(57)【要約】  本開示の実施形態は、トレンチを充填するためのプロセスに関する。このプロセスは、層の表面上に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、その層に形成されたトレンチの一部分に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることを含み、トレンチの側壁の一部分が露出されている。第１のアモルファスシリコン層を除去する。このプロセスは、層の表面上に第３のアモルファスシリコン層を堆積させ、第２のアモルファスシリコン層上に第４のアモルファスシリコン層を堆積させることを、さらに含む。第３のアモルファスシリコン層を除去する。トレンチがアモルファスシリコン層で充填されるまで、堆積／除去サイクルプロセスを繰り返すことができる。アモルファスシリコン層は、下から上へ形成されるので、アモルファスシリコン層は、シームレスなアモルファスシリコンギャップ充填をトレンチ内に形成する。【選択図】図１Ｆ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスチャンバ内に配置された基板を、約１５０℃から約６５０℃の範囲の温度に加熱することと、
シラン含有前駆体を前記プロセスチャンバ内に流入させることと、
前記基板に形成されたフィーチャの底部上に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、前記基板の表面上に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることであって、前記フィーチャの各側壁の第１の部分が、前記第１のアモルファスシリコン層と接触し、各側壁の第２の部分が、露出されるように、第１のアモルファスシリコン層および第２のアモルファスシリコン層を堆積させることと、
前記第２のアモルファスシリコン層を除去することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１のアモルファスシリコン層上に第３のアモルファスシリコン層を堆積させ、前記基板の前記表面上に第４のアモルファスシリコン層を堆積させることを、さらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第４のアモルファスシリコン層を除去することを、さらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シラン含有前駆体が、シランおよびジシランを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のアモルファスシリコン層および前記第２のアモルファスシリコン層が、プラズマ化学気相堆積プロセスによって堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマ化学気相堆積プロセスのプラズマ出力密度が、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
堆積プロセスおよび除去プロセスが、単一のプロセスチャンバ内で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記単一のプロセスチャンバが、プラズマ化学気相堆積チャンバである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のアモルファスシリコン層を除去することが、プラズマエッチングプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記プラズマエッチングプロセスが、エッチャントとして水素ガスを利用する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラズマエッチングプロセスのプラズマ出力密度が、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
プロセスチャンバ内に配置された基板を、約２００℃から約５５０℃の範囲の温度に加熱することと、
シランまたはジシランを前記プロセスチャンバ内に流入させることと、
前記プロセスチャンバ内にプラズマを形成することと、
前記基板に形成されたフィーチャの底部上に第１のアモルファスシリコン層を堆積させることと、
を含む方法であって、前記フィーチャが、１つ以上の側壁を有し、前記第１のアモルファスシリコン層が、前記フィーチャの各側壁の第１の部分と接触し、各側壁の第２の部分が露出される、方法。
【請求項１３】
プラズマ出力密度が、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
基板に形成されたフィーチャの底部上に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、前記基板の表面上に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることであって、前記フィーチャの各側壁の第１の部分が、前記第１のアモルファスシリコン層と接触し、各側壁の第２の部分が露出され、前記第１および前記第２のアモルファスシリコン層を堆積させることが、
