(57)【要約】原子層堆積の技法を開示する。1つの特定の例示的な実施形態において、この技法は、原子層堆積のための装置によって実現することができる。この装置は、少なくとも1つの基板を保持するための基板プラットフォームを有するプロセスチャンバを備えることができる。この装置はまた、少なくとも1つの第1の種の原子と少なくとも1つの第2の種の原子とを含む前駆物質の供給源を備えることができ、その供給源は前駆物質を供給して少なくとも1つの基板の表面を飽和させる。この装置は、少なくとも1つの第3の種の準安定原子のプラズマ源をさらに備えることができ、その準安定原子は、少なくとも1つの第2の種の原子を、少なくとも1つの基板の飽和した表面から脱着させて、少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子層堆積のための装置であって、当該装置が、
少なくとも一つの基板を保持する、基板プラットフォームを有するプロセスチャンバ、
前駆物質の供給源であって、前記前駆物質は、少なくとも1つの第1の種の原子と、少なくとも1つの第2の種の原子とを含み、且つ前記供給源は、前記少なくとも1つの基板の表面を飽和させるために前記前駆物質を供給する、供給源、及び
少なくとも1つの第3の種の準安定原子のプラズマ源であって、前記準安定原子は、前記少なくとも1つの基板の飽和した表面から、前記少なくとも1つの第2の種の原子を脱着させて、前記少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層を形成することができる、プラズマ源
を備えている、原子層堆積装置。
【請求項２】
前記プラズマ源中に生成される荷電粒子の少なくとも一部が、前記基板の表面に達するのを阻止するための1つ以上のデバイスをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記基板プラットフォームは、前記プラズマ源中に生成される荷電粒子の少なくとも一部が前記基板の表面に達するのを阻止するように方向付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
ドーパント前駆体の供給源をさらに備え、該ドーパント前駆体の供給源は、1つ以上の堆積サイクルにおいて前記前駆物質の供給源の代わりに用いるように構成され、これにより、前記少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層をドーピングする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ドーパント前駆体の供給源をさらに備え、1つ以上の堆積サイクルにおいて、前記ドーパント前駆体の供給源は、前記前駆物質の供給源が前記前駆物質を供給するのとほぼ同時に、前記ドーパント前駆体を供給するように構成され、これにより、前記少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層をドーピングする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記準安定原子のプラズマ源は、前記プロセスチャンバに連結されるプラズマチャンバをさらに備え、該プラズマチャンバは、前記少なくとも1つの第3の種の準安定原子を生成するように構成される、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
前記プラズマチャンバは、誘導結合プラズマから前記少なくとも1つの第3の種の準安定原子を生成する、請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記前駆物質は、
シリコン、
カーボン、
ゲルマニウム、
ガリウム、
ヒ素、
インジウム、
アルミニウム、及び
リン
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項1に記載の装置。
【請求項９】
前記基板の表面は、
シリコン、
シリコン−オン−インシュレータ（SOI）、
二酸化シリコン、
ダイヤモンド、
シリコン・ゲルマニウム、
シリコンカーバイド、
III−V化合物、
フラットパネル材料、
ポリマー、及び
可撓性基板材料
からなる群の中から選択した1つ以上の物質を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも1つの第3の種は、
ヘリウム（He）、
ネオン（Ne）、
アルゴン（Ar）、
クリプトン（Kr）、
ラドン（Rn）、及び
キセノン（Xe）
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの基板は、500°C以下の温度に保たれる、請求項1に記載の装置。
【請求項１２】
原子層堆積方法であって、当該方法が、
基板の表面を少なくとも1つの第1の種の原子と少なくとも1つの第2の種の原子とを有する前駆物質で飽和させ、これにより前記基板の表面に、前記前駆物質の単分子層を形成するステップ、及び
