(57)【要約】  高アスペクト比空間へ共形フィルムを蒸着する方法は、蒸着より前に空間内に前駆体ガスの勾配を形成するステップを含む。例えば、勾配は蒸着チャンバ内を減圧することにより、あるいは、蒸着チャンバの部分的な排出によって形成される。基板の温度がその後一時的に上昇することによって、高アスペクト比空間の閉じている、又は「深い」部分へ前駆物質が蒸着することが好ましい。このプロセスを複数サイクルくり返して、完全に空間を充填する。このプロセスにより、できたデバイスの動作に悪影響を与えるボイドもキーホールも発生させずに、高アスペクト比空間を充填することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高アスペクト比空間内への共形フィルムを蒸着する方法が、
ａ）蒸着が起こるしきい値以下の温度で、１０より大きいアスペクト比を有する基板を維持することと；
ｂ）前駆体ガスに前記基板を曝すことと；
ｃ）前記基板の周囲を減圧することと；
ｄ）前記基板温度を前記しきい値より一時的に上昇すること；
からなることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、（ａ）から（ｄ）までのステップが、複数回くり返されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記フィルムが金属フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記フィルムが半導体フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記フィルムが絶縁体フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記フィルムの合計厚が約０．１ｎｍから約１μｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記空間が１００より大きいアスペクト比を有することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、前記空間が１０００より大きいアスペクト比を有することを特徴とする方法。
【請求項９】
高アスペクト比空間内への共形フィルムを蒸着する方法が、
ａ）化学蒸着反応が起こる前記しきい値以下の温度で、１０より大きいアスペクト比を伴う空間を有する基板を維持することと；
ｂ）前駆体ガスに前記基板を曝すことと；
ｃ）前記基板の周囲を減圧することと；
ｄ）前記空間内へフィルムを化学蒸着するために前記基板温度を前記しきい値温度より上昇すること；
ｅ）化学蒸着のために、前記しきい値温度より前記基板温度を下降すること；
ｆ）（ａ）から（ｅ）のステップを複数回くり返すこと；
からなることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記フィルムが金属フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記フィルムが半導体フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、前記フィルムが絶縁体フィルムからなることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法において、前記フィルムの合計厚が約０．１ｎｍから約１μｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の方法において、前記圧力がしきい値より減少した後に、前記温度が前記しきい値より下降することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法において、前記温度が所定時間後に前記しきい値より下降することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項９に記載の方法において、各サイクルの間に蒸着される前記フィルムの厚さが約０．１ｎｍから約３ｎｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１の前記プロセスにより製造される半導体デバイス。
【請求項１８】
請求項９の前記プロセスにより製造される半導体デバイス。
【請求項１９】
高アスペクト比空間内への共形フィルムを蒸着する方法が、
