特許 7299898 高圧アニールを用いたシーム修復

(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】2023-06-20

(45)【発行日】2023-06-28

(54)【発明の名称】高圧アニールを用いたシーム修復

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/316 20060101AFI20230621BHJP

【ＦＩ】

H01L21/316 S

H01L21/316 X

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020540438

(86)(22)【出願日】2019-01-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-05-06

(86)【国際出願番号】 US2019012161

(87)【国際公開番号】W WO2019147400

(87)【国際公開日】2019-08-01

【審査請求日】2021-12-10

(31)【優先権主張番号】62/621,423

(32)【優先日】2018-01-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(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】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】チェン， イーホン

(72)【発明者】

【氏名】チェン， ルイ

(72)【発明者】

【氏名】マンナ， プラミット

(72)【発明者】

【氏名】マリック， アブヒジット バス

(72)【発明者】

【氏名】チアン， シーシー

(72)【発明者】

【氏名】ウー， ヨン

(72)【発明者】

【氏名】レシュキーズ， カーティス

(72)【発明者】

【氏名】ガンディコッタ， シュリーニヴァース

【審査官】長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３０３２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６１３６６６４（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０６－０１３５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２５１３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０６７６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１７４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０９７４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０６５７７１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を処理する方法であって、
複数の基板フィーチャを有する前記基板を処理チャンバ内に配置することと、
前記基板フィーチャ上に共形層を、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成されるように、堆積させることと、
前記共形層内の前記シームの体積が縮小するように、酸化剤の存在下において１バール～７０バールの圧力で実行される高圧アニールを用いて前記基板を処理することと、
を含み、
前記基板を処理することが、前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層を、隣接する前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層と化学的に反応させる、
方法。

【請求項2】

前記酸化剤が水蒸気を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記共形層が、ケイ素層、金属層、金属酸化物層、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記複数の基板フィーチャが、トレンチを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記複数の基板フィーチャ上に共形層を堆積させることが、化学気相堆積を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記共形層を堆積させることが、前駆体を前記処理チャンバ内に流入させることを含み、前記前駆体が、ケイ素および水素を含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記共形層の体積が、前記高圧アニール中に膨張する、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

基板を処理する方法であって、
複数の基板フィーチャを有する前記基板を処理チャンバ内に配置することと、
前記基板フィーチャ上に、構造が結晶質である共形層を、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成されるように、堆積させることと、
前記共形層内の前記シームの体積が縮小するように、酸化剤の存在下において高圧アニールを用いて前記基板を処理することと、
を含み、
前記高圧アニールが１バール～７０バールの圧力で実行され、
前記基板を処理することが、前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層を、隣接する前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層と化学的に反応させる、
方法。

【請求項9】

前記高圧アニールが、５分～１２０分の時間行われる、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記共形層が、ケイ素層、金属層、金属酸化物層、またはそれらの組み合わせを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記複数の基板フィーチャが、トレンチを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

前記複数の基板フィーチャ上に共形層を堆積させることが、化学気相堆積を含む、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

前記共形層を堆積させることが、前駆体を前記処理チャンバ内に流入させることを含み、前記前駆体が、ケイ素および水素を含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

基板を処理する方法であって、
複数の基板フィーチャを有する前記基板を処理チャンバ内に配置することと、
前記基板フィーチャ上に、構造が結晶質である共形層を、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成されるように、堆積させることと、
前記共形層内の前記シームの体積が縮小するように、酸化剤の存在下において１バール～７０バールの圧力で実行される高圧アニールであって、前記共形層の体積が前記高圧アニール中に膨張する高圧アニールを用いて、前記基板を処理することと、
を含み、
前記基板を処理することが、前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層を、隣接する前記基板フィーチャ上に配置された前記共形層と化学的に反応させる、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［０００１］ 本開示の実施形態は、広くは、集積回路製造方法に関し、詳細には、半導体デバイスのシーム欠陥を修正することに関する。

【背景技術】

【0002】

［０００２］ 半導体デバイスの小型化は、デバイスを形成する材料層の幾何学的形状および配置の増大する複雑さを必要とし続ける。これらのうち、トレンチおよびビアなどの、半導体デバイス上に形成されるフィーチャを、材料で適切に充填することは、フィーチャのサイズが縮小することにより、ますます困難になっている。

