(57)【要約】膜堆積装置は、第１の反応物質を第１の期間中に基板上に反応物質層として堆積するように構成された第１の処理チャンバと、第２の時間にイオンをある角度範囲に亘って前記基板に入射させるように構成され且つ第２の反応物質を第２の期間中に前記基板上に堆積するよう構成された第２の処理チャンバを備え、前記第２の反応物質が前記第１の反応物質と反応するように構成されている。
2014515061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反応物質を第１の期間中に基板上に反応物質層として堆積するように構成された第１の処理チャンバと、
イオンをある角度範囲に亘って前記基板に入射させるように構成され且つ第２の反応物質を第２の期間中に前記基板上に第２の反応物質層として堆積するよう構成され、前記第２の反応物質が前記第１の反応物質と反応するように構成された第２の処理チャンバと、
を備える膜堆積装置。
【請求項２】
前記基板を前記第１及び第２の処理チャンバの間で直線状又は円弧状経路に沿って移動させるように構成された可動基板ホルダを備える、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の処理チャンバは同じチャンバである、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第１の期間は、前記基板の第１の表面を前記第１の反応物質で飽和させ、前記表面が前記第１の反応物質で飽和された後に前記第１の反応物質の余分の量を前記第１の処理チャンバからパージするのに十分であり、前記第２の期間は、前記第１の反応物質を有する前記基板の前記表面を前記第２の反応物質で飽和させ、前記表面が前記第２の反応物質で飽和された後に前記第２の反応物質の余分の量を前記第１の処理チャンバからパージするのに十分である、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記第２の処理チャンバは、
プラズマを形成する領域と、
前記プラズマのプラズマシースの形状を変更するように構成された開口部を有し、前記開口部が前記ある角度範囲に亘って前記基板に入射するイオンを提供する抽出板と、
を備える、請求項１記載の装置。
【請求項６】
基板ホルダを加熱し、前記熱を前記基板に伝達するように構成された基板ヒータを備える、請求項１記載の装置。
【請求項７】
プラズマ洗浄チャンバをさらに備え、前記装置は前記プラズマ洗浄チャンバの前記基板ヒータの１つ以上を用いて前記基板の現場事前洗浄を提供するように構成されている、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記第１の処理チャンバの環境を前記第２の処理チャンバの環境から隔離するよう動作し得るアイソレータを備える、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第１の処理チャンバ及び前記第２の処理チャンバから遠く離れたプラズマ源を備える、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の処理チャンバは前記角度範囲を０°を中心として±６０°の第１の角度範囲と該第１の角度範囲より小さい第２の角度範囲との間で変化させることができる、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
基板上にコンフォーマル膜を堆積する方法であって、  
第１の反応物質を第１の時間に前記基板上に反応物質層として堆積するステップと、
前記反応物質層上で第２の反応物質を反応させるステップと、
前記基板の平面に対してある角度範囲に亘って前記基板に入射するイオンに前記反応物質層を暴露するステップと、
を備える方法。
【請求項１２】
前記第１の反応物質を堆積するステップは、前記基板の表面を前記第１の反応物質で飽和させるステップをさらに備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の反応物質の凝縮前に余分な量の前記第１の反応物質をパージするステップをさらに備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の反応物質を第１の処理チャンバから前記基板に供給するステップ、及び
前記第２の反応物質を第２の処理チャンバから前記基板に供給するステップ、
をさらに備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の処理チャンバ内にプラズマを供給するステップ、及び
前記プラズマから、抽出板に隣接する前記プラズマのプラズマシースの形状を変更するように構成された前記抽出板の開口部を経てイオンを抽出するステップ、
をさらに備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記イオンをリモートプラズマ源を用いて供給するステップを備える、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記堆積、反応及び暴露ステップのうちの１つ以上のステップの間基板を加熱するステップを備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記堆積、反応及び暴露の各ステップは堆積サイクルを構成し、前記方法は前記堆積サイクルを複数回反復するステップをさらに備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記基板を前記堆積ステップと凝縮ステップとの間で前記第１の処理チャンバに隣接する第１の位置から前記第２の処理チャンバに隣接する第２の位置へ移動させるステップを備える、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記堆積、反応及び暴露の各ステップは堆積サイクルを構成し、前記方法は、
