通过原子层沉积形成混合稀土氧化物和铝酸盐薄膜的方法

专利名称：通过原子层沉积形成混合稀土氧化物和铝酸盐薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体制造的形成电介质材料的方法，更具体地涉及一种形成高介电常数的混合稀土氧化物薄膜和混合稀土铝酸盐薄膜的 方法，所述薄膜包含多种不同的稀土金属元素。
背景技术：
对于将来的电子器件，高介电常数(高k)材料是用作电容器电介质 和栅极电介质的理想材料。最先用作电容器电介质的高k材料是氧化钽和
氧化铝材料。在DRAM制造中，目前正在使用混合铪铝氧化物材料作为
电容器电介质。类似地，期望将铪基电介质作为栅极电介质用于制造，从 而取代目前的氧化硅和氧氮化硅材料。
沉积高k电介质的最常见方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相 沉积(CVD)和原子层沉积(ALD) 。 ALD方法相对于PVD和CVD方 法的优点包括改善薄膜的厚度控制、改善整个晶片的均匀性以及改善高深 宽比结构的保形性。
原子层沉积工艺包括将独立的反应蒸气流的脉冲引入含有衬底的处理 室，各个脉冲通过吹扫或排空操作分隔。在每个脉冲期间，在晶片表面上 形成自限制化学吸附层，然后该层与下个脉冲中所含组分反应。在脉冲间 隙通过吹扫或排空操作来减少或消除反应蒸气流的气相混合。普通的ALD 工艺可以很好地控制每个循环下的亚单层(sub-monolayer)或近单层
(near-monolayer)的生长。
ALD的一个代表性实例是通过三甲基铝和水沉积铝(Al)氧化物。在 此ALD工艺中，三甲基铝的脉冲会与受热衬底表面上的羟基反应，形成 甲基-铝部分的化学吸附层，该化学吸附层自限制为少于一个单层。然后将 反应室吹扫或排空，以去除未反应的三甲基铝以及任何的气相反应副产 物。然后引入水的脉冲，其与表面铝-甲基键反应并重新生成羟基化的表 面。重复上述沉积循环，可以实现逐层的薄膜生长，每个循环生长约1埃
(10—1Qm)的薄膜。通过选择不同的反应前驱体和气体，ALD工艺可以沉 积许多不同类型的薄膜。
目前接受评价的高k电介质材料存在各种问题。遇到的一些问题包 括退火时的薄膜结晶，沉积和进一步处理时的界面层生长，界面陷阱密度大，沟道迁移率下降，与多晶硅栅极反应以及金属栅极的费密能级钉 扎。为了减轻上述问题，最近提出使用混合的锆(Zr)和铪(Hf)氧化物
作为高k电介质。与纯Zr氧化物或纯Hf氧化物相比，这些电介质的优点 包括提高热稳定性和改善电气性质。尽管并不知道造成这些改善的全部因 素，但是锆和铪具有类似的化学性质并且锆氧化物与铪氧化物可无限混 溶，这促进了混合Zr和Hf氧化物的使用。现有高k电介质材料存在的其 它问题包括介电常数远低于高级半导体器件所期望的值。此外，高k电介 质材料与下方衬底之间存在界面层，这会导致介电常数进一步降低。
因此，需要进一步开发高k电介质材料的形成方法，所述高k电介质 材料可在例如电容器和晶体管的半导体器件中用作栅极电介质。

发明内容
本发明的实施方式提供了一种通过ALD和离子增强ALD (PEALD) 形成混合稀土氧化物和铝酸盐薄膜的方法。所述混合稀土氧化物和铝酸盐 薄膜包含多种不同稀土金属元素的混合物，所述稀土金属元素包括Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm禾口 Yb。例
如，混合稀土氧化物和铝酸盐薄膜可用于高级半导体应用，包括未来的用 作电容器和栅极电介质二者的高k电介质材料。
根据本发明的一种实施方式，提供了一种形成混合稀土氧化物薄膜或
混合稀土铝酸盐薄膜的方法，这如下实现将衬底布置在处理室中，然后 将衬底暴露于气体脉冲序列以沉积具有期望厚度的混合稀土氧化物薄膜或 混合稀土铝酸盐薄膜。气体脉冲序列以任意次序包括a)先将衬底暴露 于包含第一稀土前驱体的气体脉冲，再将衬底暴露于包含含氧气体的气体 脉冲；b)先将衬底暴露于包含第二稀土前驱体的气体脉冲，再将衬底暴 露于包含含氧气体的气体脉冲，其中第一和第二稀土前驱体包含不同的稀 土金属元素；以及任选的c)先将衬底暴露于包含铝前驱体的气体脉冲， 再将衬底暴露于包含含氧气体的气体脉冲。所述方法还包括任选地以期 望次数重复每一个a) 、 b)和任选的c)，并且任选地以期望次数以任意 次序重复包括a) 、 b)和任选的c)的气体脉冲序列，以达到期望的厚度。根据本发明的一种实施方式，该方法还包括在至少一个暴露步骤之后 吹扫或排空所述处理室。
根据本发明的另一种实施方式，提供了一种形成混合稀土氧化物薄膜 的方法，这如下实现a)将衬底布置在处理室中；b)将衬底顺序暴露于 包含多种稀土前驱体的气体脉冲，每种稀土前驱体包含不同的稀土金属元 素；C)将衬底暴露于包含含氧气体的脉冲；以及d)以期望次数重复步骤 b)和C)期望次数，从而沉积具有期望厚度的混合稀土氧化物薄膜。根据 本发明的一种实施方式，所述方法还包括在至少一个暴露步骤之后吹扫或 排空处理室。根据本发明的另一种实施方式，步骤b)的气体脉冲包括铝 前驱体，从而形成混合稀土铝酸盐薄膜。根据另一种实施方式，在进行了 步骤b)和C)之后，将衬底暴露于另一个脉冲序列，包括暴露于铝前驱 体再暴露于含氧气体，从而形成混合稀土铝酸盐薄膜。


图1A示出了根据本发明的实施方式的ALD系统的示意图1B示出了根据本发明的实施方式的PEALD系统的示意图2A-2F示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土
基薄膜的脉冲序列；
图3A-3D为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氧化物薄膜的
工艺流程图4A-4B为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氮化物薄膜的 工艺流程图5A-5B为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氧氮化物薄膜 的工艺流程图6A-6B为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝酸盐薄膜的 工艺流程图7A-7B为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝氮化物薄膜 的工艺流程图8A-8B为根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝氧氮化物薄膜的工艺流程图9A和9B示意性地示出了根据本发明的实施方式的包含混合稀土基 材料的半导体器件的剖视图。
具体实施例方式
如同混合Zr/Hf氧化物基材料的情况，混合稀土基材料很可能为半导 体应用中的未来高k应用提供有益的热特性和电特性。本文所用的"混合 稀土基材料"是指包含多种(即至少两种)不同的稀土金属元素的材料。 由于稀土元素作为氧化物、氮化物、氧氮化物、铝酸盐、铝氮化物和铝氧 氮化物时，其化学性质类似并可几乎无限混溶，因此预期它们可与其它稀 土元素形成高度稳定的固溶体。包含结合了多种稀土金属元素的混合稀土 基材料的薄膜的预期优点包括提高了与硅或金属栅电极材料接触的热稳 定性；提高了结晶温度；与包含单一稀土金属元素的稀土基材料相比增大 了介电常数；降低了界面陷阱密度；减少了阈值电压偏移和费密能级钉 扎；改善了处理特性。例如，混合稀土基薄膜可用于未来高k电介质材料 (用作电容器和晶体管栅极电介质)的应用。
将铝结合到混合稀土氧化物基材料中以形成铝酸盐结构，这样可以提 高与硅接触的热稳定性以及更宽的带隙从而减少泄漏。其它优点包括可将 介电常数提高到超过只包含一种稀土金属元素的稀土铝酸盐的介电常数。 可以预期，使用不同原子尺寸的稀土元素的混合稀土铝酸盐薄膜可能存在 组成范围，这些薄膜由于极性增大而具有明显较高的介电常数，极性增大 可以通过两种稀土金属离子(例如，镧(La)与镥(Lu)的铝酸盐混合) 之间的尺寸失配来实现。
将氮结合到栅极电介质材料中具有几个优点。在某些情况下，已报导 电气特性得到改善。此外，氮掺杂的电介质与纯氧化物材料相比容易在更 高的温度下保持无定形。氮结合的其它优点是使材料的介电常数略微增大 并且抑制掺杂物通过材料的扩散。最后，氮结合有助于抑制薄膜沉积和后 续处理步骤中的界面层生长。
本发明的实施方式提供了一种形成混合稀土基薄膜的方法，所述薄膜可以在优异的厚度控制条件下对于较高的深宽比进行均匀地沉积，而较高 的深宽比是未来的DRAM和逻辑电路中可以预见的。由于沉积高k薄膜
的CVD和PVD方法不能提供所需的保形性以及通过沉积速率控制原子 层，因此在未来的集成电路中需要使用沉积高k材料的ALD和PEALD方法。
在以下描述中，为了便于充分理解本发明，以及为了说明性而非限制 性的目的，以下描述提出了具体细节，例如沉积系统的具体几何结构以及 其中所用的各种部件的描述。然而应当理解，本发明可以通过不同于这些 具体细节的其它实施方式来实施。
现在参见附图，图1A示出了根据本发明的一种实施方式在衬底上沉 积混合稀土基薄膜的ALD系统1。 ALD系统1包括处理室10，处理室10 具有被配置用于支撑衬底25的衬底支架20，在衬底25上形成混合稀土基 薄膜。处理室IO还包括上组件30 (例如，喷淋头)，上组件30耦合至第 一处理材料供给系统40、第二处理材料供给系统42、吹扫气体供给系统 44、含氧气体供给系统46、含氮气体供给系统48和含铝气体供给系统 50。此外，ALD系统1包括耦合至衬底支架20并被配置用于升高和控制 衬底25的温度的衬底温度控制系统60。另外，ALD系统1包括控制器 70，控制器70可耦合至处理室10、衬底支架20、被配置用于将处理气体 引入处理室10的组件30、第一处理材料供给系统40、第二处理材料供给 系统42、吹扫气体供给系统44、含氧气体供给系统46、含氮气体供给系 统48、含铝气体供给系统50和衬底温度控制系统60。
或者(或替代性地)，控制器70可耦合至一个或更多个另外的控制 器/计算机(未示出)，并且控制器70可从另一个控制器/计算机获取设置 和/或配置信息。
在图1A中，示出了单一的处理元件(10、 20、 30、 40、 42、 44、 46、 48、 50和60)，但这并非本发明所必需。ALD系统1可包括任意数 量的处理元件，这些处理元件除了独立的处理元件以外还可具有与其相连 的任意数量的控制器。
控制器70可用于配置任意数量的处理元件(10、 20、 30、 40、 42、44、 46、 48、 50和60)，并且控制器70可收集、提供、处理、存储和显 示来自处理元件的数据。控制器70可包括一定数量的用于控制一个或更 多个处理元件的应用程序。例如，控制器70可包括能够提供易于使用的 界面的图形用户界面(GUI)构件(未示出)，以使用户监测和/或控制一 种或更多种处理元件。
