(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを形成する方法であって、
基板を第1処理チャンバに導入する工程と、
所望の厚さを有する高ｋ誘電体層を前記第1処理チャンバ内の前記基板の表面に形成する工程と、
前記基板を周囲空気に曝すことなく、第２処理チャンバに移す工程と、
前記基板を、前記第２処理チャンバ内に生成された、フッ素ソースガスを含む低エネルギープラズマに曝して、フッ素化された高ｋ誘電体層を前記基板の上に、前記第２処理チャンバ内の高ｋ誘電体層をエッチングすることなく形成する工程と、
前記基板を周囲空気に曝すことなく、第３処理チャンバに移す工程と、
ゲート電極を前記第３処理チャンバ内のフッ素化された高ｋ誘電体層の上に形成する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
フッ素ソースガスは、Ｆ２，ＮＦ３，ＨＦ、及びこれらのガスの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
フッ素ソースガスは、炭素を含まないガスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
基板を、フッ素ソースガスを含む低エネルギープラズマに曝す工程は、１００℃未満の基板温度で行なわれる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
低エネルギープラズマは誘導パルスプラズマソースを使用して形成される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
低エネルギープラズマは、連続波誘導及び容量結合の混合プラズマソースを使用して形成される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ゲート電極は、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、及び窒化タングステンから成るグループから選択される金属ゲート電極である、請求項１記載の方法。
【請求項８】
基板を、フッ素ソースガスを含む低エネルギープラズマに曝す工程は、所望の厚さを有する高ｋ誘電体層を基板の表面に形成する工程の後に行なわれる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
フッ素化された高ｋ誘電体層に含まれるフッ素の濃度は、１Ｅ１４原子／ｃｍ２〜４Ｅ１５原子／ｃｍ２である、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記高ｋ誘電体層は、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、珪酸ハフニウム、アルミン酸ハフニウム、酸化ランタンハフニウム、酸化ランタン、及び酸化アルミニウムから成るグループから選択される少なくとも一つの材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
高ｋゲート積層構造を形成する方法であって、
高ｋ誘電体層を基板の上に形成する工程と、
前記高ｋ誘電体層をアニールする工程と、
前記基板を、処理チャンバ内に生成された、低イオンエネルギーフッ素含有プラズマに曝して、フッ素化された高ｋ誘電体層を形成して、高ｋゲート積層構造中の酸素空孔及び他の結合欠陥をパシベートする工程と、
前記フッ素化された高ｋ誘電体層をアニールする工程と、
ゲート電極を前記フッ素化された高ｋ誘電体層の上に形成する工程と、を含む、方法。
【請求項１２】
基板を、低イオンエネルギーフッ素含有プラズマに曝す工程では、約５０ワット〜約１０００ワットのＲＦ電力を供給することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
基板を、低イオンエネルギーフッ素含有プラズマに曝す工程は、誘導パルスプラズマ、連続波容量結合プラズマソース、及び連続波誘導及び容量結合の混合プラズマソースから成るグループから選択されるパルス無線周波数プラズマプロセスを行なうことを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
基板を、フッ素ソースガスを含む低エネルギープラズマに曝す工程は、１００℃未満の基板温度で行なわれる、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
アルゴン、ヘリウム、窒素、酸素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択されるガスをフッ素ソースガスと同時に流す工程をさらに含む、請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は概して、高ｋ誘電体材料を基板に堆積させる方法及び装置に関し、特に高ｋゲート積層構造を形成しながら誘電体材料を堆積させ、そして安定させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体処理、フラットパネルディスプレイ処理、または他の電子デバイス処理の分野では、気相堆積プロセスが、材料を基板に堆積させるために重要な役割を果たしてきた。電子デバイスの形状が縮小し続け、そしてデバイスの密度が増加し続けるにつれて、パターンのサイズ及びアスペクト比が益々実現困難な値になっている、例えば６５ｎｍ以下のパターンサイズ、及び１０以上のアスペクト比が選択されている。デバイスパターンを小さくしたいという要求が常に存在するので、新規のゲート誘電体材料及び／又はプロセスが必要になる。
【０００３】
二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を、高ｋ誘電体材料のような新規のゲート誘電体材料に置き換えるために、非常に困難な解決課題が投げかけられている。例えば、高ｋ誘電体材料は通常、化学気相堆積法（ＣＶＤ）または原子層堆積法（ＡＬＤ）を使用して堆積し、これらの堆積法によって、前駆体材料を含む炭素，及び他の汚染物質が堆積膜に取り込まれ易くなる。炭素及び汚染物質は、ゲート誘電体層の誘電特性に悪影響を及ぼす。また、化学気相堆積法（ＣＶＤ）または原子層堆積法（ＡＬＤ）により堆積する高ｋ誘電体膜とチャネル領域との界面の品質は二酸化シリコン層ほどには優れていない。
