(57)【要約】半導体デバイスを作成する方法に関する。該方法は、基板上で二酸化ケイ素層に窒素を加えて窒化二酸化ケイ素層を形成することを含む。窒化二酸化ケイ素層の上に犠牲層を形成したのち、犠牲層が除去されて溝が生成される。窒化二酸化ケイ素層の上で溝の中に高誘電率ゲート誘電体層が形成され、該高誘電率ゲート誘電体層の上に金属ゲート電極が形成される。
2008523591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを作成する方法であって：
基板上に二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記二酸化ケイ素層に窒素を加えて窒化二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記窒化二酸化ケイ素層の上に犠牲層を形成する段階と；
犠牲層を除去して溝を生成する段階と；
前記窒化二酸化ケイ素層の上で前記溝の中に高誘電率ゲート誘電体層を形成する段階と；
前記高誘電率ゲート誘電体層の上に金属ゲート電極を形成する段階、
とを有する方法。
【請求項２】
前記高誘電率ゲート誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムケイ素、酸化ランタン、酸化ランタンアルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムケイ素、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バリウムストロンチウムチタン、酸化バリウムチタン、酸化ストロンチウムチタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化鉛スカンジウムタンタルおよびニオブ酸鉛亜鉛よりなる群から選択される物質を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記窒化二酸化ケイ素層を形成するために急速熱窒化プロセスが適用され、該急速熱窒化プロセスは前記二酸化ケイ素層を少なくとも約980°Cの温度でアンモニアに曝露することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記窒化二酸化ケイ素層が約10オングストローム未満の厚さであり；
前記犠牲層が約500オングストロームないし約1100オングストロームの厚さであり、ポリシリコンを含んでおり；
前記犠牲層の除去が、該犠牲層を水酸化物源を含む水溶液に曝露することによって行われ；
前記高誘電率ゲート誘電体層が約5オングストロームないし約20オングストロームの厚さである、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記金属ゲート電極が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、金属炭化物、アルミニウム化物、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケルおよび伝導性金属酸化物よりなる群から選択される物質を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
半導体デバイスを作成する方法であって：
基板上に二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記二酸化ケイ素層に窒素を加えて窒化二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記窒化二酸化ケイ素層の上にポリシリコン含有層を形成する段階と；
前記ポリシリコン含有層の上に硬マスク層を形成する段階と；
前記硬マスク層、前記ポリシリコン含有層および前記窒化二酸化ケイ素層をエッチングして、パターン化されたポリシリコン含有層およびパターン化された窒化二酸化ケイ素層を覆う硬マスクを形成する段階と；
前記パターン化されたポリシリコン含有層および前記パターン化された窒化二酸化ケイ素層の相反する側に第一のスペーサーおよび第二のスペーサーを形成する段階と；
前記パターン化されたポリシリコン含有層を、水酸化物源を含む水溶液に曝露して前記パターン化されたポリシリコン含有層を除去し、その際前記窒化二酸化ケイ素層を保持し、前記第一のスペーサーと前記第二のスペーサーとの間に位置する溝を生成する段階と；
前記パターン化された窒化二酸化ケイ素層の上で前記溝の中に高誘電率ゲート誘電体層を形成する段階と；
前記高誘電率ゲート誘電体層の上に金属ゲート電極を形成する段階、
とを有する方法。
【請求項７】
前記窒化二酸化ケイ素層が約10オングストローム未満の厚さであり；
前記ポリシリコン含有層が約500オングストロームないし約1100オングストロームの厚さであり；
前記高誘電率ゲート誘電体層が約5オングストロームないし約20オングストロームの厚さである、
請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記高誘電率ゲート誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムケイ素、酸化ランタン、酸化ランタンアルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムケイ素、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バリウムストロンチウムチタン、酸化バリウムチタン、酸化ストロンチウムチタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化鉛スカンジウムタンタルおよびニオブ酸鉛亜鉛よりなる群から選択される物質を含み、
