DE102014107511B4 - Zyklische Abscheidung von Aluminiumnitrid in einem Batch-Reaktor - Google Patents

Zyklische Abscheidung von Aluminiumnitrid in einem Batch-Reaktor Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht, mit den Schritten:Bereitstellen eines Kammerofens mit einer Heißwand-Verarbeitungskammer;Einbringen mehrerer Substrate in die Verarbeitungskammer;Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen auf den mehreren Substraten in der Verarbeitungskammer, wobei jeder Zyklus aufweist:Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses zu einer Oberfläche der Substrate, wobei der Aluminiumvorläufer aus der Gruppe bestehend aus Alkylaluminiumverbindungen, alkyl-substituierten Aluminiumchloridverbindungen und alkyl-substituierten Aluminiumhydridverbindungen ausgewählt wird; undnach Beendigung des Aluminiumvorläuferpulses, Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses zu der Oberfläche der Substrate um den Stickstoffvorläufer mit dem Aluminiumvorläufer auf der Substratoberfläche reagieren zu lassen; wobeimindestens einige der Zyklen bei einer Abscheidungstemperatur von 300°C bis 375°C ausgeführt werden, wobeidie Abscheidungstemperatur während einer Anfangsperiode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen mindestens 25°C höher ist als die Abscheidungstemperatur während einer nachfolgenden Periode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere die Abscheidung von Aluminiumnitrid.
  • Aluminiumnitrid (AlN) wird zum Herstellen verschiedenartiger Halbleiterbauelemente verwendet. Beispielsweise wird AlN zunehmend als eine Passivierungsschicht in Halbleiterbauelementen auf GaN-Basis oder als eine Rückseitenfeld(Back Surface Field)schicht in Solarzellen verwendet. Es kann jedoch schwierig sein, AlN mit einer hohen Gleichmäßigkeit abzuscheiden. Daher besteht eine anhaltende Nachfrage nach Verfahren zum Abscheiden von AlN. Stand der Technik bilden z.B. die Schriften JP 2011- 68 984 A und US 2007 / 0 237 698 A1 .
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht bereitgestellt. Das Verfahren weist das Bereitstellen eines Kammerofens mit einer Heißwand-Verarbeitungskammer, das Einbringen mehrerer Substrate in die Verarbeitungskammer und das Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen in der Verarbeitungskammer auf. Ein Zyklus weist das Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses zu den Substraten, das Ableiten des Aluminiumvorläufers von den Substraten, das Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses zu den Substraten und das Ableiten des Stickstoffvorläufers von den mehreren Substraten auf. Mindestens einige der Zyklen werden bei einer Abscheidungstemperatur von 300°C bis 375°C ausgeführt. Der Aluminiumvorläufer ist aus der Gruppe bestehend aus Alkylaluminiumverbindungen, alkyl-substituierten Aluminiumchloridverbindungen und alkylsubstituierten Aluminiumhydridverbindungen ausgewählt.
  • In einigen Ausführungsformen nimmt die Abscheidungstemperatur und/oder die Dauer des Stickstoffvorläuferpulses mit der Zeit ab. In einigen Ausführungsformen hat die Abscheidungstemperatur während eines Anfangssatzes von Abscheidungszyklen einen ersten Wert von 350°C ± 25°C und hat die Abscheidungstemperatur während eines nachfolgenden Satzes von Abscheidungszyklen einen zweiten Wert von 300°C ± 25°C.
  • Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Abscheiden von Aluminiumnitrid bereitgestellt. Das Verfahren weist das Bereitstellen mehrerer Halbleitersubstrate in einer Batch-Verarbeitungskammer und das Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht auf den Substraten in der Batch-Verarbeitungskammer durch Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen auf. Jeder Abscheidungszyklus weist das Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer, das Entfernen des Aluminiumvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer, das anschließende Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer und das Entfernen des Stickstoffvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer auf, nachdem der Stickstoffvorläufer zugeführt wurde und bevor ein weiterer Aluminiumvorläuferpuls zugeführt wird. Die Substrate sind während der Abscheidungszyklen keinem Plasma ausgesetzt.
  • Die Verarbeitungskammer ist eine Heißwandkammer. In einigen Ausführungsformen hat die abgeschiedene Aluminiumnitridschicht über das Substrat eine Abweichung der Gleichmäßigkeit von 1σ = 0,25% oder besser. Der Abscheidungsdruck kann in einigen Ausführungsformen 100 bis 700 mTorr betragen.
    • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum allgemeinen Darstellen eines Verfahrens zum Ausbilden einer AlN-Schicht gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion einer TMA-Pulsdauer gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 3 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl ausgeführter Abscheidungszyklen gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion einer NH3-Pulsdauer gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 5 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl von Abscheidungszyklen für verschiedene NH3-Pulsdauern gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 6 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl von Abscheidungszyklen für verschiedene Abscheidungstemperaturen gemäß einigen Ausführungsformen; und
    • 7 zeigt die Gleichmäßigkeit einer abgeschiedenen AlN-Schicht gemäß einigen Ausführungsformen.