プロセスチャンバ内に配置された前記基板を、約１５０℃から約６５０℃の範囲の温度に加熱することと、
シラン含有前駆体を前記プロセスチャンバ内に流入させることと、
を含む、第１および第２のアモルファスシリコン層を堆積させることと、
前記第２のアモルファスシリコン層を除去することと、
前記第１および前記第２のアモルファスシリコン層を堆積させることと、前記第２のアモルファスシリコン層を除去することとを、前記フィーチャがアモルファスシリコンで充填されるまで、繰り返すことと、
を含む方法。
【請求項１５】
前記第１のアモルファスシリコン層および前記第２のアモルファスシリコン層が、プラズマ化学気相堆積プロセスによって堆積され、前記プラズマ化学気相堆積プロセスのプラズマ出力密度が、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲である、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］  本開示の実施形態は、基板上にギャップ充填材料を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  半導体プロセスにおいて、デバイスは、継続的にフィーチャ寸法を減少させながら製造されている。多くの場合、これらの先端技術ノードでデバイスを製造するために利用されるフィーチャは、高アスペクト比構造を含み、絶縁材料などのギャップ充填材料で高アスペクト比構造間のギャップを充填することが、多くの場合に必要である。絶縁材料がギャップ充填用途に利用される例としては、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）、金属間誘電体層（ＩＬＤ）、プリメタル誘電体（ＰＭＤ）、パッシベーション層、パター二ング用途などがある。デバイスの幾何学的形状が縮小し、サーマルバジェットが減少するにつれて、既存の堆積プロセスの制限により、高アスペクト比空間のボイドのない充填が、ますます困難になる。
【０００３】
［０００３］  ギャップ充填材料は、様々な堆積プロセス、例えば流動性化学気相堆積（ＦＣＶＤ）によって堆積させることができる。ＦＣＶＤによる堆積直後の状態のギャップ充填材料は、通常、高い湿式エッチング速度比（ＷＥＲＲ）および高い応力によって特徴づけられる、品質の悪いものであり、ギャップ充填材料の品質を改善するために、硬化および／またはアニーリングなどの後続のプロセスを必要とする。
【０００４】
［０００４］  したがって、ギャップ充填材料を形成するための改善されたプロセスが必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
［０００５］  本開示の実施形態は、基板上にギャップ充填材料を形成する方法に関する。一実施形態では、方法は、プロセスチャンバ内に配置された基板を約１５０℃〜約６５０℃の範囲の温度に加熱することと、シラン含有前駆体をプロセスチャンバ内に流すことと、基板に形成されたフィーチャの底部に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、基板の表面上に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることとを含む。フィーチャの各側壁の第１の部分は、第１のアモルファスシリコン層と接触しており、各側壁の第２の部分は、露出されている。この方法は、第２のアモルファスシリコン層を除去することを、さらに含む。
【０００６】
［０００６］  別の実施形態では、方法は、プロセスチャンバ内に配置された基板を約２００℃〜約５５０℃の範囲の温度に加熱することと、シランまたはジシランをプロセスチャンバ内に流すことと、プロセスチャンバ内にプラズマを形成することと、基板に形成されたフィーチャの底部に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、基板の表面上に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることとを含む。フィーチャの各側壁の第１の部分は、第１のアモルファスシリコン層と接触しており、各側壁の第２の部分は、露出されている。
【０００７】
［０００７］  別の実施形態では、方法は、基板に形成されたフィーチャの底部に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、基板の表面上に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることを含む。フィーチャの各側壁の第１の部分は、第１のアモルファスシリコン層と接触しており、各側壁の第２の部分は、露出されている。第１および第２のアモルファスシリコン層を堆積させることは、プロセスチャンバ内に配置された基板を約１５０℃〜約６５０℃の範囲の温度に加熱することと、シラン含有前駆体をプロセスチャンバ内に流すこととを含む。この方法は、第２のアモルファスシリコン層を除去することと、第１および第２のアモルファスシリコン層を堆積させること、ならびに第２のアモルファスシリコン層を除去することを、フィーチャがアモルファスシリコンで充填されるまで、繰り返すこととを、さらに含む。
