DE102004016162A1

DE102004016162A1 - Verfahren zum Bilden eines Metalloxidfilmes

Info

Publication number: DE102004016162A1
Application number: DE102004016162A
Authority: DE
Inventors: Kenichi Koyanagi; Hiroshi Sakuma
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2004-11-11
Also published as: CN100364067C; US20040192036A1; TW200425344A; US7741173B2; JP2004296814A; TWI242812B; US20070205452A1; CN1534741A; US7256144B2; JP4009550B2

Abstract

Ein Verfahren zum Bilden eines Kondensatorisolierfilms umfaßt den Schritt des Ablagerns eines aus Metall hergestellten monoatomaren Films durch Zuführen einer Metallquelle, umfassend das Metall und keinen Sauerstoff, und Ablagern eines Metalloxidfilms, umfassend das Metall, unter Verwendung einer CVD-Technik. Das Verfahren stellt den Metalloxidfilm mit besseren Filmeigenschaften mit einem höheren Durchsatz bereit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Metalloxidfilms und insbesondere ein Verfahren zum Bilden eines Metalloxidfilms mit hervorragenden Stufenbedeckungs- und Filmeigenschaften mit einem höheren Durchsatz.
In den letzten Jahren, als DRAM-Einrichtungen dichter integriert worden sind, sind die Kondensatoren, die zum Speichern von Daten in den jeweiligen Speicherzellen des DRAMs verwendet werden, kleiner geworden. Allgemein wird Siliziumnitridfilm als Kondensatorisolierfilm für die Struktur der Kondensatoren in DRAMs verwendet. Die Struktur dieser Kondensatoren ist komplizierter geworden, und der effektive Bereich der Kondensatorisolierfilme hat zugenommen, um einen ausreichenden kapazitiven Widerstand zu erhalten. Es besteht jedoch eine Wechselbeziehung zwischen geringerer Größe und größerem effektiven Bereich in den Kondensatoren. Darüber hinaus kann es keine deutliche Steigerung des kapazitiven Widerstands des Kondensators geben, solange Siliziumnitridfilm als Kondensatorisolierfilm verwendet wird.
Es sind daher hochdielektrische Materialien zur Verwendung als Kondensatorisolierfilm in den DRAMs gesucht worden. Insbesondere erwartet man, daß Tantaloxid einen höheren kapazitiven Widerstand erreicht, und dies wird ausgiebig erforscht. Dies liegt daran, daß Siliziumnitrid nur eine dielektrische Konstante von etwa 7 aufweist, wohingegen Tantaloxid eine dielektrische Konstante von 25 oder mehr aufweist. Daher kann man erwarten, daß Tantaloxidfilm eine dreifache oder höhere Steigerung des kapazitiven Widerstands des resultierenden Kondensators bietet.
Bisher wurde eine CVD-Technik verwendet, um den Kondensatorisolierfilm zu bilden. Wenn die CVD-Technik verwendet wird, wird das Substrat, auf dem der Kondensatorisolierfilm ausgebildet werden soll, in einer Reaktionskammer plaziert, und die Substrattemperatur wird auf einem bestimmten Wert gehalten. Metallverbindungsgas und O₂-Gas werden gleichzeitig in die Kammer eingeleitet, wodurch Reaktionen auf dem Substrat induziert werden, um den Kondensatorisolierfilm darauf auszubilden. Wenn zum Beispiel ein Kondensatorisolierfilm aus Tantaloxidfilm gebildet wird, werden Ta(OC₂H₅)₅-Gas und O₂-Gas gleichzeitig als Metallquellen zugeführt. Daher ermöglicht die CVD-Technik eine einfache und schnelle Filmablagerung, um den Kondensatorisolierfilm zu bilden.
Wenn die CVD-Technik verwendet wird, besteht jedoch ein Problem darin, daß die Filmstärke weniger einheitlich wird, wenn die Oberflächenstruktur des untenliegenden Films kompliziert ist. Zum Beispiel wird, wenn ein Kondensator gebildet wird, der Kondensatorisolierfilm allgemein auf einem untenliegenden Film gebildet, der eine komplizierte Stufenstruktur aufweist. Diese komplizierte Stufenstruktur ist ausgebildet, um den effektiven Bereich des Kondensatorisolierfilms zu erhöhen, um einen größeren kapazitiven Widerstand im resultierenden Kondensator zu erhalten. Wenn bei Ausführung des CVD-Prozesses auf dieser An von untenliegendem Film eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit verwendet wird, wird die Stärke des Kondensatorisolierfilms weniger einheitlich. Die niedrigere Einheitlichkeit der Filmstärke wird insbesondere nahe der Stufe des untenliegenden Films beobachtet. Mit anderen Worten wird die Stufenbedeckung des Kondensatorisolierfilms in einer solchen Struktur verschlechtert. Um dieses Problem zu lösen, kann der CVD-Prozeß mit einer niedrigeren Ablagerungsgeschwindigkeit durchgeführt werden. Diese Herangehensweise erhöht die Einheitlichkeit der Filmstärke; es wird jedoch auch schwierig, Verunreinigungen im Film zu eliminieren. Daher steigt die Konzentration an Verunreinigungen im Film an und verringert die Dichte des Films verringert, wodurch die Filmeigenschaften beeinträchtigt werden.
Darüber hinaus wird, wenn der Kondensatorisolierfilm unter Verwendung der CVD-Technik ausgebildet wird, eine längere Inkubationszeit benötigt, wenn der untenliegende Film aus einem Material mit Eigenschaften hergestellt ist, die sich deutlich von denen des Materials des Kondensatorisolierfilms unterscheiden. Bei der Ablagerung des Kondensatorisolierfilms werden zunächst Kristallkerne gebildet, die über den untenliegenden Film verstreut sind, und dann wird der Kondensatorisolierfilm um die gebildeten Kristallkerne ausgebildet. Als solche ist die Stärke des Kondensatorisolierfilms zwischen den Bereichen um die Kristallkerne und den anderen Bereichen unterschiedlich. Dies führt dazu, daß die Stärke des Kondensatorisolierfilms unregelmäßig wird, und beeinträchtigt die oben erwähnten Stufenbedeckungseigenschaften. Eine kürzere Inkubationszeit, falls sie verwendet wird, kann ermöglichen, daß eine einheitlichere Filmstärke für den Kondensatorisolierfilm erhalten wird; sie beschränkt jedoch die Materialien, die für den untenliegenden Film verwendet werden können.

