KR101019295B1 - 트렌치 내에 유전층을 형성시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 반도체 구조물을 형성시키는 방법은 규소 전구체와 원자 산소 전구체를 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 반응시켜 기판 상에 산화규소 층을 형성시키는 것을 포함한다. 산화규소 층은 산소 함유 분위기내에서 UV 경화된다.

Description

트렌치 내에 유전층을 형성시키는 방법 {METHODS FOR FORMING A DIELECTRIC LAYER WITHIN TRENCHES}
관련 출원의 참조
본 출원은 니틴 케이. 잉글(Nitin K. Ingle) 등의 변호사 사건 번호 A010498/T69600의 공동 양도된 미국 특허 출원(발명의 명칭: "CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF HIGH QUALITY FLOW-LIKE SILICON DIOXIDE USING A SILICON CONTAINING PRECURSOR AND ATOMIC OXYGEN")과 관련된 것이다. 또한, 본 출원은 2007년 5월 29일자 출원된 루보미르스키(Lubomirsky) 등의 공동 양도된 미국 특허 출원 제 11/754,924호(발명의 명칭: "PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRIC GAPFILL")와 관련된 것이다. 또한, 본 출원은 아브지지트 바수 말릭(Abjijit Basu Mallick) 등의 변호사 사건 번호 016301/078800US의 공동 양도된 미국 특허 출원(발명의 명칭: "HIGH QUALITY SILOCON OXIDE FILMES BY REMOTE PLASMA CVD FROM DISILANE PRECURSORS")와 관련된 것이다. 관련 출원의 전체 내용은 본원에 참고로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 반도체 구조물을 형성시키는 방법에 관한 것이며, 특 히 트렌치 내에 유전층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
집적회로 상의 디바이스 밀도가 증가함에 따라, 디바이스 구조물 간의 크기 및 간격이 지속적으로 감소하고 있다. 구조물 및, 구조물 간의 트렌치의 갭의 폭이 좁아질 수록, 이러한 형성물에서 높이 대 폭의 비(즉, 가로세로비(aspect ratio))가 증가한다. 집적 회로 엘레먼트의 계속되는 소형화는 이들 엘레먼트의 내측 및 이들 엘레먼트 사이의 수평 폭을 이들의 수직 높이보다 빠르게 감소시키고 있다.
지속적으로 증가하는 가로세로비를 갖는 디바이스 구조물을 만들 수 있는 능력은 보다 많은 구조물(예를 들어, 트랜지스터, 커패시터, 다이오드 등)이 동일 표면적의 반도체 칩 기판에 패킹되도록 허용하였지만, 이것이 또한 제조상의 문제점을 야기시켰다. 이러한 문제점 중 하나는 충진 공정 동안에 공극 또는 시임(seam)을 형성시키지 않으면서 이러한 구조물내 갭 및 트렌치를 완전하게 충진시키기 어렵다는 것이다. 산화규소와 같은 유전 물질로 갭 및 트렌치를 충진시키는 것은 디바이스 구조물에 인접하여 서로 전기적으로 단리시키는 것이 필요하다. 갭이 비어 있는 상태로 되면, 너무 많은 전기 노이즈 및 전류 누설로 인해 디바이스가 적절하게(또는 전혀) 작동하지 않을 것이다.
갭 폭이 보다 크게(그리고 가로세로비가 보다 적게) 되면, 갭은 유전 물질의 신속한 증착으로 충진되기에 비교적 용이하다. 증착 물질은 갭의 측부 및 저부를 덮어 크레바스(crevice) 또는 트렌치가 완전히 충진될 때까지 저부로부터 지속적으로 충진할 것이다. 그러나, 가로세로비가 증가함으로써, 충진 부피내 공극 또는 시임을 차단하는 것을 시작하지 않고서는 깊고 좁은 트렌치를 충진하기가 더 어려워졌다.
유전층의 공극 및 시임은 반도체 디바이스 제조 동안 및 완성된 디바이스에서 모두 문제를 일으킨다. 공극 및 시임은 유전층에 무작위로 형성되며, 예상밖의 크기, 형태, 위치 및 개체군 밀도를 갖는다. 이는 예측할 수 없고, 일관되지 않은 층의 증착후 공정, 예컨대, 심지어 에칭, 연마, 어닐링 등을 초래한다. 완성된 디바이스에서 공극 및 시임은 또한 디바이스 구조물내 갭 및 트렌치의 유전 품질을 변동시킨다. 이는 전기 크로스토크(crosstalk), 전하 누설, 및 심지어 디바이스 엘레먼트 내 및 디바이스 엘레먼트 사이의 쇼팅(shorting)으로 인해 고르지 않고, 열등한 디바이스 성능을 초래할 수 있다.
높은 가로세로비 구조물 상에서의 유전 물질의 증착 동안에 공극 및 시임의 형성을 최소화하는 기술이 개발되었다. 이들 기술에는 유전 물질의 증착율을 낮추는 것을 포함하여 유전 물질이 트렌치의 측벽 및 저부에 보다 순응적으로 체류하도록 한다. 보다 순응적인 증착은 증착된 물질이 트렌치의 상부 또는 중간부에서 축적되어, 궁극적으로 공극의 상부를 봉쇄하는 정도로 감소시킬 수 있다. 그러나, 증착율을 낮추는 것은 증착 시간을 증대시키는 것을 의미하며, 이는 공정 효율 및 제조율을 감소시킨다.
