DE19853598B4 - Dünnschichtherstellungsverfahren mit atomarer Schichtabscheidung - Google Patents

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Abstract

Dünnschichtherstellungsverfahren mit der Schrittfolge:
(a) Chemisorbieren eines ersten Teils eines ersten Reaktanden auf eine Oberfläche eines Substrats durch Einleiten des ersten Reaktanden in eine mit dem Substrat beladene Reaktionskammer, die auf einer Temperatur zwischen 150°C und 375°C gehalten wird,
(b) Entfernen von auf dem chemisorbierten ersten Reaktanden physisorbiertem erstem Reaktandenmaterial mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer, so dass unbesetzte Chemisorptionsstellen an der Substratoberfläche zugänglich werden, wobei die Reaktionskammer auf einer Temperatur zwischen 150°C und 375°C gehalten wird,
(c) Chemisorbieren eines zweiten Teils des ersten Reaktanden auf den unbesetzten Chemisorptionsstellen der Substratoberfläche durch erneutes Einleiten des ersten Reaktanden in die Kammer,
(d) Entfernen von auf dem dicht chemisorbierten ersten Reaktanden physisorbiertem erstem Reaktandenmaterial mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer,
(e) Chemisorbieren eines ersten Teils eines zweiten Reaktanden auf die Oberfläche des Substrates durch Einleiten des zweiten Reaktanden in die Kammer, so dass durch chemischen Austausch ein...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht mittels atomarer Schichtabscheidung (ALD).
  • Eine Dünnschicht wird beispielsweise als Dielektrikum in einem Halbleiterbauelement, als transparente Leiterschicht einer Flüssigkristallanzeige oder als Schutzschicht einer Dünnschicht-Elektrolumineszenzanzeige verwendet. Die dünne Schicht kann durch Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung oder das ALD-Verfahren gebildet werden.
  • ALD ist ein oberflächengesteuerter Prozess, der eine zweidimensionale Abscheidung Schicht-um-Schicht verwendet. Durch das ALD-Verfahren wird die Abscheidung in einem oberflächenkinetischen Bereich durchgeführt, so dass sich eine ausgezeichnete Stufenbedeckung ergibt. Außerdem wird ein Reaktand durch chemischen 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 Nebenprodukte gasförmig und können leicht entfernt werden, so dass eine zugehörige Reaktionskammer leicht gereinigt werden kann. Im ALD-Verfahren ist die Temperatur die einzige Prozessvariable, 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, indem nicht ausreichend Reaktandmaterial auf der Oberfläche eines Substrats absorbiert wird. Dies kann die physikalischen Eigenschaften der Dünnschicht, wie z. B. die Filmdichte, verschlechtern. Zudem kann es beim herkömmlichen ALD zu einem nicht vollständigen Entfernen eines chemischen Liganden kommen, wodurch dann kein präzis stöchiometrischer dünner Film erhalten werden kann.
  • Bei einem in der Offenlegungsschrift JP 07-014784 A offenbarten atomaren Schichtabscheidungsverfahren wird nach einem Schritt zum Adsorbieren von Molekülen oder Atomen an einer Substratoberfläche ein Schritt zum Entfernen von unnötigen, auf der Substratoberfläche adsorbierten Molekülen bzw. Atomen mittels energetischer Anregung z. B. durch einen Laser- oder Elektronenstrahl durchgeführt. Gleichzeitig oder nach dem anregungsunterstützten Entfernen der überschüssigen Moleküle bzw. Atome wird die Temperatur der Substratoberfläche erhöht, um eine Migrationsbewegung der adsorbierten Moleküle bzw. Atome zu bewirken und so die Oberfläche zu glätten. Dieser Prozesszyklus wird dann nach Bedarf wiederholt.
