DE19853598A1 - Dünnschichtherstellungsverfahren mit atomarer Schichtdeposition - Google Patents
Dünnschichtherstellungsverfahren mit atomarer SchichtdepositionInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Dünnschichtherstellungsverfahren unter Verwendung atomarer Schichtdeposition. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird auf einem Substrat durch Einleiten eines ersten Reaktanden in eine Reaktionskammer der erste Reaktand chemisch absorbiert, auf dem chemisch absorbierten ersten Reaktanden physikalisch absorbiertes erstes Reaktandenmaterial mittels Spülen oder Pumpen der Kammer entfernt, auf dem Substrat durch Einleiten des ersten Reaktanden in die Kammer selbiger dicht chemisch absorbiert, auf dem dicht chemisch absorbierten ersten Reaktanden physikalisch absorbiertes erstes Reaktandenmaterial mittels Spülen oder Pumpen der Kammer entfernt, ein zweiter Reaktand durch Einleiten desselben in die Kammer chemisch auf der Substratoberfläche absorbiert, darauf physikalisch absorbiertes zweites Reaktandenmaterial entfernt und eine feste Dünnschicht unter Verwendung eines chemischen Austauschs durch dichtes Absorbieren des erneut in die Kammer eingeleiteten zweiten Reaktanden gebildet. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Herstellung dünner Schichten in Halbleiterbauelementen, Flüssigkristall- und Elektrolumineszenzanzeigen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Dünnschicht mittels atomarer Schichtdeposition (ALD).
Eine Dünnschicht wird beispielsweise als Dielektrikum in ei
nem Halbleiterbauelement, als transparente Leiterschicht ei
ner Flüssigkristallanzeige oder als Schutzschicht einer Dünn
schicht-Elektrolumineszenzanzeige verwendet. Die dünne
Schicht kann durch Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung
oder das ALD-Verfahren gebildet werden.
ALD ist ein oberflächengesteuerter Prozeß, der eine zweidi
mensionale Deposition Schicht-um-Schicht verwendet. Durch das
ALD-Verfahren wird die Deposition in einem oberflächenkineti
schen Bereich durchgeführt, so daß sich eine ausgezeichnete
Stufenbedeckung ergibt. Außerdem wird ein Reaktand durch che
mischen Austausch unter periodischer Zuführung des Reaktanden
ohne Pyrolyse zersetzt, so daß der resultierende Film eine
hohe Dichte und eine präzise Stöchiometrie aufweist. Zudem
sind die durch den chemischen Austausch entstehenden Neben
produkte gasförmig und können leicht entfernt werden, so daß
eine zugehörige Reaktionskammer leicht gereinigt werden kann.
Im ALD-Verfahren ist die Temperatur die einzige Prozeßvaria
ble, so daß der Prozeß leicht gesteuert und aufrechterhalten
werden kann. Jedoch können beim konventionellen ALD Defekte,
wie z. B. Nadellöcher, in dem dünnen Film erzeugt werden, in
dem nicht ausreichend Reaktandmaterial auf der Oberfläche ei
nes Substrats absorbiert wird. Dies kann die physikalischen
Eigenschaften der Dünnschicht, wie z. B. die Filmdichte, ver
schlechtern. Zudem kann es beim herkömmlichen ALD zu einem
nicht vollständigen Entfernen eines chemischen Liganden kom
men, wodurch dann kein präzis stöchiometrischer dünner Film
erhalten werden kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel
lung eines Dünnschichtherstellungsverfahrens zugrunde, mit
dem es möglich ist, eine dünne Schicht mit präziser Stöchio
metrie und hoher Filmdichte durch atomare Schichtdeposition
zu erhalten.
Die Erfindung löst dieses Problern durch die Bereitstellung
eines Dünnschichtherstellungsverfahrens mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Indem der erste Reaktand und der zweite Reaktand
genauer abgestimmt absorbiert und die Verunreinigungen voll
ständig mittel pumpen oder Spülen entfernt werden, läßt sich
eine präzis stöchiometrische Dünnschicht mit hoher Filmdichte
erzielen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen angegeben.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 bis 8 schematische Querschnittsansichten eines
Substrats in verschiedenen Stufen eines Dünn
schichtherstellungsverfahrens mit atomarer Schichtde
position,
Fig. 9A und 9B zwei Querschnittsansichten entsprechend Fig.
