TWI447784B - 使用原子層沈積方法形成材料層之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一材料層之形成，且更明確地說，係關於一種使用一原子層沈積方法形成一材料層的方法。
製造積體電路設備涉及執行許多步驟及方法直至完成積體電路設備。舉例而言，此等方法通常包括多種沈積方法、蝕刻方法、光微影方法，及離子植入方法。由於積體電路設備之尺寸持續收縮，因此此等操作之效能在給定所涉及之非常小的特徵尺寸及完整設備所需的效能特徵的情況下變得更為複雜。
可使用各種不同沈積方法來沈積材料層。一種此沈積方法稱為原子層沈積(ALD)。可藉由產生電漿來增強ALD方法。通常，在需要形成非常薄、高品質之材料層的情況下使用ALD方法。基本上，ALD方法為一原子層一次沈積多個層或薄膜的技術。在一ALD方法中，用泵在淨化循環之間一次引入一種反應物。ALD反應涉及自飽和表面反應。歸因於ALD方法之性質，其固有地比其他已知沈積技術更慢，諸如，化學氣相沈積(CVD)、低壓化學氣相沈積(LPCVD)等。然而，與上文所提及之其他說明性沈積方法相比，ALD方法傾向於產生具有較高品質特徵之材料層。
由ALD方法所形成之材料層之各種特性在製造現代積體電路設備中係重要的。此外，對此等層之厚度之精確控制亦為由ALD方法形成材料層的重要方面。遺憾的是，現有ALD處理技術不能充分處理一些或所有此等問題。
本發明係針對可解決或至少減少一些或所有上述問題之方法。
為了提供對本發明之某些態樣的基本瞭解，下文提供對本發明之簡化概要。此概要非本發明之詳盡概述。其並非意欲識別本發明之關鍵或決定性元件或描繪本發明之範疇。其唯一目的係以簡化形式提供某些概念作為隨後論述之更詳細描述之前奏。
本發明大體係針對一種使用一原子層沈積(ALD)方法在一處理工具之一處理腔室中形成一材料層之方法。在一說明性實施例中，該方法包含識別該材料層之一目標特徵、確定一用於在ALD方法期間將一前驅氣體引入至處理腔室中之前驅脈衝時間以產生該材料層之該目標特徵，及執行包含複數個步驟之ALD方法，其中前驅氣體被引入至腔室中歷時所確定之前驅脈衝時間以藉此形成該材料層。
在另一說明性實施例中，該方法包含識別材料層之一目標特徵、確定一用於在ALD方法期間將一前驅氣體引入至處理腔室中之前驅脈衝時間以產生該材料層之該目標特徵，及執行包含複數個脈動型樣之ALD方法以形成該材料層，該等脈動型樣中之每一者包含在一第一時段期間抽空腔室、在對應於所確定之前驅脈衝時間之一第二時段期間將前驅氣體引入至腔室中及在一第三時段期間抽空腔室。
在又一說明性實施例中，該方法包含將一基板定位於處理腔室內、在腔室中建立一配位子移除環境及執行包含複數個第一脈動型樣及複數個第二脈動型樣之ALD方法以在該基板上方形成一材料層，該等第一及第二脈動型樣中之每一者包含在一第一時段期間抽空腔室、在一第二時段期間將一前驅氣體引入至腔室中及在一第三時段期間抽空腔室，其中複數個第一脈動型樣期間之第二時段不同於複數個第二脈動型樣期間之第二時段。
在又一說明性實施例中，該方法包含識別材料層之特徵之一目標變式、確定用於在ALD方法期間將一前驅氣體引入至處理腔室中之一第一前驅脈衝時間及一第二前驅脈衝時間以產生材料層之特徵的該目標變式，該第一前驅脈衝時間與該第二前驅脈衝時間彼此不同，及執行一包含複數個第一脈動型樣及複數個第二脈動型樣之ALD方法以形成該材料層，其中該等第一及第二脈動型樣中之每一者包含分別根據所確定之第一及第二前驅脈衝時間將前驅氣體引入至腔室中以藉此形成該材料層。
