DE10208450B4

DE10208450B4 - Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten mittels ALD/CVD-Prozessen in Verbindung mit schnellen thermischen Prozessen

Info

Publication number: DE10208450B4
Application number: DE10208450A
Authority: DE
Inventors: Annette Dr. Sänger; Bernhard Sell; Harald Seidl; Thomas Dr. Hecht; Martin Dr. Gutsche
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: TW200303371A; US20030175423A1; US6835417B2; DE10208450A1

Abstract

Verfahren zum Abscheiden mindestens einer Schicht aus jeweils einem Schichtmaterial auf mindestens Abschnitten einer Substratoberfläche eines in einem Kammerinnenraum einer Prozesskammer angeordneten Substrats, umfassend die Prozessschritte:
(a) Einbringen einer ersten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der ersten chemischen Vorläuferverbindung mindestens abschnittsweise als monomolekulare Teileinzellage auf der Substratoberfläche abgeschieden und chemisch gebunden wird,
(b) Entfernen nicht abgeschiedener zweiter Anteile der ersten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer,
(c) Einbringen einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der zweiten chemischen Vorläuferverbindung auf den von der ersten chemischen Vorläuferverbindung bedeckten Abschnitten der Substratoberfläche abgeschieden und, chemisch gebunden wird und dabei aus den beiden chemischen Vorläuferverbindungen eine Einzellage aus dem Schichtmaterial gebildet wird und
(d) Entfernen nicht abgeschiedener zweiter Anteile der zweiten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer,
wobei:
durch Wiederholen der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden mindestens einer Schicht aus jeweils einem Schichtmaterial auf mindestens Abschnitten einer Substratoberfläche eines in einem Kammerinnenraum einer Prozesskammer angeordneten Substrats.

Ein typischer Fertigungsschritt bei der Herstellung mikromechanischer oder mikroelektronischer Bauteile ist ein mindestens abschnittsweises Erzeugen von Schichten aus verschiedenen Schichtmaterialien auf einem Substrat, eine nachträgliche Behandlung und Veränderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten, sowie ein Strukturieren der abgeschiedenen und veränderten Schichten. Das Substrat ist dabei typischerweise ein Wafer aus einem Halbleitermaterial. Eine hohe Integrationsdichte, wie sie insbesondere bei elektronischen Bauelementen wie Prozessoren und Halbleiterspeichereinrichtungen gefordert ist, setzt sehr geringe Schichtdicken und kleine Abmessungen für Strukturen in der Schicht voraus. Mittlerweile sind Schichtdicken von wenigen Nanometern und Abmessungen von Strukturen von wenigen zehn Nanometern üblich.

Durch die stetige Miniaturisierung erhöhen sich die Ansprüche an eine durch Defektdichte, Rauigkeit und Homogenität einer Schicht bestimmten Schichtqualität.

Dabei beschreibt die Rauigkeit eine Abweichung einer Oberfläche einer Schicht von einer ideal planaren Oberfläche. Die Defektdichte ist ein Maß für die Anzahl und die Größe von Verunreinigungen oder Strukturdefekten in der Schicht.

Verunreinigungen sind dabei Einlagerungen aus einem anderen als dem Schichtmaterial. Strukturdefekte sind beispielsweise Hohlräume oder, bei Kristall bildenden Schichtmaterialien, Gitterfehler. Die Homogenität bezieht sich auf eine physikalische und chemische Gleichförmigkeit der Schicht.

Übliche Verfahren zur Herstellung von Schichten mit einer Schichtdicke unter einem Mikrometer auf einem Substrat sind epitaktische Verfahren, physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD-Verfahren) und chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD-Verfahren).

Bei CVD-Verfahren wird ein Substrat in einer CVD-Prozesskammer einem Strom eines oder mehrerer Prozessgase ausgesetzt. Bei den Prozessgasen handelt es sich beispielsweise um gasförmige chemische Vorläuferverbindungen des Schichtmaterials oder um inerte Trägergase, die die Vorläuferverbindungen in fester oder flüssiger Form transportieren. Aus der oder den Vorläuferverbindungen (im Folgenden auch Präkursoren genannt) wird photolytisch, thermisch und/oder plasmagestützt in der CVD-Prozesskammer und/oder über der Substratoberfläche das Schichtmaterial erzeugt, das sich auf der Substratoberfläche niederschlägt und eine Schicht bildet. Die Abscheidung erfolgt in der Regel entweder bei atmosphärischem Druck oder Unterdruck. Eine CVD-Prozesskammer, in der Abscheideverfahren bei Unterdruck möglich sind, ist in der US 5,935,338 beschrieben.

Da die Abscheidung eng mit der Zufuhr der Präkursoren und damit mit dem Fluss der Prozessgase verknüpft ist, erfordert ein Abscheiden einer homogenen Schicht gleichmäßiger Dicke komplexe und aufwändige CVD-Prozesskammern, sowie eine präzise Verfahrenssteuerung.

Ein weiterer Nachteil an CVD-Verfahren ist eine schlechte Kantenbedeckung. Auf einer strukturierten Substratoberfläche, die Vertiefungen mit zur Substratoberfläche vertikalen Flanken aufweist, liefert die Kantenbedeckung ein Maß dafür, in welchem Verhältnis das Schichtmaterial an den Flanken am oberen, der Oberfläche zugewandten Ende der Vertiefung bzw. an den Flanken am unteren, dem Grund der Vertiefung zugewandten Ende der Vertiefung, abgeschieden wird.

Aus dem Umstand, dass in unmittelbarer Nähe zur Substratoberfläche sowohl die Präkursoren als auch das Schichtmaterial quasi nebeneinander existieren, resultieren ferner bei der Abscheidung Einschlüsse der Präkursoren in die sich abscheidende Schicht und damit eine dem Prozess immanente Defektdichte in der abgeschiedenen Schicht.

Nach dem Abscheiden einer Schicht kann es notwendig sein, vor dem Strukturieren der Schicht bzw. vor dem Aufbringen einer weiteren Schicht, einen Temperaturschritt auszuführen. Dieser Temperaturschritt kann entweder ein Erwärmen oder ein Abkühlen beinhalten, durch das beispielsweise Schichtmaterialien ausgehärtet, Diffusions- bzw. Implantationsvorgänge gestoppt, thermomechanische Spannungen in der Schicht abgebaut werden und die chemische Zusammensetzung durch eine thermische Nachbehandlung (annealing) homogenisiert wird.

