KR102084901B1 - Plasma activated conformal dielectric film deposition - Google Patents
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Abstract
기판 표면 상에 막을 증착하는 방법은 막이 반응물 흡착 및 반응의 하나 이상의 사이클에 걸쳐서 성장하는 표면 매개형 반응들을 포함한다. 일 양태에서, 이 방법은 흡착 및 반응의 사이클들 간에 막으로 도펀트 종들을 단속적으로 전달하는 것을 특징으로 한다. Methods of depositing a film on a substrate surface include surface mediated reactions in which the film grows over one or more cycles of reactant adsorption and reaction. In one aspect, the method is characterized by intermittent delivery of dopant species to the membrane between cycles of adsorption and reaction.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조Cross Reference to Related Applications
본원은 2010년 4월 15일자에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/324,710; 2010년 8월 10일자에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/372,367; 2010년 9월 1일자에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/379,081; 및 2010년 11월 29일자에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/417,807 을 우선권으로 주장하는, 2011년 4월 11일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/084,399의 일부 추가 계속 출원으로서의 우선권을 35 U.S.C.§120 하에서 주장한다. 이러한 출원 문헌들은 각각 그 전체 내용이 모든 목적을 위해서 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 또한, 본원은 2011년 4월 11일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/084,305의 일부 추가 계속 출원이며, 이 출원 문헌도 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.This application is directed to US Provisional Patent Application No. 61 / 324,710, filed April 15, 2010; United States Provisional Patent Application 61 / 372,367, filed August 10, 2010; United States Provisional Patent Application No. 61 / 379,081, filed September 1, 2010; And US Pat. Appl. No. 61 / 417,807, filed Nov. 29, 2010, as a priority for some additional continuing applications of US Patent Application No. 13 / 084,399, filed April 11, 2011. 35 USC Claim under §120. Each of these application documents is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes. In addition, this application is part of a further continuing application of US Patent Application No. 13 / 084,305, filed April 11, 2011, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
반도체 디바이스들 (devices) 을 위한 다양한 박막 층들이 ALD (atomic layer depostion) 공정들을 사용하여서 증착될 수 있다. 그러나, 기존의 ALD 공정들은 매우 컨포멀한 (highly conformal) 유전체 막들을 증착하는데 적합하지 않을 수 있다.Various thin film layers for semiconductor devices can be deposited using atomic layer depostion (ALD) processes. However, existing ALD processes may not be suitable for depositing highly conformal dielectric films.
본 명세서에서 개시된 다양한 양태들은 기판 표면 상에 막을 증착하는 방법들 및 장치에 관한 것이다. 특정 실시예들에서, 이 방법은 하나 이상의 반응물 흡착 및 반응 사이클에 걸쳐서 막이 증착되는, 표면 매개된 반응들 (surface mediated reactions) 에 의해서 막을 증착하는 바를 포함한다. 일 양태에서, 이 방법은 흡착 및 반응 사이클들 간에서 막에 도펀트 종들을 단속적으로 전달하는 것을 특징으로 한다. 몇몇 시점에서, 도펀트 종들이 기판의 영역들을 도핑하도록 기판 표면에 걸쳐서 추동될 (driven) 수 있다. Various aspects disclosed herein relate to methods and apparatus for depositing a film on a substrate surface. In certain embodiments, the method includes depositing the film by surface mediated reactions, in which the film is deposited over one or more reactant adsorption and reaction cycles. In one aspect, the method is characterized by intermittent delivery of dopant species to the membrane between adsorption and reaction cycles. At some point, dopant species may be driven across the substrate surface to dope regions of the substrate.
일 양태에서, 개시된 방법은 반응 챔버 내에서 기판 표면 상에 막을 증착한다. 이 방법은 (a) 제 1 반응물이 상기 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 조건들 하에서 상기 제 1 반응물을 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; (b) 상기 제 1 반응물이 상기 기판 표면 상에 흡착된 동안에 상기 반응 챔버 내에 제 2 반응물을 도입시키는 동작; (c) 상기 막의 일부를 형성하도록 상기 기판 표면 상의 상기 제 1 반응물과 상기 제 2 반응물 간의 반응을 일으키게 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 동작; (d) (a) 내지 (c) 를 적어도 1 회 반복하는 단계; (e) (a) 내지 (d) 동안에 도입되지 않은 도펀트 함유 재료가 상기 막의 노출된 표면과 접촉되게 하는 조건들 하에서 상기 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; 및 (f) 상기 도펀트 함유 재료로부터의 도펀트를 상기 막 내로 도입시키는 동작을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다. 상기 도펀트를 상기 막 내로 도입시키는 동작은 상기 도펀트 함유 재료를 플라즈마에 노출시키는 동작을 포함한다.In one aspect, the disclosed method deposits a film on a substrate surface in a reaction chamber. The method includes the steps of (a) introducing the first reactant into the reaction chamber under conditions such that the first reactant is adsorbed onto the substrate surface; (b) introducing a second reactant into the reaction chamber while the first reactant is adsorbed on the substrate surface; (c) exposing the substrate surface to plasma to cause a reaction between the first reactant and the second reactant on the substrate surface to form a portion of the film; (d) repeating (a) to (c) at least once; (e) introducing the dopant containing material into the reaction chamber under conditions such that dopant containing material not introduced during (a) to (d) is in contact with the exposed surface of the film; And (f) introducing a dopant from the dopant containing material into the film. Introducing the dopant into the film includes exposing the dopant containing material to a plasma.
다양한 구현예들에서, 이 방법은 상기 막으로부터의 상기 도펀트를 상기 막이 상주하는 상기 기판 표면의 피처들 내로 추동시키는 (driving) 동작을 더 포함한다. 상기 막으로부터의 상기 도펀트를 추동시키는 동작은 상기 막을 어닐링함으로써 달성될 수도 있다. 몇몇 애플리케이션들에서, 상기 막은 기판 표면의 3차원 피처 상에 상주하며, 상기 막으로부터 도펀트를 추동시키는 동작은 피처 내로의 도펀트의 컨포멀 확산을 제공한다. 특정 애플리케이션에서, 피처는 약 40 나노미터보다 크지 않은 폭을 갖는다.In various implementations, the method further includes driving the dopant from the film into features of the substrate surface on which the film resides. Driving the dopant from the film may be accomplished by annealing the film. In some applications, the film resides on a three-dimensional feature of the substrate surface, and the act of driving the dopant from the film provides conformal diffusion of the dopant into the feature. In certain applications, the feature has a width no greater than about 40 nanometers.
특정 구현예들에서, 상기 막은 유전체 막이다. 몇몇 경우에, 총 막 두께는 약 10 내지 100 옹스트롬이다. 다양한 실시예들에서, 상기 막 내의 도펀트의 농도는 약 0.01 내지 10 중량 퍼센트이다.In certain embodiments, the film is a dielectric film. In some cases, the total film thickness is about 10 to 100 angstroms. In various embodiments, the concentration of dopant in the film is about 0.01 to 10 weight percent.
특정 실시예들에서, 이 양태의 방법은 (e) 또는 (f) 후에 (a) 내지 (c) 를 반복하는 동작을 더 포함한다. 특정 실시예들에서, 이 양태의 방법은 (a) 내지 (e) 를 반복하는 동작을 더 포함한다. 몇몇 구현예들에서, (a) 내지 (c) 동안에 증착된 막의 양은 약 0.5 내지 1 옹스트롬이다.In certain embodiments, the method of this aspect further includes repeating (a) to (c) after (e) or (f). In certain embodiments, the method of this aspect further includes repeating (a) through (e). In some embodiments, the amount of film deposited during (a) to (c) is about 0.5 to 1 angstrom.
특정 실시예들에서, 이 방법은 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 동작 이전에 상기 반응 챔버로부터 상기 제 2 반응물을 퍼지 (purge) 하는 동작을 더 포함한다. 상기 퍼지하는 동작은 산화제를 포함하는 가스를 상기 반응 챔버 내로 흐르게 함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 상기 제 1 반응물 및 상기 제 2 반응물은 상기 반응 챔버 내에 기상 (vapor phase) 으로 공존하며, 상기 제 1 반응물 및 상기 제 2 반응물은 (c) 에서 플라즈마에 노출될 때까지 상기 반응 챔버 내에서 인식할 수 있을 정도로 (appreciably) 서로 반응하지 않는다.In certain embodiments, the method further includes purging the second reactant from the reaction chamber prior to the operation of exposing the substrate surface to a plasma. The purging operation may be accomplished by flowing a gas containing an oxidant into the reaction chamber. In some embodiments, the first reactant and the second reactant coexist in a vapor phase in the reaction chamber, wherein the first reactant and the second reactant are exposed until the plasma is exposed in (c). They do not react with each other appreciably within the reaction chamber.
특정 실시예들에서, 상기 제 1 반응물은 예를 들어 아산화질소와 같은 산화제이다. 특정 실시예들에서, (i) 상기 제 2 반응물은 SiHx(NR2)4-x이며 x = 1 내지 3이며 R은 알킬 그룹들을 포함하는 알킬아미노 실란들 (alkylamino silanes) ; 또는 (ii) SiHxY4-x이며 x = 1 내지 3이며 Y 는 Cl, Br, 및 I를 포함하는 할로실란들 (halosilanes) 와 같은 유전체 프리커서이다. 특정 실시예에서, 상기 제 2 반응물은 BTBAS이다. 특정 실시예들에서, 상기 도펀트 함유 재료는 포스핀, 아르신, 알킬보란, 알킬 갈란 (gallane), 알킬포스핀, 할로겐화 인 (phosphorus halide), 할로겐화 비소 (arsenic halide), 할로겐화 갈륨 (gallium halide), 할로겐화 붕소 (boron halide), 알킬보란 (alkylborane) 또는 디보란이다.In certain embodiments, the first reactant is an oxidant such as, for example, nitrous oxide. In certain embodiments, (i) the second reactant is SiH x (NR 2 ) 4-x with x = 1 to 3 and R is alkylamino silanes comprising alkyl groups; Or (ii) SiH x Y 4-x with x = 1 to 3 and Y is a dielectric precursor, such as halosilanes comprising Cl, Br, and I. In certain embodiments, the second reactant is BTBAS. In certain embodiments, the dopant containing material is phosphine, arsine, alkylborane, alkyl gallane, alkylphosphine, phosphorus halide, arsenic halide, gallium halide , Boron halide, alkylborane or diborane.
다른 양태에서, 개시된 방법은 반응 챔버 내에서 기판 표면 상에 유전체 막을 증착한다. 이 방법은 (a) 제 1 반응물이 상기 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 조건들 하에서 산화제를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; (b) 상기 산화제가 상기 반응 챔버로 흐르는 동안에 상기 반응 챔버 내에 유전체 프리커서를 도입시키는 동작; (c) 상기 유전체 막의 일부를 형성하도록 상기 기판 표면 상의 상기 산화제와 상기 유전체 프리커서 간의 반응을 일으키게 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 동작; (d) (a) 내지 (c) 동안에 도입되지 않은 도펀트 함유 재료가 상기 막의 노출된 표면과 접촉되게 하는 조건들 하에서 상기 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; 및 (e) 상기 도펀트 함유 재료로부터의 도펀트를 상기 유전체 막 내로 포함시키는 동작을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 유전체 프리커서는 BTBAS이거나 선행 양태에서 특정된 바와 같은 다른 프리커서이다.In another aspect, the disclosed method deposits a dielectric film on a substrate surface in a reaction chamber. The method includes the steps of (a) introducing an oxidant into the reaction chamber under conditions such that a first reactant is adsorbed onto the substrate surface; (b) introducing a dielectric precursor into the reaction chamber while the oxidant flows into the reaction chamber; (c) exposing the substrate surface to plasma to cause a reaction between the oxidant on the substrate surface and the dielectric precursor to form a portion of the dielectric film; (d) introducing the dopant containing material into the reaction chamber under conditions such that dopant containing material not introduced during (a) to (c) is in contact with the exposed surface of the film; And (e) including the dopant from the dopant containing material into the dielectric film. In one embodiment, the dielectric precursor is BTBAS or another precursor as specified in the preceding embodiments.
또한, 이 방법은 동작 (a) 내지 동작 (c) 가 1 회 이상 반복되는 것을 요구할 수도 있다. 특정 실례에서, 상기 산화제는 (a) 가 처음 수행되는 때에 질소에 대한 산소의 제 1 비를 포함하며, 상기 산화제는 (a) 가 후속하여서 수행된 때에 질소에 대한 산소의 제 2 비를 포함한다. 상기 제 2 비는 상기 제 1 비보다 작다. 예를 들어서, 상기 산화제는 (a) 가 처음 수행되는 때에 원소 산소 (elemental oxygen) 를 포함하며, 상기 산화제는 (a) 가 반복되는 때에 아산화질소를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 기판은 (c) 가 처음 수행되는 때에 제 1 온도에 있으며, 상기 기판은 (c) 가 반복되는 때에 제 2 온도에 있으며, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 높다.In addition, this method may require that operations (a) to (c) are repeated one or more times. In a particular example, the oxidant comprises a first ratio of oxygen to nitrogen when (a) is first performed and the oxidant comprises a second ratio of oxygen to nitrogen when (a) is subsequently performed . The second ratio is smaller than the first ratio. For example, the oxidant includes elemental oxygen when (a) is first performed and the oxidant includes nitrous oxide when (a) is repeated. In some embodiments, the substrate is at a first temperature when (c) is first performed, the substrate is at a second temperature when (c) is repeated, and the second temperature is higher than the first temperature. .
몇몇 경우들에서, 이 방법은 상기 도펀트를 상기 유전체 막으로부터 상기 기판 내로 추동시키는 동작을 더 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 이 방법은 (a) 이전에 상기 기판 표면을 상기 도펀트 함유 재료와 접촉시키는 동작을 더 포함한다.In some cases, the method further includes driving the dopant from the dielectric film into the substrate. In some embodiments, the method further includes contacting the substrate surface with the dopant containing material prior to (a).
다른 양태에서, 개시된 방법은 동작들에 따라서 반응 챔버 내에서 기판 표면 상에 유전체 막을 증착하는데, 상기 동작들은 (a) 유전체 프리커서가 상기 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 조건들 하에서 상기 유전체 프리커서를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; (b) 이후에, 상기 유전체 프리커서가 상기 기판 표면 상에 흡착된 상태에서 상기 반응 챔버로부터 상기 유전체 프리커서를 퍼지하는 동작; (c) 상기 유전체 막의 일부를 형성하도록 상기 기판 표면 상의 상기 유전체 프리커서의 반응을 일으키게 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 동작; 및 (d) (a) 내지 (c) 동안에 도입되지 않은 도펀트 프리커서가 상기 유전체 막의 일부와 접촉되게 하는 조건들 하에서 상기 도펀트 프리커서를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는동작을 포함한다. 몇몇 구현예들에서, 이 방법은 (a) 내지 (c) 이전 및 동안에 산화제를 상기 반응 챔버 내로 흐르게 하는 동작을 더 포함한다. 몇몇 경우들에서, 이 방법은 상기 유전체 막 내로 도펀트를 포함시키도록 상기 도펀트 프리커서를 반응시키는 동작을 더 포함한다.In another aspect, the disclosed method deposits a dielectric film on a substrate surface in a reaction chamber in accordance with operations wherein the operations comprise (a) allowing the dielectric precursor to adsorb onto the substrate surface. Introducing into the reaction chamber; (b) thereafter, purging the dielectric precursor from the reaction chamber with the dielectric precursor adsorbed on the substrate surface; (c) exposing the substrate surface to plasma to cause a reaction of the dielectric precursor on the substrate surface to form a portion of the dielectric film; And (d) introducing the dopant precursor into the reaction chamber under conditions that cause a dopant precursor not introduced during (a) to (c) to come into contact with a portion of the dielectric film. In some embodiments, the method further includes flowing an oxidant into the reaction chamber before and during (a) to (c). In some cases, the method further includes reacting the dopant precursor to include the dopant into the dielectric film.
또 다른 양태는 기판 표면 상에 도핑된 막을 증착하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 도핑된 유전체 막의 증착 동안에 기판을 홀딩하기 위한 디바이스를 포함하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연통된 하나 이상의 프로세스 가스 유입구들; 및 제어기와 같은 특징부들을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 제어기는 상기 장치로 하여금 동작들을 수행하게 하도록 구성되거나 설계되며, 상기 동작들은 (a) 제 1 반응물이 상기 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 조건들 하에서 상기 제 1 반응물을 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; (b) 상기 제 1 반응물이 상기 기판 표면 상에 흡착된 동안에 상기 반응 챔버 내에 제 2 반응물을 도입시키는 동작; (c) 상기 막의 일부를 형성하도록 상기 기판 표면 상의 상기 제 1 반응물과 상기 제 2 반응물 간의 반응을 일으키게 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 동작; (d) (a) 내지 (c) 를 적어도 1 회 반복하는 동작; (e) (a) 내지 (d) 동안에 도입되지 않은 도펀트 함유 재료가 상기 막의 노출된 표면과 접촉되게 하는 조건들 하에서 상기 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 동작; 및 (f) 상기 도펀트 함유 재료로부터 도펀트를 상기 막 내로 도입시키는 동작을 포함한다. 제어기는 다른 양태들에 따라서 논의된 바와 같은 것들과 같은 다른 방법들을 직접적으로 수행하도록 설계 또는 구성될 수도 있다.Another aspect relates to an apparatus for depositing a doped film on a substrate surface. The apparatus includes a reaction chamber including a device for holding a substrate during deposition of a doped dielectric film; One or more process gas inlets in communication with the reaction chamber; And features such as a controller. The controller is configured or designed to cause the apparatus to perform operations, wherein the operations comprise (a) introducing the first reactant into the reaction chamber under conditions such that the first reactant is adsorbed onto the substrate surface. ; (b) introducing a second reactant into the reaction chamber while the first reactant is adsorbed on the substrate surface; (c) exposing the substrate surface to plasma to cause a reaction between the first reactant and the second reactant on the substrate surface to form a portion of the film; (d) repeating (a) to (c) at least once; (e) introducing the dopant containing material into the reaction chamber under conditions such that dopant containing material not introduced during (a) to (d) is in contact with the exposed surface of the film; And (f) introducing a dopant from the dopant containing material into the film. The controller may be designed or configured to directly perform other methods, such as those discussed in accordance with other aspects.
특정 실시예들에서, 상기 제어기는 상기 장치로 하여금 (a) 내지 (d) 이전 및 동안에 산화제를 상기 반응 챔버 내로 흐르게 하도록 더 설계되거나 구성된다. 특정 실시예들에서, 상기 제어기는 (e) 또는 (f) 후에 (a) 내지 (c) 를 반복하는 동작이 발생하게 더 설계되거나 구성된다. 특정 실시예들에서, 상기 제어기는 상기 막으로부터의 상기 도펀트를 상기 막이 상주하는 상기 기판 표면의 피처들 내로 추동시키는 (driving) 동작이 발생하게 더 설계되거나 구성된다. 상기 막으로부터 상기 도펀트를 추동시키는 동작은 상기 막을 어닐링함으로써 달성될 수도 있다. 몇몇 구현예들에서, 상기 제어기는 (e) 가 (a) 내지 (d) 의 하나 이상의 반복들 간의 인터벌들에서 수행되게 하도록 더 설계되거나 구성되며, 상기 인터벌들은 상기 막을 증착하는 과정에 걸쳐서 변한다. In certain embodiments, the controller is further designed or configured to cause the apparatus to flow oxidant into the reaction chamber before and during (a) to (d). In certain embodiments, the controller is further designed or configured such that an operation of repeating (a) to (c) occurs after (e) or (f). In certain embodiments, the controller is further designed or configured to cause an operation to drive the dopant from the film into features of the substrate surface on which the film resides. Driving the dopant from the film may be accomplished by annealing the film. In some implementations, the controller is further designed or configured to allow (e) to be performed at intervals between one or more iterations of (a) to (d), the intervals vary over the course of depositing the film.
다양한 (various) 구현예들에서, 상기 제어기는 상기 기판 표면을 플라즈마에 노출시키기 이전에 상기 제 2 반응물을 상기 반응 챔버로부터 퍼지시키도록 더 설계되거나 구성된다. 일 실례에서, 상기 퍼지는 산화제를 포함하는 가스를 상기 반응 챔버 내로 흐르게 함으로써 달성된다.In various implementations, the controller is further designed or configured to purge the second reactant from the reaction chamber prior to exposing the substrate surface to the plasma. In one example, the purge is accomplished by flowing a gas containing an oxidant into the reaction chamber.
이러한 특징들 및 다른 특징들은 관련 도면들을 참조하여서 이하에서 보다 상세하게 기술될 것이다.These and other features will be described in more detail below with reference to the associated drawings.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 컨포멀 막 증착 (CFD) 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 다른 예시적인 CFD 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 다른 예시적인 CFD 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 플라즈마 처리 사이클을 포함하는 예시적인 CFD 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따라 증착된 막들에 대한 습식 에칭 레이트 비와 증착 온도 간의 예시적인 상관 관계를 도시한다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따라 증착된 막들에 대한 습식 에칭 레이트 비와 막 응력 간의 예시적인 상관 관계를 도시한다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따라 증착된 막들에 대한 막 오염 농도와 증착 온도 간의 예시적인 상관 관계를 도시한다.
도 8은 복수의 갭들을 포함하는 비평면형 기판의 예시적인 단면의 개략도이다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 PECVD로의 천이를 포함하는 예시적인 CFD 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 10은 열쇠 구멍 형상 보이드 (keyhole void) 를 포함하는 갭 충진물의 예시적인 단면의 개략도이다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 인-시츄 에칭을 포함하는 예시적인 CFD 공정의 타이밍 도면을 개략적으로 도시한다.
도 12a는 재차 들어간 갭 충진 프로파일의 예시적인 단면의 개략도이다.
도 12b는 본 개시의 실시예에 따른 인-시츄 에칭 공정 동안의 도 12a의 재차 들어간 갭 충진 프로파일의 예시적인 단면의 개략도이다.
도 12c는 본 개시의 실시예에 따른 인-시츄 에칭 후의 증착 공정 동안의 도 12b의 재차 들어간 갭 충진 프로파일의 예시적인 단면의 개략도이다.
도 13은 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 공정 스테이션의 개략도이다.
도 14는 본 개시의 실시예에 따른 복수의 공정 스테이션 및 제어기를 포함하는 예시적인 공정 툴의 개략도이다.
도 15는 본 개시의 실시예에 따른 인-시츄 에칭을 포함하는 CFD 공정 동안의 관통 실리콘 비아의 예시적인 개략적 단면도이다.
도 16은 통상적인 이온 주입 기술들에 의해서 도핑하기 어려운 얇은 종형 구조물들 내에 소스 및 드레인이 형성된, 3 차원 게이트 구조물을 갖는 트랜지스터를 예시한다.
도 17은 x 축을 따라서 시간이 지남에 따라서 좌측에서 우측으로의 동작들의 기본적인 CFD 시퀀스를 제공한다.
도 18 및 도 19는 도펀트가 그 아래에 놓인 기판과의 계면에서 증착되고 이후에 도펀트 전달이 중간에 개재된 CFD 사이클들이 따르고 옵션적으로 CFD 산화물 막일수 있는 도핑되지 않는 보호성 "캡핑 (capping)" 층으로 상단이 처리되는 (topped off) 실시예들을 도시한다.
도 20은 CFD BSG/PSG 막을 합성하는데 사용되는 통상적인 증착 블록을 도시한다.
도 21은 밀한 (dense) 구조물 및 소한 (isolated) 구조물 상에서의 ~ 100 %인 것으로 계산된 CFD 막들에 대한 스텝 커버리지를 도시한다.
도 22는 CFD 막들 내의 평균 붕소 농도가 약 0.5 내지 3.5 wt% 붕소의 범위 내에서 조절될 수 있음을 나타내는 SIMS 데이터를 제공한다.1 schematically illustrates a timing diagram of an example conformal film deposition (CFD) process in accordance with an embodiment of the present disclosure.
2 schematically illustrates a timing diagram of another exemplary CFD process according to an embodiment of the present disclosure.
3 schematically illustrates a timing diagram of another exemplary CFD process according to an embodiment of the present disclosure.
4 schematically illustrates a timing diagram of an example CFD process including a plasma processing cycle in accordance with an embodiment of the present disclosure.
5 illustrates an example correlation between wet etch rate ratio and deposition temperature for films deposited according to an embodiment of the present disclosure.
6 illustrates an exemplary correlation between wet etch rate ratio and film stress for films deposited according to embodiments of the present disclosure.
7 shows an exemplary correlation between film contamination concentration and deposition temperature for films deposited according to an embodiment of the present disclosure.
8 is a schematic diagram of an example cross section of a non-planar substrate including a plurality of gaps.
9 schematically depicts a timing diagram of an example CFD process including a transition to PECVD in accordance with an embodiment of the present disclosure.
10 is a schematic diagram of an exemplary cross section of a gap fill including a keyhole void.
11 schematically illustrates a timing diagram of an example CFD process including in-situ etching in accordance with an embodiment of the present disclosure.
12A is a schematic diagram of an example cross section of a refilled gap fill profile.
12B is a schematic diagram of an exemplary cross-section of the refilled gap fill profile of FIG. 12A during an in-situ etch process according to embodiments of the present disclosure.
12C is a schematic diagram of an exemplary cross-section of the refilled gap fill profile of FIG. 12B during a deposition process after in-situ etching in accordance with an embodiment of the present disclosure.
13 is a schematic diagram of an example process station in accordance with an embodiment of the present disclosure.
14 is a schematic diagram of an example process tool including a plurality of process stations and a controller in accordance with an embodiment of the present disclosure.
15 is an exemplary schematic cross-sectional view of through silicon vias during a CFD process including in-situ etching in accordance with an embodiment of the present disclosure.
FIG. 16 illustrates a transistor having a three-dimensional gate structure, with a source and a drain formed in thin vertical structures that are difficult to dope by conventional ion implantation techniques.
17 provides a basic CFD sequence of operations from left to right over time along the x axis.
18 and 19 illustrate an undoped protective " capping that can be deposited at an interface with a substrate underlying a dopant and subsequently followed by intervening CFD cycles and optionally an CFD oxide film. '' Shows embodiments topped off with a layer.
20 shows a typical deposition block used to synthesize a CFD BSG / PSG film.
FIG. 21 shows the step coverage for CFD films calculated to be ˜100% on dense and isolated structures.
FIG. 22 provides SIMS data indicating that the average boron concentration in CFD films can be adjusted within the range of about 0.5 to 3.5 wt% boron.
반도체 디바이스 제조는 통상적으로 통합된 제조 공정에서 하나 이상의 박막들을 비평면형 기판 상에 증착하는 바를 포함한다. 이러한 통합된 제조 공정의 몇몇 양태들에서, 기판 토포그래피 (topography) 에 컨포멀한 (conformal) 박막들을 증착하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어서, 실리콘 질화물 막은 약하게 도핑된 소스 영역 및 드레인 영역을 후속하는 이온 주입 공정들로부터 보호하기 위한 스페이서 층 역할을 하도록 종형 (elevated) 게이트 스택의 상단에 증착될 수 있다.Semiconductor device fabrication typically involves depositing one or more thin films on a non-planar substrate in an integrated fabrication process. In some aspects of such an integrated manufacturing process, it may be useful to deposit conformal thin films on substrate topography. For example, a silicon nitride film may be deposited on top of an elevated gate stack to serve as a spacer layer to protect the lightly doped source and drain regions from subsequent ion implantation processes.
스페이서 층 증착 공정들에서, CVD 공정들이 비평면형 기판 상에 실리콘 질화물 막을 형성하는데 사용될 수 있으며, 이 실리콘 질화물 막은 이어서 스페이서 구조물을 형성하도록 이방성으로 에칭된다. 그러나, 게이트 스택들 간의 거리가 작아짐에 따라서, CVD 가스상 (gas phase) 반응물들의 대량 이동 제약으로 인해서 "빵 모양을 형성하는 증착 효과" (bread-loafing deposition effect)" 을 낳는다. 이러한 효과는 통상적으로 게이트 스택들의 상단 표면들에서는 보다 두꺼운 증착을 보이고 게이트 스택들의 바닥 코너들에서는 보다 얇은 증착을 보인다. 나아가, 몇몇 다이들은 서로 다른 디바이스 밀도 영역들을 가질 수 있기 때문에, 웨이퍼 표면에 걸친 대량 이동 효과는 다이 내 막 두께 편차 및 웨이퍼 내 막 두께 편차를 낳는다. 이러한 두께 편차들은 몇몇 영역에서는 에칭 과잉 (over-etching) 을 발생하고 다른 영역들에서는 에칭 부족 (under-etching) 이 발생하게 된다. 이로써, 디바이스 성능이 열화되고/되거나 다이 수율이 열화된다. In spacer layer deposition processes, CVD processes can be used to form a silicon nitride film on a non-planar substrate, which is then anisotropically etched to form a spacer structure. However, as the distance between gate stacks becomes smaller, it results in a "bread-loafing deposition effect" due to the mass transport constraints of CVD gas phase reactants. The thicker deposits appear at the top surfaces of the gate stacks and the thinner deposits at the bottom corners of the gate stacks Furthermore, because some dies may have different device density regions, the effect of mass transfer across the wafer surface is This results in in-film thickness variation and in-wafer thickness variation, which leads to over-etching in some areas and under-etching in others. This degrades and / or die yields.
이러한 문제들을 다루는 몇몇 방식들은 ALD (atomic layer deposition) 을 포함한다. 막들을 증착하기 위해서 열적으로 활성화된 가스상 반응물들이 사용되는 CVD 공정에 비해서, ALD 공정은 층 단위로 막을 증착하기 위해서 표면-매개된 (surface-mediated) 증착 반응을 사용한다. 일 예시적인 ALD 공정에서, 표면 활성 자리들 분포 (population) 를 포함하는 기판 표면이 제 1 막 프리커서 (precursor) (P1) 의 가스상 분포에 노출된다. P1의 몇몇 분자들이 P1의 화학 흡착된 종들 및 물리 흡착된 분자들을 포함하는, 기판 표면 상의 응축상 (condensed phase) 을 형성할 수 있다. 이어서, 오직 화학 흡착된 종들만이 남고 물리 흡착된 P1 및 가스상은 제거되도록 반응기가 배출된다. 이어서, 제 2 막 프리커서 P2 중 몇몇 분자들이 기판 표면으로 흡착되도록 제 2 막 프리커서 P2가 반응기에 도입된다. 다시 한번 반응기가 배출되고 이번에는 결합되지 않은 P2가 제거된다. 이후에, 기판에 열적 에너지가 제공되어서 흡착된 분자들 P1과 P2 간의 표면 반응을 활성화시켜서 막 층을 형성한다. 최종적으로, 반응기가 배출되고 반응 부산물 및 가능하게는 미반응 P1 및 P2가 제거되고 ALD 사이클이 종료된다. 막 두께를 구축하도록 추가적인 ALD 사이클들이 포함될 수 있다.Some ways to deal with these problems include atomic layer deposition (ALD). In contrast to CVD processes where thermally activated gaseous reactants are used to deposit the films, the ALD process uses a surface-mediated deposition reaction to deposit the film layer by layer. In one exemplary ALD process, the substrate surface comprising the surface active site population is exposed to the gas phase distribution of the first film precursor P1. Several molecules of P1 may form a condensed phase on the substrate surface, including chemisorbed species and physisorbed molecules of P1. The reactor is then evacuated so that only chemisorbed species remain and the physisorbed P1 and gas phases are removed. Subsequently, a second membrane precursor P2 is introduced into the reactor such that some molecules of the second membrane precursor P2 are adsorbed onto the substrate surface. Once again the reactor is discharged and this time unbound P2 is removed. Thereafter, thermal energy is provided to the substrate to activate the surface reaction between the adsorbed molecules P1 and P2 to form a film layer. Finally, the reactor is withdrawn and the reaction by-products and possibly unreacted P1 and P2 are removed and the ALD cycle ends. Additional ALD cycles can be included to build the film thickness.
프리커서 도즈 (dosing) 단계들의 노출 시간 및 프리커서들의 점착 계수 (sticking coefficient) 에 따라서, 각 ALD 사이클은 일 실례에서 0.5 내지 3 옹스트롬 두께의 막 층을 증착할 수 있다. 따라서, ALD 공정들은 몇 나노미터 두께보다 두꺼운 막들을 증착할 때에는 시간이 많이 들 수 있다. 나아가, 몇몇 프리커서들이 컨포멀 막을 증착하기 위해서 긴 노출 시간들을 가질 수 있으며, 이로써 웨이퍼 쓰루풋 시간을 감소시킬 수 있다. Depending on the exposure time of the precursor dosing steps and the sticking coefficient of the precursors, each ALD cycle may in one example deposit a film layer of 0.5 to 3 Angstroms thick. Thus, ALD processes can be time consuming when depositing films thicker than a few nanometers thick. Furthermore, some precursors may have long exposure times for depositing conformal films, thereby reducing wafer throughput time.
컨포멀 막은 또한 평면형 기판 상에 증착될 수 있다. 예를 들어서, 리소그래픽 패터닝에서 이용되는 반사 방지 층들은 막 타입이 교번하는 평면형 스택으로부터 형성될 수 있다. 이러한 반사 방지 층들은 대략 100 내지 1000 옹스트롬 두께일 수 있으며, 따라서 이에 대해서는 ALD 공정이 CVD 공정보다 매력적이지 못하다. 그러나, 이러한 반사 방지 층들은 또한 다수의 CVD 공정들이 제공할 수 있는 웨이퍼 내 두께 편차 허용치보다 낮은 웨이퍼 내 두께 편차 허용치를 가질 수 있다. 예를 들어서, 600 옹스트롬 두께의 반사 방지 층은 3 옹스트롬보다 작은 두께 범위를 허용할 수 있다.Conformal films can also be deposited on planar substrates. For example, the antireflective layers used in lithographic patterning can be formed from alternating planar stacks of film types. Such antireflective layers may be approximately 100 to 1000 angstroms thick, so the ALD process is less attractive than the CVD process for this. However, these antireflective layers may also have an in-wafer thickness variation tolerance that is lower than the in-wafer thickness variation tolerance that many CVD processes can provide. For example, a 600 angstrom thick antireflective layer can allow a thickness range less than 3 angstroms.
따라서, 비평면형 기판 및 평면형 기판 상에 플라즈마 활성화된 컨포멀 막 증착 (CFD) 을 하기 위한 공정 및 장비를 제공하는 다양한 실시예들이 본 명세서에서 제공된다. 이러한 실시예들은 모든 CFD 공정들이 아니라 일부 CFD 공정들에서 사용되는 다양한 특징들을 포함한다. 이러한 특징들 중에는, (1) 반응 챔버로부터 하나 또는 두 반응물을 "제거 (sweep)" 하는데 필요한 시간을 제거 또는 줄이는 특징, (2) 일 반응물을 반응 챔버 내로 단속적으로 (intermittenly) 유입시키면서 다른 적어도 하나의 반응물을 연속적으로 흐르게 하는 특징, (3) 모든 반응물이 반응 챔버로부터 제거될 때보다는 반응물 중 하나가 가스상으로 존재하는 때에 플라즈마를 점화하는 특징, (4) 막 특성들을 개질하도록 증착된 CFD 막들을 플라즈마를 사용하여서 처리하는 특징, (5) 통상적으로 동일한 반응 챔버에서 CFD에 의해서 막의 제 1 부분을 증착한 후에 PECVD에 의해서 막의 일부를 증착하는 특징, (6) CFD 스테이지들 간에 부분적으로 증착된 막을 에칭하는 특징 및 (7) 도펀트 전달 사이클을 오직 막 증착 사이클들 간에 배치함으로써 CFD 막을 도핑하는 특징이 있다. 물론, 이 특징들은 한정적인 목록이 아니다. 다양한 다른 CFD 특징들이 본 명세서의 나머지 부분을 참조하면 명백해질 것이다.Accordingly, various embodiments are provided herein that provide a process and equipment for plasma activated conformal film deposition (CFD) on a non-planar substrate and a planar substrate. These embodiments include various features used in some CFD processes, rather than all CFD processes. Among these features are: (1) removing or reducing the time required to "sweep" one or both reactants from the reaction chamber, (2) at least one other while intermittenly introducing one reactant into the reaction chamber; Continuously flowing the reactants of (3) igniting the plasma when one of the reactants is in the gas phase rather than all reactants removed from the reaction chamber, and (4) CFD films deposited to modify the film properties. Treatment using plasma, (5) depositing a portion of the film by PECVD, typically after depositing a first portion of the film by CFD in the same reaction chamber, and (6) depositing a partially deposited film between CFD stages. Etching and (7) doping the CFD film by placing the dopant transfer cycle only between film deposition cycles. have. Of course, these features are not a definitive list. Various other CFD features will become apparent upon reference to the remainder of this specification.
