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DE10065454A1 - Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät

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Publication number
DE10065454A1
DE10065454A1 DE10065454A DE10065454A DE10065454A1 DE 10065454 A1 DE10065454 A1 DE 10065454A1 DE 10065454 A DE10065454 A DE 10065454A DE 10065454 A DE10065454 A DE 10065454A DE 10065454 A1 DE10065454 A1 DE 10065454A1
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DE
Germany
Prior art keywords
reaction chamber
source material
gas
semiconductor substrate
aluminum
Prior art date
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Application number
DE10065454A
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DE10065454B4 (de
Inventor
Lim Chan
Kim Kyong-Min
Yu Yong-Sik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SK Hynix Inc
Original Assignee
Hyundai Electronics Industries Co Ltd
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Publication date
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät umfaßt die Schritte, ein Halbleitersubstrat bereitzustellen und das Halbleitersubstrat in eine Reaktionskammer einzubringen, gleichzeitig ein Aluminiumquellenmaterial und NH¶3¶-Gas in die Reaktionskammer einzulassen, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden, MTMA, das nicht reagiert hat, oder Nebenprodukte dadurch auszustoßen, daß man Stickstoffgas in die Reaktionskammer einströmen läßt oder durch Vakuumspülung, Zuführung eines Sauerstoffquellenmaterials in die Reaktionskammer, damit es auf dem Halbleitersubstrat absorbiert wird, und Ausstoßen der Sauerstoffquelle, die nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergeräts und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxids zur Verwendung in dem Halbleitergerät durch Einsatz von reaktivem NH3-Gas zum Ablagern einer Aluminiumquelle und/oder einer Sauerstoffquelle auf einem Wafer.
Beschreibung des Standes der Technik
Bekanntlich weist heutzutage ein Halbleitergerät einen höheren Integrationsgrad auf, hauptsächlich durch Verkleinerung mittels Mikrominiaturisierung. Allerdings besteht immer noch ein Bedürfnis, die Fläche der Speicherzelle zu verkleinern, bei erhöhten Transistor- und Schaltungsgeschwindigkeiten und einer verbesserten Verläßlichkeit. Derartige Anforderungen an eine erhöhte Dichte, Leistung und Verläßlichkeit erfordern die Ausbildung von Gerätemerkmalen mit hoher Präzision und Miniaturisierung. Um die Anforderung zu erfüllen ist es erforderlich, die Kapazität eines Kondensators zu erhöhen, und einen Gatedielektrikumsfilm zu verbessern, der bei einem DRAM und Logikgeräten eingesetzt wird. Beim Versuch, die voranstehend geschilderten Anforderungen zu erfüllen, wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante bei einem Kondensatordünnfilm und einem Gatedielektrikumsfilm einzusetzen.
Insbesondere wird unter Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante Aluminiumoxid (Al2O3) typischerweise bei dem Kondensatordünnfilm und dem Gatedielektrikums- Dünnfilm eingesetzt, da Aluminiumoxid gute Eigenschaften in Bezug auf die Beständigkeit gegen Oxidation sowie thermische Stabilität aufweist. Darüber hinaus wird es häufig als Wasserstoffsperre eingesetzt, um eine Wasserstoffdiffusion zu verhindern.
Üblicherweise wird der Aluminiumoxidfilm unter Verwendung eines Verfahrens wie beispielsweise Atomschichtablagerung (ALD) hergestellt. Im einzelnen sind folgende Herstellungsschritte vorhanden: Einbringen eines Wafers in eine Kammer; Erwärmung des Wafers auf 200°C bis 450°C; Zuführen eines Aluminiumquellenmaterials in die Kammer über 0,1 bis 3 Sekunden; Einströmenlassen von N2-Gas in die Kammer oder Vakuumspülung, um Aluminiumquellenmaterial wegzuspülen, das nicht reagiert hat, sowie Nebenprodukte; Einbringen eines Sauerstoffquellenmaterials in die Kammer über 0,1 bis 3 Sekunden; und Einströmenlassen von N2-Gas in die Kammer, oder Vakuumspülung, um erneut Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen. Dies stellt einen Zyklus zur Ablagerung des Aluminiumoxidfilms dar. Durch wiederholte Durchführung dieses Zyklus wird daher die gewünschte Dicke des Aluminiumoxidfilms erhalten.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms in dem Halbleitergerät wird Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3) oder modifiziertes Trimethylaluminium (MTMA, Al(CH3)3N(CH2)5CH3) als das Aluminiumquellenmaterial verwendet, und wird Wasserdampf gewöhnlich als das Sauerstoffquellenmaterial verwendet.