【０００４】
更に、高ｋ誘電体材料のような誘電体材料には、後続の形成プロセス中に高温（＞５００℃）に曝されると形態変化が生じる。例えば、窒化チタンは多くの場合、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムの上に、ＣＶＤプロセスによって約６００℃で堆積する。このような高い温度では、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムが結晶化して、非晶質性及び低リーク特性が損なわれる。また、誘電体材料の完全な結晶化が回避される場合でも、高温に曝されると誘電体材料の結晶粒成長及び／又は相分離が生じて、リーク電流増大によりデバイス性能が低下する。
【０００５】
従って、結合欠陥が少なくなった状態でモルフォロジーが安定な誘電体材料、特に高ｋ誘電体材料を形成するプロセスが必要になる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は一般的に、結合欠陥を低減した状態の誘電体材料を基板の上に形成する方法を提供する。一の実施形態では、本方法は、所望の厚さを有する誘電体層を基板の表面に形成する工程と、基板を、フッ素ソースガスを含む低エネルギープラズマに曝して、フッ素化された誘電体層を基板の上に、誘電体層をエッチングすることなく形成する工程と、そしてゲート電極を基板の上に形成する工程と、を含む。或る実施形態では、フッ素ソースガスは、炭素を含まないガスである。或る実施形態では、本方法は更に、アルゴン、ヘリウム、Ｎ２，Ｏ２，及びこれらのガスの組み合わせから成るグループから選択されるガスを、フッ素ソースガスと同時に流す工程を含む。或る実施形態では、低エネルギープラズマは、誘導結合パルス無線周波数プラズマプロセスを使用して形成される。或る実施形態では、プラズマは連続波容量結合プラズマソースを使用して形成される。或る実施形態では、プラズマは、連続波誘導及び容量結合の混合プラズマソースを使用して形成される。
【０００７】
別の実施形態では、高ｋゲート積層構造を形成する方法が提供される。本方法は、高ｋ誘電体層を基板の上に形成する工程を含む。基板を、低イオンエネルギーフッ素含有プラズマに曝して、高ｋゲート積層構造中の酸素空孔及び他の結合欠陥をパシベートする。ゲート電極を基板の上に形成する。或る実施形態では、高ｋ誘電体層は金属酸化物含有層である。或る実施形態では、高ｋ誘電体層をアニールする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明に関して上に列挙した特徴を詳細に理解することができるような態様で、上に簡単に要約した本発明に関する更に詳細な記述を種々の実施形態を参照しながら行なうことができ、これらの実施形態の内の幾つかの実施形態が添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は本発明の代表的な実施形態を示しているに過ぎず、従って本発明の範囲を制限するものではないと解釈されるべきであり、従って本発明は他の効果的な実施形態にも同じように適用することができることに留意されたい。
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一の実施形態によるフロー図である。
【図２】図２Ａ〜Ｄは、図１に示すプロセスシーケンスの種々の段階における基板を示している。
【図３】図３は、本発明の実施形態に使用されるプラズマ反応装置の模式図である。
【図４】図４は、本発明の一の実施形態によるフロー図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に使用される統合処理システムの模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に使用されるプラズマチャンバの等角断面図である。
【００１０】
理解を容易にするために、同じ参照番号を出来る限り使用することにより、複数の図に共通する同じ構成要素を指すようにしている。一の実施形態の構成要素及び／又はプロセス工程は他の実施形態に、更に別の列挙を行なうことなく、有利に組み込むことができるものと考えられる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は概して、高ｋ誘電体材料を基板の上に堆積させる方法及び装置に関し、特に高ｋゲート積層構造を形成しながら誘電体材料を堆積させ、そして安定させる方法に関する。フッ素含有プラズマを使用して、高ｋゲート積層構造の酸素欠損部位及び他の結合欠陥に保護膜を形成する。プラズマフッ素化はｉｎ−ｓｉｔｕ法で行なう（その場で行なう）ことができ、この場合、単一のウェハプラズマ反応装置で高ｋ誘電物質堆積処理または事後堆積処理を集中的に行なうので、大気に曝す前に処理を進めることができる。プラズマフッ素化を上首尾に行なうためには、低エネルギーイオンプラズマによってイオン衝突ダメージ及び関連するハロゲンエッチングを防止する必要がある。低エネルギーイオンプラズマは、誘導パルスプラズマ、連続波容量結合プラズマソース、及び連続波誘導及び容量結合の混合プラズマソースを使用して形成することができる。
【００１２】
