(57)【要約】  本発明の実施形態は、概して、改善されたマイクロ波援用ＣＶＤチャンバを用いたケイ素含有誘電体層用の堆積プロセスを提供する。一実施形態では、処理チャンバ内で基板を処理する方法が提供される。本方法は、概して、処理チャンバ内に配置されたマイクロ波源に結合されたアンテナにマイクロ波電力を印加する工程であって、マイクロ波源は基板の略全面をカバーするガス分配カバレージを提供するように構成されたガス送出源の相対的に上方に配置されている工程と、ガス送出源によって供給される処理ガスから生成したマイクロ波プラズマに基板を曝露して、摂氏約２００℃未満の温度で基板上にケイ素含有層を堆積する工程を含み、マイクロ波プラズマは、約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いる。
2014505363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にケイ素含有層を堆積させる方法であって、
マイクロ波源及びガス送出源が処理容積内に配置された処理チャンバの処理容積内に基板をロードする工程と、
ガス送出源から処理容積内に処理ガスを流す工程と、
マイクロ波源に結合されたアンテナにマイクロ波電力を印加することによって、処理容積内の処理ガスからプラズマを生成する工程と、
約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いて、プラズマの存在下で基板上にケイ素含有層を堆積する工程であって、堆積中に基板は摂氏約２００度未満の温度に維持される工程を含む方法。
【請求項２】
基板上にケイ素含有層を堆積させる工程が、約５０ミリトール〜約２５０ミリトールのチャンバ圧力でケイ素含有層を堆積する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
処理ガスは、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるケイ素含有前駆体と、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、及びこれらの混合物からなる群から選択される窒素含有前駆体を含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
処理ガスは更に、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、これらの誘導体、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるキャリアガスを含む請求項３記載の方法。
【請求項５】
ガス送出源に処理ガスを流す工程は、ＳｉＨ４のＡｒに対するガス流量比（ＳｉＨ４：Ａｒ）が約１：５〜約１：１０でＳｉＨ４及びＡｒを供給する工程を含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
ガス送出源に処理ガスを流す工程は、ＳｉＨ４のＮＨ３に対するガス流量比（ＳｉＨ４：ＮＨ３）が約１：１〜約１：１０でＳｉＨ４及びＮＨ３を供給する工程を含む請求項３記載の方法。
【請求項７】
ガス送出源に処理ガスを流す工程は、ＮＨ３のＡｒに対するガス流量比（ＮＨ３：Ａｒ）が約１：２〜約１：５でＮＨ３及びＡｒを供給する工程を含む請求項４記載の方法。
【請求項８】
マイクロ波源は、平行に配置され、長手方向に約１８０ｍｍ〜約３５０ｍｍの間の距離で互いに離間している１以上のリニアマイクロ波発生器を含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
ガス送出源は、平行に配置され、長手方向に約５０ｍｍ〜約２００ｍｍの間の距離で互いに離間しているガス送出ラインのアレイを含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ガス送出源は、マイクロ波源と基板との間に配置され、１以上のリニアマイクロ波発生器は、ガス送出ラインと平行な関係に配置される請求項９記載の方法。
【請求項１１】
基板上にケイ素含有層を堆積させるためのマイクロ波プラズマ援用ＣＶＤプロセスであって、
基板サセプタに平行な関係に配置されるマイクロ波源及びガス送出源を含む処理チャンバ内に基板をロードする工程であって、マイクロ波源は互いに平行な同一平面上にある関係で配置された１以上のリニアマイクロ波発生器を有し、ガス送出源は処理チャンバの処理容積内に配置され、互いに平行な同一平面上にある関係で配置されたガス送出ラインのアレイを有する工程と、
処理容積内にガス送出源から前駆体ガスを流す工程と、
マイクロ波電力をマイクロ波源内へ変調することによって、前駆体ガスからプラズマを発生させる工程と、
基板サセプタ上に載置された基板の略全面に向かってガス送出源から均一に前駆体ガスを分配する工程と、
約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いて、プラズマの存在下で基板上にケイ素含有層を堆積する工程であって、堆積中に基板は摂氏約２００度未満の温度に維持される工程を含むプロセス。
【請求項１２】
ケイ素含有層は、ケイ素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、水素化ケイ素、フッ化ケイ素、ホウ素又はリン又はヒ素をドープしたケイ素、ホウ素又はリン又はヒ素をドープした炭化ケイ素、及びホウ素又はリン又はヒ素をドープした酸化ケイ素から成る群から選択される材料を含む請求項１１記載のプロセス。
【請求項１３】
基板上にケイ素含有層を堆積する工程は、約５０ミリトール〜約２５０ミリトールのチャンバ圧力でケイ素含有層を堆積する工程を含む請求項１１記載のプロセス。
【請求項１４】
ガス送出源に前駆体ガスを流す工程は、約１：５〜約１：１０の間のケイ素含有前駆体のキャリアガスに対するガス流量比でケイ素含有前駆体及びキャリアガスを流す工程を含む請求項１３記載のプロセス。
【請求項１５】