前記基板の表面を、プラズマ生成される第3の種の準安定原子にさらすステップであって、前記準安定原子は、前記少なくとも1つの第2の種の原子を前記基板の表面から脱着させて、前記少なくとも1つの第1の種の原子層を形成するステップ
を備えている、原子層堆積方法。
【請求項１３】
前記第1の種の複数の原子層を形成する多数の堆積サイクルを含む原子層堆積方法であって、各堆積サイクルは、前記請求項12に記載のステップを繰り返して、前記第1の種の1つの原子層を形成する、原子層堆積方法。
【請求項１４】
前記基板の表面に、前記前駆物質の供給と同時に、ドーパント前駆体を供給するステップをさらに備え、前記多数の堆積サイクルの1つ以上において、前記少なくとも1つの第1の種の複数の原子層をドーピングする、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記多数の堆積サイクルの1つ以上において、前記前駆物質の代わりにドーパント前駆体を用いるステップをさらに備え、前記少なくとも1つの第1の種の複数の原子層をドーピングする、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
前記準安定原子のプラズマ源中に生成される荷電粒子の少なくとも一部が前記基板の表面に達するのを阻止するステップをさらに備えている、請求項13に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板の表面を500°C以下の温度でアニールするステップをさらに備えている、請求項13に記載の方法。
【請求項１８】
前記前駆物質は、ジシラン(Si2H6）を含み、
前記少なくとも1つの第1の種は、シリコンを含み、
前記少なくとも1つの第2の種は、水素を含み、且つ
前記第3の種は、ヘリウムを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板の表面の1つ以上の選択した部分を二酸化シリコン（SiO2）でマスキングするステップをさらに備えている、請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記前駆物質は、
シリコン、
カーボン、
ゲルマニウム、
ガリウム、
ヒ素、
インジウム、
アルミニウム、及び
リン
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項13に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板の表面は、
シリコン、
シリコン−オン−インシュレータ（SOI）、
二酸化シリコン、
ダイヤモンド、
シリコン・ゲルマニウム、
シリコンカーバイド、
III−V化合物、
フラットパネル材料、
ポリマー、及び
可撓性基板材料
からなる群から選択した1つ以上の物質を含む、請求項13に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも1つの第3の種は、
ヘリウム（He）、
ネオン（Ne）、
アルゴン（Ar）、
クリプトン（Kr）、
ラドン（Rn）、及び
キセノン（Xe）
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項13に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも1つの基板を保持する、基板プラットフォームを有するプロセスチャンバ、
ジシラン（Si2H6）の供給源であって、前記少なくとも1つの基板の表面を飽和させるのに十分な量のジシランを供給するように構成される、ジシラン（Si2H6）の供給源、
ヘリウムの供給源、及び
前記プロセスチャンバに連結され、前記ヘリウムの供給源によって供給されるヘリウムからヘリウム準安定原子を生成するように構成されるプラズマチャンバ
を備えた原子層堆積用の装置であって、
前記準安定原子は、水素原子を前記少なくとも1つの基板の飽和した表面から脱着させ、これにより、1つ以上のシリコンの原子層を形成する、原子層堆積装置。
【請求項２４】
ジボラン(B2H6)の供給源をさらに備え、該ジボランの供給源は、1つ以上の堆積サイクルにおいて、前記ジシランの供給の少なくとも一部の代わりに用いるように構成され、これにより、ホウ素原子を前記1つ以上のシリコンの原子層に導入する、請求項23に記載の装置。
【請求項２５】
1つ以上の堆積サイクルにて、基板の表面上に薄膜を形成するステップであって、前記1つ以上の各堆積サイクルでは、少なくとも1つの第1の種の原子と、少なくとも1つの第2の種の原子とを有する前駆物質が前記基板の表面を飽和させるために供給され、それから前記少なくとも1つの第2の種の原子は、前記飽和した基板の表面から脱着させて、前記少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層を形成する、ステップ、及び
前記多数の堆積サイクルの1つ以上において、前記前駆物質の供給の少なくとも一部をドーパント前駆体と置き換え、これにより前記少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層にドーピングするステップ、
を備えている共形ドーピング方法。
【請求項２６】
