(57)【要約】  加工チャンバ、繰り返しトリガされるように適合させたフラッシュ・ランプ、フラッシュ・ランプの制御入力に接続されてフラッシュ・ランプをトリガするコントローラを用いて半導体加工を実施するためのシステム及び方法が開示される。本システムは、ウェハ加工において、フラッシュ・ランプと並行して固体プラズマ・ソースを配備することができる。
2009539270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）堆積厚が堆積時間と共に増加する非自己制限的な堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入するステップと、
（ｂ）前記堆積させた層を変更するための熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガするか、又は
前記堆積させた層を変更するためのプラズマ・エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガするか、又は
前記堆積させた層を変更するための、熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガし、プラズマ・エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガする、
ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）前記第１の前駆体をパージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）乃至（ｂ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ステップ（ａ）は堆積プロセスにおいてプラズマ・エネルギーを用いるステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ステップ（ａ）における前記第１の複数の前駆体はＣＶＤ前駆体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｂ）における前記第２の前駆体は、窒素、酸素、水素、アンモニア、ＮＦ3、シラン、オゾン、アルゴンから成る群から選択されるプロセス気体を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ｂ）における前記第２の前駆体はＣＶＤ前駆体を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）堆積厚が堆積時間と共に増加する非自己制限的な堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入し、
（ｂ）前記堆積させた膜を変更するための熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）第１の前駆体を導入し、パージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含み、
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）堆積厚が堆積時間と共に増加する非自己制限的な堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入し、
（ｂ）前記堆積させた膜を変更するためのプラズマ・エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）第１の前駆体を導入し、パージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含み、
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ステップ（ａ）は前記堆積プロセスにおいてプラズマ・エネルギーを用いるステップを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）基板表面上の前駆体間の反応又は前駆体の分解により薄膜が生成される堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入するステップと、
（ｂ）前記堆積させた層を変更するための熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガするか、又は
前記堆積させた層を変更するためのプラズマ・エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガするか、又は
前記堆積させた層を変更するための、熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガし、プラズマ・エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガする、
ステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）第１の前駆体をパージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）乃至（ｂ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記ステップ（ａ）は前記堆積プロセスにおいてプラズマ・エネルギーを用いるステップを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記ステップ（ａ）における前記第１の複数の前駆体はＣＶＤ前駆体を含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ（ｂ）における前記第２の前駆体は、窒素、酸素、水素、アンモニア、ＮＦ3、シラン、オゾン、アルゴンから成る群から選択されるプロセス気体を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記ステップ（ｂ）における前記第２の前駆体はＣＶＤ前駆体を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）基板表面上の前駆体間の反応又は前駆体の分解により薄膜が生成される堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入し、
