JP7176106B2 - 誘電体材料の堆積方法 - Google Patents

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Description

［０００１］ 本発明の実施形態は概して、堆積中にＲＦバイアスパルス制御を使用して誘電体材料を堆積する方法に関し、より具体的には、半導体用途において堆積中にＲＦバイアスパルスと共に遠隔プラズマ制御を使用して誘電体材料を堆積する方法に関する。
関連技術の説明
［０００２］ サブハーフミクロン以下で信頼度の高い特徴を製造することは、半導体デバイスの次世代型の超大規模集積（ＶＬＳＩ）および極超大規模集積（ＵＬＳＩ）に関する主要な技術的課題の１つである。しかしながら、回路技術の限界が更新されるにつれて、寸法が縮小しつつあるＶＬＳＩおよびＵＬＳＩのインターコネクト技術により、処理能力に対してさらなる要求が突きつけられてきた。基板上に信頼度の高いゲート構造を形成することは、ＶＬＳＩおよびＵＬＳＩの成功にとって、また、個々の基板やダイの回路密度や品質を高めるための継続的な取り組みにとっても重要なことである。
［０００３］ フォトレジスト層のようなパターニングされたマスクは、一般的に、エッチング処理によって基板上に、ゲート構造、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）、ビットラインなどの構造を形成する際に使用される。パターニングされたマスクは、所望の臨界寸法を有するパターンをフォトレジストの層に光学的に転写するために、リソグラフィ処理を使用することによって、従来通りに製造される。次いで、フォトレジスト層を現像して、フォトレジストの不要部分を除去し、これによって残りのフォトレジストに開口部を作る。
［０００４］ 次世代のデバイスおよび構造物の製造を可能にするためには、トランジスタの性能を向上させるよう、半導体チップの３次元（３Ｄ）積層が利用されることが多い。トランジスタを従来の２次元の代わりに３次元に配置することによって、複数のトランジスタを互いにかなり接近させて集積回路（ＩＣ）内に配置することができる。半導体チップの３次元（３Ｄ）積層により、配線長が短縮され、配線遅延が低く保たれる。トレンチの幅が縮小し続けると、半導体チップの積層のために、アスペクト比（深さを幅で割ったもの）は増大し続ける。高アスペクト比のトレンチの製造に関する１つの課題は、トレンチ内での誘電体材料の堆積中にボイドの形成を回避することである。
［０００５］ トレンチを充填するために、酸化シリコンなどの誘電体材料の層が堆積される。誘電体層は、典型的に、トレンチの壁および底部に加えてフィールドを覆う。トレンチが広くて浅い場合、トレンチを完全に埋めることは比較的容易である。しかし、トレンチのアスペクト比が増大するにつれて、トレンチの開口部が「ピンチオフ」し、トレンチ内にボイド（例えば欠陥）を形成する可能性が高くなる。
［０００６］ トレンチ内にボイドを形成したり、トレンチ内に継ぎ目を形成したりする可能性を減少させるために、欠陥を最小限に抑えてトレンチを誘電体材料で充填する、多くの異なる処理技術が開発されてきた。堆積処理中の処理制御が不十分であると、不規則な構造プロファイルまたはトレンチの早期閉鎖が生じ、トレンチに誘電体材料を充填する間にトレンチにボイドまたはギャップが生じる。
［０００７］ したがって、欠陥を最小限に抑えて所望のプロファイルで、トレンチ内に誘電体材料を形成するための堆積処理の改善が必要とされている。
［０００８］ 本発明の実施形態は、半導体デバイスを製造するための遠隔プラズマ源堆積と共にＲＦバイアスパルスを使用して、特に半導体用途において高いアスペクト比を有する開口部を充填するために、誘電体材料を堆積するための装置および方法を提供する。一実施形態では、誘電体材料を堆積させる方法は、内部に配置された基板を有する処理チャンバ内に混合ガスを提供することと、遠隔プラズマ源内に遠隔プラズマを形成し、その遠隔プラズマを処理チャンバ内に画定された内部処理領域に送達することと、パルスモードで処理チャンバにＲＦバイアス電力を印加することと、混合ガスおよび遠隔プラズマの存在下で基板上に配置された材料層内に画定された開口部内に誘電体材料を形成することとを含む。
［０００９］ 別の実施形態では、誘電性材料を形成するための方法は、遠隔プラズマ源から遠隔プラズマを形成し、その遠隔プラズマを処理チャンバの内部処理領域に送達することと、処理チャンバ内に配置された基板支持部材にＲＦバイアス電力を印加することと、基板温度を－２０℃から約２００℃の間に維持することと、基板上に配置された材料層内に画定された開口部内に誘電性材料を形成することとを含む。
［００１０］ さらに別の実施形態では、誘電体材料を形成するための方法は、遠隔プラズマから形成された誘電体材料、および、基板が配置されている処理チャンバの内部処理領域に供給されるパルスモードでのＲＦバイアス電力によって、基板上のアスペクト比が５より大きい開口部を充填することを含む。
［００１１］ 本発明の上述の特徴を詳細に理解しうるように、上記で簡単に要約されている本発明のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、一部の実施形態は添付の図面に示されている。しかしながら、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうることから、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、従って、本発明の範囲を限定するとみなすべきではないことに留意されたい。
