(57)【要約】【課題】  高ｋ誘電体及び界面層を含むゲート・スタック上に、熱的に安定した新しい金属化合物を提供すること。【解決手段】  高ｋ誘電体及び界面層を含むゲート・スタック上に、約４．０ｅＶから約４．５ｅＶまで、好ましくは約４．３ｅＶの仕事関数を有する、熱的に安定したｎ型金属であるＨｆＳｉＮを含む金属化合物である。さらに、（約１０００℃のオーダーの）高温でＨｆＳｉＮ／高ｋ誘電体／界面層のスタックをアニールした後、界面層が減少され、よって、ゲート・スタックは、ＴａＳｉＮを用いて達成することができない、非常に薄い等価酸化物厚（伝統的には、１２Å）をもたらす。【選択図】      図１
2008530770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造体であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された界面層と、
前記界面層上に配置された高ｋ誘電体と、
前記高ｋ誘電体上に配置されたＨｆＳｉＮゲート金属と
を備える、半導体構造体。
【請求項２】
前記半導体基板が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅＣ、Ｇａ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、他のＩＩ／ＩＶ族又はＩＩＩ／ＶＩ族化合物半導体、有機半導体、或いは層状半導体の１つを含む、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項３】
前記半導体基板がＳｉ含有半導体材料である、請求項２に記載の半導体構造体。
【請求項４】
前記界面層は、Ｓｉ原子及びＯ原子、随意的にＮ原子を含む、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項５】
前記界面層は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、又はこれらのシリケートを含む、請求項４に記載の半導体構造体。
【請求項６】
前記界面層は、約４．０から約２０までの誘電率と、約０．１ｎｍから約５ｎｍまでの厚さとを有する、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項７】
前記界面層は、約１原子百分率から約８０原子百分率までのＳｉ含有量を有する、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項８】
前記界面層は、勾配付けされているＳｉ含有量を有する、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項９】
前記高ｋ誘電体は、４．０より大きい誘電率と、約０．５ｎｍから約１０ｎｍまでの厚さとを有する、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１０】
前記高ｋ誘電体は、酸化物、窒化物、酸窒化物、シリケート、又はこれらの混合物を含む、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１１】
前記高ｋ誘電体は、Ｈｆベースの材料である、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１２】
前記界面層はＳｉＯ２又はＳｉＯＮを含み、前記高ｋ誘電体は、ＨｆＯ２、Ｈｆシリケート、又はＨｆ酸窒化物を含む、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１３】
前記ＨｆＳｉＮは、４．０ｅＶから４．５ｅＶまでの間の仕事関数を有する、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１４】
前記ＨｆＳｉＮ層の上にＳｉ含有導電性材料をさらに含む、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１５】
前記界面層、前記高ｋ誘電体及び前記ＨｆＳｉＮゲート金属が、ゲート領域内にパターン形成される、請求項１に記載の半導体構造体。
【請求項１６】
ＨｆＳｉＮ金属化合物を製造する方法であって、
Ｈｆターゲットと、Ａｒ／Ｎ２／Ｈｅで希釈されたＳｉ源を含む雰囲気とを準備するステップと、
前記雰囲気中で前記ＨｆターゲットからＨｆＳｉＮ膜をスパッタリングするステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