（ｂ）前記堆積させた膜を変更するための熱エネルギーを生成するフラッシュ・ランプをトリガする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）第１の前駆体を導入し、パージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含み、
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
加工チャンバ内で膜を堆積させる方法であって、
（ａ）基板表面上の前駆体間の反応又は前駆体の分解により薄膜が生成される堆積プロセスにより、薄層を堆積させるように第１の前駆体を導入し、
（ｂ）前記堆積させた膜を変更するための熱エネルギーを生成するプラズマ・ソースをトリガする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記ステップ（ａ）の後に、
（ａ１）第１の前駆体を導入し、パージする
ステップ（ａ１）をさらに含むことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ステップ（ｂ）は、第２の前駆体の導入をさらに含み、
前記ステップ（ｂ）の後に、
（ｂ１）前記第２の前駆体をパージする
ステップ（ｂ１）をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
所望の膜厚が達成されるまで、複数の前記ステップ（ａ）及び（ｂ）をさらに含むことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記ステップ（ａ）は前記堆積プロセスにおいてプラズマ・エネルギーを用いるステップを含むことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体加工に関する。
本出願は２００６年５月３１日出願の米国特許出願第１１／４４３，６２０号の優先権を主張し、そして本出願は２００６年５月３１日出願の米国特許出願第１１／４４３，６２１号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
現代の半導体デバイス構造体の製造は、伝統的に、エッチング、堆積(depositing)又はスパッタリングのような種々の操作においてプラズマ加工に依存している。プラズマ・エッチングは、化学的活性原子又は高エネルギー・イオンを用いて基板から材料を除去する工程を含む。プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）はプラズマを用いて気体を解離させ活性化することで、堆積中の基板の温度を低下させることができる。プラズマ・スパッタリングもまた材料を基板上に堆積させるが、その際、アルゴンのようなプラズマ・イオンが材料表面に衝突し材料をスパッタさせ、その材料が中性原子として基板に運ばれる。付加的なプラズマ・プロセスには、プラズマ表面クリーニング及び種々の材料層の物理蒸着法（ＰＶＤ）が含まれる。
【０００３】
通常、プラズマはラジオ周波数作動型プラズマ・ソースを用いて生成される。「典型的な」ラジオ周波数作動型プラズマ・ソースにおいて、交流（ＡＣ）電力が整流され切り替えられてＲＦ増幅器に電流が供給される。ＲＦ増幅器は基準周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で動作し、電流を、出力整合ネットワークを通して、次いで電力計測回路を通して電源の出力に至るまで流す。出力整合部は普通、一般に産業で用いられる同軸ケーブルと同じ特性インピーダンスを有するように、特定のインピーダンス、例えば５０オームで動作するように最適化された発生器に接続されるように設計される。電力は整合ケーブル断面を通して流れ、整合コントローラによって計測され、負荷整合部により変換される。負荷整合部は普通、電動式自動チューナであり、従って、負荷整合部の動作はシステムが適切に構成される前に所定の時間遅延を招く。負荷整合部を通過した後、電力は次に、排気型加工チャンバ内の２つの電極を駆動するプラズマ励起回路に導かれる。加工用気体が排気型加工チャンバ内に導入され、回路によって駆動されるときプラズマが生成する。整合ネットワーク又は負荷整合部は電動式であるので、整合ネットワークからの応答時間は典型的には１秒又はそれ以上の程度である。
【０００４】
通常、プラズマは、層を高速で堆積させてその段差部分の形状（被覆率）を改善するのに必要な大量のエネルギーを得るために、連続的に生成される。「プラズマ・エッチング法及びその装置」と題する米国特許第５，４６８，３４１号に記述されているように、従来のＲＦソースにおいて、エッチングされる対象物の表面に達するイオン・エネルギーの量は、ＲＦ波の電力を制御することによって達成することができ、プラズマ中の解離プロセスの制御可能な範囲は狭く、従って、対象ウェハの表面上の制御可能なエッチング反応の範囲は狭く制限される。また、高密度プラズマ用のプラズマ生成チャンバ内には磁場が存在するので、例えばプラズマ中に生じるドリフト波による磁気流体力学的なプラズマ不安定性が存在する可能性があり、これは、イオン温度が上昇しイオン運動の方向が不均一になる問題を生じる。さらに、問題は、ゲート酸化膜の劣化、及びウェハ上に蓄積する電荷によるエッチング・プロファイルの変形を含む。