本開示のいくつかの実施形態による、堆積処理の実施に利用される装置を示す。 図１の装置を含む処理ツールの一実施形態の平面図を示す。 本開示の一実施形態を包含する、誘電体材料を形成するための方法の処理フロー図である。 本開示のいくつかの実施形態による、誘電体材料を堆積するためのシーケンスの一実施形態を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、誘電体材料を堆積するためのシーケンスの一実施形態を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図３の堆積処理中に利用される遠隔プラズマ源電力およびＲＦバイアス電力制御の異なる実施形態を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図３の堆積処理中に利用される遠隔プラズマ源電力およびＲＦバイアス電力制御の異なる実施形態を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図３の堆積処理中に利用される遠隔プラズマ源電力およびＲＦバイアス電力制御の異なる実施形態を示す。
［００１８］ 理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに、同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および特徴は、追加の記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。
［００１９］ しかしながら、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうることから、添付の図面はこの発明の例示的な実施形態のみを例示しており、したがって本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに、留意されたい。
［００２０］ 本発明は、半導体デバイス、特に半導体チップの３次元（３Ｄ）積層のために、高アスペクト比を有するトレンチ内に誘電体材料を堆積する方法を提供する。一実施形態では、堆積処理は、基板が配置される基板支持アセンブリに供給されるパルスモードのＲＦバイアス電力と共に、遠隔プラズマを使用してもよい。堆積処理は、チャンバ内でのＲＦ源電力の生成なしで実行される。遠隔的に生成された遠隔プラズマおよびパルス化されたＲＦバイアス電力は、基板からトレンチ内に誘電体材料を充填するための良好なギャップ充填能力を提供するために、必要に応じて、同時に、交互に、または連続的に、処理チャンバの内部処理領域に供給されてもよい。
［００２１］ 図１は、半導体用途のために、特に良好なガス充填能力を有する誘電体材料を堆積することができる堆積処理を実行するための処理チャンバ１００の断面図である。本明細書に開示される教示と共に使用するように適合され得る好適な処理チャンバは、例えば、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から入手可能なＨＤＰ－ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）またはＣ３（登録商標）処理チャンバを含む。処理チャンバ１００は、優れたマスクトリミングおよび構造再成形プロセスを可能にする複数の特徴を含むように示されているが、他の処理チャンバが、本明細書に開示される本発明の特徴のうちの１つまたは複数から利益を得るように適合され得ることが企図される。
［００２２］ 処理チャンバ１００は、処理チャンバ本体１０２と、処理チャンバ本体１０２に連結された遠隔プラズマ源１０４とを含む。遠隔プラズマ源１０４は、ラジカルを生成することができる任意の好適なソースであってもよい。遠隔プラズマ源１０４は、高周波（ＲＦ）または超高周波（ＶＨＲＦ）容量結合プラズマ（ＣＣＰ）源、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源、マイクロ波誘起（ＭＷ）プラズマ源、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）チャンバ、または高密度プラズマ（ＨＤＰ）チャンバなどの遠隔プラズマ源であってもよい。遠隔プラズマ源１０４は、１つまたは複数のガス源１０６を含むことができ、遠隔プラズマ源１０４は、ラジカル導管１０８によって処理チャンバ１００に連結され得る。ラジカル形成ガスであってもよい１つまたは複数の処理ガスは、１つまたは複数のガス源１０６を介して遠隔プラズマ源１０４に入ってもよい。１つまたは複数の処理ガスは、塩素含有ガス、フッ素含有ガス、不活性ガス、酸素含有ガス、窒素含有ガス、水素含有ガス、またはこれらの任意の組合せを含み得る。遠隔プラズマ源１０４内で生成されたラジカルは、処理チャンバ１００に連結されたラジカル導管１０８を通って処理チャンバ１００内に移動し、処理チャンバ１００内に画定された内部処理領域１５１に到達する。
［００２３］ ラジカル導管１０８は、ラジカルキャビティ１１０と、トッププレート１１４と、リッドリム１１６と、シャワーヘッド１１８とを含むリッドアセンブリ１１２の一部である。ラジカル導管１０８は、ラジカルに対して実質的に非反応性の材料を含み得る。例えば、ラジカル導管１０８は、ＡｌＮ、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、陽極酸化されたＡｌ２Ｏ３、サファイア、および、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、ＡｌＮ、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、またはプラスチックのうちの１つまたは複数を含むセラミック、を含み得る。好適なＳｉＯ２材料の代表例は、石英である。ラジカル導管１０８は、ラジカル導管支持部材１２０内に配置され、それによって支持されてもよい。ラジカル導管支持部材１２０は、リッドリム１１６上に静置されたトッププレート１１４上に配置することができる。