Um die oben genannten Probleme zu lösen, beschreibt die Patentveröffentlichung JP-A-2002-164348 ein Verfahren zum Bilden des Kondensatorisolierfilms, der aus Tantaloxid oder anderem dielektrischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstante (Hoch-k-Material) hergestellt ist. Dieses Verfahren verwendet eine ALD(Atomic Layer Deposition = Atomschichtablagerungs-)-Technik, in der monoatomare Schichten (oder monomolekulare Schichten), jeweils eine zur Zeit, abgelagert werden, um einen Film mit einer gewünschten Stärke zu bilden. 7 ist ein Flußdiagramm, das den Prozeß des Bildens eines aus Tantaloxid hergestellten Kondensatorisolierfilms gemäß dem in der Patentveröffentlichung beschriebenen Verfahren zeigt.

Um den Tantaloxidfilm zu bilden, wird in der Patenveröffentlichung ein Siliziumsubstrat innerhalb der Reaktionskammer angeordnet, und die Substrattemperatur wird zum Beispiel auf 300°C eingestellt. H₂O-Gas oder anderes oxidierendes Gas wird in die Reaktionskammer eingeleitet, um die Oberfläche des Siliziumsubstrats zu oxidieren (Schritt A1). Dies bewirkt, daß sich eine OH-Gruppe an die Oberfläche des Siliziumsubstrats bindet. Wenn dies stattfindet, ist die OH-Gruppe chemisch mit den Verbindungen auf der Siliziumsubstratoberfläche verbunden. Daher kann nur die monoatomare Schicht der OH-Gruppe gebildet werden, selbst wenn überschüssige Mengen an H₂O-Gas zugeführt werden. Danach wird N₂-Gas in die Reaktionskammer eingeleitet, um das nicht reagierte H₂O-Gas aus der Reaktionskammer zu spülen (Schritt A2), und dann wird die Reaktionskammer auf Vakuum evakuiert (Schritt A3).

Anschließend wird TaCl₅-Gas in die Reaktionskammer eingeleitet (Schritt A4). Dieser Schritt ersetzt die H-Atome in der OH-Gruppe, die an die Oberfläche des Siliziumsubstrats gebunden ist, mit der TaCl₄-Gruppe im TaCl₅-Gas, wodurch ein Einzelschicht-TaCl₄-Film gebildet wird, der an die O-Atome auf der Oberfläche des Siliziumsubstrat gebunden ist. Dann wird N₂-Gas in die Reaktionskammer eingeleitet, um das nicht reagierte TaCl₅-Gas aus der Reaktionskammer zu spülen (Schritt A5), und dann wird die Kammer auf Vakuum evakuiert (Schritt A6).

