JP5771339B2 - 原子層堆積リソグラフィ - Google Patents

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Description

背景
（分野）
本発明は、概して、原子層堆積リソグラフィプロセスのための方法及び装置に関し、より具体的には、原子層堆積プロセスをリソグラフィプロセスと共に利用し、これによって半導体分野において基板表面上にフィーチャ／構造を形成するための方法及び装置に関する。
（関連技術の説明）
集積回路は、単一のチップ上に数百万個のコンポーネント（例えば、トランジスタ、コンデンサ、抵抗）を含む可能性のある複雑なデバイスへと進化してきた。チップ設計の進化は、より速い回路及びより高い回路密度を継続的に要求する。より高い回路密度に対する要求は、集積回路コンポーネントの寸法の減少を必要とする。
集積回路コンポーネントの寸法が（例えば、サブミクロン寸法へと）低減されるので、より多くの要素を半導体集積回路の所定の領域内に配置する必要がある。したがって、リソグラフィプロセスは、損傷を与えることなく、精密にかつ正確に、基板上に更に小さなフィーチャを転写するためにより挑戦的になってきている。基板上に精密かつ正確な構造を転写するために、所望の高解像度のリソグラフィプロセスは、露光のための所望の波長範囲での照射を提供することができる適切な光源を有する必要がある。更に、リソグラフィプロセスは、最小構造及び／又はクリティカルディメンジョンの転換によってフォトレジスト層上にフィーチャを転写する必要がある。最近では、極紫外（ＥＵＶ）放射線源が、短い露光波長を提供するために利用され、これによって基板上における印刷可能な最小サイズを更に低減している。しかしながら、そのような小さい寸法では、後続のエッチングプロセス中でフォトレジスト層の崩れ又は損傷がしばしば発生し、基板表面上に構造をうまく転写することができない原因となっている。
従来のリソグラフィプロセスでは、基板上に配置されたフォトレジスト層のいくつかの部分は、化学変換を受けるために入射放射線に曝露される。従来のポジ型露光プロセスでは、化学変換するフォトレジスト層の露光部分は、塩基性水溶液での現像処理中に除去される。マイクロ電子デバイス上に形成されたフィーチャのサイズが縮小し続けるので、塩基性水溶液の現像液は、水の毛細管力及び表面張力に起因する画像の崩れのために問題になることがある。更に、溶液系現像剤は、現像プロセス後に基板上に望ましくない汚染物を残す傾向があり、これによって基板の清浄度に悪影響をもたらす。
したがって、所望のクリティカルディメンジョンと共に基板表面上への正確な構造転写を得ることができるように、最小の構造損傷と共にリソグラフィプロセスのプロセス欠陥を制御するための方法及び装置が必要である。
概要
原子層堆積リソグラフィプロセスを実行するための方法及び装置が、本開示において提供される。一実施形態では、デバイス内の材料層上にフィーチャを形成するための方法は、基板表面上に材料層の第１単原子層（単分子層、単層）を形成するために、処理チャンバ内に配置された基板の表面に第１反応ガス混合物をパルス供給する工程と、第１単原子層の第１領域を処理するために、エネルギー照射を向ける工程と、第１単原子層の第２領域上に第２単原子層を選択的に形成するために、基板表面に第２反応ガス混合物をパルス供給する工程を含む。
別の一実施形態では、デバイス内の材料層上にフィーチャを形成するための方法は、原子層堆積プロセス内で実行される第１反応ガス混合物のパルス供給によって堆積される材料層の第１単原子層の第１領域を処理するために、光照射を向ける工程と、材料層の第１単原子層上に第２単原子層を形成するために、原子層堆積プロセスを実行し続ける工程と、光照射によって処理された第１領域内の第１単原子層を除去する工程を含む。
更に別の一実施形態では、原子層堆積プロセスとリソグラフィプロセスを実行するように構成された処理チャンバは、内部に内部処理領域を画定するチャンバ本体上に配置されたチャンバ蓋を有するチャンバ本体と、内部処理領域内に配置された台座と、内部処理領域内に反応ガスを送出するために、チャンバ本体上に配置されたガス送出システムと、内部処理領域に向かってエネルギー照射を向けるために、チャンバ蓋の下に配置されたエネルギービーム源と、エネルギービーム源と台座との間に配置されたマスクを含む。
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し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。
本発明の一実施形態を実行するのに適した原子層堆積（ＡＬＤ）リソグラフィ処理チャンバの一実施形態の断面図を示す。 図１に示されるＡＬＤリソグラフィ処理チャンバを用いて実行可能なＡＬＤリソグラフィプロセスを実行するためのフロー図を示す。 〜 本発明の一実施形態に係るＡＬＤリソグラフィプロセスの実行における異なる段階中の半導体デバイスの断面図を示す。
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。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。
しかしながら、添付図面は本発明の例示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し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。
