IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ エーエスエム・アイピー・ホールディング・ベー・フェーの特許一覧

特許7542939基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法
<>
  • 特許-基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法 図1
  • 特許-基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法 図2
  • 特許-基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法 図3
  • 特許-基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法 図4
< >
(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】2024-08-23
(45)【発行日】2024-09-02
(54)【発明の名称】基材表面および関連する半導体デバイス構造上のギャップ特徴を充填するための方法
(51)【国際特許分類】
   C23C 16/14 20060101AFI20240826BHJP
   C23C 16/455 20060101ALI20240826BHJP
   H01L 21/3205 20060101ALI20240826BHJP
   H01L 21/768 20060101ALI20240826BHJP
   H01L 23/532 20060101ALI20240826BHJP
   H01L 21/285 20060101ALI20240826BHJP
【FI】
C23C16/14
C23C16/455
H01L21/88 M
H01L21/285 C
【請求項の数】 17
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019149004
(22)【出願日】2019-08-15
(65)【公開番号】P2020029617
(43)【公開日】2020-02-27
【審査請求日】2022-08-01
(31)【優先権主張番号】16/105,761
(32)【優先日】2018-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】519237203
【氏名又は名称】エーエスエム・アイピー・ホールディング・ベー・フェー
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100104374
【弁理士】
【氏名又は名称】野矢 宏彰
(72)【発明者】
【氏名】ブーシャン・ゾープ
(72)【発明者】
【氏名】シャンカール・スワミナサン
(72)【発明者】
【氏名】キラン・シュレスタ
(72)【発明者】
【氏名】チユ・チュー
(72)【発明者】
【氏名】ヘンリ・トゥオマス・アンテオ・ユッシラ
(72)【発明者】
【氏名】チー・シエ
【審査官】今井 淳一
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-053024(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2017/0062224(US,A1)
【文献】Marika Juppo et. al.,,Deposition of molybdenum thin films by an alternate supply of MoCl5 and Zn,Journal of Vacuum Science & Technology,1998年,Vol. 16, No. 5
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C23C 16/14
C23C 16/455
H01L 21/3205
H01L 21/285
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材表面上のギャップ特徴を充填するための方法であって、
一つ以上のギャップ特徴を含む基材を反応チャンバに供給することと、
周期的堆積エッチングプロセスによって前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することであって、前記周期的堆積エッチングプロセスの単位サイクルが、
第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填すること、および、
前記モリブデン金属膜の一部をエッチングすることを含む、部分的に充填することと、
第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することと、を含み、
前記モリブデン金属膜の一部をエッチングすることが、前記モリブデン金属膜をモリブデンハライドエッチング液と接触させることを更に含む、方法。
【請求項2】
前記基材を300℃~700℃の基材温度に加熱すること更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記反応チャンバ内の圧力を20Torrより大きく調節することを更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記第一および第二の周期的堆積プロセスの単位サイクルが、
前記基材をモリブデンハライド前駆体を含む第一の気相反応物質と接触させることと、
前記基材を還元剤前駆体を含む第二の気相反応物質と接触させることと、を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記モリブデンハライド前駆体が、モリブデンカルコゲナイドハライドを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記モリブデンカルコゲナイドハライドは、モリブデンオキシハライド、オキシヨウ化モリブデン、またはオキシ臭化モリブデンを含む群から選択される、モリブデンオキシハライドを含む、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記オキシ塩化モリブデンが、モリブデン(IV)ジクロリドジオキシド(MoOCl)を含む、請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記還元剤前駆体が、水素分子(H)、水素原子(H)、フォーミングガス(H+N)、アンモニア(NH)、ヒドラジン(N)、ヒドラジン誘導体、水素系プラズマ、水素ラジカル、水素励起種、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、ボラン、アミン、またはシランの少なくとも一つを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項9】
前記第一および第二の周期的堆積プロセスが、原子層堆積プロセスを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項10】
前記第一および第二の周期的堆積プロセスが、周期的化学蒸着プロセスを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項11】
第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することが、前記一つ以上のギャップ特徴の少なくとも1つがモリブデン金属膜で80パーセント~95パーセントの範囲の所定のパーセント部分的に充填されるまで第一の周期的堆積プロセスを行って、開口を有する一つ以上の部分的に充填されたギャップ特徴を規定することを含み、
前記第一の周期的堆積プロセスは、前記一つ以上のギャップ特徴の前記開口の閉鎖を引き起こし得る厚さよりも小さい厚さで前記一つ以上のギャップ特徴の各々の内にモリブデン金属膜を提供する、請求項1に記載の方法。
【請求項12】
前記モリブデンハライドエッチング液が、モリブデンペンタクロリド(MoCl)を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項13】
前記一つ以上のギャップ特徴が、2:1より大きいアスペクト比を有する実質的に垂直なギャップ特徴を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項14】
前記一つ以上のギャップ特徴が、1:2より大きいアスペクト比を有する実質的に水平なギャップ特徴を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項15】
前記モリブデン金属膜が、継ぎ目の形成なしに、前記一つ以上のギャップ特徴を充填する、請求項1に記載の方法。
【請求項16】
前記周期的堆積プロセスが、誘電体表面上に直接、前記モリブデン金属膜を堆積することを含む、請求項4に記載の方法。
【請求項17】