下文中描述本發明之說明性實施例。為了清楚起見，在本說明書中並未描述實際實施之所有特徵。當然應瞭解，在任何此實際實施例之開發中，必須作出眾多實施特定決策以達成開發者之特定目標，諸如對系統相關及商業相關限制之合規性(在不同實施間將有所不同)。此外，將瞭解，此開發努力可能複雜且耗時，但對於得益於此揭示案之熟習此項技術者而言，此將不過是常規工作。
現將參看附圖描述本發明。在圖式中描繪一積體電路設備之各區域及結構。為達成清楚及解釋之目的，與現實積體電路設備上之彼等特徵或結構之尺寸相比，可誇示或縮小圖式中所描繪之各種特徵之相對尺寸。然而，包括附圖以描述並解釋本發明之說明性實例。應將本文所使用之詞語或短語理解及解釋為具有與熟習相關技術者對彼等詞語及短語之理解一致的意義。本文之術語或短語之一貫用法並不意欲意味著術語或短語之特殊定義(亦即，不同於熟習此項技術者所理解之普通及習慣意義的定義)。就術語或短語意欲具有特殊意義(亦即，除熟習此項技術者所瞭解之意義之外的意義)之程度而言，將以直接且明確提供術語或短語之特殊定義之定義方式在本說明書中清楚提出此特殊定義。
本發明係針對一種藉由執行一ALD方法來形成材料層之新穎方法，其中可控制所得材料層之某些特性。咸信本發明可用於使用本文所描述之ALD方法形成各種不同材料。此外，咸信可使用各種不同ALD處理工具來執行本文所描述之方法。在一說明性實施例中，如將在下文更完整描述，藉由使用本文所描述之方法在一ASM Polygon EmerALD腔室工具中執行電漿ALD方法來形成一釕層。
通常，本發明涉及執行一包含前驅氣體之獨特脈動序列(且在一些情況下，包含射頻(RF)功率)之ALD方法以形成一材料層。圖1為一說明性ALD處理工具30之示意性描繪。該說明性工具30包含一處理腔室31、一台32、一簇射頭25、一氣體入口28(其可由一閥門29控制)、一前驅氣體入口34(其可由一閥門35控制)及一出口36(其可由一閥門37控制)。在一些情況下，工具30可包含射頻線圈(未圖示)，但並非所有ALD工具30均需要此等線圈。將一說明性基板38描繪為定位於台32上。熟習此項技術者熟知此ALD處理工具30之基本結構及操作。如熟習此項技術者在完全閱讀本申請案之後將認識到的，可藉由各種不同ALD處理工具來使用本發明。因此，不應認為本發明限於使用類似於圖1中所示意性描繪之ALD工具的ALD工具。
操作期間，執行一ALD方法以在基板38上形成一材料層40。可藉由一電漿增強ALD方法或一熱ALD方法來使用本發明。可經由入口36將前驅氣體引入至腔室31中。可使用一載氣以將前驅氣體載運至腔室31。在一說明性實施例中，載氣為惰性氣體(例如，氬氣、氦氣等)。在一特定應用中，載氣可穿過具有液體前驅物之容器而起泡，藉以載氣拾取並保持被引入至腔室31中之前驅物的部分。
可經由入口28將各種氣體引入至腔室31中以建立適當環境。通常，腔室31內之環境應使其促進或致能ALD方法期間之配位子移除。所使用之特定氣體將視特定應用而不同。舉例而言，可使用諸如氨氣(NH3
)、氫氣(H2
)、氮氣(N2
)及氧氣(O2
)之氣體或其組合。此外，在一些實施例中，可將射頻功率供應至簇射頭25以在腔室31內產生電漿。可在ALD方法期間在簇射頭25上建立電壓。視特定應用及特定處理工具而定，可或可不偏置台32。
可使用本發明來形成各種不同材料層。舉例而言，咸信本發明可用於形成諸如釕、鉭、二氧化矽、氮化鉭、氧化釕、鉑等之材料。因此，不應認為採取最廣泛形式之本發明限於任何特定類型之材料。當然，視將形成之特定材料而定，特定處理氣體及操作參數將不同。
