(57)【要約】【課題】  ｈｉｇｈ−ｋゲート誘電体プロセスインテグレーションのための界面酸化プロセスの提供。【解決手段】  界面酸化層を有した微細構造物を形成する方法は、この微細構造物内のｈｉｇｈ−ｋ層の形成と関係した基板の酸化特性を制御するように拡散フィルタ層を使用することにより提供される。拡散フィルタ層は、表面の酸化を制御する。界面酸化層は、拡散フィルタ層上へのｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の後に実行される酸化プロセス中に、または拡散フィルタ層上へのｈｉｇｈ−ｋ層の堆積中に、形成されることができる。【選択図】
2007506266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造物を形成する方法であって、
基板を用意することと、
この基板上に拡散フィルタ層を形成することと、
この拡散フィルタ層上へｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させることと、
この堆積させている間に、および／またはその後に、酸化プロセスを実行することとを具備し、
この酸化プロセスで界面酸化層が成長し、この界面酸化層の成長が前記拡散フィルタ層の拡散係数によって制御される方法。
【請求項２】
前記拡散フィルタ層は、窒化層、酸窒化物層、およびそれらの組合せもしくは混合物の少なくとも１つから形成されている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記拡散フィルタ層は、熱窒化と、ダイレクトプラズマ窒化と、リモートプラズマ窒化と、プラズマ増強窒化と、ＵＶ窒化と、ラジカルフロー窒化とのうちの少なくとも１つを備えた窒化プロセスで形成されている請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記窒化プロセスは、ＳｉＯ２層上で実行される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記窒化プロセスは、ＮＯと、Ｎ２Ｏと、ＮＯ２と、Ｎ２と、ＮＨ３とのうちの少なくとも１つを含む、窒素を含む環境内で実行される請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記窒素を含む環境は、不活性ガスを更に含んでいる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記窒化プロセスは、約１０００℃以下の基板温度で実行される請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記拡散フィルタ層は、堆積プロセスにて基板上へ堆積される請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記堆積プロセスは、ＴＣＶＤと、ＰＥＣＶＤと、ＡＬＤとのうちの少なくとも１つである請求項８に係る方法。
【請求項１０】
前記拡散フィルタ層の厚さは、約１０Ａ未満である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記拡散フィルタ層と、前記界面酸化層との組合せた厚さは、約２０Ａ未満である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化プロセスは、Ｏ２と、Ｏ３と、Ｈ２Ｏと、Ｈ２Ｏ２と、ＮＯと、ＮＯ２と、Ｎ２Ｏとのうちの少なくとも１つを含む酸素含有ガスを使用する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化プロセスは、不活性ガスを更に含んでいる請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化プロセスは、約３００℃と、約１０００℃との間の基板温度で実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記酸化プロセスは、酸素含有ガスの非存在下で、実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ｈｉｇｈ−ｋ層は、金属酸化物から形成されている請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属酸化物は、Ｔａ２Ｏ５と、ＴｉＯ２と、ＺｒＯ２と、Ａｌ２Ｏ３と、Ｙ２Ｏ３と、ＨｆＳｉＯｘと、ＨｆＯ２と、ＺｒＳｉＯｘと、ＴａＳｉＯｘと、ＳｒＳｉＯｘと、ＬａＯｘとのうちの少なくとも１つである請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ｈｉｇｈ−ｋ層は、酸素含有ガスの存在下で、堆積される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ｈｉｇｈ−ｋ層は、ＴＣＶＤと、ＰＥＣＶＤと、ＡＬＤと、ＰＶＤとのうちの少なくとも１つである堆積プロセスで堆積される請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さは、約３０Ａ未満である請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記ｈｉｇｈ−ｋ層上に電極層を形成することを更に具備する請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記電極層は、ポリシリコンと、Ｗと、Ａｌと、ＴａＮと、ＴａＳｉＮと、ＨｆＮと、ＨｆＳｉＮと、ＴｉＮと、ＴｉＳｉＮと、Ｒｅと、Ｒｕと、ＳｉＧｅとのうちの少なくとも１つから形成されている請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電極層を熱的にアニールすることを更に具備する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記拡散フィルタ層と、前記界面酸化層とのうちの少なくとも一方は、自己制限的プロセスによって形成される請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記基板は、半導体基板と、ＬＣＤ基板と、ガラス製基板とのうちの少なくとも１つである請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記半導体基板は、Ｓｉ基板と、化合物半導体とのうちの少なくとも一方である請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記拡散フィルタ層の拡散係数を決定することと、