本明細書において使用するように、「高ｋ誘電体」という用語は一般的に、均質な、異質な、濃度傾斜付きの、そして／または多層化された積層体または積層構造である広範囲の種類の化合物を指す。高ｋ誘電体は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、ランタン、アルミニウム、シリコン、酸素、及び／又は窒素の組み合わせを含むことができる。高ｋ誘電体材料は、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２を含むＨｆＯｘ），珪酸ハフニウム（ＨｆＳｉＯ４を含むＨｆＳｉｘＯｙ）、酸窒化シリコンハフニウム（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＳｉｘＮｙ）、アルミン酸ハフニウム（ＨｆＡｌｘＯｙ）、珪酸アルミニウムハフニウム（ＨｆＡｌｘＳｉｙＯｚ）、酸窒化シリコンアルミニウムハフニウム（ＨｆＡｌｗＳｉｘＯｙＮｚ）、酸化ランタンハフニウム（ＨｆＬａｘＯｙ）、のようなハフニウム含有材料、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２を含むＺｒＯｘ）、珪酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４を含むＺｒＳｉｘＯｙ）、酸窒化シリコンジルコニウム（ＺｒＳｉｘＯｙＮｚ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＳｉｘＮｙ）、アルミン酸ジルコニウム（ＺｒＡｌｘＯｙ）、珪酸アルミニウムジルコニウム（ＺｒＡｌｘＳｉｙＯｚ）、酸窒化シリコンアルミニウムジルコニウム（ＺｒＡｌｗＳｉｘＯｙＮｚ）、酸化ランタンジルコニウム（ＺｒＬａｘＯｙ）のようなジルコニウム含有材料、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３またはＡｌＯｘ）、珪酸アルミニウム（ＡｌＳｉｘＯｙ）、酸窒化シリコンアルミニウム（ＡｌＳｉｘＯｙＮｚ）、酸化アルミニウムランタン（ＬａＡｌｘＯｙ）、酸化ランタン（ＬａＯｘまたはＬａ２Ｏ３）のような他のアルミニウム含有材料またはランタン含有材料、他の適切な材料、これまでに列挙した材料の複合物及び混合物を含むことができる。誘電体層に有用な他の高Ｋ誘電体材料は、酸化チタン（ＴｉＯｘまたはＴｉＯ２）、酸窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）、酸化タンタル（ＴａＯｘまたはＴａ２Ｏ５）、及び酸窒化タンタル（ＴａＯｘＮｙ）を含むことができる。高Ｋ誘電体層に有用な誘電体材料である積層膜は、ＨｆＯ２／Ａｌ２Ｏ３，ＨｆＯ２／ＳｉＯ２，Ｌａ２Ｏ３／Ａｌ２Ｏ３，及びＨｆＯ２／ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３を含む。
【００１３】
本明細書において使用するように、「基板」という用語は一般的に、いずれかの基板、または膜処理が施される基板の上に形成される材料基板を指す。例えば、処理を施すことができる基板は、シリコン、酸化シリコン、歪みシリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素添加シリコン酸化物、窒化シリコン、ドープトシリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガラス、サファイアのような材料、及び金属、金属窒化物、金属合金、及び他の導電材料のような用途によって変わる他のいずれかの材料を含む。基板表面上のバリア層、金属、または金属窒化物は、チタン、窒化チタン、窒化タングステン、タンタル、及び窒化タンタルを含む。基板は、２００ｍｍまたは３００ｍｍ径のウェハだけでなく、矩形枠（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｐａｎｅ）または方形枠（ｓｑｕａｒｅ  ｐａｎｅ）のような種々の寸法を有することができる。特に断らない限り、本明細書に記載される実施形態及び実施例は、２００ｍｍ直径または３００ｍｍ直径、更に好ましくは３００ｍｍ直径の基板の上に形成されることが好ましい。本明細書に記載される実施形態のプロセスでは、誘電体材料を多くの基板及び表面に堆積させる。本発明の実施形態が有用となり得る基板は、これらに制限されないが、結晶シリコン（例えば、Ｓｉ＜１００＞またはＳｉ＜１１１＞）、酸化シリコン、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープトまたはアンドープポリシリコン、ドープトまたはアンドープシリコンウェハ、及びパターニングされた、またはパターニングされていないウェハを含む。基板に予備処理プロセスを施すことにより、基板表面を研磨する、エッチングする、薄くする、酸化する、水酸化する、アニールする、そして／またはベークすることができる。
【００１４】
本明細書において使用するように、「原子層堆積」または「周期的堆積」という用語は一般的に、２つ以上の反応性化合物を連続的に導入して、材料層を基板表面に堆積させる方法を指す。別の方法として、２つ、３つ、またはこれらよりも多くの反応性化合物をプロセスチャンバの反応ゾーンに導入することができる。普通、各反応性化合物は、時間を遅らせて分離することにより、各化合物を基板表面に固着させる、そして／または基板表面で反応させることができる。一の態様では、第１の前駆体または化合物Ａを反応ゾーンにパルス状に導入し、この後に第１の遅延時間が続く。次に、第２の前駆体または化合物Ｂを反応ゾーンにパルス導入し、この後に第２の遅延時間が続く。各遅延時間経過待ち状態では、窒素のようなパージガスをプロセスチャンバに導入して反応ゾーンをパージする、または残留反応化合物または副生成物を全て反応ゾーンから除去する。別の方法として、パージガスを堆積プロセスが行なわれている間ずっと継続的に流して、パージガスのみが遅延時間経過待ち状態で反応化合物のパルス状の導入と導入との間に流れるようにすることができる。別の方法として、反応化合物を、所望の膜または膜厚が基板表面に形成されるまでパルス状に導入する。いずれのシナリオにおいても、化合物Ａ、パージガス、化合物Ｂ、及びパージガスをパルス状に導入するＡＬＤプロセスが１サイクルである。１サイクルは、化合物Ａまたは化合物Ｂのいずれかから始まることができ、そして所望の膜厚の膜が得られるまで、それぞれの順番のサイクルとして続けることができる。別の実施形態では、化合物Ａを含む第１の前駆体、化合物Ｂを含む第２の前駆体、及び化合物Ｃを含む第３の前駆体はそれぞれ個別にプロセスチャンバにパルス状に導入される。別の方法として、第１の前駆体のパルス状の導入を第２の前駆体のパルス状の導入と時間軸上でオーバーラップさせるとともに、第３の前駆体のパルス状の導入を第１及び第２の前駆体のパルス状の導入のいずれの導入とも時間軸上でオーバーラップすることがないようにする。
