JP2019106549A - シームレスのコバルト間隙充填を可能にする方法 - Google Patents
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Abstract
Description
フィーチャ寸法がより小さくなるにつれて、フィーチャの深さとフィーチャの幅との間の比として定義されるアスペクト比をより高くすることに対する要求が、20:1以上まで着実に増大した。約20:1以下のアスペクト比を有する幾何形状など、小さい幾何形状を有する接触構造内へ接触金属層を堆積させるときには、様々な問題が生じることがある。たとえば、従来のPVDプロセスを使用して堆積させた接触金属層では、ビアが50nm未満の限界寸法または10:1より大きいアスペクト比を有するとき、ステップカバレッジ不良が生じ、ビアまたはトレンチ内にオーバーハングおよびボイドが形成されることが多い。また、ビアまたはトレンチの底部および側壁上の堆積が不十分な結果、堆積が不連続になり、それによってデバイスの短絡または相互接続形成不良が生じる可能性がある。さらに、接触金属層は、下にあるシリコン含有層の上で接着不良をおこすことがあり、その結果、接触金属層が基板および後の導電金属層から剥離することがある。
こうしてトランジスタ密度が増大し、その後金属コンタクトの横断面が低減するにつれて、既存の低抵抗タングステン(W)の集積方式を使用して接触抵抗要件を満たすのはかなり困難になった。タングステン接触集積方式において高抵抗の接着(たとえば、B2H6の核形成)およびバリア層(たとえば、TiN)が必要とされる結果、接触抵抗が増大し、22ナノメートル未満の技術ノードにとってこの方式は魅力的な選択肢ではなくなった。
特定の実施形態では、接触金属層を堆積させて半導体デバイス内に接触構造を形成する方法が提供される。この方法は、バリア層堆積プロセスを実行して基板上にバリア層を堆積させるステップと、湿潤層堆積プロセスを実行して基板上に湿潤層を堆積させるステップと、湿潤層上でアニールプロセスを実行するステップとを含む。この方法は、堆積前駆体混合ガスに接触金属層を露出させて基板上に接触金属層の一部分を堆積させることによって、金属堆積プロセスを実行して基板上に接触金属層を堆積させるステップをさらに含む。最後に、この方法は、接触金属層のその部分をプラズマ処理プロセスに露出させるステップと、基板上に配置された接触金属層をアニールするステップとを含む。
本発明の実施形態は、コンタクトの充填のために潜在的に低接触抵抗(Rc)の1材料による解決策をもたらす、間隙充填を利用する金属CVDプロセス(たとえば、コバルトCVDプロセス)を提供する。本明細書に記載の実施形態によって堆積させたCVD膜は、共形のステップカバレッジおよび低い表面粗さを有する。さらに、本明細書で実証される実施形態は、シームを形成することなく半導体デバイスのコンタクト孔を充填するプロセスを実証する。
一実施形態では、基板の上に接触金属層を堆積させる方法が提供され、この方法は、基板をコバルト前駆体ガスおよび水素ガスに露出させてフィーチャ内でシームレスの間隙充填コバルト層の一部分を選択的に形成するステップと、後処理プロセス中に、コバルト層をプラズマおよび窒素、アンモニア、水素、アンモニア/窒素混合物、またはこれらの組合せなどの試薬に露出させるステップとを含む。
さらに、基板は、いかなる特定の寸法または形状にも限定されるものではない。基板は、中でも、450mmなど、200mmの直径、300mmの直径、または他の直径を有する円形のウエハとすることができる。基板はまた、フラットパネルディスプレイの製造で使用される多角形のガラス基板など、任意の多角形、正方形、方形、湾曲した形、またはそれ以外の非円形の加工物とすることができる。
本明細書に記載の実施形態は、基板上に接触金属層を堆積/形成して接触構造を形成する方法を提供する。堆積プロセスは、堆積させた膜のステップカバレッジ、共形性、ならびに連続性および均一性を基板全体にわたって効率的に改善し、それによって基板全体にわたって形成される全体的な膜の特性を改善することができる。
シャワーヘッド156とリッド縁部166との間にリッド隔離体175が挿入される。リッド縁部166をチャンバ本体120から持ち上げて、保守アクセスのために処理チャンバ150を開くことができる。処理チャンバ150内の真空は、処理チャンバ150内のポンププレナム172に接続された真空ポンプ170によって維持される。ポンププレナム172は、環状のポンピングチャネル174に接続される。