8, jedoch für andere Ausführungsbeispiele, in denen
die Dünnschicht auf andere Weise unter Verwendung
atomarer Schichtdeposition hergestellt wird,
Fig. 10 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Dünnschichther
stellungsverfahrens geeigneten Dünnschichtherstel
lungsapparatur,
Fig. 11 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Dünnschicht
herstellungsverfahrens,
Fig. 12 ein Diagramm der Dicke eines durch das erfindungsge
mäße Dünnschichtherstellungsverfahren gebildeten Alu
miniumoxidfilms in Abhängigkeit von der Anzahl durch
geführter Herstellungszyklen,
Fig. 13 ein Diagramm der Dicke eines durch das erfindungsge
mäße Dünnschichtherstellungsverfahren gebildeten Alu
miniumoxidfilms in Abhängigkeit vorn Substratort und
Fig. 14 und 15 Diagramme des Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Wellenlänge für einen erfindungsgemäß bzw.
einen herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidfilm.
Die Fig. 1 bis 8 veranschaulichen Prozeßschritte einer erfin
dungsgemäßen Herstellung einer dünnen Schicht unter Verwen
dung atomarer Schichtdeposition. Dabei werden, wenn eine ab
zuscheidende dünne Schicht aus einer zweikomponentigen Ver
bindung besteht, welche die Komponenten A und B enthält, ein
erster Reaktand mit ARn(g) und ein zweiter Reaktand mit
BPn(g) bezeichnet. Rn ist hierbei ein chemischer Ligand, der
aus einer Anzahl n von R-Radikalen gebildet wird. Analog ist
Pn ein chemischer Ligand, der aus einer Anzahl n von P-
Radikalen gebildet wird. Mit g wird ein gasförmiger Zustand
bezeichnet.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird der erste Reaktand chemisch und
physikalisch in der Oberfläche eines Substrates 1, z. B. eines
(100)-Siliciumsubstrates, absorbiert, indem der erste Re
aktand ARn(g) in eine nicht gezeigte Reaktionskammer einge
leitet wird, in die das Substrat 1 eingebracht wurde. Der er
ste Reaktand wird chemisch in die Oberfläche des Substrates
absorbiert. Der in den chemisch absorbierten ersten Reaktand
absorbierte erste Reaktand wird physikalisch absorbiert. Da
der erste Reaktand ARn(g) insgesamt zur gleichen Zeit einge
leitet wurde, kann ein Platz, der eine chemische Absorption
bewirken kann, mit dem physikalisch absorbierten ARn(g) be
deckt sein. Dementsprechend kann sich auf dem Substrat ein
Leerraum 3 bilden.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird der physikalisch absorbierte er
ste Reaktand durch Spülen oder Pumpen vollständig aus der
Kammer entfernt, in welcher der chemisch und der physikalisch
absorbierte erste Reaktand gebildet wurden. Dadurch verbleibt
der chemisch absorbierte erste Reaktand auf der Oberfläche
des Substrates 1. Der chemisch absorbierte erste Reaktand ist
ARn(s), d. h. er befindet sich im Festkörperzustand, wobei
viele Bereiche der Oberfläche des Substrates 1 freiliegen.