前記周期的堆積プロセスが、金属表面上に直接、前記モリブデン金属膜を堆積することを含む、請求項4に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、以下の優先権を主張する:「Layer Forming Method」と題され、2017年8月30日に出願された、米国非仮特許出願第15/691,241号、「Layer Forming Method」と題され、2017年12月18日に出願された、米国仮特許出願第62/607,070号;「Deposition Method」と題され、2018年1月19日に出願された、米国仮特許出願第62/619,579号。
【0002】
本開示は、一般に、基材表面上のギャップ特徴を充填するための方法、および特に、周期的堆積エッチングプロセスを利用して、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填するための方法に関する。本開示はまた概して、モリブデン金属膜で充填された一つ以上のギャップ特徴を含む半導体デバイス構造に関連する。
【背景技術】
【0003】
例えば、トランジスタ、メモリ素子、および集積回路などの半導体デバイス構造を形成するための半導体製造プロセスは、広範囲であり、またとりわけ堆積プロセス、エッチングプロセス、熱アニーリングプロセス、リソグラフィープロセス、およびドーピングプロセスを含み得る。
【0004】
一般的に利用される特定の半導体製造プロセスは、ギャップ特徴への金属膜の堆積であり、それによってギャップ特徴を金属膜で充填することであり、プロセスは「ギャップ充填(gap fill)」と一般的に称される。半導体基材は、非平面の表面を有する基材上に多数のギャップ特徴を含み得る。ギャップ特徴は、基材表面の突起部の間に配置される実質的に垂直なギャップ特徴、または基材表面に形成された刻み目を含み得る。ギャップ特徴は、水平なギャップ特徴を繋ぐ二つの隣接した材料の間に配置される、実質的に水平なギャップ特徴も含み得る。半導体デバイス構造の幾何学形状が減少した、高いアスペクト比を有するため、特徴は、DRAM、フラッシュメモリ、およびロジックとしての半導体デバイス構造においてより一般的になってきたが、望ましい特性を有する金属で多数のギャップ特徴を充填することがますます困難になってきた。
【0005】
高密度プラズマ(HDP)、準大気圧化学蒸着(SACVD)、および低圧化学蒸着(LPCVD)などの堆積方法がギャップ充填プロセスに使用されてきたが、これらのプロセスは通常、望ましいギャップ充填能力を達成しない。
【0006】
したがって、方法および関連する半導体デバイス構造が、改善された特性を有するギャップ充填金属で非平面基材上のギャップ特徴を充填するために望まれている。
【発明の概要】
【0007】
この発明の概要は、概念の選択を簡略化した形で紹介するように提供する。これらの概念について、以下の本開示の発明を実施するための形態において、更に詳細に記載する。本発明の概要は、請求項に記載する主題の重要な特徴も、本質的な特徴も特定することを意図しておらず、請求項に記載する主題の範囲を限定するように使用されることも意図していない。
【0008】
いくつかの実施形態では、基材表面上のギャップ特徴を充填するための方法が提供される。方法は、一つ以上のギャップ特徴を含む基材を反応チャンバに供給することと、周期的堆積エッチングプロセスによって一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することと、を含んでもよく、周期的堆積エッチングプロセスの単位サイクルは、第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填すること、および、モリブデン金属膜を部分的にエッチングすること、を含む。方法はまた、第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することを含み得る。
【0009】
従来の技術を超えて達成される本発明および利点を要約するために、本発明のある目的および利点について、本明細書において上に記載してきた。当然のことながら、必ずしもこうした目的または利点の全てが本発明の任意の特定の実施形態によって達成されなくてもよいことが理解されるべきである。それゆえ、例えば、本明細書に教授または示唆する通り、一つの利点または利点の一群を達成または最適化する形式で、本明細書に教授または示唆されてもよい、他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本発明が具体化または実行されてもよいことを、当業者は認識するであろう。
【0010】
これらの実施形態の全ては、本明細書に開示する本発明の範囲内であることが意図されている。当業者には、これらのおよび他の実施形態は、添付の図面を参照して、以下のいくつかの実施形態の発明を実施するための形態から容易に明らかとなり、本発明は、開示される全ての特定の実施形態にも限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
本明細書は、本発明の実施形態と見なされるものを特に指摘し、明確に主張して、特許請求の範囲で結論付けるものの、本開示の実施形態の利点は、添付の図面と併せて読むと、本開示の実施形態のある例についての記載から、より容易に解明されてもよい。
【0012】
図1図1Aおよび1Bは、金属ギャップ充填材料で充填されたギャップ特徴の断面概略図を示し、金属ギャップ充填材料は継ぎ目特徴を含む。
【0013】
図2図2は、モリブデン金属膜で基材表面上の一つ以上のギャップ特徴を充填する方法を説明する非限定的な例示的プロセスフローを示す。
【0014】
図3図3は、本開示の実施形態によるギャップ特徴におけるモリブデン金属膜を堆積するための周期的堆積プロセスを説明する非限定的な例示的サブプロセスフローを示す。
【0015】
図4図4Aおよび4Bは、本開示の実施形態による一つ以上のギャップ特徴に配置される、および一つ以上のギャップ特徴を充填するモリブデン金属膜を含む半導体デバイス構造の断面概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0016】
いくつかの実施形態および実施例を以下に開示するが、本発明が、具体的に開示する本発明の実施形態および/または用途、並びにその明白な変更および均等物を超えて拡大することは、当業者により理解されるであろう。それゆえ、開示する本発明の範囲は、以下に記載し具体的に開示する実施形態によって限定されるべきでないことが意図される。
【0017】
本明細書に示される図は、何らかの特定の材料、構造またはデバイスの実際の図であることを意味せず、本開示の実施形態について記載するために使用される、単に理想化された表現にすぎない。
【0018】
本明細書で使用する通り、「基材」という用語は、使用される場合がある、またはその上にデバイス、回路もしくはフィルムが形成される場合がある、あらゆる下層材料または複数の下層材料を指してもよい。
【0019】
本明細書で使用される「周期的堆積」という用語は、基材上に膜を堆積させるために反応チャンバに一つ以上の前駆体(反応物質)を連続的に導入することを指し、原子層堆積および周期的化学蒸着などの堆積技術を含む。
【0020】
本明細書で使用される「周期的化学蒸着」という用語は、基材を一つ以上の揮発性前駆体に逐次曝し、その前駆体が基材上で反応および/または分解して所望の堆積物を生成する、任意のプロセスを指すことができる。
【0021】
本明細書で使用される「原子層堆積」(ALD)という用語は、堆積サイクル、好ましくは複数の連続堆積サイクルが反応チャンバ内で行われる蒸着プロセスを指すことができる。典型的には、各サイクルの間、前駆体は、堆積表面(例えば、基材の表面または以前に堆積させた下地の表面、例えば、以前のALDサイクルを用いて堆積させた材料等)に化学吸着し、追加の前駆体と容易に反応しない単分子層またはサブ単分子層を形成する(即ち、自己制御反応)。その後、必要に応じて、化学吸着した前駆体を堆積表面上で所望の材料に変換するのに使用するために、反応物質(例えば、別の前駆体または反応ガス)をその後プロセスチャンバ内に導入することができる。典型的には、この反応物質は前駆体と更に反応することができる。更に、各サイクル中にパージ工程を利用して、化学吸着した前駆体の変換後に、過剰な前駆体をプロセスチャンバから除去する、並びに/または過剰の反応物質および/若しくは反応副生成物をプロセスチャンバから除去することができる。更に、本明細書で使用される「原子層堆積」という用語は、関連する用語、例えば、「化学蒸着原子層堆積」、「原子層エピタキシー」(ALE)、分子線エピタキシー(MBE)、ガス源MBE、または有機金属MBE、並びに前駆体組成物、反応性ガス、およびパージ(例えば、不活性キャリア)ガスの交互パルスで実施される場合の化学ビームエピタキシー等、により示されるプロセスを含むことも意味する。
【0022】
本明細書で使用する場合、「膜」および「薄膜」という用語は、本明細書に開示された方法により形成された任意の連続的または非連続的な構造および材料を意味することを意図する。「膜」および「薄膜」としては、例えば、2D材料、ナノラミネート、ナノロッド、ナノチューブ、またはナノ粒子、または平坦な部分的な若しくは完全な分子層、または部分的な若しくは完全な原子層、または原子および/若しくは分子のクラスター、を挙げることができる。「膜」および「薄膜」は、ピンホールを有する材料または層を含み得るが、それでも少なくとも部分的に連続している。
【0023】
