JP2014509449A - Ｈｄｐ−ｃｖｄによるポリシリコン膜 - Google Patents

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Abstract

ポリシリコン層を形成する方法が記載される。これらの方法は、堆積基板を収容する基板処理領域内でシリコン前駆体から高密度プラズマを形成することを含む。これらの記載の方法は、従来技術の技法に比べて低い基板温度（たとえば、５００℃未満）で多結晶膜を生じさせる。バイアスプラズマ出力調整を利用できることで、形成されたポリシリコン層の共形性の調整をさらに可能にする。高密度プラズマ内にドーパントが含まれるとき、ドーパントは、別個の活性化ステップを必要としないように、ポリシリコン層内へ組み込むことができる。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年４月１９日出願の「ＰＯＬＹＳＩＬＩＣＯＮ ＦＩＬＭＳ ＢＹ ＨＤＰ−ＣＶＤ」という名称の米国特許出願第１３／０８９，９６６号のＰＣＴ出願であり、２０１１年１月２４日出願の「ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＰＯＬＹＳＩＬＩＣＯＮ ＦＩＬＭ ＢＹ ＨＤＰ−ＣＶＤ」という名称の米国仮特許出願第６１／４３５，４８７号に関連し、同出願の利益を主張する。両出願は、あらゆる目的で全体として参照により本明細書に組み込まれている。
半導体デバイスの形状寸法は、数十年前の導入以来、劇的に低減してきた。現在の半導体製造機器は、４５ｎｍ、３２ｎｍ、および２８ｎｍの特徴寸法を有するデバイスを日常的に生産しており、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寸法が低減している。デバイス上の間隙およびトレンチの幅は、この間隙を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。
多結晶シリコン（ポリシリコンと短縮されることが多い）とは、超小型回路および太陽電池セルの生産において複数の用途がある材料である。ポリシリコンは、最も一般的には、熱化学気相堆積（たとえば、ＬＰ−ＣＶＤ）によって堆積される。ポリシリコンはまた、プラズマＣＶＤ（すなわち、ＰＥ−ＣＶＤ）を使用して堆積され、ならびにアモルファスシリコンの再結晶化を通じて形成されてきた。多くの適用分野では、ポリシリコンはドープされ、ゲートまたは電極として使用される。他の適用分野では、ポリシリコンはトランジスタ自体の一部分（複数可）として使用され、その場合、ポリシリコンをドープすることができ、または真性のままとすることができる。多種多様な適用分野には、ポリシリコンを共形ならびに非共形に堆積させるための柔軟な方法が必要である。
ポリシリコン層の堆積の共形性を変動させるために柔軟性を提供する新しい堆積方法が必要とされる。またこれらの新しい方法では、ますます厳しくなる熱量範囲内にとどまるように、低い基板温度での堆積を可能にしなければならない。
ポリシリコン層を形成する方法が記載される。これらの方法は、堆積基板を収容する基板処理領域内でシリコン前駆体から高密度プラズマを形成することを含む。これらの記載の方法は、従来技術の技法に比べて低い基板温度（たとえば、５００℃未満）で多結晶膜を生じさせる。バイアスプラズマ出力調整を利用できることで、形成されたポリシリコン層の共形性の調整をさらに可能にする。高密度プラズマ内にドーパントが含まれるとき、ドーパントは、別個の活性化ステップを必要としないように、ポリシリコン層内へ組み込むことができる。
本発明の実施形態は、基板処理チャンバの基板処理領域内でパターン付き基板のトレンチ内にポリシリコン層を堆積させる方法を含む。これらの方法は、パターン付き基板を基板処理領域内へ移動させることを含む。これらの方法は、約２０ミリトル以下の基板処理領域内の平均圧力を維持し、５００℃以下のパターン付き基板の平均温度を維持しながら、ケイ素源を含む堆積プロセスガスから基板処理領域内で高密度プラズマを形成することによって、パターン付き基板上でポリシリコン層を成長させることをさらに含む。これらの方法は、基板処理領域からパターン付き基板を取り出すことをさらに含む。
追加の実施形態および特徴について、一部は以下の説明で述べるが、一部は本明細書の説明から当業者には明らかになり、または本発明の実施から学習することができる。本発明のこれら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。
本発明の実施形態による間隙充填ポリシリコン膜を成長させ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る共形のポリシリコン膜を成長させ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る高密度プラズマ化学気相堆積システムの一実施形態の簡略化された図である。 図３Ａの例示的な処理システムとともに使用できるガスリングの簡略化された断面図である。