［００２４］ ラジカルキャビティ１１０は、ラジカル導管１０８の下方に配置され、これに連結され、遠隔プラズマ源１０４において生成されたラジカルは、ラジカル導管１０８を通ってラジカルキャビティ１１０に移動する。ラジカルキャビティ１１０は、トッププレート１１４、リッドリム１１６およびシャワーヘッド１１８によって画定される。任意選択で、ラジカルキャビティ１１０は、ライナ１２２を含んでもよい。ライナ１２２は、ラジカルキャビティ１１０に露出されたトッププレート１１４およびリッドリム１１６の表面を覆うことができる。遠隔プラズマ源１０４からのラジカルは、シャワーヘッド１１８内に配置された複数のチューブ１２４を通って内部処理領域１５１に入る。シャワーヘッド１１８は、複数のチューブ１２４よりも直径が小さい複数の開口部１２６をさらに含む。複数の開口部１２６は、複数のチューブ１２４と流体連通していない内部空間（図示せず）に接続される。処理チャンバ１００の内部処理領域１５１に流体混合物を導入するために、１つまたは複数の流体源１１９をシャワーヘッド１１８に連結することができる。流体混合物は、前駆体、ポロゲン、および／またはキャリア流体を含み得る。流体混合物は、気体と液体の混合物であってもよい。
［００２５］ 処理チャンバ１００は、リッドアセンブリ１１２と、チャンバ本体１３０と、基板支持アセンブリ１３２とを含み得る。基板支持アセンブリ１３２は、チャンバ本体１３０内に少なくとも部分的に配置され得る。チャンバ本体１３０は、処理チャンバ１００の内部へのアクセスを提供するため、スリットバルブ１３５を含み得る。チャンバ本体１３０は、チャンバ本体１３０の内面を覆うライナ１３４を含み得る。ライナ１３４は、１つまたは複数の開孔１３６、および真空システム１４０と流体連通する、開孔内に形成されたポンピングチャネル１３８を含み得る。開孔１３６は、ポンピングチャネル１３８に至るガスの流路を提供し、ポンピングチャネル１２９は、処理チャンバ１００内のガスのための出口を提供する。
［００２６］ 真空システム１４０は、真空ポート１４２と、バルブ１４４と、真空ポンプ１４６とを含み得る。真空ポンプ１４６は、真空ポート１４２を介してポンピングチャネル１３８と流体連通している。開孔１３６は、ポンピングチャネル１３８がチャンバ本体１３０内の内部処理領域１５１と流体連通することを可能にする。内部処理領域１５１は、シャワーヘッド１１８の下面１４８と基板支持アセンブリ１３２の上面１５０とによって画定され、内部処理領域１５１はライナ１３４によって囲まれている。
［００２７］ 基板支持アセンブリ１３２は、チャンバ本体１３０内で処理するための基板（図示せず）を支持するための基板支持部材１５２を含み得る。基板は、例えば、３００ｍｍなどの任意の標準的なウエハサイズであってもよい。別の態様では、基板は、３００ｍｍよりも大きくてもよく、例えば４５０ｍｍ以上であってもよい。基板支持部材１５２は、動作温度に応じて、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはアルミニウムを含んでもよい。基板支持部材１５２は、基板支持部材１５２に基板をチャックするように構成されてもよい。例えば、基板支持部材１５２は、静電チャック又は真空チャックを含み得る。
［００２８］ 基板支持部材１５２は、チャンバ本体１３０の底面に形成された、中央に位置する開口部１５８を通って延在するシャフト１５６を介して、リフト機構１５４に連結され得る。リフト機構１５４は、シャフト１５６の周囲からの真空漏れを防止するベローズ１６０によって、チャンバ本体１３０に可撓的に密封されうる。リフト機構１５４により、基板支持部材１５２はチャンバ本体１３０内で処理位置と下方移送位置との間を垂直に移動することができる。移送位置は、スリットバルブ１３５の開口部よりわずかに下にある。動作中、基板表面におけるラジカルフラックスを最大にするために、基板３０１とシャワーヘッド１１８との間の間隔を最小にすることができる。例えば、間隔は、約１００ｍｍから約５，０００ｍｍの間であってもよい。リフト機構１５４は、シャフト１５６を回転させることができ、これが次に基板支持部材１５２を回転させ、基板支持部材１５２上に配置された基板を動作中に回転させることができる。
［００２９］ １つまたは複数の加熱素子１６２および冷却チャネル１６４は、基板支持部材１５２内に埋め込まれてもよい。加熱素子１６２および冷却チャネル１６４は、動作中に基板の温度を制御するために使用されてもよい。加熱素子１６２は、１つまたは複数の抵抗加熱素子などの任意の好適な加熱素子であってもよい。加熱素子１６２は、１つまたは複数の電源（図示せず）に接続され得る。加熱素子１６２は、マルチゾーン加熱または冷却に関して、独立した加熱および／または冷却制御を有するように個々に制御することができる。マルチゾーン加熱および冷却に関して、独立した制御を有する能力により、基板温度プロファイルは、任意の所与の処理条件で強化され得る。基板を冷却するため、冷却剤が冷却チャネル１６４を通って流れることができる。基板支持部材１５２はさらに、冷却ガスを基板の裏面に流すために、上面１５０まで延在するガス通路を更に含み得る。
［００３０］ ＲＦ源電力１４３は、ＲＦ源電力整合ボックス１４７を介してシャワーヘッド１１８に連結されてもよい。ＲＦ源電力１４３は、低周波、高周波、または超高周波であってもよい。一実施形態では、ＲＦ源電力１４３は、高密度膜層を堆積させるために高密度プラズマを発生させることができる高周波ＲＦジェネレータである。一実施例では、ＲＦ源電力１４３は、基板支持部材１５２の上方の内部処理領域３５１内で生成される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成および制御することができる誘導結合ＲＦエネルギー送信装置として機能し得る。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成する際に、ＲＦ源電力整合ボックス１４７からの動的インピーダンス整合が提供されてもよい。
［００３１］ ＲＦ源電力１４３に加えて、ＲＦバイアス電源１４５が基板支持部材１５２に連結されてもよい。基板支持部材１５２はカソードとして構成され、ＲＦバイアス電源１４５に連結された電極１６３を含む。ＲＦバイアス電源１４５は、基板支持部材１５２内に配置された電極１６３と、チャンバ本体１３０のシャワーヘッド１１８またはシーリング（トッププレート１１４）などの別の電極との間に連結される。ＲＦバイアス電源１４５から生成されたＲＦバイアス電力は、チャンバ本体１３０の内部処理領域１５１に配置されたガスから形成されたプラズマ放電を励起し、維持する。