前記金属ゲート電極が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、金属炭化物、アルミニウム化物、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケルおよび伝導性金属酸化物よりなる群から選択される物質を含む金属層を含む、
請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記金属層が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、金属炭化物およびアルミニウム化物よりなる群から選択される物質を含み、約3.9eVないし約4.2eVの仕事関数をもつ、
請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記金属層が、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケルおよび伝導性金属酸化物よりなる群から選択される物質を含む金属層を含み、約4.9eVないし約5.2eVの仕事関数をもつ、
請求項８記載の方法。
【請求項１１】
半導体デバイスを作成する方法であって：
基板上に二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記二酸化ケイ素層に窒素を加えて窒化二酸化ケイ素層を形成する段階と；
前記窒化二酸化ケイ素層の上にポリシリコン含有層を形成する段階と；
前記ポリシリコン含有層の上に窒化ケイ素含有層を形成する段階と；
前記窒化ケイ素含有層、前記ポリシリコン含有層および前記窒化二酸化ケイ素層をエッチングして、第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層ならびに第一および第二のパターン化された窒化二酸化ケイ素層を覆う第一および第二の窒化ケイ素含有硬マスクを形成する段階と；
前記第一のパターン化されたポリシリコン含有層および前記第一のパターン化された窒化二酸化ケイ素層の相反する側に第一のスペーサーおよび第二のスペーサーを形成し、前記第二のパターン化されたポリシリコン含有層および前記第二のパターン化された窒化二酸化ケイ素層の相反する側に第三のスペーサーおよび第四のスペーサーを形成する段階と；
前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層から前記第一および第二の窒化ケイ素含有硬マスクを除去する段階と；
前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層を、水酸化物源を含む水溶液に曝露して前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層を除去し、その際前記第一および第二の窒化二酸化ケイ素層を保持し、前記第一のスペーサーと前記第二のスペーサーとの間に位置する第一の溝および前記第三のスペーサーと前記第四のスペーサーとの間に位置する第二の溝を生成する段階と；
前記第一および第二の窒化二酸化ケイ素層の上で前記第一および第二の溝の中に高誘電率ゲート誘電体層を形成する段階と；
前記高誘電率ゲート誘電体層の上に金属層を形成する段階と；
前記金属層の上に、マスキング層であって、該マスキング層の第一の部分は前記高誘電率ゲート誘電体層の第一の部分を覆い、該マスキング層の第二の部分は前記高誘電率ゲート誘電体層の第二の部分を覆うようなマスキング層を形成する段階と；
前記マスキング層の前記第一の部分を保持しつつ前記マスキング層の前記第二の部分を除去して前記金属層の部分を露出させる段階と；
前記金属層の露出した部分を除去して、前記高誘電率ゲート誘電体層の前記第一の部分を覆うが、前記高誘電率ゲート誘電体層の前記第二の部分は覆わない第一の金属層を生成する段階と；
前記マスキング層の前記第一の部分を除去する段階と；
前記第一の金属層の上および前記高誘電率ゲート誘電体層の前記第二の部分の上に、前記第一の金属層を覆い、前記高誘電率ゲート誘電体層の前記第二の部分を覆う第二の金属層を形成する段階、
とを有する方法。
【請求項１２】
前記高誘電率ゲート誘電体層が約5オングストロームないし約20オングストロームの厚さであり、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムケイ素、酸化ランタン、酸化ランタンアルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムケイ素、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バリウムストロンチウムチタン、酸化バリウムチタン、酸化ストロンチウムチタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化鉛スカンジウムタンタルおよびニオブ酸鉛亜鉛よりなる群から選択される物質を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第一の金属層が、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケルおよび伝導性金属酸化物よりなる群から選択される金属を含み、約4.9eVないし約5.2eVの仕事関数をもち、
