JP2023539678A - 高密度かつ高引張応力の膜を堆積するためのシステム及び方法 - Google Patents

高密度かつ高引張応力の膜を堆積するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

半導体処理の例示的な方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことを含みうる。半導体処理チャンバの処理領域内には、基板を収容することができる。該方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素のプラズマを形成することも含みうる。プラズマは、１５ＭＨｚを超える周波数で形成することができる。該方法は、窒化ケイ素材料を基板上に堆積することも含みうる。【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照することによってその全体が本願に援用される、２０２０年９月１日出願の「SYSTEMS AND METHODS FOR DEPOSITING HIGH DENSITY AND HIGH TENSILE STRESS FILMS」と題された米国特許出願第１７／００９，００２号の利益及び優先権を主張する。
技術分野
本技術は、堆積プロセス及びチャンバに関する。より詳細には、本技術は、高密度かつ高引張応力の膜を低温で製造する方法に関する。
集積回路は、基板表面に複雑にパターン化された材料層を製造するプロセスによって可能となる。基板上にパターン化された材料を製造するには、材料を堆積及び除去するための制御された方法が必要である。プラズマ強化堆積によって、デバイスの性能に影響を与えうる、ある特定の特性を有する膜を製造することができる。膜の特性は、プラズマの化学的性質及び周波数などの堆積条件を変更することによって調整又は強化することができる。
したがって、高品質のデバイスと構造を製造するために使用することができる改善されたシステム及び方法が必要とされている。本技術は、これら及び他の必要性に対処するものである。
半導体処理の例示的な方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことを含みうる。半導体処理チャンバの処理領域内には基板を収容することができる。該方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素のプラズマを形成することも含みうる。プラズマは、１５ＭＨｚを超える周波数で形成することができる。該方法は、窒化ケイ素材料を基板上に堆積させることも含みうる。
幾つかの実施形態では、窒化ケイ素材料は約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とすることができる。窒化ケイ素材料は約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とすることができる。窒化ケイ素材料は約１．７５以上の屈折率を特徴とすることができる。窒化ケイ素材料は約１０％以下の水素を含むことができる。
約１００ｓｃｃｍ以上の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができる。約５０００ｓｃｃｍ以下の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができる。
プラズマは約５５０℃以下の温度で形成することができる。周波数は約２７ＭＨｚ以上とすることができる。
幾つかの実施形態は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことを含む方法を包含することができる。半導体処理チャンバの処理領域内には基板を収容することができる。該方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素のプラズマを形成することも含むことができ、ここで、該プラズマは窒素－水素結合を有するいかなる材料も含まない。さらには、該方法は、窒化ケイ素材料を基板上に堆積させることを含みうる。窒化ケイ素材料は約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とすることができ、窒化ケイ素材料は約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とすることができる。
幾つかの実施形態では、窒化ケイ素材料は、約１．７５以上の屈折率を特徴とすることができる。窒化ケイ素材料は約１０％以下の水素を含みうる。
約１００ｓｃｃｍ以上の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができる。約５０００ｓｃｃｍ以下の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができる。
プラズマは約５５０℃以下の温度で形成されうる。プラズマは１５ＭＨｚを超える周波数で形成されうる。周波数は約２７ＭＨｚ以上とすることができる。
本技術の幾つかの実施形態は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流す方法を包含することができる。半導体処理チャンバの処理領域内には基板を収容することができる。該方法は、ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素のプラズマを形成することも含みうる。さらには、該方法は、窒化ケイ素材料を基板上に堆積させることを含みうる。約１００ｓｃｃｍ以上の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができ、約５０００ｓｃｃｍ以下の二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことができる。
