JP7333397B2 - パターニングされた基板とパターニングされていない基板への堆積膜の連続堆積及び高周波プラズマ処理 - Google Patents

パターニングされた基板とパターニングされていない基板への堆積膜の連続堆積及び高周波プラズマ処理 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月３０日に出願された米国仮出願第６２／７７４，０２２号の優先権を主張する、２０１９年１１月６日に出願された米国仮出願第１６／６７６，０９７号の優先権を主張し、これらの全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
実施形態は、モジュール式高周波プラズマ源、より具体的には、モジュール式高周波プラズマ源を用いて薄膜を形成する方法に関する。
速度と密度の増加に向けた電子デバイスの急速な縮小により、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、及びプラズマＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）の１又は複数によって堆積された薄膜の厚さが減少する。特に、膜厚が薄いため、気密性、電気抵抗等の膜機能の有効性が制限されている。
更に、薄膜の機能を改善するための努力には問題がないわけではない。膜が薄いため、膜への処理が下層に悪影響を与える場合がある。したがって、既存の方法により上記薄膜の堆積は可能であるが、上記薄膜は今のところ、上記縮小された寸法をデバイスに提供するための所望の特性を有していない。
本明細書に開示の実施形態は、高品質膜を形成する方法を含む。一実施形態では、基板に膜を堆積させる方法は、第１の処理領域において堆積プロセスを用いて基板の表面上に窒化ケイ素膜を形成することと、第２の処理領域において窒化ケイ素膜を処理することであって、窒化ケイ素膜を処理することが、モジュール式高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマに膜を暴露することを含む、第２の処理領域において窒化ケイ素膜を処理することとを含み得る。一実施形態では、プラズマのシース電位は１００Ｖ未満であり、高周波プラズマ源の電力密度は、約５Ｗ／ｃｍ２以上、約１０Ｗ／ｃｍ２以上、又は約２０Ｗ／ｃｍ２以上である。
実施形態はまた、第１の処理領域において基板の表面上にシリコンを含む膜を堆積させることを含む、基板に膜を堆積させる方法も含み得る。一実施形態では、本方法は、第１のプラズマプロセスを用いて膜を処理することを更に含み得、第１のプラズマプロセスは、窒化ケイ素膜を形成するための窒素及びヘリウムを含むＲＦ誘導プラズマである。一実施形態では、本方法は、窒化ケイ素膜を第２のプラズマプロセスに暴露することを更に含み得、第２のプラズマプロセスは、窒化ケイ素膜をエッチングするのに適した種を含むＲＦ誘導プラズマである。一実施形態では、本方法は、第２の処理領域において第３のプラズマプロセスを用いて窒化ケイ素膜を処理することを更に含み得、第３のプラズマプロセスは、モジュール式高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマを含む。
実施形態はまた、高品質窒化ケイ素膜を形成する方法を含み得る。本方法は、（ａ）第１の処理領域においてプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて基板の表面上にシリコンを含む膜を堆積させることと、（ｂ）窒化ケイ素膜を形成するために、窒素及びヘリウムを含む第１のＲＦプラズマで、シリコンを含む膜のインシトゥでの処理を行うことと、（ｃ）フッ素、塩素、窒素、及び炭素のうちの１又は複数を含む第２のＲＦプラズマで、窒化ケイ素をエッチングすることと、（ｄ）窒化ケイ素膜を、モジュール式マイクロ波プラズマ源によって誘導されるマイクロ波プラズマで処理することとを含み得る。
上記の要約には、全ての実施形態の網羅的なリストが含まれているわけではない。上に要約された様々な実施形態の全ての適切な組み合わせ、ならびに以下の発明を実施するための形態に開示され、出願に提出された特許請求の範囲で特に指摘されたものから実施可能な全てのシステム及び方法が含まれることが企図される。上記組み合わせには、上記の要約に具体的に記載されていない特定の利点がある。
一実施形態に係る、膜を堆積させるための第１の処理領域及び膜を処理するためのモジュール式高周波プラズマ源を備えた第２の処理領域を有する、高品質薄膜を形成するための処理ツールの概略図である。 一実施形態に係る、複数の処理領域を有する、高品質薄膜を形成するための処理ツールの概略図であり、処理領域の少なくとも１つは、膜を処理するためのモジュール式高周波プラズマ源を含む。 一実施形態に係る、モジュール式高周波プラズマ源を含む処理領域の概略図である。 一実施形態に係る、固体高周波プラズマ源モジュールの概略ブロック図である。 一実施形態に係る、それぞれが発振器モジュール及びフィードバック制御を備える複数のモジュール式高周波プラズマ源モジュールを含む、モジュール式高周波プラズマ源を備えた処理ツールの電子機器の一部の概略ブロック図である。 一実施形態に係る、処理チャンバの一部である誘電体シートに配置されたアプリケータのアレイの断面図である。 一実施形態に係る、薄膜を形成するためのプロセスを示すプロセスフロー図である。 Ａ－Ｃは、一実施形態に係る、薄膜が堆積される基板の断面図である。 一実施形態に係る、モジュール式マイクロ波放射源と組み合わせて使用することができる例示的なコンピュータシステムを示すブロック図である。