Allerdings weist das herkömmliche Verfahren einen Nachteil auf, nämlich daß die Wachstumsrate des Aluminiumoxids sehr gering ist, so daß der Herstellungswirkungsgrad abnehmen kann. Weiterhin können in dem Aluminiumoxidfilm, der durch das herkömmliche Verfahren hergestellt wird, Kohlenstoffteilchen enthalten sein, infolge der Verwendung eines organischen Materials wie TMA oder MTMA, wodurch dessen elektrische Eigenschaften verschlechtert werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät, durch Einsetzen von reaktivem NH3-Gas, um die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms zu verbessern.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitergeräts, in welchem ein Aluminiumoxidfilm vorgesehen ist, durch Einsatz reaktiven NH3-Gases, um die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms zu verbessern.
Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfaßt: a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrat in eine Reaktionskammer; b) gleichzeitige Zuführung eines Aluminiumquellenmaterials und NH3-Gases in die Reaktionskammer, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten, durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung; d) Einbringen eines Sauerstoffquellenmaterials in die Reaktionskammer, damit es auf dem Halbleitersubstrat absorbiert wird; und e) Ausstoßen des Sauerstoffquellenmaterials, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder Vakuumspülung.
Gemäß einer anderen Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfaßt: a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrats in eine Reaktionskammer; b) Zuführung eines Aluminiumquellenmaterials in die Reaktionskammer, damit es auf dem Halbleitersubstrat absorbiert wird; c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung; d) Zuführen eines Sauerstoffquellenmaterials und von NW-Gas in die Reaktionskammer, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; und e) Ausstoßen von Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder Vakuumspülung.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfaßt: a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrats in eine Reaktionskammer; b) Zuführen eines Aluminiumquellenmaterials und von NH3-Gas in die Reaktionskammer gleichzeitig, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung; d) Zuführen eines Sauerstoffquellengases und von NH3-Gas in die Reaktionskammer, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; und e) Ausstoßen von Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, oder Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergeräts zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfaßt: a) Bereitstellung einer aktiven Matrix, die mit einem Substrat, Isolierbereichen, einer Gateleitung, einem Gateoxid und einer ersten Isolierschicht versehen ist; b) Ausbildung einer Pufferschicht und einer ersten leitenden Schicht auf der aktiven Matrix hintereinander; c) Ausbildung einer Dielektrikumsschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) auf der ersten leitenden Schicht unter Verwendung eines ALD-Verfahrens, durch Zufuhr von reaktivem NH3-Gas mit einer Aluminiumquelle und/oder einer Sauerstoffquelle; d) Ausbildung einer zweiten leitenden Schicht auf der Dielektrikumsschicht, und Musterbildung bei der zweiten leitenden Schicht, der Dielektrikumsschicht, der ersten leitenden Schicht und der Pufferschicht, wodurch eine Kondensatoranordnung erhalten wird; e) Ausbildung einer Wasserstoffsperrschicht auf der Kondensatoranordnung; f) Ausbildung einer Bitleitung und einer lokalen Verbindung, nachdem eine zweite Isolierschicht abgelagert wurde; g) Ausbildung einer Passivierungsschicht auf der gesamten Oberfläche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die voranstehenden und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, wobei:
Fig. 1 bis 3 Diagramme der Dicke eines Wafers in Abhängigkeit von Expositionszeit eines Wafers sind, nachdem ein Aluminiumoxidfilm durch ein Atomschichtablagerungsverfahren (ALD-Verfahren) abgelagert wurde, gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4A bis 4E Querschnittsansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergeräts erläutern, in welchem ein Aluminiumoxidfilm vorgesehen ist, gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In Fig. 1 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Expositionszeit und der Dicke eines Wafers nach Ablagerung eines Aluminiumoxidfilms während 50 Zyklen durch ein Atomschichtablagerungsverfahren (ALD-Verfahren) gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Bei der ersten Ausführungsform werden gleichzeitig ein Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas einer Reaktionskammer zugeführt, um die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms zu erhöhen. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem NH3-Gas nicht eingesetzt wird, ist die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich höher als beim Stand der Technik. Mit Zunahme der Expositionszeit nimmt auch die Wachstumsrate zu.
