JP2015521375A - 流動性膜のための改善された緻密化 - Google Patents

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Abstract

誘電体層を形成する方法が記述される。その方法は最初に基板上に初期流動性の層を堆積する。その後、初期流動性の層は、基板を高密度プラズマ（ＨＤＰ）に暴露することによって緻密化される。複数の実施形態において、初期流動性の層上に基本的に付加材料が堆積されるのではなく、加速されたイオン種の衝撃が層を凝縮し、処理された層の耐エッチング性を増大させる役割を果たす。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年４月３０日に出願された「ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＤＥＮＳＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＦＬＯＷＡＢＬＥ ＦＩＬＭＳ」と題する米国仮特許出願第６１／６４０，５１４号の恩典を主張し、その仮特許出願はあらゆる点で参照によりその全体を本明細書に援用する。
半導体デバイス幾何形状は、数十年前に導入されて以来、劇的にサイズが縮小された。最新の半導体製造装置は、３２ｎｍ、２８ｎｍ及び２２ｎｍのフィーチャサイズを有するデバイスを当たり前のように生成し、更に小さな幾何形状を有するデバイスを形成するために、新たな装置が開発され、実現されつつある。フィーチャサイズを縮小することにより、デバイス上の構造フィーチャの空間寸法も縮小してきた。デバイス上の間隙及びトレンチの幅は、誘電体材料で間隙を満たすのを難しくするほど間隙の深さとその幅とのアスペクト比が高くなる程度まで狭くなっている。堆積する誘電体材料は、間隙を完全に充填する前に上部を塞ぐ傾向があり、それにより、間隙の中央にボイド又は継ぎ目が生成される。
長年にわたって、誘電体材料が間隙の上部を塞ぐのを回避するために、又は形成されたボイド又は継ぎ目を「解消する」ために、数多くの技法が開発されてきた。１つの手法は、回転する基板表面に液相で塗布することができる流動性の高い前駆体材料から開始することであった（例えば、ＳＯＧ堆積技法）。これらの流動性前駆体は、非常に小さな基板間隙内に流れ込み、ボイド又は脆い継ぎ目を形成することなく、その間隙を満たすことができる。しかしながら、これらの流動性の高い材料は、堆積した後に、固化して固体誘電体材料にしなければならない。
多くの場合、固化は、堆積された材料から成分を除去し、酸化ケイ素などの固体誘電体を残す熱処理を含む。これらの成分の中には、初期に堆積された膜を流動性にするために必要なものもあった。脱離する成分は固化された誘電体の密度を増大させ、それにより、通常、また望ましいことに、固化された膜のエッチング耐性を増大させる。固化する誘電体の体積は縮小する傾向があり、それにより、誘電体とそれを包囲する基板との界面に亀裂及び空間が残る可能性がある。
パターニングされた基板上のフィーチャ内に流し込むために、スピンオン誘電体（ＳＯＤ）も用いられてきた。その材料は一般的にケイ素窒素水素を含むシラザンタイプ層から酸化ケイ素に変換される。ケイ素窒素水素含有層は通常、酸素含有環境内で高温において酸化ケイ素に変換される。その環境からの酸素が窒素及び水素を置換し、酸化ケイ素層を作り出す。回路アーキテクチャによっては、高温で酸素環境に暴露することによって下層が損なわれるおそれがある。このことを考慮すると、製造プロセスフロー中に「サーマルバジェット」内にとどまることが必要になる。サーマルバジェットを考慮することは、ＳＯＤを、酸化から下層のフィーチャを保護することができる下層の窒化ケイ素層を組み込むプロセスフローに大きく制限してきた（例えば、ＤＲＡＭ応用例）。ラジカル成分ＣＶＤによってシラザン含有層を堆積する代替の方法も開発された。ラジカル成分ＣＶＤは、１つの前駆体を励起し、無プラズマ基板処理領域において、その前駆体を励起されていないケイ素含有前駆体と結合することによって流動性層を作り出すことができる。
これらの膜のそれぞれの流動性は、他の流動性膜とは異なる化学成分から生じる場合があるが、膜の緻密化は、一連の流動性堆積技法にわたって概ね均一であることが望ましい。したがって、開発中及び現在利用可能である、想定される多種多様の流動性膜を緻密化するための新たな後処理技法が必要とされている。この要求及び他の要求が本出願において対処される。
誘電体層を形成する方法が記述される。その方法は最初に基板上に、初期流動性の層を堆積する。その誘電体層は、誘電体層を形成する作業の間、流動性がある。初期流動性の層はその後、基板を高密度プラズマ（ＨＤＰ）に暴露することによって緻密化される。複数の実施形態において、基本的には、初期流動性の層の上に更なる材料が堆積されるのではなく、加速されたイオン種の衝撃が層を凝縮し、処理された層の耐エッチング性を増大させる役割を果たす。
本発明の実施形態は、基板上に誘電体層を形成する方法を含む。その方法は、（１）基板上に誘電体層を形成するステップと、（２）層を高密度プラズマに暴露することによって誘電体層を処理するステップとからなる連続したステップを含む。ステップ（２）は誘電体層の密度を増大させる。
更なる実施形態及び特徴は、或る程度は以下の説明に記述されており、或る程度は、明細書を検討すると当業者には明らかになり、又は本発明を実践することによって学習することができる。本発明の特徴及び利点は、明細書中に記述される手段、組み合わせ及び方法によって実現し、達成することができる。
本発明の特性及び利点の更なる理解は、明細書及び図面の残りの部分を参照することによって達成することができ、幾つかの図面を通して、類似の構成要素を参照するために類似の参照番号が用いられる。場合によっては、参照番号にサブラベルが関連付けられ、ハイフンに続き、複数の類似の構成要素のうちの１つを表す。既存のサブラベルを指定することなく参照番号が参照されるとき、全てのそのような複数の類似の構成要素を参照することを意図している。
本発明の実施形態による誘電体層を作製するための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基板処理システムを示す図である。 本発明の実施形態による膜緻密化チャンバを示す図である。 本発明の実施形態によるガスリングを示す簡略化された断面図である。 本発明の実施形態による流動性膜堆積チャンバを示す図である。 本発明の実施形態によるガス導入シャワーヘッドを示す図である。
誘電体層を形成する方法が記述される。その方法は最初に基板上に、初期流動性の層を堆積する。初期流動性の層はその後、基板を高密度プラズマ（ＨＤＰ）に暴露することによって緻密化される。複数の実施形態において、基本的には、初期流動性の層の上に更なる材料が堆積されるのではなく、加速されたイオン種の衝撃が層を凝縮し、処理された層の耐エッチング性を増大させる役割を果たす。
高密度プラズマを用いて、初期流動性の誘電体層を後処理することによって、処理された誘電体層を劇的に緻密化し、その湿式エッチング速度を減速させることがわかった。流動性層は、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、スピンオン誘電体（ＳＯＤ）、ｅＨＡＲＰプロセス（Ｈ２Ｏ−ＴＥＯＳ−Ｏ３）、ラジカル成分ＣＶＤなどＳＡＣＶＤ又は流動性ＣＶＤプロセスなどのプロセスによって堆積することができる。流動性膜は、非流動性膜に比べて、小さな密度及び高いエッチング速度を有することができる。本明細書において記述される高密度プラズマ処理によれば、湿式エッチング速度比を劇的に、例えば、３〜５から３をはるかに下回る値まで低減できるようになることがわかった。
本明細書において用いられるときに、高密度プラズマプロセスは、約１０１１イオン／ｃｍ３又はそれより大きなイオン密度を有するプラズマを利用するプラズマＣＶＤプロセスである。高密度プラズマは、約１０−４又はそれより大きなイオン化率（イオン／中性比）も有することができる。通常のＨＤＰ−ＣＶＤプロセスは、トレンチ形状の間隙を充填するのに適合する。間隙充填プロセスにおいて、基板バイアスＲＦ電力を用いて、基板に向かってイオンを加速し、狭い範囲の接近軌道を生成する。この狭小化と、スパッタリング作用とを組み合わせることによって、成長しているビアの上側角が一体になり、ボイドを形成し、維持する前に間隙を充填できるようになる。その場合に、ＨＤＰ−ＣＶＤを特徴付けるために、多くの場合に、堆積対スパッタ比（Ｄ：Ｓ）が用いられる。しかしながら、本発明は、ほとんど、又は全く付加材料を堆積しないことを目指しており、むしろ、基板上に既に存在している材料を圧縮することを目指す。Ｄ：Ｓ比の従来の定義は以下の通りである。
