DE19738330C2 - Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung, Abscheidungsverfahren für Metallorganische Verbindungen und Verwendung des Verfahrens - Google Patents
Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung, Abscheidungsverfahren für Metallorganische Verbindungen und Verwendung des VerfahrensInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine chemische Dampfabschei
dungsvorrichtung für metallorganische Verbindungen (auf die
nachfolgend als "MOCVD"-Vorrichtung bezug genommen wird) und ein
Abscheidungsverfahren sowie die Verwendung des Verfahrens.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine MOCVD-
Vorrichtung, die dazu einsetzbar ist, eine Dünnschicht hoher
Dielektrizitätskonstante bzw. eine dielektrische Dünnschicht auf
einem Halbleitersubstrat abzuscheiden, und ein
Abscheidungsverfahren unter Verwendung der Vorrichtung sowie die
Verwendung des Abscheidungsverfahrens zur Abscheidung von
dielektrischen Dünnschichten wie BaSrTiO3- oder SrTiO3-
Dünnschichten.
Für die nächste Generation der DRAM (DRAM = dynamischer RAM bzw.
dynamischer Direktzugriffspeicher), die eine Speichergröße von
zumindest ein Giga-Byte aufweisen, stellen herkömmliche
Dünnschichten keine ausreichende Kapazität bereit. Wenn
Halbleiterbauelemente bezüglich ihrer Größe reduziert werden,
sind dreidimensionale Kondensatorstrukturen, wie etwa solche vom
Rippen- oder Zylinder-Typ, deshalb sehr schwierig aufzubauen,
weil die Größenreduzierung auf Kosten einer
Zellenflächenreduzierung erfolgt.
Die Verringerung der Dicke der Dünnschicht gibt außerdem Anlaß
zur Erhöhung des Leckstroms in einem Source/Drain-Bereich, bei
dem es sich um einen Fehlstellenbereich eines Halbleiterbau
elements handelt, und dies führt zu einem sogenannten "soft
error", einem Phänomen, bei welchem in einem Kondensator
gespeicherte Information durch a-Partikel geändert wird oder
verlorengeht. Ein zuverlässiger Kondensator ist auf diese Weise
schwierig zu erhalten. Wenn ein Kondensator in eine komplexe
dreidimensionale Struktur gebildet wird, sind außerdem nachfol
gende Prozesse schwierig durchzuführen.
In jüngster Zeit sind aktive Forschungen auf eine Dampfabschei
dungsvorrichtung für eine dielektrische Dünnschicht gerichtet
worden, um dielektrische Materialien, wie etwa BST (BaSrTiO3)
und SrTiO3, für die Dünnschicht eines Kondensators anzuwenden
bzw. aufzutragen.
Um die dielektrischen Dünnschichten aufzubauen bzw.
herzustellen, sind zahlreiche Verfahren verwendet worden, ein
schließlich dem Zerstäubungsverfahren, dem Sol-Gel-Verfahren,
dem Laserablationsverfahren, dem MOCVD-Verfahren und derglei
chen. Von diesen Verfahren gewährleistet das MOCVD-Verfahren
eine gleichmäßige Dünnschicht ebenso wie, daß die Zusammenset
zung der Dünnschicht problemlos gesteuert werden kann. Die
Abscheidungsvorrichtungen für die dielektrische Dünnschicht, die
das MOCVD-Verfahren nutzen, werden aktuell untersucht.
S. MATSUNO et al. beschreiben in Appl. Phys. Lett., Vol. 60
(19), 11. Mai 1992, Seiten 2427-2429, eine MOCVD-Vorrichtung zur
Abscheidung von supraleitenden Schichten unter Verwendung einer
einzigen THF-Lösung als Quelllösung, in der Y, Ba und Cu β-
Diketonatchelate gelöst sind.