ガス送出源に前駆体ガスを流す工程は、約１：１〜約１：１０の間のケイ素含有前駆体の窒素含有前駆体に対するガス流量比でケイ素含有前駆体及び窒素含有前駆体を流す工程を含む請求項１３記載のプロセス。
【請求項１６】
１以上のリニアマイクロ波発生器が長手方向に約１８０ｍｍ〜約３５０ｍｍの間の距離で互いに離間しており、ガス送出ラインのアレイが長手方向に約５０ｍｍ〜約２００ｍｍの間の距離で互いに離間している請求項１１記載のプロセス。
【請求項１７】
ガス送出源は、マイクロ波源と基板との間に配置されている請求項１１記載のプロセス。
【請求項１８】
処理チャンバ内に配置されたマイクロ波源に結合されたアンテナにマイクロ波電力を印加する工程であって、マイクロ波源は基板の略全面をカバーするガス分配カバレージを提供するように構成されたガス送出源の相対的に上方に配置されている工程と、
ガス送出源によって供給される処理ガスから生成したマイクロ波プラズマに基板を曝露して、摂氏約２００℃未満の温度で基板上にケイ素含有層を堆積する工程を含む、処理チャンバ内で基板を処理する方法。
【請求項１９】
マイクロ波プラズマは、約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いる請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
処理ガスは、ケイ素含有前駆体及びキャリアガスを含み、ケイ素含有前駆体及びキャリアガスは、約１：５〜約１：１０の間のケイ素含有前駆体のキャリアガスに対するガス流量比でガス送出源に導入される請求項１８記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
（発明の分野）
本発明の実施形態は、概して、改善されたマイクロ波援用ＣＶＤチャンバを用いたケイ素含有誘電体層用の堆積プロセスに関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
集積回路の製造においては、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスは、しばしば様々な材料層の堆積やエッチングのために使用される。一般的なＣＶＤ技術の例としては、熱ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、マイクロ波プラズマＣＶＤ、大気圧ＣＶＤなどが挙げられる。従来の熱ＣＶＤプロセスは、所望の層を生成するために熱誘導化学反応が起こる基板表面に反応性化合物を供給する。プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスは、反応性化合物の解離を増加させるために堆積チャンバに結合された電源（例えば、高周波（ＲＦ）電力又はマイクロ波電力）を用いる。したがって、ＰＥＣＶＤプロセスは、類似の熱プロセスに要求される基板温度よりも低い基板温度（例えば、約７５℃〜６５０℃）における良質な材料の急速な成長に対して、大量生産可能であり、費用対効果の高い方法である。これは、熱量の要求が厳しいプロセスに有利である。
【０００３】
より大型のフラットパネルディスプレイ及び太陽電池パネルに対する要求が増加し続けるに伴って、基板サイズも増加しなければならず、それゆえ、処理チャンバのサイズも増加しなければならない。薄膜堆積のためには、大型基板上に膜を形成するための高い堆積速度、及び膜物性を制御するための柔軟性が、しばしば望ましい。高い堆積速度は、プラズマ密度を増加させるか、チャンバ圧力を下げることによって達成することができる。マイクロ波プラズマ援用ＣＶＤ（ＭＰＣＶＤ）は、１３．５６ＭＨｚで動作する典型的な高周波（ＲＦ）結合プラズマ源と比べて、２．４５ＧＨｚで結合及び吸収する改良された電力の結果として、より高いプラズマ密度（例えば、１０１１イオン／ｃｍ３）及びより高い堆積速度を達成するために開発されてきた。ＲＦプラズマを使用する１つの欠点は、入力電力の大部分が、プラズマシース（暗部）全域に亘って降下されることである。マイクロ波プラズマを使用することによって、狭いプラズマシースが形成され、ラジカル及びイオン種を生成するためのプラズマによって、より多くの電力を吸収することができる。これは、イオンエネルギー分布を広げる衝突を減少させることによる狭いエネルギー分布によって、プラズマ密度を増加させることができる。
【０００４】
過去において、真空コーティング業界におけるマイクロ波源技術に関連する主な欠点は、小さなウェハ処理から非常に大面積の基板の処理へとスケールアップした時に均質性の維持が困難なことであった。マイクロ波リアクタの設計における最近の進歩によって、これらの課題は手の届くところに位置するようになってきている。緻密で厚い膜を形成するために高い堆積速度で超大面積の（１ｍ２よりも大きい）実質的に均一な膜を堆積させるために、プラズマリニア源のアレイが開発されてきた。しかしながら、基板のサイズが増加し続けるのに伴って、合理的なコストでの大規模な製造を可能にしつつ、より高い堆積速度で大面積の基板上に均一な膜を堆積するためにプラズマ均一性及び密度を向上させるための技術への継続的なニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、概して、改善されたマイクロ波援用ＣＶＤチャンバを用いたケイ素含有誘電体層用の堆積プロセスを提供する。一実施形態では、基板上にケイ素含有層を堆積させる方法が提供される。本方法は、概して、マイクロ波源及びガス送出源を有する処理チャンバ内に基板をロードする工程と、ガス送出源内に処理ガスを流す工程と、マイクロ波源に結合されたアンテナにマイクロ波電力を印加することによって、処理ガスからプラズマを生成する工程と、１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いて、プラズマの存在下で基板上にケイ素含有層を堆積する工程であって、堆積中に基板は摂氏約２００度未満の温度に維持される工程を含む。
【０００６】