図1では、チャンバ150に制御ユニット180を結合して、処理条件を制御することができる。制御ユニット180は、中央処理装置(CPU)182、支持回路184、およびメモリ186を備え、メモリ186は関連する制御ソフトウェア183を収容する。制御ユニット180は、様々なチャンバおよびサブプロセッサを制御するために産業用の設定で使用することができる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサの1つとすることができる。CPU182は、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピーディスクドライブ、コンパクトディスクドライブ、ハードディスク、または任意の他の形態のローカルもしくは遠隔のデジタルストレージなど、任意の適したメモリ186を使用することができる。CPU182には、チャンバ150を支持するために、様々な支持回路を結合することができる。制御ユニット180は、個々のチャンバ構成要素に隣接して位置する別のコントローラに結合することができる。制御ユニット180とチャンバ150の様々な他の構成要素との間の双方向通信は、集合的に信号バスと呼ばれる多数の信号ケーブルを通じて取り扱われる。これらの信号バスの一部を、図1に示す。
可能な集積方式には、それだけに限定されるものではないが、(a)PVD Ti+ALD TiN、(b)PVD Ti+CVD Co、(c)CVD Co、および(d)CVD Co+PVD Coが含まれる。PVD Tiは、ソースまたはドレインにおいて、下にあるケイ素化合物との良好な電気接触を提供する。ALD TiNは、必要な場合、コバルト膜のリフローを助けるために、コバルト膜の接着を改善する。CVD Coは、CVD膜を使用するコバルト充填を行い、またはCVDに続いてリフローを行う。
プロセスシーケンス300は、ブロック310で、図1に示す処理チャンバ150または他の適した処理チャンバ内に配置された基板402など、図4Aに示す基板402などの基板を処理チャンバ内へ設けることによって始まる。図4Aに示す基板402は、基板402上に形成された半導体デバイス構造408(たとえば、接触構造を形成するように構成されたゲート構造または他の構造など)を含む。この特定のデバイス構造408は、高いアスペクト比または他の異形の幾何形状を有する3次元(3D)フラッシュメモリの用途、DRAMの用途、または他の適した用途に使用することができることに留意されたい。
実行される前洗浄プロセスは、前洗浄混合ガスを前洗浄チャンバ内へ供給することを含む。前洗浄チャンバは、カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から入手可能なPreclean PCII、PCXT、またはSiconi(商標)というチャンバとすることができる。前洗浄チャンバは、例示的なマルチチャンバ処理システム200内に組み込むことができ、必要に応じてシステム200の処理チャンバ212、214、216、232、234、236、238の1つになるように構成することができる。他の製造業者から入手可能な他の前洗浄チャンバを利用して、本明細書に記載の実施形態を実行することもできることに留意されたい。
前洗浄プロセスは、システム200内に組み込まれている前洗浄処理チャンバ内へ洗浄混合ガスを供給し、この前洗浄混合ガスからプラズマを形成して固有の酸化物を除去することによって実行される。一実施形態では、固有の酸化物を除去するために使用される前洗浄混合ガスは、アンモニア(NH3)および三フッ化窒素(NF3)の混合ガスである。処理チャンバ内へ導入される各ガスの量は、たとえば、除去すべき固有の酸化物層の厚さ、洗浄される基板の幾何形状、プラズマの容積、チャンバ本体の容積、ならびにチャンバ本体に結合された真空システムの能力に対応するように変動および調整することができる。
また、前洗浄混合ガスにパージガスまたはキャリアガスを追加することもできる。アルゴン、ヘリウム、水素、窒素、またはこれらの混合物など、任意の適したパージ/キャリアガスを使用することができる。全体的な前洗浄混合ガスは、アンモニアおよび三フッ化窒素の約0.05体積%〜約20体積%である。前洗浄混合ガスの残りは、パージ/キャリアガスとすることができる。
前処理混合ガスは、金属堆積処理チャンバ150に結合された遠隔プラズマ源141などの遠隔プラズマ源から供給することができ、前処理混合ガスプラズマを処理チャンバ150から基板表面411へ遠隔で供給することができる。別法として、前処理混合ガスは、処理チャンバ150内に設置された任意の他の適した供給源から基板表面411へ供給することができる。