Um den Hintergrund der Erfindung besser verstehen zu können,
erfolgt nachfolgend eine Erläuterung einer herkömmlichen MOCVD-
Vorrichtung und ihres Arbeitsablaufs in Zusammenhang mit Fig. 1.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine typische MOCVD-Vorrichtung
eine Reaktionsteilnehmer-Quellenampulle 10 auf, eine Flüssig
keitsmikropumpe 20 zum Fördern der Reaktionsteilnehmer, einen
Verdampfer 30, einen Reaktor 70, eine Falle 60 und eine Vakuum
pumpe. Die in der Quellenampulle 10 enthaltenen Reaktionsteil
nehmer sind in einem Lösungsmittel gelöst. Die Flüssigkeits
mikropumpe 20 wird verwendet, um die resultierende Flüssigkeit
zu dem Verdampfer 30 zu überführen, in welchem die Flüssigkeit
mit Hilfe einer weiteren Energiequelle erhitzt oder verdampft
wird. Unter Verwendung eines Trägergases, wie etwa Argon oder
Stickstoff, wird der Dampf zum Reaktor 70 überführt, und der
Dampf wird auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden, das in den
Reaktor 70 eingetragen ist, um eine Dünnschicht zu bilden.
Druckerhöhungsgas, das für die Überführung der Reaktionsteil
nehmer erforderlich ist, ist vorliegend Argon oder Stickstoff.
Während der Überführung der Reaktionsteilnehmer, die in dem
Lösungsmittel enthalten sind, zu dem Reaktor, wird das Lösungs
mittel, da die Verdampfungstemperatur des Lösungsmittels viel
niedriger ist als diejenige der Reaktionsteilnehmer, obwohl an
den Verdampfer keine Wärme angelegt ist, schneller abgetrennt
als die Reaktionsteilnehmer, wodurch die Reaktionsteilnehmer
erneut kondensiert werden. Die erneut kondensierten Reaktions
teilnehmer blockieren deshalb die Dünnschichtüberführungsstrecke
zwischen dem Verdampfer und dem Reaktor und werden dadurch dem
Reaktor nicht konstant zugeführt. Infolge davon wird eine
abgeschiedene Dünnschicht mit schlechten Eigenschaften gebildet.
Selbst dann, wenn an den Verdampfer Wärme angelegt wird, um die
Dampftemperatur der Reaktionsteilnehmer, die für die Dünn
schichtabscheidung erforderlich sind, konstant zu halten, wird
das Lösungsmittel rascher verdampft als die Reaktionsteilnehmer,
was zur Zersetzung der Reaktionsteilnehmer führt. Die
Reaktionsteilnehmer können dem Reaktor nicht konstant zugeführt
werden, weil die zersetzten Reaktionsteilnehmer die Dünn
schichtüberführungsstrecke zwischen dem Verdampfer und dem
Reaktor blockieren. Es ist deshalb schwierig, eine Dünnschicht
zuverlässig mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften zu
bilden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die beim
Stand der Technik angetroffenen, vorstehend abgehandelten Probleme
zu überwinden und eine MOCVD-Vorrichtung bereitzustellen,
in welcher die Reaktionsteilnehmer daran gehindert werden, in
dem Verdampfer erneut kondensiert und zersetzt zu werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zum Bilden einer hochgradig dielektrischen Dünn
schicht unter Verwendung dieser Vorrichtung zu bilden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine chemische Dampf
abscheidungsvorrichtung für metallorganische Verbindungen zur
Ausbildung einer dielektrischen Dünnschicht geschaffen, mit
einer Quellenampulle (10), die Reaktionsteilnehmer in einem
Lösungsmittel enthält, einer Flüssigkeitsmikropumpe (20) zum
Fördern der aufgelösten Reaktionsteilnehmer, einem Verdampfer
(30) zum Verdampfen der aufgelösten Reaktionsteilnehmer, die
durch die Mikropumpe (20) gefördert werden, und einem Reaktor
(70) zum Abscheiden der verdampften Reaktionsteilnehmer auf
einem Halbleitersubstrat, das in ihn geladen ist, wobei die