前記第二の金属ゲート電極が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、金属炭化物およびアルミニウム化物よりなる群から選択される金属を含み、約3.9eVないし約4.2eVの仕事関数をもつ、
請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の金属層が約50ないし約100オングストロームの厚さのp型金属層を含み、前記第二の金属層が約50ないし約100オングストロームの厚さのn型金属層を含む請求項１１記載の方法であって、さらに前記n型金属層の上に充填金属を形成する段階を有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記充填金属が、窒化チタン、タングステン、チタン、アルミニウム、タンタル、窒化タンタル、コバルト、銅およびニッケルよりなる群から選択される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記窒化二酸化ケイ素層を形成するために急速熱窒化プロセスが適用され、該急速熱窒化プロセスは前記二酸化ケイ素層を少なくとも約980°Cの温度でアンモニアに曝露することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記窒化シリコン含有層が約800ないし約1000オングストロームの厚さであり、前記マスキング層がスピンオングラスを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層の除去が、前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層を、体積比で約0.1パーセントないし約10パーセントの、水酸化アンモニウムおよびテトラエチルアンモニウムヒドロキシドよりなる群から選択される水酸化物源を含む水溶液に曝露することにより行われる、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層が、約20°Cないし約30°Cの温度の前記水溶液に曝露され、前記水溶液は脱イオン水中に体積比で約0.1パーセントないし約5パーセントの水酸化アンモニウムを含むものであり、前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層が前記水溶液に曝露される間、約700kHzないし約1000kHzの周波数の音響エネルギーが、約3ないし約8ワット/cm2の散逸で加えられる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第一および第二のパターン化されたポリシリコン含有層が、約20°Cないし約30°Cの温度で少なくとも約10分間、前記水溶液に曝露され、前記水溶液は脱イオン水中に体積比で約2パーセントないし約10パーセントのテトラエチルアンモニウムヒドロキシドを含むものである、請求項１８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、特に高誘電率（high-k）ゲート誘電体および金属ゲート電極をもつものの作成のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
CMOS電界効果トランジスタは高誘電率ゲート誘電体および金属ゲート電極を含みうる。金属ゲート電極は置換ゲートプロセス（replacement  gate  process）を使って種々の金属から形成されうる。該プロセスでは、一対のスペーサーによって囲まれた第一のポリシリコン層が除去されて、スペーサーの間に溝を生成する。溝は高誘電率ゲート誘電体層で内側を覆われ、次いで第一の金属で満たされる。第二のポリシリコン層が除去されたのち、結果として得られる溝が高誘電率ゲート誘電体層で内側を覆われ、第一の金属とは異なる第二の金属で満たされる。そのようなプロセスが高誘電率ゲート誘電体層を化学処理された基板上に形成するとき、結果として得られるトランジスタは信頼できないことがある。
【０００３】
高誘電率ゲート誘電体層上に金属ゲート電極を形成するために置換ゲートプロセスを適用するのではなく、減法的なアプローチを使うこともできる。そのようなプロセスでは、金属ゲート電極が高誘電率ゲート誘電体層の上に形成されるが、それは、誘電体層の上に金属層を蒸着させ、金属層をマスキングし、次いで金属層の覆われていない部分およびその下にある誘電体層の部分を除去することによる。そのようなプロセスを使って形成されるトランジスタは信頼できるかもしれないが、最適なパフォーマンスを与えないこともある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、高誘電率ゲート誘電体および金属ゲート電極を含む半導体デバイスを作成する改良されたプロセスが必要とされている。高パフォーマンスであり、信頼できるものでもあるデバイスを生成しうるようなプロセスが必要とされている。本発明の方法はそのようなプロセスを提供する。
【０００５】
図に示される諸特徴は、正しい縮尺で描かれることは意図されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
