JP2014507797A - ラジカル蒸気ｃｖｄ - Google Patents

Abstract

酸化ケイ素層を形成する方法が記述される。その方法は、プラズマ励起（ラジカル）蒸気を非励起シリコン前駆体と同時に結合することを含む。プラズマ励起経路を通して（例えば、蒸気にアンモニアを加えることによって）及び／又は窒素含有非励起シリコン前駆体を選択することによって、窒素を供給することができる。その方法の結果として、基板上にシリコン、酸素及び窒素を含む層が堆積される。その後、シリコン、酸素及び窒素を含む層の酸素含有量を増やして、窒素をほとんど、又は全く含まない場合がある酸化ケイ素層を形成する。酸素含有量の増加は、酸素含有雰囲気の存在下で層をアニールすることによってもたらすことができ、不活性環境内で温度を更に高めることによって、膜の密度を更に高めることができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１１年９月１９日に出願のＬｉ他による「ＲＡＤＩＣＡＬ ＳＴＥＡＭ ＣＶＤ」と題する米国特許出願第１３／２３６，３８８号のＰＣＴ出願であり、２０１１年１月７日に出願のＬｉ他による「ＲＡＤＩＣＡＬ ＳＴＥＡＭ ＣＶＤ」と題する米国仮特許出願第６１／４３０，６２０号の利益に関し、且つその利益を主張するものであり、これらの特許出願はともに、全ての目的を果たすためにそれらの全体が参照により本明細書に援用される。

半導体デバイス形状は、その導入以来、過去数十年にわたって、劇的にサイズが縮小してきた。最新の半導体製造装置は、４５ｎｍ、３２ｎｍ及び２８ｎｍの特徴サイズを有するデバイスを当たり前のように作製し、更に小さな形状を有するデバイスを形成するために、新たな装置が開発され、実現されつつある。特徴サイズが縮小することにより、結果として、デバイス上の構造的特徴部の空間寸法も縮小する。間隙の深さと間隙の幅とのアスペクト比が、誘電体材料で間隙を満たすのを難しくするほど十分に高くなる程度まで、デバイス上の間隙及びトレンチの幅が狭くなる。堆積する誘電体材料は、間隙を完全に充填する前に上部を塞ぐ傾向があり、それにより、間隙の中央に空所又は継ぎ目が生成される。

長年にわたって、誘電体材料が間隙の上部を塞ぐのを回避するために、又は形成された空所又は継ぎ目を「解消する」ために、数多くの技法が開発されてきた。１つの手法は、回転する基板表面に液相において塗布することができる流動性の高い前駆体材料から開始することであった（例えば、ＳＯＧ堆積技法）。これらの流動性前駆体は、非常に小さな基板間隙の中に流入し、空所又は脆い継ぎ目を形成することなく、その間隙を満たすことができる。しかしながら、これらの流動性の高い材料は、堆積されると、硬化して固体誘電体材料にされなければならない。

多くの場合に、硬化プロセスは、堆積された材料から炭素及びヒドロキシル基を除去し、酸化ケイ素のような固体誘電体を残すための熱処理を含む。残念なことに、脱離する炭素及びヒドロキシル化学種は多くの場合に硬化された誘電体内に小孔を残し、それらの小孔が最終的な材料の品質を低下させる。さらに、硬化する誘電体の体積は縮小する傾向もあり、それにより、誘電体と包囲する基板との界面に亀裂及び空間が残る可能性がある。場合によっては、硬化された誘電体の体積は４０％以上小さくなる可能性がある。

それゆえ、基板間隙及びトレンチ内に空所、継ぎ目、又はその両方を生成することなく、構造化された基板上に誘電体材料を形成する新たな堆積プロセス及び材料が必要とされている。また、体積の減少が小さい材料、及び流動性誘電体材料を硬化する方法も必要とされている。これらの要求及び他の要求が本出願において対処される。

酸化ケイ素層を形成する方法が記述される。その方法は、プラズマ励起（ラジカル）蒸気と非励起シリコン前駆体とを同時に結合することを含む。プラズマ励起経路を通して（例えば、蒸気にアンモニアを追加することによって）及び／又は窒素含有非励起シリコン前駆体を選択することによって窒素を供給することができる。その方法によれば、結果として、基板上にシリコン、酸素、及び窒素を含む層が堆積される。その後、シリコン、酸素、及び窒素を含む層の酸素含有量を増やして、窒素をほとんど、又は全く含まない場合がある酸化ケイ素層を形成する。酸素含有量の増加は、酸素含有雰囲気の存在下で層をアニールすることによってもたらすことができ、膜の密度は、不活性環境において温度を更に高くすることによって更に高めることができる。

本発明の実施形態は、基板処理チャンバ内の無プラズマ基板処理領域において基板上に酸化ケイ素層を形成する方法を含む。その方法は、酸素含有前駆体をプラズマ領域の中に流入させて、ラジカル酸素前駆体を生成することを含む。酸素含有前駆体はＨ_２Ｏを含む。その方法は、無プラズマ基板処理領域において、ラジカル酸素前駆体をシリコン含有前駆体と結合することを更に含む。シリコン含有前駆体は窒素を含む。その方法は、基板上にシリコン、酸素、及び窒素を含む層を堆積することを更に含む。

更なる実施形態及び特徴は、１つには、以下の説明において記述されており、更には、本明細書を検討すると当業者には明らかになる、又は本発明を実践することによって学習される場合もある。本発明の特徴及び利点は、明細書中に記述される手段、組合せ及び方法によって実現し、達成することができる。

本発明の特性及び利点の更なる理解は、本明細書の残りの部分及び図面を参照することによって達成することができ、ここでは幾つかの図面全体を通して、類似の構成要素を示すために類似の参照番号が用いられる。

本発明の実施形態による、酸化ケイ素膜を形成するための選択されたステップを示す流れ図である。 本発明の実施形態による、チャンバプラズマ領域を用いて酸化ケイ素膜を形成するための選択されたステップを示す別の流れ図である。 本発明の実施形態による基板処理システムを示す図である。 本発明の実施形態による基板処理チャンバを示す図である。 本発明の実施形態による基板処理チャンバのシャワーヘッドを示す図である。

