KR20240026430A - 오목부 내에 재료를 형성하는 방법 - Google Patents

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recess
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마코토 이가라시
신야 요시모토
조엘 로슈 구히트
링-치 황
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

오목부 내에 재료를 형성하는 방법 및 시스템이 개시된다. 예시적인 방법은, 제1 온도(T1)에서 반응 챔버 내에 유동성 재료를 형성하는 단계, 유동성 재료가 오목부 내에 증착 재료를 형성하는 단계, 증착 재료를 처리하여 처리 재료를 형성하는 단계, 및 처리 재료를 포함한 기판을 제2 온도(T2)에서 가열하여 증착 재료의 일부를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

리세스 내에 재료를 형성하는 방법{method of forming material within a recess}
본 개시는, 일반적으로 전자 소자의 제조에 사용하기에 적합한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 예시는 기판 표면 상의 갭 내에 재료를 형성하기에 적합한 방법에 관한 것이다.
반도체 소자와 같은 소자 제조 중에 기판 표면 상의 특징부(예, 트렌치 또는 비아)를 절연체 또는 유전체 재료로 충진하는 것이 자주 바람직하다. 예를 들어, 절연 재료는 소자 또는 소자 특징부의 격리와 같은 다양한 응용을 위한 갭을 충진하는 데 사용될 수 있다.
갭을 충진하기 위한 하나의 기술은 반응 챔버 내에 유동성 재료를 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 유동성 재료는 기판의 표면 상의 갭 내에서 흐른다. 유동성 재료가 갭 내에서 흐르면, 유동성 재료는 재료를 경화시키거나 치밀화하도록 처리될 수 있다.
이러한 기술은 다양한 응용에 대해 잘 작용할 수 있다. 그러나, 유동성 재료로 갭을 충진하는 통상적인 기술은 간혹 균일한(예, 균일한 높이) 재료로 다양한 종횡비의 갭을 충진하지 않는다. 오히려, 통상적인 유동성 재료 공정에 의해, 갭 내에서 유동성 재료의 비교적 불균일한 분포가 발생할 수 있다. 예를 들어, 높은 종횡비 갭 내의 유동성 재료의 높이는 낮은 종횡비 갭에서의 유동성 재료의 높이보다 훨씬 클 수 있다.
많은 응용예의 경우, 각각의 갭 내의 재료가 대략 동일한 높이가 되도록, 다양한 종횡비 및/또는 다른 크기 차이의 갭을 비교적 균일하게 충진하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 갭 내에 재료를 균일하게 (예를 들어, 재료의 높이에 기초하여) 형성하기 위한 개선된 방법이 요구된다.
이 부분에서 진술된 문제점 및 해결책에 대한 임의의 논의를 포함하여 모든 논의는 단지 본 개시에 대한 맥락을 제공하는 목적으로 본 개시에 포함되었고, 그 논의의 일부 또는 전부가 본 발명이 이루어진 당시에 알려졌거나 달리 종래 기술을 구성하고 있음을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 된다.
본 개시의 다양한 구현예는 기판의 표면 상 오목부 내에 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은, 예를 들어 반도체 소자와 같은 전자 소자의 형성에 사용될 수 있다. 본 개시의 다양한 구현예가 선행 방법의 문제점을 해결하는 방식은 이하에서 보다 상세히 논의되면서, 일반적으로 본 개시의 예시적인 구현예는 재료로 갭을 (예를 들어 재료 높이에 기초하여) 균일하게 충진하는 개선된 방법을 제공한다.
본 개시의 다양한 구현예에 따라, 기판의 표면 상의 오목부 내에 재료를 형성하는 방법이 제공된다. 예시적인 방법은, 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 단계, 반응 챔버 내의 제1 온도(T1)에서 유동성 재료를 형성하는 단계, 유동성 재료가 오목부 내에 증착 재료를 형성하는 단계, 활성 종을 사용하여 증착 재료를 처리하여 처리 재료를 형성하는 단계, 및 제2 온도(T2)에서 기판을 가열하여 증착 재료의 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 이들 구현예의 다양한 양태에 따르면, T2는 T1보다 크다. 처리 단계 동안 온도(T3)는 T1 이상 및/또는 T2 미만이다. 유동성 재료를 형성하는 단계는 주기적 증착 공정을 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따르면, 증착 재료는 실리콘 탄소 질화물을 포함한다. 추가의 실시예에 따르면, 유동성 재료를 형성하기 위해 사용되는 전구체는 실리콘 및 질소를 포함할 수 있다. 예로서, 전구체는 실라잔, 실릴아민, 또는 실리콘 알킬아민 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 유동성 재료를 형성하기 위해 사용되는 반응물은 아르곤, 질소 또는 수소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가열 단계 동안, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소 및/또는 암모니아 중 하나 이상이 반응 챔버에 제공될 수 있다. 본 개시의 추가 실시예에 따라, 처리 단계 동안에 수소 포함 가스가 반응 챔버에 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 예를 들어 갭을 충진하기 위해 유동성 재료를 형성하는 단계, 증착 재료를 처리하는 단계, 및 기판을 가열하는 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 상기 방법은, 기판을 가열하는 단계 전에 유동성 재료를 형성하는 단계 및 증착 재료를 처리하는 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 추가 예시적인 구현예에 따라, 구조체는 본원에 설명된 방법을 사용하여 형성된다.
