(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔プラズマシステムであって、
イオンおよびラジカルを含むプラズマ種を生成するための第１の領域を画定する遠隔プラズマチャンバと、
基板支持体上に配置された半導体デバイスを処理するための第２の領域を画定するプロセスチャンバであって、前記基板支持体は、基板支持面を有し、側壁内に形成された入り口ポートを備え、前記入り口ポートが前記第２の領域と流体連通している、プロセスチャンバと、
前記遠隔プラズマチャンバと前記プロセスチャンバの間に配置された、前記遠隔プラズマチャンバから前記プロセスチャンバへプラズマ種を送出するための送出部材であって、取付けスリーブと前記取付けスリーブに接続された入り口部材とを備える、送出部材と、を備え、
前記取付けスリーブが長手方向に延びるスリーブ通路を画定する中空本体を含み、前記入り口部材が長手方向に延びる直線状の入り口通路を画定する中空本体を含み、前記取付けスリーブが、前記第１の領域につながる前記遠隔プラズマチャンバのガス出口に接続された第１の端部および前記入り口通路が前記スリーブ通路に実質上位置合わせされるように入り口部材に接続された第２の端部を有し、前記第２の端部が前記第１の端部の反対側に位置し、前記取付けスリーブが前記入り口部材の直径と整合するように前記取付けスリーブの長手方向軸に沿って徐々に低減した直径を有し、
前記入り口通路の長手方向軸が前記入り口ポートの長手方向軸に対して約１０度から約７０度の間の角度で交差するように、前記入り口通路が前記プロセスチャンバの前記入り口ポートに結合され、
前記入り口通路の長手方向軸が前記基板支持面と平行である、システム。
【請求項２】
前記送出部材が、前記入り口部材の外面の周りに延びるフランジをさらに備え、前記フランジが、前記プロセスチャンバの前記側壁の表面と実質上同一平面の表面を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記角度が約２０度から約４５度の間の範囲内である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記スリーブ通路と前記入り口通路が併せて約５インチから約２５インチの間の長さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記スリーブ通路と前記入り口通路がそれぞれ約０．５インチから約２インチの間の範囲内の直径を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
遠隔プラズマシステムであって、
イオンおよびラジカルを含むプラズマ種を生成するための第１の領域を画定する遠隔プラズマチャンバと、
基板支持体上に配置された半導体デバイスを処理するための第２の領域を画定するプロセスチャンバであって、前記基板支持体は、基板支持面を有し、側壁内に形成された入り口ポートを備え、前記入り口ポートが前記第２の領域と流体連通している、プロセスチャンバと、
前記遠隔プラズマチャンバと前記プロセスチャンバとの間に配置され、前記第１の領域および前記入り口ポートと流体連通している直線状の通路を有する送出部材であって、前記送出部材は、前記通路の長手方向軸が前記入り口ポートの長手方向軸に対して約１０度から約７０度の間の角度で交差するように構成され、前記通路の長手方向軸が前記基板支持面と平行である、送出部材と、を備えるシステム。
【請求項７】
前記送出部材が、前記送出部材の外面の周りに延びるフランジをさらに備え、前記フランジが、前記側壁の表面と実質上同一平面の表面を有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記通路が約５インチから約２５インチの間の長さを有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記通路が約０．５インチから約２インチの間の範囲内の直径を有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記遠隔プラズマチャンバと前記プロセスチャンバとの間に配置されたイオンフィルタをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
プロセスチャンバの処理領域内で半導体デバイスを処理する方法であって、
プラズマ種を生成して、遠隔プラズマ源から、長手方向の直線状の通路を有する送出部材へ流すステップであって、前記通路の長手方向軸が前記プロセスチャンバの側壁内に形成された入り口ポートの長手方向軸に対して約１０度から約７０度の間の角度で交差し、前記通路の長手方向軸が前記プロセスチャンバ内に配置された基板支持体の基板支持面と平行である、ステップと、
プラズマ種を前記通路から、前記入り口ポートへ流すステップであって、前記プラズマ種は前記入り口ポート内へ前記角度で流され、前記プロセスチャンバの前記処理領域に入る前に前記プラズマ種からイオンが実質上除去されるように前記プラズマ種内の電子または荷電粒子とのイオンの衝突またはイオンの反応を促進する、ステップと、