本明細書で使用される場合、「モリブデンハライド前駆体」という用語は、少なくともモリブデン成分およびハライド成分を含む反応物質を指し、ハライド成分は、塩素成分、ヨウ素成分、または臭素成分のうちの一つ以上を含み得る。
【0024】
本明細書で使用される場合、「モリブデンカルコゲナイドハライド」という用語は、少なくともモリブデン成分、ハライド成分、およびカルコゲナイド成分を含む反応物質を指し、カルコゲンは、酸素(O)、硫黄(S)、セレンおよびテルリウム(Te)を含む周期表のIV族の元素である。
【0025】
本明細書で使用される場合、「モリブデンオキシハライド」という用語は、少なくともモリブデン成分、酸素成分、およびハライド成分を含む反応物質を指し得る。
【0026】
本明細書で使用される場合、「還元剤前駆体」という用語は、酸化還元化学反応において別の種に電子を供与する反応物質を指し得る。
【0027】
本明細書で使用される場合、「結晶膜」という用語は、結晶構造の少なくとも短範囲規則性、または長範囲規則性をも呈する膜を指し、単結晶膜ならびに多結晶膜を含む。
【0028】
本明細書で使用される場合、「ギャップ特徴」という用語は、非平面の表面の二つの表面の間に配置された開口部またはくぼみを意味し得る。「ギャップ特徴」という用語は、基材表面から垂直に延在する二つの突起部の傾斜した側壁、または基材表面の表面内に垂直に延在する刻み目の対向する傾斜した側壁の間に配置された開口部またはくぼみを指し得、このようなギャップ特徴は「垂直なギャップ特徴」と称され得る。「ギャップ特徴」という用語はまた、二つの対向する実質的に水平な表面の間に配置された開口部またはくぼみを意味し得、水平な表面は水平な開口部またはくぼみを繋ぎ、こうしたギャップ特徴は、「水平なギャップ特徴」と称され得る。
【0029】
本明細書で使用される場合、「継ぎ目」という用語は、ギャップ充填金属に形成される縁の当接によって形成される線または一つ以上の空隙を意味し得、「継ぎ目」は走査型透過電子顕微鏡法(STEM)または透過電子顕微鏡法(TEM)を使用して確認できるが、観察によって垂直なギャップ充填金属にはっきりした垂直な線または一つ以上の空隙、または水平なギャップ充填金属にはっきりした水平な線または一つ以上の水平な空隙が明らかになった場合、「継ぎ目」が存在する。
【0030】
本開示の実施形態を通じて多くの例示的な材料が与えられており、例示的な材料のそれぞれに与えられる化学式は限定的であると解釈されるべきではなく、与えられる非限定的な例示的な材料はある例示的な化学量論によって限定されるべきではないことに留意されたい。
【0031】
本開示は、基材表面上の一つ以上のギャップ特徴を充填するための方法、および特に、周期的堆積エッチングプロセスを利用して、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填するための方法を含む。モリブデン金属薄膜は、例えば、低電気抵抗率ギャップ充填、3D-NAND、DRAMワード線特徴用のライナー層、またはCMOSロジック用の相互接続材料など、多くの用途で利用され得る。ギャップ特徴にモリブデン金属膜を堆積する能力は、ロジック用途、すなわち、CMOS構造、ならびに3D-NANDおよびDRAM構造などのメモリアプリケーション内のワード線/ビット線、の相互接続のための実効電気抵抗率を低くすることができる。
【0032】
本開示の実施形態は、既知の方法よりも優れたギャップ充填プロセスおよびギャップ充填金属を提供し得る。一般的な従来技術の方法による金属膜で充填されたギャップ特徴を含む半導体デバイス構造の例が、図1Aおよび図1Bに示されており、図1Aは、実質的に垂直なギャップ特徴および関連するギャップ充填金属を示し、図1Bは、実質的に水平なギャップ特徴および関連するギャップ充填金属を示す。
【0033】
例えば、図1Aは、実質的に垂直なギャップ特徴104を含む基材102を含む半導体デバイス構造100の断面図を示し、実質的に垂直なギャップ特徴104は、金属ギャップ充填材料106で充填される。図1Aに示すように、金属ギャップ充填材料106内に配置されるのは、継ぎ目108と一般的に称される特徴である。継ぎ目は、金属ギャップ充填材料106内の領域を意味し、ギャップ特徴の両側壁から成長する二つの膜の端が互いに接触し、そのため継ぎ目108は概してギャップ特徴104の中心に配置される。金属ギャップ充填材料における継ぎ目108の形成は望ましくなく、また半導体デバイス製造プロセスにおける不良な装置性能およびその後の問題をもたらし得る。この例では、継ぎ目108は、走査型透過電子顕微鏡法(STEM)または透過電子顕微鏡法(TEM)を使用して観察可能な垂直な線または一つ以上のマクロ空隙を含み得、観察によって金属ギャップ充填材料106内の垂直な線または一つ以上のマクロ空隙が明らかになった場合、継ぎ目108が存在する。
【0034】
追加例の通り、図1Bは、実質的に水平なギャップ特徴114を含む基材112を含む半導体デバイス構造110の断面図を示し、実質的に水平なギャップ特徴114は、金属ギャップ充填材料116で充填される。図1Bに示すように、金属ギャップ充填材料116内に配置されるのは、継ぎ目118である。例示的な水平ギャップ機構114などのギャップ特徴部を提出するための従来の方法は、水平ギャップ特徴114の入口に向かって金属ギャップ充填材料の優先的堆積を含みうる。水平ギャップ特徴114の入口に向かったこの優先的な堆積は、水平ギャップ機構114の入口に近接するフィルムの早期閉鎖をもたらしうるが、これにより、金属フィルムと水平ギャップ特徴を完全に出し入れる前に、それによって継ぎ目118の形成をもたらすことができる。したがって、この例では、継ぎ目118は、走査伝送電子顕微鏡(STEM)または透過電子顕微鏡(TEM)を使用して観察可能な水平線または一つ以上のマクロ空隙を備えてもよく、ここで観察が金属ギャップ充填材料116内の水平線または一つ以上のマクロ空隙が見られる場合、継ぎ目108が存在する。
【0035】
したがって、方法および関連する半導体デバイス構造は、水平ギャップ特徴部および垂直ギャップ特徴部の両方を含む金属ギャップ充填材料を、装置の性能および装置収率に対して有害な影響を有することができる継ぎ目特徴部の形成なしに、一つ以上のギャップ特徴の充填を可能にする望ましいことである。
【0036】
したがって、本開示の実施形態は、基材表面上にギャップ機能を充填する方法を含み得る。方法は、一つ以上のギャップ特徴を含む基材を反応チャンバに提供することと、周期的堆積エッチングプロセスによって一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することであって、周期的堆積エッチングプロセスの単位サイクルが、第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填すること、および、モリブデン金属膜を部分的にエッチングすること、を含む、充填することと、を含み得る。方法はまた、第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することを含み得る。
【0037】
基材上または基材内の一つ以上のギャップ特徴部を充填するための模範的プロセス200が、図2を参照して図示されている。例示的プロセス200は、一つ以上のギャップ構成要素をモリブデン金属膜と部分的に充填するための環状堆積エッチング相205と、一つ以上の間隙特徴部を充填するための第二の周期的堆積プロセスとを備えてもよく、例示的なプロセス200は、継ぎ目の形成なしにギャップ充填金属膜を形成するために利用されてもよい。
【0038】
より詳細に、また図2を参照すると、例示的なギャップ充填プロセス200は、一つ以上のギャップ特徴を含む基材を反応チャンバに供給し、基材を所望のプロセス温度に加熱することを含む工程、ブロック210によって開始され得る。
【0039】
本開示のいくつかの実施形態では、例えば、トレンチ構造、垂直なギャップ、水平なギャップ、および/またはフィン構造など、高いアスペクト比特徴を含むパターン付き基材を含み得る。例えば、基材は、一つ以上の実質的に垂直なギャップ特徴および/または一つ以上の実質的に水平なギャップ特徴を含み得る。「ギャップ特徴」という用語は、基材表面から垂直に延在する二つの突起部の傾斜した側壁、または基材表面の表面内に垂直に延在する刻み目の対向する傾斜した側壁の間に配置された開口部またはくぼみを指し得、このようなギャップ特徴は「垂直なギャップ特徴」と称され得る。「ギャップ特徴」という用語はまた、二つの対向する実質的に水平な表面の間に配置された開口部またはくぼみを意味し得、水平な表面は水平な開口部またはくぼみを繋ぎ、こうしたギャップ特徴は、「水平なギャップ特徴」と称され得る。本開示の実施形態は、垂直なギャップ特徴および/または水平なギャップ特徴の充填に限定されず、基材内および/または基材上に配置されたギャップの他の幾何学的形状は、本明細書に開示されるプロセスによってモリブデン金属で充填され得ることに留意されたい。
【0040】