幾つかの実施形態では、窒化ケイ素材料は約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とすることができる。窒化ケイ素材料は約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とすることができる。
このような技術は、従来のシステム及び技法と比べて多くの利点を提供することができる。例えば、高周波プラズマ堆積中に二原子水素をケイ素含有前駆体及び窒素前駆体と共に含めることにより、改善された特性を有する窒化ケイ素膜を提供することができる。例えば、窒化ケイ素膜の密度と応力の両方を増加させることができる。さらには、窒化ケイ素膜への水素の取り込みを低減することができる。加えて、窒化ケイ素膜は低温で形成することができ、それによって熱収支を低減し、他の層への損傷を防止することができる。これら及び他の実施形態は、それらの多くの利点及び特徴と共に、後述の記載及び添付の図面と併せてより詳細に説明される。
明細書の残りの部分及び図面を参照することによって、開示される技術の性質及び利点についてさらに理解を深めることができる。
本技術の幾つかの実施形態による例示的な処理システムの上面図 本技術の幾つかの実施形態による例示的なプラズマシステムの概略的な断面図 本技術の幾つかの実施形態による半導体処理の例示的な方法の動作を示す図 幾つかの堆積プロセスにおける成長メカニズムの一例を示す図 本技術の幾つかの実施形態による成長メカニズムの一例を示す図 本技術の幾つかの実施形態による二原子水素流量の関数としてのさまざまな堆積及び膜パラメータを示すグラフ
幾つかの図が概略図として含まれている。図面は例示を目的とするものであり、特に縮尺が明確に述べられていない限り、縮尺が考慮されるべきではないことが理解されるべきである。さらには、概略図として、図面は理解を助けるために提供されており、現実的な表現と比較してすべての態様又は情報を含まない場合があり、説明目的のために誇張された素材を含む場合がある。
添付の図面において、類似の構成要素及び／又は特徴部は、同一の参照符号を有しうる。さらには、同種のさまざまな構成要素は、類似の構成要素間を区別する文字により、参照符号に従って区別することができる。本明細書において第１の参照符号のみが用いられる場合、その記載は、文字に関わりなく、同じ第１の参照符号を有する類似の構成要素のうちのいずれにも適用可能である。
プラズマ堆積プロセスは、基板上での膜形成を促進するために、１つ以上の構成成分前駆体を励起させることができる。導電膜及び誘電体膜並びに材料の転写及び除去を容易にする膜を含めた半導体構造を開発するために、任意の数の材料膜を製造することができる。例えば、ＤＲＡＭなどのメモリ開発では、膜の堆積を実施してセル構造を製造することができる。熱収支を低減し、すでに堆積されている材料への損傷を防ぐためには、低温堆積プロセスを使用することが望ましい。例えば、膜の堆積中の温度は、約５５０℃以下、約４５０℃以下、又はそれより低くてもよい。
窒化ケイ素膜をハードマスクとして使用することができ、この場合、高密度、高引張応力、及び高品質により、製造されるある特定の構造の処理を改善することができる。高密度膜は、より多くのエッチング化学物質に対してより耐性があり、さまざまなパターンを形成するために膜の上又は下にある材料に対してより高いエッチング選択性を有することができる。窒化ケイ素膜は、構造の特徴部及び形成に用いられる材料に起因する圧縮応力を特徴とするウエハ上に形成されることが多いため、引張応力を特徴とする窒化ケイ素膜は、より中立的な応力又は平坦な曲率を生成し、それにより、破損、層間剥離、又は他の処理の影響を防ぐことができる。しかしながら、従来の低温堆積プロセスの多くは、窒化ケイ素膜の密度と応力との間にトレードオフを有しており、高密度と高引張応力の両方を実現することはできない。例えば、低温物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセスは、３ｇ／ｃｍ３の密度を達成することができるが、結果として生じる応力は、スパッタリングプロセスによって生成される強いイオン衝撃に起因して、より圧縮されうる。前駆体の分布又は電力を変更するなど、応力を増加させるためにＰＶＤプロセスを調整すると、密度の低下につながる可能性がある。さらには、ＳｉＨ４及びＮＨ３を反応性前駆体として使用し、典型的には１３．５６ＭＨｚのプラズマ周波数を使用する従来の低温プラズマ－化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスは、高密度及び高応力の両方を特徴とする窒化ケイ素膜を生成することができない。これは、少なくとも部分的には、これらの膜が１０％を超える高い膜内水素含有量を有し、その後のガス放出から生じうるボイドの形成に起因して膜の品質を低下させる可能性があるためである。水素の取り込みは、該水素の取り込みが低減したときに形成されるよりも多くの四面体ネットワークを減少させることにより、膜応力も低下させる可能性がある。解離したアンモニアは、窒素と水素が結合したラジカルを含んでいる可能性があり、膜内に取り込まれる可能性がより高くなり、水素の取り込みがさらに増加する可能性がある。さらには、堆積した膜内のＮ－Ｈ結合は、密度と膜応力の両方を有害に低下させる可能性がある。
