるのをさらに制限することができる。本明細書に開示する方法の他の組合せおよび変更も同様に、本発明の範囲内である。
たとえば酸化およびエッチングプロセスなどの本明細書に記載する方法は、上記で論じた処理を実行するのに必要なそれぞれのプロセスガス、プラズマなどを提供するように構成された単一の基板処理チャンバ内で実行される。
したがって、本発明の方法は、酸化、エッチング、および任意選択で窒化処理を実行するように構成された単一の反応器またはチャンバ内で実行される。処理チャンバは、紫外（ＵＶ）、オゾン、熱、プラズマベースの酸化、または他のラジカルベースの酸化方式（たとえば、ホットワイヤ）の１つまたは複数を含む酸化プロセスを実行するように構成することができる。したがって、チャンバにガス源を結合して、酸化プロセスのための１つまたは複数の酸素含有ガスを提供することができる。処理チャンバは、上記で論じたように、プラズマエッチングまたは凝固および昇華を含む２段階エッチングの１つまたは複数を含むエッチングプロセスを実行するようにさらに構成することができる。２段階エッチングプロセスは、プラズマを用いて活性化することができ、またはプラズマを提供しないで熱活性化することができる。処理チャンバは、２段階エッチングプロセスを容易にするために、基板の温度を急速に制御する熱制御システムをさらに備える。たとえば、処理チャンバは、基板を周期的に加熱および冷却する周期的な加熱（および冷却）能力を含むことができる。そのような加熱能力は、フラッシュエネルギーベースのシステム（ランプ、レーザなど）、チャンバ内の少なくとも２つの所定の基板処理ゾーン間に大きな熱勾配を提供する熱源（それぞれの処理ゾーン内に基板を位置決めすることによって、凝固に適した低い基板温度および昇華に適した高い基板温度を選択的に維持するのに適したものなど）、またはエッチングガスの遠隔プラズマ活性化のための遠隔プラズマ源とプラズマによって引き起こされた加熱を提供する直接プラズマ源との組合せを使用することを含むことができる。基板支持体は、所定の処理ゾーン内で基板を支持するように可動式とすることができ、処理の加熱部分中には基板を支持表面から選択的に上昇させ、処理の冷却部分中には基板を基板支持体表面へ戻すために、リフトピンまたは他の基板持上げ機構をさらに含むことができる。基板支持体はまた、基板支持体を所定の温度（エッチングプロセスのための凝固温度付近など）で維持するために、冷却（または温度制御）システムを有することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、熱制御システムは、基板温度を摂氏約３０度（凝固を容易にする）から少なくとも摂氏約１００度（昇華を容易にする）まで急速（たとえば、約１秒未満、または最高約１０秒、もしくは最高約１００秒）に変化させるのに適している。
たとえば、そのような構成を有する処理チャンバ１３００の概略図を図１２に示す。処理チャンバ１３００は、基板１３０３を上に支持するように中に配置された基板支持体１３０２を含む。チャンバ１３００にガス源１３０４が結合され、酸素含有ガス、エッチングガス、および任意選択で不活性ガス、ならびに／または窒素含有ガス（たとえば、上記で論じたガスのいずれか）を提供する。処理チャンバにプラズマ源１３０６が結合され、ガス源によって提供されたガスにエネルギーを提供して酸化プラズマまたはエッチングプラズマ、および任意選択で窒化プラズマの少なくとも１つを形成することができる。処理チャンバに加熱源１３０８が結合され、基板を選択的に加熱し、任意選択で、ガス源のガスにエネルギーを提供して酸化またはエッチング反応の少なくとも１つを形成する。処理チャンバ１３００にコントローラ１３１０が結合され、処理チャンバ１３００の動作および構成要素を制御する。ガス源１３０４は、複数のガス源を有するガスパネルなどの任意の適したガス源とすることができる。ガス源１３０４は、酸素含有ガスおよびエッチングガスを提供してそれぞれ酸化プラズマ、エッチングプラズマ、酸化反応、またはエッチング反応の１つまたは複数を形成するように最小に構成される。任意選択で、ガス源１３０４はまた、１つまたは複数の不活性ガスおよび／または窒素含有ガスを提供して、窒化プラズマを形成することができる。
プラズマ源１３０６は、遠隔プラズマ源、誘導結合源、容量結合源、オーバーヘッド電極（図示せず）に結合された第１の源、および基板支持体に結合された第２の源（図示せず）などの任意の適した１つもしくは複数のプラズマ源、またはプラズマを形成する任意の他のプラズマ源構成とすることができる。いくつかの実施形態では、プラズマ源１３０６は、ガス源１３０４のガスにエネルギーを提供して酸化プラズマ、エッチングプラズマ、および任意選択で窒化プラズマを形成するように構成される。いくつかの実施形態では、プラズマ源は、ウエハに熱を供給して、エッチング中に反応生成物を昇華させることができる。
加熱源１３０８は、基板を加熱し、かつ／またはガス源１３０４によって提供されたガスから酸化もしくはエッチング反応を形成するのに適した任意の加熱源とすることができる。たとえば、加熱源は、基板またはガス源によって提供されたガスを加熱するように構成された１つまたは複数のランプを含むことができる。別法として、または組み合わせて、加熱源は、抵抗加熱器などの加熱器を含むことができ、この加熱器はたとえば、基板支持体１３０２内、または処理チャンバにプロセスガスを提供するガスシャワーヘッド内に配置することができる。
動作の際には、システムコントローラ１３１０は、ガス源１３０４、プラズマ源１３０６、および加熱源１３０８などのそれぞれのシステムからのデータ収集およびフィードバックを可能にし、器具１３００の性能を最適化する。システムコントローラ１３１０は通常、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、および支持回路を含む。ＣＰＵは、産業用の設定で使用できる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサの１つとすることができる。従来、支持回路はＣＰＵに結合されており、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを含むことができる。上述した浮遊ゲートを形成する方法を実行するものなどのソフトウェアルーチンが、ＣＰＵによって実行されると、ＣＰＵを専用コンピュータ（コントローラ）１３１０に変換する。ソフトウェアルーチンはまた、器具１３００から遠隔に位置する第２のコントローラ（図示せず）によって記憶および／または実行することができる。１つまたは複数の実施形態によって上述した処理を実行する特定の単一チャンバ装置について、次に説明する。
図１３〜１５は、修正されたプラズマ処理チャンバの実施形態を説明している。本発明の実施形態は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．または他の場所から入手可能で、図１３Ａを参照して後述する結合解除されたプラズマ酸化（ＤＰＯ）反応器など、適した装備を備えたプラズマ反応器内で実施することができる。遠隔プラズマ酸化（ＲＰＯ）反応器、またはＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＰ３Ｉなどの環状源のプラズマ浸漬イオン注入反応器を含む、他の適したプラズマ反応器を利用することもできる。これらの反応器については、それぞれ図１４および１５を参照して後述する。たとえば、図１３Ａは、本発明の実施形態による周期的な酸化物形成および除去処理を実施するのに適した例示的なプラズマ反応器１４００を示す。反応器１４００は、パルスまたは連続波（ＣＷ）ＲＦ電力生成器によって駆動される誘導結合されたプラズマ源電力アプリケータを介して、イオンエネルギーの低いプラズマを提供することができる。反応器は、円筒形の側壁１４１２と、ドーム状（図面に示す）、平坦、または他の形状寸法とすることができる天井１４１４とを有するチャンバ１４１０を含む。プラズマ源電力アプリケータはコイルアンテナ１４１６を備え、コイルアンテナ１４１６は、天井１４１４上に配置され、インピーダンス整合ネットワーク１４１８を介してＲＦ電源に結合される。ＲＦ電源は、ＲＦ電力生成器１４２０と、選択されたデューティーサイクルを有するパルス信号によって制御される生成器１４２０の出力部にあるゲート１４２２とからなる。ＲＦ電力生成器１４２０は、約５０ワット〜約２５００ワットの電力を提供するように構成される。遠隔ＲＦまたはマイクロ波プラズマ源など、低いイオンエネルギーをもたらす他のプラズマ源電力アプリケータも同様に利用できることが企図される。別法として、電力生成器は、パルス直流生成器とすることができる。
反応器１４００は、基板１４２６、たとえば２００または３００ｍｍの半導体ウエハなどを保持する静電チャックまたは他の適した基板支持体などの基板支持ペデスタル１４２４をさらに含む。基板支持ペデスタル１４２４は通常、基板支持ペデスタル１４２４の頂面の下に加熱器１４３４などの加熱装置を含む。加熱器１４３４は、図１３Ａに示すように、放射状に内側の加熱要素１４３４Ａおよび外側の加熱要素１４３４Ｂを有するデュアル放射状ゾーン加熱器など、単一または複数のゾーン加熱器とすることができる。
反応器１４００は、チャンバの内部に結合されたガス射出システム１４２８および真空ポンプ１４３０をさらに含む。ガス射出システム１４２８は、１つまたは複数のプロセスガス源、たとえばＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、およびＨ２Ｏ２を含む酸化ガスを供給する酸化ガスコンテナ（複数可）１４３２、水素などの還元ガスを供給する還元ガスコンテナ（複数可）１４４２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＳＦ６、ＮＨ３、ＮＦ３、Ｈｅ、Ａｒなどのエッチングガスを供給するエッチングガスコンテナ（複数可）１４４８、または特定の用途に必要な他のプロセスガス源、たとえばＨｅ、Ａｒなどのガス、もしくはＮ２などの窒化ガスに供給される。ガス源（たとえば、酸化ガスコンテナ（複数可）１４３２、還元ガスコンテナ（複数可）１４４２、エッチングガスコンテナ１４４８など）にそれぞれ結合された流量制御バルブ１４４６、１４４４、および１４４９を利用して、処理中にプロセスガスまたはプロセスガス混合物をチャンバの内部に選択的に提供することができる。不活性ガス（ヘリウム、アルゴンなど）、ガス混合物などの追加のガスを提供する他のガス源（図示せず）を設けることもできる。チャンバ圧力は、真空ポンプ１４３０のスロットルバルブ１４３８によって制御することができる。
ゲート１４２２で出力されるパルスＲＦ電力のデューティーサイクルは、ゲート１４２２に出力部が結合されたパルス生成器１４３６のデューティーサイクルを制御することによって制御することができる。コイルアンテナ１４１６によって取り囲まれた天井１４１４下の体積に対応するイオン生成領域１４４０内で、プラズマが生成される。このプラズマは、チャンバ１４１０の上部領域内で基板から距離を空けて形成されるため、疑似遠隔プラズマと呼ばれる（たとえば、プラズマは、遠隔プラズマ形成の利益を有するが、基板１４２６と同じ処理チャンバ１４１０内で形成される。）別法として、遠隔プラズマを利用することができ、その場合、イオン生成領域１４４０をチャンバ１４１０の外側に配置することができる。
動作の際には、プラズマ反応器１４００を用いて、上述した酸化物層に対して本発明の実施形態による酸化プロセスを実施することができる。たとえば、プラズマ処理チャンバ１４００内でプロセスガスからプラズマを生成して、酸化物層を形成することができる。プラズマは、チャンバ１４１０のイオン生成領域１４４０内で、天井１４１４の上に配置されたコイルアンテナ１４１６からのＲＦエネルギーの誘導結合を介して形成され、低いイオンエネルギー（たとえば、パルスプラズマの場合は約５ｅＶ未満、またＣＷプラズマの場合は１５ｅＶ未満）を提供する。
いくつかの実施形態では、プラズマを形成するのに適した周波数（たとえば、ＭＨｚもしくはＧＨｚの範囲内、または約１３．５６ＭＨｚ以上）で、約２５〜５０００ワットの電力をコイルアンテナ１４１６に提供することができる。この電力は、約２〜７０パーセントのデューティーサイクルで、連続波またはパルスモードとして提供することができる。
たとえば、いくつかの実施形態では、連続する「オン」時間中にプラズマを生成することができ、連続する「オフ」間隔中にプラズマのイオンエネルギーを減衰させることができる。「オフ」間隔は連続する「オン」間隔を分離し、「オン」および「オフ」間隔が制御可能なデューティーサイクルを画定する。デューティーサイクルは、基板の表面の運動イオンエネルギーを所定の閾値エネルギー未満に制限する。いくつかの実施形態では、所定の閾値エネルギーは、約５ｅＶ以下である。
たとえば、パルスＲＦ電力の「オン」時間中はプラズマエネルギーが増大し、「オフ」時間中は低減する。短い「オン」時間中、コイルアンテナ１４１６によって密閉された体積にほぼ対応するイオン生成領域１４４０内でプラズマが生成される。イオン生成領域１４４０は、基板１４２６の上に著しい距離ＬＤだけ上昇する。「オン」時間中にイオン生成領域１４４０において天井１４１４付近で生成されるプラズマは、「オフ」時間中に平均速度ＶＤで基板１４２６の方へ漂流する。各「オフ」時間中、最も速い電子がチャンバ壁へ拡散し、プラズマを冷却させる。最も活発な電子は、プラズマイオン漂流速度ＶＤよりはるかに速い速度でチャンバ壁へ拡散する。したがって、「オフ」時間中にプラズマイオンエネルギーが著しく低減してから、イオンは基板１４２６に到達する。次の「オン」時間中、イオン生成領域１４４０内でさらなるプラズマが生じ、サイクル全体が繰返し行われる。その結果、基板１４２６に到達するプラズマイオンのエネルギーは著しく低減される。チャンバ圧力のより低い範囲、すなわち約１０ｍＴ以下では、パルスＲＦの場合のプラズマエネルギーは、連続ＲＦの場合から大いに低減される。
パルスＲＦ電力波形の「オフ」時間、およびイオン生成領域１４４０と基板１４２６との距離ＬＤはどちらも、基板１４２６に到達したときにイオン衝撃による損傷または欠陥をほとんどまたはまったく引き起こさないように、イオン生成領域１４４０内で生成されたプラズマが十分な量のエネルギーを失うのに十分なものとしなければならない。具体的には、「オフ」時間は、約２〜３０ｋＨｚまたは約１０ｋＨｚのパルス周波数、および約５％〜２０％の「オン」デューティーサイクルによって画定される。したがって、いくつかの実施形態では、「オン」間隔は、約５〜５０マイクロ秒または約２０マイクロ秒続くことができ、「オフ」間隔は、約５０〜９５マイクロ秒または約８０マイクロ秒続くことができる。
生成されたプラズマは、低圧処理で形成することができ、それによって汚染が欠陥を引き起こす可能性を低減させる。たとえば、いくつかの実施形態では、チャンバ１４１０は、約１〜５００ミリトルの圧力で維持することができる。さらに、そのような低いチャンバ圧力レベルで予期されるはずのイオン衝撃が引き起こす欠陥は、疑似遠隔プラズマ源を使用することによって、また任意選択で上述したプラズマ源電力にパルスを発生させることによって制限または防止することができる。
基板は、ほぼ室温（摂氏約２２度）で、あるいは摂氏約２０〜７５０度、または摂氏約７００度未満もしくは摂氏約６００度未満の温度に維持することができる。いくつかの実施形態では、遠隔プラズマ酸化プロセスで摂氏約８００度未満などのより高い温度も同様に利用することができる。
図１３Ａのチャンバはまた、基板を冷却する手段を含む。この冷却手段は、ペデスタル１４２４の上に配置されたシャワーヘッド１４５０を含むことができる。シャワーヘッド１４５０は、チャネルまたは導管（図示せず）を介して冷却剤供給１４５２と連通する複数の開口１４５１を有する。冷却剤供給は、適したガス、たとえば窒素などの不活性ガス、またはヘリウム、ネオン、もしくはこれらの混合物などの伝導性のガスとすることができる。
冷却手段はまた、支持ペデスタル１４２４用の冷却システムを別個に、またはシャワーヘッドとともに含むことができる。図１３Ｂは、修正されたチャックを示し、チャックを少なくとも２０℃、たとえば２２℃、２５℃、３０℃、または周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行するのに適した任意の他の温度ほどの低さまで冷却するためのフィードバック冷却システム１４５４を有する。冷却システム１４５４は、フィードバック制御を必ずしも含む必要がないことが理解されるであろう。支持ペデスタル１４２４の温度を調節する従来の冷却システムを使用することができる。そのような従来のシステムは、従来の熱サイクルを使用して冷凍剤または冷却剤媒体を冷却し、別個の液体の熱伝達媒体を介して冷却剤と支持ペデスタルとの間で熱を伝達する冷凍システムを用いる。冷却剤は、脱イオン水とグリコールおよび（または）パーフルオロポリエーテルなどの他の物質との混合物とすることができる。
図１３Ｂに示すシステムでは、温度フィードバック制御システム１４５４は、米国特許出願公開第２００７／００９７５８０号に示されているタイプのものであり、フィードバック制御ループプロセッサ１４５５が裏側ガス圧力バルブ１４５６を管理する。
ウエハ温度は、膨張バルブ１４６８とバイパスバルブ１４７０のいずれか（または両方）を管理する温度フィードバック制御ループを使用して、基板１４２６上で所与のＲＦ熱負荷下において所望の温度で制御または維持することができるが、最も簡単な実装形態では膨張バルブ１４６８のみを制御する。
