用于在衬底上沉积具有较高介电常数的涂层的方法技术

提供了一种用于在衬底（１４）如半导体晶片上沉积高ｋ介电涂层的方法。对衬底进行一次或多次反应循环。例如，在典型的反应循环中，将衬底加热到一定的沉积温度。之后，在一个实施例中，将一种或多种用于反应的有机金属气体先质供应到反应容器（１２）中。还在一定的氧化温度下向衬底提供氧化气体，以便氧化和／或致密化这些层。结果，形成了金属氧化物涂层，其厚度等于至少约一个单层，在一些情况下等于两个或多个单层。所得金属氧化物涂层的介电常数通常大于约４，在一些情况下为约１０到约８０。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请要求享有于2001年3月20日提交的临时申请No.60/277326的优先权。
技术介绍
为了形成MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件或高性能存储器件如DRAM(动态随机存取存储器)，通常需要在衬底如硅晶片上形成薄的高介电常数(高k)的涂层。例如，这种涂层的厚度通常小于30毫微米。为了在衬底上形成这种薄介电涂层，已经开发了多种沉积技术。例如，传统上采用化学气相沉积(CVD)来在衬底上形成高k涂层。化学气相沉积通常涉及将气体先质和氧化气体供应到容器中。先质分解并与氧化气体在衬底表面上发生反应以形成氧化涂层。然而，化学气相沉积通常会导致具有许多缺陷的较厚的层，这会限制所得电子设备的性能。因此，在形成高k涂层之后，通常将其暴露在退火气体中，使得氧气可渗入到涂层中，消除存在于涂层和衬底的交界处以及涂层体积内的缺陷。在许多情况下，需要较高的温度来使氧化气体以上述方式扩散通过此涂层。然而，这种高温有时会引起不希望发生的涂层结晶化，从而增大通过晶粒边界的泄漏电流，它会不利地降低电子器件的整体性能。因此，鉴于这些问题，已经开发了另一种用于在衬底上沉积高k涂层的方法，其称为“原子层沉积”。原子层沉积涉及反应化学物到晶片衬底上的连续循环以形成薄膜层。具体地说，在相同的沉积和表面活性条件下进行各反应循环，使得每次反应循环只形成一个单层。例如，原子层沉积通常涉及供应气体先质(如无机金属卤化物)以提供一个单层。之后，供应第二气体如水，以完全地氧化气体先质并在晶片衬底上形成金属氧化膜。采用附加的循环来形成其它的单层，直到形成所需的涂层。之后，供应退火气体以消除涂层上的缺陷。例如，如图4A所示，图中显示了根据传统的“原子层沉积”技术所形成的涂层。在授予Suntola的美国专利No.4058430和4413022中介绍了这种传统原子层沉积技术的其它例子。虽然原子层沉积较现有方法具有一些优点，然而它仍存在许多问题。例如，原子层沉积提供了非常少的加工控制，因此，可能无法容易地实现介电涂层的某些目标性能。另外，由于原子层沉积限制在每次反应循环只形成一个单层，因此它在生产环境中的有效性受到了限制。因此，存在着对在衬底上沉积高k涂层的改进方法的需求。专利技术概要根据本专利技术的一个实施例，提供了一种用于在衬底(如半导体晶片)上沉积介电涂层的方法，此方法包括一种系统，其包括适于容纳衬底的反应容器和与反应容器连通以加热衬底的能量源。然而在反应容器中，可对衬底进行一次或多次反应循环。例如，一个反应循环可包括下述a)采用能量源将衬底加热到第一沉积温度，其中第一沉积温度大于约300℃；b)在衬底处于第一沉积温度时向反应容器中供应第一气体先质并持续第一沉积时间，第一气体先质具有第一气体先质流量，第一气体先质包括有机金属化合物；c)在衬底处于第一氧化气体温度时向反应容器中供应第一氧化气体并持续第一氧化气体时间，第一氧化气体具有第一氧化气体流量。结果，在反应循环期间形成了电介质的至少部分单层，在一些情况下至少形成了一个单层。例如，电介质可含有金属氧化物，其包括但不限于氧化铝(Al2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钇(Y2O3)及其组合物等。另外，介电涂层还可含有金属硅酸盐，例如硅酸铪或硅酸锆。另外，用于在衬底上沉积介电涂层的方法还包括对衬底进行第二反应循环，所述第二反应循环包括a)在衬底处于第二沉积温度时向反应容器中供应第二气体先质并持续第二沉积时间，此第二沉积温度大于约300℃，第二气体先质具有第二气体先质流量；b)在衬底处于第二氧化气体温度时向反应容器中供应第二氧化气体并持续第二氧化气体时间，第二氧化气体具有第二氧化气体流量。此方法还包括控制第一反应循环和第二反应循环，使得第一沉积温度与第二沉积温度不同，第一气体先质流量与第二气体先质流量不同，第一沉积时间与第二沉积时间不同，第一氧化气体温度与第二氧化气体温度不同，第一氧化气体流量与第二氧化气体流量不同，第一氧化气体时间与第二氧化气体时间不同，或者使得存在着上述不同的组合。