【００１５】
本明細書において使用するように、「パルス（ｐｕｌｓｅ）」という用語は一般的に、処理チャンバの反応ゾーンに間欠的に、または不連続的に導入される特定化合物の量を指す。各パルス内の特定化合物の量は、例えば用いるプロセスチャンバのボリューム容量、チャンバに接続される真空システム、及び特定化合物自体の揮発度／反応度のような多くの要素によって変わり得る。本明細書において使用するように、「半反応（ｈａｌｆ−ｒｅａｃｔｉｏｎ）」という用語は、前駆体をパルス状に導入する工程の後に、パージ工程が行なわれる状態を指すために使用される。
【００１６】
理解を容易にするために、以下の記述は、高ｋ誘電体積層構造に組み込まれる高ｋ誘電体層のプラズマフッ素化に関して行なわれる。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、本明細書に記載されるプラズマフッ素化プロセスは、多くの異なる半導体用途に使用することができることが理解できるであろう。
【００１７】
例示的な実施形態
図１は、フッ素化高Ｋ誘電体層を基板表面に形成する方法１００の一の実施形態のフローチャートである。図２Ａ〜２Ｄを方法１００に対応させて、トランジスタまたはキャパシタのような半導体素子に使用される誘電体材料を形成する様子を示している。工程１１０では、高Ｋ誘電体層２０２を基板２０１の上に形成する。工程１２０では、基板２０１を、フッ素ソースを含むプラズマに曝して、フッ素化高ｋ誘電体層２０４を形成する。工程１３０では、ゲート電極２０６を基板２０１の上に形成する。
【００１８】
工程１１０の高Ｋ誘電体層２０２は基板の上に、原子層堆積法（ＡＬＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、物理気相堆積法（ＰＶＤ）、熱酸化法、及びプラズマ堆積法、及びこれらの方法の組み合わせのような従来の堆積法によって堆積させることができる。好適な実施形態では、高ｋ誘電体層２０２をＡＬＤプロセス及び装置によって堆積させるが、このＡＬＤプロセス及び装置は、例えば２００５年１２月８日公開の「ハフニウム含有高Ｋ誘電体材料を原子層堆積させる装置及び方法」と題し、かつアプライドマテリアルズ社に譲渡される同時係属中の米国特許出願公開公報第２００５／０２７１８１２号に記載されており、この特許文献を本明細書において参照することにより当該特許文献の内容が本明細書に組み込まれる。高ｋ誘電体層２０２は普通、約１０オングストローム〜約１０００オングストローム、好ましくは約２０オングストローム〜約５００オングストローム、更に好ましくは約５０オングストローム〜約２００オングストローム、例えば約１００オングストロームの膜厚に堆積させる。任意の予備クリーニング工程は、高ｋ誘電体層２０２を基板２０１の上に堆積させる前に行なうことができる。高ｋ材料を堆積するための適切なチャンバの例として、ＦＬＥＸＳＴＡＲ（登録商標）を挙げることができ、ＦＬＥＸＳＴＡＲ（登録商標）は、カリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社が市販している。
【００１９】
高ｋ誘電体層２０２をフッ素化して、工程１２０のフッ素化高ｋ誘電体層２０４を形成している間、基板に、Ｆ２、及びアルゴンのような不活性ガスプラズマを同時に流すことにより形成されるフッ素原子を衝突させる。Ｆ２の他に、他のフッ素含有ガスを使用して、ＮＦ３，ＨＦ，またはこれらの組み合わせのようなフッ素プラズマを形成することができる。使用することができる他の不活性ガスとして、ヘリウム、ネオン、及びキセノンを挙げることができる。窒素及び酸素のような他のガスを、不活性ガスの代わりに使用する、または不活性ガスと組み合わせて使用することができる。好適には、このプロセスに使用されるガスは炭素を含まない。一の実施形態では、フッ素化プロセスは、約１０秒〜約３６０秒、好ましくは約３０秒〜約１８０秒、例えば約１２０秒の時間に亘って行なわれる。フッ素化プロセスは普通、１００℃未満、例えば約５０℃〜１００℃未満の温度で行なわれる。また、フッ素化プロセスは、約５０ワット〜約２，５００ワット、例えば約７０ワット〜約２００ワットのように、約５０ワット〜約１，０００ワットのプラズマ電力値、及び約１０ｍＴｏｒｒ〜約１００ｍＴｏｒｒの圧力で行なわれる。フッ素は、約０．１ｓｌｍ〜約１．０ｓｌｍの流量を有する。処理ガスの個々のガス流量及び合計ガス流量は、処理チャンバのサイズ、処理チャンバの温度、及び処理対象の基板のサイズのような多数の処理要素に従って変わり得る。好適な実施形態では、フッ素化プロセスにおいては、中密度の低イオンエネルギーフッ素プラズマを使用する。低イオンエネルギーパルス状フッ素含有プラズマによって、フッ素を高ｋ誘電体ゲート積層構造に、十分大きいエネルギーをイオンエッチングに利用することなく、取り込むことができる。或る実施形態では、フッ素化誘電体層中のフッ素の濃度は、１Ｅ１４原子／ｃｍ２〜４Ｅ１５原子／ｃｍ２である。
【００２０】
別の実施形態では、プラズマフッ素化はチャンバ内で、約５〜２０ｍＴｏｒｒまたは約１０〜２０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力、２００〜８００ワット、例えば約２５０ワット〜約６００ワットのプラズマ電力の条件で行なわれる。フッ素ガスはチャンバに、約１００〜２００ｓｃｃｍの範囲の流量で流し込むことができる。一の実施形態においては、プラズマフッ素化では、約１０〜２０ＭＨｚのパルス無線周波数プラズマプロセス、及び約５〜１５ｋＨｚのパルスを使用する。プラズマフッ素化プロセスパラメータは、チャンバサイズ及び容積、更には誘電体膜の所望の厚さによって変わるように変化させることができる。任意のアニール工程は、プラズマフッ素化プロセスの前に、または後に行なうことができる。プラズマフッ素化プロセスパラメータは、誘電体をエッチングするために十分大きいエネルギーを利用することができなくても済むように選択される。
【００２１】
