JP2018511700A - 膜堆積のためのパルス化されたプラズマ - Google Patents

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Abstract

本書では基板を処理する方法が提供される。幾つかの実施形態では、処理チャンバ内に配置された基板の処理方法は、(a)遠隔プラズマ源から生成される第1の反応性核種と第1の前駆体に基板を曝すことによって、基板上に材料層を堆積することであって、第1の反応性核種が第1の前駆体と反応する、堆積すること、並びに、(b)第2のプラズマ源から処理チャンバ内に生成されるプラズマに基板を曝すことによって、堆積した材料層のすべて、又は実質的にすべてを処理することであって、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つは、堆積時間と処理時間を制御するためにパルス化される、処理すること、を含む。【選択図】図1

Description

[0001] 本開示の実施形態は概して、化学気相堆積(CVD)などの堆積プロセスに関し、より具体的には基板上での材料の堆積の改善に関する。
[0002] 集積回路(IC)は、チップ上に数百万個の構成要素を含みうる複雑な回路に進化している。チップ設計の進化には、より迅速な回路及びより高い回路密度が絶えず必要とされる。より高い回路密度への要求は次には、集積回路構成要素の寸法の縮小を必要とし、これには集積回路構成要素を含む特徴サイズの縮小が含まれる。
[0003] 集積回路構成要素の特徴サイズの縮小は、このような構成要素の製造に新たな問題を提起している。多くの場合、小さな特徴は高いアスペクト比を有するため、その後のプロセスにおいて堆積される材料で充填するのは更に困難になる。加えて、特徴サイズの減少はまた、熱収支として知られているように、集積回路が高温(例えば、約450℃)に曝される合計時間を制限する。熱収支の減少は、高いアスペクト比の特徴を充填するため、堆積された材料のリフローを可能にする時間を制限する。
[0004] そのため、より大きな流動能力(flow capability)を有する膜を堆積するプロセスが開発された。しかしながら、このような堆積膜は多くの場合、堆積膜の品質を改善するため、ポスト堆積プロセスを使用する。本発明の発明者は、追加のポスト堆積プロセスが多くの場合に高温で実行されており、望ましくないことに、集積回路製造の他のステップで利用可能な残存熱収支を犠牲にして、熱収支の一部を費やしていることを認めている。発明者は更に、ポスト堆積プロセスが多くの場合に、デバイス特徴の構造を損傷しうる高エネルギープロセスを含んでいることを認めている。
[0005] そのため、発明者は、膜の品質を高めた状態で基板上に材料を堆積する、改良された方法を提供する。
[0006] 本書では基板を処理する方法について説明している。幾つかの実施形態では、処理チャンバ内に配置された基板を処理する方法は、(a)遠隔プラズマ源から生成される反応性核種と第1の前駆体に基板を曝すことによって、基板上に材料層を堆積することであって、反応性核種が第1の前駆体と反応する、堆積すること、並びに、(b)第2のプラズマ源から処理チャンバ内に生成されるプラズマに基板を曝すことによって、堆積した材料層のすべて、又は実質的にすべてを処理することであって、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つは、堆積時間と処理時間を制御するためにパルス化される、処理すること、を含む。
[0007] 幾つかの実施形態では、基板上の基板支持ペデスタルの上に配置した材料の堆積方法は、(a)遠隔プラズマ源から生成される反応性核種と第1の前駆体に基板を曝すことによって、基板上に材料層を堆積することであって、反応性核種が第1の前駆体と反応する、堆積すること、(b)第2のプラズマ源から処理チャンバ内に生成されるプラズマに基板を曝すことによって、材料の堆積層のすべて、又は実質的にすべてを処理することであって、遠隔プラズマ源は第1の時間間隔でパルス化され、第2のプラズマ源は、第1の時間間隔と並列する第2の時間間隔でパルス化される、処理すること、並びに、(c)材料の所定の厚みが基板上に堆積し、処理されるまで(a)と(b)を繰り返すことを含み、(a)から(c)までの間、基板支持ペデスタルの温度は、約−150℃から約500℃までに制御される。
[0008] 幾つかの実施形態では、記憶された命令を有するコンピュータ可読媒体によって、この命令が実行されたときに、処理チャンバ内の基板支持ペデスタルの上に配置した基板を処理する方法が実行される。この方法は、本書に開示された実施形態のいずれかを含みうる。
[0009] 本開示の他の実施形態及び更なる実施形態について、以下で説明する。
[0010] 上記で簡潔に要約され、以下でより詳細に説明される本開示の実施形態は、添付の図面に示した本開示の例示的な実施形態を参照することにより、理解することができる。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容しうることから、添付の図面は、この開示の典型的な実施形態のみを例示しており、従って、範囲を限定していると見なされるべきではない。
本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法のフロー図である。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板の処理方法の電力対時間のグラフを示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板上に材料を堆積する方法の実行に適した処理チャンバの概略断面図である。 本開示の幾つかの実施形態による基板内に形成された配線構造の側断面図を示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板内に形成された配線構造の側断面図を示している。 本開示の幾つかの実施形態による基板内に形成された配線構造の側断面図を示している。
[0015] 理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。図は縮尺どおりには描かれておらず、明確性のために簡略化されていることがある。一実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込まれうると想定されている。