  • AlN-Schichten sind typischerweise durch plasmaunterstütze Techniken auf Substrate aufgebracht worden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass, wenn die Substrate einem Plasma ausgesetzt sind, die Passivierungseigenschaften der Schicht nachteilig beeinflusst werden können und/oder das Plasma Elemente auf dem Substrat beschädigen kann.
  • Von T.M. Mayer, J.W. Rogers und T.A. Michalske, Chem. Mater. 1991, 3, 641 - 646, „Mechanism of Nucleation and Atomic Layer Growth of AlN on Si“ ist eine thermische Abscheidung ohne Verwendung eines Plasmas während der Abscheidung vorgeschlagen worden. Bei Versuchen mit Atomlagenabscheidung von Al-Schichten sind jedoch auch in in der Halbleiterverarbeitungsindustrie verwendeten herkömmlichen Single-Wafer-Reaktoren keine über das Substrat gleichmäßig ausgebildete AlN-Schichten bereitgestellt worden. Daher sind diese thermischen Abscheidungen aufgrund ihrer erzeugten inakzeptabel schlechten Schichtgleichmäßigkeiten als erfolglos betrachtet worden.
  • Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass die vorstehend erwähnten Versuche einer Atomlagenabscheidung eine nicht selbst begrenzende und unkontrollierte Abscheidung auf mindestens einigen Teilen des Substrats erzeugten, wodurch große Abweichungen der Schichtdicke über das Substrat verursacht werden. Daher schienen, obwohl ein Atomlagenwachstum durch eine Monolagenabscheidung von AlN erwünscht war, durch die im Wesentlichen eine Monolage erhalten wird, die Abscheidungen tatsächlich eine starke chemische Gasphasenabscheidungskomponente zu enthalten, in der das Schichtwachstum nicht selbst begrenzend war. Infolgedessen ist die Kontrollierbarkeit der thermischen Abscheidung für Abscheidungen über ein Substrat als schlecht und unzureichend erachtet worden, insbesondere im Vergleich zu Ergebnissen, die mit plasmaunterstützten Abscheidungen erzielbar sind.
  • Die Erfinder haben vorteilhaft ein thermisches AlN-Abscheidungsverfahren entwickelt, durch das auch ohne die Verwendung eines Plasmas eine hohe Gleichmäßigkeit über das Substrat erzielt wird. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren das Bereitstellen mehrerer Halbleitersubstrate in einer Batch-Verarbeitungskammer und das Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht oder -lage auf den Substraten in der Batch-Verarbeitungskammer durch Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen auf, ohne dass die Substrate während der Abscheidungszyklen einem Plasma ausgesetzt sind. Ein Abscheidungszyklus weist das Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer, das Entfernen des Aluminiumvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer, das anschließende Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer und das Entfernen des Stickstoffvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer nach dem Zuführen des Stickstoffvorläufers und vor dem Zuführen eines anderen Aluminiumvorläuferpulses auf. Die Verarbeitungskammer ist eine Heißwand-Verarbeitungskammer, und die Abscheidung kann bei einem Abscheidungsdruck von weniger als 1 Torr, 50 mTorr bis 900 mTorr, 100 mTorr bis 700 mTorr oder 150 mTorr bis 550 mTorr ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Abscheidungstemperatur 400°C oder weniger, 150°C bis 375°C, 240°C bis 375°C oder 275°C bis 375°C betragen.
  • Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass die in Single-Wafer-Reaktoren typischerweise verwendeten Abscheidungsdrücke unerwünschte Reaktionen zwischen Aluminiumvorläufern begünstigen können, wodurch eine nicht selbst begrenzende Abscheidung von Aluminium auf einem Substrat verursacht wird. Typische Abscheidungsdrücke in Single-Wafer-Reaktoren können im Bereich von 1 bis 10 Torr liegen. Gemäß einigen Ausführungsformen beträgt der Abscheidungsdruck 50 mTorr bis 900 mTorr, 100 mTorr bis 700 mTorr oder 150 mTorr bis 550 mTorr, wodurch die nicht selbst begrenzende Komponente der ALN-Abscheidung reduziert werden kann. In Verbindung mit relativ langen Vorläuferpulsdauern von beispielsweise 3 Sekunden oder mehr ermöglichen die niedrigen Drücke eine gute Sättigung der Substratoberfläche mit dem Vorläufer, während ein niedriger Grad der nicht selbst begrenzenden Abscheidung erzielt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass auf den Wänden absorbierte Vorläufer oder Abscheidungen auf den Wänden der Verarbeitungskammer, die unvollständig reagiert haben, die Abscheidung nachteilig beeinflussen und Verunreinigungen erzeugen können. Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass die Verwendung einer Heißwand-Batch-Verarbeitungskammer die Menge von Abscheidungen minderer Qualität auf den Kammerwänden vermindern kann, wodurch die Qualität von auf den Substraten abgeschiedenen Schichten verbessert wird.