ａ）蒸着が起こるしきい値以下の温度で、１０より大きいアスペクト比を伴う空間を有する基板を維持することと；
ｂ）前駆体ガスに前記基板を曝すことと；
ｃ）前記空間内に前駆体ガスの勾配を形成し、前記空間の最も深い部分が最も高濃度の前駆体ガスを有すること；
ｄ）前記基板温度を前記しきい値より一時的に上昇すること；
からなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野
本発明の分野は、概して基板上に共形フィルムを蒸着する方法に関する。特に、本発明の分野は、ギャップ、ビア、そしてトレンチのような高アスペクト比空間上若しくは高アスペクト比空間内に共形フィルムを蒸着する方法に関する。
【０００２】
本発明の背景技術
半導体産業では集積回路に取り付ける半導体デバイスのサイズをますます小さくするようになっている。例えば、今日の半導体製品に必要不可欠な回路密度の増大に対応するには小型化が求められる。シリコンベース集積回路技術の急速な進歩は、高アスペクト比を伴う空間、例えば最短寸法に対する最長寸法の比率が１０以上であるような空間内へ膜を蒸着する能力に対してますます厳しい要件をもたらしている。多くの半導体デバイスは独自の蒸着プロセス問題を呈している大きなアスペクト比を包含する、例えば、ビア、ギャップ、トレンチ、若しくはその他の構造体を含んでいる。
【０００３】
このような問題の一つは、化学蒸着（ＣＶＤ）技術を使用して大アスペクト比を持つ空間を充填する時に生ずる。一例では、ＣＶＤプロセスを用いて充填する高アスペクト比を持つトレンチを含んでいる。従来のプロセスでは、このトレンチはそこに含まれる一又はそれ以上の空隙（ボイド）やキーホールで形成されることがある。このボイド又はキーホールが作り出される理由は、蒸着反応物がトレンチの入口近傍（例えば、先端部）の近くにカスプやハットが優先的に成長する傾向にあるからである。この結果、終端や底部と比べてトレンチの入口や開口部付近で蒸着層がより厚くなる。それ故に、トレンチの開口部近傍の蒸着層が閉じ、若しくは狭窄し、充填されずに残った空間ができる。
【０００４】
半導体デバイス内に残ったボイドは重大な問題をもたらす。例えば、ボイドはボイド内部に含まれる気体（又はその他の物質）により生じたデバイスの欠陥となる。更に、続く蒸着プロセスの間に、ボイドが導電物質で充填されることがあり、これによってデバイス部品をショートさせる可能性がある。
【０００５】
米国特許出願第．２００５／００９５８７２号（“Ｂｅｌｙａｎｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．”）は高アスペクト比のギャップ充填を充填するためのプロセスを開示している。Ｂｅｌｙａｎｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．によると、充填するべきギャップを持つ基板が１０ミリトール未満の第１の圧力で高密度プラズマ状態下で第１の酸化物前駆体と接触し、そこで、ギャップが第１の酸化物で部分的に充填される。その後、基板は、１０ミリトールより高い第２の圧力で、高密度プラズマ状態下で第２の酸化物前駆体と不活性ガスに接触し、ギャップが更に第２の酸化物で充填される。
【０００６】
別の態様では、Ｂｅｌｙａｎｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．は、処理チャンバ内で蒸着した基板上に共形誘電層を蒸着する方法を開示しており、そこでは充填すべきギャップを持つ基板が、処理チャンバ内の電極上に設けられている。酸化物前駆体が１０ミリトール未満の圧力でチャンバ内へ流入して、部分的にギャップを充填する。チャンバ内の圧力は１０ミリトールより高く加圧され、不活性ガスがチャンバ内に流入して、ギャップを満たす。
【０００７】
このように、Ｂｅｌｙａｎｓｋｙ  ｅｔ  ａｌ．は高密度プラズマ化学蒸着法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）システムで使用する１又は２成分の酸化物前駆体物質を利用している。
【０００８】
このように、高密度プラズマシステムを使用することなく、高アスペクト比空間に共形フィルムを蒸着するには、ＣＶＤベースのプロセスが必要である。例えば、可変変圧法（ＶＰＣＶＤ）を用いて、１０より大きなアスペクト比を有する空間内に、ボイドやキーホールのない充填や膜をつくるプロセスが必要である。例えば、１００００、若しくはそれより高いアスペクト比を持つナノメータサイズの寸法を伴う空間内に、共形フィルムを蒸着する方法が求められている。