前記少なくとも1つの第2の種の原子は、少なくとも1つの第3の種の準安定原子で脱着される、請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも1つの第3の種の準安定原子は、プラズマで生成される、請求項25に記載の方法。
【請求項２８】
荷電粒子の少なくとも一部は、前記基板の表面に達するのを阻止される、請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも1つの第3の種は、
ヘリウム（He）、
ネオン（Ne）、
アルゴン（Ar）、
クリプトン（Kr）、
ラドン（Rn）、及び
キセノン（Xe）
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項27に記載の方法。
【請求項３０】
前記前駆物質は、
シリコン、
カーボン、
ゲルマニウム、
ガリウム、
ヒ素、
インジウム、
アルミニウム、及び
リン
からなる群から選択した1つ以上の種を含む、請求項25に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板の表面は、
シリコン、
シリコン−オン−インシュレータ（SOI）、
二酸化シリコン、
ダイヤモンド、
シリコン・ゲルマニウム、
シリコンカーバイド、
III−V化合物、
フラットパネル材料、
ポリマー、及び
可撓性基板材料
からなる群から選択した1つ以上の物質を含む、請求項25に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板の表面は、500°C以下の温度に保たれる、請求項25に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板の表面は、前記ドーパント前駆体の原子を再分配する、さらなる熱処理にさらされない、請求項25に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板の表面は三次元のトポロジを有し、且つ前記薄膜は共形的に形成されると共に該薄膜上に共形的にドーピングされる、請求項25に記載の方法。
【請求項３５】
前記薄膜は、FinFET構造の一部である、請求項34に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に半導体製造に関し、特に原子層堆積の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の半導体製造は、高品質薄膜構造の正確な原子レベルの堆積の必要性を創出した。この必要性に応じて、「原子層堆積」（ALD）、又は「原子層エピタキシ」（ALE）として総じて既知の多くの薄膜成長技術が、近年開発されている。ALD技術は、均一で共形の(conformal)膜を原子層の精度で堆積することができる。典型的なALDプロセスは、一連の自己制御式の表面反応を用いて、薄膜成長の制御を単分子層の厚さ単位で達成する。
膜の共形性及び均一性に対するその優れた可能性のために、ALDは、例えばマイクロエレクトロニクスデバイスにおける高誘電率（高−k）のゲート酸化物、蓄積容量誘電体、及び銅の拡散バリヤなどの高度な用途用に選択される技術になった。事実、ALD技術は、ナノメートル(nm）、又はサブナノメートル尺度の薄膜構造の正確な制御からの恩恵を受ける、任意の高度な用途に役立てることができる。
【０００３】
しかしながら、現在まで、ほとんどの既存の堆積技術は、固有の欠点に悩まされ、半導体産業における大量生産には、信頼されて適用されなかった。例えば、「分子線エピタキシ」（MBE）として既知の堆積技術は、シャッタ制御される個々の噴出セルを用いて、異なる種類の原子を基板の表面に向かわせ、その基板の表面上で、これらの原子は、互いに反応して所望の単分子層を形成する。固体ソースのMBEプロセスでは、噴出セルを成分原子の熱電子放出のためにかなり高い温度にまで加熱しなければならない。加えて、成分原子が基板の表面に達する前に、成分原子間で衝突がないようにするために、極めて高い真空状態を維持しなければならない。高温及び高い真空状態を要求するにもかかわらず、MBE膜の成長速度は、量産目的としてはかなり低い。
【０００４】
他のALD技術は、温度変調原子層エピタキシ（ALE）として既知である。この技術に従ってシリコン膜を成長させるために、次の工程が繰り返される。最初に、シラン（SiH4）の単分子層を、180℃から400℃までの間の比較的低い温度で、基板の表面に堆積する。それから、基板の温度を、約550℃に上げ、水素原子を脱着して、シリコンの単分子層を残す。この技術は、層ごとに膜成長を制御するのではあるが、繰り返される温度のスパイクに対する要求が、大きいウェーハ全体にわたる均一性、及び層から層への再現性を維持することを困難にしている。加えて、基板を高温度にまで加熱することによって、前の処理ステップにおいて基板上に形成された繊細な構造を損傷するか、又は破壊し得る。
【０００５】
