KR20240008788A - 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법, 및 선택적으로 증착된 실리콘 질화물 층을 포함하는 구조체 - Google Patents

실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법, 및 선택적으로 증착된 실리콘 질화물 층을 포함하는 구조체 Download PDF

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KR20240008788A
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gas
deposition
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silicon nitride
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아궁 세티아디
히로키 마츠다
준 가와하라
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

제2 재료에 비해 제1 재료 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위한 방법이 개시된다. 예시적인 방법은 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 및 처리 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

실리콘 질화물의 선택적 증착 방법 및 선택적으로 증착된 실리콘 질화물 층을 포함하는 구조{METHOD FOR SELECTIVE DEPOSITION OF SILICON NITRIDE AND STRUCTURE INCLUDING SELECTIVELY-DEPOSITED SILICON NITRIDE LAYER}
본 개시는 일반적으로 박막을 형성하는 방법, 및 상기 박막을 포함하는 구조체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 실리콘 질화물 층을 포함하는 구조체를 형성하는 방법과 이들 층을 포함하는 구조체에 관한 것이다.
실리콘 질화물 막은 다양한 응용예에 사용된다. 예를 들어, 실리콘 질화물 막은 전자 소자의 형성 중에 형성된 구조체 상에 절연 영역, 식각 정지 영역, 내식각 보호 영역 등을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
실리콘 질화물을 포함하는 영역 또는 특징부를 형성하기 위해, 실리콘 질화물 막은 일반적으로 기판의 표면 상에 증착된다. 상기 증착된 막은, 예를 들어 포토리소그래피를 사용하여 패터닝되고, 그런 다음 상기 막은 식각되어 실리콘 질화물의 일부를 제거하여 나머지 실리콘 질화물 재료를 포함하는, 원하는 특징부 또는 영역을 형성한다. 소자 특징부의 크기가 계속 감소함에 따라, 원하는 치수의 패터닝된 실리콘 질화물의 특징부 또는 영역을 형성하기 위해 실리콘 질화물 막을 패터닝하고 식각하는 것이 점점 어려워진다. 또한, 리소그래피 및 식각 단계는 소자 제조와 연관된 비용을 증가시킬 수 있고 소자 제작에 필요한 시간의 양을 증가시킬 수 있다.
최근에, 기판 표면의 일부분 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 형성하기 위한 기술이 개발되었다. 이러한 기술은 종종 증착 전에 표면을 화학적으로 개질하는 것을 포함한다. 이러한 기술은 일부 응용에서 잘 작동할 수 있지만, 이러한 기술은 기판 표면 상에 원하지 않는 오염을 도입할 수 있다. 이러한 공정은 또한 구조체를 형성하기 위한 공정의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
따라서, 실리콘 질화물 막을 포함하는 구조체를 형성하기 위한 방법은 개선이 요구된다.
본 섹션에 기재된 문제점 및 해결책에 대한 논의를 포함하여, 임의의 논의는 본 개시에 대한 맥락을 제공하기 위한 목적으로만 본 개시에 포함된다. 이러한 논의는, 본 발명이 이루어진 시점에 임의의 또는 모든 정보가 알려졌거나 달리 선행 기술을 구성한다는 인정으로 취해서는 안 된다.
본 개시의 다양한 구현예는 기판의 표면 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법에 관한 것이다. 본 개시의 다양한 구현예가 이전의 방법의 문제점을 해결하는 방식을 이하에 더욱 상세히 논의하면서, 일반적으로 본 개시의 다양한 구현예는 제2 표면(예, 제2 재료)에 대해 제1 표면(예, 제1 재료) 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는, 개선된 방법을 제공한다.
본 개시의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 제2 표면에 대해 제1 표면 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 반응기의 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 단계, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계, 및 처리 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 본 개시의 예시에 따라, 기판은 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함할 수 있다. 추가 예시에 따라, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계는 실리콘 전구체를 전구체 펄스 기간 동안 반응 챔버에 펄스화하는 단계, 반응 챔버에 반응물 가스를 제공하는 단계, 및 반응물 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 증착 플라즈마 기간 동안 증착 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함한다. 추가 예시에 따라, 처리 공정을 수행하는 단계는 처리 가스를 반응 챔버에 제공하는 단계 및 처리 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 처리 플라즈마 기간 동안 처리 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함한다. 반응물 가스는 반응물 및 처리 가스를 포함할 수 있다. 본 개시의 예시에 따라, 처리 공정을 수행하는 동안 처리 가스의 유량은 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 동안 처리 가스의 유량보다 크다. 제1 표면은, 예를 들어 실리콘 질화물 또는 실리콘 등을 포함할 수 있다. 제2 표면은 금속 산화물, 실리콘 산화물, 금속 등을 포함할 수 있다. 실리콘 전구체는 실란, 실릴아민, 아미노실란, 할로겐화 실리콘 화합물 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가 예시에 따라, 증착 플라즈마 전력은 처리 플라즈마 전력보다 크다. 추가 예시에 따라, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 동안 반응 챔버 내의 압력은 처리 공정을 수행하는 동안 반응 챔버 내의 압력보다 크다. 추가 예시에 따라, 처리 가스는 반응물을 포함하지 않는다. 추가 예시에 따라, 증착 플라즈마 기간의 지속시간은 처리 플라즈마 기간의 지속시간보다 짧다. 상기 방법은 하나 이상의 증착 사이클 후 및 처리 공정 전에 전이 기간을 포함할 수 있다. 예시에 따라, 전이 기간 동안 반응 챔버 내의 압력은 감소한다. 추가 예시에 따라, 처리 가스의 반응 챔버로의 유량은 전이 기간 동안 증가한다.
