(57)【要約】【課題】小サイズ、低電力かつ高信頼性のトランジスタを提供するために、シリコン酸化物以外の材料でゲート絶縁体を製造する。【解決手段】原子層堆積した絶縁層及びこうした絶縁層の製造方法が、ＳiＯ2を用いて達成可能であるより薄い実効酸化膜厚を有する高信頼性の絶縁層を提供する。原子層堆積によってハフニウム金属層を基板上に堆積させて、原子層堆積によってこのハフニウム金属層上に酸化ハフニウム層を堆積させて、シリコン酸化物のほとんどない酸化ハフニウム絶縁層を形成する。原子層堆積した酸化ハフニウムを含む絶縁層は熱力学的に安定であり、酸化ハフニウムは処理中にシリコン基板または他の構造と最小限の反応を行う。
2006523952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子層堆積によって基板上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属上に前記金属の酸化物を形成するステップと
を具えていることを特徴とする絶縁層の形成方法。
【請求項２】
原子層堆積によって基板上に金属の層を形成するステップが、前記金属上に前記酸化物を形成する前に、前記基板上に前記金属の層を堆積させるサイクルを所定サイクル数実行することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定サイクル数実行することが、最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記所定サイクル数実行することが、４〜１０サイクルの範囲の複数サイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記ハフニウムの層上に酸化ハフニウムの層を形成するステップと
を具えていることを特徴とする絶縁層の形成方法。
【請求項６】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成するステップが、硝酸ハフニウムの先駆物質を前記基板上にパルス発射することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質を前記基板上にパルス発射することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成するステップが、前記基板上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成するステップが、前記基板上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
原子層堆積によって前記ハフニウムの層上に酸化ハフニウムの層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中及び前記酸化ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
基板上に第１導電層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記第１導電層上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと；
前記金属の酸化物の層上に第２導電層を形成するステップと
を具えていることを特徴とするキャパシタの形成方法。
【請求項１３】
原子層堆積によって前記第１導電層上に金属の層を形成するステップが、前記金属の層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
原子層堆積によって前記第１導電層上に金属の層を形成するステップが、原子層堆積によって前記第１導電層上にハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
原子層堆積によって前記第１導電層上にハフニウムの層を形成することが、硝酸ハフニウムの先駆物質をパルス発射することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
原子層堆積によって前記第１導電層上にハフニウムの層を形成することが、前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
原子層堆積によって前記第１導電層上にハフニウムの層を形成することが、前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
原子層堆積によって前記金属の層上に金属酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中及び前記酸化ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とするトランジスタの形成方法。
【請求項２１】
ボディ領域によって分離されたソース領域及びドレイン領域を基板内に形成するステップと；
原子層堆積によって前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記ボディ領域上に絶縁層を形成するステップと；
前記絶縁層にゲートを結合するステップとを具えて、
前記絶縁層を形成するステップが、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えていることを特徴とするトランジスタの形成方法。
【請求項２２】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記金属の層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、硝酸ハフニウムの先駆物質をパルス発射することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中及び前記酸化ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
複数のアクセストランジスタを形成するステップであって、前記アクセストランジスタの少なくとも１つを形成することが、ソース領域とドレイン領域との間のボディ領域上に絶縁層を形成することを含むステップと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のワード線を形成するステップと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のビット線を形成するステップとを具えて、
前記絶縁層を形成するステップが、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えていることを特徴とするメモリーの形成方法。