Der Prozeß zur Herstellung des Aluminiumoxidfilms wird mit weiteren Einzelheiten nachstehend beschrieben. Zu Beginn werden das Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas gleichzeitig der Reaktionskammer zugeführt, nachdem der Wafer in die Reaktionskammer eingebracht wurde, damit sie auf einer Oberfläche des Wafers absorbiert werden. Dann wird ein erster Spülvorgang durchgeführt, um Aluminiumoxid, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen, nach dem Zufuhr der Aluminiumquelle gestoppt wurde. In einem nächsten Schritt wird Sauerstoffquellenmaterial der Reaktionskammer zugeführt, damit es auf der Oberfläche des Wafers absorbiert wird.
Danach wird ein zweiter Spülvorgang durchgeführt, um Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen. Dies stellt einen Zyklus zur Ablagerung des Aluminiumoxidfilms dar. Wird der Zyklus häufig wiederholt, so wird der Aluminiumoxidfilm mit der gewünschten Dicke auf dem Wafer ausgebildet. Nach vollständiger Ablagerung des Aluminiumoxids wird ein Anlaßvorgang durchgeführt, um den Aluminiumoxidfilm zu verdichten.
Hierbei wird die Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C gehalten, und wird der Druck in der Kammer auf 50 mTorr bis 300 mTorr gehalten. Das Aluminiumquellenmaterial, beispielsweise Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3) oder modifiziertes Trimethylaluminium (MTMA, Al(CH3)3N(CH2)5CH3) wird über ein erstes Zufuhrrohr über 0,1 bis 3 Sekunden geliefert. Weiterhin wird NH3-Gas der Reaktionskammer gleichzeitig durch ein zweites Zufuhrrohr zugeführt, mit einer Flußrate von 20 bis 1000 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm). Wenn NH3-Gas und das Aluminiumquellenmaterial der Kammer durch dasselbe Zufuhrrohr zugeführt werden, reagiert die Aluminiumquelle mit NH3-Gas, wodurch Teilchen in dem Zufuhrrohr erzeugt werden. Daher sollten das Aluminlumquellenmaterial und das NH3-Gas jeweils durch ein getrenntes Zufuhrrohr zugeführt werden. Der erste Spülvorgang wird 0,1 bis 3 Sekunden lang durchgeführt, um Aluminiumquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte durch eine Auslaßpumpe auszustoßen, kann jedoch auch unter Einsatz eines Verfahrens wie beispielsweise Vakuumspülung durchgeführt werden. Weiterhin wird das Sauerstoffquellenmaterial, beispielsweise Wasserdampf, 0,1 bis 3 Sekunden lang über ein drittes Zufuhrrohr zugeführt, und dann wird der zweite Spülvorgang ähnlich wie der erste Spülvorgang durchgeführt. Da bei dem Aluminiumoxidfilm ein metallorganisches Material wie etwa TMA oder MTMA eingesetzt wird, enthält der Aluminiumoxidfilm nach der Ablagerungsreaktion in sich Kohlenstoffteilchen, wodurch schließlich die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Um die Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften zu verhindern, wird der folgende Prozeß bei 300°C bis 450°C durchgeführt, unter Verwendung eines Verfahrens wie beispielsweise O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT, UV/O3 oder dergleichen. Weiterhin wird ein Anlaßvorgang bei 650°C bis 850°C durchgeführt, um den Aluminiumoxidfilm zu verdichten.
In Fig. 2 ist ein weiteres Diagramm der Beziehung zwischen Expositionszeit und Dicke eines Wafers dargestellt, nachdem ein Aluminiumoxidfilm über 50 Zyklen mit einem Atomschichtablagerungs-Verfahren (ALD-Verfahren) gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgelagert wurde.
Bei der zweiten Ausführungsform werden ein Sauerstoffquellenmaterial und NH3-Gas gleichzeitig einer Reaktionskammer zugeführt, um die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms zu erhöhen. Im Vergleich zu dem Stand der Technik, bei welchem NH3-Gas nicht verwendet wird, ist die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich höher als beim Stand der Technik. Mit Zunahme der Expositionszeit nimmt auch die Wachstumsrate zu.
