KR20160061890A - 암모니아 프리 및 염소 프리 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법 - Google Patents

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Abstract

디실란과 같은 할로겐-프리, N-H-결합-프리 및 탄소-프리 실리콘-함유 전구체로의 노출, 전구체의 퍼징, 질소 플라즈마로의 노출 및 저온에서 플라즈마의 퍼징에 의해 원자층 증착을 사용하여 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막들을 증착하는 방법들이 본 명세서에 제공된다. 적어도 13.56 MHz 또는 적어도 27 MHz의 주파수를 갖는 플라즈마와 같은, 고주파수 플라즈마가 사용된다. 방법들은 트렌치들 또는 피처들 내와 같은, 반도체 디바이스들 내에서의 증착 또는 메모리 캡슐화에 적합한 실질적으로 순수한 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막들을 산출한다.

Description

암모니아 프리 및 염소 프리 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법{METHOD OF DEPOSITING AMMONIA FREE AND CHLORINE FREE CONFORMAL SILICON NITRIDE FILM}
실리콘 나이트라이드 (SiN) 박막들은 고유한 물리적 특성, 화학적 특성 및 기계적 특성을 가지고, 따라서 다양한 애플리케이션들, 특히 반도체 디바이스들, 예를 들어, 확산 배리어들, 게이트 절연체들, 측벽 스페이서들, 캡슐화 층들, 트랜지스터들 내에서 변형된 막들, 등에 사용된다. 종래의 SiN 막들은 상대적으로 고온, 예컨대 FEOL (Front End of Line) 애플리케이션들에서 증착되었다. 예를 들어, SiN 막들은 통상적으로 디클로로실란 및 암모니아를 사용하여 750 ℃보다 높은 온도의 반응기 내에서 CVD (chemical vapor deposition) 에 의해 증착되었다. 그러나, SiN 막들이 말기 반도체 제조 프로세스들에서 사용되기 때문에, 그리고 치수들이 계속해서 축소됨에 따라, SiN 막들이 보다 낮은 온도, 예를 들어, 600 ℃ 미만에서 형성되는 것에 대한 요구가 증가하고 있다.
실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법들이 본 명세서에 제공된다. 일 양태는, (a) 기판 표면 상에 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층의 형성을 허용하는 조건들 하에서 실리콘-함유 전구체에 기판을 노출시키는 단계, 및 (b) 실리콘 나이트라이드 막을 형성하도록 흡착된 층을 질소 (N2) 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하고, 실리콘-함유 전구체는 N-H 결합-프리인, 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법을 포함한다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 할로겐-프리이다. 다양한 실시예들에서, 캐리어 가스는 (a) 내지 (b) 동안 내내 흐른다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 탄소-프리이다. 일부 실시예들에서, 캐리어 가스는 수소-프리이다.
일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 실란, 디실란, 트리실란, 테트라실란, 및 트리실릴아민으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 약 12:4 내지 약 12:5의 수소에 대한 실리콘 비를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 프로세스 온도는 약 250 ℃ 미만이다.
방법은 또한 (c) 단계 (a) 및 (b) 를 반복하는 단계, 및 (d) 기판을 수소-함유 플라즈마에 주기적으로 노출시키는 단계를 포함할 수도 있다. 기판은 약 0.05 초 내지 약 60 초의 시간 동안 수소-함유 플라즈마에 노출될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계는, 기판을 수소-함유 가스에 노출시키는 것 및 플라즈마를 점화하는 것을 포함하고, 수소-함유 가스는 암모니아, 수소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
다양한 실시예들에서, 플라즈마의 주파수는 적어도 약 13.56 ㎒이다. 일부 실시예들에서, 플라즈마의 주파수는 약 27 ㎒이다.
일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 기판 표면의 약 60 ％ 미만에 흡착된다. 단계 (a) 에서 기판 표면 상의 흡착된 층은 약 0.5 Å 미만의 두께일 수도 있다.
또다른 양태는, (a) 기판 표면 상에 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층의 형성을 허용하는 조건들 하에서 실리콘-함유 전구체에 기판을 노출시키는 단계, 및 (b) 실리콘 나이트라이드 막을 형성하도록 흡착된 층을 질소 (N2) 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하고, 실리콘-함유 전구체는 적어도 약 75 ％의 무극성 공유 결합들을 포함하는, 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법을 포함한다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 트리실릴아민이다.
방법은 또한 (c) 단계 (a) 및 (b) 를 반복하는 단계, 및 (d) 기판을 수소-함유 플라즈마에 주기적으로 노출시키는 단계를 포함할 수도 있다. 기판은 약 0.05 초 내지 약 60 초의 시간 동안 수소-함유 플라즈마에 노출될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계는, 기판을 수소-함유 가스에 노출시키는 것 및 플라즈마를 점화하는 것을 포함하고, 수소-함유 가스는 암모니아, 수소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다양한 실시예들에서, 단계 (a) 에서 기판 표면 상에 흡착된 층은 약 0.5 Å 미만의 두께이다.
이들 및 다른 양태들이 도면들을 참조하여 이하에 더 기술된다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 방법의 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도이다.
도 2는 개시된 실시예들에 따른 방법의 사이클들의 예를 도시하는 타이밍 시퀀스도이다.
도 3은 개시된 실시예들을 수행하기 위한 예시적인 프로세스 스테이션의 개략도이다.
도 4는 개시된 실시예들을 수행하기 위한 예시적인 프로세스 툴의 개략도이다.
도 5는 실험 데이터로부터 막들의 푸리에 편환 적외선 스펙트럼이다.
이하의 기술에서, 다수의 구체적인 상세들이 본 실시예들의 전체적인 이해를 제공하기 위해 언급된다. 개시된 실시예들은 이들 구체적인 상세들 중 일부 또는 전부 없이도 실시될 수도 있다. 다른 예들에서, 공지의 프로세스 동작들은 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다. 개시된 실시예들이 구체적인 실시예들에 관하여 기술되지만, 이는 개시된 실시예들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
실리콘 나이트라이드는 반도체 디바이스 제조시 확산 배리어들, 게이트 절연체들, 측벽 스페이서들, 및 캡슐화층들로서 사용될 수도 있다. 특히, 일부 반도체 디바이스들에서, 탄소층은 가열될 때 개질되는 상변화층 상에 증착될 수도 있다. 가열될 때, 대미지를 입은 상변화층은 상들이 변화되지 않을 수도 있다. 이 상변화층은 또한 광에 민감할 수도 있다. 상변화층에 대한 임의의 대미지를 방지하기 위해, 실리콘 나이트라이드일 수도 있는, 컨포멀 메모리 캡슐화층이 상변화층 상에 증착된다. 메모리 캡슐화는 다른 화합물들에 어떠한 오염도 시키지 않고 디바이스에 대미지를 주는 것을 회피하기 위해 저온에서 증착된다. 컨포멀 실리콘 나이트라이드층들은 또한 다른 애플리케이션들에 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 고분자량, 할로겐-프리, 탄소-프리 실리콘-함유 전구체들, 및 질소 플라즈마를 사용하여 ALD (atomic layer deposition) 에 의해 컨포멀 실리콘 나이트라이드를 증착하는 방법들이 제공된다. 일부 실시예들에서, 전구체들은 또한 N-H 결합 프리이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 용어 "질소 플라즈마"는 리모트 플라즈마 생성기 또는 인-시츄 플라즈마 생성기를 사용하여 질소 (N2) 가스를 점화함으로써 생성된 플라즈마를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 증착된 실리콘 나이트라이드 막들은 탄소 오염 및 할로겐 오염을 갖지 않는다.
증착된 막들은 매우 컨포멀할 수도 있다. 막들의 컨포멀성은 단차 커버리지에 의해 측정될 수도 있다. 단차 커버리지는 피처의 하단부, 또는 측벽, 또는 상단부 상에 증착된 막의 평균 두께로 피처의 하단부, 측벽, 또는 상단부 상에 증착된 막의 평균 두께를 비교함으로써 산출될 수도 있다. 예를 들어, 단차 커버리지는 피처의 상단부에 증착된 막의 평균 두께로 측벽 상에 증착된 막의 평균 두께를 나누고 백분율을 얻기 위해 100을 곱함으로써 산출될 수도 있다.
본 명세서에 제공된 방법들은 ALD에 의한 증착을 수반한다. CVD (chemical vapor deposition) 기법과 달리, ALD 프로세스들은 층-단위 기준 (layer-by-layer basis) 으로 막들을 증착하기 위해 표면-매개된 증착 반응들을 사용한다. ALD 프로세스의 일 예에서, 표면 활성 사이트들의 집단을 포함하는, 기판 표면은 기판을 하우징하는 프로세스 스테이션으로 제공된 도즈 내의, 실리콘-함유 전구체와 같은, 가스 상 분포의 제 1 전구체에 노출된다. 이 제 1 전구체의 분자들은 제 1 전구체의 화학 흡착된 종 및/또는 물리흡착된 분자들을 포함하는 기판 표면 상에 흡착된다. 화합물이 본 명세서에 기술된 바와 같이 기판 표면 상에 흡착될 때, 흡착된 층은 화합물뿐만 아니라 화합물의 유도체들을 포함할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층은 실리콘-함유 전구체뿐만 아니라 실리콘-함유 전구체의 유도체들을 포함할 수도 있다. 특정한 실시예들에서, ALD 전구체 도즈는 기판 표면을 부분적으로 포화시킨다. 일부 실시예들에서, ALD 사이클의 도즈 페이즈는 전구체가 표면을 균일하게 포화시키기 위해 기판에 콘택트하기 전에 종료된다. 통상적으로, 전구체 플로우는 이 지점에서 턴오프되거나 방향 전환되고, 퍼지 가스만이 흐른다. 이 반-포화 (sub-saturation) 레짐에서 동작함으로써, ALD 프로세스는 사이클 시간을 감소시키고 처리량을 증가시킨다. 그러나, 전구체 흡착이 포화 제한되지 않기 때문에, 흡착된 전구체 농도는 기판 표면에 걸쳐 약간씩 가변할 수도 있다. 반-포화 레짐에서 동작하는 ALD 프로세스들의 예들은, 본 명세서에 전체가 참조로서 인용된, 명칭이 "SUB-SATURATED ATOMIC LAYER DEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION"인, 2013년 10월 23일 출원된 미국 특허 출원번호 제 14/061,587 호에 제공된다. 제 1 전구체 도즈 후에, 이어서 반응기는 흡착된 종만 남도록 가스 상으로 남아 있는 모든 제 1 전구체를 제거하기 위해 배기된다. 질소-함유 반응물질과 같은, 제 2 반응 물질은 이들 분자들 중 일부가 표면 상에 흡착된 제 1 전구체와 반응하도록 반응기 내로 도입된다. 일부 프로세스들에서, 제 2 전구체는 흡착된 제 1 전구체와 즉시 반응한다. 다른 실시예들에서, 제 2 전구체는 활성화 소스가 인가된 후에만 일시적으로 반응한다. 이어서 반응기는 결합되지 않은 제 2 전구체 분자들을 제거하기 위해 다시 배기될 수도 있다. 부가적인 ALD 사이클들이 막 두께를 구축하기 위해 사용될 수도 있다.