ウエハ１４２６と冷却された支持ペデスタル１４２４との間の熱伝導性は、ウエハ１４２６の裏側と支持ペデスタル１４２４の頂面との間の境界面内へ熱伝導性のガス（ヘリウムなど）を圧力下で射出することによって高められる。この目的のため、支持ペデスタルの頂面内にガスチャネル１４８６が形成され、裏側ガス圧力バルブ１４５６を通ってチャネル１４８６の内部に加圧ヘリウム供給１４８８が結合される。ウエハ１４２６は、クランプ電圧源１４９０によってグリッド電極１４８２へ印加される直流クランプ電圧によって頂面上へ静電気によって締め付けられている。ウエハ１４２６と支持ペデスタル１４２４との間の熱伝導性は、クランプ電圧およびウエハ裏側上の熱伝導性のガス（ヘリウム）の圧力で決まる。ウエハ温度の制御は、ウエハ温度を所望のレベルに調整するように裏側ガス圧力を変動させること（バルブ１４５６を制御することによる）によって実施される。裏側ガス圧力が変化すると、ウエハと支持ペデスタル１４２４との間の熱伝導性が変化し、それによって（ａ）グリッド電極１４８２に印加されたまたはプラズマに結合されたＲＦ電力からウエハ１４２６によって吸収される熱と、（ｂ）ウエハから冷却された支持ペデスタルへ引き込まれる熱との間のバランスを変化させる。このバランスを変化させることで、必然的にウエハ温度を変化させる。したがって、ウエハ温度の敏捷なまたは非常に応答性に優れた制御のために、裏側ガス圧力を管理するフィードバック制御ループを用いることができる。実際の温度は温度プローブで感知され、温度プローブは、温度プローブ１４５７、第２の温度プローブ１４５８、蒸発器入り口１４６３の温度プローブ１４５９もしくは蒸発器出口１４６４の温度プローブ１４６０、またはこれらのプローブのいずれかもしくはすべての組合せとすることができる。この目的のため、フィードバック制御ループプロセッサ１４７２が、温度プローブの１つまたは複数からの１つまたは複数の入力に応答して、膨張バルブ１４６８のオリフィス開口寸法を管理する。プロセッサ１４７２には、ユーザが選択した所望の温度値が与えられ、この温度値は、メモリまたはユーザインターフェース１４７４内に記憶することができる。簡略化された説明として、連続する各処理サイクル中、プロセッサ１４７２は、プローブの少なくとも１つによって（たとえば、ＥＳＣ絶縁層内のプローブ１４５７によって）測定される現在の温度を、所望の温度値と比較する。次いでプロセッサ１４７２は、所望の温度値と測定された温度値との差として誤差値を算出し、この誤差から、誤差を低減させる可能性が高いバイパスバルブ１４７０または膨張バルブ１４６８のオリフィス寸法に対する補正を判定する。次いでプロセッサ１４７２は、この補正に応じてバルブオリフィス寸法を変化させる。このサイクルは、基板温度を制御する基板処理の持続時間全体にわたって繰り返される。
プロセッサ１４５５の入力には、支持ペデスタル内の１つ（または複数）の温度センサ１４５７、１４５８、１４５９、または１４６０を接続することができる。ユーザインターフェースまたはメモリ１４６１が、ユーザが選択した温度または所望の温度をプロセッサ１４５５に提供することができる。連続する各処理サイクル中、プロセッサ１４５５は、現在の温度測定（センサ１４５７、１４５８、１４５９の１つから）と所望の温度との差として誤差信号を算出する。プロセッサ１４５５は、その差から、温度誤差を低減させる傾向があるはずの裏側ガス圧力バルブの現在の設定に対する補正を判定し、その補正に応じてバルブ開口を変化させる。たとえば、基板温度が所望の温度を上回っている場合、裏側ガス圧力を増大させて、冷却された支持ペデスタル１４２４に対する熱伝導性を増大させ、基板温度を下げる必要があるはずである。基板温度が所望の温度を下回っている場合、その逆が当てはまる。したがって基板温度は、下限が支持ペデスタル１４２４の冷却温度に対応し、上限が基板上のＲＦ熱負荷で決まる温度範囲内で、実質上即座に新しい温度に制御および設定することができる。たとえば、基板温度は、ＲＦ熱負荷がなければ増大させることはできず、また支持ペデスタル１４２４の温度を下回って冷却することはできない。この温度範囲が十分である場合、任意の従来の技法を使用して、敏捷な温度フィードバック制御ループが裏側ガス圧力を容易に管理するのに所望の冷却温度で支持ペデスタル１４２４を維持することができる。
支持ペデスタル１４２４は、冷却媒体に対する通路を冷却する形態の熱交換器１４６２を含む。冷却媒体は、任意の適した冷却流体、たとえばヘリウムもしくは窒素などの冷却ガス、または上述したタイプの流体とすることができる。通路を冷却する熱交換器１４６２は、入り口１４６３および出口１４６４を含む。熱交換器１４６２は、支持ペデスタル１４２４とともに内部に収容される。フィードバック制御システム１４５４は、２つのモード、すなわち冷却モード（熱交換器１４６２が蒸発器として機能する）および加熱モード（熱交換器１４６２がコンデンサとして機能する）のいずれかで動作することができる。フィードバック制御システム１４５４の残りの要素は、支持ペデスタル１４２４の外部にあり、蓄積器１４６５と、圧縮器１４６６（ループを流れる冷却媒体を汲み上げる）と、（冷却動作モード用の）コンデンサ１４６７および可変オリフィス寸法を有する膨張バルブ１４６８とを含む。フィードバック制御システム１４５４（すなわち、熱交換器１４６２、蓄積器１４６５、圧縮器１４６６、コンデンサ１４６７、膨張バルブ１４６８、およびこれらをともに結合する導管）は、従来のタイプの冷却媒体（システムが冷却モードで動作するときに冷凍剤または冷却剤として機能する）を収容し、反応器のＲＦ特性との干渉を回避するために低い導電性を有することができる。蓄積器１４６５は、液体を貯蔵することによって、あらゆる液状の冷却媒体が圧縮器１４６６に到達するのを防止する。この液体は、バイパスバルブ１４６９を適当に動作させることによって、蒸気に変換される。
処理中の熱ドリフトの問題を克服するには、熱交換器内部の冷却媒体が液相と気相とに分割されるようにフィードバック制御システム１４５４、１４６２、１４６５、１４６６、１４６７、１４６８を動作させることによって、フィードバック制御システム１４５４の効率が１０倍以上増大される。入り口１４６３の気液比は、出口１４６４でのこの比を低減させるのに十分なほど高い。これにより、冷却媒体の蒸発の潜熱に寄与することを通じて、支持ペデスタル１４２４と熱交換器（蒸発器）１４６２内の冷却媒体（冷却剤）との間ですべて（またはほぼすべて）の熱伝達が行われることを保証する。その結果、フィードバック制御システム１４５４内の熱流は、単相の冷却サイクル内の熱流を１０倍超過する。この条件は、少なくとも非常にわずかな量の液体しか出口１４６４（またはその直前）に残らないように、入り口１４６３から出口１４６４への冷却媒体の気液比の低減を十分に制限することによって満足させることができる。冷却モードでは、このため、基板上のＲＦ熱負荷がフィードバック制御システム１４５４の冷却剤の容量を超過しないことが必要である。
裏側ガス圧力バルブ１４５６を管理する温度フィードバック制御ループ１４５４と冷凍膨張バルブ１４６８を管理する広範囲温度フィードバック制御ループは、両フィードバック制御ループプロセッサ１４７２、１４５５を制御するマスタプロセッサ１４７６の制御下で、協調する組合せで同時に動作させることができる。
フィードバック制御ループは、蒸発器１４６２、圧縮器１４６６、コンデンサ１４６７、および膨張バルブ１４６８を含み、支持ペデスタル１４２４の温度を変化させることによって加工物温度を制御する。温度範囲は、フィードバック制御システム１４５４の熱容量のみによって制限され、したがって加工物温度を非常に広い範囲（たとえば、−１０℃〜＋１５０℃）内の任意の温度に設定することができる。しかし、特定の瞬間に加工物温度の所望の変化をもたらすことができる速度は、支持ペデスタルの熱質量によって制限される。この速度は非常に遅く、したがって、たとえば３００ｍｍの加工物またはシリコンウエハを支持する静電チャックの場合、加工物温度が１０℃変化するには、冷凍ユニットが新しい温度を満たすために冷却剤の熱条件を変化させ始める時間から、加工物温度が新しい温度に最終的に到達するまで、１分程度以上を必要とする可能性がある。
対照的に、加工物温度の所望の変化または補正を加える際、温度フィードバック制御システム１４５４は、支持ペデスタル温度を変化させるのではなく（少なくとも直接には変化させない）、加工物と支持ペデスタルとの間の熱伝導性だけを変化させる。加工物温度がそのような変化に応答する速度は、裏側ガス圧力を変化させることができる速度および加工物の熱質量のみによって制限されるため、極めて速い。裏側ガス圧力は、典型的なシステムでは、わずか数分の１秒内でバルブ１４５６の動きに応答する。典型的な３００ｍｍのシリコンウエハの場合、熱質量は非常に低く、したがってウエハ（加工物）温度は、数秒または数分の１秒内で裏側ガス圧力の変化に応答する。したがって、広範囲温度制御ループが加工物温度の変化をもたらす時間スケールに関して、温度フィードバックループの加工物温度応答は比較的瞬時である。しかし、敏捷なフィードバックループが加工物温度を変化させることができる範囲は極めて制限されており、達成しうる最も高い加工物温度は、ウエハ上のＲＦ熱負荷によって制限され、最も低い温度は、支持ペデスタルの現在の温度を下回ることができない。しかし、敏捷な温度制御ループと広範囲の温度制御ループとをともに組み合わせた際、この組合せが広い加工物温度範囲および非常に速い応答を提供するため、それぞれの利点により他方の制限を補償する。
マスタプロセッサ１４７６は、広範囲フィードバック制御ループ（プロセッサ１４７２）を使用すると大きい温度変化をもたらすように、また敏捷なフィードバック制御ループ（プロセッサ１４７２）を使用すると迅速であるがより小さい温度変化をもたらすようにプログラムすることができる。ＲＦバイアス生成器１４７８が、ＨＦ帯域（たとえば、１３．５６ＭＨｚ）内の電力をもたらす。ＲＦバイアス生成器１４７８のＲＦバイアスインピーダンス整合要素１４８０は、加工物ペデスタル支持体を貫通する細長い導体またはＲＦ導体によって導電メッシュ１４８２に結合される。
上記で論じたように、本発明の実施形態は、図１３Ａおよび１３Ｂに関して上述した結合解除されたプラズマ酸化チャンバとは異なるチャンバ内で実行することができる。周期的な酸化およびエッチングに適した２つの追加の例示的なプラズマ反応器は、図１４に示す修正された急速および／または遠隔プラズマ酸化（ＲＰＯ）反応器、ならびに図１５に示すＰ３Ｉなどの修正された環状源のプラズマ浸漬イオン注入反応器を含む。これらの反応器はそれぞれ、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。
図１４は、プロセスガスからプラズマを形成するために使用され、半導体構造上に酸化物層を堆積させるために利用される装置またはシステムの一実施形態を示す。この装置またはシステムは、それだけに限定されるものではないが、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．のＨＯＮＥＹＣＯＭＢ ＳＯＵＲＣＥ（商標）を有するＲＴＰ ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）など、急速熱処理（ＲＴＰ）装置１５００を含む。そのような適したＲＴＰ装置およびその動作方法は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，１５５，３３６号に述べられている。ＲＴＰ装置の代わりに、たとえばＥｐｉまたはＰｏｌｙ ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）などの他のタイプの熱反応器を使用することもできる。エピタキシャルシリコン、ポリシリコン、酸化物、および窒化物などの高温膜を形成するには、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓによる単一ウエハの「Ｃｏｌｄ Ｗａｌｌ」反応器を使用することができる。Ａｐｐｌｉｅｄ ＭａｔｅｒｉａｌｓによるＤｘＺ（登録商標）チャンバも適している。
ＲＴＰ装置１５００にはプラズマアプリケータ１５０２が結合されており、このプラズマアプリケータ１５０は、動作の際にはＲＴＰ装置１５００にプラズマのラジカルを提供する。プラズマアプリケータ１５０２にはエネルギー源１５０４が結合されており、プラズマを生じさせるための励起エネルギーを生成する。
図１４に示す実施形態では、ＲＴＰ装置１５００は、側壁１５０８および底壁１５１０によって密閉された処理チャンバ１５０６を含む。チャンバ１５０６の側壁１５０８の上部は、「Ｏ」リングによって窓アセンブリ１５１２に密閉される。窓アセンブリ１５１２の上には放射エネルギー光導波管アセンブリまたは照明器１５１４が位置決めされ、窓アセンブリ１５１２に結合される。光導波管アセンブリ１５１４は、複数のタングステンハロゲンランプ１５１６、たとえばＳｙｌｖａｎｉａ ＥＹＴランプを含み、これらのランプはそれぞれ、たとえば光導波管１５１８内に取り付けられている。光導波管１５１８は、ステンレス鋼、真鍮、アルミニウム、または他の金属から作ることができる。
チャンバ１５０６内部のエッジ上には、通常は炭化ケイ素から作られる支持リング１５２２によって、ウエハまたは基板１５２０が支持される。支持リング１５２２は、回転可能な石英の円筒１５２４上に取り付けられる。石英の円筒１５２４を回転させることによって、処理中に支持リング１５２２およびウエハまたは基板１５２０を回転させる。追加の炭化ケイ素アダプタリングを使用して、異なる直径のウエハまたは基板（たとえば、１５０ミリメートル、２００ミリメートル、または３００ミリメートルのウエハ）を処理することもできる。
ＲＴＰ装置１５２０の底壁１５１０は、たとえば、エネルギーをウエハまたは基板１５２０の裏側へ反射する金でコーティングされた頂面またはリフレクタ１５２６を含む。さらに、ＲＴＰ装置１５００は、ウエハまたは基板１５２０の温度を底面全体にわたって複数の位置で検出するようにＲＴＰ装置１５００の底壁１５１０を貫通して位置決めされた複数の光ファイバプローブ１５２８を含む。
ＲＴＰ装置１５２０は、チャンバ１５０６内へプロセスガスを射出してチャンバ１５０６内で様々な処理ステップを実施できるように側壁１５０８を貫通して形成されたガス入り口（図示せず）を含む。ガス入り口の反対側には、側壁１５０８内に、ガス出口（図示せず）が位置決めされる。ガス出口は、排気システムの一部であり、チャンバ１５０６からプロセスガスを排気してチャンバ１５０６内の圧力を低減させるようにポンプ（図示せず）などの真空源に結合される。プラズマのラジカルを含むプロセスガスが処理中にチャンバ１５０６内へ絶えず供給されている間、排気システムは所望の圧力を維持する。
側壁１５０８を貫通して別のガス入り口１５３０が形成され、このガス入り口１５３０を通して、プロセスガスのプラズマを処理チャンバ内へ射出することができる。ガス入り口１５３０にはアプリケータ１５０２が結合されており、処理チャンバ内へプラズマのラジカルを射出する。
光導波管アセンブリ１５１４は、六角形のアレイまたは「ハニカム」形状に位置決めされたランプ１５１６を含むことができる。ランプ１５１６は、ウエハまたは基板１５２０および支持リング１５２２の表面積全体を十分に覆うように位置決めされる。ランプ１５１６は、ゾーンにグループ化されており、これらのゾーンは、ウエハまたは基板１５２０の極めて均一な加熱を実現するように独立して制御することができる。光導波管１５１８は、様々な光導波管間に水などの冷却剤を流すことによって冷却することができる。
窓アセンブリ１５１２は、複数の短い光導波管１５３２を含む。光導波管１５３２間の空間内へ水などの冷却剤を射出して、光導波管１５３２を冷却することができる。光導波管１５３２は、照明器の光導波管１５１８と位置合わせされる。チューブ１５４０を通じて汲み上げることによって、複数の光導波管１５３２内に真空をもたらすことができる。チューブ１５４０は光導波管１５３２の１つに接続されており、この光導波管は、残りの管に接続されている。
ＲＴＰ装置１５００は、摂氏２５〜１００度／秒の速度でウエハまたは基板１５２０の温度を傾斜させることが可能な単一ウエハの反応チャンバである。ＲＴＰ装置１５００は、たとえば酸化プロセス中のウエハまたは基板１５２０の温度がチャンバ側壁１５０８の温度より少なくとも摂氏４００度大きいため、「コールドウォール（ｃｏｌｄ ｗａｌｌ）」反応チャンバと呼ぶことができる。側壁１５０８および／または底壁１５１０内に加熱／冷却流体を循環させて、壁を所望の温度に維持することができる。
上述したように、ＲＴＰ装置１５００にはプラズマアプリケータ１５０２が結合されており、ＲＴＰ装置１５００にプラズマのラジカル源を提供する。一実施形態では、プラズマは入り口部材１５４２によってＲＴＰ装置１５００に接続される。プラズマアプリケータ１５０２はまた、ガス入り口１５４４を含む。ガス入り口１５４４には、リザーバまたはタンク１５４６などのガス源が結合される。プラズマアプリケータ１５０２は、導波管１５４８ａおよび１５４８ｂによってエネルギー源１５０４に結合される。ガス源は、酸化ガス、不活性ガス、窒化用の窒素ガス、およびエッチングガスの１つまたは複数を含むことができ、これらのガスは別個のタンクまたはリザーバ内に位置することができる。
図１４は、ＲＴＰ装置１５００のチャンバ１５０６の外側でプラズマが生成されるという点で、プラズマアプリケータ１５０２がＲＴＰ装置１５００から遠隔である一実施形態を示す。ＲＴＰ装置１５００のチャンバ１５０６から遠隔にプラズマアプリケータ１５０２を配置することによって、ウエハまたは基板１５２０に露出されるプラズマの組成を主にラジカルに制限するように、プラズマ源を選択的に生成することができる。したがって、プラズマアプリケータ１５０２内にイオン、ラジカル、および電子のプラズマが生成される。しかし、プラズマアプリケータ１５０２の寸法（たとえば、長さおよび体積）またはプラズマアプリケータ１５０２と入り口部材１５４２とを組み合わせた寸法のため、プラズマを形成するためにプロセスガスの励起によって生成されるイオンのすべてまたは大部分は、イオンの寿命より長く残り、電荷中性になる。したがって、ＲＴＰ装置１５００のガス入り口へ供給されるプラズマの組成は主にラジカルである。
プラズマアプリケータ１５０２は、たとえばアルミニウムまたはステンレスの本体１５０３を含む。本体１５０３は、チューブ１５０５を取り囲む。チューブ１５０５は、たとえば石英またはサファイアから作られる。チューブ１５０５には、荷電粒子、たとえばイオンを引き付けうるいかなる電気バイアスも存在しないことが好ましい。本体１５０３の一端は、ガス入り口１５４４を含む。
ガス入り口１５４４には、ガス源１５４６が結合される。ガス源１５４６は、３路バルブ１５５０の第１の入力を通ってガス入り口１５４４に結合される。３路バルブ１５５０の第２の入力は、リザーバまたはタンク１５５２などの別のプロセスガス源に結合される。第１の位置では、バルブ１５５０は、ガス源１５４６とガス入り口１５４４との間にガス流を実現しながら、ガス源１５５２から処理チャンバ１５０６へのいかなるガス流も防止する。バルブ１５５０は、第２の位置では、ガス源１５５２と処理チャンバ１５０６との間にガス流を実現しながら、ガス源１５４６からアプリケータのガス入り口１５４４へのガス流を防止する。これらのガス源は、酸化ガス、不活性ガス、窒化用の窒素ガス、およびエッチングガスの１つまたは複数を含むことができ、これらのガスは別個のタンクまたはリザーバ内に位置することができる。