【０００９】
本発明の概要
本発明の一態様では、基板内の高アスペクト比空間を満たすためのＣＶＤベースのプロセスが、蒸着前に前記空間内部に前駆体ガスの勾配を形成するステップを具える。この勾配は、例えば最初に、高圧で蒸着チャンバを反応ガスで満たして、次いで蒸着チャンバ内の圧力を減らすことによって、又は、蒸着チャンバを一部排気することによって形成される。その後、基板の温度を一時的に上昇させて 、高アスペクト比空間内の「深い」部分に前駆体物質を優先的に蒸着する。このプロセスを数サイクルくり返して、空間を完全に充填する。このプロセスによって、生成したデバイスの性能に悪影響を与える可能性のあるボイドもキーホールも発生させずに、高アスペクト比空間を充填することができる。
【００１０】
本発明の一態様では、高アスペクト比空間中に共形フィルムを蒸着する方法が、蒸着チャンバ内にアスペクト比が１０より大きい空間を有する基板を提供するステップを具える。この基板は蒸着が行われるしきい値より低い温度に維持される。前駆体ガスを蒸着チャンバ内へ導入する。蒸着チャンバはその後部分的に排気される。前駆体ガスの勾配は、空間への開口部より濃度が高い空間の端部、又はより深い空間部分を供う空間内に生成される。基板の温度はその後、一時的にしきい値温度より高くなる。高アスペクト比空間が前駆体ガスで満たされてから、基板がＣＶＤ蒸着温度まで加熱されるまでの間の実際の時間の遅れは、反応ガスを最大限に活用するように、そして、高アスペクト比構造物の入口点でのプロフィールを制御するように最適化される。 空間に含有されている前駆体ガスが、次いで基板の表面に蒸着する。このプロセスを複数サイクルくり返して、完全に空間を充填する。
【００１１】
本発明の一態様では、このプロセスで充填される空間または複数の空間は、１０より大きい（例えば、１０３又は１０４より大きい）アスペクト比を具えている。
【００１２】
本発明の別の態様では、高アスペクト比空間内へ共形フィルムを蒸着させる方法が、蒸着チャンバの内部に１０より大きなアスペクト比を伴う空間を有する基板を提供するステップを具える。この基板は化学蒸着反応が起こるしきい値温度より低い温度で維持される。次いで、前駆体ガスを蒸着チャンバ内へ導入する。次いで、高アスペクト比構造体（例えば、ビア）の内部に平衡圧ができる、又はほぼできるとすぐに、蒸着チャンバを部分的に排気する。次いで基板の温度を化学蒸着に必要なしきい値温度より高くする。実質的に反応ガスがすべて、薄膜の層が蒸着されている高アスペクト比構造体の内側表面（例えば、ビアの壁）に反応した直後に、基板の温度をしきい値ＣＶＤ蒸着温度より低くする。ほとんどのガス状副生成物が高アスペクト比構造体の最も下側又は最深部位から排出されるまで、排出プロセスは続けられる。本プロセスを多数回繰り返して、底部から先端部までの空間を漸次充填する。
【００１３】
本発明の別の態様では、高アスペクト比構造体が前駆体ガスで満たされてから、基板がＣＶＤ蒸着温度まで加熱されるまでの間の時間の遅れは、反応ガスを最大限に活用するように、及び高アスペクト比構造体の入口点でのプロフィールを制御するように、最適化することができる。
【００１４】
本発明の目的は、半導体基板上にある大きなアスペクト比空間を充填するための反応律速プロセスを提供することである。本発明のさらなる目的は、高アスペクト比空間内に前駆体ガスの圧力勾配を作り出すことにより、ボイドやキーホールを伴わずに大きなアスペクト比空間を充填するプロセスを提供することであり、そこでは、高アスペクト比空間への開口部又は入口付近で圧力がより低くなっている。
【００１５】
最良の形態の詳細な説明
図１は共形フィルムの化学蒸着に使用される蒸着チャンバ２を示している。この蒸着チャンバ２は例えば、低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ）及び／又は急速熱処理化学気相蒸着法（ＲＴＣＶＤ）に使用されるチャンバである。蒸着チャンバ２はユーザ入力や制御アルゴリズムに応じて、急速に圧力を変えられることが好ましい。図１に示されている蒸着チャンバ２はその中に基板４を具えている。もちろん、複数の基板４を蒸着チャンバ２内に設置してもよい。基板４は集積回路技術及び／又はＭＥＭＳデバイスに共通に使用される基板材料を具える。基板４はシリコンやその他の半導体材料を具えていてもよい。基板４は、例えばトレンチや他の素子分離構造により分離されたトランジスタのように、分離させる必要があったり、若しくは互いに素子分離する必要のあるアクティブ領域を具えている。
