JP4402291B2 - 基板処理システムおよび基板上に被膜を堆積させるための方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar, William N. Tayler, MarkFodor, Judy Huang, David Silvetti, David Cheung 及び Kevin Fairbairnを共同発明者として、「混合周波数ＣＶＤプロセス及び装置（MIXED FREQUENCY CVD PROCESS AND APPARATUS）」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願と：Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar 及び William N. Taylerを共同発明者として、「調整可能なインピーダンスを有する基板処理チャンバ（SUBSTRATE PROCESSINGCHAMBER WITH TUNABLE IMPEDANCE)」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願と：Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar 及び William N. Taylerを共同発明者として、「チャンバインピーダンスを監視し調整する方法及び装置(METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING AND ADJUSTING CHAMBER IMPEDANCE)」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願とに関係している。また、本出願は、Jun Zhao, Charles Dornfest, Talex Sajoto, Leonid Selyutin, Stefan Wolff, Lee Luo, Harold Mortensen 及び Richard Palickaを共同発明者として「ＲＦ機能を有する高温セラミックヒータアセンブリ及び関連方法（A HIGH TEMPERATURE CERAMICHEATER ASSEMBLY WITH RF CAPABILITY AND RELATED METHODS）」と題し、１９９７年２月１２日に出願された米国特許願第０８/８００,０９６号に関連している。上述した関連出願の各々は、本発明の譲受人であるアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)に譲渡されており、上述の各関連出願は、参照によってこの明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
本発明は、真空チャンバにおける化学蒸着による集積回路の製造に関するものである。特に、本発明は、低温度（例えば約４００℃）及び高温度（例えば、約５８０℃を超える）処理の双方を使用して高品質ＣＶＤ被膜の形成を可能とする方法及び装置に関するものである。本発明は、りん化ホウ素ケイ酸塩ガラス，りんケイ酸塩ガラス及びフッ素ドープ処理ケイ酸塩ガラスのようなドープ処理酸化ケイ素と同様に、酸化ケイ素，窒化ケイ素，酸窒化物ケイ素及び非晶質ケイ素のＰＥＣＶＤ及びＳＡＣＶＤ堆積を含む、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）及びシランベースの化学物質の堆積に有用である。しかし、本発明は、他の堆積化学物質と共に使用してもよい。
【０００３】
最近の半導体デバイスの製造における主要ステップの１つは、ガスの化学反応により半導体基板上に薄膜を形成することである。このような堆積プロセスは化学蒸着即ちＣＶＤと呼ばれている。通常の熱ＣＶＤプロセスは、反応ガスを基板表面に供給し、そこで熱により招来された化学反応が起きて所望の被膜を形成する。
【０００４】
基板を覆って層を堆積させる別の方法は、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＲＣＶＤ）技術を含むものである。プラズマ促進ＣＶＤ技術は、無線周波もしくは高周波（ＲＦ）エネルギを反応領域に加えることによって反応ガスの励振及び／又は解離を促進し、これによりプラズマを生成する。プラズマにおける化学種の高反応性のため、化学反応を起こすのに必要なエネルギが減少し、従って、かかるＣＶＤプロセスのために必要な温度が通常の熱ＣＶＤプロセスと比較して低下する。ＰＥＣＶＤプロセスの相対的に低い温度は、集積回路を製造する際に半導体製造者が熱に関する総予算を下げるのに役立つ。
【０００５】
半導体デバイスは数十年前に初めて導入されたので、その外形寸法の大きさは劇的に減少されてきた。その後、集積回路は１８ヶ月／サイズ半減のルール（ムーアの法則(Moore's Law)としばしば呼ばれる）に概ね従ってきた。これは、１つのチップに適合するデバイスの数が１８ヶ月毎に４倍になることを意味している。現今のウェーハ製造プラントは、０.５-μｍの機能及び０.２５-μｍの機能さえ有する集積回路を日常的に製造しているが、明日のプラントはより小さい寸法を有するデバイスを直ぐ製造することになろう。
【０００６】
このような寸法の減少が可能になったのは、一部には、ＰＥＣＶＤ処理に使用される基板処理チャンバのような半導体製造装置に関連した技術の進歩のためである。これらの技術的進歩のあるものは、今日の製造設備において使用中のＣＶＤ堆積システムの設計及び製造に反映された進歩であり、技術的進歩の他のものは、多段階の開発途中にあり、明日の製造設備においてまもなく広範に普及することになろう。
【０００７】
今日の製造設備において普通に使用されている技術的進歩の１つは、混合周波数ＰＥＣＶＤとしばしば呼ばれるＰＥＣＶＤ技術の使用であり、この混合周波数ＰＥＣＶＤにおいては、高及び低周波ＲＦ電力の双方を用いてプラズマを発生させ、基板のイオン衝撃を促進している。かかる混合周波数方法の１つは、高及び低周波ＲＦ電力の双方を第１電極として機能する金属製のガス分配マニホルドに接続する。この方法においては、高周波ＲＦ電力の印加が反応ガスを解離する第１の手段であり、一方、低周波ＲＦ電力の印加が基板のイオン衝撃を促進することになる。基板は、第２電極としても機能する接地された基板支持体上に配置されている。別の混合周波数方法では、高周波ＲＦ電力をガス分配マニホルド（第１電極）に接続し、低周波ＲＦ電力を基板ホルダ（第２電極）に接続する。
【０００８】
現在入手しうるＰＥＣＶＤ堆積チャンバにおいて用いられる別の技術的進歩には、チャンバに導入されたガスの解離を増すために、ガス分配マニホルドにある円錐形の孔を使用するものがある。該円錐形の孔についての詳細な説明は、メイチャン，ダビッドワン，ジョンホワイト，ダンメイダン(Mei Chang, David Wang, John White, Dan Maydan)を共同発明者とする「入口マニホルド，並びにガス解離を促進するため及び誘電被膜のＰＥＣＶＤのための方法（INLET MANIFOLD AND METHODS FORINCREASING GAS DISSOCIATION AND FOR PECVD OF DIELECTRIC FILMS)」と題する米国特許第４,８５４,２６３号明細書に含まれている。この４,８５４,２６３号特許は、本出願人の譲受人であるアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)に譲渡されており、参照によってこの明細書に組み込まれる。
【０００９】
上述したものよりも最近の技術的進歩の例は、ＣＶＤチャンバにおけるセラミックの使用であり、リアクタを高温作動状態で使用することを可能にする。かかる高温処理のため特別に設計されると共に、チャンバのその他の特徴の中でも特にセラミックヒータアセンブリを含むＣＶＤチャンバの一例が、上に言及した米国特許願第０８/８００,８９６号に記載されている。
【００１０】
上述した技術的進歩のような技術の進歩が無制限に受け入れられるわけではない。例えば、混合周波数ＰＥＣＶＤ技術は多数の適用例において非常に有利であることが証明されていたが、高及び低周波波形を同時に適用するには、高電圧となってガス分配マニホルドのところにアーク放電を生じさせうる干渉を避けるように制御されねばならない。アーク放電は、ガス分配マニホルドにある孔内の白熱光や、高周波電圧の振幅が増すときの堆積速度の減少によって証明しうる。アーク放電は、一般的に、次の技術のうちの１つかそれ以上を使用して回避される。即ち、真空チャンバ内の圧力を特定のプロセスについての最小(de minimis)レベル以上に維持する技術，低周波ＲＦ電力を総ＲＦ電力の３０％以下に設定して作動する技術，及び総ＲＦ電力を減少する技術である。
【００１１】
以前は、高及び低周波ＲＦ電源の双方をガス分配マニホルドに接続せしめていた混合周波数ＰＥＣＶＤチャンバにおいて円錐形の孔を採用し、実験が行われていた。これらの実験で、アーク放電の問題は、被膜堆積を実質的に妨げる程まで更に拡大することが分かった。従って、本発明者が知っている全ての混合周波数ＰＥＣＶＤシステムは、ガス分配マニホルドにおいて円錐形というよりも円筒形の孔を使用している。
【００１２】
従って、半導体製造者が円錐形の孔と混合周波数ＰＥＣＶＤ堆積技術との利点を同時に享受しうるようにする基板堆積チャンバのための技術を開発することが望ましい。
【００１３】
発明の概要
本発明は、基板上にＣＶＤ被膜を堆積させるための改良された方法及び装置を提供する。この装置は、混合周波数ＲＦ電力を採用しており、円錐形の孔のあるガス分配マニホルドを含んでいる。アーク放電のための電位もしくはポテンシャルは、低周波ＲＦ電源を基板ホルダに埋め込まれた電極に接続すると共に、高周波ＲＦ電源を電極としても機能するガス分配マニホルドに接続することにより、大幅に低減される。独立した整合ネットワークが低周波波形を高周波波形から減結合して、これらの波形間の位相干渉を最小にしている。
【００１４】
これらの特徴もしくは機能が結合して、先行技術の基板処理チャンバでは達成不可であった条件で堆積プロセスを進行させることが可能になり、また、本発明の基板処理装置が０.２５及び０.１８μｍプロセスを含む０.３５μｍ以下のプロセスにおいて使用することが可能になる。
【００１５】
本発明の一実施例による基板処理システムは、埋設されたＲＦ電極を有するセラミック製基板ホルダと、該基板ホルダから離間したガス分配マニホルドとを含む。ガス分配マニホルドは、１つかそれ以上のプロセスガスを複数の円錐形の孔を介して処理システム内の基板処理チャンバの反応領域に供給すると共に、第２のＲＦ電極としても作動する。各円錐形の孔は、反応領域に開口する出口と、この出口よりも直径の小さい、該出口から離れて配置された入口とを有する。混合周波数ＲＦ電源は、高周波ＲＦ電源をガス入口マニホルド電極に接続させ低周波ＲＦ電源を基板ホルダ電極に接続させて、基板処理システムに結合されている。ＲＦフィルタ・整合ネットワークは高周波波形を低周波波形から減結合している。このような構成は、拡張プロセス状況(enlarged process regime)を可能とし、また以前には達成できなかった物理的特徴を有する窒化ケイ素被膜を含む被膜の堆積を可能とする。
【００１６】
本発明の方法の好適な実施例においては、窒化ケイ素被膜が堆積される。シラン，アンモニア及び分子窒素を含むプロセスガスは円錐形の孔を有するガス分配マニホルドを介して導入され、プラズマは、混合周波数ＲＦ電力を使用してプロセスガスから形成される。高周波（ＨＦ）分はガス分配マニホルドに印加され、一方、低周波（ＬＦ）分は底部電極に印加される。低温処理条件下でこの実施例により堆積される窒化ケイ素被膜は、２：１かそれ以上のアスペクト比で優れたステップカバレージ特性を保持しながら、１７０Å／分程の低さのウエットエッチング速度（ＷＥＲ）を有することが証明された。また、高温処理条件（５８０℃を超える）下でこの実施例により堆積される窒化ケイ素被膜は、１５Å／分かそれより低いＷＥＲを有しうることが証明された。
【００１７】
これらの窒化ケイ素被膜の優れた物理的特性が達成されるのは、一部には、該被膜が他のチャンバにおいて以前には可能でなかった圧力及びＲＦ電力レベルで堆積できるためである。例えば、もっと好ましい実施例においては、ＬＦ電力対総ＲＦ電力の比は５０％以上であるが、別の好ましい実施例においては、窒化ケイ素堆積シーケンスは２〜５トルの間の圧力で行われる。また、上述の物理的特性が達成されるのは、一部には、円錐形の孔の使用によるためである。円錐形の孔の使用は、プラズマ密度を高めると共に、生成したプラズマのイオン化効率を高め、従って、ＮＨ3と比較して増量されたＮ2が被膜のプロセスガスにおいて使用される。プロセスガス中のＮＨ3含有量の減少によって被膜における水素が低下し、ＷＥＲが低くなる。
【００１８】
別の実施例においては、三角形もしくは鋸歯状波形とも呼ばれる両極性の低周波非対称ＲＦ波形がイオン衝撃を制御するために使用されている。かかる非対称ＲＦ波形は、プラズマシースの不安定性を引き起こすことが本発明者により発見された高調波の形成を妨げながら、基板のところにおけるイオン衝撃を促進する。
【００１９】
本発明のもう１つの実施例において、基板処理システムは、反応領域を有する堆積チャンバと、該堆積チャンバの反応領域内にプラズマを形成するためのプラズマ電源と、インピーダンス調整システムとを含んでいる。プラズマは第１のインピーダンスレベルを有し、これは、インピーダンス調整システムにより調整して第２のインピーダンスレベルにすることができる。かかる調整は付加的な「制御ノブ」として作用し、反応領域内で堆積する被膜の特性を変更もしくは調整するのにプロセス技術者が使用する別の方法を提供する。この実施例の好適な形態においては、インピーダンス調整システムは可変コンデンサを含む。
【００２０】
本発明の更に別の実施例においては、基板処理システムは、反応領域を有する堆積チャンバと、基板処理の間、基板を反応領域内に保持しておくための基板ホルダと、反応領域にプロセスガスを供給するためのガス分配システムと、反応領域内にプロセスガスからプラズマを形成するためのプラズマ電源と、堆積チャンバに電気的に接続されると共に、プラズマのインピーダンスレベルを測定することができるインピーダンスモニタとを含んでいる。この基板処理システムはまた、測定したインピーダンスレベルを入力として受けるコンピュータプロセッサを含むことができる。該プロセッサは、ガス分配システム，圧力制御システム及び／又はＲＦ発生器のような基板処理チャンバの種々のシステムに接続することができると共に、測定したインピーダンスレベルに応じて処理条件を調整することができる。このような調整は、チャンバの測定インピーダンスが操業の過程で変化する場合に、例えば、長期のウェーハ生産（例えば１ロットで２０００ウェーハ）の最後近くに行うことができる。この例において、プロセッサは、チャンバのインピーダンスレベルが所定の範囲外にドリフトするならば、或いはドリフトするときに、処理条件を調整することができる。この調整には、チャンバ圧力，温度，プラズマ出力レベル（例えば、ＲＦ電力レベル）及び同様のプロセス変数の調整を含めることができる。また、基板処理システムがインピーダンス調整システムを含んでいれば、この調整は、該インピーダンス調整システムでチャンバのインピーダンスを直接に調整することを含むことができる。
【００２１】
本発明のこれらの実施例及びその他の実施例、並びにその利点及び特徴については、以下の本文及び添付図面に関連して詳細に記載されている。
【００２２】
発明の詳細な説明
本発明を更に理解するためには、以下に続く詳細な説明を参照すべきである。
【００２３】
１．ＣＶＤシステム１０のハードウエア
図１を参照すると、本発明によるＣＶＤシステム１０は、重要な種々の構成要素があるなかで、特に、反応チャンバ３０と、真空システム８８と、ガス分配システム８９と、ＲＦ電源５と、熱交換システム６と、セラミック製ペデスタル３２と、プロセッサ８５とを含んでいる。本発明についての議論で特に重要なのは、ガス分配システム８９から供給されるプロセスガスを反応チャンバ３０の反応領域５８に導入するガス分配マニホルド（入口マニホルドと呼ばれたり、「シャワーヘッド」と呼ばれたりもする）４０の構造と、ＲＦ電源５の構造並びにそのマニホルド４０及びペデスタル３２に埋設された電極への接続とである。従って、これらの構成要素について先ず説明し、その後、ＣＶＤシステム１０の他の構成要素について本発明を理解するために必要に応じて説明することにする。
【００２４】
Ａ．ガス分配システム８９
続けて図１を参照して、ガス分配システム８９は、ガスライン９２Ａ−Ｃを経由して反応チャンバ３０にガスを分配する。このガス分配システム８９は、ガス供給パネル９０及びガス，液体又は固体供給源９１Ａ−Ｃ（所望ならば別の供給源を追加しうる）を含んでいる。該供給源は、特定の適用例に用いられる所望のプロセスに応じて変わりうるガス（例えばＳｉＨ4又はＮ2），液体（例えばＴＥＯＳ)又は固体を収容している。一般に、各プロセスガスの供給ラインは、プロセスガスの流れを自動的に又は手動により遮断するのに使用できる遮断弁（図示せず）を含み、同様に、各供給ラインを通るガス又は液体の流量を測定するガス質量流量コントローラ（図示せず）を含んでいる。例えばシラン（ＳｉＨ4），ヘリウム（Ｈｅ），窒素（Ｎ2）及び／又はその他のドーピングエージェントもしくは反応物源を含むプロセスガス及びキャリアガスが反応チャンバに供給される割合もしくは速度も、温度利用の液体又はガス質量流量コントローラ（ＭＦＣ）及び／又は弁（図示せず）によって制御される。勿論、その他の化合物を堆積源及びクリーン源(clean source)として利用しうることが分かる。代替実施例において、プロセスガス及びキャリアガスが反応チャンバに供給される速度は、圧力利用の固定又は可変開口によって制御しうる。有毒ガス（例えばオゾンやハロゲン化ガス）がプロセスにおいて使用される場合、各供給ラインに数個の遮断弁を通常の配置で置くことができる。
【００２５】
ガス供給パネル９０は、混合のため供給源９１Ａ−Ｃから堆積プロセスガス及びキャリアガス（或いは気化液体）を受けて、供給ライン９２Ａ−Ｃ（図示しないが、その他のラインが在ってもよい）経由で、ガス給送カバープレート４５にあるガス中央入口４４に送る混合システムを有している。この特定実施例において、混合システム，この混合システムへの入口マニホルド，及びこの混合システムから中央入口４４への出口マニホルドはニッケルで、或いはニッケルめっきしたアルミナのような材料で製作されている。
【００２６】
液体供給源が使用される場合、当業者に知られているように、この供給源を反応チャンバ３０に導入する多くの異なる方法がある。１つの方法は、液体をアンプル内に閉じ込めて加熱し、蒸気圧により、堆積プロセスに十分な安定した気化液体の流れをもたらすようにすることである。液体供給源を使用して供給ガスを導入する別の方法は、ヘリウムのようなキャリアガスを液体に通して泡立たせることである。更に別の方法は、測定した量の液体を気化してキャリアガスの流れに入れる液体噴射システムを使用することである。液体噴射システムは、泡形式の供給と比較して、ガス混合システムに導入される反応液体の量を大きく制御できるので、ある場合に好ましい。
【００２７】
Ｂ．円錐形の孔４２を有するガス分配マニホルド４０
プロセスガスは、ガス給送カバープレート４５にあるガスの中央入口４４を介して反応チャンバ３０内に噴射されて、第１のディスク形状のスペース４８に流れ、そこから、バッフルプレート（或いはガス遮断プレート）５２にある通路（図示せず）を経て第２のディスク形状のスペース５４へ、シャワーヘッド４０へと流れる。シャワーヘッド４０は、プロセスガスを反応領域５８内に噴射するための多数の孔もしくは通路４２を含んでいる。
【００２８】
好ましくは、各孔４２は、前述したように参照によりこの明細書に組み込まれる米国特許第４,８５４,２６３号明細書に詳細に記載されているように、且つ図４Ａに示すように、「円錐形の孔」である。図４Ａは、シャワーヘッド４０にある多くの孔の１つを代表する好適な円錐形の孔の略図である。各円錐形の孔は、処理の間、基板に対峙する円錐形部分５０を有する。これらの孔は、シャワーヘッド４０を通る層流を促進する大きさに作られている。ガス分配孔内の円錐形部分５０の存在によって反応ガスの解離が改善され、プラズマ密度及びイオン化効率が増大する。この解離の改善は、Ｎ2のように分解の難しいガスが堆積に使用されている場合に、特に有益である。
【００２９】
この明細書で使用しているような用語「円錐形の孔」は、ガス出口の直径がガス入口の直径よりも大きい反応領域５８内にこの孔を介して導入されるガスの解離及び反応度を増すように設計された任意の孔を指している。従って、円錐形以外の垂直断面形状もここで使用されている「円錐形の孔」の意味の範囲内に含まれる。円錐形の孔の別の例は図４Ｂに示されている。図４Ｂに示された孔は、凹状の断面部分５１を有する。更に他の垂直断面を有する孔、特に、凸状，放物線状，椀状，半楕円形状のものも使用できる。
【００３０】
図１に戻って、プロセスガスはシャワーヘッド４０にある孔４２から噴射して、ウェーハ３６の表面で反応するようにシャワーヘッドとペデスタルとの間の反応領域５８に流入する。次いでプロセスガスの副産物は、ウェーハ３６の縁部及び限流リング４８を横断して半径方向外方に流れる。この限流リング４６は、ペデスタル３２が処理位置にあるとき、該ペデスタル３２の上部周囲に配置される。ここから、プロセスガスは、環状アイソレータ６４の底部とチャンバ壁体ライナアセンブリ５３の頂部との間に形成されたチョーク開口を通って、ポンピング通路６０に流入する。
【００３１】
真空システム８８は、特定圧力を反応チャンバ内に維持すると共に、この反応チャンバからガス状副産物及び使用済みガスを除去するために使用される。真空システム８８は真空ポンプ８２とスロットル弁８３とを含んでいる。排ガスは、ポンピング通路６０に入ると、真空ポンプ８２により真空引きされるべく、プロセスチャンバの周囲の回りに送られる。ポンピング通路６０は、排気開口７４を介してポンピングプレナム７６に接続されている。排気開口７４は、ポンピング通路とポンピングプレナムとの間の流れを制限する。弁７８は、排気口８０を通る真空ポンプ８２への排気をゲートで制御する。スロットル弁８３は、メモリー８６に保管された圧力制御プログラムに従ってプロセッサ８５により制御される。即ち、プロセッサ８５は、マノメータのような圧力検出器（図示せず）からの測定信号をメモリーに保管されている或いは制御プログラムに従って発生される所望値に対して比較する。ポンピング通路６０とその構成要素は、プロセスガスと副産物とを排気システム内へ指向させることにより、所望されていない膜堆積の影響を最小にするように設計されている。
【００３２】
Ｃ．セラミック製ペデスタル３２
図１に戻って、抵抗加熱されるセラミック製ペデスタル３２は、ウェーハポケット３４内にウェーハ３６を支持する。ペデスタル３２は、自己調節式昇降機構を用いて、処理位置（例えば、図１に示されている）と下方の装荷位置との間で垂直方向に移動しうる。この自己調節式昇降機構は、「自己整列昇降機構（Self-Aligning Lift Mechanism)」と題する共有に係る米国特許願第０８／７３８,２４０号（発明者：レオニド,セリューチン（Leonid Selyutin)及びユン,チャオ(JunZhao）で１９９６年１０月２５日に出願）に詳細に記載されている。ペデスタル３２が下方の装荷位置（スリットバルブ５６のところよりも若干下方）にあると、ロボットブレード（図示せず）は、昇降ピン及び昇降リングと協働して、ウェーハ３６をスリットバルブ５６を介して反応チャンバ３０の内外へ搬送する。これは、スリットバルブ５６を介する反応チャンバの内外へのガスの流れを防止するために真空封止することができる。昇降ピン３８は挿入されたウェーハ（図示せず）を持ち上げてロボットブレードから離し、次いでペデスタルが上昇してウェーハを持ち上げて昇降ピンから離し、ペデスタルの上側表面にあるウェーハポケットに置く。適当なロボット搬送アセンブリはメイダン(Maydan)等に発行された共有に係る米国特許第４,９５１,６０１号明細書に記載されている。自己整列昇降機構の使用により、ペデスタル３２はその後更にウェーハ３６を持ち上げて、ガス分配マニホルド４０の直ぐ近くにある処理位置に入れる。