前記堆積サイクルを複数回反復するステップ、及び
前記基板を前記凝縮ステップと前記堆積ステップとの間で前記第１の位置から前記第２の位置へ移動させるステップ、
を備える、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板のコーティングに関し、特にコンフォーマル膜を生成する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子層堆積（ＡＬＤ）は化学気相堆積（ＣＶＤ）に関連する堆積方法である。ＡＬＤでは、一定量の物質を堆積する単一の全堆積サイクルを達成するために、典型的には２つの別個の前駆物質を用いた別個の反応（半サイクル）が連続的に行われる。各半サイクル後に、第１の前駆物質により供給された一定量の反応種が基板表面上に残される。理想的には、第１の種の単一単分子層が第１の半サイクル後に生成され得る。第１の種の単分子層の各種は次の半サイクルで供給される第２の前駆物質の種と反応し得る。各半サイクルにおいて、反応種の供給後に、堆積物質の未反応種を除去するためにパージを実行することができる。従って、１サイクル中に反応する物質の総量は各反応物質の単分子層に等しい。このように、各サイクルは他のサイクルと同量の物質を生成することができる。従って、広いプロセスウィンドウ内において、堆積層の総厚は実行したサイクル数によってのみ決まり、数１０分の１オングストロームの薄さの層を任意の所定のサイクルで制御可能に生成することができる。
【０００３】
ＡＬＤの自己制御性及び極薄層を生成する能力が、極薄層を必要とし得るマイクロエレクトロニクス及び関連用途のためのＡＬＤを開発するために広範囲に及ぶ努力を生み出している。ＡＬＤは、様々な酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＨｆＯ２）、金属窒化物（例えば、ＴｉＮ，ＴａＮ，ＷＮ，ＮｂＮ）、金属（例えば、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｔ）及び金属硫化物（例えば、ＺｎＳ）などの幾つかの種類の薄膜を堆積するために使用されている。
【０００４】
さらに、ＡＬＤは表面反応支配プロセスであるため、広範囲の地形特徴を有する基板にコンフォーマル膜を堆積種が非平面の基板表面の全域で反応できる程度まで生成する可能性を与えることもきる。
【０００５】
しかしながら、ＡＬＤの広範囲に亘る採用のためにいくつかの課題が存在する。多くの可能な用途が低い基板温度を必要とするため及びパージステップが各サイクル中に適用される必要があるため、ＡＬＤ成長速度が所要の堆積条件の下で極めて低くなり得る。低い温度要件は、望ましくない前駆物質原子の残留取り込み及び低い基板温度における吸収原子の制限された移動度のために、膜の汚染又は低い膜密度も生じ得る。
【０００６】
加えて、ＡＬＤ膜のコンフォーマル膜堆積を低い基板温度で達成することは、低い温度は２つの反応物質を完全に反応させるのに不十分であり得るため、依然として一部に課題が残る。元素膜を堆積する必要がある他の場合には、低温度処理は単一前駆反応物質の低速表面分解を生じ得る。低い温度での堆積を加速するために、プラズマアシストＡＬＤ技術が開発されている。プラズマアシストＡＬＤ技術の幾つかの変形例が開発され、これらの例では基板に対するイオン暴露の程度が相違する。直接プラズマＡＬＤでは、基板はダイオード型プラズマのようなプラズマと直接接触して置かれる。この構成では、高密度のイオンが基板に垂直の入射角で衝突する。別の変形例、リモートプラズマＡＬＤ、では、プラズマはリモートに生成され、イオンは主プラズマから離して置かれた基板に衝突し得る。イオン、エネルギー中性原子、及びラジカルが基板を叩くことができ、イオン密度は直接プラズマＡＬＤの場合より一般に小さい。ラジカルエンハンストＡＬＤと呼ばれることもあるリモートプラズマＡＬＤの極端バージョンはプラズマを基板から遠く離れて生成し、イオンはあったとしてもごくわずか基板に接触するのみで、それよりむしろプラズマにより生成された気相ラジカルが基板に衝突する。
【０００７】
これらのプラズマアシスト技術のいずれにおいても、基板表面に堆積される第１の前駆物質（反応物質）からの種を活性化するのに十分なエネルギーを供給し、活性化された種を第２の反応物質からの堆積種と反応させることができる。しかしながら、第１及び第２の反応物質の反応は表面起伏（凹凸）特徴を有する基板表面に沿って不均等になり得る。従来のプラズマからのイオンは高い指向性で基板に衝突するため、イオンは基板の特定の領域、例えば表面起伏特徴の溝隅部又は側壁に到達し得ず、これらの領域の反応性を制限する。
【０００８】