일부 구현예들에서, ALD 방법들은 플라즈마 활성화를 포함한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 명세서에 기술된 ALD 방법 및 장치들은 대체로, 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된, 명칭이 "PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION"이고 2011년 4월 11일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 13/084,399 호 (현재 미국 특허 제 8,728,956 호) 및 명칭이 "SILICON NITRIDE FILMS AND METHODS"인 2011년 4월 11일 미국 특허 출원 제 13/084,305 호에 기술된, CFD (conformal film deposition) 방법들일 수도 있다.
개시된 실시예들은 저온에서 질소 플라즈마와 반응하도록 충분히 반응성인 실리콘 전구체의 흡착된 층을 형성하는 방법들을 포함한다. 방법들은 실리콘 전구체가 기판 표면 상에 흡착되는, ALD (atomic layer deposition) 프로세스들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 개시된 방법들은 약 250 ℃ 미만, 예컨대 약 200 ℃의 온도에서 수행될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 페데스탈은 약 250 ℃ 미만의 온도로 설정된다. 일부 실시예들에서, 방법은 보다 높은 온도, 예컨대 약 250 ℃ 초과, 또는 300 ℃ 초과에서 수행된다. 일반적으로, 보다 높은 증착 온도는 보다 높은 단차 커버리지를 발생시키지만, 온도는 디바이스 상에 임의의 존재하는 층들에 대미지를 주는 것을 회피하도록 디바이스에 의해 제한될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 방법들은 약 0.1 Torr 내지 약 20 Torr의 압력으로 수행될 수도 있다. 이하의 예에서, 플로우 레이트들은 다수의 프로세스 스테이션들을 포함할 수도 있는 180 L 챔버에 대해 제공된다. 일부 경우들에서, 반응기 구성에 따라, 플로우 레이트들은 상이한 볼륨들을 수용하도록 스케일링될 수도 있다. 본 명세서에 기술된 실시예들은 또한, 보다 낮은 습식 에칭 레이트로 실리콘 나이트라이드 막을 형성하는 것을 돕는, 보다 높은 주파수의 플라즈마들에서 동작할 수도 있다. 많은 실시예들에서, 실리콘 나이트라이드 막들은 본 명세서에 기술된 바와 같이 ALD 사이클들에서 증착된다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위한 동작들을 도시하는 프로세스 흐름도의 예이다. 도 2는 개시된 실시예들에 따른 예시적인 펄스들의 타이밍 시퀀스도이다. 도 2는 캐리어 가스 플로우, 실리콘-전구체 플로우, 플라즈마, 및 질소 플로우와 같은 다양한 프로세스 파라미터들에 대한 예시적인 ALD 프로세스 (200) 의 페이즈들을 도시한다. 도 2에서, 예시적인 캐리어 가스로서 아르곤이 나타나고, 디실란은 실리콘-전구체의 예를 나타낸다. 선들은 플로우 또는 플라즈마가 턴온 및 턴오프된 때를 나타낸다. 예시적인 프로세스 파라미터들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 불활성 종 및 반응 종에 대한 플로우 레이트들, 플라즈마 전력 및 주파수, 기판 온도, 및 프로세스 스테이션 압력을 포함한다. 도 1 및 도 2는 함께 이하에서 기술될 것이다.
도 1의 동작 101에서, 기판이 프로세스 스테이션에 제공된다. 기판은 실리콘 웨이퍼, 예를 들어, 유전체 재료, 도전 재료, 또는 반도전 재료가 그 위에 증착된 하나 이상의 재료의 층들을 갖는 웨이퍼들을 포함하는, 200-㎜ 웨이퍼, 300-㎜ 웨이퍼, 또는 450-㎜ 웨이퍼일 수도 있다. 기판은 하나 이상의 좁고 및/또는 재차 들어간 개구부들, 피처 내의 압축들, 및 고 종횡비들 중 하나 이상에 의해 특징화될 수도 있는, 비아 또는 콘택트 홀들과 같은 "피처들"을 가질 수도 있다. 피처는 하나 이상의 상기 기술된 층들 내에 형성될 수도 있다. 피처의 일 예는 반도체 기판 또는 기판 상의 층 내의 비아 또는 홀이다. 또다른 예는 기판 또는 층 내의 트렌치이다. 다양한 실시예들에서, 피처는 배리어층 또는 접착층과 같은, 하부층 (under-layer) 을 가질 수도 있다. 하부층들의 비한정적인 예들은 유전체층들 및 도전층들, 예를 들어, 실리콘 옥사이드들, 실리콘 나이트라이드들, 실리콘 카바이드들, 금속 옥사이드들, 금속 나이트라이드들, 금속 카바이드들, 및 금속층들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 피처는 적어도 약 2:1, 적어도 약 4:1, 적어도 약 6:1, 적어도 약 10:1, 이상의 종횡비를 가질 수도 있다. 피처는 개구에 가까운 치수, 예를 들어, 약 10 ㎚ 내지 500 ㎚, 예를 들어 약 25 ㎚ 내지 300 ㎚의 개구 직경 또는 선 폭을 가질 수도 있다. 개시된 방법들은 약 150 ㎚ 미만의 개구를 갖는 피처들을 갖는 기판들 상에서 수행될 수도 있다. 피처 비아 또는 트렌치는 충진되지 않은 피처 또는 피처로서 참조될 수도 있다. 재차 들어간 프로파일을 가질 수도 있는 피처는, 하단의, 폐쇄된 단부, 또는 피처의 내부로부터 피처 개구부로 좁아진다.
도 1의 동작들 103 내지 109 동안, 불활성 가스가 흐를 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 불활성 가스는 캐리어 가스로서 사용된다. 예시적인 캐리어 가스들은 아르곤 (Ar), 헬륨 (He), 및 네온 (Ne) 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 캐리어 가스는 수소가 증착된 실리콘 나이트라이드 막에 거의 포함되지 않거나 전혀 포함되지 않도록 수소가 아니다. 일부 실시예들에서, 수소-함유 캐리어 가스가 사용될 수도 있다. 도 2의 예시적인 시퀀스는 전체 프로세스 동안 계속해서 흐르는 예시적인 캐리어 가스로서 아르곤을 사용한다. 불활성 가스는 프로세스 챔버의 압력 및/또는 온도 제어로 액체 반응물질의 기화, 반응물질의 보다 신속한 전달을 보조하기 위해 및/또는 프로세스 챔버 및/또는 프로세스 챔버 플럼빙으로부터 프로세스 가스들을 제거하기 위한 스윕핑 가스로서 제공될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 질소는 동작들 103 내지 109 내내 흐를 수도 있고, 이하에 기술되는 바와 같이 동작 107에서 질소 플라즈마로서 점화된다.
도 1의 동작 103에서, 기판은 기판 표면 상에 흡착된 실리콘-함유 전구체에 노출된다. 이 동작은 ALD 사이클의 일부일 수도 있다. ALD "사이클"의 개념은 본 명세서의 다양한 실시예들의 논의와 관련된다. 일반적으로 사이클은 표면 증착 반응을 한번 수행하도록 사용된 동작들의 최소 세트이다. 1 사이클의 결과는 기판 표면 상의 적어도 부분적인 실리콘 나이트라이드 막층의 생성이다. 통상적으로, ALD 사이클은 적어도 하나의 반응물질을 기판 표면으로 전달하고 흡착시키고, 이어서 부분적인 막층을 형성하도록 하나 이상의 반응물질들과 흡착된 반응물질을 반응시키는 동작을 포함한다. 사이클은 반응물질들 또는 부산물들 중 하나의 스윕핑 및/또는 증착된 부분적인 막의 처리와 같은 특정한 보조 동작들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 사이클은 동작들의 고유한 시퀀스의 일 예를 포함한다. 예로서, 사이클은 다음의 동작들: (i) 실리콘-함유 전구체의 전달/흡착, (ii) 스테이션으로부터 실리콘-함유 전구체의 퍼지, (iii) 질소 플라즈마의 전달, 및 (iv) 스테이션으로부터 플라즈마의 퍼지를 포함할 수도 있다.
임의의 적합한 수의 증착 사이클들이 목표된 막 두께의 실리콘 나이트라이드를 증착하기 위해 ALD 프로세스에 포함될 수도 있다. 도 2의 타이밍 시퀀스는 2개의 증착 사이클들, 210A 및 210B로 도 1의 다양한 동작들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 사이클 각각에서, 기판은 도 1의 동작 103에 대해 상기 기술된 바와 같이 디실란에 노출된다. 예를 들어, 증착 사이클 210A 동안, 기판은 디실란 노출 페이즈 220A 동안 디실란에 노출되고, 증착 사이클 210B 동안, 기판은 디실란 노출 페이즈 220B 동안 디실란에 노출된다. 디실란 노출 페이즈들 220A 및 220B 동안, 플라즈마는 턴오프되고, 질소가 스테이션으로 흐르지 않고, 그리고 아르곤과 같은 캐리어 가스는 계속해서 흐른다는 것을 주의한다. 기판은 플로우 레이트 및 기판 표면적에 따라, 약 0.2초 내지 약 6초의 시간 동안 실리콘-함유 전구체에 노출될 수도 있다.
