DE102004061093A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1), die mit einer aktiven Schicht (8) eines Halbleiterbauelementes oder Dielektrikum zusammenwirkt, wobei die Arbeitsfunktion (Wf) der Elektrode (1) unter Berücksichtigung der Schichteigenschaft, insbesondere der Dotierung der Schicht (8) an die Lage der Energiebänder (Ec, Ev) in der Schicht (8) angepasst ist. Der Prozess wird dadurch ökonomisch, dass als Elektrodenmaterial eine Metall/Nichtmetall-Verbindung gewählt wird und die Arbeitsfunktion (F) durch Variation mindestens einer nichtmetallischen Komponente eingestellt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, die mit einer aktiven Schicht einer Halbleiterbauelementes oder Dielektrikum, zusammenwirkt, wobei die Arbeitsfunktion der Elektrode unter Berücksichtigung der Schichteigenschaft, insbesondere der Dotierung der Schicht an die Lage der Energiebänder in der Schicht angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenmaterial eine Metall-Nichtmetall-Verbindung gewählt wird und die Arbeitsfunktion durch Variation der nicht metallischen Komponente eingestellt wird.
- Das gattungsgemäße Verfahren dient der Herstellung einer Elektrode beispielsweise einer Gate-Elektrode eines Feldeffekt-Transistors. Feldeffekt-Transistoren werden auf Silicium-Basis gefertigt, wobei die dotierten Zonen wie Source, Drain und Channel durch Eindiffusion von P-leitenden oder N-leitenden Substanzen dotiert werden. Die Dotierung erfolgt z.B. mit Phosphor oder Bor.
- Um die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile z.B. für CMOS, DRAM Anwendungen zur gewährleisten, wird u.a. nach hoch-k-Materialien als Alternativen zu SiO2 als Dielektrikum gesucht. Als solche Kandidaten sind z.B. auf Aluminiumoxid oder Hafniumoxid basierende Materialsysteme, von ganz besonders hohem Interesse, da diese herausragenden Eigenschaften hinsichtlich der Dieelektrizitätszahl und der Leckströme aufweisen. Neue Erkenntnisse demonstrieren auch verbesserte Materialeigenschaften über Laminierung bzw. Mischung dieser Metalloxide untereinander bzw. zur Verbesserung der thermischen Stabilität auch durch Beigabe von Silizium.
- Für DRAM muss das Elektrodenmaterial hohe elektrische Leitfähigkeit haben, ferner eine hohe Arbeitsfunktion, um Leckströme durch das Dielektrikum zu vermeiden. Das Elektrodenmaterial muss bei den Herstellungsbedingungen des hoch-k-Materials mechanisch und chemisch stabil sein. Außerdem muss das Eletrodenmaterial während dem Prozessieren gut auf Diffusionsbarriereschichten und Dielektrika haften.
- Bei MOS integrierten Schaltungen sind Polysilizium Gate Elektroden Stand der Technologie. Bei der DMOS Technologie zeigen sich die Vorteile von Plysilizium, dessen Arbeitsfunktion durch Dotierung z.B. mit Phosphor oder Bor derart eingestellt werden kann, dass es für die Anwendung in NMOS und PMOS geeignet ist.
- Insbesondere für elektronische Hochleistungsbauelemente sind Alternativen zur Polysilizium-Elektroden erwünscht.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren leistungsfähiger zu machen.
- Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder der Ansprüche grundsätzlich eine eigenständige Lösung der Aufgabe vorschlägt, jedoch jeder Anspruch mit jedem anderen Anspruch kombinierbar ist.
- Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor, dass als Elektrodenmaterial eine Metall/Nichtmetall-Verbindung gewählt wird und die Arbeitsfunktion eine Variation der nichtmetallischen Komponente eingestellt wird. Der Prozess kann in der Prozesskammer eines Reaktors stattfinden. In diesem Reaktor kann das Quellenmaterial für eine Vielzahl von unterschiedlich dotierter Schichten verwendet werden. Das in die Prozesskammer eingebrachte Quellenmaterial kann so eingestellt werden, dass die Elektrode die gewünschte Arbeitsfunktion besitzt. Es ist aber auch möglich, durch thermische Nachbehand lung die Arbeitsfunktion zu modifizieren. Die Elektrode wird vorzugsweise durch Gasphasenabscheiden erzeugt. Es wird insbesondere ein MOCVD-Prozess verwendet. Als Ausgangsstoffe können flüssige oder feste Stoffe verwendet werden, die in einem außerhalb der Prozesskammer und insbesondere auch außerhalb des Reaktors angeordneten Quellengefäß bevorratet werden. Sie werden mit geeigneten Mitteln, beispielsweise unter Verwendung eines Trägergases aus dem Quellengefäß transportiert. Innerhalb des Quellengefäßes kann eine Verdampfung des flüssigen oder festen dort bevorrateten Ausgangsstoff stattfinden. Es ist aber möglich, den flüssigen und auch festen oder in einer Flüssigkeit gelösten Ausgangsstoff in einer gesonderten Verdampfungskammer zu verdampfen. Dort kann sich ein erwärmtes Gasvolumen befinden, in welches der flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste Ausgangsstoff hineingebracht wird. Die Verdampfungswärme wird dann der Wärme des Gases entzogen. Vorzugsweise erfolgt die Verdampfung ohne Oberflächenkontakt. Der flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste Ausgangsstoff kann gepulst in das erwärmte Gasvolumen eingebracht werden. Als Trägergas kann Wasserstoff, Stickstoff oder ein geeignetes Edelgas verwendet werden. Als metallische Komponente wird bevorzugt eine metallorganische Verbindung verwendet. Diese kann zusammen mit einem reaktiven Gas in die Prozesskammer eingeleitet werden. Als reaktives Gas kommt insbesondere Ammoniak in Betracht. Es ist aber auch möglich, nur eine metallorganische Verbindung zu verwenden. Bei der Deposition der metallischen Schicht zerfällt die metallorganische Verbindung insbesondere auf der zu beschichtenden, vorzugsweise vorstrukturierten Oberfläche. Dabei können die Prozessparameter so eingestellt werden, dass auch Reste des organischen Bestandteils des metallorganischen Ausgangsstoffs, beispielsweise Kohlenstoff, in die Elektrodenschicht eingebaut werden. Dies hat Einfluss auf die Lage des Fermi-Niveaus in der Elektrode. Letzteres kann durch einen dem Beschichtungsschritt folgenden Ausheizprozess beeinflusst werden. In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aber vorgesehen, dass die Arbeitsfunktion der Elektrode durch Variation des Massenflusses der Ausgangsstoffe modifiziert wird. Insbesondere wird das Verhältnis eines metallorganischen Ausgangsstoffes zu einem reaktiven Gas variiert. Dieses Verhältnis wird so eingestellt, dass bei der abgeschiedenen Elektrode die Fermi-Energie auf dem gewünschten Niveau liegt. Beispielsweise soll diese bei einem PMOS im Bereich des Valenzbandmaximums und bei einem NMOS im Bereich des Leitungsbandminimums liegen. Zufolge des erfindungsgemäßen Verfahrens können dann auch elektronische Hochleitungsbauelemente, wie DRAMS oder FETS mit