【００３３】
ペデスタル３２の簡略化した断面図である図２に示すように、セラミック製ペデスタル３２は、埋設モリブデンメッシュのような埋設ＲＦ電極２２と、埋設モリブデンワイヤコイルのような加熱素子３３とを含んでいる。セラミック製ペデスタル３２は、好ましくは窒化アルミニウムから形成されると共に、セラミック支持ステム２６に好ましくは拡散接合されている。セラミック支持ステム２６は、昇降モータに係合する水冷アルミニウム軸２８（図２には示していないが、図１に示してある）に取り付けられている。セラミック支持ステム２６及びアルミニウム軸２８は、ニッケルロッド２５により占められた中央通路を有しており、該ロッド２５が低周波数のＲＦ電力を埋設電極２２に伝達する。この中央通路は、金属同士の接続部における腐食作用とアーク放電とを防止するため、大気圧に維持されている。
【００３４】
図３は、セラミック基板ホルダ３２に埋設されたＲＦ電極２２にＲＦ電力を供給するための好適な金属／セラミック接続部の概略図である。図３に示すように、ニッケルロッド２５は、基板ホルダ３２に形成されためねじ部に係合するおねじ部２９を有するニッケル製のアイレット２７にろう付けされている。カバープラグ２８はこのアイレット２７内でニッケルロッド２５の端部にろう付けされている。モリブデンペレット２６はＲＦ電極２２と接触してＡｌＮ基板ホルダと互いに焼結されている。その後カバープラグ２８はモリブデンペレット２６にろう付けされ、ニッケルロッド２５をＲＦ電極２２に固着する。銀／チタンろう付け合金が好ましい。
【００３５】
セラミック製のペデスタル３２は、ＲＦ電極２２を基板ホルダの表面下に一様な深さで埋設することによって一様な静電容量もしくはキャパシタンスを提供するように、製作されている。ＲＦ電極２２は、該ＲＦ電極２２を覆う薄いセラミック層の割れ或いははく離を避けながら最大の静電容量を与えるため、セラミック材料に依存するある最小の深さのところに配置されるのが好適である。１つの実施例においては、ＲＦ電極２２はペデスタル３２の上面の真下の約４０ milに埋設されている。
【００３６】
Ｄ．ＲＦ電源５及びフィルタ・整合ネットワーク
ＲＦ電源５は、プラズマ促進プロセスのため反応チャンバに低及び高周波（ＲＦ）電力を供給する。図５は、高周波ＲＦ電源１２及び低周波ＲＦ電源１７を含む外部ＲＦ回路を示す概略回路図である。この回路は、図１に示した反応チャンバ３０のガス分配マニホルド４０に高周波ＲＦ電力を入力し、基板ホルダ３２に埋設されたＲＦ電極２２に低周波ＲＦ電力を入力する。
【００３７】
高及び低周波ＲＦ波形は、高域及び低域フィルタのネットワークにより減結合されている。低周波振幅は、基板ホルダの表面に配置されたプラズマシースのところで最大にされ、ガス分配システムのところで最小にされる。高周波振幅は、ガス分配システムに近いプラズマシースところで最大にされ、そして高周波電圧は基板ホルダの表面のところで最小にされる。ガス分配システムは低周波ＲＦ電力に対しては「仮想接地」され、そして電圧はアーク放電を防止するため最小にされる。低及び高周波ＲＦ電力の減結合は、低周波電力の増加につれて自己ＤＣバイアスが減少する結果になる。従って、イオンエネルギは、低部のプラズマシースを介して低周波ＲＦ信号電圧振幅により直接に制御される。
【００３８】
高及び低周波ＲＦ電力間の干渉は、高周波ＲＦでのインピーダンスと減結合された低周波のインピーダンスを整合させる外部ＲＦ整合ユニットにより頂部及び底部プラズマシース間で最小にされる。さもないと、干渉により電極のところに高電圧が発生して、ガス分配システムのところにアーク放電が生じて、シャワーヘッドが損傷する。低周波の底部プラズマシース及び主として高周波数の頂部プラズマシースの使用は、外部ＲＦ回路により所望に応じて増減されうる高調波振動周波数を引き起こす。
【００３９】
図５に示すように、高周波ＲＦ電源１２は、高周波インピーダンス整合ユニット１３と、該高周波ＲＦ電源１２を低周波ＲＦ電力から保護する高域フィルタ１４とに接続されている。また、高周波ＲＦ電源１２は、低域フィルタ１６によって低周波接地回路１５から保護されている。低周波ＲＦ電源１７は、該低周波ＲＦ電源を高周波数ＲＦ電力から保護する低域フィルタ１８に接続されている。低周波入力は、高域フィルタ２０を含む高周波接地回路１９から保護されている。
【００４０】
図５に示した構成により提供されるＲＦ電力の分配は、電子衝撃の効率的解離のために１３.５６ＭＨｚ電圧振幅を最大にすると共に、シャワーヘッド電極のところでの低周波振動を最小にするように設計されている。実際に、下記に詳述するように、本発明者は、プラズマ不安定性及び微小アーク放電もしくはアーキング（micriarcing)を防止するために、シャワーヘッド４０にある円錐形の孔のところで低及び高周波間の位相及びポテンシャル干渉を最小にすべきであることを知見した。また、ＲＦネットワークは、１３.５６ＭＨｚ信号に対する「仮想接地」を表わす下側電極のところで低周波ポテンシャルを最大にするように設計されている。これは、下側電極での１３.５６ＭＨｚの振動を制限すると共に、自己ＤＣバイアス（＜２０Ｖ）の形成を防止するので、イオンエネルギをＬＦ電圧振幅により直接に制御することができる。その結果、ウェーハ表面でのチャージング効果の低減及びプラズマが招来する損傷の低減になりうる。
【００４１】
一般に、高調波の生成を妨げることが望ましいが、ある実施例においては、プラズマシース内に発生した高調波を増幅するために上述した外部整合回路を使用することが可能である。例えば、高調波の周波数及び振幅は、底部ＲＦ整合でコンデンサ２０の外部キャパシタンスを変更することにより、調整することができる。集積回路評価用シュミレーションプログラムＳＰＩＣＥ(simulated programwhile integrated circuit emphasis)を用いた数学モデル化により、本発明者は、非常に強い共鳴もしくは共振を調整しうることを確認した。これらの計算から、コンデンサ２０が１５００ｐＦのキャパシタンスを有するように選択されれば、高調波の共鳴周波数は約３ＭＨｚであり、そして振動の振幅は１３.５６ＭＨｚでの振動振幅よりも大きいことが証明された。この現象は、イオン共鳴に起因するとすることができ、このイオン共鳴が適切に調整されれば、堆積プロセスに所望のスパッタリング成分を導入するか、或いはプラズマにおける反応性の化学種の性質及び濃度を調整するのに使用することができる。
【００４２】
Ｅ．その他の構成要素
図１に戻って、液体熱交換システム６は、反応チャンバから熱を除去すると共に、該反応チャンバのある部分を安定なプロセス温度のための適当な温度に維持するために、水とか、水及びグリコールの混合物のような液体熱交換媒体を採用している。該液体熱交換システム６は、反応チャンバ３０の種々の構成要素に液体を分配して、高温処理の間、該構成要素を適当な温度に維持する。該液体熱交換システム６は、高温処理に由来する該構成要素上への不所望の堆積を最小にするために、該構成要素のうちのあるものの温度を減少させるように作用する。図１に見られるように、ガス分配カバープレート４５内の熱交換通路７９は、熱交換液体がガス分配カバープレート４５を循環するのを許容し、かくしてこのガス分配カバープレート４５並びに近くの構成要素の温度を維持する。液体熱交換システム６は、液体（例えば水）をシャワーヘッド４０のあるガス分配システムに分配するため（後述する）、この液体を熱交換液体マニホルド（図示せず）を介して供給する複数の接続部（図示せず）を含んでいる。水流量検出器は、熱交換器（図示せず）から囲い体アセンブリへの水流量を検出する。
【００４３】
スロットル弁８３やペデスタル３２のような可動の機械的アセンブリを移動させその位置を測定するために、モータや光センサ（図示せず）が使用されている。ペデスタル３２の底部及び反応チャンバ本体部１１に取り付けられたベローズ（図示せず）は、ペデスタルの周りに可動のガス密シールを形成する。ペデスタル昇降システム，モータ，ゲート弁並びにプラズマシステムは、オプションの遠隔プラズマシステム４（例えばマイクロ波源を使用して形成された遠隔プラズマを用いて、反応チャンバのクリーン性能を得るのに用いることができる）や、他のシステム構成要素も含め、後から詳細に記載するように、制御ライン３及び３Ａ−Ｄを通してプロセッサ８５によって制御される。なお、制御ラインは一部分のみが示されている。
【００４４】
II．ＣＶＤシステム１０のシステム制御
プロセッサ８５は、該プロセッサ８５に結合されたメモリ８６に保管されたコンピュータプログラムであるシステム制御ソフトウエアを実行する。好ましくは、メモリ８６はハードディスクドライブとすることができるが、他の種類のメモリとしてもよい。プロセッサ８５は、メモリ８６に加え、フロッピーディスクドライブやカードラック（card rack)を含んでいる。プロセッサ８５はシステム制御ソフトウエアの制御下に動作するが、このシステム制御ソフトウエアには、タイミング，ガスの混合，ガス流量，反応チャンバ圧力，反応チャンバ温度，ＲＦ電力レベル，ヒータペデスタル位置，ヒータ温度及び特定プロセスのその他のパラメータを指令する命令集合が含まれている。しかし、プロセッサ８５を動作させるのに、例えば、ディスクドライブ又は他の適切なドライブに挿入されるフロッピーディスクその他のコンピュータプログラム製品を含め、他のメモリに保管されたプログラムのようなコンピュータプログラムを使用してもよい。システム制御ソフトウエアについては詳細に後述することにする。カードラックは、シングルボードコンピュータ，アナログ／ディジタル入出力ボード，インターフェースボード及びステッパモータ制御ボードを含んでいる。ＣＶＤシステムもしくは装置１０の様々な部分は、ボード，カードケージ及びコネクタの寸法及び形式について規定するＶＭＥ(Versa Modular European)規格に一致する。このＶＭＥ規格は、１６ビットデータバス及び２４ビットアドレスバスも規定している。
【００４５】
ユーザー及びプロセッサ８５の間のインターフェースは、図６に示したＣＲＴモニタ９３ａ及びライトペン９３ｂを介している。図６は、システムモニタ及びＣＶＤシステム１０の簡略図であり、多チャンバシステムにおける複数のチャンバもしくはチャンバのうちの１つとして例示している。ＣＶＤシステム１０は、主フレームユニット９５に取り付けるのが好適であり、該ユニット９５は、ＣＶＤシステム１０のための電気，給排水及びその他支持機能を収容し提供する。ＣＶＤシステム１０の図示実施例と両立しうる主フレームユニットの例は、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社（Applied Materials, Inc.)から登録商標・プレシジョン（Precision)５０００システム及び登録商標・センチュラ（Centura)５２００システムとして、現在商業的に入手可能である。多チャンバシステムは、真空引きを中断することなく且つウェーハを多チャンバシステム外の湿分その他の汚染物質に露出することなく、ウェーハをチャンバとチャンバとの間に搬送する能力を有している。多チャンバシステムの利点は、該多チャンバシステムにおける異なるチャンバもしくはチャンバを全プロセスにおいて種々の異なる目的のために使用しうることである。例えば、１つのチャンバを金属被膜の堆積のために使用し、別の１つのチャンバを急速熱処理のために使用し、更に別の１つのチャンバを反射防止層の堆積のために使用しうる。プロセスが多チャンバシステム内で中断することなく進行しうることにより、ウェーハを異なるプロセス部分のため種々の別個の独立チャンバ（多チャンバシステムにおけるチャンバではない）間に搬送させるときに起きていたウェーハの汚染が防止される。
【００４６】
好適な実施例においては、２つのモニタ９３ａが用いられており、一方はオペレータのためにクリーンルームの壁体に設けられ、他方はサービス技術者のため壁体の後方に設けられている。両方のモニタ９３ａが同じ情報を同時に表示してよいが、ライトペン９３ｂは１つのみが可能化される。ライトペン９３ｂは、ＣＲＴディスプレイから照射された光をライトペンの先端にある光センサで検出する。特定のスクリーン或いは機能を選択するために、オペレータはディスプレイのスクリーンの指定された領域に触って、ライトペン９３ｂにあるボタンを押す。触れられた領域はその背景色が変化し、或いは新しいメニューもしくはスクリーンが表示され、ライトペン及びディスプレイスクリーン間の通信を確認する。勿論、ユーザーがプロセッサ８５と通信するために、キーボード，マウス，或いは他のポインティングもしくは通信デバイスのような他のデバイスをライトペン９３ｂの代わりに或いは該ライトペンに加えて使用しうる。
【００４７】
被膜を堆積させるプロセス及びチャンバをドライクリーニングするプロセスは、プロセッサ８５により実行できるコンピュータプログラム製品を用いて行うことができる。コンピュータプログラムのコードは、例えば６８０００アセンブリ言語，Ｃ1Ｃ++，パスカル，フォートラン或いはその他の言語のような通常のコンピュータ読出し可能プログラミング言語で書くことができる。適当なプログラムコードは、通常のテキストエディターを用いて単一のファイルに或いは複数のファイルに入力され、そしてコンピュータのメモリのようなコンピュータで使用可能な媒体に保管され、或いは取り込まれる。入力したコードテキストが高水準言語で書かれていれば、コードはコンパイルされ、その結果得られたコンパイラコードが次いで予めコンパイルされたウィンドウズ（Windows)ライブラリルーチンの目的コードとリンクされる。システムユーザーは、リンクされ、コンパイルされた目的コードを実行するために、この目的コードを呼び出して、コンピュータシステムがコードをメモリにロードするようにする。ＣＰＵは、このメモリからコードを読み取って実行し、プログラムにおいて識別されたタスクを遂行する。
【００４８】
図７は、特定の実施例によるシステム制御ソフトウエアであるコンピュータプログラム１６０の階層的制御構造を例示するブロック図である。ユーザーは、ＣＲＴモニタに表示されたメニューに応答し、ライトペンインターフェースを用いて、プロセスセット番号とプロセスチャンバ番号とをプロセス選択サブルーチン１６１に入力する。特定のプロセスを行うために必要な所定セットのプロセスパラメータであるプロセスセットは、事前定義されたセット番号により識別される。プロセス選択サブルーチン１６１は、（ｉ）所望のプロセスチャンバと、（ii）所望のプロセスを実行するためプロセスチャンバを作動するのに必要な所望セットのプロセスパラメータとを識別する。特定プロセスを実行するためのプロセスパラメータは、例えばプロセスガスの組成及び流量のようなプロセス状態，温度，圧力，高周波及び低周波ＲＦ電力レベル並びに高周波及び低周波ＲＦ周波数のようなプラズマ条件（加えるに、遠隔マイクロ波プラズマシステムを備えた実施例についてのマイクロ波発生器出力レベル），冷却ガス圧力及びチャンバ壁体の温度等に関係している。プロセス選択サブルーチン１６１は、反応チャンバ３０においてある時間にどのタイプのプロセス（堆積，ウェーハ洗浄，チャンバ洗浄，チャンバ残留ガスの除去，リフローイング等）を行うかを制御する。ある実施例においては、１つ以上のプロセス選択サブルーチンがあってよい。プロセスパラメータは、レシピの形式でユーザーに提供され、ライトペン／ＣＲＴモニタインターフェースを利用して入力しうる。
【００４９】
プロセスを監視するための信号は、システムコントローラのアナログ入力ボード及びデジタル入力ボードによって提供され、プロセスを制御するための信号は、ＣＶＤシステム１０のアナログ出力ボード及びデジタル出力ボードに出力される。
【００５０】
プロセス順序決定サブルーチン１６２は、プロセス選択サブルーチン１６１からの識別されたプロセスチャンバ及びプロセスパラメータのセットを受け付けると共に、種々のプロセスチャンバの動作を制御するためのプログラムコードを備える。複数のユーザーがプロセスセット番号及びプロセスチャンバ番号を入力することができ、或いは１人のユーザーが複数のプロセスセット番号及びプロセスチャンバ番号を入力することができるので、順序決定サブルーチン１６２は、選択されたプロセスを所望の順序にスケジュールするよう動作する。好適には、順序決定サブルーチン１６２は、（ｉ）チャンバが使用中であるかどうか決めるためプロセスチャンバの動作を監視するステップと、（ii）使用中のチャンバにおいてどのプロセスが行われているのかを決めるステップと、(iii）行うべきプロセスの種類とプロセスチャンバの利用可能性に基づいて所望のプロセスを実行するステップとを遂行するためのプログラムコードを含んでいる。プロセスチャンバを監視するためにポーリングのような通常の方法を用いることができる。どのプロセスを実行すべきかスケジュールするときに、順序決定サブルーチン１６２は、選択したプロセスについての所望のプロセス条件，或いは各特定ユーザー入力要求の「時期」，或いはスケジュール優先順位を決めるためにシステムプログラマーが含めることを望んでいるその他の関連ファクターと比較して、使用されているプロセスチャンバの現在の状態を考慮に入れるように設計されている。
【００５１】
一旦順序決定サブルーチン１６２がどのプロセスチャンバ及びプロセスセットの組合せを次に実行に移すべきかを決定したら、順序決定サブルーチン１６２は、特定のプロセスセットパラメータをチャンバ管理サブルーチン１６３ａ−ｃに通すことにより、プロセスセットの実行を開始する。チャンバ管理サブルーチンは、順序決定サブルーチン１６２によって決定されたプロセスセットに従ってプロセスチャンバ３０における複数の処理タスクを制御する。例えば、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、プロセスチャンバ３０におけるＣＶＤ動作を制御するためのプログラムコードを備えている。また、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、選択したプロセスセットを行うのに必要なチャンバ構成要素の動作を制御するための様々なチャンバ構成要素サブルーチンの実行を制御する。チャンバ構成要素サブルーチンの例は、基板位置決めサブルーチン１６４，プロセスガス制御サブルーチン１６５，圧力制御サブルーチン１６６，ヒータ制御サブルーチン１６７，プラズマ制御サブルーチン１６８である。ＣＶＤチャンバの特定構造に依存するが、ある実施例は上述のサブルーチンの全てを含み、他の実施例は上述したサブルーチンのうちのあるものだけを含む場合がある。当業者にとっては容易に認められるように、プロセスチャンバ３０においてどんなプロセスを行うべきか次第で他のチャンバ制御サブルーチンを含めることができる。作動中、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、実行中の特定のプロセスセットに従ってプロセス構成要素サブルーチンを選択的にスケジュールする、もしくは呼び出す。チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、順序決定サブルーチン１６２が次にどのプロセスチャンバ３０及びプロセスセットを実行すべきかスケジュールするのと同様に、プロセス構成要素サブルーチンをスケジュールする。代表的には、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、種々のチャンバ構成要素を監視するステップ，実行すべきプロセスセットについてプロセスパラメータに基づいてどの構成要素を作動させる必要があるか決定するステップ，並びに上述の監視ステップ及び決定ステップに応答してチャンバ構成要素サブルーチンの実行を開始するステップを含んでいる。
【００５２】
特定のチャンバ構成要素サブルーチンの作動について図７を参照して説明することにする。基板位置決めサブルーチン１６４は、基板をペデスタル３２上に装荷し、そして、選択的ではあるが、該基板とシャワーヘッド４０の間の間隔を制御するために基板をチャンバ３０において所望高さまで持ち上げるのに使用されるチャンバ構成要素を制御するプログラムコードを備えている。基板をプロセスチャンバ３０内に装荷するとき、ヒータアセンブリ３３は、降下してウェーハポケット３４に基板を受け取り、次いで上記所望高さまで上昇する。作動中、基板位置決めサブルーチン１６４は、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂから伝達される支持高さに関連したプロセスセットパラメータに応答して、ペデスタル３２の運動を制御する。
【００５３】
プロセスガス制御サブルーチン１６５は、プロセスガスの組成及び流量を制御するためのプログラムコードを有する。プロセスガス制御サブルーチン１６５は、安全遮断弁の開／閉位置を制御すると共に、所望のガス流量を得るため質量流量コントローラの調節を増減してゆく。プロセスガス制御サブルーチン１６５は、全てのチャンバ構成要素サブルーチンのように、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂによって呼び出され、そしてチャンバ管理ファイルから所望のガス流量に関連したサブルーチンプロセスパラメータを受け取る。代表的には、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、ガス供給ラインを開くことにより、また、繰り返して（ｉ）必要な質量流量コントローラを読み取り、（ii）読取り値をチャンバ管理サブルーチン１６３ｂから受け取った所望の流量と比較し、(iii）ガス供給ラインの流量を必要に応じて調節することにより制御する。更に、プロセスガス制御サブルーチン１６３は、危険な流量についてガス流量を監視するステップと、危険状態が検出されたときに安全遮断弁を作動するステップとを含んでいる。また、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、選択される所望のプロセス（洗浄又は堆積又はその他）に応じて、洗浄ガスについて並びに堆積ガスについてガス組成及び流量を制御する。代替実施例では、１つ以上のプロセスガス制御サブルーチンを有することができ、各サブルーチンが特定タイプのプロセス或いは特定セットのガス供給ラインを制御する。
【００５４】
あるプロセスにおいては、窒素又はアルゴンのような不活性ガスをチャンバ３０に流入させてチャンバ内の圧力を安定化させ、その後、反応性のプロセスガスを導入する。これらのプロセスのため、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、チャンバ３０内の圧力を安定化するのに必要な時間の間、不活性ガスをチャンバ３０内に流入させるステップを含むようにプログラムされており、その後上述した諸ステップが遂行される。また、プロセスガスが液体である先駆物質、例えばＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）から気化されるべきときに、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、バブラーもしくは気泡アセンブリにおいて液体である先駆物質を介してヘリウムのような分配ガスを気泡にするステップ、或いはヘリウムのようなキャリヤガスを液体噴射システムに導入するステップを含むように書き込まれる。バブラーがこのタイプのプロセスに用いられる場合、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、所望のガス流量を得るために、分配ガスの流れと、バブラーにおける圧力と、バブラー温度とを調節する。上述したように、所望のプロセスガス流量は、プロセスパラメータとしてプロセスガス制御サブルーチン１６５に送られる。更に、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、所定プロセスガス流量についての必要値を含む保管テーブルを評価することによって、所望プロセスガス流量に対して必要な分配ガス流量，バブラー圧力，バブラー温度を取得するステップを含んでいる。一旦必要な値が得られたら、分配ガス流量，バブラー圧力，バブラー温度を監視して、必要な値と比較し、それに応じて調整される。