도 1로 돌아가서, 동작 103 동안, 기판은 흡착된 층을 형성하기 위해 실리콘-함유 전구체가 기판 표면 상에 흡착되도록 실리콘-함유 전구체에 노출된다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는, 일단 활성 사이트들이 실리콘-함유 전구체에 의해 점유되면, 부가적인 실리콘-함유 전구체가 기판 표면 상에 거의 또는 전혀 흡착되지 않도록, 자기-제한 방식으로 기판 표면 상에 흡착된다. 예를 들어, 실리콘-함유 전구체들은 기판 표면의 약 60 ％에 흡착될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체가 스테이션으로 흐를 때, 실리콘-함유 전구체는 기판의 표면 상의 활성 사이트들 상에 흡착되고, 표면 상에 실리콘-함유 전구체의 박층을 형성한다. 다양한 실시예들에서, 이 층은 모노레이어보다 작을 수도 있고, 약 0.2 Å 내지 약 0.4 Å의 두께를 가질 수도 있다. 본 명세서에 제공된 방법들은 약 450 ℃ 미만의 온도로 수행될 수도 있다. 약 450 ℃보다 높은 프로세스 온도들에서, 일부 실리콘-함유 전구체들은 실리콘층을 형성하도록 분해될 수도 있다.
CVD 또는 CVD-유사 프로세스와 달리, 실리콘-함유 전구체는 실리콘층을 형성하도록 분해되지 않는다. 다양한 실시예들에서, 동작 103은 모든 활성 사이트들이 실리콘-함유 전구체에 의해 점유되지 않도록 수행된다.
일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 어떠한 N-H 결합들도 포함하지 않고, 1차 아민 또는 2차 아민을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 NH3 기들을 갖지 않는다. 다양한 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 할로겐-프리이다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 탄소-프리이다. 일부 실시예들에서, 실리콘-전구체는 N-H 결합 프리이다. 실리콘-함유 전구체는 또한 약 12:3 내지 약 12:5의 실리콘에 대한 수소의 원자비를 가질 수도 있다.
일반적으로, 본 명세서에 기술된 방법들에 사용된 바와 같은 실리콘-함유 전구체들은 전자-공여기 또는 전자-유인기를 갖지 않는다. 특정한 이론에 메이지 않고, 전자-공여기 또는 전자-유인기를 갖지 않는 실리콘-함유 전구체들은 실리콘-질소 결합들을 형성하도록 보다 반응성일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 고도의 극성 결합들은 포함하지 않는다. 기판의 흡착된 표면층은 플라즈마와 반응하기 위해 기판 표면으로부터 연장하는 무극성 공유 결합들을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체는 약 75 ％보다 많은 무극성 공유 결합들을 포함한다. 예를 들어, 트리실릴아민은 3개의 극성 공유 Si-N 결합들 및 9개의 비극성 공유 Si-H 결합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 실리콘-함유 전구체의 말단들의 결합에서 2개의 원자들 사이의 전기음성도 차는 Pauling 스케일로 0.5미만이다.
개시된 실시예들에 따른 용도에 적합한 예시적인 실리콘-함유 전구체들은 실란, 디실란, 트리실란, 테트라실란 및 트리실릴아민과 같은 폴리실란들 (H3Si-(SiH2)n-SiH3) 을 포함하고, 여기서 n ≥ 1이다:
Figure pat00001
도 1로 돌아가면, 동작 105에서, 프로세스 스테이션은 기판의 표면 상에 흡착되지 않은 가스 상의 과도한 실리콘-함유 전구체를 제거하기 위해 선택적으로 퍼지된다. 퍼지는 다른 동작들에서 사용된 캐리어 가스 또는 상이한 가스일 수도 있는, 스윕핑 가스를 수반할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 퍼지는 챔버를 배기하는 것을 수반할 수도 있다. 도 1의 동작 105는 디실란 플로우가 턴오프되고, 플라즈마가 점화되지 않고, 그리고 질소가 스테이션으로 공급되지 않는, 도 2의 퍼지 페이즈 240A 또는 퍼지 페이즈 240B에 대응할 수도 있다. 아르곤과 같은, 캐리어 가스는 스테이션으로부터 과도한 디실란을 모두 퍼지하도록 계속해서 흐른다. 일부 실시예들에서, 퍼지 페이즈 240A는 프로세스 스테이션을 배기하기 위해 하나 이상의 배기 서브페이즈를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 퍼지 페이즈 240A는 일부 실시예들에서 생략될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 퍼지 페이즈 240A는 약 0 초 내지 60 초, 또는 약 0.01 초와 같은 임의의 적합한 지속기간을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 스윕핑 가스들의 플로우 레이트를 증가시키는 것은 퍼지 페이즈 240A의 지속기간을 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 퍼지 가스 플로우 레이트는 퍼지 페이즈 240A의 지속기간을 수정하기 위해 다양한 반응물질 열역학 특징들 및/또는 프로세스 스테이션 및/또는 프로세스 스테이션 플럼빙의 기하학적 특징들에 따라 조정될 수도 있다. 일 비한정적인 예에서, 스윕핑 페이즈의 지속기간은 스윕핑 가스 플로우 레이트를 수정함으로써 조정될 수도 있다. 이는 증착 사이클 시간을 감소시킬 수도 있고, 이는 기판 처리량을 개선할 수도 있다. 퍼지 후에, 실리콘-함유 전구체들은 기판 표면 상에 흡착된 채로 남는다.
일부 실시예들에서, 기판은 피처의 상단부 근방의 증착을 선택적으로 억제하기 위해 선택적으로 주기적으로 수소-함유 플라즈마에 노출될 수도 있다. 이러한 노출은 증착된 막의 컨포멀성을 개선할 수도 있다. 수소-함유 플라즈마로의 노출은 약 0.05 초 내지 약 60 초 지속될 수도 있다. 원자층 증착시 컨포멀성을 튜닝하기 위한 수소-함유 억제제의 사용 방법은, 전체가 본 명세서에 참조로서 인용된, 명칭이 "SELECTIVE INHIBITION IN ATOMIC LAYER DEPOSITION OF SILICON-CONTAINING FILMS"인 2014년 11월 24일 출원된 미국 특허 출원 제 14/552,011 호 (대리인 관리 번호 3520-1/LAMRP148) 에 기술된다.
도 1의 동작 107에서, 기판은 질소 플라즈마에 노출된다. 따라서, 도 2에서, 질소 플로우 및 플라즈마 양자는 증착 사이클들 210A 및 210B 각각에 대한 260A 및 260B의 질소 플라즈마 노출 페이즈 동안 턴온된다. 일부 실시예들에서, 질소 플로우는 플라즈마를 턴온하기 전, 예를 들어, 질소 플로우로 하여금 안정화하게 하도록 턴온될 수도 있다. 디실란 플로우는 플라즈마 노출 페이즈들 동안 턴오프되고 캐리어 가스로서 아르곤이 계속해서 흐른다는 것을 주의한다. 기판은 약 0.1 초 내지 약 6 초의 지속기간 동안 질소 플라즈마에 노출될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 질소 플라즈마 노출 페이즈 260A 또는 260B는 기판 표면의 최상단에 연속적인 막을 형성하는, 기판 표면 상에 흡착된 모든 전구체들과 상호작용하는 시간을 초과하는 지속기간을 가질 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 플라즈마는 플라즈마가 스테이션 내에서 기판 표면 바로 위에 형성되도록 인-시츄 플라즈마이다. 인-시츄 플라즈마는 약 0.2122 W/㎠ 내지 약 2.122 W/㎠의 기판 면적당 전력으로 점화될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 4개의 300 ㎜ 웨이퍼들을 프로세싱하는 챔버에 대해 약 600 W 내지 약 6000 W의 범위일 수도 있다. 예를 들어, ALD 프로세스들을 위한 플라즈마는 2개의 용량 결합 플레이트들을 사용하여 가스에 RF (radio frequency) 장을 적용함으로써 생성될 수도 있다. RF 장에 의한 플레이트들 사이의 가스의 이온화는 플라즈마를 점화시키고, 플라즈마 방전 영역에 자유 전자들을 생성한다. 이들 전자들은 RF 장에 의해 가속화되고 가스 상 반응물질 분자들과 충돌할 수도 있다. 이들 전자들의 반응물질 분자들과의 충돌은 증착 프로세스에 참여하는 라디컬 종을 형성할 수도 있다. RF 장은 임의의 적합한 전극들을 통해 커플링될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 전극들의 비한정적인 예들은 프로세스 가스 분배 샤워헤드들 및 기판 지지 페데스탈들을 포함한다. ALD 프로세스들을 위한 플라즈마들은 RF 장의 가스로의 용량성 커플링 이외의 하나 이상의 적합한 방법들에 의해 형성될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 질소가 스테이션의 리모트 플라즈마 생성기 업스트림에서 점화되고, 이어서 기판이 하우징된 스테이션으로 전달되도록 리모트 플라즈마이다.
동작 107 동안, 플라즈마 에너지는 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층과 반응하는, 이온들 및 라디컬들로 질소 가스를 활성화하도록 제공된다. 예를 들어, 플라즈마는 질소 라디컬들 또는 이온들을 형성하도록 질소 가스 상 분자들을 직접적으로 또는 간접적으로 활성화할 수도 있다. 질소 라디컬들은, 비록 단수명이지만, 기판의 표면 상의 흡착된 층과 반응하기 위해 기판 내의 트렌치 또는 피처에 들어갈 수도 있다. 그러나, 단차 커버리지는 일부 질소 라디컬들이 트렌치 또는 비아에 들어간 후 비활성화될 수도 있기 때문에 단일 사이클에서 100 ％가 아닐 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 질소 플라즈마를 사용하는 것은 증착된 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막 내에서의 오염을 감소시킨다.
