(57)【要約】【解決手段】基板処理システムにおいて強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を形成する方法は、ＨｆＯ2層を基板上に堆積することと、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層をＨｆＯ2層上に堆積することと、ＨｆＯ2層およびＨｆＮ層をアニーリングし、強誘電性ハフニウムＨｆＯ2を形成することとを含む。【選択図】図１
2021520629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板処理システムにおいて強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を形成する方法であって、
ＨｆＯ2層を基板上に堆積することと、
窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層を前記ＨｆＯ2層上に堆積することと、
前記ＨｆＯ2層および前記ＨｆＮ層をアニーリングし、強誘電性ハフニウムＨｆＯ2を形成することと
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
第２のＨｆＯ2層を前記ＨｆＮ層上に堆積することをさらに含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ＨｆＮ層上で酸化を実施することをさらに含む、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記ＨｆＮ層上で前記酸化を実施することは、分子状酸素およびオゾンの少なくとも１つを使用して前記酸化を実施することを含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記ＨｆＮ層を堆積する前に前記ＨｆＯ2層を窒化することをさらに含む、方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
前記ＨｆＯ2層を窒化することは、窒素ガス種を使用してプラズマを生成することを含む、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記アニーリングの前に上部電極を前記ＨｆＮ層上に堆積することをさらに含む、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記上部電極は、チタン、タンタル、およびタングステンからなる群から選択される材料を含む、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
第２のＨｆＯ2層を前記ＨｆＮ層上に堆積することと、上部電極を前記ＨｆＮ層上に堆積することとをさらに含む、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
下部電極を前記基板上に堆積することと、前記ＨｆＯ2層を前記下部電極上に堆積することとをさらに含む、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記ＨｆＯ2層は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ＨｆＯ2層および前記ＨｆＮ層をアニーリングすることは、５００〜１１００℃の温度で急速熱アニーリングプロセスを実施することを含む、方法。
【請求項１３】
強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を処理チャンバ内の基板上に形成するように構成されたシステムであって、
ガスを前記処理チャンバに供給するように構成されたガス供給システムと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成するように構成された無線周波数（ＲＦ）生成システムと、
前記ガス供給システムおよび前記ＲＦ生成システムを制御することによって、
ＨｆＯ2層を前記基板上に堆積し、
窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層を前記ＨｆＯ2層上に堆積し、かつ
前記ＨｆＯ2層および前記ＨｆＮ層をアニーリングし、強誘電性ハフニウムＨｆＯ2を形成する
ように構成されたコントローラと
を備える、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、第２のＨｆＯ2層を前記ＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される、システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、前記ＨｆＮ層上で酸化を実施するようにさらに構成される、システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、
前記ＨｆＮ層上で前記酸化を実施することは、分子状酸素およびオゾンの少なくとも１つを使用して前記酸化を実施することを含む、システム。
【請求項１７】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、前記ＨｆＮ層を堆積する前に前記ＨｆＯ2層を窒化するようにさらに構成される、システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、
前記ＨｆＯ2層を窒化することは、窒素ガス種を使用してプラズマを生成することを含む、システム。
【請求項１９】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、前記アニーリングの前に上部電極を前記ＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される、システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムであって、
前記上部電極は、チタン、タンタル、およびタングステンからなる群から選択される材料を含む、システム。