  • Die Offenlegungsschrift JP 06-013317 A offenbart ein Verfahren zur Bildung vertikaler Übergitter, insbesondere mit GaAs/AlAs-Schichtfolge, wie sie in Halbleiterbauelementen verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein Substrat schräg zu einer Prozessgaszufuhrrichtung in einer Vakuumkammer positioniert und während der Abscheidung auf einer Temperatur zwischen 550°C und 750°C gehalten. Die Gaszufuhr erfolgt gepulst mit einer typischen Taktzeit von 0,1 ms, um die Gasmenge genauer steuern zu können.
  • Die Patentschrift US 5 693 139 A offenbart ein Verfahren zum Aufwachsen dotierter monomolekularer Halbleiterverbindungsschichten mittels alternierender Anwendung verschiedener Quellengase in einer speziellen Molekularschichtepitaxietechnik.
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Dünnschichtherstellungsverfahrens zugrunde, mit dem es möglich ist, eine dünne Schicht mit präziser Stöchiometrie und hoher Filmdichte durch atomare Schichtabscheidung zu erhalten.
  • Die Erfindung löst dieses Problem 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 vollständig mittels Abpumpen und/oder Spülen bei aufrechterhaltener Temperatur entfernt werden, lässt sich eine präzis stöchiometrische Dünnschicht mit hoher Filmdichte erzielen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
  • 1 bis 8 schematische Querschnittsansichten eines Substrats in verschiedenen Stufen eines Dünnschichtherstellungsverfahrens mit atomarer Schichtabscheidung,
  • 9A und 9B zwei Querschnittsansichten entsprechend 8, jedoch für andere Ausführungsbeispiele, in denen die Dünnschicht auf andere Weise unter Verwendung atomarer Schichtabscheidung hergestellt wird,
  • 10 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahrens geeigneten Dünnschichtherstellungsapparatur,
  • 11 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahrens,
  • 12 ein Diagramm der Dicke eines durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren gebildeten Aluminiumoxidfilms in Abhängigkeit von der Anzahl durchgeführter Herstellungszyklen,
  • 13 ein Diagramm der Dicke eines durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren gebildeten Aluminiumoxidfilms in Abhängigkeit vom Substratort und
  • 14 und 15 Diagramme des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge für einen erfindungsgemäß bzw. einen herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidfilm.
  • Die 1 bis 8 veranschaulichen Prozessschritte einer erfindungsgemäßen Herstellung einer dünnen Schicht unter Verwendung atomarer Schichtabscheidung. Dabei werden, wenn eine abzuscheidende dünne Schicht aus einer zweikomponentigen Verbindung 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 1 wird der erste Reaktand an der Oberfläche eines Substrates 1, z. B. eines (100)-Siliciumsubstrates, chemisorbiert und physisorbiert, indem der erste Reaktand ARn(g) in eine nicht gezeigte Reaktionskammer eingeleitet wird, in die das Substrat 1 eingebracht wurde. Der erste Reaktand wird an der Oberfläche des Substrates chemisorbiert. An dem chemisorbierten ersten Reaktand kann der erste Reaktand physisorbiert werden. Da der erste Reaktand ARn(g) insgesamt zur gleichen Zeit eingeleitet wurde, kann ein Platz, der eine Chemisorption bewirken kann, mit dem physisorbierten ARn(g) bedeckt sein. Dementsprechend kann sich auf dem Substrat ein Leerraum 3 bilden.
  • Bezugnehmend auf 2 wird der physisorbierte erste Reaktand durch Spülen oder Abpumpen vollständig aus der Kammer entfernt, in welcher der chemisorbierte der physisorbierte erste Reaktand gebildet wurden. Dadurch verbleibt der chemisorbierte erste Reaktand auf der Oberfläche des Substrates 1. Der chemisorbierte 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 3 wird der erste Reaktand dicht in die Oberfläche des Substrates 1 chemisorbiert und physisorbiert, 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 Reaktand in den freien Stellen 3 von 1 chemisorbiert und physisorbiert. Wie in 1 wird der erste Reaktand an der Oberfläche des Substrates 1 chemisorbiert, während auf dem chemisorbierten ersten Reaktand der physisorbierte erste Reaktand gebildet wird.