특정한 이론에 메이지 않고, 보다 높은 주파수 플라즈마들은 이온들보다 보다 많은 라디컬들을 생성할 수도 있어서, 라디컬들과 실리콘-함유 전구체 간의 보다 높은 반응성으로 인한 실리콘 나이트라이드의 증착을 개선한다. 따라서 이 동작 동안 목표된 라디컬 밀도는 플라즈마 주파수에 의존한다. 다양한 실시예들에서, 적어도 약 13.56 ㎒, 또는 적어도 약 27 ㎒, 또는 적어도 약 40 ㎒, 또는 적어도 약 60 ㎒의 주파수를 갖는 고 주파수 플라즈마가 이용된다. 일부 실시예들에서, 보다 높은 이온 밀도를 갖는 것은 막의 컨포멀성을 감소시키지만, 컨포멀성은 본 명세서에 기술된 방법들을 사용하여 개선될 수도 있다.
일단 플라즈마가 질소 가스를 활성화하면, 질소 라디컬들 및 이온들은 기판의 표면 상에 흡착된 실리콘-함유 전구체와 반응하고, 실리콘-질소 결합들 및 실리콘 나이트라이드의 박막을 형성한다. 이렇게 발생되는 막은 이들 막들을 증착하기 위해 사용된 화학물질에 탄소들이 결여되기 때문에 탄소-프리이고 할로겐-프리이다.
도 1로 돌아가면, 동작 109에서, 프로세스 스테이션은 퍼지된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 동작 109는 디실란 플로우가 턴오프되고, 플라즈마가 점화되지 않고, 그리고 질소가 스테이션으로 공급되지 않는, 퍼지 페이즈 280A 또는 퍼지 페이즈 280B에 대응할 수도 있다. 퍼지는 동작 105에 대해 상기 기술된 것들 중 어느 하나일 수도 있는, 캐리어 가스를 흘림으로써 수행될 수도 있다. 많은 실시예들에서, 동작 105 및 109에서 사용된 캐리어 가스는 동일한 가스이고, 일부 실시예들에서, 캐리어 가스는 도 2에 도시된 바와 같이, 이들 동작들 동안 연속적으로 흐른다.
도 1의 동작들 103 내지 109를 수행하는 것은 도 2의 증착 사이클 210A, 또는 증착 사이클 210B과 같은, 사이클을 구성할 수도 있다. 동작들의 노출 시간에 따라, 사이클 각각은 약 0.05 Å 내지 약 2 Å의 두께를 갖는 실리콘 나이트라이드 막을 증착할 수도 있다. 예를 들어, 전구체로서 디실란을 사용하여 약 250 ℃에서의 증착은 사이클 당 약 0.5 Å을 증착할 수도 있다. 따라서, 프로세스들은 수 나노미터 초과의 두께로 막들을 증착할 때 시간 소모적일 수도 있다. 또한, 일부 반응물질들은 또한 웨이퍼 처리량 시간을 감소시킬 수도 있는, 컨포멀막을 증착하기 위해 긴 노출 시간들을 가질 수도 있다.
동작 113에서, 막이 적절한 두께로 증착되었는지 여부가 결정된다. 그렇지 않다면, 동작들 103 내지 109는 반복될 수도 있다. 일부 반복된 사이클들에서, 수소-함유 억제제로의 노출은 사이클 각각에서 또는 선택된 수의 사이클들에서 증착을 억제하고 증착된 실리콘 나이트라이드층들의 컨포멀성을 개선하기 위해 사용될 수도 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 방법들은 탄소를 함유하지 않은 화합물들이 프로세스에서 사용되기 때문에, 탄소-프리인 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막들을 생성한다. 이들 화합물들은 사용된 실리콘-함유 전구체들이 할로겐들을 함유하지 않기 때문에, 또한 할로겐-프리이다. 일부 실시예들에서 수소는 캐리어 가스로서 사용되지 않고, 또한 실리콘 나이트라이드 막 내의 수소의 포함도 적다. 개시된 방법들을 사용하여 증착된 막들은 이들의 낮은 오염도로 인해 메모리 캡슐화막들의 증착과 같은, 많은 반도체 프로세싱 애플리케이션들에 사용하기에 적합하다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 실리콘 나이트라이드 막들은 또한 희석 수소 플루오라이드 (HF) 습식 에칭 레이트를 억제하고 알려진 메모리 캡슐화층 애플리케이션들에 사용된 보다 낮은 온도에서의 본질적인 밀도 손실로 인해, 습식 에칭 레이트 열화를 보상하기 위한 층으로서 사용될 수도 있다.
장치
도 3은 저압 환경을 유지하기 위한 프로세스 챔버 바디 (302) 를 갖는 ALD 프로세스 스테이션 (300) 의 실시예의 개략적인 예시를 도시한다. 복수의 ALD 프로세스 스테이션들 (300) 이 공통 저압 프로세스 툴 환경에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 도 4는 멀티-스테이션 프로세싱 툴 (400) 의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 이하에 상세히 논의되는 것들을 포함하는, ALD 프로세스 스테이션 (300) 의 하나 이상의 하드웨어 파라미터들은 하나 이상의 컴퓨터 제어기들 (350) 에 의해 프로그램적으로 조정될 수도 있다.
ALD 프로세스 스테이션 (300) 은 분배 샤워헤드 (306) 로 프로세스 가스들을 전달하기 위해 반응물질 전달 시스템 (301a) 과 유체로 연통한다. 반응물질 전달 시스템 (301a) 은 분배 샤워헤드 (306) 로의 전달을 위해 프로세스 가스들을 블렌딩 및/또는 컨디셔닝하기 위한 혼합 용기 (304) 를 포함한다. 하나 이상의 혼합 용기 유입 밸브들 (320) 은 혼합 용기 (304) 내로의 프로세스 가스들의 도입을 제어할 수도 있다.
예로서, 도 3의 실시예는 혼합 용기 (304) 로 공급될 액체 반응물질을 기화하기 위해 기화 지점 (503) 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기화 지점 (303) 은 가열된 기화기일 수도 있다. 이러한 기화기들로부터 생성된 포화된 반응물질 증기는 다운스트림 전달 파이프에서 응결될 수도 있다. 양립할 수 없는 가스들의 응결된 반응물질로의 노출은 작은 입자들을 생성할 수도 있다. 이들 작은 입자들은 파이프를 막고 (clog), 밸브 동작을 지연시키고, 기판들을 오염시키는 등을 할 수도 있다. 이들 문제들을 해결하기 위한 일부 방법들은 잔여 반응물질을 제거하기 위해 전달 파이프를 퍼지 및/또는 배기하는 것을 수반한다. 그러나, 전달 파이프를 퍼지하는 것은 프로세스 스테이션 처리량을 저하시키는, 프로세스 스테이션 사이클 시간을 증가시킬 수도 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 기화 지점 (303) 의 전달 파이프 다운스트림에서 열 추적될 수도 있다. 일부 예들에서, 혼합 용기 (304) 가 또한 열 추적될 수도 있다. 비한정적인 일 예에서, 기화 지점 (303) 의 파이프 다운스트림은 혼합 용기 (304) 에서 대략 100 ℃ 내지 대략 150 ℃로 연장하는 증가하는 온도 프로파일을 갖는다.
일부 실시예들에서, 액체 전구체 또는 액체 반응물질은 액체 주입기에서 기화될 수도 있다. 예를 들어, 액체 주입기는 혼합 용기의 업스트림에서 캐리어 가스 스트림으로 액체 반응물질의 펄스들을 주입할 수도 있다. 일 실시예에서, 액체 주입기는 보다 고압으로부터 보다 저압으로 액체를 플래싱함으로써 반응물질을 기화할 수도 있다. 또다른 예에서, 액체 주입기는 가열된 전달 파이프에서 나중에 기화되는 확산된 미세액적들로 원자화할 수도 있다. 보다 작은 액적들은 보다 큰 액적들보다 보다 빠르게 기화될 수도 있고, 액체 주입과 완전한 기화 사이에 지연을 감소시킨다. 보다 빠른 기화는 기화 지점 (303) 으로부터 파이프 다운스트림의 길이를 감소시킬 수도 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 혼합 용기 (304) 에 바로 장착될 수도 있다. 또다른 시나리오에서, 액체 주입기는 분배 샤워헤드 (306) 에 바로 장착될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 (300) 으로의 전달 및 기화를 위한 액체의 대량의 플로우를 제어하기 위해 기화 지점 (303) 의 업스트림에 LFC (liquid flow controller) 가 제공될 수도 있다. 예를 들어, LFC는 LFC의 다운스트림에 위치된 열 MFM (mass flow meter) 을 포함할 수도 있다. 이어서 LFC의 플런저 밸브는 MFM과 전기 통신하는 PID (proportional-integral-derivative) 제어기에 의해 제공된 피드백 제어 신호들에 응답하여 조정될 수도 있다. 그러나, 피드백 제어를 사용하여 액체 플로우를 안정화하기 위해 1초 이상이 걸릴 수도 있다. 이는 액체 반응물질을 도즈하기 위한 시간을 연장시킬 수도 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, LFC는 피드백 제어 모드와 직접 제어 모드 사이에서 동적으로 스위칭될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이는 LFC 및 PID 제어기의 센싱 튜브를 디스에이블함으로써 수행될 수도 있다.
분배 샤워헤드 (306) 는 프로세스 가스들을 기판 (312) 을 향해 분배한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 기판 (312) 은 분배 샤워헤드 (306) 아래에 위치되고 페데스탈 (308) 상에 놓인 것으로 도시된다. 분배 샤워헤드 (306) 는 임의의 적합한 형상을 가질 수도 있고, 기판 (312) 으로 프로세스 가스들을 분배하기 위해 임의의 적합한 수 및 배열의 포트들을 가질 수도 있다.