前記ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを決定することと、
酸化プロセスレシピを選ぶこととを更に具備する請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記基板上にプリクリーンプロセスを実行することと、
前記拡散フィルタ層上に表面処理プロセスを実行することとのうちの少なくとも一方を更に具備する請求項１に係る方法。
【請求項２９】
前記基板と、前記拡散フィルタ層と、前記ｈｉｇｈ−ｋ層と、界面層とのうちの少なくとも１つの特性を決定することを更に具備する請求項１に係る方法。
【請求項３０】
前記酸化プロセスは、前記ｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の間に実行される請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記酸化プロセスは、酸素含有ガスの存在下で、起こる請求項３１に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸化プロセスは、酸素含有ガスの非存在下で、起こる請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記拡散フィルタ層は、この拡散フィルタ層を横切るドーパントと、中間層の拡散とを更に制御する請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
微細構造物を形成する処理ツールであって、
拡散フィルタ層を基板上に形成し、拡散フィルタ層上へｈｉｇｈ−ｋ層を堆積し、酸化プロセスを実行し、この酸化プロセスで界面酸化層が成長し、この界面酸化層の成長が前記拡散フィルタ層の拡散係数によって制御される少なくとも１つの処理システムと、
基板を移送するために構成された移送システムと、
前記堆積の間に、および／またはその後に、なされる前記実行することを行う前記処理ツールを制御するように構成されたコントローラとを具備する処理ツール。
【請求項３５】
前記処理システムの少なくとも１つは、単一のウェーハ処理システムと、バッチ型処理システムとのうちの少なくとも一方を備えている請求項３４に記載の処理ツール。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの処理システムは、また、前記基板上にプリクリーンプロセスを実行し、前記拡散フィルタ層上の表面処理プロセスを実行する処理システムである請求項３４に係る処理ツール。
【請求項３７】
微細構造物を形成する処理ツールであって、
基板上に拡散フィルタ層を形成する手段と、
この拡散フィルタ層上へｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させる手段と、
酸化プロセスを実行する手段とを具備し、
この酸化プロセスで界面酸化層が成長し、この界面酸化層の成長が拡散フィルタ層の拡散係数によって制御され、
前記基板を移送する手段と、
前記実行することが前記堆積させる間に、および／またはその後になされるように処理ツールを制御する手段とを更に具備する処理ツール。
【請求項３８】
前記基板上にプリクリーンプロセスを実行する手段と、
前記拡散フィルタ層上に表面処理プロセスを実行する手段とのうちの少なくとも一方を更に具備する請求項３７に係る処理ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
このＰＣＴ出願は、２００３年９月１６日に出願の米国非仮特許出願番号第１０／６６２，８７５号に基づき、その優先権によるものであり、その全体の内容は、参照によって本願明細書に引用したものとする。
【０００２】
本発明は、半導体プロセスに関し、より詳しくは、本発明は、半導体製造にｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を集積化するための基板酸化を制御するように拡散フィルタ層を利用する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体産業において、マイクロエレクトロニクス素子の最小形状寸法は、より高速な、より低パワーなマイクロプロセッサおよびデジタル回路を求める要求に応ずるように、深いサブミクロンになる状況に近づいている。ＣＭＯＳ素子の小型化は、スケーリング制約をゲート誘電体材料に課す。標準のＳｉＯ２ゲート誘電体酸化物の厚さは、トンネル電流がトランジスタ性能に重大な影響を与え得るレベル（〜１０オングストローム（Ａ））に近づいている。デバイス信頼性を増し、ゲート電極からトランジスタチャネルへの電子リークを低下させるために、半導体トランジスタ技術は、約１０Ａ未満と同等のゲート酸化膜厚さ（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｇａｔｅ  ｏｘｉｄｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ：ＥＯＴ）を維持しながら、ゲート誘電体層の物理的な厚さを増やすことができるｈｉｇｈ−ｋゲート誘電材料を使用している。
【０００４】
ＳｉＯ２（ｋ〜３．９）のそれより大きい誘電率を特徴としている誘電体材料は、ｈｉｇｈ−ｋ材料と一般に称される。加えて、ｈｉｇｈ−ｋ材料は、基板の表面に成長される（例えばＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ）よりはむしろ、基板上へ堆積される誘電体材料（例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２）を指すことがあり得る。ｈｉｇｈ−ｋ材料は、金属のケイ酸塩（ｓｉｌｉｃａｔｅｓ）または酸化物（例えばＴａ２Ｏ５（ｋ〜２６）、ＴｉＯ２（ｋ〜８０）、ＺｒＯ２（ｋ〜２５）、Ａｌ２Ｏ３（ｋ〜９）、ＨｆＳｉＯ、ＨｆＯ２（ｋ〜２５））を取り入れることがあり得る。
【０００５】
