DE102004061094A1 - Verfahren zum selbstlimitierenden Abscheiden ein oder mehrerer Monolagen sowie dazu geeignete Ausgangsstoffe - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden mindestens einer Schicht, die zumindest eine erste Komponente enthält auf zumindest einem Substrat in einer Prozesskammer, wobei zyklisch abwechselnd erste und zweite Ausgangsstoffe, von denen zumindest der erste Ausgangsstoff die erste Komponente enthält, gasförmig in die Prozesskammer eingebracht werden, um bei jedem Zyklus im Wesentlichen jeweils nur eine Lage, insbesondere Monolage der ersten Komponente abzuscheiden.
- Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen hierzu geeigneten Ausgangsstoff.
- Um die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile z.B. für CMOS, DRAM Anwendungen zu gewährleisten, wird nach hoch-k Materialien als Alternativen zu SiO2 als Dielektrikum gesucht. Als solche Kandidaten sind Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder auch Praseodymoxid aber im speziellen auch mehrkomponentige Oxide von ganz besonders hohem Interesse, da diese herausragende Eigenschaften hinsichtlich der Dielektrizitätszahl und der Leckströme aufweisen. Neue Erkenntnisse demonstrieren sogar verbesserte Materialeigenschaften über Laminierung bzw. Mischung dieser Metalloxide untereinander bzw. zur Verbesserung der thermischen Stabilität auch durch Beigabe von Silizium. Auch Polysilizium wird durch neue metall-basierende Elektroden ersetzt werden müssen. Für die industrielle Fabrikation solcher Materialsysteme ist eine Abscheidetechnologie notwendig, die eine effiziente reproduzierbare, gleichförmige Abscheidung von Filmen mit wohl definierten Zwischenschichten und hoher Konfomalität auf strukturierten Substanzen gewährleistet. MBE erzielt keine konformale Kantenabdeckung bei der Abscheidung von dünnen Schichten während MOCVD- und ALD-Verfahren gute Kantenbedeckung bei der Abscheidung auf strukturierten Substraten gewährleisten.
- Bei konventioneller MOCVD ergeben sich aufgrund der schlechten atomaren Präzision Unzulänglichkeiten hinsichtlich der Schichtendickenkontrolle z.B. bei der Abscheidung von Nanolaminaten. Oft wird zusätzlich bei der konventionellen MOCVD über unzureichende Kantenbedeckung bei der Abscheidung auf hoch strukturierten Substraten berichtet.
- ALD ist eine Sonderform von MOCVD und beruht prinzipiell auf alternierenden, selbst limitierenden chemischen Reaktionen zur sukzessiven Abscheidung von Monolagen. Dabei kann eine hohe Konfomalität bei der Abscheidung auf strukturierten Substraten erreicht werden. ALD-Verfahren greifen allerdings auf eine sehr kleine Anzahl verfügbarer Precusoren zurück, diese basieren oft auf Chlor-Verbindungen. Durch alternierendes Einbringen von z.B. gasförmigen H2O als Oxidant in die Prozesskammer entsteht dabei HCL als Byprodukt, welches sich jedoch recht schwierig sicherheitstechnisch als Abgasbyprodukt behandeln lässt.
- Gattungsgemäße Verfahren werden insbesondere von den
US 6,200,893 ,US 6,451,695 ,US 6,638,862 ,US 6,602,784 ,US 6,475,910 ,US 6,630,401 ,US 6,305,314 ,US 6,451,119 ,US 6,540,838 undUS 6,638,859 beschrieben. - Die
DE 102 00 4015174 beschreibt ein Verfahren, mit welchem durch abwechselndes Einleiten eines reaktiven Ausgangsstoffes mit einem chemisch reaktiven Gas Monolagen abgeschieden werden können. - Die
DE 10212 923 A1 beschreibt ein Verfahren, mit dem feste Ausgangsstoffes in die Gasphase gebracht werden und als Gas in eine Prozesskammer eingeleitet wird. - Die
DE 100 57 491 beschreibt ein Verfahren, wie ein als Flüssigkeit vorliegender Stoff durch pulsweises Einleiten in ein geheiztes Gasvolumen verdampft wird. - Ausgehend dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Spektrum der zur Verfügung stehenden verfahrensgeeigneten Ausgangsstoffe zu vergrößern.
- Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder der formal neben oder untergeordneten Ansprüche einen eigenständigen Lösungsweg vorschlägt und jeder Anspruch mit jedem anderen Anspruch kombinierbar ist.
- Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor, dass gleichzeitig mit oder zeitlich versetzt zu dem ersten Ausgangsstoff ein Limitator derart in die Prozesskammer eingeleitet wird, dass die Abscheidung der ersten Komponente auf dem Substrat nach Schließen der Lage selbsttätig endet. Hierdurch ist es möglich, das gattungsgemäße Verfahren auch mit solchen Ausgangsstoffen durchzuführen, die von Hause aus nicht selbst limitierend abgeschieden werden können. Hierdurch ist das Spektrum der zur Verfügung stehenden Ausgangsstoffe erheblich erweitert worden. Bei dem Limitator handelt es sich vorzugsweise um einen geeigneten flüssigen, festen oder gasförmigen Stoff, der mit dem ersten Ausgangsstoff oder einem Bestandteil des ersten Ausgangsstoffes derart zusammenwirkt, dass der erste Ausgangsstoff nur einlagig, vorzugsweise als Monolage auf dem Substrat abgeschieden wird. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Limitator nicht zusammen mit dem ersten Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingebracht wird, sondern während eines anderen Prozessschrittes. Er kann dabei oberflächenpassivierend wirken, so dass das Wachstum der ersten Komponente lediglich zweidimensional stattfindet. Es ist auch möglich, den Ausgangsstoff zusammen mit einem chemisch reaktiven Stoff in die Prozesskammer zu leiten. Der chemisch reaktive Stoff wirkt mit der ersten Komponente bzw. mit dem Limitator derart zusammen, dass nach Abschluss des Zyklus eine neue Monolage der ersten Komponente abgeschieden werden kann. Es ist also möglich, eine Schicht dadurch abzuscheiden, dass zyklisch eine Monolage auf die zuvor abgeschiedene Monolage abgeschieden wird. Der Limitator hat dabei die Aufgabe, das Schichtwachstum auf eine Monolage zu beschränken. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht aus mehreren Komponenten besteht. Auch hier werden die einzelnen Komponenten zeitlich hintereinander in die Prozesskammer eingeleitet. Es ist aber auch möglich, mehrere Komponenten gleichzeitig in die Prozesskammer einzuleiten, wobei dann aber auch Maßnahmen ergriffen werden, dass das Schichtwachstum pro Zyklus auf eine Monolage beschränkt ist. Mit dem Limitator kann der Grad der Abscheidung kontrolliert werden. Dies erfolgt insbesondere beim Wachstum einer ein- oder mehrkomponentigen Schicht auf einem planaren und/oder hoch-strukturierten Substrat. In der Prozesskammer können mehrere Substrate angeordnet sein. Diese können nebeneinander liegen oder übereinander geschichtet sein. Die Substrate können parallel zueinander ausgerichtet sein. Die können aber auch eine Neigung zueinander besitzen. Bevorzugt werden drei verschiedene Substanzen verwendet: Ein die erste Komponente beinhaltender erster Ausgangsstoff, ein Limitator und ein reaktives Gas. Diese Substanzen werden in zyklischer Abfolge jeweils nacheinander in die Prozesskammer eingeleitet, so dass während jedes Zyklus nur eine Monolage abgeschieden wird. Zwischen den einzelnen Verfahrensschritten bzw. Verfahrenszyklen kann die Prozesskammer mit einem Inertgas gespült werden. Die Prozesskammer kann zwischen den einzelnen Verfahrensschritten oder den Verfahrenszyklen evakuiert werden. Die verwendeten Ausgangsstoffe beinhalten vorzugsweise ein Metall. Es kann sich um eine metallorganische Verbindung handeln. Die Limitatoren sind vorzugsweise Kohlenwasserstoffe. Die Paarung Ruthenium und Oktan oder Iso Oktan als Limitator sind bevorzugt. Die Prozesstemperatur kann zwischen 200°C und 700°C liegen. Sie kann aber auch nur zwichen 200°C und 500°C liegen. Der Druck innerhalb der Prozess kammer liegt unter 100 mbar und bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und zehn Torr. Der Druck kann aber nur ineinem Bereichzwischen einem und drei Torr variieren. Es können auch mehrere Ausgangsstoffe verwendet werden, wobei diese Ausgangsstoffe jeweils eine zweite oder eine dritte Komponente beinhalten, welche Komponenten in die Schicht eingebaut werden, so dass eine mehrkomponentige Schicht oder Schichtenfolge abgeschieden wird. Die Ausgangsstoffe können als Festkörper oder als Flüssigkeiten vorliegen. Sie können in besonderen Verdampfungskammern in die Gasphase überführt werden. Er kann dort in Lösung mit dem Limitator bevorratet sein. Es kann sich um eine mindestens 0,01 molare Lösung des Stoffes in einem Lösungsmittel handeln. Es kann sich insbesondere um eine 0,05 bis 0,1 molare Lösung handeln. Als chemisch reaktive Gase kommen Sauerstoffverbindungen bzw. Stickstoffverbindungen in Betracht. Insbesondere O2, O3, N2O, H2O oder NH3. Die Verdampfung erfolgt in einer speziellen Verdampfungskammer, in der sich ein erwärmtes Trägergas befindet. In dieses erwärmte Gas wird der flüssige Ausgangsstoff vernebelt. Die zur Verdampfung erforderliche Wärme wird der Gasphase entzogen. Die Verdampfung erfolgt somit kontaktfrei. Die abgeschiedenen Schichten können Metall, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff beinhalten. Es handelt sich dabei vorzugsweise um isolierende, passivierende, halbleitende oder elektrisch leitende Schichten. Bevorzugt werden eine Vielzahl von Schichten übereinander abgeschieden, die jeweils dadurch erzeugt werden, dass Monolage auf Monolage abgeschieden wird.