然而在一些备选实施例中，在各反应循环中各上述参数基本上保持相同。根据本专利技术的另一实施例，公开了一种用于沉积介电涂层的方法。此方法包括i)提供一种系统，其包括适于容纳半导体晶片的反应容器和与反应容器连通以加热容纳于容器中的半导体晶片的能量源；和ii)对半导体晶片进行第一反应循环，此第一反应循环包括a)采用能量源将半导体晶片加热到第一沉积温度，其中第一沉积温度大于约300℃；b)在半导体晶片处于第一沉积温度时向反应容器中供应第一气体先质并持续第一沉积时间，第一气体先质具有第一气体先质流量；c)在半导体晶片处于第一氧化温度时向反应容器中供应第一氧化气体并持续第一氧化气体时间，第一氧化气体具有第一氧化气体流量，其中在第一反应循环期间形成了电介质的至少部分单层；和iii)对半导体晶片进行第二反应循环，此第二反应循环包括a)在半导体晶片处于第二沉积温度时向反应容器中供应第二气体先质并持续第二沉积时间，此第二沉积温度大于约300℃，第二气体先质具有第二气体先质流量；b)在半导体晶片处于第二氧化气体温度时向反应容器中供应第二氧化气体并持续第二氧化气体时间，第二氧化气体具有第二氧化气体流量，其中在第二反应循环期间形成了电介质的至少部分单层；和iv)对半导体晶片进行一次或多次附加反应循环以达到目标厚度。在此实施例中，第一气体先质、第二气体先质或其组合包括有机硅化合物，使得所得到的介电涂层含有金属硅酸盐。下面将详细地讨论本专利技术的其它特征和方面。附图简介在引用了附图的说明书的余下部分中将更具体地介绍本专利技术的完整且有效的公开内容，其包括实施专利技术的最佳方式，这是本领域的技术人员所理解的。在附图中附图说明图1是可在本专利技术的一个实施例中使用的快速热化学气相沉积系统的剖视图；图2是用于确定本专利技术的一个实施例所需的反应循环次数的方法的流程图；图3是根据本专利技术的一个实施例的用于三个反应循环的温度、流量和时间曲线的图示；图4是各个反应循环的图示，其中图4A显示了采用传统的原子层沉积技术来沉积化学物“a”和“e”，图4B显示了根据本专利技术的一个实施例来沉积化学物“a”和“e”；图5是本专利技术的一个实施例的图示，其中图5A是沉积厚度与循环次数的关系图，图5B是沉积厚度与气体先质时间的关系图，图5C是沉积厚度与总时间的关系图，而图5D是沉积厚度与气体先质蒸气压力的关系图；和图6是本专利技术的一个实施例的图示，其中图6A是晶片上不同点处的沉积厚度与此点到晶片中心的距离的关系图，而图6B是由椭圆对称和原子力显微技术确定的晶片的表面均匀性和光洁度。在此说明书和附图中对标号的重复使用是用于说明本专利技术的相同或相似的特征或元件。代表性实施例的详细介绍本领域的技术人员可以理解，这里的讨论只是代表性实施例的描述，并不限制本专利技术的更广的范围，其中在代表性结构中体现了更广的范围。本专利技术大体上涉及一种在衬底上沉积具有较高介电常数″k″的涂层的方法。例如，根据本专利技术形成的涂层的介电常数通常大于约4，在一些实施例中大于约8，在一些实施例中大于约10，并且在一些实施例中大于约15。例如，根据本专利技术形成的涂层的介电常数在约5到约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在衬底上沉积介电涂层的方法，包括：　　　　ｉ）提供一种系统，其包括适于容纳所述衬底的反应容器和与所述反应容器连通以加热容纳在所述容器内的所述衬底的能量源；和　　　　ｉｉ）对所述衬底进行第一反应循环，所述第一反应循环包括：　　　　ａ）采用所述能量源将所述衬底加热到第一沉积温度，其中所述第一沉积温度大于约３００℃；　　　　ｂ）在所述衬底处于所述第一沉积温度时向所述反应容器中供应第一气体先质并持续第一沉积时间，所述第一气体先质具有第一气体先质流量，所述第一气体先质包括有机金属化合物；　　　　ｃ）在所述衬底处于第一氧化气体温度时向所述反应容器中供应第一氧化气体并持续第一氧化气体时间，所述第一氧化气体具有第一氧化气体流量，其中在所述第一反应循环期间形成电介质的至少部分单层；和　　　　ｉｉｉ）对所述衬底进行一个或多个附加反应循环以达到目标厚度。

【技术特征摘要】