別の一実施形態では、基板上にケイ素含有層を堆積させるためのマイクロ波プラズマ援用ＣＶＤプロセスが提供される。本プロセスは、概して、基板サセプタに平行な関係に配置されるマイクロ波源及びガス送出源を含む処理チャンバ内に基板をロードする工程であって、マイクロ波源は互いに平行な同一平面上にある関係で配置された１以上のリニアマイクロ波発生器を有し、ガス送出源は、互いに平行な同一平面上にある関係で配置されたガス送出ラインのアレイを有する工程と、ガス送出源内に前駆体ガスを流す工程と、マイクロ波電力をマイクロ波源内へ変調することによって、前駆体ガスからプラズマを発生させる工程と、基板サセプタ上に載置された基板の略全面に向かってガス送出源から均一に前駆体ガスを分配する工程と、約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いて、プラズマの存在下で基板上にケイ素含有層を堆積する工程であって、堆積中に基板は摂氏約２００度未満の温度に維持される工程を含む。
【０００７】
更に別の一実施形態では、処理チャンバ内で基板を処理する方法が提供される。本方法は、概して、処理チャンバ内に配置されたマイクロ波源に結合されたアンテナにマイクロ波電力を印加する工程であって、マイクロ波源は基板の略全面をカバーするガス分配カバレージを提供するように構成されたガス送出源の相対的に上方に配置されている工程と、ガス送出源によって供給される処理ガスから生成したマイクロ波プラズマに基板を曝露して、摂氏約２００℃未満の温度で基板上にケイ素含有層を堆積する工程を含み、マイクロ波プラズマは、約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数で、約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２のマイクロ波電力を用いる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の上述した構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、実施形態を参照して行う。実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限されていると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る概略的な同軸マイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバの断面図である。
【図１Ｂ】〜
【図１Ｃ】基板が基板サセプタの上面離間している又は基板サセプタの上面と接触していることを示す代替実施形態の拡大図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係るガス送出源及び同軸マイクロ波源の構成例を示す同軸マイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバの概略上面図である。
【図２Ｂ】〜
【図２Ｄ】本発明の種々の実施形態に係るガス送出源及びマイクロ波源の可能な構成である。
【図３】本発明の一実施形態に係る同軸マイクロ波源の概略断面図である。
【図４】本発明のマイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバを用いて基板上に窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を形成するために使用することができる処理シーケンスの図である。
【図５】基板サセプタと接触及び離間した基板を備えたマイクロ波ＣＶＤによって堆積されたＳｉＮ膜に対する膜均一性の比較を含む、同軸マイクロ波源と基板間の間隔の関数として堆積速度（Å／分）を示したグラフである。
【図６】〜
【図７】（処理されている基板の端部からの）Ｘ軸距離及びＹ軸距離の関数として堆積速度をそれぞれ示したグラフを示す。
【０００９】
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態において開示された要素を具体的な引用なしに他の実施形態で有益に使用してもよいと理解される。
【詳細な説明】
【００１０】
本発明の実施形態は、改良されたマイクロ波援用ＣＶＤチャンバを用いてケイ素含有誘電体層（例えば、ＳｉＮ）用の堆積プロセスを提供する。改良されたマイクロ波援用ＣＶＤチャンバは、基板が載置される基板サセプタと平行関係に配置されるガス送出源と同軸マイクロ波源を含む。ガス送出源は、同軸マイクロ波源と基板サセプタとの間に配置することができる。ガス送出源は、互いに平行に配置され、長手方向に離間されたガス送出ラインのアレイを含むことができる。同軸マイクロ波源は、ガス送出ラインの長手方向に平行な関係で配置可能な単一又は複数のリニアマイクロ波発生器を含むことができる。マイクロ波プラズマ源を備えた本発明の装置を用いることによって、もしもこれを使用しない場合に典型的なプラズマ化学気相堆積プロセスにおいて必要とされる高価な加熱要素を使用する基板サセプタを必要とすることなく、良質なＣＶＤ膜が得られるので、製造コストを下げ、基板サセプタに関連する保守作業を削減する。また、ラジカル及びイオン種の生成のためにプラズマがより多くの電力を吸収でき、同様にプラズマ密度及び堆積速度を増加させる。したがって、プラズマ密度の増加の結果として、より低い基板温度（例えば、摂氏２００度未満）を達成することができる。
【００１１】
（典型的な堆積チャンバ）
