Entwicklung von Verfahren zur Atomlagenabscheidung von leitfähigen Tantalnitrid-basierten Dünnschichten

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleitertechnik führt insbesondere bei der Herstellung von dynamischen Halbleiterspeichern zu einer starken Zunahme der Aspektverhältnisse innerhalb von Speicherkondensatoren. Daraus folgend kommt es hier bei der Abscheidung von Elektroden und Dielektrika zu sehr hohen Anforderungen an die Kantenbedeckung, was die Atomlagenabscheidung (ALD) mit ihrem zyklischen selbstlimitierten Monolagenwachstum für diese Anwendung prädestiniert. Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung von ALD-Verfahren zur konformen Beschichtung von Grabenstrukturen mit Tantalnitrid-basierten Elektrodenmaterialien. Dabei wird ein metallorganischer Tantal-Präkursor verwendet, der sich durch seinen flüssigen Aggregatzustand und die Abwesenheit von korrosiven Reaktionsprodukten auszeichnet.
Theoretische Betrachtungen zum Tantal-Kohlenstoff-Stickstoff-Phasensystem und zum aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet der thermischen und der plasmaaktivierten ALD von Tantalnitrid, Tantalcarbid und Tantalcarbonitrid zeigen auf, dass mit den aktuell kommerziell verfügbaren metallorganischen Tantal-Präkursoren ohne Plasmaunterstützung und Temperaturbehandlungen nur amorphe Schichten mit geringer Dichte und starker Oxidationsneigung hergestellt werden können. Die in dieser Arbeit durchgeführten quantenchemische Simulationen nach der Dichtefunktionaltheorie liefern hier potentielle Ursachen dieses Verhaltens.
Auf Basis der theoretischen Betrachtungen erfolgten in einer ersten Entwicklungsrichtung Experimente zur ALD mit Plasmaaktivierung. In einem zweiten experimentellen Ansatz wurde die thermische ALD mit ausgewählten nachträglichen In-situ-Temperaturbehandlungen kombiniert. Beide Entwicklungsrichtungen resultieren ALD-basierte Verfahren zur Herstellung von Tantalnitrid-basierten Dünnschichtelektroden mit hoher Resistenz gegen Oxidation an Luft, hoher Dichte sowie niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand. Dabei zeichnet sich die plasmaaktivierte ALD durch ihre niedrige Abscheidetemperatur aus, während mit der Kombination aus thermischer ALD und In-situ-Nachtemperung ein hochflexibles Verfahren entwickelt werden konnte, das exzellente Kantenbedeckung mit einer gezielten Modifizierbarkeit von Schichteigenschaften verbindet.