Verfahren, die ein in der Regel schnelles, kurzfristiges Erhitzen oder Abkühlen eines Substrates beinhalten, werden unter dem Begriff ATP-Verfahren (rapid thermal processing) zusammengefasst. ATP-Verfahren werden auch zur Oxidierung und Nitridierung von Schichten verwendet. Üblicherweise stehen für ATP-Verfahren eigene ATP-Reaktoren zur Verfügung, wie sie etwa aus der US 6,310,327 bekannt sind. Solche RTP-Reaktoren sind mit Strahlungsquellen innerhalb oder außerhalb einer Prozesskammer ausgerüstet, mit denen schnelle Temperaturänderungen auf einer in der Prozesskammer angeordneten Substratoberfläche gesteuert werden. Nachteilig am Kombinieren von CVD-Verfahren in CVD-Prozesskammern mit ATP-Verfahren in ATP-Reaktoren ist der aufwändige Transfer der Substrate zwischen CVD-Prozesskammer und ATP-Reaktor.

Jeder Transfer erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung der Substratoberfläche und bedeutet dazu einen erheblichen Rüstaufwand sowie Ausfallzeiten an betreffenden Anlagen.

Es sind daher auch RTCVD-Anlagen (RTCVD: rapid thermal chemical vapor deposition) bekannt, etwa aus der US 4,892,753 oder der US 5,935,338 , bei denen CVD-Prozesskammern mit von RTP-Reaktoren bekannten, schnell heizenden Strahlungsquellen ausgerüstet sind. Solche RTCVD-Anlagen ermöglichen zum einen prinzipiell RTP- und CVD-Verfahren in einer einzigen Prozesskammer. Darüber hinaus lassen sich in RTCVD-Anlagen CVD-Verfahren verbessern. Dabei wirkt ein schnelles Aufheizen der Substratoberfläche als reaktiver Schalter (reactive switch) und ermöglicht eine sehr viel bessere Prozesskontrolle sowie kürzere Abscheidezeiten.

Jedoch weisen solche RTCVD-Anlagen eine Reihe von Nachteilen auf. So lagern sich bei üblichen CVD- und RTCVD-Prozessen die Reaktionsprodukte der Gasphasenabscheidung nicht nur auf der Substratoberfläche, sondern auch auf den Innenseiten einer einen Kammerinnenraum umschließenden Kammerwandung der Prozesskammer ab. Ändert sich in der Folge die Temperatur in der Prozesskammer stark, so dehnen sich die Materialien der Kammerwandung und das abgeschiedene Schichtmaterial unterschiedlich aus, wodurch das an der Innenwand abgeschiedene Material abblättert und die Prozesskammer mit Partikeln kontaminiert. Diese Partikel erhöhen, abgelagert auf der Substratoberfläche, die Defektdichte in der gerade abgeschiedenen Schicht.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich im Zusammenhang mit den Strahlungsquellen. Die Strahlungsquellen können bei RTCVD-Reaktoren prinzipiell innerhalb oder außerhalb der Prozesskammer angeordnet sein. Ein Anordnen der Strahlungsquellen außerhalb des RTCVD-Reaktors setzt eine zumindest abschnittsweise transparente Kammerwandung voraus.

Um ein Abscheiden der Reaktionsprodukte auf der Innenseite transparenter Abschnitte bzw. Fenster der Kammerwandung zu verhindern, ist eine aufwändige Kühlung der Fenster notwendig. Ein Beispiel für ein gekühltes Fenster für RTCVD-Prozesskammern ist in der US 6,284,051 beschrieben. Darüber hinaus werden in CVD-Prozesskammern auf den Kammerwandungen abgeschiedene Schichten regelmäßig durch Spülen mit Ätzgasen entfernt. Handelt es sich bei den abgeschiedenen Schichtmaterialien um Dielektrika, so wird durch die dafür geeigneten Ätzmittel auch ein Material der Fenster, üblicherweise ein Quarzglas oder Saphirglas, geätzt und in seinen optischen Eigenschaften verändert. Bei heute üblichen RTCVD-Prozesskammern werden die Fenster nach etwa 1000 – 2000 Zyklen gewechselt, bzw. in aufwändiger Weise gereinigt.

Weiterhin nachteilig ist die Abhängigkeit der Schichtdicke einer abgeschiedenen Schicht von der Temperatur auf der Substratoberfläche. Bei Substratdurchmessern von 300 mm setzt eine gleichmäßige Schichtdicke eine sehr gleichmäßige Bestrahlung auch einer strukturierten Substratoberfläche voraus. Eine gleichmäßige Bestrahlung einer solchen Substratoberfläche durch übliche Strahlungsquellen, etwa Wolfram-Halogenlampen, erfordert eine aufwändige optische Strahlungsführung und ein nahezu fehlerfreies und ablagerungsfreies Fenster.

Eine weitere Schwierigkeit bei einer Kombination von RTP- und CVD-Prozessen in einer Anlage besteht darin, dass für eine schnelle Temperaturreaktion des Substrats das Aufliegen des Substrats auf einem Träger hinderlich ist. Ist aber die Rückseite des Substrates freigestellt, so findet auch an der Rückseite des Substrats eine dort unerwünschte Gasphasenabscheidung statt.

In aktuellen Konzepten für CVD-Prozesskammern, wie etwa in der US 5,935,338 beschrieben ist, wird daher wieder vom Konzept einer schnellen Erhitzung des Substrats zugunsten einer gleichmäßigeren Erhitzung des Substrats, bzw. der Substratoberfläche abgerückt.

Eine weitere Variante des CVD-Verfahrens ist das sequentielle CVD-Verfahren oder ALD-Verfahren (atomic layer deposition). Bei ALD-Verfahren wird in einer ersten Phase eine erste chemische Vorläuferverbindung (Präkursor) in eine Prozesskammer, in der ein Substrat bereitgestellt ist, eingeführt. Durch einen als Chemisorption bekannten Prozess lagert sich der erste Präkursor ausschließlich in vorgesehenen aktivierten Abschnitten der Substratoberfläche ab. Der erste Präkursor wird dabei in der Regel modifiziert. Sind alle aktivierten Abschnitte mit dem modifizierten Präkursor bedeckt, ist die erste Phase der Abscheidung abgeschlossen. Dann ist eine monomolekulare Teileinzellage aus einem modifizierten Präkursor auf der Substratoberfläche abgeschieden. In einem zweiten Schritt werden nicht abgeschiedene Anteile des ersten Präkursors aus der Prozesskammer entfernt. Das Entfernen erfolgt dabei durch Spülen mit einem inerten Gas und/oder Abpumpen. Danach wird in einem dritten Schritt ein zweiter Präkursor in die Prozesskammer eingebracht, der sich auf der ersten ablagert, wobei die Präkursoren in das Schichtmaterial umgesetzt werden und eine Einzellage (monolayer) der zu erzeugenden Schicht bilden. In einem vierten Schritt werden nicht abgeschiedene Anteile des zweiten Präkursors aus der Prozesskammer entfernt. Die Schritte eins bis vier werden solange wiederholt, bis aus den so abgeschiedenen Einzellagen eine Schicht vorherbestimmter Schichtdichte gebildet ist.