【０００５】
原子層堆積（ＡＬＤ）として知られる堆積技術においては、種々の気体が交互に次々に約１００乃至５００ミリ秒間チャンバ内に注入される。例えば、第１の気体がチャンバ内に約５００ミリ秒間加えられ且つ基板が加熱され、次いで第１の気体（加熱は随意に）が止められる。別の気体がチャンバ内に別の５００ミリ秒間（加熱は随意に）加えられた後に止められる。次の気体は約５００ミリ秒間（隋意に加熱される）加えられた後に止められる。この手順は全ての気体がチャンバ内を循環するまで行われ、各々の気体の手順は高度に共形的な(conformal)単層を形成する。従って、ＡＬＤ技術は、気体注入及び加熱の手順を１００ミリ秒と５００ミリ秒の間のパルスにする。この手法は、シラン及び酸素のような種々の前駆体(precursor)気体の結合を切断するための高い解離エネルギーを必要とし、従って、基板を高温に、例えばシラン及び酸素プロセスに対しては摂氏６００乃至８００度の程度に、加熱することを必要とする。
【発明の開示】
【０００６】
一態様において、半導体加工を行うための装置は、プロセス・チャンバ、繰返しトリガされるように適合されたフラッシュ・ランプ、及びフラッシュ・ランプをトリガするためのフラッシュ・ランプの制御入力に接続されたコントローラを含む。
【０００７】
上記の態様の実施は以下の１つ又はそれ以上を含むことができる。フラッシュ・ランプは、堆積、エッチング、エピタキシャル堆積、及びスパッタ堆積のうちの１つ又はそれ以上を含む原子層加工を実施するようにパルス化することができる。周波数チューニングを用いる固体プラズマ発生器を用いて出力マッチングを達成することができる。プラズマ発生器は可動部分がなにもなく短いチューニング応答時間を有する固体発生器とすることができる。固体発生器は、スイッチング電源、電源に接続された増幅器、増幅器に接続された基準周波数発生器、コンパレータ及び基準周波数発生器にフィードバックを供給する電力計測回路、電力計測回路に接続された出力整合部、並びに、出力整合部に接続されたプラズマ励起回路を含む。複数の前駆体注入口をチャンバに結合することができ、前駆体注入口からの前駆体は、フラッシュ・ランプがトリガされるとき反応する。コントローラはコンピュータ制御型とすることができ、又は配線回路とすることができる。コントローラは、原子層プロセスにおいてフラッシュ・ランプを点灯する。コントローラはフラッシュ・ランプを多数回循環させてプロセス・チャンバ内で原子層加工を行うことができる。多層はプラズマ支援層及び非プラズマ支援層とすることができる。
【０００８】
別の態様において、半導体上の多層膜を堆積させる方法は、気体を加工チャンバ内に導入し、フラッシュ・ランプをトリガしてチャンバ内に熱エネルギーを生成して層を堆積させるステップを含む。
この態様の実施は、以下の１つ又はそれ以上を含むことができる。本方法は、チャンバをパージし、次いで堆積させる各々の層に対して、順次フラッシュ・ランプのパルスを送るステップを含む。
【０００９】
さらに別の態様において、多層半導体加工チャンバは、内部に配置された試料を有する反応チャンバ内に加工用気体を導入するための、チャンバに接続された気体源と、加工用気体を反応させるための、チャンバに接続された高強度フラッシュ・ランプと、各々の堆積層に対してフラッシュ・ランプをトリガするための、フラッシュ・ランプに接続されたコントローラとを含む。
【００１０】
上記の態様の実施は以下の１つ又はそれ以上を含むことができる。固体ＲＦプラズマ・ソースをフラッシュ・ランプと共に用いることができ、このプラズマ・ソースは、スイッチング電源、電源に接続されたＲＦ増幅器、ＲＦ増幅器に接続された基準周波数生成器、コンパレータ及び基準周波数生成器にフィードバックを供給する電力計測回路、並びに、電力計測回路に接続された出力整合部、及び出力整合部に接続されたプラズマ励起回路を含む。コントローラは、フラッシュ・ランプをトリガし、及び／又は固体ＲＦプラズマ・ソースをパルス化する。コントローラは、堆積させる各々の層に対して、フラッシュ・ランプを逐次的にトリガし及び／又は固体ＲＦプラズマ・ソースをパルス化する。
【００１１】
本システムの利点は以下の１つ又はそれ以上を含むことができる。本システムは瞬時に相当な量のエネルギーをウェハ表面に送って所望の表面反応を開始させることができる。本システムはパルス・プラズマ及び／又はフラッシュ加熱の組合せを実施して、持続的熱反応を開始するのに必要な温度よるも僅かに低い温度において基板表面上の化学的前駆体を熱的に活性化することができる。この技法は原子層堆積プロセス用材料の極薄の層を作るのに用いることができる。本システムは良好に制御された厚さを与える。顧客はより薄い膜を用いて同じ結果を達成し、ムーアの法則を拡張することができる。結果として得られる高品質の膜は、特に、高い均一性、制御された抵抗率、高い拡散耐性、及び高い共形性などの優れた特性を有する。従って、本システムは高精度のエッチング、堆積又はスパッタリング性能を可能にする。フラッシュ・バルブ及び／又はラジオ周波数作動型プラズマ・ソースのパルス変調は、プラズマ中のラジカル生成率、イオン温度及び電荷蓄積の厳格な制御を可能にする。また、ウェハ内の電荷蓄積時間はミリ秒の程度であり、ウェハに対する電荷蓄積はマイクロ秒の程度のパルス変調プラズマにより抑制されるので、本システムは電荷蓄積により生じるウェハ上のデバイスの損傷の抑制、及び電極エッチング・プロセス中に生じる切り欠きの抑制を可能にする。本システムは、基板が比較的低い温度、典型的には摂氏４００度未満の温度まで加熱されることを可能にする。低い温度におけるウェハの加工は、熱的経費を削減することができ、特に、熱的に誘起される機械的歪み、及び基板内の隣接層の拡散合金化を減らし、そして結晶粒成長を最小にする上で有益である。
【００１２】