工程１３０のゲート電極２０６は、基板２０１の上に、構造をプラズマに曝し、そしてアニールする前に堆積させることができ、ポリシリコン層、アモルファスシリコン層のようなゲート電極２０６、またはチタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、及び他の高融点金属のような金属層、または他の適切な電極材料をフッ素化高ｋ誘電体層２０４の上に堆積させることができる。
【００２２】
図３は、カリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社が製造するプラズマプロセス反応装置３００の模式図である。プラズマプロセス反応装置は、本発明を実施するために使用することができる反応装置の一例である誘導プラズマソース反応装置である。
【００２３】
反応装置３００は、静電チャック３１６を導電性ボディ（壁）３３０の内部に有するプロセスチャンバ３１０と、そしてコントローラ３４０と、を備える。チャンバ３１０には、ほぼ平坦な誘電性天井部３２０を設ける。チャンバ３１０の他の変形例は他のタイプの天井部、例えばドーム状天井部を有することができる。天井部３２０の上には、少なくとも一つの誘導コイル素子３１２（２つの同軸素子３１２が示される）が配置される。誘導コイル素子３１２は、第１整合回路３１９を介してプラズマ電源３１８に接続される。プラズマ電源３１８は通常、最大３００Ｗの電力を、例えば５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲の調整可能な周波数で生成することができる。
【００２４】
静電チャック３１６は、第１電極３５４と、そして誘電体材料に埋め込まれる第２電極３５６と、を含む。第１電極３５４及び第２電極３５６をＤＣ電位でバイアスすることにより、基板３１４を保持する吸着作用を起こす。吸着電圧を静電チャック３１６、及びマスクから離間するウェハに印加することにより、電荷分布を基板３１４の下面に沿って、かつ静電チャック３１６の表面を覆うように発生させる。これらの電荷の極性を逆にすることにより、吸着静電力が基板３１４と静電チャック３１６との間に生じる。この力は基板３１４をチャック３１６の上に、処理チャンバ３１０内のプラズマを介在させることなく保持するので、基板３１４の導通接地経路が得られる。静電チャック３１６は単極チャックとすることもできる。
【００２５】
静電チャック３１６は、第２整合回路３２４を介してバイアス電源３２２に接続される。バイアス電源３２２は普通、５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの調整可能な周波数、及び０〜５０００ワットの電力を有するＲＦ信号を生成する機能を備える。任意であるが、バイアス電源３２２はＤＣ電源またはパルスＤＣ電源とすることができる。コントローラ３４０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３４４と、メモリ３４２と、そしてＣＰＵ３４４のサポート回路３４６と、を備え、そしてチャンバ３１０の、従って上に議論した窒化プロセスの構成要素に対する制御を容易にする。
【００２６】
別の実施形態では、静電チャック３１６を作動させる電圧は、別の「チャック」電源（図示せず）によって供給することができる。チャック電源の一方の出力端子はチャック電極に接続される。他方の出力端子は通常、電気接地に接続されるが、別の構成として、静電チャック３１６の金属ボディ部分に接続することができる。作動状態では、基板は誘電体材料と接触するように配置され、そして直流電圧を電極に印加して静電吸着力を、または静電吸着バイアスを生成することにより、基板を静電チャック３１６の上側表面に固着させる。
【００２７】
作動状態では、半導体ウェハ３１４を静電チャック３１６の上に載置し、そしてプロセスガスをガスパネル３３８から流入ポート３２６を通って供給してガス混合物３５０を生成する。ガス混合物３５０に点火して、プラズマ３５５をチャンバ３１０内に、電源をプラズマ電源３１８から印加することにより生成する。チャンバ３１０の内部の圧力は、スロットルバルブ３２７及び真空ポンプ３３６を使用して制御される。通常、チャンバ壁３３０は電気接地３３４に接続される。壁３３０の温度は、壁３３０を貫通して走る液体収容導管（図示せず）を使用して制御される。
【００２８】
基板３１４の温度は、静電チャック３１６の温度を安定させることにより制御される。一の実施形態では、ガス供給源３４８からのヘリウムガスは、ガス導管３４９を経由して、静電チャック３１６の表面に、基板３１４の裏面と静電チャック３１６の上側表面との間に形成される微小空間に達するように形成される流路（図示せず）に供給される。処理中、静電チャック３１６は、静電チャック３１６の台座の内部の抵抗加熱ヒータ（図示せず）によって定常温度にまで加熱することができ、そして次に、ヘリウムガスによって基板３１４に対する均一な加熱が容易になる。
【００２９】
プロセスチャンバ３１０の制御を上に記載したように容易にするために、コントローラ３４０は、産業現場において使用することにより種々のチャンバ及びサブプロセッサを制御することができるいずれかの形態の汎用コンピュータプロセッサの内の一つの汎用コンピュータプロセッサとすることができる。ＣＰＵ３４４のメモリ３４２またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フロッピィディスク、ハードディスクのような容易に入手することができるメモリ、または他のいずれかの形態の自律動作型の、または遠隔操作型のデジタルストレージの内の一つ以上とすることができる。サポート回路３４６はＣＰＵ３４４に接続されてプロセッサを従来の態様でサポートする。これらの回路はキャッシュ、電源、クロック回路、入力／出力回路、及びサブシステムなどを含む。本発明による方法は一般的に、メモリ３４２にソフトウェアルーチンとして保存される。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ３４４によって制御されているハードウェアから遠く離れて位置する第２ＣＰＵ（図示せず）によって保存する、そして／または実行することもできる。
【００３０】