酸化ケイ素層を形成する方法が記述される。その方法は、プラズマ励起（ラジカル）蒸気と非励起シリコン前駆体とを同時に結合することを含む。プラズマ励起経路を通して（例えば、蒸気にアンモニアを追加することによって）及び／又は窒素含有非励起シリコン前駆体を選択することによって窒素を供給することができる。その方法により結果として、基板上にシリコン、酸素及び窒素を含む層が堆積される。その後、シリコン、酸素及び窒素を含む層の酸素含有量を増やして、窒素をほとんど、又は全く含まない場合がある酸化ケイ素層を形成する。酸素含有量の増加は、酸素含有雰囲気の存在下で層をアニールすることによってもたらすことができ、膜の密度は、不活性環境において温度を更に高くすることによって更に高めることができる。

特許請求の範囲を真偽が定かでない仮説的な仕組みに結び付けることなく、幾つかの細部を検討することが有益であることがわかる場合がある。堆積基板を収容する無プラズマ領域内でラジカル窒素前駆体をシリコン及び窒素を含む前駆体と結合することによって、シリコン及び窒素を含む膜を形成することができる。この堆積方法の結果として相対的に開いた網状膜が生じ、それにより、シリコン、酸素及び窒素を含む膜を、オゾン内において低温で硬化処理し、その後、酸素含有雰囲気内で更に高い温度でアニールすることによって、この膜は酸化ケイ素に変換されることが可能になる。開いた網状構造によって、オゾンが膜内に、より深く侵入できるようになり、酸化物変換部を基板の方向に延びるようになる。ラジカル窒素成分は、水分（Ｈ_２Ｏ）のプラズマ廃水によって置き換えられてもよく、プラズマ廃水は、当初には流動性である膜を生成することもわかっている。Ｈ_２Ｏ（別名、蒸気）プラズマ廃水を使用する利点として、開示される実施形態では、膜堆積速度が速く、プラズマ電力が低いことがわかっている。蒸気プラズマ廃水は、本明細書においてラジカル酸素と呼ばれる場合もある。堆積されたままの膜内に酸素が存在すると、後続の処理中に膜を酸化ケイ素に変換するために開いた網状構造を通って流れなければならない酸素の量が減少する。ラジカル酸素への暴露は、酸素含有物を均質にし、屈折率を下げ、堆積速度を速めるための役割を果たすことができ、硬化処理ステップを削減できるか、更にはなくすことができるようになる可能性がある。

例示的な酸化ケイ素形成プロセス
図１は、本発明の実施形態による酸化ケイ素膜を形成する方法１００における選択されたステップを示す流れ図である。方法１００は、無プラズマ基板処理領域１０２にシリルアミン前駆体を与えることを含む。概して言うと、その前駆体は、数ある種類のシリコン前駆体の中でも、シリコン及び窒素を含む前駆体、シリコン及び水素を含む前駆体、又はシリコン、窒素及び水素を含む前駆体とすることができる。シリコン前駆体は無酸素及び／又は無炭素とすることができる。

シリルアミン前駆体の具体例は、数あるシリルアミンの中でも、Ｈ_２Ｎ（ＳｉＨ_３）（すなわち、ＭＳＡ）、ＨＮ（ＳｉＨ_３）_２（すなわち、ＤＳＡ）及びＮ（ＳｉＨ_３）_３（すなわち、ＴＳＡ）を含む。シリルアミン前駆体の流量は、種々の実施形態において、約２００ｓｃｃｍ以上、約３００ｓｃｃｍ以上、約５００ｓｃｃｍ以上、又は約７００ｓｃｃｍ以上とすることができる。本明細書において与えられる全ての流量は、デュアルチャンバ３００ｍｍ基板処理システムに当てはまる。シングルウエハシステムであれば、必要な流量は半分になり、他のウエハサイズであれば、必要とされる流量も処理されるエリアによって増減することになる。これらのシリルアミンは、キャリアガス、反応性ガス、又はその両方としての役割を果たすことができる付加的なガスと混合することができる。付加的なガスの例は、数ある中でも、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ及びＡｒを含む。無炭素シリコン前駆体の更なる例は、単独の、又は他のシリコン含有ガス（例えば、Ｎ（ＳｉＨ_３）_３）、水素（例えば、Ｈ_２）及び／又は窒素（例えば、Ｎ_２、ＮＨ_３）と混合されたシラン（ＳｉＨ_４）を含む。無炭素シリコン前駆体は、単独の、又は互いに組み合わせた、若しくは上記の無炭素シリコン前駆体と組み合わせた、ジシラン、トリシラン、更に高次のシラン及び塩素化シランも含むことができる。

プラズマ励起領域を通して蒸気を流すことによって生成されるラジカル酸素前駆体も無プラズマ基板処理領域１０６に与えられる。ラジカル酸素前駆体は、酸素ラジカル含有前駆体であり、より安定した酸素含有前駆体蒸気から、無プラズマ基板処理領域外で生成された。蒸気、Ｈ_２Ｏ及び水分は本明細書において交換可能に用いられることになる。蒸気の流量は、種々の実施形態において、約５０ｓｃｃｍ以上、約１００ｓｃｃｍ以上、約１５０ｓｃｃｍ以上、約２００ｓｃｃｍ以上又は約２５０ｓｃｃｍ以上とすることができる。蒸気の流量は、種々の実施形態において、約６００ｓｃｃｍ以下、約５００ｓｃｃｍ以下、約４００ｓｃｃｍ以下又は約３００ｓｃｃｍ以下とすることができる。開示される更なる実施形態によれば、蒸気の流量のための更なる範囲を形成するために、これらの上限のいずれかを下限のいずれかと組み合わせることができる。ラジカル酸素前駆体は、無プラズマ基板処理領域内に移送される。