US 2001-3-20 60/277,3261.一种用于在衬底上沉积介电涂层的方法，包括i)提供一种系统，其包括适于容纳所述衬底的反应容器和与所述反应容器连通以加热容纳在所述容器内的所述衬底的能量源；和ii)对所述衬底进行第一反应循环，所述第一反应循环包括a)采用所述能量源将所述衬底加热到第一沉积温度，其中所述第一沉积温度大于约300℃；b)在所述衬底处于所述第一沉积温度时向所述反应容器中供应第一气体先质并持续第一沉积时间，所述第一气体先质具有第一气体先质流量，所述第一气体先质包括有机金属化合物；c)在所述衬底处于第一氧化气体温度时向所述反应容器中供应第一氧化气体并持续第一氧化气体时间，所述第一氧化气体具有第一氧化气体流量，其中在所述第一反应循环期间形成电介质的至少部分单层；和iii)对所述衬底进行一个或多个附加反应循环以达到目标厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个单层为在所述第一反应循环期间形成的介电层。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积温度大于约500℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积温度为从约500℃到约900℃。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氧化气体温度大于约300℃。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氧化气体温度为从约500℃到约900℃。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一反应循环之后对所述衬底进行第二反应循环，所述第二反应循环包括a)在所述衬底处于第二沉积温度时向所述反应容器供应第二气体先质并持续第二沉积时间，所述第二沉积温度大于约300℃，所述第二气体先质具有第二气体先质流量；b)在所述衬底处于第二氧化气体温度时向所述反应容器供应第二氧化气体并持续第二氧化气体时间，所述第二氧化气体具有第二氧化气体流量，其中在所述第二反应循环期间形成电介质的至少部分单层。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括控制所述第一反应循环和所述第二反应循环，使得所述第一沉积温度与所述第二沉积温度不同，所述第一气体先质流量与所述第二气体先质流量不同，所述第一沉积时间与所述第二沉积时间不同，所述第一氧化气体温度与所述第二氧化气体温度不同，所述第一氧化气体流量与所述第二氧化气体流量不同，所述第一氧化气体时间与所述第二氧化气体时间不同，或者使得存在着上述不同的组合。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电涂层的介电常数大于约8。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电涂层的介电常数为从约10到约80。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电涂层含有金属氧化物。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物涂层的所述金属选自铝、钽、钛、锆、硅、铪、钇及其组合物。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电涂层含有金属硅酸盐。14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为半导体晶片。15.一种用于在衬底上沉积介电涂层的方法，包括i)提供一种系统，其包括适于容纳衬底的反应容器和与所述反应容器连通以加热容纳于所述容器中的所述衬底的能量源；和ii)对所述衬底进行第一反应循环，所述第一反应循环包括a)采用所述能量源将所述衬底加热到第一沉积温度，其中所述第一沉积温度大于约300℃；b)在所述衬底处于所述第一沉积温度时向所述反应容器中供应第一气体先质并持续第一沉积时间，所述第一气体先质具有第一气体先质流量，所述第一气体先质包括有机金属化合物；和c)在所述衬底处于第一氧化气体温度时向所述反应容器中供应第一氧化气体并持续第一氧化气体时间，所述第一氧化气体具有第一氧化气体流量，其中在所述第一反应循环期间形成了电介质的至少部分单层；和iii)对所述衬底进行第二反应循环，所述第二反应循环包括a)在所述衬底处于第二沉积温度时向所述反应容器中供应第二气体先质并持续第二沉积时间，所述第二沉积温度大于约300℃，所述第二气体先质具有第二气体先质流量；b)在所述衬底处于第二氧化气体温度时向所述反应容器中供应第二氧化气体并持续第二氧化气体时间，所述第二氧化气体具有第二氧化气体流量，其中在所述第二反应循环期间形...

【专利技术属性】
技术研发人员：J常，YS林，A凯普滕，M森德勒，S莱维，R布洛姆，
申请(专利权)人：马特森技术公司，加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]