Bedingt durch ihren selbstlimitierenden Charakter ist eine ALD-Abscheidung unabhängig von einer Menge der eingebrachten Präkursoren, deren Zuflusscharakteristika, sowie einer Diffusions- und Reaktionsdynamik der Präkursoren. Dadurch verringern sich die technischen Anforderungen sowohl an eine ALD-Prozesskammer als auch an die Steuerung eines ALD-Prozesses. Da die Abscheidung der Präkursoren weitgehend durch Chemisorption, nicht aber durch dynamische, diffusionsbestimmte Prozesse gesteuert wird, ergibt sich für ALD-Verfahren bei der Abscheidung auf nichtplanaren, strukturierten Substratoberflächen eine sehr gute Kantenbedeckung.

Nachteilig an üblichen ALD-Verfahren und ALD-Prozesskammern sind insbesondere der geringe Durchsatz an Substraten. Weiterhin nachteilig ist der Umstand, dass infolge der üblichen trägen Beheizung der Substratoberfläche Temperaturschritte etwa zur Oberflächenaktivierung oder für ein Annealing entweder auf Kosten langer Prozesszeiten in der ALD-Prozesskammer oder unter aufwändigen Rüstvorkehrungen beispielsweise in einer RTP-Kammer ausgeführt werden müssen.

In der US 6,174,377 wird eine ALD-Prozessstation zur Erhöhung des Durchsatzes von Substraten beschrieben, bei der eine Mehrzahl von ALD-Prozesskammern in ökonomischer Weise parallel angeordnet sind und betrieben werden.

Inhalt der US 6,042,652 ist eine ALD-Prozesskammer, die zur Erhöhung des Durchsatzes an Substraten das gleichzeitige Anordnen und Bearbeiten mehrerer Substrate in einer einzigen Prozesskammer ermöglicht.

In beiden zuletzt genannten Patentschriften wird dem im Vergleich zu CVD-Prozesskammern um etwa einen Faktor 10 niedrigeren Durchsatz einer ALD-Prozesskammer mit einer höheren Parallelität begegnet.

Nachteilig ist aber allen derzeit bekannten ALD-Prozesskammern und -Anlagen die gegenüber konventionellen CVD-Prozessen lange Prozesszeit pro Substrat, sowie die fehlende Möglichkeit, die Temperatur eines in der Prozesskammer angeordneten Substrats bzw. der Substratoberfläche zügig zu ändern, um zu einem weiteren Anwendungsspektrum von ALD-Prozessen zu gelangen.

Aus J. Vac. Sci. Technol. B 19(5) Sep/Oct 2001 S. 1782 bis 1787, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von ZrO₂ auf einem Substrat bekannt, bei dem ein Zr-Vorläufer (ZTB) zusammen mit Ar als Trägergas und ein Reaktivgas (O₂) alternierend und steuerbar einer Prozesskammer zugeführt werden und gleichzeitig das Substrat mittels in der Prozesskammer integrierter Wolfram-Halogenlampen beheizt wird. Die Temperatur kann dabei auch während der Abscheidung verändert werden. Die Vorrichtung verfügt auch über eine Zentralkammer mit Roboter zur Substratzuführung und eine als RT-CVD Kammer bezeichnete Beschichtungskammer mit einem Substrat-Drehhalter. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden so zwei chemische Vorläufer ZTB und O₂ unabhängig voneinander und alternierend gesteuert zugeführt, woraus sich analog zu ALD eine Abscheidung von Monolagen ergibt und gleichzeitig variierbar eine Beheizung mittels Hochleistungsstrahler erfolgt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem jeweils gegenüber üblichen ALD- bzw. CVD-Prozessen die Schnelligkeit, mit der eine Schicht in einem ALD- bzw. CVD-Prozess abgeschieden wird, erhöht und/oder die Qualität einer in einem ALD-Prozess abgeschiedenen Schicht verbessert wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Abscheiden einer Schicht aus einem Schichtmaterial auf mindestens Abschnitten einer Substratoberfläche eines in einem Kammerinnenraum einer Prozesskammer angeordneten Substrats gelöst, das mindestens die Prozessschritte

(a) Einbringen einer ersten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der ersten chemischen Vorläuferverbindung mindestens abschnittsweise gleichmäßig als monomolekulare Teileinzellage auf der Substratoberfläche abgeschieden und chemisch gebunden wird,
(b) Entfernen nichtabgeschiedener zweiter Anteile der ersten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer,
(c) Einbringen einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der zweiten chemischen Vorläuferverbindung auf den von der ersten chemischen Vorläuferverbindung bedeckten Abschnitten der Substratoberfläche abgeschieden und chemisch gebunden wird und dabei aus den beiden chemischen Vorläuferverbindungen eine Einzellage aus dem Schichtmaterial gebildet wird und
(d) Entfernen nichtabgeschiedener zweiter Anteile der zweiten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer, wobei:

durch Wiederholen der Prozessschritte (a) bis (d) aus aufeinanderfolgenden Einzellagen eine Schicht erzeugt wird,
vor, während und/oder nach mindestens einem Prozessschritt in der Prozesskammer mindestens eine Temperaturänderung mit einem Gradienten größer 100 °Kelvin pro Sekunde auf der Substratoberfläche durchgeführt wird, und
die Substartoberfläche vor der Abscheidung einer chemischen Vorläuferverbindung durch eine schnelle und kurzzeitige Temperaturerhöhung erhitzt und aktiviert wird, nachfolgend die Temperatur der Substratoberfläche abgesenkt und die chemische Vorläuferverbindung auf der aktivierten Substratoberfläche abgeschieden wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein ähnliches Verfahren wie das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren, bei der aber im Gegensatz zur Erfindung kein Aktivieren der Oberfläche vor dem Abscheiden einer Vorläuferverbindung durch eine Temperaturerhöhung und eine anschließenden Temperaturabsenkung erfolgt, ist in der älteren WO 2002/070142 A1 beschrieben.

