KR20140101264A - 상향식 peald 공정 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 개선된 스텝 커버리지를 제공하는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정에 관한 것이다. PEALD 공정은 반도체 가공물을 포함하는 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 도입한다. 이러한 제 1 가스는 이온화되어 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성한다. 그 뒤에, 바이어스 전압이 가공물에 인가된다. 바이어스 전압은 가공물에 이온화된 전구체 분자를 끌어들여, 가공물의 이방성 커버리지에 전구체 가스를 제공하도록 한다. 반응 가스가 프로세싱 챔버 안으로 도입된다. 그 뒤에, 플라즈마가 반응 가스로부터 점화되어, 반응 가스가 기판 상에 증착되었던 이온화된 전구체 분자와 반응하도록 하여 가공물 상에 증착된 층을 형성한다.

Description

상향식 PEALD 공정{BOTTOM-UP PEALD PROCESS}
본 개시는 기판의 스텝 커버리지를 개선하는 플라즈마 향상된 원자층 증착(plasma enhanced atomic layer deposition; PEALD) 공정을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
복수의 상이한 처리 단계들을 반도체 가공물(semiconductor workpiece) 상에서 동작시킴으로써 집적 칩이 형성된다. 일반적으로, 처리 단계들은 가공물(예컨대, 반도체 기판)의 하나 이상의 영역을 선택적으로 가리기 위한 리소그래픽 패턴화, 가공물의 전기적 특성을 수정하기 위한 주입, 가공물의 일부를 제거하기 위한 에칭, 및 가공물 상에 하나 이상의 층들을 형성하기 위한 증착을 포함할 수 있다.
증착 공정은 FEOL(front-end-of-the-line) 처리 및 BEOL(back-end-of-the-line) 처리 양자 모두에서 표면 위상을 변화시키는데 널이 이용된다. 예를 들어, FEOL 처리에서, 증착 공정은 실질적으로 평평한 기판 상에 폴리실리콘 물질을 형성하는데 이용되는 반면, BEOL 처리에서, 증착은 유전층에서 캐비티 내에 금속층을 형성하는데 이용될 수 있다. 증착 공정은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 툴, 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 툴, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 툴 등을 포함하는, 광범위한 증착 툴들에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 목적은, 기판의 스텝 커버리지를 개선하는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
일부 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 시스템에 관한 것이다. PEALD 시스템은 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 제공하도록 구성된 전구체 가스 주입구를 포함하고, 반응 가스 주입구는 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 제공하도록 구성된다. PEALD 시스템은 전구체 가스를 이온화하여 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하고, 그 뒤에 반응 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 구성된 이온화 컴포넌트를 더 포함하고, 플라즈마는 이온화된 전구체 분자와 반응 가스 간의 반응을 일으켜 증착된 층을 형성한다. PEALD 시스템은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 이방성으로 끌어들이는 바이어스 전압을 반도체 가공물에 인가하도록 구성된 바이어스 요소를 더 포함한다.
다른 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 시스템에 관한 것이다. PEALD 시스템은 제 1 도관을 통해 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버에 결합된 전구체 가스 소스 및 제 2 도관을 통해 프로세싱 챔버에 결합된 반응 가스 소스를 포함한다. PEALD 시스템은 프로세싱 챔버 내에서 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하도록 전구체 가스를 이온화하도록 구성된 이온화 요소 및 바이어스 전압을 반도체 가공물에 인가하도록 구성된 바이어스 요소를 더 포함하고, 본 명세서에서 바이어스 전압은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 끌어들인다. PEALD 시스템은 반도체 가공물 상의 이온화된 전구체 분자와 반응 가스 간의 반응을 일으키는 플라즈마를 프로세싱 챔버 내에서 점화하도록 구성된 플라즈마 발생기를 더 포함한다. PEALD 시스템은 제 1 동작 기간 동안 바이어스 요소 및 이온화 요소를 동작시키고 제 1 동작 기간 후의 제 2 동작 기간 동안 플라즈마 발생기를 동작시키도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다.
다른 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법에 관한 것이다. 방법은 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 도입하는 단계를 포함한다. 방법은 전구체 가스의 분자를 이온화하는 단계를 더 포함한다. 방법은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 끌어들이기 위해 반도체 가공물을 바이어스하는 단계를 더 포함한다. 방법은 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 도입하는 단계를 더 포함하고, 반응 가스는 증착된 층을 형성하도록 반도체 가공물 상의 전구체 가스와 상호작용한다.
본 발명에 따르면, 기판의 스텝 커버리지를 개선하는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 순차적으로 처리되는 원자층 증착(ALD) 및 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 증착된 층을 갖는 기판의 횡단면도를 나타낸다.
도 2는 개시된 PEALD 시스템의 일부 실시예들의 블록도를 나타낸다.
도 3a는 개시된 PEALD 시스템의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
도 3b는 도 3a의 개시된 PEALD 시스템의 예시적인 동작의 타이밍 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 개시된 PEALD 시스템의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
도 5는 개시된 PEALD 시스템의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
도 6은 PEALD 공정을 수행하는 방법의 일부 실시예들의 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 PEALD 공정을 수행하는 개시된 방법이 구현되는 집적 칩(integrated chip; IC)의 일부 실시예들의 횡단면도를 나타낸다.