[0016] 本開示の実施形態は有利には、基板上に材料を堆積する、改良された方法を提供する。本開示の実施形態はまた有利には、膜の品質を高めた状態で基板上に材料を堆積する方法を提供する。本開示の実施形態は更に有利には、低い温度で基板上に材料を堆積する方法を提供する。本開示の実施形態はまた有利には、高温のポスト堆積プロセスなしで、基板上に材料を低温堆積するための方法を提供する。本開示の実施形態はまた有利には、高温又は高エネルギーのポスト堆積プロセスなしで、膜品質を高め、基板上に材料を堆積するための方法を提供する。以下でより詳細に説明するように、材料は処理チャンバ内に堆積され、また、パルス化されたプラズマを使用して、処理チャンバ内で処理されうる。
[0017] 図1は、本開示の幾つかの実施形態に基づく基板を処理する方法のフロー図を示している。方法100は、一又は複数の化学気相堆積(CVD)、或いはプラズマ強化原子層堆積(PEALD)用に構成された任意の適切な処理チャンバ内で実行されうる。本書で開示されている発明的な方法を実行するために使用されうる、例示的な処理システムには、限定するものではないが、一連の処理システムであるENDURA(登録商標)、CENTURA(登録商標)、又はPRODUCER(登録商標)、及び処理チャンバETERNA(登録商標)などがあり、これらはすべてカリフォルニア州サンタクララのApplied Materials, Inc.から入手可能である。他の製造業者から入手可能な処理チャンバを含む他の処理チャンバはまた、本書で提示される教示に関連して適切に使用されうる。本方法は、例えば、以下で説明される図3に示した処理チャンバを使用して実行されうる。
[0018] 方法100は、図4Aに示すように、基板400の上で実行されてもよく、特徴402を基板400の第1の面404内に形成させ、基板400の対向する第2の面406に向かって基板400の中へ延在させる。基板400は、基板400の上に材料を堆積されることができる任意の基板となりうる。例えば、シリコン基板、III−V化合物基板、シリコンゲルマニウム(SiGe)基板、エピ基板、シリコンオンインシュレータ(SOI)基板、液晶ディスプレイ(LCD)、プラズマディスプレイ、エレクトロルミネセンス(EL)ランプディスプレイなどのディスプレイ基板、太陽電池アレイ、ソーラーパネル、発光ダイオード(LED)基板、半導体ウエハなどであってもよい。
[0019] 基板400は、基板内に形成される特徴402を有する任意の適切な基板であってもよい。例えば、基板400は、誘電体材料、シリコン(Si)、金属などを含みうる。加えて、基板400は追加の材料層を含んでもよく、基板400の上又は内部に完成された、又は部分的に完成された一又は複数の構造を有してもよい。例えば、基板400は、酸化ケイ素、低誘電率材料(例えば、酸化ケイ素を下回る誘電率、すなわち約3.9未満の誘電率を有する材料)などの第1の誘電体層412を含みうる。特徴402は、第1の誘電体層412内に形成されうる。幾つかの実施形態では、第1の誘電体層412は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの第2の誘電体層414の上に配置されうる。導電性材料(例えば、導電性材料420)は、第2の誘電体層414内に配置され、特徴402が導電性材料で充填されたときに、導電性材料に至る又は導電性材料からの電気経路をもたらすように、特徴402と整列されうる。例えば、導電性材料はラインの一部であってもよく、或いは配線に連結されるビアであってもよい。
[0020] 特徴402は、ビア、トレンチ、デュアルダマシン構造などの任意の開口部であってもよい。幾つかの実施形態では、特徴402は、約5:1又はこれを超えるアスペクト比など、高アスペクト比を有しうる。本書で使用されているように、アスペクト比は、特徴の深さと特徴の幅の比率である。特徴402は、任意の適切なエッチング処理を使用して、基板400をエッチングすることによって形成されうる。特徴402は底面408と側壁410を含む。
[0021] 幾つかの実施形態では、図4A〜図4Cの点線で示されるように、特徴402は基板400及び第2の基板428の上面426を完全に通って延在し、特徴402の底面408を形成しうる。第2の基板428は、基板400の第2の面406に隣接して配置されうる。更に(また、点線で示されるように)、導電性材料(例えば、導電性材料420)は、例えば、論理デバイスなどのデバイスの一部であってもよく、或いは、ゲート、接触パッド、導電性ライン又はビアなどの、電気的な接続を必要とするデバイスへの電気経路は、第2の基板428の上面426に配置され、特徴402と整列されてもよい。
[0022] 方法100は、102で、遠隔プラズマ源及び第1の前駆体から生成される反応性核種に基板400を曝し、基板400の上に材料層416を堆積することによって開始される。図4Bに示したように、反応性核種は第1の前駆体(反応性核種と第1の前駆体との組み合わせは、これ以降、反応性前駆体430と称する)と反応する。幾つかの実施形態では、堆積した材料層416は適切な半導体処理材料であってもよい。幾つかの実施形態では、堆積した材料層416は誘電体層であってもよい。幾つかの実施形態では、堆積した材料層416は、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化マグネシウムなどの金属酸化物材料であってもよい。幾つかの実施形態では、堆積した材料層416は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(SiN)、酸化ケイ素(SiO)、酸窒化ケイ素(SiON)、オキシ炭化ケイ素(SiOC)などのケイ素含有材料であってもよい。幾つかの実施形態では、材料層416は、化学気相堆積(CVD)、原子層堆積、又は分子層堆積(MLD)を使用して、処理チャンバ内で堆積されうる。
[0023] 反応性核種は、基板が存在しているチャンバの処理領域から分離された或いは移転(remove)された、処理チャンバのプラズマ領域に導入される反応性核種前駆体によって生成される。反応性核種前駆体は、幾つかの前駆体材料のうちの一又は複数を含みうる。例えば、反応性核種前駆体は、アルゴン、ヘリウム、窒素などを含む一又は複数の不活性ガスでありうる。代替的に又は付加的に、追加のガスが用いられてもよく、これらはアンモニア(NH)、水素、もしくは窒素及び/又は水素含有ガスであってもよい。幾つかの実施形態では、反応性核種はもっぱら不活性ガスを含みうる。