Danach wird H₂O-Gas in die Reaktionskammer eingeleitet (Schritt A7). Dies ersetzt das Cl in der TaCl₄-Gruppe auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch die OH-Gruppe im zugeführten H₂O-Gas. Dann wird N₂-Gas in die Reaktionskammer eingeleitet, um das nicht reagierte H₂O-Gas aus der Reaktionskammer zu spülen (Schritt A8), und dann wird die Kammer auf Vakuum evakuiert (Schritt A9).

Schritt A4 und Schritt A7 verwenden jeweils eine Substitutionsreaktion auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats, um den Film auszubilden. Dies ermöglicht es, daß in einem Zyklus von Schritten von Schritt A4 bis Schritt A9 eine einzelne monoatomare Schicht von Tantaloxid ausgebildet wird. Der aus Tantaloxid (Ta₂O₅) hergestellte Kondensatorisolierfilm kann daher gebildet werden, indem dieser Zyklus wiederholt wird, bis der Tantaloxidfilm eine gewünschte Filmstärke aufweist.

Wie oben beschrieben, kann der Tantaloxidfilm auf dem Siliziumsubstrat gebildet werden, jeweils eine Monomolekülschicht zur Zeit, wenn die ALD-Technik verwendet wird, um den Kondensatorisolierfilm zu bilden. Dadurch wird es unnötig, die Kristallkerne für den Kondensatorisolierfilm zu bilden, anders als bei Verwendung der CVD-Technik, und ermöglicht daher, daß der Kondensatorisolierfilm mit einer einheitlichen Filmstärke mit ausgezeichneten Stufenbedeckungs- und Filmeigenschaften gebildet wird.

Wenn die ALD-Technik verwendet wird, wird der Tantaloxidfilm jedoch als eine einzige Monomolekülschicht zur Zeit gebildet, und daher wird nur ein geringer Durchsatz erreicht, um den Film auszubilden. Wenn zum Beispiel ein Tantaloxidfilm von 5 nm abgelagert werden soll, dauert ein einziger Zyklus der Arbeitsschritte von Schritt A4 bis Schritt A9 zum Beispiel 1 Minute, und daher wird eine Gesamtzeit von 50 Minuten für den Tantaloxidfilm als Ganzes benötigt, was einen niedrigen Durchsatz verursacht.

Man kann in Erwägung ziehen, die Zeitdauer, die für den einen Zyklus benötigt wird, zu verringern, indem die Zeitdauer für jeden Schritt verringert wird. Wenn jedoch eine nicht ausreichende Zeit gelassen wird, um zum Beispiel bei Schritt A4 das TaCl₄-Gas (das Metallverbindungsgas) einzuleiten, kann die monoatomare TaCl₄-Schicht nicht einheitlich gebildet werden. Dies verursacht Unregelmäßigkeiten in der Filmstärke und den Filmeigenschaften der resultierenden Tantaloxidschicht. Zusätzlich wird die Filmdichte verringert, wodurch die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Films verschlechtert werden. Darüber hinaus können, wenn bei Schritt A7 eine nicht ausreichende Zeit gelassen wird, um das H₂O-Gas (das oxidierende Gas) einzuleiten, die Verunreinigungen nicht ausreichend aus der monoatomaren TaCl₄-Schicht eliminiert werden, und ihre Oberfläche kann nicht ausreichend oxidiert werden. Daher verschlechtern sich die Filmeigenschaften und die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Tantaloxidfilms.

Daher erfordert die Ablagerung eines Kondensatorisolierfilms mit herausragenden Filmeigenschaften unter Verwendung der ALD-Technik verglichen mit der Ablagerung durch die CVD-Technik, die etwa zwei Minuten zur Ablagerung eines Kondensatorisolierfilm mit der gleichen Stärke benötigt, eine lange Zeit. Daher ist die Ablagerung des Kondensatorisolierfilms unter Verwendung der ALD-Technik bei der Massenproduktion von Halbleitereinrichtungen untauglich.