본 명세서의 설명은 도면을 참조하여 이루어지고, 여기서 같은 참조 번호는 일반적으로 도면에 걸쳐서 같은 요소를 나타내는데 이용되며, 다양한 구조물들은 반드시 실척도로 도시되는 것은 아니다. 다음 설명에서, 설명을 목적으로, 많은 특정한 세부 사항들이 이해의 용이함을 위해 제시된다. 도면들의 세부 사항들은 본 개시를 제한하기 위한 것이 아니라, 오히려 비제한적인 실시예임을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 양태들은 낮은 등급의 특정한 세부 사항들로 실행될 수 있다는 것이 기술 분야의 당업자에게 명백해질 수 있다. 다른 경우에, 공지된 구조물 및 디바이스는 이해의 용이함을 위해 블록도로 도시된다.
원자층 증착(ALD) 공정은 막(film)의 증착을 위한 층간 공정(layer-by-layer process)이다. ALD 공정은 전구체 가스 및 반응 가스를 이용하여 프로세싱 챔버 내에 수용된 기판 상에 막을 증착한다. 예를 들어, 전구 가스는 기판 상에 전구체 분자를 증착하는데 이용되고, 그 이후에, 반응 가스는 기판 상의 전구체 분자와 접촉하게 될 수 있다. 프로세싱 챔버 내의 열은 반응 가스로 하여금 전구체 분자와 반응하도록 하여 기판 상에 막을 형성한다. ALD 공정이 양호한 스텝 커버리지(step coverage)를 제공하지만, ALD를 통한 증착은 이용을 제한하는 낮은 처리량을 갖는다.
물리적 기상 증착(PVD) 공정은 물질을 증발시키고, 증발된 물질을 기판에 전달하며, 기판 상에서 그 물질을 응축시켜 막을 형성함으로써 기판 상에 박막을 증착하는 물리적인 공정이다. PVD 공정이 ALD 공정보다 높은 처리량을 제공하지만, PVD 공정을 통한 증착은 열악한 스텝 커버리지를 갖는다.
통상적으로, 다수의 상이한 증착 공정들이 집적 칩의 제조 동안에 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 1은 ALD 공정 및 PVD 공정이 순차적으로 수행되는 반도체 기판의 횡단면도(100)를 나타낸다. 횡단면도(100)에 도시된 바와 같이, 제 1 층(104)은 큰 높이 대 폭 종횡비를 포함하는, 복수의 스텝들(102a 및 102b)을 갖는 반도체 기판(102) 상에 ALD 공정에 의해 형성된다. 제 1 층(104)은 양호한 스텝 커버리지를 제공하는 양호한 균일성을 갖는다. 제 2 층(106)은 제 1 층(104) 위에 PVD 공정에 의해 형성된다. 스텝들(102a 및 102b)의 종횡비는, 제 2 층(106)으로 하여금 스텝들(102a 및 102b)의 측벽 상에 열악한 스텝 커버리지를 제공하도록 한다. 열악한 스텝 커버리지는 집적 칩 동작에 해로울 수 있는 빈틈(void)(108)을 제 2 층(106)에 야기할 수 있다.
플라즈마 향상된 ALD(즉, plasma enhanced ALD; PEALD)는 PVD 공정에 비해 향상된 스텝 커버리지를 제공하고, ALD 공정보다 높은 처리량을 제공하는데 이용될 수 있는 증착 공정이다. PEALD 공정은 RF-플라즈마(예컨대, 전구체 가스 및 반응 가스는 플라즈마 활성화 없이 서로 반응하지 않음)를 이용하여 ALD 공정과 비교하면 낮은 온도에서 개선된 막 전기적 특성 및 더욱 높은 증착률을 가능하게 한다.
본 발명은 개선된 갭 필 능력(gap-fill capability)을 갖는 상향식 공정을 제공하는 플라즈마 향상된 ALD(PEALD) 공정에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 개시된 PEALD 공정은 반도체 가공물(즉, 반도체 기판)을 포함하는 프로세스 챔버 안으로 전구체 가스를 도입하는 단계를 포함한다. 전구체 가스는 이온화되어 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성한다. 바이어스 전압이 그 뒤에 가공물에 인가된다. 바이어스 전압은 이온화된 전구체 분자를 가공물에 끌어들여, 기판의 이방성 커버리지(anisotropic coverage)에 전구체 분자를 제공하도록 한다. 반응 가스가 프로세싱 챔버 안으로 도입된다. 그 뒤에, 플라즈마가 반응 가스로부터 점화되어, 반응 가스로 하여금 기판 상에 이방성으로 증착된 이온화된 전구체 분자와 반응하도록 하여 가공물 상에 증착된 층을 형성한다. 이방성으로 증착된 전구체 가스와 반응 가스를 반응시킴으로써, 상향식 막이 가공물에 형성된다.
도 2는 개시된 플라즈마 향상된 ALD(PEALD) 시스템(200)의 일부 실시예들의 블록도를 나타낸다.
PEALD 시스템(200)은 반도체 가공물(206)(예컨대, 실리콘 기판)을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버(202)를 포함한다. 일부 실시에들에서, 프로세싱 챔버(202)는 반도체 가공물(206)을 유지하도록 구성된 웨이퍼 척(204)을 포함한다.
전구체 가스 소스(214)가 제 1 도관(conduit)(214a)을 통해 프로세싱 챔버(202)에 결합된다. 제 1 도관(214a)은 제 1 밸브(valve)(214b)의 동작에 기초하여, 프로세싱 챔버(202)의 전구체 가스 주입구(inlet)(214c)에 전구체 가스를 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다. 반응 가스 소스(216)가 제 2 도관(216a)을 통해 프로세싱 챔버(202)에 결합된다. 제 2 도관(216a)은 제 2 밸브(216b)의 동작에 기초하여, 프로세싱 챔버(202)의 전구체 가스 주입구(216c)에 반응 가스를 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 제공되는 용어 '밸브'는 특정한 물리적 또는 기계적 구조물로 제한되지 않고, 오히려 프로세싱 챔버(202)로의 가스의 흐름을 제어하는 임의의 요소를 나타낸다는 것이 이해될 것이다.
