KR20220079671A - 갭 충전 증착 공정 - Google Patents

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KR20220079671A
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하오 지앙
니콜라오스 베키아리스
에리카 첸
메훌 비. 나익
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

클러스터 처리 시스템(cluster processing system)에서 기판 상에 상호 접속들 구조를 형성하고 이러한 상호 접속들 구조를 열처리하는 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 반도체 디바이스들(semiconductor devices)을 위한 디바이스 구조를 위한 방법은 기판 상에 배치된 재료 층에 형성된 개구에 배리어 층(barrier layer)을 형성하는 단계, 배리어 층 상에 인터페이스 층(interface layer)을 형성하는 단계, 인터페이스 층 상에 갭 충전 층(gap filling layer)을 형성하는 단계, 및 기판 상에 어닐링 공정(annealing process)을 수행하는 단계 ― 어닐링 공정은 5 bar 초과의 압력 범위에서 수행됨 ― 를 포함한다.

Description

갭 충전 증착 공정
[0001] 본 개시의 실시예들은 일반적으로 금속 함유 재료를 형성하기 위한 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 일반적으로 반도체 디바이스들(semiconductor devices)을 위한 디바이스 구조에서 작은 치수 개구에 금속 함유 재료를 형성하기 위한 방법들에 관한 것이다.
[0002] 0.5 마이크론 이하의 작은 피처들을 안정적으로 생성하는 것은 반도체 디바이스들의 차세대 초고밀도 집적 회로(Very Large Scale Integration)(VLSI) 및 극대규모 집적 회로(Ultra Large-Scale Integration)(ULSI)를 위한 핵심 기술 과제들 중 하나이다. 그러나, 회로 기술의 한계들까지 내몰림에 따라, VLSI 및 ULSI 상호 접속 기술의 축소된 치수들은 처리 능력들에 대한 추가 요구 사항들을 발생시켰다. 기판 상에 게이트 구조들을 안정적으로 형성하는 것은 VLSI 및 ULSI의 성공 및 개별 기판들 및 다이(die)의 회로 밀도 및 품질을 높이려는 지속적인 노력에 중요하다.
[0003] 집적 회로 구성요소들의 치수들이 (예를 들어, 초 서브 마이크론(deep sub-micron) 치수들까지) 감소됨에 따라, 만족스러운 수준들의 전기적 성능을 얻기 위해 이러한 구성요소들을 제조하는데 사용되는 재료들이 신중하게 선택되어야 한다. 차세대 디바이스들 및 구조들의 제조를 가능하게 하기 위해, 반도체 칩들의 3 차원(3D) 적층은 트랜지스터들(transistors)의 성능을 개선하기 위해 종종 이용된다. 기존의 2 차원들 대신에 3 차원들로 트랜지스터들을 배열함으로써, 집적 회로들(ICs)에서 복수 개의 트랜지스터들이 서로 매우 가깝게 배치될 수 있다. 반도체 칩들의 3 차원(3D) 적층은 와이어(wire) 길이들을 감소시키고, 배선 지연을 낮게 유지한다. 트렌치들(trenches)의 폭이 계속 축소됨에 따라, 반도체 칩들의 적층에 대한 종횡비(깊이를 폭으로 나눈 값)가 계속 증가한다. 높은 종횡비의 트렌치들의 제조와 관련된 한 가지 과제는 트렌치들에 원하는 재료들을 증착하는 동안 보이드들(voids)이 형성되는 것을 회피하는 것이다.
[0004] 트렌치를 충전하기 위해, 유전 층 또는 금속 층과 같은 재료 층의 층이 증착된다. 재료 층은 일반적으로 트렌치의 벽들 및 바닥뿐만 아니라 필드(field)도 덮는다. 트렌치가 넓고 얕으면, 트렌치를 완전히 충전하기가 비교적 쉽다. 그러나, 트렌치 종횡비가 증가함에 따라, 트렌치의 개구가 "핀치 오프(pinch off)"되어 트렌치 내에 보이드(예를 들어, 결함들)를 형성할 가능성이 더 높아진다.
[0005] 트렌치 내에 보이드를 형성하거나 또는 트렌치 내에 시임들(seams)을 형성할 가능성을 감소시키기 위해, 최소한의 결함들을 가지고 원하는 재료 층으로 트렌치를 충전하기 위해 많은 상이한 공정 기술들이 개발되어 왔다. 그러나, 증착 공정 중에 공정 제어가 불량하면 트렌치의 불규칙한 구조 프로파일들(profiles) 또는 조기 폐쇄가 발생할 것이고, 트렌치를 유전체 재료들로 충전하는 동안 트렌치에 보이드들, 시임들 또는 에어 갭(air gap)이 발생한다.
[0006] 따라서, 최소한의 결함들을 갖는 원하는 프로파일들을 갖는 트렌치에 재료 층들을 형성하기 위한 증착 공정들의 개선들에 대한 필요성이 존재한다.
[0007] 클러스터 처리 시스템(cluster processing system)에서 기판 상에 상호 접속들 구조를 형성하고 이러한 상호 접속들 구조를 열처리하는 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 반도체 디바이스를 위한 디바이스 구조를 형성하는 방법은 기판 상에 배치된 재료 층에 형성된 개구에 배리어 층(barrier layer)을 형성하는 단계, 배리어 층 상에 인터페이스 층(interface layer)을 형성하는 단계, 인터페이스 층 상에 갭 충전 층(gap filling layer)을 형성하는 단계, 및 기판 상에 어닐링 공정(annealing process)을 수행하는 단계를 포함하고, 여기서 어닐링 공정은 5 bar 초과의 압력 범위에서 수행된다.
[0008] 다른 실시예에서, 상호 접속 구조는 기판 상에 배치된 재료 층에 한정된 개구에 형성된 배리어 층, 배리어 층 상에 배치된 인터페이스 층, 및 인터페이스 층 상에 배치된 갭 충전 층을 포함하고, 여기서 갭 충전 층은 10 nm 초과의 평균 결정 입도(average grain size)를 갖는다.
[0009] 또 다른 실시예에서, 상호 접속 구조를 형성하는 방법은 미리 결정된 두께의 갭 충전 층이 얻어질 때까지 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정을 반복적으로 수행함으로써 갭 충전 층 형성 공정을 형성하는 단계, 및 수소 또는 수소 동위 원소 함유 가스를 공급하면서 5 bar 초과의 압력에서 갭 충전 층 상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
[0010] 이상에서 언급된 본 개시의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에서 간략하게 요약된 본 개시의 보다 특정한 설명은 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시의 전형적인 실시예들만을 예시하는 것이고, 따라서, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 하는데, 이는 본 개시가 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0011] 도 1은 기판 상에서 사전 클리닝 공정을 수행하기 위해 이용될 수 있는 사전 클리닝 처리 챔버를 도시한다.
[0012] 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 원자층 증착(ALD) 처리 공정을 수행하기 위해 이용될 수 있는 장치를 도시한다.
[0013] 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착(CVD) 처리 공정을 수행하기 위해 이용될 수 있는 장치를 도시한다.
[0014] 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 고압 열 어닐링 처리 공정을 수행하기 위해 이용될 수 있는 장치를 도시한다.
[0015] 도 5는 본 개시의 일 실시예를 실시하기 위해 도 1 내지 도 4의 처리 챔버들이 내부에 통합될 수 있는 클러스터 처리 시스템의 일 실시예를 도시한다.
[0016] 도 6은 기판 상에 금속 함유 재료를 형성하기 위한 방법의 일 예의 흐름도를 도시한다.
[0017] 도 7a 내지 도 7d는 도 6에 도시된 공정에 따른 제조 공정 동안 기판 상에 금속 함유 재료를 형성하기 위한 시퀀스의 일 실시예를 도시한다.
[0018] 도 8은 본 개시의 일 실시예를 실시하기 위해 도면의 방법에 의해 제조된 상호 접속 구조의 단면도를 도시한다.
[0019] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 공통적인 동일한 요소들을 나타내기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 더 이상의 언급 없이도 다른 실시예들에 유리하게 통합될 수 있는 것이 고려된다.
[0020] 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 예시할 뿐이고, 따라서 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 하는데, 이는 본 개시가 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0021] 반도체 디바이스에서 우수한 갭 충전 성능을 갖는 기판 상에 금속 함유 상호 접속 구조를 형성하는 방법들이 제공된다. 일 예에서, 우수한 갭 충전 성능을 갖는 기판 상에 배치된 재료 층의 개구를 충전하기 위해 사전 클리닝 공정, 배리어 층 증착 공정, 인터페이스 층 증착 공정, 갭 충전 층 증착 공정 및 고압 어닐링 공정이 수행된다. 또한, 대기로부터 또는 환경으로부터의 오염 및 오탁 가능성이 실질적으로 제거될 수 있도록 진공을 깨뜨리지 않고(예를 들어, 기판이 클러스터 처리 시스템에 있는 동안 대기에 노출되지 않음) 클러스터 처리 시스템에서 사전 클리닝 공정, 배리어 층 증착 공정, 인터페이스 층 증착 공정 및 갭 충전 층 증착 공정이 형성될 수 있다. 배리어 층, 인터페이스 층 및 갭 충전 층을 형성한 후 수행되는 고압 어닐링 공정은 갭 충전 층의 결정 구조를 향상시켜, 이에 따라 갭 충전 층의 막 품질들 및 순도들을 향상시키는데 도움이 될 수 있다.
[0022] 도 1은 아래에서 더 설명되는 바와 같이 기판 사전 클리닝 공정을 수행하기에 적합한 예시적인 처리 챔버(100)의 단면도이다. 처리 챔버(100)는 기판 표면으로부터의 표면 오염 또는 자연 산화물을 제거하도록 구성될 수 있다. 처리 챔버(100)는 원격 플라즈마 표면 클리닝 공정을 수행하는데 특히 유용하다. 처리 챔버(100)는 캘리포니아, 산타클라라 소재의 Applied Materials로부터 입수 가능한 FrontierTM, PCxT Reactive PrecleanTM (RPC), AKTIV Pre-CleanTM, SiconiTM 또는 CapaTM 챔버일 수 있다. 다른 제조사들로부터 입수 가능한 다른 진공 처리 챔버들이 또한 본 개시를 실시하도록 구성될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
[0023] 처리 챔버(100)는 챔버 본체(112), 덮개 조립체(123), 및 지지 조립체(180)를 포함한다. 덮개 조립체(123)는 챔버 본체(112)의 상부 단부에 배치되고, 지지 조립체(180)는 적어도 부분적으로 챔버 본체(112) 내에 배치된다.
[0024] 챔버 본체(112)는 처리 챔버(100)의 내부로의 접근을 제공하기 위해 그 측벽에 형성된 슬릿 밸브 개구(slit valve opening)(114)를 포함한다. 슬릿 밸브 개구(114)는 웨이퍼 핸들링 로봇(wafer handling robot)(도시되지 않음)에 의해 챔버 본체(112)의 내부로의 접근을 허용하도록 선택적으로 개방되고 폐쇄된다.
[0025] 하나 이상의 구현들에서, 챔버 본체(112)는 이를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하기 위해 내부에 형성된 채널(115)을 포함한다. 챔버 본체(112)는 지지 조립체(180)를 둘러싸는 라이너(liner)(120)를 더 포함할 수 있다. 라이너(120)는 정비 및 클리닝을 위해 제거 가능하다. 하나 이상의 실시예들에서, 라이너(120)는 하나 이상의 구멍들(125) 및 진공 시스템과 유체 연통하는 내부에 형성된 펌핑 채널(pumping channel)(129)을 포함한다. 구멍들(125)은 처리 챔버(100) 내의 가스들에 대한 출구를 제공하는 펌핑 채널(129)로의 가스들의 흐름 경로를 제공한다.
