JP2008507846A

JP2008507846A - 単一ウエハチャンバを用いたナノ結晶シリコンの堆積

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Publication number: JP2008507846A
Application number: JP2007522570A
Authority: JP
Inventors: シーバ，ジェイ．パナイル，; ミンリー，; シュリンワン，; ジョナサン，シー．ピッカーリング，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: JP4979578B2; WO2006019861A1; US20070287271A1; CN1989270A; KR20070039964A; US7265036B2; US20060019469A1

Abstract

基板上にナノ結晶シリコン層を堆積させるための方法。本発明の一実施形態においては、基板が単一ウエハチャンバ内に配置され、約３００℃〜約４９０℃の温度に加熱される。シリコン源も、単一ウエハチャンバに供給される。
【選択図】図４

Description

[0001]本発明の実施形態は、半導体処理の分野に関し、より詳細には、シリコン膜の結晶構造を制御するための方法及び装置に関する。

背景

[0002]化学気相堆積（ＣＶＤ）によって形成されるポリシリコン膜は、集積回路、例えば、マイクロプロセッサやメモリデバイスの製造に広く用いられる。ポリシリコン膜堆積プロセスは、物理的、化学的、生産に値する適切な特性を必要とする。例えば、生産に値する特性には、ポリシリコン膜の膜厚と組成の均一性（例えば、ウエハ内やウェア間)、粒子汚染や化学的汚染が低いこと、また、製造の高スループットが挙げられる。これらの特性が満たされるときに、高電気的性能で、信頼性があり、且つ高生産性のデバイスウエハを、低コストで製造することができる。

[0003]ＣＶＤプロセスにおいて、一定の組成と流量の反応ガスと希釈した不活性ガスが、複数の基板を含む反応チャンバ（例えば、バッチ式炉）に導入される。ガス化学種は基板に移動し、反応種は基板に吸収される。原子が移動し、化学的に反応して、基板に堆積している膜（例えば、ポリシリコン）を生じる。反応の未反応ガスとガス状の副生成物が脱着し、反応チャンバから取り除かれる。反応を動かすエネルギーは、幾つかの方法、（例えば、熱、光子、触媒作用、又はプラズマ）によって供給可能である。従来のＣＶＤシステムは、典型的には、ガス源と、ガス供給ラインと、マスフローコントローラと、反応チャンバと、膜が堆積される基板を加熱するための方法と、温度センサとを含む。従来の熱ＣＶＤシステムは、原料ガスの反応のための主要な駆動体として、温度を利用する。

[0004]ポリシリコン堆積の1種のＣＶＤシステムにおいて、シリコンウエハのバッチは、堆積のためにウエハボートに垂直に位置決めされ、チューブ状の炉に挿入される。ウエハは、チューブ内部の抵抗加熱コイルにより、光を放って（６００℃を超えて）加熱される。反応ガスは、マスフローコントローラを用いてチューブの一端（例えば、ガス入口）へメータで測られる。生成物による反応は、チューブのもう一端（例えば、排気ポンプを経て）からポンプで送られる。

[0005]半導体技術が進むにつれて、例えば、サブ１００ナノメートル（ｎｍ）デバイスの極端に浅い接合を可能とする、より低い温度で起こる膜堆積が要求されている。膜中のナノ結晶シリコン構造の形成は、ナノ結晶シリコンの大きさと密度を制御することに左右される。バッチ式炉システムに関する1つの課題は、それらが低温（例えば、５００℃未満）でのナノ結晶膜堆積に対応することができないことである。バッチ式炉システムに関する他の課題は、それらが“デプレッション作用”として知られる不利な点を呈することである。反応種がウエハ表面上の反応によって消費されるにつれて、デプレッション作用は気相濃度を低下させる。このように、入口の近くのウエハは、反応ガスのより高い濃度にさらされる。従って、堆積速度は入口の近くに配置されるウエハではより大きくなり、均一な膜厚を得るのが困難である。

概要

[0006]基板上のナノ結晶シリコン層を堆積させるための方法の実施形態が記載される。本発明の一実施形態においては、基板は、単一ウエハチャンバに置かれ、約３００℃〜約４９０℃の温度に加熱される。シリコン源も、前記単一ウエハチャンバに供給される。代替的実施形態においては、単一ウエハチャンバ内に、約１０トール〜約３５０トールの圧力が生成される。

[0007]本発明の実施形態は、添付図面の図において一実施例として示されるがこれらに限定されない。

詳細な説明

[0014]以下の説明では、本発明の実施形態を完全に理解するために、多数の個々の詳細、例えば、個々の材料又は成分の例を示す。しかしながら、これらの個々の詳細が本発明の実施形態を実施するために使用する必要がないことは、当業者に明らかである。他の例において、周知の成分又は方法は、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細に記載されていない。