【請求項２１】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、第２のＨｆＯ2層を前記ＨｆＮ層上に堆積し、上部電極を前記ＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される、システム。
【請求項２２】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記コントローラは、下部電極を前記基板上に堆積し、前記ＨｆＯ2層を前記下部電極上に堆積するようにさらに構成される、システム。
【請求項２３】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記ＨｆＯ2層は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる、システム。
【請求項２４】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記ＨｆＯ2層および前記ＨｆＮ層をアニーリングすることは、５００〜１１００℃の温度で急速熱アニーリングプロセスを実施することを含む、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１８年４月２日に出願された米国仮出願第６２／６５１，４５４号の利益を主張する。上記で参照された出願の全体の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、基板を処理するための方法に関し、より具体的には、酸化ハフニウムベースの強誘電体材料におけるリーク電流を低減するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ここで提供される背景の説明は、本開示の内容を概ね提示することを目的とする。この背景技術のセクションで説明されている範囲内における、現時点で名前を挙げられている発明者らによる研究、ならびに出願の時点で先行技術として別途みなされ得ない説明の態様は、明示または暗示を問わず、本開示に対抗する先行技術として認められない。
【０００４】
酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）ベースの材料における強誘電性挙動の発見は、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）に対する研究を活性化させた。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの従来の強誘電体材料は、５０ナノメートル（ｎｍ）を下回る厚さに対して適切なスイッチングウィンドウを有さない。したがって、ＰＺＴは、フィーチャサイズが５０ｎｍ未満のデバイスには使用することができない。
【０００５】
ＨｆＯ2は、高い抗電界により、６ｎｍの厚さまで優れた強誘電性スイッチングヒステリシスを有する。ＨｆＯ2はまた、３Ｄメモリ構造の優れた候補でもある。ＨｆＯ2は、ゲート誘電体としてＣＭＯＳ技術で広く使用されている。これらの用途では、ＨｆＯ2は、共形原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して堆積される。したがって、ＨｆＯ2は、現在の３Ｄ  ＮＡＮＤ統合スキームを使用した３Ｄ  ＦｅＲＡＭへの統合に適している可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
基板処理システムにおいて強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を形成する方法は、ＨｆＯ2層を基板上に堆積することと、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層をＨｆＯ2層上に堆積することと、ＨｆＯ2層およびＨｆＮ層をアニーリングし、強誘電性ハフニウムＨｆＯ2を形成することとを含む。
【０００７】
他の特徴において、この方法は、第２のＨｆＯ2層をＨｆＮ層上に堆積することをさらに含む。この方法は、ＨｆＮ層上で酸化を実施することをさらに含む。ＨｆＮ層上で酸化を実施することは、分子状酸素およびオゾンの少なくとも１つを使用して酸化を実施することを含む。この方法は、ＨｆＮ層を堆積する前にＨｆＯ2層を窒化することをさらに含む。ＨｆＯ2層を窒化することは、窒素ガス種を使用してプラズマを生成することを含む。
【０００８】
他の特徴において、この方法は、アニーリングの前に上部電極をＨｆＮ層上に堆積することをさらに含む。上部電極は、チタン、タンタル、およびタングステンからなる群から選択される材料を含む。この方法は、第２のＨｆＯ2層をＨｆＮ層上に堆積することと、上部電極をＨｆＮ層上に堆積することとをさらに含む。この方法は、下部電極を基板上に堆積することと、ＨｆＯ2層を下部電極上に堆積することとをさらに含む。ＨｆＯ2層は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる。ＨｆＯ2層およびＨｆＮ層をアニーリングすることは、５００〜１１００℃の温度で急速熱アニーリングプロセスを実施することを含む。
【０００９】
強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を処理チャンバ内の基板上に形成するように構成されたシステムは、ガスを処理チャンバに供給するように構成されたガス供給システムと、処理チャンバ内でプラズマを生成するように構成された無線周波数（ＲＦ）生成システムとを含む。コントローラは、ガス供給システムおよびＲＦ生成システムを制御することによって、ＨｆＯ2層を基板上に堆積し、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層をＨｆＯ2層上に堆積し、かつＨｆＯ2層およびＨｆＮ層をアニーリングし、強誘電性ハフニウムＨｆＯ2を形成するように構成される。
【００１０】
他の特徴において、コントローラは、第２のＨｆＯ2層をＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される。コントローラは、ＨｆＮ層上で酸化を実施するようにさらに構成される。ＨｆＮ層上で酸化を実施することは、分子状酸素およびオゾンの少なくとも１つを使用して酸化を実施することを含む。コントローラは、ＨｆＮ層を堆積する前にＨｆＯ2層を窒化するようにさらに構成される。ＨｆＯ2層を窒化することは、窒素ガス種を使用してプラズマを生成することを含む。