이온화 컴포넌트(220)가 프로세싱 챔버(202)와 통신한다. 이온화 컴포넌트(220)는 프로세싱 챔버(202) 내에서 가스 분자를 이온화하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 이온화 컴포넌트(220)는 상이한 시간에 프로세스 챔버(202) 내에서 전구체 가스 분자 및 반응 가스 분자를 이온화하도록 선택적으로 동작한다.
일부 실시예들에서, 이온화 컴포넌트(220)는 중성 가스 분자에 대해 충전된 입자(예컨대, 전자)를 추가 또는 제거함으로써, 프로세스 챔버(202) 내에서 전구체 가스의 중성 분자를 이온화하도록 구성된 이온화 요소(208)를 포함한다. 이온화 컴포넌트(220)는 다양한 방식에 따라 전구체 가스 분자를 이온화할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이온화 요소(208)는 프로세싱 챔버(202) 내에 전기장을 발생시키도록 구성된다. 전기장은 프로세싱 챔버(202) 내에서 전구체 가스의 분자를 이온화하여 복수의 이온화된 분자를 포함하는 플라즈마를 발생시키도록 동작한다. 일부 다른 실시예들에서, 이온화 요소(208)는 전구체 가스 분자를 이온화하는 이온화 방사선을 발생시키도록 구성된 방사 유닛(irradiant unit)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 이온화 컴포넌트(220)는 반도체 가공물(206) 상에 증착된 전도체 가스 분자와 반응 가스 간의 반응을 촉발시키기 위해서 반응 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 구성된 플라즈마 발생기(210)를 더 포함한다. 반응은 반도체 가공물(206) 상에 이방성 증착된 층(226)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 발생기(210)는 프로세싱 챔버(202) 내에 무선 주파수(radio frequency; RF) 플라즈마를 발생시키도록 구성된 RF 구동 유도적 결합된 플라즈마 소스를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 플라즈마 발생기(210)는 프로세싱 챔버(202) 내에서 다이렉트 플라즈마(direct plasma)를 점화하거나, 또는 프로세싱 챔버(202)로부터 이격된 위치에서 인다이렉트 플라즈마(indirect plasma)를 점화하도록 구성될 수 있다.
바이어스 요소(212)는 반도체 가공물(206)에 전기적으로 연결된다. 바이어스 요소(212)는 반도체 가공물(206)에 바이어스 전압을 선택적으로 인가하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 바이어스 요소(212)는 시간의 함수로서 제 1 전압값과 제 2 전압값 사이에서 변하는 펄스형 바이어스 전압을 인가하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 바이어스 요소(212)는 반도체 가공물(206)에, 대략 0V와 대략 -200V 사이의 범위에 있는 값을 갖는, 바이어스 전압을 인가하도록 구성된다. 바이어스 요소(212)와 이온화 요소(208)를 동시에 동작시킴으로써, 전구체 가스의 이온화된 분자는 반도체 가공물(206)의 방향으로 하향력(downward force)으로 반도체 가공물(206)에 끌리게 된다. 확산-흡수는 물론, 하향력은 반도체 가공물(206) 상에 전구체 가스 분자의 이방성 증착을 야기하며, 이는 개선된 스텝 커버리지를 제공하는 상향식 증착 공정으로 이방성 증착된 층(226)의 형성을 가능하게 한다.
예를 들어, 이방성으로 증착된 전구체 분자는 캐비티(224)의 측벽(222)에서보다 반도체 가공물(206) 내의 캐비티(224)의 하단 표면(220) 상에 더욱 큰 두께로 축적된다. 캐비티(224)의 하단 표면(220) 상의 전구체 분자의 더욱 큰 두께는 캐비티(224)로 하여금 상향식 증착 공정에서 하단 표면(220)으로부터 위쪽으로 충진되도록 한다. 상향식 증착 공정은 갭 필을 개선하여 증착된 층의 빈틈을 줄인다.
개시된 PEALD 시스템(200)은 단일의 단층을 갖는 증착된 층(226)을 형성하는 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 개시된 PEALD 시스템(200)은 다수의 단층들을 포함하는 증착된 층(226)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 개시된 PEALD 시스템(200)은 상단 표면 및 하단 표면 상에 다수의 원자 두께를 갖는 증착된 층(226)을 형성할 수 있지만, 이것은 스텝의 측벽 상에 더욱 얇은 증착된 층[예컨대, 단일 원자 두께를 갖는 증착된 층(226)]을 형성한다.
일부 실시예들에서, PEALD 시스템(200)은 프로세싱 챔버(202)를 퍼지(purge)하도록 구성된 퍼징 요소(218)를 더 포함한다. 퍼징 요소(218)는 제 3 밸브(218b)를 포함하는 제 3 도관(218a)을 통해 프로세싱 챔버(202)에 연결될 수 있다. 제 3 도관(218a)은 퍼징 아웃트렛(purging outlet)(218c)을 통해 프로세싱 챔버(202)에 퍼징 가스를 도입하도록 구성된다. 퍼징 가스는 프로세싱 챔버(202)로부터 다른 가스들을 비운다. 예를 들어, 퍼징 요소(218)는 프로세싱 챔버(202)로부터 전구체 가스 및/또는 반응 가스를 퍼지할 수 있다.