  • Vorteilhaft können gemäß einigen Ausführungsformen abgeschiedene AlN-Schichten besonders gleichmäßig auf einem Substrat aufgebracht sein. In einigen Ausführungsformen wird über das Substrat eine Abweichung der Gleichmäßigkeit der Schicht von 1σ = 1% oder besser, 1σ = 0,5% oder besser oder 1σ = 0,25% oder besser erzielt.
  • Nachstehend wird auf die Figuren Bezug genommen, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Merkmale bezeichnen.
  • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum allgemeinen Darstellen eines Verfahrens 100 zum Ausbilden einer AlN-Schicht gemäß einigen Ausführungsformen. Das Verfahren 100 wird in einer Verarbeitungskammer eines Batch-Reaktors ausgeführt, die mehrere Substrate aufnehmen kann, z.B. 25 oder mehr Substrate oder 25 bis 150 Substrate. Die Batch-Verarbeitungskammer ist eine Heißwandkammer, bei der die Kammerwände aktiv auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt werden. Wie hierin erwähnt wird, kann eine Heißwand-Verarbeitungskammer Vorteile hinsichtlich der Erzielung gleichmäßiger Verarbeitungsergebnisse bereitstellen. Die in der Batch-Verarbeitungskammer verarbeiteten Substrate können ein beliebiges Werkstück sein, auf dem AlN abgeschieden werden soll, z.B. aus einem Halbleiter gebildete Werkstücke, wie beispielsweise Halbleiterwafer.
  • Gemäß 1 werden in Block 110 mehrere Substrate in eine Batch-Verarbeitungskammer eingebracht. Die Substrate können auf eine Abscheidungstemperatur von 400°C oder weniger, 150°C bis 375°C, 240°C bis375°C oder 300°C bis 375°C erwärmt werden. Außerdem kann in der Batch-Verarbeitungskammer ein Abscheidungsdruck von 50 mTorr bis 900 mTorr, 100 mTorr bis 700 mTorr oder 150 mTorr bis 550 mTorr eingestellt werden.
  • In Block 120 werden die Substrate durch einen Aluminiumvorläuferpuls einem Aluminiumvorläufer ausgesetzt. In einigen Ausführungsformen beginnt die Zufuhr des Aluminiumvorläufers in die Verarbeitungskammer zu Beginn des Pulses und endet vollständig am Ende des Pulses. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsdauer 2 Sekunden oder mehr, 2 Sekunden bis 20 Sekunden, 3 Sekunden bis 16 Sekunden oder 5 Sekunden bis 10 Sekunden betragen. Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass Pulsdauern in der Größenordnung von Sekunden, wie beispielsweise 2 oder 3 Sekunden oder mehr, vorteilhaft sind, um einen hohen Grad einer selbst begrenzenden Abdeckung einer Substratoberfläche mit dem Aluminiumvorläufer zu erzielen. Übermäßig lange Pulsdauern können jedoch zu einer Reaktion einzelner Aluminiumvorläufermoleküle mit anderen Aluminiumvorläufermolekülen führen, wodurch eine unerwünschte, nicht selbst begrenzende Abscheidung verursacht wird. Die Aluminiumvorläuferpulsdauer kann in einigen Ausführungsformen weniger als 20 Sekunden oder weniger als 16 Sekunden oder 7 Sekunden betragen.
  • Aluminiumvorläufer sind organische Aluminiumvorläufer, wie Alkyl-Aluminium-Verbindungen, alkyl-substituierte Aluminiumchloridverbindungen und alkyl-substituierte Aluminiumhydridverbindungen. Der organische Aluminiumvorläufer kann die Formel AlR3 haben, wobei R aus substituierten, verzweigten, linearen oder zyklischen C1-C10-Kohlenwasserstoffen ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen sind 0 - 3 der R-Gruppen Methyl und der Rest ist Ethyl. In einigen Ausführungsformen kann der organische Aluminiumvorläufer Trimethylaluminium (TMA) sein. In einigen Ausführungsformen weist der Aluminiumvorläufer sowohl einen Halogenidliganden als auch einen organischen Liganden auf, wie beispielsweise A1RxX3-x. wobei x = 1 oder 2 beträgt und R ein organischer Ligand ist, wie beispielsweise Alkyl oder Alkenyl, und X ein Halogenid ist, wie beispielsweise Chlorid.