【００１１】
他の特徴において、コントローラは、アニーリングの前に上部電極をＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される。上部電極は、チタン、タンタル、およびタングステンからなる群から選択される材料を含む。コントローラは、第２のＨｆＯ2層をＨｆＮ層上に堆積し、上部電極をＨｆＮ層上に堆積するようにさらに構成される。コントローラは、下部電極を基板上に堆積し、ＨｆＯ2層を下部電極上に堆積するようにさらに構成される。ＨｆＯ2層は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる。ＨｆＯ2層およびＨｆＮ層をアニーリングすることは、５００〜１１００℃の温度で急速熱アニーリングプロセスを実施することを含む。
【００１２】
本開示を適用可能な他の分野は、詳細な説明、特許請求の範囲および図面から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本開示は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるであろう。
【００１４】
【図１】図１は、強誘電性酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）層を形成するための本開示による例示的な基板処理システムの機能ブロック図である。
【００１５】
【図２Ａ】図２Ａは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、強誘電性ＨｆＯ2を含むデバイスを形成するための例示的なプロセスの側面断面図である。
【００１６】
【図３Ａ】図３Ａは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的なプロセスの側面断面図である。
【００１７】
【図４Ａ】図４Ａは、ＨｆＯ2層上に形成されたＨｆＮ層を含む本開示による例示的なデバイスの側面断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ＨｆＯ2層上に形成されたＨｆＮ層を含む本開示による例示的なデバイスの側面断面図である。
【００１８】
【図５Ａ】図５Ａは、ＨｆＯ2層間に形成されたＨｆＮ層を含む本開示による例示的なデバイスの側面断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ＨｆＯ2層間に形成されたＨｆＮ層を含む本開示による例示的なデバイスの側面断面図である。
【００１９】
【図６】図６は、ＨｆＮ層を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための本開示による例示的な方法を示す図である。
【００２０】
これらの図面において、参照番号は、類似の要素および／または同一の要素を指すために再度利用されることがある。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ＨｆＯ2の熱安定性は、ＦｅＲＡＭ用途における商品化の障害である。堆積した状態のアモルファスＨｆＯ2を強誘電相に結晶化するには６００〜６５０℃の温度で十分な高さであるが、多くの統合スキームでは、少なくとも１０００℃のサーマルバジェットが必要となる。プロセス温度が高くなると、リーク電流の増加および／またはデバイスの短絡によってＨｆＯ2ベースのＦｅＲＡＭが劣化する。高温アニーリング後のリークの原因には、上部電極／ＨｆＯ2界面での欠陥の発生が挙げられる。リーク電流のもう１つの原因には、ＨｆＯ2の膜割れが挙げられる。ＨｆＯ2の割れにより、上部電極および下部電極（典型的にはＴｉＮ）からの原子がＨｆＯ2中に自由に拡散でき、最終的にデバイスが故障する。例えば、上部電極は、アニーリング中にキャップとして機能し、ＨｆＯ2層が熱力学的に安定した単斜晶相に遷移するのを防止する。単斜晶相では、ＨｆＯ2は強誘電性ではない。
【００２２】
いくつかの例では、ＨｆＯ2をドープすることができる（すなわち、ドーパントをＨｆＯ2に加えることができる）。例えば、ＨｆＯ2の所望の強誘電性は、ドーパントの種類および濃度を変えることによって制御することができる。しかし、ドーパントの種類や濃度によっては、強誘電性ＨｆＯ2を含む半導体デバイスの動作に望ましくない特性をもたらす場合がある。例えば、強誘電性ＨｆＯ2におけるシリコン（Ｓｉ）のｍｏｌ％を増やすと（例えば、４％から６％に）、「ウェイクアップ効果」が発生する可能性があり、これはＨｆＯ2の残留分極の増加に対応する可能性がある。一例では、ドーパントとしてＳｉの代わりにジルコニウム（Ｚｒ）を使用すると、分極とアニーリング温度の相互依存性が生じ、これにより、デバイスがプロセスの変動および不均一性の影響を受けやすくなる。
【００２３】
本開示によるシステムおよび方法は、ＨｆＯ2層の強誘電特性を変更するために、１つまたは複数の窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層をＨｆＯ2層の上、交互のＨｆＯ2層の間などに堆積する。例えば、ＨｆＯ2層を堆積するために使用されるのと同じ処理チャンバ内でＡＬＤを使用して、ＨｆＮ層を堆積することができる。
【００２４】
図１は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって１つまたは複数のＨｆＮ層を含むＨｆＯ2層を堆積およびドープして強誘電性ＨｆＯ2を形成するための本開示による例示的な基板処理システム１００を示す。この例では、ＨｆＯ2層の堆積およびドーピング、ならびにＨｆＮ層の堆積は同じ処理チャンバ内で実施されるが、別々の処理チャンバを使用することもできる。例えば、変圧器結合プラズマ（ＴＣＰ）チャンバ、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ、高圧ＣＶＤ（ＨＰＣＶＤ）チャンバ、および／または遠隔プラズマ源を使用する処理チャンバを使用して、以下に説明する１つまたは複数の堆積ステップまたはエッチングステップを実施することができる。
【００２５】