[0026] 진공 시스템은 처리 챔버(100)를 통한 가스들의 흐름을 조절하기 위해 진공 펌프(130) 및 스로틀 밸브(throttle valve)(132)를 포함할 수 있다. 진공 펌프(130)는 챔버 본체(112)에 배치된 진공 포트(131)에 결합되고, 따라서 라이너(120) 내에 형성된 펌핑 채널(129)과 유체 연통한다.
[0027] 원격 플라즈마 시스템(110)은 할로겐 함유 전구체, 예를 들어 불소 함유 전구체를 처리할 수 있으며, 이는 그 후 가스 입구 조립체(111)를 통해 이동한다. 2 개의 별개의 가스 공급 채널들(제1 채널(109) 및 제2 채널(113))은 가스 입구 조립체(111) 내에서 볼 수 있다. 제1 채널(109)은 원격 플라즈마 시스템(110)(RPS)을 통과하는 가스를 운반하는 반면, 제2 채널(113)은 원격 플라즈마 시스템(110)을 우회한다. 채널(109, 113) 중 하나는 할로겐 함유 전구체에 대해 사용될 수 있다. 한편, 제1 채널(109)은 공정 가스에 대해 사용될 수 있고, 제2 채널(113)은 처리 가스에 대해 사용될 수 있다. 덮개 조립체(또는 전도성 상단 부분)(123) 및 천공된 격벽(153)(또는 샤워헤드)이 그 사이에 절연 링(124)을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 이는 천공된 격벽(153)에 대해 덮개 조립체(123)에 AC 전위가 인가되도록 허용한다. AC 전위는 챔버 플라즈마 영역(121)의 플라즈마와 충돌한다. 공정 가스는 제1 채널(109)을 통해 챔버 플라즈마 영역(121)으로 이동할 수 있고, 챔버 플라즈마 영역(121)에서 단독으로 또는 원격 플라즈마 시스템(110)과 조합하여 플라즈마에 의해 여기될 수 있다. 공정 가스가 제2 채널(113)을 통해 흐른다면, 이 경우 챔버 플라즈마 영역(121)만이 여기를 위해 사용된다. 챔버 플라즈마 영역(121) 및/또는 원격 플라즈마 시스템(110)의 조합은 여기에서 원격 플라즈마 시스템으로 지칭될 수 있다. 천공된 격벽(샤워헤드라고도 함)(153)은 천공된 격벽(153) 아래의 기판 처리 영역(141)으로부터 챔버 플라즈마 영역(121)을 분리한다. 천공된 격벽(153)은 챔버 플라즈마 영역(121)에 존재하는 플라즈마가 기판 처리 영역(141)에서 가스를 직접적으로 여기시키는 것을 회피할 수 있게 허용하는 한편, 여기된 종이 여전히 챔버 플라즈마 영역(121)으로부터 기판 처리 영역(141)으로 이동하는 것을 허용한다.
[0028] 천공된 격벽(153)은 챔버 플라즈마 영역(121)과 기판 처리 영역(141) 사이에 위치 결정되고, 원격 플라즈마 시스템(110) 및/또는 챔버 플라즈마 영역(121) 내에서 생성된 플라즈마 유출물(전구체 또는 다른 가스들의 여기된 유도체들)이 복수의 관통 홀들(156)을 통과하도록 허용한다. 천공된 격벽(153)은 또한, 증기 또는 가스 형태의 전구체로 충전될 수 있고 관통 홀들(156)을 통해 기판 처리 영역(141)으로 통과되지만 챔버 플라즈마 영역(121)으로 직접 통과되지는 않는 하나 이상의 중공 체적들(151)을 갖는다. 챔버 플라즈마 영역(121)으로부터 기판 처리 영역(141)으로 침투하는 여기된 종의 상당한 농도를 유지하기 위해, 관통 홀들(156)의 길이(126)는 제한되고 필요에 따라 다른 구성들로 구성될 수 있다.
[0029] 천공된 격벽(153)은 도 1에 도시된 바와 같이 이온 억제기의 역할을 하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 기판 처리 영역(141)으로 이동하는 이온 농도를 억제하는 별도의 처리 챔버 요소가 포함될 수 있다(도시되지 않음). 덮개 조립체(123) 및 천공된 격벽(153)은 각각 제1 전극 및 제2 전극으로 기능할 수 있어, 덮개 조립체(123) 및 천공된 격벽(153)이 서로 다른 전압들을 인가받을 수 있다. 이러한 구성들에서, 전력(예를 들어, RF 전력)은 덮개 조립체(123), 천공된 격벽(153), 또는 둘 모두에 인가될 수 있다. 예를 들어, 천공된 격벽(153)(이온 억제기의 역할을 함)이 접지되는 동안 덮개 조립체(123)에 전력이 인가될 수 있다. 기판 처리 챔버(100)는 필요에 따라 덮개 조립체(123) 및/또는 천공된 격벽(153)에 전력을 제공하는 RF 생성기를 포함할 수 있다. 덮개 조립체(123)에 인가된 전압은 챔버 플라즈마 영역(121) 내에서 플라즈마의 균일한 분포를 촉진할 수 있다(즉, 국부적인 플라즈마를 감소시킴). 챔버 플라즈마 영역(121)에서 플라즈마의 형성을 가능하게 하기 위해, 절연 링(124)은 천공된 격벽(153)으로부터 덮개 조립체(123)를 전기적으로 절연할 수 있다. 절연 링(124)은 세라믹으로 제조될 수 있고, 스파크를 피하기 위해 높은 항복 전압을 가질 수 있다. 방금 설명된 용량 결합 플라즈마 구성요소들 근처의 기판 처리 챔버(100)의 부분들은 순환 냉각제(예를 들어, 물)로 플라즈마에 노출된 표면을 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각 유체 채널들을 포함하는 냉각 유닛(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다.
[0030] 도시된 실시예에서, 천공된 격벽(153)은 챔버 플라즈마 영역(121)에서 플라즈마에 의해 여기될 때 수소, 불소 및/또는 이러한 공정 가스들의 플라즈마 유출물들을 함유하는 공정 가스들을 (관통 홀들(156)을 통해) 분배할 수 있다. 실시예들에서, 원격 플라즈마 시스템(110) 및/또는 챔버 플라즈마 영역(121) 내로 도입되는 공정 가스는 (F2 또는 HF와 같은) 불소를 함유할 수 있다. 공정 가스는 또한 헬륨, 아르곤, 수소(H2) 등과 같은 캐리어 가스를 포함할 수 있다. 플라즈마 유출물들은 공정 가스의 이온화된 또는 중성 유도체들을 포함할 수 있고, 본 명세서에서 도입된 공정 가스의 원자 성분을 언급하는 라디칼-불소로 또한 지칭될 수 있다.
[0031] 관통 홀들(156)은, 이온적으로 하전된 종(species)이 챔버 플라즈마 영역(121) 외부로 이동하는 것을 억제하는 한편, 하전되지 않은 중성 또는 라디칼 종이 천공된 격벽(153)을 통해 기판 처리 영역(141)으로 통과하는 것을 허용하도록 구성된다. 이러한 하전되지 않은 종은 관통 홀들(156)에 의해 반응성이 낮은 캐리어 가스와 함께 수송되는 반응성이 높은 종을 포함할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 관통 홀들(156)에 의한 이온 종의 이동은 감소될 수 있고, 일부 경우들에서는 완전히 억제될 수 있다. 천공된 격벽(153)을 통과하는 이온 종의 양을 제어하는 것은 하부 웨이퍼 기판과 접촉하게 되는 가스 혼합물에 대한 제어를 증가시키고, 이는 차례로 가스 혼합물의 증착 및/또는 에칭 특성의 제어를 증가시킨다. 예를 들어, 가스 혼합물의 이온 농도를 조정하면 에칭 선택도(예를 들어, 실리콘 질화물/산화물 : 실리콘 에칭 비율들)가 크게 변경될 수 있다.
[0032] 실시예들에서, 관통 홀들(156)의 개수는 약 60 내지 약 2000 개일 수 있다. 관통 홀들(156)은 다양한 형상들을 가질 수 있지만, 그러나 가장 쉽게 원형으로 제조될 수 있다. 또한 원추형, 원통형 또는 이 2 개의 형상들의 조합들로 제조될 수 있는 관통 홀들의 단면 형상을 선택하는데 자유가 있다. 관통 홀들(156)은 천공된 격벽(153)을 통한 플라즈마 활성화된 가스(즉, 이온성, 라디칼, 및/또는 중성 종)의 통과를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 홀들의 종횡비(즉, 홀 직경 대 길이) 및/또는 홀들의 기하학적 구조는 천공된 격벽(153)을 통과하는 활성화된 가스에서 이온으로 하전된 종의 흐름이 감소되도록 제어될 수 있다. 천공된 격벽(153)의 관통 홀들(156)은 챔버 플라즈마 영역(121)을 향하는 테이퍼진 부분(tapered portion), 및 기판 처리 영역(141)을 향하는 원통형 부분을 포함할 수 있다. 원통형 부분은 기판 처리 영역(141) 내로 통과하는 이온 종의 흐름을 제어하도록 비례되고 치수가 결정될 수 있다. 조정 가능한 전기 바이어스(electrical bias)가 또한 천공된 격벽(153)을 통한 이온 종의 흐름을 제어하기 위한 추가 수단으로서 천공된 격벽(153)에 인가될 수 있다.
[0033] 대안적으로, 관통 홀들(156)은 천공된 격벽(153)의 상단 표면으로 갈수록 더 작은 내부 직경(ID)을 가질 수 있고, 바닥 표면으로 갈수록 더 큰 ID를 가질 수 있다. 또한, 관통 홀들(156)의 바닥 에지는, 플라즈마 유출물들이 샤워헤드를 빠져나갈 때 기판 처리 영역(141)에서 플라즈마 유출물들을 고르게 분포시키는 것을 돕고 플라즈마 유출물들 및 전구체 가스들의 고른 분포를 촉진하도록 모따기될 수 있다. 더 작은 ID는 관통 홀들(156)을 따라 다양한 위치들에 배치될 수 있고, 여전히 천공된 격벽(153)이 기판 처리 영역(141) 내의 이온 밀도를 감소시키도록 허용할 수 있다. 이온 밀도의 감소는 기판 처리 영역(141)으로 진입하기 전에 벽들과의 충돌들의 횟수의 증가로 인해 발생한다. 각각의 충돌은 이온이 벽에서 전자를 얻거나 또는 잃음으로써 중화될 확률을 증가시킨다. 일반적으로 말해서, 관통 홀들(156)의 더 작은 ID는 약 0.2 mm 내지 약 20 mm일 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 작은 ID는 약 1 mm 내지 6 mm 또는 약 0.2 mm 내지 약 5 mm일 수 있다. 또한, 관통 홀들(156)의 종횡비들(즉, 더 작은 ID 대 홀 길이)는 대략 1 내지 20 일 수 있다. 관통 홀들(156)의 더 작은 ID는 관통 홀들의 길이를 따라 발견되는 최소 ID일 수 있다. 관통 홀들(156)의 단면 형상은 일반적으로 원통형, 원추형, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
[0034] 지지 조립체(180)는 챔버 본체(112) 내에서 처리하기 위해 기판(도 1에 도시되지 않음)을 지지하기 위한 지지 부재(185)를 포함할 수 있다. 지지 부재(185)는 챔버 본체(112)의 바닥 표면에 형성된 중앙에 위치된 개구(116)를 통해 연장되는 샤프트(187)를 통해 리프트 기구(lift mechanism)(183)에 결합될 수 있다. 리프트 기구(183)는 샤프트(187) 주위로부터 진공 누출을 방지하는 벨로우즈(bellows)(188)에 의해 챔버 본체(112)에 유연하게 밀봉될 수 있다.
