CN111501016A - 一种高均一性的原子层沉积方法及其应用 - Google Patents

一种高均一性的原子层沉积方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高均一性的原子层沉积方法及其应用。一种高均一性的原子层沉积方法包括：以含有至少一个环戊二烯基配体的金属有机化合物为前驱体，在载体上进行原子层沉积，形成薄膜。本发明解决了现有技术膜质共形性低的问题。

Description

一种高均一性的原子层沉积方法及其应用
技术领域
本发明涉及半导体制备领域，特别涉及一种高均一性的原子层沉积方法及其应用。
背景技术
随着半导体器件的微型化，在拥有高深宽比(30以上)的图形结构中，获得均匀的共形膜对提高器件的电学特性至关重要。在1X级以下的动态随机存储器电容器(DRAMCapacitor)结构中，为确保优异的电特性，图形结构的顶部和底部的共形性必须达到90％以上，甚至要求达到98％以上，但现有技术很难达到，即使采用现有原子层沉积法也无法实现。例如以四(乙基甲基胺基)锆与臭氧为前驱体，利用原子层沉积法可以得到共形性为88％的膜质，无法满足1X级DRAM的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高均一性的原子层沉积方法，该方法解决了现有技术膜质共形性低的问题。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种高均一性的原子层沉积方法，包括：以含有至少一个环戊二烯基配体的金属有机化合物为前驱体，在载体上进行原子层沉积，形成薄膜。
本发明发现已有沉积方法无法达到高共形性的原因在于：前驱体采用的金属有机化合物的热分解温度较低，低于其蒸发温度，因此，在金属有机化合物蒸发成气相前就已经发生分解反应，形成容易吸附在晶圆(或其他载体)表面的分子，进而导致晶圆表面无法形成均匀分散的膜厚。以乙基甲基胺基三甲基锆(Zr(EMA)(Me)3)为例，其热分解温度为120℃，蒸发温度为170℃，其用作原子层沉积的前驱体时，就容易出现以上问题。
为此，本发明改变了传统原子层沉积法的前驱体类型，在金属有机化合物中引入至少一个环戊二烯基配体，增加了化合物的分子内结合力，使化合物的热分解温度高于蒸发温度，解决了以上问题，达到了“高均一性”的目的。
本发明所述的高均一性的原子层沉积方法可用于制作任意的半导体器件，包括但不限于DRAM，2D NAND，3D NAND或LCD。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)提高了沉积膜厚的均一性：部分实施例将现有的89％共形性提高至92％；
(2)适用范围广：适用于多种类型的金属有机物前驱体，也适用于各种类型的半导体。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为利用现有技术在生产性晶圆(PW)上沉积的膜外貌示意图；
图2为利用本发明技术在生产性晶圆(PW)上沉积的膜外貌示意图；
图3为利用现有技术在非生产性晶圆(NPW)上沉积的膜外貌示意图；
图4为利用本发明技术在非生产性晶圆(NPW)上沉积的膜外貌示意图；
图5为两种不同技术沉积的半导体结构的击穿电压累计分布图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
本发明涉及的简称含义如下。
Cp为环戊二烯基，
METHD为甲氧基乙氧基四甲基庚二酮酸根，
MPD为2-甲基-2,4戊二氧基，
THD为2,3,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸根，
EMA为乙基甲基胺基，
DMA为二甲基胺基，
Me为甲基，
ALD为原子层沉积。
实施例
分别采用式(一)的Zr(EMA)(Me)3和式(二)的Zr(DMA)(Me)2(Cp)为前驱体，均以臭氧O3为反应气体，在晶圆上沉积氧化锆ZrO2。
Figure BDA0002444536650000031
沉积方式是ALD，过程为：前驱体的脉冲——净化气体/抽空——其他反应气体的脉冲——净化气体/抽空。其中，净化气体/抽空的顺序可调换。
以上两种前驱体沉积的ZrO2膜形貌分别如图1至4所示，图中黑色实体小圈代表在ALD沉积反应之前驱体化合物的热分解产物。
经检测，以Zr(EMA)(Me)3沉积的ZrO2膜形貌共形性为89％，以Zr(DMA)(Me)2(Cp)沉积的ZrO2膜形貌共形性为92％。
测试两种方法制备的结构的击穿电压(BV)累计分布，如图5所示，结果显示在10nA测试条件下本发明制备的半导体结构的耐电强度更高。
在另外的实施方式中，可根据所需的膜类型改变金属类型或者配位基的类型/数量等，如金属有机化合物中含有两个、三个或四个环戊二烯基配体。金属有机化合物中配体的数量既与金属的配位键数量有关，也与满足原子层沉积的基本要求有关，例如在较低的沉积温度下具有充分的挥发性，或者能够吸附在载体表面，不会腐蚀载体或载体上已有的膜等。
所需的膜类型包括但不限于金属膜、金属氧化物膜、金属硅酸盐膜或者其结合。
所需的膜类型可根据介电常数要求选择，如常见的薄膜的介电常数K要求为20以上，K＝20～35，或K≥50。
在一些实施方式中，所述金属有机化合物还含有以下配位基中的一个或多个：甲氧基乙氧基四甲基庚二酮酸根基(METHD)、2,3,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸根(THD)、2-甲基-2,4戊二氧基(MPD)、乙基甲基胺基(EMA)、二甲基胺基(DMA)、甲基(Me)。
大部分实施例方式中所采用的前驱体可以有多种不同类型的配位基，只要包含一个以上环戊二烯基配体即可，包括但不限于Cp与METHD的组合，或者Cp与DMA、Me的三者组合，或者Cp与EMA、Me三者的组合。
在一些实施方式中，应所需膜类型或半导体器件类型不同，所述金属有机化合物中的金属可以为以下中的一种或多种：锶Sr、钡Ba、钛Ti、锆Zr或铪Hf。
在一些实施方式中，前驱体可以是一种化合物中包含多个金属元素，也可以是多个不同金属的有机化合物的混合物。
在一些实施方式中，作为前驱体的金属有机化合物为以下中的一种或多种：
Sr(METHD)(Cp)，Ba(METHD)(Cp)，Ti(MPD)(THD)(Cp)，Ti(Cp)2(THD)2，Zr(DMA)(Me)2(Cp)，Zr(EMA)2(Cp)2，Zr(Cp)2(Me)2，Zr(Cp)(EMA)(Me)2，Hf(EMA)2(Cp)2，Hf(Cp)2(Me)2，Hf(Cp)(EMA)(Me)2，Ti(Cp)2(Me)2。
在一些实施方式中，所述原子层沉积时所述金属有机化合物的气化方法为溶剂气化法。
通常前驱体室温下为弱挥发性的固体时，可将其溶解在有机溶剂中。可用的溶剂包括但不限于：脂肪烃、芳香烃、卤代烃、硅烷化烃、醚、聚醚、硫醚、酯、硅油等。
在一些实施方式中，原子层沉积时用于金属有机化合物前驱体气化的加热方式为：热惰性气体(例如Ar、He、Ne等)加热或热腔室加热，或者其他可行的加热方式。
在一些实施方式中，原子层沉积时的工作温度为40～600℃。
上述实施例方式所述的载体除晶圆外，也可以是半导体衬底，或者已经加工过(例如沉积过其他层或者刻蚀了沟槽)的衬底，包括但不限于DRAM中的电容凹槽或替代栅工艺中牺牲栅去除后形成的栅极凹槽。
上述实施例方式所述的原子层沉积(ALD)是指在处理室(即沉积室)中执行沉积循环的气相沉积方法。通常，在每个循环期间，将前驱体化学吸附至载体表面。之后，必要时可随后将反应物(例如另一前驱体或反应气体)导入沉积室以用于将化学吸附的前驱体在沉积表面转化为所要物质。此外，每个循环期间也可以利用吹扫步骤将过量前驱体从处理室去除，或者将反应副产物从沉积室去除，吹扫和抽真空的先后顺序可调换。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (14)