［００３２］ １つの動作モードでは、基板３０１は、処理チャンバ１００内の基板支持部材１５２上に配置される。処理ガスおよび／または混合ガスは、ガス源１０６からシャワーヘッド１１８を通ってチャンバ本体１３０に導入される。真空ポンプ１４６は、堆積副生成物を除去しながらチャンバ本体１３０内の圧力を維持する。
［００３３］ 処理チャンバ１００の動作を制御するために、コントローラ１７０が処理チャンバ１００に連結される。コントローラ１７０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１７２、メモリ１７４、および、処理シーケンスを制御し、かつガス源１０６からのガス流を調節するために利用されるサポート回路１７６を含む。ＣＰＵ１７２は、産業用設定で使用されうる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサであってよい。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリなどのメモリ１７４、フロッピーまたはハードディスクドライブ、あるいは他の形態のデジタル記憶装置に記憶されうる。サポート回路１７６は、従来はＣＰＵ１７２に連結されており、キャッシュ、クロック回路、入出力システム、電源などを含みうる。コントローラ１７０と処理チャンバ１００の様々な構成要素との間の双方向通信は、多数の信号ケーブルを経由して処理される。
［００３４］ 図２は、内部に組み込まれて一体化された、図１に示される処理チャンバ１００のうちの１つまたは複数を含む例示的な処理システム２００の概略上面図である。一実施形態では、処理システム２００は、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から市販されているＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）統合処理システムであってもよい。他の処理システム（他の製造業者からのものを含む）が、本開示から利益を得るように適合され得ることが企図される。
［００３５］ システム２００は、真空気密の処理プラットフォーム２０４、ファクトリインターフェース２０２、およびシステムコントローラ２４４を含む。処理プラットフォーム２０４は、図１に示す処理チャンバ１００の１つなど、少なくとも１つの処理チャンバ１００と、複数の処理チャンバ２０１、２２８、２２０、２１０と、真空基板移送チャンバ２３６に連結された少なくとも１つのロードロックチャンバ２２２とを含む。２つのロードロックチャンバ２２２を図２に示す。ファクトリインターフェース２０２は、ロードロックチャンバ２２２によって、移送チャンバ２３６に連結される。
［００３６］ 一実施形態では、基板の移送を容易にするため、ファクトリインターフェース２０２は、少なくとも１つのドッキングステーション２０８と、少なくとも１つのファクトリインターフェースロボット２１４とを含む。ドッキングステーション２０８は、１つまたは複数の前方開口型統一ポッド（ＦＯＵＰ）を受容するように構成されている。図２の実施形態では、２つのＦＯＵＰ２０６Ａ、２０６Ｂが示されている。ロボット２１４の一端に配置されたブレード２１６を有するファクトリインターフェースロボット２１４は、ロードロックチャンバ２２２を介して処理するために、ファクトリインターフェース２０２から処理プラットフォーム２０４に基板を移送するように構成されている。任意選択で、ＦＯＵＰ２０６Ａ、２０６Ｂからの基板の処理を容易にするために、１つまたは複数の処理チャンバ１００、２０１、２１０、２２０、２２８をファクトリインターフェース２０２の端子２２６に接続することができる。
［００３７］ ロードロックチャンバ２２２の各々は、ファクトリインターフェース２０２に連結された第１のポートと、移送チャンバ２３６に連結された第２のポートとを有する。ロードロックチャンバ２２２は、移送チャンバ２３６の真空環境とファクトリインターフェース２０２の実質的な周囲環境（例えば大気環境）との間で、基板の通過を容易にするため、ロードロックチャンバ２２２をポンプダウンしてベントする圧力制御システム（図示せず）に連結されている。
［００３８］ 移送チャンバ２３６は、内部に配置された真空ロボット２３０を有する。真空ロボット２３０は、ロードロックチャンバ２２２、堆積チャンバ１００、処理チャンバ２０１、および処理チャンバ２０１、２１０、２２０、２２８の間で基板３０１を移送することができるブレード２３４を有する。
［００３９］ システム２００の一実施形態では、システム２００は、図１に描かれた処理チャンバ１００（高密度プラズマ（ＨＤＰ）チャンバなど）および他の処理チャンバ２０１、２１０、２２０、２２８を含んでもよく、これらの処理チャンバは、堆積チャンバ、エッチングチャンバ、熱処理チャンバ、または半導体デバイス内のトレンチ内に充填されるべき良好なギャップ充填能力を有する誘電体材料の形成を補助し得る他の類似のタイプの半導体処理チャンバであってもよい。
［００４０］ システムコントローラ２４４は処理システム２００に連結される。コンピューティングデバイス２４１を含む、またはコンピューティングデバイス２４１内に含まれ得るシステムコントローラ２４４は、システム２００の処理チャンバ１００、２０１、２１０、２２０、２２８の直接制御を使用して、処理システム２００の動作を制御する。別の態様では、システムコントローラ２４４は、処理チャンバ１００、２０１、２１０、２２０、２２８およびシステム２００に関連するコンピュータ（またはコントローラ）を制御してもよい。動作中、システム２００の性能を最適化するため、システムコントローラ２４４により、それぞれのチャンバおよび処理チャンバ１００からのデータの収集およびフィードバックも可能になる。