本開示のいくつかの実施形態では、一つ以上の実質的に垂直なギャップ特徴を含み得、垂直なギャップ特徴は、2:1より大きい、または5:1より大きい、または10:1より大きい、または25:1より大きい、または50:1より大きい、または100:1よりも大きいアスペクト比(高さ:幅)を有し得、この例で使用される場合、「より大きい」とは、ギャップ特徴の高さにおけるより長い距離を意味する。本開示のいくつかの実施形態では、一つ以上の実質的に水平なギャップ特徴を含み得、水平なギャップ特徴は、1:2より大きい、または1:5より大きい、または1:10より大きい、または1:25より大きい、または1:50より大きい、または1:100よりも大きいアスペクト比(高さ:幅)を有し得、この例で使用される場合、「より大きい」とは、ギャップ特徴の幅におけるより長い距離を意味する。
【0041】
基材は、限定するものではないが、半導体材料、誘電材料、および金属材料を含む、一つ以上の材料および材料表面を含み得る。
【0042】
いくつかの実施形態では、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ゲルマニウムスズ(GeSn)、シリコンゲルマニウム(SiGe)、シリコンゲルマニウムスズ(SiGeSn)、ケイ素(SigeSn)、炭化ケイ素(SiC)、またはIII-V族の半導体材料、などの半導体材料を含み得る。
【0043】
いくつかの実施形態では、基材は、例えば、限定するものではないが、純金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、およびそれらの混合物などの金属材料を含み得る。
【0044】
いくつかの実施形態では、基材は、例えば、限定するものではないが、誘電材料および金属酸化物誘電材料を含むシリコン、などの誘電材料を含み得る。いくつかの実施形態では、基材は、例えば、限定するものではないが、二酸化ケイ素(SiO)、亜酸化ケイ素、窒化ケイ素(Si)、酸窒化ケイ素(SiON)、オキシ炭化ケイ素(SiOC)、オキシ炭化ケイ素窒化物(SiOCN)、シリコン炭窒化物(SicN)、などの誘電材料を含むシリコンを含む一つ以上の誘電体表面を含み得る。いくつかの実施形態では、基材は、限定するものではないが、例えば、酸化アルミニウム((Al)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化タンタル(Ta)、酸化ジルコニウム(ZrO))、酸化チタン(TiO)、ハフニウムケイ酸塩(HfSio)および酸化ランタン(La))、などの金属酸化物を含む一つ以上の誘電体表面を含み得る。
【0045】
本開示のいくつかの実施形態では、基材は設計された基材を備え得、表面半導体層は、その間に配置された介在する埋め込み酸化(BOX)によってバルク支持体上に配置される。
【0046】
パターン付き基材は、基材表面中または基材表面上に形成された半導体デバイス構造を含み得る基材を含み得、例えば、パターン付き基材は、例えば、トランジスタおよび/またはメモリ素子などの部分的に作成された半導体デバイス構造を含み得る。いくつかの実施形態では、基材は、単結晶表面および/または、多結晶表面および/または非結晶表面などの非単結晶表面を含み得る一つ以上の二次表面を含み得る。単結晶表面は、例えば、シリコン(Si)、シリコンゲルマニウム(SiGe)、ゲルマニウムスズ(gESn)、またはゲルマニウム(Ge)のうちの一つ以上を含み得る。多結晶または非晶質表面は、酸化物、酸窒化物、オキシカーバイド、オキシカーバイド窒化物、窒化物、またはそれらの混合物などの誘電材料を含み得る。
【0047】
モリブデン金属膜で一以上のギャップ特徴を充填するのに使用することができる反応器または反応チャンバは、周期的堆積プロセスを実施するように構成され得るが、プロセスの堆積段階は、例えば、原子層堆積または周期化学的化学蒸着等の周期的堆積プロセスを含み得る。したがって、本開示の実施形態を実施するのに適した反応器または反応チャンバは、前駆体を提供するように構成されたALD反応器およびCVD反応器を含み得る。いくつかの実施形態によれば、シャワーヘッド反応器を使用し得る。いくつかの実施形態によれば、クロスフロー、バッチ、ミニバッチ、または空間ALD反応器が使用され得る。
【0048】
本開示のいくつかの実施形態では、バッチ式反応器を使用し得る。いくつかの実施形態では、垂直バッチ式反応器を使用し得る。他の実施形態では、バッチ式反応器は、10枚以下のウェーハ、8枚以下のウェーハ、6枚以下のウェーハ、4枚以下のウェーハ、または2枚以下のウェーハを収容するように構成されたミニバッチ反応器を備える。バッチ式反応器が使用されるいくつかの実施形態では、ウェーハ間の不均一性は3%(1シグマ)未満、2%未満、1%未満または更には0.5%未満である。
【0049】
本明細書に記載されるように、例示的なモリブデン金属膜ギャップ充填プロセスは、クラスタツールに接続された反応器または反応チャンバ内で任意に実行されてもよい。クラスタツールでは、各反応チャンバが一つのタイプのプロセス専用であるため、各モジュール内の反応チャンバの温度を一定に保つことができ、各運転の前に基材をプロセス温度まで加熱する反応器と比較してスループットが向上する。更に、クラスタツールでは、反応チャンバを基材間で所望のプロセス圧力レベルに排気する時間を短縮することが可能である。本開示のいくつかの実施形態では、本明細書に開示される例示的なモリブデン金属膜ギャップ充填プロセスは、複数の反応チャンバを含むクラスタツール内で実施されてもよく、各個々の反応チャンバは、基材を個々の前駆体ガスに曝露させるために使用されてもよく、基材は複数の前駆体ガスに曝露されるように異なる反応チャンバ間を移送されてもよく、基材の移送は基材の酸化/汚染を回避するために制御された周辺環境下で実施される。例えば、本明細書に記載の周期的堆積エッチングプロセスは、堆積段階およびエッチング段階を含んでもよく、クラスタツールと関連付けられた第一の反応チャンバは、堆積段階のために使用されてもよく、同じクラスタツールと関連付けられた第二の反応チャンバは、エッチングプロセスのために使用されてもよく、基材および関連する金属膜の汚染または劣化を防ぐために、制御された環境下で第一の反応チャンバと第二の反応チャンバの間で反復して移送される。本開示のいくつかの実施形態では、本開示のモリブデン金属膜ギャップ充填プロセスは、複数の反応チャンバを備えるクラスタツール内で実施されてもよく、各個々の反応チャンバは、基材を異なる温度に加熱するように構成されてもよい。
【0050】
いくつかの実施形態では、本開示のギャップ充填プロセスは、ロードロックを備えることができる単独のスタンドアロン反応器内で実施し得る。その場合、各運転と運転との間に反応チャンバを冷却する必要はない。
【0051】
基材が例えば、原子層堆積反応チャンバまたは化学蒸着反応チャンバなどの適切な反応チャンバ内に配置されると、基材は所望のプロセス温度に加熱され得る。いくつかの実施形態では、例示的プロセス100の周期的堆積エッチングフェーズ205は、一定の基材温度で実施され得る。代替的な実施形態では、基材は、堆積段階には第一の基材温度および周期的堆積エッチングフェーズ205のエッチング段階には第二の基材温度に加熱され得る。
【0052】
本開示のいくつかの実施形態では、基材は、約800℃未満、または約700℃未満、または約600℃未満、または約500℃未満、または約400℃未満、または約300℃未満、または約200℃未満の基材温度まで加熱され得る。本開示のいくつかの実施形態では、基材温度は200℃~800℃の間、または300℃~700℃の間、または400℃~600℃の間、または525℃~575℃の間の例示的プロセス200のためのプロセス温度まで加熱され得る。
【0053】
更に、所望のプロセス温度、すなわち、所望の基材温度を達成するために、例示的ギャップ充填プロセス200はまた、ギャップ充填200の間、反応チャンバ内の圧力を調節してギャップ充填プロセスの望ましい特徴および一つ以上のギャップ特徴内に配置されるモリブデン金属膜を得ることができる。例えば、本開示のいくつかの実施形態では、例示的なギャップ充填プロセス200は、300Torr未満、または200Torr未満、または100Torr未満、または50Torr未満、または25Torr未満、または更には10Torr未満の反応チャンバ圧力に調節される反応チャンバ内で実施され得る。いくつかの実施形態では、例示的なギャップ充填プロセス200の間の反応チャンバ内の圧力は、10Torr~300Torr、または20Torr~80Torr、または40Torr~50Torr、または20Torr以上の圧力で調節され得る。
【0054】
基材が所望のプロセス温度に加熱され、反応チャンバ内の圧力が所望のレベルに調節されると、例示的なギャップ充填プロセス100は、周期的堆積エッチングフェーズ205によって続行され得る。いくつかの実施形態では、周期的堆積エッチングフェーズ205は、第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実施することによって、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することを含むプロセスブロック220によって開始され得る。プロセスブロック220およびその構成要素であるサブプロセスブロックは、図3を参照してより詳細に説明されるが、一つ以上のギャップ特徴内にモリブデン金属膜を堆積して、モリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填するための例示的な周期的堆積プロセスが説明される。
【0055】