ゲート電極アプリケーションへのｈｉｇｈ−ｋ材料の集積化は、界面準位特性を維持し、良好な電気的特性を有する界面を形成するような、Ｓｉ基板表面の誘電体界面層を必要とすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
どんなに、酸化物界面層の存在が微細構造物全体にわたる誘電率を低下させても、結果として、酸化物界面層は、薄くなることを必要とする。酸化層がトランジスタのチャネルに密接に接続されるときに、界面酸化物誘電体層の品質は、デバイス性能に影響を及ぼし得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
界面酸化層を有した微細構造物を形成する方法は、この微細構造物内のｈｉｇｈ−ｋ層の形成と関係した基板の酸化特性を制御するように拡散フィルタ層を使用することにより提供される。拡散フィルタ層は、表面の酸化を制御する。
【０００８】
本発明の実施形態において、微細構造物を形成するための方法が提供され、当該方法は、基板を用意することと、この基板上に拡散フィルタ層を形成することと、この拡散フィルタ層上にｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させることと、界面酸化層を成長させるように酸化プロセスを実行することとを具備し、そこにおいて、界面酸化層の成長は、拡散フィルタ層の拡散定数（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）によって制御される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、堆積時間の関数としてＳｉ基板上にＴＣＶＤ（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：熱化学気相成長）プロセスによって堆積されたｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを示す。Ｓｉ基板上にｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させる前に、薄いネイティブ酸化層は、ＨＦを使用した湿式の洗浄工程によって、Ｓｉ基板から取り除かれた。ＨｆＯ２のｈｉｇｈ−ｋ層は、４００℃、５００℃、および６００℃の基板温度で、クリーンなＳｉ基板上に堆積された。ＨｆＯ２層は、Ｈｆ（ＯＢｕｔ）４プリカーサを含んでいるプロセスガスを利用してＴＣＶＤプロセスによって堆積された。
【００１０】
図１において、堆積時間の関数としてのＨｆＯ２のｈｉｇｈ−ｋ層の厚さは、データポイントの線形フィッテングを使用してフィッテングされた。４００℃の堆積カーブに対するｈｉｇｈ−ｋ層の厚さと、堆積時間との間の直線的な相関は、原点を通る切片を伴っており、ｈｉｇｈ−ｋ層と、Ｓｉ基板との間の界面酸化層の成長が最低限であることを示す。しかしながら、５００℃および６００℃の堆積カーブに対する切片は、界面酸化層の成長が約１８Ａの厚さであることを示す。
【００１１】
図１のデータは、堆積温度が４００℃より高いときに、比較的厚い界面酸化層が、Ｓｉ基板上へのｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の間に、形成されることを示す。
【００１２】
本発明の一実施形態において、拡散フィルタ層は、トランジスターゲート構造を形成するようにｈｉｇｈ−ｋ材料を集積化する間、基板の酸化特性を制御するように、基板上に形成される。拡散フィルタ層は、ゲート構造の製造において、次の処理ステップの間、基板に到達する酸化種の量を制限し、それによって、高い基板温度に達するまで、基板の酸化を制御し、基板酸化を抑制する。本発明の実施形態において、拡散フィルタ層は、窒化層、酸窒化物層、およびそれらの組合せ若しくは混合物の少なくとも１つを備えることができる。拡散フィルタ層の窒素含有は、拡散フィルタ層を通る酸素の拡散に影響を及ぼすことができる。例えば、窒化層（例えばＳｉＮ）は、一般に酸窒化物層（例えばＳｉＯｘＮｙ）よりも、酸素拡散に対する高い耐性を提供する。これは、拡散フィルタ層の窒素含有を変化させることによって、拡散フィルタ層の拡散特性の調整すること（ｔａｉｌｏｒｉｎｇ）を可能にさせる。
【００１３】
数学的な項（ｔｅｒｍｓ）において、層厚さ（ｄｘ）の変化に対する濃度（ＤＣ）の変化の比率として、フィック（Ｆｉｃｋ’ｓ）の法則（Ｊ＝−ＤｘｄＣ／ｄｘ）は、拡散定数Ｄを有する層に対して、層（例えば拡散フィルタ層）を通して、質量（ｍａｓｓ）フラックス（Ｊ）の依存関係（ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ）を記載する。酸化環境の分圧は、濃度勾配コンポーネントを制御するように使用されることがあり得て、この濃度勾配コンポーネントは、定められた質量フラックスを与えられた界面酸化層の最終的な厚さを順番に決定することができ、この定められた質量フラックスは、酸化ポテンシャル（自己制限的な酸化（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ））で制限される。酸化プロセスの間、界面酸化層の形成および拡散フィルタ層のポテンシャル酸化は、拡散定数に、従って、界面酸化層の最終的な厚さに影響を及ぼすことができる。
【００１４】
図２は、自己制限的なプロセスによって成長し、酸化時間の関数としての酸化層の厚さを概略的に示す。自己制限的な酸化プロセスにおいて、層の厚さが増加するに従い酸化速度は減少し、特定の酸化プロセスレシピに対し、酸化成長の飽和という結果となる。
【００１５】
酸化プロセスにおける基板酸化を制御することに加えて、拡散フィルタ層は、基板と、他の層（例えばｈｉｇｈ−ｋ層および電極層）との間の中間層拡散を制御するように拡散バリアとしての、または、ゲート電極構造における基板と、ドーパント（例えばポリシリコン若しくはＳｉＧｅ中の硼素）との間の拡散バリアとしての働きをすることができる。界面酸化層の形成の間、拡散フィルタ層は、酸化され得る。界面酸化層および拡散フィルタ層は、ほんの数オングストローム（Ａ）の厚さだけであり得るので、２つの層の間のくっきりした境界は存在し得ない。結果として生じる誘電体層は、界面酸化層と、拡散フィルタ層とを備えている。
【００１６】