verdampften Reaktionsteilnehmer dem Reaktor (70) durch ein
Trägergas zugeführt werden, wobei der Verdampfer (30) außerdem
mit einer Lösungsmittelzufuhreinrichtung (100) zum Zuführen
einer zusätzlichen Menge des Lösungsmittels zu dem Verdampfer
(30) versehen ist, um zu verhindern, daß die Reaktionsteilnehmer
in dem Verdampfer (30) erneut kondensiert werden und die erneut
kondensierten Reaktionsmittel eine Übertragungsleitung zwischen
dem Verdampfer (30) und dem Reaktor (70) blockieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von metallorganischen
Verbindungen zur Bildung einer dielektrischen Dünnschicht auf
einem Halbleitersubstrat bereitgestellt, aufweisend die
Schritte: Zuführen von Reaktionsteilnehmern die in einem
Lösungsmittel gelöst sind, zu einem Verdampfer, der zusätzlich
mit Lösungsmittel über eine getrennte Zufuhreinrichtung versorgt
wird, Verdampfen der Reaktionsteilnehmer in dem Verdampfer,
und Überführen der verdampften Reaktionsteilnehmer zu
einem Reaktor mittels Trägergas, in welchem Reaktor die Reak
tionsteilnehmer auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispiel
haft näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen MOCVD-Vor
richtung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen MOCVD-
Vorrichtung, und
Fig. 3 eine Kurvendarstellung, bei welcher die Mengen der Rest
stoffe gemäß den Lösungsmittelmengen als Funktion der Tempera
tur des Verdampfers aufgetragen sind.
Fig. 1 wurde bereits einleitend zum Stand der Technik abgehan
delt.
In Fig. 2 ist ein Konzept für eine erfindungsgemäße MOCVD-Vor
richtung gezeigt. Demnach ist die erfindungsgemäße MOCVD-Vor
richtung identisch zu der herkömmlichen (anhand von Fig. 1
abgehandelten), insofern als sie eine Quellenampulle 10 auf
weist, die Reaktionsteilnehmer in einem Lösungsmittel enthält,
eine Flüssigkeitsmikropumpe 20, einen Verdampfer 30 zum Ver
dampfen der flüssigen Reaktionsteilnehmer, einen Reaktor 70 zum
Abscheiden der Reaktionsteilnehmer auf einem Halbleiter
substrat, eine Falle 60 zum Blockieren schädlichen Gases durch
Abkühlen und eine Vakuumpumpe; ein Unterschied besteht darin,
daß der Verdampfer 30 außerdem mit einer Lösungsmittelzufuhr
einrichtung 100 ausgerüstet ist, die eine Lösungsmittelampulle
40 und eine Pumpe 50 aufweist.
Die Vorgehensweise zum Bilden einer dielektrischen Dünnschicht
bzw. einer Dünnschicht mit hoher Elektrizitätskonstante wird
nachfolgend in Verbindung mit Fig. 1 erläutert.
Als Reaktionsteilnehmer werden Ba(DPM)2, Sr(DPM)2 und Ti(DPM)2
(DPM steht für Dipivaloylmethanat) oder Sr, Ti und O3 enthal
tende Materialien verwendet. Diese Reaktionsteilnehmer werden in
einem Lösungsmittel in der Quellenampulle 10 gelöst und zu dem
Verdampfer 30 durch die Flüssigkeitsmikropumpe 20 überführt.
Isopropylamin wird in ausreichender Menge dem Verdampfer 30
durch die Lösungsmittelzufuhreinrichtung 100 gleichzeitig mit
der Überführung zugeführt und zusammen mit den Reaktions
teilnehmern verdampft. Der Zweck des Isopropylamins besteht
darin, das Wiederkondensieren der Reaktionsteilnehmer in dem
Verdampfer 30 und in der Überführungsleitung bzw. -strecke zwi
schen dem Verdampfer 30 und dem Reaktor 70 zu verhindern. Unter
Verwendung von Trägergas, wie etwa Argon oder Stickstoff, werden
daraufhin die verdampften Reaktionsteilnehmer durch die
Überführungsleitung dem Reaktor 70 zugeführt und daraufhin auf
einem Halbleitersubstrat abgeschieden, das in den Reaktor ein
getragen ist, um eine hochgradig dielektrische Dünnschicht
(beispielsweise eine BST- oder SrTiO3-Dünnschicht) zu bilden.