[0015]本明細書に用いられる“上に”、“上方に”、“下方に”、“間に”“隣接して”という表現は、他の層又は要素についてある層又は要素の相対的な位置を意味する。そのようなものとして、他の要素の上に、上方に、又は下方に配置される第１要素は、直接第１要素に接触していてもよいし、１つ以上の介在要素を有していてもよい。更に、他の要素の隣に又は隣接して配置される１つの要素は、直接第１要素に接触していてもよいし、１つ以上の介在要素を有していてもよい
[0016]明細書中で“一実施形態”又は“実施形態”について述べることは、実施形態に関連して記載される具体的な特徴、構造、又は特性は、特許請求された内容の少なくとも一実施形態にあてはまることを意味する。明細書中の様々な箇所に“一実施形態においては”という句が出現するのは、必ずしも全て同じ実施形態を意味するわけではない。

[0017]基板上にナノ結晶シリコン膜を堆積及び/又は形成する実施形態が記載される。
本発明の一実施形態においては、ナノ結晶シリコン膜を形成するためのプロセス環境は、単一ウエハ堆積チャンバであってもよく、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）のようなＣＶＤ堆積法が、基板上のナノ結晶シリコン膜を形成するために用いられる。ナノ結晶シリコン膜の成長速度は、具体的な密度と寸法、ウエハ間の再現性、低熱量をもって、シリコン膜を形成する所望のレベルに制御されてもよい。単一ウエハ堆積チャンバは、ナノ結晶シリコン堆積の間、所望の堆積温度と圧力制御を正確に維持するという利点を与える。一実施形態においては、ナノ結晶シリコン膜は、不連続であり、ドープされた、ドープされていない双方のナノ結晶シリコン形成が、単一ウエハチャンバにより達成されてもよい。他の実施形態においては、相対的に低い堆積温度の結果としてアモルファスナノ結晶シリコン層となる。本発明の実施形態は、複数のステップ（例えば、アモルファスシリコン堆積に続いてアモルファスシリコンをナノ結晶に再結晶するためにアニーリングプロセスが続く）を含むナノ結晶シリコン層を形成する先行技術の方法にわたって、有益である。本発明の一実施形態においては、ナノ結晶シリコン形成は、堆積チャンバ内で実施される単一ステップで得られてもよい。

[0018]基板上のナノ結晶シリコンの堆積は、必要とされる成分（例えば、シリコン前駆物質）を含む気相化学物質（即ち、反応種）の反応により達成されてもよい。反応ガスは、反応チャンバ中に導入され、加熱された基板表面で、分解及び/又は反応して、ナノ結晶シリコン膜を形成する。一実施形態においては、反応チャンバは、一度に一つの基板又はウエハのみ扱うものでもよい。図１-図３は、本発明の実施形態を実施するために用いてもよい装置を示す一実施形態である。具体的な一実施形態においては、装置は、ＬＰＣＶＤチャンバ１００であってもよい。図１-図３は、各々２つの異なる断面で切り取った断面図を示す図であり、各々の断面は、抵抗リアクタのようなリアクタの一種である、ＬＰＣＶＤチャンバ１００のほぼ半分を通した図を表している。図１-図３に示されたＬＰＣＶＤチャンバ１００は、一実施形態においては、約１０トール〜約３５０トールの堆積チャンバ圧を供給することを維持するための材料から構成される。説明のために、ＬＰＣＶＤチャンバ１００は、約５〜６リットルのチャンバ容積を有していてもよい。後で詳しく述べるように、図１は、“ウエハプロセス”位置におけるプロセスチャンバ本体４５の内部を示す図であり、図２は、“ウエハ分離”位置におけるチャンバの同一図を示し、図３は、“ウエハ装填”位置におけるチャンバ本体４５の断面側面図を示す図である。各々の図において、ウエハ５００は、ＬＰＣＶＤチャンバ１００における位置を示すために、破線で示される。一実施形態においては、ＬＰＣＶＤチャンバ１００は、1つのウエハ（即ち、単一ウエハチャンバ）だけを保持するのに適している。チャンバ本体４５は、また、約２００ｍｍ〜約３００ｍｍの直径を有するウエハに対応するための大きさに設定されてもよい。

