KR20150013086A - 상이한 크기의 피처들 내에서의 무보이드 텅스텐 충진 - Google Patents
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Abstract
기판 상의 상이한 크기의 피처들 내에 텅스텐을 증착하는 방법들이 제공된다. 이 방법들은 피처들 내에 제 1 벌크 텅스텐 층을 증착하고, 증착된 텅스텐을 에칭하고, 제 2 벌크 텅스텐을 증착하며, 보다 작은 피처들이 완전하게 충진된 후에 이 제 2 증착 동작이 일시중단되고 텅스텐이 처리되며, 이후에 대형 피처들 내에 크기가 작고 평탄한 텅스텐 그레인들을 증착하도록 제 2 벌크 텅스텐 증착이 재개되다. 이 방법들은 또한 증착-에칭-증착의 다수의 사이클로 텅스텐을 증착하는 것을 포함하고, 이 때에 각 사이클은 유사하게 크기가 작은 피처들의 그룹을 이 그룹에 대해서 특정된 에칭 화학물질을 사용하여서 타겟팅하며 가장 작은 크기의 피처들의 그룹으로부터 가장 대형의 피처들의 그룹까지 증착한다. 이 방법을 사용하는 증착은 기판 내에서 크기가 다양한 피처들에 대해서 보이드가 없으면서 보다 평탄하고 작은 크기의 그레인들을 얻는 충진을 제공한다.
Description
텅스텐-함유 재료를 화학 기상 증착 (CVD) 기법을 사용하여서 증착하는 것은 수많은 반도체 제조 프로세스들 중 중요한 부분이다. 이러한 텅스텐-함유 재료들은 수평형 상호접속부들, 인접하는 금속 층들 간의 비아들, 제 1 금속 층들과 실리콘 기판 상의 디바이스들 간의 컨택트들, 및 고 종횡비 피처들용으로 사용될 수 있다. 통상적인 증착 프로세스에서, 기판이 증착 챔버 내에서 사전결정된 프로세스 온도로 가열되고, 시드 또는 핵생성 층 역할을 하는 텅스텐-함유 재료의 박층이 증착된다. 이어서, 텅스텐-함유 재료의 나머지 층 (벌크 층) 이 핵생성 층 상에 증착된다. 통상적으로, 텅스텐-함유 재료들은 수소 (H2) 를 사용하여서 텅스텐 헥사플루오라이드 (WF6) 를 환원시킴으로써 형성된다. 텅스텐-함유 재료는 피처들 및 필드 영역을 포함하는 기판의 전체 노출된 표면적에 걸쳐서 증착된다.
텅스텐-함유 재료를 소형 고종횡비 피처들 내로 증착하는 것은 충진된 피처들 내에 심들 (seams) 및 보이드들 (voids) 형성을 유발할 수 있다. 대형 심들은 고저항, 오염, 충진된 재료 손실, 및 이와 달리 집적 회로들의 성능 저하로 이어질 수 있다. 예를 들어서, 심 (seam) 은 충진 프로세스 후에 필드 영역 근처까지 연장될 수 있으며 화학적-기계적 평탄화 동안에는 열릴 수 있다.
상이한 크기들의 피처들 내로 텅스텐을 증착하는 방법들이 본 명세서에서 제공된다. 일 양태는 반도체 기판을 프로세싱하는 방법과 관련되며, 이 방법은 (i) 상이한 크기의 오프닝들 (openings) 을 갖는 피처들을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (ii) 피처들을 부분적으로 충진하도록 피처들 내에 제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하는 단계; (iii) 에칭된 텅스텐 층이 피처들에 남도록 제 1 벌크 텅스텐 층의 비컨포멀 에칭 (nonconformal etch) 을 수행하는 단계로서, 피처들의 내부에서보다 피처들의 상단으로부터 보다 많은 텅스텐을 제거하는 바를 포함하는, 비컨포멀 에칭을 수행하는 단계; (iv) 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 바가 보다 작은 피처들이 충진될 때에 에칭된 텅스텐 층을 처리하게 중단되도록 에칭된 텅스텐 층 상에 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 기판을 환원제에 노출시키는 것을 포함한다. 환원제는 보란, 실란, 및 수소로 구성된 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 기판을 질소에 노출시키는 것 및/또는 기판을 어닐링하는 것 및/또는 기판 상에 베리어 층 (barrier layer) 을 증착하는 것을 포함한다. 베리어 층은 예를 들어서 텅스텐 질화물일 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 피처들은 약 1 nm 내지 약 1 마이크론의 오프닝들을 갖는다. 몇몇 실시예드에서, 피처들은 약 20 개의 상이한 크기들의 오프닝들을 갖는다.
다른 양태는 반도체 기판을 프로세싱하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 (i) 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 및 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹을 갖는 피처들을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (ii) 피처들 내에 제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하는 단계; (iii) 제 1 온도에서 제 1 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하는 단계; (iv) 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 중 하나를 충진하고 나머지 피처들을 적어도 부분적으로 충진하도록 에칭된 텅스텐 층 상에 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계; (v) 제 2 온도에서 제 2 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하는 단계; 및 (vi) 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 중 하나를 충진하도록 에칭된 제 2 텅스텐 층 상에 제 3 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 온도는 제 2 온도보다 낮다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 온도는 제 2 온도보다 높다.
다양한 실시예들에서, 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각 및 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 적어도 하나의 피처 크기를 갖는 피처들을 포함한다. 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 하나의 피처를 포함하며, 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 하나의 피처를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹은 약 1 nm 내지 약 2 nm의 오프닝을 갖는 피처들을 포함한다.
다양한 실시예들에서, 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 내의 피처들은 약 100 nm 내지 약 1 마이크론의 오프닝을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 가장 큰 피처들을 갖는 그룹 중의 가장 큰 피처는 가장 작은 피처들을 갖는 그룹 중의 가장 큰 피처의 임계 치수보다 적어도 5 배 큰 임계 치수를 갖는다.
다른 양태는 반도체 기판을 프로세싱하는 장치에 관한 것이며, 이 장치는 샤워헤드 및 기판 지지부를 포함하는 프로세스 챔버; 및 적어도 하나의 프로세서와 메모리는 서로 통신가능하게 접속되도록 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하며, 적어도 하나의 프로세서는 플로우-제어 하드웨어에 적어도 동작가능하게 접속되며, 메모리는, 제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 프로세스 챔버에 도입하고; 에칭된 텅스텐 층이 기판 상의 피처들에 남게 제 1 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하도록 프로세스 챔버에 불소-함유 에천트를 도입하며; 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 프로세스 챔버에 도입하고; 사전결정된 시간에 제 2 벌크 텅스텐 층 증착을 일시적으로 중단하고; 프로세스 챔버로 처리 화학물질 (treatment reagent) 을 도입하며; 프로세스 챔버로 처리 화학물질을 도입하는 것을 중단하며; 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 프로세스 챔버에 도입하는 것을 재개하기 위한, 머신-판독가능한 인스트럭션들을 저장한다.
몇몇 실시예들에서, 처리 화학물질은 보란, 실란, 및 수소로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 몇몇 실시예들에서, 사전결정된 시간은 기판 상의 소형 피처들이 충진된 때이다.
이러한 양태들 및 다른 양태들이 도면들을 참조하여서 이하에서 더 기술된다.
도 1은 증착 및 에칭의 다양한 스테이지들에서의 소형 피처들 및 대형 피처들의 개략도들이다.
도 2는 피처들에 텅스텐을 충진하는 방법의 프로세스 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 실시하기 위한 프로세스 흐름도들이다.
도 5는 에칭 컨포멀성 (conformality) 조절을 예시하는 에칭의 다양한 스테이지들에서의 피처들의 개략도들이다.
도 6은 상이한 에천트 플로우들에 대한 에칭 온도의 함수로서 텅스텐 에칭 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 7은 개시된 실시예들을 채용하는 피처 충진의 다양한 스테이지들에서의 소형 피처의 개략도이다.
도 8은 개시된 실시예들을 채용하는 피처 충진의 다양한 스테이지들에서의 대형 피처의 개략도이다.
도 9는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위한 챔버의 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위한 다중-챔버 장치들의 개략도들이다.
도 2는 피처들에 텅스텐을 충진하는 방법의 프로세스 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 실시하기 위한 프로세스 흐름도들이다.
도 5는 에칭 컨포멀성 (conformality) 조절을 예시하는 에칭의 다양한 스테이지들에서의 피처들의 개략도들이다.
도 6은 상이한 에천트 플로우들에 대한 에칭 온도의 함수로서 텅스텐 에칭 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 7은 개시된 실시예들을 채용하는 피처 충진의 다양한 스테이지들에서의 소형 피처의 개략도이다.
도 8은 개시된 실시예들을 채용하는 피처 충진의 다양한 스테이지들에서의 대형 피처의 개략도이다.
도 9는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위한 챔버의 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 개시된 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위한 다중-챔버 장치들의 개략도들이다.
다음의 설명 부분에서, 다수의 특정 세부 사항들이 제공된 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해서 제안된다. 개시된 실시예들은 이러한 특정 세부 사항 전부 또는 일부 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우들로서, 잘 알려진 프로세스 동작들을 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 세부적으로 기술되지 않았다. 개시된 실시예들은 특정 실시예들과 함께 기술될 것이지만, 이는 개시된 실시예들을 한정하려고 하는 것이 아님이 이해될 것이다.
텅스텐으로 피처들을 충진하는 방법들 및 이와 관련된 시스템들 및 장치들이 본 명세서에서 기술된다. 애플리케이션들의 실례들은 로직 및 메모리 컨택트 충진, DRAM 매립형 워드라인 충진, 수직으로 집적된 메모리 게이트/워드라인 충진, 및 TSV (through-silicon vias) 를 사용하는 3-D 집적화를 포함한다. 본 명세서에서 기술된 방법들은 텅스텐 비아들과 같은 수직형 피처들 및 수직 NAND (VAND) 워드라인들과 같은 수평형 피처들을 충진하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 방법들은 FinFET 구조물들 제조 시에도 사용될 수 있다. 기판 내에 형성된 피처들은 좁고/거나 한번더 들어간 (re-entrant) 오프닝들 (openings), 피처 내에서의 좁아짐 (constriction), 및 고종횡비 중 하나 이상에 의해서 특성화될 수 있다. 기판은 그 상에 성막된 유전체 재료, 도전성 재료 또는 반도전성 재료와 같은 하나 이상의 재료 층들을 갖는 웨이퍼들을 포함하여, 예를 들어서 200 mm 웨이퍼, 300 mm 웨이퍼, 또는 450 mm 웨이퍼와 같은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
피처는 이러한 층들 중 하나 이상에 형성될 수 있다. 예를 들어서, 피처는 유전체 층 내에 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 기술되는 바와 같은 단일 기판은 단일 기판 위에 상이한 20 개에 달하는 크기들의 피처들 및 몇몇 실시예들에서는 상이한 20 개보다 많은 크기들의 피처들을 갖는다. 피처 홀 (feature hole) 은 약 1 nm 내지 1 마이크론, 예를 들어서 약 25 nm 내지 300 nm의, 예를 들어서 오프닝 직경 또는 라인 폭과 같은, 오프닝에 가까운 (near) 수치를 가질 수 있다. "소형" 피처는 상대적인 차원에서 "대형" 피처의 것보다 작은 오프닝 직경 또는 라인 폭을 갖는 피처로서 규정될 수 있다. 대형 피처들은 소형 피처들의 임계 치수보다 적어도 1.5 배 또는 적어도 2 배 또는 적어도 5 배 또는 적어도 10 배보다 크거나 10보다 더 큰 배로 더 큰 임계 치수 또는 오프닝 직경을 가질 수 있다. "소형" 피처들의 실례는 약 1 nm 내지 약 2 nm의 오프닝 직경을 갖는 피처들을 포함한다. "대형" 피처들의 실례는 수백 나노미터의 차수 내지 약 1 마이크론의 오프닝 직경을 갖는 피처들을 포함한다. 피처 홀은 충진되지 않는 피처 또는 간단하게 피처로 지칭될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 피처 홀은 적어도 약 2:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 6:1 또는 그 이상의 종횡비를 가질 수 있다.
기판 상에 단일 크기를 갖는 피처들을 충진할 시에, 피처가 부분적으로 충진되게 피처 내를 텅스텐 층으로 충진하고, 이어서 오프닝 근처에서 증착된 층의 평균 두께의 감소가 피처 내측에서의 증착된 층의 평균 두께의 감소보다 더 크도록 증착된 텅스텐을 일부를 제거하는 것이 무보이드 피처 충진을 생성하기 위해서 사용될 수 있다. 그러나, 다양한 범위의 피처들의 크기가 충진될 경우에, 이러한 방식은 최고의 충진 개선 이점을 제공할 수 없을 수도 있다.