Für manche chemische Vorläuferverbindungen ist ein Temperaturbereich, in dem eine Abscheidung auf der Substratoberfläche erfolgen kann, stark eingeschränkt. Zum einen ist eine Temperatur der Substratoberfläche erforderlich, die über einer Mindesttemperatur liegt, bei der die Abscheidung der chemischen Vorläuferverbindung überhaupt stattfinden kann. Auch das Entfernen überschüssiger Anteile der chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer setzt eine Mindestbeweglichkeit und damit eine Mindesttemperatur in der Prozesskammer voraus. Zum anderen bleibt das Abscheiden einer chemischen Vorläuferverbindung nur dann selbstlimitierend, wenn die Temperatur auf der Substratoberfläche eine für die Reaktion spezifische Maximaltemperatur nicht überschreitet. Handelt es sich bei einer chemischen Vorläuferverbindung etwa um eine organische Verbindung, so kommt es bei einem Überschreiten der Maximaltemperatur zu einem temperaturbedingten vorzeitigen Zerfall der chemischen Vorläuferverbindung auf der Substratoberfläche. Bei einem Verfahren der erfindungsgemäßen Art wird nun die Temperatur auf der Substratoberfläche ausreichend schnell und genau in einer Weise geregelt, dass jeder Teilschritt eines ALD-Prozesses bei einer optimalen Temperatur bzw. innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs abläuft.

Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Benutzung unterschiedlich reaktiver chemischer Vorläuferverbindungen im Zuge eines ALD-Prozesses innerhalb einer Prozesskammer. Ein Spektrum von für ALD-Prozesse tauglichen Materialien und Materialkombinationen wird deutlich erweitert. Zum Beispiel ist dadurch die Herstellung von Nanolaminaten aus HfO₂ und SiO₂ in derselben Prozesskammer möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Entfernen der nicht abgeschiedenen Anteile mindestens einer der beiden chemischen Vorläuferverbindungen durch ein Spülen der Prozesskammer mit der jeweils anderen chemischen Vorläuferverbindung bei einer Temperatur, bei der die andere chemische Vorläuferverbindung inert ist. Das Spülen erfolgt dabei durch ein Verdrängen der einen Vorläuferverbindung durch die andere Vorläuferverbindung, wobei das Verdrängen auch durch Druckänderungen in der Prozesskammer unterstützt sein kann. Danach wird die Temperatur auf der Substratoberfläche innerhalb eines Temperaturbereichs gesteuert, in dem die andere chemische Vorläuferverbindung chemisch reaktiv wird. Da die Temperaturänderung wesentlich schneller erfolgt, als ein Spülen der Prozesskammer etwa mit einem chemisch inerten Gas wie in ALD-Prozessen der üblichen Art, wird auf diese Weise ein ALD-Prozess in der Prozesskammer erheblich beschleunigt.

Dieses Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Temperatur TA, bei der die eine chemische Vorläuferverbindung mittels der anderen chemischen Vorläuferverbindung durch Spülen aus der Prozesskammer entfernt wird, gleich oder ähnlich der ist, bei der die Abscheidung der einen chemischen Vorläuferverbindung auf der Substratoberfläche erfolgt. In diesem Fall entfällt eine Prozesszeit für eine zwischenzeitliche Temperaturänderung und eine Gesamtprozesszeit eines ALD-Prozesses wird weiter verkürzt.

Das Abscheiden einer chemischen Vorläuferverbindung kann einen Nukleationsschritt beinhalten. Dabei bilden sich in einem ersten Schritt der Abscheidung auf der von der chemischen Vorläuferverbindung zu bedeckenden Substratoberfläche einzelne Abschnitte der abgeschiedenen und unter Umständen modifizierten Vorläuferverbindung. In einem zweiten Schritt lagern sich weitere Anteile der chemischen Vorläuferverbindung bevorzugt und unmittelbar in der Nachbarschaft der bereits abgeschiedenen Anteile (Nuklei) ab. Der zweite Schritt der Abscheidung kann in aller Regel bei einer deutlich niedrigeren Temperatur erfolgen als der vorangegangene Nukleationsschritt. Dann ist es bei einer solchen Abscheidung einer chemischen Vorläuferverbindung ausreichend, die Substratoberfläche nur während einer ausreichend langen Nukleationsphase auf eine erhöhte, die Nukleation ermöglichende Temperatur zu erhitzen. Für den zweiten Schritt, die Komplettierung der Abscheidung, wird die Temperatur wieder deutlich reduziert, wodurch ein homogenerer Schichtaufbau und eine geringere Rauigkeit der erzeugten Schichten erzielt und zudem eine Temperaturbelastung des Substrats deutlich reduziert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch ein kurzzeitiges, schnelles Erhitzen die Substratoberfläche chemisch aktiviert. Die Aktivierung ermöglicht ein folgendes Abscheiden einer chemischen Vorläuferverbindung. Damit erübrigt sich eine Aktivierung der Substratoberfläche mittels Plasmaprozesse. Bei solchen Plasmaprozessen wird mit Hilfe von Elektroden ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Nähe der Substratoberfläche erzeugt. Das elektromagnetische Wechselfeld erzeugt seinerseits ein chemisch stark reaktives Ionengas. Insbesondere bei der Abscheidung auf dünnen dielektrischen Schichten wird dabei die Substratoberfläche sehr leicht geschädigt, was besonders dann gilt, wenn das stark reaktive Ionengas in großer Nähe der Substratoberfläche erzeugt wird. Die Elektroden sind daher für Plasmaprozesse in ausreichenden Abstand zur Substratoberfläche vorzusehen. Dazu addiert sich der Platzbedarf für die Elektroden selbst sowie ein zwischen den Elektroden befindlicher Reaktionsraum. Ein Kammervolumen einer optimalen Prozesskammer für plasmagestützte Abscheideverfahren ist also groß gegenüber dem einer optimalen Prozesskammer für ALD-Verfahren, da bei ALD-Verfahren zur Prozessbeschleunigung ein möglichst geringes Kammervolumen angestrebt wird.

Es ergeben sich daher zur Optimierung eines Plasmaprozesses an eine Prozesskammer konträre Anforderungen gegenüber einer optimalen ALD-Prozesskammer.