[0035] 지지 부재(185)는 리프트 핀들(lift pins)(193)(하나가 도 1에 도시되어 있음)을 수용하기 위해, 지지 부재(185)를 관통하여 형성된 보어들(bores)(192)을 포함할 수 있다. 각각의 리프트 핀(193)은 세라믹 또는 세라믹 함유 재료들로 구성되며, 기판 취급 및 수송을 위해 사용된다. 리프트 핀(193)은 챔버 본체(112) 내에 배치된 환형 리프트 링(195)과 맞물릴 때 그의 각각의 보어(192) 내에서 이동 가능하다. 지지 조립체(180)는 지지 부재(185) 주위에 배치된 에지 링(196)을 더 포함할 수 있다.
[0036] 지지 조립체(180)의 온도는 지지 부재(185)의 본체에 매립된 유체 채널(198)을 통해 순환되는 유체에 의해 제어될 수 있다. 하나 이상의 구현들에서, 유체 채널(198)은 지지 조립체(180)의 샤프트(187)를 통해 배치된 열 전달 도관(199)과 유체 연통한다. 유체 채널(198)은 지지 부재(185)의 기판 수용 표면에 균일한 열 전달을 제공하기 위해 지지 부재(185) 주위에 위치 결정된다. 유체 채널(198) 및 열 전달 도관(199)은 지지 부재(185)를 가열하거나 또는 냉각하기 위해 열 전달 유체들을 흐르게 할 수 있다. 물, 질소, 에틸렌 글리콜, 또는 이들의 혼합물들과 같은 임의의 적합한 열 전달 유체가 사용될 수 있다. 지지 조립체(180)는 지지 부재(185)의 지지 표면의 온도를 모니터링하기 위한 매립된 열전대(thermocouple)(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전대로부터의 신호는 유체 채널(198)을 통해 순환되는 유체의 온도 또는 유량을 제어하기 위해 피드백 루프(feedback loop)에서 사용될 수 있다.
[0037] 지지 부재(185)는 챔버 본체(112) 내에서 수직으로 이동되어 지지 부재(185)와 덮개 조립체(140) 사이의 거리가 제어될 수 있다. 센서(도시되지 않음)가 처리 챔버(100) 내의 지지 부재(185)의 포지션에 관한 정보를 제공할 수 있다.
[0038] 시스템 제어기(도시되지 않음)가 처리 챔버(100)의 동작들을 조절하는데 사용될 수 있다. 시스템 제어기는 제어기의 메모리 또는 다른 메모리 소스에 저장된 컴퓨터 프로그램의 제어 하에 작동할 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 후술되는 사전 클리닝 공정이 처리 챔버(100)에서 수행될 수 있게 하는 명령어들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램은 공정 시퀀싱(sequencing) 및 타이밍(timing), 가스들의 혼합, 챔버 압력들, RF 전력 수준들, 서셉터 위치 결정(susceptor positioning), 슬릿 밸브 개방 및 폐쇄, 웨이퍼 냉각 및 특정 공정의 다른 파라미터들을 지정할 수 있다.
[0039] 도 2는 원자층 증착(ALD) 처리 챔버(200)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. ALD 처리 챔버(200)는 ALD 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 주기적 증착을 위해 구성된 가스 전달 장치(230)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 ALD 및 CVD라는 용어들은 기판 구조 위에 얇은 층을 증착하기 위해 반응물들을 순차적으로 도입하는 것을 의미한다. 반응물들의 순차적인 도입은 원하는 두께로 컨포멀 층(conformal layer)을 형성하기 위해 복수의 얇은 층들을 증착하기 위해 반복될 수 있다. 챔버(200)는 또한 리소그래피 공정과 함께 다른 증착 기술들을 위해 구성될 수 있다.
[0040] 챔버(200)는 바닥(234)을 갖는 챔버 본체(229)를 포함한다. 챔버 본체(229)를 통해 형성된 슬릿 밸브 터널(233)은 로봇(도시되지 않음)이 챔버(200)로부터 200 mm, 300 mm 또는 450 mm 반도체 기판 또는 유리 기판과 같은 기판(201)을 전달 및 회수하기 위한 접근을 제공한다.
[0041] 기판 지지부(292)가 챔버(200) 내에 배치되어 처리 동안 기판(201)을 지지한다. 기판 지지부(292)는 리프트(214)에 장착되어 기판 지지부(292) 및 그 위에 배치된 기판(201)을 상승 및 하강시킨다. 리프트 플레이트(lift plate)(216)가 리프트 플레이트(216)의 높이를 제어하는 리프트 플레이트 액추에이터(218)에 연결된다. 리프트 플레이트(216)는 기판 지지부(292)를 통해 이동 가능하게 배치된 핀들(220)을 상승 및 하강시키기 위해 상승 및 하강될 수 있다. 핀들(220)은 기판 지지부(292)의 표면 위에서 기판(201)을 상승 및 하강시키기 위해 사용된다. 기판 지지부(292)는 처리 동안 기판 지지부(292)의 표면에 기판(201)을 고정하기 위한 진공 척(vacuum chuck), 정전기 척, 또는 클램프 링을 포함할 수 있다.
[0042] 기판 지지부(292)는 그 위에 배치된 기판(201)을 가열하기 위해 가열될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(292)는 저항성 히터와 같은 매립된 가열 요소를 사용하여 가열될 수 있거나, 또는 기판 지지부(292) 위에 배치된 가열 램프들과 같은 복사 열을 사용하여 가열될 수 있다. 퍼지 링(purge ring)(222)이 기판 지지부(292) 상에 배치되어, 기판(201)의 주변 부분에 퍼지 가스를 제공하여 그 위의 증착을 방지하는 퍼지 채널(224)을 한정할 수 있다.
[0043] 챔버 본체(229)의 상부 부분에는 공정 가스 및/또는 퍼지 가스와 같은 가스를 챔버(200)에 제공하기 위한 가스 전달 장치(230)가 배치된다. 펌핑 시스템(278)이 펌핑 채널(279)과 연통하여, 챔버(200)로부터 임의의 원하는 가스들을 배기하고 챔버(200)의 펌핑 존(266) 내부에서 원하는 압력 또는 원하는 압력 범위를 유지하는 것을 돕는다.
[0044] 일 실시예에서, 가스 전달 장치(230)는 챔버 덮개(232)를 포함한다. 챔버 덮개(232)는 챔버 덮개(232)의 중앙 부분으로부터 연장되는 확장 채널(237) 및 확장 채널(237)로부터 챔버 덮개(232)의 주변 부분으로 연장되는 바닥 표면(260)을 포함한다. 바닥 표면(260)은 기판 지지부(292) 상에 배치된 기판(201)을 실질적으로 덮도록 크기 및 형상이 결정된다. 챔버 덮개(232)는 기판(201)의 주변에 인접한 챔버 덮개(232)의 주변 부분에 초크(choke)(262)를 가질 수 있다. 캡 부분(cap portion)(272)은 확장 채널(237)의 일부 및 가스 입구들(236A, 236B)을 포함한다. 확장 채널(237)은 2 개의 유사한 밸브들(242A, 242B)로부터의 가스 흐름들을 제공하기 위해 가스 입구들(236A, 236B)을 갖는다. 밸브들(242A, 242B)로부터의 가스 흐름들은 함께 및/또는 별도로 제공될 수 있다.
[0045] 일 구성에서, 밸브(242A) 및 밸브(242B)는 개별 반응 가스 소스들에 결합되지만, 그러나 동일한 퍼지 가스 소스에 결합된다. 예를 들어, 밸브(242A)는 반응 가스 소스(238)에 결합되고, 밸브(242B)는 반응 가스 소스(239)에 결합되며, 두 개의 밸브들(242A, 242B)은 가스 소스(240)를 퍼지하도록 결합된다. 각각의 밸브(242A, 242B)는 밸브 시트 조립체(244A, 244B)를 갖는 전달 라인(243A, 243B)을 포함하고, 밸브 시트 조립체(246A, 246B)를 갖는 퍼지 라인(245A, 245B)을 포함한다. 전달 라인(243A, 243B)은 반응 가스 소스(238, 239)와 연통하고, 확장 채널(290)의 가스 입구(237A, 237B)와 연통한다. 전달 라인(243A, 243B)의 밸브 시트 조립체(244A, 244B)는 반응 가스 소스(238, 239)로부터 확장 채널(290)로의 반응 가스의 흐름을 제어한다. 퍼지 라인(245A, 245B)은 퍼지 가스 소스(240)와 연통하고, 전달 라인(243A, 243B)의 밸브 시트 조립체(244A, 244B) 하류에서 전달 라인(243A, 243B)과 교차한다. 퍼지 라인(245A, 245B)의 밸브 시트 조립체(246A, 246B)는 퍼지 가스 소스(240)로부터 전달 라인(243A, 243B)으로 퍼지 가스의 흐름을 제어한다. 캐리어 가스가 반응 가스 소스(238, 239)로부터 반응 가스들을 전달하는데 사용되는 경우, 동일한 가스가 캐리어 가스 및 퍼지 가스로 사용될 수 있다(즉, 아르곤 가스가 캐리어 가스 및 퍼지 가스 모두로 사용될 수 있음).
[0046] 각각의 밸브(242A, 242B)는 밸브의 밸브 시트 조립체(244A, 244B)가 폐쇄될 때 전달 라인(243A, 243B)으로부터 반응 가스의 플러싱(flushing)을 가능하게 하는 제로 불용 체적 밸브(zero dead volume valve)일 수 있다. 예를 들어, 퍼지 라인(245A, 245B)은 전달 라인(243A, 243B)의 밸브 시트 조립체(244A, 244B)에 인접하게 위치 결정될 수 있다. 밸브 시트 조립체(244A, 244B)가 폐쇄될 때, 퍼지 라인(245A, 245B)은 전달 라인(243A, 243B)을 플러싱하기 위해 퍼지 가스를 제공할 수 있다. 도시된 실시예에서, 퍼지 라인(245A, 245B)은 개방 시 퍼지 가스가 밸브 시트 조립체(244A, 244B) 내로 직접 전달되지 않도록 전달 라인(243A, 243B)의 밸브 시트 조립체(244A, 244B)로부터 약간 이격되어 위치 결정된다. 여기에서 사용된 바와 같은 제로 불용 체적 밸브는 무시할 수 있는 불용 체적을 갖는 밸브로 정의된다(즉, 제로 불용 체적이 필요한 것은 아님). 각각의 밸브(242A, 242B)는 소스들(238, 239)로부터의 반응 가스 및 소스(240)로부터 퍼지 가스의 결합된 가스 흐름 및/또는 분리된 가스 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 퍼지 가스의 펄스들은 퍼지 라인(245A)의 밸브 시트 조립체(246A)의 다이어프램(diaphragm)을 개방 및 폐쇄함으로써 제공될 수 있다. 반응 가스 소스(238)로부터의 반응 가스의 펄스들은 전달 라인(243A)의 밸브 시트 조립체(244A)를 개방 및 폐쇄함으로써 제공될 수 있다.