本技術は、ＳｉＨ４、Ｎ２、及びＨ２のガス混合物によって形成される高周波プラズマを利用する堆積プロセスを実施することによって、これらの問題を克服することができる。従来の幾つかのＰＥＣＶＤプロセスは、窒素源としてＮＨ３の代わりにＮ２を使用して、窒化ケイ素膜を形成する。Ｎ２は、２４．３ｅＶの高い電子衝撃解離を有していることから、プラズマ内のＮ２の解離は弱く、Ｎ２は、１３．５６ＭＨｚのプラズマでは完全には解離しない可能性がある。したがって、得られる窒化ケイ素膜は、２つの窒素原子間の結合を切断してケイ素－窒素結合を形成することが困難であることから、高い水素含有量を有する傾向がある。より高いプラズマ周波数では、Ｎ２解離プロセスはより効率的になりうる。しかしながら、ＳｉＨ４のケイ素－水素結合を完全に除去することはできないため、膜には依然として高い水素含有量が存在する。したがって、本技術は、Ｎ２を解離する周波数を増加させることができ、プラズマの前駆体としてＨ２ガスを含むこともでき、これにより、窒素－水素結合の脱着を促進する化学アニーリング雰囲気を有益に作り出すことができる。以下にさらに詳しく説明するように、目標は膜内への水素の取り込みを低減することでありうるが、直観に反してＨ２ガスを堆積前駆体に取り込むことにより、従来の低温堆積技術と比較して、窒化ケイ素膜に形成される窒素－水素結合の数を低減し、膜の密度を増加させ、膜の応力を増加させることができる。Ｈ２ガスを取り込むことはまた、膜中の水素含有量を減少させ、膜の品質を向上させることができる。プラズマ前駆体に水素を取り込むことによって膜内の窒素－水素結合が減少すると、より揮発性の水素残留物が堆積中に膜から引き出され、処理チャンバから排出されうる。
残りの開示は、本開示の技術を利用する特定の堆積プロセスを日常的に特定するが、システム及び方法は、他の堆積及び洗浄チャンバ、並びに記載されたチャンバ内で行われうるプロセスに等しく適用可能であることが容易に理解されよう。したがって、本技術は、これらの特定の堆積プロセス又はチャンバのみでの使用に制限されていると見なされるべきではない。本開示は、本技術の実施形態による追加の詳細を説明する前に、本技術の実施形態による堆積プロセを実施するために使用することができる１つの可能なシステム及びチャンバについて論じる。
図１は、実施形態による堆積、エッチング、ベーキング、及び硬化チャンバの処理システム１００の一実施形態の上面図を示している。この図では、一対の前方開口型統一ポッド１０２により、さまざまなサイズの基板が供給され、該基板は、ロボットアーム１０４に受け入れられて、低圧保持領域１０６内に置かれ、その後、タンデムセクション１０９ａ－ｃに位置付けられた基板処理チャンバ１０８ａ－ｆのうちの１つの中に配置される。第２のロボットアーム１１０を使用して、基板ウエハを保持領域１０６から基板処理チャンバ１０８ａ－ｆへと搬送したり、戻したりすることができる。各基板処理チャンバ１０８ａ－ｆは、プラズマ化学気相堆積、原子層堆積、物理的気相堆積、エッチング、予洗浄、ガス抜き、配向、並びにアニーリング、アッシングなどを含む他の基板プロセスに加えて、本明細書に記載される半導体材料のスタックの形成を含む複数の基板処理動作を実行するように取り付けることができる。
基板処理チャンバ１０８ａ－ｆは、基板上に誘電体膜又は他の膜を堆積させ、アニールし、硬化し、及び／又はエッチングするための１つ以上のシステム構成要素を含むことができる。一構成において、２対の処理チャンバ、例えば１０８ｃ－ｄ及び１０８ｅ－ｆを使用して、誘電体材料を基板上に堆積させることができ、第３の対の処理チャンバ、例えば１０８ａ－ｂを使用して、堆積した誘電体をエッチングすることができる。別の構成では、チャンバ、例えば、１０８ａ－ｆなどの３対すべてのチャンバを、基板上に交互の誘電体膜のスタックを堆積するように構成することができる。記載されるプロセスのいずれか１つ以上を、異なる実施形態に示される製造システムから分離されたチャンバで実行することができる。誘電体膜のための堆積、エッチング、アニーリング、及び硬化チャンバの追加の構成がシステム１００によって企図されることが認識されよう。
図２は、本技術の幾つかの実施形態による例示的なプラズマシステム２００の概略的な断面図を示している。プラズマシステム２００は、上述のタンデムセクション１０９の１つ以上に取り付けることができ、かつ本技術の実施形態によるリッドスタック構成要素を含むことができる、以下にさらに説明されうるような一対の処理チャンバ１０８を示しうる。プラズマシステム２００は、概して、側壁２１２、底壁２１６、並びに一対の処理領域２２０Ａ及び２２０Ｂを画成する内部側壁２０１を有するチャンバ本体２０２を含みうる。処理領域２２０Ａ－２２０Ｂの各々は、同様に構成することができ、同一の構成要素を含んでいてもよい。
例えば、処理領域２２０Ｂ（その構成要素は処理領域２２０Ａにも含まれうる）は、プラズマシステム２００の底壁２１６に形成された通路２２２を通って処理領域内に配置されたペデスタル２２８を含みうる。ペデスタル２２８は、本体部分などのペデスタルの露出面上で基板２２９を支持するように適合されたヒータを提供することができる。ペデスタル２２８は、所望の処理温度で基板温度を加熱及び制御することができる加熱素子２３２、例えば抵抗性加熱素子を含みうる。ペデスタル２２８はまた、ランプアセンブリなどの遠隔加熱素子、又は任意の他の加熱装置によって加熱することができる。
ペデスタル２２８の本体は、フランジ２３３によってステム２２６に結合されうる。ステム２２６は、ペデスタル２２８を電源出力又は電源ボックス２０３と電気的に結合することができる。電源ボックス２０３は、処理領域２２０Ｂ内のペデスタル２２８の上昇及び移動を制御する駆動システムを含みうる。ステム２２６はまた、ペデスタル２２８に電力を供給するための電力インターフェースを含みうる。電源ボックス２０３はまた、熱電対インターフェースなどの電力及び温度表示器のためのインターフェースを含みうる。ステム２２６は、電源ボックス２０３と取り外し可能に結合するように適合されたベースアセンブリ２３８を含みうる。円周リング２３５が電源ボックス２０３の上方に示されている。幾つかの実施形態では、円周リング２３５は、ベースアセンブリ２３８と電源ボックス２０３の上面との間に機械的インターフェースを提供するように構成された機械的止め部又はランドとして適合された肩部でありうる。
