(57)【要約】  半導体基板を処理する方法および装置が記載されている。処理チャンバは基板支持体を含み、基板支持体に対向し、誘導性、容量性、マイクロ波、またはミリメートル波源とすることができるインシトゥプラズマ源と、基板支持体から隔置された１列の熱ランプとすることができる放射熱源とを有する。支持体は、インシトゥプラズマ源と放射熱源との間に位置することができ、回転することができる。基板を処理する方法は、処理チャンバ内に生成されたプラズマに基板を曝すことによって、酸化物層を形成することと、チャンバ内の基板上でプラズマ窒化処理を実行することと、チャンバの外側に形成された酸素ラジカルに基板を曝しながら、チャンバ内に配置された放射熱源を使用して基板を熱処理することと、チャンバ内に生成されたプラズマに基板を曝すことによって、電極を形成することとを含む。
2014511030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を処理するチャンバであって、
前記チャンバ内に配置された基板支持体と、
前記基板支持体に対向するインシトゥプラズマ源と、
前記インシトゥプラズマ源を通じて前記チャンバに接続された遠隔プラズマ源とを備えるチャンバ。
【請求項２】
前記インシトゥプラズマ源が誘導性のプラズマ源である、請求項１に記載のチャンバ。
【請求項３】
前記インシトゥプラズマ源が、前記チャンバのリッド領域内に配置された導電コイルを備える、請求項１に記載のチャンバ。
【請求項４】
前記インシトゥプラズマ源が、電力源に結合されたシャワーヘッドを備え、前記遠隔プラズマ源が、前記シャワーヘッドの中心領域内の開口に接続されている、請求項１に記載のチャンバ。
【請求項５】
前記チャンバ内に配置された熱源をさらに備え、前記熱源が前記基板支持体から隔置されている、請求項１に記載のチャンバ。
【請求項６】
前記基板支持体が、前記熱源と前記インシトゥプラズマ源との間に配置されている、請求項５に記載のチャンバ。
【請求項７】
半導体基板を処理するチャンバであって、
前記チャンバ内に配置された基板支持体と、
前記チャンバ内で前記基板支持体に対向するように配置された高イオン密度のプラズマ源と、
前記チャンバに接続された低イオン密度のプラズマ源とを備えるチャンバ。
【請求項８】
前記低イオン密度のプラズマ源が遠隔プラズマ源である、請求項７に記載のチャンバ。
【請求項９】
前記チャンバ内に配置された複数の放射熱源をさらに備える、請求項７に記載のチャンバ。
【請求項１０】
前記基板支持体と前記放射熱源との間に窓をさらに備える、請求項９に記載のチャンバ。
【請求項１１】
前記高イオン密度のプラズマ源が、誘導結合プラズマ源または容量結合プラズマ源であり、前記低イオン密度のプラズマ源が遠隔プラズマ源である、請求項９に記載のチャンバ。
【請求項１２】
半導体基板を処理するチャンバであって、
基板支持体と、
前記基板支持体に対向する直接プラズマ源と、
前記基板支持体から隔置された放射熱源とを備えるチャンバ。
【請求項１３】
前記直接プラズマ源が、誘導結合ＲＦ、マイクロ波、またはミリメートル波プラズマ源である、請求項１２に記載のチャンバ。
【請求項１４】
遠隔プラズマ源をさらに備える、請求項１２に記載のチャンバ。
【請求項１５】
前記直接プラズマ源が誘導結合プラズマ源である、請求項１４に記載のチャンバ。
【請求項１６】
前記直接プラズマ源が、ＲＦ、マイクロ波、またはミリメートル波源である、請求項１５に記載のチャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の実施形態は、半導体製造処理および装置に関する。より詳細には、半導体基板上で材料層を形成および処理する方法および装置を開示する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ電界効果トランジスタは、大部分の半導体デバイスの機能的な中核である。過去５０年以上にわたって、ムーアの法則によりＭＯＳＦＥＴの寸法は低減され、ＭＯＳＦＥＴはより小さいチップ上でより密に詰め込まれてきた。寸法が低減されるにつれて、製造上の挑戦課題は増した。
【０００３】
通常、ＭＯＳＦＥＴは、チャネル領域を覆うように配置されたゲート構造を含む。ゲート構造は、ゲート構造に電圧が印加されるときにチャネル領域の電子的な特性を変化させることによって、チャネル領域を通る電気の流れを制御する。ゲート構造は通常、ゲート電極を含み、ゲート電極とチャネル領域との間にゲート誘電体を含む。ゲート電極に電圧が印加されると、ゲート誘電体およびチャネル領域内に電界が確立され、チャネル領域を通る電荷キャリアの流れを変化させる。
【０００４】