Der Prozeß zur Herstellung des Aluminiumoxidfilms gemäß der zweiten Ausführungsform wird im einzelnen nachstehend erläutert. Zu Beginn wird das Aluminiumquellenmaterial der Reaktionskammer zugeführt, nachdem der Wafer in die Reaktionskammer eingebracht wurde, damit es auf einer Oberfläche des Wafers absorbiert wird. Dann wird ein erster Spülvorgang durchgeführt, um Aluminiumoxid, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen, nachdem die Zufuhr der Aluminiumquelle gestoppt wurde. In einem nächsten Schritt werden Sauerstoffquellenmaterial und NH3 gleichzeitig der Reaktionskammer zugeführt, damit sie auf der Oberfläche des Wafers absorbiert werden. Danach wird ein zweiter Spülvorgang durchgeführt, um Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen. Dies stellt einen Zyklus zur Ablagerung des Aluminiumoxidfilms dar. Wenn der Zyklus mehrfach wiederholt wird, wird der Aluminiumoxidfilm mit gewünschter Dicke auf dem Wafer ausgebildet. Nach Ablagerung des Aluminiumoxids werden ein Prozeß zum Entfernen von Kohlenstoffteilchen und ein Anlaßprozeß hintereinander durchgeführt.
Hierbei wird die Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C gehalten, und wird der Druck in der Kammer auf 50 mTorr bis 300 mTorr gehalten. Das Aluminiumquellenmaterial, beispielsweise Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3) oder modifiziertes Trimethylaluminium (MTMA, Al(CH3)3N(CH2)5CH3), wird durch ein erstes Zufuhrrohr über 0,1 bis 3 Sekunden zugeführt. Der erste Spülvorgang wird 0,1 bis 3 Sekunden lang durchgeführt, um Aluminiumquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte über eine Auslaßpumpe auszustoßen, kann jedoch auch unter Verwendung eines derartigen Verfahrens wie Vakuumspülung durchgeführt werden. Zusätzlich wird das Sauerstoffquellenmaterial, beispielsweise Wasserdampf, und NH3-Gas über 0,1 bis 3 Sekunden durch das zweite Zufuhrrohr zugeführt, wobei die Flußrate 20 bis 1000 sccm beträgt. Weiterhin wird der zweite Spülvorgang entsprechend dem ersten Spülvorgang durchgeführt. Wenn hierbei das Sauerstoffquellenmaterial und das NH3-Gas durch jedes Zufuhrrohr zugeführt werden, kann eine Menge an Teilchen in der Kammer erzeugt werden, infolge der Reaktion von Wasser und NH3-Gas. Daher sollten sie durch dasselbe Zufuhrrohr zugeführt werden.
Da der Aluminiumoxidfilm metallorganisches Material wie etwa TMA oder MTMA einsetzt, sind in dem Aluminiumoxidfilm nach der Ablagerungsreaktion Kohlenstoffteilchen enthalten, wodurch schließlich die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Um die Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften zu verhindern wird ein folgender Prozeß bei 300°C bis 450°C durchgeführt unter Verwendung eines Verfahrens wie beispielsweise O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT, UV/O3 oder dergleichen. Weiterhin wird ein Anlaßvorgang bei 650°C bis 850°C durchgeführt, um den Aluminiumoxidfilm zu verdichten.
Fig. 3 enthält ein weiteres Diagramm der Beziehung zwischen Expositionszeit und Dicke eines Wafers nach der Ablagerung eines Aluminiumoxidfilms über mehrere Zyklen durch ein Atomschichtablagerungsverfahren (ALD-Verfahren) gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform werden ein Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas gleichzeitig einer Reaktionskammer zugeführt, und werden darüber hinaus ein Sauerstoffquellenmaterial und NH3-Gas ebenfalls gleichzeitig zugeführt, um die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms zu erhöhen. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem kein NH3-Gas verwendet wird, ist die Wachstumsrate des Aluminiumoxidfilms gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich höher als beim Stand der Technik. Weiterhin nimmt mit zunehmender Expositionszeit auch die Wachstumsrate zu.