半導体デバイスを作成する方法が記載される。該方法は、基板上に二酸化ケイ素層を形成し、次いで該層に窒素を加えて窒化二酸化ケイ素の層を形成することを含む。窒化二酸化ケイ素層の上に犠牲層を形成したのち、犠牲層が除去されて溝が生成される。窒化二酸化ケイ素層の上で溝の中に高誘電率ゲート誘電体層が形成され、該高誘電率ゲート誘電体層の上に金属ゲート電極が形成される。
【０００７】
以下の記載では、本発明の完全なる理解を与えるためにいくつかの詳細が述べられるが、当業者には、本発明が、ここに明示的に記載される以外の数多くの方法で実施されうることは明らかであろう。よって本発明は、下記に開示される特定の詳細によって限定されるものではない。
【０００８】
図１ａ〜１ｑは、本発明の方法のある実施例を実行するときに形成されうる構造を図示している。最初は、図１ａに示すように、二酸化ケイ素層１０１が基板１００の上に熱的に成長させられる。基板１００は、半導体デバイスを構築しうる土台の役をしうるいかなる物質でもよい。基板１００はたとえば、ケイ素および／またはゲルマニウムを含む。二酸化ケイ素層１０１は好ましくはほんの3原子層程度の厚さなので、この層の厚さは好ましくは10オングストローム程度未満である。
【０００９】
基板１００上に二酸化ケイ素層１０１を形成したのち、二酸化ケイ素層１０１に窒素が加えられる。層１０１には、容認可能なほど信頼できる膜を生成するよう、十分な量の窒素が加えられるべきである。適切な量の窒素を二酸化ケイ素層１０１に加えて図１ｂのような窒化二酸化ケイ素層１０２を形成するには、急速熱窒化（rapid  thermal  nitridation）プロセスが使われうる。そのようなプロセスでは、二酸化ケイ素層１０１は、比較的短期間、少なくとも980°C程度の温度で窒素環境中に比較的低濃度で存在するアンモニアに曝露されうる。
【００１０】
ある実施例では、基板１００は、窒素中に0.07%のアンモニアを含む混合気体のはいっている炉に入れられる。次いで炉の温度が、たとえば1秒あたり約100°Cの割合で、約980°Cから約1080°Cの間まで上昇させられる。炉の温度が所望のレベル――好ましくは約1000°Cと約1050°Cの間の温度（たとえば1040°C）――に達したのち、二酸化ケイ素層１０１は、約15秒にわたって、窒素／希薄アンモニア環境から窒素を吸収することが許容されうる。次いで基板１００――今や窒化二酸化ケイ素層１０２で覆われている――が炉から取り出されうる。
【００１１】
二酸化ケイ素層１０１を窒化二酸化ケイ素層１０２に変換したのち、窒化二酸化ケイ素層１０２の上に犠牲層１０３が形成されうる。犠牲層１０３は、通常の蒸着（deposition）プロセスを使って窒化二酸化ケイ素層１０２上に蒸着された、実質的に非ドープのポリシリコン層を含みうる。犠牲層１０３がポリシリコンを含むとき、好ましくは約100ないし約2000オングストロームの厚さであり、より好ましくは約500ないし約1100オングストロームの厚さである。
【００１２】
ポリシリコン含有層１０３を形成したのち、犠牲層１０３の上に硬マスク層１３０が形成されて、図１ｃの構造ができる。硬マスク層１３０は好ましくは窒化ケイ素を含んでおり、好ましくは通常の蒸着プロセスを使って形成される。ある実施例では、硬マスク層１３０は、その後のいかなるイオン注入ステップの間にもポリシリコン含有層１０３のいかなるドープをも最小にする十分な厚さがある。その後のイオン注入ステップとは、たとえばデバイスのためのソース領域およびドレイン領域を生成するために実行されるものである。十分厚い硬マスク層を形成することは、ソース領域とドレイン領域がケイ化されるときに、ケイ化物に変換されるポリシリコン含有層１０３が取るに足りない量であることを保証するためにも望ましいことがある。硬マスク層１３０は約100ないし約1000オングストロームの間の厚さでありうるが、この層は――窒化ケイ素を含むときは――その後のイオン注入およびケイ化ステップの間にポリシリコン含有層１０３を保護するために、好ましくは約800ないし約1000オングストロームの厚さである。
【００１３】
硬マスク層１３０が形成されたのち、硬マスク層１３０を、その後形成されるソース領域およびドレイン領域が高温アニールにかけられるときに縮みにくくするために、アニール・ステップを実行することが望ましいことがある。その後の高温アニールの際の硬マスク層１３０の縮み耐性を上げることによって、この層は、そのような高温アニールに続くいかなるケイ化ステップの間にもポリシリコン含有層１０３を保護する能力を保持しうる。
【００１４】
硬マスク層１３０が窒化シリコンを含むとき、窒素環境において約600°Cでアニールされうる。ある実施例では、図１ｃの構造が炉に入れられたのち、温度は1秒あたり約75°Cの割合で約600°Cまで下げられうる。その温度に達したのち、デバイスは、炉から取り出す前に、約30秒から約5分の間の時間（たとえば約2分）にわたってアニールされうる。
【００１５】
好ましい実施形態では、硬マスク層１３０は、その後のイオン注入およびケイ化ステップの間にポリシリコン含有層１０３を保護するのに十分な厚さであるべきであるが、代替的な実施形態では、層１０３を保護するのを助けるために、硬マスク層１３０上にエッチング停止層（ここには示さず）が形成されうる。そのようなエッチング停止層はたとえば酸窒化ケイ素を含みうる。
【００１６】