Bei der Abscheidung von Nitrid- und Oxidschichten hängen Stickstoff- bzw. Sauerstoffgehalt der abgeschiedenen Verbindungen stark von den Prozessbedingungen ab. Mittels nachfolgender Temperaturänderungen (im Folgenden auch Temperaturschritte) wird aus solchen Schichten Stickstoff bzw. Sauerstoff ausgetrieben und die chemische Homogenität der Schicht dadurch erhöht. Dabei unterliegt die Schicht einem Schrumpfungsprozess, der im Extremfall zur Zerstörung einer vorher kontinuierlich abgeschiedenen Schicht führen kann. Eine Verbesserung einer solchen Schicht wird durch sequenzielle Abscheidung dünner Nitrid- bzw. Sauerstoffschichten und jeweils darauf folgende Temperaturschritte in einer inerten Gasatmosphäre erzielt. Dazu ist es bisher notwendig, das Substrat der ALD-Prozesskammer zu entnehmen und in einem RTP-Reaktor, in der der Temperaturschritt ausgeführt wird, anzuordnen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also auf einer Substratoberfläche eine Schicht aus einer Einzellage oder eine Mehrzahl von Einzellagen abgeschieden und danach die Schicht durch eine schnelle, kurzfristige und deutliche Temperaturerhöhung behandelt (in situ anneal). Auf diese Weise lassen sich auf besonders einfache Weise in der abgeschiedenen Schicht mechanische Spannungen abbauen, chemische und stöchiometrische Inhomogenitäten reduzieren und das Schichtmaterial aushärten.

Bevorzugterweise ist das Material der Einzellage dann Wolfram-Nitrid. Insbesondere bei einer Abscheidung einer Wolfram-Nitrid-Schicht nach einem ALD-Prozess hängt der Stickstoffgehalt der Schicht stark von den Prozessbedingungen ab und schwankt zwischen dem einer Schicht aus reinem WN und dem einer Schicht aus reinem W₂N. Wird nun nach dem Abscheiden einer aus einer Mehrzahl von Einzellagen aufgebauten Wolfram-Nitrid-Schicht in einer geforderten Schichtdicke in herkömmlicher Weise ein Temperaturschritt ausgeführt, mit dem Stickstoff aus der Schicht ausgetrieben wird, so unterliegt die Wolfram-Nitrid-Schicht durch den Stickstoffverlust einem Schrumpfungsprozess, der zu Inhomogenitäten, im Extremfall zu Löchern in der Schicht führen kann. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeweils nach Abscheidung einer oder einer Mehrzahl von Wolfram-Nitrid-Einzellagen jeweils ein zwischenzeitlicher Temperaturschritt in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt, so dass das Austreiben des Stickstoffs bei geringeren Schichtdicken und dadurch kontrollierter und gleichmäßiger erfolgt. Es entstehen weniger Inhomogenitäten. Entstehen dennoch solche Inhomogenitäten oder etwa Löcher, so werden diese beim Abscheiden der nächsten Einzellagen mindestens teilweise wieder ausgeglichen bzw. aufgefüllt, so dass bei der Abscheidung dünner Wolfram-Nitrid-Schichten die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonderer Weise zum Tragen kommen.

Insbesondere wenn die Wolfram-Nitrid-Schicht aus den chemischen Vorläuferverbindungen Wolframhexafluorid und Ammoniak erzeugt wird, kommt es zur Bildung von Einzellagen mit schwankendem Stickstoffgehalt. Das Einbringen und Abscheiden des Wolframhexafluorids und des Ammoniaks erfolgen dabei bei einer Temperatur von etwa 400 Grad Celsius.

In bevorzugter Weise wird in einem einer Abscheidung einer oder einer Mehrzahl von Einzellagen folgenden Temperaturschritt die Temperatur auf der Substratoberfläche für mindestens 15 und längstens 120 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000 Grad Celsius, in bevorzugter Weise auf 900 Grad Celsius eingestellt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt nach dem Abscheiden jeder oder einer Mehrzahl von Schichten oder Einzellagen eine schnelle und kurzfristige Erhitzung der Substratoberfläche zum Zwecke des Verdampfens von Verunreinigungen (in situ clean). Dadurch wird in besonders schneller und einfacher Weise die Kontamination des Kammerinnenraums und damit eine Defektdichte in den abgeschiedenen Schichten reduziert.

Bei allen genannten Verfahren ist es von Vorteil, wenn das Substrat für die Temperaturschritte in der ALD-Prozesskammer verbleiben kann. Auf diese Weise werden insbesondere Oberflächenkontaminationen und unproduktive Rüstzeiten vermieden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf einer Substratoberfläche in besonders vorteilhafter Weise Nanolaminate erzeugt. Nanolaminat bezeichnet dabei einen Stapel einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden, jeweils nur wenige Nanometer dicken Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Schichtmaterialien. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Nanolaminaten ergibt sich aus verschiedenen optimalen Temperaturbereichen für die Abscheidung der beiden Schichtmaterialien. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperatur der Substratoberfläche besonders präzise und schnell an den für einen jeweils anstehenden Prozessschritt optimalen Temperaturbereich angeglichen werden kann, ergibt sich bei der Herstellung von Nanolaminaten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders große Zeitersparnis.

Eine Verbindung von Abscheidungsprozessen mit Temperaturschritten für ein eine abgeschiedene Schicht in ihrer chemischen und/oder physikalischen Struktur veränderndes Annealing in einer einzigen Prozesskammer und eine sequentielle Abscheidung von Schichten aus unterschiedlichen Schichtmaterialien bei unterschiedlichen Temperaturen sind auch in Verbindung mit CVD-Verfahren besonders vorteilhaft. Solche Verfahren sind insbesondere bei der Abscheidung auf nicht oder nur relativ flach strukturierten, planaren Substratoberflächen von Vorteil, für die keine hohe Kantenbedeckung gefordert ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich in besonders ökonomischer Weise mittels CVD abgeschiedene Schichten einem die abgeschiedenen Schichten in ihrer chemischen und/oder physikalischen Struktur verändernden Annealing (thermische Nachbehandlung) unterziehen. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zeitdauer des Annealings an die Dicke der abgeschiedenen und einem Annealing zu unterziehenden Schicht angepasst werden kann, ergibt sich ein weiterer Prozessparameter zur Optimierung von Geschwindigkeit und Qualität der Abscheidung.