Bei der ALD-Technik zum Bilden des Kondensatorisolierfilms fällt auch auf, daß das TaCl₅-Gas und das H₂O-Gas zur Ablagerung jeder monomolekularen Schicht im Wechsel eingeleitet werden und daß N₂-Gas oder ein anderes inertes Gas zum Austauschen des Gases in der Reaktionskammer verwendet wird, gefolgt von der Evakuierung der Reaktionskammer. Dies erfordert einen komplizierten Umstellungsbetrieb der Ventile für die Reaktionskammer.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des obigen ist es ein Ziel der Erfindung, die obigen Probleme zu lösen und ein Verfahren zum Bilden eines Metalloxidfilms mit ausgezeichneten Stufenbedeckungs- und Filmeigenschaften mit einem höheren Durchsatz in einer Halbleitereinrichtung bereitzustellen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitereinrichtung bereit, umfassend die folgenden Schritte: Ablagern eines monoatomaren Films, der ein Metall enthält, auf einer Basis, indem eine Metallquelle verwendet wird, die das Metall und keinen Sauerstoff enthält; und Ablagern eines Metalloxidfilms, der ein Oxid des Metalls enthält, auf dem monoatomaren Film, indem eine CVD-Technik verwendet wird.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung ermöglicht der auf der Basis abgelagerte monoatomare Film, daß durch den Metalloxidfilm-Ablagerungsschritt ein Metalloxidfilm mit ausgezeichneten Filmeigenschaften mit einem höheren Durchsatz erhalten wird.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A bis 1C sind Schnittansichten, die nacheinander die Schritte im Verfahren zum Herstellen eines Kondensators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
2 ist eine Draufsicht, die Kammern zeigt, die verwendet werden, um einen Kondensatorisolierfilm gemäß der ersten Ausführurtgsform zu bilden.
3 ist ein Flußdiagramm der Arbeitsschritte zu Herstellung eines Kondensatorisolierfilms gemäß der ersten Ausführungsform.
4A bis 4D sind schematische Schnittansichten, die nacheinander chemische Reaktion während der Bildung des Kondensatorisolierfilms gemäß der ersten Ausführungsform zeigen.
5 ist ein Schaubild, das Ergebnisse von TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchschlag)-Tests zeigt, die an gemäß der ersten Ausführungsform und dem herkömmlichen Verfahren gebildeten Kondensatorisolierfilmen ausgeführt wurden.
6 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsschritte in einem Prozeß zur Herstellung eines Kondensatorisolierfilms gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsschritte in einem Prozeß zur Herstellung eines Kondensatorisolierfilms unter Verwendung der ALD-Technik zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im folgenden wird die Erfindung gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
Die erste Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden eines Kondensatorisolierfilms, der aus Tantaloxidfilm hergestellt ist, angewendet wird. Mit Bezug auf 1A bis 1C sind aufeinanderfolgende Schritte des Vorgangs zur Herstellung des Kondensatorisolierfilms gemäß der vorliegenden Ausführungsform gezeigt. Bevor der Kondensatorisolierfilm gebildet wird, wird ein untenliegender Film gebildet, auf dem der Kondensatorisolierfilm abgelagert werden soll. Wie in 1A gezeigt, wird ein erster Zwischenschichtisolierfilm 12, der aus Siliziumoxid hergestellt ist, auf einem Siliziumsubstrat 11 gebildet. Anschließend wird ein Durchgangsloch 13a im ersten Zwischenschichtisolierfilm 12 gebildet, um darin einen Abschnitt des Siliziumsubstrats 11 freizulegen.
Danach wird das Durchgangsloch 13a mit p-dotiertem Polysilizium gefüllt, um einen Kontaktstopfen 13 zu bilden.
Wie in 1B gezeigt, wird dann ein aus Siliziumoxid hergestellter zweiter Zwischenschichtisolierfilm 14 auf dem ersten Zwischenschichtisolierfilm 12 und dem Kontaktstopfen 13 gebildet. Dann wird ein zylindrisches Loch 15a im zweiten Zwischenschichtisolierfilm 14 gebildet, um einen Abschnitt des ersten Zwischenschichtisolierfilms 12 freizulegen, der den Kontaktstopfen 13 umgibt.