  • Nach dem Ende des Aluminiumvorläuferpulses werden die Substrate in Block 130 durch einen Stickstoffvorläuferpuls einem Stickstoffvorläufer ausgesetzt. Beispiele von Stickstoffvorläufern sind Ammoniak, Hydrazin und Hydrazinderivate. In einigen Ausführungsformen beginnt die Zufuhr des Stickstoffvorläufers in die Verarbeitungskammer am Beginn des Pulses und endet vollständig am Ende des Pulses. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsdauer 3 Sekunden oder mehr oder 10 Sekunden oder mehr betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsdauer 3 Sekunden bis 90 Sekunden, 3 Sekunden bis 30 Sekunden oder 3 Sekunden bis 10 Sekunden betragen. Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass Pulsdauern von 3 Sekunden bis 10 Sekunden vorteilhaft ermöglichen, dass der Stickstoffvorläufer vollständig mit den Aluminiumvorläufern auf der Substratoberfläche reagiert. Längere Pulsdauern können die abgeschiedene Schichtdicke erhöhen.
  • Gemäß 1 bilden die Blöcke 120 und 130 einen Abscheidungszyklus 140. Der Abscheidungszyklus kann mehrmals wiederholt werden, um eine Aluminiumnitridschicht mit einer gewünschten Dicke zu erzeugen. Es wird darauf hingewiesen, dass in Abhängigkeit beispielsweise von der Reaktionsfähigkeit des Aluminiumvorläufers mit verschiedenen Bereichen auf der Substratoberfläche die Schicht das Substrat vollständig abdecken kann oder an diskreten Stellen auf dem Substrat ausgebildet werden kann.
  • Obgleich dies zur vereinfachenden Beschreibung nicht dargestellt ist, wird darauf hingewiesen, dass der Zyklus 140 einen oder mehrerer Vorläuferentfernungsschritte aufweisen kann. Beispielsweise kann der Aluminiumvorläufer zwischen den Blöcken 120 und 130 z.B. durch Einleiten eines Inertgases in die Verarbeitungskammer, ohne dass Vorläuferarten eingeleitet werden, und/oder durch Evakuieren der Verarbeitungskammer zum Entfernen des Aluminiumvorläufers von der Kammer von der Nähe der Substrate entfernt oder abgeleitet werden.
  • Ähnlicherweise kann der Stickstoffvorläufer nach Block 130 und bevor das Substrat erneut dem Aluminiumvorläufer ausgesetzt wird, von der Nähe der Substrate entfernt werden. Dies kann ebenfalls z.B. durch Einleiten eines Inertgases in die Verarbeitungskammer, ohne dass Vorläuferarten eingeleitet werden, und/oder durch Evakuieren der Verarbeitungskammer zum Entfernen des Stickstoffvorläufers von der Kammer ausgeführt werden. Daher kann ein Abscheidungszyklus in einigen Ausführungsformen die Schritte aufweisen:
    • • Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses zu Substraten;
    • • Entfernen des Aluminiumvorläufers von der Verarbeitungskammer;
    • • Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses zu den Substraten; und
    • • Entfernen des Stickstoffvorläufers von der Verarbeitungskammer.
  • Die Vorläuferentfernungszeiten für die Aluminium- und Stickstoffvorläufer können gleich oder verschieden sein. In einigen Ausführungsformen beträgt die Aluminiumvorläuferentfernungszeit 1 bis 7 Sekunden und die Stickstoffvorläuferentfernungszeit 7 bis 30 Sekunden oder 7 bis 15 Sekunden. Es hat sich gezeigt, dass die Dauer der Aluminiumvorläuferentfernung die Schichtgleichmäßigkeit nicht wesentlich beeinflusst, die Dauer der Stickstoffvorläuferentfernung die Schichtgleichmäßigkeit jedoch stärker beeinflusst. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer der Stickstoffvorläuferentfernung mindestens das 1,5-, das 2- oder das 3-fache der Dauer der Aluminiumvorläuferentfernung.
  • Wie hierin dargestellt ist, können die Abscheidungszyklen wiederholt werden, um eine AlN-Schicht mit einer gewünschten Dicke auszubilden. In einigen Ausführungsformen können Zyklen unter den gleichen Bedingungen ausgeführt werden, z.B. bei der gleichen Abscheidungstemperatur und/oder dem gleichen Abscheidungsdruck. In einigen anderen Ausführungsformen können sich die Bedingungen zum Ausführen eines während einer ersten Zeitdauer ausgeführten ersten Satzes von einem oder mehreren Abscheidungszyklen von den Bedingungen zum Ausführen eines während einer zweiten Zeitdauer ausgeführten zweiten Satzes von einem oder mehreren Abscheidungszyklen unterscheiden.