バルブ１５５０には流量コントローラ１５５４が接続されており、どの処理を実施するかに応じて、異なる位置間でバルブを切り換える。流量コントローラは、質量流量コントローラとして機能することができ、プラズマアプリケータ１５０２へのガスの流れを調節するようにガス源１５４６とガス入り口１５４４との間に結合することができる。流量コントローラ１５５４はまた同様に、バルブ１５５０および１５５１を制御してガス源１５４６または１５５２から処理チャンバへ適当なプロセスガス流を提供するように機能する。
ガス入り口１５４４の反対側には、ラジカル出口１５６２が位置決めされている。ラジカル出口１５６２は、入り口部材１５４２に結合されており、一実施形態ではプラズマ１５６４のラジカルをＲＴＰ装置１５００のチャンバ１５０６へ供給する。ラジカル出口１５６２は通常、ガス入り口１５４４より大きい直径を有し、励起されたラジカルを所望の流量で効率的に放出でき、ラジカルとチューブ１５０５との間の接触を最小にする。プラズマアプリケータ１５０２によって生成および放出されるラジカルの流量は主に、ガス源入り口の流量、チューブ１５０５およびラジカル出口１５６２の寸法、ならびにプラズマアプリケータ１５０２内の圧力で決まる。
処理チャンバ内の圧力は、アプリケータ内の圧力未満とするべきである。処理チャンバ内の圧力は約０．５０〜４．０トルとすることができ、アプリケータ内の圧力は約１．０〜８．０トルとすることができる。たとえば、アプリケータ内の圧力が約２．００トルである場合、処理チャンバ内の圧力は約１．００トルとするべきである。
本体１５０３のガス入り口１５４４とラジカル出口１５６２との間の位置に、エネルギー源入り口１５６６がある。エネルギー源入り口１５６６により、マイクロ波周波数を有するエネルギーなどの励起エネルギーを、エネルギー源１５０４からチューブ１５０５内へ導入することができる。マイクロ波周波数の場合、励起エネルギーはチューブ１５０５を通ってプラズマアプリケータ１５０２の本体１５０３内へ入り、エネルギー源入り口１５６６に対して垂直の方向に進むガス源を励起してプラズマにする。
一実施形態では、エネルギー源１５０４は、マグネトロン１５６８と、断路器および疑似負荷１５７０とからなる。疑似負荷１５７０は、インピーダンス整合のために設けられる。マグネトロン１５６８は、たとえば電磁または誘導結合周波数などの励起エネルギーを生成する。マグネトロンは、１．５〜６．０キロワットの２．５４ＧＨＺのマイクロ波エネルギーを生成することができる。適したマグネトロンアセンブリは、マサチューセッツ州ウォバーンのＡｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、またはカリフォルニア州サンタクララのＤａｉｈｅｎ Ａｍｅｒｉｃａから得ることができる。
マグネトロン１５６８からの励起エネルギーは、断路器および疑似負荷１５７０、ならびに導波管１５４８ａおよび１５４８ｂを通ってチューブ１５０５へ誘導される。疑似負荷１５７０は、ある意味ではチェックバルブのように作用し、マグネトロン１５６８の方ではなくアプリケータ１５０２の方向にエネルギーを流すことができる。
プラズマアプリケータ１５０２と導波管１５４８ｂとの間には、オートチューナ１５７２が位置する。オートチューナは、アプリケータ１５０２から反射された放射を逆にプラズマアプリケータの方へ再誘導し、プラズマアプリケータ１５０２へ供給されるエネルギーを増大させる。オートチューナ１５７２はまた、アプリケータへ供給されるガスによってエネルギーがより優先的に吸収されるように、チューブ１５０５の中心にマイクロ波エネルギーを集束させる。オートチューナが好ましいが、手動チューナを使用することもできる。
システムコントローラ１５５６には、たとえば、システムコントローラ１５５６内のメモリ１５５７などの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ソフトウェア命令論理の形態で、制御信号生成論理１５５５が供給される。コンピュータプログラムは、とりわけ、特定の処理のタイミング、ガス流量、チャンバ圧力、チャンバ温度、ＲＦ電力レベル、エネルギー源調節、および他のパラメータを指示する命令セットを含む。コンピュータプログラムは、プロセッサ１５５９内でシステムコントローラ１５５６によって処理される。したがって、これらの命令は、タイミング、ガス流量、チャンバ圧力、チャンバ温度、ＲＦ電力レベル、エネルギー源調節、および他のパラメータを指示して、本明細書に記載する周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行するように動作することができる。図１４の装置は、システムコントローラに関連して図１３Ｂに関して上述した冷却ループをさらに含むことができる。
図１５は、それだけに限定されるものではないが、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．のＰ３Ｉ反応器など、環状源のプラズマイオン浸漬イオン注入反応器の一実施形態を示す。そのような適切な反応器およびその動作方法は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，１６６，５２４号に述べられている。
図１５を参照すると、環状源のプラズマ浸漬イオン注入（「Ｐ３Ｉ」）反応器１６００は、円筒形の側壁１６０４およびディスク状の天井によって画定された円筒形の真空チャンバ１６０２を含むことができる。チャンバの床面のウエハ支持ペデスタル１６０８は、処理すべき半導体ウエハ１６１０を支持する。天井１６１４上のガス分配プレートまたはシャワーヘッド１６１２は、ガス分配パネル１６１６からのプロセスガスをそのガスマニホルド１６１４内に受け取る。ガス分配パネル１６１６のガス出力は、１つまたは複数の個々のガス供給１６１８からのガスのいずれかまたは混合物とすることができる。ウエハ支持ペデスタル１６０８と側壁１６０４との間に画定されたポンピング環帯１６２２に、真空ポンプ１６２０が結合される。ウエハ１６１０とガス分配プレート１６１２との間には、処理領域１６２４が画定される。
１対の外部の再入可能な導管１６２６、１６２８が、プラズマ電流が処理領域を通過するための再入可能な環状の経路を確立し、これらの環状の経路は、処理領域１６２４内で交差する。導管１６２６、１６２８はどちらも、チャンバの両側に結合された１対の端部１６３０を有する。各導管１６２６、１６２８は、中空の導電チューブである。各導管１６２６、１６２８は、導管の２つの端部間で閉ループ導電経路の形成を防止する直流絶縁リング１６３２を有する。
各導管１６２６、１６２８の環状部分は、環状の磁芯１６３４によって取り囲まれている。芯１６３４を取り囲む励起コイル１６３６が、インピーダンス整合デバイス１６４０を通じてＲＦ電源１６３８に結合される。芯１６３４のそれぞれに結合される２つのＲＦ電源１６３８は、わずかに異なる２つの周波数のものとすることができる。ＲＦ電力生成器１６３８から結合されるＲＦ電力は、それぞれの導管１６２６、１６２８および処理領域１６２４を通って延びる閉じた環状の経路内にプラズマイオン電流をもたらす。これらのイオン電流は、それぞれのＲＦ電源１６２６、１６２８の周波数で発振する。ウエハ支持ペデスタル１６０８には、バイアス電力生成器１６４２によってインピーダンス整合回路１６４４を通ってバイアス電力が印加される。
プラズマ形成および後の酸化物層の形成は、ガス分配プレート１６１２を通じてチャンバ１６２４内へプロセスガスを導入し、生成器１６３８から再入可能な導管１６２６、１６２８へ十分な源電力を印加して導管および処理領域１６２４内に環状のプラズマ電流を生じさせることによって実行することができる。ウエハ表面近傍のプラズマフラックスは、ＲＦバイアス電力生成器１６４２によって印加されるウエハバイアス電圧で決まる。プラズマの速度またはフラックス（平方ｃｍ／秒単位のウエハ表面をサンプリングするイオンの数）は、プラズマ密度で決まる。プラズマ密度は、ＲＦ源電力生成器１６３８によって印加されるＲＦ電力のレベルによって制御される。ウエハ１６１０における累積的なイオン線量（個／平方ｃｍ）は、フラックスとフラックスが維持される総時間との両方で決まる。
ウエハ支持ペデスタル１６０８が静電チャックである場合、ウエハ支持ペデスタルの絶縁プレート１６４８内に埋設型の電極１６４６が設けられ、埋設型の電極１６４６は、インピーダンス整合回路１６４４を通じてバイアス電力生成器１６４２に結合される。
動作の際には、半導体ウエハ上の酸化物または窒化物層の形成は、ウエハ支持ペデスタル１６０８上にウエハ１６１０を配置し、１つまたは複数のプロセスガスをチャンバ１６０２内へ導入し、プロセスガスからのプラズマを当てることによって実現される。ＲＦバイアス電力生成器１６４２によって供給されるウエハバイアス電圧を調整して、ウエハ表面に対するイオンのフラックスを制御することができる。
図１３Ａ、１４、および１５に関して上述した装置のいずれかにおいて、酸化中の例示的な条件は、約１ミリトル〜約１０トルの範囲内の圧力、約１〜５０００ワットの範囲内、より具体的には約１〜３０００ワットの範囲内の電力、および約０℃〜約８００℃の範囲内、より具体的には約０℃〜約５００℃の範囲内の温度である。
例示的なエッチング条件は、約１ミリトル〜約１０トルの範囲内のチャンバ圧力、１〜５０００ワットの範囲内の電力、および約０℃〜約８００℃の範囲内の温度を含む。特定の実施形態では、エッチングは、約３０℃±５℃でＮＨ３／ＮＦ３反応を使用して直流プラズマを用いて行われる。昇華反応は、基板を１ミリトル〜約１０トルの範囲内の圧力で少なくとも約１分間、少なくとも約１００℃まで加熱することによって実現することができる。図１３Ａ、１４、および１５に関連して上述したチャンバを使用して、これらの条件を実現し、本明細書に記載する周期的なエッチングならびに酸化および／または窒化処理を実行することができる。
理解されるように、図１３Ａ、１４、および１５を参照して説明するチャンバは、いずれも図１２に示すシステムに関して上述したチャンバの動作を制御するために、システムコントローラを含むことができる。したがって動作の際には、システムコントローラは、ガス源、プラズマ源（複数可）、加熱源（複数可）、および他の構成要素などのそれぞれのシステムからのデータ収集およびフィードバックを可能にし、器具またはチャンバの性能を最適化する。したがって、ガス源は、ガス流でチャンバ内の圧力を増大または低減させることができるシステムコントローラと連通する体積または質量流量コントローラを含むことができる。プラズマ源と連通するシステムコントローラは、チャンバのプラズマ源の電力、バイアス、および他のプラズマパラメータを変化させることができる。システムコントローラはまた、加熱源が図１６および１７に関して後述するタイプの加熱されたシャワーヘッド、抵抗加熱器、ランプ源、またはレーザ源であるかどうかにかかわらず、加熱源と連通している。さらに、システムコントローラは、チャンバ壁、基板支持体、またはチャンバ内の他の局部的な冷却源を冷却する冷却システムと動作可能に連通することができる。システムコントローラは通常、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、および支持回路を含む。ＣＰＵは、産業用の設定で使用できる汎用コンピュータプロセッサの任意の形態の１つとすることができる。従来、支持回路はＣＰＵに結合されており、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを含むことができる。上述した浮遊ゲートを形成する方法を実行するものなどのソフトウェアルーチンが、ＣＰＵによって実行されると、ＣＰＵを専用コンピュータ（コントローラ）に変換する。ソフトウェアルーチンはまた、器具から遠隔に位置する第２のコントローラ（図示せず）によって記憶および／または実行することができる。システムコントローラを使用することによって、所望の材料厚さを有する酸化物および／または窒化物層が形成されるまで、図１３Ａ、１４、および１５のチャンバ内で、酸化物層および／または窒化物層の形成ステップ、エッチングステップ（プラズマおよび昇華による）を周期的に繰り返すことができる。例示的なデバイスおよび処理シーケンスについては、図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述しており、これらの処理はいずれも、図１３Ａ、１４、および１５に関して記載した単一のチャンバ内で実行することができる。
１つまたは複数の実施形態によれば、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約３分未満で完了することができる。特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約２分未満で完了することができ、さらに特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約１分未満、たとえば４５秒または３０秒で完了することができる。以前は、そのような処理時間は、酸化および／または窒化ならびにエッチングの少なくとも１つの単一処理シーケンスを完了するために、エッチング反応、酸化および／または窒化反応と、摂氏約１００度以上の温度から摂氏約１００度未満、たとえば摂氏約５０度未満、より具体的には摂氏約４０度未満、たとえば摂氏約３０度±摂氏５度へ急速に循環する能力とをどちらも必要とする単一のチャンバ内では実現できなかったと考えられる。
浅く急峻な接合を有することができる、上述したタイプの極めて狭い特徴を有するデバイスの製造は、材料表面の上部の数ミクロンのみの高精度の熱制御から利益を得ることができる。この目的のため、図１３Ａおよび１４〜１５に関して上述したシステム内にランプまたはレーザ加熱特徴を含むことが望ましいであろう。１つまたは複数の実施形態では、ランプまたはレーザからの光は、ランプによって放出されている光エネルギーが、処理されている材料による吸収を最適化する入射角でウエハに接触するように構成される。本発明によって処理されている材料には、加熱されている材料によって波長の一部分が効率的に吸収されるように、単一波長源で、または光の複数の波長で接触することができる。適した光源は、レーザ、またはアークランプ、タングステンハロゲンランプなどの様々な非干渉性の光源を含む。
処理されているデバイスの低減された面積に集束された短い（たとえば、２０ｎｓ）パルスのレーザ放射を利用するパルスレーザ熱処理が開発されてきた。理論上は、これらのパルスは、２０ｍｍ×３０ｍｍの範囲内の光学ステッパ領域と同じ寸法である。レーザパルスの総エネルギーは、照射された領域の表面を高温まで直ちに加熱するのに十分なものである。その後、浅いレーザパルスによって生成されるわずかな量の熱が、処理されている材料の加熱されていない下部内へ迅速に拡散し、それによって照射された表面領域の冷却速度を大いに増大させる。いくつかのタイプの高出力レーザでは、１秒当たり数百パルスの繰返し率でパルスを発生させることができる。このレーザは、処理されている材料の表面全体をステップアンドリピート式のパターンで動かされ、隣接する領域内でパルスを発生させて、処理されている材料の表面全体を同様に熱処理する。より新しい種類のレーザ熱処理機器が開発されており、長い寸法および短い寸法を有する連続波（ＣＷ）レーザ放射の狭い線のビームが、処理すべき材料全体にわたって、短い寸法、すなわち線に対して垂直の方向に走査される。線幅は十分に小さく、また走査速度は十分に速く、したがって走査された放射線は、表面で非常に短い熱パルスをもたらし、その後基板内へ垂直に、またより低温の表面領域に対して水平に、迅速に拡散する。この処理は、熱流束アニールと呼ぶことができる。米国特許第６，９８７，２４０号は、ビームの長手方向に沿って並べたレーザダイオードバーを使用してレーザ放射をもたらすことについて開示している。これらのレーザダイオードバーは通常、ＧａＡｓまたは類似の半導体材料から構成され、光電子チップの同じ層内に形成された複数のダイオードレーザから構成される。米国特許第６，９８７，２４０号に開示されているＧａＡｓレーザバーは、約８０８ｎｍの波長で近赤外放射を放出し、ケイ素内へうまく結合する。したがって、１つまたは複数の実施形態によれば、ランプ放射、パルスレーザ、連続波レーザ、および／またはレーザダイオードを使用すると、材料層の表面を選択的に酸化させて酸化物層を形成し、かつ／または酸化物層をエッチングすることができる。
より最近では、ＧａＡｓダイオード以外のレーザ源、たとえば二酸化炭素レーザも利点を有すると認識されており、デュアルレーザ源を利用するための提案もなされてきた。たとえば、米国特許第７，２７９，７２１号は、材料層の表面を選択的に酸化させて酸化物層を形成するため、および／または酸化物層をエッチングするために使用できるデュアルレーザ源システムを開示している。