공극 형성을 억제하는 또 다른 기술은 증착된 유전 물질의 유동성을 증대시키는 것이다. 보다 큰 유동성을 갖는 물질은 보다 신속하게 공극 또는 시임을 충진하여, 충진 용적 내에서 공극 또는 시임이 영구적 결함이 되지 않도록 할 수 있 다. 산화규소 유전 물질의 유동성을 증가시키는 것은 이러한 옥사이드 층을 형성시키는 데 사용된 전구체의 혼합물에 수증기 또는 퍼옥사이드(예를 들어, H2O2)를 추가하는 것을 포함하는 것이 흔하다. 수증기는 증착된 막에 보다 많은 Si-OH 결합을 생성시키며, 이것이 막에 증가된 유동성을 부여한다. 그러나, 산화규소 증착 동안에 수분 수준의 증가는 또한 그 밀도(즉, 증가된 WERR(wet etch rate ratio)) 및 유전 특성(즉, 증가된 k-값)을 포함하여 증착된 막 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
발명의 요약
예시적 구체예에 따르면, 반도체 구조물을 형성시키는 방법은 규소 전구체 및 원자 산소 전구체를 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 반응시켜 기판 상에 산화규소 층을 형성시키는 것을 포함한다. 산화규소 층은 산소 함유 분위기에서 자외선(UV) 경화된다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 상기 방법은 하나 이상의 트렌치 구조물을 기판 내에 형성시키는 것을 추가로 포함하며, 여기서 하나 이상의 트렌치 구조물은 높이 대 폭의 가로세로비가 약 5:1 또는 그 초과이다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 상기 방법은 기판을 증착 챔버에 제공하고; 원자 산소 전구체를 증착 챔버 외부에서 생성시키고; 원자 산소 전구체를 챔버내로 도입하고; 규소 전구체를 증착 챔버에 도입하여 규소 전구체 및 원자 산소 전구체가 증착 챔버에서 혼합되게 하는 것을 추가로 포함한다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 원자 산소 전구체를 생성시키는 것은, 아르곤을 포함하는 기체 혼합물로부터 플라즈마를 형성시키고, 산소 전구체를 플라즈마에 도입하여 산소 전구체가 분해되어 원자 산소를 형성하는 것을 포함한다. 산소 전구체는 분자 산소, 오존 및 이산화질소로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 규소 전구체는 실란, 디메틸실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디에틸실란, 테트라메틸오르쏘실리케이트(TMOS), 테트라에틸오르 쏘실리케이트(TEOS), 옥타메틸트리실록산(OMTS), 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCTS), 테트라메틸시클로테트라실록산(TOMCATS), DMDMOS, DEMS, 메틸 트리에톡시실란(MTES), 페닐디메틸실란, 및 페닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 산화규소 층의 UV 경화는 약 20℃ 내지 약 650℃의 공정 온도를 갖는다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 산소 함유 분위기는 오존과 산소의 혼합물을 포함한다.
대안적 예시적 구체예에 따르면, 오존은 약 18% 또는 그 미만의 비율을 갖는다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 산화규소 층의 UV 경화는 약 1분 내지 약 10분의 공정 시간을 갖는다.
대안적 예시적 구체예에 따르면, 산화규소 층의 UV 경화는 약 200nm 내지 약 450nm의 UV 파장을 지닌다.
또 다른 예시적 구체예에 따르면, 반도체 구조물을 형성시키는 방법은 두개의 규소 원자를 포함하는 규소 함유 전구체를 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 하나 이상의 라디칼 질소 전구체와 상호작용시켜 기판 상에 규소-질소 함유 층을 형성시키는 것을 포함한다. 규소-질소 함유층은 산소 함유 분위내에서 UV 경화되어 산화규소 층을 형성한다.
추가의 구체예 및 특징은 하기 기재에서 일부 기술될 것이며, 부분적으로는 명세서를 숙지한 당업자들에게 자명하거나 본 발명을 실시함으로써 이해될 수 있 다. 본 발명의 특징 및 이점은 명세서에 기술된 수단, 조합, 및 방법에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
산소 함유 분위기 내에서 UV 경화 후 바람직한 막 밀도, 탄소 농도 및/또는 습식 에칭비율(WERR: wet etch rate ratio)을 갖는 산화규소 층을 형성시키는 예시적 방법이 기술된다. UV 경화는 바람직하게는 산화규소 층의 밀도를 증진시키고/거나 산화규소 층의 습식 에칭율비를 감소시킬 수 있다.
일부 예시적 방법은 규소 전구체와 원자 산소 전구체를 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 반응시켜 기판 상에 산화규소 층을 형성시키는 것을 포함한다. 산화규소 층은 산소 함유 분위기내에서 UV 경화된다. 다른 예시적 방법은 두개의 규소 원자를 포함하는 규소 함유 전구체를 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 하나 이상의 라디칼 질소 전구체와 상호작용시켜 기판 상에 규소-질소 함유층을 형성시키는 것을 포함한다. 규소-질소 함유 층은 산소 함유 분위기내에서 UV 경화되어 산화규소 층을 형성한다.