일부 실시예들에서, 마이크로볼륨 (307) 이 분배 샤워헤드 (306) 아래에 위치된다. 프로세스 스테이션의 전체 볼륨이 아니라 마이크로볼륨에서 개시된 실시예들을 실시하는 것은 반응물질 노출 시간 및 퍼지 시간을 감소시킬 수도 있고, 프로세스 조건들 (예를 들어, 압력, 온도, 등) 을 변경하기 위한 시간들을 감소시킬 수도 있고, 프로세스 가스들에 대한 프로세스 스테이션 로보틱스들의 노출을 제한하는, 등을 할 수도 있다. 예시적인 마이크로볼륨 크기들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 0.1 리터 내지 2 리터의 체적을 포함한다. 이는 또한 생산성 처리량에 영향을 준다. 일부 실시예들에서, 개시된 실시예들은 마이크로볼륨 내에서 수행되지 않는다.
일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은 기판 (312) 을 마이크로볼륨 (307) 에 노출시키기 위해 및/또는 마이크로볼륨 (307) 의 체적을 가변시키기 위해 상승되거나 하강될 수도 있다. 예를 들어, 기판 이송 페이즈에서, 페데스탈 (308) 은 마이크로볼륨 (307) 내에서 기판 (312) 을 포지셔닝하도록 상승될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로볼륨 (307) 은 고 플로우 임피던스를 생성하기 위해 기판 (312) 뿐만 아니라 페데스탈 (308) 의 부분을 완전히 둘러쌀 수도 있다.
선택적으로, 페데스탈 (308) 은 프로세스 압력, 반응물질 농도, 등을 조절하기 위해 부분들 프로세싱 동안 마이크로볼륨 (307) 내에서 하강되고/되거나 상승될 수도 있다. 프로세스 챔버 바디 (302) 가 프로세싱 동안 기준 압력으로 유지되는 일 시나리오에서, 페데스탈 (308) 을 하강시키는 것은 마이크로볼륨 (307) 으로 하여금 배기되게 할 수도 있다. 예시적인 프로세스 챔버 볼륨에 대한 마이크로볼륨의 비들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 1:500 내지 1:10의 체적비들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 페데스탈 높이는 적합한 컴퓨터 제어기 (350) 에 의해 프로그램적으로 조정될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
또다른 시나리오에서, 페데스탈 (308) 의 높이를 조정하는 것은 플라즈마 밀도로 하여금 프로세스에 포함된 플라즈마 활성화 사이클들 동안 가변하게 할 수도 있다. 프로세스 페이즈의 완료시, 페데스탈 (308) 은 페데스탈 (308) 로부터 기판 (312) 의 제거를 허용하도록 또다른 기판 이송 페이즈 동안 하강될 수도 있다.
본 명세서에 기술된 예시적인 마이크로볼륨 변형들이 높이-조정가능한 페데스탈 (308) 을 참조하지만, 일부 실시예들에서, 분배 샤워헤드 (306) 의 위치는 마이크로볼륨 (307) 의 체적을 가변하기 위해 페데스탈 (308) 에 대해 조정될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 페데스탈 (308) 및/또는 분배 샤워헤드 (306) 의 수직 위치는 본 개시의 범위 내에 있는 임의의 적합한 메커니즘에 의해 가변될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은 기판 (312) 의 배향을 회전시키기 위한 회전축을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 이들 예시적인 조정들은 하나 이상의 적합한 컴퓨터 제어기들 (350) 에 의해 프로그램적으로 수행될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
상기 논의된 바와 같기 플라즈마가 사용될 수도 있는 일부 실시예들에서, 분배 샤워헤드 (306) 및 페데스탈 (308) 은 플라즈마에 전력을 공급하기 위해 RF 전력 공급부 (314) 및 매칭 네트워크 (316) 와 전기적으로 통신한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 에너지는 프로세스 스테이션 압력, 가스 농도, RF 소스 전력, RF 소스 주파수, 및 플라즈마 전력 펄스 타이밍 중 하나 이상을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 예를 들어, RF 전력 공급부 (314) 및 매칭 네트워크 (316) 는 목표된 조성의 라디컬 종을 갖는 플라즈마를 형성하기 위해 임의의 적합한 전력으로 동작될 수도 있다. 적합한 전력들의 예들은 상기에 포함되었다. 유사하게, RF 전력 공급부 (314) 는 임의의 적합한 주파수의 RF 전력을 제공할 수도 있다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (314) 는 서로 독립적으로 고 주파수 및 저 주파수 RF 전력 소스들을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예시적인 저 주파수 RF 주파수들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 0 ㎑ 내지 500 ㎑의 주파수를 포함할 수도 있다. 예시적인 고 주파수 RF 주파수들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 1.8 ㎒ 내지 2.45 ㎓, 또는 약 13.56 ㎒ 초과, 또는 27 ㎒ 초과, 또는 40 ㎒ 초과, 또는 60 ㎒ 초과의 주파수들을 포함할 수도 있다. 표면 반응들을 위한 플라즈마 에너지를 제공하도록 임의의 적합한 파라미터들이 이산적으로 또는 연속적으로 조절될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 비한정적인 일 예에서, 플라즈마 전력은 연속적으로 전력이 공급되는 플라즈마들에 대해 기판 표면과의 이온 충돌을 감소시키기 위해 간헐적으로 펄싱될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 플라즈마는 하나 이상의 플라즈마 모니터들에 의해 인-시츄 모니터링될 수도 있다. 일 시나리오에서, 플라즈마 전력은 하나 이상의 전압, 전류 센서들 (예를 들어, VI 프로브들) 에 의해 모니터링될 수도 있다. 또다른 시나리오에서, 플라즈마 밀도 및/또는 프로세스 가스 농도는 하나 이상의 OES (optical emission spectroscopy sensors) 에 의해 측정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 플라즈마 파라미터들은 이러한 인-시츄 플라즈마 모니터들로부터의 측정치들에 기초하여 프로그램적으로 조정될 수도 있다. 예를 들어, OES 센서는 플라즈마 전력의 프로그램적인 제어를 제공하기 위해 피드백 루프에서 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 및 다른 프로세스 특징들을 모니터링하기 위해 다른 모니터들이 사용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 모니터들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 적외선 (IR) 모니터들, 음향 모니터들, 및 압력 트랜스듀서들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제어기 (350) 를 위한 인스트럭션들은 IOC (input/output control) 시퀀싱 인스트럭션들을 통해 제공될 수도 있다. 일 예에서, 프로세스 페이즈를 위한 조건들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 프로세스 레시피의 대응하는 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 일부 경우들에서, 프로세스 레시피 페이즈들은 프로세스 페이즈를 위한 모든 인스트럭션들이 이 프로세스 페이즈와 동시에 실행되도록 순차적으로 배열될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 반응기 파라미터들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스 (예를 들어, 디실란과 같은 제 1 전구체) 의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스 (예컨대 아르곤) 의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 및 제 1 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 2, 후속하는 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스의 플로우 레이트를 조절하거나 중단하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스 또는 퍼지 가스의 플로우 레이트를 조절하기 위한 인스트럭션들 및 제 2 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 3 레시피 페이즈는 제 1 레시피 페이즈에서 사용된 가스 (예를 들어, 질소와 같은 플라즈마 반응물질) 와 동일하거나 상이할 수도 있는 불활성 및/또는 반응물질 가스의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스의 플로우 레이트를 조절하기 위한 인스트럭션들 및 제 3 레시피 단계에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 4 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스의 플로우 레이트를 조절하거나 중단하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스 또는 퍼지 가스의 플로우 레이트를 조절하기 위한 인스트럭션들 및 제 4 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 이들 레시피 페이즈들은 더 세분화될 수도 있고/있거나 본 개시의 범위 내의 임의의 적합한 방식으로 반복될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은 히터 (310) 를 통해 온도 제어될 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 (300) 에 대한 압력 제어는 버터플라이 밸브 (318) 에 의해 제공될 수도 있다. 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 버터플라이 밸브 (318) 는 다운스트림 진공 펌프 (미도시) 에 의해 제공된 진공을 쓰로틀링한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 (300) 의 압력 제어는 또한 프로세스 스테이션 (300) 으로 도입된 하나 이상의 가스들의 플로우 레이트를 가변시킴으로써 조정될 수도 있다.
상기 기술된 바와 같이, 하나 이상의 프로세스 스테이션들은 멀티-스테이션 프로세싱 툴에 포함될 수도 있다. 도 4는 인바운드 로드록 (402) 및 아웃바운드 로드록 (404) 를 갖는 멀티-스테이션 프로세싱 툴 (400) 의 실시예의 개략도를 도시하고, 로드록들 중 하나 또는 양자는 리모트 플라즈마 소스를 포함할 수도 있다. 대기압에서, 로봇 (406) 은 포드 (408) 를 통해 로딩된 카세트로부터 대기 포트 (410) 를 통해 인바운드 로드록 (402) 내로 웨이퍼들을 이동시키도록 구성된다. 웨이퍼가 로봇 (406) 에 의해 인바운드 로드록 (402) 내의 페데스탈 (412) 상에 위치되고, 대기 포트 (410) 가 폐쇄되고, 로드록은 펌프 다운된다. 인바운드 로드록 (402) 이 리모트 플라즈마 소스를 포함하는 경우, 웨이퍼는 프로세싱 챔버 (414) 내로 도입되기 전에 로드록 내에서 리모트 플라즈마 처리에 노출될 수도 있다. 또한, 웨이퍼는 또한 예를 들어, 수분 및 흡착된 가스들을 제거하기 위해, 인바운드 로드록 (402) 내에서 가열될 수도 있다. 다음에, 프로세싱 챔버 (414) 로의 챔버 수송 포트 (416) 가 개방되고, 또다른 로봇 (미도시) 이 프로세싱을 위해 반응기 내에 도시된 제 1 스테이션의 페데스탈 상의 반응기 내로 웨이퍼를 위치시킨다. 도 4에 도시된 실시예는 로드록들을 포함하지만, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션으로 웨이퍼의 직접적인 진입이 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도시된 프로세싱 챔버 (414) 는 도 4에 도시된 실시예에서 1 내지 4로 번호가 붙여진, 4개의 프로세스 스테이션들을 포함한다. 스테이션 각각은 가열된 페데스탈 (스테이션 1에 대해 418로 도시됨) 및 가스 라인 유입부들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 각각은 상이하거나 복수의 목적들을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션은 ALD 모드 및 PEALD (plasma-enhanced ALD) 프로세스 모드 사이에서 전환가능할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에서, 프로세싱 챔버 (414) 는 ALD 및 PEALD 프로세스 스테이션들의 하나 이상의 매칭된 쌍들을 포함할 수도 있다. 도시된 프로세싱 챔버 (414) 가 4개의 스테이션들을 포함하지만, 본 개시에 따른 프로세싱 챔버는 임의의 적합한 수의 스테이션들을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세싱 챔버는 5개 이상의 스테이션들을 가질 수도 있는 반면, 다른 실시예들에서 프로세싱 챔버는 3개 이하의 스테이션들을 가질 수도 있다.