【００５５】
圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０の排気システムにあるスロットル弁の開口の大きさを調節することによりチャンバ３０における圧力を制御するためのプログラムコードを備えている。スロットル弁の開口度は、総プロセスガス流量，プロセスチャンバの大きさ，及び排気システムについてのポンピング設定値圧力に関する所望のレベルにチャンバ圧力を制御するように設定されている。圧力制御サブルーチン１６６が呼び出されると、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂからパラメータとして所望の、即ち目標圧力レベルを受け取る。圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０に接続された１つ以上の通常の圧力マノメータを読み取ることによりチャンバ３０における圧力を測定し、測定値（単数又は複数）を目標圧力と比較し、保管した圧力テーブルから目標圧力に対応するＰＩＤ（比例，積分，微分）値を取得して、上記圧力テーブルから得たＰＩＤ値に従ってスロットル弁を調整する。或いは、圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０におけるポンピング能力を所望レベルに調節してスロットル弁を特定開口度に開閉するように書き込むことができる。
【００５６】
ヒータ制御サブルーチン１６７は、ペデスタル３２（及びその上にある任意の基板）を抵抗加熱するのに使用されるヒータ要素１０７の温度を制御するためのプログラムコードを備えている。また、ヒータ制御サブルーチン１６７もチャンバ管理サブルーチンによって呼び出され、目標となる設定値温度パラメータを受け取る。このヒータ制御サブルーチンは、ペデスタル３２内に配置された熱電対の電圧出力を測定することにより温度を測定し、そして測定温度を設定値温度と比較し、この設定値温度を得るように加熱ユニットに印加される電流を増減する。この温度は、保管した変換テーブルの対応温度を見ることにより、或いは四次多項式を用いて温度を計算することにより、測定した電圧から得られる。ペデスタル３２の加熱に埋込みループ線が使用される場合、ヒータ制御サブルーチン１６７はこのループ線に印加される電流の増減を徐々に制御する。また、内蔵フェイルセーフモードは、プロセスの安全コンプライアンスを検出するために含めることができ、この内蔵フェイルセーフモードにより、プロセスチャンバ３０が適切にセットアップされなければ加熱ユニットの作動を停止することができる。使用しうる代替的なヒータ制御の方法は、ジョナサンフランケル(Jonathan Frankel)を発明者として掲げて１９９６年１１月１３日に出願された「蒸着装置の温度を制御するためのシステム及び方法(Systems and Methods for Controlling the Temperatureof a Vapor Deposition Apparatus)と題する共有に係る出願中の米国特許願第０８／７４６６５７号（出願人書類番号ＡＭ１６８０-８/Ｔ１７０００）に記載された増減制御アルゴリズムを使用する。なお、この米国特許願の開示内容は参照によってこの明細書に組み込まれる。
【００５７】
プラズマ制御サブルーチン１６８は、チャンバ３０にあるプロセス電極及びヒータアセンブリ３２に印加される低及び高周波ＲＦ出力レベルを設定すると共に、用いられる低及び高ＲＦ周波数を設定するためのプログラムコードを備えている。前述したチャンバ構成要素サブルーチンと同様に、プラズマ制御サブルーチン１６８はチャンバ管理サブルーチン１６３ｂにより呼び出される。遠隔プラズマ発生器４を含む実施例については、プラズマ制御サブルーチン１６８はこの遠隔プラズマ発生器を制御するためのプログラムコードも含むことができる。
ＣＶＤシステム１０によるＣＶＤ膜の堆積
本発明の装置の開発前には、孔４２のような円錐形の孔を用いるシャワーヘッドは、混合周波数ＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学蒸着）プロセスにおいて効果的に使用することができないと一般に考えられていた。上述した発明の背景の欄において論じられているように、円錐形の孔があるシャワーヘッドと共に混合周波数ＲＦ電力を用いようとする既知の試みは、全て、高周波（ＨＦ）及び低周波（ＬＦ）電源の双方がプロセスチャンバにおいてシャワーヘッド（上側電極）に接続される状態を含んでいた。このような構成であると、ＬＦ及びＨＦ波形の間に不安定な位相干渉が起きていた。これが上側電極に所望以上の電圧を与え、不所望のアーク放電になっていた。
【００５８】
しかし、本発明の発明者は、低周波ＲＦ電源が基板の真下の電極に接続される底部電力供給電極構造を使用すると共に、前述したＲＦフィルタ・整合ネットワークを使用することにより、ＨＦ及びＬＦ波形が十分に減結合され、以前に遭遇していた位相干渉問題を防止できることを発見した。この構成を使用すると、ＨＦ及びＬＦ波形が波形間の干渉を最小にするように制御できる。本発明者は、干渉が最小になれば、孔４２内でもしくはその近くでのアーク放電を回避しながら、円錐形の孔があるシャワーヘッドを混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスにおいて使用できることを知見した。
【００５９】
混合周波数ＲＦ電力を使用すると共に円錐形の孔を使用することにより、多くの事例において、優れた物理的特性を有する被膜の堆積もしくは成長が可能になる。第１に、前述したように、真直ぐな孔というよりもむしろ円錐形の孔の使用によって、プロセスガスの解離の向上，プラズマの高密度化、イオン化効率の上昇等が可能になる。解離の向上は、用いられた１つ以上の供給ガス(例えばＮ2)が比較的に壊れ難い窒化ケイ素被膜及びその他の被膜堆積の場合に特に重要である。従って、一例として、窒化ケイ素被膜の堆積においては、円錐形の孔の使用により、ＮＨ3の量の減少になり、また窒素源として用いたＮ2の量の対応する増加になる。次にＮＨ3の減少が、被膜に入り込む水素を減少させ、低いＷＥＲになる。窒化ケイ素被膜の堆積に本発明の装置を使用することについて以下に詳細に説明する。
【００６０】
一方、低周波ＲＦ電源を含むことにより、基板及び堆積被膜を衝撃するのに使用されるイオンエネルギの制御が可能になる。このようなイオン衝撃の高い制御は、被膜密度を改善したり、一層よい応力制御を可能にしたり、低いＷＥＲ（当業者にとっては言うまでもなく、堆積された被膜が６：１（体積で）ＢＯＥ溶液においてエッチングされる割合）を提供したり、被膜全体の健全性を改善したりするのに使用できる。窒化ケイ素被膜の堆積において、かかる衝撃は、シラン及びアンモニアの反応で残る水素を置換でき、従って、被膜のＷＥＲを改善すると確信される。
【００６１】
同様に、高及び低周波波形の減結合自体は、それ自体により改善をもたらす。例えば、上述したように、シャワーヘッド４０の孔内のアーク放電はＣＶＤプロセスにおいては問題である。一般に、アーク放電はチャンバの圧力が低くなればなるほど、高くなるよりも問題である。例えば、混合周波数ＲＦ電力と円錐形というよりも真直ぐの孔とを用いた先行技術の窒化ケイ素混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスの一例においては、チャンバ圧力が３トル以下のときにアーク放電が問題を起こしていた。従って、このプロセスは、低いＷＥＲを有する被膜の場合低い圧力で堆積できるので低い圧力が一般に望ましかったのではあるが、堆積圧力を３トルかそれ以上に限定していた。しかし、本発明の装置においては、低い堆積圧力がアーク放電なしに使用することができる。試験によると、円錐形の孔を有するシャワーヘッドを採用したときにだけ、２.５トルの圧力をアーク放電なしに使用することができた。
【００６２】
減結合された高及び低周波波形は、被膜堆積において高周波電力よりも相対的に大きな量の低周波電力を用いることを可能にしている。例えば、上述した同じ先行技術の窒化ケイ素混合周波数プロセスにおいては、使用した低周波ＲＥ電力の量が使用された総ＲＦ電力の約３５％よりも大きいときには何時でも、アーク放電が重大な問題となっていた。これは、円錐形の孔ではなしに真直ぐの孔がガスシャワーヘッドに用いられていても同様であった。本発明の装置において行われているように高及び低周波波形が減結合されれば、真直ぐな孔ではなく円錐形の孔が使用されても、同じ窒化ケイ素混合周波数プロセスを用いて、低周波ＲＦ電力の量をアーク放電なしに総計の約３５％以上に増すことができる。本発明の装置は、使用される総ＲＦ電力の６０％までの低周波ＲＦ電力で成功裡に使用することができた。前述のように、大きな低周波電力は、イオン衝撃の増大になり、従って、被膜品質を改善するのに使用することができる。しかし、装置の適用に際しては、下の層に対する衝撃の増大の影響を考慮することが重要である。例えば、所定被膜の堆積の間、衝撃の設定が高すぎれば、この衝撃により、先行して堆積されていた被膜が損傷を受けるかも知れないので、衝撃の増大が堆積したばかりの層の被膜特性を改善するとはいえ、生産量に害を与えることになる。これは特に、ＰＭＤ被膜堆積中のゲート酸化物健全性(gate oxide integrity)に関係が深い。
【００６３】
また、本発明者は、窒化ケイ素被膜の被膜特性に対するリアクタインピーダンスの影響について詳細な解析を行った。図８Ａ−８Ｄはリアクタインピーダンスに対するプロセス圧力の影響を示している。図における各データポイントについて(圧力＝１〜６トル）、２.０の屈折率及び-１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の圧縮応力を有するＳｉ3Ｎ4被膜を調整した。供給ガスとしてＳｉＨ4/ＮＨ3/Ｎ2をそれぞれ１：２：１０の比で使用した。記憶したパラメータは：図８Ａでは電圧振幅（頂部電極でＶHF，底部電極でＶLF）；図８Ｂでは電流強度(ＩLF及びＩHF)；
ンスプローブを使い、一方を高周波特性のために頂部に置き、他方を低周波測定のために底部に置いて行った。その結果、ΦHF〜-８０°と比較されるΦLFの位相角〜-６５°と同じように低周波でより高いインピーダンス値を示している。これは、低周波信号が加わることによってリアクタの「固有」容量性インピーダンス（Φv/i〜-９０°）が変調されることを指示している。他の測定値は、低周波電力が印加されなければΦHF〜-８７°であることを指示している。
【００６４】
試験で使用した低周波信号（３５０ｋＨｚ）はイオンプラズマ周波数（この例では８００ｋＨｚと推定される）以下である。従って、イオン化した化学種がイオン運動を招来した低周波バイアスに応答した。このイオン運動が誘導分をプラズマに導入したので、低周波電力比が高ければ（例えばＷLF/（ＷLF+ＷHF）＞２０％）、プラズマバルクインピーダンスを平行ＲＣ回路として記載することができない。後述する図１１に示すように、リアクタインピーダンスはＲＬＣ回路として概略で記載することができる：（ＬはＲと直列）Ｃと平行。
【００６５】
イオンエネルギ（ウェーハの低周波ポテンシャルに比例する。Ｅion＝ｑion×ＶL F)の注意深い制御により、ウェーハ表面での正確なイオン衝撃が可能である。しかし、図８Ａは、ヒータ電極ポテンシャルが広範囲の圧力（２〜５トル）にわたり一定（４６０Ｖ）のままであることを示している。図８Ｃ及び図８Ｄは、リアクタインピーダンスが圧力に関係しており、位相角及びインピーダンス値が圧力が２トルであるときに最大であることを示している。この圧力はＳｉＮ4被膜において最小ＷＥＲにも関係していることが分かった（図９参照）。被膜エッチング速度，位相角及びインピーダンス値間の相互関係は、被膜成長中の正確なイオン衝撃のため、そして窒化ケイ素被膜におけるＷＥＲの減少のような被膜特性の改良のため、リアクタインピーダンスの制御が重要なことを示している。同じ原理は、酸化ケイ素，酸窒化ケイ素(silicon oxynitride)，炭化ケイ素，フッ素化非晶質炭素等を含むその他の被膜の堆積にも適用すべきである。
【００６６】
リアクタインピーダンスは、ＬＦバイアス周波数の関数としても特徴付けられる。ＬＦ周波数は正弦波形を使用して３００ｋＨｚから９５０ｋＨｚへと変化させた。図１０Ａ〜１０Ｄは低周波及び高周波での電極ポテンシャル，電流及びリアクタインピーダンスを示している。周波数の関数としての位相角及びインピーダンス値の測定は、簡単な素子を用いてリアクタをモデル化する機会をもたらした。位相角及びインピーダンス値の双方についての測定値を整合するために、ＳＰＩＣＥシミュレーションを行った。図１１は、モデル化した回路を示している。前述した整合ネットワークとは別に、プラズマバルク１０４と，２つの異なるプラズマシース１００，１０２（これらの全ては図１に関して前述した反応領域５８の一部である）とが図１１に示されている。プラズマバルクは、イオン運動及び慣性を表わす大きなインダクタ値（Ｌ2＝２０μＨ）を有するＲＬＣ回路としてモデル化できる。頂部シースは帯電した化学種の発生を表わす電流発生器を構成している。ダイオード（Ｄ0）は電子流のみがこのシース部分を流れ得ることを正しく表わしている。Ｉ0（１０Ａ)の値は１３.５６ＭＨｚで測定された値と見事な一致関係にある（図１０Ｂ）。
【００６７】
底部シースは、第２のインダクタ（Ｌ0）がシースを通るイオン運動と引き起こされたイオン衝撃とを表わしている点を除いて、頂部シースと同様である。また、電流発生器(Ｉ1＝０.９Ａ）は測定値（ＩLF）と一致するように調整した。このモデルは、２つのシースが異なるという仮定（シャワーヘッドにおけるイオン化及び底部電極におけるイオン衝撃）と見事に一致している。セラミック製ペデスタル／ヒータは、プラズマインピーダンスと直列に配置した単なるコンデンサ１０６としてモデル化されている。ヒータ容量の公称値は、電極の深さが４０ｍｉｌのときに、２５００ｐＨである。
【００６８】
図１２Ａ及び１２Ｂは、測定データ及びシミュレートしたデータの比較を示している。測定データ（各図における点）は、Ｃ3＝２５００ｐＦ（太線）で計算したモデルと良好な一致関係にある。Ｃ3は、ヒータポケットに金属板を置くと共に、当業者にとって言うまでもないようにキャパシタンスもしくは静電容量をネットワーク分析器で測ることによって測定した。他の曲線は、ヒータキャパシタンスを変えたときのリアクタインピーダンスに対する影響を示している。このデータから分かるように、ヒータ電極のキャパシタンスはリアクタインピーダンスに重要な影響をもっている。このキャパシタンスは、電極が埋め込まれている深さ（ｄ）により求められる（Ｃ＝εＳ／ｄ，ここでεはＡｌＮの誘電率であり、Ｓは電極表面積であり、ｄは電極深さである。）。従って、ヒータ製造過程中にこの電極深さを精確に制御することが重要である。
【００６９】
本発明者は、上述した努力と特徴付けに基づいて、本発明のＣＶＤシステム１０に対する２つの付加的な改良を開発した。第１の改良は、ＣＶＤシステム１０にインピーダンスチューナ１０８を追加することを含んでいる。インピーダンスチューナ１０８は、図１１においてコンデンサ１０６（ペデスタル３２）と直列に接続されるものとして示されており、所望の被膜特性を得る追加の制御「ノブ」としてリアクタ３０のインピーダンスを調整するために、プロセス状態に依存して、インピーダンスチューナの値が調整できる。好適な実施例において、インピーダンスチューナ１０８は可変コンデンサである。１つの例では、このコンデンサは、全リアクタインピーダンスが６００〜２０００Ωの間に制御できるように選択されている。別の実施例においては、インピーダンスチューナ１０８は、コンデンサと平行に接続された可変インダクタを有するＬＣ回路である。更に別の実施例においては、インピーダンスチューナ１０８はバイパススイッチ（図示せず）によりＣＶＤシステム１０から接続を断つことができる。
【００７０】
第２の改良は、ＣＶＤシステム１０にインピーダンスプローブ１１０（図１及び図５に示す）を追加することを含んでいる。インピーダンスプローブ１１０は２本のライン１１１Ａ及び１１１Ｂによりチャンバ３０に電気的に接続されている。ライン１１１Ａはペデスタル３２内に埋め込まれた下側電極２２に電気的に接触する入力端子１１２Ａに接続され、一方、ライン１１１Ｂは、上側電極であるカバープレート４０に電気的に接触する入力端子１１２Ｂに接続されている。インピーダンスプローブ１１０は制御ライン３の１つを介してプロセッサ８５と連絡している。
【００７１】
インピーダンスプローブは、このように接続したときに、基板処理の間、リアクタのインピーダンスを監視するのに使用可能であり、そしてプロセッサ８５は、適切であれば、処理条件又はインピーダンスチューナ１０８の設定を調整して（例えば、インピーダンスチューナが可変コンデンサであれば、この可変コンデンサのキャパシタンスを調整する）、リアクタインピーダンスの変化に対して補償することができる。このことは、ある事例において、リアクタ３０のインピーダンスがＷＥＲ応力，堆積速度，屈折率及び膜厚均一性のような被膜特性に対して明らかな効果を有するので、特に有用である。従って、例えば、２０００ウェーハのプロセス操業中に、プロセッサ８５が、この操業について予め規定した範囲外にリアクタインピーダンスがドリフトしたことを検出すれば、ウェーハ操業中に適切な処置を講じて、リアクタインピーダンスを調整することができ、また、全プロセス操業間の所定プロセスについて、被膜特性を製造者の仕様範囲内に確実にしておくことができる。かかるインピーダンスのドリフトを調整するのに講じられる処置には、限定する意味ではないが、反応チャンバ内の圧力を調整すること、高周波又は低周波ＲＦ電力を増減すること、そして上述したようにインピーダンスチューナ１０８の設定を調整することが含まれうる。この特徴は、インピーダンス現場監視と呼ぶこともできる。
【００７２】
上述したように本発明者によりなされた発見と共に上に説明したＣＶＤシステム１０の特徴及び構成により、ＣＶＤシステム１０は、以前には可能でなかった堆積パラメータの使用を含めて、広範囲のプロセス状態もしくは条件にわたりＣＶＤ被膜を堆積させるのに採用可能となる。装置は、金属間誘電（ＩＭＤ）に適用するための低温プロセス被膜や、前金属(premetal)誘電（ＰＭＤ）に適用するための高温プロセス被膜を含む、種々のＣＶＤ被膜の堆積の際に有用である。ある特定の適用例は、りん化ホウ素ケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ），りんケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）及びフッ素ドープ処理ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）のようなドープ処理酸化ケイ素及び未ドープ処理酸化ケイ素（ＵＳＧ）の堆積を含め、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）又はシランベースのＰＥＣＶＤ及びＳＡＣＶＤ（準大気圧ＣＶＤ）化学物質を含んでいる。同様に、窒化ケイ素，炭化ケイ素，非晶質ケイ素及びその他の層が本発明の装置を使用して堆積できる。
【００７３】
本発明の装置により達成可能な範囲を広げたプロセス方式の例として、本発明者は、Ｓｉ3Ｎ4被膜で広範な作業を行い、低温処理条件において改良された(低い）ウエットエッチング速度，優れたステップカバレージ，改良された被膜健全性及び減少したピンホールを有するかかるＳｉ3Ｎ4の堆積を可能にする技術を開発した。また、本発明者は、多くの熱成長Ｓｉ3Ｎ4被膜よりも小さい１５Å／分以下のＷＥＲを有する高温ＰＥＣＶＤＳｉ3Ｎ4被膜を開発した。
【００７４】
これらの改良したＳｉ3Ｎ4被膜を開発する中で、本発明者は、応力についてのヒータキャパシタンスの効果，イオン衝撃についての総ＲＦ電力に対するＬＦ電力の比の効果，応力に対するＷＥＲの関係等に関し、深さの研究を行った。これらの研究のため、２.０の屈折率及び１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の圧縮応力を有するようにＳｉ3Ｎ4堆積プロセスを調整した。次いでヒータの公称キャパシタンス２５００ｐＦを、ヒータと直列に配置されたインピーダンスチューナ１０８としての可変コンデンサの追加により減少させた。プロセスはＳｉＨ4/ＮＨ3/Ｎ2をそれぞれ２２０/１２００/６００ｓｃｃｍの流量でチャンバに導入し、そしてチャンバは４００℃に加熱し４.０トルの圧力に維持した。高周波ＲＦ電力を２５０Ｗのレベルでガス分配マニホルドに供給し、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力を底部電極に供給した。最後に、基板ホルダ及びガス分配マニホルド間の間隔を４２５ｍｉｌに設定した。これらの研究の結果は図１４〜１６に示されており、以下に説明する。
【００７５】
図１４は、被膜応力がペデスタル／ヒータのキャパシタンスにより強く影響を受けることを示している。ヒータのキャパシタンスが低下すると、屈折率及び堆積被膜の一様性が増し、堆積速度が低下することが分かった。これは、被膜特性とリアクタインピーダンスの関係を確認している。単一周波数プロセスは混合周波数プロセスよりもモデルにより実際に予測される現象（図１２Ａ及び１２Ｂ参照。そこでは曲線間の距離が周波数が高くなると狭まっている。）の影響を受け難いことが分かった。これらの結果は、Ｓｉ3Ｎ4被膜の堆積についてヒータキャパシタンスの公差を規定するのに使用することができる。例えば、中心プロセス(center process)周辺で±２×１０8ダイン/ｃｍ2の最大応力の移動を許容すると、ヒータキャパシタンスを２５００ｐＦ±１３％内に制御すべきであることが分かった。これは、４０ｍｉｌ，＋５.１，−３.５の電極深さに相当している。
【００７６】
被膜健全性及びその他の被膜特性はイオン衝撃に密接に関係している。上述したように、イオンエネルギはプラズマシースのポテンシャルに比例する。本発明者は、ヒータ電極及びシャワーヘッドのポテンシャルに対する低周波電力の影響について研究した。また、本発明者は、１３.５６ＭＨｚバイアスによって一般に招来される自己ＤＣバイアスを記録した。図１５は、低周波電力を増大する効果を示している。図１５において、総ＲＦ電力は５００Ｗで一定に保った。ＬＦ電力を増加するとヒータ電極のところで電圧振幅ＶLF(及びイオンエネルギ）が増大することが分かった。同時に、シャワーヘッドでの電圧振幅ＶHFが減少する。しかし、本発明者は、低周波電力が増加するときに双方の電極に関するＤＣバイアスが減少することを発見した。この負の自己ＤＣバイアスは電極のところにイオン減損シースが形成することを表していると思われる。ＤＣバイアスは単一（高）周波数プロセスが使用されるときに２００Ｖよりも大きくすることができる。低周波電力を追加すると、イオンはもはや固定電荷とは考えられなくなる。ＬＦバイアスによりイオンはプラズマシース内を貫通させられるので、電子チャージング効果が相殺され、ＤＣ分が減少する。その結果、イオンエネルギが直接に低周波電圧振幅の制御下におかれる。トラフ(ＶLF＜０）の間、正にイオン化した化学種（イオンの大部分と考えられる）は、成長しつつある被膜を衝撃する。