本明細書に記載の実施形態に係るデバイスは、モジュール式高周波プラズマ源を備えた処理ツール、及び上記ツールを使用して基板に薄い窒化ケイ素膜を製造する方法を含む。実施形態の完全な理解が得られるように、以下の説明に多数の特定の詳細を示す。これらの特定の詳細なしで実施形態が実行可能であることは当業者には明らかであろう。他の例では、実施形態を不必要に曖昧にしないために、周知の態様は詳細には説明していない。更に、添付の図面に示す様々な実施形態は例示的な表現であり、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないことを理解されたい。上記のように、現在の処理方法は、高品質薄膜を形成するのに適していない。したがって、本明細書に開示の実施形態は、適切な堆積プロセス（例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、又はＰＥＡＬＤ）を用いて堆積され、その後、モジュール式高周波プラズマ源から生成されたプラズマで処理される薄膜を含む。上記供給源から生成されたプラズマで膜を処理することには、幾つかの利点がある。
第１に、高周波プラズマ源から生成されたプラズマは、他のプラズマタイプ（ＲＦ源で生成されたプラズマ等）よりも高い密度を有する、及び／又は高い濃度の励起中性種を含む。したがって、膜の表面を処理するために利用できるより多くの活性種が存在する。例えば、処理された膜は、より低い水素含有量を有し得る。処理された膜はまた、その後結合が起こり得る部位の数が増加している可能性がある。例えば、窒化ケイ素膜では、処理された膜は、シリコン対窒素の理想的な化学量論比（すなわち、３：４）に近い窒素濃度を有し得、これは、密度が増加した膜をもたらす。
更に、高周波プラズマは、ＲＦプラズマのシース電位よりも大幅に低いシース電位で生成され得る。例えば、高周波プラズマ源で生成されたプラズマのシース電位は、ＲＦプラズマの約１００Ｖと比較して、約１０Ｖであり得る。したがって、薄膜の下にある下層は、処理プロセスによって損傷を受ける可能性が低い。したがって、下層に損傷を与えることなく、１ｎｍ未満の厚さの膜が製造され得る。
ここで、一実施形態に係る、高品質薄膜を形成するための処理ツール１００を示す概略図である図１Ａを参照する。一実施形態では、処理ツール１００は、第１の処理領域１７０及び第２の処理領域１８０を含み得る。第１の処理領域１７０は、薄膜を堆積するためのものであり得る。例えば、第１の処理領域１７０は、１又は複数のＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、及びＰＥＡＬＤプロセスに適していてよい。第２の処理領域１８０は、堆積された膜を高周波プラズマで処理するためのものであり得る。例えば、第２の処理領域１８０は、モジュール式高周波プラズマ源を含み得る。図２～図４に関して、第２の処理領域１８０のより詳細な説明を以下に提供する。
一実施形態では、第１の処理領域１７０及び第２の処理領域１８０は、単一の処理ツール１００において互いに接続され得る。例えば、図１Ａでは、基板１７４は、（矢印によって示すように）第１の処理領域１７０と第２の処理領域１８０との間を通過し得る。特定の実施形態では、処理ツール１００は、ロードロックを通してアクセス可能な複数の個別の処理領域を含むクラスタツールであり得る。上記実施形態では、基板１７４は、基板操作ロボット等によってロードロックを通過させることによって、２つの処理領域１７０と１８０との間を通過し得る。他の実施形態では、処理ツール１００は、第１の処理領域１７０及び第２の処理領域１８０が互いに流体的に結合されている全体領域を有し得る。上記実施形態では、基板１７４は、処理ツール１００の全体領域を離れることなく、第１の処理領域１７０と第２の処理領域１８０との間で回転され得る。
ここで、一実施形態に係る、複数の第１の処理領域１７０１－２及び第２の処理領域１８０１－２を有する処理ツール１００を示す概略図である図１Ｂを参照する。一実施形態では、第１の処理領域１７０１及び１７０２は、互いに実質的に類似していてよく、第２の処理領域１８０１及び１８０２は、互いに実質的に類似していてよい。
他の実施形態では、第１の処理領域１７０１及び１７０２は、互いに異なっていてよい。例えば、第１の処理領域１７０１は、第１の種類の膜を堆積させるように構成され得、第１の処理領域１７０２は、第２の種類の膜を堆積させるように構成され得る。上記実施形態では、第１の種類の薄膜と第２の種類の薄膜との交互のスタックが形成され得る。他の実施形態では、処理領域１７０１は、ＡＬＤプロセスの第１の処理ガス混合物を提供するように構成され得、第２の処理領域１７０２は、ＡＬＤプロセスの第２の処理ガス混合物を提供するように構成され得る。幾つかの実施形態では、第２の処理領域１８０１は、第２の処理領域１８０２とは異なっていてよい。例えば、異なるプラズマ処理が、異なる第２の処理領域１８０１及び１８０２で実施され得る。
図１Ｂに、２つの第１の処理領域１７０１－２及び２つの第２の処理領域１８０１－２を示したが、任意の数の第１の処理領域１７０及び任意の数の第２の処理領域１８０を様々な実施形態に含め得ることを理解されたい。更に、膜を堆積させるための第１の処理領域１７０の数は、堆積された膜を処理するための第２の処理領域１８０の数とは異なり得る。
更に、第１の処理領域１７０及び第２の処理領域１８０は、図１Ａ及び図１Ｂにおいて単一の処理ツール１００に不可欠であるとして示したが、実施形態は上記構成に限定されないことを理解されたい。例えば、第１の処理領域１７０は、第２の処理領域１８０とは異なる処理ツールにあり得る。更に、第２の処理領域１８０がモジュール式高周波プラズマ源を含むと説明しているが、プラズマ支援堆積プロセス（例えば、ＰＥＣＶＤ又はＰＥＡＬＤ）が膜の堆積に使用される場合、第１の処理領域１７０もモジュール式高周波プラズマ源を含み得ることを理解されたい。
ここで、第２の処理領域１８０において膜を処理するために使用されるモジュール式高周波プラズマ源を示す一連の図を示す図２～図４を参照する。本明細書に記載の実施形態は、高周波プラズマ源モジュールのアレイを含むモジュール式高周波プラズマ源を含む。本明細書で使用する「高周波」は、高周波放射、超短波放射、極超短波放射、及びマイクロ波放射のうちの１又は複数を含む高周波電磁放射を指していてよい。「高周波」とは、０．１ＭＨｚ～３００ＧＨｚの周波数を指していてよい。一実施形態によれば、各高周波プラズマ源モジュールは、発振器モジュール、増幅モジュール、及びアプリケータを備える。一実施形態では、発振器モジュール及び増幅モジュールは、全て固体電子部品である電気部品を含む。