- Wesentlich ist, dass durch Zufügen von mindestens einem Limitator zu dem Abscheidungsprozess neue limitierende Precursor-Systeme kreiert werden. Insbesondere können Precursoren selbstlimitierend gemacht werden, die ohne Limitatoren nicht oder zu einem unzureichenden Grad selbstlimitierend sind. Manche Limitatoren können auch stärker selbstlimitierend auf einen Abscheidungsprozess wirken als andere Limitatoren. Der Grad der selbstlimitierenden Abscheidung kann auch von der Konzentration von zumindest einem Limitator abhängig sein. Insbesondere kann eine Mindestkonzentration eines Limitators notwendig sein, um eine selbstlimitierende Abscheidung zu erreichen. Somit kann die Zahl der für selbstlimitierende Abscheidung zur Verfügung stehenden Precursorsysteme erhöht werden Dies erlaubt die Flexibilität bei der Abscheidung von Schichten.
- In einem Beispiel wird die Abscheidung von Ruthenium oder Ruthenium Oxid Schichten beschrieben. Dazu wird ein metallorganischer Ruthenium Precursor in einem ersten Beispiel mit Oktan und in einem weiteren Beispiel mit Iso Oktan gemischt. Das Gemisch wird verdampft und mit reaktivem sauerstoffhaltigem Gas abwechselnd und zeitlich getrennt in die Prozesskammer eines Reaktors eingebracht, um die Abscheidung von Rutheniumschichten oder Ruthenium Oxid Schichten auf einem Substrat zu ermöglichen. Die Menge des zur Verfügung stehenden Precursor-Gemisches kann erhöht oder erniedrigt werden. Im ersten Fall erhöht oder erniedrigt sich die abgeschiedene Dicke des Films. Im zweiten Fall bleibt die abgeschiedene Dicke des Films konstant, weshalb Iso Oktan in Kombination mit Ruthenium bevorzugt wird. Oktan und Iso Oktan kontrollieren den Grad der selbstlimitierenden Abscheidung. Mit Iso Oktan kann die selbstlimitierende Abscheidung mit einem metallorganischen Ruthenium Precursor erreicht werden.
- Die Abscheidung kann ein kontakt freies Verdampfungssystem und Methode beinhalten unter Verwendung von nicht kontinuierlicher Injektion von flüssigen oder mit Limitatoren gemischten, Metall Ausgangs-Substanzen (Precursoren) in ein geheiztes 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 oder mit Limitatoren gemischte Precursoren können durch ein kontinuierliches Verdampfungssystem und Methode oder ein auf Bubbler basi rendes System und Methode oder ein Gasversorgungssystem und Methode dem Abscheidungsprozess zugeführt werden. Insgesamt können die Precursoren durch ein oder mehrere Precursor Zuführungssysteme und Methoden zugeführt werden. Die Precursoren und Limitatoren können gemeinsam oder getrennt verdampft werden. Wenn die Precursoren und Limitatoren getrennt verdampft werden, können die Precursoren und Limitatoren in der Gasphase gemischt werden.