次に、図１６および１７を参照すると、米国特許第７，２７９，７２１号に開示されているタイプのデュアル源の光システムの例示的な実施形態が示されている。図１６は、本発明の一実施形態の簡略化された概略図を示す。ウエハ１７２０または他の基板が、システムコントローラ１７２４の制御下で１方向または２方向にモータ駆動されるステージ１７２２上に保持されている。ＧａＡｓレーザバーなどの比較的短波長のレーザ１７２６が、約１．１１μｍというケイ素のバンドギャップ波長より短い波長で、可視または近可視の連続波（ＣＷ）ビーム１７２８を放出する。ＧａＡｓレーザ１７２６の場合、放出波長は通常約８１０ｎｍであり、この波長は赤色を特徴とすることができる。図１７の平面図にも示すように、第１の光学系１７３０が、ビーム１７２８を集束させて成形し、リフレクタ１７３２が、ビーム１７２８を比較的広い活性化ビーム１７３４としてウエハ１７２０の方へ再誘導する。活性化ビーム１７３４は、ＧａＡｓレーザ１７２６への後方反射を防止するために、ある角度、たとえばウエハの垂線に対して１５度で勾配させることができる。そのように放射が反射されると、ダイオードレーザの寿命を短くすることがある。長波長のレーザ１７４０、たとえばＣＯ２レーザが、１．１１μｍというケイ素のバンドギャップ波長より長い波長で、赤外の連続波（ＣＷ）ビーム１７４２を放出する。特定の実施形態では、ＣＯ２レーザは、１０．６μｍ付近の波長で放出される。第２の光学系１７４４が、ＣＯ２ビーム１７４２を集束させて成形し、第２のリフレクタ１７４６が、ＣＯ２ビーム１７４２を反射して比較的狭い加熱ビーム１７４８にする。特定の実施形態では、ＣＯ２加熱ビーム１７４８は、基板１７２０内への加熱ビーム１７４８の結合を最大にするために、ブルースター角で勾配させる。ブルースター角は、ケイ素の場合、基板の垂線に対して約７２度である。ブルースター角での入射は、ｐ偏光放射、すなわち基板１７２０の表面に沿って偏光させた放射にとって最も効果的である。基板１７２０内で屈折したビームと何らかの反射したビームとの間に９０度の角度が存在することから放射が反射しないためである。したがって、ＣＯ２ビーム１７４８のｐ偏光に対して、ｓ偏光が抑制されることが有利である。しかし、実験では、２０度の円錐の放射が基板の垂線から４０度（±１０度）のところを中心とする結果、複数のパターンに対する吸収の変動性が約３．５％になることを示した。これは、ブルースター角を中心とする円錐で実現される２．０％とほぼ同程度である。図１７に示すように、長波長の（ＣＯ２）加熱ビーム１７４８は、より大きい短波長（可視）の活性化ビーム１７３４内に位置し、好ましくは活性化ビーム１７３４上を中心とする。レーザ１７２６、１７４０および光学要素１７３０、１７３２、１７４４、１７４６を備える光源１７５０に対してステージ１７２２が基板１７２０を動かすとき、ビーム１７３４、１７４８はどちらも基板１７２０全体にわたって同期して走査される。別法として、アクチュエータ１７５２がコントローラ１７２４からの信号に応じて基板１７２０の表面に対して平行な１方向または２方向に光源１７５０のすべてまたは一部を動かす間、基板１７２０を静止したまま保持することも可能である。
赤外の加熱ビーム１７４８と可視の活性化ビーム１７３４とのどちらの場合も、基板１７２０上のビーム形状は実質上方形であり、または少なくとも非常に長円形である。実際には、ビームは図示の形状を越えて延びる有限の末端を有するため、図示のビーム形状は概略的であり、中心強度の一部分を表すことが理解される。さらに、両ビーム１７３４、１７４８が基板１７２０に対して同時に動かされるため、赤外ビーム１７４８は、より大きい可視ビーム１７３４上をほぼ中心とすることが好ましい。
通常の結果は、ケイ素内で急峻に減衰するより大きい可視ビーム１７３４が、ウエハ表面に全体として近接するある程度大きい領域内で自由キャリアを生成することである。普通なら照射されていないケイ素によって吸収されないより小さい赤外ビーム１７４８は、可視ビーム１７３４によって生成された自由キャリアと相互作用し、赤外ビーム１７４８の長波長の放射は効率的に吸収されて熱に変換され、それによって赤外ビーム１７４８の領域内の温度を迅速に上昇させる。
より大きい可視ビーム１７３４が小さい赤外ビーム１７４８を包含するはずであるとき、温度傾斜速度および走査速度は主に、小さい赤外ビーム１７４８の寸法で決まる。走査方向における小さい加熱ビーム１７４８の幅が、温度傾斜速度を部分的に決定し、大部分の適用分野では最小になる。走査方向に対して垂直である小さい加熱ビーム１７４８の長さは、基板のかなりの部分を覆って延び、したがって１回の通過でかなりの部分をアニールするのに十分な大きさであるべきである。通常、線ビームの長さは、その幅の少なくとも１０倍である。長さは、基板の直径に等しく、またはわずかに超過することが最適である。しかし、実用化可能な適用分野では、長さは数ミリメートル程度とすることができる。ウエハ上での小さい加熱ビーム１７４８の例示的な寸法は０．１ｍｍ×１ｍｍであるが、他の寸法を使用することもできる。通常、より小さい幅、たとえば５００μｍ未満または１７５μｍ未満がより望ましい。より大きい活性化ビーム１７３４は、加熱ビーム１７４８よりたとえば１ｍｍ大きくすることができ、したがって、この例示的な１組の寸法では、走査方向に約１ｍｍ延び、垂直の方向に数ミリメートル延びるはずである。
デュアル波長の結果、可視放射が吸収された表面領域内により多くの赤外吸収が集中する。表面領域の深さは、ＣＯ２放射自体の吸収長さより小さい。室温でのケイ素内の可視放射の減衰深さは、波長の低減とともに可視スペクトル内で急速に低減し、たとえば、８００ｎｍの放射の場合は吸収深さが約１０μｍであり、６００ｎｍの放射の場合は３μｍであり、５００ｎｍの場合は約１μｍである。したがって、ウエハ表面に非常に近いところのみで自由キャリアを生成して加熱を表面付近に閉じ込めるには、より短い活性化波長が有利である。したがって、適用分野によっては、緑色を特徴とすることができる周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの５３２ｎｍの放射など、さらに短い活性化波長が望ましい。
上記の光源システムは、必ずしもデュアル光源を含む必要はなく、いくつかの実施形態では、単一の光源も使用できることが理解されるであろう。光源システムを使用して１つまたは複数の実施形態による基板上の材料層を加熱する場合、光源システムは、本明細書で上述または後述するチャンバのいずれかのシステムコントローラと連通することができ、材料表面の加熱は、光源に対する様々な処理パラメータ、たとえば光源への電力および光に対する材料層の露出時間を制御できるシステムコントローラによって制御することができる。
別の実施形態では、修正された乾式エッチングチャンバを利用して、酸化物材料表面の周期的な酸化およびエッチングを実行することができる。例示的なチャンバは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから入手可能で、図１８〜２０に関して後述するＳＩＣＯＮＩ（商標）である。
図１８は、例示的な処理チャンバ１８００を示す部分横断面図である。処理チャンバ１８００は、チャンバ本体１８０１、リッドアセンブリ１８４０、および支持アセンブリ１８２０を含むことができる。リッドアセンブリ１８４０は、チャンバ本体１８０１の上端部に配置され、支持アセンブリ１８２０は、チャンバ本体１８０１内に少なくとも部分的に配置される。チャンバ本体１８０１は、処理チャンバ１８００の内部へのアクセスを提供するために、チャンバ本体１８０１の側壁内に形成されたスリットバルブ開口１８１１を含むことができる。スリットバルブ開口１８１１は、チャンバ本体の内部へのアクセスを可能にするように選択的に開閉される。
チャンバ本体１８０１は、熱伝達流体を流すようにチャンバ本体１８０１内に形成されたチャネル１８０２を含むことができる。熱伝達流体は加熱流体または冷却剤とすることができ、処理および基板移送中にチャンバ本体１８０１の温度を制御するために使用される。例示的な熱伝達流体は、水、エチレングリコール、またはこれらの混合物を含む。例示的な熱伝達流体はまた、窒素ガスを含むことができる。
チャンバ本体１８０１は、支持アセンブリ１８２０を取り囲むライナ１８０８をさらに含むことができる。ライナ１８０８は、保守および洗浄のために取外し可能とすることができる。ライナ１８０８は、アルミニウムなどの金属またはセラミック材料から作ることができる。しかし、ライナ１８０８は、処理に適合している任意の材料とすることができる。ライナ１８０８は、ライナ１８０８上に堆積される任意の材料の接着を増大させるようにビードブラスト処理することができ、それによって、処理チャンバ１８００の汚染を招く材料の剥離を防止する。ライナ１８０８は、１つまたは複数の開口１８０９と、開口１８０９内に形成され、真空システムと流体を連通させるポンピングチャネル１８０６とを含むことができる。開口１８０９は、ポンピングチャネル１８０６内へのガス用の流路を提供し、それによって処理チャンバ１８００内のガス用の出口を提供する。
真空システムは、処理チャンバ１８００を通るガスの流れを調節するために、真空ポンプ１８０４およびスロットルバルブ１８０５を含むことができる。真空ポンプ１８０４は、チャンバ本体１８０１上に配置された真空ポート１８０７に結合され、したがってライナ１８０８内に形成されたポンピングチャネル１８０６と流体を連通させる。
開口１８０９により、ポンピングチャネル１８０６は、チャンバ本体１８０１内の処理ゾーン１８１０と流体を連通させることができる。処理ゾーン１８１０は、リッドアセンブリ１８４０の下面および支持アセンブリ１８２０の上面によって画定され、ライナ１８０８によって取り囲まれる。開口１８０９は、均一に寸法設定し、ライナ１８０８の周りで等間隔に配置することができる。しかし、任意の数、位置、寸法、または形状の開口を使用することができ、それらの設計パラメータはそれぞれ、以下でより詳細に論じるように、基板受取り表面全体でガスの所望の流れパターンに応じて変動することができる。さらに、開口１８０９の寸法、数、および位置は、処理チャンバ１８００から出るガスの均一の流れを実現するように構成される。さらに、開口寸法および位置は、急速または大容量のポンピングを提供してチャンバ１８００からの急速なガスの排気を容易にするように構成することができる。たとえば、真空ポート１８０７近傍の開口１８０９の数および寸法は、真空ポート１８０７からより遠くに位置決めされた開口１８０９の寸法より小さくすることができる。
リッドアセンブリ１８４０についてより詳細に考えると、図１９は、チャンバ本体１８０１の上端部に配置できるリッドアセンブリ１８４０の拡大横断面図を示す。図１８および１９を参照すると、リッドアセンブリ１８４０は、プラズマ領域または空胴を間に形成するように互いに重なり合った複数の構成要素を含む。リッドアセンブリ１８４０は、第１の電極１８４１（「上部電極」）と、第１の電極１８４１が上に垂直に配置された第２の電極１８５２（「下部電極」）とを含み、電極１８４１、１８５２間にプラズマ体積または空胴１８４９を閉じ込めることができる。第１の電極１８４１はＲＦ電源などの電源１８４４に接続され、第２の電極１８５２は接地に接続され、２つの電極１８４１、１８５２間に容量を形成する。
リッドアセンブリ１８４０は、第１の電極１８４１の上部区域１８４３内に少なくとも部分的に形成された１つまたは複数のガス入り口１８４２（１つのみを示す）を含むことができる。１つまたは複数のプロセスガスが、１つまたは複数のガス入り口１８４２を介してリッドアセンブリ１８４０に入る。１つまたは複数のガス入り口１８４２は、第１の端部でプラズマ空胴１８４９と流体を連通させ、第２の端部で１つもしくは複数の上流ガス源および／またはガス混合器などの他のガス供給構成要素に結合される。１つまたは複数のガス入り口１８４２の第１の端部は、拡大区域１８４６の内径１８５０の最上点でプラズマ空胴１８４９内へ開くことができる。同様に、１つまたは複数のガス入り口１８４２の第１の端部は、拡大区域１８４６の内径１８５０に沿って任意の高さ間隔でプラズマ空胴１８４９内へ開くことができる。図示しないが、２つのガス入り口１８４２は、拡大区域１８４６の両側に配置して、拡大区域１８４６内へ渦状の流れパターンまたは「渦巻」状の流れを生じさせることができ、それによってプラズマ空胴１８４９内のガスの混合を助ける。
第１の電極１８４１は、プラズマ空胴１８４９を収容する拡大区域１８４６を有することができる。拡大区域１８４６は、上述したガス入り口１８４２と流体を連通させることができる。拡大区域１８４６は、上部１８４７から下部１８４８へ段階的に増大する内面または直径１８５０を有する環状部材とすることができる。したがって、第１の電極１８４１と第２の電極１８５２との距離は可変である。その変動する距離により、プラズマ空胴１８４９内で生成されるプラズマの形成および安定性の制御を助ける。
拡大区域１８４６は、図１８および１９に示すように、円錐または「漏斗」に似たものとすることができる。拡大区域１８４６の内面１８５０は、拡大区域１８４６の上部１８４７から下部１８４８へ段階的に勾配することができる。内径１８５０の勾配または角度は、処理要件および／または処理制限に応じて変動することができる。拡大区域１８４６の長さまたは高さもまた、特定の処理要件および／または制限に応じて変動することができる。内径１８５０の勾配もしくは拡大区域１８４６の高さ、または両方は、処理に必要なプラズマの体積に応じて変動することができる。
理論に拘束されるものではないが、２つの電極１８４１、１８５２間の距離の変動により、プラズマ空胴１８４９内で形成されるプラズマは、プラズマ空胴１８４９全体ではない場合、プラズマ空胴１８４９の一部分内でプラズマ自体を維持するのに必要な電力レベルを見出すことができると考えられる。したがって、プラズマ空胴１８４９内のプラズマは、圧力にあまり依存せず、より広い動作窓内でプラズマを生成および維持することができる。したがって、より繰返し可能で信頼性が高いプラズマをリッドアセンブリ１８４０内で形成することができる。
第１の電極１８４１は、たとえばアルミニウム、アルマイト処理されたアルミニウム、ニッケルめっきされたアルミニウム、ニッケルめっきされたアルミニウム６０６１−Ｔ６、ステンレス鋼、ならびにこれらの組合せおよび合金など、処理に適合している任意の材料から構築することができる。１つまたは複数の実施形態では、第１の電極１８４１全体またはその一部分をニッケルでコーティングして、望ましくない粒子形成を低減させることができる。拡大区域１８４６の少なくとも内面１８５０が、ニッケルめっきされることが好ましい。
第２の電極１８５２は、１つまたは複数の積み重ねたプレートを含むことができる。２つ以上のプレートが望ましいとき、これらのプレートは互いに電気的に連通するべきである。プレートはそれぞれ、プラズマ空胴１８４９からの１つまたは複数のガスを流すために、複数の開口またはガス通路を含むべきである。
リッドアセンブリ１８４０は、第１の電極１８４１を第２の電極１８５２から電気的に隔離するために、断路器リング１８５１をさらに含むことができる。断路器リング１８５１は、酸化アルミニウムまたは処理に適合している任意の他の絶縁性材料から作ることができる。断路器リング１８５１は、少なくとも拡大区域１８４６を取り囲み、または実質上取り囲むことが好ましい。
第２の電極１８５２は、頂部プレート１８５３と、分配プレート１８５８と、処理チャンバ内の基板をプラズマ空胴から分離するブロッカプレート１８６２とを含むことができる。頂部プレート１８５３、分配プレート１８５８、およびブロッカプレート１８６２は、図１８に示すように、チャンバ本体１８０１に接続されたリッド縁部１８６４上に積み重ねて配置される。当技術分野では知られているように、ヒンジアセンブリ（図示せず）を使用して、リッド縁部１８６４をチャンバ本体１８０１に結合することができる。リッド縁部１８６４は、熱伝達媒体を収容する埋込み型チャネルまたは通路１８６５を含むことができる。熱伝達媒体は、処理要件に応じて、加熱、冷却、または両方に使用することができる。
頂部プレート１８５３は、プラズマ空胴１８４９からのガスを流すために、プラズマ空胴１８４９の下に形成された複数のガス通路または開口１８５６を含むことができる。頂部プレート１８５３は、第１の電極１８４１の少なくとも一部分を収容するように適合された凹状部分１８５４を含むことができる。１つまたは複数の実施形態では、開口１８５６は、凹状部分１８５４の下の頂部プレート１８５３の横断面を貫通する。頂部プレート１８５３の凹状部分１８５４は、図１９に示すように、より良好に密閉された嵌合を間に提供するように階段状にすることができる。さらに、頂部プレート１８５３の外径は、図１９に示すように、分配プレート１８５８の外径上に取り付けられ、または位置するように設計することができる。エラストマのＯリング１８５５などのＯリングタイプの密閉を、頂部プレート１８５３の凹状部分１８５４内に少なくとも部分的に配置して、第１の電極１８４１との液密性の接触を確保することができる。同様に、Ｏリングタイプの密閉１８５７を使用して、頂部プレート１８５３の外周と分配プレート１８５８の外周との間に液密性の接触を提供することができる。
分配プレート１８５８は実質上ディスク状であり、ガスの流れを分散させるために複数の開口１８６１または通路を含む。開口１８６１は、処理すべき基板が位置する処理ゾーン１８１０に、制御された均等な流れの分配を提供するように、分配プレート１８５８の周りに寸法設定および位置決めすることができる。さらに、開口１８６１は、流れているガスの速度プロファイルを遅らせて再誘導することによってガス（複数可）が基板表面に直接当たるのを防止し、ならびにガスの流れを均等に分散させて基板の表面全体にわたってガスの均等な分配を提供する。
分配プレート１８５８はまた、その外周に形成された環状の取付けフランジ１８５９を含むことができる。取付けフランジ１８５９は、リッド縁部１８６４の上面上に位置するように寸法設定することができる。エラストマのＯリングなどのＯリングタイプの密閉を、環状の取付けフランジ１８５９内に少なくとも部分的に配置して、リッド縁部１８６４との液密性の接触を確保することができる。
分配プレート１８５８は、加熱器または加熱流体を収容するための１つまたは複数の埋込み型チャネルまたは通路１８６０を含み、リッドアセンブリ１８４０の温度制御を提供することができる。通路１８６０内には抵抗性加熱要素を挿入して、分配プレート１８５８を加熱することができる。分配プレート１８５８には熱電対を接続して、分配プレート１８５８の温度を調節することができる。熱電対は、フィードバックループ内で、加熱要素に印加される電流を制御するために使用することができる。
別法として、通路１８６０に熱伝達媒体を通すことができる。１つまたは複数の通路１８６０は、チャンバ本体１８０１内の処理要件に応じて分配プレート１８５８の温度をより良好に制御するために、必要に応じて冷却媒体を収容することができる。上記のように、たとえば窒素、水、エチレングリコール、またはこれらの混合物などの任意の熱伝達媒体を使用することができる。
リッドアセンブリ１８４０は、１つまたは複数の熱ランプ（図示せず）を使用して加熱することができる。熱ランプは、分配プレート１８５８を含むリッドアセンブリ１８４０の構成要素を放射によって加熱するように、分配プレート１８５８の上面の周りに構成される。