【請求項３１】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記金属の層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、硝酸ハフニウムの先駆物質をパルス発射することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いて酸化ハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中及び前記酸化ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
プロセッサを用意するステップと；
前記プロセッサにメモリーを結合するステップとを具えて、
前記メモリーを、
複数のアクセストランジスタを形成するステップであって、前記アクセストランジスタの少なくとも１つを形成することが、ソース領域とドレイン領域との間のボディ領域上に絶縁層を形成することを含むステップと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のワード線を形成するステップと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のビット線を形成するステップとを具えて、
前記絶縁層を形成するステップが、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えていることを特徴とする電子システムの形成方法。
【請求項４０】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記金属の層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップが、原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、硝酸ハフニウムの先駆物質をパルス発射することを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成することが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
絶縁層を有する電子装置を形成する方法を実行するためのコンピュータで実行可能な命令を有するコンピュータで読み取り可能な媒体において、前記方法が、
原子層堆積によって基板上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えていることを特徴とするコンピュータ読取可能媒体。
【請求項４９】
原子層堆積によって基板上に金属の層を形成するステップが、原子層堆積によって前記基板上にハフニウムの層を形成することを含み、原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップが、原子層堆積によって酸化ハフニウムの層を形成することを含むことを特徴とする請求項４８に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５０】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成することが、硝酸ハフニウムの先駆物質を前記基板上にパルス発射することを含むことを特徴とする請求項４９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５１】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成することが、前記基板上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを最大１０サイクル実行することを特徴とする請求項４９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５２】
原子層堆積によって基板上にハフニウムの層を形成することが、前記基板上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項４９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５３】
原子層堆積によって前記ハフニウムの層上に酸化ハフニウムの層を形成するステップが、無水硝酸ハフニウムの先駆物質及び水蒸気の先駆物質を用いるサイクルを実行することを含むことを特徴とする請求項４９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５４】
前記方法がさらに、前記ハフニウムの層の形成中及び前記酸化ハフニウムの層の形成中に前記基板を約180℃に維持することを含むことを特徴とする請求項４９に記載のコンピュータ読取可能媒体。
【請求項５５】
第１導電層と；
前記第１導電層上に堆積させた絶縁層と；
前記絶縁層上に堆積させた第２導電層とを具えて、
前記絶縁層を、
原子層堆積によって前記第１導電層上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えた方法によって形成したことを特徴とするキャパシタ。
【請求項５６】
前記金属がハフニウムを含むことを特徴とする請求項５５に記載のキャパシタ。
【請求項５７】
原子層堆積によって前記第１導電層上にハフニウムの層を形成するステップが、前記第１導電層上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項５６に記載のキャパシタ。
【請求項５８】
前記絶縁層が約８から約２５までの範囲の比誘電率を有することを特徴とする請求項５６に記載のキャパシタ。
【請求項５９】
ソース領域とドレイン領域との間のボディ領域と；
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記ボディ領域上に堆積させた絶縁層と；
前記絶縁層に結合されたゲートとを具えて、
前記絶縁層を、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えた方法によって形成したことを特徴とするトランジスタ。
【請求項６０】
前記金属がハフニウムを含むことを特徴とする請求項５９に記載のトランジスタ。
【請求項６１】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項６０に記載のトランジスタ。
【請求項６２】
前記絶縁層が約８から約２５までの範囲の比誘電率を有することを特徴とする請求項６０に記載のトランジスタ。
【請求項６３】
前記絶縁層が約１０オングストローム以下の実効酸化膜厚（ｔeq）を有することを特徴とする請求項６０に記載のトランジスタ。
【請求項６４】
少なくとも１つのアクセストランジスタがソース領域とドレイン領域との間のボディ領域上に堆積させた絶縁層に結合されたゲートを具えた複数のアクセストランジスタと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のワード線と；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のビット線とを具えて、
前記絶縁層を、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えた方法によって形成したことを特徴とするメモリー。