［（正味の堆積速度）＋（ブランケットスパッタリング速度）］／（ブランケットスパッタリング速度）
堆積対スパッタ比は、堆積が増加するにつれて上昇し、スパッタリングが増加するにつれて低下する。堆積対スパッタ比の定義において用いられるときに、「正味の堆積速度」は、堆積及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している。「ブランケットスパッタ速度」は、堆積ガス（例えば、窒素及び廃水を残す）を用いることなくプロセスレシピが実行されるときに測定されるスパッタ速度である。残留ガス間の一定の比を維持しながら、その流量が増大し、通常のプロセス中にプロセスチャンバ内に存在する圧力を達成する。本発明の実施形態では全く、又は基本的に堆積ガスは使用されないので、Ｄ：Ｓ比は基本的に１に等しくすることができる。旧来のＨＤＰプロセスを定量化するために用いられる別の従来の尺度は、「エッチング対堆積比」と呼ばれる。エッチング対堆積比の定義は、量の分母に「ソースのみの堆積速度」を含む。この量は、本発明の場合の１つの特異点に存在するか、又は接近する。それゆえ、これら２つの標準的な比は、本出願では広範には参照されず、本明細書において記述されるＨＤＰ緻密化プロセスは、本発明の実施形態において基板バイアス電力を加えながら、及び加えることなく用いられる場合がある。
本明細書において記述される例は、ラジカル成分ＣＶＤシラザン膜、すなわち、ケイ素窒素水素含有層の堆積と、結果として生じる膜のエッチング速度を下げることがわかっている後続の高密度プラズマ処理とに焦点を合わせる。高密度プラズマ処理を用いない場合、ラジカル成分ＣＶＤと、その後のオゾン硬化及び酸素アニール又は水処理とによって作り出される酸化ケイ素膜のエッチング速度は、熱酸化物層より３〜５倍速いことがわかっている。また、本明細書において教示される高密度プラズマ処理方法は、多用途のラジカル成分ＣＶＤ炭素系膜、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、スピンオン誘電体（ＳＯＤ）及び他の流動可能に堆積される誘電体を有することができる。それらの膜は、複数の実施形態においてケイ素、水素及び窒素を含むことができる。それらの膜は、本発明の実施形態において、ケイ素、炭素、酸素、水素及び窒素を含むことができる。ここで、酸化ケイ素キャッピング層を形成する方法及びシステムについての更なる詳細が記述されることになる。
例示的な誘電体スタックプロセス
図１は、本発明の実施形態による、誘電体層スタックを作製する方法１００の選択されたステップを示す流れ図である。その方法１００は、無炭素ケイ素含有前駆体を基板処理領域１０２に与えることを含む。無炭素ケイ素含有前駆体は、複数の実施形態において、プラズマ励起を通り抜けないので、その前駆体は無傷のまま基板処理領域に入る。その後、手短に記述されることになるラジカル前駆体によってのみ励起が与えられる。無炭素ケイ素含有前駆体は、数ある種類のケイ素前駆体の中でも、例えば、ケイ素窒素含有前駆体、ケイ素水素含有前駆体、又はケイ素窒素水素含有前駆体とすることができる。炭素が存在しないと、堆積された層の収縮が抑制される。ケイ素含有前駆体は、本発明の幾つかの実施形態において、無炭素に加えて、無酸素とすることができる。酸素がない結果として、それらの前駆体から形成されたケイ素窒素含有層内のシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基の濃度が低下する。堆積された層内に余分なシラノール部分があると、堆積された層からヒドロキシル（−ＯＨ）部分を除去する堆積後ステップ中に多孔率が増加し、収縮が大きくなる可能性がある。
無炭素ケイ素前駆体の具体例は、数あるシリルアミンの中でも、Ｈ２Ｎ（ＳｉＨ３）、ＨＮ（ＳｉＨ３）２、及びＮ（ＳｉＨ３）３などシリルアミンを含むことができる。シリルアミンの流量は、種々の実施形態において、約２００ｓｃｃｍ以上、約３００ｓｃｃｍ以上又は約５００ｓｃｃｍ以上とすることができる。本明細書において与えられる全ての流量は、デュアルチャンバ基板処理システムに当てはまる。シングルウエハシステムであれば、必要な流量は半分になり、他のウエハ形状／サイズであれば、流量も処理されるエリアによって増減する必要がある。これらのシリルアミンは、キャリアガス、反応性ガス、又はその両方としての役割を果たすことができる付加的なガスと混合することができる。付加的なガスは、数あるガスの中でも、Ｈ２、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈｅ、Ｎｅ及び／又はＡｒを含むことができる。無炭素ケイ素前駆体の更なる例は、単体の、又は他のケイ素含有ガス（例えば、Ｎ（ＳｉＨ３）３）、水素（例えば、Ｈ２）及び／又は窒素（例えば、Ｎ２、ＮＨ３）と混合されたシラン（ＳｉＨ４）も含むことができる。無炭素ケイ素前駆体は、単体の、又は互いに、若しくは上記の無炭素ケイ素前駆体と組み合わせた、ジシラン、トリシラン、更に高次のシラン及び塩素化シランも含むことができる。
ラジカル前駆体も基板処理領域１０４に用意される。ラジカル前駆体は、任意の安定した化学種（不活性又は反応性）から基板処理領域外でのプラズマ励起において生成されたプラズマ放出物を表す。ラジカル前駆体は窒素含有ラジカル前駆体とすることができ、本明細書ではラジカル窒素前駆体と呼ばれる。ラジカル窒素前駆体は、より安定した窒素前駆体から基板処理領域外で生成された窒素ラジカル含有前駆体である。前駆体がまだプラズマを通っていないことを示すために、本明細書において、安定した前駆体は非励起前駆体と呼ばれる場合がある。ＮＨ３、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）及び／又はＮ２を含む安定した窒素前駆体化合物を、チャンバプラズマ領域、又は処理チャンバ外の別の遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）において活性化して、ラジカル窒素前駆体を形成することができ、その後、基板処理領域内に移送して、ケイ素含有前駆体を励起する。安定した窒素前駆体を活性化してラジカル窒素前駆体にすることは、数ある方法の中でも、熱解離、紫外光解離及び／又はプラズマ解離によって成し遂げることができる解離を伴う。プラズマ解離は、遠隔プラズマ発生チャンバ内で、ヘリウム、アルゴン、水素（Ｈ２）、キセノン、アンモニア（ＮＨ３）などからのプラズマを当てることと、プラズマ領域に安定した窒素前駆体を導入し、ラジカル窒素前駆体を発生させることとを伴う。
安定した窒素前駆体は、種々の実施形態において、ＮＨ３＆Ｎ２、ＮＨ３＆Ｈ２、ＮＨ３＆Ｎ２＆Ｈ２及びＮ２＆Ｈ２を含む混合物とすることもできる。ＮＨ３の代わりに、又はそれと組み合わせて、及びＮ２及びＨ２を含む混合物においてヒドラジンを用いることもできる。安定した窒素前駆体の流量は、種々の実施形態において、約３００ｓｃｃｍ以上、約５００ｓｃｃｍ以上、又は約７００ｓｃｃｍ以上とすることができる。チャンバプラズマ領域内で生成されるラジカル窒素前駆体は、Ｎ、ＮＨ、ＮＨ２等のうちの１つ又は複数とすることができ、プラズマ内で形成されたイオン化された化学種も伴う場合がある。本発明の実施形態において、遠隔プラズマ内で、より安定した窒素前駆体と酸素源を結合させることもできる。酸素源を加えることは、流動性を減少させながら、層に酸素を予め組み込む。酸素源はＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ３、Ｈ２Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ又はＮＯ２のうちの１つ又は複数を含むことができる。