ブロッカプレート１８６２は任意選択であり、頂部プレート１８５３と分配プレート１８５８との間に配置することができる。ブロッカプレート１８６２は、頂部プレート１８５３の下面に取外し可能に取り付けられることが好ましい。ブロッカプレート１８６２は、頂部プレート１８５３と良好に熱的かつ電気的に接触するべきである。ブロッカプレート１８６２は、ボルトまたは類似のファスナを使用して、頂部プレート１８５３に結合することができる。ブロッカプレート１８６２はまた、頂部プレート１８５３の外径上へねじで留めることができる。
ブロッカプレート１８６２は、頂部プレート１８５３から分配プレート１８５８への複数のガス通路を提供するために、複数の開口１８６３を含む。開口１８６３は、分配プレート１８５８を通る制御された均等な流れの分配を提供するように、ブロッカプレート１８６２の周りに寸法設定および位置決めすることができる。
図２０は、例示的な支持アセンブリ１８２０の部分横断面図を示す。支持アセンブリ１８２０は、チャンバ本体１８０１内に少なくとも部分的に配置することができる。支持アセンブリ１８２０は、チャンバ本体１８０１内で処理する基板を支持するために、支持部材１８２２を含むことができる。支持部材１８２２は、チャンバ本体１８０１の底面内に形成された中心に位置する開口１８０３を貫通するシャフト１８２６を通じて、リフト機構１８３１に結合することができる。リフト機構１８３１は、シャフト１８２６の周囲からの真空漏れを防止するベローズ１８３２によって、チャンバ本体１８０１に弾力的に密閉することができる。リフト機構１８３１により、チャンバ本体１８０１内で支持部材１８２２を処理位置とより低い移送位置との間で垂直に動かすことができる。移送位置は、チャンバ本体１８０１の側壁内に形成されたスリットバルブ１８１１の開口よりわずかに下に位置する。
１つまたは複数の実施形態では、基板は、真空チャックを使用して支持アセンブリ１８２０に固定することができる。頂部プレート１８２３は、支持部材１８２２内に形成された１つまたは複数の溝１８２７と流体を連通させる複数の孔１８２４を含むことができる。溝１８２７は、シャフト１８２６および支持部材１８２２内に配置された真空導管１８２５を介して真空ポンプ（図示せず）と流体を連通させる。特定の条件下では、真空導管１８２５を使用して、基板が支持部材１８２２上に配置されていないときに支持部材１８２２の表面にパージガスを供給することができる。真空導管１８２５はまた、反応性ガスまたは副生成物が基板の裏側に接触するのを防止するために、処理中にパージガスを通すこともできる。
支持部材１８２２は、リフトピン１８３０を収容するために、支持部材１８２２を貫通して形成された１つまたは複数の穿孔１８２９を含むことができる。各リフトピン１８３０は通常、セラミックまたはセラミック含有材料から構築され、基板の操作および輸送に使用される。各リフトピン１８３０は、穿孔１８２９内に摺動可能に取り付けられる。リフトピン１８３０は、チャンバ本体１８０１内に配置された環状のリフトリング１８２８に係合することによって、それぞれの穿孔１８２９内で動くことができる。リフトリング１８２８は、リフトリング１８２８が上部位置にあるとき、リフトピン１８３０の上面が支持部材１８２２の基板支持表面より上に位置できるように動くことができる。逆に、リフトピン１８３０の上面は、リフトリング１８２８が下部位置にあるとき、支持部材１８２２の基板支持表面より下に位置する。したがって、各リフトピン１８３０の一部は、リフトリング１８２８が下部位置から上部位置へ動くときに、支持部材１８２２内のそれぞれの穿孔１８２９を通過する。
作動されると、リフトピン１８３０は基板２１４０の下面を押して、支持部材１８２２から基板を持ち上げる。逆に、リフトピン１８３０を停止させて基板を下げ、それによって支持部材１８２２上に基板を置くことができる。
支持アセンブリ１８２０は、支持部材１８２２の周りに配置されたエッジリング１８２１を含むことができる。エッジリング１８２１は、支持部材１８２２の外周を覆って支持部材１８２２を保護するように適合された環状の部材である。エッジリング１８２１を支持部材１８２２上に、または支持部材１８２２に隣接して位置決めし、支持部材１８２２の外径とエッジリング１８２１の内径との間に環状のパージガスチャネル１８３３を形成することができる。環状のパージガスチャネル１８３３は、支持部材１８２２およびシャフト１８２６を貫通して形成されたパージガス導管１８３４と流体を連通させることができる。パージガス導管１８３４は、パージガスチャネル１８３３にパージガスを提供するように、パージガス供給（図示せず）と流体を連通させることが好ましい。動作の際には、パージガスが導管１８３４を通ってパージガスチャネル１８３３内へ流れ、支持部材１８２２上に配置された基板のエッジの周りを流れる。したがって、パージガスがエッジリング１８２１と協調して働くことで、基板のエッジおよび／または裏側での堆積を防止する。
支持アセンブリ１８２０の温度は、支持部材１８２２の本体内に埋め込まれた流体チャネル１８３５を循環する流体によって制御される。流体チャネル１８３５は、支持アセンブリ１８２０のシャフト１８２６を貫通して配置された熱伝達導管１８３６と流体を連通させることができる。流体チャネル１８３５は、支持部材１８２２の基板受取り表面に均一の熱伝達を提供するように、支持部材１８２２の周りに位置決めすることができる。流体チャネル１８３５および熱伝達導管１８３６は熱伝達流体を流して、支持部材１８２２を加熱または冷却することができる。支持アセンブリ１８２０は、支持部材１８２２の支持表面の温度を監視する埋込み型の熱電対（図示せず）をさらに含むことができる。
動作の際には、支持部材１８２２をリッドアセンブリ１８４０近傍へ上昇させて、処理されている基板の温度を制御することができる。したがって、基板は、加熱要素１８６０によって制御される分配プレート１８５８から放出される放射を介して加熱することができる。別法として、リフトリング１８２８によって作動されたリフトピン１８３０を使用して、基板を支持部材１８２２から、加熱されたリッドアセンブリ１８４０近傍へ持ち上げることができる。
修正されたチャンバは、図１８に示すチャンバ１８００内への補助ガス入り口１８９２と流体を連通させて酸化ガス、たとえばＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、およびこれらの組合せを提供するために、酸化ガス供給をさらに含むことができる。図１９に示す代替実施形態では、酸化ガス供給１８９０が、プラズマ体積または空胴１８４９内への補助ガス入り口１８９３と流体を連通させることができる。別の変形形態（図示せず）では、酸化ガスを遠隔プラズマ源に接続することができ、遠隔プラズマ源は、チャンバ１８００から遠隔で酸化プラズマを生成し、この酸化プラズマをチャンバ１８００内へ供給する。チャンバ１８００には、還元ガス供給１８９４が、水素などの還元ガスを還元ガス入り口１８９６によって供給することができる。他のガス供給は、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスを供給するために不活性ガス供給および入り口（図示せず）を含むことができる。このシステムはまた、材料層上で窒化反応を実行できるように、窒素源ガスを含むことができる。これらのガスのそれぞれの流れは、システムコントローラ（図示せず）と連通する質量または体積流量コントローラによって調節することができる。
チャンバ１８００の別の変形形態では、図１６および１７に関して上述したタイプのランプまたはレーザ加熱特徴を利用して、処理されているデバイスを急速に加熱することができる。さらに、図１３Ｂに関して上述したタイプの冷却システムが、上述した周期的な酸化およびエッチングのプロセスを基板上の材料層に実行するための温度まで、支持部材１８２２および基板を急速に冷却する。加熱および冷却システム、ならびにチャンバ１８００に関して記載した他の構成要素は、様々なシステムパラメータを制御するように、システムコントローラに動作可能に接続することができる。システムコントローラは、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスを実行するように処理を制御することができ、このシーケンスは、チャンバ内で約３分未満で完了できることが望ましい。特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約２分未満で完了することができ、さらに特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約１分未満、たとえば４５秒または３０秒で完了することができる。
処理チャンバ１８００内で実行される、アンモニア（ＮＨ３）および三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス混合物を使用して酸化物層を除去する例示的な乾式エッチングプロセスについて、次に説明する。図１８および図２０を参照すると、乾式エッチングプロセスは、基板を処理ゾーン１８１０内へ配置することから始まる。基板は通常、スリットバルブ開口１８１１を通じてチャンバ本体１８０１内へ配置され、支持部材１８２２の上面上に配置される。基板は、支持部材１８２２の上面にチャックで固定され、チャネル１８３３にエッジパージが通される。基板は、導管１８２５を介して真空ポンプと流体を連通させる孔１８２４および溝１８２７を通じて真空を引くことによって、支持部材１８２２の上面にチャックで固定することができる。次いで支持部材１８２２は、すでに処理位置内にない場合、チャンバ本体１８０１内の処理位置へ持ち上げられる。チャンバ本体１８０１は、５０℃〜８０℃、より好ましくは約６５℃の温度に維持することができる。チャンバ本体１８０１のこの温度は、流体チャネル１８０２に熱伝達媒体を通すことによって維持される。
図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述したタイプの１つまたは複数の材料層を有することができる基板は、支持アセンブリ１８２０内に形成された流体チャネル１８３５に熱伝達媒体または冷却剤を通すことによって、１５℃〜５０℃など、６５℃未満に冷却される。一実施形態では、基板は室温未満で維持される。別の実施形態では、基板は、２２℃〜４０℃の温度に維持される。通常、支持部材１８２２は、上記で指定した所望の基板温度に到達するように、約２２℃未満で維持される。支持部材１８２２を冷却するために、流体チャネル１８３５に冷却剤が通される。冷却剤の連続する流れは、支持部材１８２２の温度のより良好な制御を提供する。別法として、基板は、図１３Ｂに関して記載したタイプのシステムを使用して冷却することができる。
次いで、アンモニアガスおよび三フッ化窒素ガスがチャンバ１８００内に導入され、洗浄ガス混合物を形成する。チャンバ内へ導入される各ガスの量は可変であり、たとえば除去すべき酸化物層の厚さ、洗浄されている基板または他の材料表面の形状寸法、プラズマの体積容量、チャンバ本体１８０１の体積容量、ならびにチャンバ本体１８０１に結合された真空システムの能力に対応するように調整することができる。一態様では、これらのガスは、アンモニア対三フッ化窒素のモル比が少なくとも１：１であるガス混合物を提供するように追加される。別の態様では、このガス混合物のモル比は、少なくとも約３対１（アンモニア対三フッ化窒素）である。特定の実施形態では、これらのガスは、５：１（アンモニア対三フッ化窒素）〜３０：１のモル比でチャンバ１８００内に導入される。より具体的には、いくつかの実施形態では、ガス混合物のモル比は、約５対１（アンモニア対三フッ化窒素）〜約１０対１である。ガス混合物のモル比はまた、約１０：１（アンモニア対三フッ化窒素）〜約２０：１とすることができる。
ガス混合物には、パージガスまたはキャリアガスを追加することもできる。たとえばアルゴン、ヘリウム、水素、窒素、またはこれらの混合物など、任意の適したパージ／キャリアガスを使用することができる。いくつかの実施形態では、全体的なガス混合物は、約０．０５体積％〜約２０体積％がアンモニアおよび三フッ化窒素であり、残りはキャリアガスである。一実施形態では、チャンバ本体１８０１内で圧力を安定させるために、反応ガスの前に、パージまたはキャリアガスがまずチャンバ本体１８０１内へ導入される。
チャンバ本体１８０１内の動作圧力は可変とすることができる。いくつかの実施形態では、圧力は、約５００ミリトル〜約３０トルで維持される。特定の実施形態では、圧力は、約１トル〜約１０トルで維持される。１つまたは複数の実施形態では、チャンバ本体１８０１内の動作圧力は、約３トル〜約６トルで維持される。
いくつかの実施形態では、第１の電極１８４１に約５〜約６００ワットのＲＦ電力を印加して、プラズマ空胴１８４９内でガス混合物のプラズマを着火する。特定の例では、ＲＦ電力は１００ワット未満である。より特定の例では、電力が印加される周波数は、１００ｋＨｚ未満など、比較的低い。特定の実施形態では、周波数は、約５０ｋＨｚ〜約９０ｋＨｚの範囲である。下部電極１８５３、ブロッカプレート１８６２、および分配プレート１８５８のため、プラズマ空胴１８４９内で着火されたプラズマは、処理ゾーン１８１０内の基板に接触しないが、代わりにプラズマ空胴１８４９内に閉じ込められたままである。このようにプラズマは、処理ゾーン１８１０に対して遠隔で、プラズマ空胴１８４９内で生成される。すなわち、処理チャンバ１８００は、プラズマ空胴１８４９および処理ゾーン１８１０という２つの別個の領域を提供する。これらの領域は、プラズマ空胴１８４９内で形成されるプラズマの点では互いに連通していないが、プラズマ空胴１８４９内で形成される反応種の点では互いに連通している。具体的には、プラズマに起因する反応種は、開口１８５６を介してプラズマ空胴１８４９から出て、ブロッカプレート１８６２の開口１８６３を通過し、分配プレート１８５８の開口１８６１を介して処理ゾーン１８１０に入ることができる。
プラズマエネルギーは、アンモニアガスおよび三フッ化窒素ガスを解離して反応種にし、これらの反応種を組み合わせて、反応性の高いフッ化アンモニア（ＮＨ４Ｆ）化合物および／またはフッ化水素アンモニウム（ＮＨ４Ｆ・ＨＦ）を気相で形成する。これらの分子は、開口１８５６、１８６３、および１８６１を流れて、基板上の材料層の酸化物層と反応する。一実施形態では、キャリアガスはまずチャンバ１８００内へ導入され、プラズマ空胴１８４９内でキャリアガスのプラズマが生成され、次いでプラズマに反応ガス、アンモニアおよび三フッ化窒素が追加される。前述したように、プラズマ空胴１８４９内で形成されるプラズマは、処理領域またはゾーン１８１０内に配置された基板に到達しない。
理論に拘束されるものではないが、エッチング剤ガス、ＮＨ４Ｆおよび／またはＮＨ４Ｆ・ＨＦは、酸化ケイ素表面と反応して、ヘキサフルオロケイ酸アンモニウム（ＮＨ４）２ＳｉＦ６、ＮＨ３、およびＨ２Ｏ生成物を形成すると考えられる。ＮＨ３およびＨ２Ｏは、処理条件では蒸気であり、真空ポンプ１８０４によってチャンバ１８００から除去される。具体的には、揮発性ガスは、ライナ１８０８内に形成された開口１８０９を流れてポンピングチャネル１８０６内へ入ってから、真空ポート１８０７を通ってチャンバ１８００から出て真空ポンプ１８０４に入る。処理されている材料層の表面上には、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６の薄膜が残る。この反応機構は、次のように要約することができる。
ＮＦ３＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｆ＋ＮＨ４Ｆ・ＨＦ＋Ｎ２
６ＮＨ４Ｆ＋ＳｉＯ２→（ＮＨ４）２ＳｉＦ６＋Ｈ２Ｏ
（ＮＨ４）２ＳｉＦ６＋熱→ＮＨ３＋ＨＦ＋ＳｉＦ４
基板表面上に薄膜が形成された後、基板が支持された支持部材１８２２は、加熱された分配プレート１８５８近傍のアニール位置へ上昇される。分配プレート１８５８から放射される熱は、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６の薄膜を解離または昇華させて揮発性のＳｉＦ４、ＮＨ３、およびＨＦ生成物にするのに十分なはずである。次いでこれらの揮発性生成物は、上述した真空ポンプ１８０４によってチャンバから除去される。実際には、薄膜は、基板上の材料層から沸騰または蒸発し、露出した酸化物表面を残す。一実施形態では、材料表面から薄膜を効果的に昇華させて除去するために、７５℃以上の温度が使用される。特定の実施形態では、約１１５℃〜約２００℃など、１００℃以上の温度が使用される。
（ＮＨ４）２ＳｉＦ６の薄膜を解離して揮発成分にする熱エネルギーは、分配プレート１８５８によって対流または放射される。上述したように、分配プレート１８５８には、加熱要素１８６０を直接結合することができ、加熱要素１８６０を活性化して、分配プレート１８５８および分配プレート１８５８と熱的に接触する構成要素を約７５℃〜２５０℃の温度まで加熱する。一態様では、分配プレート１８５８は、約１２０℃など、１００℃〜２００℃の温度まで加熱される。
リフト機構１８３１は、支持部材１８２２を分配プレート１８５８の下面の方へ上昇させることができる。この持上げステップ中、基板は、真空チャックまたは静電チャックなどによって支持部材１８２２に固定される。別法として、基板は、リフトリング１８２８を介してリフトピン１８３０を上昇させることによって、支持部材１８２２から持ち上げて、加熱された分配プレート１８５８近傍に配置することができる。
薄膜を有する基板の上面と、分配プレート１８５８との距離は、実験によって決定することができる。下にある基板を損傷することなく薄膜を効率的かつ効果的に蒸発させるのに必要な間隔は、それだけに限定されるものではないが、膜の厚さを含むいくつかの要因に依存する。１つまたは複数の実施形態では、約０．２５４ｍｍ（１０ミル）〜５．０８ｍｍ（２００ミル）の間隔が効果的である。さらに、ガスの選択も、この間隔に影響を与える。