도 1은 기판 상에 산화규소 층을 형성시키는 예시적 방법을 나타내는 플로우챠트이다. 도 1에서, 기판 상에 산화규소 층을 형성시키는 방법(100)은 예를 들어 공정(102-112)을 포함할 수 있다.
공정(102)은 기판(200)(도 2a에 도시됨)과 같은 기판을 증착 챔버에 제공한다. 기판(200)은 예를 들어, 규소 기판, 제 III-V족 화합물 기판, 규소/게르마늄(SiGe) 기판, epi-기판, SOI(silicon-on-insulator) 기판, 디스플레이 기판, 예 컨대 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이, EL(electro luminescence) 램프 디스플레이, 또는 발광 다이오드(LED) 기판일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(200)은 하나 이상의 구조물, 예컨대, 트렌치 구조물, 웰, 접합체(junction), 다이오드, 트랜지스터, MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor), 층간 유전체(ILD) 구조물, 금속간 유전체(IMD) 구조물, 회로, 그 밖의 반도체 구조물 또는 이들의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 기판(200)은 반도체 웨이퍼(예를 들어, 200mm, 300mm, 400mm 등 실리콘 웨이퍼)일 수 있다. 일부 구체예에서, 기판(200)은 도 2a에 도시된 바와 같은 그 안에 형성되어 있는 트렌치(210)와 같은 하나 이상의 트렌치를 지닐 수 있다.
일부 구체예에서, 공정 (104)는 원자 산소 전구체를 증착 챔버 외부에서 생성할 수 있다. 원자 산소 전구체는 예를 들어, 분자 산소(O2), 오존(O3), 질소-산소 화합물(예를 들어, NO, NO2, N2O 등), 수소-산소 화합물(예를 들어, H2O, H2O2 등), 탄소-산소 화합물(예를 들어, CO, CO2 등)과 같은 산소 함유 전구체 뿐만 아니라 그 밖의 산소 함유 전구체, 및 전구체의 조합의 분해에 의해 생성될 수 있다.
일부 구체예에서, 원자 산소 전구체를 생성시키기 위한 산소 함유 전구체의 분해는 다른 방법 보다도 열적 분해, UV광 분해, 및/또는 플라즈마 분해에 의해 수행될 수 있다. 플라즈마 분해는 원격 플라즈마 생성 챔버에서 헬륨, 아르곤 등으로부터 플라즈마를 충돌시키고, 산소 전구체를 플라즈마에 도입시켜 원자 산소 전구체를 생성시키는 것을 포함할 수 있다.
다시 도 1과 관련하면, 공정(106)은 원자 산소 플라즈마를 증착 챔버에 도입하고, 여기서 먼저 규소 전구체와 혼합될 수 있으며, 이것이 공정(108)에 의해 증착 챔버에 도입된다. 공정(110)에서, 매우 반응성인 원자 산소 전구체가 적합한 온도(예를 들어, 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도)에서 규소 전구체(및/또는 증착 챔버내 존재할 수 있는 그 밖의 증착 전구체)와 반응하여 도 2b에 도시된 바와같은 산화규소 층을 형성할 수 있다. 일부 구체예에서, 산화규소 층(220)을 형성시키기 위한 공정 온도는 약 -10℃ 내지 약 150℃일 수 있다. 산화규소 층(220)의 형성은 트렌치(210)의 치수를 트렌치(210a)의 치수로 축소시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 공정(110)은 전체 챔버 압력이 약 0.5 Torr 내지 약 6 Torr의 압력일 수 있다.
규소 전구체는 실질적으로 탄소를 함유하지 않는 유기실란 화합물 및/또는 규소 화합물을 포함할 수 있다. 탄소를 지니지 않는 규소 전구체로는 무엇보다도 실란(SiH4)을 포함할 수 있다. 유기실란 화합물은 직접적인 Si-C 결합을 지닌 화합물 및/또는 Si-O-C 결합을 지닌 화합물을 포함할 수 있다. 유기실란 규소 전구체의 예는 무엇보다도 디메틸실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디에틸실란, 테트라메틸오르쏘실리케이트(TMOS), 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS), 옥타메틸트리실록산(OMTS), 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCTS), 테트라메틸시클로테트라실록산(TOMCATS), DMDMOS, DEMS, 메틸 트리에톡시실란(MTES), 페닐디메틸실란, 및 페닐실란을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 규소 전구체는 증착 챔버로 도입되기 전 또는 동안에 운반 기체와 혼합될 수 있다. 운반 기체는 기판 상의 산화물 막 형성을 실질적으로 방해하지 않는 불활성 기체일 수 있다. 운반 기체의 예로는 무엇보다도 헬륨, 네온, 아르곤 및 수소(H2)를 포함한다. 산화규소 층(220)의 형성에 대한 보다 자세한 사항은 그 전체 내용이 본원에 참고로 통합되는 니틴 케이. 잉글(Nitin K. Ingle) 등의 변호사 사건 번호 A010498/T69600의 공동 양도된 미국 특허 출원(발명의 명칭: "CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF HIGH QUALITY FLOW-LIKE SILICON DIOXIDE USING A SILICON CONTAINING PRECURSOR AND ATOMIC OXYGEN")에 기술되어 있다.