ロッド２３０は、処理領域２２０Ｂの底壁２１６に形成された通路２２４を通じて含まれてよく、ペデスタル２２８の本体を通して配置された基板リフトピン２６１を位置決めするために利用することができる。基板リフトピン２６１は、基板２２９をペデスタルから選択的に離間させて、基板移送ポート２６０を介して処理領域２２０Ｂの内外に基板２２９を移送するために利用されるロボットによる基板２２９の交換を促進することができる。
チャンバリッド２０４は、チャンバ本体２０２の上部と結合することができる。リッド２０４は、それに結合された１つ以上の前駆体分配システム２０８を収容することができる。前駆体分配システム２０８は、反応物及び洗浄前駆体をデュアルチャネルシャワーヘッド２１８を通して処理領域２２０Ｂに供給することができる前駆体入口通路２４０を含みうる。デュアルチャネルシャワーヘッド２１８は、面板２４６との中間に配置されたブロッカプレート２４４を有する環状ベースプレート２４８を含みうる。高周波（「ＲＦ」）源２６５は、デュアルチャネルシャワーヘッド２１８と結合することができ、デュアルチャネルシャワーヘッド２１８に電力供給して、デュアルチャネルシャワーヘッド２１８の面板２４６とペデスタル２２８との間のプラズマ領域の生成を促進することができる。幾つかの実施形態では、ＲＦ源は、プラズマの発生を促進するために、ペデスタル２２８などのチャンバ本体２０２の他の部分と結合させることができる。誘電体アイソレータ２５８が、リッド２０４へのＲＦ電力の伝導を防止するために、リッド２０４とデュアルチャネルシャワーヘッド２１８との間に配置されうる。ペデスタル２２８の周辺に、該ペデスタル２２８と係合するシャドウリング２０６が配置されてもよい。デュアルチャネルシャワーヘッド２１８は、約２００ミル以上、約３００ミル以上、約４００ミル以上、約５００ミル以上、約６００ミル以上、又はそれより大きい間隔を有しうる。代替的又は追加的に、デュアルチャネルシャワーヘッド２１８は、約１２００ミル以下、約１１００ミル以下、約１０００ミル以下、約９００ミル以下、約８００ミル以下、約７００ミル以下、又はそれより小さい間隔を有しうる。
動作中に環状ベースプレート２４８を冷却するために、任意選択的な冷却チャネル２４７が前駆体分配システム２０８の環状ベースプレート２４８に形成されうる。ベースプレート２４８を所定の温度で維持することができるように、水、エチレングリコール、ガスなどの伝熱流体を、冷却チャネル２４７を通して循環させることができる。ライナアセンブリ２２７は、側壁２０１、２１２が処理領域２２０Ｂ内の処理環境に露出することを防止するために、チャンバ本体２０２の側壁２０１、２１２にごく近接した処理領域２２０Ｂ内に配置することができる。ライナアセンブリ２２７は、処理領域２２０Ｂからガス及び副生成物を排出し、処理領域２２０Ｂ内の圧力を制御するように構成されたポンピングシステム２６４に結合されうる、円周ポンピングキャビティ２２５を含みうる。複数の排気口２３１がライナアセンブリ２２７に形成されうる。排気口２３１は、システム２００内での処理を促進する方法で、処理領域２２０Ｂから円周ポンピングキャビティ２２５へのガスの流れを可能にするように構成されうる。
図３は、本技術の幾つかの実施形態による半導体処理の例示的な方法３００の動作を示している。該方法は、上述の処理システム２００を含むさまざまな処理チャンバ、並びにプラズマ堆積が実施されうる任意の他のチャンバにおいて実施することができる。方法３００は、本技術による方法の幾つかの実施形態に具体的に関連付けられても関連付けられていなくてもよい、幾つかの任意選択的な動作を含みうる。方法３００は、基板２２９などの基板上に窒化ケイ素膜を堆積するために使用することができる。
方法３００は、従来のプロセスと比較してより高い密度及び／又はより高い応力を有するように形成することができる、高周波で材料膜を形成するための動作又は他の堆積動作、例えばＤＲＡＭメモリ又は他の材料を生成する動作を含みうる、処理方法を含むことができる。該方法は、方法３００の開始前に任意選択的な動作を含むことができ、あるいは該方法は、追加の動作を含むことができる。例えば、方法３００は、追加の堆積、除去、又は処理動作を含む、該方法の開始前に実施される動作を含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、方法３００は、動作３０５において、複数の前駆体を処理チャンバに流すことを含むことができ、これにより、例えば、領域２２０など、基板を収容することができるチャンバの処理領域に前駆体を供給することができる。前駆体は二原子水素ガスと共に供給することができる。さらには、アルゴン及び／又はヘリウムなどのキャリアガスを使用して、前駆体を供給することができる。
幾つかの実施形態では、前駆体は、シランなどのケイ素含有前駆体、及び二原子窒素などの窒素含有前駆体を含みうる。本技術の実施形態では任意のケイ素含有前駆体を使用することができるが、シランを利用することによって、処理領域内の水素の量をより良好に制御することができ、堆積膜内の水素の取り込みを低減することができる。前駆体は、酸化物層を堆積させるためのキャリアガス及び／又は１つ以上の酸素含有前駆体などの追加の前駆体を含んでいても含んでいなくてもよい。前駆体は水素ガスも含みうる。以下にさらに詳しく論じるように、前駆体と共に二原子水素ガスを含むと、従来の低温堆積技術と比較して、窒化ケイ素膜に形成される窒素－水素結合の数を低減し、膜の密度を増加させ、膜の応力を増加させることができる。加えて、幾つかの実施形態では、処理前駆体は、前述のように膜特性に影響を与えうる窒素－水素結合を含む任意の前駆体を明示的に除外することができる。その結果、幾つかの実施形態では、気相材料は、窒素－水素結合を含まなくてもよい。