[0024] 分離されたプラズマ領域はまた、遠隔プラズマ領域又は遠隔プラズマ源と称されることもあり、処理チャンバから分離した別個のモジュール内にあってもよく、例えば、図3に示したように処理チャンバ内の一区画にもなりうる。プラズマは、遠隔プラズマ領域内に形成され、反応性核種前駆体から反応性核種を生成しうる。生成された反応性核種は、圧力差、電場発生、又は、イオン及び/又は電子の処理領域への流入を案内するための何らかの他の既知のメカニズムを用いた方式を含む、幾つかの方式で、基板処理領域へ案内される。
[0025] 反応性核種を基板処理領域へ案内する前に、後に、又は同時に、第1の前駆体は基板処理領域へ導入されうる。第1の前駆体は、蒸気の形態で、又は実質的に蒸気の形態で、処理チャンバへ導入される。幾つかの実施形態では、第1の前駆体はシリコン含有前駆体である。幾つかの実施形態では、シリコン含有前駆体は、Si−Si結合及びSi−H結合を含む、又はSi−Si結合及びSi−H結合だけからなるシラン及びポリシランであってもよい。例示的な前駆体は、少なくとも1つのSi−Si結合、少なくとも2つのSi−Si結合、少なくとも3つのSi−Si結合などを含みうる。例えば、シリコン含有前駆体は、ジシランをはじめとする任意のポリシラン同族体から選択されうる。シリコン含有前駆体はまた、ポリシランの種々の異性体から選択されうる。例えば、シリコン含有前駆体が5つのシリコン原子を有する場合、この組成物は、n−ペンタシラン、イソペンタシラン、ネオペンタシラン、2−シリルテトラシラン、2,2−ジシリルトリシランなどのうち任意のものを含みうる。シリコン含有前駆体は、例えばシクロヘキサシランなどの循環形式(cyclic form)又はシクロシランを含んでもよい。ポリシランはまた、シレン及びシリンなどの飽和又は不飽和化合物を含んでもよい。シリコン含有前駆体はまた、SixHyなどの一般的な化学式になりうる。ここで、Xは2から無限大までの任意の数であってよく、Yは2から無限大までの任意の数であってよい。例えば、そのような最小の化学式はジシリン(Si)を表わす。Yはまた、Xに基づく任意の因数であってよい。例えば、Yは、2X又は2X+Nであってよく、ここで、n=2、0、−2、−4、−6などであるか、Nは2に等しいか2よりも小さい任意の数であってよい。例示的なシランは、ジシラン、テトラシラン、シクロヘキサシランなどを含みうる。
[0026] 反応性核種及び第1の前駆体は、シリコンベースの誘電体層などの誘電体層を基板上に形成するために、基板処理領域内で反応させられうる。形成された或いは堆積した当初、形成された材料ははじめは流動的であり、これにより、材料は、基板上に画定されたパターンを充填するためにトレンチ内に流れ込むことが可能となる。誘電体材料は、第1の反応性核種とシリコン含有前駆体との間の反応に基づいてもよい。反応性核種前駆体と第1の前駆体は互いに接触すると直ちに反応を開始するので、反応性核種前駆体と第1の前駆体は基板処理領域内に入るまで分離される。このような分離は、以下で更に説明するように、デュアルチャネルシャワーヘッドなどの構成要素によって実施されうる。シャワーヘッドは、前駆体が基板処理領域内に入る又は送達されるまで、反応性前駆体と第1の前駆体が互いに接触するのを防止するように、反応性核種前駆体と第1の前駆体の分離を維持するように構成されうる。
[0027] 誘電体材料の流動性は、第1の前駆体に対する処理温度や圧力、用いられるプラズマ出力、及び、シャワーヘッドもしくは反応性核種前駆体及び第1の前駆体の送達機構と膜が形成される基板との間の距離を含む、処理パラメータの組み合わせに基づく。堆積中、基板処理領域は、相対的に、実質的に、或いは完全にプラズマフリーになりうる。反応性核種が基板処理領域に送達されうるが、反応性核種の生成に用いられるプラズマは、基板処理領域の外側で収容されていてもよい。最大量の反応が、シャワーヘッドの直下或いは反応性核種前駆体及び第1の前駆体がはじめに相互作用する箇所で発生しうる。反応性核種は、再結合するための最小限の時間を有していたので、より多くの反応が反応性核種前駆体と第1の前駆体との間で発生しうる。これらの気相反応は、用いられる材料によって更に影響を受けうる。Si−Si結合は、Si−H結合、Si−O結合、及びその他のシリコンベースの結合よりも弱い結合でありうる。従って、本技術のシリコン含有前駆体において、これらのより多くの反応が発生する場合或いはより高いプラズマ出力が用いられる場合には、より多くの数の結合が破壊されうる。起こりうる結果として、形成された誘電体材料は、基板上に堆積すると低下した流動性を有するか流動性をまったく有さないことがある。堆積処理中、基板は約500℃以下で保持されてよく、約400℃以下、約300℃以下、約200℃以下、約100℃以下、約80℃以下、約75℃以下、約50℃以下、約25℃以下、約10℃以下、約0℃以下、約−10℃以下、約−20℃以下、約−30℃以下、或いは約30℃から約−30℃の間などで保持されうる。幾つかの実施形態では、基板又は基板支持ペデスタルは約−150℃から約500℃の間で制御される。処理チャンバは、処理中約100Torr以下に保持されてよく、約50Torr、約25Torr、約15Torr、約5Torr、約1Torr、約0.1Torrなど、或いは約0.1mTorrから約10Torrの間、或いは約0.05Torrから約2Torrの間に保持されうる。温度及び圧力も、用いられる前駆体の蒸気圧に少なくとも部分的に基づいて設定されうる。非限定的な例として、第1の前駆体としてテトラシランが用いられ、チャンバ温度が約−10℃である場合には、テトラシランの蒸気圧は約3Torr未満になりうる。したがって、チャンバ圧力が約3Torrよりも大きい場合には、テトラシランの凝集が発生しうる。反応性核種とテトラシランとの相互作用は、凝集点を超えるエネルギーを付与しうる。使用されるプラズマ源は、基板処理領域からは遠隔であり且つこれに流体連結されたチャンバ内で生成されたプラズマか、或いは代替的に、処理チャンバとは別個であるがこれと流体連結されたモジュール内で生成されたプラズマを含みうる。
[0028] 幾つかの実施形態では、材料層416は、以下の104で説明されるように、堆積した材料層416のすべて、或いは実質的にすべての処理に適した厚みまで堆積される。例えば、幾つかの実施形態では、材料層416は、堆積サイクルあたり、約5オングストロームから約25オングストロームまで堆積される。例えば、幾つかの実施形態では、1〜2秒のインターバルで20Åの厚みの材料層が堆積され、20Åの厚さの材料層の処理は、1〜2秒のインターバル中の約100ミリ秒で実行されうる。