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る同軸マイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバ１００の概略断面図である。処理チャンバ１００は、処理チャンバ１００から基板１０２を取り除くことなく、基板１０２上に１以上の膜を堆積できるように構成される。以下の説明では、マイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバ、特にマイクロ波源及びガス送出源が水平堆積プロセス用の水平に位置した基板サセプタの上方に配置されている横型のチャンバを参照してなされているが、本発明はマイクロ波線源が処理チャンバのチャンバ壁に垂直に取り付けられている縦型の堆積チャンバ、及び垂直構成に基板を支持するための垂直に位置する基板サセプタに応用可能であることを理解すべきである。本発明から利益を得るように利用可能な縦型の堆積チャンバの実施形態が、例えば、「ＤＹＮＡＭＩＣ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＬＡＹＥＲＳ（誘電体層の動的垂直マイクロ波堆積）」と題される米国特許第１２／８３３,５７１号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。本発明は、他のメーカーによって作られたチャンバ及び他のプラズマ援用プロセス（例えば、エッチング、イオン注入、表面処理等）を含む他の処理チャンバにも等しく適用可能である。また、図面及びその説明は単なる例示であり、単一の実施形態に記載された任意の個々のハードウェア構成は明細書に記載されている他の実施形態のいずれとも組み合わせることができることに留意すべきである。
【００１２】
基板１０２は、とりわけ、金属、プラスチック、有機材料、ケイ素、ガラス、石英、又はポリマー材料の薄いシートが可能である。一実施形態では、基板１０２は、ケイ素含有誘電体が上に堆積されるガラス基板である。他の実施形態では、基板１０２は、ドープされた又は他の方法で改質されたガラス基板が可能である。基板１０２は、約１平方メートルよりも大きな（例えば、約２平方メートルより大きな）表面積を有することができる。後述するように、本発明は、例えば、約１５，６００ｃｍ２又はそれよりも大きな平面表面積（例えば、約９０，０００ｃｍ２の平面表面積）を有する大型基板上に、ケイ素含有層（例えば、ＳｉＮ）を堆積させるのに特に有用である。処理チャンバ１００は、誘電体材料（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＸＮｙ、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせ）、半導体材料（例えば、Ｓｉ及びこのドーパント）、バリア材料（例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ、又はこれらの誘導体）、又はケイ素含有誘電体層によって不動態化されたアモルファスシリコン又は微結晶シリコンの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含むがこれらに限定されない様々な材料を基板１０２上に堆積させるように構成することができる。大面積基板上にプラズマ処理チャンバ１００によって形成される又は堆積される誘電体材料及び半導体材料の具体例としては、エピタキシャルシリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、これらのドーパント（例えば、Ｂ、Ｐ、又はＡｓ）、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。処理チャンバ１００はまた、アルゴン、水素、窒素、ヘリウム、又はこれらの組合せなどのガスを、パージガス又はキャリアガス（例えば、Ａｒ、Ｈ２、Ｎ２、Ｈｅ、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせ）として使用するために受け入れるように構成される。
【００１３】
処理チャンバ１００は、概して、内部に処理容積１９９を画定するチャンバ壁１０４と、チャンバ底１０６と、チャンバ蓋１０８とを含む。処理容積は、真空システム１０９に結合され、内部に基板サセプタ１１０が配置される。処理容積は、処理チャンバ１００の内外に基板１０２を搬送することができるように、スリットバルブ開口部１１２を介してアクセスされる。チャンバ壁１０４、チャンバ底１０６、及びチャンバ蓋１０８は、アルミニウム又はプラズマ処理に対して化学反応を起こさない他の材料の単一ブロックから作製することができる。チャンバ蓋１０８は、チャンバ壁１０４によって支持され、処理チャンバ１００を補修するために除去することができる。基板サセプタ１１０は、基板サセプタ１１０を上下動させるために、アクチュエータ１１４に結合することができる。図１Ｂに示されるような本発明の特定の実施形態においては、基板が基板サセプタ１１０の表面に接触することなく、堆積中に実質的に平坦を維持するように、基板サセプタ１１０の表面上にスペーサ１９０を配置してもよい。例えば、３つのスペーサ１９０（１つのみ図示）を基板サセプタ１１０上に等間隔に配置して、間にギャップ９２を形成するように基板サセプタ１１０の上面から基板１０２を離間することができる。スペーサ１９０は、任意の金属、セラミックス、高温材料から作製することができ、約１ｍｍ〜約１００ｍｍの厚みを有し、これによって基板サセプタ１１０の上方に同じ距離だけ基板１０２を離間させることができる。あるいはまた、基板１０２は、図１Ｃに示されるように、基板サセプタ１１０の表面と接触していてもよい。
【００１４】
基板サセプタ１１０は、基板サセプタ１１０を所望の温度に維持するために、必要に応じて加熱及び／又は冷却要素を含むことができる。例えば、基板サセプタ１１０は、堆積中に基板サセプタ１１０上に配置された基板１０２の温度を制御するために利用される抵抗ヒータ１９８及び／又は冷却流体導管１９６を含むことができる。
【００１５】