일부 구체예에서, 원자 산소 전구체와 규소 전구체는 증착 챔버에 도입되기 전에 혼합되지 않는다. 이들 전구체는 증착 챔버 주변에 분포된 공간적으로 분리되어 있는 전구체 유입구를 통해 챔버에 유입될 수 있다. 예를 들어, 원자 산소 전구체는 증착 챔버의 상부에, 그리고 기판 위에 직접적으로 구성되어 있는 유입구(또는 유입구들)로부터 유입될 수 있다. 유입구는 원자 산소 전구체의 흐름을 기판 증착 표면과 실질적으로 수직인 방향으로 유도한다. 다른 구체예에서, 규소 전구체는 증착 챔버의 측부 둘레에 있는 하나 또는 그 초과의 유입구로부터 유입될 수 있다. 이 유입구는 규소 전구체의 흐름을 증착 표면과 대략 평행한 방향으로 유도할 수 있다.
추가의 구체예는 다중 포트 샤워헤드의 분리된 포트를 통해 원자 산소 전구체 및 규소 전구체를 전송하는 것을 포함한다. 예를 들어, 기판 위에 위치한 샤워 헤드는 증착 챔버에 유입되는 전구체에 대한 오프닝(opening)의 패턴을 포함할 수 있다. 오프닝의 한 서브셋이 원자 산소 전구체에 제공될 수 있고, 오프닝의 제 2 서브셋이 규소 전구체에 제공될 수 있다. 상이한 셋의 오프닝을 통해 이동하는 전구체는 증착 챔버로 나갈 때까지 서로 유체적으로 분리될 수 있다. 전구체 취급 장비의 타입 및 디자인에 대한 추가의 자세한 사항은 그 전체 내용이 본원에 참고로 통합되는 2007년 5월 29일자 출원된 루보미르스키(Lubomirsky) 등의 공동 양도된 미국 특허 출원 제 11/754,924호(발명의 명칭: "PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRIC GAPFILL")에 기술되어 있다.
원자 산소 전구체 및 규소 전구체가 증착 챔버에서 반응함에 따라, 이들 전구체는 기판 상에 산화규소 층을 형성한다. 초기 산화물층은 바람직하게는 유동성을 지니며, 증착 표면에 존재하는 구조물중의 갭, 오프닝, 트렌치, 공극, 시임 등으로 빠르게 이동할 수 있다. 이는 방법(100)이 갭, 트렌치 및 그 밖의 표면 구조물 중에 공극 및 시임이 실질적으로 존재하지 않는 산화물 필(oxide fill)을 제공하도록 한다. 일부 구체예에서, 기판(200)내 형성된 트렌치(210)는 도 2a에 도시된 바와 같이 높은 높이 대 폭 가로세로비(AR) "H/W"(예를 들어, 약 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 11:1, 및 12:1 또는 그 초과의 AR)를 가질 수 있다.
특정 이론에 결부되지 않기를 바라면서, 규소 전구체 및 원자 산소 전구체는 반응하여 높은 규소-히드록실기(Si-OH) 결합 농도를 갖는 산화규소를 형성할 수 있다. 이러한 결합은 산화규소 층에 증가된 유동성을 부여할 수 있다. 초기 산화규소 층은 그 안에 소정 수준의 탄소를 함유할 수 있다. Si-OH 결합 및/또는 탄소는 WERR 및 증착된 층의 유전 상수를 증가시킬 수 있으며, 이는 증착된 산화물의 품질, 및 전기 절연체로서의 효능을 감소시킬 수 있다.
다시 도 1과 관련하면, 공정(112)은 산소 함유 분위기에서 공정(110)에 의해 형성된 산화규소 층을 UV 경화시킬 수 있다. 산소 함유 분위기는 산소(O2)와 오존(O3)의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 혼합물 중 오존은 약 18% 또는 그 미만의 비율을 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합물 중 오존은 약 12%일 수 있다. 공정(112)은 약 20℃ 내지 약 650℃의 공정 온도를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 공정(112)는 약 1분 내지 약 10분의 공정 시간을 가질 수 있다. 일 구체예에서, 공정 시간은 약 10분이다. UV 경화는 약 200nm 내지 약 450nm의 UV 파장을 이용할 수 있다. 일부 구체예에서, UV 경화는 어플라이드 머티이얼스(Applied Materials, Santa Clara, California)로부터 입수할 수 있는 프로듀서 SE™ 메인프레임(Producer SE™ mainframe)의 나노큐어™ UV 트윈 챔버(NanoCure™ UV twin chamber)에서 수행될 수 있다.
공정(112)은 도 2c에 도시된 바와 같이 산화규소 층(220)을 산화규소 층(220a)으로 농후하게 할 수 있다. 공정(112)은 산화규소 층(220)내에서 Si-OH 결합의 농도 및/또는 탄소의 농도를 감소시킬 수 있다. 몇몇 실험이 수행되었으며, 그 결과가 표 1 및 2에 기재된다.