発明の詳細な説明
原子層堆積（ＡＬＤ）リソグラフィプロセスを実行するための方法及び装置が、本開示において提供される。ＡＬＤリソグラフィプロセスは、従来のフォトレジスト層及び／又はハードマスク層を用いることなく、基板表面上にフィーチャを形成するために、リソグラフィプロセスと共にＡＬＤプロセスを利用する。ＡＬＤリソグラフィ処理チャンバは、原子層堆積される層の上にフィーチャ／構造を形成するために、原子層堆積される層を堆積するためと、リソグラフィプロセス（例えば、エネルギービーム処理プロセス）を実行するための二重の機能を提供する。基板は、１以上の非導電性材料（例えば、シリコン、酸化ケイ素、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、ガラス、及びサファイア）を含むことができる。基板はまた、誘電材料（例えば、二酸化ケイ素、有機シリケート、及び炭素ドープ酸化ケイ素）を含むこともできる。更に、基板は、用途に応じて、任意の他の材料（例えば、金属窒化物及び金属合金）を含むことができる。１以上の実施形態において、基板は、ゲート誘電体層とゲート電極層を含むゲート構造を形成し、これによって続いてその上に形成される相互接続構造（例えば、プラグ、ビア、コンタクト、ライン、及びワイヤ）との接続を促進することができる。基板は、集積回路、太陽電池、ＭＥＭＳ、又は他のデバイス製造のために使用することができる。
更に、基板は、いかなる特定のサイズ又は形状に限定されるものではない。基板は、とりわけ、直径２００ｍｍ、直径３００ｍｍ、又は他の直径（例えば、４５０ｍｍ）を有する円形の基板であることができる。基板はまた、任意の多角形、正方形、長方形、湾曲形状、又はさもなければ非円形ワークピース（例えば、フラットパネルディスプレイの製造に使用される多角形のガラス基板）であることができる。
本発明は、ＡＬＤプロセスとこれに続くリソグラフィプロセス（例えば、エネルギービーム処理工程）によって基板上に材料層を堆積／形成し、これによって堆積された材料層上にフィーチャ／構造を形成するための方法を提供する。プロセスは、基板表面上へのフィーチャ／構造の転写を助長するために、従来のフォトレジスト層及び／又はハードマスク層を用いることなく、基板表面上に所望の小さなクリティカルディメンジョンを有するフィーチャ／構造を効率的に形成することができ、これによって製造のサイクル時間及びコストを改善し、製造の複雑さも低下させる。有利には、ＡＬＤ及びリソグラフィプロセスの両方を、単一のチャンバ内で実行することができる。
図１は、ＡＬＤリソグラフィ処理チャンバ１３４の一実施形態の概略断面図である。ＡＬＤリソグラフィ処理チャンバ１３４は、周期的な堆積（例えば、ＡＬＤ又は化学蒸着（ＣＶＤ））のために適合されたガス送出装置１３０を含む。本明細書内で使用される用語ＡＬＤ及びＣＶＤは、基板構造の上に薄い層を堆積させるための反応物質の逐次的導入を指す。複数の薄層を堆積させるために、反応物質の逐次的導入を繰り返し、これによってコンフォーマル層を所望の厚さに形成することができる。チャンバ１３４はまた、リソグラフィプロセスと共に、他の堆積技術用に適合させることができる。
チャンバ１３４は、側壁１３１と底部１３２を有するチャンバ本体１２９を含む。チャンバ本体１２９を貫通して形成されたスリットバルブトンネル１３３は、基板１０２（例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍ、又は４５０ｍｍの半導体基板又はガラス基板）を供給する、及びチャンバ１３４から取得するためのロボット（図示せず）用のアクセスを提供する。
基板支持体１９２は、チャンバ１３４内に配置され、処理中に基板１０２を支持する。基板支持体１９２は、リフト１１４に取り付けられ、これによって基板支持体１９２と載置された基板１０２を上下動させる。リフトプレート１１６は、リフトプレート１１６の高さを制御するリフトプレートアクチュエータ１１８に接続される。リフトプレート１１６を上下動させ、これによって基板支持体１９２を貫通して移動自在に配置されたピン１２０を上下動させることができる。ピン１２０は、基板支持体１９２の表面の上で基板１０２を上下動させるために使用される。基板支持体１９２は、処理中に基板支持体１９２の表面に基板１０２を固定するための、真空チャック、静電チャック、又はクランプリングを含むことができる。
基板支持体１９２は加熱され、これによって載置された基板１０２を加熱することができる。例えば、基板支持体１９２は、埋め込み加熱素子（例えば、抵抗ヒータ）を使用して加熱することができる、又は放射熱（例えば、基板支持体１９２の上方に配置された加熱ランプ）を使用して加熱することができる。パージリング１２２が基板支持体１９２の上に配置され、これによって上への堆積を防止するために、基板１０２の周縁部にパージガスを供給するパージチャネル１２４を画定する。
ガス送出装置１３０が、チャンバ本体１２９の上部に配置され、これによってガス（例えば、処理ガス及び／又はパージガス）をチャンバ１３４に供給する。ポンピングシステム１７８はポンピングチャネル１７９と連通しており、これによって任意の所望のガスをチャンバ１３４から排出し、チャンバ１３４のポンピングゾーン１６６内部を所望の圧力又は所望の圧力範囲に維持するのを支援する。