前記プラズマ種からの原子ラジカルを前記半導体デバイスのシリコンまたは多結晶シリコン領域内に選択的に組み込むステップと、を含む方法。
【請求項１２】
前記送出部材が前記遠隔プラズマ源と前記プロセスチャンバとの間に配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記通路が約５インチから約２５インチの間の長さを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記通路が約０．５インチから約２インチの間の範囲内の直径を有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、半導体デバイスの製造に関する。より詳細には、本明細書に記載する実施形態は、改善されたプラズマアプリケータを使用する浮遊ゲートＮＡＮＤメモリデバイスおよび他のトランジスタゲート構造の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスなどのフラッシュメモリは、大容量ストレージの用途で広範に使用される、一般に使用されるタイプの不揮発性メモリである。ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスは通常、半導体基板上にトンネル酸化物（ＴＯ）、浮遊ゲート（ＦＧ）、共重合誘電体（ＩＰＤ）、および制御ゲート（ＣＧ）が連続して積層される積層型ゲート構造を有する。浮遊ゲート、トンネル酸化物、および基板の下層部分は、全体として、ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスのセル（またはメモリユニット）を形成する。基板内でトンネル酸化物に隣接する各セルと浮遊ゲートとの間には、そのセルを隣接セルから分離するように、浅いトレンチ隔離（ＳＴＩ）領域が配置される。ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスの書込み中は、制御ゲートに正の電圧を印加して、基板から電子を抜き出して浮遊ゲートに入れる。ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスのデータを消去するには、基板に正の電圧を印加して、浮遊ゲートからトンネル酸化物を通って電子を放出する。こうした電子の流れは、感知回路によって感知され、電流の指標として「０」または「１」の返しが生じる。浮遊ゲート内の電子の量および「０」または「１」の特性は、ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス内にデータを記憶する基礎を形成する。
【０００３】
浮遊ゲートは通常、トンネル酸化物によって半導体基板から分離され、共重合誘電体によって制御ゲートから分離され、それによって、たとえば基板と浮遊ゲートとの間または浮遊ゲートと制御ゲートとの間の電子の漏れを防止する。ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスの物理的なスケーリングを引き続き可能にするために、当業界では、窒化プロセスを使用して浮遊ゲートの表面内へ窒素を組み込み、トンネル酸化物の信頼性を改善し、または浮遊ゲートからのドーパント拡散を抑制してきた。しかし、窒化プロセスではやはり、浅いトレンチ隔離領域内に窒素を組み込むことは望ましくない。隣接する浮遊ゲート構造間の浅いトレンチ隔離領域内に組み込まれた窒素は、最終的なデバイス性能に悪影響を与えるおそれのある電荷漏れ経路を形成する。
【０００４】
したがって、材料の積層体の窒化のための改善された方法および装置が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、概して、遠隔プラズマ源を使用してプラズマのラジカルを基板または半導体基板上の材料内へ組み込む方法および装置を提供する。一実施形態では、遠隔プラズマシステムは、イオンおよびラジカルを含むプラズマを生成するための第１の領域を画定する遠隔プラズマチャンバと、半導体デバイスを処理するための第２の領域を画定するプロセスチャンバであって、プロセスチャンバの側壁内に形成された入り口ポートを備え、入り口ポートが第２の領域と流体連通している、プロセスチャンバと、遠隔プラズマチャンバからプロセスチャンバへプラズマ種を送出する送出部材であって、長手方向に延びる通路を内部に画定する本体を含み、本体が、第１の領域に接続された第１の端部および第２の領域に接続された第２の端部を有し、第２の端部が第１の端部の反対側に位置する、送出部材とを含み、通路の長手方向軸が入り口ポートの長手方向軸に対して約２０度から約８０度の角度で交差するように、通路がプロセスチャンバの入り口ポートに結合される。一例では、送出部材は、第２の端部で本体の外面の周りに延びるフランジをさらに含み、フランジは、プロセスチャンバの側壁の表面と実質上同一平面の表面を有する。
【０００６】