基板処理システム１００は、基板処理システム１００の他の構成要素を収容し、ＲＦプラズマを含む処理チャンバ１０２を含んでいる。基板処理チャンバ１０２は、上側電極１０４と、静電チャック（ＥＳＣ）１０６などの基板支持体とを含む。動作中、基板１０８がＥＳＣ１０６上に配置される。
【００２６】
単なる例として、上側電極１０４は、プロセスガスを導入し分配するシャワーヘッド１０９を含んでもよい。シャワーヘッド１０９は、処理チャンバの上面に一端が接続されたステム部を含んでもよい。ベース部は略円筒形であり、処理チャンバの上面から離間した場所において、ステム部の反対端から半径方向外向きに延びる。シャワーヘッドのベース部の基板対向面またはフェースプレートは、プロセスガスまたはパージガスが流れる複数の穴を含む。あるいは、上側電極１０４は導電性プレートを含んでもよく、プロセスガスを別の方式で導入してもよい。
【００２７】
ＥＳＣ１０６は、下側電極として作用する導電性ベースプレート１１０を含む。ベースプレート１１０は、セラミックマルチゾーン加熱プレートに対応し得る加熱プレート１１２を支持する。加熱プレート１１２とベースプレート１１０との間に、耐熱層１１４を配置することができる。ベースプレート１１０は、ベースプレート１１０内に冷却剤を流すための１つまたは複数の冷却剤チャネル１１６を含むことができる。
【００２８】
ＲＦ生成システム１２０は、ＲＦ電圧を生成し、上側電極１０４および下側電極（例えば、ＥＳＣ１０６のベースプレート１１０）の一方に出力する。上側電極１０４およびベースプレート１１０の他方は、ＤＣ接地、ＡＣ接地、または非接地とすることができる。単なる例として、ＲＦ生成システム１２０は、整合・分配ネットワーク１２４によって上側電極１０４またはベースプレート１１０に供給されるＲＦ電圧を生成するＲＦ電圧発生器１２２を含んでもよい。他の例では、プラズマは、誘導的に生成しても、または遠隔的に生成してもよい。
【００２９】
ガス供給システム１３０は、１つまたは複数のガス源１３２−１、１３２−２、…、および１３２−Ｎ（総称してガス源１３２）を含んでいる。Ｎはゼロよりも大きい整数である。ガス源は、１つまたは複数の堆積前駆体およびそれらの混合物を供給する。ガス前駆体は、ＨｆＯ2層、ＨｆＮ層、および／または他の層のための前駆体ガスを含むことができる。ガス源はまた、パージガス、ならびにプラズマ窒化のための窒素種および／または他のプラズマ処理のための他のガス種（Ａｒ、Ａｒ／Ｈ2、ＮＨ3、Ｏ2、Ｏ3など）を含むガスを供給することができる。気化した前駆体も用いることができる。ガス源１３２は、弁１３４−１、１３４−２、…、および１３４−Ｎ（総称して弁１３４）、ならびにマスフローコントローラ（Mass Flow Controller）１３６−１、１３６−２、…、および１３６−Ｎ（総称してマスフローコントローラ１３６）によってマニホールド１３８に接続されている。マニホールド１３８の出力は、処理チャンバ１０２に供給される。単なる例として、マニホールド１３８の出力は、シャワーヘッド１０９に供給される。いくつかの例では、マスフローコントローラ１３６とマニホールド１３８との間に、任意のオゾン発生器１４０を設けてもよい。いくつかの例では、基板処理システム１００に、液体前駆体供給システム１４１を含めてもよい。液体前駆体供給システム１４１は、図示されるガス供給システム１３０内に組み込まれてもよく、またはガス供給システム１３０の外部に設けられてもよい。液体前駆体供給システム１４１は、バブラ、直接液体注入、蒸気吸引などによって、室温で液体および／または固体の前駆体を提供するように構成される。
【００３０】
温度コントローラ１４２は、加熱プレート１１２内に配置された複数の熱制御素子（ＴＣＥ）１４４に接続され得る。例えば、ＴＣＥ１４４は、図２Ａおよび図２Ｂにさらに詳細に記載されるように、マルチゾーン加熱プレート内の各ゾーンに対応するそれぞれのマクロＴＣＥ、および／またはマルチゾーン加熱プレートの複数のゾーンにわたって配置されたマイクロＴＣＥのアレイを含んでもよいが、これらに限定されない。温度コントローラ１４２を使用して複数のＴＣＥ１４４を制御し、ＥＳＣ１０６および基板１０８の温度を制御することができる。
【００３１】
温度コントローラ１４２は、冷却剤アセンブリ１４６（例えば、冷却剤ポンプ、冷却剤リザーバまたは供給源などを含む）と通信し、チャネル１１６を通る冷却剤の流れを制御することができる。温度コントローラ１４２は、冷却剤アセンブリ１４６を動作させて冷却剤をチャネル１１６を通して選択的に流し、ＥＳＣ１０６を冷却する。
【００３２】
弁１５０およびポンプ１５２を使用して、反応物を処理チャンバ１０２から排出することができる。システムコントローラ１６０を使用して、基板処理システム１００の構成要素を制御することができる。ロボット１７０を使用して、基板をＥＳＣ１０６上に供給したり、ＥＳＣ１０６から除去したりすることができる。例えば、ロボット１７０は、ＥＳＣ１０６とロードロック１７２との間で基板を搬送することができる。温度コントローラ１４２とシステムコントローラ１６０は別個のコントローラとして示されているが、温度コントローラ１４２をシステムコントローラ１６０内に実装してもよい。
【００３３】
ここで図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ、および図２Ｆを参照すると、デバイス２００内に（ＨｆＯ2）ベースの強誘電体材料を形成するための例示的なプロセスが示されている。図２Ａでは、デバイス２００は、基板（例えば、１つまたは複数の下層）２０４と、下層２０４上に配置された界面層２０８とを含む。例えば、下層２０４は、シリコン（Ｓｉ）を含む。いくつかの例では、界面層２０８は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、またはタングステン（Ｗ）を含む下部電極に対応するが、他の電極材料を使用することもできる。他の例としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などが挙げられるが、これらに限定されない。他の例では、界面層２０８は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）を含んでいてもよい。いくつかの例では、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して、界面層２０８を堆積する。他の例では、Ｓｉの熱酸化によって界面層２０８を形成してもよい。例えば、酸素環境で窒素種（例えば、Ｎ2ＯまたはＮ2）によりＳｉを熱酸化してＳｉＯＮを形成することや、ＳｉＯ2のプラズマ窒化などによって、界面層２０８を形成してもよい。