一実施形態では、ガス送出装置１３０は、２つの類似のバルブ１４２Ａ、１４２Ｂからガス流を供給するためのガス導入口１３７Ａ、１３７Ｂを有する拡張チャネル１９０を含む。バルブ１４２Ａ、１４２Ｂからのガス流は、一緒に及び／又は別々に供給することができる。
一構成において、バルブ１４２Ａ及びバルブ１４２Ｂは、別々の反応ガス源に結合されるが、同一のパージガス源に結合される。例えば、バルブ１４２Ａは、反応ガス源１３８に結合され、バルブ１４２Ｂは、反応ガス源１３９に結合され、両方のバルブ１４２Ａ、１４２Ｂは、パージガス源１４０に結合される。各バルブ１４２Ａ、１４２Ｂは、弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂを有する送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂを含み、弁座アセンブリ１４６Ａ、１４６Ｂを有するパージライン１４５Ａ、１４５Ｂを含む。送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂは、反応ガス源１３８、１３９と連通しており、拡張チャンネル１９０のガス導入口１３７Ａ、１３７Ｂと連通している。送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂの弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂは、反応ガス源１３８、１３９から拡張チャンネル１９０までの反応ガスの流れを制御する。パージライン１４５Ａ、１４５Ｂは、パージガス源１４０と連通し、送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂの弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂの下流の送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂと交差する。パージライン１４５Ａ、１４５Ｂの弁座アセンブリ１４６Ａ、１４６Ｂは、パージガス源１４０から送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂまでのパージガスの流れを制御する。反応ガス源１３８、１３９から反応ガスを送出するためにキャリアガスが使用される場合は、キャリアガス及びパージガスとして同一のガス（すなわち、キャリアガス及びパージガスとして使用されるアルゴンガス）が使用される。
各バルブ１４２Ａ、１４２Ｂは、バルブの弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂが閉じているとき、送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂからの反応ガスのフラッシングを可能にするために、ゼロデッドボリュームバルブとすることができる。例えば、パージライン１４５Ａ、１４５Ｂは、送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂの弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂに隣接して配置することができる。弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂが閉じているとき、パージライン１４５Ａ、１４５Ｂは、送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂをフラッシュするためにパージガスを供給することができる。図示の実施形態では、パージライン１４５Ａ、１４５Ｂは、送出ライン１４３Ａ、１４３Ｂの弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂからわずかに離間するように配置され、これによって開いたときに、パージガスが弁座アセンブリ１４４Ａ、１４４Ｂ内へ直接送出されない。本明細書で使用されるようなゼロデッドボリュームバルブは、無視できるデッドボリュームを有する（つまり、必ずしもゼロデッドボリュームではない）バルブとして定義される。各バルブ１４２Ａ、１４２Ｂは、反応ガス１３８、１３９及びパージガス１４０の組み合わせたガス流及び／又は別々のガス流を提供するように使用することができる。パージガスのパルスは、パージライン１４５Ａの弁座アセンブリ１４６Ａのダイアフラムを開閉することによって供給することができる。反応ガス源１３８からの反応ガスのパルスは、送出ライン１４３Ａのダイアフラム弁座１４４Ａを開閉することによって供給することができる。