チャンバプラズマ領域を利用する複数の実施形態において、堆積領域から仕切られた基板処理領域の部分においてラジカル窒素前駆体が生成され、堆積領域において、前駆体が混合し、反応して、堆積基板（例えば、半導体ウエハ）上にケイ素窒素含有層を堆積する。ラジカル窒素前駆体は、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、ヘリウム、ネオン、アルゴン等のキャリアガスを伴う場合もある。基板処理領域は、本明細書において、無炭素ケイ素窒素水素含有層の成長中、及び後続の処理中に「無プラズマ」であると説明される場合がある。「無プラズマ」は、その領域にプラズマがないことを必ずしも意味しない。チャンバプラズマ領域内のプラズマの境界は画定するのが難しく、シャワーヘッド内の開口部を通って基板処理領域上に侵入する場合がある。例えば、誘導結合プラズマの場合、基板処理領域内で、少量のイオン化が開始される場合がある。一般的に、形成しつつある層の流動性を失うことなく、基板処理領域内に低密度プラズマが生成される場合がある。ラジカル窒素前駆体の生成中に、プラズマが遠隔／チャンバプラズマ領域よりもはるかに低いイオン密度を有する全ての原因が、本明細書に用いられるような「無プラズマ」の範囲から逸脱しない。
基板処理領域において、無炭素ケイ素前駆体及びラジカル窒素前駆体が混合し、反応して、堆積基板１０６上にケイ素窒素水素含有層を堆積する。実施形態において、堆積されたケイ素窒素水素含有層は、従来の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）層堆積技法とは異なり、流動性を有する。形成中に流動性であることによって、層は固化する前に狭いフィーチャ内に流れ込むことができるようになる。
ケイ素窒素水素含有層内の窒素は、ラジカル前駆体又は非励起前駆体のいずれか（又は両方）から生じる場合がある。幾つかの実施形態において、無炭素ケイ素含有前駆体は基本的に無窒素とすることができる。しかしながら、実施形態によっては、無炭素ケイ素含有前駆体及びラジカル窒素前駆体はいずれも窒素を含む。第３の一連の実施形態では、ラジカル前駆体は基本的に無窒素とすることができ、無炭素ケイ素窒素水素含有層のための窒素は、無炭素ケイ素含有前駆体によって供給することができる。結果として、ラジカル前駆体は本明細書において「ラジカル窒素及び／又は水素前駆体」と呼ばれる場合もあり、その前駆体が窒素及び／又は水素を含むことを意味する。同様に、プラズマ領域に流れ込み、ラジカル窒素及び／又は水素前駆体を形成する前駆体は、窒素及び／又は水素含有前駆体と呼ばれる場合がある。この用語は、本明細書に開示される各実施形態に適用することができる。実施形態において、窒素及び／又は水素含有前駆体は水素（Ｈ２）を含み、一方、ラジカル窒素及び／又は水素前駆体はＨ等を含む。
図１に示される具体例に戻ると、ケイ素窒素水素含有層の流動性はラジカル窒素前駆体を無炭素ケイ素含有前駆体と混合することから生じる種々の特性に起因する場合がある。これらの特性は、堆積された層内の著しい水素成分、及び／又は短鎖ポリシラザンポリマーの存在を含むことができる。これらの短鎖は成長し、網状化して、層の形成中及び形成後に、より高密度の誘電体材料を形成する。例えば、堆積された層は、シラザンタイプのＳｉ−ＮＨ−Ｓｉバックボーン（すなわち、無炭素Ｓｉ−Ｎ−Ｈ層）を有することができる。ケイ素含有前駆体及びラジカル前駆体がいずれも無炭素であるとき、堆積されたケイ素窒素水素含有層も概ね無炭素である。当然、「無炭素」は、極微量の炭素さえ層に存在しないことを必ずしも意味しない。前駆体材料内に、堆積されたケイ素窒素含有前駆体内に入り込む炭素汚染物が存在する場合もある。しかしながら、これらの炭素不純物の量は炭素成分を有するケイ素前駆体（例えば、ＴＥＯＳ、ＴＭＤＳＯ等）であれば見られることになる量よりもはるかに少ない。
プロセスのこの時点において、本発明の実施形態において、基板処理領域からプロセス廃水を除去することができる。プロセス廃水は、任意の未反応ケイ素含有前駆体、未反応ラジカル窒素前駆体、不活性キャリアガス、及び層成長からの反応生成物を含む場合がある。プロセス廃水は、開示される実施形態において、不活性種を基板処理領域に流し込むことによって、及び／又は排気口を通して排気することによって追い出すことができる。
その後、ステップ１０８において、ケイ素窒素含有層を硬化させ、かつ／又はアニールする。硬化ステージは、酸化ケイ素キャッピング層及び無炭素ケイ素窒素水素含有層を酸素含有雰囲気に暴露することを伴う場合がある。酸素含有雰囲気は、本発明の実施形態において、オゾンを含む場合がある。堆積基板は硬化のために基板処理領域内にとどまる場合があるか、又は基板は、酸素含有雰囲気が導入された異なるチャンバに移送することができる。基板の硬化温度は、種々の実施形態において、約３００℃以下、約２５０℃以下、約２２５℃以下又は約２００℃以下とすることができる。基板の温度は、種々の実施形態において、室温（２５℃）以上、約５０℃以上、約１００℃以上、約１２５℃以上、約１５０℃以上とすることができる。開示される更なる実施形態によれば、上限のいずれかを下限のいずれかと組み合わせて、基板温度の更なる範囲を形成することができる。
硬化工程は、無炭素ケイ素窒素水素含有層を、ケイ素酸素含有層に変更した。ケイ素酸素含有層は、酸素含有雰囲気内で相対的に高い温度において基板をアニールすることによって更に変換することができる。堆積基板は、酸素含有雰囲気が導入されるとき、硬化のために用いられる同じ基板処理領域内にとどまることができるか、又は基板は、酸素含有雰囲気が導入される異なるチャンバに移送される場合がある。酸素含有雰囲気は、数ある酸素含有ガスの中でも、分子酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、及び窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ２など）など１つ又は複数の酸素含有ガスを含む場合がある。酸素含有雰囲気は、遠隔して発生させ、基板チャンバに輸送することができる、ラジカル酸素、及び原子酸素（Ｏ）、水酸化物（ＯＨ）などのヒドロキシル種を含むこともできる。酸素含有種のイオンも存在する場合がある。硬化工程及びアニール工程の酸素含有雰囲気は、酸素を与え、ケイ素窒素水素含有層を酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層に変換する。基板の酸素アニール温度は、種々の実施形態において、約１１００℃以下、約１０００℃以下、約９００℃以下、又は約８００℃以下とすることができる。基板の温度は、種々の実施形態において、約５００℃以上、約６００℃以上、約７００℃以上、又は約８００℃以上とすることができる。開示される更なる実施形態によれば、再び、上限のいずれかを下限のいずれかと組み合わせて、基板温度に関する更なる範囲を形成することができる。
方法１００は、ケイ素酸素含有層の高密度プラズマ処理（工程１１０）も含む。ＨＤＰ処理は通常、ラジカル成分ＣＶＤのために用いられるチャンバとは異なる方式のチャンバを必要とすることになる。図２に関連して後に論じられるように、２つの異なるチャンバを同じ基板処理システム上の別々のポートに取り付けることができる。複数の実施形態において、基板は、ラジカル成分堆積とＨＤＰ処理との間に雰囲気に暴露されないことが好ましい。本発明の実施形態において、ＨＤＰ処理は、硬化工程後に、酸素含有雰囲気内でのアニール後に、又は硬化−アニールシーケンス後に行われる場合がある。ケイ素酸素含有層への変換を開始するために、１つの形態又は別の形態において、ケイ素窒素水素含有層へのＨＤＰ処理前にある量の酸素が与えられるべきである。他の流動性膜の場合、酸素の導入は、必ずしも全ての実施形態において必要であるとは限らない場合がある。ＨＤＰ処理中のイオン化された種の衝撃の結果として、処理された層が緻密化される。
プラズマ電力を加えてガスを励起している間に、ＨＤＰチャンバの中に種々のガスを導入することができる。本発明の種々の実施形態において、高密度プラズマは、Ｏ３、Ｏ２、ＮＨ３、ＮＯｘ、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ａｒ、Ｎ２又はＨｅのうちの１つ又は複数から形成することができる。イオン密度及びイオン分率はそれぞれ、１０１１イオン／ｃｍ３より、及び１０−４より大きくすることができる。堆積対スパッタ比は、本明細書において尺度量が定義されるとき、１に等しくすることができるか、又は１に接近することができる。高密度プラズマ領域に加えられるプラズマ電力は、次のセクションにおいて更に詳細に論じられることになるが、約１ｋＷ以上、約３ｋＷ以上、約５ｋＷ以上、約７．５ｋＷ以上、又は約１０ｋＷ以上とすることができる。本発明の実施形態において、これらのプラズマ電力は、高密度プラズマに対して基板にバイアスをかけるために加えられるプラズマ電力を含むか、又は除く。