仍参见图1A， ALD系统1可被配置用于处理200 mm衬底、300 mm 衬底或更大尺寸的衬底。实际上，本领域技术人员可以预期，该沉积系统 可被配置用于处理各种尺寸的衬底、晶片或LCD。因此，尽管本发明的各 个方面以处理半导体衬底的方式来描述，但本发明并不限于此。或者，可 以使用能够同时处理多个衬底的间歇式ALD系统来沉积本发明的实施方 式中描述的混合稀土基薄膜。
第一处理材料供给系统40和第二处理材料供给系统42被配置用于向 处理室10中交替或同时引入第一和第二稀土前驱体，其中第一和第二稀 土前驱体包含不同的稀土金属元素。第一和第二稀土前驱体的交替引入可 以是循环的，或可以是非循环的，在第一与第二材料的引入之间具有可变 的时间长度。此外，第一处理材料供给系统40和第二处理材料供给系统 42中的每一个可被配置用于将多种稀土前驱体交替或同时引入处理室 10，所述多种稀土前驱体包含不同的稀土金属元素。
根据本发明的实施方式，可以使用数种方法将稀土前驱体引入处理室 10。 一种方法包括通过使用独立的起泡器或直接液体注射系统或其组合 将稀土前驱体汽化，然后在引入处理室10期间或之前将其混合在气相 中。通过独立控制每种前驱体的汽化速率，可以使沉积薄膜中具有期望的 稀土金属元素化学计量。另一种供给每种稀土前驱体的方法包括独立控制 两种或更多种不同的液体源，然后在进入通用蒸发器之前将其混合。当前 驱体在溶液中相容或为液体形式并且具有类似的汽化特性时，可以使用该 方法。其它方法包括在起泡器中使用相容的混合固体或液体前驱体。液体 源前驱体可包括纯液体稀土前驱体或者溶解在相容溶剂中的固体或液体稀
土前驱体。可用的相容溶剂包括但不限于，离子液体、烃(脂族烃、烯烃 和芳族烃)、胺、酉旨、聚乙烯醚类(glymes)、冠醚、醚和聚醚。在某些情况下，可以将一种或更多种相容的固体前驱体溶解在一种或更多种相容
的液体前驱体中。对本领域技术人员显而易见的是，以此方式，通过引入
多种不同的稀土元素，可使沉积薄膜中包含多种稀土前驱体。本领域技术
人员还会认识到，通过控制气体脉冲中的不同前驱体的相对浓度水平，可
以以期望的化学计量沉积混合稀土基薄膜。
本发明的实施方式可以使用各种不同的稀土前驱体。例如，许多稀土 前驱体具有下式
其中，M为稀土元素，选自钇(Y)、镥(Lu)、镧(La)、铈 (Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、轧(Gd)、铽 (Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)和镱(Yb) ; L1、 L2、 1^3为独立的阴离子配体；D为中性供体配体，其中x可为0、 1、 2或 3。 L1、 L2、 1^配体可各自独立地选自垸氧化物、卤化物、芳氧化物、酰 胺、环戊二烯基、垸基、甲硅烷基、酰胺化物(amidinate) 、 /3-二酮酸 盐、酮亚胺(ketoiminate)、硅烷醇化物(silanoate)和羧酸盐。D配体可 选自醚、呋喃、吡啶、吡咯、吡咯烷、胺、冠醚、聚乙烯醚类和腈。
L基烷氧化物的示例包括叔丁氧化物、异丙氧化物、乙氧化物、1-甲 氧基-2，2-二甲基-2-丙酸盐(MMP) 、 1-二甲基氨基-2,2，-二甲基-丙酸盐、 戊氧化物和新戊氧化物。卤化物的示例包括氟化物、氯化物、碘化物和溴 化物。芳氧化物的示例包括苯氧化物和2,4,6-三甲基苯氧化物。酰胺的示 例包括二(三甲基甲硅烷基)酰胺、二叔丁基酰胺和2，2，6，6-四甲基哌啶 (TMPD)。环戊二烯基的示例包括环戊二烯基、1-甲基环戊二烯基、 1,2,3,4-四甲基环戊二烯基、1-乙基环戊二烯基、五甲基环戊二烯基、1-异 丙基环戊二烯基、1-正丙基环戊二烯基和1-正丁基环戊二烯基。垸基的示 例包括二(三甲基甲硅烷基)甲基、三(三甲基甲硅烷基)甲基和三甲基甲硅烷 基甲基。甲硅烷基化合物的示例是三甲基甲硅烷基。酰胺化物的示例包括 N,N，-二叔丁基乙酰胺化物、N,N，-二异丙基乙酰胺化物、N,N，-二异丙基-2-叔丁基乙酰胺化物和N,N'-二叔丁基-2-叔丁基乙酰胺化物。/S-二酮酸盐的 示例包括2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸盐(THD)、六氟-2,4-戊二酸盐和6,6，7,7,8,8,8-七氟-2，2-二甲基-3，5-辛二酸盐(FOD)。酮亚胺的示例是2-异 丙基亚氨基-4-戊酸盐。硅烷醇化物的示例包括三-叔丁基硅氧化物和三乙 基硅氧化物。羧酸盐的示例是2-乙基己酸盐。
D配体的示例包括四氢呋喃、二乙醚、1,2-二甲氧基乙烷、二聚乙烯 醚、三聚乙烯醚、四聚乙烯醚、12-冠-6-醚、10-冠-4-醚、吡啶、N-甲基吡 咯烷、三乙胺、三甲胺、乙腈和2，2-二甲基丙腈。
稀土前驱体的代表性示例包括
Y前驱体Y(N(SiMe3)2)3 、 Y(N(iPr)2)3 、 Y(N(tBu)SiMe3)3 、 Y(TMPD)3 、 Cp3Y 、 (MeCp)3Y 、 ((nPr)Cp)3Y 、 ((nBu)Cp)3Y 、 Y(OCMe2CH2NMe2)3 、 Y(THD)3 、 Y[OOCCH(C2H5)C4H9〗3 、 Y(Q凡902)3CH3(OCH2CH2)30CH3 、 Y(CF3COCHCOCF3)3 、 Y(OOCC10H7)3、 Y(OOC10H19)J Y(0(iPr))3。
La前驱体La(N(SiMe3)2)3 、 La(N(iPr)2)3 、 La(N(tBu)SiMe3)3 、 La(TMPD)3、 ((iPr)Cp)3La 、 Cp3La、 Cp3La(NCCH3)2 、 La(Me2NC2H4Cp)3 、 La(THD)3 、 La[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、
La(CnHw02)3'CH3(OCH2CH2)30CH3 、 La(CnH^02)3.CH3(OCH2CH2)40CH3、 La(0(iPr))3 、 La(OEt)3 、 La(acac)3 、 La(((tBu)2N)2CMe)3 、 La(((iPr)2N)2CMe)3 、 La(((tBu)2N)2C(tBu))3 、 La(((iPr)2N)2C(iPr))3禾口 La(FOD)3 。
Ce前驱体Ce(N(SiMe3)2)3 、 Ce(N(iPr)2)3 、 Ce(N(tBu)SiMe3)3 、 Ce(TMPD)3 、 Ce(FOD)3 、 ((iPr)Cp)3Ce 、 Cp3Ce 、 Ce(Me4Cp)3 、 Ce(OCMe2CH2NMe2)3 、 Ce(THD)3 、 Ce[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、 Ce(CuH1902)3CH3(OCH2CH2)3OCH3 、
Ce(CnHi902)3'CH3(OCH2CH2)40CH3、 Pr前驱体Pr(N(SiMe3)2)3 、 Pr(FOD)3 、 (C5Me4H)3Pr Pr(CuHw02)3CH3(OCH2CH2)30CH3 、
Ce(0(iPr))3禾口 Ce(acac)3。 ((iPr)Cp)3Pr 、 Cp3Pr 、 Pr(THD)3 、 、Pr[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、 Pr(0(iPr))3 、 Pr(acac)3 、 Pr(hfac)3 、
Pr(((tBu)2N)2CMe)3 、 Pr(((iPr)2N)2CMe)3 、 Pr(((tBu)2N)2C(tBu))3 和 Pr(((iPr)2N)2C(iPr))3。Nd前驱体:Nd(N(SiMe3)2)3 、 Nd(N(iPr)2)3 、 ((iPr)Cp)3Nd、 Cp3Nd、 (C5Me4H)3Nd 、 Nd(THD)3 、 Nd[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、 Nd(0(iPr))3 、 Nd(acac)3、 Nd(hfac)3、 Nd(F3CC(0)CHC(0)CH3)^P Nd(FOD)3。
Sm前驱体Sm(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Sm 、 Cp3Sm 、 Sm(THD)3 、 Sm[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Sm(0(iPr))3、 Sm(acac)J(C5Me5)2Sm。
Eu前驱体Eu(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Eu 、 Cp3Eu 、 (Me4Cp)3Eu、 Eu(THD)3 、Eu[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、Eu(0(iPr))3 、Eu(acac)3 和 (C5Me5)2Eu。
Gd前驱体Gd(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Gd 、 Cp3Gd 、 Gd(THD)3 、 Gd[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Gd(0(iPr))3和Gd(acac)3。
Tb前驱体Tb(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Tb 、 Cp3Tb 、 Tb(THD)3 、 Tb[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Tb(0(iPr))3和Tb(acac)3 。
Dy前驱体Dy(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Dy 、 Cp3Dy 、 Dy(THD)3 、 Dy[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Dy(0(iPr))3、 Dy(02C(CH2)6CH3)3和Tb(acac)3。
Ho前驱体Ho(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Ho 、 Cp3Ho 、 Ho(THD)3 、 Ho[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Ho(0(iPr))3和Ho(acac)3。
Er前驱体Er(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Er 、 ((nBu)Cp)3Er 、 Cp3Er 、 Er(THD)3、 Er[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Er(0(iPr))3和Er(acac)3 。