【請求項６５】
前記金属がハフニウムを含むことを特徴とする請求項６４に記載のメモリー。
【請求項６６】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項６５に記載のメモリー。
【請求項６７】
前記絶縁層が約８から約２５までの範囲の比誘電率を有することを特徴とする請求項６５に記載のメモリー。
【請求項６８】
前記絶縁層が約１０オングストローム以下の実効酸化膜厚（ｔeq）を有することを特徴とする請求項６５に記載のメモリー。
【請求項６９】
プロセッサと；
システムバスと；
前記システムバスによって前記プロセッサに結合されたメモリーとを具えて、
前記メモリーが、
少なくとも１つのアクセストランジスタがソース領域とドレイン領域との間のボディ領域上に堆積させた絶縁層に結合されたゲートを具えた複数のアクセストランジスタと；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のワード線と；
前記複数のアクセストランジスタに結合された複数のビット線とを具えて、
前記絶縁層を、
原子層堆積によって前記ボディ領域上に金属の層を形成するステップと；
原子層堆積によって前記金属の層上に前記金属の酸化物の層を形成するステップと
を具えた方法によって形成したことを特徴とする電子システム。
【請求項７０】
前記金属がハフニウムを含むことを特徴とする請求項６９に記載の電子システム。
【請求項７１】
原子層堆積によって前記ボディ領域上にハフニウムの層を形成するステップが、前記ボディ領域上に前記ハフニウムの層を堆積させるサイクルを４〜１０サイクルの範囲のサイクル数だけ実行することを含むことを特徴とする請求項７０に記載の電子システム。
【請求項７２】
前記絶縁層が約８から約２５までの範囲の比誘電率を有することを特徴とする請求項７０に記載の電子システム。
【請求項７３】
前記絶縁層が約１０オングストローム以下の実効酸化膜厚（ｔeq）を有することを特徴とする請求項７０に記載の電子システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願のクロスリファレンス】
【０００１】
本願は、次の同一人に譲渡された米国特許出願に関連し、その全文を参考文献として本明細書に含める：
米国特許出願番号10/137,058、代理人整理番号303.802US1、発明の名称”Atomic Layer Deposition and Conversion”、
米国特許出願番号10/137,168、代理人整理番号1303.048US1、発明の名称”Methods, Systems, and Apparatus for Atomic-Layer Deposition of Aluminum Oxides in Integrated Circuits”、
米国特許出願番号09/797,324、代理人整理番号303.717US1、発明の名称”Methods, Systems, and Apparatus for Uniform Chemical-Vapor Depositions”。
【技術分野】
【０００２】
本発明は一般に半導体デバイス及びデバイスの製造に関するものであり、特に絶縁層及びその製造法に関するものである。
【０００３】
（発明の背景）
半導体デバイス産業は、速度性能の改善、静止（オフ）状態での低電力化の改善、及びシリコンベースのマイクロエレクトロニクス製品に対する広範囲の電源及び出力電圧の要求への適応といった市場主導の要求がある。特に、トランジスタの製造では、トランジスタのようなデバイスのサイズ（大きさ）を低減する要求圧力が絶えず存在する。最終目標は、プロセッサチップ、移動電話機、及びメモリーデバイス、例えばダイナミック・ランダムアクセスメモリー（DRAM）のような製品用に、ますます小型で高信頼性の集積回路（IC）を製造することにある。小型のデバイスは頻繁にバッテリ（電池）によって給電される。バッテリのサイズを低減してバッテリ充電の時間間隔を延ばす要求圧力も存在する。このことは、より小型のトランジスタを設計することのみならず、トランジスタをより低電力かつ高い信頼性で動作すべく設計することも産業界に強いる。
【０００４】
現在、半導体産業は、その基本的なデバイス、主にシリコンベースの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の寸法を低減または縮小する能力に頼っている。こうしたトランジスタの一般的な構成を図１に示す。以下の説明では、図１を用いて従来技術のトランジスタを例示するが、図１に示すトランジスタに本発明を取り入れて本発明によるトランジスタを形成することができることは、当業者にとって明らかである。トランジスタ１００は、一般にシリコンである基板１１０内に製造されるが、他の半導体材料からも製造することができる。トランジスタ１００はソース領域１２０及びドレイン領域１３０を有する。ボディ（本体）領域１３２はソース領域１２０とドレイン領域１３０との間に位置し、ボディ領域はトランジスタのチャンネルをチャンネル長１３４に規定する。ゲート絶縁体１４０はボディ領域１３２上に位置し、ゲート絶縁体１４０上にはゲート１５０が位置する。ゲート絶縁体１４０は酸化物以外の材料から形成することもできるが、ゲート絶縁体１４０は一般に酸化物であり、一般にゲート酸化物と称される。ゲート１５０は多結晶シリコン（ポリシリコン）から製造することができ、あるいは金属のような他の導電材料を用いることができる。
【０００５】
トランジスタをより小さいサイズにし、より低電力かつ高信頼性で動作すべく製造するに当たり、１つの設計基準がゲート絶縁体１４０である。ゲート絶縁体を製造するための頼みの綱は、今まで二酸化シリコンSiO2であった。熱的に成長させたアモルファスSiO2層は、電気的及び熱力学的に安定な材料を提供し、SiO2層とその下にあるSiとの境界面は、高品質の境界面並びに優れた電気絶縁特性を提供する。一般的な処理では、Si上でのSiO2の使用は1010/cm2のオーダーの欠陥電荷密度、約1010/cm2eVの中間ギャップ界面準位密度、及び15MV/cmの範囲のブレークダウン（降伏）電圧をもたらしてきた。こうした品質では、SiO2以外の材料を使用する明らかな必要性は存在しないが、ゲート絶縁体に対する縮小及び他の要求の増加が、ゲート絶縁体に使用すべき他の絶縁材料を見つける必要性を生み出す。
【０００６】
（発明の概要）
本発明は、上述した問題に応えるものであり、以下の説明を読んで検討することによって明らかになる。絶縁層を形成する方法の好適例は、原子層堆積によって基板上に金属層を形成するステップと、原子層堆積によってこの金属層上にこの金属の酸化物層を形成するステップとを具えている。好適例では、原子層堆積によって基板上にハフニウム層を形成し、原子層堆積によってこのハフニウム上にハフニウム酸化物層を形成する。好適例では、前記ハフニウム層を最大10サイクルの原子層堆積サイクルを用いて形成する。好適例では、前記ハフニウム層を形成する原子層堆積サイクルの数が、約４サイクルから約１０サイクルまでの範囲にある。
【０００７】