プラズマによる窒素ガスの分解過程が窒化に影響する現象を利用するプロセス反応装置３００についての他の詳細は、アプライドマテリアルズ社に譲渡され、かつ米国特許第７，１７９７５４号として２００４年１２月２日に発行された「ゲート誘電体のプラズマ窒化を振幅変調無線周波数エネルギーを使用して行なう方法及び装置」と題する米国特許出願公開公報第２００４／０２４２０２１号に記載されており、この特許文献の内容の内、本発明と矛盾することがない部分を本明細書において参照することにより、当該部分が本明細書に組み込まれる。適切なＤＰＮチャンバの例として、カリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社が市販しているＤＰＮ  ＣｅｎｔｕｒａＴＭを挙げることができる。他の適切なプラズマチャンバとして、アプライドマテリアルズ社が市販しているＰ３ｉチャンバを挙げることができる。
【００３１】
図４は、本発明の一の実施形態による方法４００のフロー図である。任意であるが、基板の表面をクリーニングして基板の表面に形成されている可能性のある自然酸化膜を除去することができる。プロセスは、シリコン基板を第１処理チャンバに導入する工程４０２から始まる。約５オングストローム〜約１００オングストロームの珪酸ハフニウム（ＨｆＳｉＯｘ）をシリコンウェハ上に工程４０４で成長させる。表面クリーニング及び高ｋ誘電体層形成についての詳細は、アプライドマテリアルズ社に譲渡され、かつ２００３年１２月１８日に発行された「高誘電率材料の核形成を促進する表面前処理」と題する米国特許出願公開公報第２００３／０２３２５０１号に記載されており、この特許文献を本明細書において参照することにより、この特許文献の内容が本明細書に組み込まれる。珪酸ハフニウム層は、この方法を使用して堆積する材料の一例である。本発明は、４．０よりも大きい誘電率を有する高Ｋ誘電体材料とすることができる他の種類のゲート誘電体に適用することができる。
【００３２】
任意であるが、基板は、カリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社が市販しているＣＥＮＴＵＲＡＴＭ  ＲＡＤＩＡＮＣＥＴＭ高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバのようなアニールチャンバに搬送することにより、ＨｆＳｉＯｘ膜の堆積後アニールを行うことができる。堆積後アニールは、基板を約５００℃〜約１２００℃、好ましくは約５５０℃〜約７００℃の温度で約３０秒〜約９０秒に亘ってアニールする、例えば６５０℃で約６０秒に亘ってアニールすることにより行うことができる。一般的に、アニールチャンバ雰囲気は、Ｏ２，Ｎ２，ＮＨ３，Ｎ２Ｈ４，ＮＯ，Ｎ２Ｏ，またはこれらのガスの組み合わせのような少なくとも一つのアニールガスを含む。アニールチャンバは、約５Ｔｏｒｒ〜約１００Ｔｏｒｒ、例えば約５０Ｔｏｒｒの圧力に維持される。
【００３３】
工程４０６では、基板を次に、フッ素含有ガスを少なくとも含むプラズマチャンバに搬送する。好適な実施形態においては、フッ素化プロセスでは、中密度の低イオンエネルギーフッ素プラズマを使用する。低イオンエネルギーパルス状フッ素含有プラズマによって、フッ素を高ｋゲート積層構造に、イオンエッチング用の十分に大きいエネルギーを用いることなく取り込むことができる。フッ素化プロセスは、誘導パルスプラズマ、容量結合プラズマソース、または連続波誘導及び容量結合の混合プラズマソースを使用して行なうことができる。
【００３４】
任意であるが、基板をＲＴＰ処理チャンバに戻すように搬送し、このＲＴＰ処理チャンバでは、ポストフッ素化アニール工程が行なわれる。ポストフッ素化アニールを施している間、基板は約６００℃〜約１２００℃、好ましくは約７００℃〜約１１００℃の温度で、約１秒〜約１２０秒、好ましくは約３０秒〜約９０秒の時間に亘って、例えば約１０００℃で約６０秒に亘ってアニールされる。一般的に、アニールチャンバ雰囲気は、Ｏ２，Ｎ２，ＮＨ３，Ｎ２Ｈ４，ＮＯ，Ｎ２Ｏ，またはこれらのガスの組み合わせのような少なくとも一つのアニールガスを含む。アニールチャンバは、約５Ｔｏｒｒ〜約１００Ｔｏｒｒ、例えば約１５Ｔｏｒｒの圧力に維持される。別の方法として、ポスト窒化アニールは２ステッププロセスにより行なわれ、２ステッププロセスでは、不活性化ステップまたは還元ステップの後に酸化ステップを行なう。
【００３５】
フッ素化された高ｋ誘電体層を形成した後、ポリシリコンのようなゲート電極を、低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）、原子層エピタキシー法（ＡＬＥ）、熱分解法、またはこの技術分野で公知の他の方法により堆積させることができる。ポリシリコン層は一般的に、ボロン、リン、または砒素のようなドーパントを含む。ゲート電極は金属層とすることもできる。
【００３６】
図５は、本明細書に開示されるプロセスを実施する機能を備える統合処理システム５００の模式図である。統合処理システム５００は、クリーニングモジュール５１０と、そして熱処理／堆積メインフレームシステム５３０と、を備える。図５に示すように、クリーニングモジュール５１０は、カリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社から入手することができるＯＡＳＩＳ  ＣＬＥＡＮＴＭシステムである。熱処理／堆積メインフレームシステム５３０は、ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）システムであり、これもまたカリフォルニア州サンタクララ市に本拠を置くアプライドマテリアルズ社から市販されている。本明細書に開示されるプロセスを実行するシステムのこの特定の実施形態は、本発明を例示するために提供されるのであり、本発明の範囲を制限するために使用されるものとして捉えられるべきではない。
【００３７】
