DE60125338T2

DE60125338T2 - Gradierte dünne schichten

Info

Publication number: DE60125338T2
Application number: DE60125338T
Authority: DE
Inventors: J. Christiaan Tempe WERKHOVEN; Ivo Raaijmakers; P. Suvi HAUKKA
Original assignee: ASM International NV
Current assignee: ASM International NV
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: EP1266054A2; AU2001245388A1; WO2001066832A3; JP5016767B2; EP1266054B1; US20030032281A1; US20010041250A1; KR100803770B1; US6933225B2; US6703708B2; JP2003526218A; US20030129826A1; WO2001066832A2; DE60125338D1; KR20020086614A; US6534395B2; TW490739B

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ausbildung von Schichten integrierter Schaltkreise und genauer gesagt auf das Abscheiden dünner Filme mit abgestuften Verunreinigungskonzentrationen bzw. einem Gradienten in der Verunreinigungskonzentration.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt zahlreiche Halbleiterverarbeitungsschritte, die bei der Entwicklung moderner integrierter Schaltkreise (ICs) eine Rolle spielen. Von der anfänglichen Herstellung von Siliziumsubstraten bis zur endgültigen Verpackung bzw. Konfektionierung und zum Testen umfasst die Herstellung integrierter Schaltkreise viele Herstellungsschritte, einschließlich der Photolithographie, der Dotierung, des Ätzens und der Dünnfilmabscheidung. Als Ergebnis dieser Vorgänge werden integrierte Schaltkreise aus mikroskopischen Einrichtungen und einer Verdrahtung bzw. Kontaktherstellung inmitten mehrerer Schichten gebildet.
Ein grundlegender Baustein des integrierten Schaltkreises ist der Dünnfilmtransistor (TFT). Der Transistor weist eine dielektrische Schicht für ein Gate auf, welche sandwichartig zwischen einer „Metall"-Schicht und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, woher das Akronym „MOS" für Metal-Oxide-Semiconductor (Metall-Oxid-Halbleiter) stammt. In der Realität wird die Gateelektrode typischerweise aus auf Leitfähigkeit dotiertem Silizium hergestellt anstatt aus Metall. Das Dielektrikum des Gate, welches am häufigsten verwendet wird, ist SiO₂ oder Siliziumdioxid.
Die heutigen Märkte erfordern leistungsstärkere und schnellere integrierte Schaltkreise.
Bei dem Streben nach solcher Geschwindigkeit und geringerem Energieverbrauch werden die Packungsdichten dieser Einrichtungen immer weiter erhöht, indem die typischen Abmessungen der Einrichtung immer weiter verkleinert bzw. herunterskaliert werden. Bisher hat diese Verkleinerung die Breiten der Gateelektroden auf weniger als 0,25 μm reduziert. Es sind derzeit schon kommerzielle Produkte verfügbar, welche Gatebreiten oder kritische Abmessungen von 0,18 μm oder weniger verwenden. Die Skalierungsregeln, welche für diese kleinen Einrichtungen gelten, verlangen sehr dünne Gateoxidschichten, die mit jeder Generation von integrierten MOS-Schaltkreisen immer kleiner geworden sind. Die Dicke der Gateoxide wird so klein wie möglich gehalten, wodurch die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird. Konventionelle Gateoxid schichten können in mehrfacher Hinsicht ungeeignet sein, wenn die Maße kontinuierlich darunter skaliert werden.
Extrem dünne Gatedielektrika aus Siliziumdioxid zeigen unerwünschte Phänomene, wie z. B: das quantenmechanische Tunneln. Im klassischen Sinn stellt das Oxid eine relativ undurchdringbare Barriere für das Einführen bzw. Injizieren von Elektronen in das Leitungsband des Siliziums dar, wenn sie genetische Energien aufweisen, die kleiner als 3,1 eV sind. Das Elektron hat jedoch eine endliche Wahrscheinlichkeit, die Barriere zu durchqueren, selbst wenn das Elektron keine ausreichende Energie aufweist. Diese Wahrscheinlichkeit wächst mit größer werdenden elektrischen Feldern des Gates und/oder dünneren Gateoxiden an. Für Oxiddicken, die kleiner als 3 nm sind, wird der direkte Tunnelstrom groß genug, so dass er Leitungsträger schneller ableitet, als sie durch thermische Erzeugung zugeführt werden können. Im Ergebnis erreichen Gatedielektrika aus Siliziumdioxid wahrscheinlich einen unteren Skalierungsgrenzwert von etwa 1,5 nm bis 2 nm.
Ein weiteres Problem von dünnen Gateoxiden ist ihre Empfänglichkeit für die Diffusion von Dotiermitteln aus der darüberliegenden Gateelektrode. Eine Gateelektrodenschicht aus Polysilizium wird für ihre erhöhte Leitfähigkeit typischerweise mit Bor dotiert. Wenn die Gateoxiddicke herabgesetzt wird, kann das Bor das Gateoxid leicht durchdringen, was zu Instabilitäten in den Geräte- bzw. Produkteigenschaften führt. Das Eindringen von Bor in Gatedielektrika hat solche unerwünschten Konsequenzen wie die positive Verschiebung der Schwellenwertspannung, Verstärkung des Schwingens unterhalb des Grenz- bzw. Schwellenwertes, Erhöhen von Ladungseinfang, Absenken der Löchermobilität bei niedrigen Feldern und Verschlechterung der Stromverstärkung aufgrund von Polysiliziumverarmung in p-MOSFETs.
Ansätze für den Umgang mit Nachteilen von Siliziumdioxid schließen den Einbau von Stickstoff in das Gatedielektrikum ein. Siliziumnitrid (Si₃N₄) hat eine höhere Dielektrizitätskonstante als SiO₂, was theoretisch eine dünnere äquivalente Oxiddicke für Gatedielektrika ermöglicht, die nicht durch Tunneln begrenzt sind, und es dient weiterhin als effektive Barriere gegen die Diffusion von Verunreinigungen. Die Grenzflächen bzw. Übergangsebenen zwischen Siliziumnitridfilmen und dem darunterliegenden Halbleitersubstrat haben im Allgemeinen jedoch eine schlechte Qualität, was zu einer hohen Dichte von Ladungseinfangplätzen und so genannten „Pinholes" sowie einem zugehörigen Stromleck führt. Als Konsequenz sind Versuche unternommen worden, um Hybridschichten aus SiO₂ und Si₃N₄ zu erzeugen, wie z. B. Siliziumoxinitridfilme für die Verwendung als Gatedielektrika. Konventionelle Verfahren des Einbauens von Stickstoff in das Gatedielektrikum aus Siliziumoxid sind jedoch schwer zu steuern, insbesondere für die ultradünnen Gatedielektrika künftiger Generationen von entsprechenden Einrichtungen.
Andere Lösungen der Skalierungsprobleme umfassen die Verwendung von Materialien mit hoher Elektrizitätskonstante (hohes K) wie z. B. Tantalpentoxid, Strontium-Wismut-Tantalat (SBT), Barium-Strontium-Tantalat (BST), etc. Während diese eine in hohem Maße erhöhte dielektrische Festigkeit zeigen, sind diese Materialien nur mit Schwierigkeiten in die existierende Herstellungstechnologie zu integrieren.
Ein weiteres Problem, welches bei der kontinuierlichen Verkleinerung der Maße von integrierten Schaltkreisen auftritt, ist die Schwierigkeit, adäquat leitfähige Metallleitungen zur Verdrahtung bzw. Kontaktierung der Schaltung innerhalb der integrierten Schaltkreise herzustellen. Eine Art und Weise zur Vereinfachung des Vorganges der Metallisierung ist die Verwendung von Damaszenertechniken. Anstatt Abdeckungen aus Metallschichten abzuscheiden und überschüssiges Material wegzuätzen, um Draht- bzw. Leitungsbahnmuster zu hinterlassen, beinhaltet die Damaszenerverarbeitung das Ausbilden von Schablonen für die Verdrahtung mit Hilfe von Gruben in einer Isolierschicht. Metall füllt die Gruben bis über den Rand aus und ein Polierschritt entfernt überschüssiges Metall außerhalb der Gruben. Demnach verbleibt Metall in einem gewünschten Verdrahtungsmuster innerhalb der Gruben. Wenn Kontaktlöcher oder Durchgänge, von der Unterseite der Gruben zu darunterliegenden leitfähigen Elementen vorhanden sind und diese gleichzeitig mit Metall ausgefüllt werden, wird dieses Verfahren als zweifache Damaszenerverarbeitung bezeichnet.
Unglücklicherweise führt die Skalierung Schwierigkeiten in die Damaszenerprozesse ein, insbesondere wenn schnell diffundierende Metalle, wie z. B. Kupfer, für die Metallleitungen und Kontakte verwendet werden. Um das Abschälen von Metallleitungen von der umgebenden Isolierung zu verhindern und um Diffusionsspitzen zu vermeiden, welche Kurzschlüsse zwischen Leitungen erzeugen, werden ein oder zwei Auskleidungsschichten innerhalb der Gruben (und bei dem doppelten Damaszenerprozess der Durchgänge) vor der Füllung mit Metall ausgebildet. Typischerweise werden Metallhaftschichten und Metallnitridbarriereschichten verwendet. Eine metallische Keimschicht kann auch erforderlich sein, wenn die Gruben durch Elektroblockierung gefüllt werden sollen.
Diese Auskleidungsschichten beanspruchen ein beträchtliches Volumen der verfügbaren Gruben, was den für die höher leitfähige Metallfüllung verfügbaren Raum reduziert. Damit wird die Leitfähigkeit im Vergleich zu denselben vollständig mit Metall gefüllten Gruben reduziert. Darüber hinaus weiß man, dass die Verwendung von Metallnitridauskleidungen, auch wenn sie in vorteilhafter Weise die Metallfüllung aufnehmen und Kurzschlüsse verhindern, während des Betriebes des Schaltkreises eine Elektromigration induzieren, was zu Leerstellen und einer weiter reduzierten Leitfähigkeit entlang der Metallleitungen führt.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an dünnen Filmen, welche die mit den aus traditionellen Materialien, wie z. B. Siliziumnitrid und Siliziumoxid, aufgebauten Gatedielektrika verbundenen Probleme überwindet. Es besteht auch ein Bedarf an verbesserten Strukturen und Verfahren für die Aufnahme von Metall innerhalb von Damaszener-Gruben ohne übermäßigen Verlust in der Leitfähigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die zuvor erwähnten und weiteren Bedürfnisse werden durch verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung befriedigt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines nicht-epitaktischen, dünnen Filmes mit variierender Zusammensetzung zwischen seiner Oberseite und seiner Unterseite in einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt, welches aufweist:
Anordnung eines Substrates in einer Reaktionskammer,
Einführung erster und zweiter Dampfphasenreaktionsmittel in abwechselnden und zeitlich getrennten Impulsen für das Substrat in einer Mehrzahl von Abscheidungszyklen, und
Einführen unterschiedlicher Mengen eines dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase in das Substrat während der Mehrzahl von Abscheidungszyklen, so dass die Oberfläche des dünnen Films eine graduell abgestufte Konzentration mit 5 % einer Verunreinigung aufweist, die eine Komponente des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase aufweist, und wobei die Dicke des dünnen Films weniger als 50 Å (5 × 10^–9 m) beträgt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dünner Film in einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt, der eine Dicke von weniger als 50 Å (5 × 10^–9 m) hat, die zwischen einer oberen Fläche und einer unteren Fläche definiert bzw. festgelegt wird, wobei der dünne Film eine kontrolliert eingestellte und zwischen der oberen und der unteren Fläche variierende Zusammensetzung einer Verunreinigung hat, wobei die Konzentration der Verunreinigung an der oberen Fläche mehr als 5 % beträgt und wobei die variierende Zusammensetzung eine abgestufte bzw. sich graduell ändernde Konzentration der Verunreinigung (einen Konzentrationsgradienten der Verunreinigung) aufweist.
Wir beschreiben einen dünnen Film der vorliegenden Erfindung, der in einem integrierten Schaltkreis vorgesehen ist. Der Film hat eine geringe Dicke, wie sie als Abstand zwischen einer oberen und einer unteren Fläche definiert wird. Eine kontrollierte, sich über diese geringe Dicke verändernde Zusammensetzung wird bereitgestellt. Beispielhafte Dicken können in der Größenordnung von 10 Å sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Film ein Gatedielektrikum für einen integrierten Dünnfilmtransistor auf. In einer Anordnung wird eine Siliziumoxidschicht mit einer abgestuften Konzentration (einem Konzentrationsgradienten) von Stickstoff bereitgestellt. Trotz der geringen Dicke der Schicht kann man einen solchen Gradienten erhalten. In vorteilhafter Weise kann auf der unteren Ebene ein relativ reines Siliziumdioxid bereitgestellt werden für eine qualitativ hochwertige Kanalgrenzfläche, während an der oberen Fläche ein relativ hoher Stickstoffgehalt den Widerstand gegen Bordiffusion aus der Polysiliziumgateelektrode verbessert. In einer anderen Anordnung können andere dielektrische Materialien in abgestufter Weise zugemischt werden, um wünschenswerte Zwischenebenen- bzw. Grenzflächeneigenschaften von einem Material und wünschenswerte Massivmaterialeigenschaften von einem anderen Material zu erhalten, ohne unerwünschte, scharte bzw. abrupte Übergangsschichten in dem Gatedielektrikum. Beispielsweise hat Al₂O₃ eine hohe dielektrische Konstante und wünschenswerte Grenzflächeneigenschaften, während ZrO₂ eine noch höhere dielektrische Konstante hat, die für die „Masse" des Gatedielektrikums wünschenswert ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist der Film eine Übergangsschicht zwischen einem Barrierefilm und einem besser leitfähigen Verdrahtungs- bzw. Kontaktmaterial auf. In der dargestellten Ausführungsform wird die dünne Metallnitridschicht mit einer abgestuften Konzentration von Kupfer versehen. Die Nitridschicht kann außerordentlich dünn hergestellt werden, was beispielsweise mehr Platz für mehr leitfähiges Metall innerhalb einer Damaszener-Grube frei lässt. In vorteilharter Weise kann eine effektive Diffusionsbarriere mit Metallnitrid an der Unterseite vorgesehen werden, während ein hoher Kupfergehalt an der oberen Fläche die Leitfähigkeit bereitstellt, die benötigt wird, um als eine Keimschicht für die Elektroplattierung zu dienen. Der allmähliche Übergang vermindert auch die Elektromigration gegenüber Strukturen, die abrupte Übergangsschichten zwischen Barriere und Metall haben.