例えばマグネトロンの代わりに固体電子機器を使用すると、高周波プラズマ源のサイズと複雑さを大幅に削減できる。更に、固体部品を使用することで、高周波放射を処理チャンバに伝達するために必要なかさばる導波管を排除できる。代わりに、高周波放射が同軸ケーブルで伝達され得る。導波管を排除することにより、形成されるプラズマのサイズが導波管のサイズによって制限されない、大面積のモジュール式高周波プラズマ源の構築が可能になる。代わりに、高周波プラズマ源モジュールのアレイは、いかなる基板の形状にも一致するような任意に大きい（及び任意の形状の）プラズマの形成を可能にする所与のパターンで構築され得る。更に、アプリケータの断面形状は、アプリケータのアレイが可能な限り共に密に詰められ得るように（すなわち、最密充填アレイ）選択され得る。
高周波プラズマ源モジュールのアレイを使用することにより、各高周波プラズマ源モジュールの増幅モジュールの電力設定を独立して変更することで放射場及び／又はプラズマ密度を局所的に変更するという能力において、より高い柔軟性も得られる。これにより、ウエハエッジ効果の調整、進入ウエハの不均一性の調整、及び処理システム（例えば、幾つかの処理チャンバの回転ウエハの不均一な半径方向速度に対応するため）の設計を補正するために不均一性が必要な処理システムにおいてプラズマ密度を調整する能力等のプラズマ処理中の均一性の最適化が可能になる。
プラズマの調整可能性の向上に加えて、個々の高周波プラズマ源モジュールを使用すると、既存のＲＦプラズマ源で現在利用可能なものよりも高い電力密度が得られる。例えば、高周波プラズマ源モジュールは、典型的なＲＦプラズマ処理システムよりも約５倍以上大きい電力密度を可能にし得る。例えば、ＰＥＣＶＤプロセスへの一般的な電力は約３，０００Ｗであり、直径３００ｍｍのウエハに対して約４Ｗ／ｃｍ２の電力密度が得られる。対照的に、実施形態に係る高周波プラズマ源モジュールは、直径４ｃｍのアプリケータを備えた３００Ｗの電力増幅器を使用して、約１のアプリケータの充填密度で約２４Ｗ／ｃｍ２の電力密度を提供し得る。アプリケータの充填密度が１／３で、１０００Ｗの電力増幅器を使用すると、２７Ｗ／ｃｍ２の電力密度が得られる。アプリケータの充填密度が１で、１０００Ｗの電力増幅器を使用すると、８０Ｗ／ｃｍ２の電力密度が得られる。特定の実施形態では、高周波プラズマ源の電力密度は、約５Ｗ／ｃｍ２以上、約１０Ｗ／ｃｍ２以上、又は約２０Ｗ／ｃｍ２以上である。
高周波プラズマ（例えば、マイクロ波プラズマ）を製造するための通常のアプローチは、高周波エネルギーをプロセスガスに結合するための、単一の発振器モジュール及び単一の電極又はアプリケータの使用を伴う。しかしながら、複数の電極／アプリケータのそれぞれに電力を供給するために分割された単一の発振器モジュールを備えた複数の電極／アプリケータ構造を使用することには欠点がある。特に、単一の発振器モジュールによって生成された電磁放射は、各アプリケータによって放出された電磁放射が互いに同じ周波数及び固定位相になるため、干渉パターンが必然的に形成される。干渉パターンは極大値と極小値を生成し、その結果、放射場及び／又はプラズマが不均一になる。
したがって、実施形態は、各高周波放出モジュールがそれ自体の発振器モジュールを有する高周波放出モジュールのアレイを含む。複数の発振器モジュールが使用される場合、第１及び第２の発振器モジュールは同じ周波数になく、第１と第２の発振器モジュール間で制御された位相差を有さない可能性があるため、第１の発振器モジュールによって生成される電磁放射は、第２の発振器モジュールによって生成される電磁放射には干渉しない可能性がある。したがって、干渉パターンがないため、プラズマの均一性が向上する。
ここで、一実施形態に係る処理領域１８０を示す断面図である図２を参照する。幾つかの実施形態では、処理領域１８０は、プラズマで膜を処理するのに適した処理ツールであり得る。一般に、実施形態は、チャンバ２７８を含む処理領域１８０を含む。処理領域１８０において、チャンバ２７８は、真空チャンバであり得る。真空チャンバは、所望の真空を得るためにチャンバからガスを除去するためのポンプ（図示せず）を含み得る。追加の実施形態は、処理ガスをチャンバ２７８に提供するための１又は複数のガスライン２７１と、チャンバ２７８から副生成物を除去するための排気ライン２７２とを含むチャンバ２７８を含み得る。図示してないが、処理領域１８０は、処理ガスを基板２７４上に均一に分配するためのシャワーヘッドを含み得ることが理解されるべきである。
一実施形態では、基板２７４は、チャック２７６に支持され得る。例えば、チャック２７６は、静電チャック等の任意の適切なチャックであり得る。チャックはまた、処理中に基板２７４に温度制御を提供するための冷却ライン及び／又はヒータを含み得る。本明細書に記載の高周波放出モジュールのモジュール構成により、実施形態は、処理領域１８０が任意のサイズの基板２７４を収容することを可能にする。例えば、基板２７４は、半導体ウエハ（例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ、又はそれ以上）であり得る。代替の実施形態はまた、半導体ウエハ以外の基板２７４も含む。例えば、実施形態は、ガラス基板を処理するために（例えば、ディスプレイ技術のために）構成された処理領域１８０を含み得る。
一実施形態によれば、処理領域１８０は、モジュール式高周波プラズマ源２０４を含む。モジュール式高周波プラズマ源２０４は、高周波プラズマ源モジュール２０５のアレイを含み得る。一実施形態では、各高周波プラズマ源モジュール２０５は、発振器モジュール２０６、増幅モジュール２３０、及びアプリケータ２４２を含み得る。一実施形態では、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０は、固体電気部品である電気部品を含み得る。一実施形態では、複数の発振器モジュール２０６のそれぞれは、異なる増幅モジュール２３０に通信可能に結合され得る。幾つかの実施形態では、発振器モジュール２０６と増幅モジュール２３０との間に１：１の比率があり得る。例えば、各発振器モジュール２０６は、単一の増幅モジュール２３０に電気的に結合され得る。一実施形態では、複数の発振器モジュール２０６は、複数の周波数であり、制御された位相関係を有さない電磁放射を生成し得る。したがって、チャンバ２７８に誘導された電磁放射は、望ましくない干渉パターンをもたらすような方法で相互作用しないであろう。