1つの既存のALD技術は、イオン衝撃を用いて過剰な水素原子を脱着する。この技術によれば、ジシラン（Si2H6）ガスを用いて、ジシランの単分子層を基板の表面上に形成することができる。それから、基板の表面をヘリウム又はアルゴンのイオンで衝撃して、ジシランの単分子層から過剰な水素原子を脱着して、シリコンの単分子層を形成する。おそらく、過度なエネルギーイオン衝撃（〜50 eVイオンエネルギー）のために、膜成長速度がかなり低くなり（1サイクルにつき0.15未満の単分子層）、エネルギーイオン束は本来ライン・オブ・サイト(line-of-sight)プロセスであるため、高度に共形の堆積を行うための原子層堆積の可能性を危うくし得る。さらに、エネルギーイオンは、堆積後のアニーリングを余儀なくさせる結晶欠陥を生じさせることもあり得る。
【０００６】
さらに、ALD堆積した、特に三次元構造（例えばFinFETs）の薄膜に対する共形ドーピングは、プロセスエンジニアにとっていまだ課題のままである。既存のイオン注入技術は、ドーパント分布を均一にし難いためだけでなく、注入後のアニール処理に起因する潜在的な損傷のためからも、ドーパントを三次元の共形的に覆われた構造に導入するのは望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の観点から、上述の不備及び欠点を克服する原子層堆積の解決策を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
原子層堆積の技術を開示する。1つの特定の例示的な実施形態において、この技術は、原子層堆積のための装置によって実現することができる。この装置は、少なくとも1つの基板を保持する、基板プラットフォームを有するプロセスチャンバを備えることができる。この装置はまた、前駆物質の供給源を備えることができ、前駆物質は、少なくとも1つの第1の種の原子と少なくとも1つの第2の種の原子とを含み、供給源は、前駆物質を供給して、少なくとも1つの基板の表面を飽和させる。本装置は、少なくとも1つの第3の種の準安定原子のプラズマ源をさらに備えることができ、準安定原子は、少なくとも1つの基板の飽和した表面から少なくとも1つの第2の種の原子を脱着して、少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層を形成する。
【０００９】
他の特定の例示的な実施形態において、本技術は、原子層堆積のための方法として実現することができる。本方法は、少なくとも1つの第1の種の原子と、少なくとも1つの第2の種の原子とを有する前駆物質で基板の表面を飽和させるステップを備えることができ、これにより、前駆物質の単分子層を基板の表面上に形成する。本方法はまた、基板の表面を、プラズマ生成される第3の種の準安定原子にさらすステップを備えることができ、準安定原子は、基板の表面から少なくとも1つの第2の種の原子を脱着して、少なくとも1つの第1の種の原子層を形成する。原子層堆積方法は、第1の種の複数の原子層を形成するための多数の堆積サイクルを含むことができ、各堆積サイクルは、上述したようなステップを繰り返して、第1の種の1つの原子層を形成する。
【００１０】
さらにもう1つの特定の例示的な実施形態において、本技術は、原子層堆積のための装置によって実現することができる。本装置は、少なくとも1つの基板を保持するための基板プラットフォームを有するプロセスチャンバを備えることができる。本装置はまた、少なくとも1つの基板の表面を飽和させるのに、十分な量のジシランを供給するように構成される、ジシラン（Si2H6）の供給源、ヘリウムの供給源を備えることができる。本装置は、プロセスチャンバに連結されるプラズマチャンバをさらに備えることができ、プラズマチャンバは、ヘリウムの供給源によって供給されるヘリウムからヘリウム準安定原子を生成するように構成される。準安定原子は、少なくとも1つの基板の飽和した表面から水素原子を脱着して、これにより1つ以上のシリコンの原子層を形成することができる。
【００１１】
さらに別の特定の例示的な実施形態において、本技術は、共形ドーピングの方法として実現することができる。本方法は、1つ以上の堆積サイクルにて、基板の表面上に薄膜を形成するステップを備えることができ、1つ以上の各堆積サイクルでは、少なくとも1つの第1の種の原子と、少なくとも1つの第2の種の原子とを有する前駆物質を供給して、基板の表面を飽和させ、それから、少なくとも1つの第2の種の原子を、飽和した基板の表面から脱着させて、少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層を形成する。本方法はまた、多数の堆積サイクルの1つ以上において、前駆物質の供給の少なくとも一部をドーパント前駆体と置き換え、これにより、少なくとも1つの第1の種の1つ以上の原子層をドーピングするステップを備えることができる。
【００１２】
本開示は、添付の図面に示すように、その例示的な実施形態を参照して更に詳細に説明する。本開示は、例示的な実施形態を参照して、以下に説明するが、本開示は、それに限定されないと理解すべきである。当業者は、本願における教示にアクセスすることで、本願明細書において記載されている本開示の範囲内、及び本開示がかなり役に立つ追加的な実施態様、変更例、及び実施例を他の分野での利用と同様に認識されよう。
