特許 7191023 下位構造材料に直接ＲＦ曝露しない共形の気密性誘電体封入のためのＳＩＢＮ膜

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-08

(45)【発行日】2022-12-16

(54)【発明の名称】下位構造材料に直接ＲＦ曝露しない共形の気密性誘電体封入のためのＳＩＢＮ膜

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/318 20060101AFI20221209BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20221209BHJP

【ＦＩ】

H01L21/318 B

C23C16/42

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2019532948

(86)(22)【出願日】2017-11-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-01-23

(86)【国際出願番号】 US2017061976

(87)【国際公開番号】W WO2018118288

(87)【国際公開日】2018-06-28

【審査請求日】2020-11-16

(31)【優先権主張番号】62/437,986

(32)【優先日】2016-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】Ｍ／Ｓ １２６９，３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ガドレ， ミリンド

(72)【発明者】

【氏名】ムケルジー， シャウナック

(72)【発明者】

【氏名】ジャー， プラケット ピー．

(72)【発明者】

【氏名】パディ， ディーネッシュ

(72)【発明者】

【氏名】トアン， ツーチン

(72)【発明者】

【氏名】マリック， アブヒジット バス

【審査官】鈴木 智之

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１４８８０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２５１６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１６０８００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１６６５９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｃ２３Ｃ １６／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

メモリ材料のサーマルバジェット未満の温度で、ケイ素含有前駆体及びホウ素含有前駆体を含む１つ又は複数の第１の前駆体を前記メモリ材料の上に流すことによって、前記メモリ材料の上に第１の材料を熱的に堆積することと、
前記第１の材料に窒素を取り込むために、前記第１の材料を窒素プラズマに曝露することと、
前記メモリ材料の上に所定の厚さを有する誘電体封入層を形成するために、前記第１の材料を熱的に堆積すること、及び前記第１の材料を前記窒素プラズマに曝露することを繰り返すことと
を含む方法。

【請求項2】

前記温度が摂氏３００度未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ケイ素含有前駆体が、シラン（ＳｉＨ_４）及びジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記窒素プラズマが、窒素ガス（Ｎ_２）及びアンモニア（ＮＨ_３）のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記窒素プラズマがＮ_２を含み、Ｎ_２の流量が５リットル／分（Ｌｐｍ）から８Ｌｐｍの間である、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記誘電体封入層が、窒素がドープされたホウ化ケイ素（ＳｉＢＮ）を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記誘電体封入層の前記所定の厚さが、２００オングストロームから３００オングストロームの間である、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

熱化学気相堆積プロセスによってメモリ材料の上に第１の材料を堆積することであって、
シラン及びジシランのうちの１つ又は複数を含むケイ素含有の第１の前駆体を流すこと、
摂氏３００度未満の温度で、前記メモリ材料の上にジボランを含むホウ素含有の第１の前駆体を流すこと、並びに
前記第１の材料を堆積するために、前記ケイ素含有の第１の前駆体と前記ホウ素含有の第１の前駆体とを反応させること
を含む、第１の材料を堆積することと、
窒素ガス及びアンモニアからなる群から選択された１つ又は複数の窒素含有ガスを含む窒素プラズマに、前記第１の材料を曝露することと、
前記メモリ材料の上に共形の窒素がドープされたホウ化ケイ素誘電体封入層を形成するために、前記第１の材料を堆積すること及び前記第１の材料を前記窒素プラズマに曝露することを繰り返すことと
を含む方法。

【請求項9】

前記温度が摂氏２００度から２５０度の間である、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の材料を堆積すること及び前記第１の材料を前記窒素プラズマに曝露することが、１０回から１５回の間で繰り返される、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記ケイ素含有の第１の前駆体の流量が、１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）から７００ｓｃｃｍの間である、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

前記第１の材料を窒素プラズマに曝露するためのプラズマ出力が、１００ワットから５００ワットの間である、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

前記第１の材料が、ホウ化ケイ素（ＳｉＢ）材料又はホウ素がドープされた非結晶性のケイ素（ａＳｉ）材料のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記第１の材料の厚さが、５オングストロームから５０オングストロームの間である、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記ホウ素含有前駆体が、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）である、請求項３に記載の方法。

