DE102005062917A1 - Atomlagenabscheideverfahren - Google Patents

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Abstract

Das erfindungsgemäße Atomlagen-Abscheideverfahren sieht folgende Schritte zum Herstellen homogener Schichten auf einem Substrat vor. Das Substrat wird in eine Reaktionskammer eingebracht. Ein erster Precursor wird in die Reaktionskammer eingebracht, der auf der Oberfläche des Substrats zu einem Zwischenprodukt reagiert. Ein zweiter Precursor wird in die Reaktionskammer eingebracht, der einen geringen Haftkoeffizienten aufweist und mit einem Teil des Zwischenprodukts zu einem ersten Produkt reagiert. Ein dritter Precursor wird in die Reaktionskammer eingebracht, der einen hohen Haftkoeffizienten aufweist und mit dem verbleibenden Teil des Zwischenprodukts zu einem zweiten Produkt reagiert. Der zweite Precursor und dessen erstes Produkt verringern den effektiven Haftkoeffizienten des dritten Precursors durch teilweises Bedecken der Oberfläche.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Atomlagenabscheideverfahren (ALD-Verfahren), welches zum Herstellen einer homogenen Schicht auf einem Substrat geeignet ist.
  • Nachfolgend wird beispielhaft eine der Erfindung zugrunde liegende Problematik anhand eines Verfahrens zum Herstellen eines Kondensators in einem Graben mit einem hohen Aspektverhältnis beschrieben.
  • Für vielfältige Anwendungen dürfen Kondensatoren eine minimale Kapazität nicht unterschreiten. Die Kapazität eines Kondensators ist unter Anderem von dem Flächeninhalt der Elektrodenoberflächen des Kondensators abhängig. Daher darf deren Flächeninhalt folglich einen minimalen Wert nicht unterschreiten.
  • Es besteht die Anforderung, eine große Anzahl an Halbleiterbauelementen an oder auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates anzuordnen. Dies wird durch eine Reduzierung der lateralen Abmessungen der Halbleiterbauelemente und auch der Kondensatoren erreicht. Der minimale Flächeninhalt der Elektrodenoberflächen wird dadurch gewährleistet, dass die Kondensatorelektroden eine große vertikale Abmessung aufweisen.
  • Mit einem allgemein bekannten Verfahren zum Herstellen solcher Kondensatoren wird zuerst ein Graben mit einem hohen Aspektverhältnis in dem Halbleitersubstrat gebildet. Auf die Seitenwände des Grabens wird eine leitfähige Schicht aufgebracht, welche die erste Elektrode bildet. Nachfolgend wird eine dünne dielektrische Schicht auf der ersten Elektrode abgeschieden, welche das Dielektrikum des Kondensators bildet. Abschließend wird der Kondensator mit einem leitfähigen Material gefüllt, welches die zweite Elektrode darstellt.
  • An die dielektrische Schicht werden hohe Anforderungen gestellt. Einerseits soll sie sehr dünn sein, um eine hohe Kapazität des Kondensators zu erreichen. Andererseits darf sie über ihr gesamtes Volumen eine minimale Dicke nicht unterschreiten, da sich sonst an diesen Stellen Kurzschlüsse zwischen den beiden Elektroden ausbilden können. Ein geeignetes Verfahren zum Herstellen solcher dielektrischen Schichten ist das Atomlagenabscheideverfahren (atomic layer deposition, ALD). Hierbei werden abwechselnd zwei verschiedene Reaktionsgase, als Precursor bezeichnet, in den Graben eingeleitet. Die Precursoren reagieren im Wesentlichen nur mit den Reaktionsprodukten des anderen Precursors, welche die Oberfläche bedecken. Aufgrund der selbstlimitierenden Abscheidung jedes einzelnen Precursors ergibt sich eine monomolekularen Abscheidung der Produkte des Precursors auf der Oberfläche. Die Dicke der abzuscheidenden Schicht wird durch abwechselndes Einbringen der beiden Precursoren gezielt gesteuert.
