(57)【要約】  上に重なる第１の金属酸化物層（１６，４６）を有する半導体基板（１２，４２）、第１の金属と窒素または炭素のうちの一方とを有する上に重なる中間層（１８，４８）、および上に重なる第２の金属酸化物層（２０，５０）を有するデバイス構造（１０，４０）、ならびにそのデバイス構造を形成する方法に関する。次いで、中間層（１８，４８）に酸素が提供される。酸素は導体層から誘電体層（１９，５３）へと中間層（１８，４８）を変化させる効果を有する。次いで、例えば、ゲート（２４，５８）および２つの電流電極（２９，３０，６２，６４）を形成することによって、最終デバイスが形成され得る。
2008543050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス構造を形成する方法であって、
半導体基板を提供する基板提供工程と、
半導体基板の上に第１の金属酸化物層を堆積させる第１金属酸化物層堆積工程と、
第１の金属酸化物層の上に第１の中間層を堆積させる第１中間層堆積工程と、第１の中間層は第１の金属と窒素および炭素のうちの１つ以上とを含むことと、
第１の中間層の上に第２の金属酸化物層を堆積させる第２金属酸化物層堆積工程と、
第１の中間層に酸素を供給する第１酸素供給工程と、からなる方法。
【請求項２】
第１の中間層の第１の金属は窒素および炭素のうちの１つ以上と化合物を形成する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の中間層はケイ素を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１の中間層はゲルマニウムを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１の金属酸化物層はハフニウムおよび酸素を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２の金属酸化物層はハフニウムおよび酸素を含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１の金属は遷移金属を含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
遷移金属はチタンを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
遷移金属はタンタルを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
第１の中間層はケイ素を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１酸素供給工程は酸素を含む雰囲気中でデバイス構造をアニール処理する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第１の金属酸化物層の厚さは０．５〜３ナノメートル（５〜３０オングストローム）の範囲内である請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第１酸素供給工程は第２金属酸化物層堆積工程の後に実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
第２の金属酸化物層の上に第２の中間層を堆積させる第２中間層堆積工程と、
第２の中間層は第２の金属と窒素および炭素のうちの１つ以上とを含むことと、
第２の中間層の上に第３の金属酸化物層を堆積させる第３金属酸化物層堆積工程と、
第２の中間層に酸素を供給する第２酸素供給工程と、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
第１酸素供給工程および第２酸素供給工程はほぼ同時に実行される請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第２の中間層は酸素に対する浸透性が第１の中間層より高い請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
第２の金属酸化物層の上にゲートを形成する工程と、
半導体基板に第１の電流電極を形成する工程と、
半導体基板に第２の電流電極を形成する工程と、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
デバイス構造を形成する方法であって、
半導体基板を提供する工程と、
半導体基板の上に第１の金属酸化物層を形成する工程と、
第１の金属酸化物層の上に第１の中間層を形成する工程と、第１の中間層は第１の金属と窒素および炭素のうちの１つ以上とを含むことと、
第１の中間層の上に第２の金属酸化物層を形成する工程と、
第２の金属酸化物層の上に第２の中間層を形成する工程と、第２の中間層は第２の金属と窒素および炭素のうちの１つ以上とを含むことと、
第２の中間層の上に第３の金属酸化物層を形成する工程と、
第１の中間層および第２の中間層に酸素を供給する工程と、
第３の金属酸化物層の上にゲートを形成する工程と、
半導体基板に第１の電流電極を形成する工程と、