【０００８】
［０００８］  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、添付の図面は、本開示の典型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】
【０００９】
【図１Ａ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【図１Ｂ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【図１Ｃ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【図１Ｄ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【図１Ｅ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【図１Ｆ】本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するための方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［００１０］  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。１つの実施形態において開示された要素は、他の実施形態において、それに関する特定の列挙なしに有益に利用され得ることが企図される。
【００１１】
［００１１］  本開示の実施形態は、トレンチを充填するためのプロセスに関する。このプロセスは、層の表面上に第１のアモルファスシリコン層を堆積させ、その層に形成されたトレンチの一部分に第２のアモルファスシリコン層を堆積させることを含み、トレンチの側壁の一部分が露出されている。第１のアモルファスシリコン層を除去する。このプロセスは、層の表面上に第３のアモルファスシリコン層を堆積させ、第２のアモルファスシリコン層上に第４のアモルファスシリコン層を堆積させることを、さらに含む。第３のアモルファスシリコン層を除去する。トレンチがアモルファスシリコン層で充填されるまで、堆積／除去サイクルプロセスを繰り返すことができる。アモルファスシリコン層は、下から上へ形成されるので、アモルファスシリコン層は、シームレスなアモルファスシリコンギャップ充填をトレンチ内に形成する。
【００１２】
［００１２］  本明細書で使用される「基板」は、任意の基板、または製造プロセス中に膜処理が実行される、基板上に形成された材料表面を指す。例えば、処理を実行することができる基板表面には、ケイ素、酸化ケイ素、歪みシリコン、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、アモルファスシリコン、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガラス、サファイアなどの材料、ならびに用途に応じて、金属、金属窒化物、金属合金、および他の導電性材料などの任意の他の材料が含まれる。基板には、半導体ウェハが含まれるが、これらに限定されない。基板は、基板表面を研磨し、エッチングし、還元し、酸化し、ヒドロキシル化し、アニールし、および／またはベークするために、前処理プロセスに曝されてもよい。基板の表面上で直接膜処理することに加えて、開示される膜処理ステップのいずれも、以下により詳細に開示されるように、基板上に形成された下層上で実行されてもよく、用語「基板表面」は、文脈が示すような下層を含むことが意図される。したがって、例えば、膜／層または部分的な膜／層が、基板表面上に堆積された場合、新たに堆積された膜／層の露出表面が、基板表面になる。
【００１３】
［００１３］  図１Ａ〜図１Ｆは、本明細書に記載の一実施形態による、基板上にギャップ充填材料を形成するためのプロセスを概略的に示す。図１Ａに示すように、基板１００は、フィーチャ１０２を含む。図は、例示目的のために単一のフィーチャを有する基板を示すが、当業者は、１つより多いフィーチャがあり得ることを理解するであろう。フィーチャ１０２の形状は、トレンチおよび円筒形ビアを含むが、これらに限定されない任意の適切な形状であり得る。この点に関して使用される場合、用語「フィーチャ」は、任意の意図的な表面不規則性を意味する。フィーチャの適切な例には、底部および２つの側壁を有するトレンチおよびビアが含まれるが、これらに限定されない。フィーチャは、任意の適切なアスペクト比（フィーチャの幅に対するフィーチャの深さの比）を有することができる。いくつかの実施形態では、アスペクト比は、約５：１以上、約１０：１以上、約１５：１以上、約２０：１以上、約２５：１以上、約３０：１以上、約３５：１以上または約４０：１以上である。
【００１４】