動作３１０では、処理領域２２０内でプラズマを生成するために面板にＲＦ電力を供給することなどによって、処理領域内で前駆体及び二原子水素からプラズマを生成することができるが、プラズマを生成することができる他の任意の処理チャンバも同様に使用することができる。プラズマは、前述の周波数のいずれかで生成することができ、約１５ＭＨｚ以上、約２０ＭＨｚ以上、約２７ＭＨｚ以上、約４０ＭＨｚ以上、又はそれより大きい周波数で生成することができる。代替的又は追加的に、プラズマは、約１００ＭＨｚ以下、約８０ＭＨｚ以下、約６０ＭＨｚ以下、又はそれより小さい周波数で生成することができる。より高い周波数のプラズマを利用することにより、窒素の解離を増加させることができ、堆積速度の増加によってスループットを増加させることができる。
プラズマ内で形成された材料は、動作３１５で基板上に堆積することができ、窒化ケイ素などのケイ素及び窒素を含有する材料を生成することができる。堆積は、約５５０℃以下、約５００℃以下、約４５０℃以下、約４００℃以下、又はそれより低い基板又はペデスタル温度で実施することができる。より低い温度を利用することにより、ＤＲＡＭメモリの熱収支を超えないようにすることができ、基板上にすでに堆積されている材料への損傷を防ぐことができる。さらには、堆積は、約２５Ｗ以上、約２５０Ｗ以上、約５００Ｗ以上、約７５０Ｗ以上、約１０００Ｗ以上、約１２５０Ｗ以上、又はそれより大きい電力で実施することができる。より大きい電力を使用することにより、堆積速度を増加させることができ、これにより、窒素の解離がプロセスの制限要因になりうることが示唆される。しかしながら、プラズマ電力が増加するにつれて、窒素解離がさらに増加し、追加の窒素ラジカルが膜内に取り込まれる可能性があり、これにより、以下に説明するようにケイ素－窒素ネットワークの形成が減少する可能性がある。したがって、幾つかの実施形態では、プラズマ電力は、約３０００Ｗ以下、約２５００Ｗ以下、約２０００Ｗ以下、約１５００Ｗ以下、約１２５０Ｗ以下、約１０００Ｗ以下、約９００Ｗ以下、又はそれ未満に維持されうる。加えて、圧力は、約２Ｔｏｒｒ以上、約３Ｔｏｒｒ以上、約４Ｔｏｒｒ以上、約５Ｔｏｒｒ超、又はそれより大きい圧力に維持されうる。代替的又は追加的に、圧力は、約１０Ｔｏｒｒ以下、約９Ｔｏｒｒ以下、約８Ｔｏｒｒ以下、約７Ｔｏｒｒ以下、約６Ｔｏｒｒ以下、又はそれより小さい圧力に維持されうる。
図４Ａ－４Ｄは、幾つかの堆積プロセスにおける成長メカニズムの一例を示している。この例では、シラン及び二原子窒素前駆体を用いた窒化ケイ素膜の堆積に低温ＰＥＣＶＤを使用する。図４Ａに示されるように、シランと二原子窒素との間には気相反応は起こらない。代わりに、ＳｉＮｘＨｙの堆積は、成長基板上のＳｉＨｍラジカルの化学吸着から開始する。図４Ｂに示されるように、成長基板の反応表面に到達すると、窒素ラジカルはケイ素原子と結合し、水素原子を放出する。ケイ素－水素結合の低いエネルギーに起因して、これはほとんどすべてのケイ素－水素結合部位で発生する。しかしながら、図４Ｃに示されるように、ケイ素－窒素結合が形成されるとすぐに、放出された水素ラジカルは窒素の不対電子に再結合し、これにより、膜内に応力の増加をもたらすであろう引き伸ばされたケイ素－窒素結合の形成が制限又は防止される。膜には多数の窒素－水素結合及びケイ素－水素結合が残り、これにより、密度も低下する。図４Ｄに示されるように、窒素原子は蒸気圧を上昇させ、ケイ素－窒素結合を伴って表面に到達するＳｉＨｍラジカルを飽和させる。ケイ素－窒素結合は低い結合エネルギーを有することから、各部位において窒素結合が増加しうるため、膜は最終的に窒素が豊富になり、ネットワーク形成がさらに制限される可能性がある。
図４Ｅ－４Ｇは、窒素及び水素前駆体を別々に含む、本技術の幾つかの実施形態による成長メカニズムの一例を示している。この例では、シラン及び二原子窒素前駆体に二原子水素を加えることによる窒化ケイ素膜の堆積に低温ＰＥＣＶＤを使用する。二原子水素の添加により、窒素－水素結合の脱着を促進する化学アニーリング雰囲気が生成される。図４Ｅに示されるように、二原子水素ガスが添加されると、窒素－水素結合の除去は、遊離Ｈラジカルの存在によって触媒される。これは、ケイ素－水素結合除去プロセスよりもエネルギー的に好ましい。図４Ｆに示されるように、Ｎ上の一又は複数の不対電子は、ケイ素－窒素結合の架橋を促進し、それによって引張応力を増加させる。図４Ｇに示されるように、窒素－水素ボイドがより少ないことから、膜密度はより高くなる。この緻密な膜では、窒素原子がケイ素－水素部位に到達するのがより難しくなり、その結果、膜はより多くのケイ素－水素結合を有し、ケイ素が豊富になる。
図５Ａ－５Ｆは、本技術の幾つかの実施形態による二原子水素の流量の関数としてのさまざまな堆積及び膜パラメータを示している。この例では、ＰＥＣＶＤチャンバ内において４５０℃の温度で、２７ＭＨｚのプラズマが形成される。二原子水素の流量は、約１００ｓｃｃｍ以上、約１０００ｓｃｃｍ以上、約２０００ｓｃｃｍ以上、約３０００ｓｃｃｍ以上、約４０００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。しかしながら、以下に説明するように、水素の流れが増加し続けるにつれて、窒素－水素結合は制限される可能性があり、それによって密度を安定させる可能性があるが、利用可能な水素の増加は形成に影響を与える可能性があり、膜内のケイ素－ケイ素結合の発達を増加させる可能性があり、これにより膜の応力を低減させる可能性がある。したがって、幾つかの実施形態では、二原子水素の流量は約５０００ｓｃｃｍ以下とすることができ、膜内のターゲット内部応力に応じて、約４０００ｓｃｃｍ以下、約３０００ｓｃｃｍ以下、約２０００ｓｃｃｍ以下、又はそれ未満で維持することができる。以下にさらに詳しく論じるように、二原子水素の流量を調整して、さまざまな堆積及び膜特性を達成することができる。