[0029] 次に104で、堆積した材料層416のすべて、又は実質的にすべてが、処理チャンバ内で第2のプラズマ源から生成されたプラズマ432に基板400を曝すことによって処理される。本書で使用されているように、堆積した材料層416のすべて、又は実質的にすべての処理は、堆積した材料層416の曝された表面積のすべて、又は実質的にすべて、並びに、堆積した材料層416の厚みのすべて、又は実質的にすべてを意味する。プラズマ432の活動的なイオンは、堆積した材料層416内の結合を切断するか弱めることによって、堆積した材料層416を処理する。
[0030] 幾つかの実施形態では、プラズマ432は処理ガス(すなわち、処置ガス)を使用して形成される。幾つかの実施形態では、処理ガスは基板処理領域へ直接導入される。幾つかの実施形態では、処理ガスは遠隔プラズマ領域を経由して、基板処理領域へ導入される。幾つかの実施形態では、処理ガスはヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、窒素(N)、アンモニア(NH)、又はこれらの組み合わせなどの不活性ガスである。幾つかの実施形態では、処理ガスは、上述の反応性核種前駆体ガスと同じガスであってもよい。幾つかの実施形態では、処理ガスの選択は、堆積される材料層416に依存する。例えば、処理ガスの選択は、堆積した材料層416に所定の膜特性を提供することに依存しうる。発明者は、プラズマ中の処理核種を変えることによって、異なる膜特性が実現されうることを確認している。
[0031] 方法100の間に、材料層416の堆積時間及び材料層416の処理時間を制御するため、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つがパルス化される。発明者は、遠隔プラズマ源のパルス化が堆積厚の制御、堆積プロセスと処理プロセスの分離に役立つことを確認している。発明者は、第2のプラズマ源が処理時間と処理量の制御に役立つことを確認している。発明者は、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つのパルス化が、膜の結合を切断するか弱めることができ、核種を膜に取り込む(例えば、窒素(N)を使用して、Si−H結合を切断することによってSiNH膜を処理し、より多くの窒素(N)核種を膜に取り込む)ことが可能であることを確認している。発明者は、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つのパルス化が、硬化やアニールなどの付加的な処理ステップなしで、空隙率、膜収縮、膜応力、及び湿式エッチング速度比(WERR)などの、堆積した材料層416の膜特性を改善することを確認している。例えば、方法100は、熱収支を約450℃未満まで改善し、湿式エッチング速度比(WERR)を約2未満まで改善し、更に、膜収縮を約10パーセント未満まで改善する。パルス化はまた、電子密度とプラズマ反応性を高め、強い結合力を有する前駆体分子を破壊することを可能にする。破壊された核種は堆積した材料層416の処理に使用することができ、上述の膜特性を改善する。加えて、パルス化がオフの期間には、破壊された分子が再結合して、膜堆積中に使用されるより大きな新たな分子を形成することができる。
[0032] 幾つかの実施形態では、連続波(CW)モード又はパルス化モードで操作可能な適切なプラズマ出力源が、遠隔プラズマ源に連結される。幾つかの実施形態では、連続波(CW)モード又はパルス化モードで操作可能な適切なプラズマ出力源が、第2のプラズマ源に連結される。幾つかの実施形態では、プラズマ出力源は、RF出力源、マイクロ波出力源、パルス化されたRF出力源又はパルス化されたマイクロ波出力源であってもよい。
[0033] 幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源に連結されたプラズマ出力源は、約50KHzから約13.56MHzまでの範囲で調整可能な周波数で、最大3000Wまで生成することができる。パルスモードでは、プラズマ出力源は最大約100KHzのパルス周波数でパルス化可能で、或いは、幾つかの実施形態では、1Hzから約100KHzの間でパルス化可能である。プラズマ出力源は、約0.1%から約100%の間のデューティサイクル(例えば、所定のサイクルでオンの時間とオフの時間の合計に対するオンの時間の百分率)で操作されうる。
[0034] 幾つかの実施形態では、第2のプラズマ源に連結されたプラズマ出力源は、約13.56MHzの周波数で最大1500Wまで生成することができる。パルスモードでは、プラズマ出力源は最大約100KHzのパルス周波数でパルス化可能で、或いは、幾つかの実施形態では、1Hzから約100KHzの間でパルス化可能である。プラズマ出力源は、約0.1%から約100%の間のデューティサイクル(例えば、所定のサイクルでオンの時間とオフの時間の合計に対するオンの時間の百分率)で操作されうる。
[0035] 幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源のパルス化は、堆積した材料層416の処理時間の長さを調整することによって制御されうる。幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源のパルス化は、パルス化されたプラズマのパルス周波数を調整することによって制御されうる。幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源のパルス化は、プラズマのパルス化のデューティサイクルを調整することによって制御されうる。幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源のパルス化は、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源を拍動するために印加される電力を調整することによって制御されうる。幾つかの実施形態では、遠隔プラズマ源及び/又は第2のプラズマ源のパルス化は、処理ガスの流れを調整することによって制御されうる。
[0036] 図2A〜図2Iは、経過時間を水平軸に、印加される電力を垂直軸に示したグラフである。図2A〜図2Iは、材料層416の堆積時間と材料層416の処理時間を制御するために、遠隔プラズマ源又は第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つをパルス化した、本開示の実施形態を示している。ライン202は遠隔プラズマ源(すなわち、基板400上の材料層416の堆積)を表わし、ライン204は第2のプラズマ源(すなわち、基板400上に堆積された材料層416の処理)を表わす。