【００３４】
図２Ｂに示すように、ＨｆＯ2層２１２が界面層２０８上に堆積される。いくつかの例では、堆積されたＨｆＯ2層２１２の厚さは、２ｎｍ〜１２ｎｍの範囲である。いくつかの例において、ＨｆＯ2層２１２は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる。いくつかの例では、ＨｆＯ2層２１２は、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して堆積されるが、他のプロセスを使用することもできる。例えば、熱ＡＬＤまたはプラズマ強化ＡＬＤを使用することができる。いくつかの例では、ＨｆＯ2層２１２はドープされない。他の例では、ＨｆＯ2層２１２は、選択したドーパント種の０モル％よりも大きく、６０モル％以下の所定のドーピングレベルにドープされる。いくつかの例では、ＨｆＯ2層２１２は、選択したドーパント種の３モル％〜５モル％の所定のドーピングレベルにドープされる。ＨｆＯ2層２１２は、アモルファスであってもよい。
【００３５】
任意で、ＨｆＯ2層２１２のプラズマ処理を実施してもよい。例えば、窒素ガス種を含むプラズマによってＨｆＯ2層２１２を窒化する。例えば、分子状窒素（Ｎ2）ガスを使用することができる。いくつかの例では、窒化は１５秒〜６０秒の範囲の所定の期間中に実施される。いくつかの例では、ＲＦ電力を１００Ｗ〜１５ｋＷの範囲とすることができる。いくつかの例では、プラズマ電力は５００Ｗ〜１２００Ｗの範囲である。いくつかの例では、ＲＦ周波数を１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲とすることができる。いくつかの例では、ＲＦ周波数は２．０ＭＨｚおよび／または１３．５６ＭＨｚである。
【００３６】
プラズマ処理の後、図２Ｃに示すように、上部電極２１６がＨｆＯ2層２１２上に堆積される。いくつかの例では、上部電極２１６は、ＴｉＮ、ＴａＮまたはＷを含むが、他の電極材料（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉなど）を使用することもできる。いくつかの例では、上部電極２１６は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して堆積される。上部電極２１６を堆積した後、デバイス２００は５００℃〜１１００℃の範囲の所定の温度でアニーリングされる。他の例では、アニーリング温度は８００℃〜１０００℃の範囲である。
【００３７】
アニーリングの後、上部電極２１６は、図２Ｄ、図２Ｅ、および図２Ｆに示すようにパターニングされる。例えば、図２Ｄに示すようにマスク２２０を堆積することができる。マスク２２０は白金（Ｐｔ）を含んでもよい。上部電極２１６は、図２Ｅに示すように湿式エッチングまたは乾式エッチングを使用してエッチングされる。いくつかの例では、マスク２２０は、図２Ｆに示すようにエッチング後に任意で除去される。他の例では、マスクは除去されない。
【００３８】
ここで図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、および図３Ｆを参照すると、本開示によるデバイス３００内にＨｆＮを含む（ＨｆＯ2）ベースの強誘電体層を形成するための例示的なプロセスが示されている。図３Ａでは、デバイス３００は、基板（例えば、１つまたは複数の下層）３０４と、下層３０４上に配置された界面層３０８とを含む。例えば、下層３０４は、シリコン（Ｓｉ）を含む。いくつかの例では、界面層３０８は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、またはタングステン（Ｗ）を含む下部電極に対応するが、他の電極材料を使用することもできる。他の例としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などが挙げられるが、これらに限定されない。他の例では、界面層３０８が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）を含んでいてもよい。いくつかの例では、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して、界面層３０８を堆積する。
【００３９】
図３Ｂに示すように、１つまたは複数のＨｆＯ2層および１つまたは複数のＨｆＮ層を含むＨｆＯ2層（例えば、強誘電体層）３１２が、界面層３０８上に堆積される。ＨｆＯ2層３１２および１つまたは複数のＨｆＮ層は、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して堆積することができるが、他のプロセスを使用することもできる。例えば、熱ＡＬＤまたはプラズマ強化ＡＬＤを使用することができる。ＨｆＯ2層３１２は、アモルファスであってもよい。いくつかの例では、ＨｆＯ2層３１２の上部層がＨｆＮ層であってもよい。他の例では、隣接するＨｆＯ2層の間にＨｆＮ層を配置してもよい。いくつかの例では、１つまたは複数のＨｆＮ層を含む堆積後のＨｆＯ2層３１２の厚さは、２ｎｍ〜１２ｎｍの範囲である。
【００４０】
いくつかの例において、ＨｆＯ2層３１２は、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、および／またはランタン（Ｌａ）からなる群から選択されるドーパント種を使用してドープされる。例えば、ＨｆＯ2層３１２は、選択したドーパント種の０モル％よりも大きく、６０モル％以下の所定のドーピングレベルにドープされる。いくつかの例では、ＨｆＯ2層３１２は、選択したドーパント種の３モル％〜５モル％の所定のドーピングレベルにドープされる。他の例では、ＨｆＯ2層３１２はドープされない場合がある。
【００４１】
