DE60225751T2

DE60225751T2 - Verfahren zur Herstellung von einer Mehrkomponenten-Dünnschicht

Info

Publication number: DE60225751T2
Application number: DE60225751T
Authority: DE
Inventors: Jung-hyun aldal-gu Suwon-city Lee; Yo-Sep Min; Dae-sig Bundang-gu Seongnam-City Kim; Young-jin Bupyeong-gu Cho
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: KR20020085794A; JP2008199052A; DE60225751D1; KR100474847B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschicht (einen Dünnfilm) und ein Verfahren zur Ausbildung derselben, und insbesondere eine Dünnschicht mit mehreren Komponenten gebildet aus Materialschichteinheiten, die Mischatomschichten (MALs) sind, gebildet aus Komponenten, aus denen die Dünnschicht zusammengesetzt ist, und ein Verfahren zur Ausbildung derselben.
US-A-5972430 beschreibt ein digitales CVD-Verfahren zum Ausbilden eines Dünnfilms auf einem Substrat, bei dem eine Mehrkomponentenoxidschicht durch gleichzeitiges Zuführen der Ausgangskomponenten für die Dünnschicht, Spülen der Reaktionskammer und Ausführen einer Oxidationsreaktion an der Vorstufenschicht ausgebildet wird.
US-A-5082798 beschreibt ein Kristallwachstumsverfahren unter Verwendung einer Verfahrensweise mit epitaktischem Atomschichtwachstum, wobei unterschiedliche Elemente unabhängig durch CVD zugeführt werden und abwechselnde Atomschichten epitaktisch aufwachsen.
GB-A-2340508 beschreibt die Herstellung einer Dünnschicht durch Atomschichtabscheidung umfassend sequentielles Zuführen von ersten und zweiten Reaktionskomponenten, die die Komponenten enthalten, die den Dünnfilm bilden, in einen Reaktor, Spülen des Reaktors zwischen jedem Schritt und Ausbilden eines festen Dünnfilms unter Verwendung eines Chemikalienaustauschs, indem erneut die zweite Reaktionskomponente in den Reaktor eingeführt wird.
Atomschichtabscheidung (ALD) ist ein Dünnschichtabscheidungsverfahren, das sich von einer physikalischen Abscheidung, wie Elektronenstrahlabscheidung, thermischer Abscheidung oder Sputterabscheidung, die allgemein angewendet werden, sehr stark unterscheidet. ALD ist ähnlich einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) bezüglich der Verwendung einer chemischen Reaktion von Reaktionsgasen. Jedoch werden bei der CVD allgemein Reaktionsgase gleichzeitig zugeführt und reagieren chemisch auf der Oberfläche einer Dünnschicht oder in der Luft. Bei der ALD werden verschiedene Arten von Reaktionsgasen separat in einem Zeitteilverfahren zugeführt und reagieren mit der Oberfläche einer Dünnschicht. Wenn bei der ALD eine andere Art von Reaktionsgas zugeführt wird, wenn eine organische Metallverbindung, die ein metallisches Element enthält (nachfolgend als "Vorstufe" bezeichnet), auf der Oberfläche eines Substrats adsorbiert wird, reagiert das Reaktionsgas mit Vorstufen auf der Oberfläche des Substrats. Als Folge davon bildet sich eine Dünnschicht. Auf diese Weise werden Vorstufen für ALD bei einer Reaktionstemperatur nicht von selbst zersetzt und auf der Oberfläche des Substrats adsorbierte Vorstufen müssen sehr schnell mit zugeführtem Reaktionsgas auf der Oberfläche des Substrats umgesetzt werden.
ALD kann die beste Gleichmäßigkeit in Dicke und Stufenabdeckung der Dünnschicht bei der Oberflächenreaktion erreichen.
Die gleichen Arten von Vorstufen werden an allen Stellen einer Waferoberflache adsorbiert, auf denen Chemisorption möglich ist. Selbst wenn ein Überschuss an Vorstufen zugeführt wird, erfolgt die Physisorption der übrigen Vorstufen auf den chemisorbierten Vorstufen. Hier weist die Physisorption weniger Kohäsionskraft auf als die Chemisorption. Die physisorbierten Vorstufen werden unter Verwendung eines Spülgases entfernt. Es werden verschiedene Arten von Vorstufen zugeführt und auf den chemisorbierten Vorstufen chemisorbiert. Dieser Prozess wird wiederholt, so dass eine Dünnschicht auf der Waferoberfläche mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aufwächst.
Zum Beispiel wird eine ALD unter Verwendung von Vorstufen A und einem Reaktionsgas B, ein Durchgang mit Zuführen von Vorstufen A, z. B. N₂ (oder Ar), Spülen und Zuführen eines Reaktionsgases B, d. h. N₂ (oder Ar), wiederholt, so dass eine Dünnschicht aufwächst. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Dünnschicht stellt die Dicke der in einem Durchgang abgeschiedenen Dünnschicht dar. Als Folge davon ist die Wahrscheinlichkeit, dass Moleküle der Vorstufen auf einer freigelegten Oberfläche adsorbiert werden, ungeachtet der Rauhigkeit der freigelegten Oberfläche ähnlich. Wenn daher die Zufuhr von Vorstufen ausreichend ist, wird ungeachtet des Aspektverhältnisses der Oberflächenstruktur des Substrats eine Dünnschicht mit gleichmäßiger Dicke bei einer konstanten Geschwindigkeit abgeschieden. Ebenso können die Dicke und Zusammensetzung der Dünnschicht durch Abscheiden jeweils einer Schicht präzise gesteuert werden.
ALD weist jedoch die folgenden Probleme auf. Erstens, wenn eine Dünnschicht, die drei oder mehr Komponenten enthält, ausgebildet wird, ist die Abscheidungsrate bei ALD niedriger als die Abscheidungsrate bei bekannter CVD.
Wenn zum Beispiel eine SrTiO₃-Schicht durch ALD ausgebildet wird, besteht ein Durchgang aus acht Schritten, die in 1 gezeigt sind. Vorstufen, die Sr enthalten, werden in Schritt 10 zugeführt. Ein Spülgas wird in Schritt 20 zugeführt, um eine Reaktionskammer ein erstes Mal zu spülen. Ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas wird in Schritt 30 zugeführt, um die in Schritt 10 gebildete Sr-Atomschicht zu oxidieren. Ein Spülgas wird in Schritt 40 zugeführt, um die Reaktionskammer ein zweites Mal zu spülen. Vorstufen, die Ti enthalten, werden in Schritt 50 zugeführt. Ein Spülgas wird in Schritt 60 zugeführt, um die Reaktionskammer ein drittes Mal zu spülen. Ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas wird in Schritt 70 zugeführt, um die in Schritt 50 gebildete Ti-Atomschicht zu oxidieren. Ein Spülgas wird in Schritt 80 zugeführt, um die Reaktionskammer ein viertes Mal zu spülen. Auf diese Weise ist die Abscheidungsrate bei ALD viel niedriger als die Abscheidungsrate bei bekannter CVD, bei der in den Vorstufen enthaltene Komponenten, die eine Dünnschicht bilden, alle zur gleichen Zeit zugeführt werden.
Zweitens ist es schwierig, zufriedenstellende Kristallphasen in Materialschichteinheiten, die eine Dünnschicht bilden, zu erhalten, und daher ist eine nachfolgende thermische Behandlung erforderlich. Im Detail stellt in 2 die horizontale Achse die Temperatur K in Kelvin dar und die vertikale Achse stellt die Aktivität dar. Die Bezugszeichen G1 bis G11 stellen Aktivitäten von TiO₂, BaTiO₂, SrTiO₃, Sr₄Ti₃O₁₄, TiO₂S, SrCO₃, BaCO₃, H₂, CO₂, H₂O bzw. Sr₂TiO₄ dar.