Tm前驱体Tm(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Tm 、 Cp3Tm、 Tm(THD)3 、 Tm[OOCCH(C2H5)C4H9]3、 Tm(0(iPr))3和Tm(acac)3 。
Yb前驱体Yb(N(SiMe3)2)3 、 Yb(N(iPr)2)3 、 ((iPr)Cp)3Yb 、 Cp3Yb、 Yb(THD)3 、 Yb[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、 Yb(0(iPr))3 、 Yb(acac)3 、 (C5Me5)2Yb、 Yb(hfac)3和Yb(FOD)3。
Lu前驱体Lu(N(SiMe3)2)3 、 ((iPr)Cp)3Lu 、 Cp3Lu 、 Lu(THD)3 、 Lu[OOCCH(C2H5)C4H9]3 、 Lu(0(iPr))3和Lu(acac)3 。
在上述前驱体以及下面提出的前驱体中，采用以下通用縮写Si: 硅；Me:甲基；Et:乙基；iPr:异丙基；nPr:正丙基；Bu: 丁基； nBu:正丁基；SBU:仲丁基；iBu:异丁基；tBu:叔丁基；Cp:环戊二烯
基；THD: 2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸盐;TMPD: 2,2,6,6-四甲基哌啶;acac:乙酰基丙酮酸盐；hfac:六氟乙酰基丙酮酸盐；FOD: 6,6,7,7，8,8，8-七氟-2,2-二甲基-3，5-辛二酸盐。
仍参见图1A，含氧气体供给系统46被配置用于将含氧气体引入处理 室10。含氧气体可包括02、 H20或11202或其组合，以及任选的例如Ar 的惰性气体。类似地，含氮气体供给系统48被配置用于将含氮气体引入 处理室10。含氮气体可包括NH3、 N2HU或其组合，以及任选的例如Ar的 惰性气体。根据本发明的一种实施方式，含氧气体或含氮气体可包括 NO、 N02或N20或其组合，以及任选的例如Ar的惰性气体。
本发明的实施方式可以使用各种不同的铝前驱体，用于将铝结合到混 合稀土基薄膜中。例如，许多铝前驱体具有下式
A1LL2L3DX
其中，L1、 L2、 ！^为独立的阴离子配体；D为中性供体配体，其中x 可为0、 l或2。 L1、 L2、 ！^配体可各自独立地选自烷氧化物、卤化物、芳 氧化物、酰胺、环戊二烯基、烷基、甲硅烷基、酰胺化物、0-二酮酸盐、 酮亚胺(ketoiminate)、硅烷醇化物和羧酸盐。D配体可选自醚、呋喃、 吡啶、吡咯、吡咯烷、胺、冠醚、聚乙烯醚类和腈。
铝前驱体的其它示例包括Al2Me6、 Al2Et6、 [Al(0(sBu))3]4 、 Al(CH3COCHCOCH3)3 、 AlBr3 、 A1I3 、 Al(0(iPr))3 、 [Al(NMe2)3]2 、 Al(iBu)2Cl、 Al(iBu)3、 Al(iBu)2H、 Affit2Cl 、 Et3Al2(0(sBu))^n A1(THD)3。
仍参见图1A，吹扫气体供给系统44被配置用于将吹扫气体引入处理 室10。例如，在向处理室10中引入稀土前驱体与引入含氧气体、含氮气 体或铝前驱体之间，可以进行吹扫气体的引入。吹扫气体可包含惰性气 体，惰性气体例如为稀有气体(即，He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe)、氮(N2) 或氢(H2)。
此外，ALD系统1包括衬底温度控制系统60，其耦合至衬底支架20 并被配置用于升高和控制衬底25的温度。衬底温度控制系统60包括温度 控制元件，例如冷却系统，该冷却系统包括吸收来自衬底支架20的热量 的再循环冷却剂流，并将热量转移至换热器系统(未示出)，或当加热 时，将热量从换热器系统转移出来。此外，温度控制元件可以包括加热/冷却元件，例如电阻加热元件或热电加热器/冷却器，所述加热/冷却元件可
以包含在衬底支架20中，也可以包含在及处理室10的室壁和ALD系统1 的任何其它部件中。衬底温度控制系统60例如可被配置用于在室温到大 约350-55(TC的范围内升高和控制衬底温度。或者，衬底温度例如可为约 150-350°C。然而可以理解，根据在给定的衬底表面上沉积具体的混合稀土 基材料所需的温度来选择衬底温度。
为了改善衬底25与衬底支架20之间的热传递，衬底支架20可包括机 械夹紧系统或电夹紧系统(例如静电夹紧系统)以将衬底25固定在衬底 支架20的上表面。此外，衬底支架20还可包括衬底背面气体输送系统， 其被配置用于将气体引至衬底25的背面，从而改善衬底25与衬底支架20 之间的气隙热传导。当需要将衬底的温度控制在高温或低温下时，可以使 用这种系统。例如，衬底背面气体系统可包括两区气体分配系统，其中氦 气隙压力可在衬底中部与边缘之间独立地变化。
此外，处理室10还通过管道38耦合至压力控制系统32，压力控制系 统32包括真空泵送系统34和阀36，其中压力控制系统32被配置用于将 处理室10可控地排空，达到适于在衬底25上形成薄膜并适合使用第一和 第二处理材料的压力。真空泵送系统34可包括泵浦速度能够高达约5000 1/s (和更高)的涡轮分子泵(TMP)或低温泵，阀36可包括用于调节室 压力的门阀。此外，监测室压力的装置(未示出)可耦合至处理室10。压 力测量装置可例如是可从MKS Instruments, Inc. (Andover， MA)购得的 628B型Baratron绝对容量压力计。压力控制系统32可例如被配置用于在 沉积混合稀土基材料时将处理室压力控制在约0.1-100 Torr。
第一材料供给系统40、第二材料供给系统42、吹扫气体供给系统 44、含氧气体供给系统46、含氮气体供给系统48和含铝气体供给系统50 可包括一个或更多个压力控制装置、 一个或更多个流量控制装置、 一个或 更多个过滤器、 一个或更多个阀和/或一个或更多个流量传感器。流量控制 装置可包括气动阀、电-机械阀(电磁阀)和/或高速率脉冲气体注射阀。 根据本发明的实施方式，气体可以被依次和交替地脉冲进入处理室10，其 中每个气体脉冲的长度可为约1-10秒。稀土前驱体的气体脉冲长度例如可为0.3-3秒，例如1秒。铝前驱体的气体脉冲长度例如可为0.1-3秒，例如0.3秒。含氧和含氮气体的气体脉冲长度例如可为0.3-3秒，例如l秒。吹扫气体脉冲长度例如可为1-20秒，例如3秒。示例性脉冲气体注射系统的更多细节描述在待审美国专利申请公开No. 2004/0123803中。
仍参见图1A，控制器70可包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/0端口，该控制电压足以传输并激活到ALD系统1的输入，以及监视来自ALD系统1的输出。此外，控制器可被耦合至处理室10、衬底支架20、上组件30、第一处理材料供给系统40、第二处理材料供给系统42、吹扫气体供给系统44、含氧气体供给系统46、含氮气体供给系统48、含铝气体供给系统50、衬底温度控制系统60、衬底温度控制器60和压力控制系统32,并可以与其交换信息。例如，可以利用存储在存储器中的程序来根据工艺流程激活到沉积系统1的前述组件的输入。控制器70的 一 个示例是可以从Dell Corporation ， Austin ， Texas获得的DELLPRECISION WORKSTATION 610TM。
然而，控制器70可以实现为通用计算机系统，其响应处理器来执行包含在存储器中的一条或多条指令的一个或多个序列而执行本发明的基于微处理器的处理步骤的一部分或全部。这些指令可以从另一计算机可读介质(例如硬盘或可移动介质驱动器)读取到控制器存储器中。也可以采用多处理布置中的一个或多个处理器作为控制器微处理器，以执行包含在主存储器中的指令序列。在可替换实施方式中，硬连线电路可以用于替代软件指令或者与软件指令相组合。从而，实施例并不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
控制器70包括至少一种计算机可读介质或存储器，例如控制器存储器，其用于保存根据本发明的教导编程的指令并用于保存数据结构、表、记录或可能是实现本发明所必需的其他数据。计算机可读介质的示例是致密盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PROM (EPROM、 EEPROM、闪存EPROM) 、 DRAM、 SRAM、 SDRAM、或任何其他磁介质、致密盘(例如CD-ROM)、或任何其他光介质、穿孔卡、纸带、或其他具有孔图案的物理介质、载波(下面描述)、或任何其他计算机可读取的介质。在计算机可读介质中的任何一种或其组合上存储软件，这些软件用于控制控制器70，用于驱动用于实现本发明的一个或多个设备，并且/或者用于使得控制器能够与人类用户交互。这些软件可包括但不限于设备驱动器、操作系统、开发工具和应用软件。这种计算机可读介质还包括用于执行在实现本发明时执行的处理的全部或一部分(如果处理是分布式的话)的本发明的计算机程序产品。
计算机代码设备可以是任何可解释的或可执行的代码机制，包括但不
限于脚本、可解释程序、动态链接库(DLL) 、 Java类和完全可执行程序。而且，本发明的处理的一部分可以是分布式的以实现更好的性能、可靠性和/或成本。
这里所用的术语"计算机可读介质"指参与向控制器70的处理器提供以供执行的指令的任何介质。计算机可读介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质例如包括
光盘、磁盘和磁光盘，例如硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。而且，各种形式的计算机可读介质可以用来向控制器的处理器运送一条或多条指令的一个或多个序列以供执行。例如，这些指令最初可以承载在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将用于实现本发明的全部或一部分的指令远程加载到动态存储器中，并通过网络将指令发送到控制器70。
控制器70可以相对于ALD系统1位于本地，或者其可以相对于ALD系统1位于远处。例如，控制器70可以利用直接连接、内部网、因特网和无线连接中的至少一种与ALD系统1交换数据。控制器70可以耦合到例如在客户位置(即，器件制造者等)处的内部网，或者可以耦合到例如在供应商位置(即，设备制造商)处的内部网。另外，例如，控制器70可以耦合到因特网。此外，另一台计算机(即，控制器、服务器等)可以经由直接连接、内部网和因特网中的至少一种访问例如控制器70以交换数据。本领域技术人员还将意识到，控制器70可以经由无线连接与沉积系统1交换数据。