任意で、ＨｆＯ2層３１２のプラズマ処理を実施してもよい。例えば、窒素ガス種を含むプラズマによってＨｆＯ2層３１２を窒化する。例えば、分子状窒素（Ｎ2）ガスを使用することができる。いくつかの例では、窒化は１５秒〜６０秒の範囲の所定の期間中に実施される。いくつかの例では、ＲＦ電力を１００Ｗ〜１５ｋＷとすることができる。いくつかの例では、プラズマ電力は５００Ｗ〜１２００Ｗの範囲である。いくつかの例では、ＲＦ周波数を１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲とすることができる。いくつかの例では、ＲＦ周波数は、２．０ＭＨｚおよび／または１３．５６ＭＨｚである。他の例では、ＨｆＮの特性を変更するために、分子状酸素（Ｏ2）またはオゾン（Ｏ3）などの酸素ガス種を含むプラズマでＨｆＯ2層３１２を処理することがある。
【００４２】
プラズマ処理の後、図３Ｃに示すように、上部電極３１６がＨｆＯ2層３１２上に堆積される。いくつかの例では、上部電極３１６は、ＴｉＮ、ＴａＮまたはＷを含むが、他の電極材料（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉなど）を使用することもできる。いくつかの例では、上部電極３１６は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して堆積される。上部電極３１６を堆積した後、デバイス３００は５００℃〜１１００℃の範囲の所定の温度でアニーリングされる。他の例では、アニーリング温度は８００℃〜１０００℃の範囲である。
【００４３】
アニーリングの後、上部電極２１６は、図３Ｄ、図３Ｅ、および図３Ｆに示すようにパターニングされる。例えば、図３Ｄに示すようにマスク３２０を堆積することができる。マスク３２０は、リフトオフ、シャドウマスキング、または他の適切なパターニング方法を使用してパターニングすることができる。マスク３２０は、白金（Ｐｔ）または別の不活性金属を含んでもよい。上部電極３１６は、図３Ｅに示すように湿式エッチングまたは乾式エッチングを使用してエッチングされる。いくつかの例では、マスク３２０は、図３Ｆに示すように（例えば、湿式エッチングまたは乾式エッチングを使用する）エッチング後に任意で除去される。他の例では、マスクは除去されない。
【００４４】
ここで図４Ａおよび４Ｂを参照すると、本開示に従って形成された例示的なデバイス４００が示されている。デバイス４００は、基板（例えば、１つまたは複数の下層）４０４と、下層４０４上に配置された界面層４０８とを含む。界面層４０８の上に、ＨｆＯ2層４１６およびＨｆＮ層４２０を含む強誘電体層４１２が形成される。強誘電体層４１２の上に、上部電極４２４が形成される。いくつかの例では、ＨｆＯ2層４１６が（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｙｔ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｒなどで）ドープされる。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ＨｆＮ層４２０は、強誘電体層４１２の上部（すなわち、上面）層である。
【００４５】
ＨｆＯ2層４１６およびＨｆＮ層４２０は、ＡＬＤプロセスを使用して堆積することができる。ＡＬＤプロセスは、アンモニア（ＮＨ3）共反応物を使用する熱プロセス、またはＮＨ3、Ｎ2、もしくはＮ2／Ｈ2ガス環境でのプラズマプロセスに対応し得る。いくつかの例（例えば、ＮＨ3を共反応物として使用する例）では、ＨｆＮ層４２０が残留水素原子を含んでいる可能性がある。残留水素原子は、アニーリング中に欠陥を引き起こす場合があり、高いリーク電流および低い熱安定性につながるおそれがある。したがって、いくつかの例では、ＨｆＮ層４２０の水素含有量を低減するために、ＨｆＮ層４２０を分子状酸素（Ｏ2）またはオゾン（Ｏ3）などの酸素ガス種を含むプラズマで処理してもよい。酸化によりＨｆＮ層４２０を部分的に酸化し、ＨｆＮ層４２０内の水素含有量を低減する。このようにして、ＨｆＮ層４２０に関連するリーク電流の増加を少なくするか無くすことができる。例えば、ＨｆＮ層の酸化は、残留分極を変化させることなく、リーク電流を１０分の１に減らすことができる。図４Ａに示す例において、ＨｆＮ層４２０の酸化は実施されない。図４Ｂに示す例では、ＨｆＮ層４２０の酸化が実施される。
【００４６】
ここで図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、本開示に従って形成された別の例示的なデバイス５００が示されている。デバイス５００は、基板（例えば、１つまたは複数の下層）５０４と、下層５０４上に配置された界面層５０８とを含む。界面層５０８の上に、第１のＨｆＯ2層５１６、ＨｆＮ層５２０、および第２のＨｆＯ2層５２４を含む強誘電体層５１２が形成される。強誘電体層５１２の上に、上部電極５２８が形成される。いくつかの例では、ＨｆＯ2層５１６および５２４が（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｙｔ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｒなどで）ドープされる。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ＨｆＮ層４２０は、ＨｆＯ2層５１６および５２４の間に配置される。他の例では、複数のＨｆＮ層４２０を堆積してもよい（例えば、隣接するＨｆＯ2層と交互に）。ＨｆＮ層４２０が図５Ａおよび図５Ｂに示すようにＨｆＯ2層５１６および５２４の間に堆積されると、残留分極が増加する（例えば、２５％増加）。図５Ａに示す例において、ＨｆＮ層５２０の酸化は実施されない。図５Ｂに示す例では、ＨｆＮ層５２０の酸化が（例えば、図４Ｂで上述したように）実施される。
【００４７】
ここで図６を参照すると、本開示によるＨｆＮ層を含む強誘電性ＨｆＯ2層を形成するための例示的な方法６００は、６０４から始まる。６０８において、基板を供給する。例えば、１つまたは複数の下層を含む基板を、基板処理チャンバ内の基板支持体上に配置する。６１２において、基板上に界面層を堆積する。界面層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）を含むことができ、かつ／または窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、またはタングステン（Ｗ）を含む下部電極に対応し得る。界面層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して堆積することができる。６１６において、ドープされたＨｆＯ2層またはドープされていないＨｆＯ2層を（例えば、ＡＬＤを使用して）界面層上に堆積する。６２０において、ＨｆＯ2層のプラズマ処理を任意で実施してもよい。例えば、窒素ガス種を含むプラズマによってＨｆＯ2層を窒化してもよい。