도 3a는 개시된 PEALD 시스템(300)의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
PEALD 시스템(300)에 도시된 바와 같이, 프로세싱 챔버(202)는 진공 펌프(302)(예컨대, 터보 펌프)에 연결된 진공 챔버를 포함한다. 진공 펌프(302)는 프로세싱 챔버(202) 내에 저압(low pressure)을 발생시키도록 구성된다.
PEALD 시스템(300)은 RF 전원(304) 및 RF 안테나(306)를 포함하는 이온화 컴포넌트를 갖는다. RF 전원(304)은 설정 주파수(예컨대, 13.56 MHz)에서 동작하는 RF 신호를 발생시키도록 구성되고, 이러한 RF 신호는 RF 전원(304)으로부터, RF 안테나(306)를 통해, 프로세싱 챔버(202) 내의 가스로 에너지를 전달한다. 충분한 전력이 가스에 전달된 경우, 플라즈마가 점화된다. 일부 실시예들에서, RF 전원(304)은 RF 전원(304)의 출력 임피던스를 RF 안테나(306) 및 플라즈마 부하(즉, 임피던스)에 의해 확립된 복합 임피던스에 정합시키도록 구성된 정합 회로망을 포함할 수 있어, 이에 의해 프로세싱 챔버(202) 내에서 플라즈마에, RF 전원(304)에 의해 발생된 RF 신호로부터의 전력을 효율적으로 결합시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, RF 안테나(306)는 전도성 와이어로 형성된 전도성 코일을 포함할 수 있고, 이는 RF 전원(304)으로부터, 프로세싱 챔버(202)에 동작적으로 결합된 위치로 확장된다. 일 실시예에서, 전도성 코일은 복수의 n번 회전을 위해 프로세싱 챔버(202)의 외부 주변에 감겨 질 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 전도성 코일은 프로세싱 챔버(202) 내부에 포함될 수 있다.
제어 유닛(308)은 PEALD 시스템(300)의 하나 이상의 컴포넌트들의 동작을 제어하도록 구성되므로, PEALD 시스템(300)으로 하여금 기판 상에 증착된 층을 이방성으로 형성하는 PEALD 공정을 수행하도록 한다. 제어 유닛(308)은 반응 가스의 흐름, 전구체 가스의 흐름, 및 퍼지 가스의 흐름은 물론, RF 전원(304)의 동작(즉, 이온화 요소 및 플라즈마 발생기)을 순차적으로 제어하도록 구성된다.
일부 실시에들에서, 제어 유닛(308)은 RF 전원(304)에 제 1 제어 신호(Sctrl1), 바이어스 요소(212)에 제 2 제어 신호(Sctrl2), 및 RF 전원(304)에 제 3 제어 신호(Sctrl3)를 보내도록 구성된다. 제 1 제어 신호(Sctrl1)는 RF 전원(304)으로 하여금 제 1 동작 기간 동안에 전구체 가스를 선택적으로 이온화하도록 한다. 제 2 제어 신호(Sctrl2)는 바이어스 요소(212)로 하여금 제 1 동작 기간 동안에 반도체 가공물(206)에 바이어스 전압을 인가하도록 한다. 제 3 제어 신호(Sctrl3)는 RF 전원(304)으로 하여금 제 1 동작 기간이 끝난 이후에 플라즈마를 점화하도록 한다. 추가적인 실시예들에서, 제어 유닛(308)은 PEALD 시스템(300)의 다른 요소들[예컨대, 퍼징 요소(218), 제 1 밸프(214b), 제 2 밸브(216b) 등]에 추가적인 제어 신호를 보낼 수 있다.
도 3b는 제어 유닛(308)에 의한 PEALD 시스템(300)의 예시적인 동작을 나타내는 타이밍 다이어그램(310-318)을 도시한다.
타이밍 다이어그램(310)에 도시된 바와 같이, 제 1 시간(t1)에, 제어 유닛(308)은 전구체 가스 도관을 통해 프로세싱 챔버(202) 안으로 전구체 가스를 도입하도록 동작한다. 제어 유닛(308)은 전구체 가스로 하여금 제 1 시간(t1)부터 제 2 시간(t2)까지 프로세싱 챔버(202) 내에 흐르도록 한다.
제 1 시간(t1)과 제 2 시간(t2) 간에 존재하는 제 1 동작 기간(OP1) 동안, 제어 유닛(308)은 RF 전원(304)을 더욱 동작시켜 (타이밍 다이어그램(314)에 도시된 바와 같이) 프로세싱 챔버(202) 내에 복수의 이온화된 전구체 분자를 포함하는 플라즈마를 발생시키도록 전구체 가스를 이온화한다. 제 1 동작 기간 동안에, 제어 유닛(308)은 바이어스 요소(212)를 더욱 동작시켜 바이어스 전압을 인가하고, 이 바이어스 전압은 타이밍 다이어그램(318)에 도시된 바와 같이, 가공물(206)에 대해 제 1 값과 제 2 값 사이로 변한다. 바이어스 전압은 이온화된 전구체 분자로 하여금 하향력으로 가공물(206)에 끌리도록 한다. 하향력은 더욱 많은 이온화된 전구체 분자들이 가공물(206)의 수직 표면(예컨대, 여기서 입자의 축적은 확산에 의한 것임)보다는 가공물(206)의 수평 표면(예컨대, 여기서 입자의 축적은 하향력 및 확산에 의한 것임) 상에 증착하도록 하여, 가공물(206) 상에 전구체 분자의 이방성 커버리지를 제공한다.