图1B示出了根据本发明的一种实施方式在衬底上沉积稀土基薄膜的PEALD系统100。 PEALD系统100与图1A描述的ALD系统类似，但是 还包括等离子体生成系统，该系统被配置用于在向处理室10引入至少一 部分气体期间生成等离子体。这使得通过包含02、 H20、 11202或其组合的 含氧气体形成臭氧和等离子体激发氧。类似地，体可以通过包含N2、 NH3 或N2H4或其组合的含氮气体，在处理室中形成等离子体激发氮。而且， 可以通过包含NO、 N02和N20或其组合的处理气体形成等离子体激发的 氧和氮。等离子体生成系统包括第一功率源52，第一功率源52耦合至工 艺室IO并且被配置用于将功率耦合至被引入处理室IO的气体。第一功率 源52可以是可变的功率源，并且可以包括射频(RF)发生器和阻抗匹配 网络，还可包括电极，RF功率通过该电极耦合至处理室10中的等离子 体。电极可被形成在上组件31中，并且可被配置成与衬底支架20相对。 阻抗匹配网络可以被配置用于优化从RF发生器到等离子体的RF功率的传 输，这是通过将匹配网络的输出阻抗与处理室(包括电极和等离子体)的 输入阻抗相匹配而实现的。例如，阻抗匹配网络用来通过减小反射功率来 提高到等离子体处理室10中的等离子体的RF功率的传输。匹配网络拓扑 (例如，L型、ti型、T型等)和自动控制方法对于本领域技术人员来说是 公知的。
或者，第一功率源52可包括RF发生器和阻抗匹配网络，并还可包括 天线，例如感应线圈，RF功率通过该天线耦合至处理室10中的等离子 体。天线可例如包括螺旋或螺线线圈(例如在感应耦合等离子体源或螺旋 天线源中)，或者可例如包括扁平线圈(例如在变压器耦合的等离子体源 中)。
或者，第一功率源52可包括微波频率发生器，并且还可包括微波天 线和微波窗口，微波功率通过该微波天线和微波窗口耦合至处理室10中 的等离子体。微波功率的耦合可通过电子回旋共振(ECR)技术实现，或 者采用表面波等离子体技术实现，例如缝隙平面天线(Slot Plane Antenna, SPA)，如美国专利No. 5024716中所描述。
根据本发明的一种实施方式，PEALD系统100包括衬底偏压生成系 统，该系统被配置用于在向处理室10交替引入气体的至少一部分期间生成或辅助生成等离子体(通过衬底支架偏压)。衬底偏压系统可包括衬底 功率源54，衬底功率源54耦合到处理室IO并且被配置用于将功率耦合到
衬底25。衬底功率源54可包括RF发生器和阻抗匹配网络，还可包括电 极，RF功率通过该电极耦合到衬底25。电极可以形成在衬底支架20中。 例如，衬底支架20可以经由从RF发生器(未示出)通过阻抗匹配网络 (未示出)发送到衬底支架20的RF功率被电偏置在某一RF电压。RF偏 压的典型频率可为约0.1-100 MHz，例如可以为13.56 MHz。用于等离子 体处理的RF偏压系统对于本领域技术人员来说是公知的。或者，RP功率 以多个频率被施加到衬底支架电极。尽管等离子体生成系统和衬底偏压系 统在图1中示为分离的实体，但是它们实际上可包括耦合到衬底支架20 的一个或更多个功率源。
此外，PEALD系统100包括远程等离子体系统56，用于在等离子体 激发气体流入将其暴露于衬底25的处理室10之前，提供含氧气体、含氮 气体或其组合并对这些气体进行远程等离子体激发。远程等离子体系统56 可例如包括微波频率发生器。处理室压力可为约0.1-10 Torr，或约0.2-3 Torr。
图2A-2F示意性地示出了根据本发明形成混合稀土基薄膜的脉冲序 列。根据本发明的实施方式，使用顺序和交替的脉冲序列来沉积混合稀土 基薄膜的不同组分(即，稀土金属元素、铝、氧和氮)。由于ALD和 PEALD工艺通常在每个气体脉冲沉积少于一个单层的材料，因此可以通 过不同薄膜组分的独立沉积序列形成均匀的材料。根据气体的选择和脉冲 序列的组合，可以形成混合稀土材料，包括混合稀土氧化物薄膜、混合稀 土氮化物薄膜、混合稀土氧氮化物薄膜、混合稀土铝酸盐薄膜、混合稀土 铝氮化物薄膜以及混合稀土铝氧氮化物薄膜。
图2A示出了在步骤202中通过第一稀土前驱体沉积第一稀土元素的 脉冲序列200。图2B示出了在步骤212中通过第二稀土前驱体沉积第二稀 土元素的脉冲序列210。图2C示出了在步骤222中通过多种稀土前驱体同 时沉积多种不同的稀土元素的脉冲序列220。图2D示出了在步骤232中通 过暴露于含氧气体将氧结合到混合稀土基薄膜中的脉冲序列230。图2E示出了在步骤242中通过暴露于含氮气体将氮结合到混合稀土基薄膜中的脉
冲序列240。图2F示出了在步骤252中通过铝前驱体沉积铝的脉冲序列 250。
根据图2A-2F示出的实施方式，每个脉冲序列200、 210、 220、 230、 240和250可分别包括吹扫或排空步骤204、 214、 224、 234、 244、 254以
从处理室中去除未反应气体或副产物。根据本发明的另一种实施方式，可
以省略吹扫或排空步骤204、 214、 224、 234、 244、 254中的一个或更多 个。
根据本发明的实施方式，可以采用图2A-2F所示的脉冲序列的不同组 合来沉积不同的混合稀土基材料。下面是可通过本发明的实施方式的教导 沉积的包含两种不同的稀土金属元素的混合稀土基材料的示例。本领域技 术人员容易认识到，大量下文未示出的其它稀土基材料也可被沉积。因 此，本发明的实施方式并不限于下面所列的材料。例如，其它混合稀土基 材料可包含多于两种(例如三种、四种或更多种)的稀土元素。
混合稀土氧化物LaxLuyOm、 YxLuyOm、 YxLayOm
LaxPfyOm 。
混合稀土氮化物LaxLuyNn、 YxLuyNn、 YxLayNn LaxPryNn。
LaxLuyOmNn
混合稀土氧氮化物 NdxLayOmNn禾口 LaxPryOmNn。
混合稀土铝氧化物 NdxLayAlaOm禾n LaxPryAlaOm。
混合稀土铝氮化物
NdxLayAlaNn和LaxPryAlaNn。
混合稀土铝氧氮化
NdxLayOm和
NdxLaYNn和
YxLuyOmNn 、 YxLaYOmNn 、
LaxLuyAlaOm 、 YxLuyAlaOn
YxLayAlaOn
LaxLuyAlaNn 、 YxLuyAlaNn 、 YxLayAlaNn 、
LaxLuyAlaOmNn 、 YxLuvAla〇mNn
YxLayAlaOmNn、 NdxLayAlaOmNn和LaxPryAlaOmNn。
混合稀土〗
图3A-3D是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氧化物薄膜的工艺流程图。图3A-3D的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。在图3A中，工艺300开始于步骤302，其中衬底
(例如半导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤 304中，衬底顺序暴露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体的气 体脉冲。在步骤306中，衬底顺序暴露于第二稀土前驱体的气体脉冲和含 氧气体的气体脉冲。含氧气体可包括02、 H20、 H202、臭氧、等离子体激 发氧或其组合，以及任选地例如Ar的惰性气体。
在步骤304中，第一稀土前驱体与受热衬底表面上的羟基反应，以形 成厚度小于一个单层的包含第一稀土金属元素的化学吸附层。所述化学吸 附层的厚度小于一个单层，这是因为前驱体的尺寸大于第一稀土金属元素 的尺寸。接下来，含氧气体的气体脉冲中的氧与化学吸附表面层反应并生 成羟基化的表面。通过重复此顺序的气体暴露，即交替进行这两种暴露数 次，可以实现逐层生长，每个循环生长约1埃(10—1Qm)。如下面将要描 述，根据本发明的另一种实施方式，在顺序和交替的气体脉冲之间，可将 处理室吹扫或排空，以将任何未反应的第一或第二稀土前驱体、副产物和 含氧气体从处理室中去除。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土
(RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 RElxRE2yOm的混合稀土氧化物薄膜，其中x、 y和m为非零数。如工艺流 程中的箭头308所示，可以重复顺序暴露步骤304和306预定次数，直到 形成了具有期望厚度的混合稀土氧化物薄膜。期望的薄膜厚度可依赖于半 导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可为约5-200埃， 或约5-40埃。
根据图3A所示的实施方式，工艺流程300包括沉积循环，所述沉积 循环包括顺序和交替暴露第一稀土前驱体的脉冲、含氧气体的脉冲、第二 稀土前驱体的脉冲和含氧气体的脉冲。根据本发明的另一种实施方式，顺 序和交替暴露步骤304、 306的次序可以颠倒，即步骤306在步骤304之前 进行，从而影响薄膜生长和薄膜组成。根据本发明的一种实施方式，顺序暴露步骤304和306的每一个可独 立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤304以脉冲序列A表示而 步骤306以脉冲序列B表示，则沉积循环可包括AB，其中AB可重复预 定次数(即，ABABAB等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易 认识到，可以采用各种其它的沉积循环，例如包括ABBABB、 AABAAB、 ABBB、 AAAB、 AABB、 AAABB，等等。然而，本发明的实 施方式并不限于这些沉积循环，因为可以采用A和B的任意组合。使用这 些不同的沉积循环，可以沉积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二 稀土元素的稀土氧化物薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含三种或更多种不同的稀 土金属元素的混合稀土氧化物薄膜，可以在图3A所示的工艺流程中增加 额外的脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱 体。换言之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含 稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉冲的脉冲序列，将额外的稀土 元素结合到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含第三稀土前驱体的气 体脉冲和含氧气体的气体脉冲的脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如 包括ABC、 ABBC、 ABCC等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉 积循环，因为可以采用A、 B和C的其它组合。