Eine HSG (Hemi-Spherical Grain = halbsphärisches Korn)-Schicht 15, die aus p-dotiertem Polysilizium gebildet ist, wird dann als Bodenelektrode auf dem zweiten Zwischenschichtisolierfilm 14 gebildet, wo das zylindrische Loch 15a gebildet ist. Unter Verwendung eines RTN(Rapid Thermal Nitration = schnelle thermische Nitrierung)-Verfahrens wird die HSG-Schicht 15 dann nitriert, um einen Siliziumnitridfilm 16 als untenliegenden Film zu bilden.
Dann wird der Kondensatorisolierfilm 17 darauf gebildet. 2 ist eine Draufsicht, die ein Ablagerungssystem zum Ablagern des Kondensatorisolierfilms 17 auf einem Wafer zeigt. In 2 umfaßt das Ablagerungssystem eine erste Reaktionskammer 22, die zur Ablagerung unter Verwendung des ALD-Vefahrens verwendet wird, eine zweite Reaktionskammer 23, die zur Ablagerung unter Verwendung der CVD-Technik verwendet wird, und eine Überführungskammer 24, die zum Überführen des Wafers (Substrats) 21 zwischen der ersten Ablagerungskammer 22 und der zweiten Ablagerungskammer 23 verwendet wird. Die Uberführungskammer 24 weist darin einen Roboterarm 25 zum Tragen des Wafers (Substrats) 21 auf, und wird normalerweise unter Vakuum gehalten. Andere Einrichtungen sind in der Zeichnung nicht gezeigt.
Mit Bezug auf 3 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das die Arbeitsschritte im Prozeß zum Bilden des Kondensatorisolierfilms gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 4A bis 4D zeigen schematische Schnittansichten des untenliegenden Siliziumnitridfilms 16, auf dem der Kondensatorisolierfilm 17 gebildet werden soll, während der in 3 gezeigten aufeinanderfolgenden Schritte. Als erstes wird der Wafer 21, für den der RTN-Prozeß beendet ist, in die erste Reaktionskammer 22 eingeführt. Die Substrattemperatur wird bei 300°C gehalten, und der Umgebungsdruck in der ersten Reaktionskammer wird bei 400 Pa gehalten, während H₂O-Gas bei einer Flußrate von 50 SCCM (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) 10 Sekunden lang eingeleitet wird (Schritt S1). Wie in 4A gezeigt, bewirkt dies, daß sich eine OH-Gruppe an die Oberfläche des Siliziumnitridfilms 16 bindet. Danach wird N₂-Gas bei einer Flußrate von 2 SLM (Standard-Liter pro Minute) eingeleitet, um nicht reagiertes H₂O-Gas aus der ersten Reaktionskammer 22 zu spülen, wie in 4B gezeigt (Schritt S2). Die erste Kammer 22 wird dann evakuiert und 10 Sekunden lang unter Vakuum gehalten (Schritt S3).
Anschließend wird TaCl₅-Gas 10 Sekunden lang bei einer Flußrate von 50 SCCM in die erste Reaktionskammer 22 eingeleitet (Schritt S4). Wie in 4C gezeigt, ersetzt dies die H-Atome in der OH-Gruppe auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilms 16 durch die TaCl₄-Gruppe im TaCl₅-Gas, wodurch eine monoatomare Impfschicht aus TaCl₄-Gruppen mit an die Oberfläche die Siliziumnitridfilms 16 gebundenen O-Atomen gebildet wird. Die monoatomare Impfschicht, die bei diesem Prozeß gebildet wird, zeigt eine einheitliche Filmstärke und hervorragende Filmeigenschaften, ähnlich dem Fall, wenn die ALD-Technik verwendet wird, um die monoatomaren Schichten abzulagern. Dann wird N₂-Gas bei einer Flußrate von 2 SLM eingeleitet, um das nicht reagierte TaCl₅-Gas aus der ersten Reaktionskammer 22 zu spülen, wie in 4D gezeigt (Schritt S5). Die erste Kammer 22 wird dann evakuiert und 10 Sekunden lang unter Vakuum gehalten (Schritt S6).
Dann wird der Wafer 21 aus der ersten Reaktionskammer 22 durch die Überführungskammer 24 in die zweite Reaktionskammer 23 überführt, wo der CVD-Prozeß ausgeführt wird. Die Substrattemperatur wird bei 430°C gehalten, und der Umgebungsdruck in der zweiten Reaktionskammer 23 wird bei 400 Pa gehalten, während Ta(OC₂H₅)₅-Gas bei einer Flußrate von 200 mg/min und O₂-Gas bei einer Flußrate von 1,5 SLM in die zweite Reaktionskammer 23 eingeleitet wird (Schritt S7). Dieser Schritt ersetzt die Cl-Atome der TaCl₄-Gruppe auf der Substratoberfläche durch O₂-Atome, um eine TaO₂-Schicht zu bilden. Dann wird eine Bulkschicht aus Tantaloxid darauf abgelagert, wodurch der aus Tantaloxid hergestellte Kondensatortsolierfilm 17 gebildet wird, wie in 1C gezeigt.