ブロック340で、基板表面上でブロック320の前処理プロセスを実行して処理済みの表面領域410を形成した後、またはブロック330でバリア層416の堆積後、図4Dに示すように、処理チャンバ150内でCVD接触金属堆積プロセスを実行して、接触金属層420を堆積させることができる。接触金属層420は、図5に記載の周期的堆積プロセスを使用して堆積させることができる。接触金属層420は、開口406を充填する。接触金属層420の適した例には、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、これらの合金、またはこれらのいずれかの組合せが含まれる。本明細書に記載の1つの特定の実施形態では、基板402上に堆積させた接触金属層420は、コバルト(Co)層である。
接触金属層420は、周期的金属堆積プロセスを実行して接触金属層420を堆積させ、それに続いて接触金属層420をアニールする複数のサイクルを含む多段階堆積プロセスを使用して堆積させることができる。特定の実施形態では、接触金属層420の厚さは、充填される最も小さいフィーチャのフィーチャ直径(限界寸法)の50%未満とするべきである。たとえば、周期的金属堆積プロセスを実行して、フィーチャ直径の2分の1未満までフィーチャを部分的に充填し、それに続いてアニールプロセスを行う。次いで、周期的堆積プロセスに続いてアニールを行うことを繰り返して、接触金属層420が所定の厚さを実現するまで堆積させるはずである。代替実施形態では、単一の非周期的堆積プロセスで、接触金属層420を堆積させてフィーチャを完全に充填することができる。この実施形態では、次いで接触金属層420はアニールされる。非周期的な接触金属層420の堆積プロセス、および後のアニールプロセスにより、完了するのに必要とされる時間がより短くなるため、スループットが増大する。
堆積プロセスの一実施形態では、堆積前駆体混合ガスのパルスが、還元ガスとともに、また任意選択でパージ/キャリア混合ガスとともに、堆積チャンバ150へ供給される。本明細書で、パルスという用語は、プロセスチャンバ内へ射出される1回分の材料を指す。堆積前駆体混合ガスのパルスは、所定の時間間隔にわたって継続する。堆積前駆体混合ガスの各パルスとプラズマ処理プロセスとの間で、堆積前駆体混合ガスの各パルスまたは複数のパルスの間に、パージ混合ガスを処理チャンバ内へパルシングして、基板402の表面によって反応/吸収されない不純物または残留の前駆体混合ガス(たとえば、コバルト前駆体からの反応されない炭素含有不純物など)を除去することができ、したがってこれらを処理チャンバからポンプで汲み出すことができる。
堆積前駆体混合ガスのパルスに対する時間間隔は、膜の厚さ要件、プロセスチャンバの体積、スループットの問題、ガスの流量などの複数の要因に応じて可変である。一実施形態では、プロセス条件は、少なくとも単層のコバルト金属前駆体が基板402上に吸着されるのに十分な量の前駆体を堆積前駆体混合ガスのパルスが提供するように選択されることが有利である。その後、チャンバ内に残っている余分のコバルト金属前駆体を、パージ混合ガスによって処理チャンバから除去してポンプで汲み出すことができる。
動作の際には、ブロック510で、堆積前駆体混合ガスの第1のパルスを処理チャンバ150内へパルシングして、コバルト接触金属層420の一部分を基板上に堆積させる。処理チャンバ150に入る堆積前駆体混合ガスの各パルスは、約5Å〜約100Åの厚さを有するコバルト層を堆積させることができる。堆積前駆体混合ガスのパルシング中、いくつかのプロセスパラメータも調節される。一実施形態では、プロセス圧力は、約7トル〜約30トルで制御される。処理温度は、摂氏約125度〜摂氏約250度である。プラズマプロセスの場合、RF電力は、約100ワット〜約1200ワットで制御することができる。堆積前駆体混合ガス内に供給されるコバルトガス前駆体は、約1sccm〜約10sccmで制御することができる。H2ガスなどの還元ガスは、約3000sccm〜約5000sccmなど、約100sccm〜約10,000sccmで供給することができる。基板エッジ/基板底部から供給されるH2ガスは、約200sccm〜約1000sccmで制御することができる。アルゴンガスは、基板エッジ/基板底部から約200sccm〜約1000sccmで供給することができる。
ブロック550で、所定の厚さの接触金属層420が実現されなかった場合、基板を堆積前駆体混合ガスに露出させることから始まり、それに続いてプラズマ前処理プロセスを行う追加のサイクルを、接触金属層420の所望の厚さ範囲に到達するまで繰返し実行することができる。所定の厚さの接触金属層が実現された場合、プロセスはブロック350へ進み、熱アニールプロセスが実行される。
たとえば、接触金属層の全体的な厚さが10nmであり、接触層のこの部分が2nm/サイクルで堆積される場合、(2nmの堆積に続いてプラズマ処理を行う)を5サイクル行う必要がある。