電源１０３は、チャンバ本体１２９上に配置された蓋１０５に結合される。電源１０３は、間に形成された開口１０４を通って接続された電源１０３の下に配置されるエネルギービーム源１０６に電力を供給するように構成される。一実施形態では、エネルギービーム源１０６は、ＵＶ光又は他のエネルギー照射を提供することができる任意の適切な高エネルギー照射源（例えば、水銀マイクロ波アークランプ、パルスキセノンフラッシュランプ、高効率ＵＶ発光ダイオードアレイ、及び電子ビーム発生器）であることができる。ＵＶランプバルブは、１以上のガス（例えば、電源１０３による励起用のキセノン（Ｘｅ）、又は水銀（Ｈｇ））で満たされた密閉プラズマバルブであることができる。エネルギービーム源１０６から出射された光は、エネルギービーム源１０６の下方に配置された窓１１１を通過することによって基板に入る。窓１１１は、亀裂なしに真空を維持するのに十分な厚さを有する石英ガラスから作ることができる。フォトマスク及び／又はフィーチャ転写シールド１１３が、基板１０２と窓１１１の間に配置される。フィーチャ転写シールド１１３の位置は、窓１１１と基板１０２の表面の間で調整することができ、これによって基板１０２の表面上にフィーチャ／構造を転写するのに役立つ。処理チャンバ１３４内に配置されたフォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３は、エネルギービーム源１０６がオンにされたとき、エネルギービーム源１０６からの光の一部のみが、基板１０２のある領域へと通過し、いくつかの他の領域を光への曝露から保護することを許容することによって支援することができる。フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３と共にエネルギービーム源１０６は、堆積プロセス中及び／又は堆積プロセス後に、真空を破ることなく基板表面上に配置された材料層上にフィーチャ／構造を転写するリソグラフィプロセスを実行するように構成されたフィーチャ／構造転写機構としての機能を果たす。
一実施形態では、フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３は、１８０ｎｍ未満の寸法を有する内部に形成されたフィーチャ／構造を提供し、これによって画像縮小あり又は無しで、同様のフィーチャ／構造を基板表面上に転写することができる。フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３と共にエネルギービーム源１０６を利用してリソグラフィプロセスを実行することができる方法に関する詳細は、図２〜３Ｅを参照して更に説明する。
図１において、処理条件を制御するために、制御ユニット１８０をチャンバ１３４に結合することができる。制御ユニット１８０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１８２、サポート回路１８４、及び関連する制御ソフトウェア１８３を含むメモリ１８６を含む。制御ユニット１８０は、様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御するための工業環境で使用可能な汎用コンピュータプロセッサの任意の形態のうちの１つであることができる。ＣＰＵ１８２は、任意の適切なメモリ１８６（例えば、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、フロッピー（商標名）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、又はローカル又はリモートの任意の他の形式のデジタルストレージ）を使用することができる。様々なサポート回路は、チャンバ１３４をサポートするためのＣＰＵ１８２に結合することができる。制御ユニット１８０は、個々のチャンバコンポーネント（例えば、バルブ１４２Ａ、１４２Ｂのプログラマブルロジックコントローラ１４８Ａ、１４８Ｂ）に隣接して配置され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１３４の様々な他のコンポーネントとの間の双方向通信が、総称して信号バス１８８と呼ばれる多数の信号ケーブルを介して処理され、そのうちのいくつかが図１に示されている。ガス源１３８、１３９、１４０及びバルブ１４２Ａ、１４２Ｂのプログラマブルロジックコントローラ１４８Ａ、１４８Ｂからの処理ガス及びパージガスの制御に加えて、制御ユニット１８０は、基板処理で使用される他の活動（そのうちのいくつかは、本明細書の別の箇所に記載されるが、他の活動の中でもとりわけ、基板搬送、温度制御、チャンバ排気など）の自動制御に関与するように構成可能である。
図２は、基板上の半導体デバイス構造内にパターン化された原子層堆積材料層を形成するためのＡＬＤリソグラフィプロセスを実行するために使用されるプロセス２００の一実施形態のフロー図を示す。図２に記載された方法２００は、以下に説明される図３Ａ〜図３Ｅに示される製造段階に対応する。図３Ａ〜図３Ｅは、プロセス２００によって図示される異なる段階で、その上に所望の構造／フィーチャを有する原子層堆積材料層を形成するように構成された基板（例えば、図１に示される基板１０２）の概略断面図を示す。
プロセス２００は、基板（例えば、図３Ａに示される基板１０２）を処理チャンバ（例えば、図１に示される処理チャンバ１３４内に配置された基板１０２）又は他の適切な処理チャンバ内に供給することによって、ブロック２０２で開始する。図３Ａに示される基板１０２は、結晶化シリコン（例えば、Ｓｉ＜１００＞又はＳｉ＜１１１＞）、酸化シリコン、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープ又は非ドープのポリシリコン、ドープ又は非ドープのシリコン基板及びパターン化又は非パターン化基板、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素ドープ酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、ガラス、サファイアなどの材料を含むことができる。基板１０２は、様々な寸法（例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍ、又は４５０ｍｍの直径、又は他の寸法、ならびに、長方形又は正方形のパネル）を有することができる。特に断りのない限り、本明細書に記載される実施形態及び実施例は、直径２００ｍｍ、直径３００ｍｍ、又は直径４５０ｍｍ（例えば、直径３００ｍｍ）を有する基板上で実施することができる。