이러한 바가 도 1에 도시되는데, 도 1은 기판 상에 소형 임계 치수 (CD) 피처 (102) 및 대형 CD 피처 (104) 를 도시한다. 이러한 피처들은 피처 내에 제 1 텅스텐 벌크 층 (bulk layer) 을 증착하고, 제 1 벌크 층을 에칭하고, 이어서 피처의 나머지 부분을 충진하도록 제 2 벌크 층을 충진함으로써 충진될 수 있다. 이러한 방식은 본 명세서에서 "증착-에칭-증착" 으로 기술될 것이다. 제 1 벌크 증착 (예를 들어서, "증착-에칭-증착" 중 제 1 "증착" 또는 "증착1") 은 부분적으로 충진된 소형 CD 피처 (120) 를 생성하도록 소형 CD 피처 (102) 를 부분적으로 충진한다. 이 피처가 재차-들어간 (re-entrant) 프로파일, 즉 피처 오프닝을 향하여서 좁아진 프로파일을 가지기 때문에, 증착이 피처 오프닝을 핀치-오프 (pinch-off) 시킬 수 있는 핀치-오프 지점이 존재한다. 이러한 제 1 벌크 증착은 참조부호 (140) 로 도시된 바와 같은 부분적으로 충진된 대형 CD 피처를 생성하도록 대형 CD 피처 (104) 를 부분적으로 충진한다. 텅스텐 에칭 (예를 들어서, "증착-에칭-증착" 중 "에칭") 은 참조부호 (122) 로 도시된 바와 같이 소형 CD 피처 (104) 의 피처 오프닝 근처에서 텅스텐을 부분적으로 제거하며, 이 때에 피처의 작은 오프닝으로 인해서 피처들의 측벽들 상에서는 에칭이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 이는 피처 프로파일을 재형상화하며, 이로써 후속 증착 (예를 들어서, "증착-에칭-증착" 중 제 2 "증착" 또는 "증착2") 에서 어떠한 핀칭-오프도 없이 무보이드 충진을 가능하게 한다. 그러나, 대형 CD 피처 (104) 의 경우에, 텅스텐은 마찬가지로 상단에서 에칭되며 또한 피처 (104) 의 상단에서는 보다 큰 오프닝으로 인해서 피처의 내측 깊은 부분에서도 에칭되며 따라서 참조부호 (142) 로 도시된 바와 같이 피처 프로파일을 재형상화하는 이점이 발생하지 않는다.
피처 크기 차 및 피처 밀도 차로 인해서 기인되는, 웨이퍼에 걸친 텅스텐 충진 편차는 패턴 로딩 효과 (pattern loading effect) 로 지칭된다. 이로써 피처를 충진하는 것은 다수의 피처 크기들을 갖는 기판 상에서의 불균일하고 거친 (rough) 텅스텐 성장을 초래한다. 대형 피처들은 주로 제 2 벌크 텅스텐 증착을 사용하여서 충진되고, 이로써 패턴 로딩 효과로 인해서 대형 피처들에서 크고 거친 텅스텐 그레인 (grain) 이 발생한다.
보다 평탄한 텅스텐 및 감소된 패턴 로딩 효과를 갖는, 기판 상의 상이한 크기들의 피처들을 충진하는 방법들이 본 명세서에서 제공된다. 이 방법들은 수직 배향 및 수평 배향을 포함하여서 임의의 배향의 피처들을 충진하는데 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 방법들은 기판의 평면에 대해서 경사진 배향을 갖는 피처들을 충진하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 구현예들에서, 방법들은 다수의 배향들을 갖는 피처들을 충진하는데 사용될 수 있다. 이러한 피처들의 실례는 증착 가스들이 피처를 수직 및 수평으로 진입할 수 있는 3차원 피처들을 포함한다. 본 명세서에서 기술된 방법들은 상이한 크기들을 갖는 피처들을 갖는 기판 상에 텅스텐을 증착하는 것을 수반하는 FinFET 제조에 특히 적용가능하다.
방법들의 몇몇 구현예들은 증착된 텅스텐의 표면을 처리하기 위해서 제 2 벌크 증착을 중단하고, 이어서 처리된 표면 상에서 보다 작은 그레인들이 재성장하여서 보다 평탄한 증착된 텅스텐으로 피처의 나머지 부분을 충진하도록 제 2 벌크 증착을 재개하는 것을 수반한다. 방법들의 몇몇 구현예들은 보다 작은 피처 크기 그룹 및 보다 큰 피처 크기 그룹으로 피처 크기를 그룹핑하고 제 1 증착, 에칭 및 제 2 층착 시퀀스를 여러 사이클로 수행하되, 각 사이클이 가장 작은 피처 크기 그룹에서 가장 큰 피처 크기 그룹까지의, 일 피처 크기 그룹을 타겟팅하며 (targeting) 타겟팅된 피처 크기 그룹을 에칭하는 각 에칭 화학물질을 선택하는 것을 수반한다.
이하의 설명이 텅스텐 피처 충진에 초점을 두지만, 본 개시의 양태들은 다른 재료들로 피처들을 충진할 시에 구현될 수도 있다. 예를 들어서, 본 명세서에서 사용되는 하나 이상의 기법들을 사용하는 피처 충진은 다른 텅스텐-함유 재료들 (
(예를 들어서, 텅스텐 질화물 (WN) 및 텅스텐 카바이드 (WC)), 티타늄-함유 재료들
(예를 들어서, 티타늄 (Ti), 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 실리사이드 (TiSi), 티타늄 카바이드 (TiC), 및 티타늄 알루마이드 (TiAl)), 탄탈륨-함유 재료들 (예를 들어서, 탄탈륨 (Ta), 및 탄탈륨 질화물 (TaN)), 및 니켈-함유 재료들 (예를 들어서, 니켈 (Ni) 및 니켈 실리사이드 (NiSi)) 을 포함하는 다른 재료들로 피처들을 충진하는데 사용될 수도 있다.
도 2는 제 1 벌크 텅스텐을 증착하고, 제 1 벌크 텅스텐을 에칭하고, 제 2 벌크 텅스텐을 증착함으로써 피처 충진 방법의 특정 동작들을 예시하는 프로세스 흐름도이다. 이 방법은 동작 (211) 에서 피처를 부분적으로 충진하게 피처 내에 텅스텐을 증착하면서 시작할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 텅스텐은 컨포멀하게 (conformally) 하게 증착된다. 몇몇 구현예들에서, 동작 (211) 은 텅스텐 핵생성 층을 증착하고 이어서 벌크 증착을 하는 것을 수반할 수 있다. 텅스텐 핵생성 층 증착 및 벌크 증착 기법들은 이하에서 더 기술된다. 몇몇 실시예들에서, 텅스텐 핵생성 층 증착은 원자 층 증착 (ALD) 또는 PNL (pulsed nucleation layer) 프로세스에 의해서 텅스텐 핵생성 층을 형성하도록 텅스텐-함유 프로커서 및 하나 이상의 환원제들을 순차적으로 펄싱함으로써 증착된다. 몇몇 구현예들에서, 동작 (212) 은 예를 들어서 피처가 텅스텐 증착을 지원하는 하지층을 포함하는 경우에 오직 벌크 증착만을 포함할 수 있다. 벌크 증착은 화학 기상 증착에 의해서 증착되고 이하에서 더 기술된다.
좁아진 부분 (constriction) 을 포함하거나 이와 달리 핀치-오프에 민감한 피처들에서, 동작 (211) 은 적어도 피처가 핀치 오프되기 이전까지 수행될 수 있다. 상이한 크기들을 갖는 피처들은 상이한 시간들에 핀치 오프될 수 있다. 컨포멀 증착 시에, 증착은 각 표면으로부터 시작하고 이 표면에 대해서 전반적으로 수직인 성장으로 진행한다. 피처들 내에서의 텅스텐 성장은 각 측벽으로부터 시작하고 이 성장이 피처를 핀치 오프시킬때까지 진행된다. 몇몇 구현예들에서, 텅스텐 증착된 동작 (211) 의 정도는 가장 좁은 피처 수치에 기초하여서 결정될 수 있다. 예를 들어서, 가장 좁은 피처 수치가 50 nm이면, 동작 (211) 에서의 CVD 반응은 각 표면 상에서 25 nm을 증착하기에 충분하게 길게 진행되게 될 수 있으며, 이 시점이 되면 증착된 텅스텐이 피처 내로 추가 반응물 확산을 막는다. 이는 일반적으로 CVD 반응 이전에 이러한 반응 키네틱, 텅스텐 핵생성 층 두께 등에 기초하여서 결정될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 동작 (211) 은 본 명세서에서 참조로서 인용된 미국 특허 번호 8,124,531에 기술된 바와 같이, 단일 피처에 대한 다수의 증착-에칭-증착 사이클들을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 동작 (211) 은 어떠한 에칭 동작들도 포함하지 않으며, 이 경우에 적어도 피처가 핀치 오프될 때까지 증착만 된다. 동작 (211) 은 단일 챔버에서, 다중-스테이션 또는 단일 스테이션 챔버의 단일 스테이션에서, 다중-스테이션 장치의 다수의 스테이션들에서 또는 다수의 챔버들에서 발행할 수 있다. 예를 들어서, 동작 (211) 은 챔버의 일 스테이션에서 텅스텐 핵생성 층 증착을 하고 이어서 이 챔버의 다른 스테이션에서 벌크 증착을 할 수 있다. 동작 (211) 동안에, 수많은 소형 피처들은 거의 충진되지만, 대형 피처들은 보다 얇은 증착된 텅스텐 층만을 가질 수 있다.
프로세스는 동작 (213) 에서 부분적 텅스텐 에칭과 함께 계속된다. 일부 텅스텐이 피처 내에서 잔류하지만, 에칭은 피처의 측벽들 중 적어도 일부로부터 텅스텐을 제거한다. 소형 피처에서의 에칭은 기판의 표면 근처의 피처의 상단만을 에칭할 수 있는 반면에, 대형 피처에서의 에칭에서는 피처 내로 에천트 종들이 파고들어가서 피처의 측벽들까지도 에칭할 수 있다. 동작 (213) 은 일반적으로 예를 들어서 불소-함유 종들 또는 다른 에천트 종들을 사용하는 화학적 에칭을 포함한다. 몇몇 구현예들에서, 활성화된 종들이 사용될 수 있다. 활성화된 종들은 원자적 종들, 라디칼 종들 및 이온성 종들을 포함할 수 있다. 이러한 애플리케이션을 위해서, 활성화된 종들은 재결합된 종들 및 플라즈마 생성기 내로 초기에 공급된 가스들과 구별된다. 예를 들어서, 증착된 텅스텐을 부분적으로 에칭하는 것은 원격 또는 인-시츄 플라즈마 생성기에서 생성되는 에천트 종들로 노출되는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 원격으로 생성된 플라즈마 종들 및 인-시츄 생성된 플라즈마 종들 모두가 순차적으로 아니면 동시에 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, F2, CF3Cl, 또는 다른 에천트 화학물질을 사용하는 비-플라즈마 화학적 에칭이 사용될 수 있다. 동작들 (213) 은 동작 (210) 과 동일한 챔버 또는 상이한 챔버에서 발생할 수 있다. 피처 내에 텅스텐을 에칭하는 방법들은 이하에서 더 기술된다. 피처 구조에 따라서, 에칭은 컴포멀 또는 비컨포멀할 수 있다. 에칭 컨포멀성은 이하에서 더 기술된다. 에칭이 대체적으로 수평으로 (피처 축에 직교하게) 및/또는 수직으로 (피처 축에 평행하게) 진행될 수 있다.
다양한 구현예들에서, 에칭은 하지층 (underlayer) 에 대해서 선호적이거나 비선호적일 수 있다. 예를 들어서, 에칭은 예를 들어서 Ti 또는 TiN 하지층이 에칭 정지 층 기능을 할 때에 W에 대서 선호적일 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 에칭은 그 아래에 놓인 유전체가 에칭 정지 층 역할을 할 때에 Wi 및 Ti 또는 TiN을 에칭할 수 있다.
이러한 측면에서, 피처 내에서의 제거 레이트는 피처 내로 확산되는 상이한 에칭 재료 성분들 (예를 들어서, 초기 에천트 재료, 활성화된 에천트 종들, 및 재결합된 에천트 종들) 의 양들 및/또는 상대적 조성들에 의해서 제한된다. 특정 실례들에서, 에칭 레이트들은 피처 내측의 상이한 위치들에서의 다양한 에천트 성분들의 농도들에 의존한다. 용어 "에칭"과 "제거"는 본 문헌에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 선택적 제거는 에칭 및 다른 기법들을 포함할 수 있는 임의의 제거 기법을 사용하여서 수행될 수 있다는 것도 이해되어야 한다.
이어서, 프로세스는 동작 (215) 에서 계속되는데 이 동작에서 제 2 벌크 텅스텐이 피처 내에 증착되도록 잔여 텅스텐 상에 증착이 발생한다. 후속하는 텅스텐 증착은, 필드에서의 상당한 성장 지연이 핀치 오프 및 최종 비아 충진물 내에서의 보이드들을 방지하면서, 기존의 텅스텐 층 상의 비아 내측에서의 텅스텐 재성장을 가능하게 한다. 상술한 바와 같이, 상당한 성장 지연은 적어도 부분적으로는 텅스텐 성장을 지원하는 표면의 제거 때문일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 2 벌크 텅스텐 증착은 CVD에 의해서 다른 벌크 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 동시적으로 도입함으로써 수행될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 증착 프로세스는 측벽 표면들 상에 소량의 텅스텐을 증착할 수 있지만, 그 성장 레이트는 텅스텐 표면들 상으로의 증착보다는 느리다. 예를 들어서, 성장 레이트 및 증착된 두께는 텅스텐 표면들 상에서의 것보다 측벽들 상에서의 것이 반배 크거나 작을 수도 있다. 몇몇 구현예들에서, 이는 1/10 또는 심지어 100/1 정도 클 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 증착 프로세스는 동일한 성장 레이트로 피처의 모든 표면들 상에 텅스텐을 증착할 수도 있다.
몇몇 구현예들에서, 동작 (215) 은 핵생성 층 증착 없이 진행될 수 있다. 이는 피처 내의 잔류 텅스텐 상에만 증착을 허용할 수 있다. 수많은 구현예들에서, 동작 (211) 은 컨포멀 증착을 달성하도록 핵생성 층의 증착을 포함하지만, 동작 (215) 은 중간의 핵생성 층 증착없이 에칭된 텅스텐 층 상의 증착을 진행할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 핵생성 층이 적어도 추가 성장이 요구되는 피처의 부분 상에 증착될 수 있다. 핵생성 층이 동작 (215) 에서 후속 증착이 요구되지 않는 측벽 또는 외측 표면들 상에 증착되면, 이러한 표면들 상에서의 핵생성은 선택적으로 억제될 수 있다. 피처들 내에서의 텅스텐 핵생성을 억제하는 방법들은 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 출원 번호 13/774,350 에 기술된다. 증착-에칭-증착 방식의 다른 설명은 본 명세서에서 그 전체 내용이 참조로서 인용되는 미국 특허 출원 번호 13/851,885에 기술된다.