Wie zuvor bereits erwähnt, wird gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, um einen dünnen Film in einem integrierten Schaltkreis mit einer über seine Dicke variierenden Zusammensetzung bereitzustellen. Das Verfahren umfasst das abwechselnde Einführen bzw. Zuführen zumindest einer ersten Art und einer zweiten Art zu einem Substrat in einer Mehrzahl von Abscheidungszyklen, während das Substrat in einer Reaktionskammer gehalten wird. Eine dritte Art bzw. Substanz wird in einer Mehrzahl von Abscheidungszyklen in das Substrat eingeführt. Die Menge der dritten Substanz kann in den verschiedenen Zyklen, in denen sie zugeführt bzw. eingeführt wird, variieren. Alternativ wird die dritte Substanz durch ihren eigenen Quellgasimpuls zugeführt, wobei dieser Impuls mit zunehmender oder abnehmender Frequenz abgegeben wird, während die Dünnfilmabscheidung fortschreitet (z. B. keiner während einer ersten Stufe, jeder vierte Zyklus während einer zweiten Stufe und jeder Zyklus während einer dritten Stufe, etc.).
In vorteilhafter Weise variiert die Menge an Verunreinigungen zwischen Null während anfänglicher Abscheidungszyklen und einem maximalen Betrag während späterer Abscheidungszyklen. In einem Beispiel wird eine Siliziumgasquelle auf dem Substrat in einer ersten Phase jedes Zyklus adsorbiert, während ein Gas einer Oxidationsmittelquelle in einer zweiten Phase des Zyklus Siliziumoxid bildet. Nachdem ein relativ reines Siliziumoxid die Substratoberfläche abdeckt, werden während der zweiten Phase kleine Mengen von einer Stickstoffgasquelle eingeführt. Die Menge an Stickstoffgas nimmt danach mit jedem Zyklus weiter zu. Die Menge an Oxidationsmittel während der zweiten Phase kann ebenfalls abnehmen, so dass sich in dem am meisten bevorzugten Fall eine obere Fläche aus reinem Siliziumnitrid ergibt, wobei der Stickstoffgehalt zwischen den oberen und unteren Flächen des Dielektrikums abgestuft ist. In ähnlicher Weise stellen in einem zweiten Beispiel Wolfram, Reduktionsmittelquellen und Stickstoffquellen in den ersten bis dritten Phasen Metallnitrid bereit. Eine Kupferquelle und Reduziermittel in den vierten und fünften Phasen liefern Kupfer. In den nachfolgenden Zyklen verändern sich die relativen Anteile der ersten bis dritten Phasen (welche nicht mehr als etwa eine Monoschicht aus WN erzeugen) und der vierten bis fünften Phasen (welche nicht mehr als etwa eine Monoschicht aus CU bilden). Die Zunahmen/Reduktionen können schrittweise verändert werden, beispielsweise mit jedem zweiten Zyklus, mit jedem dritten Zyklus, etc.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können gezielt eingeführte Verunreinigungsphasen oder Impulse Atome einer vorherigen Phase in einer thermodynamisch begünstigten Substitutionsreaktion ersetzen. Die Abstufung bzw. Gradientenbildung kann bewerkstelligt werden durch Variieren der Frequenz der Verunreinigungsphase während des Abscheidungsvorganges der atomaren Schichten. Alternativ kann die Frequenz der Verunreinigungsphase konstant gehalten werden, während die Dauer der Verunreinigungsphase im Verlaufe des Abscheidungsprozesses variiert wird, oder es kann eine Kombination von variierender Frequenz und Dauer verwendet werden.
Aufgrund der genauen Steuerung, welche durch die Abscheidung atomarer Schichten gewährleistet wird, kann diese Abstufung in sehr dünnen Schichten bereitgestellt werden. Darüber hin aus ermöglichen die niedrigen Temperaturen während des Prozesses, dass das gewünschte Profil des Verunreinigungsgehalts beibehalten wird.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die vorstehenden und weitere Aspekte der Erfindung werden für Fachleute anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen in einfacher Weise verständlich, wobei:
1 eine teilweise schematische Schnittansicht einer Reaktionskammer mit einem einzelnen Substrat ist, welche einige umgebende Reaktorkomponenten für die Verwendung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines teilweise hergestellten integrierten Schaltkreises, welcher die Schicht eines Gatedielektrikums zeigt, die sandwichartig zwischen einer Gateelektrode und einer Halbleiterschicht angeordnet ist.
3-6 zeigen schematisch die Abscheidung eines Gatedielektrikums in einzelnen Schichten (Monolayers) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In den dargestellten Ausführungsformen wird eine „Einzelschicht" (Monolayer) mit wenigen Zyklen in einem abwechselnden, zyklischen Prozess ausgebildet.
7 ist ein beispielhaftes Gasstromdiagramm gemäß einem bevorzugten Verfahren der Abscheidung ultradünner, abgestufter dielektrischer Schichten.
8 ist ein theoretisches umgekehrtes Auger-Profil einer abgestuften dielektrischen Schicht, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines „Drahtes" bzw. einer elektrischen Leitung und eines Kontaktes, welche in einer Doppel-Damaszener-Grube bzw. einem Durchgang, einschließlich Barriere- und Metallschichten, ausgebildet sind.
10 ist eine vergrößerte Ansicht des Schnittes 10-10 in 9, welche eine abgestufte Übergangsschicht zeigt, die zwischen den Barriere- und Metallschichten ausgebildet ist.
11 ist ein theoretisches Auger-Profil eines abgestuften (mit Gradienten versehenen) Barriere-zu-Metall-Übergangsbereiches, welches gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist.
12 ist ein beispielhaftes Gasstromdiagramm gemäß einer Ausführungsform für das Abscheiden abgestufter leitfähiger Schichten.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Auch wenn die Beschreibung hier im Kontext abgestufter dielektrischer Gateschichten in einem integrierten Transistorstapel und abgestufter Übergänge von Barrieren zu Metallschichten erfolgt, würde ein Fachmann in einfacher Weise für die hier offenbarten Prinzipien auch Anwendungen in einer Anzahl weiterer Zusammenhänge finden. Die hier offenbarten Prozesse und Schichtstrukturen sind besonders zweckmäßig, wo extrem dünne Schichten mit maßgeschneiderten Konzentrationen von Verunreinigungen über die Dicke der Schicht hinweg erwünscht sind.
Es ist oft wünschenswert, in einem integrierten Schaltkreis eine abgestufte oder sonst wie variierende Zusammensetzung über die Dicke eines Films hinweg bereitzustellen. Scharfe Grenzen bzw. Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Schichten können in nachteiliger Weise eine schlechte Haftung, unerwünschte elektrische Qualität, fehlende Steuerungsmöglichkeiten etc. aufweisen.
Für sehr dünne Filme, welche beispielsweise dünner als 10 nm sind, ist es sehr schwierig, mit konventionellen Herstellungsmethoden exakt maßgeschneiderte Profile zu realisieren. Die bevorzugten Ausführungsformen verwenden jedoch eine Abscheidung atomarer Schichten (ALD – atomic layer deposition), welche die Ausbildung dünner Filme in jeweils einzelnen Monolayerschichten (monoatomare Schichten) ermöglicht. Tatsächlich existiert die Kontrolle bzw. Steuerungsmöglichkeit sogar auf einer kleineren Skala als der monoatomarer Schichten, da aufgrund von räumlichen Einschränkungen bzw. Abschattungen von chemischen Molekülen einer massiven Quelle weniger als eine Monoschicht pro Zyklus erzeugt wird. Die Fähigkeit, auf atomarer Ebene dünne Monoschichten aufzubringen, ermöglicht die Ausbildung präziserer Konzentrationsgradienten von der unteren Fläche (beispielsweise der Grenzfläche zwischen Gateoxid und Siliziumsubstrat) zu der oberen Fläche (beispielsweise der Grenzfläche zwischen Gateelektrode/Gatedielektrikum).
Dementsprechend stellen bevorzugte Ausführungsformen Verfahren zum exakteren, maßgeschneiderten Einbringen von Verunreinigungen in dünne Schichten, die in integrierten Schaltkreisen ausgebildet werden, dar. Die dargestellten Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben werden, umfassen demnach Verfahren zum Aufbauen eines dünnen Filmes in diskreten Schritten in Form von Monoschichten (monoatomaren bzw. monomolekularen Schichten) aus einem Material und sie gehören damit zu Spielarten der Abscheidung atomarer Schichten (ALD). Die Zusammensetzung jeder diskreten Schicht kann maßgeschneidert werden, indem wahlweise die gewünschte Chemie für jede abzuscheidende Monoschicht eingeführt wird. Beispielsweise reagiert mit Hilfe von ALD eine bestimmte Kombination eingeführter Gase mit dem Werkstück, wird darauf abgeschieden oder absorbiert, und zwar aufgrund der Natur der Abscheidechemie selbst, bis der Vorgang von selbst endet. Unabhängig davon, wie lange die Exposition (bzw. die Bedampfung) erfolgt, tragen die Prozessgase nicht mehr zu der Abscheidung bei. Um nachfolgende Monoschichten abzuscheiden, werden andere chemische Kombinationen in die Prozesskammer eingeführt, so dass sie mit der zuvor ausgebildeten Monoschicht reagieren oder auf dieser absorbiert werden. Es ist wünschenswert, wenn die zweite Chemie (die chemische Zusammensetzung im zweiten Zyklus) oder eine nachfolgende Chemie eine weitere Monoschicht bildet, und zwar auch in sich selbst begrenzender Weise. Diese sich selbst begrenzenden Monoschichten wechseln viele Male ab, je nachdem, wie es gewünscht ist, um einen Film einer geeigneten Dicke zu bilden.
Allein die Art und Weise dieser Methode ermöglicht eine Veränderung der Chemie für jeden diskreten Zyklus. Dementsprechend kann die Zusammensetzung des sich ergebenden dünnen Filmes schrittweise, beispielsweise in jedem Zyklus, in jedem zweiten Zyklus oder in irgendeiner anderen gewünschten Vorgehensweise, geändert werden. Zusätzlich kann, da ALD bei sehr niedrigen Temperaturen ausgeführt werden kann, jedenfalls im Vergleich zu einer konventionellen thermischen Oxidierung und konventionellen CVD-Prozessen, eine Diffusion während des Prozesses in effektiver Weise begrenzt werden. Für Zwecke der Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen Oxiddicke und der entsprechenden Anzahl von Schichten enthält beispielsweise ein dünner Film aus 2 nm Siliziumoxid etwa sieben (7) Monoschichten. Gemäß der dargestellten Ausführungsform können sieben Monoschichten von Siliziumoxid in etwa 18 bis 22 Zyklen eines ALD-Vorganges ausgebildet werden. Demnach kann selbst für eine solch extrem dünne Schicht die Zusammensetzung so verändert werden, dass in der ersten Monoschicht gegenüber der siebten Monoschicht eine andere Verunreinigungskonzentration eingebaut wird.
Bevorzugter Prozessreaktor
1 zeigt einen Reaktor 10 für chemische Dampfabscheidung (CVD), einschließlich einer Quarz-Prozess- oder Reaktionskammer 12, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist und für welche die hier offenbarten Verfahren besonders nützlich sind. Der dargestellte Reaktor weist ein Prozessmodul auf, das kommerziell unter dem Handelsnamen Epsilon^TM von ASM America, Inc., Phoenix, AZ, erhältlich ist und das dafür ausgelegt ist, dass es eine entfernte Plasmaquelle umfasst bzw. einschließt. Während die bevorzugten Ausführungsformen im Kontext eines CVD-Reaktors für ein einzelnes Substrat diskutiert werden, versteht es sich, dass die offenbarten Verfahren auch auf CVD-Reaktoren anderer Typen angewendet werden können, welche Reaktionskammern mit gegenüber den hier diskutierten anderen Geometrien haben. In anderen Anordnungen können die bevorzugten Verfahren in einem Reaktor ausgeführt werden, der kommerziell erhältlich ist unter dem Namen Pulsar^TM 2000 von ASM Microchemistry, LTD, Finnland, der speziell für die ALD ausgelegt ist.
Eine Mehrzahl von Wärmestrahlungsquellen ist außerhalb der Kammer 12 gehaltert, um Wärmeenergie für die Kammer 12 bereitzustellen, ohne dass die Wände der Quarzkammer 12 nennenswert absorbieren. Während die bevorzugten Ausführungsformen im Kontext eines CVD-Reaktors mit „kalter Wand" für die Verarbeitung von Halbleiterwafern beschrieben werden, versteht es sich, dass die hier beschriebenen Verarbeitungsmethoden auch in Verbindung mit anderen Erhitzungs-/Kühl-Systemen ihre Anwendungsmöglichkeiten haben, wie z. B. denjenigen, die ein induktives oder ein Widerstandsheizen verwenden.
Die dargestellten Strahlungsheizquellen weisen einen oberen Heizaufbau auf, der aus länglichen, rohrförmigen Strahlungsheizelementen 13 besteht. Die oberen Heizelemente 13 sind vorzugsweise voneinander beabstandet und parallel zueinander und auch im Wesentlichen parallel zu dem Strömungspfad des Reaktionsmittelgases durch die darunterliegende Reaktionskammer 12 angeordnet. Ein unterer Heizaufbau weist ähnliche längliche, rohrförmige Strahlungsheizelemente 14 unterhalb der Reaktionskammer 12 auf, die vorzugsweise quer zu den oberen Heizelementen 13 angeordnet sind. Es ist wünschenswert, dass ein Teil der Strahlungswärme durch rauhe Spiegelreflektorplatten oberhalb und unterhalb der oberen und unteren Lampen 13 bzw. 14 diffus reflektiert wird. Zusätzlich führt eine Mehrzahl von Punktlampen 15 konzentrierte Wärme auf die Unterseite der Waferhalterungsstruktur zu, um einem Wärmesenkeneffekt entgegen zu wirken, der durch kalte Halterungsstrukturen erzeugt wird, welche sich durch den Boden der Reaktionskammer 12 erstrecken.
Jedes der länglichen, rohrförmigen Heizelemente 13, 14 ist vorzugsweise eine Wolframglühfadenlampe hoher Intensität, welche eine transparente Quarzhülle aufweist, die ein Halogengas, wie z. B. Jod, enthält. Derartige Lampen erzeugen ein volles Spektrum von Heizstrahlungs energie, welche durch die Wände der Reaktionskammer 12 ohne nennenswerte Absorption übertragen wird. Wie es im Stand der Technik der Ausrüstung für die Verarbeitung von Halbleitern bekannt ist, kann die Leistung der verschiedenen Lampen 13, 14, 15 unabhängig oder in gruppierten Zonen unter Reaktion auf Temperatursensoren gesteuert werden.
Ein Werkstück oder Substrat, welches vorzugsweise einen Siliziumwafer 16 aufweist, ist in der Reaktionskammer 12 auf einem Substrat- oder Wafer-Halterungsaufbau 18 gehaltert dargestellt. Man beachte, dass es sich versteht, während das Substrat der dargestellten Ausführungsform ein kristalliner Siliziumwafer ist, dass der Begriff „Substrat" sich allgemein auf irgendeine Struktur bezieht, auf welcher eine Schicht abgeschieden werden soll. Der Halterungsaufbau 18 weist einen Aufnehmer 20, eine Quarzunterstützungsspinne 22, die sich von einem Schacht 24 durch ein herabhängendes Rohr 26 erstreckt, und zahlreiche Umgebungselemente auf, die einen laminaren Gasstrom und gleichmäßige Temperaturen über den Wafer 16 hinweg ermöglichen.