基板１０２は、エネルギービーム源１０６及びガス導入口１３７Ａ、１３７Ｂに面する上向きに露出された第１表面３０２を有し、その上でＡＬＤリソグラフィプロセスが容易に実行される。
図３Ｂに示されるように、ブロック２０４において、基板１０２が処理チャンバ１３４内に搬送された後、第１反応ガス混合物のパルスが、処理チャンバ１３４内に供給され、これによって基板１０２の表面３０２の上に材料層３０５の第１単原子層３０４を形成する。第１反応ガス混合物のパルス供給の間に、第１反応ガス混合物は、必要に応じて、熱ＡＬＤプロセス又はプラズマＡＬＤプロセス中に処理チャンバ１３４内に、還元ガス混合物（「試薬」、例えば、水素ガス（Ｈ２）又はＮＨ３ガス）と同時に、順次に、あるいはまた還元ガス混合物なしで供給することができる。処理チャンバ１３４内に供給することができる好適な第１反応ガス混合物は、ケイ素含有ガス（例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、又は他の好適なケイ素含有化合物）、タンタル含有ガス、チタン含有ガス、コバルト含有ガス、タングステン含有ガス、アルミニウム含有ガス、ニッケル含有ガス、銅含有ガス、ホウ素含有ガス、リン含有ガス、窒素含有ガス、又は半導体デバイス内で使用するのに適した基板表面上に単原子層を堆積させることができる他の適切なガスを含むことができる。本明細書に記載される代替的な試薬（すなわち、堆積プロセス中に単原子層を形成するための反応性前駆体と使用される還元性薬剤）の例は、水素（例えば、Ｈ２又は原子のＨ）、窒素（例えば、Ｎ２又は原子のＮ）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、水素及びアンモニアの混合物（Ｈ２／ＮＨ３）、ボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリエチルボラン（Ｅｔ３Ｂ）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）、テトラシラン（Ｓｉ４Ｈ１０）、メチルシラン（ＳｉＣＨ６）、ジメチルシラン（ＳｉＣ２Ｈ８）、ホスフィン（ＰＨ３）、それらの誘導体、それらのプラズマ、又はそれらの組み合わせを含むことができる。
ブロック２０４での第１反応ガス混合物のパルスの間、第１反応ガス混合物のパルスは、所定の時間間隔持続する。本明細書で用いられる用語パルスは、処理チャンバ内に注入された１回分の物質を指す。以下で更に説明される、第１反応ガス混合物の、又は第１及び第２反応ガス混合物の各パルスの間に、パージガス混合物が、第１及び／又は第２反応性前駆体ガス混合物の各々の又は複数のパルスの間に処理チャンバ内にパルスされ、これによって基板表面によって未反応／非吸収である不純物又は残留前駆体ガス混合物（例えば、反応ガス混合物からの未反応不純物他）を除去することができるので、それらを処理チャンバからポンプで排出できる。
ブロック２０４での操作では、第１反応ガス混合物のパルスが、処理チャンバ１３４内にパルスされ、これによって材料層３０５の第１単原子層３０４を形成する。処理チャンバ１３４内にパルスされる第１反応性前駆体ガス混合物の各パルスは、約３Å〜約５Åの間の厚さを有する材料層３０５の第１単原子層３０４を堆積させることができる。
第１反応性前駆体ガス混合物のパルス供給の間に、いくつかのプロセスパラメータも調整される。一実施形態では、プロセス圧力は、約７トール〜約３０トールの間で制御される。処理温度は、約１２５℃〜約４５０℃の間である。ＲＦ電力は、約１００ワット〜約２０００ワットの間で制御することができる。第１反応ガス混合物内に供給される反応ガスは、約５ｓｃｃｍ〜約１０ｓｃｃｍの間で制御することができる。還元ガス（例えば、ＮＨ３ガス）は、約１００ｓｃｃｍ〜約７００ｓｃｃｍの間で供給することができる。
図３Ｃに示されるように、ブロック２０６において、光ビーム３０８が、エネルギー源１０６から材料層３０５の第１単原子層３０４へと向けられ、これによって第１単原子層３０４の第１領域３１０を処理する。その後、第１領域３１０内に位置する材料層３０５が処理され、これによって材料層３０５の処理層３０６を形成する。フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３を透過したエネルギー源１０６からの光ビーム３０８は、フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３によって保護されていない材料層３０５の第１領域３１０にのみ伝わる。フォトマスク／フィーチャ転写シールド１１３を通過した光は、材料層３０５の保護された領域３１２を処理することなく、材料層３０５の第１領域３１０のみを処理する。第１領域３１０内に位置する材料層３０５は、光処理後に化学変換を受け、エッチング液で除去可能な材料である処理層３０６へと変換される。その後、この処理された材料３０６は、基板表面３０２から化学的に除去される適切なエッチャントを含むプロセスによって後に除去することができる。あるいはまた、材料層３０５が、エッチング処理可能であり、エネルギー処理は、処理層３０６をネガ型パターン形成のためのエッチング耐性層に変換することが理解される。