Mit Bezug zu 2 liegt jede Phase aus SrO und TiO₂ bei bis zu über 600 K stabil vor, wenn SrO und TiO₂ durch bekannte ALD zum Abscheiden einer SrTiO₃-Schicht abwechselnd aufgeschichtet werden. Als Folge davon kann die gewünschte SrTiO₃-Schicht ausgebildet werden. Mit anderen Worten, die SrTiO₃-Schicht ist nur ein kombinierter Zustand von SrO und TiO₂. Daher ist eine zusätzliche thermische Behandlung erforderlich, um SrO und TiO₂ in ein gewünschtes kristallines SrTiO₃ umzuwandeln. Dies wird üblicherweise über einer ternären Dünnschicht angewendet. Deshalb ist die thermische Behandlung erforderlich, um eine Oxidschicht aus einem separaten metallischen Element als Verbundschicht zu züchten, wenn die Oxidschicht stabilisiert wird.
Wie oben beschrieben, wenn eine Dünnschicht, die drei oder mehr Komponenten enthält, durch ALD gebildet wird, ist eine zusätzliche thermische Behandlung erforderlich, um eine Dünnschicht mit einer gewünschten Kristallstruktur auszubilden. Daher ist die Ausbeute des Dünnschichtprozesses beträchtlich vermindert.
Um die obigen Probleme zu lösen, ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten zur Verfügung zu stellen, die keine anschließende thermische Behandlung für eine Kristallisation erfordert, und die eine erhöhte Ausbeute aufweist, indem die Dünnschicht im Vergleich zu ALD mit einer schnellen Abscheidungsrate und einer Kristallphase ausgebildet wird.
Dementsprechend wird zum Lösen der Aufgabe ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten zur Verfügung gestellt. Bei dem Verfahren wird ein Substrat in eine Reaktionskammer eingeladen. Eine Einheits-Materialschicht, die eine Mischatomschicht (MAL) zusammengesetzt aus zwei Arten von Vorstufen ist, die eine Dünnschicht bildet, wird auf dem Substrat ausgebildet. Das Innere der Reaktionskammer wird gespült. Die MAL wird chemisch umgewandelt. Hier wird die MAL durch Zuführen von zwei Arten von Vorstufen in einem Zeitteilverfahren ausgebildet, nachdem mindestens eine Art von Vorstufen auf der Oberfläche des Substrats weniger adsorbiert sind als im Sättigungszustand.
In diesem Fall werden erste Vorstufen ausgewählt aus zwei Arten von Vorstufen in die Reaktionskammer zugeführt. Danach wird die Reaktionskammer ein erstes Mal gespült und dann zweite Vorstufen ausgewählt aus den beiden Arten von Vorstufen in die Reaktionskammer zugeführt.
Die Reaktionskammer wird ein zweites Mal gespült und dritte Vorstufen ausgewählt aus den beiden Arten von Vorstufen werden in die Reaktionskammer zugeführt.
Die erste MAL wird aus ersten und zweiten Vorstufen ausgewählt aus den beiden Arten von Vorstufen gebildet. Die zweite MAL wird aus ers ten und dritten Vorstufen ausgewählt aus den beiden Arten von Vorstufen ausgebildet.
Die zweite MAL wird aus ersten und zweiten Vorstufen in unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet.
Die erste MAL wird durch Zuführen der ersten und zweiten Vorstufen nach einem Zeitteilverfahren ausgebildet.
Um das erste Ziel zu erreichen, wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten zur Verfügung gestellt. Die Dünnschicht wird gebildet durch einen ersten Schritt mit Einladen eines Substrats in eine Reaktionskammer und sequentielles Ausbilden einer Mischatomschicht (MAL) zusammengesetzt aus zwei Arten von Vorstufen, die die Komponenten enthalten, die die Dünnschicht bilden, und einer nicht gemischten Atomschicht auf der MAL zum Ausbilden einer Einheits-Materialschicht, die die Dünnschicht darstellt, auf dem Substrat, einen zweiten Schritt mit Spülen des Inneren der Reaktionskammer und einen dritten Schritt mit Ausführen einer chemischen Reaktion in der MAL. Hier bilden der erste, zweite und dritte Schritt einen Durchgang.
Im dritten Schritt wird das im ersten Schritt gebildete Material durch eine zugeführte Sauerstoffquelle oxidiert. Der folgende Schritt wird durchgeführt, um nach der Oxidation gebildete Nebenprodukte zu entfernen. Mit anderen Worten, ein Inertgas wird in ein Plasma überführt, indem das Inertgas in die Kammer geführt wird und eine Gleichstromvorspannung an das Substrat angelegt wird. Als Folge davon wird in der Kammer ein Inertgasplasma gebildet, das zum Entfernen der Nebenprodukte von der Oberfläche der MAL verwendet wird.
Die erhaltene Dünnschicht ist aus einer Mehrzahl von Einheits-Materialschichten zusammengesetzt und jede der Einheits-Materialschichten ist eine MAL, die aus unterschiedlichen Vorstufen gebildet ist, die den Komponenten zugeordnet sind. Die MAL können doppelte MALs sein, die aus ersten und zweiten MALs zusammengesetzt sind.
Die Dünnschicht kann auch eine nicht gemischte Atomschicht umfassen, die ausgewählt aus beliebigen der unterschiedlichen Vorstufen gebildet ist. Die nicht gemischte Atomschicht kann auf der MAL gebildet sein oder die MAL ist auf der nicht gemischten Atomschicht ausgebildet.
Die MAL ist eine Doppelschicht. Die Doppelschicht kann eine MAL sein, die aus einer ersten MAL gebildet aus allen der unterschiedlichen Vorstufen und einer zweiten MAL gebildet aus zwei Vorstufen ausgewählt aus den unterschiedlichen Vorstufen gebildet ist, eine MAL, die aus einer ersten MAL gebildet aus allen der unterschiedlichen Vorstufen oder eine MAL gebildet aus den gleichen Vorstufen sein, die ein unterschiedliches Zusammensetzungsverhältnis bei jeder der Schichten in der Doppelschicht aufweisen.
Die Doppelschicht ist aus einer ersten MAL, die aus ersten und zweiten Vorstufen ausgewählt aus den unterschiedlichen Vorstufen gebildet ist, und einer zweiten MAL, die auf der ersten MAL ausgebildet ist, gebildet aus ersten und dritten Vorstufen, die aus den unterschiedlichen Vorstufen ausgewählt sind, gebildet.
Beim Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung können die Vorteile eines herkömmlichen Verfahrens zum Ausbilden von ALs gesichert werden, und es sind beim Prozess zum Ausbilden von ALs gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Prozess zum Ausbilden von ALs weniger Schritte erforderlich. Als Folge davon kann die erforderliche Zeit zum Ausbilden einer Dünnschicht verringert werden. Ebenso ist, da die Dünnschicht bei einer niedrigen Temperatur ausge bildet und kristallisiert wird, ein zusätzlicher thermischer Prozess für die Kristallisation der Dünnschicht, nachdem die Dünnschicht ausgebildet ist, nicht nötig. Als Folge davon ist die Ausbeute an Dünnschicht merklich höher als im Stand der Technik.
Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich durch eine ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 ein Flussbild von Schritten ist, die einen Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten unter Verwendung von ALD gemäß dem Stand der Technik darstellen,
2 ein Schaubild ist, das Ergebnisse einer Simulation des thermodynamischen Gleichgewichts einer SrTiO₃-Schicht zeigt, die eine Dünnschicht mit mehreren Komponenten ist,
3 ein Flussbild von Schritten ist, die einen Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen,
4A eine Draufsicht einer mosaikförmigen Atomschicht (MAL) ist, die durch Adsorbieren unterschiedlicher Arten von Komponenten gebildet sind, die eine Dünnschicht auf der Oberfläche eines Substrats bilden, nach einem ersten Spülen in einem Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden der Dünnschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4B eine Querschnittsansicht entlang der Linie b-b' von 4A ist,
5 ein Flussbild von Schritten ist, die einen Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen,
6 bis 8 Draufsichten einer Atomschicht sind, die aus ersten Vorstufen gebildet ist, die erste Komponenten einer Dünnschicht enthalten, die auf einem Substrat chemisorbiert sind, nach einer ersten Spülung in einem Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9 bis 11 Draufsichten einer MAL sind, die aus zweiten Vorstufen gebildet ist, die zweite Komponenten einer Dünnschicht enthalten, die auf Teilen eines Substrats zwischen den ersten Vorstufen, die die ersten Komponenten enthalten, adsorbiert sind, nach einer zweiten Spülung in einem Durchgang eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
12 ein Schaubild ist, das einen Bereich erläutert, dem ein Quellengas zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugeführt wird,
13 eine Ansicht eines Durchgangs eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
14 und 15 Schaubilder sind, die Röntgendiffraktionsanalysen einer Dünnschicht, die nach einem Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, mit Röntgendiffraktionsanalysen einer Dünnschicht, die nach einem herkömmlichen Atomschichtabscheidungsverfahren gebildet ist, vergleichen,
16 und 17 Schaubilder sind, die den Kohlenstoffgehalt zeigen, der zur Verfolgung des Oxidationsgrads in einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung gemessen wurden und
18 bis 20 Querschnittsansichten einer Dünnschicht sind, die gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
Nachfolgend wird eine Dünnschicht mit mehreren Komponenten und ein Verfahren zum Ausbilden der Dünnschicht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben. Hier wird ein Substrat als in eine Reaktionskammer eingeladen betrachtet. Ebenso gibt es keine spezielle Einschränkung für die Reaktionskammer. Mit anderen Worten, es ist jegliche Reaktionskammer möglich, in der eine Atomschicht abgeschieden werden kann.
Zunächst wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht beschrieben.
Erste Referenzausführungsform (nicht erfindungsgemäß)
Mit Bezug zu 3 sind MALs, die Einheits-Materialschichten einer Dünnschicht sind, in Schritt 100 auf einem Substrat ausgebildet. Die MALs sind aus Vorstufen gebildet, die die Dünnschicht bildende Komponenten enthalten. Wenn daher die Dünnschicht aus drei Komponenten gebildet ist, werden die MALs aus drei Vorstufen ausgebildet, die jeweils die drei Komponenten enthalten. Wenn die Dünnschicht aus vier oder mehr Komponenten gebildet ist, werden die MALs aus vier oder mehr Vorstufen ausgebildet, die jeweils die vier oder mehr Komponenten enthalten.
Zum Ausbilden der MALs werden alle Komponenten, aus denen die Dünnschicht. zusammengesetzt ist, in einer vorgegebenen Menge in eine Reaktionskammer zugeführt, wobei das Zusammensetzungsverhältnis der Komponenten berücksichtigt wird, und auf dem Substrat chemisorbiert. Die MALs sind einatomige Schichten, die aus einer Mehrzahl von Komponenten gebildet sind, aus denen die Dünnschicht zusammengesetzt ist.
In einem ausführlichen Beispiel des Ausbildens der MALs, wenn die Dünnschicht eine Oxidschicht mit Dreikomponentensystem ist, z. B. eine STO-Schicht, werden die MALs aus einer Vorstufe gebildet, die Sr ent hält, und einer Vorstufe, die Ti enthält. Mit anderen Worten, eine vorgegebene Menge der Vorstufe, die Sr enthält, und eine vorgegebene Menge der Vorstufe, die Ti enthält, werden zu gleicher Zeit in die Reaktionskammer zugeführt. Hier ist es bevorzugt, dass die beiden Vorstufen in einer geringeren Menge zugeführt werden, als wenn die beiden Vorstufen jeweils eine Atomschicht bilden. Dies wird später beschrieben.
Wenn die Dünnschicht eine BST-Schicht ist, die drei metallische Elemente enthält, werden die MALs dadurch gebildet, dass eine vorgegebene Menge einer Vorstufe, die Ba enthält, eine vorgegebene Menge einer Vorstufe, die Sr enthält, und eine vorgegebene Menge einer Vorstufe, die Ti enthält, zu gleicher Zeit in die Reaktionskammer zugeführt werden. Hier ist es bevorzugt, dass das Substrat auf einer vorgegebenen Reaktionstemperatur gehalten wird, so dass die drei Vorstufen auf dem Substrat chemisorbiert werden.
Die Dünnschicht kann eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Boridschicht sein sowie eine STO-Schicht und eine BST-Schicht. Zum Beispiel kann die Dünnschicht eine PZT-Schicht, eine YBCO-Schicht, eine SBTO-Schicht, eine HfSiON-Schicht, eine ZrSiO-Schicht, eine ZrHfO-Schicht, eine LaCoO-Schicht oder eine TiSiN-Schicht sein.
Wenn die Dünnschicht eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Boridschicht ist, werden die MALs nicht oxidiert, nitriert oder boriert. Daher werden die MALs in einem anschließenden Prozess oxidiert, nitriert oder boriert. Dies wird später beschrieben.
Vorstufen, die zurückbleiben, nachdem die MALs auf dem Substrat ausgebildet sind, können auf den MALs physisorbiert sein. Die auf den MALs physisorbierten Vorstufen können als Partikel in einem anschließenden Prozess dienen und verhindern, dass die MALs in einem nachfolgenden Oxidations-, Nitrierungs- oder Borierungsprozess oxidiert, nit riert oder boriert werden. Daher ist es bevorzugt, dass die auf den MALs physisorbierten Vorstufen entfernt werden. Zum Entfernen der auf den MALs physisorbierten Vorstufen wird die Reaktionskammer unter Verwendung eines Inertgases, z. B. eines Nitridgases oder eines Argongases, in Schritt 110 gespült, nachdem die MALs ausgebildet sind. Als Folge davon verbleiben die MALs, die Einheits-Materialschichten sind, die die Dünnschicht bilden, als einzelne Atomschichten auf dem Substrat. Dies ist in 4 gezeigt.
4A ist eine Draufsicht der MALs und 4B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie b-b' von 4A. Die Bezugszeichen 130, 132 und 134 stellen Vorstufen, die erste Komponenten enthalten, die eine Dünnschicht bilden, Vorstufen, die zweite Komponenten enthalten, die die Dünnschicht bilden, bzw. ein Substrat dar. In den 4A und 4B ist zu sehen, dass die MALs aus unterschiedlichen Vorstufen 130 und 132 gebildet sein können, die jeweils unterschiedliche Komponenten enthalten, die die Dünnschicht bilden.
Die MALs werden durch Zuführen eines vorgegebenen Reaktionsgases in die Reaktionskammer in Schritt 120 chemisch umgewandelt. Zum Beispiel werden die MALs oxidiert, nitriert oder boriert. Hier wird das Substrat auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt, so dass das Reaktionsgas mit den MALs reagiert.
Das Reaktionsgas kann mit einer externen Energie zugeführt werden, um die Temperatur zum Erwärmen des Substrats zu senken und die Reaktionsaktivität des Reaktionsgases zu erhöhen. Das Verfahren zum Oxidieren, Nitrieren oder Borieren der MALs hängt vom Verfahren zur Zufuhr der externen Energie ab. Wenn zum Beispiel die MALs oxidiert werden, wird an ein Reaktionsgas wie O₂, O₃, H₂O und H₂O₂, das Sauerstoff enthält, während des Zuführens des Reaktionsgases in die Reaktionskammer Hochfrequenz(HF)-Energie, eine Gleichspannung oder Mikrowellenenergie angelegt. Auf diese Weise wird das Reaktionsgas in ein Plasma überführt. Als Folge davon werden die MALs unter Verwendung von Plasma oxidiert.
Wenn die externe Energie Ultraviolett ist, werden die MALs durch eine Reaktion zur Zersetzung von O₃ unter Ultraviolett oxidiert. Mit anderen Worten, die MALs werden in einem Ultraviolett-Ozon-Prozess oxidiert.
Nachdem die chemische Umwandlung der MALs abgeschlossen ist, werden der erste bis dritte Schritt vom Ausbilden zum chemischen Umwandeln der MALs wiederholt, bis die MALs auf eine gewünschte Dicke ausgebildet sind.