ポリシリコン層を形成する方法が記載される。これらの方法は、堆積基板を収容する基板処理領域内でシリコン前駆体から高密度プラズマを形成することを含む。これらの記載の方法は、従来技術の技法に比べて低い基板温度（たとえば、５００℃未満）で多結晶膜を生じさせる。バイアスプラズマ出力調整を利用できることで、形成されたポリシリコン層の共形性の調整をさらに可能にする。高密度プラズマ内にドーパントが含まれるとき、ドーパントは、別個の活性化ステップを必要としないように、ポリシリコン層内へ組み込むことができる。
パターン付き基板上にポリシリコンを堆積させることは、バイアス電力が印加されるか否かにかかわらず、高密度プラズマ技法を使用することで可能になることが判明した。特にパターン付き基板上に露出された酸化ケイ素を有するシステム内には、高密度プラズマ膜に一般的に伴う応力が含まれることが分かった。共形の間隙充填堆積方式とボトムアップ式の間隙充填堆積方式はどちらも、主としてバイアス電力の有無およびポリシリコン膜の成長速度に依存することが判明した。共形の間隙充填方式とボトムアップ式の間隙充填方式のどちらにおいても、ポリシリコンを堆積させる前のパターン付き基板の水素によるプラズマ処理は、ポリシリコン層の成長を促進させることが分かった。高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰ−ＣＶＤ）技法は、間隙充填を強化し、ならびに低い基板温度での堆積を可能にするために使用することができる。
ポリシリコンの共形の堆積は、ＨＤＰ−ＣＶＤを使用するとより低い温度（たとえば、３５０℃未満）で発生することが分かった。本発明の実施形態では、低い堆積速度（たとえば、５００Å／分未満）および／または高い圧力（たとえば、１０〜３０ミリトル）でも、互いの約５０％以内の側壁（水平方向）および上部（垂直方向）の成長速度を有する共形のポリシリコン膜を生じさせることが分かった。ＨＤＰ−ＣＶＤはまた、パターン付き基板上の間隙およびトレンチを充填するのに有用なボトムアップ式のポリシリコン堆積を可能にすることができる。露出されたパターン付き基板の水素による前処理は、柱状の構造および／または粒状の構造の両方を有する高密度のポリシリコン膜を生じさせるのに役立つことが分かった。これは、露出された基板を洗浄し、かつ／または露出された表面を水素で化学的に停止させることから行うことができる。
本明細書では、高密度プラズマ処理とは、約１０１１イオン／ｃｍ３以上のイオン密度を有するプラズマを用いるプラズマＣＶＤ処理である。高密度プラズマはまた、約１０−４以上のイオン化留分（イオン／中性の比）を有することができる。通常、ＨＤＰ−ＣＶＤ処理は、同時堆積およびスパッタリング構成要素を含む。本発明で実施されるいくつかのＨＤＰ−ＣＶＤ処理は、一般的に間隙充填のために最適化される従来のＨＤＰ−ＣＶＤ処理とは異なる。いくつかのステップおよび実施形態では、共形の多結晶シリコン膜は、実質上低減された（総プラズマ出力の１０％未満）基板バイアス電力で実現され、したがって、かなりのバイアス電力を用いるＨＤＰ−ＣＶＤ処理よりスパッタリングが少なくなる。従来のＨＤＰ処理パラメータからのこの逸脱にもかかわらず、スパッタリングおよび堆積速度を伴うスカラ式の特性付けは有用であり、以下に定義する。
高密度プラズマの堆積特性とスパッタリング特性を組み合わせた相対レベルは、ガス状混合物を提供するために使用されるガス流量、プラズマを維持するために印加されるソース電力レベル、基板に印加されるバイアス電力などの要因に依存することができる。これらの要因の組合せは、次のように定義される「堆積対スパッタ比」によってうまく特性付けることができる。
Figure 2014509449
堆積対スパッタ比は、堆積の増大とともに増大し、スパッタリングの増大とともに低減する。堆積対スパッタ比の定義では、「正味堆積速度」とは、堆積およびスパッタリングが同時に行われているときに測定される堆積速度を指す。「包括的スパッタ速度」とは、処理レシピが堆積ガスなしで（たとえば、窒素および流動物を残す）実行されるときに測定されるスパッタ速度である。残りのガスの流量は、通常の処理中に処理チャンバ内に存在する圧力を達成するように、ガス間の固定の比を維持したまま増大される。
当業者には知られているように、他の機能上同等の尺度を使用して、ＨＤＰ処理の相対的な堆積およびスパッタリングの寄与を定量化することもできる。一般的な代替の比は、「エッチング対堆積比」である。
Figure 2014509449
 エッチング対堆積比は、スパッタリングの増大とともに増大し、堆積の増大とともに低減する。エッチング対堆積比の定義では、「正味堆積速度」とはこの場合も、堆積およびスパッタリングが同時に行われているときに測定される堆積速度を指す。しかし、「ソースのみ堆積速度」とは、処理レシピがスパッタリングなしで実行されるときに測定される堆積速度を指す。本明細書では、本発明の実施形態について、堆積対スパッタ比の点から説明する。堆積対スパッタ比とエッチング対堆積比は、厳密には逆数ではないが、反比例の関係であり、これらの比の変換は、当業者には理解されるであろう。