CFD "사이클"의 개념은 본 명세서의 다양한 실시예들에 대한 논의와 연관된다. 일반적으로, 사이클은 단 회의 표면 증착 반응을 수행하는데 요구되는 최소 동작 세트이다. 일 사이클의 결과는 기판 표면 상에 적어도 부분적 막 층의 제조이다. 통상적으로, CFD 사이클은 각 반응물을 기판 표면으로 전달하고 흡착시키고 이어서 이 흡착된 반응물들을 반응시켜서 부분적 막 층을 형성하는데 필요한 단계들만을 포함할 것이다. 물론, 이 사이클은 반응물들 또는 부산물들 중 하나를 제거하고/하거나 증착된 부분적 막을 처리하는 것과 같은 부수적인 단계들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 사이클은 동작들의 고유한 시퀀스의 오직 하나의 인스턴스 (instance) 만을 포함할 수 있다. 예시적으로, 사이클은 (i) 반응물 A를 전달/흡착하는 동작, (ii) 반응물 B를 전달/흡착하는 동작, (iii) 반응 챔버로부터 반응물 B를 제거하는 동작 및 (iv) A와 B의 표면 반응을 일으키도록 플라즈마를 인가하여서 표면 상에 부분적 막 층을 형성하는 동작과 같은 동작들을 포함할 수 있다.The concept of a CFD "cycle" is associated with the discussion of various embodiments herein. In general, a cycle is the minimum set of operations required to perform a single surface deposition reaction. The result of one cycle is the production of at least a partial film layer on the substrate surface. Typically, the CFD cycle will include only the steps necessary to deliver and adsorb each reactant to the substrate surface and then react the adsorbed reactants to form a partial film layer. Of course, this cycle may include additional steps such as removing one of the reactants or by-products and / or treating the deposited partial film. In general, a cycle can include only one instance of a unique sequence of operations. Illustratively, the cycle comprises (i) delivering / adsorbing reactant A, (ii) delivering / adsorbing reactant B, (iii) removing reactant B from the reaction chamber, and (iv) Operations such as applying a plasma to cause a surface reaction to form a partial film layer on the surface.
상기 7 개의 상술한 특징들이 이제 더 설명될 것이다. 다음의 설명에서, 2 개 이상의 반응물들이 플라즈마와의 상호 작용에 의해서 기판 표면으로 흡착되고 이어서 표면 상에 막을 형성하도록 반응하는 CFD 반응을 고려하라.The seven above-mentioned features will now be described further. In the following description, consider a CFD reaction in which two or more reactants are adsorbed onto the substrate surface by interaction with the plasma and then react to form a film on the surface.
특징 1 : 반응물의 연속적인 흐름Feature 1: Continuous flow of reactants
반응물 A가 통상적인 ALD에서는 정상적으로는 흐르지 않을 때인 CFD 사이클의 하나 이상의 부분들 동안에도 반응 챔버 내로 계속하여서 흐른다. 통상적인 ALD에서, 반응물 A는 자신이 기판 표면으로 흡착되기 위해서만 흐른다. ALD의 다른 페이즈 (phase) 에서는, 반응물 A는 흐르지 않는다. 그러나, 본 명세서에서 기술되는 소정의 CFD 실시예들에 따라서, 반응물 A는 자신의 흡착과 관련된 페이즈 뿐만 아니라 반응물 A의 흡착 동작이 아닌 동작을 수행하는 CFD 사이클의 페이즈 동안에도 흐른다. 예를 들어서, 다수의 실시예들에서, 반응물 A는 이 장치가 제 2 반응물 (본 실례에서는 반응물 B) 을 도징하는 동안에도 반응기 내로 흐른다. 따라서, CFD 사이클의 적어도 일부분 동안에, 반응물 A 및 B가 가스상으로 공존한다. 나아가, 기판 표면에서의 반응을 일으키도록 플라즈마가 인가되는 때에도 반응물 A는 흐를 수 있다. 연속적으로 흐르는 반응물은 예를 들어서 아르곤과 같은 캐리어 가스와 함께 반응 챔버 내로 전달될 수 있다.Reactant A continues to flow into the reaction chamber even during one or more portions of the CFD cycle, which would normally not flow in conventional ALD. In conventional ALD, reactant A flows only to adsorb itself to the substrate surface. In another phase of the ALD, reactant A does not flow. However, according to certain CFD embodiments described herein, reactant A flows not only during the phase associated with its adsorption but also during the phase of the CFD cycle performing the non-adsorbent operation of reactant A. For example, in many embodiments, reactant A flows into the reactor while the device is dosing the second reactant (reactant B in this example). Thus, during at least a portion of the CFD cycle, reactants A and B coexist in the gas phase. Furthermore, reactant A may flow even when plasma is applied to cause a reaction on the substrate surface. The continuously flowing reactant may be delivered into the reaction chamber together with a carrier gas such as, for example, argon.
이러한 연속 흐름 실시예의 일 장점은 확립된 흐름이 흐름을 개시 및 중지하는 것과 관련된 흐름의 과도적 초기화 및 안정화에 의해서 유발되는 지연들 및 흐름 변동들을 억제하는 것이다.One advantage of this continuous flow embodiment is to suppress delays and flow variations caused by transient initialization and stabilization of the flow associated with the established flow initiating and stopping the flow.
일 특정 실례로서, 주 반응물 (때로 "고체 성분" 프리커서 또는 본 실례에서는 간단히 "반응물 B") 을 사용하여서 컨포멀 막 증착 공정을 수행하여서 산화물 막이 증착될 수 있다. 이러한 주 반응물 중 하나는 비스(테르트-부틸아미노)실란 (Bis(tert-butylamino)silane (BTBAS)) 이다. 본 실례에서, 산화물 증착 공정은 산소 또는 아산화질소와 같은 산화제 (oxidant) 를 전달하는 바를 포함하며, 이 산화제는 개별 노출 페이즈들 내에서 주 반응물을 전달하는 동안에 처음 그리고 계속하여서 흐른다. 이 산화제는 또한 개별 플라즈마 노출 페이즈들 동안에도 계속하여서 흐른다. 예를 들어서 도 1에 도시된 시퀀스를 참조하라. 비교를 위해서, 통상적인 ALD 공정에서는, 고체 성분 프리커서가 반응기에 전달되는 때에는 산화제의 흐름이 중지될 것이다. 예를 들어서, 반응물 B가 전달되면 반응물 A의 흐름은 중지될 것이다.As one specific example, an oxide film may be deposited by performing a conformal film deposition process using a main reactant (sometimes a “solid component” precursor or simply “reactant B” in this example). One such main reactant is bis (tert-butylamino) silane (BTBAS). In this example, the oxide deposition process includes delivering an oxidant, such as oxygen or nitrous oxide, which flows first and continuously during the delivery of the main reactant within the individual exposure phases. This oxidant also continues to flow during the individual plasma exposure phases. See, for example, the sequence shown in FIG. 1. For comparison, in a typical ALD process, the flow of oxidant will stop when the solid component precursor is delivered to the reactor. For example, if reactant B is delivered, the flow of reactant A will be stopped.
몇몇 특정 실례들에서, 연속적으로 흐르는 반응물은 "보조" 반응물이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "보조" 반응물은 주 반응물이 아닌 임의의 반응물이다. 상술한 바와 같이, 주 반응물은 상온에서 고체이며 CFD에 의해서 형성된 막에 기여하는 요소를 포함한다. 이러한 요소들의 실례는 금속 (예를 들어서, 알루미늄 및 티탄), 반도체들 (예를 들어서, 실리콘 및 게르마늄), 및 비금속 또는 준금속 (예를 들어서, 붕소) 이다. 보조 반응물의 실례들은 산소, 오존, 수소, 일산화탄소, 아산화질소, 암모니아, 알킬 아민 등을 포함한다.In some specific examples, the continuously flowing reactant is a "secondary" reactant. As used herein, the term “secondary” reactant is any reactant that is not the main reactant. As mentioned above, the main reactant is a solid at room temperature and includes elements that contribute to the film formed by CFD. Examples of such elements are metals (eg aluminum and titanium), semiconductors (eg silicon and germanium), and nonmetals or metalloids (eg boron). Examples of auxiliary reactants include oxygen, ozone, hydrogen, carbon monoxide, nitrous oxide, ammonia, alkyl amines, and the like.
연속적으로 흐르는 반응물은 일정한 플로우 레이트 또는 가변되지만 제어된 플로우 레이트로 제공될 수 있다. 후자의 경우에, 실례로서, 보조 반응물의 플로우 레이트는 주 반응물이 전달될 때인 노출 페이즈 동안에 떨어질 수 있다. 예를 들어서, 산화물 증착 시에, 산화제 (예를 들어서, 산소 또는 아산화질소) 는 전체 증착 시퀀스 동안에 연속적으로 흐르지만, 그의 플로우 레이트는 주 반응물 (예를 들어서, BTBAS) 가 전달되는 때에는 떨어질 수 있다. 이는 자신을 도징하는 동안에 BTBAS의 분압을 증가시켜서 기판 표면을 포화시키는데 필요한 노출 시간을 단축시킨다. 플라즈마를 점화하기 바로 이전에는, 산화제 흐름은 증가하여서 플라즈마 노출 페이즈 동안에 BTBAS가 존재하는 확률을 저감시킨다. 몇몇 실시예들에서, 연속적으로 흐르는 반응물은 2 개 이상의 증착 사이클 동안에 걸쳐서 가변 플로우 레이트로 흐른다. 예를 들어서, 반응물은 제 1 CFD 사이클 동안에는 제 1 플로우 레이트로 흐르고 반응물은 제 2 CFD 사이클 동안에는 제 2 플로우 레이트로 흐를 수 있다. Continuously flowing reactants may be provided at a constant flow rate or at a variable but controlled flow rate. In the latter case, by way of example, the flow rate of the auxiliary reactant may drop during the exposure phase, when the main reactant is delivered. For example, in oxide deposition, the oxidant (eg oxygen or nitrous oxide) flows continuously during the entire deposition sequence, but its flow rate may drop when the main reactant (eg BTBAS) is delivered. . This increases the partial pressure of BTBAS while dosing itself, reducing the exposure time required to saturate the substrate surface. Just before igniting the plasma, the oxidant flow increases to reduce the probability of BTBAS present during the plasma exposure phase. In some embodiments, the continuously flowing reactant flows at a variable flow rate over two or more deposition cycles. For example, the reactants may flow at a first flow rate during a first CFD cycle and the reactants may flow at a second flow rate during a second CFD cycle.
다수의 반응물이 사용되고 이들 중 하나의 흐름이 연속적이면, 이들 중 적어도 2 개는 CFD 사이클의 일부 동안에 가스상으로 공존할 것이다. 마찬가지로, 제 1 반응물 전달 이후에 어떠한 퍼지 (purging) 동작도 수행되지 않으면, 2 개의 반응물들이 공존할 것이다. 따라서, 활성화 에너지가 인가되지 않을 시에 가스상에서 서로 눈에 띄게 반응하지 않는 반응물들을 채용하는 것이 중요할 수 있다. 통상적으로, 반응물들은 기판 표면 상에 존재하고 플라즈마 또는 다른 적합한 비열적 활성화 조건에 노출될 때까지 반응하지 않아야 한다. 이러한 반응물들을 선정하는 바는 적어도 (1) 목표 반응의 열역학적 우세성 (favorability) (깁스의 자유 에너지 < 0) 및 (2) 목표 증착 온도에서 무시할만한 반응이 존재하도록 충분히 커야하는 반응을 위한 활성화 에너지를 고려하는 바를 포함한다.If multiple reactants are used and the flow of one of them is continuous, at least two of them will coexist in the gas phase during part of the CFD cycle. Likewise, if no purging operation is performed after the first reactant delivery, the two reactants will coexist. Therefore, it may be important to employ reactants that do not react visibly with each other in the gas phase when no activation energy is applied. Typically, the reactants should not react until they are present on the substrate surface and exposed to plasma or other suitable nonthermal activation conditions. The choice of these reactants includes the activation energies for reactions that must be large enough so that there is at least (1) the thermodynamic favorability of the target reaction (free energy of the cast <0) and (2) a negligible reaction at the target deposition temperature. Include what is considered.
특징 2: 제거 (sweep) 단계 단축 또는 생략Feature 2: shorten or skip the sweep step
특정 실시예들에서, 이 공정은 통상적인 ALD에서는 정상적으로는 수행될 제거 단계 (sweep step) 를 생략하거나 이와 관련된 시간을 단축한다. 통상적인 ALD에서, 별도의 제거 단계는 각 반응물이 전달되고 기판 표면 상에 흡착된 후에 수행된다. 통상적인 ALD 제거 단계에서는 매우 소량의 흡착 또는 반응이 발생하거나 전혀 발생하지 않는다. CFD 사이클에서, 제거 단계는 반응물들 중 적어도 하나가 전달된 후에 생략되거나 단축된다. 제거 단계가 생략된 공정 시퀀스의 실례가 도 1에서 제공된다. 반응물 A을 반응 챔버로부터 제거하는 어떠한 제거 단계도 수행되지 않는다. 몇몇 경우에, CFD 사이클에서 제 1 반응물의 전달 후에는 어떠한 제거 단계도 수행되지 않지만, 제 2 또는 최종 전달된 반응물의 전달 이후에 제거 단계가 선택적으로 수행된다.In certain embodiments, this process eliminates or shortens the time associated with the sweep step that would normally be performed in a typical ALD. In conventional ALD, a separate removal step is performed after each reactant is delivered and adsorbed onto the substrate surface. In a typical ALD removal step, very little adsorption or reaction takes place or not at all. In the CFD cycle, the removal step is omitted or shortened after at least one of the reactants has been delivered. An example of a process sequence with the elimination step omitted is provided in FIG. 1. No removal step is performed to remove reactant A from the reaction chamber. In some cases, no removal step is performed after delivery of the first reactant in the CFD cycle, but removal step is optionally performed after delivery of the second or last delivered reactant.
CFD "제거" 단계 또는 페이즈 개념은 본 명세서의 다양한 실시예들을 논하면서 나타난다. 일반적으로, 제거 페이즈는 기상 반응물 중 하나를 반응 챔버로부터 제거 또는 퍼지 (purging) 하며 이러한 반응물의 전달이 완료된 후에만 통상적으로 발생한다. 달리 말하면, 이러한 반응물은 제거 페이즈 동안에는 반응 챔버로 더 이상 전달되지 않는다. 그러나, 제거 페이즈 동안에 반응물들이 기판 표면 상에 흡착된 상태로 유지된다. 통상적으로, 제거 단계는 반응물이 목표 레벨까지 기판 표면 상에 흡착된 후에 챔버 내에서 임의의 잔여 기상 반응물을 제거하는 역할을 한다. 또한, 제거 페이즈는 기판 표면으로부터 약하게 흡착된 종들 (예를 들어서, 소정의 프리커서 리간드 또는 반응 부산물) 을 제거할 수 있다. ALD에서, 제거 페이즈는 2 개의 반응물들 간의 가스상 상호 작용 또는 일 반응물과 열적 플라즈마 또는 표면 반응을 위한 다른 구동력과의 상호 작용을 방지하는데 필요한 것으로 간주되었다. 일반적으로, 본 명세서에서 달리 특정되지 않는다면, 제거 페이즈는 (i) 반응 챔버를 배기시킴으로써 그리고/또는 (ii) 반응 챔버를 통해서 제거될 종들을 포함하지 않는 가스를 흐르게 함으로써 이루어질 수 있다. (ii) 경우에, 그러한 가스는 예를 들어서 연속적으로 흐르는 보조 반응물과 같은 보조 반응물 또는 불활성 가스일 수 있다. The CFD “removal” step or phase concept is shown while discussing various embodiments of the present disclosure. Generally, the removal phase removes or purges one of the gaseous reactants from the reaction chamber and typically occurs only after delivery of such reactants is complete. In other words, these reactants are no longer delivered to the reaction chamber during the removal phase. However, the reactants remain adsorbed on the substrate surface during the removal phase. Typically, the removal step serves to remove any residual gaseous reactants in the chamber after the reactants are adsorbed onto the substrate surface to the desired level. In addition, the removal phase may remove weakly adsorbed species (eg, certain precursor ligands or reaction byproducts) from the substrate surface. In ALD, the removal phase was considered necessary to prevent gas phase interaction between two reactants or interaction of one reactant with another driving force for thermal plasma or surface reaction. In general, unless otherwise specified herein, the removal phase may be accomplished by (i) venting the reaction chamber and / or (ii) flowing a gas that does not contain species to be removed through the reaction chamber. In the case of (ii), such a gas may be an inert gas or an auxiliary reactant, for example a continuously flowing auxiliary reactant.
제거 페이즈의 생략은 다른 반응물의 연속적인 흐름과 함께 또는 없이 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 반응물 A는 (도면에서 참조 부호 (130) 로 표시된 바와 같이) 기판 표면으로의 흡착이 완료된 후에 제거되기보다는 계속 흐른다. Omission of the removal phase can be made with or without continuous flow of other reactants. In the embodiment shown in FIG. 1, reactant A continues to flow rather than be removed after adsorption to the substrate surface is complete (as indicated by
2 개 이상의 반응물이 사용되는 다양한 실시예들에서, 자신에 대한 제거 단계가 단축 또는 생략된 반응물은 보조 반응물이다. 예시적으로, 보조 반응물은 산화제 또는 질소 소스이며 주 반응물은 실리콘, 붕소 또는 게르마늄 함유 프리커서이다. 물론, 주 반응물 제거도 역시 생략 또는 단축될 수 있다. 몇몇 실례들에서, 보조 반응물의 전달 후에 어떠한 제거 단계도 수행되지 않지만, 주 반응물이 전달된 후에는 제거 단계가 선택적으로 수행된다.In various embodiments in which two or more reactants are used, the reactants with shortened or omitted removal steps for themselves are auxiliary reactants. By way of example, the auxiliary reactant is an oxidant or nitrogen source and the main reactant is a silicon, boron, or germanium containing precursor. Of course, main reactant removal may also be omitted or shortened. In some instances, no removal step is performed after delivery of the auxiliary reactant, but the removal step is optionally performed after delivery of the main reactant.
상술한 바와 같이, 제거 페이즈가 완전히 생략될 필요는 없지만 통상적인 ALD 공정에서의 제거 페이즈들에 비해서 그 기간이 단축될 수 있다. 예를 들어서, CFD 사이클 동안에 보조 반응물과 같은 반응물의 제거 페이즈는 약 0.2 초 이하 동안에 예를 들어 약 0.001 내지 0.1 초 동안에 수행될 수 있다.As discussed above, the removal phase need not be omitted entirely, but the duration can be shortened compared to removal phases in conventional ALD processes. For example, the removal phase of a reactant, such as an auxiliary reactant, during the CFD cycle can be performed for about 0.2 seconds or less, for example about 0.001 to 0.1 seconds.
특징 3: 반응물들 중 하나가 가스상으로 존재하는 때에 플라즈마를 점화Feature 3: Ignite the plasma when one of the reactants is in gas phase
이 특징에서는, 모든 반응물들이 반응 챔버로부터 제거되기 이전에 플라즈마가 점화된다. 이는 플라즈마 활성화 또는 다른 반응 구동 동작이 오직 가스상 반응물들이 더 이상에 플라즈마 챔버 내에 존재하지 않게 된 후에만 제공되는 통상적인 ALD와는 다르다. 이러한 특징은 반응물 A가 도 1에 도시된 바와 같이 CFD 사이클의 플라즈마 부분 동안에 계속하여서 흐를 때에는 필연적으로 발생한다. 그러나, 개시된 실시예들은 이러한 방식으로만 한정되는 것은 아니다. CFD 사이클의 플라즈마 페이즈 동안에 하나 이상의 반응물들이 흐를 수 있지만 CFD 사이클에 걸쳐서 계속하여서 흐를 필요는 없다. 또한, 플라즈마 활성화 동안에 기상으로 존재하는 반응물은 (2 개 이상의 반응물들이 CFD 사이클에서 사용되면) 보조 반응물 또는 주 반응물일 수 있다.In this feature, the plasma is ignited before all reactants are removed from the reaction chamber. This is different from conventional ALD, where plasma activation or other reaction drive operation is provided only after the gaseous reactants no longer exist in the plasma chamber. This feature inevitably occurs when reactant A continues to flow during the plasma portion of the CFD cycle as shown in FIG. 1. However, the disclosed embodiments are not limited only in this manner. One or more reactants may flow during the plasma phase of the CFD cycle but need not flow continuously over the CFD cycle. In addition, the reactants present in the gas phase during plasma activation may be auxiliary reactants or main reactants (if two or more reactants are used in the CFD cycle).
예를 들어서, 시퀀스는 (i) 반응물 A를 도입하고 (ii) 반응물 A를 퍼지하고 (iii) 반응물 B를 도입하고 반응물 B가 흐르는 동안에 플라즈마를 스트라이킹하고 (iv) 퍼지하는 것일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 본 공정은 가스상으로부터 플라즈마 활성화된 반응물 종들을 사용한다. 이는 CFD가 후속 단계들의 시퀀스로 제약되지 않는 일반적인 실례이다.For example, the sequence can be (i) introducing reactant A, (ii) purging reactant A, (iii) introducing reactant B, striking the plasma while reactant B is flowing, and (iv) purging. In such embodiments, the process uses plasma activated reactant species from the gas phase. This is a common example where CFD is not constrained by the sequence of subsequent steps.
고체 성분 프리커서 (주 반응물) 가 반응기에 공급되는 시간 동안에 활성화 플라즈마가 공급되면, 스텝 커버리지 (step coverage) 는 덜 컨포멀하지만 증착 레이트는 통상적으로 증가할 것이다. 그러나, 보조 반응물의 전달 동안에만 플라즈마 활성화가 발생하면, 이는 반드시 그러한 것만은 아니다. 플라즈마가 기상 보조 성분을 활성화시켜서 이 성분이 보다 반응성을 갖게 되어서 컨포멀 막 증착 반응 시의 그 반응성이 증가하게 된다. 특정 실시예들에서, 이러한 특징은 산화물, 질화물 또는 카바이드와 같은 실리콘 함유 막을 증착할 때에 사용된다.If the activation plasma is supplied during the time that the solid component precursor (main reactant) is supplied to the reactor, the step coverage will be less conformal but the deposition rate will typically increase. However, if plasma activation occurs only during the delivery of the auxiliary reactant, this is not necessarily the case. The plasma activates the gaseous auxiliary component, which makes the component more reactive, thereby increasing its reactivity during the conformal film deposition reaction. In certain embodiments, this feature is used when depositing silicon containing films such as oxides, nitrides or carbides.
특징 4: 증착된 CFD 막들의 플라즈마 처리Feature 4: Plasma Treatment of Deposited CFD Films
이러한 실시예들에서, 플라즈마는 컨포멀 막 증착 공정에서 2 가지 이상의 역할을 할 수 있다. 이러한 역할들 중 하나는 각 CFD 사이클 동안에 막 형성 반응을 활성화 또는 구동시키는 것이다. 다른 역할은 하나 이상의 CFD 사이클들을 따라서 CFD 막이 완전하게 또는 부분적으로 증착된 후에 막을 처리하는 것이다. 플라즈마 처리는 하나 이상의 막 특성들을 개질하도록 의도된다. 통상적으로, 반드시 그러하지는 않지만, 플라즈마 처리 페이즈는 막 형성 반응을 활성화시키기 위해서 (즉, 막 형성 반응을 구동시키기 위해서) 사용되는 조건들과 상이한 조건들 하에서 수행된다. 예시적으로, 플라즈마 처리는 환원 또는 산화 분위기의 존재 하에서 (예를 들어서, 산소 또는 수소의 존재 하에서) 수행될 수 있지만, 이는 CFD 사이클의 활성화 부분 동안에는 필요하지 않는다.In such embodiments, the plasma may play two or more roles in the conformal film deposition process. One of these roles is to activate or drive the film formation reaction during each CFD cycle. Another role is to treat the film after the CFD film is fully or partially deposited along one or more CFD cycles. Plasma treatment is intended to modify one or more film properties. Typically, but not necessarily, the plasma treatment phase is performed under conditions different from those used to activate the film formation reaction (ie, to drive the film formation reaction). By way of example, plasma treatment may be performed in the presence of a reducing or oxidizing atmosphere (eg, in the presence of oxygen or hydrogen), but this is not necessary during the active portion of the CFD cycle.
플라즈마 처리 동작은 CFD 공정의 매 사이클마다, 두 사이클마다 또는 이보다 더 낮은 빈도로 해서 수행될 수 있다. 플라즈마 처리는 규칙적인 간격으로 수행되거나 고정된 수의 CFD 사이클로 한정되거나 (예를 들어서 가변적인 CFD 사이클 간격으로) 가변적으로 수행되거나 랜덤하게 수행될 수 있다. 통상적인 실례에서, 막 증착이 몇 CFD 사이클에 걸쳐서 수행되어 적합한 막 두께를 형성하고 이어서 플라즈마 처리가 수행된다. 이후에, 플라즈마 처리가 다시 수행되기 이전에 막 증착이 플라즈마 처리 없이 다수의 CFD 사이클에 걸쳐서 다시 수행된다. 이러한 x 회수의 CFD 사이클 및 그 이후의 플라즈마 처리 (막 개질) 의 초대형 시퀀스 (super-sequence) 은 막이 CFD에 의해서 완전하게 형성될 때까지 반복될 수 있다.The plasma treatment operation may be performed every cycle of the CFD process, every two cycles, or at a lower frequency. Plasma treatment may be performed at regular intervals or limited to a fixed number of CFD cycles (eg at variable CFD cycle intervals) or may be performed at random. In a typical example, film deposition is performed over several CFD cycles to form a suitable film thickness followed by plasma treatment. Thereafter, film deposition is again performed over a number of CFD cycles without plasma treatment before plasma treatment is performed again. This x number of CFD cycles and subsequent super-sequences of plasma treatment (film modification) can be repeated until the film is completely formed by CFD.
특정 실시예들에서, 플라즈마 처리는 CFD 막이 증착된 표면의 하나 이상의 특성을 개질하도록 CFD 사이클 개시 이전에 수행될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 표면은 (도핑된 또는 도핑되지 않은) 실리콘 또는 실리콘 함유 재료로 구성될 수 있다. 개질된 표면은 후속하여 증착된 CFD 막과의 고품질의 계면을 보다 양호하게 생성할 수 있다. 이러한 계면은 예를 들어서 디펙트 감소 등을 통해서 예를 들어서 양호한 부착 특성 및 신뢰할만한 전기적 특성을 제공할 수 있다.In certain embodiments, the plasma treatment may be performed prior to initiation of the CFD cycle to modify one or more characteristics of the surface on which the CFD film is deposited. In various embodiments, the surface can be composed of silicon (doped or undoped) or silicon containing material. The modified surface can better produce a high quality interface with subsequently deposited CFD films. Such an interface may provide, for example, good adhesion properties and reliable electrical properties, for example through defect reduction and the like.
CFD 이전의 기판 사전 처리는 임의의 특정 플라즈마 처리로 한정되지 않는다. 특정 실시예에서, 사전 처리는 수소 플라즈마, 질소 플라즈마, 질소/수소 플라즈마, 암모니아 플라즈마, 아르곤 플라즈마, 헬륨 플라즈마로의 노출, 헬륨 어닐링, 수소 어닐링, 암모니아 어닐링, 및 헬륨, 수소, 아르곤, 질소, 수소/질소 형성 가스 및/또는 암모니아의 존재 하에서 UV 경화를 포함한다. 플라즈마 프로세싱은 다음으로 한정되지 않지만 마이크로웨이브 플라즈마 생성기, ICP 원격 플라즈마 생성기, 직접형 플라즈마 생성기 및 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 플라즈마 생성기를 포함하는 다양한 플라즈마 생성기를 사용하여서 실현될 수 있다.Substrate pretreatment prior to CFD is not limited to any particular plasma treatment. In certain embodiments, the pretreatment includes hydrogen plasma, nitrogen plasma, nitrogen / hydrogen plasma, ammonia plasma, argon plasma, exposure to helium plasma, helium annealing, hydrogen annealing, ammonia annealing, and helium, hydrogen, argon, nitrogen, hydrogen UV curing in the presence of nitrogen forming gas and / or ammonia. Plasma processing can be realized using various plasma generators including, but not limited to, microwave plasma generators, ICP remote plasma generators, direct plasma generators, and other plasma generators known to those skilled in the art.
전반적으로, 플라즈마 처리는 CFD 사이클 이전, 중 및 이후에 발생할 수 있다. 플라즈마 처리가 CFD 사이클 이전에 발생하면, 그 빈도는 적합한 증착 조건들에 대해서 선정될 수 있다. 통상적으로, 플라즈마 처리는 사이클당 1 회보다 많은 빈도로 발생하지 않을 것이다.Overall, plasma treatment can occur before, during and after a CFD cycle. If the plasma treatment occurs before the CFD cycle, the frequency can be selected for suitable deposition conditions. Typically, the plasma treatment will not occur more than once per cycle.
실례로서, 어느 정도의 탄소를 갖는 프리커서들로부터 실리콘 질화물을 형성하기 위한 공정을 고려해보자. 이러한 프리커서의 실례는 BTBAS를 포함한다. 프리커서 내에 존재하는 탄소로 인해서, 증착된 질화물 막은 어느 정도의 탄소 불순물을 가지며, 이는 질화물의 전기적 특성을 열화시킨다. 이러한 문제를 해소하기 위해서, 탄소 함유 프리커서를 사용하는 수 CFD 사이클 후에, 이 부분적으로 증착된 막은 플라즈마의 존재 하에서 수소에 노출되고 이로써 탄소 불순물이 저감되고 궁극적으로는 제거된다. As an example, consider a process for forming silicon nitride from precursors with some carbon. Examples of such precursors include BTBAS. Due to the carbon present in the precursor, the deposited nitride film has some carbon impurity, which degrades the electrical properties of the nitride. To solve this problem, after several CFD cycles using a carbon containing precursor, this partially deposited film is exposed to hydrogen in the presence of a plasma, thereby reducing and ultimately removing carbon impurities.
막 표면 개질을 위해서 사용되는 플라즈마 조건들은 막 특성 및/또는 조성에서 목표 변화를 달성하도록 선택될 수 있다. 소망하는 개질을 위해 선택 및/또는 맞추어질 수 있는 플라즈마 조건들 중에는, 산화 조건, 환원 조건, 에칭 조건, 플라즈마를 생성하는데 사용되는 전력, 플라즈마를 생성하는데 사용되는 주파수, 플라즈마를 생성하기 위해서 2 개 이상의 주파수를 사용하는 바, 플라즈마 밀도, 플라즈마와 기판 간의 거리 등이 있을 수 있다. 플라즈마 처리에 의해서 개질될 수 있는 CFD 막 특성들의 실례는 내부 막 응력, 에칭 내성, 밀도, 경도, 광학적 특성 (굴절율, 반사도, 광학적 밀도 등), 유전체 상수, 탄소 함량, 전기적 특성 (Vfb 스프레드 등) 등을 포함한다.Plasma conditions used for film surface modification can be selected to achieve a target change in film properties and / or composition. Among the plasma conditions that can be selected and / or tailored for the desired modification, there are two oxidation conditions, reduction conditions, etching conditions, power used to generate the plasma, frequency used to generate the plasma, and two to generate the plasma. When using the above frequency, there may be a plasma density, the distance between the plasma and the substrate. Examples of CFD film properties that can be modified by plasma treatment include internal film stress, etch resistance, density, hardness, optical properties (refractive index, reflectivity, optical density, etc.), dielectric constant, carbon content, electrical properties (Vfb spread, etc.) And the like.
몇몇 실시예들에서, 플라즈마 처리 이외의 처리가 증착된 막의 특성을 개질하도록 사용된다. 이러한 처리들은 전자기 방사선 처리, 열적 처리 (예를 들어서, 어닐링 또는 고온 펄스) 등을 포함한다. 이러한 처리들 중 임의의 것은 단독으로 수행되거나 플라즈마 처리를 포함하여 다른 처리들과 조합되어서 수행될 수 있다. 임의의 이러한 처리들은 상술한 플라즈마 처리들 중 임의의 처리를 대체하여서 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 이러한 처리는 막을 자외선에 노출시키는 바를 포함한다. 이하에서 기술될 바와 같이, 특정 실시예에서, 이 방법은 인-시츄 방식으로 (즉, 막 형성 중에) 또는 산화물 증착 이후에 자외선을 산화물 CFD 막에 인가하는 바를 포함한다. 이러한 처리는 디펙트 구조물을 저감 또는 제거하여서 개선된 전기적 성능을 제공할 수 있다.In some embodiments, treatments other than plasma treatments are used to modify the properties of the deposited film. Such treatments include electromagnetic radiation treatments, thermal treatments (eg, annealing or high temperature pulses), and the like. Any of these processes may be performed alone or in combination with other processes, including plasma treatment. Any such processes may be used in place of any of the plasma processes described above. In certain embodiments, such treatment includes exposing the film to ultraviolet light. As will be described below, in certain embodiments, the method includes applying ultraviolet light to the oxide CFD film in-situ (ie, during film formation) or after oxide deposition. Such treatment can provide improved electrical performance by reducing or eliminating defect structures.
소정의 특정 실시예들에서, 자외선 처리는 플라즈마 처리와 결합될 수 있다. 이러한 2 개의 처리 동작들은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 순차적인 경우에, 자외선 처리가 선택적으로 먼저 수행된다. 동시적인 경우에, 2 개의 처리는 개별 소스들 (예를 들어서, 플라즈마 처리를 위해서는 RF 전력 소스이며 자외선 처리를 위해서는 램프임) 로부터 제공되거나 부산물로서 자외선을 생성하는 헬륨 플라즈마와 같은 단일 소스로부터 제공될 수 있다.In certain particular embodiments, ultraviolet treatment may be combined with plasma treatment. These two processing operations may be performed simultaneously or sequentially. In the sequential case, ultraviolet treatment is optionally performed first. In the simultaneous case, the two treatments may be provided from separate sources (e.g., RF power source for plasma treatment and lamp for ultraviolet treatment) or from a single source such as helium plasma generating ultraviolet light as a byproduct. Can be.