  • In Gräben mit sehr hohem Aspektverhältnis erreichen die Precursoren mit einem geringen Dampfdruck nur in geringer Menge den Bodenbereich des Grabens. Eine vollständige Bedeckung der Oberflächen im Bereich des Grabens wird erst nach zum Teil unzumutbar langer Dauer nach dem Einbringen der Precursoren erreicht. Insbesondere Precursoren mit einem hohen Haftkoeffizienten tendieren dazu, bereits im oberen Bereich des Grabens mit der Oberfläche zu reagieren und erreichen nur in sehr geringer Menge den Bodenbereich des Grabens. Der Haftkoeffizient ist als das Verhältnis der Anzahl von chemisorbtionsvorgängen auf der Oberfläche zu der Anzahl der Kontakte mit der Oberfläche definiert.
  • Es besteht die Anforderung, die Schichten in einer akzeptablen Zeit herzustellen. Hierbei muss in Kauf genommen werden, dass die Oberflächen im Bereich des Grabenbodens nicht vollständig mit den Precursoren aufgrund deren geringer Menge reagieren. Infolge dessen ergeben sich Schichtdicken des Die lektrikums, die in dem Bereich des Grabenbodens geringer als im Bereich der Grabenöffnung sind.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Atomlagenabscheideverfahren bereitzustellen, mit welchem homogene Schichten hergestellt werden können, insbesondere wenn einer der Precursoren einen hohen Haftkoeffizienten aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Atomlagen-Abscheideverfahren sieht folgende Schritte zum Herstellen homogener Schichten auf einem Substrat vor. Das Substrat wird in eine Reaktionskammer eingebracht. Ein erster Precursor wird in die Reaktionskammer eingebracht, der auf der Oberfläche des Substrats zu einem Zwischenprodukt reagiert. Ein zweiter Precursors wird in die Reaktionskammer eingebracht, der einen geringen Haftkoeffizienten aufweist und mit einem Teil des Zwischenprodukts zu einem ersten Produkt reagiert. Ein dritter Precursors wird in die Reaktionskammer eingebracht, der einen hohen Haftkoeffizienten aufweist und mit dem verbleibenden Teil des Zwischenprodukts zu einem zweiten Produkt reagiert.
  • Der Haftkoeffizient des dritten Precursors wird durch die Anzahl der Reaktionsplätze beeinflußt, welche ausschließlich mit dem ersten Produkt bedeckt sind.
  • Der zweite Precursor mit dem geringen Haftkoeffizienten benötigt eine größere Anzahl an Kontakten mit der Oberfläche, bevor er mit einem Zwischenprodukt reagiert, welches sich auf der Oberfläche befindet. Der zweite Precursor legt bedingt durch die hohe Anzahl an Versuchen vor einer Reaktion große Wegstrecken zurück. Dies resultiert in einer relativ gleichmäßigen Verteilung des zweiten Precursors über die gesamte Oberfläche bzw. des Produkts des zweiten Precursors mit dem Zwischenprodukt auf der Oberfläche. Der dritte Precursor rea giert im Wesentlichen nur mit dem Zwischenprodukt und nicht mit dem ersten Produkt, das aus dem Zwischenprodukt und dem zweiten Precursor entsteht. Ergibt sich ein Stoß des dritten Precursors mit dem ersten Produkt, erfolgt keine Reaktion. Der hohe Haftkoeffizient des dritten Precursors wird somit durch die teilweise Bedeckung der Oberfläche mit dem ersten Produkt verringert. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des dritten Precursors über die Oberfläche und dessen Produkts mit dem Zwischenprodukt auf der Oberfläche erreicht.