より詳細におよび図3を参照して、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填するために用いられるプロセスブロック220は、例えば、原子層堆積(ALD)プロセスまたは周期的化学蒸着(CCVD)プロセスなどの第一の周期的堆積プロセスを含み得る。
【0056】
周期的堆積プロセスの非限定的な例示の実施形態は原子層堆積(ALD)を含み、ALDは典型的な自己制御反応に基づいており、それにより反応物質の逐次および交互パルスを用いて、堆積サイクル当たり材料の約1原子(または分子)単層を堆積する。堆積条件および前駆体は、典型的には、一つの反応物質の吸着層が同じ反応物質の気相の反応物質と非反応性の表面終端を残すように、自己飽和反応を提供するように選択される。その後、基材を、前の終端と反応する異なる反応物質と接触させ、連続的な堆積を可能にする。従って、交互パルスの各サイクルは、典型的には、所望の材料の約1層以下の単層を残す。しかし、上記のように、一つ以上のALDサイクルにおいて、例えば、交互するプロセスの性質にもかかわらずいくつかの気相反応が起こる場合、材料の一つより多い単層を堆積させることができることを、当業者は認識するであろう。
【0057】
一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填するために利用されるALD型プロセスにおいて、一単位堆積サイクルは、基材を第一の反応物質に曝露することと、任意の未反応の第一の反応物質および反応副生成物を反応チャンバから除去することと、基材を第二の気相反応物質に曝露することと、を含み得、第二の除去工程に続く。本開示のいくつかの実施形態では、第一の気相反応物質はモリブデン前駆体を含み、第二の気相反応物質は還元剤前駆体を含み得る。
【0058】
前駆体は、反応物質間の気相反応を防止し、自己飽和表面反応を可能にするように、アルゴン(Ar)または窒素(N)のような不活性ガスによって分離されることができる。いくつかの実施形態では、気相反応物質を防止するために使用される不活性ガスは、アルゴン(Ar)から成り、一つ以上のギャップ特徴の表面の窒化を防止するためにアルゴンが利用され得る。しかし、いくつかの実施形態では、基材を移動させて、第一の気相の反応物質と第二の気相の反応物質とを、別々に接触させることができる。反応が自己飽和するので、基材の厳密な温度制御および前駆体の正確な投与量制御は必要でない場合もある。しかし、基材温度は、入射ガス種が単層に凝縮しないように、および表面で分解しないようにすることが好ましい。基材を次の反応性化学物質と接触させる前に、余分な化学物質および反応副生成物がある場合には、それらを、例えば反応空間をパージすることによりまたは基材を移動させることにより、基材の表面から除去する。望ましくない気体の分子を、不活性パージガスを用いて反応空間から効果的に排出することができる。パージを促進するために、真空ポンプを使用することができる。
【0059】
本開示のいくつかの非限定的実施形態によると、プロセスブロック220(図3)は、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填するために利用されるALDプロセスを含み得る。本開示のいくつかの実施形態では、一単位のALDサイクルは、二つの別々の堆積工程または段階を含み得る。堆積サイクルの第一段階(「モリブデン段階」)では、堆積が望まれる基材の表面は、基材の表面上に化学吸着するモリブデン前駆体を含み、基材の表面上に反応物質種の約一層以下の単層を形成する第一の気相の反応物質と接触させ得る。堆積の第二の段階では、堆積が望まれる基材表面を、還元剤前駆体(「還元段階」)を含む第二の気相反応物質と接触させ得る。
【0060】
より詳細には、図3は、モリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填するための例示的なモリブデン堆積プロセス220を図示し、周期的堆積フェーズ305を含む。例示的原子層堆積プロセス220は、基材を第一の気相反応物質と接触させること、いくつかの実施形態では、モリブデンハライド前駆体、すなわちモリブデン前駆体を含む第一の気相反応物質と接触させること、を含むサブプロセスブロック310で開始し得る。
【0061】
本開示のいくつかの実施形態では、モリブデンハライド前駆体は、塩化モリブデン前駆体、ヨウ化モリブデン前駆体、または臭化モリブデン前駆体を含み得る。いくつかの実施形態では、モリブデンハライド前駆体は、モリブデンカルコゲナイドを含み得、特定の実施形態では、モリブデンカルコゲナイド前駆体は、モリブデンカルコゲナイドハライドを含み得る。例えば、モリブデンカルコゲナイドハライド前駆体は、オキシ塩化モリブデン、オキシヨウ化モリブデン、またはオキシ臭化モリブデンを含む群から選択される、モリブデンオキシハライドを含み得る。本開示の特定の実施形態では、モリブデン前駆体は、限定するものではないが、モリブデン(IV)ジクロリドジオキシド(MoOCl)を含むオキシ塩化モリブデンを含み得る。
【0062】
本開示のいくつかの実施形態では、基材をモリブデンハライド前駆体を含む第一の気相反応物質と接触させることは、モリブデンハライド前駆体を基材に、約0.1秒~約60秒間、約0.1秒~約10秒間、または約0.5秒~約5.0秒間、または更には1.0秒~2.0秒間、接触させることを含み得る。更に、基材をモリブデンハライド前駆体と接触させる間、モリブデンハライド前駆体の流量は、1000sccm未満、または500sccm未満、または100sccm未満、または10sccm未満、または更に1sccm未満であり得る。更に、基材をモリブデンハライド前駆体と接触させる間、モリブデン前駆体の流量は、約1~2000sccm、約5~1000sccm、または約10~約500sccmの範囲であり得る。
【0063】
図3の例示的プロセスブロック220によって説明されるように、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填するための原子層堆積プロセスの例は、反応チャンバをパージすることによって継続され得る。例えば、過剰な第一の気相反応物質および反応副生成物(あれば)を、例えば、不活性ガスでポンプ注入することによって、基材の表面から除去することができる。本開示のいくつかの実施形態では、パージプロセスは、パージサイクルを含んでもよく、基材表面は、約5.0秒未満、または約3.0秒未満、または更に約2.0秒未満の時間にわたってパージされる。例えば、過剰なモリブデン前駆体および可能性のある反応副生成物などの過剰な第一の気相反応物質を、反応チャンバと流体連通するポンプシステムによって生成される真空を用いて除去してもよい。
【0064】
反応チャンバをパージサイクルでパージすると、例示的な原子層堆積プロセスブロック220は、基材を第二の気相の反応物質と接触させること、特に基材を還元剤前駆体(「還元前駆体」)を含む第二の気相反応物質と接触させることを含むサブプロセスブロック320によって、周期的堆積フェーズ305の第二段階を継続し得る。
【0065】
本開示のいくつかの実施形態では、還元剤前駆体は、少なくとも一つのフォーミングガス(H+N)、アンモニア(NH)、ヒドラジン(N)、アルキル-ヒドラジン(例えば、三級ブチルヒドラジンC12))、水素分子(H)、水素原子(H)、水素プラズマ、水素ラジカル、水素励起種、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、ボラン、またはアミンを含み得る。更なる実施形態では、還元剤前駆体は、少なくとも一つのシラン(SiH)、ジシラン(Si)、トリシラン(Si)、ゲルマン(GeH)ジゲルマン(Ge)、ボラン(BH)、またはジボラン(B)を含み得る。本開示の特定の実施形態では、還元剤前駆体は水素分子(H)を含み得る。
【0066】
本開示のいくつかの実施形態では、基材を還元剤前駆体と接触させることは、基材を還元材前駆体と、約0.01秒~約180秒間、約0.05秒~約60秒間、または約0.1秒~約30.0秒間、接触させることを含み得る。更に、基材を還元剤前駆体と接触させる間、還元剤前駆体の流量は、30slm未満、または15slm未満、または10slm未満、または5slm未満、または1slm未満、または更に0.1slm未満であってもよい。更に、基材を還元剤前駆体と接触させる間、還元剤前駆体の流量は、約0.1~30slm、約5~15slm、または10slm以上の範囲であり得る。
【0067】
基材を還元剤前駆体と接触させると、少なくとも部分的にモリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を充填するための例示的プロセスブロック220は、反応チャンバをパージすることによって進めることができる。例えば、過剰な還元剤前駆体および反応副生成物を、例えば、不活性ガスを流しながらポンプ注入することによって、基材の表面から除去することができる。本開示のいくつかの実施形態では、パージプロセスは、基材表面を約0.1秒~約30秒間、または約0.5秒~約10秒間、または更には約1秒~2秒間、パージすることを含み得る。
【0068】