別の実施形態では、遠隔プラズマシステムは、イオンおよびラジカルを含むプラズマを生成するための第１の領域を画定する遠隔プラズマチャンバと、半導体デバイスを処理するための第２の領域を画定するプロセスチャンバであって、プロセスチャンバの側壁内に形成された入り口ポートを備え、入り口ポートが第２の領域と流体連通している、プロセスチャンバと、遠隔プラズマチャンバとプロセスチャンバとの間に配置され、第１の領域および入り口ポートと流体連通している通路を有する送出部材であって、通路の長手方向軸が入り口ポートの長手方向軸に対して約２０度から約８０度の角度で交差するように構成される送出部材とを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、プロセスチャンバの処理領域内で半導体デバイスを処理する方法が開示される。この方法は、プラズマ種を生成して、遠隔プラズマ源から、長手方向の通路を有する送出部材へ流すことと、プラズマ種を通路から、プロセスチャンバの側壁内に形成された入り口ポートへ流すことと、プラズマ種が入り口ポート内へある角度で流され、プロセスチャンバの処理領域に入る前にプラズマ種からイオンが実質上除去されるようにプラズマ種内の電子または荷電粒子とのイオンの衝突またはイオンの反応を促進し、プラズマ種からの原子ラジカルを半導体デバイスのシリコンまたは多結晶シリコン領域内に選択的に組み込むこととを含む。
【０００８】
本発明の上記の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、実施形態を参照することによって得ることができる。これらの実施形態のいくつかを、添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による方法および装置で作ることができる例示的な半導体デバイスの概略横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による遠隔プラズマシステムの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＲＴＰ装置へプラズマのラジカルを供給するのに使用するための例示的な送出パイプの概略的な部分断面側面図である。
【図４】本発明の一実施形態による図３の送出パイプおよびＲＴＰ装置の概略的な部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、遠隔プラズマ源を使用してプラズマのラジカルを基板または半導体基板上の材料内へ組み込む装置および方法について説明する。一般に、たとえば気体分子のエネルギー励起によって生成されるプラズマ源は、帯電したイオン、ラジカル、および電子のプラズマからなる。本発明では、プラズマのラジカルが、イオンまたはラジカルとイオンの混合物よりはるかに望ましい形で、基板上のシリコンまたは多結晶シリコン材料と反応すると理解している。その点において、本発明は、プラズマのラジカルのみが基板上のシリコンまたは多結晶シリコン材料と反応するようにプラズマのイオンの大部分を除去し、それによって基板上のシリコンまたは多結晶シリコン材料を処理する上でより大きい選択性を得る装置および方法を提供する。
【００１１】
本発明は、特定のデバイスに限定されるものではなく、記載の装置および方法は、ピッチの狭い適用分野に適した半導体デバイスおよび構造の製造に使用することができる。本明細書では、ピッチの狭い適用分野には、３２ｎｍ以下のハーフピッチ（たとえば、３２ｎｍ以下のデバイスノード）が含まれる。本明細書の「ピッチ」という用語は、半導体デバイスの平行した構造または隣接する構造間の尺度を指す。ピッチは、隣接する構造または実質上平行した構造の同じ側面の端から端に測定することができる。半導体デバイスおよび構造は、より大きいピッチを有する適用分野でも同様に利用することができる。半導体デバイスは、たとえばＮＡＮＤもしくはＮＯＲフラッシュメモリ、または他の適したデバイスとすることができる。
【００１２】
例示的なＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス
図１は、本発明の装置で作ることができるＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス１００などの例示的な半導体デバイスの概略横断面図を示す。概して、メモリデバイス１００は基板１０２を含み、基板１０２上にトンネル酸化物層１０４が配置される。トンネル酸化物層１０４上に浮遊ゲート１０６が配置される。浮遊ゲート１０６と、トンネル酸化物層１０４と、基板１０２からなる下層部分とは、メモリデバイス１００のセル１０３（またはメモリユニット）を形成する。メモリデバイス１００の各セル１０３は、たとえば各セル１０３間の基板１０２内に（たとえば、トンネル酸化物層１０４および浮遊ゲート１０６に隣接して）配置された浅いトレンチ隔離（ＳＴＩ）領域１０８によって分離することができ、この場合、ＳＴＩ領域１０８がセル１０３を隣接セル１０５および１０７から分離する。メモリデバイス１００は、制御ゲート層１１２と、浮遊ゲート１０６と制御ゲート層１１２との間に配置された共重合誘電体（ＩＰＤ）層１１０とをさらに含む。ＩＰＤ層１１０は、浮遊ゲート１０６を制御ゲート層１１２から分離する。
【００１３】