硬マスク層１３０が窒化ケイ素を含むとき、この層は、ポリシリコン含有層１０３上で層１３０に対して選択的なドライエッチング・プロセスを使って硬マスク１３５および１４０を形成するようパターン化されうる。次いでポリシリコン含有層１０３は、窒化二酸化ケイ素層１０２上で層１０３に対して選択的なドライエッチング・プロセスを使ってパターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６を形成するようパターン化されうる。硬マスク１３５および１４０およびパターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６を形成したのち、窒化二酸化ケイ素層１０２の露出している部分が除去されて、パターン化された窒化二酸化ケイ素層１０５および１０７を生成しうる――それが図１ｄに示されている。好ましい実施形態では、パターン化された窒化二酸化ケイ素層１０５および１０７を形成するためには、通常のウェットエッチング・プロセス使用されうる――ただし、ドライエッチング・プロセスを使用してもよい。
【００１７】
図１ｄの構造を形成したのち、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６およびパターン化された窒化二酸化ケイ素層１０５および１０７の相反する両側にスペーサーが形成される。それらのスペーサーが窒化ケイ素を含むとき、それらは次のようにして形成されうる。まず、実質的に一様な厚さの窒化ケイ素層――好ましくは約1000オングストローム未満の厚さ――が構造全体にわたって蒸着され、図１ｅに示される構造が生成される。この構造の生成には、通常の蒸着プロセスが使われうる。
【００１８】
窒化ケイ素層１０８は、通常のプロセスを使って非等方的にエッチングされて、図１ｆの構造を生成しうる。そのエッチングステップの結果として、第一のパターン化されたポリシリコン含有層１０４と第一のパターン化された窒化二酸化ケイ素層層１０５との相反する両側に、第一および第二のスペーサー１０９および１１０が形成される。同時に、第二のパターン化されたポリシリコン含有層１０６と第二のパターン化された窒化二酸化ケイ素層層１０７との相反する両側に、第三および第四のスペーサー１１１および１１２が形成される。硬マスク１３５および１４０が窒化ケイ素を含むならば、これらの硬マスクのかなりの部分は除去されずにいることを保証するために、この非等方エッチングステップの継続時間を限定することが必要であることがある。代替的に、窒化ケイ素層１０８がエッチングされるときにこの非等方エッチングステップが硬マスクのかなりの部分を除去することを防ぐために、硬マスクの上に（上で示唆したように）エッチング停止層（図示せず）が形成されてもよい。
【００１９】
スペーサー１０９、１１０、１１１、１１２を形成したのち、誘電体層１４５がデバイス上に蒸着され、図１ｇの構造を生成しうる。次いで誘電体層１４５および硬マスク１３５および１４０は、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６から除去されて、図１ｈの構造を生成しうる。誘電体層１４５のその部分を除去し、硬マスク１３５および１４０を除去するためには、通常の化学機械研磨（「CMP」）ステップ（単数または複数）が適用されうる。この時点で、硬マスクは、プロセスのこの段階までに役割を果たし終えたので、除去されてもよい。図示していないが、図１ｈの構造は、通常のプロセスを使って形成されうる他の多くの特徴をも含みうる（たとえば、窒化ケイ素のエッチング停止層、ケイ化されたソース領域およびドレイン領域ならびに一つまたは複数のバッファ層）。
【００２０】
図１ｈの構造を形成したのち、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６が除去される。この実施例では、それらの層を同時に除去するために、ウェットエッチング・プロセスが適用される。そのようなウェットエッチング・プロセスは、層１０４および１０６の実質的に全部を除去するために、十分な時間にわたって十分な温度で、水酸化物源を含む水溶液に層１０４および１０６を曝露することを含みうる。水酸化物源は、体積比で（by  volume）脱イオン水中に約0.1パーセントないし約10パーセントの水酸化アンモニウムまたはテトラエチルアンモニウムヒドロキシドを含みうる。
【００２１】
ある実施例では、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６の除去は、それらを約20°Cないし約30°Cの温度に維持された、体積比で脱イオン水中に約0.1パーセントないし約5パーセントの水酸化アンモニウムを含む溶液に曝露することによって行われうる。好ましくは少なくとも1分持続するこの曝露ステップの間、約700kHzないし約1000kHzの周波数の音響エネルギーを、約3ないし約8W/cm2のエネルギー散逸で加えることが望ましいことがある。たとえば、層１０４および層１０６がそれぞれ約800オングストロームの厚さだとすると、それらの除去は、約24°Cで約5分にわたって体積比で脱イオン水中に約1パーセントの水酸化アンモニウムを含む溶液に曝露し、その間、音響エネルギーを約750kHzで――約5W/cm2の散逸で――加えることによって行われうる。
【００２２】