ｎが０、１、２、３、又は４であり、Ｒが１から約１８までの炭素分子を含む脂肪部分である場合に、前記Ｓｉ源は、式ＳｉＨ４−ｎＲｎを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ｎが０であり、前記Ｓｉ源がＳｉＨ４である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉ源は、固体、液体、又は気体である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記Ｓｉ源は、約７０％から約９９％までのＨｅで希釈される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記Ａｒ／Ｎ２／Ｓｉ源は、それぞれ、約１−１００／１−１００／１−１００ｓｃｃｍの流量比を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
半導体構造体を形成する方法であって、
基板の表面上に、高ｋ誘電体及び界面層を含むスタックを準備するステップと、
前記スタック上にＨｆＳｉＮ膜を形成するステップと
を含み、前記ＨｆＳｉＮ膜は、Ｈｆターゲットと、Ａｒ／Ｎ２／Ｈｅで希釈されたＳｉ源を含む雰囲気とを準備し、前記雰囲気中で前記ＨｆターゲットからＨｆＳｉＮ膜をスパッタリングすることによって形成される、方法。
【請求項２３】
ｎが０、１、２、３、又は４であり、Ｒが１から約１８までの炭素分子を含む脂肪部分である場合に、前記Ｓｉ源は、式ＳｉＨ４−ｎＲｎを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ｎが０であり、前記Ｓｉ源がＳｉＨ４である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記Ｓｉ源が、固体、液体、又は気体である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記Ｓｉ源は、約７０％から約９９％までのＨｅで希釈される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記Ａｒ／Ｎ２／Ｓｉ源は、それぞれ、約１−１００／１−１００／１−１００ｓｃｃｍの流量比を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記ＨｆＳｉＮ層の上にＳｉ含有導電性材料を形成するステップをさらに含む、請求項２２に記載の半導体構造体。
【請求項２９】
パターン形成されたゲート領域内に、前記ＨｆＳｉＮ膜と、前記高ｋ誘電体及び前記界面層を含む前記スタックとをパターン形成するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
パターン形成されたゲート領域内に、前記Ｓｉ含有導電性材料と、前記ＨｆＳｉＮ膜と、前記高ｋ誘電体及び前記界面層を含む前記スタックとをパターン形成するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス、及びこれを製造する方法に関する。より具体的には、本発明は、高誘電率ｋ／界面層のスタック上の、熱的に安定したｎ型金属を含む相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）に関する。本発明はまた、ＣＭＯＳ処理の流れと統合することができる、熱的に安定したｎ型金属を形成するプロセスも提供する。
【背景技術】
【０００２】
標準的なＣＭＯＳデバイスにおいては、一般に、ポリシリコンが、標準的なゲート材料である。ポリシリコン・ゲートを用いてＣＭＯＳデバイスを製造する技術は、絶えず発展した状態にあり、現在、半導体産業において広く用いられている。ポリシリコン・ゲートを用いる１つの利点は、これらが高温に耐え得ることである。しかしながら、ポリシリコン・ゲートの使用と関連した幾つかの問題もある。例えば、ポリ空乏効果及び相対的に高い電気シート抵抗（約１５０オーム／スクェア）のために、ＣＭＯＳデバイスにおいて一般的に使用されるポリＳｉゲートは、０．１ミクロン以下のチャネル長についての、チップ性能のゲート要因になりつつある。ポリＳｉゲートに関連する別の問題は、ボロンのようなポリＳｉゲート内のドーパントが、薄いゲート誘電体を通って容易に拡散し、デバイス性能をさらに低下させ得ることである。
【０００３】
ポリＳｉゲートに関連した問題を回避するために、ポリＳｉゲートを単一の金属と置き換えることが提案された。高ｋ誘電体を用いるＣＭＯＳ技術のために、異なる仕事関数（ｐＦＥＴについての仕事関数とｎＦＥＴについての仕事関数）を有する金属が必要とされる。金属／高ｋ誘電体スタックに、ソース／ドレインの自己整合された注入の活性化のために必要とされる（約１０００℃のオーダーの）高温アニールを施す必要がある。ゲート・スタックの反応は、材料の選択を制限するこの高温アニール中に生じる。例えば、Ｗ及び高ｋ誘電体を含むゲート・スタックにおいて、ＳｉＯ２の再成長は、反転層のスケーラビリティを制限する界面で行われる。例えば、非特許文献１を参照されたい。
【０００４】
金属化合物は、より安定したものにしてもよいが、依然として適切な仕事関数を目標とすることに関する問題がある。例えば、ｎＦＥＴの候補としてＴａＳｉＮが提案されたが、依然としてその仕事関数に関する幾つかの問題が存在し、ｎＦＥＴデバイスにおいて移動度の減少が観察される。さらに、ＴａＳｉＮを用いると、反転層厚のスケーラビリティが幾分制限されるように見える。