본 개시의 추가적인 구현예에 따라, 구조체가 제공된다. 구조체는 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함하는 기판, 및 제2 재료에 비해 제1 재료 상에 선택적으로 형성된 실리콘 질화물 층을 포함할 수 있다. 실리콘 질화물 층은 본원에 설명된 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
본 개시의 추가 구현예에 따라, 시스템이 제공된다. 시스템은, 반응 챔버를 포함하는 반응기 본원에 설명된 바와 같은 방법을 수행하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다.
이들 및 다른 구현예는 첨부된 도면을 참조하는 특정 구현예의 다음 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 분명해질 것이다. 본 발명은 개시된 임의의 특정 구현예에 한정되지 않는다.
다음의 예시적인 도면과 연관하여 고려되는 경우에 발명의 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써, 본 개시의 예시적인 구현예에 대해 더욱 완전한 이해를 얻을 수 있다.
도 1은 본 개시의 적어도 하나의 구현예에 따른 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법을 나타낸다.
도 2는 본 개시의 적어도 하나의 구현예에 따른 시간 순서를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 본 개시의 예시에 따른 구조체를 나타낸다.
도 5는 본 개시의 예시에 따른 시스템을 나타낸다.
도면의 요소는 간략하고 명료하게 도시되어 있으며, 반드시 축적대로 도시되지 않았음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 개시에서 예시된 구현예의 이해를 돕기 위해 도면 중 일부 구성 요소의 치수는 다른 구성 요소에 비해 과장될 수 있다.
특정 구현예 및 실시예가 아래에 개시되었지만, 당업자는 본 발명이 구체적으로 개시된 구현예 및/또는 본 발명의 용도 및 이들의 명백한 변형물 및 균등물을 넘어 확장된다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 본 발명의 범주는 전술한 특정 개시 구현예에 의해 제한되지 않도록 의도되어야 한다.
본 개시의 예시적인 구현예는 기판의 표면 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위한 개선된 방법을 제공한다. 예시적인 방법은 실리콘 질화물을 증착하기 전에 이전의 인시츄 또는 엑시츄 표면 처리를 사용하지 않고 제2 재료에 비해 제1 재료 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 달리 증착-전 처리를 수행하여 발생할 수 있는 표면의 임의의 오염이 완화되거나 회피될 수 있다. 또한, 본원에 기술된 방법은 비교적 비용 효율적이고 간단한 방식으로 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다.
본 개시에서, 가스는 정상 온도 및 압력(NTP)에서 가스, 증기화된 고체 및/또는 증기화된 액체인 재료를 포함할 수 있으며, 맥락에 따라 단일 가스 또는 가스 혼합물로 구성될 수 있다. 공정 가스 이외의 가스, 즉 가스 분배 어셈블리, 다중 포트 주입 시스템, 다른 가스 분배 장치 등을 통과하지 않고 유입되는 가스는, 예를 들어 반응 공간을 밀폐하기 위해 사용될 수 있고, 희가스와 같은 밀폐 가스를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 용어 전구체는 다른 화합물을 생성하는 화학 반응에 참여하는 화합물, 및 구체적으로 막의 주요 뼈대 또는 막 매트릭스를 구성하는 화합물을 지칭할 수 있다. 일부 경우에서, 용어 반응물은 용어 전구체와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 용어 불활성 가스는 화학 반응에 참여하지 않고/않거나 상당한 정도로 막 매트릭스의 일부가 되지 않는 가스를 지칭할 수 있다. 예시적인 불활성 가스는 He, Ar, H2, N2(예를 들어, 플라즈마에 의해 활성화되지 않을 경우) 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 기판은, 형성하기 위해 사용될 수 있는, 또는 그 위에 소자, 회로, 또는 막이 형성될 수 있는, 임의의 하부 재료 또는 재료들을 지칭할 수 있다. 기판은, 실리콘(예, 단결정 실리콘)과 같은 벌크 재료를 포함하거나 벌크 재료의 위에 놓이는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 또한, 기판은, 기판의 층의 적어도 일부 내에 또는 그 위에 형성된 다양한 토폴로지, 예컨대 오목부, 라인 등을 포함할 수 있다. 예시로서, 기판은 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 막 및/또는 층은 본원에 개시된 방법에 의해 증착된 재료와 같이 임의의 연속적인 또는 비연속적인 구조체 및 재료를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 막 및/또는 층은 이차원 재료, 삼차원 재료, 나노입자 또는 심지어는 부분 또는 전체 분자층 또는 부분 또는 전체 원자층 또는 원자 및/또는 분자 클러스터를 포함할 수 있다. 