표 1
Figure 112008073327701-pat00001
표 1에서, 전구체 A 및 B는 예를 들어, 도 1과 관련하여 상기 기술된 공정(100-110)에 의해 형성된 상이한 탄소 농도를 갖는 산화규소 층이다. 전구체 B는 전구체 A보다 탄소 수준이 더 높다. "전구체 A"로 표시된 산화규소 층을 약 390℃의 공정 온도에서 질소(N2) 경화, UV-Ar 경화, UV-O3 경화와 같은 상이한 경화로 처리하였다. 탄소 농도가 약 1.4(증착된 그대로(As-dep.))로부터 거의 O(UV-O3)에 가깝게 감소한 것으로 나타났다. 산화물 층의 WERR은 약 35(As-dep.)로부터 약 5.8로 감소하였다. 증착된 그대로의 산화규소 층의 밀도(1.7939)는 약 1.9600(UV-O3 경화)로 증가하였다.
전구체 A보다 더 높은 탄소 수준을 갖는 전구체 B에 있어서, 산화물 층의 탄 소 농도는 6.6(As-dep.)로부터 실질적으로 0(UV-O3)에 가깝게 감소하였다. WERR은 30(As-dep.)로부터 약 5.0으로 감소하였다. 증착된 그대로의 산화규소 층의 밀도(1.4912)는 약 2.0022(UV-O3 경화)로 증가하였다. 따라서, UV-O3 경화는 증착된 그대로의 산화규소 층을 농후하게 하고, 바람직하게는 산화규소 층의 WERR을 감소시킬 수 있다.
표 1에 따르면, 또한 UV-O3 경화된 산화규소 층이 UV-Ar 경화된 산화규소 층 또는 N2 경화된 산화규소 층보다 높은 밀도를 갖는 것으로 나타났다. UV-O3 경화된 산화규소 층은 UV-Ar 경화된 산화규소 층 또는 N2 경화된 산화규소 층보다 낮은 WERR을 갖는다.
표 2
Figure 112008073327701-pat00002
표 2에서, "전구체 A"로 표시된 산화규소 층은 상이한 온도, 예를 들어, 100 ℃, 300℃, 390℃ 및 500℃에서 UV-O3 경화 처리하였고, "전구체 B"로 표시된 산화규소 층은 상이한 온도, 예를 들어, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃ 및 500℃에서 UV-O3 경화 처리하였다. UV-O3 경화에 의해 약 100℃의 공정 온도에서 산화규소 층의 바람직한 밀도 및 WERR을 달성할 수 있는 것으로 나타났다.
도 2d는 예시적 STI 구조물을 도시한 단면도이다. 도 2d에서, 고밀도 플라즈마 화학적 증기 증착(HDP CVD) 층과 같은 유전층(230)을 경화된 산화규소 층(220a) 상에 형성시켰다. 경화된 산화규소 층(220a)은 트렌치(210)의 측벽에서보다 트렌치(210)의 저부 영역에서 더 큰 두께를 갖기 때문에, 트렌치(210a)의 가로세로비는 바람직하게 감소될 수 있다. 따라서, 유전층(230)은 유전층(230) 내에 시임, 갭 또는 공극을 실질적으로 형성시키지 않으면서 트렌치(210a)내에 형성되고 충진될 수 있다.
일부 구체예에서, 유전층(230)은 어닐 공정(미도시됨)과 같은 열적 처리가 이루어질 수 있다. 열적 처리는 바람직하게는 유전층(230)을 농후하게 할 수 있다. 다른 구체예에서, 유전층(230)을 형성시키는 공정 및 열적 처리는 선택적일 수 있다. 산화규소 층(220)(도 2b에 도시됨)이 형성될 수 있고, 실질적으로 트렌치(210)를 충진시킬 수 있다.
도 3은 기판 상에 산화규소 막을 형성시키기 위한 또 다른 예시적 방법을 도시한 단순화된 플로우 챠트이다. 도 3에서, 방법(300)은 도 4와 관련하여 하기 기술되는 화학 반응 공정을 이용하여 산화규소 막을 형성시킬 수 있다. 예시적 방 법(300)은 추가의 단계(미도시됨)가 추가될 수도 있는 비전면적 일련의 단계를 포함할 수 있다. 당업자들은 많은 변경, 변형 및 대안을 인지할 것이다. 일부 구체예에서, 방법(300)은 증착 챔버(302)에 기판을 제공하고, 분자 골격내 하나 이상의 Si-Si 결합을 지닌 하나 또는 그 초과의 규소 함유 전구체를 증착 챔버(304)에 도입시키는 것을 포함할 수 있다. 방법(300)은 하나 또는 그 초과의 라디칼 질소 전구체(306)를 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 라디칼 질소 전구체가 증착 챔버에 결합된 원격 암모니아 플라즈마 시스템에서 형성될 수 있다.
방법(300)은 하나 또는 그 초과의 라디칼 전구체를 증착 챔버(308)에 도입시키는 것을 포함할 수 있다. 방법(300)은 하나 또는 그 초과의 라디칼 질소 전구체 와 하나 또는 그 초과의 규소 함유 전구체(310)를 반응시켜 기판 상에 Si-N(H)-Si 결합을 갖는 유동성 유전막을 형성할 수 있다. 일부 구체예에서, 공정(310)은 약 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도를 가질 수 있다.