몇몇 실시예들에서, 방법들은 텅스텐 프리커서를 증착된 텅스텐으로 변환하는 반응 레이트를 감소시킴으로써 "레이트 한정된" 방식을 개시하는 것을 포함하는 하나 이상의 증착 동작들을 포함한다. 이는 예를 들어서 도 2를 참조하여서 상술된 바와 같은 동작 (215) 동안과 같은 제 2 벌크 텅스텐 증착 동안에 텅스텐 프리커서의 분압을 증가시킴으로써 구현될 수 있다.
레이트 한정된 방식에서, 증착 레이트는 기판에 공급된 텅스텐 헥사플루오라이드 (WF6) 와 같은 텅스텐-함유 프리커서의 양에 의해서 제한된다. 특정 실례들에서, 피처 상에서의 증착 레이트는 텅스텐-함유 프리커서의 분압에 의존할 수 있다. 이는 고 반응 레이트 (예를 들어서, 저온을 사용함) 를 유지하는 동안에 프로세싱 챔버 내에서의 텅스텐-함유 프리커서의 분압을 증가시킴으로써 (예를 들어서, 낮은 플로우 레이트를 사용함) 달성될 수 있다.
레이트 한정 조건들은 부분적으로 전반적인 텅스텐-함유 프리커서 농도 편차, 프로세스 온도, 또는 프로세스 압력에 의해서 특성화될 수 있다. 특정 실시예에서, 텅스텐-함유 프리커서 농도는 대형 피처들에서보다 소형 피처들 내에서 낮다. 상이한 크기들의 피처들 내에서의 증착은 기판의 피처 밀도에 의존한다. 예를 들어서, 기판의 표면의 임의의 하나의 소정의 구역에서, 이 구역이 수많은 소형 피처들을 갖는다면, 이 구역에서는 피처들의 표면들 상을 증착하기 위해서 보다 많은 텅스텐이 필요하는데, 그 이유는 피처 측벽들 및 하단 표면들의 총 표면적이 1 개 또는 2 개의 대형 피처들을 갖는 동일한 크기의 기판 면적보다 크기 때문이다. 이는 특히 소형 피처들에서 패턴 로딩 효과로 이어진다.
레이트 한저 방식으로 텅스텐을 증착하는 것은, 대형 피처들에서보다 소형 피처들에서 로딩 효과가 더 크기 때문에 텅스텐이 보다 소형의 피처들에 걸쳐서 보다 균일하게 증착될 수 있게 한다. 레이트 한정된 프로세스 조건들은 대형 크기 피처들 아니면 소형 크기 피처들의 선택된 그룹 상에 텅스텐을 증착하기 위해서, 프로세싱 챔버 내로 사전결정된 양의 텅스텐-함유 프리커서를 공급함으로써 (예를 들어서, 캐비티 프로파일 및 치수에 비해서 낮은 텅스텐-함유 프리커서 플로우 레이트를 사용함) 달성될 수 있다.
증착 동안에 사전결정된 온도 또는 압력이 피처 표면들 상에서의 텅스텐의 증착을 유도할 뿐만 아니라 반응 레이트를 제어하도록 선택될 수 있다. 대체적으로, 기판 온도는 텅스텐-함유 프리커서의 화학적 조성, 목표된 증착 레이트, 목표된 농도 분포들, 다른 재료 및 프로세스 파라미터들에 기초하여서 선택될 수 있다.
증착 일시중단 방식
증착 일시중단 방식은, 제 2 벌크 텅스텐 증착 프로세스가 사전결정된 스테이지에서 일시중지되도록 텅스텐을 증착하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법을 구현하는 것은 충진되기보다 용이하지 않는 소형 CD 피처들을 충진될 수 있게 하며 간단하고 대형의 CD 피처들은 나중에 충진될 수 있게 할 수 있다. 예를 들어서, 프로세스는 다음을 포함할 수 있다:
- 증착1 (소형 CD 피처(들)를 타겟팅함)
- 선택적 에칭
- 단기 증착2 (소형 CD 피처(들)를 충진 완료하고, 대형 CD 피처가 개방된 채로 둠)
- 처리 (예를 들어서, B2H6, SiH4 소킹 (soak))
- 증착2 진행
도 3은 개시된 실시예에 따른 기판 상의 상이한 크기의 피처들 내에 텅스텐을 증착하는 방법을 도시하는 프로세스 흐름도이다. 동작 (310) 에서, 텅스텐이 상이한 크기를 갖는 피처들을 갖는 기판의 피처들 내에 증착된다. 텅스텐은 도 2의 동작 (211) 을 참조하여서 상술한 임의의 기법을 사용하여서 증착될 수 있다. 예를 들어서, 다양한 실시예들에서, 텅스텐 핵생성 층은 증착되고 이어서 제 1 벌크 텅스텐 층이 증착된다.
동작 (312) 에서, 증착된 텅스텐이 선택적으로 에칭된다. 조건들 및 방법들은 도 2의 동작 (213) 을 참조하여서 상술한 임의의 방법들 및 조건들일 수 있다. 에칭 조건들은 또한 이하에서 더 기술된다. 기판의 표면 근처의 피처의 오직 상단 부분만이 에칭되고 고 종횡비 및 좁은 오프닝으로 인해서 피처의 핀치-오프 위치에서 에칭이 중지되도록 소형 피처들이 에칭될 수 있다. 그러나, 대형 피처에 대해서는, 에칭제가 피처 내로 진입하고 또한 컴포멀하게 측벽들을 에칭할 수도 있다.
동작 (314) 에서, 텅스텐이 제 2 벌크 텅스텐 증착 시에 피처 내로 증착되지만 이 증착은 사전결정된 시간에 일시중지된다. 사전결정된 시간은 기판 상의 소형 피처들이 텅스텐으로 완전하게 충진된 시간일 수 있다. 사전결정된 시간에서, 제 2 벌크 텅스텐 증착은 일시적으로 종결된다.
도시된 바와 같이, 동작 (314) 은 먼저 동작 (314a) 에서 소형 피처들을 완벽하게 충진하는데 집중함으로써 기판 상의 잔류 텅스텐 상에 증착을 하고 이어서 동작 (314b) 에서 기판의 표면을 처리함으로써 소형 피처들이 충진되는 때에 증착을 증착을 중단하고 이어서 동작 (314c) 에서 대형 피처들을 충진하도록 잔류 텅스텐 상에 증착을 하는 것을 포함한다. 텅스텐 벌크 증착을 중단하는 것은 하나 이상의 메카니즘들에 의해서 대형 피처들 내로의 후속 충진을 용이하게 할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 선행하는 에칭 동작은 대형 피처의 충진 시에 핵생성 지연을 야기할 수 있는 자연스러운 패시베이션 효과를 가질 수 있다. 예를 들어서, 질소-함유 에천트에 노출되는 것은 증착 표면 일부를 패시베이션할 수 있다. 상기 처리는 패시베이션을 제거하고 핵생성 지연을 줄일 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 대형 피처들을 처리하는 것은 대형 피처들에서의 보다 평탄한 그레인들을 생성한다.
다양한 실시예들에서, 동작 (314a) 내지 동작 (314c) 은 동일한 챔버에서 수행되고, 플로우들이 동작들 (314a와 314b) 간에서 그리고 동작들 (314b와 314c) 간에서 전환되고/되거나 변경될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동작 (314) 은 일회 중단된다. 몇몇 실시예들에서, 동작 (314) 은 동작 (314a) 내지 동작 (314c) 이 피처들이 모두 충진될 때까지 반복되도록 2 회, 3 회 그 이상 중단될 수 있다.
기판은 다양한 방법들에 의해서 동작들 (314b) 에서 처리될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판은 기판 표면 및 따라서 증착된 텅스텐을 환원제에 노출시킴으로써 수행될 수 있는 환원제 소킹 (soaking) 에 의해서 처리된다. 환원제의 실례는 보란 (예를 들어서, B2H6), 실란 (예를 들어서, SiH4), 및 수소 (H2) 를 포함할 수 있다. 기판은 약 2 초 내지 약 10 초 동안에 환원제로 처리될 수 있다. 이 처리는 열적 소킹 (thermal soaking) 일 수 있으며 약 200 내지 약 500 ℃에서 발생할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라서, H2 및 다른 환원제의 분압은 적어도 약 15 Torr, 적어도 약 20 Torr, 적어도 약 30 Torr, 적어도 약 40 Torr, 적어도 약 50 Torr, 적어도 약 60 Torr, 적어도 약 70 Torr, 또는 적어도 약 80 Torr일 수 있다.
몇몇 구현예들에서, 환원제 소킹은 일단 텅스텐 증착이 재개되면 증착된 텅스텐의 조도 (roughness) 를 감소시킨다. 일 실례에서, 동작 (314) 은 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제의 플로우들에 기판을 노출시키는 동작 (314a), 환원제 또는 처리 화학물질이 텅스텐-함유 프리커서 없이 유동할 수 있도록 일정 기간 동안에 텅스텐-함유 프리커서의 유동을 정지 또는 전환시키는 동작 (314b), 처리 화학물질 유동을 종결하고 중단된 벌크 증착이 계속되게 텅스텐-함유 프리커서 유동을 재개하는 동작 (314c) 을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 동작 (314b) 은 벌크 증착 시에 사용되는 환원제 대신에 또는 추가하여서 기판을 상이한 환원제 (예를 들어서, 디보란 또는 실란) 에 노출시키는 동작을 포함할 수 있다.
동작 (314b) 에서의 처리는 기판을 펄스형 또는 연속형 질소 가스에 노출시키는 동작을 포함할 수 있다. 기판을 질소 펄스에 노출시키는 것은 그레인 조도 (grain roughness) 를 감소시키는 것을 지원한다. 기판을 질소 펄스에 노출시키는 것에 대한 일부 설명이 그 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 번호 8,551,885, 및 미국 특허 출원 번호 13/633,798에 기술된다. 몇몇 실시예들에서, 동작 (314b) 에서의 처리는 예를 들어서 약 200 내지 약 600 ℃ 온도에서 기판을 어닐링하는 동작을 포함한다. 기판을 어닐링하는 것은 조도를 감소시키고 후속 프로세싱 단계들에서 성장할 텅스텐 그레인에 평탄한 표면을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동작 (314b) 에서의 처리는 기판 상에 무불소 (fluorine-free) WN 층과 같은 베리어 층을 증닥하는 동작을 포함한다. 베리어 층은 약 10 내지 500 Å 두께 또는 보다 구체적인 실시예에서, 약 25 내지 200 Å 두께를 가질 수 있다. 베리어 층은 원자적 층 증착 (ALD) 에 의해서 증착될 수 있다. 베리어 층은 증착할 후속 텅스텐 그레인들에 새로운 표면을 제공하여서 피처들 내의 보다 작은 텅스텐 그레인들을 형성할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 동작 (314b) 에서의 처리는 불소가 없는 텅스텐 프리커서를 챔버 내로 유동하는 동작을 포함한다. 불소가 없는 텅스텐 프리커서의 실례는 WCl6 (tungsten hexachloride), MDNOW (methylcyclopentadienyl-dicarbonylnitrosyl-tungsten), 및 EDNOW (ethylcyclopentadienyl-dicarbonylnitrosyl-tungsten) 를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 동작들의 조합이 처리 동안에 수행될 수 있다. 예를 들어서, 처리는 무불소 텅스텐 질화물을 먼저 증착하고 무불소 텅스텐 질화물이 피처 내에서 무불소 텅스텐으로 변화되도록 기판을 어닐링하는 동작들을 포함할 수 있다.
다회 증착-에칭-증착 방식
상이한 크기의 피처들이 다회 증착-에칭-증착 사이클들을 사용하여서 텅스텐으로 충진될 수 있으며, 각 사이클은 유사한 크기들의 피처들의 그룹을 충진하도록 맞춤된다. 일 사이클 실례는 도 2를 참조하여서 상술되었다. 선행 사이클의 제 2 증착이 후행 사이클의 제 1 증착과 동시적이 되도록 사이클들이 반복된다. 예를 들어서, "증착-에칭-증착-에칭-증착-에칭-증착" 시퀀스는 총 3 개의 사이클들을 포함한다.
피처들의 그룹은 동일한 또는 유사한 크기를 갖는 1 개, 2 개, 3 개, 4 개, 5 개 또는 그 이상의 상이한 피처들을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 피처들의 그룹은 3 개의 피처를 포함하며, 각 피처는 1 nm 내지 2 nm의 오프닝들을 갖는다. 웨이퍼 상의 피처들의 총량은 가장 작은 크기의 피처들을 포함하는 일 그룹, 그 다음으로 작은 피처들을 포함하는 다음 그룹, 등으로 마지막 그룹이 가장 큰 피처들을 포함하게 될 때까지 그룹들로 분할될 수 있다. 각 그룹은 가장 작은 피처들을 갖는 그룹으로부터 가장 큰 피처들을 갖는 그룹까지 각 증착-에칭-증착 사이클에서 맞춤화될 수 있다. 예를 들어서, 제 1 증착-에칭-증착 사이클에서, 가장 작은 피처들을 갖는 그룹이 타겟팅되며, 다음 증착-에칭-증착 사이클에서, 다음으로 가장 작은 피처들을 갖는 그룹이 타겟팅되며, 이러한 바가 계속되어서 마지막 증착-에칭-증착 사이클에서, 가장 큰 피처들을 갖는 그룹이 타겟팅된다.
용어 "타겟팅된다"는 각 해당 사이클에서 사용되는 에칭 화학물질들 및 프로세스 조건들을 규정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어서, 가장 작은 피처들을 갖는 그룹을 타겟팅한 제 1 증착-에칭-증착 사이클은 가장 작은 피처들을 에칭하게 특정하게 맞춤된 에칭 프로세싱을 포함할 수 있다. 이는 에천트로의 보다 짧은 노출 시간, 낮은 에천트 플로우 레이트 또는 에칭 동작에서의 다른 조건 조절을 포함한다. 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 출원 번호 13/851,885에서 기술된 기법들이 개시된 실시예들에 따라서 피처들의 임의의 특정 그룹을 충진하는데 사용될 수 있다.