Die dargestellte Reaktionskammer 12 weist einen Einlassanschluss 40 für das Injizieren von Reaktionsmitteln und Trägergasen auf, und der Wafer 16 kann ebenfalls durch diesen aufgenommen werden. Ein Auslassanschluss 42 befindet sich auf der entgegengesetzten Seite der Kammer 12, wobei der Waferhalterungsaufbau 18 zwischen dem Einlass 40 und dem Auslass 42 angeordnet ist.
Ein Einlassbauteil 44 ist an der Reaktionskammer montiert und so ausgelegt, dass es den Einlassanschluss 40 umgibt, und es weist einen in horizontaler Richtung länglichen Schlitz 45 auf, durch welchen der Wafer 16 eingeführt werden kann. Der Schlitz 45 wird während des Betriebs wahlweise durch ein Gateventil (nicht dargestellt) abgedichtet. Ein in etwa vertikaler Einlass 46 nimmt Gase von entfernten Quellen auf und stellt für den Schlitz 45 und den Einlassanschluss 40 die Verbindung zu diesen Gasen her.
Der Reaktor weist auch entfernte Quellen (nicht dargestellt) von Prozessgasen auf, die über Gasleitungen mit zugehörigen Sicherheits- und Steuerventilen, ebenso wie mit Massenstromregelungen („MFCs"), die an einer Gas-Tafel koordiniert werden, über Gasleitungen mit dem Einlass 46 in Kommunikationsverbindung stehen, wie es ein Fachmann auf diesem Gebiet leicht versteht.
Für die erste dargestellte Ausführungsform weisen Gasquellen Tanks auf, welche ein Silizium enthaltendes Gas umfassen, vorzugsweise ein Silan, wie z. B. Monisilan (SiH₄), Siliziumtetrachlorid (SiCl₄), Dichlorosilan (DCS oder SiH₂Cl₂), Trichlorosilane (TCS oder SiHCl₃) oder Quel len von anderem Silan- oder Halosilan-Silizium; ein Quellgas als Oxidationsmittel, wie z. B. O₂, O₃, O-Radikale, H₂O, NO oder N₂O, und ein Stickstoffquellengas, wie z. B. NH₃. Metallquellengase können für die Abscheidung von Metalloxiden mit hohem K-Wert ebenfalls verwendet werden. Für die zweite Ausführungsform umfassen die Quellgase ein oder mehrere metallische Quellgase (z. B. WF₆, TiCl₄, CuCl etc.), ein Stickstoffquellengas (z. B. NH₃) und ein Reduziermittel (beispielsweise Triethylbor oder TEB).
Die Siliziumquellen können einen Blasenbildner und eine Gasleitung für Entgasen des H₂ durch eine flüssige Lösung, wie z. B. TCS, umfassen, um in effizienterer Weise Silizium enthaltende Gasmoleküle in gasförmiger Form zu der Reaktionskammer zu transportieren. Viele Metallquellen können in ähnlicher Weise flüssige Lösungen und Blasenbildner enthalten. Der Reaktor 10 kann auch andere Gasquellen umfassen, wie z. B. Dotiermittelgase, einschließlich Phosphin (PH₃), Arsin (AsH₃) und/oder Diboran (B₂H₆), Ätzmittel zum Reinigen der Reaktorwände (z. B. HCl), eine Germaniumquelle zum Dotieren oder zur Ausbildung auf SiGe-Filmen, etc.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine optische Erzeugungseinrichtung für eine angeregte Substanz, der üblicherweise als Plasmagenerator 60 bezeichnet wird, fernab oder stromaufwärts von dem Reaktionsbereich und vorzugsweise auch stromaufwärts von der Kammer 12 bereitgestellt. Ein beispielhafter, entfernt gelegener Generator für angeregte Substanzen ist kommerziell verfügbar unter dem Handelsnamen TR-850 von Rapid Reactive Radicals Technology GmbH in München, Deutschland. Wie im Stand der Technik bekannt, koppelt der Generator 60 Energie in ein Gas ein, um eine angeregte Substanz zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform koppelt der Generator 60 Mikrowellenenergie von einem Magnetron in ein strömendes Gas in einer Zufuhreinrichtung entlang einer Gasleitung 62 ein. Eine Quelle für Vorläufergase 63 wird zum Einführen in den Generator 60 für angeregte Substanzen in die Gasleitung 62 eingekoppelt. Eine Quelle für Trägergas 64 ist ebenfalls mit der Gasleitung 62 verbunden. Eine oder mehrere weitere Verzweigungsleitungen 65 können für zusätzliche Reaktionsmittel ebenfalls bereitgestellt werden. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, können die Gasquellen 63, 64 Gasbomben (Druckflaschen), Rührwerke etc. enthalten, je nach der Form und Volatilität (Flüchtigkeit) der Substanz des Reaktionsmittels. Jede Gasleitung kann mit getrennten Massenstromsteuerungen bzw. -regelungen (MFC) und Ventilen ausgestattet sein, wie dargestellt, um die Auswahl relativer Mengen und Trägersubstanzen und Reaktionsmittelsubstanzen zu ermöglichen, die in den Generator 60 und von dort in die Reaktionskammer 12 eingeführt werden.
Eine Auslasskomponente 48 ist so an der Prozesskammer 12 montiert, dass eine Abgasöffnung 49 mit dem Auslassanschluss 42 ausgerichtet ist und ihn zu Abgasleitungen 50 führt. Die Lei tungen 50 stehen ihrerseits in Verbindung mit geeigneten Vakuumeinrichtungen (nicht dargestellt), um Prozessgase durch die Kammer 12 abzuziehen und um den Druck zu reduzieren, falls erwünscht.
Abgestufte Gatedielektrika
Wie oben erwähnt, geht der Trend bei der Herstellung integrierter Schaltkreise in Richtung einer weiteren Miniaturisierung der Einrichtungen. Wenn die Einrichtungen kleiner werden, so wird es zunehmend schwieriger, mit konventionellen Mitteln dünne Schichten, wie z. B. Gateoxidschichten, abzuscheiden. Darüber hinaus muss die Natur von Siliziumoxidschichten sich ändern, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften von Gatedielektrika zu erfüllen.
Gatedielektrika in integrierten Transistoren sollten nicht nur geringe Fehlerdichten haben, sondern sollten auch der Diffusion von Verunreinigungen aus der darüberliegenden Gateelektrode in das Gatedielektrikum widerstehen. Siliziumoxid ist nunmehr seit Dekaden erfolgreich als dielektrisches Gatematerial verwendet worden, jedoch verlangen die heutigen Schaltkreismodelle und -auslegungen die Verwendung immer dünnerer Schichten. Als eine Folge der dünnen Schichten wird die Diffusion von Dotiermitteln (beispielsweise Bor) ein größeres Problem.
Der Einbau von Stickstoff in den dielektrischen Film des Gates kann in effizienter Weise die Bordiffusion vermindern. Wie es ansonsten im Stand der Technik schon erkannt wurde, führt jedoch Nitrid an der Kanalgrenzfläche zu schlechten Grenzflächeneigenschaften und dementsprechend zu einer schlechten elektrischen Leistungsfähigkeit. Dementsprechend hat die resultierende dielektrische Struktur reines Siliziumoxid an der Grenzfläche zum Kanal und Siliziumnitrid auf höheren Ebenen.
In konventioneller Weise werden die dielektrischen Gatefilme aus Siliziumoxid durch thermische Oxidierung des darunterliegenden Siliziumsubstrats hergestellt. Um Stickstoff einzubauen, können Stickstoff enthaltende Gase dem Hauptstrom aus Sauerstoff hinzugefügt werden und/oder es kann eine Behandlung nach der Abscheidung mit Stickstoff enthaltenden Gasen oder durch Stickstoffimplantierung durchgeführt werden. Derartige Methoden können entweder Stickstoff in das Oxidmaterial einbauen, um Siliziumoxinitrid (SiO_xN_y) oder eine Si₃N₄-Schicht über dem Oxid auszubilden. In jedem Fall ist es schwierig, den Stickstoffgehalt in den Filmen unter Kontrolle zu halten (kontrolliert einzustellen), insbesondere für die aktuell integrierten Schaltkreiseinrichtungen und diejenigen der künftigen Generation, bei welchen das dielektrische Gatematerial sehr dünn ist (beispielsweise weniger als 7 nm). Für derartige ultradünne Dielektrika können konventionelle Methoden des Einbaus von Stickstoff in ein Gatedielektrikum nicht so gesteuert oder kontrolliert werden, dass sie gleichförmige elektrische Eigenschaften über das Substrat hinweg erzeugen und dennoch den Stickstoffgehalt an der Grenzfläche zu dem Substrat minimal machen.
Die erste Ausführungsform umfasst die abwechselnde Absorption von nicht mehr als etwa einer Monoschicht aus Silizium mit Oxidation der zuvor absorbierten Monoschicht in einem Prozess mit abwechselnder Schichtung von Siliziumoxid. Während der Oxidierungsstufe kann außerdem gezielt Stickstoff eingebaut werden. Im Wesentlichen kann man durch Mischen dieser beiden Gase Oxinitrid-Filme mit irgendeinem gewünschten Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff aufwachsen lassen. In der bevorzugten Ausführungsform kann durch Variation der Reaktionsmittelverhältnisse während des zyklischen Prozesses die Zusammensetzung, die durch jeden Zyklus hergestellt wird, maßgeschneidert werden. Am meisten bevorzugt ist es, wenn die Abscheidung mit reinem Siliziumoxid beginnt und mit reinem Siliziumnitrid endet, mit irgendeiner gewünschten Abstufung bzw. irgendeinem gewünschten Gradienten über die Dicke hinweg.
Das Substrat, auf welchem die Abscheidung erfolgen soll, wird anfänglich für den sich selbst begrenzenden Abscheidungsprozess vorbereitet. In der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat ein Halbleitermaterial, in welchem ein Transistorkanal ausgebildet ist. Das Halbleitersubstrat kann aus irgendeiner epitaktischen Schicht gebildet sein oder kann aus den oberen Abschnitten eines intrinsisch dotierten Siliziumwafers hergestellt sein. In anderen Anordnungen kann das Substrat alternative Materialien, wie z. B. III/V-Halbleiter, aufweisen.
Die Oberflächenbearbeitung hinterlässt in wünschenswerter Weise einen Oberflächenabschluss, der einfach bzw. unmittelbar mit dem ersten Reaktionsmittel in dem bevorzugten ALD-Prozess reagiert. In der dargestellten Ausführungsform, bei welcher eine dielektrische Schicht über einer einkristallinen Siliziumschicht oder einem Wafer ausgebildet werden soll, wird die reine Siliziumoberfläche vorzugsweise mit Hydroxil (OH)-Enden abgeschlossen. Wie es sich für einen Fachmann auf diesem Gebiet versteht, kann man einen solchen Oberflächenabschluss in einfacher Weise erhalten, indem man den Wafer nach einer Reinigung einer Reinraumatmosphäre aussetzt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird zumindest ein Werkstück oder Wafer in die Prozesskammer geladen und für die Verarbeitung vorbereitet. Spülgas lässt man vorzugsweise durch die Kammer strömen, um irgendwelche atmosphärischen Verunreinigungen zu entfernen.
Die Prozessparameter von Druck und Temperatur können so modifiziert werden, dass sie die gewünschten Filmeigenschaften bewirken. Falls erforderlich, wird der Wafer in einer Rampe auf die gewünschte Prozesstemperatur angehoben, indem die Leistungsabgabe der Lampen 13, 14 und 15 erhöht wird. In vorteilhafter Weise kann jedoch die dargestellte, sich selbst begrenzende Reaktion bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, so dass der Reaktor konstant auf der Reaktionstemperatur gehalten werden kann, ohne bei einem Wechsel des Werkstücks die Temperaturen herauf- und herunterzufahren. Das gewünschte Druckniveau kann, wenn es ein anderes als Atmosphärendruck ist, durch Verwendung einer konventionellen Vakuumpumpe erreicht werden, wie es Fachleuten bekannt ist. Für den vorliegenden Siliziumoxinitrid-Prozess ist es beispielsweise vorzuziehen, eine Prozesstemperatur zwischen etwa 100°C und 500°C, besser zwischen etwa 200°C und 400°C und am meisten bevorzugt zwischen etwa 300°C und 400°C aufrechtzuerhalten. Wünschenswerterweise ist der Prozess auch relativ unempfindlich gegenüber dem Druck, auch wenn der bevorzugte Druckbereich zwischen etwa 1 Torr und 100 Torr und besser noch zwischen etwa 5 Torr und 15 Torr liegt.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die sich selbst begrenzende Reaktion bei noch niedrigeren Temperaturen stattfinden. Bei Verwendung von Sauerstoff- und/oder Stickstoffquellen mit entfernter Plasmaanregung ist selbst eine Verarbeitung bei Zimmertemperatur denkbar und möglich. Konsequenterweise kann eine wechselseitige Diffusion zwischen diskreten Schichten vermieden werden und solange die Nachbehandlungen bei hohen Temperaturen nicht in einer Umgebung von Sauerstoff oder Stickstoff enthaltenden Gasen stattfinden, bleibt das abgeschiedene Zusammensetzungsprofil intakt. Wie oben erwähnt kann der Plasmagenerator 60 nach 1 Mikrowellenenergie in strömende Gase einkoppeln, um ein Plasma zu zünden. Dabei ist es wünschenswert, wenn die ionisierten Substanzen vor dem Eintritt in die Prozesskammer rekombinieren und damit eine Beschädigung des Werkstücks in der Kammer selbst minimal machen, während Radikale, wie z. B. N und O, überleben, um eine verstärkte Reaktionsfähigkeit mit den Sauerstoff- und/oder Stickstoff-Phasen des Prozesses bereitzustellen.
Wenn das Werkstück sich auf der gewünschten Reaktionstemperatur und die Kammer sich auf dem gewünschten Druckniveau befindet, werden Prozess- und Trägergase mit der Prozesskammer in Verbindung gebracht. Prozess- und Trägergas, welches nicht reagiert hat, und irgendwelche gasförmigen Reaktionsnebenprodukte werden demnach ausgestoßen. Das Trägergas kann irgendeines aus einer Anzahl bekannter, nicht reaktiver Gase sein, wie z. B: H₂, N₂, Ar, He, etc. In der dargestellten Ausführungsform wird N₂ als das Trägergas verwendet.
Eine erste chemische Substanz wird dann auf dem vorbereiteten Abscheidungssubstrat absorbiert. In der dargestellten Ausführungsform weist die erste Substanz eine Silizium enthaltende Substanz auf und enthält zumindest einen weiteren Liganden, der zu einer sich selbst abschlie ßenden Monoschicht der Silizium enthaltenden Substanzen führt. Beispielsweise kann das Siliziumquellgas für die Abscheidung von Siliziumoxid enthalten: Silane der Formel Si_mL_2m+2, wobei m eine ganze Zahl zwischen 1 und 3 ist; Siloxane der Formel Si_yO_y–1L_2y+2, wobei y eine ganze Zahl zwischen 2 und 4 ist; und Silazane der Formel Si_y(NH)_y–1L_2y–2, wobei y eine ganze Zahl zwischen 2 und 4 ist (die Grenzwerte jeweils eingeschlossen). Bei diesen Formeln kann L jeweils unabhängig H, F, Cl, Br, I, Alkyl, Aryl, Alkoxy, Vinyl (-CH=CH₂), Cyano (-CN), Isocyanato (-NCO), Amino, Silyl (H₃Si-), Alkylsilyl, Alkoxysilyl, Silylen oder Alkylsiloxan sein, wobei die Alkyl- und Alkoxygruppen linear oder verzeigt sein können und zumindest einen Substituenten enthalten können. Flüchtige Silanole und zyklische Siliziumverbindungen sind Beispiele anderer geeigneter Verbindungen einer Siliziumquelle.