【０００５】
【非特許文献１】Ａ．Ｃａｌｌｅｇａｒｉ他、ＩＥＤＭ２００４、ｐ．８２５、Ｓ．Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ  Ｃａ．，２００４年１２月１３日―１５日
【非特許文献２】Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖａｉｃｅｓ、第２版、３９５−３９７ページ、Ｊ．Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記を鑑みて、高ｋ誘電体を含むゲート・スタック上に熱的に安定した新しい金属化合物を提供する必要性がある。特定的には、ｎＦＥＴデバイスにおいて有用な新しい金属化合物を提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高ｋ誘電体及び界面層を含むゲート・スタック上に、約３．７ｅＶから約４．５ｅＶまで、好ましくは約４．０ｅＶの仕事関数を有する、熱的に安定したｎ型金属であるＨｆＳｉＮを含む新しい金属化合物を提供するものである。さらに、（約１０００℃のオーダーの）高温で、ＨｆＳｉＮ／高ｋ誘電体／界面層のスタックをアニールした後、界面層が減少され、よって、ゲート・スタックは、ＴａＳｉＮを用いて達成することができない、非常に薄い等価の酸化物厚（伝統的には、１２Å）をもたらす。
【０００８】
大まかに言うと、本発明は、
半導体基板と、
半導体基板上に配置された界面層と、
界面層上に配置された高ｋ誘電体と、
高ｋ誘電体上に配置されたＨｆＳｉＮゲート金属と
を含む、半導体構造体、即ち薄膜スタックを提供する。
【０００９】
さらに、本発明は、
半導体基板と、
少なくとも、基板の一部に配置された界面層、界面層上に配置された高ｋ誘電体及び高ゲート誘電体上に配置されたＨｆＳｉＮ金属を含む、パターン形成されたゲート領域と
を含む、半導体構造体を提供する。
【００１０】
上述の薄膜スタック及び半導体構造体に加えて、本発明は、
Ｈｆターゲットと、Ａｒ／Ｎ２／Ｈｅで希釈されたＳｉ源を含む雰囲気とを準備するステップと、
前述の雰囲気中でＨｆターゲットからＨｆＳｉＮ膜をスパッタリングするステップと
を含む、ＨｆＳｉＮ金属化合物を製造する方法も提供する。
【００１１】
本発明によると、Ｓｉ源の活性度を制限する、Ｈｅで希釈されたＳｉ源は、膜の品質を向上させる。ＨｆＳｉＮ膜の抵抗率は、プロセス・ガスの濃度によって変わり得る。一般的に、窒素濃度及び／又はＳｉ濃度が高いほど、抵抗率が高くなる。
【００１２】
本発明はまた、ＨｆＳｉＮ膜を形成するために本発明のプロセスを用いる、上述の半導体構造体を製造する方法も提供する。一般論として、最初に、基板の表面上に高ｋ誘電体及び界面層を含むスタックを提供し、その後、上述した処理ステップを用いてスタック上にＨｆＳｉＮ膜を形成することによって、即ち、Ｈｆターゲットと、Ａｒ／Ｎ２／Ｈｅで希釈されたＳｉ源を含む雰囲気とを提供し、雰囲気中でＨｆターゲットからＨｆＳｉＮ膜をスパッタリングすることによって、半導体構造体が形成される。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態においては、ＨｆＳｉＮ金属ゲートは、ゲート電極として単独で、又はその上面にシリサイド・コンタクトを含むＳｉ含有ゲート電極と併せて、用いることができる。後者の構造体は、ここでは、デュアル・ポリＳｉ／ＨｆＳｉＮ含有ＦＥＴと呼ばれる。
【００１４】
高ｋ誘電体という用語は、本出願の全体を通じて、その誘電率ｋが、例えば４．０より大きいといった、ＳｉＯ２よりも大きい絶縁体材料を示すように用いられることが留意される。高ｋ誘電体は、約７．０又はそれより大きいｋを有することが好ましい。
【００１５】
「界面層」という用語は、本出願の全体を通じて、例えばＳｉＯ２及びＳｉＯＮを含む、少なくともＳｉ原子又はＯ原子を含む絶縁体材料を示すように用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、高ｋ誘電体及び界面層を含むスタック上の、熱的に安定したｎ−金属ゲートとして用い得るＨｆＳｉＮ金属化合物と、これを製造する方法とを提供する本発明が、本出願に添付される図面を参照することによって、より詳細に説明される。本発明の図面は、説明のために提供されるものであり、よって、これらの図面は縮尺通りに描かれていないことが留意される。
【００１７】
最初に、高ｋ誘電体及び界面層を含むスタック上に本発明のＨｆＳｉＮ金属化合物を含む薄膜スタック構造体を形成する際に用いられる基本的な処理ステップを示す、図１（Ａ）−図１（Ｃ）を参照する。図１（Ａ）は、半導体基板１０の表面上に界面層１２を含む、最初の薄膜スタック構造体を示す。
【００１８】