一実施形態では、エネルギービーム源１０６から向けられた光ビーム３０８は、極紫外線、ディープＵＶ光、電子ビーム、Ｘ線、イオンビーム、又は他の適切なビームであることができる。一例では、エネルギービーム源１０６から向けられた光ビーム３０８は、約５ｎｍ〜約４００ｎｍの間の波長を有するＵＶ光であることができる。
処理層３０６を形成するために向けられた光エネルギーは、材料層３０５の化学結合又は原子構造を損傷し、修復し、修正し、又は変更することができ、これによって基板表面３０２上の未処理の材料層３０５とは異なる膜特性を有する処理層３０６を形成すると考えられている。そうすることによって、材料層３０５の一部のみの膜特性を選択的に変え、材料層３０５の他の部分は変化しないままに維持するような選択的な膜変更プロセスを得ることができる。こうして、選択的エッチング／膜除去プロセスが後に実行され、これによって必要に応じて基板表面３０２から材料層の一部（すなわち、プロセスに応じて処理された部分又は未処理の部分）のみを選択的に除去することができる。
図３Ｄに示されるように、ブロック２０８において、光処理プロセスが材料層３０５の第１領域３１０に実行された後、第２反応ガス混合物のパルスが処理チャンバ１３４内に供給され、これによって基板１０２の表面３０２上に材料層３０５の第２単原子層３１４を形成する。第２反応ガス混合物のパルス供給の間、第２反応ガス混合物は、必要に応じて、熱ＡＬＤプロセス又はプラズマＡＬＤプロセス中に処理チャンバ１３４内に、還元ガス混合物（又は試薬と呼ばれる、例えば、水素ガス（Ｈ２）又はＮＨ３ガス）と同時に、順次に、あるいはまた還元ガス混合物なしで供給することができる。なお、第２単原子層３１４は、化学反応によって第１単原子層３０４上に吸収され、これによって第２単原子層３１４からの原子が第１単原子層３０４から原子にしっかりと付着することができると考えられている。光処理プロセスを施された処理層３０６は、未処理の第１単原子層３０４とは異なる化学的性質を有することができるので、処理層３０６内の原子は、第２単原子層３１４からの原子にうまく付着することができないことがあり、これによって第２単原子層３１４からの原子は、未処理の第１単原子層３０４からの原子にのみ付着することができる。このように、ブロック２１２で図３Ｅを参照して以下で更に述べるが、後に形成された第２単原子層３１４は、未処理の第１単原子層３０４上にのみ選択的に堆積し、これによって第２単原子層３１４を攻撃することなく、基板表面から処理された第１単原子層３０４のみを選択的に除去するための後に実行される除去プロセスを支援する。代替的なネガ型プロセスでは、第２単原子層３１４は、処理層３０６の上に配置され、第１単原子層３０４の未処理部分が除去される。
一実施形態では、処理チャンバ１３４内に供給することができる好適な第２反応ガス混合物は、ケイ素含有化合物（例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、又は他の好適なケイ素含有化合物）、酸素含有ガス（例えば、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、又はＯ３）、タンタル含有ガス、チタン含有ガス、コバルト含有ガス、タングステン含有ガス、アルミニウム含有ガス、ニッケル含有ガス、銅含有ガス、ホウ素含有ガス、リン含有ガス、窒素含有ガス、又は半導体デバイス内で使用するのに適した基板表面上に単原子層を堆積させることができる他の適切なガスを含むことができる。本明細書に記載される代替的な試薬（すなわち、堆積プロセス中に単原子層を形成するための反応性前駆体と使用される還元性薬剤）の例は、水素（例えば、Ｈ２又は原子のＨ）、窒素（例えば、Ｎ２又は原子のＮ）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、水素及びアンモニアの混合物（Ｈ２／ＮＨ３）、ボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリエチルボラン（Ｅｔ３Ｂ）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）、テトラシラン（Ｓｉ４Ｈ１０）、メチルシラン（ＳｉＣＨ６）、ジメチルシラン（ＳｉＣ２Ｈ８）、ホスフィン（ＰＨ３）、それらの誘導体、それらのプラズマ、又はそれらの組み合わせを含むことができる。
ブロック２０８での第２反応ガス混合物のパルスの間、第２反応ガス混合物のパルスは、所定の時間間隔持続する。本明細書で用いられる用語パルスは、処理チャンバ内に注入された１回分の物質を指す。第２反応ガス混合物の、又はブロック２０４及び２０６で実行される第１及び第２反応ガス混合物の各パルスの間に、パージガス混合物が、第１及び／又は第２反応性前駆体ガス混合物の各々の間又は複数のパルスの後に処理チャンバ内にパルスされ、これによって基板表面によって未反応／非吸収である不純物又は残留前駆体ガス混合物（例えば、反応ガス混合物からの未反応不純物他）を除去することができるので、それらを処理チャンバからポンプで排出できる。