특징 5: CFD 증착 및 이후의 PECVD로의 천이Feature 5: CFD Deposition and Subsequent Transition to PECVD
이러한 실시예들에서, 완성된 막의 일부는 CFD에 의해서 생성되고 나머지 일부는 PECVD와 같은 CVD에 의해서 형성된다. 통상적으로, CFD 증착 공정이 먼저 수행되고 이어서 PECVD 공정이 수행되지만 반드시 그러할 필요는 없다. 조합된 CFD/CVD 공정들은 CVD가 단독으로 수행될 때에 비해서 스텝 커버리지를 개선시키며 또한 CFD가 단독으로 수행될 때에 비해서 증착 레이트를 부가적으로 개선시킬 수 있다. 몇몇 경우에, 기생 CVD 동작들을 생성하여서 보다 높은 증착 레이트, 상이한 부류의 막을 달성하기 위해서 일 CFD 반응물이 흐르고 있는 동안에 플라즈마 또는 다른 활성화 에너지가 인가된다.In these embodiments, part of the finished film is produced by CFD and the other part is formed by CVD, such as PECVD. Typically, but not necessarily the CFD deposition process is performed first followed by the PECVD process. Combined CFD / CVD processes can improve step coverage compared to when CVD is performed alone, and can further improve deposition rate as compared to when CFD is performed alone. In some cases, plasma or other activation energy is applied while one CFD reactant is flowing to produce parasitic CVD operations to achieve higher deposition rates, different classes of films.
특정 실시예들에서, 2 개 이상의 CFD 페이즈들이 사용되고/되거나 2 개 이상의 CVD 페이즈들이 사용될 수 있다. 예를 들어서, 막의 초기 부분은 CFD에 의해서 증착되고 이어서 막의 중간 부분이 CVD에 의해서 증착되고 이어서 막의 마지막 부분은 CFD에 의해서 증착될 수 있다. 이러한 실시예들에서, CFD에 의해서 막의 이후 부분을 증착하기 이전에 예를 들어서 플라즈마 처리 또는 에칭 처리에 의해서 막의 CVD 부분을 개질하는 것이 바람직할 수 있다.In certain embodiments, two or more CFD phases may be used and / or two or more CVD phases may be used. For example, the initial portion of the film may be deposited by CFD followed by the middle portion of the film by CVD and then the last portion of the film may be deposited by CFD. In such embodiments, it may be desirable to modify the CVD portion of the film by, for example, a plasma treatment or an etching treatment prior to depositing a later portion of the film by CFD.
천이 페이즈가 CFD 페이즈와 CVD 페이즈 간에 채용될 수 있다. 이러한 천이 페이즈 동안 사용되는 조건들은 CFD 페이즈 및/또는 CVD 페이즈에서 사용되는 조건들과는 상이하다. 통상적으로, 반드시 그러한 것은 아니지만, 이러한 천이 조건들은 동시적 CFD 표면 반응 및 CVD 타입 가스상 반응을 허용한다. 천이 페이즈는 통상적으로 예를 들어서 펄스형일 수 있는 플라즈마로의 노출을 포함한다. 또한, 천이 페이즈는 해당 공정의 대응하는 CFD 페이즈에서 사용되는 플로우 레이트보다 매우 낮은 레이트인 저 플로우 레이트로 하나 이상의 반응물을 전달하는 바를 포함한다.A transition phase can be employed between the CFD phase and the CVD phase. The conditions used during this transition phase are different from the conditions used in the CFD phase and / or the CVD phase. Typically, but not necessarily, these transition conditions allow for simultaneous CFD surface reactions and CVD type gas phase reactions. The transition phase typically involves exposure to a plasma, which may be pulsed, for example. The transition phase also includes delivering one or more reactants at a low flow rate that is much lower than the flow rate used in the corresponding CFD phase of the process.
특징 6: CFD에 의한 증착, 에칭 및 이후의 CFD에 의한 추가 증착Feature 6: Deposition by CFD, Etch and Subsequent Deposition by CFD
이러한 실시예들에서, CFD 증착이 하나 이상의 사이클 (통상적으로는, 다수의 사이클) 에 걸쳐서 수행되고, 이어서 이렇게 생성된 막이 에칭 제거되는데 예를 들어서 리세스 입구 (커스프:cusp) 에서 또는 근처에서 어느 정도의 과잉 막이 제거되고, 이어서 추가 CFD 증착 사이클들이 수행된다. 증착된 막 내의 구조적 피처들의 다른 실례들은 유사한 방식으로 에칭될 수 있다. 이러한 공정을 위해서 선정된 에천트는 에칭될 재료에 의존할 것이다. 몇몇 경우에, 에칭 동작은 불소 함유 에천트 (예를 들어서, NF3) 또는 수소를 사용하여서 수행될 수 있다.In such embodiments, CFD deposition is performed over one or more cycles (typically multiple cycles), and the resulting film is then etched away, for example at or near the recess inlet (cusp). Some excess film is removed, followed by additional CFD deposition cycles. Other examples of structural features in the deposited film can be etched in a similar manner. The etchant selected for this process will depend on the material to be etched. In some cases, the etching operation may be performed using fluorine containing etchant (eg, NF 3 ) or hydrogen.
특정 실시예들에서, 원격 플라즈마가 에천트를 생성하는데 사용된다. 일반적으로, 원격 플라즈마는 직접형 플라즈마보다 등방성으로 에칭할 수 있다. 원격 플라즈마는 일반적으로 기판에 상대적으로 높은 비율의 라디칼을 제공한다. 이러한 라디칼의 반응성은 리세스 내의 수직 위치에 따라서 변할 수 있다. 피처의 상단에서, 라디칼들은 보다 농도가 높으며 이로써 보다 높은 레이트로 해서 에칭될 것이며 반면에 리세스의 보다 아래 및 하단에서는 어느 정도의 라디칼들은 손실되며 따라서 낮은 레이트로 에칭할 것이다. 물론, 이는 리세스 개구에서 발생하는 매우 다량의 증착 문제를 다루기 위해 바람직한 반응 프로파일이다. 에칭 시에 원격 플라즈마를 사용하는 추가 이점은 플라즈마가 상대적으로 온화하며 (gentle) 이로써 기판 층에 손상을 주는 경향이 약하다는 것이다. 이는 특히 그 아래에 존재하는 기판 층이 산화 또는 다른 손상에 민감할 때에 유리하다.In certain embodiments, a remote plasma is used to generate an etchant. In general, remote plasma can be etched isotropically than direct plasma. Remote plasmas generally provide a relatively high proportion of radicals to the substrate. The reactivity of these radicals may vary depending on the vertical position in the recess. At the top of the feature, the radicals will be more concentrated and thus etched at a higher rate, while at the bottom and bottom of the recess some radicals will be lost and therefore etched at a lower rate. Of course, this is a preferred reaction profile to deal with the very large deposition problems that occur in the recess openings. A further advantage of using a remote plasma in etching is that the plasma is relatively gentle and thus less prone to damaging the substrate layer. This is particularly advantageous when the substrate layer present below it is sensitive to oxidation or other damage.
특징 7: 추가 반응물을 사용하여서 막 조성을 맞춤함Feature 7: Customize membrane composition with additional reactants
본 명세서에서 제공된 다수의 실례들은 하나 또는 2 개의 반응물들을 사용하는 CFD 공정들과 관련된다. 또한, 다수의 실례들은 매 CFD 사이클에서 동일한 반응물을 사용한다. 그러나, 반드시 그러할 필요는 없다. 먼저, 다수의 CFD 공정들은 3 개 이상의 반응물들을 사용할 수 있다. 실례들은 (i) 디보란 (diborane), 텅스텐 헥사플루오라이드 및 수소를 반응물로서 사용하여서 텅스텐을 CFD하는 바, 및 (ii) 반응물들로서 디보란, BTBAS, 및 산소를 사용하여서 실리콘 산화물을 CFD하는 바를 포함한다. 디보란은 성장하는 막으로부터 제거되거나 적절하다면 이 막 내에 포함될 수 있다.Many of the examples provided herein relate to CFD processes using one or two reactants. In addition, many examples use the same reactant in every CFD cycle. However, this is not necessarily the case. First, many CFD processes may use three or more reactants. Examples include (i) CFD tungsten using diborane, tungsten hexafluoride and hydrogen as reactants, and (ii) CFD silicon oxide using diborane, BTBAS, and oxygen as reactants. Include. Diborane may be removed from the growing membrane or included in this membrane as appropriate.
또한, 몇몇 실례들은 오직 몇몇 CFD 사이클들에서 추가적인 반응물들을 사용할 수 있다. 이러한 실례들에서, 기본적인 CFD 공정 사이클은 기본 막 조성 (예를 들어서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 카바이드) 을 생성하는 반응물만을 사용한다. 이러한 기본 공정은 모든 CFD 사이클들 또는 거의 모든 CFD 사이클들에서 수행된다. 그러나, CFD 사이클들 중 몇몇은 변형 사이클들로서 실행되며 이들은 정상적인 증착 사이클의 조건들로부터 벗어난다. 예를 들어서, 이 변형 사이클들은 하나 이상의 추가적인 반응물들을 사용할 수 있다. 이러한 변형 사이클들은 또한 기본 CFD 공정에서 사용되는 바와 동일한 반응물들을 사용할 수도 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다.In addition, some examples may only use additional reactants in some CFD cycles. In these instances, the basic CFD process cycle uses only reactants that produce a basic film composition (eg, silicon oxide or silicon carbide). This basic process is performed in all CFD cycles or almost all CFD cycles. However, some of the CFD cycles are executed as strain cycles and they deviate from the conditions of the normal deposition cycle. For example, these modification cycles may use one or more additional reactants. Such modification cycles may also use the same reactants as used in the basic CFD process, but this is not necessarily the case.
이러한 CFD 공정들은 도핑된 산화물들 또는 다른 도핑된 재료들을 CFD 막들로서 준비할 시에 특히 유리하다. 몇몇 구현예들에서, 도펀트 프리커서들은 오직 CFD 사이클들의 작은 부분에서만 "추가적인" 반응물로서 포함된다. 도펀트를 추가하는 빈도는 목표 도펀트 농도에 의해서 지정된다. 예를 들어서, 도펀트 프리커서는 기본 재료 증착의 매 10번째 사이클마다 포함될 수 있다.Such CFD processes are particularly advantageous when preparing doped oxides or other doped materials as CFD films. In some embodiments, dopant precursors are included as "additional" reactants only in small portions of CFD cycles. The frequency of adding dopants is specified by the target dopant concentration. For example, the dopant precursor may be included every tenth cycle of base material deposition.
다수의 다른 증착 공정들과 달리, 특히 열적 활성화를 요구하는 공정들과는 달리, CFD 공정들은 상대적으로 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 일반적으로, CFD 온도는 약 20 내지 400 ℃일 것이다. 이러한 온도는 포토레지스트 코어 상의 증착과 같이 온도에 민감한 공정 상황에서의 증착을 가능하게 하도록 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 약 20 내지 100 ℃의 온도가 (예를 들어서 포토레지스트 코어들을 사용하는) 이중 패터닝 이용 시에 사용된다. 다른 실시예에서, 약 200 내지 350 ℃의 온도가 메모리 제조 공정 시에 사용된다.Unlike many other deposition processes, in particular unlike processes requiring thermal activation, CFD processes can be performed at relatively low temperatures. In general, the CFD temperature will be about 20 to 400 ° C. This temperature may be selected to enable deposition in temperature sensitive process situations such as deposition on photoresist cores. In certain embodiments, a temperature of about 20-100 ° C. is used when using double patterning (eg using photoresist cores). In another embodiment, a temperature of about 200 to 350 ° C. is used in the memory manufacturing process.
상술한 바와 같이, CFD는 진보된 기술 노드들에서 막들을 증착하는데 매우 적합하다. 따라서, 예를 들어서, CFD 공정은 32 nm 노드, 22 nm 노드, 16 nm 노드, 11 nm 노드의 공정들 그리고 이러한 노드들 중 임의의 것을 뛰어넘은 공정에 통합될 수 있다. 이러한 노드들은 수년에 걸친 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 의 마이크로전자적 기술 요구 사항들에 대한 산업적 합의에 기술되어 있다. 일반적으로, 이는 메모리 셀의 0.5 피치를 기준으로 한다. 특정 실례에서, CFD 공정은 "2X" 디바이스들 (20 내지 29 nm 범위의 디바이스 피처들 (device features) 을 가짐) 및 이를 뛰어넘은 디바이스들에 대해서 적용된다.As mentioned above, CFD is well suited for depositing films at advanced technology nodes. Thus, for example, the CFD process can be integrated into processes of 32 nm node, 22 nm node, 16 nm node, 11 nm node and processes beyond any of these nodes. These nodes are described in an industry agreement on microelectronic technology requirements of the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) over the years. In general, this is based on 0.5 pitch of memory cells. In a particular example, the CFD process is applied for "2X" devices (having device features in the range of 20 to 29 nm) and devices beyond it.
본 명세서에서 제공된 CFD 막들의 대부분의 실례들은 실리콘 기반 마이크로전자적 디바이스들과 관련되지만, 이 막들은 또한 다른 분야에서도 적용될 수 있다. GaAs 및 다른 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체들 및 HgCdTe와 같은 Ⅱ-Ⅵ 족 반도체들과 같은 비실리콘 반도체들을 사용하는 마이크로전자적 또는 광전자적 디바이스들은 본 명세서에서 기술된 CFD 공정들을 사용함으로써 이점을 얻을 수 있다. 광전 디바이스들과 같은 태양광 에너지 분야, 전기변색 분야 및 다른 분야에서도 역시 컨포멀 유전체 막들이 사용될 수 있다.Most examples of CFD films provided herein relate to silicon based microelectronic devices, but these films may also be applied in other fields. Microelectronic or optoelectronic devices using non-silicon semiconductors such as GaAs and other Group III-V semiconductors and Group II-VI semiconductors such as HgCdTe may benefit from using the CFD processes described herein. Conformal dielectric films may also be used in the solar energy field, electrochromic field and other fields, such as photovoltaic devices.
도 1은 플라즈마 활성화된 CFD 공정의 예시적인 실시예의 타이밍 도면 (100) 을 개략적으로 도시한다. 2 개의 완전 CFD 사이클들이 도시된다. 도시된 바와 같이, 각각은 반응물 A로의 노출 페이즈 (120), 바로 이후의 반응물 B로의 노출 페이즈 (140), 반응물 B 제거 페이즈 (160), 및 마지막으로 플라즈마 활성화 페이즈 (180) 을 포함한다. 플라즈마 활성화 페이즈들 (180A,180B) 동안 제공된 플라즈마 에너지는 표면 흡착된 반응물 종들 A 및 B 간의 반응을 활성화시킨다. 도시된 실시예들에서, 일 반응물 (반응물 A) 이 전달된 후에 이에 대한 제거 페이즈가 수행되지 않는다. 실제로, 이 반응물은 막 증착 공정 동안에 계속하여서 흐른다. 따라서, 반응물 A가 가스상 (gas phase) 에 있을 때에 플라즈마가 점화된다. 상기 특징 1 내지 특징 3은 도 1의 실례에서 실시된다.1 schematically illustrates a timing diagram 100 of an exemplary embodiment of a plasma activated CFD process. Two full CFD cycles are shown. As shown, each includes an exposure phase 120 to reactant A, an exposure phase 140 immediately following reactant B, a reactant B removal phase 160, and finally a plasma activation phase 180. The plasma energy provided during the plasma activation phases 180A, 180B activates the reaction between the surface adsorbed reactant species A and B. In the illustrated embodiments, no removal phase is performed on one reactant (Reactant A) after it is delivered. In practice, this reactant continues to flow during the film deposition process. Thus, the plasma is ignited when reactant A is in the gas phase.
도시된 실시예에서, 반응물들 A 및 B는 서로 반응하지 않고 가스상으로 공존할 수 있다. 따라서, ALD 공정에서 기술되는 공정 단계들 중 하나 이상은 이 예시적인 CFD 공정에서 단축 또는 제거될 수 있다. 예를 들어서, 반응물 A 노출 페이즈들 (120A,120B) 후의 제거 단계들은 생략될 수 있다.In the embodiment shown, reactants A and B can coexist in the gas phase without reacting with each other. Thus, one or more of the process steps described in the ALD process may be shortened or eliminated in this exemplary CFD process. For example, the removal steps after reactant A exposure phases 120A, 120B may be omitted.
CFD 공정은 다수의 상이한 타입의 막들 중 임의의 것을 증착하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 대부분의 실례들은 유전체 재료와 관련되지만, 본 개시된 CFD 공정들은 도전체 재료 막 및 반도체 재료 막 형성에도 사용될 수 있다. 질화물 및 산화물이 특징적인 유전체 재료들이지만 카바이드, 옥시질화물, 탄소 도핑된 산화물, 붕화물 (boride) 등도 역시 형성될 수 있다. 산화물은 USG (undoped silicate glass), 도핑된 실리케이트 유리를 포함하는 다양한 범위의 재들을 포함한다. 도핑된 유리들의 실례들은 BSG (boron doped silicate glass), PSG (phosphorus doped silicate glass) 및 BPSG (boron phosphorus doped silicate glass) 을 포함한다.The CFD process can be used to deposit any of a number of different types of films. While most of the examples provided herein relate to dielectric materials, the disclosed CFD processes can also be used to form conductor material films and semiconductor material films. Although nitrides and oxides are characteristic dielectric materials, carbides, oxynitrides, carbon doped oxides, borides and the like can also be formed. Oxides include a wide range of ashes, including USG (undoped silicate glass), doped silicate glass. Examples of doped glasses include boron doped silicate glass (BSG), phosphorus doped silicate glass (PSG) and boron phosphorus doped silicate glass (BPSG).
몇몇 실시예들에서, 실리콘 질화물 막은 실리콘 함유 반응물과 질소 함유 반응물 및/또는 질소 함유 반응물 혼합물 중 하나 이상의 반응에 의해서 형성될 수 있다. 실리콘 함유 반응물들의 실례는 다음으로 한정되지 않지만 비스(테르티아리부틸아미노)실란 (bis(tertiarybutylamino)silane) (SiH2(NHC(CH3)3)2 또는 BTBAS), 디클로로실란 (dichlorosilane) (SiH2Cl2) 및 클로로실란 (chlorosilane) (SiH3Cl) 을 포함한다. 예시적인 질소 함유 반응물들은 다음으로 한정되지 않지만 암모니아, 질소, 및 테르트-부틸 아민 (tert-butyl amine) ((CH3)3CNH2 또는 t-butyl amine) 을 포함한다. 예시적인 질소 함유 반응물 혼합물은 다음으로 한정되지 않지만 질소와 수소의 혼합물을 포함한다.In some embodiments, the silicon nitride film may be formed by the reaction of one or more of a mixture of silicon containing reactants and nitrogen containing reactants and / or nitrogen containing reactants. Examples of silicon-containing reactants include, but are not limited to, bis (tertiarybutylamino) silane (SiH 2 (NHC (CH 3 ) 3 ) 2 or BTBAS), dichlorosilane (SiH) 2 Cl 2 ) and chlorosilane (SiH 3 Cl). Exemplary nitrogen containing reactants include, but are not limited to, ammonia, nitrogen, and tert-butyl amine ((CH 3 ) 3 CNH 2 or t-butyl amine). Exemplary nitrogen containing reactant mixtures include, but are not limited to, mixtures of nitrogen and hydrogen.
하나 이상의 반응물들의 선택은 다양한 막 및/또는 하드웨어 고려사항들에 의해서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 실리콘 질화물 막은 디클로로실란과 플라즈마 활성화된 질소의 반응으로부터 형성될 수 있다. 디클로로실란의 실리콘 질화물 표면으로의 화학적 흡착은 실리콘-수소 종단 (terminated) 표면을 생성하고 염화 수소 (HCl) 는 결합이 해제된다 (liberated). 이러한 화학적 흡착 반응의 실례가 반응 1에 개략적으로 도시된다.The selection of one or more reactants can be made by various membrane and / or hardware considerations. For example, in some embodiments, the silicon nitride film can be formed from the reaction of dichlorosilane with plasma activated nitrogen. Chemical adsorption of dichlorosilane to the silicon nitride surface produces a silicon-hydrogen terminated surface and hydrogen chloride (HCl) is liberated. An example of such a chemisorption reaction is schematically shown in
반응 1:Reaction 1:
이 반응 1에서 나타난 주기적 중간물 (cyclic intermediate) 은 이어서 플라즈마 활성화된 질소와의 반응을 통해서 실리콘 아민 종단된 표면으로 변환될 수 있다.The cyclic intermediate shown in this
그러나, 디클로로실란의 몇몇 분자들은 다른 메카니즘들에 의해서 화학적 흡착할 수 있다. 예를 들면, 표면 모폴러지 (surface morphology) 는 반응 1에서 도시된 주기적 중간물의 형성을 방해할 수 있다. 다른 화학 흡착 메카니즘의 실례는 반응 2에서 개략적으로 도시된다.However, some molecules of dichlorosilane can be chemisorbed by other mechanisms. For example, surface morphology can interfere with the formation of the periodic intermediate shown in
반응 2
질소의 후속 플라즈마 활성화 동안에, 반응 2에 나타난 중간 종들 중 잔여 염소 원자가 결합이 해제되어 (liberated) 플라즈마에 의해서 활성화될 수 있다. 이는 실리콘 질화물 표면 에칭을 유발하며 잠재적으로 실리콘 질화물 막이 거칠게 되거나 헤이지 (hazy) 되게 한다. 또한, 잔여 염소 원자는 물리적 및/또는 화학적으로 재흡착되어서 잠재적으로 증착된 막을 오염시킨다. 이러한 오염은 실리콘 질화물 막의 물리적 및/또는 전기적 특성을 변화시킨다. 더 나아가, 활성화된 염소 원자는 공정 스테이션 하드웨어의 부분들에 에칭 손상을 입혀서 잠재적으로 공정 스테이션의 부분들의 서비스 수명을 단축시킨다.During the subsequent plasma activation of nitrogen, the remaining chlorine atoms in the intermediate species shown in
따라서, 몇몇 실시예들에서, 클로로실란이 디클로로실란을 대체할 수 있다. 이는 막 오염, 막 손상 및/또는 공정 스테이션 손상을 저감시킨다. 클로로실란의 화학적 흡착의 실례는 반응 3에 개략적으로 나타난다.Thus, in some embodiments, chlorosilanes can replace dichlorosilanes. This reduces membrane contamination, membrane damage and / or process station damage. An example of chemisorption of chlorosilanes is shown schematically in
반응 3
반응 3에 도시된 실례는 실리콘 함유 반응물로서 클로로실란을 사용하지만, 임의의 적합한 모노-치환된 할로실란 (mono-substituted halosilane) 이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.The example shown in
상술한 바와 같이, 도시된 중간의 구조물들은 질소 소스와 반응하여서 실리콘 질화물의 실리콘 아민 종단된 표면을 형성한다. 예를 들면, 암모니아가 플라즈마에 의해서 활성화되어서 다양한 암모니아 라디칼 종들을 형성한다. 이 라디칼 종들은 중간의 구조물들과 반응하여서 실리콘 아민 종단 표면을 형성한다.As noted above, the intermediate structures shown react with a nitrogen source to form a silicon amine terminated surface of silicon nitride. For example, ammonia is activated by the plasma to form various ammonia radical species. These radical species react with the intermediate structures to form the silicon amine termination surface.
그러나, 암모니아는 반응물 전달 라인들, 공정 스테이션, 및 배기 플럼빙 (plumbing) 의 표면들에 강하게 물리적으로 흡착되어서 퍼지 (purge) 및 배기 시간을 연장시킬 수 있다. 또한, 암모니아는 몇몇 가스상 실리콘 함유 반응물들과 고 반응성을 가질 수 있다. 예를 들면, 디클로로실란 (SiH2Cl2) 과 암모니아의 가스상 혼합물은 디아미노실란 (diaminosilane) (SiH2(NH2)2) 과 같은 불안정한 종들을 생성할 수 있다. 이러한 종들은 가스상에서 분해되어서 작은 입자들을 핵화시킨다 (nucleate). 암모니아가 할로실란의 화학 흡착 동안에 생성된 염화 수소와 반응하면, 작은 입자들이 더 형성될 수 있다. 이러한 입자들은 공정 스테이션 내에서 축적되는데, 기판 표면을 오염시킴으로써 잠재적으로 포함되는 디바이스 디펙트 (device defect) 로 되게 되며 또한 공정 스테이션 하드웨어를 오염시켜서 잠재적으로 툴이 정지되게 하고 세정될 필요를 낳는다. 작은 입자들은 또한 배기 플럼빙 내에 축적되어서 펌프 및 블로워 (blower) 를 막히게 하고 특별한 주위 배기 스크러버 (scrubber) 및/또는 콜드 트랩 (cold trap) 이 필요하게 한다. However, ammonia can be strongly physically adsorbed to the reactant delivery lines, the process station, and the surfaces of the exhaust plumbing to prolong purge and evacuation times. In addition, ammonia can be highly reactive with some gaseous silicon containing reactants. For example, a gaseous mixture of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia can produce labile species such as diaminosilane (SiH 2 (NH 2 ) 2 ). These species decompose in the gas phase and nucleate small particles. If ammonia reacts with the hydrogen chloride produced during chemisorption of halosilanes, smaller particles may be formed. These particles accumulate in the process station, resulting in potentially included device defects by contaminating the substrate surface, and also contaminating the process station hardware, potentially causing the tool to stop and be cleaned. Small particles also accumulate in the exhaust plumbing to clog pumps and blowers and require special ambient exhaust scrubbers and / or cold traps.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 치환된 아민이 질소 함유 반응물로서 사용될 수 있다. 예를 들면, t-부틸 아민과 같은 알킬 치환된 아민의 플라즈마 활성화로부터 형성된 다양한 라디칼들이 공정 스테이션에 공급될 수 있다. t-부틸 아민과 같은 알킬 치환된 아민은 암모니아보다 공정 하드웨어에 대한 낮은 점착 계수를 가지며 이로써 비교적 낮은 물리적 흡착 레이트 및 비교적 낮은 공정 퍼지 (purge) 시간을 낳는다.Thus, in some embodiments, substituted amines can be used as nitrogen containing reactants. For example, various radicals formed from plasma activation of alkyl substituted amines, such as t-butyl amine, may be supplied to the process station. Alkyl substituted amines, such as t-butyl amine, have a lower adhesion coefficient to process hardware than ammonia, resulting in a relatively low physical adsorption rate and a relatively low process purge time.
또한, 이러한 질소 함유 반응물들은 암모늄 클로라이드 (ammonium chloride) 보다 비교적으로 더 휘발성을 갖는 할로겐화된 염들 (halogenated salt) 을 형성할 수 있다. 예를 들면, t-부틸암모늄 클로라이드 (t-butylammonium chloride) 는 암모늄 클로라이드보다 휘발성이 높을 수 있다. 이는 툴 정지 시간, 디바이스 디펙트 생성 및 주변 열화 비용 (environmental abatement expense) 을 줄일 수 있다.In addition, these nitrogen-containing reactants can form halogenated salts that are relatively more volatile than ammonium chloride. For example, t-butylammonium chloride may be more volatile than ammonium chloride. This can reduce tool downtime, device defect generation and environmental abatement expense.
더 나아가, 이러한 질소 함유 반응물들은 다양한 부산물 반응들을 통해서 다른 아민 프리커서들을 형성할 수 있다. 예를 들면, t-부틸 아민의 디클로로실란과의 반응은 BTBAS를 형성할 수 있다. 따라서, 부산물들은 실리콘 질화물을 형성하는 다른 경로를 제공하며 이로써 잠재적으로 막 수율을 개선시킨다. 다른 실례에서, 치환된 아민은 실리콘 질화물 막을 형성하기 위한 저온 열적 활성화된 경로들을 제공할 수 있다. 예를 들면, t-부틸 아민은 300 ℃보다 높은 온도에서 열적으로 분해하여서 이소부틸렌 및 암모니아를 형성한다.Furthermore, these nitrogen containing reactants can form other amine precursors through various byproduct reactions. For example, the reaction of t-butyl amine with dichlorosilane can form BTBAS. Thus, the byproducts provide another route to form silicon nitride, thereby potentially improving membrane yield. In another example, substituted amines can provide low temperature thermally activated pathways to form silicon nitride films. For example, t-butyl amine thermally decomposes at temperatures above 300 ° C. to form isobutylene and ammonia.
위에서 제공된 예시된 실례는 t-부틸 아민을 사용하여서 실리콘 질화물 막 형성을 기술하였지만, 임의의 적합한 치환된 아민이 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 적합한 치환된 아민은 반응물의 열역학적 특성 및/또는 반응 특성에 기초하여서 선택될 수 있다. 예를 들면, 적절한 온도에서 다양한 열적 분해 경로들의 존재 및 선택성이 고려될 수 있는 바와 같이, 반응물로부터 형성된 할로겐화된 염들의 상대적 휘발성이 고려될 수 있다.While the illustrated example provided above describes silicon nitride film formation using t-butyl amine, it will be understood that any suitable substituted amine may be used within the scope of the present disclosure. In some embodiments, suitable substituted amines may be selected based on the thermodynamic and / or reaction properties of the reactants. For example, the relative volatility of the halogenated salts formed from the reactants may be considered, as the presence and selectivity of various thermal decomposition pathways at appropriate temperatures may be considered.
또한, 위에서 제공된 실례들은 실리콘 질화물 막 증착을 기술하였지만, 상술된 원리들은 일반적으로 다른 막 증착에도 적용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 몇몇 실시예들은 실리콘 산화물을 증착하기 위해서 적합한 할로실란을 산소 플라즈마와 같은 적합한 산소 함유 반응물 종들과 함께 사용할 수 있다.In addition, although the examples provided above describe silicon nitride film deposition, it will be appreciated that the principles described above may generally be applied to other film depositions. For example, some embodiments may use suitable halosilanes with suitable oxygen containing reactant species such as an oxygen plasma to deposit silicon oxide.
반응물들, 생성 막들 및 막 및 공정 특성 범위에 대한 비한정적 목록이 표 1에서 제공된다.A non-limiting list of reactants, resulting films and membrane and process characteristic ranges is provided in Table 1.
막
membrane
AReactant
A
BReactant
B
CReactant
C
(torr)pressure
(torr)
(ref.index)Refractive index
(ref.index)
아민t-butyl
Amine
아민t-butyl
Amine
도 1은 다양한 CFD 공정 파라미터들에 대한 예시적인 CFD 공정 페이즈들의 경시적 실시예를 나타내고 있다. 도 1은 2 개의 예시적인 증착 사이클들 (110A,110B) 을 도시하고 있지만, 임의의 적합한 개수의 증착 사이클들이 목표 막 두께를 증착하기 위해서 CFD 공정 내에 포함될 수 있음은 이해될 것이다. 예시적인 CFD 공정 파라미터들은 다음으로 한정되지 않지만 불활성 종들 및 반응물 종들의 플로우 레이트, 플라즈마 전력 및 주파수, 기판 온도 및 공정 스테이션 압력을 포함한다. BTBAS 및 산소를 사용하는 예시적인 실리콘 이산화물 증착 사이클에 대한 비한정적 파라미터 범위들이 표 2에 제공된다.1 shows a time-lapse embodiment of exemplary CFD process phases for various CFD process parameters. 1 illustrates two example deposition cycles 110A, 110B, it will be understood that any suitable number of deposition cycles may be included in the CFD process to deposit the target film thickness. Exemplary CFD process parameters include, but are not limited to, the flow rate, plasma power and frequency, substrate temperature, and process station pressure of inert and reactant species. Non-limiting parameter ranges for an exemplary silicon dioxide deposition cycle using BTBAS and oxygen are provided in Table 2.
(slm)O 2
(slm)
CFD 사이클은 통상적으로 각 반응물에 대한 노출 페이즈를 포함한다. 이러한 "노출 페이즈" 동안에, 반응물은 이 반응물이 기판 표면으로 흡착되게 하는 공정 챔버 내로 전달된다. 통상적으로, 노출 페이즈의 개시 시에, 기판 표면은 인식할 수 있는 정도의 양의 반응물이 흡착되지 않는다. 도 1에서, 반응물 A 노출 페이즈 (120A, 120B) 에서, 반응물 A는 공정 스테이션에 제어된 플로우 레이트로 공급되며 이로써 기판의 노출된 표면을 포화시킨다. 반응물 A는 주 반응물 또는 보조 반응물과 같은 임의의 적합한 증착 반응물일 수 있다. CFD가 실리콘 이산화물 막을 형성하는 일 실례에서, 반응물 A는 산소일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 반응물 A는 증착 사이클 (110A,110B) 전체에 걸쳐서 계속하여서 흐른다. 막 프리커서 노출들이 가스상 반응을 방지하도록 분리되는 통상적인 ALD 공정과는 달리, 반응물 A과 반응물 B는 CFD 공정의 몇몇 실시예들의 가스상에서 혼합하도록 허용된다. 상술한 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 반응물 A와 반응물 B는 표면 반응 활성화 또는 플라즈마 에너지 인가 이전에 반응기 내에서 보이는 조건 하에서 서로 인식할 수 있는 정도로 (appreciably) 반응하지 않으면서 가스상에서 공존하도록 선택된다. 몇몇 경우들에, (1) 반응물들 간의 반응이 열역학적으로 우세하고 (thermodynamically favorable) (즉, 깁스의 자유 에너지 < 0), (2) 목표 증착 온도에서 무시할만한 반응이 존재하도록 반응이 충분하게 높은 활성화 에너지를 갖도록 반응물들이 선택된다. 이러한 기준들을 만족시키는 다양한 반응물 조합들은 본 개시에서 다른 개소들에서 특정된다. 다수의 이러한 조합들은 상온에서 고체인 요소를 제공하는 주 반응물 및 그렇지 않은 보조 반응물을 포함한다. 몇몇 조합들에서 사용되는 보조 반응물의 실례는 산소, 질소, 알킬 아민들 및 수소를 포함한다.The CFD cycle typically includes an exposure phase for each reactant. During this "exposure phase", the reactants are delivered into the process chamber allowing the reactants to adsorb to the substrate surface. Typically, at the beginning of the exposure phase, the substrate surface does not adsorb a noticeable amount of reactants. In FIG. 1, in reactant A exposure phases 120A and 120B, reactant A is supplied to the process station at a controlled flow rate, thereby saturating the exposed surface of the substrate. Reactant A may be any suitable deposition reactant, such as a primary reactant or a secondary reactant. In one example where CFD forms a silicon dioxide film, reactant A may be oxygen. In the embodiment shown in FIG. 1, reactant A continues to flow throughout the deposition cycles 110A, 110B. Unlike conventional ALD processes in which membrane precursor exposures are separated to prevent gas phase reactions, reactant A and reactant B are allowed to mix in the gas phase of some embodiments of the CFD process. As noted above, in some embodiments, reactants A and B are selected to coexist in the gas phase without appreciably reacting with each other under conditions visible in the reactor prior to surface reaction activation or plasma energy application. do. In some cases, the reaction is sufficiently high so that (1) the reaction between reactants is thermodynamically favorable (ie, the free energy of the cast <0), and (2) there is a negligible reaction at the target deposition temperature. The reactants are selected to have an activation energy. Various reactant combinations that meet these criteria are specified elsewhere in this disclosure. Many such combinations include primary reactants that provide urea that is solid at room temperature and secondary reactants that do not. Examples of auxiliary reactants used in some combinations include oxygen, nitrogen, alkyl amines and hydrogen.