他の利点は以下の一つ又はそれ以上を含むことができる。本システムは、コンパクト基板加工モジュールにおいて、半導体ウェハのエッチング、堆積又はスパッタリングに関して、高エッチング速度、高均一性、高選択性、高異方性、及び低損傷で表される優れた特性を達成することができる高効率のプラズマ作業を達成する。本システムは、基板をエッチングするため及び基板上に膜を堆積させるための、低圧における高密度及び高均一のプラズマ作業を達成する。さらに、本システムは、高反応性及び腐食性気体を含む、種々様々な気体及び気体混合物を用いて作業する機能を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は加工チャンバ１０２を有する例示的なパルス加工システム１００を示す。加工チャンバ１０２は、基板１０５を支持するチャック１０３などの加工チャンバの部品を封入するチャンバ本体を有する。加工チャンバは普通、真空を維持し、基板加工中にプロセス気体の密閉環境をもたらす。時折、加工チャンバは定期的に手入れをしてチャンバを清浄にし、チャンバに蓄積した不要な材料を除去する必要がある。加工チャンバの保守の助けとして、普通、加工チャンバの内部部品に手が届くように十分に大きな開口部が加工チャンバの上部に設けられる。
【００１４】
チャンバ１０２は、固体プラズマ発生器１１０によって駆動され高速点火機能を有するプラズマ励起回路１０６を含む。１つの市販のプラズマ・ソースは、ノースカロライナ州マシューズ所在のＬＩＴＭＡＳ  Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅから入手可能なＬｉｔｍａｓソースである。発生器１１０は交流（ＡＣ）ラインに接続されたスイッチング電源１１２を含む。電源１１２はＡＣ入力を整流し、ＡＣ入力を切替えてＲＦ増幅器１１６を駆動する。ＲＦ増幅器１１６は基準周波数発生器１０４により供給される基準周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）で動作する。ＲＦ増幅器１１６は電流を電力計測回路１１８を通して流し、この計測回路がコンパレータ１２０及び基準周波数発生器１０４にフィードバック信号を供給する。この実施形態において、電力は一度だけ計測され、その情報がＲＦ増幅器１１６の増幅率の制御のため、及び必要ならばシステムの調整のために用いられる。次に電力は出力整合部１２２に送られ、これが直接にプラズマ励起回路１０６を駆動する。一実施形態において、プラズマ励起回路１０６にはチャンバ内の平行平板電極が用いられる。しかし、例えば、キャパシタンス結合型又はインダクタンス結合型の外部電極を含む他の同等な回路を用いることができる。
【００１５】
コントローラ１３０は周期的なパルスを発生し、周波数基準１０４の１つの入力を駆動する。パルスはプラズマ発生を効果的に作動又は停止させる。コントローラ１３０の一実施形態は、１０ヘルツ（１０Ｈｚ）又はそれ以下の周波数のパルスを発生する。別の実施形態にいて、発生されるパルスは約２５０ミリ秒のパルス幅を有し、且つ、このパルスは約５０ミリ秒毎に繰り返される。
【００１６】
チャンバ１０２は、コントローラ１３０によって制御され、基板を加熱するための１つ又はそれ以上のフラッシュ・ランプ１１３を含む。種々の市販のフラッシュ・ランプを用いることができる。一実施形態においては、キセノン・フラッシュ・ランプ（球又は管）を用いて短時間パルス内に大量のスペクトル・エネルギーを放射させる。当業者に既知の多くの適切なフラッシュ・ランプを用いることができる。例えば、「フラッシュ・ランプのトリガに関する設計的考察」と題するＡｌｅｘ  Ｄ．  ＭｃＬｅｏｄの論文（著作権１９９８−２００３  ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ，Ｉｎｃ．）に論じられているように、電源エネルギーは蓄積キャパシタ内に蓄積する。このエネルギーが放出され放散されるとき、フラッシュ・ランプ内に高励起キセノン・プラズマが生じる。放出されたエネルギーは、太陽光に良く似て、紫外（ＵＶ）から赤外（ＩＲ）までの広いスペクトル領域をカバーする。充電されたエネルギー蓄積キャパシタは通常、フラッシュ・ランプの２つの主電極（一般にアノード及びカソードと呼ばれる）の端子間に接続される。このキャパシタが充電される電圧は普通、キセノンをイオン化する電圧よりも低い。
【００１７】
初めのイオン化を起すプロセスはトリガとして知られるが、これはイオン化を引き起こすのに十分な大きさの電圧勾配（ボルト／インチ）を気体中に作る。殆どのトリガ機構はトリガ変圧器を用いて短持続時間の高電圧パルスを生成する。この電圧を導入してイオン化を達成するための幾つかの異なる回路が開発されている。一旦イオン化が起ると、主電極間の細いストリーマにより明らかなように、導電性経路が存在し、それを通してエネルギー蓄積キャパシタが放電することができる。イオン化のレベルが上昇するにつれて、ストリーマは断面積が増加して強いフラッシュを生成する。
【００１８】
外部注入型、連続注入型、疑似連続注入型を含む多くのトリガ法を用いることができる。これら３つのトリガ法はシマー又は疑似シマー・モード回路によりトリガすることができる。シマー・モード法は、フラッシュ・ランプが一連のフラッシュにおいて一度だけトリガされることを必要とする。特別に設計された負荷特性を有する別個の電源を用いて、低いが安定なイオン化状態において、電流をランプ内に連続的に流れさせる。フラッシュ・ランプの型に応じて、典型的なシマー電流は１００ミリアンペアから数アンペアまでとすることができる。ランプの両端にかかる電圧は１００乃至１５０ボルトとなる。別個の電源に対して充電されたキャパシタから得られる主放電エネルギーは、ここでランプ内に切り替ることができる。ＳＣＲ又は気体若しくは真空ギャップのような半導体スイッチを用いることもできる。ランプ内の気体はより高度にイオン化して、エネルギーが放散される際にフラッシュを生じることになる。次いで気体はシマー状態に戻されることになる。回路の設計及びレイアウトにおいて、寄生要素による過渡電流が脱イオン化を起さないように、或いは半導体又は絶縁体が過度に歪みを受けないように注意を払う必要がある。疑似シマー・モードは、シマー電源をキャパシタ充電電源と組み合せたシマー・モード回路の変形物である。動作条件はランプ及び電源負荷回線の考慮により制限される。