  • Die Abscheidungstemperatur für einen ersten Satz von Abscheidungszyklen ist höher als für einen zweiten Satz von Abscheidungszyklen. Ohne dass dies durch eine Theorie gestützt wäre, wird angenommen, dass die Abscheidungsrate der AlN-Schicht stark von der Oberfläche abhängt, auf der die Schicht aufgebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass die AlN-Schichtabscheidungsrate nach Ausführen eines Anfangssatzes von Abscheidungszyklen zunimmt, und es wird angenommen, dass diese niedrigere Anfangsrate ihre Ursache in einer Hemmperiode hat, die wegfällt, sobald sich eine geschlossene AlN-Schicht auf der Substratoberfläche ausgebildet hat. Es hat sich gezeigt, dass durch Erhöhen der Abscheidungstemperatur während dieser Hemmperiode die Abscheidungsrate erhöht werden kann, während eine hohe Schichtgleichmäßigkeit aufrechterhalten wird. Die Abscheidungstemperatur während einer ersten Ausführungsperiode der Abscheidungszyklen ist mindestens 25°C, mindestens 25°C bis 75°C oder mindestens 25°C bis 50°C höher als die Abscheidungstemperatur während nachfolgender Ausführungsperioden der Abscheidungszyklen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Abscheidungstemperatur während der ersten Periode 350°C ± 25°C oder 350°C ± 10°C, und die Abscheidungstemperatur während der zweiten Periode beträgt 300°C ± 25°C oder 300°C ± 10°C. In einigen Ausführungsformen kann die erste Periode 10 oder mehr Abscheidungszyklen, 10 bis 50 Abscheidungszyklen oder 20 bis 40 Abscheidungszyklen beinhalten.
  • Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Abscheidungsrate durch die Pulsdauer des Stickstoffvorläufers nach Ablauf der Hemmperiode weniger beeinflusst wird. In einigen Ausführungsformen kann die Stickstoffvorläuferpulsdauer mit der Zeit abnehmen. Beispielsweise können die Stickstoffvorläuferpulsdauern in der ersten Ausführungsperiode der Abscheidungszyklen höher sein als in der zweiten Periode, z.B. in der Periode nach Ablauf der Hemmperiode. Beispielsweise können die Stickstoffvorläuferpulsdauern während der ersten Periode 10 Sekunden oder mehr betragen und in der zweiten Periode auf 3 bis 10 Sekunden oder 3 bis 5 Sekunden abnehmen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die abgeschiedene AlN-Schicht in verschiedenen Anwendungen verwendbar ist. Beispielsweise kann die AlN-Schicht als eine Passivierungsschicht, z.B. auf Galliumnitrid (GaN), verwendet werden. Die Verwendung einer AlN-Passivierungsschicht auf GaN kann die Grenzflächenzustände stark reduzieren. In einigen Ausführungsformen kann nach der Abscheidung der AlN-Passivierungsschicht ein Gate-Dielektrikum aus Siliziumoxid (SiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2), Hafniumoxid (HfO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder einer Doppel- oder Dreifachschichtstruktur oder einem Nano-Laminat aus einer beliebigen Kombination dieser Oxide beispielsweise durch einen Atomlagenabscheidungsprozess aufgebracht werden können, bei dem die Substrate den Vorläufern zyklisch ausgesetzt werden, beispielsweise können die Substrate zu verschiedenen Zeiten verschiedenen Vorläufern ausgesetzt werden. In einigen Ausführungsformen können die AlN-Passivierungsschicht und das Gate-Dielektrikum in der gleichen Verarbeitungskammer in situ aufgebracht werden.
  • Beispiele
  • AlN-Schichten wurden in einem Vertikalofen des Typs A412 aufgebracht, der kommerziell erhältlich ist von ASM International, Versterkerstraat 4, 1322 AP Almere, Niederlande. Der Ofen wies eine Verarbeitungskammer ohne Auskleidung, auf, und Aluminium- und Stickstoffvorläufer wurden in die Verarbeitungskammer eingeleitet, wobei jedes der Gase über einen separaten Mehrlochinjektor zugeführt wurde. Spülgas kann über die Mehrlochinjektoren und/oder durch einen „Entleerungs" („Dump“)injektor eingeleitet werden, der ein Injektorrohr ohne Zwischenlöcher ist, aber ein offenes Ende in der Nähe der Oberseite des Verarbeitungsrohrs hat. Die Gase werden am Boden des Verarbeitungsrohrs abgesaugt. Substrate werden in einem Gestell oder „Schiffchen“ aufgenommen, das während der Abscheidungen im Inneren der Verarbeitungskammer gedreht werden kann. Die Verarbeitungskammer ist eine Heißwandkammer.
  • Trimethylaluminium (TMA) wurde als Aluminiumvorläufer verwendet, und NH3 wurde als Stickstoffvorläufer verwendet. Insofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist, wurden die Abscheidungen bei 350°C mit 70 Abscheidungszyklen ausgeführt, erfolgte eine Drehung des Schiffchens und wurde der folgende Zyklus ausgeführt.
    Durchflussrate. Gasstrom Dauer
    TMA-Puls 0,4 g/min TMA 7 s
    TMU-Ausspülung 5 slm N2 7s
    NH3-Puls 1 slm NH3 30 s
    NH3-Ausspülung 5 slm N2 30 s
  • Während der Ausspülungsschritte wurden 5 slm N2 über den Entleerungsinjektor eingeleitet. Zusätzliche kleine N2-Ströme wurden über die Mehrlochinjektoren eingeleitet. Der Kammerdruck wurde nicht geregelt, aber die Kammer wurde mit maximaler Pumpleistung evakuiert, wodurch ein Kammerdruck im Bereich von 150 bis 550 mTorr erhalten wurde. Der Druck von 150 mTorr ist der Druck während der Schritte, in denen den Substraten der Vorläufer zugeführt wird, und der Druck von 550 mTorr ist der Druck während der Ausspülungsschritte.