［００１４］  基板１００は、表面１０１を含み、フィーチャ１０２は、表面１０１に形成された開口部である。一実施形態では、基板１００は、酸化ケイ素または窒化ケイ素などの誘電体材料から製造されるＳＴＩ領域を含み、フィーチャ１０２は、ＳＴＩ領域に形成される。フィーチャ１０２は、底部１０４および側壁１０６を含む。次に、図１Ｂに示すように、第１のアモルファスシリコン層１０８が、フィーチャ１０２の底部１０４上に堆積され、第２のアモルファスシリコン層１１０が、基板１００の表面１０１上に堆積される。第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスによって堆積される。
【００１５】
［００１５］  一実施形態では、第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０を堆積させるためのＰＥＣＶＤプロセスは、ケイ素含有前駆体をプロセスチャンバ内に流し込むことと、プロセスチャンバ内にプラズマを形成することとを含む。一実施形態では、プロセスチャンバは、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．から入手可能なＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＸＰ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ（商標）チャンバである。プラズマは、インシトゥ（その場）で形成されてもよいし、または遠隔位置で形成され、次いで、プロセスチャンバ内に流されてもよい。ケイ素含有前駆体は、シラン、ジシラン、トリシラン、またはテトラシランなどのシラン含有前駆体であってもよい。一実施形態では、ケイ素含有前駆体は、シランまたはジシランなどの低次シラン含有前駆体である。プラズマ出力密度は、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲であり、処理温度、すなわち処理中の基板の温度は、約１５０℃から約６５０℃、例えば２００℃から約５５０℃の範囲である。低次シラン含有前駆体などのシラン含有前駆体が、上述の処理条件で使用される場合、堆積された第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、流動性ではないことが発見された。第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、流動性ではないので、材料は、堆積プロセス中に側壁１０６上に配置されず、側壁材料のブリッジング（および対応するボイド形成）の可能性が低減される。堆積された第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、流動性アモルファスシリコン層と比較して改善された品質を有する。さらに、後続の硬化および／またはアニーリングプロセスは必要ない。
【００１６】
［００１６］  堆積中に大部分または完全に側壁１０６を覆う、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって形成される共形層とは異なり、第１のアモルファスシリコン層１０８は、フィーチャ１０２の底部１０４上に、各側壁１０６の第１の部分１１２と接触して形成される。各側壁１０６の第２の部分１１４は、露出され、第１のアモルファスシリコン層１０８によって覆われない。同様に、第１のアモルファスシリコン層１０８と同時に形成される第２のアモルファスシリコン層１１０は、表面１０１上に形成され、フィーチャ１０２の各側壁１０６の第２の部分１１４上には形成されない。第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、それぞれ、底部１０４および表面１０１上に形成され、底部１０４は、表面１０１とほぼ平行である。したがって、第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、ほぼ平行な面上に形成され、大体同じ厚さまたはおおよそ同じ厚さを有する。言い換えれば、第１のアモルファスシリコン層１０８および第２のアモルファスシリコン層１１０は、水平面上に形成されるが、垂直面上には形成されない。側壁１０６（垂直面）の覆われる唯一の部分は、底部１０４上に配置される第１のアモルファスシリコン層１０８の厚さに対応する部分である。
【００１７】
［００１７］  次に、図１Ｃに示すように、第２のアモルファスシリコン層１１０を表面１０１から除去する。除去プロセスは、第１および第２のアモルファスシリコン層１０８、１１０が形成されるプロセスチャンバと同じプロセスチャンバ内で実行されるプラズマエッチングプロセスであってもよい。プラズマエッチングプロセスのチャンバ圧力は、ＰＥＣＶＤプロセス中のチャンバ圧力と同じであっても、ＰＥＣＶＤプロセス中のチャンバ圧力とは異なるものであってもよい。処理温度は、第１および第２のアモルファスシリコン層１０８、１１０を堆積させるＰＥＣＶＤプロセスと同じ処理温度とすることができる。堆積プロセスとエッチングプロセスに同じ処理温度を利用することにより、堆積プロセスとエッチングプロセスとの間の急速な移行が容易になり、これにより基板スループットが増大する。プラズマ出力密度は、約０．１４Ｗ／ｃｍ２から約２．８３Ｗ／ｃｍ２の範囲である。上述のプロセス条件下では、第２のアモルファスシリコン層１１０は除去されるが、第１のアモルファスシリコン層１０８は、プラズマイオンが側壁１０６への衝突によりエネルギーを失い、ラジカルが底部１０４に到達する前に抑えられ／失われ、および／またはプラズマ出力密度が制御されて底部１０４へのイオン衝撃を最小限に抑えるので、実質的に影響を受けない。