【００１９】
外部トリガ法による実施形態においては、高電圧トリガ・パルスを用いてランプ内のアノードとカソードの間に細いイオン化ストリーマを作る。イオン化は、管壁に隣接する気体がトリガ変圧器からのこの高電圧パルスにより生じる電圧勾配によって励起されるときに開始する。細いニッケル線をガラス（又は石英）容器（管）の表面に巻きつけて、電極の内部先端間で可能な限り容器の長さにわたってガラスに触れさせることができる。この線の一端に、トリガ変圧器の高電圧出力（二次巻き線）を接続する。特定のフラッシュ・ランプを確実にトリガするのに必要なトリガ電圧は、アーク長、内径、充填圧力、電極材料に依存し、通常はフラッシュ・ランプの特性データ内に与えられる。周囲の放射エネルギー及びランプの経年特性などの他の因子もまたトリガ要件に影響する。トリガ・パルス幅は本方法を用いる上で重要であるが、何故ならフラッシュ・ランプの穴(bore)をイオン化ストリーマが伝搬するのに有限の時間を要するからである。パルス幅がアーク長１インチ当たり少なくとも２００ナノ秒であるときトリガ動作が最も確実となることが見出されている。
【００２０】
連続注入トリガ法による別の実施形態においては、エネルギー蓄積キャパシタからの放電電流がトリガ変圧器の二次巻き線を通して流される。従って、トリガ変圧器の二次巻き線は、周囲温度の設計限界内で全放電電流を通すように設計する必要がある。ここで二次巻き線の（トリガ変圧器の）インダクタンスは放電回路の一部分となるのでエネルギー蓄積キャパシタの電流パルス波形を制御するのに利用することができる。フラッシュ・ランプの寿命はピーク電流に反比例するので、このインダクタンスを減衰に対して最適化して臨界減衰回路を設計することが望ましい。これは最小のピーク電流を生成し、フラッシュ・ランプを損傷する可能性のある電流反転を防止することになる。これによりフラッシュ・ランプの寿命は特定の必要エネルギーに対して最大となり、ここで電力要件がトリガ変圧器の大きさを決定する。疑似連続注入トリガ法は、特にその大きさ、重量及びコストの不利点の幾つかを被らずに、連続注入トリガ法の利点の幾つかを保持する。図５は、この回路の、極性及び接地ノードの種々の可能な構成における４つの型を示す。トリガ電圧は連続注入法と同様にフラッシュ・ランプに印加されるが、この場合には、主エネルギー放電はトリガ変圧器の二次巻き線を流れない。その代り、適切なダイオードを通る経路が設けられる。
【００２１】
パルス発生器１３０はまた、フラッシュ・ランプ１１３を駆動する周期的パルスを発生する。パルスはプラズマ発生を効果的に作動又は停止させる。パルス発生器１３０の一実施形態は１０ヘルツ（１０Ｈｚ）又はそれ以下の周波数のパルスを発生する。別の実施形態において、発生されるパルスは約５０ミリ秒のパルス幅を有し、且つ、このパルスは５秒毎に繰り返される。
【００２２】
上記の方法で堆積された膜の特性は、プラズマ内の電子温度、基板に入射するイオンのエネルギー、並びにイオン・シース近傍に生成されるイオン及びラジカルに依存する。プラズマ内の電子温度分布、プラズマ内に生成される各々のイオン及びラジカルの種類、並びにイオン量とラジカル量の間の比率は、プラズマ・エッチングに関して説明したのと同じ方法で高周波数電圧を変調することによって制御することができる。従って、優れた特性を有する膜の堆積条件が分かれば、この条件を満たすように、本発明による変調信号で放電プラズマを制御することができる。このようにして、膜堆積に関する加工特性を改善することができる。
【００２３】
図２は、図１のシステム１００を用いた一つの例示的な半導体製造プロセスのフローチャートを示す。初めに、ウェハがチャンバ内部に配置される（ステップ２００）。次に、適切な加工用気体がチャンバ内に導入され（ステップ２０２）、そしてプロセス作動スイッチによりコントローラ１３０が周期的に作動されて所望のプロセスを進める（ステップ２０４）。コントローラは１つ又はそれ以上のフラッシュ・バルブ、１つ又はそれ以上の固体ＲＦヒータ、又はこれら２つの熱源の任意の順番での任意に組合せ、を作動させることができる。実行される特定の型のプロセスは、プロセス作動スイッチの選択に影響する。任意のデバイス製造プロセスに対する作動スイッチの選択は、プロセスが堆積プロセスであるか又はエッチング・プロセスであるかに関わらず、最終の半導体デバイスの特性に著しく影響する可能性がある。１層の材料の加工の終りに、チャンバ内の気体がパージされ（ステップ２０６）、チャンバはさらに別の加工を引き受ける準備が整う。従って、次の材料層に対して、適切な加工用気体がチャンバ内に導入され（ステップ２０８）、コントローラ１３０は周期的に作動されて所望のプロセスを進める（ステップ２１０）。第２材料層の加工の終りに、チャンバ内の気体がパージされ（ステップ２１２）、チャンバはさらに別の材料層を受け入れる準備が整う。このプロセスは多層ウェハ内の各層に対して繰り返される。
【００２４】