図３Ａは、本発明の実施形態に係る基板の断面図を概略的に示す。基板１００は、例えば、Ｓｉまたはポリシリコン基板のような半導体基板、または化合物半導体であり得て、多数の能動素子および／またはアイソレーション領域（図示せず）を含むことができる。基板１００は、形成されているデバイスのタイプに従うｎタイプまたはｐタイプであり得る。基板は、例えば、希釈したフッ化水素酸（ＨＦ）を含んでいる液体浴内にそれを配置することによって、または、あるいは、それをＨＦ気相エッチングにさらすことによって、酸化層（例えばネイティブ酸化層）を洗浄除去されることができる。希釈したＨＦ液体溶液は、Ｈ２Ｏ：ＨＦ（例えば５０：１）混合液であり得る。ＨＦ洗浄工程に続いて、基板は、脱イオン化（ｄｅ−ｉｏｎｉｚｅｄ：Ｄ．Ｉ．）水内ですすがれることができる。別の形態として、基板１００は、ＬＣＤ基板およびガラス製基板の少なくとも１つであり得る。
【００１７】
図３Ｂは、本発明の実施形態に係る基板上を覆っている拡散フィルタ層１０２の断面図を概略的に示す。拡散フィルタ層１０２は、数オングストロームであり得て、例えば、約１０Ａ未満の厚さであり得て、および、例えば、層の厚さおよび厚さ均一性の制御を提供する自己制限的プロセスで形成されることができる。拡散フィルタ層１０２は、例えば、基板の酸化を制御することに効果的な、窒化層（例えばＳｉＮｘ）、酸窒化物層（例えばＳｉＯｘＮｙ）、またはそれらの組合せ若しくは混合物を含むことができる。
【００１８】
本発明の実施形態において、窒化層または酸窒化物層は、例えば、熱窒化、ダイレクトプラズマ窒化、リモートプラズマ窒化、プラズマ増強窒化、ＵＶ窒化、およびラジカルフロー窒化を含む窒化プロセスによって形成されることができる。本発明の一実施形態において、窒化プロセスは、ＳｉＯ２層上において実行されることができる。窒化プロセスは、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｎ２、およびＮＨ３の少なくとも１つを含んでいる窒素を含む環境内で実行されることができる。さらにまた、窒素を含む環境は、不活性ガスを、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、およびＸｅの少なくとも１つを含む不活性ガスを含むとができる。窒化プロセスは、約１０００℃より下の基板温度で実行されることができる。別の形態として、窒化層または酸窒化物層は、プラズマ、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）の非存在下で実行される熱化学気相成長（ＴＣＶＤ）のような周知の堆積方法を利用して基板上へ堆積されることができる。
【００１９】
本発明の一実施形態において、プリクリーンプロセスは、基板上に実行されることができる。プリクリーンプロセスは、例えば、基板表面から酸化層および／または有機汚染物質を取り除くことと、それによって拡散フィルタ層の堆積のための基板を用意すること（ｐｒｅｐａｒｉｎｇ）とを含むことができる。プリクリーンプロセスは、例えば、ＡＬＤプロセスによって基板上に堆積させることができる拡散フィルタ層の均一性を向上させることができる。
【００２０】
図３Ｃは、本発明の実施形態に係る拡散フィルタ層上へ堆積されたｈｉｇｈ−ｋ層の断面図を概略的に示す。ｈｉｇｈ−ｋ層１０６は、例えば、ＴＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、および物理的気相成長法（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）を含んでいるが、それには限定されないさまざまな周知の堆積プロセスを使用して、拡散フィルタ層１０２上へ堆積されることができる。ｈｉｇｈ−ｋ層１０６は、例えば、厚さ３０Ａ未満で、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯｘ，ＨｆＯ２，ＺｒＳｉＯｘ，ＴａＳｉＯｘ，ＳｒＳｉＯｘ、および、ＬａＯｘの少なくとも１つを含んでいる金属酸化層であり得る。
【００２１】
ＣＶＤを使用して金属酸化物ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を堆積させるときに、金属含有プリカーサを含んでいるプロセスガスは、加熱された被処理基板が入っている処理チャンバに導入されることができる。基板は、金属酸化物誘電体層の所望の堆積という結果となる期間中、プロセスガスにさらされる。
【００２２】
プロセスガスは、キャリヤガス（例えば不活性ガス）、および酸化性気体を更に含むことができる。不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、およびＮ２の少なくとも１つを含むことができる。不活性ガスの追加は、例えば、プロセスガスを希釈することができるか、または（単一の若しくは複数の）プロセスガス分圧を調整することができる。酸化性気体は、例えば、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮＯ、ＮＯ２、およびＮ２Ｏの少なくとも１つを含んでいる酸素含有ガスを含むことができる。堆積プロセスにおける酸素含有ガスの役割は、金属酸化物ｈｉｇｈ−ｋ層内の何らかの酸素空格子点（ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｉｅｓ）を埋めるか、または化学的に金属酸化物プリカーサを修正することであり得る。修正は、ガス状態中の、または堆積表面上の金属酸化物プリカーサと、酸素含有ガスとのインタラクションを含むことができる。
【００２３】
基板上の拡散フィルタ層の存在は、拡散フィルタ層上へ堆積されるｈｉｇｈ−ｋ層の連続性（ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）を向上させることがあり得る。改良された層の連続性は、ゲート構造におけるより薄い誘電体層の使用を可能とすることができる。さらにまた、拡散フィルタ層は、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層と、基板（例えばＳｉ基板）との間の反応を防ぐことがあり得て、そして、それによってケイ酸塩のような有害な界面化合物の形成を防ぐ。本発明の他の実施形態において、表面処理（ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）プロセスは、その後のｈｉｇｈ−ｋ堆積プロセスの核形成特性を改良するように、堆積された拡散フィルタ層上に実行されることができる。