Von diesen Siliziumverbindungen werden vorzugsweise Silane und Silazane für die Abscheidung von reinem Siliziumnitrid verwendet, da Silazane eine relativ starke Si-O-Bindung haben. Die Siliziumverbindungen kann man beispielsweise von Gelest, Inc., 612 William Leigh Drive, Tullytown, PA 19007-6308, USA, kaufen.
Am meisten bevorzugt ist es, wenn das Siliziumquellgas Dichlorosilan (DCS) oder Trichlorosilan (TCS) aufweist, welches in den Trägerstrom injiziert wird. In dem bevorzugten Reaktor lässt man das Siliziumquellgas mit einer Rate von etwa 10 sccm und 500 sccm, besser noch zwischen etwa 100 sccm und 300 sccm strömen. Das Siliziumquellgas hält man für etwa 0,1 bis 1 Sekunde unter den bevorzugten Temperatur- und Druckbedingungen und am meisten bevorzugt zwischen etwa 0,3 und 0,7 Sekunden. Eine Monoschicht (monoatomarische Sicht) aus Silizium wird chemisch auf der Silizumsubstratoberfläche absorbiert, die mit Chlorid-Enden oder -Liganden abgeschlossen ist. Der Oberflächenabschluss verringert in wünschenswerter Weise eine weitere Reaktion mit dem Siliziumquellgas und dem Trägergas.
Nach dem Impuls mit der ersten Substanz wird eine zweite Substanz für das Substrat bereitgestellt. In der dargestellten Ausführungsform weist die zweite Substanz ein Oxidationsmittel auf, welches vorzugsweise reinen H₂O-Dampf enthält. Das H₂O wird vorzugsweise mit einer Rate zwischen etwa 10 sccm und 500 sccm, besser noch zwischen etwa 100 sccm und 300 sccm in den Trägergasstrom injiziert. Unter den bevorzugten Temperatur- und Druckbedingungen hält man den H₂O-Impuls für etwa 0,1 bis 1 Sekunde unter den bevorzugten Temperatur- und Druckbedingungen und besser noch für etwa 0,3 bis 0,7 Sekunden. Nachdem der Oxidationsmittelimpuls abgeschaltet ist, lässt man vorzugsweise Trägergas für eine ausreichende Zeit strömen, um das Oxidationsmittel vor dem nächsten Reaktionsmittelimpuls aus der Kammer auszuspülen. Es versteht sich, dass in anderen Anordnungen die Kammer evakuiert bzw. ausgepumpt werden kann, um die zweite Reaktionsmittelsubstanz zu entfernen.
Während des Impulses mit dem zweiten Reaktionsmittel reagiert das Oxidationsmittel mit dem Chloridabschluss des vorherigen Impulses und hinterlässt anstelle der Liganden Sauerstoffatome. In wünschenswerter Weise verbleibt dann stöchiometrisches oder nahezu stöchiometrisches SiO₂.
Gemäß den Prinzipien der Abscheidung atomarer Schichten wird dann ein zweiter Impuls des Siliziumquellgases in den Trägergasstrom injiziert, der Impuls wird gestoppt und das Siliziumquellgas wird aus der Kammer entfernt, gefolgt von einem zweiten Impuls mit einem Oxidationsmittel als Quellgas, der dann wiederum gestoppt und aus der Kammer entfernt wird. Diese Impulse wechseln dann andauernd ab, bis die dielektrische Schicht ihre gewünschte Dicke erreicht hat.
Ein Quellgas mit Verunreinigungen wird ebenfalls für zumindest einen der Zyklen in dem abwechselnden Prozess bereitgestellt. In der dargestellten dielektrischen Komponente weist die Verunreinigung vorzugsweise Stickstoff auf und das Quellgas mit der Verunreinigung weist vorzugsweise Ammoniak (NH₃) oder Hydrazin (N₂H₄) auf, welches in dem abwechselnden Prozess hinzugefügt wird. Sowohl Ammoniak als auch Hydrazin sind ziemlich reaktive Gase, was sie geeignet macht für eine ALD-Verarbeitung bei niedriger Temperatur. Es versteht sich in Anbetracht der offenbarten Ausführungsform der 9-13, dass in einer Ausführungsform das Ammoniak in getrennten Ammoniakphasen hinzugefügt wird (die jeweils einen Ammoniakimpuls und einen Spülimpuls umfassen), die auf Siliziumphasen folgen. Die Ammoniakphasen können allmählich die Phasen des Oxidationsmittels als Gasquelle ersetzen, wie z. B. mit einem von zehn Zyklen, was allmählich auf jeden zweiten Zyklus erhöht wird und vorzugsweise mit einer vollständigen Ersetzung der Oxidationsmittelphasen endet. Der wechselnde Prozess beginnt also mit der Abscheidung von Siliziumoxid (durch abwechselnde Silizium- und Oxidationsmittelsphasen), Abscheidung von Siliziumoxinitrid in abgestufter Form mit zunehmenden Anteilen an Stickstoff in den Zwischenabschnitt des Prozesses (indem allmählich bzw. schrittweise ein zunehmender Anteil der Oxidationsmittelphasen durch Stickstoff- und insbesondere Ammoniakphasen ersetzt wird), und sobald die gewünschte Dicke des Dielektrikums erreicht ist, scheidet der abwechselnde Prozess Siliziumnitrid ab (durch abwechselnde Silizium- und Ammoniakphasen).
In der dargestellten Ausführungsform wird jedoch Ammoniak der Sauerstoffphase hinzugefügt. Unterschiedliche Mengen an NH₃ werden während des gesamten Prozesses unterschiedlichen Impulsen mit einem Oxidationsmittel als Quellgas hinzugefügt. Demnach kann eine gewünschte Menge an Stickstoff gezielt in jede Monoschicht (monoatomare bzw. monomolekulare) Schicht aus Siliziumdioxid eingebaut werden und eine Siliziumoxinitridschicht ergibt sich mit einem maßgeschneiderten Profil an Stickstoffgehalt.
Fachleute erkennen in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung, dass die Reaktion zwischen Ammoniak und dem Siliziumkomplex thermodynamisch unterschiedlich begünstigt ist im Vergleich zu der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Siliziumkomplex. Dementsprechend müssen die Anteile von Ammoniak in dem Oxidationsmittel nicht notwendiger Weise dem Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff in dem sich ergebenden Siliziumoxinitrid entsprechen. Fachleute können die thermische Konkurrenz mit Hilfe routinemäßiger Versuche in einfacher Weise berücksichtigen, um die geeigneten Parameter für die gewünschten Niveaus an Stickstoffeinbau berücksichtigen. Das Bereitstellen aktiver Stickstoffsubstanzen über einen entfernten Plasmagenerator, insbesondere in Verbindung mit aktiven Sauerstoffsubstanzen, kann den Effekt der Variation des Verhältnisses von Sauerstoff- zu Stickstoffquellen maximal machen.
7 ist ein Gasströmungsdiagramm gemäß einer Ausführungsform, welches die ersten vier Zyklen 301a-301d in einer beispielhaften, sich selbst begrenzenden Abscheidungssequenz veranschaulicht. Die dargestellte Sequenz umfasst einen konstanten Strom eines Trägergases 300. Wie dargestellt, wird ein erster Impuls auf eine erste Spitze 302a des Siliziumquellgases bereitgestellt, um die erste, selbst abgeschlossene Siliziummonoschicht zu bilden. Nach einem ersten Spülschritt 303, währenddessen Trägergas weiterhin strömt, bis das Siliziumquellgas aus der Kammer entfernt worden ist, wird ein erster Impuls oder eine erste Spitze 304a eines Oxidationsmittelquellgases bereitgestellt. Nach einem zweiten Spülen 303 wird der zweite Impuls einer Siliziumgasquelle 302b bereitgestellt, gefolgt von einem zweiten Oxidationsmittelquellgas 304b, einem dritten Siliziumquellgaspuls 302c, einem dritten Quellgaspuls 304c mit einem Oxidationsmittel, etc., in abwechselnden Impulsen getrennt durch Spülschritte 303.
Wie dargestellt, wird an einem gewissen Punkt, nach dem ersten Zyklus 301a (welcher die erste Monoschicht aus Siliziumoxid bildet) ein erster Gasimpuls 306b mit einer Verunreinigungsquelle bereitgestellt, vorzugsweise während eines Gasimpulses 304b mit einer Oxidationsmittelquelle. Es ist wünschenswert, wenn ein relativ niedriger Prozentsatz des Verunreinigungsquellgases (welches vorzugsweise NH₃ aufweist) während dieses ersten Impulses 306b bereitgestellt wird. Während nachfolgender Gasimpulse 304c, 304d, etc. werden zunehmend größere Ströme des Verunreinigungsquellgases in Impulsen 306c, 306d, etc. bereitgestellt. Wenn zunehmend größere Strome des Verunreinigungsquellgases verwendet werden, kann es vorteilhaft sein, Reaktionsmittel senkrecht zu der Substratoberfläche zuzuführen, wie z. B. mit Hilfe eines darüber angeordneten „Duschkopfes". Im Falle der miteinander konkurrierenden Adsorption von zwei chemischen Substanzen der Quelle wird vorzugsweise die gesamte Substratoberfläche der Gasmischung gleichzeitig ausgesetzt. Damit können Konzentrationsgradienten von der Einlassseite zur Auslass- bzw. Abgasseite des Substrates vermieden werden.
Man beachte, dass 7 nur eine schematische Darstellung und keine maßstabsgetreue Wiedergabe ist. Außerdem führen die bevorzugten Prozessbedingungen zu einer vollen Monoschicht (erst) nach einer Mehrzahl von Zyklen. Während die Reaktionsmittel theoretisch eine Chemisorption an jedem verfügbaren Platz der freigelegten Schicht des Werkstücks erfahren, begrenzt die physikalische Größe der absorbierten Substanzen (und insbesondere mit abschließenden Liganden) bei jedem Zyklus die Abdeckung generell auf einen Bruchteil einer Monoschicht. In der dargestellten Ausführungsform wird grob gesprochen ein Durchschnitt von 1 Å SiO₂ ausgebildet, während eine volle Monoschicht aus SiO₂ etwa 3 Å in der Dicke ausmacht, so dass die vollständige Monoschicht effektiv mit jeweils etwa drei Zyklen gebildet wird, wobei jeder Zyklus durch ein Paar von Impulsen mit Siliziumquellgas und Oxidationsmittelquellgas repräsentiert wird.
Dementsprechend wird der erste Impuls 306b mit dem Verunreinigungsquellgas vorzugsweise durchgeführt, nachdem drei Siliziumquellgas-Impulse mit drei Oxidationsmittelquellgas-Impulsen abgewechselt haben. Auf diese Weise wird zumindest eine vollständige Monoschicht aus Siliziumdioxid bereitgestellt, bevor die Stickstoffdotierung eingeführt wird. Noch bevorzugter ist es, wenn der erste Ammoniakimpuls 306b erst nach sechs Zyklen bereitgestellt wird, was eine zusätzliche Sicherheit gegen Stickstoffdiffusion durch die Grenzfläche zwischen Substrat und Dielektrikum bietet. In der dargestellten Ausführungsform lässt man zwischen etwa 0 sccm und 10 sccm Ammoniak strömen, vorzugsweise zwischen etwa 0 sccm und 5 sccm. Danach erhöht man die Ammoniakimpulse mit jedem Zyklus um etwa 50 sccm.
Auch wenn es nicht dargestellt ist, können die Impulse 304a, 304b mit Oxidationsmittelquellgas im Verlaufe des Steigerns des Gasstromes der Verunreinigungsquelle reduziert werden. Dementsprechend kann der Stickstoffgehalt in der sich ergebenden Schicht eines Dielektrikums aus Siliziumoxinitrid von 0 % an der unteren Fläche bis zu stöchiometrischem Si₃N₄ an der Oberfläche erhöht werden.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Transistorstruktur 70 in einem teilweise hergestellten integrierten Schaltkreis, welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist und für welchen die hier offenbarten Verfahren besonders zweckmäßig sind. Eine Dielektrikumschicht 72 eines Gate liegt sandwichartig zwischen einer Gateelektrode 74 und einem Halbleitersubstrat 76. Das Gatedielektrikum 72 erstreckt sich demnach zwischen einer Substratgrenzfläche 78 und einer Elektrodengrenzfläche 80. In der dargestellten Ausführungs form weist die Gateelektrode 74 eine Polysiliziumschicht auf. Das Substrat 76 weist irgendein geeignetes Halbleitermaterial auf und weist in der dargestellten Ausführungsform eine Schicht aus intrinsisch dotiertem, einkristallinen Silizium auf. Gemäß einer Ausführungsform weist das Gatedielektrikum 72 Siliziumoxid auf, welches einen durch die Dicke hindurch variierenden und vorzugsweise abgestuften Stickstoffgehalt hat. In anderen Ausführungsformen kann Al₂O₃ als reine Grenzfläche zu dem Silizium dienen, welches abgestuft in ein Material mit einer höheren dielektrischen Konstante, wie z. B. ZrO₂ übergeht, um insgesamt eine höhere dielektrische Konstante bereitzustellen. Die Gateelektrode 74 ist zusätzlich durch Seitenwandabstandhalter 82 und eine dielektrische Abdeckschicht 84 geschützt, die jeweils konventionelle Isolationsmaterialien wie z. B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen können. Die Gateelektrode 74 kann auch Umrandungsschichten hoher Leitfähigkeit, wie z. B. Metallnitride, Metallsilizide und reine Metalle enthalten, und zwar zum Zwecke einer schnelleren seitlichen Signalübertragung.
Die 3 bis 5 veranschaulichen eine Sequenz der Ausbildung des bevorzugten Gatedielektrikums 72 jeweils Monoschicht für Monoschicht. Man beachte, dass die Figuren nur schematische Darstellungen sind. Im Allgemeinen kann die Konzentration an Verunreinigungen in jeder Monoschicht nach Wunsch variieren. In der dargestellten Ausführungsform ist ein lineares Profil der Verunreinigungskonzentration bevorzugt. In anderen Ausführungsformen kann die Verunreinigungskonzentration exponentiell, durch eine Stufenfunktion, etc. über die Dicke des dünnen Films hinweg variieren.