このウェットエッチング・プロセスは、硬マスク１３５および１４０（またはそれらの硬マスクと上に載っているエッチング停止層の組み合わせ）が層１０４または層１０６のいずれにおけるホウ素濃度も約1.0×e17原子/cm3を超えないことを保証する限り、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６の実質的に全部を除去するはずである。
【００２３】
別の実施例では、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６の除去は、それらを体積比で脱イオン水中に約2パーセントないし約10パーセントのテトラエチルアンモニウムヒドロキシドを含む溶液に、少なくとも約10分間、曝露することによって行われうる。好ましくは少なくとも1分持続するこの曝露ステップの間、約700kHzないし約1000kHzの周波数の音響エネルギーを、約3ないし約8W/cm2のエネルギー散逸で加えることが望ましいことがある。たとえば、層１０４および層１０６がそれぞれ約800オングストロームの厚さだとすると、それらの除去は、約24°Cで約5分にわたって体積比で脱イオン水中に約1パーセントの水酸化アンモニウムを含む溶液に曝露し、その間、音響エネルギーを約750kHzで――約5W/cm2の散逸で――加えることによって行われうる。たとえば、層１０４および層１０６がそれぞれ約800オングストロームの厚さだとすると、それらの除去は、約24°Cで約10分にわたって体積比で脱イオン水中に約5パーセントのテトラエチルアンモニウムヒドロキシドを含む溶液に曝露することによって行われうる。この実施例では、層１０４および１０６を除去するのを助けるために音響エネルギーを加えることは必要でないことがありうる。このウェットエッチング・プロセスは、硬マスク１３５および１４０（またはそれらの上に載っているエッチング停止層との組み合わせ）が層１０４または層１０６のいずれにおけるn型またはp型ドーパントのいずれの濃度も約1.0×e17原子/cm3を超えないことを保証する限り、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６の実質的に全部を除去するはずである。
【００２４】
図１ｉに示すように、パターン化されたポリシリコン含有層１０４および１０６の除去は、誘電体層１４５内に溝１１３および１１４を形成する――それぞれ、第一および第二のスペーサー１０９と１１０の間、第三および第四のスペーサー１１１と１１２の間に位置する。層１０４および１０６を除去したのち、図１ｊに示すように、高誘電率ゲート誘電体層１１５が溝１１３および１１４内ならびにパターン化された窒化二酸化ケイ素層１０５および１０７上に形成される。高誘電率ゲート誘電体層１１５はたとえば、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムケイ素、酸化ランタン、酸化ランタンアルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムケイ素、酸化チタン、酸化タンタル、酸化バリウムストロンチウムチタン、酸化バリウムチタン、酸化ストロンチウムチタン、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化鉛スカンジウムタンタルおよびニオブ酸鉛亜鉛を含みうる。特に好ましいのは酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムである。高誘電率ゲート誘電体層１１５を形成するために使われうる物質の若干の例をここに記載しているが、前記層はゲート漏洩（gate  leakage）を低減させるはたらきをする他の物質から作られてもよい。
【００２５】
高誘電率ゲート誘電体層１１５は、パターン化された窒化二酸化ケイ素層１０５および１０７上に、通常の原子層化学蒸着（ALCVD:  atomic  layer  chemical  vapor  deposition）プロセスを使って形成されうる。そのようなプロセスでは、金属酸化物の先駆体（たとえば金属塩化物）および蒸気が、選択された流速で交互にCVD反応炉に供給される。CVD反応炉は選択された圧力で運用されている一方、基板１００は選択された温度に維持されている。CVD反応炉は、所望の厚さをもった層を形成するのに十分長い間運用されるべきである。たいていの用途では、高誘電率ゲート誘電体層１１５は厚さ約40オングストローム未満であるべきであり、より好ましくは約5オングストロームないし約20オングストロームの間の厚さであるべきである。図１ｊに示されるように、高誘電率ゲート誘電体層１１５を形成するためにALCVDプロセスが使用されるときは、この層は、溝１１３および１１４の底に形成されるのに加えて、溝１１３および１１４の側面に形成され、誘電体層１４５にも形成される。
【００２６】
高誘電率ゲート誘電体層１１５を形成したのち、図１ｋに示すように、誘電体層１１５の上に第一の金属層１１６が形成されうる。この実施例では、第一の金属層１１６はp型金属層を含む。p型金属層とは、金属PMOSゲート電極を導出するもとになるいかなる伝導性物質を含んでいてもよい。p型金属層１１６を形成するために使用されうるp型物質としては、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケルおよび伝導性の金属酸化物、たとえば酸化ルテニウムが含まれる。p型金属層１１６は好ましくは、約4.9eVないし約5.2eVの仕事関数をもち、よく知られた物理蒸着（「PVD」）プロセスまたはCVDプロセスを使って高誘電率ゲート誘電体層１１５の上に形成されうる。