典型的なＨＤＰ−ＣＶＤ処理は、トレンチの形状寸法の間隙充填を目的とする。間隙充填処理では、基板バイアスＲＦ電力を使用してイオンを基板の方へ加速させ、それによって接近軌道の範囲を狭くする。こうして狭くすることとスパッタリング作用を組み合わせることで、成長しているビアの上隅部が集まってボイドを形成および維持する前に、間隙を充填することができる。そのような間隙充填適用分野における堆積対スパッタ比（Ｄ：Ｓ）は、たとえば約３：１〜約１０：１の範囲とすることができ、いくつかの一般的でない適用分野では、たとえば約２５：１の堆積対スパッタ比を有することができる。本発明の実施形態によって成長させた酸化ケイ素膜は、基板バイアス電力をほとんどまたはまったく使用することなく、ＨＤＰ−ＣＶＤ処理で生じさせることができる。これらの条件下の包括的スパッタリング速度は遅くすることができ、異なる実施形態では、堆積対スパッタ比は通常、約５０：１〜約１００：１を上回ると予期することができる。
本発明をよりよく理解および評価するために、図１を次に参照されたい。図１は、本発明の実施形態による間隙充填ポリシリコン膜を成長させる選択されたステップを示す流れ図である。間隙充填ポリシリコン形成処理は、トレンチを有するパターン付き基板を基板処理領域内へ移動させたときに始まる（動作１０１）。基板処理領域内へ水素（Ｈ２）を導入して高密度プラズマを形成し（動作１０２）、ポリシリコンを堆積させる前にパターン付き基板の表面を前処理する。次に、基板処理領域へシランを流し入れて高密度プラズマを形成し（動作１０６）、パターン付き基板上にポリシリコンを堆積させる。
動作１０８で、高密度プラズマと基板との間にプラズマバイアスを印加して、イオンを基板の方へ加速させる。その結果、間隙充填ポリシリコンがトレンチ内にボトムアップ形式で形成される。基板バイアス電力は、ポリシリコン間隙充填層の成長中に堆積対スパッタ比を制御するように調整することができる。例示的な堆積対スパッタ比は、堆積中に約２：１〜約６：１の範囲とすることができる。堆積中にかなりのスパッタリングを発生させることで、堆積させたバルク間隙充填層内にかなりのボイドが形成される可能性を低減させる。
図２は、本発明の実施形態による共形のポリシリコン膜を成長させる選択されたステップを示す流れ図である。共形のポリシリコン形成処理は、基板（パターン付きまたはパターンなし）を基板処理領域内へ移動させたときに始まる（動作２０２）。基板処理領域内へ水素（Ｈ２）を導入して高密度プラズマを形成し（動作２０４）、ポリシリコンを堆積させる前にパターン付き基板の表面を前処理する。次に、基板処理領域へシランを流し入れて、バイアスなしの（または低濃度にバイアスされた）高密度プラズマを形成し（動作２０６）、パターン付き基板上にポリシリコンを堆積させる。高密度プラズマと基板との間には、イオンを基板の方へ加速させるためのプラズマバイアスをほとんどまたはまったく印加しない。その結果、共形のポリシリコンが基板上に形成される。
本明細書の方法によって間隙充填または共形のポリシリコンを形成することで、処理を比較的低い基板温度で行うことができる。典型的な熱的ポリシリコン堆積処理は、６５０℃以上の基板温度で実施することができるが、本発明の実施形態では、ＨＤＰポリシリコンの形成中に使用される基板温度は、約５００℃以下、約４５０℃以下、または約４００℃以下とすることができる。基板の温度は、様々な方法で制御することができる。図１〜２では、水素プラズマを使用して、基板を堆積温度まで加熱することができる。プラズマがこれらの範囲を超えて基板温度を上昇させる状況では、裏側を流れるヘリウムによって基板の裏面を冷却することができる。ポリシリコンを約３００℃未満で成長させることで、ポリシリコンとアモルファスシリコンとの混合物を成長させることが分かった。
高密度プラズマを使用して形成されるポリシリコン層は、圧縮応力を保持することができる。下にある二酸化ケイ素材料（実施形態では、下にある基板の一部分上に存在する）は、間隙充填ポリシリコン層に関連する応力の一部を吸収することができる。
シランは、ポリシリコンを形成するのに有用な唯一のケイ素源ではない。ジシランおよびより高次のシランもまた、隣接するケイ素原子間に１つまたは複数の２重結合を有するシランの場合と同様に、これらの膜を形成することができるはずである。本発明の実施形態では、形成している膜内にハロゲンが組み込まれるのを回避するために、ポリシリコンを形成するために使用されるシランはハロゲンを含まない。通常、これらのケイ素源は、単独で使用することができ、または互いに任意の組合せで組み合わせることができ、これを集合的に堆積プロセスガスと呼ぶ。一部またはすべての水素（Ｈ２）に対する代替物も利用可能である。アンモニア（ＮＨ３）は、堆積前の処理動作に対する有用な水素源（Ｈ）であることが分かった。ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）ならびに他の窒素および水素含有化合物もまた、前処理プラズマへの投入として働くことが予期される。通常、これらの水素源は、単独で使用することができ、または互いに任意の組合せで組み合わせることができ、これを集合的に前処理プロセスガスと呼ぶ。