クリーニングモジュール５１０は一般的に、一つ以上の基板カセット５１２と、基板搬送領域内に配置される一つ以上の搬送ロボット５１４と、そして一つ以上の枚様式基板クリーニングチャンバ５１６と、を含む。枚様式基板クリーニングシステムの他の態様及び形態については、２００２年３月１４日に発行された「ウェハクリーニング方法及び装置」と題する米国特許出願公開公報第２００２／００２９７８８号、及び２００２年５月３０日に発行された「枚様式ウェハ処理装置のウェハスプレー構造」と題する米国特許出願公開公報第２００２／００６３１６９号に開示されており、これらの特許文献の両方の内容の内、本開示と矛盾することがない部分を本明細書において参照することにより、当該部分の全体が本明細書に組み込まれる。
【００３８】
熱処理／堆積メインフレームシステム５３０は一般的に、ロードロックチャンバ５３２と、搬送チャンバ５３４と、そして処理チャンバ５３６Ａ，５３６Ｂ，５３６Ｃ，及び５３６Ｄと、を含む。搬送チャンバ５３４は好ましくは、１ｍＴｏｒｒ〜約１００Ｔｏｒｒの圧力であり、そして好ましくは、Ｎ２雰囲気のような不活性雰囲気を含む。ロードロックチャンバ５３２によって、搬送チャンバ５３４が低い圧力の非反応性環境になっている状態で、基板を熱処理／堆積メインフレームシステム５３０に搬入し、そして熱処理／堆積メインフレームシステム５３０から搬出することができる。搬送チャンバ５３４は一つ以上のブレードを有するロボット５４０を含み、これらのブレードによって基板をロードロックチャンバ５３２と処理チャンバ５３６Ａ，５３６Ｂ，５３６Ｃ，及び５３６Ｄとの間で搬送する。処理チャンバ５３６Ａ，５３６Ｂ，５３６Ｃ，または５３６Ｄの内のいずれかの処理チャンバを、熱処理／堆積メインフレームシステム５３０から、システム５３０によって行なわれることになる特定のプロセスに必要ではない場合に取り外すことができる。
【００３９】
任意の前処理工程、及び高Ｋ誘電体層形成をメインフレームシステムで行なって、高Ｋ誘電体層を形成する前に自然酸化膜の形成を抑制し、そして／または基板の前処理表面の汚染を低減すると有利であると考えられている。他の実施形態では、前処理工程では、研磨、エッチング、還元、酸化、水酸化、アニール、及び／又はベークを行なうことができる。基板を空気に前処理工程と高Ｋ誘電体層形成との間で曝すことにより、高Ｋ誘電体材料の基板上での核形成の効果を低減することができる。図５に示すように、クリーニングモジュール５１０をメインフレームシステム５３０に接続することにより、基板上での自然酸化膜の形成を更に抑制し、そして／またはクリーニング工程と他の処理工程との間での基板の汚染を更に低減することは任意である。勿論、他の実施形態では、クリーニング工程は、熱処理／堆積メインフレームシステムとは別のクリーニングモジュールにおいて行なうことができる。
【００４０】
更に、ゲート電極、すなわち金属またはポリシリコンのいずれかを堆積させる前に、高ｋゲート積層構造をｉｎ−ｓｉｔｕでフッ素化する（その場でフッ素化する）ことにより、ゲート誘電体とゲート電極との間の界面での不所望の化学反応を防止することができると考えられる。ゲート電極を堆積させる前に高ｋ材料の酸素空孔をパシベートすることにより、反応性の低い表面を、堆積金属または堆積ポリシリコンに持たせることができると考えられる。その結果、全ての工程、すなわち高ｋ堆積工程、フッ素化を含むポスト堆積処理工程、及びゲート電極堆積工程を、大気に曝すことなく一つの装置内で一括して行なうプロセスは、一つの装置内で一括して行なわれることがない他のプロセスよりも優れていると考えられる。
【００４１】
高Ｋ誘電体層を形成するように構成される統合処理システム５００の一の実施形態は、フッ素化プロセスを上述したように行なうように適合させた処理チャンバ５３６Ａと、ハフニウム含有層のような高誘電率材料を堆積させるように適合させた化学気相堆積チャンバまたは原子層堆積チャンバのような、或るプロセスを実施するように適合させた処理チャンバ５３６Ｂと、を備える。別の実施形態では、処理チャンバ５３６Ｃは、高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバを含み、高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバでは、構造をアニールすることができる。ＲＴＰチャンバは、アプライドマテリアルズ社から入手することができるＸＥチャンバ，ＸＥ  Ｐｌｕｓチャンバ、またはＲａｄｉａｎｃｅチャンバとすることができる。別の実施形態では、処理チャンバ５３６Ｄは、アプライドマテリアルズ社から入手することができ、かつゲート誘電体層を堆積するように適合させたＰＯＬＹｇｅｎのような低圧化学気相堆積チャンバ（ＬＰＣＶＤ）を含む。システム５００の他の実施形態は本発明の範囲に含まれる。例えば、システム上での特定の処理チャンバの位置は変更することができる、または処理チャンバの数は変更することができる。
【００４２】
図６は、プラズマチャンバ１の一の実施形態の等角断面図であり、プラズマチャンバ１は、プラズマ支援化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、イオン注入プロセス、エッチングプロセス、及び他のプラズマプロセスを行なうように構成される。プラズマチャンバ１は、チャンバ１の本体３に接続されるトロイダルプラズマソース６００を含む。本体３は、蓋部１０及び底面１５に接続される側壁５を含み、底面１５によって内部容積２０を区切っている。プラズマチャンバ１の他の例は、２００２年６月５日に出願され、かつ２００５年９月６日に発行された米国特許第６，９３９，４３４号、及び２００４年２月２４日に出願され、かつ２００５年５月１７日に発行された米国特許第６，８９３，９０７号に記載されており、これらの特許文献の両方を本明細書において参照することにより、これらの特許文献の内容全体が本明細書に組み込まれる。
【００４３】
内部容積２０には、シャワーヘッド７００と基板支持体８００との間に形成される処理領域２５が含まれる。ポンプ領域３０が支持体８００の一部を取り囲む。ポンプ領域３０は、真空ポンプ４０と、底面１５に形成されるポート４５に配置されるバルブ３５を介して選択的に連通する。一の実施形態では、バルブ３５はスロットルバルブであり、スロットルバルブは、内部容積２０からポート４５を介して真空ポンプ４０に達するガスまたは蒸気の流れを制御する。一の実施形態では、バルブ３５は、Ｏリングを使用することなく動作し、そして２００５年４月２６日に出願された米国特許出願公開公報第２００６／０２３７１３６号に詳細に記載されており、この特許文献を本明細書において参照することにより、この特許文献の内容全体が本明細書に組み込まれる。