基板１０２は、結晶シリコン（たとえば、Ｓｉ＜１００＞またはＳｉ＜１１１＞）、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープまたは非ドープ多結晶シリコン、ドープまたは非ドープシリコンウエハ、パターン付きまたはパターンなしウエハ、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガラス、サファイアなどの適した材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板１０２はシリコンを含む。
【００１４】
トンネル酸化物層１０４は、単一または層状の構造（たとえば、ＳｉＯ２／高誘電率／ＳｉＯ２）などの中に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、もしくはランタン（Ｌａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）ベースの酸化物もしくは酸素窒化物などの高誘電率誘電体材料、あるいは窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）などの、ケイ素および酸素を含むことができる。トンネル酸化物層１０４は、たとえば約５ｎｍから約１２ｎｍの間の任意の適した厚さを有することができる。トンネル酸化物層１０４は、各セル内に、浮遊ゲート１０６の底部の幅と実質上同等の幅を有することができる。ＳＴＩ領域１０８は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などのケイ素および酸素を含むことができる。
【００１５】
浮遊ゲート１０６は典型的には、シリコン、多結晶シリコン、金属などの導電性材料を含む。浮遊ゲート１０６は、隣接セル間（たとえば、セル１０３と１０５と１０７との間）に制御ゲート層１１２の一部分を配置するのを容易にするのに適した構成を有する。したがって、浮遊ゲートは、逆「Ｔ」字状で形成することができる。本明細書では、逆「Ｔ」字という用語は、概略的に、浮遊ゲート１０６の上部部分が浮遊ゲート１０６の底部に対して起伏した構造の幾何学的形状を指す。そのような起伏は、隣接する浮遊ゲート１０６間の間隙を完全に充填することなく、浮遊ゲート１０６の上にＩＰＤ層１１０を形成するための空間を提供し、それによって隣接する浮遊ゲート１０６間に制御ゲート層１１２の一部分を配置することが可能になる。
【００１６】
ＩＰＤ層１１０は、任意の適した単層または多層の誘電体材料を含むことができる。例示的な単層のＩＰＤは、トンネル酸化物層１０４に関して上記で論じたように、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、または高誘電率誘電体材料などを含むことができる。例示的な多層のＩＰＤは、第１の酸化物層、窒化物層、および第２の酸化物層を含む多層の「ＯＮＯ」構造（図示せず）とすることができる。第１および第２の酸化物層は典型的には、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などのケイ素および酸素を含む。窒化物層は典型的には、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などのケイ素および窒素を含む。いくつかの実施形態では、ＳｉＯ２／高誘電率／ＳｉＯ２（ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２など）を含む多層のＩＰＤ層をＩＰＤ層１１０として使用することもできる。ＩＰＤ層１１０は、約１０ｎｍから約１５ｎｍの間の厚さまで堆積させることができる。
【００１７】
制御ゲート層１１２をＩＰＤ層１１０上に堆積させて、制御ゲートを形成することができる。制御ゲート層１１２は典型的には、多結晶シリコン、金属などの導電性材料を含む。浮遊ゲート１０６を逆Ｔ字状にすることで、制御ゲート層１１２のために、隣接する浮遊ゲート（たとえば、セル１０３および１０５の浮遊ゲート）間に位置する表面積をより大きくすることが可能になる。制御ゲート層１１２の表面積を増大させることで、浮遊ゲート１０６の側壁と制御ゲートとの間の容量結合を改善でき、隣接する浮遊ゲート間の寄生容量、浮遊ゲートの干渉、ノイズなどを低減できることが有利である。
【００１８】
任意選択で、ＩＰＤ堆積の前に、浮遊ゲート１０６の露出表面上に誘電体層１１３を共形に形成することができる。具体的には、誘電体層１１３は、主に浮遊ゲート１０６の露出表面上に選択的に形成され、同一のプラズマ条件（以下で詳細に論じる）下で、ＳＴＩ領域１０８またはあらゆる他の誘電体フィルム上には、誘電体層１１３がほとんどまたはまったく形成されない。誘電体層１１３が主に浮遊ゲート１０６上に選択的に形成されることで、ＩＰＤフィルムの積層厚さのスケーリングを可能にしながら、トンネル酸化物の信頼性および／または浮遊ゲート１０６からのドーパント拡散の抑制が改善される。
【００１９】