【0003】

［０００３］ フィーチャは、典型的には、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、またはめっきプロセスなどの堆積プロセスによって充填され、その結果として、フィーチャの充填が最適にならない可能性がある。問題は、フィーチャの上面における材料の蓄積から生じる。フィーチャの縁部におけるこのような材料の蓄積は、フィーチャを完全にかつ均一に充填する前にフィーチャを塞ぎ、または遮断し、フィーチャ内にボイド、シーム、および不均一な構造の形成をもたらす可能性がある。数十ナノメートルの範囲のトレンチなどの、より小さな幾何学的形状のデバイスで使用されるより小さなフィーチャは、より大きな幾何学的形状のデバイスが有するアスペクト比よりも大きなアスペクト比（すなわち、フィーチャの幅に対する高さの関係）を、必然的に有し、それによって、上述のトレンチおよびビア充填の困難性を悪化させる。

【0004】

［０００４］ 従来のアプローチは、フィーチャ内のシームおよびキャビティを修復する試みにおいて、堆積およびアニールの複数サイクルを利用する。しかしながら、これらの従来のアプローチは、極めて時間のかかるプロセス時間をもたらす。さらに、これらのアプローチは、半導体デバイスの材料を損傷し、半導体デバイスの動作における信頼性の問題を引き起こす可能性がある。

【0005】

［０００５］ したがって、シーム欠陥を修正する改良された方法が必要とされている。

【発明の概要】

【0006】

［０００６］ 一実施形態では、複数の基板フィーチャを有する基板を処理チャンバ内に配置することと、基板フィーチャ上に共形層を堆積させることと、高圧アニールで基板を処理することとを含む、基板を処理する方法が提供される。共形層が堆積されるとき、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成される。高圧アニールは、酸化剤の存在下で行われる。共形層内のシームの体積は、高圧アニールにより縮小する。

【0007】

［０００７］ 別の実施形態では、複数の基板フィーチャを有する基板を処理チャンバ内に配置することと、基板フィーチャ上に共形層を堆積させることと、高圧アニールで基板を処理することとを含む、基板を処理する方法が提供される。共形層は、構造が結晶質である。共形層が堆積されるとき、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成される。高圧アニールは、酸化剤の存在下で行われる。共形層内のシームの体積は、高圧アニールにより縮小する。

【0008】

［０００８］ 別の実施形態では、複数の基板フィーチャを有する基板を処理チャンバ内に配置することと、基板フィーチャ上に共形層を堆積させることと、高圧アニールで基板を処理することとを含む、基板を処理する方法が提供される。共形層は、構造が結晶質である。共形層が堆積されるとき、隣接する基板フィーチャ間にシームが形成される。高圧アニールは、酸化剤の存在下で行われる。共形層内のシームの体積は、高圧アニールにより縮小する。共形層の体積は、高圧アニール中に膨張する。

【0009】

［０００９］ 高圧アニールは、半導体の隣接するフィーチャ上に配置されている共形膜間に位置するシームのサイズを小さくするのに役立つ。シームサイズの減少は、共形膜の電気絶縁特性を上昇させる。

【0010】

［００１０］ 本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本開示のより具体的な説明を、実施形態を参照することによって行うことができ、そのいくつかを添付の図面に示す。しかしながら、添付の図面は、例示的な実施形態のみを示し、したがって、本開示は他の等しく有効な実施形態を認めることができるので、範囲を限定すると見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】

【0011】

【図1】本開示の一実施形態による基板の処理方法のフローチャートである。

【図2A】図１の方法の一工程における基板の断面図である。

【図2B】図１の方法の一工程における基板の断面図である。

【図2C】図１の方法の一工程における基板の断面図である。

【図2D】図１の方法の一工程における基板の断面図である。

【図3】例示的なアニールチャンバの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［００１７］ 理解を容易にするために、図面に共通する同一の要素は、可能であれば同一の参照番号を使用して示してある。ある実施形態の要素および特徴は、さらなる列挙なしに他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが、企図される。