  • Bezugnehmend auf 4 wird der physisorbierte erste Reaktand durch Abpumpen oder Spülen der Kammer vollständig entfernt, die das Substrat 1 enthält, auf welchem der chemisorbierte erste Reaktand gebildet ist. Der Prozess des Einleitens des ersten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten ersten Reaktanden wird zweimal durchgeführt, so dass nur der dicht chemisorbierte erste Reaktand, d. h. das feste ARn(s), auf der Oberfläche des Substrates 1 verbleibt und Verunreinigungen, wie ein chemischer Ligand, vollständig entfernt werden, wobei s einen Festkörperzustand bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können die in den 1 bis 4 gezeigten Prozesse auch mehr als zweimal wiederholt werden.
  • Bezugnehmend auf 5 wird dann ein zweiter Reaktand BPn(g) in die Kammer eingeleitet, die das Substrat 1 enthält, auf dem der dicht chemisorbierte erste Reaktand gebildet ist, wobei der zweite Reaktand auf der Oberfläche des Substrats chemisorbiert wird und an dem chemisorbierten zweiten Reaktand physisorbiert wird. Dadurch bildet sich eine Monoschicht aus den chemisorbierten 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 5 wie der erste Reaktand von 1 nicht dicht in die Oberfläche des Substrates chemisorbiert wird, wird der zweite Reaktand nicht im adäquater Weise chemisch mit dem ersten Reaktanden ausgetauscht. Wegen dieses nicht adäquaten chemischen Austauschs des zweiten mit dem ersten Reaktanden werden Verunreinigungen in der Monoschicht gebildet, oder es wird kein stöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis erreicht.
  • Bezugnehmend auf 6 wird der physisorbierte zweite Reaktand durch Abpumpen oder Spülen der Kammer entfernt, in welcher die nicht dichte Monoschicht und der physisorbierte zweite Reaktand gebildet wurden. Dadurch entsteht eine chemisorbierte, feste Monoschicht auf der Oberfläche des Substrates. Da die feste Monoschicht von 6 aus ARnBPn(s) besteht, verbleiben Verunreinigungen von RnPn(s), das stöchiometrische Zusammensetzungsverhältnis wird nicht erreicht, und die Schichtdichte ist mäßig, wobei s wiederum einen Feststoffzustand bezeichnet.
  • Bezugnehmend auf 7 wird zwecks Verbesserung des stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnisses und der Schichtdichte der zweite Reaktand in die Oberfläche des Substrates chemi- und physisorbiert, indem erneut der zweite Reaktand BPn(g) in die Kammer eingeleitet wird, die das Substrat enthält, auf der die nicht dichte, feste Monoschicht gebildet worden ist. Der zweite Reaktand wird in die Oberfläche des Substrates chemisorbiert. Außerdem wird der zweite Reaktand in den chemisorbierten zweiten Reaktanden physisorbiert. Dadurch bilden die chemisorbierten ersten und zweiten Reaktanden eine dichte Monoschicht mit einer Dichte auf dem Niveau der aus den A- und B-Atomen durch das chemische Austauschverfahren erzeugten atomaren Schicht. In diesem Stadium werden die chemischen Liganden Rn und Pn in einemgasförmigen Zustand mit hohem Dampfdruck entfernt.
  • Da in 7 der zweite Reaktand in die Oberfläche des Substrates, die in 5 nicht dicht chemisorbiert wurde, chemisorbiert wird, wird der zweite Reaktand ausreichend mit dem dichten ersten Reaktanden chemisch ausgetauscht, so dass die Verunreinigungen in der Monoschicht verringert werden und das stöchiometrische Zusammensetzungsverhältnis erreicht wird.
  • Bezugnehmend auf 8 wird der physisorbierte zweite Reaktand vollständig mittels Spülen oder Abpumpen der Kammer entfernt, in welcher die dichte Monoschicht und der physisorbierte zweite Reaktand gebildet wurden. Dadurch verbleibt auf der Oberfläche des Substrates nur noch die dichte Feststoff-Monoschicht, die dicht chemisorbiert ist, d. h. AB(s), wobei s wiederum einen Feststoffzustand bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Prozesse gemäß den 5 bis 8 auch mehr als zweimal wiederholt werden.