図５Ａに示されるように、膜の堆積速度は、二原子水素の流量の関数として増加する。さらには、各流量について、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜の第１の堆積速度５０５は、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜の第２の堆積速度５１０よりも大きい。この例では、堆積速度は、約１２００Å／分以上、約１３００Å／分以上、約１４００Å／分以上、約１５００Å／分以上、約１６００Å／分以上、約１７００Å／分以上、約１８００Å／分以上、又はそれを上回ることができる。
図５Ｂに示されるように、膜の応力は、電力に従って変動するピークを有する。例えば、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜の第１の応力５１５は、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜の第２の応力５２０よりも大きい流量においてピークを有する。これは、電力が高いほど、堆積プロセス中に膜に取り込まれるＮラジカルがより多く生成されるためである。さらには、より高い電力で堆積させた膜の第１の応力５１５のピークは、より低い電力で堆積させた膜の第２の応力５２０のピークより低くなりうる。この例では、応力は、約３００ＭＰａ以上、約４００ＭＰａ以上、約５００ＭＰａ以上、約６００ＭＰａ以上、約７００ＭＰａ以上、約８００ＭＰａ以上、約９００ＭＰａ以上、又はそれより大きくなりうる。
図５Ｃに示されるように、膜の密度は、電力に従って変動するプロファイルを有する。例えば、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜の第１の密度５２５は、横ばいになる前に、流量の関数として増加する。一方、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜の第２の密度５３０は、流量の関数としてより急速に増加し、ピークに達し、その後、徐々に低下する。この例では、密度は、約２．５０ｇ／ｃｍ３以上、約２．５５ｇ／ｃｍ３以上、約２．６０ｇ／ｃｍ３以上、約２．６５ｇ／ｃｍ３以上、約２．７０ｇ／ｃｍ３以上、約２．７５ｇ／ｃｍ３以上、約２．８０ｇ／ｃｍ３以上、約２．８５ｇ／ｃｍ３以上、約２．９０ｇ／ｃｍ３以上、又はそれより大きくなりうる。
図５Ｄに示されるように、膜の屈折率は、二原子水素の流量の関数として増加する。これは、窒素－水素結合密度が低いほど、Ｓｉが豊富な膜をもたらし、屈折率を増加させる可能性があることを示唆している。さらには、各流量について、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜の第１の屈折率６０５は、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜の第２の屈折率６１０より低い。この例では、屈折率は、約１．７５以上、約１．８０以上、約１．８５以上、約１．９０以上、約１．９５以上、約２．００以上、約２．０５以上、約２．１０以上、約２．１５以上、約２．２０以上、又はそれを上回ることができる。
図５Ｅに示されるように、ケイ素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する比は、二原子水素の流量の関数として増加する。さらには、各流量について、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜のケイ素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する第１の比５３５は、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜のケイ素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する第２の比５４０より低い。この例では、ケイ素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する比は、約０．０％以上、約０．４％以上、約０．８％以上、約１．２％以上、又はそれを上回ることができる。
図５Ｆに示されるように、窒素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する比は、二原子水素の流量の関数として低下する。さらには、各流量について、１２５０Ｗのより高い電力で堆積させた膜の窒素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する第１の比５５５は、７５０Ｗのより低い電力で堆積させた膜の窒素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する第２の比５６０より低い。この例では、窒素－水素結合密度のケイ素－窒素結合密度に対する比は、約２５％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下、又はそれより低くなりうる。