【0013】

［００１８］ 本明細書で提供される開示の実施形態は、基板上に形成された相互接続部内のシームなどの欠陥を除去するために基板を処理する方法を含む。いくつかの実施形態では、この方法は、酸化剤の存在下の加圧環境中で基板を加熱することを含む。基板上に堆積された共形層は、シームの両側の共形層が互いと化学的に架橋し、シームを縮小または除去するように、体積が膨張する。本開示の実施形態は、基板フィーチャ上のシームのサイズを減少させるために有用であることが分かるが、これに限定されない。

【0014】

［００１９］ 図１は、本開示の一実施形態による、基板２１０を処理するための方法１００のフロー図である。図２Ａ～図２Ｄは、方法１００の段階における基板の概略断面図である。本開示の態様の説明を容易にするために、図２Ａ～図２Ｄは、図１に関連して説明される。

【0015】

［００２０］ 方法１００は、工程１０２で始まる。工程１０２において、基板２１０が、処理チャンバ内に配置される。処理チャンバは、例えば、堆積チャンバである。基板２１０は、その上に形成された１つ以上の基板フィーチャ２１２を含む。ここで、基板フィーチャ２１２は、４つのトレンチである。基板２１０は、フォトマスク、半導体ウェハ、または他の工作物であってもよい。基板２１０は、いくつかの実施形態によれば、集積回路、受動（例えば、コンデンサ、インダクタ）および能動（例えば、トランジスタ、光検出器、レーザ、ダイオード）マイクロエレクトロニクスデバイスのうちのいずれかを作るための任意の材料を含む。基板２１０は、そのような能動および受動マイクロエレクトロニクスデバイス（またはそのフィーチャ）を、基板上に形成された１つ以上の導電層から分離する絶縁材料または誘電体材料を含む。一実施形態では、基板２１０は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、および他の誘電体材料などの１つ以上の誘電体層を含む半導体基板である。一実施形態では、基板２１０は、膜の１つ以上の層を含む。基板２１０の１つ以上の層は、導電層、半導体層、絶縁層、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。

【0016】

［００２１］ 工程１０４において、共形層２１４が、基板フィーチャ２１２内に堆積される。共形層２１４は、一実施形態によれば、二酸化ケイ素層などのケイ素含有層である。共形層２１４は、一実施形態によれば、酸化アルミニウムまたは酸化バナジウムなどの金属酸化物層である。共形層２１４は、堆積プロセスによって形成される。堆積プロセスは、いくつかの実施形態によれば、化学気相堆積（ＣＶＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ）である。共形層２１４を堆積させるために、第１の前駆体が、処理チャンバ内に流される。前駆体は、ケイ素（Ｓｉ）および水素（Ｈ）を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、前駆体は、シラン前駆体、ジシラン前駆体、トリシラン前駆体、またはテトラシラン前駆体を含む。第１の前駆体は、酸化剤（例えば、オゾンまたは酸素ラジカル）などの第２の前駆体ガスと反応して、基板フィーチャ２１２内に二酸化ケイ素を形成する。堆積プロセスは、例えば、約１５０℃～約７００℃、約２５０℃～約６００℃、約３００℃～約５５０℃、例えば、約３５０℃～約５００℃の範囲の処理温度で行われる。加えて、堆積中、チャンバは、減圧に維持される。例えば、チャンバ内の圧力は、約５トル～約７００トル、約１０トル～約６００トル、例えば、約１５トル～約５００トルであってもよい。

【0017】

［００２２］ 図２Ｂに示すように、堆積された共形層２１４は、基板フィーチャ２１２内の基板２１０上に堆積される。共形層２１４は、基板フィーチャ２１２の形状に従い、それによって、基板フィーチャ２１２内にシーム２１６を形成する。シーム２１６は、明確にするためにサイズが誇張されていることに留意されたい。いくつかの態様において、基板フィーチャ２１２を画定する隣接する構造上に形成された共形層２１４は、それぞれの基板フィーチャ２１２の反対側の表面上の共形層２１４と接触するのに十分な厚さまで堆積されてもよい。別の言い方をすれば、シーム２１６は、必ずしも物理的なボイドを含む必要はなく、むしろ、シーム２１６は、共形層２１４の一部分２４０、２５０が、例えば基板フィーチャ２１２内で、互いと接触する結果として、形成されてもよい。シーム２１６の存在は、基板フィーチャ２１２内のギャップフィルの性能に、その電気絶縁特性を低下させることによって、負の影響を与える。