如圖2所示，本文所揭示之方法涉及執行可能重複成百上千次之唯一的一連串脈衝型樣10以形成所要材料層40。時段12(t0
→ti
)組成一腔室初始化時段且可或可不在執行本文所揭示之方法之前執行。每一脈衝型樣10自時段t1
延期直至時段t5
。亦描繪每一脈衝型樣10內出現之複數個時間(t2
、t3
及t4
)。在一說明性實施例中，可施加射頻功率以在腔室31內產生電漿39。在圖2中，由線14指示施加於簇射頭25之射頻功率。由線16指示前驅氣體之引入。前驅氣體之引入之持續時間將在本文中稱為前驅脈衝時間("PPT")。
圖3為一例示性單一脈衝型樣10之放大圖。在此特定實施例中，每一脈衝型樣10包含一第一時段20(t1
→t2
)、一第二時段22(t2
→t3
)、一第三時段24(t3
→t4
)及一第四時段26(t4
→t5
)。在一說明性實施例中，藉由經由管線28引入所要氣體來在腔室31內建立適當環境。其後，在該第一時段20期間，經由管線36抽空腔室31。在該第二時段22期間，經由管線34將前驅氣體引入至腔室31中。可藉由打開及關閉閥門35歷時短暫時段來將前驅氣體引入至腔室31中。在該第三時段24期間，再次經由管線36抽空腔室31。在第二抽空過程中，移除前驅氣體之未吸附於基板38之表面上之部分。其後，在第四時段26期間，將功率施加至簇射頭25以藉此在腔室31內產生電漿39。在存在射頻線圈之一些工具(例如，感應耦合電漿工具)中，可由此等線圈供應射頻功率。
腔室31內之電漿環境之化學組成經選擇使得其促進或致能配位子之移除。更特定言之，該環境應與吸附之前驅氣體起反應且留下彼等吸附之氣體的一部分以藉此形成材料層40。亦選擇電漿環境以便確保所沈積材料之表面準備好接納將形成的額外材料。當然，在一些應用中，例如在熱ALD方法中，脈衝型樣10中可不存在第四時段26。在熱ALD方法中，不產生電漿39。因此，不需要將射頻功率施加至簇射頭25。
視特定應用而定，第一、第二、第三及第四時段之持續時間可不同。通常，視特定應用而定，咸信第一、第二及第三時段種之每一者可在1至4秒之範圍內且第四時段可在3至12秒之範圍內。當然，如熟習此項技術者所熟知，視上面沈積有層之結構之性質(及其他因素)而定，此等表示編號可顯著不同，例如，在所有其他條件均相等之情況下，與較深溝槽相比，較淺溝槽需要較短脈衝時間來達成全程覆蓋(full step coverage)。可獨立調整上文所識別之各種時段中之每一者。注意，在圖2中所描繪之說明性實施例中，在第一、第二及第三時段期間雷射功率係關閉的。然而，該情況可不為本發明之所有實施例中之情況。
圖4描繪用於本發明之特定應用(沈積一釕層)之脈衝型樣10之序列。在此說明性實例中，釕前驅氣體為雙(乙基環戊二烯)釕，在腔室31內建立一氨氣(NH3
)環境且在處理期間產生電漿39。在此特定實例中，第一時段20、第二時段22及第三時段24之持續時間各為約兩秒。第四時段26為約四秒。在此特定實施例中，將約400瓦之AC功率施加至簇射頭25且不偏置台32。
圖5為描繪使用本發明之技術在一具有約40之厚度之鈦層上所形成之釕層的各種參數的圖。各種參數繪製在圖5中所展示之圖上－－電阻率40(微歐姆/公分)、複合薄膜厚度42()、釕層之厚度44()、及氮化鈦(TiN)下伏層之厚度46()。水平軸反映增加的前驅脈衝時間(單位為秒)。自圖5顯而易見，隨前驅脈衝時間增加，複合層堆疊(鈦加釕)之電阻率增加，而釕薄膜之厚度(44)展示厚度之輕微減小。舉例而言，在約1秒之前驅脈衝時間處，形成具有約115之厚度的釕層(44)。在約四秒之前驅脈衝時間處，釕層之厚度為約100。然而，此等兩個釕層之電阻率變化非常顯著，且對於約1秒及4秒之前驅脈衝時間，分別出乎意料地自約70變化至185。