- 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 (39)
- Verfahren zum Abscheiden mindestens einer Schicht, die zumindest eine erste Komponente enthält auf zumindest einem Substrat in einer Prozesskammer, wobei zyklisch abwechselnd erste und zweite Ausgangsstoffe, von denen zumindest der erste Ausgangsstoff die erste Komponente enthält, gasförmig in die Prozesskammer eingebracht werden, um bei jedem Zyklus im Wesentlichen jeweils nur eine Lage der ersten Komponente abzuscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit oder zeitlich versetzt zu dem ersten Ausgangsstoff ein Limitator derart in die Prozesskammer eingeleitet wird, dass die Abscheidung der ersten Komponente auf dem Substrat nach Schließen der ersten Lage selbsttätig endet.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachstum einer weiteren Lage erst nach Beenden des Zyklus wieder möglich ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgangsstoff ein in einem Behälter bevorrateter Festkörper oder eine Flüssigkeit ist und der Limitator sich in demselben Behälter befindet.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator und der erste Ausgangsstoff eine Lösung bilden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung eine mindestens 0,01 molare Lösung ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator in einem vom ersten Ausgangsstoff getrennten Behälter bevorratet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung bei einem Totaldruck von 0,1 bis zehn Torr erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung bei einer Temperatur von 200°C bis 700°C erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung auf einem planaren oder hochstrukturierten Substrat erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine Abscheidung einer mehrkomponentigen Schicht, wobei mindestens eine zweite Komponente von einem zweiten Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingebracht wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter oder dritter Ausgangsstoff von einem reaktiven Gas gebildet ist, das abwechselnd mit dem ersten Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingeleitet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator zwischen erstem und zweitem Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingeleitet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator zusammen mit dem reaktiven Gas in die Prozesskammer eingeleitet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe gepulst in die Prozesskammer eingeleitet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch die erste und/oder eine zweite Komponente beinhaltende Flüssigkeit, die gepulst in eine Verdampfungskammer eingebracht wird, um dort berührungsfrei mit den Wänden durch ledigliche Wärmeaufnahme aus dem in der Verdampfungskammer befindlichen Trägergas verdampft wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Pulsen lediglich ein inerter Trägergasfluss in die Prozesskammer zur Spülung der Prozesskammer eingebracht wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer bei jedem Zyklus zumindest einmal evakuiert wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator ein bei Raumtemperatur flüssiger oder fester Stoff ist und verdampft wird, um als Gas in die Prozesskammer eingeleitet zu werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator zusammen mit einem Trägergas in die Prozesskammer eingeleitet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Limitators vermittelst eines Bubblers erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator kontaktfrei durch pulsweise Injektion in ein geheiztes Gasvolumen in die Gasphase überführt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch bereits bei Raumtemperatur gasförmige Ausgangsstoffe bzw. Limitatoren.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator ein Ligand an mindestens einem Ausgangsstoff ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator aus einer Stoffmischung besteht.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der selbstlimitierenden Abscheidung durch Einstellung der Konzentration mindestens eines Limitators kontrolliert wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der selbstlimitierenden Abscheidung durch Einstellung der relativen Konzentration mindestens zweier Limitatoren gegeneinander kontrolliert wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstlimitierende Abscheidung ab einer Mindestkonzentration eines Limitators erreicht wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die chemisch reaktiven Gase Sauerstoffverbindungen oder Stickstoffverbindungen sind und dass insbesondere O2, O3, NO2, H2O oder NH3 verwendet werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten konformal auf hochstrukturierten Strukturen abgeschieden werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Schichten aus mehreren Komponenten bestehen und insbesondere isolierend, passivierend halbleitend oder elektrisch leitend sind.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschie denen Schichten aus einer oder mehreren Komponenten bestehen und zumindest ein Metall, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff beinhalten.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Planare /oder hochstrukturierte Substrate nebeneinander auf mindestens einem Substrathalter angeordnet sind, wobei die Substrathalter vorzugsweise rotieren.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Planare und/oder hochstrukturierte Substrate vertikal orientiert übereinander oder horizontal orientiert nebeneinander oder geneigt zueinander in der Prozesskammer angeordnet werden.
- Fester, flüssiger oder gasförmiger Ausgangsstoff zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, beinhaltend eine erste Komponente, die insbesondere ein Metall enthält und einen Limitator, wobei die Zusammensetzung des Stoffes derart gewählt ist, dass bei Eindringen dieses Stoffs in eine Prozesskammer jeweils nur eine Monolage der Komponente auf einem Substrat abgeschieden wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente eine metallorganische Verbindung ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff Ruthenium enthält und der Limitator Oktan oder Iso Oktan ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator ein Kohlenwasserstoff ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Ruthenium ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Limitator Oktan oder Iso Oktan ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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