Zweite Ausführungsform (gemäß der Erfindung)
Einheits-Materialschichten einer Dünnschicht werden durch Zuführen von Komponenten, die die Dünnschicht bilden, nach einem Zeitteilverfahren als MALs auf einem Substrat ausgebildet. Hier ist die Dünnschicht gleich wie die in der ersten Ausführungsform beschriebene Dünnschicht.
Mit Bezug zu 5 werden in Schritt 200 erste Atomschichten (nachfolgend als "erste diskrete Atomschichten" bezeichnet) aus Vorstufen gebildet, die voneinander beabstandet sind. Im Detail werden herkömmliche Atomschichten so ausgebildet, dass sie die gesamte Oberfläche des Substrats vollständig bedecken (auf der gesamten Oberfläche der Struktur, wenn eine Struktur auf dem Substrat ausgebildet ist). Auf diese Weise sind die herkömmlichen Atomschichten kontinuierliche Atomschichten. Jedoch sind Vorstufen, die erste Komponenten der Komponenten enthalten, die eine Dünnschicht bilden, auf dem Substrat diskret, so dass die erste diskrete Atomschicht ausgebildet ist. Hier sind die Vorstufen gleichmäßig diskret auf der gesamten Oberfläche des Substrats.
Zweite Komponenten, die die Dünnschicht bilden, die später zugeführt werden, können zwischen den ersten Komponenten gleichmäßig chemisorbiert werden. Hier ist es bevorzugt, dass das Substrat bei einer Reaktionstemperatur gehalten wird, so dass die zugeführten Komponenten auf dem Substrat chemisorbiert werden. Die Komponenten können, während sie zugeführt werden, auf die Reaktionstemperatur oder eine Temperatur nahe der Reaktionstemperatur erwärmt werden.
6A ist eine Draufsicht der ersten diskreten Atomschicht, die aus Vorstufen gebildet ist, die die ersten Komponenten enthalten, und 6B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie b-b' von 6A. Hier stellt das Bezugszeichen 202 die erste diskrete Atomschicht dar, Bezugszeichen 204 stellt Vorstufen dar (nachfolgend als "erste Vorstufen" bezeichnet), die die ersten Komponenten enthalten, die die erste diskrete Atomschicht bilden, und Bezugszeichen 206 stellt ein Substrat dar, auf dem die erste diskrete Atomschicht 202 chemisorbiert ist. Eine Dünnschicht, die auf dem Substrat 206 ausgebildet ist, enthält mindestens drei Komponenten. Mindestens zwei der drei Komponenten sind auf dem Substrat 206 chemisorbiert.
Wenn zum Beispiel die Dünnschicht eine Dünnschicht ist, die mehrere Komponenten beinhaltet, wie eine SrTiO₃-Schicht oder eine BaTiO₃-Schicht, die drei Komponenten aufweist, enthalten die ersten Vorstufen 204 Strontium (Sr), Barium (Ba) oder Titan (Ti). Die erste diskrete Atomschicht 202 wird durch Chemisorbieren der Vorstufen, die Strontium (Sr) oder Barium (Ba) enthalten, auf dem Substrat 206 ausgebildet.
Schritte zum Ausbilden der Dünnschicht, die drei Komponenten enthält, werden auch bei einer Dünnschicht angewendet, die vier Komponenten enthält. Wenn hier eine Sauerstoffkomponente in den vier Komponenten enthalten ist, enthalten die ersten Vorstufen 204 jede der anderen vier Komponenten (d. h. nicht die Sauerstoffkomponente). Die erste diskrete Atomschicht 202 wird so ausgebildet, dass sie gleichmäßig diskret ist und die Vorstufen auf dem Substrat chemisorbiert sind.
Wie in 6B gezeigt ist, im Gegensatz zu den Vorstufen, die die herkömmlichen kontinuierlichen Atomschichten bilden, sind die ersten Vorstufen 204, die die erste diskrete Atomschicht 202 bilden, auf dem Substrat 206 weitgehend diskret. Bezugszeichen 208 stellt zweite Vorstufen dar, die zwischen den ersten Vorstufen 204 in einem anschließenden Prozess ausgebildet werden.
Die Verteilung der ersten Vorstufen 204 kann schwanken, was von der Art der ersten Vorstufen 204 und zweiten Vorstufen 208 abhängig ist. Zum Beispiel kann, wie in den 7 und 8 gezeigt, die erste diskrete Atomschicht 202 eine Struktur aufweisen, in der Vorstufen in einer schrägen Linie angeordnet sind, oder in der Vorstufen in einer hexagonalen Form angeordnet sind, wobei sich eine Vorstufe in der Mitte befindet.
Die Merkmale der Form der ersten diskreten Atomschicht 202, d. h. der Abstand zwischen den ersten Vorstufen 204, wird durch die zugeführte Menge an ersten Vorstufen 204 bestimmt. Wenn zum Beispiel die Dünnschicht eine SrTiO₃-Schicht ist, ist die erste diskrete Atomschicht 202 aus Sr-Vorstufen gebildet. Ebenso wird die Verteilung der ersten diskreten Atomschicht 202 durch die Menge an in die Reaktionskammer zugeführten Sr-Vorstufen bestimmt. Bevorzugt werden die Sr-Vorstufen in einer geringeren Menge zugeführt als Sr-Vorstufen zum Ausbilden einer SrTiO₃-Schicht nach einem herkömmlichen Verfahren zum Ausbilden einer Atomschicht zugeführt werden.
Im Detail ist G12 von 12 eine Kennlinie, die Veränderungen in der Menge an Sr-Vorstufen in Zeitabhängigkeit zeigt, wenn eine SrTiO₃-Schicht nach dem herkömmlichen Verfahren für eine Atomschicht aus gebildet wird. Bezugszeichen S bezeichnet einen Sättigungsbereich. Der Sättigungsbereich S stellt einen Bereich dar, in dem eine ausreichende Menge an Sr-Vorstufen so zugeführt wird, dass die Sr-Vorstufen auf der gesamten Oberfläche des Substrats adsorbiert werden. Bezugszeichen S₀ ist ein Anfangsbereich, in dem die Zufuhr von Sr-Vorstufen beginnt und im Verlaufe der Zeit der Sättigungsbereich S wird. Daher ist die Menge an Sr-Vorstufen, die im Anfangsbereich S₀ zugeführt wird, geringer als die Menge an Sr-Vorstufen, die im Sättigungsbereich S zugeführt werden. Als Folge davon wird das Substrat mit nur der Menge an Sr-Vorstufen, die im Anfangsbereich S₀ zugeführt werden, nicht vollständig bedeckt. Es gibt keine Veranlassung, dass die Sr-Vorstufen bei der Zufuhr der Sr-Vorstufen in die Reaktionskammer nur auf einem speziellen Bereich des Substrats adsorbiert werden. Mit anderen Worten, die Wahrscheinlichkeit, dass die in die Reaktionskammer zugeführten Sr-Vorstufen in irgendeinem Schritt auf irgendeinem speziellen Bereich des Substrats adsorbiert werden, ist zu den Sr-Vorstufen äquivalent. Als Folge davon sind die im Anfangsbereich S₀ zugeführten Sr-Vorstufen auf dem Substrat diskret vorhanden.
Die erste diskrete Atomschicht 202, die die ersten Komponenten mit verschiedenen Verteilungsformen enthält, wie es oben beschrieben wurde, kann durch Steuern der Menge an Vorstufen, die im Anfangsbereich S₀ dem Substrat zugeführt werden, ausgebildet werden. Freie Bereiche 208, auf denen zweite Vorstufen, die zweite Komponenten enthalten, adsorbiert werden können, liegen zwischen den ersten Vorstufen 204 auf dem Substrat.
Wie oben beschrieben, die Form der ersten diskreten Atomschicht 202 kann durch Begrenzen der Menge von Vorstufen, die der Reaktionskammer zugeführt werden, auf die des Anfangsbereichs S₀ bestimmt werden. Selbst in diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Menge an Vorstufen, die zum Ausbilden der ersten diskreten Atomschicht 202, die die ersten Komponenten enthält, erforderlich ist, entsprechend der Anzahl an Komponenten, die die Dünnschicht bilden, dem Zusammensetzungsverhältnis der Komponenten und der Reihenfolge der Ausbildung der Komponenten, d. h. welche Komponente zuerst gebildet wird, veränderlich ist.