1.一种高均一性的原子层沉积方法，其特征在于，包括：以含有至少一个环戊二烯基配体的金属有机化合物为前驱体，在载体上进行原子层沉积，形成薄膜。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述载体为DRAM中的电容凹槽或替代栅工艺中牺牲栅去除后形成的栅极凹槽。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属有机化合物中含有两个、三个或四个环戊二烯基配体。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述薄膜的介电常数K为20以上。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述薄膜的介电常数K为20～35。
6.根据权利要求4所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述薄膜的介电常数K为50以上。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属有机化合物还含有以下配位基中的一个或多个：甲氧基乙氧基四甲基庚二酮酸根基、2,3,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸根、2-甲基-2,4戊二氧基、乙基甲基胺基、二甲基胺基、甲基。
8.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属有机化合物中的金属为以下中的一种或多种：锶、钡、钛、锆或铪。
9.根据权利要求1或者4-8中任一项所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属有机化合物为以下中的一种或多种：
Sr(METHD)(Cp)，Ba(METHD)(Cp)，Ti(MPD)(THD)(Cp)，Ti(Cp)2(THD)2，Zr(DMA)(Me)2(Cp)，Zr(EMA)2(Cp)2，Zr(Cp)2(Me)2，Zr(Cp)(EMA)(Me)2，Hf(EMA)2(Cp)2，Hf(Cp)2(Me)2，Hf(Cp)(EMA)(Me)2，Ti(Cp)2(Me)2；
其中，
Cp为环戊二烯基，
METHD为甲氧基乙氧基四甲基庚二酮酸根，
MPD为2-甲基-2,4戊二氧基，
THD为2,3,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸根，
EMA为乙基甲基胺基，
DMA为二甲基胺基，
Me为甲基。
10.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述原子层沉积时，所述金属有机化合物的气化方法为溶剂气化法。
11.根据权利要求1或10所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述原子层沉积时，用于所述金属有机化合物气化的加热方式为：热惰性气体加热或热腔室加热。
12.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述原子层沉积时的工作温度为40～600℃。
13.权利要求1-12任一项所述的原子层沉积方法用于制作半导体器件。
14.权利要求1-12任一项所述的原子层沉积方法用于制作DRAM，2D NAND，3D NAND或LCD。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200807

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