본 개시의 추가 예시적인 구현예에 따라, 시스템은, 본원에 설명된 바와 같이 방법을 수행하고/수행하거나 구조체를 형성하기 위해 제공된다.
본 발명은 개시된 임의의 특정 구현예(들)에 제한되지 않으며, 이들 및 다른 구현예는 첨부된 도면을 참조하는 특정 구현예의 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 분명해질 것이다.
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 예시적 구현예에 따른 방법을 나타낸다.
도 2는 패턴 로딩 효과를 보여주는 구조체를 나타낸다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따라 형성된 구조체를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 예시적인 구현예에 따른 반응기 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 발명의 범주는 후술되고 구체적으로 개시된 구현예에 의해 제한되지 않도록 의도된다.
본 개시는 일반적으로 기판 표면 상의 오목부 내에 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본원에 설명된 예시적인 방법은, 3D 교차점 메모리 소자에서의 셀 격리, 자기 정렬된 비아, 더미 게이트, 리버스 톤 패턴, PC RAM 격리, 절단된 하드 마스크, DRAM 스토리지 노드 접촉(SNC) 격리 등과 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있는 구조체를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 개시에서, 가스는 정상 온도 및 압력에서 가스, 증기화된 고체 및/또는 증기화된 액체인 재료를 지칭할 수 있으며, 맥락에 따라 단일 가스 또는 가스 혼합물로 구성될 수 있다. 공정 가스 이외의 가스, 즉 샤워헤드, 다른 가스 분배 장치 등과 같은 가스 분배 어셈블리를 통과하지 않고 유입되는 가스는, 예를 들어 반응 공간을 밀폐하기 위해 사용될 수 있고, 귀가스와 같은 밀폐 가스를 포함한다. 일부 경우에서, 예컨대 재료의 증착 맥락에서, 용어 전구체는 다른 화합물을 생성하는 화학 반응에 참여하는 화합물을 지칭할 수 있고, 특히 막 매트릭스 또는 막의 주 골격을 구성하는 화합물을 지칭할 수 있는 반면, 용어 반응물은 일부 경우에서 전구체 이외의 화합물을 지칭할 수 있데, 이는 전구체를 활성화시키거나, 전구체를 개질하거나, 전구체의 반응을 촉진시키고, 반응물은 일부 경우에 (H 또는 N과 같은) 원소를 막 매트릭스에 제공할 수 있고, 예를 들어 전력(예, 무선 주파수(RF) 전력)이 인가되는 경우에 막 매트릭스의 일부가 될 수 있다. 일부 경우에서, 용어 전구체 및 반응물은 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 용어 불활성 가스는 상당한 정도로 화학 반응에 참여하지 않고/않거나 예를 들어 전력(예, RF 전력)이 인가되어 플라즈마를 형성할 경우에 (예를 들어, 전구체의 중합화를 용이하게 하도록) 전구체를 여기시키는 가스를 지칭하나, 불활성 가스는 상당한 정도로 막 매트릭스의 일부가 될 수 없다. (예를 들어, 플라즈마를 통해) 여기될 경우, 예를 들어 하나 이상의 귀가스를 포함하는 불활성 가스가 반응물로 간주될 수 있다. 캐리어 가스는 불활성 가스, 예컨대 귀가스, 질소 등일 수 있다.