図１ａ−１ｄは従来のプラズマアシストＡＬＤプロセスを使用する基板１００への膜形成を示す。図１ａに示す第１のステップにおいて、第１の反応物質１２の種が基板１００の起伏特徴部上に設けられる。種が凝縮するにつれて、種は基板１００の全表面を覆うための十分な移動性を持つようになる。典型的には表面が第１の反応物質で飽和され、図１Ｂに示すような第１の反応物質を含有する連続層１１２を形成すのに十分な量の第１の反応物質が与えられる。余分の第１の反応物質は第２の反応物質を導入する前にパージすることができる。図１ｃに示すように、プラズマアシストＡＬＤでは、プラズマは第２の反応物質の基板への導入中にイオン１８のような種を供給することができる。イオンは一般に、図に水平として示されている基板平面の法線に平行に基板に衝突する。水平表面がイオン流束のほとんど又はすべてをインターセプトするため、第１の反応物質と第２の反応物質との反応は水平表面上で促進される。しかしながら、起伏特徴部の側壁１６はイオン流束をインターセプトしない。それゆえ、イオン１８は第２の反応物質（イオン流束に部分的に又は完全に含まれ、別個に示されていない）と基板側壁１６上に堆積された第１の反応物質との反応を促進し得ない。その後、図３ｄに示すように、システムは余分の第２の反応物質及び未反応の第１の反応物質をパージし、第１及び第２の反応物質の反応生成物を構成する反応被膜１４を残すことができる。
【０００９】
第１及び第２の反応物質の反応は側壁１６上で少なくなるため、得られる反応被膜１４は不均一（非コンフォーマル）になり、特定の方向（この場合には水平方向）の表面上の膜厚が他の方向の表面上の膜厚に対してずっと大きくな得る。従って、既知のプラズマアシストＡＬＤプロセスは、高いアスペクト比の溝又は急勾配の側壁を有する構造のような表面起伏特徴部を有する基板に非コンフォーマルな被膜をもたらし得る。
【００１０】
以上を考慮すれば、ＡＬＤプロセスは改善の必要があること明らかである。
【発明の概要】
【００１１】
一実施形態において、薄膜堆積装置は、第１の反応物質を第１の期間中に基板上に反応物質層として堆積するように構成された第１の処理チャンバと、イオンを前記基板にある角度範囲に亘って入射させるように構成され且つ第２の反応物質を第２の期間中に前記基板上に第２の反応物質層として堆積するとともに前記第２の反応物質が前記第１の反応物質と反応するように構成された第２の処理チャンバと、を備える。
【００１２】
別の実施形態において、基板上にコンフォーマル膜を堆積する方法は、第１の反応物質を第１の時間に前記基板上に反応物質層として堆積するステップと、前記反応物質層上で第２の反応物質を反応させるステップと、前記基板の平面に対してある角度範囲に亘って前記基板に入射するイオンに前記反応物質層を暴露するステップと、を備える。
【００１３】
本発明をよりよく理解するためには、参考のために本明細書に組み込まれる添付図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１ａ―１ｄは既知のＡＬＤプロセスを示す。
【図２】図２ａ及び２ｂは本発明の一実施形態と一致するＡＬＤ装置を示す。
【図３】模範的な抽出板の断面を示す。
【図４】図４ａ−４ｄは本発明の一実施形態と一致するＡＬＤプロセス中の基板特徴部の断面を示す。
【図５】本発明の別の実施形態と一致するＡＬＤ装置を示す。
【図６】別の実施形態と一致する方法の模範的なステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書に開示する実施形態は改良された膜堆積装置及びプロセス、特に改良されたＡＬＤプロセスを提供する。様々な実施形態において、ＡＬＤ装置は第１の反応物質を基板に堆積する処理チャンバ及び第２の反応物質を基板に堆積する処理チャンバを含む。いくつかの実施形態において、第１及び第２の反応物質用の処理チャンバは異なるチャンバである。様々な実施形態によれば、第１及び第２の反応物質はＡＬＤプロセスシーケンスで堆積され、基板上に成長させるべき膜のそれぞれの１以上の層を形成するために１以上のＡＬＤ堆積サイクルが実行される。各堆積サイクルは基板の表面を第１の反応物質で飽和するよう基板を第１の反応物質に暴露する第１の暴露、それに続く余分の第１の反応物質のパージ、及び基板上に堆積された飽和した第１の反応物質を有する基板を第２の反応物質に暴露する第２の暴露を含むことができる。
【００１６】
様々な実施形態において、第２の反応物質はある角度範囲に亘って基板に衝突するイオンを含むものとし得る。イオンは所望の製品層を形成するために第１及び第２の反応物質の反応を促進させるために十分なエネルギーを供給することができる。様々な実施形態において、所望の製品層は酸化物、窒化物又は他の物質などの基本物質からなる層とすることができる。第２の反応物質はある角度範囲に亘って基板に入射するイオンとして又はイオンとともに供給することができるため、本実施形態によれば、以下に詳述するように、溝及び他の急勾配トポリジを有する基板へのコンフォーマル膜の形成が容易になる。
【００１７】
図２ａ及び図２ｂは本発明の一実施形態と一致するＡＬＤ装置１０を示す。このＡＬＤ装置は第１及び第２の処理チャンバ２０及び３０を含み、これらのチャンバはＡＬＤ堆積プロセスの第１及び第２の前駆物質（反応物質）をそれぞれ供給するために使用することができる。ＡＬＤ装置１０は単一の基板又は複数の基板１００を保持する基板ホルダ１０２を含む。
【００１８】