3 zeigt eine erste Monoschicht 102 aus Siliziumoxid, die direkt auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 76 ausgebildet ist. Gemäß den bevorzugten Verarbeitungsbedingungen, die im Folgenden unter Bezug auf 7 noch erläutert werden, kann eine solche Monoschicht nach im Durchschnitt in etwa drei Zyklen abwechselnder ALD-Silizium- und Oxidationsmittelquellgas-Impulsen ausgebildet werden. Es ist wünschenswert, dass die erste Monoschicht 102 bzw. die Substratgrenzflächenschicht 102 keine oder nur eine geringe Verunreinigungskonzentration hat, vorzugsweise weniger als etwa 0,1 % Verunreinigungen und noch besser wird die Monoschicht 102 aus reinem Siliziumdioxid gebildet.
4 veranschaulicht eine zweite Monoschicht 104 aus Siliziumoxid, die direkt auf der Oberfläche der ersten Monoschicht 102 von Siliziumoxid gebildet wird. Die zweite Monoschicht 104 hat vorzugsweise eine niedrige Verunreinigungskonzentration (in der bevorzugten Ausführungsform Stickstoff), die jedoch größer ist als die Konzentration der vorherigen Monoschicht 102.
Gemäß 5 wird eine dritte Monoschicht 106 direkt auf der Oberfläche der zweiten Monoschicht 104 abgeschieden. In der dargestellten Ausführungsform hat die dritte Monoschicht 106 eine noch höhere Verunreinigungs(Stickstoff)-Konzentration als die zweite Monoschicht 104. In ähnlicher Weise wird eine Mehrzahl weiterer Monoschichten jeweils nacheinander abgeschieden, bis die gewünschte endgültige Dicke erreicht worden ist. Jede Monoschicht kann eine andere Verunreinigungskonzentration haben und das Verunreinigungsprofil durch die Dicke des Films hindurch kann dementsprechend maßgeschneidert werden.
Gemäß 6 wird zumindest eine Monoschicht 114 abgeschieden, um die Ausbildung der dielektrischen Gateschicht abzuschließen. Die letzte Monoschicht 114 definiert damit die Grenzfläche 80 der Gateelektrode mit dem leitfähigen Material, welches darüber abgeschieden werden muss. Es versteht sich, dass 6 lediglich eine schematische Darstellung ist und dass viel mehr als die sieben dargestellten Monoschichten verwendet werden können, um die gewünschte endgültige Dicke zu bewirken. Darüber hinaus wären individuelle Monoschichten 102 bis 114 in der endgültigen Struktur nicht schart definierbar bzw. abzugrenzen, im Gegensatz zu der schematischen Darstellung.
In den dargestellten Ausführungsformen wird die Verunreinigungskonzentration so gesteuert, dass sie von einer niedrigsten Konzentration an der Grenzfläche 78 zum Substrat zu einer höchsten Konzentration an der Grenzfläche 18 zu der Gateelektrode variiert. Vorzugsweise hat das Gatedielektrikum 72 an der Grenzfläche 78 zum Substrat eine Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 0,1 % und noch besser etwa 0 %. Der Stickstoffgehalt an der Schnittstelle 80 zur Gateelektrode andererseits ist vorzugsweise größer als etwa 5 %, besser noch größer als 8 % und am meisten bevorzugt größer als 10 %. Der Stickstoffgehalt zwischen diesen beiden Grenzflächen 78, 80 ist grob linear abgestuft bzw. hat einen gleichförmigen Gradienten. Es versteht sich jedoch, dass irgendein anderes Abstufungsprofil, beispielsweise parabolisch, exponentiell, elliptisch, etc. durch Maßschneidern des Prozentsatzes an Stickstoffquellgas während jeder Oxidationsphase erreicht werden kann.
Der resultierende dünne Film hat tatsächlich eine Dicke von weniger als etwa 5 nm. Vorzugsweise hat das Gatedielektrikum eine tatsächliche Dicke von weniger als etwa 6 nm und noch bevorzugter weniger als etwa 5 nm, und in der dargestellten Ausführungsform hat es eine Dicke von etwa 2 nm, was ungefähr 7 Monoschichten umfasst. Da das dargestellte Gatedielektrikum 72 einen beträchtlichen Stickstoffgehalt hat, zeigt es vorzugsweise eine äquivalente Oxiddicke von weniger als 2 nm, noch bevorzugter weniger als 1,7 nm und besonders bevorzugt weniger als etwa 1,6 nm. Das dargestellte linear abgestufte Oxinitrid hat eine äquivalente Oxiddicke von etwa 1,7 nm.
8 ist ein theoretisches umgekehrtes Auger-Profil einer dielektrischen Schicht, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist und den Prozentsatz des Verunreinigungsgehaltes in einer dielektrischen Schicht als Funktion des Abstands von der Grenzfläche des Halbleitersubstrates zeigt. Wie dargestellt, hat an oder in der Nähe der Grenzfläche zum Halbleitersubstrat der Verunreinigungsgehalt 350 (d. h. Stickstoff) einen minimalen Wert, während der Sauerstoffgehalt 340 einen maximalen Wert hat. Mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zum Halbleitersubstrat steigt die Verunreinigungskonzentration 350 grob linear bis auf einen Maximalwert, während der Sauerstoffgehalt 340 auf ein Minimum abnimmt.
An der Grenzfläche zum Substrat weist also das Gatedielektrikum vorzugsweise nahezu reines Siliziumdioxid (SiO₂) auf, während in der Nähe der oberen Fläche der Schicht (Grenzfläche zur Gateelektrode) das Gatedielektrikum nahezu reines Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufweist. Es versteht sich, dass eine solche Struktur ähnlich wie in 7 durch einen ALD-Prozess erzeugt werden kann, wobei jedoch die Amplituden des Oxidationsmittelimpulses mit jedem Zyklus oder nach jeweils einigen Zyklen abnehmen.
Dementsprechend kann man trotz der extrem geringen Dicke der bevorzugten Gatedielektrika einen exakt gesteuerten Verunreinigungsgehalt über die Dicke hinweg erhalten. In der dargestellten Ausführungsform werden also die Grenzflächeneigenschaften von Siliziumdioxid an der Substratoberfläche erhalten, während im übrigen Teil des Gatedielektrikums Stickstoff eingebaut ist, um die Bordurchdringung zu reduzieren und um die effektive Gesamtdielektrizitätskonstante des Gatedielektrikums zu erhöhen. Die Anwendung von ALD ermöglicht eine genaue Steuerung auf dem Niveau atomarer Schichten. Darüber hinaus erlauben die niedrigen Temperaturen, die mit der Abscheidung verbunden sind, die Beibehaltung irgendeiner gewünschten Verunreinigungskonzentration an verschiedenen Punkten in der Dicke ohne Diffusion dazwischen. Im Gegensatz hierzu können konventionelle Techniken (Prozesse) nicht so exakt gesteuert werden und haben die Tendenz, zu einer gleichmäßigen Verteilung irgendeiner Verunreinigung in einer solch dünnen Schicht zu führen, und zwar aufgrund der Diffusion während der Verarbeitung und/oder wegen eines inhärenten Mangels an Steuerung während der Ausbildung einer solchen dünnen dielektrischen Gateschicht.
Darüber hinaus ermöglicht die Abstufung über die Dicke der Schicht hinweg in vorteilhafter Weise eine bessere Steuerung der späteren Verarbeitung. Beispielsweise wird das Gatedielektrikum typischerweise über aktiven Bereichen geätzt (beispielsweise Source- und Drainbereichen des Transistors), um einen elektrischen Kontakt mit diesen Bereichen des Substrates zu bilden. Eine graduelle Veränderung im Stickstoffgehalt von der oberen Fläche des Gatedielektrikums herunter auf die Grenzfläche zum Substrat ermöglicht eine genauere Kontrolle über derartige Ätzvorgänge, wie Fachleute auf diesem Gebiet verstehen. Dementsprechend wird eine Beschädigung des Substrates minimal gemacht. Fachleute erkennen weitere Vorteile abgestufter Profile in dünnen Filmen, die in integrierten Schaltkreisen verwendet werden.
Während das dargestellte Beispiel das Abstufen einer Stickstoffkonzentration in einer Siliziumoxidschicht aufweist, liegt es für Fachleute angesichts dieser Offenbarung auf der Hand, dass dieselben Prinzipien auf das Ausbilden abgestufter Profile in anderen dielektrischen Gatematerialien mittels ALD angewendet werden können. Beispielsweise haben die Erfinder herausgefunden, dass Aluminiumoxid in vorteilhafter Weise eine hohe dielektrische Konstante (k) zeigt und auch gute Schnittstellen- bzw. Grenzflächeneigenschaften mit Siliziumoxid und/oder Siliziumsubstraten hat. Dementsprechend kann zunächst eine reine Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Schicht durch ALD unter Verwendung von abwechselnden Impulsen aus einem Aluminiumquellgas und einem Oxidationsmittel gebildet werden.
Beispielhafte Aluminiumquellgase umfassen Alkylaluminiumverbindungen, wie z. B. Trimethylaluminium (CH₃)₃Al, Triethylaluminium (CH₃CH₂)₃Al, Tri-N-Butylaluminium (n-C₄H₉)₃Al, Diisobutylaluminiumhydrid (i-C₄H₉)₂AlH, Diethylaluminiumethoxid (C₂H₅)₂AlOC₂H₅, Ethylaluminiumdichlorid (C₂H₅)₂AlCl₂, Ethylaluminumsesquichlorid (C₂H₅)₃Al₂Cl₃, Diisobutylaliminiumchlorid (i-C₄H₉)₂AlCl und Diethylaluminiumiodid (C₂H₅)₂AlI. Diese Verbindungen sind kommerziell erhältlich von beispielsweise Albemarle Corporation, USA. Andere Aluminiumquellgase umfassen Aluminiumalkoxide, welche Al-O-C-Bindungen enthalten, wie z. B. Ethoxid (Al(OC₂H₅)), Aluminiumisopropoxid (Al(OH(CH₃)₂)₃), und Aluminium S-Butoxid (Al(OC₄H₉)₃). Diese Verbindungen sind kommerziell erhältlich beispielsweise von Strem Chemicals, Inc., USA. Die Aluminiumquelle kann auch Aluminiumbeta-Diketonate aufweisen, wie z. B. Aluminiumacetylacetonat (Al(CH₃COCHCOCH₃)₃), was oft auch als Al(acac)₃ abgekürzt wird, und Tris-(2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-Heptanedionato)Aluminium, üblicherweise abgekürzt als Al(thd)₃, Al(TMHD) ₃ oder Al(DPM)₃. Flüchtige halogenierte Aluminiumbeta-Diketonate sind ebenfalls kommerziell erhältlich, wie z. B. Aluminiumhexafluoroacetylacetonat Al(CF₃COCHCOCF₃) ₃ ), oft abgekürzt als Al(hfac)₃. Diese Verbindungen sind kommerziell erhältlich beispielsweise von Strem Chemicals, Inc., USA. Flüchtige, rein anorganische Aluminiumhalide, wie z. B. Aluminiumchlorid AlCl₃ oder Al₂Cl₆, Aluminiumbromid, AlBr₃, und Aluminiumjodid AlI₃ können ebenfalls als Vorläufer verwendet werden. Bei niedrigen Substrattemperaturen kann für ALD ein hydriertes Aluminiumhydrat als eine chemische Aluminiumquelle verwendet werden. Die Synthese von anhydriertem Al(NO₃)₂ ist von G. N. Shirokova, S. Ya. Zhuk und V. Ya. Rosolovskii in Russian Journal of Inorganic Chemistry, vol. 21, 1976, pp. 799-802 beschrieben worden. Das Aluminiumnitratmolekül bricht zu Aluminiumoxid auf, wenn es mit organischen Verbindungen, wie z. B. Äthern, in Kontakt gebracht wird.
Beispielhafte Sauerstoffquellgase umfassen Sauerstoff, Wasser, Wasserstoffperoxid, Ozon, Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol), etc.
Ein beispielhafter Prozess weist das Abwechseln von Trimethylaluminium oder TMA mit Wasser auf, mit Spülimpulsen oder Evakuierschritten dazwischen. Jeder Impuls kann eine Dauer von etwa 0,5 Sekunden haben und das Substrat kann bei etwa 300°C gehalten werden. Dieser Prozess scheidet eine Al₂O₃-Schicht ab, worauf der ALD-Prozess mit Abstufung folgt, indem graduell ein Quellgas hinzugefügt wird, welches zu erwünschenswerten Massivmaterialeigenschaften (z. B. einer höheren dielektrischen Konstante) führt. Beispielsweise kann der TMA-Impuls nach jeweils einigen wenigen Zyklen durch einen Impuls mit einem Zirkonquellgas ersetzt werden, mit einer zunehmenden Frequenz, bis reines Zirkondioxid (ZrO₂) gebildet wird. In einem beispielhaften Vorgang dient ZrCl₄ als ein Zirkonquellgas und kann bei derselben Temperatur (z. B. 300°C) abgeschieden werden, wie bei dem Aluminium-ALD-Prozess. Alternativ kann Zirkonquellgas gleichzeitig und mit einem zunehmenden Anteil des Aluminiumquellgases während eines Metallimpulses eingeführt werden, welcher kontinuierlich mit einem Oxidationsmittelimpuls abwechselt. In diesem Fall kann der Fachmann aufgrund routinemäßiger Experimente bestimmen, welche Anteile des Aluminiumquellgases im Verhältnis zu dem Zirkonquellgas verwendet werden sollten, um die gewünschten Materialverhältnisse in der Schicht zu erhalten. In ähnlicher Weise erkennt ein Fachmann ohne weiteres, dass auch andere dielektrische Gatematerialien auf diese Art und Weise erzeugt werden können.
In dem obigen Beispiel von Aluminiumoxid und Zirkonoxid dient Aluminiumoxid als eine gute Diffusionsbarriere mit guten elektrischen Grenzflächeneigenschaften, während Zirkondioxid einen höheren Gesamtwert der dielektrischen Konstanten für das Dielektrikum bereitstellt. Das Gatedielektrikum kann wiederum von ZrO₂ abgestuft werden, bis sich Aluminiumoxid für die obere Grenzfläche ausbildet, was eine gute Diffusionsbarriere gegen die Abwärtsdiffusion von Bor (B) von der Gateelektrode in das Gatedielektrikum bildet.
Ein weiteres Beispiel eines abgestuften Materials für das Gatedielektrikum ist Siliziumoxid an der unteren Grenzfläche, welches für die Massiveigenschaften und für die obere Fläche des Gatedielektrikums bis hin zu reinem Aluminiumoxid abgestuft wird.
Abgestufte Grenzfläche zwischen Barriere und Metallschichten
Die 9 bis 13 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anstelle einer dielektrischen Schicht weist die zweite Ausführungsform einen abgestuften leitfähigen Film auf, insbesondere einen abgestuften Übergang zwischen einer Barriereschicht (z. B. Metallnitrid) und einer besser leitfähigen Füllschicht (z. B. einem elementaren Metall).