【００１６】
蒸着チャンバ２は蒸着プロセス中にガスを導入したり、排出したりするための１又はそれ以上の注入口６と排出口８を具えることが好ましい。更に、蒸着チャンバ２への排出口８は、蒸着チャンバ２内の圧力を調整するために使用される排出ポンプ９に接続されている。このガスには、例えば前駆体ガスや、蒸着プロセスの間使用される不活性ガスも含まれている。好ましくは、蒸着チャンバ２内の圧力は、例えば外部コントローラ（図示せず）を使用している操作者により制御可能である。このような制御システムは蒸着技術にの当業者には公知であり、例えば、既存の蒸着システムにも見られる。
【００１７】
蒸着チャンバ２は、好ましくは１又はそれ以上の光学的に透明な窓、あるいは蒸着チャンバ２内へ放射線を透過できる同等のものを含む。図１に見られるように、蒸着チャンバ２には、１又はそれ以上の基板ヒータ１０が設けられている。図１は基板４を加熱するための放射線を発する２台の急速熱処理（ＲＴＰ）ヒータ１０を示している。ＲＴＰは毎秒２０〜２５０℃のランプ速度で１〜２分の時間枠内におよそ２００〜１３００℃の温度を処理する、急速な加熱と急速な冷却を提供する。ＲＴＰシステムは様々な加熱構造、エネルギー源、温度制御方法を用いている。一般的には、最も常識なアプローチではタングステンハロゲンランプのバンクを用いて基板４の加熱を行っている。ヒータ１０は蒸着チャンバの外側（図１に示すように）に配置するか、あるいは内側に配置してもよい。
【００１８】
図２は３つの高アスペクト比空間１２、１４、１６を有する基板２の側面を示している。それぞれの空間（１２、１４、１６）は１０より大きいアスペクト比を有する。このアスペクト比は空間の最小寸法で除した空間の最大寸法の長さである。本発明の一実施形態では、空間（１２、１４、１６）のアスペクト比は、１０よりもかなり高く、例えば１０３より大きいか、むしろ１０４より大きい。図２は中に前駆体１８を含有している３つの前記空間１２、１４、１６を示している。前駆体１８はガス状であり、空間１２、１４、１６のボイド内に含有されている。
【００１９】
図２はそれぞれの空間１２、１４、１６内に構築された前駆体１８の勾配を示している。この方法の好ましい態様によれば、前駆体１８の勾配は、前駆体１８の高濃度側が空間１２、１４、１６の終端部分１２ａ、１４ａ、１６ａに見られるように、又、前駆体１８の低濃度側が空間１２、１４、１６の開口部分１２ｂ、１４ｂ、１６ｂに見られるように、空間基板４の空間１２、１４、１６内に構築されている。この点については、空間１２、１４、１６は、ボイドやキーホールを形成することなく、前記終端から前記開口部に向けて（例えば、ボトムアップ形式で）前駆体が満たされている。図２はこのような３つの空間１２、１４、１６を示しているが、ここで説明した方法は、上記空間の数や量により制限されない。さらに、ここで説明した方法は、基板４の内部に異なる配向と形状を有する空間（空間１２、１４、１６など）を用いて使用することができる。
【００２０】
図３を参照すると、高アスペクト比空間１２、１４、１６内へ薄い共形フィルムを蒸着するプロセス又は方法が示されている。ステップ１００に示すように、初めに、蒸着チャンバ２（例えば、ＬＰＣＶＤ蒸着チャンバ２）に基板４を設ける。基板４は１０より大きなアスペクト比を伴う１つ又はそれ以上の空間を有している。ステップ１１０では、基板４の温度は、しきい値温度、又は化学蒸着を行うのに必要となる温度範囲より低い温度に維持される。次に、ステップ１２０で、蒸着前駆体ガス１８を蒸着チャンバ２の中へ注入する。このプロセスの一態様では、各サイクルで最大厚の膜を蒸着できるように、この段階の圧力を蒸着チャンバ２構造によって許される高さとできるだけ同じ高さにすることが望ましい。蒸着前駆体ガス１８は、例えば、金属種、半導体種、あるいは絶縁体種を含んでいる。
【００２１】