［００４１］ システムコントローラ２４４は、コントローラ１７０とほぼ同じように、概して、中央処理装置（ＣＰＵ）２３８、メモリ２４０、およびサポート回路２４２を含む。ＣＰＵ２３８は、産業用の設定で使用することができる汎用コンピュータプロセッサの任意の形態のうちの１つであってもよい。サポート回路２４２は、従来、ＣＰＵ２３８に連結され、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを備え得る。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ２３８を特定目的のコンピュータ（コントローラ）２４４に変換する。ソフトウェアルーチンは、システム２００から遠隔に配置されている第２のコントローラ（図示せず）によって、記憶され、かつ／または実行されてもよい。
［００４２］ 図３は、チャンバ１００または他の好適な処理チャンバ内で実施することができる堆積処理３００の一実施形態の流れ図である。図４Ａ～図４Ｂは、堆積処理３００の様々な段階に対応する、複合基板の一部分の概略断面図である。処理３００は、構造、半導体デバイス、特に半導体メモリの３次元（３Ｄ）積層のための、例えば５：１より大きい、高アスペクト比特徴を形成するために利用され得る。別の態様では、処理３００は、他の種類の構造のエッチングにも有効に利用されうる。
［００４３］ 処理３００は、操作３０２において、基板３０１などの基板を、図１に示す堆積チャンバ１００などの堆積プロセスチャンバに移送する（すなわち、提供する）ことによって開始される。基板３０１は、実質的に平坦な表面、平坦でない表面、または、上部に形成された構造を有する実質的に平坦な表面を有しうる。図４Ａに示す実施形態では、基板３０１は、界面層４０２上に配置されたパターニングされた材料層４０４を有する。一実施形態では、パターニングされた材料層４０４は、内部に形成された開口部４０８を含む。パターニングされた材料層４０４は、ゲート構造、コンタクト構造、フロントエンドまたはバックエンド処理における相互接続構造、または必要に応じて任意の好適な構造を形成するために利用することができる。一実施形態では、処理３００は、パターニングされた材料層４０４上で実行され、内部にコンタクト構造を形成し得る。基板３０１は、結晶シリコン（例えばＳｉ＜１００＞またはＳｉ＜１１１＞）、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープされたまたはドープされていないポリシリコン、ドープされたまたはドープされていないシリコンウエハ、およびパターニングされたまたはパターニングされていないウエハのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、またはサファイアなどの材料であってもよい。基板３０１は、様々な寸法を有し、例えば２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ、あるいはその他の直径を有するウエハであってよく、長方形または正方形のパネルであってもよい。別途明記されない限り、本明細書に記載の実施形態および実施例は、直径２００ｍｍ、直径３００ｍｍ、または直径４５０ｍｍの基板上で実行される。基板３０１でＳＯＩ構造が利用される実施形態では、基板３０１は、シリコン結晶基板に配置された埋め込み型誘電体層を含み得る。本明細書に記載の実施形態では、基板３０１は結晶シリコン基板であってもよい。
［００４４］ 一実施形態では、界面層４０２は誘電体層であってもよい。パターニングされた材料層４０４は、内部に誘電体材料を堆積するための界面層４０２の一部分４１０を露出させる開口部４０８を有する。本明細書に記載の開口部４０８は、トレンチ、ビア、開口部などを含み得る。一実施形態では、パターニングされた材料層４０４は、金属含有材料、シリコン含有材料、炭素含有材料、または他の好適な材料であってよい。金属含有材料の好適な例には、銅含有材料、アルミニウム含有材料、ニッケル含有材料、タングステン含有材料、または他の金属含有材料が含まれる。好適なシリコン含有材料には、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、およびこれらの組み合わせが含まれる。好適な炭素含有材料には、炭化ケイ素、アモルファスカーボンなどが含まれる。本明細書に示した例示的な実施形態では、パターン化材料層４０４はシリコン層である。
［００４５］ 界面層４０２は、必要に応じて、誘電体酸化物層または誘電体窒化物層などの誘電体層であってもよい。界面層４０２は、複数の層、複合層、または単一層を含み得る。誘電体層に適した他の材料には、酸化シリコンまたはＴＥＯＳなどのドープされていないシリコンガラス（ＵＳＧ）、ホウ素シリケートガラス（ＢＳＧ）、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）、窒化シリコン、アモルファスシリコン、およびこれらの組み合わせが含まれる。
［００４６］ 一実施形態では、パターニングされた材料層４０４は、図４Ａに示されるように、界面層４０２の一部分４１０を露出するために、所定の深さまでパターニングされてもよい。材料層４０４は、任意の好適なパターニング処理でエッチングまたはパターニングされてもよい。パターニングされた材料層４０４は、処理チャンバに印加される所定のＲＦ電力レベルと共に、混合ガスを処理チャンバに供給することによってパターニングされてもよい。