【００２４】
図３Ｄは、本発明の実施形態に係る酸化プロセスで成長した界面酸化層の断面図を概略的に示す。酸化プロセスは、例えば、３００℃と、１０００℃との間の基板温度で、図３Ｃに示される構造１０の熱アニーリングを含むことができる。約６５０℃を超える基板温度は、例えば、酸化層を形成するために使用されることがあり得る。酸化プロセスの間、ｈｉｇｈ−ｋ層からの、および／または酸化プロセス環境中の酸素含有ガスからの酸素は、拡散フィルタ層１０２を通して拡散することができ、界面酸化層１０４を形成することができる。拡散フィルタ層１０２と、界面酸化層１０４との合わせた厚さは、例えば、約２０Ａ未満であり得る。酸化プロセスは、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮＯ、ＮＯ２、およびＮ２Ｏの少なくとも１つを含んでいる酸素含有ガス、およびオプションとして不活性ガスを使用することができ、または、あるいは、酸化プロセスは、酸素含有ガスの非存在下で、実行されることができる。酸化プロセスは、約３００℃と、約１０００℃との間の基板温度で、実行されることができる。
【００２５】
拡散フィルタ層１０２は、界面層１０４の、厚さと、酸化物の品質とを制御する。例えば、拡散フィルタ層１０２は、ｈｉｇｈ−ｋ層堆積の間、界面酸化の範囲を制御することができ、またはその形成を防ぐことさえできる。拡散フィルタ層１０２は、界面酸化物の厚さを制御すると共に、要求された品質の酸化誘電体を形成するように、選択された温度で、制御された界面酸化物の成長を可能にすることができる。
【００２６】
図３Ｅは、本発明の他の実施形態に係る図３Ｄの構造上に形成された電極層を概略的に示す。従来のドーピングされたポリシリコンに加えて、電極層１０８は、例えば、さまざまな周知の堆積プロセスによって堆積されることができる、Ｗ、Ａｌ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＨｆＮ、ＨｆＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＳｉＧｅの少なくとも１つで形成することができる。電極層の堆積は、構造１０の電気的性質を改良するように、その後、熱アニールへと続くことができる。
【００２７】
図４は、本発明の実施形態に係る微細構造物を形成するフローチャートを示す。４１０において、プロセスは、スタートされる。４１２において、基板は、処理チャンバ内に用意される。４１４において、拡散フィルタ層は、基板上に形成され、４１６で、ｈｉｇｈ−ｋ層は、拡散フィルタ層上へ堆積される。４１８において、界面酸化層は、酸化プロセスにおいて成長され、ここで、界面酸化層の成長は、拡散フィルタ層の拡散係数によって制御される。酸化プロセスは、例えば、自己制限的プロセスであり得る。代わりの実施形態では、酸化プロセスは、自己制限的ではない。例えば、酸化時間は、拡散係数を使用して決定されることができる。４２０で、プロセスは、終了する。
【００２８】
拡散フィルタ層の拡散係数および所望の界面酸化層を形成するための酸化プロセスレシピは、直接的な実験および／または実験計画（ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ：ＤＯＥ）によって決定されることができる。拡散フィルタ層の拡散係数は、例えば、界面酸化層の厚さを拡散フィルタ層の厚さの関数として測定することによって、および調節可能なプロセスパラメータを制御することによって決定されることができる。調節可能なプロセスパラメータは、例えば、プロセス時間と、温度（例えば基板温度）と、処理圧力と、プロセスガスの組成とを有することができる。所望の厚さを有する界面酸化層を生ずる酸化プロセスレシピは、拡散フィルタ層の拡散係数と、ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さとから決定されることができる。
【００２９】
図５は、本発明の他の実施形態に係る微細構造物を形成するためのフローチャートを示す。５１０において、プロセスは、スタートされる。５１２において、基板は、処理チャンバ内に用意される。５１４において、拡散フィルタ層は、基板の上に形成され、５１６で、拡散フィルタ層の拡散係数は、決定される。拡散係数は、例えば、拡散フィルタ材料の周知または測定された拡散特性と、拡散フィルタ層の厚さとから決定されることができる。拡散フィルタ層の厚さは、例えば、エリプソメトリ方法を使用して測定されることができる。５１８において、ｈｉｇｈ−ｋ層は、拡散フィルタ層上へ堆積され、５２０で、ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さは、決定される。ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さは、例えば、エリプソメトリ方法を使用して測定されることができる。５２２において、酸化プロセスレシピは、拡散フィルタ層の拡散係数と、ｈｉｇｈ−ｋ層の厚さとに基づいて選ばれる。特定の拡散フィルタ層の拡散係数およびｈｉｇｈ−ｋ層の厚さに対して、酸化プロセスレシピは、所望の厚さを有する界面酸化層の形成に結果としてなると知られているプロセス条件から選ばれることができる。そして、５２４で、所望の厚さを有する界面酸化層は、酸化プロセスで成長される。５２６で、プロセスは、終了する。
【００３０】
代わりの実施形態では、例えば、酸化プロセスを中断することと、界面酸化層の厚さを測定することと、測定された厚さを界面酸化層の予想された厚さと比較することと、そして拡散係数を再計算することとによって、拡散係数は、酸化プロセスの間、再計算されることができる。もし界面酸化層の測定された厚さが予想された厚さから変化していたならば、酸化プロセスは、再計算された拡散係数に基づいて変化されることができる。酸化プロセスの変化は、異なるプロセス時間および／または異なるプロセス条件、例えば、基板温度、プロセスガス流量、およびプロセスガスの組成を含むことができる。
【００３１】
本発明の他の実施形態では、界面酸化層は、拡散フィルタ層上へのｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の間、成長されることができる。拡散フィルタ層上へのｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の間、ｈｉｇｈ−ｋ層からの、および／または酸素含有ガスからの酸素は、拡散フィルタ層を通って拡散することができて、そして界面酸化層を形成することができる。オプションとして、ｈｉｇｈ−ｋ層の堆積の後に、構造の電気的性質を改良するように、熱アニールへと続くことができる。