一実施形態では、各発振器モジュール２０６は、増幅モジュール２３０に伝達される電磁放射を生成する。増幅モジュール２３０による処理後、電磁放射はアプリケータ２４２に伝達される。一実施形態によれば、アプリケータ２４２のアレイがチャンバ２７８に結合され、それぞれがチャンバ２７８に電磁放射を放出する。幾つかの実施形態では、アプリケータ２４２は、電磁放射をチャンバ２７８内の処理ガスに結合させて、プラズマを生成する。一実施形態では、各発振器モジュール２０６に結合された１又は複数のアプリケータ２４２があり得る。
ここで、一実施形態に係る、モジュール式高周波プラズマ源２０４の高周波プラズマ源モジュール２０５の電子機器を示す概略ブロック図である図３Ａを参照する。一実施形態では、各発振器モジュール２０６は、所望の周波数で高周波電磁放射を生成するために、電圧制御型発振器３２０に入力電圧を提供するための電圧制御回路３１０を含む。実施形態は、約１Ｖから１０Ｖ ＤＣの間の入力電圧を含み得る。電圧制御型発振器３２０は、発振周波数が入力電圧によって制御される電子発振器である。一実施形態によれば、電圧制御回路３１０からの入力電圧により、電圧制御型発振器３２０が所望の周波数で発振する。一実施形態では、高周波電磁放射は、約０．１ＭＨｚから３０ＭＨｚの間の周波数を有し得る。一実施形態では、高周波電磁放射は、約３０ＭＨｚから３００ＭＨｚの周波数を有し得る。一実施形態では、高周波電磁放射は、約３００ＭＨｚから１ＧＨｚの間の周波数を有し得る。一実施形態では、高周波電磁放射は、約１ＧＨｚから３００ＧＨｚの間の周波数を有し得る。一実施形態では、複数の発振器モジュール２０６のうちの１又は複数が、異なる周波数で電磁放射を放出し得る。
一実施形態によれば、電磁放射は、電圧制御型発振器２２０から増幅モジュール２３０に伝達される。増幅モジュール２３０は、それぞれ電源３３９に結合されたドライバ／プリアンプ３３４、及び主電力増幅器３３６を含み得る。一実施形態によれば、増幅モジュール２３０は、パルスモードで動作し得る。例えば、増幅モジュール１３０は、１％から９９％の間のデューティサイクルを有し得る。より具体的な実施形態では、増幅モジュール２３０は、約１５％から５０％の間のデューティサイクルを有し得る。
一実施形態では、電磁放射は、増幅モジュール２３０によって処理された後、アプリケータ２４２に伝達され得る。しかしながら、アプリケータ２４２に伝達された電力の一部は、出力インピーダンスの不一致のために反射して戻る可能性がある。したがって、幾つかの実施形態は、順方向電力３８３及び反射電力３８２のレベルが感知され、制御回路モジュール３２１にフィードバックされることを可能にする検出器モジュール３８１を含む。検出器モジュール３８１は、システムの１又は複数の異なる場所に配置され得ることを理解されたい。一実施形態では、制御回路モジュール３２１は、順方向電力３８３及び反射電力３９２を解釈し、発振器モジュール２０６に通信可能に結合される制御信号３８５のレベル及び増幅器モジュール２３０に通信可能に結合される制御信号３８６のレベルを決定する。一実施形態では、制御信号３８５は、発振器モジュール２０６を調整して、増幅モジュール２３０に結合された高周波放射を最適化する。一実施形態では、制御信号３８６は、増幅器モジュール２３０を調整して、アプリケータ２４２に結合された出力電力を最適化する。一実施形態では、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０のフィードバック制御は、反射電力のレベルが順方向電力の約５％未満であることを可能にし得る。幾つかの実施形態では、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０のフィードバック制御は、反射電力のレベルが順方向電力の約２％未満であることを可能にし得る。
したがって、実施形態は、処理チャンバ２７８に結合される順方向電力の割合を増加させて、プラズマに結合される利用可能な電力を増加させることができる。更に、フィードバック制御を使用したインピーダンス調整は、一般的なスロットプレートアンテナのインピーダンス調整よりも優れている。スロットプレートアンテナでは、インピーダンス調整に、アプリケータに形成された１又は複数のスラグの移動が伴う。これには、アプリケータの構成要素の機械運動が伴い、アプリケータの複雑さが増す。更に、機械運動は、電圧制御型発振器２２０によって提供され得る周波数の変化ほど正確ではない可能性がある。
ここで、一実施形態に係る、高周波プラズマ源モジュール２０５のアレイを備えたモジュール式高周波プラズマ源２０４の固体電子機器の一部を示す概略図である図３Ｂを参照する。図示した実施形態では、各高周波プラズマ源モジュール２０５は、異なる増幅モジュール２３０に通信可能に結合された発振器モジュール２０６を含む。増幅モジュール２３０のそれぞれは、異なるアプリケータ２４２に結合され得る。一実施形態では、制御回路３２１は、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０に通信可能に結合され得る。
図示した実施形態では、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０のそれぞれは、プリント基板（ＰＣＢ）等の単一の基板３９０に形成されている。しかしながら、発振器モジュール２０６及び増幅モジュール２３０は、２つ以上の異なる基板３９０に形成され得ることが理解されるべきである。図示した実施形態は、４つの高周波プラズマ源モジュール３０５を示すものである。しかしながら、モジュール式高周波プラズマ源２０４は、２つ以上の高周波プラズマ源モジュール２０５を含み得ることが理解されるべきである。例えば、モジュール式高周波放出源２０４は、２つ以上の高周波プラズマ源モジュール、５つ以上の高周波プラズマ源モジュール、１０以上の高周波プラズマ源モジュール、又は２５以上の高周波プラズマ源モジュールを含み得る。