Mit s ist ein Festkörperzustand bezeichnet.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird der erste Reaktand dicht in die
Oberfläche des Substrates 1 chemisch und physikalisch absor
biert, indem erneut der erste Reaktand ARn(g) in die Kammer
eingeleitet wurde, die das Substrat 1 enthält, auf welchem
das feste ARn(s) gebildet wurde. Dadurch wird der erste Re
aktand in den freien Stellen 3 von Fig. 1 chemisch und physi
kalisch absorbiert. Wie in Fig. 1 wird der erste Reaktand in
die Oberfläche des Substrates 1 chemisch absorbiert, während
auf dem chemisch absorbierten ersten Reaktand der physika
lisch absorbierte erste Reaktand gebildet wird.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird der physikalisch absorbierte er
ste Reaktand durch Pumpen oder Spülen der Kammer vollständig
entfernt, die das Substrat 1 enthält, auf welchem der che
misch absorbierte erste Reaktand gebildet ist. Der Prozeß des
Einleitens des ersten Reaktanden und des Entfernens des phy
sikalisch absorbierten ersten Reaktanden wird zweimal durch
geführt, so daß nur der dicht chemisch absorbierte erste Re
aktand, d. h. das feste ARn(s), auf der Oberfläche des
Substrates 1 verbleibt und Verunreinigungen, wie ein chemi
scher Ligand, vollständig entfernt werden, wobei s einen
Festkörperzustand bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbei
spiel können die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Prozesse auch
mehr als zweimal wiederholt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wird dann ein zweiter Reaktand BPn(g)
in die Kammer eingeleitet, die das Substat 1 enthält, auf dem
der dicht chemisch absorbierte erste Reaktand gebildet ist,
wobei der zweite Reaktand auf der Oberfläche des Substrats
chemisch absorbiert wird und in den chemisch absorbierten
zweiten Reaktand physikalisch absorbiert wird. Dadurch bildet
sich eine Monoschicht aus den chemisch absorbierten ersten
und zweiten Reaktanden, die auf dem Niveau einer aus A- und
B-Atomen durch chemischen Austausch gebildeten atomaren
Schicht nicht dicht ist. In diesem Stadium werden Rn und Pn,
die chemische Liganden sind, in einem Zustand mit hohem
Dampfdruck entfernt. Da der zweite Reaktand in Fig. 5 wie der
erste Reaktand von Fig. 1 nicht dicht in die Oberfläche des
Substrates chemisch absorbiert wird, wird der zweite Reaktand
nicht im adäquater Weise chemisch mit dem ersten Reaktanden
ausgetauscht. Wegen dieses nicht adäquaten chemischen Aus
tauschs des zweiten mit dem ersten Reaktanden werden Verun
reinigungen in der Monoschicht gebildet, oder es wird kein
stöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis erreicht.
Bezugnehmend auf Fig. 6 wird der physikalisch absorbierte
zweite Reaktand durch Pumpen oder Spülen der Kammer entfernt,
in welcher die nicht dichte Monoschicht und der physikalisch
absorbierte zweite Reaktand gebildet wurden. Dadurch entsteht
eine chemisch absorbierte, feste Monoschicht auf der Oberflä
che des Substrates. Da die feste Monoschicht von Fig. 6 aus
ARnBPn(s) besteht, verbleiben Verunreinigungen von RnPn(s),
das stöchiometrische Zusammensetzungsverhältnis wird nicht
erreicht, und die Filmdichte ist mäßig, wobei s wiederum ei
nen Feststoffzustand bezeichnet.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird zwecks Verbesserung des stöchio
metrischen Zusammensetzungsverhältnisses und der Filmdichte
der zweite Reaktand chemisch und physikalisch in die Oberflä
che des Substrates absorbiert, indem erneut der zweite Re
aktand Bpn(g) in die Kammer eingeleitet wird, die das
Substrat enthält, auf der die nicht dichte, feste Monoschicht
gebildet worden ist. Der in die Oberfläche des Substrates ab
sorbierte zweite Reaktand wird chemisch absorbiert. Der in
den chemisch absorbierten zweiten Reaktanden absorbierte
zweite Reaktand wird physikalisch absorbiert. Dadurch bilden
die chemisch absorbierten ersten und zweiten Reaktanden eine
dichte Monoschicht mit einer Dichte auf dem Niveau der aus
den A- und B-Atomen durch das chemische Austauschverfahren
erzeugen atomaren Schicht. In diesem Stadium werden die che
mischen Liganden Rn und Pn in einem gasförmigen Zustand mit
hohem Dampfdruck entfernt.
Da in Fig. 7 der zweite Reaktand chemisch in die Oberfläche
des Substrates, die in Fig. 5 nicht dicht chemisch absorbiert
wurde, chemisch absorbiert wird, wird der zweite Reaktand
ausreichend mit dem dichten ersten Reaktanden chemisch ausge
tauscht, so daß die Verunreinigungen in der Monoschicht ver
ringert werden und das stöchiometrische Zusammensetzungsver
hältnis erreicht wird.
Bezugnehmend auf Fig. 8 wird der physikalisch absorbierte
zweite Reaktand vollständig mittels Spülen oder Pumpen der
Kammer entfernt, in welcher die dichte Monoschicht und der
physikalisch absorbierte zweite Reaktand gebildet wurden. Da
durch verbleibt auf der Oberfläche des Substrates nur noch
die dichte Feststoff-Monoschicht, die dicht und chemisch ab
sorbiert ist, d. h. AB(s), wobei s wiederum einen Feststoffzu
stand bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können
die Prozesse gemäß den Fig. 5 bis 8 auch mehr als zweimal
wiederholt werden.