【００３２】
図６は、本発明の実施形態に係る微細構造物を形成する処理ツールを示す。処理ツール６００は、処理システム６２０および６３０と、処理ツール６００内で基板を移送するために構成された（ロボット）移送システム６１０と、処理ツール６００を制御するように構成されたコントローラ６４０とを備えている。本発明の別の実施形態では、処理ツール６００は、単一の処理システムを、または代わりとして、２以上の処理システムを備えることができる。図６において、下記により詳細に記載されている処理システム６２０および６３０は、例えば、次のプロセスを実行することができる：（ａ）基板上にプリクリーンプロセスを実行する、（ｂ）拡散フィルタ層を基板上に形成する、（ｃ）拡散フィルタ層上へ表面処理プロセスを実行する、（ｄ）ｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させる、（ｅ）界面酸化層を形成するように、酸化プロセスを実行する、（ｆ）基板と、拡散フィルタ層と、ｈｉｇｈ−ｋ層と、界面層とのうちの少なくとも１つの特性を決定する。本発明の一方の実施形態において、プロセス（ａ）−（ｆ）の各々は、異なる処理システム内で実行されることができる。本発明の他方の実施形態では、プロセス（ａ）−（ｆ）のうちの最低２つは、同じ処理システム内で実行される。
【００３３】
図７は、本発明の実施形態に係る拡散フィルタ層を形成する処理システムを示す。図７の処理システム８００は、処理チャンバ８０５を備える単一ウエハ処理システムである。処理チャンバ８０５は、被処理基板８２０がその上部に固定される基板ホルダ８１５と、処理チャンバ８０５にプロセスガス８３０を導入するガス注入システム８２５と、真空排気システム８３５とを備えている。コントローラ８４５は、真空排気システム８３５を制御するように使用されることができる。プロセスガス８３０は、ガス注入システム８２５を介して導入され、そして処理圧力は、調整される。ガス注入システム８２５は、ｅｘ―ｓｉｔｕガス供給源から処理チャンバ８０５へのプロセスガス８３０の送出の独立した制御を可能とする。ガス注入システム８２５は、シャワーヘッドのようなむき出しの（ｅｆｆｕｓｉｖｅ）ガス分配ソースを、プロセスガス８３０を基板８２０にさらすように使用することができる。
【００３４】
処理システム８００は、拡散フィルタ層を基板上に、熱窒化、ダイレクトプラズマ窒化、リモートプラズマ窒化、ＵＶ窒化、およびラジカルフロー窒化から選ばれることができる窒化プロセスを使用して形成することが可能である。本発明の別の実施形態では、処理システム８００は、ＴＣＶＤ、ＰＥＣＶＤおよび／またはＡＬＤ方法を使用して拡散フィルタ層を堆積することが可能であり得る。
【００３５】
基板８２０は、それが基板ホルダ８１５内に収容された基板リフトピン（図示せず）によって受けられ、そこにおいて収容されたデバイスによって機械的に移送されるロボット基板移送システムを介してスロットバルブ（図示せず）およびチャンバフィードスルー（図示せず）を通して処理チャンバ８０５との間で移送される。一旦基板８２０が基板移送システムから受けられると、それは、基板ホルダ８１５の上部表面まで降下される。
【００３６】
基板８２０は、静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ８１５に固定されることができる。さらにまた、基板ホルダ８１５は、基板ホルダ８１５からの熱を受け、そして熱交換器システム（図示せず）へ熱を移送し、または加熱するときには熱交換器システムから熱を移送する再循環クーラントフローを含む温度調節システムを更に含んでいる。さらに、ガスは、基板８２０と、基板ホルダ８１５との間のガスギャップ熱伝導を改良するように、基板の裏面に供給されることがあり得る。基板の温度制御が上昇または低下された温度で必要なときに、このようなシステムは、利用される。真空ポンプシステム８３５は、１秒あたり５０００リットル（および、より高速の）までの排気速度が可能なターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）と、チャンバ圧力をスロットル調整するためのゲートバルブとを含むことができる。
【００３７】
コントローラ８４５は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム８００と通信し、そこへの入力をアクティブにし、同じく処理システム８００からの出力をモニタするのに十分な制御電圧を生成することが可能なデジタルＩ／Ｏポートとを含んでいる。さらに、コントローラ８４５は、処理チャンバ８０５と、プロセスモニタシステム８５０と、ガス注入システム８２５と、真空ポンプシステム８３５とに組み合わせられ、情報を交換する。加えて、コントローラ８４５は、処理ツール６００のコントローラ６４０（図６を参照）に組み合わせられ、そして交信（ｉｎｔｅｒａｃｔ）する。メモリに格納されたプログラムは、保存されたプロセスレシピに係る処理システム８００の前述のコンポーネントを制御するように利用される。コントローラ８４５の１つの実施例は、ＤＥＬＬ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ６１０（登録商標）であり、テキサス州ダラスのデル社から入手可能である。
【００３８】
プロセスモニタシステム８５０は、例えば、プロセス環境内のプロセスガスおよび他のガスのガスの種類を測定するように、マススペクトロメータシステムを備えることができる。一般に、プロセスモニタシステム８５０は、プロセス解析およびプロセスコンプライアンスのような複数タスクを実行することが可能な汎用的な診断ツールである。図８のプロセスモニタシステム８５０は、処理チャンバ８０５に取り付けられる。代わりの実施形態では、いくつかのプロセスモニターシステムコンポーネントは、真空ポンプシステム８３５から下流に位置づけられることができる。プロセスモニタシステム８５０は、プロセスの状態を決定するようにコントローラ８４５とともに使用されることができ、プロセスコンプライアンスを確保するように、フィードバックを提供することができる。他の実施形態では、プロセスモニタシステムは、測定チャンバを備えることができる。