图3B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土氧化物薄膜的 工艺流程图。工艺流程320与图3A的工艺流程310类似，只是工艺流程 320还包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步骤 可有助于在顺序和交替的稀土前驱体与含氧气体脉冲之间从处理室去除任 何未反应的稀土前驱体、副产物和含氧气体。在本文中，吹扫步骤还可包 括在吹扫过程中排空处理室。
工艺320开始于步骤322，其中衬底(例如半导体衬底)被布置在 ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤324中，衬底被暴露于第一稀土 前驱体衬底的气体脉冲，在步骤326中，处理室被吹扫或排空以从处理室 去除未反应的第一稀土前驱体和任何副产物。在步骤328中，衬底被暴露 于含氧气体的脉冲，在步骤330中，处理室被吹扫或排空以从处理室去除任何未反应的含氧气体或副产物。
在步骤332中，衬底被暴露于包含第二稀土前驱体的气体脉冲，在步
骤334中，处理室被吹扫或排空以从处理室去除任何未反应的第二稀土前 驱体和任何副产物。在步骤336中，衬底被暴露于含氧气体的脉冲，在步 骤338中，处理室被吹扫或排空以从处理室去除任何未反应的含氧气体或 副产物。类似于图3A的工艺流程300，工艺流程320的暴露步骤324-330 可如工艺流程箭头340所示重复预定次数，并暴露步骤332-338可如工艺 流程箭头342所示重复预定次数。根据本发明的一种实施方式，暴露步骤 324-330与步骤332-338的组合可重复预定次数，如工艺流程箭头344所 示。
图3C是根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土氧化物薄膜的 工艺流程图。如图3C所示，工艺350开始于步骤352，其中衬底(例如半 导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤354中，衬 底被暴露于包含多种(即至少两种)具有不同稀土金属元素的稀土前驱体 的气体脉冲。因此，所述气体脉冲包含多种不同的将被沉积在衬底上的稀 土金属元素。可以独立地控制气体脉冲中每种稀土前驱体的相对浓度，以 调节得到的混合稀土氧化物薄膜的组成。在步骤356中，衬底被暴露于含 氧气体的脉冲。根据本发明的一种实施方式，如工艺流程箭头358所示， 顺序暴露步骤354和356可重复预定次数。
图3D是根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土氧化物薄膜的 工艺流程图。工艺流程360类似于图3C的工艺流程350，只是还包括在每 个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。工艺360开始于步骤362，其中 衬底(例如半导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。
在步骤364中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲，在步骤366中，处理室被吹扫或排空以从处理室去除 未反应的稀土前驱体和任何副产物。在步骤368中，衬底被暴露于含氧气 体的脉冲，在步骤370中，处理室被吹扫或排空以从处理室去除任何过量 的含氧气体或副产物。根据本发明的一种实施方式，暴露步骤364-370与 可重复预定次数，如工艺流程箭头372所示。混合稀土氮化物薄膜
图4A-4B是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氮化物薄膜的
工艺流程图。图4A-4B的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。
在图4A中，工艺400开始于步骤402，其中衬底(例如半导体衬底) 被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤404中，衬底被顺序暴 露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲。在步骤406 中，衬底被顺序暴露于第二稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉 冲。含氮气体可包括NH3、 N2H4、等离子体激发氮或其组合，以及任选地 例如Ar的惰性气体。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土 (RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 RElJlE2yN。的混合稀土氮化物薄膜，其中x、 y和n为非零数。如工艺流 程中的箭头408所示，可以重复顺序暴露步骤404和406预定次数，直到 形成了具有期望厚度的混合稀土氮化物薄膜。期望的薄膜厚度可依赖于半 导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可为约5-200埃， 或约5-40埃。
根据图4A所示的实施方式，工艺流程400包括沉积循环，所述沉积 循环包括顺序和交替暴露第一稀土前驱体的脉冲、含氮气体的脉冲、第二 稀土前驱体的脉冲和含氮气体的脉冲。根据本发明的一种实施方式，工艺 流程400可包括任意次序的步骤404、 406、 408。根据本发明的另一种实 施方式，顺序和交替暴露步骤404、 406的次序可以颠倒，即步骤406在 步骤404之前进行，从而影响薄膜生长和薄膜组成。
根据本发明的一种实施方式，顺序暴露步骤404和406的每一个可独 立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤404以脉冲序列A表示而 步骤406以脉冲序列B表示，则沉积循环可包括AB，其中AB可重复预 定次数(即，ABABAB等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易认识到，可以采用各种其它的沉积循环，例如包括ABBABB、 AABAAB、 ABBB、 AAAB、 AABB、 AAABB，等等。然而，本发明的实 施方式并不限于这些沉积循环，因为可以采用A和B的任意组合。使用这 些不同的沉积循环，可以沉积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二 稀土元素的稀土氮化物薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含三种或更多种不同的稀 土金属元素的混合稀土氮化物薄膜，可以在图4A所示的工艺流程中增加 额外的脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱 体。换言之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含 稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲的脉冲序列，将额外的稀土 元素结合到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含第三稀土前驱体的气 体脉冲和含氮气体的气体脉冲的脉冲序列c。因此， 一个沉积循环可例如 包括ABC、 ABBC、 ABCC等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉 积循环，因为可以采用A、 B和C的其它组合。
根据本发明的另一种实施方式，类似于图3B的工艺流程320，工艺流 程400还可包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空 步骤可有助于在交替的稀土前驱体与含氮气体脉冲之间从处理室去除任何 未反应的稀土前驱体、副产物和含氮气体。
图4B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土氮化物薄膜的 工艺流程图。如图4B所示，工艺410开始于步骤412，其中衬底(例如半 导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。
在步骤414中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲。因此，所述气体脉冲包含多种不同的将被沉积在衬底 上的稀土金属元素。可以独立地控制气体脉冲中每种稀土前驱体的相对浓 度，以调节得到的混合稀土氮化物薄膜的组成。在步骤416中，衬底被暴 露于含氮气体的脉冲。根据本发明的一种实施方式，如工艺流程箭头418 所示，顺序暴露步骤414和416可重复预定次数。
根据本发明的另一种实施方式，类似于图3D的工艺流程360，工艺 流程410还可包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步骤可有助于在交替的气体脉冲之间从处理室去除任何未反应的稀土前 驱体、副产物和含氮气体。
混合稀土氧氮化物薄膜
图5A-5B是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土氧氮化物薄膜
的工艺流程图。图5A-5B的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。
在图5A中，工艺500开始于步骤502，其中衬底(例如半导体衬底) 被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤504中，衬底被顺序暴 露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体、含氮气体或含氧和氮的 气体的气体脉冲。在步骤506中，衬底被顺序暴露于第二稀土前驱体的气 体脉冲和含氧气体、含氮气体或含氧和氮的气体的气体脉冲。含氧气体可 包括02、 H20、 H202、 NO、 N02、 N20、臭氧、等离子体激发氧或其组 合，以及任选地例如Ar的惰性气体。含氮气体可包括NH3、 N2H4、 NO、 N02、 N20、等离子体激发氮或其组合，以及任选地例如Ar的惰性气体。 为了将氧和氮结合到薄膜中，步骤504和506的组合应当包括至少一种含 氧的气体脉冲和至少一种含氮的气体脉冲。显然，包括NO、 N02或N20 的气体既含氧也含氮。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土 (RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 REURE2yOmNn的混合稀土氧氮化物薄膜，其中x、 y、 m和n为非零数。 如工艺流程中的箭头508所示，可以重复顺序暴露歩骤504和506预定次 数，直到形成了具有期望厚度的混合稀土氧氮化物薄膜。期望的薄膜厚度 可依赖于半导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可为约 5-200埃，或约5-40埃。