誘電体層１１３は、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素などの窒化物層とすることができる。窒化物層は、浮遊ゲート１０６のフィールド表面１１４および側壁１１５を窒素含有ラジカルに露出させることによって形成することができる。何らかの励起、たとえばプラズマ励起、光励起、電子ビーム励起、または強い熱を用いて、Ｎ、ＮＨ、およびＮＨ２などの窒素含有ラジカルを生じさせることができる。熱的手段単独で、プラズマ手段単独で、または２つの組合せによって、窒化プロセスを実行することができる。一実施形態では、浮遊ゲート１０６の表面は、選択的プラズマ窒化プロセスを使用して窒素含有ラジカルに露出される。Ｓｉ−Ｏ結合を切り離すエネルギー（４５２ｋＪ／モル）と比較すると、Ｓｉ−Ｓｉ結合を切り離すエネルギー（２２２ｋＪ／モル）がより低いため、窒素含有ラジカルは、選択的プラズマ窒化プロセス中、ＳＴＩ領域１０８の表面（たとえば、酸化ケイ素から形成される）ではなく、浮遊ゲート１０６の表面（たとえば、シリコンまたは多結晶シリコンから形成される）と優先的に反応する。ラジカルはＳｉ−Ｏ結合を切り離すのに十分なほど高い反応性をもたないため、選択的プラズマ窒化プロセスでは、酸化ケイ素の窒化物より速くケイ素の窒化物が形成され、その結果、隣接する浮遊ゲート１０６間のＳＴＩ領域１０８とは対照的に、浮遊ゲート１０６のフィールド表面１１４および側壁１１５で、窒素含有材料、すなわち、たとえばＳｉ−Ｎ結合から形成される誘電体層１１３の濃度が著しく大きくなる。ＳＴＩ領域１０８には窒素含有材料すなわち誘電体層１１３がそれほど大量に存在しないため、隣接する浮遊ゲート構造間の望ましくない電荷漏れ経路は生じない。
【００２０】
イオンはラジカルおよび上記の結合エネルギーと比較すると高い化学的活性を有し（Ｎ２の第１のイオン化エネルギー＝１４０２ｋＪ／モル、Ｎ２の原子化エネルギー＝４７３ｋＪ／モル）、したがってイオンではラジカルの選択性が実現されないため、ラジカルが好ましい。所与の堆積プロセス後のケイ素中の窒素の濃度を酸化物中の窒素の濃度で割った値として定義される選択性は、約１０：１から約１００：１の間、たとえば約２０：１から約７０：１の間、たとえば約４０：１などとすることができる。露出時間をより大きくすることで、選択性を改善することができる。
【００２１】
高いラジカル密度とイオン密度との関係は、たとえば約０．３トルから２０トルの間、たとえば約５トル以上の圧力を使用する高圧プラズマプロセスによって実現することができる。高い圧力を用いてイオンが電子と迅速に再結合するのを促し、それによって中性のラジカル核種および不活性の核種を残す。いくつかの実施形態では、ラジカルガスが形成される。いくつかの実施形態では、遠隔プラズマを使用して、様々な方法によってラジカル核種を選択的に生成することができる。遠隔プラズマジェネレータ、たとえばマイクロ波、ＲＦ、または熱チャンバは、送出パイプを通じて処理チャンバに接続することができる。図３および図４に関して以下でより詳細に説明するように、送出パイプは、処理チャンバに対してある角度で位置決めされた比較的長い経路とすることができ、それによって処理領域に到達する前に経路に沿ってイオン核種の再結合を促すことができる。送出パイプを通って流れるラジカルは、約１ｓＬｍから約２０ｓＬｍの間、たとえば約５ｓＬｍから約２０ｓＬｍの間、たとえば約１０ｓＬｍなどの流量で、シャワーヘッドもしくはラジカル分配器を通って、またはチャンバの側壁内の入り口を通って、チャンバ内へ流れることができる。圧力をより高くし、流れをより少なくすることで、衝突が促進されると考えられる。一実施形態では、窒素、アンモニア、またはこれらの混合物などの窒素含有ガスを、任意選択でヘリウムなどのキャリアガスとともに、約５トルを上回る圧力で約１〜３ｋＷの間のマイクロ波電力に露出させることによって、窒素ラジカルを形成することができる。この窒化プロセスは、約３００℃から約１２００℃の間、たとえば約８００℃から約１０００℃の間の基板温度で実行することができるが、基板温度は、窒化が進んで表面の飽和が抑制されるにつれて増大することがある。加熱は、ランプ加熱、レーザ加熱、加熱された基板支持体の使用、またはプラズマ加熱を使用して実行することができる。
【００２２】
特定の実施形態では、いずれも誘電体コーティングを有することができる、たとえば約２００Ｖ（ＲＦもしくはＤＣ）のバイアスで動作する静電フィルタ、ワイヤもしくはメッシュフィルタ、または磁気フィルタなどの様々なイオンフィルタを、遠隔プラズマ源と処理チャンバとの間で使用することができる。他の実施形態では、遠隔プラズマジェネレータ内の滞留時間は、窒素含有核種などの反応性核種のガス流またはアルゴンもしくはヘリウムなどの非反応性核種のガス流を使用して調節することができる。いくつかの実施形態では、低圧プラズマ発生を伴うイオンフィルタを使用することによって、ラジカルの半減期を延ばすことができる。処理チャンバと遠隔プラズマチャンバを一体化することによって、２つのチャンバ間の経路を密閉するためにＯリングを使用することなく、低圧動作を容易にすることができる。遠隔プラズマ発生チャンバから処理チャンバ内へのラジカル流の均一性は、成形コネクタを使用して流量パターンの綿密な制御を提供することで改善することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、インシトゥプラズマ発生プロセスを使用することができ、たとえばマイクロ波、ＵＶ、ＲＦ、または電子シンクロトロン放射によって付勢することができ、チャンバ内でガス分配器と基板支持体との間には、上記のイオンフィルタのいずれかなどのイオンフィルタ、またはメッシュもしくは穿孔プレートなどのイオンシールドが配置される。一実施形態では、プラズマ発生ゾーンと基板処理ゾーンとの間に、イオンフィルタ能力を有する（たとえば、電気的に分離され、または電位が制御される）シャワーヘッドを配置することで、イオンをフィルタ除去しながら、ラジカルが基板処理ゾーンに入ることを可能にすることができる。