亦可使用本發明來控制使用本文所描述之ALD方法所形成之材料層的結晶度。圖6為藉由對形成於一40之下伏氮化鈦層上方的釕層之x射線繞射分析所獲得的資料之三維曲線。曲線101A、101B、101C、101D、101E、及101F分別表示使用4、2、1、0.5、0.34及0.17秒之前驅脈衝時間("PPT")所形成之層。水平軸為在x射線繞射處理期間所使用之掃描角度。垂直軸為反映釕層之結晶度的強度。通常，前驅脈衝時間愈短，層之結晶度愈大。
可使用本發明來形成貫穿材料層40之厚度具有大體均一特性的材料層40。本發明亦可用於產生貫穿材料層40之厚度具有不同特徵的材料層40。可藉由在形成層時改變前驅脈衝時間(PPT)來達成此等變化的特徵。圖7描繪根據本發明之此態樣所形成之材料層40之說明性實施例，其中材料層之特徵貫穿材料層40之厚度44而變化。為達成解釋之目的，大大誇示材料層40之厚度44。在圖7中，將材料層40描繪為形成於一說明性基板或結構38上方。在一些情況下，結構38可為形成於一半導體基板之一表面上方的另一處理層。
如圖7中所指示，層40包含分別使用2、3及4秒之前驅脈衝時間(PPT)所形成之一第一部分42A、一第二部分42B及一第三部分42C。如圖7中所指示，歸因於增加之前驅脈衝時間，與其他兩個部分42B、42A相比，第三部分42C具有一較高電阻率。相反，第一部分42A具有低於第二部分42B或第三部分42C的電阻率。在需要高電阻率(及低結晶度)或可在層40之上表面43處容許比在層40與結構38之表面45之間的界面處之高電阻率(及低結晶度)之情況下，可能需要此層40。
圖8描繪可用以形成圖7中所描繪之多層結構之說明性脈動序列。圖8展示三個說明性脈衝型樣10A、10B及10C，其中前驅脈衝時間分別為2、3及4秒。當然，在一ALD方法期間將存在經執行以形成圖7中所展示之層40的成百上千個該等脈衝中之每一者。亦應理解，應用本申請案之教示，可以實際上任何方式排列脈動序列來試圖提供具有所要特徵或品質的層40。
熟習此項技術者將在完全閱讀本申請案之後認識到，本文所揭示之方法使得由一ALD方法所形成之材料層能夠具有可經設計以滿足特定應用之某些所要特徵。
根據本發明之此態樣，可在最初確定材料層40之一所要或目標特徵(例如，電阻率、結晶度)。其後，可確定將產生此所要特徵之前驅脈衝時間。舉例而言，若需要一具有相對高的電阻率之材料層40，則確定或識別將產生一具有此位準之電阻率之材料層40的前驅脈衝時間。其後，使用所確定之前驅脈衝時間執行ALD方法以藉此形成具有所要特徵之層40。可應用此態樣來產生一貫穿其厚度具有大體均一特徵的材料層40或特徵在其厚度範圍內變化之材料層40(諸如，圖7中所描繪之實例)。
所揭示之新穎方法在其係關於先前所論述之釕層的形成時產生非常出乎意料之結果。熟習此項技術者將理解，傳統ALD方法通常達到一飽和點。亦即，在一傳統ALD方法中，隨前驅脈衝時間增加，方法之沈積速率傾向於變平，亦即，其為一自我限制方法。此外，傳統ALD方法並不涉及改變前驅脈衝時間來達成所要薄膜特徵，諸如電阻率、結晶度等。依照本文所揭示之新穎方法，可控制前驅脈衝時間以控制所得材料層之特徵。此外，在本發明中，釕層之厚度隨前驅脈衝時間增加而出乎醫療地減小。