ラジカル酸素前駆体を形成するために、処理チャンバ外のチャンバプラズマ領域又は遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）において、蒸気を相対的に安定した窒素添加剤と結合することができる。相対的に安定した窒素添加剤は、種々の実施形態において、ＮＨ_３＆Ｎ_２、ＮＨ_３＆Ｈ_２、ＮＨ_３＆Ｎ_２＆Ｈ_２及びＮ_２＆Ｈ_２を含む混合物とすることもできる。Ｎ_２及びＨ_２との混合物においてＮＨ_３の代わりに、又はそれと組み合わせてヒドラジンを用いることもできる。蒸気は、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＯ、ＮＯ_２及びＮ_２Ｏを含む他の安定した酸素含有前駆体化合物を伴う場合があり、それらの前駆体化合物も、ラジカル酸素前駆体を形成するために、処理チャンバ外のチャンバプラズマ領域又は遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）において活性化される。

基板処理領域において、ラジカル酸素前駆体の流れがシリルアミン（又は上記のような別のシリコン前駆体）と混合し、それらが反応して、堆積基板１０８の上にシリコン、酸素及び窒素を含む膜を堆積する。シリルアミンは、プラズマによって、励起されたと認められるほどまで励起されていない。堆積されたシリコン、酸素及び窒素を含む膜は、低い堆積速度の場合に共形的に堆積することができる。他の実施形態では、堆積されたシリコン、酸素及び窒素を含む膜は、従来の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜堆積技法とは異なる流動性を有する。形成物の流動性によって、膜は、基板の堆積表面上の狭い間隙、トレンチ及び他の構造の中に流れ込むことができるようになる。複数の実施形態において、シリコン、酸素及び窒素を含む膜は、堆積後に、最初に流動可能であり、これは相対的に低い基板温度においても当てはまる場合がある。シリコン、酸素及び窒素を含む膜は、本発明の実施形態では、約２００℃、１５０℃、１００℃以下において、更には５０℃以下において流動可能である。

流動性は、ラジカル前駆体とシリコン前駆体とを混合することから生じる種々の特性に起因する場合がある。これらの特性は、堆積された膜内の著しい水素成分、及び／又は短鎖ポリシラザンポリマーの存在を含むことができる。これらの短鎖は成長し、網状化して、膜の形成中及び形成後に、より高密度の誘電体材料を形成する。例えば、堆積された膜は、シラザンタイプのＳｉ−ＮＨ−Ｓｉバックボーン（すなわち、Ｓｉ−Ｎ−Ｈ膜）を有することができる。シリコン前駆体及びラジカル前駆体が無炭素である実施形態では、堆積されたシリコン、酸素及び窒素を含む膜も実質的に無炭素である。当然、「無炭素」は、極微量の炭素さえ存在しないことを必ずしも意味しない。前駆体材料内に炭素汚染物が存在する場合もあり、堆積されたシリコン、酸素及び窒素を含む膜内に入り込む。しかしながら、これらの炭素不純物の量は炭素成分を有するシリコン前駆体（例えば、ＴＥＯＳ、ＴＭＤＳＯ等）において見られることになる量よりもはるかに少ない。

シリコン、酸素及び窒素を含む膜の堆積後に、酸素含有雰囲気１１０内で堆積基板をアニールすることができる。堆積基板は、酸素含有雰囲気が導入されるときに、硬化処理のために用いられた同じ基板処理領域内にとどまることができるか、又は酸素含有雰囲気が導入される異なるチャンバに移送される場合がある。酸素含有雰囲気は、数ある酸素含有ガスの中でも、分子酸素（Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）、蒸気（Ｈ_２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_２等）のような１つ又は複数の酸素含有ガスを含むことができる。酸素含有雰囲気は、離れた場所で生成され、基板チャンバに輸送することができる、原子酸素（Ｏ）、水酸化物（ＯＨ）等のラジカル酸素及びヒドロキシル化学種も含むことができる。酸素含有化学種のイオンも存在する場合がある。基板の酸素アニール温度は、種々の実施形態において、約１１００℃以下、約１０００℃以下、約９００℃以下又は約８００℃以下とすることができる。基板の温度は、種々の実施形態において、約５００℃以上、約６００℃以上、約７００℃以上又は約８００℃以上とすることができる。再び、開示される更なる実施形態によれば、基板温度のための更なる範囲を形成するために、これらの上限のいずれかを下限のいずれかと組み合わせることができる。

酸素アニール中に基板処理領域内にプラズマは存在する場合も、存在しない場合もある。ＣＶＤチャンバに入る酸素含有ガスは、基板処理領域に入る前に活性化（例えば、ラジカル化、イオン化等）された１つ又は複数の化合物を含むことができる。例えば、酸素含有ガスは、遠隔プラズマ源を通して、又はシャワーヘッドによって基板処理領域から分離されたチャンバプラズマ領域を通して、より安定した前駆体化合物を暴露することによって活性化された、ラジカル酸素化学種、ラジカルヒドロキシル化学種等を含むことができる。より安定した前駆体は、ヒドロキシル（ＯＨ）ラジカル及びイオンを生成する蒸気及び過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、並びに原子酸素（Ｏ）ラジカル及びイオンを生成する分子酸素及び／又はオゾンを含むことができる。

シリコン、酸素及び窒素を含む膜内に著しい酸素含有量が既に存在していれば、硬化処理動作は不要にすることができる。しかしながら、所望により、アニール動作前に、硬化処理動作が導入されることになる。硬化処理中、堆積基板は、硬化処理のための基板処理領域内にとどまることができるか、又はオゾン含有雰囲気が導入された異なるチャンバに移送される場合がある。基板の硬化処理温度は、種々の実施形態において、約４００℃以下、約３００℃以下、約２５０℃以下、約２００℃以下又は約１５０℃以下とすることができる。基板の温度は、種々の実施形態において、室温以上、約５０℃以上、約１００℃以上、約１５０℃以上、又は約２００℃以上とすることができる。開示される更なる実施形態によれば、基板温度のための更なる範囲を形成するために、これらの上限のいずれかを下限のいずれかと組み合わせることができる。複数の実施形態において、表面付近の網状構造を塞ぐ場合がある原子酸素を生成するのを防ぐために、かつ表面下酸化を阻止するために、基板処理領域内にプラズマは存在しない。硬化処理ステップ中の基板処理領域へのオゾンの流量は、約２００ｓｃｃｍ以上、約３００ｓｃｃｍ以上、又は約５００ｓｃｃｍ以上とすることができる。硬化処理ステップ中のオゾンの分圧は、約１０Ｔｏｒｒ以上、約２０Ｔｏｒｒ以上、又は約４０Ｔｏｒｒ以上とすることができる。幾つかの条件下（例えば、約１００℃から約２００℃の基板温度）において、変換は実質的に完全であることがわかっているので、複数の実施形態において、酸素含有環境内の相対的に高い温度でのアニールは不要とすることができる。