제 2 시간(t2)에, (OP2 동안), 제어 유닛(308)은 전구체 가스를 턴오프하고 퍼징 요소(218)를 동작시켜 타이밍 다이어그램(316)에 도시된 바와 같이, 프로세싱 챔버(202)로부터 전구체 가스의 잔여물을 퍼지하는 퍼징 가스를 도입한다.
제 3 시간(t3)과 제 4 시간(t4) 간에 존재하는 제 3 동작 기간(OP3) 동안, 제어 유닛(308)은 타이밍 다이어그램(312)에 도시된 바와 같이, 반응 가스 도관을 통해 프로세싱 챔버(202) 안으로 반응 가스를 도입하도록 동작한다. 제어 유닛(308)은 반응 가스로 하여금 제 3 시간(t3)부터 제 4 시간(t4)까지 프로세싱 챔버(202) 안으로 흐르도록 한다.
제 3 동작 기간 동안, 제어 유닛(308)은 플라즈마 발생기(210)를 더욱 동작시켜 타이밍 다이어그램(314)에 도시된 바와 같이, 반응 가스로부터 플라즈마(예컨대, RF 플라즈마)를 점화한다. 플라즈마는 반응 가스로 하여금 가공물(206) 상에 축적된, 이방성으로 증착된 전구체 가스 분자와 상호작용하도록 한다. 이방성으로 증착된 전구체 가스 분자는 가공물(206)의 수평 표면에서보다 가공물(206)의 측벽을 따라 더욱 얇은, 가공물(206) 상의 상향식 증착된 층을 야기한다.
제 4 시간(t4)에, (OP4 동안), 제어 유닛(308)은 반응 가스를 턴오프하고 퍼징 요소(218)를 동작시켜 타이밍 다이어그램(316)에 도시된 바와 같이, 프로세싱 챔버(202)로부터 반응 가스의 잔여물을 퍼지하는 퍼징 가스를 도입한다.
전구체 가스 및 반응 가스는 증착될 물질에 기초하여 선택될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다양한 실시예들에서, 증착된 층은 산화물(예컨대, SiO2, HfO2, Al2O3, 등) 또는 금속(예컨대, TiN, TaN 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, SiO2 산화물을 포함하는 증착된 층을 형성하기 위해서, 실리콘 전구체(예컨대, 테트라디메틸-아미노실리콘) 및 산화물 반응 가스가 이용될 수 있다. 유사하게, HfO2를 포함하는 증착된 층을 형성하기 위해서, 하프늄 전구체(예컨대, 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄) 및 산소 반응 가스가 이용될 수 있다.
도 4는 개시된 PEALD 시스템(400)의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
PEALD 시스템(400)은 프로세싱 챔버(202)로부터 이격된 위치에서 플라즈마를 발생시키도록 구성된 원격 플라즈마 발생기를 포함한다. 플라즈마는 실질적으로 원격 플라즈마 주입구(410)를 통해, 프로세싱 챔버(202) 안으로 도입된다.
일부 실시예들에서, 원격 플라즈마 발생기는 반응 가스 주입구(408)를 통해 반응 가스 소스(216)로부터 반응 가스를 수신하도록 구성된 원격 플라즈마 챔버(402)를 포함한다. 원격 플라즈마 발생기는 (예컨대, RF 유도성 플라즈마 결합에 의해, 또는 마이크로웨이브 결합에 의해) 반응 가스에 기초하여 원격 플라즈마를 점화한다. 일부 실시예들에서, 원격 플라즈마 발생기는 원격 플라즈마 챔버(402) 주변을 감싸는 전도성 코일(406)에 RF 신호를 제공하도록 구성된 RF 전원(404)을 포함한다.
PEALD 시스템(400)은 프로세싱 챔버(202)에 대하여 서로 다른 위치에 배치된 양극(412a) 및 음극(412b)에 전기적으로 연결된 이온화 전압 발생기(412)를 포함하는 이온화 요소를 더 포함한다. 이온화 전압 발생기(412)는 양극(412a)과 음극(412b) 간에 큰 전위차를 인가하도록 구성된다. 큰 전위차는 프로세싱 챔버(202)에 스며드는 전기장을 형성한다. 전기장은 프로세싱 챔버(202) 내에 복수의 이온화된 전구체 분자를 발생시키기 위해 전구체 가스의 분자들을 이온화하도록 동작한다.
제어 유닛(308)은 제 1 동작 기간 동안에 바이어스 요소(212) 및 이온화 요소[예컨대, 이온화 전압 발생기(412)를 포함함]를 동작시키도록 구성되고, 제 1 동작 기간 이후의 제 2 동작 기간 동안에 플라즈마 발생기[예컨대, RF 전원(404)을 포함함]를 동작시키도록 구성되어, 반도체 가공물(206) 상에 이방성으로 증착된 층을 형성한다.
도 5는 개시된 PEALD 시스템(500)의 일부 대안적인 실시예들의 블록도를 나타낸다.
PEALD 시스템(500)은 원격 이온화 요소(502)를 포함한다. 원격 이온화 요소(502)는 프로세싱 챔버(202)의 상류 위치에서 전구체 가스를 이온화하고 프로세싱 챔버(202)에 이온화된 전구체 가스 분자를 제공하도록 구성된다. 원격 이온화 요소(502)는 전구체 가스를 이온화하기 위해(즉, 전구체 가스 분자로부터 전자를 제거하기 위해) 광범위한 이온화 기술들을 이용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 이온화 요소(502)는 전구체 가스를 이온화하기 위해 레이저 펄스를 이용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 원격 이온화 요소(502)는 이온화 방사선(예컨대, 자외선, x선 등)을 발생시키도록 구성되고, 이는 전구체 가스 분자를 이온화하기 위한(즉, 전구체 가스 분자로부터 전자를 제거하기 위한) 충분한 에너지를 갖는다.