第二の気相反応物質、すなわち、反応チャンバからの還元剤前駆体(および反応副生成物)のパージが完了すると、例示的な原子層堆積プロセス220の周期的堆積フェーズ305は決定ゲート340で継続され、決定ゲート340は一つ以上のギャップ特徴内に堆積されたモリブデン金属膜の厚さに依存する。例えば、本開示の実施形態は、一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填する周期的堆積エッチングプロセスを利用することができ、したがって、一つ以上のギャップ特徴内に堆積されたモリブデン膜の厚さは、望ましくない継ぎ目の形成をもたらし得るため、ギャップ特徴の入口でのギャップ特徴の早期閉鎖を引き起こし得る厚さよりも小さくあるべきある。例えば、モリブデン金属膜が所望のギャップ特徴の幾何学的形状に対して不十分な厚さで堆積された場合、サブプロセスブロック310に戻ること、および更なる堆積サイクルを継続することによって周期的堆積フェーズ305を繰り返してもよく、一単位の堆積サイクルは、基材をモリブデンハライド前駆体と接触させること(サブプロセスブロック310)、反応チャンバをパージすること、基材を還元剤前駆体と接触させること(サブプロセスブロック320)、およびまた反応チャンバをパージすること、を含み得る。周期的堆積フェーズ305の単位堆積サイクルは、一つ以上のギャップ特徴内にモリブデン金属膜の所望の厚さが堆積されるまで、一回以上繰り返され、それによって一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填する。したがって、一つ以上のギャップ特徴内に堆積されるモリブデン金属膜の所望の厚さは、充填されるギャップ特徴のアスペクト比に依存し得る。モリブデン金属膜が所望の厚さに堆積されると、例示的な原子層堆積プロセスブロック220は、サブプロセスブロック340を介して終了し、一つ以上の部分的に充填されたギャップ特徴を含む基材は、図1の例示的なギャップ充填プロセス100の追加的プロセスに供され得る。
【0069】
当然のことながら、本開示のいくつかの実施形態では、基材を第一の気相反応物質(例えば、モリブデン前駆体)および第二の気相反応物質(例えば、還元前駆体)と接触させる順序は、基材を最初に第二の気相反応物質と接触させるのに続いて、第一の気相反応物質と接触させるようにすることができる。更に、いくつかの実施形態では、例示的なプロセスブロック220の周期的堆積フェーズ305は、基材を第二の気相反応物質と一回以上接触させる前に、基材を第一の気相反応物質と一回以上接触させることを含んでもよい。更に、いくつかの実施形態では、例示的なプロセスブロック220の周期的堆積フェーズ305は、基材を第一の気相反応物質と一回以上接触させる前に、基材を第二の気相反応物質と一回以上接触させることを含んでもよい。
【0070】
いくつかの実施形態では、一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填するために利用される周期的堆積プロセスは、ハイブリッド型ALD/CVDまたは周期的CVDプロセスであってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ALDプロセスの成長速度は、CVDプロセスと比較して低い場合がある。成長速度を増加させる一つのアプローチは、ALDプロセスにおいて典型的に使用される温度よりも高い基材温度で動作するアプローチであり、結果として化学蒸着プロセスの部分になるが、更に前駆体の逐次導入を利用し、このようなプロセスは周期的CVDと呼ばれ得る。いくつかの実施形態では、周期的CVDプロセスは、反応チャンバ内への二つ以上の前駆体の導入を含み得、反応チャンバ内の二つ以上の前駆体の間の重複の期間は、堆積のALD成分と堆積のCVD成分の両方をもたらす。例えば、周期的CVDプロセスは、一つの前駆体の連続的な流れ、および第二の前駆体の反応チャンバへの定期的なパルスを含み得る。
【0071】
最初のモリブデン金属が堆積(すなわち、プロセスブロック220を利用して)され、モリブデン金属膜が一つ以上のギャップ特徴を充填すると、例示的なギャップ充填プロセス100の周期的堆積エッチングフェーズ205(図2)は、モリブデン金属膜を部分的にエッチングすることを含むプロセスブロック230を包含することができるエッチング段階で継続され得る。
【0072】
より詳細には、モリブデン金属膜の部分的エッチングの間、基材は、堆積段階(すなわち、プロセスブロック220)で利用される同一のプロセス温度で維持されてもよく、または代替的にモリブデン金属膜の部分的エッチングの間、プロセス温度は堆積段階で利用されるものと異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、プロセス温度、すなわち、基材温度は、エッチング段階(すなわち、プロセスブロック230)中、約800℃未満、または約700℃未満、または約600℃未満、または約500℃未満、または約400℃未満、または約300℃未満、または約200℃未満であり得る。本開示のいくつかの実施形態では、エッチング段階中の基材温度は200℃~800℃の間、または300℃~700℃の間、または400℃~600℃の間、または525℃~575℃の間であり得る。
【0073】
より詳細には、所望のプロセス温度、すなわち、所望の基材温度、を達成するのに加え、モリブデン金属膜の部分的エッチングの間、反応チャンバの圧力は、堆積段階(すなわち、プロセスブロック220)で利用される同一の圧力に調節されてもよく、または代替的にモリブデン金属膜の部分的エッチングの間、反応チャンバの圧力は堆積段階で利用されるものと異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜を部分的にエッチングするために利用されるエッチング段階の間の反応チャンバ内の圧力は、300Torr未満、または200Torr未満、または100Torr未満、または50Torr未満、または25Torr未満、または更に10Torr未満、の反応チャンバ圧力に調節されてもよい。いくつかの実施形態では、周期的堆積エッチングフェーズ205のエッチング段階の間の反応チャンバ内の圧力は、10Torr~300Torr、または20Torr~80Torr、または40Torr~50Torr、または更に20Torr以上の圧力で調節され得る。
【0074】
所望の基材温度および反応チャンバ圧力を得るのに際し、モリブデン金属膜を部分的にエッチングするプロセスは、エッチングガスを反応チャンバへ流すこと、およびモリブデン金属膜をエッチングガスと接触させることを含み得る。いくつかの実施形態では、エッチングガスは、例えば、塩素蒸気(Cl)、または塩酸蒸気(HCl)などの塩化エッチングガスを含む。本開示の特定の実施形態では、塩化エッチングガスは、例えば、モリブデンペンタクロリド(MoCl)などの塩化モリブデンを含み得る。したがって、いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜の堆積に利用される前駆体およびモリブデン金属膜を部分的にエッチングするために利用されるエッチングガスは、ともにモリブデン成分を含む。
【0075】
本開示のいくつかの実施形態では、モリブデン前駆体を部分的にエッチングすることは、基材および特にモリブデン金属膜を塩化モリブデンエッチングガスと、約0.1秒~約30秒間、約0.1秒~約10秒間、または約0.5秒~約5.0秒間、または更には1.0秒~2.0秒間、接触させることを含み得る。更に、モリブデン金属膜を塩化モリブデンエッチングガスで部分的にエッチングする間、塩化モリブデンエッチングガスの流量は、5000sccm未満、または1000sccm未満、または500sccm未満、または更に100sccm未満であってもよい。
【0076】
本開示のいくつかの実施形態では、モリブデン金属膜のエッチング速度は、10Å/s未満、または8Å/s未満、または6Å/s未満、または4Å/s未満、または更には2Å/s未満であってもよい。例えば、モリブデン金属膜の部分的エッチングは、20Å未満、または10Å未満、または更には5Å未満のモリブデン金属膜の厚さをエッチングすることを含み得る。いくつかの実施形態では、塩化モリブデンエッチングガスは、一つ以上のギャップ特徴の入口の近位でモリブデン金属膜を優先的にエッチングし、それによって、その後の金属ギャップ充填プロセスのため、一つ以上のギャップ特徴への開口を維持し得る。
【0077】
周期的堆積エッチングフェーズ205のエッチング段階は、反応チャンバをパージすることによって継続し得る。例えば、塩化モリブデンエッチングガスおよび反応副生成物(あれば)は、例えば、不活性ガスをポンプ注入することによって、基材の表面から除去することができる。本開示のいくつかの実施形態では、パージプロセスは、パージサイクルを含んでもよく、基材表面は、約10.0秒未満、または約5.0秒未満、または更に約2.0秒未満の時間にわたってパージされる。過剰な塩化モリブデンエッチングガスおよび可能性のある反応副生成物を、反応チャンバと流体連通するポンプシステムによって生成される真空を用いて除去してもよい。
【0078】