[0047] 제어 유닛(280)이 처리 조건들을 제어하기 위해 챔버(200)에 결합될 수 있다. 제어 유닛(280)은 중앙 처리 유닛(CPU)(282), 지원 회로(284), 및 관련된 제어 소프트웨어(283)를 포함하는 메모리(286)를 포함한다. 제어 유닛(280)은 다양한 챔버들 및 서브 프로세서들을 제어하기 위한 산업 현장에서 사용될 수 있는 임의의 형태의 범용 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다. CPU(282)는 랜덤 액세스 메모리, 읽기 전용 메모리, 플로피 디스크 드라이브, 컴팩트 디스크 드라이브, 하드 디스크, 또는 로컬 또는 원격의 임의의 다른 형태의 디지털 스토리지와 같은 임의의 적절한 메모리(186)를 사용할 수 있다. 다양한 지원 회로들이 챔버(200)를 지원하기 위해 CPU(282)에 결합될 수 있다. 제어 유닛(280)은 밸브들(242A, 242B)의 프로그램 가능 논리 제어기들(248A, 248B)과 같은 개별 챔버 구성요소들에 인접하여 위치되는 다른 제어기에 결합될 수 있다. 제어 유닛(280)과 챔버(200)의 다양한 다른 구성요소들 사이의 양방향 통신들은 신호 버스들(288)로 집합적으로 지칭되는 수많은 신호 케이블들을 통해 처리되며, 그 중 일부가 도 2에 도시되어 있다. 가스 소스들(238, 239, 240) 및 밸브들(242A, 242B)의 프로그램 가능 로직 제어기들(248A, 248B)로부터의 공정 가스들 및 퍼지 가스들의 제어에 더하여, 제어 유닛(280)은 다른 활동들 중에서, 기판 수송, 온도 제어, 챔버 배기와 같은 기판 처리에 사용되는 다른 활동들(이들 중 일부가 본원의 다른 곳에서 설명됨)의 자동화된 제어를 담당하도록 구성될 수 있다.
[0048] 도 3은 반도체 디바이스들 제조를 위한 반도체 상호 접속 구조들로서 이용될 수 있는 플라즈마 증착 공정(예를 들어, 플라즈마 강화 CVD 또는 금속 유기 CVD)을 수행하기에 적합한 처리 챔버(300)의 단면도이다. 처리 챔버(300)는 캘리포니아, 산타클라라에 소재한 Applied Materials, Inc.로부터 입수 가능한 적합하게 구성된 CENTURA®, PRODUCER® SE 또는 PRODUCER® GT 또는 PRODUCER® XP 처리 시스템일 수 있다. 다른 제조사들에 의해 생산된 것들을 포함하는 다른 처리 시스템들이 여기에 설명된 실시예들로부터 이익을 얻을 수 있는 것이 고려된다.
[0049] 처리 챔버(300)는 챔버 본체(351)를 포함한다. 챔버 본체(351)는 내부 체적(326)을 한정하는 덮개(325), 측벽(303) 및 바닥 벽(322)을 포함한다.
[0050] 기판 지지 페데스탈(pedestal)(350)이 챔버 본체(351)의 내부 체적(326)에 제공된다. 페데스탈(350)은 알루미늄, 세라믹, 질화알루미늄, 및 다른 적절한 재료들로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 페데스탈(350)은 페데스탈(350)에 열적 손상을 일으키지 않으면서 플라즈마 공정 환경과 같은 고온 환경에서 사용하기에 적합한 재료인 질화알루미늄과 같은 세라믹 재료로 제조된다. 페데스탈(350)은 리프트 기구(도시되지 않음)를 이용하여 챔버 본체(351) 내부에서 수직 방향으로 이동될 수 있다.
[0051] 페데스탈(350)은 페데스탈(350) 상에 지지된 기판(301)의 온도를 제어하기에 적합한 매립된 히터 요소(370)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 페데스탈(350)은 전원(306)으로부터 히터 요소(370)로 전류를 인가함으로써 저항적으로 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 히터 요소(370)는 니켈-철-크롬 합금(예를 들어, INCOLOY®) 외피 튜브에 캡슐화된 니켈-크롬 와이어로 제조될 수 있다. 전원(306)으로부터 공급된 전류는 히터 요소(370)에 의해 생성된 열을 제어하기 위해 제어기(310)에 의해 조절되고, 따라서 기판(301) 및 페데스탈(350)은 임의의 적절한 온도 범위에서 막 증착 동안 실질적으로 일정한 온도로 유지된다. 다른 실시예에서, 페데스탈은 필요에 따라 실온에서 유지될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 페데스탈(350)은 필요에 따라 실온 미만의 범위에서 페데스탈(350)을 냉각시키기 위해 필요에 따라 냉각기(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다. 공급되는 전류는 섭씨 약 20 도 내지 약 700 도에서 페데스탈(350)의 온도를 선택적으로 제어하도록 조정될 수 있다.
[0052] 열전대와 같은 온도 센서(372)는 통상적인 방식으로 페데스탈(350)의 온도를 모니터링하기 위해 기판 지지 페데스탈(350)에 매립될 수 있다. 측정된 온도는 기판을 원하는 온도로 유지하기 위해 히터 요소(370)에 공급되는 전력을 제어하기 위해 제어기(310)에 의해 사용된다.
[0053] 페데스탈(350)은 일반적으로 페데스탈(350)로부터 기판(301)을 들어올리고 종래의 방식으로 로봇(도시되지 않음)과 기판(301)의 교환을 용이하게 하도록 구성되고 페데스탈을 통해 배치되는 복수의 리프트 핀들(도시되지 않음)을 포함한다.
[0054] 페데스탈(350)은 페데스탈(350) 상에 기판(301)을 보유하기 위한 적어도 하나의 전극(392)을 포함한다. 전극(392)은 통상적으로 알려진 바와 같이 페데스탈 표면에 기판(301)을 유지하는 정전기력을 발생시키기 위해 척킹(chucking) 전원(308)에 의해 구동된다. 대안적으로, 기판(301)은 클램핑, 진공 또는 중력에 의해 페데스탈(350)에 보유될 수 있다.
[0055] 일 실시예에서, 페데스탈(350)은 2 개의 RF 바이어스 전원들(384, 386)로서 도 3에 도시된 적어도 하나의 RF 바이어스 전원에 결합된 전극(392)이 내부에 매립된 캐소드(cathode)로서 구성된다. 도 3에 도시된 예는 2 개의 RF 바이어스 전원들(384, 386)을 보여주지만, RF 바이어스 전원들의 개수는 필요에 따라 임의의 개수일 수 있다는 점에 유의해야 한다. RF 바이어스 전원들(384, 386)은 페데스탈(350)에 배치된 전극(392)과 처리 챔버(300)의 가스 분배 플레이트(342) 또는 덮개(325)와 같은 다른 전극 사이에 결합된다. RF 바이어스 전원(384, 386)은 처리 챔버(300)의 처리 영역에 배치된 가스들로부터 형성된 플라즈마 방전을 여기하고 유지한다.
[0056] 도 3에 도시된 실시예에서, 이중 RF 바이어스 전원들(384, 386)은 정합 회로(304)를 통해 페데스탈(350)에 배치된 전극(392)에 결합된다. RF 바이어스 전원(384, 386)에 의해 생성된 신호는 처리 챔버(300)에 제공된 가스 혼합물을 이온화하기 위해 정합 회로(304)를 통해 페데스탈(350)로 단일 피드(single feed)를 통해 전달되어, 이로써 증착 또는 다른 플라즈마 강화 공정을 수행하는데 필요한 이온 에너지를 제공할 수 있다. RF 바이어스 전원들(384, 386)은 일반적으로 약 50 kHz 내지 약 200 MHz의 주파수 및 약 0 와트 내지 약 5000 와트의 전력을 갖는 RF 신호를 생성할 수 있다.
[0057] 여기에 도시된 일 예에서, 플라즈마는 필요에 따라 처리 챔버(300)에서 클리닝 공정이 수행될 때에만 턴온된다는 점에 유의해야 한다.
[0058] 챔버 본체(351)의 바닥(322)에 형성된 포트에는 진공 펌프(302)가 결합된다. 진공 펌프(302)는 챔버 본체(351)에서 원하는 가스 압력을 유지하는데 사용된다. 진공 펌프(302)는 또한 챔버 본체(351)로부터 공정의 부산물들 및 후처리 가스들을 배기한다.
[0059] 처리 챔버(300)는 처리 챔버(300)의 덮개(325)를 통해 결합된 하나 이상의 가스 전달 통로들(344)을 포함한다. 가스 전달 통로들(344) 및 진공 펌프(302)는 처리 챔버(300)의 대향 단부들에 위치 결정되어 입자 오염을 최소화하기 위해 내부 체적(326) 내의 층류를 유도한다.
[0060] 가스 전달 통로(344)는 내부 체적(326) 내로 가스 혼합물을 제공하기 위해 원격 플라즈마 소스(RPS)(348)를 통해 가스 패널(393)에 결합된다. 일 실시예에서, 가스 전달 통로(344)를 통해 공급된 가스 혼합물은 가스 전달 통로(344) 아래에 배치된 가스 분배 플레이트(342)를 통해 더 전달될 수 있다. 일 예에서, 복수의 구멍들(343)을 갖는 가스 분배 플레이트(342)는 페데스탈(350) 위의 챔버 본체(351)의 덮개(325)에 결합된다. 가스 분배 플레이트(342)의 구멍들(343)은 가스 패널(393)로부터 챔버 본체(351) 내로 공정 가스들을 도입하기 위해 이용된다. 구멍들(343)은 상이한 공정 요건들에 대한 다양한 공정 가스들의 흐름을 용이하게 하기 위해 상이한 크기들, 개수, 분포들, 형상, 설계, 및 직경들을 가질 수 있다. 플라즈마는 가스 분배 플레이트(342)를 빠져나가는 공정 가스 혼합물로부터 형성되어, 공정 가스들의 열 분해를 향상시켜 기판(301)의 표면(391) 상에 재료의 증착을 발생시킨다.
[0061] 가스 분배 플레이트(342) 및 기판 지지 페데스탈(350)은 내부 체적(326)에서 이격된 한 쌍의 전극들로 형성될 수 있다. 하나 이상의 RF 소스들(347)은 가스 분배 플레이트(342)와 페데스탈(350) 사이의 플라즈마의 생성을 용이하게 하기 위해 매칭 네트워크(345)를 통해 가스 분배 플레이트(342)에 바이어스 전위를 제공한다. 대안적으로, RF 소스들(347) 및 매칭 네트워크(345)는 가스 분배 플레이트(342), 기판 지지 페데스탈(350)에 결합되거나, 또는 가스 분배 플레이트(342) 및 기판 지지 페데스탈(350) 모두에 결합되거나, 또는 챔버 본체(351) 외부에 배치된 안테나(도시되지 않음)에 결합된다. 일 실시예에서, RF 소스들(347)은 약 30 kHz 내지 약 13.6 MHz의 주파수에서 약 10 와트 내지 약 3000 와트를 제공할 수 있다. 대안적으로, RF 소스(347)는 내부 체적(326)에서 플라즈마의 생성을 보조하는 가스 분배 플레이트(342)에 마이크로파 전력을 제공하는 마이크로파 생성기일 수 있다.