  • In 8 werden die Komponenten A und B an der Oberfläche des Substrates gebildet, so dass eine Verbindung AB(s) entsteht. Wenn jedoch die erfindungsgemäße atomare Schichtabscheidung angewendet wird, kann die Komponente A auf der Oberfläche des Substrates und die Komponente B auf der Komponente A gebildet werden, wodurch die in 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 Dünnschicht unter Verwendung des erfindungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahrens näher erläutert.
  • 10 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Dünnschichtherstellungsapparatur, die für das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren verwendet werden kann. 11 veranschaulicht das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren 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 gehalten, wenn die Temperatur des Substrates auf etwa 300°C gehalten werden soll.
  • Ein erster Reaktand 11, wie Al(CH3)3, d. h. TMA, wird aus einer ersten Waschflasche 12 in die Kammer 30 für 0,1 s bis 10 s, vorzugsweise 0,5 s, 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, nachdem der erste Reaktand 11 von einem flüssigen Zustand durch Einleiten von 0,1688 Pa·m3·s–1 eines Ar-Trägergases aus einer Gasquelle 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 4·0,1688 Pam3s–1 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 5·0,1688 Pam3 ·s–1 Gas während des Einleitens des ersten Reaktanden 11 in die Kammer 30 eingebracht. In diesem Stadium wird der Druck in der Kammer bei 133,322 Pa bis 2·133,322 Pa gehalten. Dadurch wird der erste Reaktand 11 auf einem atomaren Niveau in die Oberfläche des Substrates 3 chemisorbiert. Auf dem chemisorbierten ersten Reaktand 11 bildet sich der physisorbierte erste Reaktand 11.
  • Der physisorbierte 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 133,322 Pa bis 2·133,322 Pa gehalten werden und die 4·0,1688 Pa·m3·s–1 Stickstoffgas aus der Gasquelle 19 für 0,1 s bis 10 s, vorzugsweise 1 s, zur Spülung eingeströmt werden, wozu die erste Gasleitung 13 oder die zweite Gasleitung 18 verwendet wird (Schritt 110). Im vorliegenden Beispiel wird der physisorbierte erste Reaktand durch Spülen entfernt. Der physisorbierte erste Reaktand kann jedoch auch durch Abpumpen der Kammer in einen Vakuumzustand ohne Spülen entfernt werden.
  • Anschließend wird der erste Reaktand 11 erneut in die Kammer 30, aus welcher der physisorbierte erste Reaktand entfernt wurde, wie im Schritt 105 eingeleitet (Schritt 115). Hierbei ist die Zeitdauer für das Einleiten des ersten Reaktanden im Schritt 115 gleich groß oder kürzer als diejenige für das Einleiten des ersten Reaktanden im Schritt 105. Der physisorbierte erste Reaktand wird dann aus der Kammer 30 wie im Schritt 110 entfernt (Schritt 120). Hierbei ist die für das Entfernen des physisorbierten ersten Reaktanden im Schritt 120 verwendete Zeitdauer gleich groß oder kürzer als diejenige zum Entfernen des ersten Reaktanden im Schritt 110. Wenn das Einleiten des ersten Reaktanden und der Spülprozess wiederholt durchgeführt werden, bildet sich auf dem Substrat der dicht chemisorbierte erste Reaktand. Im vorliegenden Beispiel werden die Prozesse des Einleitens des ersten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten ersten Reaktanden jeweils zweimal durchgeführt. Die Prozesse können jedoch auch öfter ausgeführt werden.