根据图5A所示的实施方式，工艺流程500包括沉积循环，所述沉积 循环包括顺序和交替暴露第一稀土前驱体的脉冲、含氧、含氮或含氧和氮 的气体的脉冲、第二稀土前驱体的脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的脉冲。根据本发明的另一种实施方式，顺序和交替暴露步骤504、 506的 次序可以颠倒，即步骤506在步骤504之前进行，从而影响薄膜生长和薄 膜组成。
根据本发明的一种实施方式，顺序暴露步骤504和506的每一个可独 立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤504以脉冲序列A表示而 步骤506以脉冲序列B表示，则沉积循环可包括AB，其中AB可重复预 定次数(即，ABABAB等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易 认识到，可以采用各种其它的沉积循环，例如包括ABBABB、 AABAAB、 ABBB、 AAAB、 AABB、 AAABB，等等。然而，本发明的实 施方式并不限于这些沉积循环，因为可以采用A和B的任意组合。使用这 些不同的沉积循环，可以沉积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二 稀土元素、氧、氮的稀土氧氮化物薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含三种或更多种不同的稀 土金属元素的混合稀土氧氮化物薄膜，可以在图5A所示的工艺流程中增 加额外的脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱 体。换言之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含 稀土前驱体的气体脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲的脉冲 序列，将额外的稀土元素结合到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含 第三稀土前驱体的气体脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲的 脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如包括ABC、 ABBC、 ABCC等。 然而，本发明的实施方式并不限于这些沉积循环，因为可以采用A、 B和 C的其它组合。
根据本发明的另一种实施方式，类似于图3B的工艺流程320，工艺流 程500还可包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空 步骤可有助于在交替的稀土前驱体与含氧和含氧的气体脉冲之间从处理室 去除任何未反应的稀土前驱体、副产物、含氧气体和含氮气体。
图5B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土氧氮化物薄膜 的工艺流程图。如图5B所示，工艺510开始于步骤512，其中衬底(例如 半导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤514中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲。因此，所述气体脉冲包含多种(即至少两种)不同的 将被沉积在衬底上的稀土金属元素。可以独立地控制气体脉冲中每种稀土 前驱体的相对浓度，以调节得到的混合稀土氧氮化物薄膜的组成。在步骤 516中，衬底被暴露于含氧气体、含氮气体或含氧和氮的气体的脉冲。根
据本发明的一种实施方式，如工艺流程箭头518所示，顺序暴露步骤514 和516可重复预定次数。为了将氧和氮结合到薄膜中，步骤514和516的 组合应当包括至少一种含氧的气体脉冲和至少一种含氮的气体脉冲。
根据本发明的另一种实施方式，类似于图3D的工艺流程360，工艺 流程510还可包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排 空步骤可有助于在交替的气体脉冲之间从处理室去除任何未反应的稀土前 驱体、副产物含氧气体或含氮气体。
混合稀土铝酸盐薄膜
图6A-6B是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝酸盐薄膜的 工艺流程图。图6A-6B的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。
在图6A中，工艺600开始于步骤602，其中衬底(例如半导体衬底) 被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤604中，衬底被顺序暴 露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉冲。在步骤606 中，衬底被顺序暴露于第二稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉 冲。在步骤608中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含氧气体的 气体脉冲。含氧气体可包括02、 H20、 H202、臭氧、等离子体激发氧或其 组合，以及任选地例如Ar的惰性气体。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土 (RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 RElJlE2yAlaOm的混合稀土铝酸盐薄膜，其中x、 y、 a和m为非零数。如 工艺流程中的箭头614所示，可以重复顺序暴露步骤604、 606和608预定次数，直到形成了具有期望厚度的混合稀土铝酸盐薄膜。期望的薄膜厚度 可依赖于半导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可为约
5-200埃，或约5-40埃。
根据图6A所示的实施方式，工艺流程600包括沉积循环，所述沉积 循环包括顺序和交替暴露第一稀土前驱体的脉冲、含氧气体的脉冲、第二 稀土前驱体的脉冲、含氧气体的脉冲、铝前驱体的脉冲和含氧气体的脉 冲。根据本发明的另一种实施方式，顺序和交替暴露步骤604、 606、 608 的次序可以改变，从而影响薄膜生长和薄膜组成。
根据本发明的一种实施方式，顺序暴露步骤604、 606和608的每一 个可独立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤604以脉冲序列A 表示、步骤606以脉冲序列B表示而步骤608以脉冲序列X表示，则沉积 循环可包括ABX，其中ABX可重复预定次数(即，ABXABXABX 等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易认识到，可以采用各种 其它的沉积循环，例如包括AABXAABX、 ABBXABBX、 ABXXABXX、 AABXABBX，等等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉积循环， 因为可以采用A、 B和X的任意组合。使用这些不同的沉积循环，可以沉 积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二稀土元素以及铝的稀土铝酸 盐薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含三种或更多种不同的稀 土金属元素的混合稀土铝酸盐薄膜，可以在图6A所示的工艺流程中增加 额外的脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱 体。换言之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含 稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉冲的脉冲序列，将额外的稀土 元素结合到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含第三稀土前驱体的气 体脉冲和含氧气体的气体脉冲的脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如 包括ABCX、 ABBCX、 ABCCX等。然而，本发明的实施方式并不限于这 些沉积循环，因为可以采用A、 B、 C和X的其它组合。
根据本发明的另一种实施方式，工艺流程600还包括在每个气体脉冲 后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步骤可有助于在交替的稀土前驱体、含氧气体和含铝气体的脉冲之间从处理室去除任何未反应的稀土前驱 体、副产物、铝前驱体和含氧气体。
如工艺流程箭头612所示，暴露步骤604和606可顺序重复预定次 数，如工艺流程箭头610所示，暴露步骤606和608可顺序重复预定次 数。此外，如工艺流程箭头614所示，暴露步骤604、 606和608可重复预
定次数。
图6B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土铝酸盐薄膜的 工艺流程图。如图6B所示，工艺620开始于步骤622，其中衬底(例如半 导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。
在步骤624中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉冲。可以独立地控制每种稀土前驱 体的相对浓度，以调节得到的混合稀土铝酸盐薄膜的组成。在步骤626 中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含氧气体的气体脉冲。根据 本发明的一种实施方式，如工艺流程箭头628所示，顺序暴露步骤624和 626可重复预定次数。此外，暴露步骤624和626可各自独立地重复预定
根据本发明的另一种实施方式，工艺流程620还可包括在每个气体脉 冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步骤可有助于从处理室去除任 何未反应的稀土前驱体、副产物、含氧气体和铝前驱体。