Zum Beispiel sei angenommen, dass die erste diskrete Atomschicht 202, die die ersten Komponenten enthält, während der Bildung einer Dünnschicht, die drei Komponenten enthält, gebildet wird, und Bezugszeichen AN von 12 die Menge von Vorstufen darstellt. Die Menge an Vorstufen, die zum Ausbilden einer anfänglichen Atomschicht auf dem Substrat bei der Bildung einer Dünnschicht, die vier oder mehr Komponenten enthält, zugeführt wird, kann geringer oder gleich der Menge AN sein, was davon abhängig ist, welche der vier Komponenten die anfängliche Atomschicht enthält, d. h. die Zusammensetzung einer in den Vorstufen enthaltenen Komponente, die die anfängliche Atomschicht bilden, die die vier Komponenten einnimmt.
Mit Bezug zu 5 wird die Reaktionskammer in Schritt 300 das erste Mal gespült. Es ist bevorzugt, dass die ersten Vorstufen 204 alle zum Ausbilden der ersten diskreten Atomschicht 202, die die ersten Komponenten enthält, aufgebraucht sind. Ein Teil der ersten Vorstufen 204 kann jedoch beim Ausbilden der ersten diskreten Atomschicht 202 nicht verbraucht sein. Wenn die ersten Vorstufen 204 in der Reaktionskammer verbleiben, werden die ersten Vorstufen 204 mit anderen Vorstufen vermischt, die später zugeführt werden. Als Folge davon kann eine Dünnschicht gebildet werden, die eine ungewollte Form aufweist. Daher ist es bevorzugt, dass jegliche der ersten Vorstufen 204, die nicht zum Ausbilden der ersten diskreten Atomschicht 202 verbraucht ist, aus der Reaktionskammer abgeführt wird. Mit anderen Worten, die Reaktionskammer wird unter Verwendung eines Inertgases gespült, das chemisch nicht reagiert, so dass Vorstufen, die nicht zum Ausbilden der ersten diskreten Atomschicht 202 verbraucht wurden, ausgeleitet werden. Hier ist das Inertgas Ar, N₂ oder O₂.
Eine zweite diskrete Atomschicht gebildet aus den Vorstufen, die zweite Komponenten enthalten, wird in Schritt 400 gebildet. Hier werden die Vorstufen (nachfolgend als "zweite Vorstufen" bezeichnet), die die zweite diskrete Atomschicht bilden, auf Teilen des Substrats zwischen den ersten Vorstufen chemisorbiert.
Im Detail, nach dem ersten Spülschritt 300 wird eine vorgegebene Menge an zweiten Vorstufen in die Reaktionskammer zugeführt. Hier enthalten die zweiten Vorstufen die zweiten Komponenten, die aus Komponenten ausgewählt sind, die die Dünnschicht bilden, und können auf dem Substrat chemisorbiert werden.
Wenn zum Beispiel die Dünnschicht eine SrTiO₃-Schicht oder eine BaTiO₃-Schicht ist, enthalten die zweiten Vorstufen Ti. Wenn die ersten Vorstufen 204 Ti enthalten, enthalten die zweiten Vorstufen Sr oder Ba. Dies gilt für eine Dünnschicht, die vier oder mehr Komponenten enthält, wobei drei oder mehr Komponenten auf dem Substrat adsorbiert werden.
Es ist bevorzugt, dass die zweiten Vorstufen unter Berücksichtigung des Folgenden zugeführt werden. Wenn die zweiten Vorstufen die letzte der Komponenten enthalten, die in der Dünnschicht enthalten sind, die auf dem Substrat chemisorbiert werden, ist es bevorzugt, dass die zweiten Vorstufen ausreichend zugeführt werden, so dass die zweiten Vorstufen alle auf freien Bereichen der ersten diskreten Atomschicht 202, die die ersten Komponenten enthält, adsorbiert werden, d. h. auf Bereichen des Substrats, auf denen die ersten Vorstufen nicht adsorbiert sind.
Wenn die zweiten Vorstufen die letzte Komponente nicht enthalten, werden dritte und vierte Vorstufen, die chemisorbiert werden, kontinuierlich zugeführt, nachdem die zweiten Vorstufen zugeführt sind. Daher ist es bevorzugt, dass erste Vorstufen in einer Menge zugeführt werden, die ausreichend ist, um vorgegebene freie Bereiche auf dem Substrat zwischen den ersten Vorstufen zu belassen, auf denen nachfolgende Vorstufen chemisorbiert werden. Als Folge davon können nachfolgende Vorstufen zwischen den ersten und zweiten Vorstufen chemisorbiert werden, obwohl die ersten und zweiten Vorstufen auf dem Substrat adsorbiert sind. Daher ist es im letzteren Fall bevorzugt, dass die zweiten Vorstufen in der im Anfangsbereich S₀ zugeführten Menge zugeführt werden (siehe 12), wie bei der Zuführung der ersten Vorstufen. Die zweiten Vorstufen können jedoch gemäß dem Zusammensetzungsverhältnis der in den zweiten Vorstufen enthaltenen Komponenten, die für die Dünnschicht vorgesehen sind, in einer größeren oder kleineren Menge als die ersten Vorstufen zugeführt werden. In einem Fall, in dem das Komponentenverhältnis der in den ersten Vorstufen enthaltenen Komponenten zum Komponentenverhältnis der in den zweiten Vorstufen enthaltenen Komponenten identisch ist, und nur die ersten und zweiten Vorstufen bei der Chemisorption beschränkt werden, ist es bevorzugt, dass die Menge an ersten Vorstufen und die Menge an zweiten Vorstufen im Anfangsbereich S₀ gleich ist. Eine Mischatomschicht (MAL) 210, die aus den ersten Vorstufen 204, die die erste diskrete Atomschicht 202 bilden, und den zweiten Vorstufen 208, die die zweite diskrete Atomschicht bilden (und gleich wie die in 4 gezeigte erste Atomschicht 202 sein kann) wird auf dem Substrat 206 als Einheits-Materialschicht, die die Dünnschicht bildet, in den Schritten 200, 300 und 400 ausgebildet, wie in 6 gezeigt. Wenn die MAL 210 nur aus den ersten und zweiten Vorstufen 204 und 208 gebildet wird, ist es bevorzugt, dass die erste und zweite Vorstufe 204 und 208 miteinander in Kontakt sind. In 9 sind jedoch die ersten und zweiten Vorstufen 204 und 208 zum Zwecke der Deutlichkeit so gezeigt, dass sie voneinander getrennt sind.
Dies gilt aufgrund verschiedener Anordnungsformen der ersten Vorstufen 204 für verschiedene Beispiele der MAL 210, wie es in den 10 und 11 gezeigt ist.
Die Reaktionskammer wird in Schritt 400 ein zweites Mal gespült. Mit anderen Worten, aus dem gleichen Grund wie in Schritt 300 wird die Reaktionskammer unter Verwendung eines Inertgases gespült, nachdem die MAL 210 ausgebildet ist.
Die MAL 210 wird in Schritt 600 chemisch umgewandelt. Mit anderen Worten, die MAL 210 wird unter Verwendung verschiedener Reaktionsgase oxidiert, nitriert oder boriert. Wenn aufgrund dieser chemischen Umsetzung sperrige Liganden abgebaut und entfernt werden, können neue Chemisorptionspunkte, die von den Liganden verdeckt sind, freigelegt werden.
Zum Oxidieren der MAL 210 wird ein Reaktionsgas wie O₂, O₃, H₂O oder H₂O₂ in einer vorgegebenen Menge in die Reaktionskammer geführt, und reagiert mit der MAL 210. Wenn hier das Reaktionsgas in die Reaktionskammer zugeführt wird, kann eine Hochfrequenz(HF)-Energie oder Mikrowellenenergie oder eine Gleichspannung an das Reaktionsgas angelegt werden, um die Aktivität des Reaktionsgases zu erhöhen. Auf diese Weise kann das Reaktionsgas in der Reaktionskammer ein Plasma bilden. Wenn das Reaktionsgas Ozon ist, wird Ultraviolettstrahlung (UV) auf das Reaktionsgas aufgebracht, um die Aktivität des Reaktionsgases zu erhöhen. Mit anderen Worten, die MAL 210 wird unter Verwendung von UV-O₃ oxidiert.