【００７７】
低周波電力対総電力の比［ＷLF/（ＷLF+ＷHF）]は被膜応力を調整するために重要な「ノブ」である。前述したように、本発明の装置構成は、あるセットの処理条件下でアーク放電を引き起こすことなく、ＬＦ電力を総ＲＦ電力の少なくとも６０％まで増大させることができる。図１６は、低周波電力の追加(ＶLFが増大し、ＤＣバイアスが減少する）が、上述したように堆積する屈折率２.０のＳｉ3Ｎ4被膜におけるより活発なイオン衝撃のために、被膜密度の増大を可能にすることを示している。また、図１６は、被膜ＷＥＲ及び応力が密接に関係した特性であることを示している。装置適用のために、適度の圧縮応力（例えば５０〜１５０ＭＰａ）を有する被膜が一般に要求される。本発明のリアクタ構造及びプラズマインピーダンスは、高度の健全性及び調整可能な応力の被膜を提供するために、ＷＥＲ及び被膜応力を減結合するように最適化できる。
【００７８】
イオンエネルギがヒータ電極のポテンシャルに比例することを知って、本発明者は、イオン衝撃及び被膜特性に対する効果と役割を決定するために種々のバイアス波形及び周波数の研究を行った。３つの異なる波形を試験した。正弦波と非対称波と方形波である（図１７Ａ〜１７Ｄ参照）。各波形について、周波数を変更し、被膜健全性の特徴を調べた（当業者にとって既知であり良く分かるような２５０Åのエッチングか１分間の６：１ＢＯＥのどちらかの前後のステップカバレージ、及びピンホール性能）。
【００７９】
正弦波形（図１７Ａ）は３５０ｋＨｚの周波数で試験した。正弦波形は、本発明者にとって既知の総混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスにおけるイオン衝撃を制御するのに使用される標準波形である。しかし、本発明者は、Ｓｉ3Ｎ4被膜の堆積のために正弦波形が最適ではないことを知見した。実際に、この波形は基板ホルダの衝撃とガス分配マニホルドの衝撃との間を交互するので、周期の半分の間は基板についてのイオン衝撃がない。これは、Ｖwaferが正であるとき、電子流がウェーハに向かって引っ張られ、そしてイオンが下側のプラズマシースから拒絶されるからである。従って、イオン衝撃は図１７Ａ〜１７Ｄの影線領域１３０においてのみ起こる。
【００８０】
本発明者は、非対称の波形が図１７Ｂに示すように使用されるときに、改良された被膜品質が得られることを発見した。また、本発明者は、低周波がより小さな位相角とするのを促進することが観察されたため（図１０Ｄ参照）、一般に、より良い被膜健全性は低周波（例えば、＜４００ｋＨｚ）で得られることを発見した。更に、小さな位相角は上述したように良好な被膜特性をもたらすことが分かった。実際に、上述したＳｉ3Ｎ4被膜の堆積については、５０ｋＨｚが最も好ましい周波数であるが、５０〜２２０ｋＨｚの周波数の非対称波形で最良の結果が得られた。この特別の波形は、新たに開発したＥＮＩ ＲＰＧ発生器で形成された。採用可能な別のタイプの非対称鋸歯状波形が図１７Ｃに示されている。これらのタイプの波形は、過去において、反応スパッタリング堆積（例えば、Ａｌ2Ｏ3）や真空アークプラズマ堆積（例えば、ＤＬＣ，Ａｌ2Ｏ3及び他の金属被膜）のために使用されてきたが、本発明者の知る限りでは、ＰＥＣＶＤプロセスにおけるバイアス技術としては決して使用されてはいなかった。図１７Ｂ及び１７Ｃに示したどの波形も、波形のデューティーサイクルは、所望のように被膜特性を仕上げるように調整することができる。デューティーサイクルは、ウェーハポテンシャルが正である時間の割合である：Ｚ+/（Ｚ+＋Ｚ-）。一般に、１０〜５０％の間にあるデューティーサイクルを有することが好ましい。
【００８１】
パルス状ＤＣバイアスとも呼ばれる方形バイアス（図１７Ｄ）についても１５０ｋＨｚから７００ｋＨｚまで変化する周波数で試験した。プロセス状況は周波数の影響を受けた。従って、屈折率が２.０及び圧縮応力が１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の被膜を堆積させるために、種々の周波数でプロセスを調整する必要があった。いずれにしても、方形波の使用は被膜健全性を劣悪にすることが発見された。しかし、パルス状ＤＣ波形は基板ホルダのイオン衝撃には有利であり、また、かかる方形波は実質的な同調に有利である。劣悪な被膜健全性は、システムに高調波を導入することによってプラズマシースの不安定性を起こさせる急激な負の前部１３４の作用に起因すると考えることができる。
【００８２】
従って、上述の試験から明らかなように、図１７Ｂの非対称波形により制御されるイオン衝撃は、図１７Ａ及び１７Ｄの波形と比較して衝撃の向上になり、また、改善された特性を有する被膜の堆積になった。図１７Ｂに示した非対称波形は、鋸歯状波形、或いは三角の両極性波形と記載することもでき、わずかな同調で各サイクルの大部分の間、基板ホルダのイオン衝撃を行う。他の非対称波形（例えば、図１７Ｃに示した波形）も高調波の形成を妨げると共にイオン衝撃を増すために使用しうる。実際に、信号期間の間、イオンエネルギの平均的な線形分布を有する波形なら純粋な正弦波形よりも好ましいはずである。高調波の作用を妨げるために、波形の前（負）縁部の傾斜の大きさを後縁部の傾斜よりも小さくすることが好ましい。
【００８３】
結論として、本発明の使用により得られる詳細に説明したプロセス状況もしくは方式は、上述の特徴を有する被膜の堆積を可能にすると共に、低圧力，高い比率の低周波ＲＦ電力，且つ高い窒素対アンモニア比率での窒化ケイ素被膜の堆積を可能にする。堆積した窒化ケイ素被膜のＷＥＲは、高周波ＲＦ電力を円錐形の孔があるシャワーヘッドに供給すると共に、低周波ＲＦ電力を上述したようにセラミック製の基板ホルダに供給することによって、５０％ほど減少された。また、ＷＥＲはプロセス圧力と非常に関連している。従って、広範囲の状況の間、プロセス圧力を変化させることは、堆積した被膜の特性を制御する際の重要なパラメータである。
【００８４】
この明細書で教示するような低及び高周波ＲＦ電力の減結合は、ステップカバレージ及び応力レベルを犠牲にすることなく改良されたＷＥＲ及びその他の特徴をもたらす。実験において、１：１のアスペクト比トレンチのサイド及びボトムカバレージを窒化ケイ素堆積の間制御して、フィールドカバレージに関して約６５％の側壁部ステップカバレージをもたらすと共に、フィールドカバレージに関して約６５％の底部ステップカバレージをもたらす。トレンチ内のこのような一様な成長は、良好なコンフォーマル（正角）被膜を提供すると共に、その後の被膜のエッチングにもっと耐えられる強い底角部を提供し、相対的に弱い底角部に全面的にエッチングすることができる。この明細書で用いた側壁部ステップカバレージ，底部ステップカバレージ及びコンフォーマリティー（正角度）は図１３の記載に関して定義する。図１３において、窒化ケイ素被膜１２０は、隣接する金属線１２２及び１２４の間の間隙１２６を部分的に満たすように、該金属線を覆って堆積表示されている。側壁部ステップカバレージはａ/ｂ×１００％である。底部ステップカバレージはｄ/ｂ×１００％であり、コンフォーマリティー（正角度）はａ/ｃ×１００％として定義される。
【００８５】
IV．実験及び試験結果
本発明について、現在利用可能な混合周波数窒化ケイ素プロセスを本発明の範囲内の減結合した混合周波数窒化ケイ素プロセスと比較する以下の例によって更に説明する。これらの例は、パターン形成したウェーハ上にコンフォーマルな窒化ケイ素層を堆積させるための最上のプロセス状態もしくは条件を示すように選択された。各例において、堆積窒化ケイ素層は屈折率２.０，被膜応力-１.６×１０9ダイン/ｃｍ2であり、これらの値は、最近の様々な装置適用例についての製造者仕様の範囲内にある。これらの値を正確に反映するように変更できないプロセスを調整して、最も近い特性を有する被膜を堆積させた。
【００８６】
比較例Ａ及びＢは、本発明に従って行われたのではない堆積プロセスについて記載し、本発明の例１〜４は、本発明に従って堆積されたプロセスについて記載している。各例において、２つの密接離間した金属線間に間隙を含む段付き微細構成を覆うように窒化ケイ素被膜が堆積された。金属線間の距離は約０.５μｍであり、間隙のアスペクト比は約１：１であった。
【００８７】
比較例Ａ
この例は、アルミニウム製基板ホルダと真直ぐの孔をもつガス分配マニホルドとを有するＣＶＤチャンバを用いて実験が始められた。高周波ＲＦ電力はガス分配マニホルドに供給し、低周波ＲＦ電力はアルミニウム製基板ホルダに供給した。アルミニウム製基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから３５０milのところに配置して保持した。
【００８８】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン１８０sccm，アンモニア７２０sccm, 窒素１６００sccmのプロセスガス流量で３.７トルに安定化させた。その後、１００Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）及び２０Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をガス分配マニホルドに印加した。窒化ケイ素被膜は１６００Å/分で堆積した。堆積した被膜は、屈折率２.０，被膜応力-１.４×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００８９】
堆積被膜は、３０５Å/分のＷＥＲを有し、そして被膜の頂部２５０Åを除くためにエッチング溶液に暴露したときに、実質的に全ての窒化ケイ素が間隙の底角部から除去されていた。
【００９０】
比較例Ｂ
この例は、化学蒸着チャンバ、特にカリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)により製造販売されている「ＤｘＺ」プラズマリアクタを用いて実験が始められた。しかし、このリアクタはセラミック製の基板ホルダを含むように変更されており、そして高及び低周波ＲＦ電力の双方がガス分配マニホルドに供給された。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから５６０milのところに配置して保持し、ガス分配マニホルドは円錐形の孔を含んでいた。
【００９１】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２１５sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、２００Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）及び２００Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をガス分配マニホルドに印加した。窒化ケイ素被膜は５５６０Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００９２】
また、堆積被膜は３０５Å/分のＷＥＲを有していた。窒化ケイ素の約２５０Åを除くための堆積被膜のエッチングにより、実質的に全ての窒化ケイ素が間隙の底角部（或いは微細構造）から除去されていた。
【００９３】
発明例１
この例は、化学蒸着チャンバ、特にカリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)により製造販売されている「ＤｘＺ」プラズマリアクタを用いて実験が始められた。このリアクタは、本発明に従って、また図１に示すように、セラミック製基板ホルダ及びセラミック製ガス分配マニホルドの双方を含むように変更した。高周波ＲＦ電力はガス分配マニホルドに供給され、低周波ＲＦ電力はセラミック製基板ホルダに埋め込まれたＲＦ電極２２に供給された。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから６００milのところに配置して保持した。
【００９４】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン６５sccm，アンモニア１３０sccm, 窒素１４５０sccmのプロセスガス流量で２.５トルで安定化させた。その後、１６０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして１３５Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は１７４５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-１.５×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。また、堆積被膜は１８０Å/分のＷＥＲを有していた。
【００９５】
発明例２
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから４８５milのところに配置して保持した。
【００９６】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２１０sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、２５０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は５５２５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-１.６×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００９７】
また、堆積被膜は３３５Å/分のＷＥＲを有していた。フィールドから窒化ケイ素の約２５０Åを除去するための堆積被膜のエッチングの後に、比較例Ａと比較してバイアスの底角部に相当な量の窒化ケイ素が残った。エッチング前、バイアスの側壁部及び底部にある窒化ケイ素層は、フィールドに堆積した窒化ケイ素層の厚さの約６３％であった。エッチング後、側壁部の窒化ケイ素層はフィールドの厚さの３５％であり、底角部ではフィールドの厚さの１２％であった。
【００９８】
発明例３
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから４９５ milのところに配置して保持した。
【００９９】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２００sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、１７０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力（正弦波形、３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は４６２５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【０１００】
また、堆積被膜は２９３Å/分のＷＥＲを有していた。これらの結果を例２と比較すると、高周波入力を変えたときに、低周波ＲＦ電力対総ＲＦ電力の比とＷＥＲとの間に逆の関係があることが明らかになる。低いＷＥＲ及び小さい被膜応力は例１により示したようにプロセス圧力を変更することにより達成できる。
【０１０１】
発明例４
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから５４０ milのところに配置して保持した。
【０１０２】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２００sccm，アンモニア４００sccm, 窒素４５００sccmのプロセスガス流量で３.０トルで安定化させた。その後、１７０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして、イオン衝撃を促進するため三角波形を有する２５０Ｗの双極性（鋸歯）低周波ＲＦ電力（５０ｋＨｚ，４０４０ｎｓ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は３７５０Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【０１０３】
また、堆積被膜は２３２Å/分のＷＥＲを有していた。フィールドから窒化ケイ素の約２５０Åを除去するための堆積被膜のエッチングの後に、比較例Ａと比較してバイアスの底角部に相当な量の窒化ケイ素が残った。エッチング前、バイアスの側壁部及び底部にある窒化ケイ素層は、フィールドに堆積した窒化ケイ素層の厚さの約５７％であった。エッチング後、側壁部の窒化ケイ素層はフィールドの厚さの４１％であり、底角部ではフィールドの厚さの１８％であった。
【０１０４】
上に述べたことは、本発明のある好適な実施例に向けられているが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明のその他の更なる実施例を案出しうる。例えば、かかる代替実施例の１つでは、被膜特性を更に改善するために製造者がプラズマ密度に対してプラズマ化学を適合させることができるように、パルス状プラズマを使用してもよい。このうなパルス状プラズマプロセスにおいて使用される高周波波形の一例が図１８に示されている。図１８において、１３.５６ＭＨｚの波形がＯＮサイクルとＯＦＦサイクルの間を交互するものとして示されている。この波形は、各ＯＮサイクルの間にプラズマ生成反応種を形成すると共に、各ＯＦＦサイクルの間にプラズマ化学が堆積を制御することを可能にさせる。ＯＮ時間対ＯＦＦ時間の比はデューティーサイクルと呼ばれている。パルス状プラズマ堆積技術は、多くのＣＶＤプロセスに適用可能であり、特に、本発明の装置において非昌質フルオロカーボン及びその他の低Ｋ誘電被膜を堆積するときに有用である。別の代替実施例においては、インピーダンスチューナ１０８を使用してＣＶＤチャンバのインピーダンスを調節する。このＣＶＤチャンバは、プラズマを形成して該プラズマにバイアスをかけて成長する被膜を衝撃するために混合周波数ＲＦ電力に加えて他の方法を採用する。インピーダンスチューナ１０８が特定のチャンバ及び堆積プロセスのために制御ノブを提供するのに必要な唯１つの要件は、プラズマのインピーダンスが１つ以上のプロセスパラメータと関連して変化することである。これらの代替例は他の代替例及び均等例と共に、本発明の範囲内に含まれることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 堆積チャンバの簡略化した断面図を含む、本発明による堆積システムの一実施例のブロック図である。
【図２】 本発明の一実施例による支持ステムに取り付けられたセラミック製ペデスタルの簡略化した断面図である。
【図３】 埋設されたＲＦ電極を有する好適なセラミック製基板ホルダのための金属／セラミック接続部の概略図である。
【図４Ａ】 ガス分配マニホルド内に含まれた円錐形の孔の実施例の断面図である。
【図４Ｂ】 ガス分配マニホルド内に含まれた円錐形の孔の実施例の断面図である。
【図５】 本発明の装置において低及び高周波ＲＦ波形を減結合するためにサイクル用されたＲＦフィルタ・整合ネットワークの実施例を示す簡略図である。
【図６】 本発明の堆積システムを制御することができるプロセッサとユーザーとのインターフェースを示す図である。
【図７】 図１の例示的なＣＶＤプラズマリアクタと関連して使用されるプロセス制御用コンピュータプログラム製品のフローチャートである。
【図８Ａ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｂ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｃ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｄ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図９】 堆積窒化ケイ素被膜のウエットエッチング速度及び堆積速度に関するプロセス圧力の重要性を表わす実験結果の図である。
【図１０Ａ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｂ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｃ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｄ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１１】 チャンバ３０のＳＰＩＣＥシミュレーションにおいてチャンバを表わすのに使用されるモデル化した回路の図である。
【図１２Ａ】 位相角についてのヒータキャパシタンスの効果に関する測定データ及びシミュレートしたデータの比較を表わす図である。
【図１２Ｂ】 リアクタインピーダンスについてのヒータキャパシタンスの効果に関する測定データ及びシミュレートしたデータの比較を表わす図である。
【図１３】 この出願において使用される側壁部ステップカバレージ，底部ステップカバレージ及びコンフォーマリティーの定義を説明する図である。
【図１４】 被膜応力に対するヒータキャパシタンスの効果を示す図である。
【図１５】 総ＲＦ電力に関する低周波電力の関数として電極ポテンシャルを示す図である。
【図１６】 被膜応力と、窒化ケイ素被膜の堆積における低周波ＲＦ電力対総ＲＦ電力の比との関数としてウエットエッチング速度を示す図である。
【図１７Ａ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｂ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｃ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｄ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１８】 本発明によるパルス状プラズマ堆積プロセスにおいて使用できる高周波ＲＦ波形を例示する図である。
【符号の説明】
４：オプションの遠隔プラズマシステム、５：ＲＦ電源、６：熱交換システム、１２：高周波ＲＦ電源、１３：１３．５６ＭＨｚインピーダンス整合、１４：高域フィルタ、１５：低周波接地、１６：低域フィルタ、１７：低周波ＲＦ電源 、１８：低域フィルタ、１９：高周波接地、８６：メモリ、８９：供給源、９０：ガスパネル、１１０：インピーダンスプローブ、１６１：プロセス選択、１６２：プロセス順序決定、１６３ａ：チャンバ管理、１６３ｂ：ＣＶＤチャンバのチャンバ管理、１６３ｃ：チャンバ管理、１６４：基板位置決め、１６５：プロセス制御、１６６：圧力制御、１６７：ヒータ制御、１６８：プラズマ制御。
関連出願の相互参照
