JP2014236220A - バッチ反応器中での環状窒化アルミニウム蒸着 - Google Patents

バッチ反応器中での環状窒化アルミニウム蒸着 Download PDF

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Abstract

【課題】窒化アルミニウム蒸着プロセスを提供する。【解決手段】バッチプロセスチャンバー内に複数の半導体基板を提供する工程および複数の蒸着サイクルの間に、半導体基板をプラズマに曝すことなく蒸着サイクルを実行することにより、半導体基板上に窒化アルミニウム層を蒸着する工程を含む。各蒸着サイクルは、バッチプロセスチャンバーにアルミニウム前駆体パルスをフローする工程、バッチプロセスチャンバーからアルミニウム前駆体を除去する工程、窒素前駆体をフローする工程後かつアルミニウム前駆体の別パルスをフローする工程前にバッチプロセスチャンバーから窒素前駆体を除去する工程を含む。プロセスチャンバーは高温壁プロセスチャンバーであってよく、蒸着は１Ｔｏｒｒ未満の蒸着圧力で生じてよい。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造に関し、より具体的には、窒化アルミニウムの蒸着に関する。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は種々の半導体装置を形成するために用いられる。例えば、ＡｌＮは、ＧａＮベース半導体装置においてパッシベーション膜として、または太陽電池において裏面電界層としてますます用いられている。しかしながら、ＡｌＮは、高い均一性で蒸着するのが難しい。結果的に、ＡｌＮを蒸着するプロセスに継続した要求がある。
第一態様において、窒化アルミニウムフィルムを蒸着するプロセスが提供される。当該プロセスは、高温壁プロセスチャンバーを有するバッチ加熱炉を提供する工程、当該プロセスチャンバーに複数の基板を充填する工程、および当該プロセスチャンバー中に複数の蒸着サイクルを実行する工程を含む。各サイクルは、アルミニウム前駆体パルスに基板を曝す工程、当該基板から離れてアルミニウム前駆体をパージする工程、窒素前駆体パルスに当該基板を曝す工程、および複数の基板から離れて、窒素前駆体をパージする工程を含む。当該サイクルの少なくともいくつかは、約３００℃〜約３７５℃の蒸着温度で実行される。アルミニウム前駆体は、アルキルアルミニウム化合物、アルキル置換塩化アルミニウム化合物、および水素化アルミニウム化合物からなる群から選択されてよい。
いくつかの実施形態において、蒸着温度および／または窒素前駆体パルスの継続期間は、時間とともに減少する。いくつかの実施形態において、蒸着温度は、蒸着サイクルの第一セットの間に約３５０℃±約２５℃の第一の値であり、蒸着サイクルの後続セットの間に約３００℃±約２５℃の第二の値である。
別の態様において、窒化アルミニウムを蒸着するプロセスが提供される。当該プロセスは、バッチプロセスチャンバー内に複数の半導体基板を提供する工程および複数の蒸着サイクルを実行することにより、バッチプロセスチャンバー内で半導体基板上に窒化アルミニウム層を蒸着する工程を含む。各蒸着サイクルは、バッチプロセスチャンバーにアルミニウム前駆体パルスをフローする工程、バッチプロセスチャンバーからアルミニウム前駆体を除去する工程、その後、バッチプロセスチャンバー内に窒素前駆体パルスをフローする工程、および窒素前駆体をフローした後かつアルミニウム前駆体の別パルスをフローする前にバッチプロセスチャンバーから窒素前駆体を除去する工程を含む。半導体基板は蒸着サイクルの間、プラズマに曝されない。
いくつかの実施形態において、プロセスチャンバーは高温壁チャンバーである。いくつかの実施形態において、蒸着された窒化アルミニウム層は、基板にわたって１σ＝０．２５％以下の不均一性を有する。蒸着圧力は、いくつかの実施形態において、約１００〜約７００ｍＴｏｒｒであってよい。