Die Reaktionskammer wird in Schritt 700 ein drittes Mal gespült. Die nach Schritt 500 in der Reaktionskammer verbliebenen Gase werden unter Verwendung des Inertgases ausgespült.
Die Schritte 200, 300, 400, 500, 600 und 700 werden wiederholt, bis die Dünnschicht auf eine gewünschte Dicke ausgebildet ist.
Wenn ferner dritte und vierte Vorstufen nach dem zweiten Spülschritt in Schritt 500 auf dem Substrat chemisorbiert werden, d. h. wenn die Dünnschicht keine oxidfreie Schicht ist, die mindestens drei Komponenten enthält, oder eine Oxidschicht, die vier oder mehr Komponenten enthält, werden ein Schritt zum Ausbilden einer Atomschicht gebildet aus drei Vorstufen, die dritte Komponenten enthalten, ein dritter Spülschritt, ein Schritt zum Ausbilden einer Atomschicht gebildet aus vier Vorstufen, die vier Komponenten enthalten, und ein vierter Spülschritt vor Schritt 700 sequentiell durchgeführt.
Wenn die Bildung der MAL wiederholt wird, um die Dünnschicht auszubilden, können sich die Zusammensetzungen der gebildeten MALs voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten, wenn Komponenten, die eine nachfolgende MAL bilden, gleich sind wie die Komponenten, die frühere MAL bilden, kann sich die Zusammensetzung einer der Vorstufen, die die beiden MALs bilden, d. h. die Zusammensetzung irgendeiner der Komponenten, die die Dünnschicht bilden, von den Zusammensetzungen der anderen Komponenten unterscheiden.
Wenn zum Beispiel die Dünnschicht eine STO-Schicht ist, die eine vorgegebene Dicke aufweist, kann die STO-Schicht durch wiederholtes Ausbilden einer Einheits-Materialschicht, die aus Sr-Vorstufen und Ti-Vorstufen zusammengesetzt ist, d. h. eine Sr-Ti-MAL, auf eine gewünschte Dicke ausgebildet werden. Wenn jedoch drei Sr-Ti-MALs sequentiell ausgebildet werden, um die STO-Schicht zu bilden, kann sich die Zusammensetzung von Vorstufen, die eine zweite oder dritte Sr-Ti-MAL bilden, von der Zusammensetzung von Vorstufen, die eine erste Sr-Ti-MAL bilden, unterscheiden. Diese Zusammensetzung kann durch Steuern der Menge an in die Reaktionskammer zugeführten Vorstufen gesteuert werden.
Die zweite diskrete Atomschicht 210 kann durch zweimaliges Zuführen der zweiten Vorstufen in Schritt 400 ausgebildet werden. Mit anderen Worten, die zweite diskrete Atomschicht wird durch nur einmaliges Zuführen der zweiten Vorstufen nicht vollständig ausgebildet. Daher werden die zweiten Vorstufen das erste Mal in einer vorgegebenen Menge zugeführt, um die zweite diskrete Atomschicht zu bilden. Danach wird eine Spülung vorgenommen und dann die zweiten Vorstufen ein zweites Mal in einer vorgegebenen Menge zugeführt, um die zweite diskrete Atomschicht zu vervollständigen. Wenn die zweite diskrete Atomschicht nicht vollständig ausgebildet ist, nachdem die zweiten Vorstufen das zweite Mal zugeführt wurden, können die zweiten Vorstufen ein drittes Mal zugeführt werden. Ebenso kann die Menge der zweiten Vorstufen bei der ersten und zweiten Zuführung unterschiedlich sein.
Dieses Verfahren kann bei Dünnschichten angewendet werden, die drei oder mehr Komponenten enthalten, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, sowie bei der STO-Schicht.
Dritte Ausführungsform (gemäß der Erfindung)
Eine Einheits-Materialschicht wird aus einer doppelten MAL gebildet. Im Detail, wenn eine auszubildende Dünnschicht mindestens drei Komponenten enthält, werden die drei Komponenten in zwei unterteilt und die beiden werden jeweils als MALs ausgebildet.
Wenn zum Beispiel die Dünnschicht drei Komponenten enthält, d. h. A_1x-yB_xC_y, wird eine erste MAL (A_1x-yB_x) gebildet aus Vorstufen, die eine Komponente A enthalten (nachfolgend als "Vorstufe A" bezeichnet) und Vorstufen, die eine Komponente B enthalten (nachfolgend als 'Vorstufe B" bezeichnet), auf einem Substrat ausgebildet. Danach wird eine zweite MAL (A_1-yC_y) gebildet aus Vorstufen A und Vorstufen, die eine Komponente C enthalten (nachfolgend als "Vorstufe C" bezeichnet), auf der ersten MAL (A_1x-yB_x) ausgebildet. Hier können die erste und die zweite MAL gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform gebildet werden. Ebenso kann die erste MAL oxidiert werden, bevor die zweite MAL gebildet wird, so dass die zweite MAL auf der ersten MAL chemisorbiert wird. Die erste MAL wird gemäß dem in der ersten oder zweiten Ausführungsform beschriebenen Oxidationsprozess oxidiert. Es ist bevorzugt, dass eine Spülung zwischen den Schritten zum Ausbilden der zweiten MAL durchgeführt wird. Nachdem die zweite MAL ausgebildet ist, wird die zweite MAL gemäß dem Prozess zum Oxidieren der ersten MAL oxidiert. Auf diese Weise sind die erste und zweite MAL eine Einheits-Materialschicht, die die Dünnschicht bildet. Danach werden die Prozesse zum Ausbilden der ersten und zweiten MAL an der oxidierten zweiten MAL wiederholt, so dass die Dünnschicht auf eine gewünschte Dicke ausgebildet wird.
Die nach dem Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildete Dünnschicht kann allen im Prozess zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß der ersten Ausführungsform beschriebenen Dünnschichten entsprechen.
Wenn zum Beispiel die Dünnschicht eine PZT-Schicht ist, stellen Vorstufen A, B und C Vorstufen, die Pb enthalten, Vorstufen, die Zr enthalten, bzw. Vorstufen, die Ti enthalten, dar. Die erste und zweite MAL sind eine MAL, die aus den Pb und Zr enthaltenden Vorstufen gebildet ist, bzw. eine MAL, die aus den Pb und Ti enthaltenden Vorstufen gebildet ist. Ebenso stellen, wenn die Dünnschicht eine BST-Schicht ist, die Vorstufen A, B und C Vorstufen, die Ba enthalten, Vorstufen, die Sr enthalten, bzw. Vorstufen, die Ti enthalten, dar und die erste und zweite MAL sind eine MAL gebildet aus den Ba und Sr enthaltenden Vorstufen bzw. eine MAL gebildet aus den Ba und Ti enthaltenden Vorstufen.
Vierte Ausführungsform (gemäß der Erfindung)
Eine Dünnschicht wird aus Einheits-Materialschichten gebildet, von denen ein Teil MALs sind und die anderen Atomschichten (ALs) auf den MALs sind. Mit anderen Worten, Einheits-Materialschichten, die die Dünnschicht bilden, sind aus MALs und ALs gebildet. Hier sind die Als nicht gemischte Atomschichten.