混合稀土铝氮化物薄膜
图7A-7B是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝氮化物薄膜 的工艺流程图。图7A-7B的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。
在图7A中，工艺700开始于步骤702，其中衬底(例如半导体衬底) 被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤704中，衬底被顺序暴 露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲。在步骤706 中，衬底被顺序暴露于第二稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲。在步骤708中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含氮气体的
气体脉冲。含氮气体可包括NH3、 N2H4、等离子体激发氮或其组合，以及 任选地例如Ar的惰性气体。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土 (RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 RElxRE2yAlaNn的混合稀土铝氮化物薄膜，其中x、 y、 a和n为非零数。 如工艺流程中的箭头714所示，可以重复顺序暴露步骤704、 706和708预 定次数，直到形成了具有期望厚度的混合稀土铝氮化物薄膜。期望的薄膜 厚度可依赖于半导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可 为约5-200埃，或约5-40埃。
根据图7A所示的实施方式，工艺流程700包括沉积循环，所述沉积 循环包括顺序和交替暴露第一稀土前驱体的脉冲、含氮气体的脉冲、第二 稀土前驱体的脉冲、含氮气体的脉冲、铝前驱体的脉冲和含氮气体的脉 冲。根据本发明的另一种实施方式，顺序和交替暴露步骤704、 706、 708 的次序可以改变，从而影响薄膜生长和薄膜组成。
根据本发明的一种实。施方式，顺序暴露步骤704、 706和708的每一 个可独立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤704以脉冲序列A 表示、步骤706以脉冲序列B表示、而步骤708以脉冲序列X表示，则沉 积循环可包括ABX，其中ABX可重复预定次数(即，ABXABXABX 等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易认识到，可以采用各种 其它的沉积循环，例如包括AABXAABX、 ABBXABBX、 ABXXABXX、 AABXABBX，等等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉积循环， 因为可以采用A、 B和X的任意组合。使用这些不同的沉积循环，可以沉 积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二稀土元素以及铝的稀土铝氮 化物薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含多种不同的稀土金属元 素的混合稀土铝氮化物薄膜，可以在图7A所示的工艺流程中增加额外的 脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱体。换言 之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含稀土前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲的脉冲序列，将额外的稀土元素结合 到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含第三稀土前驱体的气体脉冲和 含氮气体的气体脉冲的脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如包括
ABCX、 ABBCX、 ABCCX等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉 积循环，因为可以采用A、 B、 C和X的其它组合。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含多种不同的稀土金属元 素的混合稀土氧化物薄膜，可以在图7A所示的工艺流程中增加额外的脉 冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前驱体。换言 之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包含稀土前驱 体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲的脉冲序列，将额外的稀土元素结合 到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包含第三稀土前驱体的气体脉冲和 含氧气体的气体脉冲的脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如包括 ABCX、 ABBCX、 ABCCX等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉 积循环，因为可以采用A、 B、 C和X的其它组合。
根据本发明的另一种实施方式，工艺流程700还包括在每个气体脉冲 后吹扫或排空处理室的歩骤。吹扫或排空步骤可有助于在交替的稀土前驱 体、含氮气体和含铝气体的脉冲之间从处理室去除任何未反应的稀土前驱 体、副产物、铝前驱体和含氮气体。
如工艺流程箭头712所示，暴露步骤704和706可顺序重复预定次 数，如工艺流程箭头710所示，暴露步骤706和708可顺序重复预定次 数。此外，如工艺流程箭头714所示，暴露步骤704、 706和708可重复预 定次数。
图7B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土铝氮化物薄膜 的工艺流程图。如图7B所示，工艺720开始于步骤722，其中衬底(例如 半导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。
在步骤724中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲。可以独立地控制每种稀土前驱 体的相对浓度，以调节得到的混合稀土铝氮化物薄膜的组成。在步骤726 中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含氮气体的气体脉冲。根据本发明的一种实施方式，如工艺流程箭头728所示，顺序暴露步骤724和 726可重复预定次数。
根据本发明的另一种实施方式，工艺流程720还可包括在每个气体脉 冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步骤可有助于从处理室去除任 何未反应的稀土前驱体、副产物、含氮气体和铝前驱体。
混合稀土铝氧氮化物薄膜
图8A-8B是根据本发明的实施方式的用于形成混合稀土铝氧氮化物薄 膜的工艺流程图。图8A-8B的工艺流程可通过图1/2的ALD/PEALD系统 1/101实施，或通过被配置用于进行ALD/PEALD工艺的任何其它合适的 ALD/PEALD系统实施。
在图8A中，工艺800开始于步骤802，其中衬底(例如半导体衬底) 被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。在步骤804中，衬底被顺序暴 露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲和含氧气体、含氮气体或含氧和氮的 气体的气体脉冲。在步骤806中，衬底被顺序暴露于第二稀土前驱体的气 体脉冲和含氧气体、含氮气体或含氧和氮的气体的气体脉冲。在步骤808
中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含氧气体、含氮气体或含氧 和氮的气体的气体脉冲。含氧气体可包括02、 H20、 H202、 NO、 N02、 N20、臭氧、等离子体激发氧或其组合，以及任选地例如Ar的惰性气体。 含氮气体可包括NH3、 N2H4、 NO、 N02、 N20、等离子体激发氮或其组 合，以及任选地例如Ar的惰性气体。为了将氧和氮结合到薄膜中，步骤 804和806的组合应当包括至少一种含氧的气体脉冲和至少一种含氮的气 体脉冲。显然，包括NO、 N02或N20的气体既含氧也含氮。
根据本发明的实施方式，第一稀土 (RE1)前驱体和第二稀土 (RE2)前驱体包含不同的稀土金属元素，用于形成化学通式为 REURE2yAU)mNn的混合稀土铝氧氮化物薄膜，其中x、 y、 a、 m和n为 非零数。如工艺流程中的箭头814所示，可以重复顺序暴露步骤804、 806 和808预定次数，直到形成了具有期望厚度的混合稀土铝氧氮化物薄膜。 期望的薄膜厚度可依赖于半导体器件的类型或所形成的器件区域。例如，薄膜厚度可为约5-200埃，或约5-40埃。
根据图8A所示的实施方式，工艺流程800包括沉积循环，所述沉积
循环包括顺序和交替暴露于第一稀土前驱体的脉冲，含氧、含氮或含氧
和氮的气体的脉冲，第二稀土前驱体的脉冲，含氧、含氮或含氧和氮的气 体的脉冲，铝前驱体的脉冲，和含氧、含氮或含氧和氮的气体的脉冲。根
据本发明的另一种实施方式，顺序和交替暴露步骤804、 806、 808的次序 可以改变，从而影响薄膜生长和薄膜组成。
根据本发明的一种实施方式，顺序暴露步骤804、 806和808的每一 个可独立地重复预定次数。在一个实施例中，如果步骤804以脉冲序列A 表示、步骤806以脉冲序列B表示而步骤808以脉冲序列X表示，则沉积 循环可包括ABX，其中ABX可重复预定次数(即，ABXABXABX 等)，直到形成期望的薄膜。本领域技术人员容易认识到，可以采用各种 其它的沉积循环，例如包括AABXAABX、 ABBXABBX、 ABXXABXX、 AABXABBX，等等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉积循环， 因为可以采用A、 B和X的任意组合。使用这些不同的沉积循环，可以沉 积出含有不同量和不同深度剖面的第一和第二稀土元素、铝、氮和氧的稀 土铝氧氮化物薄膜。