いくつかの実施形態に係るＡｌＮフィルムを形成するプロセスを概して説明するフローチャートである。 いくつかの実施形態に係るＴＭＡパルスの継続期間の関数として、蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。 いくつかの実施形態に係る実施された蒸着サイクルの回数の関数として蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。 いくつかの実施形態に係るＮＨ３パルスの継続期間の関数としての蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。 いくつかの実施形態に係る種々のＮＨ３パルスの継続期間における、蒸着サイクルの回数の関数としての蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。 いくつかの実施形態に係る異なる蒸着温度における、蒸着サイクルの回数の関数としての蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。 いくつかの実施形態に係る蒸着されたＡｌＮフィルムの均一性を示す図である。
ＡｌＮフィルムは、典型的には、プラズマアシスト技術によって、基板上に蒸着されている。しかしながら、基板をプラズマに曝す工程は、層のパッシベーション特性に悪い影響を与える、および／またはプラズマは基板上の装置にダメージを与えるかもしれない、ということがわかった。
蒸着の間プラズマを使用しない熱蒸着は、Ｔ．Ｍ．Ｍａｙｅｒ，Ｊ．Ｗ．ＲｏｇｅｒｓおよびＴ．Ａ．Ｍｉｃｈａｌｓｋｅ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．１９９１，３，６４１−６４６，“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＡｌＮ ｏｎ Ｓｉ”に示唆されている。しかしながら、ＡｌＮフィルムの原子層堆積での試みは、半導体製造業において用いられる最新技術の単一ウエハ反応器においてさえ、基板の全域で均一である蒸着フィルムを提供していない。したがって、これらの熱蒸着は製造されるフィルムの容認し難いほどの均一性の乏しさのせいで、失敗していると考えられている。
理論に限定されないが、原子層堆積での上記試みは、基板の少なくともいくつかの部分に非自己制御的な蒸着および無制御蒸着をなし、これにより、基板にわたるフィルムの厚さにおいて大きな変化をもたらすと考えられる。したがって、ＡｌＮの単層蒸着により荒い単層を有する原子層成長が望まれ、当該蒸着はフィルム成長が非自己制御である強い化学気相成長成分を含有するという事実と思われる。結果として、熱蒸着の可制御性は基板にわたった蒸着に乏しくかつ不十分であると考えられ、特に、プラズマアシスト蒸着で達成しうる結果と比較して乏しくかつ不十分であると考えられている。
有利なことに、発明者らは、プラズマを使用しない場合でさえ、基板にわたって高い均一性を提供する熱的ＡｌＮ蒸着プロセスを開発した。いくつかの実施形態において、プロセスは、バッチプロセスチャンバー内に複数の半導体基板を提供する工程および蒸着サイクルの間、半導体基板をプラズマに曝すことなく、複数の蒸着サイクルを実行することによりバッチプロセスチャンバー内の半導体基板上に窒化アルミニウム層、またはフィルムを蒸着する工程を含む。各蒸着サイクルは、バッチプロセスチャンバー内にアルミニウム前駆体パルスをフローする工程、バッチプロセスチャンバーからアルミニウム前駆体を除去する工程、その後、バッチプロセスチャンバー内に窒素前駆体パルスをフローする工程、および窒素前駆体をフローした後かつアルミニウム前駆体の別パルスをフローする前にバッチプロセスチャンバーから窒素前駆体を除去する工程を含む。プロセスチャンバーは、高温壁プロセスチャンバーであってよく、蒸着は、約１Ｔｏｒｒ未満、約５０ｍＴｏｒｒ〜約９００ｍＴｏｒｒ、約１００ｍＴｏｒｒ〜約７００ｍＴｏｒｒ、または約１５０ｍＴｏｒｒ〜約５５０ｍＴｏｒｒの蒸着圧力で生じてよい。いくつかの実施形態において、蒸着温度は、約４００℃以下、約１５０℃〜約３７５℃、約２４０℃〜約３７５℃、または約２７５℃〜約３７５℃であってよい。