基板１００は、Ｎ個の基板１００（幅方向）×Ｎ個の基板１００（長さ方向）のアレイ又は行列に配置することができる（幅寸法の変数Ｎは長さ寸法の変数と相違させてもよい）。図２ａ，ｂには１×３基板の行列が示されている。垂直方向に配置された基板ホルダ１０２は基板を保持するために静電クランプ、機械クランプ又は静電及び機械クランプの組み合わせを使用することができる。基板ホルダ１０２を用いて基板１００を走査することができる。図示の実施形態では、基板ホルダ１０２は方向１０６の方向に走査することができ、基板１００を第１又は第２の前駆物質への暴露のために第１の処理チャンバ２０に隣接した位置（図２ａ）又は第２の処理チャンバ３０に隣接した位置（図２ｂ）のいずれかに位置させることができる。様々な実施形態において、基板ホルダ１０２は線形平行移動又は回転円弧運動を用いてチャンバ２０に隣接した位置とチャンバ３０に隣接した位置との間で移動させることができる。
【００１９】
チャンバ２０は前駆物質源４２を用いて第１の前駆物質（反応物質）を基板１００に所定のドーズ量で供給し、チャンバ２０を満たすように構成することができる。いくつかの実施形態では、チャンバ２０は以下にさらに検討されるようにプラズマ４０も供給することができる。図に示すように、基板を前駆物質源４２に暴露する間チャンバ２０をチャンバ３０から分離するためにアイソレータ１１０が設けられる。いくつかの実施形態では、ガスカーテンをアイソレータとして機能させることができるが、他の実施形態では真空又は固体バリヤを使用することができる。
【００２０】
基板ホルダ１０２がチャンバ２０に隣接して位置する間一定ドーズ量の第１の反応物質を基板１００に供給するために、チャンバ２０はチャンバの排気に使用したポンプから隔離することができる。
【００２１】
様々な実施形態において、第２の処理チャンバ３０は、第２の反応物質を基板１００にイオン１０８の助けを借りて供給するように構成される。イオン１０８は、イオンが供給されたとき基板１００上に位置する第１の反応物質と反応する第２の反応物質の少なくとも一部分を構成し得る。いくつかの実施形態では、イオン１０８の少なくとも一部分は基板１００上に形成される膜内で凝縮しない不活性種である。いくつかの実施形態では、チャンバ２０内における第１の反応物質への暴露（図２ａ）後に、基板ホルダ１０２はチャンバ３０に隣接した位置（図２ｂ）に移動し、その後プラズマ源５０を用いてプラズマ５２を生成し、このプラズマからイオン１０８が抽出される。以下に詳述するように、様々な実施形態において、イオンは抽出板１０４のような抽出板を通して抽出され、この抽出板は第２の反応物質への暴露中基板に対してある角度範囲に亘って入射するイオンを供給する。基板表面に対してある角度範囲に亘って入射するイオンを供給することによって、凹部が形成された又は基板平面１２０に対して角度をなす基板特徴部の表面上における第２の反応物質と第１の反応物質の反応性を向上させることができる。このように、第１及び第２の反応物質の反応を深い凹部又は他の非平面部を有する基板特徴部を有する基板表面の全域に亘りより均一にすることができる。その結果、よりコンフォーマルな製品層、即ち表面の方向と無関係に基板の全表面上により均一な厚さを有する層を形成することができる。
【００２２】
処理チャンバ２０，３０のいずれか一方又は両方において、基板が存在するエンクロージャの容積は、各暴露中に基板表面を飽和するために必要とされる反応物質の量並びにプロセス間で反応チャンバを排気するために要する時間を低減するために小さく維持することができる。いくつかの実施形態では、チャンバ壁はチャンバ壁上に形成される膜を最小限にするために反応物質を吸収しない表面を有する。特に、膜の堆積に使用される窒化物等の典型的な前駆物質との反応を防止するために有機物質を最小限にする。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、反応物質は連続フローモードで所定のチャンバに供給され、或いはエンクロージャを加圧及び放出することで供給される。いずれの場合にも、定量の反応物質を反応物質への暴露サイクル中にシステムに供給することができる。
【００２４】
様々な実施形態において、基板ホルダ１０２はヒータ（図示せず）を備えるか、或いは放射ランプ等の外部加熱源により加熱される。基板ヒータはＡＬＤ膜の膜品質並びにコンフォーマル性を高めるために使用することができる。
【００２５】
開示の実施形態によれば、プラズマ源５０は、当業者に知られている容量結合型プラズマ源、誘導結合型プラズマ源、マイクロ波プラズマ源、ヘリコン波プラズマ源、誘導加熱陰極型プラズマ源又は他のプラズマ源とすることができる。さらに、プラズマ源は基板の直視位置に配置するか、或いは処理中基板１００に対してもっと離して配置することができる。
【００２６】
基板にある角度範囲に亘って入射するイオンを供給するために、抽出板１０４をプラズマ５２が形成される領域に隣接して配置することができる。図３は一実施形態と一致するプラズマシステム内の抽出板１４の詳細を示す断面図である。説明を簡単にするために、抽出板１０４は水平配置で示されているが、図２ａ及び２ｂに示すように垂直配置に配置することができる。抽出板１０４は、抽出板１０４がプラズマシース２４２内に位置するようにプラズマ５２に隣接して配置される。抽出板１０４は、プラズマ５２とプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を制御するためにプラズマシース２４２内の電界を変更する働きをし、図に示す湾曲した境界を生成することができる。従って、プラズマシース境界２４１の湾曲の結果として、及びイオン１０８はプラズマ５２からシース境界にほぼ直角の方向に射出するため、図に示すように、イオンはある角度範囲に亘ってプラズマシース２４２に入射し、次いで大きな入射角の範囲で基板１００に衝突する。