図３Ａは、１つの例示的なコントローラ３００を示す。コントローラ３００はディジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）３０６を駆動するコンピュータ３０２を含む。ＤＡＣ３０６は成形された波形を生成し、そして、プラズマ発生器１１０を駆動するパワー・トランジスタ又はリレーのような高電圧分離ユニット３０８に接続される。コントローラ３００は、矩形波及び正弦波のような種々の波形を生成することができ、さらに、それら波形の周期及び振幅を変えることができる。さらに、上の説明において、プラズマに供給されるＲＦ電力は矩形波で変調される。しかし、変調波形は矩形波に限定されない。換言すれば、所望のイオン・エネルギー分布、所望の電子温度分布、並びに、所望のイオン量と所望のラジカル量の間の比率が分かれば、これらの因子に従って変調波形が決定される。変調波形として矩形波を用いることは、加工条件を容易に設定することができ且つプラズマ加工を容易に制御できる利点を有する。矩形波はＲＦソースからの信号を不連続型に変調するので、矩形波は、正弦波及びその合成波と比較して、加工条件を容易に設定することができることに留意されたい。さらに、パルス発生器はまた、周波数変調信号に加えて、又はそれと組み合せて、振幅変調信号を発生することができる。
【００２５】
図３Ｂは、カリフォルニア州サニーベール所在のＳｉｇｎｅｔｉｃｓから入手可能な５５５タイマーのような、タイマー・チップを用いる例示的な実施形態を示す。タイマー・チップ５５５は適切な抵抗容量（ＲＣ）ネットワークにより特定の間隔でパルスを発生するように予備構成されている。タイマー・チップ５５５は成形された波形を発生し、上記のように、プラズマ発生器１１０を駆動するパワー・トランジスタ又はリレーのような高電圧分離ユニット３０８に接続される。
【００２６】
ここで図４を参照すると、多数チャンバ型半導体加工システム８００が示される。加工システム８００は、ウェハ８４２を収容し加工するために適合された複数のチャンバ８０２、８０４、８０６、８０８及び８１０を有する。コントローラ８２２、８２４、８２６、８２８及び８３０は、それぞれ、チャンバ８０２、８０４、８０６、８０８及び８１０の各々を制御する。付加的に、コントローラ８２１は別のチャンバを制御するが、このチャンバは説明のためには図示されていない。
【００２７】
チャンバ８０２−８１０の各々は、チャンバ本体１０２の蓋１０４を与える。保守操作の間、蓋１０４は開放位置に動かすことができるので、チャンバ本体１０２の内部の部品に容易に手入れをして必要なときに洗浄又は置換することができる。
【００２８】
チャンバ８０２−８１０は、ウェハ８４２を収容する移動チャンバ８４０に接続される。ウェハ８４２はロボット・ブレード又はアーム８４６の先端に置かれる。ロボット・ブレード８４６は加工領域外部からウェハ８４２を受け取る。
【００２９】
加工領域間のウェハ８４２の移動は、領域を隔てる１つ又はそれ以上のドアを通してウェハを通過させることを伴う。ドアは一実施形態において約２５個のウェハを保持することができるウェハ収容コンテナ又はウェハ・ボートを通過させるためのロードロック・チャンバ８６０−８６２とすることができる。ウェハ８４２はコンテナ内で、１つの領域から別の領域へチャンバを通して移動させることができる。ロードロックはまた、ウェハの回りに周囲空気を効果的にフラッシュする空気循環及びろ過システムを備えることができる。
【００３０】
各々のロードロック・チャンバ８６０又は８６２は密閉された開口部８５０又は８５２の間に配置され、半導体ウェハを製造領域の間で移動させる機能を備える。ロードロック８６０−８６２は、ウェハの回りに周囲空気を効果的にフラッシュする空気循環及びろ過システムを含むことができる。各ロードロック・チャンバ８６０又は８６２はまた、ウェハ移動操作中にパージすることができ、１つの製造領域から他に移動される空気中の汚染物質の数を著しく減少させる。ロードロック・チャンバ８６０−８６２はまた、制御のために空気圧を計測する圧力センサ８７０−８７２を含むことができる。
【００３１】
操作中、ウェハ・カセット又はウェハ・ボートはシステム前面の開口部８５０−８５２においてロードロック・ドアを通してロードロックに搭載される。ドアが閉じられ、システムが排気されて到達圧力が圧力センサ８７０−８７２により計測される。スリット弁（図示せず）が開かれてウェハをロードロックから移動チャンバに移動させることが可能になる。ロボット・ブレードがウェハを捕捉してウェハを適切なチャンバに送出する。第２のスリット弁が移動チャンバとプロセス・チャンバの間で開き、ウェハがプロセス・チャンバ内に運ばれる。
【００３２】
従って、コンテナは、ウェハ移動操作中にそれぞれの製造領域内に留まり、コンテナに付着した如何なる汚染物質もウェハと共に１つの製造領域から他の製造領域に移動することはない。さらに、ウェハ移動操作中、移動チャンバ内の空気をパージすることができるので、１つの製造領域から他の製造領域に移動する空気中の汚染物質の数が著しく減少する。このように、操作中に移動チャンバは製造工程間に高レベルの分離をもたらす。
【００３３】
図５は、システム１００又はシステム３００を用いた液体及び気体前駆体送出のための例示的な装置４０を示す。装置４０はＣＶＤチャンバのようなチャンバ４４を含む。チャンバ４０は、基板加工を実施するための排気可能密閉区域を定めるチャンバ本体を含む。チャンバ本体は、少なくとも、スリット弁により選択的に密閉される基板入口ポートと、それを通して基板支持部材を動かすことができる側面ポートとを含む、複数のポートを有する。装置４０はまた、チャンバ４４に接続された気体前駆体インジェクタ４６及びチャンバ４０に接続された液体前駆体インジェクタ４２を含む。
【００３４】
液体前駆体インジェクタ４２において、前駆体６０は密閉コンテナ６１内に置かれる。アルゴンのような不活性気体６２がチューブ６３を通してコンテナ６１の中に注入されてコンテナ６１内部の圧力を上昇させ、弁６５が開かれたときに銅前駆体６０がチューブ６４を通して流れるようにする。液体前駆体６０は液体流量コントローラ６６により計測され、チューブ６７に流れ込み、そしてＣＶＤチャンバ７１に取り付けられた気化器６８に流れ込む。気化器６８は液体を加熱して前駆体６０を気化して気体６９にし、基板７０の上を流し、この基板がサセプタによって適切な温度に加熱されて銅前駆体を分解させ、基板７０の上に銅層を堆積させる。ＣＶＤチャンバ７１は、排気ポンピング７２により周囲から密閉され、堆積が制御された部分的真空内で起ることを可能にする。