酸化ハフニウムを含む絶縁層は、二酸化シリコンよりも大きい比誘電率、比較的小さい漏れ電流、及びシリコンベースの基板に対して良好な安定性を有する。こうした絶縁層は、同じ物理的厚さを有するシリコン酸化物層に比べて、実効酸化膜厚（ＥＯＴ：equivalent oxide thickness）を大幅に薄くすることができる。あるいはまた、こうした絶縁層は、実効酸化膜厚が同じシリコン酸化物層よりも物理的厚さを大幅に厚くすることができる。好適例は、原子層堆積酸化ハフニウムを含む絶縁層を有するキャパシタ、トランジスタ、メモリーデバイス、及び電子システムの構造、及びこうした構造を形成する方法を含む。
【０００８】
これら及び他の態様、好適例、利点、及び特徴は、以下の図面を参照した実施例の説明より明らかになる。
【０００９】
（実施例の詳細な説明）
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明し、これらの図面は、本発明を実施することのできる特定態様及び具体例を例示したものである。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるよう十分詳細に説明する。他の実施例を利用することもでき、そして本発明の範囲を外れることなしに、構造的、論理的、及び電気的変更を加えることもできる。本明細書に開示する種々の実施例は必ずしも互いに排他的なものでなく、開示する実施例の一部を他に開示する実施例の１つ以上と組み合わせて新たな実施例を形成することができる。
【００１０】
以下の説明で用いる「ウエハー」及び「基板」とは、本発明の集積回路（IC）構造を形成するための露出面を有するあらゆる構造を含む。なお、「基板」とは半導体ウエハーを含む。「基板」とは、処理中の半導体構造を称するためにも用い、その上に製造した他の層を含み得る。ウエハー及び基板は共に、ドーピングした半導体及び非ドーピングの半導体、ベース（基材）半導体または絶縁体によって支持されるエピタキシャル半導体層、並びに当業者にとって周知の他の半導体構造を含む。なお「導体」とは半導体を含み、「絶縁体」とは、「導体」と称する材料よりも導電性の低いあらゆる材料を含むべく定義する。
【００１１】
本願で用いる「水平」とは、通常のウエハーまたは基板の平面または表面に平行な平面として定義し、当該ウエハーまたは基板の向きにはよらない。「垂直」とは、上記のように定義した「水平」に直交する方向を称する。「上」、「側（「側壁」における）」、「より高い」、「より低い」、「上方」、「下方」は、ウエハーまたは基板の最上面にある通常の平面または表面に対して規定し、当該ウエハーまたは基板の向きにはよらない。従って、以下の詳細な説明は限定的なものではなく、本発明の範囲は請求項のみによって規定され、これらの請求項に記載のものと等価なものの範囲全体も含む。
【００１２】
図１のゲート絶縁体１４０は、トランジスタ内で動作する際には、物理的なゲート絶縁の厚さ及び実効酸化膜厚（ｔeq）を共に有する。実効酸化膜厚は、ゲート絶縁体１４０のキャパシタンス（容量）のような電気特性を物理的厚さの表現で定量化する。実効酸化膜厚ｔeqは、所定の絶縁体と同じキャパシタンス密度を有する理論的なSiO2層の厚さとして規定され、漏れ電流及び信頼性の考慮は無視する。
【００１３】
Siの表面上にゲート絶縁体として堆積させた厚さｔのSiO2層は、その厚さｔより大きいｔeqを有する。このｔeqは、表面チャンネル内のキャパシタンスから生じるものであり、この表面チャンネル上には、空乏（デプレッション）／反転領域の形成によってSiO2が堆積されている。この空乏／反転領域は、SiO2の厚さｔより3〜6Å大きいｔeqを生じさせ得る。従って、ゲート絶縁体の実効酸化膜厚を10Å以下に縮小する動向の半導体産業では、ゲート絶縁体に用いるSiO2層の物理的厚さは約4〜7Åにする必要がある。
【００１４】
SiO2層の追加的な特徴は、SiO2ゲート絶縁体と共に使用するゲート電極に依存する。通常のポリシリコンゲートの使用は、SiO2層のｔeqの追加的な増加を生じさせる。この追加的な厚さは金属ゲート電極を用いることによってなくすことができるが、金属ゲートは現在、一般的なコンプリメンタリ（相補的）金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（CMOS）技術では用いられていない。従って、将来のデバイスは、約5Åあるいはそれ以下の物理的SiO2ゲート絶縁層指向で設計される。SiO2酸化物層のこうした小さい厚さは、追加的な問題を生じさせる。
【００１５】
シリコン酸化物は一部では、SiO2−Siベースの構造における電気絶縁特性により、ゲート絶縁体として使用される。この電気絶縁は、SiO2の比較的大きいバンドギャップ（禁制帯幅）（8.9eV）によるものであり、このバンドギャップがSiO2を、導電を防ぐ良好な絶縁体にする。このバンドギャップの大幅な低減は、SiO2をゲート絶縁体用の材料でなくする。SiO2層の厚さが減少すると共に、SiO2層の原子層またはモノレイヤ（単一層）の数が減少する。特定の厚さではモノレイヤの数が十分小さく、SiO2層はより大きい層あるいはバルク層内のように完全な原子の配列を有しない。バルク構造と比べて不完全な形成の結果として、１つまたは２つのモノレイヤのみの薄いSiO2層は十分なバンドギャップを形成しない。SiO2ゲート絶縁体内に十分なバンドギャップがないことは、下にあるSiチャンネルと上にあるポリシリコンゲートとの実効的な短絡を生じさせ得る。この不所望な特徴は、SiO2層をそこまで縮小できる物理的厚さに限界を設ける。このモノレイヤ効果による最小の厚さは約7〜8Åであると考えられる。従って、将来のデバイスに約１０Å以下のｔeqを持たせるためには、ゲート絶縁体用にSiO2以外の絶縁体を考える必要がある。
【００１６】
ゲート絶縁体として使用される一般的な絶縁層については、キャパシタンスは平行平板のキャパシタンスのように決まり、即ちC=κε0A／ｔであり、ここにκは比誘電率、ε0は自由空間の誘電率、Aはキャパシタ（コンデンサ）の面積である。材料の厚さｔは、所定のキャパシタンスに対するこの材料のｔeqに関係し、比誘電率κox＝3.9を有するSiO2では次式のようになる：
ｔ＝(κ／κox)ｔeq＝(κ／3.9)ｔeq
従って、SiO2の比誘電率3.9より大きい比誘電率を有する材料は、物理的厚さは所望のｔeqよりずっと大きくなり得るが、所望の実効酸化膜厚を提供する。例えば、比誘電率10を有する代替の絶縁材料は約25.6Åの厚さを有し、空乏／反転層の効果を何ら含まずに10Åのｔeqを提供することができる。従って、SiO2より高い比誘電率を有する絶縁材料を用いることによって、トランジスタ用の低減された実効酸化膜厚を実現することができる。
【００１７】