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), 게르마늄과 같은 다른 IV족 재료, III-V족 또는 II-VI족 반도체와 같은 화합물 반도체 재료와 같은 벌크 재료를 포함할 수 있고, 벌크 재료 위에 놓이거나 그 아래에 놓인 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 또한, 기판은, 기판의 층 또는 벌크 재료의 적어도 일부 내에 또는 그 위에 형성된 다양한 특징부, 예컨대 본원에서 오목부로 또한 지칭되는 갭(예, 트렌치 또는 비아), 라인 또는 돌출부, 예컨대 이들 사이에 형성된 오목부를 갖는 라인 등을 포함할 수 있다. 예로서, 하나 이상의 특징부(예, 오목부)는, 약 10 nm 내지 약 100 nm의 폭, 약 30 nm 내지 약 1,000 nm의 깊이 또는 높이, 및/또는 약 3 내지 100의 종횡비를 가질 수 있다. 기판은 다양한 치수 및 종횡비의 특징부를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 막은 두께 방향에 수직인 방향으로 연장되는 층을 지칭한다. 일부 구현예에서, 층은 표면에 형성된 특정 두께를 갖는 재료를 지칭하거나, 막 또는 막이 아닌 구조체의 동의어일 수 있다. 막 또는 층은 특정 특성을 갖는 별개의 단일막 또는 층, 또는 다수의 막 또는 층으로 구성될 수 있고, 인접하는 막 또는 층 사이의 경계는 명확하거나 그렇지 않을 수 있으며, 물리적, 화학적, 및/또는 임의의 특성, 형성 공정 및 시퀀스, 및/또는 인접하는 막 또는 층의 기능 또는 목적에 기반하여 구축되거나 되지 않을 수 있다. 층 또는 막은 연속적일 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 또한, 단일 막 또는 층은 전술한 바와 같이 다수의 증착 사이클 및/또는 다수의 증착 및 처리 사이클 및/또는 다수의 증착, 처리 및 가열 사이클을 사용하여 형성될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 실리콘 탄소 재료는, 화학식이 실리콘과 탄소를 포함하는 것으로 나타낼 수 있는 층을 지칭할 수 있다. 실리콘-탄소 재료를 포함한 층은, 산소, 질소 및 수소 중 하나 이상과 같이 다른 원소를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 용어 실리콘 탄소 질화물 재료는, 그 화학식이 실리콘, 탄소, 및 질소를 포함하는 것으로 표현될 수 있는 층을 지칭할 수 있다. 실리콘 탄소 질화물 재료를 포함한 층은, 산소 및 수소 중 하나 이상과 같이 다른 원소를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 구조체는 부분적으로 또는 완전히 제조된 소자 구조체를 지칭할 수 있다. 예로서, 구조체는 그 위에 형성된 하나 이상의 층 및/또는 특징부를 갖는 기판일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 주기적 증착 공정 또는 순환적 증착 공정은 기상 증착 공정을 지칭하고, 여기서 증착 사이클은, 전형적으로 복수의 연속 증착 사이클은 공정 챔버에서 수행된다. 주기적 증착 공정은 주기적 화학 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착 공정을 포함할 수 있다. 플라즈마 주기적 증착 공정은, 전구체, 반응물 및/또는 불활성 가스의 플라즈마 활성화를 포함하는 하나 이상의 사이클을 포함할 수 있다. 일반적으로, 플라즈마 주기적 증착 공정 중 각각의 증착 사이클은 (1) 전구체를 반응 챔버에 펄스화하는 단계, (2) 반응물을 반응 챔버에 펄스화하는 단계, 또는 (3) 플라즈마 전력 또는 다른 활성화 공급원을 펄스화하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 주기적 증착 공정은 이러한 단계 중 두 개 또는 세 개 모두를 포함할 수 있다.
본 개시에서, 연속적으로 또는 연속적인은, 진공 파괴가 없으며, 시간적으로 중단이 없고, 임의의 재료의 개입 단계가 없으며, 다음 단계로서 그 직후에 처리 조건의 변경이 없고, 또는 일부 구현예에서 그리고 문맥에 따라 두 개의 구조체 사이에 두 개의 구조체 이외의 분리된 물리적 또는 화학적 구조체가 개입하지 않음을 지칭할 수 있다.
유동성(예를 들어, 초기 유동성)은 다음과 같이 결정될 수 있다:
하부/상부 비율(B/T) 유동성
0< B/T <1 없음
1≤B/T <1.5 불량
1.5≤B/T <2.5 우수
2.5≤B/T <3.5 매우 우수
3.5≤B/T 대단히 우수
여기서 B/T는, 오목부를 충진하기 전에, 오목부가 형성되는 상부 표면 상에 증착된 막의 두께에 대한 오목부의 하부에 증착된 막의 두께의 비율을 지칭한다. 일반적으로, 유동성은 약 1 이하의 종횡비를 갖는 넓은 오목부를 사용하여 평가되는데, 일반적으로 오목부의 종횡비가 높아질수록 B/T 비율이 높아지기 때문이다. B/T 비율은 일반적으로 오목부의 종횡비가 더 높을 경우에 더 높아진다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 유동성 막 또는 재료는 양호한 유동성을 나타낸다.
막의 유동성은, 휘발성 전구체가 활성 종에 의해 중합될 경우에, 예를 들어 플라즈마를 사용하여 형성될 경우에 일시적으로 얻을 수 있다. 유동성 재료는, 기상 전구체가 활성 종에 의해 제공되는 에너지에 의해 활성화되거나 단편화될 경우에 중합을 개시하도록 기판의 표면 상에 증착될 수 있다. 최종 중합체 재료는 적어도 일시적으로 유동성 거동을 나타낼 수 있다. 짧은 시간(예, 약 3.0초) 후에, 막이 더 이상 흐르지 않을 수 있고, 오히려 고형화되거나 경질화되고, 따라서 별도의 고형화 공정이 사용되지 않을 수 있다.
본 개시에서, 변수의 임의의 두 수는 변수의 작동 가능한 범위를 구성할 수 있고, 표시된 임의의 범위는 종점을 포함하거나 배제할 수 있다. 추가적으로, 표시된 변수의 임의의 값은 (약의 표시 여부에 관계없이) 정확한 값 또는 대략적인 값을 지칭할 수 있고 등가를 포함할 수 있으며, 일부 구현예에서는 평균, 중간, 대표, 다수 등을 지칭할 수 있다. 또한, 본 개시에서, 용어 포함한, 의해 구성되는, 및 갖는은 일부 구현예에서 통상적으로 또는 대략적으로 포함하는, 포함하는, 본질적으로 이루어지는, 또는 이루어지는을 독립적으로 지칭할 수 있다. 본 개시에서, 임의로 정의된 의미는 일부 구현예에서 보통이고 관습적인 의미를 반드시 배제하는 것은 아니다.