ブロック350で、基板402上の熱アニールチャンバ内で熱アニールプロセスを実行して、接触金属層420の特性を改善する。熱アニールチャンバは、必要に応じて、システム200の処理チャンバ212、214、216、232、234、236、238の1つとすることができる。一実施形態では、ブロック350で実行される熱アニールプロセスは、摂氏約200度〜摂氏約500度など、摂氏約200度〜摂氏約1400度の温度範囲を有することができる。熱アニールプロセス中、少なくとも水素含有ガスおよび/または不活性ガス(たとえば、アルゴン)を含む混合ガスがアニールチャンバ内へ供給される。混合ガスは、アニールプロセス前にチャンバがガスで充填される静的プロセス、またはアニールプロセス中に混合ガスがアニールチャンバを通って連続して流される連続流プロセスを使用して、アニールチャンバに供給することができる。
熱アニールプロセスが完了した後、ブロック360で、所定の厚さの接触金属層420が実現されなかった場合、ブロック340で周期的金属堆積を実行して接触金属層を堆積させることから始まり、それに続いてブロック350で接触金属層上でアニールプロセスを実行する追加のサイクルを、接触金属層420の所望の厚さ範囲に到達するまで繰返し実行することができる。所定の厚さの接触金属層が実現された場合、プロセスは完了し、追加の処理ステップを実行することができる。
プロセス600の特定の態様は、図3を参照しながら説明したプロセス300に類似しており、話を簡潔にするため、以下では繰り返さない。一実施形態では、ブロック610および620は、上記の図3に示すブロック310および320に類似している。ブロック610および620は、それぞれ図7Aおよび図7Bに示す製造段階に対応する。図7Aおよび図7Bの詳細な議論は、図4Aおよび図4Bを参照すると見つけることができる。しかし、前処理プロセスを基板上で実行することは、ブロック620では任意選択とすることができる。
代替の実施形態では、アニールプロセス中のCVD Co膜の凝集で、CVD Coを湿潤層として使用することができる。このCVD Co湿潤層は、シームレスの間隙充填に使用されるCVD Co膜に対する低炭素含有率(1%未満の原子%)の炭素と比較すると、高炭素含有率(5%を上回る原子%)の炭素を含むことができる。堆積ステップ中により低いH2分圧を使用して、周期的H2プラズマ処理をなくすことによって、高炭素含有率のCVD Co膜が得られた。
熱アニールプロセスが完了した後、ブロック660で、所定の厚さの接触金属層420が実現されなかった場合、ブロック640で周期的金属堆積を実行して接触金属層を堆積させることから始まり、それに続いてブロック650で接触金属層上でアニールプロセスを実行する追加のサイクルを、接触金属層420の所望の厚さ範囲に到達するまで繰返し実行することができる。所定の厚さの接触金属層が実現された場合、プロセスは完了し、追加の処理ステップを実行することができる。
処理シーケンス800は、ブロック810で基板を設けることによって始まる。ブロック810の詳細な説明は、図3のブロック310および図6のブロック610に関係する説明を参照することによって得ることができる。ブロック820は、基板上で前処理プロセスを任意選択で実行するステップを提供する。ブロック820に関係する詳細な説明は、図3のブロック320および図6のブロック620に関係する説明を参照することによって得ることができる。
ブロック870は、基板402上に配置された接触金属層420上でアニールプロセスを実行するステップを提供する。アニールプロセスは、概して、接触金属層420の表面粗さを低減させ、接触金属層420内に存在しうる炭素などの不純物を低減させるために実行される。さらに、アニールプロセスは、結晶の粒径を増大させ、その結果、抵抗がより小さくなり、集積回路の性能が改善される。アニールプロセスは、約400℃など、約200℃〜約500℃の温度で実行される。アニールプロセスは、チャンバ内にアルゴンなどの不活性ガスおよびH2などのプロセスガスが提供されるチャンバ環境内でさらに実行される。一実施形態では、アルゴンおよびH2ガスは、チャンバ内で流動しており、接触金属層420のアニールが実行された後、チャンバを任意選択でパージすることができる。一実施形態では、アニールプロセスは、約60秒など、約30秒〜約90秒にわたって実行される。
Claims (14)
- 接触金属層を堆積させて半導体デバイス内に接触構造を形成する方法であって、
周期的金属堆積プロセスを実行して基板上にコバルト接触層を堆積させるステップであって、前記周期的金属堆積プロセスが、
コバルト含有前駆体および還元ガスを含む堆積前駆体混合ガスに前記基板を露出させて、前記基板上に前記コバルト接触層の一部分を堆積させるステップ、