除去プロセスに使用されるエッチャントは、任意の適切なエッチャントとすることができる。一実施形態では、除去プロセスは、物理的プラズマエッチングプロセスであり、使用されるエッチャントはヘリウムである。別の実施形態では、除去プロセスは、フッ素もしくは塩素含有エッチャントなどのハロゲン含有エッチャントまたは水素ガスをエッチャントとして使用する化学的プラズマエッチングプロセスであり、プラズマは遠隔位置で形成される。ハロゲン含有エッチャントおよび水素ガスは、基板１００の材料、例えば酸化ケイ素よりもアモルファスシリコンをエッチングする高い選択性を有する。さらに別の実施形態では、除去プロセスは、エッチャントとしてハロゲン含有エッチャントまたは水素ガスを使用する物理的および化学的プラズマエッチングプロセスであり、プラズマは、容量結合プラズマなど、インシトゥ（その場）で形成される。
【００１８】
［００１８］  第２のアモルファスシリコン層１１０を除去した後、図１Ｄに示すように、第２のＰＥＣＶＤプロセスを実行して、第１のアモルファスシリコン層１０８上に第３のアモルファスシリコン層１１６を形成し、表面１０１上に第４のアモルファスシリコン層１１８を形成する。第２のＰＥＣＶＤプロセスは、第１および第２のアモルファスシリコン層１０８、１１０を形成するためのＰＥＣＶＤプロセスと同じプロセス条件下で実行することができる。第３のアモルファスシリコン層１１６は、各側壁１０６の一部分１２０と接触しており、各側壁１０６の一部分１２２が露出している。第３および第４のアモルファスシリコン層１１６、１１８は、それぞれ第１および第２のアモルファスシリコン層１０８、１１０と同じ特性を有する。
【００１９】
［００１９］  図１Ｅに示されるように、第４のアモルファスシリコン層１１８が、表面１０１から除去される。除去プロセスは、第２のアモルファスシリコン層１１０を除去するための除去プロセスと同じであってもよい。一実施形態では、フィーチャ１０２は、第１のアモルファスシリコン層１０８および第３のアモルファスシリコン層１１６で充填される。換言すれば、底部１０４全体が、第１のアモルファスシリコン層１０８と接触し、側壁１０６全体が、第１のアモルファスシリコン層１０８および第３のアモルファスシリコン層１１６と接触する。他の実施形態では、フィーチャ１０２を充填するために、追加の堆積／除去サイクルプロセスを実行することができる。一実施形態では、図１Ｆに示すように、追加のアモルファスシリコン層１２４、１２６、１２８が、第３のアモルファスシリコン層１１６上に堆積され、各堆積プロセスに続く除去プロセスの結果として、アモルファスシリコン層は、表面１０１上に残らない。除去プロセスのためのプラズマ出力は低いので、フィーチャ１０２内へのイオン衝撃は最小化される。さらに、フィーチャ１０２は、堆積／除去サイクルの最後の堆積プロセスで過充填され、最後の除去プロセスが、表面１０１上およびフィーチャ１０２を越えたアモルファスシリコン層を除去する。各堆積／除去サイクル（１つのサイクルは、１つの堆積プロセスおよび１つの除去プロセスを含む）について、堆積時間対エッチング時間の比は、約１対３から約１対１５までの範囲であり得る。このような例では、エッチング時間は、堆積時間よりもかなり長い。サイクル数は、フィーチャ１０２の深さおよび／またはフィーチャ１０２内に堆積された各アモルファスシリコン層の厚さに依存する。一実施形態では、堆積／除去サイクルの数は、約５０から約２００までの範囲であり、それぞれの堆積サイクル中に形成された各アモルファスシリコン層の厚さは、約２５０オングストロームから約１０００オングストロームの間である。フィーチャ１０２内に形成された複数のアモルファスシリコン層１０８、１１６、１２４、１２６、１２８は、下から上へ形成される。したがって、アモルファスシリコン層１０８、１１６、１２４、１２６、１２８には、シームまたはボイドが形成されない。
【００２０】
［００２０］  堆積／除去サイクルプロセスを使用することにより、トレンチなどのフィーチャを、下から上へシームレスに充填することができる。さらに、フィーチャ内に形成されたアモルファスシリコン層は、流動性ではないので、アモルファスシリコン層の品質は、従来の流動性アモルファスシリコンギャップ充填よりも改善される。さらに、流動性アモルファスシリコンギャップ充填を形成した後に一般に行われる、その後の硬化および／またはアニーリングプロセスは、必要ではない。
【００２１】
［００２１］  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１Ａ】
2021515405.tif 000003
【図１Ｂ】
2021515405.tif 000004
【図１Ｃ】
2021515405.tif 000005
【図１Ｄ】
2021515405.tif 000006
【図１Ｅ】
2021515405.tif 000007
【図１Ｆ】
2021515405.tif 000008
【国際調査報告】
2021515405.tif 000009
2021515405.tif 000010