ここで、一実施形態に係る、チャンバ２７８に結合されたアプリケータ２４２のアレイ４４０を備えた処理領域１８０の一部を示す図である図４を参照する。図示した実施形態では、アプリケータ２４２からの高周波電磁放射は、誘電体プレート４５０に近接して配置されることによってチャンバ２７８に結合される。アプリケータ２４２が誘電体プレート４５０に近接していることにより、アプリケータ２４２の誘電体共振空洞で共振する高周波放射が誘電体プレート４５０と結合し、次にそれがチャンバの処理ガスと結合してプラズマが生成され得る。一実施形態では、アプリケータ２４２は、誘電体プレート４５０と直接接触していてもよい。追加の実施形態では、マイクロ波放射が誘電体プレート４５０に伝達され得る限り、アプリケータ２４２を誘電体プレート４５０の表面から離間させることができる。追加の実施形態では、アプリケータ２４２は、誘電体プレート４５０の空洞に設置され得る。更に別の実施形態では、アプリケータ２４２は、誘電体プレート４５０を貫通していてよく、これにより、アプリケータ２４２がチャンバ２７８の内部に露出する。
一実施形態では、アプリケータ２４２は、任意の周波数の高周波電磁放射を放出するように構成された任意のアンテナ設計を含み得る。一実施形態では、アプリケータのアレイ４４０は、２つ以上のアプリケータ２４２の設計を含み得る。例えば、アプリケータ２４２のアレイ４４０は、第１の高周波放射を放出するための第１のアプリケータと、第１の高周波放射とは異なる第２の高周波放射を放出するための第２のアプリケータとを含み得る。
一実施形態によれば、アプリケータ４２のアレイ４４０は（例えば、保守のために、異なる寸法の基板を収容するためにアプリケータのアレイを再配置するために、又は他のいずれかの理由のために）、チャンバ２７８からの誘電体プレート４５０を除去する必要なく、誘電体プレート４５０から取り外し可能であり得る。したがって、アプリケータ２４２は、チャンバ２７８の真空を解放する必要なしに除去され得る。追加の実施形態によれば、誘電体プレート４５０はまた、ガス注入プレート又はシャワーヘッドとしても機能し得る。
ここで、一実施形態に係る、窒化ケイ素の高品質薄膜を形成するためのプロセス５５０のプロセスフロー図を示す図５を参照する。一実施形態では、プロセス５５０は、薄膜を堆積させるための少なくとも第１の処理領域１７０と、薄膜を調節するための第２の処理領域１８０とを含む、図１Ａ又は図１Ｂで上記の処理ツール１００等の処理ツールで実施され得る。一実施形態では、プロセス５５０はまた、２つ以上の異なる処理ツールで実施され得る。例えば、薄膜を堆積させるための第１の処理領域は、第１の処理ツールに配置され得、薄膜を調節するための第２の処理領域は、第２の処理ツールに配置され得る。他の実施形態では、プロセス５５０はまた、単一の処理領域で実施され得る。すなわち、薄膜を堆積させるための第１の処理領域は、薄膜を調節するための第２の処理領域と同じ処理領域であり得る。
一実施形態では、プロセス５５０は、第１の処理領域において基板に膜を堆積させることを含む工程５５１から開始され得る。一実施形態では、膜は、パターニングされた基板又はパターニングされていない基板上に堆積され得る。膜は、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、又はＰＥＡＬＤプロセスを用いて堆積され得る。特定の実施形態では、膜の堆積はまた、第１の処理領域における膜のインシトゥでの処理を含み得る。例えば、処理工程５５１は、副工程：１）膜を堆積させる；２）膜を第１のプラズマで処理する；及び３）膜をエッチングする、を含み得る。膜のエッチングでは、基板から膜が完全に除去されない場合がある。上記エッチング工程は、パターニングされた基板上の膜のステップカバレッジを改善するために実施され得る。一実施形態では、所望の厚さの膜を得るために、副工程１～３のうちの１又は複数が繰り返され得る。
一実施形態では、工程５５０は、次に、第２の処理領域においてモジュール式高周波プラズマ源によって誘導される第２のプラズマで窒化ケイ素膜を調節することを含む工程５５２を続き得る。一実施形態では、モジュール式高周波プラズマ源は、図２～図４に関して上記で説明したもの等のプラズマ源であり得る。一実施形態では、第２のプラズマは、工程５５１で堆積された膜を処理するために使用される第１のプラズマとは異なるプラズマであり得る。
一実施形態では、モジュール式高周波プラズマ源の使用により、膜の表面を処理するための高濃度の励起中性種を有する高密度プラズマが得られる。膜の高濃度の種を有する高密度プラズマは、膜のその後に堆積される層のための改善された結合表面を有する調節された膜を提供する。一実施形態では、高周波プラズマ源は、約５Ｗ／ｃｍ２以上の電力密度を有し得る。したがって、より緻密な膜を提供し得る。例えば、ＰＥＣＶＤ窒化ケイ素膜の場合、プラズマは、調節された表面に追加の窒素サイトを提供するために、高濃度の窒素を有し得る。一実施形態では、モジュール式高周波プラズマ源で誘導されるプラズマはまた、膜の水素濃度を低下させ得る。
一実施形態では、モジュール式高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマの使用により、膜の下にある下層を損傷することなく薄膜を処理することも可能になる。例えば、膜の厚さが１ｎｍ未満であっても、下層との負の相互作用が発生しない場合がある。特定の実施形態では、プラズマのシース電位が比較的低いため、下層は損傷を受けない。例えば、モジュール式高周波プラズマ源で誘導されるプラズマは、ＲＦプラズマのシース電位よりも一桁低いシース電位を有し得る。一実施形態では、モジュール式高周波プラズマで誘導されるプラズマのシース電位は、約１００Ｖ未満又は約２５Ｖ未満であり得る。特定の実施形態では、シース電位は約１０Ｖである。
一実施形態では、工程５５０は、所望の膜厚が得られたかどうかを決定することを含む工程５５３に続き得る。所望の膜厚に達していない場合、工程５５０は工程５５１にループバックし得、膜の第２の層が堆積され得る。所望の膜厚に達すると、工程５５０は、工程５５４でプロセスを終了することを含む工程５５３に続き得る。
