DE60211940T2

DE60211940T2 - Integration von stickstoff in einen dielektrischen film mit hohem k

Info

Publication number: DE60211940T2
Application number: DE2002611940
Authority: DE
Inventors: J. Eric Phoenix SHERO; F. Christophe Phoenix POMAREDE
Original assignee: ASM America Inc
Current assignee: ASM America Inc
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: US7569284B2; EP1449240B1; US20050212119A1; JP2005505920A; US6960537B2; WO2003030243A1; DE60211940D1; JP4566559B2; US7405453B2; EP1449240A1; US20080286589A1; US20030072975A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein dünne dielektrische Filme in integrierten Schaltkreisen und insbesondere die Einbringung von Stickstoff in dielektrische Gate-Schichten mit hohem K-Wert.
Hintergrund der Erfindung
Der Aufbau integrierter Schaltkreise wird andauernd verkleinert, um einen schnelleren Schaltkreisbetrieb und einen geringeren Energieverbrauch zu erreichen. Verkleinerte Dimensionen bei der Gestaltung von integrierten Schaltkreisen benötigen im Allgemeinen Änderungen in den Herstellungsprozessen.
Ein Grundbaustein von integrierten Schaltkreisen ist der Dünnfilmtransistor. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, enthält der Transistor typischerweise eine Gate-Elektrode, die von einer Halbleiterschicht oder -substrat durch ein dünnes dielektrisches Gate-Material getrennt ist. Obwohl ein allgemeines Acronym für State-of-the-art-Transistoren MOS für Metalloxidsilicium ist, ist das Material der Wahl für die Gate-Elektrode seit langem Silicium anstatt Metall. Unter anderen Vorteilen sind Silicium-Gate-Elektroden in der Lage, Hochtemperaturprozessen zu widerstehen und ermöglichen sich selbst ausrichtende Dotierungsprozesse, die zur Vervollständigung des Transistors verwendet werden, und ersparen somit teure Maskierungsschritte.
Dementsprechend werden konventionelle Gate-Elektroden aus Polysilicum, das mit die Leitfähigkeit erhöhenden Verunreinigungen, z. B. Arsen, Phosphor oder Bor dotiert ist, gebildet. Silicium kann durch CVD mit in situ-Dotierung durch Fluss eines Dotierungsmittelquellgases (wie z. B. Arsin, Phosphin, Diboran etc.), im Gleichstrom mit einem Siliciumquellgas (z. B. Silan) abgeschieden werden. Kürzlich hat man sich für die Möglichkeit interessiert, Siliciumelektroden mit Germani um zu dotieren, um dadurch die elektrische Arbeitsfunktion der Transistor-Gate-Elektrode zu verringern. Dementsprechend wird eine verringerte Spannung benötigt, um den Schaltkreis zu betreiben, was zur Erzeugung von weniger Hitze führt. Weiterhin bleibt eine Silicium/Germanium-Gate-Elektrode kompatibel mit den umliegenden Materialien und gegenwärtigen Herstellungsprozessen für integrierte Schaltkreise. Vorschläge zur Bildung von Silicium/Germanium-Schichten beinhalten in situ-Dotierung einer Siliciumschicht durch Bildung von German (GeH₄) zusammen mit Silan (SiH₄) in einem chemischen Dampfphasenabscheidungsprozess (CVD).
Obwohl in situ-CVD-Dotierungsprozesse als wirksam gefunden worden sind, um Silicium/Germanium zu produzieren, wurde festgestellt, dass die Zugabe von German zu dem Silanfluss signifikant die Inkubations- oder Nukleationszeiten über dielektrischen Materialien, insbesondere Oxiden, wie z. B. Siliciumdioxid, und einigen anderen Materialien mit hohem K-Wert, die weiter unten diskutiert werden, erhöhen. Eine ähnlich langsame Nukleation über dielektrischen Materialien tritt auf, wenn andere Gate-Elektroden-Materialien, wie z. B. Polysilicium, und insbesondere Silicium, das in situ durch fließende Dotierungsmittelquellgase (z. B. Diboran, Arsin oder Phosphin) zusammen mit einer Siliciumquelle chemisch in der Dampfphase abgeschieden werden.
Langsame Nukleation führt zu längeren Gesamtabscheidungszeiten, geringerem Durchsatz und demzufolge höheren Herstellungskosten. Die Halbleiterindustrie ist sehr empfindlich gegenüber Herstellungskosten. Demzufolge führt jeder Anstieg von Wafer-Durchsatz in jeder Stufe der Herstellung zu verringerten Produktionskosten und höheren Margen.
Eine Möglichkeit, mit der SiGe oder andere in situ-dotierte Siliciumabscheidungen erreicht worden sind, ist durch zuerst Bilden einer Nukleierungsschicht, typischerweise Silicium, über dem dielektrischen Gate-Material, gefolgt von Poly-SiGe-Abscheidung. Der zusätzliche Schritt verkompliziert unglücklicherweise den Prozessablauf, benötigt die Einstellung der Dotierungskonzentration an der dielektrischen K-Elektrogrenzfläche, um die gewünschte Arbeitsfunktion für den Transistor sicherzustellen und garantiert nicht notwendigerweise schnelle und einheitliche Nukleierung. Andere kürzliche Arbeiten zur Optimierung von Silicium- und Poly-SiGe-Abscheidungsprozessen haben sich darauf konzentriert, die Abscheidungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger Beibehaltung der Schichtgleichförmigkeit zu erhöhen. Zum Beispiel beschreiben die US-Patente Nr. 5,607,724, 5,614,257, 5,700,520, 5,874,121 und 5,876,797 Verfahren zur Abscheidung von Polysilicium mit hohen Geschwindigkeiten durch CVD unter Hochdruckbedingungen.
Ein anderer Bereich, in dem Prozesssteuerung besonders kritisch ist, ist die Herstellung von Transistor-Gate-Dielektrika. Auf der Suche nach immer schnelleren und effizienteren Schaltkreisen werden Halbleiteranordnungen mit jeder Produktgeneration kontinuierlich verkleinert. Transistorschaltzeiten spielen eine große Rolle auf der Suche nach einem schnelleren Schaltkreisbetrieb. Umgekehrt können Schaltzeiten durch Verringerungen der Kanallänge des Transistors verringert werden. Um maximale Verbesserung in der Transistorleistung zu realisieren, sollten vertikale Dimensionen mit horizontalen Dimensionen skaliert werden. Dementsprechend wird die effektive Dicke von Gate-Dielektrika, Verbindungstiefe etc. bei integrierten Schaltkreisen zukünftiger Generationen kleiner werden. Bis heute hat diese Verkleinerung Gate-Elektrodenweiten auf weniger als 0,25 μm verringert. Gegenwärtig sind kommerzielle Produkte erhältlich, die Gate-Weiten oder kritische Dimensionen von 0,18 μm oder weniger einsetzen.
Konventionelle Gate-Dielektrika werden aus Siliciumdioxid hoher Qualität gebildet und werden typischerweise als "Gate-Oxid"-Schichten bezeichnet. Ultradünne Gate-Oxide (weniger als 7 nm) wurden aber gefunden, hohe Defektdichten, einschließlich Pinholes, Charge-Trapping-Zustände zu zeigen, und sind empfindlich für Heißträgerinjektionseffekte. Solche hohen Defektdichten führen zu Leckströmen durch die Gate-Dielektrika und schnellen Vorrichtungszusammenbruch, was für Schaltkreisgestaltungen mit weniger als 0,25 μm Gate-Abstand, d. h. Unter-Viertel-Mikrotechnologie, nicht akzeptabel ist.
Während Sorgfalt unter Laborbedingungen verwendet werden kann, um die Defektdichten zu kontrollieren, ist es schwierig, eine solche Kontrolle unter Herstellungskonditionen mit kommerziellem Volumen zu erreichen. Selbst wenn Integrität des Oxids perfekt aufrecht erhalten wird, haben quantenmechanische Effekte fundamentale Grenzen der Verkleinerung von Gate-Oxiden gesetzt. Bei hohen Feldstärken dominiert direktes Tunneln gegenüber Fowler-Nordheim-Tunneln und bestimmt weitgehend die Oxid-Verkleinerungsgrenzen. Diese Verkleinerungsgrenzen sind mit etwa 2 nm für logische Schaltkreise mit etwa 3 nm für mehr lecksensitive Speicherfelder in dynamischen Direktzugriffspeicher-Schaltkreisen (DRAM) abgeschätzt worden. Siehe z. B. Hu et al., "Thin Gate Oxides Promise High Reliability", SEMICONDUCTOR INTERNATIONAL (Juli 1998), Seiten 215 bis 222.
Ein anderes Problem mit dünnen Gate-Oxiden ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Dotierungsmitteldiffusion aus der darüberliegenden Gate-Elektrode. Eine Polysilicium-Gate-Elektrodenschicht wird typischerweise mit Bor zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiert. Wenn die Gate-Oxid-Schichtdicke verkleinert wird, kann Bor einfach durch das Gate-Oxid penetrieren, was zu Instabilitäten in den Bauteileigenschaften führt. Die Borpenetration in Gate-Dielektrika hat solche unerwünschte Konsequenzen, wie z. B. positive Erhöhungen in der Schwellwertspannung, Erhöhung der Unterschwellwertschwingung, Erhöhungen im Ladungs-Trapping, Verringerungen der Lochmobilität bei niedriger Feldstärke, Verschlechterung der Stromsteuerung aufgrund von Polysiliciumverarmung in p-MOSFETs.
Einige Bemühungen, die Nachteile von Siliciumdioxid anzusprechen, beinhalten die Einbringung von Stickstoff in die Gate-Dielektrika. Siliciumnitrid (Si₃N₄) hat eine höhere Dielektrizitätskonstante als SiO₂, was theoretisch dünnere Äquivalent-Oxiddicken für Gate-Elektrika, die nicht tunnelbegrenzt sind, ermöglicht, und weiterhin als effektive Barriere gegen Verunreinigungsdiffusionen dient. Die Grenzflächen zwischen Siliciumnitridfilmen und den darunter liegenden Halbleitersubstraten sind aber im Allgemeinen von schlechter Qualität, was zu hoher Dichte von Ladungs-Trapping-Stellen und Pinholes und entsprechendem Leckstrom führt. Als Konsequenz sind Versuche unternommen worden, SiO₂ und Si₃N₄-Hybride, wie z. B. Siliciumoxynitridfilme zur Verwendung als Gate-Dielektrika zu erzeugen. Konventionelle Verfahren zur Einbringung von Stickstoff in Siliciumoxid-Dielektrika sind aber insbesondere für ultradünne Gate-Dielektrika für Bauteile zukünftiger Generationen schwierig zu kontrollieren.
Andere Lösungen für die Verkleinerungsprobleme beinhalten die Verwendung von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem K-Wert). Theoretisch eröffnet das Einbringen von Materialien mit hohem K-Wert in die Gate-Dielektrika die Tür zu weiterer Bauteilverkleinerung. Aufgrund der höheren Dielektrizitätskonstante können viele Materialien dieselbe Kapazität wie eine dünnere Siliciumdioxidschicht zeigen, so dass eine niedrigere Äquivalentoxiddicke oder durch Tunneleffekte beschränktes Verhalten erreicht werden können. Einige Materialien mit hohem K-Wert, die gesucht werden, beinhalten Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirconoxid (ZrO₂), Hafniumoxid (HfO₂), Bariumstrontiumtitanat (BST), Strontiumbismuthtantalat (SBT), Tantaloxid (Ta₂O₅) etc. Solche Dielektrika haben eine Dielektrizitätskonstante (oder K-Wert) von mehr als etwa 7. Während diese Materialien eine deutlich erhöhte dielektrische Festigkeit zeigen, sind sie schwierig in existierende Herstellungstechnologien zu integrieren.
Ähnliche dünne dielektrische Filme hoher Qualität sind in anderen Zusammenhängen der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wünschenswert. Integrierte Kondensatoren in Speicherfeldern müssen eine bestimmte Minimumkapazität für korrekte Datenspeicherung und Wiedergewinnung zeigen. Einige Anstrengungen, um die Kapazität für eine gegebene Speicherzellgröße zu erhöhen, haben sich auf die Verwendung von Materialien, die durch hohe Dielektrizitätskonstanten charakterisiert sind (Materialien mit hohem K-Wert), wie solche, die oben aufgeführt sind, konzentriert.
Dementsprechend existiert eine Notwendigkeit für Verbesserungen bei der Integration von dielektrischen Schichten und Leitern in der Halbleiterherstellung, insbesondere bei Grenzflächen in Transistor-Gate-Stapeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend eines Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung einer dielektrischen Schicht mit kontrollierter Variation in der Stickstoffkonzentration durch ihre Dicke bereitgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet Abscheidung des dielektrischen Materials auf einem Substrat bei einer Substrattemperatur von weni ger als etwa 500°C. Eine Zuführung von Stickstoff zu dem Substrat wird während der Abscheidung des dielektrischen Materials variiert.