【００１３】
本開示のより完全な理解を容易にするために、同様の番号が同様の構成要素を示す、添付図面を参照する。これらの図面は、本開示を制限するものとして解釈されてはならず、例示のみを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の実施形態による例示的な原子層堆積サイクルを図解するブロック図である。
【図２】本開示の実施形態による例示的な原子層堆積サイクルを図解するブロック図である。
【図３】本開示の実施形態による例示的な原子層堆積システムを図解するブロック図である。
【図４】本開示の実施形態による例示的な原子層堆積の方法を図解するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
既存の原子層堆積技術に関連する上述した課題を解決するために、本開示の実施形態は、ALD及びインサイチュ・ドーピング技術を導入する。準安定原子を用いて、過剰原子を脱着することができる。準安定原子は、例えば、プラズマチャンバ内で生成することができる。説明の便宜上、以下の説明は、ヘリウム準安定原子を使用してドーピングするか、又はドーピングしないシリコンを堆積させるための方法と装置に焦点をあてる。同一、あるいは類似の技術によって、ヘリウム又は他の準安定原子を使用して他の種の薄膜を成長させることもできることは明らかである。
【００１６】
図1を参照するに、ここには本開示の実施形態による、例示的な原子層堆積サイクル100を図解するブロック図を示してある。この例示的な原子層堆積サイクル100は、2つの段階としての飽和段階10と脱着段階12とを含むことができる。
【００１７】
飽和段階10においては、基板102を、ジシラン（Si2H6）ガスにさらすことができる。シリコン膜の成長のために、基板の表面は、例えば、シリコン、シリコン−オン−インシュレータ（SOI）、及び/又は二酸化シリコンを含むことができる。ジシランガスは、シリコン前駆体としての役目をし、十分な高ドーズ量で供給されて、基板の表面を飽和させ、基板上にジシランの単分子層104を形成する。しかしながら、この開示の全体にわたって、「飽和する」とは、基板の表面を「飽和させる」ために使用する物質によって、このような基板の表面が部分的に覆われるだけであるというシナリオを排除しない。基板102は、プロセス環境と同様に、慎重に選定した温度に保って、前駆体ガスが基板の表面上で凝縮するか、又は分解するのを防ぐことができる。本実施形態において、基板102は、180℃から400℃の間の温度に加熱して維持するが、他の温度範囲内に基板102を加熱して維持することも本開示の範囲内である。
【００１８】
脱着段階12においては、基板102を十分なエネルギーを有する準安定原子にさらし、前駆体の単分子層から過剰な原子を脱着させることができる。この実施形態によれば、ヘリウムの準安定原子を用いて、飽和段階10において形成されたジシランの単分子層104から過剰な水素原子を部分的に、あるいは完全に脱着させることができる。ヘリウムの準安定原子は、例えば、誘導結合プラズマ中のヘリウムガスからつくることができる。各々のヘリウム準安定原子は、約20eVの内部エネルギーを有することができ、シリコン原子と水素原子との間の結合を破るために用いることができる。いくつかの実施形態によれば、不活性ガス（ヘリウム、アルゴン等）の準安定状態、及び他の励起状態は、基板の表面に脱着反応を間接的に駆り立てることもある光子を放出する傾向がある。過剰な水素原子を除去した後、シリコンの単分子層106を、基板の表面上に形成することができる。いくつかの実施形態によれば、過剰な水素原子の全てを除去できるというわけでない。したがって、脱着段階12の終了時に、シリコンの単分子層106の表面は、ダングリングボンドと水素終端シリコン原子との混成であってもよい。
【００１９】
飽和段階10と脱着段階12との間で、基板の表面は、1つ以上の不活性ガス（例えばヘリウム、又はアルゴン）でパージして、副産物（例えば水素）と同様に過剰な反応ガスを除去することができる。2つの段階間の「パージ」ステップを含む、飽和段階10と脱着段階12とによる完全なサイクルは、1つの「堆積サイクル」と称することができる。堆積サイクル100を繰り返して、純粋なシリコンの薄膜（例えば結晶、多結晶、アモルファスタイプ等）、すなわち、1つの単分子層（又は部分単分子層）を一度に形成することができる。
【００２０】
本開示の実施形態によれば、前駆物質で飽和した基板の表面から過剰な原子を脱着するのに、準安定原子を使用することは、イオンを使用するより有利である。準安定原子を脱着目的のためにプラズマ中で生成する場合には、プラズマ中で生成された荷電粒子（例えば電子及びイオン）が基板の表面に達して、これらの荷電粒子が原因で、異方性膜の特性が低下するか、又は最小化するのを阻止するのが望ましい。荷電粒子が基板の表面上に形成されるALD膜に影響を及ぼさないようにするために、多くの手段を講じることができる。例えば、一つ以上のデバイス（例えばバッフル、又はスクリーン）を、プラズマ源と基板との間に介在させることができる。これらのデバイスはさらに、不所望な荷電粒子を除去するようにバイアスをかけることができる。あるいは、荷電粒子を偏向させるために電磁界を設定することができる。他の実施形態によれば、基板表面の配向は、荷電粒子の入射流入を最小化するように調整することができる。例えば、基板プラットフォームを逆さにするか、あるいはそうでなければプラズマ源のライン・オブ・サイトからそらすようにすることができる。あるいは、プラズマ源を基板から少し離して位置させて、荷電粒子の大部分が散乱又は衝突によって基板の表面に達しないようにすることができる。