図５において、プロセス５５０は、工程５５１及び５５２を順次実施して、所望の厚さの膜を提供するものとして示されている。しかしながら、プロセス５５０は、順次パターンで進行する必要はないことを理解されたい。例えば、工程５５１（すなわち、堆積プロセス）を、工程５５２（すなわち、処理プロセス）を実施する前に、複数回繰り返すことができる。更に、工程５５２を実施する前に、１又は複数の副工程１～３を任意の回数（順次又は他の任意の順序で）繰り返すことができる。他の実施形態では、工程５５２は、副工程１～３の間に実施され得る。
一実施形態では、工程５５１で堆積される膜は、窒化ケイ素薄膜であり得る。プロセス５５０を使用した窒化ケイ素薄膜の形成について、以下でより詳細に説明する。
一実施形態では、プロセス５５０は、シリコンを含む膜を基板に堆積させることを含む工程５５１から開始され得る。一実施形態では、シリコンを含む膜は、ＰＥＣＶＤプロセスを用いて堆積され得る。一実施形態では、ＰＥＣＶＤ堆積に適した第１の処理領域を使用して、シリコンを含む膜が堆積され得る。一実施形態では、アンモニア及び１又は複数のシリコン前駆体（例えば、ＳｉＨ４、トリシリルアミン（ＴＳＡ）等）を第１の処理領域に流している間に、５０Ｗから２．５０ｋＷの間のＲＦ電力がチャンバに供給され得る。一実施形態では、第１の処理領域は、１トルから５０トルの間に維持される圧力、及び３０℃から５００℃の間に維持されるヒータ温度を有し得る。幾つかの実施形態では、第１の処理領域に供給されるプラズマ電力は、１％から４０％の間のデューティサイクルで１ｋＨｚから２０ｋＨｚの間の周波数でパルス化される。上記堆積プロセスの時間は、膜の所望の厚さに応じて、０．０１秒から数百秒の範囲であり得る。一実施形態では、第１の処理領域は、堆積後に（例えば、Ｎ２で）パージされ、圧力が第１の処理領域内のベースに加わると残留生成物が脱着し得る。
一実施形態では、工程５５１は、窒化ケイ素膜を形成するために、０．０５トルから２５トルの間の圧力に維持された２０Ｗから２０００Ｗの間の電力でＮ２及びＨｅプラズマへの曝露を伴うインシトゥでのプラズマ処理を継続し得る。一実施形態では、パージ（例えば、Ｎ２による）は、プラズマ処理後に行われ得る。一実施形態では、第１の副工程（すなわち、シリコン前駆体による堆積）及び第２の副工程（すなわち、Ｎ２及びＨｅによるプラズマ処理）は、所望の膜厚を得るために任意の回数ループされ得る。
一実施形態では、工程５５１は、エッチングプロセスを含む第３の副工程を続いて行い得る。例えば、第３の副工程は、１又は複数のエッチングガス（例えば、ＮＦ３、Ｆ２、Ｃｌ２、ＣＦ４等）を伴うインシトゥでのパルスプラズマを含み得る。一実施形態では、エッチングガスプラズマへの電力は、１０Ｗから２５００Ｗであり得る。一実施形態では、Ｎ２のガス流量範囲は、１ｓｌｍから２０ｓｌｍであり得、エッチングガスのガス流量範囲は、０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間であり得る。一実施形態では、エッチング副工程の時間は、０秒から１２０秒の間であり得る。パルスＲＦ電力パラメータは、幾つかの実施形態では、１％から３０％のデューティサイクルの範囲であり得る。一実施形態では、上記ＲＦ電力のパルス周波数は、１ｋＨｚから３０ｋＨｚの範囲であり得る。一実施形態では、エッチング副工程を使用して、パターニングされた基板上に堆積された膜のステップカバレッジを改善することができる。
一実施形態では、プロセス５５０は、次に、第２の処理領域において高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマで膜を処理することを含む工程５５２に続き得る。一実施形態では、高周波プラズマは、窒素及び不活性緩衝ガス（例えば、アルゴン等）を含むガスから誘導され得る。一実施形態では、ガス流量は、０．０１ｓｃｃｍから５０ｓｃｃｍであり得る。一実施形態では、第２の処理領域は、０．０１トルから２５トルの間の圧力に維持され得る。一実施形態では、温度は２０℃から４００℃の間に維持され得る。一実施形態では、高周波プラズマ源のアプリケータと基板との間の距離は、１ｍｍから２５０ｍｍの間であり得る。一実施形態では、高周波プラズマ源は、約５Ｗ／ｃｍ２以上、約１０Ｗ／ｃｍ２以上、又は約２０Ｗ／ｃｍ２以上の電力密度を有し得る。一実施形態では、モジュール式高周波プラズマで誘導されるプラズマのシース電位は、約１００Ｖ未満又は約２５Ｖ未満であり得る。特定の実施形態では、シース電位は約１０Ｖである。
ここで、一実施形態に係る、上記のプロセス５５０等のプロセスを使用して窒化ケイ素の高品質薄膜が堆積される基板の一連の断面図を示す図６Ａ～図６Ｃを参照する。
ここで、一実施形態に係る、基板６７４の断面を示す図６Ａを参照する。図示した実施形態では、基板６７４は、パターニングされていない基板として示されている。しかしながら、基板６７４は、パターニングされた表面（例えば、トレンチ、ステップ等を含む）を含み得ることが理解されるべきである。一実施形態では、膜６６１は、基板６７４の表面上に堆積され得る。例えば、膜６６１は、上記の工程５５１と同様の工程で堆積され得る。特に、膜６６１は、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、又はＰＥＡＬＤプロセスを用いて堆積され得る。一実施形態では、膜６６１は薄膜であり得る。すなわち、膜６６１の厚さＴは、５０ｎｍ以下であり得る。一実施形態では、膜６６１の厚さＴは、１０ｎｍ以下であり得る。一実施形態では、膜６６１の厚さＴは、１ｎｍ以下であり得る。一実施形態では、膜６６１は窒化ケイ素であり得る。基板がパターニングされている実施形態では、膜６６１は、パターニングされた基板のトポグラフィに共形であり得る。