  • Danach wird in die Kammer, die das Substrat enthält, auf dem der dicht chemisorbierte 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 10 s, vorzugsweise 0,5 s, durch selektives Betätigen einer Ventilanordnung 10 eingeleitet, während eine Temperatur von 150°C bis 350°C und ein Druck von 133,322 Pa bis 2·133,322 Pa aufrechterhalten 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 0,1688 Pa·m3·s–1 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 Gaszustand gebracht wurde. Über die zweite Gasleitung 18 und den Duschkopf 15 werden wiederum 4·0,1688 Pa·m3·s–1 Stickstoffgas eingeleitet, 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 Gasmenge 5·0,1688 Pa·m3·s–1. Der Druck in der Kammer 30 wird in diesem Stadium bei 133,322 Pa bis 2·133,322 Pa gehalten. Dadurch wird der zweite Reaktand in das Substrat 3 chemisorbiert, auf welcher der dicht chemisorbierte erste Reaktand gebildet wurde. Des weiteren wird der zweite Reaktand in die chemisorbierten ersten und zweiten Reaktanden absorbiert. Aus dem dicht chemisorbierten ersten Reaktanden und dem chemisorbierten zweiten Reaktanden, der nicht dicht ist, bildet sich durch das chemische Austauschverfahren ein nicht dichter Aluminiumoxidfilm auf dem Niveau einer atomaren Schicht.
  • Der physisorbierte 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 4·0,1688 Pa·m3·s–1 Stickstoffgas aus der Gasquelle 19 für 0,1 s bis 10 s, vorzugsweise 1 s, unter Verwendung der zweiten Gasleitung 18 oder der dritten Gasleitung 16 eingeleitet werden, während eine Temperatur von 150°C bis 475°C und ein Druck von 133,322 Pa bis 2·133,322 PA aufrechterhalten werden (Schritt 130). Im vorliegenden Beispiel wird der physisorbierte zweite Reaktand durch Spülen entfernt. Er kann jedoch alternativ auch durch Abpumpen der Kammer auf einen Vakuumzustand ohne Spülen entfernt werden.
  • Der zweite Reaktand 11 wird dann wie im Schritt 125 erneut in die Kammer 30 eingeleitet, aus welcher der physisorbierte zweite Reaktand entfernt wurde (Schritt 135). Hierbei 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. Anschließend wird der physisorbierte zweite Reaktand wie im Schritt 130 aus der Kammer 30 entfernt (Schritt 140). Wenn die Prozesse des Einleitens des zweiten Reaktanden und Entfernens des physisorbierten zweiten Reaktanden wiederholt ausgeführt werden, bildet sich der dicht chemisorbierte zweite Reaktand auf dem Substrat. Als Ergebnis bilden der dicht chemisorbierte erste Reaktand und der dicht chemisorbierte zweite Reaktand durch chemischen Austausch einen Aluminiumoxidfilm auf dem Niveau einer atomaren Schicht. Im vorliegenden Beispiel werden die Prozesse des Einleitens des zweiten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten zweiten Reaktanden je zweimal ausgeführt. 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 eine dünne Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1 nm bis 100 nm gebildet wurde (Schritt 145). Wenn die dünne Schicht 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 11 bilden die ersten und zweiten Reaktanden 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 Aluminiumoxidfilms, des TiN-Films und des Mo-Films kann durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren auch eine feste Dünnschicht aus einer einzelnen Atomsorte, einem Einzelelement-Oxid, einem Mehrelement-Oxid, einem Einzelelement-Nitrid oder einem Mehrelement-Nitrid gebildet werden. Als Atomsorten für eine feste Einzelelement-Dünnschicht können Al, Cu, Ti, Ta, Pt, Ru, Rh, Ir, W und Ag verwendet werden. Als das Einzelelement-Oxid können TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2 und IrO2 verwendet werden. Für die Mehrelement-Oxidschicht 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 Einzelelement-Nitrid können SiN, NbN, ZrN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN und BN verwendet werden. Als das Mehrelement-Nitrid können WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN und AlTiN verwendet werden.