【請求項16】

前記窒素プラズマがＮＨ_３を含み、ＮＨ_３の流量が５００ｓｃｃｍから２Ｌｐｍの間である、請求項４に記載の方法。

【請求項17】

前記ホウ素含有の第１の前駆体の流量が、２０ｓｃｃｍから４００ｓｃｃｍの間である、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される実施形態は、メモリデバイスを形成するための方法に関し、より詳細には、メモリセルデバイスの遷移金属ベースの材料などの高アスペクト比材料の上に誘電体封入層を形成するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイスは、一般に、０及び１でのメモリ記憶に有用な、銅（Ｃｕ）などの遷移金属ベースの材料を含む何百万ものメモリセルを含む。メモリ状態を管理する金属相互接続からメモリ材料を誘電的に分離することは、メモリセルの動作を最大化することに寄与する。誘電体封入材料の堆積は、通常、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）などの高温プラズマ処理プロセスによって達成される。しかしながら、メモリ材料は、熱的損傷を避けるために、固定されたサーマルバジェット（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）を有する。加えて、メモリ材料は、プラズマ損傷にも敏感である。敏感なメモリ材料が劣化する場合、メモリ材料のストレージ容量は、一般に減少するか又は完全になくなる。

【0003】

したがって、メモリデバイス用の誘電体封入層を堆積するための改善された方法が必要とされる。

【発明の概要】

【0004】

本明細書に開示される実施形態は、メモリデバイスを形成するための方法に関し、より詳細には、メモリデバイス内のメモリ材料の上に誘電体封入層を形成するための改良された方法に関する。１つの実施形態では、方法は、メモリ材料のサーマルバジェットの温度未満の温度で、メモリ材料の上に第１の材料を熱的に堆積することと、第１の材料に窒素を取り込むために、第１の材料を窒素プラズマに曝露することと、メモリ材料の上に気密性の共形誘電体封入層を形成するために、熱的な堆積及び窒素プラズマ工程を繰り返すこととを含む。したがって、メモリ材料の上に気密性の共形誘電体封入層を有するメモリデバイスが形成される。

【0005】

１つの実施形態では、方法が開示される。方法は、メモリ材料のサーマルバジェット未満の温度で、メモリ材料の上に第１の前駆体を流すことによって、メモリ材料の上に第１の材料を熱的に堆積することと、第１の材料に窒素を取り込むために、第１の材料を窒素プラズマに曝露することと、メモリ材料の上に所定の厚さを有する誘電体封入層を形成するために、第１の材料を熱的に堆積すること及び第１の材料を窒素プラズマに曝露することとを繰り返すこととを含む。

【0006】

別の実施形態では、方法が開示される。方法は、熱化学気相堆積プロセスによってメモリ材料の上に第１の材料を堆積することであって、シラン及びジシランのうちの１つ又は複数を含むケイ素含有の第１の前駆体を流すこと、約３００℃未満の温度で、メモリ材料の上にジボランを含むホウ素含有の第１の前駆体を流すこと、並びに第１の材料を堆積するために、ケイ素含有の第１の前駆体と前記ホウ素含有の第１の前駆体とを反応させることを含む、第１の材料を堆積することと、窒素ガス及びアンモニアからなる群から選択された１つ又は複数の窒素含有ガスを含む窒素プラズマに、第１の材料を曝露することと、メモリ材料の上に共形の窒素がドープされたホウ化ケイ素誘電体封入層を形成するために、第１の材料を堆積すること及び第１の材料を窒素プラズマに曝露することを繰り返すこととを含む。

【0007】

更に別の実施形態では、メモリデバイスが開示される。メモリデバイスは、基板と、基板の一部の上に配置されたメモリ材料と、メモリ材料及び基板の露出部分の上に配置されたＳｉＢＮを含む誘電体封入層とを含む。

【0008】

本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約されている本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、それらの実施形態の一部が付随する図面に示される。しかしながら、添付の図面は例示的な実施形態を示しているに過ぎず、したがって、本開示は他の同等に有効な実施形態を許容しうるため、範囲を限定するものとみなされるべきではないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】誘電体封入層を堆積するためのプロセスフローである。

【図2A】本明細書に開示されるプロセスフローに従って形成されたデバイスの断面図である。

【図2B】本明細書に開示されるプロセスフローに従って形成されたデバイスの断面図である。

【図2C】本明細書に開示されるプロセスフローに従って形成されたデバイスの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

理解を容易にするため、可能な場合には、図面に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。１つの実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定されている。

【0011】

本明細書に開示される実施形態は、メモリデバイスを形成するための方法に関し、より詳細には、メモリデバイス内のメモリ材料の上に誘電体封入層を形成するための改良された方法に関する。１つの実施形態では、方法は、メモリ材料のサーマルバジェットの温度未満の温度で、メモリ材料の上に第１の材料を熱的に堆積することと、第１の材料に窒素を取り込むために、第１の材料を窒素プラズマに曝露することと、メモリ材料の上に気密性の共形誘電体封入層を形成するために、熱的な堆積及び窒素プラズマ工程を繰り返すこととを含む。したがって、メモリ材料の上に気密性の共形誘電体封入層を有するメモリデバイスが形成される。