本明細書に参照するプロセスガスはいずれも、高密度プラズマの安定化または基板全体におけるポリシリコン堆積の均一性の改善を助けることができる不活性ガスと組み合わせることができる。本発明の実施形態では、これらのプロセスガスにアルゴン、ネオン、および／またはヘリウムが加えられ、流動ガスと呼ばれる。流動ガスは、プラズマ密度を変更する（たとえば、増大させる）ために、１つまたは複数のステップ中に導入することができる。プラズマ密度を増大させることで、プラズマ内でのイオン化および解離の確率を増大させるのに役立つことができる。
本発明の実施形態では、いくつかのポリシリコン膜内にドーパントを組み込むために、堆積プロセスガス内にドーパント源を含むこともできる。高密度プラズマの性質により、ドーパントは、ポリシリコン膜内でよりしっかりと結合することができ、それにより、実施形態では別個の熱的ドーパント活性化ステップの必要がなくなる。形成しているポリシリコン層内に活性化されたホウ素（Ｂ）のドーピング中心を作るために、堆積プロセスガスにホウ素含有前駆体を加えることができる（たとえば、ＴＥＢ、ＴＭＢ、ＢＨ３、Ｂ２Ｈ６、より高次のボラン）。別法として、実施形態では、堆積プロセスガスにリン含有前駆体（たとえば、ＰＨ３）を加えることによって、ポリシリコン層内に活性化されたリン（Ｐ）のドーピング中心を含むこともできる。
本発明の実施形態では、ドーパント源はまた、第１の原子構成要素（ケイ素）と等電子の原子価である炭素などのドーパントを導入することができる。炭素は、ドーパント源内に炭化水素を含むことによって導入することができる。適した炭化水素には、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ３Ｈ８、Ｃ３Ｈ６などが含まれる。本発明の実施形態では、炭素がドープされたポリシリコン膜内の炭素の濃度は、１０％または２０％を超えて高くすることができる。
例示的な基板処理システム
本発明者らは、カリフォルニア州サンタクララのＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣ．によって製造されたＵＬＴＩＭＡ（商標）というシステムを用いて、本発明の実施形態を実施した。これに関する概略的な説明は、本発明の譲受人に譲渡された、１９９６年７月１５日出願のＦｒｅｄ Ｃ．Ｒｅｄｅｋｅｒ、Ｆａｒｈａｄ Ｍｏｇｈａｄａｍ、Ｈｉｒｏｇｉ Ｈａｎａｗａ、Ｔｅｔｓｕｙａ Ｉｓｈｉｋａｗａ、Ｄａｎ Ｍａｙｄａｎ、Ｓｈｉｊｉａｎ Ｌｉ、Ｂｒｉａｎ Ｌｕｅ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｓｔｅｇｅｒ、Ｙａｘｉｎ Ｗａｎｇ、Ｍａｎｕｓ Ｗｏｎｇ、およびＡｓｈｏｋ Ｓｉｎｈａによる米国特許第６，１７０，４２８号、「ＳＹＭＭＥＴＲＩＣ ＴＵＮＡＢＬＥ ＩＮＤＵＣＴＩＶＥＬＹ ＣＯＵＰＬＥＤ ＨＤＰ−ＣＶＤ ＲＥＡＣＴＯＲ」に提供されている。同特許の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれている。このシステムの概要を、以下の図３Ａおよび図３Ｂに関連して提供する。図３Ａは、一実施形態におけるそのようなＨＤＰ−ＣＶＤシステム３１０の構造を概略的に示す。システム３１０は、チャンバ３１３、真空システム３７０、ソースプラズマシステム３８０Ａ、基板バイアスプラズマシステム３８０Ｂ、ガス供給システム３３３、および遠隔プラズマ洗浄システム３５０を含む。
チャンバ３１３の上部部分は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどのセラミック誘電体材料から作られたドーム３１４を含む。ドーム３１４は、プラズマ処理領域３１６の上部境界を画定する。プラズマ処理領域３１６は、底部で基板３１７の上面および基板支持部材３１８によって結合される。
ドーム３１４には加熱板３２３および冷却板３２４が載っており、熱的に結合されている。加熱板３２３および冷却板３２４により、ドーム温度を約１００℃〜２００℃の範囲にわたって約＋１０℃の範囲内で制御することができる。これにより、様々な処理に対してドーム温度を最適化することができる。たとえば、洗浄またはエッチング処理の場合は、堆積処理の場合より高い温度でドームを維持することが望ましいであろう。また、ドーム温度の正確な制御により、チャンバ内の剥片または粒子数を低減させ、堆積された層と基板との間の接着を改善する。
チャンバ３１３の下部部分は、チャンバと真空システムをつなぎ合わせる本体部材３２２を含む。本体部材３２２上には基板支持部材３１８の基礎部分３２１が取り付けられ、本体部材３２２とともに連続する内面を形成する。基板は、チャンバ３１３の側面内の挿入／除去開口（図示せず）を通じて、ロボットブレード（図示せず）によって、チャンバ３１３内へ、またチャンバ３１３外へ移動される。リフトピン（図示せず）をモータ（同じく図示せず）の制御下で持ち上げて下ろし、基板を上部ローディング位置３５７のロボットブレードから下部処理位置３５６へ動かす。基板は、基板支持部材３１８の基板受容部分３１９内に配置される。基板受容部分３１９は、基板処理中に基板を基板支持部材３１８に固定する静電チャック３２０を含む。好ましい実施形態では、基板支持部材３１８は、酸化アルミニウムまたはアルミニウムのセラミック材料から作られる。