[0037] 幾つかの実施形態では、図2Aから図2Cに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)又は第2のプラズマ源(ライン204)のうちの1つは、連続波(CW)モード及び他のモードでパルス化される。幾つかの実施形態では、図2Aに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)は、材料層416を堆積するため、第1のインターバル206で連続波(CW)モードで操作され、第2のプラズマ源(ライン204)は、追加の材料層416を堆積しながら、堆積した材料層416を処理するため、第1のインターバル206中にパルス化される。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0038] 幾つかの実施形態では、図2Bに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)は、材料層416を堆積するため、第1のインターバル206で連続波(CW)モードで操作され、第1のインターバル206に続く第2のインターバル208でオフにされる。第2のプラズマ源(ライン204)は、追加の材料層416を堆積しながら、堆積した材料層416を処理するため、第2のインターバル中にパルス化される。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積するのに適した時間である。第2のインターバル208は、追加される所定の量の材料層416を堆積し、材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0039] 幾つかの実施形態では、図2Cに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)は、材料層416を堆積するため、第1のインターバル206でパルス化される。第2のプラズマ源(ライン204)は、堆積した材料層416を連続的に処理するため、第1のインターバル206中に連続波(CW)モードで操作される。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0040] 幾つかの実施形態では、図2Dから図2Iに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は共にパルス化される。幾つかの実施形態では、図2Dに描かれているように、材料層416を堆積すると同時に処理するため、遠隔プラズマ源と第2のプラズマ源は第1のインターバル206中に同時にオンになり、第2のインターバル208中に同時にオフになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は同相でパルス化される。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0041] 幾つかの実施形態では、図2Eに描かれているように、遠隔プラズマ源がオンのとき第2のプラズマ源がオフになり、遠隔プラズマ源がオフのとき第2のプラズマ源がオンになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は位相をずらしてパルス化される。図2Eに描かれている実施形態により、材料層416の堆積、及び堆積した材料層416のその後の処理が、追加の材料層416の堆積なしで可能になる。
[0042] 幾つかの実施形態では、図2Fに描かれているように、遠隔プラズマ源がオンのとき第2のプラズマ源がオフになり、遠隔プラズマ源がオフのとき第2のプラズマ源がオンになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は位相をずらしてパルス化される。図2Fに描かれている実施形態により、追加の材料層416の堆積なしで、材料層416の堆積と材料層416の処理を交互に行うことが可能になる。遠隔プラズマ源がオンのとき第2のプラズマ源がオンになり、遠隔プラズマ源がオフのとき第2のプラズマ源がオフになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は、第2のインターバルで同相でパルス化される。図2Fに描かれている実施形態により、材料層416を堆積すると同時に、堆積した材料層416を処理することができる。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、次に材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。第2のインターバル208は、所定の量の材料層416を堆積し、同時に材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0043] 幾つかの実施形態では、図2Gに描かれているように、遠隔プラズマ源がオンのとき第2のプラズマ源がオンになり、遠隔プラズマ源がオフのとき第2のプラズマ源がオフになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は第1のインターバル206で同相でパルス化される。図2Gに描かれている実施形態により、材料層416を堆積すると同時に、堆積した材料層416を処理することができる。材料層416を堆積し、処理するため、遠隔プラズマ源がオンのとき第2のプラズマ源がオフになり、遠隔プラズマ源がオフのとき第2のプラズマ源がオンになるように、遠隔プラズマ源(ライン202)と第2のプラズマ源(ライン204)は第2のインターバルで位相をずらしてパルス化される。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、同時に材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。第2のインターバル208は、所定の量の材料層416を堆積し、次に材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。