エッチング中は、ペデスタルを比較的低い温度、たとえば約２０℃〜約６０℃の範囲内、約５０℃未満、具体的には約４５℃未満、約４０℃未満、または約３５℃未満に維持することが望ましい。特定の実施形態では、チャンバ１８００内でのエッチング中、エッチング剤の凝固を助け、エッチング反応の選択性を制御するため、温度は約３０℃±約５℃で維持される。膜または酸化物層の除去は、リフト機構１８３１を使用して支持部材１８２２を分配プレート１８５８の下面の方へ上昇させることをさらに含むことができる。別法として、基板は、リフトリング１８２８を介してリフトピン１８３０を上昇させることによって、支持部材１８２２から持ち上げて、加熱された分配プレート１８５８近傍に配置することができる。エッチングされている材料表面が約１００℃を上回るまで加熱されるように、分配プレートを約１００℃を超える温度まで加熱することが望ましい。特定の実施形態では、分配プレート１８５８は、材料表面がＳｉＯ２の昇華に十分な温度を確実に実現するように、少なくとも約１４０℃、少なくとも約１５０℃、少なくとも約１６０℃、少なくとも約１７０℃、少なくとも約１８０℃、または少なくとも約１４０℃まで加熱される。したがって、チャンバ１８００内の１つの非限定的で例示的な乾式エッチングプロセスは、アンモニア（ＮＨ３）もしくは三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス、または無水フッ化水素（ＨＦ）ガス混合物を遠隔プラズマでプラズマ体積１８４９内へ供給することを含むことができ、この混合物を低温（たとえば、約３０℃）のＳｉＯ２上で凝固させ、反応させて化合物を形成し、その後、この化合物を適度な温度（たとえば、１００℃超）のチャンバ１８００内で昇華させてＳｉＯ２をエッチングする。この昇華により材料表面のエッチングを完了させ、真空ポンプ１８０４によって副生成物を除去することができる。チャンバ１８００の壁上でエッチング剤および副生成物が凝固するのを防止するために、基板支持体の温度とガス分配プレートの温度との間の温度でチャンバ壁を維持することが望ましい。
材料表面から膜または酸化物層が除去されると、材料表面は、酸化物層を形成するための後の酸化プロセスに対する準備ができる。乾式エッチングプロセッサ１８３２が、パージおよび排気される。パージは、不活性ガス、たとえば窒素、水素、またはアルゴンを処理チャンバ内へ、ガス入り口または分配プレート１８５８を通って直接流すことによって実現することができる。次いで材料層は、酸化プロセスを使用してさらに処理され、酸化物層を形成する。材料表面から膜または酸化物層を除去するステップは、必ずしも最初に実行されるわけではないことが理解される。図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関する処理についての説明から理解されるように、いくつかの実施形態では、酸化物層または膜の一部分を材料層から除去する前に、材料層の表面を酸化させて酸化物層を形成するステップが実行される。
一実施形態では、酸化物層は、チャンバ１８００内に形成される。他の実施形態では、酸化物層は、スリットバルブ開口１８１１の外側のロードロック領域（図示せず）内に形成することができる。
酸化物層がチャンバ１８００内に形成される実施形態では、酸化ガス供給１８９０が入り口１８９２を介して酸化ガスをチャンバ内へ直接流す。適した酸化ガスは、酸素、オゾン、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、またはＮ２Ｏ、ＮＯ、もしくはＮＯ２などの酸化窒素種の１つまたは複数を含むことができる。酸化ガスは、適当に低い圧力でチャンバ内へ導入される。次いでチャンバは、材料表面上に酸化物層が成長するように、適当な温度まで加熱される。１つまたは複数の実施形態では、チャンバ温度は、約２００℃〜約８００℃の範囲内で加熱される。特定の実施形態では、チャンバは、約３００℃〜約４００℃の範囲内で加熱される。たとえば図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して図示および上述したように、材料層を形成するように処理されている材料上で酸化反応を促進する。
代替実施形態では、冷却された支持部材１８２２を通り、支持部材内のガスチャネルを通って、酸化ガス、たとえば酸素、または他の酸化ガスの１つを導入し、酸化物層が形成される材料表面に接触する前に酸化ガスが尚早に分解するのを低減させることができる。
別の代替実施形態では、酸化ガス供給１８９０は、ガス入り口（図示せず）を介してプラズマ体積１８４９と流体を連通させることができ、酸素プラズマの導入によって、基板の材料表面上に酸化物層を形成することができる。別の代替実施形態では、図１３に示す構成に類似のチャンバ１８００と流体を連通させる遠隔プラズマ酸化源内に、酸化プラズマを形成することができる。遠隔プラズマ源へ窒素を供給することによって、遠隔窒化プラズマを形成することもできる。さらに別の実施形態では、図１５に示す構成に類似の無線周波数（ＲＦ）電源で、基板支持体１８２２にバイアスをかけることができる。
したがって、要約すると、材料表面上の酸化物層の形成は、チャンバ内への酸化ガスの導入および材料表面の加熱、プラズマ体積１８４９から離れた遠隔プラズマ源内に形成される酸化プラズマの導入、プラズマ体積１８４９内への酸化ガスの導入および支持体１８２２上の基板への酸化プラズマの供給、またはＲＦ電力をかけた基板支持体１８２２を使用するプラズマの形成およびチャンバ内への酸化ガスの導入の１つまたは複数によって、チャンバ１８００内で実現することができる。チャンバ１８００内の例示的な適した圧力は、約１ミリトル〜約１０トルの範囲内である。
さらに別の代替実施形態では、酸化物層を形成するための材料表面の高精度の加熱は、図１６および１７に関して上述したタイプのランプまたはレーザ加熱特徴を利用することによって実現することができる。そのようなランプまたはレーザ加熱特徴を利用して、処理されているデバイスを０℃〜１０００℃の範囲内の温度まで急速に加熱することができる。特定の実施形態では、酸化ガスでオゾンを使用することができ、ガス入り口または基板支持体１８２２を通じて導入することができ、紫外光を使用して光化学酸化反応を開始することができる。そのような反応は、スリットバルブ１８１１の外側のロードロック領域内で実行できることが望ましい。
材料層の表面を酸化させて酸化物層を形成した後、チャンバ１８００を再びパージして、酸化反応（複数可）の酸化ガスおよび副生成物を除去することができる。パージは、チャンバ内へ不活性ガスを流すことによって、および／または真空ポンプ１８０４によって実現することができる。酸化物層の形成ステップ、エッチングステップ（プラズマおよび昇華による）は、所望の材料厚さを有する酸化物層が形成されるまで、チャンバ１８００内で周期的に繰り返すことができる。例示的なデバイスおよび処理シーケンスについては、図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述しており、これらの処理はいずれも、上述した単一のチャンバ１８００内で実行することができる。
単一チャンバ急速熱処理（ＲＴＰ）装置を使用して、酸化物層の形成ステップ、エッチングステップ（プラズマおよび昇華による）を実行することもでき、これらのステップは、所望の材料厚さを有する酸化物層が形成されるまで、チャンバ内で周期的に繰り返すことができる。例示的なデバイスおよび処理シーケンスについては、図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述しており、これらの処理はいずれも、図２１に記載の単一のチャンバ内で実行することができる。図２１は、急速熱処理チャンバ２１００の例示的な実施形態を示す。処理チャンバ２１００は、基板支持体２１０４、チャンバ本体２１０２を含み、チャンバ本体２１０２は、壁２１０８、底部２１１０、および頂部２１１２を有し、内部体積２１２０を画定する。壁２１０８は通常、基板２１４０（一部分を図２１に示す）の出入れを容易にするために、少なくとも１つの基板アクセスポート２１４８を含む。アクセスポートは、移送チャンバ（図示せず）またはロードロックチャンバ（図示せず）に結合することができ、スリットバルブ（図示せず）などのバルブで選択的に密閉することができる。一実施形態では、基板支持体２１０４は環状であり、チャンバ２１００は、基板支持体２１０４の内径内に配置された放射熱源２１０６を含む。放射熱源２１０６は通常、複数のランプを備える。修正できるＲＴＰチャンバおよび使用できる基板支持体の例は、米国特許第６，８００，８３３号および米国特許出願公開第２００５／０１９１０４４号に記載されている。本発明の一実施形態では、チャンバ２１００は、基板全体にわたってガスを均等に分散させて基板の制御された急速な加熱および冷却を可能にするガス分配出口（以下でより詳細に説明する）を組み込むリフレクタプレート２２００を含む。プレート２２００は、上述した酸化および／またはエッチングを容易にするために、加熱および／または冷却することができる。
プレートは、吸収性、または反射性とすることができるか、あるいは吸収領域と反射領域との組合せを有することができる。詳細な実施形態では、プレートは、高温計の視野範囲内にある領域と、高温計の視野範囲の外側にある領域とを有することができる。高温計の視野範囲内の領域は、円形の場合、直径約１インチとすることができ、または必要に応じて他の形状および寸法とすることができる。プローブの視野範囲内の領域は、高温計によって観察される波長範囲全体にわたって非常に高い反射性を有することができる。高温計の波長範囲および視野の外側では、プレートは、放射による熱損失を最小にする反射性から、放射による熱損失を最大にして熱露出をより短くする吸収性までの範囲とすることができる。
図２１に示すＲＴＰチャンバ２１００はまた、冷却ブロック２１８０を含み、冷却ブロック２１８０は、頂部２１１２に隣接し、頂部２１１２に結合され、または頂部２１１２内に形成される。通常、冷却ブロック２１８０は、放射熱源２１０６の反対側に隔置される。冷却ブロック２１８０は、入り口２１８１Ａおよび出口２１８１Ｂに結合された１つまたは複数の冷却剤チャネル２１８４を備える。冷却ブロック２１８０は、ステンレス鋼、アルミニウム、ポリマー、またはセラミック材料などの、処理に耐える材料から作ることができる。冷却剤チャネル２１８４は、螺旋形パターン、方形パターン、円形パターン、またはこれらの組合せを構成することができ、チャネル２１８４は、たとえば冷却ブロック２１８０を鋳造すること、および／または２つの以上の部品から冷却ブロック２１８０を製造してこれらの部品を接合することによって、冷却ブロック２１８０内に一体形成することができる。追加または別法として、冷却剤チャネル２１８４は、冷却ブロック２１８０内へドリル加工することができる。
入り口２１８１Ａおよび出口２１８１Ｂは、バルブおよび適した鉛工によって冷却剤源２１８２に結合することができ、冷却剤源２１８２は、中に配置された流体の圧力および／または流れの制御を容易にするように、システムコントローラ２１２４と連通する。流体は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、または熱交換媒体として使用される他の流体とすることができる。
図示の実施形態では、基板支持体２１０４は任意選択で、内部体積２１２０内で磁気的に浮上および回転するように適合される。図示の基板支持体２１０４は、処理中に垂直に上昇および下降しながら回転することが可能であり、また処理前、処理中、または処理後に回転しないで上昇または下降させることができる。この磁気的な浮上および／または磁気的な回転により、基板支持体を上昇／下降および／または回転させるのに通常は必要な可動部分をなくし、または低減させるため、粒子の生成を防止し、または最小にする。
チャンバ２１００はまた、赤外（ＩＲ）スペクトル内の光を含むことができる様々な波長の熱および光に対して透過性の材料から作られた窓２１１４を含み、放射熱源２１０６からこの材料を通ってくるフォトンは、基板２１４０を加熱することができる。一実施形態では、窓２１１４は石英材料から作られるが、サファイアなどの光に対して透過性の他の材料を使用することもできる。窓２１１４はまた、窓２１１４の上面に結合された複数のリフトピン２１４４を含むことができ、リフトピン２１４４は、チャンバ２１００との間の基板の移送を容易にするために、基板２１４０に選択的に接触して支持するように適合される。複数のリフトピン２１４４はそれぞれ、放射熱源２１０６からのエネルギーの吸収を最小にするように構成され、石英材料など、窓２１１４に使用されるのと同じ材料から作ることができる。複数のリフトピン２１４４は、移送ロボット（図示せず）に結合されたエンドエフェクタの通過を容易にするように位置決めし、互いから放射状に隔置することができる。別法として、エンドエフェクタおよび／またはロボットは、基板２１４０の移送を容易にするために、水平および垂直の動きを可能にすることもできる。
一実施形態では、放射熱源２１０６は、筐体から形成されたランプアセンブリを含み、この筐体は、第２の冷却剤源２１８３に結合された冷却剤アセンブリ（図示せず）内に複数のハニカムチューブ２１６０を含む。第２の冷却剤源２１８３は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、およびヘリウム（Ｈｅ）の１つまたは組合せとすることができる。筐体壁２１０８、２１１０は、銅材料または他の適した材料から作ることができ、筐体壁２１０８、２１１０内には、第２の冷却剤源２１８３から冷却剤を流すために、適した冷却剤チャネルが形成される。冷却剤は、筐体が基板２１４０より冷たくなるようにチャンバ２１００の筐体を冷却する。各チューブ２１６０は、ハニカム状のパイプ構成を形成するリフレクタおよび高強度ランプアセンブリまたはＩＲエミッタを収容することができる。このパイプの稠密６方構成により、高い電力密度および良好な空間分解能を有する放射エネルギー源を提供する。一実施形態では、放射熱源２１０６は、基板の熱処理、たとえば、基板２１４０上に配置されたケイ素層のアニールに十分な放射エネルギーを提供する。放射熱源２１０６は、環状のゾーンをさらに含むことができ、コントローラ２１２４によって複数のチューブ２１６０に供給される電圧は、チューブ２１６０からのエネルギーの放射状の分布を向上させるように変動させることができる。基板２１４０の加熱の動的制御は、基板２１４０全体の温度を測定するように適合された１つまたは複数の温度センサ２１１７によって行うことができる。
図示の実施形態では、任意選択の固定子アセンブリ２１１８は、チャンバ本体２１０２の壁２１０８に外接しており、チャンバ本体２１０２の外部に沿って固定子アセンブリ２１１８の上昇を制御する１つまたは複数のアクチュエータアセンブリ２１２２に結合される。一実施形態（図示せず）では、チャンバ２１００は、チャンバ本体の周りに放射状で、たとえば、チャンバ本体２１０２の周りに約１２０°の角度で配置された３つのアクチュエータアセンブリ２１２２を含む。固定子アセンブリ２１１８は、チャンバ本体２１０２の内部体積２１２０内に配置された基板支持体２１０４に磁気的に結合される。基板支持体２１０４は、回転子として機能する磁気部分を備え、または含むことができ、したがって基板支持体２１０４を持ち上げかつ／または回転させるための磁気軸受アセンブリを作製する。一実施形態では、基板支持体２１０４の少なくとも一部分は、流体源２１８６に結合されたトラフ（図示せず）によって部分的に取り囲まれ、流体源２１８６は、基板支持体に対する熱交換媒体として適合された水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、またはこれらの組合せを含むことができる。固定子アセンブリ２１１８はまた、固定子アセンブリ２１１８の様々な部品および構成要素を密閉するための筐体２１９０を含むことができる。一実施形態では、固定子アセンブリ２１１８は、懸架コイルアセンブリ２１７０上に積み重ねられた駆動コイルアセンブリ２１６８を含む。駆動コイルアセンブリ２１６８は、基板支持体２１０４を回転および／または上昇／下降させるように適合され、懸架コイルアセンブリ２１７０は、処理チャンバ２１００内で基板支持体２１０４を受動的に中心に位置合わせするように適合することができる。別法として、回転機能および中心位置合わせ機能は、単一のコイルアセンブリを有する固定子によって実行することもできる。
また、チャンバ本体２１０２の内部体積２１２０には、雰囲気制御システム２１６４が結合される。雰囲気制御システム２１６４は通常、チャンバ圧力を制御するスロットルバルブおよび真空ポンプを含む。雰囲気制御システム２１６４は、内部体積２１２０に処理ガスまたは他のガスを提供するためのガス源をさらに含むことができる。雰囲気制御システム２１６４はまた、熱堆積処理、熱エッチングプロセス、およびチャンバ構成要素のインシトゥ洗浄のためのプロセスガスを供給するように適合することができる。雰囲気制御システムは、シャワーヘッドガス供給システムとともに機能する。
チャンバ２１００はまた、コントローラ２１２４を含み、コントローラ２１２４は通常、中央処理装置（ＣＰＵ）２１３０、支持回路２１２８、およびメモリ２１２６を含む。ＣＰＵ２１３０は、様々な動作およびサブプロセッサを制御するために産業用の設定で使用できる任意の形態のコンピュータプロセッサの１つとすることができる。メモリ２１２６またはコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、またはローカルもしくは遠隔の任意の他の形態のデジタルストレージなどの容易に入手可能なメモリの１つまたは複数とすることができ、通常はＣＰＵ２１３０に結合されている。支持回路２１２８は、従来通りコントローラ２１２４を支持するＣＰＵ２１３０に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、入出力回路、サブシステムなどを含む。
一実施形態では、アクチュエータアセンブリ２１２２はそれぞれ通常、チャンバ本体２１０２の壁２１０８から延びる２つのフランジ２１３４間に結合された高精度の親ねじ２１３２を備える。親ねじ２１３２は、ねじが回転すると親ねじ２１３２に沿って軸方向に進むナット２１５８を有する。固定子２１１８とナット２１５８との間には継手２１３６が結合されており、親ねじ２１３２が回転すると、継手２１３６は親ねじ２１３２に沿って動き、継手２１３６との境界面で固定子２１１８の上昇を制御する。したがって、アクチュエータ２１２２の１つの親ねじ２１３２が回転すると、他のアクチュエータ２１２２のナット２１５８間の相対的な変位をもたらすため、固定子２１１８の水平面がチャンバ本体２１０２の中心軸に対して変化する。