오목부를 충진하는 기술은 유동성 증착 단계 및 증착 재료를 변형(예, 치밀화)하기 위한 처리 단계를 포함할 수 있다. 도 2는 다양한 종횡비의 갭 내에서 재료의 형성이 오목부 내에 증착 재료의 불균일한 높이로 이어질 수 있는 방법의 예를 나타낸다. 재료의 불균일한 높이는 오목부의 불균일한 충진을 초래할 수 있으며, 예를 들어, 하나의 오목부는 다른 오목부가 충진되기 전에 충진될 수 있다.
도 2 (a)는 제1 오목부(208) 및 제2 오목부(210)를 갖는 기판(204)을 포함한 구조체(202)를 나타내며, 제1 오목부(208)의 종횡비(높이: 폭)는 제2 오목부(210)의 종횡비보다 작다. 나타낸 바와 같이, 증착 재료(206)의 높이 H2는, 낮은 종횡비 오목부(208)에서 재료(206)의 높이 H1보다 높은 종횡비 오목부(210) 내에서 더 크다.
도 2 (b)는 구조체(202)가 처리 단계에 노출된 후의 구조체(212)를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 처리 재료(214), 및 오목부(210) 내의 미처리 재료와 오목부(208) 내의 처리 재료의 높이 차이는 처리 후에 유지될 수 있다. 구체적으로, 처리 재료(214) 및 미처리 재료(206)의 높이 H4는, 낮은 종횡비 갭(208)에서 처리 재료(214)의 높이 H3보다, 높은 종횡비 갭(210) 내에서 더 크다.
도 2 (c)는 다수의 증착 및 처리 단계 후의 구조체(216)를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 제1 오목부(208) 내의 처리 재료의 높이 H5와 제2 오목부(210) 내의 처리 재료(214) 및 미처리 재료(206)의 높이 H6 간의 높이 차이는 각 사이클에 따라 증가할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 처리는 처리될 수 있는 증착 재료의 깊이에서 제한될 수 있기 때문에, 처리 공정은 더 높은 종횡비 오목부(210) 내에 증착 재료 전부를 처리할 수 없다. 따라서, 처리 단계 후, 오목부(210) 내의 재료는 처리 재료(214) 및 증착 재료(206)(즉, 처리중 또는 덜 처리된 재료 또는 미처리 재료)를 포함할 수 있다. 고 종횡비 오목부 내의 처리 재료와 미처리 재료의 불균일한 높이 및/또는 조합은, 오목부 내의 재료의 성질에 있어서 원하지 않는 변화를 초래한다.
도 1은 본 개시의 예시에 따른 방법(100)을 나타낸다. 방법(100)은 기판의 표면 상의 오목부 내에 재료를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에, 방법(100)은 기판의 표면 상에 하나 이상의 패터닝된 오목부(또한 본원에서 갭으로 지칭됨)를 충진하는 데 사용될 수 있다. 도 2에 나타낸 방법과 같은 전통적인 기술과 달리, 방법(100)은 하나 이상의 사이클 동안 상대적으로 균일한 높이에 대한 갭 또는 가변하는 종횡비(예를 들어, 동일한 높이 및 가변하는 폭)를 충진하는 데 사용될 수 있다. 방법(100)은 식각 정지 응용 또는 갭 충진 응용에 적합한 재료로 오목부를 충진하는 데 특히 적합할 수 있다.
방법(100)은 주기적 공정, 예컨대 플라즈마 주기적 증착 공정, 예컨대 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정 또는 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정 또는 PECVD와 PEALD 공정의 조합이거나 이를 포함할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 방법(100)은, 반응기의 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 단계(102). 상기 반응 챔버 내에 제1 온도(T1)에서 유동성 재료를 형성하고 상기 유동성 재료는 상기 오목부 내에 증착 재료를 형성하는 단계(104), 상기 반응 챔버 내의 활성 종을 사용하여 상기 증착 재료를 처리하여 처리 재료를 형성하는 단계(106), 및 처리 재료를 제2 온도(T2)에서 가열하여 증착 재료의 일부를 제거하는 단계(108)를 포함한다.
단계(102) 동안에, 기판은 기상 반응기의 반응 챔버 내에 제공된다. 기판은 본원에서 언급된 임의의 기판을 포함할 수 있고, 기판의 표면 상에서 다양한 종횡비의 오목부를 가질 수 있다.
본 개시의 예에 따라, 반응 챔버는 원자층 증착(ALD)(예 PEALD) 반응기 또는 화학 기상 증착(CVD)(예, PECVD) 반응기와 같은 주기적 증착 반응기의 일부를 형성할 수 있다. 본원에 설명된 방법의 다양한 단계는 단일 반응 챔버 내에 수행될 수 있거나 클러스터 툴의 반응 챔버와 같은 다수의 반응 챔버 내에서 수행될 수 있다.