【0018】

［００２３］ その上に共形層２１４を有する基板２１０は、工程１０６において、アニールチャンバに移送される。工程１０８において、基板２１０は、高圧アニールで処理される。高圧アニールは、水蒸気または水蒸気／酸素混合物などの酸化剤２２０の存在下で基板２１０に対して行われる。基板２１０は、アニール温度でアニールされる。アニール温度は、約１００℃～約６００℃であり、例えば、約１５０℃～約５５０℃、または約２００℃～約５００℃である。

【0019】

［００２４］ 高圧アニールを行うために、アニールチャンバ内の圧力を所定の圧力まで上昇させる。所定の圧力は、約１バール～約９０バールであり、例えば、約１バール～約８０バール、または約１バール～約７０バールである。上昇した圧力により、アニールチャンバの環境内の酸化剤２２０は、共形層２１４のシーム内に押し込められ、シーム内を下がって行く。基板２１０は、所望のソーク時間の間、高圧アニールで処理される。ソーク時間は、一般に約３分～約１５０分であり、例えば約５分～約１２０分である。

【0020】

［００２５］ 高圧アニール中、酸化剤２２０は、高圧によってシーム２１６内に運ばれる。基板フィーチャ２１２内に堆積された共形層２１４は、図２Ｃの酸化剤２２０に曝される。矢印は、シーム２１６内への酸化剤２２０の流れを示す。アニールプロセスの間、共形層２１４は、酸化剤２２０への曝露の結果として酸化する。酸化の結果として、共形層２１４には、体積膨張が起きる。すなわち、共形層２１４の体積は、例えば仮想線で示される膨張した体積２１８まで、増加する。図２Ｃに示す膨張した体積２１８は、高圧アニール中に体積膨張が起きた共形層２１４を表す。

【0021】

［００２６］ 高圧アニールの酸化プロセスの結果として、共形層２１４は、図２Ｄに示されるように、シーム２１６が実質的にない高密度化された酸化物に変換される。高圧アニール中に共形層２１４が膨張すると、シーム２１６を挟んで対向する共形層２１４の部分２４０、２５０などの、接触していない共形層２１４の部分が膨張し、ついには、これらの部分が互いと相互作用する。シーム境界での酸化は、酸化剤２２０の原子が各部分２４０、２５０と反応および／または架橋するように、部分２４０、２５０間の反応を促進する。シーム２１６を横切る部分２４０、２５０の反応および／または架橋は、一体化された構造の形成およびシームの除去をもたらす。共形層２１４が結晶質の構造である例では、酸化剤２２０は、部分２４０、２５０の結晶構造の接合をもたらし、それによってシーム２１６を除去する。

【0022】

［００２７］ 共形層２１４内のシームの修復に加えて、工程２０８の高圧アニールは、付加的な酸化物の包含を介して共形層２１４を高密度化し、共形層２１４の電気絶縁特性を、さらに改善する。

【0023】

［００２８］ 図１は、基板２１０を処理する一実施形態を示す。しかしながら、追加の実施形態も考えられる。別の態様では、工程１０４および１０８は、工程１０６なしで同じチャンバ内で行うことができる。別の態様では、工程１０４は、共形層２１４を形成するために、複数の堆積ステップまたはサイクルを含んでもよい。

【0024】

［００２９］ さらに、共形層２１４は、ケイ素、ゲルマニウム、金属層、金属酸化物層、またはそれらの組み合わせなど、二酸化ケイ素以外の層であってもよいことが企図される。そのような実施形態では、共形層２１４を形成するために使用される金属は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびそれらの合金などを含む。金属は、互いと組み合わせて使用されてもよい。