【００２７】
プラズマ５２は図１につき上述したように発生させることができる。抽出板１０４は領域１０４ａ及び１０４ｂの間にスロットを有する単一の板とするか、或いは水平間隔（Ｇ）を有する開口部をそれらの間に画成する１組のパネル１０４ａ及び１０４ｂとすることができる。パネル１０４ａ，ｂは絶縁体、半導体又は導体とすることができる。様々な実施形態では、抽出板１０４は多数の開口部（図示せず）を含むことができる。抽出板１０４は基板１００の前面により規定される平面１５１の上方に垂直間隔（Ｚ）を置いて位置させることができる。抽出板１０４には（直流又は高周波数電力を用いて）電力を供給することができ、またいくつかの実施形態ではフローティングにすることができる。
【００２８】
イオン１０８は異なるメカニズムによってプラズマ５２からプラズマシース２４２を横切って抽出することができる。一例では、基板１００をイオン１０８をプラズマ５２からプラズマシースを横切って引きつけるようにバイアスする。抽出板（「抽出板」という語は以後少なくとも１つの開口部を画成する単一の板又は複数の板を指すために使用される）１０４はプラズマシース２４２内の電界を変更してプラズマ５２とプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を制御する。プラズマ５２とプラズマシース２４２との間の境界２４１は一例では平面１５１に対して凸面状にすることができる。例えば、基板１００がバイアスされるとき、イオン１０８はプラズマシースを横切って開口部５４を大きな入射角の範囲で通過して引きつけられる。例えば、軌道２７１を辿るイオンは平面１５１に対して＋θ°の角度で基板１００に衝突する。軌道２７０を辿るイオンは平面１５１に対してほぼ０°の角度で基板１００に衝突する。例えば、軌道２６９を辿るイオンは平面１５１に対して−θ°の角度で基板１００に衝突する。従って、入射角の範囲はほぼ０°を中心に＋θ°から−θ°の範囲にすることができる。加えて、軌道２６９及び２７１などの幾つかのイオン軌道は互いに交差し得る。以下のものに限定されないが、開口部５４の１つの寸法を規定する水平間隔（Ｇ）、平面１５１の上方の抽出板の垂直間隔（Ｚ）、抽出板の誘電定数又はプラズマ５２の他のプロセスパラメータを含む多数の因子に依存して、入射角(θ)の範囲はほぼ０°を中心に＋６０°から−６０°の範囲にすることができる。従って、ある状態の下で、イオン１０８は＋６０°から−６０°の角度範囲に亘って基板１００を叩くが、他の状態の下ではイオン１０８は例えば＋３０°から−３０°のもっと狭い角度範囲に亘って基板１００を叩くことができる。
【００２９】
ＡＬＤシステム、例えばシステム１０の様々な実施形態においては、ＡＬＤプロセスにおいて反応物質が基板表面に供給されるときの基板１００へのイオンの入射角の分布を調整するように抽出板１０４を構成することができる。上述したように、一部の例では、イオン１０８は異なる種、例えば窒化物材料を形成するために使用される不活性ガス及び窒化物含有イオン、を含むことができる。イオン１０８はある角度範囲に亘って基板１００に衝突するため、イオンは従来のプラズマアシストＡＬＤにより達成することが難しい基板の起伏特徴領域を有効に叩くことができる。それによって、イオンは起伏特徴部を有する全表面領域に亘って第１及び第２の反応物質の反応を有効に促進することが可能になる。
【００３０】
図４ａ−ｄは本発明の実施形態と一致するイオンアシストＡＬＤ膜形成プロセスを示す。説明のために、イオンアシストＡＬＤプロセスを模範的な材料系、シリコン窒化物について記載する。しかしながら、ここに開示するプロセスは、特に元素膜、金属化合物及び絶縁化合物（酸化物、窒化物、酸窒化物等）及び合金を含む様々な材料に適用可能である。図４ａに示すプロセスにおいて、第１の反応物質４０２の種が基板１００の起伏特徴部上に設けられる。いくつかの実施形態では、第１の反応物質はＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ，ＳｉＣｌ４等のシリコン含有種又は当業者に知られている他の適切な反応物質とすることができる。反応チャンバ内に存在する第１の反応物質４０２の量が所望の基板表面を第１の反応物質の単分子層で覆うのに十分になるもしくは過多になるように定量の反応物質を供給することができる。基板１００はこのプロセス中、例えば約３０℃を超える温度に加熱することができる。シラン等の堆積種は、最上面４０４、側壁４０６及び溝４０８を含む起伏特徴部の全表面を覆うために十分な移動度を有し得る。十分な基板を第１の反応物質４０２の十分な種に暴露した後に、余分の反応物質を基板を含むチャンバからパージすることができる。いくつかの実施形態では、基板１００への第１の反応物質４０２の暴露中に、不活性ガスのようなキャリアガス（図示せず）も基板１００を包囲する反応雰囲気中に供給する。キャリアガス又は他のガスは余分の第１の反応物質４０２の除去を即するためのパージガスとして使用することができる。
【００３１】
第１の反応物質４０２が基板１００の表面を覆うと、図４ｂに示すように、第１の反応物質４０２のパージ後に反応物質４１２のコンフォーマル単分子層が基板上に残される。この段階で、反応物質層４１２は所望の膜に組み込まれるべき材料の１つの成分、例えばシリコン、を含む。加えて、反応物質層４１２はシリコン原子と結合して残存し得る望ましくない物質、例えば水素、を含む可能性がある。