高密度プラズマ処理は標準的には、基板を約４００℃〜約４５０℃に加熱する。基板とプラズマとの間にバイアス電圧を使用することは、基板温度を更に高める場合がある。熱バジェット内にとどまるために、基板の背面に冷却ガスを流すか、又は別の基板冷却源を設けることによって、基板温度を下げることができる。複数の実施形態において、ＨＤＰ処理中の基板の温度は、約４００℃以下、約３５０℃以下、約３２５℃以下、又は約３００℃以下にすることができる。
ＨＤＰ処理前に誘電体材料のある量を除去することにより、処理の有効性を高めることができ、それにより、密度を更に増大させることができるようになる。これは、間隙充填誘電体材料の場合に特に当てはまる。例えば、高密度プラズマ処理に先行して、誘電体層を化学機械研磨して、パターニングされた基板の背面により近接して位置決めされる新たな誘電体−空気界面を形成することができる。本発明の種々の実施形態において、化学機械研磨ステップは、誘電体層を堆積した後に行われ、硬化工程後に、かつアニール工程後に行うことができる。ＨＤＰ処理は、ＨＤＰ処理中に新たな誘電体−空気界面で気相イオンと分子フラグメントとの間の衝突を引き起こしている可能性がある。それらの衝突は、誘電体層の間隙充填部分のより近くで生じており、それにより、ＣＭＰステップを省く処理に比べて更に大きく緻密化できるようになる。同様に、堆積を複数の堆積−緻密化シーケンスに分けることによって、密度を増大させることができる。複数の実施形態において、連続したステップを少なくとも２回繰り返して、同じ全厚の単一の堆積シーケンスと比べて誘電体密度を増大させる。
高密度プラズマ処理は標準的には、基板を約４００℃〜約４５０℃まで加熱する。基板とプラズマとの間にバイアス電圧を使用することは、基板温度を更に高める場合がある。熱バジェット内にとどまるために、基板の背面に冷却ガスを流すか、又は別の基板冷却源を設けることによって、基板温度を下げることができる。複数の実施形態において、ＨＤＰ処理中の基板の温度は、約４００℃以下、約３５０℃以下、約３２５℃以下、又は約３００℃以下にすることができる。
無炭素ケイ素窒素水素含有層及びキャッピング層を堆積するために用いられる基板は、パターニングされた基板とすることができ、基板上に形成されるデバイス構成要素（例えば、トランジスタ）の間隔及び構造のための複数の間隙を有する場合がある。その間隙は、高さ及び幅を有することができ、高さと幅とのアスペクト比（ＡＲ）（すなわち、Ｈ／Ｗ）を定義し、アスペクト比は１：１より著しく大きい（例えば、５：１以上、６：１以上、７：１以上、８：１以上、９：１以上、１０：１以上、１１：１以上、１２：１以上等）。多くの場合、高いＡＲは、約９０ｎｍ〜約２２ｎｍ以下（例えば、９０ｎｍ未満、６５ｎｍ、５０ｎｍ、４５ｎｍ、３２ｎｍ、２２ｎｍ、１６ｎｍ等）の範囲内にある小さな間隙幅に起因する。無炭素ケイ素窒素水素含有層は流動性があるので、充填材料の中心の周囲にボイド又は弱い継ぎ目を作り出すことなく、高いアスペクト比を有する間隙を満たすことができる。例えば、堆積中の流動性材料は、完全に充填される前に間隙の上部を早期に塞いで、間隙の中央にボイドを残す可能性は小さい。
例示的な酸化ケイ素堆積システムを説明する中で更なる処理パラメータが導入される場合がある。
例示的な酸化ケイ素堆積システム
本発明の実施形態を実施することができる堆積チャンバは、数あるタイプのチャンバの中でも、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰ−ＣＶＤ）チャンバ、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ、準常圧化学気相堆積（ＳＡＣＶＤ）チャンバ、熱化学気相堆積チャンバを含むことができる。本発明の実施形態を実施することができるＣＶＤシステムの具体例は、カリフォルニア州サンタ・クララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から市販されるＣＥＮＴＵＲＡ ＵＬＴＩＭＡ（登録商標）ＨＤＰ−ＣＶＤチャンバ／システム及びＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＰＥＣＶＤチャンバ／システムを含む。
堆積システムの実施形態は、集積回路チップを作製するために更に大型の製造システム内に組み込むことができる。図２は、開示される実施形態による、堆積チャンバ、加熱乾燥チャンバ及び硬化チャンバからなる１つのそのようなシステム２００を示す。図において、一対のＦＯＵＰ（前方開口型統一ポッド）２０２が基板（例えば、３００ｍｍ径ウエハ）を供給し、その基板はロボットアーム２０４によって受け取られ、低圧保持エリア２０６に入れられ、その後、基板処理チャンバ２０８ａ〜ｆに入れられる。第２のロボットアーム２１０を用いて、基板ウエハを低圧保持エリア２０６から基板処理チャンバ２０８ａ〜ｆに移送し、戻すことができる。
基板処理チャンバ２０８ａ〜ｆは、基板ウエハ上に流動性誘電体層を堆積し、アニールし、硬化させ、及び／又はエッチングするための１つ又は複数の構成要素を含むことができる。１つの構成では、２つの処理チャンバ対（例えば、２０８ｃ〜ｄ及び２０８ｅ〜ｆ）を用いて、基板上に流動性誘電体材料を堆積し、第３の処理チャンバ対（例えば、２０８ａ〜ｂ）を用いて、堆積された誘電体をアニールすることができる。別の構成では、同じ２つの処理チャンバ対（例えば、２０８ｃ〜ｄ及び２０８ｅ〜ｆ）を、基板上に流動性誘電体層を堆積しアニールするように構成することができ、一方、第３の処理チャンバ対（例えば、２０８ａ〜ｂ）は、堆積された層のＵＶ又はＥビーム硬化のために用いることができる。更に別の構成では、３つ全てのチャンバ対（例えば、２０８ａ〜ｆ）を、基板上に流動性誘電体層を堆積し、硬化させるように構成することができる。更に別の構成では、２つの処理チャンバ対（例えば、２０８ｃ〜ｄ及び２０８ｅ〜ｆ）を、流動性誘電体の堆積及びＵＶ又はＥビーム硬化の両方のために用いることができ、一方、第３の処理チャンバ対（例えば、２０８ａ〜ｂ）は、誘電体層をアニールするために用いることができる。異なる実施形態では、図示される製造システムから分離された１つ又は複数のチャンバ上で、上記の処理のうちのいずれか１つ又は複数を実行することができる。
更に、基板処理チャンバ２０８ａ〜２０８ｆのうちの１つ又は複数は湿式処理チャンバとして構成することができる。これらのプロセスチャンバは、水分を含む雰囲気内で流動性誘電体層を加熱することを含む。したがって、システム２００の実施形態は、湿式処理チャンバ及びアニール処理チャンバを含み、堆積された誘電体層上で湿式及び乾式両方のアニールを実行することができる。
本発明者らは、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、Ｃａｌｉｆ．のＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣ．によって製造されたＵＬＴＩＭＡ（商標）システムを用いて本発明の実施形態を実施しており、その包括的な記述が、Ｆｒｅｄ Ｃ． Ｒｅｄｅｋｅｒ、Ｆａｒｈａｄ Ｍｏｇｈａｄａｍ、Ｈｉｒｏｇｉ Ｈａｎａｗａ、Ｔｅｔｓｕｙａ Ｉｓｈｉｋａｗａ、Ｄａｎ Ｍａｙｄａｎ、Ｓｈｉｊｉａｎ Ｌｉ、Ｂｒｉａｎ Ｌｕｅ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｓｔｅｇｅｒ、Ｙａｘｉｎ Ｗａｎｇ、Ｍａｎｕｓ Ｗｏｎｇ及びＡｓｈｏｋ Ｓｉｎｈａによって１９９６年７月１５日に出願された「ＳＹＭＭＥＴＲＩＣ ＴＵＮＡＢＬＥ ＩＮＤＵＣＴＩＶＥＬＹ ＣＯＵＰＬＥＤ ＨＤＰ−ＣＶＤ ＲＥＡＣＴＯＲ」と題する同じ譲受人に譲渡された米国特許第６，１７０，４２８号において与えられており、その開示全体は参照により本明細書に援用される。そのシステムの概説が以下に図３Ａ及び図３Ｂに関連して与えられる。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と、真空システム３７０と、ソースプラズマシステム３８０Ａと、基板バイアスプラズマシステム３８０Ｂと、ガス供給システム３３３と、遠隔プラズマ洗浄システム３５０とを含む。
チャンバ３１３の上側部分はドーム３１４を含み、ドームは、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムなどセラミック誘電体材料から作製される。ドーム３１４は、プラズマ処理領域３１６の上側境界を画定する。プラズマ処理領域３１６は、その底部において基板３１７の上面及び基板支持部材３１８と接している。