In besonders vorteilhafter Weise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Silizidschichten mittels eines CVD-Verfahrens in bekannter Weise abgeschieden und anschließend in der selben Prozesskammer einem. Temperaturschritt zum Zwecke eines Annealings unterzogen. Das Annealing führt zu einer Umkristallisation der abgeschiedenen Silizidschicht und einer stöchiometrisch homogenen Silizidschicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausprägung der Erfindung ergibt sich beim Abscheiden eines Schichtstapels, in dem aufeinanderfolgend Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Schichtmaterialien angeordnet sind, wobei die Schichtmaterialien bei jeweils verschiedenen Temperaturen des Substrats bzw. der Substratoberfläche abgeschieden werden.

Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein ökonomisches Herstellen von solchen Schichtstapeln.

Sind die Schichtmaterialien eines solchen Schichtstapels etwa Polysilizium und Wolframsilizid, so erfolgt ein optimiertes Abscheiden des Polysiliziums in einem Temperaturbereich zwischen 600 Grad Celsius und 700 Grad Celsius, während das Wolframsilizid bevorzugt bei einer Temperatur von unter 550 Grad Celsius abgeschieden wird.

Eine Prozesskammer, die zum Erzeugen einer Schicht aus einem Schichtmaterial auf mindestens Abschnitten einer Substratoberfläche eines Substrats durch sequenzielles Abscheiden mindestens zweier chemischer Vorläuferverbindungen des Schichtmaterials aus einer Gasphase dient und mit der die Bearbeitungszeit eines Substrats während eines ALD-Prozesses verkürzt und die Variabilität der in der Prozesskammer möglichen Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten erhöht wird, umfasst jeweils mindestens eine

– Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme jeweils mindestens eines Substrates,
– Zuführ- und Abführeinrichtung für die Gasphasen der chemischen Vorläuferverbindungen,
– Substratzuführeinrichtung zum Einbringen des Substrats in die Prozesskammer,
– Heizquelle zum Heizen des Substrats und/oder der Substratoberfläche, sowie
– eine Steuereinrichtung zum sequentiellen Einleiten mindestens zweier chemischer Vorläuferverbindungen,

wobei mindestens eine Heizquelle als Strahlungsquelle ausgeführt ist, mit der eine Temperatur des Substrats und/oder der Substratoberfläche mit einem Gradienten größer 100 Kelvin pro Sekunde veränderbar ist.

Mit einer solchen Prozesskammer ist es möglich, den Durchsatz an Substraten pro ALD-Prozesskammer zur erhöhen, den Anwendungsbereich von ALD-Prozessen zu erweitern und die Abscheidung dünner Schichten zu optimieren, indem die eigentliche Abscheidung mit mindestens einem RTP-Schritt (RTP: rapid thermal processing) kombiniert wird.

Als Strahlungsquellen kommen dabei aus üblichen RTP- oder RTCVD-Prozesskammern bekannte Wolfram-Halogen-Heizlampen in Betracht. Mit Wolfram-Halogen-Heizlampen sind auf der Substratoberfläche Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erreichbar. Zudem lassen sich mit Wolfram-Halogen-Heizlampen Temperaturgradienten von größer 100 Kelvin pro Sekunde realisieren, wodurch sich ALD-Prozesse besonders schnell und variabel gestalten lassen.

Gegenüber anderen bekannten RTCVD-Prozesskammern unterscheidet sich diese Prozesskammer hinsichtlich der Ausprägung einer die Zuführung und Abführung der Prozessgase steuernden Prozesssteuereinrichtung. Die Zu- und Abführeinrichtungen selbst können einfacher geführt werden, da die Fluss- und Diffusionskinematik der Prozessgase den Abscheidungsprozess in sehr viel geringerem Umfang beeinflussen. Andererseits sind die Anforderungen an die Standfestigkeit von in den Zu- und Abführeinrichtungen angeordneten, schaltbaren Ventileinrichtungen wesentlich höher, da sie bereits für das Abscheiden einer einzigen Schicht deutlich häufiger betätigt werden als in üblichen RTCVD-Prozesskammern. Zudem sind die Ventileinrichtungen mit einer deutlich geringer spezifizierten maximalen Schaltzeit für die Übergänge "sperrend/durchlässig" und umgekehrt vorzusehen.

Ein wesentlicher Vorzug einer solchen Prozesskammer (RTRLD-Prozesskammer) ergibt sich aus dem Umstand, dass mit ALD-Prozessen üblicherweise realisierte Schichtdicken sehr gering sind, also zum einen eine sehr geringe Materialmenge in der Prozesskammer umgesetzt wird und zum anderen das Material in der Prozesskammer in hohem Maße selektiv auf der Substratoberfläche abgeschieden wird. Daraus resultiert eine im Gegensatz zu RTCVD-Prozesskammern geringe Verunreinigung der Innenseite der Kammerwandung, bzw. von im Kammerinnenraum angeordneten Komponenten der Prozesskammer.

Wird die Strahlungsquelle innerhalb der ALD-Prozesskammer angeordnet, so bleibt bei allen Verfahren, bei denen die Abscheidung der chemischen Vorläuferverbindungen selektiv auf einer aktivierten Substratoberfläche oder aufeinander erfolgt, die Oberfläche der Strahlungsquelle weitgehend frei von Abscheidungen. Ein aufwändiges Reinigen der Strahlungsquelle entfällt überwiegend.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Strahlungsquellen außerhalb der Prozesskammer angeordnet. Eine einen Kammerinnenraum umschließende Kammerwandung weist dann mindestens einen zur Strahlungsquelle orientierten und für die Heizstrahlung der Strahlungsquelle transparenten Abschnitt auf. Bei dieser Anordnung entfällt ein Öffnen der Prozesskammer bei einem wartungsbedingten Austausch der Strahlungsquellen.

Der transparente Abschnitt der Kammerwandung weist eine Kühleinrichtung auf, die den transparenten Abschnitt während des Betriebs der Prozesskammer kühlt und Abscheidungsprozesse sowie chemische Reaktionen auf einer dem Kammerinnenraum zugewandten Oberfläche des transparenten Abschnitts verhindert. Durch das Vorsehen der Kühleinrichtung wird der Wartungsaufwand an der Prozesskammer weiter verringert.