도 4는 프로세싱 챔버 (414) 내에서 웨이퍼들을 이송하기 위한 웨이퍼 핸들링 시스템의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼 핸들링 시스템은 다양한 프로세스 스테이션들 간에서 및/또는 프로세스 스테이션과 로드록 사이에서 웨이퍼들을 이송할 수도 있다. 임의의 적합한 웨이퍼 핸들링 시스템이 채용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 비한정적인 예들은 웨이퍼 캐로절들 및 웨이퍼 핸들링 로봇들을 포함한다. 도 4는 또한 프로세스 툴 (400) 의 프로세스 조건들 및 하드웨어 상태들을 제어하기 위해 채용된 시스템 제어기 (450) 의 실시예를 도시한다. 시스템 제어기 (450) 는 하나 이상의 메모리 디바이스들 (456), 하나 이상의 대용량 저장 디바이스들 (454), 및 하나 이상의 프로세서들 (452) 을 포함할 수도 있다. 프로세서 (452) 는 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입력/출력 접속부들, 스텝퍼 모터 제어기 보드들, 등을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 프로세스 툴 (400) 의 모든 액티비티들을 제어한다. 시스템 제어기 (450) 는 대용량 저장 디바이스 (454) 에 저장되고, 메모리 디바이스 (456) 로 로딩되고, 프로세서 (452) 상에서 실행되는 시스템 제어 소프트웨어 (458) 를 실행한다. 대안적으로, 제어 로직은 제어기 (450) 내에 하드코딩될 수도 있다. 이들 목적들을 위해 ASIC들 (Applications Specific Integrated Circuits), PLD들 (Programmable Logic Devices) (예를 들어, FPGA들 (field-programmable gate arrays)) 등이 사용될 수도 있다. 이하의 논의에서, "소프트웨어" 또는 "코드"가 사용되는 모든 경우에, 기능적으로 비슷한 하드코딩된 로직이 그 위치에 사용될 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 타이밍, 가스들의 혼합, 가스 플로우 레이트들, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 웨이퍼 온도, 목표 전력 레벨들, RF 전력 레벨들, 기판 페데스탈, 척 및/또는 서셉터 위치, 및 프로세스 툴 (400) 에 의해 수행된 특정한 프로세스의 다른 파라미터들을 포함할 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 프로세스 툴 컴포넌트 서브루틴들 또는 제어 객체들이 다양한 프로세스 툴 프로세스들을 수행하기 위해 사용된 프로세스 툴 컴포넌트들의 동작을 제어하도록 작성될 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 임의의 적합한 컴퓨터 판독가능 프로그래밍 언어로 코딩될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 상기 기술된 다양한 파라미터들을 제어하기 위한 IOC (input/output control) 시퀀싱 (sequencing) 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서 시스템 제어기 (450) 와 연관된 대용량 저장 디바이스 (454) 및/또는 메모리 디바이스 (456) 에 저장된 다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램들이 채용될 수도 있다. 이 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 예들은 기판 포지셔닝 프로그램, 프로세스 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 히터 제어 프로그램, 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.
기판 포지셔닝 프로그램은 페데스탈 (418) 상에 기판을 로딩하고 기판과 프로세스 툴 (400) 의 다른 부분들 사이의 간격을 제어하도록 사용된 프로세스 툴 컴포넌트들을 위한 프로그램 코드를 포함할 수도 있다.
프로세스 가스 제어 프로그램은 프로세스 스테이션 내의 압력을 안정화시키기 위해 증착 전에 가스 조성 (예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 TMA, 암모니아, 퍼지 가스들) 및 플로우 레이트들을 제어하기 위한 코드 및 선택적으로 하나 이상의 프로세스 스테이션들로 가스를 흘리기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 압력 제어 프로그램은 예를 들어, 프로세스 스테이션의 배기 시스템의 쓰로틀 밸브, 프로세스 스테이션으로의 가스 플로우, 등을 조정함으로써 프로세스 스테이션 내의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
히터 제어 프로그램은 기판을 가열하기 위해 사용된 히팅 유닛으로의 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 히터 제어 프로그램은 기판으로의 (헬륨과 같은) 열 전달 가스 (heat transfer gas) 의 전달을 제어할 수도 있다.
플라즈마 제어 프로그램은 본 명세서의 실시예들에 따라 하나 이상의 프로세스 스테이션들 내에서 전극들을 프로세스하기 위해 인가된 RF 전력 레벨들을 설정하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
압력 제어 프로그램은 본 명세서의 실시예들에 따라 반응 챔버 내의 압력을 유지하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 와 연관된 사용자 인터페이스가 있을 수도 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치의 그래픽적인 소프트웨어 디스플레이 및/또는 프로세스 조건들의 그래픽적인 소프트웨어 디스플레이, 및 포인팅 디바이스들, 키보드들, 터치 스크린들, 마이크로폰들 등의 사용자 입력 디바이스들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 에 의해 조정된 파라미터들은 프로세스 조건들과 관련될 수도 있다. 비한정적인 예들은 프로세스 가스 조성 및 플로우 레이트들, 온도, 압력, (RF 바이어스 전력 레벨들과 같은) 플라즈마 조건들 등을 포함한다. 이들 파라미터들은 사용자 인터페이스를 활용하여 입력될 수도 있는, 레시피의 형태로 사용자에게 제공될 수도 있다.
프로세스를 모니터링하기 위한 신호들은 다양한 프로세스 툴 센서들로부터 시스템 제어기 (450) 의 아날로그 입력 접속부 및/또는 디지털 입력 접속부에 의해 제공될 수도 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호들은 프로세스 툴 (400) 의 아날로그 출력 접속부 및 디지털 출력 접속부 상에 출력될 수도 있다. 모니터링될 수도 있는 프로세스 툴 센서들의 비한정적인 예들은 질량 유량 제어기들, (압력계들 (manometers) 과 같은) 압력 센서들, 열전대들 (thermocouple), 등을 포함한다. 적절하게 프로그램된 피드백 및 제어 알고리즘들이 프로세스 조건들을 유지하기 위해 이들 센서들로부터의 데이터를 사용할 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는 상기 기술된 증착 프로세스들을 구현하기 위한 프로그램 인스트럭션들을 제공할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 DC 전력 레벨, RF 바이어스 전력 레벨, 압력, 온도, 등과 같은 다양한 프로세스 파라미터들을 제어할 수도 있다. 인스트럭션들은 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들에 따른 막 스택들의 인-시츄 증착을 동작시키기 위한 파라미터들을 제어할 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는 통상적으로 하나 이상의 메모리 디바이스들 및 장치가 개시된 실시예들에 따른 방법을 수행하도록 인스트럭션들을 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 것이다. 개시된 실시예들에 따른 프로세스 동작들을 제어하기 위한 인스트럭션들을 포함하는 머신-판독가능 매체는 시스템 제어기 (450) 와 커플링될 수도 있다.
일부 구현예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 상기 기술된 예들의 일부일 수도 있는 시스템의 일부이다. 이러한 시스템들은 프로세싱 툴 또는 툴들, 챔버 또는 챔버들, 프로세싱을 위한 플랫폼 또는 플랫폼들, 및/또는 특정한 프로세싱 컴포넌트들 (웨이퍼 페데스탈, 가스 플로우 시스템, 등) 을 포함하는, 반도체 프로세싱 장비를 포함할 수 있다. 이들 시스템들은 반도체 웨이퍼 또는 기판의 프로세싱 전, 동안, 및 후에 이들의 동작을 제어하기 위한 전자제품들에 통합될 수도 있다. 이 전자제품들은 시스템 또는 시스템들의 다양한 컴포넌트들 또는 하위부품들 (subpart) 을 제어할 수도 있는 "제어기"로서 지칭될 수도 있다. 프로세싱 조건들 및/또는 시스템의 타입에 따라, 시스템 제어기 (450) 는 프로세싱 가스들의 전달, 온도 설정사항들 (예를 들어, 가열 및/또는 냉각), 압력 설정사항들, 진공 설정사항들, 전력 설정사항들, 무선 주파수 (RF) 생성기 설정사항들, RF 매칭 회로 설정사항들, 주파수 설정사항들, 플로우 레이트 설정사항들, 유체 전달 설정사항들, 위치 및 동작 설정사항들, 툴 내로/외부로의 웨이퍼 이송 및 특정한 시스템과 연결되거나 인터페이스된 다른 이송 툴들 및/또는 로드록들을 포함하는 본 명세서에 개시된 임의의 프로세스들을 제어하도록 프로그램될 수도 있다.