Zunächst ist gemäß den 9 und 10 eine Zweifach-Damaszener-Struktur 400 dargestellt, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut ist. Insbesondere werden eine obere Isolierschicht 402 und eine untere Isolierschicht 404 über einem leitfähigen Schaltkreiselement 406 ausgebildet. Die Isolierschichten 402, 404 können konventionelle Oxide aufweisen, wie z. B. ein Oxid aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Borophosphosilikatglas (BPSG), oder sie können Dielektrika mit „niedrigem k" gemäß der fortgeschrittenen Prozesstechnologie aufweisen. Das untere Schaltkreiselement 406 weist typischerweise eine untere Metallschicht oder ein Anschlusskontaktfeld auf, kann jedoch in einigen Fällen auch eine Halbleiterschicht aufweisen.
Die Struktur 400 ist auch mit einer Ätz-Stoppschicht 408 zwischen den Isolierschichten 402, 404 dargestellt, die als eine harte Maske bei der Ausbildung der Zweifach-Damaszener-Struktur dienen kann, wie Fachleute erkennen. Eine untere, isolierende Barriereschicht 410 ist ebenfalls zwischen der unteren isolierenden Schicht 404 und der unteren leitfähigen Schicht 406 dargestellt. Eine solche Schicht ist besonders ratsam, wenn das untere leitfähige Element 406 oder die darüberliegenden Metallschichten Kupfer aufweisen, welches einfach durch typische, zwischen den Ebenen liegende Dielektrika diffundieren und Kurzschlüsse verursachen kann. Sowohl die harte Maske 408 als auch die Barriere 410 können Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid aufweisen.
Die Zweifach-Damaszener-Struktur 400 wird durch Vorsehen von Gruben 420 in der oberen Isolierungsschicht 402 ausgebildet. Die Gruben 420 werden typischerweise in einem gewünschten Muster über das Werkstück hinweg ausgebildet. Eine Mehrzahl von Kontaktdurchgängen 422 (von denen einer dargestellt ist) erstreckt sich nach unten von den Gruben 420 an diskreten bzw. voneinander getrennten Positionen entlang der Gruben 420, um darunterliegende Schaltkreisknoten freizulegen. Gemeinsam sind die Gruben 420 und die Kontaktdurchgänge 422 in bzw. entlang von Pfaden angeordnet, um darunterliegende oder darüberliegende Schaltkreiselemente entsprechend einer Auslegung des integrierten Schalterkreises miteinander zu verbinden. Die Gruben und die Kontakte werden mit leitfähigem Material gefüllt, um diese Zwischenverbindungen auszubilden. Die mit leitfähigem Material zu füllenden Gruben 420 werden als Metalllaufbahnen bezeichnet, während die Bereiche, welche die Kontaktdurchgänge 422 ausfüllen, als Kontakte bezeichnet werden. In Zweifach-Damaszener-Schemata werden, wie dargestellt, sowohl die Gruben 420 als auch die Durchgänge 422 gleichzeitig gefüllt, wohingegen in anderen Schemata die Kontakte und Laufbahnen getrennt gebildet werden können.
Typischerweise werden die Zweifach-Damaszener-Gruben und -Durchgänge zuerst mit Auskleidungsschichten 422 ausgekleidet und dann mit einem hochleitfähigen Material 426 ausgefüllt. In der dargestellten Ausführungsform, in welcher die Auskleidungen 424 auf allen Oberflächen der Gruben 420 und der Durchgänge 422 ausgebildet werden, sind die Auskleidungen 424 leitfähig. In anderen Anordnungen müssen die Auskleidungen, wenn sie gezielt nur auf den Isolierflächen ausgebildet werden, nicht unbedingt leitfähig sein. Auskleidungsschichten können Haftschichten, Barriereschichten und/oder Keimschichten bzw. Keimungsschichten umfassen. Vorzugsweise umfassen die Auskleidungsschichten 424 zumindest zwei der folgenden Schichten, nämlich einer Haft-, einer Barriere- und einer Keimschicht, wobei zumindest ein Grenzflächenbereich zwischen den Schichten einen abgestuften Bereich aufweist, der gemäß der abwechselnden Schichtabscheidung (ALD) erzeugt wurde.
Gemäß 10 weisen die Auskleidungsschichten 424 der dargestellten Ausführungsform eine optionale Haftschicht 430 auf, welche durch gute Haftung an den Isolierflächen 402, 404, 408, 410 (siehe 9) der dualen Damaszener-Struktur gekennzeichnet ist. Die Haftschicht kann durch einen ALD-Prozess gebildet werden, wie es in dem US-Patent Nummer 6,727,160 offenbart wird.
Die dargestellten Auskleidungsschichten 424 weisen weiterhin einen Barrierebereich 432, einen Übergangsbereich 434 und einen Bereich 436 einer Keimschicht auf. Vorzugsweise weist der Barrierebereich 432 ein leitfähiges Nitrid auf und insbesondere ein Metallnitrid (z. B. WN, TiN, TaN, etc.). Der Übergangsbereich 434 weist ebenfalls ein leitfähiges Nitrid auf, jedoch mit über seine Dicke hinweg variierenden Niveaus bzw. Anteilen an Stickstoff und/oder mit unterschiedlichem Metallgehalt. Der Keimbereich 436 weist vorzugsweise ein hochleitfähiges „elementares" Metall auf, welches eine Leitfähigkeit hat, die für die Elektroplattierung des Füllmetalls 426 darauf geeignet ist.
In den dargestellten Ausführungsformen weist die Haftschicht 430 Wolfram (W) auf, der Barrierebereich 432 weist Wolframnitrid (WN₃) auf, der Übergangsbereich 434 weist eine abgestufte Schicht aus Wolframkupfernitrid [(WN_z)_yCu_1–y] auf, wobei y und z über die Dicke des Übergangsbereiches 434 hinweg variieren, und der Keimbereich 436 weist Kupfer (Cu) auf. Am meisten ist es bevorzugt, wenn die Barrierebereiche 432, der Übergangsbereich 434 und der Keimbereich 436 in einem kontinuierlichen Vorgang gebildet werden, ohne das Werkstück aus der Reaktionskammer zu entfernen und so, dass diese Bereiche von dem Prozessstandpunkt her als Bereiche innerhalb einer einzigen abgeschiedenen Schicht 438 angesehen werden können, welche über ihre Dicke hinweg eine variierende Zusammensetzung hat.
Die Bereiche 432, 434 und 436 können irgendeine gewünschte Dicke haben, wie sie für die spezielle Anwendung geeignet ist. Für den bevorzugten Zusammenhang der doppelten Damaszenertechnik sind die Auskleidungen vorzugsweise so dünn wie möglich, so lange sie ihren jeweiligen Zweck erfüllen. Insbesondere dient der Barrierebereich 432 als eine Diffusionsbarriere, besetzt jedoch vorzugsweise so wenig wie möglich von der Grube und den Durchgängen. Dementsprechend hat der Barrierebereich 432 vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 20 Å und 200 Å, noch bevorzugter zwischen etwa 40 Å und 80 Å, wobei eine beispielhafte Dicke für WN etwa 50 Å beträgt. Der Übergangsbereich 434 weist eine Übergang von einem Metallnitrid in reines Metall auf, während in wünschenswerter Weise im Betrieb des Schaltkreises eine Elektromigration und andere Fehler von scharten Metall/Metallnitrid-Grenzen vermieden werden und die Gesamtdicke minimal gemacht wird. Dementsprechend hat der Übergangsbereich 434 vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 7 Å und 50 Å, bevorzugter zwischen 10 Å und 50 Å. In einer Ausführungsform hat der Übergangsbereich eine Dicke von etwa 10 Å und einen Kupfergehalt von etwa 0 % an der Grenzfläche zu dem Barrierebereich 432 und einen Kupfergehalt von etwa 50 % an der Grenzfläche zu dem Keimbereich 436 (oder zu dem Kupferfüllmaterial, falls keine Keimschicht vorhanden ist). Der Keimbereich 436 sollte eine ausreichende Leitfähigkeit für eine gleichförmige Elektroplattierung über das Werkstück hinweg bereitstellen. Während ein zu dicker Keimbereich 436 funktionell kein Nachteil ist, kann jedoch der Durchsatz gesteigert werden, indem nur ein minimaler Betrag an Kupfer durch ALD abgeschieden wird, während das Auffüllen durch Elektroplattieren abgeschlossen wird. Dementsprechend hat der Keimbereich 436 vorzugsweise einen Dicke von mehr als 100 Å, mit einer beispielhaften Dicke für Kupfer von etwa 150 Å. Jede der Schichten hat eine extrem gute Stufenabdeckung der Doppel-Damaszener-Gruben und -durchgänge, die vorzugsweise größer ist als etwa 90 % (Verhältnis von Seitenwandabdeckung zu Feldabdeckung), noch bevorzugter größer als etwa 93 % und am meisten bevorzugt größer als etwa 97 % ist.
Gemäß 11 ist ein theoretisches Auger-Profil für einen beispielhaften Übergangsbereich 434 nach 10 dargestellt. Die rechte Seite der Kurve gibt die untere Fläche des Übergangsbereiches 434 wieder, wie sie sich mit dem darunterliegenden WN-Barrierebereich 432 vermischt bzw. in diesen übergeht. Die linke Seite der Kurve repräsentiert die obere Fläche des Übergangsbereiches 434, wie sie in den darüberliegenden Cu-Keimbereich 436 übergeht. Wie dargestellt, hat der Übergangsbereich einen allmählich reduzierten W- und N-Gehalt, wenn man von rechts nach links geht, mit einer gleichzeitig zunehmenden Cu-Konzentration. Es versteht sich, dass die Form der Kurven irgendeinen gewünschten Verlauf haben kann und dass die dargestellten Raten bzw. Gradienten der Inhaltsabstufung nur beispielhaft sind.
In vorteilhafter Weise verwendet der Prozess eine zwischenzeitliche Reduktionsphase, um zwischen den Metall- und Stickstoffquellenphasen Halidanhänge zu entfernen. Diese zwischenzeitliche Reduktionsphase vermindert das Aufbauen von Wasserstoffhalogeniden, die für die auszubildende Metallschicht, wie z. B. Kupfer, schädlich sein könnten. Es versteht sich jedoch, dass in anderen Ausgestaltungen die zwischenzeitliche Reduktionsphase auch fortgelassen werden kann.
Tabelle
Gemäß der obigen Tabelle wird nun ein beispielhaftes Rezept eines Prozesses zum Ausbilden der gewünschten abgestuften Schicht, einschließlich Barriere-, Übergangs- und Keimbereichen beschrieben. Fünf Phasen (wobei in der dargestellten Ausführungsform jede Phase so definiert ist, dass sie ein Spülen im Anschluss an Reaktionsmittelimpulse umfasst) werden beschrieben:

(1) eine erste Metallphase (beispielsweise ein WF₆-Impuls und Spülen),
(2) eine erste Reduktionsphase (z. B. TEB-Impuls + Spülimpuls),
(3) eine Stickstoffphase (z. B. NH₃-Impuls und Spülimpuls),
(4) eine zweite Metallphase (z. B. CuCl-Impuls und Spülimpuls) und
(5) eine zweite Reduktionsphase (z. B. TEB-Impuls und Spülimpuls).

Verschiedene Anteile dieser Phasen werden während des kontinuierlichen Abscheidungsprozesses verwendet, je nach der Stufe des Abscheidungsvorgangs. In der dargestellten Ausführungsform werden während einer Barrierestufe beispielsweise nur die Phasen (1)-(3) verwen det, welche gemeinsam einen Zyklus repräsentieren, der nicht mehr als eine Monoschicht von WN hinterlässt. Während einer Übergangsstufe werden unterschiedliche Anteile der Phasen (1)-(3) und (4)-(5) verwendet. Während einer Keimungsstufe werden nur die Phasen (4)-(5) verwendet, die gemeinsam einen Zyklus repräsentieren, der nicht mehr als etwa eine Monoschicht aus Kupfer hinterlässt.
Diese Stufen werden nun im Folgenden genauer beschrieben.
Stufe der Barriereabscheidung
Während einer anfänglichen Stufe der Barriereabscheidung wird nur ein Barrierematerial, vorzugsweise ein Metallnitrid, abgeschieden. In der dargestellten Ausführungsform wechseln nur die Phasen (1)-(3) in der obigen Tabelle ab. In etwa 120-180 Zyklen werden etwa 50 Å an WN erzeugt. Jeder Zyklus kann derselbe bzw. identisch sein.
In der ersten Phase (1) des ersten Zyklus erfolgt eine Chemisorption von WF₆ auf dem darunterliegenden Substrat, das in der dargestellten Ausführungsform ein zuvor ausgebildetes Metallnitrid aufweist. Das Metallnitrid wurde in der bevorzugtesten Variante durch einen ähnlichen ALD-Prozess gebildet. Das erste Quellgas für Metall weist vorzugsweise einen ausreichenden Prozentsatz des Trägerstromes auf und wird unter Berücksichtigung der übrigen Prozessparameter für eine hinreichend lange Zeit bereitgestellt, um die darunterliegende Barriereschicht zu sättigen. Es verbleibt nicht mehr als etwa eine Monoschicht des Wolframkomplexes auf der Barriereschicht und diese Monoschicht schließt sich selbst mit Fluoridanhängen bzw. -resten ab. Wie oben erläutert wird dieser Komplex, auch wenn er typischerweise weniger als eine Monoschicht bzw. Monoebene umfasst, aus Gründen der Einfachheit als „Monoschicht" bezeichnet.
Nachdem der WF₆-Strom gestoppt und durch einen fortgesetzten Strom an Trägergas gespült worden ist, wird eine zweite Phase (2), welche einen Impuls aus reduzierendem Gas (TEB) aufweist, dem Werkstück zugeführt. In vorteilhafter Weise entfernt das reduzierende Gas die Fluoridanhänge bzw. -reste von dem Wolframkomplex, was die Ausbildung von Wasserstoffhalogeniden vermeidet, die das Kupfer ätzen könnten. Es versteht sich jedoch, dass in anderen Ausgestaltungen diese Reduzierphase möglicherweise nicht erforderlich ist.
Nachdem der TEB-Strom gestoppt und gespült worden ist, wird eine dritte Phase (3), die einen Impuls aus einer Gasquelle für Stickstoff (NH₃) aufweist, dem Werkstück zugeführt. In dieser dritten Phase weist das Ammoniak vorzugsweise einen ausreichenden Prozentsatz an Trägergasstrom auf und wird unter Berücksichtigung der übrigen Prozessparameter für eine ausrei chende Zeit bereitgestellt, um die Oberfläche der Metall enthaltenden Monoschicht zu sättigen. Das NH₃ reagiert bereitwillig mit dem durch die Reduzierphase freigelegten Wolfram und bildet eine Monoschicht aus Wolframnitrid (WN). Die Reaktion ist selbstbegrenzend. Weder Ammoniak noch das Trägergas reagieren weiter mit der sich ergebenden Wolframnitridmonoschicht und die Monoschicht verbleibt mit einem Stickstoff- und NH₂-Brückenabschluss. Darüber hinaus verhindern die bevorzugten Temperatur- und Druckparameter eine Diffusion von Ammoniak durch die metallische Monoschicht.
Im Anschluss an die Stickstoffphasen (3), das heißt nachdem die Gasquelle für Stickstoff von der Kammer entfernt worden ist, vorzugsweise durch Spülen mit einem fortgesetzten Trägergasstrom, beginnt ein neuer Zyklus mit der ersten Phase (1), das heißt mit einem Impuls der ersten Gasquelle für Metall (WF₆).