In Fig. 8 werden die Komponenten A und B an der Oberfläche
des Substrates gebildet, so daß eine Verbindung AB(s) ent
steht. Wenn jedoch die erfindungsgemäße atomare Schichtdepo
sition angewendet wird, kann die Komponente A auf der Ober
fläche des Substrates und die Komponente B auf der Komponente
A gebildet werden, wodurch die in Fig. 9A gezeigte Verbindung
AB(s) entsteht, oder es können beide Komponenten A und B auf
der Oberfläche des Substrates gebildet sowie die Komponente B
auf der Komponente A und die Komponente A auf der Komponente
B gebildet werden, um dadurch insgesamt die Verbindung AB(s)
zu erzeugen.
Nachfolgend werden die Prozesse zur Erzeugung einer Dünn
schicht unter Verwendung des erfindungsgemäßen Dünnschicht
herstellungsverfahrens näher erläutert.
Fig. 10 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Dünn
schichtherstellungsapparatur, die für das erfindungsgemäße
Dünnschichtherstellungsverfahren verwendet werden kann. Fig.
11 veranschaulicht das erfindungsgemäße Dünnschichtherstel
lungsverfahren in einem Flußdiagramm.
Nach Laden eines Substrates 3, z. B. eines (100)-
Siliciumsubstrates, in eine Kammer 30 wird das Substrat unter
Verwendung eines Heizers 5 auf eine Temperatur von ungefähr
150°C bis 375°C, vorzugsweise 300°C, gebracht (Schritt 100)
Hierbei wird die Temperatur des Heizers 5 auf etwa 450°C ge
halten, wenn die Temperatur des Substrates auf etwa 300°C ge
halten werden soll.
Ein erster Reaktand 11, wie Al(CH3)3, d. h. TMA, wird aus ei
ner ersten Waschflasche 12 in die Kammer 30 für 0,1s bis 10s,
vorzugsweise 0,5s, in die Kammer eingeleitet, während die
Kammer 30 auf 150°C bis 375°C gehalten wird (Schritt 105).
Der erste Reaktand 11 wird folglich unter Verwendung eines
Sprudelverfahrens eingeleitet. Der erste Reaktand 11 wird
über eine erste Gasleitung 13 und einen Duschkopf 15 unter
selektivem Betätigen einer Ventilanordnung 9 zugeführt, nach
dem der erste Reaktand 11 von einem flüssigen Zustand mittels
Einleiten von 100sccm eines Ar-Trägergases aus einer Gasquel
le 19 in die erste Waschflasche 12, die bei einer Temperatur
von 20°C bis 22°C gehalten wird, in ein Gas überführt wurde.
Über eine zweite Gasleitung 18 und den Duschkopf 15 werden
400sccm Stickstoffgas aus der Gasquelle 19 zugeführt, um die
Fließgeschwindigkeit des ersten Reaktanden 11 zu verbessern
und den ersten Reaktanden 11 während der Einleitung desselben
zu verdünnen. Im Ergebnis werden damit 500sccm Gas während
des Einleitens des ersten Reaktanden 11 in die Kammer 30 ein
gebracht. In diesem Stadium wird der Druck in der Kammer bei
1 Torr bis 2 Torr gehalten. Dadurch wird der erste Reaktand
11 auf einem atomaren Niveau in die Oberfläche des Substrates
3 chemisch absorbiert. Auf dem chemisch absorbierten ersten
Reaktand 11 bildet sich der physikalisch absorbierte erste
Reaktand 11.
Der physikalisch absorbierte erste Reaktand wird dann durch
selektives Betätigen der Ventilanordnung 9 aus der Kammer 30
entfernt, während die Temperatur bei 150°c bis 375°C und der
Druck bei 1 Torr bis 2 Torr gehalten werden und die 400sccm
Stickstoffgas aus der Gasquelle 19 für 0,1s bis 10s, vorzugs
weise 1s, zur Spülung eingeströmt werden, wozu die erste Gas
leitung 13 oder die zweite Gasleitung 18 verwendet wird
(Schritt 110). Im vorliegenden Beispiel wird der physikalisch
absorbierte erste Reaktand durch Spülen entfernt. Der physi
kalisch absorbierte erste Reaktand kann jedoch auch durch
Pumpen der Kammer in einen Vakuumzustand ohne Spülen entfernt
werden.