【００３２】
図４ｃ示す次のプロセスにおいて、反応物質層４１２を含む基板１００はある入射角の範囲に亘って基板に入射するイオン１０８に暴露される。イオン１０８は第２の反応物質への基板１００の暴露と同時に供給することができる（別々に示されていない）。いくつかの実施形態では、第２の反応物質が導入されるとき、基板温度を室温以上に上昇させる。いくつかの実施形態では、第２の反応物質の少なくとも一部分はイオン１０８として供給される。例えば、イオン１０８はプラズマ中に供給されるガス状のＮ２及び／又はＮＨ３種から導出することができる。次いで、イオン化された窒素含有種が開口部を経て抽出され、シリコン含有種を含む第１の反応物質４０２から形成された単分子層と反応し、それによってＳｉＮｘ化合物を形成することができる。しかしながら、第２の反応物質のすべてをイオン化する必要があるわけではなく、またすべてのイオンが第２の反応物質の一部分を形成する必要があるわけではない。例えば、いくつかの実施形態では、イオン１０８は第１及び第２の反応物質の反応を促進するが、得られるＡＬＤ層に組み込まれない不活性ガスイオンを含む。このような種にはＨｅ，Ａｒ，Ｘｅ及びＮｅがある。
【００３３】
イオン１０８はある入射角の範囲に亘って供給されるため、イオン１０８は従来のプロセスアシストＡＬＤでは一般に到達し得ない基板１００の領域に到達することができる。従って、イオンは、最上面４０４及び溝４０８に衝突するのに加えて、側壁４０６にも衝突する。その際、イオン１０８は起伏特徴部の表面全域で反応物質層４１２と第２反応物質（別々に示されていない）との反応を促進することができる。
【００３４】
図４ｄに示すように、イオン１０８が反応物質層４１２に衝突後に、第１反応物質と第２の反応物質が反応して基板の起伏特徴部上に反応製品層４１０を形成する。イオンアシスト反応は基板表面の大部分の領域又は全域で生じるため、反応製品層４１０は従来のプラズマアシストＡＬＤより均一な層になる。
【００３５】
シリコン窒化物堆積の幾つかの実施形態では、ＳｉＮｘ単分子層（例えば反応製品層４１０）を形成するために余分の窒素種を供給してシランベース単分子層（例えば反応物質層４１２）と反応させる。上面４０４、側壁４０６及び溝４０８のイオン１０８との衝突はシラン単分子層からの水素の開放を促進するとともに窒素含有種の反応（イオン、中性種及び／又はラジカル種自身による反応とすることができる）を促進して製品シリコン窒化物層を形成することができる。反応物質層４１２との第２の反応物質の反応後に、余分の反応物質及び望ましくない種のパージを、例えば不活性ガスを用いて実行することができる。
【００３６】
いくつかの実施形態によれば、図４ａ−ｄに示す異なるプロセスステップはＡＬＤプロセスの１サイクルを示し、このサイクルにおいてＳｉＮｘのような製品の単一の単分子層が形成される。このサイクルを反復することで多数の反応製品層４１０からなる所望の厚さのコンフォーマル膜を生成することができる。各サイクルでコンフォーマル膜のただ１つの単分子層が形成されるため、本実施形態はほぼ１単分子層より大きい又は等しい任意の所望の厚さの膜を生成するために便利に使用することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、膜堆積は１つのＡＬＤサイクルから別のＡＬＤサイクルへ変化させることができる。従って、数ある因子の中で特に１サイクル中の第１及び第２の反応物質の相対量、イオン暴露、基板温度、及び膜形成後処理のうちの１つ以上を変化させることによって膜組成及び特性の傾斜を生成することができる。
【００３８】
図４ａ−ｄに示すプロセスのいくつかの実施形態では高い基板温度が使用されるが、その基板温度はプラズマ又はイオンアシストを使用しないＡＬＤで一般に使用される温度より相当低くすることができる。例えば、いくつかの実施形態では４００℃以下の基板温度が使用される。イオン１０８がある角度範囲に亘って供給されるため、本実施形態も低い温度での起伏特徴部上へのコンフォーマル膜の形成を促進する。
【００３９】
様々な実施形態において、反応物質の反応性、望ましくない吸収材料の除去率、及び反応製品層４１０の他の膜特性を変化させるために基板温度の制御を使用することができる。
【００４０】
図２ａ及び２ｂを再度参照すると、ＡＬＤプロセス、例えば反応物質の反応及び製品層からの水素等の望ましくない物質の除去を促進するために、ＡＬＤシステム１０の他の動作パラメータを調整することができる。これらの動作パラメータは、上述の基板温度に加えて、第２の反応物質の導入中に使用されるプラズマガス組成及びプラズマ電力、基板及びプラズマ間のバイアス、抽出板に対する基板の走査レシピを含む。
【００４１】
図５は別の実施形態のＡＬＤシステム５００を示し、この実施形態では第２の反応物質を導入するプラズマチャンバ３０はプラズマ５０６を生成するコイル５０４を駆動する誘導源によって給電される。ガス種はソース５０８から供給され、このソースは様々な実施形態では不活性ガス及び／又は反応ガスを供給することができる。図に示されていないが、不活性ガス種および反応ガス種は別々のソースから供給することができる。ＲＦ発生器５１０は整合回路網５１２を介してコイル５０４を駆動してプラズマ５０６を発生させるために設けられ、プラズマ５０６は不活性種及び活性種の組み合わせを含むことができる。イオンに加えて、中性準安定種もチャンバ３０内で生成され、基板１００に衝突し得る。
【００４２】