In den veranschaulichenden Ausführungsformen bildet die Stickstoffkonzentration zwei voneinander getrennte Stickstoff-Peaks an den Grenzflächen mit einer niedrigeren Stickstoffkonzentration in der dazwischen liegenden Masse des Materials. Die Zufuhr an Stickstoff wird von einem ersten Niveau an Stickstoffzufuhr zu einem zweiten dazwischen liegenden Niveau an Stickstoffzufuhr zu einem dritten Niveau an Stickstoffzufuhr variiert, wobei das zweite Niveau niedriger als sowohl das erste Niveau als auch das dritte Niveau ist.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Abscheidungsmethode das Bereitstellen einer variablen Zufuhr von angeregten Stickstoffspezies durch einen entfernten Plasmagenerator. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Abscheidungsverfahren das Variieren der Menge an Stickstoff, die einem Atomlagenabscheidungsprozess (ALD) zugeführt wird. Zum Beispiel wird eine Anordnung bereitgestellt, bei der Stickstoff und Oxidationsmittelquellgase simultan mit variierenden Verhältnissen in unterschiedlichen Zyklen einem ALD-Prozess zugeführt werden.
Eine andere Anordnung ist bereitgestellt, bei der ein separater Stickstoffpuls mit unterschiedlicher Frequenzabhängigkeit der Stufe der Abscheidung bereitgestellt wird. Entsprechend eines anderen Aspekts der Erfindung wird eine dielektrische Schicht in einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt. Die dielektrische Schicht enthält ein Metalloxid entlang einer Dicke der dielektrischen Schicht, wobei das Metalloxid eine Dielektrizitätskonstante von größer als etwa 7 aufweist. Die dielektrische Schicht beinhaltet eine untere Grenzfläche mit einer ersten Stickstoffkonzentration, ein Massenbereich mit einer zweiten Stickstoffkonzentration, die niedriger ist als die erste Stickstoffkonzentration, und eine obere Grenzfläche mit einer dritten Stickstoffkonzentration, die größer ist als die zweite Stickstoffkonzentration.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die anhängenden Zeichnungen besser verstanden, die dazu gedacht sind, die Erfindung zu verdeutlichen, aber nicht zu beschränken und worin:
1 eine schematische Schnittansicht einer exemplarischen Einzelsubstrat-Dampfphasenabscheidungskammer ist.
2A-2C schematische Schnittansichten von Einzelsubstrat-Dampfabscheidungsreaktionskammern sind, die besonders konfiguriert sind, um Atomschichtabscheidungen mit entfernter Plasmaerzeugung entsprechend bestimmter bevorzugter Ausführungsformen zu führen,
3 ein Fließbild ist, das die allgemeine Reihenfolge für die Ausbildung konventioneller Transistor-Gate-Stapel veranschaulicht,
4 ein schematischer Querschnitt eines Teils eines Halbleitersubstrats ist, das die obere Fläche eines Werkstücks entsprechend der bevorzugten Ausführungsformen ist,
5 das Substrat in 4 nach Ausbildung einer dielektrischen Gate-Schicht mit hohem K-Wert über der Substratoberfläche veranschaulicht,
6 eine siliciumhaltige Saatschicht, die direkt über die dielektrische Gate-Schicht aus 5 abgeschieden ist, veranschaulicht,
7 eine siliciumhaltige Masseschicht, die direkt auf der Saatschicht von 6 abgeschieden ist, veranschaulicht,
8 ein schematischer Schnitt eines Transistor-Gate-Stapels ist, der entsprechend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung konstruiert ist,
9 ein theoretisches Auger-Profil der bevorzugten dielektrischen Schicht ist, das die relativen Stickstoffgehaltniveaus entlang der Dicke zeigt,
10 ein exemplarisches Gasflussdiagramm entsprechend einer bevorzugten ALD-Methode für die Abscheidung ultradünner dielektrischer Schichten mit einem kontrollierten Stickstoffgehalt ist, und
11 ein exemplarisches Gasflussdiagramm entsprechend einer anderen bevorzugten ALD-Methode zur Abscheidung ultradünner dielektrischer Schichten mit kontrolliertem Stickstoffgehalt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungform
Während die bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit Transistor-Gate-Stapeln beschrieben sind, wird der Fachmann einfach erkennen, dass die hierin offenbarten Prinzipien in unterschiedlichen Zusammenhängen Anwendungen haben, bei denen Materialien mit hohen K-Werten, vorzugsweise eine graduell veränderliche Zusammensetzung enthalten, insbesondere solche mit speziellen Grenzflächennotwendigkeiten. Ein Beispiel für einen solchen Zusammenhang ist die Bildung von Kondensatoren, die Dielektrika mit hohem K-Wert enthalten, die für Speicherzellen hoher Dichte in Direktzugriffsspeicherfeldern (RAM) vorgeschlagen wurden. Die hierin beschriebenen Verfahren sind insbesondere zur Aufrechterhaltung der Stabilität und Form und der Verhinderung von Diffusion zu oder von Materialien mit hohem K-Wert vorteilhaft.
Es wurde festgestellt, dass konventionelle Gate-Elektrodenabscheidung auf Gate-Dielektrika mit hohem K-Wert zu schlechten elektrischen Eigenschaften des resultierenden Bauteils führt. Um die Zuverlässigkeit und Ausbeute integrierter Schaltkreise mit Dielektrika mit hohem K-Wert zu verbessern, stellt die vorliegende Erfindung eine variierende Zusammensetzung für ein Dielektrikum mit hohem K- Wert zur Verfügung, wobei die Stickstoffeinbringung in der Umgebung sowohl der oberen als auch der unteren Grenzflächen am größten ist. Dementsprechend werden zwei Stickstoff-Peaks entlang der Dicke des Dielektrikums erzeugt. Weiterhin stellen die hierin zur Verfügung gestellten Verfahren exzellente Kontrolle durch Variation der Stickstoffzufuhr während der Tieftemperatur-Dielektriumbildung bereit, anstatt von Nitridierungsschritten nach der Bildung und verhindern Diffusionsprobleme, die unausweichlich während Hochtemperaturabscheidung auftreten.
Vor der Beschreibung der Verfahren in größerem Detail werden weiter unten zuerst beispielhafte Reaktoren zur Abscheidung von Schichten durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) oder Atomschichtabscheidung (ALD) beschrieben. Zum Beispiel, obwohl nicht separat veranschaulicht, kann der weiter unten beschriebene ALD-Prozess in einem Pulsar^TM 2000 ALCVD^TM Reaktor durchgeführt werden, der von ASM Microchemistry Oy, Espoo, Finnland, im Handel erhältlich ist.
CVD-Reaktor
1 zeigt einen Dampfphasenabscheidungsreaktor 10, einschließlich einer Quarz-Prozess- oder -Reaktionskammer 12, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform konstruiert ist, und für die die hierin beschriebenen Methoden eine besondere Eignung haben. Obwohl ursprünglich dazu gedacht, epitaxiale chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) von Silicium auf einem Einzelsubstrat zu optimieren, haben die Erfinder festgestellt, dass die überlegene Prozesskontrolle auch Eignung für eine Zahl von unterschiedlichen Arten von Dampfphasenabscheidung hat. Zum Beispiel können die hierin weiter unten beschriebenen ALD-Prozesse in dem in 1 veranschaulichten CVD-Reaktor vorzugsweise mit Einstellung des Einlassflansches, um die Vermischung separater Reaktantenpulse vor dem Eintritt in die Reaktionskammer zu verhindern, durchgeführt werden. Weiterhin kann der dargestellte Reaktor 10 sicher und sauber mehrfache Behandlungsstufen nacheinander in derselben Kammer 12 erreichen. Die Basiskonfiguration des Reaktors 10 ist unter dem Handelsnamen Epsilon^TM von ASM America Inc., Phoenix, AZ, erhältlich. Es ist aber verständlich, dass die hierin be schriebenen Verfahren auch in einer Anzahl von unterschiedlichen Reaktorkonfigurationen verwendbar sind und Anwendung haben. Es ist am meisten bevorzugt, wenn der Epsilon^TM Reaktor aus 1 für plasmaverstärkte oder -unterstützte CVD von dielektrischen Materialien in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Prozessen verwendet wird. Die Kammer von 1 kann auch für CVD von Elektrodenmaterialien in einem Cluster-Tool zusammen mit einem ALD-Modul (siehe 2A bis 2C) für die ALD von dielektrischen Materialien entsprechend mit hierin weiter unten beschriebenen Prozessen eingesetzt werden.
In dem veranschaulichenden Reaktor 10 sind eine Vielzahl von Strahlungsheizquellen außerhalb der Kammer 12 angeordnet, um Wärmeenergie der Kammer 12 ohne merkliche Absorption durch die Quarzwände der Kammer 12 zur Verfügung zu stellen. Während die bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit einem "Kaltwand"-Reaktor zur Verarbeitung von Halbleiter-Wafern beschrieben wird, wird verständlich, dass die hierin beschriebenen Herstellungsverfahren auch im Zusammenhang mit anderen Heiz/Kühlsystemen, wie z. B. solchen, die induktive oder Widerstandsheizung einsetzen, Verwendung finden.
Die veranschaulichten Strahlungsheizungsquellen beinhalten eine obere Heizanordnung von langgestreckten Strahlungsheizungselementen 13 des Röhrentyps. Die oberen Heizelemente 13 sind vorzugsweise in beabstandeter paralleler Beziehung zueinander angeordnet und sind im Wesentlichen parallel zu dem Reaktantengasflussweg durch die darunter liegende Reaktionskammer 12. Die untere Heizanordnung enthält ähnliche langgestreckte Strahlungsheizungselemente 14 des Röhrentyps unterhalb der Reaktionskammer 12, die vorzugsweise quer zu den oberen Heizungselementen 13 angeordnet sind. Wünschenswerterweise wird ein Teil der Strahlungswärme diffus in die Kammer 12 durch rauhe spekulare Reflektorplatten (nicht gezeigt) oberhalb bzw. unterhalb der oberen und unteren Lampen 13, 14 reflektiert. Zusätzlich versorgen eine Vielzahl von Spot-Strahlern 15 die Unterseiten der Substratträgerstruktur (weiter unten beschrieben) mit konzentrierter Wärme, um einen Wärmeabsenkeffekt, der durch kalte Trägerstrukturen, die sich entlang dem Boden der Reaktionskammer 12 erstrecken, entgegen zu wirken.
Jedes der langgestreckten Heizelemente 13, 14 des Röhrentyps sind vorzugsweise Wolframdrahtlampen mit hoher Intensität mit transparenter Quarzeinhausung, die ein Halogengas, wie z. B. Iod, enthält. Solche Lampen erzeugen Strahlungsheizungsenergie des vollen Spektrums, die durch die Wände der Reaktionskammer 12 ohne erkennbare Absorption durchtritt. Es ist im Bereich der Halbleiterherstellungsausrüstung bekannt, dass die Leistung der verschiedenen Lampen 13, 14 und 15 unabhängig voneinander oder in Zonengruppen als Antwort auf die Temperatursensoren geregelt werden kann.
Ein Substrat, das vorzugsweise ein Siliciumwafer 16 umfasst, ist innerhalb der Reaktionskammer getragen auf einer Substratträgerstruktur 18 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass während das Substrat der veranschaulichten Ausführungsform ein Einkristall-Siliciumwafer ist, dass der Ausdruck "Substrat" breit zu verstehen ist, so dass er sich auf jede Oberfläche, auf der eine Schicht abgeschieden werden soll, bezieht. Weiterhin sind die hierin beschriebenen Prinzipien und Vorteile ebenso auf die Abscheidung von Schichten über zahlreiche andere Substrattypen, einschließlich ohne Beschränkung auf Glassubstrate, wie z. B. solche, die in Flachbildschirmanzeigen verwendet werden, anwendbar.
Die gezeigte Trägerstruktur 18 beinhaltet einen Substrathalter oder Suszeptor 20, auf dem der Wafer 16 liegt, und eine Trägerspinne 22. Die Spinne 22 ist auf einer rotierenden Welle 24 montiert, die sich nach unten durch eine Röhre 26 durch die untere Wand der Kammer erstreckt. Vorzugsweise kommuniziert die Röhre 26 mit einer Quelle für Reinigungs- oder Spülgas, das während des Verfahrens fließen kann, um zu verhindern, dass Prozessgase durch den unteren Bereich der Kammer 12 entfliehen.
Eine Vielzahl von Temperatursensoren sind in der Umgebung des Wafers 16 angeordnet. Die Temperatursensoren können eine Reihe von Formen annehmen, wie z. B. optische Pyrometer oder Thermoelemente. Die Zahl und Anordnung der Temperatursensoren wird ausgewählt, um Temperatureinheitlichkeit zu gewährleisten, wie im Lichte der Beschreibung weiter unten für die bevorzugten Temperaturkontrollen zu verstehen ist. Vorzugsweise messen die Temperatursensoren direkt oder indirekt die Temperatur in Positionen in der Nähe des Wafers.