Es ist wünschenswert, dass dieser Dreiphasenzyklus (1)-(3) wiederholt wird, bis ausreichend Barrierematerial gebildet worden ist, vorzugsweise zwischen etwa 20 Å und 200 Å, bevorzugter zwischen etwa 40 Å und 80 Å, und mit einer beispielhaften Dicke von etwa 50 Å. In vorteilhafter Weise wird diese dünne Schicht mit einer ausgezeichneten Stufenabdeckung bereitgestellt.
In der dargestellten Ausführungsform strömt das Trägergas während einer Phase jedes Zyklus kontinuierlich weiter. Es versteht sich jedoch, dass Reaktionsmittel auch durch Evakuierung der Kammer zwischen den abwechselnden Gasimpulsen entfernt werden können. In einer Ausgestaltung beinhaltet der bevorzugte Reaktor Hardware und Software, um während der gepulsten Abscheidung einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten. Auf die Offenbarungen der US-Patente Nr. 4,747,367, ausgegeben am 31. Mai 1988 für Posa und Nr. US 4,761,269 , ausgegeben am 02. August 1988 für Conger et al., wird hiermit verwiesen.
Stufe der Übergangsabscheidung
Im Anschluss an die Ausbildung des Barrierebereiches werden die Zyklen in einem kontinuierlichen Prozess gewechselt, so dass sie während der Ausbildung des Übergangsbereiches neue Phasen umfassen. Insbesondere werden die dargestellten vierten und fünften Phasen (4), (5) in die Zyklen eingeführt bzw. eingebaut und führen damit Kupfer in den Übergangsbereich ein. Zumindest zwei und vorzugsweise mehr als zehn Zyklen enthalten die Phasen (4) und (5).
Die Einführung kann allmählich erfolgen. Beispielsweise können zwei Zyklen nur die oben beschriebenen Phasen (1)-(3) enthalten, welche WN erzeugen, gefolgt von einem dritten Zyklus, der alle fünf Phasen (1)-(5) enthält, welcher eine Mischung aus WN und Cu erzeugt, woraufhin wiederum zwei Zyklen folgen, die nur die Phasen (1)-(3) enthalten. Allmählich wird die Häufigkeit der Kupfer-Zufuhr gesteigert. An einem gewissen Punkt enthalten mehrere aufeinander folgende Zyklen jeweils alle fünf Phasen (1)-(5).
Derartige Fünf-Phasen-Zyklen sind in 12 dargestellt und die obige Tabelle gibt die Parameter für einen Zyklus eines ALD-Prozesses zum Abscheiden einer abgestuften Schicht aus Wolframnitrid (WN) und Kupfer (Cu) wieder. Vorzugsweise dient die Schicht als eine Schnittstelle bzw. Grenzfläche zwischen einer Wolframnitrid-Barriereschicht und einer Kupferkeimschicht in Gruben und Kontaktdurchgängen einer Doppel-Damaszener-Struktur. In dem beispielhaften Rezept eines Prozesses weist eine erste Gasquelle für Metall Wolframhexafluorid (WF₆) auf, ein Trägergas weist Stickstoff (N₂) auf, ein erstes Reduziermittel weist Triethylbor (TEB) auf, eine Gasquelle für Stickstoff weist Ammoniak (NH₃) auf, ein zweites Quellgas für Metall weist Kupferchlorid (CuCl) auf und ein zweites Reduziermittel weist Triethylbor (TEB) auf.
Ein erster Fünf-Phasen-Zyklus 450 ist in 12 dargestellt. Zu Beginn werden die ersten drei Zyklen (1)-(3) wie oben unter Bezug auf die Ausbildung der Barriereschicht beschrieben, ausgeführt. Im Anschluss an die Stickstoffphase (3), das heißt nachdem die Gasquelle für Stickstoff von der Kammer abgenommen bzw. abgeschlossen wurde, vorzugsweise unter Spülen mit einem fortgesetzten Gasstrom, weist eine vierte Phase (4) das Zuströmen des zweiten Quellgases mit Metall auf. Kupferchlorid weist vorzugsweise einen ausreichenden Anteil des Trägerstromes auf und wird für eine ausreichende Zeit bereitgestellt, um die durch die vorherige Phase hinterlassene Oberfläche zu sättigen. Es wird nicht mehr als etwa eine Monoschicht eines sich selbst abschließenden Metallkomplexes, insbesondere von mit Chlorid abgeschlossenem Kupfer, auf dem durch die vorherigen beiden Phasen gebildeten Metallnitrid hinterlassen. Das Gas der zweiten Quelle für Metall wird dann von der Kammer entfernt bzw. abgeschlossen und wird vorzugsweise durch einen fortgesetzten Trägergasstrom ausgespült.
In einer fünften Phase (5) wird dann die mit Chlorid abgeschlossene Oberfläche durch Überströmen mit einem Reduziermittel reduziert. Vorzugsweise wird ein TEB-Strom verwendet, um die Chloridanhänge zu entfernen, die durch die vorherige Phase hinterlassen wurden.
In dem nächsten Zyklus 455 führt die erste Phase (1) wiederum das Gas der ersten Metallquelle zu, welches mit der Oberfläche der Kupfermonoschicht leicht reagiert und wiederum eine mit Fluorid abgeschlossene Wolframschicht hinterlässt. Die zweiten bis fünften Phasen des zweiten Zyklus können dann anhand des Zyklus 450 beschrieben werden. Diese Zyklen können so oft wiederholt werden, wie es gewünscht ist, um eine ausreichende Vermischung von Kupfer und Metallnitrid sicherzustellen, um eine Elektromigration zu vermeiden. Über dem Grenzflächenma terial kann auf irgendeine geeignete Art und Weise eine hochleitfähige Schicht abgeschieden werden.
Noch bevorzugter ist es, wenn einige Zyklen eingeführt werden, die die WN-Ausbildung vermeiden, so dass nur noch die Phasen (4) und (5) enthalten sind. In 12 wird dies wiedergegeben durch einen gekappten Zyklus 460, der die WN-Phasen fortlässt und stattdessen nur noch aus den Phasen (4) (5) besteht, die nicht mehr als eine Monoschicht an elementarem Cu erzeugen. Der Prozess wird dann fortgesetzt mit einem weiteren Fünf-Phasen-Zyklus 470, welcher WN mit Cu mischt.
Die Häufigkeit der WN-Phasen (1)-(3) kann während der weiteren Zyklen allmählich reduziert werden, wodurch der Kupferanteil bzw. -Prozentsatz der aufwachsenden Schicht erhöht wird. Schließlich ergibt sich eine ausschließliche Cu-Abscheidung. Es versteht sich, dass das relative Verhältnis von WN zu Cu in dem Übergangsbereich und sein Profil durch Steuerung der relativen Häufigkeit der WN-Phasen (1)-(3) im Vergleich zu der Häufigkeit der Cu-Phasen (4)-(5) fein eingestellt werden kann. Dementsprechend kann irgendein erwünschtes Gehaltsprofil durch die hier offenbarten Methoden erzielt werden.
In vorteilhafter Weise kann dieser Übergangsbereich eine Variation in der Zusammensetzung über eine sehr geringe Dicke an Material hinweg haben. Vorzugsweise umfasst der Übergangsbereich der dargstellten Ausführungsform zwischen einem Metallnitridbarrierebereich und einem metallischen Keimbereich weniger als 50 Å, vorzugsweise zwischen etwa 7 Å und 50 Å, noch bevorzugter zwischen etwa 10 Å und 50 Å. Eine beispielhafte Dicke für einen Metall-/Metallnitrid-Übergangsbereich beträgt etwa 10 Å. In vorteilhafter Weise wird diese dünne Schicht mit einer ausgezeichneten Stufenabdeckung bereitgestellt.
Stufe der Keimabscheidung
Im Anschluss an die Ausbildung des Übergangsbereiches kann in einem kontinuierlichen Prozess eine Keimschicht in-situ über dem Übergangsbereich abgeschieden werden. In der dargestellten Ausführungsform, in welcher in den Doppel-Damaszener-Gruben und -Kontaktdurchgängen eine Kupferfüllung erwünscht ist, ist vor der Elektroplattierung eine Keimschicht wünschenswert. Dementsprechend werden die vierten und fünften Phasen des dargestellten ALD-Prozesses wiederholt, nachdem die Grenzfläche ausgebildet worden ist. Kupfer kann demnach durch ALD über der Grenzfläche der gemischten oder Verbindungsschicht (d. h. über dem Übergangsbereich) abgeschieden werden, um eine gleichförmig dicke Keimschicht für das Elektroplattieren bereitzustellen.
Vorzugsweise werden die beiden Zyklen dann ohne die Phasen mit dem ersten Metall und dem Stickstoff fortgesetzt, bis eine Kupferschicht ausgebildet worden ist, die ausreichend dick ist, um als eine Keimschicht für das Elektroplattieren zu dienen. Diese Keimschicht ist vorzugsweise dicker als etwa 50 Å, vorzugsweise dicker als etwa 100 Å und sie hat in der beispielhaften Ausführungsform eine Dicke von etwa 150 Å.
Der Wafer kann dann aus der Kammer entfernt werden und die Gruben und Kontaktdurchgänge können mit einem hochleitfähigen Material gefüllt werden. Vorzugsweise wird Kupfer durch Elektroplattierung über der Kupferkeimschicht aufgebracht.
Die Metallnitrid-Barriereschicht, die abgestufte, Grenz- oder Übergangsschicht und der Kupferkeimbereich können also alle in-situ in einem kontinuierlichen Prozess unter denselben Temperatur- und Druckbedingungen abgeschieden werden. In vorteilhafter Weise vermeidet der gemischte und noch bevorzugter abgestufte Grenz- oder Übergangsbereich Probleme der Elektromigration, die bei scharten Metall-/Metallnitrid-Grenzflächen während des elektrischen Betriebes des integrierten Schaltkreises auftreten können.
Ein Fachmann erkennt, dass in einigen Ausgestaltungen der relative Gehalt an Reaktionsmitteln durch Variation der Bestandteile einer einzelnen Reaktionsphase gesteuert bzw. eingestellt werden kann, wie es unter Bezug auf 7 offenbart wird. Aufgrund der Komplikationen der thermodynamischen Konkurrenz zwischen gleichzeitig freigesetzten Reaktionsmitteln in einem ALD-Prozess ist es jedoch eher bevorzugt, die Variation der Bestandteile in der aufwachsenden Schicht durch Variation der Anzahl und/oder der Art der Phasen in jedem Zyklus des kontinuierlichen Prozesses einzuführen, wie dies in 12 dargestellt ist.
Abstufung unter Verwendung von Austauschreaktionen
In der ersten der oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Verunreinigung in der Weise beschrieben, dass sie in der Gasphase als eines der primären Reaktionsmittel zugeführt wird (z. B. durch Erhöhen der Anteile an Stickstoff, welcher gleichzeitig mit dem Oxidationsmittel in dem Prozess nach 7 bereitgestellt wird). In der zweiten Ausführungsform wird die Verunreinigung durch getrennte Pulse bzw. Impulse in gezielten Zyklen des ALD-Prozesses zugeführt. Verunreinigungsimpulse können Impulse (bzw. Pulse) in dem anfänglichen Prozess ersetzen oder sie können zusätzlich zu den primären Reaktionsmitteln vorgesehen werden und diese gepulsten Zuführungen können mit während des Prozesses zunehmender Frequenz bzw. Häufigkeit bereitgestellt werden (beispielsweise können die Quellgaspulse für Kupfer in dem Prozess nach 12 den Quellgaspulsen für Wolfram und Stickstoff hinzugefügt werden oder sie können diese ersetzen).
Zusätzlich haben die Erfinder herausgefunden, dass die Verunreinigung durch die thermodynamisch bevorzugte Ersetzung einer bereits absorbierten Substanz in dem aufwachsenden Film eingeführt werden kann. Beispielsweise kann in dem Prozess des Aufwachsenlassens einer TiO₂-Schicht mittels ALD das Einführen eines Gasimpulses mit Aluminiumchlorid (AlCl₃) die Ti-O-Bindungen durch Al-O-Bindungen ersetzen, da sie thermodynamisch begünstigt sind, und in dem Prozess flüchtiges TiCl₄-Gas freisetzen. In ähnlicher Weise kann ein Impuls (Puls) mit AlCl₃ oberflächliches SiO₂ in Al₂O₃ umwandeln und damit SiCl₄-Gas freisetzen. In einem anderen Beispiel kann ZrO₂ an der Oberfläche der aufwachsenden Schicht dem AlCl₃ ausgesetzt werden, um Al₂O₃ zu bilden. Diese Beispiele sind besonders vorteilhaft bei der Ausbildung einer oberen Grenzfläche zwischen einem massiven Dielektrikum aus TiO₂, SiO₂ oder ZrO₂ und der darüber auszubildenden Gateelektrode.
Da die Austauschreaktion thermodynamisch begünstigt ist, kann eine fortgesetzte Exposition eine oder zwei molekulare Schichten des weniger begünstigten Oxids durch Al₂O₃ ersetzen. Wenn ein solcher Austausch an einer vollständigen Schicht in dem Abstufungsprozess erwünscht ist, können solche Expositionen zu einem frühen Zeitpunkt in der Abscheidung gelegentlich in den ALD-Prozess eingeschoben werden, mit einer größeren Häufigkeit bzw. Frequenz in Richtung des Endes des Prozesses, um eine weitgehend reine oder vollständig reine obere Al₂O-₃-Oberfläche zu erzeugen. Umgekehrt können solche Expositionen in dem ALD-Prozess zu einem früheren Zeitpunkt häufig eingeführt werden und mit einer geringeren Häufigkeit später in den Prozess, um eine weitgehend reine oder ganz reine untere Al₂O₃-Fläche zu erzeugen, die allmählich in das massive Dielektrikum übergeht.
Alternativ kann eine weniger als vollständige Ersetzung von TiO₂, SiO₂ oder ZrO₂ durch Al₂O₃r in jedem AlCl₃-Puls erreicht werden, indem eine verkürzte Zeitdauer für den AlCl₃-Puls gewählt wird. Die Expositionsdauer für die Substitutionsreaktion kann mit jedem Zyklus oder alle paar Zyklen während des Prozesses zunehmend gesteigert werden und damit kann man einen größeren Anteil von Al₂O₃ an der oberen Oberfläche der aufwachsenden dielektrischen Schicht erzielen. Wenn die Abstufung durch variierende Expositionszeiten erzielt wird, so ist es vorteilhaft, Reaktionsmittelgase senkrecht auf das Substrat zuzuführen, wie z. B. mit Hilfe eines Einlasses nach Art eines Duschkopfes von oben. Konzentrationsgradienten von der Einlassseite zu der Abgasseite des Substrates können auf diese Weise vermieden werden.