일부 구체예에서, CVD 공정에 사용된 하나 또는 그 초과의 규소 함유 전구체는 분자 골격에 다수개의 히드록실기를 포함한다. 히드록실기는 통상적인 SOG(Spin-on-Glass) 막과 유사한 유동형(flow-like) 특성을 제공하는 CVD 증착 막에 보유된다. 유동형 특성으로 인해, 방법(300)에 기초한 CVD 증착 막은 증착 동안에 기판 갭 또는 트렌치의 저부에서 축적되는 경향이 있어, 갭필(gapfill) 또는 STI 트렌치의 중심 주변의 공극 발생을 감소시킨다. 또 다른 구체예에서, 분자 골격에 하나 이상의 Si-Si 결합을 갖는 하나 또는 그 초과의 규소 함유 전구체는 디실란 및/또는 폴리실란 전구체를 포함한다. 디실란은 그 분자 골격에 단일의 Si- Si 단위를 갖지만, 폴리실란은 다수개의 Si-Si 결합을 가질 수 있다. 예를 들어, 알콕시 디실란, 알콕시-알킬 디실란, 및 알콕시-아세톡시 디실란을 포함하는, 상이한 치환기를 갖는 디실란이 사용될 수 있다. 추가의 예로, 보다 높은 동족체를 갖는 디실란 또한 사용될 수 있다. 당업자들이 디- 및 폴리실란 전구체를 선택함에 있어서, 많은 대안, 변경, 및 변형을 인지할 수 있음은 물론이다.
일부 구체예에서, 방법(300)에 사용된 반응성 질소 종(예컨대, -N, -NH 및 -NH2)이 암모니아(NH3)를 원격 플라즈마 시스템에 도입시킴으로써 생성될 수 있다. 원격 플라즈마 시스템은 증착 챔버에 결합되는 별도의 챔버를 포함할 수 있다. 원격 플라즈마 시스템에서 암모니아의 분해는 라디칼 질소 전구체, 예컨대, NH 또는 NH2와 같은 히드로니트렌 라디칼을 생성한다. 원자 수소(H) 라디칼 또한 생성될 수 있다. 예를 들어, 히드로니트렌 및 수소 라디칼은 방법(300)의 공정(306)에서 생성된다. 이후, 라디칼 질소 전구체는 하나 또는 그 초과의 규소 함유 전구체가 독립적으로 도입된 증착 챔버로 옮겨질 수 있다. 예를 들어, 반응성 질소 전구체는 샤워헤드를 통해 옮겨질 수 있고, 규소 전구체는 다수의 플루팅된 노즐을 통해 도입된다. 규소-산소 함유층을 형성시키는 것에 대한 자세한 사항은 그 전체 내용이 본원에 참고 문헌으로 통합되는, 아브지지트 바수 말릭(Abjijit Basu Mallick) 등의 변호사 사건 번호 016301/078800US의 공동 양도된 미국 특허 출원(발명의 명칭: "HIGH QUALITY SILOCON OXIDE FILMES BY REMOTE PLASMA CVD FROM DISILANE PRECURSORS")에 기술된다.
규소-산소 함유층의 형성 이후, 방법(300)은 산소 함유 분위기내에서 CVD 증착된 유동성 유전막을 산화규소 막으로 UV 경화(312) 시키는 것을 포함할 수 있다. UV 경화(312)는 CVD 증착 막으로부터 일부 히드록실기의 제거로 인해 막 수축을 방해하는 Si-N(H)-Si 결합의 Si-O-Si 결합의 전환으로 인해 막 팽창을 포함할 수 있다. 이에 따라, 막 팽창 및 수축의 균형이 조밀한, 공극 비함유의 산화규소막을 유도하고, 이러한 막은 또한 증착 및 어닐링 동안에 도입되는 응력으로 인한 크래킹의 가능성이 감소된다.
일부 구체예에서, UV 경화(312)는 도 1과 관련하여 상기 기술된 UV 경화(112)와 유사할 수 있다. 도 2d와 관련하여 기술된 공정은 도 3에서 도시된 방법(300)과 협동할 수 있다. 당업자들은 목적하는 반도체 구조물을 얻기 위해 공정 플로우를 변경할 수 있다.
도 4는 규소 전구체의 Si-Si 결합을 Si-N(H)-Si 결합으로 전환시킨 후, 확장하여 Si-O-Si 결합으로 전환시키는 예시적 화학 반응 공정을 개략적으로 도시한 구성이다. 이러한 도표는 단지 예시일 뿐이며, 본원의 특허청구범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자들은 다른 변경, 변형 및 대안을 인지할 것이다. 도시된 바와 같이, 화학 반응은 CVD(화학적 증기 증착) 공정이며, 이 공정 동안 하나 이상의 Si-Si 결합을 갖는 규소 함유 전구체가 원격 플라즈마(즉, 유동성 Si-N(H)-Si 막의 증착과는 별도로 형성된 플라즈마)의 암모니아 분해로부터 생성된 라디칼 질소 종과 혼합된다. CVD 공정은 규소 전구체(또는 전구체들)의 Si-Si 결합을 Si- N(H)-Si 결합으로 전환시킨다. 이후, Si-N(H)-Si 결합은 후속되는 UV-O3 경화 동안에 Si-O-Si 결합으로 전환되고, 이때 예를 들어, 산소 함유(예를 들어, 산소와 오존의 혼합물) 분위기에서 어닐링이 이루어질 수 있다.