[0019]図１〜図３は、ウエハ５００上にナノ結晶シリコン膜を形成するために１つ又は複数のプロセスガスの熱分解が起こる反応チャンバ９０を画成するチャンバ本体４５を示す図である。チャンバ本体４５は、一実施形態においては、アルミニウムから構成され、チャンバ本体４５を通じて、例えば、ウエハ５００の周囲の反応領域を分離させ、チャンバ４５の壁内部での堆積を防止するために、チャンバ壁内において、ポンプで送られる水の流路５５を有する。実施形態においては、ＬＰＣＶＤチャンバ１００は、“低温壁”反応チャンバであってもよい。反応チャンバ９０中に常在するものは、この観点から、軸６５により支持されるサセプタ５を含む抵抗性ヒータ８０である。サセプタ５は、基板、例えば、半導体ウエハ５００（破線で示される）を支持するのに十分な表面積を有する。ウエハ５００は、集積回路を作るときに生成されるあらゆる表面であってもよく、その上に、導電層が形成されてもよい。従って、ウエハ５００には、例えば、トランジスタ、コンデンサ、レジスタ、拡散接合、ゲート電極、ローカルインタコネクト等のシリコンウエハ上に形成される能動的、また、受動的なデバイスが含まれてもよい。

[0020]図１は、また、サセプタ５の本体の断面と軸６５の断面を含む、ヒータ８０の一部を示す断面図である。この図では、図1は、その中に形成される２つの加熱素子を有するサセプタ５の本体、第1加熱素子５０、第２加熱素子５７を示す図である。各々の加熱素子（例えば、加熱素子５０と加熱素子５７）は、サセプタ５の材料に類似した熱膨張特性を有する材料でできている。一実施形態においては、サセプタ５の材料は、モリブデン（Ｍｏ）、又は当該技術において既知の他の加熱素子であってもよい。一実施形態においては、第１と第２の加熱素子５０、５７は、巻きつけられた構成のモリブデン材料の薄層を含んでいる。ＬＰＣＶＤチャンバ１００の二重加熱器系は、ナノ結晶シリコンのための堆積温度の正確な制御を可能にする利点を示す。代替的実施形態においては、LPCVDチャンバ１００には、加熱素子５０と５７に関して上記電気抵抗タイプヒーターの代わりにランプヒータが含まれてもよい。

[0021]本明細書に記載されるナノ結晶シリコン堆積法の一利点は、堆積温度が比較的低い（例えば、５００℃未満）ということである。一実施形態においては、ＬＰＣＶＤチャンバ１００の堆積温度は、約３００℃〜約４９０℃である。一実施形態においては、堆積温度は、サセプタ５の測定された又は設定された温度を意味してもよい。代替的実施形態においては、堆積温度は、第１と第２の加熱素子５０、５７又はヒータ８０の測定された又は設定された温度を意味してもよい。ＬＰＣＶＤチャンバ１００によって形成される堆積環境は、温度と圧力の正確な制御を可能にし、それらはウエハ５００上のナノ結晶シリコンの形成のための重要な因子である。ナノ結晶シリコン形成が比較的低い温度で起こるので、正確な堆積温度を維持することは重要なことである。一実施形態においては、加熱素子５０と５７を有するヒータ８０は、正確な温度制御と安定性を可能にする。阻止板２４と貫通面板２５によるプロセスガスの流路は、ウエハ５００の方へ均一のガス分配の利点を与える。一実施形態においては、反応チャンバ９０のための材料は、プロセスガスと他の薬剤、例えば、反応チャンバ９０に導入されてもよい洗浄薬剤（例えば、三フッ化窒素、ＮＦ_３）と適合する。

[0022]材料がプロセスと適合するならば、ヒータ８０の露出面は種々の材料から構成されてもよい。例えば、サセプタ５とヒータ８０の軸６５は、類似した窒化アルミニウム材料から構成されてもよい。或いは、軸６５はより低い熱導電性窒化アルミニウムから構成されるが、サセプタ５の表面は高い熱導電性窒化アルミニウム材料（一実施形態においては、約１４０Ｗ/ｍＫからの熱伝導度を有する約９５％純度程度）から構成されてもよい。一実施形態においては、ヒータ８０のサセプタ５は、拡散結合又は鑞付けによって軸６５と結合されてもよく、その理由はこの種の結合は反応チャンバ９０の環境に耐えることができるためである。

[0023]図１において、第２加熱素子５７は、第１加熱素子５０より劣って（図のサセプタ表面と関連して）配置されるサセプタ５の本体の平面に形成される。第１加熱素子５０と第２加熱素子５７は、電源端子と別個に結合されている。電源端子は、サセプタ５の表面を加熱するのに必要なエネルギーを供給する電源に軸６５によって縦に伸びている開口部によって導電リードとして下方の方向に伸びている。チャンバリッドに伸びている貫通開口部は、２つの高温計、第１高温計１０と第２高温計１５である。各々の高温計は、サセプタ５（又はサセプタ５上のウエハの表面で）の表面で温度についてデータを与える。また、図１に示すヒータ８０の断面での、注目すべきは、熱電対７０の存在である。熱電対７０は、サセプタ５の上の面又は上面のすぐ下まで軸６５を通って縦に伸びている開口部を通って伸びる。