【００２１】
図2を参照するに、ここには本開示の他の実施形態による例示的な原子層堆積サイクル200を図解するブロック図を示してある。この実施形態によれば、上述の図1に図示したALDプロセスは、単一種の薄膜を堆積するだけでなく、いずれも良好に制御される方法で、薄膜に不純物を導入するか、又は多数種の薄膜、及び/又は交互層化の薄膜を形成するために利用することができる。例えば、非ドープのシリコン膜は別として、ドープされるシリコン膜は、わずかに変更したALDプロセスに基づいて成長させることもできる。この変更ALDプロセスによれば、1つ以上の堆積サイクル100を1つ以上の堆積サイクル200と置換することができる。
【００２２】
堆積サイクル200の飽和段階20においては、ドーパント前駆体ガスをシリコン前駆体ガスの代わりに、又はそれと同時に供給することができる。図2に示した例示的実施形態において、ドーパント前駆体は、ジボラン（B2H6）であり、これは基板102の表面に吸着して（又は、「化学吸着して」）、ジボランの単分子層204を形成することができる。この場合、下にある表面は、前の堆積サイクル100で堆積されたシリコンの単分子層を含むことができる。ジボランの単分子層204は、下にある表面を部分的に、又は完全に覆うことができる。
【００２３】
堆積サイクル200の脱着段階22においては、基板102を、上述のように、ヘリウムの準安定原子にさらすことができる。ヘリウムの準安定原子は、ジボランの単分子層204から過剰な水素原子を脱着して、部分的又は完全な、ホウ素の単分子層206を残すことができる。
【００２４】
堆積サイクル100を堆積サイクル200と置換する回数を制御すると共に、飽和段階20において供給するジボランガスのドーズ量を制御することによって、シリコン膜におけるホウ素のドーパント密度プロファイルを所望なものとすることができる。このインサイチュ・ドーピング技術は、イオン注入よりむしろドーパント原子の共形堆積に依存するため、例えばFinFETのような三次元構造の複雑な表面の上に、均一なドーパント分布を達成することができる。更に、イオン注入ドーパント原子に必要とされるような、堆積後の高温拡散プロセスの必要性がない。その代わりに、アニーリングを必要としないか、又は低温アニーリングを必要とするだけであるため、ドーパント種の拡散が低減されることになり、したがって、非常に急激な（又は「ボックス状」の）ドーパントプロファイルとなる。このように、本開示の実施形態は、半導体産業の「熱予算」内に首尾良く収まる、500°C以下の温度で実装することができる。
【００２５】
本開示の実施形態による原子層堆積は、基板表面の組成に依存する選択的なプロセスであってもよい。例えば、図1に図解したプロセスは、シリコン又はSOIの表面上にシリコンの単分子層を堆積することができるが、二酸化シリコン（SiO2）の表面上に堆積することはできない。したがって、二酸化シリコンは、基板表面の選択された部分をシールドするために、マスク層として用いることができる。
【００２６】
ヘリウムの準安定原子だけを上述の例において用いているが、他の種の原子も、脱着プロセス用に選定することができることは明らかである。これらの種の選定は、それらの準安定状態又は励起状態の寿命期間とエネルギーとに基づいて成すことができる。表1は、ALDプロセスの脱着段階において用いることができる準安定原子の候補種のリストを提供する。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
ジボランガスは別として、他のドーパント前駆体もまた、所望のドーパント原子をALDによって形成した薄膜に導入するために用いることができることは明らかである。例えば、ホウ素（B）、ヒ素（As）、リン（P）、インジウム（In）、及びアンチモン（Sb）のようなドーパント原子を導入するのに適したドーパント前駆体は、以下の種類の化合物群、すなわち、ハロゲン化物（例えばBF3）、アルコキシド（例えば、B(OCH3)3）、アルキル基（例えば、In（CH3）3）、水素化物（例えばAsH3、PH3）、シクロペンタジエニル、アルキルイミド、アルキルアミド（例えば、P〔N(CH3)2〕3）、及びアミジナートを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