【００３９】
図８は、ｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させる処理システムの簡略化されたブロック図を示す。処理システム９００は、処理チャンバ９０２と、ガス注入システム９０８と、排気システム９１２、プロセスモニタシステム９３８と、コントローラ９３６とを備えている。処理チャンバ９０２は、被処理基板９０６がその上部に固定される基板ホルダ９０４を備えている。基板９０６は、それが基板ホルダ９０４内に収容された基板リフトピン（図示せず）によって受けられ、そこにおいて収容されたデバイスによって機械的に移送されるロボット基板移送システムを介してスロットバルブ（図示せず）およびチャンバフィードスルー（図示せず）を通して処理チャンバ９０２との間で移送される。一旦基板９０６が基板移送システムから受けられると、それは、基板ホルダ９０４の上部表面まで降下される。基板９０６は、例えば、Ｓｉ基板であり得て、形成されているデバイスのタイプに従い、例えば、何らかの直径の基板、例えば２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板、またはさらにより大きい基板から成ることができる。
【００４０】
基板９０６は、静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ９０４に固定されることができる。さらにまた、基板ホルダ９０４は、基板ホルダ９０４からの熱を受け、そして熱交換器システム（図示せず）へ熱を移送し、または加熱するときには熱交換器システムから熱を移送する再循環クーラントフローを含む冷却システムを更に含んでいる。さらに、ガスは、基板９０６と、基板ホルダ９０４との間のガスギャップ熱伝導を改良するように、基板の裏面に供給されることがあり得る。基板の温度制御が上昇または低下された温度で必要なときに、このようなシステムは、利用される。
【００４１】
ガス注入システム９０８は、処理チャンバ９０２にプロセスガス９１０を導入する。ガス注入システム９０８は、ｈｉｇｈ−ｋプリカーサ材料を含んでいる少なくとも１つのプリカーサソース９２２を含む液体送出システム（ｌｉｑｕｉｄ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ：ＬＤＳ）９２０を備えている。ベーパライザ９２６内へのプリカーサ材料のフローは、液体流量制御装置（ｌｉｑｕｉｄ  ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＬＭＦＣ）９２４を使用して制御されることができる。気化されたプリカーサ材料９３４は、ガスボックス９２８からのキャリヤガス９３０と混ぜ合わせられることができ、そして処理チャンバ９０２に供給されることができる。パージガス（例えば、Ａｒ）および他のガス（例えばＯ２、Ｎ２、およびＨ２Ｏ）は、追加のガスライン９３２を利用して処理チャンバ９０２に、ガスボックス９２８から直接に供給されることができる。ガス注入システム９０８は、ｅｘ―ｓｉｔｕガス供給源から処理チャンバへのプロセスガス９１０の送出の独立した制御を可能とする。ガス注入システム９０８は、処理チャンバ９０２内のシャワーヘッドのようなむき出しのガス分配ソースを使用することができる。
【００４２】
真空排気システム９１２は、真空ポンプ９１８と、トラップ９１６と、自動圧力コントローラ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＡＰＣ）９１４とを備えている。真空ポンプ９１８は、１秒あたり５０００リットル（および、より高速の）までの排気速度が可能なターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）と、チャンバ圧力をスロットル調整するためのゲートバルブとを含むことができる。別の形態として、真空ポンプ９１８は、ドライポンプを含むことができる。プロセスの間、プロセスガス９１０は、ガス注入システム９０８を介して処理チャンバに導入されることができ、処理圧力は、ＡＰＣ９１４によって調整される。トラップ９１６は、処理チャンバからの反応していないプリカーサ材料および副産物を収集することができる。
【００４３】
コントローラ９３６は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム９００と通信し、そこへの入力をアクティブにし、同じく処理システム９００からの出力をモニタするのに十分な制御電圧を生成することが可能なデジタルＩ／Ｏポートとを含んでいる。さらに、コントローラ９３６は、処理チャンバ９０２と、プロセスモニタシステム９３８と、ガス注入システム９０８と、真空ポンプシステム９１２とに組み合わせられ、情報を交換する。加えて、コントローラ９３６は、処理ツール６００のコントローラ６４０（図６を参照）に組み合わせられ、そして交信（ｉｎｔｅｒａｃｔ）する。メモリに格納されたプログラムは、保存されたプロセスレシピに係る処理システム９００の前述のコンポーネントを制御するように利用される。コントローラ９３６の１つの実施例は、ＤＥＬＬ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ６１０（登録商標）であり、テキサス州ダラスのデル社から入手可能である。
【００４４】
プロセスモニタシステム９３８は、例えば、プロセス環境におけるプリカーサ、反応副産物、および他のガスのようなガスの種類を測定することができる。図９のプロセスモニタシステム９３８コンポーネントは、処理チャンバ９０２に取り付けられる。代わりの実施形態では、プロセスモニタシステム９３８のいくつかのコンポーネントは、処理チャンバ９０２から下流に位置づけられる。プロセスモニタシステム９３８は、堆積プロセスの状態を決定するようにコントローラ９３６とともに使用されることができ、プロセスコンプライアンスを確保するように、フィードバックを提供することができる。
【００４５】
基板９０６は、ｈｉｇｈ−ｋの所望の堆積に結果としてなる時間、プロセスガスにさらされる。ｈｉｇｈ−ｋ層の所望の堆積を可能にするプロセス条件は、直接的な実験および／または実験計画法（ＤＯＥ）によって決定されることがあり得る。例えば、調節可能なプロセスパラメータは、時間と、温度（例えば基板温度）と、処理圧力と、プロセスガスと、プロセスガスの相対的な気体フローとを備えることができる。堆積プロセスに対するプロセスパラメータスペースは、例えば、１０Ｔｏｒｒ未満のチャンバ圧力と、２０００ｓｃｃｍ未満のプロセスガス流量と、１０００ｓｃｃｍ未満のプリカーサガス流量と、約３００℃より高い基板温度とを利用することができる。