リフトピン１１６は基板サセプタ１１０を貫通して移動可能に配置され、基板サセプタ１１０上への配置前及び基板サセプタ１１０から除去した後に、基板１０２を制御可能に支持する。リフトピン１１６は、典型的には、セラミックス又は陽極酸化アルミニウムから構成される。一般的に、リフトピン１１６は、リフトピン１１６が通常位置にある（すなわち、基板サセプタ１１０に対して後退している）とき、基板サセプタ１１０の上面と実質的に同一平面又は僅かに窪んだ第１端部１１７を有する。第１端部１１７は、一般的に、リフトピン１１６が孔を通って落下するのを防ぐために、フレア状又はその他拡張されている。リフトピン１１６は、チャンバ底１０６に接触し、基板サセプタ１１０の上面からずれており、これによって、基板サセプタ１１０と間隔を隔てて基板１０２を配置している。一実施形態では、様々な長さのリフトピン１１６が使用され、これによってそれらは底１０６に接触し、異なる時に作動される。本発明から利益を得るように構成可能な基板サセプタから、端部から中心へと基板を持ち上げるように構成されたリフトピンを有するＰＥＣＶＤシステムの実施形態は、米国特許第６，６７６，７６１号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１６】
本発明に係る処理チャンバ１００の主要な構成要素は、とりわけ、ガス送出源１２０及びマイクロ波源１２６を含むことができる。より詳細に後述するように、マイクロ波源１２６は、ガス送出源１２０の長手方向に平行になるように構成された１以上の同軸マイクロ波発生器１２８を含むことができる。図１Ａに示されるように、ガス送出源１２０は、マイクロ波源１２６と基板１０２との間に配置することができる。堆積速度を向上させるために、オプションで第２のガス送出源（図示せず）をマイクロ波源１２６の上方で処理チャンバ１００の上部（例えば、チャンバ蓋１０８）付近に配置してもよい。図２Ｂ〜２Ｄは、マイクロ波源２２６の相対的上方に配置される（例えば、チャンバ蓋１０８内又は隣接して配置される、図２Ｂ）又はマイクロ波源２２６との共通平面内で平行に離間関係で配置される（図２Ｃ）ガス送出源２２０を有する種々の構成を示している。いずれの場合も、前駆体ガス（例えば、Ｎ２又はＳｉＨ４）及びキャリアガス（Ａｒ）をガス送出源２２０に供給することができる。ガス送出源２２０がマイクロ波源１２６と平行に間隔を空けて配置されている代替の一実施形態では、図２Ｄに示されるように、前駆体ガス（例えば、Ｎ２又はＳｉＨ４）をガス送出源２２０に別途供給しながら、チャンバ蓋１０８内に配置された第２のガス送出源２２１にキャリアガス（Ａｒ）を供給することができる。
【００１７】
ここで、図１Ａに示されるマイクロ波源１２６及びガス送出源１２０の上面図を示す図２Ａを参照する。ガス送出源１２０は、ガス源１２２Ａ及び／又はガス源１２２Ｂから１以上の前駆体ガス及びキャリアガスを制御可能に受け入れるように構成されたガス送出ライン１２１のアレイを含むことができる。ガス送出ライン１２１は、平面配置が可能であり、例えば、３つの支持要素１２３によって、移動可能に支持することができる。支持要素１２３は、電気絶縁材料などの任意の適切な材料から作ることができる。一例では、各支持要素１２３は、少なくとも３つの締結機構（例えば、ナット及びボルトアセンブリ、図示せず）、又は、支持要素１２３の長さに沿って配置され、ガス送出ライン１２１の一部を保持するように構成されるその他の適切な手段を有することができる。支持要素１２３の構成は、使用する用途又はガス送出ライン１２１の数に応じて変化させることができる。構成が膜の均一性及び／又はリニアマイクロ波発生器１２８からのマイクロ波電力に大幅に影響を与えない限り、その他の支持機構も考えられる。特定の実施形態では、ガス送出ライン１２１は、支持要素１２３を使用せずにチャンバ壁１０４を介して支持してもよい。
【００１８】
ここでは詳細に説明されてはいないが、支持要素１２３は同軸マイクロ源１２６とガス送出源１２０との間でより狭い又はより広い空間を得ることができるように、垂直（又は水平）に調節可能であることが理解される。また、所望の膜特性を得るために、処理パラメータに応じてガス送出源１２０の位置を垂直軸内で基板に対して接近又は離れるように調整してもよいことが理解される。
【００１９】
ガス送出ライン１２１のアレイは、互いに平行に、長手方向に離間して配置されており（図２Ａ）、複数のガス送出ライン１２１の夫々は、基板１０２に対向する穿孔（図示せず）を有する。孔は、ガス送出ライン１２１の長さに沿って実質的に等間隔に配置されており、これによって基板１０２のほぼ上面をカバーする実質的に均一なガス流を提供する。ガス送出源１２０は、基板のサイズに応じて、約３本から約２０本のガス送出ライン１２１を含むことができる。単一のガス送出ライン１２１は、法線方向に約１０％の不均一性で約１００ｍｍの領域をカバーできることが観察された。７３０ｍｍＸ９２０ｍｍの大きさを有する基板に対して、ガス送出源１２０は、１０本のガス送出ライン１２１を有することができる。ガス送出ライン１２１間（すなわち、ガス送出ラインから隣接するガス送出ラインまで）の距離は、用途に応じて約５０ｍｍ〜約２００ｍｍの間（例えば、約１００ｍｍ〜約１３０ｍｍの間（例えば、約１１０ｍｍ））で変えることができる。各ガス送出ライン１２１の長さは、基板１０２の大きさに応じて変えることができる。ガス送出ライン１２１の各々の長さは、最大約２．５ｍ、つまり、基板１０２の直径よりも長くすることができ、これによって処理されている基板の完全なカバレージを得ることができる。
【００２０】
前述のように、図２Ａに示されるようなガス送出ライン１２１のアレイは、ガス源１２２Ａ及び／又はガス源１２２Ｂから１以上の前駆体ガス及びキャリアガスを受け入れることができる。前駆体ガスは、用途に応じて変えることができる。ケイ素含有誘電体層が望まれる場合には、例えば、前駆体ガス（例えば、ＳｉＨ４及びＮＨ３）及びキャリアガス（例えば、Ａｒ）は、ガス送出ライン１２１に入る前に、ガス供給源２０２からガス源１２２Ａ、１２２Ｂへ一緒に又はそれぞれ別々に供給することができる。ガス管バルブ２０４、２０６は、ガス源１２２Ａ、１２２Ｂとガス送出ライン１２１の端部の間に配置することができ、これによってガス送出ライン１２１の片側又は両側からガスの供給を選択的に制御することができる。膜厚はガス供給位置と強く独立しているので、すなわちガス供給側はその側の高いガス流のため常に高い堆積速度を引き起こすので、ガス送出ライン１２１の両側から供給されたガスを有することは、膜厚の均一性を高めると考えられている。