Wie vorstehend angeführt, ist die erneute Kondensation der
Reaktionsteilnehmer innerhalb des Verdampfers 30 auf die Tat
sache zurückzuführen, daß das Lösungsmittel schneller verdampft
wird als die Reaktionsteilnehmer, obwohl an den Verdampfer keine
Wärme angelegt ist, weil das Lösungsmittel eine niedrigere
Verdampfungstemperatur als die Reaktionsteilnehmer aufweist.
Alternativ kann jeder der Reaktionsteilnehmer, beispielsweise
Ba(DPM)2, Sr(DPM)2 und Ti(DPM)2 zu dem Verdampfer über individuelle
bzw. einzelne Quellenampullen und Flüssigkeitsmikropumpen
überführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird nach der Abscheidung der dielektrischen Dünnschicht
ausreichend bzw. eine ausreichende Menge an Lösungsmittel erneut
dem Verdampfer 30 über die Lösungsmittelzufuhreinrichtung 100
zugeführt, um innerhalb des Verdampfers erneut kondensierte
Reaktionsteilnehmer-Reste zu entfernen, um zu verhindern, daß
erneut kondensierte Reaktionsteilnehmer-Reste die
Überführungsleitung zwischen dem Verdampfer 30 und dem Reaktor
70 blockieren. Weiterhin verbleibende Reaktionsteilnehmer-Reste
können durch Spülgas, wie etwa Argon und Stickstoff entfernt
werden.
In Fig. 3 sind die Mengen der Reste in Übereinstimmung mit den
Lösungsmittelmengen als die Funktion der Temperatur des Ver
dampfers aufgetragen. Demnach ist der Restanteil (Gew.-%)
unterschiedlich abhängig vom Verhältnis von Sr(DPM)2, dem Reak
tionsteilnehmer, zu Isopropylamin, dem Lösungsmittel, in einem
Temperaturbereich von 100-600°C. Je mehr Lösungsmittel vorhanden
ist, desto geringer ist der Reaktionsteilnehmer-Rest. Es wurde
gefunden, daß dann, wenn das Verhältnis des Reaktionsteilnehmers
zu dem Lösungsmittel im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 20 liegt, die
Reste sehr gering vorhanden waren.
Selbst dann, wenn das Verhältnis des Lösungsmittels zu dem
Reaktionsteilnehmer hoch ist, wird das Verhältnis erniedrigt,
während das Flüssigkeitsgemisch von der Quellenampulle zu dem
Verdampfer überführt wird. Das zusätzliche Zuführen des
Lösungsmittels zu dem Verdampfer gemäß der vorliegenden Erfin
dung gewährleistet die Aufrechterhaltung einer ausreichenden
Lösungsmittelmenge. Kleine Restmengen, wie bei der vorliegenden
Erfindung, spiegeln demnach die Verringerung der Menge des
erneut kondensierten Reaktionsteilnehmers wieder, was bedeutet,
daß die Blockierung der Übertragungsleitung weniger häufig auf
tritt.
Wie vorstehend erläutert, kann eine ausreichende Menge an
Lösungsmittel zusätzlich dem Verdampfer zugeführt werden, wenn
eine hochgradig dielektrische Dünnschicht unter Verwendung der
erfindungsgemäßen MOCVD-Vorrichtung gebildet wird. Die erneute
Kondensation des Reaktionsteilnehmers, die der Zersetzung des
Lösungsmittels innerhalb des Verdampfers zuzuschreiben ist, kann
deshalb minimiert werden, wodurch das Problem überwunden wird,
daß die Überführungsleitung blockiert wird.
Nach der Abscheidung der Dünnschicht auf dem Halbleitersubstrat
ist es außerdem möglich, die Reaktionsteilnehmer-Reste, die
innerhalb des Verdampfers verbleiben, durch Auflösen der Reste
in dem Lösungsmittel mittels der zusätzlichen Lösungsmittelzu
fuhreinrichtung zu entfernen, die dem Verdampfer zugeordnet ist.
Eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften der
Dünnschicht aufgrund einer Kontamination des Verdampfers kann
dadurch verhindert werden, und die Reproduzierbarkeit der Dünn
schicht kann gewährleistet werden, weil die Reaktionsteilnehmer
dem Reaktor stabil zugeführt werden.