ヒータ板３２３及び冷却板３２４がドーム３１４に載置され、ドーム３１４に熱結合される。ヒータ板３２３及び冷却板３２４によって、ドーム温度を約１００℃〜２００℃の範囲にわたって約＋１０℃以内に制御できるようになる。これにより、種々のプロセスに対してドーム温度を最適化できるようになる。例えば、洗浄又はエッチングプロセスの場合、堆積プロセスの場合よりもドームを高い温度に維持することが望ましい場合がある。ドーム温度の厳密な制御は、チャンバ内の断片又は粒子の数も減らし、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の下側部分は本体部材３２２を含み、本体部材はチャンバを真空システムに接合する。基板支持部材３１８の基部３２１が本体部材３２２上に取着され、本体部材とともに連続した内面を形成する。基板は、チャンバ３１３の側方にある挿入／取出開口（図示せず）を通して、ロボットブレード（図示せず）によってチャンバ３１３の内外に移送される。モータ（図示せず）の制御下でリフトピン（同じく図示せず）が上げられ、その後、下げられて、基板を上側ローディング位置３５７にあるロボットブレードから、基板が基板支持部材３１８の基板受取部３１９上に配置される下側処理位置３５６まで移動する。基板受取部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、酸化アルミニウム又はアルミニウムセラミック材料から作製される。
真空システム３７０はスロットル本体３２５を含み、スロットル本体はツインブレードスロットルバルブ３２６を収容し、ゲートバルブ３２７及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はガス流が妨げられるのを最小限に抑え、対称にポンピングできるよう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から隔離することができ、スロットルバルブ３２６が完全に開いているときに、排出流量を制限することによってチャンバ圧を制御することもできる。スロットルバルブ、ゲートバルブ及びターボ分子ポンプの構成によって、チャンバ圧を約１ｍＴｏｒｒ〜約２Ｔｏｒｒまで厳密に、かつ安定的に制御できるようになる。
ソースプラズマシステム３８０Ａは、ドーム３１４上に取着されるトップコイル３２９及びサイドコイル３３０を含む。対称な接地シールド（図示せず）が、コイル間の電気的結合を低減する。トップコイル３２９はトップソースＲＦ（ＳＲＦ）発生器３３１Ａによって電力を供給されるのに対して、サイドコイル３３０はサイドＳＲＦ発生器３３１Ｂによって電力を供給され、それにより、コイルごとに独立した電力レベル及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れば、チャンバ３１３内のラジカルイオン密度を制御できるようになり、それにより、プラズマ均一性を改善することができる。サイドコイル３３０及びトップコイル３２９は通常、誘導的に駆動され、相補電極を必要としない。具体的な実施形態では、トップソースＲＦ発生器３３１Ａは、標準的には２ＭＨｚにおいて、５，０００ワットまでのＲＦ電力を与え、サイドソースＲＦ発生器３３１Ｂは、標準的には２ＭＨｚにおいて、７，５００ワットまでのＲＦ電力を与える。プラズマ発生効率を改善するために、トップＲＦ発生器及びサイドＲＦ発生器の動作周波数は、公称動作周波数から（例えば、それぞれ１．７ＭＨｚ〜１．９ＭＨｚ及び１．９ＭＨｚ〜２．１ＭＨｚまで）オフセットされる場合がある。
基板バイアスプラズマシステム３８０Ｂは、バイアスＲＦ（「ＢＲＦ」）発生器３３１Ｃ及びバイアス整合回路網３３２Ｃを含む。バイアスプラズマシステム３８０Ｂは、基板部分３１７を、相補電極として働く本体部材３３２に容量性結合する。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によって作り出されたプラズマ種（例えば、イオン）の基板表面への輸送を促進する役割を果たす。具体的な実施形態では、基板バイアスＲＦ発生器は、約１３．５６ＭＨｚの周波数において、１０，０００ワットまでのＲＦ電力を与える。複数の実施形態において、高密度プラズマは、約１ｋＷ以上、約１．５ｋＷ以上、又は約２ｋＷ以上のＲＦ電力を加えることによって形成することができる。本発明の実施形態では、高密度プラズマを形成するためのＲＦ電力は、ソースプラズマシステム（例えば、３８０Ａ）からの電力を含み、基板バイアスプラズマシステム（例えば、３８０Ｂ）からの電力を含む場合もある。
ＲＦ発生器３３１Ａ及び３３１Ｂはデジタル制御シンセサイザを含む。各発生器は、当業者によって理解されるように、チャンバ及びコイルから反射され、発生器に戻される電力を測定し、動作周波数を調整して、最も低い反射電力を得るＲＦ制御回路（図示せず）を含む。ＲＦ発生器は通常、５０オームの特性インピーダンスを有する負荷につないで動作するように設計される。ＲＦ電力は、発生器とは異なる特性インピーダンスを有する負荷から反射される場合がある。これは、負荷に移送される電力を低減する可能性がある。更に、負荷から反射され、発生器に戻される電力は、発生器に過大な負荷をかけ、損傷を与えるおそれがある。プラズマのインピーダンスは、数ある要因の中でも、プラズマイオン密度によって、５オーム未満から９００オーム以上までの範囲に及ぶ場合があるので、かつ反射された電力は周波数の関数の場合があるので、反射された電力に従って発生器周波数を調整することは、ＲＦ発生器からプラズマに移送される電力を増やし、発生器を保護する。反射される電力を低減し、効率を改善する別の方法は整合回路網による。
整合回路網３３２Ａ及び３３２Ｂは、発生器３３１Ａ及び３３１Ｂの出力インピーダンスをそれぞれのコイル３２９及び３３０と整合させる。ＲＦ制御回路は、負荷が変化するのに応じて、整合回路網内のコンデンサの値を変更することによって両方の整合回路網を同調させて、発生器を負荷に整合させることができる。ＲＦ制御回路は、負荷から反射され、発生器に戻される電力が一定の限界を超えたときに整合回路網を同調させることができる。一定の整合を与え、事実上、ＲＦ制御回路を用いることなく整合回路網を同調させる１つの方法は、反射される電力の任意の予測値より高い反射電力限界を設定することである。これは、整合回路網を最新の条件において一定に保持することによって、幾つかの条件下でプラズマを安定化するのを助けることができる。
他の措置がプラズマを安定化するのを助ける場合もある。例えば、ＲＦ制御回路を用いて、負荷（プラズマ）に送達される電力を決定することができ、発生器の出力電力を増減して、層の堆積中に送達される電力を実質的に一定に保持することができる。
ガス供給システム３３３は、ガス供給ライン３３８（そのうちの幾つかのみが図示される）を経由して、幾つかのソース３３４Ａ〜３３４Ｅから、基板を処理するためのチャンバにガスを与える。当業者であれば理解するように、ソース３３４Ａ〜３３４Ｅのために用いられる実際のソース及びチャンバ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プロセス及び洗浄プロセスに応じて異なる。ガスは、ガスリング３３７及び／又はトップノズル３４５を通してチャンバ３１３に導入される。図３Ｂは、ガスリング３３７の更なる細部を示す、チャンバ３１３の簡略化された部分断面図である。
一実施形態では、第１のガス源３３４Ａ及び第２のガス源３３４Ｂ、並びに第１のガス流コントローラ３３５Ａ’及び第２のガス流コントローラ３３５Ｂ’が、ガス供給ライン３３８（そのうちの幾つかのみが図示される）を経由して、ガスリング３３７内のリングプレナム３３６にガスを与える。ガスリング３３７は複数のソースガスノズル３３９（例示のために、そのうちの１つのみが図示される）を有し、ソースガスノズルは基板にわたって均一なガス流を与える。個々のチャンバ内の特定のプロセスに対して均一性プロファイル及びガス利用効率を適応させることができるように、ノズル長及びノズル角を変更することができる。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製された１２個のソースガスノズルを有する。