단계(102) 동안에, 기판은 원하는 온도로 될 수 있고/있거나 원하는 압력, 예컨대 단계(104)에 적절한 온도 및/또는 압력이 될 수 있다. 예로서, 반응 챔버 내에서 (예를 들어, 기판 또는 기판 지지부의) 온도(T1)는 150℃ 이하 또는 약 30℃ 내지 약 100℃ 또는 약 50℃ 내지 약 90℃일 수 있다. 반응 챔버 내 압력은, 예를 들어 약 300 Pa 내지 약 2,000 Pa일 수 있다.
단계(104) 동안, 반응 챔버 내의 제1 온도(T1)에서 유동성 재료를 형성하기 위해 반응 챔버 내에 반응물과 전구체가 제공될 수 있다. 본 개시의 예시에 따라, 단계(104)는 주기적 증착 공정을 포함할 수 있다. 주기적 증착 공정은 전구체 펄스 동안 전구체를 반응 챔버에 제공하는 단계, 반응물을 반응 챔버에 제공하는 단계, 및 플라즈마 전력 펄스 기간 동안 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반응물은 단계(104)의 하나 이상의 사이클 동안 및/또는 단계(104-108)의 하나 이상의 사이클 동안 연속적으로 반응 챔버에 제공될 수 있다.
반응물은 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 수소(H2) 중 하나 이상을 별도로 또는 이들의 임의의 혼합물로 포함한 가스를 포함할 수 있다.
단계(104) 동안 사용하기에 적합한 예시적인 전구체는 실리콘 및 질소를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 전구체는 조성식 SiaCbHcOdNe로 나타낼 수 있으며, 여기서 a는 1 이상이고 5 이하인 자연수이고, b는 1 이상이고 20 이하인 자연수이고, c는 1 이상이고 40 이하인 자연수이고, d는 0이거나 10 이하의 자연수이고, e는 0이거나 5 이하의 자연수이다. 실리콘 카바이드 전구체는, 하나 이상의 탄소 원자, 하나 이상의 실리콘 원자, 및 하나 이상의 수소 원자를 갖는 사슬 또는 환형 분자를 포함할 수 있으며, 예컨대 분자는 상기 조성식으로 표시된다.
예로서, 전구체는 실라잔, 실릴아민, 또는 실리콘 알킬아민 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전구체는 헥사메틸디실라잔, 디비닐테트라메틸디실라잔, 테트라메틸디실라잔 또는 에트라실릴-실란디아민 중 하나 이상이거나 이를 포함할 수 있다.
전구체 공급원으로부터 반응 챔버로의 전구체 유량은 다른 공정 조건에 따라 달라질 수 있다. 예로서, 전구체의 유량은 단독으로 또는 캐리어 가스와 혼합되어 약 100 sccm 내지 약 3,000 sccm일 수 있다. 유사하게, 전구체를 반응 챔버에 제공하는 각각의 펄스의 지속 시간은 다양한 고려 사항에 따라 달라질 수 있다. 예로서, 각 사이클에 대한 전구체 펄스의 지속 시간은 약 3초 내지 약 60초의 범위일 수 있다.
단계(104) 동안, 증착 플라즈마 전력 펄스 기간 동안 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마는 직접식 플라즈마일 수 있다. 플라즈마를 점화하고 유지하기 위해 사용되는 전력은 약 50 W 내지 약 800 W 범위일 수 있다. 전력의 주파수는 약 400 kHz 내지 약 60 MHz 범위일 수 있다. (예를 들어, 각각의 증착 사이클에 대한) 증착 플라즈마 전력 펄스 기간의 지속 시간은 약 3 내지 약 60초일 수 있다. 일부 경우에, 플라즈마 전력은 반응 챔버로의 전구체의 흐름을 중단시키거나 감소시킨 후에 제공될 수 있다.
단계(104) 동안에, 전구체는 여기 종을 사용하여 초기 점성의 유동성 재료로 변환된다. 유동성 재료는 오목부 내로 흐를 수 있고 오목부 내에 증착 재료가 될 수 있다. 증착 재료는 고체 또는 실질적으로 고체일 수 있다.
도 3 (a)는 제1 오목부(308) 및 제2 오목부(310)를 갖는 기판(304) 및 제1 및 제2 오목부(308, 310) 내에 형성된 증착 재료(306)를 포함한 구조체(302)를 나타낸다. 기판(302) 및 오목부(308, 310)는 기판(204) 및 오목부(208, 210)와 동일하거나 유사할 수 있다. 증착 재료(306)는 증착 재료(206)와 동일하거나 유사할 수 있고, 전술한 단계(104)에 따라 형성될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 오목부(308) 내의 증착 재료(306)의 높이 H1은 오목부(310) 내의 증착 재료(306)의 높이 H2보다 작을 수 있다. 본 개시의 실시예에 따르면, H1 또는 H2―즉, 오목부의 바닥에서 증착된 재료의 두께는 약 5 nm 내지 약 30 nm이다. 이러한 범위의 두께를 사용하면, 본원에 설명된 바와 같이 균일한 높이 갭 충진 공정을 용이하게 할 수 있다.