【００４８】
６２４において、ＨｆＮ層をＨｆＯ2層上に堆積する。例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用してＨｆＮ層を堆積してもよい。６２８において、任意でＨｆＮ層の酸化を実施する。６３２において、方法６００は、別のＨｆＯ2層を堆積するかどうかを決定する。真の場合、方法６００は、６３６に続く。偽の場合、方法６００は、６４０に続く。６３６において、ＨｆＯ2層をＨｆＮ層上に堆積し、任意でプラズマ処理を実施する。６４４において、方法６００は、別のＨｆＮ層を堆積するかどうかを決定する。真の場合、方法６００は、６２４に続く。偽の場合、方法６００は、６４０に続く。
【００４９】
６４０において、上部電極（例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、またはＷ）をＨｆＯ2層上に堆積する。例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、または物理気相堆積（ＰＶＤ）を使用して、上部電極を堆積する。６４８において、基板、界面層、ＨｆＯ2層、ＨｆＮ層、および上部電極を５００℃〜１１００℃の範囲（例えば、８００℃〜１０００℃）の所定の温度でアニーリングし、強誘電性ＨｆＯ2を形成する。６５２において上部電極のパターニングを行い（例えば、上部電極の上にマスクをパターニングする）、６５６において上部電極のエッチングを行ってもよい。方法６００は、６６０において終了する。
【００５０】
前述の説明は、本質的に単に例示的であり、本開示、その適用、または使用を限定する意図は全くない。本開示の広範な教示は、様々な形態で実施することができる。したがって、本開示は具体的な例を含むが、図面、明細書、および以下の特許請求の範囲を検討すると他の変更態様が自明となるので、本開示の真の範囲はそのような例に限定されるべきでない。方法における１つまたは複数の工程は、本開示の原理を変更することなく、異なる順序で（または同時に）実行してもよいことを理解されたい。さらに、各実施形態は特定の特徴を有するものとして上記に説明されているが、本開示のいずれかの実施形態に関して説明したこれらの特徴のいずれか１つまたは複数を、他の実施形態において実施すること、および／または、他の実施形態のいずれかの特徴と組み合わせることが（たとえそのような組み合わせが明確に説明されていないとしても）可能である。言い換えれば、説明された実施形態は相互に排他的ではなく、１つまたは複数の実施形態を互いに入れ替えることは本開示の範囲に含まれる。
【００５１】
要素同士（例えば、モジュール同士、回路要素同士、半導体層同士など）の空間的および機能的関係は、「接続された」、「係合された」、「結合された」、「隣接した」、「隣に」、「上に」、「上方に」、「下方に」、および「配置された」などの様々な用語を使用して説明される。また、上記開示において第１の要素と第２の要素との間の関係が説明されるとき、「直接」であると明示的に説明されない限り、その関係は、第１の要素と第２の要素との間に他の介在要素が存在しない直接的な関係の可能性があるが、第１の要素と第２の要素との間に１つまたは複数の介在要素が（空間的または機能的に）存在する間接的な関係の可能性もある。本明細書で使用する場合、Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つという表現は、非排他的論理ＯＲを使用した論理（ＡまたはＢまたはＣ）の意味で解釈されるべきであり、「Ａの少なくとも１つ、Ｂの少なくとも１つ、およびＣの少なくとも１つ」の意味で解釈されるべきではない。
【００５２】
いくつかの実施態様では、コントローラはシステムの一部であり、そのようなシステムは上述した例の一部であってもよい。そのようなシステムは、１つまたは複数の処理ツール、１つまたは複数のチャンバ、１つまたは複数の処理用プラットフォーム、および／または特定の処理構成要素（ウエハ台座、ガス流システムなど）を含む半導体処理装置を備えることができる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の処理前、処理中、および処理後のシステム動作を制御するための電子機器と一体化されてもよい。そのような電子機器は「コントローラ」と呼ばれることがあり、１つまたは複数のシステムの様々な構成要素または副部品を制御してもよい。コントローラは、処理要件および／またはシステムのタイプに応じて、本明細書に開示されるプロセスのいずれかを制御するようにプログラムされてもよい。そのようなプロセスとしては、処理ガスの供給、温度設定（例えば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、無線周波数（ＲＦ）発生器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体供給設定、位置および動作設定、ツールに対するウエハの搬入と搬出、ならびに、特定のシステムに接続または連動する他の搬送ツールおよび／またはロードロックに対するウエハの搬入と搬出が含まれる。
【００５３】
広義には、コントローラは、命令を受信し、命令を発行し、動作を制御し、洗浄動作を可能にし、エンドポイント測定を可能にするなどの様々な集積回路、ロジック、メモリ、および／またはソフトウェアを有する電子機器として定義されてもよい。集積回路は、プログラム命令を記憶するファームウェアの形式のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されたチップ、および／または、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、すなわちプログラム命令（例えば、ソフトウェア）を実行するマイクロコントローラを含んでもよい。プログラム命令は、様々な個々の設定（またはプログラムファイル）の形式でコントローラに通信される命令であって、特定のプロセスを半導体ウエハ上で、または半導体ウエハ用に、またはシステムに対して実行するための動作パラメータを定義してもよい。動作パラメータは、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の層、材料、金属、酸化物、ケイ素、二酸化ケイ素、表面、回路、および／またはウエハダイの製作における１つまたは複数の処理ステップを実現するためプロセスエンジニアによって定義されるレシピの一部であってもよい。