막 또는 층은 핀홀을 갖는 재료 또는 층을 포함할 수 있고, 이는 적어도 부분적으로 연속적일 수 있다. 대안적으로, 막 또는 층은 완전히 단리된 섬으로 구성될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 주기적 증착은, 반응 챔버 내로의 전구체 및/또는 반응물의 순차적인 도입 및/또는 기판 위에 층을 증착하기 위한 순차적 플라즈마 전력 펄스를 포함하는 공정을 지칭할 수 있다. 주기적 증착 공정은 원자층 증착(ALD), 주기적 화학 기상 증착(CCVD), 및 플라즈마 강화 ALD 및 CCVD와 같은 처리 기술을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 상기 ALD는　기상 증착 공정을 지칭할 수 있고, 여기서 증착 사이클, 전형적으로 복수의 연속 증착 사이클은 공정 챔버에서 수행된다. 일반적으로, 각각의 사이클 중에 전구체는 증착 표면(예, 이전 ALD 사이클로부터 이전에 증착된 재료 또는 다른 재료를 포함할 수 있는 기판 표면)에 화학 흡착되고, 추가적인 전구체와 쉽게 반응하지 않는(즉, 자기 제한적 반응인) 단층 또는 서브 단층을 형성한다. 그 후, 일부 경우에서, 반응물(예, 다른 전구체 또는 반응 가스)을 후속해서 공정 챔버에 도입시켜 증착 표면 상에서 화학 흡착된 전구체를 원하는 재료로 전환시키는 데 사용할 수 있다. 반응물은 전구체와 더 반응할 수 있다. 각각의 사이클 중에 공정 챔버로부터 과잉의 전구체를 제거하고/하거나, 화학 흡착된 전구체의 변환 후 공정 챔버로부터 과잉의 반응물 및/또는 반응 부산물을 제거하기 위해 퍼지 단계들이 더 활용될 수도 있다. 적어도 일부 경우에, 퍼지 가스는 플라즈마 또는 유사한 수단에 의해 활성화되지 않는 반응물을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 주기적 화학 기상 증착은 원하는 증착을 생성시키기 위해 기판 상에서 반응 및/또는 분해되는 둘 이상의 휘발성 전구체/반응물에 기판이 순차적으로 노출되는 임의의 공정을 지칭할 수 있다.
실리콘 질화물(SiN)을 포함하는 층은 실리콘 질화물 재료를 포함하거나, 본질적으로 이루어지거나, 또는 이로 구성될 수 있다. 실리콘 질화물로 이루어진 막은, 실리콘 질화물 층을 증착하기 위해 사용되는 하나 이상의 전구체로부터 유래할 수 있는 탄소, 염소, 또는 다른 할로겐, 및/또는 수소와 같이, 허용 가능한 양의 불순물을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, SiN 또는 실리콘 질화물은 실리콘 및 질소를 포함하는 화합물을 지칭한다. SiN은 SiNx로 나타낼 수 있고, 여기서 x는, 예를 들어 약 0.5 내지 약 2.0 범위로 변하며, 일부 Si-N 결합을 형성한다. 일부 경우에 있어서, x는 약 0.9 내지 약 1.7, 약 1.0 내지 약 1.5, 또는 약 1.2 내지 약 1.4 사이에서 변할 수 있다. 일부 구현예에서, 재료 내 질화물의 양은 변할 수 있고 Si는 +IV의 산화 상태를 갖는 실리콘 질화물을 형성한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 구조체는 본원에 기술된 바와 같은 기판을 포함할 수 있다. 구조체는, 기판 위에 놓이는 하나 이상의 층, 예컨대 본원에서 설명된 방법에 따라 형성된 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 변수의 임의의 두 수치가 상기 변수의 실행 가능한 범위를 구성할 수 있고, 표시된 임의의 범위는 끝점을 포함하거나 배제할 수 있다. 또한, 표시된 변수의 임의의 값("약"으로 표시되는지 여부에 관계없이)은 정확한 값 또는 근사치를 지칭할 수 있고, 균등물을 포함할 수 있고, 평균, 중앙값, 대표, 과반수 등을 지칭할 수 있다. 또한, 본 개시에서, 용어 포함한, 의해 구성되는, 및 갖는은 일부 구현예에서 통상적으로 또는 대략적으로 포함하는, 포함하는, 본질적으로 이루어지는, 또는 구성되는을 독립적으로 지칭할 수 있다. 조성물, 방법, 소자 등이 특정 특징부를 포함한다고 언급되는 경우에, 이는 이러한 특징부를 포함한다는 것을 의미하고, 이들이 청구범위를 작동 불가능하게 하지 않는 한, 다른 특징부의 존재를 반드시 배제하는 것은 아님을 이해해야 한다. 그럼에도 불구하고, 포함한다 또는 함유한다 라는 용어는 ~이루어진다 라는 의미, 즉 해당 조성물, 방법, 소자 등이 단지 나열된 특징부, 구성 요소, 및/또는 단계만을 포함하고, 임의의 다른 특징부, 구성 요소, 단계 등을 포함하지 않는 경우를 포함하고, ~본질적으로 이루어지는 을 포함한다.
본 개시에서, 임의의 정의된 의미는 일부 구현예에서 통상적이고 관례적인 의미를 반드시 배제하지는 않는다.
이제 도면으로 가면, 도 1은 본 개시의 적어도 하나의 구현예에 따라 기판의 표면 상의 제2 재료에 비해 기판 표면의 제1 재료 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법(100)을 나타낸다.