Der Prozeß zur Herstellung des Aluminiumoxidfilms gemäß der dritten Ausführungsform wird mit weiteren Einzelheiten nachstehend erläutert. Zu Beginn werden das Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas gleichzeitig der Reaktionskammer zugeführt, nachdem der Wafer in die Reaktionskammer eingebracht wurde, damit sie auf einer Oberfläche des Wafers absorbiert werden. Dann wird ein erster Spülvorgang durchgeführt, um Aluminiumoxid, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen, nach dem Zufuhr der Aluminiumquelle gestoppt wurde. In einem nächsten Schritt werden Sauerstoffquellenmaterial und NH3-Gas gleichzeitig der Reaktionskammer zugeführt, damit sie auf der Oberfläche des Wafers absorbiert werden. Danach wird ein zweiter Spülvorgang durchgeführt, um Sauerstoffquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte wegzuspülen. Dies stellt einen Zyklus zur Ablagerung des Aluminiumoxidfilms dar. Wird der Zyklus häufig wiederholt, so wird der Aluminiumoxidfilm mit gewünschter Dicke auf dem Wafer ausgebildet. Nach Ablagerung des Aluminiumoxids werden ein Prozeß zum Entfernen von Kohlenstoffteilchen und ein Anlaßprozeß hintereinander durchgeführt.
Hierbei wird die Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C gehalten, und wird der Druck in der Kammer auf 50 mTorr bis 300 mTorr gehalten. Das Aluminiumquellenmaterial, beispielsweise Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3 oder modifiziertes Trimethylaluminium (MTMA, Al(CH3)3N(CH2)5CH3), wird durch ein erstes Zufuhrrohr über 0,1 bis 3 Sekunden zugeführt. Weiterhin wird NH3-Gas gleichzeitig der Reaktionskammer über ein zweites Zufuhrrohr zugeführt, bei einer Flußrate von 20 bis 1000 sccm. Wenn NH3-Gas und das Aluminiumquellenmaterial der Kammer durch dasselbe Zufuhrrohr zugeführt werden, reagiert die Aluminiumquelle mit NH3-Gas, wodurch Teilchen in dem Rohr erzeugt werden. Daher sollten das Aluminiumquellenmaterial und das NH3-Gas jeweils durch ein getrenntes Zufuhrrohr zugeführt werden. Der erste Spülvorgang wird 0,1 bis 3 Sekunden lang durchgeführt, um Aluminiumquellenmaterial, das nicht reagiert hat, und Nebenprodukte über eine Auslaßpumpe auszustoßen, kann jedoch auch unter Verwendung eines Verfahrens wie beispielsweise Vakuumspülung durchgeführt werden. Weiterhin werden das Sauerstoffquellenmaterial und NH3-Gas 0,1 bis 3 Sekunden lang über das dritte Zufuhrrohr zugeführt, wobei die Flußrate 20 bis 1000 sccm beträgt. Dann wird der zweite Spülvorgang entsprechend dem ersten Spülvorgang durchgeführt. Wenn hierbei das Sauerstoffquellenmaterial und NH3-Gas jeweils durch ein getrenntes Zufuhrrohr zugeführt werden, kann eine große Menge an Teilchen in der Kammer infolge der Reaktion von Wasser und NH3-Gas erzeugt werden.
Da der Aluminiumoxidfilm ein metallorganisches Material wie beispielsweise TMA oder MTMA einsetzt, sind in dem Aluminiumoxidfilm Kohlenstoffteilchen nach der Ablagerungsreaktion vorhanden, wodurch schließlich die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Um die Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften zu verhindern wird ein nachfolgender Prozeß bei 300°C bis 450°C durchgeführt, unter Verwendung eines Verfahrens wie beispielsweise O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT, UV/O3 oder dergleichen. Weiterhin wird ein Anlaßprozeß bei 650°C bis 850°C durchgeführt, um den Aluminiumoxidfilm zu verdichten.
Die Fig. 4A bis 4E zeigen Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergeräts erläutern, in welchem ein Aluminiumoxidfilm vorhanden ist, gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform, durch Einsatz des Aluminiumoxidablagerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Prozeß zur Herstellung des Halbleitergeräts beginnt mit der Ausbildung einer aktiven Matrix 110, die ein Halbleitersubstrat 102 aufweist, einen Isolierbereich 104, Diffusionsbereiche 106, ein Gateoxid 112, eine Gateleitung 113, ein Abstandsstück 114, und eine erste Isolierschicht 116. Einer der Diffusionsbereiche 106 dient als Source, und der andere Diffusionsbereich 106 dient als Drain.