この出願は、Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar, William N. Tayler, MarkFodor, Judy Huang, David Silvetti, David Cheung 及び Kevin Fairbairnを共同発明者として、「混合周波数ＣＶＤプロセス及び装置（MIXED FREQUENCY CVD PROCESS AND APPARATUS）」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願と：Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar 及び William N. Taylerを共同発明者として、「調整可能なインピーダンスを有する基板処理チャンバ（SUBSTRATE PROCESSINGCHAMBER WITH TUNABLE IMPEDANCE)」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願と：Sebastien Raoux, Mandar Mudholkar 及び William N. Taylerを共同発明者として、「チャンバインピーダンスを監視し調整する方法及び装置(METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING AND ADJUSTING CHAMBER IMPEDANCE)」と題し同時に出願され普通に譲渡された特許出願とに関係している。また、本出願は、Jun Zhao, Charles Dornfest, Talex Sajoto, Leonid Selyutin, Stefan Wolff, Lee Luo, Harold Mortensen 及び Richard Palickaを共同発明者として「ＲＦ機能を有する高温セラミックヒータアセンブリ及び関連方法（A HIGH TEMPERATURE CERAMICHEATER ASSEMBLY WITH RF CAPABILITY AND RELATED METHODS）」と題し、１９９７年２月１２日に出願された米国特許願第０８/８００,０９６号に関連している。上述した関連出願の各々は、本発明の譲受人であるアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)に譲渡されており、上述の各関連出願は、参照によってこの明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
本発明は、真空チャンバにおける化学蒸着による集積回路の製造に関するものである。特に、本発明は、低温度（例えば約４００℃）及び高温度（例えば、約５８０℃を超える）処理の双方を使用して高品質ＣＶＤ被膜の形成を可能とする方法及び装置に関するものである。本発明は、りん化ホウ素ケイ酸塩ガラス，りんケイ酸塩ガラス及びフッ素ドープ処理ケイ酸塩ガラスのようなドープ処理酸化ケイ素と同様に、酸化ケイ素，窒化ケイ素，酸窒化物ケイ素及び非晶質ケイ素のＰＥＣＶＤ及びＳＡＣＶＤ堆積を含む、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）及びシランベースの化学物質の堆積に有用である。しかし、本発明は、他の堆積化学物質と共に使用してもよい。
【０００３】
最近の半導体デバイスの製造における主要ステップの１つは、ガスの化学反応により半導体基板上に薄膜を形成することである。このような堆積プロセスは化学蒸着即ちＣＶＤと呼ばれている。通常の熱ＣＶＤプロセスは、反応ガスを基板表面に供給し、そこで熱により招来された化学反応が起きて所望の被膜を形成する。
【０００４】
基板を覆って層を堆積させる別の方法は、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＲＣＶＤ）技術を含むものである。プラズマ促進ＣＶＤ技術は、無線周波もしくは高周波（ＲＦ）エネルギを反応領域に加えることによって反応ガスの励振及び／又は解離を促進し、これによりプラズマを生成する。プラズマにおける化学種の高反応性のため、化学反応を起こすのに必要なエネルギが減少し、従って、かかるＣＶＤプロセスのために必要な温度が通常の熱ＣＶＤプロセスと比較して低下する。ＰＥＣＶＤプロセスの相対的に低い温度は、集積回路を製造する際に半導体製造者が熱に関する総予算を下げるのに役立つ。
【０００５】
半導体デバイスは数十年前に初めて導入されたので、その外形寸法の大きさは劇的に減少されてきた。その後、集積回路は１８ヶ月／サイズ半減のルール（ムーアの法則(Moore's Law)としばしば呼ばれる）に概ね従ってきた。これは、１つのチップに適合するデバイスの数が１８ヶ月毎に４倍になることを意味している。現今のウェーハ製造プラントは、０.５-μｍの機能及び０.２５-μｍの機能さえ有する集積回路を日常的に製造しているが、明日のプラントはより小さい寸法を有するデバイスを直ぐ製造することになろう。
【０００６】
このような寸法の減少が可能になったのは、一部には、ＰＥＣＶＤ処理に使用される基板処理チャンバのような半導体製造装置に関連した技術の進歩のためである。これらの技術的進歩のあるものは、今日の製造設備において使用中のＣＶＤ堆積システムの設計及び製造に反映された進歩であり、技術的進歩の他のものは、多段階の開発途中にあり、明日の製造設備においてまもなく広範に普及することになろう。
【０００７】
今日の製造設備において普通に使用されている技術的進歩の１つは、混合周波数ＰＥＣＶＤとしばしば呼ばれるＰＥＣＶＤ技術の使用であり、この混合周波数ＰＥＣＶＤにおいては、高及び低周波ＲＦ電力の双方を用いてプラズマを発生させ、基板のイオン衝撃を促進している。かかる混合周波数方法の１つは、高及び低周波ＲＦ電力の双方を第１電極として機能する金属製のガス分配マニホルドに接続する。この方法においては、高周波ＲＦ電力の印加が反応ガスを解離する第１の手段であり、一方、低周波ＲＦ電力の印加が基板のイオン衝撃を促進することになる。基板は、第２電極としても機能する接地された基板支持体上に配置されている。別の混合周波数方法では、高周波ＲＦ電力をガス分配マニホルド（第１電極）に接続し、低周波ＲＦ電力を基板ホルダ（第２電極）に接続する。
【０００８】
現在入手しうるＰＥＣＶＤ堆積チャンバにおいて用いられる別の技術的進歩には、チャンバに導入されたガスの解離を増すために、ガス分配マニホルドにある円錐形の孔を使用するものがある。該円錐形の孔についての詳細な説明は、メイチャン，ダビッドワン，ジョンホワイト，ダンメイダン(Mei Chang, David Wang, John White, Dan Maydan)を共同発明者とする「入口マニホルド，並びにガス解離を促進するため及び誘電被膜のＰＥＣＶＤのための方法（INLET MANIFOLD AND METHODS FORINCREASING GAS DISSOCIATION AND FOR PECVD OF DIELECTRIC FILMS)」と題する米国特許第４,８５４,２６３号明細書に含まれている。この４,８５４,２６３号特許は、本出願人の譲受人であるアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)に譲渡されており、参照によってこの明細書に組み込まれる。
【０００９】
上述したものよりも最近の技術的進歩の例は、ＣＶＤチャンバにおけるセラミックの使用であり、リアクタを高温作動状態で使用することを可能にする。かかる高温処理のため特別に設計されると共に、チャンバのその他の特徴の中でも特にセラミックヒータアセンブリを含むＣＶＤチャンバの一例が、上に言及した米国特許願第０８/８００,８９６号に記載されている。
【００１０】
上述した技術的進歩のような技術の進歩が無制限に受け入れられるわけではない。例えば、混合周波数ＰＥＣＶＤ技術は多数の適用例において非常に有利であることが証明されていたが、高及び低周波波形を同時に適用するには、高電圧となってガス分配マニホルドのところにアーク放電を生じさせうる干渉を避けるように制御されねばならない。アーク放電は、ガス分配マニホルドにある孔内の白熱光や、高周波電圧の振幅が増すときの堆積速度の減少によって証明しうる。アーク放電は、一般的に、次の技術のうちの１つかそれ以上を使用して回避される。即ち、真空チャンバ内の圧力を特定のプロセスについての最小(de minimis)レベル以上に維持する技術，低周波ＲＦ電力を総ＲＦ電力の３０％以下に設定して作動する技術，及び総ＲＦ電力を減少する技術である。
【００１１】
以前は、高及び低周波ＲＦ電源の双方をガス分配マニホルドに接続せしめていた混合周波数ＰＥＣＶＤチャンバにおいて円錐形の孔を採用し、実験が行われていた。これらの実験で、アーク放電の問題は、被膜堆積を実質的に妨げる程まで更に拡大することが分かった。従って、本発明者が知っている全ての混合周波数ＰＥＣＶＤシステムは、ガス分配マニホルドにおいて円錐形というよりも円筒形の孔を使用している。
【００１２】
従って、半導体製造者が円錐形の孔と混合周波数ＰＥＣＶＤ堆積技術との利点を同時に享受しうるようにする基板堆積チャンバのための技術を開発することが望ましい。
【００１３】
発明の概要
本発明は、基板上にＣＶＤ被膜を堆積させるための改良された方法及び装置を提供する。この装置は、混合周波数ＲＦ電力を採用しており、円錐形の孔のあるガス分配マニホルドを含んでいる。アーク放電のための電位もしくはポテンシャルは、低周波ＲＦ電源を基板ホルダに埋め込まれた電極に接続すると共に、高周波ＲＦ電源を電極としても機能するガス分配マニホルドに接続することにより、大幅に低減される。独立した整合ネットワークが低周波波形を高周波波形から減結合して、これらの波形間の位相干渉を最小にしている。
【００１４】
これらの特徴もしくは機能が結合して、先行技術の基板処理チャンバでは達成不可であった条件で堆積プロセスを進行させることが可能になり、また、本発明の基板処理装置が０.２５及び０.１８μｍプロセスを含む０.３５μｍ以下のプロセスにおいて使用することが可能になる。
【００１５】
本発明の一実施例による基板処理システムは、埋設されたＲＦ電極を有するセラミック製基板ホルダと、該基板ホルダから離間したガス分配マニホルドとを含む。ガス分配マニホルドは、１つかそれ以上のプロセスガスを複数の円錐形の孔を介して処理システム内の基板処理チャンバの反応領域に供給すると共に、第２のＲＦ電極としても作動する。各円錐形の孔は、反応領域に開口する出口と、この出口よりも直径の小さい、該出口から離れて配置された入口とを有する。混合周波数ＲＦ電源は、高周波ＲＦ電源をガス入口マニホルド電極に接続させ低周波ＲＦ電源を基板ホルダ電極に接続させて、基板処理システムに結合されている。ＲＦフィルタ・整合ネットワークは高周波波形を低周波波形から減結合している。このような構成は、拡張プロセス状況(enlarged process regime)を可能とし、また以前には達成できなかった物理的特徴を有する窒化ケイ素被膜を含む被膜の堆積を可能とする。
【００１６】
本発明の方法の好適な実施例においては、窒化ケイ素被膜が堆積される。シラン，アンモニア及び分子窒素を含むプロセスガスは円錐形の孔を有するガス分配マニホルドを介して導入され、プラズマは、混合周波数ＲＦ電力を使用してプロセスガスから形成される。高周波（ＨＦ）分はガス分配マニホルドに印加され、一方、低周波（ＬＦ）分は底部電極に印加される。低温処理条件下でこの実施例により堆積される窒化ケイ素被膜は、２：１かそれ以上のアスペクト比で優れたステップカバレージ特性を保持しながら、１７０Å／分程の低さのウエットエッチング速度（ＷＥＲ）を有することが証明された。また、高温処理条件（５８０℃を超える）下でこの実施例により堆積される窒化ケイ素被膜は、１５Å／分かそれより低いＷＥＲを有しうることが証明された。
【００１７】
これらの窒化ケイ素被膜の優れた物理的特性が達成されるのは、一部には、該被膜が他のチャンバにおいて以前には可能でなかった圧力及びＲＦ電力レベルで堆積できるためである。例えば、もっと好ましい実施例においては、ＬＦ電力対総ＲＦ電力の比は５０％以上であるが、別の好ましい実施例においては、窒化ケイ素堆積シーケンスは２〜５トルの間の圧力で行われる。また、上述の物理的特性が達成されるのは、一部には、円錐形の孔の使用によるためである。円錐形の孔の使用は、プラズマ密度を高めると共に、生成したプラズマのイオン化効率を高め、従って、ＮＨ3と比較して増量されたＮ2が被膜のプロセスガスにおいて使用される。プロセスガス中のＮＨ3含有量の減少によって被膜における水素が低下し、ＷＥＲが低くなる。
【００１８】
別の実施例においては、三角形もしくは鋸歯状波形とも呼ばれる両極性の低周波非対称ＲＦ波形がイオン衝撃を制御するために使用されている。かかる非対称ＲＦ波形は、プラズマシースの不安定性を引き起こすことが本発明者により発見された高調波の形成を妨げながら、基板のところにおけるイオン衝撃を促進する。
【００１９】
本発明のもう１つの実施例において、基板処理システムは、反応領域を有する堆積チャンバと、該堆積チャンバの反応領域内にプラズマを形成するためのプラズマ電源と、インピーダンス調整システムとを含んでいる。プラズマは第１のインピーダンスレベルを有し、これは、インピーダンス調整システムにより調整して第２のインピーダンスレベルにすることができる。かかる調整は付加的な「制御ノブ」として作用し、反応領域内で堆積する被膜の特性を変更もしくは調整するのにプロセス技術者が使用する別の方法を提供する。この実施例の好適な形態においては、インピーダンス調整システムは可変コンデンサを含む。
【００２０】
本発明の更に別の実施例においては、基板処理システムは、反応領域を有する堆積チャンバと、基板処理の間、基板を反応領域内に保持しておくための基板ホルダと、反応領域にプロセスガスを供給するためのガス分配システムと、反応領域内にプロセスガスからプラズマを形成するためのプラズマ電源と、堆積チャンバに電気的に接続されると共に、プラズマのインピーダンスレベルを測定することができるインピーダンスモニタとを含んでいる。この基板処理システムはまた、測定したインピーダンスレベルを入力として受けるコンピュータプロセッサを含むことができる。該プロセッサは、ガス分配システム，圧力制御システム及び／又はＲＦ発生器のような基板処理チャンバの種々のシステムに接続することができると共に、測定したインピーダンスレベルに応じて処理条件を調整することができる。このような調整は、チャンバの測定インピーダンスが操業の過程で変化する場合に、例えば、長期のウェーハ生産（例えば１ロットで２０００ウェーハ）の最後近くに行うことができる。この例において、プロセッサは、チャンバのインピーダンスレベルが所定の範囲外にドリフトするならば、或いはドリフトするときに、処理条件を調整することができる。この調整には、チャンバ圧力，温度，プラズマ出力レベル（例えば、ＲＦ電力レベル）及び同様のプロセス変数の調整を含めることができる。また、基板処理システムがインピーダンス調整システムを含んでいれば、この調整は、該インピーダンス調整システムでチャンバのインピーダンスを直接に調整することを含むことができる。
【００２１】
本発明のこれらの実施例及びその他の実施例、並びにその利点及び特徴については、以下の本文及び添付図面に関連して詳細に記載されている。
【００２２】
発明の詳細な説明
本発明を更に理解するためには、以下に続く詳細な説明を参照すべきである。
【００２３】
１．ＣＶＤシステム１０のハードウエア
図１を参照すると、本発明によるＣＶＤシステム１０は、重要な種々の構成要素があるなかで、特に、反応チャンバ３０と、真空システム８８と、ガス分配システム８９と、ＲＦ電源５と、熱交換システム６と、セラミック製ペデスタル３２と、プロセッサ８５とを含んでいる。本発明についての議論で特に重要なのは、ガス分配システム８９から供給されるプロセスガスを反応チャンバ３０の反応領域５８に導入するガス分配マニホルド（入口マニホルドと呼ばれたり、「シャワーヘッド」と呼ばれたりもする）４０の構造と、ＲＦ電源５の構造並びにそのマニホルド４０及びペデスタル３２に埋設された電極への接続とである。従って、これらの構成要素について先ず説明し、その後、ＣＶＤシステム１０の他の構成要素について本発明を理解するために必要に応じて説明することにする。
【００２４】
Ａ．ガス分配システム８９
続けて図１を参照して、ガス分配システム８９は、ガスライン９２Ａ−Ｃを経由して反応チャンバ３０にガスを分配する。このガス分配システム８９は、ガス供給パネル９０及びガス，液体又は固体供給源９１Ａ−Ｃ（所望ならば別の供給源を追加しうる）を含んでいる。該供給源は、特定の適用例に用いられる所望のプロセスに応じて変わりうるガス（例えばＳｉＨ4又はＮ2），液体（例えばＴＥＯＳ)又は固体を収容している。一般に、各プロセスガスの供給ラインは、プロセスガスの流れを自動的に又は手動により遮断するのに使用できる遮断弁（図示せず）を含み、同様に、各供給ラインを通るガス又は液体の流量を測定するガス質量流量コントローラ（図示せず）を含んでいる。例えばシラン（ＳｉＨ4），ヘリウム（Ｈｅ），窒素（Ｎ2）及び／又はその他のドーピングエージェントもしくは反応物源を含むプロセスガス及びキャリアガスが反応チャンバに供給される割合もしくは速度も、温度利用の液体又はガス質量流量コントローラ（ＭＦＣ）及び／又は弁（図示せず）によって制御される。勿論、その他の化合物を堆積源及びクリーン源(clean source)として利用しうることが分かる。代替実施例において、プロセスガス及びキャリアガスが反応チャンバに供給される速度は、圧力利用の固定又は可変開口によって制御しうる。有毒ガス（例えばオゾンやハロゲン化ガス）がプロセスにおいて使用される場合、各供給ラインに数個の遮断弁を通常の配置で置くことができる。
【００２５】
ガス供給パネル９０は、混合のため供給源９１Ａ−Ｃから堆積プロセスガス及びキャリアガス（或いは気化液体）を受けて、供給ライン９２Ａ−Ｃ（図示しないが、その他のラインが在ってもよい）経由で、ガス給送カバープレート４５にあるガス中央入口４４に送る混合システムを有している。この特定実施例において、混合システム，この混合システムへの入口マニホルド，及びこの混合システムから中央入口４４への出口マニホルドはニッケルで、或いはニッケルめっきしたアルミナのような材料で製作されている。
【００２６】
液体供給源が使用される場合、当業者に知られているように、この供給源を反応チャンバ３０に導入する多くの異なる方法がある。１つの方法は、液体をアンプル内に閉じ込めて加熱し、蒸気圧により、堆積プロセスに十分な安定した気化液体の流れをもたらすようにすることである。液体供給源を使用して供給ガスを導入する別の方法は、ヘリウムのようなキャリアガスを液体に通して泡立たせることである。更に別の方法は、測定した量の液体を気化してキャリアガスの流れに入れる液体噴射システムを使用することである。液体噴射システムは、泡形式の供給と比較して、ガス混合システムに導入される反応液体の量を大きく制御できるので、ある場合に好ましい。
【００２７】
Ｂ．円錐形の孔４２を有するガス分配マニホルド４０
プロセスガスは、ガス給送カバープレート４５にあるガスの中央入口４４を介して反応チャンバ３０内に噴射されて、第１のディスク形状のスペース４８に流れ、そこから、バッフルプレート（或いはガス遮断プレート）５２にある通路（図示せず）を経て第２のディスク形状のスペース５４へ、シャワーヘッド４０へと流れる。シャワーヘッド４０は、プロセスガスを反応領域５８内に噴射するための多数の孔もしくは通路４２を含んでいる。
【００２８】
好ましくは、各孔４２は、前述したように参照によりこの明細書に組み込まれる米国特許第４,８５４,２６３号明細書に詳細に記載されているように、且つ図４Ａに示すように、「円錐形の孔」である。図４Ａは、シャワーヘッド４０にある多くの孔の１つを代表する好適な円錐形の孔の略図である。各円錐形の孔は、処理の間、基板に対峙する円錐形部分５０を有する。これらの孔は、シャワーヘッド４０を通る層流を促進する大きさに作られている。ガス分配孔内の円錐形部分５０の存在によって反応ガスの解離が改善され、プラズマ密度及びイオン化効率が増大する。この解離の改善は、Ｎ2のように分解の難しいガスが堆積に使用されている場合に、特に有益である。
【００２９】
この明細書で使用しているような用語「円錐形の孔」は、ガス出口の直径がガス入口の直径よりも大きい反応領域５８内にこの孔を介して導入されるガスの解離及び反応度を増すように設計された任意の孔を指している。従って、円錐形以外の垂直断面形状もここで使用されている「円錐形の孔」の意味の範囲内に含まれる。円錐形の孔の別の例は図４Ｂに示されている。図４Ｂに示された孔は、凹状の断面部分５１を有する。更に他の垂直断面を有する孔、特に、凸状，放物線状，椀状，半楕円形状のものも使用できる。
【００３０】
図１に戻って、プロセスガスはシャワーヘッド４０にある孔４２から噴射して、ウェーハ３６の表面で反応するようにシャワーヘッドとペデスタルとの間の反応領域５８に流入する。次いでプロセスガスの副産物は、ウェーハ３６の縁部及び限流リング４８を横断して半径方向外方に流れる。この限流リング４６は、ペデスタル３２が処理位置にあるとき、該ペデスタル３２の上部周囲に配置される。ここから、プロセスガスは、環状アイソレータ６４の底部とチャンバ壁体ライナアセンブリ５３の頂部との間に形成されたチョーク開口を通って、ポンピング通路６０に流入する。
【００３１】
真空システム８８は、特定圧力を反応チャンバ内に維持すると共に、この反応チャンバからガス状副産物及び使用済みガスを除去するために使用される。真空システム８８は真空ポンプ８２とスロットル弁８３とを含んでいる。排ガスは、ポンピング通路６０に入ると、真空ポンプ８２により真空引きされるべく、プロセスチャンバの周囲の回りに送られる。ポンピング通路６０は、排気開口７４を介してポンピングプレナム７６に接続されている。排気開口７４は、ポンピング通路とポンピングプレナムとの間の流れを制限する。弁７８は、排気口８０を通る真空ポンプ８２への排気をゲートで制御する。スロットル弁８３は、メモリー８６に保管された圧力制御プログラムに従ってプロセッサ８５により制御される。即ち、プロセッサ８５は、マノメータのような圧力検出器（図示せず）からの測定信号をメモリーに保管されている或いは制御プログラムに従って発生される所望値に対して比較する。ポンピング通路６０とその構成要素は、プロセスガスと副産物とを排気システム内へ指向させることにより、所望されていない膜堆積の影響を最小にするように設計されている。
【００３２】
Ｃ．セラミック製ペデスタル３２
図１に戻って、抵抗加熱されるセラミック製ペデスタル３２は、ウェーハポケット３４内にウェーハ３６を支持する。ペデスタル３２は、自己調節式昇降機構を用いて、処理位置（例えば、図１に示されている）と下方の装荷位置との間で垂直方向に移動しうる。この自己調節式昇降機構は、「自己整列昇降機構（Self-Aligning Lift Mechanism)」と題する共有に係る米国特許願第０８／７３８,２４０号（発明者：レオニド,セリューチン（Leonid Selyutin)及びユン,チャオ(JunZhao）で１９９６年１０月２５日に出願）に詳細に記載されている。ペデスタル３２が下方の装荷位置（スリットバルブ５６のところよりも若干下方）にあると、ロボットブレード（図示せず）は、昇降ピン及び昇降リングと協働して、ウェーハ３６をスリットバルブ５６を介して反応チャンバ３０の内外へ搬送する。これは、スリットバルブ５６を介する反応チャンバの内外へのガスの流れを防止するために真空封止することができる。昇降ピン３８は挿入されたウェーハ（図示せず）を持ち上げてロボットブレードから離し、次いでペデスタルが上昇してウェーハを持ち上げて昇降ピンから離し、ペデスタルの上側表面にあるウェーハポケットに置く。適当なロボット搬送アセンブリはメイダン(Maydan)等に発行された共有に係る米国特許第４,９５１,６０１号明細書に記載されている。自己整列昇降機構の使用により、ペデスタル３２はその後更にウェーハ３６を持ち上げて、ガス分配マニホルド４０の直ぐ近くにある処理位置に入れる。
【００３３】
ペデスタル３２の簡略化した断面図である図２に示すように、セラミック製ペデスタル３２は、埋設モリブデンメッシュのような埋設ＲＦ電極２２と、埋設モリブデンワイヤコイルのような加熱素子３３とを含んでいる。セラミック製ペデスタル３２は、好ましくは窒化アルミニウムから形成されると共に、セラミック支持ステム２６に好ましくは拡散接合されている。セラミック支持ステム２６は、昇降モータに係合する水冷アルミニウム軸２８（図２には示していないが、図１に示してある）に取り付けられている。セラミック支持ステム２６及びアルミニウム軸２８は、ニッケルロッド２５により占められた中央通路を有しており、該ロッド２５が低周波数のＲＦ電力を埋設電極２２に伝達する。この中央通路は、金属同士の接続部における腐食作用とアーク放電とを防止するため、大気圧に維持されている。