Im Detail, wenn die Dünnschicht drei oder mehr Komponenten enthält, z. B. Komponenten A, B und C, wie es in der dritten Ausführungsform beschrieben ist, wird eine MAL aus den Vorstufen A und B, die jeweils die Komponenten A und B enthalten, auf einem Substrat zum Ausbilden der Dünnschicht gebildet. Hier wird die MAL nach den Verfahren gebildet, die in der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform beschrieben wurden. Danach wird eine Spülung der Reaktionskammer vorgenommen. Eine AL wird aus den Vorstufen C gebildet, die die Komponente C auf der MAL enthalten. Hier ist es bevorzugt, dass die AL gebildet, bevorzugt chemisorbiert wird, nachdem die MAL oxidiert ist, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Auf diese Weise wird eine Einheits-Materialschicht aus der MAL zusammengesetzt aus den Vorstufen A und B und der AL zusammengesetzt aus den Vorstufen C auf dem Substrat ausgebildet. Die MAL kann aus den Vorstufen A und C anstelle der Vorstufen A und B gebildet sein. Auf diese Weise kann die AL aus den Vorstufen B gebildet sein.
Die AL wird aus den Vorstufen C auf der MAL gebildet und nach dem gleichen Verfahren wie beim Oxidieren der MAL oxidiert. Die Dünn schicht wird durch Wiederholen früherer Schritte an der oxidierten AL auf eine gewünschte Dicke ausgebildet.
Fünfte Ausführungsform (gemäß der Erfindung)
Ein Oxidationsgas oder ein Desoxidationsgas wird zugeführt, so dass eine MAL mit chemisch adsorbierten Vorstufen in einem Prozess zum Ausbilden der MAL, die mindestens zwei Arten von Komponenten, z. B. Sr und Ti enthält, umgesetzt wird. In diesem Prozess erzeugte Nebenprodukte, z. B. Nebenprodukte auf Kohlenwasserstoffbasis, können auf der Oberfläche der MAL vorhanden sein.
In einem Prozess zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten, die mindestens zwei Arten von Metallatomen enthält, unter Anwendung eines MAL-Prozesses oder eines ALD-Prozesses, ist es aufgrund dieser Nebenprodukte schwierig, einen nachfolgenden Durchgang des MAL-Prozesses oder des ALD-Prozesses durchzuführen. Daher ist es notwendig, die Nebenprodukte zu entfernen, und die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befasst sich damit.
Im Detail werden mit Bezug zu 13 drei Schritte sequentiell ausgeführt: Zuführen eines Quellengases zum Bilden der MAL (500), erstes Wegspülen von Resten, die nach dem Zuführen des Quellengases (510) nicht adsorbiert sind, und Zuführen eines Reaktionsgases (eines Oxidations- oder Desoxidationsgases) zum Oxidieren oder Desoxidieren der MAL (520). Danach wird ein zweiter Spülschritt 530 durchgeführt, um Nebenprodukte zu entfernen, die aufgrund der Reaktion der MAL mit dem Reaktionsgas entstanden sind. Im zweiten Spülschritt 530 ist das Spülgas ein Inertgas wie Ar, He, Ne oder N₂. Im zweiten Spülschritt 530 unter Verwendung des Spülgases wird eine Gleichspannung an des Substrat angelegt, um die Effizienz beim Entfernen der Nebenprodukte zu erhöhen, indem das Inertgas in ein Plasma überführt wird. Mit ande ren Worten, im zweiten Spülschritt 530 wird Inertgasplasma erzeugt und als Spülgas verwendet. Positive Ionen des Inertgasplasmas beschießen die Oberfläche der MAL, was zur Entfernung von auf der Oberfläche der MAL adsorbierten Nebenprodukten führt.
Wie oben beschrieben, kann unter Verwendung eines Inertgasplasmas als Spülgas nach Zuführen des Reaktionsgases eine Dünnschicht gebildet werden, die durch Fremdstoffe weniger stark verunreinigt ist. Insbesondere das Beschießen der auf der Oberfläche der MAL adsorbierten Nebenprodukte mit Ionen, die eine hohe Energie aufweisen, kann einen Hochtemperaturabscheidungseffekt erzielen, obwohl die Dünnschicht bei einer niedrigen Temperatur abgeschieden wird.
Die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, beim ALD-Prozess angewendet werden, der zwei Arten von Komponenten enthält, sowie beim MAL-Abscheidungsprozess.
Röntgendiffraktionsanalyse einer nach einem Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Dünnschicht und einer nach einem herkömmlichen Atomschichtabscheidungsverfahren ausgebildeten Dünnschicht werden beschrieben. Hier sind die mehrere Komponenten enthaltenden Dünnschichten SrTiO₃-Schichten.
Im Detail zeigt 14 die Ergebnisse einer Röntgendiffraktionsanalyse einer gemäß dem Stand der Technik hergestellten Dünnschicht und 15 zeigt die Ergebnisse einer Röntgendiffraktionsanalyse einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Dünnschicht.
In 14 sind Peaks von Ruthenium (Ru) und Silicium (Si) gezeigt, und in 15 sind Peaks von Ruthenium (Ru), Silicium (Si) und SrTiO₃ gezeigt. Bezugszeichen Ps ist der Peak von SrTiO₃.
Im Stand der Technik gibt es keine Peaks, die die Kristallisation der Dünnschicht mit mehreren Komponenten zeigen. Bei der vorliegenden Erfindung gibt es Peaks, die die Kristallisation der Dünnschicht mit mehreren Komponenten zeigen.
Dementsprechend ist im Gegensatz zum Stand der Technik, nachdem eine Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, keine zusätzliche thermische Behandlung für die Kristallisation der Dünnschicht erforderlich.
Die 16 und 17 sind Schaubilder, die die Analyse des Titangehalts zeigen, nachdem eine Titanschicht auf einem Substrat gebildet und oxidiert ist, wobei die Möglichkeit einer Oxidation einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrachtet wird. 16 zeigt das Ergebnis, nachdem eine Titanatomschicht auf einem Substrat gebildet ist, eine Titanschicht auf der Titanatomschicht physisorbiert ist und ein Prozess zum Oxidieren der erhaltenen Struktur wiederholt ist. 17 zeigt das Ergebnis, nachdem eine Titanatomschicht auf einem Substrat gebildet ist und ein Prozess zum Oxidieren der erhaltenen Struktur wiederholt ist. In den 16 und 17 stellen Bezugszeichen Go, Gti, Gsi und Gc Veränderungen im Gehalt an Sauerstoff, Titan, Silicium bzw. Kohlenstoff dar. Es ist hier anzumerken, dass die gesamte Titanschicht auf einem Substrat oxidiert wird und der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,5% beträgt. Aus diesem Ergebnis ist abzuleiten, dass die ersten und zweiten MALs gleichzeitig ausgebildet und vollständig oxidiert werden können. Ebenso können bei einem Durchgang, durch den eine Atomschicht auf dem Substrat ausgebildet wird, mindestens zwei MALs gleichzeitig auf dem Substrat ausgebildet und oxidiert werden.
Eine nach dem Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildete Dünnschicht wird nun beschrieben.
Erste Ausführungsform
Wie in 18 gezeigt, ist eine Dünnschicht 800 aus einer Mehrzahl von Einheits-Materialschichten L auf einem Substrat 206 ausgebildet. Die Einheits-Materialschichten L sind aus ersten Komponenten P1 und zweiten Komponenten P2 zusammengesetzt. Hier ist die Dünnschicht 800 eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Boridschicht. Die Dünnschicht kann eine STO-Schicht, eine PZT-Schicht, eine BST-Schicht, eine YBCO-Schicht, eine SBTO-Schicht, eine HfSiON-Schicht, eine ZrSiO-Schicht, eine ZrHfO-Schicht, eine LaCoO-Schicht oder eine TiSiN-Schicht sein.
Die Einheits-Materialschichten L sind bevorzugt MALs, die aus Komponenten zusammengesetzt sind, aus denen die Dünnschicht gebildet ist. Wenn daher die Dünnschicht aus ersten bis dritten Komponenten gebildet ist, sind die Einheits-Materialschichten L MALs, die aus den ersten bis dritten Komponenten zusammengesetzt sind. Wenn die Dünnschicht aus ersten bis vierten Komponenten gebildet ist, sind die Einheits-Materialschichten L MALs, die aus den ersten bis vierten Komponenten zusammengesetzt sind.