[0044] 幾つかの実施形態では、図2Hに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)は第1のインターバル206でパルス化がオンになり、第2のインターバル208でパルス化がオフになる。第2のプラズマ源(ライン204)は、第1のインターバル206中に複数回パルス化がオン/オフされ、第2のインターバル208中にオフにされる。図2Hに描かれている実施形態により、材料層416を堆積し、一方、第1のインターバル206の一部で、堆積した材料層416を処理することができる。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積し、材料層416のすべて、又は実質的にすべてを処理するのに適した時間である。第2のインターバル208は、処理チャンバ内の反応性核種を消散させるのに適した時間である。
[0045] 幾つかの実施形態では、図2Iに描かれているように、遠隔プラズマ源(ライン202)は、第1のインターバル206でパルス化がオンになり、第2のインターバル208でパルス化がオフになり、また、第2のプラズマ源(ライン204)は、第1のインターバル206から所定の時間210が経過した第2のインターバル208内でオンになる。図2Iに描かれている実施形態により、材料層416の堆積が可能になり、次に、堆積した材料層416を処理する前に、反応性前駆体430を消散させることができる。第1のインターバル206は、所定の量の材料層416を堆積するのに適した時間である。第1のインターバル206後の所定の時間210は、反応性前駆体を消散させるのに適した時間である。
[0046] 幾つかの実施形態では、基板400の上に所定の厚さの材料層416が堆積され、処理されるまで、102から104がそれぞれ繰り返される。所定の厚みの材料層416の堆積及び処理後、方法100は一般的に終了する。幾つかの実施形態では、特徴402を材料層416で充填するため、方法100が繰り返される。幾つかの実施形態では、充填材料424、例えば、導電性材料は、化学気相堆積によって特徴402内に堆積される。特徴402は、基板400の上面のレベルを超えて充填されてもよく、堆積した材料層416及び充填材料424は基板400の上面の上に留まってもよい。したがって、図4Cに描かれているように、特徴402が基板の上面とほぼ同等のレベルまで充填されるように、上面から過剰な堆積材料を取り除くため、酸性溶液中の湿式洗浄、化学研磨又は電気化学機械研磨などの技術が使用されうる。
[0047] 本開示の実施形態を実装しうる堆積チャンバは、高密度プラズマ化学気相堆積(HDP−CVD)チャンバ、プラズマ化学気相堆積(PECVD)チャンバ、準常圧化学気相堆積(SACVD)チャンバ、及び熱化学気相堆積チャンバ、及び他の種類のチャンバを含むことができる。本開示の実施形態を実装しうるCVDシステムの具体例には、カリフォルニア州Santa ClaraのApplied Materials,Inc.から入手可能なCENTURA ULTIMA(登録商標)HDP−CVDチャンバ/システム、及びPRODUCER(登録商標)PECVDチャンバ/システムが含まれる。
[0048] 図3は、本開示の幾つかの実施形態による、基板上に材料を堆積する方法の実行に適した処理チャンバ301の例の概略断面図である。
[0049] 遠隔プラズマシステム(RPS)310はガスを処理し、次いでガスはガス注入口アセンブリ311を通り移動しうる。ガス注入口アセンブリ311内には、2つの個別のガス供給チャネルが存在しうる。第1のチャネル312は、遠隔プラズマシステム(RPS)310を通過するガスを運び、一方で、第2のチャネル313は遠隔プラズマシステム(RPS)310を迂回する。第1のチャネル312と第2のチャネル313は、開示されている実施形態では、反応性核種前駆体又は処理ガス用に使用されうる。リッド(又は導電性頂部)321及び貫通孔のあるパーティション(シャワーヘッド353など)が、その間にある絶縁リング324と共に示され、これによりAC電位が、シャワーヘッド353に対してリッド321に印加されることを可能にする。反応性核種前駆体は、第1のチャネル312を通って、チャンバプラズマ領域320の中へ進み、チャンバプラズマ領域320の中のプラズマのみによって、又は遠隔プラズマシステム(RPS)310と組み合わされて、励起されうる。チャンバプラズマ領域320及び/又は遠隔プラズマシステム(RPS)310の組み合わせは、本書では遠隔プラズマシステムと称されることがある。貫通孔のあるパーティション又はシャワーヘッド353は、チャンバプラズマ領域320を、シャワーヘッド353下方の基板処理領域370から分離しうる。シャワーヘッド353は、チャンバプラズマ領域320内に存在するプラズマが、基板処理領域370内のガスを直接に励起することを回避することを可能にするが、一方で、励起種がチャンバプラズマ領域320から基板処理領域370内へ進むことを可能にしうる。
[0050] シャワーヘッド353は、チャンバプラズマ領域320と基板処理領域370との間に位置決めされ、チャンバプラズマ領域302内で生成された第1の反応性核種又は前駆体の励起された誘導体又は他のガスが、シャワーヘッドに含まれる一又は複数のプレートの厚さを横断する複数の貫通孔356を、通過することを可能にする。シャワーヘッド353はまた、第1の前駆体などの、蒸気又はガスの形態の前駆体で充填されることができ、小孔355を通過して基板処理領域370へと進むが直接にチャンバプラズマ領域320内へ進まない、一又は複数の中空の空間351を有しうる。本開示の実施形態において、シャワーヘッド353は、貫通孔356の最小径350の長さよりも厚い。チャンバプラズマ領域320から基板処理領域370へ突入する励起種の有意な濃度を維持するために、貫通孔の最小径350の長さ326は、シャワーヘッド353を途中まで貫通する、貫通孔356のより大きな直径部分を形成することにより、制限されうる。本開示の実施形態において、貫通孔356の最小径350の長さは、貫通孔356の最小径と同じ程度の大きさ又はそれ未満でありうる。
[0051] 図示の実施形態において、シャワーヘッド353は、例えばアルゴンなどのプラズマ蒸気/ガスを含有する処理ガスを、貫通孔356を通じて分配しうる。更に、シャワーヘッド353は、プラズマ領域320とは別個に維持される前駆体を、小孔355を通じて分配しうる。一又は複数の処理ガスと前駆体とは、前駆体が基板処理領域370に個別に導入されるまで、シャワーヘッド353を介して流体的に分離されて維持されうる。前駆体は、処理領域に入ると互いに接触し、流動性のある誘電体材料を基板380上に形成しうる。