공정 스테이션에 반응물 A를 계속하여서 공급하면, 반응물 A가 개시되고 (turn-on) 이어서 안정화되고 이어서 기판에 노출되고 이어서 중지되고 (turn-off) 마지막으로 반응기로부터 제거되는 ALD 공정에 비해서, 반응물 A 플로우 레이트 개시 및 안정화 시간이 단축 또는 제거될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는 반응물 A 노출 페이즈들 (120A, 120B) 이 일정한 플로우 레이트를 갖는 것으로 예시하였지만, 본 개시의 범위 내에서 가변 플로우 레이트를 포함하여서 적합한 반응물 A 플로우가 사용될 수 있다. 또한, 도 1에서는 반응물 A가 전체 CFD 사이클 (증착 사이클 (110A)) 동안에 일정한 플로우 레이트를 갖는 것으로 예시되었지만, 반드시 그러할 필요는 없다. 예를 들면, 반응물 A의 플로우 레이트는 반응물 B 노출 페이즈들 (140A, 140B) 동안에 감소할 수 있다. 이는 반응물 B의 분압을 증가시키며 이로써 기판 표면 상으로의 반응물 B의 흡착을 구동하는 힘을 증가시킨다.Continued supply of reactant A to the process station allows reactant A to be turned on, then stabilized, then exposed to the substrate, then turned off and finally removed from the reactor, compared to ALD process. Flow rate onset and stabilization times can be shortened or eliminated. Although the embodiment shown in FIG. 1 illustrates that reactant A exposure phases 120A, 120B have a constant flow rate, suitable reactant A flows may be used, including variable flow rates, within the scope of the present disclosure. In addition, although React A is illustrated as having a constant flow rate during the entire CFD cycle (deposition cycle 110A), this need not be the case. For example, the flow rate of reactant A may decrease during the reactant B exposure phases 140A, 140B. This increases the partial pressure of reactant B, thereby increasing the force driving the adsorption of reactant B onto the substrate surface.
몇몇 실시예들에서, 반응물 A 노출 페이즈 (120A) 는 반응물 A의 기판 표면 포화 기간을 초과하는 기간을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1의 실시예는 반응물 A 노출 페이즈 (120A) 내에 반응물 A 포화 후 노출 기간 (130) 을 포함한다. 선택적으로, 반응물 A 노출 페이즈 (120A) 는 불활성 가스의 제어된 플로우 레이트를 포함한다. 예시적인 불활성 가스는 다음으로 한정되지 않지만 질소, 아르곤, 및 헬륨을 포함한다. 불활성 가스는 공정 스테이션의 압력 및/또는 온도 제어, 액체 프리커서의 기화, 프리커서 및/또는 공정 스테이션 및/또는 공정 스테이션 플럼빙으로부터 공정 가스를 제거하기 위한 제거 가스 (sweep gas) 의 보다 신속한 전달을 보조하도록 제공될 수 있다.In some embodiments, reactant A exposure phase 120A may have a period that exceeds the substrate surface saturation period of reactant A. For example, the embodiment of FIG. 1 includes an
도 1에 도시된 실시예의 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 에서, 반응물 B은 공정 스테이션에 제어된 플로우 레이트로 공급되며 이로써 기판의 노출된 표면을 포화시킨다. 일 예시적인 실리콘 이산화물 막에서, 반응물 B는 BTBAS일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 가 일정한 플로우 레이트를 갖는 것으로 예시하였지만, 본 개시의 범위 내에서 가변 플로우 레이트를 포함하여서 적합한 반응물 B 플로우가 사용될 수 있다. 또한, 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 는 임의의 적합한 기간을 가질 수 있음이 이해될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 는 반응물 B의 기판 표면 포화 기간을 초과하는 기간을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1의 실시예는 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 내에 반응물 B 포화 후 노출 기간 (150) 을 포함한다. 선택적으로, 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 는 상술한 바와 같은 적합한 불활성 가스의 제어된 플로우 레이트를 포함하며, 이는 공정 스테이션의 압력 및/또는 온도 제어, 액체 프리커서의 기화, 프리커서의 보다 신속한 전달을 보조하며 공정 스테이션 가스들의 역 확산 (back diffusion) 을 억제할 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 불활성 가스는 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 전체 동안에 공정 스테이션으로 계속하여 흐른다.In the reactant
몇몇 실시예들에서, 증착 반응들의 플라즈마 활성화는 열적으로 활성화된 반응들에서보다 낮은 증착 온도를 가능하게 하며 이로써 통합된 공정의 가용 열적 비용 소비를 절감시킨다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 활성화된 CFD 공정은 상온에서 발생할 수 있다.In some embodiments, plasma activation of deposition reactions enables lower deposition temperatures than in thermally activated reactions, thereby reducing the available thermal cost consumption of the integrated process. For example, in some embodiments, a plasma activated CFD process may occur at room temperature.
도 1에 도시된 CFD 공정 실시예는 플라즈마 활성화되지만, 다른 비열적 에너지 소스들이 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음은 이해될 것이다. 이러한 비열적 에너지 소스들의 비한정적 실례들은 다음으로 한정되지 않지만 자외선 램프, 하류 또는 원격 플라즈마 소스, 유도 결합형 플라즈마, 및 마이크로웨이브 표면파 플라즈마를 포함한다.Although the CFD process embodiment shown in FIG. 1 is plasma activated, it will be appreciated that other nonthermal energy sources may be used within the scope of the present disclosure. Non-limiting examples of such nonthermal energy sources include, but are not limited to, ultraviolet lamps, downstream or remote plasma sources, inductively coupled plasmas, and microwave surface wave plasmas.
또한, 본 명세서에서 기술된 다수의 실례들은 2 개의 반응물들 (A 및 B) 을 포함하였지만, 임의의 적합한 개수의 반응물들이 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 단일 반응물 및 이 반응물의 표면 분해 반응을 위해서 플라즈마 에너지를 공급하는데 사용되는 불활성 가스가 사용될 수 있다. 이와 달리, 특징 7의 상황에서 상술한 바와 같이, 몇몇 실시예들은 막을 증착하기 위해서 3 개 이상의 반응물들을 사용할 수 있다.In addition, although many of the examples described herein included two reactants (A and B), it will be understood that any suitable number of reactants may be used within the scope of the present disclosure. In some embodiments, a single reactant and an inert gas used to supply plasma energy for the surface decomposition reaction of the reactant may be used. Alternatively, as described above in the context of feature 7, some embodiments may use three or more reactants to deposit the film.
몇몇 시나리오에서, 표면 흡착된 B 종들은 기판 표면 상에서 불연속 아일랜드들 (islands) 로서 존재하며, 이로써 반응물 B의 표면 포화를 달성하기 어렵게 할 수 있다. 다양한 표면 상태들이 기판 표면 상에서의 반응물 B의 핵성성 및 포화를 지연시킬 수 있다. 예를 들면, 반응물 A 및/또는 B 흡착 시에 방출된 리간드들이 몇몇 표면 활성 자리들을 막아서 반응물 B의 후속 흡착을 방해한다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 반응물 B 노출 페이즈 (140A) 동안에 반응물 B의 공정 스테이션 내로의 플로우를 조절하고/하거나 반응물 B를 이산적으로 (discretely) 펄싱함으로써 반응물 B의 연속적인 애드레이어들 (continuous adlayers) 이 제공될 수 있다. 이는 일정한 플로우 시나리오에 비해서 반응물 B를 보존하면서 (conserving) 표면 흡착 공정 및 탈착 공정에 대한 추가 시간을 제공할 수 있다.In some scenarios, the surface adsorbed B species exist as discrete islands on the substrate surface, thereby making it difficult to achieve surface saturation of reactant B. Various surface conditions can retard the nucleation and saturation of reactant B on the substrate surface. For example, ligands released upon reactant A and / or B adsorption may block some surface active sites to prevent subsequent adsorption of reactant B. Thus, in some embodiments, continuous adlayers of reactant B by controlling the flow of reactant B into the process station and / or discretely pulsing reactant B during reactant
추가적으로 또는 이와 달리, 몇몇 실시예들에서, 반응물 B의 연속적인 노출들 간에 하나 이상의 제거 페이즈들이 포함될 수 있다. 예를 들면, 도 2의 실시예는 증착 사이클 (210) 동안의 예시적인 CFD 공정 타이밍 도면 (210) 을 개략적으로 도시한다. 반응물 B 노출 페이즈 (240A) 에서, 반응물 B은 기판 표면에 노출된다. 이어서, 제거 페이즈 (260A) 에서, 반응물 B가 중지되고 (turn-off), 반응물 B의 가스상 종들이 공정 스테이션으로부터 제거된다. 일 시나리오에서, 가스상 반응물 B는 반응물 B 및/또는 불활성 가스의 연속적인 흐름에 의해서 제거될 수 있다. 다른 시라니오에서, 가스상 반응물 B은 공정 스테이션을 배기함으로써 제거될 수 있다. 가스상 반응물 B 제거는 흡착된 B의 흡착/탈착 공정 평형을 시프트시켜서 흡착된 B의 불연속 아일랜드들이 합쳐지도록 흡착된 B의 리간드들을 탈착시키고 표면 재배열을 촉진시킬 수 있다. 반응물 B 노출 페이즈 (240B) 에서, 반응물 B는 다시 한번 기판 표면에 노출된다. 도 2에 도시된 실시예가 반응물 B 제거 및 노출 사이클의 일 인스턴스를 포함하지만, 교번하는 제거 및 노출 사이클들의 임의의 적합한 수의 반복이 본 개시의 범위 내에서 채용될 수 있음이 이해될 것이다.Additionally or alternatively, in some embodiments, one or more removal phases may be included between successive exposures of reactant B. For example, the embodiment of FIG. 2 schematically shows an example CFD process timing diagram 210 during the deposition cycle 210. In reactant
도 1의 실시예로 돌아가면, 페이즈 (180A) 에서 플라즈마에 의한 활성화 이전에, 가스상 반응물 B는 몇몇 실시예들에서 제거 페이즈에서 공정 스테이션으로부터 제거될 수 있다. CFD 사이클은 상술한 노출 페이즈들에 부가하여서 하나 이상의 제거 (sweep) 페이즈들을 포함할 수 있다. 공정 스테이션 내를 청소 (sweep) 함으로써, 반응물 B가 플라즈마 활성화에 영향을 받게 되는 가스상 반응들이 방지된다. 또한, 공정 스테이션 내를 청소함으로써 표면 흡착된 리간드들을 제거할 수 있는데, 이 리간드들은 제거되지 않으면 막을 오염시킬 수 있다. 에시적인 제거 또는 청소 가스들은 다음으로 한정되지 않지만 아르곤, 헬륨 및 질소를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제거 페이즈 (160A) 에서의 제거 가스는 불활성 가스 스트림에 의해서 공급된다. 몇몇 실시예들에서, 제거 페이즈 (160A) 는 공정 스테이션을 배기하기 위한 하나 이상의 배기 하위페이즈들을 포함할 수 있다. 이와 달리, 제거 페이즈 (160A) 가 몇몇 실시예들에서 생략될 수 있음은 이해될 것이다.Returning to the embodiment of FIG. 1, prior to activation by plasma in
제거 페이즈 (160A) 는 임의의 적합한 기간을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 제거 가스들의 플로우 레이트를 증가시키면 제거 페이즈 (160A) 의 기간이 감소될 수 있다. 예를 들면, 제거 가스 플로우 레이트는 제거 페이즈 (160A) 의 기간을 수정하기 위해서 다양한 반응물 열역학적 특성들 및/또는 공정 스테이션 및/또는 공정 스테이션 플럼빙의 기하학적 특성들에 따라서 조절될 수 있다. 일 비한정적 실례에서, 제거 페이즈의 기간은 제거 가스 플로우 레이트 조절에 의해서 최적화될 수 있다. 이는 증착 사이클 시간을 줄여서 기판 쓰루풋을 개선시킬 수 있다.The
통상적으로 CFD 사이클은 상술한 바와 같은 노출 페이즈 및 선택적 제거 페이즈 이외에도 "활성화 페이즈"를 포함한다. 활성화 페이즈는 기판 표면 상에 흡착된 하나 이상의 반응물들의 반응을 활성화시키는 역할을 한다. 도 1에 도시된 실시예의 플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 에서, 플라즈마 에너지는 표면 흡착된 반응물들 A와 B 간의 표면 반응을 활성화시키도록 제공될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마는 반응물 A 라디칼들이 형성되도록 반응물 A의 가스상 분자들을 직접 또는 간접적으로 활성화시킬 수 있다. 이어서, 이 라디칼들은 표면 흡착된 반응물 B와 상호 반응하여서 막 형성 표면 반응들을 낳는다. 플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 는 증착 사이클 (110A) 을 끝내며, 도 1의 실시예에서 이 증착 사이클 (110A) 에 이어서 증착 사이클 (110B) 이 발생하며 이 증착 사이클 (110B) 은 반응물 A 노출 페이즈 (120B) 에서 시작한다.Typically the CFD cycle includes an "activation phase" in addition to the exposure phase and the optional removal phase as described above. The activation phase serves to activate the reaction of one or more reactants adsorbed on the substrate surface. In the
몇몇 실시예들에서, 플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 에서 점화된 플라즈마는 기판 표면 상방에서 직접적으로 형성될 수 있다. 이는 플라즈마 밀도를 더 높게 하여서 반응물 A와 반응물 B 간의 표면 반응 레이트를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, CFD 공정용 플라즈마는 2 개의 용량 결합된 플레이트들을 사용하여서 무선 주파수 전계를 저압 가스에 인가함으로써 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 원격 생성된 플라즈마가 주 반응 챔버 외부에서 생성될 수 있다.In some embodiments, the plasma ignited in the
임의의 적합한 가스가 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있다. 제 1 실례에서, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스가 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다. 제 2 실례에서, 산소 또는 암모니아와 같은 반응물 가스가 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다. 제 3 실례에서, 질소와 같은 제거 가스가 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다. 물론, 이러한 카테고리의 가스들의 조합이 사용될 수도 있다. RF 전계에 의해서 플레이트들 간에서 가스를 이온화하면 플라즈마가 점화되며 이 플라즈마 방전 영역 내에서 자유 전자들이 생성된다. 이 자유 전자들은 RF 전계에 의해서 가속되어 가스상 반응물 분자들과 충돌한다. 이렇게 자유 전자들과 반응물 분자들이 충돌하면 증착 공정에 참여하는 라디칼 종들이 형성된다. RF 전계는 임의의 적합한 전극들을 통해서 결합될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 전극들의 비한정적 실례들은 공정 가스 분배 샤워헤드 및 기판 지지 페데스탈을 포함한다. CFD 공정용 플라즈마는 가스에 RF 전계를 용량 결합시키는 것 이외에도 하나 이상의 임의의 적합한 방법들에 의해서 형성될 수 있음이 이해될 것이다.Any suitable gas can be used to generate the plasma. In a first example, an inert gas such as argon or helium may be used to form the plasma. In a second example, a reactant gas such as oxygen or ammonia can be used to form the plasma. In a third example, a removal gas such as nitrogen can be used to form the plasma. Of course, a combination of gases of this category may be used. Ionizing the gas between the plates by the RF field ignites the plasma and creates free electrons within this plasma discharge region. These free electrons are accelerated by the RF field and collide with gas phase reactant molecules. This collision of free electrons and reactant molecules forms radical species that participate in the deposition process. It will be appreciated that the RF field may be coupled through any suitable electrode. Non-limiting examples of such electrodes include a process gas distribution showerhead and a substrate support pedestal. It will be appreciated that the plasma for the CFD process may be formed by one or more of any suitable method besides capacitively coupling the RF field to the gas.
플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 는 임의의 적합한 기간을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 는 플라즈마 활성화된 라디칼들이 모든 노출된 기판 표면들 및 흡착물들과 상호 작용하는 기간을 초과하는 기간을 가질 수 있으며 이로써 기판 표면 상에서 연속적인 막이 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 실시예는 플라즈마 활성화 페이즈 (180A) 내에 포화 후 플라즈마 노출 기간 (190) 을 포함하고 있다.
아래에서 보다 완벽하게 설명될 바와 같이 그리고 상술된 특징 4에 대한 논의에서 전술한 바와 같이, 플라즈마 노출 시간을 연장하고/하거나 복수의 플라즈마 노출 페이즈들을 제공하면 증착된 막의 벌크 및/또는 표면 근접 부분들 (near-surface portions) 의 반응 후 처리가 제공될 수 있다. 일 시나리오에서, 플라즈마 처리에 의해서 표면 오염을 저감시켜서 반응물 A의 흡착을 위한 표면이 준비될 수 있다. 예를 들면, 실리콘 함유 반응물과 질소 함유 반응물의 반응으로부터 형성된 실리콘 질화물 막은 후속하는 반응물들의 흡착에 저항하는 표면을 가질 수 있다. 이 실리콘 질화물 막을 플라즈마로 처리하면 후속 흡착 및 반응 이벤트를 용이하게 하는 수소 결합들이 생성될 수 있다.As will be explained more fully below and as discussed above in the discussion of
몇몇 실시예들에서, 막 응력, 유전체 상수, 굴절율, 에칭 레이트와 같은 막 특성들이 이하에서 보다 상세하게 논의될 플라즈마 파라미터들을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 표 3은 400 ℃에서 증착된 3 개의 예시적인 CFD 실리콘 이산화물 막들에 대한 다양한 막 특성들의 예시적인 목록을 제공한다. 참고를 위해서, 표 3은 400 ℃에서 증착된 예시적인 PECVD 실리콘 이산화물 막에 대한 막 정보를 더 포함한다.In some embodiments, film properties, such as film stress, dielectric constant, refractive index, etch rate, can be adjusted by changing plasma parameters, which will be discussed in more detail below. Table 3 provides an exemplary list of various film properties for three exemplary CFD silicon dioxide films deposited at 400 ° C. For reference, Table 3 further includes film information for an exemplary PECVD silicon dioxide film deposited at 400 ° C.
공정SiO 2
fair
((최대분)/
평균)NU
((Max minutes) /
Average)
(1 시그마)NU
(1 sigma)
(MPa)Membrane stress
(MPa)
상수dielectric
a constant
에칭
레이트 비Wet
etching
200W
O2 플라즈마
(오직 HF)1 sec.
200 W
O 2 plasma
(Only HF)
O2 플라즈마
(오직 HF)10 sec. 1000 W
O 2 plasma
(Only HF)
O2 플라즈마
(HF/LF)10 sec. 1000 W
O 2 plasma
(HF / LF)
예를 들면, 도 3은 증착 페이즈 (310) 및 후속 플라즈마 처리 페이즈 (390) 를 포함하는 CFD 공정 타이밍 도면 (300) 을 개략적으로 도시한다. 임의의 적합한 플라즈마가 이 플라즈마 처리 페이즈 동안에 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 제 1 시나리오에서, 제 1 플라즈마 가스가 증착 사이클 내의 활성화 동안에 사용되며, 제 2 의 다른 플라즈마 가스가 플라즈마 처리 페이즈 동안에 사용된다. 제 2 시나리오에서, 제 2 의 다른 플라즈마 가스가 플라즈마 처리 페이즈 동안에 제 1 플라즈마 가스를 보충할 수 있다. 인-시츄 플라즈마 처리 사이클 동안의 비한정적 파라미터 범위들이 표 4에 제공된다.For example, FIG. 3 schematically shows a CFD process timing diagram 300 that includes a deposition phase 310 and a subsequent
처리
제거
페이즈plasma
process
remove
Phase
처리
활성화
페이즈plasma
process
Activation
Phase
도 3에 도시된 플라즈마 활성화 페이즈 (380) 에서, 기판 표면은 막 증착 반응이 활성화되도록 플라즈마에 노출된다. 도 3에서 도시된 실시예에서 나타난 바와 같이, 플라즈마 처리 제거 페이즈 (390A) 에서, 공정 스테이션에는 예를 들어서 산소와 같은 보조 반응물일 수 있는 반응물 A 및 불활성 가스가 계속하여서 흐르게 된다. 공정 스테이션을 청소하면 공정 스테이션으로터 휘발성 오염물들을 제거할 수 있다. 제거 가스는 도 3에 도시되었지만, 임의의 적합한 반응물 제거 방법이 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 플라즈마 처리 활성화 페이즈 (390B) 에서, 새롭게 증착된 막의 벌크 및/또는 표면 근접 영역들을 처리하는데 플라즈마가 점화된다.In the
도 3의 실시예는 플라즈마 처리 페이즈를 포함하는 CFD 사이클의 일 인스턴스를 포함하지만, 임의의 적합한 수의 반복이 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 하나 이상의 플라즈마 처리 사이클들이 정상적인 증착 사이클들 간의 인터벌들에 (규칙적으로 또는 불규칙적으로) 삽입될 수 있음도 이해될 것이다. 예를 들면, 도 4는 2 개의 증착 사이클들 간에 삽입된 일 플라즈마 처리 페이즈를 포함하는 CFD 공정 타이밍 도면 (400) 의 실시예를 나타내고 있다. 도 4의 실시예는 2 개의 증착 사이클들 간에 삽입된 일 플라즈마 처리 사이클을 포함하지만, 임의의 적합한 개수의 증착 사이크들이 하나 이상의 플라즈마 처리 사이클들을 선행 또는 후행할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 플라즈마 처리가 막 밀도를 변경하는데 사용되는 시나리오에서, 플라즈마 처리 사이클은 매 10 번째의 증착 사이클 후에 삽입될 수 있다. 흡착 및 반응 이벤트를 위한 표면을 준비하는데 플라즈마 처리가 사용되는 시나리오에서, 플라즈마 처리 페이즈는 매 CFD 사이클에서, 예를 들어서 각 CFD 증착 페이즈 후에 포함될 수 있다.Although the embodiment of FIG. 3 includes one instance of a CFD cycle that includes a plasma treatment phase, it will be understood that any suitable number of iterations may be used within the scope of the present disclosure. It will also be appreciated that one or more plasma processing cycles may be inserted (regularly or irregularly) at intervals between normal deposition cycles. For example, FIG. 4 illustrates an embodiment of a CFD process timing diagram 400 that includes one plasma treatment phase inserted between two deposition cycles. Although the embodiment of FIG. 4 includes one plasma processing cycle inserted between two deposition cycles, it will be understood that any suitable number of deposition cycles may precede or follow one or more plasma processing cycles. For example, in a scenario where plasma processing is used to change film density, a plasma processing cycle may be inserted after every tenth deposition cycle. In scenarios where plasma treatment is used to prepare the surface for adsorption and reaction events, the plasma treatment phase may be included in every CFD cycle, for example after each CFD deposition phase.
증착된 막에 대한 플라즈마 처리는 막의 하나 이상의 물리적 특성들을 변화시킬 수 있다. 일 시나리오에서 플라즈마 처리는 새롭게 증착된 막을 조밀하게 할 수 있다. 조밀화된 막들은 조밀화되지 않은 막들에 비해서 에칭에 대한 내성이 보가 클 수 있다. 예를 들어서, 도 5는 열적으로 성장한 실리콘 이산화물 막들에 대한 예시적인 CFD 처리된 실리콘 이산화물 막들의 에칭 레이트를 비교하는 그래프 (500) 의 실시예를 도시한다. 도 5의 예시적인 막 실시예들은 CFD 공정들 (502,504) 에 의해서 50 내지 400 ℃ 온도 범위에서 증착되었다. 참고를 위해서, PECVD 공정에 의해서 증착된 실리콘 이산화물 스페이서 증들 및 USG (undoped silicate glass) 에 대한 상대적인 에칭 레이트들이 도 5에 도시된다. 각 증착 사이클에서 1 초의 고주파수 산소 플라즈마 활성화 페이즈를 포함하는 공정에 의해서 생성된 막들 (502) 은 각 증착 사이클에서 10 초의 고주파수 산소 플라즈마 활성화 페이즈를 포함하는 공정에 의해서 생성된 막들 (504) 에 대해서 DHF (dilute hydrofluric acid) 습식 에칭 (100:1 H2O:HF) 에 대한 저항성이 대략 0.5 배이다. 따라서, 플라즈마 활성화 페이즈의 여러 양태들을 변화시키고/시키거나 하나 이상의 플라즈마 처리 사이클들을 포함시킴으로써 증착된 막의 에칭 레이트가 변할 수 있음이 이해될 것이다.Plasma treatment on the deposited film can change one or more physical properties of the film. In one scenario, the plasma treatment can densify the newly deposited film. Densified films may be more resistant to etching than undensified films. For example, FIG. 5 shows an embodiment of a
다른 시나리오에서, 막 플라즈마 처리는 막의 응력 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 도 6은 예시적인 CFD 실리콘 이산화물 막들에 대한 습식 에칭 레이트 비와 막 응력 간의 상관 관계 (600) 의 실시예를 도시한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 습식 에칭 레이트 비가 예를 들어서 플라즈마 노출 기간을 연장함으로써 감소하면 압축 막 응력은 증가할 수 있다.In other scenarios, the film plasma treatment can change the stress characteristics of the film. For example, FIG. 6 shows an embodiment of the
다른 시나리오에서, 증착된 막 플라즈마 처리는 미량의 (trace) 막 오염물 (예를 들어서, 예시적인 실리콘 이산화물 막의 경우에 수소, 질소 및/또는 탄소임) 의 다른 막 성분들 (예를 들어서, 예시적인 실리콘 이산화물 막의 경우에 실리콘 및/또는 산소) 에 대한 과도적 차 제거 (transient differential removal) 를 제공할 수 있다. 예를 들면, 도 7은 증착 온도, 플라즈마 노출 기간, 및 막 오염 농도 간의 상관 관계 (700) 의 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 실시예에서, 50 ℃에서 증착되고 10 초의 산소 플라즈마 활성화 페이즈를 갖는 CFD 실리콘 이산화물 막 (704) 은 동일한 온도에서 증착되지만 1 초의 산소 플라즈마 활성화 페이즈를 갖는 CFD 실리콘 이산화물 막 (702) 보다 낮은 수소 및 탄소 농도를 보인다. 막 내의 오염물 농도를 수정하면 막의 전기적 및/또는 물리적 특성이 수정될 수 있다. 예를 들면, 탄소 및/또는 수소 농도를 조절함으로써 막의 유전체 상수 및/또는 막 에칭 레이트를 조절할 수 있다. 따라서, 플라즈마 활성화 페이즈의 여러 양태들을 변화시키고/시키거나 하나 이상의 플라즈마 처리 사이클들을 포함시킴으로써 막 조성을 변화시키는 방법을 제공할 수 있음이 이해될 것이다.In other scenarios, the deposited film plasma treatment may include other film components (eg, hydrogen, nitrogen and / or carbon in the case of an exemplary silicon dioxide film) (eg, exemplary). In the case of silicon dioxide films it may provide transient differential removal for silicon and / or oxygen). For example, FIG. 7 illustrates an embodiment of a
상술된 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리에 관한 것이지만, 임의의 적합한 플라즈마 처리가 본 실시예의 범위를 일탈하지 않으면서 채용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 몇몇 실시예들에서, 치환된 아민이 NH3 대신에 적합한 CFD 공정에서 질소 함유 반응물로서 사용될 수 있다. 컨포멀 SiN 증착을 위해서 NH3을 치환된 아민 (예를 들어서, t-부틸 아민과 같은 알킬 아민) 으로 대체하는 바는 다수의 이점들을 제공하지만, 몇몇 경우에서, 증착된 막은 알킬 아민 반응물으로부터 유래하는 탄소 잔여물 (예를 들어서, 각각이 t-부틸 아민 분자 (NH2-(CH3)3) 을 포함하는 3 개의 메틸 그룹들로부터의 탄소 잔여물) 을 포함할 수 있다. 이러한 막 내의 탄소는 전기적 누설을 야기하여서 이 막이 몇몇 유전체 베리어 이용 시에서 적합하지 않게 할 수 있다.Although the plasma treatment described above relates to an oxygen plasma treatment, it will be appreciated that any suitable plasma treatment may be employed without departing from the scope of this embodiment. For example, in some embodiments, substituted amines can be used as nitrogen containing reactants in a suitable CFD process instead of NH 3 . Replacing NH 3 with a substituted amine (eg, an alkyl amine such as t-butyl amine) for conformal SiN deposition provides a number of advantages, but in some cases, the deposited film is derived from an alkyl amine reactant. Carbon residues (eg, carbon residues from three methyl groups each comprising a t-butyl amine molecule (NH 2 — (CH 3 ) 3 )). Carbon in such films can cause electrical leakage, making the film unsuitable for some dielectric barrier applications.
따라서, 몇몇 실시예에서, SiN 막 증착 동안에 할로겐 플라즈마를 점화하여서 SiN 막 내의 탄소 잔여물을 감소시켜서 막의 절연 특성을 비교적으로 증가시킬 수 있다. 몇몇 실례들에서, 탄소 잔여물 감소는 FTIR 스펙트럼에서 용이하게 관측될 수 있다. 예를 들면, SiN:C-H 레벨들은 대략 10 % 원자 레벨에서 대략 1 % 원자 레벨로 감소될 수 있다. Thus, in some embodiments, it is possible to ignite a halogen plasma during SiN film deposition to reduce the carbon residues in the SiN film to thereby relatively increase the insulating properties of the film. In some instances, carbon residue reduction can be easily observed in the FTIR spectrum. For example, SiN: C—H levels may be reduced from approximately 10% atomic level to approximately 1% atomic level.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 실리콘 질화물 막은 질소 함유 반응물 내에 포함된 알킬 아민 또는 알킬 아민들의 혼합물 및 수소 플라즈마 처리의 하나 이상의 인스턴스를 사용하는 CFD 공정으로 증착될 수 있다. 임의의 적합한 수소 플라즈마가 본 개시의 범위 내에서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, H2와 He 또는 Ar의 혼합물 또는 다른 수소 함유 가스들 또는 원격 플라즈마 소스에 의해서 생성된 활성 H 원자들이 상기 증착된 막을 처리하는데 사용될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 이 막의 탄소 농도는 처리 펄스의 수, 그 기간, 플라즈마 처리 강도, 기판 온도 및 처리 가스 조성 중 하나 이상을 변화시킴으로써 임의의 적합한 농도로 조절될 수 있다. Thus, in some embodiments, the silicon nitride film may be deposited in a CFD process using one or more instances of hydrogen plasma treatment and an alkyl amine or a mixture of alkyl amines contained within a nitrogen containing reactant. It will be appreciated that any suitable hydrogen plasma may be used within the scope of the present disclosure. Thus, in some embodiments, a mixture of H 2 and He or Ar or other active hydrogen atoms or active H atoms generated by a remote plasma source may be used to treat the deposited film. In addition, in some embodiments, the carbon concentration of this film may be adjusted to any suitable concentration by varying one or more of the number of processing pulses, their duration, plasma processing intensity, substrate temperature, and processing gas composition.
상술된 수소 플라즈마 처리는 실리콘 질화물 막에 대한 것이지만, 적합한 수소 플라즈마 처리가 다음으로 한정되지 않지만 SiOx, GeOx, 및 SiOxNy를 포함하는 다른 CFD 증착된 막들의 탄소 농도를 조절하기 위해서 사용될 수 있음이 이해될 것이다.While the above-described hydrogen plasma treatment is for silicon nitride films, it will be understood that suitable hydrogen plasma treatment can be used to adjust the carbon concentration of other CFD deposited films including, but not limited to, SiOx, GeOx, and SiOxNy. will be.
본 명세서에서 개시된 특정 실시예들은 산화물 CFD 막들의 자외선 처리 (플라즈마 처리와 함께이거나 그렇지 않을 수 있음) 에 관한 것이다. 이 자외선 처리는 산화물 내의 디펙트를 저감시켜서 게이트 유전체의 CV 특성들과 같은 전기적 특성을 개선한다. 이러한 처리로부터 이득을 취할 수 있는 CFD 산화물들을 사용하는 디바이스 및 패키지 응용은 관통 실리콘 비아, 게이트 산화물을 사용하는 로직 기술, STI (shallow trench isolation), STI-포토레지스트 탈피 (strip) 후에 형성된 얇은 열적 산화물, P 웰 주입 이전의 희생 산화물 (예를 들어서 ~ 60Å), "웰 (well)" 후 열적 산화물 성장, 게이트/채널 산화물, DRAM PMD PECVD 산화물을 포함한다.Certain embodiments disclosed herein relate to ultraviolet treatment (which may or may not be plasma treatment) of oxide CFD films. This ultraviolet treatment reduces defects in the oxide to improve electrical properties such as CV characteristics of the gate dielectric. Device and package applications using CFD oxides that can benefit from this process include thin thermal oxides formed after through silicon vias, logic technologies using gate oxides, shallow trench isolation (STI), and STI-photoresist stripping. Sacrificial oxide prior to P well implantation (eg ˜60 μs), thermal oxide growth after “well”, gate / channel oxide, DRAM PMD PECVD oxide.
몇몇 경우에, 비처리된 CFD 산화물 막들은 믿어지기로는 증착된 막 내에서의 고정된 전하로 인해서 상대적으로 빈약한 전기적 성능을 갖는다고 관측되었다. 예를 들면, 몇몇 막들은 상당한 웨이퍼 내 Vfb 편차들을 갖는다고 발견되었다. 이러한 문제들은 수소 존재 하에서 자외선 방사 및/또는 열적 어닐링을 사용하는 증착 후 처리를 통해서 해결될 수 있다. 이러한 공정은 (1) 산화물 대 실리콘 계면에서의 고정 전하, 또는 (2) 증착된 유전체 막 내에서의 고정 전하 또는 (3) 공기 대 산화물 계면에서의 고정 전하 (표면 전하) 와 연관된 디펙트들을 페시베이션 및/또는 저감시킨다고 믿어진다. 이러한 처리를 사용하여서, 그렇게 증착된 산화물에 대한 Vfb 편차가 UV 경화 후에 8.3 V에서 약 1.5 V로 좁혀졌다.In some cases, untreated CFD oxide films were believed to have relatively poor electrical performance due to the fixed charge in the deposited film. For example, some films have been found to have significant in-wafer Vfb variations. These problems can be solved through post deposition treatment using ultraviolet radiation and / or thermal annealing in the presence of hydrogen. This process passes defects associated with (1) a fixed charge at the oxide to silicon interface, or (2) a fixed charge in the deposited dielectric film, or (3) a fixed charge (surface charge) at the air to oxide interface. It is believed to reduce bastion and / or reduction. Using this treatment, the Vfb deviation for the oxide so deposited was narrowed from 8.3 V to about 1.5 V after UV curing.
이러한 실시예들은 주로 산화물 막들을 개선시키는 것과 관련되지만, 개시된 방법은 일반적으로 유전체 성장, 금속 성장 또는 금속 대 유전체 계면 처리에 적용될 수 있다. 특정 유전체 재료는 예컨대 도핑된 실리콘 산화물을 포함하는 실리콘 산화물들, 실리콘 카바이드들, 실리콘 옥시카바이드들, 실리콘 질화물들, 실리콘 옥시질화물들 및 애시가능한 (ashable) 하드 마스크 재료들을 포함한다.While these embodiments relate primarily to improving oxide films, the disclosed method can generally be applied to dielectric growth, metal growth, or metal to dielectric interface treatment. Specific dielectric materials include, for example, silicon oxides, silicon carbides, silicon oxycarbides, silicon nitrides, silicon oxynitrides, and ashable hard mask materials including doped silicon oxide.
유전체 특성을 개선하는데 적용될 수 있는 처리들의 실례들은 다음을 포함한다:Examples of processes that can be applied to improve dielectric properties include:
(A) UV 경화 및 후속 수소 어닐링을 사용하여서 CFD에 의해서 합성된 유전체 막들을 증착후 처리함. 가장 간단한 실시예에서, UV 처리가 단독으로 고정 전하를 저감시키도록 사용될 수 있다.(A) Post deposition treatment of dielectric films synthesized by CFD using UV curing and subsequent hydrogen annealing. In the simplest embodiment, UV treatment can be used alone to reduce the fixed charge.