半導体基板に第２の電流電極を形成する工程と、からなる方法。
【請求項１９】
第１の中間層はケイ素を含むことと、第２の中間層はケイ素を含むことと、を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
半導体基板と、
半導体基板の上の第１の金属酸化物層と、
第１の金属酸化物層の上の第１の中間層と、第１の中間層は金属と、酸素と、窒素および炭素のうちの１つ以上とを含むことと、
第１の中間層の上の第２の金属酸化物層と、からなるデバイス構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集積回路に関する。より詳細には、本発明は集積回路のトランジスタにおけるゲート誘電体の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゲート誘電体はケイ素酸化物であったが、ゲート誘電体の厚さが減少するにつれ、ゲートからチャネルへの漏電電流が増大している。この漏電の問題を克服するために、ゲート誘電体用の他の材料が開発されている。好適には、この材料は高ｋ誘電体であり、トランジスタ動作が有効であるようにゲートとチャネルとの間の充分な電気的結合を保持しつつ、充分に厚くして過度の漏電電流を防止することが可能である。この材料として、様々な可能な材料、特に金属酸化物が開発されている。この種の材料の１つの問題として、酸素の拡散に対するバリアが不充分であることが分かっている。酸素の拡散に対するバリアは、金属酸化物下の過度なケイ素酸化物の成長を回避するのに重要である。別の問題は金属酸化物における欠陥状態によって電荷がトラップされることであり、このためトランジスタの閾値電圧は変化し、回路の動作が一貫しないことになる。
【０００３】
金属酸化物に関するこれらの問題および他の問題を克服するため、金属酸化物にはケイ素、アルミニウム、および窒素など、他の材料が添加されている。これは、解決している問題と同じ程度に重大な問題を追加する傾向にある。例えば、窒素の添加は余分なケイ素酸化物成長の形成を抑制する傾向があるが、移動性を低下させ、閾値電圧を所望の値から変化させる傾向もある。同様に、アルミニウムの添加は酸素の拡散を減少させる傾向があるが、移動性を低下させる傾向がある。また、ケイ素の添加は酸素の拡散を遅延させ、移動性を改良する傾向があるが、誘電率を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、これらの問題のうちの１つ以上を克服するかまたは減少させる、ゲート誘電体の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、トランジスタのゲート誘電体は、第１の種類および第２の種類の複数の交互の層を用いて製造される。第１の種類は金属酸化物を含み、第２の種類は、金属と窒素および炭素のうちの１つ以上とを含む金属層を含む。第１の種類の層は第２の種類の１つ以上の層を、基板から、またゲートから分離している。第２の種類の層の効果によって、酸素拡散を減少させることによる窒素添加の有益な効果が提供されるとともに、移動性を減少させ、閾値電圧を変化させるという有害な効果は回避される。続く酸素の導入によって、第２の種類の層を導体から誘電体に変換する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１には、半導体デバイス１０を示す。半導体デバイス１０は、半導体基板１２、ケイ素酸化物層１４、ハフニウム酸化物層１６、チタン窒化物層１８、およびハフニウム酸化物層２０を含む。基板１２は好適にはケイ素であり、バルクケイ素基板として示されるが、ＳＯＩ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であることも可能である。好適には、ケイ素酸化物層１４の厚さは０．５〜１ナノメートル（５〜１０オングストローム）である。ケイ素基板において、この酸化物層は事実上不可避であるが、また高ｋ誘電体への移行として有用な機能を提供する。厚みは主として２つの因子、すなわち、ハフニウム酸化物層１６の形成前のプリクリーン（ｐｒｅ−ｃｌｅａｎ）の特定の特徴と、続いて形成される層の形成および処理の手法との相互作用とによって決定される。
【０００７】
ハフニウム酸化物層１６は、好適には厚さ０．５〜３ナノメートル（５〜３０オングストローム）の範囲にあり、好適には、化学蒸着法（ＣＶＤ）によってケイ素酸化物層１４上に堆積されるが、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、もしくはスパッタリング、または他の何らかの技術によっても形成可能である。好適には、層は不純物を含んでおらず、特に炭素および塩素を含まない。チタン窒化物層１８は、ハフニウム酸化物層１６上に、好適には０．５〜１ナノメートル（５〜１０オングストローム）の厚さまで堆積される。好適にはスパッタリングによって堆積されるが、ＰＥＣＶＤ、ＣＶＤ、またはＡＬＤによっても堆積可能である。好適には、層１８の窒素およびチタンの原子濃度は１対１である。異なる濃度では浸透性がより高くなり、バリアとしてより望ましくない。