真空システム３７０はスロットル本体３２５を含み、スロットル本体３２５は、２枚刃のスロットルバルブ３２６を収納し、ゲートバルブ３２７およびターボ分子ポンプ３２８に取り付けられる。スロットル本体３２５は、ガス流に対して最小の障害しか与えず、対称形のポンピングを可能にすることに留意されたい。ゲートバルブ３２７は、ポンプ３２８をスロットル本体３２５から分離することができ、スロットルバルブ３２６が完全に開いているときには、排気流の容量を制限することによって、チャンバ圧力を制御することもできる。スロットルバルブ、ゲートバルブ、およびターボ分子ポンプの構成により、チャンバ圧力を最高約１ミリトル〜約２トルで正確に安定して制御することができる。
ソースプラズマシステム３８０Ａは、ドーム３１４上に取り付けられた上部コイル３２９および側面コイル３３０を含む。対称形の接地シールド（図示せず）により、コイル間の電気的結合を低減させる。上部コイル３２９は、上部ソースＲＦ（ＳＲＦ）ジェネレータ３３１Ａによって電力供給され、側面コイル３３０は、側面ＳＲＦジェネレータ３３１Ｂによって電力供給され、各コイルに対して独立した電力レベルおよび動作周波数を可能にする。このデュアルコイルシステムにより、チャンバ３１３内で径方向のイオン密度を制御することができ、それによってプラズマの均一性を改善することができる。側面コイル３３０および上部コイル３２９は通常、誘導によって駆動され、補完的な電極を必要としない。特有の実施形態では、上部ソースＲＦジェネレータ３３１Ａは、公称では２ＭＨｚで最高５，０００ワットのＲＦ電力を提供し、側面ソースＲＦジェネレータ３３１Ｂは、公称では２ＭＨｚで最高７，５００ワットのＲＦ電力を提供する。上部および側面ＲＦジェネレータの動作周波数は、プラズマ生成効率を改善するために、公称動作周波数から（たとえば、それぞれ１．７〜１．９ＭＨｚおよび１．９〜２．１ＭＨｚに）ずらすことができる。
基板バイアスプラズマシステム３８０Ｂは、バイアスＲＦ（「ＢＲＦ」）ジェネレータ３３１Ｃおよびバイアス整合ネットワーク３３２Ｃを含む。バイアスプラズマシステム３８０Ｂは、基板部分３１７と本体部材３２２を容量結合させ、これらは補完的な電極として作用する。バイアスプラズマシステム３８０Ｂは、ソースプラズマシステム３８０Ａによって作られるプラズマ種（たとえば、イオン）を基板の表面へ輸送するのを促進する働きをする。特有の実施形態では、基板バイアスＲＦジェネレータは、約１３．５６ＭＨｚの周波数で最高１０，０００ワットのＲＦ電力を提供する。
ＲＦジェネレータ３３１Ａおよび３３１Ｂは、デジタル制御式の合成器を含む。当業者には理解されるように、各ジェネレータはＲＦ制御回路（図示せず）を含み、ＲＦ制御回路は、チャンバおよびコイルからジェネレータへ後方反射される電力を測定し、最低の反射電力を得るように動作周波数を調整する。ＲＦジェネレータは通常、５０オームの特性インピーダンスを有する負荷になるように設計される。ジェネレータとは異なる特性インピーダンスを有する負荷から、ＲＦ電力を反射させることができる。これにより、負荷へ伝達される電力を低減させることができる。さらに、負荷からジェネレータへ後方反射される電力は、ジェネレータに負荷をかけ過ぎて損傷することがある。他の要因の中でも、プラズマのインピーダンスは、プラズマイオン密度に応じて、５オーム未満から９００オームを超える範囲とすることができ、反射電力は周波数に応じるため、反射電力に従ってジェネレータ周波数を調整することで、ＲＦジェネレータからプラズマへ伝達される電力を増大させ、ジェネレータを保護する。反射電力を低減させて効率を改善する別の方法は、整合ネットワークを用いる。
整合ネットワーク３３２Ａおよび３３２Ｂは、ジェネレータ３３１Ａおよび３３１Ｂの出力インピーダンスとそれぞれのコイル３２９および３３０を整合させる。ＲＦ制御回路は、整合ネットワーク内でキャパシタの値を変化させ、負荷が変化するにつれてジェネレータと負荷を整合させることによって、両方の整合ネットワークを同調させることができる。ＲＦ制御回路は、負荷からジェネレータへ後方反射される電力が特定の限界を超過したとき、整合ネットワークを同調させることができる。一定の整合を提供し、ＲＦ制御回路が整合ネットワークを同調させることを実質上無効にする１つの方法は、予期の反射電力値を上回るように反射電力の限界を設定することである。これにより、最近の条件で整合ネットワークを一定に保持することによって、いくつかの条件下でプラズマを安定させるのに役立つことができる。
他の方策も、プラズマを安定させるのに役立つことができる。たとえば、ＲＦ制御回路を使用して、負荷（プラズマ）へ供給される電力を判定することができ、供給される電力を層の堆積中に実質上一定に保つように、ジェネレータ出力電力を増大または低減させることができる。