【００４４】
トロイダルプラズマソース６００は、ほぼ「Ｕ」字形の第１導管６５０Ａと、そしてほぼ「Ｍ」字形の第２導管６５０Ｂを含む。第１導管６５０Ａ及び第２導管６５０Ｂはそれぞれ、少なくとも一つのアンテナ６７０Ａ，６７０Ｂを含み、これらのアンテナを使用して誘導結合プラズマを、導管６５０Ａ，６５０Ｂの各導管の内部領域６５５Ａ，６５５Ｂの内部にそれぞれ形成する。各アンテナ６７０Ａ，６７０Ｂは、ＲＦ電源６７１Ａ，６７２Ａのような電源に接続される巻き線またはコイルとすることができる。ＲＦインピーダンス整合システム６７１Ｂ，６７２Ｂは各アンテナ６７０Ａ，６７０Ｂに接続することもできる。ヘリウム、アルゴン、及び他のガスのようなプロセスガスは、導管６５０Ａ，６５０Ｂの各導管の内部領域６５５Ａ，６５５Ｂにそれぞれ供給することができる。一の実施形態では、プロセスガスは、各導管６５０Ａ，６５０Ｂの内部領域６５５Ａ，６５５Ｂに供給されるドーパント含有ガスを含むことができる。一の実施形態では、プロセスガスはガスソース６３０Ａから供給され、ガスソース６３０Ａは、チャンバ１の本体３に形成されるポート５５に接続される。
【００４５】
一の実施形態では、導管６５０Ａ，６５０Ｂの各対向端部は、チャンバ１の蓋部１０に形成される該当するポート（導管６５０Ｂに対応するポート５０Ａ及び５０Ｂがこの図において示される）に接続される。処理中、プロセスガスは、導管６５０Ａ，６５０Ｂの各導管の内部領域６５５Ａ，６５５Ｂに供給され、そしてRFパワーが各アンテナ６７０Ａ，６７０Ｂに印加されて、ポート群、例えば５０Ａ〜５０Ｂ、及び処理領域２５を通過する循環プラズマ経路が形成される。詳細には、図６では、循環プラズマ経路は、ポート５０Ａを通ってポート５０Ｂに、または逆にポート５０Ｂを通ってポート５０Ａに、ガス供給アセンブリ７００と基板支持体８００との間の処理領域２５を通過するようにして達することができる。各導管６５０Ａ，６５０Ｂは、導管及びポート、例えば５０Ａ〜５０Ｂの該当する端部の間に接続されるプラズマ流動手段６０６を含み、プラズマ流動手段６０６は、導管６５０Ａ，６５０Ｂの各導管の内部に形成されるプラズマ経路を分岐させ、そして広くするように構成される。
【００４６】
ガス供給プレート７００またはシャワーヘッドは、プレナム７３０を蓋部１０と穿孔プレート７２０との間に画定する環状壁７１０を含む。穿孔プレート７２０は、プレートを貫通するように対称パターンに、または非対称パターンに形成される複数の孔を含む。ドーパント含有ガスのようなプロセスガスはプレナム７３０にポート５５から供給することができる。一般的に、ドーパント含有ガスは、ボロン（シリコン内のｐ型不純物）またはリン（シリコン内のｎ型不純物）のようなドーパント不純物原子、及びフッ素及び／又は水素のような揮発性化学種から成る化学物質である。従って、ボロン、リン、または砒素、アンチモンなどのような他のドーパント化学種のフッ素化物及び／又は水素化物はドーパントガスとすることができる。例えば、ボロンドーパントが使用される場合、ドーパント含有ガスは、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）またはジボラン（Ｂ２Ｈ６）を含むことができる。ガスは孔を通り抜け、そして穿孔プレート７２０下方の処理領域２５に達するように流れることができる。一の実施形態では、穿孔プレート７２０はＲＦバイアスされて、処理領域２５内でのプラズマの生成、及び／又は維持を容易にする。
【００４７】
基板支持体８００は一般的に、上側層または水平円盤８１０と、そしてカソードアセンブリ８２０と、を含む。水平円盤８１０は、平滑な基板支持表面と、そして埋め込み電極８１５と、を含み、埋め込み電極８１５は、ＤＣ電源８０６を使用してバイアスすることにより基板と、水平円盤８１０の基板支持表面との間の静電吸着力を強めることができる。埋め込み電極８１５は、ＲＦエネルギーを処理領域２５に供給し、そしてＲＦバイアスを処理中に形成する電極として使用することもできる。埋め込み電極８１５は、ＲＦ電源８０５Ａに接続することができ、そしてインピーダンス整合部８０５Ｂを含むこともできる。一の実施形態では、基板支持体８００は、基板接触式冷却静電チャックであり、このチャックでは、チャックの内、基板と接触する部分が冷却される。冷却は、カソードアセンブリ８２０内に配置されて冷却剤を流路内で循環させる冷却剤流路（図示せず）によって行なわれる。
【００４８】
基板支持体８００はリフトピンアセンブリ９００を含むこともでき、リフトピンアセンブリ９００は複数のリフトピン９１０を含む（この図には、一つしか示していない）。これらのリフトピン９１０によって、一つ以上の基板の搬送が、基板を水平円盤８１０の上方に選択的に持ち上げ、そして水平円盤８１０の上方で支持することにより容易になり、そしてこれらのリフトピン９１０を離間させることにより、ロボットブレード（図示せず）をこれらのリフトピンの間に位置させることができる。リフトピンアセンブリ９００は、ピンブッシング９２０を含み、これらのピンブッシング９２０は水平円盤８１０及びカソードアセンブリ８２０の内の一方、または両方に接続される。
【００４９】
上述の実施形態について図４，５，及び６を参照しながら記載しているが、他の統合処理システム及びチャンバの組み合わせを、本明細書に記載される実施形態に使用することができることを理解されたい。更に、どのような数の処理チャンバも、統合システム以外の統合システムの一部とすることができる。
【００５０】
これまでの記述は、本発明の実施形態に関して行なわれているが、本発明の他の実施形態及び別の実施形態を、本発明の基本的範囲から逸脱しない範囲で想到することができ、そして本発明の範囲は以下に示す請求項によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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