증착 재료(306)가 오목부(308, 310) 내에 형성된 후, 증착 재료(306)는 처리되어 처리 재료(314) 및 구조체(312)를 형성한다. 나타낸 바와 같이, 구조체(312)는 오목부(308, 310) 내에 처리 재료(314)를 포함하고, 적어도 오목부(310) 내에 증착 재료(306)를 포함한다. 나타낸 바와 같이, 이러한 단계에서, 오목부(310) 내의 증착 재료(306) 및 처리 재료(314)의 높이 H4는 오목부(308) 내의 처리 재료(314)의 높이 H3보다 크다.
처리 단계(106) 동안, 반응 챔버 내의 활성 종을 사용하여 처리 재료를 형성한다. 처리 단계(106)는 오목부 내의 재료의 원하는 특성, 예컨대 밀도, 내식각성 등을 조정하는 데 사용될 수 있다.
처리 단계(106) 동안, 처리 가스를 사용하여 처리 활성 종을 형성한다. 처리 활성 종은 반응 챔버 내에 처리 가스를 제공하고 플라즈마를 형성함으로써 형성될 수 있다. 처리 가스는, 예를 들어 수소(H2)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 처리 가스의 유량은 약 50 내지 약 500 sccm일 수 있다. 다수의 증착 사이클 후에 수행되는 경우, 단계(108)의 지속 시간은 약 30 내지 약 600초 또는 약 60 내지 약 180초일 수 있다.
단계(106) 동안 플라즈마를 형성하는 데 사용되는 전력은, 2000 W 이하 또는 약 400 W 내지 약 600 W일 수 있고, 전력의 주파수는 약 400 kHz 내지 60 MHz의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 단계(106) 동안 플라즈마 전력은, 예를 들어 약 1,000 내지 약 10,000 Hz의 주파수에서 및/또는 약 50의 듀티 사이클로 펄스화될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단계(106) 동안 제공된 플라즈마 전력은, 제1 주파수 및 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 포함할 수 있다. 제1 주파수는 15.56 MHz 이상일 수 있고, 60 MHz 이하일 수 있고/있거나 제2 주파수는 100 kHz 이상이고 13.56 MHz 이하일 수 있다. (예를 들어, 각각의 증착 사이클에 대한) 단계(106) 동안 처리 플라즈마 전력의 지속 시간은 약 3 내지 약 60초 또는 약 10 내지 약 30초일 수 있다.
처리 단계 동안 반응 챔버 내의 온도(T3)는 T1 이상일 수 있다. T3은 또한 이하에서 설명되는 T2보다 작을 수 있다. 단계(106) 동안 반응 챔버 내 압력은 약 100 Pa 내지 약 1,000 Pa 범위일 수 있다.
단계(106)는, 단계(102 및/또는 104)와 동일한 반응 챔버에서 수행될 수 있다.
단계(108) 동안, 처리 재료(예, 처리 재료(314))를 포함한 기판은 제2 온도(T2)에서 가열되어 나머지 증착 재료(306)의 적어도 일부를 제거한다. 실시예에 따르면, T2는 T1보다 크다.
도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 단계(108) 동안, 임의의 나머지 증착 재료(예, 미처리 또는 처리중 재료)(306)가 제거될 수 있으며, 이는 오목부(310) 내의 재료 높이를 낮춰서, 가변하는 종횡비(308, 310)의 오목부 내의 재료 높이가 거의 동일하도록 한다. 즉, 가열된 재료(316)의 높이 H7 및 H8은 (예를 들어, 서로의 약 1% 또는 10% 이내로) 대략 동일하다.
단계(108)는 기판을, 예를 들어 T1보다 큰 약 150 내지 약 600℃인 온도 T2로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. T2는, 예를 들어 300℃ 이상, 약 300℃ 내지 약 600℃, 또는 약 300℃ 내지 약 500℃일 수 있다.
가열 단계(108)는, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소 및/또는 암모니아 중 하나 이상을 반응 챔버에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(108) 동안 반응 챔버 내 압력은 약 10 Pa 내지 3000 Pa, 또는 약 300 Pa 내지 약 2000 Pa, 또는 약 300 Pa 내지 약 1500 Pa일 수 있다. 단계(108)의 지속 시간은 약 30초 내지 약 600초, 또는 약 60초 내지 약 180초일 수 있다.
단계(108)는 단계(102-106) 동안 사용된 반응 챔버와 동일한 반응 챔버 또는 다른 반응 챔버, 예를 들어 클러스터 툴에서의 다른 반응 챔버에서 수행될 수 있다. 가열은 하나 이상의 기판 히터 및/또는 램프를 사용하여 수행될 수 있다.