일부 구체예에서, CVD 공정은 두개 이상의 반응물을 독립적으로 증착 챔버에 도입시키고, 이러한 반응물이 선결된 조건에서 반응되도록 하는 것을 포함한다. 일 구체예에서, 제 1 반응물은 알콕시 디실란, 알콕시-알킬 디실란, 알콕시-아세톡시 디실란 및 폴리실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 전구체 중 어느 한 타입일 수 있다. 예를 들어, 알콕시 디실란은 Si2(EtO)6 에톡시 디실란, Si2(MeO)6 메톡시 디실란, 및 Si6(MeO)6 메톡시 시클로헥실실란을 포함하며, 여기서 Et는 에틸기(C2H6)를 나타내고, Me는 메틸기(CH3)를 나타낸다. 또 다른 예로, 알콕시-알킬 디실란은 Si2(EtO)4(Me)2 테트라에톡시-디메틸 디실란, Si2(EtO)4(Et)2 테트라에톡시-디에틸 디실란, Si2(EtO)2(Me)4 디에톡시-테트라메틸 디실란, Si2(MeO)4(Me)2 테트라메톡시-디메틸 디실란, 및 Si4O2(Me)8 메틸 시클로헥실실록산, Si6(MeO)6(Me)6메톡시-메틸 시클로헥실실란, Si4O2(H2)4 히드로시클로헥실실란을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 알콕시-아세톡시 디실란은 Si2(AcO)6 아세톡시 디실란, Si2(Me)4(AcO)2 테트라메틸-디아세톡시 디실란, 및 Si2(Me)2(AcO)4 디메틸-테트라아세톡시 디실란을 포함할 수 있으며, 여기서 Ac는 아세틸기를 나타낸다. 또 다른 예로서, 폴리실란은 시클로펜 틸실란 또는 그 밖의 치환치를 포함한다. 상기 언급된 이러한 전구체 중 어느 하나가 CVD 공정에 대한 다른 반응물 중 어느 하나에 접하지 않고 증착 챔버로 공급될 수 있다.
또 다른 구체예에서, CVD 공정에 대한 다른 반응물은 원격 암모니아 플라즈마로부터 생성된 라디칼 질소 종을 포함하는 제 2 반응물일 수 있다. 예를 들어, 라디칼 질소 종은 질소 이온, 히드로니트렌 라디칼 NHx(여기서, x=1, 또는 2)을 포함할 수 있다. 이러한 디실란 또는 폴리실란 기재 전구체의 분자 골격에는, 매우 반응성인 하나 이상의 Si-Si 결합이 존재하기 때문에, CVD 공정은 히드록실기 및 탄소 기재 종 이외에, 다수의 Si-N(H)-Si 결합을 함유하는 생성물을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 생성물은 기판 상에 증착된 질화탄소규소(silicon carbon nitride) 막이다. CVD 증착된 질화탄소규소 막은 이러한 히드록실기 및 탄소 기재 종의 존재로 인해 무정형이고 유동성을 갖는다.
일부 구체예에서, 이후의 산소 함유 분위기내에서의 UV-O3 경화는 질화탄소규소와 산소(O) 간에 또 다른 화학 반응을 유도한다. 이러한 반응은 산화 공정이며, 여기서 질화탄소규소 막내 Si-N(H)-Si 결합이 Si-O-Si 결합으로 전환되어, 산화규소 막을 형성시킨다. 한 측의 생성물은 NH3 암모니아를 포함할 수 있으며, 이는 챔버에 대해 구비된 배기 시스템을 통해 즉각적으로 펌핑되어 나갈 수 있다.
값의 범위로 기재되는 경우, 각각의 문장에서 분명히 다르게 명시하지 않는 한, 그 범위의 상한과 하한 사이에 하한의 1/10 단위에 대한 각각의 개재 값이 또 한 특별히 기술되는 것으로 이해해야 한다. 언급된 범위에서 임의의 언급된 값 또는 개재 값과, 그러한 언급된 범위에서 임의의 다른 명시되거나 개재된 값 사이의 각각의 보다 작은 범위는 본 발명에 포함된다. 이러한 보다 작은 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 그 범위에 포함되거나 배제될 수 있으며, 상한 및 하한 둘 모두, 어느 하나가 보다 작은 범위내에 포함되거나, 둘 모두 포함되지 않는 각각의 범위 또한 언급된 범위에서 임의의 구체적으로 배제되는 제한을 받은 본 발명에 포함된다. 명시된 범위가 하나 또는 둘 모두의 한계치를 포함하는 경우, 그러한 포함되는 한계치 중 어느 하나 또는 둘 모두를 배제한 범위 또는 본 발명에 포함된다.
본원 및 첨부되는 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 다르게 명시되지 않는 한 복수도 포함한다. 따라서, 예를 들어, "공정"은 다수의 공정을 포함하며, "노즐"에 대한 것은 당업자들에게 공지된 하나 또는 그 초과의 노즐 및 등가물에 대한 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서 및 하기 특허청구범위에서 사용되는 경우, 용어 "포함한다" 및 "포함하는"은 명시된 특징, 정수, 구성 요소, 또는 단계의 존재를 특정하고자 하지만, 하나 또는 그 초과의 다른 특징, 정수, 구성 요소, 단계 또는 군(group)의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다.