본원에서 설명된 바와 같이 선택적 증착 공정은, 기판 표면 상의 제2 재료에 비해 제1 재료 상에 더 많은 양의 물질을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적 공정은 제2 재료 상에 형성된 임의의 실리콘 질화물에 비해 제1 재료 상에 형성된 실리콘 질화물의 양을 더 증가시킬 수 있다. 본 개시의 일부 구현예에서, 공정 선택도는 제1 재료와 제2 재료 상에 형성된 물질의 합친 양(예를 들어, 층 두께)에 대한 제1 재료 상에 증착된 물질(예를 들어, 층 두께)의 비율로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 10 nm의 실리콘 질화물이 제1 재료 상에 증착되고 1 nm의 실리콘 질화물이 제2 재료 상에 증착되는 경우, 선택적 증착 공정은 91%의 선택도를 갖는 것으로 간주될 것이다. 일부 구현예에서, 본원에 개시된 방법의 선택도는 50% 초과, 75% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 99.5% 초과, 98% 초과, 99% 초과, 또는 심지어 약 100%이다.
방법(100)은 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 단계로서, 상기 기판은 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함하는 단계(단계(102)), 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계(단계(104)), 및 처리 공정을 수행하는 단계(단계(108))를 포함한다. 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 방법(100)은 또한 전이 기간(단계(106))을 포함할 수 있다.
단계(102) 동안에, 기판은 반응기의 반응 챔버 내에 제공된다. 본 개시의 예시에 따라, 반응 챔버는 플라즈마 강화 ALD(PEALD) 반응기와 같은 ALD 반응기의 일부를 형성할 수 있다. 방법(100)의 다양한 단계는 단일 반응 챔버 내에서 수행될 수 있거나 클러스터 툴의 반응 챔버와 같은 다수의 반응기 챔버 내에서 수행될 수 있다. 선택적으로, 반응 챔버를 포함하는 반응기는, 기판 및/또는 반응물/전구체 중 하나 이상의 온도를 상승시킴으로써 반응을 활성화시키기 위한 히터를 구비할 수 있다. 방법(100)을 사용하기에 적절한 예시적인 반응기는 도 5와 연관하여 아래에 보다 상세히 논의된다.
단계(102) 중에, 기판은 단계(104)의 원하는 온도 및 압력으로 놓아질 수 있다. 예로서, 반응 챔버 내에서 (예를 들어, 기판 또는 기판 지지부의) 온도는 약 100℃ 내지 약 600℃ 또는 약 300℃ 내지 약 550℃일 수 있다. 반응 챔버 내 압력은 약 0.5 내지 약 50 또는 약 1 내지 약 30 토르일 수 있다.
전술한 바와 같이, 단계(102) 중에 제공된 기판은 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함한다. 제1 재료는, 예를 들어 실리콘 또는 질화물, 예컨대, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 제2 재료는, 산화물, 예컨대, 금속 산화물 또는 실리콘 산화물 또는 금속을 포함할 수 있다.
단계(104) 중에, 하나 이상의 증착 사이클이 수행된다. 도시된 바와 같이, 각각의 증착 사이클은 전구체 펄스 기간 동안 실리콘 전구체를 반응 챔버에 펄스화하거나 제공하는 단계(단계(110)), 반응 챔버에 반응물 가스를 제공하는 단계(단계(112)), 및 반응물 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 증착 플라즈마 기간 동안 증착 플라즈마 전력을 제공하는 단계(단계(114))를 포함할 수 있다.
단계(110) 중에, 실리콘 전구체가 반응 챔버로 펄스화된다. 단계(110)와 함께 사용하기에 적합한 예시적인 실리콘 전구체는 기판의 표면 상의 OH 말단기와 우선적으로 반응하는 실리콘 전구체를 포함한다. 이러한 실리콘 전구체는 실란, 실릴아민, 및 아미노실란을 포함한다. 구체적인 예시는 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8), 테트라실란(Si4H10), N(Si2H5)3, 트리실릴아민 N(SiH3)3, N(SiMe3)(SiHMeNMe2)2, 2,2-디실릴트리실란(Si(SiH3)4), 트리스디메틸아미노실란(SiH(NMe2)3), 비스(디에틸아미노)실란(SiH2(NEt2)2)(BEDAS), 비스(터트-부틸아미노)실란(SiH2(NHtBu)2)(BTBAS), 디-이소프로필아미도)실란(SiH3(NiPr2))(DIPAS)을 포함하고, 여기서 Me는 메틸기를 나타내고, Et는 에틸기를 나타내며, tBu는 터트-부틸기를 나타내고, iPr는 이소프로필기를 나타낸다. 대안적으로, 일부 전구체는 -NH 말단 결합을 포함하는 활성화 부위와 우선적으로 반응할 수 있다. 이렇게 활성화 부위와 반응하는 예시적인 전구체는 할로겐화된 실리콘 화합물, 예컨대 Cl 및 I 중 하나 이상을 포함하는 실리콘 화합물을 포함한다. 특정 예시는 트리클로로 디실란(Si2Cl3H3), 펜타클로로 디실란(Si2Cl5H), 헥사클로로 디실란(Si2Cl6), 옥타클로로트리실란(Si3Cl8), 디클로로 실란(SiCl2H2), 디메틸디클로로실란(SiCl2Me2), 테트라클로로 실란(SiCl4), 테트라요오드 실란(SiI4), 트리요오드 실란(SiI3H), 및 디요오드 실란(SiI2H2)을 포함한다.
단계(110) 중에, 캐리어 가스가 있는 실리콘 전구체의 반응 챔버로의 유량은 약 200 내지 약 10000 또는 약 2000 내지 약 4000 sccm일 수 있다. 실리콘 전구체 펄스의 지속시간은 약 0.01 내지 약 30초 또는 약 0.1 내지 약 2초, 예를 들어, 약 0.3초일 수 있다.