さらに、ドーパントを含有する単分子層をALDのようなプロセスによって堆積する、インサイチュ・ドーピング技術は、プラズマ増強ALDプロセスに限定されない。また、このインサイチュ・ドーピング技術は、準安定原子を用いる必要もない。例えば、熱ALDプロセスも適応して、ドーパントを含有する単分子層を形成することができる。事実、このインサイチュ・ドーピングの概念は、ドープすべき薄膜の単分子層を堆積する1つ以上の堆積サイクルを、ドーパントを含有する単分子層を堆積する1つ以上の堆積サイクルと置換することができるか又は、ドープすべき薄膜を、ドーパントを含有する単分子層とほぼ同時に堆積することができる、任意のALDプロセスに適用できる。
【００３０】
図3は、本開示の実施形態による原子層堆積のための例示的なシステム300を図解するブロック図を示す。
【００３１】
システム300は、典型的には高い真空ベース圧力（例えば、10−7〜10−6トル）とすることができ、例えば、ターボポンプ306、機械式ポンプ308、及び他の必要な真空封止部品を有することができる、プロセスチャンバ302を備えることができる。プロセスチャンバ302の内部には、少なくとも1つの基板30を保持する基板プラットフォーム310があってもよい。基板プラットフォーム310には、1つ以上の温度管理デバイスを装備させて、基板30の温度を調整して、維持することができる。基板プラットフォーム30の傾き、又は回転を調整することもできる。プロセスチャンバ302はさらに、例えば、水晶振動子マイクロバランス及び/又はRHEED（反射高エネルギー電子回折）機器のような1つ以上の薄膜成長モニタリングデバイスを備えることができる。
【００３２】
システム300はまた、プロセスチャンバ302に連結するか、又はプロセスチャンバ302の一部とすることができ、プラズマチャンバ304を備えることができる。無線周波数（RF）電源312を用いて、プラズマチャンバ304の内部に誘導結合プラズマ32を生成することができる。例えば、適切な圧力で供給されるヘリウムガスを、RF電源によって励起して、ヘリウム・プラズマを生成し、次にヘリウム準安定原子を生成することができる。
【００３３】
システム300はさらに、例えば、ジシラン供給源314、ジボラン供給源316、アルゴン供給源318、及びヘリウム供給源320のような、多くのガス供給源を備えることができる。各々のガス供給源は、流量制御弁を備え、個々の流量を所望通りに設定することができる。ガスは、例えば、第1の弁と、固定容積の小さいチャンバと、第2の弁との直列接続によって、システム内で測定することができる。最初に第1の弁を開くことによって、小さいチャンバを所望の圧力に満たす。そして、第1の弁を閉じたあと、第2の弁を開くことによって、固定容積のガスをチャンバの内部にリリースする。ジシラン供給源314及びジボラン供給源316は、第1の入口322を経てプロセスチャンバ302に連結することができ、シリコン及びホウ素の前駆体ガスの十分な量を供給して、基板30を飽和させることができる。アルゴン供給源318、及びヘリウム供給源320は、第2の入口324を経てプラズマチャンバ304に連結することができる。アルゴン供給源318は、アルゴン（又は他の不活性ガス）を供給して、システム300をパージすることができる。ヘリウム供給源320は、ヘリウム準安定原子のプラズマ生成用のヘリウムガスを供給することができる。プラズマチャンバ304とプロセスチャンバ302との間には、スクリーン又はバッフルデバイス326を随意設けることができる。バイアスをかけるか、又はかけない、スクリーン又はバッフルデバイス326は、プラズマチャンバ304内に生成された荷電粒子の少なくとも一部が基板30に達するのを阻止する働きをすることができる。
【００３４】
図4は、本開示の実施形態による、原子層堆積の例示的な方法を図解するフローチャートを示す。
【００３５】
ステップ402では、図3に示したような堆積システムを、高真空（HV）状態にポンプダウンすることができる。この真空状態は、現在既知であるか、又は後に開発される任意の真空技法によって達成することができる。真空装置は、例えば、機械式ポンプ、ターボポンプ、及びクライオポンプの1つ以上を含むことができる。好ましくは、真空レベルは少なくとも10−7〜10−6トルとするが、真空レベルを他の圧力に維持することも本開示の範疇である。例えば、より高い薄膜の純度を所望する場合には、さらにもっと高いベース真空度を必要とする。低純度の薄膜には、低い真空度を容認できる。
【００３６】
ステップ404では、基板を所望温度に予熱することができる。基板温度は、基板のタイプ、ALD反応種、所望成長速度などに基づいて決定することができる。
【００３７】
ステップ406では、例えばジシランのようなシリコンの前駆体ガス(及びもしあるならば、その搬送ガス)を、基板が座するプロセスチャンバ内に流入させることができる。シリコンの前駆体ガスは、基板の表面を飽和させるのに十分な流量又は圧力で供給することができる。ジシランの流入は、例えば、数秒間又は数十秒間続けることができる。ジシランの単分子層は、基板の表面を部分的に、又は完全に覆うことができる。
【００３８】
ステップ408では、表面の飽和後に、シリコンの前駆体を止めることができ、そして、堆積システムを、1つ以上の不活性ガスによってパージして、過剰なシリコン前駆体を除去することができる。
【００３９】