【００３４】
図３は、セラミック基板ホルダ３２に埋設されたＲＦ電極２２にＲＦ電力を供給するための好適な金属／セラミック接続部の概略図である。図３に示すように、ニッケルロッド２５は、基板ホルダ３２に形成されためねじ部に係合するおねじ部２９を有するニッケル製のアイレット２７にろう付けされている。カバープラグ２８はこのアイレット２７内でニッケルロッド２５の端部にろう付けされている。モリブデンペレット２６はＲＦ電極２２と接触してＡｌＮ基板ホルダと互いに焼結されている。その後カバープラグ２８はモリブデンペレット２６にろう付けされ、ニッケルロッド２５をＲＦ電極２２に固着する。銀／チタンろう付け合金が好ましい。
【００３５】
セラミック製のペデスタル３２は、ＲＦ電極２２を基板ホルダの表面下に一様な深さで埋設することによって一様な静電容量もしくはキャパシタンスを提供するように、製作されている。ＲＦ電極２２は、該ＲＦ電極２２を覆う薄いセラミック層の割れ或いははく離を避けながら最大の静電容量を与えるため、セラミック材料に依存するある最小の深さのところに配置されるのが好適である。１つの実施例においては、ＲＦ電極２２はペデスタル３２の上面の真下の約４０ milに埋設されている。
【００３６】
Ｄ．ＲＦ電源５及びフィルタ・整合ネットワーク
ＲＦ電源５は、プラズマ促進プロセスのため反応チャンバに低及び高周波（ＲＦ）電力を供給する。図５は、高周波ＲＦ電源１２及び低周波ＲＦ電源１７を含む外部ＲＦ回路を示す概略回路図である。この回路は、図１に示した反応チャンバ３０のガス分配マニホルド４０に高周波ＲＦ電力を入力し、基板ホルダ３２に埋設されたＲＦ電極２２に低周波ＲＦ電力を入力する。
【００３７】
高及び低周波ＲＦ波形は、高域及び低域フィルタのネットワークにより減結合されている。低周波振幅は、基板ホルダの表面に配置されたプラズマシースのところで最大にされ、ガス分配システムのところで最小にされる。高周波振幅は、ガス分配システムに近いプラズマシースところで最大にされ、そして高周波電圧は基板ホルダの表面のところで最小にされる。ガス分配システムは低周波ＲＦ電力に対しては「仮想接地」され、そして電圧はアーク放電を防止するため最小にされる。低及び高周波ＲＦ電力の減結合は、低周波電力の増加につれて自己ＤＣバイアスが減少する結果になる。従って、イオンエネルギは、低部のプラズマシースを介して低周波ＲＦ信号電圧振幅により直接に制御される。
【００３８】
高及び低周波ＲＦ電力間の干渉は、高周波ＲＦでのインピーダンスと減結合された低周波のインピーダンスを整合させる外部ＲＦ整合ユニットにより頂部及び底部プラズマシース間で最小にされる。さもないと、干渉により電極のところに高電圧が発生して、ガス分配システムのところにアーク放電が生じて、シャワーヘッドが損傷する。低周波の底部プラズマシース及び主として高周波数の頂部プラズマシースの使用は、外部ＲＦ回路により所望に応じて増減されうる高調波振動周波数を引き起こす。
【００３９】
図５に示すように、高周波ＲＦ電源１２は、高周波インピーダンス整合ユニット１３と、該高周波ＲＦ電源１２を低周波ＲＦ電力から保護する高域フィルタ１４とに接続されている。また、高周波ＲＦ電源１２は、低域フィルタ１６によって低周波接地回路１５から保護されている。低周波ＲＦ電源１７は、該低周波ＲＦ電源を高周波数ＲＦ電力から保護する低域フィルタ１８に接続されている。低周波入力は、高域フィルタ２０を含む高周波接地回路１９から保護されている。
【００４０】
図５に示した構成により提供されるＲＦ電力の分配は、電子衝撃の効率的解離のために１３.５６ＭＨｚ電圧振幅を最大にすると共に、シャワーヘッド電極のところでの低周波振動を最小にするように設計されている。実際に、下記に詳述するように、本発明者は、プラズマ不安定性及び微小アーク放電もしくはアーキング（micriarcing)を防止するために、シャワーヘッド４０にある円錐形の孔のところで低及び高周波間の位相及びポテンシャル干渉を最小にすべきであることを知見した。また、ＲＦネットワークは、１３.５６ＭＨｚ信号に対する「仮想接地」を表わす下側電極のところで低周波ポテンシャルを最大にするように設計されている。これは、下側電極での１３.５６ＭＨｚの振動を制限すると共に、自己ＤＣバイアス（＜２０Ｖ）の形成を防止するので、イオンエネルギをＬＦ電圧振幅により直接に制御することができる。その結果、ウェーハ表面でのチャージング効果の低減及びプラズマが招来する損傷の低減になりうる。
【００４１】
一般に、高調波の生成を妨げることが望ましいが、ある実施例においては、プラズマシース内に発生した高調波を増幅するために上述した外部整合回路を使用することが可能である。例えば、高調波の周波数及び振幅は、底部ＲＦ整合でコンデンサ２０の外部キャパシタンスを変更することにより、調整することができる。集積回路評価用シュミレーションプログラムＳＰＩＣＥ(simulated programwhile integrated circuit emphasis)を用いた数学モデル化により、本発明者は、非常に強い共鳴もしくは共振を調整しうることを確認した。これらの計算から、コンデンサ２０が１５００ｐＦのキャパシタンスを有するように選択されれば、高調波の共鳴周波数は約３ＭＨｚであり、そして振動の振幅は１３.５６ＭＨｚでの振動振幅よりも大きいことが証明された。この現象は、イオン共鳴に起因するとすることができ、このイオン共鳴が適切に調整されれば、堆積プロセスに所望のスパッタリング成分を導入するか、或いはプラズマにおける反応性の化学種の性質及び濃度を調整するのに使用することができる。
【００４２】
Ｅ．その他の構成要素
図１に戻って、液体熱交換システム６は、反応チャンバから熱を除去すると共に、該反応チャンバのある部分を安定なプロセス温度のための適当な温度に維持するために、水とか、水及びグリコールの混合物のような液体熱交換媒体を採用している。該液体熱交換システム６は、反応チャンバ３０の種々の構成要素に液体を分配して、高温処理の間、該構成要素を適当な温度に維持する。該液体熱交換システム６は、高温処理に由来する該構成要素上への不所望の堆積を最小にするために、該構成要素のうちのあるものの温度を減少させるように作用する。図１に見られるように、ガス分配カバープレート４５内の熱交換通路７９は、熱交換液体がガス分配カバープレート４５を循環するのを許容し、かくしてこのガス分配カバープレート４５並びに近くの構成要素の温度を維持する。液体熱交換システム６は、液体（例えば水）をシャワーヘッド４０のあるガス分配システムに分配するため（後述する）、この液体を熱交換液体マニホルド（図示せず）を介して供給する複数の接続部（図示せず）を含んでいる。水流量検出器は、熱交換器（図示せず）から囲い体アセンブリへの水流量を検出する。
【００４３】
スロットル弁８３やペデスタル３２のような可動の機械的アセンブリを移動させその位置を測定するために、モータや光センサ（図示せず）が使用されている。ペデスタル３２の底部及び反応チャンバ本体部１１に取り付けられたベローズ（図示せず）は、ペデスタルの周りに可動のガス密シールを形成する。ペデスタル昇降システム，モータ，ゲート弁並びにプラズマシステムは、オプションの遠隔プラズマシステム４（例えばマイクロ波源を使用して形成された遠隔プラズマを用いて、反応チャンバのクリーン性能を得るのに用いることができる）や、他のシステム構成要素も含め、後から詳細に記載するように、制御ライン３及び３Ａ−Ｄを通してプロセッサ８５によって制御される。なお、制御ラインは一部分のみが示されている。
【００４４】
II．ＣＶＤシステム１０のシステム制御
プロセッサ８５は、該プロセッサ８５に結合されたメモリ８６に保管されたコンピュータプログラムであるシステム制御ソフトウエアを実行する。好ましくは、メモリ８６はハードディスクドライブとすることができるが、他の種類のメモリとしてもよい。プロセッサ８５は、メモリ８６に加え、フロッピーディスクドライブやカードラック（card rack)を含んでいる。プロセッサ８５はシステム制御ソフトウエアの制御下に動作するが、このシステム制御ソフトウエアには、タイミング，ガスの混合，ガス流量，反応チャンバ圧力，反応チャンバ温度，ＲＦ電力レベル，ヒータペデスタル位置，ヒータ温度及び特定プロセスのその他のパラメータを指令する命令集合が含まれている。しかし、プロセッサ８５を動作させるのに、例えば、ディスクドライブ又は他の適切なドライブに挿入されるフロッピーディスクその他のコンピュータプログラム製品を含め、他のメモリに保管されたプログラムのようなコンピュータプログラムを使用してもよい。システム制御ソフトウエアについては詳細に後述することにする。カードラックは、シングルボードコンピュータ，アナログ／ディジタル入出力ボード，インターフェースボード及びステッパモータ制御ボードを含んでいる。ＣＶＤシステムもしくは装置１０の様々な部分は、ボード，カードケージ及びコネクタの寸法及び形式について規定するＶＭＥ(Versa Modular European)規格に一致する。このＶＭＥ規格は、１６ビットデータバス及び２４ビットアドレスバスも規定している。
【００４５】
ユーザー及びプロセッサ８５の間のインターフェースは、図６に示したＣＲＴモニタ９３ａ及びライトペン９３ｂを介している。図６は、システムモニタ及びＣＶＤシステム１０の簡略図であり、多チャンバシステムにおける複数のチャンバもしくはチャンバのうちの１つとして例示している。ＣＶＤシステム１０は、主フレームユニット９５に取り付けるのが好適であり、該ユニット９５は、ＣＶＤシステム１０のための電気，給排水及びその他支持機能を収容し提供する。ＣＶＤシステム１０の図示実施例と両立しうる主フレームユニットの例は、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社（Applied Materials, Inc.)から登録商標・プレシジョン（Precision)５０００システム及び登録商標・センチュラ（Centura)５２００システムとして、現在商業的に入手可能である。多チャンバシステムは、真空引きを中断することなく且つウェーハを多チャンバシステム外の湿分その他の汚染物質に露出することなく、ウェーハをチャンバとチャンバとの間に搬送する能力を有している。多チャンバシステムの利点は、該多チャンバシステムにおける異なるチャンバもしくはチャンバを全プロセスにおいて種々の異なる目的のために使用しうることである。例えば、１つのチャンバを金属被膜の堆積のために使用し、別の１つのチャンバを急速熱処理のために使用し、更に別の１つのチャンバを反射防止層の堆積のために使用しうる。プロセスが多チャンバシステム内で中断することなく進行しうることにより、ウェーハを異なるプロセス部分のため種々の別個の独立チャンバ（多チャンバシステムにおけるチャンバではない）間に搬送させるときに起きていたウェーハの汚染が防止される。
【００４６】
好適な実施例においては、２つのモニタ９３ａが用いられており、一方はオペレータのためにクリーンルームの壁体に設けられ、他方はサービス技術者のため壁体の後方に設けられている。両方のモニタ９３ａが同じ情報を同時に表示してよいが、ライトペン９３ｂは１つのみが可能化される。ライトペン９３ｂは、ＣＲＴディスプレイから照射された光をライトペンの先端にある光センサで検出する。特定のスクリーン或いは機能を選択するために、オペレータはディスプレイのスクリーンの指定された領域に触って、ライトペン９３ｂにあるボタンを押す。触れられた領域はその背景色が変化し、或いは新しいメニューもしくはスクリーンが表示され、ライトペン及びディスプレイスクリーン間の通信を確認する。勿論、ユーザーがプロセッサ８５と通信するために、キーボード，マウス，或いは他のポインティングもしくは通信デバイスのような他のデバイスをライトペン９３ｂの代わりに或いは該ライトペンに加えて使用しうる。
【００４７】
被膜を堆積させるプロセス及びチャンバをドライクリーニングするプロセスは、プロセッサ８５により実行できるコンピュータプログラム製品を用いて行うことができる。コンピュータプログラムのコードは、例えば６８０００アセンブリ言語，Ｃ1Ｃ++，パスカル，フォートラン或いはその他の言語のような通常のコンピュータ読出し可能プログラミング言語で書くことができる。適当なプログラムコードは、通常のテキストエディターを用いて単一のファイルに或いは複数のファイルに入力され、そしてコンピュータのメモリのようなコンピュータで使用可能な媒体に保管され、或いは取り込まれる。入力したコードテキストが高水準言語で書かれていれば、コードはコンパイルされ、その結果得られたコンパイラコードが次いで予めコンパイルされたウィンドウズ（Windows)ライブラリルーチンの目的コードとリンクされる。システムユーザーは、リンクされ、コンパイルされた目的コードを実行するために、この目的コードを呼び出して、コンピュータシステムがコードをメモリにロードするようにする。ＣＰＵは、このメモリからコードを読み取って実行し、プログラムにおいて識別されたタスクを遂行する。
【００４８】
図７は、特定の実施例によるシステム制御ソフトウエアであるコンピュータプログラム１６０の階層的制御構造を例示するブロック図である。ユーザーは、ＣＲＴモニタに表示されたメニューに応答し、ライトペンインターフェースを用いて、プロセスセット番号とプロセスチャンバ番号とをプロセス選択サブルーチン１６１に入力する。特定のプロセスを行うために必要な所定セットのプロセスパラメータであるプロセスセットは、事前定義されたセット番号により識別される。プロセス選択サブルーチン１６１は、（ｉ）所望のプロセスチャンバと、（ii）所望のプロセスを実行するためプロセスチャンバを作動するのに必要な所望セットのプロセスパラメータとを識別する。特定プロセスを実行するためのプロセスパラメータは、例えばプロセスガスの組成及び流量のようなプロセス状態，温度，圧力，高周波及び低周波ＲＦ電力レベル並びに高周波及び低周波ＲＦ周波数のようなプラズマ条件（加えるに、遠隔マイクロ波プラズマシステムを備えた実施例についてのマイクロ波発生器出力レベル），冷却ガス圧力及びチャンバ壁体の温度等に関係している。プロセス選択サブルーチン１６１は、反応チャンバ３０においてある時間にどのタイプのプロセス（堆積，ウェーハ洗浄，チャンバ洗浄，チャンバ残留ガスの除去，リフローイング等）を行うかを制御する。ある実施例においては、１つ以上のプロセス選択サブルーチンがあってよい。プロセスパラメータは、レシピの形式でユーザーに提供され、ライトペン／ＣＲＴモニタインターフェースを利用して入力しうる。
【００４９】
プロセスを監視するための信号は、システムコントローラのアナログ入力ボード及びデジタル入力ボードによって提供され、プロセスを制御するための信号は、ＣＶＤシステム１０のアナログ出力ボード及びデジタル出力ボードに出力される。
【００５０】
プロセス順序決定サブルーチン１６２は、プロセス選択サブルーチン１６１からの識別されたプロセスチャンバ及びプロセスパラメータのセットを受け付けると共に、種々のプロセスチャンバの動作を制御するためのプログラムコードを備える。複数のユーザーがプロセスセット番号及びプロセスチャンバ番号を入力することができ、或いは１人のユーザーが複数のプロセスセット番号及びプロセスチャンバ番号を入力することができるので、順序決定サブルーチン１６２は、選択されたプロセスを所望の順序にスケジュールするよう動作する。好適には、順序決定サブルーチン１６２は、（ｉ）チャンバが使用中であるかどうか決めるためプロセスチャンバの動作を監視するステップと、（ii）使用中のチャンバにおいてどのプロセスが行われているのかを決めるステップと、(iii）行うべきプロセスの種類とプロセスチャンバの利用可能性に基づいて所望のプロセスを実行するステップとを遂行するためのプログラムコードを含んでいる。プロセスチャンバを監視するためにポーリングのような通常の方法を用いることができる。どのプロセスを実行すべきかスケジュールするときに、順序決定サブルーチン１６２は、選択したプロセスについての所望のプロセス条件，或いは各特定ユーザー入力要求の「時期」，或いはスケジュール優先順位を決めるためにシステムプログラマーが含めることを望んでいるその他の関連ファクターと比較して、使用されているプロセスチャンバの現在の状態を考慮に入れるように設計されている。
【００５１】
一旦順序決定サブルーチン１６２がどのプロセスチャンバ及びプロセスセットの組合せを次に実行に移すべきかを決定したら、順序決定サブルーチン１６２は、特定のプロセスセットパラメータをチャンバ管理サブルーチン１６３ａ−ｃに通すことにより、プロセスセットの実行を開始する。チャンバ管理サブルーチンは、順序決定サブルーチン１６２によって決定されたプロセスセットに従ってプロセスチャンバ３０における複数の処理タスクを制御する。例えば、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、プロセスチャンバ３０におけるＣＶＤ動作を制御するためのプログラムコードを備えている。また、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、選択したプロセスセットを行うのに必要なチャンバ構成要素の動作を制御するための様々なチャンバ構成要素サブルーチンの実行を制御する。チャンバ構成要素サブルーチンの例は、基板位置決めサブルーチン１６４，プロセスガス制御サブルーチン１６５，圧力制御サブルーチン１６６，ヒータ制御サブルーチン１６７，プラズマ制御サブルーチン１６８である。ＣＶＤチャンバの特定構造に依存するが、ある実施例は上述のサブルーチンの全てを含み、他の実施例は上述したサブルーチンのうちのあるものだけを含む場合がある。当業者にとっては容易に認められるように、プロセスチャンバ３０においてどんなプロセスを行うべきか次第で他のチャンバ制御サブルーチンを含めることができる。作動中、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、実行中の特定のプロセスセットに従ってプロセス構成要素サブルーチンを選択的にスケジュールする、もしくは呼び出す。チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、順序決定サブルーチン１６２が次にどのプロセスチャンバ３０及びプロセスセットを実行すべきかスケジュールするのと同様に、プロセス構成要素サブルーチンをスケジュールする。代表的には、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂは、種々のチャンバ構成要素を監視するステップ，実行すべきプロセスセットについてプロセスパラメータに基づいてどの構成要素を作動させる必要があるか決定するステップ，並びに上述の監視ステップ及び決定ステップに応答してチャンバ構成要素サブルーチンの実行を開始するステップを含んでいる。
【００５２】
特定のチャンバ構成要素サブルーチンの作動について図７を参照して説明することにする。基板位置決めサブルーチン１６４は、基板をペデスタル３２上に装荷し、そして、選択的ではあるが、該基板とシャワーヘッド４０の間の間隔を制御するために基板をチャンバ３０において所望高さまで持ち上げるのに使用されるチャンバ構成要素を制御するプログラムコードを備えている。基板をプロセスチャンバ３０内に装荷するとき、ヒータアセンブリ３３は、降下してウェーハポケット３４に基板を受け取り、次いで上記所望高さまで上昇する。作動中、基板位置決めサブルーチン１６４は、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂから伝達される支持高さに関連したプロセスセットパラメータに応答して、ペデスタル３２の運動を制御する。
【００５３】
プロセスガス制御サブルーチン１６５は、プロセスガスの組成及び流量を制御するためのプログラムコードを有する。プロセスガス制御サブルーチン１６５は、安全遮断弁の開／閉位置を制御すると共に、所望のガス流量を得るため質量流量コントローラの調節を増減してゆく。プロセスガス制御サブルーチン１６５は、全てのチャンバ構成要素サブルーチンのように、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂによって呼び出され、そしてチャンバ管理ファイルから所望のガス流量に関連したサブルーチンプロセスパラメータを受け取る。代表的には、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、ガス供給ラインを開くことにより、また、繰り返して（ｉ）必要な質量流量コントローラを読み取り、（ii）読取り値をチャンバ管理サブルーチン１６３ｂから受け取った所望の流量と比較し、(iii）ガス供給ラインの流量を必要に応じて調節することにより制御する。更に、プロセスガス制御サブルーチン１６３は、危険な流量についてガス流量を監視するステップと、危険状態が検出されたときに安全遮断弁を作動するステップとを含んでいる。また、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、選択される所望のプロセス（洗浄又は堆積又はその他）に応じて、洗浄ガスについて並びに堆積ガスについてガス組成及び流量を制御する。代替実施例では、１つ以上のプロセスガス制御サブルーチンを有することができ、各サブルーチンが特定タイプのプロセス或いは特定セットのガス供給ラインを制御する。
【００５４】
あるプロセスにおいては、窒素又はアルゴンのような不活性ガスをチャンバ３０に流入させてチャンバ内の圧力を安定化させ、その後、反応性のプロセスガスを導入する。これらのプロセスのため、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、チャンバ３０内の圧力を安定化するのに必要な時間の間、不活性ガスをチャンバ３０内に流入させるステップを含むようにプログラムされており、その後上述した諸ステップが遂行される。また、プロセスガスが液体である先駆物質、例えばＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）から気化されるべきときに、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、バブラーもしくは気泡アセンブリにおいて液体である先駆物質を介してヘリウムのような分配ガスを気泡にするステップ、或いはヘリウムのようなキャリヤガスを液体噴射システムに導入するステップを含むように書き込まれる。バブラーがこのタイプのプロセスに用いられる場合、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、所望のガス流量を得るために、分配ガスの流れと、バブラーにおける圧力と、バブラー温度とを調節する。上述したように、所望のプロセスガス流量は、プロセスパラメータとしてプロセスガス制御サブルーチン１６５に送られる。更に、プロセスガス制御サブルーチン１６５は、所定プロセスガス流量についての必要値を含む保管テーブルを評価することによって、所望プロセスガス流量に対して必要な分配ガス流量，バブラー圧力，バブラー温度を取得するステップを含んでいる。一旦必要な値が得られたら、分配ガス流量，バブラー圧力，バブラー温度を監視して、必要な値と比較し、それに応じて調整される。
【００５５】
圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０の排気システムにあるスロットル弁の開口の大きさを調節することによりチャンバ３０における圧力を制御するためのプログラムコードを備えている。スロットル弁の開口度は、総プロセスガス流量，プロセスチャンバの大きさ，及び排気システムについてのポンピング設定値圧力に関する所望のレベルにチャンバ圧力を制御するように設定されている。圧力制御サブルーチン１６６が呼び出されると、チャンバ管理サブルーチン１６３ｂからパラメータとして所望の、即ち目標圧力レベルを受け取る。圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０に接続された１つ以上の通常の圧力マノメータを読み取ることによりチャンバ３０における圧力を測定し、測定値（単数又は複数）を目標圧力と比較し、保管した圧力テーブルから目標圧力に対応するＰＩＤ（比例，積分，微分）値を取得して、上記圧力テーブルから得たＰＩＤ値に従ってスロットル弁を調整する。或いは、圧力制御サブルーチン１６６は、チャンバ３０におけるポンピング能力を所望レベルに調節してスロットル弁を特定開口度に開閉するように書き込むことができる。
【００５６】
ヒータ制御サブルーチン１６７は、ペデスタル３２（及びその上にある任意の基板）を抵抗加熱するのに使用されるヒータ要素１０７の温度を制御するためのプログラムコードを備えている。また、ヒータ制御サブルーチン１６７もチャンバ管理サブルーチンによって呼び出され、目標となる設定値温度パラメータを受け取る。このヒータ制御サブルーチンは、ペデスタル３２内に配置された熱電対の電圧出力を測定することにより温度を測定し、そして測定温度を設定値温度と比較し、この設定値温度を得るように加熱ユニットに印加される電流を増減する。この温度は、保管した変換テーブルの対応温度を見ることにより、或いは四次多項式を用いて温度を計算することにより、測定した電圧から得られる。ペデスタル３２の加熱に埋込みループ線が使用される場合、ヒータ制御サブルーチン１６７はこのループ線に印加される電流の増減を徐々に制御する。また、内蔵フェイルセーフモードは、プロセスの安全コンプライアンスを検出するために含めることができ、この内蔵フェイルセーフモードにより、プロセスチャンバ３０が適切にセットアップされなければ加熱ユニットの作動を停止することができる。使用しうる代替的なヒータ制御の方法は、ジョナサンフランケル(Jonathan Frankel)を発明者として掲げて１９９６年１１月１３日に出願された「蒸着装置の温度を制御するためのシステム及び方法(Systems and Methods for Controlling the Temperatureof a Vapor Deposition Apparatus)と題する共有に係る出願中の米国特許願第０８／７４６６５７号（出願人書類番号ＡＭ１６８０-８/Ｔ１７０００）に記載された増減制御アルゴリズムを使用する。なお、この米国特許願の開示内容は参照によってこの明細書に組み込まれる。
【００５７】
プラズマ制御サブルーチン１６８は、チャンバ３０にあるプロセス電極及びヒータアセンブリ３２に印加される低及び高周波ＲＦ出力レベルを設定すると共に、用いられる低及び高ＲＦ周波数を設定するためのプログラムコードを備えている。前述したチャンバ構成要素サブルーチンと同様に、プラズマ制御サブルーチン１６８はチャンバ管理サブルーチン１６３ｂにより呼び出される。遠隔プラズマ発生器４を含む実施例については、プラズマ制御サブルーチン１６８はこの遠隔プラズマ発生器を制御するためのプログラムコードも含むことができる。
ＣＶＤシステム１０によるＣＶＤ膜の堆積
本発明の装置の開発前には、孔４２のような円錐形の孔を用いるシャワーヘッドは、混合周波数ＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学蒸着）プロセスにおいて効果的に使用することができないと一般に考えられていた。上述した発明の背景の欄において論じられているように、円錐形の孔があるシャワーヘッドと共に混合周波数ＲＦ電力を用いようとする既知の試みは、全て、高周波（ＨＦ）及び低周波（ＬＦ）電源の双方がプロセスチャンバにおいてシャワーヘッド（上側電極）に接続される状態を含んでいた。このような構成であると、ＬＦ及びＨＦ波形の間に不安定な位相干渉が起きていた。これが上側電極に所望以上の電圧を与え、不所望のアーク放電になっていた。
【００５８】
しかし、本発明の発明者は、低周波ＲＦ電源が基板の真下の電極に接続される底部電力供給電極構造を使用すると共に、前述したＲＦフィルタ・整合ネットワークを使用することにより、ＨＦ及びＬＦ波形が十分に減結合され、以前に遭遇していた位相干渉問題を防止できることを発見した。この構成を使用すると、ＨＦ及びＬＦ波形が波形間の干渉を最小にするように制御できる。本発明者は、干渉が最小になれば、孔４２内でもしくはその近くでのアーク放電を回避しながら、円錐形の孔があるシャワーヘッドを混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスにおいて使用できることを知見した。
【００５９】
混合周波数ＲＦ電力を使用すると共に円錐形の孔を使用することにより、多くの事例において、優れた物理的特性を有する被膜の堆積もしくは成長が可能になる。第１に、前述したように、真直ぐな孔というよりもむしろ円錐形の孔の使用によって、プロセスガスの解離の向上，プラズマの高密度化、イオン化効率の上昇等が可能になる。解離の向上は、用いられた１つ以上の供給ガス(例えばＮ2)が比較的に壊れ難い窒化ケイ素被膜及びその他の被膜堆積の場合に特に重要である。従って、一例として、窒化ケイ素被膜の堆積においては、円錐形の孔の使用により、ＮＨ3の量の減少になり、また窒素源として用いたＮ2の量の対応する増加になる。次にＮＨ3の減少が、被膜に入り込む水素を減少させ、低いＷＥＲになる。窒化ケイ素被膜の堆積に本発明の装置を使用することについて以下に詳細に説明する。
【００６０】
一方、低周波ＲＦ電源を含むことにより、基板及び堆積被膜を衝撃するのに使用されるイオンエネルギの制御が可能になる。このようなイオン衝撃の高い制御は、被膜密度を改善したり、一層よい応力制御を可能にしたり、低いＷＥＲ（当業者にとっては言うまでもなく、堆積された被膜が６：１（体積で）ＢＯＥ溶液においてエッチングされる割合）を提供したり、被膜全体の健全性を改善したりするのに使用できる。窒化ケイ素被膜の堆積において、かかる衝撃は、シラン及びアンモニアの反応で残る水素を置換でき、従って、被膜のＷＥＲを改善すると確信される。
【００６１】
同様に、高及び低周波波形の減結合自体は、それ自体により改善をもたらす。例えば、上述したように、シャワーヘッド４０の孔内のアーク放電はＣＶＤプロセスにおいては問題である。一般に、アーク放電はチャンバの圧力が低くなればなるほど、高くなるよりも問題である。例えば、混合周波数ＲＦ電力と円錐形というよりも真直ぐの孔とを用いた先行技術の窒化ケイ素混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスの一例においては、チャンバ圧力が３トル以下のときにアーク放電が問題を起こしていた。従って、このプロセスは、低いＷＥＲを有する被膜の場合低い圧力で堆積できるので低い圧力が一般に望ましかったのではあるが、堆積圧力を３トルかそれ以上に限定していた。しかし、本発明の装置においては、低い堆積圧力がアーク放電なしに使用することができる。試験によると、円錐形の孔を有するシャワーヘッドを採用したときにだけ、２.５トルの圧力をアーク放電なしに使用することができた。
【００６２】
減結合された高及び低周波波形は、被膜堆積において高周波電力よりも相対的に大きな量の低周波電力を用いることを可能にしている。例えば、上述した同じ先行技術の窒化ケイ素混合周波数プロセスにおいては、使用した低周波ＲＥ電力の量が使用された総ＲＦ電力の約３５％よりも大きいときには何時でも、アーク放電が重大な問題となっていた。これは、円錐形の孔ではなしに真直ぐの孔がガスシャワーヘッドに用いられていても同様であった。本発明の装置において行われているように高及び低周波波形が減結合されれば、真直ぐな孔ではなく円錐形の孔が使用されても、同じ窒化ケイ素混合周波数プロセスを用いて、低周波ＲＦ電力の量をアーク放電なしに総計の約３５％以上に増すことができる。本発明の装置は、使用される総ＲＦ電力の６０％までの低周波ＲＦ電力で成功裡に使用することができた。前述のように、大きな低周波電力は、イオン衝撃の増大になり、従って、被膜品質を改善するのに使用することができる。しかし、装置の適用に際しては、下の層に対する衝撃の増大の影響を考慮することが重要である。例えば、所定被膜の堆積の間、衝撃の設定が高すぎれば、この衝撃により、先行して堆積されていた被膜が損傷を受けるかも知れないので、衝撃の増大が堆積したばかりの層の被膜特性を改善するとはいえ、生産量に害を与えることになる。これは特に、ＰＭＤ被膜堆積中のゲート酸化物健全性(gate oxide integrity)に関係が深い。
【００６３】
また、本発明者は、窒化ケイ素被膜の被膜特性に対するリアクタインピーダンスの影響について詳細な解析を行った。図８Ａ−８Ｄはリアクタインピーダンスに対するプロセス圧力の影響を示している。図における各データポイントについて(圧力＝１〜６トル）、２.０の屈折率及び-１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の圧縮応力を有するＳｉ3Ｎ4被膜を調整した。供給ガスとしてＳｉＨ4/ＮＨ3/Ｎ2をそれぞれ１：２：１０の比で使用した。記憶したパラメータは：図８Ａでは電圧振幅（頂部電極でＶHF，底部電極でＶLF）；図８Ｂでは電流強度(ＩLF及びＩHF)；
【００６４】
試験で使用した低周波信号（３５０ｋＨｚ）はイオンプラズマ周波数（この例では８００ｋＨｚと推定される）以下である。従って、イオン化した化学種がイオン運動を招来した低周波バイアスに応答した。このイオン運動が誘導分をプラズマに導入したので、低周波電力比が高ければ（例えばＷLF/（ＷLF+ＷHF）＞２０％）、プラズマバルクインピーダンスを平行ＲＣ回路として記載することができない。後述する図１１に示すように、リアクタインピーダンスはＲＬＣ回路として概略で記載することができる：（ＬはＲと直列）Ｃと平行。
【００６５】
イオンエネルギ（ウェーハの低周波ポテンシャルに比例する。Ｅion＝ｑion×ＶL F)の注意深い制御により、ウェーハ表面での正確なイオン衝撃が可能である。しかし、図８Ａは、ヒータ電極ポテンシャルが広範囲の圧力（２〜５トル）にわたり一定（４６０Ｖ）のままであることを示している。図８Ｃ及び図８Ｄは、リアクタインピーダンスが圧力に関係しており、位相角及びインピーダンス値が圧力が２トルであるときに最大であることを示している。この圧力はＳｉＮ4被膜において最小ＷＥＲにも関係していることが分かった（図９参照）。被膜エッチング速度，位相角及びインピーダンス値間の相互関係は、被膜成長中の正確なイオン衝撃のため、そして窒化ケイ素被膜におけるＷＥＲの減少のような被膜特性の改良のため、リアクタインピーダンスの制御が重要なことを示している。同じ原理は、酸化ケイ素，酸窒化ケイ素(silicon oxynitride)，炭化ケイ素，フッ素化非晶質炭素等を含むその他の被膜の堆積にも適用すべきである。
【００６６】
リアクタインピーダンスは、ＬＦバイアス周波数の関数としても特徴付けられる。ＬＦ周波数は正弦波形を使用して３００ｋＨｚから９５０ｋＨｚへと変化させた。図１０Ａ〜１０Ｄは低周波及び高周波での電極ポテンシャル，電流及びリアクタインピーダンスを示している。周波数の関数としての位相角及びインピーダンス値の測定は、簡単な素子を用いてリアクタをモデル化する機会をもたらした。位相角及びインピーダンス値の双方についての測定値を整合するために、ＳＰＩＣＥシミュレーションを行った。図１１は、モデル化した回路を示している。前述した整合ネットワークとは別に、プラズマバルク１０４と，２つの異なるプラズマシース１００，１０２（これらの全ては図１に関して前述した反応領域５８の一部である）とが図１１に示されている。プラズマバルクは、イオン運動及び慣性を表わす大きなインダクタ値（Ｌ2＝２０μＨ）を有するＲＬＣ回路としてモデル化できる。頂部シースは帯電した化学種の発生を表わす電流発生器を構成している。ダイオード（Ｄ0）は電子流のみがこのシース部分を流れ得ることを正しく表わしている。Ｉ0（１０Ａ)の値は１３.５６ＭＨｚで測定された値と見事な一致関係にある（図１０Ｂ）。
【００６７】
底部シースは、第２のインダクタ（Ｌ0）がシースを通るイオン運動と引き起こされたイオン衝撃とを表わしている点を除いて、頂部シースと同様である。また、電流発生器(Ｉ1＝０.９Ａ）は測定値（ＩLF）と一致するように調整した。このモデルは、２つのシースが異なるという仮定（シャワーヘッドにおけるイオン化及び底部電極におけるイオン衝撃）と見事に一致している。セラミック製ペデスタル／ヒータは、プラズマインピーダンスと直列に配置した単なるコンデンサ１０６としてモデル化されている。ヒータ容量の公称値は、電極の深さが４０ｍｉｌのときに、２５００ｐＨである。
【００６８】
図１２Ａ及び１２Ｂは、測定データ及びシミュレートしたデータの比較を示している。測定データ（各図における点）は、Ｃ3＝２５００ｐＦ（太線）で計算したモデルと良好な一致関係にある。Ｃ3は、ヒータポケットに金属板を置くと共に、当業者にとって言うまでもないようにキャパシタンスもしくは静電容量をネットワーク分析器で測ることによって測定した。他の曲線は、ヒータキャパシタンスを変えたときのリアクタインピーダンスに対する影響を示している。このデータから分かるように、ヒータ電極のキャパシタンスはリアクタインピーダンスに重要な影響をもっている。このキャパシタンスは、電極が埋め込まれている深さ（ｄ）により求められる（Ｃ＝εＳ／ｄ，ここでεはＡｌＮの誘電率であり、Ｓは電極表面積であり、ｄは電極深さである。）。従って、ヒータ製造過程中にこの電極深さを精確に制御することが重要である。
【００６９】
本発明者は、上述した努力と特徴付けに基づいて、本発明のＣＶＤシステム１０に対する２つの付加的な改良を開発した。第１の改良は、ＣＶＤシステム１０にインピーダンスチューナ１０８を追加することを含んでいる。インピーダンスチューナ１０８は、図１１においてコンデンサ１０６（ペデスタル３２）と直列に接続されるものとして示されており、所望の被膜特性を得る追加の制御「ノブ」としてリアクタ３０のインピーダンスを調整するために、プロセス状態に依存して、インピーダンスチューナの値が調整できる。好適な実施例において、インピーダンスチューナ１０８は可変コンデンサである。１つの例では、このコンデンサは、全リアクタインピーダンスが６００〜２０００Ωの間に制御できるように選択されている。別の実施例においては、インピーダンスチューナ１０８は、コンデンサと平行に接続された可変インダクタを有するＬＣ回路である。更に別の実施例においては、インピーダンスチューナ１０８はバイパススイッチ（図示せず）によりＣＶＤシステム１０から接続を断つことができる。
【００７０】
第２の改良は、ＣＶＤシステム１０にインピーダンスプローブ１１０（図１及び図５に示す）を追加することを含んでいる。インピーダンスプローブ１１０は２本のライン１１１Ａ及び１１１Ｂによりチャンバ３０に電気的に接続されている。ライン１１１Ａはペデスタル３２内に埋め込まれた下側電極２２に電気的に接触する入力端子１１２Ａに接続され、一方、ライン１１１Ｂは、上側電極であるカバープレート４０に電気的に接触する入力端子１１２Ｂに接続されている。インピーダンスプローブ１１０は制御ライン３の１つを介してプロセッサ８５と連絡している。
【００７１】
インピーダンスプローブは、このように接続したときに、基板処理の間、リアクタのインピーダンスを監視するのに使用可能であり、そしてプロセッサ８５は、適切であれば、処理条件又はインピーダンスチューナ１０８の設定を調整して（例えば、インピーダンスチューナが可変コンデンサであれば、この可変コンデンサのキャパシタンスを調整する）、リアクタインピーダンスの変化に対して補償することができる。このことは、ある事例において、リアクタ３０のインピーダンスがＷＥＲ応力，堆積速度，屈折率及び膜厚均一性のような被膜特性に対して明らかな効果を有するので、特に有用である。従って、例えば、２０００ウェーハのプロセス操業中に、プロセッサ８５が、この操業について予め規定した範囲外にリアクタインピーダンスがドリフトしたことを検出すれば、ウェーハ操業中に適切な処置を講じて、リアクタインピーダンスを調整することができ、また、全プロセス操業間の所定プロセスについて、被膜特性を製造者の仕様範囲内に確実にしておくことができる。かかるインピーダンスのドリフトを調整するのに講じられる処置には、限定する意味ではないが、反応チャンバ内の圧力を調整すること、高周波又は低周波ＲＦ電力を増減すること、そして上述したようにインピーダンスチューナ１０８の設定を調整することが含まれうる。この特徴は、インピーダンス現場監視と呼ぶこともできる。
【００７２】
上述したように本発明者によりなされた発見と共に上に説明したＣＶＤシステム１０の特徴及び構成により、ＣＶＤシステム１０は、以前には可能でなかった堆積パラメータの使用を含めて、広範囲のプロセス状態もしくは条件にわたりＣＶＤ被膜を堆積させるのに採用可能となる。装置は、金属間誘電（ＩＭＤ）に適用するための低温プロセス被膜や、前金属(premetal)誘電（ＰＭＤ）に適用するための高温プロセス被膜を含む、種々のＣＶＤ被膜の堆積の際に有用である。ある特定の適用例は、りん化ホウ素ケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ），りんケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）及びフッ素ドープ処理ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）のようなドープ処理酸化ケイ素及び未ドープ処理酸化ケイ素（ＵＳＧ）の堆積を含め、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）又はシランベースのＰＥＣＶＤ及びＳＡＣＶＤ（準大気圧ＣＶＤ）化学物質を含んでいる。同様に、窒化ケイ素，炭化ケイ素，非晶質ケイ素及びその他の層が本発明の装置を使用して堆積できる。
【００７３】
本発明の装置により達成可能な範囲を広げたプロセス方式の例として、本発明者は、Ｓｉ3Ｎ4被膜で広範な作業を行い、低温処理条件において改良された(低い）ウエットエッチング速度，優れたステップカバレージ，改良された被膜健全性及び減少したピンホールを有するかかるＳｉ3Ｎ4の堆積を可能にする技術を開発した。また、本発明者は、多くの熱成長Ｓｉ3Ｎ4被膜よりも小さい１５Å／分以下のＷＥＲを有する高温ＰＥＣＶＤＳｉ3Ｎ4被膜を開発した。
【００７４】
これらの改良したＳｉ3Ｎ4被膜を開発する中で、本発明者は、応力についてのヒータキャパシタンスの効果，イオン衝撃についての総ＲＦ電力に対するＬＦ電力の比の効果，応力に対するＷＥＲの関係等に関し、深さの研究を行った。これらの研究のため、２.０の屈折率及び１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の圧縮応力を有するようにＳｉ3Ｎ4堆積プロセスを調整した。次いでヒータの公称キャパシタンス２５００ｐＦを、ヒータと直列に配置されたインピーダンスチューナ１０８としての可変コンデンサの追加により減少させた。プロセスはＳｉＨ4/ＮＨ3/Ｎ2をそれぞれ２２０/１２００/６００ｓｃｃｍの流量でチャンバに導入し、そしてチャンバは４００℃に加熱し４.０トルの圧力に維持した。高周波ＲＦ電力を２５０Ｗのレベルでガス分配マニホルドに供給し、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力を底部電極に供給した。最後に、基板ホルダ及びガス分配マニホルド間の間隔を４２５ｍｉｌに設定した。これらの研究の結果は図１４〜１６に示されており、以下に説明する。
【００７５】
図１４は、被膜応力がペデスタル／ヒータのキャパシタンスにより強く影響を受けることを示している。ヒータのキャパシタンスが低下すると、屈折率及び堆積被膜の一様性が増し、堆積速度が低下することが分かった。これは、被膜特性とリアクタインピーダンスの関係を確認している。単一周波数プロセスは混合周波数プロセスよりもモデルにより実際に予測される現象（図１２Ａ及び１２Ｂ参照。そこでは曲線間の距離が周波数が高くなると狭まっている。）の影響を受け難いことが分かった。これらの結果は、Ｓｉ3Ｎ4被膜の堆積についてヒータキャパシタンスの公差を規定するのに使用することができる。例えば、中心プロセス(center process)周辺で±２×１０8ダイン/ｃｍ2の最大応力の移動を許容すると、ヒータキャパシタンスを２５００ｐＦ±１３％内に制御すべきであることが分かった。これは、４０ｍｉｌ，＋５.１，−３.５の電極深さに相当している。
【００７６】
被膜健全性及びその他の被膜特性はイオン衝撃に密接に関係している。上述したように、イオンエネルギはプラズマシースのポテンシャルに比例する。本発明者は、ヒータ電極及びシャワーヘッドのポテンシャルに対する低周波電力の影響について研究した。また、本発明者は、１３.５６ＭＨｚバイアスによって一般に招来される自己ＤＣバイアスを記録した。図１５は、低周波電力を増大する効果を示している。図１５において、総ＲＦ電力は５００Ｗで一定に保った。ＬＦ電力を増加するとヒータ電極のところで電圧振幅ＶLF(及びイオンエネルギ）が増大することが分かった。同時に、シャワーヘッドでの電圧振幅ＶHFが減少する。しかし、本発明者は、低周波電力が増加するときに双方の電極に関するＤＣバイアスが減少することを発見した。この負の自己ＤＣバイアスは電極のところにイオン減損シースが形成することを表していると思われる。ＤＣバイアスは単一（高）周波数プロセスが使用されるときに２００Ｖよりも大きくすることができる。低周波電力を追加すると、イオンはもはや固定電荷とは考えられなくなる。ＬＦバイアスによりイオンはプラズマシース内を貫通させられるので、電子チャージング効果が相殺され、ＤＣ分が減少する。その結果、イオンエネルギが直接に低周波電圧振幅の制御下におかれる。トラフ(ＶLF＜０）の間、正にイオン化した化学種（イオンの大部分と考えられる）は、成長しつつある被膜を衝撃する。
【００７７】
低周波電力対総電力の比［ＷLF/（ＷLF+ＷHF）]は被膜応力を調整するために重要な「ノブ」である。前述したように、本発明の装置構成は、あるセットの処理条件下でアーク放電を引き起こすことなく、ＬＦ電力を総ＲＦ電力の少なくとも６０％まで増大させることができる。図１６は、低周波電力の追加(ＶLFが増大し、ＤＣバイアスが減少する）が、上述したように堆積する屈折率２.０のＳｉ3Ｎ4被膜におけるより活発なイオン衝撃のために、被膜密度の増大を可能にすることを示している。また、図１６は、被膜ＷＥＲ及び応力が密接に関係した特性であることを示している。装置適用のために、適度の圧縮応力（例えば５０〜１５０ＭＰａ）を有する被膜が一般に要求される。本発明のリアクタ構造及びプラズマインピーダンスは、高度の健全性及び調整可能な応力の被膜を提供するために、ＷＥＲ及び被膜応力を減結合するように最適化できる。
【００７８】
イオンエネルギがヒータ電極のポテンシャルに比例することを知って、本発明者は、イオン衝撃及び被膜特性に対する効果と役割を決定するために種々のバイアス波形及び周波数の研究を行った。３つの異なる波形を試験した。正弦波と非対称波と方形波である（図１７Ａ〜１７Ｄ参照）。各波形について、周波数を変更し、被膜健全性の特徴を調べた（当業者にとって既知であり良く分かるような２５０Åのエッチングか１分間の６：１ＢＯＥのどちらかの前後のステップカバレージ、及びピンホール性能）。
【００７９】
正弦波形（図１７Ａ）は３５０ｋＨｚの周波数で試験した。正弦波形は、本発明者にとって既知の総混合周波数ＰＥＣＶＤプロセスにおけるイオン衝撃を制御するのに使用される標準波形である。しかし、本発明者は、Ｓｉ3Ｎ4被膜の堆積のために正弦波形が最適ではないことを知見した。実際に、この波形は基板ホルダの衝撃とガス分配マニホルドの衝撃との間を交互するので、周期の半分の間は基板についてのイオン衝撃がない。これは、Ｖwaferが正であるとき、電子流がウェーハに向かって引っ張られ、そしてイオンが下側のプラズマシースから拒絶されるからである。従って、イオン衝撃は図１７Ａ〜１７Ｄの影線領域１３０においてのみ起こる。