例示的なギャップ充填プロセス100の周期的堆積エッチングフェーズ205は、決定ゲート240で継続されてもよく、決定ゲート240は、ギャップ特徴に形成されたモリブデン金属膜の厚さに依存する。例えば、モリブデン金属膜が所望のギャップ特徴に対して不十分な厚さで形成される場合、周期的堆積エッチングフェーズ205は、プロセスブロック220に戻ること、および更なる周期的堆積サイクルを継続することによって繰り返されてもよく、一単位の周期的堆積サイクルは、モリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填すること(プロセスブロック220)、反応チャンバをパージすること、モリブデン金属膜を部分的にエッチングすること(プロセスブロック230)、および再び反応チャンバをパージすること、を含み得る。周期的堆積エッチングフェーズ205の単位サイクルは、所望の厚さのモリブデン金属膜が一つ以上のギャップ特徴内に形成されるまで、一回以上繰り返されてもよく、周期的堆積エッチングフェーズの一回または繰り返しによって形成されるモリブデン金属膜の所望の厚さは、充填されるギャップ特徴のアスペクト比に依存し得る。いくつかの実施形態では、周期的堆積エッチングフェーズ205は、一つ以上のギャップ特徴が、モリブデン金属膜で少なくとも80パーセント、または90パーセント、または更には95パーセント充填されるまで繰り返され得る。
【0079】
モリブデン金属膜が所望の厚さに形成されると、周期的堆積エッチングフェーズ205は停止し、第二の周期的堆積プロセスによってモリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を充填することを含むプロセスブロック250によって、例示的ギャップ充填プロセス100が継続され得る。
【0080】
より詳細には、周期的堆積プロセス205は、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填し、第二の周期的堆積プロセスを含む第二の堆積プロセスを利用して、モリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を完全に充填し得る。第二の堆積プロセス(プロセスブロック250)は、第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することを含み得る。いくつかの実施形態では、第二の周期的堆積プロセスは、モリブデン金属フィルムで一つ以上のギャップ特徴を部分的に充填するのに利用される第一の周期的堆積プロセス(すなわち、プロセスブロック220)と同じであってもよい。したがって、プロセスブロック250は、プロセスがプロセスブロック220を参照して以前に説明されているため、図3を参照しながら簡潔に説明される。
【0081】
したがって、より詳細には、部分的に充填されたギャップ特徴を含む基材は、原子層堆積プロセスおよび/または周期的化学蒸着プロセスのうちの少なくとも一つのために構成された反応チャンバ内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、第二の周期的堆積プロセスは、原子層堆積プロセスまたは周期的化学蒸着プロセスを含んでもよい。
【0082】
いくつかの実施形態では、第二の周期的堆積サイクルに利用されるプロセス温度は、第一の周期的堆積プロセスに利用されるものと同じであってもよい。例えば、プロセス温度、すなわち、第二の周期的堆積プロセスの間の基材温度は、約800℃未満、または約700℃未満、または約600℃未満、または約500℃未満、または約400℃未満、または約300℃未満、または約200℃未満であり得る。本開示のいくつかの実施形態では、第二の周期的堆積プロセスの間の基材温度は200℃~800℃の間、または300℃~700℃の間、または400℃~600℃の間、または525℃~575℃の間であり得る。
【0083】
所望のプロセス温度、すなわち、所望の基材温度を達成することに加えて、第二の周期的堆積プロセスの間、反応チャンバ圧力は、第一の周期的堆積段階(すなわち、プロセスブロック220)で利用される同一の圧力で調整されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜で一つ以上のギャップ特徴を充填するための第二の周期的堆積プロセスの間の反応チャンバ内の圧力は、300Torr未満、または200Torr未満、または100Torr未満、または50Torr未満、または25Torr未満、または更に10Torr未満、の反応チャンバ圧力に調節されてもよい。いくつかの実施形態では、第二の周期的堆積プロセスの間の反応チャンバ内の圧力は、10Torr~300Torr、または20Torr~80Torr、または40Torr~50Torr、または20Torr以上の圧力で調節され得る。
【0084】
本開示のいくつかの実施形態では、第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することは、図3の周期的堆積フェーズ305の少なくとも一つの単位サイクルを実施すること、すなわち、基材を還元剤前駆体と接触させること(サブプロセスブロック310)、反応チャンバをパージすること、基材を還元剤前駆体と接触させること(サブプロセスブロック320)、および反応チャンバをパージすること、を含み得る。モリブデンハライド前駆体は、前述のようにモリブデンハライド前駆体すべてを含んでもよく、特定の実施形態では、モリブデンハライド前駆体は、モリブデン(IV)ジクロリドジオキシド(MoOCl)を含み得る。還元剤前駆体は、前述のようにすべての還元剤前駆体を含んでもよく、特定の実施形態では、還元剤前駆体は、水素分子(H)を含んでもよい。
【0085】
第二の周期的堆積プロセス250は、決定ゲート340の手段であり続けてもよく、決定ゲート340は、一つ以上のギャップ特徴に形成されたモリブデン金属膜の厚さに依存する。例えば、モリブデン金属膜が一つ以上のギャップ特徴を完全に充填するのには不十分な厚さで堆積された場合、サブプロセスブロック310に戻ること、および更なる堆積サイクルを継続することによって周期的堆積フェーズ305を繰り返してもよく、一単位の堆積サイクルは、基材をモリブデンハライド前駆体と接触させること(サブプロセスブロック310)、反応チャンバをパージすること、基材を還元剤前駆体と接触させること(サブプロセスブロック320)、およびまた反応チャンバをパージすること、を含み得る。周期的堆積フェーズ305の単位堆積サイクルは、一つ以上のギャップ特徴が完全にモリブデン金属膜で充填されるまで一回以上繰り返されてもよい。モリブデン金属膜が一つ以上のギャップ特徴を完全に充填すると、例示的な原子層堆積プロセスブロック250は、サブプロセスブロック340を介して終了し、一つ以上の充填されたギャップ特徴を含む基材は、図1の例示的なギャップ充填プロセス100の追加的プロセスに供され得る。例えば、例示的なギャップ充填プロセス100の最終プロセスブロックは、ギャップ充填プロセスを終了するプロセスブロック260を含んでもよく、モリブデンで充填された一つ以上のギャップ特徴を有する基材は、次いで所望の半導体デバイス構造を完成させるための更なるプロセスに供され得る。
【0086】
本開示のいくつかの実施形態では、形成されたモリブデン金属膜は、約20Å~約250Å、または約50Å~約200Å、または更には約100Å~約150Åの厚さを有してもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるいくつかの実施形態に従って形成されたモリブデン金属膜は、約20Åを超える、または約30Åを超える、または約40Åを超える、または約50Åを超える、または約60Åを超える、または約100Åを超える、または約250Åを超える、または約500Åを超える、またはそれを超える、厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるいくつかの実施形態に従って形成されたモリブデン金属膜は、約250Å未満、または約100Å未満、または約50Å未満、または約25Å未満、または約10Å未満、または更には約5Å未満の厚さを有し得る。
【0087】
いくつかの実施形態では、本開示のいくつかの実施形態では、ギャップ充填モリブデン金属膜は結晶膜を含み得る。いくつかの実施形態では、ギャップ充填モリブデン金属膜は、多結晶性膜を含んでもよく、多結晶性モリブデン金属膜を含む複数の結晶粒子は、100Åより大きい粒子サイズを有してもよい。
【0088】
本開示のいくつかの実施形態では、本明細書の開示方法によって形成されるモリブデン金属膜は、一つ以上の垂直なギャップ特徴および/または一つ以上の水平なギャップ特徴を充填するために利用され得る。
【0089】
例えば、図4Aは、垂直高アスペクト比ギャップ特徴404を有する基材402を備える半導体デバイス構造400を図示し、アスペクト比(高さ:幅)は、2:1より大きく、または5:1より大きく、または10:1より大きく、または25:1より大きく、または50:1より大きく、または更には100:1より大きく、この特定の例における「より大きい」とは、ギャップ特徴の高さにおける距離を示す。
【0090】
本明細書で開示されるギャップ充填方法は、モリブデン金属406によって説明されるように、垂直高アスペクト比特徴404の表面上に直接モリブデン金属膜を形成するために利用され得る。本開示のいくつかの実施形態では、垂直高アスペクト比特徴の表面は誘電材料を含み得、したがって、モリブデンギャップ充填金属406は、誘電材料表面上に直接配置されてもよい。代替的な実施形態では、垂直高アスペクト比特徴404は、例えば、純金属、金属窒化物、金属炭化物、金属炭化物、金属ホウ化物またはそれらの混合物などの金属材料を含み得る内張り材料405で裏打ちされてもよい。従って、いくつかの実施形態では、垂直高アスペクト比特徴の表面は金属材料を含み得、したがって、モリブデンギャップ充填金属406は、金属材料表面上に直接配置されてもよい。