理論に限定されないが、単一ウエハ反応器に典型的には用いられる蒸着圧力は、アルミニウム前駆体間で副反応を起こし、これにより基板上のアルミニウムの非自己制御的な蒸着の原因となるかもしれないと考えられる。典型的な単一ウエハ反応器の蒸着圧力は、１〜１０ Ｔｏｒｒの範囲であってよい。いくつかの実施形態によれば、蒸着圧力は、約５０ｍＴｏｒｒ〜約９００ｍＴｏｒｒ、約１００ｍＴｏｒｒ〜約７００ｍＴｏｒｒ、または約１５０ｍＴｏｒｒ〜約５５０ｍＴｏｒｒであり、ＡｌＮ蒸着の非自己制御的な成分を減少してよい。例えば、３秒以上の比較的長い前駆体パルスの継続期間と併用して、低圧は、前駆体を含む基板表面の良好な飽和を可能とし、低レベルの非自己制御的な蒸着を提供する。高温壁に吸収された前駆体、またはプロセスチャンバーの壁上で不完全に反応した蒸着は、蒸着に悪影響を与え得、混入物質を生成するかもしれない。理論に限定されないが、高温壁バッチプロセスチャンバーの使用はチャンバーの壁上への質の低い蒸着の量を減少し得、これにより基板上の蒸着されたフィルムの質を改善すると考えられている。
有利なことに、いくつかの実施形態において蒸着されたＡｌＮフィルムは、基板にわたって異常な均一性を有しうる。いくつかの実施形態において、１σ＝１％以下、１σ＝０．５％以下、または１σ＝０．２５％以下のフィルム不均一性が基板にわたって達成される。
本明細書において、参照は図面においてなされ、図面中の数字などは全体にわたって同様の特徴部を言及する。
図１は、いくつかの実施形態に係るＡｌＮフィルムを形成するプロセス１００を概して説明するフローチャートである。プロセス１００は、バッチ反応器のプロセスチャンバー内で行われ、複数の基板、例えば２５個以上の基板または２５個〜１５０個の基板を収容してよい。いくつかの実施形態において、バッチプロセスチャンバーは高温壁チャンバーであり、当該チャンバーの壁はアクティブに、例えばプロセス温度に加熱される。本願明細書に記載されているように、高温壁プロセスチャンバーは均一なプロセス結果を達成する利点を提供しうる。バッチプロセスチャンバーで加工された基板は、半導体ウェーハなどのＡＩＮが蒸着された任意のワークピースであって、半導体から形成されたワークピースを包含している。
図１を参照して、複数の基板はブロック１１０でバッチプロセスチャンバー内に充填される。当該基板は、約４００℃以下、約１５０℃〜約３７５℃、約２４０℃〜約３７５℃、または約３００℃〜約３７５℃の蒸着温度に加熱されてよい。さらに、蒸着圧力はバッチプロセスチャンバー内で設定され、約５０ｍＴｏｒｒ〜約９００ｍＴｏｒｒ、約１００ｍＴｏｒｒ〜約７００ｍＴｏｒｒ、または約１５０ｍＴｏｒｒ〜約５５０ｍＴｏｒｒであってよい。
ブロック１２０で、基板は、アルミニウム前駆体パルス中のアルミニウム前駆体に曝されてよい。いくつかの実施形態において、アルミニウム前駆体のプロセスチャンバー内へのフローは、パルスの始まりで始まり、パルスの終わりで完全に終わる。いくつかの実施形態において、パルス継続期間は、約２秒以上、約２秒〜約２０秒、約３秒〜約１６秒、または約５秒〜約１０秒であってよい。理論に限定されないが、２秒以上または３秒以上を包含している秒のオーダーにおける継続期間は、アルミニウム前駆体を有する基板表面の自己制御的な高レベルの被覆を達成するために望ましいと考えられる。しかしながら、非常に長い継続期間は、他のアルミニウム前駆体分子と個々のアルミニウム前駆体分子との反応をもたらし、望まない非自己制御的な蒸着の原因となる。いくつかの実施形態において、アルミニウム前駆体パルスの継続期間は、約２０秒未満、または約１６秒未満、または約７秒であってよい。