metallbasierenden Elektroden gefertigt werden, die wegen ihres geringen Widerstandes und einer passenden Arbeitsfunktion an eine immer kleiner werdende elektrische Dicke eines Dielektrikums anpassbar sind. Die Elektrode wirkt deshalb vorzugsweise auf eine dielektrische Schicht. Beispielsweise für mögliche Materialpaarungen sind Metallsilizide wie HfSi, NiSI, Nitride wie TaN, TiN, TiAlN Oxide wie RuO2, oder Metall wie Ru, Ta oder ähnliche Materialien. Elektrodenmaterialien können auch gleichzeitig die Aufgaben von Barriereschichten erfüllen, z.B. Metall Nitride. Für die Integration in NMOS und PMOS wären zwei verschiedene Metall basierende Elektroden (dual gates) mit jeweils zum Silizium Leitungsbandminimum oder Valenzbandmaximum passender Arbeitsfunktion erforderlich. Die meisten thermisch stabilen und für CMOS geeigneten Metalle haben Arbeitsfunktionen in der Mitte der elektronischen Bandlücke (midgab) oder beim Valenzbandmaximum von Silizium. Durch die Verwendung einer zusätzlichen nichtmetallischen Komponente und insbesondere deren Variation kann die Arbeitsfunktion auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Auch elektrisch leitende Nitride sind für Elektroden geeignet. TaN ist von der Arbeitsfunktion her für NMOS geeignet und TiN für PMOS. Gate Elektroden könnten daher auf der Basis von Nitriden in einem Nitridierungsprozess hergestellt werden. MOCVD ist ein produktionswürdiges Verfahren, das in industriellem Maßstab die kostengünstige, effiziente Abscheidung von Schichten wie z.B. Metalloxiden, Metallsiliziden, Metallnitriden oder Metallen mit hohem Durchsatz bei guter Reproduzierbarkeit, hoher Gleichförmigkeit und guter Kantenbedeckung auf struktu rierten Substraten gewährleisten. Die Erfindung beinhaltet eine Methode zur Herstellung von elektrisch leitenden Schichten, die auf dem oder denselben Metallen basieren und zur Einstellung deren Arbeitsfunktion. In dieser Methode werden z.B. Metallnitrid haltige Schichten aus metallorganischen Precursoren und Reaktionsgasen in einem MOCVD-Verfahren abgeschieden. Diese Schichten enthalten bevorzugt nur ein Metall. Durch verschiedene Abscheidungsprozesse wird die Zusammensetzung der Metallnitridschichten derart beeinflusst, dass sich Schichten mit verschiedenen Arbeitsfunktionen ergeben. Als ein weiterer Schritt können die Schichten durch Aufheizen in einer kontrollierten Atmosphäre nachbehandelt werden, so dass deren Arbeitsfunktion weiter verändert wird. Somit kann die Arbeitsfunktion der Metallnitridschicht eingestellt werden, ohne das oder die verwendeten Metalle durch ein oder mehrere andere zu ersetzen. Die Abscheidung kann ein kontaktfreies Verdampfungssystem und Methode beinhalten unter Verwendung von nicht kontinuierlicher Injektion von flüssigen oder gelösten Metall-Ausgangs-Substanzen (Precursoren) in eingeheiztes Volumen mit anschließender Überführung in die Gasphase. Dadurch können die Precursoren im Abscheidungssystem dem Abscheidungsprozess in hoher Gasphasensättigung zur Verfügung gestellt werden. Dies kann die Wachstumsrate und den Durchsatz erhöhen. Oder einige Precursoren können durch ein kontinuierliches Verdampfungssystem und Methode oder ein auf Bubbler basierendes System und Methode oder ein Gasversorungssystem und Methode zugeführt haben. Insgesamt können die Precursoren durch ein oder mehrere Precursor Zuführungssysteme und Methoden zugeführt werden.