【0091】
いくつかの実施形態では、垂直高アスペクト比ギャップ特徴を直接モリブデン金属膜で被覆する工程は、約50%以上、約80%超、または約90%超、または約95%超、または約98%超、または約99%以上でありうる。
【0092】
非限定的な例として、半導体デバイス構造400は、部分的に作成されたCMOSロジックデバイスを表してもよく、基材402は、層間誘電体を備えてもよく、またモリブデン金属膜406は、一つ以上のトランジスタ構造(図示せず)への電気接続を提供するための金属ギャップ充填を含んでもよい。図4Aに示すように、モリブデン金属膜406は、中間バリア層材料を必要とせずに、誘電材料402と直接接触してもよく、それによって半導体デバイス構造400の全体的な実効電気抵抗率を低減する。
【0093】
いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜は、ギャップ充填金属化として利用されてもよく、またモリブデン金属膜は、継ぎ目を形成することなく、ギャップ特徴、すなわち、垂直高アスペクト比ギャップ特徴を充填し得、継ぎ目は、ギャップ充填材料に形成される縁の当接によって形成される線または一つ以上の空隙を指してもよく、継ぎ目は、走査型透過電子顕微鏡法(STEM)または透過電子顕微鏡法(TEM)を使用することによって確認し得、観察によってギャップ充填材料内にはっきりした垂直な線または一つ以上の垂直な空隙が明らかになった場合には、継ぎ目が存在する。
【0094】
更なる非限定的な例として、図4Bは、一つ以上の水平高アスペクト比ギャップ特徴412を有する基材410を備える半導体デバイス構造408を図示し、アスペクト比(高さ:幅)は、1:2より大きく、または1:5より大きく、または1:10より大きく、または1:25より大きく、または1:50より大きく、または更には100:1より大きく、この特定の例における「より大きい」という用語は、ギャップ特徴の幅におけるより大きな距離を示す。本明細書で開示される堆積方法は、モリブデン金属414によって説明されるように、水平高アスペクト比ギャップ特徴412の表面上に直接モリブデン金属膜を形成するために利用され得る。いくつかの実施形態では、基材410および水平なギャップ特徴の表面は誘電材料を含み得、したがって、モリブデンギャップ充填金属は、誘電表面上に直接配置されてもよい。代替的な実施形態では、基材410は、金属材料を含み得る内張り材料415で裏打ちされてもよく、従ってモリブデンギャップ充填金属414は金属表面上に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、水平高アスペクト比ギャップ特徴を直接モリブデン金属膜で被覆する工程は、約50%以上、約80%超、または約90%超、または約95%超、または約98%超、または約99%以上でありうる。
【0095】
非限定的な例示的な実施形態として、半導体デバイス構造408は、部分的に作成された記憶装置の一部分を表してもよく、基材412が酸化アルミニウム(Al)を含み、およびモリブデン金属膜406は、金属ゲート構造を含んでもよい
【0096】
垂直なギャップ充填プロセスとして、前述のように、モリブデン金属膜は、継ぎ目を形成することなく、水平高アスペクト比特徴に対するギャップ充填金属化として利用され得る。
【0097】
本開示のいくつかの実施形態では、本開示の実施形態に従って形成されたモリブデンギャップ充填金属膜は、低い電気抵抗率のモリブデン金属膜を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜は、3000μΩ-cm未満、または1000μΩ-cm未満、または500μΩ-cm未満、または200μΩ-cm未満、または100μΩ-cm未満、または50μΩ-cm未満、または25μΩ-cm未満、または15μΩ-cmまたは更に10μΩ-cm未満の電気抵抗率を有することができる。非限定的な例として、モリブデン金属膜を利用して、一つ以上のギャップ特徴を、約100Å未満の厚さに充填することができ、モリブデン金属膜は35μΩ-cm未満の電気抵抗率を示し得る。更なる非限定的な例として、モリブデン金属膜を利用して、一つ以上のギャップ特徴を、200Å未満の厚さに充填することができ、モリブデン金属膜は25μΩ-cm未満の電気抵抗率を示し得る。
【0098】
本開示のいくつかの実施形態では、ギャップ充填方法は、低原子百分率(at.%)の不純物を有するモリブデン金属膜を形成することを更に含み得る。例えば、本開示のモリブデン金属膜は、5at.%未満、または2at.%未満、または更には1at.%未満の不純物濃度を含み得る。いくつかの実施形態では、モリブデン金属膜内に配置された不純物は、少なくとも酸素および塩素を含み得る。
【0099】
上に記載した本開示の例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその法的等価物により定義される、本発明の実施形態の単なる例であるため、これらの実施形態によって本発明の範囲は限定されない。いかなる同等の実施形態も、本発明の範囲内にあることを意図している。実際に、記載した要素の代替の有用な組み合わせなど、本明細書に示し記載したものに加えて、本開示の様々な改変が、記載から当業者に明らかとなってもよい。このような改変および実施形態もまた、添付の特許請求の範囲に入ると意図される。
本発明は以下の態様を含む。
[1]
基材表面上のギャップ特徴を充填するための方法であって、
一つ以上のギャップ特徴を含む基材を反応チャンバに供給することと、
周期的堆積エッチングプロセスによって前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填することであって、前記周期的堆積エッチングプロセスの単位サイクルが、
第一の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で部分的に充填すること、および、
前記モリブデン金属膜を部分的にエッチングすることを含む、部分的に充填することと、
第二の周期的堆積プロセスの少なくとも一つの単位サイクルを実行することによって、前記一つ以上のギャップ特徴をモリブデン金属膜で充填することと、を含む、方法。
[2]
前記基材を300℃~700℃の基材温度に加熱すること更に含む、[1]に記載の方法。
[3]
前記反応チャンバ内の前記圧力を20Torrより大きく調節することを更に含む、[1]に記載の方法。
[4]
前記第一および第二の周期的堆積プロセスの単位サイクルが、
前記基材をモリブデンハライド前駆体を含む第一の気相反応物質と接触させることと、
前記基材を還元剤前駆体を含む第二の気相反応物質と接触させることと、を含む、[1]に記載の方法。
[5]
前記モリブデンハライド前駆体が、モリブデンカルコゲナイドハライドを含む、[4]に記載の方法。
[6]
前記モリブデンカルコゲナイドハライドは、モリブデンオキシハライド、オキシヨウ化モリブデン、またはオキシ臭化モリブデンを含む群から選択される、モリブデンオキシハライドを含む、[5]に記載の方法。
[7]
前記オキシ塩化モリブデンが、モリブデン(IV)ジクロリドジオキシド(MoO Cl )を含む、[6]に記載の方法。
[8]
前記還元剤前駆体が、水素分子(H )、水素原子(H)、フォーミングガス(H +N )、アンモニア(NH )、ヒドラジン(N )、ヒドラジン誘導体、水素系プラズマ、水素ラジカル、水素励起種、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、ボラン、アミン、またはシランの少なくとも一つを含む、[4]に記載の方法。
[9]
前記第一および第二の周期的堆積プロセスが、原子層堆積プロセスを含む、[4]に記載の方法。
[10]
前記第一および第二の周期的堆積プロセスが、周期的化学蒸着プロセスを含む、[4]に記載の方法。
[11]
前記モリブデン膜を部分的にエッチングすることが、前記モリブデン金属膜をモリブデンハライドエッチング液と接触させることを更に含む、[1]に記載の方法。
[12]
前記モリブデンハライドエッチング液が、モリブデンペンタクロリド(MoCl )を含む、[11]に記載の方法。
[13]
前記一つ以上のギャップ特徴が、2:1より大きいアスペクト比を有する実質的に垂直なギャップ特徴を含む、[1]に記載の方法。
[14]
前記一つ以上のギャップ特徴が、1:2より大きいアスペクト比を有する実質的に水平なギャップ特徴を含む、[1]に記載の方法。
[15]
前記モリブデン金属膜が、継ぎ目の形成なしに、前記一つ以上のギャップ特徴を充填する、[1]に記載の方法。
[16]
前記周期的堆積プロセスが、誘電体表面上に直接、前記モリブデン金属膜を堆積することを含む、[4]に記載の方法。
[17]
前記周期的堆積プロセスが、金属表面上に直接、前記モリブデン金属膜を堆積することを含む、[4]に記載の方法。
[18]
[1]に記載の方法によってモリブデン金属膜で充填された一つ以上のギャップ特徴を含む、半導体デバイス構造。
図1
図2
図3
図4