[0052] 実施形態では、貫通孔356の数は約60〜約2000であってもよい。貫通孔356は様々な形状を有してもよいが、円形に作成されうる。本開示の実施形態において、貫通孔356の最小径350は、約0.5mm〜約20mm、又は約1mm〜約6mmになりうる。貫通孔の断面形状の選択にも自由度があり、円錐形、円筒形、又はこれら2つの形状の組み合わせで作成されうる。種々の実施形態において、基板処理領域370にガスを導入するために用いられる小孔355の数は、約100〜約5000、又は約500〜約2000となりうる。小孔355の直径は約0.1mm〜約2mmになりうる。
[0053] シャワーヘッド353内の貫通孔356を通って到着する反応性核種が、中空の空間351を起点として小孔355を通り到着するシリコン含有前駆体と組み合わされると、基板処理領域370の内部で基板380が搭載されたペデスタル375などのペデスタルによって支持される基板上に、例示的な膜が作成されうる。基板処理領域370は、硬化などの他のプロセスのためにプラズマを支持するように装備されうるが、例示的な膜の堆積中、プラズマは存在しない。
[0054] プラズマは、シャワーヘッド353上方のチャンバプラズマ領域320、又はシャワーヘッド353下方の基板処理領域370において点火されうる。代替的に、チャンバのいかなる部分でもプラズマが形成されず、遠隔プラズマシステム(RPS)310においてのみ形成されてもよい。プラズマは、アルゴン、ヘリウム、水素、又はアンモニアのうちの一又は複数の流入によってラジカル反応性核種を生成するために、チャンバプラズマ領域320内に存在しうる。堆積中に、チャンバプラズマ領域320内でプラズマを点火するために、典型的には高周波(RF)域内にあるAC電圧が、処理チャンバの導電性頂部(リッド321など)とシャワーヘッド353の間に印加される。RF電源は13.56MHzの高いRF周波数を発生させるが、その他の周波数を単独で又はその他の周波数を13.56MHz周波数と組み合わせて発生させうる。チャンバプラズマ領域320内のプラズマは、上述のようにパルス化されうる。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ波電源、RF電源、又はDC電源など、連続波(CW)モード又はパルスモードで動作可能な電源は、遠隔プラズマシステム(RPS)310に連結される。
[0055] 誘電体層の形成中に、基板処理領域370内の底部プラズマをオンにするとき、頂部プラズマは低電力又は電力なしとされうる。シャワーヘッド353とペデスタル375又はチャンバ底部との間にAC電圧を印加することにより、基板処理領域370内でプラズマが点火されうる。基板処理領域370内のプラズマは上述にようにパルス化されうる。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ波電源、RF電源、又はDC電源など、連続波(CW)モード又はパルスモードで動作可能な電源は、ペデスタル375に連結される。
[0056] 本開示の実施形態で、ペデスタル375は可動であってよく、上昇又は下降するように構成され、また、同様に回転するように構成されてもよい。ペデスタル375は、基板温度を制御するための熱交換流体が通流する熱交換チャネルを有しうる。熱交換チャネルにより、基板を約0℃又はこれ未満〜約200℃又はこれ以上などの比較的低温で維持するために、基板温度を低下又は上昇させることが可能となる。熱交換流体は、エチレングリコール、水、又は、システムに熱を導入可能であるかシステムから熱を除去可能である何らかの他の流体を含みうる。ペデスタルのウエハ支持プラッタもまた、約200℃以下から約1100℃以上までなど、比較的高温に到達するために、埋め込まれた抵抗加熱素子を用いて抵抗加熱されうる。加熱素子の外側部分は支持プラッタの外周に隣接して伸び、一方、加熱素子の内側部分は、より小さい半径を持つ同心円の軌道上に伸びる。付加的に、より均一な温度を提供するために、抵抗加熱素子がプラッタを通って巻かれてもよい。加熱素子への配線は、ペデスタルのステムを通過しうる。
[0057] チャンバプラズマ領域又は遠隔プラズマシステム(RPS)内の領域は、遠隔プラズマ領域と称されることがある。実施形態において、ラジカル前駆体(例えば、アルゴン前駆体)が、遠隔プラズマ領域内で作成され、基板処理領域へと進み、シリコン含有前駆体と結合しうる。実施形態において、シリコン含有前駆体は、ラジカルアルゴン前駆体によってのみ励起される。実施形態において、ラジカルアルゴン前駆体がシリコン含有前駆体に支配的な励起をもたらすことを保証するため、プラズマ出力は基本的に、遠隔プラズマ領域に対してのみ印加されうる。
[0058] チャンバプラズマ領域を用いる実施形態において、励起された反応性核種が、基板処理領域の堆積領域から仕切られたある区域で生成されうる。本書で基板処理領域とも称される堆積領域は、反応性核種が第1の前駆体と混合及び反応し、基板(例えば、半導体ウエハ)上に誘電体材料を堆積する領域である。励起された反応性核種には、他の不活性ガス(例えばアンモニア)を含む追加のガスも添加されうる。実施形態において、第1の前駆体は、基板プラズマ領域に入る前にプラズマを通過しない。本書では、基板処理領域は、誘電体材料の堆積中に「プラズマフリー」であると記載されることがある。「プラズマフリー」とは、領域にプラズマが不在であるということを必ずしも意味しない。プラズマ領域の中で作られたイオン化種及び自由電子は、パーティションもしくはシャワーヘッドのポア又は開孔を通って進むが、第1の前駆体は、プラズマ領域に印加されるプラズマ出力により実質的に励起されない。チャンバプラズマ領域の中のプラズマの境界は画定することが難しく、シャワーヘッドの開孔を通って基板処理領域に侵入しうる。誘導結合プラズマの場合、基板処理領域の中で直接に、少量のイオン化が行われうる。更に、形成中の膜の望ましい特徴を除去することなく、低強度のプラズマが基板処理領域内で作成されうる。励起された第1の核種の生成中の、チャンバプラズマ領域又は遠隔プラズマ領域よりもはるかに低強度のイオン密度を有するプラズマのいかなる要因も、本書で使用している「プラズマフリー」の範囲から逸脱しない。
[0059] プラズマ出力は、種々の周波数であるか複数の周波数の組合せでありうる。例示的な処理システムにおいて、プラズマは、シャワーヘッド353に対するリッド321に供給されるRF電力により供給されうる。プラズマ出力は、遠隔プラズマ領域内へと容量性結合(CCP)又は誘導性結合(ICP)されうる。
[0060] 上記は本開示の実施形態を対象とするが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態及びさらなる実施形態が考案されうる。

Claims (15)

  1. 処理チャンバ内に配置された基板を処理する方法であって、