각 사이클 동안에, 임의의 일 사이클에서의 제 2 층착은 이 사이클에서 타겟팅된 보다 작은 피처들을 완벽하게 충진하지만, 보다 큰 피처들이 핀치-오프되기 이전에 이 제 2 증착은 종료된다. 다음 사이클에서, 해당 사이클의 제 2 증착 동안에, 보다 큰 피처들이 완벽하게 충진되지만 다음의 가장 큰 CD 피처들이 핀치-오프되기 이전에 이 동작이 종료되도록 보다 큰 피처들이 타겟팅된다. 보다 작은 CD 피처들이 제 2 증착 동안에 충진되지만, 이 증착은 보다 큰 CD 피처들이 핀치 오프되기 이전에 종료된다. 이어서, 보다 큰 CD 피처들에서 충진 개선을 타겟팅하는 다른 선택적 에칭이 수행되고 이어서 제 3 벌크 텅스텐 증착이 수행된다. 소형 CD 피처들이 이미 충진되었기 때문에, 이러한 피처들은 영향을 받지 않는다. 예를 들어서, 프로세스는 다음을 포함할 수 있다:
- 증착1 (소형 CD 피처(들)를 타겟팅함)
- 선택적 에칭
- 단기 증착2 (소형 CD 피처(들)를 충진 완료하고, 대형 CD 피처가 개방된 채로 둠)
- 선택적 에칭 (대형 CD 피처(들) 의 비컨포멀 에칭, 소형 CD 피처(들)는 충진되 상태로 유지되며 영향을 받지 않음)
- 증착3 진행 (대형 CD 피처(들)를 충진)
다수의 증착-에칭-증착 사이클들을 수행함으로써, 소형 피처들이 먼저 충진되고 마지막으로 가장 대형의 피처들이 충진된다. 이러한 방식으로, 에칭 동작들이 순차적 프로세싱 사이클로 해서 수행되는 동안에, 소형 피처들은 영향을 받지 않는데 그 이유는 이들은 이미 반복적인 증착-에칭-증착 사이클들에 의해서 완벽하게 충진되었기 때문이다. 따라서, 크기와 상관없이 기판 상의 모든 피처들이 결국에는 보이드가 없은 고품질 텅스텐 막으로 충진된다.
도 4는 개시된 실시예들의 방법을 실시하는 동작들의 실례들을 도시하는 프로세스 흐름도이다. 동작 (401) 에서, 텅스텐이 가장 작은 크기를 갖는 피처들의 제 1 그룹을 타겟팅함으로써 증착된다. 가장 작은 크기를 갖는 피처들의 제 1 그룹이 타겟팅되는 동안에, 또한 다른 피처들도 역시 텅스텐이 그 내에 증착될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 증착 조건 및 방법은 도 2를 참조하여서 동작 (211) 을 참조하여서 상술한 임의의 증착 조건 및 방법일 수 있다. 예를 들어서, 텅스텐을 CVD로 증착하기 위해서 기판이 WF6 및 H2에 노출될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 텅스텐 핵생성 층이 증착되고 이어서 제 1 벌크 텅스텐 층이 증착된다.
동작 (403) 에서, 피처 내에 증착된 제 1 벌크 텅스텐이 부분적으로 에칭된다. 에칭 조건들은 가장 작은 크기의 피처들의 그룹의 피처들의 특정 크기에 맞춤될 수 있다. 예를 들어서, 약 1 nm 내지 약 2 nm의 오프닝을 갖는 피처들이 제 1 그룹에서 타겟팅되면, 에칭 조건은 이러한 피처들의 상단들에서의 텅스텐이 후속 증착을 위해서 피처를 개방하는데 충분한 정도로만 에칭되도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 에칭 조건들은 도 2의 동작 (213) 을 참조하여서 상술한 임의의 것일 수 있다. 에칭 프로세스는 또한 이하에서 더 기술된다.
동작 (405) 에서, 텅스텐이 피처들 내에 증착된다. 증착 조건 및 기법은 도 2를 참조하여서 동작 (213) 에서 상술한 임의의 것일 수 있다. 이 동작 동안에, 텅스텐이 선택되거나 타겟팅된 피처 그룹을 완전히 충전하고, 다음으로 가장 작은 크기의 피처들을 갖는 제 2 또는 다음의 타겟팅된 피처 그룹 내에 부분적으로 증착된다. 텅스텐-함유 프리커서의 증착 레이트, 온도 및 압력과 같은 증착 조건들은, 반응 레이트가 보다 작은 크기의 피처들 내에 텅스텐을 증착하는 것에 의존하도록 레이트 한정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 레이트 한정 방식은, 동일한 기판 면적에 있어서 소형 피처들의 표면적이 대형 피처들의 표면적보다 크며 따라서 보다 많은 텅스텐이 소형 피처들의 표면적에 증착되기 때문에, 수많은 작은 피처들이 존재하는 기판 상에서의 패턴 로딩 효과를 감소시키는 것을 지원할 수 있다. 동작 (405) 은 다음의 타겟팅된 피처 그룹에서의 핀치-오프 이전에 종료될 수 있다.
동작 (407) 에서, 사용된 조건들이 제 2 타겟팅된 피처 그룹에서의 텅스텐을 부분적으로 에칭하도록 맞추어지도록 증착된 텅스텐이 부분적으로 에칭된다. 각 에칭은 각 피처 그룹을 에칭하도록 특정하게 맞추어지기 때문에, 동작 (407) 동안의 에칭 화학물질 및 조건들은 동작 (403) 의 것과 상이할 수 있다. 특정 구현예들에서, 보다 많은 (또는 피처들에 따라서 보다 적은) 비-컨포멀 에칭이 동작 (407) 에서 사용되어서 대형 CD 피처들 내의 깊은 에칭을 방지할 수 있다. 예를 들어서, 동작 (407) 은 그 온도가 동작 (403) 동안의 온도보다 낮도록 수행될 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 동작 (407) 은 그 온도가 동작 (403) 동안의 온도보다 높도록 수행될 수도 있다.
비-컨포멀 에칭의 양태들은 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 번호 8,435,894에 기술되며, 여기서 비아가 텅스텐으로 부분적으로 에칭되며, 이어서 피처 내의 깊이에서보다 오프닝 근처에서 보다 많은 텅스텐을 에칭하도록 불소 기반 텅스텐 에칭이 수행된다. 다음으로 피처를 충진하기 위해서 텅스텐 증착이 수행될 수 있다 (미국 특허 번호 8,435,894에서의 비-컨포멀 에칭은, 보다 많은 재료가 피처의 다른 위치들에서보다 피처의 특정 위치들에서 제거된다는 사실로 인해서 "선택적 제거"로서 여러 개소에서 지칭되다는 것이 주목되어야 한다. 본 명세서에서 기술되는 선택적 제거는 특정 재료를 다른 재료에 비해서 선택적으로 에칭하는 것과는 구별된다). 개시된 실시예들의 문맥에서의 비-컨포멀 에칭은 선호적 에칭 또는 낮은-단차 커버리지 에칭을 말한다. 이러한 선호적 에칭 (또는 낮은-단차 커버리지 에칭) 을 획득하기 위해서, 에칭 프로세스 조건들은 신중하게 설계된다. 적합한 에칭 온도, 에천트 플로우 및 에칭 압력의 조합이 목표된 컨포멀성 (conformality) 을 달성하는 것을 지원할 수 있다. 에칭 컨포멀성이 각각의 타입의 재차-들어간 구조물에 대해서 적합하게 튜닝되지 않으면, 증착-에칭-증착 시퀀스 후에도 불량한 충진 결과를 낳을 수 있다.
단차 커버리지는 (반응에서 가용되는 반응물 종들)/(반응 레이트) 에 비례한다. 주 에천트가 원자적 불소인, 본 명세서에서 기술되는 피처 에칭의 몇몇 구현예들에서, 이는 다음으로 단순화될 수 있다:
텅스텐 단차 커버리지 ∝ (원자적 불소 농도)/(에칭 레이트)
따라서, 특정 텅스텐 에칭 단차 커버리지 (또는 목표된 에칭 컨포멀성 또는 에칭 비-컨포멀성) 를 달성하기 위해서, NF3 플로우 레이트 (또는 다른 불소-함유 에천트 플로우 레이트) 및 에칭 온도가 원자적 불소 농도 및 에칭 레이트에 직접적으로 영향을 주기 때문에 핵심 파라미터들이다. 에칭 압력 및 캐리어 가스 플로우와 같은 다른 변수들도 또한 중요하다.
보다 높은 온도에서, 입력되는 불소 원자들은 피처 입구에서 쉽게 반응 및 에칭하고 이로써 보다 비-컨포멀한 에칭을 낳으며; 보다 낮은 온도에서, 입력되는 불소 원자들은 피처 내로 더 깊이 확산하여 에칭할 수 있으므로 보다 컨포멀한 에칭을 낳는다. 보다 높은 에천트 플로우 레이트에서는 보다 많은 불소 원자들이 생성되며, 이로써 보다 많은 불소 원자들이 피처 내로 더 깊이 확산하여 에칭할 수 있으므로 보다 컨포멀한 에칭을 낳는다. 보다 낮은 에천트 플로우 레이트에서는 보다 적은 불소 원자들이 생성되며, 이로써 피처 입구에서 반응 및 에칭하는 경향을 가지며 이로써 보다 비-컨포멀한 에칭을 낳는다. 높은 압력들은 불소 라디칼들의 보다 많은 재결합이 분자적 불소를 형성하게 할 수 있다. 분자적 불소는 불소 라디칼보다 낮은 점착 계수를 가지며 따라서 텅스텐을 에칭하기 이전에 피처 내로 보다 쉽게 확산하여서 보다 컨포멀한 에칭으로 이어진다.
도 5는 상이한 프로파일들을 갖는 피처들 (501,502) 에서의 부분적 증착 및 에칭의 개략적 단면도들이다. 피처 (501) 는 피처의 수직 부분의 중간 정도에 폭이 좁아진 부분 (551) 을 포함하며, 피처 (502) 는 피처 오프닝 근처에서 오버행 (overhang) (515) 을 포함한다. 표준 텅스텐 CVD는 각기 폭이 좁아진 부분 (551) 및 오버행 (515) 에 의한 피치-오프로 인해서 피처 내에서 보이드를 발생시킬 수 있다. 피처 (501) 에칭은 저온에서의 및/또는 본 실례에서는 불소 라디칼 (F*) 인 에천트 종들이 보다 많은 컨포멀한 에칭이며, 에천트 종들이 피처 내로 더 깊이 확산될 수 있다. 피처 (502) 의 에칭은 고온에서의 및/또는 에천트 농도가 낮은 보다 비-컨포멀한 에칭이다.
도 6은 상이한 NF3 플로우들에 있어서 에칭 온도의 함수로서 에칭 레이트를 플롯팅한다. 에칭 컨포멀성은 높은 NF3 플로우 레이트로 저 에칭 레이트 프로세스를 설계함으로써 증가할 수 있다. 일 실례에서, "매우 선택적이면서 매우 컨포멀한 에칭"으로 표시된 영역은 에칭이 (Ti 또는 TiN에 비해서 W에 대해서) 선택적이며 피처에 걸쳐서 매우 컨포멀한 프로세스 조건들을 나타낸다. 테스트된 최저 에칭 온도 및 최고 NF3 플로우 레이트가 각기 25 ℃ 및 100 sccm인 때에, 반응 레이트 제한된 방식을 달성하기 위해서 NF3 플로우 레이트를 증가시키고 (보다 많은 원자적 불소 라디칼들이 사용됨) 에칭 온도를 증가시킴으로써 보다 더 높은 컨포멀성이 달성될 수 있다. 반대로, 높은 에칭 레이트가 낮은 NF3 플로우 레이트 (보다 적은 원자적 불소 라디칼들이 사용됨) 로 달성되는 매스 이송 제한된 방식 (mass transport limited regime) 으로 동작함으로써 에칭 비-컨포멀성 (etch non-conformality) 이 증가될 수 있다.
몇몇 구현예들에서, 컨포멀 에칭은 다음의 프로세스 조건들 중 하나 이상을 수반할 수 있다: 약 25 ℃보다 낮은 온도, 약 50 sccm보다 높은 에천트 플로우 레이트, 및 약 0.5 Torr보다 높은 압력. 몇몇 구현예들에서, 비-컨포멀 에칭은 다음의 프로세스 조건들 중 하나를 수반할 수 있다: 약 25 ℃보다 높은 온도, 약 50 sccm보다 낮은 에천트 플로우 레이트, 및 약 0.2 Torr보다 낮은 압력. 단차 커버리지의 목표된 레벨 (예를 들어서, 60 퍼센트 단차 커버리지) 은 프로세스가 보다 더 컨포멀하거나 보다 덜 컨포멀하게 되게 이러한 프로세스 조건들 중 하나 이상을 조절하는 동작을 수반할 수 있다.