【0012】

図１は、誘電体封入層を堆積するためのプロセスフロー１００である。プロセスフロー１００は、工程１１０において、メモリ材料及びデバイスの基板の露出部分の上に第１の材料の層を熱的に堆積することによって、開始する。工程１２０では、デバイスは、窒化物を第１の材料に取り込むために、窒素プラズマ処理に曝露される。工程１３０において、適切な厚さの誘電体封入層がメモリ材料及び基板の露出部分の上に堆積されるまで、工程１１０及び１２０が周期的に繰り返される。プロセスフロー１００は、メモリ材料を損傷する可能性がある高温又はプラズマ処理プロセスなしに、デバイスのメモリ材料の上に誘電体封入層を形成する。

【0013】

図２Ａから図２Ｃは、プロセスフロー１００などの本明細書に開示されるプロセスフローに従って形成された、メモリデバイスなどのデバイス２００の断面図である。図２Ａに示すように、デバイス２００は、基板２１０とメモリ材料２２０を含む。基板２１０は、一般に、非結晶シリコン、ポリシリコン、又は結晶シリコンを含むケイ素基板材料、並びにゲルマニウム又はケイ素－ゲルマニウム基板を含むがこれらに限定されない、任意の適切な基板材料である。情報をメモリに記憶するために使用されるメモリ材料２２０は、一般に、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）及び／又はコバルト（Ｃｏ）を含むがこれらに限定されない任意の適切なメモリ材料を含む。メモリ材料２２０は、一般に、基板２１０の上に１つ又は複数の特徴を形成する。図２Ａに示す実施形態では、メモリ材料２２０の１つ又は複数の特徴は、基板２１０の上で基板２１０と接触している１つ又は複数のトレンチによって分離されているが、特徴は、任意の適切な形状及びサイズでありうる。１つの実施形態では、デバイス２００は、高アスペクト比、例えば９０ナノメートル（ｎｍ）×４０ｎｍのアスペクト比を有する。アスペクト比は、一般に、１つ又は複数の特徴の高さ（ｈ）対幅（ｗ）の比を指す。更なる実施形態では、デバイス２００は、３：１、４：１、５：４、４：３、１６：１０及び１６：９などの任意の他の適切なアスペクト比を有しうる。

【0014】

１つの実施形態では、熱的な堆積は、熱化学気相堆積（ＣＶＤ）である。第１の材料２３０の熱的な堆積は、一般に、メモリ材料２２０のサーマルバジェット未満のプロセス温度で、メモリ材料２２０及び基板２１０の露出部分の上に第１の材料前駆体を流すことを含む。１つの実施形態では、プロセス温度は、約３００℃未満、例えば、約２３５℃といった約２００℃から約２５０℃の間などである。第１の前駆体は、一般的に、ケイ素（Ｓｉ）含有前駆体及び／又はホウ素（Ｂ）含有前駆体を含むが、これらに限定されない。ケイ素含有の第１の前駆体の例は、シラン（ＳｉＨ_４）及び／又はジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、又は高次シランを含むが、これらに限定されない。ホウ素の第１の前駆体の例は、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）である。第１の前駆体のためのキャリアガスは、アルゴン（Ａｒ）及びヘリウム（Ｈｅ）を含むが、これらに限定されない。ケイ素含有の第１の前駆体のためのガス流量は、一般に、毎分約１００標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）から約７００ｓｃｃｍの間である。ホウ素の第１の前駆体のガス流量は、一般に、約２０ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの間である。アルゴンのガス流量は、一般に、毎分約５リットル（Ｌｐｍ）から約１０Ｌｐｍの間である。ヘリウムのガス流量は、一般に、約１Ｌｐｍから約５Ｌｐｍの間である。

【0015】

第１の前駆体は、互いに反応して、メモリ材料２２０及び基板２１０の露出部分の上に、第１の材料２３０の第１の層を形成する。ケイ素含有前駆体及びホウ素含有前駆体を用いる例では、第１の材料２３０は、ホウ化ケイ素（ＳｉＢ_ｎ）材料又はホウ素がドープされた非結晶性のケイ素（ａＳｉ）材料である。しかしながら、第１の材料は、後述するように窒素を吸収することができる他の材料を含みうる。第１の材料２３０の第１の層は、低温で、かつプラズマなしで堆積されるので、メモリ材料２２０は、損傷を受けない。それとは対照的に、従来の誘電体封入層堆積方法は、高温及び／又はプラズマ処理を使用し、メモリ材料が損傷する。第１の材料２３０の第１の層は、約５オングストローム（Å）から約５０Åの間、例えば約１０Åから約３０Åの間、又は約１５Åから約２５Åの間、例えば約２０Åでありうる。