  • 2 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der aufgebrachten Schichtdicke als Funktion der TMA-Pulsdauer für 70 Zyklen bei einer Abscheidungstemperatur von 350°C. Anhand des Diagramms ist ersichtlich, dass die Schichtdicke sich mit zunehmender TMA-Pulsdauer nicht sättigte. Stattdessen wird durch zunehmende Pulsdauern eine zunehmende AlN-Schichtdicke erhalten. Daher wird angenommen, dass der AlN-Abscheidungsprozess nicht selbst begrenzend ist, was bei einem reinen ALD-Prozess der Fall wäre. Stattdessen beinhaltet die ALN-Abscheidung eine selbst begrenzende Komponente (offene Rauten) bei einer Abscheidungsrate von 1,25 Å pro Zyklus und eine nicht selbst begrenzende Komponente (offene Dreiecke) bei einer Abscheidungsrate von 0,044 Å/s. Die selbst begrenzende Komponente ist bei einer TMA-Pulsdauer von 3 Sekunden oder länger deutlich. Für TMA-Pulsdauern von 16 Sekunden sind die Beiträge der nicht selbst begrenzenden Komponente und der selbst begrenzenden Komponente zur aufgebrachten Schichtdicke gleich groß. Es hat sich gezeigt, dass durch eine TMA-Pulsdauer von 7 Sekunden gute Abscheidungsraten und eine hohe Gleichmäßigkeit erzielt werden.
  • 3 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl ausgeführter Abscheidungszyklen. Die effektive Abscheidungsrate ist offensichtlich während der ersten 30 bis 40 Zyklen mit 0,31 Å /Zyklus relativ niedrig, dann aber ist die selbst begrenzende Komponente von 1,25 Å /Zyklus vollständig entwickelt und die gesamte Abscheidungsrate nimmt somit auf 1,56 Å/Zyklus zu. Es wird angenommen, dass die niedrige Anfangs-Abscheidungsrate sich dadurch ergibt, dass die selbst begrenzende Komponente von AlN eine Anfangs-Hemmperiode erfährt.
  • 4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der NH3-Pulsdauer (für 70 Abscheidungszyklen bei 350°C). Die Zunahme der abgeschiedenen Schichtdicke mit zunehmender NH3-Pulsdauer kann mit Hilfe von 5 verstanden werden, die die Schichtdicke für drei Wafer an verschiedenen Waferpositionen zeigt: S15, S65 und S115 bezeichnen Substrate im unteren, mittleren bzw. oberen Bereich der Verarbeitungskammer. Es wird darauf hingewiesen, dass die Dreiecke und Rauten im Diagramm sich im Wesentlichen überlappen, wodurch aufgezeigt wird, dass eine gute Gleichmäßigkeit der Schichtdicke über das Substrat erhalten wird.
  • 5 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl von Abscheidungszyklen für verschiedene NH3-Pulsdauern. Die verschiedenen NH3-Pulsdauern betrugen 10, 30 und 90 Sekunden. Es hat sich gezeigt, dass die Hemmperiode für die selbst begrenzende Abscheidung mit zunehmender NH3-Pulsdauer abnimmt. Die Hemmperiode betrug für NH3-Pulsdauem von 90, 30 und 10 Sekunden 10, 30 bzw. 45 Zyklen. Dadurch ergaben sich für längere NH3-Pulsdauern höhere effektive Abscheidungsraten. Wenn die Hemmperiode verstrichen war, war die Abscheidungsrate pro Zyklus für alle NH3-Pulsdauern jedoch im Wesentlichen gleich. Dies zeigt, dass auch für eine NH3-Pulsdauer von 10 Sekunden eine vollständig selbst begrenzende Abscheidung erhalten worden ist. Es wird angenommen, dass eine NH3-Pulsdauer von 3 Sekunden geeignet ist, um nach Ablauf der Hemmperiode eine vollständig gesättigte, selbst begrenzende Abscheidung zu erhalten.