[0062] 일 실시예에서, 원격 플라즈마 소스(RPS)(348)는 가스 패널(393)로부터 내부 체적(326) 내로 공급된 가스들로부터 플라즈마를 형성하는 것을 돕기 위해 대안적으로 가스 전달 통로들(344)에 결합될 수 있다. 원격 플라즈마 소스(348)는 가스 패널(393)에 의해 제공되는 가스 혼합물로부터 형성된 플라즈마를 처리 챔버(300)에 제공한다.
[0063] 제어기(310)는 중앙 처리 유닛(CPU)(312), 메모리(316), 및 공정 시퀀스를 제어하고 가스 패널(393)로부터의 가스 흐름들을 조절하는데 사용되는 지원 회로(314)를 포함한다. CPU(312)는 산업 현장에서 사용될 수 있는 범용 컴퓨터 프로세서의 임의의 형태일 수 있다. 소프트웨어 루틴들은 랜덤 액세스 메모리, 읽기 전용 메모리, 플로피 또는 하드 디스크 드라이브, 또는 다른 형태의 디지털 스토리지와 같은 메모리(316)에 저장될 수 있다. 지원 회로(314)는 통상적으로 CPU(312)에 결합되고, 캐시, 클록 회로들, 입력/출력 시스템들, 전원 공급 장치들 등을 포함할 수 있다. 제어기(310)와 처리 챔버(300)의 다양한 구성요소들 사이의 양방향 통신들은 신호 버스들(318)로 집합적으로 지칭되는 수많은 신호 케이블들을 통해 처리되며, 그 중 일부가 도 3에 도시되어 있다.
[0064] 도 4는 단일 기판(401)의 고압 어닐링 공정을 위한 단일 기판 처리 챔버(400)의 단순화된 정면 단면도이다. 단일 기판 처리 챔버(400)는 외부 표면(412) 및 내부 체적(425)을 둘러싸는 내부 표면(413)을 갖는 본체(410)를 갖는다. 도 4와 같은 일부 실시예들에서, 본체(410)는 환형 단면을 갖지만, 다른 실시예들에서, 본체(410)의 단면은 직사각형이거나 또는 임의의 폐쇄 형상일 수 있다. 본체(410)의 외부 표면(412)은 스테인리스강과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 부식 방지 강(corrosion resistant steel)(CRS)으로 제조될 수 있다. 단일 기판 처리 챔버(400)로부터 외부 환경으로의 열 손실을 방지하는 하나 이상의 열 차폐물들(415)이 본체(410)의 내부 표면(413) 상에 배치된다. 본체(410)의 내부 표면(413) 및 열 차폐물들(415)은 HASTELLOY®, ICONEL®, 및 MONEL®과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 높은 부식 저항성을 나타내는 니켈 기반 강철 합금들로 제조될 수 있다.
[0065] 기판 지지부(430)는 내부 체적(425) 내에 배치된다. 기판 지지부(430)는 스템(stem)(434) 및 스템(434)에 의해 유지되는 기판 지지 부재(432)를 갖는다. 스템(434)은 챔버 본체(410)를 통해 형성된 통로(422)를 통과한다. 액추에이터(438)에 연결된 로드(rod)(439)는 챔버 본체(410)를 통해 형성된 제2 통로(423)를 통과한다. 로드(439)는 기판 지지부(430)의 스템(434)을 수용하는 구멍(436)을 갖는 플레이트(435)에 결합된다. 리프트 핀들(437)은 기판 지지 부재(432)에 연결된다. 액추에이터(438)는 플레이트(435)가 리프트 핀들(437)과 연결 및 분리되도록 위 또는 아래로 이동되도록 로드(439)를 작동시킨다. 리프트 핀들(437)이 상승 또는 하강함에 따라, 기판 지지 부재(432)는 챔버(400)의 내부 체적(425) 내에서 상승 또는 하강된다. 기판 지지 부재(432)는 내부 중앙에 매립된 저항성 가열 요소(431)를 갖는다. 전원(433)은 저항성 가열 요소(431)에 전기적으로 전력을 공급하도록 구성된다. 전원(433) 및 액추에이터(438)의 작동은 제어기(480)에 의해 제어된다.
[0066] 단일 기판 처리 챔버(400)는 본체(410)에 개구(411)를 가지며, 이 개구를 통해 하나 이상의 기판들(401)이 내부 체적(425)에 배치된 기판 지지부(430)로 로딩되고 기판 지지부로부터 언로딩될 수 있다. 개구(411)는 본체(410) 상에 터널(421)을 형성한다. 슬릿 밸브(418)는 개구(411) 및 내부 체적(425)이 슬릿 밸브(418)가 개방되어 있을 때만 접근될 수 있도록 터널(421)을 밀봉 가능하게 폐쇄하도록 구성된다. 고압 시일(427)은 처리를 위해 내부 체적(425)을 밀봉하기 위해 본체(410)에 슬릿 밸브(418)를 밀봉하기 위해 사용된다. 고압 시일(427)은 중합체, 예를 들어 퍼플루오로엘라스토머 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 플루오로중합체로 제조될 수 있다. 고압 시일(427)은 시일 성능을 개선하기 위해 시일을 바이어싱하기 위한 스프링 부재를 더 포함할 수 있다. 냉각 채널(424)은 처리 동안 고압 시일들(427)의 최대 안전 작동 온도 미만으로 고압 시일들(427)을 유지하기 위해 고압 시일들(427)에 인접한 터널(421)에 배치된다. 불활성, 유전체, 및 고성능 열 전달 유체와 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 냉각 유체 소스(426)로부터의 냉각제가 냉각 채널(424) 내에서 순환될 수 있다. 냉각 유체 소스(426)로부터의 냉각제의 흐름은 온도 센서(416) 또는 흐름 센서(도시되지 않음)로부터 수신된 피드백을 통해 제어기(480)에 의해 제어된다. 환형 형상의 열 초크(419)가 슬릿 밸브(418)가 개방될 때 개구(411)를 통해 내부 체적(425)으로부터의 열의 흐름을 방지하기 위해 터널(421) 주위에 형성된다.
[0067] 단일 기판 처리 챔버(400)는 기체 패널(450), 응축기(460) 및 포트(417)를 연결하는 유체 회로(490)에 유체적으로 연결된 본체(410)를 통한 포트(417)를 갖는다. 유체 회로(490)는 가스 도관(492), 소스 도관(457), 입구 격리 밸브(455), 배기 도관(463), 및 출구 격리 밸브(465)를 갖는다. 다수의 히터들(496, 458, 452, 454, 464, 466)이 유체 회로(490)의 상이한 부분들과 인터페이싱된다(interfaced). 다수의 온도 센서들(451, 453, 459, 467 및 469)이 또한 온도 측정들을 수행하고 정보를 제어기(480)에 보내기 위해 유체 회로(490)의 다른 부분들에 배치된다. 제어기(480)는 온도 측정 정보를 이용하여, 유체 회로(490)의 온도가 유체 회로(490) 및 내부 체적(425)에 배치된 처리 유체의 응축점 초과의 온도로 유지되도록 히터들(452, 454, 458, 496, 464, 466)의 동작을 제어한다.
[0068] 가스 패널(450)은 압력 하에서 내부 체적(425)에 처리 유체를 제공하도록 구성된다. 내부 체적(425) 내로 도입된 처리 유체의 압력은 본체(410)에 결합된 압력 센서(414)에 의해 모니터링된다. 응축기(460)는 냉각 유체 소스(도시되지 않음)에 유체 결합되고, 가스 도관(492)을 통해 내부 체적(425)을 빠져나가는 기상 처리 유체를 응축하도록 구성된다. 응축된 처리 유체는 그 후 펌프(476)에 의해 제거된다. 하나 이상의 히터들(440)은 본체(410) 상에 배치되고, 단일 기판 처리 챔버(400) 내의 내부 체적(425)을 가열하도록 구성된다. 히터들(440, 452, 454, 458, 496, 464, 466)은, 응축기(460)에 대한 출구 격리 밸브(465)가 유체 회로 내의 응축을 방지하기 위해 개방되는 동안, 유체 회로(490) 내의 처리 유체를 기상으로 유지한다.
[0069] 제어기(480)는 단일 기판 처리 챔버(400)의 동작을 제어한다. 제어기(480)는 가스 패널(450), 응축기(460), 펌프(470), 입구 격리 밸브(455), 출구 격리 밸브(465), 및 전원(433, 445)의 동작을 제어한다. 제어기(480)는 또한 온도 센서(416), 압력 센서(414), 액추에이터(438), 냉각 유체 소스(426) 및 온도 판독 디바이스들(456, 462)에 통신 가능하게 연결된다.
[0070] 처리 유체는 산소 함유 및/또는 질소 함유 가스, 및/또는 칼코겐(chalcogen) 또는 텔루르(tellurium)(예를 들어, S, Se, Te) 가스들 또는 증기들 예를 들어 산소, 건조 증기, 물, 과산화수소, 수소, 중수소, 삼중수소, 암모니아, S 증기, Se 증기, H2S, H2Se 등을 포함할 수 있다. 처리 유체는 기판 상의 금속 재료들과 반응하여 금속을 정제하거나 또는 금속 산질화물들, 금속 산화물들, 금속 옥시칼코겐화물들(oxychalcogenides) 또는 금속 칼코겐화물들을 형성할 수 있다.
[0071] 기판(401)의 처리 동안, 내부 체적(425)의 환경은 증기상의 고압 영역 내에서 처리 유체를 유지하는 온도 및 압력으로 유지된다. 이러한 압력 및 온도는 처리 유체의 조성에 따라 선택된다. 증기의 경우, 온도 및 압력은 증기를 건조 증기 상태로 유지하는 조건으로 유지된다. 일 예에서, 내부 체적(425)은 대기보다 큰 압력, 예를 들어 약 5 bar 초과의 압력으로 가압된다. 다른 예에서, 내부 체적(425)은 약 10 내지 약 100 bar, 예컨대 약 20 내지 약 80 bar의 압력으로 가압된다. 다른 예에서, 내부 체적(425)은 약 100 bar까지의 압력으로 가압된다. 처리 동안, 내부 체적(425)은 또한 고온, 예를 들어 섭씨 425 도 초과의 온도(기판 지지 부재(432) 상에 배치된 기판(401)의 열 버짓(thermal budget)에 의해 제한됨), 예를 들어 섭씨 약 300 도 내지 약 500 도에서 유지된다.
[0072] 도 5는 내부에 포함되어 통합된 처리 챔버들(100, 200, 300, 400) 중 하나 이상을 포함하는 예시적인 클러스터 처리 시스템(500)의 개략적인 평면도이다. 일 실시예에서, 클러스터 처리 시스템(500)은 캘리포니아, 산타클라라에 위치된 Applied Materials, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 CENTURA® 또는 ENDURA® 통합 처리 시스템일 수 있다. (다른 제조사들로부터의 것들을 포함하는) 다른 처리 시스템들이 본 개시로부터 이익을 얻도록 구성될 수 있다는 것이 고려된다.
[0073] 클러스터 처리 시스템(500)은 진공 밀폐 처리 플랫폼(504), 팩토리 인터페이스(factory interface)(502), 및 시스템 제어기(544)를 포함한다. 플랫폼(504)은 복수의 처리 챔버들(100, 200, 300, 400), 및 진공 기판 이송 챔버(536)에 결합되는 적어도 하나의 로드록 챔버(load lock chamber)(522)를 포함한다. 2 개의 로드록 챔버들(522)이 도 5에 도시되어 있다. 팩토리 인터페이스(502)는 로드록 챔버들(522)에 의해 이송 챔버(536)에 결합된다.