일부 예시적 구체예의 특성은 명세서의 나머지 부분 및 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 유사 구성 요소를 언급하기 위해 몇몇 도면에 대해 유사 도면 부호가 사용된다. 일부 예에서, 서브라벨은 참조 번호와 관련되며, 하이픈이 붙어 다수의 유사 구성요소중 어느 하나를 표시한다. 존재하는 서브라벨에 대해 상세한 설명 없이 참조 번호로 참조가 이루어지는 경우, 이러한 다중 유사 구성요소 전부를 나타내는 것으로 의도된다.
도 1은 기판 상에 이산화규소 층을 형성시키기 위한 예시적 방법을 보여주는 플로우챠트이다.
도 2a-2d는 STI(shallow trench isolation) 구조물을 형성시키는 예시적 방법을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 3은 기판 상에 산화규소 막을 형성시키는 예시적 방법을 보여주는 단순화된 플로우 챠트이다.
도 4는 규소 전구체 내 Si-Si 결합을 Si-N(H)-Si 결합으로 이후 확장하여 Si-O-Si 결합으로 전환시키는 예시적 화학 반응 공정을 도시한 구성이다.

Claims (24)

  1. 규소 전구체 및 원자 산소 전구체를 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 반응시켜 기판 상에 산화규소 층을 형성시키고,
    산화규소 층을 오존 함유 분위기 내에서 UV-O3 경화시키는 것을 포함하여, 반도체 구조물을 형성시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 기판 내에 하나 이상의 트렌치(trench) 구조물을 형성하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 하나 이상의 트렌치 구조물의 높이 대 폭의 가로세로비가 5:1 또는 그 초과인 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 기판을 증착 챔버에 제공하고,
    원자 산소 전구체를 증착 챔버 외부에서 생성시키고,
    원자 산소 전구체를 챔버에 도입시키고,
    규소 전구체를 증착 챔버에 도입시켜서 규소 전구체 및 원자 산소 전구체가 증착 챔버에서 혼합되게 하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 원자 산소 전구체의 생성이
    아르곤을 포함하는 기체 혼합물로부터 플라즈마를 형성시키고,
    산소 전구체를 플라즈마에 도입하여 산소 전구체가 분해되어 원자 산소를 형 성하게 하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 산소 전구체가 분자 산소, 오존 및 이산화질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 규소 전구체가 실란, 디메틸실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디에틸실란, 테트라메틸오르쏘실리케이트(TMOS), 테트라에틸오르쏘실리케이트(TEOS), 옥타메틸트리실록산(OMTS), 옥타메틸시클로테트라실록산(OMCTS), 테트라메틸시클로테트라실록산(TOMCATS), DMDMOS, DEMS, 메틸 트리에톡시실란(MTES), 페닐디메틸실란, 및 페닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 산화규소 층의 UV-O3 경화가 20℃ 내지 650℃의 공정 온도를 갖는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 오존 함유 분위기가 오존과 산소의 혼합물을 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 오존이 18% 또는 그 미만의 비율을 갖는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 산화규소 층의 UV-O3 경화가 1 분 내지 10분의 공정 시간을 갖는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 산화규소 층의 UV-O3 경화가 200nm 내지 450nm의 UV 파장을 갖는 방법.
  12. 두개의 규소 원자를 포함하는 규소 함유 전구체를 150℃ 또는 그 미만의 공정 온도에서 하나 이상의 라디칼 질소 전구체와 상호작용시켜 기판 상에 규소-질소 함유 층을 형성시키고,
    규소-질소 함유층을 산소 함유 분위기내에서 UV 경화시켜 산화규소 층을 형성시키는 것을 포함하여, 반도체 구조물을 형성시키는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 암모니아를 원격 플라즈마 시스템에서 플라즈마에 노출시킴으로써 하나 이상의 라디칼 질소 전구체를 생성시키는 것을 추가로 포함하며, 여기서 암모니아의 일부 또는 전부가 라디칼 질소 전구체로 분해되는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 라디칼 질소 전구체의 화학식이 NHx이고, 여기서 x는 0, 1, 또는 2인 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 규소 함유 전구체가 디실란 전구체 또는 폴리실란 전구체 를 포함하는 방법.
  16. 제 12항에 있어서, 규소 함유 전구체가 알콕시 디실란, 알콕시-알킬 디실란 및 폴리실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  17. 제 12항에 있어서, 규소-질소 함유 층이 질화탄소규소(silicon carbon nitride) 막을 포함하는 방법.
  18. 제 12항에 있어서, 규소 및 질소 함유 층이 Si-N(H)-Si 결합 함유 층을 포함하는 방법.
  19. 제 12항에 있어서, 산화규소 층의 UV 경화가 20℃ 내지 650℃의 공정 온도를 갖는 방법.
  20. 제 12항에 있어서, 산소 함유 분위기가 오존과 산소의 혼합물을 포함하는 방법.
  21. 제 12항에 있어서, 오존이 18% 또는 그 미만의 비율을 갖는 방법.
  22. 제 12항에 있어서, 산화규소 층의 UV 경화가 1 분 내지 10 분의 공정 시간을 갖는 방법.
  23. 제 12항에 있어서, 산화규소 층의 UV 경화가 200nm 내지 450nm의 UV 파장을 갖는 방법.
  24. 제 12항에 있어서, 기판 내에 하나 이상의 트렌치 구조물을 형성하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 하나 이상의 트렌치 구조물의 높이 대 폭의 가로세로비가 5:1 또는 그 초과인 방법.
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