나타낸 바와 같이, 방법(100)은 단계(104 및 106)를 포함하는 반복 루프(110) 및/또는 단계(104-106)와 선택적으로 루프(110)를 포함하는 반복 루프(112)를 포함할 수 있다. 단계(104-108)는 오목부를, 예컨대 오목부(308 및/또는 310)를 충진하기 위해 반복될 수 있다.
도 3 (d)는 방법(100)의 단계(104-108)를 여러 번 반복한 후의 구조체(318)를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 가열된 재료(316)의 높이 H9 및 H10은 다수의 증착 사이클 후에도 거의 동일하다.
방법(100)은 또한 퍼지 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 퍼지 단계는 주기적 증착 공정의 사이클 사이에서 및/또는 방법(100)의 단계 사이에서 수행될 수 있다. 일부 경우에, 반응물은 퍼지 단계 동안 사용될 수 있다.
이제 도 4로 돌아가면, 본 개시의 예시적인 구현예에 따른 반응기 시스템(400)을 나타낸다. 반응기 시스템(400)은, 본원에 설명된 하나 이상의 단계 또는 하위 단계를 수행하고/수행하거나 본원에 설명된 하나 이상의 구조체 또는 이의 부분을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 반응기 시스템(400)은 용량성 결합 플라즈마(CCP) 장치로서 나타나 있다. 본 개시의 대안적인 실시예에 따라, 하나 이상의 단계 동안 제공된 플라즈마 전력은, 표면파 플라즈마(SWP) 장치, 유도 결합 플라즈마(ICP) 장치, 또는 전자 시클로트론 공명(ECR) 장치를 사용하여 형성될 수 있다.
반응기 시스템(400)은, 반응 챔버(402)의 내부(401)(반응 구역)에서 통상적으로 서로 평행하게, 그리고 서로 마주하는 한 쌍의 전기 전도성(예, 평판) 전극(414, 418)을 포함한다. 하나의 반응 챔버(402)로 나타내었지만, 반응기 시스템(400)은 두 개 이상의 반응 챔버를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전원(들)(408)에서 하나의 전극(예, 전극(418))으로 RF를 인가하고 다른 전극(예, 전극(414))을 전기적으로 접지함으로써, 플라즈마는 내부(401)에서 여기될 수 있다. 온도 조절기(403)(예, 열 및/또는 냉각을 제공함)가 하부 스테이지(414)(하부 전극)에 제공될 수 있고, 그 위에 배치된 기판(422)의 온도는 원하는 온도, 예컨대 전술한 온도로 유지될 수 있다. 전극(418)은, 샤워 플레이트 또는 샤워헤드와 같은 가스 분배 장치로서 기능할 수 있다. 전구체 가스, 반응물 가스, 및 캐리어 또는 불활성 가스 등이 존재하는 경우, 이들은 하나 이상의 가스 라인(예, 반응물 공급원(407) 및 전구체(예, 전술한 전구체) 공급원(405) 각각에 결합된 반응물 가스 라인(404) 및 전구체 가스 라인(406))을 사용하여 반응 챔버(402) 내에 도입될 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스 및 반응물(예를 들어, 전술한 바와 같음)은 라인(404)을 사용해 반응 챔버(402) 내로 도입될 수 있고/있거나 전구체 및 캐리어 가스(예를 들어, 전술한 바와 같음)가 라인(406)을 사용해 반응 챔버 내로 도입될 수 있다. 두 개의 유입구 가스 라인(404, 406)으로 나타냈지만, 반응기 시스템(400)은 임의 적절한 개수의 가스 라인을 포함할 수 있다.
반응 챔버(402)에 배기 라인(421)을 갖는 원형 덕트(420)가 제공될 수 있고, 이를 통해 반응 챔버(402)의 내부(401)에 있는 가스가 배기 공급원(410)으로 배기될 수 있다. 추가적으로, 이송 챔버(423)는, 이송 챔버(423)의 내부(이송 구역)를 통해 반응 챔버(402)의 내부(401)로 밀봉 가스를 유입하기 위한 밀봉 가스 라인(429)을 구비할 수 있고, 반응 구역과 이송 챔버(423)를 분리하기 위한 분리 판(426)이 제공될 수 있다(기판이 이송 챔버(423)로 또는 이송 챔버로부터 이송되는 게이트 밸브는 본 도면에서 생략됨). 이송 챔버(423)는 또한 배기 공급원(410)에 결합된 배기 라인(427)을 구비할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응 챔버(402)로의 캐리어 가스의 연속적인 흐름은 유동 통과 시스템(FPS)을 사용하여 수행될 수 있다.
반응기 시스템(400)은, 본원에 설명된 하나 이상의 방법 단계를 수행하도록 달리 구성되거나 프로그래밍된 하나 이상의 제어기(들)(412)를 포함할 수 있다. 제어기(들)(412)는, 당업자가 이해하는 바와 같이, 다양한 전력원, 가열 시스템, 펌프, 로보틱스, 및 반응기의 가스 유량 제어기 또는 밸브들과 결합한다. 예로서, 제어기(412)는 하나 이상의 반응 챔버 중 적어도 하나 내로의 전구체, 반응물 및/또는 불활성 가스의 가스 흐름을 제어하여 본원에 기술된 바와 같은 증착, 처리 또는 가열 재료를 형성하도록 구성될 수 있다. 제어기(412)는, 예를 들어 반응 챔버(402) 내에 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 제어기(412)는 본원에서 설명된 바와 같은 추가 단계를 수행하도록 유사하게 구성될 수 있다.