前記コバルト接触層の前記部分をプラズマ処理プロセスに露出させるステップ、および 所定の厚さの前記コバルト接触層が実現されるまで、コバルト含有前駆体および還元ガスを含む堆積前駆体混合ガスに前記基板を露出させる前記ステップおよび前記コバルト接触層の前記部分をプラズマ処理プロセスに露出させる前記ステップを繰り返すステップを含む、堆積させるステップと、
前記基板上に配置された前記コバルト接触層をアニールするステップとを含む、方法。 - 前記コバルト含有前駆体がジコバルトヘキサカルボニルブチルアセチレン(CCTBA)であり、前記還元ガスが水素(H2)である、請求項1に記載の方法。
- 周期的金属堆積プロセスを実行する前記ステップ前に、NH3を含む前処理ガスを供給して前記基板を前処理するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記基板上に少なくともシリコン含有層が配置され、前記シリコン含有層内に開口が形成され、前記コバルト接触層が、前記シリコン含有層内に形成された前記開口内に充填される、請求項1に記載の方法。
- 前記基板上に配置された前記コバルト接触層をアニールするステップが、
不活性ガスおよび水素ガス(H2)の少なくとも1つを含む混合ガスを供給しながら、前記コバルト接触層に熱エネルギーを提供するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 所定の厚さの前記コバルト接触層が実現されるまで、周期的金属堆積プロセスを実行する前記ステップおよび前記基板上に配置された前記コバルト接触層をアニールする前記ステップを繰り返すステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - コバルト含有前駆体および還元ガスを含む堆積前駆体混合ガスに前記基板を露出させて前記基板上に前記コバルト接触層の一部分を堆積させる前記ステップ、ならびに前記コバルト接触層の前記部分をプラズマ処理プロセスに露出させる前記ステップが、同時に実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記コバルト接触層の前記部分をプラズマ処理プロセスに露出させる前記ステップが、水素(H2)、窒素(N2)、アンモニア(NH3)、およびこれらの組合せから選択されたガスを供給して、前記コバルト接触層の前記部分の粗さを低減させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- バリア層堆積プロセスを実行して基板上にバリア層を堆積させるステップと、
湿潤層堆積を実行して前記基板上に湿潤層を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法 - 所定の厚さの前記コバルト接触層が実現されるまで、周期的金属堆積プロセスを実行する前記ステップおよび前記基板上に配置された前記コバルト接触層をアニールする前記ステップを繰り返すステップ
をさらに含む、請求項9に記載の方法。 - 前記湿潤層が、PVD Co、CVD TiN、PVD TiN、CVD Ru、PVD Ru、PVD Tiの窒化、またはこれらの組合せから選択されたプロセスによって堆積され、前記基板および前記コバルト接触層の相互拡散を防止し、前記基板に対する前記コバルト接触層の接着を増大させる、請求項9に記載の方法。
- 接触金属層を堆積させて半導体デバイス内に接触構造を形成する方法であって、
バリア層堆積プロセスを実行して基板上にバリア層を堆積させるステップと、
湿潤層堆積プロセスを実行して前記基板上に湿潤層を堆積させるステップと、
前記湿潤層上でアニールプロセスを実行するステップと、
堆積前駆体混合ガスにコバルト接触層を露出させて前記基板上に前記コバルト接触層の一部分を堆積させることによって、金属堆積プロセスを実行して前記基板上に前記コバルト接触層を堆積させるステップと、
前記コバルト接触層の前記部分をプラズマ処理プロセスに露出させるステップと、
前記基板上に配置された前記コバルト接触層をアニールするステップとを含む方法。 - 湿潤層堆積を実行する前記ステップが、酸化されていないTiもしくはTiN層、CVD Co層、またはPVD Co層を堆積させるステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 金属堆積プロセスを実行する前記ステップが、PVD Co層、CVD Co層、またはCVD W層を堆積させるステップを含む、請求項12に記載の方法。
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