(B) He, H2, Ar, N2, H2/N2-형성 가스, NH3의 존재 하에서 H2-플라즈마, N2-플라즈마, N2/H2-플라즈마, NH3-플라즈마, Ar-플라즈마, He-플라즈마, He 어닐링, H2-어닐링, NH3-어닐링, 및 UV 경화를 포함하는 처리들을 사용하여서 CFD 유전체 막 증착 이전에 기판의 사전 처리. 플라즈마 처리는 다음으로 한정되지 않지만 마이크로웨이브 플라즈마 생성기, ICP-원격 플라즈마 생성기 또는 직접형 플라즈마 생성기 등을 포함하는 다양한 플라즈마 생성기들을 사용하여서 실현될 수 있다.H 2 in the presence of a forming gas, NH 3 - - (B) He,
(C) He, H2, Ar, N2, H2/N2-형성 가스, NH3의 존재 하에서 H2-플라즈마, N2-플라즈마, N2/H2-플라즈마, NH3-플라즈마, Ar-플라즈마, He-플라즈마, He 어닐링, H2-어닐링, NH3-어닐링, 및 UV 경화를 포함하는 처리들을 사용하는 동시적 처리 (증착 동안의 경화). 플라즈마 처리는 다음으로 한정되지 않지만 마이크로웨이브 플라즈마 생성기, ICP-원격 플라즈마 생성기 또는 직접형 플라즈마 생성기 또는 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 플라즈마 생성기 등을 포함하는 다양한 플라즈마 생성기들을 사용하여서 구현될 수 있다. 다음으로 한정되지 않지만 원격 플라즈마, UV 노출, 직접형 플라즈마, 및 마이크로 플라즈마 처리를 포함하는 등방성 처리 및 방향성 처리가 적용될 수 있다. 예시적인 방법은 CFD 사이클 그룹들 간에서의 막의 단속적 처리를 포함한다. 일 CFD 사이클 그룹은 약 1 내지 10000 사이클들에서 변할 수 있다. 통상적인 시나리오는 (1) 5 개의 사이클의 CFD 산화물 성장, (2) 이를 따르는 상술된 바와 같은 임의의 방법들을 사용하는 하나 이상의 막 처리들 및 (3) 이를 따르는 5 개의 사이클의 CFD 산화물 막 성장을 포함한다. 이 방법은 임의의 소망하는 두께의 막을 성장시키는데 사용될 수 있다.H 2 in the presence of a forming gas, NH 3 - - (C) He,
(D) 위에서 열거된 임의의 플라즈마에 의해서 부수적으로 부여되는 UV 처리 (예컨대, 헬륨 플라즈마가 자외선을 방출한다). (D) UV treatment concomitantly imparted by any of the plasmas listed above (eg, helium plasma emits ultraviolet light).
CFD 사이클 동안의 인-시츄 "경화" 절차의 일 실례는 다음과 같은 동작들을 포함한다:One example of an in-situ “cure” procedure during a CFD cycle includes the following operations:
- 헬륨 플라즈마를 통한 UV 처리UV treatment through helium plasma
- BTBAS 도즈 (dose)BTBAS dose
- 퍼지 (purge)Purge
- O2/Ar-RF 플라즈마 활성화O 2 / Ar-RF plasma activation
- 퍼지- Fudge
- 목표 두께 막을 생성하도록 단계들을 1 회 내지 5 회 반복Repeating the
UV 경화 조건들의 범위가 상기 열거된 상황들 중 임의의 상황에서 사용될 수 있다. 일반적으로, 페데스탈 온도는 경화 동안에 250 내지 500 ℃ 온도에서 유지될 것이다. 다수의 디바이스 제조 응용 시에, 온도 상한치는 450 또는 400 ℃일 것이다. 경화 동안 사용되는 분위기는 활성 또는 불활성일 수 있다. 경화 동안 존재할 수 있는 가스들의 실례는 헬륨, 아르곤, 질소, 형성 가스 및 암모니아를 포함할 수 있다. 이러한 가스들의 플로우 레이트는 약 2 내지 20000 sccm, 바람직하게는 약 4000 내지 18000 sccm이다. UV 램프의 전력은 예를 들면 약 2 내지 10 kW, 바람직하게는 약 3.5 내지 7 kW 일 수 있다. 이러한 소스로부터의 UV로의 노출의 적합한 기간은 약 20 초 내지 200 초 (예컨대, 약 90 초) 일 수 있다. 마지막으로, 압력은 약 0 torr 내지 약 40 torr 레벨에서 유지될 수 있다.A range of UV curing conditions can be used in any of the situations listed above. In general, the pedestal temperature will be maintained at a temperature of 250 to 500 ° C. during curing. In many device manufacturing applications, the upper temperature limit will be 450 or 400 ° C. The atmosphere used during curing may be active or inert. Examples of gases that may be present during curing may include helium, argon, nitrogen, forming gas and ammonia. The flow rate of these gases is about 2 to 20000 sccm, preferably about 4000 to 18000 sccm. The power of the UV lamp can be for example about 2 to 10 kW, preferably about 3.5 to 7 kW. Suitable periods of exposure to UV from such sources can be from about 20 seconds to 200 seconds (eg, about 90 seconds). Finally, the pressure can be maintained at a level of about 0 torr to about 40 torr.
특정 실시예에서, CFD 산화물의 효과적인 처리는 다음의 조건들을 사용하여서 획득되었다:In certain embodiments, effective treatment of CFD oxide has been obtained using the following conditions:
페데스탈 온도 = 400 ℃Pedestal temperature = 400 ℃
분위기 = 헬륨Atmosphere = helium
압력 = 40 Torr 헬륨Pressure = 40 Torr Helium
플로우 레이트 = 10000 sccmFlow rate = 10000 sccm
몇몇 실시예들에서, 산화물에 대한 열적 어닐링이 UV 경화 동작 후에 수행된다. 일 실례에서, 다음의 조건들이 열적 어닐링 시에 사용되었다:In some embodiments, thermal annealing for the oxide is performed after the UV curing operation. In one example, the following conditions were used in thermal annealing:
페데스탈 온도 = 400 ℃Pedestal temperature = 400 ℃
분위기 = 수소 + 질소Atmosphere = hydrogen + nitrogen
압력 = 2.5 torrPressure = 2.5 torr
플로우 레이트 = 수소: 750 sccm; 질소: 3000 sccmFlow rate = hydrogen: 750 sccm; Nitrogen: 3000 sccm
증착된 막의 물리적 특성 및 전기적 특성은 또한 증착 온도와 같은 다른 공정 파라미터를 조절함으로써 변화될 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 실시예의 상관 관계 (700) 는 CFD 막 증착 온도와 막 오염물 농도 간의 예시적인 관계를 도시한다. 막 증착 온도가 증가할수록, 막 오염물 농도는 감소한다. 다른 실례에서, 도 5에 도시된 실시예에서는 상술한 바와 같이, 증착 온도가 증가할수록 예시적인 실리콘 이산화물 CFD 막들의 습식 에칭 레이트 비가 감소한다. 막 특성을 조절하는데 사용될 수 있는 다른 증착 파라미터들은 RF 전력, RF 주파수, 압력 및 플로우 레이트를 포함한다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 막 특성은 반응물을 선택함으로써 변화될 수 있다. 예를 들어서, 실리콘 이산화물 막의 수소 농도는 실리콘 함유 반응물로서 TICS (tetra isocyanate silane) 를 사용하고/하거나 산소 함유 반응물로서 아산화질소를 사용함으로써 감소될 수 있다.The physical and electrical properties of the deposited film can also be changed by adjusting other process parameters such as deposition temperature. For example,
상술한 바와 같은 물리적 막 특성 및/또는 전기적 막 특성은 디바이스 성능 및 수율을 조절할 수 있는 기회 및 디바이스 제조 공정 통합의 양상들을 수정하는 기회을 제공할 수 있음이 이해될 것이다. 일 비한정적 실례에서, CFD 실리콘 이산화물 막의 에칭 레이트 특성을 조절할 수 있는 능력은 이 막이 에칭 정지 용도, 하드 마스크 용도 및 다른 공정 통합 용도의 후보가 되게 할 수 있다. 따라서, CFD 생성된 막들의 다양한 실시예들은 본 명세서에서 통합된 반도체 디바이스 제조 공정에 걸쳐서 사용될 수 있다.It will be appreciated that the physical film properties and / or electrical film properties as described above may provide opportunities to adjust device performance and yield and to modify aspects of device manufacturing process integration. In one non-limiting example, the ability to adjust the etch rate characteristics of a CFD silicon dioxide film can make this film a candidate for etch stop applications, hard mask applications, and other process integration applications. Thus, various embodiments of CFD generated films can be used throughout the semiconductor device manufacturing process integrated herein.
일 시나리오에서, CFD 공정은 비평면형 기판 상의 컨포멀 실리콘 이산화물 막을 증착할 수 있다. 예를 들면, CFD 실리콘 이산화물 막은 STI (shallow trench isolation) 구조물의 트렌치 충진과 같은 구조물의 갭 충진을 위해서 사용될 수 있다. 이하에서 기술되는 다양한 실시예들은 갭 충진 용도와 관련되지만, 이는 단지 비한정적이며 예시적인 용도일 뿐이며 다른 적합한 막 재료들을 사용하는 다른 적합한 용도들이 본 개시의 범위 내에 있음이 이해될 것이다. CFD 실리콘 이산화물 막들에 대한 다른 용도들은 다음으로 한정되지 않지만 층간 유전체 (ILD) 용도, 금속간 유전체 (IMD) 용도, 프리-메탈 유전체 (pre-metal dielectric : PMD) 용도, 관통 실리콘 비아 (TSV) 용 유전체 라이너 용도, ReRAM (resistive RAM) 용도, 및/또는 DRAM에서의 스택형 커패시터 제조 용도를 포함한다.In one scenario, the CFD process may deposit a conformal silicon dioxide film on a non-planar substrate. For example, CFD silicon dioxide films can be used for gap filling of structures, such as trench filling of shallow trench isolation (STI) structures. While the various embodiments described below relate to gap fill applications, it will be understood that these are merely non-limiting and exemplary uses and that other suitable uses using other suitable membrane materials are within the scope of the present disclosure. Other uses for CFD silicon dioxide films include, but are not limited to, interlayer dielectric (ILD) use, intermetal dielectric (IMD) use, pre-metal dielectric (PMD) use, and through silicon via (TSV) use. Dielectric liner applications, resistive RAM (ReRAM) applications, and / or stacked capacitor fabrication in DRAMs.
도핑된 실리콘 산화물은 붕소 도펀트, 인 도펀트 또는 비소 도펀트의 확산 소스로서 사용될 수 있다. 예를 들면, BSG, PSG, 또는 BPSG가 사용될 수 있다. 도핑된 CFD 층들은 예를 들면 다중 게이트 FinFET들 및 3차원 메모리 디바이스들과 같은 3차원 트랜지스터 구조물들에서 컨포멀 도핑을 제공하는데 사용될 수 있다. 통상적인 이온 주입기들은 특히 고 종횡비 구조물에서 측벽들을 용이하게 도핑할 수 없다. CFD 도핑된 산화물은 확산 소스로서 다양한 이점들을 구비한다. 먼저, 이들은 낮은 온도에서의 높은 컨포멀성 (conformality) 을 제공한다. 이와 비교하여서, 저압 CVD 생성된 도핑된 TEOS (tetraethylorthosilicate) 는 알려져 있지만 고온 증착을 요구하며 대기 압력보다 낮은 압력의 CVD 및 PECVD 도핑된 산화물 막들은 저온에서 가능하지만 부적합한 컨포멀성을 갖는다. 도핑 컨포멀성은 중요하지만 막 자체의 컨포멀성도 중요한데 그 이유는 이 막은 통상적으로 희생적인 용도를 가지며 이어서 제거될 필요가 있기 때문이다. 비컨포멀 막은 통상적으로 제거 시에 보다 많은 문제점을 갖는데, 즉 어느 정도의 면적들이 과잉 에칭될 수 있다. 또한, CFD는 극히 양호하게 제어되는 도핑 농도를 제공한다. 전술한 바와 같이, CFD 공정은 수 개의 도핑되지 않는 산화물 층 및 이후의 단일 도핑 층을 제공할 수 있다. 도핑 레벨은 도핑된 층이 증착되는 빈도 및 도핑 사이클의 조건들에 의해서 엄격하게 제어될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도핑 사이클은 예를 들어서 상당한 입체 구조적 방해성을 갖는 도펀트 소스를 사용하여서 제어된다. 통상적인 실리콘 기반 미세 전자 디바이스들 이외에도, CFD 도핑의 다른 용도는 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체들, HgCdTe와 같은 Ⅱ-Ⅵ 족 반도체들과 같은 미세 전자 디바이스 및 광전자 디바이스들 및 플랫 패널 디스플레이 및 전기 변색 기술들을 포함한다. Doped silicon oxide may be used as a diffusion source of boron dopant, phosphorous dopant or arsenic dopant. For example, BSG, PSG, or BPSG can be used. Doped CFD layers may be used to provide conformal doping in three-dimensional transistor structures such as, for example, multi-gate FinFETs and three-dimensional memory devices. Conventional ion implanters cannot readily do sidewalls, especially in high aspect ratio structures. CFD doped oxides have various advantages as diffusion sources. First, they provide high conformality at low temperatures. In comparison, low pressure CVD generated doped tetraethylorthosilicate (TEOS) is known but requires high temperature deposition and CVD and PECVD doped oxide films at pressures below atmospheric pressure are possible at low temperatures but have inadequate conformality. Doping conformality is important, but the conformality of the membrane itself is also important because this membrane typically has a sacrificial use and then needs to be removed. Non-conformal films typically have more problems in removal, that is, some areas may be over etched. In addition, CFD provides an extremely well controlled doping concentration. As mentioned above, the CFD process can provide several undoped oxide layers followed by a single doped layer. The doping level can be tightly controlled by the frequency with which the doped layer is deposited and the conditions of the doping cycle. In certain embodiments, the doping cycle is controlled using, for example, a dopant source that has significant steric hindrance. In addition to conventional silicon-based microelectronic devices, other uses of CFD doping include microelectronic and optoelectronic devices such as group III-V semiconductors such as GaAs, group II-VI semiconductors such as HgCdTe, and flat panel displays and electrical Discoloration techniques.
몇몇 갭 충진 공정들은 증착 공정들 간에 진공 파괴 및 공기 노출을 요구하는, 상이한 증착 툴들 상에서 수행되는 2 개의 막 증착 단계들을 포함한다. 도 8은 복수의 갭들 (802) 을 포함하는 예시적인 비평면형 기판 (800) 을 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 갭들 (802) 은 각 갭 (802) 에 대해서 갭 깊이 (H) 의 갭 폭 (W) 에 대한 비로서 규정될 수 있는 가변 종횡비들을 가질 수 있다. 예를 들면, 집적된 반도체 디바이스의 로직 구역은 상이한 로직 디바이스 구조물들에 대응하는 가변 갭 종횡비들을 가질 수 있다.Some gap filling processes include two film deposition steps performed on different deposition tools, requiring vacuum breakdown and air exposure between deposition processes. 8 schematically illustrates an exemplary
도 8에 도시된 바와 같이, 비평면형 기판 (800) 은 컨포멀 박막 (804) 에 의해서 피복된다. 컨포멀 막 (804) 이 완전하게 충진된 갭들 (802A) 을 갖는 반면에, 갭들 (802B,802C) 은 개방 상태로 유지된다. 갭들 (802B,802C) 을 컨포멀 막을 사용하여서 폐쇄하고자 하면 공정 시간이 연장될 수 있다. 따라서, 몇몇 방식들에서는, 두꺼운 막이 CVD 및/또는 PECVD 방법과 같은 보다 높은 증착 레이트 공정들을 사용하여서 엑스-시츄 (ex-situ) 증착될 수 있다. 그러나, 갭 충진 막들의 엑스-시츄 증착은 생산 라인에서 웨이퍼 쓰루풋을 저하시킬 수 있다. 예를 들면, 증착 툴들 간의 기판 핸들링 및 전달 시간이 생산 기간 동안에 기판 처리 활동들의 수를 줄일 수 있다. 이는 생산 라인 쓰루풋을 저하시키며 생산 라인에 추가적인 공정 툴들을 설치 및 유지 관리하는 것을 필요로 할 수 있다.As shown in FIG. 8, the
또한, 갭 (802C) 은 가스상 (gas phase) 증착 공정들에 적합한 종횡비를 가질 수 있는 한편, 갭 (802B) 은 보다 높은 증착 레이트 공정에 의한 불완전한 충진을 이어져서 열쇠 구멍 형상 보이드를 형성할 수 있는 종횡비를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 10은 기판 (1002) 내에 형성된 예시적인 고종횡비 구조물 (1000) 을 보인다. 도 10에 도시된 바와 같이, 두꺼운 막 (1006) 을 증착하는 동안에 빵 모양 형성 효과 (bread loafing effects) 는 열쇠 구멍 형상 보이드 (1008) 를 생성한다. 이 열쇠 구멍 형상 보이드는 후속하는 공정들에서 재개방되어서 도전성 막들로 충진될 수 있는데, 이는 디바이스 단락 현상을 일으킨다.In addition,
갭 (802B) 과 같은 고종횡비 갭들을 다루는 몇몇 방식은 이러한 갭들의 생성을 억제하는 디바이스 설계 룰들을 제공하는 바를 포함한다. 그러나, 이러한 디바이스 설계 룰들은 추가적인 마스킹 단계들을 요구하며 디바이스 설계를 어렵게 하며/하거나 집적된 반도체 디바이스 면적을 증가시키며 이는 제조 비용을 증가시킬 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, CFD 공정은 CFD 공정에서 CFD 공정 또는 PECVD 공정으로의 인-시츄 천이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 9는 3 개의 페이즈들로 분할된 CFD 공정 타이밍 도면 (900) 의 실시예를 도시한다. CFD 공정 페이즈 (902) 는 예시적인 CFD 공정 사이클을 도시한다. 명료성을 위해서, 도 9에 도시된 실시예에서는 단일 CFD 공정 사이클이 도시되었지만, 임의의 적합한 수의 CFD 공정 사이클들 및 플라즈마 처리 사이클들이 CFD 공정 페이즈 (902) 에 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 천이 페이즈 (904) 가 CFD 공정 페이즈 (902) 를 따른다. 도 9의 실시예에 도시된 바와 같이, 천이 페이즈 (904) 는 CFD 공정 및 PECVD 공정 양자의 양태들을 포함한다. 구체적으로, 반응물 A와 반응물 B가 모두 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 에서 가스상으로 존재하도록 반응물 B가 반응물 B 노출 페이즈 (904A) 의 끝부분 이후에 공정 스테이션으로 제공된다. 이는 CFD 타입 표면 반응들과 동시에 발생하는 PECVD 타입 가스상 반응들을 제공할 수 있다. 천이 페이즈 (904) 가 반응물 B 노출 페이즈 (904A) 및 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 의 오직 하나의 반복만을 포함하지만, 임의의 적합한 개수의 반복들이 천이 페이즈 내에서 포함될 수 있음이 이해될 것이다.Some ways of dealing with high aspect ratio gaps, such as
몇몇 실시예들에서, 플라즈마 생성기는 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 동안에 플라즈마 에너지의 단속된 펄스들을 제공하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마가 다음으로 한정되지 않지만 10 Hz 내지 150 Hz의 주파수들을 포함하는 하나 이상의 주파수들에서 펄싱될 수 있다. 이는 연속적인 플라즈마에 비해서 이온 충돌의 지향성 (directionality) 을 감소시킴으로써 스텝 커버리지을 개선시킬 수 있다. 또한, 이는 기판의 이온 충돌 손상을 저감시킬 수 있다. 예를 들면, 포토레지스트 기판들은 연속적인 플라즈마 동안에 이온 충돌에 의해서 침식될 수 있다. 플라즈마 에너지를 펄싱함으로써 포토레지스트 침식이 저감될 수 있다.In some embodiments, the plasma generator may be controlled to provide interrupted pulses of plasma energy during the plasma activation phase 904B. For example, the plasma may be pulsed at one or more frequencies including, but not limited to, frequencies of 10 Hz to 150 Hz. This can improve step coverage by reducing the directionality of ion bombardment compared to continuous plasma. In addition, this can reduce ion collision damage of the substrate. For example, photoresist substrates can be eroded by ion bombardment during successive plasmas. By pulsing the plasma energy, photoresist erosion can be reduced.
도 9에 도시된 실시예에서, 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 동안의 반응물 B의 플로우 레이트는 반응물 B 노출 페이즈 (904A) 동안의 반응물 B의 플로우 레이트보다 작다. 따라서, 반응물 B은 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 동안에 공정 스테이션 내로 "트리클된다 (trickled)". 이는 CFD 타입 표면 반응을 보충하는 가스상 PECVD 반응을 제공할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 반응물 B의 플로우 레이트는 천이 페이즈의 과정에 걸쳐서 또는 단일 플라즈마 활성화 페이즈 동안에 변할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 반응물 B 노출 및 플라즈마 활성화의 2 회 반복을 포함하는 천이 페이즈에서, 제 1 플라즈마 활성화 페이즈 동안의 반응물 B의 플로우 레이트는 제 2 플라즈마 활성화 페이즈 동안의 반응물 B의 플로우 레이트보다 낮을 수 있다. 플라즈마 활성화 페이즈 (904B) 동안에 반응물 B의 플로우 레이트를 변화시키는 바는 CFD 공정 페이즈 (902) 의 스텝 커버리지 특성에서 PECVD 공정 페이즈 (906) 의 증착 레이트 특성으로의 원활한 천이를 제공할 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 9, the flow rate of reactant B during the plasma activation phase 904B is less than the flow rate of reactant B during the reactant B exposure phase 904A. Thus, reactant B is “trickled” into the process station during the plasma activation phase 904B. This can provide a gas phase PECVD reaction that supplements the CFD type surface reaction. However, it will be appreciated that in some embodiments, the flow rate of reactant B may vary over the course of the transition phase or during a single plasma activation phase. For example, in a transition phase involving two repetitions of reactant B exposure and plasma activation, the flow rate of reactant B during the first plasma activation phase may be lower than the flow rate of reactant B during the second plasma activation phase. . Changing the flow rate of reactant B during the plasma activation phase 904B may provide a smooth transition from the step coverage characteristics of the CFD process phase 902 to the deposition rate characteristics of the PECVD process phase 906.
몇몇 실시예들에서, CFD 공정은 증착된 막의 재차 들어간 부분을 선택적으로 제거하기 위한 인-시츄 에칭을 포함할 수 있다. 갭 충진 CFD 공정 동안 인-시츄 에칭을 포함하는 예시적인 실리콘 이산화물 증착 공정에 대한 비한정적 파라미터 범위들이 표 5에 제공된다.In some embodiments, the CFD process may include an in-situ etch to selectively remove the reentrant portion of the deposited film. Non-limiting parameter ranges for an exemplary silicon dioxide deposition process including in-situ etching during a gap filled CFD process are provided in Table 5.
페이즈remove
Phase
활성화
페이즈plasma
Activation
Phase
에칭
페이즈
etching
Phase
(slm)O 2
(slm)
(sccm)NF 3
(sccm)
도 11은 증착 페이즈 (1102), 에칭 페이즈 (1104), 및 후속 증착 페이즈 (1106) 를 포함하는 CFD 공정 타이밍 도면 (1100) 의 실시예를 도시한다. 도 11에 도시된 실시예의 증착 페이즈 (1102) 에서, 막은 기판의 노출된 표면 상에 증착된다. 예를 들면, 증착 페이즈 (1102) 는 하나 이상의 CFD 공정 증착 사이클들을 포함할 수 있다.11 shows an embodiment of a CFD process timing diagram 1100 that includes a deposition phase 1102, an
도 11의 실시예의 에칭 페이즈 (1104) 에서, 반응물 A 및 반응물 B 흐름이 중지되고 에칭 가스가 공정 스테이션으로 도입된다. 에칭 가스의 일 비한정적 실례는 NF3 (질소 트리플루오라이드) 이다. 도 11에 도시된 실시예에서, 에칭 가스는 에칭 페이즈 (1104) 동안에 점화된 플라즈마에 의해서 활성화된다. 공정 스테이션 압력, 기판 온도, 에칭 가스 플로우 레이트와 같은 다양한 공정 파라미터들이 비평면형 기판 상에 증착된 막의 재차 들어간 부분을 선택적으로 제거하기 위해서 에칭 페이즈 (104) 동안에 조절될 수 있다. 임의의 적합한 에칭 공정이 본 개시의 범위 내에서 채용될 수 있다. 다른 예시적인 에칭 공정은 다음으로 한정되지 않지만 에칭 종들의 반응성 이온 에칭, 비플라즈마 기상 에칭, 고상 승화 (solid phase sublimation) 및 흡착 및 지향성 활성화 (가령, 이온 충돌에 의함) 를 포함한다.In the
몇몇 실시예들에서, 양립 가능하지 않는 가스상 종들은 막을 에칭하기 전 및 후에 공정 스테이션으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 도 11의 실시예는 에칭 페이즈 (1104) 동안에 반응물 A 및 반응물 B가 중지된 후 및 에칭 가스가 중지된 후에 불활성 가스의 연속적인 흐름을 포함한다.In some embodiments, incompatible gaseous species may be removed from the process station before and after etching the film. For example, the embodiment of FIG. 11 includes a continuous flow of inert gas after reactant A and reactant B are stopped and after the etch gas is stopped during
에칭 페이즈 (1104) 가 끝나면, 증착 페이즈 (1106) 가 시작되어 비평면형 기판 상의 갭들을 더 충진한다. 증착 페이즈 (1106) 는 임의의 적합한 증착 공정일 수 있다. 예를 들면, 증착 페이즈 (1106) 는 CFD 공정, CVD 공정, PECVD 공정 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 도 11의 실시예가 단일 에칭 페이즈 (1104) 를 나타내지만, 복수의 인-시츄 에칭이 갭 충진 공정 동안에 임의의 적합한 타입의 다수의 증착 페이즈들 간의 인터벌들에 삽입될 수 있음이 이해될 것이다.At the end of the
도 12a 내지 도 12c는 상술한 인-시츄 증착 공정 및 인-시츄 에칭 공정의 실시예의 다양한 페이즈들에서의 비평면형 기판의 예시적인 단면들을 도시한다. 도 12a는 갭 (1202) 을 포함하는 예시적인 비평면형 기판 (1200) 의 단면을 도시한다. 갭 (1202) 은 박막 (1204) 으로 피복된다. 박막 (1204) 은 갭 (1202) 과 거의 컨포멀하지만 박막 (1204) 은 갭 (1202) 의 상단 근처에 재차 들어간 부분 (1206) 을 포함한다. 12A-12C illustrate exemplary cross-sections of a non-planar substrate at various phases of the in-situ deposition process and the in-situ etch process described above. 12A shows a cross-section of an exemplary
도 12b에 도시된 실시예에서, 박막 (1204) 의 재차 들어간 부분 (1206) 은 박막 (1204) 의 상부 영역 (1204A) 이 하부 영역 (1204B) 보다 얇도록 선택적으로 제거된다. 이 재차 들어간 부분의 선택적 제거 및/또는 측벽 각 (angle) 조절은 활성 에칭 종들에 대하여 대량 (mass) 전달 한정 사항들 및 수명 한정 사항들을 부여함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 갭 (1202) 의 상단에서의 선택적 에칭은 갭 (1202) 이 하단에서보다 상단에서 그 폭이 커지도록 갭 (1202) 의 측벽 각을 조절할 수도 있다. 이는 후속 증착 페이즈들에서 빵 모양 형성 효과를 더 감소킬 수 있다. 도 12c에 도시된 실시예에서, 후속 증착 페이즈 후에, 갭 (1202) 이 거의 충진되어 어떠한 공극도 보이지 않는다.In the embodiment shown in FIG. 12B, the
인-시츄 에칭 공정의 다른 실시예가 도 15에 도시되며, 도 15는 구리 전극에 대한 관통 실리콘 비아 (TSV) (2500) 를 도시한다. 몇몇 예시적인 TSV들은 대략 105 마이크론의 깊이를 가지며 대략 6 마이크론의 직경을 가져서, 대략 17.5:1의 종횡비를 제공하며, 대략 200 ℃의 열적량 상한치 (thermal budget ceiling) 을 가질 수 있다. 도 15의 실시예에서 도시된 바와 같이, 관통 실리콘 비아 (2500) 는 실리콘 기판을 금속 충진된 비아로부터 전기적으로 격리시키기 위한 유전체 격리 층 (2502) 에 의해서 피복된다. 예시적인 유전체 격리 층 재료들은 다음으로 한정되지 않지만 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 로우 k 유전체 재료를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상술된 예시적인 에칭 공정들은 아르곤과 같은 적합한 스퍼터 가스를 사용하여서 재차 들어간 부분을 물리적으로 스퍼터링함으로써 보충될 수 있다.Another embodiment of an in-situ etch process is shown in FIG. 15, which shows through silicon via (TSV) 2500 for a copper electrode. Some exemplary TSVs have a depth of approximately 105 microns and a diameter of approximately 6 microns, providing an aspect ratio of approximately 17.5: 1, and may have a thermal budget ceiling of approximately 200 ° C. As shown in the embodiment of FIG. 15, the through silicon via 2500 is covered by a
CFD 막들에 대한 다른 예시적인 용도들은 다음으로 한정되지 않지만 BEOL (back-end-of-line) 상호접속 격리 용도를 위한 컨포멀 로우 k 막들 (예컨대, 몇몇 비한정적 실례들에서 대략 3.0 이하의 k 값), 에칭 정지 및 스페이서 층 용도를 위한 컨포멀 실리콘 질화물 막들, 컨포멀 반사 방지 층들 및 구리 부착 및 베리어 층들을 포함한다. BEOL 공정을 위한 로우 k 유전체의 수많은 다른 조성들이 CFD을 사용하여서 제조될 수 있다. 실례들은 실리콘 산화물, 산소 도핑된 카바이드, 탄소 도핑된 산화물, 옥시질화물 등을 포함한다.Other exemplary uses for CFD films include, but are not limited to, conformal low k films for back-end-of-line interconnect isolation applications (eg, a k value of approximately 3.0 or less in some non-limiting examples). ), Conformal silicon nitride films, conformal antireflective layers and copper adhesion and barrier layers for etch stop and spacer layer applications. Numerous other compositions of low k dielectrics for the BEOL process can be fabricated using CFD. Examples include silicon oxide, oxygen doped carbide, carbon doped oxide, oxynitride and the like.
다른 실례에서, 일 통합된 공정 시나리오에서, 실리콘 이산화물 스페이서 층이 포토레지스트 "코어" 상에 증착될 수 있다. (실리콘 카바이드 층과 같은) 다른 코어 재료 대신에 포토레지스트 코어를 사용하면 통합된 공정에서 패터닝 단계가 제거될 수 있다. 이 공정은 정상적인 리소그래픽 기술을 사용하여서 포토레지스트를 패터닝하고 이어서 이 코어 상에 바로 CFD 산화물 박층을 증착하는 바를 포함한다. 이어서, 패터닝된 포토레지스트 상단에서 CFD 산화물 막이 제거되고 그 하단에서는 패터닝된 포토레지스트의 측벽을 따라서만 산화물이 남도록 (트렌치를 고려해보면 됨), 지향성 건식 에칭이 사용된다. 이 스테이지에서, CFD 산화물 뒤에 남는 노출된 코어를 제거하도록 간단한 애싱 (ashing) 이 사용된다. 지금까지는 단일 포토레지스트 라인이 존재하는 경우였지만, 이번에는 2 개의 CFD 산화물 라인들이 존재한다. 이로써, 본 공정은 패턴 밀도를 2배로 하며, 따라서 이는 "이중 패터닝 (double patterning)"으로서 지칭된다. 공교롭게도, 포토레지스트 코어를 사용하는 바는 스페이서 층 증착 온도를 70℃보다 낮은 온도로 제약하며, 이는 통상적인 CVD, PECVD, 및/또는 ALD 공정들의 증착 온도보다 낮을 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 저온 CFD 실리콘 이산화물 막이 70 ℃보다 낮은 온도에서 증착될 수 있다. 다른 잠재적 통합된 공정 응용들이 본 개시의 범위 내에서 적합한 CFD-생성된 막에 대해서 존재할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 다양한 실시예들에서, 상술한 바와 같이 증착된 실리콘 질화물과 같은 질화물이 반도체 디바이스 제조의 다양한 스테이지들에서 컨포멀 확산 베리어 층 및/또는 에칭 정지 층으로서 사용될 수 있다.In another example, in one integrated process scenario, a silicon dioxide spacer layer may be deposited on the photoresist “core”. Using a photoresist core instead of another core material (such as a silicon carbide layer) can eliminate the patterning step in the integrated process. This process involves patterning the photoresist using normal lithographic techniques and then depositing a thin layer of CFD oxide directly onto this core. Subsequently, a directional dry etch is used such that the CFD oxide film is removed on top of the patterned photoresist and the oxide remains only along the sidewalls of the patterned photoresist (considering trenches). At this stage, simple ashing is used to remove the exposed core remaining behind the CFD oxide. So far, there has been a single photoresist line, but this time there are two CFD oxide lines. As such, the process doubles the pattern density, thus it is referred to as "double patterning". Unfortunately, the use of photoresist cores constrains the spacer layer deposition temperature to temperatures below 70 ° C., which may be lower than the deposition temperatures of conventional CVD, PECVD, and / or ALD processes. Thus, in some embodiments, a low temperature CFD silicon dioxide film may be deposited at temperatures below 70 ° C. It will be appreciated that other potential integrated process applications may exist for suitable CFD-generated membranes within the scope of the present disclosure. Also, in various embodiments, nitride, such as silicon nitride deposited as described above, may be used as the conformal diffusion barrier layer and / or etch stop layer at various stages of semiconductor device fabrication.
상술한 다양한 CFD 증착 공정들은 단일 막 타입들을 증착, 처리 (treatment) 및/또는 에칭하는 것에 대한 것이었지만, 본 개시의 범위 내의 몇몇 CFD 공정들은 복수의 막 타입의 인-시츄 증착을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 교번 층들의 막 타입이 인-시츄 방식으로 증착될 수 있다. 제 1 시나리오에서, 게이트 디바이스에 대한 이중 스페이서가 실리콘 질화물/실리콘 산화물 스페이서 스택 인-시츄 증착 시에 제조될 수 있다. 이는 사이클 시간을 줄이며 공정 스테이션 쓰루풋을 늘리며 잠재적 막 층 비양립성 (incompatibility) 에 의해서 형성된 층간 디펙트를 억제할 수 있다. 제 2 시나리오에서, 리소그래픽 패터닝 용도를 위한 반사 방지 층이 조절 가능한 광학적 특성들을 갖는 SiON 또는 비정질 실리콘과 SiOC의 스택으로서 증착될 수 있다. While the various CFD deposition processes described above have been directed to depositing, treating, and / or etching single film types, some CFD processes within the scope of the present disclosure may include multiple film types of in-situ deposition. Will be understood. For example, the film type of alternating layers can be deposited in-situ. In a first scenario, double spacers for the gate device can be fabricated during silicon nitride / silicon oxide spacer stack in-situ deposition. This can reduce cycle time, increase process station throughput, and suppress interlayer defects formed by potential film layer incompatibility. In a second scenario, an antireflective layer for lithographic patterning applications can be deposited as a stack of SiON or amorphous silicon and SiOC with adjustable optical properties.