イオン１０８のイオンエネルギーを調整するために、開示の実施形態は基板１００とプラズマ５０６との間のバイアス電圧を制御するために様々な手段を設けている。いくつかの実施形態では、プラズマを接地電位に設定し、負のバイアスを基板ホルダ１０２に供給して正のイオンを引き付けることができる。他の実施形態では、基板１０２を接地し、プラズマ５０６を正電位に維持することができる。
【００４３】
基板とプラズマとの間の電位を変化させることによって、イオンエネルギーをＡＬＤ膜の所望の特性に応じて調整することができる。例えば、図４ｃも参照すると、イオンエネルギーが高いほど、基板１００とのイオン１０８の衝突は反応物質層４１２から水素のような物質をより有効に除去することができる。高いイオンエネルギーはまた、反応物質層４１２の第２の反応物質との反応により形成される結果の膜をち密にするのに役立つ。シリコン窒化物の形成の例では、窒素含有中性種又はイオン（例えばＮ２又はＮＨ３から得られる）をシリコン含有反応物質層４１２上に不活性ガスと一緒に供給することができる。不活性ガスイオンは膜の多孔率を低減するとともに反応物質層４１２から水素を除去するように活動する。準安定ラジカル等の中性種及びイオンは反応物質層４１２と凝縮する窒素含有種との反応を活性化することもできる。しかしながら、過剰なイオンエネルギーはＳｉＮｘ層の凝縮した種の望ましくない再スパッタリングを生じ、それにより膜形成速度が減少し得る。過剰なイオンエネルギーは膜応力の増加も生じ得る。成長中に膜に衝突するイオンのイオンエネルギーの変化は多くの場合膜応力の変化、例えば引張応力又は圧縮応力のレベルの変化を生じることが知られている。従って、所与の反応物質層４１２及びイオン種に対して、悪い副作用を許容レベルに維持しながら所望のＳｉＮｘの形成を促進するために最適なイオンエネルギーが存在し得る。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＡＬＤプロセスの第２の反応物質の導入中にイオン１０８の連続流を供給しないで、プラズマ５０６の電力及び／又は基板１００とプラズマ５０６の間のバイアス電圧をパルス状に供給する。一例では、プラズマ５０６と基板１００の間のバイアス電圧が方形パルスで供給される場合、イオン１０８はバイアスが供給されるときにのみ開口部５４を経て引き出すことができる。しかしながら、パルス周期のうちのバイアスが供給されない部分の間、中性ガス種及び準安定種（ラジカルを含む）等の他の種が基板１００に衝突し続けることができる。従って、供給する基板−プラズマバイアスのデューティサイクルを調整し、中性種衝突に対するイオン衝突の相対流量を変化させることによって膜特性を変化させることができる。
【００４５】
他の実施形態によれば、基板１００の位置をＡＬＤ膜堆積プロセスのコンフォーマリティを制御するために制御することができる。図２ａ及び２ｂ，図３及び図５から明らかなように、幅Ｇを有する開口部５４は被覆すべき基板の横方向寸法に比較して小さくすることができる。このような場合には、所与の基板の全所望部分をイオン１０８に暴露するために、プラズマ５２が発生している間、基板ホルダ１０２の走査が方向１０６に沿って行われる。図２ａ，ｂ及び図３から明らかなように、イオン１０８のビームに対する基板の任意の部分の走査中に、基板の該部分に入射するイオンの角度は時間とともに変化する。従って、基板１００が直近の開口部５４を通過するとき、最初の期間において、基板１００の点Ａに衝突するイオン１０８は第１の方向から生じるが、後の瞬時に点Ａに衝突するイオン１０８は異なる方向から生じる。従って図４に示す基板起伏特徴部のイオンへの暴露は、基板１００が開口部５４に隣接して通過する期間中のすべてのイオン暴露の和を表わすものとし得る。上述したように、イオン１０８の入射角の正確な分布は特に抽出板１０４と基板１００との間の間隔とともに変化し得る。このように、基板−抽出板の間隔を変化させることによって、より多量の又はより少量のイオン１０８が側壁４６に供給され、よってイオンアシストＡＬＤ堆積プロセスのコンフォーマリティの１つの制御手段が提供される。さらに、上述したように、種々の他のパラメータがイオン１０８の入射角に影響を与え、他のコンフォーマリティ調整手段を提供することができる。
【００４６】
例えば、抽出板に隣接するプラズマ密度はプラズマ源のタイプに応じて変化し得る。プラズマシース寸法（厚さ）はプラズマ密度に関連するため、境界２４１の全体的形状及び位置はプラズマのタイプに応じて変化し得る。従って、いくつかの実施形態では、他のパラメータ、例えば開口部の幅Ｇ、の調整を異なるプラズマ密度を考慮に入れて行って、プラズマシース境界の形状及び位置を制御し、それによってパターン化された基板に入射するイオンの分布を制御することができる。
【００４７】
パラメータの適切な組み合わせの選択は特定の用途及び所望の結果に基づいて行うことができる。イオン１０８の入射角の分布を制御する能力はイオンアシストＡＬＤプラズマを異なる基板に対して調整するうえで特に有益である。例えば、イオン１０８の入射角の分布は表面起伏特徴部、例えばＦＥＴデバイスの溝、フィン及び他の特徴部、のアスペクト比の変化を考慮して変化させることができる。従って、高いアスペクト比の起伏特徴部は低いアスペクト比の特徴部に比較して広いイオン入射角分布を必要とする。
【００４８】