硬化処理及び酸素アニールの両方の酸素含有雰囲気は酸素を与え、シリコン、酸素及び窒素を含む膜を酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜に変換する。先に言及されたように、幾つかの実施形態では、シリコン、酸素及び窒素を含む膜内に炭素がない結果として、最終的な酸化ケイ素膜内に形成される小孔が著しく少なくなる。また、結果として、酸化ケイ素への変換中の膜の体積減少（すなわち、収縮）も小さくなる。例えば、炭素含有シリコン前駆体から形成されたシリコン、窒素、炭素の層が、酸化ケイ素に変換されるときに４０体積％収縮する可能性がある場合、実質的に炭素のないシリコン、酸素及び窒素を含む膜は約１５体積％以下、収縮する場合がある。

ここで図２を参照すると、本発明の実施形態による、基板間隙（トレンチ）内に酸化ケイ素膜を形成するための方法２００の選択されたステップを示す別の流れ図が示される。方法２００は、間隙を含む基板を基板処理領域の中に移送することを含む（動作２０２）。基板は、基板上に形成されるデバイス構成要素（例えば、トランジスタ）の間隔及び構造のための複数の間隙を有する場合がある。その間隙は、高さ及び幅を有することができ、それらの高さ及び幅は高さと幅とのアスペクト比（ＡＲ）（すなわち、Ｈ／Ｗ）を定義し、アスペクト比は１：１より著しく大きい（例えば、５：１以上、６：１以上、７：１以上、８：１以上、９：１以上、１０：１以上、１１：１以上、１２：１以上等）。多くの場合に、高いＡＲは、約９０ｎｍから約２２ｎｍ以下（例えば、約９０ｎｍ、６５ｎｍ、４５ｎｍ、３２ｎｍ、２２ｎｍ、１６ｎｍ等）の範囲内にある小さな間隙幅に起因する。

安定した窒素前駆体（アンモニア）及び安定した酸素前駆体（Ｈ_２Ｏ）をチャンバプラズマ領域の中に同時に流入させることによって、本明細書においてラジカル酸素前駆体と呼ばれるものを形成する（動作２０４）。プラズマによって著しく励起されていない無炭素シリコン前駆体が、無プラズマ基板処理領域においてラジカル酸素前駆体と混合される（動作２０６）。流動性シリコン、酸素及び窒素を含む層が基板上に堆積される（動作２０８）。その層は流動性であるので、高いアスペクト比であるにもかかわらず、空所を生み出すことなく、又は充填材料の中心の周囲に脆い継ぎ目を生み出すことなく、間隙（別名、トレンチ）を充填することができる。例えば、堆積する流動性材料は、完全に充填される前に間隙の上部を早期に塞いで、間隙の中央に空所を残す可能性は小さい。

その後、堆積されたままのシリコン、酸素及び窒素を含む層を酸素含有雰囲気内でアニールして（例えば、７５０℃）、シリコン、酸素及び窒素を含む層を酸化ケイ素に移行させることができる（動作２１０）。この動作のための温度及び他のプロセスパラメータ並びに図２の他のパラメータは、図１の説明中に記載されたのと同じ上限及び／又は下限を有する。酸化ケイ素層の密度を高めるために、不活性雰囲気内で更に高い基板温度において更なるアニール（図示せず）を実行することができる。再び、酸化ケイ素への変換を助長するために、硬化処理ステップが行われる場合があり、そのステップは、膜の形成（動作２０６）とアニール動作２１０との間に行われることになる。

例示的な酸化ケイ素堆積システム
本発明の実施形態を実施することができる堆積チャンバは、数ある他のタイプのチャンバの中でも、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰ−ＣＶＤ）チャンバ、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ、準常圧化学気相堆積（ＳＡＣＶＤ）チャンバ、熱化学気相堆積チャンバを含むことができる。本発明の実施形態を実施することができるＣＶＤシステムの具体例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されるＣＥＮＴＵＲＡ ＵＬＴＩＭＡ（登録商標）ＨＤＰ−ＣＶＤチャンバ／システム及びＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＰＥＣＶＤチャンバ／システムを含む。

本発明の例示的な方法とともに用いることができる基板処理チャンバの例は、２００６年５月３０日に出願された「ＰＲＯＣＥＳＳ ＣＨＡＭＢＥＲ ＦＯＲ ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ ＧＡＰＦＩＬＬ」と題する、同じ譲受人に譲渡されたＬｕｂｏｍｉｒｓｋｙ他による米国仮特許出願第６０／８０３，４９９号において図示及び記述されるチャンバを含むことができ、その内容全体が全ての目的のために参照により本明細書に援用される。更なる例示的なシステムは、同じく全ての目的のために参照により本明細書に援用される米国特許第６，３８７，２０７号及び第６，８３０，６２４号において図示及び記述されるチャンバを含むことができる。

堆積システムの実施形態は、集積回路チップを作製するための更に大型の製造システム内に組み込むことができる。図３は、開示される実施形態による、堆積チャンバ、加熱乾燥チャンバ及び硬化処理チャンバからなる１つのそのようなシステム３００を示す。図において、一対のＦＯＵＰ（前方開口型統一ポッド）３０２が基板（例えば、３００ｍｍ径ウエハ）を供給し、その基板はロボットアーム３０４によって受け取られ、低圧保持エリア３０６に入れられ、その後、ウエハ処理チャンバ３０８ａ〜ｆに入れられる。第２のロボットアーム３１０を用いて、基板ウエハを保持エリア３０６から処理チャンバ３０８ａ〜ｆに移送し、戻すことができる。