ガスリング３３７は複数の酸化剤ガスノズル３４０（そのうちの１つのみが図示される）も有し、酸化剤ガスノズルは、一実施形態ではソースガスノズル３３９と同一平面をなし、かつソースガスノズル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。幾つかの実施形態では、ガスをチャンバ３１３の中に注入する前に、ソースガス及び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）を設けることによって、ガスをチャンバ３１３に注入する前に、酸化剤ガス及び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及び第５のガス源３３４Ｄ’並びに第３のガス流コントローラ３３５Ｃ及び第４のガス流コントローラ３３５Ｄ’が、ガス供給ライン３３８を経由して、ガスを本体プレナムに与える。３４３Ｂ（他のバルブは図示されない）など更なるバルブが、ガス流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、ソース３３４ＡはシランＳｉＨ４源を含み、ソース３３４Ｂは分子窒素Ｎ２源を含み、ソース３３４ＣはＴＳＡ源を含み、ソース３３４ＤはアルゴンＡｒ源を含み、ソース３３４Ｄ’はジシランＳｉ２Ｈ６源を含む。
可燃性ガス、毒ガス又は腐食性ガスが用いられる実施形態では、堆積後にガス供給ライン内に残留するガスを除去することが望ましい場合がある。これは、バルブ３４３Ｂなど三方バルブを用いてチャンバ３１３を供給ライン３３８Ａから隔離し、供給ライン３３８Ａに、例えば、真空フォアライン３４４への通気孔を設けることによって成し遂げることができる。図３Ａに示されるように、３４３Ａ及び３４３Ｃなど他の類似のバルブを他のガス供給ライン上に組み込むことができる。そのような三方バルブをできるだけチャンバ３１３の近くに配置して、通気孔のないガス供給ライン（三方バルブとチャンバとの間の）容積を最小限に抑えることができる。更に、二方（開閉）バルブ（図示せず）を質量流量コントローラ（「ＭＦＣ」）とチャンバとの間に、又はガス源とＭＦＣとの間に配置することができる。
再び図３Ａを参照すると、チャンバ３１３は、トップノズル３４５及びトップベント３４６も有する。トップノズル３４５及びトップベント３４６によって、ガスの上方流及び側方流を独立制御できるようになり、それにより、膜均一性が改善され、膜の堆積及びドーピングパラメータを微調整できるようになる。トップベント３４６は、トップノズル３４５周囲の環状開口である。一実施形態では、第１のガス源３３４Ａはソースガスノズル３３９及びトップノズル３４５に供給する。ソースノズルＭＦＣ３３５Ａ’は、ソースガスノズル３３９に送達されるガスの量を制御し、トップノズルＭＦＣ３３５Ａは、トップガスノズル３４５に送達されるガスの量を制御する。同様に、２つのＭＦＣ３３５Ｂ及び３３５Ｂ’を用いて、ソース３３４Ｂなど単一の酸素源からトップベント３４６及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。幾つかの実施形態では、酸素は、サイドノズルからチャンバに供給されない。トップノズル３４５及びトップベント３４６に供給されるガスは、ガスをチャンバ３１３に流し込む前に別々にしておくことができるか、又はガスは、チャンバ３１３に流入する前にトッププレナム３４８において混合することができる。同じガスの別々のソースを用いて、チャンバの種々の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定期的に取り除くために、遠隔マイクロ波発生プラズマ洗浄システム３５０が設けられる。洗浄システムは、リアクタキャビティ３５３において洗浄ガス源３３４Ｅ（例えば、分子フッ素、三フッ化窒素、他のフッ化炭素又は同等物）からプラズマを作り出す遠隔マイクロ波発生器３５１を含む。このプラズマから生じる反応性種は、アプリケータチューブ３５５を経由して、洗浄ガス流入口３５４を通してチャンバ３１３に搬送される。洗浄プラズマを含むために用いられる材料（例えば、キャビティ３５３及びアプリケータチューブ３５５）は、プラズマによる侵蝕に耐えなければならない。リアクタキャビティ３５３と流入口３５４との間の距離は、望ましいプラズマ種の濃度がリアクタキャビティ３５３からの距離とともに減少する場合があるので、できるだけ短くしておくべきである。遠隔キャビティにおいて洗浄プラズマを発生させることによって、効率的なマイクロ波発生器を使用できるようになり、チャンバ構成要素が温度、放射、又はその場で形成されたプラズマ内に存在する場合があるグロー放電の照射にさらされない。その結果、その場のプラズマ洗浄プロセスの場合に必要とされる場合があるような、静電チャック３２０など比較的取扱いに注意を要する構成要素をダミーウエハで覆うこと、又は別の方法で保護することは不要である。図３Ａにおいて、プラズマ洗浄システム３５０は、チャンバ３１３の上方に配置されるように示されるが、代替的には、他の位置を用いることができる。
トップノズルを通してチャンバの中に供給されるソースガスの流れを誘導し、かつ遠隔発生したプラズマの流れを誘導するために、トップノズルに近接してバッフル３６１を設けることができる。トップノズル３４５を通して与えられるソースガスが中央通路３６２を通してチャンバの中に誘導され、一方、洗浄ガス流入口３５４を通して与えられる遠隔発生したプラズマ種は、バッフル３６１によってチャンバの側方に誘導される。
図４Ａは、開示される実施形態による基板処理チャンバ４００である。遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）４１０はガスを処理することができ、その後、ガスはガス入り口アセンブリ４１１を通って進む。ガス入り口アセンブリ４１１内に２つの異なるガス供給チャネルが見える。第１のチャネル４１２は遠隔プラズマシステムＲＰＳ４１０を通り抜けるガスを搬送し、一方、第２のチャネル４１３はＲＰＳ４１０を迂回する。開示される実施形態では、第１のチャネル４１２はプロセスガスのために用いることができ、第２のチャネル４１３は処理ガスのために用いることができる。蓋（又は導電性上部）４２１及び有孔仕切り又はシャワーヘッド４５３が、その間にある絶縁性リング４２４とともに示されており、絶縁性リングによって、有孔仕切り４５３に対して、蓋４２１にＡＣ電位をかけることができるようになる。プロセスガスは、第１のチャネル４１２を通ってチャンバプラズマ領域４２０内に進み、チャンバプラズマ領域４２０だけで、又はＲＰＳ４１０と組み合わせて、プラズマによって励起することができる。チャンバプラズマ領域４２０及び／又はＲＰＳ４１０の組み合わせは本明細書において遠隔プラズマシステムと呼ばれる場合がある。有孔仕切り（シャワーヘッドとも呼ばれる）４５３は、チャンバプラズマ領域４２０を、シャワーヘッド４５３下方の基板処理領域４７０から分離する。シャワーヘッド４５３によって、励起された化学種がチャンバプラズマ領域４２０から基板処理領域４７０内に依然として進むことができるようにしながら、チャンバプラズマ領域４２０内に存在するプラズマが基板処理領域４７０内のガスを直接励起するのを回避できるようにする。
シャワーヘッド４５３は、チャンバプラズマ領域４２０と基板処理領域４７０との間に配置され、チャンバプラズマ領域４２０内で生成されたプラズマ放出物（前駆体又は他のガスの励起された誘導体）が、板の厚みを横断する複数のスルーホール４５６を通り抜けることができるようにする。シャワーヘッド４５３は１つ又は複数の中空体積部４５１も有し、中空体積部は蒸気又はガス（ケイ素含有前駆体）の形の前駆体を充填することができ、小さな穴４５５を通り抜けて基板処理領域４７０に入るが、チャンバプラズマ領域４２０には直接入らない。シャワーヘッド４５３は、この開示される実施形態では、スルーホール４５６の最も小さな直径４５０の長さよりも厚い。チャンバプラズマ領域４２０から基板処理領域４７０に侵入する励起された化学種の高い濃度を保持するために、シャワーヘッド４５３の途中でスルーホール４５６のより大きな直径部分を形成することによって、スルーホールの最も小さな直径４５０の長さ４２６を制限することができる。スルーホール４５６の最も小さな直径４５０の長さは、開示される実施形態では、スルーホール４５６の最も小さな直径と同じ桁に、又はそれ未満にすることができる。