In der illustrierten Ausführungsform beinhalten die Temperatursensoren Thermoelemente einschließlich eines ersten oder zentralen Thermoelements 28, das unterhalb des Waferhalters 20 in jeder geeigneten Art und Weise angeordnet ist. Das veranschaulichte zentrale Thermoelement 28 reicht durch die Spinne 22 in die Nähe des Waferhalters 20. Der Reaktor 10 enthält weiterhin eine Vielzahl von sekundären oder peripheren Thermoelementen, die sich ebenfalls in der Nähe des Wafers 16 befinden, einschließlich eines Hauptkanten- oder vorderen Thermoelements 29, eines hinteren Thermoelements 30 und eines seitlichen Thermoelements (nicht gezeigt). Jedes der peripheren Thermoelemente ist innerhalb eines verschiebbaren Rings 32 angeordnet, der den Substrathalter 20 und den Wafer 16 umgibt. Jedes der zentralen und peripheren Thermoelemente ist mit einem Temperaturregler verbunden, der die Leistung der verschiedenen Heizelemente 13, 14, 15 als Antwort der Messungen der Thermoelemente festsetzt. Der verschiebbare Ring 32 kann durch alle geeigneten Mittel befestigt sein. Zum Beispiel liegt der veranschaulichte verschiebbare Ring 32 auf ellbogenförmigen Vorsprüngen 34 auf, die an einem vorderen Kammertrennelement 36 und an einem hinteren Kammertrennelement 38 befestigt sind. Die Trennelemente 36, 38 sind wünschenswerterweise aus Quarz gebildet. In einigen Anordnungen kann das hintere Trennelement 38 weggelassen werden.
Die veranschaulichte Reaktionskammer 12 beinhaltet einen Einlass 40 für die Injektion von Reaktanten und Trägergasen und der Wafer 16 kann ebenfalls dadurch eingebracht werden. Ein Auslass 42 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Kammer 12, wobei die Waferträgerstruktur 18 zwischen dem Einlass 40 und dem Auslass 42 angeordnet ist. Eine Einlasskomponente 50 ist an die Reaktionskammer 12 in einer Art und Weise angepasst, um die Einlassöffnung 40 zu umgeben, und beinhaltet einen horizontalen langgestreckten Schlitz 42, durch den der Wafer 16 eingebracht werden kann. Ein im Allgemeinen vertikaler Einlass 54 erhält Gase von den entfernten Quellen, wie ausführlich weiter unten beschrieben wird, und verbindet diese Gase mit dem Schlitz 52 und der Einlassöffnung 40. Der Einlass 54 kann von dem original Epsilon^TM Design für CVD modifiziert werden und kann stattdessen so konfiguriert werden, um den Gasfluss von unterschiedlichen ALD-Vorläuferquellen vor dem Eintreten in die Kammer 12 ge trennt zu halten, um CVD-artige Reaktionen zu vermeiden. Eine Auslasskomponente 56 ist ebenfalls an der Prozesskammer 12 angebracht, so dass die Abgasöffnung 58 mit der Auslassöffnung 42 übereinstimmt und zu der Abgasleitung 59 führt. Die Leitungen 59 wiederum können mit geeigneten Vakuumeinrichtungen (nicht gezeigt) kommunizieren, um Prozessgase durch die Kammer 12 zu ziehen. Eine Pumpe oder ein Ventilator wird vorzugsweise mit eingebracht, um das Ziehen der Prozessgase durch die Kammer 12 zu unterstützen und um die Kammer für Niederdruckprozesse zu evakuieren.
Der veranschaulichte Reaktor 10 beinhaltet ebenfalls eine Quelle 60 für angeregte Spezies, die vorzugsweise stromaufwärts von der Kammer 10 angeordnet ist. Die Quelle für angeregte Spezies 60 der veranschaulichten Ausführungsform enthält einen entfernten Plasmagenerator, einschließlich eines Magnetron-Generators und eines Applikators entlang der Gasleitung 62. Ein beispielhafter entfernter Plasmareaktor ist im Handel unter dem Handelsnamen TRW-850 von Rapid Reactive Radicals Technologiy (R3T) GmbH, München, Deutschland, erhältlich. In der veranschaulichten Ausführungsform wird Mikrowellenenergie von einem Magnetron mit einem fließenden Gas in einem Applikator entlang der Gasleitung 62 gekoppelt. Eine Quelle für Vorläufergase 63 ist mit der Gasleitung 62 zur Einbringung in den Generator 60 für angeregte Spezies verbunden. Eine Quelle für Trägergas 64 ist ebenfalls mit der Gasleitung 62 verbunden. Eine oder mehrere weitere Verzweigungsleitungen 52 können ebenfalls für zusätzliche Reaktanten zur Verfügung gestellt werden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, können Gasquellen 63, 64 Gastanks, Blubbler etc. in Abhängigkeit von der Form und Flüchtigkeit der Reaktantenspezies umfassen. Jede Gasleitung kann mit einem separaten Massenfluss-Kontrollgerät (MFC) und Ventilen wie gezeigt versehen sein, um die Auswahl von relativen Mengen von Träger und Reaktantenspezies, die in dem Generator für die angeregten Spezies 60 und dann in die Reaktionskammer 12 eingebracht werden, zu ermöglichen. Es wird verstanden, dass in anderen Anordnungen die angeregten Spezies innerhalb oder unmittelbar benachbart zu der Prozesskammer (siehe 2A bis 2C und den entsprechenden Text) erzeugt werden können.
Wafer werden vorzugsweise aus der Handhabungskammer (nicht gezeigt), die von der Umgebung getrennt ist, durch den Schlitz 52 mit einer Ladevorrichtung durchgeführt. Die Handhabungskammer und die Prozesskammer 12 sind vorzugsweise durch ein Schleusenventil (nicht gezeigt) von der Art und Weise, wie in US-Patent Nr. 4,828,224 offenbart, voneinander getrennt.
Die gesamte Volumenkapazität für eine Einzelwafer-Prozesskammer 12, die zur Verarbeitung von 200 mm Wafern konzipiert ist, beträgt z. B. vorzugsweise weniger als etwa 30 Liter, besonders bevorzugt weniger als etwa 20 Liter und am meisten bevorzugt weniger als etwa 10 Liter. Die veranschaulichte Kammer 12 hat eine Kapazität von etwa 7,5 Litern. Da die veranschaulichte Kammer 12 durch die Trennelemente 36, 38, Waferhalter 20, Ring 32 und das Spülgas, das durch die Röhre 26 fließt, getrennt ist, beträgt aber das effektive Volumen, durch das die Prozessgase fließen, etwa die Hälfte des Gesamtvolumens (etwa 3,77 Liter in der veranschaulichten Ausführungsform). Selbstverständlich kann das Volumen der Einzelwafer-Prozesskammer 12 in Abhängigkeit der Größe der Wafer, für die die Kammer konzipiert ist, diese aufzunehmen, unterschiedlich sein. Zum Beispiel hat eine Einzelwafer-Prozesskammer 12 des veranschaulichten Typs, aber für 300 mm-Wafer, vorzugsweise eine Kapazität von weniger als etwa 100 Liter, besonders bevorzugt weniger als etwa 60 Liter und am meisten bevorzugt von weniger als etwa 30 Liter. Eine 300 mm-Wafer-Prozesskammer hat ein Gesamtvolumen von etwa 24 Litern mit einer effektiven Prozessgaskapazität von etwa 11,83 Litern.
Wie erwähnt ist eine Vielzahl von Dampfphasenvorläuferquellen (nicht gezeigt) mit den Einlass 54 über Gasleitungen mit entsprechenden Sicherheits- und Kontrollventilen wie auch mit Massenflussreglern ("MFCs") verbunden, die als Gaspanel koordiniert sind. Die Gasquellen können z. B. eine Quelle für Trägergas (z. B. H₂ oder N₂), für Metallvorläufer (z. B. ZrCl₄, HfCl₄, WF₆, TiCl₄, CuCl etc.), ein Oxidationsmittelquellgas (z. B. O₂, O₃, O-Radikale, H₂O, NO, N₂O, N₂O etc.), eine Stickstoffgasquelle (z. B. NH₃, N₂, NO, N₂O, Hydrazin etc.), eine Siliciumquelle (z. B. SiH₄, Si₂H₆, Si₃H₈, Si₄H₁₀, DCS, TCS), eine Germaniumquelle (z. B. GeH₄), Dotierungsquellen (z. B. Phosphin, Arsin und Diboran) und Ätzmittel zur Reinigung der Reaktorwände und anderer internen Komponenten (z. B. HCl oder NF₃/Cl₂) sein. Die Dampfphasenquellen können flüssige Reaktantenquellen in einem Blubbler und einer Gasleitung zum Durchblubbern und Tragen von Dampfphasenreaktanten von dem Blubbler in die Reaktionskammer 12 beinhalten.
Prozessgase kommunizieren mit dem Einlass 54 entsprechend der in einer zentralen Kontrolleinheit (einschließlich einem Speicher und einem Mikroprozessor) programmierten Anweisungen und werden in die Prozesskammer 12 durch Injektoren verteilt. Nach Durchlauf durch die Prozesskammer 12 werden nicht umgesetzte Prozessgase und gasförmige Reaktionsnebenprodukte über einen Gaswäscher ausgetragen, um für die Umwelt gefährliche Dämpfe vor dem Austritt in die Atmosphäre zu kondensieren.
ALD-Reaktoren mit entfernten Plasmakammern
2A veranschaulicht eine Ausführungsform eines ALD- oder ALE-Reaktors 130 mit bestimmten Merkmalen und Vorteilen entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die veranschaulichte Ausführungsform beinhaltet eine Reaktionskammer 132, die eine Reaktionszone definiert. Ein Wafer oder Substrat 136 ist innerhalb der Reaktionskammer 132 angeordnet und ist auf einem Aufleger 138 gelagert, das vorzugsweise so konfiguriert ist, um die Kammer 132 zu öffnen und das Substrat 136 in und aus der Reaktionskammer 132 zu bewegen. In einer modifizierten Anordnung kann der Reaktor 130 eine Wafer-Einlass/Auslassöffnung und einen externen Roboter mit einem Roboterarm beinhalten.
In der veranschaulichten Ausführungsform werden zwei Vorläufer der Reaktionskammer 132 zugeführt. Der erste Vorläufer wird der Reaktionskammer 132 durch eine erste Vorläuferleitung 140 zugeführt. In ähnlicher Art und Weise wird der zweite Vorläufer der Reaktionskammer 132 durch eine zweite Vorläuferversorgungsleitung 142 zugeführt. Jede Versorgungsleitung ist mit einer Vorläuferversorgungsquelle (nicht gezeigt) und vorzugsweise einer Spülgasquelle (nicht gezeigt) verbunden. Das Spülgas ist ein inertes Gas und kann z. B. Stickstoff oder Argon sein. Das Spülgas kann ebenfalls als Trägergas, um den ersten oder zweiten Vorläufer zu transportieren, verwendet werden. Der Reaktor 130 beinhaltet ebenfalls einen Auslass 144 zur Entfernung von Materialien aus der Reaktionskammer 132.
Eine Duschkopfplatte 146 ist innerhalb der Reaktionskammer 132 angeordnet. Vorzugsweise ist die Duschkopfplatte 146 ein einzelnes integrales Element. Die Duschkopfplatte 146 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Reaktionszone und trennt die Reaktionskammer 132 in eine obere Kammer 148, die eine Plasmakavität 149 definiert und in eine untere Kammer 150. Die Duschkopfplatte 146 definiert zumindest teilweise eine Vielzahl von Durchtritten 152, die die obere Kammer 146 mit der unteren Kammer 150 verbinden. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Durchtritte 152 durch Bereitstellung kleiner Löcher in der Duschkopfplatte 146 bereitgestellt, die im Allgemeinen oberhalb des Substrats 136 angeordnet sind. In dieser Art und Weise verhindert die Duschkopfplatte 146 im Wesentlichen, dass der zweite Vorläufer in die untere Kammer 150 eintritt, bis der Fluss von der zweiten Leitung 142 sich im Allgemeinen oberhalb des Substrats 136 befindet.
Wie erwähnt definiert die obere Kammer 148 der veranschaulichten Reaktionskammer 132 die separate Plasmakavität 149 zur Erzeugung von in situ-Radikalen. Solche in situ-Radikale können verwendet werden, um Reaktionen auf der Oberfläche des Substrats zu erleichtern. Um in situ-Radikale zu erzeugen, kann ein Plasma innerhalb der Plasmakavität 149 in verschiedenen Arten und Weisen, wie z. B. durch eine Kondensatorelektrode, die innerhalb oder außerhalb der Plasmakavität angeordnet ist (d. h. ein kapazitiv gekoppeltes Plasma), eine RF-Spule (d. h. ein induktiv gekoppeltes Plasma), Licht, ionisierende Strahlung, Hitze (d. h. erwärmter Wolframdraht kann verwendet werden, um Wasserstoffradikale aus Wasserstoffmolekülen zu bilden) und/oder chemische Reaktionen, um Plasma zu generieren, erzeugt werden.
In der Ausführungsform von 2A ist eine Kondensatorelektrode 154 außerhalb der Reaktionskammer 132 und der Plasmakavität 149 angeordnet. Die Duschkopfplatte 146 ist zwischen der Plasmakavität 149 und dem Substrat 146 angeordnet und in der veranschaulichten Ausführungsform wird ebenfalls eine andere Elektrode verwendet. Diese Ausführungsform hat verschiedene Vorteile.