処理チャンバ３０８ａ〜ｆは、基板ウエハ上に流動性誘電体膜を堆積し、アニールし、硬化処理させ、及び／又はエッチングするための１つ又は複数の構成要素を含むことができる。１つの構成では、２つの処理チャンバ対（例えば、３０８ｃ〜ｄ及び３０８ｅ〜ｆ）を用いて、基板上に流動性誘電体材料を堆積し、第３の処理チャンバ対（例えば、３０８ａ〜ｂ）を用いて、堆積された誘電体をアニールすることができる。別の構成では、同じ２つの処理チャンバ対（例えば、３０８ｃ〜ｄ及び３０８ｅ〜ｆ）を、基板上に流動性誘電体膜を堆積し、かつアニールするように構成することができ、一方、第３の処理チャンバ対（例えば、３０８ａ〜ｂ）は、堆積された膜のＵＶ又はＥビーム硬化処理のために用いることができる。更に別の構成では、３つ全てのチャンバ対（例えば、３０８ａ〜ｆ）を、基板上に流動性誘電体膜を堆積し、硬化処理させるように構成することができる。更に別の構成では、２つの処理チャンバ対（例えば、３０８ｃ〜ｄ及び３０８ｅ〜ｆ）を、流動性誘電体の堆積及びＵＶ又はＥビーム硬化処理の両方のために用いることができ、一方、第３の処理チャンバ対（例えば、３０８ａ〜ｂ）は、誘電体膜をアニールするために用いることができる。異なる実施形態では、図示される製造システムから分離されたチャンバ上で、上記の処理のうちのいずれか１つ又は複数を実行することができる。

さらに、処理チャンバ３０８ａ〜ｆの１つ又は複数を湿式処理チャンバとして構成することができる。これらの処理チャンバは、水分を含む雰囲気内で流動性誘電体膜を加熱することを含む。したがって、システム３００の実施形態は湿式処理チャンバ３０８ａ〜ｂ及びアニール処理チャンバ３０８ｃ〜ｄを含み、堆積された誘電体膜において湿式及び乾式両方のアニールを実行することができる。

図４Ａは、開示される実施形態による基板処理チャンバ４００である。遠隔プラズマシステム（ＰＲＳ）４１０は、後にガス入り口アセンブリ４１１を通って進むガスを処理することができる。ガス入り口アセンブリ４１１内に２つの異なるガス供給チャネルが見える。第１のチャネル４１２は遠隔プラズマシステムＲＰＳ４１０を通り抜けるガスを搬送し、一方、第２のチャネル４１３はＲＰＳ４００を迂回する。開示される実施形態では、第１のチャネル４０２はプロセスガスのために用いることができ、第２のチャネル４１３は処理ガスのために用いることができる。蓋（又は導電性上部）４２１及び有孔仕切り４５３が、その間にある絶縁性リングとともに示されており、絶縁性リングによって、有孔仕切り４５３に対して、蓋４２１にＡＣ電位をかけることができるようになる。プロセスガスは、第１のチャネル４１２を通ってチャンバプラズマ領域４２０の中に進み、チャンバプラズマ領域４２０だけで、又はＲＰＳ４１０と組み合わせて、プラズマによって励起することができる。チャンバプラズマ領域４２０及びＲＰＳ４１０の組合せは本明細書において遠隔プラズマシステムと呼ばれる場合がある。有孔仕切り（シャワーヘッドとも呼ばれる）４５３は、チャンバプラズマ領域４２０を、シャワーヘッド４５３下方の基板処理領域４７０から分離する。シャワーヘッド４５３によって、励起された化学種がチャンバプラズマ領域４２０から基板処理領域４７０の中に依然として進むことができるようにしながら、チャンバプラズマ領域４２０内に存在するプラズマが基板処理領域４７０内のガスを直接励起するのを回避できるようにする。

シャワーヘッド４５３は、チャンバプラズマ領域４２０と基板処理領域４７０との間に配置され、チャンバプラズマ領域４２０内で生成されたプラズマ廃水（前駆体又は他のガスの励起された誘導体）が、板の厚みを横断する複数の貫通孔４５６を通り抜けることができるようにする。シャワーヘッド４５３は１つ又は複数の中空容積部４５１も有し、中空容積部は蒸気又はガス（シリコン含有前駆体）の形の前駆体で充填することができ、小さな孔４５５を通り抜けて基板処理領域４７０に入ることができるが、チャンバプラズマ領域４２０には直接入ることができない。シャワーヘッド４５３は、この開示される実施形態では、貫通孔４５６の最も小さな直径４５０の長さよりも厚い。チャンバプラズマ領域４２０から基板処理領域４７０に浸透する励起された化学種の高い濃度を保持するために、シャワーヘッド４５３の途中で貫通孔４５６のより大きな直径部分を形成することによって、貫通孔の最も小さな直径４５０の長さ４２６を制限することができる。貫通孔４５６の最も小さな直径４５０の長さは、開示される実施形態では、貫通孔４５６の最も小さな直径と同じ桁に、又はそれ未満にすることができる。