ゲート誘電体は通常、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、または金属ケイ酸塩から形成される。ゲート電極は、一般にケイ素である。一般に、プラズマＣＶＤ、熱処理、ＤＰＮ、ＲＴＰ、遠隔プラズマ処理、および酸化処理を含む様々な処理を基板上で実行して、ＭＯＳＦＥＴゲート構造を構築する。１つの処理では、ＰＥＣＶＤチャンバ内で基板上に酸化ケイ素層が形成される。この基板をＤＰＮチャンバへ移動させて、窒化を行う。この基板をＲＴＰチャンバへ移動させて、再酸化を行う。次いで、この基板を第２のＰＥＣＶＤチャンバへ移動させて、ケイ素の堆積を行う。これらのチャンバは通常、基板を処理から処理へ移動させるために、移送チャンバに結合されている。
【０００５】
上記のような生産プラットフォーム、およびそれらのプラットフォームが実行する処理は高価であり、スループットを制限してきた。処理順序を変更するには、基板を処理する経路を様々なチャンバ間で変更しなければならず、スループットに影響を及ぼす。多機能チャンバを使用して基板を処理する装置および方法は、生産を合理化し、スループットを増大させ、基板の取扱いの必要を低減させるはずである。
【０００６】
したがって、基板上にゲート構造を形成するための効率的で費用効果の高い方法および装置が引き続き必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、半導体基板を処理するチャンバが記載されている。このチャンバは基板支持体を含み、基板支持体に対向するインシトゥプラズマ源と、基板支持体から隔置された放射熱源とを有する。基板支持体は、インシトゥプラズマ源と放射熱源との間に位置することができる。放射熱源は、１列の熱ランプとすることができる。インシトゥプラズマ源は、誘導性もしくは容量性のプラズマ源、またはマイクロ波もしくはミリメートル波のプラズマ源とすることができる。
【０００８】
チャンバは遠隔プラズマ源を含むことができ、遠隔プラズマ源は、チャンバに接続され、壁を通じて配置されており、基板支持体に対向し、または基板支持体に隣接している。遠隔プラズマ源は、インシトゥプラズマ源を貫通するように配置されたガス分配器に接続することができる。放射熱源と基板支持体との間には窓を配置することができ、基板支持体は回転することができる。
【０００９】
別の実施形態では、高イオン密度のプラズマ源および低イオン密度のプラズマ源を有するチャンバが記載されており、これらのプラズマ源はどちらも、基板支持体上に配置された基板をプラズマに曝すように位置決めされている。チャンバ内には放射熱源を含むことができ、プラズマ源と放射熱源との間に基板支持体がくるように位置することができる。
【００１０】
別の実施形態では、処理チャンバ内で基板を処理する方法が提供される。この方法は、チャンバ内に生成されたプラズマに基板を曝すことによって、基板上に酸化物層を形成することと、チャンバ内の基板上でプラズマ窒化処理を実行することと、チャンバの外側に形成された酸素ラジカルに基板を曝しながら、チャンバ内に配置された放射熱源を使用して基板を熱処理することと、チャンバ内に生成されたプラズマに基板を曝すことによって、基板上に電極を形成することとを含む。上記のステップは、チャンバから基板を取り出さずに実行することができる。
【００１１】
本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、実施形態を参照すれば、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明を得ることができる。実施形態の一部を、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、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】
【００１２】
【図１】一実施形態による処理チャンバの横断面図である。
【図２】別の実施形態による方法を要約する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態で開示する要素は、具体的な記述がなくても、他の実施形態で有益に利用できることが企図される。
【００１４】
チャンバから基板を取り出さずに基板上で様々な材料の処理および熱処理を実行するために、多機能チャンバを構成することができる。図１は、一実施形態によるそのようなチャンバ１００の横断面図である。図１のチャンバは、様々なプラズマおよび熱による堆積および処理プロセスを基板上で同時に、並行して、または連続して実行することが可能である。一連の処理が基板上で実行される間、基板をチャンバ内に残すことができ、または基板を時折取り出し、後にチャンバへ戻してから後の処理を行うことができる。
【００１５】
図１のチャンバ１００は、第１の部分１０４、第２の部分１０６、および第３の部分１０８をもつ筐体１０２を有する。筐体１０２は、アルマイトもしくは石英とすることができ、または石英チャンバライナを有するアルマイトとすることができ、そのような材料は、電界効果トランジスタを製造する際に実行される大部分の処理に対して耐性を有する。第１の部分１０４、第２の部分１０６、および第３の部分１０８は、ともに一体形成することができ、またはファスナ（図示せず）を使用して取外し可能に取り付けることができる。
