(57)【要約】      （修正有）【課題】多結晶誘電体層の形成方法と前記誘電体層を用いた半導体デバイスの提供。【解決手段】多結晶誘電体層２０は、酸化物または窒化物を含む第１の誘電体材料と前記誘電体層の重量の１重量％未満の第２の材料より形成される。第１の誘電体材料の粒子２１境界に沿った漏洩電流が低減するように、前記第１の誘電体材料のエンタルピーより低いエンタルピーを有する非導電性の酸化物または窒化物を形成する第２の材料を含み、第１の誘電体材料の粒子境界に配置される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層を形成するための方法であって、
多結晶誘電体層を形成するステップを含み、前記誘電体層が、酸化物または窒化物を含む第１の誘電体材料と、前記誘電体層の重量の１重量％未満であり、前記第１の誘電体材料の粒子境界に沿った漏洩電流が低減するように、前記第１の誘電体材料のエンタルピーより低いエンタルピーを有する非導電性の酸化物または窒化物を形成する第２の材料を含む方法。
【請求項２】
堆積が、前記第１の誘電体材料のＣＶＤまたはＡＬＤプロセスを含み、前記第２の材料が、前記ＣＶＤまたはＡＬＤプロセス中に処理チャンバ内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の材料が、前記第１の誘電体材料の堆積の直前または直後に堆積され、前記第２の材料が、前記第１の誘電体材料の前記粒子境界に拡散するように、前記誘電体層に高温ステップを適用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の誘電体材料を堆積するステップと、
イオン注入ステップにより、前記第１の誘電体材料内に前記第２の材料を注入するステップと、
前記第２の材料自身が、前記第１の誘電体材料の前記粒子境界に位置するように、高温ステップを適用するステップとをさらに特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の誘電体層が酸化アルミニウムを含み、前記第２の材料がシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の誘電体層が窒化アルミニウムを含み、前記第２の材料がシリコンを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの誘電体層を有する半導体デバイスであって、前記誘電体層が、酸化物または窒化物を含む第１の誘電体材料と、前記誘電体層の重量の１重量％未満であり、前記第１の誘電体材料のエンタルピーより低いエンタルピーを有する非導電性の酸化物または窒化物を形成する第２の材料を含み、第１の誘電体材料の粒子境界に沿った漏洩電流が低減するように、前記第２の材料が前記第１の誘電体材料の前記粒子境界のに位置する半導体デバイス。
【請求項８】
前記半導体デバイスがコンデンサ構造を有し、２つのコンデンサ・プレート間の誘電絶縁体が前記誘電体層からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記半導体デバイスが前記誘電体層からなるゲート誘電体層を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタを備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体層の製造方法およびその方法により形成した誘電体層を有する半導体デバイスに関し、特に、高い誘電率を有する誘電体層を製造するための方法に関する。さらに、本発明は対応する半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
高い誘電率または高いｋ値を有する材料は、コンデンサのような半導体デバイスを製造するために特に興味のある材料である。一例を挙げて説明すると、図１は、外側の電極２、誘電体層３および内側の電極４からなる基板１のコンデンサ構造を示す。大部分の現在のコンデンサ構造は、類似の配置を使用している。誘電体層３の誘電率に応じてコンデンサが見積もられるので、、好適には、各材料は、高い誘電率を有する材料、いわゆるｋ値が高い誘電体から選択することが好ましい。さらに、誘電体層３の厚さに応じてコンデンサは逆に見積もられるので、通常これらの層３は、２０ｎｍまたはさらに１０ｎｍより薄く形成される。
【０００３】
高いｋ値の誘電体層は、基板１または第１の電極２の上に非晶質状態に堆積される。しかし、これらの材料は、以降の熱ステップにより多結晶層を形成する傾向があるように思われる。図２は、結晶粒子１０および粒子の境界に沿って形成されている導電性チャネル１１を有するこのような多結晶層の略図である。これらの導電性チャネル１１が、第１の電極２から第２の電極４へ流れる漏洩電流の原因であると見なされている。誘電体層３の厚さおよび粒子１０の直径が同じである場合には、特に漏洩電流が流れる。そこで、導電性チャネル１１を、比較的抵抗の低い電極２、４を接続している１つまたは２つの粒子だけで形成することができる。導電性チャネル１１は、誘電体層の抵抗を低減する。特に、２０ｎｍ未満の幅を有する層の抵抗は、これらの導電性チャネルにより大きく左右される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、粒子境界により導電性チャネルに及ぼされる否定的な影響を伴うことなく、高い誘電率を有する多結晶状態で、誘電体層を形成するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、請求項１に記載の特徴を有する方法、および請求項７に記載の特徴を有する誘電体層を使用するデバイスを提供する。この方法は、非晶質誘電体層を使用しないで上記の問題を解決する。