[0074] 일 실시예에서, 팩토리 인터페이스(502)는 기판들의 이송을 용이하게 하기 위해 적어도 하나의 도킹 스테이션(docking station)(508) 및 적어도 하나의 팩토리 인터페이스 로봇(514)을 포함한다. 도킹 스테이션(508)은 하나 이상의 전면 개방 통합 포드(front opening unified pod)(FOUP)를 수용하도록 구성된다. 2 개의 FOUP(506A-B)들이 도 5의 실시예에 도시되어 있다. 로봇(514)의 일 단부에 배치된 블레이드(516)를 갖는 팩토리 인터페이스 로봇(514)은 로드록 챔버들(522)을 통해서 처리를 위해 팩토리 인터페이스(502)로부터 처리 플랫폼(504)으로 기판을 이송하도록 구성된다. 선택적으로, 하나 이상의 계측 스테이션들(518)이 FOUPS(506A-B)로부터 기판의 측정을 용이하게 하기 위해 팩토리 인터페이스(502)의 말단(526)에 연결될 수 있다.
[0075] 로드록 챔버들(522) 각각은 팩토리 인터페이스(502)에 결합된 제1 포트 및 이송 챔버(536)에 결합된 제2 포트를 갖는다. 로드록 챔버들(522)은 이송 챔버(536)의 진공 환경과 팩토리 인터페이스(502)의 실질적으로 주변(예를 들어, 대기) 환경 사이에서 기판 통과를 용이하게 하기 위해 로드록 챔버들(522)을 펌핑하고 벤팅(vent)하는 압력 제어 시스템(도시되지 않음)에 결합된다.
[0076] 이송 챔버(536)는 내부에 배치된 진공 로봇(530)을 갖는다. 진공 로봇(530)은 로드록 챔버들(522), 계측 시스템(510) 및 처리 챔버들(100, 200, 300, 400) 사이에서 기판들(524)을 이송할 수 있는 블레이드(534)를 갖는다.
[0077] 클러스터 처리 시스템(500)의 일 실시예에서, 클러스터 처리 시스템(500)은 하나 이상의 처리 챔버들(100, 200, 300, 400)을 포함할 수 있고, 이 하나 이상의 처리 챔버들은 증착 챔버(예를 들어, 물리적 기상 증착 챔버, 화학 기상 증착, 원자층 증착 또는 다른 증착 챔버들), 어닐링 챔버(예를 들어, 고압 어닐링 챔버, RTP 챔버, 레이저 어닐링 챔버), 에칭 챔버, 클리닝 챔버, 사전 클리닝 챔버, 경화 챔버, 리소그래피 노출 챔버, 또는 다른 유사한 유형의 반도체 처리 챔버들일 수 있다. 클러스터 처리 시스템(500)의 일부 실시예들에서, 처리 챔버들(100, 200, 300, 400) 중 하나 이상, 이송 챔버(536), 팩토리 인터페이스(502) 및/또는 로드록 챔버들(522) 중 적어도 하나가 제공된다.
[0078] 시스템 제어기(544)는 클러스터 처리 시스템(500)에 결합된다. 컴퓨팅 디바이스(501)를 포함하거나 또는 컴퓨팅 디바이스(501) 내에 포함될 수 있는 시스템 제어기(544)는 클러스터 처리 시스템(500)의 처리 챔버들(100, 200, 300, 400)의 직접 제어를 사용하여 클러스터 처리 시스템(500)의 동작을 제어한다. 대안적으로, 시스템 제어기(544)는 처리 챔버들(100, 200, 300, 400) 및 클러스터 처리 시스템(500)과 관련된 컴퓨터들(또는 제어기들)을 제어할 수 있다. 작동 시, 시스템 제어기(544)는 또한 클러스터 처리 시스템(500)의 성능을 최적화하기 위해 각각의 챔버들로부터의 데이터 수집 및 피드백을 가능하게 한다.
[0079] 시스템 제어기(544)는, 위에서 설명된 컴퓨팅 디바이스(501)와 마찬가지로, 일반적으로 중앙 처리 유닛(CPU)(538), 메모리(540), 및 지원 회로들(542)을 포함한다. CPU(538)는 산업 현장에서 사용될 수 있는 범용 컴퓨터 프로세서의 임의의 형태 중 하나일 수 있다. 지원 회로들(542)은 통상적으로 CPU(538)에 결합되고, 캐시, 클록 회로들, 입력/출력 서브시스템들, 전원들 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 루틴들은 CPU(538)를 특수 목적의 컴퓨터(제어기)(544)로 변환한다. 소프트웨어 루틴들은 또한 클러스터 처리 시스템(500)으로부터 원격으로 위치되는 제2 제어기(도시되지 않음)에 의해 저장 및/또는 실행될 수 있다.
[0080] 도 6은 반도체 구조를 위한 재료 층에 형성된 개구에 형성된 배리어 층(또는 라이너 층(liner layer)), 인터페이스 층 및 갭 충전 재료와 같은 상호 접속 구조를 형성하는 일 예의 흐름도이다. 여기에서 언급된 바와 같은 배리어 층은 필요에 따라 라이너 층으로 교환될 수 있다는 점에 유의한다. 구조는 전도성 및 비-전도성 구역들을 갖는 디바이스 또는 채널 구조, 핀 구조, 게이트 구조, 접촉 구조, 프론트 엔드 구조, 백 엔드 구조, 또는 반도체 디바이스들 등을 제조하는데 사용되는 임의의 다른 적절한 구조와 같은, 반도체 기판 상에 형성된 임의의 적절한 구조일 수 있다. 도 7a 내지 도 7d는 공정(600)의 다양한 스테이지들에 대응하는 기판(702)의 일부의 개략적인 단면도들이다. 공정(600)은 20 nm 미만의 작은 치수(예를 들어, 피처의 폭)를 갖는 개구에 형성된 갭 충전 층을 필요로 하는 접촉 또는 백 엔드 상호 접속 구조를 형성하는데 이용될 수 있다.
[0081] 공정(600)은 처리를 위해 도 7a에 도시된 바와 같은 기판(702)과 같은 기판을 제공함으로써 동작(602)에서 시작한다. 일 실시예에서, 기판(702)은 기판(702) 상에 형성되는 상호 접속 구조(750)를 가질 수 있다. 기판(702)은 실질적으로 평평한 표면, 요철 표면, 또는 구조가 형성되어 있는 실질적으로 평평한 표면을 가질 수 있다. 도 7a 내지 도 7d에 도시된 실시예는 도 8에 추가로 도시된 바와 같이 재료 층(802)에 형성된 개구(850)에 의해 노출되는, 기판(702)의 바닥 표면(822)과 같은 표면의 일부일 수 있다. 공정(600)은 20 nm 미만과 같은 작은 치수들을 갖는 개구(850)에 다수의 층들(예를 들어, 하나 초과의 층)을 형성하는 것을 도울 수 있다. 따라서, 다수의 층들은 최소한의 보이드들, 시임들 또는 갭들과 같은 최소한의 결함들을 가지고 개구(850)를 충전하는데 이용될 수 있는 높은 갭 충전 능력을 제공한다.
[0082] 도 8에 도시된 기판(702)은 기판(702) 상에 형성된 구조 또는 재료 층(802)을 포함한다. 개구(850)는 재료 층(802)에 형성된다. 일 실시예에서, 기판(702)은 결정질 실리콘(예를 들어, Si<100> 또는 Si<111>), 실리콘 산화물, 변형된 실리콘, 실리콘 게르마늄, 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼들 및 패터닝된 또는 비-패터닝된 웨이퍼들, 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator)(SOI), 탄소 도핑된 실리콘 산화물들, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 유리, 사파이어와 같은 재료일 수 있다. 기판(702)은 직사각형 또는 정사각형 패널들뿐만 아니라 200 mm, 300 mm 또는 450 mm 직경의 웨이퍼들과 같은 다양한 치수들을 가질 수 있다. 달리 언급되지 않는 한, 여기에 설명된 실시예들 및 예들은 300 mm 직경 또는 450 mm 직경을 갖는 기판들 상에서 수행된다.
[0083] 일 실시예에서, 재료 층(802)은 유전체 층일 수 있다. 재료 층(802)은 기판(702)의 부분들(예를 들어, 바닥 표면)(822)을 노출시키는 개구들(850)을 갖는다. 여기에 설명된 개구들(850)은 트렌치들(trenches), 비아들(vias), 홀들, 구멍들 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 재료 층(802)은 실리콘 함유 재료, 탄소 함유 재료, 또는 다른 적절한 재료들과 같은 유전체 재료일 수 있다. 적합한 실리콘 함유 재료들은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 및 이들의 조합들을 포함한다. 적합한 탄소 함유 재료들은 탄화규소, 산탄화규소, 비정질 탄소 등을 포함한다. 여기에 도시된 예시적인 실시예에서, 재료 층(802)은 SiOC 층이다.
[0084] 동작(604)에서, 기판(702)은 그 후 기판(702) 상에서 사전 클리닝 공정을 수행하기 위해, 도 5에 도시된 클러스터 처리 시스템(500)에 통합될 수 있는 도 1에 도시된 바와 같은 사전 클리닝 챔버(100)와 같은 처리 챔버 내로 이송된다. 동작(604)에서의 사전 클리닝 공정은 기판 표면 조건들에 기초하여 선택적이라는 점에 유의한다. 일부 실시예들에서, 동작(604)에서 수행되는 사전 클리닝 공정은 기판 표면으로부터 표면 오염들 또는 표면 자연 산화물을 제거하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 사전 클리닝 공정은 필요하지 않을 수 있다.
[0085] 일 예에서, 사전 클리닝 공정은, Ar 또는 He 가스와 같은 불활성 가스를 포함하거나 포함하지 않는, 수소 함유 가스를 포함하는 사전 클리닝 가스 혼합물을 공급함으로써 수행될 수 있다. 일 예에서, 수소 함유 가스가 사전 클리닝 가스 혼합물 내에 공급될 수 있고, 불활성 가스는 또한 사전 클리닝 공정 동안 선택적으로 공급될 수 있다. 수소 함유 가스의 적합한 예들은 H2, H2O, H2O2, NH3 등을 포함한다. 불활성 가스의 적절한 예들은 또한 필요에 따라 사전 클리닝 가스 혼합물에 공급될 수 있다. 가스 혼합물에 공급되는 불활성 가스의 예들은 Ar, He, Ne, Kr, Xe 등을 포함한다. 하나의 특정 예에서, 사전 클리닝 가스 혼합물은 H2를 포함한다.
[0086] 사전 클리닝 가스 혼합물을 공급하는 동안, 기판 지지 온도는 섭씨 250 도 초과, 예를 들어 섭씨 300 도 초과, 예를 들어 섭씨 300 도 내지 섭씨 약 600 도, 예를 들어 섭씨 400 도의 온도로 기판을 유지하도록 제어될 수 있다. 사전 클리닝 공정 동안에 상대적으로 더 높은 기판 온도 제어는 기판 표면으로부터 표면 오염 및/또는 기판 표면 자연 산화물을 제거하는 것을 도울 수 있다고 믿어진다. 사전 클리닝 가스 혼합물은 챔버 플라즈마 영역(121)을 통해 기판 처리 영역(141)으로 공급되어, 표면 오염물들 및 자연 산화물을 제거하기 위해 사전 클리닝 가스 혼합물로부터 챔버 플라즈마 영역(121)에 원격 플라즈마 소스를 형성한다. 사전 클리닝 가스 혼합물로부터 처리 챔버(100) 내로 도입되는 가스들의 양은 예를 들어, 자연 산화물의 두께 또는 제거되는 표면 오염물들의 양을 수용하도록 변경 및 조정될 수 있다.