[0024]プロセスガスは、チャンバ本体４５のチャンバリッド３０の上面にガス分配ポート２０を通ってそれ以外はシールされた反応チャンバ９０に入れる。その後、プロセスガスは、ウエハの表面積と整合した領域の周りにガスを分配するために、阻止板２４を進む。その後、プロセスガスは、この見方で、抵抗性加熱器８０より上に位置する貫通した面板２５によって分配され、反応チャンバ９０内部のチャンバリッド３０と結合される。一実施形態においては、面板２５と阻止板２４との組合せは、ウエハ５００の上面の近くでプロセスガスの一様な分布を生じる。

[0025]図示するように、ウエハ５００は、チャンバ本体４５の横部分の入り口４０を通ってヒータ８０のサセプタ５上の反応チャンバ９０に入れられる。処理のためにウエハを収容するために、サセプタ５の表面が図３において示したように入り口４０の下にあるようにヒータ６０が下げられる。一実施形態においては、ロボット移送メカニズムによって、ウエハ500が、例えば、サセプタ５の上面の上の反応チャンバ９０にブレード４１によって装填されてもよい。一旦装填されると、入り口４０はシールされ、ヒータ８０は、例えば、ステップモータ（図１に示したようにであるリフタアセンブリ60によって面板２５の方へ上向き（例えば、上方に）進められる。ウエハ５００が面板２５（図１を参照）からの距離（例えば、４００-７００ミル）が短いときに進み具合は停止する。図１のウエハプロセス位置において、反応チャンバ９０は、２つのゾーン、サセプタ5の上面より上の第１ゾーン２とサセプタ５の裏面の下の第２ゾーン４に効果的に分かれる。

[0026]反応チャンバ９０内に配置されるウエハ５００については、第１ゾーン２は、ウエハ５００より上に領域８８を含み、ナノ結晶シリコン膜/層の形成は上面（即ち、貫通面板２５の下の表面）に限定される。即ち、膜蒸着がそうであるナノ結晶シリコン膜堆積はウエハ５００の片面に制限される。一実施形態においては、領域８８はシリコン前駆物質のようなガス源のための反応チャンバ９０（即ち、前駆物質の流量/総流量）×チャンバ圧）内の分圧を画成する。代替的実施形態においては、ナノ結晶シリコン形成は、ウエハ５００の両側面上のシリコン膜堆積のために第１と第２のゾーン双方において達成されてもよい。従って、ウエハ５００の上下面に対応する領域８８と領域８９は、二重側面シリコン膜堆積のための分圧領域を画成する。

[0027]この点で、ガスパネルによって制御されるプロセスガスは、ガス分配ポート20を通って、阻止板２４と貫通面板２５を通って反応チャンバ９０に流れる。プロセスガスは、熱的に分解して、ウエハ上のフィルムを形成する。同時に、不活性底部-パージガス、例えば、窒素は、そのゾーンの膜形成を阻止するために、第２チャンバゾーンに導入される。圧力制御システムにおいて、反応チャンバ９０内の圧力は、設定され、反応チャンバ９０と結合される圧力調整器又はレギュレータ（図示せず）によって維持される。一実施形態においては、例えば、圧力は、設定され、当該技術において既知のようにチャンバ本体４５と結合される１つ又は複数のバラトロン圧力調整器によって維持される。一実施形態においては、１つ又は複数のバラトロン圧力調整器はウエハ５００上のナノ結晶シリコンの堆積に対して約１０トール〜約３５０トールのレベルの圧力を維持する。

[0028]残余のプロセスガスは、チャンバ本体４５の側面に排気板８５を通って反応チャンバ９０から収集容器までポンプで送られる（減圧排気３１)。排気板８５は、ウエハ５００上のナノの結晶シリコン層を形成するガスフローパターンを生じる２つのフロー領域を生成する。

[0029]装置の外に配置されたポンプ３２は、ポンピングチャネル４１４０図１-図３においてチャネル４１４の下）内を減圧にして、プロセスガスとパージガス双方を減圧排気３１によって反応チャンバ９０から引き出す。ガスは、排出コンジット３３に沿って反応チャンバ９０から排出される。チャネル４１４０による排出ガスの流量は、コンジット３３に沿って配置されるスロットルバルブ３４によって制御されることが好ましい。一実施形態においては、処理反応チャンバ９０内の圧力は、センサ（図示せず）でモニタされ、スロットルバルブ34でコンジット３３の断面積を変化させることによって制御される。好ましくは、コントローラ又はプロセッサ（これも図示せず）は、チャンバ圧を示すセンサから信号を受け取って、スロットルバルブ３４を調整し、従って、反応チャンバ９０内で所望圧を維持する。