Es hat sich gezeigt, dass selbst bei einem positiven freien Gibb'schen-Energiewert für eine Substitutionsreaktion, eine genügend lange Exposition mit dem Substitutionsquellgas schließlich zu einem Ersatz der oberen molekularen Schicht des aufwachsenden Dielektrikums führen kann. Siehe Jarkko Ihanus, Mikko Ritala, Markku Leskelä, und Earn Rauhala, ALE growth of ZnS_1–xSe₁, thin films by substitution surface sulfur with elemental selenium, „Applied Surface Science, Vol. 112, pp. 154-158 (1997). In diesem Fall ist gezeigt worden, dass die Exposition eines Sulfids oder eines SH-Oberflächenabschlusses mit reinem Selen zu einem Ersetzen der Schwefelatome durch Selen führt.
Es versteht sich, dass ähnliche Substitutionsreaktionen auch für das graduelle Abstufen leitfähiger Materialien, wie z. B. Metallnitride mit unterschiedlichen Metallen in der abgestuften Barriereschicht, wie sie oben beschrieben wurde, verwendet werden können.
Auch wenn die vorstehende Erfindung anhand gewisser bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, liegen andere Ausführungsformen für Fachleute auf diesem Gebiet in Anbetracht der hier gegebenen Offenbarung auf der Hand. Insbesondere kann die Anzahl von Phasen für jeden Zyklus variiert werden. Zwischenzeitliche Reduktionsphasen sind beispielsweise in einigen Ausgestaltungen womöglich nicht erforderlich. Zusätzlich kann der Fachmann, auch wenn hier eine Ausführungsform im Kontext leitfähiger dünner Filme, die eine Doppel-Damaszener-Struktur auskleiden, und eine andere Ausführungsform im Kontext ultradünner dielektrischer Gatefilme offenbart wurden, in einfacher Weise eine Anwendung der hier offenbarten Prinzipien in einer Anzahl unterschiedlicher Zusammenhänge finden.
Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Wiederholung der bevorzugten Ausführungsformen beschränkt werden, sondern soll allein durch die anhängenden Ansprüche definiert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines nicht epitaktischen dünnen Films mit zwischen einer Oberseite und einer Unterseite variierender Zusammensetzung in einem integrierten Schaltkreis, welches aufweist: Anordnen eines Substrats in einer Reaktionskammer, Einführen erster und zweiter Reaktionsmittel in der Dampfphase in abwechselnden und zeitlich voneinander getrennten Impulsen zu dem Substrat in einer Mehrzahl von Abscheidungszyklen, und Einführen variierender Mengen eines dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase zu dem Substrat während der Mehrzahl von Abscheidungszyklen, so daß die Oberfläche des dünnen Films eine abgestufte Konzentration von mehr als 5% einer Verunreinigung umfaßt, welche eine Komponente des dritten in der Dampfphase zugeführten Reaktionsmittels aufweist, und wobei die Dicke des dünnen Films weniger als 50 Å (5 × 10⁹m) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reaktionsmittel in der ersten Dampfphase ein Gas aus einer Siliziumquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Gas aus einer Siliziumquelle ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Silanen der Formel Si_mL_2m+2, Siloxanen der Formel Si_yO_y–1L_2y+2 und Silazanen der Formel Si_y(NH)_y–1L_2y+2 ausgewählt wird, wobei m und y ganze Zahlen sind und L ein Ligand ist,
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Liganden in dem Gas aus der Siliziumquelle ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus H, F, Cl, Br, I, Alkyl-, Aryl-, Alkoxy-, Vinyl-, Cyano-, Isocyanat-, Amino-, Silyl-, Alkylsilyl-, Alkoxysilyl-, Sylilen- und Alkylsiloxan-Gruppen besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Reaktionsmittel in der zweiten Dampfphase ein Gas aus einer Oxidanzquelle aufweist und wobei das dritte Reaktionsmittel in der Gasphase ein Gas aus einer Stickstoffquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gas der Oxidanzquelle Wasserdampf aufweist und das Gas der Stickstoffquelle Ammoniak aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Reaktionsmittel in der Dampfphase ein erstes Gas einer Metallquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Reaktionsmittel in der zweiten Dampfphase ein Oxidanz ist und das Reaktionsmittel in der dritten Gasphase ein zweites Gas einer Metallquelle aufweist, welches von dem ersten Gas einer Metallquelle verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Reaktionsmittel in der Dampfphase eine Übergangsschicht für ein Gate-Dielektrikum erzeugen und das dritte Reaktionsmittel in der Dampfphase ein Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Übergangsschicht Aluminiumoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante Zirkonoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Reaktionsmittel in der Dampfphase ein erstes Gas aus einer Metallquelle ist, das zweite Reaktionsmittel in der Dampfphase ein Gas einer Stickstoffquelle ist und das dritte Reaktionsmittel in der Dampf- bzw. Gasphase ein zweites Gas einer Metallquelle ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der dünne Film eine abgestufte Übergangsschicht zwischen einer Metallnitrid-Barrierenschicht und einem besser leitfähigen Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das dritte Reaktionsmittel in der Dampfphase ein Gas einer Kupferquelle ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der dünne Film eine abgestufte Übergangsschicht zwischen einer Metallnitrid-Barrierenschicht und einer Kupferauffüllung in einem Damaszener-Graben bildet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Hinzufügen von zunehmend mehr Gas aus einer Kupferquelle in den Abscheidungszyklen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Gasphase das Bereitstellen von Impulsen von Gas einer Kupferquelle zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf des Fortschreitens der Abscheidung höheren Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Variieren einer Kupferkonzentration von einer Unterseite der Übergangsschicht zu einer Oberseite der Übergangsschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kupferkonzentration an der Unterseite am geringsten und an der Oberseite am höchsten ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase eine lineare Abstufung bzw. Variation der Kupferkonzentration von der Unterseite zu der Oberseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von 0% Kupfer an der Unterseite und 50% Kupfer an der Oberseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Ausbilden eines reinen Metallnitrids an der Unterseite und einer reinen Kupferschicht an der Oberseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die abgestufte Übergangsschicht mit einer Dicke von weniger als 50 Å (5 × 10^–9m) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die abgestufte Übergangsschicht mit einer Dicke von 10 Å (1 × 10^–9m) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von Impulsen des Reaktionsmittels in der dritten Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf der Abscheidung variierenden Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Vorsehen von Impulsen des Reaktionsmittels in der dritten Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf der Abscheidung größer werdenden Frequenz vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von Impulsen des Reaktionsmittels in der dritten Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf der Abscheidung geringeren Frequenz vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen variierender Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase im Verlauf der Abscheidung bei jedem der Abscheidungszyklen vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase in jedem Zyklus gleichzeitig mit dem Reaktionsmittel der zweiten Dampfphase zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase in getrennten Impusen variierender Dauer bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase Atome auf der Oberfläche des dünnen Films von einem vorangehenden Impuls ersetzen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das lineare Variieren einer Menge einer Verunreinigung aufweist, die während der Abscheidung in die Schicht eingebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dünne Film eine graduell zunehmende Konzentration der Verunreinigung von der unteren Fläche zu der oberen Fläche hat.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die abgestufte (sich graduell ändernde) Konzentration der Verunreinigung von null an der Unterseite auf einen Maximalwert an der Oberseite ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dünne Film ein Metallnitrid und Kupfer enthaltender dünner Film mit unterschiedlichen Kupferkonzentrationen an seinen oberen und unteren Seiten in eines zweifachen Damaszener-Grabens ist und wobei das Einführen erster und zweiter Reaktionsmittel in der Dampfphase das Einführen variierender Mengen eines Gases einer Metallquelle und eines Gases einer Stickstoffquelle zu dem Substrat in abwechselnden und zeitlich getrennten Impulsen aufweist, und daß das Einführen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Gasphase das Einführen eines Gases aus einer Kupferquelle zu dem Substrat in abwechselnden und zeitlich getrennten Impulsen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der dünne Film eine dielektrische Verbindung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Verunreinigung Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der dünne Film eine metallische Legierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Verunreinigung Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dünne Film eine Abdeckschicht in einer Damaszener-Struktur aufweist und wobei die ersten und dritten Reaktionsmittel in der Dampfphase metallische Reaktionsmittel in der Dampfphase sind und das zweite Reaktionsmittel in der Dampfphase ein Stickstoffreaktionsmittel in der Dampfphase ist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Einführen bzw. Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das lineare Abstufen einer Kupferkonzentration von einer Unterseite der Abdeckschicht zu einer Oberseite der Abdeckschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase 0% Kupfer an der Unterseite und 50% Kupfer an der Oberseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das zweite Reaktionsmittel in der Dampfphase Ammoniak aufweist.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das dritte Reaktionsmittel in der Dampfphase Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das erste Reaktionsmittel in der Dampfphase ein Element aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, das aus Wolfram, Tantal und Titan besteht.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Ausbilden eines reinen Metallnitrids an einer Unterseite der Abdeckschicht und einer reinen Kupferschicht auf der Oberseite der Abdeckschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Kupferschicht eine Keimschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 46, welches weiterhin die Elektroplattierung mit Kupfer aufweist, um den Damaszener-Graben aufzufüllen.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei der Damaszener-Graben ein doppelter Damaszener-Graben ist.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der doppelte Damaszener-Graben eine Zwischenverbindung aus Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von Impulsen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit im Verlauf der Abscheidung variierender Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von Impulsen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf der Abscheidung geringeren Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Bereitstellen von Impulsen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase zu den Abscheidungszyklen mit einer im Verlauf der Abscheidung größer werdenden Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Hinzufügen variierender Mengen des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Vorsehen von im Verlauf der Abscheidung variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase bei jedem der Abscheidungszyklen vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase bereitgestellt werden durch Variieren des Freigebens einer adsorbierten Substanz für eine thermodynamisch begünstigte Substitutionsreaktion.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase in getrennten Impulsen variierender Dauer bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die variierenden Niveaus des dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase Atome an der Oberfläche des dünnen Films von einem vorhergehenden Impuls ersetzen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der metallische Vorläufer ein Metall aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Wolfram, Tantal und Titan besteht.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei der Stickstoffvorläufer Ammoniak aufweist.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Hinzufügen variierender Mengen eines dritten Reaktionsmittels in der Dampfphase das Hinzufügen von im Verlauf der Abscheidung zunehmenden Mengen des Gases der Kupferquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei das Hinzufügen variierender Mengen eines dritten Reaktionsmittels in der Gasphase das Hinzufügen von im Verlauf der Abscheidung zunehmenden Mengen des Gases aus der Kupferquelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei das Einführen variierender Mengen eines dritten Reaktionsmittels in der Gasphase das Bereitstellen von im Verlauf der Abscheidung variierenden Mengen des Kupfervorläufers in jedem der Abscheidungszyklen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei das Einführen variierender Mengen eines Gases einer Metallquelle den Übergang vom Hinzufügen konstanter Niveaus der Gase der Metall- und Stickstoff quellen in jedem der Abscheidungszyklen zu Beginn der Abscheidung zu der Hinzufügung von weniger Gasen der Metall- und Stickstoffquelle in nachfolgenden Abscheidungszyklen aufweist, während die Abscheidung fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 63, wobei das weniger Hinzufügen das Vorsehen der Metall- und Stickstoffvorläufer mit im Verlauf der Abscheidung zunehmend geringerer Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 63, wobei das weniger Hinzufügen das Bereitstellen keiner Metall- und Stickstoffvorläufer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Kupferkonzentration an der Unterseite am geringsten und an der Oberseite am höchsten ist.
Verfahren nach Anspruch 66, wobei der dünne Film an der Unterseite eine reine Metallnitridschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 67, wobei die Metallnitridschicht eine Grenz- bzw. Barrierenschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei die Barrierenschicht zwischen etwa 20 Å und 200 Å dick ist (2 – 20 × 10^–9 m).
Verfahren nach Anspruch 35, welches weiterhin das Auffüllen des doppelten Damaszener-Grabens mit Kupfer durch Elektroplattierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 70, welches weiterhin einen Polierschritt aufweist, um überschüssiges Metall außerhalb des doppelten Damaszener-Grabens zu entfernen.
Dünner Film einer integrierten Schaltung, der eine Dicke von weniger als 50 Å (5 × 10^–9 m) hat, welche zwischen der Oberseite und der Unterseite definiert ist, wobei der Film eine kontrollierte und variierende Zusammensetzung mit einer Verunreinigung zwischen der oberen Seite und der unteren Seite hat, wobei die Konzentration der Verunreinigung an der Oberseite mehr als 5% beträgt und wobei die variierende Zusammensetzung eine abgestufte Konzentration der Verunreinigung aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 72, wobei die Dicke zwischen 7 Å und 50 Å (7 – 50 × 10^–10m) beträgt.
Dünner Film nach Anspruch 72, wobei die Konzentration der Verunreinigung an der Unterseite geringer als 0,1 % ist.
Dünner Film nach Anspruch 74, wobei die Konzentration der Verunreinigung an der Unterseite 0% beträgt.
Dünner Film nach Anspruch 72, wobei die Konzentration der Verunreinigung an der Oberseite mehr als 10% beträgt.
Dünner Film nach Anspruch 72, welcher ein Dielektrikum eines Transistorgates bildet.
Dünner Film nach Anspruch 77, welcher eine äquivalente Oxiddicke von weniger als 2,0 nm zeigt.
Dünner Film nach Anspruch 78, welcher eine äquivalente Oxiddicke von weniger als 1,7 nm zeigt.
Dünner Film nach Anspruch 79, welcher zumindest eine molekulare Monoschicht (1 Molekül dicke Schicht) aus Siliziumoxid an der Unterseite aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 80, welcher zumindest eine molekulare Monoschicht aus Siliziumnitrid an der Oberseite aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 77, welcher Aluminiumoxid an einer der oberen und unteren Flächen und ein Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante daneben aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 82, wobei das Aluminiumoxid an der Unterseite direkt auf bzw. neben einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, wobei das Aluminiumoxid mit dem Material einer höheren Dielektrizitätskonstante abgestuft ist.
Dünner Film nach Anspruch 83, wobei das Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante Zirkonoxid aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 72, wobei die sich ändernde Zusammensetzung eine von der Unterseite zur Oberseite variierende Stickstoffkonzentration aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 85, wobei die Stickstoffkonzentration sich von einer niedrigsten Konzentration an der Unterseite progressiv zu einer höchsten Konzentration an der Oberseite ändert.
Dünner Film nach Anspruch 86, welcher eine linear abgestufte Stickstoffkonzentration von der Unterseite zur Oberseite aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 87, wobei die Stickstoffkonzentration an der Unterseite weniger als 0,1% und an der Oberseite mehr als 5% beträgt.
Dünner Film nach Anspruch 88, welcher im wesentlichen reines Siliziumdioxid an der Unterseite und im wesentlichen reines Siliziumnitrid an der Oberseite aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 72, wobei die variierende Zusammensetzung eine von der Unterseite zur Oberseite hin zunehmende Kupferkonzentration aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 90, wobei die variierende Zusammensetzung eine von der Unterseite zur Oberseite abnehmende Metallnitridkonzentration aufweist.
Dünner Film nach Anspruch 91, welcher eine Dicke zwischen 7 Å und 50 Å (7 – 50 × 10¹⁰ m) hat.