제어기(412)는 밸브, 매니폴드, 히터, 펌프 및 시스템(400)에 포함된 다른 구성 요소를 선택적으로 작동시키기 위한 전자 회로 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 회로 및 구성 요소는, 전구체, 반응물, 퍼지 가스를 각각의 공급원으로부터 도입하기 위해 작동한다. 제어기(412)는 가스 펄스 순서의 시점, 기판 및/또는 반응 챔버의 온도, 반응 챔버의 압력, 플라즈마 전력, 및 시스템(400)의 적절한 작동을 제공하는 데 다양한 기타 작동, 예컨대 방법(100)의 수행에 있어서 이들을 제어할 수 있다.
제어기(412)는, 반응 챔버(402) 내로 그리고 반응 챔버로부터의 전구체, 반응물 및/또는 퍼지 가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 전기식 혹은 공압식으로 제어하는 제어 소프트웨어를 포함할 수 있다. 제어기(412)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 귀가스는 공유된 라인을 통해 공급될 수 있는 반면에 전구체 가스는 공유되지 않는 라인을 통해 공급된다.
시스템(400)의 작동 동안, 반도체 웨이퍼와 같은 기판은, 예를 들어 기판 핸들링 영역(423)에서 내부(401)로 이송된다. 일단 기판(들)이 내부(401)로 이송되면, 전구체, 반응물, 캐리어 가스 및/또는 퍼지 가스와 같은 하나 이상의 가스가 반응 챔버(402) 내로 유입된다.
위에 설명된 본 개시의 예시적 구현예는 본 발명의 범주를 제한하지 않는데, 그 이유는 이들 구현예는 본 발명의 구현예의 예시일 뿐이기 때문이다. 임의의 균등한 구현예는 본 발명의 범주 내에 있도록 의도된다. 확실하게, 본원에 나타내고 설명된 구현예 외에도, 설명된 요소의 대안적인 유용한 조합과 같은 본 개시의 다양한 변경은 설명으로부터 당업자에게 분명할 수 있다. 이러한 변경예 및 구현예도 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 기판 표면 상의 오목부 내에 재료를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    기판을 반응 챔버 내에 제공하는 단계;
    상기 반응 챔버 내에 제1 온도(T1)로 유동성 재료를 형성하되, 상기 유동성 재료는 상기 오목부 내에 증착 재료를 형성하는 단계;
    상기 반응 챔버 내의 활성 종을 사용하여 상기 증착 재료를 처리하여 처리 재료를 형성하는 단계; 및
    상기 처리 재료를 포함한 기판을 제2 온도(T2)에서 가열하여 상기 증착 재료의 일부를 제거하는 단계를 포함하되,
    T2는 T1보다 큰, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오목부 바닥에서의 상기 증착 재료의 두께는 약 5 nm 내지 약 30 nm인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, T2는 T1보다 큰 약 150 내지 약 600℃인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, T1은 150℃ 이하 또는 약 30℃ 내지 약 100℃ 또는 약 50℃ 내지 약 90℃인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, T2는 300℃ 이하 또는 약 300℃ 내지 약 600℃ 또는 약 300℃ 내지 약 500℃인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 단계 동안의 온도(T3)는 T1 이상인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, T3는 T2 미만인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동성 재료를 형성하는 단계는 주기적 증착 공정을 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 주기적 증착 공정은,
    전구체 펄스 동안 전구체를 상기 반응 챔버에 제공하는 단계;
    반응물을 상기 반응 챔버에 제공하는 단계; 및
    증착 플라즈마 전력 펄스 기간 동안 플라즈마 전력을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전구체는 실리콘과 질소를 포함하는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 전구체는 실라잔, 실릴아민, 또는 실리콘 알킬아민 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물은 아르곤, 질소 또는 수소 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계 동안, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소 및/또는 암모니아 중 하나 이상이 상기 반응 챔버에 제공되는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계 동안 상기 반응 챔버 내 압력은, 약 10 Pa 내지 약 3000 Pa 또는 약 300 Pa 내지 약 2000 Pa 또는 약 300 Pa 내지 약 1500 Pa인, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 단계는, 수소를 포함한 처리 가스를 상기 반응 챔버에 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동성 재료를 형성하는 단계, 상기 증착 재료를 처리하는 단계, 및 상기 기판을 가열하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 반응기 챔버 내에서 수행되는, 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 단계는 기판 히터 및/또는 램프를 사용하여 수행되는, 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계 이전에 상기 유동성 재료를 형성하는 단계 및 상기 증착 재료를 처리하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법에 따라 형성된 구조체.
  21. 시스템으로서,
    반응 챔버를 포함하는 반응기; 및
    제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 제어기를 포함하는, 시스템.
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