【００２４】
本明細書に記載する本発明では、選択的プラズマ窒化プロセス中、ＳＴＩ領域１０８の表面（たとえば、酸化ケイ素から形成される）ではなく、浮遊ゲート１０６の表面（たとえば、シリコンまたは多結晶シリコンから形成される）と接触する前に、（ラジカルを含む）プラズマ発生時にプラズマ内に存在する実質上すべてのイオンが除去されることが企図される。正に充電したイオンを除去する１つの方法は、（同じくプラズマ発生時にプラズマ内に存在する）電子と結合させて非イオンまたは電荷中性状態に戻すことによって行われる。所与のプラズマ放出速度でイオンの寿命より長い距離だけ、プラズマ発生源を基板の位置、たとえば反応箇所から分離することによって、イオンの大部分をプラズマから実質上除去することができる。このようにして、ラジカルは基板までの移動距離に耐えるが、イオンはそれに耐えず、代わりにイオンの性質を失い、電荷中性になる。
【００２５】
例示的な遠隔プラズマシステム
図２は、本発明の実施形態から利益を得ることができる例示的な遠隔プラズマシステム２００を示す。具体的には、遠隔プラズマシステム２００を使用して、ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス１００などの半導体構造のシリコンまたは多結晶シリコン表面上に窒化物層を選択的に形成することができる。遠隔プラズマシステム２００は、カリフォルニア州サンタクララ所在のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販のＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）ＲＴＰなど、急速熱処理（ＲＴＰ）装置２０１を含むことができる。このＲＴＰ装置の代わりに、たとえばカリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＲＰＮ、ＲＰＯ、Ｖａｎｔａｇｅ  ＲａｄｉａｎｃｅＰｌｕｓ（商標）ＲＴＰ、Ｖａｎｔａｇｅ  ＲａｄＯＸ（商標）ＲＴＰ、Ｒａｄｉａｎｃｅ（登録商標）ＲＴＰ、または他の類似のチャンバ／リアクタなど、他のタイプの熱反応器を使うこともできる。
【００２６】
図２に見られるように、ＲＴＰ装置２０１にプラズマアプリケータ２８０が結合され、プラズマのラジカルをＲＴＰ装置２０１へ遠隔で提供するために使用される。ＲＴＰ装置２０１は概して、側壁２１４および底壁２１５によって包囲された処理領域２１３を含む。側壁２１４の上部部分は、「Ｏ」リングによって窓アセンブリ２１７に密閉することができる。窓アセンブリ２１７の上には放射エネルギー光パイプアセンブリ２１８（上部側壁２２４によって包囲される）が位置決めされ、窓アセンブリ２１７に結合される。光パイプアセンブリ２１８は、複数のタングステンハロゲンランプ２１９を含むことができ、各タングステンハロゲンランプ２１９は光パイプ２２１内へ取り付けられ、ウエハまたは基板１０１の表面積全体を十分に覆うように位置決めされる。窓アセンブリ２１７は、複数の短い光パイプ２４１を含むことができる。光パイプ２４１の１つに接続された管２５３を通じてポンピングすることによって、複数の光パイプ２４１内に真空をもたらすことができ、この光パイプ２４１は残りのパイプに接続されている。
【００２７】
ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス１００を収容するウエハまたは基板１０１は、処理領域２１３内で支持リング２６２によって支持される。支持リング２６２は、回転可能な円筒２６３に取り付けられる。処理中、円筒２６３を回転させることによって、支持リング２６２およびウエハまたは基板１０１が回転させられる。ＲＴＰ装置２０１の底壁２１５は、ウエハまたは基板１０１の裏側上へエネルギーを反射するリフレクタ２１１でコーティングすることができ、またはリフレクタ２１１を備えることができる。ＲＴＰ装置２０１は、ウエハまたは基板の温度を検出するようにＲＴＰ装置２０１の底壁２１５を貫通して位置決めされた複数の光ファイバプローブ２７１を含むことができる。
【００２８】