Zum Beispiel selbst, wenn die Radikale sehr kurzlebig sind, ist der Weg zu der Wachstumsoberfläche (d. h. das Substrat 136) kurz genug, um deren Verteilung in der Wachstumsreaktion zu garantieren. Ebenfalls kann die obere Kammer 148 groß genug gemacht werden, um notwendigen Raum für die Plasmaerzeugung zur Verfügung zu stellen und ebenfalls das Plasma von der Wachstumsoberfläche zu trennen, um diese vor den zerstörerischen Effekten von hochenergetischen Teilchen und Ladungen in dem Plasma zu schützen.
2B veranschaulicht eine modifizierte Ausführungsform eines Reaktors 160, der ebenfalls eine Plasmakavität 162 einsetzt. In dieser Ausführungsform enthält der Reaktor 160 eine Reaktionskammer 163, die einen Reaktionsraum 164 definiert. Ein Substrat 166 ist innerhalb des Reaktionsraums angeordnet und wird von einem Waferhalter 170 getragen, der erwärmt sein kann. Ein erster Vorläufer wird in die Reaktionskammer über eine erste Versorgungsleitung 172 eingebracht. Vorzugsweise ist die erste Versorgungsleitung 172 und die Reaktionskammer 163 so angeordnet, dass der Fluss des ersten Vorläufers innerhalb der Reaktionskammer im Allgemeinen parallel zu der Reaktionsoberfläche des Substrats 166 ist. Ein Auslass 174 und eine Pumpe (nicht gezeigt) sind vorzugsweise bereitgestellt, um Materialien aus der Reaktionskammer 163 zu entfernen.
Der Reaktor 160 kann eine obere Kammer 175 beinhalten, die die Plasmakavität 162 definiert, die in der veranschaulichten Ausführungsform im Allgemeinen oberhalb des Reaktionsraums 164 angeordnet ist. Die obere Kammer 165 definiert die Plasmakavität 162, in der in situ-Radikale erzeugt werden. Um die Radikale zu erzeugen, wird ein zweiter Vorläufer in die Plasmakavität 162 über eine zweite Versorgungsleitung 176 eingeführt. Radikale und andere angeregte Spezies werden aus dem Plasma generiert, das in der oberen Kammer 175 generiert wird. Um das Plasma zu generieren, verwendet die veranschaulichte Ausführungsform eine planare RF TCP-Spule und RF-Abschirmung 177, die von der Plasmakavität 162 über ein Fenster 178, das z. B. aus Quarz hergestellt ist, abgetrennt ist. Ein Beispiel für eine solche planare Induktionsspule ist in Journal of Applied Physics, Band 88, Nr. 7, 3889 (2000) und dem Journal of Vacuum Science Technology, A 19(3), 718 (2001) beschrieben.
Die Plasmakavität 162 und der Reaktionsraum 164 sind durch eine Radikal- oder Duschkopfplatte 180 voneinander getrennt. Die Duschkopfplatte 180 definiert vorzugsweise eine Vielzahl von Durchgängen 182, durch die Radikale, die in der Plasmakavität gebildet worden sind, in den Reaktionsraum 164 fließen können. Vorzugsweise ist der Fluss durch die Durchgänge 182 im Allgemeinen zu der Reaktionsoberfläche des Substrats 166 gerichtet. In solchen Ausführungsformen kann der Raum zwischen der Duschkopfplatte 180 und dem Substrat 166 so klein wie einige Millimeter sein. Solch eine Anordnung stellt eine ausreichende Radikalkonzentration an der Waferoberfläche selbst für kurzlebige Radikale bereit.
In einigen Ausführungsformen kann Spülgas kontinuierlich der Plasmakavität 162 durch einen Spülgaseinlass 184 zugeführt werden. In solch einer Ausführungsform kann die obere Kammer 175 unter einem im Wesentlichen konstanten Druckregime betrieben werden. In anderen Ausführungsformen können die Duschkopfplatte 180 und die umliegenden Komponenten in Nachbarschaft zu der Reaktionskammer 183 erwärmt werden, entweder als ein Ergebnis des Plasmas auf einer Seite der Duschkopfplatte 180 und/oder eines erwärmten Waferhalters 170 auf der anderen Seite oder durch getrenntes Erwärmen der Duschkopfplatte 180.
In einigen Ausführungsformen kann die RF-Leistung verwendet werden, um die Radikalkonzentration im Fluss alternierend zu schalten. In anderen Ausführungsformen kann die Versorgung von Vorläufern zu der Plasmakavität alternierend geschaltet werden. Vorzugsweise existiert ein kontinuierlicher Fluss von der Plasmakavität 162 zu dem Reaktionsraum 164. Kontinuierlicher Fluss von Gasen, d. h. Radikale alternierend mit Inertgas, ist bevorzugt, weil er verhindert, dass der erste Vorläufer im Reaktionsraum 164 darunter die Plasmakavität 162 verunreinigt. Dies ermöglicht die Abscheidung von leitfähigen Verbindungen ohne Funkenbildung. Es existiert ebenfalls vorzugsweise eine positive Druckdifferenz zwischen der Plasmakavität 162 und dem Reaktionsraum 164, wobei der Druck in der Plasmakavität 162 größer ist. Solch eine Ausführungsform unterstützt die Plasmabildung in der oberen Kammer 175.
2C veranschaulicht eine andere modifizierte Ausführungsform eines ALD- oder eines ALE-Reaktors 190, der ebenfalls eine Plasmakavität einsetzt. Gleiche Nummern werden hierin verwendet, um Teile zu bezeichnen, die ähnlich sind zu denen in 2B. In dieser Ausführungsform ist das Plasma in der Plasmakavität 162 kapazitiv gekoppelt. Als solche beinhaltet die veranschaulichte Ausführungsform eine Kondensatorelektrode 192, die in der Plasmakavität 162 oberhalb der Duschkopfplatte 180 angeordnet ist. Diese Anordnung ist ähnlich zu der in 2A gezeigten Anordnung, mit der Ausnahme, dass die Elektrode innerhalb der Reaktionskammer 163 angeordnet ist.
Allgemeiner Prozessfluss
Bezug nehmend auf 3 wird eine allgemeine Prozesssequenz zur Ausbildung eines Transistor-Gate-Stapels auf einem Halbleitersubstrat gezeigt. Ein Substrat wird zuerst gereinigt 70, und dann wird ein Gate-Dielektrikum 72 abgeschieden. In Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungsformen, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden, enthält das Gate-Dielektrikum wünschenswerterweise ein Material mit hohem K-Wert mit einem hohen Stickstoffgehalt in sowohl der oberen und unteren Grenzfläche und einen niedrigen Stickstoffgehalt in der Masse dazwischen. Nachfolgend der Gate-Dielektrikumabscheidung 72 wird eine Gate-Elektrode 74 abgeschieden, das Gate wird gemustert und geätzt 76 (wie z. B. durch einen konventionellen photolithografischen Prozess). In einigen Anordnungen wird das Substrat einer Source/Drain-Reoxidation nach der Musterbildung und vor der Fortsetzung des Prozesses 78 ausgesetzt, um den integrierten Schaltkreis zu vervollständigen.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 8 ist das Ergebnis des obigen Prozesses gezeigt. Unter anfänglicher Bezugnahme auf 4 wird ein Halbleitersubstrat auf oder in einem Werkstück bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat 100 enthält typischerweise eine epitaxiale Siliciumschicht auf der oberen Fläche eines intrinsisch dotierten Einkristall-Siliciumwafers, obwohl der Fachmann erkennen wird, dass andere Halbleitermaterialien (z. B. III-V-Materialien) diese ersetzen können.
Vor dem veranschaulichten Prozess wird das Substrat gereinigt, um Verunreinigungen, die natürlicherweise auftreten, oder native Oxide auf der Halbleiterstruktur zu entfernen. Üblicherweise wird die Waferreinigung vor dem Gate-Oxidwachstum ex situ vor der Beladung der Prozesskammer mit dem Wafer durchgeführt. Zum Beispiel können Wafer in einem SCl/HF-Feuchtätzbad gereinigt werden. Alternativ kann eine integrierte HF- und Essigsäuredampfreinigung in einem benachbarten Modul innerhalb eines Cluster-Tool durchgeführt werden, wodurch Transportzeiten und die Möglichkeit für die Wiederverunreinigung oder Reoxidation verringert werden. In einigen Anwendungen wird das durch Reinigung gebildete Oxid, das nach dem SCl-Schritt zurück bleibt, nicht entfernt und anstatt als anfängliche Oxidschicht verwendet. Bei anderen Möglichkeiten kann ein Wasserstoffätzungsschritt innerhalb der Kammer durchgeführt werden, um native Oxide zu sublimieren. Geringe Mengen an HCl-Dampf können diesem Schritt zugesetzt werden, um die Reinigung von Metallverunreinigungen und dergleichen während der Erwärmung unter Wasserstoff zu unterstützen. In einer anderen Anordnung können Plasmaprodukte, die in situ-Reinigung unterstützen oder durchführen, wie z. B. der Ersatz von Wasserstoffgas durch H-Radikale.
Entweder nach der ex situ-Reinigung oder vor der in situ-Reinigung wird der Wafer oder andere Substrate in die Prozesskammer geladen. Die Reinigung von nativen Oxiden tendiert dazu, wasserstoffterminierte Oberflächen zurück zu lassen, was vorteilhafterweise die spontane Reoxidation durch Aussetzen an die Reinraumumgebung oder anderen Quellen von Oxidationsmitteln inhibiert. Es kann notwendig sein, eine solche Wasserstoffterminierung vor weiteren Prozessen zu desorbieren.
Unter Bezugnahme nun auf 5 wird eine dielektrische Schicht 110 mit hohem K-Wert auf dem Substrat 100 gebildet. Bevorzugte Verfahren zur Bildung der dielektrischen Schicht mit hohem K-Wert werden detailliert weiter unten beschrieben.
Bezug nehmend nun auf die 6 bis 7 wird eine Saat- oder Benetzungsschicht 115 optional direkt über die gereinigte Oberfläche des Gate-Dielektrikums 110 abgeschieden, gefolgt von einer siliciumhaltigen Schicht 120 in Masse über der siliciumhaltigen Saatschicht 115. Mit oder ohne die Saatschicht findet die Ab scheidung vorzugsweise innerhalb des bevorzugten Einzelwafer-CVD-Reaktors der 1 statt, der unter dem Handelsnamen Epsilon^TM von ASM America, Phoenix, AZ, erhältlich ist. Falls eingesetzt, ist die Benetzungsschicht im Wesentlichen nicht unterscheidbar von der darüber liegenden Schicht 120 und ist typischerweise in der endgültigen Struktur (8) nicht erkennbar.
Die Gate-Elektrode 115, 120 enthält vorzugsweise Silicium und ist CVD-abgeschieden. Zum Beispiel kann die Gate-Elektrode ein CVD-Polysilicium dotiert oder undotiert oder eine Silicium/Germanium-Legierung, vorzugsweise der Form Si_1-xGe_x enthalten. Die Gate-Elektrodenbildung umfasst typischerweise zwei Stufen, wie in den 6, 7 veranschaulicht, eine Saatphase und eine Massenphase. Die Siliciumsaat- oder Benetzungsschicht 115 dient dazu, die Nukleierung im Vergleich zu der direkten Abscheidung von SiGe zu verbessern. Falls eingebracht, können die Bedingungen in der Saatphase so eingestellt werden, um die chemische Reduktion der darunter liegenden Schicht mit hohem K-Wert zu minimieren. Das veranschaulichte Material mit hohem K-Wert enthält HfO₂ oder ZrO₂, die als besonders empfindlich gegenüber Reduktion während konventioneller Polysilicium- oder Poly-SiGe-Abscheidung befunden wurde. Eine Saatschichtabscheidung zur verringerten Reduktion ist in US-Provisional Patentanmeldung Nr. 60/279,256, eingereicht am 27. März 2001, mit dem Titel "INTEGRATION OF HIGH K GATE DIELECTRIC" beschrieben. Bedingungen können in der Massenphase so eingestellt werden, um die Abscheidungsgeschwindigkeit im Vergleich zu der des vorhergehenden Schritts zu erhöhen.
Wie aber weiter unten erwähnt wird, haben die bevorzugten Dielektrika 110 mit hohem K-Wert einen relativ hohen Stickstoffgehalt an der oberen Grenzfläche. Dementsprechend kann die Reduktion der Dielektrika mit hohem K-Wert ausreichend verhindert werden, um spezielle Saatprozesse zur Verringerung der Reduktion zu vermeiden. Weiterhin kann der hohe Stickstoffgehalt an der oberen Grenzfläche ebenfalls die nachfolgende Nukleierung der Gate-Elektrode verbessern (z. B. Si, SiGe und insbesondere in situ-dotiertes Si und SiGE). Dementsprechend kann die Saatphase weggelassen werden.
Nach Vervollständigung des Gate-Stapels folgen weitere Verfahrensschritte, um den integrierten Schaltkreis zu vervollständigen. Zum Beispiel sind Gate-Stapel typischerweise durch Deckenabscheidung eines Dielektrikums und Abstandshalterätzung isoliert. Transistoraktive Bereiche werden dann dotiert, um Source- und Drainbereiche auf jeder Seite der gemusterten Elektroden auszubilden und Verdrahtungs- oder "back end"-Prozesse vervollständigen den Schaltkreis.