アルミニウム前駆体の例は、有機アルミニウム前駆体（アルキルアルミニウム化合物およびアルキル置換塩化アルミニウム化合物、アルキル置換水素化アルミニウム化合物など）を包含する。有機アルミニウム前駆体は式ＡｌＲ３であってよく、式中、Ｒは、置換、分枝状、直線状または環状のＣ１〜Ｃ１０炭化水素から選択される。いくつかの実施形態において、０〜３のＲ基はメチルであり、残りはエチルである。いくつかの実施形態において、有機アルミニウム前駆体はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）であってよい。いくつかの実施形態において、アルミニウム前駆体は、ハロゲン化物リガンドおよび有機リガンドの両方を有し、例えばＡｌＲｘＸ３−ｘであり、式中ｘは１〜２であり、Ｒは有機リガンド（アルキルまたはアルケニルなど）であり、Ｘはハロゲン化物（塩化物など）である。アルミニウム前駆体のこの種の例は、例えば、ジメチルアルミニウムクロライド（ＣＨ３）２ＡｌＣｌであってよい。いくつかの他の実施形態において、アルミニウム前駆体はＡｌハロゲン化物（ＡｌＣｌ３またはＡｌＩ３など）である。
ブロック１３０でのアルミニウム前駆体パルスを終了した後、基板は窒素前駆体パルス内の窒素前駆体に曝されてよい。窒素前駆体の例は、アンモニア、ヒドラジン、およびヒドラジン誘導体を包含する。いくつかの実施形態において、窒素前駆体のプロセスチャンバー内へのフローは、パルスの始まりで始まり、パルスの終わりで完全に終わる。いくつかの実施形態において、パルス継続期間は、約３秒以上、または約１０秒以上であってよい。いくつかの実施形態において、パルス継続期間は、約３秒〜約９０秒、約３秒〜約３０秒、または約３秒〜約１０秒であってよい。理論に限定されないが、約３秒〜約１０秒の継続期間は、望ましくは、窒素前駆体が基板表面上でアルミニウム前駆体と完全に反応することを可能とすると考えられる。より長い継続期間は蒸着されたフィルムの厚さを増加しうる。
図１に継続する参照として、ブロック１２０および１３０は、蒸着サイクル１４０を構成する。蒸着サイクルは、所望の厚さの窒化アルミニウムフィルムを形成するため複数回繰り返されてよい。当該窒化アルミニウムフィルムは、基板を完全に被覆してよく、または基板上の別々の場所に配置されてよいと評価され、例えば、基板表面上の異なる領域を含むアルミニウム前駆体の反応性に応じる。
簡単な記載で説明されていないが、サイクル１４０は１以上の前駆体除去段階を包含しうるということがわかるであろう。例えば、ブロック１２０と１３０との間で、アルミニウム前駆体は、例えば、前駆体種をフローすることなく不活性ガスをプロセスチャンバー内にフローし、および／またはプロセスチャンバーを空にして当該チャンバーからアルミニウム前駆体を除去することにより基板付近から除去またはパージされうる。
同様に、ブロック１３０の後、かつアルミニウム前駆体に基板を再度曝す前に、窒素前駆体は近接する基板から除去されうる。これは、例えば、前駆体種をフローすることなく不活性ガスをプロセスチャンバー内に流し、および／またはプロセスチャンバーを排出して当該チャンバーから窒素前駆体を除去することにより達成され得る。したがって、いくつかの実施形態において、蒸着サイクルは、以下を包含してよい：
・基板をアルミニウム前駆体パルスに曝す工程、
・プロセスチャンバーからアルミニウム前駆体を除去する工程、
・基板を窒素前駆体パルスに曝す工程、および
・プロセスチャンバーから窒素前駆体を除去する工程。
アルミニウム前駆体および窒素前駆体の前駆体除去時間は同じであってもよいし異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、アルミニウム前駆体のパージ時間は、約１〜約７秒であり、窒素前駆体のパージ時間は約７〜約３０秒、または約７〜約１５秒である。アルミニウム前駆体のパージ継続期間はフィルム均一性に強い影響を及ぼさないが、窒素前駆体のパージ継続期間はフィルム均一性により強い影響を及ぼす。いくつかの実施形態において、窒素前駆体のパージ継続期間は、アルミニウム前駆体のパージ継続期間の少なくとも約１．５、約２、または約３倍である。
本願明細書で述べられているように、蒸着サイクルは繰り返され、所望の長さのＡｌＮフィルムを形成しうる。いくつかの実施形態において、全サイクルは、同じ条件下、例えば、同じ蒸着温度および／または圧力で実行されてよい。いくつかの他の実施形態において、第一期間の間の１以上の蒸着サイクルの第一セットを実行するための条件は、第二期間の間の１以上の蒸着サイクルの第二セットを実行するための条件と異なり得る。