プラズマアプリケータ２８０は概して、イオン、ラジカル、および電子のプラズマが生成される管２８４を取り囲む本体２８２を含む。管２８４は、石英またはサファイアから作ることができる。管２８４には、荷電粒子、たとえばイオンを引き付けうるいかなる電気バイアスも存在しないことが好ましい。本体２８２の一方の端部には、ガス入り口２８６が配置され、反対側の本体２８２の他方の端部には、ガス出口２８８が位置する。ガス出口２８８は、送出パイプ２９０を通じてＲＴＰ装置２０１と流体連通しており、その結果、管２８４内で生成されるプラズマのラジカルは、ＲＴＰ装置２０１の処理領域２１３へ供給される。ガス出口２８８は、ガス入り口２８６より大きい直径を有することができ、それによって、励起したラジカルを所望の流量で効率的に放出することを可能にし、ラジカルと管２８４との間の接触を最小にすることができる。望ましい場合、ガス出口２８８で管２８４内へ別個のオリフィスを挿入して、管の内径を低減させることができる。ガス出口２８８（または、使用される場合はオリフィス）の直径は、窒化効率のために処理領域２１３とプラズマアプリケータ２８０との間の圧力差を最適化するように選択することができる。
【００２９】
Ｎ２ガスが含まれるがそれだけに限定されるものではない窒素含有ガスのガス源２９２は、３方バルブ２９４の第１の入力およびガス源２９２から解放されるガスの流量を制御するために使用されるバルブ２９７を介して、ガス入り口２８６に結合することができる。３方バルブ２９４の第２の入力は、それだけに限定されるものではないが酸素含有ガス、ケイ素含有ガス、または内部のガスを含む別のプロセスガス源２９８に結合することができる。３方バルブ２９４には流量制御器２９６が接続され、どのプロセスを実行するかに応じて、異なる位置間でバルブを切り替える。流量制御器２９６はまた、同様に、３方バルブ２９４およびバルブ３１７を制御して適当なプロセスガス流をガス源２９８からプロセスチャンバへ提供するように機能する。
【００３０】
プラズマアプリケータ２８０は、エネルギー源（図示せず）に結合することができ、それによって、マイクロ波周波数を有するエネルギーなどの励起エネルギーをプラズマアプリケータ２８０に提供し、ガス源２９２から移動するプロセスガスを励起してプラズマにすることができる。窒素含有ガス、たとえばＮ２が使用される場合、プラズマアプリケータ２８０内のマイクロ波励起により、管２８４内にＮ＊ラジカル、Ｎ＋およびＮ２＋などの正に帯電したイオン、ならびに電子が生じる。プラズマアプリケータ２８０をＲＴＰ装置２０１の処理領域２１３から離して配置することによって、基板１０１に露出されるプラズマの組成の大部分をラジカルに制限するように、プラズマ源を選択的に生成することができる。改善された送出パイプ２９０を使用することによって、イオン衝突をさらに促進することができ、その結果、プラズマを形成するためにプロセスガスの励起によって生成されるイオンのすべてまたは大部分はイオン寿命の後まで生き残り、処理領域２１３に到達する前に電荷中性になることが観察された。言い換えれば、ＲＴＰ装置２０１の入り口ポート２７５に供給されるプラズマの組成の大部分はラジカルである。
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態による図２の送出パイプ２９０の代わりに使用できる例示的な送出パイプ３００の概略的な部分断面側面図を示す。説明を簡単に分かりやすくする目的で、図面の要素は、原寸に比例して示されていない。送出パイプ３００は概して、取付けスリーブ３０２と、取付けスリーブ３０２に接続された入り口部材３０４とを含む。取付けスリーブ３０２と入り口部材３０４はそれぞれ、長手方向に延びる空間、たとえばスリーブ通路３０６および入り口通路３０８を画定する中空で円筒形の本体を含む。通路３０６、３０８のプロファイルは、円形、楕円形、正方形、方形、または不規則な形状などの任意の形状とすることができる。取付けスリーブ３０２の一方の端部は、取付けスリーブ３０２内のスリーブ通路３０６がガス出口２８８で管２８４に位置合わせされて結合されるように、プラズマアプリケータ２８０（部分的に図示）の本体２８２のガス出口２８８にボルト締めすることができる。取付けスリーブ３０２の別の端部は、入り口部材３０４内の入り口通路３０８が取付けスリーブ３０２内のスリーブ通路３０６に実質上位置合わせされるように、入り口部材３０４に接続される。特定の例では、取付けスリーブ３０２の直径は、入り口部材３０４の直径と整合するように、取付けスリーブ３０２の長手方向軸に沿って徐々に低減させることができる。取付けスリーブ３０２および入り口部材３０４は、Ｎ＊ラジカルの再結合を引き起こさない材料から作ることができる。たとえば、取付けスリーブ３０２および入り口部材３０４は、ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化炭素、サファイア、またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から作ることができる。送出パイプ３００について、２つの別個の構成要素（すなわち、取付けスリーブ３０２および入り口部材３０４）が互いに接続されたものとして図示および説明するが、本発明では、送出パイプが単体の一体化された本体から形成され、ＲＴＰ装置２０１の入り口ポート２７５に接続された通路を有することが企図される。
【００３２】