Anschließend wird der erste Reaktand 11 erneut in die Kammer
30, aus welcher der physikalisch absorbierte erste Reaktand
entfernt wurde, wie im Schritt 105 eingeleitet (Schritt 115)
Hierbei ist die Zeitdauer für das Einleiten des ersten Re
aktanden im Schritt 115 gleich groß oder kürzer als diejenige
für das Einleiten des ersten Reaktanden im Schritt 105. Der
physikalisch absorbierte erste Reaktand wird dann aus der
Kammer 30 wie im Schritt 110 entfernt (Schritt 120). Hierbei
ist die für das Entfernen des physikalisch absorbierten er
sten Reaktanden im Schritt 120 verwendete Zeitdauer gleich
groß oder kürzer als diejenige zum Entfernen des ersten Re
aktanden im Schritt 110. Wenn das Einleiten des ersten Re
aktanden und der Spülprozeß wiederholt durchgeführt werden,
bildet sich auf dem Substrat der dicht chemisch absorbierte
erste Reaktand. Im vorliegenden Beispiel werden die Prozesse
des Einleitens des ersten Reaktanden und des Entfernens des
physikalisch absorbierten ersten Reaktanden jeweils zweimal
durchgeführt. Die Prozesse können jedoch auch öfter ausge
führt werden.
Danach wird in die Kammer, die das Substrat enthält, auf dem
der dicht chemisch absorbierte erste Reaktand gebildet wurde,
ein zweiter Reaktand 17, wie deionisiertes Wasser, aus einer
zweiten Waschflasche 14 über eine dritte Gasleitung 16 und
den Duschkopf 15 für eine Zeitdauer von Millisekunden bis
10s, vorzugsweise 0,5s, durch selektives Betätigen einer Ven
tilanordnung 10 eingeleitet, während eine Temperatur von
150°C bis 350°C und ein Druck von 1 Torr bis 2 Torr aufrecht
erhalten werden (Schritt 125).
Wie der erste Reaktand wird somit auch der zweite Reaktand 17
unter Verwendung des Sprudelverfahrens eingeleitet. Dabei
wird der zweite Reaktand über die dritte Gasleitung 16 und
den Duschkopf 15 zugeführt, nachdem er aus einem flüssigen
Zustand durch Einleiten von 100sccm eines Ar-Trägergases aus
der Gasquelle 19 in die zweite Waschflasche 14, die bei einer
Temperatur von 20°C bis 22°C gehalten wird, in einen Gaszu
stand gebracht wurde. Über die zweite Gasleitung 18 und den
Duschkopf 15 werden wiederum 400sccm Stickstoffgas eingelei
tet, um die Fließgeschwindigkeit des zweiten Reaktanden 17
während des Einleitens desselben zu verbessern und ihn zu
verdünnen. Als Ergebnis beträgt die in die Kammer 30 während
des Einleitens des zweiten Reaktanden 17 eingebrachte Gasmen
ge 500sccm. Der Druck in der Kammer 30 wird in diesem Stadium
bei 1 Torr bis 2 Torr gehalten. Dadurch wird der zweite Re
aktand chemisch in das Substrat 3 absorbiert, auf welcher der
dicht chemisch absorbierte erste Reaktand gebildet wurde. Des
weiteren wird der zweite Reaktand physikalisch in die che
misch absorbierten ersten und zweiten Reaktanden absorbiert.
Aus dem dicht chemisch absorbierten ersten Reaktanden und dem
chemisch absorbierten zweiten Reaktanden, der nicht dicht
ist, bildet sich durch das chemische Austauschverfahren ein
nicht dichter Aluminiumoxidfilm auf dem Niveau einer atomaren
Schicht.
Der physikalisch absorbierte zweite Reaktand wird dann durch
selektives Betätigen einer Ventilanordnung 10 aus der Kammer
30 entfernt, in welcher der auf dem Niveau einer atomaren
Schicht nicht dichte Aluminiumoxidfilm gebildet wurde, wozu
zwecks Spülung 400sccm Stickstoffgas aus der Gasquelle 19 für
0,1s bis 10s, vorzugsweise 1s, unter Verwendung der zweiten
Gasleitung 18 oder der dritten Gasleitung 16 eingeleitet wer
den, während eine Temperatur von 150°C bis 475°C und ein
Druck von 1 Torr bis 2 Torr aufrechterhalten werden (Schritt
130). Im vorliegenden Beispiel wird der physikalisch absor
bierte zweite Reaktand durch Spülen entfernt. Er kann jedoch
alternativ auch durch Pumpen der Kammer auf einen Vakuumzu
stand ohne Spülen entfernt werden.