一実施形態では、親ねじ２１３２にはステッパまたはサーボモータなどのモータ２１３８が結合されており、コントローラ２１２４による信号に応答して制御可能な回転を提供する。別法として、とりわけ空気圧シリンダ、油圧シリンダ、ボールねじ、ソレノイド、直線アクチュエータ、およびカム従動子など、他のタイプのアクチュエータ２１２２を利用して、固定子２１１８の直線位置を制御することができる。
チャンバ２１００はまた、１つまたは複数のセンサ２１１６を含み、センサ２１１６は通常、チャンバ本体２１０２の内部体積２１２０内の基板支持体２１０４（または基板２１４０）の上昇を検出するように適合される。センサ２１１６は、チャンバ本体２１０２および／または処理チャンバ２１００の他の部分に結合することができ、基板支持体２１０４とチャンバ本体２１０２の頂部２１１２および／または底部２１１０との距離を示す出力を提供するように適合され、また、基板支持体２１０４および／または基板２１４０の不整合を検出することもできる。
１つまたは複数のセンサ２１１６は、コントローラ２１２４に結合されており、コントローラ２１２４は、センサ２１１６からの出力メトリックを受け取り、１つまたは複数のアクチュエータアセンブリ２１２２に１つまたは複数の信号を提供して基板支持体２１０４の少なくとも一部分を上昇または下降させる。コントローラ２１２４は、センサ２１１６から得られる位置メトリックを利用して、各アクチュエータアセンブリ２１２２における固定子２１１８の上昇を調整することができ、したがってＲＴＰチャンバ２１００および／または放射熱源２１０６の中心軸に対して、基板支持体２１０４および基板支持体２１０４上に位置する基板２１４０の上昇と平面性の両方を調整することができる。たとえば、コントローラ２１２４は、信号を提供して１つのアクチュエータ２１２２の動作により基板支持体を上昇させ、基板支持体２１０４の軸方向の不整合を補正することができ、またはコントローラは、すべてのアクチュエータ２１２２に信号を提供して、基板支持体２１０４の垂直方向の同時の動きを容易にすることができる。
１つまたは複数のセンサ２１１６は、チャンバ本体２１０２内の基板支持体２１０４の近接を検出することが可能な超音波、レーザ、誘導性、容量性、または他のタイプのセンサとすることができる。センサ２１１６は、頂部２１１２近傍でチャンバ本体２１０２に結合することができ、または壁２１０８に結合することができるが、チャンバ２１００の外側の固定子２１１８に結合するなど、チャンバ本体２１０２内およびチャンバ本体２１０２周辺の他の位置が適していることもある。一実施形態では、１つまたは複数のセンサ２１１６は、固定子２１１８に結合することができ、壁２１０８を通る基板支持体２１０４（または基板２１４０）の上昇および／または位置を感知するように適合される。この実施形態では、壁２１０８は、壁２１０８内の位置感知を容易にするために、より薄い横断面を含むことができる。
チャンバ２１００はまた、１つまたは複数の温度センサ２１１７を含み、温度センサ２１１７は、処理前、処理中、および処理後に基板２１４０の温度を感知するように適合することができる。図２１に示す実施形態では、温度センサ２１１７は、頂部２１１２を貫通して配置されているが、チャンバ本体２１０２内およびチャンバ本体２１０２周辺の他の位置を使用することもできる。温度センサ２１１７は、光高温計、一例として光ファイバプローブを有する高温計とすることができる。センサ２１１７は、基板の直径全体または基板の一部分を感知するような構成内で、頂部２１１２に結合されるように適合することができる。センサ２１１７は、基板の直径に実質上等しい感知面積または基板の半径に実質上等しい感知面積を画定するパターンを構成することができる。たとえば、頂部２１１２に複数のセンサ２１１７を放射状または直線の構成で結合して、基板の半径または直径全体にわたる感知面積を可能にすることができる。一実施形態（図示せず）では、頂部２１１２のほぼ中心から頂部２１１２の周辺部分へ放射状に延びる線に、複数のセンサ２１１７を配置することができる。このようにして、基板の半径をセンサ２１１７によって監視することができ、それによって回転中に基板の直径の感知を可能にする。
本明細書に記載するように、チャンバ２１００は、基板を「上向き」に受け取るように適合されており、基板の堆積物受取り側または面はプレート２２００の方を向き、基板の「裏側」は放射熱源２１０６に面している。この「上向き」により、基板の裏側は基板の面ほど反射しないことがあるため、放射熱源２１０６からのエネルギーを基板２１４０によってより急速に吸収することができる。
プレート２２００および放射熱源２１０６について、それぞれ内部体積２１２０の上部および下部に位置決めされると説明したが、冷却ブロック２１８０と放射熱源２１０６の位置を逆にすることもできる。たとえば、冷却ブロック２１８０は、基板支持体２１０４の内径内に位置決めされるように寸法設定および構成することができ、放射熱源２１０６を頂部２１１２に結合することができる。この構成では、石英窓２１１４は、チャンバ２１００の上部内の放射熱源２１０６付近など、放射熱源２１０６と基板支持体２１０４との間に配置することができる。基板２１４０は、裏側が放射熱源２１０６に面しているときに熱を容易に吸収することができるが、いずれの構成でも上向きまたは下向きにすることができる。チャンバ２１００内へフッ素含有ガスが流されるため、チャンバ構成要素内の材料は、フッ素含有ガスからの侵食に耐える必要があることが理解されるであろう。これは、たとえば、サファイアまたはアルミナなどの材料で、フッ素含有ガスに露出されるチャンバ構成要素のコーティングを製造することによって実現することができる。他の耐フッ素性材料も、同様に使用することができる。
チャンバ２１００は、チャンバ内へプラズマを供給する遠隔プラズマ源２１９２をさらに含み、プラズマは、分配ランス２１９４によってチャンバ内へ供給することができる。ランス２１９４は、プラズマ生成物をチャンバ２１００内へ均等に分散させる１つまたは複数の出口を有する概ね細長い導管とすることができる。複数のランス２１９４を使用して、チャンバ２１００内の複数の放射状の位置で射出することができる。１つまたは複数の実施形態では、ランス（複数可）２１９４は、基板２１４０とプレート２２００との間の空間に選択的に出入りできるように動くことができる。修正されたチャンバは、図１８に示すように、チャンバ１８００への補助ガス入り口１８９２と流体を連通させる、酸化ガス、たとえばＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、およびこれらの組合せを提供する酸化ガス供給をさらに含むことができる。酸化ガス供給２１９６が、チャンバ内への補助ガス入り口に流体を連通させることができる。エッチングガス供給２１９８が、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＳＦ６、ＮＨ３、ＮＦ３、Ｈｅ、Ａｒなどのエッチングガスを還元ガス入り口によってチャンバ２１００に供給することができる。他のガス供給は、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス、水素などの還元ガスなどを供給するために、不活性ガス供給および入り口（図示せず）を含むことができる。これらのガスそれぞれの流れは、システムコントローラ２１２４と連通する質量または体積流量コントローラによって調節することができる。ガス供給２１９６および２１９８について、チャンバ２１００の側面を通じて流体を連通させると示したが、チャンバ２１００内でガスを均等に分散させるシャワーヘッド、ランス、または他のデバイスと流体を連通させる導管にガスを導入することも望ましいであろう。ガス導入システム２２０２の一例については、以下でさらに説明する。ガス供給２１９６、２１９８および他のガス供給は、ガス導入システム２２０２と流体を連通させることができる。
リフレクタプレート２２００のさらなる詳細について、図２２に示す。図２２を参照すると、基板全体にわたってガスを均等に分散させて基板の制御された急速な加熱および冷却を可能にするガス分配出口を組み込むリフレクタプレート２２００が示されている。プレート２２００は、ガス導入システム２２０２を有する頂部部分２２０１を含み、２つのガスを混合するガス混合チャンバ２２０８と連通する第１のガス導入ポート２２０４と、任意選択の第２のガス導入ポート２２０６とを含む。単一のガス導入ポートのみが設けられる場合、混合チャンバ２２０８を設計から除くことができる。追加のガス導入ポートを同様に設けることもできることが理解されるであろう。当然ながら、ガス導入ポート２２０２、２２０４は、ガスタンクまたはガス供給システム（図示せず）などの適したガス源に接続されるはずである。混合チャンバ２２０８は、ガス流路２２１２と連通しており、ガス流路２２１２は、ブロッカプレート２２１３内に形成されたガスチャネル２２１４およびガス導入開口２２１６と連通する。ブロッカプレート２２１３は、頂部部分２２０１に固定された別個の構成要素とすることができ、または頂部部分と一体形成することができる。当然ながら、シャワーヘッドから出た後にガス混合が行われるように、２つ以上のガスのために２組以上のこのタイプの個々の開口２２１６が設けられる設計を含めて、他の設計も可能である。プレートは面２２０３を含み、面２２０３を貫通して開口２２１６が形成される。
動作の際には、チャンバ２１００内で周期的な酸化および／または窒化ならびにエッチングを実行することができる。例示的な処理は、遠隔プラズマ源２１９２内で形成されたエッチングプラズマをチャンバ２１００内へ供給することを含む。エッチングプラズマ生成物は、図示のランス２１９４を通じて供給することができ、またはプラズマ生成物は、導入ポート２２０２を通じて供給することができる。上述したように、エッチングプロセスの少なくとも一部の間、基板および材料表面を比較的低い温度に維持することが望ましい。たとえば、エッチングプロセスの一部分は、低い温度で実行することができる。エッチング中は、基板および材料表面を比較的低い温度、たとえば約２０℃〜約６０℃の範囲内、約５０℃未満、具体的には約４５℃未満、約４０℃未満、または約３５℃未満で維持することが望ましい。特定の実施形態では、チャンバ１８００内でのエッチング中、エッチング剤の凝固を助け、エッチング反応の選択性を制御するため、温度は約３０℃±約５℃で維持される。基板および材料表面の温度は、プレート２２００に適当な冷却ガス、たとえばヘリウムを流すことによって、低い温度に維持することができる。エッチングによる膜または酸化物層の除去は、リフトピン２１４４および／または基板支持体２１０４に磁気的に結合された固定子アセンブリ２１１８の一方または両方を使用して、処理されている基板をプレート２２００へ近付けることをさらに含むことができる。
エッチング中に形成された膜または層を昇華させるためには、リフトピンおよび／または固定子アセンブリ２１１８を使用することによって基板をプレート２２００から離し、放射熱源２１０６を活性化して、エッチングされている基板および材料表面を、約１００℃を上回るまで加熱する。特定の実施形態では、基板２１４０は、材料表面がＳｉＯ２の昇華に十分な温度を確実に実現するように、少なくとも約１４０℃、少なくとも約１５０℃、少なくとも約１６０℃、少なくとも約１７０℃、少なくとも約１８０℃、または少なくとも約１４０℃まで加熱される。したがって、チャンバ２１００内の１つの非限定的で例示的なエッチングプロセスは、アンモニア（ＮＨ３）もしくは三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス、または無水フッ化水素（ＨＦ）ガス混合物を遠隔プラズマ源２１９２へ供給することを含むことができ、この混合物を低温（たとえば、約３０℃）のＳｉＯ２上で凝固させ、反応させて化合物を形成し、その後、この化合物を適度な温度（たとえば、１００℃超）のチャンバ２１００内で昇華させてＳｉＯ２をエッチングする。この昇華により材料表面のエッチングを完了させ、雰囲気制御システム２１６４および／またはパージガスを流すことによって、副生成物を除去することができる。チャンバ２１００の壁上でエッチング剤および副生成物が凝固するのを防止するために、基板支持体の温度とガス分配プレートの温度との間の温度でチャンバ壁を維持することが望ましい。
基板上の材料表面上における酸化物層の形成は、次のように行うことができる。放射熱源２１０６を急速に活性化させることによってスパイク熱酸化プロセスを使用して、酸化物層を形成することができる。酸化物層がチャンバ２１００内に形成される実施形態では、酸化ガス供給２１９６が入り口を介して酸化ガスをチャンバ内へ直接流す。適した酸化ガスは、酸素、オゾン、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、またはＮ２Ｏ、ＮＯ、もしくはＮＯ２などの酸化窒素種の１つまたは複数を含むことができる。酸化ガスは、適当に低い圧力でチャンバ内へ導入される。次いでチャンバは、材料表面上に酸化物層が成長するように、適当な温度まで加熱される。１つまたは複数の実施形態では、チャンバ温度は、約２００℃〜約８００℃の範囲内で加熱される。特定の実施形態では、チャンバは、約３００℃〜約４００℃の範囲内で加熱される。たとえば図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して図示および上述したように、材料層を形成するように処理されている材料上で酸化反応を促進する。別法として、酸素プラズマを生成するために使用できる酸化ガスの供給を有する遠隔プラズマ源２１９２（または別個の遠隔プラズマ源）によって酸化を実現することができ、次いで上述したチャンバ内へ供給することができる。別の変形形態では、紫外ランプ源を使用して、基板上の材料表面を光化学的に酸化させることもできる。適した酸化ガスは、酸素、オゾン、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、またはＮ２Ｏ、ＮＯ、もしくはＮＯ２などの酸化窒素種の１つまたは複数を含むことができる。
材料層の表面を酸化させて酸化物層を形成した後、チャンバ２１００を再びパージして、酸化反応（複数可）の酸化ガスおよび副生成物を除去することができる。パージは、チャンバ内へ不活性ガスを流すことによって、および／または雰囲気制御システム２１６４によって実現することができる。酸化物層の形成ステップ、エッチングステップ（プラズマおよび昇華による）は、所望の材料厚さを有する酸化物層が形成されるまで、チャンバ２１００内で周期的に繰り返すことができる。例示的なデバイスおよび処理シーケンスについては、図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述しており、これらの処理はいずれも、上述した単一のチャンバ２１００内で実行することができる。
したがって、要約すると、材料表面上の酸化物層の形成は、チャンバ内への酸化ガスの導入および材料表面の加熱、または遠隔プラズマ源内に形成される酸化プラズマの導入および支持体上の基板への酸化プラズマの供給の１つまたは複数によって、チャンバ２１００内で実現することができる。チャンバ２１００内の例示的な適した圧力は、約１ミリトル〜約１０トルの範囲内である。
システムコントローラは、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスを実行するように処理を制御することができ、このシーケンスは、チャンバ内で約３分未満で完了することができる。特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約２分未満で完了することができ、さらに特定の実施形態では、酸化および／または窒化ならびにエッチングステップの全処理シーケンスは、チャンバ内で約１分未満、たとえば４５秒または３０秒で完了することができる。
所望の材料厚さを有する酸化物層が形成されるまで周期的に繰り返すことができる酸化物層の形成ならびにエッチング（プラズマおよび昇華による）に使用できる代替装置は、酸化プラズマおよびエッチングプラズマを生成する遠隔または局所プラズマ源を含む炉を含む。したがって、図２１に関して記載したチャンバ２１００は、所望の材料厚さを有する酸化物層が形成されるまで基板材料表面を周期的に加熱および冷却するように適当に構成された炉と置き換えることもできる。例示的なデバイスおよび処理シーケンスについては、図３Ａ〜３Ｃ、５Ａ〜５Ｅ、７Ａ〜７Ｄ、８Ａ〜８Ｂ、１０Ａ〜１０Ｄ、または１１Ａ〜１１Ｃに関して上述しており、これらの処理はいずれも、上述した単一のチャンバ１８００内で実行することができる。
したがって、本発明の第１の態様は、基板を処理する装置に関する。本発明のこの態様の第１の実施形態は、基板を処理する装置であって、基板を支持するように基板支持体が中に配置された処理チャンバと；基板支持体上に支持された基板の温度を約１００℃未満の第１の温度に制御する温度制御システムと；チャンバと流体を連通させて、少なくとも酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを処理チャンバ内へ供給するガス源と；処理チャンバと流体を連通させて、酸素含有ガスおよびエッチングガスの少なくとも１つを付勢し、酸化プラズマまたはエッチングプラズマの少なくとも１つを形成するプラズマ源と；基板を第１の温度を上回る第２の温度まで加熱する熱源とを備える装置を提供する。
第１の実施形態の一変形形態では、チャンバは、基板の温度が第１の温度であるときはエッチングガスおよびエッチングプラズマの１つを処理チャンバへ供給し、酸化ガスの１つを供給するように構成される。別の変形形態では、第２の温度は、約２００℃〜１０００℃の範囲内である。さらに別の変形形態では、チャンバは、基板上の材料層にエッチングプロセスを実行するように構成され、エッチングプロセスの少なくとも一部分は、第１の温度で実行される。
第１の実施形態のさらに別の変形形態では、エッチングプロセスは乾式エッチングプロセスを含み、エッチングガスはフッ素含有ガスを含む。第１の実施形態は、プラズマ源と連通する窒素ガスをさらに含むガス源を含むことができる。第１の実施形態の一変形形態では、エッチングガスは、プラズマ源と流体を連通させてエッチングプラズマを形成する。