図５Ｅ及び５Ｆに示されるように、少量の二原子水素が添加されると、窒素－水素結合密度は劇的に低下するが、ケイ素－水素結合密度は適度に増加する。これにより、膜の密度と応力の両方が増加する。図５Ｄに示される対応する屈折率の増加によって示されるように、窒素－水素結合密度が低いほど、よりＳｉが豊富な膜が得られる。さらには、図５Ｂ及び５Ｃに示されるように、第１の密度５２５及び第２の密度５３０の両方が、概して、図５Ｆに示される窒素－水素結合密度の十分な低下に対応する、ある特定の流量レベルを上回る飽和レベルに達するが、一方、第１の応力５１５及び第２の応力は、この流量レベルを上回るとより圧縮される。この領域では、ケイ素－ケイ素結合が引張応力を効果的に解放する。
上述のように、ＳｉＨ４をケイ素の前駆体として使用することができる。シランの流量は、約１０ｓｃｃｍ以上、約１００ｓｃｃｍ以上、約２００ｓｃｃｍ以上、約３００ｓｃｃｍ以上、約４００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。代替的又は追加的に、シランの流量は、約１０００ｓｃｃｍ以下、約９００ｓｃｃｍ以下、約８００ｓｃｃｍ以下、約７００ｓｃｃｍ以下、又はそれより小さくなりうる。さらには、上述のように、Ｎ２を窒素の前駆体として使用することができる。Ｎ２の流量は、約１０００ｓｃｃｍ以上、約２０００ｓｃｃｍ以上、約３０００ｓｃｃｍ以上、約４０００ｓｃｃｍ以上、約５０００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。代替的又は追加的に、Ｎ２の流量は、約１０，０００ｓｃｃｍ以下、約９０００ｓｃｃｍ以下、約８０００ｓｃｃｍ以下、約７０００ｓｃｃｍ以下、又はそれより小さくなりうる。
上述の方法の幾つかは、前駆体としてＮＨ３を使用することなく堆積プロセスを実施することができ、明示的にアンモニアを含まなくてもよい。他の例では、ＮＨ３を窒素の前駆体として使用することができる。ＮＨ３の流量は、約１０００ｓｃｃｍ以上、約２０００ｓｃｃｍ以上、約３０００ｓｃｃｍ以上、約４０００ｓｃｃｍ以上、約５０００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。代替的又は追加的に、ＮＨ３の流量は、約１０，０００ｓｃｃｍ以下、約９０００ｓｃｃｍ以下、約８０００ｓｃｃｍ以下、約７０００ｓｃｃｍ以下、又はそれより小さくなりうる。
さらには、上述のように、アルゴン及び／又はヘリウムなどのキャリアガスを使用して、前駆体を供給することができる。アルゴンの流量は、約０ｓｃｃｍ以上、約１０００ｓｃｃｍ以上、約２０００ｓｃｃｍ以上、約３０００ｓｃｃｍ以上、約４０００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。代替的又は追加的に、アルゴンの流量は、約１０，０００ｓｃｃｍ以下、約９０００ｓｃｃｍ以下、約８０００ｓｃｃｍ以下、約７０００ｓｃｃｍ以下、又はそれより小さくなりうる。同様に、ヘリウムの流量は、約０ｓｃｃｍ以上、約１０００ｓｃｃｍ以上、約２０００ｓｃｃｍ以上、約３０００ｓｃｃｍ以上、約４０００ｓｃｃｍ以上、又はそれより大きくなりうる。代替的又は追加的に、ヘリウムの流量は、約１０，０００ｓｃｃｍ以下、約９０００ｓｃｃｍ以下、約８０００ｓｃｃｍ以下、約７０００ｓｃｃｍ以下、又はそれより小さくなりうる。
上述の方法は、窒化ケイ素膜中に形成される水素の量を低減するためにも使用することができる。通常、従来の低温ＰＥＣＶＤプロセスは、その後のボイドの形成に起因して膜の品質が低下する可能性がある、１０％を超える水素を取り込む膜を生成する。対照的に、上記の方法は、ケイ素含有前駆体及び窒素含有前駆体と共に二原子水素を含むことができ、これは、直観に反して、膜中の水素の量を約１０％以下、約９％以下、約８％以下、約７％以下、又はそれより低く低減させることができる。これにより、膜の品質が向上し、その後の窒化物固有のエッチャントを用いた除去が容易になる。
前述の記載では、説明を目的として、本技術のさまざまな実施形態の理解をもたらすために、多くの詳細が述べられてきた。しかしながら、これらの詳細の幾つかを含まずに、又はさらなる詳細と共に、ある特定の実施形態を実施しすることができることは、当業者とって明白であろう。
幾つかの実施形態を開示してきたが、実施形態の趣旨から逸脱することなく、さまざまな修正、代替構成、及び等価物を使用することができることは、当業者に認識されよう。さらには、本技術を不必要に不明瞭にすることを避けるために、幾つかのよく知られているプロセス及び要素については説明されていない。したがって、上記の説明は、本技術の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
値の範囲が提示される場合、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、その範囲の上限と下限の間の下限値の単位の最小部分までの各介入値も具体的に開示されることが理解される。任意の記載値又は記載された範囲内の記載されていない介在値と、その記載範囲内の他の任意の記載値又は介在値との間の任意の狭い範囲も包含される。これらのより小さい範囲の上限と下限は、独立して範囲に含まれるか、又はその範囲から除外される場合があり、より小さい範囲に限界値のいずれかが含まれる、どちらも含まれない、又は両方が含まれる各範囲もこの技術範囲に包含され、指定範囲内の具体的に除外された任意の限界値の対象となる。指定された範囲内に一方又は両方の限界値が含まれる場合、それらの含まれた限界値のいずれか又は両方を除外する範囲も含まれる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられるように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈上別途明示しない限り複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「１つの材料（a material）」への言及は、複数のこのような材料を含み、「その前駆体」への言及は、１つ以上の前駆体並びに当業者に知られているその等価物への言及を含む、等々である。