[0030]一旦ウェハ５００の処理が完了すると、反応チャンバ９０は、例えば、窒素のような不活性ガスをパージしてもよい。処理しパージした後、ヒータ８０は、図２に示される位置に、リフタアセンブリ６０によって下向きに進められる（例えば、下げられる)。ヒータ８０が移動するにつれて、サセプタ５の表面の開口部又は孔を通って伸びる第１端とサセプタ５の下部表面（例えば、下面）からカンチレバー形態で伸びる第２端を有するリフトピン９５は、反応チャンバ９０の基部に位置するリフトプレート７５と接触する。図２に示されるように、一実施態様においては、リフト板75は、ウエハプロセス位置（即ち、図1に示された位置と同位置）に残る。ヒータ８０が、アセンブリ６０の動作によって下向きに移動し続けるにつれて、リフトピン９５は、静止したままであり、最終的にサセプタ又はサセプタ５の上面の上に伸びて、サセプタ５の表面と処理ウエハ５００を分離する。サセプタ５の表面は、入り口４０の下の位置へ移動する。

[0031]一旦処理されたウエハ５００がサセプタ５の表面から切り離されると、ロボット機構のトランスファブレード４１がリフトピン９５の頭部の下の開口部４０を通って挿入され、ウエハ５００はリフトピン９５によって支持される。次に、リフタアセンブリ６０は、ヒータ８０とリフト板７５を“ウエハ装填”位置に移動する（例えば、下がる)。下向きにリフト板７５を移動させることによって、リフトピン９５も処理されたウエハ５００の表面がトランスファブレード４１と接触するまで下向きに移動する。その後、処理されたウエハ５００は、例えば、ウエハ５００を取り除き、ウエハ５００を次の処理ステップへ移すロボットトランスファメカニズムによって入り口４０を通って取り除かれる。その後、第２ウエハ（図示せず）は、反応チャンバ９０に装填されてもよい。上記ステップは、一般的には、ウエハ５００をプロセス位置にするために逆にされている。

[0032]単一ウエハLPCVDチャンバ１００はプロセッサ/コントローラ７００とメモリ７０２、例えば、ハードディスクドライブを含む。プロセッサ/コントローラ700には、シングルボード（ＳＢＣ）アナログとデジタルの入力/出力ボード、インタフェースボード、ステッパモータコントローラボードが含まれてもよく、電源７０４と結合される。プロセッサ/コントローラ７００は、LPCVDチャンバ１００の全ての活性を制御する。コントローラ７００は、システム制御ソフトウェアを実行し、コンピュータプログラムがコンピュータ読取可能な媒体、例えば、メモリ７０２に記憶されている。コンピュータ読取可能な媒体は、機械（すなわちコンピュータ、ネットワーク装置、パーソナルディジタルアシスタント、単一ウエハ堆積チャンバのような製造ツール、一組の又は一つ以上のプロセッサを有するあらゆる装置等）によってアクセスできる形の情報を与える（即ち、記憶する及び/又は伝達する）あらゆる機構を含む。例えば、コンピュータ読取可能な媒体としては、記録可能な/非記録可能な媒体を含む（例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ)；ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ)；磁気ディスク記憶装置媒体；光記憶媒体；フラッシュメモリデバイス等)、また、電気、光学的、聴覚の又は、他の形の伝達された信号（例えば、搬送波、赤外線信号、デジタル信号等が挙げられる。

[0033]コンピュータプログラムには、タイミング、ガスの混合物、チャンバ圧、ヒータ温度、電源（例えば、７０４）、サセプタ位置、ナノ結晶シリコン堆積プロセスの他のパラメータを命令する取り扱い説明書のセットが含まれている。コンピュータプログラムコードは、あらゆる従来のコンピュータ読取可能な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、フォートラン等で書込むことができる。プロセスガス混合、圧力制御、ヒータ制御を行うためのサブルーチンは、メモリ７０２内に記憶されてもよい。メモリ７０２は、また、プロセスガス流量や、例えば、不連続な粒構造を有する、ナノ結晶シリコン膜を形成するのに必要な組成、温度、圧力のようなプロセスパラメータを記憶する。一実施形態においては、ＬＰＣＶＤチャンバ１００には、メモリ７０２にナノ結晶シリコン膜をウエハ５００に熱化学蒸着法によって堆積させることができるように、シリコン源ガスとキャリアガス混合物を反応チャンバ９０に供給し、サセプタ５を約３００℃〜約４９０℃の温度に加熱し、反応チャンバ９０内に約１０トール〜約３５０トールの圧力を生成するための取扱説明書とプロセスパラメータが含まれている。