【００３５】
気体前駆体インジェクタ４６において、温度制御ジャケット１００によって包まれ、前駆体の温度を摂氏０．１度以内で制御することを可能にする密閉コンテナ８９の内部に液体前駆体８８が収容される。熱電対（図示せず）が前駆体８８の中に沈められ、電子制御回路（図示せず）がジャケット１００の温度を制御し、ジャケット１００が液体前駆体の温度を制御して前駆体の蒸気圧を制御する。液体前駆体は、特定の堆積プロセスに必要な適切な蒸気圧を生ずるように加熱又は冷却することができる。搬送気体８０は、弁８３と、弁９２又は９５のいずれか一方のみとが開かれるとき、気体流量コントローラ８２を通して流れることができる。また１つ又はそれ以上の付加的な気体流量コントローラ８６が図示されており、これは、所望であれば、弁８７が開かれるときに付加的な気体８４を流すことができる。付加的な気体９７もまた、気体流量コントローラ９９に取り付けられた弁７９に接続された注入用チューブを通して気化器６８の中に注入することができる。蒸気圧に応じて、前駆体８８のある一定量が搬送気体８０及び８４によって運ばれることになり、また弁９２が開いているときはチューブ９３を通して排出される。
【００３６】
基板がＣＶＤチャンバ７１の内部に配置されたのち、基板は上記のようにヒータ１００又は３００によって加熱される。基板が適切な温度に達した後、弁９２を閉じ、弁９５を開いて、搬送気体８０及び８４並びに前駆体蒸気が接続チューブ９６を通して気化器６８の中に入るようにする。このような弁の配置は、チャンバ７１内への蒸気の突発的な進入を防止する。前駆体８８は既に蒸気であり、気化器は、前駆体蒸気を基板７０上に一様に散布するためのシャワーヘッドとしてだけ用いられる。銅の堆積速度及び初期銅堆積に必要な厚さに依存する所定の時間の後、弁９５を閉じ、弁９２を開く。搬送気体の流速は１ｓｃｃｍ毎秒もの微量まで正確に制御することができ、前駆体の蒸気圧は前駆体８８を冷却することにより１気圧の何分の一かにまで減らすことができる。このような配置は、所望であれば、銅堆積速度を１０オングストローム毎分よりも小さな値まで正確に制御することを可能にする。初期銅層の堆積が終ると、液体源送出システムを作動させて、その後の堆積をより迅速に進めることができる。
【００３７】
図６Ａ及び図６Ｂは、障壁パルス・プラズマ原子層堆積を実施する実施形態６００の２つの作動条件を示す。図６Ａは一つの堆積条件における実施形態６００を示し、図６Ｂはもう一つの堆積条件における実施形態６００を示す。図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、チャンバ６０２は１つ又はそれ以上の気体注入口６０４を通して気体を受け入れる。固体プラズマ発生器６０５がチャンバ６０２の頂部に取り付けられ、１つ又はそれ以上のプラズマ励起コイル６０７が気体注入口６０４の近くに配置される。フラッシュ・バルブ６１１が基板６１０の上方に配置される。液体前駆体システム６０６は前駆体気体を、気化器６０８を通して前駆体散布リング６３０により、チャンバ６０２の内部に導入する。
【００３８】
チャック６０８は基板６１０を移動可能に支持する。図６Ａにおいて、チャック６０８及び基板６１０は持ち上げられて堆積の準備が整えられる。基板６１０はチャンバ内に配置される。適切な加工用気体が注入口６０４を通してチャンバ内に導入され、プロセス作動スイッチによりパルス・プラズマ・コントローラ６０５が周期的に作動されて所望のプロセスを進める。実行される特定のプロセスはプロセス作動スイッチの選択に影響する。何れのデバイス製造プロセスに対する作動スイッチの選択も、プロセスが堆積プロセスであるか又はエッチング・プロセスであるかに関わらず、最終の半導体デバイスの特性に著しく影響する可能性がある。１つの材料層の加工の終りに、チャンバ６０２内の気体がパージされ、チャンバ６０２はさらに別の加工を受け入れる準備が整う。このプロセスは多層ウェハ上の各々の層に対して繰り返される。全ての層の堆積の終わりに、チャック６０８が降ろされて基板６１０は開口部６１１を通して取り出すことができる。
【００３９】
本システムは、基板が、閉ループ温度制御における信頼性のある実時間の多点温度計測による温度一様性を有することを可能にする。制御部分は、プロセッサ、データ記憶システム、揮発性及び不揮発性メモリ及び／又は記憶要素、少なくとも１つの入力デバイス及び少なくとも１つの出力デバイスを有するプログラム可能コンピュータの上で実行されるコンピュータ・プログラムにおいて実施される。
【００４０】
各コンピュータ・プログラムは、機械可読記憶媒体内、又は汎用若しくは専用プログラム可能コンピュータによって可読なデバイス（例えば、プログラム・メモリ５２２又は磁気ディスク）内に有形にストアされ、記憶媒体又はデバイスがコンピュータによって読み出されるとき内部に記述されているプロセスを実行するように、コンピュータの動作を構成し制御する。本発明はまた、コンピュータ・プログラムにより構成されるコンピュータ可読記憶媒体内に具体化されるように考えることもでき、その場合、そのように構成された記憶媒体は、本明細書で記述された機能を実施するための特定の及び予め定められた仕方でコンピュータを動作させる。
【００４１】
ＣＶＤ（化学気相堆積）において、気体又は蒸気混合物が高温のウェハ表面上を流される。次に反応が高温表面上で起り、そこで堆積が起る。ＣＶＤプロセスの基本的特徴は、基板における全ての前駆体蒸気相互の反応、又は基板表面における前駆体の分解である。多くの場合、反応は熱エネルギー（抵抗加熱基板、又は放射加熱の形態の）又はプラズマ・エネルギー（プラズマ励起の形態の）のようなエネルギー源の存在を必要とする。
【００４２】