第１の実施形態の別の変形形態では、温度制御システムは、約５０℃を下回る温度でエッチングプロセスの少なくとも一部分を実行する冷却システムを含む。より具体的には、冷却システムは、基板の温度を約２５℃〜約３５℃の範囲内の温度まで低減させるように構成される。第１の実施形態の１つの特定の変形形態では、装置は、約３分未満で第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成される。
第１の実施形態の別の特定の変形形態では、装置は、基板上に材料層を成形するように構成され、材料層の所望の形状は、所望の形状の基部近傍の第１の幅が所望の形状の頂部近傍の第２の幅と実質上同等の形状であり、所望の形状の第１の幅および第２の幅は、約１〜約３０ナノメートルである。装置は、浮遊ゲートを含む材料層を形成するように構成することができる。装置は、材料層にエッチングプロセスおよび酸化プロセスを周期的に実行するように構成することができる。
第１の実施形態の１つまたは複数の変形形態では、酸化プロセスは、急速熱酸化、ラジカル酸化、プラズマ酸化、化学酸化、または光化学酸化を含み、エッチングプロセスは、湿式もしくは乾式化学エッチング、反応性イオンエッチング、およびプラズマエッチングの少なくとも１つを含む。
本発明の第２の態様は、基板上に材料層を成形する方法であって、（ａ）処理チャンバ内で材料層の表面を処理して酸化物または窒化物含有層を形成するステップと、（ｂ）酸化物または窒化物含有層の形成を終了させるステップと、（ｃ）（ａ）の場合と同じ処理チャンバ内でエッチングプロセスによって酸化物または窒化物含有層の少なくとも一部を除去するステップと、（ｄ）材料層が所望の形状に形成されるまで、同じ処理チャンバ内で（ａ）から（ｃ）を繰り返すステップとを含む方法に関する。この方法の一変形形態では、（ａ）は初期速度で実行され、酸化プロセスを含み、（ｂ）は、酸化速度が初期速度の約９０％になると終了される。
この方法の別の変形形態では、材料層を酸化させて酸化物層を形成するステップは、湿式もしくは乾式急速熱酸化、ラジカル酸化、プラズマ酸化、湿式もしくは乾式化学酸化、または光化学酸化の少なくとも１つによって実行される。
この方法の別の変形形態では、エッチングプロセスは、湿式もしくは乾式化学エッチング、反応性イオンエッチング、およびプラズマエッチングの少なくとも１つを含む。さらにこの方法の別の変形形態では、材料層は所望の形状に形成され、所望の形状の基部近傍の第１の幅は、所望の形状の頂部近傍の第２の幅と実質上同等である。この方法の別の変形形態では、所望の形状のアスペクト比は、約０．５ナノメートルから約２０ナノメートルの間である。より具体的には、所望の形状の第１の幅および第２の幅は、約１〜約３０ナノメートルである。さらに具体的には、所望の形状の高さは、約１〜約３０ナノメートルである。材料層は、浮遊ゲートを含むことができる。
材料層に周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行する装置の第２の実施形態は、内部に処理領域を画定する複数の壁を有し、処理領域内に材料層を有する基板を保持する基板支持体を含む処理チャンバと；処理チャンバと流体を連通させて、酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを処理チャンバ内へ供給する酸素含有ガス供給、不活性ガス供給、およびエッチングガス供給と；チャンバ内部のプラズマ生成領域内のプラズマならびに酸素含有ガスおよびエッチングガスの少なくとも１つを形成してガスを付勢し、材料層に接触する酸素プラズマおよびエッチングプラズマの少なくとも１つを形成するプラズマ源と；チャンバ内の基板を約１００℃を上回る第１の温度まで加熱する加熱システムと；チャンバ内の基板を第１の温度未満の第２の温度まで冷却する冷却システムと；第１の温度と第２の温度との間でチャンバ内の基板を循環させる制御システムとを備える。第２の実施形態の一変形形態では、制御システム、加熱システム、および冷却システムは、約３分未満の期間内に第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成される。
第２の実施形態の別の変形形態では、冷却システムは、冷却媒体を流すための通路を含む基板支持体を備える。さらに第２の実施形態の別の変形形態では、冷却システムは、チャンバ内で基板支持体に隣接して配置されたシャワーヘッドを備え、シャワーヘッドは冷却流体と連通する。
第２の実施形態の別の変形形態では、加熱システムは、光源および抵抗加熱器の少なくとも１つを備える。一変形形態では、抵抗加熱器は、基板支持体内に配置される。別法として、抵抗加熱器は、シャワーヘッド内に配置される。第２の実施形態の別の変形形態では、加熱システムは光源を含み、光源は、光源によって放出される光エネルギーが、処理されている材料による吸収を最適化する入射角で材料表面に接触するように配置される。特定の構成では、入射角は、処理されている材料層に対するブルースター角である。
第２の実施形態の１つの特定の構成では、処理チャンバは、天井を覆って配置されたコイルを含む電力アプリケータを備える天井プラズマ源を有し、コイルは、インピーダンス整合ネットワークを通じて電源に結合され、プラズマ生成領域内にプラズマを生成する。別の変形形態では、エッチングガスはフッ素含有ガスを含み、チャンバは、プラズマ源と連通する窒素ガス源をさらに備える。
材料層に周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行する装置の第３の実施形態は、内部に処理領域を画定する複数の壁を有し、処理領域内に材料層を有する基板を保持する基板支持体を含むチャンバ本体を有する処理チャンバと；チャンバ本体の上面上に配置されたリッドアセンブリであって、間にプラズマ空胴を画定する第１の電極および第２の電極を備え、第２の電極が加熱され、基板を加熱するように適合されるリッドアセンブリと；処理チャンバおよびリッドアセンブリの少なくとも１つと流体を連通させて、酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを処理チャンバおよびリッドの１つ内へ供給する酸素含有ガス供給、不活性ガス供給、およびエッチングガス供給と；チャンバ内の基板を約１００℃を上回る第１の温度まで加熱する加熱システムと；チャンバ内の基板を第１の温度未満の第２の温度まで冷却する冷却システムと；第１の温度と第２の温度との間でチャンバ内の基板を循環させる制御システムとを備える。
第３の実施形態の一変形形態では、酸化ガスは、リッドアセンブリと流体を連通させて酸化プラズマを形成し、材料層を処理する。第３の実施形態の別の変形形態では、エッチングガスは、リッドアセンブリと流体を連通させてエッチングプラズマを形成し、材料層を処理する。特定の変形形態では、エッチングガスはフッ素含有ガスを含む。１つの特定の変形形態では、エッチングガスは、アンモニア（ＮＨ３）、三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス、および無水フッ化水素（ＨＦ）の１つまたは複数を含む。
第３の実施形態の一構成では、基板支持体は、酸化プロセス中には第２の電極近傍の加熱位置内に基板を配置し、エッチングプロセス中には第２の電極から離れたエッチング位置内に基板を配置するように、チャンバ本体内で垂直に動くように適合される。第３の実施形態の特定の構成では、基板支持体は、基板を上に支持するように適合された受取り表面を含み、受取り表面は、リフト機構に結合されたシャフトより上に配置される。一例では、リフト機構は、酸化プロセス中には第２の電極近傍の加熱位置内に基板を配置し、エッチングプロセス中には第２の電極から離れたエッチング位置内に基板を配置するように、チャンバ本体内で受取り表面を垂直に動かすように適合される。
第３の実施形態の別の変形形態では、基板支持アセンブリは、一方の端部に受取り表面と流体を連通させる１つまたは複数のガス通路を備え、第２の端部にパージガス源または真空源を備える。別の変形形態では、受取り表面は、上面上に形成された１つまたは複数の凹状チャネルを備える。
第３の実施形態の別の変形形態では、シャフトは、１つまたは複数の流体をガス通路へ供給するように適合された１つまたは複数の埋込み型のガス導管を備える。一例では、１つまたは複数の埋込み型の導管は、１つまたは複数の流体チャネルへ加熱媒体を供給するように適合される。１つまたは複数の埋込み型の導管は、１つまたは複数の流体チャネルへ冷却剤を供給するように適合することができる。
第３の実施形態の特定の変形形態では、制御システム、加熱システム、および冷却システムは、約３分未満の期間内に第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成される。
第３の実施形態の別の変形形態では、冷却システムは、チャンバ内で基板支持体に隣接して配置されたシャワーヘッドを備え、シャワーヘッドは冷却流体と連通する。第３の実施形態のさらに別の変形形態では、加熱システムは、光源および抵抗加熱器の少なくとも１つを備える。
抵抗加熱器を含む実施形態では、抵抗加熱器は、基板支持体内および／またはシャワーヘッド内に配置することができる。第３の実施形態の加熱システムは光源を含むことができ、光源は、光源によって放出される光エネルギーが、処理されている材料による吸収を最適化する入射角で材料表面に接触するように配置される。１つの特定の変形形態では、入射角は、処理されている材料層に対するブルースター角である。
材料層に周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行する装置のさらなる実施形態は、内部に処理領域を画定する複数の壁を有し、処理領域内に材料層を有する基板を保持する基板支持体を含む処理チャンバと；処理チャンバと流体を連通させて、酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを処理チャンバ内へ供給する酸素含有ガス供給、不活性ガス供給、およびエッチングガス供給と；処理チャンバおよびエッチングガスと流体を連通させて、チャンバから遠隔でエッチングプラズマを形成し、且つ導管と流体を連通させて、エッチングプラズマをチャンバ内へ送達する遠隔プラズマ源と；チャンバ内の基板を約１００℃を上回る第１の温度まで加熱する加熱システムと；チャンバ内の基板を第１の温度未満の第２の温度まで冷却する冷却システムと；第１の温度と第２の温度との間でチャンバ内の基板を循環させる制御システムとを備える。
第４の実施形態の一変形形態では、装置は、実質上熱酸化のみによって酸化プロセスを行うように構成される。第３の実施形態の特定の変形形態では、装置は、急速熱酸化プロセスによって酸化を行うように構成される。第４の実施形態の別の特定の変形形態では、加熱システムは、放射熱源およびリフレクタプレートを備える急速熱処理チャンバを備え、基板支持体は、リフレクタプレートと放射熱源との間に配置される。
第４の実施形態の一変形形態では、遠隔プラズマ源は、フッ素含有ガスを含むエッチングガスと流体を連通させる。第４の実施形態の別の変形形態では、チャンバは、エッチングプラズマ生成物をチャンバ内へ供給する少なくとも１つの細長いランスを含む。チャンバは、エッチングプラズマ生成物をチャンバ内へ供給するようにチャンバの周りで放射状に隔置された複数の細長いランスを含むことができる。
第４の実施形態の別の変形形態では、冷却システムは、基板全体にわたってガスを均等に分散させて基板の制御された急速な加熱および冷却を可能にするガス分配出口を組み込むリフレクタプレートを備える。第４の実施形態のさらに別の変形形態では、装置は、基板をリフレクタプレートの方へ動かしたりリフレクタプレートから離したりするように基板に選択的に接触して支持するように適合されたリフトピンを備える。第４の実施形態の別の変形形態では、装置は、処理されている基板をプレートの方へ動かしたりプレートから離したりするように基板支持体に結合された固定子アセンブリを含む。固定子アセンブリは、基板支持体に磁気的に結合することができる。
第４の実施形態の特定の構成では、固定子アセンブリおよびリフトピンの少なくとも１つは、冷却システムと協働し、基板支持体をリフレクタプレートに近付けて基板を冷却する。
第４の実施形態の別の特定の構成では、制御システム、加熱システム、および冷却システムは、約３分未満の期間内に第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成される。さらに別の変形形態では、装置は、光化学酸化による酸化プロセスを行うように構成される。
したがって、狭ピッチの適用分野に適した半導体デバイスおよびその製造方法について、本明細書に記載した。本明細書に記載した装置を使用して、３２ｎｍ以下のデバイスノードなど、狭ピッチの適用分野での使用に適した浮遊ゲート構成を有する半導体デバイスを製造することができる。例示的なデバイスノードは、約３０ｎｍ以下、約２５ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、約１５ｎｍ以下、および約１３ｎｍ以下である。そのような半導体デバイスは、たとえばＮＡＮＤおよびＮＯＲフラッシュメモリデバイスを含むことができる。本明細書に提供した浮遊ゲート構成は、浮遊ゲートと制御ゲートとの間の側壁容量を維持または改善し、そのようなデバイス内の隣接する浮遊ゲート間の干渉またはノイズを低減させた半導体デバイスを提供することが有利である。
さらに、本明細書に開示する方法を実行する装置は、たとえば本発明のデバイスのトンネル酸化物層を厚くする可能性のある酸素の拡散など、望ましくない処理を制限しながら半導体デバイスを形成することが有利である。これらの方法は、従来のリソグラフィパターニングによって課される限界寸法の制限を克服するために、他のデバイスまたは構造、たとえばＦｉｎＦＥＴデバイスまたはハードマスク構造などの製造に適用できることが有利である。
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を考案することもできる。

Claims (15)

  1. 材料層上で周期的な酸化およびエッチングのプロセスを実行する装置であって、
    内部に処理領域を画定する複数の壁を有し、前記処理領域内に材料層を有する基板を保持する基板支持体を含む処理チャンバと、
    前記処理チャンバと流体を連通させて、酸素含有ガス、不活性ガス、およびエッチングガスを前記処理チャンバ内へ供給する酸素含有ガス供給、不活性ガス供給、およびエッチングガス供給と、
    前記チャンバ内部のプラズマ生成領域内のプラズマならびに前記酸素含有ガスおよびエッチングガスの少なくとも１つを形成して前記ガスを付勢し、前記材料層に接触する酸素プラズマおよびエッチングプラズマの少なくとも１つを形成するプラズマ源と、
    前記チャンバ内の前記基板を約１００℃を上回る第１の温度まで加熱する加熱システムと、
    前記チャンバ内の前記基板を前記第１の温度未満の第２の温度まで冷却する冷却システムと、
    前記第１の温度と前記第２の温度との間で前記チャンバ内の前記基板を循環させる制御システムと
    を備える装置。
  2. 前記制御システム、前記加熱システム、および前記冷却システムが、約３分未満の期間内に前記第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成されており、前記第２の温度が約２００℃〜１０００℃の範囲内である、請求項１に記載の装置。
  3. 前記冷却システムが、冷却媒体を流すための通路を含む基板支持体を備えている、請求項１に記載の装置。
  4. 前記冷却システムが、前記チャンバ内で前記基板支持体に隣接して配置されたシャワーヘッドを備え、前記シャワーヘッドが冷却流体と連通している、請求項１に記載の装置。
  5. 前記加熱システムが、光源および抵抗加熱器の少なくとも１つを備えている、請求項４に記載の装置。
  6. 前記抵抗加熱器が、前記基板支持体または前記シャワーヘッド内に配置されている、請求項５に記載の装置。
  7. 前記加熱システムが光源を含み、前記光源は、前記光源によって放出される光エネルギーが、処理されている前記材料による吸収を最適化する入射角で前記材料表面に接触するように配置されており、前記入射角が、処理されている前記材料層に対するブルースター角である、請求項１に記載の装置。
  8. 前記処理チャンバが、天井を覆って配置されたコイルを含む電力アプリケータを備える天井プラズマ源を有し、前記コイルが、インピーダンス整合ネットワークを通じて電源に結合されて、前記プラズマ生成領域内にプラズマを生成する、請求項１に記載の装置。
  9. 前記エッチングガスがフッ素含有ガスを含み、前記チャンバが、プラズマ源と連通する窒素ガス源をさらに備えている、請求項８に記載の装置。
  10. 前記チャンバが、前記基板上の材料層上でエッチングプロセスを実行するように構成されており、前記エッチングプロセスの少なくとも一部分が、前記第１の温度で実行される、請求項２に記載の装置。
  11. 前記エッチングプロセスが乾式エッチングプロセスを含み、前記エッチングガスが、プラズマ源と連通する窒素ガスおよびフッ素含有ガスを含む、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記エッチングガスが、前記プラズマ源と流体を連通させてエッチングプラズマを形成する、請求項１０に記載の装置。
  13. 前記温度制御システムが、約５０℃未満、具体的には約２５℃〜約３５℃の温度で前記エッチングプロセスの少なくとも一部分を実行する冷却システムを含んでいる、請求項２に記載の装置。
  14. 約３分未満で前記第１の温度と第２の温度との間を循環するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記基板上に材料層を成形するように構成されており、前記材料層の所望の形状においては、基部近傍の第１の幅が頂部近傍の第２の幅と実質的に同等であり、前記所望の形状の前記第１の幅および前記第２の幅が約１〜約３０ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
JP2012557251A 2010-03-10 2011-03-10 周期的な酸化およびエッチングのための装置と方法 Active JP5921448B2 (ja)

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