ステップ410では、ヘリウム・プラズマを出すことができる。すなわち、ヘリウムガスをプラズマチャンバからプロセスチャンバに流すことができる。ヘリウム・プラズマは、誘導結合プラズマ（ICP）、又はヘリウム原子を十分励起して、ヘリウムの準安定原子をつくる、多くの他のプラズマタイプのいずれかとすることができる。プロセスチャンバ内の基板を、ヘリウムの準安定原子にさらして、これらの準安定原子が基板上に吸着されたシリコン前駆体と反応して、非シリコン原子を脱着させるようにすることができる。例えば、ジシランの単分子層に対しては、ヘリウム準安定原子が、過剰な水素原子を除去するのを助長し、所望のシリコン単分子層を形成することができる。基板の表面を準安定原子にさらすのは、例えば、数秒間又は数十秒間続けることができる。
【００４０】
ステップ412では、ヘリウム・プラズマを止めることができ、そして、堆積システムを1つ以上の不活性ガスによって再びパージすることができる。
【００４１】
ステップ414では、シリコン膜のドーピングを所望するかどうかを決定することができる。ドーピングが所望され、それがドーパントを導入するのに適切な時点である場合には、プロセスをステップ416に分岐させることができる。そうでなければ、プロセスを、ステップ406へループバックさせて、シリコンの次の単分子層の堆積を開始し、及び/又はシリコンの部分的な単分子層の堆積を終了することができる。
【００４２】
ステップ416では、例えばジボランのようなドーパント前駆体ガス（及び、もしあるならば、その搬送ガス）を、プロセスチャンバに流入させることができる。ドーパント前駆体ガスは、基板の表面を飽和させるのに十分な流量又は圧力で供給することができる。ジボランの流入は、例えば、数秒間、又は数十秒間続けることができる。ジボランの単分子層は、基板の表面を部分的に、又は完全に覆うことができる。
【００４３】
ステップ418では、表面の飽和後、ドーパント前駆体を止めることができ、そして、堆積システムを、1つ以上の不活性ガスによってパージして、過剰なドーパント前駆体を除去することができる。
【００４４】
ステップ420では、ヘリウム・プラズマを出して、ヘリウム準安定原子を生成することができる。プロセスチャンバ内の基板を再びヘリウム準安定原子にさらして、これらの準安定原子が基板上に吸着されたドーパント前駆体と反応して、非ドーパント原子を脱着させるようにすることができる。例えば、ジボラン単分子層に対しては、ヘリウム準安定原子が、過剰な水素原子を除去するのを助長し、所望される部分的又は完全なホウ素単分子層を形成することができる。基板の表面を準安定原子にさらすのは、例えば、数秒間、又は数十秒間続けることができる。
【００４５】
ステップ422では、ヘリウム・プラズマを止めることができ、そして、堆積システムを1つ以上の不活性ガスによって再びパージすることができる。
【００４６】
上述の406から412までのプロセスステップ、及び/又は406から422までのプロセスステップは、所望のドーパントプロファイルをもつ1つ以上の単分子層を有する所望のシリコン膜が得られるまで繰り返すことができる。
【００４７】
上述の例は、シリコン膜の堆積及び/又はドーピングを説明しただけではあるが、本開示の実施形態を、他の材料又は種の薄膜の堆積又はドープに容易に適応することができると理解すべきである。例えば、以下の種を含んでいるALD薄膜を堆積するか、又はドーピングすることができる。すなわち、ゲルマニウム（Ge）、カーボン(C)、ガリウム（Ga）、ヒ素（As）、インジウム（In）、アルミニウム（Al）、又はリン（P）。得られる薄膜は、例えばカーボン、又はゲルマニウムのような単一の種、又は例えばIII−V化合物(例えばGaAs、InAlp)のような化合物を含むことができる。この目的のためには、対応する種を含んでいる前駆物質を利用することができる。前駆物質の候補は、以下のものを含むが、これに限定されるものではない。すなわち、水素化物（例えばSiH4、Si2H6、GeH4）、又はハロゲン化水素化物（例えばSiHCl3）、ハロゲン化炭化水素（例えばCHF3）、アルキル（例えばトリメチルアルミニウム−Al(CH3)3、又はジメチル・エチル・アルミニウム−CH3CH2−Al(CH3)2）、又はハロゲン化物（例えばCCl4、又はCCl2F2）。
【００４８】
本開示は、本願明細書において記載した特定の実施形態による、範囲内に限定すべきではない。実際、本明細書において記載したものに加えて、本開示の他の様々な実施形態及び変更例が、前述の説明及び添付の図面から当業者にとって明らかであろう。したがって、かような他の実施形態及び変更例も、本開示の範疇である。さらに、本開示を、特定の目的のための特定の環境での特定の実装の文脈で、本願明細書において記載したが、当業者は、その有用性がそれに限定されるものでなく、本開示が任意数の目的のために、任意数の環境においても有益に実装することができると理解されよう。したがって、以下に記載する請求項は、本願明細書にて記載した本開示の全範囲及び精神を考慮して解釈すべきである。
【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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