ここで、一実施形態に係る、モジュール式高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマで膜が処理された後の断面を示す図６Ｂを参照する。一実施形態では、プラズマ処理は、上記の工程５５２で実施される処理と実質的に同様であり得る。一実施形態では、処理された膜６６１は、調節された表面６６２を有し得る。例えば、窒化ケイ素膜の場合、調節された表面６６２は、その後に堆積される膜の層との結合に利用可能な窒素種の密度が増加している可能性がある。したがって、膜の密度が改善される。一実施形態では、調節された表面６６２はまた、水素濃度が低下していてもよい。図６Ｂでは、調節された表面６６２は、膜６６１の上面に実質的に近接して配置されているように示されている。しかしながら、膜６６１の任意の部分（膜６６１の全厚まで）は、プラズマ処理によって調節され得ることが理解されるべきである。
ここで、一実施形態に係る、第２の層６６３が膜６６１上に堆積された後の断面図を示す図６Ｃを参照する。一実施形態では、第２の層６６３は、膜６６１と同じ材料（例えば、窒化ケイ素）であり得る。一実施形態では、調節された表面６６２は、より高品質膜を得るために、膜６６１と第２の層６６３との間の結合を改善する。
ここで、一実施形態に係る、処理ツール１００の例示的なコンピュータシステム７６０を示すブロック図である図７を参照する。一実施形態では、コンピュータシステム７６０は、処理ツール１００に結合され、処理ツール１００の処理を制御する。コンピュータシステム７６０は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、イントラネット、エクストラネット、又はインターネットの他のマシンに接続（例えば、ネットワーク化）され得る。コンピュータシステム７６０は、クライアントサーバネットワーク環境ではサーバ又はクライアントマシンの能力で、又はピアツーピア（又は分散）ネットワーク環境ではピアマシンとして動作し得る。コンピュータシステム７６０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話、ｗｅｂアプライアンス、サーバ、ネットワークルータ、スイッチ、又はブリッジ、又はそのマシンによって実行されるアクションを指定する命令セット（シーケンシャル又はその他）を実行できる任意のマシンであり得る。更に、コンピュータシステム７６０については単一のマシンのみを示したが、「マシン」という用語はまた、本明細書に記載の方法論のいずれか１又は複数を実施するために、命令のセット（又は複数のセット）を個別に又は共同で実行するマシン（例えば、コンピュータ）の任意の集合を含むと解釈されなければならない。
コンピュータシステム７６０は、コンピュータシステム７６０（又は他の電子デバイス）をプログラムして実施形態に係るプロセス５５０等のプロセスを実施するために使用できる命令を格納した非一過性機械可読媒体を有するコンピュータプログラム製品又はソフトウェア７２２を含み得る。機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって読取り可能な形式で情報を格納又は送信するための任意の機構を含む。例えば、機械可読（例えば、コンピュータ可読）媒体は、機械（例えば、コンピュータ）可読記憶媒体（例えば、読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス等）、機械（例えば、コンピュータ）可読伝送媒体（電気、光学、音響、又は他の形態の伝播信号（例えば、赤外線信号、デジタル信号等））等を含む。
一実施形態では、コンピュータシステム７６０は、バス７３０を介して互いに通信する、システムプロセッサ７０２、メインメモリ７０４（例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）又はランバスＤＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）等のダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）等）、静的メモリ７０６（例えば、フラッシュメモリ、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）等）、及び二次メモリ７１８（例えば、データ記憶装置）を含む。
システムプロセッサ７０２は、マイクロシステムプロセッサ、中央処理装置等のような１又は複数の汎用処理デバイスを表す。より具体的には、システムプロセッサは、複雑命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）マイクロシステムプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）マイクロシステムプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロシステムプロセッサ、他の命令セットを実装するシステムプロセッサ、又は命令セットの組み合わせを実装するシステムプロセッサであり得る。システムプロセッサ７０２はまた、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号システムプロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークシステムプロセッサ等のような１又は複数の専用処理デバイスであり得る。システムプロセッサ７０２は、本明細書に記載の工程を実施するための処理ロジック７２６を実行するように構成される。
コンピュータシステム７６０は、他のデバイス又は機械と通信するためのシステムネットワークインターフェースデバイス７０８を更に含み得る。コンピュータシステム７６０はまた、ビデオディスプレイユニット７１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオードディスプレイ（ＬＥＤ）、又は陰極線管（ＣＲＴ））、英数字入力デバイス７１２（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス７１４（例えば、マウス）、及び信号生成デバイス７１６（例えば、スピーカ）も含み得る。