【０００６】
本発明の１つのアイデアは、粒子境界に沿ったチャネルが非導電性になるように、多結晶材料の粒子境界に自分自身を組織化する第２の材料を適用することである。第２の材料の１つの機構は、第２の材料が粒子境界のところのダングリング・ボンドを飽和することである。
【０００７】
本発明の方法は、多結晶誘電体層を形成する。この誘電体層は、酸化物または窒化物を含む第１の誘電体材料、および誘電体層の１重量％未満であり、第１の誘電体材料の粒子境界に沿った漏洩電流が低減するように、第１の誘電体材料のエンタルピーより低いエンタルピーを有する非導電性の酸化物または窒化物を形成する第２の材料を含む。
【０００８】
少なくとも１つの誘電体層を有する半導体デバイスが提供される。誘電体層は、酸化物または窒化物を含む第１の誘電体材料、および誘電体層の１重量％未満であり、第１の誘電体材料のエンタルピーより小さいエンタルピーを有する非導電性の酸化物または窒化物を形成する第２の材料を含む。第２の材料は、第１の誘電体材料の粒子境界に沿った漏洩電流が低減するように、第１の誘電体材料の粒子境界に配置されている。
【０００９】
本発明の１つの利点は、第１の誘電体材料のエンタルピーより小さいエンタルピーを有する第２の材料の酸化物または窒化物が、粒子境界に沿って自己組織化したプロセス内部に位置することである。さらに、第２の材料が誘電体層の小さな部分しか占めていないので、誘電体層の誘電特性が、結晶性の第１の誘電体材料の特徴により大きく左右される。誘電体層の厚さは、ほとんどの場合、１０ｎｍ以下であるが、本発明の方法は、１０ｎｍより厚い誘電体層にも適用することができる。
【００１０】
従属請求項は、請求項１および７に記載する本発明の有利な実施形態を記載している。
最も好ましい実施形態の場合には、堆積ステップは、第１の誘電体材料のＣＶＤまたはＡＬＤプロセスを含み、第２の材料はＣＶＤまたはＡＬＤプロセス中、処理チャンバ内に導入される。第２の材料の濃度は、誘電体層内の第２の材料の量が１重量％未満になるように選択される。この実施形態の場合には、周知のＡＬＤまたはＣＶＤプロセスを少しだけ修正しさえすればよいので、この実施形態は、半導体製造のための標準プロセスと互換性を有する。拡散による粒子境界に沿った第２の材料の自己組織化した配置が強化されるように、また粒子境界での酸化物または窒化物原子と第２の材料との反応を加速するために、誘電体層が形成された後で高温ステップを使用すると有利である。
【００１１】
好ましい実施形態の場合には、第２の材料は、第１の誘電体材料の堆積直前または直後に堆積され、第２の材料が第１の誘電体材料の粒子境界に拡散するように、誘電体層に高温ステップが適用される。
【００１２】
他の実施形態の場合には、第１の誘電体材料が堆積され、第２の材料がイオン注入ステップにより第１の誘電体材料内に注入され、その後で、上記実施形態と類似の方法で、上記実施形態の場合と同じように高温ステップが適用される。
【００１３】
第１の誘電体層は酸化アルミニウムを含むことができ、第２の材料はシリコンを含むことができる。他の実施形態は、第１の誘電体層として窒化アルミニウムを使用し、第２の材料としてシリコンを使用する。
【００１４】
好ましい実施形態によれば、半導体デバイスはコンデンサ構造を有し、２枚のコンデンサ・プレート間の誘電絶縁体は、誘電体層からできている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態は図面に概略的に示され、その実施形態について、以下に詳細に説明する。
本明細書内に別段の指示がない限り、同じ参照番号は同じ構成要素または同じ機能を有する構成要素を示す。
【００１６】
図３は、本発明の最も好ましい実施形態のプロセス・ステップである。基板２が供給される。誘電体層２０’がＡＬＤ（原子層堆積）プロセスにより堆積される。第１の誘電体材料２４’は、１つまたは２つの前駆体と一緒に堆積することができる。第１の誘電体材料が、高い誘電率の材料（高いｋ値の誘電体）のグループから選択される。この材料は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化タンタル、または高いｋ値の誘電体用に選択した他の酸化物のいずれであってもよい。第１の誘電体材料２４’の堆積と一緒に、その重量が誘電体層２０’の重量の１重量％未満になるように、少量の第２の材料２３’を同じ反応チャンバ内に導入することができる。図３にフラッシュで示すように、第２の材料も前駆体により搬送することができ、または単に反応チャンバ内の雰囲気に添加することができる。
【００１７】
誘電体層２０の堆積の後で、高温ステップが適用される。これらのステップにより、図４に示すように、多結晶構造を有する誘電体層２０が形成されるように、大部分の非晶質層２０’が結晶になる。結晶粒子２１は、主として第１の誘電体材料２４’を含む。第２の材料２３’の原子は、拡散により結晶粒子２１から離れて粒子境界に移動する。この分離は、第２の材料２３’の原子が第１の誘電体材料２４’の結晶構造にうまく入り込めないために、自己組織化された方法により起こる。以降の高温ステップにより、粒子境界のところの酸素のダングリング・ボンドの第２の材料の拡散および反応が促進される。