Da der unter Verwendung der CVD-Technik gebildete Tantaloxidfilm und die Impfschicht aus der gleichen Substanz hergestellt sind, kann selbst ohne Verwendung eines Krtstallkerns eine geeignete Ablagerungsrate bei der Ablagerung des Tantaloxidfilm erreicht werden. Zum Beispiel erreicht eine nur vier Minuten lange Einführung von Gas eine Ablagerung eines 10 nm starken Tantaloxidfilms. Danach wird ein TiN-Film 18 oder dergleichen als Oberelektrode auf dem Kondensatortsolierfilm 17 abgelagert, wodurch die Gesamtstruktur eines Kondensators 19 erreicht wird.
Wie oben beschrieben, wird beim Verfahren zum Bilden des Kondensatortsolierfilms gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Bulkschicht des Tantaloxids auf der Impfschicht ausgebildet, die das gleiche Material wie die Bulkschicht hat. Daher ist es nicht notwendig, auf dem untenliegenden Film verstreute Kristallkerne zu bilden, anders als in dem Fall, daß der Kondensatortsolierfilm unter Verwendung der herkömmlichen CVD-Technik direkt auf dem untenliegenden Film abgelagert wird. Zusätzlich offenbart die vorliegende Ausführungsform einen Kondensatortsolierfilm, der eine ausgezeichnete Stufenbedeckung aufweist und ausgezeichnete Filmeigenschaften zeigt. Die ALD-Technik wird nur im Stadium zum Bilden der monoatomaren Impfschicht verwendet, gefolgt von der CVD-Technik, um die Bulkschicht darauf auszubilden. Dies ermöglicht dem Verfahren der vorliegenden Ausführungsform, den Kondensatortsolierfilm mit besseren Filmeigenschaften mit einem höheren Durchsatzgrad zu bilden.
In der vorliegenden Ausführungsform werden Schritt S1 bis Schritt S6 in der ersten Reaktionskammer 22 durchgeführt, und Schritt S7 wird in der zweiten Reaktionskammer 23 durchgeführt, wie oben beschrieben. In Fällen, in denen die Filmablagerungstemperaturen (die Substrattemperaturen) zwischen Schritt S1 bis Schritt S6 und Schritt S7 nur leicht unterschiedlich sind, ist es jedoch auch möglich, die Vorgänge von Schritt S1 bis Schritt S7 kontinuierlich in einer der Reaktionskammern 22 und 23 durchzuführen. Wenn die Temperaturdifferenz zum Beispiel 40°C oder weniger beträgt, geht man davon aus, daß die Temperatur in der Kammer in kurzer Zeit geändert werden kann. Daher kann ein hoher Durchsatzgrad beibehalten werden, selbst wenn die Schritte in einer der Kammern kontinuierlich durchgeführt werden.
Mit Bezug auf 5 sind Graphen gezeigt, die die Ergebnisse von TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchschlag)-Tests veranschaulichen, die am Kondensatorsolierfilm durchgeführt wurden, der unter Verwendung der CVD-Technik, der ALD-Technik und des Verfahrens der vorliegenden Ausführungsform aus Tantaloxidfilmen hergestellt wurde, die verwendet werden, um jeweilige Kondensatorisolierfilme der gleichen Stärke zu bilden. In 5 gibt die Ordinate die Weibull-Verteilung wieder, und die Abszisse gibt die Zeit (Sekunden) wieder, zu der der dielektrische Durch schlag auftritt. Die dielektrischen Durchschlagzeiten von 40 Proben (als Punkte gezeigt) sind für jedes der verwendeten Verfahren in der Reihenfolge ihrer Weibull-Verteilungen angeordnet. Die Tests werden für alle Proben mit einem Kondensatorisolierfilm einer Stärke von 10 nm durchgeführt, unter Bedingungen mit einer Umgebungstemperatur von 85°C und mit einer Belastungsspannung von 4,6 V auf dem Kondensatorisolierfilm.
In 5 verbessern die Kondensatorisolierfilme, die unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Ausführungsform gebildet sind, verglichen mit den Kondensatorisolierfilmen, die unter Verwendung der CVD-Technik gebildet sind, die Isoliereigenschaften deutlich und weisen hervorragende Isoliereigenschaften auf, die im wesentlichen denen der unter Verwendung der ALD-Technik gebildeten Kondensatorisolierfilme ähnlich sind.