【００２１】
図１Ａに戻って参照すると、同軸マイクロ波源１２６は、ガス送出源１２０と処理チャンバ１００の上部（例えば、チャンバ蓋１０８）との間に配置されてもよい。同軸マイクロ波源１２６は、概して、複数のリニアマイクロ波発生器１２８と、リニアマイクロ波発生器１２８に接続されたアンテナ１３０を含む。同軸マイクロ波源１２６は、接地に結合することができる。一実施形態では、同軸マイクロ波源１２６は、リニアマイクロ波発生器１２８が平行に、長手方向に互いに離間して配置される平面配置が可能である（図２Ａ参照、支持要素１２３は分かりやすくするためにこの図から省略されていることに留意すべきである）。２つのリニアマイクロ波発生器１２８のみが示されているが、リニアマイクロ波発生器１２８の数は、基板のサイズに応じて増加又は減少され得ることが理解される。７３０ｍｍＸ９２０ｍｍの大きさを有する基板に対しては、マイクロ波源１２６は４つのマイクロ波発生器１２８を有していてもよい。様々な実施形態では、隣り合うリニアマイクロ波発生器１２８間のＹ軸方向の距離は、約１００ｍｍ〜約５００ｍｍ（例えば、約１８０ｍｍ〜約３５０ｍｍの間（例えば、２３０ｍｍ））とすることができる。広い間隔は、マイクロ波発生器間の基板表面領域上に落ち込んだ形状と不均一な膜特性を引き起こす場合がある。２つのリニアマイクロ波発生器１２８の各々を、２つの隣接するガス送出ライン１２１間の上方及び間にそれぞれ配置してもよい。単一のマイクロ波発生器１２８は、約１０％の不均一性で垂直方向に約２６０ｍｍの領域をカバーすることができることが観察された。
【００２２】
各リニアマイクロ波発生器１２８の長さは、ガス送出ライン１２１以上であることができる。例えば、各リニアマイクロ波発生器１２８の長さは、最大約３ｍであることができる。本発明のいくつかの実施形態では、同軸マイクロ波源１２６は、基板１０２のＸ軸に直交する水平方向に沿って移動することができる（図２Ａ）。これは、大型基板を処理するために行うことができる。例えば、基板が１６フィートの長さと３〜４フィートの幅の寸法を有する場合、同軸マイクロ波源１２６は、基板の長さに沿って移動する必要があるかもしれない。しかしながら、基板が１６フィートの長さと１６フィートの幅の寸法を有する場合は、同軸マイクロ波源１２６は、基板の長さと幅の両方に沿って移動する必要があるかもしれない。
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態に係る同軸マイクロ波源の概略断面図である。同軸マイクロ波源１２６は、一般的に、圧力隔離バリアとしての誘電体管３０８を有するアンテナ１３０を含む。マイクロ波源１３２は、同軸マイクロ波源１２６に接続されており、アンテナ１３０内にマイクロ波を入力することができる（図１Ａ）。一側のマイクロ波ＲＦ入力はマイクロ波源に沿った領域全体をカバーしない可能性があるので、チャンバの両側からのデュアルマイクロ波ＲＦ入力は、マイクロ波源に沿ったカバレッジを改善すると考えられている。マイクロ波源１３２は、例えば、横電磁（ＴＥＭ）波モードでチャンバ内にマイクロ波電力を調整して放射することができる。略円形断面を有するアンテナ１３０を部分的に囲むオプションの閉じ込めシールド（図示せず）もまた、ガス送出ライン１２１から反応性前駆体と衝突する閉じ込めシールドの底部近傍に形成された開口部（図示せず）を介してプラズマを閉じ込め導くために使用することができる。アンテナ１３０を冷却するために誘電体管３０８と閉じ込めシールドの間の空間内に空気又は窒素を充填することができる。閉じ込めシールドの詳細は、マイケルストーウェルによる「マイクロ波プラズマ閉じ込めシールドの成形（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ  Ｓｈｉｅｌｄ  Ｓｈａｐｉｎｇ）」と題された米国特許出願第１２／２３８，６６４号において更なる議論がされており、その全内容はすべての目的のために参照により本明細書内に組み込まれる。
【００２４】
図３に示されるような同軸マイクロ波源１２６の断面図は、約２．４５ＧＨｚの周波数でマイクロ波を放射するための導体（例えば、アンテナ３０２）を示している。放射状の線は電場３０４を示し、円は磁場３０６を示す。マイクロ波は空気を通って、大気圧を有する導波路（図示せず）と真空チャンバとの間のインタフェースとして機能する誘電体管３０８を通って伝播する。誘電体管３０８を通過したマイクロ波は、処理チャンバ内のガスを励起して、誘電体管３０８の表面３１０の外側にプラズマを形成する。リニアマイクロ波発生器１２８の近くに維持されたこのような波は表面波である。動作中、図１Ａに示されるように、堆積プロセスなどの処理時に、マイクロ波はリニアマイクロ波発生器１２８に沿って伝わり、処理容積内でプラズマを点火するプラズマエネルギーに電磁エネルギーを変換することによって大きく減衰する。プラズマによって生成されたラジカル種は、（矢印１２４で示されるように）基板１０２の方へ向けられ、基板表面全域に亘って放射状に均一に分散された、典型的には層流であるガス送出ライン１２１から来る反応性前駆体を解離させ、これによって基板サセプタ１１０によって保持された基板１０２上に膜を形成する。堆積時のチャンバ内の圧力は、真空システム１０９によって制御される。
【００２５】
（典型的な堆積プロセス）