    (a)遠隔プラズマ源から生成される第1の反応性核種と第1の前駆体に基板を曝すことによって、前記基板上に材料層を堆積することであって、前記第1の反応性核種が前記第1の前駆体と反応する、堆積すること、並びに、
    (b)第2のプラズマ源から前記処理チャンバ内に生成されるプラズマに前記基板を曝すことによって、堆積した前記材料層のすべて、又は実質的にすべてを処理することであって、前記遠隔プラズマ源又は前記第2のプラズマ源のうちの少なくとも1つは、堆積時間と処理時間を制御するためにパルス化される、処理すること
    を含む方法。
  2. (c)前記基板上に所定の厚みの前記材料層が堆積し、処理されるまで、(a)及び(b)を繰り返すこと
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第2のプラズマ源は前記処理チャンバ内の基板支持ペデスタルに連結されている、請求項1に記載の方法。
  4. 前記遠隔プラズマ源及び前記第2のプラズマ源はRF電源、DC電源、又はマイクロ波電源に連結されている、請求項1に記載の方法。
  5. 堆積した前記材料層は、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(SiN)、酸化ケイ素(SiO)、酸窒化ケイ素(SiON)、オキシ炭化ケイ素(SiOC)、又は金属酸化物のうちの1つである、請求項1に記載の方法。
  6. 前記処理チャンバ内で生成される前記プラズマは、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、窒素(N)、アンモニア(NH)、又はこれらの任意の組み合わせからなる第2の処理ガスから形成される、請求項1に記載の方法。
  7. 前記遠隔プラズマ源及び前記第2のプラズマ源のパルス化は、パルス周波数、又はデューティサイクル、又は前記遠隔プラズマ源又は前記第2のプラズマ源に印加される電力を調整することによって制御される、請求項1に記載の方法。
  8. 前記遠隔プラズマ源は、前記材料層を堆積するため、第1のインターバルでは連続波(CW)モードで操作され、前記第2のプラズマ源は、追加の材料層を堆積しながら、堆積した前記材料層を処理するため、前記第1のインターバル中にパルス化される、或いは、
    前記遠隔プラズマ源は、前記材料層を堆積するため、第1のインターバルでは連続波(CW)モードで操作され、前記第1のインターバルに続く第2のインターバルではオフにされ、また、前記第2のプラズマ源は、前記第1のインターバルでオフにされ、堆積した前記材料層を処理するため、前記第2のインターバル中にパルス化される
    請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記遠隔プラズマ源は、前記材料層を堆積するため、第1のインターバルではパルス化され、前記第2のプラズマ源は、堆積した前記材料層を連続的に処理するため、前記第1のインターバル中に連続波(CW)モードで操作される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、また、前記材料層を堆積すると同時に堆積された前記材料層を処理するため、前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は第1のインターバル中に同時にオンになり、第2のインターバル中に同時にオフになるように、前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は同相でパルス化される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、また、前記材料層を堆積し、その後、前記材料の追加の層を堆積することなく、堆積した前記材料層を処理するため、前記遠隔プラズマ源がオンのとき前記第2のプラズマ源はオフになり、前記遠隔プラズマ源がオフのとき前記第2のプラズマ源はオンになるように、前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は位相をずらしてパルス化される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、また、前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は、前記遠隔プラズマ源がオンのとき前記第2のプラズマ源はオフになり、前記遠隔プラズマ源がオフのとき前記第2のプラズマ源はオンになるように、第1のインターバルでは位相をずらしてパルス化され、前記遠隔プラズマ源がオンのとき前記第2のプラズマ源はオンになり、前記遠隔プラズマ源がオフのとき前記第2のプラズマ源はオフになるように、第2のインターバルでは同相でパルス化される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、また、前記材料層を堆積して処理するため、前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は、前記遠隔プラズマ源がオンのとき前記第2のプラズマ源がオンになり、前記遠隔プラズマ源がオフのとき前記第2のプラズマ源はオフになるように、第1のインターバルでは同相でパルス化され、前記遠隔プラズマ源がオンのとき前記第2のプラズマ源はオフになり、前記遠隔プラズマ源がオフのとき前記第2のプラズマ源はオンになるように、第2のインターバルでは位相をずらしてパルス化される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、前記遠隔プラズマ源は第1のインターバルでパルス化がオンになり、第2のインターバルでパルス化がオフになり、また、前記第2のプラズマ源は前記第1のインターバル中にはパルス化が複数回オンとオフになり、前記第2のインターバル中にはオフになる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記遠隔プラズマ源と前記第2のプラズマ源は共にパルス化され、また、前記遠隔プラズマ源は、第1のインターバルでパルス化がオンになり、第2のインターバルでパルス化がオフになり、前記第2のプラズマ源は、前記第1のインターバルから所定の時間が経過した後、前記第2のインターバル中にパルス化がオンになる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
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