【0016】

第１の材料２３０の第１の層がメモリ材料２２０の上に堆積された後に、デバイス２００は、窒化プロセスを受ける。より具体的には、デバイス２００は、一般に、窒素プラズマ処理に曝露され、窒素含有量を有する誘電体封入層２４０を形成する。１つの実施形態では、デバイス２００は、窒化物などの窒素を第１の材料２３０に取り込むために、窒素プラズマ処理に曝露される。窒素プラズマ処理は、一般に、窒化ガスなどの窒素含有ガスに第１の材料を曝露することを含む。窒素含有ガスの例は、窒素ガス（Ｎ_２）及び／又はアンモニア（ＮＨ_３）を含むが、これらに限定されない。窒素ガスのガス流量は、一般に、約５Ｌｐｍから約８Ｌｐｍの間である。アンモニアガスのガス流量は、一般に、約５００ｓｃｃｍから約２Ｌｐｍの間である。窒素プラズマ処理のプラズマ電力は、一般に、約１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）のプラズマ周波数（例えば、高周波ＲＦ）で約１００ワット（Ｗ）から約５００Ｗの間である。

【0017】

窒素プラズマは、第１の材料２３０の第１の層と反応して、窒素、例えば窒化物、第１の材料２３０を取り込み、誘電体封入層２４０を形成する。ケイ素含有及びホウ素含有の第１の前駆体が第１の材料２３０を堆積するために使用されるとき、結果として生じる誘電体封入層２４０は、窒素がドープされたホウ化ケイ素（ＳｉＢＮ）を含む。

【0018】

堆積及び窒化プロセスは、図２Ｃに示すように、所定の厚さの誘電体封入層２４０がメモリ材料２２０及び基板２１０の露出部分の上に堆積されるまで周期的に繰り返される。所定の厚さは、例えば、約２００Åから約３００Åの間でありうる。誘電体封入層２４０の所定の厚さが約２００Åであり、プロセスフローが約２０Åの第１の材料を熱的に堆積することを含む実施形態では、堆積及び窒化プロセスは、一般に、約１０回繰り返される。誘電体封入層２４０の所定の厚さが約３００Åであり、プロセスフローが約２０Åの第１の材料２３０を熱的に堆積することを含む実施形態では、堆積及び窒化プロセスは、約１５回繰り返される。

【0019】

誘電体封入層を堆積するための記載された方法の利点は、高温又はプラズマプロセスにメモリ材料を曝露することなく、メモリ材料の上に低い 漏れ電流及び高い破壊電圧を有する薄い（例えば、数ナノメートル以下）、気密性の共形誘電体層を形成することを含むが、これに限定されない。本明細書に記載の方法は、低温で、かつメモリ材料をプラズマに曝露することなく実行されるので、メモリ材料の完全性は、メモリ材料が効果的に情報を記憶しうるように維持される。加えて、誘電体封入層の気密特性は、水分拡散及びメモリベアリング材料への他の損傷を低減又は防止する。

【0020】

本明細書に記載の実施形態は、低温条件下で、メモリ材料及び基板の露出部分の上に第１の材料を堆積する。低温条件は、そうでなければプラズマプロセスの高温を使用して引き起こされるであろうメモリ材料への損傷を最小にするか又は回避する。続いて、第１の材料が、窒化物又は窒素イオン又はラジカルに曝露され、第１の膜を窒化し、それによって誘電体封入膜を形成する。第１の膜は、メモリ材料をプラズマへの曝露から保護し、したがってプラズマ曝露による損傷からメモリ材料を保護するので、誘電体封入膜は、プラズマプロセスを使用して形成されうる。周期的堆積及び窒化を利用することにより、最終封入材料の適切かつ均一な窒化が可能になる。

【0021】

前述は、ＰＲＡＭデバイスなどのメモリデバイス上に誘電体封入層を堆積することを企図しているが、本明細書に記載の方法は、熱、湿気、及び／又はプラズマから保護するための封入が望まれる任意の温度感受性及びプラズマ感受性デバイス又は材料の上に誘電体封入層を堆積するのに適用可能である。

【0022】

以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてもよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】