  • Das Einbringen des ersten Precursor und der beiden weiteren erfolgt nacheinander. Sie sind ohne zeitlichen Überlapp in der Reaktionskammer. Hierzu sind die Precursor gegebenenfalls abzupumpen. Der zweite und der dritte Precursor können auch zeitgleich eingebracht werden oder mit zeitlichem Überlapp eingebracht werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung beinhaltet der dritte Precursor eine Metallverbindung oder Hafnium und/oder Zirkonium und/oder ein Lanthanid. Das Verfahren ist besonders für Metallverbindungen geeignet, da diese in der Regel einen hohen Haftkoeffizienten von größer 0,1 aufweisen. Precursoren, die Hafnium, Zirkonium und die Lanthanide transportieren, weisen zudem einen geringen Dampfdruck auf, wodurch die Gefahr einer nicht-konformen Schichtabscheidung durch Einbringen einer zu geringen Menge Precursor entsteht. Hierbei ergibt sich der vorteilhafte Effekt durch die Reduzierung des effektiven Haftkoeffzienten mittels des zweiten Precursors. Ein geigneter zweiter Precursor kann eine Siliziumverbindung, z.B. Silan sein. Der erste Precursor kann Hydroxylgruppen durch Wasserdampf bilden oder Ammoniumgruppen durch Ammoniak.
  • In einer Ausgestaltung löst sich nach dem Einbringen des dritten Precursors das unerwünschte erste Produkt von der Oberfläche ab. Die Fehlstellen können durch nachfolgend aufgebrachte Monolagen aufgefüllt werden. Das Ablösen des ersten Produkt kann durch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden.
  • In einer Ausgestaltung löst sich nach Einbringen des dritten Precursors der zweite Precursor wieder von der Oberfläche ab. Das entstehende Zwischenprodukt kann beim nächsten Einbringen des zweiten Precursors wieder reagieren. Der zweite Precursor agiert als Inhibitor.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
  • 1-5: Teilschnitte durch ein Halbleitersubstrat, auf welchem eine Schicht mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird,
  • 6 einen Teilschnitt durch ein Halbleitersubstrat, mit welchem ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird und
  • 7 einen Teilschnitt durch einen Grabenkondensator, der mit einem der Ausführungsbeispiele hergestellt wird.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
  • In 1 ist ein Halbleitersubstrat 1, z. B. aus Silizium, dargestellt. Auf diesem ist eine Deckschicht 2 aus Siliziumoxyd, Siliziumnitrid oder anderen passivierenden Materialien abgeschieden. Durch die Deckschicht 2 und in das Substrat 1 hinein ist ein Graben 3 ausgebildet. Entgegen der in 1 dargestellten Geometrie, kann dieser Graben auch ein sehr hohes Aspektverhältnis aufweisen, d. h. die Tiefe des Grabens ist um ein Vielfaches höher als die Breite des Grabens. In der 90-Nanometer-Technologie werden typischerweise Gräben mit einer Tiefe von 6 bis 9 μm und einem Aspektverhältnis von 1:80 hergestellt. In dem Graben soll eine dünne, wenige Nanometer dicke Schicht abgeschieden werden. Im Nachfolgenden wird beispielhaft die Abscheidung einer dünnen Schicht aus einem dielektrischen Material beschrieben, in ähnlicher Weise können jedoch auch hochleitfähige Metallschichten abgeschieden werden.
  • In einem ersten Schritt wird ein erstes Reaktionsgas, nachfolgend als Precursor A bezeichnet, in eine Reaktionskammer eingebracht. Der Precursor A ist derart ausgewählt, dass er im Wesentlichen nur mit der Substratoberfläche 101 und nicht mit der Deckschicht 2 oder mit sich selbst reagiert. Durch die Reaktion des Precursors A mit dem Substrat 1 entsteht ein Zwischenprodukt A', welches sich an die Oberfläche 101 des Substrats 1 anlagert, d. h. der Precursor A chemisorbiert an der Substratoberfläche 101. Entgegen der Darstellung in 2 kann die Chemisorbtion in dem Bodenbereich stattfinden.
  • Ein typischer Precursor A ist Wasserdampf, welcher nach der Reaktion mit einem siliziumhaltigen Substrat ein Zwischenprodukt mit Hydroxyl-Gruppen (-OH) bildet.