ガス供給システム３３３は、ガス供給ライン３３８（一部のみを示す）を用いて、いくつかのガス源３３４Ａ〜３３４Ｅから、基板を処理するチャンバへガスを提供する。当業者には理解されるように、ガス源３３４Ａ〜３３４Ｅに使用される実際のガス源およびチャンバ３１３への供給ライン３３８の実際の接続は、チャンバ３１３内で実行される堆積および洗浄処理に応じて変動する。ガスは、ガスリング３３７および／または上部ノズル３４５を通じてチャンバ３１３内へ導入される。図３Ｂは、ガスリング３３７のさらなる詳細を示す、チャンバ３１３の簡略化された部分横断面図である。
一実施形態では、第１のガス源３３４Ａおよび第２のガス源３３４Ｂ、ならびに第１のガス流コントローラ３３５Ａ’および第２のガス流コントローラ３３５Ｂ’が、ガス供給ライン３３８（一部のみを示す）を用いて、ガスリング３３７内のリングプレナム３３６へガスを提供する。ガスリング３３７は、基板全体に均一のガス流を提供する複数のソースガスノズル３３９（例示の目的で１つのみを示す）を有する。ノズルの長さおよびノズルの角度は、個々のチャンバ内の特定の処理に対する均一性プロファイルおよびガス利用効率の調節を可能にするように変化させることができる。好ましい実施形態では、ガスリング３３７は、酸化アルミニウムセラミックから作られた１２個のソースガスノズルを有する。
ガスリング３３７はまた、複数の酸化剤ガスノズル３４０（１つのみを示す）を有し、酸化剤ガスノズル３４０は、一実施形態ではソースガスノズル３３９と共平面であり、ソースガスノズル３３９より短く、一実施形態では本体プレナム３４１からガスを受け取る。いくつかの実施形態では、ガスをチャンバ３１３内へ噴射する前にソースガスと酸化剤ガスを混合しないことが望ましい。他の実施形態では、本体プレナム３４１とガスリングプレナム３３６との間に開孔（図示せず）を提供することによって、ガスをチャンバ３１３内へ噴射する前に、酸化剤ガスとソースガスを混合することができる。一実施形態では、第３のガス源３３４Ｃ、第４のガス源３３４Ｄ、および第５のガス源３３４Ｄ’、ならびに第３のガス流コントローラ３３５Ｃおよび第４のガス流コントローラ３３５Ｄ’が、ガス供給ライン３３８を用いて、本体プレナムへガスを提供する。３４３Ｂなどの追加のバルブ（他のバルブは図示せず）で、流れコントローラからチャンバへのガスを遮断することができる。本発明の特定の実施形態を実施する際には、ガス源３３４ＡはシランＳｉＨ４源を含み、ガス源３３４Ｂは分子状窒素Ｎ２源を含み、ガス源３３４ＣはＴＳＡ源を含み、ガス源３３４ＤはアルゴンＡｒ源を含み、ガス源３３４Ｄ’はジシランＳｉ２Ｈ６源を含む。
可燃性、毒性、または腐食性のガスが使用される実施形態では、堆積後にガス供給ライン内に残ったガスを取り除くことが望ましいであろう。これはたとえば、バルブ３４３Ｂなどの３方向バルブを使用して、チャンバ３１３を供給ライン３３８Ａから分離し、供給ライン３３８Ａを真空フォアライン（ｆｏｒｅｌｉｎｅ）３４４へ通気することによって、実現することができる。図３Ａに示すように、他のガス供給ライン上に、３４３Ａおよび３４３Ｃなどの他の類似のバルブを組み込むこともできる。そのような３方向バルブは、通気されないガス供給ラインの体積（３方向バルブとチャンバとの間）を最小にするように、チャンバ３１３にできるだけ近接して配置することができる。さらに、流体質量コントローラ（「ＭＦＣ」）とチャンバとの間またはガス源とＭＦＣとの間に、２方向（開閉）バルブ（図示せず）を配置することもできる。
図３Ａを再び参照すると、チャンバ３１３はまた、上部ノズル３４５および上部通気口３４６を有する。上部ノズル３４５および上部通気口３４６により、上部および側面のガス流を独立して制御することができ、それにより膜の均一性を改善し、膜の堆積およびドーピングパラメータの微調整を可能にする。上部通気口３４６は、上部ノズル３４５の周りの環状の開口である。一実施形態では、第１のガス源３３４Ａが、ソースガスノズル３３９および上部ノズル３４５に供給する。ソースノズルＭＦＣ３３５Ａ’が、ソースガスノズル３３９へ供給されるガスの量を制御し、上部ノズルＭＦＣ３３５Ａが、上部ガスノズル３４５へ供給されるガスの量を制御する。同様に、２つのＭＦＣ３３５Ｂおよび３３５Ｂ’を使用して、ガス源３３４Ｂなどの単一の酸素源から上部通気口３４６および酸化剤ガスノズル３４０の両方への酸素の流れを制御することができる。いくつかの実施形態では、酸素は、いかなる側面ノズルからもチャンバへ供給されない。上部ノズル３４５および上部通気口３４６へ供給されるガスは、ガスをチャンバ３１３内へ流すまで、別個のまま保つことができ、またはチャンバ３１３内へ流れる前に、上部プレナム３４８内でこれらのガスを混合することができる。同じガスの別個のガス源を使用して、チャンバの様々な部分に供給することができる。