好適には、同じようにして、チタン窒化物層１６が堆積されたのと同じ厚さの範囲まで、チタン窒化物層１８上にハフニウム酸化物層２０が堆積される。また、ハフニウム酸化物層１６とは異なる技術を用いて、ハフニウム酸化物層２０を堆積することも可能である。例えば、チタン窒化物層１８がスパッタリングによって堆積される場合、デバイス構造１０を１つの工具から取り除き別の工具に置くことを回避するため、可能ならばスパッタリングがより望ましい。ハフニウム酸化物の代表的な代替物は、ハフニウムジルコニウム酸化物である。また、特に製造時には、厚さを正確に制御するのに特に有効であり、単一の工具によってすべての堆積を実行可能であるため、３つの層１６，１８，２０すべてにＡＬＤが好適である場合がある。単一の工具によってすべての堆積を実行可能であることは、層間の界面における汚染を回避する際に特に有用である。工具から表面が取り除かれるときには、層間の界面における汚染を回避することは困難である。
【０００８】
図２には、酸素アニール処理に曝されているデバイス構造１０を示す。好適には、酸素アニール処理は元素状酸素（Ｏ２）中で実行されるが、酸素が一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、および二酸化炭素（ＣＯ２）など、別の形態であることも可能である。好適には、アニール処理の温度は摂氏４００〜９００度である。この範囲において、より厚いチタン窒化物層１８の例に対しては、温度はより高い。また、酸素アニール処理は、プラズマ活性化または光活性化など、エネルギー活性化によって行われてもよい。酸素アニール処理は、導体であるチタン窒化物層１８を、誘電体であるチタン酸窒化物層１９に変換するためのものである。チタン酸窒化物層１９を形成するこのアニール処理中、一部のチタンおよび窒素はチタン窒化物層１８からハフニウム酸化物層１６，１８まで広がる場合がある。酸化物層１４、酸化物層１４上のハフニウム酸化物層１６、ハフニウム酸化物層１６上のチタン酸窒化物層１９、およびチタン酸窒化物層１９上のハフニウム酸化物層２０は、ゲート誘電体スタック２２を形成する。
【０００９】
図３には、ゲート誘電体スタック２２上のゲート２４、ゲート２４に隣接した基板１２におけるソース／ドレイン２８、ゲート２４に隣接した基板３０におけるソース／ドレイン３０、およびゲート２４の周囲の側壁スペーサ２６の形成後の完成したトランジスタとして、デバイス構造１０を示す。ゲート２４は好適には金属スタックであるが、ポリシリコン、単一の金属、もしくは金属およびポリシリコンの組み合わせ、またはポリシリコンゲルマニウムなど別の材料であることも可能である。
【００１０】
ハフニウム酸化物層１６，２０の堆積など、通常のハフニウム酸化物堆積では、ハフニウム酸化物を高密度化する堆積後のアニール処理が行われ、ソース／ドレイン２８，３０の形成などソース／ドレインの形成後、高温のアニール処理が行われる。これらのアニール処理の効果によって、通常、ハフニウム酸化物から基板へ酸素が推し進められ、より厚く、したがってより望ましくないケイ素酸化物層が形成される。チタン窒化物層１９は、拡散する酸素を収集するのに有用である。チタン酸化物の自由エネルギー形成はチタン窒化物と比較して大きいため、チタン窒化物層１９は、拡散する酸素を引き付けるもの（ｍａｇｎｅｔ）を有効に提供する。したがって、拡散する酸素は、基板１２ではなくチタン窒化物層１９の方へ向かって拡散する。同様に、ハフニウム酸化物層２０において拡散する酸素は、ゲート２４ではなくチタン窒化物層１６の方へ向かう。示したゲートスタック２２では、ハフニウム酸化物を単独で用いるより高信頼性のトランジスタが生じる。
【００１１】
チタン窒化物に加え、他のバリアが有効な場合がある。バリアは、一般に、炭素または窒素のうちの一方と組み合わされた金属であると考えられる。例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）が有効である。少量の混入物としては有害な効果は比較的小さいため、窒素の使用は特に魅力的である。例えば、小量の窒素はケイ素との界面に拡散し得るが、最小の影響しか生じない。行われる程度まで、移動性を減少させて、閾値電圧を変化させる。効果が小さい場合、これは許容可能である。一方、ケイ素の存在下においては、過剰な炭素によって、装置故障を引き起こし得る炭化ケイ素が形成される場合がある。同様に、チタン以外の別の金属は、窒素または炭素と組み合わされて有効な場合がある。そのような金属の一例はタンタルである。タンタルの場合、バリアとしての組み合わせには、ケイ素および窒素（ＴａＳｉＮ）が含まれる。非晶質であるＴａＳｉＮはチタン窒化物より良好なバリアであるが、拡散する酸素を引き付ける性質は少ない。
【００１２】