  • In einem zweiten Schritt wird ein Precursor B in der Reaktionskammer eingeleitet. Dieser Precursor B ist derart ausgewählt, dass er im Wesentlichen nur mit dem Zwischenprodukt A', z. B. den Hydroxyl-Gruppen, und nicht mit sich selbst reagiert. Ein möglicher Precursor B ist Silan oder eine andere organische siliziumhaltige Verbindung. Ferner muss der Precursor B derart ausgewählt werden, dass er gegenüber der Oberfläche 101, welche mit dem Zwischenprodukt A' bedeckt ist, einen geringen Haftkoeffizienten aufweist. In anderen Worten, die Reaktionswahrscheinlichkeit zwischen dem Precursor B und dem Zwischenprodukt A' darf nicht sonderlich groß sein. Typischerweise sollte der Haftkoeffizient geringer als 0,01 (eine Reaktion pro 100 Kontakte des Precursors B mit der Oberfläche) sein. Durch den geringen Haftkoeffizienten liegen die Moleküle des Precursors B relativ große Strecken zurück und somit wird eine im Wesentlichen homogene Verteilung des Precursors B über die gesamte vertikale Oberfläche des Grabens erreicht. Entsprechend ist auch das Produkt (AB') des Precursors B mit dem Zwischenprodukt A' gleichmäßig über die Oberfläche des Grabens verteilt.
  • Die Menge des eingeleiteten Precursors B oder dessen Verweildauer in der Kammer muss derart eingestellt werden, dass nur ein Teil der Oberfläche 101 mit dem Precursor B reagiert.
  • Vorzugsweise soll nach diesem Schritt die Bedeckung der Oberfläche mit dem Produkt (AB)' nicht größer als ein Fünftel sein.
  • Nun wird der nächste Precursor C in die Reaktionskammer eingebracht. Dieser ist wie der vorhergehende Precursor B derart beschaffen, dass er im Wesentlichen nur mit dem Zwischenprodukt A' reagiert. Vor allem reagiert der Precursor C nicht mit dem Produkt (AB)', das aus der Reaktion des Precursors B mit dem Zwischenprodukt A' entsteht. Eine Reaktion findet nur an den Stellen der Oberfläche statt, wo zuvor keine Reaktion des Zwischenprodukts A' mit dem Precursor B stattfand. Dadurch wird effektiv der Haftkoeffizient des Precursors C reduziert und die mittlere Wegstrecke erhöht, welche ein Molekül des Precursors C zurücklegt. Es erreicht eine größere Anzahl von Molekülen des Precursors C den Bodenbereich des Grabens. Insgesamt wird somit eine gleichmäßigere Verteilung des Precursors C und seiner Produkte (AC)' mit dem Zwischenprodukt A' über die gesamte Oberfläche des Grabens erreicht.
  • Die meisten metallhaltigen Precursoren weisen einen hohen Haftkoeffizienten (> 0,1) auf. Zudem kommt bei hafnium- (z.B. Hafniumdimethylaminid), zirkoniumhaltigen und/oder einem Lanthanid enthaltenden Precursor hinzu, dass diese nur einen sehr geringen Dampfdruck aufweisen, und somit die Gefahr eines zu geringen Precursor-Angebotes besteht und die Oberfläche des Grabens nicht vollständig bedeckt werden kann.
  • Durch das Verfahren, welches in Zusammenhang mit den 2 bis 4 beschrieben wurde, ist eine einzige einatomige oder monomolekulare Schicht in dem Graben abgeschieden worden. Um die nächste Schicht abzuscheiden, wird ein weiterer Precursor, welcher gleich dem ersten Precursor A sein kann, in der Reaktionskammer eingebracht. Dieser Precursor A reagiert mit den beiden Produkten (AB)' und (AC)'. Dabei entsteht wieder das gleiche Zwischenprodukt A'. Nachfolgend können wieder die Schritte ausgeführt werden, welche in Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben wurden. Die Anzahl der Wiederholungen bestimmt die Dicke der abgeschiedenen Schicht.
  • In 6 ist eine Abwandlung des vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiels dargestellt. Das Produkt (AB)' löst sich hier möglichst als flüchtiges Gas (AB) von der Oberfläche des Substrats 1 ab. Hierdurch kann eine Einlagerung des Produkts (AB)' in die Schicht vermieden werden.