より低いトランジスタの動作電圧、及びより小さいトランジスタの寸法のための、より薄い実効酸化膜厚は、非常に多数の材料によって実現することができるが、追加的な製造特性がSiO2の適切な代替物の決定を困難にする。しかし、マイクロエレクトロニクス産業についての現在の見通しはまだSiベースのデバイスである。従って、採用するゲート絶縁体はシリコン基板またはシリコン層上に成長させることになり、このことは代替絶縁材料に大きな制約をもたらす。シリコン層上への絶縁体の形成中には、所望の絶縁体に加えてSiO2の小さい層が形成される可能性が存在する。その結果は実際に、互いに平行な２つの副層及びシリコン層から成る絶縁層となり、この絶縁層上に絶縁体が形成される。この場合には、結果的なキャパシタンスは２つの絶縁体を直列にしたキャパシタンスとなる。結果として、絶縁層のｔeqは、SiO2の厚さと形成される絶縁体の厚さに係数を掛けた値との合計になり、次式のように書ける：
ｔeq＝ｔSiO2＋(κ／κox)ｔ
従って、SiO2層をこのプロセスで形成する場合には、ｔeqはここでもSiO2層によって限定される。障壁（バリア）層をシリコン層と所望の絶縁体との間に形成して、この障壁層がSiO2層の形成を防止する場合には、ｔeqは最低の比誘電率を有する層によって限定される。しかし、高い比誘電率を有する単一の絶縁層を採用するにせよ、SiO2より高い比誘電率を有する障壁層を採用するにせよ、シリコン層との境界面をなす層は、高いチャンネルキャリア移動度を維持すべく高品質の境界面を提供しなければならない。
【００１８】
SiO2をゲート絶縁体として用いることの１つの利点は、SiO2層の形成がアモルファス・ゲート絶縁体を生じさせることである。ゲート絶縁体用にアモルファス構造を有することは有利である、というのは、多結晶ゲート絶縁体は高い漏れ径路を提供するからである。これに加えて、多結晶ゲート絶縁体全体にわたる粒径及び配向の変化は、層の比誘電率に変化を生じさせうる。SiO2に比べて高い比誘電率を有する多くの材料も、少なくともバルク構成では結晶形の欠点を有する。従って、ゲート絶縁体としてのSiO2を置き換えるための最良の候補は、高い比誘電率を有し、そしてアモルファス形態を有する薄い層として製造可能なものである。
【００１９】
比誘電率の大きさのみにもとづいて、約2.5のバルク比誘電率を有する酸化ハフニウムHfO2が、SiO2を置き換えるための候補と見られる。しかし、電子デバイスまたはシステムに用いる絶縁層を形成するための他の材料及び方法を選択するための他の考えは、絶縁層が極めて薄い実効酸化膜厚を有して基板上に適合して形成されること、及び／または特定の厚さ及び元素濃度に作製されることが要求される用途向けの材料の安定性を考慮する。他の考えは、基板上の絶縁層の粗さを考慮する。絶縁層の表面粗さはゲート酸化物の電気特性、及び結果的なトランジスタの動作特性に重大な影響を与える。物理的に1.0nmのゲート酸化物を通る漏れ電流は、粗さの二乗平均平方根（RMS：root-mean-square）が0.1増加する毎に10倍だけ増加することが判明している。
【００２０】
通常のスパッタリング堆積処理（プロセス）段階中には、堆積すべき材料の粒子が高いエネルギーで表面に衝突する。粒子が表面に当たる際に、一部の粒子は粘着し、他の粒子は損傷を生じさせる。高エネルギーの衝撃は、ボディ領域の粒子を除去してピット（窪み）を生じさせる。こうした堆積層の表面は、ボディ領域内の粗い境界面によって粗い輪郭を有し得る。
【００２１】
本実施例では、他の処理技法に比べてほぼ平滑な表面を有する酸化ハフニウムの絶縁層を、原子層堆積（ALD：atomic layer deposition）を用いて形成する。さらに、原子層堆積を用いた絶縁層の形成は、材料層間の遷移の制御を提供する。従って、原子層堆積の酸化ハフニウム絶縁層は、境界面のSiO2層を大幅に低減するかあるいはなくした基板表面を伴う処理された遷移を有することができる。さらに、ALD堆積の酸化ハフニウム絶縁層は、この絶縁層を上に堆積させた表面に適合するカバーを提供する。
【００２２】
原子層エピタキシー（ALE：atomic layer epitaxy）としても知られているALDは、1970年代初期に化学的気相成長法（CVD：chemical vapor deposition）の変形として開発され、「代替パルスCVD」とも称される。ALDでは、反応チャンバ（または反応容器）内に装填した基板表面に気体先駆物質を、一度に１つ導入する。この気体先駆物質の導入は、各気体先駆物質のパルス発射の形を採る。これらのパルス間に、反応チャンバをガスでパージ（既存の気体を追い出す、浄化）及び／または真空排気し、このガスは多くの場合には不活性ガスである。
【００２３】
化学吸着飽和ＡＬＤ（ＣＳ−ＡＬＤ：chemisorption-saturated ALD）プロセスでは、最初のパルス段階中に、基板表面に化学吸着して飽和した先駆物質による基板との反応が生じる。これに続くパージガスのパルスが、過剰な先駆物質を反応チャンバから除去する。
【００２４】
２回目のパルス段階は、他の先駆物質を基板上に導入し、ここでは所望の層の成長反応が行われる。層成長反応に続いて、反応の副産物及び過剰な先駆物質が反応チャンバからパージされる。先駆物質どうしが基板上で互いに積極的に吸収し合い反応する好適な先駆物質の化学的性質により、適切に設計されたフロー（流れ）型の反応チャンバでは、１回のＡＬＤサイクルを1秒以下で実行することができる。一般に、先駆物質のパルス時間は約0.5秒から約2, 3秒までの範囲内である。
【００２５】
ＡＬＤでは、すべての反応及びパージ段階の飽和が、成長を自己制限的にする。この自己制限的な成長は、大面積の均一性及び適合性を生じさせ、このことは、平坦基板、深いトレンチ、及び多孔質シリコンの処理、大表面積のシリカ及びアルミナ粉末の処理のような場合に重要な用途を有する。従って、ＡＬＤは、成長サイクルの数を制御することによって、無駄のない方法の層の厚さの制御を提供する。
【００２６】
ＡＬＤは元々、エレクトロルミネセンス（電界発光）ディスプレイに必要なルミネセント（発光）層及び絶縁層を製造するために開発された。ＡＬＤを、ドーピングした硫化亜鉛及びアルカリ土類金属硫化物層の成長に応用する大きな努力が行われてきた。これに加えて、ＡＬＤは、異なるエピタキシャルII−V及びII−VI層、非エピタキシャルまたはアモルファス酸化物及び窒化物層、及びこれらの層の多層構造の成長用に検討されてきた。シリコン及びゲルマニウム層のＡＬＤ成長にも大きな関心が寄せられてきたが、先駆物質の化学的性質の難しさにより、このことは大きな成功は収めてこなかった。
【００２７】
ＡＬＤプロセスに用いる先駆物質は気体、液体、または固体とすることができる。しかし、液体または固体の先駆物質は揮発性でなければならない。その蒸気圧は、有効な質量輸送のために十分高くなければならない。また、固体及び一部の液体先駆物質は、反応チャンバの内部で加熱して、加熱管を通して基板に導入する必要がある。必要な蒸気圧は、基板温度以下の温度で達成して、基板上での先駆物質の凝縮を回避しなければならない。ＡＬＤの自己制限的成長メカニズムにより、比較的低い蒸気圧の固体先駆物質を用いることができるが、プロセス中に、その表面積の変化によって蒸発速度が幾分変化し得る。
【００２８】
ＡＬＤに用いる先駆物質については、他にいくつかの特徴が存在する。先駆物質は基板温度において熱的に安定でなければならない、というのは、先駆物質の分解が表面制御を壊し、従って、基板表面における先駆物質の反応に頼るＡＬＤ法の利点が失われるからである。軽度の分解は、ＡＬＤ成長に比べて遅ければ許容することができる。