8 veranschaulicht einen Transistor-Gate, der durch Musterbildung und Ätzen der oben beschriebenen Schichten gebildet wird. Insbesondere ist ein Halbleitersubstrat 200 mit einem darauf gebildeten Transistor-Gate-Stapel 210 gezeigt. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält das Substrat 200 einen oberen Teil eines Einkristall-Siliciumwafers, obwohl der Fachmann erkennen wird, dass das Substrat ebenfalls andere Halbleitermaterialien enthalten kann. Der Gate-Stapel 210 beinhaltet ein Polysilicium oder Poly-SiGe mit Elektrodenschicht 220. Seitenwandabstandshalter 230 und eine isolierende Schicht 200 schützen und isolieren die Elektrode 220 in einer konventionellen Art und Weise. Ebenfalls ist eine stärker leitfähige Zusammenschaltungsschicht 250, die typischerweise Metall enthält, über der siliciumhaltigen Gate-Elektrodenschicht 220 veranschaulicht. Die Verschaltung 250 ermöglicht schnellen Signaltransport zwischen Transistor-Gates entlang des Wafers, wodurch die Gates mit logischen Schaltkreisen verknüpft werden.
Ein Gate-Dielektrikum 260, das durch die beispielhaften Prozesse, die weiter unten beschrieben werden, gebildet wird, trennt die Gate-Elektrode 220 von dem Substrat 200. Wie in dem Hintergrundbereich weiter oben ausgeführt, ist das Gate-Dielektrikum 260 ein kritisches Merkmal auf der Suche von dichteren und schnelleren Schaltkreisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Transistoren für integrierte Schaltkreise eine Vielzahl von Formen aufweisen können, die nicht alle die der 8 wiedergeben. Eine dielektrische Schicht mit graduell veränderlicher Zusammensetzung der bevorzugten Ausführungsformen hat aber Anwendung für dielektrische Gate-Schichten in einer Vielzahl von Transistortypen (z. B. Heteroverknüpfungs-BiCMOS-Transistoren), wie auch für eine Vielzahl von anderen ultradünnen die lektrischen Schichten mit anderen Funktionen innerhalb von integrierten Schaltkreisen (z. B. Kondensatordielektrikum, Tunneldielektrikum etc.).
Bevorzugte Dielektrika mit hohem K-Wert
Wie in dem Hintergrundabschnitt ausgeführt, werden Materialien mit hohem K-Wert im Allgemeinen aus Metalloxiden mit K-Werten von größer als etwa 7, einschließlich Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirconiumoxid (ZrO₂), Hafniumoxid (HfO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Bariumstrontiumtitanat (BST), Strontiumbismuthtantalat (SBT) und Lanthanidoxide gebildet. Die zuletzt aufgeführten Dielektrika beinhalten Oxide von solchen physikalisch stabilen seltenen Erdelementen wie Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu). Die Materialien mit hohem K-Wert der bevorzugten Ausführungsformen können jedes der oben erwähnten Materialien erhalten. Am meisten bevorzugt enthalten Materialien mit hohem K-Wert, die in die dielektrischen Schichten der veranschaulichten Ausführungsformen eingebracht sind, Oxide der Gruppe-4-Metalle, insbesondere Zirconoxid (ZrO₂), Hafniumoxid (HfO₂) und haben eine Dielektrizitätskonstante von größer als etwa 10.
Die bevorzugten dielektrischen Schichten mit hohem K-Wert beinhalten Materialien mit hohem K-Wert entlang der Dicke der Schicht und weiterhin beinhalten sie eine kontrollierte Menge und Verteilung einer Verunreinigung, insbesondere Stickstoff. Vorzugsweise ist die Verunreinigung in einem größeren Ausmaß in die obere und untere Grenzfläche des dielektrischen Materials eingebracht und wird während des Abscheidungsprozesses eingebracht. Daher werden zwei unterschiedliche Stickstoff-Peaks entlang der Dicke des Dielektrikums bereitgestellt.
9 veranschaulicht ein theoretisches Auger-Profil, das den Stickstoffgehalt entlang der Dicke des bevorzugten Dielektrikums mit hohem K-Wert zeigt. Die linke Seite des Graphs stellt die obere Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und der darüber liegenden Gate-Elektrode dar und zeigt einen Verunreinigungskonzentrations-Peak von X. Die rechte Seite des Graphs stellt die untere oder Bodengrenzfläche zwischen dem Dielektrikum und der Halbleitersubstratoberfläche dar und zeigt einen Verunreinigungskonzentrations-Peak von Y. Ein Massenbereich der Schicht zwischen den zwei separierten Verunreinigungskonzentrations-Peaks hat ein minimales Verunreinigungskonzentrationsniveau, das im Allgemeinen durch Z wiedergegeben ist.
Vorzugsweise enthält die obere Grenzfläche des Dielektrikums zwischen etwa 1 % und 10 % Atomverhältnisse an Stickstoff und ist vorzugsweise zwischen etwa 5 Å und 20 Å dick, besonders bevorzugt zwischen etwa 5 Å und 10 Å. Typischerweise führt ein höherer Stickstoffgehalt in den Metalloxiden zu einem höheren amorphen Gehalt. Vorteilhafterweise dient die Deckgrenzfläche dazu, die Masse des Materials mit hohem K-Wert vor der Diffusion von Verunreinigungen (z. B. elektrische Dotierungsmittel, wie z. B. Bor) aus der darüber liegenden Gate-Elektrode zu schützen und Silicidierungsreaktionen zwischen der darüber liegenden Gate-Elektrode und dem Material mit hohem K-Wert zu inhibieren, um dadurch die thermische Stabilität des Materials mit hohem K-Wert aufrecht zu halten, insbesondere während nachfolgender Source/Drain-Reoxidation. Weiterhin vereinfacht der Stickstoffgehalt in der oberen Grenzfläche wünschenswerterweise die Nukleierung während der Abscheidung der darüber liegenden Gate-Elektrode, insbesondere SiGe, um dabei der Diffusion von Reduktionsmitteln (z. B. Wasserstoff) während einer solchen Abscheidung zu widerstehen. Reduktionsmittel können nachteiligerweise das Dielektrikum mit hohem K-Wert zu metallischen Leitern umwandeln und elektrische Leckwege durch das Dielektrikum bewirken.
Die Masse des Dielektrikums enthält vorzugsweise weniger als etwa 0,1 % (Atomverhältnis) Stickstoff, besonders bevorzugt weniger als etwa 0,01 % Stickstoff, und für die veranschaulichte Gate-Dielektrikum-Funktion beträgt die Dicke zwischen etwa 20 Å und 30 Å. Vorteilhafterweise verbessert ein niedriger Stickstoffgehalt in der Masse des veranschaulichten Materials mit hohem K-Wert die Gesamtfilmqualität. Im Wesentlichen reine Metalloxide (z. B. ZrO₂ oder HfO₂) in der Masse verhindern unterkoordinierte freie Bindungen, die anderenfalls Ladungs-Trap-Stellen bilden können.
Die untere Grenzfläche enthält vorzugsweise mehr als etwa 0,1 % (Atomverhältnis) Stickstoff, besonders bevorzugt zwischen etwa 0,1 % und 1 % Stickstoff. Vorzugsweise hat die untere Grenzschicht mit diesem Gehalt eine Dicke zwischen etwa 5 Å und 10 Å, besonders bevorzugt näher zu 5 Å. Der Stickstoffgehalt an dieser unteren Grenzfläche verbessert vorteilhafterweise die Grenzflächenzuverlässigkeit des Substrats und verhindert Oxidation des Substrats während der Abscheidung des Materials mit hohem K-Wert und nachfolgende Verfahrensschritte. Eine solche Oxidations kann nachteilig die effektive Dielektrizitätskonstante (K-Wert) des Gate-Dielektrikums verringern. Der Stickstoffgehalt ist aber niedriger als der der oberen Grenzfläche, um das Auftreten von Grenzflächen-Trap-Stellen zu verringern, die durch Stickstoff an der Substratgrenzfläche induziert werden können. Vorzugsweise beträgt der Stickstoffgehalt in der oberen Grenzfläche mehr als etwa fünf Mal des Stickstoffgehalts der unteren Grenzfläche und ist besonders bevorzugt etwa eine Größenordnung höher.
Die obige Beschreibung ist besonders geeignete für Transistor-Gate-Dielektrika-Anwendungen, in denen die stickstoffhaltigen Schichten mit hohem K-Wert vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 20 Å und 60 Å aufweisen. Die gewünschten Dielektrika mit hohem K-Wert haben auch andere Anwendungen in integrierten Schaltkreisen. Zum Beispiel für dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM)-Anwendungen kann eine dickere Schicht mit hohem K-Wert eingesetzt werden, wie z. B. mit einer Dicke von etwa 150 Å bis 200 Å mit ultradünnen stickstoffhaltigen Grenzflächen. Vorteilhafterweise kann eine obere stickstoffhaltige Grenzfläche wie oben beschrieben das Material mit hohem K-Wert in nachfolgenden Prozessschritten stabilisieren. In Abhängigkeit von dem darunter liegenden Elektrodenmaterial kann eine untere stickstoffhaltige Grenzfläche für ein Dielektrikum für einen DRAM-Kondensator weggelassen werden.
Bevorzugte Prozesse zur Ausbildung von Schichten mit hohem K-Wert mit stickstoffhaltigen Grenzflächen
Das Material mit hohem K-Wert wie oben beschrieben kann durch jeden geeigneten Prozess, einschließlich PVD, CVD, MOCVD, ALD etc. abgeschieden werden. In den bevorzugten Ausführungsformen wird Stickstoffeinbringung wünschens werterweise in einer kontrollierten Art und Weise während der Abscheidung erreicht.
Üblicherweise werden dielektrische Siliciumoxid-Gate-Filme durch thermische Oxidation des darunter liegenden Siliciumsubstrats hergestellt. Um Stickstoff einzubringen, können stickstoffhaltige Gase dem Hauptsauerstoffstrom zugesetzt werden und/oder Behandlung nach der Abscheidung kann mit stickstoffhaltigen Gasen oder Stickstoffimplantierung kann durchgeführt werden. Solche Verfahren können entweder Stickstoff in das Oxidmaterial einbringen, um Siliciumoxynitrid (SiO_xN_y) oder eine Si₃N₄-Schicht über dem Oxid zu bilden. In anderen Anordnungen werden Oxide, die entweder abgeschieden sind oder thermisch wachsen, später zur Stickstoffeinbringung durch Diffusion behandelt. In wiederum anderen Anordnungen wird Stickstoffeinbringung während konventionellem thermischen CVD variiert und wird bei relativ hohen Temperaturen durchgeführt und Zwischendiffusion findet unweigerlich statt. In allen den Erfindern bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik ist es schwierig, den Stickstoffgehalt in dem Film zu kontrollieren, insbesondere für gegenwärtige und zukünftige Generationen von integrierten Schaltkreisvorrichtungen, worin dielektrische Gate-Materialien sehr dünn sind (d. h. weniger als 7 nm). Für solche ultradünne Dielektrika können konventionelle Verfahren zum Einbringen von Stickstoff in ein Gate-Dielektrikum nicht effektiv kontrolliert werden, um zwei voneinander getrennte Stickstoff-Peaks an beiden Grenzflächen bereit zu stellen, ohne auch hohe Stickstoffgehalte in der Masse des Dielektrikums zu erzeugen.
Zwei Ausführungsformen werden weiter unten hierin beschrieben: CVD mit variabler Stickstoffeinbringung durch entfernt generierte Stickstoffradikale und ALD mit variabler Stickstoffeinbringung durch Variation der Bestandteile der mehreren Zyklen. ALD kann wahlweise ebenfalls Stickstoffradikale in der kontrollierten Art und Weise, wie im Zusammenhang mit der CVD-Ausführungsform beschrieben, einsetzen. Vorteilhafterweise profitieren beide Ausführungsformen von der Abscheidung bei niedriger Temperatur, was hilft, um das gewünschte Stickstoffprofil aufrecht zu halten. Vorzugsweise sind die Abscheidungstemperaturen unterhalb von etwa 500°C und besonders bevorzugt unterhalb von etwa 400°C.
CVD-Abscheidung von Materialien mit hohem K-Wert mit stickstoffhaltigen Grenzflächen
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material mit hohem K-Wert mit variierendem Stickstoffgehalt im Verlauf des Abscheidungsprozesses während der chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD) abgeschieden. Stickstoff wird mittels einer entfernten Plasmaquelle 60 zugeführt, z. B. eine solche, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben worden ist. Die Menge an Stickstoff, die in die Schicht eingebracht wird, wie sie abgeschieden ist, wird zumindest teilweise durch Variation der Zufuhr der Stickstoffradikale, die durch die entfernte Quelle generiert werden, variiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Konzept Anwendung für eine Vielzahl von Abscheidungstechniken hat. Vorzugsweise werden Metalloxide mit hohem K-Wert durch eine Form von CVD abgeschieden, die metallorganische Vorläufer verwendet (MOCVD). Vorteilhafterweise tendieren organische Metallquellengase dazu, sich bei relativ niedrigen Temperaturen zu zersetzen. Als bevorzugte Materialien wird eine Dampfphase mit organischen Quellen von Hafnium oder Zirconium simultan mit einer Dampfphasenquelle für Sauerstoff bereitgestellt. Stickstoff wird in Form von Stickstoffradikalen aus einer entfernten Plasmaquelle, die vorteilhafterweise ebenfalls Niedrigtemperaturreaktionen ermöglicht, bereitgestellt.