二次メモリ７１８は、本明細書に記載の方法論又は機能のいずれか１又は複数を具体化する１又は複数の命令セット（例えば、ソフトウェア７２２）が格納された、機械アクセス可能な記憶媒体７３１（又はより具体的にはコンピュータ可読記憶媒体）を含み得る。ソフトウェア７２２はまた、コンピュータシステム７６０によるソフトウェア７２２の実行中に、メインメモリ７０４内及び／又はシステムプロセッサ７０２内に完全に又は少なくとも部分的に存在し得、メインメモリ７０４及びシステムプロセッサ７０２もまた機械可読記憶媒体を構成する。ソフトウェア７２２は更に、システムネットワークインターフェースデバイス７０８を介してネットワーク７２０を介して送信又は受信され得る。
図示した機械アクセス可能な記憶媒体７３１は、例示的な実施形態では単一の媒体であるが、「機械可読記憶媒体」という用語は、１又は複数の命令セットを格納する単一の媒体又は複数の媒体（例えば、集中型又は分散型データベース、及び／又は関連するキャッシュとサーバ）を含むと解釈すべきである。「機械可読記憶媒体」という用語はまた、機械によって実行するための命令セットを格納又は符号化することができ、機械に任意の１又は複数の方法論を実施させる任意の媒体を含むとも解釈すべきである。したがって、「機械可読記憶媒体」という用語は、これらに限定されないが、固体メモリ、ならびに光学及び磁気媒体を含むと解釈されるべきである。
前述の明細書では、特定の例示的な実施形態が記載されている。以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることは明らかであろう。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で見なされるべきである。

Claims (15)

  1. 基板に膜を堆積させる方法であって、
    第１の処理領域において堆積プロセスを用いて前記基板の表面上に窒化ケイ素膜を形成することと、
    第２の処理領域において前記膜を処理することであって、前記膜を処理することが、モジュール式高周波プラズマ源によって誘導されるプラズマに前記膜を暴露することを含み、前記プラズマのシース電位は１００Ｖ未満であり、前記高周波プラズマ源の電力密度は約５Ｗ／ｃｍ２以上である、第２の処理領域において前記膜を処理することと
    を含む方法。
  2. 第１の堆積プロセスが、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、又はプラズマＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記堆積プロセスが、
    前記基板の表面に接触して、シリコンを含む膜を堆積させることと、
    シリコンを含む前記膜のインシトゥでのプラズマ処理を行うことであって、前記プラズマ処理が、前記窒化ケイ素膜を形成するための窒素及びヘリウムを含むプラズマを含む、シリコンを含む前記膜のインシトゥでのプラズマ処理を行うことと、
    パルスプラズマエッチングを行うことと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１の処理領域及び前記第２の処理領域が同じツールにある、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１の処理領域及び前記第２の処理領域が異なるツールにある、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１の処理領域において前記基板の表面上に前記窒化ケイ素膜を形成する工程と、第２の処理領域において前記窒化ケイ素膜を処理する工程とを所望の膜厚が得られるまで順次繰り返すこと
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記基板の表面上に前記窒化ケイ素膜を形成する各反復により、前記窒化ケイ素膜の厚さが約１ｎｍ未満増加する、請求項６に記載の方法。
  8. 前記所望の膜厚が５０ｎｍ以下である、請求項６に記載の方法。
  9. 前記基板がパターニングされた基板である、請求項１に記載の方法。
  10. 前記基板がパターニングされていない基板である、請求項１に記載の方法。
  11. 前記モジュール式高周波プラズマ源が、
    複数の高周波プラズマ源モジュールであって、各々が、
    発振器モジュールであって、
    電圧制御回路と、
    電圧制御型発振器と
    を含む発振器モジュールと、
    前記発振器モジュールに結合された増幅モジュールと、
    前記増幅モジュールに結合されたアプリケータと
    を含む、複数の高周波プラズマ源モジュール
    を備える、請求項１に記載の方法。
  12. 前記高周波が０．１ＭＨｚから３００ＧＨｚである、請求項１１に記載の方法。
  13. 高品質窒化ケイ素膜を形成する方法であって、
    （ａ）第１の処理領域においてプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて基板の表面上にシリコンを含む膜を堆積させることと、
    （ｂ）窒化ケイ素膜を形成するために、窒素及びヘリウムを含む第１のＲＦプラズマで、前記シリコンを含む膜のインシトゥでの処理を行うことと、
    （ｃ）フッ素、塩素、窒素、及び炭素のうちの１又は複数を含む第２のＲＦプラズマで、前記窒化ケイ素をエッチングすることと、
    （ｄ）前記窒化ケイ素膜を、モジュール式マイクロ波プラズマ源によって誘導されるマイクロ波プラズマで処理することと
    を含む方法。
  14. 前記工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）のうちの１又は複数が複数回繰り返される、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記工程（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）のうちの１又は複数は、前記工程（ｄ）が実施される前に複数回繰り返され得る、請求項１３に記載の方法。
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