［００４７］ 操作３０４では、堆積混合ガスが、図１の処理チャンバ１００などの処理チャンバに供給され、堆積処理を実行して、開口部４０８内に誘電体材料４０６（図４Ｂに示した）を形成する。処理チャンバ１００に供給される混合ガスは、開口部４０８に形成され充填される異なる種類の材料に基づいて変化させることができる。一実施例では、形成される誘電体材料４０６が窒化シリコン層であることが望ましい場合、供給される堆積混合ガスは、少なくとも１つのシリコン含有ガス、窒素含有ガス、または任意選択で不活性ガスを含む。別の実施例では、形成される誘電体材料４０６が酸化シリコン層であることが望ましい場合、供給される堆積混合ガスは、少なくとも１つのシリコン含有ガス、酸素含有ガス、または任意選択で不活性ガスを含む。別の実施例では、形成される誘電体材料４０６が炭化ケイ素層であることが望ましい場合、供給される堆積混合ガスは、少なくとも１つのシリコン含有ガス、炭素含有ガス、または任意選択で不活性ガスを含む。さらに別の実施例では、形成される誘電体材料４０６が炭化物層であることが望ましい場合、供給される堆積混合ガスは、少なくとも１つの炭素含有ガス、または任意選択で不活性ガスを含む。
［００４８］ シリコン含有ガスの好適な例には、ＳｉＨ４、ＴＥＯＳ、Ｓｉ２Ｈ６などが含まれる。窒素含有ガスの好適な例には、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２などが含まれる。酸素含有ガスの好適な例には、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、Ｏ３などが含まれる。炭素含有ガスの好適な例には、ＣＯ２、炭化水素ガス（ＣＨ４およびＣ２Ｈ６など）などが含まれる。不活性ガスの好適な例には、Ｈｅ、Ａｒなどが含まれる。
［００４９］ いくつかの実施例では、Ｎ２、Ｈ２などのキャリアガスも、必要に応じて堆積混合ガス中に供給することができる。
［００５０］ 一実施例では、堆積混合ガスは、シリコン含有ガス、窒素または炭素含有ガス、およびＡｒまたはＨ２ガスを含む。１つの特定の実施例では、堆積混合ガスは、誘電体材料４０６として窒化ケイ素層を堆積させるために、ＳｉＨ４、ＡｒまたはＨｅ、ＮＨ３、Ｈ２またはＮ２、あるいはこれらの組み合わせを含む。別の特定の実施例では、堆積混合ガスは、誘電体材料４０６として炭化ケイ素層を堆積させるために、ＳｉＨ４、ＡｒまたはＨｅ、ＣＨ４またはＣＯ２、Ｈ２またはＮ２を含む。さらに別の特定の実施例では、堆積混合ガスは、誘電体材料４０６として酸化シリコン層を堆積するために、ＳｉＨ４、Ａｒ、またはＨｅ、Ｏ２、またはＮＯ２を含む。
［００５１］ 一実施形態では、シリコン含有ガスは、約３０ｓｃｃｍ～約５００ｓｃｃｍの体積流量で制御される。酸素、炭素、または窒素含有ガスは、約５０ｓｃｃｍ～約２０００ｓｃｃｍの体積流量で制御される。ＡｒまたはＨｅガスは、約２５０ｓｃｃｍ～約２０００ｓｃｃｍの体積流量で制御される。
［００５２］ 一実施形態では、堆積混合ガスからのガスの一部は、ガス源１０６から遠隔プラズマ源１０４を通って内部処理領域１５１に供給されることがあり、一方、ガスの一部は、シャワーヘッド１１８の周りに横方向に形成された流体源１１９などの処理チャンバ１００の側面を通って供給され、内部処理領域１５１に送達されることがある。いくつかの実施例では、シリコン含有ガスなどの堆積混合ガスからの第１のガス（例えば、反応性前駆体）は、処理チャンバ１００の側面（例えば、流体源１１９）から供給され、一方、堆積混合ガスからの第２のガス（例えば、キャリアガス、不活性ガス、炭素または窒素含有ガスまたは他のガス）は、ガス源１０６から遠隔プラズマ源１０４を通って内部処理領域１５１に供給される。一実施例では、第１のガスは、流体源１１９から処理チャンバ内に供給されるＳｉＨ４ガスであり、一方、第２のガスは、ガス源１０６から遠隔プラズマ源１０４を通って内部処理領域１５１に供給されるＡｒ、Ｈｅ、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、またはこれらの組合せのうちの少なくとも１つである。
［００５３］ 操作３０６では、堆積混合ガスが処理チャンバに供給された後、遠隔プラズマ源電力が遠隔プラズマ源１０４に印加され、遠隔プラズマ源１０４から内部処理領域１５１に送達される遠隔プラズマを生成する。遠隔的に分離されたガスおよび／または他のガスは、シャワーヘッドに印加される従来のチャンバ内ＲＦ源電力と比較して、高エネルギーであるが比較的低密度のガスラジカルを提供し得る、高密度で低エネルギーの原子種を提供し得ると考えられる。したがって、図４Ｂに示すように、側面から、例えば流体源１１９から供給されるガスと共に、ある種の活性ガス種を有する遠隔プラズマ源を利用することによって、比較的低エネルギーの原子種を有する高密度ガス種が内部処理領域１５１に送達され、基板３０１上に誘電体材料４０６を形成する。遠隔プラズマ源からの原子ガス種は、側面から、例えば流体源１１９から供給される反応ガス前駆体と、より効率的に、ゆっくり、かつ完全に反応することができる、より高い程度の反応性を有し、したがって、パターニングされた材料層４０４内に画定された開口部４０８内に誘電体材料４０６を充填する良好なギャップ充填能力を提供すると考えられている。
［００５４］ 処理チャンバ内に導入される各ガスの量は、例えば、開口部４０８内に形成される誘電体材料４０６の厚さ（例えば、開口部４０８の高さまたは幾何学的形状）に適合するように変化させ、調節されてもよいことに留意されたい。１つまたは複数の実施形態では、遠隔プラズマ源１０４から供給されるガスは、特定の比率を有してもよい。例えば、Ａｒガスに対する窒素または炭素含有ガスの比率は、体積比で約０．２：１～約２：１の間に制御され得る。
［００５５］ 一実施例では、約１０００ワットから約１００００ワットの間、例えば、約２０００ワットから約４０００ワットの間などの、遠隔ＲＦ源電力が、遠隔プラズマ源１０４に供給され、内部処理領域１５１に送達される遠隔プラズマを生成する。遠隔プラズマ源１０４への電力は、約４００ｋＨｚの周波数で印加される周波数は、約５０ｋＨｚ～約２．４５ＧＨｚの範囲とすることができる。基板温度は、約－２０℃～約２００℃（例えば、摂氏約２０℃～約９０℃）に維持される。