図４は、図１Ａ及び図２Ａ〜２Ｄに関連して上述したような本発明のマイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバを用いて基板上にケイ素含有膜を形成するために使用可能な処理シーケンス４００のフロー図を提供する。本明細書に記載された本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、１以上のステップを追加、削除、又は並べ替えることができるので、処理シーケンス４００内の構成、処理ステップ数、及び処理ステップの順序は、本明細書に記載された発明の範囲を限定することを意図していないことに留意すべきである。また、以下の説明は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を参照して行われているが、その他のケイ素含有層（例えば、シリコン、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、水素化ケイ素、フッ化ケイ素、ホウ素又はリン又はヒ素をドープしたシリコン、ホウ素又はリン又はヒ素をドープした炭化ケイ素、ホウ素又はリン又はヒ素をドープした酸化ケイ素など）も想定されることを当業者は理解すべきである。後述するような化学薬品及び処理パラメータは、堆積される層に応じてその結果変更／調整することができる。しかしながら、本発明のプロセスは、バッチ処理サイクルにおいて単一の基板又は複数の基板を処理できることが証明されている。
【００２６】
図１Ａ及び図２Ａ〜２Ｄに関連して上述した様々な実施形態等のプロセスは、基板サセプタ１１０と、基板サセプタ１１０と平行な関係に配置されているガス送出源１２０及び同軸マイクロ波源１２６を含むマイクロ波援用ＣＶＤチャンバ内に基板をロードすることによってステップ４０２で始まる。基板は、ケイ素含有誘電体層を上に形成することができる任意の基板であることができる。基板は、導電性又は非導電性であることができ、固い又はフレキシブルであることができる。いくつかの実施形態では、基板は、ドープした又は非ドープのガラス基板であることができる。基板の温度は、基板サセプタを加熱及び／又は冷却することによって、約１５０℃〜約２５０℃の間（例えば、約２００℃）に制御することができる。
【００２７】
ステップ４０４において、マイクロ波がアンテナによってチャンバ内に生成され、例えば上述のようにパルス電源又は連続電源を用いたマイクロ波源によって変調される。
【００２８】
ステップ４０６において、前駆体ガス及びキャリアガスが、チャンバ内に供給される。窒化ケイ素層の堆積のために、そのような前駆体ガスは、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、これらの組み合わせを含むが、これらに限定されないケイ素含有前駆体、及び窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、又はこれらの混合物を含むが、これらに限定されない窒素含有前駆体を含むことができる。キャリアガスは、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むことができる。前駆体ガスは、基板に到達する前に時期尚早に反応することを防ぐために別々のラインを通って流れることができる。あるいはまた、反応性前駆体は、同じラインを通って流れるように混合することもできる。
【００２９】
チャンバへのガスの流量は、処理されている基板の大きさに依存している。７３０ｍｍ×９２０ｍｍの大きさの基板が、ＳｉＨ４及びＮＨ３でＳｉＮ層を堆積させるために処理される場合、ＳｉＨ４のガスのガス流は、約１５０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３，０００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約２５０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１，５００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約３００ｓｃｃｍ／Ｌ〜約９００ｓｃｃｍ／Ｌの間））の流量で供給することができる。ＮＨ３ガスのガス流は、約１，２００ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５，０００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約２、０００ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４，０００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約３、０００ｓｃｃｍ／Ｌ））の流量で供給することができる。Ａｒのガス流は、約４５０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５，０００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約５００ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３，５００ｓｃｃｍ／Ｌの間（例えば、約２、５００ｓｃｃｍ／Ｌ））の流量で供給することができる。より高いＡｒ流は、マイクロ波プラズマの均一性を向上させ、これによって膜厚を改善すると考えられている。ＳｉＨ４のＮＨ３に対するガス流量比（ＳｉＨ４：ＮＨ３）は、約１：２〜約１：６の間（例えば、約１：３）とすることができる。ＳｉＨ４のＡｒに対するガス流量比（ＳｉＨ４：Ａｒ）は、約１：１〜１：２０の間（例えば、約１：５〜１：１０の間）である。  ＮＨ３のＡｒに対するガス流量比（ＮＨ３：Ａｒ）は、約１：１〜約１：１０の間（例えば、約１：２〜約１：５の間）とすることができる。ＳｉＮ層は、チャンバ圧力が約５０ミリトール〜約２５０ミリトールの間（例えば、１００ミリトール）で堆積させることができる。
【００３０】