チャンバ構成要素から堆積残留物を周期的に洗浄するように、遠隔マイクロ波生成式プラズマ洗浄システム３５０が設けられる。この洗浄システムは、リアクタ空胴３５３内の洗浄ガス源３３４Ｅ（たとえば、分子状フッ素、三フッ化窒素、他の過フッ化炭化水素、または均等物）からプラズマを生じさせる遠隔マイクロ波ジェネレータ３５１を含む。このプラズマに起因する反応性種は、アプリケータチューブ３５５を用いて、洗浄ガス送出ポート３５４を通じてチャンバ３１３へ運ばれる。洗浄プラズマを収容するために使用される材料（たとえば、空胴３５３およびアプリケータチューブ３５５）は、プラズマによる侵食に対して耐性をもっていなければならない。望ましいプラズマ種の濃度は、リアクタ空胴３５３からの距離とともに減るため、リアクタ空胴３５３と送出ポート３５４との間の距離はできるだけ短く保たれるべきである。遠隔空胴内に洗浄プラズマを生成することで、効率的なマイクロ波ジェネレータを使用することができ、その場で形成されるプラズマ内に存在しうるグロー放電の温度、放射、または衝撃にチャンバ構成要素をさらさない。したがって、インシトゥプラズマ洗浄処理で必要とされるように、静電チャック３２０などの比較的損傷を受けやすい構成要素を擬似ウエハで覆う必要はなく、または他の方法で保護する必要もない。図３Ａでは、プラズマ洗浄システム３５０がチャンバ３１３より上に配置されているところを示すが、別法として他の位置を使用することもできる。
上部ノズル近傍にバッフル３６１を設けて、上部ノズルを通じて供給されるソースガスの流れをチャンバ内へ誘導し、遠隔で生成されるプラズマの流れを誘導することができる。上部ノズル３４５を通じて提供されるソースガスは、中心の通路３６２を通ってチャンバ内へ誘導されるが、遠隔で生成され、洗浄ガス送出ポート３５４を通じて提供されるプラズマ種は、バッフル３６１によってチャンバの側壁の方へ誘導される。
基板処理領域の内部をシーズニングすることで、多くの高密度プラズマ堆積処理が改善されることが分かった。ポリシリコンの形成も例外ではない。シーズニングは、基板処理領域内へ堆積基板が導入される前にチャンバ内部上に酸化ケイ素を堆積させることを伴う。実施形態では、基板処理領域の内部をシーズニングすることは、酸素源およびケイ素源を含むシーズニングプロセスガスから基板処理領域内で高密度プラズマを形成することを含む。酸素源は２原子酸素（Ｏ２）とすることができ、ケイ素源はシラン（ＳｉＨ４）とすることができるが、他の前駆体でも十分である。
二酸化ケイ素ライナ層を含む場合と含まない場合に、間隙内に堆積される多結晶シリコン膜内の応力の量を測定するために、比較試験が行われる。カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．製のＵｌｔｉｍａというＨＤＰ処理チャンバ内に配置された直径３００ｍｍの基板ウエハ上に形成される間隙内に、バルク間隙充填ポリシリコン層が堆積される。基板は、ＨＤＰ−ＣＶＤ堆積中に３５０℃で維持され、印加される総ソースプラズマＲＦ電力は、バイアス電力を除いて１０．６ワット／ｃｍ２（７５００ワット）とすることができる。ライニング層は、約５．０ワット／ｃｍ２（３５００ワット）の基板バイアス電力で成長される。バルク間隙充填層の多結晶シリコンの成長中、３．５〜１０．０ワット／ｃｍ２（直径３００ｍｍのウエハ上で２５００〜７０００ワット）の範囲内のバイアス電力が基板に印加された。ライニング層の厚さは、それぞれ約２００Åおよび５００Åとすることができる。バルク間隙充填層の厚さは、約２．０μｍとすることができる。
本発明の精神から逸脱することなく、異なる処理チャンバおよび異なる処理条件に対して処理パラメータが変動しうること、ならびに異なる前駆体を使用できることが、当業者には理解されるであろう。適当なケイ素含有前駆体は、シランに加えて、トリシリルアミン（ＴＳＡ、（ＳｉＨ３）３Ｎ）およびジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を含むことができる。他の変形形態も、当業者には明らかであろう。これらの均等物および代替物も、本発明の範囲内に含まれるものとする。したがって、本発明の範囲は、記載の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲によって定義されるものである。
「トレンチ」という用語を本明細書全体にわたって使用したが、エッチングされた幾何形状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。紙面の上から見ると、トレンチは、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。「ビア」という用語は、低アスペクト比のトレンチを指すために使用され、垂直方向の電気的接続を形成するために金属で充填されていても、されていなくてもよい。本明細書では、共形の層とは、表面と同じ形状で表面上に位置する概ね均一の材料層を指し、すなわち、層の表面と層に覆われる表面は、概ね平行である。