本発明に用いられる半導体基板１０は、これらに限られないが、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅＣ、Ｇａ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ及び他の全てのＩＶ／ＩＶ族、ＩＩＩ／Ｖ族又はＩＩ／ＶＩ族化合物半導体を含む、いずれかの半導体材料からなる。半導体基板１０はまた、有機半導体、或いはＳｉ／ＳｉＧｅ、シリコン・オン・インシュレータ（silicon-on-insulator、ＳＯＩ）、又はＳｉＧｅオン・インシュレータ（SiGe-on-insulator、ＳＧＯＩ）などの層状半導体を含むこともできる。本発明の幾つかの実施形態においては、半導体基板１０が、Ｓｉ含有半導体材料、即ちシリコンを含む半導体材料からなることが好ましい。半導体基板１０は、ドープされたものであってもよく、ドープされていないものであってもよく、或いは内部にドープ領域と非ドープ領域とを含むものであってもよい。
【００１９】
半導体基板１０はまた、第１のドープ（ｎ−又はｐ−）領域及び第２のドープ（ｎ−又はｐ−）領域を含むこともできる。明確にするために、本出願の図面中にドープ領域は具体的に示されていない。第１のドープ領域及び第２のドープ領域は、同じものであってもよく、又はそれらが異なる導電率及び／又はドーピング濃度を有するものであってもよい。これらのドープ領域は、「ウェル」として知られている。半導体基板１０は、歪ませてもよく、歪ませなくてもよく、或いは、各々が内部に歪み領域と非歪み領域とを含んでもよい。さらに、半導体基板１０は、例えば、１００、１１０、１１１、又はこれらの組み合わせを含む、任意の結晶配向を有することができる。代替的に、半導体基板１０は、異なる結晶配向の少なくとも２つの平坦な面を含むハイブリッド基板とすることができる。
【００２０】
次いで、少なくとも１つの分離領域（図示せず）が、一般的には、半導体基板１０内に形成される。分離領域は、トレンチ分離領域又はフィールド酸化物分離領域とすることができる。トレンチ分離領域は、当業者に公知の従来のトレンチ分離プロセスを用いて形成される。例えば、トレンチ分離領域を形成するのに、リソグラフィ、エッチング、及びトレンチ誘電体によるトレンチの充填を用いることができる。随意的に、トレンチの充填前に、トレンチ内にライナを形成することができ、トレンチの充填後に緻密化ステップを行うことができ、トレンチの充填に続いて平坦化プロセスを行うこともできる。フィールド酸化物は、いわゆる局所的なシリコン酸化プロセスを用いて形成することができる。少なくとも１つの分離領域が、典型的には、隣接するゲートが反対の導電性をもつときに必要とされる分離を、隣接するゲート領域間に与えることに留意されたい。隣接するゲート領域は、同じ導電性（即ち、両方がｎ型又はｐ型）をもつことができ、又は代替的に、それらが異なる導電性（即ち、一方がｎ型で他方がｐ型）をもつこともできる。
【００２１】
次いで、界面層１２が、酸化又は酸窒化のような熱プロセス、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）、蒸着、スパッタリング及び化学溶液堆積、又はこれらの組み合わせのような堆積プロセスを用いて、半導体基板１０の表面の上に形成される。代替的に、堆積プロセス及び窒化を用いて、界面層１２を形成することができる。界面層１２は、少なくともＳｉ原子及びＯ原子を含み、Ｎ原子は随意的なものである。したがって、界面層１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、これらのシリケート、又はこれらの多層構造を含むことができる。幾つかの実施形態において、界面層１２はＳｉＯ２を含み、他の実施形態において、界面層１２はＳｉＯＮを含む。界面層１２は、約１原子百分率から約８０原子百分率まで、典型的には約１原子百分率から約３０原子百分率までのＳｉを含む。残りはＯ及び／又はＮである。Ｓｉは、界面層１２の全体にわたって恒常的に存在することができ、又はＳｉを勾配付けすることができる。
【００２２】
界面層１２は、典型的には、約４．０から約２０までの誘電率を有し、約４．５から約１８までの誘電率がさらにより典型的である。界面層１２は、典型的には、約０．１ｎｍから約５ｎｍまでの厚さを有し、約０．２ｎｍから約２．５ｎｍまでの厚さがより典型的である。
【００２３】
次に、図１（Ｂ）に示されるように、高ｋ誘電体１４が、界面層１２の表面上に形成される。「高ｋ」という用語は、誘電率が、４．０より大きい、典型的には約７．０又はそれより大きい絶縁体を示す。高ｋ誘電体１４は、例えば、酸化、窒化、又は酸窒化のような熱成長プロセスによって形成することができる。代替的には、高ｋ誘電体１４は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、金属・有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、蒸着、反応性スパッタリング、化学溶液堆積及び他の同様の堆積プロセスのような堆積プロセスによって形成することができる。誘電体１４はまた、上記プロセスのいずれかの組み合わせを用いて形成することもできる。