【００１６】
筐体１０２内に基板支持体１１０が配置され、第３の部分１０８を通って制御アセンブリ１１２まで延びる。制御アセンブリ１１２は、基板支持体１１０に回転式に結合されたモータと、導管１１６を通じて基板支持体内で熱制御流体を提供する熱制御モジュール１１４と、基板支持体１１０に電気バイアスを提供し、または基板支持体１１０上に基板を静電気で固定化する電気ユニット１１８とを有することができる。
【００１７】
筐体１０２の第１の部分１０４内には、基板支持体１１０に対向するようにプラズマ源１２０が配置される。プラズマ源１２０は、１つまたは複数のＲＦ電源１２４によって通電される複数の導電ループ１２２を備える誘導性のプラズマ源である。プラズマ源１２０を貫通するように配置された処理ガス導管１２６によって、処理ガス源１６０がチャンバ１００に流動的に結合され、プラズマ源１２０の中心部分には、基板支持体１１０に対向するようにガス分配器２８が位置決めされている。チャンバ１００には、プラズマ源１２０によって活性化すべき処理ガスを、ガス分配器１２８を通じて提供することができる。チャンバ１００に有用な誘導性のプラズマ源は、本発明の譲受人に譲渡された２０１０年５月１４日出願の「Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｗｉｔｈ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｈｏｗｅｒ  Ｈｅａｄ  Ｕｓｉｎｇ  Ｂ−Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ」という名称の米国特許出願第１２／７８０，５３１号に記載されている。同出願は、参照により本明細書に組み込まれている。
【００１８】
筐体１０２内には熱源１３０が配置され、基板支持体１１０の表面１３２から隔置される。熱源１３０は、放射熱源、たとえば複数の熱ランプとすることができ、熱ランプは、１列に、たとえばハニカムパターンで構成することができる。熱源１３０と基板支持体１１０との間には石英窓１３４が配置され、たとえば石英窓にフィルタを施して所望の波長を除去し、他の波長を伝搬させることによって、熱源１３０からの放射を制御する。石英窓１３４は、チャンバ１００の処理環境から熱源１３０を保護することができる。便宜上、基板支持体１１０が熱源１３０とプラズマ源１２０との間に位置決めされているところを示すが、そのような位置決めが必ずしも必要とされるわけではない。たとえば、基板支持体１１０とプラズマ源１２０との間で筐体１０２の第２の部分１０６の周辺部の周りに環状の熱源を位置決めすることができ、石英窓またはシールドは熱源と処理環境を分離することができる。図１の実施形態では、基板支持体１１０は、熱源１３０からの放射に対して実質上透過性の材料を含むことができ、基板支持体１１０の表面１３２上に配置された基板を熱処理することができる。
【００１９】
処理ガス導管１２６およびガス分配器１２８を通じて、または代替のアクセス点を通じて、チャンバ１００にラジカル源１３６を結合することができる。ラジカル源１３６は遠隔プラズマ源とすることができ、ＲＦまたはマイクロ波電力によって通電することができる。
【００２０】
ポンピングポート１５０を真空源１５２に結合することによって、チャンバからガスが排気される。ポンピングポート１５０は、チャンバの任意の好都合な位置に配置することができる。図１の実施形態では、ポンピングポート１５０は、筐体１０２の第２の部分１０６内で基板支持体１１０の表面１３２付近に配置されたポンピングプレナムである。実質上連続する開口１６２がチャネル１５４につながり、チャネル１５４はチャンバ１００を一周して真空導管１５６に接続され、真空源１５２につながる。ポンピングポートはまた、円形の入り口とすることもでき、筐体１０２内に形成され、導管によって真空源１５２に結合される。
【００２１】
図示および記載の図１のプラズマ源１２０は誘導性のプラズマ源である。代替実施形態では、プラズマ源１２０は、基板支持体１１０に対向して基板支持体１１０に対して概ね平行に配置された平面のガス分配器など、容量性のプラズマ源とすることができる。平面のガス分配器は、ガス分配器のうち基板支持体１１０に対向する表面を貫通して配置されたガス流開口を有することができる。ガス流開口は通常、ガス分配器内に形成された１つまたは複数のガスプレナムと連通して、ガスがすべての開口を均等に流れるようにする。熱制御チャネルにガス流プレナムを点在させて、ガス分配器および／またはガス分配器を通って流れるガスの加熱または冷却を行うことができる。平面のガス分配器、基板支持体、またはそれらの両方にＲＦ電力などの電力を結合して、ガス分配器と基板支持体との間に電界を確立する。
【００２２】