Vorzugsweise wird das Verhältnis von Stickstoffradikalen oder angeregten Spezies zu Sauerstoff während des Prozesses so variiert, dass es höher ist in anfänglichen Schritten (was die untere Grenzfläche repräsentiert), niedrig bis Null während dazwischen liegenden Schritten (was die dielektrische Masse repräsentiert) und wiederum höher bei den letzten Schritten (was die obere Grenzfläche repräsentiert). Der Stickstoffgehalt in dem abgeschiedenen Material mit hohem K-Wert wird dadurch in kontrollierter Art und Weise variiert, was zwei separate Stickstoff-Peaks (siehe z. B. 9) ermöglichen.
Die relative Menge von Stickstoff kann in einer unterschiedlichen Art und Weise variiert werden. In einer ersten Anordnung wird der Fluss von Stickstoffquellgas (z. B. Ammoniak, zweiatomigem Stickstoff oder Hydrazin) durch den entfernten Plasmagenerator variiert, so dass er am höchsten ist, während der letzten Stufen der Abscheidung, auf einem mittleren Niveau während der anfänglichen Stufen der Abscheidung und am niedrigsten (z. B. Null) während dazwischen liegenden Stufen der Abscheidung.
In einer zweiten Anordnung wird der Fluss des Trägergases durch den entfernten Plasmagenerator variiert. Der Fachmann erkennt, dass solche Variationen einen nicht linearen Effekt auf die Menge der erzeugten Stickstoffradikale haben. Ein höherer Trägergasfluss kann eine dichtere Plasmabildung unterstützen und somit eine größere Stickstoffradikalkonzentration bis zu einem Punkt, aber Verdünnung aufgrund des größeren Gesamtgasflusses während des CVD-Prozesses kann die Stickstoffeinbringung in den abgeschiedenen Film verringern.
In einer dritten Anordnung werden sowohl Sauerstoffquell- als auch Stickstoffquellgase durch den entfernten Plasmagenerator bereitgestellt. Durch rampenförmige Zuführung von Leistung zu dem entfernten Plasmagenerator können die relativen Geschwindigkeiten der Dissoziation, und dadurch die relative Bildung von N-Radikalen im Vergleich zu O-Radikalen verändert werden. Zum Beispiel wird bei Verwendung von N₂ als Stickstoffquelle und O₂ als Sauerstoffquelle mit zunehmender Leistung bis zu einem Punkt auch die Dissoziation beider Quellen erhöht, wenn die Leistung weiter erhöht wird, bleibt die Geschwindigkeit der O₂-Dissoziation konstant, während die Geschwindigkeit der N₂-Dissoziation mit ansteigender Leistung weiter ansteigt. Alternativ, wenn die Sauerstoffquelle separat zugeführt wird und nur die Stickstoffquelle und das Trägergas in dem entfernten Plasmagenerator zugeführt wird, wird die Änderung der Leistung, die dem entfernten Plasmagenerator zugeführt wird, die Menge an angeregten Stickstoffspezies, die dem CVD-Prozess zugeführt werden, in einer einfachen Art und Weise variieren. In einem Beispiel kann die Mikrowellenleistung, die einem entfernten Plasmaprozessor zugeführt wird, zwischen etwa 800 W und 2 kW variiert werden.
ALD-Abscheidung von Materialien mit hohem K-Wert mit stickstoffhaltigen Grenzflächen
Entsprechend einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Material mit hohem K-Wert durch einen Atomschichtabscheidungsprozess (ALD) abgeschieden. ALD ist ein chemisch sich selbst beschränkender Prozess, wobei alternierende Pulse von Reaktionsvorläufern ein Substrat sättigen und nicht mehr als eine Monoschicht an Material pro Puls zurück lassen. Die Vorläufer sind so ausgewählt, um selbstsättigende Reaktionen sicherzustellen, weil wenigstens ein Puls pro Zyklus chemisch sorbierte Spezies mit einer Oberflächenterminierung zurücklässt, die nicht reaktiv ist mit den Gasphasenreaktanten desselben Pulses. Eine solche Terminierung verbleibt aufgrund von "Resten" oder Liganden der Quellchemikalie, wie z. B. organische Reste oder Halogenidreste, zurück. Ein darauf folgender Puls unterschiedlicher Reaktanten reagiert mit den Resten, die auf der chemisch sorbierten Schicht eines vorgehenden Pulses verblieben sind, um eine fortlaufende Abscheidung zu ermöglichen. Daher hinterlässt jeder Zyklus der alternierenden Pulse nicht mehr als etwa eine molekulare Schicht des gewünschten Materials. Die Prinzipien von ALD-Typ-Prozessen sind von T. Suntola, z. B. im Handbook of Crystal Growth 3, Thin Films and Epitaxy, Teil B: Growth Mechanism and Dynamics, Kapitel 14, Atomic Layer Epitaxy, Seiten 601 bis 663, Elsevier Science B.V., 1994, vorgestellt worden. In einer Anordnung wird die Abscheidung in einem Pulsar^TM 200-Reaktor (im Handel erhältlich von ASM Microchemistry, Espoo, Finnland) durchgeführt, der für ALD-Prozesse entwickelt wurde. In einer anderen Anordnung können die ALD-Vorrichtungen der 2A bis 2C mit oder ohne Anwendung von Plasmaleistung auf die obere Kammer eingesetzt werden.
ALD erleichtert die Bildung von dünnen Filmen in Monoschichten. In der Tat existiert Kontrolle in einer kleineren als Monoschichtskala aufgrund der sterischen Hinderung von sterisch anspruchsvollen chemischen Molekülen der Quelle, wodurch weniger als eine Monoschicht pro Zyklus erzeugt wird. Die Fähigkeit der Schichtenbildung von atomar dünnen Monoschichten ermöglicht die Ausbildung von präziseren Konzentrationsgradienten von der unteren Oberfläche (z. B. Gate- Dielektrikum/Si-Substratgrenzfläche) zu der oberen Oberfläche (z. B. Gate-Elektrode/Gate-Dielektrikum-Grenzfläche).
Dementsprechend kann jede diskrete Monoschicht (oder partielle Monoschicht) durch selektives Einbringen der erwünschten Chemie für jede abzuscheidende Monoschicht maßgeschneidert werden. Zum Beispiel reagiert mittels ALD eine bestimmte Kombination von eingebrachten Gasen mit, scheidet sich ab oder wird auf dem Werkstück abgeschieden, bis aufgrund der Natur der Abscheidungschemie selbst der Prozess sich selbst beendet. Unabhängig von der Länge der Aussetzung wirken die Prozessgase nicht weiter an der Abscheidung mit. Um aufeinanderfolgende Monoschichten abzuscheiden, werden unterschiedliche chemische Kombinationen in die Prozesskammer eingebracht, so dass sie mit der vorhergehend ausgebildeten Monoschicht reagieren oder daran adsorbiert werden. Wünschenswerterweise bildet die zweite Chemie oder eine nachfolgende Chemie eine andere Monoschicht, ebenfalls in einer selbst begrenzenden Art und Weise. Diese selbst begrenzenden Monoschichten werden alternierend so oft wie gewünscht ausgebildet, um einen Film geeigneter Dicke zu bilden.
Die Natur dieses Verfahrens ermöglicht die Änderung der Chemie für jeden diskreten Zyklus. Dementsprechend kann die Zusammensetzung des resultierenden dünnen Films in Inkrementen geändert werden, z. B. in jedem Zyklus, in jedem zweiten Zyklus, oder in jeglicher anderer gewünschten Abfolge. Zusätzlich, da ALD bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können, im Vergleich zu konventionellen thermischen Oxidations- und konventionellen CVD-Prozessen kann Diffusion während des Prozesses effektiv limitiert werden. Zum Zweck der Illustrierung des Verhältnisses zwischen Oxiddicke und entsprechender Anzahl von Schichten wird ein dünner Film von 60 Å Zirconoxid, z. B. durch einen ALD-Prozess von alternierend ZrCl₄ und H₂O wie weiter unten beschrieben in etwa 100 Zyklen ausgebildet. Es existieren viele Möglichkeiten zur Maßschneiderung der Zusammensetzung, die durch jeden individuellen Zyklus hergestellt wird und das Ergebnis einer solchen maßgeschneiderten Zusammensetzung tendiert nicht dazu, aus abgeschiedenen Positionen aufgrund der niedrigen Temperatur des Prozesses zu diffundieren. Das heißt, selbst für solch eine extrem dünne Schicht kann die Zusammensetzung so geändert werden, dass eine unterschiedliche Verunreinigungskonzentration in die erste Monoschicht im Vergleich zu der letzten Monoschicht eingebracht wird.
ALD von siliciumoxiddielektrischen Schichten mit einem sich graduell veränderten Stickstoffgehalt ist in US-Patentanmeldung 09/800,757, eingereicht am 6. März 2001, mit dem Titel GRADED THIN FILMS, offenbart.
Die bevorzugte Ausführungsform modifiziert ALD-Abscheidung eines Metalloxids mit hohem K-Wert durch selektives Einbringen von Stickstoff während ausgewählten Stufen der Abscheidung. Ein Metallquellgas, geeignet für die chemische Sorption einer selbstbegrenzenden partiellen oder vollständigen Monoschicht pro Puls wechselt sich mit einem Oxidationsmittelpuls ab. Beispielhafte Oxidationsmittelquellgase beinhalten Sauerstoff, Wasser, Wasserstoffperoxid, Ozon, Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol), etc. In einigen Anordnungen (die nicht hierin speziell beschrieben sind) kann das Verfahren zusätzliche Pulse beinhalten, wie z. B. zusätzliche Metallquellenpulse für komplexere Metalloxide, und Abfangpulse zum Entfernen von Liganden zwischen Pulsen. Ein Basis-ALD-Prozess zur Abscheidung von ZrCl₄ wird zuerst vor der Beschreibung von zwei Modifikationen, die eingesetzt werden zur Einbringung von Stickstoff, die weiter unten unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben werden, beschrieben.
In einem beispielhaften ALD-Prozess zur Abscheidung von ZrO₂ wird der Reaktionsraum auf ein Vakuum mit einer mechanischen Vakuumpumpe evakuiert. Nach der Evakuierung wird der Druck in dem Reaktionsraum auf etwa 5 bis 10 mbar (absolut) durch Fluss von Stickstoffgas, das eine Reinheit von 99,9999 % hat, eingestellt. Dann wird der Reaktionsraum auf 300°C stabilisiert. Eine ZrCl₄-Quelle wird zwischen etwa 180°C und 210°C, besonders bevorzugt etwa 200°C, gehalten.
Jeder Zyklus des ALD-Prozesses enthält eine Vielzahl von Pulsen. ZrCl₄ wird in die Reaktionskammer eingebracht und der Wafer-Oberfläche 0,1 s ausgesetzt. Dies wird als Puls A oder "Metallpuls" bezeichnet. Die Reaktionskammer wird mit Stickstoffgas 1 s lang gereinigt, um einen Überschuss von ZrCl₄ und Nebenprodukten aus der Reaktionskammer zu entfernen. Dies wird als Reinigung A be zeichnet. Dann wird Wasserdampf in die Reaktionskammer eingebracht und 0,3 s lang der Waferoberfläche ausgesetzt. Dies wird als Puls B oder "Oxidationspuls" bezeichnet. Rest-H₂O und Reaktionsnebenprodukte werden durch Spülen der Kammer für 3 s entfernt. Dies wird als Spülung B bezeichnet. Während jeder der Reaktionsphasen werden die Reaktanten in ausreichenden Mengen für die gegebenen anderen Parameter zugeführt, um die Oberfläche abzusättigen. Dieser exemplarische Abscheidungszyklus für Material mit hohem K-Wert ist in Tabelle I zusammengefasst. Tabelle I: ZrO₂
Die mittlere Abscheidungsgeschwindigkeit unter Verwendung der oben beschriebenen Chemikalien ist etwa 0,59 Å pro Zyklus bei 300°C, so dass die ZrO₂-Dicke etwa 30 Å betrug. Ähnliche Prozessbedingungen unter Verwendung von HfCl₄ anstatt von ZrCl₄ führt zu HfO₂.