図示される実施形態では、シャワーヘッド４５３は、チャンバプラズマ領域４２０内のプラズマによる励起時に、酸素、水素及び／又は窒素を含むプロセスガス、及び／又はそのようなプロセスガスのプラズマ廃水を（貫通孔４５６を介して）分配することができる。複数の実施形態において、ＲＰＳ４１０の中に、及び／又は第１のチャネル４１２を通ってチャンバプラズマ領域４２０の中に導入されるプロセスガスは、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３及びＮ_２Ｈ_４のうちの１つ又は複数を含むことができる。プロセスガスはヘリウム、アルゴン、窒素（Ｎ_２）等のキャリアガスを含むこともできる。水（別名、水分、蒸気又はＨ_２Ｏ）を、酸素（Ｏ_２）又はオゾン（Ｏ_３）のような他の酸素源と組み合わせて、第２のチャネル４１３を通して供給し、本明細書において示されるように、シリコン、酸素及び窒素を含む膜を成長させることができる。代替的には、酸素含有ガス、並びに窒素及び水素を含むガスを組み合わせることができ、両方が第１のチャネル４１２又は第２のチャネル４１３を通って流れることができる。第２のチャネル４１３は、キャリアガス、及び／又は成長しつつある膜又は堆積されたままの膜から望ましくない成分を除去するために用いられる膜硬化処理ガスも供給することができる。プラズマ廃水は、プロセスガスのイオン化誘導体又は中性誘導体を含むことができ、導入されるプロセスガスの原子成分を引き合いに出して、本明細書においてラジカル酸素前駆体及び／又はラジカル窒素前駆体と呼ばれる場合もある。

複数の実施形態において、貫通孔４５６の数は約６０個から約２０００個の間とすることができる。貫通孔４５６は、種々の形状を有することができるが、円形として最も容易に形成される。貫通孔４５６の最も小さな直径４５０は、開示される実施形態では、約０．５ｍｍから約２０ｍｍの間、又は約１ｍｍから約６ｍｍの間である。貫通孔の断面形状を選択する際に自由度もあり、円錐形、円柱形又は２つの形状の組合せにすることができる。異なる実施形態では、ガスを基板処理領域４７０に導入するために用いられる小孔４５５の数は、約１００個から約５０００個の間、又は約５００個から約２０００個の間とすることができる。小孔４５５の直径は約０．１ｍｍから約２ｍｍの間とすることができる。

図４Ｂは、開示される実施形態による、処理チャンバとともに用いるためのシャワーヘッド４５３の底面図である。シャワーヘッド４５３は、図４Ａに示されるシャワーヘッドに対応する。貫通孔４５６が示されており、シャワーヘッド４５３の底面において内径（ＩＤ）が大きく、上面ではＩＤは小さい。小孔４５５は、シャワーヘッドの表面にわたって実質的に均等に分散配置され、更には貫通孔４５６の間にも分散配置され、それにより、本明細書において示される他の実施形態よりも均一な混合を与えるのを助ける。

シャワーヘッド４５３内の貫通孔４５６を通って到達するプラズマ廃水が、中空の容積部４５１から生じる小孔４５５を通って到達するシリコン含有前駆体と結合するとき、基板処理領域４７０内のペデスタル（図示せず）によって支持される基板上に例示的な膜が生成される。基板処理領域４７０は硬化処理などの他のプロセスのためのプラズマに対応する設備を有することができるが、例示的な膜の成長中にプラズマは存在しない。

シャワーヘッド４５３上方のチャンバプラズマ領域４２０内で、又はシャワーヘッド４５３下方の基板処理領域４７０内でプラズマを点火することができる。チャンバプラズマ領域４２０内にプラズマが存在し、水分の流入からラジカル酸素前駆体を生成する。通常高周波（ＲＦ）範囲内のＡＣ電圧が、処理チャンバの導電性上部４２１とシャワーヘッド４５３との間に印加され、堆積中のチャンバプラズマ領域４２０内のプラズマを点火する。ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚの高いＲＦ周波数を生成するが、単独で、又は１３．５６ＭＨｚ周波数と組み合わせて他の周波数を生成することもできる。

基板処理領域４７０内の底部プラズマがオンに切り替えられ、膜を硬化処理させるか、又は基板処理領域４７０に隣接する内面を洗浄するときに、上部プラズマは低電力又は無電力のままにすることができる。基板処理領域４７０内のプラズマは、シャワーヘッド４５３と、ペデスタル又はチャンバの底部との間にＡＣ電圧を印加することによって点火される。プラズマが存在する間に、基板処理領域４７０内に洗浄ガスを導入することができる。

ペデスタルは、基板の温度を制御するためにそこを通って熱交換流体が流れる熱交換チャネルを有することができる。この構成によれば、基板温度を冷却又は加熱して、相対的に低い温度を保持できるようになる（室温から約１２０℃）。熱交換流体は、エチレングリコール及び水を含むことができる。相対的に高い温度（約１２０℃から約１１００℃まで）を達成するために、平行な同心円の形で完全に２巻きするように構成される埋込単一ループ埋込ヒータ素子を用いて、ペデスタルのウエハ支持円板（アルミニウム、セラミック、又はその組合せであることが好ましい）を抵抗加熱することもできる。ヒータ素子の外側部分は支持円板の周辺に隣接して延在することができ、一方、内側部分は、小さな径を有する同心円の経路上に延在する。ヒータ素子への配線は、ペデスタルの心棒を通り抜ける。

基板処理システムはシステムコントローラによって制御される。例示的な実施形態では、システムコントローラはハードディスクドライブ、フロッピィディスクドライブ、及びプロセッサを含む。プロセッサはシングルボードコンピュータ（ＳＢＣ）、アナログ及びデジタル入力／出力ボード、インターフェースボード及びステッパモータコントローラボードを含む。ＣＶＤシステムの種々の部品は、ボード、カードケージ、並びにコネクタ寸法及びタイプを規定するバーサ・モジュラ・ヨーロッパ（ＶＭＥ：Ｖｅｒｓａ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｅｕｒｏｐｅａｎ）標準規格に適合する。また、ＶＭＥ標準規格は、１６ビットデータバス及び２４ビットアドレスバスを有するようにバス構造を規定する。

システムコントローラは、ＣＶＤ装置の動作の全てを制御する。システムコントローラは、システム制御ソフトウェアを実行し、そのソフトウェアはコンピュータ可読媒体に記憶されるコンピュータプログラムである。好ましくは、その媒体はハードディスクドライブであるが、媒体は他の種類のメモリとすることもできる。コンピュータプログラムは、タイミング、ガスの混合物、チャンバ圧、チャンバ温度、ＲＦ電力レベル、サセプタ位置、及び特定のプロセスの他のパラメータを指示する命令セットを含む。例えば、フロッピーディスク又は他の適切なドライブを含む、他のメモリデバイス上に記憶される他のコンピュータプログラムを用いて、システムコントローラに指示することもできる。