【００２７】
p型金属層１１６は、その上に形成されるいかなる物質もその仕事関数に著しく影響しないことを保証するのに十分な厚さであるべきである。その理由で、p型金属層１１６は好ましくは約25オングストロームないし約300オングストロームの厚さであるべきであり、より好ましくは約50オングストロームないし約100オングストロームの厚さであるべきである。p型金属層１１６を形成するために使われうる物質の若干の例がここでは記載されているが、その層は他の多くの物質から作ることもできる。たとえば、p型金属層１１６は、比較的高濃度の窒素を含む金属炭化物層、たとえばチタンカーバイド層を含んでいてもよい。高誘電率ゲート誘電体層１１５と同様、p型金属層１１６の一部は溝１１３および１１４の内側を覆い、一方、その層の一部は誘電体層１４５上にはみ出る。
【００２８】
高誘電率ゲート誘電体層１１５上にp型金属層１１６を形成したのち、p型金属層１１６の上に、溝１１３および１１４を埋めるマスキング層１２５が蒸着されうる。マスキング層１２５は、スピンオングラス（「SOG」）物質を含んでいてもよい。これは、p型金属層１１６の第二の部分をエッチングするのに先立ってp型金属層１１６の第一の部分をマスキングするのに使われるものである。図１ｌに示されるように、SOG層１２５の第一の部分１２６は高誘電率ゲート誘電体層１１５の第一の部分１１８を覆い、一方、SOG層１２５の第二の部分１２７は高誘電率ゲート誘電体層１１５の第二の部分１１９を覆う。マスク１２８（たとえば、パターン化されたフォトレジスト層）はSOG層１２５の第一の部分１２６を覆う。SOG層１２５は、p型金属層１１６上に蒸着されることができ、マスク１２８は、通常のプロセスを使って生成されうる。これは当業者には明らかであろう。
【００２９】
次いで、SOG層１２５の第一の部分１２６が保持される一方、SOG層１２５の第二の部分１２７が除去される。第二の部分１２７を除去するには通常のSOGエッチング・プロセスが使用されうる。その除去ステップの結果、p型金属層１１６の部分１２９が露出する。次いで、p型金属層１１６の露出した部分１２９が除去されて、図１ｍに示すようになる。露出した部分１２９、マスク１２８およびSOG層１２５の第一の部分１２６を除去したのち、図１ｎの構造が得られる。露出した部分１２９、マスク１２８および第一の部分１２６を除去するには通常のプロセス・ステップを使用しうる――これは当業者には明らかであろう。
【００３０】
SOG物質を本発明の方法におけるマスキング物質として適用することは、少なくとも次の理由から有益でありうる。そのようなSOG物質は、他の物質、たとえばフォトレジストが十分に埋められないことがありうる狭い溝を埋めうる。さらに、SOG物質を除去するための通常のエッチング・プロセスは、そのような物質を、基底にあるp型金属層のかなりの部分を除去することなく、効率的に除去しうる。
【００３１】
p型金属層１１６をエッチングしたのち、図１ｏに示すように、第二の金属層１２０がp型金属層１１６の上に蒸着されうる。この実施例では、第二の金属層１２０はn型金属層を含む。n型金属層とは、金属NMOSゲート電極を導出するもとになるいかなる伝導性物質を含んでいてもよい。n型金属層１２０を形成するために使用されうるn型物質としては、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、ならびに、これらの元素を含む金属炭化物、すなわちチタンカーバイド、ジルコニウムカーバイド、タンタルカーバイド、ハフニウムカーバイドおよびアルミニウムカーバイドが含まれる。n型金属層１２０は代替的に、アルミニウム化物、たとえばハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタルまたはタングステンを含むアルミニウム化物を含みうる。
【００３２】
n型金属層１２０は好ましくは、約3.9eVないし約4.2eVの仕事関数をもち、よく知られたPVDプロセスまたはCVDプロセスを使って、高誘電率ゲート誘電体層１１５の第二の部分１１９の上に、およびp型金属層１１６の残っている部分の上に形成されうる。p型金属層１１６と同様、n型金属層１２０はその上に形成されるいかなる物質もその仕事関数に著しく影響しないことを保証するのに十分な厚さであるべきである。やはりp型金属層１１６と同様、n型金属層１２０は好ましくは約25オングストロームないし約300オングストロームの厚さであるべきであり、より好ましくは約50オングストロームないし約100オングストロームの厚さであるべきである。
【００３３】
この実施例では、高誘電率ゲート誘電体層１１５の第二の部分１１９の上、およびp型金属層１１６の残っている部分の上にn型金属層１２０を形成したのち、n型金属層１２０の上に充填金属１２１が形成される。図１ｐに示すように、充填金属１２１は、溝１１３および１１４の残りを充填し、誘電体層１４５を覆う。充填金属１２１は好ましくは、容易に研磨されうる物質を含み、好ましくは通常の金属蒸着プロセスを使ってデバイス全体にわたって蒸着される。そのような充填金属はたとえば、窒化チタン、タングステン、チタン、アルミニウム、タンタル、窒化タンタル、コバルト、銅またはニッケルを含みうる。特に好ましい実施形態では、充填金属１２１は窒化チタンを含む。窒化チタンの蒸着は、基底にあるn型金属層１２０または基底にあるp型金属層および誘電体層に著しく影響しない適切なCVDプロセスまたはPVDプロセスを使って行われうる。