【００２９】
先駆物質が異なれば、先駆物質と表面との相互作用並びに吸収のメカニズムが異なるが、先駆物質は、基板上に化学吸着するか、あるいは基板と反応しなければならない。基板表面にある分子は、２番目の先駆物質と積極的に反応して所望の固体層を形成しなければならない。これに加えて、先駆物質が層と反応してエッチングを生じさせるべきでなく、そして先駆物質は層内で溶解すべきでない。反応性の高い先駆物質をＡＬＤに用いることは、従来のＣＶＤ用の先駆物質の選択とは対照をなす。
【００３０】
反応における副産物は、反応チャンバからの除去を容易にするために気体でなければならない。さらに、これらの副産物は基板と反応あるいは基板上に吸着すべきでない。
【００３１】
反応シーケンスＡＬＤプロセス（ＲＳ−ＡＬＤ：reaction sequence ＡＬＤ）では、自己制限的なプロセスシーケンスは逐次的な表面化学反応を含む。ＲＳ−ＡＬＤは、反応性の表面と反応性の分子先駆物質との間の化学的性質に頼る。ＲＳ−ＡＬＤプロセスでは、分子先駆物質が別個に、ＡＬＤ反応チャンバ内にパルス発射される。一般に、基板における金属先駆物質の反応に続いて不活性ガスのパルス発射を行い、製造シーケンスにおける次の先駆物質をパルス発射する前に、過剰な先駆物質及び副産物を反応チャンバから除去する。
【００３２】
ＲＳ−ＡＬＤによって、複数の層を重ねて、化学動力学（的挙動）、サイクル当たりの堆積、組成、及び厚さがすべて同一の等寸法の層列にすることができる。一般に、ＲＳ−ＡＬＤサイクル当たり約0.25〜約2.00Åの堆積または成長速度を実現することができる。
【００３３】
ＲＳ−ＡＬＤの特徴は、境界面における連続性、基板上への適合性、低温で低酸化のプロセスの使用、ウエハーの影響及びチャンバへの依存の解消、サイクルの実行回数のみに依存する成長の厚さ、及び多層の積層を１つ〜２つのモノレイヤの分解能で製造できることを含む。ＲＳ−ＡＬＤは、モノレイヤのオーダーの堆積制御、及びアモルファス層のモノレイヤの堆積を可能にする。
【００３４】
本明細書では、シーケンスは、先駆物質または反応性の先駆物質を有する先駆物質の反応にもとづくＡＬＤ材料の形成を参照する。例えば、金属を含む先駆物質から金属層を形成することが、金属シーケンスの具体例を形成する。これに加えて、金属酸化物の層を、金属を含む先駆物質、及び酸素をその反応性の先駆物質として含む先駆物質から形成することは、金属／酸化物のシーケンスの具体例を形成し、このシーケンスは金属酸化物シーケンスと称することができる。金属シーケンスのサイクルは、その金属を含む先駆物質をパルス発射すること、及びこの先駆物質用のパージガスをパルス発射することを含む。さらに、金属酸化物シーケンスのサイクルは、その金属を含む先駆物質をパルス発射すること、この先駆物質用のパージガスをパルス発射すること、反応性の先駆物質をパルス発射すること、及びこの反応性の先駆物質用のパージガスをパルス発射することを含む。
【００３５】
【特許文献１】米国特許出願番号10/137,058
【特許文献２】米国特許出願番号10/137,168
【００３６】
１つの具体例では、酸化ハフニウムの層を、反応チャンバ内に装着した基板上に、反応チャンバ内に個別にパルス発射する先駆物質ガスを用いたＡＬＤによって形成する。代わりに、固体または液体の先駆物質を、適切に設計した反応チャンバ内で用いることができる。他の材料のＡＬＤ形成は、同一人に譲渡された同時係属出願中の米国特許出願番号10/137,058、代理人整理番号303.802US1、発明の名称”Atomic Layer Deposition and Conversion”、及び米国特許出願番号10/137,168、代理人整理番号1303.048US1、発明の名称”Methods, Systems, and Apparatus for Atomic-Layer Deposition of Aluminum Oxides in Integrated Circuits”に開示されている。
【００３７】
【特許文献３】米国特許出願番号09/797,324
【００３８】
図２Ａに、酸化ハフニウムを含む絶縁層を処理するための原子層堆積システム２００の実施例を示す。図に示す要素は、本発明の実施例の説明に必要な要素であり、当業者は不必要な実験なしに、本発明の種々の具体例を実施することができる。ＡＬＤ反応チャンバのさらなる説明は、同一人に譲渡された同時係属出願中の米国特許出願番号09/797,324、代理人整理番号303.717US1、発明の名称”Methods, Systems, and Apparatus for Uniform Chemical-Vapor Depositions”に見ることができ、この特許出願は参考文献として本明細書に含める。
【００３９】
図２Ａでは、基板２１０がＡＬＤシステム２００の反応チャンバ２２０の内部に配置されている。また、反応チャンバ２２０内には加熱素子２３０も配置され、加熱素子２３０は基板２１０に熱的に結合されて基板の温度を制御する。ガス分配器２４０は、先駆物質ガスを基板２１０に導入する。各先駆物質ガスは、個々のガス源２５１〜２５４から出て、その流れ（フロー）はそれぞれマスフロー（質量流）コントローラ２５６〜２５９によって制御される。各ガス源２５１〜２５４は、先駆物質をガスとして蓄積するか、あるいは、固体または液体材料を蒸発させる位置及び装置を設けて選択した先駆物質ガスを形成するかのいずれかによって、先駆物質ガスを供給する。さらに、追加的なガス源を具えることができ、１つは採用する各金属先駆物質用、１つは各金属先駆物質に関連するそれぞれの反応性先駆物質用である。
【００４０】
また、ＡＬＤシステムはパージガス源２６１、２６２も具え、その各々がマスフロー・コントローラ２６６、２６７にそれぞれ結合されている。さらに、追加的なパージガス源をＡＬＤシステム２００内に構成することができ、先駆物質ガス毎に１つのパージガス源とする。同じパージガスを複数の先駆物質ガス用に用いるプロセスについては、ＡＬＤシステム２００内でより少数のガス源を用いる。ガス源２５１〜２５４及びパージガス源２６１〜２６２は、関連するマスフロー・コントローラによって共通のガスラインまたは導管２７０に結合され、ガス導管２７０は反応チャンバ２２０の内部のガス分配器２４０に結合されている。ガス導管２７０は、マスフロー・コントローラ２８６によって真空ポンプまたは排気ポンプ２８１にも結合され、パージ・シーケンスの終わりに、過剰な先駆物質ガス、パージガス、及び副産物ガスをガス導管２７０から除去する。
【００４１】
真空ポンプまたは排気ポンプ２８２はマスフロー・コントローラ２８７によって結合され、パージ・シーケンスの終わりに、過剰な先駆物質ガス、パージガス、及び副産物ガスを反応チャンバ２２０から除去する。簡単のため、当業者にとって既知の制御ディスプレイ、モニター（監視）装置、装着装置、温度センシング（検測）装置、基板操作装置、及び必要な電気接続は、図２Ａには示していない。
【００４２】