예를 들어, 일부 실시예들에서, 원격 이온화 요소(502)는 전구체를 분자로서 이온화하도록 구성된 방사 유닛을 포함한다. 방사 유닛은 이온화 방사선(510)(예컨대, 소프트 x선, 자외선 방사선 등)을 발생시키도록 구성된 이온화 방사선 소스(504)(예컨대, 소프트 x선 소스, 자외선 방사선 소스 등)를 포함한다. 이온화 방사선 소스(504)는 투명 창(506)을 수용하도록 구성된 캐비티와 통신한다. 이온화 방사선(510)은 이온화 챔버(508) 안으로 진입하도록 투명 창(506)을 횡단한다. 일부 실시예들에서, 투명 창(506)은 폴리머 박막으로 구성될 수 있다.
가압된 전구체 가스가 전구체 가스 주입구(512)를 통해 전구체 가스 소스(214)로부터 이온화 챔버(508)에 제공된다. 일부 실시예들에서, 추가 가스가 또한 추가 가스 주입구(516)를 통해 추가 가스 소스(514)로부터 이온화 챔버(508)에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 추가 가스는 이온화 챔버(508)로의 가압된 전구체 가스 흐름의 속도에 의해 생성된 저압 영역에 의해 이온화 챔버(508)에 유입될 수 있다. 추가 가스는 전구체 가스와 합성되어 합성 가스를 형성하고, 이는 이온화 방사선(510)에 의해 이온화된다. 합성 이온화 가스(518)는 이온화 챔버(508)로부터 프로세싱 챔버(202)에 제공된다.
도 6은 플라즈마 향상된 ALD(PEALD) 공정을 수행하는 방법(600)의 일부 실시예들의 흐름도이다.
개시된 방법(600)이 일련의 행동 또는 이벤트로서 이하에 나타나고 설명되었지만, 이와 같은 행동 또는 이벤트의 예시된 순서는 제한적인 의미로 해석되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 행동들은 본 명세서에 예시 및/또는 기술된 것을 제외한 다른 행동 또는 이벤트와 동시에 발생하거나 상이한 순서로 발생할 수 있다. 게다가, 예시된 모든 행동들이 본 명세서의 설명의 하나 이상의 양태들 또는 실시예들을 구현하는데 반드시 요구되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 도시된 행동들 중 하나 이상은 하나 이상의 별도의 행동 및/또는 단계로 수행될 수 있다.
행동 602에서, 전구체 가스가 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 도입된다. 일부 실시예들에서, 전구체 가스는 SAM24를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전구체 가스는 예를 들어 실리콘, 하프늄, 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
행동 604에서, 전구체 가스가 프로세싱 챔버 내에 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하도록 이온화된다.
행동 606에서, 바이어스 전압이 반도체 가공물에 인가된다. 일부 실시예들에서, 바이어스 전압은 제 1 값과 제 2 값을 갖는 펄스형 DC 바이어스를 포함할 수 있다. 제 1 값 및 제 2 값은 대략 0 V와 대략 -200 V 사이의 범위에 이를 수 있다.
행동 608에서, 전구체 가스의 잔여물이 프로세싱 챔버로부터 퍼징될 수 있다. 전구체 가스의 잔여물을 퍼징하는 것은 프로세싱 챔버로부터 반도체 가공물 상에 축적되지 않은 전구체를 제거한다.
행동 610에서, 반응 가스가 프로세싱 챔버 안으로 도입된다.
행동 612에서, 플라즈마가 프로세싱 챔버 내에서 반응 가스로부터 점화된다. 플라즈마는 반도체 가공물 상에 축적된 이온화된 전구체 분자와 반응 가스 간의 반응을 일으킨다. 반응은 반도체 가공물 상에 이방성으로 증착된 층을 야기한다.
일부 실시예들에서, 플라즈마는 반응 가스에 대한 RF 유도성 결합에 의해 발생될 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 플라즈마는 기판과 직접적으로 접촉하는 프로세싱 챔버 내의 위치에 형성되는 다이렉트 플라즈마를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, RF 플라즈마는 기판에서 떨어진 위치에 형성되는 원격 플라즈마를 포함할 수 있고, 이는 기판에 제공된다.
행동 614에서, 반응 가스의 잔여물이 프로세싱 챔버로부터 퍼징될 수 있다. 반응 가스의 잔여물을 퍼징하는 것은 프로세싱 챔버로부터 비반응된 반응 가스(즉, 반도체 가공물 상의 전도체 분자와 반응하지 않은 반응 가스) 및 반응의 부산물을 제거한다.
도 7 및 도 8은 PEALD 공정을 수행하는 개시된 방법이 구현되는 집적 칩(IC)의 일부 실시예들의 횡단면도를 나타낸다.
도 7은 행동(602 내지 606)에 대응하는 횡단면도(700)의 일부 실시예들을 나타낸다. 횡단면도(700)에 도시된 바와 같이, 전구체 가스(702)가 반도체 가공물(206)을 수용하는 프로세스 챔버(202) 안으로 도입된다. 전구체 가스(702)가 복수의 이온화된 전구체 분자(704)를 갖는 플라즈마를 형성하도록 이온화된다. 다양한 실시예들에서, 반도체 가공물(206)은 하나 이상의 스텝들을 갖는 표면 위상을 포함할 수 있다.