- Ein Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen nachfolgend erläutert. Es zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines MOSFET, die Energieniveaus von Gate-Elektrode und m-dotiertem Channel, -
2 das Energie-Niveau einer Gate-Elektrode bei einem n-dotierten Channel, -
3 das Energie-Niveaus einer Gate-Elektrode bei einem p-dotierten Channel und -
4 der schematische Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. - Das erfindungsgemäße Verfahren dient nicht nur zur Fertigung der Elektroden an DRAMS, sondern insbesondere der Fertigung einer Gate-Elektrode
1 an einem Feldeffekttransistor, welche auf eine vorstrukturierte dielektrische Schicht2 aufgebracht wird. Bei der dielektrischen Schicht kann es sich um eine Siliciumoxidschicht oder um ein hoch-k-Materials handeln. Unterhalb der dielektrischen Schicht2 befindet sich der Kanal8 des Feldeffekttransistors. Die Source ist mit der Bezugsziffer3 und der Drain mit der Bezugsziffer4 bezeichnet. Die Source-Elektrode trägt die Bezugsziffer5 und die Drain-Elektrode die Bezugsziffer6 . Das Substrat, in welchem die dotierten Bereiche Channel8 , Drain4 und Source3 eindiffundiert sind, trägt die Bezugsziffer7 . - Je nach Typ des Bauelementes besitzt der Kanal
8 eine N-Dotierung oder eine P-Dotierung. Bei dem in2 dargestellten Verlauf der Energie-Niveaus der Gate-Elektrode1 und des Kanals8 ist der Kanal N-dotiert. Das Fermi-Niveau Ef innerhalb der Gate-Elektrode1 ist so eingestellt, dass es auf der Höhe der Unterkante des Leitungsbandes Ec liegt. Die Arbeitsfunktion Wf entspricht hier ungefähr 4eV. - Die Gate-Elektrode kann im vorliegenden Fall aus TaN bestehen. Die Zusammensetzung der Gate-Elektrode definiert dabei die Arbeitsfunktion Wf.
- Die
3 zeigt eine Gate-Elektrode1 , die mit einer anderen Zusammensetzung gefertigt wird, wobei auch hier die Materialien und Tantal und Stickstoff sind. Dort ist der Kanal8 P-dotiert. Die Arbeitsfunktion Wf in der Gate-Elektrode1 entspricht hier etwa 5eV, so dass das Fermi-Nieveau Ef im Bereich des Valenzbandmaximums Ev liegt. - Alternativ zur Variation der Gasflüsse der Ausgangsstoffe in die Prozesskammer kann die Arbeitsfunktion Wf auch durch einen nachträglichen Ausheizschritt in einer kontrollierten Atmosphäre variiert werden. Dies kann ein RTP-Schritt sein. Das Ausheizen kann auch einen Plasmabehandlungs-Schritt beinhalten, um die erforderliche Temperatur zu erniedrigen.
- Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt die
4 . In einer Quelle9 befindet sich eine metallorganische Verbindung, beispielsweise eine Tantal-Verbindung. Mittels eines Trägergas, welches mit der Bezugsziffer14 angedeutet ist, wird diese metallische Komponente durch die Leitung12 in einen Reaktor11 eingebracht. Dort befindet sich ein Gasverteiler18 . In den Gasverteiler18 wird über eine Zuleitung13 zusätzlich Ammoniak eingeleitet. Beide Gase treten in die Prozesskammer10 ein, in welcher sich ein Substrathalter16 befindet, auf dem ein vorstrukturiertes Substrat15 aufliegt. Der Substrathalter16 kann von unten in geeigneter Weise von einer Heizung17 beheizt werden. Die Ausgangsstoffe kondensieren auf dem Substrat15 unter Ausbildung einer Metall-Nichtmetall-Verbindung zur Ausbildung einer Elektrode. - Die Aufbereitung der metallorganischen Komponente kann auch anderweitig erfolgen, beispielsweise in einem geeigneten Verdampfer. In diesem Verdampfer wird der flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste metallische Ausgangsstoff insbesondere nicht kontinuierlich hineingebracht. Die Verdampfung erfolgt durch Wärmeaufnahme aus einem sich im Verdampfer befindlichen Gas, ohne dass der Ausgangsstoff in seiner flüssigen Phase in Kontakt mit einer Wandung des Verdampfers tritt.
- Das Material der Gate-Elektrode kann Ta Six Cy Nz oder TiAlx Cy Nz sein, wobei 0<x<1, 0<y<1, 0<z<1 ist.
- Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass unterschiedliche elektrisch leitende Schichten in ein- und derselben Prozesskammer mit einer Materialpaarung hergestellt werden können. Insbesondere können elektrisch leitende Schichten mit frei einstellbarer Arbeitsfunktion Wf hergestellt werden, ohne dass weitere bzw. andere Ausgangsstoffe verwendet werden müssen. Die Arbeitsfunktion wird dabei entweder durch Variation der Zusammensetzung der in die Gasphase gebrachten Ausgangsstoffe und/oder durch einen nachfolgenden Ausheizschritt durchgeführt. Auf diese Weise können in einer einzigen Vorrichtung nicht nur die Elektroden für die Kondensatoren von DRAMS hergestellt werden. Es können auch die Gate-Elektroden für CMOS-Transistoren hergestellt werden, und zwar unabhängig von der Dotierung des Kanals.
- Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.
Claims (22)
- Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (
1 ), die mit einer aktiven Schicht (8 ) einer Halbleiterbauelementes oder Dielektrikum zusammenwirkt, wobei die Arbeitsfunktion (Wf) der Elektrode (1 ) unter Berücksichtigung der Schichteigenschaft, insbesondere der Dotierung der Schicht (8 ) an die Lage der Energiebänder (Ec, Ev) in der Schicht (8 ) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenmaterial eine Metall/Nichtmetall-Verbindung gewählt wird und die Arbeitsfunktion (F) durch Variation mindestens einer nichtmetallischen Komponente eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (
1 ) durch Gasphasenabscheiden, insbesondere durch MOCVD erzeugt wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass flüssige oder feste Ausgangsstoffe verwendet werden, die in einem Quellengefäß (
9 ) bevorratet werden und mittelst eines Gasstroms in eine Prozesskammer (10 ) eines Reaktors (11 ) geleitet werden. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe metallorganische flüssige oder feste in flüssigen oder festen Lösungsmittel gelöste Stoffe sind.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe Gase sind.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gasförmiger oder in die Gasphase überführter Ausgangsstoff dem Reaktionsprozess durch kontinuierliches Verdampfen zur Verfügung gestellt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung des festen oder flüssigen Ausgangsstoffs ohne Kontakt mit einer Oberfläche durch nicht kontinuierliche Injektion des Ausgangsstoffes in eine Gasatmosphäre erfolgt, welche vorbeheizt ist und die Verdampfungswärme liefert.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode mindestens ein Metall und Stickstoff enthält.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente als metallorganischer Ausgangsstoff und die Nichtmetallkomponente als gasförmiger Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingeleitet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Komponente ein reaktives Gas, insbesondere NH3 ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkom ponente Tantal, Titan, Zirkonium, Hofnium, Wolfram, Molybdän oder in Kombination mit Aluminium ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Nichtmetallkomponente Kohlenstoff ist und insbesondere ein Zerfallsprodukt des organischen Anteils des metallorganischen Ausgangsstoffs ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode Silicium als eine Nichtmetallkomponente enthält.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation durch Verändern des Massenflusses des oder der Ausgangsstoffe erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation durch nachträgliches Aufheizen insbesondere in einer Inertgasatmosphäre erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausheizprozess ein rapid-thermal-processing-Schritt ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen durch eine Plasmabehandlung unterstützt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch die Verwendung lediglich einer metallischen Quelle (
9 ) zur Herstellung von Elektroden mit unterschiedlicher Arbeitsfunktion (Wf) für unterschiedlich dotierte Schichten (8 ) eines Halbleiterbauelementes. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (
8 ) das Gate eines Feldeffektetransistors ist und die Elektrode (1 ) die zugehörige Gate-Elektrode. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (
1 ) die Elektrode eines Kondensators ist. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (
1 ) durch eine Isolatorschicht (2 ) von der aktiven Schicht (8 ) bzw. einer zweiten Elektrode getrennt ist. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (
2 ) eine hoch-k-Schicht ist.
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