上文中揭示之特定實施例僅為說明性的，因為得益於本文教示之熟習此項技術者顯而易見，可以不同但等效的方式修改及實踐本發明。舉例而言，在上文中提出的方法步驟可以不同次序執行。此外，除以下申請專利範圍中所描述之外，並不意欲限制本文中展示之構造或設計之細節。因此，顯然可改變或修改以上揭示之特定實施例且認為所有此等變化在本發明之範疇及精神內。因此，本文尋求之保護在以下申請專利範圍中提出。
10．．．脈衝型樣
10A．．．脈衝型樣
10B．．．脈衝型樣
10C．．．脈衝型樣
12．．．時段
14．．．線
16．．．線
20．．．第一時段
22．．．第二時段
24．．．第三時段
25．．．簇射頭
26．．．第四時段
28．．．氣體入口
29．．．閥門
30．．．ALD處理工具
31．．．處理腔室
32．．．台
34．．．前驅氣體入口
35．．．閥門
36．．．出口
37．．．閥門
38．．．基板
39．．．電漿
40．．．材料層/電阻率
42．．．複合薄膜厚度
42A．．．第一部分
42B．．．第二部分
42C．．．第三部分
43．．．上表面
44．．．厚度
45．．．表面
46．．．氮化鈦下伏層之厚度
101A．．．曲線
101B．．．曲線
101C．．．曲線
101D．．．曲線
101E．．．曲線
101F．．．曲線
圖1為一說明性原子層沈積(ALD)工具之簡化示意圖；圖2為描繪在一ALD方法中可用以形成一材料層之根據本發明之一態樣的說明性脈動序列的圖；圖3為說明圖2中所描繪之一單一脈衝型樣之放大圖的圖；圖4為描繪在一ALD方法中可用以形成一釕層之根據本發明之一說明性實施例的說明性脈動序列的圖；圖5為描繪根據本文所揭示之本發明之方法所形成之釕薄膜之各種說明性特性的圖；圖6為描繪表示使用各種前驅脈衝時間所形成之材料層之結晶度的x射線繞射分析的圖；圖7為根據本發明之一態樣所形成之材料層之橫截面圖，其中該層具有貫穿其厚度之可變特徵；及圖8為描繪在一ALD方法中可用以形成圖7中所描繪之層之根據本發明之一態樣的說明性脈動序列的圖。
雖然本發明容許各種修改及替代形式，但本發明之特定實施例已在圖式中以實例方式展示且在本文中加以詳細描述。然而，應瞭解，本文中對特定實施例之描述並非意欲將本發明限於所揭示的特定形式，而相反，本發明將涵蓋屬於由所附申請專利範圍界定之本發明之精神及範疇內的所有修改、均等物及替代。
10．．．脈衝型樣
12．．．時段
14．．．線
16．．．線
Claims (6)
- 一種藉由執行一原子層沈積(ALD)方法來在一處理工具之一處理腔室中形成一具有特徵在其厚度內變化之材料層的方法，該方法包含：識別該材料層之該特徵之目標變化，該目標特徵係選自由結晶度及電阻率所組成之群；確定一用於在該ALD方法期間將一前驅氣體引入至該處理腔室中以於該材料層中產生該特徵之該目標變化之第一前驅脈衝時間及第二前驅脈衝時間，該第一及第二前驅脈衝時間互相不同；及執行該ALD方法，其包含執行複數個第一脈動型樣及複數個第二脈動型樣以形成該材料層，其中執行該第一及第二脈動型樣之每一者包含根據該第一及第二確定之前驅脈衝時間分別將該前驅氣體引入至該腔室中以藉此形成該材料層。
- 如請求項1之方法，其中該目標特徵為該材料層之電阻率。
- 如請求項1之方法，其中該目標特徵為該材料層之結晶度。
- 如請求項1之方法，其進一步包含在該腔室內建立一配位子移除環境。
- 如請求項4之方法，其中在該腔室中建立一配位子移除環境包含將氨氣、氫氣、氮氣及氧氣中之至少一者引入至該處理腔室中以建立該配位子移除環境。
- 如請求項1之方法，其進一步包含藉由施加射頻功率至該腔室內以在該腔室內產生一電漿。
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