Zweite Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform ist eine Dünnschicht aus drei Komponenten gebildet, die eine vorgegebene Zusammensetzung aufweisen. Wie in 19 gezeigt, ist eine Dünnschicht 900 aus einer Mehrzahl von Einheits-Materialschichten L1 gebildet, die jeweils Doppel-MALs sind. Mit anderen Worten, die Einheits-Materialschicht L1 ist aus einer ersten MAL L1a und einer zweiten MAL L1b zusammengesetzt, die sequentiell ausgebildet werden. Die erste MAL L1a ist aus ersten Komponenten P21 und zweiten Komponenten P22 gebildet, aus denen die Dünnschicht 900 zusammengesetzt ist. Die zweite MAL L1b ist aus den ersten Komponenten P21 und dritten Komponenten P23 gebildet, aus denen die Dünnschicht 900 zusammengesetzt ist.
Dritte Ausführungsform
Wie in 20 gezeigt, ist eine Dünnschicht 1000 aus Einheits-Materialschichten 12 gebildet, die aus MALs L2a und Atomschichten L2b zusammengesetzt sind. Die MALs L2a sind aus ersten und zweiten Komponenten P31 und P32 zusammengesetzt, aus denen die Dünnschicht 1000 gebildet ist, und die Atomschichten L2b sind aus dritten Komponenten P33 zusammengesetzt, aus denen die Dünnschicht 1000 gebildet ist.
In der ersten bis dritten Ausführungsform ist eine beliebige einer einzelnen MAL L und einer doppelten MAL L1, die eine Einheits-Materialschicht einer Dünnschicht bildet, oder die MAL L2a und eine Atomschicht L2b, die eine Einheits-Materialschicht einer Dünnschicht bilden, eine Atomschicht, die aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten zusammengesetzt ist. Daher können, obwohl es in den 18 bis 20 nicht gezeigt ist, MALs, die Einheits-Materialschichten einer Dünnschicht gemäß jeder der ersten bis dritten Ausführungsform darstellen, Mosaikatomschichten sein, die aus (Vorstufen enthaltend) drei oder vier unterschiedliche Komponenten, in Abhängigkeit von der Anzahl an Komponenten, aus denen die Dünnschicht zusammengesetzt ist, gebildet sind.
Wie oben beschrieben, beim Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung sind Einheits-Materialschichten, aus denen eine Dünnschicht zusammengesetzt ist, aus einschichtigen MALs oder doppelten MALs gebildet, die Komponenten enthalten, von denen mindestens eine sich von den anderen unterscheidet. Die Einheits-Materialschichten können aus MALs oder ALs zusammengesetzt sein, die nur eine der Komponenten enthalten, die die Dünnschicht bilden. Daher können die Vorteile eines herkömmlichen Verfahrens zum Ausbilden von ALs gesichert werden, und es sind im Prozess zum Ausbilden von ALs gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Prozess zum Ausbilden von ALs weniger Schritte erforderlich. Als Folge davon kann die erforderliche Zeit zum Ausbilden einer Dünnschicht verringert werden. Ebenso ist kein zusätzlicher thermischer Prozess für die Kristallisation der Dünnschicht, nachdem die Dünnschicht ausgebildet ist, erforderlich, da die Dünnschicht bei einer niedrigen Temperatur ausgebildet und kristallisiert wird. Als Folge davon ist die Ausbeute an Dünnschicht merklich höher als im Stand der Technik.
Obwohl oben viele Inhalte beschrieben wurden, sind sie als Beispiele von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und nicht als Einschränkung des Rahmens der vorliegenden Erfindung zu betrachten. Wenn zum Beispiel die Anzahl an Komponenten, die eine Dünnschicht zusammensetzen, groß ist, kann die Dünnschicht von einem Fachmann nach einem dualen Verfahren ausgebildet werden. Mit anderen Worten, anstatt MALs auszubilden und zu oxidieren, die eine Dünnschicht bildende Komponenten enthalten, werden MALs gebildet und oxidiert, die einen Teil der Komponenten enthalten, d. h. mindestens zwei MALs. Danach werden MALs gebildet und oxidiert, die die anderen Komponenten enthalten. Ebenso kann durch eine Kombination der Verfahren gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine andere Ausführungsform verwirklicht werden, die in der ausführlichen Beschreibung nicht angegeben ist. Zum Beispiel kann eine erste MAL auf einem Substrat nach einem Verfahren zum Ausbilden einer Dünn schicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden. Es kann eine beliebige der nachfolgenden MALs durch ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht mit mehreren Komponenten, wobei das Verfahren umfasst: Einladen eines Substrats in eine Reaktionskammer, Zuführen erster Vorstufen ausgewählt aus zwei Arten von Vorstufen in die Reaktionskammer, erstes Spülen der Reaktionskammer, Zuführen zweiter Vorstufen ausgewählt aus zwei Arten von Vorstufen in die Reaktionskammer, wobei die ersten und zweiten Vorstufen in einer Menge zugeführt werden, die geringer ist als es zum Ausbilden einer atomaren Schicht auf der gesamten Oberfläche des Substrats ausreichend ist, dadurch Ausbilden einer Materialschicht auf dem Substrat, die eine Mischatomschicht (MAL) zusammengesetzt aus zwei Arten von Vorstufen ist, die eine Dünnschicht bildet, Spülen des Inneren der Reaktionskammer und Ausführen einer chemischen Reaktion an der MAL.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: zweites Spülen der Reaktionskammer und Zuführen dritter Vorstufen ausgewählt aus den zwei Arten von Vorstufen in die Reaktionskammer.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die MAL eine Doppel-MAL gebildet aus einer ersten und einer zweiten MAL ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste MAL einer chemischen Reaktion unterzogen wird, bevor die zweite MAL auf der ersten MAL ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste MAL aus ersten und zweiten Vorstufen ausgewählt aus den zwei Arten von Vorstufen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die zweite MAL aus ersten und dritten Vorstufen ausgewählt aus den zwei Arten von Vorstufen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die zweite MAL aus ersten und zweiten Vorstufen unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die MAL oxidiert, nitriert oder boriert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die MAL unter Verwendung von Plasma oder Ultraviolett-Ozon unter Verwendung von entweder H₂O, O₂, O₃ oder H₂O₂ als Sauerstoffquelle oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sauerstoffquelle unter Verwendung eines Inertgases ausgespült wird, wobei am Substrat eine DC-Vorspannung angelegt wird, um das Inertgas in ein Plasma zu überführen, so dass ein Inertgasplasma gebildet wird, das zum Entfernen von Nebenprodukten, die an der Oberfläche der MAL adsorbiert sind, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Plasma unter Verwendung von Hochfrequenz(HF)-Energie oder Mikrowellenenergie gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei die erste MAL einer chemischen Reaktion nach einem Oxidationsverfahren, einem Nitrierungsverfahren oder einem Borierungsverfahren unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zusätzliche zweite Vorstufen zugeführt werden, nachdem die zweiten Vorstufen zugeführt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zusätzliche dritte Vorstufen zugeführt werden, nachdem die dritten Vorstufen zugeführt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Dünnschicht entweder eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Boridschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Dünnschicht eine STO-Schicht, eine PZT-Schicht, eine BST-Schicht, eine YBCO-Schicht, eine SBTO-Schicht, eine HfSiON-Schicht, eine ZrSiO-Schicht, eine ZrHfO-Schicht, eine LaCoO-Schicht oder eine TiSiN-Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das ferner umfasst: Ausbilden einer nicht gemischten atomaren Schicht auf der MAL, so dass eine Einheits-Materialschicht gebildet wird, die die Dünnschicht auf dem Substrat bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das ferner umfasst: Ausbilden einer nicht gemischten atomaren Schicht auf dem Substrat und anschließend Ausbilden der MAL auf der nicht gemischten atomaren Schicht, so dass eine Einheits-Materialschicht gebildet wird, die die Dünnschicht auf dem Substrat bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die Sauerstoffquelle unter Verwendung eines Inertgases ausgespült wird, wobei das Inertgas in ein Plasma überführt wird, so dass ein Inertgasplasma gebildet wird, das zum Entfernen von Nebenprodukten, die an der Oberfläche der MAL adsorbiert sind, verwendet wird.