【００３４】
図１ｐの構造を形成したのち、充填金属１２１、n型金属層１２０、p型金属層１１６および高誘電率ゲート誘電体層１１５が、誘電体層１４５より上の部分から除去されて、図１ｑの構造を生成する。これらの層を誘電体層１４５から除去するには、適切なCMPまたはエッチング・プロセスが使用されうる。ある好ましい実施例では、CMPおよびエッチング・プロセスの組み合わせが使われる。たとえば、充填金属１２１を除去するためのCMPステップに続いてn型金属層１２０、p型金属層１１６および高誘電率ゲート誘電体層１１５を除去するためのエッチング・ステップ（単数または複数）が行われるなどである。この実施例では、結果として得られるデバイスは、金属PMOSゲート電極および金属NMOSゲート電極を含む。
【００３５】
充填金属１２１、n型金属層１２０、p型金属層１１６および高誘電率ゲート誘電体層１１５を誘電体層１４５より上の部分から除去したのち、結果として得られる構造の上に、通常の蒸着プロセスを使ってキャッピング誘電体層（図示せず）が蒸着されうる。そのようなキャッピング誘電体層の蒸着に続く、デバイスを完成させる諸プロセス・ステップ、たとえばデバイスの接点、金属相互接続およびパシベーション層の形成は、当業者には周知であり、ここでは述べない。
【００３６】
本発明の方法は、置換ゲートプロセスを使って、高誘電率ゲート誘電体層および金属ゲート電極を含む、信頼でき、高いパフォーマンスを提供する半導体デバイスを作成できるようにしうる。以上の記載は本発明の方法において使用されうるある種のステップおよび物質を特定しているが、当業者は多くの修正および代替をなしうることを理解するであろう。したがって、すべてのそのような修正、代替および追加は付属の請求項によって定義される本発明の精神および範囲にはいる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１ａ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｂ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｃ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｄ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｅ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｆ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｇ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｈ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｉ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｊ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｋ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｌ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｍ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｎ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｏ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｐ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１ｑ】本発明の方法のある実施形態を実行するときに形成されうる構造の断面を表す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
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【図１Ｊ】
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【図１Ｋ】
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【図１Ｌ】
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【図１Ｍ】
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【図１Ｎ】
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【図１Ｏ】
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【図１Ｐ】
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【図１Ｑ】
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【国際調査報告】
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