【００５４】
コントローラは、いくつかの実施態様では、システムと統合されるか、システムに結合されるか、他の方法でシステムにネットワーク接続されるコンピュータの一部であってもよく、またはそのようなコンピュータに結合されてもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。例えば、コントローラは、「クラウド」内にあってもよいし、ファブホストコンピュータシステムのすべてもしくは一部であってもよい。これにより、ウエハ処理のリモートアクセスが可能となる。コンピュータは、システムへのリモートアクセスを可能にして、製作動作の現在の進捗状況を監視し、過去の製作動作の履歴を検討し、複数の製作動作から傾向または性能基準を検討し、現在の処理のパラメータを変更し、現在の処理に続く処理ステップを設定するか、または新しいプロセスを開始してもよい。いくつかの例では、リモートコンピュータ（例えば、サーバ）は、ネットワークを通じてプロセスレシピをシステムに提供することができる。そのようなネットワークは、ローカルネットワークまたはインターネットを含んでいてもよい。リモートコンピュータは、パラメータおよび／または設定のエントリまたはプログラミングを可能にするユーザインターフェースを含んでもよく、そのようなパラメータおよび／または設定は、その後リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例では、コントローラは命令をデータの形式で受信する。そのようなデータは、１つまたは複数の動作中に実施される各処理ステップのためのパラメータを特定するものである。パラメータは、実施されるプロセスのタイプ、およびコントローラが連動または制御するように構成されるツールのタイプに特有のものであってもよいことを理解されたい。したがって、上述したように、コントローラは、例えば、互いにネットワーク接続され共通の目的（本明細書に記載のプロセスおよび制御など）に向けて協働する１つまたは複数の個別のコントローラを備えることによって分散されてもよい。このような目的のための分散型コントローラの例として、チャンバ上の１つまたは複数の集積回路であって、（例えば、プラットフォームレベルで、またはリモートコンピュータの一部として）遠隔配置されておりチャンバにおけるプロセスを制御するよう組み合わせられる１つまたは複数の集積回路と通信するものが挙げられるであろう。
【００５５】
例示的なシステムは、プラズマエッチングチャンバまたはモジュール、堆積チャンバまたはモジュール、スピンリンスチャンバまたはモジュール、金属めっきチャンバまたはモジュール、洗浄チャンバまたはモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバまたはモジュール、物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバまたはモジュール、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバまたはモジュール、原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバまたはモジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ）チャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、追跡チャンバまたはモジュール、ならびに半導体ウエハの製作および／または製造に関連するか使用されてもよい任意の他の半導体処理システムを含むことができるが、これらに限定されない。
【００５６】
上述のように、ツールによって実施される１つまたは複数のプロセスステップに応じて、コントローラは、１つまたは複数の他のツール回路もしくはモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインターフェース、隣接するツール、近接するツール、工場全体に位置するツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、または半導体製造工場内のツール場所および／もしくはロードポートに対してウエハの容器を搬入および搬出する材料搬送に使用されるツールと通信してもよい。
【図１】
2021520629.tif 000003
【図２Ａ】
2021520629.tif 000004
【図２Ｂ】
2021520629.tif 000005
【図２Ｃ】
2021520629.tif 000006
【図２Ｄ】
2021520629.tif 000007
【図２Ｅ】
2021520629.tif 000008
【図２Ｆ】
2021520629.tif 000009
【図３Ａ】
2021520629.tif 000010
【図３Ｂ】
2021520629.tif 000011
【図３Ｃ】
2021520629.tif 000012
【図３Ｄ】
2021520629.tif 000013
【図３Ｅ】
2021520629.tif 000014
【図３Ｆ】
2021520629.tif 000015
【図４Ａ】
2021520629.tif 000016
【図４Ｂ】
2021520629.tif 000017
【図５Ａ】
2021520629.tif 000018
【図５Ｂ】
2021520629.tif 000019
【図６】
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【国際調査報告】
2021520629.tif 000021
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