ブロック２０８での操作では、第２反応ガス混合物のパルスが、処理チャンバ１３４内にパルスされ、これによって保護領域３１２内で未処理の第１単原子層３０４上に第２単原子層３１４を選択的に形成する。処理チャンバ１３４内にパルスされる第２反応性前駆体ガス混合物の各パルスは、約３Å〜約５Åの間の厚さを有する材料層３０５の第２単原子層３０４を堆積させることができる。
第２反応性前駆体ガス混合物のパルス供給の間に、いくつかのプロセスパラメータも調整される。一実施形態では、プロセス圧力は、約５トール〜約３０トールの間で制御される。処理温度は、約１２５℃〜約４５０℃の間である。ＲＦ電力は、約１００ワット〜約８００ワットの間で制御することができる。第２反応ガス混合物内に供給される反応ガスは、約５ｓｃｃｍ〜約２０ｓｃｃｍの間で制御することができる。還元ガス（例えば、ＮＨ３ガス）は、約１００ｓｃｃｍ〜約７００ｓｃｃｍの間で供給することができる。
反応性前駆体ガス混合物の各々のパルスの間又はいくつかのパルスの後に、パージガス混合物が処理チャンバ内へその後供給され、これによって処理チャンバから残留物及び不純物をパージ排出する。パージガス混合物のパルス供給の間に、いくつかのプロセスパラメータも調整される。一実施形態では、プロセス圧力は、約１トール〜約１００トールの間で制御される。処理温度は、約１２５℃〜約４５０℃の間である。ＲＦ電力は、約１００ワット〜約８００ワットの間で制御することができる。Ａｒ又はＮ２ガスは、約２００ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの間で供給することができる。
図２に示されるループ２１０によって示されるように、パージガス混合物のパルスに続いて、第１及び／又は第２反応ガス混合物をパルス供給し、その後パージガス混合物をパルス供給する工程から始まる追加のサイクルを、材料層３０５の所望の厚さ範囲に到達するまで繰り返し実行することができる。ブロック２０４での第１反応ガス混合物のパルス供給の次のサイクルが開始するとき、プロセス圧力及び他のプロセスパラメータを所定のレベルに調整し、これによって材料層３０５の後続の単原子層の堆積を支援することができる。
ブロック２０４、２０６、及び２０８は、必要に応じて、異なる機能を提供する異なるチャンバ内で実行されてもよいことに留意されたい。例えば、ブロック２０４において、第１単原子層を形成するための堆積プロセスは、第１堆積チャンバ内で実行することができる。その後、ブロック２０６において、基板をその後、光露光プロセスを実行するための所望の波長範囲の光源を有する第２チャンバに搬送することができる。その後、ブロック２０８において、基板をその後、第１単原子層上への第２単原子層の堆積を終了させるために第１チャンバに戻すことができる。あるいはまた、ブロック２０８において、必要に応じて、基板を第３処理チャンバに搬送し、これによって基板上への第２単原子層の形成を終了させることができる。なお、第１、第２、及び／又は第３処理チャンバはすべて、クラスタツール内に組み込むことができ、真空を破り、大気に基板を曝露することなく、第１、第２、及び／又は第３処理チャンバ（又は第１処理チャンバへ戻る）間で基板を搬送することができることに留意されたい。
図３Ｅに示されるように、ブロック２１２では、材料層３０５が所定の厚さに達した後、基板１０２は、基板表面３０２から処理層３０６を除去する除去プロセスを実行するために処理チャンバ１３４から除去することができる。なお、第２単原子層３１４が第１単原子層３０４上に形成された後、第２単原子層３１４からの原子は、第１単原子層３０４からの原子と反応し、これによってその後、第１単原子層３０４及び第２単原子層３１４の両方からの原子を含む化合物材料３１６を形成するであろうことに留意されたい。
一実施形態では、除去プロセスは、基板１０２から処理層３０６を除去するように構成された任意の適切なエッチング／現像プロセスであることができる。除去プロセスの適切な例としては、ドライエッチングプロセス、ウェットエッチングプロセス、現像プロセス、アッシングプロセス、又は他の適切な膜除去プロセスを含む。処理層３０６を除去するのに利用可能である任意の従来の適切なエッチングプロセスを利用してもよい。除去プロセスが完了した後、基板３０２上に残った処理層３０６は除去され、露出領域３１０内で基板１０２の下地面３０３を露出させる。
一実施形態では、除去プロセスは、基板１０２から処理層３０６を除去するためにハロゲン含有ガスを供給するドライエッチングプロセスによって実行することができる。ハロゲン含有ガスの好適な例は、とりわけ、塩素ガス（Ｃｌ２）、三フッ化窒素（ＮＦ３）、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６）、炭素・フッ素含有ガス（例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、又はＣ４Ｆ８）、塩素ガス（Ｃｌ２）、塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、及び塩化水素（ＨＣｌ）を含む。いくつかの実施形態では、除去処理を実行するために、いくつかの還元剤をハロゲン含有ガスと共に供給することができる。好適な還元剤としては、とりわけ、一酸化炭素（ＣＯ）、酸素ガス（Ｏ２）、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、及びそれらの組み合わせなど炭化水素ガスを含むが、これらに限定されない。