別の実施形態では、図１のプラズマ源１２０は、マイクロ波源またはミリメートル波源とすることができる。基板支持体１１０に対向する構成で、同軸の長波放射源を配置することができ、同軸源と筐体１０２の第１の部分１０４との間にリフレクタを設けて、放出された放射を基板支持体１１０の方へ誘導する。同軸源は、アンテナ構造で構成された１つまたは複数の同軸ケーブルとすることができ、この構造は、螺旋形状、犂耕体形状、または任意の所望の分布形状とすることができる。通常、同軸アンテナ構造にはマグネトロン電源を結合して、放射線場を確立する。
【００２３】
図１の実施形態では、図示および記載の基板支持体１１０は、ペデスタル型の基板支持体である。代替実施形態では、基板は、熱源１３０とプラズマ源１２０との間で筐体の第２の部分１０６から内方へ延びる支持リングによって支持することができる。そのような構成は、基板に対するより直接的なアクセスを熱源１３０に提供することができる。熱源１３０がランプアレイである実施形態では、複数のリフトピンにランプを点在させることができ、これらのリフトピンをリフトピンアセンブリによって作動させ、チャンバ１００との間の輸送のために、基板に係合して基板を支持リングの上へ持ち上げることができる。
【００２４】
図２は、別の実施形態による方法２００を要約する流れ図である。２０２で、図１のチャンバ１００などの多機能チャンバ内の基板支持体上に、基板が配置される。２０４で、基板は、多機能チャンバ内に形成されたプラズマに曝され、基板上に層が堆積される。多機能チャンバ内に配置された、誘導性または容量性とすることができるプラズマ源が、電力、たとえば約３００ｋＨｚ〜約１，０００ＭＨｚ、たとえば約１３．５６ＭＨｚの１つまたは複数の周波数のＲＦ電力で通電される。プラズマ源と基板支持体との間の反応空間に堆積前駆体ガスが提供され、プラズマ源によって活性化される。活性化された前駆体は、基板上に層を形成する。一実施形態では、堆積前駆体は、シランなどのケイ素源であり、基板上にケイ素層を形成する。別の実施形態では、堆積前駆体は、窒素ガスまたはアンモニアなどの窒素源であり、たとえばＤＰＮ処理で基板の表面に窒素を添加することができる。別の実施形態では、堆積前駆体は、ＡＬＤ処理を実行するために、金属源または還元ガスとすることができる。通常、チャンバ内に形成されるプラズマは、イオンを多く含むプラズマ、または高いイオン密度を有するプラズマである。
【００２５】
２０６で、基板は、チャンバの外側、たとえば基板を収容するチャンバから離れた遠隔のマイクロ波またはＲＦチャンバ内に形成されたプラズマに曝される。プラズマは、基板を収容するチャンバ内へ流され、基板はプラズマに曝される。このプラズマは、遠隔プラズマとすることができるが、通常は、ラジカルを多く含むプラズマ、または高いラジカル密度および／もしくは低いイオン密度を有するプラズマである。そのようなプラズマを提供して、動作２０４などのイオン反応性処理に以前に曝された酸化物層を修復するための酸化処理を実行することができる。そのようなプラズマはまた、基板上で洗浄動作を実行するために提供される窒素およびフッ素含有プラズマとすることもできる。いくつかの実施形態では、チャンバに遠隔プラズマを提供することができ、上記の動作２０４と同様にチャンバ内に電界を形成することによって、このプラズマを再活性化することができる。
【００２６】
２０８で、多機能チャンバ内に配置された放射熱源を起動して、基板上で熱処理を実行する。熱処理は、反応ガスの存在下で実行することができ、反応ガスは、チャンバ内に配置されたプラズマ源、チャンバから離れた遠隔プラズマ源、またはそれらの両方によって活性化することができる。一例では、放射熱源を活性化し、酸素ラジカルを含むガスを提供しながら少なくとも約６００℃の温度まで基板を加熱することによって、再酸化処理を実行することができる。そのような再酸化処理は、上記の動作２０４など、チャンバ内に形成されたプラズマに基板が曝される処理に続いて行うことができる。一実施形態では、ＤＰＮ動作および後の再酸化動作は、図１のチャンバ１００などの単一の多機能チャンバ内の基板上で実行される。別の実施形態では、熱処理は、プラズマドーピング動作に続いて実行されるドーパント活性化処理とすることができる。
【００２７】
２１０で、多機能チャンバ内にプラズマを形成することによって、基板上に第２の層が堆積される。第２の層は、通常はプラズマ堆積処理によって形成される任意の層とすることができ、第２のケイ素層、金属酸化物層、ドープされたケイ素層などを含むことができる。
【００２８】
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る。
【図１】
2014511030.tif 000003
【図２】
2014511030.tif 000004
【国際調査報告】
2014511030.tif 000005
2014511030.tif 000006
2014511030.tif 000007