図示される実施形態では、シャワーヘッド４５３は、酸素、水素及び／又は窒素を含むプロセスガスを、及び／又はチャンバプラズマ領域４２０内のプラズマによる励起時にそのようなプロセスガスのプラズマ放出物を（スルーホール４５６を介して）分配することができる。複数の実施形態において、ＲＰＳ４１０内に、及び／又は第１のチャネル４１２を通ってチャンバプラズマ領域４２０内に導入されるプロセスガスは、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３、並びにＮ２Ｈ４、シラン、ジシラン、ＴＳＡ及びＤＳＡを含むＮｘＨｙうちの１つ又は複数を含むことができる。プロセスガスはヘリウム、アルゴン、窒素（Ｎ２）等のキャリアガスを含むこともできる。第２のチャネル４１３は、プロセスガス及び／又はキャリアガス、及び／又は成長しつつある層又は堆積されたままの層から望ましくない成分を除去するために用いられる層硬化ガス（例えば、Ｏ３）も供給することができる。プラズマ放出物は、プロセスガスのイオン化誘導体又は中性誘導体を含むことができ、導入されるプロセスガスの原子成分を引き合いに出して、本明細書においてラジカル酸素前駆体及び／又はラジカル窒素前駆体と呼ばれる場合もある。
複数の実施形態において、スルーホール４５６の数は約６０個〜約２０００個とすることができる。スルーホール４５６は、種々の形状を有することができるが、円形とするのが最も容易である。スルーホール４５６の最も小さな直径４５０は、開示される実施形態では、約０．５ｍｍ〜約２０ｍｍ、又は約１ｍｍ〜約６ｍｍである。スルーホールの断面形状を選択する際に自由度もあり、円錐形、円柱形又は２つの形状の組み合わせにすることができる。種々の実施形態において、ガスを基板処理領域４７０に導入するために用いられる小孔４５５の数は、約１００個〜約５０００個、又は約５００個〜約２０００個とすることができる。小孔４５５の直径は約０．１ｍｍ〜約２ｍｍとすることができる。
図４Ｂは、開示される実施形態による、処理チャンバとともに用いるためのシャワーヘッド４５３の底面図である。シャワーヘッド４５３は、図３Ａに示されるシャワーヘッドに対応する。スルーホール４５６が示されており、シャワーヘッド４５３の底面において内径（ＩＤ）が大きく、上面においてＩＤは小さい。小孔４５５は、シャワーヘッドの表面にわたって概ね均等に分散配置され、更にはスルーホール４５６の間にも分散配置され、それにより、本明細書に示される他の実施形態よりも均一な混合をもたらすのを助ける。
シャワーヘッド４５３内のスルーホール４５６を通って到達するプラズマ放出物が、中空の体積部４５１から生じる小孔４５５を通って到達するケイ素含有前駆体と結合するとき、基板処理領域４７０内のペデスタル（図示せず）によって支持された基板上に例示的な層が生成される。基板処理領域４７０は硬化など他のプロセスのためのプラズマに対応する設備を有することができるが、例示的な層の成長中にプラズマは存在しない。
シャワーヘッド４５３上方のチャンバプラズマ領域４２０内で、又はシャワーヘッド４５３下方の基板処理領域４７０内でプラズマを点火することができる。チャンバプラズマ領域４２０内にプラズマが存在し、窒素酸素含有ガスの流入からラジカル窒素前駆体を生成する。通常無線周波数（ＲＦ）範囲内のＡＣ電圧が、処理チャンバの蓋４２１に形成される導電性上部とシャワーヘッド４５３との間に印加され、堆積中にチャンバプラズマ領域４２０内のプラズマを点火する。ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚの高いＲＦ周波数を生成するが、単独で、又は１３．５６ＭＨｚ周波数と組み合わせて他の周波数を生成することもできる。
第２の硬化ステージ中に基板処理領域４７０内の底部プラズマがオンに切り替えられるか、又は基板処理領域４７０に隣接する内面を洗浄するときに、上部プラズマは低電力又は無電力のままにすることができる。基板処理領域４７０内のプラズマは、シャワーヘッド４５３と、ペデスタル又はチャンバの底部との間にＡＣ電圧を印加することによって点火される。プラズマが存在する間に、基板処理領域４７０内に洗浄ガスを導入することができる。
ペデスタルは、基板の温度を制御するために熱交換流体が流れる熱交換チャネルを有することができる。この構成によれば、基板温度を冷却又は加熱して、相対的に低い温度を保持できるようになる（室温から約１２０℃）。熱交換流体は、エチレングリコール及び水を含むことができる。相対的に高い温度（約１２０℃〜約１１００℃）を達成するために、平行な同心円の形で完全に２巻きするように構成される埋込単一ループ埋込ヒータ素子を用いて、ペデスタルのウエハ支持円板（アルミニウム、セラミック、又はその組み合わせであることが好ましい）を抵抗加熱することもできる。ヒータ素子の外側部分は支持円板の周辺に隣接して延在することができ、一方、内側部分は、小さな径を有する同心円の経路上に延在する。ヒータ素子への配線は、ペデスタルの心棒を通り抜ける。
基板処理システムはシステムコントローラによって制御される。例示的な実施形態では、システムコントローラはハードディスクドライブ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、及びプロセッサを含む。プロセッサはシングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）、アナログ及びデジタル入力／出力ボード、インターフェースボード及びステッパモータコントローラボードを含む。ＣＶＤシステムの種々の部品は、ボード、カードケージ、並びにコネクタ寸法及びタイプを規定するバーサ・モジュラ・ヨーロッパ（ＶＭＥ：Ｖｅｒｓａ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｅｕｒｏｐｅａｎ）標準規格に適合する。また、ＶＭＥ標準規格は、１６ビットデータバス及び２４ビットアドレスバスを有するようにバス構造を規定する。
システムコントローラは、堆積システムの活動の全てを制御する。システムコントローラは、システム制御ソフトウェアを実行し、そのソフトウェアはコンピュータ可読媒体に記憶されるコンピュータプログラムである。好ましくは、その媒体はハードディスクドライブであるが、媒体は他の種類のメモリとすることもできる。コンピュータプログラムは、タイミング、ガスの混合物、チャンバ圧、チャンバ温度、ＲＦ電力レベル、サセプタ位置、及び特定のプロセスの他のパラメータを指示する複数の命令セットを含む。例えば、フロッピー（登録商標）ディスク又は別の適切なドライブを含む、他のメモリデバイス上に記憶される他のコンピュータプログラムを用いて、システムコントローラに指示することもできる。
基板上に層スタックを堆積する（例えば、無炭素ケイ素窒素水素含有層と、その後に、酸化ケイ素キャッピング層とを連続して堆積する）ためのプロセス、層を酸化ケイ素に変換するためのプロセス、又はチャンバを洗浄するためのプロセスは、システムコントローラによって実行されるコンピュータプログラム製品を用いて実施することができる。コンピュータプログラムコードは、任意の従来のコンピュータ可読プログラミング言語、例えば、６８０００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、パスカル、フォートラン等で書くことができる。従来のテキストエディタを用いて、単一のファイル又は複数のファイルに適切なプログラムコードが入力され、コンピュータのメモリシステムなど、コンピュータ使用可能媒体内に記憶される、又は含まれる。入力されたコードテキストが高級言語である場合には、そのコードはコンパイルされ、結果として生成されたコンパイラコードが、その後、予めコンパイル済みのＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ライブラリルーチンのオブジェクトコードとリンクされる。リンクされたコンパイル済みオブジェクトコードを実行するために、システムユーザはオブジェクトコードを呼び出し、それにより、コンピュータシステムが、そのコードをメモリにロードする。その後、ＣＰＵがそのコードを読み出し、実行して、プログラム内で特定されたタスクを実行する。
ユーザとコントローラとの間のインターフェースは、フラットパネルタッチセンシティブモニタによる。好ましい実施形態では、２つのモニタが用いられ、一方は作業者のためにクリーンルーム壁に取り付けられ、他方はサービス技術者のために壁の背面に取り付けられる。２つのモニタが同じ情報を同時に表示することができ、その場合でも、一度に一方のみが入力を受け取る。特定の画面又は機能を選択するために、作業者はタッチセンシティブモニタの指定されたエリアに触れる。触れられたエリアはそのハイライトされた色を変更するか、又は新たなメニュー又は画面が表示され、作業者とタッチセンシティブモニタとの間の通信を確認する。ユーザがシステムコントローラと通信できるようにするために、タッチセンシティブモニタの代わりに、又はそれ加えて、キーボード、マウス又は他のポインティング若しくは通信デバイスなど他のデバイスを用いることもできる。