ＡＬＤは別の堆積技術である。ＡＬＤにおいて、種々の蒸気が交互に別々の順序でチャンバ内に注入される。例えば、第１の前駆体蒸気がチャンバ内に送出されて基板に吸着される。次に第２の前駆体蒸気がチャンバ内に送出され、基板に吸着されている分子と反応して所望の膜を形成する。この順序は、堆積膜が所望の厚さに達するまで多数回繰り返される。ＡＬＤプロセスの多くの変形が存在するが、ＡＬＤプロセスは全て２つの共通の特徴、逐次的に前駆体蒸気が流れて前駆体が基板表面と反応すること、及びサイクル毎の厚さが自己制限的であること、を共有する。
【００４３】
ＣＶＤとＡＬＤの間の１つの基本的な違いは、反応特性である。ＣＶＤにおいては前駆体が基板表面において相互に反応（又は分解）し、一方ＡＬＤにおいては前駆体が基板表面と反応し、前駆体同士は反応しない。
【００４４】
ＣＶＤとＡＬＤの間のもう１つの基本的な違いは、時間に対する堆積厚を定める自己制限特性である。ＣＶＤは、反応が前駆体間で表面において起り、従って前駆体が存在する限り反応が起り続け、堆積時間に対して堆積厚が増加するので、自己制限的にはなり得ない。対照的に、ＡＬＤプロセスのサイクル毎の最大厚は、基板表面が第１の前駆体で飽和する自己制限特性のために、１単分子層となる。第１の前駆体は基板上に吸着できる、又は第１の前駆体は基板において何らかの反応を起すことができるが、第１の前駆体はまた基板表面を飽和し、表面は第１の前駆体リガンドで終端される。２００３年２月４日に出願され、２００４年８月５日にＵＳ２００４−０１５１８４５として刊行された、「ナノ層堆積プロセス」と題する同時係属中の米国特許出願第１０／３６０，１３５号が開示されており、引用により本明細書に組み入れられる。
【００４５】
本発明は、基板上に薄膜を逐次的に堆積させる方法を開示するが、この方法は、
薄膜をＣＶＤ法で堆積させ、
薄膜を処理して薄膜の特性を修正する、
ステップを含む。
これら２つのステップは前駆体の流れによって完遂することができる。これら２つのステップは所望の厚さが達成されるまで繰り返すことができる。
【００４６】
本発明における堆積ステップはＣＶＤ堆積ステップであり、基板表面において前駆体が互いに反応するか又は分解するということになる。さらに、この堆積プロセスは非自己制限的な成長を可能にするので、基板温度及びプロセス時間の関数となる。上記の２つのステップの間にポンプ又はパージ・ステップを入れることが可能である。プロセスの変形において、堆積ステップは非自己制限的な任意の堆積ステップとすることができる。
【００４７】
処理ステップは既に堆積した膜の特性を変更する。処理ステップは、膜組成の変更、堆積膜のドーピング、又は堆積膜からの不純物の除去によって、堆積膜を処理することができる。処理ステップはまた、堆積膜上に別の層を堆積させて堆積膜の特性を変更することができる。例えば、追加の層が既存の層と反応して合成層を形成することができ、又は最小反応によりナノ積層膜を形成することができる。処理ステップはプラズマ処理、又は、ランプ加熱による迅速熱処理のような温度処理とすることができる。
【００４８】
本発明におけるステップは、熱活性化ＣＶＤ，平行平板プラズマを用いるプラズマ強化ＣＶＤ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、マイクロ波プラズマ、遠隔プラズマ、又はランプ加熱を用いる迅速熱処理などの任意のＣＶＤ堆積ステップとすることができる。この堆積ステップを堆積ステップとするばかりでなく、処理ステップもまたＣＶＤ堆積ステップとして堆積膜の特性を変更することができる。
【００４９】
本発明の１つの利点は、第１の堆積ステップの非自己制限的な特性であり、堆積ステップの厚さを調節してサイクル毎のより大きな厚さを達成することを可能にする。従って、本発明におけるサイクル毎の厚さは、プロセス温度及びプロセス時間の関数となる。対照的に、ＡＬＤ法は、基板表面上のリガンドの飽和に基づくものであり、それ故にサイクル毎の厚さは固定され、変えることができない。
【００５０】
上記の実施例は、本発明の範囲内で具体化されるプラズマ加工技術の実際上無限の用途の内の数例を示すものであることを理解されたい。さらに、本発明は上記の特定の実施形態に関して説明されたが、この説明は限定する意味に解釈されるべきではない。例えば、作動時間率、サイクル時間及び他のパラメータ／条件は、ウェハの所望の特性を得るように変えることができる。
【００５１】
当業者には、開示された実施形態の種々の変更、及び本発明の代替的実施形態が、上記の説明を参照することにより明白となるであろう。しかし、本発明は図示され説明された実施形態には限定されない。例えば、放射源はランプではなくラジオ周波数ヒータとすることができる。それゆえ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定められる。さらに、添付の特許請求の範囲は本発明の真の範囲に入るそのような変更を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】加工チャンバを有する例示的なパルス加工システムを示す。
【図２】図１のシステムを用いた１つの例示的な半導体製造プロセスのフローチャートを示す。
【図３Ａ】例示的なパルス発生器の実施形態を示す。
【図３Ｂ】例示的なパルス発生器の実施形態を示す。
【図４】複数チャンバ型半導体加工システムを示す。
【図５】液体及び気体前駆体送出のための例示的な装置。
【図６Ａ】障壁パルス・プラズマ原子層堆積を実施するための実施形態の操作条件を示す。
【図６Ｂ】障壁パルス・プラズマ原子層堆積を実施するための実施形態の操作条件を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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