반도체 가공물(206)에 인가된 바이어스 전압이 이온화된 전구체 분자(704)로하여금 하향력(fd)으로 반도체 가공물(206)에 끌리도록 하여, 이온화된 전구체 분자로 하여금 이방성 방식으로 증착되도록 한다. 예를 들어, 이온화된 전구체 분자(704)는 반도체 가공물(206)의 수직 측벽에서보다 반도체 가공물의 수평 표면에서 더욱 많이 축적된다.
도 8은 행동(610 내지 612)에 대응하는 횡단면도(800)의 일부 실시예들을 나타낸다. 횡단면도(800)에 도시된 바와 같이, 반응 가스(802)가 프로세스 챔버(202) 안으로 도입된다. 복수의 이온을 갖는 플라즈마가 반응 가스(802)로부터 점화된다. 플라즈마의 이온(804)은 반도체 가공물(206) 상에 축적된 전구체 분자(704)와 반응하여 증착된 층(806)을 형성하고, 이 증착된 층(806)은 반도체 가공물(206)의 수직 측벽 상의 두께(t2)보다 두꺼운 반도체 가공물의 수평 상단/하단 표면 상의 두께(t1)를 갖는다. 수평 상단/하단 표면 상의 증착된 층(806)의 두꺼운 두께(t1)는 반도체 가공물(206)의 캐비티로 하여금 하단으로부터 위쪽으로 충진되도록 하여, 캡 필을 개선하고 증착된 층(806)의 빈틈을 줄인다.
본 명세서에 기술된 방법론들의 양태를 논의하는데 예시적인 구조물을 이 문서에 걸쳐서 참조하였지만, 이러한 방법론들은 제시된 대응하는 구조물에 의해 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 방법론 및 구조물은 서로 관계없는 것으로 고려되고, 분리될 수 있고, 도면들에 도시된 특정한 양태들 중 임의의 양태에 상관없이 실행될 것이다.
부가적으로, 본 명세서에서 이용되는 용어 "이방성"은 증착에 대한 방향성을 의미하지만, 증착의 등방성 컴포넌트를 배제하지 않는다. 예를 들어, 논의된 바이어스 요소가 기판에 낮은 바이어스 전압을 인가할 때, 개시된 바이어스 요소가 기판에 더욱 높은 바이어스 전압을 인가할 때보다 더욱 큰 등방성 등급을 갖는 "이방성" 증착을 제공한다.
또한, 등가의 변경 및/또는 수정이 첨부된 도면 및 상세한 설명의 이해 및/또는 판독에 기초하여 기술 분야의 당업자에게 발생할 수 있다. 본 명세서의 논의는 이와 같은 수정 및 변경을 모두 포함하고 일반적으로 이에 의해 제한되도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 제공된 도면들이 특정한 도핑 유형을 갖는 것으로 예시되고 기술되었지만, 기술 분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 대안적인 도핑 유형들이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
게다가, 특정한 피처 또는 양태가 몇 가지 구현 중 하나에 대해 개시되었지만, 이러한 피처 또는 양태는 원하는 바에 따라 다른 구현들의 하나 이상의 다른 피처 및/또는 양태와 조합될 수 있다. 더욱이, 용어 "포함하다", "구비하는", "구비한다", "함께" 및/또는 이들의 변형이 본 명세서에 이용되는 경우에, 이와 같은 용어는 용어 "구성하는"과 같은 의미로 포괄적인 것으로 의도된다. 또한, "예시적인"은 최적(best)보다는, 단지 예제를 의미하기 위해 의도된다. 본 명세서에 도시된 피처들, 층들, 및/또는 요소들은 간결함 및 이해의 용이성을 위해 서로에 관하여 특정한 치수 및/또는 방향으로 나타났고, 실제 치수 및/또는 방향은 본 명세서에 나타난 것과는 상이할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
그러므로, 본 개시는 기판의 스텝 커버리지를 개선하는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 시스템에 관한 것이다. PEALD 시스템은 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 제공하도록 구성된 전구체 가스 주입구를 포함하고, 반응 가스 주입구는 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 제공하도록 구성된다. PEALD 시스템은 전구체 가스를 이온화하여 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하고, 그 뒤에 반응 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 구성된 이온화 컴포넌트를 더 포함하고, 플라즈마는 이온화된 전구체 분자와 반응 가스 간의 반응을 일으켜 증착된 층을 형성한다. PEALD 시스템은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 이방성으로 끌어들이는 바이어스 전압을 반도체 가공물에 인가하도록 구성된 바이어스 요소를 더 포함한다.
다른 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 시스템에 관한 것이다. PEALD 시스템은 제 1 도관을 통해 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버에 결합된 전구체 가스 소스 및 제 2 도관을 통해 프로세싱 챔버에 결합된 반응 가스 소스를 포함한다. PEALD 시스템은 프로세싱 챔버 내에서 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하도록 전구체 가스를 이온화하도록 구성된 이온화 요소 및 바이어스 전압을 반도체 가공물에 인가하도록 구성된 바이어스 요소를 더 포함하고, 본 명세서에서 바이어스 전압은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 끌어들인다. PEALD 시스템은 반도체 가공물 상의 이온화된 전구체 분자와 반응 가스 간의 반응을 일으키는 플라즈마를 프로세싱 챔버 내에서 점화하도록 구성된 플라즈마 발생기를 더 포함한다. PEALD 시스템은 제 1 동작 기간 동안 바이어스 요소 및 이온화 요소를 동작시키고 제 1 동작 기간 후의 제 2 동작 기간 동안 플라즈마 발생기를 동작시키도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다.