システムコントローラによって実行されるコンピュータプログラム製品を用いて、チャンバを基板上に膜スタックを堆積するためのプロセス又はチャンバを洗浄するためのプロセスを実施することができる。コンピュータプログラムコードは、任意の従来のコンピュータ可読プログラミング言語：例えば、６８０００アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、パスカル、フォートラン等において書くことができる。従来のテキストエディタを用いて、単一のファイル又は複数のファイルに適切なプログラムコードが入力され、コンピュータのメモリシステムのような、コンピュータ使用可能媒体内に記憶されるか、又は実装される。入力されたコードテキストが高級言語である場合には、そのコードはコンパイルされ、結果として生成されたコンパイラコードが、その後、予めコンパイル済みのＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ライブラリルーチンのオブジェクトコードとリンクされる。リンクされたコンパイル済みオブジェクトコードを実行するために、システムユーザはオブジェクトコードを呼び出し、それにより、コンピュータシステムが、そのコードをメモリにロードする。その後、ＣＰＵがそのコードを読み出し、実行して、プログラム内で特定されたタスクを実行する。

ユーザとコントローラとの間のインターフェースは、フラットパネルタッチセンシティブモニタによる。好ましい実施形態では、２つのモニタが用いられ、一方は作業者のためにクリーンルーム壁に取り付けられ、他方はサービス技術者のために壁の背面に取り付けられる。２つのモニタが同じ情報を同時に表示することができ、その場合でも、或る時点において一方のみが入力を受け取る。特定の画面又は機能を選択するために、作業者はタッチセンシティブモニタの指定されたエリアに触れる。触れられたエリアはそのハイライトされた色を変更するか、又は新たなメニュー又は画面が表示され、作業者とタッチセンシティブモニタとの間の通信を確認する。ユーザがシステムコントローラと通信できるようにするために、タッチセンシティブモニタの代わりに、又はそれ加えて、キーボード、マウス又は他のポインティング若しくは通信デバイスのような他のデバイスを用いることもできる。

チャンバプラズマ領域又はＲＰＳ内の領域は、遠隔プラズマ領域と呼ばれる場合もある。複数の実施形態において、遠隔プラズマ領域内でラジカル前駆体（例えば、ラジカル窒素前駆体）が生成され、基板処理領域の中に進み、そこで、無炭素シリコン含有前駆体がラジカル前駆体によって励起される。複数の実施形態において、無炭素シリコン含有前駆体は、ラジカル前駆体によってのみ励起される。複数の実施形態において、プラズマ電力は基本的には遠隔プラズマ領域にのみ加えられ、ラジカル前駆体が無炭素シリコン含有前駆体に主要な励起を与えるのを確実にすることができる。

チャンバプラズマ領域を利用する複数の実施形態において、堆積領域から仕切られた基板処理領域の部分において励起されたプラズマ廃水が生成される。堆積領域は、本明細書において基板処理領域としても知られており、プラズマ廃水が無炭素シリコン含有前駆体と混合し、反応して、堆積基板（例えば、半導体ウエハ）上にシリコン、酸素及び窒素の層を堆積する場所である。励起されたプラズマ廃水は、不活性ガス（この例示的場合には、アルゴン）を伴う場合もある。複数の実施形態において、無炭素シリコン含有前駆体は、基板プラズマ領域に入る前にプラズマの中を通り抜けない。基板処理領域は、本明細書において、シリコン、酸素及び窒素を含む層の成長中に「無プラズマ」であると説明される場合がある。「無プラズマ」は、その領域にプラズマがないことを必ずしも意味しない。プラズマ領域内で生成されるイオン化された化学種及び自由電子は仕切り（シャワーヘッド）内の孔（開口部）を通って進むが、プラズマ領域に加えられるプラズマ電力によって、無炭素シリコン含有前駆体はほとんど励起されない。チャンバプラズマ領域内のプラズマの境界は画定するのが難しく、シャワーヘッド内の開口部を通って基板処理領域上に侵入する場合がある。誘導結合プラズマの場合、基板処理領域内で直接、少量のイオン化がもたらされる場合がある。更に、形成しつつある膜の所望の特徴を失うことなく、基板処理領域内に低量のプラズマが生成される場合がある。励起されたプラズマ廃水の生成中に、プラズマがチャンバプラズマ領域（又は更に言うと、遠隔プラズマ領域）よりもはるかに低い強度のイオン密度を有する全ての原因は、本明細書において用いられるような「無プラズマ」の範囲から逸脱しない。

本明細書において用いられるときに、「基板」は、その上に層が形成されるにしても、形成されないにしても、支持基板とすることができる。支持基板は、絶縁体、又は種々のドーピング濃度及びプロファイルからなる半導体とすることができ、例えば、集積回路の製造において用いられるタイプの半導体基板とすることができる。「酸化ケイ素」は、本明細書において、シリコン及び酸素を含む材料を省略した表現であり、シリコン及び酸素を含む材料と交換可能に用いられる。したがって、酸化ケイ素は、窒素、水素、炭素などの或る濃度の他の元素成分を含む場合がある。幾つかの実施形態では、本明細書において開示される方法を用いて作製される酸化ケイ素膜は、基本的にシリコン及び酸素からなる。用語「前駆体」は、或る表面から材料を除去するか、又は或る表面上に材料を堆積する反応に関与する任意のプロセスガスを指すために用いられる。「励起された状態」にあるガスは、ガス分子のうちの少なくとも幾つかが振動励起された状態、解離された状態及び／又はイオン化された状態にあるガスを示す。ガスは２つ以上のガスの組合せとすることができる。「ラジカル前駆体」は、或る表面から材料を除去するか、又は或る表面上に材料を堆積する反応に関与するプラズマ廃水（プラズマを励起している励起状態にあるガス）を示すために用いられる。「ラジカル水素前駆体」は水素を含むラジカル前駆体であり、「ラジカル窒素前駆体」は窒素を含む。「ラジカル窒素前駆体」内に水素が存在する場合があり、「ラジカル水素前駆体」内に窒素が存在する場合がある。「不活性ガス」という語句は、エッチングするとき、又は膜に組み込まれるときに、化学結合を形成しない任意のガスを指している。例示的な不活性ガスは希ガスを含むが、（典型的には）微量が膜内に閉じ込められるときに化学結合が形成されない限り、他のガスを含むことができる。