Der zweite Reaktand 11 wird dann wie im Schritt 125 erneut in
die Kammer 30 eingeleitet, aus welcher der physikalisch ab
sorbierte zweite Reaktand entfernt wurde (Schritt 135). Hier
bei ist die zum Einleiten des zweiten Reaktanden im Schritt
135 benutzte Zeitdauer gleich groß oder kürzer als diejenige
zum Einleiten des zweiten Reaktanden im Schritt 125. An
schließend wird der physikalisch absorbierte zweite Reaktand
wie im Schritt 130 aus der Kammer 30 entfernt (Schritt 140)
Wenn die Prozesse des Einleitens des zweiten Reaktanden und
Entfernens des physikalisch absorbierten zweiten Reaktanden
wiederholt ausgeführt werden, bildet sich der dicht chemisch
absorbierte zweite Reaktand auf dem Substrat. Als Ergebnis
bilden der dicht chemisch absorbierte erste Reaktand und der
dicht chemisch absorbierte zweite Reaktand durch chemischen
Austausch einen Aluminiumoxidfilm auf dem Niveau einer atoma
ren Schicht. Im vorliegenden Beispiel werden die Prozesse des
Einleitens des zweiten Reaktanden und des Entfernens des phy
sikalisch absorbierten zweiten Reaktanden je zweimal ausge
führt. Sie können jedoch bei Bedarf auch öfter ausgeführt
werden.
Im Anschluß daran wird festgestellt, ob durch periodisches
und wiederholtes Durchführen der Schritte 105 bis 140 ein
dünner Film mit einer Dicke von ungefähr 1nm bis 100nm gebil
det wurde (Schritt 145). Wenn der dünne Film die gewünschte
Dicke aufweist, werden die Dünnschichtherstellungsprozesse
durch Zurückführen der Temperatur und des Drucks der Kammer
auf ihre Normalwerte und Beenden der Wiederholung des obigen
Zyklus abgeschlossen (Schritt 150).
Im Beispiel von Fig. 11 bilden die ersten und zweiten Re
aktanden den Aluminiumoxidfilm Al2O3 unter Verwendung von
Al(CH3)3, d. h. TMA, und deionisiertem Wasser. Wenn die ersten
und zweiten Reaktanden TiCl4 bzw. NH3 sind, kann ein TiN-Film
erzeugt werden. Wenn die ersten und zweiten Reaktanden MoCl5
bzw. H2 sind, kann ein Mo-Film erzeugt werden. Statt des Alu
miniumoxidfilms, des TiN-Films und des Mo-Films kann durch
das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren auch
eine feste Dünnschicht aus einer einzelnen Atomsorte, einem
einatomaren Oxid, einem zusammengesetzten Oxid, einem einato
maren Nitrid oder einem zusammengesetzten Nitrid gebildet
werden. Als Atomsorten für eine einatomare, feste Dünnschicht
können Al, Cu, Ti, Ta, Pt, Ru, Rh, Ir, W und Ag verwendet
werden. Als das einatomare Oxid können TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2,
Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2 und IrO2 verwendet werden.
Für den zusammengesetzten Oxidfilm können SrTiO3, PbTiO3,
SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La) (Zr,Ti)O3,
(Sr, Ca)RuO3, In2O3 dotiert mit Sn, In2O3 dotiert mit Fe und
In2O3 dotiert mit Zr verwendet werden. Als das einatomare Ni
trid können SiN, NbN, ZrN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN und BN
verwendet werden. Als das zusammengesetzte Nitrid können WBN,
WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN und AlTiN verwendet werden.
Wie oben angegeben, wird beim erfindungsgemäßen Dünn
schichtherstellungsverfahren nach wiederholtem Einleiten des
ersten Reaktanden und Entfernen des physikalisch absorbierten
ersten Reaktanden bei gleichmäßiger Aufrechterhaltung von
Temperatur und Druck der zweite Reaktand wiederholt eingelei
tet und der physikalisch absorbierte zweite Reaktand wieder
holt entfernt. Dadurch ist es möglich, eine präzis stöchiome
trische Dünnschicht mit hoher Filmdichte zu halten, da der
erste Reaktand durch chemischen Austausch mit dem dicht abge
schiedenen zweiten Reaktanden reagiert, während der erste Re
aktand dicht auf dem Substrat abgeschieden wird.