Eine solche Prozesskammer ermöglicht im Vergleich zu anderen üblichen ALD-Prozesskammern schnelle Temperaturänderungen vor, während und/oder nach einem ALD-Prozess in einem weiten Temperaturbereich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und von vier Beispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 Einen schematischen Querschnitt durch eine Prozesskammer.
Eine Kammerwandung 4 einer Prozesskammer 1 umschließt einen Kammerinnenraum 5, in dem auf einer Haltevorrichtung 2 ein Substrat 3, typischerweise ein Halbleiterwafer, angeordnet ist. Die Prozesskammer 1 weist ferner Zu- und Abführeinrichtungen 6 auf, mittels derer chemische Vorläuferverbindungen eines Schichtmaterials in die Prozesskammer 1 eingeführt und nicht abgeschiedene Anteile der chemischen Vorläuferverbindungen wieder entfernt werden. Weiter weist die Kammerwandung 4 der Prozesskammer 1 mindestens einen transparenten Abschnitt 7 auf, der einer Substratoberfläche 8 des Substrates 3, auf der gemäß einem ALD-Prozess eine Schicht aus dem Schichtmaterial abgeschieden wird, gegenüberliegt. Durch den transparenten Abschnitt 7 der Kammerwandung 4 wird eine Hitzestrahlung 10 einer Strahlungsquelle 9, die außerhalb des Kammerinnenraums 5 angeordnet ist, zur Substratoberfläche 8 vermittelt. Das Substrat 3 wird der Prozesskammer 1 über eine Substratzuführeinrichtung 11 eingebracht.
Beispiel 1:
Die Herstellung von Nanolaminaten aus HfO₂/SiO₂-Schichten kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise in der folgenden Prozessschritten durchgeführt werden:

A1 Einstellen der Temperatur auf der Substratoberfläche auf 500 Grad Celsius, Zugabe der ersten chemischen Vorläuferverbindung der ersten Einzellage, HfCl₄, Reaktionsdauer 500 ms (100 bis 10.000 ms);
A2 Füllen der Prozesskammer mit einer Inertgas (N₂ oder Argon) für 1.000 ms (100 bis 10.000 ms);
A3 Zugabe einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung der ersten Einzellage (H₂O), Reaktionsdauer 2.500 ms (100 bis 10.000 ms); es erfolgt die Umsetzung der beiden chemischen Vorläufermaterialien gemäß der Reaktion HfCl₄ + 2 H₂O → HfO₂ + 4 HCl;
A4 Füllen der Prozesskammer mit einem Inertgas (N₂ oder Argon) für 3.000 ms (200 bis 10.000 ms) und gleichzeitiges Absenken der Temperatur der Substratoberfläche auf 427 Grad Celsius;
B1 Zugabe einer ersten chemischen Vorläuferverbindung der zweiten Einzellage, SiCl₄, Reaktionsdauer 200 ms (100 bis 10.000 ms);
B2 Spülen der Prozesskammer mit einem Inertgas (N₂ oder Argon) für 1.000 ms (100 bis 10.000 ms);
B3 Zugabe einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung der zweiten Einzellage, H₂O, Reaktionsdauer 500 ms (100 bis 10.000 ms); Die Abscheidung von SiO₂ aus SiCl₄ und H₂O erfolgt nach der Reaktion SiCl₄ + 2 H₂O → SiO₂ + 4 HCl.
B4 Spülen der Prozesskammer mit einem Inertgas (N₂ oder Argon) für 2.500 ms (100 bis 10.000 ms) und gleichzeitiges Aufheizen des Substrats auf 500 Grad Celsius.

Ein aus den Prozessschritten A1 bis A4 bestehender Zyklus A beschreibt die Abscheidung von Hafniumoxid, ein aus den Prozessschritten B1 bis B4 bestehender Zyklus B die Abscheidung von Siliziumoxid. Das Verhältnis von Hafniumoxid zu Siliziumoxid im Nanolaminat wird durch die Anzahl der jeweiligen Zyklen A und B bestimmt. Werden zum Beispiel 6 Zyklen A und danach 6 Zyklen B ausgeführt, so ergibt sich ein Verhältnis des Hafniumoxides zum Siliziumoxid von 1:1. Desgleichen können Nanolaminate mit jeweils unterschiedlichen Dicken der Einzellagen erzeugt werden, beispielsweise durch 12 aufeinanderfolgenden Zyklen A gefolgt von 6 aufeinanderfolgenden Zyklen B.
Beispiel 2:
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Schicht aus Wolfram-Nitrid beispielsweise in der folgenden Weise abgeschieden werden:

A1 Einstellen einer Temperatur von 400 Grad Celsius auf der Substratoberfläche, Zugabe einer ersten chemischen Vorläuferverbindung des Wolfram-Nitrids, Wolframhexafluorid (WF₆), Reaktionsdauer 400 ms (100 bis 10.000 ms);
A2 Spülen der Prozesskammer mit einem Inertgas (N₂ oder Argon) für 1.500 ms (100 bis 10.000 ms);
A3 Zugabe einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung des Wolfram-Nitrids, Ammoniak (HH₃), Reaktionsdauer 2.500 ms (100 bis 10.000 ms);
A4 Spülen der Prozesskammer mit einem Inertgas (N₂ oder Argon) für 3.000 ms (200 bis 10.000 ms);
B1 Erhöhung der Temperatur auf der Substratoberfläche auf 900 Grad Celsius (600 Grad bis 1.100 Grad) für 60 Sekunden (15 bis 120 Sekunden)
B2 Abkühlen der Substratoberfläche auf die ursprüngliche Prozesstemperatur von 400 Grad Celsius. Ein aus den Schritten B1 und B2 bestehende Annealschritt findet in Inertgasatmosphäre statt und wird nach jedem oder nach einer Mehrzahl von Zyklen A1 bis A4 ausgeführt.

Beispiel 3:
Die Herstellung von WSix und WSix-haltigen Schichtstapeln nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise in der folgenden Weise durchgeführt werden:
Bei einer Temperatur der Substratoberfläche zwischen 450 Grad Celsius und 550 Grad Celsius werden in einem CVD-Verfahren aus den chemischen Vorläuferverbindungen WF₆ und Dichlorsilan dünne, zwei bis zwanzig Nanometer dicke Schichten aus WSix abgeschieden. Danach wird die Zuführung der chemischen Vorläuferverbindungen eingestellt und durch die ausschließliche Zufuhr des inerten Trägergases Argon eine inerte Atmosphäre in der Prozesskammer geschaffen. Danach erfolgt ein Temperaturschritt für ein rapid thermal annealing, dessen Zeitdauer sich mit steigender Schichtdicke verlängert. Dabei ergeben sich für unterschiedliche Temperaturen für das Annealing unterschiedliche Zeitdauern für das Annealing:

a) für eine Annealtemperatur von 650 Grad Celsius eine Zeitdauer von 30 bis 300 Sekunden
b) für 750 Grad Celsius 200 bis 300 Sekunden
c) für 900 Grad Celsius 15 bis 240 Sekunden
d) für 1.000 Grad Celsius 10 bis 180 Sekunden
e) für 1.100 Grad Celsius 10 bis 120 Sekunden

Ein Zyklus aus Abscheidung und Anneal wird sooft wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke und -qualität erreicht sind.
Beispiel 4:
Die Herstellung eines Schichtstapels aus WSix und Poly-Si kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise in der folgenden Weise durchgeführt werden:

a) Die Abscheidung von Poly-Si erfolgt bei einer Temperatur von 600 Grad Celsius bis 700 Grad Celsius in einer CVD-Prozesskammer, wobei als chemische Vorläuferverbindung Silan herangezogen wird und Argon als Träger und/oder Schutzgas genutzt wird.
b) Die Abscheidung von WSix erfolgt bei einer Temperatur von unter 550 Grad Celsius und den Prozessgasen WF₆ und Dichlorsilan. Auch hier wird Argon als Inertgas verwendet.