단계(112) 중에, 반응물 가스가 반응 챔버에 제공된다. 예시적인 반응물 가스는 반응물 및 처리 가스를 포함한다. 예시적인 반응물은 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 또는 헬륨(He) 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함한다. 예시적인 처리 가스는 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 또는 헬륨(He) 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함한다. 본 개시의 예시에 따라, 처리 가스는 반응물을 포함하지 않는다. 일부 경우에, 반응물 가스 및 처리 가스는 수소 함유 가스, 예컨대 H2를 포함한다.
단계(112) 중에 반응 챔버로의 반응물의 유량은 약 1000 내지 약 50000 또는 약 10000 내지 약 30000 sccm일 수 있다. 반응물 펄스의 지속시간은 약 1 내지 약 30초 또는 약 2 내지 약 10초일 수 있다. 단계(112) 중에 반응 챔버로의 처리 가스의 유량은 약 2 내지 약 2000 또는 약 5 내지 약 1000 sccm일 수 있다. 반응 챔버로의 처리 가스 흐름의 지속시간은 하나 이상의 증착 사이클을 통해 및/또는 하나 이상의 증착 및 처리 사이클을 통해 연속적일 수 있다.
단계(114) 중에, 반응물 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 증착 플라즈마 기간 동안 증착 플라즈마 전력이 제공된다. 증착 플라즈마 전력의 주파수는 약 100 kHz 내지 약 60 MHz 또는 약 12 MHz 내지 약 14 MHz일 수 있다. 증착 플라즈마 전력은 약 10 내지 약 2000 W 또는 약 100 내지 약 900 W의 전력을 가질 수 있거나, 300 mm 직경의 기판에 대해 약 700 W이거나, 상이한 단면 치수의 기판에 대해 유사한 전력 밀도를 가질 수 있다. 단계(114)의 지속시간은 약 0.05초 내지 약 60초 또는 약 0.5초 내지 약 30초일 수 있다.
전이 기간(106) - 즉, 단계(104)의 하나 이상의 증착 사이클 후 및 단계(108)의 처리 공정 전의 기간 - 동안, 하나 이상의 가스 유량 및/또는 반응 챔버 압력은 후속 단계(108)를 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 반응물의 흐름은 전이 기간(106) 동안 중단될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단계(106)(전이 기간) 동안 반응 챔버 내의 압력은 감소할 수 있다. 또한 추가적으로 또는 대안적으로, 처리 가스의 반응 챔버로의 유량은 단계(106) 동안(예를 들어, 전이 기간 동안) 증가할 수 있다.
단계(108) 중에, 처리 공정이 수행된다. 나타낸 예시에서, 단계(108)는 처리 가스를 반응 챔버에 제공하는 단계(단계(116)) 및 처리 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 처리 플라즈마 기간 동안 처리 플라즈마 전력을 제공하는 단계(단계(118))를 포함한다.
단계(108) 동안 (예를 들어, 반응 챔버 내의 서셉터의) 반응 챔버 내의 온도는 단계(102)와 관련하여 전술한 바와 같을 수 있다. 단계(108) 동안 반응 챔버 내 압력은 약 1 토르 내지 약 30 토르 또는 약 2.6 토르 내지 약 15 토르일 수 있다.
본 개시의 예시에 따라, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는(104) 동안 반응 챔버 내의 압력은 처리 공정을 수행하는(108) 동안 반응 챔버 내의 압력보다 크다. 예를 들어, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 동안 반응 챔버 내의 압력은 처리 공정을 수행하는 동안 반응 챔버 내의 압력보다 적어도 2.5배 또는 10배 더 클 수 있다.
단계(116) 중에 사용된 처리 가스는 단계(104 및 106)와 관련하여 전술한 바와 같을 수 있다. 처리 공정을 수행하는(108) 동안 처리 가스의 유량은 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 동안 처리 가스의 유량보다 클 수 있다. 예를 들어, 처리 공정을 수행하는 동안 처리 가스의 유량은 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 동안 처리 가스의 유량의 10배 초과 또는 200배 초과일 수 있다. 특정 예시로서, 단계(108) 동안 반응 챔버로의 처리 가스의 유량은 약 0.1 내지 약 2 slm이거나 약 0.5 내지 약 1 slm일 수 있다.
단계(118) 동안, 처리 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 처리 플라즈마 기간 동안 처리 플라즈마 전력이 제공된다. 처리 플라즈마 전력의 주파수는 약 100 kHz 내지 약 60 MHz 또는 약 12 MHz 내지 약 14 MHz일 수 있다. 처리 플라즈마 전력은 약 10 내지 약 2000 W 또는 약 100 내지 약 900 W의 전력을 가질 수 있거나, 300 mm 직경의 기판에 대해 약 600 W이거나, 상이한 단면 치수의 기판에 대해 유사한 전력 밀도를 가질 수 있다. 단계(118)의 지속시간은 약 0.05초 내지 약 300초 또는 약 0.5초 내지 약 60초일 수 있다. 본 개시의 예시에 따라, 단계(114) 중에 제공된 증착 플라즈마 전력은 단계(118) 중에 제공된 처리 플라즈마 전력보다 크다. 추가 예시에 따라, 증착 플라즈마 기간의 지속시간은 처리 플라즈마 기간의 지속시간보다 짧다. 예를 들어, 증착 플라즈마 기간은 처리 플라즈마 기간의 50% 미만, 25% 미만, 20% 미만, 또는 16% 미만일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단계(104 내지 108)는 제2 재료에 비해 제1 재료 상에 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위해 여러 번 반복될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 단계(104)는 단계(106 또는 108)로 진행하기 전에 여러 번 반복될 수 있다.