도 4로 돌아가면, 동작 (409) 에서, 제 2 피처 그룹이 완벽하게 충진되고 다음으로 더 큰 크기를 갖는 피처들의 제 3 그룹이 부분적으로 충진되도록 텅스텐이 피처들 상에 증착된다. 텅스텐-함유 프리커서의 증착 레이트, 온도 및 압력과 같은 증착 조건들은 상술한 바와 같이 레이트 한정될 수 있다. 동작 (409) 은 다음의 또는 제 3 피처 그룹에서의 핀치-오프 이전에 종료된다. 동작 (411) 에서, 제 3 피처 그룹을 에칭하게 맞추어진 에칭 화학물질을 사용하여서 텅스텐이 에칭된다. 이러한 에칭 화학물질은 제 1 피처 그룹 또는 제 2 피처 그룹에 영향을 주지 않는데 그 이유는 이러한 프처 크기가 보다 작은 그룹들은 이미 완벽하게 충진되었기 때문이다. 에칭 화학물질이 피처의 표면 또는 상단 근처에서 일부 텅스텐을 에칭할 수 있지만, 에칭 화학물질은 보다 크기가 작은 피처들 내에서 임의의 보이드를 생성하기에는 충분하지 않으며 후속 텅스텐 증착은 여전히 보이드가 없는 평탄한 텅스텐 충진 결과가 존재하도록 이러한 표면들 상에서의 텅스텐 증착을 재개할 것이다. 최소형의 피처 그룹으로부터 최대형의 피처 그룹까지 순서대로 각 피처 그룹이 에칭되도록 이러한 증착-에칭-증착 사이클들이 반복될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 동작 (413) 에서, 종국에는 피처들을 완전하게 충진하고 최대형의 피처 그룹 내에 텅스텐을 부분적으로 충진하도록 텅스텐이 두번째로 가장 큰 피처들의 그룹 내로 증착된다. 동작 (415) 에서, 이 두번째로 가장 큰 피처들의 그룹 상에서 텅스텐을 에칭하도록 맞추어진 조건들을 사용하여서 텅스텐이 에칭된다. 마지막으로, 동작 (417) 에서, 남아있는 가장 큰 피처들이 텅스텐으로 충진된다.
도 7 및 도 8은 다수의 증착-에칭-증착 시퀀스의 2 개의 사이클들 동안의 단일 기판 상에서의 소형 CD 피처 (도 7) 및 대형 CD 피처 (도 8) 의 실례들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 7에서 참조부호 (701) 및 도 8에서 참조부호 (801) 는 도 4에서의 동작 (401) 에 대응한다. 텅스텐이 소형 CD 피처 및 대형 CD 피처 내에 증착되고, 이들은 모두 해당 피처의 표면 상에서의 컨포멀한 성장 (conformal growth) 을 보인다. 도 4의 동작 (403) 에서, 증착된 텅스텐은 도 7의 참조부호 (703) 에서 소형 피처를 에칭하도록 맞추어진 에칭 화학물질을 사용하여서 에칭되고 역시 증착된 텅스텐이 도 8의 참조부호 (803) 에서 대형 피처에서 에칭된다. 에천트 종들이 참조부호 (803) 의 대형 피처 내로 진입하며 따라서 참조부호 (703) 의 소형 피처에서 에천트 종들이 에칭하는 것보다 실질적으로 많이 대형 피처의 측벽들을 에칭한다는 것을 주목할 필요가 있다. 도 4의 동작 (405) 에서, 참조부호 (705) 에 도시된 바와 같이 가장 작은 피처들을 충진하도록 텅스텐이 피처들 내로 증착된다. 동시에, 텅스텐이 참조부호 (805) 에 도시된 바와 같이 대형 피처들 내로 증착되지만, 이러한 증착은 이 대형 피처가 핀치 오프되기 이전에 종결된다는 것을 주목할 필요가 있다. 도 4의 동작 (407) 에서, 참조부호 (807) 에 도시된 바와 같이 대형 피처들에 맞추어진 에칭 화학물질을 사용하여서 대형 피처들이 에칭된다. 에칭 화학물질이 관여하지만, 이 에칭 화학물질은 참조부호 (707) 에서 소형 피처 내에 이미 충진된 텅스텐에 영향을 주지 않으며, 따라서 이러한 소형 피처들에서 갭 또는 보이드가 생성될 걱정이 없다. 도 4의 동작 (409) 에서, 참조부호 (809) 에 도시된 바와 같 대형 피처들을 충진하도록 텅스텐이 증착된다. 이와 동시에, 참조부호 (709) 에서 소형 피처 내에 이미 충진된 텅스텐은 영향을 받지 않으며, 단지 추가 텅스텐이 기판의 표면 상에 증착된다. 도 7 및 도 8에서 도시된 실례들에서, 오직 2 개의 피처 크기들이 다수의 증착-에칭-증착 사이클들의 가능한 실례들을 보이기 위해서 도시되었다. 기판은 예를 들어서 20 개 이상의 피처 크기들과 같은 다수의 피처 크기들을 갖는 피처들을 가질 수 있으며, 에칭 화학물질들은 크기에 의해서 분류된 그룹들 내의 피처들에 맞추어질 수 있으며, 이 그룹들은 하나의 피처 크기, 2 개의 피처 크기들, 또는 그 이상의 개수의 피처 크기들, 예를 들어서 5 개의 피처 크기들을 단일 그룹에서 포함할 수 있음은 이해되어야 한다. 예를 들어서, 대형 피처들을 갖는 그룹 내에서의 대형 피처의 최대 CD는 소형 피처들을 갖는 그룹 내의 소형 피처의 최대 CD의 1.5 배, 2 배, 5 배, 10 배 또는 그 이상일 수 있다.
핵생성 층 증착
몇몇 구현예들에서, 본 명세서에서 개시된 방법들은 벌크 층 증착 이전에 텅스텐 핵생성 층 증착을 포함한다. 핵생성 층은 통상적으로 그 상에서의 후속 벌크 텅스텐-함유 재료 증착을 용이하게 하는 컨포멀한 박층이다. 다양한 구현예들에서, 핵생성 층은 임의의 피처 충진 이전에 및/또는 피처 충진 동안의 늦은 시점들에서 증착될 수 있다. 예를 들어서, 몇몇 구현예들에서, 핵생성 층은 피처 내의 텅스텐을 에칭한 후에 증착될 수 있다.
특정 구현예들에서, 핵생성 층은 PNL (pulsed nucleation layer) 기법을 사용하여서 증착된다. PNL 기법에서, 환원제, 선택적 퍼지 가스들, 및 텅스텐-함유 프리커서의 펄스들이 순차적으로 반응 챔버 내로 주입되고 이로부터 퍼지된다. 프로세스는 목표된 두께가 달성되기까지 사이클 방식으로 반복된다. PNL은 넓게는, 원자적 층 증착 (ALD) 기법을 포함하여서 반도체 기판 상에서의 반응을 위해서 반응물들을 순차적으로 부가하는 사이클 방식 프로세스를 구현한다. 텅스텐 핵생성 층을 증착하는 PNL 기법은 미국 특허 번호 6,635,965; 7,005,372; 7,141,494; 7,589,017; 7,772,114; 7,955,972; 8,058,170; 및 8,623,733에 기술되어 있으며, 이 문헌들 모두는 그들의 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 핵생성 층 두께는 핵생성 층 증착 기법 및 목표된 벌크 증착 품질에 의존할 수 있다. 일반적으로, 핵생성 층 두께는 고품질의 균일한 벌크 증착을 지원하도록 충분하다. 핵생성 층 두께의 실례는 약 10 Å 내지 100 Å일 수도 있다.
PNL 증착의 실례들이 위에서 제공되었지만, 본 명세서에서 기술되는 방법들은 텅스텐 핵생성 층 증착의 특정 방법으로 한정되지 않고, PNL, ALD, CVD, 및 PVD (physical vapor deposition) 를 포함하는 임의의 방법에 의해서 형성된 텅스텐 핵생성 층 상에서의 벌크 텅스텐 막 증착을 포함한다. 또한, 특정 구현예들에서, 벌크 텅스텐이 텅스텐 핵생성 층을 사용하지 않고서 피처 내에 바로 증착될 수도 있다. 예를 들어서, 몇몇 구현예들에서, 피처 표면들 및/또는 이미-증착된 하지층이 벌크 텅스텐 증착을 지원한다. 몇몇 구현예들에서, 핵생성 층을 사용하지 않는 벌크 텅스텐 증착 프로세스가 수행될 수 있다. 예를 들어서, 그들의 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용되고 2012년 7월 27일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/560,688는 핵생성 층을 사용하지 않는 벌크 텅스텐 증착 프로세스를 기술한다.
다양한 구현예들에서, 텅스텐 핵생성 층 증착은 WF6 (ungsten hexafluoride), WCl6 (tungsten hexachloride), 및 W(CO)6 (tungsten hexacarbonyl) 와 같은 텅스텐-함유 프리커서로의 노출을 포함할 수 있다. 특정 구현예들에서, 텅스텐-함유 프리커서는 WF6 와 같은 할로겐-함유 화합물이다. 유기-금속성 프리커서들 및 무불소 프리커서들, 예를 들어서 MDNOW (methylcyclopentadienyl-dicarbonylnitrosyl-tungsten) 및 EDNOW (ethylcyclopentadienyl-dicarbonylnitrosyl-tungsten) 이 사용될 수 있다.
환원제들의 실례들은 디보란 (B2H6) 및 다른 보란들과 같은 붕소-함유 환원제; 실란 (SiH4) 및 다른 실란들과 같은 실리콘-함유 환원제; 하이드라진들; 및 게르만들을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 텅스텐-함유 프리커서들의 펄스들은 다른 환원제의 펄스들과 교번될 수 있으며, 예를 들어서 S/W/S/W/B/W, 등으로 될 수 있으며, 여기서 W는 텅스텐-함유 프리커서를 나타내고, S는 실리콘-함유 프리커서를 나타내며, B는 붕소-함유 프리커서를 나타낸다. 몇몇 구현예들에서, 개별 환원제가 사용되지 않을 수 있으며, 예를 들어서 텅스텐-함유 프리커서가 열적 분해 또는 플라즈마-지원되는 분해를 경험할 수 있다.
다양한 구현예들에서, 수소는 백그라운드 (background) 로 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 또한, 몇몇 구현예들에서, 텅스텐 핵생성 층의 증착 이후에 그리고 텅스텐 벌크 증착 이전에 하나 이상의 처리 동작들이 수행될 수 있다. 증착된 텅스텐 핵생성 층을 보다 낮은 저항을 갖도록 처리하는 것은 예를 들어서 본 명세서에서 참조로서 인용되는, 미국 특허 번호 7,772,114; 8,058,170; 및 8,623,733에 기술된다.
벌크 증착
다수의 구현예들에서, 텅스텐 벌크 증착은 환원제 및 텅스텐-함유 프리커서가 피처 내에 벌크 충진 층을 증착하도록 증착 챔버 내로 유동하는 CVD 프로세스에 의해서 발생할 수 있다. 비활성 캐리어 가스가 사전 혼합되거나 사전혼합되지 않을 수 있는 하나 이상의 반응물 스트림들을 전달하는데 사용될 수 있다. PNL 또는 ALD 프로세스와는 달리, 이 동작은 일반적으로 목표된 양이 증착될 때까지 반응물들을 계속하여서 유동시키는 동작을 포함한다. 특정 구현예들에서, CVD 동작은 연속적이면서 동시적인 반응물 유동의 다수의 시간들이 전환된 하나 이상의 반응물 유동들의 기간들에 의해서 분리되는, 다수의 스테이지들로 발생할 수 있다.
다음으로 한정되지 않지만 WF6, WCl6, 및 W(CO)6 을 포함하는 다양한 텅스텐-함유 가스들이 텅스텐-함유 프리커서로서 사용될 수 있다. 특정 구현예들에서, 텅스텐-함유 프리커서는 WF6와 같은 할로겐-함유 화합물이다. 특정 구현예들에서, 환원제는 수소 가스이지만, 실란 (SiH4), 디실란 (Si2H6) 하이드라진 (N2H4), 디보란 (B2H6), 및 게르만 (GeH4) 을 포함하는 다른 환원제들이 사용될 수 있다. 다수의 구현예들에서, CVD 프로세스에서 수소 가스가 환원제들로서 사용된다. 몇몇 다른 구현예들에서, 벌크 텅스텐 층을 형성하도록 분해될 수 있는 텅스텐 프리커서가 사용될 수 있다. 벌크 증착은 또한 ALD 프로세스를 포함하여 다른 타입의 프로세스들을 사용하여서 발생할 수도 있다.
온도의 실례들은 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위일 수 있다. 다양한 구현예들에 따라서, 본 명세서에서 기술되는 텅스텐 CVD 동작들 중 임의의 동작들은 예를 들어서 약 200 ℃ 내지 약 350 ℃ 또는 약 300 ℃의 낮은 온도의 텅스텐 CVD 충진을 사용할 수 있다.
다양한 구현예들에 따라서, 특정 피처 프로파일이 달성되고/되거나 특정량의 텅스텐이 증착될 때까지 증착이 진행될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 증착 시간 및 다른 관련 파라미터들은 모델링 및/또는 시행착오에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들어서, 텅스텐이 핀치-오프까지 피처 내에 컴포멀하게 증착될 수 있는 내측에서 외측으로의 충진 프로세스 (inside out fill process) 의 초기 증착 동안에, 핀치 오프를 달성할 텅스텐 두께 및 이에 대응하는 증착 시간을 피처 수치들에 기초하여서 결정하는 것이 간단할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 프로세스 챔버들에는 증착 동작의 엔드-포인트 검출을 위한 인-시츄 계측 측정들을 수행하기 위해서 다양한 센서들이 구비될 수 있다. 인-시츄 계측의 실례들은 증착된 막들의 두께를 결정하기 위한 광학적 마이크로스코피 및 XRF (X-Ray Fluorescence) 를 포함한다.
본 명세서에서 기술된 텅스텐 막들은 사용되는 특정 프리커서들 및 프로세스들에 따라서, 질소, 탄소, 산소, 붕소, 인, 황, 실리콘, 게르마늄 등과 같은 어느 정도의 양의 도펀트, 불순물 및/또는 다른 화합물들을 포함할 수 있다. 막 내의 텅스텐 함량은 약 20 퍼센트 내지 약 100 퍼센트 (원자적) 텅스텐일 수 있다. 다수의 구현예들에서, 막들은 텅스텐 풍부하고 적어도 약 50 퍼센트 (원자적) 텅스텐, 또는 적어도 약 60 퍼센트, 75 퍼센트, 90 퍼센트 또는 99 퍼센트 (원자적) 텅스텐을 가질 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 막들은 텅스텐 카바이드 (WC), 텅스텐 질화물 (WN) 등과 텅스텐-함유 화합물들과 금속성 또는 원소적 텅스텐 (W) 의 혼합일 수 있다.