いくつかの実施形態において、蒸着サイクルの第一セットの蒸着温度は、蒸着サイクルの第二セットの蒸着温度より高い。理論に限定されないが、ＡｌＮフィルムの蒸着速度は、フィルムが蒸着される表面上に強く左右されると考えられる。ＡｌＮフィルムの蒸着速度は蒸着サイクルの初期セットの実行後に増加し、この低い初期速度は、近くのＡｌＮフィルムが基板表面上に形成されるとなくなる阻害期間の間の存在に起因すると考えられている。この阻害期間が蒸着速度を増加し、高いフィルム均一性を維持する間、蒸着温度を増加することが見いだされた。いくつかの実施形態において、蒸着サイクルを実行する第一期間の間の蒸着温度は、蒸着サイクルを実行する後続期間の間の蒸着温度より少なくとも約２５℃、少なくとも約２５℃〜約７５℃、または少なくとも約２５℃〜約５０℃高い。いくつかの実施形態において、第一期間の間の蒸着温度は約３５０℃±約２５℃、または約３５０℃±約１０℃であり、第二期間の蒸着温度は約３００℃±約２５℃、または約３００℃±約１０℃である。いくつかの実施形態において、第一期間は約１０以上の蒸着サイクル、約１０〜約５０蒸着サイクル、または約２０〜約４０蒸着サイクルを包含してよい。
蒸着速度は、阻害期間を経過した後、窒素前駆体パルス継続期間によりあまり影響を受けないということも見いだされた。いくつかの実施形態において、窒素前駆体パルス継続期間は、時間とともに減少する。例えば、蒸着サイクルを実行する第一期間における窒素前駆体パルス継続期間は、第二期間（例えば、阻害期間を経過した後の期間）においてより高くあり得る。例えば、第一期間の間の窒素前駆体パルス時間は約１０秒以上であってよく、第二期間において約３〜約１０秒または約３〜約５秒に落ち着く。
蒸着されたＡｌＮフィルムは種々の利用において用いられてよいということがわかるであろう。例えば、ＡｌＮフィルムはパッシベーション層（窒化ガリウム（ＧａＮ）上のパッシベーション層など）として用いられてよい。ＧａＮにおけるＡｌＮパッシベーション層の使用はインターフェース状態を強く減少させてよい。いくつかの実施形態において、ＡｌＮパッシベーション膜を蒸着させた後、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、またはこれらの酸化物の任意の組み合わせの２層もしくは３層またはナノラミネートのゲート誘電体は蒸着され得、基板を前駆体へ繰り返し曝す工程を用いる原子層堆積プロセスによって蒸着されてもよく、例えば、基板は異なる前駆体に異なる時間で曝されてよい。いくつかの実施形態において、ＡｌＮパッシベーション膜およびゲート誘電体は、同じプロセスチャンバー中で、インシチュで蒸着されうる。
ＡｌＮフィルムを、ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社（オランダ、アルメレ１３２２ ＡＰ、Ｖｅｒｓｔｅｒｋｅｒｓｔｒａａｔ ４）から購入したＡ４１２の垂直炉内で蒸着した。当該炉はライナーレスプロセスチャンバーを有し、アルミニウムおよび窒素前駆体はプロセスチャンバーに注入され、各気体は、分離した多孔注入器を通ってフローする。パージガスを多孔注入器に通して、および／または「ダンプ」注入器（中間に穴を有しない注入管であるが、プロセス管の最上部付近に開口端がある）を通して注入してよい。当該ガスを、プロセス管の底で排気する。プロセスチャンバーの内側の蒸着の間回転でき、ラック（ｒａｃｋ）または「ボート」中に基板を収容できる。プロセスチャンバーは高温壁チャンバーである。
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をアルミニウム前駆体として用い、ＮＨ３を窒素前駆体として用いた。特段の記載がない限り、蒸着を３５０℃で行い、７０サイクルの蒸着を行い、ボート回転を用い、以下のサイクルをおこなった。