除去プロセスが基板１０２上で実行され、終了した後、その上に所望のフィーチャが形成された材料層を得ることができる。そうすることによって、追加のフォトレジスト層及び／又はハードマスク層を使用せずに、材料層上にフィーチャ／構造をここでは直接転写することができるので、フォトレジスト層及び／又はハードマスク層を利用する現像プロセスを伴う従来のリソグラフィプロセスが排除される。したがって、製造の複雑さ、コスト及びサイクル時間が、こうして効率的に低減され、改善される。
このように、ＡＬＤリソグラフィプロセスを実行するための方法及び装置が、本開示内に提供される。ＡＬＤリソグラフィプロセスは、フォトレジスト層及び／又はハードマスク層から形成される従来のマスクを用いることなく、基板表面上にフィーチャを形成するために、リソグラフィプロセスと共にＡＬＤプロセスを利用する。本明細書中に記載されるようなＡＬＤリソグラフィプロセスは、製造の複雑さ、コスト及びサイクル時間を効率的に削減し、製造の柔軟性及び生産性を向上させる。
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。

Claims (16)

  1. デバイス内の化合物層上にフィーチャを形成するための方法であって、
    （ａ）基板表面上に化合物層の第１単原子層を形成するために、処理チャンバ内に配置された基板の表面に第１反応ガス混合物をパルス供給する工程と、
    （ｂ）第１単原子層の第１領域を処理するために、エネルギー照射を向ける工程と、
    （ｃ）第１単原子層を第１領域から除去する工程と、
    （ｄ）第１単原子層の第２領域上に第２単原子層を選択的に形成するために、基板表面に第２反応ガス混合物をパルス供給する工程であって、第２単原子層は、第２領域上に化合物層を形成するために、第１単原子層と反応する工程を含む方法。
  2. エネルギー照射によって処理された第１単原子層の第１領域に配置された第１単原子層を選択的に除去する工程を含む請求項１記載の方法。
  3. 基板表面上の処理された第１単原子層を除去した後、第１及び第２単原子層の構造又はフィーチャを形成する工程を含む請求項２記載の方法。
  4. 第１単原子層を除去する工程は、
    基板表面から処理された第１単原子層を除去するためにエッチング処理を行う請求項２記載の方法。
  5. 光の放射は、約５ｎｍと約４００ｎｍの間の波長を有するＵＶ光源である請求項１記載の方法。
  6. エネルギー照射を向ける工程は、
    エネルギー照射が通過する、マスクによって保護されていない第１単原子層の第１領域にエネルギー照射を向ける工程を含む請求項１記載の方法。
  7. 第１反応ガス混合物又は第２反応ガス混合物のパルス供給の後に、処理チャンバにパージガス混合物をパルス供給する工程を含む請求項１記載の方法。
  8. 第１及び第２単原子層の所定の全厚さが達成されるまで（ａ）から（ｃ）を繰り返す請求項１記載の方法。
  9. エネルギー照射を向ける工程は、
    第１領域内の第１単原子層の化学的性質を変化させる請求項１記載の方法。
  10. （ａ）から（ｃ）は、単一の処理チャンバ内で実行される請求項１記載の方法。
  11. 第１及び第２反応ガス混合物をパルス供給する（ａ）及び（ｃ）は、処理チャンバ内で形成され、（ｂ）は、別の処理チャンバ内で実行される請求項１記載の方法。
  12. デバイス内の化合物層上にフィーチャを形成するための方法であって、
    原子層堆積プロセス内で実行される第１反応ガス混合物のパルス供給によって堆積される材料層の第１単原子層の第１領域を処理するために、エネルギー照射を向ける工程と、
    化合物層の第１単原子層上に第２単原子層を形成するために、原子層堆積プロセスを実行し続ける工程であって、第２単原子層は、第１単原子層の第１領域には付着せず、第２単原子層は、第２領域上に化合物層を形成するために、第１単原子層と反応する工程と、
    光照射によって処理された第１領域内の第１単原子層を除去する工程を含む方法。
  13. 原子層堆積プロセスを実行し続ける工程は、
    エネルギー照射によって未処理の第１単原子層の第２領域上のみに第２単原子層を選択的に形成する工程を含む請求項１２記載の方法。
  14. 第１単原子層を除去する工程は、
    第２単原子層を除去することなく基板表面から処理された第１単原子層を選択的に除去する工程を含む請求項１２記載の方法。
  15. 光照射は、約５ｎｍと約４００ｎｍの間の波長を有するＵＶ光源である請求項１２記載の方法。
  16. 半導体デバイス内の化合物層上にフィーチャを形成するための方法であって、
    （ａ）基板表面上に化合物層の第１単原子層を形成するために、処理チャンバ内に配置された基板の表面に第１反応ガス混合物をパルス供給する工程と、
    （ｂ）第１単原子層の第１領域を処理するために、光照射を向ける工程と、
    （ｃ）第１単原子層の第１領域上に第２単原子層を選択的に形成するために、第２反応ガス混合物をパルス供給する工程であって、第２単原子層は、第１領域上に化合物層を形成するために、第１単原子層と反応する工程と、
    （ｄ）光照射によって処理されなかった第１単原子層の第２領域を選択的に除去する工程を含む方法。
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