【００２４】
例証として、本発明に用いられる高ｋ誘電体１４は、これらに限られないが、酸化物、窒化物、酸窒化物、及び／又はシリケート（金属シリケート及び窒化金属シリケートを含む）を含む。１つの実施形態においては、高ｋ誘電体１４は、例えば、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、Ｙ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｄＧａＯ及びこれらの混合物のような酸化物からなることが好ましい。高ｋ誘電体１４の非常に好ましい例は、ＨｆＯ２、ハフニウム・シリケート、又は酸窒化ハフニウム・シリコンを含む。
【００２５】
高ｋ誘電体１４の物理的厚さは変わり得るが、典型的には、高ｋ誘電体１４は、約０．５ｎｍから約１０ｎｍまでの厚さを有し、約０．５ｎｍから約３ｎｍまでの厚さがより典型的である。
【００２６】
図１（Ｂ）に示されるスタック構造体を提供した後、次に、ＨｆＳｉＮ金属化合物層１６が、高ｋ誘電体１４の上に形成され、例えば図１（Ｃ）に示される構造体を提供する。本発明によると、ＨｆＳｉＮ金属化合物層１６は、Ｈｆターゲットと、Ｈｅ中で希釈されたＡｒ／Ｎ２／Ｓｉ源を含む雰囲気とを準備し、次いで、該雰囲気中でＨｆターゲットからＨｆＳｉＮ膜をスパッタリングすることによって形成される。スパッタリング・プロセスは、任意の従来のスパッタリング装置の反応炉のチャンバ内で行われる。上述のように、Ｈｅは、Ｓｉ源を希釈するために用いられる。一般に、Ｓｉ源を希釈するために用いられるＨｅの量は、約７０％から約９９％までであり、約９５％から約９９％までのＨｅの量がさらにより典型的である。幾つかの実施形態においては、Ｓｉ源は、９８％のＨｅを含む。
【００２７】
本発明に用いられるＨｆターゲットは、いずれかのＨｆ固体源を含む。ＨｆＳｉＮ膜のスパッタリングの際に雰囲気中で用いられるシリコン（Ｓｉ）源は、例えば、ＳｉＨ４−ｎＲｎを含む、任意の有機含有Ｓｉ化合物を含み、ここで、ｎは、０、１、２、３、又は４であり、Ｒは、１から約１８までの炭素原子、好ましくは約１から約８までの炭素原子を含む脂肪族部分（即ち、アルカン、アルケン、アルキン、又はこれらの組み合わせ）である。脂肪族部分は、直鎖型又は分枝型とすることができる。ｎは０であり、Ｓｉ源はＳｉＨ４であることが好ましい。Ｓｉ源は、固体、液体、又は気体とすることができ、ガス状のＳｉ源が非常に好ましい。
【００２８】
本発明に用いられるＡｒ／Ｎ２／Ｓｉ源の流量比は、それぞれ、約１−１００／１−１００／１−１００ｓｃｃｍであり、約１０−２０／５−１５／１０−３０ｓｃｃｍの流量比がさらにより典型的である。幾つかの好ましい実施形態においては、それぞれ約５−５０／５−５０／５−５０ｓｃｃｍのＡｒ／Ｎ２／Ｓｉ源の流量比を用いることができる。
【００２９】
温度、圧力及び時間のような他のスパッタリング条件は、通常のものであり、当業者には公知である。
【００３０】
上述のように、ＨｆＳｉＮ膜の抵抗率は、プロセス・ガスの濃度によって決まり、窒素濃度及び／又はＳｉ濃度が高いほど、ＨｆＳｉＮ膜１６の抵抗率が高くなる。典型的には、ＨｆＳｉＮ膜の抵抗率は、約１０５マイクロ・オーム／ｃｍ又はそれより小さく、約１００マイクロ・オーム／ｃｍから約１３０マイクロ・オーム／ｃｍまでの抵抗率がさらにより典型的である。
【００３１】
形成されるＨｆＳｉＮ膜１６の厚さは、用いられるスパッタリング条件及び製造されるデバイスのタイプによって変わり得る。典型的には、ＨｆＳｉＮ膜１６は、スパッタリング後、約２ｎｍからから約２００ｎｍまでの厚さを有し、約５ｎｍから約４０ｎｍまでの厚さがさらにより典型的である。
【００３２】
次いで、図１（Ｃ）に示される構造体を、任意の従来のＣＭＯＳ処理の流れを用いて、例えばＦＥＴなどのＣＭＯＳデバイス内に形成することができる。幾つかの実施形態において、図１（Ｃ）に示されるスタック構造体は、そのままで処理することができ、又は代替的に、ＨｆＳｉＮ層１６の上に、Ｓｉ含有ゲート材料１８を形成することができる。後者の実施形態が、図２（Ａ）−図２（Ｄ）に示される。図２（Ａ）−図２（Ｄ）は、Ｓｉ含有材料１８の存在を示すが、一般に、Ｓｉ含有材料が形成されないときも、次の処理ステップはうまく働く。一般に、ＨｆＳｉＮ層１６だけを含むパターン形成されたゲート領域２０は、後でシリサイド化されないことに留意されたい。
【００３３】
図２（Ａ）に示される実施形態において、ポリシリコン、ＳｉＧｅ及びＳｉＧｅＣのようなＳｉ含有材料１８が、ＨｆＳｉＮ層１６の上に形成される。したがって、この実施形態において、Ｓｉ含有材料１８及びＨｆＳｉＮ層１６は、多層のゲートを形成する。別の実施形態において、ＨｆＳｉＮは、単一の金属ゲートとして用いられる。用いられるＳｉ含有材料１８は、単結晶、多結晶又はアモルファスのいずれかの形であるか、或いはそうした形の混合物からなる。
【００３４】