  • Wie oben angegeben, wird beim erfindungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahren nach wiederholtem Einleiten des ersten Reaktanden und Entfernen des physisorbierten ersten Reaktanden bei gleichmäßiger Aufrechterhaltung von Temperatur und Druck der zweite Reaktand wiederholt eingeleitet und der physisorbierte zweite Reaktand wiederholt entfernt. Dadurch ist es möglich, eine präzis stöchiometrische Dünnschicht mit hoher Filmdichte zu erhalten, da der erste Reaktand durch chemischen Austausch mit dem dicht abgeschiedenen zweiten Reaktanden reagiert, während der erste Reaktand dicht auf dem Substrat abgeschieden wird.
  • 12 veranschaulicht grafisch die Dicke der Aluminiumoxidschicht pro Zyklus, hergestellt durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren. Auf der x-Achse ist die Anzahl von Zyklen abgetragen. Ein Zyklus umfasst hierbei die Schritte des Einleitens des ersten Reaktanden, des Entfernens des physisorbierten ersten Reaktanden, des Einleitens des ersten Reaktanden, des Entfernens des physisorbierten ersten Reaktanden, des Einleitens des zweiten Reaktanden, des Entfernens des physisorbierten zweiten Reaktanden, des Einleitens des zweiten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten zweiten Reaktanden. Auf der y-Achse ist die Dicke des Aluminiumoxidfilms abgetragen. Wie aus 12 erkennbar, wächst nach dem erfindungsgemäßen Dünnschichtherstellungsverfahren das Aluminium mit einer Dicke von 0,11 nm pro Zyklus auf, was in etwa einem theoretischen Wert entspricht.
  • 13 veranschaulicht grafisch die Gleichmäßigkeit des auf dem Substrat durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren gebildeten Aluminiumoxidfilms. Auf der x-Achse ist die Position abgetragen, an welcher jeweils die Filmdicke eines Substrates mit einer Abmessung von 8 Zoll = 203,2 mm gemessen wurde. Die Messpositionen lagen im Mittelpunkt, an vier um jeweils 90° voneinander auf einer Kreislinie um den Wafermittelpunkt mit einem Radius von 88,9 mm beabstandeten Punkten und an vier um jeweils 90° voneinander auf einer Kreislinie um den Wafermittelpunkt mit einem Radius von 44,45 mm beabstandeten Punkten. Auf der y-Achse ist die Dicke des Aluminiumoxidfilms abgetragen. Wie aus 13 erkennbar, ergibt sich über das 8-Zoll(203,2 mm)-Substrat hinweg eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit.
  • Die 14 und 15 veranschaulichen grafisch den Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge für einen erfindungsgemäß bzw. einen herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidfilm. Auf der x-Achse ist jeweils der Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm abgetragen. Auf der y-Achse ist der Brechungsindex abgetragen.
  • Wie daraus erkennbar, liegt der Brechungsindex des erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumoxidfilms im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm zwischen 1,67 und 1,73. Insbesondere beträgt, wie in den 14 und 15 dargestellt, bei einer Wellenlänge von 500 nm der Brechungsindex der erfindungsgemäß. hergestellten Aluminiumoxidschicht 1,698 und ist damit größer als der Brechungsindex von 1,649 der herkömmlich gefertigten Aluminiumoxidschicht. Außerdem sei festgestellt, dass sich eine hohe Filmdichte ergibt. Zudem ist der Brechungsindex der erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumoxidschicht vergleichbar mit demjenigen, der nach einem Tempern der herkömmlich gebildeten Aluminiumoxidschicht bei 850°C für 30 min gemessen wird. Der erfindungsgemäß hergestellte Aluminiumoxidfilm braucht daher nicht getempert zu werden.
  • Wie oben angegeben, ermöglicht es das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren, eine dünne Schicht mit ausgezeichneter Stufenbedeckung und Gleichmäßigkeit zu erhalten, indem die atomare Schichtabscheidung verwendet wird. Außerdem ist es durch das erfindungsgemäße Dünnschichtherstellungsverfahren möglich, den Reaktanden dicht und in das Substrat zu chemisorbieren, indem der Prozess des vollständigen Entfernens der Verunreinigungen mittels Durchführen des Spülens und/oder Abpumpens nach Einleiten der Reaktanden unter gleichmäßiger Aufrechterhaltung von Temperatur und Druck wiederholt ausgeführt wird. Dadurch ist es möglich, eine präzis stöchiometrische Dünnschicht mit hoher Dichte zu erhalten.