Die Abscheidezyklen von Poly-Si und WSix werden solange wiederholt, bis ein Stapel mit der gewünschten Schichtdicke erzeugt ist. Dabei können durch geeignetes Anpassen der Gasflüsse und Temperaturen die Abscheideraten so eingestellt werden, dass in Zeiträumen von zum Beispiel 15 Sekunden Schichtdicken zwischen 5 und 30 Nanometern abgeschieden werden.

Claims

Verfahren zum Abscheiden mindestens einer Schicht aus jeweils einem Schichtmaterial auf mindestens Abschnitten einer Substratoberfläche eines in einem Kammerinnenraum einer Prozesskammer angeordneten Substrats, umfassend die Prozessschritte: (a) Einbringen einer ersten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der ersten chemischen Vorläuferverbindung mindestens abschnittsweise als monomolekulare Teileinzellage auf der Substratoberfläche abgeschieden und chemisch gebunden wird, (b) Entfernen nicht abgeschiedener zweiter Anteile der ersten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer, (c) Einbringen einer zweiten chemischen Vorläuferverbindung des Schichtmaterials in einer Gasphase in die Prozesskammer, wobei ein erster Anteil der zweiten chemischen Vorläuferverbindung auf den von der ersten chemischen Vorläuferverbindung bedeckten Abschnitten der Substratoberfläche abgeschieden und, chemisch gebunden wird und dabei aus den beiden chemischen Vorläuferverbindungen eine Einzellage aus dem Schichtmaterial gebildet wird und (d) Entfernen nicht abgeschiedener zweiter Anteile der zweiten chemischen Vorläuferverbindung aus der Prozesskammer, wobei: durch Wiederholen der Prozessschritte (a) bis (d) aus aufeinanderfolgenden Einzellagen eine Schicht erzeugt wird, vor, während und/oder nach mindestens einem Prozessschritt in der Prozesskammer mindestens einmal eine Temperaturänderung mit einem Gradienten größer 100 Kelvin pro Sekunde auf der Substratoberfläche durchgeführt wird, und die Substratoberfläche vor dem Abscheiden einer chemischen Vorläuferverbindung durch eine schnelle und kurzzeitige Temperaturerhöhung erhitzt und aktiviert wird, nachfolgend die Temperatur der Substratoberfläche abgesenkt und die chemische Vorläuferverbindung auf der aktivierten Substratoberfläche abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei – das Einbringen und Abscheiden der ersten chemischen Vorläuferverbindung bei einer ersten Temperatur der Substratoberfläche erfolgt und – das Einbringen und Abscheiden der zweiten chemischen Vorläuferverbindung bei einer zweiten Temperatur der Substratoberfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen der nichtabgeschiedenen zweiten Anteile mindestens einer der beiden chemischen Vorläuferverbindungen durch ein Spülen der Prozesskammer mit der jeweils anderen chemischen Vorläuferverbindung bei einer Temperatur TA erfolgt, bei der die andere chemische Vorläuferverbindung inert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperatur TA gleich der ersten oder zweiten Temperatur gehalten wird, bei der die jeweils andere chemische Vorläuferverbindung eingebracht und abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einbringen und Abscheiden mindestens einer der beiden chemischen Vorläuferverbindungen folgende Schritte umfasst: (a) Einstellen einer Nukleationstemperatur TN auf der Substratoberfläche, (b) Abscheiden erster Anteile der chemischen Vorläuferverbindung in einem Nukleationsschritt, (c) Absenken der Temperatur auf der Substratoberfläche bis über eine minimale Komplettierungstemperatur TK und (d) Abscheiden zweiter Anteile oder Vorläuferverbindung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach dem Abscheiden einer Schicht aus einer Einzellage oder einer Mehrzahl von Einzellagen die Substratoberfläche durch eine schnelle Temperaturänderung kurzzeitig erhitzt und dadurch die Schicht in ihrer chemischen und/oder physikalischen Struktur verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schicht aus Wolframnitrid aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei als erste chemische Vorläuferverbindung des Wolframnitrids Wolframhexafluorid und als zweite chemische Vorläuferverbindung Ammoniak in die Prozesskammer eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur auf der Substratoberfläche während des Einbringens und Abscheidens des Wolframhexafluorids und des Ammoniaks auf 400 Grad Celsius (± 10%) und für eine Änderung der chemischen und/oder physikalischen Struktur einer oder einer Mehrzahl von Einzellagen die Temperatur für mindestens 15 und längstens 120 Sekunden auf mindestens 800 Grad Celsius eingestellt und dabei die Temperaturänderung mit einem Gradienten größer 100 Kelvin pro Sekunde durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei während der Erzeugens der Schichten entstehende Verunreinigungen im Kammerinnenraum der Prozesskammer durch eine schnelle und kurzzeitige Temperaturerhöhung thermisch zersetzt und aus der Prozesskammer entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schichten aus jeweils einem von mindestens zwei unterschiedlichen Schichtmaterialien abgeschieden wird und das Abscheiden der verschiedenen Schichtmaterialien bei unterschiedlichen Temperaturen der Substratoberfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei als ein erstes Schichtmaterial HfO₂ bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius (± 10%) aus den Vorläuferverbindungen HfCl₄ und H₂O und als ein zweites Schichtmaterial SiO₂ bei einer Temperatur von 427 Grad Celsius (± 10%) aus den Vorläuferverbindungen SiCl₄ und H₂O abgeschieden und solcherart ein Nanolaminat hergestellt wird, gebildet aus aufeinanderfolgenden Schichten aus HfO₂ und SiO₂.