[0034]図４は、図１-図３の単一ウエハＬＰＣＶＤチャンバ（例えば、１００）について、ナノ結晶シリコン膜の不連続層を基板に堆積させる方法の一実施形態を示すブロック図である。図４００のブロック４０２に示すように、ウエハ又は基板（例えば、ウエハ５００）は、堆積チャンバ（例えば、単一ウエハ堆積チャンバ９０）に入れられる。堆積するナノ結晶シリコン膜が半導体集積回路のトランジスタ用のゲート電極として回路が使われる本発明の一実施形態においては、ウエハは、図５ａに示したように、その上に酸化ケイ素又は酸窒化シリコンゲートのようなゲート誘電体層５０４が形成されたドープされたシリコンウエハ５０２であってもよい。ドーパントの実施例としては、ゲルマン（ＧｅＨ_４）、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）が挙げられるがこれらに限定されない。一実施形態においては、ケイ素前駆物質としては、別々のドーピング手順が必要でない（即ち、ドーパントは、キャリアガスと分配される）インサイチュのドーパントが含まれてもよい。ナノ結晶シリコン膜が相互接続部又はコンデンサ電極として使われる場合には、ナノ結晶シリコン膜はドープされたシリコンウエハ５０２上に形成される層間誘電体５０４より上に形成されてもよい。ウエハは、図３に示すようにトランスファブレード（例えば、４１）によってチャンバに移される。その後、ヒータ（例えば、ヒータ８０）は、図１に示すようにウエハ装填位置からウエハプロセス位置まで上げられる。

[0035]次に、ブロック４０４と４０６に示されるように、所望の堆積温度と圧力が得られ、チャンバ内で安定化される。一実施形態においては、チャンバの堆積温度は、約３００℃〜約４９０℃にあってもよい。チャンバの堆積圧力は、約１０トール〜約３５０トールの圧力に設定されてもよい。用いられる具体的な前駆ガスによっては、後で詳述されるように、好ましい温度は約４００℃〜約４７５℃であってもよく、好ましい圧力は約３０トール〜約３５０トールにあってもよい。次に、流れているキャリアガス又は希釈ガスは、チャンバに導入されてもよい。一実施形態においては、キャリア又は希釈ガスは、窒素又はアルゴンであってもよい。

[0036]次に、温度、圧力、ガスフローが安定化されると、シリコン源（即ち、前駆物質）が、約０.１トール〜約３.５トールのガス分圧を有するキャリアガス（例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン）と共にチャンバに送られる（ブロック４０６)。シリコン源とキャリアガスは、図５ｂに示すように基板５００上にナノ結晶シリコン膜５０６を堆積させるようにチャンバに送られる。シリコン源の流れは、ウエハ５００の一方の側にナノ結晶シリコンを堆積させるウエハ５００の上面より上の領域８８に制限される。本発明の一実施形態においては、シリコン源は、シラン（ＳｉＨ_４)、又は或いは他のシリコン源ガス、例えば、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）、ビスｔ-ブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ、(Ｃ_８Ｈ_２２Ｎ_２Ｓｉ)）であってもよい。一実施形態においては、キャリアガスは、Ｈ_２と不活性ガス（例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン）を含む混合物であってもよい。一実施形態においては、シランは、毎分約５０標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）〜約１５０ｓｃｃｍでチャンバに送られ、チャンバ９０内の堆積温度（即ち、ヒータ８０の温度）は約４４０℃〜約４９０℃の一定温度に維持され、堆積圧力は約１５０トール〜約３５０トールに維持される。他の重要なプロセスパラメータとしては、シラン前駆物質のガス分圧が含まれる。上記のように、シリコン前駆ガスのガス分圧は、ウエハ５００より上の領域８８について測定される。一実施形態においては、シランのガス分圧は、約０.５〜約３.５トールであってもよい。

[0037]ジシランの場合、このシリコン前駆ガスは、約５０ｓｃｃｍ〜約１５０ｓｃｃｍでチャンバ９０内に送られ、チャンバ９０内の堆積温度は、約４２５℃〜約４７５℃の一定温度に維持され、堆積圧力は、約３０トール〜約２２５トールに維持される。ジシラン前駆物質のガス分圧が、約０.１トール〜約３.０トールであってもよい。トリシランの場合、この前駆ガスは、約２００ｓｃｃｍ〜約３５０ｓｃｃｍでチャンバ９０に送られ、チャンバ９０内の堆積温度は、約４００℃〜約４５０℃の一定温度に維持され、堆積圧力は、約３０トール〜約２００トールに維持される。トリシラン前駆物質のガス分圧は、約０.１トール〜約２.５トールであってもよい。本発明の一実施形態においては、シリコン源ガスは、キャリアガス混合物の第１成分（上部の構成成分）に加えられ、入口２０を通って反応チャンバ９０に流れる。