Claims (15)

  1. Dünnschichtherstellungsverfahren mit der Schrittfolge: (a) Chemisorbieren eines ersten Teils eines ersten Reaktanden auf eine Oberfläche eines Substrats durch Einleiten des ersten Reaktanden in eine mit dem Substrat beladene Reaktionskammer, die auf einer Temperatur zwischen 150°C und 375°C gehalten wird, (b) Entfernen von auf dem chemisorbierten ersten Reaktanden physisorbiertem erstem Reaktandenmaterial mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer, so dass unbesetzte Chemisorptionsstellen an der Substratoberfläche zugänglich werden, wobei die Reaktionskammer auf einer Temperatur zwischen 150°C und 375°C gehalten wird, (c) Chemisorbieren eines zweiten Teils des ersten Reaktanden auf den unbesetzten Chemisorptionsstellen der Substratoberfläche durch erneutes Einleiten des ersten Reaktanden in die Kammer, (d) Entfernen von auf dem dicht chemisorbierten ersten Reaktanden physisorbiertem erstem Reaktandenmaterial mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer, (e) Chemisorbieren eines ersten Teils eines zweiten Reaktanden auf die Oberfläche des Substrates durch Einleiten des zweiten Reaktanden in die Kammer, so dass durch chemischen Austausch ein erster Teil einer Monolagen-Festkörperdünnschicht gebildet wird, wobei die Kammer auf einer Temperatur zwischen 150°C und 350°C gehalten wird, (f) Entfernen von auf den chemisorbierten ersten und zweiten Reaktanden physisorbiertem zweitem Reaktandenmaterial mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer, die auf einer Temperatur zwischen 150°C und 475°C gehalten wird, und (g) Erzeugen eines zweiten Teils der Monolagen-Festkörperdünnschicht durch chemischen Austausch mit Chemisorption eines zweiten Teils des zweiten Reaktanden auf der Substratoberfläche mittels erneutem Einleiten des zweiten Reaktanden in die Kammer.
  2. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch folgenden Schritt: (h) Entfernen des physisorbierten zweiten Reaktandenmaterials und von Resten, die während des chemischen Austauschs im Schritt g erzeugt wurden, mittels Spülen und/oder Abpumpen der Kammer.
  3. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritte e, f, g und h des Einleitens des zweiten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten zweiten Reaktandenmaterials und der Reste zweimal oder öfter nacheinander wiederholt werden.
  4. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessschritte a, b, c und d des Einleitens des ersten Reaktanden und des Entfernens des physisorbierten ersten Reaktandenmaterials zweimal oder öfter nacheinander wiederholt werden.
  5. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 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 Ansprüche 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 Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein (100)-Siliciumsubstrat verwendet wird.
  8. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reaktand und der zweite Reaktand aus einem chemischen Liganden und einer Atomsorte zum Aufbau einer festen Dünnschicht bestehen.
  9. Dünnschichtherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die feste Dünnschicht eine aus einer Atomsorte bestehende Dünnschicht eine Mehrelement-Oxidschicht, eine Einzelelement-Nitridschicht oder eine Mehrelement-Nitridschicht ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht eine aus einer Atomsorte bestehende Dünnschicht ist, deren Atomsorte in der Gruppe von Mo, Al, Cu, Ti, Ta, Pt, Ru, Rh, Ir, W und Ag enthalten ist.
  11. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht eine Einzelelement-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, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex einer aus Al2O3 bestehenden, hergestellten Dünnschicht in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm zwischen 1,67 und 1,73 liegt.
  13. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrelement-Oxidmaterial 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 dotiertem InO3 enthalten ist.
  14. Dünnschichtherstellungsverfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Einzelelement-Nitrid in der Gruppe von SiN, NbN, ZrN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN und BN enthalten ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrelement-Nitrid in der Gruppe von WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN und AlTiN enthalten ist.
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