パージ段階の間、５ｓｌｍのＮ２をダンプ注入器を通して注入した。さらに少しのＮ２フローを多孔注入器を通してフローした。チャンバー圧力を制御せず、しかし最大圧送およびチャンバーの排気も利用し、結果として１５０〜５５０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバー圧力となった。１５０ｍＴｏｒｒの圧力は、前駆体を曝す段階における圧力であり、５５０ｍＴｏｒｒの圧力はパージ段階における圧力である。
図２は、３５０℃の蒸着温度で７０サイクルのＴＭＡパルスの継続期間の関数としての蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。当該チャートから、フィルム厚さはＴＭＡパルスの継続期間を増加させて飽和しなかったことが観測され得る。むしろ、パルスの継続期間の増加はＡｌＮフィルム厚さを増加させた。したがって、ＡｌＮ蒸着プロセスは純粋なＡＬＤを用いて生じるので、自己制御的ではないと考えられている。むしろ、ＡｌＮ蒸着は、サイクル毎に１．２５Ａｎｇの蒸着速度で自己制御的な成分（オープンダイアモンド）を、０．０４４Ａｎｇ／ｓの蒸着速度で、非自己制御的な成分（オープントライアングル）を含有する。自己制御的な成分は３秒以上のＴＭＡパルスの継続期間において明らかである。１６秒のＴＭＡパルス継続期間のため、蒸着されたフィルムの厚さに対する非自己制御的な成分および自己制御的な成分の寄与はほぼ同じ大きさである。約７秒のＴＭＡパルスの継続期間は良好な蒸着速度および高い均一性を与えることが分かった。
図３は、実行した蒸着サイクルの回数の関数として蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。特に、最初の３０〜４０サイクルにわたって、効果的な蒸着速度は比較的低く、０．３１Ａｎｇ／サイクルであり、次いで１．２５Ａｎｇ／サイクルの自己制御的な成分は完全に発展し、総合的な蒸着速度は１．５６Ａｎｇ／サイクルに増加する。低い初期蒸着速度は、初期の阻害期間に課せられているＡｌＮの自己制御的な成分に起因すると考えられている。
図４は、ＮＨ３パルスの継続期間の関数として、蒸着されたフィルムの厚さ（３５０℃で７０サイクルの蒸着）を示すチャートである。ＮＨ３パルスの継続期間の増加をともなう蒸着されたフィルムの厚さにおける増加は、異なるウェーハ位で３つのウェーハのフィルム厚さを示し（Ｓ１５、Ｓ６５およびＳ１１５は、プロセスチャンバーの底、中心および最上部のそれぞれにおける基板である）、図５の補助を伴って理解されうる。チャートにおけるトライアングルおよびダイアモンドは実質的に重なり、炉の上でフィルム厚さの良好な均一性を示すということがわかるであろう。
図５は、種々のＮＨ３パルスの継続期間の蒸着サイクルの回数の関数として、蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。種々のＮＨ３パルスの継続期間は、１０秒、３０秒、および９０秒であった。自己制御的な蒸着の阻害期間は、ＮＨ３パルスの継続期間の増加を伴って減少する、ということがわかった。当該阻害期間は、９０秒、３０秒、１０秒のＮＨ３パルスの継続期間のそれぞれの約１０サイクル、約３０サイクル、および約４５サイクルであった。このことは結果的に、より長いＮＨ３パルスの継続期間のより高効果的な蒸着速度という結果となった。しかしながら、阻害期間が経過した時、サイクル毎の蒸着速度は、実質的に全ＮＮＨ３パルスの継続期間と等しかった。このことは１０秒のＮＨ３パルスの継続期間でさえ、完全な自己制御的な蒸着が得られると示している。３秒のＮＨ３パルスの継続期間は、阻害期間を経過した後の完全な飽和、自己制御的な蒸着を得るために適切である。