이러한 재료들의 CVD 및 ALD 증착은 임의의 적합한 프리커서들을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어서, 텅스텐 질화물의 CVD 및 ALD 증착은 이하에서 더 기술되는 바와 같은 할로겐-함유 화합물 및 무할로겐 텅스텐-함유 화합물 및 질소-함유 화합물을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 티타늄-함유 층들의 CVD 및 ALD 증착은 TDMAT (tetrakis(dimethylamino)titanium) 및 TiCl4 (titanium chloride) 와 같은 티타늄을 함유하는 프리커서들 및 적합한 경우에 하나 이상의 공반응물들 (co-reactants) 을 사용하는 것을 포함한다. 탄탈륨-함유 층들의 CVD 및 ALD 증착은 PDMAT (pentakis-dimethylamino tantalum) 및 TaF5 와 같은 프리커서들 및 적합한 경우에 하나 이상의 공반응물들 (co-reactants) 을 사용하는 것을 포함한다. 코발트-함유 층들의 CVD 및 ALD 증착은 TTHC (tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato)cobalt), BCC (bis(cyclopentadienyl)cobalt), 및 DHB (dicobalt hexacarbonyl butylacetylene) 와 같은 프리커서들 및 적합한 경우에 하나 이상의 공반응물들 (co-reactants) 을 사용하는 것을 포함한다. 니켈-함유 층들의 CVD 및 ALD 증착은 CDC (cyclopentadienylallylnickel (CpAllylNi)) 및 MeCp2Ni와 같은 프리커서들을 사용하는 것을 포함한다. 공반응물들 (co-reactants) 의 실례들은 N2, NH3, N2H4, N2H6, SiH4, Si3H6, B2H6, H2, 및 AlCl3을 포함할 수 있다.
텅스텐 에칭
텅스텐 에칭은 텅스텐과 반응할 수 있는 하나 이상의 에천트 종들에 대해 텅스텐을 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 에천트 종들의 실례는 할로겐 종들 및 할로겐-함유 종들을 포함한다. 텅스텐-함유 재료 제거를 위해서 사용될 수 있는 초기 에천트 재료의 실례는 NF3 (tri-fluoride), CF4 (tetra-fluoro-methane), C2F4 (tetrafluoroethylene), C2F6 (hexafluoroethane), 및 C3F8 (octafluoropropane), CHF3 (tri-fluoro-methane), CF3Cl (chlorotrifluoromethane), SF6 (sulfur hexafluoride), 및 F2 (분자적 불소) 를 포함한다. 몇몇 구현예들에서, 이러한 종들이 활성화되고 라디칼 및/또는 이온을 포함한다. 예를 들어서, 초기 에천트 재료는 원격 플라즈마 생성기를 통해서 유동하거나/하고 인-시츄 플라즈마를 받을 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 텅스텐은 비-플라즈마 에턴츠 증기에 노출될 수 있다.
위에서 주어진 실례들에 추가하여서, 임의의 알려진 에천트 화학물질이 비-텅스텐-함유 막들 및 텅스텐-함유 막들을 에칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어서, NF3와 같은 불소-함유 화합물들이 TiN 및 TiC와 같은 티타늄-함유 화합물에 대해서 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, Cl2 및 BCl3 와 같은 염소-함유 화합물들이 예를 들어서 TiAl, TiAlN, 니켈 함유 화합물 및 코발트 함유 화합물을 에칭하기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 이하에서의 에칭은 주로 플라즈마 기상 에칭 및/또는 비-플라즈마 기상 에칭에 대한 것이지만, 몇몇 구현예들에서 본 방법들은 또한 습식 에칭 기법들을 사용하여서 구현될 수도 있다.
몇몇 구현예들에서, 원격으로 생성된 플라즈마가 사용될 수 있다. 특정 구현예들에서, 초기 에천트 재료 및 비활성 가스, 예를 들어서 아그론, 헬륨, 및 기타 등이 임의의 적합한 플라즈마 생성기에 공급될 수 있다. 예를 들어서, 모두가 미국 매사추세츠 엔도버 소재의 MKS Instruments 사로부터 입수가능한, ASTRON® i Type AX7670, ASTRON® e Type AX7680, ASTRON® ex Type AX7685, ASTRON® hf-s Type AX7645와 같은 원격 플라즈마 유닛들이 사용될 수 있다. 원격 플라즈마 유닛은 통상적으로 공급된 에천트를 사용하여서 약하게 이온화된 플라즈마를 생성하는 자기-수용형 장치 (self-contained device) 이다. 몇몇 구현예들에서, 고 전력 무선 주파수 RF 생성기가 플라즈마 내의 전자에 에너지를 제공한다. 이어서 이 에너지는 중성 에천트 분자들로 전달되어서 2000 K 차수의 온도로 되어서 이러한 분자들의 열적 해리를 유발시킨다. 원격 플라즈마 유닛은 그의 고 RF 에너지 및 에천트가 이러한 대부분의 에너지를 흡수하게 하는 특정 채널 기하구조로 인해서 입력되는 에천트 분자들의 60 퍼센트 이상을 해리시킬 수 있다.
몇몇 구현예들에서, 에칭이 수행되는 챔버로 전달된 원격 플라즈마 유닛으로부터 활성화된 종들은 라디칼이며 실질적으로 이온성 종들을 포함하지 않는다. 에칭에 기여하지 않는 몇몇 소수의 이온성 종들이 존재할 수 있음을 본 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다. 이러한 양은 검출될 수 없을 정도로 충분하게 작을 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 챔버로 전달된 원격 플라즈마 유닛으로부터 활성화된 종들은 라디칼 종들에 추가하여서 실질적 개수의 이온성 종들을 포함할 수 있다.
몇몇 구현예들에서, 에칭 동작들은 텅스텐이 원격으로 생성된 플라즈마 대신에 또는 추가하여서 직접형 플라즈마에 노출되도록 기판을 하우징하는 챔버 내에서 인시츄로 생성된 플라즈마를 사용할 수도 있다. 몇몇 구현예들에서, 무선 주파수 RF 플라즈마 생성기는 챔버 내의 2 개의 전극 간에서 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있다. 전극들의 실례는 예를 들어서 샤워헤드 및 페데스탈을 포함한다. 일 실례에서, 약 1 MHz 내지 100 MHz 주파수에서 약 0 W 내지 10000W 전력을 제공할 수 있는 고 주파수 HF 생성기가 사용될 수 있다. 보다 구체적인 구현예에서, HF 생성기는 약 13.56 MHz 주파수에서 약 0 W 내지 5000W 전력을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 약 100 kHz 내지 2 MHz 주파수에서 또는 약 100 kHz 내지 1 MHz 주파수에서 또는 예를 들어서 400 kHz 주파수에서 약 0 W 내지 10000W 전력을 제공할 수 있는 저 주파수 HF 생성기가 사용될 수 있다.
플라즈마 생성기는 CCP (capacitively coupled plasma) 생성기, ICP (inductively coupled plasma) 생성기, TCP (transformer coupled plasma) 생성기, ECR (electron cyclotron resonance) 생성기, 또는 헬리콘 플라즈마 생성기 (helicon plasma generator) 일 수 있다. RF 소스들에 추가하여서, 마이크로웨이브 소스가 사용될 수 있다.
다양한 구현예들에 따라서, 일부 또는 모든 에칭 동작들은 증착 및/또는 처리 동작들을 포함하는 다른 동작들이 수행되는 챔버와 동일한 챔버에서 또는 전용 에칭 챔버에서 수행될 수 있다. 전용 에칭 챔버가 사용되면, 이 챔버는 하나 이상의 다른 프로세싱 챔버의 동일한 진공 분위기에 연결되거나 별도의 진공 분위기의 일부가 될 수 있다. 예를 들어서, 미국 캘리포니아 프레몬트 소재의 Lam Research 사로부터 입수가능한, Kiyo® 도전체 에칭 모듈과 같은 TCP 에칭 모듈이 몇몇 구현예들에서 사용될 수 있다. 이러한 모듈에서 사용될 수 있는 예시적인 에천트는 NF3, CF4, SF6, CH3F, CH2F2, 및 CF4을 포함한다. 예시적인 동작 압력들은 약 30 m Torr에서 약 100 m Torr까지 이를 수 있다. 예시적인 온도들은 약 30 내지 약 120 ℃에 이를 수 있다.
다양한 구현예들에서, 증착된 텅스텐의 특정 특성이 제거되거나 특정 프로파일이 달성될때까지 에칭이 수행된다. 예를 들어서, 핀치-오프된 텅스텐이 제거되거나 심이 제거될 때까지 에칭이 진행될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 특정 에칭 프로세스에 대한 에칭 엔드포인트 파라미터들이 에칭되는 증착된 텅스텐의 양 및 프로파일 및 특정 피처 기하구조에 대하여서 모델링 및/또는 시행착오를 함으로써 결정될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 프로세서 챔버는 제거 정도를 식별하기 위해서 인-시츄 계측 측정을 수행할 수 있는 다양한 센서들을 구비할 수 있다. 인-시츄 계측의 실례는 막 두께를 결정하기 위한 광학적 마이크로스코피 및 XRF를 포함한다. 또한, 적외선 스펙트로스코피가 텅스텐 플루오라이드 (WFx) 또는 에칭 동안에 생성된 다른 부산물들의 양을 검출하는데 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 하지층이 에칭 정지 층으로서 사용될 수 있다. OES (optical emission spectroscopy) 가 또한 에칭을 모니터링하는데 사용될 수 있다.
또한, 다양한 구현예들에 따라서, 에칭 동작의 컨포멀성이 조절될 수 있다. 컨포멀 에칭은 재료가 피처 전체에 걸쳐서 균일하게 제거되는 에칭이다. 에칭 컨포멀성을 조절하는 방법들은 상술되었다. 몇몇 구현예들에서, 에칭 컨포멀성을 조절하는 것은 매스 이송 한정되는 방식으로 동작하거나 동작하지 않는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, 피처 내측에서의 제거 레이트는 피처 내로 확산되는 상이한 에칭 재료 성분들 (예를 들어서, 초기 에천트 재료, 활성화된 에천트 종들, 및 재결합된 에천트 종들) 의 양들 및/또는 상대적 조성에 의해서 한정된다. 특정 실례들에서, 에칭 레이트는 피처 내측의 상이한 위치들에서의 다양한 에천트 성분들의 농도들에 의존한다. 용어 "에칭" 및 "제거"는 본 문헌에서 상호교환가능하게 사용된다.
몇몇 구현예들에서, 리세스 에칭은 1 개 또는 2 개 또는 그 이상의 에칭 동작들에서 수행될 수 있다. 예를 들어서, 제 1 동작에서, 필드 영역에서 텅스텐을 제거하는 신속한 프로세스가 수행되고 이어서 리세스 깊이를 에칭 및 제어하기 위해서 보다 정밀하게 제어되는 프로세스가 수행된다. 일 실례에서, 상기 신속한 프로세스는 보다 높은 온도에서 보다 높은 에천트 플로우 레이트 및 보다 높은 플라즈마 전력을 사용하여서 플라즈마 기반으로 에칭을 수행할 수 있다. 예시적인 에칭 레이트는 신속한 에칭의 경우에 약 10 Å/초 내지 약 50 Å/초일 수 있다. 보다 저속이면서 보다 많이 제어되는 프로세스는 보다 낮은 에천트 플로우 레이트 및 보다 낮은 플라즈마 전력을 사용하여서 플라즈마 기반으로 에칭을 수행할 수 있다. 하지층에 대한 목표된 에칭 선택도에 따라서, 온도는 고속 에칭 동안보다 제어형 에칭 동안에 더 낮거나 그렇지 않을 수도 있다. 예시적인 에칭 레이트는 제어형 에칭의 경우에 약 3 Å/초 내지 약 20 Å/초 또는 약 3 Å/초 내지 약 10 Å/초일 수 있다.
장치
임의의 적합한 챔버가 본 신규한 방법을 구현하는데 사용될 수 있다. 증착 장치의 실례는 예를 들어서 미국 캘리포니아 프레몬트 소재의 Lam Research 사로부터 입수가능한 ALTUS 및 ALTUS Max와 같은 다양한 시스템들 또는 임의의 다양한 다른 상업적으로 입수가능한 프로세싱 시스템들을 포함한다.
도 9는 특정 실시예에 따른 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치 (900) 의 개략도이다. 장치 (900) 는 페데스탈 (920), 샤워헤드 (914) 갖는 챔버 (918), 및 인-시츄 플라즈마 생성기 (916) 를 포함한다. 장치 (900) 는 또한 다양한 장치들로 제어 신호를 공급하거나/하고 다양한 장치로부터 입력을 수신하기 위한 시스템 제어기 (922) 를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 에천트 및 비활성 가스들, 예를 들어서 아르곤, 헬륨 기타 등이 저장 탱크일 수 있는 소스 (902) 로부터 원격 플라즈마 생성기 (906) 로 공급될 수 있다. 임의의 적합한 원격 플라즈마 생성기는 에천트가 챔버 (918) 내로 도입되기 이전에 에천트를 활성화하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어서, 모두가 미국 매사추세츠 엔도버 소재의 MKS Instruments 사로부터 입수가능한, ASTRON® i Type AX7670, ASTRON® e Type AX7680, ASTRON® ex Type AX7685, ASTRON® hf-s Type AX7645와 같은 RPC (원격 플라즈마 세정) 유닛들이 사용될 수 있다. RPC 유닛들은 통상적으로 공급된 에천트를 사용하여서 약하게 이온화된 플라즈마를 생성하는 자기-수용형 장치 (self-contained device) 이다. RPC 유닛들 내에 내장된 고 전력 무선 주파수 RF 생성기가 플라즈마 내의 전자에 에너지를 제공한다. 이어서 이 에너지는 중성 에천트 분자들로 전달되어서 2000 K 차수의 온도로 되어서 이러한 분자들의 열적 해리를 유발시킨다. RPC 유닛은 그의 고 RF 에너지 및 에천트가 이러한 대부분의 에너지를 흡수하게 하는 특정 채널 기하구조로 인해서 입력되는 에천트 분자들의 60 퍼센트 이상을 해리시킬 수 있다.