특정 실시예들에서,도펀트 함유 소스 층은 컨포멀 막 증착 공정에 의해서 형성된다. 이 층은 "소스" 층으로 지칭되는데 그 이유는 도펀트 종들 (예컨대, 붕소, 인, 갈륨 및/또는 비소와 같은 도펀트 원자들) 의 소스를 제공하기 때문이다. 도핑된 CFD 층은 디바이스 내의 아래에 놓인 구조물 (또는 위에 놓인 구조물) 을 도핑하기 위한 도펀트의 소스 역할을 한다. 소스 층이 형성된 후에 (또는 그의 형성 동안에), 도펀트 종들은 제조되는 디바이스 내의 인접하는 구조물들 내로 추동되거나 이와 달리 포함된다. 특정 실시예들에서, 도펀트 종들은 컨포멀 도펀트 소스 막을 형성하는 동안에 또는 그 후에 어닐링 동작에 의해서 추동된다. CFD의 매우 컨포멀한 성질은 3 차원으로의 도핑을 요구하는 구조물들을 포함하는 비통상적인 디바이스 구조물들을 도핑하는 것을 가능하게 한다. CFD 도펀트 소스 층은 통상적으로는 본 명세서에서 기술되는 공정들 중 하나 이상에 의해서 형성되지만, 도펀트 종들을 도입하는 추가 공정 동작을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 층이 도펀트 종들이 도입되는 베이스 소스 층 역할을 할 수 있다.In certain embodiments, the dopant containing source layer is formed by a conformal film deposition process. This layer is referred to as a “source” layer because it provides a source of dopant species (eg, dopant atoms such as boron, phosphorus, gallium and / or arsenic). The doped CFD layer serves as a source of dopant for doping the underlying structure (or the underlying structure) within the device. After the source layer is formed (or during its formation), the dopant species are driven or otherwise included into adjacent structures in the device being manufactured. In certain embodiments, the dopant species are driven by an annealing operation during or after forming the conformal dopant source film. The very conformal nature of CFD makes it possible to dope unconventional device structures, including structures that require doping in three dimensions. The CFD dopant source layer is typically formed by one or more of the processes described herein, but includes additional process operations to introduce dopant species. In some embodiments, the dielectric layer can serve as a base source layer into which dopant species are introduced.
예를 들어, 도핑된 실리콘 산화물은 붕소, 인, 비소 등을 위한 확산 소스로서 사용될 수 있다. 예를 들어, BSG (boron doped silicate glass), PSG (phosphorus doped silicate glass) 및 BPSG (boron phosphorus doped silicate glass) 가 사용될 수 있다.For example, doped silicon oxide can be used as a diffusion source for boron, phosphorus, arsenic, and the like. For example, boron doped silicate glass (BSG), phosphorus doped silicate glass (PSG), and boron phosphorus doped silicate glass (BPSG) can be used.
도핑된 CFD 층들이 예를 들어서 다중-게이트 FinFET 및 3차원 메모리 디바이스들과 같은 3차원 트랜지스터 구조물들 내에 컨포멀 도핑을 제공하는데 채용될 수 있다. 몇몇 3차원 트랜지스터 구조물들의 실례들은 "Tri-gate (Intel)": J.Kavalieros et al., Symp. VLSI Tech Pg 50, 2006 및 "FinFET": Yamashita et al. (IBM Alliance), VLSI 2011에서 찾을 수 있으며, 이 두 문헌들은 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 통상적인 이온 주입기들은 특히 고 종횡비 구조물들에서의 측벽들을 용이하게 도핑할 수 없다. 또한, i3D 구조물들의 밀한 어레이에서, 주입기 내의 지향성 이온 빔 (directional ion beam) 에 대해서는 쉐도잉 효과 (shadowing effect) 가 존재할 수 있으며, 이는 경사진 주입 각도에 있어서 심각한 도즈 정체 (dose retention) 문제를 야기한다. 통상적인 실리콘 기반 미세전자소자들 이외에, CFD 도핑들의 다른 애플리케이션들 (applications) 은 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체들, HgCdTe와 같은 Ⅱ-Ⅵ 족 반도체들, 광전 소자들, 플랫 패널 디스플레이, 및 전기변색 (electrochromic) 기술을 기초로 하는 미세전자 소자들 및 광전자 소자들을 포함한다.Doped CFD layers may be employed to provide conformal doping in three-dimensional transistor structures such as, for example, multi-gate FinFETs and three-dimensional memory devices. Examples of some three-dimensional transistor structures are described in "Tri-gate (Intel)": J. Kavalieros et al., Symp.
도 16은 통상적인 이온 주입 기술들에 의해서 도핑하기 어려운 얇은 종형 구조물들 내에 소스 및 드레인이 형성된, 3 차원 게이트 구조물을 갖는 트랜지스터를 예시한다. 그러나, n 도핑된 또는 p 도핑된 CFD 산화물의 박층이 종형 구조물 위에 형성된 경우에, 컨포멀 도핑이 달성된다. 컨포멀 도핑은 감소된 직렬 저항으로 인해서 10 내지 25 % 만큼 3차원 디바이스들 내에서 전류 밀도를 증가시켰다고 관측되었다. Yamashita et al. VLSI 2011을 참조하면 된다.FIG. 16 illustrates a transistor having a three-dimensional gate structure, with a source and a drain formed in thin vertical structures that are difficult to dope by conventional ion implantation techniques. However, when a thin layer of n-doped or p-doped CFD oxide is formed over the vertical structure, conformal doping is achieved. Conformal doping has been observed to increase the current density in three-dimensional devices by 10-25% due to the reduced series resistance. Yamashita et al. See VLSI 2011.
확산 소스들로서의 CFD 도핑된 산화물들은 다양한 이점들을 갖는다. 먼저, 이들은 저온에서 높은 컨포멀성을 제공한다. 도핑 막이 희생적일 수 있기 때문에, 비컨포멀 막은 통상적으로 제거 시에 보다 많은 과제에 직면하는데, 즉 몇몇 구역들이 과잉 에칭될 수 있다. 설명한 바와 같이, CFD는 매우 컨포멀한 막들을 제공한다. 또한, CFD는 매우 양호하게 제어되는 도핑 농도를 제공한다. CFD 공정은 하나 이상의 도핑되지 않는 산화물 층들 및 필요하다면 그 이후의 단일 도핑 층을 제공할 수 있다. 도핑 레벨이 도핑된 층이 증착되는 빈도 및 도핑 사이클의 조건들에 의해서 세밀하게 (tightly) 제어될 수 있다. 특정 실시예들에서, 도핑 사이클은 예를 들어서 상당한 입체 장애 (steric hindrance) 를 갖는 도펀트 소스를 사용함으로써 제어된다.CFD doped oxides as diffusion sources have various advantages. First, they provide high conformality at low temperatures. Since the doped film can be sacrificial, the non-conformal film typically faces more challenges when removed, i.e. some areas may be over etched. As explained, CFD provides very conformal films. In addition, CFD provides a very well controlled doping concentration. The CFD process can provide one or more undoped oxide layers and, if desired, a single doped layer thereafter. The doping level can be tightly controlled by the frequency with which the doped layer is deposited and the conditions of the doping cycle. In certain embodiments, the doping cycle is controlled, for example, by using a dopant source with significant steric hindrance.
도 17은 x 축을 따라서 시간이 지남에 따라서 좌측에서 우측으로의 동작들의 기본적인 CFD 시퀀스를 제공한다. 수많은 변형들이 지원되며, 이 도면은 오직 예시적 설명을 위해서 제공된다. 이 시퀀스에서 초기에, 동작 A 동안에, 기상 산화제 (vapor phase oxidant) 가 CFD 막들이 증착될 기판을 포함하는 반응 챔버 내로 도입된다. 적합한 산화제의 실례는 원소 산소 (예컨대, O2 또는 O3), 아산화질소 (N2O), 물 (water), 이소프로판올과 같은 알킬 알콜들, 카본 모노옥사이드, 및 카본 다이옥사이드를 포함한다. 산화제는 통상적으로 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스와 함께 제공된다.17 provides a basic CFD sequence of operations from left to right over time along the x axis. Numerous variations are supported, and this figure is provided for illustrative purposes only. Initially in this sequence, during operation A, a vapor phase oxidant is introduced into the reaction chamber containing the substrate on which the CFD films are to be deposited. Examples of suitable oxidants include elemental oxygen (eg, O 2 or O 3 ), nitrous oxide (N 2 O), water, alkyl alcohols such as isopropanol, carbon monooxide, and carbon dioxide. The oxidant is usually provided with an inert gas such as argon or nitrogen.
다음에, 동작 B에서, 유전체 프리커서가 반응 챔버 내로 일시적으로 도입된다. 동작 B의 지속 기간은 막 성장의 일 사이클을 지원하기 충분한 양으로 기판 표면 상으로 프리커서가 흡수될 수 있게 하도록 선택된다. 몇몇 실시예들에서, 프리커서는 기판 표면을 포화시킨다. 프리커서는 목표 조성의 유전체를 생성할 수 있도록 선택될 것이다. 유전체 조성의 실례는 실리콘 산화물들 (실리케이트 유리를 포함함), 실리콘 질화물들, 실리콘 옥시질화물들 및 실리콘 옥시카바이드들을 포함한다. 적합한 프리커서들의 실례는 알킬아미노 실란들 (alkylamino silanes) ((SiHx(NR2)4-x) 여기서 x = 1-3, 및 R 은 다양한 이성체 구성들로 있는 메틸, 에틸, 프로필 및 부틸과 같은 알킬 그룹들을 포함함), 및 할로실란들 (halosilanes) ((SiHxY4-x) 여기서 x = 1-3, 및 Y 는 Cl, Br, 및 I를 포함함) 을 포함한다. 보다 구체적인 실례들은 비스-알킬아미노 실란들 (bis-alkylamino silanes) 및 입체 장애 알킬 실란들 (sterically hindered alkyl silanes) 을 포함한다. 일 특정 실례에서, BTBAS는 실리콘 산화물을 생성하기 위한 프리커서이다.Next, in operation B, a dielectric precursor is temporarily introduced into the reaction chamber. The duration of operation B is selected to allow the precursor to be absorbed onto the substrate surface in an amount sufficient to support one cycle of film growth. In some embodiments, the precursor saturates the substrate surface. The precursor will be selected to produce a dielectric of the desired composition. Examples of dielectric compositions include silicon oxides (including silicate glass), silicon nitrides, silicon oxynitrides and silicon oxycarbide. Examples of suitable precursors are alkylamino silanes ((SiH x (NR 2 ) 4-x ) where x = 1-3, and R is methyl, ethyl, propyl and butyl in various isomeric configurations Same alkyl groups), and halosilanes ((SiH x Y 4-x ) where x = 1-3, and Y comprises Cl, Br, and I). More specific examples include bis-alkylamino silanes and steric hindered alkyl silanes. In one particular example, BTBAS is a precursor for producing silicon oxide.
동작 B 동안에, 페이즈 A 동안에 챔버 내로 도입된 산화제는 계속 흐른다. 특정 실시예들에서, 산화제는 동작 A 동안에서와 동일한 레이트 및 동일한 농도로 계속 흐른다. 동작 B의 종료 시에, 챔버 내로의 유전체 프리커서의 흐름은 종료되며 동작 C가 도시된 바와 같이 개시된다. 동작 C 동안에, 산화제 및 불활성 가스가 반응 챔버 내의 잔류 유전체 프리커스를 퍼지하도록 동작 A 및 동작 B 동안에 계속 흐른다.During operation B, the oxidant introduced into the chamber during phase A continues to flow. In certain embodiments, the oxidant continues to flow at the same rate and same concentration as during operation A. At the end of operation B, the flow of the dielectric precursor into the chamber is terminated and operation C is initiated as shown. During operation C, the oxidant and inert gas continue to flow during operation A and operation B to purge the residual dielectric precursors in the reaction chamber.
동작 C 동안에 퍼지가 완료되면, 프리커서가 기판 표면 상에서 반응하여서 유전체 막의 일부를 형성한다 (동작 D 참조). 다양한 실시예들에서, 플라즈마가 흡착된 유전체 프리커서의 반응을 활성화시키도록 인가된다. 몇몇 실례들에서, 이 반응은 산화 반응이다. 이전에 반응 챔버로 유입된 산화제의 일부가 유전체 프리커서와 함께 기판 표면으로 흡착되어서 바로 이용 가능한 산화 작용제를 플라즈마 매개된 표면 반응을 위해서 제공할 수도 있다. Once purge is completed during operation C, the precursor reacts on the substrate surface to form part of the dielectric film (see operation D). In various embodiments, a plasma is applied to activate the reaction of the adsorbed dielectric precursor. In some instances, this reaction is an oxidation reaction. Some of the oxidant previously introduced into the reaction chamber may be adsorbed to the substrate surface along with the dielectric precursor to provide readily available oxidizing agents for plasma mediated surface reactions.
동작 A 내지 동작 D은 합쳐서 유전체 막 증착 공정의 단일 사이클을 제공한다. 본 명세서에서 기술된 다른 CFD 실시예들이 여기서 도시된 기본 사이클 대신에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 도시된 실시예에서, 증착 사이클 (A 내지 D) 은 임의의 도펀트 종들의 도입 없이도 수행된다. 다양한 실시예들에서, 동작 A 내지 동작 D에 의해서 표현된 사이클은 도펀트 종들의 도입 이전에 연속하여서 1 회 이상 반복된다. 이는 도 17의 페이즈 E로 표시되어 있다. 몇몇 실례들에서, 동작 A 내지 동작 D는 도펀트 도입 이전에 최소 1회, 최소 2회 또는 최소 5 회 반복된다. Operations A through D together provide a single cycle of the dielectric film deposition process. It should be understood that other CFD embodiments described herein may be used instead of the basic cycle shown herein. In the embodiment shown, the deposition cycles A to D are performed without the introduction of any dopant species. In various embodiments, the cycle represented by operations A through D is repeated one or more times in succession prior to the introduction of dopant species. This is indicated as phase E in FIG. 17. In some instances, operations A through D are repeated at least once, at least two times, or at least five times before dopant introduction.
실례로서, 유전체가 약 0.5 내지 1 옹스트롬들/사이클의 레이트로 증착된다. 하나 이상의 사이클들 (A 내지 D의 반복들) 각각을 통해서, 산화제는 반응 챔버 내로 계속 흐른다.As an example, a dielectric is deposited at a rate of about 0.5 to 1 angstroms / cycle. Through each of the one or more cycles (repeats A through D), the oxidant continues to flow into the reaction chamber.
이 공정에서 어느 시점에서, 유전체 증착의 사이클들이 예컨대 디보란과 같은 도펀트 프리커서 종들의 도입에 의해서 중단된다. 이는 도면에서 동작 F로 예시된다. 유전체 소스 막 내에 제공될 수 있는 도펀트들의 실례들은 붕소, 갈륨, 인, 비소, 및 다른 도펀트들과 같은 밸런스 (valence) III 및 IV 원소들을 포함한다. 디보란 이외에, 도펀트 프리커서들의 실례는 포스핀 (phosphine) 및 다른 하이드라이드 소스들을 포함한다. 알킬 프리커서들 (예컨대, 트리메틸갈륨), 할로프리커서들 (예컨대, 갈륨 클로라이드) 와 같은 비-하이드라이드 도펀트 (non-hydride dopants) 가 사용될 수도 있다.At some point in this process, the cycles of dielectric deposition are stopped by the introduction of dopant precursor species such as diborane, for example. This is illustrated by operation F in the figure. Examples of dopants that may be provided in the dielectric source film include balance III and IV elements such as boron, gallium, phosphorus, arsenic, and other dopants. In addition to diborane, examples of dopant precursors include phosphine and other hydride sources. Non-hydride dopants such as alkyl precursors (eg trimethylgallium), halo precursors (eg gallium chloride) may be used.
몇몇 버전들에서, 도펀트가 그 아래에 놓인 기판과의 계면에서 증착되고 이후에 도펀트 펄스들이 (기술된 바와 같이) 사이클들의 매 x 번째마다 개재된 CFD 사이클들이 따르고 옵션적으로 CFD 산화물 막일수 있는 도핑되지 않는 보호성 "캡핑 (capping)" 층으로 상단이 처리된다 (topped off). 도 18의 결과적인 스택의 실례를 참조하면 된다.In some versions, dopants are deposited at the interface with the underlying substrate and then dopant pulses are followed by intervening CFD cycles (as described) every x th of the cycles and optionally a CFD oxide film. Topped off with a protective "capping" layer that is not protected. Reference is made to the example of the resulting stack of FIG. 18.
특정 실시예에서, 도펀트 프리커서 종들이 불활성 가스 (예컨대, 아르곤) 와 같은 캐리어 가스와는 혼합되지만 산화제 또는 다른 반응물과는 혼합되지 않으면서 반응 챔버 내에 제공된다. 이로써, 본 기본 실례에서, 산화제의 흐름은 동작 F 동안에 멈춘다. 다른 실시예들에서, 프리커서는 환원제 또는 산화제와 함께 도입된다. 특정 실시예들에서, 도펀트의 캐리어 가스에 대한 농도는 약 1:5 내지 1:20일 수 있다. 특정 실시예들에서, 도펀트 증착 온도는 약 300 내지 400 ℃이다. 도펀트 노출 단계의 기간은 목표 도펀트 농도에 따라서 변한다. 특정 실시예들에서, 노출 단계는 약 2.5 초 내지 7.5 초이다. 특정 실시예들에서, 디보란 1000 sccm이 3 Torr 압력 및 약 400 ℃에서 10000 sccm 아르곤 내에서 흐른다.In certain embodiments, dopant precursor species are provided in the reaction chamber without mixing with a carrier gas such as an inert gas (eg, argon) but with an oxidant or other reactants. Thus, in this basic example, the flow of oxidant stops during operation F. In other embodiments, the precursor is introduced with a reducing or oxidizing agent. In certain embodiments, the concentration of carrier dopant may be about 1: 5 to 1:20. In certain embodiments, the dopant deposition temperature is about 300 to 400 ° C. The duration of the dopant exposure step varies depending on the target dopant concentration. In certain embodiments, the exposing step is about 2.5 seconds to 7.5 seconds. In certain embodiments, 1000 sccm of diborane flows in 10000 sccm argon at 3 Torr pressure and about 400 ° C.
특정 실시예들에서, 도펀트 프리커서는 비표면 한정된 메카니즘에 의해서 기판 표면 상에서 모인다. 예를 들어, 프리커서는 ALD (표면 흡착 한정된) 공정보다는 CVD 타입 공정에 의해서 증착될 수 있다.In certain embodiments, the dopant precursor is collected on the substrate surface by a non-surface defined mechanism. For example, precursors may be deposited by CVD type processes rather than ALD (surface adsorption limited) processes.
선택적으로, 도펀트 프리커서는 유전체 막의 추가적 프로세싱 이전에 반응 챔버로부터 퍼지된다. 또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 도펀트 프리커서 전달 이후에 플라즈마, 상승된 온도 등에 의해서 중개될 수 있는 선택적 활성화 동작 G가 따른다. 도펀트 프리커서로서의 디보란의 실례에서, 활성화 동작은 디보란을 원소적 붕소로 변화시킨다. 동작 G가 완료된 이후에, 공정은 선택적 퍼지 (미도시) 와 함께 계속된다.Optionally, the dopant precursor is purged from the reaction chamber prior to further processing of the dielectric film. In addition, as shown in FIG. 17, there is a selective activation operation G that can be mediated by plasma, elevated temperature, etc. after the dopant precursor delivery. In the example of diborane as a dopant precursor, the activation action changes the diborane into elemental boron. After operation G is completed, the process continues with an optional purge (not shown).
일 실례에서, 디보란 도펀트 CVD과 관련하여서, 활성화 동작은 붕소를 생성하는 오직 온도 기반 분해이다. 이는 온도 민감 공정이다. 보다 높은 온도에서, 단위 두께당 동일한 붕소 농도를 달성하도록 상대적으로 짧은 노출 시간을 채용할 수 있다. 이와 달리, 몇몇 공정들 (예컨대, TMB (trimethylborane) 을 채용하는 공정들) 에서, 활성화는 플라즈마 또는 열적 산화 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 프리커서들의 경우에, 자유 붕소 (free boron) 또는 다른 도펀트를 제자리에서 홀딩시키는 "피닝 (pinning)" 단계를 채용하는 것이 적절할 수도 있다. 이는 "피닝" 플라즈마를 사용하여서 달성될 수 있다.In one example, with respect to diborane dopant CVD, the activation operation is only temperature based decomposition producing boron. This is a temperature sensitive process. At higher temperatures, relatively short exposure times may be employed to achieve the same boron concentration per unit thickness. In contrast, in some processes (eg, those employing trimethylborane (TMB)), the activation may comprise a plasma or thermal oxidation step. In the case of some other precursors, it may be appropriate to employ a “pinning” step of holding the free boron or other dopant in place. This can be accomplished using a "pinning" plasma.
특정 실시예들에서, 플라즈마 활성화는 탄소를 막 내로 도입시키기에 적합한 임의의 주파수의 RF 전력과 관련된다. 몇몇 실시예들에서, RF 전원은 고주파수 RF 전력 소스 및 저주파수 RF 전력 소스를 서로 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 저주파수 RF 전력들의 실례는 다음으로 한정되지 않지만 약 200 내지 1000 kHz 주파수들을 포함할 수 있다. 고주파수 RF 전력들의 실례는 다음으로 한정되지 않지만 약 10 내지 80 MHz 주파수들 (예컨대, 13.56 MHz) 을 포함할 수 있다. 마찬가지로, RF 전원들 및 매칭 네트워크들도 임의의 적합한 전력에서 동작하여서 플라즈마를 형성한다. 적합한 전력의 실례들은 다음으로 한정되지 않지만 (웨이퍼별로) 고주파수 플라즈마의 경우에 약 100 내지 3000 W의 전력들을 포함하고 저주파수 플라즈마의 경우에 약 100 내지 10000 W의 전력들을 포함한다. RF 전원은 임의의 적합한 듀티 사이클로 동작할 수 있다. 적합한 듀티 사이클의 실례는 다음으로 한정되지 않지만 약 5 % 내지 90 %의 듀티 사이클을 포함한다. 일반적으로 허용 가능한 공정 압력은 약 0.5 내지 5 Torr 및 바람직하게는 약 2 내지 4 Torr이다. 도펀트로의 노출 이전의 (아래에 놓인 기판의) 특정 플라즈마 사전처리들에 있어서, 약 10 Torr에 달하는 압력 (또는 약 9 Torr에 달하는 압력) 이 효과적임이 입증되었다.In certain embodiments, plasma activation relates to RF power at any frequency suitable for introducing carbon into the film. In some embodiments, the RF power source can be configured to control the high frequency RF power source and the low frequency RF power source independently of each other. Examples of low frequency RF powers may include about 200 to 1000 kHz frequencies, although not limited to the following. An example of high frequency RF powers may include but is not limited to about 10 to 80 MHz frequencies (eg, 13.56 MHz). Likewise, RF power supplies and matching networks operate at any suitable power to form a plasma. Examples of suitable powers include, but are not limited to, powers of about 100 to 3000 W in the case of high frequency plasma (per wafer) and powers of about 100 to 10000 W in the case of low frequency plasma. The RF power supply can operate with any suitable duty cycle. Examples of suitable duty cycles include, but are not limited to, duty cycles of about 5% to 90%. Generally acceptable process pressures are about 0.5 to 5 Torr and preferably about 2 to 4 Torr. For certain plasma pretreatments (of underlying substrate) prior to exposure to dopant, pressures up to about 10 Torr (or pressures up to about 9 Torr) have proven effective.
다음의 표 6은 다양한 BSG 공정들에서 사용될 수 있는 플라즈마 파라미터들의 범위들을 요약한다:Table 6 below summarizes the ranges of plasma parameters that can be used in various BSG processes:
도시된 기본적인 공정에서, 유전체 증착 및 단속적인 도펀트 전달 (동작 A 내지 동작 G) 의 사이클들은 도면의 페이즈 H에서 도시된 바와 같이 복수 회 수행될 수 있다. 공정 시퀀스가 수행되는 실제 회수는 막의 목표 총 두께 및 사이클당 증착되는 유전체 막의 두께 및 막 내에 포함되는 도펀트의 양에 의존한다. 몇몇 실시예들에서, 동작 A 내지 동작 G는 최소 2회, 최소 3 회, 최소 5 회, 또는 최소 10회 반복될 수 있다.In the basic process shown, the cycles of dielectric deposition and intermittent dopant delivery (operations A to G) can be performed multiple times as shown in phase H of the figure. The actual number of times a process sequence is performed depends on the target total thickness of the film and the thickness of the dielectric film deposited per cycle and the amount of dopant included in the film. In some embodiments, operations A through G may be repeated at least two times, at least three times, at least five times, or at least ten times.
유전체 막이 완전하게 증착된 후에, 유전체 막은 근방의 반도체 구조물들에 대한 도펀트 종들의 소스로서 사용될 수 있다. 이는 도 17의 동작 I에서 도시된 바와 같이 증착된 막으로부터의 도펀트를 디바이스 구조물 내로 추동시킴으로써 이루어질 수 있다. 다양한 실시예들에서, 이러한 추동 (driving) 은 어닐링과 같은 열적으로 매개된 확산 공정에 의해서 이루어진다. 몇몇 경우들에서, 특히 USJ (ultra-shallow junctions) 을 채용하는 경우에서는, 레이저 스파이크 어닐링이 채용될 수 있다.After the dielectric film is completely deposited, the dielectric film can be used as a source of dopant species for nearby semiconductor structures. This can be done by driving the dopant from the deposited film into the device structure as shown in operation I of FIG. 17. In various embodiments, this driving is done by a thermally mediated diffusion process such as annealing. In some cases, especially when employing ultra-shallow junctions (USJ), laser spike annealing may be employed.
이러한 기본 공정에 대한 수많은 변형들이 실현될 수도 있다. 이러한 변형들 중 몇몇은 인접하는 반도체 구조물 내로 확산되기에 이용 가능한 도펀트의 양을 증가시키는 목적을 갖는다. 다른 변형들은 도펀트가 소스 막으로부터 근방의 반도체 구조물 내로 전달하는 레이트를 제어하도록 설계된다. 또 다른 변형들은 도펀트 종들이 확산되는 방향을 제어한다. 디바이스 구조물을 향하고 막의 반대 측으로부터 멀어지게 도펀트의 확산을 조장하는 것이 때로 바람직하다.Numerous variations on this basic process may be realized. Some of these variations have the purpose of increasing the amount of dopant available to diffuse into adjacent semiconductor structures. Other variations are designed to control the rate at which the dopant transfers from the source film into the nearby semiconductor structure. Still other variations control the direction in which dopant species diffuse. It is sometimes desirable to encourage diffusion of the dopant towards the device structure and away from the opposite side of the membrane.
특정 실시예들에서, 도펀트가 성장하는 유전체 막 내로 도입되는 빈도가 제어된다. 도펀트 프리커서 전달 사이클의 빈도가 높으면 최종 유전체 막 내의 도펀트 농도는 전체적으로 커진다. 이는 또한 막 전체에 걸쳐서 도펀트가 상대적으로 균일하게 분포되게 할 수 있다. 소수의 도펀트 프리커서 전달 사이클들이 증착 공정들 내에 삽입되면, 막 내의 고 도펀트 농도 영역들은 도펀트 전달 사이클들의 빈도가 높은 경우에서보다 넓게 이격되어 있다.In certain embodiments, the frequency at which dopants are introduced into the growing dielectric film is controlled. The high frequency of dopant precursor delivery cycles results in a large overall dopant concentration in the final dielectric film. This may also allow the dopant to be distributed relatively uniformly throughout the film. If a few dopant precursor delivery cycles are inserted in the deposition processes, the high dopant concentration regions in the film are spaced wider than in the case of high frequency of dopant delivery cycles.
일 실시예에서, 도펀트 프리커서는 성장하는 유전체 막으로 유전체 증착의 각 사이클에 대해 1 회 전달된다. 다른 실시예에서, 도펀트 프리커서는 유전체 증착의 하나 걸러의 (every other) 사이클마다 1회 전달된다. 다른 실시예에서, 빈도가 더 낮은 도펀트 프리커서 전달 사이클이 공정 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 도펀트 종들은 유전체 증착의 매 세번째, 네번째, 또는 다섯번째 사이클마다 1 회 전달될 수 있다. 몇몇 경우에, 도펀트 프리커서는 유전체 증착의 매 5 내지 20 번째 사이클마다의 빈도로 해서 전달된다.In one embodiment, the dopant precursor is delivered to the growing dielectric film once for each cycle of dielectric deposition. In another embodiment, the dopant precursor is delivered once every other cycle of dielectric deposition. In another embodiment, a less frequent dopant precursor delivery cycle may be included in the process. For example, dopant species may be delivered once every third, fourth, or fifth cycle of dielectric deposition. In some cases, the dopant precursor is delivered at a frequency every five to twenty cycles of dielectric deposition.
성장하는 막 내로의 도펀트 프리커서 도입 사이클의 빈도는 유전체 막 증착의 과정에 걸쳐서 일정할 필요가 없음이 이해되어야 한다. 이를 염두해두면, 증착된 유전체 막의 두께에 걸쳐서 도펀트의 평균 농도가 불균일하도록 최종 유전체 막은 도펀트의 구배형 농도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 도펀트의 농도는 도핑될 반도체 디바이스 구조물에 접하는 유전체 막의 측 상에서 더 클 수 있다. 물론, 유전체 막 내의 도펀트 농도 구배는 전체 유전체 증착 공정의 과정에 걸쳐서 도펀트 전달 사이클의 빈도를 신중하게 변화시킴으로써 목표된 바와 같이 맞추어질 수 있다.It should be understood that the frequency of dopant precursor introduction cycles into the growing film need not be constant throughout the course of the dielectric film deposition. With this in mind, the final dielectric film may have a gradient concentration of dopant such that the average concentration of the dopant is non-uniform over the thickness of the deposited dielectric film. In one embodiment, the concentration of dopant may be greater on the side of the dielectric film in contact with the semiconductor device structure to be doped. Of course, the dopant concentration gradient in the dielectric film can be tailored as desired by carefully changing the frequency of the dopant delivery cycles throughout the entire dielectric deposition process.
기본적인 공정에 대한 다른 변형은 임의의 도펀트 프리커서 전달 사이클 동안 전달된 도펀트 프리커서의 양을 조절하는 바를 포함한다. 임의의 소정의 도펀트 프리커서 전달 사이클 동안 전달된 도펀트 프리커서의 양은 반응 챔버에 전달된 도펀트 프리커서의 농도 및 전달된 도펀트 프리커서로 기판이 노출되는 기간에 의해서 결정될 수 있다. Another variation on the basic process involves adjusting the amount of dopant precursor delivered during any dopant precursor delivery cycle. The amount of dopant precursor delivered during any given dopant precursor delivery cycle can be determined by the concentration of dopant precursor delivered to the reaction chamber and the period of time the substrate is exposed to the delivered dopant precursor.
상술한 바와 같이, 몇몇 도펀트 프리커서들은 CVD 형 공정을 통해서 성장하는 막 상으로 제공될 수 있다. 이러한 경우들에서, 임의의 소정 사이클에서 성장하는 막으로 전달된 도펀트 프리커서의 양은 흡착 또는 다른 표면-매개형 현상에 의해서 한정되지 않는다. 따라서, 임의의 도펀트 전달 사이클 동안에 제공된 도펀트 프리커서의 양은 상대적으로 크며 제어가능할 수 있다. 임의의 도펀트 전달 사이클 동안에 보다 많은 양의 도펀트 프리커서가 전달되는 정도로, 유전체 막 내의 도펀트의 전체적인 농도는 증가한다. 이는 전체 공정에서 상대적으로 빈도가 낮은 도펀트 프리커서 전달 사이클들을 갖게 되는 효과를 상쇄시킬 수 있다. 그러나, 임의의 소정의 도펀트 프리커서 전달 사이클 동안에 전달된 도펀트의 양을 증가시키면 막 내의 도펀트의 상대적으로 고 국소적 농도가 나타날 수 있음이 이해되어야 한다. 물론, 이러한 도펀트 농도 스파이크는 어닐링 또는 도펀트 농도가 유전체 막 내에서 보다 균일하게 되게 도펀트를 확산시키는 다른 동작을 통해서 완화될 수 있다.As mentioned above, some dopant precursors may be provided on a growing film through a CVD type process. In such cases, the amount of dopant precursor delivered to the growing film in any given cycle is not limited by adsorption or other surface-mediated phenomena. Thus, the amount of dopant precursor provided during any dopant delivery cycle may be relatively large and controllable. The overall concentration of dopant in the dielectric film increases so that a greater amount of dopant precursor is delivered during any dopant delivery cycle. This may counteract the effect of having relatively low frequency dopant precursor delivery cycles in the overall process. However, it should be understood that increasing the amount of dopant delivered during any given dopant precursor delivery cycle may result in a relatively high local concentration of dopant in the membrane. Of course, these dopant concentration spikes can be mitigated through annealing or other operation to diffuse the dopant such that the dopant concentration is more uniform in the dielectric film.
붕소가 도펀트인 경우에, 통상적인 붕소 프리커서 전달 사이클 동안에 전달된 붕소의 플럭스는 목표 막 농도에 따라서 약 7.5 ML (Mega-Langmuirs) 에서 30 ML 까지 변할 수 있으며, ML은 플럭스/노출의 단위이다.If boron is a dopant, the flux of boron delivered during a typical boron precursor delivery cycle can vary from about 7.5 mL (Mega-Langmuirs) to 30 mL depending on the target membrane concentration, where ML is the unit of flux / exposure .
몇몇 실시예들에서, 각 프리커서 전달 사이클에서 전달된 도펀트 프리커서의 양은 전체 유전체 막의 성장에 걸쳐서 일정하지 않다. 따라서, 사이클당 전달된 도펀트 프리커서의 양은 유전체 막 내의 목표 도펀트 농도 구배를 얻도록 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 도핑될 반도체 피처에 상대적으로 가까운 유전체 막 내의 위치들에서 발생하는 도펀트 프리커서 전달 사이클에서 도펀트 프리커서의 보다 많은 양을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 결과적인 농도 구배는 도핑될 디바이스 구조물에 접하는 막 영역들에서 보다 큰 도펀트 농도를 갖는다.In some embodiments, the amount of dopant precursor delivered in each precursor delivery cycle is not constant over the growth of the entire dielectric film. Thus, the amount of dopant precursor delivered per cycle can be tailored to obtain a target dopant concentration gradient in the dielectric film. For example, it may be desirable to provide a greater amount of dopant precursor in a dopant precursor delivery cycle that occurs at locations in the dielectric film relatively close to the semiconductor feature to be doped. The resulting concentration gradient has a higher dopant concentration in the film regions that abut the device structure to be doped.
몇몇 실시예들에서, 도펀트 프리커서는 흡착-한정 방식으로 기판 표면 상에 도입된다. 이러한 프리커서를 사용하여, 막 내로의 도펀트의 도입은 (상술한 바와 같은 CVD 형 방식과는 대조적으로) ALD 형 공정을 통해서 진행된다. 흡착-중개형 공정에 의해서 기판 표면에 부착되는 도펀트 프리커서의 실례는 트리메틸 보론 (trimethyl borane) 및 트리메틸갈륨과 같은 다른 알킬 프리커서들을 포함한다. CVD 형 공정에 의해서 기판 표면 상에 축적되는 도펀트 프리커서들의 실례는 디보란, 포스핀 및 아르신 (arsine) 을 포함한다.In some embodiments, the dopant precursor is introduced onto the substrate surface in an adsorption-limited manner. Using such precursors, the introduction of dopants into the film proceeds through an ALD type process (as opposed to the CVD type method as described above). Examples of dopant precursors attached to the substrate surface by an adsorption-mediated process include other alkyl precursors such as trimethyl borane and trimethylgallium. Examples of dopant precursors that accumulate on the substrate surface by a CVD type process include diborane, phosphine and arsine.