[0038]代替的実施形態においては、前駆ガスは、ナノシリコン結晶形成のためにウエハ５００の両側上の反応チャンバ９０に送られてもよい（即ち、チャンバ９０の領域８８と８９を通ってナノ結晶シリコンを同時堆積させる)。シラン前駆ガスは、約１２０ｓｃｃｍ〜約１８０ｓｃｃｍでチャンバ９０内に送られてもよく、チャンバ９０内の堆積温度は約４７５℃〜約５２５℃に維持され、分圧（領域が領域８８、８９で画成された）が約０.８トール〜約１.２トールに維持される。ジシラン前駆ガスは、約１０ｓｃｃｍ〜約２５ｓｃｃｍで、チャンバ９０内に送られてもよく、チャンバ９０内の堆積温度は約４５０℃〜約５００℃で、分圧は約０.０８トール〜約１.６トールである。

[0039]チャンバ内に配置されるサセプタ（例えば、サセプタ５）とウエハ（例えば、ウエハ５００又はウエハ５０２）からの熱エネルギーは、シリコン源ガスを熱的に分解し、不連続でアモルファスのナノ結晶シリコン膜を、図５ｂに示されるように、シリコンウエハ５０２の上方に配置されるゲート誘電層又は層間絶縁膜５０４上に堆積させる。図５ｂは、説明を明確にするために簡略化された形式で示されているが、一実施例において、ナノ結晶シリコンは、約１Ｅ１０結晶/ｃｍ^２より大きい密度を有し、約５ナノメートルよりも小さい平均粒径を有していてもよい。本発明の一実施形態においては、熱エネルギーだけが、付加的なエネルギー源、例えば、プラズマ又は光子による促進）を用いずに、シリコン源ガスを分解するために用いられる。ナノ結晶シリコンから形成されるゲート電極の１つの利点は、ナノスケール粒子が、小粒子が取込まれるためにより大きいバルクシリコンよりもより大きいバンドギャップを有することである。

本発明の一実施形態においては、堆積圧、温度、プロセスガスの流速と濃度は、ナノ結晶シリコン膜が、約５オングストローム/分（オングストローム毎分）〜約１５オングストローム/分の範囲にある堆積速度で堆積させるように選択される。堆積速度は、プロセス化学、温度、又は圧力に左右されてもよい。例えば、シランは、約４４０℃〜約４９０℃の堆積温度、約１５０トール〜約３５０トールの堆積圧、約０.５トール〜約３.５トールの分圧に基づいて、約５オングストローム/分の流量で堆積してもよい。プロセスガス混合物は、所望の膜厚のナノ結晶シリコン膜５０６が形成されるまで、チャンバに絶えず送られる。

[0040]前述の明細書において、本発明は、その個々の例示的実施形態によって記載してきた。しかしながら、様々な修正と変更が、添付の特許請求の範囲に示されるように本発明の実施形態のより広い精神と範囲から逸脱することなく、それに対してなされてもよいことは明白である。従って、明細書と図面は、制限的な意味というよりは、例示とみなされるべきである。

図１は、第１断面と第２断面を通る、それぞれがチャンバの半分を通る“ウエハプロセス”位置における抵抗ヒータを有する処理チャンバの一実施形態の断面図を示す図である。図２は、“ウエハ分離”位置における図１と同様の断面図を示す図である。図３は、“ウエハ装填”位置における図１と同様の断面図を示す図である。図４は、基板上にナノ結晶シリコン膜の不連続層を堆積させる方法の一実施形態のブロック図を示す図である。図５ａは、シリコンウエハ上に誘電体が形成された基板の一実施形態を示す図である。図５ｂは、図５ａの基板上に形成されたナノ結晶シリコンの一実施形態を示す図である。

符号の説明

５…サセプタ、１０…第１高温計、１５…第２高温計、２０…ガス分配ポート、２４…阻止板、２５…面板、３０…チャンバリッド、３１…減圧排気、３２…ポンプ、３３…排出コンジット、４０…入り口、４１…トランスファブレード、４５…チャンバ本体、５０…第１加熱素子、５７…第２加熱素子、６０…リフタアセンブリ、６５…軸、７５…リフトプレート、８０…抵抗ヒータ、８５…排気板、９０…反応チャンバ、９５…リフトピン、１００…チャンバ、４１４…チャネル、５００…ウエハ、５０２…ドープされたシリコンウエハ、５０４…ゲート誘電体層、７００…プロセッサ/コントローラ、７０２…メモリ、７０４…電源、４１４０…ポンピングチャネル。