Ｓｉ含有材料は、典型的には、その場堆積プロセスを用いて、又は堆積、イオン注入及びアニールによってドープされる。ＨｆＳｉＮはｎ型金属であるので、ドーパントは、ｎ型ドーパントである。本発明のこの時点で形成されたＳｉ含有材料１８の厚さ、即ち高さは、用いられるプロセスによって変わり得る。典型的には、Ｓｉ含有材料は、約２０ｎｍから約１８０ｎｍまでの垂直方向厚さを有し、約４０ｎｍから約１５０ｎｍまでの厚さがより典型的である。
【００３５】
示される処理の実施形態においては、次に、Ｓｉ含有材料１８、ＨｆＳｉＮ層１６及び随意的な高ｋ誘電体１４、並びに界面層１２が、リソグラフィ及びエッチングによってパターン形成され、パターン形成されたゲート領域又はスタック２０を形成する。単一のパターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０が示されているが、本発明は、複数のパターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０の形成も考慮する。複数のパターン形成されたゲート領域（又はスタック）が形成されるとき、ゲート領域（又はスタック）は、同じ寸法、即ち長さを有してもよく、又はデバイス性能を向上させるために可変の寸法を有することもできる。本発明のこの時点でのパターン形成されたゲート・スタック（又は領域）２０の各々は、少なくともパターン形成されたＨｆＳｉＮ層１６を含む。図２（Ｂ）は、パターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０を形成した後の構造体を示す。示される実施形態においては、本発明のこのステップ中に、Ｓｉ含有材料１８、ＨｆＳｉＮ層１６、高ｋ誘電体１４及び界面層１２が、エッチングされる、即ちパターン形成される。
【００３６】
リソグラフィ・ステップは、図２（Ａ）又は図１（Ｃ）のいずれかに示されるブランケット層状構造体の上面に、フォトレジストを適用するステップと、フォトレジストを所望の放射パターンに露光させるステップと、従来のレジスト現像液を用いて、露光されたフォトレジストを現像するステップとを含む。次に、１つ又は複数の乾式エッチング・ステップを用いて、フォトレジストのパターンが、構造体に転写される。幾つかの実施形態においては、ブランケット層状構造体の層の１つにパターンが転写された後、パターン形成されたフォトレジストを除去することができる。他の実施形態においては、エッチングが完了した後、パターン形成されたフォトレジストが除去される。
【００３７】
パターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０を形成する際に本発明に用いることができる適切な乾式エッチング・プロセスは、これらに限られないが、反応性イオン・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、又はレーザ・アブレーションを含む。用いられる乾式エッチング・プロセスは、一般に、必ずしもというわけではないが、下にある高ｋ誘電体１４に対して選択的であり、よって、こうしたエッチング・ステップは、一般に、高ｋ誘電体１４及び界面層１２を含むスタックを除去するものではない。しかしながら、幾つかの実施形態においては、図２（Ｂ）に示されるように、こうしたエッチング・ステップを用いて、前にエッチングされたゲート領域（又はスタック）の材料層によって保護されていない、高ｋ誘電体１４及び界面層１２の一部を除去することができる。
【００３８】
次に、少なくとも１つのスペーサ２２が、一般的に、必ずしもというわけではないが、パターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０の各々の露出された側壁上に形成される。例えば、図２（Ｃ）を参照されたい。少なくとも１つのスペーサ２２は、酸化物、窒化物、酸窒化物、及び／又はこれらの任意の組み合わせのような絶縁体からなる。少なくとも１つのスペーサ２２は、堆積及びエッチングによって形成される。
【００３９】
少なくとも１つのスペーサ２２の幅は、ソース及びドレインのシリサイド・コンタクト（後に形成される）がゲート領域（又はスタック）２０の縁部の下に侵入しないように、十分に広いものでなければならない。典型的には、少なくとも１つのスペーサ２２が、約２０ｎｍから約８０ｎｍまでの底部で測定された幅を有するとき、ソース／ドレイン・シリサイドは、ゲート領域（又はスタック）２０の縁部の下に侵入しない。
【００４０】
ゲート領域（又はスタック）２０は、スペーサを形成する前に、これに熱酸化、窒化、又は酸窒化処理を施すことによって非活性化することもできる。非活性化ステップは、ゲート領域（又はスタック）２０の周りに非活性化材料の薄層（図示せず）を形成する。このステップは、前のスペーサ形成ステップの代わりに、又はそれと併せて用いることができる。スペーサ形成ステップと共に用いられるとき、ゲート領域（又はスタック）２０非活性化プロセスの後に、スペーサ形成が行われる。
【００４１】