  • 6 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der abgeschiedenen Schichtdicke als Funktion der Anzahl von Abscheidungszyklen für verschiedene Abscheidungstemperaturen. Die meisten Abscheidungen wurden bei 350°C durchgeführt. Bei dieser Temperatur führten 100 Zyklen zu einer Schichtdicke von 14 nm. Wenn die Abscheidungstemperatur auf 300°C gesenkt wurde, führten 100 Zyklen zu einer Schichtdicke von nur 2 nm. Wenn die ersten 50 Zyklen bei 350°C durchgeführt wurden und daraufhin die Abscheidung bei einer niedrigeren Temperatur von 300°C fortgesetzt wurde, wurde jedoch nur eine leichte Abnahme der Schichtdicke auf 11 nm beobachtet. Es wird angenommen, dass bei der niedrigeren Temperatur die Hemmperiode wesentlich länger ist, was zu einer geringeren Endschichtdicke führt. Sobald sich eine geschlossene AlN-Schicht ausgebildet hatte, ist die abgeschiedene Schichtdicke jedoch nur geringfügig von der Abscheidungstemperatur abhängig. Daher wird vermutet, dass die Oberfläche bei der Aufspaltung des Vorläufers und im Schichtausbildungsprozess eine Rolle spielt. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein geeigneter Bereich von Abscheidungstemperaturen für TMA sich von 300°C bis 375°C erstreckt. Es wird erwartet, dass bei einer Temperatur oberhalb von 375° die Aufspaltungsrate von TMA so groß wird, dass der Prozess nicht mehr geeignet kontrollierbar ist.
  • 7 zeigt die Gleichmäßigkeit einer abgeschiedenen AlN-Schicht. Die Abscheidungsbedingungen für diese Schicht waren wie vorstehend unter dem Beispiel beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass die AlN-Schicht sehr gleichmäßig ist, d.h. eine Abweichung der Gleichmäßigkeit der Schicht von 1σ = 0,25% über das Substrat hat. Es wird angenommen, dass die gute Gleichmäßigkeit anzeigt, dass der Prozess stark oberflächenkontrolliert ablief. Eine derartige Oberflächenkontrolle steht typischerweise mit einem selbst begrenzenden Prozess in Beziehung, wobei der Prozess hierbei aber eine nicht selbst begrenzende Komponente aufwies, die wesentlich zur abgeschiedenen Schichtdicke beiträgt. Dennoch wird durch den Abscheidungsprozess eine gute Oberflächenkontrolle der Abscheidung bereitgestellt.
  • Der Einfluss der Ausspülungszeit auf die Schichtgleichmäßigkeit wurde ebenfalls bewertet. Für den TMA-Ausspülungsschritt wurden Zeitdauern im Bereich von 1 Sekunde bis 7 Sekunden verwendet, wobei kein Einfluss auf die Schichtgleichmäßigkeit bemerkt wurde. Für den NH3-Ausspülungsschritt wurden Ausspülungszeiten im Bereich von 3 Sekunden bis 30 Sekunden verwendet. Für die drei kürzesten Ausspülungszeiten (3, 4 und 7 Sekunden) wurde eine wesentlich höhere Ungleichmäßigkeit beobachtet als für Ausspülungszeiten von 15 und 30 Sekunden, wobei die höchste Ungleichmäßigkeit bei der Ausspülungszeit von 3 Sekunden auftrat und die Ungleichmäßigkeit für die Ausspülungszeiten von 5 und 7 Sekunden graduell abnahm. Es wird angenommen, dass NH3-Ausspülungszeiten von 7 Sekunden oder mehr, bevorzugter 15 Sekunden oder mehr Vorteile für die Ausbildung hochgradig gleichmäßiger AlN-Schichten haben.
  • Obwohl die vorstehend dargestellten Beispiele mit TMA ausgeführt wurden, wird in Betracht gezogen, dass andere organische Aluminiumvorläufer ähnliche vorteilhafte Ergebnisse liefern würden. Derartige Vorläufer sind vorstehend dargestellt und können beispielsweise Aluminiumalkylvorläufer oder alkyl-substituierte Aluminiumchloride oder -halogenide sein, die eine ausreichende Flüchtigkeit besitzen und eine ähnliche Aufspaltungstemperatur wie TMA haben. Tabelle 1 zeigt Beispiele einiger Vorläufer.