【００４６】
ＣＶＤを使用して金属酸化物ｈｉｇｈ−ｋ誘電体層を堆積させるときに、金属含有プリカーサを含んでいるプロセスガスは、加熱された被処理基板が入っている処理チャンバに導入される。基板は、金属酸化物誘電体層の所望の堆積に結果としてなる時間、プロセスガスにさらされる。
【００４７】
プロセスガスは、キャリヤガス（例えば不活性ガス）と、酸化性気体とを更に含むことができる。不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、およびＮ２の少なくとも１つを含むことができる。不活性ガスの追加は、例えば、プロセスガスを希釈することができるか、または（単一の若しくは複数の）プロセスガス分圧を調整することができる。酸化性気体は、例えば、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮＯ、ＮＯ２、およびＮ２Ｏの少なくとも１つを含んでいる酸素含有ガスを含むことができる。堆積プロセスにおける酸素含有ガスの役割は、金属酸化物ｈｉｇｈ−ｋ層内の何らかの酸素空格子点を埋めるか、または化学的に金属酸化物プリカーサを修正することであり得る。修正は、ガス状態中の、または堆積表面上の金属酸化物プリカーサと、酸素含有ガスとのインタラクションを含むことができる。
【００４８】
まだ図８を参照し、リアルタイムプロセスモニタリングは、例えば、さまざまな分光方法を使用してプロセスモニタシステム９３８によって、堆積プロセス中に実行されることができる。これらの方法は、質量スペクトロスコピー（ＭＳ）およびフーリエ変換赤外分光法（Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＦＴＩＲ）のような技術を使用しての、プロセス環境におけるガスの化学種の質的な（ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ）、および定量的な解析を含む。これらの技術は、堆積プロセス中、ガスの種類の識別および濃度に関する情報を提供し、そして、それは、次々に堆積された層のさまざまな物理的性質と相関していることができる。
【００４９】
本発明の他の実施形態において、拡散フィルタ層を基板上に形成し、ｈｉｇｈ−ｋ層を堆積し、界面酸化層を成長する処理システムは、同時に複数の基板（ウェーハ）を処理することが可能なバッチ型処理システムから成ることができる。バッチ型処理システムは、いかなる直径の基板、例えば、２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板、または、より大きい基板さえも、処理することができる。バッチ型処理システムは、例えば、自己制限的なプロセスに対し、長い処理時間を許容することができることよって、単一ウエハ処理チャンバに勝る利点を提供することができる。
【００５０】
本発明のさまざまな修正および変更が本発明を実施する際に使用されることがあり得ると理解されるべきである。従って、添付の請求の範囲内であって、ここに特に記載されているより別のやり方で、本発明が実施されることがあり得ると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】堆積時間の関数として、Ｓｉ基板上に熱化学気相成長（ＴＣＶＤ）プロセスによって堆積されたｈｉｇｈ−ｋ層の厚さを示す図である。
【図２】酸化時間の関数として、自己制限的な酸化プロセスによって成長された酸化層の厚さを概略的に示す図である。
【図３Ａ】基板の断面図を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る基板の上を覆っている拡散フィルタ層の断面図を概略的に示す図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態に係る拡散フィルタ層上に堆積されたｈｉｇｈ−ｋ層の断面図を概略的に示す図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態に係る酸化プロセスで形成された界面酸化層の断面図を概略的に示す図である。
【図３Ｅ】本発明の実施形態に係る図３Ｄの構造の上に形成された電極層を概略的に示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る微細構造物を形成するフローチャートを示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る微細構造物を形成するフローチャートを示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る微細構造物を形成する処理ツールの簡略化されたブロック図を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る拡散フィルタ層を形成する処理システムの簡略化されたブロック図を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るｈｉｇｈ−ｋ層を堆積させる処理システムの簡略化されたブロック図を示す図である。
【図１】
2007506266.tif 000003
【図２】
2007506266.tif 000004
【図３Ａ】
2007506266.tif 000005
【図３Ｂ】
2007506266.tif 000006
【図３Ｃ】
2007506266.tif 000007
【図３Ｄ】
2007506266.tif 000008
【図３Ｅ】
2007506266.tif 000009
【図４】
2007506266.tif 000010
【図５】
2007506266.tif 000011
【図６】
2007506266.tif 000012
【図７】
2007506266.tif 000013
【図８】
2007506266.tif 000014
【国際調査報告】
2007506266.tif 000015
2007506266.tif 000016
2007506266.tif 000017
2007506266.tif 000018