In der ALD-Technik ist es gewünscht, die Zeitdauer für den Zyklus des Ausbildens einer einzelnen monoatomaren Schicht zu verringern, um die Zeitdauer zum Ablagern des gesamten Kondensatorisolierfilms zu verringern. Weil die zum Bilden der Bulkschicht des Kondensatorisolierfilms erforderliche Zeit nicht lang ist, besteht in der vorliegenden Ausführungsform jedoch ein Vorteil darin, daß eine ausreichende Zeitdauer für die Bildung der Impfschicht mit hervorragenden Eigenschaften genutzt werden kann. Indem die Bulkschicht auf der hervorragenden Impfschicht gebildet wird, kann ein hervorragender Kondensatorisolierfilm erhalten werden.
Die zweite Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Erfindung wiederum auf die Bildung eines aus Tantaloxidfilm hergestellten Kondensatorisolierfilms angewendet wird. Die vorliegende Ausführungsform ist der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ähnlich, außer daß Schritt S1 der ersten Ausführungsform in der Umgebung von aktivem Sauerstoffgas durchgeführt wird, das anstelle des H₂O-Gases in der Reaktionskammer eingeleitet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform bewirkt die Einleitung des aktiven Sauerstoffgases in Schritt S1, daß Sauerstoff sich durch Oxidation an die Oberfläche die Siliziumnitridfilms 16 bindet. Dann bewirkt das Vorsehen des TaCl₅-Gases in Schritt S4, daß der an die Oberfläche des Siliziumnitridfilms 16 gebundene Sauerstoff sich mit der TaCl₄-Gruppe im TaCl₅-Gas verbindet, wodurch eine monoatomare Impfschicht gebildet wird, die aus der an die O-Atome auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilms 16 gebundenen TaCl₄-Gruppe hergestellt ist. Daher wird die aus dem Tantaloxidfilm hergestellte Bulkschicht in der vorliegenden Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform angemessen auf der Impfschicht gebildet, die aus dem gleichen Material hergestellt ist. Daher können ähnliche Effekte wie in der ersten Ausführungsform erhalten werden, ohne daß über den untenliegenden Film verstreute Kristallkerne gebildet werden müssen.
Die dritte Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Erfindung wiederum auf die Bildung eines aus Tantaloxidfilm hergestellten Kondensatorisolierfilms angewendet wird. 6 zeigt die Arbeitsschritte der vorliegenden Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform ist der ersten Ausführungsform ähnlich, außer daß Schritt S1'-Schritt S3', die den Schritten S1-Schritt S3 in der ersten Ausführungsform ähnlich sind, in der vorliegenden Ausführungsform wiederholt werden.
Genauer wird in Schritt S1' der vorliegenden Ausführungsform nach Schritt S6 H₂O-Gas unter Schritt S1 ähnlichen Bedingungen eingeleitet. Als ein Ergebnis werden die Cl-Atome in der TaCl₄-Gruppe durch OH-Atome ersetzt (Schritt S1'). Dann wird unter Bedingungen, die Schritt S2 ähnlich sind, N₂-Gas eingeleitet, um das verbleibenden H₂O-Gas und die Cl-Atome (oder HCl-Gas), die bei Schritt S1' ersetzt wurden, aus der ersten Reaktionskammer 22 auszuspülen (Schritt S2'). Dann wird die Kammer unter Bedingungen, die Schritt S3 ähnlich sind, auf Vakuum evakuiert (Schritt S3').
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden Schrit S1'-Schritt S3' nach Schritt S6 ausgeführt, wodurch die Cl-Atome, die an die Ta-Atome gebunden sind, in Schritt S1' durch die OH-Gruppe ersetzt werden und die ersetzten Cl-Atome (HCl-Gas) in Schritt S2' und Schritt S3' aus der ersten Reaktionskammer 22 entfernt werden, und dann schreitet der Prozeß zu Schritt S7 weiter. Daher wird verhindert, daß durch die Cl-Atome gebildete Verunreinigungen den Kondensatorisolierfilm kontaminieren, und der resultierende Kondensatorisolierfilm weist hervorragende Filmeigenschaften auf.