Danach werden hintereinander oben auf der aktiven Matrix 118, wie dies in Fig. 4A gezeigt ist, eine Pufferschicht 118, eine erste leitende Schicht 120, eine Dielektrikumsschicht 122 sowie eine zweite leitende Schicht 124 ausgebildet. Bei der vierten bevorzugten Ausführungsform wird die Dielektrikumsschicht 122 aus Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt, unter Einsatz eines Verfahrens wie etwa des Atomschichtablagerungsverfahrens (ALD-Verfahrens), wobei der Druck bei der Ablagerung annähernd 50 bis 300 mTorr beträgt, und die Temperatur bei der Ablagerung auf 20°C bis 450°C gehalten wird. Hierbei wird die Pufferschicht 118 zu dem Zweck ausgebildet, die Adhäsion zwischen der ersten Isolierschicht 116 und der ersten leitenden Schicht 120 zu verbessern.
Da das Verfahren zur Ablagerung des Aluminiumoxids der Dielektrikumsschicht 122 in Bezug auf die erste, die zweite und die dritte Ausführungsform erläutert wurde, ist die detaillierte Beschreibung hier verkürzt.
In einem folgenden Schritt werden die zweite leitende Schicht 124, die Dielektrikumsschicht 122, die erste Metallschicht 120 sowie die Pufferschicht 118 mit einem Muster versehen und so in eine vorbestimmte Konfiguration gebracht, wodurch eine Kondensatoranordnung 150 erhalten wird, die einen Puffer 118A aufweist, eine untere Elektrode 120A, einen Kondensator-Dünnfilm 122A sowie eine obere Elektrode 124A, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist. Es ist vorzuziehen, daß die untere Elektrode 120A Abmessungen aufweist, die sich von jener der oberen Elektrode 128A unterscheiden, um eine Plattenleitung (nicht gezeigt) während der folgenden Prozesse ausbilden zu können.
In einem nächsten Schritt, wie er in Fig. 1C gezeigt ist, wird eine Wasserstoffsperrschicht aus Aluminiumoxid auf der Kondensatoranordnung 150 und Abschnitten der ersten Isolierschicht 116 ausgebildet, um zu verhindern, daß ein Einbringen von Wasserstoff in die Kondensatoranordnung 150 bei einem Prozeß nach der Herstellung erfolgt, wird also ein Passivierungsprozeß durchgeführt. Da das Verfahren zur Ausbildung der Aluminiumoxidschicht durch das ALD-Verfahren dasselbe ist wie jenes für den Kondensator-Dünnfilm 122A, wird hier die detaillierte Beschreibung abgekürzt.
Danach wird bei dem Beispiel für den Prozeß zur Herstellung des Halbleitergeräts eine zweite Isolierschicht 130 auf der Kondensatoranordnung 150 und der ersten Isolierschicht 116 ausgebildet. Dann werden sie mit einem Muster versehen, um in eine dritte vorbestimmte Konfiguration gebracht zu werden, wodurch man Öffnungen 132, 134 und 136 erhält, wie sie in Fig. 1D gezeigt sind. In einem darauffolgenden Schritt wird eine dritte leitende Schicht auf der gesamten Oberfläche einschließlich des Inneren der Öffnungen 132, 134 und 136 ausgebildet, und mit einem Muster versehen, so daß eine Bitleitung 144B und eine lokale Verbindung 144A erhalten werden. Schließlich wird eine Passivierungsschicht 152 auf der gesamten Oberfläche ausgebildet, unter Verwendung eines CVD- oder PVD-Verfahrens, wie dies in Fig. 1E gezeigt ist.
Bei der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Gateoxidfilm 112 auch aus dem Aluminiumoxidfilm bestehen, unter Verwendung des Aluminiumoxidablagerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Vergleich zum Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung das Aluminiumoxidablagerungsverfahren mit erhöhter Wachstumsrate zur Verfügung, durch Zufuhr reaktiven NH3-Gases gleichzeitig mit dem Aluminiumquellenmaterial und/oder dem Sauerstoffquellenmaterial. Durch Anlassen des Aluminiumoxidfilms, nachdem er vollständig auf dem Wafer abgelagert wurde, ist es darüber hinaus möglich, einen dichten Aluminiumoxidfilm zu erhalten.