図４には、デバイス構造４０を示す。デバイス構造４０は、基板４２、ケイ素酸化物層４４、ならびにハフニウム酸化物およびチタン窒化物からなる複数の交互の層４６，４８，５０，５２，５４を含む。示すハフニウム酸化物の層は、層４６，５０，５４である。示すチタン窒化物の層は、層４８，５２である。基板４２およびケイ素酸化物層４４は、デバイス構造１０の基板１２およびケイ素酸化物層１４と同じである。ケイ素酸化物層４４上にはハフニウム酸化物層４６がある。ハフニウム酸化物層４６上にはチタン窒化物層４８がある。チタン窒化物層４８上にはハフニウム酸化物層５０がある。ハフニウム酸化物層５０上にはチタン窒化物層５２がある。チタン窒化物およびハフニウム酸化物からなる交互の層は継続する。交互の層の最後の層は、ハフニウム酸化物層５４である。好適には、ハフニウム酸化物およびチタン窒化物からなる交互の層はＡＬＤによって堆積される。ハフニウム酸化物層４６は例外の場合があるが、これらの層は各々、好適には充分に薄いが、層間に明瞭な界面を得るために少なくとも単層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）である。これらの材料について、単層の厚さは約０．５ナノメートル（約５オングストローム）である。ＡＬＤは、これらの非常に薄い層を達成することの可能な唯一の技術であり得るが、別の技術が開発される場合や、これを実施することが可能であるように既存の技術が改良される場合があり、その場合には、それらの技術を用いることが可能である。複数の交互の層の総厚さは１．５〜４．０ナノメートル（１５〜４０オングストローム）である。
【００１３】
図５には、酸素アニール処理が行われるデバイス構造４０を示す。これは図２において説明したアニール処理と同じである。このアニール処理によって、チタン窒化物層４８，５２は、それぞれチタン酸窒化物層４９，５３へ変換される。詳細に示していない他のチタン窒化物層もチタンへ変換される。チタン酸窒化物およびハフニウム酸化物からなる、得られる複数の交互層は、ゲート誘電体スタック５６を形成する。
【００１４】
図６には、ゲート誘電体５６上のゲート５８、ゲート５８の周囲の側壁スペーサ６０、ゲート５８の一方の側でゲート５８に隣接した基板４２におけるソース／ドレイン６２、およびゲート５８の他方の側でゲート５８に隣接した基板４２におけるソース／ドレイン６４を備える完成したトランジスタとして、デバイス構造４０を示す。ソース／ドレインは電流電極として機能し、ゲート５８は完成したトランジスタにおける制御電極として機能する。
【００１５】
複数の交互の層によって、酸素の拡散をさらに妨害する複数の界面が提供される。これによって、所与の厚さにおける電気的故障に対する耐性も改良される。また、ゲート誘電体スタック５６を通じた誘電率の変動は、より少ない。チタン窒化物およびハフニウム酸化物からなる材料は、デバイス構造１０に記載のように変更されてよい。
【００１６】
図２，５に示した酸素アニール処理の代替は、ゲート形成後にゲートに存在する酸素を拡散させることである。少なくともＰチャンネルトランジスタの場合には、考慮しているゲート材料のうちの一部は、モリブデン酸窒化物（ＭｏＯＮ）、モリブデンケイ素酸化物（ＭｏＳｉＯ）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯ２）、およびイリジウム酸化物（ＩｒＯ２）である。これらのうちの１つが用いられる場合、図２，５の酸素アニール処理は省略されて、ゲートにおいて酸素の外部拡散を引き起こすゲート形成後のアニールが実行される。次いで、この酸素はバリア（記載の例ではＴｉＮ）と反応し、誘電体を形成する。したがって、ゲートからの酸素の外部拡散は、基板に達することと、導体から誘電体へとバリアを変換させることとから、同時に防止される。バリアが誘電体に変換されるにつれ酸素拡散への抵抗も開始されるため、酸素はゲートに保持される。ゲートの酸素は所望の仕事関数を達成するのに重要であるので、この外部拡散の妨害によって、所望の仕事関数の保持が可能となる。
【００１７】
例示のために選択された本明細書の実施形態に対し、当業者には様々な変更および修正が容易に想到されるであろう。例えば、ハフニウム酸化物およびハフニウムジルコニウム酸化物以外の金属酸化物は有用であり得る。本発明の精神から逸脱しない限りにおいて、そのような修正および変化は、添付の特許請求の範囲の公平な解釈によってのみ評価される本発明の範囲の内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態による処理の一段階における半導体構造の断面図。
【図２】処理の続く段階における図１の半導体構造の断面図。
【図３】処理の続く段階における図２の半導体構造の断面図。
【図４】別の実施形態による処理の一段階における半導体構造の断面図。
【図５】処理の続く段階における図４の半導体構造の断面図。
【図６】処理の続く段階における図５の半導体構造の断面図。
【図１】
2008543050.tif 000003
【図２】
2008543050.tif 000004
【図３】
2008543050.tif 000005
【図４】
2008543050.tif 000006
【図５】
2008543050.tif 000007
【図６】
2008543050.tif 000008
【国際調査報告】
2008543050.tif 000009
2008543050.tif 000010
2008543050.tif 000011