특정 실시예들에서, 에천트는 원격 플라즈마 생성기 (906) 로부터 연결 라인 (908) 을 통해서 챔버 (918) 내로 유동하며, 이 챔버에서 샤워헤드 (914) 를 통해서 혼합물이 분배된다. 다른 실시예들에서, 에천트는 원격 플라즈마 생성기 (906) 를 전적으로 거치지 않고 바로 챔버 (918) 내로 유동한다 (예를 들어서, 시스템 (900) 은 이러한 생성기를 포함하지 않는다). 이와 달리, 원격 플라즈마 생성기 (906) 가 턴 오프되는 동안에 에천트가 챔버 (918) 내로 유동할 수 있는데, 예를 들어서 그 이유는 에천트 활성화가 필요없기 때문이다.
샤워헤드 (914) 또는 페데스탈 (920) 은 통상적으로 그에 부착된 내측 플라즈마 생성기 (916) 를 가질 수 있다. 일 실례에서, 생성기 (916) 는 약 1 MHz 내지 100 MHz 주파수에서 약 0 W 내지 10000W 전력을 제공할 수 있는 고 주파수 HF 생성기이다. 보다 구체적인 실시예에서, HF 생성기는 약 13.56 MHz 주파수에서 약 0 W 내지 5000W 전력을 제공할 수 있다. RF 생성기 (916) 는 초기 텅스텐 층의 제거를 촉진하도록 인-시츄 플라즈마를 생성할 수 있다. 특정 실시예들에서, RF 생성기 (916) 는 프로세스의 제거 동작 동안에 사용되지 않는다.
챔버 (918) 는 증착 정도, 에칭 정도, 농도, 압력, 온도 및 기타와 같은 다양한 프로세스 파라미터들을 감지하기 위한 센서 (924) 를 포함할 수 있다. 센서 (924) 는 프로세스 동안의 챔버 상태들에 대한 정보를 시스템 제어기 (922) 에 제공할 수 있다. 센서 (924) 의 실례는 MFC (mass flow controller), 압력 센서, 써모커플, 등을 포함한다. 센서 (924) 는 또한 챔버 내에서의 가스들의 존재를 모니터링하고 측정을 제어하기 위해서 적외선 검출기 또는 광학적 검출기를 포함할 수 있다.
증착 및 선택적 제거 동작들은 챔버 (918) 로부터 배기되는 다양한 휘발성 종들을 생성한다. 또한, 프로세싱은 챔버 (918) 내에서의 소정의 사전 결정된 압력 레벨들에서 수행된다. 이러한 기능들 모두는 진공 펌프일 수 있는 진공 유출구 (926) 를 사용하여서 달성될 수 있다.
텅스텐 함유 프리커서들 및 처리 화학물질은 페디스탈 (920) 상의 기판이 다양한 실시예들 동안에 프리커서 또는 처리 화학물질에 노출되도록 샤워헤드 (914) 로부터 챔버로 진입할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (922) 는 프로세스 파라미터들을 제어하도록 채용된다. 시스템 제어기 (922) 는 통상적으로 하나 이상의 메모리 장치 및 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 이 프로세서는 CPU, 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입출력 접속부, 스텝퍼 모터 제어기 보드 및 다른 유사한 구성 요소들을 포함한다. 통상적으로, 시스템 제어기 (922) 와 연관된 사용자 인터페이스가 존재할 수 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 프로세스 상태의 그래픽 소프트웨어 디스플레이, 포인팅 장치, 키보드, 터치 스크린, 마이크로폰 등과 같은 사용자 입력 장치를 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 시스템 제어기 (922) 는 기판 온도, 에천트 플로우 레이트, 원격 플라즈마 생성기 (906) 의 전력 출력, 챔버 (918) 내 압력, 처리 환원제 플로우 레이트, 어닐링 온도, 챔버 내로 처리 화학물질을 유동시키기 위해 제 2 벌크 텅스텐 증착의 일시중단사항, 다른 프로세스 파라미터들을 제어한다. 프로세스 파라미터들은 예를 들어서 각 동작의 타이밍, 챔버 내 압력, 기판 온도, 에천트 플로우 레이트 등과 같은 프로세스 조건들에 관한 것이다. 이러한 파라미터들은 레시피 형태로 사용자에게 제공되고 사용사 인터페이스를 통해서 입력될 수 있다. 프로세스를 모니터링하기 위한 신호가 시스템 제어기 (922) 의 아날로그 및/또는 디지털 입력 접속부에 의해서 제공될 수 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호는 장치 (900) 의 아날로그 및 디지털 출력 접속부 상에서 출력된다.
시스템 제어기 (922) 는 특정 프로세스의 타이밍, 가스 혼합사항, 챔버 압력, 챔버 온도, 다른 파라미터들을 제어하기 위한 인스트럭션들의 세트를 포함하는 시스템 제어 소프트웨어를 실행한다. 제어기와 연관된 메모리 장치들 상에 저장된 다른 컴퓨터 프로그램들이 몇몇 실시예들에서 채용될 수도 있다. 이와 달리, 제어 로직은 제어기 내에서 하드 코딩될 수 있다. ASIC (Applications Specific Integrated Circuits), PLD (Programmable Logic Devices) (예를 들어서, FPGA ( field-programmable gate arrays)) 등이 이러한 목적을 위해서 사용될 수 있다. 다음의 설명에서, "소프트웨어" 또는 "코드"가 사용되는 경우마다, 기능적으로 등가의 하드 코딩된 로직이 대신에 사용될 수 있다.
프로세스 시퀀스에서의 프로세스를 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 예를 들어서 어셈블리 언어, C, C++, 파스칼, 포트란, 또는 다른 것들과 같은 임의의 통상적인 컴퓨터 판독 가능한 프로그래밍 언어로 기록될 수 있다. 컴파일링된 객체 코드 또는 스크립이 프로그램 내에 특정된 태스크들을 수행하도록 프로세서에 의해서 실행된다. 예를 들어서, 기술된 다양한 프로세스들을 수행하는데 필요한 챔버 컴포넌트들의 동작을 제어하도록 다양한 챔버 컴포넌트 서브루틴 또는 제어 객체가 기록될 수 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 실례들은 가스 제어 코드, 압력 제어 코드 및 플라즈마 제어 코드를 포함한다. 시스템 제어 로직은 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 로직은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 설계 또는 구성될 수 있다. 구동 회로를 제어하기 위한 인스트럭션들이 하드 코딩되거나 소트트웨어로 제공될 수 있다. 인스트럭션들은 "프로그래밍"에 의해서 제공될 수도 있다. 이러한 프로그래밍은 디지털 신호 프로세서, ASIC, 및 하드웨어로서 구현되는 특정 알고리즘을 갖는 다른 디바이스들을 포함하여, 임의의 형태의 로직을 포함하는 것으로 이해된다. 프로그래밍은 또한 범용 프로세서 상에서 실행될 수 있는 소프웨어 인스트럭션 또는 펌웨어 인스트럭션을 포함하는 것으로 이해된다. 시스템 제어 소프트웨어는 임의의 적합한 컴퓨터 판독가능한 프로그래밍 언어로서 코딩될 수 있다.
도 10a는 다중 스테이션 장치 (1000) 의 실례를 도시한다. 장치 (1000) 는 프로세스 챔버 (1001) 및 프로세싱될 기판들 및 프로세싱이 완료된 기판들을 홀딩하기 위한 하나 이상의 카세트들 (1003) (예를 들어서, FOUP (Front Opening Unified Pods)) 을 포함한다. 챔버 (1001) 는 다수의 스테이션들, 예를 들어서, 2 개의 스테이션들, 3 개의 스테이션들, 4 개의 스테이션들, 5 개의 스테이션들, 6 개의 스테이션들, 7 개의 스테이션들, 8 개의 스테이션들, 9 개의 스테이션들, 10 개의 스테이션들 또는 임의의 개수의 스테이션들을 가질 수 있다. 스테이션들의 개수는 일반적으로 프로세싱 동작들의 복잡성 및 공유된 분위기에서 수행될 수 있는 동작들의 수에 의해서 결정될 수 있다. 도 10a는 참조부호 (1011 내지 1016) 로 표시된 6 개의 스테이션들을 포함하는 프로세스 챔버 (1001) 를 예시한다. 단일 프롯스 챔버 (1001) 를 갖는 다중 스테이션 장치 (1000) 내의 모든 스테이션들은 동일한 압력 분위기에 노출된다. 그러나, 각 스테이션은 지정된 반응물 분배 시스템 및 도 9에 도시된 것들과 같은, 전용 플라즈마 생성기 및 페데스탈에 의해서 달성되는 국부적 플라즈마 및 가열 조건들을 가질 수 있다.
프로세싱될 기판은 카세트 (1003) 중 하나로부터 로드-락 (1005) 을 통해서 스테이션 (1011) 으로 로딩된다. 외측 로봇 (1007) 이 기판을 카세트 (1003) 로부터 로드-락 (1005) 으로 전달하는데 사용될 수 있다. 도시된 실시예들에서, 2 개의 개별 로드 락들 (1005) 이 존재한다. 이들은 통상적으로 (일단 압력이 프로세스 챔버 (1003) 의 내부 분위기에 대응하는 압력과 평형 상태가 되면) 기판들을 로드-락 (1005) 으로부터 스테이션 (1011) 으로 그리고 프로세싱 챔버 (1003) 로부터 제거할 기판을 스테이션 (1016) 으로부터 로드-락 (1005) 으로 이동시키는 기판 전달 장치들을 구비한다. 기판들을 프로세싱 스테이션들 (1011 내지 1016) 을 따라서 전달하고 이하에서 기술되는 프로세스 동안에 기판들 몇몇을 지지하는 메카니즘 (1009) 가 사용된다.
특정 실시예들에서, 하나 이상의 스테이션들이 기판을 가열하기 위해서 예비될 수 있다. 이러한 스테이션들은 기판 위에 위치한 가열 램프 (미도시) 및/또는 도 9에서 도시된 것과 유사한 기판을 지지하는 가열 페데스탈을 가질 수 있다. 예를 들어서, 스테이션 (1011) 은 로드-락으로부터 기판을 수용하고 기판이 후속 프로세싱되기 이전에 기판을 예열하는데 사용될 수 있다. 다른 스테이션들이 증착 및 에칭 동작들을 포함하여서 고종횡비 피처들을 충진하는데 사용될 수 있다.
기판이 스테이션 (1011) 에서 가열되거나 이와 달리 처리된 후에, 기판이 순차적으로 배열되거나 그렇지 않을 수도 있는 프로세싱 스테이션들 (1012, 1013, 1014, 1015 및 1016) 로 연속하여 이동한다. 다중 스테이션 장치 (1000) 는 모든 스테이션들이 동일한 압력 분위기에 노출되도록 구성된다. 그렇게 함으로써, 기판들이 로드-락들과 같은 전송 포트들이 필요 없이 스테이션 (1011) 에서 챔버 (1001) 내의 다른 스테이션으로 전달될 수 있다.
특정 실시예들에서, 텅스텐 함유 재료들로 피처들을 충진하는데 하나 이상의 스테이션들이 사용될 수 있다. 예를 들어서, 스테이션 (1012) 이 초기 증착 동작을 위해서 사용되고, 스테이션 (1013) 이 대응하는 선택적 제거 동작을 위해서 사용될 수 있다. 증착-제거 사이클이 반복되는 실시예들에서, 스테이션 (1014) 이 다른 증착 동작을 위해서 사용되고, 스테이션 (1015) 이 다른 부분적 제거 동작을 위해서 사용될 수 있다. 스테이션 (1016) 은 최종 충진 동작을 위해서 사용될 수 있다. 특정 프로세스들 (가열, 충진 및 제거) 에 대한 스테이션 지정에 관한 임의의 구성이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 일 스테이션은 텅스텐 증착을 위해서 사용되고, 다른 스테이션들은 다수의 증착-에칭-증착 방식에서 타겟팅된 각 피처 크기 그룹을 위해서 구성되는 에칭 동작들을 위해서 사용된다. 몇몇 실시예들에서, 일 스테이션은 제 1 벌크 텅스텐 증착을 위해서 사용되고, 다른 스테이션은 에칭 동작을 위해서 사용되며, 제 2 벌크 증착 및 처리 (treatment) 동안에 웨이퍼가 일 스테이션에 있도록 제 3 스테이션이 이러한 제 2 벌크 증착 및 처리를 위해서 사용된다.
상술한 다중 스테이션 장치에 대한 대안으로서, 방법이 배치 모드 (즉, 비-순차적 모드) 로 단일 프로세싱 스테이션에서 기판(들)을 프로세싱하는 단일 기판 챔버 또는 다중 스테이션 챔버로 구현될 수 있다. 이러한 양태에서, 기판은 챔버 내로 로딩되어서 (장치가 오직 하나의 프로세싱 스테이션만을 갖는 장치든지 배치 모드로 실행되는 다중 스테이션들을 갖는 장치이든지 상관없이) 단일 프로세싱 스테이션의 페데스탈 상에 위치된다. 이어서, 기판이 가열되고 증착 동작이 수행될 수 있다. 챔버 내의 프로세스 조건들이 조절되고 이어서 증착된 층의 선택적 제거가 수행된다. 프로세스는 하나 이상의 증착-제거 사이클과 함께 계속되고 마지막으로 최종 충진 동작이 수행되며 이러한 모든 동작은 동일한 스테이션 상에서 수행된다. 이와 달리, 다수의 웨이퍼들에 대하여서 먼저 신규한 방법의 동작들 (예를 들어서, 증착, 선택적 제거, 처리, 최종 충진) 중 하나만을 수행하도록 단일 스테이션 장치가 사용되고 이후에 나머지 동작들 중 하나 이상을 수행하기 위해서 기판들이 동일한 스테이션으로 다시 돌아가거나 상이한 스테이션 (예를 들어서, 상이한 장치의 것) 으로 이동할 수 있다.