送出パイプ３００およびＲＴＰ装置２０１の概略的な部分上面図を示す図４によりよく見られるように、入り口部材３０４は、ＲＴＰ装置２０１の側壁２１４内の入り口ポート２７５に結合されたアダプタとして構成することができる。説明を簡単に分かりやすくする目的で、図４のいくつかの要素は省略されており、原寸に比例して示されていないことに留意されたい。入り口部材３０４は、入り口部材３０４の外面の周り全体に延びるフランジ３１０を含むことができる。入り口部材３０４の一部分は、フランジ３１０の最も外側の面３１２が側壁２１４の内面２１４ｂにボルト締めされるように、側壁２１４内へ延ばすことができる。別法として、フランジ３１０の最も外側の面３１２は、側壁２１４の外面２１４ａにボルト締めすることができ、入り口通路３０８が入り口ポート２７５に結合されるように構成することができる。どちらの場合も、送出パイプ３００は、入り口部材３０４内の入り口通路３０８の長手方向軸「Ａ」が入り口ポート２７５の長手方向軸「Ｂ」に対して角度θで交差するように、入り口ポート２７５に結合される。フランジ３１０の最も外側の面３１２が側壁２１４の内面２１４ｂと実質上同一平面である限り、フランジ３１０は、入り口通路３０８の長手方向軸「Ａ」に対して所望の角度「α」の方向に延びることができる。一実施形態では、角度「α」は、約２０度から約８０度の範囲、たとえば約４５度から約７０度などとすることができる。入り口通路３０８の長手方向軸「Ａ」と入り口ポート２７５の長手方向軸「Ｂ」との間の角度θは、約１０度から約７０度の間の範囲、たとえば約２０度から約４５度の間とすることができる。一例では、角度αは約４５度以上、たとえば約６０度である。角度αまたはθは、本明細書の定義に限定されるべきではなく、必要に応じて変動することができる。入り口ポート２７５に対して角度を付けて送出パイプ３００を位置決めすることで、イオンが入り口ポート２７５の内面に当たると衝突によって運動量を失うため、電子または他の荷電粒子とのイオンの衝突またはイオンの反応が促進される。したがって、エネルギー源による励起によって生じる実質上すべてのイオンが、処理領域２１３に入る前に除去される。フランジ３１０を含む送出パイプ３００について図示および説明したが、電子または他の荷電粒子とのイオンの衝突またはイオンの反応を促進するはずの角度を付けて送出パイプ３００がＲＴＰ装置２０１に結合される限り、フランジ３１０を省略することができる。
【００３３】
本明細書に記載する湾曲したパイプ構造に加えて、送出パイプ３００は、プロセスガスの所与の流量（たとえば、所与のプラズマ発生速度）に対して、実質上すべてのイオンが送出パイプ３００を出る前に電子または他の荷電粒子とともに消滅または反応して励起状態を失うような長さで構築することができる。所与のソースガス流量でプラズマの実質上すべてのイオンを消滅させるのに必要な管２８４および送出パイプ３００の長さは、実験的に、または寿命の計算によって、判定することができる。一実施形態では、管２８４は、約０．５インチから約２インチの内径で、約５インチから約１２インチの長さを有することができる。送出パイプ３００（入り口およびスリーブ通路３０６、３０８を含む）の長さは、約５インチから約２５インチで変動することができ、たとえば約１６インチ以上とすることができる。通路３０６、３０８の直径は、プラズマアプリケータ２８０と処理領域２１３との間の圧力差を最適化するように調整することができる。一実施形態では、通路３０６、３０８の直径は、直径が約０．５インチから約２インチの間、たとえば約０．６５インチから約１．５インチの範囲内である。望ましい場合、通路３０６、３０８の一方または両方は、イオン損失を促進するために、流れの方向に徐々に低減または増大する直径を有することができる。様々な実施形態では、管２８４および送出パイプ３００の全体的な長さは、約８インチから約３５インチの間、たとえば約２０インチ以上とすることができる。プラズマの流れを収束させることで、イオンの衝突が促進されると考えられる。プラズマ発生領域（たとえば、管２８４）の横断面積と、入り口ポート２７５（たとえば、入り口通路３０８）の前で直径が最も小さい場所の横断面積との比として定義される圧縮比は、約２以上、たとえば約５から約１０の間またはそれ以上とすることができる。
【００３４】
イオン核種の再結合を促進するＲＴＰ装置の入り口ポート２７５に対してある角度で位置決めされた改善された送出パイプ３００を用いて、プラズマ発生領域（すなわち、プラズマアプリケータ２８０）と処理領域２１３を物理的に分離することによって、シリコンまたは多結晶シリコン浮遊ゲート１０６の窒化の選択性がより大きくなる。シリコンまたは多結晶シリコン表面をもつ浮遊ゲート１０６を有するＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスが、本明細書に記載する装置によって実行される選択的窒化プロセスで処置される一実施形態では、ＳＴＩ領域１０８に対するシリコンまたは多結晶シリコン浮遊ゲート１０６の窒化の選択性を、最高約１００：１まで増大させることができ、シリコンまたは多結晶シリコン浮遊ゲート１０６の表面内で、窒素用量を、約５×１０１５原子／ｃｍ２から約１５×１０１５原子／ｃｍ２、たとえば約２０×１０１５原子／ｃｍ２以上など、たとえば約２５×１０１５原子／ｃｍ２とすることができる。
【００３５】
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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