Fig. 12 veranschaulicht grafisch die Dicke der Aluminiumoxid
schicht pro Zyklus, hergestellt durch das erfindungsgemäße
Dünnschichtherstellungsverfahren. Auf der x-Achse ist die An
zahl von Zyklen abgetragen. Ein Zyklus umfaßt hierbei die
Schritte des Einleitens des ersten Reaktanden, des Entfernens
des physikalisch absorbierten ersten Reaktanden, des Einlei
tens des ersten Reaktanden, des Entfernens des physikalisch
absorbierten ersten Reaktanden, des Einleitens des zweiten
Reaktanden, des Entfernens des physikalisch absorbierten
zweiten Reaktanden, des Einleitens des zweiten Reaktanden und
des Entfernens des physikalisch absorbierten zweiten Reaktan
den. Auf der y-Achse ist die Dicke des Aluminiumoxidfilms ab
getragen. Wie aus Fig. 12 erkennbar, wächst nach dem erfin
dungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahren das Aluminium
mit einer Dicke von 0,11nm pro Zyklus auf, was in etwa einem
theoretischen Wert entspricht.
Fig. 13 veranschaulicht grafisch die Gleichmäßigkeit des auf
dem Substrat durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstel
lungsverfahren gebildeten Aluminiumoxidfilms. Auf der x-Achse
ist die Position abgetragen, an welcher jeweils die Filmdicke
eines Substrates mit einer Abmessung von 8 Inch gemessen wur
de. Die Meßpositionen lagen im Mittelpunkt, an vier um je
weils 90° voneinander auf einer Kreislinie um den Wafermit
telpunkt mit einem Radius von 3,5 Inch beabstandeten Punkten
und an vier um jeweils 90° voneinander auf einer Kreislinie
um den Wafermittelpunkt mit einem Radius von 1,75 Inch beab
standeten Punkten. Auf der y-Achse ist die Dicke des Alumini
umoxidfilms abgetragen. Wie aus Fig. 13 erkennbar, ergibt
sich über das 8-Inch-Substrat hinweg eine ausgezeichnete
Gleichmäßigkeit.
Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen grafisch den Brechungsin
dex in Abhängigkeit von der Wellenlänge für einen erfindungs
gemäß bzw. einen herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidfilm.
Auf der x-Achse ist jeweils der Wellenlängenbereich von 400nm
bis 800nm abgetragen. Auf der y-Achse ist der Brechungsindex
abgetragen.
Wie daraus erkennbar, liegt der Brechungsindex des erfin
dungsgemäß hergestellten Aluminiumoxidfilms im Wellenlängen
bereich von 400nm bis 800nm zwischen 1,67 und 1,73. Insbeson
dere beträgt, wie in den Fig. 14 und 15 dargestellt, bei ei
ner Wellenlänge von 500nm der Brechungsindex der erfindungs
gemäß hergestellten Aluminiumoxidschicht 1,698 und ist damit
größer als der Brechungsindex von 1,649 der herkömmlich ge
fertigten Aluminiumoxidschicht. Außerdem sei festgestellt,
daß sich eine hohe Filmdichte ergibt. Zudem ist der Bre
chungsindex der erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumoxid
schicht vergleichbar mit demjenigen, der nach einem Tempern
der herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidschicht bei 850°C für
30min gemessen wird. Der erfindungsgemäß hergestellte Alumi
niumoxidfilm braucht daher nicht getempert zu werden.
Wie oben angegeben, ermöglicht es das erfindungsgemäße Dünn
schichtherstellungsverfahren, einen dünnen Film mit ausge
zeichneter Stufenbedeckung und Gleichmäßigkeit zu erhalten,
indem die atomare Schichtdeposition verwendet wird. Außerdem
ist es durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsver
fahren möglich, den Reaktanden dicht und chemisch in das
Substrat zu absorbieren, indem der Prozeß des vollständigen
Entfernens der Verunreinigungen mittels Durchführen des Spü
lens und/oder Pumpens nach Einleiten der Reaktanden unter
gleichmäßiger Aufrechterhaltung von Temperatur und Druck wie
derholt ausgeführt wird. Dadurch ist es möglich, eine präzis
stöchiometrische Dünnschicht mit hoher Dichte zu erhalten.