【００１８】
第２の材料２３’は、第１の誘電体材料２４’で使用する元素より酸素に対してより高い親和性を有する元素のグループから選択される。すなわち、第２の材料２３’の酸化物のエンタルピーは、第１の誘電体材料２４’のエンタルピーより低い。最も好適な組合わせは、第２の材料２３’としてのシリコンを使用し、第１の誘電体材料としての酸化アルミニウム２４’を使用することである。酸素に対する元素の親和性は、これら元素の酸化物のボンド・エンタルピーにより推定することができる。下記の元素のボンド・エンタルピーは、リストに記載する順序、すなわち、マグネシウム、アルミニウム、モリブデン、チタン、タングステン、イットリウム、プラセオジム、ジルコニウム、セリウム、タンタル、ランタン、シリコン、ハフニウムの順で増大する。それ故、ハフニウムが酸素に対してもっとも高い親和性を有し、マグネシウムが最も低い親和性を有する。ボンド・エンタルピーを使用した場合には、酸素に対するその元素の親和性が推定できるだけである。何故なら、分子または結晶内の平均エンタルピーは、その元素への第３の結合相手により異なるからである。しかし、ボンド・エンタルピーが高ければ高いほど、酸素に対する親和性は増大する。それ故、第１の誘電体材料は、リストの材料のうちの１つの酸化物として選択され、第２の材料は、上記酸化物の下に位置する材料として選択される。
【００１９】
第２の材料が多結晶誘電体層の抵抗を増大する可能性のある機構について以下に説明する。粒子境界で、すべての酸素結合が飽和しているわけではない。そのため第１の誘電体材料２４のバンド・ギャップの幅内の電気状態を形成している酸素空位ができる。これらの電気状態が空間内で重なると、これらの状態は導電性チャネルを形成することができる。これらのチャネルは、すでに指摘したように、多結晶誘電体材料の絶縁特性を低減する原因であると思われる。酸素に高い親和性を有する第２の材料を酸素に導入することにより、これらのダングリング・ボンドが飽和する。それ故、酸素空位によるバンド・ギャップの幅内の電気状態の量を低減することができる。結論を言うと、第２の材料２３’は、粒子２１の粒子境界のところだけに必要なものである。それ故、１重量％未満の量を第１の誘電体材料２４に添加するだけでよい。
【００２０】
構造材料２３の酸化物は、それ自身非導電性のものでなければならない。
図５は、本発明の一実施形態を示す。第１の電極２上には、第１の誘電体材料２４が堆積される。第１の誘電体材料２４は、ＡＬＤ（原子層堆積）プロセスまたはＣＶＤ（化学蒸着）プロセスにより堆積することができる。これらの堆積プロセスのパラメータは、誘電体材料２４が多結晶状態で適用されるように選択される。
【００２１】
第２の材料２３の薄い層が、第１の誘電体材料２４の頂部に堆積され、図５参照、または図には示していないが、層の堆積の順序を逆にすることもできる。層の堆積を逆にした場合には、第２の材料はシリコンであってもよく、第１の誘電体材料は酸化アルミニウムであってもよい。第１の誘電体材料２４および第２の材料２３の２つの層は、以降の高温ステップにより、半導体処理中に共通して使用される。この高温ステップ中、第２の材料２３の原子は、第１の誘電体材料２４内に拡散することができ、最も好ましい実施形態で説明したように、粒子境界に位置する。
【００２２】
本発明の他の実施形態は、誘電体層内に第２の材料を導入するために、注入方法を使用する。上記実施形態と同様に、粒子境界への第２の材料２３の拡散、およびダングリング・ボンドの飽和を促進するために、好適には、高温ステップを使用することが好ましい。
【００２３】
誘電体層は、半導体デバイス内に形成されたコンデンサの２枚の電極プレート間の誘電体層として使用することができる。さらに、これらの誘電体層は、電界効果トランジスタのゲート構造で使用することができる。
【００２４】
また、誘電体層は、第２の材料を含む追加の雰囲気を使用して、第１の誘電体材料のＣＶＤ（化学蒸着）プロセスにより形成することもできる。
上記すべての説明は、すべての酸化物を単にそれぞれの窒化物で置換することによる窒化物のグループから選択した誘電体にも適用することができる。それ故、第１の誘電体材料は、マグネシウムからハフニウムまでの上記リストの窒化物として選択することができ、より高いボンド・エンタルピーを有する材料を第２の材料として選択しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】コンデンサの略断面図。
【図２】本発明の基本的問題を示す断面図。
【図３】本発明の最も好ましい実施形態のプロセス・ステップ。
【図４】本発明の一実施形態の断面図。
【図５】本発明の一実施形態のプロセス・ステップ。
【符号の説明】
【００２６】
１…半導体基板、２…外側電極、３…誘電体層、４…第２の電極、１０…粒子、１１…導電性チャネル、２０…多結晶性誘電体層、２０’…非晶質誘電体層、２１…粒子、２２…導電性チャネル、２３，２３’…第２の材料、２４，２４’…誘電体材料。
【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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【外国語明細書】
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