【0025】

［００３０］ 他の実施形態では、基板フィーチャ２１２内に材料を堆積させるために、ＣＶＤ以外の堆積プロセスが使用されてもよいことが企図される。基板フィーチャ２１２内に堆積されるべき種々の材料に従って、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマＡＬＤ、プラズマＣＶＤ、物理気相堆積（ＰＶＤ）、めっき、または他の堆積方法が利用されてもよい。

【0026】

［００３１］ さらに、図２Ａ～図２Ｄは、その上にトレンチを有する基板２１０を示すが、トレンチ以外の基板フィーチャ２１２が、本開示の態様から利益を得ることができることが企図される。

【0027】

［００３２］ 図３は、本明細書に記載の方法で実施することができる例示的な処理チャンバの概略断面図である。バッチ処理チャンバ３００は、複数の基板３３５を処理するための内部容積部３５０内に配置されたカセット３３０を有する。バッチ処理チャンバ３００は、内部容積部３５０を囲むチャンバ本体３１０と、チャンバ本体３１０上に配置されたリッド３１１とを有する。１つ以上のカートリッジヒータ３１２が、チャンバ本体３１０内に配置されている。抵抗ヒータなどのヒータ３１２は、チャンバ本体３１０を加熱するように構成される。ヒータ３１２への電力は、コントローラ３８０によって制御される。シェル３２０が、内部容積部３５０内に配置されている。絶縁ライナ３１６が、シェル３２０を囲んで、内部容積部１５０内に配置されている。絶縁ライナ３１６は、チャンバ本体３１０とシェル３２０との間の熱伝達を防止する。

【0028】

［００３３］ カセット３３０は、チャンバ本体１１０の開口部３５４を通って延在するシャフト３７４に結合している。カセット３３０は、シャフト３７４に結合されたアクチュエータ３７０によって内部容積部３５０内に移動可能に配置されている。カセット１３０は、ローディング位置と処理位置との間での基板３３５の移送を容易にする。基板３３５は、チャンバ本体３１０に形成されたローディングポート３９５を通って内部容積部３５０に出し入れされる。シェル３２０は、カセット３３０が処理位置にあるとき、カセット３３０のリッド３４０に結合して、処理領域を画定し、ここで、基板３３５は、上昇した圧力および上昇した温度でアニールされる。

【0029】

［００３４］ 処理中、酸化剤２２０などの処理流体が、入口ポート３５２を通って処理領域内に流される。入口ポート３５２は、カセット３３０の複数の開口部３３３を通って基板３３５と流体連通している。処理領域内に配置された補助ヒータ３２７が、処理容積部およびその中の基板３３５を加熱するように構成される。処理領域内の圧力および温度が、その中の基板３３５をアニールするために上昇させられる。処理流体は、出口ポート３５６を通って処理領域から排出される。

【0030】

［００３５］ コントローラ３８０が、温度センサまたは圧力センサなどの複数のセンサ３１４に結合されている。センサ３１４は、内部容積部３５０内の状態を示す信号をコントローラ３８０に供給する。所望の方法で基板３３５を処理するために、コントローラ３８０は、処理流体の流れならびにヒータ３１２および補助ヒータ３２７に供給される電力を制御する。このようにして、コントローラ３８０は、本明細書に開示されるような工程を実行するために処理チャンバ３００の諸側面を制御するように構成される。

【0031】

［００３６］ 本明細書で開示される工程の一例において、１つ以上の基板フィーチャ２１２を含む基板２１０が、処理チャンバ内に配置される。共形層２１４が、基板２１０の基板フィーチャ２１２上に堆積される。基板２１０が、アニールチャンバに移送される。高圧アニールが、基板２１０上で実行され、共形層２１４は、隣接する共形層が互いと接触および／または化学的に反応するように、体積が膨張する。

【0032】

［００３７］ 本明細書に記載される方法は、シームまたはボイドを実質的に含まない高品質の酸化物層をもたらす。層は、層の全体にわたって実質的に均一な仕方で酸化され、それによって、層全体にわたる酸素の分布の均一性が増加する。さらに、酸化物層の高密度化の均一性が、本明細書に記載の方法によって増加する。均一な高密度化はまた、改善されたエッチング選択性をもたらす。

【0033】

［００３８］ 上記は、本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態が、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案されてもよく、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】

【図2D】

【図3】