도 2는 방법(100)으로 사용하기에 적합한 시간 순서(200)를 나타낸다. 시간 순서는 증착 기간(202), 전이 기간(204), 및 처리 기간(206)을 포함한다.
증착 기간(202)은　전술한 단계(104)와 동일하거나 유사할 수 있다. 나타낸 예시에서, 증착 기간(202)은 공급 기간(208), 퍼지 기간(210), 증착 플라즈마 기간(212), 및 흐름 변화 기간(220)을 포함한다.
공급 기간(208) 동안, 실리콘 전구체가 전구체 펄스 기간(214)을 위해 반응 챔버에 제공되고, 반응물이 (예를 들어, 반응물 기간(216)의 일부를 위해) 제공되고, 처리 가스가 반응 챔버에 제공된다. 실리콘 전구체, 반응물과 처리 가스 및 각각의 유량은 단계(104)와 관련하여 전술한 바와 같을 수 있다.
기간(208) 후, 반응 챔버는 퍼지 기간(210) 동안 퍼지될 수 있다. 퍼지는 반응물 및 처리 가스(통칭하여 반응물 가스)를 계속 흐르게 함으로써 실시될 수 있다. 기간(208)의 지속시간은 약 0.05 내지 약 120 또는 약 0.5 내지 약 10초일 수 있다.
증착 플라즈마 기간(212) 동안, 반응물 및 처리 가스가 반응 챔버로 계속 흐르는 동안, 단계(114)와 관련하여 전술한 바와 같이 반응물 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 증착 플라즈마 전력이 증착 플라즈마 기간 동안 제공된다.
흐름 변화 기간(220) 동안, 반응물 및 처리 가스는 반응 챔버로 계속 흐를 수 있다. 흐름 변화 기간(220)은 증착 플라즈마 기간(212) 이후 반응 챔버를 퍼지하는 데 사용될 수 있다. n회 증착 사이클의 종료 시(여기서 n은, 예를 들어, 약 1 내지 약 10의 범위일 수 있음), 반응물의 흐름은 흐름 변화 기간(220)의 종료 시 중단되거나 (예를 들어, 90% 이상만큼) 상당히 감소될 수 있다. 처리 가스의 유량은 증착 기간(202) 동안 처리 가스의 유량과 실질적으로 (예를 들어, ± 10% 이내로) 동일하게 유지될 수 있다.
전이 기간(204)은 가스 변화 기간(222)을 포함할 수 있다. 전이 기간(204)은 전술한 전이 기간(106)과 동일하거나 유사할 수 있다.
가스 변화 기간(222) 동안, 반응물의 유량은 감소되었거나 중단되었고 처리 가스의 유량은 증가되어(라인(219)으로 도시됨), 처리 가스의 유량이 증착 기간(202) 동안 및/또는 흐름 변화 기간(220) 동안의 처리 가스의 유량보다 가스 변화 기간(222)의 종료 시 또는 그 근처에서 더 크다. 예를 들어, 가스 변화 기간(222) 동안 처리 가스의 유량은 도시된 바와 같이 선형으로 증가할 수 있다. 처리 가스의 유량은, 예를 들어, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 또는 기간(220)의 단계 동안 처리 가스의 유량의 10배 초과까지 증가될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 변화 기간(222) 동안의 압력은 반응 챔버 내에서, 예를 들어, 단계(108)와 관련하여 위에서 언급된 압력까지 감소될 수 있다.
처리 단계(224)는 전술한 단계(108)와 동일하거나 유사할 수 있다. 도시된 바와 같이, 처리 단계는 라인 세그먼트(221)로 도시된, 처리 가스를 제공하는 단계, 및 처리 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 처리 플라즈마 전력을 (예를 들어, 처리 플라즈마 기간(223) 동안) 제공하여 (예를 들어, 선택적으로 증착된) 실리콘 질화물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 구현예에 따른 구조체(300)를 나타낸다. 구조체(300)는 기판(302), 제1 재료(304), 및 제2 재료(306)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 재료(304) 및 제2 재료(306)는 기판(302)의 표면 상에 형성된다.
기판(302)은 임의의 적절한 재료, 예컨대 반도체 소자를 형성하는 데 통상적으로 사용되는 반도체 재료 및 재료들을 포함할 수 있다. 예로서, 기판(302)은 실리콘, 다른 IV족 반도체 재료, III-V족 반도체, 및/또는 II-VI족 반도체일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
제1 재료(304)는 전술한 제1 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 재료(304)는 실리콘 또는 실리콘 질화물과 같은 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 재료(306)는 본원에서 언급된 임의의 제2 재료를 포함할 수 있다. 예로서, 제2 재료(306)는 금속 또는 산화물, 예컨대 원소 금속 또는 합금, 금속 산화물(예, HfO2, ZrO2 등), 또는 실리콘 산화물(탄소 및/또는 질소를 포함할 수 있음)을 포함할 수 있다.