【００８０】
本発明者は、非対称の波形が図１７Ｂに示すように使用されるときに、改良された被膜品質が得られることを発見した。また、本発明者は、低周波がより小さな位相角とするのを促進することが観察されたため（図１０Ｄ参照）、一般に、より良い被膜健全性は低周波（例えば、＜４００ｋＨｚ）で得られることを発見した。更に、小さな位相角は上述したように良好な被膜特性をもたらすことが分かった。実際に、上述したＳｉ3Ｎ4被膜の堆積については、５０ｋＨｚが最も好ましい周波数であるが、５０〜２２０ｋＨｚの周波数の非対称波形で最良の結果が得られた。この特別の波形は、新たに開発したＥＮＩ ＲＰＧ発生器で形成された。採用可能な別のタイプの非対称鋸歯状波形が図１７Ｃに示されている。これらのタイプの波形は、過去において、反応スパッタリング堆積（例えば、Ａｌ2Ｏ3）や真空アークプラズマ堆積（例えば、ＤＬＣ，Ａｌ2Ｏ3及び他の金属被膜）のために使用されてきたが、本発明者の知る限りでは、ＰＥＣＶＤプロセスにおけるバイアス技術としては決して使用されてはいなかった。図１７Ｂ及び１７Ｃに示したどの波形も、波形のデューティーサイクルは、所望のように被膜特性を仕上げるように調整することができる。デューティーサイクルは、ウェーハポテンシャルが正である時間の割合である：Ｚ+/（Ｚ+＋Ｚ-）。一般に、１０〜５０％の間にあるデューティーサイクルを有することが好ましい。
【００８１】
パルス状ＤＣバイアスとも呼ばれる方形バイアス（図１７Ｄ）についても１５０ｋＨｚから７００ｋＨｚまで変化する周波数で試験した。プロセス状況は周波数の影響を受けた。従って、屈折率が２.０及び圧縮応力が１.５×１０9ダイン/ｃｍ2の被膜を堆積させるために、種々の周波数でプロセスを調整する必要があった。いずれにしても、方形波の使用は被膜健全性を劣悪にすることが発見された。しかし、パルス状ＤＣ波形は基板ホルダのイオン衝撃には有利であり、また、かかる方形波は実質的な同調に有利である。劣悪な被膜健全性は、システムに高調波を導入することによってプラズマシースの不安定性を起こさせる急激な負の前部１３４の作用に起因すると考えることができる。
【００８２】
従って、上述の試験から明らかなように、図１７Ｂの非対称波形により制御されるイオン衝撃は、図１７Ａ及び１７Ｄの波形と比較して衝撃の向上になり、また、改善された特性を有する被膜の堆積になった。図１７Ｂに示した非対称波形は、鋸歯状波形、或いは三角の両極性波形と記載することもでき、わずかな同調で各サイクルの大部分の間、基板ホルダのイオン衝撃を行う。他の非対称波形（例えば、図１７Ｃに示した波形）も高調波の形成を妨げると共にイオン衝撃を増すために使用しうる。実際に、信号期間の間、イオンエネルギの平均的な線形分布を有する波形なら純粋な正弦波形よりも好ましいはずである。高調波の作用を妨げるために、波形の前（負）縁部の傾斜の大きさを後縁部の傾斜よりも小さくすることが好ましい。
【００８３】
結論として、本発明の使用により得られる詳細に説明したプロセス状況もしくは方式は、上述の特徴を有する被膜の堆積を可能にすると共に、低圧力，高い比率の低周波ＲＦ電力，且つ高い窒素対アンモニア比率での窒化ケイ素被膜の堆積を可能にする。堆積した窒化ケイ素被膜のＷＥＲは、高周波ＲＦ電力を円錐形の孔があるシャワーヘッドに供給すると共に、低周波ＲＦ電力を上述したようにセラミック製の基板ホルダに供給することによって、５０％ほど減少された。また、ＷＥＲはプロセス圧力と非常に関連している。従って、広範囲の状況の間、プロセス圧力を変化させることは、堆積した被膜の特性を制御する際の重要なパラメータである。
【００８４】
この明細書で教示するような低及び高周波ＲＦ電力の減結合は、ステップカバレージ及び応力レベルを犠牲にすることなく改良されたＷＥＲ及びその他の特徴をもたらす。実験において、１：１のアスペクト比トレンチのサイド及びボトムカバレージを窒化ケイ素堆積の間制御して、フィールドカバレージに関して約６５％の側壁部ステップカバレージをもたらすと共に、フィールドカバレージに関して約６５％の底部ステップカバレージをもたらす。トレンチ内のこのような一様な成長は、良好なコンフォーマル（正角）被膜を提供すると共に、その後の被膜のエッチングにもっと耐えられる強い底角部を提供し、相対的に弱い底角部に全面的にエッチングすることができる。この明細書で用いた側壁部ステップカバレージ，底部ステップカバレージ及びコンフォーマリティー（正角度）は図１３の記載に関して定義する。図１３において、窒化ケイ素被膜１２０は、隣接する金属線１２２及び１２４の間の間隙１２６を部分的に満たすように、該金属線を覆って堆積表示されている。側壁部ステップカバレージはａ/ｂ×１００％である。底部ステップカバレージはｄ/ｂ×１００％であり、コンフォーマリティー（正角度）はａ/ｃ×１００％として定義される。
【００８５】
IV．実験及び試験結果
本発明について、現在利用可能な混合周波数窒化ケイ素プロセスを本発明の範囲内の減結合した混合周波数窒化ケイ素プロセスと比較する以下の例によって更に説明する。これらの例は、パターン形成したウェーハ上にコンフォーマルな窒化ケイ素層を堆積させるための最上のプロセス状態もしくは条件を示すように選択された。各例において、堆積窒化ケイ素層は屈折率２.０，被膜応力-１.６×１０9ダイン/ｃｍ2であり、これらの値は、最近の様々な装置適用例についての製造者仕様の範囲内にある。これらの値を正確に反映するように変更できないプロセスを調整して、最も近い特性を有する被膜を堆積させた。
【００８６】
比較例Ａ及びＢは、本発明に従って行われたのではない堆積プロセスについて記載し、本発明の例１〜４は、本発明に従って堆積されたプロセスについて記載している。各例において、２つの密接離間した金属線間に間隙を含む段付き微細構成を覆うように窒化ケイ素被膜が堆積された。金属線間の距離は約０.５μｍであり、間隙のアスペクト比は約１：１であった。
【００８７】
比較例Ａ
この例は、アルミニウム製基板ホルダと真直ぐの孔をもつガス分配マニホルドとを有するＣＶＤチャンバを用いて実験が始められた。高周波ＲＦ電力はガス分配マニホルドに供給し、低周波ＲＦ電力はアルミニウム製基板ホルダに供給した。アルミニウム製基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから３５０milのところに配置して保持した。
【００８８】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン１８０sccm，アンモニア７２０sccm, 窒素１６００sccmのプロセスガス流量で３.７トルに安定化させた。その後、１００Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）及び２０Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をガス分配マニホルドに印加した。窒化ケイ素被膜は１６００Å/分で堆積した。堆積した被膜は、屈折率２.０，被膜応力-１.４×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００８９】
堆積被膜は、３０５Å/分のＷＥＲを有し、そして被膜の頂部２５０Åを除くためにエッチング溶液に暴露したときに、実質的に全ての窒化ケイ素が間隙の底角部から除去されていた。
【００９０】
比較例Ｂ
この例は、化学蒸着チャンバ、特にカリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)により製造販売されている「ＤｘＺ」プラズマリアクタを用いて実験が始められた。しかし、このリアクタはセラミック製の基板ホルダを含むように変更されており、そして高及び低周波ＲＦ電力の双方がガス分配マニホルドに供給された。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから５６０milのところに配置して保持し、ガス分配マニホルドは円錐形の孔を含んでいた。
【００９１】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２１５sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、２００Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）及び２００Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をガス分配マニホルドに印加した。窒化ケイ素被膜は５５６０Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００９２】
また、堆積被膜は３０５Å/分のＷＥＲを有していた。窒化ケイ素の約２５０Åを除くための堆積被膜のエッチングにより、実質的に全ての窒化ケイ素が間隙の底角部（或いは微細構造）から除去されていた。
【００９３】
発明例１
この例は、化学蒸着チャンバ、特にカリフォルニア州サンタクララ所在のアプライドマテリアルズ社(Applied Materials, Inc.)により製造販売されている「ＤｘＺ」プラズマリアクタを用いて実験が始められた。このリアクタは、本発明に従って、また図１に示すように、セラミック製基板ホルダ及びセラミック製ガス分配マニホルドの双方を含むように変更した。高周波ＲＦ電力はガス分配マニホルドに供給され、低周波ＲＦ電力はセラミック製基板ホルダに埋め込まれたＲＦ電極２２に供給された。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから６００milのところに配置して保持した。
【００９４】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン６５sccm，アンモニア１３０sccm, 窒素１４５０sccmのプロセスガス流量で２.５トルで安定化させた。その後、１６０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして１３５Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は１７４５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-１.５×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。また、堆積被膜は１８０Å/分のＷＥＲを有していた。
【００９５】
発明例２
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから４８５milのところに配置して保持した。
【００９６】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２１０sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、２５０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力（３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は５５２５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-１.６×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【００９７】
また、堆積被膜は３３５Å/分のＷＥＲを有していた。フィールドから窒化ケイ素の約２５０Åを除去するための堆積被膜のエッチングの後に、比較例Ａと比較してバイアスの底角部に相当な量の窒化ケイ素が残った。エッチング前、バイアスの側壁部及び底部にある窒化ケイ素層は、フィールドに堆積した窒化ケイ素層の厚さの約６３％であった。エッチング後、側壁部の窒化ケイ素層はフィールドの厚さの３５％であり、底角部ではフィールドの厚さの１２％であった。
【００９８】
発明例３
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから４９５ milのところに配置して保持した。
【００９９】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２００sccm，アンモニア１２００sccm, 窒素６００sccmのプロセスガス流量で４.０トルで安定化させた。その後、１７０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして２５０Ｗの低周波ＲＦ電力（正弦波形、３５０ｋＨｚ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は４６２５Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【０１００】
また、堆積被膜は２９３Å/分のＷＥＲを有していた。これらの結果を例２と比較すると、高周波入力を変えたときに、低周波ＲＦ電力対総ＲＦ電力の比とＷＥＲとの間に逆の関係があることが明らかになる。低いＷＥＲ及び小さい被膜応力は例１により示したようにプロセス圧力を変更することにより達成できる。
【０１０１】
発明例４
この例は、変更した例１の化学蒸着チャンバを用いて実験が始められた。基板ホルダは処理中、ウェーハをガス分配マニホルドから５４０ milのところに配置して保持した。
【０１０２】
リアクタをポンプで４００℃の温度で０.１トルの圧力まで減圧し、次いでシラン２００sccm，アンモニア４００sccm, 窒素４５００sccmのプロセスガス流量で３.０トルで安定化させた。その後、１７０Ｗの高周波ＲＦ電力(１３.５６ＭＨｚ）をガス分配マニホルドに、そして、イオン衝撃を促進するため三角波形を有する２５０Ｗの双極性（鋸歯）低周波ＲＦ電力（５０ｋＨｚ，４０４０ｎｓ）をセラミック製基板ホルダに印加した。窒化ケイ素被膜は３７５０Å/分で堆積した。堆積した被膜は屈折率２.０，被膜応力-２×１０9ダイン/ｃｍ2を有していた。
【０１０３】
また、堆積被膜は２３２Å/分のＷＥＲを有していた。フィールドから窒化ケイ素の約２５０Åを除去するための堆積被膜のエッチングの後に、比較例Ａと比較してバイアスの底角部に相当な量の窒化ケイ素が残った。エッチング前、バイアスの側壁部及び底部にある窒化ケイ素層は、フィールドに堆積した窒化ケイ素層の厚さの約５７％であった。エッチング後、側壁部の窒化ケイ素層はフィールドの厚さの４１％であり、底角部ではフィールドの厚さの１８％であった。
【０１０４】
上に述べたことは、本発明のある好適な実施例に向けられているが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明のその他の更なる実施例を案出しうる。例えば、かかる代替実施例の１つでは、被膜特性を更に改善するために製造者がプラズマ密度に対してプラズマ化学を適合させることができるように、パルス状プラズマを使用してもよい。このうなパルス状プラズマプロセスにおいて使用される高周波波形の一例が図１８に示されている。図１８において、１３.５６ＭＨｚの波形がＯＮサイクルとＯＦＦサイクルの間を交互するものとして示されている。この波形は、各ＯＮサイクルの間にプラズマ生成反応種を形成すると共に、各ＯＦＦサイクルの間にプラズマ化学が堆積を制御することを可能にさせる。ＯＮ時間対ＯＦＦ時間の比はデューティーサイクルと呼ばれている。パルス状プラズマ堆積技術は、多くのＣＶＤプロセスに適用可能であり、特に、本発明の装置において非昌質フルオロカーボン及びその他の低Ｋ誘電被膜を堆積するときに有用である。別の代替実施例においては、インピーダンスチューナ１０８を使用してＣＶＤチャンバのインピーダンスを調節する。このＣＶＤチャンバは、プラズマを形成して該プラズマにバイアスをかけて成長する被膜を衝撃するために混合周波数ＲＦ電力に加えて他の方法を採用する。インピーダンスチューナ１０８が特定のチャンバ及び堆積プロセスのために制御ノブを提供するのに必要な唯１つの要件は、プラズマのインピーダンスが１つ以上のプロセスパラメータと関連して変化することである。これらの代替例は他の代替例及び均等例と共に、本発明の範囲内に含まれることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 堆積チャンバの簡略化した断面図を含む、本発明による堆積システムの一実施例のブロック図である。
【図２】 本発明の一実施例による支持ステムに取り付けられたセラミック製ペデスタルの簡略化した断面図である。
【図３】 埋設されたＲＦ電極を有する好適なセラミック製基板ホルダのための金属／セラミック接続部の概略図である。
【図４Ａ】 ガス分配マニホルド内に含まれた円錐形の孔の実施例の断面図である。
【図４Ｂ】 ガス分配マニホルド内に含まれた円錐形の孔の実施例の断面図である。
【図５】 本発明の装置において低及び高周波ＲＦ波形を減結合するためにサイクル用されたＲＦフィルタ・整合ネットワークの実施例を示す簡略図である。
【図６】 本発明の堆積システムを制御することができるプロセッサとユーザーとのインターフェースを示す図である。
【図７】 図１の例示的なＣＶＤプラズマリアクタと関連して使用されるプロセス制御用コンピュータプログラム製品のフローチャートである。
【図８Ａ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｂ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｃ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図８Ｄ】 リアクタインピーダンスに対する窒化ケイ素被膜堆積中のプロセス圧力の効果を示す図である。
【図９】 堆積窒化ケイ素被膜のウエットエッチング速度及び堆積速度に関するプロセス圧力の重要性を表わす実験結果の図である。
【図１０Ａ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｂ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｃ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１０Ｄ】 窒化ケイ素被膜の堆積に対する低周波電源で用いられる周波数の効果を示す図である。
【図１１】 チャンバ３０のＳＰＩＣＥシミュレーションにおいてチャンバを表わすのに使用されるモデル化した回路の図である。
【図１２Ａ】 位相角についてのヒータキャパシタンスの効果に関する測定データ及びシミュレートしたデータの比較を表わす図である。
【図１２Ｂ】 リアクタインピーダンスについてのヒータキャパシタンスの効果に関する測定データ及びシミュレートしたデータの比較を表わす図である。
【図１３】 この出願において使用される側壁部ステップカバレージ，底部ステップカバレージ及びコンフォーマリティーの定義を説明する図である。
【図１４】 被膜応力に対するヒータキャパシタンスの効果を示す図である。
【図１５】 総ＲＦ電力に関する低周波電力の関数として電極ポテンシャルを示す図である。
【図１６】 被膜応力と、窒化ケイ素被膜の堆積における低周波ＲＦ電力対総ＲＦ電力の比との関数としてウエットエッチング速度を示す図である。
【図１７Ａ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｂ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｃ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１７Ｄ】 窒化ケイ素被膜の堆積中におけるイオン衝撃を制御するのに使用される低周波ＲＦ波形を示す図である。
【図１８】 本発明によるパルス状プラズマ堆積プロセスにおいて使用できる高周波ＲＦ波形を例示する図である。
【符号の説明】
４：オプションの遠隔プラズマシステム、５：ＲＦ電源、６：熱交換システム、１２：高周波ＲＦ電源、１３：１３．５６ＭＨｚインピーダンス整合、１４：高域フィルタ、１５：低周波接地、１６：低域フィルタ、１７：低周波ＲＦ電源 、１８：低域フィルタ、１９：高周波接地、８６：メモリ、８９：供給源、９０：ガスパネル、１１０：インピーダンスプローブ、１６１：プロセス選択、１６２：プロセス順序決定、１６３ａ：チャンバ管理、１６３ｂ：ＣＶＤチャンバのチャンバ管理、１６３ｃ：チャンバ管理、１６４：基板位置決め、１６５：プロセス制御、１６６：圧力制御、１６７：ヒータ制御、１６８：プラズマ制御。
Claims (13)
- 基板処理システムであって、
反応領域を有する堆積チャンバと、
第１電極及び第２電極と、
１つかそれ以上のプロセスガスから前記反応領域においてプラズマを形成するため、非対称波形を生成することができる低周波ＲＦ電源及び高周波ＲＦ電源を備える混合周波数ＲＦ電源と、
を備え、
前記低周波ＲＦ電源は、前記第１電極に結合され、前記高周波ＲＦ電源は、前記第２電極に結合されている、基板処理システム。 - 前記高周波ＲＦ電源により発生された波形を前記低周波ＲＦ電源により発生された波形から減結合するフィルタ・整合ネットワークを更に備える、請求項１に記載の基板処理システム。
- 前記非対称波形は鋸歯状波形である、請求項２に記載の基板処理システム。
- 基板処理システムであって、
反応領域を有する堆積チャンバと、
基板を前記反応領域内に位置付ける、第１ＲＦ電極を含む基板ホルダと、
１つかそれ以上のプロセスガスを前記反応領域に供給するため、第２ＲＦ電極を備えるガス入口マニホルドを含むガス分配システムと、
前記１つかそれ以上のプロセスガスから前記反応領域においてプラズマを形成するため、非対称波形を生成することができる低周波ＲＦ電源及び高周波ＲＦ電源を備える混合周波数ＲＦ電源と、
を備え、
前記低周波ＲＦ電源は、前記第１ＲＦ電極又は前記第２ＲＦ電極のどちらかに非対称波形を供給して、前記プラズマに前記基板に向けてバイアスをかけるように構成されている、基板処理システム。 - 前記高周波ＲＦ電源により発生された波形を前記低周波ＲＦ電源により発生された波形から減結合するフィルタ・整合ネットワークを更に備える、請求項４に記載の基板処理システム。
- 前記非対称波形は鋸歯状波形である、請求項５に記載の基板処理システム。
- 基板処理チャンバにおいて基板上に被膜を堆積させるための方法であって、
１つかそれ以上のプロセスガスをガス入口マニホルドを介して前記基板処理チャンバの反応領域内に導入するステップと、
前記ガス入口マニホルドに高周波ＲＦ電力を印加することにより前記１つかそれ以上のプロセスガスからプラズマを形成するステップと、
非対称の低周波ＲＦ波形により前記基板に向けて前記プラズマにバイアスをかけるステップと、
を備える方法。 - 前記非対称の低周波ＲＦ波形は鋸歯状波形である、請求項７に記載の方法。
- 前記非対称の低周波ＲＦ波形は、１０〜５０％の間のデューティーサイクルを有する、請求項７に記載の方法。
- 前記プロセスガスは、シラン，アンモニア及び窒素を含む、請求項７に記載の方法。
- 前記非対称の低周波ＲＦ波形は、４００ｋＨｚより低い周波数を有する、請求項１０に記載の方法。
- 前記非対称の低周波ＲＦ波形は、５０〜２２０ｋＨｚの間の周波数を有する、請求項１０に記載の方法。
- 前記プラズマは、前記基板のイオン衝撃を促進するため、前記基板に向けてバイアスがかけられる、請求項７に記載の方法。
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