本明細書において用いられるときに、「基板」は、その上に層が形成されるにしても、形成されないにしても、支持基板とすることができる。支持基板は、絶縁体、又は種々のドーピング濃度及びプロファイルからなる半導体とすることができ、例えば、集積回路の製造において用いられるタイプの半導体基板とすることができる。「酸化ケイ素」の層は、窒素、水素、炭素などの或る微量の濃度の他の元素成分を含む場合がある。幾つかの実施形態では、酸化ケイ素は、基本的にケイ素及び酸素からなる。用語「前駆体」は、或る表面から材料を除去するか、又は或る表面上に材料を堆積する反応に関与する任意のプロセスガスを指すために用いられる。「励起された状態」にあるガスは、ガス分子のうちの少なくとも幾つかが振動励起された状態、解離された状態及び／又はイオン化された状態にあるガスを示す。ガス（又は前駆体）は２つ以上のガス（又は前駆体）の組み合わせとすることができる。「ラジカル前駆体」は、或る表面から材料を除去するか、又は或る表面上に材料を堆積する反応に関与するプラズマ放出物（プラズマから出つつある励起状態にあるガス）を示すために用いられる。「ラジカル窒素前駆体」は窒素を含むラジカル前駆体であり、「ラジカル水素前駆体」は水素を含むラジカル前駆体である。「不活性ガス」という語句は、エッチングするとき、又は層に組み込まれるときに、化学結合を形成しない任意のガスを指している。例示的な不活性ガスは希ガスを含むが、（通常）微量が層内に閉じ込められるときに化学結合が形成されない限り、他のガスを含むことができる。
用語「トレンチ」は、本明細書全体を通して用いられるが、エッチングされた幾何形状が大きな水平アスペクト比を有することは意味しない。表面の上方から見るとき、トレンチは、円形、楕円形、多角形、長方形又は様々な他の形状に見える場合がある。用語「ビア」は、垂直な電気的接続を形成するために金属を充填されるにしても、充填されないにしても、低いアスペクト比のトレンチを指すために用いられる。本明細書において用いられるときに、共形層は、表面と同じ形状を成す、その表面上の概ね均一な材料層を指しており、すなわち、その層の表面と、覆われる表面は概ね平行である。堆積された材料が１００％共形である可能性はなく、それゆえ、用語「概ね」は許容範囲を考慮に入れていることは当業者には認識されよう。
幾つかの実施形態を説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく様々な変更形態、代替構成、又は均等形態を用いることができることは当業者には理解されよう。更に、本発明を不必要に曖昧にしないように、幾つかの周知のプロセス及び要素は記述されていない。したがって、上記の説明は、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。
或る範囲の値が与えられる場合、文脈において明確に別段の指示がない限り、その範囲の上限と下限の間にある、下限の単位の１０分の１まで具体的に開示されることは理解されたい。規定された範囲内の任意の規定された値又は介在する値と、その規定された範囲内の任意の他の規定された値又は介在する値との間の狭い方の範囲がそれぞれ包含される。これらの狭い方の範囲の上限と下限は、その範囲内に独立して含まれる場合も、除外される場合もあり、規定された範囲における任意の具体的に除外される限界値に応じて、限界値のいずれかが狭い方の範囲内に含まれる場合、限界値のいずれも狭い方の範囲内に含まれない場合、又は両方の限界値が狭い方の範囲内に含まれる場合の各範囲も本発明に包含される。規定された範囲が限界値の一方又は両方を含む場合、それらの含まれる限界値の一方又は両方を除外することも含まれる。
本明細書において及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、文脈において明確に別段の指示がない限り、単数形「１つの」（ａ、ａｎ）及び「その」（ｔｈｅ）は、複数の指示物も含む。したがって、例えば「１つのプロセス」に言及することは、複数のそのようなプロセスを含み、「その前駆体」に言及することは、１つ又は複数の前駆体、及び当業者に知られているその均等物に言及することを含み、それ以外も同様である。
また、用語「備える、含む」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）及び「含む」（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ）は、本明細書において及び添付の特許請求の範囲において用いられるときに、規定される特徴、整数、構成要素、又はステップの存在を指定することを意図しているが、１つ又は複数の他の特徴、整数、構成要素、ステップ、動作又はグループの存在又は追加を除外するものではない。

Claims (16)

  1. 基板上に誘電体層を形成する方法であって、前記方法は、
    前記基板上に誘電体層を形成するステップであって、前記誘電体層は前記誘電体層を形成する作業の間、流動性がある、形成するステップと、
    前記層を高密度プラズマに暴露することによって前記誘電体層を処理するステップであって、前記層を前記高密度プラズマに暴露することは前記誘電体層の密度を増大させる、処理するステップとからなる連続したステップを含む方法。
  2. 前記基板の温度は前記誘電体層を処理する前記作業の間、４００℃未満に維持される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記高密度プラズマのプラズマ密度は約１０１１イオン／ｃｍ３又はそれよりも大きい、請求項１に記載の方法。
  4. 前記高密度プラズマは、Ｏ３、Ｏ２、ＮＨ３、ＮＯｘ、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ａｒ、Ｎ２又はＨｅのうちの１つ又は複数から形成される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記高密度プラズマは、約１ｋＷ以上のＲＦ電力を加えることによって形成される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記高密度プラズマによって前記誘電体層を処理する前記作業の間、前記誘電体層の垂直厚は同じままであるか、又は減少し、前記誘電体層の上方に基本的に新しい層は形成されない、請求項１に記載の方法。
  7. 前記誘電体層を形成した後に、かつ前記誘電体層を処理してその密度を増大させる前に、化学機械研磨するステップが存在する、請求項１に記載の方法。
  8. 前記連続したステップを少なくとも２回繰り返し、同じ全厚の単一の堆積シーケンスと比べて誘電体密度を増大させる、請求項１に記載の方法。
  9. 前記誘電体層を形成するステップは、ケイ素、炭素、酸素、水素及び窒素を含む層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記誘電体層を形成するステップは、ケイ素、窒素及び水素を含む層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記誘電体層は基本的に無炭素である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記誘電体層を形成するステップは、化学気相堆積（ＣＶＤ）によって前記誘電体層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記誘電体層はラジカル成分ＣＶＤによって形成される、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記誘電体層を形成するステップは、スピンオンガラス（ＳＯＧ）又はスピンオン誘電体（ＳＯＤ）層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記誘電体層を形成するステップは、準常圧化学気相堆積（ＳＡＣＶＤ）層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記ＳＡＣＶＤ層を形成することは、プラズマが存在しないときにＯ３、ＴＥＯＳ及びＨ２Ｏを結合することを含む、請求項１５に記載の方法。
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