    Al-Vorläufer Dampfdruck (Torr) Al-Wachstumstemperatur (°C)
    Trimethylaluminium (TMA) (CH3)3Al 11 bei 20°C 300
    Triethylaluminium (CH3CH2)3Al 0,1 bei 36°C 160
    Triisobutylaluminium (TIBA) [H(CH3)2CCH2]3A1 0,1 bei 27°C 250
    Diethylaluminiumchlorid (DEAC1) (CH3CH2)2AlCl 3 bei 60°C 340
    Dimethylaluminiumhydrid (DMAH) (CH3)2AlH 2 bei 25°C 240
    Tri-tertiär-butylaluminium [(CH3)3C]3Al 300 - 400°C

Claims (24)

  1. Verfahren zum Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht, mit den Schritten: Bereitstellen eines Kammerofens mit einer Heißwand-Verarbeitungskammer; Einbringen mehrerer Substrate in die Verarbeitungskammer; Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen auf den mehreren Substraten in der Verarbeitungskammer, wobei jeder Zyklus aufweist: Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses zu einer Oberfläche der Substrate, wobei der Aluminiumvorläufer aus der Gruppe bestehend aus Alkylaluminiumverbindungen, alkyl-substituierten Aluminiumchloridverbindungen und alkyl-substituierten Aluminiumhydridverbindungen ausgewählt wird; und nach Beendigung des Aluminiumvorläuferpulses, Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses zu der Oberfläche der Substrate um den Stickstoffvorläufer mit dem Aluminiumvorläufer auf der Substratoberfläche reagieren zu lassen; wobei mindestens einige der Zyklen bei einer Abscheidungstemperatur von 300°C bis 375°C ausgeführt werden, wobei die Abscheidungstemperatur während einer Anfangsperiode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen mindestens 25°C höher ist als die Abscheidungstemperatur während einer nachfolgenden Periode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abscheidungstemperatur mit der Zeit abnimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abscheidungstemperatur während eines Anfangssatzes von Abscheidungszyklen einen ersten Wert von 350°C ± 25°C hat, und wobei die Abscheidungstemperatur während eines nachfolgenden Satzes von Abscheidungszyklen einen zweiten Wert von 300°C ± 25°C hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abscheidungsdruck in der Heißwand-Verarbeitungskammer kleiner ist als 1 Torr.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer des Aluminiumvorläuferpulses 3 Sekunden oder mehr beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dauer des Aluminiumvorläuferpulses 5 Sekunden bis 10 Sekunden beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dauer des Stickstoffvorläuferpulses 3 Sekunden oder mehr beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Dauer des Stickstoffvorläuferpulses 10 Sekunden oder mehr beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Dauer des Stickstoffvorläuferpulses von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert während der Dauer des Ausführens der mehreren Abscheidungszyklen abnimmt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Entfernen des Aluminiumvorläufers von einem Volumen um die Substrate, wobei das Entfernen des Aluminiumvorläufers für 1 Sekunde oder mehr ausgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Entfernen des Stickstoffvorläufers von einem Volumen um die Substrate, wobei das Entfernen des Stickstoffvorläufers für 7 Sekunden oder mehr ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stickstoffvorläufer NH3 ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stickstoffvorläufer Hydrazin ist.
  14. Verfahren zum Abscheiden von Aluminiumnitrid, mit den Schritten: Bereitstellen mehrerer Halbleitersubstrate in einer Batch-Verarbeitungskammer; Aktives Heizen einer Wand der Verarbeitungskammer auf eine Abscheidetemperatur; Abscheiden einer Aluminiumnitridschicht auf den Substraten in der Batch-Verarbeitungskammer durch Ausführen mehrerer Abscheidungszyklen, wobei jeder Abscheidungszyklus aufweist: Zuführen eines Aluminiumvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer; Entfernen des Aluminiumvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer; anschließendes Zuführen eines Stickstoffvorläuferpulses in die Batch-Verarbeitungskammer; und Entfernen des Stickstoffvorläufers von der Batch-Verarbeitungskammer nach dem Zuführen des Stickstoffvorläufers und vor dem Zuführen eines weiteren Aluminiumvorläuferpulses, wobei die Substrate während des Abscheidungszyklus keinem Plasma ausgesetzt sind, wobei die Abscheidungstemperatur während einer Anfangsperiode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen mindestens 25°C höher ist als die Abscheidungstemperatur während einer nachfolgenden Periode der Ausführung der mehreren Abscheidungszyklen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Abscheidungsdruck zum Abscheiden der Aluminiumnitridschicht 100 bis 700 mTorr beträgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Abscheidungstemperatur während der Anfangsperiode mindestens 50°C höher ist als die Abscheidungstemperatur während der nachfolgenden Periode.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Abscheidungstemperatur während der Anfangsperiode 350°C ± 25°C beträgt, und wobei die Abscheidungstemperatur während der nachfolgenden Periode 300°C ± 25°C beträgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Dauer der Stickstoffvorläuferentfernung mindestens das 1,5-fache der Dauer des Aluminiumvorläuferentfernung beträgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Entfernen des Aluminiumvorläufers und das Entfernen des Stickstoffvorläufers das Ausspülen der Batch-Verarbeitungskammer aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Halbleitersubstrat Galliumnitrid aufweist, und wobei die Aluminiumnitridschicht auf dem Galliumnitrid abgeschieden wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner mit dem Ausbilden eines Gate-Dielektrikums auf der Aluminiumnitridschicht.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Gate-Dielektrikum Siliziumoxid (SiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2), Hafniumoxid (HfO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder eine Kombination davon aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Kombination eine Doppelt- oder Dreifachschichtstruktur oder ein Nano-Laminat ist, wobei jede Lage der Doppelt- oder Dreifachschichtstruktur oder des Nano-Laminats ein Material ausgewählt aus Siliziumoxid (SiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2), Hafniumoxid (HfO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Ausbilden des Gate-Dielektrikums in situ in der Verarbeitungskammer ausgeführt wird.
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