일반적으로, 유전체 막 내의 도펀트의 농도 프로파일은 적절하게 맞추어질 수 있다. 일 실시예에서, 도펀트 농도는 도핑될 구조물에 인접하는 막의 에지에서 고 레벨로 스파이크한다. 몇몇 실시예들에서, 농도는 막 두께를 걸쳐서 단속적으로 증가 및 감소한다. 일 실례에서, 도펀트 (예컨대, 붕소) 는 아래에 놓인 기판과 CFD 유전체 층 간의 계면에서만 제공된다. 이 도펀트 층은 때로 "스파이크 층"으로서 지칭된다. 몇몇 경우들에서, 단일-단계 (single-step) 를 채용하기보다는 (예를 들어서 도펀트 프리커서로의 CVD 노출을 사용하여서) 도펀트 노출을 펄싱하는 것은 도펀트 도입 (dopant incorporation) 의 웨이퍼 내 균일성을 증가시킨다. 다른 실례에서, CFD 산화물 또는 다른 유전체가 도펀트와 함께 중간에 개재된다 (예컨대, 도핑된 BSG 내의 붕소). 도 18 및 도 19를 참조하면 된다. 이 개재된 도핑된 유전체에는 스파이크 층이 제공되거나 제공되지 않을 수도 있다. 또 다른 실례에서, 도핑되지 않은 CFD 산화물 또는 다른 유전체 캡 (cap) 이 보호 층 역할을 할 수 있다. 또한, 도 18 및 도 19를 참조하면 된다. In general, the concentration profile of the dopant in the dielectric film can be suitably tailored. In one embodiment, the dopant concentration spikes to high levels at the edge of the film adjacent the structure to be doped. In some embodiments, the concentration increases and decreases intermittently across the film thickness. In one example, dopants (eg, boron) are provided only at the interface between the underlying substrate and the CFD dielectric layer. This dopant layer is sometimes referred to as a "spike layer". In some cases, pulsing the dopant exposure rather than employing a single-step (eg, using CVD exposure to the dopant precursor) increases the in-wafer uniformity of the dopant incorporation. Let's do it. In another example, a CFD oxide or other dielectric is intervened with the dopant (eg, boron in the doped BSG). See FIG. 18 and FIG. 19. This intervening doped dielectric may or may not be provided with a spike layer. In another example, undoped CFD oxide or other dielectric cap can serve as a protective layer. See also FIGS. 18 and 19.
도펀트 종들이 상주하는 유전체 막 자체가 막 자체를 통한 도펀트 종들의 확산에 영향을 주도록 맞추어질 수 있다. 예를 들어서, 막 밀도 및/또는 화학 조성이 도펀트 종 확산에 대하여 목표하는 영향을 주도록 제어될 수 있다. 몇몇 방식들에서, 전체 유전체 두께는 맞추어진 도펀트 확산 특성이 막 두께에 걸쳐서 변하지 않도록 동일한 밀도 또는 조성을 갖는다. 다른 방식들에서, 도펀트 확산이 막 두께에 걸쳐서 변하도록 막 특성들이 맞추어진다. 본 발명자들은 예를 들어서 어닐링 동안에 CFD 산화물에 걸쳐서 보다 큰 도펀트 확산이 가능하게 CFD 산화물이 덜 조밀하게 되도록 플라즈마 산화 파라미터들이 변화될 수 있음을 알아내었다.The dielectric film itself in which the dopant species reside may be tailored to affect the diffusion of the dopant species through the film itself. For example, film density and / or chemical composition can be controlled to have a desired effect on dopant species diffusion. In some ways, the overall dielectric thickness has the same density or composition so that the tailored dopant diffusion properties do not change over the film thickness. In other ways, the film properties are tailored such that the dopant diffusion changes over the film thickness. The inventors have found that plasma oxidation parameters can be changed, for example, to make the CFD oxide less dense, allowing greater dopant diffusion across the CFD oxide during annealing.
특정 실시예들에서, 유전체 막의 조성 (또는 이 막을 형성하는데 사용되는 공정 가스) 이 그 내에서의 도펀트 확산에 영향을 주도록 맞추어진다. 예를 들어서 유전체 막 증착 사이클들 동안에 반응 챔버 내로 전달된 산화제 공정 가스 내에서의 산소에 대한 질소의 비가 도펀트 종들이 유전체 막을 통하여서 확산할 수 있는 능력에 영향을 줌이 발견되었다. 예를 들어서, 유전체 막 형성 동안에 사용된 산화제 가스 내에 존재하는 보다 많은 질소의 양은 도펀트 확산에 대한 상당한 저항을 갖는 유전체 막을 낳는다. 이와 대조하여서, 가스 내에 존재하는 산소의 양이 상대적으로 많으면 도펀트 확산에 대한 저항은 매우 보다 작아진다. 공정 가스 내에 존재하는 질소는 질소 함유 화합물 (예컨대, N2O) 또는 원소적 질소 N2의 방식으로 제공될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 유전체 막 증착 사이클 동안에 연속적으로 흐르는 산화제는 아산화질소를 포함한다.In certain embodiments, the composition of the dielectric film (or process gas used to form the film) is tailored to affect dopant diffusion therein. For example, it has been found that the ratio of nitrogen to oxygen in the oxidant process gas delivered into the reaction chamber during dielectric film deposition cycles affects the ability of the dopant species to diffuse through the dielectric film. For example, the greater amount of nitrogen present in the oxidant gas used during dielectric film formation results in a dielectric film having significant resistance to dopant diffusion. In contrast, if the amount of oxygen present in the gas is relatively high, the resistance to dopant diffusion becomes much smaller. Nitrogen present in the process gas may be provided in the manner of a nitrogen containing compound (eg N 2 O) or elemental nitrogen N 2 . In various embodiments, the oxidant flowing continuously during the dielectric film deposition cycle includes nitrous oxide.
특정 실시예들에서, 유전체 막은 유전체 막의 초기 성장 페이즈 동안에 산소 함량을 상대적으로 높으며 질소 함량을 상대적으로 낮은 산화제 가스를 처음 사용함으로써 제조된다. 이후에, 막이 도핑될 기판 구조물들 상에 부분적으로 형성된 후에, 산화제 가스 조성이 그 내에서 질소가 상대적으로 더 풍부하게 되도록 변화된다. 예를 들어, 초기 증착 사이클 동안에, 유전체 막을 위해서 사용된 산화제 가스는 전체가 분자인 산소를 포함할 수도 있다. 이후의 유전체 증착 사이클에서, 산소가 아산화질소로 적어도 부분적으로 대체되도록 산화제 가스가 수정된다. 이는 그 목적이, 도핑될 디바이스 구조물이 유전체 막 아래에 위치하는 바를 가정할 때에, 막의 하단을 향하는 방향으로의 확산을 증진시키고 막의 상단을 향하는 방향으로의 확산을 저지하는 것인 경우를 가정한다. 본 발명자들은 질소 농도 레벨이 약 1E20 원자들/cc (예컨대 SIMS에 의해서 측정됨) 보다 크면, 붕소 확산에 대한 저지 효과가 상당함을 알았다. 이와 대조하여서, 질소 농도 레벨이 약 1E19 원자들/cc 이하에서는, 붕소 확산에 대한 저지 효과가 효과적으로 제거될 수 있다.In certain embodiments, the dielectric film is prepared by first using an oxidant gas having a relatively high oxygen content and a relatively low nitrogen content during the initial growth phase of the dielectric film. Thereafter, after the film is partially formed on the substrate structures to be doped, the oxidant gas composition is changed to be relatively richer in nitrogen therein. For example, during the initial deposition cycle, the oxidant gas used for the dielectric film may include oxygen in its entirety. In subsequent dielectric deposition cycles, the oxidant gas is modified such that oxygen is at least partially replaced by nitrous oxide. This assumes that the purpose is to promote diffusion in the direction toward the bottom of the film and to prevent diffusion in the direction toward the top of the film, assuming that the device structure to be doped is located under the dielectric film. The inventors have found that if the nitrogen concentration level is greater than about 1E20 atoms / cc (as measured by SIMS for example), the blocking effect on boron diffusion is significant. In contrast, at a nitrogen concentration level of about 1E19 atoms / cc or less, the blocking effect on boron diffusion can be effectively eliminated.
막 조성 자체를 고려하면, 막 내의 질소 함량은 도핑될 기판 구조물 근방의 막의 부분에서의 상대적으로 낮은 레벨에서 도핑될 구조물 반대편에 위치하는 부분에서의 상대적으로 높은 레벨로 변할 수도 있다.Considering the film composition itself, the nitrogen content in the film may vary from a relatively low level in the portion of the film near the substrate structure to be doped to a relatively high level in the portion opposite the structure to be doped.
유전체 막 형성 동안에 채용된 증착 온도 또한 도펀트가 막 내에서 확산될 수 있는 능력에 영향을 준다. 일반적으로, CFD 프로세싱에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 증착된 유전체는 일반적으로 상대적으로 높은 도펀트 확산 레이트를 가능하게 하였음을 알 수 있었다. 상대적으로 높은 도펀트 확산 레이트와 관련된 상대적으로 낮은 온도의 실례들은 약 300 내지 400 ℃ 범위의 온도 또는 보다 구체적으로는 약 350 내지 400 ℃ 범위의 온도이다. 물론, 이 온도 범위는 유전체 프리커서 및 다른 증착 파라미터 선택에 의존한다. 이들이 다수의 프리커서들과 함께 채용될 수 있는 반면에, 이들은 유전체 프리커서로서 BTBAS를 사용하는데 특히 적합하다.The deposition temperature employed during the dielectric film formation also affects the ability of the dopant to diffuse in the film. In general, it was found that dielectrics deposited at relatively low temperatures by CFD processing generally enabled relatively high dopant diffusion rates. Examples of relatively low temperatures associated with relatively high dopant diffusion rates are temperatures in the range of about 300 to 400 degrees Celsius or more specifically in the range of about 350 to 400 degrees Celsius. Of course, this temperature range depends on the choice of dielectric precursors and other deposition parameters. While they can be employed with a number of precursors, they are particularly suitable for using BTBAS as a dielectric precursor.
이와 대조하여서, 상대적으로 높은 온도에서 증착된 유전체는 도펀트 종들의 확산을 저항하는 경향이 있다. 유전체 프리커서로서 BTBAS를 사용하는 경우에, 상대적으로 낮은 도펀트 확산 레이트와 관련된 상대적으로 높은 온도의 실례들은 약 350 내지 400 ℃ 범위의 온도 또는 보다 구체적으로는 약 300 내지 380 ℃ 범위의 온도이다. 물론, 이 온도 범위는 다른 프리커서들에도 적용될 수 있다. 또한, 고온은 일반적으로 도펀트 확산을 방해하는 밀한 막들을 제공하는 것이 사실이지만, 플라즈마 산화 동안의 전력 및 RF 노출 시간과 같은 다른 파라미터들을 통해서 확산도 및/또는 밀도를 제어할 수도 있다. CFD 산화물 성장 동안에 채용될 수 있는 기본 파라미터들의 실례들은 (1) 통상적으로 저 주파수 플라즈마 없이, 약 200 내지 2500 와트 (300 mm 웨이퍼의 경우임) 에서의 고주파수 플라즈마 및 (2) 약 0.2 초 내지 1.5 초의 플라즈마 노출 시간을 포함한다.In contrast, dielectrics deposited at relatively high temperatures tend to resist diffusion of dopant species. In the case of using BTBAS as the dielectric precursor, the relatively high temperature examples associated with the relatively low dopant diffusion rate are temperatures in the range of about 350 to 400 ° C or more specifically in the range of about 300 to 380 ° C. Of course, this temperature range can be applied to other precursors. It is also true that high temperatures generally provide dense films that impede dopant diffusion, but may control diffusion and / or density through other parameters such as power and RF exposure time during plasma oxidation. Examples of basic parameters that can be employed during CFD oxide growth include (1) a high frequency plasma at about 200 to 2500 watts (for a 300 mm wafer) and (2) about 0.2 to 1.5 seconds, typically without a low frequency plasma. Plasma exposure time.
특정 실시예들에서, 상대적으로 낮은 온도는 도핑될 디바이스 구조물에 인접하는 유전체 막을 증착하는데 채용되며 보다 높은 온도는 구조물로부터 더 떨어진 유전체 막의 부분을 증착하는데 채용된다. 특정 실시예들에서, 전체 유전체 막의 증착 동안에 채용된 온도는 변하며 또한 산화제 가스 내의 산소에 대한 질소 비도 증착 공정 동안에 변한다. 이로써, 결과적인 유전체 막의 도펀트 확산 특성들은 막의 두께에 걸쳐서 커진 정도 (exaggerated degree) 로 변할 수 있다.In certain embodiments, a relatively low temperature is employed to deposit a dielectric film adjacent to the device structure to be doped and a higher temperature is employed to deposit a portion of the dielectric film further away from the structure. In certain embodiments, the temperature employed during deposition of the entire dielectric film varies and the nitrogen to oxygen ratio in the oxidant gas also changes during the deposition process. As such, the dopant diffusion properties of the resulting dielectric film may vary with an exaggerated degree over the thickness of the film.
다양한 실시예들에서, 증착 온도는 CFD 동안에 기판을 홀딩하는 페데스탈 또는 척을 가열 및/또는 냉각시킴으로써 제어된다. 적합한 페데스탈의 실례는 2009년 5월 5일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/435,890 (공개번호 2009-0277472) 및 2011년 4월 13일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/086,010에 개시되어 있으며, 이들은 모두 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.In various embodiments, the deposition temperature is controlled by heating and / or cooling the pedestal or chuck holding the substrate during CFD. Examples of suitable pedestals are disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 435,890 (published 2009-0277472), filed May 5, 2009, and US patent application Ser. No. 13 / 086,010, filed April 13, 2011, All of which are incorporated herein by reference in their entirety.
특정 실시예들에서, 도핑될 기판 표면 상의 디바이스 구조물은 유전체 막 또는 도펀트 프리커서의 증착 이전에 사전처리된다. 일 실례에서, 사전처리는 환원 플라즈마와 같은 플라즈마로의 노출을 포함한다. 이러한 처리는 예를 들어서 도핑될 기판 피처들이 실리콘을 포함할 때에 적절할 수도 있다. 통상적으로, 실리콘은 도펀트의 후속 확산에 대한 장벽 역할을 할 수 있는 자연적 산화물 (native oxide) 을 소량 포함한다. 특정 실시예에서, 유전체 막 증착의 제 1 사이클 이전에, 기판 표면은 수소 함유 플라즈마와 같은 환원 플라즈마로 사전처리되며 이어서 기판 표면은 기상으로 있는 도펀트 프리커서와 접촉한다. 프리커서는 플라즈마 사전처리가 완료된 바로 후에 반응 챔버 내로 전달될 수도 있다. 몇몇 실례들에서, 도펀트 프리커서는 디보란이다. 일반적으로, 도 17에 도시된 공정은 제 1 유전체 증착 사이클 이전에 도펀트 또는 도펀트 프리커서가 기판 표면에 전달되도록 수정될 수도 있다.In certain embodiments, the device structure on the substrate surface to be doped is pretreated prior to the deposition of the dielectric film or dopant precursor. In one example, the pretreatment includes exposure to a plasma, such as a reducing plasma. This treatment may be appropriate, for example, when the substrate features to be doped comprise silicon. Typically, silicon contains small amounts of native oxide, which can serve as a barrier to subsequent diffusion of dopants. In a particular embodiment, prior to the first cycle of dielectric film deposition, the substrate surface is pretreated with a reducing plasma, such as a hydrogen containing plasma, and then the substrate surface is in contact with the dopant precursor in vapor phase. The precursor may be delivered into the reaction chamber immediately after the plasma pretreatment is complete. In some instances, the dopant precursor is diborane. In general, the process shown in FIG. 17 may be modified such that the dopant or dopant precursor is delivered to the substrate surface prior to the first dielectric deposition cycle.
다양한 실시예들에서, 부분적으로 형성된 유전체 막 자체가 도펀트 프리커서로의 노출 이전에 플라즈마 또는 다른 활성화 처리를 사용하여서 사전처리된다. 이는 (a) 도펀트 프리커서 노출 이전에 열적 균일성을 제공하고 (b) 유전체 표면에 대한 도펀트 프리커서 점착성을 증가시키기 위해서 유전체 표면을 활성화함으로써 (예컨대, 화학적 및/또는 물리적 조면화 (roughening) 에 의해서) 웨이퍼-내 균일성을 개선시키는 역할을 한다.In various embodiments, the partially formed dielectric film itself is pretreated using a plasma or other activation treatment prior to exposure to the dopant precursor. This can be accomplished by (a) activating the dielectric surface (eg, chemical and / or physical roughening) to (a) provide thermal uniformity prior to dopant precursor exposure and (b) increase dopant precursor adhesion to the dielectric surface. By) improves in-wafer uniformity.
특정 다른 실시예들에서, 도펀트 종들의 화학적 조건은 막 증착 공정의 도펀트 프리커서 전달 페이즈 및/또는 활성화 페이즈 동안에 제어된다. 몇몇 실시예들에서, 도펀트 프리커서는 유전체 막 내의 도펀트를 "고정 (fix)" 시키며 이로써 도펀트가 이후에 어닐링 또는 다른 그러한 동작에 의해서 활성화될 때까지 도펀트 확산을 제약하는 방식으로 처리된다. 일 실례에서, 특정 도펀트들은 유전체 막 증착 공정의 도펀트 전달 페이즈 동안에 그들 또는 그들의 프리커서들을 산화시킴으로써 고정된다. 특정 실례에서, 디보란이 유전체 막 내의 결과적인 붕소 함유 재료를 효과적으로 고정시키는 산화 분위기 내에서 고정 챔버로 전달된다. 이와 달리, 도펀트는 불활성 분위기 또는 환원 분위기 내에서 프리커서를 반응 챔버로 전달함으로써 고정되고 이후에 유전체 막 상에 위치하는 동안에 산화 분위기에 노출된다. 이와 반대로, 후속 산화 없이, 환원제를 사용하여서 특정 도펀트 프리커서들을 처리하는 것은 유전체 막 내의 보다 이동성이 있는 도펀트를 생성할 수 있다.In certain other embodiments, the chemical conditions of the dopant species are controlled during the dopant precursor transfer phase and / or activation phase of the film deposition process. In some embodiments, the dopant precursor is " fixed " the dopant in the dielectric film, thereby treating the dopant diffusion until the dopant is subsequently activated by annealing or other such operation. In one example, certain dopants are fixed by oxidizing them or their precursors during the dopant delivery phase of the dielectric film deposition process. In certain instances, diborane is delivered to the fixation chamber in an oxidizing atmosphere that effectively fixes the resulting boron containing material in the dielectric film. Alternatively, the dopant is fixed by transferring the precursor to the reaction chamber in an inert or reducing atmosphere and subsequently exposed to an oxidizing atmosphere while placed on the dielectric film. In contrast, treating certain dopant precursors with a reducing agent, without subsequent oxidation, can produce more mobile dopants in the dielectric film.
소스 층이 형성된 후에 (또는 그의 형성 동안에), 도펀트 종들은 제조되는 디바이스 내의 인접하는 구조물들 내로 추동되거나 이와 달리 도입된다. 특정 실시예들에서, 도펀트 종들은 컨포멀 도펀트 소스 막이 형성되는 동안에 또는 그 후에 어닐링에 의해서 추동된다. 통상적인 열적 어닐링 이외에, 예를 들어서 플래시 어닐링 (flash annealing) 및 레이저 스파이크 어닐링이 사용될 수도 있다. 어닐링 시간 및 온도는 소스 층 내의 도펀트의 농도, 양 및 타입, 소스 층 기질 (예컨대, 산화물 유리) 의 조성 및 모폴러지 (morphology), 도펀트 종들이 인접하는 디바이스 구조물들 내로 이동해야하는 거리, 디바이스 구조물 내의 도펀트의 목표 농도, 및 디바이스 구조물의 조성 및 모폴러지를 포함하는 다양한 파라미터들에 의존한다. 특정 실시예들에서, 어닐링은 약 2 내지 30 초 동안에 약 900 내지 1100 ℃ 온도에서 수행된다.After the source layer is formed (or during its formation), the dopant species are driven or otherwise introduced into adjacent structures in the device being manufactured. In certain embodiments, the dopant species are driven by annealing during or after the conformal dopant source film is formed. In addition to conventional thermal annealing, for example flash annealing and laser spike annealing may be used. The annealing time and temperature can be determined by the concentration, amount and type of dopant in the source layer, the composition and morphology of the source layer substrate (eg, oxide glass), the distance at which dopant species must move into adjacent device structures, within the device structure It depends on various parameters including the target concentration of the dopant and the composition and morphology of the device structure. In certain embodiments, annealing is performed at about 900 to 1100 ° C. temperature for about 2 to 30 seconds.
다양한 장치들이 본 명세서에서 기술된 도핑된 유전체 막들을 증착하도록 설계된다. 일반적으로, 이 장치들은 도핑된 막의 증착 동안에 기판을 홀딩하기 위한 공정 챔버를 포함할 것이다. 이 공정 챔버는 유전체 프리커서, 산화제, 캐리어 가스 또는 불활성 가스, 도펀트 종들 등을 포함하는 공정 가스를 수용하기 위한 하나 이상의 유입구를 포함할 것이다. 다양한 실시예들에서, 이 장치는 유전체 층들을 생성하기에 적합한 특성들을 갖는 플라즈마를 생성하기 위한 특징부, 도펀트를 유전체 층 내로 도입하기 위한 특징부, 유전체 층의 전기적 특성, 광학적 특성, 기계적 특성 및/또는 화학적 특성을 수정하기 위해 유전체 층을 처리하기 위한 특징부 및 도펀트를 막으로부터 기판 내로 추동시키기 위한 특징부를 더 포함할 것이다. 통상적으로, 이 장치는 진공 펌프 또는 이러한 진공 펌프로의 연결을 위한 부품들을 포함할 것이다. 또한, 이 장치는 본 명세서에서 기술된 도핑된 유전체 증착 동작들의 시퀀스를 달성하도록 이 장치를 제어하도록 구성 또는 설계된 제어기 또는 제어기들을 가질 것이다. 이 제어기는 공정 가스 전달 및 압력 제어를 위한 밸브, 플라즈마를 생성하기 위한 전원, 및 진공 소스를 포함하는 장치의 다양한 특징부들을 제어하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다. 이 인스트럭션들은 다양한 동작들의 타이밍 및 시퀀스를 제어할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 이 장치는 캘리포니아 산 호세 소재의 Novellus Systems으로부터 입수 가능한 증착 툴 패밀리인 VectorTM에서 제공된다. 도핑된 유전체 막들을 증착하기에 적합한 장치의 다른 특징부들은 본 명세서의 다른 개소들에서 기술된다.Various devices are designed to deposit the doped dielectric films described herein. In general, these devices will include a process chamber for holding the substrate during deposition of the doped film. The process chamber will include one or more inlets for receiving a process gas comprising a dielectric precursor, an oxidant, a carrier gas or inert gas, dopant species, and the like. In various embodiments, the device includes a feature for generating a plasma having properties suitable for producing dielectric layers, a feature for introducing a dopant into the dielectric layer, electrical properties, optical properties, mechanical properties, and And / or features for treating the dielectric layer to modify chemical properties and features for driving dopants from the film into the substrate. Typically, the device will comprise a vacuum pump or parts for connection to such a vacuum pump. In addition, the apparatus will have a controller or controllers configured or designed to control the apparatus to achieve the sequence of doped dielectric deposition operations described herein. The controller may include instructions for controlling various features of the apparatus, including a valve for process gas delivery and pressure control, a power source for generating a plasma, and a vacuum source. These instructions can control the timing and sequence of various operations. In various embodiments, the device is provided in Vector TM , a deposition tool family available from Novellus Systems, San Jose, California. Other features of an apparatus suitable for depositing doped dielectric films are described in other places herein.
도핑된 CFD 막 특성들Doped CFD Film Properties
도펀트 종들의 소스 역할을 하는 유전체 막은 다양한 특성들을 가질 것이다. 다양한 실시예들에서, 막 두께는 약 20 내지 200 옹스트롬이다. 몇몇 경우들에서, 예를 들어서 3차원 트랜지스터 구조물의 소스-드레인 연장부의 프론트 엔드 도핑을 위해서, 막 두께는 약 50 내지 100 옹스트롬이다. 유전체 막 내의 도펀트 원자들 (또는 다른 도펀트 종들) 의 평균 농도는 막의 표면적당 도펀트의 총량 및 막 내의 도펀트 원자들의 확산도 및 도핑 애플리케이션 (doping application) 을 포함하는 다양한 인자들에 의존한다. 특정 실시예들에서, 막 내의 도펀트의 농도는 약 0.01 중량 퍼센트 내지 10 중량 퍼센트이다. 다른 실시예들에서, 막 내의 도펀트의 농도는 약 0.1 중량 퍼센트 내지 1 중량 퍼센트이다. 또 다른 실시예들에서, 막 내의 도펀트의 농도는 약 0.5 중량 퍼센트 내지 4 중량 퍼센트이다. 본 명세서에서 설명된 기술들은 넓은 범위에 걸쳐서 예를 들어서 약 0.01 중량 퍼센트 내지 10 중량 퍼센트 간에서 도펀트 농도 조절을 가능하게 한다. 예를 들어서, 붕소 농도는 CFD 유전체 막들 내에서 약 0.1 중량 퍼센트 내지 4.3 중량 퍼센트 간에서 용이하게 조절될 수 있음이 입증되었다. 특정 실시예들에서, 5, 7, 10 및 12 nm CFD 막들이 약 0.1 내지 0.5 wt% 붕소를 갖도록 성장된다.The dielectric film serving as a source of dopant species will have various properties. In various embodiments, the film thickness is about 20 to 200 angstroms. In some cases, the film thickness is about 50 to 100 angstroms, for example for front end doping of the source-drain extension of the three-dimensional transistor structure. The average concentration of dopant atoms (or other dopant species) in the dielectric film depends on various factors including the total amount of dopant per surface area of the film and the diffusivity and doping application of the dopant atoms in the film. In certain embodiments, the concentration of dopant in the film is between about 0.01 weight percent and 10 weight percent. In other embodiments, the concentration of dopant in the film is about 0.1 weight percent to 1 weight percent. In still other embodiments, the concentration of dopant in the film is about 0.5 weight percent to 4 weight percent. The techniques described herein enable dopant concentration adjustment over a wide range, for example between about 0.01 weight percent and 10 weight percent. For example, it has been demonstrated that boron concentration can be easily controlled between about 0.1 weight percent and 4.3 weight percent in CFD dielectric films. In certain embodiments, 5, 7, 10 and 12 nm CFD films are grown to have about 0.1 to 0.5 wt% boron.
CFD 도핑된 유전체 막들은 다른 특성들에 의해서 특성화될 수 있다. 예를 들어서, CFD 증착된 막들의 시트 저항 (Rs) 은 약 100 내지 50000 ohms/square 간에서 변할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 이러한 값들은 일부 또는 모든 도펀트가 도핑된 CFD 층으로부터 추동된 후에 달성된다. CFD 막으로부터 도펀트를 추동시킴으로써 생성되는 깊은 접합 깊이들 (further junction depth) (예를 들어서 SIMS에 의해서 측정됨) 은 적절하면 약 1000 옹스트롬에 달하는 레벨까지 조절될 수 있다. 물론, 많은 프론트 엔드 디바이스들은 예를 들어서 약 5 내지 50 옹스트롬 범위의 어느 정도로 (rather) 보다 얕은 접합 깊이를 요구하며, 이는 CFD 막들을 사용하여서 달성 가능하다. 실제 접합 깊이는 예를 들어서 계면 도펀트 (예컨대, 붕소) 농도, 벌크 및 계면으로부터 기판 (예컨대, 실리콘) 내로의 도펀트의 이동도, 도펀트를 추동시키는데 사용되는 어닐링의 온도 및 기간을 포함하는 많은 인자들에 의해서 제어될 수 있다.CFD doped dielectric films may be characterized by other properties. For example, the sheet resistance (Rs) of CFD deposited films can vary between about 100 to 50000 ohms / square. In some cases, these values are achieved after some or all dopants are driven from the doped CFD layer. The deep junction depths (as measured by SIMS, for example) produced by driving the dopant from the CFD film can be adjusted to levels up to about 1000 angstroms as appropriate. Of course, many front end devices require a shallower junction depth, for example, to some extent in the range of about 5 to 50 Angstroms, which is achievable using CFD films. The actual junction depth includes many factors including, for example, interfacial dopant (eg, boron) concentration, bulk and mobility of the dopant from the interface into the substrate (eg, silicon), temperature and duration of annealing used to drive the dopant. Can be controlled by
CFD 도핑 애플리케이션들CFD doping applications
유전체 소스 층이 형성되는 기판 표면은 매우 컨포멀한 증착을 요구할 수도 있다. 특정 실례들에서, 유전체 소스 막은 약 1:0.5 내지 1:12 간의 종횡비 (보다 구체적으로, 약 1:1 내지 1:8 간의 종횡비) 를 갖는 피처들을 컨포멀하게 코팅하며 약 60 nm보다 크지 않은 피처 폭들 (보다 구체적으로 약 30 nm보다 크지 않은 피처 폭들) 을 갖는다. 본 명세서에서 기술된 타입의 유전체 소스 층들을 사용하는 도핑은 45 nm 기술 노드 및 이를 뛰어넘는 노드, 예를 들어서 22 nm 기술 노드, 16 nm 기술 노드 등에 따라서 형성된 디바이스들에서 특정 애플리케이션을 찾을 것이다.The substrate surface on which the dielectric source layer is formed may require very conformal deposition. In certain instances, the dielectric source film conformally coats features having an aspect ratio between about 1: 0.5 and 1:12 (more specifically, an aspect ratio between about 1: 1 and 1: 8) and is no larger than about 60 nm. Widths (more specifically feature widths not greater than about 30 nm). Doping using dielectric source layers of the type described herein will find particular application in devices formed in accordance with 45 nm technology nodes and beyond, for example 22 nm technology nodes, 16 nm technology nodes, and the like.
CFD 소스 층을 사용하여서 도핑될 수 있는 디바이스 구조물들 중에는 CMOS 소스들 및 드레인들, 소스-드레인 연장 영역들, 메모리 디바이스 내의 커패시터 전극들, 게이트 전극들 등과 같은 통상적인 도핑된 구조물들이 있다. 이러한 방식으로 도핑될 수도 있는 다른 구조물들은 22 나노미터 기술 노드에서 제조되는 몇몇 디바이스들에서 채용되는 몇몇 3차원 게이트 구조물들에서의 것들과 같은 게이트 구조물들 내의 소스/드레인 연장 영역들에서의 접합부들과 같은 비평면형 또는 3차원 구조물들이다. 몇몇 3차원 구조물들은 "Tri-gate (Intel)": J.Kavalieros et al., Symp. VLSI Tech Pg 50, 2006 및 "FinFET": Yamashita et al. (IBM Alliance), VLSI 2011 및 이들 내의 참조 사항들에서 찾을 수 있으며, 이들은 이전에 참조로서 인용되었다.Among the device structures that can be doped using a CFD source layer are conventional doped structures such as CMOS sources and drains, source-drain extension regions, capacitor electrodes in a memory device, gate electrodes, and the like. Other structures that may be doped in this manner include junctions in source / drain extension regions in gate structures, such as those in some three-dimensional gate structures employed in some devices fabricated at a 22 nanometer technology node. The same non-planar or three-dimensional structures. Some three-dimensional structures are described in "Tri-gate (Intel)": J. Kavalieros et al., Symp.
도핑된 CFD 막들은 집적 회로 제조에서의 다양한 스테이지들에서 사용되는 에칭 가능한 층들을 제공하는 것과 같은 다양한 다른 애플리케이션들을 갖는다. 특정 실시예들에서, 에칭 가능한 층은 조절가능한 습식 에칭 레이트를 갖는 유리 층이며, 여기서 에칭 레이트는 도핑 레벨에 의해서 조절 가능하다. 달리 말하면, 도핑 레벨은 사전 규정된 에칭 레이트를 제공하도록 선택된다. 특정 실시예들에서, 에칭 가능한 층은 인, 붕소, 또는 이들의 조합과 같은 도펀트를 포함하는 실리케이트 유리 층이다. Doped CFD films have a variety of other applications, such as providing etchable layers used at various stages in integrated circuit fabrication. In certain embodiments, the etchable layer is a glass layer having an adjustable wet etch rate, wherein the etch rate is adjustable by the doping level. In other words, the doping level is selected to provide a predefined etch rate. In certain embodiments, the etchable layer is a silicate glass layer comprising a dopant, such as phosphorus, boron, or a combination thereof.
CFD 도핑 실례들CFD Doping Examples
CFD 붕소 도핑된 실리케이트 유리 (BSG) 막들이 준비되고 복잡한 3차원 게이트 아키텍처 상에서 거의 100 퍼센트 스텝 커버리지를 달성하였다. 유사한 결과들이 인-도핑된 실리케이트 유리 (PSG) 에 대해서도 예상된다. 붕소 또는 인은 도펀트의 컨포멀/균질의 (conformal/homogenous) 언더 확산 (under diffusion) 을 제공하는 후속 어닐링 단계 동안에 상기한 막들로부터 소스 및 드레인 접합부들의 횡형 영역 (lateral region) 및 종형 영역 (vertical region) 내로 추동될 수 있다. 도 20은 CFD BSG/PSG 막을 합성하는데 사용되는 통상적인 증착 블록을 도시한다. CFD 산화물 성장 사이클은 (a) SiO2 프리커서 (BTBAS) 의 포화 도즈, (b) 잔여 프리커서 종들을 제거하는 (flush out) 불활성 퍼지, (c) 산화성 플라즈마 단계 및 (d) 반응 부산물을 제거하는 불활성 가스 퍼지를 포함한다. 이러한 메카니즘은 반응이 자가 제약적이며 (self-limiting) 이러한 막들에서 관측된 우수한 컨포멀성을 개선하는 것을 보장한다. 붕소 또는 인 노출 단계는 CFD 산화물 성장 동안에 주기적으로 삽입되며, 이 산화물 성장 이후에 펌프 및 퍼지 시퀀스가 따르며 선택적으로 필요하다면 RF 피닝/경화 (pinning/cure) 단계 (예컨대, 플라즈마로의 노출) 가 따른다. 이러한 증착 블록은 목표 BSG/PSG 두께에 의해서 요구되는 정도로 다수의 회로 반복된다. 도 20을 참조하면 된다.CFD boron doped silicate glass (BSG) films were prepared and achieved nearly 100 percent step coverage on a complex three-dimensional gate architecture. Similar results are expected for in-doped silicate glass (PSG). Boron or phosphorus is the lateral and vertical regions of the source and drain junctions from the films described during the subsequent annealing step that provide a conformal / homogenous under diffusion of the dopant. Can be driven into 20 shows a typical deposition block used to synthesize a CFD BSG / PSG film. The CFD oxide growth cycle includes (a) a saturated dose of SiO 2 precursor (BTBAS), (b) an inert purge that flushes out residual precursor species, (c) an oxidative plasma step, and (d) a reaction byproduct An inert gas purge is included. This mechanism ensures that the response is self-limiting and improves the good conformality observed in these films. The boron or phosphorus exposure step is inserted periodically during CFD oxide growth, followed by a pump and purge sequence, optionally followed by an RF pinning / cure step (e.g. exposure to plasma). . This deposition block is repeated as many circuits as required by the target BSG / PSG thickness. See FIG. 20.
붕소 또는 인 노출의 삽입의 빈도가 소정의 온도에서 도펀트 확산 거리를 조절하는 한편, 노출 길이는 총 도펀트 도즈를 제어한다. 이러한 2 가지 강력한 제어 파라미터들은 계면 도펀트 농도를 정확하게 조절하는 다재다능한 합성 방식을 제공한다.The frequency of insertion of boron or phosphorus exposure controls the dopant diffusion distance at a given temperature, while the exposure length controls the total dopant dose. These two powerful control parameters provide a versatile synthesis method for precisely controlling interfacial dopant concentration.