［００５６］ 操作３０８では、遠隔プラズマ源１０４から内部処理領域１５１に遠隔プラズマを供給しながら、パルスＲＦバイアス電力を基板支持部材１５２に印加して、基板支持部材１５２上に配置された基板３０１にＲＦバイアス電力を生成してもよい。基板支持部材１５２に生成されるＲＦバイアス電力は、堆積処理中に内部処理領域１５１内のプラズマに方向性を与えるのを補助するために利用されることに留意されたい。一実施形態では、ＲＦバイアス電力は、必要に応じて６０ＭＨｚおよび／または２ＭＨｚで供給されてもよい。１つの特定の実施形態では、ＲＦバイアス電力は、６０ＭＨｚ、２ＭＨｚ、または４００ＫＨｚで提供される。
［００５７］ いくつかの実施例では、ＲＦバイアス電力は、パルスモードで基板支持部材１５２に供給されてもよい。パルスモードで供給されるＲＦバイアス電力は、基板支持アセンブリ上に配置された基板３０１に比較的穏やかなＲＦ電力レベルを提供することができ、その結果、反応種は、比較的穏やかなエネルギーレベルで基板３０１に向かって加速することができると考えられる。基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力は、遠隔プラズマ源１０４から供給される遠隔プラズマ電力と同時であってよく、並列的、個別的、代替的、または順次的であってもよい。
［００５８］ 図５Ａ～図５Ｃは、堆積処理中に基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力の異なる実施例を示す。図５Ａ～図５Ｃは、時間の関数としてプロットされた処理チャンバ１００に供給される電力強度を示す。図５Ａ～図５Ｃに示されるトレースライン５０２、５１０、５２０は、遠隔プラズマ源１０４から供給される電力強度を示し、一方、トレースライン５０４、５１２、５２２は、ＲＦバイアス電源１４５から基板支持部材１５２に供給される電力強度を示す。
［００５９］ 図５Ａに示すグラフ５５０において、遠隔プラズマは、第１の時点５０６から第２の時点５０８までの所定の期間、基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力と同時に、遠隔プラズマ源１０４から基板３０１に供給される。遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマが連続モードで供給される間、基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力はパルスモードである。遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマおよび基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力は、誘電体材料４０６の所望の厚さが材料層４０４の開口部４０８に充填されるときに、第２の時点５０８で同時に終了（すなわち、オフ）されてもよい。この実施例では、材料層４０４内に形成された誘電体材料４０６は、窒化ケイ素材料であってもよい。
［００６０］ 図５Ｂに示すグラフ５５２では、遠隔プラズマは、第１の時点５１４から第２の時点５１６まで遠隔プラズマ源１０４から供給される。続いて、遠隔プラズマ源１０４に印加された電力が、第２の時点５１６で終了した後（例えば、遠隔プラズマ源１０４から供給された遠隔プラズマがオフにされる）、次いで、ＲＦバイアス電力が、第２の時点５１６から第３の時点５１８までパルスモードで基板支持部材１５２に供給される。パルスモードで基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力は、誘電体材料４０６の所望の厚さが材料層４０４の開口部４０８内に充填されると、終了（すなわち、電源オフ）されてもよい。この実施例では、材料層４０４内に形成された誘電体材料４０６は、窒化ケイ素材料であってもよい。
［００６１］ 図５Ｃに示すグラフ５５４では、遠隔プラズマは、第１の時点５２４から第２の時点５２５まで遠隔プラズマ源１０４から供給される。遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマが依然として継続的に供給されている間、次いで、ＲＦバイアス電力が、第２の時点５２５から第３の時点５２６までパルスモードで基板支持部材１５２に供給される。したがって、遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマは、基板支持部材１５２にＲＦバイアス電力と同時に部分的に供給される。遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマ、およびパルスモードで基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力は、誘電体材料４０６の所望の厚さが材料層４０４の開口部４０８に充填されるときに、第３の時点５２６で同時に終了（すなわち、電源オフ）されてもよい。
［００６２］ 遠隔プラズマ源１０４からの遠隔プラズマの供給および基板支持部材１５２へのＲＦバイアス電力は、必要に応じて、任意の配置、任意の順序、および任意のシーケンスであってもよいことに留意されたい。
［００６３］ 基板支持部材１５２に供給されるＲＦバイアス電力は、開口部４０８の深い端部（例えば、界面層４０２の露出部分４１０）に向かってプラズマ中の電子、イオン、および他の種を加速するのを助けることができると考えられる。ＲＦバイアス電力から生成される加速度は、誘電体材料４０６を開口部４０８内に充填しつつ、ギャップ充填能力を強化する助けとなり得る。さらに、ＲＦバイアス電力からのパルス時間およびパルス電力強度を制御することによって、必要に応じて堆積プロファイル、反応種軌道および堆積方向性を制御するため、過大なエネルギーを有する、または攻撃的な反応種（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｅｃｉｅｓ）を排除することができる。
［００６４］ 一実施例では、ＲＦバイアス電力は、必要に応じて、６０ＭＨｚおよび／または２ＭＨｚで供給されてもよい。一実施形態では、ＲＦバイアス電力は、約１６２ＭＨｚ、６０ＭＨｚまたは２ＭＨｚで供給される。一実施例では、２ＭＨｚの周波数を有するＲＦバイアス電力が、約１０００ワットから約４０００ワットの間で、例えば、約１５００ワットから約３０００ワットの間で、基板支持部材１５２に供給される。ＲＦバイアス電力は、約２１０マイクロ秒～約１００ミニ秒の間で制御されうる。基板温度は、約－２０℃～約２００℃（例えば、約２０℃～約９０℃）に維持される。