  • Bei der Bildung von hafniumnitridhaltigen Schichten ist es zur strukturellen Stabilisierung von Interesse, Siliziumatome in die Struktur zu integrieren. Daher erweist sich die Verwendung eines siliziumhaltigen Precursors B bei der Herstellung der Schicht mit dem hafniumhaltigen Precursor C als besonders vorteilhaft. Hierbei reduziert der Precursor aus Silizium vorteilhafterweise den Haftkoeffizienten des hafniumhaltigen Precursors C und wird zugleich homogen verteilt in die Kristallstruktur der Schicht eingebaut.
  • In 7 ist ein Teilschnitt durch einen Grabenkondensator mit einem leitfähigen Substrat 1, die die erste Elektrode bildet, einer dielektrischen Schicht 10 und einer Füllung aus leitfähigem Polysilizium, das die zweite Elektrode bildet, gezeigt. Die dielektrische Schicht kann durch eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele hergestellt werden. Insbesondere kann sie vorwiegend aus Hafniumnitrid und Silizium bestehen. Der Massenanteil von Hafniumnitrid überwiegt deutlich den Massenanteil von Silizium.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit der Beschichtung von Gräben mit hohem Aspektverhältnis beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann das Verfahren auch zur großflächigen Beschichtung verwendet werden, wenn ein gleichmäßiger Gasfluss durch die Reaktionskammer nicht gewährleistet ist.
    • 1
    Substrat
    2
    Deckschicht
    3
    Graben
    A, B, C
    Precursor
    A'
    Zwischenprodukt
    AB' AC'
    Produkt
    AB
    Gas
    10
    dielektrische Schicht
    11
    Polysilizium

Claims (9)

  1. Atomlagen-Abscheideverfahren zum Herstellen homogener Schichten auf einem Substrat (1), mit den Schritten: (a) Einbringen des Substrats (1) in eine Reaktionskammer, (b) Einbringen eines ersten Precursors (A) in die Reaktionskammer, der auf der Oberfläche (101) des Substrats zu einem Zwischenprodukt (A') reagiert, (c) Einbringen des zweiten Precursors (B) in die Reaktionskammer, der einen ersten Haftkoeffizienten aufweist und mit einem Teil des Zwischenprodukts (A') zu einem ersten Produkt (AB') reagiert und (d) Einbringen des dritten Precursors (C) in die Reaktionskammer, der einen zweiten Haftkoeffizienten aufweist, welcher größer als der erste Haftkoeffizient ist, und mit dem verbleibenden Teil des Zwischenprodukts (A') zu einem zweiten Produkt (AC') reagiert.
  2. Atomlagen-Abscheideverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der dritte Precursor (C) eine Metallverbindung oder Hafnium und/oder Zirkonium und/oder ein Lanthanid beinhaltet.
  3. Atomlagen-Abscheideverfahren nach Anspruch 2 oder 3, in welchem der zweite Precursor (B) eine Siliziumverbindung oder Silan beinhaltet.
  4. Atomlagen-Abscheideverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Zwischenprodukt (A') eine Hydroxylgruppe aufweist und/oder der erste Precursor (A) Wasserdampf beinhaltet.
  5. Atomlagen-Abscheideverfahren nach Anspruch 6, in welchem das Volumenverhältnis der dritten Precursors (C) zu dem zweiten Precursor (B) in einem Volumenverhältnis von höchstens vier zu eins eingebracht wird.
  6. Atomlagen-Abscheideverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem nach dem Einbringen des dritten Precursors (C) sich das erste Produkt (AB') von der Oberfläche (101) löst.
  7. Atomlagen-Abscheideverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem nach dem Einbringen des dritten Precursors (C) sich der zweite Precursor (B) von der Oberfläche (101) löst.
  8. Halbleiterbauelement, das in einem Substrat (1) einen Graben (3) mit einem hohen Aspektverhältnis aufweist, dessen Oberfläche (101) mit einer homogenen dielektrischen Schicht (10) bedeckt sind, welche eine Mischung aus einem Metallnitrid und einem Nichtmetall enthält.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, in welchem das Metallnitrid Hafniumnitrid und/oder Zirkoniumnitrid und/oder ein Lanthanidnitrid enthält und/oder das Nichtmetall Silizium ist.
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