ステップ４０８において、約１ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの範囲の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）でのマイクロ波によって、プラズマが前駆体ガスから形成される。電力要件が重要ではないような場合には、５．８ＧＨｚのより高い周波数を使用することができる。より高い周波数源を使用することの利点は、より高い周波数は２．４５ＧＨｚの低周波源のサイズよりも小さい（約半分の大きさを有する）ことである。約５００ミリワット／ｃｍ２〜約５，０００ミリワット／ｃｍ２（例えば、約１，５００ミリワット／ｃｍ２〜約３，０００ミリワット／ｃｍ２）のマイクロ波電力が、ステップ４０４で電磁エネルギーを生成するためにチャンバ内にアンテナを通して供給され、これによってステップ４０８で前駆体ガスを励起する。より高いマイクロ波ＲＦ電力は、マイクロ波源１２６に沿ったプラズマの均一性を向上させると考えられている。多くの実施形態では、上述の条件は１０１２イオン／ｃｍ３を超えるイオン密度を有する高密度プラズマをもたらす。いくつかの例では、堆積特性は、プラズマのイオン種を基板に引きつけるために基板に電気的バイアスを印加することによって影響を受ける可能性があるが、本発明の特定の実施形態では、電気的バイアスは、堆積時に必要とされず、基板の表面上のプラズマダメージを最小限に抑えることができる。なお、チャンバ内の環境は、例えば、チャンバ内の圧力を制御する、前駆体ガスの流量及び／又は流量比を制御する、又はプラズマを生成するのに使用される間隔及び／又は電力を制御することによって調節可能であることが理解される。
【００３１】
ステップ４１０において、ＳｉＮ層が基板上に堆積される。膜特性及びチャンバ条件に応じて、ステップ４０４〜４１０で説明したような処理を、所望の膜厚が得られるまで、必要に応じて何度も繰り返すことができる。４つのリニアマイクロ波発生器及び１０本のガス送出ラインが使用される一実施形態では、上記で定義した処理条件によって、それぞれ（基板の端部からの）Ｘ軸距離及びＹ軸距離の関数として堆積速度を示すグラフを示す図６及び図７によって証明されるように、１４％未満の厚さの不均一性と共に２，５００Å／分を超える高い堆積速度でＳｉＮ層を堆積させることが可能である。
【００３２】
ステップ４１２において、堆積の完了後、プラズマが消され、基板が処理チャンバ外に搬送される。
【００３３】
本発明に係るマイクロ波プラズマ援用ＣＶＤチャンバは、１３．５６ＭＨｚでプラズマ源に結合される高周波（ＲＦ）を用いた従来のＰＥＣＶＤプロセスと比較して、ガス送出源及び同軸マイクロ波源の改良された配置の結果として、より高いプラズマ密度及びより高い堆積速度を提供する。マイクロ波プラズマ源を備えた本発明の装置を用いることによって、狭いプラズマシースが形成され、ラジカル及びイオン種を生成するためのプラズマによって、より多くの電力を吸収することができ、同様にイオンエネルギー分布の衝突の広がりを低減させることによって、狭いエネルギー分布と共にプラズマ密度を増加させる。したがって、狭いエネルギー分布をもつより低いイオンエネルギーでのプラズマ密度の増加の結果として、より低い堆積温度（例えば、２００℃未満、例えば、１３０℃）を達成することができる。ＳｉＮ膜特性の点で、異なる堆積温度での従来のＰＥＣＶＤプロセスと本発明のマイクロ波ＣＶＤプロセスの間の比較が、下記の表Ｉに示される。示されているように、低温マイクロ波ＣＶＤプロセスは、同様又はより良好な膜特性と共に、約２８０℃又は１３０℃で実施された従来のＰＥＣＶＤプロセスよりも高い堆積速度を提供している。より低い熱量をもつマイクロ波ＣＶＤプロセスは、運動学的に限られた条件下でより良好な微結晶の成長を可能にし、したがって、低温堆積プロセス（例えば、ＬＣＤプロセス、ＯＬＥＤディスプレイプロセス、又はフレキシブルディスプレイプロセス等）に対して適している。
【表１】
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【００３４】
また、マイクロ波プラズマ源を有する本発明の装置を用いて、基板の温度をプロセス中に所望の温度に効果的に加熱して維持することができる。基板は、マイクロ波プラズマへの曝露の１分後に、約１７６℃まで加熱することができることが判明した。下記の表ＩＩは、約１３０ミリトールのチャンバ圧力及び約２．４５ＧＨｚの周波数でマイクロ波プラズマ源を用いた本発明の装置を用いて堆積された窒化ケイ素層用のプロセスパラメータ及び膜特性を示している。示されているように、サセプタ設定温度を４０℃から１５０℃まで増加しても、例えば、ＲＩ（屈折率）などの膜特性は有意に変化せず、これはサセプタ設定温度は、フィルムの品質に影響を与えないことを示唆している。このように、本発明のマイクロ波援用ＣＶＤプロセスの使用は、もしもこれを使用しない場合に典型的なプラズマ化学気相堆積プロセスにおいて基板を所望の温度に加熱して維持するのに必要とされる高価な加熱要素を除去することができるので、低い製造コスト及びサセプタの保守作業の削減を可能にする。
【表２】
2014505363.tif 000004
【００３５】
更に、驚くべきことに、基板サセプタ１１０に接触することなく基板１０２を実質的に平坦に支持／維持するために、基板サセプタ１１０の表面上に（１インチ程度高い）複数のスペーサを配置した特定の実施形態において、図１及び図２に関連して上述したマイクロ波プラズマ源を用いた本発明の装置によって堆積を実施した場合、窒化ケイ素膜の膜厚不均一性は、８．１％未満に減少することを、本発明者らは発見した。図５は、約２６００Å／分のほぼ同じ堆積速度で基板サセプタと接触及び離間した基板による窒化ケイ素膜に対する膜均一性の比較を含む、同軸マイクロ波源と基板間の間隔の関数として堆積速度を示したグラフを示す。
【００３６】
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。
【図１Ａ】
2014505363.tif 000005
【図１Ｂ】
2014505363.tif 000006
【図１Ｃ】
2014505363.tif 000007
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2014505363.tif 000009
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2014505363.tif 000018