Zwar wurden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zum Zwecke der Erläuterung beschrieben, jedoch werden Fachleute merken, daß verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Umfang und Wesen der Erfindung abzuweichen, wie dies in den beigefügten Patentansprüchen angegeben ist.

Claims (35)

1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät mit folgenden Schritten:
  • a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrats in eine Reaktionskammer;
  • b) Zufuhr eines Aluminiumquellenmaterials und von NH3-Gas in die Reaktionskammer gleichzeitig, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden;
  • c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung;
  • d) Zufuhr eines Sauerstoffquellenmaterials in die Reaktionskammer, damit es auf dem Halbleitersubstrat absorbiert wird; und
  • e) Ausstoßen der Sauerstoffquelle, die nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte b) bis e) dadurch wiederholt werden, daß ein Atomschichtablagerungsverfahren (ALD-Verfahren) eingesetzt wird, bis das Aluminiumoxid auf dem Halbleitersubstrat mit vorbestimmter Dicke erzeugt wurde.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C und ein Ablagerungsdruck auf 50 mTorr bis 300 mTorr gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aluminiumquellenmaterial ein metallorganisches Material aus Trimethylaluminium (TMA) oder modifiziertem Trimethylaluminium (MTMA) enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aluminiumquellenmaterial und das NH3-Gas der Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang jeweils über ein getrenntes Zufuhrrohr zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das NH3-Gas in einem Zustand zugeführt wird, in welchem die Flußrate 20 sccm bis 1000 sccm beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial Wasserdampf ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial der Reaktionskammer über 0,1 bis 3 Sekunden zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem nach dem Schritt e) weiterhin folgende Schritte vorgesehen sind:
  • a) Entfernen von Kohlenstoffteilchen in dem Aluminiumoxidfilm; und
  • b) Anlassen des Aluminiumoxidfilms zur Verdichtung bei 650°C bis 850°C in einer N2-reichen Atmosphäre.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt f) bei 300°C bis 450°C durchgeführt wird, unter Einsatz eines Verfahrens, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT oder UV/O3 besteht.
11. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät mit folgenden Schritten:
  • a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrats in eine Reaktionskammer;
  • b) Zufuhr eines Aluminiumquellenmaterials in die Reaktionskammer, damit es auf dem Halbleitersubstrat absorbiert wird;
  • c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung;
  • d) Zufuhr eines Sauerstoffquellenmaterials und von NH3-Gas in die Reaktionskammer, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; und
  • e) Ausstoßen der Sauerstoffquelle, die nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Schritte b) bis e) unter Verwendung eines Atomschichtablagerungsverfahrens (ALD-Verfahrens) wiederholt werden, bis das Aluminiumoxid auf dem Halbleitersubstrat mit vorbestimmter Dicke erzeugt wurde.
13. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem eine Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C gehalten wird, und ein Ablagerungsdruck bei 50 mTorr bis 300 mTorr gehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Aluminiumquellenmaterial ein metallorganisches Material aus Trimethylaluminium (TMA) oder modifiziertem Trimethylaluminium (MTMA) ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial und das NH3-Gas in die Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang über dasselbe Zufuhrrohr eingebracht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das NH3-Gas in einem Zustand zugeführt wird, in welchem eine Flußrate 20 sccm bis 1000 sccm beträgt.
17. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial Wasserdampf ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial der Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang zugeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem nach dem Schritt e) folgende weitere Schritte vorgesehen sind:
  • a) Entfernen von Kohlenstoffteilchen in dem Aluminiumoxidfilm; und
  • b) Anlassen des Aluminiumoxidfilms zu dessen Verdichtung bei 650°C bis 850°C in einer N2-reichen Atmosphäre.
20. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt f) bei 300°C bis 450°C durchgeführt wird, unter Verwendung eines Verfahrens, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT, oder UV/O3 besteht.
21. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms zur Verwendung in einem Halbleitergerät mit folgenden Schritten:
  • a) Bereitstellung eines Halbleitersubstrats und Einbringen des Halbleitersubstrats in eine Reaktionskammer;
  • b) Zuführen eines Aluminiumquellenmaterials und NH3-Gas in die Reaktionskammer gleichzeitig, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden;
  • c) Ausstoßen von MTMA, das nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung;
  • d) Zuführung eines Sauerstoffquellenmaterials und NH3-Gases in die Reaktionskammer, damit diese auf dem Halbleitersubstrat absorbiert werden; und
  • e) Ausstoßen der Sauerstoffquelle, die nicht reagiert hat, oder von Nebenprodukten durch Einströmenlassen von Stickstoffgas in die Reaktionskammer oder durch Vakuumspülung.