［００６５］ 操作３０６および操作３０８は、図４Ｂに示すように、パターニングされた材料層４０４の開口部４０８が誘電体材料４０６で充填されるまで、図３のループ３０９によって示されるように、繰り返し（すなわち、周期的に）実行されてもよいことに留意されたい。繰り返される処理は、良好なギャップ充填能力で、誘電体材料４０６を周期的かつ漸増的に堆積させてもよい。過度に攻撃的な反応種は、比較的高い堆積速度で反応し、最終的には、開口部４０８の早期閉鎖につながり、開口部４０８を誘電体材料４０６で充填する間に、開口部４０８内に望ましくないボイドまたは空隙を形成することがある。漸増的な堆積は、ギャップ充填能力を改善し、材料層４０４の開口部４０８内に形成される誘電体材料４０６の堆積プロファイルを向上させる。
［００６６］ 操作３１０では、誘電体材料４０６の所望の厚さが開口部４０８に充填された後、誘電体材料４０６が次に基板３０１上に形成される。こうして、処理３００が完了し、基板３０１を処理チャンバから取り出すことができる。
［００６７］ 良好なギャップ充填能力を有する堆積処理を利用することによって、追加の処理工程または硬化工程を排除して、製造サイクル時間およびコストを改善することができる。
［００６８］ したがって、高アスペクト比および小寸法の開口部内に誘電体材料を堆積するための方法は、堆積処理中の遠隔プラズマ電力およびＲＦバイアス電力の好適な管理によって提供される。別の態様では、堆積処理中に異なる供給モード（例えば、連続モードまたはパルスモード）を、同時に、または部分的に同時に有する遠隔プラズマ電力とＲＦバイアス電力によって、良好なギャップ充填能力を有する堆積処理が得られる。こうすることにより、特に半導体チップの３次元（３Ｄ）積層における用途のために、高アスペクト比と小さな寸法を有する開口部内に誘電体材料を充填するための改良された堆積処理が得られる。
［００６９］ 上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (17)

  1. 誘電体材料を堆積させる方法であって、
    内部の基板支持部材に配置された基板を有する処理チャンバ内に混合ガスを提供することと、
    遠隔プラズマ源内に遠隔プラズマを形成し、反応種を有する前記遠隔プラズマを前記処理チャンバ内に画定された内部処理領域に送達することと、
    パルスモードで前記基板支持部材にＲＦバイアス電力を印加して、前記反応種の軌道を前記基板の方向へ制御することと、
    前記混合ガスおよび前記遠隔プラズマの存在下で、チャンバ内でのＲＦ源電力を用いることなく、前記反応種及び前記混合ガスから、前記基板上に配置された材料層内に画定された開口部内に誘電体材料を形成することと
    を含む、方法。
  2. 前記遠隔プラズマは、前記ＲＦバイアス電力を前記処理チャンバに印加する前に形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ＲＦバイアス電力の印加と同時に、前記遠隔プラズマを形成すること、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記遠隔プラズマを形成することはさらに、
    所定の期間にわたって前記遠隔プラズマを形成することと、
    前記ＲＦバイアス電力を印加する前に前記遠隔プラズマを終了させることと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記混合ガスは、前記処理チャンバの側面を通って前記内部処理領域に供給される第１のガスを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１のガスがシリコン含有ガスを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記混合ガスは、前記遠隔プラズマ源を通って前記内部処理領域に供給される第２のガスを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記遠隔プラズマは、前記混合ガスからの前記第２のガスの存在下で、前記遠隔プラズマ源において形成される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記第２のガスが、窒素含有ガス、不活性ガス、炭素含有ガスおよび酸素含有ガスからなる群から選択される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記第２のガスが、Ａｒ、Ｈｅ、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の方法。
  11. 前記基板上に形成される前記誘電体材料は、窒化ケイ素層である、請求項４に記載の方法。
  12. 前記基板上に形成される前記誘電体材料は炭化ケイ素層である、請求項３に記載の方法。
  13. 基板を－２０℃から２００℃の間の温度に維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記ＲＦバイアス電力が２１０マイクロ秒から１００ミリ秒の間の持続時間で、前記パルスモードで印加される、請求項１に記載の方法。
  15. 前記ＲＦバイアス電力は、２ＭＨｚのＲＦ周波数を有する、請求項１に記載の方法。
  16. 前記ＲＦバイアス電力は前記基板支持部材に１０００ワットから４０００ワットの電力レベルで供給される、請求項１に記載の方法。
  17. 前記ＲＦバイアス電力は、前記反応種の堆積プロファイルと堆積方向性とを制御するために前記基板支持部材に供給される、請求項１に記載の方法。
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