[发明专利]在基质上形成含钽层的方法

说明书

本发明涉及一种使用ALD(原子层沉积)方法在基质上形成含钽层的方法。

现代集成电路(IC)特征中与3D拓扑结构相关的临界尺寸的连续收缩以工艺复杂性为代价提供最高密度。

根据International Technology Roadmap for Semiconductors(ITRS)，在半导体工业中常用于沉积薄膜的物理技术通常不再适于满足未来技术节点的要求，特别是对于高纵横比结构而言。使用高能粒子的技术如PVD(物理气相沉积)、i-PVD(离子化物理气相沉积)或PECVD(等离子体增强化学气相沉积)引发高粘附系数，这导致尤其是沿着侧壁的差阶梯覆盖。

能在高纵横比结构中以合理产量沉积高度均匀且保角的薄膜的主要工业选择为技术如MOCVD(金属有机化学气相沉积)或ALD(原子层沉积)。

然而，通过MOCVD沉积的膜需要高热预算，且通常遵循Volmer-Weber模式描述的3D生长机理。薄膜通过聚簇成核生长，这种技术还导致不充分的阶梯覆盖。

典型的ALD方法(例如如RITALA M.，LESKELA M.，原子层沉积，薄膜材料手册所述)涉及通过由惰性气体吹扫分开的脉冲引至基质上的气态反应物。在MOCVD中，同时注入气态反应物并通过热自分解反应，而在ALD中，配体损失通过与基质上的表面基团反应而热引发。在温度范围内，表面反应为自限性的，这允许高度均匀且保角的薄膜沉积。前体必须为挥发性且足够稳定以容易地转移至反应室中而不分解。此外，它们必须与表面的化学基团具有足够反应性以确保合理的生长速率。

ALD对于沉积含V族(V、Nb、Ta)金属的膜特别有意义。在过去几年中，通过ALD沉积的含传导族V(V、Nb、Ta)金属的薄膜对于几种主要应用而言的意义增加，所述主要应用如：BEOL应用中的铜扩散膜、CMOS金属栅极、金属-绝缘体-金属应用(DRAM...)的存储器或电极中的高k层。

然而，一般V族(V、Nb、Ta)基金属-有机前体不适于不借助热ALD方法通过等离子体技术沉积含传导族V(V、Nb、Ta)的膜。

已广泛研究了卤化物如TaCl₅，例如如US 6,268,288所公开。然而，在沉积方法期间产生的一些副产物如HCl或Cl₂可导致表面/界面粗糙，这可对最终性能有害。此外，Cl或F杂质可对最终电性能有害。因此，预期发现具有足够挥发性但不含Cl、F或Br原子的新化合物。

已考虑烷基酰胺和烷基酰亚胺，例如Ta(NMe₂)₅(PDMAT)、Ta(＝NtBu)(NEt₂)₃(TBTDET)、Ta(＝NiPr)(NMe₂)₃(IPTDMT)、Ta(＝NCH₂C(CH₃)₃)(NEt₂)₃(TAIMATA)、Ta(＝NiPr)(NEt₂)₃(IPTDET)。那些前体呈现以下优点：在室温下通常为液体，如TBTDET，并具有合理的挥发性、充分的贮藏寿命和热稳定性。Urdahl等在WO 02/20870中已提出TBTDET用于沉积Ta₂O₅。US 6,593,484中已公开了TAIMATA。US2004/0219784中公开了通过顺序地注入TBTDET或TAIMATA和其他N源沉积氮化钽膜的方法。US 2004/0014320中已公开了产生PDMAT前体的方法和设备。

2005年，两个日本专利申请JP 2005-132756(A)和JP 2005-132757公开了通过引入如下通式所述环戊二烯基配体的上述前体：

R¹为包含1-3个碳原子的烷基，R²为包含1-5个碳原子的烷基，R³为包含1-6个碳原子的烷基，R⁴为甲基或乙基，m为0-5的整数，至于n，m+n为5或更小，Z为氯、溴或碘。然而，在600℃下通过MOCVD使用所述金属-有机前体不适于沉积高度均匀且保角的薄膜。这种沉积将在高纵横比结构中产生差的阶梯覆盖。

然而，根据技术发展水平，在有意义的生长速率方面，MOCVD方法为最好的解决方法，所以永远不进行其他方法。