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die Schritte b) bis e) unter Verwendung eines Atomschichtablagerungsverfahrens (ALD-Verfahrens) wiederholt werden, bis das Aluminiumoxid auf dem Halbleitersubstrat in einer vorbestimmten Dicke hergestellt wurde.
23. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem eine Ablagerungstemperatur auf 200°C bis 450°C gehalten wird, und ein Ablagerungsdruck auf 50 mTorr bis 300 mTorr.
24. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Aluminiumquellenmaterial ein metallorganisches Material aus Trimethylaluminium (TMA) oder modifiziertem Trimethylaluminium (MTMA) ist.
25. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas in die Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang jeweils durch ein getrenntes Zufuhrrohr eingebracht werden, und das Aluminiumquellenmaterial und NH3-Gas in die Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang durch dasselbe Zufuhrrohr eingebracht werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem NH3-Gas in einem Zustand zugeführt wird, in welchem eine Flußrate 20 sccm bis 1000 sccm beträgt.
27. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial Wasserdampf ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem das Sauerstoffquellenmaterial der Reaktionskammer 0,1 bis 3 Sekunden lang zugeführt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem nach dem Schritt e) weiterhin folgende Schritte vorgesehen sind:
  • a) Entfernen von Kohlenstoffteilchen in dem Aluminiumoxidfilm; und
  • b) Anlassen des Aluminiumoxidfilms zu dessen Verdichtung bei 650°C bis 850°C in einer N2-reichen Atmosphäre.
30. Verfahren nach Anspruch 29, bei welchem der Schritt f) bei 300°C bis 450°C durchgeführt wird, unter Verwendung eines Verfahrens, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus O2-Plasma, N2O-Plasma, Ex-PNT oder UV/O3 besteht.
31. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitergeräts mit folgenden Schritten:
  • a) Erzeugung einer aktiven Matrix, die ein Substrat aufweist, Isolierbereiche, eine Gateleitung, ein Gateoxid und eine erste Isolierschicht;
  • b) Ausbildung einer Pufferschicht und einer ersten leitenden Schicht auf der aktiven Matrix hintereinander;
  • c) Ausbildung einer Dielektrikumsschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) auf der ersten leitenden Schicht unter Verwendung eines ALD-Verfahrens, durch Zufuhr von reaktivem NH3-Gas mit einer Aluminiumquelle und/oder einer Sauerstoffquelle;
  • d) Ausbildung einer zweiten leitenden Schicht auf der Dielektrikumsschicht, und Durchführung einer Musterbildung bei der zweiten leitenden Schicht, der Dielektrikumsschicht, der ersten leitenden Schicht und der Pufferschicht, wodurch eine Kondensatoranordnung erhalten wird;
  • e) Ausbildung einer Wasserstoffsperrschicht auf der Kondensatoranordnung;
  • f) Ausbildung einer Bitleitung und einer lokalen Verbindung nach Ablagerung einer zweiten Isolierschicht; und
  • g) Ausbildung einer Passivierungsschicht auf der gesamten Oberfläche.
32. Verfahren nach Anspruch 31, bei welchem das Gateoxid aus Aluminiumoxid unter Verwendung eines ALD-Verfahrens hergestellt wird, durch Zufuhr von reaktivem NH3-Gas mit einer Aluminiumquelle und/oder einer Sauerstoffquelle.
33. Verfahren nach Anspruch 32, bei welchem die Wasserstoffsperrschicht aus Aluminiumoxid unter Verwendung eines ALD-Verfahrens hergestellt wird, durch Zufuhr von reaktivem NH3-Gas mit einer Aluminiumquelle und/oder einer Sauerstoffquelle.
34. Verfahren nach Anspruch 31, bei welchem nach dem Schritt c) der weitere Schritt vorgesehen ist, die Dielektrikumsschicht zu deren Verdichtung anzulassen.
35. Verfahren nach Anspruch 34, bei welchem der Schritt des Anlassens der Dielektrikumsschicht bei 650°C bis 850°C in einer N2-reichen Umgebung durchgeführt wird.
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