일반적으로 말하면, 시스템 제어기 (450) 는 인스트럭션들을 수신하고 인스트럭션들을 발행하고 동작을 제어하고 세정 동작들을 인에이블하고, 엔드포인트 측정들을 인에이블하는 등을 하는 다양한 집적 회로들, 로직, 메모리, 및/또는 소프트웨어를 갖는 전자장치로서 규정될 수도 있다. 집적 회로들은 프로그램 인스트럭션들을 저장하는 펌웨어의 형태의 칩들, 디지털 신호 프로세서들 (DSP), ASIC (application specific integrated circuit) 으로서 규정되는 칩들 및/또는 프로그램 인스트럭션들 (예를 들어, 소프트웨어) 을 실행하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 마이크로제어기들을 포함할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 반도체 웨이퍼 상에서 또는 반도체 웨이퍼에 대한 특정 프로세스를 실행하기 위한 동작 파라미터들을 규정하는, 다양한 개별 설정사항들 (또는 프로그램 파일들) 의 형태로 시스템 제어기 (450) 로 또는 시스템으로 전달되는 인스트럭션들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 동작 파라미터들은 하나 이상의 층들, 재료들, 금속들, 옥사이드들, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드, 표면들, 회로들, 및/또는 웨이퍼의 다이들의 제조 동안에 하나 이상의 프로세싱 단계들을 달성하도록 프로세스 엔지니어에 의해 규정된 레시피의 일부일 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는, 일부 구현예들에서, 시스템에 통합되거나, 시스템에 커플링되거나, 이와 달리 시스템에 네트워킹되거나, 또는 이들의 조합으로 될 수 있는 컴퓨터에 커플링되거나 이의 일부일 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기 (450) 는 웨이퍼 프로세싱의 원격 액세스를 가능하게 할 수 있는 공장 (fab) 호스트 컴퓨터 시스템의 전부 또는 일부이거나 "클라우드" 내에 있을 수도 있다. 컴퓨터는 제조 동작들의 현 진행을 모니터링하고, 과거 제조 동작들의 이력을 조사하고, 복수의 제조 동작들로부터 경향들 또는 성능 계측치들을 조사하고, 현 프로세싱의 파라미터들을 변경하고, 현 프로세싱을 따르는 프로세싱 단계들을 설정하고, 또는 새로운 프로세스를 시작하기 위해서 시스템으로의 원격 액세스를 인에이블할 수도 있다. 일부 예들에서, 원격 컴퓨터 (예를 들어, 서버) 는 로컬 네트워크 또는 인터넷을 포함할 수도 있는 네트워크를 통해서 프로세스 레시피들을 시스템에 제공할 수 있다. 원격 컴퓨터는 차후에 원격 컴퓨터로부터 시스템으로 전달될 파라미터들 및/또는 설정사항들의 입력 또는 프로그래밍을 가능하게 하는 사용자 인터페이스를 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 하나 이상의 동작들 동안에 수행될 프로세스 단계들 각각에 대한 파라미터들을 특정한, 데이터의 형태의 인스트럭션들을 수신한다. 이 파라미터들은 시스템 제어기 (450) 가 제어하거나 인터페이싱하도록 구성된 툴의 타입 및 수행될 프로세스의 타입에 특정적일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 상술한 바와 같이, 시스템 제어기 (450) 는 예를 들어 서로 네트워킹되어서 함께 공통 목적을 위해서, 예를 들어 본 명세서에 기술된 프로세스들 및 제어들을 위해서 협력하는 하나 이상의 개별 제어기들을 포함함으로써 분산될 수도 있다. 이러한 목적을 위한 분산형 제어기의 예는 챔버 상의 프로세스를 제어하도록 조합되는, (예를 들어, 플랫폼 레벨에서 또는 원격 컴퓨터의 일부로서) 원격으로 위치한 하나 이상의 집적 회로들과 통신하는 챔버 상의 하나 이상의 집적 회로들일 수 있다.
비한정적으로, 예시적인 시스템들은 플라즈마 에칭 챔버 또는 모듈, 증착 챔버 또는 모듈, 스핀-린스 챔버 또는 모듈, 금속 도금 챔버 또는 모듈, 세정 챔버 또는 모듈, 베벨 에지 에칭 챔버 또는 모듈, PVD (physical vapor deposition) 챔버 또는 모듈, CVD (chemical vapor deposition) 챔버 또는 모듈, ALD (atomic layer deposition) 챔버 또는 모듈, ALE (atomic layer etch) 챔버 또는 모듈, 이온 주입 챔버 또는 모듈, 트랙 (track) 챔버 또는 모듈, 및 반도체 웨이퍼들의 제조 및/또는 제작 시에 사용되거나 연관될 수도 있는 임의의 다른 반도체 프로세싱 시스템들을 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 툴에 의해서 수행될 프로세스 단계 또는 단계들에 따라서, 시스템 제어기 (450) 는, 반도체 제조 공장 내의 툴 위치들 및/또는 로드 포트들로부터/로 웨이퍼들의 컨테이너들을 이동시키는 재료 이송 시에 사용되는, 다른 툴 회로들 또는 모듈들, 다른 툴 컴포넌트들, 클러스터 툴들, 다른 툴 인터페이스들, 인접 툴들, 이웃하는 툴들, 공장 도처에 위치한 툴들, 메인 컴퓨터, 다른 제어기 또는 툴들 중 하나 이상과 통신할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 방법들을 수행하기 위한 적절한 장치는, 각각 전체가 본 명세서에 인용된, 명칭이 "PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION"인 2011년 4월 11일 출원된 미국 특허 출원 제 13/084,399 호 (현재 미국 특허 제 8,728,956 호) 및 명칭이 "SILICON NITRIDE FILMS AND METHODS"인 2011년 4월 11일 출원된 미국 특허 제 13/084,305 호에서 더 논의되고 기술된다.
본 명세서에 기술된 장치/프로세스는 예를 들어, 반도체 디바이스들, 디스플레이, LED들, 광전 패널 등의 제조 또는 제작을 위해 리소그래피 패터닝 툴들 또는 프로세스들과 함께 사용될 수도 있다. 통상적으로, 반드시 그러한 것은 아니지만 이러한 툴들/프로세스들은 공통 제조 설비 내에서 함께 사용 또는 수행될 것이다. 막의 리소그래픽 패터닝은 통상적으로 동작들 각각이 다수의 가능한 툴들을 사용하여 인에이블되는, 이하의 동작들: (1) 스핀-온 (spin-on) 툴 또는 스프레이-온 (spray-on) 툴을 사용하여 워크피스, 즉 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 동작; (2) 핫 플레이트 또는 노 또는 UV 경화 툴을 사용하여 포토레지스트를 경화하는 동작; (3) 웨이퍼 스텝퍼와 같은 툴을 사용하여 가시광 또는 UV 또는 x-선 광에 포토레스지트를 노출시키는 동작; (4) 습식 벤치와 같은 툴을 사용하여 레지스트를 선택적으로 제거하여 레지스트를 패터닝하도록 레지스트를 현상하는 동작; (5) 건식 또는 플라즈마 보조 에칭 툴을 사용함으로써 아래에 놓인 막 또는 워크피스로 레지스트 패턴을 전사하는 동작; 및 (6) RF 또는 마이크로파 플라즈마 레지스트 스트립퍼와 같은 툴을 사용하여 레지스트를 제거하는 동작의 일부 또는 전부를 포함한다.
실험
실험 1
실험들은 디실란 및 암모니아 플라즈마를 사용하여 실리콘 나이트라이드의 증착을 테스트하도록 수행되었다. 실험들은 250 ℃에서 2 Torr의 압력으로 수행되었다. 사이클 각각은 디실란의 0.25 L 도즈, 퍼지, 가변하는 전력에서 2.5 초 동안 플라즈마를 사용하는 암모니아의 1 L 노출, 및 또다른 퍼지를 포함한다. 일 시험에서, 500 사이클들이 수행되었고; 다른 시험들에서 200 사이클들이 수행되었다. 시험 각각에 대해 비균일도 및 굴절률이 측정되었다. 결과들을 이하의 표 1에 나타낸다.
표 1. 디실란 및 암모니아 플라즈마를 사용한 실리콘 나이트라이드 증착
시험 1 시험 2 시험 3 시험 4 시험 5 시험 6
전력 (W) 200 200 400 600 1000 1000
사이클들 200 200 200 200 200 500
평균 두께 (Å) 24 24 37 38 46 43
범위 두께 (Å) 12 12 38 8 27 15
NU ( ％1s) 5.6379 6.6751 30.8954 3.0193 10.146 5.5156
RI 2.1053 2.0769 1.8397 1.7683 1.7577 1.8342
RI NU ( ％1s) 11.0532 8.8029 22.3947 14.8023 9.2469 8.8487
증착 레이트 (Å/cyc) 0.12 0.12 0.18 0.19 0.23 0.09
사이클들의 수 및 전력이 증가할 수록 (시험 6) 평균 두께에서 변화를 거의 나타내지 않고, 이는 막의 초기 43 Å이 막 성장이 아니라, 실리콘 표면 질화로 인한 것이라는 것을 암시한다. 따라서, 표 1에 나타낸 바와 같이, 기판의 표면 상에 실리콘 나이트라이드 성장이 거의 없거나 전혀 없고, 증착은 매우 낮지만, 나타낸 두께는 실리콘 표면 질화로 인한 것일 수도 있다. 이 실험은 디실란 및 암모니아 플라즈마만으로는 실리콘 나이트라이드 막들을 증착하기에 불충분하다는 것을 암시한다.
실험 2
개시된 실시예들을 사용하여 증착된 실리콘 나이트라이드 막 대 종래의 아미노실란 전구체를 사용하여 증착된 실리콘 나이트라이드 막을 비교하기 위해 실험이 수행되었다. 먼저, 실리콘 나이트라이드 막은 ALD를 사용하여 증착되었다. 비스(디에틸)아미노실란이 아르곤 캐리어 가스를 사용하여 기판이 하우징된 스테이션 또는 챔버로 도입된다. 이어서 스테이션은 퍼지된다. 질소 플라즈마는 27 ㎒의 주파수 및 300 W의 전력으로 2.5 초 동안 점화된다. 스테이션은 다시 퍼지된다. 증착된 막은 사이클 당 약 0.46 Å의 SiN으로 증착된다.