堆積された材料は１００％共形でない可能性が高く、したがって「概ね」という用語は許容できる公差を考慮に入れていることが、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、様々な修正形態、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、本発明を不要に曖昧にするのを避けるため、複数のよく知られている処理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、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」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（ａ ｐｒｏｃｅｓｓ）」への言及は、複数のそのようなプロセスを含み、「前駆体（ｔｈｅ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）」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（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、記載の特徴、全体、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、全体、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 (17)

  1. 基板処理チャンバの基板処理領域内でパターン付き基板のトレンチ内にポリシリコン層を堆積させる方法であって、前記方法は、
    前記パターン付き基板を前記基板処理領域内へ移動させることと、
    約２０ミリトル以下の前記基板処理領域内の平均圧力を維持し、５００℃以下のパターン付き基板の平均温度を維持しながら、ケイ素源を含む堆積プロセスガスから前記基板処理領域内で高密度プラズマを形成することによって、前記パターン付き基板上で前記ポリシリコン層を成長させることと、
    前記基板処理領域から前記パターン付き基板を取り出すこととを含む方法。
  2. 前記パターン付き基板上で前記ポリシリコン層を成長させる前に、水素源を含む前処理プロセスガスから前記基板処理領域内の高密度プラズマ内で前記パターン付き基板を前処理することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ポリシリコン層が本質的に共形になるように、前記ポリシリコン層を成長させる間に前記パターン付き基板と前記高密度プラズマとの間に本質的にバイアスが印加されない、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ポリシリコン層の成長速度が約５００Å／分未満である、請求項３に記載の方法。
  5. 前記トレンチの壁上で測定される前記ポリシリコン層の水平方向の成長速度が、前記トレンチの開口の周りの表面上の垂直方向の成長速度の約５０％〜１００％である、請求項３に記載の方法。
  6. 前記トレンチがポリシリコンで充填されるように、前記ポリシリコン層を成長させる間に前記パターン付き基板と前記高密度プラズマとの間にプラズマバイアス電力が印加される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記ケイ素源がシランである、請求項１に記載の方法。
  8. 前記プロセスガスが、２つの層のうちの少なくとも１つの成長中に第４の流量で流されるアルゴン、ネオン、およびヘリウムから選択される流動ガスをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記パターン付き基板の平均温度が約４００℃以下である、請求項１に記載の方法。
  10. 前記プロセスガスが、成長中に前記ポリシリコン層へドーパントを提供するドーピング源をさらに含み、前記ドーパントが、前記ポリシリコン層の形成後にすでに活性化されており、別個のドーパント活性化動作が必要ない、請求項１に記載の方法。
  11. 前記プロセスガスが、リン源またはホウ素源をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記プロセスガスが、第４のガス流量で流されるＰＨ３を含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記ポリシリコン層の成長中の堆積対スパッタ比が約２：１〜６：１である、請求項１に記載の方法。
  14. 前記パターン付き基板を前記基板処理領域内へ移動させる動作の前に、前記基板処理領域の内部が酸化ケイ素でシーズニングされる、請求項１に記載の方法。
  15. 前記基板処理領域の前記内部をシーズニングすることが、酸素源およびケイ素源を含むシーズニングプロセスガスから前記基板処理領域内で高密度プラズマを形成することを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記酸素源が２原子酸素（Ｏ２）であり、前記ケイ素源がシラン（ＳｉＨ４）である、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記プロセスガスが炭素源をさらに含み、前記ポリシリコン層が、炭素がドープされたポリシリコン層である、請求項１に記載の方法。
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