[0087] 동작(604)에서, 전원으로부터 원격 플라즈마 전력이 제공되어 공급되는 사전 클리닝 가스 혼합물로부터 챔버 플라즈마 영역(121)에 플라즈마를 형성한다. 동작(604)에서의 사전 클리닝 공정 동안 챔버 플라즈마 영역(121)에서 원격으로 생성된 플라즈마는 예를 들어 등방성 에칭 공정과 같이 표면 오염물들 및 자연 산화물을 천천히, 부드럽게 그리고 점진적으로 에칭하기 위해, 상대적으로 약하고 부드러운 에천트들을 형성하기 위해 해리된 에천트들을 가질 수 있다. 원격 플라즈마 공정은 인터페이스 클리닝을 위한 우수한 제어를 제공하고, 높은 에칭 선택도를 촉진한다.
[0088] 동작(606)에서, 도 7a에 도시된 바와 같이 기판(702) 상에 배리어 층(704)(예를 들어, 라이너 층)을 형성하기 위해 제1 증착 공정이 수행된다. 증착 공정은 도 2에 도시된 ALD 처리 챔버(200)에서 수행되는 원자층 증착(ALD) 공정, 또는 도 3에 도시된 CVD 처리 챔버(300), 또는 PVD Endura® 시스템과 같은 클러스터 처리 시스템(500)에 통합된 다른 적절한 처리 챔버들에서 수행되는 화학 기상 증착(CVD) 공정일 수 있다. 일 실시예에서, 배리어 층(704)은 나중에 그 위에 형성되는 전도성 층들로부터 재료 층(802)과 같은 근처의 주변 유전체 층으로의 금속 확산을 방지하도록 형성된다. 따라서, 배리어 층(704)은 후속 열 사이클들 및 공정들 동안 이를 통한 이온 확산을 차단하는 우수한 배리어 특성들을 갖도록 선택된다. 다른 실시예에서, 배리어 층(704)은 재료 층(802) 상에 후속적으로 형성되는 금속 요소들의 핵형성을 용이하게 하도록 형성된다. 따라서, 배리어 층(704)은 라이너로 간주될 수 있다. 일 실시예에서, 배리어 층(및/또는 라이너 층)(704)은 Ta 함유 층, Ti 함유 층, Co 함유 재료들, Ru 함유 재료들, Mn 함유 재료들 등과 같은 금속 함유 층에 의해 제조된다. 여기에 도시된 실시예에서, 배리어 층(704)은 TaN, TiN, TaON, TiON, Ti 합금 또는 Ta 합금이다.
[0089] 일 실시예에서, 제1 증착 공정은 금속 함유 전구체를 포함하는 증착 가스 혼합물을 처리 챔버(200) 내로 공급함으로써 수행될 수 있다. 금속 함유 전구체의 적합한 예들은 Ta 함유 가스 또는 Ti 함유 가스 등을 포함한다. 일부 반응 가스들이 또한 증착 가스 혼합물에 공급될 수 있다. 반응 가스의 적절한 예들은 N2, NH3, O2, N2O, NO2 등을 포함한다. Ar, He, N2, N2O, NO2, NH3와 같은 다른 퍼지 가스 및/또는 희석 가스가 또한 필요에 따라 증착 가스 혼합물에 공급될 수 있다.
[0090] 일 실시예에서, 배리어 층(704)은 TaN, TiN, TaO, TiO, TaON 또는 TiON 층이다.
[0091] 선택적인 동작(607)에서, 플라즈마 처리 공정이 배리어 층(704)(또는 라이너 층)을 처리하기 위해 수행될 수 있다. 플라즈마 처리 공정은 불순물들을 감소시키고 배리어 층(704)을 조밀화함으로써 증착된 배리어 층(704)의 표면 거칠기를 감소시키는 것으로 믿어진다. 동작(607)의 플라즈마 처리 공정을 위한 예시적인 플라즈마 형성 가스들은 수소(H2), 질소(N2), 암모니아(NH3), 및 이들의 조합들을 포함한다. 플라즈마 처리 공정 중에, 여러 개의 공정 파라미터들이 또한 조절된다. 일 구현에서, 공정 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 100 Torr(예를 들어, 약 0.1 Torr 내지 약 80 Torr; 약 1 Torr 내지 약 20 Torr 또는 약 7 Torr 내지 약 30 Torr)에서 제어된다. 일 구현에서, 처리 온도는 섭씨 약 100 도 내지 섭씨 약 900 도(예를 들어, 섭씨 약 125 도 내지 섭씨 약 350 도, 예를 들어 섭씨 약 200 도 내지 섭씨 약 300 도, 예컨대 섭씨 약 250 도 내지 섭씨 약 340 도)이다. RF 전력은 약 100 와트 내지 약 800 와트, 예를 들어 약 400 와트에서 제어될 수 있다. H2 가스와 같은 플라즈마 형성 가스는 약 3000 sccm 내지 약 5000 sccm, 예를 들어 약 4000 sccm에서 공급될 수 있다. 기판 에지/기판 바닥으로부터 공급되는 H2 가스는 약 200 sccm 내지 약 1000 sccm에서 제어될 수 있다. 아르곤 가스는 약 200 sccm 내지 약 1000 sccm에서 기판 에지/기판 바닥으로부터 공급될 수 있다.
[0092] 동작(608)에서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 배리어 층(704) 상에 인터페이스 층(706)을 형성하기 위해 제2 증착 공정이 수행된다. 인터페이스 층(706)은 또한 CVD 공정, ALD 공정, 또는 PVD 공정에 의해 형성된 금속 함유 층일 수 있다. 인터페이스 층(706)은 갭 충전 층(708)(도 7c에 도시된 바와 같음)을 배리어 층(704)에 브리징하기 위한 우수한 인터페이스 접착력을 제공하여, 인터페이스 접착력이 향상되고 촉진될 수 있다.
[0093] 일 실시예에서, 인터페이스 층(706)은 텅스텐 함유 재료들, 니켈 함유 재료들, 알루미늄 함유 재료들, 루테늄 함유 재료들, 또는 망간 함유 재료들일 수 있다. 일 실시예에서, 인터페이스 층(706)은 루테늄 함유 층이다.
[0094] 일 예에서, 인터페이스 층(706)은 약 0.3 nm 내지 약 3 nm의 두께를 갖고, 예를 들어 도 3에 도시된 CVD 처리 챔버(300)에서 금속 유기 기상 증착(MOCVD) 공정에 의해 증착된다.
[0095] 동작(610)에서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 갭 충전 층(708)을 형성하기 위해 갭 충전 증착 공정이 수행된다. 도 8에 도시된 예에 추가로 도시된 바와 같이, 갭 충전 층(708)은 개구(850)에 형성되어, 최소한의 시임들 또는 보이드들과 같은 최소한의 결함들을 가지고 개구(850)에 한정된 공간을 충전한다. 일 예에서, 갭 충전 층(708)은 Co 층 또는 Co 합금이다. 일 예에서, 갭 충전 층(708)은 순환층 증착(CLD), 원자층 증착(ALD), 화학 기상 증착(CVD) 등에 의해 형성된다. 본 명세서에 도시된 예에서, 갭 충전 층(708)은 CVD 공정에 의해 형성된다.
[0096] 동작(610)에서 수행되는 CVD 공정은 다수의 하위 동작들(예를 들어, CVD 공정을 따른 상이한 공정들)을 포함한다. 예를 들어, 동작(610)에서 갭 충전 층(708)을 형성하기 위한 CVD 공정은 증착 공정 및 플라즈마 처리의 적어도 하나의 사이클을 포함할 수 있다. 사이클들의 개수는 갭 충전 층(708)의 원하는 두께가 달성될 때까지 필요한 만큼 많은 회수들이 반복될 수 있다. 대략적으로, 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정의 각각의 사이클은 인터페이스 층(706) 상의 갭 충전 층(708)의 약 20 Å 내지 약 200 Å의 두께, 예를 들어, 갭 충전 충(708)의 일부를 형성할 수 있다. 각각의 사이클에서, 증착 공정은 약 60 초 내지 약 600 초 동안 수행되고, 이어서 약 10 초 내지 약 120 초의 시간 기간 동안 플라즈마 처리 공정이 수행될 수 있다.
[0097] 일 예에서, 증착 공정은 코발트 전구체를 포함하는 증착 전구체 가스 혼합물을 공급함으로써 수행될 수 있다. 증착 전구체 가스 혼합물에는 필요에 따라 반응 가스 혼합물이 공급될 수 있다. 반응 가스 혼합물은 필요에 따라 수소 가스(H2) 또는 NH3 가스일 수 있다. 적합한 코발트 전구체들은 코발트 카르보닐 착물들, 코발트 아미디네이트 화합물들, 코발토센 화합물들, 코발트 디에닐 착물들, 코발트 니트로실 착물들, 이들의 유도체들, 이들의 착물들, 이들의 플라즈마들, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일 실시예에서, 본 명세서에서 사용될 수 있는 코발트 전구체들의 예들은 디코발트 헥사카르보닐 부틸아세틸렌(CCTBA, (CO)6Co2(HC≡CtBu)), 디코발트 헥사카르보닐 메틸부틸아세틸렌((CO)6Co2(MeC≡CtBu)), 디코발트 헥사카르보닐 페닐아세틸렌((CO)6Co2(HC≡CPh)), 헥사카르보닐 메틸페닐아세틸렌((CO)6Co2(MeC≡CPh)), 디코발트 헥사카르보닐 메틸아세틸렌((CO)6Co2(HC≡CMe)), 디코발트 헥사카르보닐 디메틸아세틸렌((CO)6Co2(MeC≡CMe)), 이들의 유도체들, 이들의 착물들, 이들의 플라즈마들, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 다른 예시적인 코발트 카르보닐 착물들은 사이클로펜타다이에닐 코발트 비스(카르보닐)(CpCo(CO)2), 트라이카르보닐 알릴 코발트((CO)3Co(CH2CH=CH2)), 이들의 유도체들, 이들의 착물들, 이들의 플라즈마들, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 본 명세서에 사용된 코발트 전구체의 일 특정 예는 디코발트 헥사카르보닐 부틸아세틸렌(CCTBA, (CO)6Co2(HC≡CtBu))이다.
[0098] 증착 공정 후, 동일한 챔버 내에서 플라즈마 처리 공정이 수행된다. 플라즈마 처리 공정은 갭 충전 층(708)으로부터 보이드들, 공기 및 불순물들과 같은 결함들을 몰아내기 위해 기판(702) 상에 형성된 갭 충전 층(708)의 일부를 조밀화하는 것을 도울 수 있다. 플라즈마 처리 공정은 도 3에 도시된 플라즈마 처리 챔버(300)와 같이, 갭 충전 층 증착이 수행되는 동일한 처리 챔버에서 수행된다. 유사하게, 플라즈마 처리 공정은 플라즈마 처리 챔버(300)가 또한 통합되어 있는 도 5에 도시된 클러스터 처리 시스템(500)에 통합된 다른 적절한 플라즈마 처리 챔버에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 처리 공정은 플라즈마 처리 챔버(300)가 통합되어 있는 클러스터 처리 시스템(500)에 통합되지 않은 다른 독립형 처리 챔버에서 수행될 수 있다. 일 예에서, 플라즈마 처리 공정은 기판(702)을 가로질러 형성된 갭 충전 층(708)으로부터 느슨한 결합 구조들, 보이드들 또는 공기를 제거하기 위해 전체적으로 그리고 보편적으로 수행된다.