次いで、ソース／ドレイン拡散領域２４（スペーサの存在の有無にかかわらず）が、基板内に形成される。ソース／ドレイン拡散領域２４は、イオン注入及びアニール・ステップを用いて形成される。アニール・ステップは、前の注入ステップによって注入されたドーパントを活性化させるように働く。イオン注入及びアニールのための条件は、当業者には公知である。イオン注入及びアニールの後に形成される構造体が、図２（Ｄ）に表される。
【００４２】
ソース／ドレイン拡散領域２４は、従来の延長注入を用いてソース／ドレイン注入を行う前に形成された延長注入領域（別個に表記されていない）を含むこともできる。延長注入に続いて、活性化アニールを行うか、又は代替的に延長注入中にドーパントを注入することができ、同じ活性化アニール・サイクルを用いて、ソース／ドレイン注入を活性化させることができる。ここでは、ハロ注入（図示せず）も考慮される。ソース／ドレイン延長部は、一般に、深いソース／ドレイン領域より浅く、パターン形成されたゲート領域（又はスタック）２０の縁部と整合された縁部を含む。
【００４３】
次に、前に除去されなかった場合には、これらの絶縁材料を選択的に除去する化学エッチング・プロセスを用いて、高ｋ誘電体１４及び下にある界面層１２の露出された部分が除去される。このエッチング・ステップは、半導体基板１０の上面で停止する。高ｋ誘電体１４及び下にある界面層１２の露出された部分を除去する際に、いずれかの化学エッチング液を用いることができるが、１つの実施形態においては、希フッ化水素酸（dilute hydrofluoric aid、ＤＨＦ）が用いられる。
【００４４】
図２（Ｄ）は、ソース／ドレイン拡散領域２４、及び（存在する場合には）Ｓｉ含有材料の上のシリサイド領域２６の存在も示す。Ｓｉ含有材料１８の上のシリサイドは、随意的なものであり、ゲート領域（又はスタック）２０の上にＳｉ含有材料が存在しない場合には形成されない。シリサイド領域２６は、任意の従来のシリサイド化プロセスを用いて形成される。幾つかの実施形態において、Ｓｉ含有材料が少なくともソース／ドレイン領域２４上に存在しないとき、シリサイド化の前に、エピタキシャルＳｉ又はアモルファスＳｉのようなＳｉ含有材料を形成することができる。
【００４５】
シリサイド化プロセスは、シリサイド化される領域の上に、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｉ等のような他の合金化添加剤を用いて、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はこれらの合金のような、導電性の高融点金属を形成するステップを含む。ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、又はめっきのような従来の堆積プロセスを用いることができる。随意的に、金属の酸化を防ぐ金属層の上に、障壁層を形成することができる。随意的な障壁層の例は、例えば、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＯＮ及びこれらの組み合わせを含む。金属の堆積に続いて、堆積された金属とＳｉの間に反応を引き起こし、続いて金属シリサイドを形成させる少なくとも第１のアニールが、構造体に施される。アニールは、典型的には、約２５０°から約８００℃までの温度で行われ、約４００°から約５５０℃までの第１のアニール温度がより典型的である。
【００４６】
幾つかの実施形態においては、第１のアニールは、選択的エッチング・プロセスに対して大きく耐性がある金属リッチなシリサイド相を形成する。金属リッチ相が生成されると、低抵抗率のシリサイドを形成するために、第２の高温アニールが必要とされる。他の実施形態においては、第１のアニールは、低抵抗率のシリサイドを形成するのに十分なものである。
【００４７】
第１のアニールに続いて、堆積された金属の未反応の残りの部分が、湿式エッチング、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、イオン・ビーム・エッチング、又はプラズマ・エッチングのような従来のエッチング・プロセスを用いて除去される。
【００４８】
必要な場合には、エッチング・プロセスの後に、第２のアニールが行われる。第２のアニールは、一般に、第１のアニールにより高温で行われる。随意的な第２のアニールについての典型的な温度範囲は、約５５０°から約９００℃までである。
【００４９】
金属相互接続部を用いるＢＥＯＬ（back-end-of-line）相互接続レベルの形成のような、さらなるＣＭＯＳ処理を、当業者には公知の処理ステップを用いて形成することができる。
【００５０】
以下の例は、本発明のプロセスの説明、及びＨｆＳｉＮ含有ゲート・スタックを形成する際に本発明のプロセスを使用することから得ることができる幾つかの利点を提供する。
【実施例】
【００５１】