다른 실시예들에서, 본 개시는 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법에 관한 것이다. 방법은 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 도입하는 단계를 포함한다. 방법은 전구체 가스의 분자를 이온화하는 단계를 더 포함한다. 방법은 반도체 가공물에 이온화된 전구체 분자를 끌어들이기 위해 반도체 가공물을 바이어스하는 단계를 더 포함한다. 방법은 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 도입하는 단계를 더 포함하고, 반응 가스는 증착된 층을 형성하도록 반도체 가공물 상의 전구체 가스와 상호작용한다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 향상된 원자층 증착(plasma enhanced atomic layer deposition; PEALD) 시스템에 있어서,
    반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 제공하도록 구성된 전구체 가스 주입구;
    상기 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 제공하도록 구성된 반응 가스 주입구;
    상기 전구체 가스를 이온화하여 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하고 그 뒤에 상기 반응 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 구성된 이온화 컴포넌트로서, 상기 플라즈마는 상기 이온화된 전구체 분자와 상기 반응 가스 간의 반응을 일으켜 증착된 층을 형성하는 것인 이온화 컴포넌트; 및
    상기 반도체 가공물에 상기 이온화된 전구체 분자를 이방성으로 끌어들이는 바이어스 전압을 상기 반도체 가공물에 인가하도록 구성된 바이어스 요소
    를 포함하는 것인 PEALD 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은,
    상기 이온화 컴포넌트에 제 1 제어 신호 - 상기 제 1 제어 신호는 상기 이온화 컴포넌트로 하여금 제 1 동작 기간 동안에 상기 전구체 가스를 선택적으로 이온화하도록 함 - 를 보내고,
    상기 바이어스 요소에 제 2 제어 신호 - 상기 제 2 제어 신호는 상기 바이어스 요소로 하여금 상기 제 1 동작 기간 동안에 상기 반도체 가공물에 상기 바이어스 전압을 인가하도록 함 - 를 보내며,
    상기 이온화 컴포넌트에 제 3 제어 신호 - 상기 제 3 제어 신호는 상기 이온화 컴포넌트로 하여금 상기 제 1 동작 기간이 끝난 후에 상기 플라즈마를 점화하도록 함 - 를 보내도록 구성되는 것인 PEALD 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버 안으로 상기 반응 가스를 도입하기 전에 상기 프로세싱 챔버로부터 상기 전구체 가스의 잔여물을 퍼지(purge)하도록 구성된 퍼징 요소를 더 포함하는 것인 PEALD 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온화 요소는, i) 상기 프로세싱 챔버 내에서 다이렉트 플라즈마(direct plasma)를 점화하거나, 또는 ii) 상기 프로세싱 챔버로부터 이격된 위치에서 원격 플라즈마(remote plasma)를 점화하고, 그 뒤에 원격 플라즈마 주입구를 통해 상기 프로세싱 챔버 안으로 상기 원격 플라즈마를 도입하도록 구성되는 것인 PEALD 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 증착된 층은 산화물 또는 금속을 포함하는 것인 PEALD 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 바이어스 전압은 시간의 함수로서 제 1 값과 제 2 값 사이에서 변하는 펄스형 바이어스 전압을 포함하는 것인 PEALD 시스템.
  7. 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 시스템에 있어서,
    제 1 도관을 통해 반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버에 결합된 전구체 가스 소스;
    전구체 가스를 이온화하여 상기 프로세싱 챔버 내에서 복수의 이온화된 전구체 분자를 형성하도록 구성된 이온화 요소;
    상기 반도체 가공물에 바이어스 전압을 인가하도록 구성된 바이어스 요소로서, 상기 바이어스 전압은 상기 반도체 가공물에 상기 이온화된 전구체 분자를 끌어들이는 것인 바이어스 요소;
    제 2 도관을 통해 상기 프로세싱 챔버에 결합된 반응 가스 소스;
    상기 프로세싱 챔버 내에서 플라즈마를 점화하도록 구성된 플라즈마 발생기로서, 상기 플라즈마는 상기 반도체 가공물 상의 이온화된 전구체 분자와 상기 반응 가스 간의 반응을 일으키는 것인 플라즈마 발생기; 및
    제 1 동작 기간 동안 상기 바이어스 요소 및 상기 이온화 요소를 동작시키고 상기 제 1 동작 기간 후의 제 2 동작 기간 동안 상기 플라즈마 발생기를 동작시키도록 구성된 제어 유닛
    을 포함하는 것인 PEALD 시스템.
  8. 플라즈마 향상된 원자층 증착(PEALD) 공정을 수행하는 방법에 있어서,
    반도체 가공물을 수용하도록 구성된 프로세싱 챔버 안으로 전구체 가스를 도입하는 단계;
    상기 전구체 가스의 분자를 이온화하는 단계;
    상기 반도체 가공물에 상기 이온화된 전구체 분자를 끌어들이기 위해 상기 반도체 가공물을 바이어스하는 단계; 및
    상기 프로세싱 챔버 안으로 반응 가스를 도입하는 단계로서, 상기 반응 가스는 상기 반도체 가공물 상의 전구체 가스와 상호작용하여 증착된 층을 형성하는 것인 반응 가스 도입 단계
    를 포함하는 PEALD 공정 수행 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버 안으로 상기 반응 가스를 도입하는 단계 전에 상기 전구체 가스의 잔여물을 퍼징하는 단계를 더 포함하는 것인 PEALD 공정 수행 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 반응 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계를 더 포함하고, 상기 플라즈마는 상기 반도체 가공물 상에 축적된 이온화된 전구체 분자와 상기 반응 가스 간의 반응을 일으키는 것인 PEALD 공정 수행 방법.
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