[0099] 일 실시예에서, 플라즈마 처리 공정은 갭 충전 층(708)이 형성되는 처리 챔버(300)에서 수행된다. 플라즈마 처리 공정은 플라즈마를 생성하기 위해 샤워헤드 조립체 또는 기판 지지 조립체 또는 둘 모두에 인가된 RF 소스 또는 바이어스 전력을 활용한다. RF 소스 전력, 바이어스 전력 또는 원격 플라즈마 소스가 인가되어 처리 가스 혼합물이 있는 상태에서 플라즈마를 생성한다.
[0100] 일 예에서, 처리 가스 혼합물은 H2, NH3 등과 같은 적어도 수소 함유 가스를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Ar 또는 He와 같은 불활성 가스가 또한 처리 가스 혼합물에 공급될 수 있다. 일 실시예에서, 수소 함유 가스는 약 1000 sccm 내지 약 6000 sccm의 체적 유량의 H2이다. 일 실시예에서, 불활성 또는 캐리어 가스는 약 3000 sccm 내지 약 5000 sccm의 체적 유량의 Ar 또는 He이다.
[0101] 플라즈마 처리 공정 동안, 여러 공정 파라미터들이 플라즈마 처리 공정을 제어하기 위해 조절될 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 처리 챔버(100) 내의 공정 압력은 약 10 mTorr 내지 약 5000 mTorr, 예컨대 약 300 mTorr 내지 약 3000 mTorr로 조절된다. 기판 온도는 섭씨 약 80 도 내지 섭씨 약 400 도, 예를 들어 섭씨 약 150 도 내지 섭씨 약 250 도의 범위로 유지될 수 있다. 플라즈마 처리 공정은 약 5 초 내지 약 600 초, 예컨대 약 20 초 내지 약 120 초 동안 수행될 수 있다.
[0102] 플라즈마 처리 공정 후에, 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정의 사이클이 완료된다. 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정의 각각의 사이클은 약 20 Å 내지 약 200 Å의 두께로 갭 충전 층(708)의 일부를 형성할 수 있다.
[0103] 갭 충전 층(708)을 형성하기 위해 이용되는 사이클들(예를 들어, 증착 공정과 플라즈마 처리 공정 사이의 교번 공정들)의 개수는 필요한 만큼 많을 수 있다. 도 7c에 도시된 예에서, 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정의 사이클들은 약 2 내지 약 15 회 동안 수행되어 약 10 nm 내지 약 40 nm 범위의 갭 충전 층(708)의 총 두께를 얻을 수 있다.
[0104] 동작(612)에서, 사후-어닐링 공정(post annealing process)이 수행된다. 사후-어닐링 공정은 5 bar 초과와 같은, 5 bar 초과 70 bar 미만과 같은 높은 공정 압력에서 수행되는 어닐링 공정이다. 고압 어닐링 공정은 도 7d에 도시된 바와 같이, 갭 충전 층(708)의 빈격자점들(vacancies) 및 증착 부산물 및/또는 잔류물들을 수리하고 표면 거칠기를 평활화하여, 어닐링된 갭 충전 층(712)을 형성하는 것을 도울 수 있다. 일부 예들에서, 높은 공정 압력은 70 bar까지 올라갈 수 있다. 고압 어닐링 공정은 도 4에 도시된 처리 챔버(400)와 같은 처리 챔버, 또는 기판을 한 번에 하나씩 처리하는 것들을 포함하는 다른 적절한 처리 챔버들에서 수행될 수 있다.
[0105] 동작(612)에서 수행되는 고압 어닐링 공정은 증기상의, 예를 들어 과열 상태에서, 예를 들어 액체 방울들이 실질적으로 존재하지 않는 건식 증기상의 고압 영역에서 처리 압력을 유지한다. 처리 압력 및 온도는 막 구조들을 조밀화하도록 제어되어, 막 결함들을 수리하고, 불순물들을 몰아내고, 표면 거칠기를 평활화한다. 일 예에서, 내부 체적(4125)(도 4에 도시된 바와 같음)은 대기보다 큰 압력, 예를 들어 약 2 bar 초과의 압력으로 가압된다. 다른 예에서, 내부 체적(425)은 약 5 내지 약 70 bar, 예컨대 약 5 내지 약 50 bar, 예컨대 약 25 bar 내지 약 55 bar의 압력으로 가압된다.
[0106] 처리 동안, 내부 체적(425)은 히터들(440)에 의해 상대적으로 낮은 온도, 예를 들어 섭씨 약 300 도 내지 섭씨 약 500 도와 같이, 섭씨 250 도 초과의 온도로 유지된다.
[0107] 고압 공정은 불순물들을 몰아내고 갭 충전 층(708)에 댕글링 본드들(dangling bonds)을 연결하는 구동력을 제공할 수 있으며, 이에 따라 보이드들과 같은 결함들을 형성할 가능성을 감소시키고, 막 품질들을 높이고, 표면 거칠기를 평활화할 수 있다고 여겨진다. 일 예에서, 수소 함유 가스, 수소 가스, 및/또는 수소 동위 원소 함유 가스, 예를 들어 H2, D2, T2, H2O, H2O2, NH3, 및 건조 증기가 어닐링 공정 동안 공급될 수 있다. He, Ar과 같은 불활성 가스가 또한 어닐링 공정 동안 공급될 수 있다. 일 예에서, 어닐링 공정 동안, 수소 가스(H2)가 어닐링 공정 동안 공급된다. 다른 예에서, 어닐링 공정 동안, 수소 가스(H2) 또는 수소 동위 원소 함유 가스가 어닐링 공정 동안 공급된다.
[0108] 하나의 예시적인 구현에서, 공정 압력은 2 bar 초과, 예컨대 5 bar 초과, 예를 들어 5 bar 내지 70 bar, 예컨대 20 bar 내지 약 50 bar의 압력에서 조절된다. 공정 온도는 섭씨 250 도 초과, 예컨대 섭씨 약 250 도 내지 섭씨 약 700 도, 예컨대 섭씨 약 300 도 내지 섭씨 약 500 도에서 제어될 수 있다.
[0109] 고압에서의 어닐링 공정 후, 갭 충전 층(708)은 고 순도, 큰 결정 구조, 평활한 표면 거칠기와 함께 더 적은 결정립계들(grain boundaries)을 갖는 강화된 막 구조를 가지며, 이는 더 높은 막 밀도 및 낮은 막 저항이 얻어지는 비교적 견고한 막 구조를 제공한다. 갭 충전 층(708)이 Co 함유 재료인 예에서, Co 함유 재료에 대한 막 저항률은 고압 어닐링 공정 후에 약 10% 내지 약 50% 감소될 수 있다. 개구(850)에 형성된 갭 충전 층(708)은 높은 갭 충전 능력으로 실질적으로 보이드가 없을 수 있다. 갭 충전 층(708)은 약 80 Å 내지 약 400 Å의 평균 결정 입도(grain size)를 갖는다.
[0110] 따라서, 채널 구조, 상호 접속 구조 또는 접촉 구조와 같은 디바이스 구조를 위한, 금속 함유 재료와 같은 갭 충전 층을 형성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 상호 접속 구조는 표면 오염 가능성을 제거하고 우수한 인터페이스 제어를 제공하기 위해 진공을 깨뜨리지 않고 하나의 클러스터 처리 시스템에서 배리어 층, 인터페이스 층, 및 갭 충전 층을 포함할 수 있다. 어닐링 공정은 상호 접속 구조를 포함하는 디바이스 구조가 원하는 전기적 성능을 달성할 수 있도록 상호 접속 구조의 막 품질을 향상시키며, 여기서 어닐링 공정은 수소 또는 수소 동위 원소 함유 대기에서 5 bar 초과의 압력 범위로 수행된다.
[0111] 전술한 내용은 본 개시의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시의 기본 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시의 다른 및 추가 실시예들이 안줄될 수 있고, 그 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (20)

  1. 반도체 디바이스(semiconductor device)를 위한 디바이스 구조를 형성하는 방법으로서,
    기판 상에 배치된 재료 층에 형성된 개구에 배리어 층(barrier layer)을 형성하는 단계;
    상기 배리어 층 상에 인터페이스 층(interface layer)을 형성하는 단계;
    상기 인터페이스 층 상에 갭 충전 층(gap filling layer)을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 상에 어닐링 공정(annealing process)을 수행하는 단계 ― 상기 어닐링 공정은 5 bar 초과의 압력 범위에서 수행됨 ― 를 포함하는,
    방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 인터페이스 층은 금속 함유 층인,
    방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 인터페이스 층은 텅스텐(tungsten) 함유 재료, 니켈(nickel) 함유 재료, 알루미늄(aluminum) 함유 재료, 루테늄(ruthenium) 함유 재료, 또는 망간 함유 재료 중 적어도 하나인,
    방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 갭 충전 층은 Co 층 또는 Co 합금인,
    방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 갭 충전 층을 형성하는 단계는:
    (a) 상기 갭 충전 층의 일부를 형성하기 위해 증착 공정을 수행하는 단계; 및
    (b) 상기 갭 충전 층의 상기 일부 상에 플라즈마 처리 공정(plasma treatment process)을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    단계들 (a) 및 (b)를 반복하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 공정은:
    수소 함유 가스를 포함하는 처리 가스 혼합물을 공급하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 증착 공정은 CVD 공정인,
    방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정을 수행하는 단계는:
    섭씨 250 도 초과의 기판 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정을 수행하는 단계는:
    상기 어닐링 공정 동안 수소 함유 가스를 포함하는 어닐링 가스 혼합물을 공급하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 층은 Ta 함유 층 또는 Ti 함유 층인,
    방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 층, 상기 인터페이스 층 및 상기 갭 충전 층은 진공을 깨뜨리지 않고 클러스터 시스템(cluster system)에서 형성되는,
    방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 층을 형성하는 단계 전에 사전 클리닝 공정(pre-cleaning process)을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 사전 클리닝 공정을 수행하는 단계는:
    섭씨 250 도 초과의 기판 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정을 수행하는 단계는:
    상기 갭 충전 층의 결정 입도들(grain sizes)을 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  16. 상호 접속 구조로서,
    기판 상에 배치된 재료 층에 한정된 개구에 형성된 배리어 층;
    상기 배리어 층 상에 배치된 인터페이스 층; 및
    상기 인터페이스 층 상에 배치된 갭 충전 층 ― 상기 갭 충전 층은 10 nm 초과의 평균 결정 입도를 가짐 ― 을 포함하는,
    상호 접속 구조.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 갭 충전 층은 Co 층 또는 Co 합금인,
    상호 접속 구조.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 인터페이스 층은 Ru 함유 층이고, 상기 배리어 층은 Ta 함유 층 또는 Ti 함유 층인,
    상호 접속 구조.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 개구는 20 nm 미만의 치수를 갖는,
    상호 접속 구조.
  20. 상호 접속 구조를 형성하는 방법으로서,
    미리 결정된 두께의 갭 충전 층이 얻어질 때까지 증착 공정 및 플라즈마 처리 공정을 반복적으로 수행함으로써 갭 충전 층 형성 공정을 형성하는 단계; 및
    수소 또는 수소 동위 원소 함유 가스를 공급하면서 5 bar 초과의 압력으로 상기 갭 충전 층 상에 어닐링 공정을 수행하는 단계를 포함하는,
    방법.
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