図６は、異なる蒸着温度において、蒸着サイクルの回数の関数として蒸着されたフィルムの厚さを示すチャートである。ほとんどの蒸着を３５０℃で実行した。この温度で、１００サイクルは結果的に約１４ｎｍのフィルム厚さになった。蒸着温度が３００℃より低かったとき、１００サイクルは、結果的にたった約２ｎｍのフィルム厚さになった。しかしながら、第一５０サイクルを３５０℃で実施し、次いで蒸着が３００°のより低い温度で続けたとき、フィルムの厚さは１１ｎｍへわずかに減少したことが観測された。より低い温度で、阻害期間は、実質的により長く、結果的により小さい最後のフィルムの厚さになったと考えられる。閉じられたＡｌＮが形成された場合、しかしながら、サイクル毎の蒸着されたフィルムの厚さは蒸着温度にわずかに依存しているだけである。したがって、表面は、前駆体および膜形成プロセスの分解においてある役割を果たすと考えられている。これらの結果は、ＴＭＡの有用な蒸着温度の範囲は約３００℃〜約３７５℃であることを示している。３７５℃超の温度で、プロセスがもはや十分制御されないかもしれないほど、ＴＭＡの分解速度は大きくなっていると予測される。
図７は、蒸着されたＡｌＮフィルムの均一性を示す。このフィルムの蒸着条件は、上記実施例に記載された通りであった。ＡｌＮフィルムは、極めて均一であり、基板にわたって、１σ＝０．２５％のフィルムの不均一性を有することがわかった。良好な均一性は、当該プロセスが強く表面制御されたことを示すと考えられている。そのような表面制御は、典型的には自己制御的なプロセスと関連し、しかし本願明細書において、プロセスは非自己制御的な成分を有し、蒸着されたフィルムの厚さへのかなり寄与した。それにもかかわらず、蒸着プロセスは、有利なことに蒸着の良好な表面制御を与えた。
フィルム均一性におけるパージ時間の影響も評価した。ＴＭＡパージ段階に、１秒〜７秒の範囲の時間をかけ、フィルム均一性において影響を全く気付かなかった。ＮＨ３パージ段階の間、３秒〜３０秒の範囲のパージ時間が用いられた。３つの最も短いパージ時間（３、５、および７秒）において、かなり高い不均一性は、３秒のパージ時間で最も高い不均一性を有し、１５秒および３０秒のパージ時間まで観測され、不均一性は５秒および７秒のパージ時間で徐々に減少した。７秒以上、より好ましくは１５秒以上のＮＨ３パージ時間は、高い均一なＡｌＮフィルムを形成する利点を有するということが企図される。
上記の実施例はＴＭＡを用いれ実施したが、他の有機アルミニウム前駆体は同様の利点の結果を提供するだろうということが企図される。そのような前駆体は、上述しており、例えば、アルミニウムアルキル前駆体またはアルキル−置換塩化アルミニウムまたは十分な揮発性を有しＴＭＡと同様の分解温度を有する水素化物を包含しうる。表１はいくつかの前駆体の例を提示する。
当業者は、種々の修飾および変形は本発明の範囲から逸脱せずになされうるということを理解するであろう。同様に他の修飾および変形は、添付する特許請求の範囲によって定められ、本発明の範囲内にあることが意図されている。

Claims (27)

  1. 高温壁プロセスチャンバーを有するバッチ加熱炉を提供する工程、
    前記プロセスチャンバー内に複数の基板を充填する工程、
    前記プロセスチャンバー内で複数の蒸着サイクルを実行する工程、
    を含む窒化アルミニウムフィルムを蒸着するプロセスであって、各蒸着サイクルが、
    アルキルアルミニウム化合物、アルキル置換塩化アルミニウム化合物、およびアルキル置換水素化アルミニウム化合物からなる群から選択されるアルミニウム前駆体パルスに前記基板を曝す工程、
    前記基板から離れて前記アルミニウム前駆体をパージする工程、
    窒素前駆体パルスに前記基板を曝す工程、および
    前記複数の基板から離れて、前記窒素前駆体をパージする工程、を含み、
    ここで、前記サイクルの少なくともいくつかは、約３００℃〜約３７５℃の蒸着温度で実行される、窒化アルミニウムフィルムを蒸着するプロセス。
  2. 前記蒸着温度が時間とともに減少する、請求項１に記載のプロセス。
  3. 前記蒸着温度が、蒸着サイクルの第一セットの間約３５０℃±約２５℃の第一の値であり、および蒸着サイクルの後続セットの間約３００℃±約２５℃の第二の値である、請求項２に記載のプロセス。
  4. 前記プロセスチャンバーにおける蒸着圧力が１Ｔｏｒｒ未満である、請求項１に記載のプロセス。
  5. 前記アルミニウム前駆体パルスの継続期間が約３秒以上である、請求項１に記載のプロセス。
  6. 前記アルミニウム前駆体パルスの継続期間が約５秒〜約１０秒である、請求項６に記載のプロセス。