도 4는 본원에 기술된 방법을 사용하여 제2 재료(306) 위에 (예를 들어, 직접 접촉하여) 증착된 실리콘 질화물(404)에 비해, 실리콘 질화물(402)이 제1 재료(304) 위에 (예를 들어, 직접 접촉하여) 선택적으로 증착된 구조체(400)를 도시한다. 도시된 예에서, 선택도는 100%는 아니고, 오히려 상당한 양의 실리콘 질화물(404)이 제2 재료(306) 위에 형성될 수 있다. 다른 경우에, 선택도는 100%이거나 전술한 바와 같을 수 있다.
이제 도 5로 돌아가면, 본 개시의 예시적인 구현예에 따른 반응기 시스템(500)을 나타낸다. 반응기 시스템(500)은, 본원에 설명된 (예를 들어, 방법(100)의) 하나 이상의 단계 또는 하위 단계를 수행하고/수행하거나 본원에 설명된 하나 이상의 구조체 또는 이의 부분을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
반응기 시스템(500)은, 반응 챔버(502)의 내부(501)(반응 구역)에서 통상적으로 서로 평행하게, 그리고 서로 마주하는 한 쌍의 전기 전도성 평판 전극(514, 518)을 포함한다. 하나의 반응 챔버(502)로 도시되었지만, 반응기 시스템(500)은 두 개 이상의 반응 챔버를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전원(들)(508)에서 하나의 전극(예, 전극(518))으로 RF를 인가하고 다른 전극(예, 전극(514))을 전기적으로 접지함으로써 플라즈마가 내부(501)에서 여기될 수 있다. 온도 조절기(503)(예, 열 및/또는 냉각을 제공함)가 하부 스테이지(514)(하부 전극)에 제공될 수 있고, 그 위에 배치된 기판(522)의 온도는 원하는 온도, 예컨대 전술한 온도로 유지될 수 있다. 전극(518)은, 샤워 플레이트 또는 샤워헤드와 같은 가스 분배 장치로서 기능할 수 있다. 전구체 가스, 반응물 가스, 처리 가스 및 캐리어 또는 불활성 가스 등이 존재하는 경우, 이들은 하나 이상의 가스 라인(예를 들어, (예, 처리 또는 반응물 공급원)(507) 및 (예, 실리콘 전구체) 공급원(505) 각각에 결합된 가스 라인(504) 및 가스 라인(506))을 사용하여 반응 챔버(502) 내에 도입될 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스 및 반응물(예를 들어, 전술한 바와 같음)은 라인(504)을 사용해 반응 챔버(502) 내로 도입될 수 있고/있거나 실리콘 전구체 및 캐리어 가스(예를 들어, 전술한 바와 같음)가 라인(506)을 사용해 반응 챔버 내로 도입될 수 있다. 두 개의 유입구 가스 라인(504, 506)으로 나타냈지만, 반응기 시스템(500)은 임의 적절한 개수의 가스 라인을 포함할 수 있다.
반응 챔버(502)에 배기 라인(521)을 갖는 원형 덕트(520)가 제공될 수 있고, 이를 통해 반응 챔버(502)의 내부(501)에 있는 가스가 배기 공급원(510)으로 배기될 수 있다. 추가적으로, 이송 챔버(523)는, 이송 챔버(523)의 내부(이송 구역)를 통해 반응 챔버(502)의 내부(501)로 밀봉 가스를 유입하기 위한 밀봉 가스 라인(529)을 구비할 수 있고, 반응 구역과 이송 챔버(523)를 분리하기 위한 분리 판(526)이 제공될 수 있다(기판이 이송 챔버(523)로 또는 이송 챔버(523)로부터 이송되는 게이트 밸브는 본 도면에서 생략됨). 이송 챔버(523)는 또한 배기 공급원(510)에 결합된 배기 라인(527)을 구비할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응 챔버(502)로의 캐리어 가스의 연속적인 흐름은 유동 통과 시스템(FPS)을 사용하여 수행될 수 있다.
반응기 시스템(500)은, 본원에 설명된 하나 이상의 방법 단계를 수행하도록 달리 구성되거나 프로그래밍된 하나 이상의 제어기(들)(512)를 포함할 수 있다. 제어기(들)(512)는, 당업자가 이해하는 바와 같이, 다양한 전력원, 가열 시스템, 펌프, 로보틱스, 및 반응기의 가스 유량 제어기 또는 밸브들과 결합한다. 예로서, 제어기(512)는 하나 이상의 반응 챔버 중 적어도 하나 내로의 실리콘 전구체, 반응물, 처리 가스, 및/또는 불활성 가스의 가스 흐름을 제어하여 전술한 바와 같은 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하도록 구성될 수 있다. 제어기(512)는, 예를 들어 반응 챔버(502) 내에 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 제어기(512)는 본원에서 설명된 바와 같은 추가 단계를 수행하도록 유사하게 구성될 수 있다.
제어기(512)는 밸브, 매니폴드, 히터, 펌프 및 시스템(500)에 포함된 다른 구성 요소를 선택적으로 작동시키기 위한 전자 회로 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 회로 및 구성 요소는, 전구체, 반응물, 처리 가스, 및 퍼지 가스를 각각의 공급원으로부터 도입하기 위해 작동한다. 제어기(512)는 가스 펄스 순서의 시점, 기판 및/또는 반응 챔버의 온도, 반응 챔버의 압력, 플라즈마 전력, 및 시스템(500)의 적절한 작동을 제공하는 데 다양한 기타 작동, 예컨대 방법(100)의 수행 및/또는 순서(200)에 있어서 이들을 제어할 수 있다.