図２Ｂに、酸化ハフニウムを含む絶縁層を処理する原子層堆積システム２００のガス分配器２４０の具体例を示す。ガス分配器２４０は、ガス分配部材２４２及びガス入口２４４を具えている。ガス入口２４４は、ガス分配部材２４２を図２Ａのガス導管２７０に結合する。ガス分配部材２４２は、ガス分配孔またはオリフィス（絞り孔）２４６、及びガス分配チャンネル（通路）２４８を具えている。図に示す具体例では、孔２４６はほぼ円形であり、15〜20ミクロンの共通の直径を有し、ガス分配チャンネル２４８は20〜45ミクロンの範囲の共通の幅を有する。ガス分配孔２４６を有するガス分配部材２４２の表面２４９はほぼ平坦であり、かつ図２Ａの基板２１０に平行である。しかし、他の具体例は、他の表面形態、並びに孔及びチャンネルの他の形状及びサイズを用いる。孔の分布及びサイズは堆積の厚さにも影響することがあり、従って厚さの制御を助けるために用いることができる。孔２４６はガス分配チャンネル２４８を通してガス入口２４４に結合されている。ＡＬＤシステム２００は本発明の実施に十分適しているが、他の市販のＡＬＤシステムを用いることもできる。
【００４３】
材料層の堆積用の反応チャンバの使用、構成、及び基本的な動作は、半導体製造の通常の当業者にとって明らかである。本発明の実施例は、不必要な実験なしに種々のこうした反応チャンバにおいて実施することができる。さらに、通常の当業者は、本明細書の開示を読むに当たり、半導体製造の現在技術において必要な検出、測定、及び制御技術を理解している。
【００４４】
ＡＬＤシステム２００の要素はコンピュータによって制御することができる。本発明の種々の実施例におけるＡＬＤシステム２００の使用に焦点をおくために、コンピュータは図示していない。圧力制御、温度制御、及びＡＬＤシステム２００内のガスの流れをコンピュータの制御下におくことができることは、当業者にとって明らかである。本実施例では、コンピュータは、コンピュータで読み取り可能な媒体に記憶された命令を実行して、ＡＬＤシステム２００の要素の統合された機能を正確に制御して絶縁層を形成する。
【００４５】
図３に、原子層堆積によって絶縁層を処理する方法の実施例の要素の流れ図を示す。本実施例は、ブロック３１０において、原子層堆積によって基板上に金属の層を形成するステップと、ブロック３２０において、原子層堆積によってこの金属層上にこの金属の酸化物の層を形成するステップとを具えている。一具体例では、金属層を最大10サイクルの金属シーケンスを実行することによって形成する。一具体例では、金属層を4サイクルから10サイクルまでの金属シーケンスを実行することによって形成する。実行する金属酸化物シーケンスのサイクル数は、所望の厚さの金属酸化物が提供されるように選択する。
【００４６】
一具体例では、原子層堆積によってハフニウム層を基板上に形成する。このハフニウムは、硝酸ハフニウムの先駆物質を用いて基板上に堆積させる。一具体例では、硝酸ハフニウムの先駆物質を用いて最大10サイクルを実行する。基板上のハフニウムの形成の完了後に、所定サイクル数の酸化ハフニウム・シーケンスを実行する。所定サイクル数の酸化ハフニウム・シーケンスの実行終了時に、酸化ハフニウム層が基板上にできる。ハフニウム層の形成に続いて酸化ハフニウム層の形成を行うプロセスを実行すれば、Ｈf／ＨfＯ2ナノ積層が製造される。しかし、ＨfＯ2の形成中にシリコン基板に向かって拡散する酸素は、酸化シリコンの境界面領域の形成を防止するハフニウム層と相互作用する。
【００４７】
各原子層堆積の実行は、１つ以上の先駆物質を所定期間だけ反応チャンバ内にパルス発射することを含む。この所定期間は、反応チャンバ内にパルス発射する先駆物質毎に個別に制御する。さらに、先駆物質のパルス発射毎に基板を選択した温度に維持し、この選択温度は、各先駆物質をパルス発射する毎に独立して設定する。これに加えて、各先駆物質は、別個の環境条件下で反応チャンバ内にパルス発射することができる。先駆物質が単一の先駆物質であっても先駆物質の混合物であっても、先駆物質の性質に応じた適切な温度及び圧力を維持する。
【００４８】
原子層堆積を用いれば、先駆物質のパルス発射毎に、これ続いて反応チャンバをパージガスでパージすることによって、先駆物質ガスのパルス発射が分離される。具体例では、窒素ガスを、１サイクル中に用いる各先駆物質のパルス発射に続くパージガスとして用いて、酸化ハフニウムの層を形成する。これに加えて、反応チャンバを真空排気することによって反応チャンバをパージすることができる。
【００４９】
図４に、酸化ハフニウムを含む絶縁層を原子層堆積によって処理する方法の具体例の流れ図を示す。この具体例は、図２Ａ、２Ｂの原子層堆積システム２００によって実現することができる。
【００５０】
ブロック４０５では基板２１０を用意する。トランジスタを形成するために用いる基板は一般に、シリコンまたはシリコンを含む材料である。他の具体例では、ゲルマニウム基板、砒化ガリウム基板、シリコン・オン・サファイア（サファイア基板上にシリコン膜を積層した構造）基板、あるいは他の適切な基板を用いることができる。この準備プロセスは、基板２１０の洗浄及び基板の層及び領域の形成を含むことができ、例えば、ゲート絶縁体の形成に先立つ、金属酸化物半導体（ＭＯＳ：metal oxide semiconductor）トランジスタのドレイン及びソースの形成である。具体例では、基板を洗浄して自然酸化膜をなくした初期基板を提供する。具体例では、初期基板を洗浄して水素終端化した表面も提供する。具体例では、シリコン基板に、ＡＬＤ処理の前に最終ＨＦ洗浄を施して、水素終端化された表面をシリコン基板に自然酸化膜層なしに設ける。
【００５１】
処理中のトランジスタの領域形成のシーケンス（手順）は、ＭＯＳトランジスタの製造において一般的に実行される代表的なシーケンスに続くことは当業者にとって周知である。こうした処理には、ＭＯＳ製造において一般に実行されるように、ゲート絶縁体の形成中に保護すべき基板領域のマスキングも含まれる。本実施例では、トランジスタのボディ領域を非マスク領域に含めることができるが、他の半導体デバイス構造もこのプロセスを利用できることは当業者にとって明らかである。これに加えて、直ちに処理できる形の基板２１０を、反応チャンバ２２０内のある位置に搬入してＡＬＤ処理を行う。
【００５２】
ブロック４１０では、ハフニウム・コーティング（被覆）先駆物質を反応チャンバ２２０内にパルス発射する。具体例では、無水硝酸ハフニウムＨf(ＮＯ3)4を先駆物質として用いる。Ｈf(ＮＯ3)4先駆物質は、基板２１０上のガス分配器２４０を通して反応チャンバ２２０内にパルス発射する。マスフロー・コントローラ２５６は、ガス源２５１からのＨf(ＮＯ3)4の流れを調整する。具体例では、基板温度を約180℃に維持する。他の具体例では、基板温度を約300℃〜約500℃に維持する。Ｈf(ＮＯ3)4は、基板２１０の非マスク領域によって規定される所定領域内で基板２１０の表面と反応する。
【００５３】