In den Beispielen der ersten bis dritten Ausführungsformen wird TaCl₅ als Metallquelle dafür verwendet. Es ist jedoch auch möglich, TaF₅, Ta(N(C₂H₅) ₂ )₃ oder dergleichen als Metallquelle zu verwenden. Durch Verwendung von Al-, Ti-, Hf- oder Nb-Metallegierungen als Metallquelle ist es darüber hinaus auch möglich, einen Metalloxidfilm zu bilden, der aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid oder Nioboxid hergestellt ist. Durch Verwendung von Al(CH₃) ₃ als Metallquelle ist es zum Beispiel möglich, Aluminiumoxid zu bilden. Durch Verwendung von TiCl₄ oder Ti(N(CH₃)₂)₄) als Metallquelle ist es möglich, Titanoxid zu bilden. Durch Verwendung von Hf(N(CH₃) ₂ )₄, Hf(N(C₂H₅)(CH₃)) ₄ oder Hf(N(C₂H₅) ₂ )₄ als Metallquelle ist es möglich, Hafniumoxid zu bilden. Durch Verwendung von NbCl₅, NbF₅ oder Nb(N(C₂H₅) ₂ )₃ als Metallquelle ist es möglich, Nioboxid zu bilden.
In den ersten bis dritten Ausführungsformen werden H₂O-Gas oder aktives Sauerstoffgas als oxidierendes Gas verwendet. Es ist auch möglich, O₂, Ozon oder N₂O als oxidierendes Gas zu verwenden. Wahlweise kann auch Fluorwasserstoffsäure verwendet werden, um eine Fluorwasserstoffsäureverarbeitung durchzuführen. Darüber hinaus wird in den ersten bis dritten Ausführungsformen der Metalloxidfilm auf dem Siliziumnitridfilm gebildet, der unter Verwendung des RTN-Verfahrens gebildet wird. Ein ähnliches Verfahren wie in den Ausführungsformen kann jedoch auch verwendet werden, um den Metalloxidfilm zum Beispiel auf einem Siliziumsubstrat, einem Polysiliziumfilm oder einem metallischen Film zu bilden.
Da die obigen Ausführungsformen nur als Beispiele beschrieben sind, ist die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen oder Änderungen davon können von Fachleuten leicht vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitereinrichtung, umfassend die Schritte: Ablagern eines monoatomaren Films, umfassend ein Metall, auf einer Basis durch Verwendung einer Metallquelle, umfassend eine Verbindung, die das Metall und keinen Sauerstoff enthält; und Ablagern eines Metalloxidfilms, umfassend Oxid des Metalls, auf dem monoatomaren Film durch Verwendung einer CVD-Technik.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Einleitens von oxidierendem Gas auf eine Oberfläche der Basis vor dem Schritt des Ablagerns des monoatomaren Films.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das oxidierende Gas erhitztes H₂O umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das oxidierende Gas mindestens ein Gas umfaßt, das aus der Gruppe bestehend aus O₂, aktivem Sauerstoff, Ozon und N₂O ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Einleitens von Fluorwasserstoffsäure auf eine Oberfläche der Basis vor dem Schritt des Ablagerns des monoatomaren Films.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle mindestens eine solche Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TaCl₅, TaF₅ und Ta(N(C₂H₅)₂)₃, umfaßt und der Metalloxidfilm Tantaloxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle Al(CH₃) ₃ umfaßt und das Metalloxid Titanoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle TiCl₄ oder Ti(N(CH₃) ₂ )₄ umfaßt und das Metalloxid Titanoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle mindestens eine solche Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hf(NCH₃)₂)₄, Hf(N(C₂H₅)(CH₃)) ₄ und Hf(C₂H₅)₂)₄, umfaßt und das Metalloxid Hafniumoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallquelle mindestens eine solche Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NbCl₅, NbF₅ und Nb(N(C₂H₅) ₂ )₃, umfaßt und das Metalloxid Nioboxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, zwischen dem Schritt des Ablagerns des monoatomaren Films und dem Schritt des Ablagerns des Metalloxidfilms weiterhin umfassend den Schritt des Einleitens von oxidierendem Gas auf eine Oberfläche des monoatomaren Films.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Basis entweder Siliziumsubstrat, Polysiliziumfilm, Siliziumnitridfilm oder ein metallischer Film ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Bildens eines leitfähigen Films auf dem Metalloxidfilm, wobei die Schritte zum Bilden eines Kondensators, umfassend die Basis als Bodenelektrode, den Metalloxidfilm als Kondensatorisolierfilm und den leitfähigen Film als Oberelektrode, verwendet werden.