Claims (9)
1. Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung für metallorganische
Verbindungen zur Ausbildung einer dielektrischen
Dünnschicht, mit einer Quellenampulle (10), die
Reaktionsteilnehmer in einem Lösungsmittel enthält, einer
Flüssigkeitsmikropumpe (20) zum Fördern der aufgelösten
Reaktionsteilnehmer, einem Verdampfer (30) zum Verdampfen
der aufgelösten Reaktionsteilnehmer, die durch die
Mikropumpe (20) gefördert werden, und einem Reaktor (70)
zum Abscheiden der verdampften Reaktionsteilnehmer auf
einem Halbleitersubstrat, das in ihn geladen ist, wobei die
verdampften Reaktionsteilnehmer dem Reaktor (70) durch ein
Trägergas zugeführt werden, wobei der Verdampfer (30)
außerdem mit einer Lösungsmittelzufuhreinrichtung (100) zum
Zuführen einer zusätzlichen Menge des Lösungsmittels zu dem
Verdampfer (30) versehen ist, um zu verhindern, daß die
Reaktionsteilnehmer in dem Verdampfer (30) erneut
kondensiert werden und die erneut kondensierten
Reaktionsmittel eine Übertragungsleitung zwischen dem Ver
dampfer (30) und dem Reaktor (70) blockieren.
2. Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung für metallorganische
Verbindungen nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsmittel Ba-
(dipivaloylmethanat)2, Sr(dipivaloylmethanat)2 und Ti-
(dipivaloylmethanat)2 aufweisen.
3. Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung für metallorganische
Verbindungen nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zusätzliche
Lösungsmittel Isopropylamin ist.
4. Chemische Dampfabscheidungsvorrichtung für metallorganische
Verbindungen nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die
Lösungsmittelzufuhreinrichtung (100) eine Lösungsmittel
ampulle (40) und eine Pumpe (50) aufweist.
5. Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von metall
organischen Verbindungen zur Bildung einer dielektrischen
Dünnschicht auf einem Halbleitersubstrat, aufweisend die
Schritte:
Zuführen von Reaktionsteilnehmern, die in einem Lösungs mittel gelöst sind, zu einem Verdampfer, der zusätzlich mit Lösungsmittel über eine getrennte Zufuhreinrichtung versorgt wird,
Verdampfen der Reaktionsteilnehmer in dem Verdampfer, und Überführen der verdampften Reaktionsteilnehmer zu einem Reaktor mittels Trägergas, in welchem Reaktor die Reak tionsteilnehmer auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden werden.
Zuführen von Reaktionsteilnehmern, die in einem Lösungs mittel gelöst sind, zu einem Verdampfer, der zusätzlich mit Lösungsmittel über eine getrennte Zufuhreinrichtung versorgt wird,
Verdampfen der Reaktionsteilnehmer in dem Verdampfer, und Überführen der verdampften Reaktionsteilnehmer zu einem Reaktor mittels Trägergas, in welchem Reaktor die Reak tionsteilnehmer auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden werden.
6. Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von metall
organischen Verbindungen nach Anspruch 5, wobei als
Reaktionsmittel Ba(dipivaloylmethanat)2, Sr(dipivaloyl
methanat)2 und Ti(dipivaloylmethanat)2 verwendet werden.
7. Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von metall
organischen Verbindungen nach Anspruch 5 oder 6, wobei als
zusätzliches Lösungsmittel Isopropylamin verwendet wird.
8. Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von metall
organischen Verbindungen nach Anspruch 5, 6 oder 7,
außerdem aufweisend den Schritt, das Lösungsmittel durch
die getrennte Zufuhreinrichtung dem Verdampfer zuzuführen,
um die Reste der Reaktionsmittel nach der Bildung der
Dünnschicht zu waschen bzw. auszuspülen.
9. Verwendung des chemischen Dampfabscheidungsverfahrens von
metallorganischen Verbindungen nach einem der Ansprüche 5
bis 8, zur Abscheidung von BaSrTiO3- oder SrTiO3-
Dünnschichten.
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