[发明专利]利用受激氮-氧类进行的金属氧化物薄膜沉积的系统和方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请涉及并要求2009年8月14日提交的名为“利用受激氮-氧类进行的金属氧化物薄膜沉积的系统和方法”的临时专利申请序列号61/234,017；2010年5月7日提交的名为“利用受激氮-氧类进行的金属氧化物薄膜沉积系统和方法”的临时专利申请序列号61/332,600；以及2010年8月11日提交的名为“利用受激氮-氧类进行的金属氧化物薄膜沉积的系统和方法”的美国发明专利申请序列号12/854,818的优先权，其中上述各专利作为参考文献引入本文中。

发明说明

发明领域

本申请涉及薄膜沉积，并且更具体涉及使用前体通过利用臭氧和受激氮-氧类的原子层沉积法沉积金属氧化物的系统和方法。

背景技术

多年来，二氧化硅(SiO₂)作为例如晶体管栅电介质和电容电介质的元件已用于半导体衬底中。然而，由于电路元件尺寸减小，SiO₂的电性能特性导致不希望有的后果，例如增加泄漏电流。当较老一代的电介质例如SiO₂用于制造较新的集成电路几何结构时，控制泄漏电流以保持高速及低功率性能是一个难题。

较新的工艺，尤其是那些使用制造几何结构小于65nm的工艺已经开始在半导体制造中包括高介电常数(高k)绝缘体。尤其是对于45nm以及更小工艺的几何结构，一些芯片制造商现在依赖于高k电介质。用高k电介质取代SiO₂栅电介质对于获得更小的器件几何结构同时控制泄漏及其它电性能标准是重要的。

当高k电介质的使用便于集成电路元件例如晶体管栅电介质按比例缩得更小时，在它们的制造中存在难题。已知某些金属和稀土氧化物例如氧化锆，氧化钛，氧化铪，氧化钽，氧化铝，氧化钇，以及氧化镧提供所希望的特性，沉积为薄膜时在制造工艺期间仍存在问题，例如工艺化学之间的不相容性，沉积循环时间延长，以及低于所需的沉积均匀性。

有各种各样的方法及相关的设备在衬底例如半导体上提供薄膜。一些在衬底上形成薄膜的方法利用半导体上的表面反应，例如真空蒸发沉积，分子束外延，化学气相沉积(CVD)的不同变种方法(包括低压CVD，有机金属CVD和等离子体增强CVD)以及原子层外延(ALE)。ALE也被称为原子层沉积(ALD)。

ALD是一种通过不同前体物质的顺序引入在衬底的表面上沉积薄膜的方法。常规的ALD设备可包括反应室，该反应室包含反应器和衬底支架；气流系统，该气流系统包含用于对衬底表面提供前体和反应物的气体进口；和用于去除已用的气体的排气系统。生长机理依赖衬底活性部位上吸附前体并且优选保持的条件使得在衬底上形成仅仅一个单层，从而自终止该工艺。使衬底与第一前体接触，通常后面是清除阶段或其它去除工艺(例如排空或“抽空”)，其中任何过量的第一前体以及任何反应副产物从反应室去除。然后第二反应物或者前体被引入反应室中，此时它与第一前体反应，并且该反应在衬底上形成所需的薄膜。当所有吸附于衬底的可用的第一前体物质与第二前体反应后反应终止。随后实施第二或其它去除阶段以除去反应内的任何剩余第二前体以及可能的反应副产物。该循环可重复以使薄膜生长至所需的厚度。

ALD相比其它沉积工艺的一个公认的优点是它是自饱和的且均匀，只要温度在ALD范围内(其高于反应物的冷凝温度并且低于反应物的热分解温度)，并且在每个脉冲中提供足够的反应物以使表面饱和。因此，温度和气体供给都不需要完全均匀以获得均匀的沉积。

ALD还描述于芬兰的专利公布52359和57975以及美国专利号4058430和4389973。实施这些方法的设备揭示于美国专利号5855680，6511539和6820570，芬兰专利号100409，Material Science Report 4(7)(1989)，第261页，以及Tyhjiotekniikka(真空技术的芬兰出版物)，ISBN951-794-422-5，第253-261页。