この例において、ＨｆＳｉＮ／ＨｆＯ２／ＳｉＯ２スタックが、Ｓｉウェハの表面上に形成された。ＳｉＯ２界面層が、Ｓｉウェハの酸化によって形成された。ＳｉＯ２界面層の厚さは、約１ｎｍであった。次に、ＡＬＤによって、約３ｎｍの厚さを有するＨｆＯ２誘電体が、ＳｉＯ２界面層上に形成された。次に、Ｈｆターゲットと、Ａｒ：Ｎ２：ＳｉＨ４（Ｈｅ中に２％）の流量比がそれぞれ２０：１０：２０ｓｃｃｍである、Ａｒ：Ｎ２：ＳｉＨ４（Ｈｅ中に２％）を含む雰囲気とを準備することによって、ＨｆＳｉＮ層が形成された。ＨｆＳｉＮ層は、約４０ｎｍの厚さを有していた。スタックを形成した後、スタックに、１０００℃のアニールを行い、続いて４５０℃で行われる形成ガス・アニールを行った。比較のために、類似したＨｆＯ２／ＳｉＯ２スタックの周りに、ＴａＳｉＮ金属化合物が形成された。図３は、ｎ−基板上のこれらのスタックの、１０ｋＨｚにおけるＣＶ特性を示す。ＨｆＳｉＮを含むスタックについての仕事関数は、ｎＭＯＳデバイスについて一般的である約４．３ｅＶであり、ＴａＳｉＮ含有スタックは、約４．７ｅＶ（ミッド・ギャップ）の仕事関数を有していたことに留意されたい。仕事関数は、非特許文献２に従って算出された。また、ＨｆＳｉＮを含むスタックの等価酸化物厚は、約１２Åにすぎなかったことに留意されたい。したがって、ゲート・スタック内に実装された高ｋ誘電体のために、このスタックを用いて製造されたｎＦＥＴは、実質的にゲート漏れが減少した約１２Åの反転層厚で機能すべきである。現在のＳｉｏ２技術は、ゲート漏れがずっと大きい約１９Åの反転層厚を有する。
【００５２】
図４は、ｐ−基板上のＨｆＳｉＮ／ＨｆＯ２／ＳｉＯ２ゲート・スタックの３００ｋＨｚで取られたＣＶ特性をさらに示す。このゲート・スタックは、ＭＯＣＶＤによって堆積されたＨｆＯ２（３ｎｍ）を除いて、図３に示されるものと類似している。このスタックは、５秒間、Ｎ２中で１０００℃で急速アニールされ、次いで、４５０℃で形成ガス雰囲気中でアニールされた。この場合、非特許文献２に従って算出された仕事関数は、約３．７ｅＶである。このことは、ＨｆＳｉＮについてのｎ−ＦＥＴの性質をさらに示す。
【００５３】
本発明は、特にその好ましい実施形態に関して示され、説明されたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部における上記の及び他の変更を行い得ることを理解するであろう。したがって、本発明は、説明され、示された正確な形態及び細部に限定されるものでなく、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（Ａ）高ｋ誘電体及び界面層を含むスタック上にｎ型金属ゲートとしてＨｆＳｉＮ金属化合物を含む薄膜スタック構造体を形成するのに用いられる、種々の処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。  （Ｂ）高ｋ誘電体及び界面層を含むスタック上にｎ型金属ゲートとしてＨｆＳｉＮ金属化合物を含む薄膜スタック構造体を形成するのに用いられる、種々の処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。  （Ｃ）高ｋ誘電体及び界面層を含むスタック上にｎ型金属ゲートとしてＨｆＳｉＮ金属化合物を含む薄膜スタック構造体を形成するのに用いられる、種々の処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。
【図２】（Ａ）ポリＳｉ／ゲート金属の自己整合されたＦＥＴ構造体を形成するための、本発明の基本的な処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。  （Ｂ）ポリＳｉ／ゲート金属の自己整合されたＦＥＴ構造体を形成するための、本発明の基本的な処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。  （Ｃ）ポリＳｉ／ゲート金属の自己整合されたＦＥＴ構造体を形成するための、本発明の基本的な処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。  （Ｄ）ポリＳｉ／ゲート金属の自己整合されたＦＥＴ構造体を形成するための、本発明の基本的な処理ステップを示す（断面図による）図形的な図である。
【図３】同じゲート・スタック（３０ÅのＨｆＯ２／ＳｉＯ２）上の、類似したプロセスにおける、ＴａＳｉＮと比較したＨｆＳｉＮの容量・電圧（ＣＶ、ｎ−基板）特性を示す。ＴａＳｉＮ（ミッド・ギャップ）についての４．７ｅＶと比較すると、ＨｆＳｉＮは、約４．３ｅＶの仕事関数を有する（ｎＦＥＴ）ことに留意されたい。
【図４】１０００℃でアニールされ、次いで、形成ガス雰囲気中で４５０℃でアニールされた、ＨｆＯ２／ＳｉＯ２スタック上のＨｆＳｉＮの容量・電圧（ＣＶ、ｐ−基板）特性を示す。仕事関数は、約３．７ｅＶである。
【図１】
2008530770.tif 000003
【図２】
2008530770.tif 000004
【図３】
2008530770.tif 000005
【図４】
2008530770.tif 000006