도 10a는 프로세스 툴 (1000) 의 프로세스 조건 및 하드웨어 상태를 제어하는데 사용되는 시스템 제어기 (1050) 의 실시예를 도시한다. 시스템 제어기 (1050) 는 하나 이상의 메모리 장치 (1056), 하나 이상의 대용량 저장 장치들 (1054) 및 하나 이상의 프로세서들 (1052) 를 포함한다. 프로세서들 (1052) 은 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입출력 접속부들, 스텝퍼 모터 제어기 보드 등을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (1050) 는 프로세스 툴 (1000) 의 동작들 모두를 제어한다. 시스템 제어기 (1050) 는 대용량 저장 장치 (1054) 에 저장되고 메모리 장치 (1056) 내로 로딩되어서 프로세서 (1052) 상에서 실행될 수 있는 시스템 제어 소프트웨어 (1058) 를 실행시킨다. 이와 달리, 제어 로직은 제어기 (1050) 내에서 하드 코딩될 수 있다. ASIC (Applications Specific Integrated Circuits), PLD (Programmable Logic Devices) (예를 들어서, FPGA ( field-programmable gate arrays)) 등이 이러한 목적을 위해서 사용될 수 있다. 다음의 설명에서, "소프트웨어" 또는 "코드"가 사용되는 경우마다, 기능적으로 등가의 하드 코딩된 로직이 대신에 사용될 수 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (1058) 는 프로세스 툴 (1000) 에 의해서 수행되는 특정 프로세스의 타이밍, 가스의 혼합사항, 서브-포화된 (sub-saturated) 가스 흐름의 양, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 웨이어 온도, 타겟 전력 레벨, RF 전력 레벨, 기판 페데스탈, 척 및/또는 서스셉터 (susceptor) 위치, 처리 화학물질, 각 크기의 피처 그룹에 대한 에칭 화학물질, 및 다른 파라미터들을 제어하는 인스트럭션들을 포함할 수 있다. 이 시스템 제어 소프트웨어 (1058) 는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어서, 다양한 프로세스 툴의 프로세스를 실행시키는데 필요한 프로세스 툴 구성 요소들의 동작을 제어하도록 다양한 프로세스 툴 구성 요소 서브루틴 또는 제어 객체가 기록될 수 있다. 이 시스템 제어 소프트웨어 (1058) 는 임의의 적합한 컴퓨터 판독 가능한 프로그래밍 언어로서 코딩될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어 소프트웨어 (1058) 는 상술한 바와 같은 다양한 파라미터를 제어하기 위한 인스트럭션들을 시퀀싱하는 IOC (input/output control) 를 포함한다. 시스템 제어기 (1050) 와 연관된 대용량 저장 장치 (1054) 및/또는 메모리 장치 (1056) 에 저장된 다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램들이 몇몇 실시예들에서 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 실례들은 기판 포지셔닝 프로그램, 프로세스 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 가열기 제어 프로그램, 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.
기판 포지션닝 프로그램은 기판을 페디스탈 (1001) 상에 로딩하고 이 기판과 프로세스 툴 (1000) 의 다른 구성 요소 간의 이격 정도를 제어하도록 사용되는 프로세트 툴 컴포넌트들에 대한 프로그램 코드를 포함할 수 있다.
프로세스 가스 제어 프로그램은 가스 조성 (예를 들어서, TMA, 암모니아, 본 명세서에서 기술된 바와 같은 퍼지 가스) 및 플로우 레이트를 제어하고 선택 사양적으로는 프로세스 스테이션 내의 압력을 안정화시키기 위해서 증착 이전에 가스를 하나 이상의 프로세스 스테이션 내로 유입시키기 위한 코드를 포함할 수 있다. 압력 제어 프로그램은 예를 들어서 프로세스 스테이션 내로의 가스 플로우 또는 프로세스 스테이션의 배기 시스템 내의 쓰로틀 밸브를 조절함으로써 프로세스 스테이션 내의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다.
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.
플라즈마 제어 프로그램은 본 명세서에서 개시된 실시예들에 따라서 하나 이상의 프로세스 스테이션 내의 RF 전력 레벨 및 노출 시간을 설정하기 위한 코드를 포함할 수 있다.
압력 제어 프로그램은 본 명세서에서의 실시예들에 따라서 반응 챔버 내의 압력을 유지하기 위한 코드를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (1050) 와 연관된 사용자 인터페이스가 존재할 수 있다. 이 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 프로세스 상태의 그래픽 소프트웨어 디스플레이 및 포인팅 장치, 키보드, 터치 스크린, 마이크폰 등과 같은 사용자 입력 장치를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (1050) 에 의해서 조절되는 파라미터들은 프로세스 조건과 관련될 수 있다. 비한정적 실례들은 프로세스 가스 조성 및 플로우 레이트, 온도, 압력, (RF 바이어스 전력 레벨과 같은) 플라즈마 조건, 등을 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들은 사용자 인터페이스를 사용하여서 입력될 수 있는 레시피의 형태로 해서 사용자에게 제공될 수 있다.
이러한 프로세스를 모니터링하기 위한 신호가 다양한 프로세스 툴 센서로부터 시스템 제어기 (1050) 의 아날로그 및/또는 디지털 입력 접속부들에 의해서 제공될 수 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호는 프로세스 툴 (1000) 의 아날로그 출력 접속부 및 디지털 출력 접속부 상에 출력될 수 있다. 모니터링될 수 있는 이러한 프로세스 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 프로세스 조건들을 관리할 수 있다.
시스템 제어기 (1050) 는 상술된 증착 프로세스들을 구현하기 위한 프로그램 인스트럭션들을 제공할 수 있다. 이러한 프로그램 인스트럭션들은 DC 전력 레벨, RF 바이어스 전력 레벨, 압력, 온도 등과 같은 다양한 프로세스 파라미터들을 제어할 수 있다. 이 인스트럭션들은 본 명세서에서 개시된 다양한 실시예들에 따른 막 스택의 인 시츄 증착 (in-situ deposition) 을 동작시키도록 이러한 파라미터들을 제어할 수 있다.
시스템 제어기는 통상적으로 하나 이상의 메모리 장치 및 본 개시된 실시예들에 따른 방법을 본 장치가 수행하도록 하는 인스트럭션들을 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 본 개시된 실시예들에 따른 프로세스 동작들을 제어하기 위한 인스트럭션들을 포함하는 머신 판독 가능한 비일시적 매체가 이 시스템 제어기에 연결될 수 있다.
본 명세서에서 상술한 장치/프로세스은 예를 들어서 반도체 소자, 디스플레이, LED, 광전 패널 등의 제조 또는 가공을 위한 리소그래피 패터닝 툴 또는 프로세스와 함께 사용될 수 있다. 통상적으로, 이러한 툴들/프로세스들은 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 기판과 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.
도 10b는 특정 실시예들에 따라서 사용될 수 있는 다중-챔버 장치 (1020) 의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 장치 (1020) 는 3 개의 개별 챔버들 (1021, 1023, 및 1025) 을 갖는다. 이러한 챔버들 각각은 2 개의 페데스탈을 갖는 것으로 예시된다. 장치는 임의의 개수의 챔버들 (예를 들어서, 1 개, 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 등) 을 가질 수 있으며, 각 챔버는 임의의 개수의 페데스탈들 (예를 들어서, 1 개, 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 등) 을 가질 수 있음이 이해되어야 한다. 챔버들 (1021, 1023, 및 1025) 각각은 챔버들 간에서 공유되지 않은 그의 자신의 압력 분위기를 갖는다. 각 챔버는 하나 이상의 대응하는 전달 포트들 (예를 들어서, 로드-락들) 을 가질 수 있다. 장치는 또한 전달 포트들과 하나 이상의 카세트들 (1029) 간에서 기판들을 전달하기 위한 공유형 기판 핸들링 로봇 (1027) 을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 개별 챔버들은 텅스텐 함유 재료들을 증착하고 이후 동작들에서 이러한 증착된 재료들을 선택적으로 제거하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 2 개의 동작들을 상이한 챔버들로 분할하면 각 챔버에서 동일한 분위기 조건들을 유지함으로써 프로세싱 속도를 실질적으로 개선하는데 도움이 될 수 있다. 달리 말하면, 챔버가 그의 분위기를 증착용 조건에서 선택적 제거용 조건으로 또는 이 역으로 변화시킬 필요가 없는데, 이러한 2 개의 조건들 간에서는 프리커서들, 처리 화학물질, 온도, 압력 및 다른 프로세스 파라미터들이 상이하다. 특정 실시예들에서, 이러한 2 개 이상의 상이한 챔버들의 분위기 조건들을 변경하는 것보다 이러한 챔버들 간에 부분적으로 제조된 반도체 기판들을 전달하는 것이 더 신속하다.
결론
전술한 실시예들은 이해의 명료성을 위해서 어느 정도 세부적으로 기술되었지만, 특정 변경들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있음이 자명하다. 본 실시예들의 프로세스들, 시스템들 및 장치들을 구현하는 수많은 다른 방식들이 존재한다는 것도 주목되어야 한다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이면서 비한정적으로 해석되어야 하며 실시예들은 본 명세서에서 주어진 세부사항들로 한정되지 않는다.
Claims (20)
- 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
(i) 상이한 크기의 오프닝들 (openings) 을 갖는 피처들을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
(ii) 상기 피처들을 부분적으로 충진하도록 상기 피처들 내에 제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하는 단계;
(iii) 에칭된 텅스텐 층이 상기 피처들에 남도록 상기 제 1 벌크 텅스텐 층의 비컨포멀 에칭 (nonconformal etch) 을 수행하는 단계로서, 상기 피처들의 내부에서보다 상기 피처들의 상단으로부터 보다 많은 텅스텐을 제거하는 것을 포함하는, 상기 비컨포멀 에칭을 수행하는 단계; 및
(iv) 상기 에칭된 텅스텐 층 상에 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계를 포함하며,
상기 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계는 보다 작은 피처들이 충진될 때에 상기 에칭된 텅스텐 층을 처리하도록 중단되는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 상기 기판을 환원제에 노출시키는 것을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 환원제는 보란, 실란, 및 수소로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 상기 기판을 질소에 노출시키는 것을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 상기 기판을 어닐링하는 것을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에칭된 텅스텐 층을 처리하는 것은 상기 기판 상에 베리어 층 (barrier layer) 을 증착하는 것을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 베리어 층은 텅스텐 질화물을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상이한 크기의 오프닝들은 약 1 nm 내지 약 1 마이크론의 오프닝들을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 피처들은 약 20 개의 상이한 크기들의 오프닝들을 갖는 피처들을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
(i) 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 및 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹을 갖는 피처들을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
(ii) 상기 피처들 내에 제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하는 단계;
(iii) 제 1 온도에서 상기 제 1 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하는 단계;
(iv) 상기 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 중 하나를 충진하고 나머지 피처들 (the other features) 을 적어도 부분적으로 충진하도록 상기 에칭된 텅스텐 층 상에 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계;
(v) 제 2 온도에서 상기 제 2 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하는 단계; 및
(vi) 상기 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 중 하나를 충진하도록 상기 에칭된 제 2 텅스텐 층 상에 제 3 벌크 텅스텐 층을 증착하는 단계를 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 낮은,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 높은,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각 및 상기 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 적어도 하나의 피처 크기를 갖는 피처들을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 하나의 피처를 포함하며, 상기 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹 각각은 하나의 피처를 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 소형 피처들의 적어도 하나의 그룹은 약 1 nm 내지 약 2 nm의 오프닝을 갖는 피처들을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 대형 피처들의 적어도 하나의 그룹은 약 100 nm 내지 약 1 마이크론의 오프닝을 갖는 피처들을 포함하는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 제 10 항에 있어서,
가장 큰 피처들을 갖는 그룹 내의 가장 큰 피처는 가장 작은 피처들을 갖는 그룹 내의 가장 큰 피처의 임계 치수보다 적어도 5 배 큰 임계 치수를 갖는,
반도체 기판 프로세싱 방법.
- 반도체 기판을 프로세싱하는 장치로서,
샤워헤드 및 기판 지지부를 포함하는 프로세스 챔버; 및
적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하며,
상기 적어도 하나의 프로세서와 상기 메모리는 서로 통신가능하게 접속되며,
상기 적어도 하나의 프로세서는 플로우-제어 하드웨어에 적어도 동작가능하게 접속되며,
상기 메모리는,
제 1 벌크 (bulk) 텅스텐 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 상기 프로세스 챔버에 도입하고;
에칭된 텅스텐 층이 기판 상의 피처들에 남게 상기 제 1 벌크 텅스텐 층의 일부를 에칭하도록 상기 프로세스 챔버에 불소-함유 에천트를 도입하며;
제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하도록 텅스텐-함유 프리커서 및 환원제를 상기 프로세스 챔버에 도입하고;
사전결정된 시간에 상기 제 2 벌크 텅스텐 층 증착을 일시적으로 중단하고;
상기 프로세스 챔버로 처리 화학물질 (treatment reagent) 을 도입하며;
상기 프로세스 챔버로 상기 처리 화학물질을 도입하는 것을 중단하며;
상기 제 2 벌크 텅스텐 층을 증착하도록 상기 텅스텐-함유 프리커서 및 상기 환원제를 상기 프로세스 챔버에 도입하는 것을 재개하기 위한,
머신-판독가능한 인스트럭션들을 저장하는,
반도체 기판 프로세싱 장치.
- 제 18 항에 있어서,
상기 처리 화학물질은 보란, 실란, 및 수소로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
반도체 기판 프로세싱 장치.
- 제 18 항에 있어서,
상기 사전결정된 시간은 상기 기판 상의 소형 피처들이 충진된 때인,
반도체 기판 프로세싱 장치.
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