根据本发明的另一种实施方式，为了形成包含三种或更多种不同的稀 土金属元素的混合稀土铝氧氮化物薄膜，可以在图8A所示的工艺流程中 增加额外的脉冲序列，这些脉冲序列包含含有不同稀土元素的额外稀土前 驱体。换言之，对于每种额外结合到薄膜中的稀土金属元素，通过增加包 含稀土前驱体的气体脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲的脉 冲序列，将额外的稀土元素结合到薄膜中。在一个实施例中，可以增加包 含第三稀土前驱体的气体脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲 的脉冲序列C。因此， 一个沉积循环可例如包括ABCX、 ABBCX、 ABCCX等。然而，本发明的实施方式并不限于这些沉积循环，因为可以 采用A、 B、 C和X的其它组合。根据本发明的另一种实施方式，工艺流 程800还包括在每个气体脉冲后吹扫或排空处理室的步骤。吹扫或排空步 骤可有助于在交替的稀土前驱体、含氧气体、含氮气体和含铝气体的脉冲之间从处理室去除任何未反应的稀土前驱体、副产物、铝前驱体、含氧气 体和含氮气体。
如工艺流程箭头812所示，暴露步骤804和806可顺序重复预定次 数，如工艺流程箭头810所示，暴露步骤806和808可顺序重复预定次 数。此外，如工艺流程箭头814所示，暴露步骤804、 806和808可重复预
定次数。
图8B为根据本发明的另一种实施方式的形成混合稀土铝氧氮化物薄 膜的工艺流程图。如图8B所示，工艺820开始于步骤822，其中衬底(例 如半导体衬底)被布置在ALD或PEALD系统的处理室中。
在步骤824中，衬底被暴露于包含多种具有不同稀土金属元素的稀土 前驱体的气体脉冲和含氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲。可以独立 地控制每种稀土前驱体的相对浓度，以调节得到的混合稀土铝氧氮化物薄 膜的组成。在步骤826中，衬底被顺序暴露于铝前驱体的气体脉冲和含 氧、含氮或含氧和氮的气体的气体脉冲。根据本发明的一种实施方式，如 工艺流程箭头828所示，顺序暴露步骤824和826可重复预定次数。
根据本发明的另一种实施方式，工艺流程820还可包括在每个气体脉 冲后吹扫或排空处理室的歩骤。吹扫或排空歩骤可有助于从处理室去除任 何未反应的稀土前驱体、副产物、含氧气体、含氮气体和铝前驱体。
图9A和9B示意性地示出了根据本发明的实施方式的包含混合稀土基 材料的半导体器件的剖视图。在示意性剖视图中，并未示出场发射晶体管
(FET) 90和91的源区和漏区。图9A中的FET 90包括半导体衬底92、 用作栅极电介质的混合稀土基薄膜96以及薄膜96上的导电栅电极薄膜 98。混合稀土基薄膜96可包含多种(即至少两种)不同的稀土金属元 素，所述稀土元素选自Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm和Yb。混合稀土基薄膜96可以是混合稀土氧化物薄 膜、混合稀土氮化物薄膜、混合稀土氧氮化物薄膜、混合稀土铝酸盐薄 膜、混合稀土铝氮化物薄膜或混合稀土铝氧氮化物薄膜。混合稀土基薄膜 96的厚度可为约5-200埃，或约5-40埃。FET 90还包括栅电极薄膜98，其厚度可例如为约5-10 nm并且可包含 多晶硅、金属或含金属的材料，所述金属或含金属的材料包括W、 WN、 WSix、 Al、 Mo、 Ta、 TaN、 TaSiN、 HfN、 HfSiN、 Ti、 TiN、 TiSiN、 Mo、 MoN、 Re、 Pt或Ru。
图9B的FET 91与图9A的FET 90类似，只是还包括位于混合稀土基 薄膜％与衬底92之间的界面层94。界面层94可例如是氧化物层、氮化 物层或氧氮化物层。
根据本发明的其它实施方式，半导体器件可包括含有混合稀土基材料 的电容器。
尽管以上只是详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员 很容易意识到，在实质上不脱离本发明的新颖教导和优点的前提下，可以 对示例性实施例进行许多修改。因此，所有的这种修改均包含在本发明的 范围内。
权利要求
1. 一种形成混合稀土氧化物薄膜或混合稀土铝酸盐薄膜的方法，包括将衬底布置在处理室中；和将所述衬底暴露于气体脉冲序列以沉积具有期望厚度的混合稀土氧化物薄膜或混合稀土铝酸盐薄膜，其中所述气体脉冲序列以任意次序包括a)按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲；第二，将所述衬底暴露于包含含氧气体的气体脉冲；b)按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含第二稀土前驱体的气体脉冲；第二，将所述衬底暴露于包含所述含氧气体的气体脉冲，其中所述第一和第二稀土前驱体包含不同的稀土金属元素；和c)任选地，按顺序，第一，先将所述衬底暴露于包含铝前驱体的气体脉冲；第二，将所述衬底暴露于包含所述含氧气体的气体脉冲，其中，a)、b)和任选的c)中的每一个任选地重复任意期望次数，并且其中，包括a)、b)和任选的c)的所述气体脉冲序列以任意次序任选地重复任意期望次数，从而得到所述期望厚度。
2. 如权利要求1的方法，其中，所述第一和第二稀土前驱体中的所述 稀土金属元素选自Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm和Yb。
3. 如权利要求1的方法，其中，所述含氧气体包括02、 H20、 H202、 臭氧或等离子体激发氧或其中两种或更多种的组合。
4. 如权利要求1的方法，其中，a)包括 交替进行第一和第二暴露步骤多次。
5. 如权利要求1的方法，其中，b)包括 交替进行第一和第二暴露步骤多次。
6. 如权利要求1的方法，其中，c)包括 交替进行第一和第二暴露步骤多次。
7. 如权利要求1的方法，还包括在a) 、 b)或c)中至少一个之后吹扫或排空所述处理室。
8. 如权利要求1的方法，还包括在a) 、 b)或C)中至少一个中的 第一和第二暴露步骤之间吹扫或排空所述处理室。
9. 如权利要求1的方法，还包括进行一个或更多个额外的暴露步骤，其中，每个额外的暴露步骤包 括按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含额外的稀土前驱体的气体脉 冲；第二，将所述衬底暴露于包含所述含氧气体的气体脉冲，其中每种额 外的稀土前驱体包含与所述第一和第二稀土前驱体中的稀土金属元素不同 的稀土金属元素。
10. 如权利要求1的方法，其中，所述混合稀土氧化物薄膜或混合稀土铝酸盐薄膜的厚度为5-200埃。
11. 如权利要求1的方法，其中，a)和b)中的第一暴露步骤同时进 行，并且a)和b)中的第二暴露步骤同时进行，从而，按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含所述第一和第二稀土前驱体的气体脉冲；第二，将所述衬底暴露于包含所述含氧气体的气体脉冲。
12. —种形成混合稀土氧化物薄膜的方法，包括a) 将衬底布置在处理室中；b) 将所述衬底暴露于包含多种稀土前驱体的气体脉冲，其中每种稀土前驱体包含不同的稀土金属元素；C)将所述衬底暴露于含氧气体的气体脉冲；和d)重复步骤b)和c)期望次数，以沉积具有期望厚度的混合稀土氧化物薄膜。
13. 如权利要求12的方法，其中，所述至少两种稀土金属元素选自 Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm和Yb。
14. 如权利要求12的方法，其中，所述含氧气体包括02、 H20、 H202、臭氧或等离子体激发氧或其中两种或更多种的组合。
15. 如权利要求12的方法，还包括在至少一个暴露步骤之后吹扫或 排空所述处理室。
16. 如权利要求12的方法，其中，所述混合稀土氧化物薄膜的厚度为5-200埃。
17. —种形成混合稀土铝酸盐薄膜的方法，包括a) 将衬底布置在处理室中；b) 按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含多种稀土前驱体的气体脉 冲，其中每种稀土前驱体包含不同的稀土金属元素；第二，将所述衬底暴 露于包含含氧气体的气体脉冲；C)按顺序，第一，将所述衬底暴露于包含铝前驱体的气体脉冲；第 二，将所述衬底暴露于包含含氧气体的气体脉冲；和d)重复步骤b) —C)期望次数，以沉积具有期望厚度的混合稀土铝 酸盐薄膜。
18. 如权利要求17的方法，其中，所述至少两种稀土金属元素选自 Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm禾卩Yb。
19. 如权利要求17的方法，其中，所述含氧气体包括02、 H20、 H202、臭氧或等离子体激发氧或其中两种或更多种的组合。
20. 如权利要求17的方法，还包括在b)或c)中至少一个之后吹扫 或排空所述处理室。
21. 如权利要求17的方法，还包括在b)或c)中至少一个中的第一 和第二暴露步骤之间吹扫或排空所述处理室。
22. —种形成混合稀土铝酸盐薄膜的方法，包括a) 将衬底布置在处理室中；b) 将所述衬底暴露于包含多种稀土前驱体的气体脉冲，其中每种稀 土前驱体包含不同的稀土金属元素并包含铝前驱体；C)将所述衬底暴露于含氧气体的气体脉冲；和c) 重复步骤b) —c)期望次数，以沉积具有期望厚度的混合稀土铝酸盐薄膜。
23. 如权利要求22的方法，其中，所述稀土金属元素选自Y、 Lu、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Th、 Dy、 Ho、 Er、 Tm和Yb。
24. 如权利要求22的方法，其中，所述含氧气体包括02、 H20、 H202、臭氧或等离子体激发氧或其中两种或更多种的组合。
25.如权利要求22的方法，还包括在至少一个暴露步骤之后吹扫或 排空所述处理室。
全文摘要
本发明提供了一种沉积栅极电介质的方法，所述栅极电介质包括至少两种氧化物形式或铝酸盐形式的稀土金属元素。所述方法包括将衬底(25，92)布置在处理室(10)中以及将衬底(25，92)暴露于包含第一稀土前驱体的气体脉冲并暴露于包含第二稀土前驱体的气体脉冲。衬底(25，92)还可任选地被暴露于包含铝前驱体的气体脉冲。在每个前驱体气体脉冲之后，将衬底(25，92)暴露于含氧气体的气体脉冲。在替代性实施方式中，第一和第二稀土前驱体可一起被脉冲，并且二者之一或全部可与铝前驱体一起被脉冲。第一和第二稀土前驱体包含不同的稀土金属元素。可重复这种顺序暴露步骤，以沉积具有期望厚度的混合稀土氧化物或铝酸盐层(96)。还可以在每个气体脉冲之后进行吹扫或排空步骤。
文档编号C23C16/448GK101460658SQ200780020120
公开日2009年6月17日 申请日期2007年3月28日 优先权日2006年3月31日
发明者罗伯特·D·克拉克 申请人:东京毅力科创株式会社