ステップ１３０に示すように、本発明の一態様では、前駆体ガス１８が空間１２、１４、１６に浸透した後に、蒸着チャンバを部分的に排気する。蒸着チャンバの一部排気は、上述したように、空間１２、１４、１６内で前駆体ガス１８の勾配を作り出す。ステップ１４０では、基板４の温度は、しきい値温度、あるいは基板４上へ前駆体ガス１８を蒸着するのに必要な温度、特に、高アスペクト比の空間内部で深く蒸着するのに必要な温度範囲より上に一時的に上昇する。各サイクルで蒸着する膜の厚さは、前駆体ガスの局所圧力に比例するので、そしてさらに、チャンバが排出し始めると、加熱が起こるので、蒸着膜の厚さは個々の高アスペクト比構造体（例えば、ビア）のより深い終端部で常に高くなる。それ故に、圧力勾配を作り出すことによって、キーホール形成のメカニズムが有効に反転して、深いビアが底部から上部まで充填され、その結果、入口が「ピンチオフ」するような危険がなくなる。より好ましい実施形態では、一つ又はそれ以上のＲＴＰヒータの使用によって基板４の温度が上昇する。
【００２２】
上で説明したプロセスでは、単体の共形フィルム膜が空間１２、１４、１６内で蒸着される。好ましくは、このプロセス（例えば、ステップ１１０から１４０まで）を複数回繰り返して、空間１２、１４、１６を完全に充填する。例えば、このプロセスの各サイクルは、厚さ約０．１ｎｍから約３ｎｍの範囲内のフィルムを蒸着する。このプロセスは空間１２、１４、１６が完全に充填されるまで繰り返される。例えば、空間（１２、１４、１６）が完全に充填すると、約０．１ｎｍから１μｍまでの範囲の厚さになる。
【００２３】
本プロセスの一態様では、蒸着は、空間１２、１４、１６内でほとんどすべての前駆体ガス１８を消費できるほど長く処理する（一時的に基板４の温度を上昇することにより）ことができる。例えば、前駆体ガス１８の大部分（全てではなく）が内部空間１２、１４、１６へ蒸着されると、空間１２、１４、１６内部の蒸着反応が止まる。この点に関して、各サイクル中の蒸着反応は、反応律速機構に始まり、供給律速機構に終わる。基板２の温度は、内部空間１２、１４、１６内の反応速度に依存し、一秒間、数秒、あるいはせいぜい数分未満しか続かない時間、一時的に上昇する。
【００２４】
図４Ａと４Ｂは蒸着プロセスの一実施形態による複数の蒸着プロセスサイクルの温度と圧力プロフィールを示している。図４Ａに見られるように、基板４の温度は、例えばＲＴＰヒータ１０によって、低温と高温の間を循環している。図４Ａに見られるように、低温Ｔｌｏｗはしきい値蒸着温度Ｔｄｅｐより低く、一方、高温Ｔｈｉｇｈは蒸着温度より高い。図４Ｂには図４Ａで示したものと同一の蒸着サイクルの圧力プロフィールを示している。図４Ｂに見られるように、この圧力は低圧力Ｐｌｏｗと高圧力Ｐｈｉｇｈの間で変動している。本発明の一態様では、圧力変化対時間のプロフィールと、温度変化対時間のプロフィールは、位相が異なっている。例えば、図４Ａと４Ｂに見られるように、蒸着チャンバ２内で最初に圧力が減少した後（高アスペクト比空間１２、１４、１６に圧力勾配が形成された後）、温度は一時的に上昇する。その後、空間１２，１４，１６内にあるほとんど全ての前駆体ガス１８が蒸着した後、温度が低温値に下降する。
【００２５】
本発明の一態様では、空間１２、１４、１６内にある前駆体ガス１８の反応は、圧力があるレベルのしきい値より下がった後、基板４の温度がしきい値以下に下がることにより止まる。本発明の別の実施形態では、空間１２、１４、１６内の前駆体ガス１８の反応は、所定時間後に基板の温度を下げることにより止まる。
【００２６】
本発明の実施形態を図示し、記述してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更を行うことが可能である。従って、次に記載する特許請求の範囲とそれと同等のものを除けば本発明は制限できないはずである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、高アスペクト比空間へ共形フィルムを化学蒸着するための蒸着チャンバを示す。
【図２】図２は、複数の高アスペクト比空間を持つ基板の側面を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による高アスペクト比空間内へ共形フィルムを蒸着するプロセスのプロセスフローチャートを示す。
【図４】図４Ａは、数回の蒸着サイクルの時間に相関する基板の温度を表すグラフを示し、図４Ｂは、数回の蒸着サイクルの時間に相関する蒸着チャンバの圧力を表すグラフを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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