Claims

単一ウエハチャンバ内に基板を位置決めするステップと、
該単一ウエハチャンバを加熱して、約３００℃〜約４９０℃の堆積温度を生成させるステップと、
該基板の表面に対して方向付けたシリコンガス源を約０.１トール〜約３.５トールの分圧で供給して、該基板上にナノ結晶シリコン層を形成させるステップと、
を含む方法。
約１０トール〜約３５０トールの堆積圧を生成させるステップを更に含む、請求項１記載の方法。
供給するステップが、該シリコン源に窒素キャリアガスを加える工程を更に含む、請求項２記載の方法。
前記ナノ結晶シリコン層が、アモルファスで不連続の層を備えている、請求項１記載の方法。
該ナノ結晶シリコン層が、約１Ｅ１０結晶/ｃｍ^２より大きい密度を有し、約５ナノメートルよりも小さい平均粒径を有する、請求項１記載の方法。
該シリコン源がシランを含む、請求項１記載の方法。
該シリコン源がジシランを含む、請求項１記載の方法。
加熱するステップが、該単一ウエハチャンバ内に配置された二重抵抗ヒータで該堆積温度を維持する工程を含む、請求項１記載の方法。
基板上にナノ結晶シリコン層を堆積させる方法であって、
該基板を単一ウエハチャンバ内に置くステップと、
約３００℃〜約４９０℃の堆積温度でシリコン前駆物質を供給するステップと、
約１０トール〜約３５０トールの堆積圧力を生成して、堆積速度と結晶密度を制御するステップと、
を含み、前記シリコン前駆物質が該基板の片面に限定される前記方法。
供給するステップが、窒素キャリアガスを該シリコン前駆物質に加える工程を更に含む請求項９記載の方法。
供給するステップが、約０.５トール〜約３.５トールの分圧でシランを供給する工程を更に含む、請求項１０記載の方法。
供給するステップが、約０.１トール〜約３.０トールの分圧でジシランを供給する工程を更に含む、請求項１０記載の方法。
供給するステップが、２つのゾーンヒータで該温度を維持する工程を更に含む、請求項９記載の方法。
供給するステップが、該シリコン前駆物質にインサイチュでドーパントを加える工程を更に含む、請求項９記載の方法。
供給するステップが、約５０ｓｃｃｍ〜約１５０ｓｃｃｍの流量で該単一ウエハチャンバに該シリコン前駆物質を送る工程を更に含む、請求項９記載の方法。
機械によってアクセスされるときに、
約３００℃〜約４９０℃の堆積温度を生成させるステップと、
約１０トール〜約３５０トールの堆積圧を生成させるステップと、
約０.１トール〜約３.５トールの分圧でシリコン源を該機械に供給して、該基板上にナノ結晶シリコン層を堆積させるステップと、
を含む動作を機械に行わせる、データを含む機械がアクセス可能な媒体、
を備えた装置。
該機械が、単一ウエハ堆積チャンバを含む、請求項１６記載の装置。
該単一ウエハ堆積チャンバが、
ナノ結晶シリコン堆積の間、該基板を固定する基板ホルダと、
該単一ウエハ堆積チャンバにプロセスガス混合物を導入するガス分配システムと、
堆積圧を制御するガス出口と結合されるポンプと、
該ガス分配システムとポンプを制御するコントローラと、
を備えている、請求項１７記載の装置。
該ナノ結晶シリコン層が、アモルファスで不連続である、請求項１７記載の装置。
該ナノ結晶シリコン層が、約１Ｅ１０結晶/ｃｍ^２より大きい密度を有し、約５ナノメートルよりも小さい平均粒径を有する、請求項１７記載の装置。
ナノ結晶シリコンを堆積させる方法であって、
堆積チャンバ内に、上面と底面を有するウエハを置くステップと、
約４４０℃〜約４９０℃の温度に該堆積チャンバを加熱するステップと、
約０.５トール〜約３.５トールの分圧でウエハの上面に対してシランを窒素キャリアガスと共に方向付けるステップと、
を含む前記方法。
方向付けるステップが、ナノ結晶シリコンの堆積を該ウエハの該上面に限定する工程を更に含む、請求項２１記載の方法。
加熱するステップが、二重抵抗ヒータで該堆積チャンバの該温度を上昇させ維持する工程を更に含む、請求項２１記載の方法。
約１５０トール〜約３５０トールの堆積圧を安定化させるステップを更に含む、請求項２１記載の方法。
方向付けるステップが、ナノ結晶シリコンの不連続層とアモルファス層を形成する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
ナノ結晶シリコンを堆積させる方法であって、
堆積チャンバ内に上面と底面を有するウエハを置くステップと、
約４２５℃〜約４７５℃の温度に堆積チャンバを加熱するステップと、
約０.１トール〜約３.０トールの分圧で該ウエハの上面に対してジシランを窒素キャリアガスと共に方向付けるステップと、
を含む、前記方法。
方向付けるステップが、ナノ結晶シリコンの堆積を該ウエハの上面に限定する工程を更に含む、請求項２６記載の方法。
加熱するステップが、二重抵抗ヒータで該堆積チャンバの該温度を上昇させ維持する工程を更に含む、請求項２６記載の方法。
約３０トール〜約２２５トールの堆積圧を安定化させるステップを更に含む、請求項２６記載の方法。
方向付けるステップが、ナノ結晶シリコンの不連続層とアモルファス層を形成する工程を更に含む、請求項２６記載の方法。