다음에, 도 1에 상기 기술된 방법을 사용하여 실리콘 나이트라이드 막이 ALD를 사용하여 또다른 기판 상에 증착된다. 디실란은 아르곤 캐리어 가스를 사용하여 제 2 기판이 하우징된 스테이션으로 도입된다. 이어서 스테이션은 퍼지된다. 질소 플라즈마는 27 ㎒의 주파수 및 300 W의 전력으로 2.5 초 동안 점화된다. 스테이션은 다시 퍼지된다. 막 증착 레이트는 사이클 당 약 0.55 Å이다. 두 기판들은 x-선 광전 분광법에 의해 평가된다. 아미노실란을 사용하여 증착된 막은 12 ％ 탄소를 갖는다. 디실란을 사용하여 증착된 막은 0 ％ 탄소를 갖는다.
두 막들의 조성들을 비교하기 위해 푸리에 변환 분광법이 사용되었다. 도 5는 FTIR 스펙트럼을 도시한다. 곡선 503은 아미노실란 전구체를 사용하여 증착된 막을 나타내고, 이는 507에서 Si-H 피크를 나타내고, 일부 탄소는 509에서 피크를 갖는다. 곡선 501은 디실란 전구체를 사용하여 증착된 막을 나타내고, 이는 Si-N 결합에 대해 강한 피크 505를 나타낸다. 곡선 503은 Si-N 결합에 대해 보다 작은 피크를 갖고, 곡선 501은 Si-H에 대해 대응하는 피크를 갖지 않는다는 것을 주의한다. 이들 결과들은 디실란 전구체를 사용하는 것이 보다 많은 Si-N 결합들 및 교차 결합을 갖는, 본질적으로 탄소 오염되지 않고, 수소가 거의 포함되지 않은 막을 발생시킨다는 것을 암시한다.
상기 기술된 막들에 대한 데이터를 막 1 (아미노실란 전구체) 및 막 3 (디실란 전구체) 으로 이하의 표 2에 나타내었다. 부가적인 막들이 가변하는 주파수들 및 전력들에서 증착되었다. 특히, 비스(디에틸)아미노실란 전구체는 13.56 ㎒의 주파수 및 300 W의 전력으로 SiN 막을 증착하도록 사용되었고, 그 결과는 이하의 표 2의 막 2로 나타난다. 디실란은 300 W 및 13.56 ㎒, 뿐만 아니라 200 W 및 13.56 ㎒에서의 증착을 위한 전구체로서 사용되었다. 이들 막들 각각에 대해, 증착 레이트, 균일도, RI, Si-H의 피크 높이 (수소의 포함을 나타냄), Si-N의 피크 높이 (Si-N 결합들의 존재를 나타냄), 및 단차 커버리지가 평가되었다. 일부 막들에 대해, 일부 특성들은 측정되지 않고 데이터 없음에 대해 라벨 "N/D"로 나타내었다. 전체적으로, 단차 커버리지는 비스(디에틸)아미노실란 (28 ％, 33 ％) 및 디실란 (27 ％) 에 의해 증착된 막들 사이에서 유사하다. 디실란을 사용하여 증착된 막들은 개선된 RI 및 보다 우수한 막 품질 (보다 적은 Si-H, 보다 많은 Si-N, 보다 균일) 을 갖는다.
표 2. 비스(디에틸)아미노실란 및 디실란에 의해 증착된 실리콘 나이트라이드 막들
막 # 1 2 3 4 5
전구체 비스(디에틸)아미노실란 디실란
전력 (W) 300 300 200
주파수
(㎒)		 27 13.56 27 13.56 13.56
증착 레이트
(Å/cyc)		 0.44 0.5 0.55 0.60 0.55
균일도
(1σ ％)		 3.5 ％ 2.5 ％ 1.0 ％ 1.0 ％ 1.4 ％
굴절률 1.89 1.83 1.98 1.89 1.95
피크 높이 Si -H 3.4E-05 2.7E-05 0 N/D N/D
피크 높이 Si-N 7.4E-05 6.6E-05 1.3E-04 N/D N/D
단차 커버리지 28 ％ 33 ％ N/D 27 ％ N/D
실험 3
암모니아 플라즈마에 의해 증착된 막들 대 질소 플라즈마에 의해 증착된 막들을 비교하기 위한 실험이 수행되었다. 제 1 막은 실리콘 전구체로서 트리실릴아민 및 13.56 ㎒의 RF 주파수에서 암모니아 플라즈마를 사용하여 400 ℃에서 증착되었다. 제 2 막은 도 1에서 상기 기술된 방법에 따라, 실리콘 전구체로서 트리실릴아민 및 13.56 ㎒의 RF 주파수에서 질소 플라즈마를 사용하여 400 ℃에서 증착되었다. 제 3 막은 실리콘 전구체로서 트리실릴아민 및 13.56 ㎒의 RF 주파수에서 암모니아 플라즈마를 사용하여 250 ℃에서 증착되었다. 제 4 막은도 1에서 상기 기술된 방법에 따라, 실리콘 전구체로서 트리실릴아민 및 13.56 ㎒의 RF 주파수에서 질소 플라즈마를 사용하여 250 ℃에서 증착되었다. 증착 레이트들 및 RI 값들은 모든 막들에 대해 평가되고, 2개의 질소 플라즈마 막들에 대한 단차 커버리지가 또한 측정되었다. 결과들은 표 3에 요약되었다.
도시된 바와 같이, 막 7은 60 ％ 단차 커버리지를 갖지만 250 ℃에서 증착된 막 9는 30 ％ 단차 커버리지를 갖는 것으로 보다 높은 온도는 보다 높은 단차 커버리지를 발생시킨다. 또한, 플라즈마 내 수소의 존재는 증착을 억제한다. 400 ℃에서, 막 6은 질소 플라즈마를 사용하여 증착된 막 7보다 보다 낮은 증착 레이트를 갖는다. 동일한 패턴이 막 8 및 막 9에 대해 나타나고, 막 9는 질소 플라즈마가 사용될 때 보다 높은 증착 레이트를 갖는다. 이들 결과들은 질소 플라즈마를 사용하는 것이 암모니아 플라즈마와는 반대로 실리콘 나이트라이드 막의 증착을 증가시킨다는 것을 암시한다.
표 3. 암모니아 플라즈마 vs. 질소 플라즈마
막 # 6 7 8 9
전구체 트리실릴아민 트리실릴아민
주파수
(㎒)		 13.56 13.56
온도
(℃)		 400 400 250 250
플라즈마 반응물질 암모니아 (NH3) 질소 (N2) 암모니아 (NH3) 질소 (N2)
증착 레이트
(Å/cyc)		 0.21 0.45 0.06 0.27
굴절률 1.89 1.93 1.88 1.93
단차 커버리지 N/D 60 ％ N/D 30 ％
결론
전술한 실시예들이 이해의 명확성을 목적으로 다소 상세히 기술되었지만, 특정한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 본 실시예들의 프로세스들, 시스템들, 및 장치를 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이고 제한하지 않는 것으로 간주되고, 실시예들은 본 명세서에 제공된 상세들로 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    (a) 상기 기판 표면 상에 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층의 형성을 허용하는 조건들 하에서 상기 실리콘-함유 전구체에 상기 기판을 노출시키는 단계; 및
    (b) 상기 실리콘 나이트라이드 막을 형성하도록 상기 흡착된 층을 질소 (N2) 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하고,
    상기 실리콘-함유 전구체는 N-H 결합-프리 (bond-free) 이고 할로겐-프리 (halogen-free) 인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 전구체는 탄소-프리인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    프로세스 온도는 약 250 ℃ 미만인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 전구체는 실란, 디실란, 트리실란, 테트라실란, 및 트리실릴아민으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    (c) 상기 단계 (a) 및 (b) 를 반복하는 단계; 및
    (d) 상기 기판을 수소-함유 플라즈마에 주기적으로 노출시키는 단계를 더 포함하는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판을 상기 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계는, 상기 기판을 수소-함유 가스에 노출시키는 단계 및 플라즈마를 점화하는 단계를 포함하고,
    상기 수소-함유 가스는 암모니아, 수소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐리어 가스는 (a) 내지 (b) 동안 내내 흐르는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 수소-프리인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 주파수는 적어도 약 13.56 ㎒인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 주파수는 약 27 ㎒인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 전구체는 상기 기판 표면의 약 60 ％ 미만에 흡착되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 에서 상기 기판 표면 상의 상기 흡착된 층은 약 0.5 Å 미만의 두께인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 전구체는 약 12:4 내지 약 12:5의 수소에 대한 실리콘 비를 갖는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판은 약 0.05 초 내지 약 60 초의 시간 동안 상기 수소-함유 플라즈마에 노출되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  15. 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    (a) 상기 기판 표면 상에 실리콘-함유 전구체의 흡착된 층의 형성을 허용하는 조건들 하에서 상기 실리콘-함유 전구체에 상기 기판을 노출시키는 단계; 및
    (b) 상기 실리콘 나이트라이드 막을 형성하도록 상기 흡착된 층을 질소 (N2) 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하고,
    상기 실리콘-함유 전구체는 적어도 약 75 ％의 무극성 공유 결합들을 포함하는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 전구체는 트리실릴아민인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    (c) 상기 단계 (a) 및 (b) 를 반복하는 단계; 및
    (d) 상기 기판을 수소-함유 플라즈마에 주기적으로 노출시키는 단계를 더 포함하는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 기판은 약 0.05 초 내지 약 60 초의 시간 동안 상기 수소-함유 플라즈마에 노출되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 기판을 상기 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계는, 상기 기판을 수소-함유 가스에 노출시키는 단계 및 플라즈마를 점화하는 단계를 포함하고,
    상기 수소-함유 가스는 암모니아, 수소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 에서 상기 기판 표면 상에 상기 흡착된 층은 약 0.5 Å 미만의 두께인, 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법.
KR1020150163065A 2014-11-24 2015-11-20 암모니아 프리 및 염소 프리 컨포멀 실리콘 나이트라이드 막을 증착하는 방법 KR102446502B1 (ko)

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