제어기(512)는, 반응 챔버(502) 내로 그리고 반응 챔버(502)로부터의 전구체, 반응물 및/또는 퍼지 가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 전기식 혹은 공압식으로 제어하는 제어 소프트웨어를 포함할 수 있다. 제어기(512)는, 소프트웨어 또는 하드웨어 구성 요소, 예를 들어 특정 작업을 수행하는 FPGA 또는 ASIC과 같은 모듈을 포함할 수 있다. 모듈은 제어 시스템의 어드레스 가능한 저장 매체에 탑재되도록 구성되고, 하나 이상의 공정을 실행하도록 유리하게 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 듀얼 챔버 반응기(서로 근접하게 배치된 기판을 공정 처리하기 위한 두 개의 섹션 또는 컴파트먼트)가 이용될 수 있고, 반응물 가스 및 희가스는 공유된 라인을 통해 공급될 수 있는 반면에 전구체 가스는 공유되지 않는 라인을 통해 공급된다.
시스템(500)의 작동 동안, 반도체 웨이퍼와 같은 기판은, 예를 들어 기판 핸들링 영역(523)에서 내부(501)로 이송된다. 일단 기판(들)이 내부(501)로 이송되면, 전구체, 반응물, 처리 가스, 캐리어 가스, 및/또는 퍼지 가스와 같이, 하나 이상의 가스가 반응 챔버(502) 내로 유입된다.
전술한 본 개시의 예시적 구현예는 본 발명의 범주를 제한하지 않는데, 그 이유는 이들 구현예는 본 발명의 구현예의 예시일 뿐이기 때문이며, 이는 첨부된 청구범위 및 그의 법적 균등물에 의해 정의된다. 임의의 균등한 구현예는 본 발명의 범주 내에 있도록 의도된다. 실제로, 본원에 나타내고 설명된 것들 이외에, 본 개시의 다양한 변형, 예컨대 설명된 요소의 대안적인 유용한 조합이 본 설명으로부터 당업자에게 명백해질 수 있다. 이러한 변형 및 구현예도 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함하는 기판을, 반응기의 반응 챔버 내에 제공하는 단계;
    하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계로서, 여기서 각각의 증착 사이클은,
    실리콘 전구체를 상기 반응 챔버에 전구체 펄스 기간 동안 펄스화하는 단계,
    반응물 가스를 상기 반응 챔버에 제공하는 단계, 및
    상기 반응물 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 증착 플라즈마 기간 동안 증착 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함하는, 단계; 및
    처리 공정을 수행하는 단계로서, 상기 처리 공정은
    처리 가스를 상기 반응 챔버에 제공하는 단계, 및
    상기 처리 가스로부터 활성화된 종을 형성하기 위해 처리 플라즈마 기간 동안 처리 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함하는, 단계;를 포함하고,
    상기 반응물 가스는 반응물 및 상기 처리 가스를 포함하고,
    상기 실리콘 질화물은 상기 제2 재료에 비해 상기 제1 재료 상에 선택적으로(selectively) 증착되는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 실리콘 질화물 또는 실리콘을 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 재료는 금속 산화물, 실리콘 산화물, 또는 금속을 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물은 질소(N2),　수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 가스는 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 실란, 실란아민, 아미노실란 및 할로겐화 실란 화합물 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증착 플라즈마 전력은 상기 처리 플라즈마 전력보다 큰, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 동안 상기 반응 챔버 내의 압력은 상기 처리 공정을 수행하는 동안 상기 반응 챔버 내의 압력보다 큰, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 동안 상기 반응 챔버 내의 상기 압력은 상기 처리 공정을 수행하는 동안 상기 반응 챔버 내의 상기 압력보다 적어도 2.5배 더 큰, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 가스는 상기 반응물을 포함하지 않는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 공정을 수행하는 동안 상기 처리 가스의 유량은 상기 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 동안 상기 처리 가스의 유량보다 큰, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 처리 공정을 수행하는 동안 상기 처리 가스의 상기 유량은 상기 하나 이상의 증착 사이클을 수행하는 단계 동안 상기 처리 가스의 상기 유량의 10배를 초과하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 공정을 수행하기 전에 상기 하나 이상의 증착 사이클을 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증착 플라즈마 기간의 지속시간은 상기 처리 플라즈마 기간의 지속시간보다 짧은, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 가스는 복수의 증착 사이클 동안 상기 반응 챔버로 연속적으로 흐르는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 가스는 상기 하나 이상의 증착 사이클 및 상기 처리 공정 사이클 동안 상기 반응 챔버로 연속적으로 흐르는, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 하나 이상의 증착 사이클 후 및 상기 처리 공정 전에 전이 기간을 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전이 기간 동안 상기 반응 챔버 내의 압력은 감소하는, 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 처리 가스의 상기 반응 챔버로의 유량은 상기 전이 기간 동안 증가하는, 방법.
  20. 구조체로서,
    제1 재료와 제2 재료를 포함하는 표면을 포함하는 기판; 및
    상기 제2 재료에 비해 상기 제1 재료 상에 선택적으로(selectively) 형성된 실리콘 질화물 층을 포함하는, 구조체.
  21. 시스템으로서,
    반응 챔버를 포함하는 반응기; 및
    제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 구성된 제어기를 포함하는, 시스템.
KR1020230082106A 2022-07-11 2023-06-26 실리콘 질화물을 선택적으로 증착하는 방법, 및 선택적으로 증착된 실리콘 질화물 층을 포함하는 구조체 KR20240008788A (ko)

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