用語「トレンチ」は、本明細書全体を通して用いられるが、エッチングされた形状が大きな水平アスペクト比を有することは意味しない。表面の上方から見るとき、トレンチは、円形、楕円形、多角形、長方形又は様々な他の形状に見える場合がある。用語「ビア」は、垂直な電気的接続を形成するために金属を充填されるにしても、充填されないにしても、低いアスペクト比のトレンチを指すために用いられる。本明細書において用いられるときに、共形層は、或る表面と同じ形状を成す、その表面上の実質的に均一な材料層を指しており、すなわち、その層の表面と、覆われる表面は実質的に平行である。堆積された材料が１００％共形である可能性はなく、それゆえ、用語「実質的に」は許容範囲を考慮に入れていることは当業者には認識されよう。

幾つかの実施形態を説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく様々な変更形態、代替構成、又は均等形態を用いることができることは当業者には理解されよう。さらに、本発明を不必要に曖昧にしないように、幾つかの周知のプロセス及び要素は記述されていない。したがって、上記の説明は、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。

或る範囲の値が与えられる場合、文脈において明確に別段の指示がない限り、各々の介在する値がその範囲の上限と下限の間にある、下限の単位の１０分の１まで具体的に開示されることは理解されたい。規定された範囲内の任意の規定された値又は介在する値と、その規定された範囲内の任意の他の規定された値又は介在する値との間の狭い方の範囲がそれぞれ包含される。これらの狭い方の範囲の上限と下限は、その範囲内に独立して含まれる場合も、除外される場合もあり、規定された範囲において任意の具体的に除外される限界値に応じて、限界値のいずれかが狭い方の範囲内に含まれる場合、限界値のいずれも狭い方の範囲内に含まれない場合、又は両方の限界値が狭い方の範囲内に含まれる場合の各範囲も本発明に包含される。規定された範囲が限界値の一方又は両方を含む場合、それらの含まれる限界値の一方又は両方を除外する範囲も含まれる。

本明細書において及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、文脈において明確に別段の指示がない限り、単数形「１つの」（ａ、ａｎ）及び「その」（ｔｈｅ）は、複数の指示物も含む。したがって、例えば「１つのプロセス」への言及は、複数のそのようなプロセスを含み、「その前駆体」への言及は、１つ又は複数の前駆体、及び当業者に知られているその均等物への言及を含み、それ以外も同様である。

また、用語「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、「備えている」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）及び「含む」（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ）、「含んでいる」（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）は、本明細書において及び添付の特許請求の範囲において用いられるときに、規定される特徴、整数、構成要素、又はステップの存在を指定することを意図しているが、１つ又は複数の他の特徴、整数、構成要素、ステップ、動作又はグループの存在又は追加を除外するものではない。

Claims (18)

1. 基板処理チャンバ内の無プラズマ基板処理領域内で基板上に酸化ケイ素層を形成する方法であって、
   Ｈ_２Ｏを含む酸素含有前駆体をプラズマ領域内に流入させて、ラジカル酸素前駆体を生成することと、
   前記無プラズマ基板処理領域において、前記ラジカル酸素前駆体を窒素を含むシリコン含有前駆体と結合することと、
   前記基板上にシリコン、酸素、及び窒素を含む層を堆積することと
   を含む、方法。
2. 酸素含有雰囲気内でアニール温度において前記シリコン、酸素及び窒素を含む層をアニールし、酸素含有量を増加させ、かつ窒素含有量を減少させて、酸化ケイ素層を形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記アニール温度は約５００℃から約１１００℃の間にあり、前記酸素含有雰囲気は、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ、及びそれらから誘導されたラジカル化学種のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層は、堆積後に、最初に流動性である、請求項１に記載の方法。
5. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層は、基板温度が約２００℃以下である間、堆積後、最初は流動性である、請求項１に記載の方法。
6. 前記プラズマ領域は、前記基板処理の外部に位置する遠隔プラズマシステム（ＲＰＳ）内にある、請求項１に記載の方法。
7. 前記酸素含有前駆体はＮＨ_３を更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層の堆積速度は約２０００オングストローム／分以上である、請求項１に記載の方法。
9. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層の堆積速度は約３０００オングストローム／分以上である、請求項１に記載の方法。
10. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層の堆積速度は約４０００オングストローム／分以上である、請求項１に記載の方法。
11. 前記シリコン、酸素及び窒素を含む層は無炭素Ｓｉ−Ｏ−Ｎ−Ｈ層を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記酸素含有前駆体は、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＯ、ＮＯ_２及びＮ_２Ｏのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記基板には約５０ｎｍ以下の幅を有するトレンチがパターニングされ、前記シリコン、酸素及び窒素を含む層は堆積中に流動性であり、前記トレンチを充填する、請求項１に記載の方法。
14. 前記トレンチ内の前記酸化ケイ素層は実質的にボイドフリーである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記プラズマ領域は、シャワーヘッドによって前記無プラズマ基板処理領域から分離された前記基板処理チャンバの仕切られた部分である、請求項１に記載の方法。
16. 基板温度を約４００℃未満に保持しながら、オゾン含有雰囲気内で前記膜を硬化処理させる動作を更に含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記シリコン含有前駆体は無炭素である、請求項１に記載の方法。
18. 前記シリコン含有前駆体は、Ｈ_２Ｎ（ＳｉＨ_３）、ＨＮ（ＳｉＨ_３）_２及びＮ（ＳｉＨ_３）_３のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。

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