실험들에서, CFD는 BSG 막들에서 우수한 성장 특성을 보였다. CFD BSG 공정은 실리콘 소스로서 BTBAS를 사용하였고, 산화를 위해서 N2O 플라즈마를 사용하였고 붕소 도핑을 위해서 아르곤 내의 5 퍼센트 디보란 (B2H6) 을 사용하였다. 아르곤 및 N2O의 혼합물이 퍼지 가스로서 사용되었다. ~1Å/사이클의 성장 레이트가 도핑되지 않은 CFD 산화물에 대한 결과들과 일관되게 획득되었으며, 이는 붕소 노출 단계의 삽입이 CFD 성장에 악영향을 주지 않음을 입증한다. 250 Å 두께의 CFD BSG 막들은 SEM 사진들에 의해서 보이는 바와 같이 상이한 테스트 구조물들 상에서 거의 완벽한 컨포멀성을 보였다. 이러한 막들에 대한 스텝 커버리지는 밀한 구조물 및 소한 구조물 상에서 ~ 100 퍼센트인 것으로 계산되었다 (도 21). 스텝 커버리지는 동일한 피처의 상단 상에서의 막 두께에 의해서 나누어지는 피처의 측벽 상의 막 두께의 몫으로서 정의된다. 표 7은 막 내의 최종 평균 붕소 농도에 대한 붕소 노출 시간, 붕소 삽입 빈도, 및 성장 온도의 영향들을 나누도록 초기 연구로부터 나누어진 상이한 연구 사항들을 나타낸다. 25X CFD Ox는 붕소 삽입 스테이지마다 25 개의 언도핑된 (undoped) 산화물 사이클이 존재함을 의미한다. 이 샘플은 대략 500 옹스트롬까지 성장하며 따라서 전체 시퀀스는 (CFD 산화물에 대해서 1Å/사이클의 성장 레이트가 주어진다면) 대략 20 회 반복된다. 도 22에 제공된 바와 같은, 이러한 분할된 연구 결과들에 대한 SIMS 데이터는 평균 붕소 농도가 약 0.5 내지 3.5 wt% 붕소 범위 내에서 조절될 수 있고 이는 맞춤된 도핑 옵션들을 실현함을 나타낸다.In the experiments, CFD showed good growth properties in BSG films. The CFD BSG process used BTBAS as the silicon source, N 2 O plasma for oxidation and 5 percent diborane (B 2 H 6 ) in argon for boron doping. A mixture of argon and N 2 O was used as the purge gas. A growth rate of ˜1 ms / cycle was obtained consistently with the results for undoped CFD oxide, demonstrating that the insertion of the boron exposure step does not adversely affect CFD growth. 250 mm3 thick CFD BSG films showed nearly perfect conformality on different test structures as shown by SEM photographs. Step coverage for these membranes was calculated to be ˜100 percent on dense and small structures (FIG. 21). Step coverage is defined as the quotient of the film thickness on the sidewall of the feature divided by the film thickness on the top of the same feature. Table 7 shows the different studies divided from the initial study to divide the effects of boron exposure time, boron insertion frequency, and growth temperature on the final average boron concentration in the membrane. 25X CFD Ox means that there are 25 undoped oxide cycles per boron insertion stage. This sample grows up to approximately 500 angstroms so the entire sequence is repeated approximately 20 times (given a growth rate of 1 ms / cycle for CFD oxide). SIMS data for these divided study results, as provided in FIG. 22, indicate that the average boron concentration can be adjusted within the range of about 0.5 to 3.5 wt% boron, which realizes tailored doping options.
장치Device
임의의 적합한 공정 스테이션이 상술된 실시예들 중 하나 이상과 함께 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 도 13은 CFD 공정 스테이션 (1300) 의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 간략성을 위해서, CFD 공정 스테이션 (1300) 은 저압 분위기를 유지하기 위한 공정 챔버 바디 (1302) 를 갖는 단독형 공정 스테이션으로서 도시된다. 그러나, 복수의 CFD 공정 스테이션 (1300) 이 공통 저압 분위기 공정 툴 내에 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 도 13에 도시된 실시예는 일 공정 스테이션을 포함하지만, 몇몇 실시예들에서, 복수의 공정 스테이션들이 공정 툴 내에 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 도 14는 다중 스테이션 처리 툴 (2400) 의 실시예를 나타낸다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 이하에서 상세하게 논의되는 바들을 포함하여 CFD 공정 스테이션 (1300) 의 하나 이상의 하드웨어 파라미터들이 하나 이상의 컴퓨터 제어기들에 의해서 프로그램 방식으로 조절될 수 있다.It will be appreciated that any suitable process station may be used with one or more of the embodiments described above. For example, FIG. 13 schematically illustrates an embodiment of a
CFD 공정 스테이션 (1300) 은 가스 분배 샤워헤드 (1306) 로 공정 가스들을 전달하기 위한 반응물 전달 시스템 (1301) 과 유체 연통한다. 반응물 전달 시스템 (1301) 은 샤워헤드 (1306) 로 전달할 공정 가스들을 혼합 및/또는 컨디셔닝하기 위한 혼합 용기 (1304) 를 포함한다. 하나 이상의 혼합 용기 유입구 밸브 (1320) 는 공정 가스들의 혼합 용기 (1304) 내로의 도입을 제어할 수 있다.
BTBAS와 같은 몇몇 반응물들이 공정 스테이션에서의 기화 및 이로의 후속 전달 이전에 액체 형태로 저장될 수 있다. 예를 들면, 도 13의 실시예는 혼합 용기 (1304) 에 공급될 액체 반응물을 기화 지점 (1303) 을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기화 지점 (1303) 은 가열된 기화기를 포함할 수 있다. 이러한 기화기로부터 생성된 포화된 반응물 기체는 하류 전달 파이프에서 응축될 수 있다. 양립할 수 없는 가스들이 이 응축된 반응물에 노출되면 작은 입자들이 생성될 수 있다. 이러한 작은 입자들은 파이프를 막히게 하며 밸브 동작을 방해하며 기판을 오염시킨다. 이러한 문제를 해소하기 위한 몇몇 방식들은 잔여 반응물을 제거하도록 전달 파이프를 청소 및/또는 배기하는 것을 포함한다. 그러나, 전달 파이프를 청소하는 바는 공정 스테이션 사이클 시간을 증가시키며 이로써 공정 스테이션 쓰루풋을 저하시킨다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 기화 지점 (1303) 하류에 있는 전달 파이프는 열 추적된다. 몇몇 실례들에서, 혼합 용기 (1304) 도 열 추적될 수 있다. 일 비한정적 실례에서, 기화 지점 (1303) 하류에 있는 전달 파이프는 대략 100 ℃에서 혼합 용기 (1304) 에서의 대략 150 ℃로 확장되는 증가하는 온도 프로파일을 가질 수 있다.Some reactants, such as BTBAS, may be stored in liquid form prior to vaporization and subsequent delivery to the process station. For example, the embodiment of FIG. 13 includes a
몇몇 실시예들에서, 반응물 액체는 액체 주입기에서 기화될 수 있다. 예를 들면, 액체 주입기는 혼합 용기의 상류에 있는 캐리어 가스 스트림 내로 액체 반응물의 펄스들을 주입할 수 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 이 액체를 고압에서 저압으로 플래싱 (flashing) 함으로써 반응물을 기화시킬 수 있다. 다른 시나리오에서, 액체 주입기는 액체를 미세 액적으로 미세화하며 (atmoize) 이 미세 액적은 이후에 가열된 전달 파이프 내에서 기화될 수 있다. 보다 작은 액적이 보다 큰 액적보다 신속하게 기화되어서 액체 주입과 완전 기화 간의 지연을 저감시킬 수 있음이 이해될 것이다. 신속한 기화는 기화 지점 (13023) 으로부터의 하류의 파이프의 길이를 줄일 수 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 혼합 용기 (1304) 에 직접적으로 탑재될 수 있다. 다른 시나리오에서, 액체 주입기는 샤워헤드 (1306) 에 직접적으로 탑재될 수 있다.In some embodiments, the reactant liquid may be vaporized in a liquid injector. For example, the liquid injector may inject pulses of the liquid reactant into a carrier gas stream upstream of the mixing vessel. In one scenario, the liquid injector may vaporize the reactants by flashing this liquid from high pressure to low pressure. In another scenario, the liquid injector atomizes the liquid into fine droplets which can then be vaporized in a heated delivery pipe. It will be appreciated that smaller droplets may vaporize more quickly than larger droplets to reduce the delay between liquid injection and complete vaporization. Rapid vaporization can reduce the length of the pipe downstream from the vaporization point 13023. In one scenario, the liquid injector may be mounted directly to the
샤워헤드 (1306) 및 페데스탈 (1308) 은 플라즈마에 전력을 공급하는 RF 전원 (1314) 및 매칭 네트워크 (1316) 와 전기적으로 접속된다. 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 에너지가 공정 스테이션 압력, 가스 농도, RF 소스 전력, RF 소스 주파수, 및 플라즈마 전력 펄스 타이밍 중 하나 이상을 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, RF 전원 (1314) 및 매칭 네트워크 (1316) 는 라디칼 종들의 목표 조성을 갖는 플라즈마를 형성하도록 임의의 적합한 전력에서 동작될 수 있다. 적합한 전력의 실례는 다음으로 한정되지 않지만 300 mm 웨이퍼의 경우에 100 W 내지 5000 W를 포함한다. 마찬가지로, RF 전원 (1314) 은 임의의 적합한 주파수의 RF 전력을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, RF 전원 (1314) 은 고주파수 전력 소스 및 저주파수 RF 전력 소스를 서로 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 저주파수 RF 전력 소스의 저주파수 실례는 다음으로 한정되지 않지만 50 내지 500 kHz의 주파수들을 포함한다. 고파수 RF 전력 소스의 고주파수 실례는 다음으로 한정되지 않지만 1.8 내지 2.45 MHz의 주파수들을 포함한다. 임의의 적합한 파라미터들이 표면 반응들을 위한 플라즈마 에너지를 제공하도록 이산적으로 또는 연속적으로 조절될 수 있음이 이해될 것이다. 일 비한정적 실례에서, 플라즈마 전력은 연속적으로 전력이 공급되는 플라즈마에 비해서 기판 표면과의 이온 충돌이 감소하도록 단속적으로 펄싱될 수 있다.The
몇몇 실시예들에서, 플라즈마는 하나 이상의 플라즈마 모니터들에 의해서 인-시츄 모니터링될 수 있다. 일 시나리오에서, 플라즈마 전력은 하나 이상의 전류 및 전압 센서들 (예를 들어서, VI 프로브들) 에 의해서 모니터링될 수 있다. 다른 시나리오에서, 플라즈마 밀도 및/또는 공정 가스 농도가 하나 이상의 OES (optical emission spectroscopy) 센서들에 의해서 측정될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 플라즈마 파라미터들이 이러한 인-시츄 플라즈마 모니터들로부터의 측정치들에 기초하여서 프로그램 방식으로 조절될 수 있다. 예를 들면, OES 센서가 플라즈마 전력의 프로그램 방식의 제어 (programmatic control) 를 제공하기 위한 피드백 루프 내에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 및 다른 공정 특성들을 모니터링하기 위해서 다른 모니터들이 사용될 수 있다. 이러한 모니터들은 다음으로 한정되지 않지만 적외선 모니터, 음향 모니터, 및 압력 트랜스듀서를 포함할 수 있다. In some embodiments, the plasma may be monitored in-situ by one or more plasma monitors. In one scenario, plasma power may be monitored by one or more current and voltage sensors (eg, VI probes). In another scenario, the plasma density and / or process gas concentration may be measured by one or more optical emission spectroscopy (OES) sensors. In some embodiments, one or more plasma parameters may be adjusted programmatically based on measurements from such in-situ plasma monitors. For example, an OES sensor can be used in a feedback loop to provide programmatic control of plasma power. In some embodiments, other monitors may be used to monitor plasma and other process characteristics. Such monitors may include, but are not limited to, infrared monitors, acoustic monitors, and pressure transducers.
몇몇 실시예들에서, 페데스탈 (1308) 은 가열기 (1310) 를 통해서 온도가 제어될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, CFD 공정 스테이션 (1300) 의 압력 제어는 버터플라이 밸브 (1318) 에 의해서 제공될 수 있다. 도 13의 실시예에서 도시된 바와 같이, 버터플라이 밸브 (1318) 는 하류 진공 펌프 (미도시) 에 의해서 제공된 진공을 쓰로틀한다 (throttle). 그러나, 몇몇 실시예들에서, CFD 공정 스테이션 (1300) 의 압력 제어는 CFD 공정 스테이션 (1300) 에 도입된 하나 이상의 가스의 플로우 레이트를 가변시킴으로써 조절될 수도 있다.In some embodiments,
상술한 바와 같이, 하나 이상의 공정 스테이션들은 다중 스테이션 처리 툴 내에 포함될 수 있다. 도 14는 인바운드 로드 락 (inbound load lock) (2402) 및 아웃바운드 로드 락 (2404) 을 구비한 다중 스테이션 처리 툴 (2400) 의 실시예의 개략도이며, 인바운드 로드 락 (inbound load lock) (2402) 및 아웃바운드 로드 락 (2404) 중 어느 하나 또는 모두는 원격 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 대기 압력에 있는 로봇 (2406) 은 웨이퍼를 포드 (2408) 를 통해서 로딩된 카세트로부터 대기 (atmospheric) 포트 (2410) 를 통해서 인바운드 로드 락 (2402) 내로 이동시키도록 구성된다. 웨이퍼는 로봇 (2406) 에 의해서 인바운드 로드 락 (2402) 내의 페데스탈 (2412) 상으로 배치되고 대기 포트 (2410) 가 폐쇄되고 이어서 상기 로드 락이 펌핑 다운될 수 있다. 인바운드 로드 락 (2402) 이 원격 플라즈마 소스를 포함하면, 웨이퍼는 처리 챔버 (2414) 내로 도입되기 이전에 이 로드 락 내에서 원격 플라즈마 처리에 노출될 수 있다. 또한, 웨이퍼는 예를 들어서 습기 및 흡입 가스를 제거하기 위해서 인바운드 로드 락 (2402) 내에서 가열될 수 있다. 이어서, 처리 챔버 (2414) 내로의 챔버 전송 포트 (2416) 가 개방되고 다른 로봇 (미도시) 이 웨이퍼를 처리 챔버 (2414) 내에서 이후 처리를 수행할 반응기 내에 도시된 제 1 스테이션의 페데스탈 상으로 배치시킬 수 있다. 도 14에 도시된 실시예들은 로드 락들을 포함하지만, 몇몇 실시예들에서, 웨이퍼는 공정 스테이션 내로 바로 도입될 수도 있다. As mentioned above, one or more process stations may be included in a multi station processing tool. 14 is a schematic diagram of an embodiment of a
도시된 처리 챔버 (2414) 는 도 14에 도시된 실시예에서는 1 내지 4로 넘버링된 4 개의 공정 스테이션을 포함한다. 각 스테이션은 가열된 또는 가열되지 않은 페데스탈 (스테이션 (1) 의 경우에 참조 번호 (2418) 로 도시됨) 및 가스 라인 유입구를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 각 공정 스테이션은 상이한 또는 복수의 목적을 가질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어서, 몇몇 실시예들에서, 공정 스테이션은 CFD 공정 모드와 PECVD 공정 모드 간에서 스위칭될 수 있다. 추가적으로 또는 이와 달리, 몇몇 실시예들에서, 처리 챔버 (2414) 는 하나 이상의 매칭된 CFD 공정 스테이션 및 PECVD 공정 스테이션 쌍을 포함할 수 있다. 도시된 처리 챔버 (2414) 는 4 개의 스테이션을 포함하지만, 본 개시에 따른 처리 챔버는 임의의 적합한 개수의 스테이션을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 몇몇 실시예들에서, 처리 챔버는 5 개 이상의 스테이션을 포함하는 한편, 다른 실시예들에서는, 처리 챔버는 3 개 이하의 스테이션을 포함할 수 있다.The illustrated
도 14는 프로세싱 챔버 (2414) 내에서 웨이퍼를 전달하기 위한 웨이퍼 핸들링 시스템 (2490) 을 또한 도시하고 있다. 몇몇 실시예들에서, 이 웨이퍼 핸들링 시스템 (2490) 은 다양한 공정 스테이션들 간 및/또는 공정 스테이션과 로드 락 간에 웨이퍼를 전달할 수 있다. 임의의 적합한 웨이퍼 핸들링 시스템이 채용될 수 있다. 비한정적 실례들은 웨이퍼 캐루셀 (wafer carousel) 및 웨이퍼 핸들링 로봇을 포함할 수 있다. 도 14는 프로세싱 툴 (2400) 의 공정 조건 및 하드웨어 상태를 제어하기 위해서 사용된 시스템 제어기 (2450) 를 또한 도시하고 있다. 이 시스템 제어기 (2450) 는 하나 이상의 메모리 장치 (2456), 하나 이상의 저장 장치 (2454) 및 하나 이상의 프로세서 (2452) 를 포함할 수 있다. 이 프로세서 (2452) 는 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입출력 접속부, 스텝퍼 모터 제어기 보드 (stepper motor controller board) 등을 포함할 수 있다.14 also shows a
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (2450) 는 공정 툴 (2400) 의 모든 동작을 제어한다. 시스템 제어기 (2450) 는 대용량 저장 장치 (2454) 내에 저장되고 메모리 장치 (2456) 로 로딩되어서 프로세서 (2452) 에 의해서 실행되는 시스템 제어 소프트웨어 (2458) 를 실행한다. 시스템 제어 소프트웨어 (2458) 는 공정 툴 (2400) 에 의해서 수행되는 특정 공정의 타이밍, 가스 혼합, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 웨이퍼 온도, 목표 전력 레벨, RF 전력 레벨, 기판 페데스탈, 척 및/또는 서스셉터 (susceptor) 위치 및 다른 파라미터를 제어하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (2458) 는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어서, 다양한 공정 툴의 공정를 수행하기 위해서 필요한 공정 툴 구성 요소들의 동작을 제어하기 위해서 다양한 공정 툴 구성 요소 서브루틴 또는 제어 객체가 기록될 수 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (2458) 는 임의의 적합한 컴퓨터 판독 가능한 프로그래밍 언어로 코딩될 수 있다.In some embodiments,
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어 소프트웨어 (2458) 는 상술된 다양한 파라미터들을 제어하기 위한 인스트럭션들을 시퀀싱하는 IOC (input/output control) 를 포함할 수 있다. 예를 들어서, CFD 공정의 각 페이즈 (phase) 는 시스템 제어기 (2450) 에 의해서 실행되는 하나 이상의 인스트럭션을 포함할 수 있다. CFD 공정 페이즈에 대한 공정 조건을 설정하기 위한 인스트럭션들이 대응하는 CFD 레시피 페이즈에 포함될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, CFD 공정 페이즈에 대한 모든 인스트럭션들이 해당 공정 페이즈와 동시에 실행되도록 CFD 레시피 페이즈들이 순차적으로 구성될 수 있다.In some embodiments,
시스템 제어기 (2450) 와 연관된 대용량 저장 장치 (2454) 및/또는 메모리 장치 (2456) 상에 저장된 다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램 또는 프로그램 섹션의 실례는 기판 포지셔닝 프로그램, 공정 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 가열기 제어 프로그램 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.Other computer software and / or programs stored on
기판 포지셔닝 프로그램은 기판을 페데스탈 (2418) 상에 로딩하고 이 기판과 공정 툴 (2400) 의 다른 요소 간의 이격 정도를 제어하도록 사용되는 프로세트 툴 구성 요소들에 대한 프로그램 코드를 포함할 수 있다.The substrate positioning program may include program code for proset tool components used to load the substrate onto
공정 가스 제어 프로그램은 가스 성분 및 플로우 레이트를 제어하고 선택 사양적으로는 공정 스테이션 내의 압력을 안정화시키기 위해서 증착 이전에 가스를 하나 이상의 공정 스테이션 내로 유입시키기 위한 코드를 포함할 수 있다. 압력 제어 프로그램은 공정 스테이션 내로의 가스 플로우 또는 공정 스테이션의 배기 시스템 내의 쓰로틀 밸브를 조절함으로써 공정 스테이션 내의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. The process gas control program may include code for introducing gas into one or more process stations prior to deposition to control gas components and flow rates and optionally to stabilize pressure in the process station. The pressure control program may include code for controlling the pressure in the process station by adjusting the gas flow into the process station or the throttle valve in the exhaust system of the process station.
가열기 제어 프로그램은 기판을 가열하는데 사용되는 가열부로의 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 이와 달리, 가열기 제어 프로그램은 기판으로의 열 전달 가스 (가령, 헬륨) 의 공급을 제어할 수 있다. The heater control program may include code for controlling the current to the heating portion used to heat the substrate. Alternatively, the heater control program can control the supply of heat transfer gas (eg, helium) to the substrate.
플라즈마 제어 프로그램은 하나 이상의 공정 스테이션 내의 공정 전극들에 인가되는 RF 전력 레벨을 설정하기 위한 코드를 포함할 수 있다. The plasma control program may include code for setting an RF power level applied to process electrodes in one or more process stations.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (2450) 와 연관된 사용자 인터페이스가 존재할 수 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 공정 상태의 그래픽 소프트웨어 디스플레이 및 포인팅 장치, 키보드, 터치 스크린, 마이클폰 등과 같은 사용자 입력 장치를 포함할 수 있다.In some embodiments, there may be a user interface associated with
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (2450) 에 의해서 조절되는 파라미터들은 공정 조건과 관련될 수 있다. 비한정적 실례들은 공정 가스 성분 및 플로우 레이트, 온도, 압력, (RF 바이어스 전력 레벨과 같은) 플라즈마 조건, 압력, 온도, 등을 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들은 사용자 인터페이스를 사용하여서 입력될 수 있는 레시피의 형태로 해서 사용자에게 제공될 수 있다.In some embodiments, parameters adjusted by
이 공정를 모니터링하기 위한 신호가 다양한 공정 툴 센서로부터 시스템 제어기 (2450) 의 아날로그 및/또는 디지털 입력 접속부들에 의해서 제공될 수 있다. 공정를 제어하기 위한 신호는 공정 툴 (2400) 의 아날로그 출력 접속부 및 디지털 출력 접속부 상에 출력될 수 있다. 이러한 공정 툴 센서들의 비한정적 실례들은 대량 플로우 제어기, (마노미터와 같은) 압력 센서, 써모커플 등을 포함할 수 있다. 적절하게 프로그램된 피드백 알고리즘 및 제어 알고리즘이 이러한 센서들로부터의 데이터와 함께 사용되어서 공정 조건들을 유지 관리할 수 있다. Signals for monitoring this process may be provided by analog and / or digital input connections of
시스템 제어기 (2450) 는 다양한 반도체 가공 공정를 구현하기 위한 프로그램 인스트럭션들을 제공할 수 있다. 이러한 프로그램 인스트럭션들은 DC 전력 레벨, RF 바이어스 전력 레벨, 압력, 온도 등과 같은 다양한 공정 파라미터들을 제어할 수 있다. 이 인스트럭션들은 본 명세서에서 기술된 다양한 실시예들에 따른 막 스택의 인-시츄 증착을 동작시키도록 이러한 파라미터들을 제어할 수 있다.
본 명세서에서 상술한 장치 및/또는 공정는 예를 들어서 반도체 장치, 디스플레이, LED, 광전 패널 등의 제조 또는 가공을 위한 리소그래피 패터닝 툴 또는 공정와 함께 사용될 수 있다. 통상적으로, 이러한 툴 또는 공정은 반드시 그러한 것은 아니지만 공통 제조 시설 내에서 함께 사용 또는 수행될 수 있다. 막 리소그래피 패터닝은 통상적으로 각각 복수의 가능한 툴을 사용하여서 실현되는 다음의 동작들 중 몇몇 또는 모두를 포함하며, 이 동작들은 (1) 스핀 온 또는 스프레이 온 툴을 사용하여서 웨이퍼와 같은 작업 대상에 포토레지스트를 도포하는 동작, (2) 고온 플레이트 퍼니스 또는 UV 경화 툴을 사용하여서 포토레지스트를 경화하는 동작, (3) 웨이퍼 스텝퍼와 같은 툴을 사용하여서 포토레지스트를 가시광선 또는 자외선 또는 x 선 광에 노출시키는 동작, (4) 습식 벤치 (wet bench) 와 같은 툴을 사용하여서 레지스트를 선택적으로 제거하여서 이를 패터닝하도록 상기 포토레지스트를 현상하는 동작, (5) 건식 또는 플라즈마 보조 에칭 툴을 사용하여서 상기 레지스트 패턴을 그 아래의 막 또는 작업 대상에 전사하는 동작 및 (6) RF 또는 마이크로웨이브 플라즈마 레지스트 탈피기 (stripper) 와 같은 툴을 사용하여서 포토레지스트를 제거하는 동작을 포함할 수 있다.The devices and / or processes described herein above can be used, for example, in conjunction with lithographic patterning tools or processes for the manufacture or processing of semiconductor devices, displays, LEDs, photovoltaic panels, and the like. Typically, such tools or processes are not necessarily such but can be used or performed together in a common manufacturing facility. Film lithography patterning typically includes some or all of the following operations, each of which is realized using a plurality of possible tools, which (1) are used to spin a workpiece such as a wafer using a spin on or spray on tool. Applying the resist, (2) curing the photoresist using a hot plate furnace or UV curing tool, (3) exposing the photoresist to visible or ultraviolet or x-ray light using a tool such as a wafer stepper (4) developing the photoresist to selectively remove and pattern the resist using a tool such as a wet bench; (5) the resist pattern using a dry or plasma assisted etching tool. And (6) RF or microwave plasma And removing the photoresist using a tool such as a mar resist stripper.
본 명세서에서 기술된 구성들 및/또는 방식들은 본질상 예시적이며 이러한 특정 실시예들 또는 실례들은 한정적으로 해석되지 말아야 하며 다수의 변형들이 가능함이 이해되어야 한다. 본 명세서에서 기술된 특정 방법들 또는 루틴들은 임의의 개수의 처리 전략들 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 따라서, 예시된 다양한 동작들은 예시된 순서로, 다른 순서로, 병렬도 또는 몇몇 경우에는 생략되어서 수행될 수 있다. 마찬가지로, 상술된 공정들의 순서는 변화될 수 있다.It is to be understood that the configurations and / or manners described herein are illustrative in nature and that such specific embodiments or examples are not to be interpreted as limiting and that many variations are possible. Certain methods or routines described herein may represent one or more of any number of processing strategies. Thus, the various operations illustrated may be performed in the illustrated order, in other orders, in parallel, or in some cases omitted. Likewise, the order of the processes described above can be changed.
본 개시의 주제 대상은 본 명세서에서 개시된 다양한 공정들, 시스템들, 구성들, 다른 특징들, 기능들, 동작들 및/또는 특성들 및 이들의 임의의 모든 균등 사항들의 모든 새롭고 비자명한 조합들 및 하위 조합들을 포함한다.Subject matter of the present disclosure is all novel and non-obvious combinations of the various processes, systems, configurations, other features, functions, operations and / or features and any and all equivalents thereof disclosed herein. And subcombinations.
Claims (42)
제 1 반응물로 하여금 비평면형 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 비플라즈마 조건들 하에서 상기 제 1 반응물을 반응 챔버 내로 도입시키는 단계;
비플라즈마 조건들 하에서 상기 반응 챔버 내로 도펀트 함유 재료를 도입시키는 단계; 및
후속하여 상기 비평면형 기판 표면에 컨포멀한 (conformal) 도핑된 막을 형성하도록 플라즈마에 상기 비평면형 기판 표면을 순차적으로 노출하는 단계를 포함하는, 막 증착 방법.A method of depositing a film on a non-planar substrate surface in a reaction chamber,
Introducing the first reactant into the reaction chamber under non-plasma conditions that cause the first reactant to be adsorbed onto the non-planar substrate surface;
Introducing a dopant containing material into the reaction chamber under nonplasma conditions; And
Sequentially exposing the nonplanar substrate surface to a plasma to subsequently form a conformal doped film on the nonplanar substrate surface.
상기 제 1 반응물은 실리콘 함유 반응물인, 막 증착 방법.The method of claim 1,
And the first reactant is a silicon containing reactant.
상기 도펀트는 붕소, 인, 비소, 및 갈륨으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 막 증착 방법.The method of claim 1,
And the dopant is selected from the group consisting of boron, phosphorus, arsenic, and gallium.
상기 비평면형 기판 표면을 플라즈마에 노출하기 전에, 제 2 반응물을 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 1,
And introducing a second reactant into the reaction chamber prior to exposing the non-planar substrate surface to the plasma.
상기 제 2 반응물은 산화제인, 막 증착 방법.The method of claim 4, wherein
And the second reactant is an oxidant.
상기 제 2 반응물은 질소 함유 반응물인, 막 증착 방법.The method of claim 4, wherein
And the second reactant is a nitrogen containing reactant.
상기 도핑된 막은 도핑된 실리콘 산화물 막인, 막 증착 방법.The method of claim 5, wherein
And the doped film is a doped silicon oxide film.
상기 도핑된 막은 도핑된 실리콘 질화물 막인, 막 증착 방법.The method of claim 6,
And the doped film is a doped silicon nitride film.
상기 도핑된 막은 도핑된 실리콘 카바이드 막인, 막 증착 방법.The method of claim 1,
And the doped film is a doped silicon carbide film.
상기 제 1 반응물이 상기 비평면형 기판 표면에 흡착되는 동안, 제 2 반응물을 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 1,
And introducing a second reactant into the reaction chamber while the first reactant is adsorbed onto the non-planar substrate surface.
상기 막의 일부를 형성하도록 상기 기판 표면 상에 상기 제 1 반응물과 상기 제 2 반응물 간의 반응을 일으키게 상기 비평면형 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 10,
Exposing the non-planar substrate surface to plasma to cause a reaction between the first reactant and the second reactant on the substrate surface to form a portion of the film.
제 1 반응물로 하여금 비평면형 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 비플라즈마 조건들 하에서 상기 제 1 반응물을 반응 챔버 내로 도입시키는 단계;
상기 흡착된 제 1 반응물과 반응하도록 상기 반응 챔버 내로 제 2 반응물을 도입시키는 단계;
상기 반응 챔버 내로 도펀트 함유 재료를 도입시키는 단계; 및
상기 비평면형 기판 표면에 컨포멀한 도핑된 막을 형성하는 단계를 포함하는, 막 증착 방법.A method of depositing a film on a non-planar substrate surface in a reaction chamber,
Introducing the first reactant into the reaction chamber under non-plasma conditions that cause the first reactant to be adsorbed onto the non-planar substrate surface;
Introducing a second reactant into the reaction chamber to react with the adsorbed first reactant;
Introducing a dopant containing material into the reaction chamber; And
Forming a conformal doped film on the non-planar substrate surface.
상기 제 1 반응물은 실리콘 함유 반응물인, 막 증착 방법.The method of claim 12,
And the first reactant is a silicon containing reactant.
상기 도펀트는 붕소, 인, 비소, 및 갈륨으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 막 증착 방법.The method of claim 12,
And the dopant is selected from the group consisting of boron, phosphorus, arsenic, and gallium.
상기 제 2 반응물은 산화제인, 막 증착 방법.The method of claim 12,
And the second reactant is an oxidant.
상기 제 2 반응물은 질소 함유 반응물인, 막 증착 방법.The method of claim 12,
And the second reactant is a nitrogen containing reactant.
상기 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버에 도입한 후에 상기 비평면형 기판 표면을 플라즈마에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 12,
Exposing the non-planar substrate surface to a plasma after introducing the dopant containing material into the reaction chamber.
상기 제 1 반응물로 하여금 상기 비평면형 기판 표면 상으로 흡착하게 하는 비플라즈마 조건들 하에서 상기 반응 챔버 내로 상기 제 1 반응물을 도입시키는 단계 및 상기 흡착된 제 1 반응물과 반응하도록 상기 반응 챔버 내로 제 2 반응물을 도입시키는 단계를 1 회 이상 반복하는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 12,
Introducing the first reactant into the reaction chamber under non-plasma conditions causing the first reactant to adsorb onto the non-planar substrate surface and a second reactant into the reaction chamber to react with the adsorbed first reactant The method of claim 1, further comprising repeating the step of one or more times.
상기 반응 챔버 내로 도펀트 함유 재료를 도입시키는 단계를 1회 이상 반복하는 단계를 더 포함하는, 막 증착 방법.The method of claim 12,
And repeating the step of introducing the dopant containing material into the reaction chamber one or more times.
상기 도펀트 함유 재료는 상기 제 1 반응물이 상기 반응 챔버로 도입되는 빈도보다 낮은 빈도로 상기 반응 챔버로 도입되는, 막 증착 방법.The method of claim 19,
And the dopant containing material is introduced into the reaction chamber at a frequency less than the frequency at which the first reactant is introduced into the reaction chamber.
상기 도펀트 함유 재료는 상기 제 1 반응물이 상기 반응 챔버로 도입되는 빈도와 동일한 빈도로 상기 반응 챔버로 도입되는, 막 증착 방법.The method of claim 19,
And the dopant containing material is introduced into the reaction chamber at the same frequency as the frequency at which the first reactant is introduced into the reaction chamber.
실리콘 함유 반응물로 하여금 비평면형 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 비플라즈마 조건들 하에서 상기 실리콘 함유 반응물을 반응 챔버 내로 도입시키는 단계;
상기 흡착된 실리콘 함유 반응물과 반응하도록 산화제를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및
상기 비평면형 기판 표면에 컨포멀한 도핑된 실리콘 산화물 막을 형성하도록 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계를 포함하는, 도핑된 실리콘 산화물 막 증착 방법.A method of depositing a doped silicon oxide film on a non-planar substrate surface in a reaction chamber,
Introducing the silicon-containing reactant into the reaction chamber under non-plasma conditions causing the silicon-containing reactant to be adsorbed onto the non-planar substrate surface;
Introducing an oxidant into the reaction chamber to react with the adsorbed silicon-containing reactant; And
Introducing a dopant containing material into the reaction chamber to form a conformal doped silicon oxide film on the non-planar substrate surface.
상기 산화제가 상기 반응 챔버 내에서 가스상 (gas phase) 인 동안 플라즈마가 점화되는, 도핑된 실리콘 산화물 막 증착 방법.The method of claim 22,
Wherein the plasma is ignited while the oxidant is in the gas phase in the reaction chamber.
실리콘 함유 제 1 반응물로 하여금 비평면형 기판 표면 상으로 흡착되게 하는 비플라즈마 조건들 하에서 상기 제 1 반응물을 반응 챔버 내로 도입시키는 단계;
상기 흡착된 제 1 반응물과 반응하도록 질소 함유 반응물을 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계; 및
상기 비평면형 기판 표면에 컨포멀한 도핑된 실리콘 질화물 막을 형성하도록 도펀트 함유 재료를 상기 반응 챔버 내로 도입시키는 단계를 포함하는, 도핑된 실리콘 질화물 막 증착 방법.A method of depositing a doped silicon nitride film on a non-planar substrate surface in a reaction chamber,
Introducing the first reactant into the reaction chamber under non-plasma conditions that cause a silicon-containing first reactant to be adsorbed onto the non-planar substrate surface;
Introducing a nitrogen containing reactant into the reaction chamber to react with the adsorbed first reactant; And
Introducing a dopant containing material into the reaction chamber to form a conformal doped silicon nitride film on the non-planar substrate surface.
상기 질소 함유 반응물이 상기 반응 챔버 내에서 가스상인 동안 플라즈마가 점화되는, 도핑된 실리콘 질화물 막 증착 방법.The method of claim 26,
Wherein a plasma is ignited while the nitrogen-containing reactant is in the gas phase in the reaction chamber.
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