再度図２ａ，ｂに戻り説明すると、いくつかの実施形態では、チャンバ２０を含むシステム１０は第１の反応物質の堆積前に基板１００を事前洗浄するために使用することができる。特定の実施形態では、ＡＬＤの堆積開始前に基板１００の表面を洗浄するために、チャンバ２０（又は別のチャンバ（図示せず））をプラズマ洗浄チャンバとして使用し、図２ａに示されるプラズマ４０のようなプラズマを発生させるためにプラズマ源（図示せず）をチャンバ２０に設けることができる。このようにして、各基板をＡＬＤ膜の堆積前に現場で事前洗浄することができる。基板表面が酸化を必要とする場合には、酸素プラズマを提供することができ、基板表面が還元を必要とする場合には、水素プラズマを提供することができる。他の実施形態では、基板１００の事前洗浄は、基板のプラズマへの暴露に加えて又は代わりに、基板を加熱することにより実行される。
【００４９】
いくつかの実施形態では、イオンアシストＡＬＤプロセスを２つの別個のチャンバで行わないで、単一のチャンバ、例えばチャンバ３０を用い、第１及び第２の反応物質を導入する。第１の段階では、第１の反応物質をイオンの使用なしで供給するが、第２の段階では、イオンを上述したように基板に供給する。
【００５０】
さらに、いくつかの実施形態では、膜形成後にＡＬＤ膜の処理が実行される。従って、反応製品層４１０を形成する反応後に、基板１００に追加の処理、例えばイオン流速への暴露及びアニーリング、を行うことができる。膜形成後処理は膜特性を改善するために使用できる。例えば、膜密度の向上及び水素等の望ましくない種の除去のためにアニーリング又はイオン衝撃のいずれか一方又は両方を実行することができる。堆積後処理は、基板１００がチャンバ３０内に位置する間にその場で実行することができ、また別のチャンバ又は装置（図示せず）内で実行することができる。
【００５１】
上述した実施形態は特にシリコン窒化物系について記載したが、本実施形態はＳｉＣ，ＳｉＣＮ，ＴｉＮ，ＴａＮ，Ｒｕ等の他の材料のイオンアシストＡＬＤシステム及び方法を含むものであり、これらの物質は数ある用途の中でも特にエッチストッパ又は他の拡散バリヤとして堆積することができる。本実施形態により被覆される他の物質は金属、例えばフィンＦＥＴに含まれる３次元金属ゲートに使用し得る元素金属、ＳｉＯ２等の酸化物スペーサ、及び他の材料系、を含む。
【００５２】
図６は別の実施形態に係わる方法６００に含まれる模範的なプロセスを示す。ブロック６０２において、基板が洗浄される。いくつかの実施形態によれば、洗浄はＡＬＤシステム内で現場実行される。洗浄はいくつかの実施形態ではイオンへの暴露及び／又は加熱を含むことができる。
【００５３】
ブロック６０４において、基板は第１の反応物質に暴露される。第１の反応物質はＡＬＤプロセスに使用されている既知の材料とすることができ、例えばシリコン窒化物の形成の場合にはシランとすることができる。いくつかの実施形態では、基板への超過量の反応物質の供給を容易にするために反応物質は定量形態で供給し、それによって基板上への単分子層の形成を確実にする。
【００５４】
ブロック６０６において、余分の第１の反応物質を一掃するために基板を包囲する周囲雰囲気がパージされる。ブロック６０８において、基板は第２の反応物質に暴露される。第２の反応物質への暴露は第１の反応物質を基板へ導入するために使用したチャンバとは異なる第２のチャンバ内で行われる。ブロック６１０において、基板はイオン流速にある角度範囲に亘って暴露される。第２の反応物質への暴露及び角度イオン流速への暴露は同時に行うか、或いは時間的に部分的にオーバラップさせることができる。従って、図２ｂも参照すると、プラズマがチャンバ３０内に形成される前又はイオン１０８を基板１００に向け抽出するためにバイアスが供給される前に、窒素含有反応物質を基板に向けて供給することができる。プラズマが発生されるとき、反応物質を供給し続けるとともに、イオンの少なくとも一部分を形成することもできる。第２の反応物質への暴露及びイオン流束へのある角度範囲に亘る暴露後に、コンフォーマル製品膜を形成することができる。
【００５５】
ブロック６１２において、第２の反応物質がパージされる。ブロック６１４において、所望の膜厚に達しない場合、プロセスは６０４に戻る。所望の膜厚に達した場合、プロセスはブロック６１６に移動し、ここで膜堆積後処理が実行される。この後処理は基板のイオン暴露及び／又はアニーリングを含むことができる。
【００５６】
要するに、様々な実施形態において、ある角度範囲に亘って分布するイオンを提供する新規なＡＬＤシステムが与えられ、このシステムでは所望の膜コンフォーマリティ、膜密度、応力及び膜組成を達成するように種々の動作パラメータを調整することができる。
【００５７】
本発明は本明細書に記載した特定の実施形態によりその範囲が限定されるものではない。実際には、以上の記載及び添付図面から、本明細書に記載した実施形態に加えて、他の様々な実施形態及び変更実施形態が当業者に明らかであろう。
【００５８】
従って、このような他の実施形態及び変更実施形態も本発明の範囲に含まれる。さらに、本発明は特定の実施に関連して記載されているが、当業者であれば、その有用性はそれらに限定されず、本発明は任意の環境における任意の目的のために有利に実施することができることを認識されよう。従って、後記の請求の範囲は本明細書に記載された本発明の全容及び精神を考慮して解釈されるべきである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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