Allgemeiner liegen die Temperaturen während des Prozesses vorzugsweise zwischen etwa 250°C und 500°C, besonders bevorzugt zwischen etwa 300°C und 350°C, in Abhängigkeit der akzeptablen Gehalte an Chlor in dem Film. Für eine amorphe ZrO₂- oder HfO₂-Schicht ist die Temperatur vorzugsweise an dem unteren Ende des Bereichs zwischen etwa 200°C und 250°C und besonders bevorzugt bei etwa 225°C. Für einen kristallinen Film ist die Temperatur vorzugsweise am höheren Ende des Bereichs zwischen etwa 250°C und 500°C und am meisten bevorzugt zwischen etwa 300°C und 350°C. Wie von dem Fachmann verstanden wird, resultieren Mischungen von amorphen und kristallinen Zusammensetzungen an der Grenze zwischen diesen beiden Regimen. Der veranschaulichte Prozess verwendet Temperaturen zwischen etwa 300°C und 350°C, wodurch ein im We sentlicher kristalliner ZrO₂- oder HfO₂-Film erzeugt wird. Allgemeiner wird der Metallpuls A vorzugsweise für zwischen etwa 0,05 s und 1,0 s, Spülung A zwischen etwa 0,5 s und 10,0 s, Oxidationspuls B zwischen etwa 0,05 s und 0,5 s und Spülung B zwischen etwa 0,5 s und 10,0 s lang durchgeführt.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Pulszeiten, insbesondere und alle Parameter im Allgemeinen, innerhalb relativ großer Bereiche innerhalb derer die ALD-Reaktion stattfindet, variiert werden können. Eine der strikteren Beschränkungen, um eine echte selbstlimitierende Reaktion in ALD zu erreichen, ist, dass die Temperatur vorzugsweise oberhalb der Temperatur gehalten wird, bei der die Quellchemikalien kondensieren, aber unterhalb der Temperatur, bei der die Quellchemikalien sich thermisch zersetzen. Im Unterschied zu CVD bleiben aber die Abscheidungsgeschwindigkeiten innerhalb des relativ großen Temperaturfensters konstant, so dass eine strikte Temperaturuniformität entlang des Substrats nicht notwendig ist, um eine gleichförmige Abscheidung zu erreichen.
In dem Beispiel der Tabelle I ist die Metallmonoschicht, die in der Metallphase gebildet wird, mit Chlorid selbst terminiert, was nicht einfach mit einem Überschuss an ZrCl₄ unter den bevorzugten Bedingungen reagiert. Das bevorzugte Sauerstoffquellgas reagiert aber mit oder absorbiert sich an der chloridterminierten Oberfläche während der Sauerstoffphase in einer Ligandenaustauschreaktion, die durch die Zufuhr von Zirconchloridkomplexen, die vorhergehend absorbiert wurden, limitiert ist. Weiterhin hinterlässt die Oxidierung eine Hydroxyl- und Sauerstoffbrücken-Terminierung, die nicht weiter mit einem Überschuss an Oxidationsmittel in der gesättigten Phase reagiert.
Vorzugsweise werden ausreichende Zyklen durchgeführt, damit eine ZrO₂-Schicht zwischen etwa 20 Å und 60 Å ZrO₂ wächst. Besonders bevorzugt werden ausreichend Zyklen durchgeführt, um zwischen etwa 20 Å und 40 Å zu wachsen. Die Dielektrizitätskonstante von reinem Zirconiumoxid kann im Bereich zwischen etwa 18 und 24 liegen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsformen wird ein Verunreinigungsquellgas in wenigstens einem der Zyklen in dem alternierenden Prozess zur Verfügung ge stellt, das ausgewählt ist, um die funktionalen Qualitäten des Dielektrikums zu verbessern. Die Verunreinigung enthält vorzugsweise Stickstoff und das Verunreinigungsquellgas enthält vorzugsweise Ammoniak (NH₃) oder Hydrazin (N₂H₄), das dem alternierenden Prozess zugegeben wird. Sowohl Ammoniak als auch Hydrazin sind recht reaktive Gase, was sie für Niedrigtemperatur-ALD-Verfahren geeignet macht.
In einer ersten Anordnung (10) wird Stickstoff in den Oxidationspuls ausgewählter Zyklen eingebracht. In einer zweiten Anordnung (11) wird Stickstoff während ausgewählter Zyklen in einem eigenen separaten Puls eingebracht. In jeder der Anordnungen können unterschiedliche Mengen von Stickstoff zu unterschiedlichen Punkten des Abscheidungsprozesses eingebracht werden, was es erlaubt, ein hohes Maß an Kontrolle bezüglich des Stickstoffgehalts entlang der Dicke von extrem dünnen Schichten zu ermöglichen, wobei niedrige Abscheidungstemperaturen Interdiffusion minimieren und die Aufrechterhaltung des erwünschten Stickstoffprofils sicherstellen.
Unter Bezugnahme auf 10 betrifft die erste Anordnung alternierende Adsorption von nicht mehr als einem Monoschichtmetall mit Oxidation der vorhergehend adsorbierten Monoschicht in einem ALD-Metalloxidprozess. Während der Oxidationsstufe kann Stickstoff selekiv eingebracht werden. Im Wesentlichen können durch Mischen von Stickstoff- und Sauerstoffquellgasen Oxynitridfilme mit jedem gewünschten Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff wachsen gelassen werden. In der bevorzugten Ausführungsform kann durch Variieren der Reaktantenverhältnisse während des zyklischen Prozesses die Zusammensetzung, die in jedem Zyklus ausgebildet wird, maßgeschneidert werden. Es ist am meisten bevorzugt, wenn die Abscheidung mit Metalloxynitrid-Abscheidung beginnt, im Wesentlichen zu reinem Metalloxid übergeht und mit Metalloxynitrid endet.
In der veranschaulichten Ausführungsform wird ein hochreaktives Stickstoffquellgas, wie z. B. Ammoniak oder Hydrazin, der Sauerstoffphase zugegeben. Unterschiedliche Mengen von NH₃ werden zu unterschiedlichen Oxidationsmittelquellgaspulsen während des Prozesses zugegeben. Somit kann eine gewünschte Menge an Stickstoff selektiv in jede Monoschicht von Metalloxid eingebracht wer den und eine Metalloxynitridschicht mit einem maßgeschneiderten Stickstoffgehaltsprofil resultiert. Der Fachmann wird in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass die Reaktion zwischen Ammoniak und dem absorbierten Metallkomplex im Vergleich zu der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Metallkomplex eine unterschiedliche thermodynamische Bevorzugung hat. Demzufolge entspricht das Verhältnis von Ammoniak zu Oxidationsmittel nicht notwendigerweise den Verhältnissen von Stickstoff zu Sauerstoff in dem resultierenden Metalloxynitrid. Der Fachmann kann einfach der thermodynamischen Konkurrenz durch Routineexperimente Rechnung tragen, um die geeigneten Parameter für die erwünschten Gehalte an Stickstoffeinbringung zu bestimmen. Die Bereitstellung von aktiven Stickstoffspezies durch einen entfernten Plasmagenerator, insbesondere zusammen mit aktiven Sauerstoffspezies, kann den Effekt des Variationsverhältnisses von Sauerstoff- zu Stickstoffquellen in einer thermodynamischen Einfachpuls-Konkurrenzreaktion minimieren.
10 ist ein Gasflussdiagramm entsprechend einer Ausführungsform, die vier Zyklen 301a bis 301d in einer beispielhaften selbstlimitierenden Abscheidungssequenz veranschaulicht. Die vier Zyklen können z. B. die letzten vier Zyklen bei der Bildung der oberen Grenzfläche des bevorzugten Dielektrikums mit hohem K-Wert darstellen. Die veranschaulichte Sequenz beinhaltet einen konstanten Fluss eines Trägergases 300. Wie gezeigt wird ein erster Puls oder Spike 302a des Metallquellgases bereitgestellt, um eine erste selbstterminierende Metallmonoschicht zu bilden. Nach einem ersten Spülschritt 303, während dem das Trägergas weiterhin fließt, bis das Metallquellgas aus der Kammer entfernt worden ist, wird ein erster Oxidationsmittelgaspuls oder -spike 304 bereitgestellt. Nach einer zweiten Spülung 303 wird ein zweiter Metallquellgaspuls 302 bereitgestellt, gefolgt von einem zweiten Oxidationsmittelgas 304b, einem dritten Metallquellgaspuls 302c, einem dritten Oxidationsmittelgaspuls 304 etc., wobei alternierende Pulse durch Spülschritte 303 voneinander getrennt sind.
Wie gezeigt, wird zu einem Zeitpunkt nach dem ersten Zyklus 301a (Bildung einer partiellen Monoschicht eines Metalloxids) ein erster Verunreinigungsquellgaspuls 306b bereitgestellt, vorzugsweise während eines Oxidationsquellgaspulses 304b. Wünschenswerterweise wird ein vergleichsweise geringer Anteil des Verunreini gungsgases (das vorzugsweise Ammoniak enthält) während dieses ersten Pulses 306b bereitgestellt. Während nachfolgender Oxidationsquellgaspulse 304c, 304d etc. werden progressiv größere Flüsse des Verunreinigungsquellgases in den Pulsen 306c, 306d etc. bereitgestellt. Wo progressiv größere Flüsse von Verunreinigungsquellgas eingesetzt werden, kann es vorteilhaft sein, die Reaktanten rechtwinklig zu der Substratoberfläche, z. B. mittels eines Überkopf-Duschkopfes zu führen. Im Fall von konkurrierender Adsorption zweier Quellchemikalien wird vorzugsweise die gesamte Substratoberfläche gleichzeitig der Gasmischung ausgesetzt. Die Duschkopfstrukturen der 2A bis 2C, die für ALD durch Trennung von Vorläuferkanälen konfiguriert sind, sind für ein solches simultanes Aussetzen mit oder ohne Aktivierung eines Plasmas in der oberen Kammer besonders vorteilhaft. Somit können Konzentrationsgradienten von der Einlassseite zur Auslassseite auf dem Substrat verhindert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass 10 lediglich schematisch ist und nicht skaliert ist. Weiterhin führen die bevorzugten Prozessbedingungen tatsächlich zu einer vollständigen Monoschicht, die nach einer Mehrzahl von Zyklen gebildet wird. Obwohl theoretisch die Reaktanten an jeder zugänglichen Stelle der ausgesetzten Schicht des Werkstücks chemisorbieren, limitieren im Allgemeinen die physikalische Größe der adsorbierten Spezies (und insbesondere solche mit endständigen Liganden) die Abdeckung bei jedem Zyklus zu einem Bruchteil einer Monoschicht. In der veranschaulichten Ausführungsform bildet sich ungefähr 0,59 Å ZrO₂ pro Zyklus, so dass eine vollständige Monoschicht sich effektiv nach mehreren Zyklen bildet, wobei jeder Zyklus durch ein Paar von Metallquellgasen und Oxidationsquellgaspulsen wiedergegeben ist.
Wie durch gepunktete Linien veranschaulicht, können die Oxidationsquellgaspulse 304a, 304b etc. im Verlauf der Zunahme des Verunreinigungsquellgases in Abhängigkeit der Materialien reduziert werden. Dementsprechend kann der Stickstoffgehalt in der resultierenden dielektrischen Metalloxynitridschicht von 0 % in der Masse auf einen maximal erwünschten Wert (vorzugsweise zwischen etwa 1 % und 10 % Stickstoff, bezogen auf Atomverhältnis) an der oberen Grenzfläche erhöht werden.
Während das veranschaulichte Beispiel die Graduierung einer Stickstoffkonzentration in einer einfachen Metalloxidschicht wird der Fachmann im Lichte dieser Beschreibung unmittelbar erkennen, dass dieselben Prinzipien zur Bildung graduierter Profile in anderen dielektrischen Gate-Materialien, wie z. B. binären und ternären Metalloxiden (z. B. BST, SBT) durch ALD angewendet werden können. Ebenfalls, obwohl nicht in 10 gezeigt, können zusätzliche Abfangpulse bereitgestellt werden, um mit verflüchtigten gefährlichen Halogeniden (z. B. Cl) und Halogenidverbindungen (z. B. Ammoniumhalogeniden, Wasserstoffhalogeniden) zu reagieren. Solche Abfangpulse können die Zufuhr stark reduzierender Mittel, wie z. B. Triethylbor (TEB) in Pulsen auf das Substrat während der ALD-Prozessen vorzugsweise während jeden Zyklus umfassen.
11 veranschaulicht eine Anordnung, bei der Stickstoff in separaten Stickstoffquellgaspulsen (z. B. die jeweils einen Ammoniakpuls und einen Spülpuls umfasst) Oxidationsphasen folgend zugegeben wird. Wenn z. B. die bevorzugte obere Grenzfläche ausgebildet wird, kann der Stickstoffquellgaspuls Oxidationsquellgaspulse ersetzen oder zusätzlich zu diesen verwendet werden, wie z. B. alle zehn Zyklen während der letzten Stufen der Abscheidung. Um den Stickstoffgehalt graduell zu verändern, kann die Frequenz der Stickstoffquellgaspulse (z. B. relativ zu der Frequenz der Metallquellgaspulse) erhöht werden, bis der maximale erwünschte Stickstoffgehalt erreicht ist. Wenn die bevorzugte untere Grenzfläche gebildet wird, kann eine hohe Frequenz von Stickstoffquellgaspulsen anfänglich eingesetzt werden, gefolgt von einer Verringerung der Stickstoffpulsfrequenz, um ein im Wesentliches stickstofffreies Metalloxid in der Masse zu erreichen.
Somit wird der alternierende Basisprozess zur Abscheidung von Metalloxid (z. B. durch alternierende Metall- und Oxidationsmittelpulse) anfänglich modifiziert, um eine untere Grenzfläche eines Metalloxynitrids abzuscheiden mit relativ geringen Mengen an Stickstoff (z. B. etwa 0,1 % bis 1 % Stickstoff, bezogen auf Atomverhältnis), fährt fort mit ALD mit einem im Wesentlichen reinen (z. B. weniger als etwa 0,1 % Stickstoff) Metalloxid in einem mittleren Teil des Verfahrens, und zum Zeitpunkt, bei dem die erwünschte Dielektrikadicke erreicht ist, erhöht der alternierende Prozess wiederum die Frequenz von Stickstoffpulsen, um eine obere Grenzfläche an Metalloxynitrid mit relativ hohen Mengen an Stickstoff (z. B. etwa 1 % bis 10 % Stickstoff) bereitzustellen.