また、「含む（comprise(s)）」、「含んでいる（comprising）」、「含有する（contain(s)）」、「含有している（containing）」、「含む（include(s)）」、及び「含んでいる（including）」という語句は、本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられた場合、記載された特徴、整数、構成要素、又は工程の存在を特定することが意図されているが、１つ以上の他の特徴、整数、構成要素、工程、作用、又は群の存在又は追加を除外するものではない。

Claims (20)

  1. 方法において、
    ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことであって、前記半導体処理チャンバの前記処理領域内に基板が収容される、流すこと、
    前記ケイ素含有前駆体、前記窒素含有前駆体、及び前記二原子水素のプラズマを形成することであって、前記プラズマが１５ＭＨｚを上回る周波数で形成される、形成すること、並びに
    前記基板上に窒化ケイ素材料を堆積させること
    を含む、方法。
  2. 前記窒化ケイ素材料が約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記窒化ケイ素材料が約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 前記窒化ケイ素材料が約１．７５以上の屈折率を特徴とする、請求項１に記載の方法。
  5. 前記窒化ケイ素材料が約１０％以下の水素を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 約１００ｓｃｃｍ以上の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れる、請求項１に記載の方法。
  7. 約５０００ｓｃｃｍ以下の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れる、請求項６に記載の方法。
  8. 前記プラズマが約５５０℃以下の温度で形成される、請求項１に記載の方法。
  9. 前記周波数が約２７ＭＨｚ以上である、請求項１に記載の方法。
  10. 方法において、
    ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことであって、前記半導体処理チャンバの前記処理領域内に基板が収容される、流すこと、
    前記ケイ素含有前駆体、前記窒素含有前駆体、及び前記二原子水素のプラズマを形成することであって、前記プラズマが窒素－水素結合を有するいかなる材料も含まない、形成すること、並びに
    前記基板上に窒化ケイ素材料を堆積させること
    を含み、
    前記窒化ケイ素材料が約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とし、かつ
    前記窒化ケイ素材料が約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とする、
    方法。
  11. 前記窒化ケイ素材料が約１．７５以上の屈折率を特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記窒化ケイ素材料が約１０％以下の水素を含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 約１００ｓｃｃｍ以上の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れる、請求項１０に記載の方法。
  14. 約５０００ｓｃｃｍ以下の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れる、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記プラズマが約５５０℃以下の温度で形成される、請求項１０に記載の方法。
  16. 前記プラズマが１５ＭＨｚを上回る周波数で形成される、請求項１０に記載の方法。
  17. 前記周波数が約２７ＭＨｚ以上である、請求項１６に記載の方法。
  18. 方法において、
    ケイ素含有前駆体、窒素含有前駆体、及び二原子水素を半導体処理チャンバの処理領域に流すことであって、前記半導体処理チャンバの前記処理領域内に基板が収容される、流すこと、
    前記ケイ素含有前駆体、前記窒素含有前駆体、及び前記二原子水素のプラズマを形成すること、並びに
    前記基板上に窒化ケイ素材料を堆積させること
    を含み、
    約１００ｓｃｃｍ以上の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れ、かつ
    約５０００ｓｃｃｍ以下の前記二原子水素が前記半導体処理チャンバの前記処理領域に流れる、
    方法。
  19. 前記窒化ケイ素材料が約２．８５ｇ／ｃｍ３以上の密度を特徴とする、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記窒化ケイ素材料が約４００ＭＰａ以上の応力を特徴とする、請求項１８に記載の方法。
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