Claims (15)
1. Dünnschichtherstellungsverfahren mit der Schrittfolge:
- (a) chemisches Absorbieren eines ersten Reaktanden auf einem Substrat durch Einleiten des ersten Reaktanden in eine mit dem Substrat beladene Reaktionskammer,
- (b) Entfernen von auf dem chemisch absorbierten ersten Reaktanden physikalisch absorbiertem erstem Reaktandenmateri al mittels Spülen oder Pumpen der Kammer,
- (c) dichtes chemisches Absorbieren des ersten Reaktan den auf dem Substrat durch Einleiten des ersten Reaktanden in die Kammer,
- (d) Entfernen von auf dem dicht chemisch absorbierten ersten Reaktanden physikalisch absorbiertem erstem Reaktan denmaterial mittels Spülen oder Pumpen der Kammer,
- (e) chemisches Absorbieren eines zweiten Reaktanden in die Oberfläche des Substrates durch Einleiten des zweiten Re aktanden in die Kammer,
- (f) Entfernen von auf den dicht chemisch absorbierten ersten und zweiten Reaktanden physikalisch absorbiertem zwei tem Reaktandenmaterial mittels Spülen oder Pumpen der Kammer und
- (g) Erzeugen einer festen Dünnschicht unter Verwendung eines chemischen Austauschs durch dichtes Absorbieren des zweiten Reaktanden auf dem Substrat mittels erneutem Einlei ten des zweiten Reaktanden in die Kammer.
2. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 1, wei
ter gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
- (h) Entfernen des physikalisch absorbierten zweiten Re aktandenmaterials und von Resten, die während des chemischen Austauschs im Schritt g erzeugt wurden, mittels Spülen oder Pumpen der Kammer.
3. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 2, wei
ter dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßschritte e, f, g
und h des Einleitens des zweiten Reaktanden und des Entfer
nens des physikalisch absorbierten zweiten Reaktandenmateri
als und der Reste zweimal oder öfter nacheinander wiederholt
werden.
4. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeß
schritte a, b, c und d des Einleitens des ersten Reaktanden
und des Entfernens des physikalisch absorbierten ersten Re
aktandenmaterials zweimal oder öfter nacheinander wiederholt
werden.
5. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer
des Einleitens des ersten Reaktanden im Schritt c gleich groß
oder kürzer ist als die Zeitdauer des Einleitens des ersten
Reaktanden im Schritt a.
6. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer
des Einleitens des zweiten Reaktanden im Schritt g gleich
groß oder kürzer ist als die Zeitdauer des Einleitens des
zweiten Reaktanden im Schritt e.
7. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
ein (100)-Siliciumsubstrat ist.
8. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der erste Re
aktand und der zweite Reaktand aus einer Atomsorte und einem
chemischen Liganden zum Aufbau einer festen Dünnschicht be
stehen.
9. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprü
che 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die feste
Dünnschicht eine einatomare Dünnschicht, eine einatomare
Oxidschicht, eine zusammengesetzte Oxidschicht, eine einato
mare Nitridschicht oder eine zusammengesetzte Nitridschicht
ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeich
net, daß die Dünnschicht eine einatomare Dünnschicht ist, de
ren Atomsorte in der Gruppe von Mo, Al, Cu, Ti, Ta, Pt, Ru,
Rh, Ir, W und Ag enthalten ist.
11. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, wei
ter dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht eine einato
mare Oxidschicht ist, deren Material in der Gruppe von Al2O3,
TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2 und
IrO2 enthalten ist.
12. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 11, wei
ter dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex einer aus
Al2O3 bestehenden Dünnschicht in einem Wellenlängenbereich
von 400nm bis 800nm zwischen 1,67 und 1,73 liegt.
13. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, wei
ter dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Oxidma
terial in der Gruppe von SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3,
(Ba, Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb, La) (Zr, Ti)O3, (Sr, Ca)RuO3, mit
Sn dotiertem In2O3, mit Fe dotiertem In2O3 und mit Zr dotier
tem InO3 enthalten ist.
14. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, wei
ter dadurch gekennzeichnet, daß das einatomare Nitrid in der
Gruppe von SiN, NbN, ZrN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN und BN
enthalten ist.
15. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeich
net, daß das zusammengesetzte Nitrid in der Gruppe von WBN,
WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN und AlTiN enthalten ist.
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