Vorteilhafterweise setzt das Verfahren intermediäre Reduktionsphasen ein, um Halogenid zu entfernen, wie zwischen Metall- und Stickstoffquellphasen veranschaulicht. Die intermediäre Reduktionsphase verhindert den Aufbau von Wasserstoffhalogenid, was für das freigesetzte Metall nachteilig sein könnte und verringert den Halogenidgehalt in dem Dielektrikum. Es wird aber darauf hingewiesen, dass in anderen Anordnungen die Reduktionsphase in einer unterschiedlichen Sequenz durchgeführt oder weggelassen werden kann. Tabelle II
Bezug nehmend auf Tabelle II oben wird ein exemplarisches Prozessrezept zur Ausbildung der erwünschten graduierten dielektrischen Schicht weiter unten beschrieben. Vier Phasen (jede Phase ist in der veranschaulichten Ausführungsform definiert, so dass sie eine Spülung, gefolgt von Reaktantenpulsen umfasst) sind beschrieben:

(1) eine Metallphase (z. B. ZrCl₄-Puls + Spülung)
(2) eine Reduktionsphase (z. B. TEB-Puls + Spülpuls)
(3) eine Oxidationsmittelphase (z. B. H₂O-Puls + Spülpuls)
(4) eine Stickstoffphase (z. B. NH₃-Puls + Spülpuls)

Variierende Verhältnisse dieser Phasen werden während des kontinuierlichen Abscheidungsprozesses in Abhängigkeit der Stufe des Abscheidungsprozesses eingesetzt. In der veranschaulichten Ausführungsform werden z. B. während der anfänglichen Stufen Phasen (1) bis (4) mit einer relativ geringen Frequenz an Stickstoffphase (4) eingesetzt, um zu einem niedrigen Stickstoffgehalt (z. B. 0,1 % bis 1 % Stickstoff, bezogen auf Atomverhältnis) an der Substratoberfläche zu erzeugen. Während mittlerer Stufen werden Phasen (1) bis (3) eingesetzt, um im Wesentliches reines ZrO₂ in der Masse auszubilden. Während der letzten Stufen der Abscheidung werden wiederum Phasen (1) bis (4) eingesetzt mit einer relativ großen Frequenz von Phase (4), um einen hohen Stickstoffgehalt (z. B. 1 % bis 10 % Stickstoff, bezogen auf Atomverhältnis) an der Gate-Elektrodengrenzfläche zu erzeugen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Reduktionsphase (2) für alle Stufen der Abscheidung optional ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die Reduktionsphase das Abfangen von Halogeniden, die aufgrund des Metallhalogenidquellgases übrig bleiben. Die Reduktionsphase wird daher vorzugsweise eingesetzt, um den Chlorgehalt in dem wachsenden Film zu verringern. Es wird darauf hingewiesen, dass die Reduktionsphase, falls eingesetzt, nicht in jedem Zyklus eingesetzt werden muss und falls in jedem Zyklus eingesetzt, nicht unmittelbar nach der Metallphase eingesetzt werden muss.
11 veranschaulicht und Tabelle II stellt Parameter zur Verfügung für die Zyklen eines ALD-Prozesses zur Abscheidung einer graduierten Schicht von Metalloxid und Metalloxynitrid. Vorzugsweise dient die Schicht als Gate-Dielektrikum zwischen einem Halbleitersubstrat und einer Transistor-Gate-Elektrodenschicht. In dem beispielhaften Prozessrezept enthält ein Metallquellgas Zircontetrachlorid (ZrCl₄), ein Trägergas enthält Stickstoff (N₂), ein Reduktionsmittel enthält Triethylbor (TEB), ein Oxidationsmittelquellgas enthält Wasserdampf (H₂O) und ein Stickstoffquellgas enthält Ammoniak (NH₃).
Zwei Drei-Phasen-Zyklen 450 sind in 11 gezeigt. Solche Drei-Phasen-Zyklen 450 werden mit hoher Frequenz zur Ausbildung der Masse des Dielektri kums durchgeführt, mit niedrigerer Frequenz zur Ausbildung der unteren Grenzfläche über dem Transistorkanal und mit niedrigster Frequenz in der Ausbildung der oberen Grenzfläche unterhalb der Gate-Elektrode.
Ein Vier-Phasen-Zyklus 455 wird ebenfalls gezeigt. Zusätzlich zu den Drei-Phasen-Zyklus 450 enthält der Vier-Phasen-Zyklus einen Stickstoffpuls und eine Spülung. Solche Vier-Phasen-Zyklen 455 können mit niedrigster Frequenz geführt werden, um die Masse des Dielektrikums zu bilden, mit hoher Frequenz zur Ausbildung der unteren Grenzfläche über dem Transistorkanal und mit höchster Frequenz zur Ausbildung der oberen Grenzfläche unterhalb der Gate-Elektrode.
Es wird darauf hingewiesen, dass unterschiedliche Verunreinigungen für die maßgeschneiderten Dielektrika verwendet werden können. Zum Beispiel kann der Zirconiumquellgaspuls in einem ZrO₂-ALD-Basisprozess periodisch durch ein Trimethylaluminium (TMA)-Puls während der anfänglichen Abscheidung ersetzt werden, wodurch eine untere Grenzfläche aus aluminiumdotiertem Zirconiumoxid gebildet wird. Der TMA-Puls kann mit abnehmender Frequenz bereitgestellt werden, bis reines Zirconiumdioxid (ZrO₂) für die Masse des Elektrikums gebildet wird. In einem exemplarischen Prozess dient TMA als Aluminiumquellgas und kann bei derselben Temperatur (z. B. 300°C) wie für den Zirconiumoxid-ALD-Prozess abgeschieden werden. Alternativ kann Aluminiumquellgas gleichzeitig oder mit zunehmendem Anteil an Zirconquellgas während eines Metallpulses, der sich kontinuierlich mit einem Oxidationsmittelpuls abwechselt, eingebracht werden. In diesem Fall kann der Fachmann durch Routineexperimente feststellen, welche Anteile an Aluminiumquellgas zu Zirconiumquellgas verwendet werden sollen, um die gewünschten Materialverhältnisse in der Schicht zu erhalten. In ähnlicher Weise wird der Fachmann unmittelbar feststellen, dass andere Gate-Dielektrikum-Materialien ebenfalls in dieser Art und Weise erzeugt werden können.
In den obigen Beispielen für Aluminiumoxid und Zirconiumoxid dient Aluminiumoxid als gute Diffusionsbarriere mit guten elektrischen Grenzflächeneigenschaften, während Zirconiumdioxid eine insgesamt höhere Dielektrizitätskonstante für das Dielektrikum bereitstellt. Das Gate-Dielektrikum kann wiederum von einer un teren Grenzfläche mit hohem Aluminiumgehalt zu im Wesentlichen reinen ZrO₂ zu einer oberen Grenzfläche mit hohem Aluminiumgehalt graduiert werden. Der Aluminiumgehalt an der Grenzfläche stellt eine amorphe, gute Diffusionsbarriere bereit, die das Dielektrikum gegen Reaktion mit oberen oder unteren Materialien stabilisiert.
In jeder der oben beschriebenen ALD-Anordnungen zum Maßschneidern von Verunreinigungskonzentration in einer ultradünnen (< 7 nm) dielektrischen Schicht, wie beispielhaft in 10 und 11 gezeigt, kann die Verunreinigung über einen entfernten Plasmagenerator zugeführt werden. Die Zufuhr an angeregten Stickstoffspezies kann wie oben unter Bezugnahme auf die CVD-Ausführungsform beschrieben, variiert werden. Vorteilhafterweise sind die Reaktoren der 2A bis 2C besonders geeignet, um angeregte Spezies separat von anderen Vorläufern einem ALD-Prozess zuzuführen.
Der Fachmann versteht, dass verschiedene Weglassungen, Additionen und Modifikationen an dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen und alle solche Modifikationen und Änderungen sind dazu gedacht, unter den Schutzbereich der Erfindung zu fallen, wie sie in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer dielektrischen Schicht mit einer kontrollierten Variation der Stickstoffkonzentration entlang ihrer Dicke, umfassend: Abscheiden des dielektrischen Materials auf einem Substrat bei einer Substrattemperatur von weniger als ungefähr 500°C und Variieren der Zufuhr von Stickstoff zu dem Substrat während der Abscheidung des dielektrischen Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Variieren der Zufuhr von Stickstoff zwei voneinander getrennte Stickstoff-Peaks an Grenzflächen erzeugt, wobei eine niedrigere Stickstoffkonzentration in der dazwischenliegenden Masse des Materials vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Variieren das Ändern der Zufuhr von Stickstoff von einem ersten Niveau an Stickstoffzufuhr zu einem zweiten dazwischenliegenden Niveau an Stickstoffzufuhr zu einem dritten Niveau an Stickstoffzufuhr umfasst, wobei das zweite Niveau niedriger als sowohl das erste Niveau als auch das dritte Niveau ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das dritte Niveau höher ist als das erste Niveau.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante von größer als ungefähr 7 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante von größer als ungefähr 10 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substrattemperatur während der Abscheidung unterhalb ungefähr 400°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend eine Vielzahl von Atomschichtenabscheidungszyklen, wobei jeder Zyklus umfasst: Zur-Verfügung-Stellen eines Metallpulses eines Gases einer Metallquelle, Entfernen von überschüssigem Gas einer Metallquelle und Nebenprodukten aus dem Metallpuls, Zur-Verfügung-Stellen eines Oxidationsmittelpulses eines Gases einer Sauerstoffquelle und Entfernen von überschüssigem Gas einer Sauerstoffquelle und Nebenprodukten aus dem Oxidationsmittelpuls.
Verfahren nach Anspruch 8, das zusätzlich Zur-Verfügung-Stellen variierender Mengen eines Gases einer Stickstoffquelle während des Oxidationsmittelpulses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Gas einer Stickstoffquelle angeregte Stickstoffspezies umfasst, die durch einen entfernten Plasmagenerator erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine ausgewählte Zahl der Vielzahl von Zyklen weiterhin das Zur-Verfügung-Stellen eines Stickstoffpulses eines Gases einer Stickstoffquelle umfasst, wobei Variieren der Zufuhr von Stickstoff Variieren der Frequenz des Stickstoffpulses während der Ausbildung der dielektrischen Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Gas einer Stickstoffquelle angeregte Stickstoffspezies umfasst, die durch einen entfernten Plasmagenerator erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Zuführen einer Metallquelle gleichzeitig mit Zuführen einer Oxidationsmittelquelle zu dem Substrat und Zuführen variierender Mengen von angeregten Stickstoffspezies durch einen entfernten Plasmagenerator.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metallquelle eine metallorganische Quelle enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Zuführen variierender Mengen von angeregten Stickstoffspezies das Variieren der Strömungsgeschwindigkeit des Gases einer Stickstoffquelle durch den entfernten Plasmagenerator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Zuführen variierender Mengen von angeregten Stickstoffspezies das Variieren der Energiemenge, die dem entfernten Plasmagenerator zur Verfügung gestellt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Zuführen variierender Mengen von angeregten Stickstoffspezies das Variieren der Menge von Trägergas, das durch den entfernten Plasmagenerator, während der Strom des Gases einer Stickstoffquelle konstant gehalten wird, zugeführt wird, umfasst.
Dielektrische Schicht in einem integrierten Schaltkreis, enthaltend ein Metalloxid überall in der Dicke der dielektrischen Schicht, wobei das Metalloxid eine dielektrische Konstante von mehr als ungefähr 7 aufweist, die dielektrische Schicht eine untere Grenzfläche mit einer ersten Stickstoffkonzentration, eine Hauptmasse mit einer zweiten Stickstoffkonzentration, die niedriger ist als die erste Stickstoffkonzentration, und eine obere Grenzfläche mit einer dritten Stickstoffkonzentration, die höher ist als die zweite Stickstoffkonzentration, aufweist.
Dielektrische Schicht nach Anspruch 18, wobei die erste Stickstoffkonzentration niedriger ist als die dritte Stickstoffkonzentration.
Dielektrische Schicht nach Anspruch 19, wobei die erste Stickstoffkonzentration zwischen mehr als ungefähr 0,1 Atom-% und 10 Atom-% liegt, die zweite Stickstoffkonzentration geringer ist als ungefähr 0,1 Atom-% und die dritte Stickstoffkonzentration zwischen ungefähr 1 Atom-% und 10 Atom-% liegt.
Dielektrische Schicht nach Anspruch 20, wobei die erste Stickstoffkonzentration zwischen ungefähr 0,1 Atom-% und 1 Atom-% liegt und die zweite Stickstoffkonzentration geringer als ungefähr 0,01 Atom-% ist.
Dielektrische Schicht nach Anspruch 18, wobei das Metalloxid ein Oxid eines Gruppe-4-Metalls enthält.
Dielektrische Schicht nach Anspruch 22, wobei das Metalloxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ZrO₂ und HfO₂.