  7. 前記窒素前駆体パルスの継続期間が約３秒以上である、請求項５に記載のプロセス。
  8. 前記窒素前駆体パルスの継続期間が約１０秒以上である、請求項７に記載のプロセス。
  9. 前記窒素前駆体パルスの継続期間が第一期間の間の第一の値であり、第二期間の間に第二の値に減少する、請求項７に記載のプロセス。
  10. 前記基板から離れて前記アルミニウム前駆体をパージする工程が約１秒以上の間実行される、請求項１に記載のプロセス。
  11. 前記基板から離れて前記窒素駆体をパージする工程が約７秒以上の間実行される、請求項１に記載のプロセス。
  12. 前記窒素前駆体がＮＨ３である、請求項１に記載のプロセス。
  13. 前記窒素前駆体がヒドラジンである、請求項１に記載のプロセス。
  14. バッチプロセスチャンバー内に複数の半導体基板を提供する工程、
    複数の蒸着サイクルを実行することにより、前記バッチプロセスチャンバーにおける前記半導体基板上に窒化アルミニウム層を蒸着する工程、
    を含む窒化アルミニウムを蒸着するプロセスであって、
    各蒸着サイクルが、
    前記バッチプロセスチャンバー内にアルミニウム前駆体パルスをフローする工程、
    前記バッチプロセスチャンバーからアルミニウム前駆体を除去する工程、
    その後、前記バッチプロセスチャンバー内に窒素前駆体パルスをフローする工程、ならびに
    前記窒素前駆体をフローする工程後かつ前記アルミニウム前駆体の別パルスをフローする工程前に前記バッチプロセスチャンバーから窒素前駆体を除去する工程、を含み、
    ここで、前記半導体基板は、前記蒸着サイクルの間、プラズマに曝されない、窒化アルミニウムを蒸着するプロセス。
  15. 前記プロセスチャンバーが高温壁プロセスチャンバーである、請求項１４に記載のプロセス。
  16. 前記窒化アルミニウム層を蒸着するための蒸着圧力が、約１００〜約７００ｍＴｏｒｒである、請求項１５に記載のプロセス。
  17. 前記窒化アルミニウム層が、前記半導体基板にわたって、１σ＝０．２５％以下の不均一を有する、請求項１４に記載のプロセス。
  18. 前記複数の蒸着サイクルを実行する初期期間の間の蒸着温度が、前記複数の蒸着サイクルを実行する後続期間の間の蒸着温度より少なくとも約２５℃高い、請求項１４に記載のプロセス。
  19. 前記初期期間の間の蒸着温度が、前記後続期間の間の蒸着温度より少なくとも約５０℃高い、請求項１８に記載のプロセス。
  20. 前記初期期間の間の蒸着温度が約３５０℃±約２５℃であり、前記後続期間の間の蒸着温度が約３００℃±約２５℃である、請求項１８に記載のプロセス。
  21. 前記窒素前駆体をパージする継続期間が、前記アルミニウム前駆体をパージする継続期間の少なくとも約１．５倍である、請求項１４に記載のプロセス。
  22. 前記アルミニウム前駆体を除去する工程と前記窒素前駆体を除去する工程が、前記バッチプロセスチャンバーをパージする工程を含む、請求項１４に記載のプロセス。
  23. 前記半導体基板が窒化ガリウムを含み、前記窒化アルミニウム層が、前記窒化ガリウムに蒸着される、請求項１４に記載のプロセス。
  24. 前記窒化アルミニウム層上にゲート誘電体を形成する工程をさらに含む、請求項２３に記載のプロセス。
  25. 前記ゲート誘電体が、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、またはこれらの組み合わせを含む、請求項２４に記載のプロセス。
  26. 前記組み合わせが２層もしくは３層またはナノラミネートであり、前記２層もしくは３層またはナノラミネートの各層が、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の１つを含む、請求項２５に記載のプロセス。
  27. 前記ゲート誘電体を形成する工程が、前記プロセスチャンバーの中でインシチュで実行される、請求項２４に記載のプロセス。

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