他の具体例では、ハフニウムを含む先駆物質がテトラ塩化（テトラクロリド）ハフニウム先駆物質を含む。テトラ塩化ハフニウムは優れた均質性及び堆積の開始性を備えているが、複数回のＡＬＤサイクルを用いて、全体をカバーする水素終端化されたシリコン表面を生成する、というのは、テトラ塩化物類によるＳi−Ｈボンド（結合）の変位は容易に達成されないからである。水素終端化したシリコン上への堆積の開始に関するこの困難性は、表面粗さ及び堆積の非一貫性をもたらす。さらに、金属テトラ塩化物は少量の塩素を層内に含む傾向もあり、このことは安定性及び信頼性の問題をもたらし得る。
【００５４】
ハフニウムの無水硝酸塩は、水素終端化したシリコン上への堆積の開始のより良好な制御を可能にし、このことは、トランジスタにおける界面特性の最適化及びキャリア移動度の改善を手助けする。これらの先駆物質は、炭化水素またはハロゲンの不純物を残さず、窒素酸化物の副産物が容易に除去される。
【００５５】
ブロック４１５では、最初のパージガスを反応チャンバ２２０内にパルス発射する。具体例では、約99.999%の純度を有する窒素をパージガスとして用いる。マスフロー・コントローラ２５６は、パージガス源２６１からガス導管２７０内への窒素流を調整する。純窒素のパージガスを用いて、先駆物質パルスの重複及びガス段階の反応の可能性を回避する。パージに続いて、ハフニウム金属シーケンスのサイクルを完了する。そして、ブロック４２０では、所望サイクル数のハフニウム金属シーケンスが完了したか否かについての判定を行う。所望サイクル数のハフニウム金属シーケンスが完了していなければ、プロセスは、ブロック４１０の、ハフニウムを含む先駆物質の基板上へのパルス発射に戻る。所望サイクル数のハフニウム金属シーケンスが完了していれば、プロセスはハフニウム層上への酸化ハフニウムの形成に移る。
【００５６】
具体例では、所望サイクル数のハフニウム金属シーケンスは、ハフニウム金属層を基板上に形成するための複数回のサイクルであり、2, 3オングストロームの厚さを提供する。具体例では、約4〜10サイクルを実行して2, 3オングストロームの厚さを提供する。他の具体例では、約10サイクルを実行してハフニウム金属の厚さを提供する。具体例では、ハフニウム・シーケンスの各サイクルが、約0.6秒間の硝酸ハフニウムのパルス発射及び約0.6秒間の窒素パージガスのパルス発射を含む。酸化ハフニウムを形成する前のハフニウム金属層の基板上への形成は、これに続く酸化ハフニウムのＡＬＤ形成中に酸素がシリコン表面へ拡散することを防止する。酸化ハフニウムをＡＬＤによって形成しているので、シリコン基板に向かって拡散する酸素はハフニウム金属層と相互作用する。具体例では、ハフニウム層が実質的に酸化ハフニウムになる。
【００５７】
基板２１０上へのハフニウム金属層の形成の完了に続いて、ブロック４３０では、２番目のハフニウムを含む先駆物質を基板２１０上にパルス発射する。具体例では、無水硝酸ハフニウムＨf(ＮＯ3)4を先駆物質として用いる。Ｈf(ＮＯ3)4先駆物質は、基板２１０上のガス分配器２４０を通して反応チャンバ２２０内にパルス発射する。マスフロー・コントローラ２５７はガス源２５２からのＨf(ＮＯ3)4の流れを調整する。具体例では、基板温度を約180℃に維持する。他の具体例では、基板温度を約300℃〜約500℃に維持する。Ｈf(ＮＯ3)4は基板２１０の表面と反応して、基板２１０上には、基板２１０の非マスク領域によって規定される所望領域にハフニウム金属層が既に形成されている。
【００５８】
ブロック４３５では、ハフニウムを含む先駆物質をパルス発射した後に２番目のパルスガスをパルス発射する。具体例では、窒素を２番目のパージガスとして用いる。過剰な先駆物質ガス及び反応副産物は、パージガスと真空ポンプ２８２を用いてマスフロー・コントローラ２８７を通した反応チャンバ２２０の排気との協働によって、及び真空ポンプ２８１によるマスフロー・コントローラ２８６を通したガス導管２７０の排気によってシステムから除去される。
【００５９】
２番目のパージガスをパルス発射した後に、ブロック４４０では、酸素を含む先駆物質を反応チャンバ２２０内にパルス発射する。具体例では、酸素を含む先駆物質が水蒸気である。Ｈ2Ｏ蒸気の先駆物質を、基板２１０上のガス分配器２４０を通して反応チャンバ２２０内にパルス発射する。マスフロー・コントローラ２５８はガス源２５３からのＨ2Ｏ蒸気の流れを調整する。具体例では、基板温度を約180℃に維持する。他の具体例では、基板温度を約300℃〜約500℃に維持する。水蒸気は基板２１０の現在の表面と積極的に反応する。
【００６０】
ブロック４４５では、３番目のパージガスをシステム内に導入する。窒素ガスもパージ兼キャリアガスとして用いることができる。パージガス源２６２からガス導管２７０に入り、その後に反応チャンバ２２０内に入る窒素の流れは、マスフロー・コントローラ２６７によって制御される。他の具体例では、アルゴンガスをパージガスとして用いることができる。
【００６１】
Ｈf(ＮＯ3)4／水蒸気シーケンス中には、加熱素子２３０によって基板を約180℃に保持する。Ｈf(ＮＯ3)4は約0.6秒間パルス発射する。Ｈf(ＮＯ3)4パルス後に、酸化ハフニウム・シーケンスを継続し、パージパルスに水蒸気パルスが続き、これにパージパルスが続く。具体例では、ハフニウム／酸素シーケンスは、0.6秒のＨf(ＮＯ3)4パルス、0.6秒の窒素パルス、0.6秒の水蒸気パルス、及び0.6秒の窒素パルスを含む。他の具体例は、先駆物質のための約0.2秒から数秒までの範囲のパルス期間、及びパージガスのための約0.5秒から約20秒までの範囲のパルス期間を含む。
【００６２】
ブロック４５０では、所望サイクル数を実行したか否かについての判定、即ち、完了したサイクル数が所定数に等しいか否かの判定を行う。この所定数は、ＡＬＤ酸化ハフニウム絶縁層の厚さに対応する。完了したサイクル数がこの所定数未満であれば、ブロック４３０では、２番目のハフニウムを含む先駆物質を反応チャンバ２２０内にパルス発射してプロセスを継続する。所望の厚さを形成するための合計サイクル数を完了していれば、酸化ハフニウムを含む絶縁層をアニール加熱してあらゆる残留窒素酸化物を除去することができる。アニール加熱中の半導体基板表面への酸素の拡散を回避するために、いずれのアニール加熱も短期間中には無酸素環境中で実行することができる。アニール加熱環境の具体例は窒素環境を含むことができる。半導体基板への酸素拡散を回避することに加えて、酸化ハフニウム絶縁層の原子層堆積が用いる比較的低い温度は、アモルファス酸化ハフニウム絶縁層の形成を可能にする。
【００６３】
酸化ハフニウム層の厚さは、パルス期間に対する固定の成長速度、及び使用する先駆物質によって決まり、Ｎnm／サイクルのようなある値に設定される。例えばＭＯＳトランジスタのゲート絶縁体を形成する応用における所望の酸化ハフニウム層の厚さｔについては、ＡＬＤプロセスを合計ｔ／Ｎサイクル反復する。一旦、このｔ／Ｎサイクルを完了すると、酸化ハフニウムのさらなるＡＬＤ処理は実行しない。具体例では、ＡＬＤ処理が、約8から約25までの範囲の比誘電率を有する酸化ハフニウムを含む絶縁層の作製を行う。
【００６４】
ブロック４５５では、酸化ハフニウムを形成した後に、酸化ハフニウムを含む絶縁層を有するデバイスの処理を完了する。具体例では、デバイスの完成がトランジスタの形成の完了を含む。他の具体例では、デバイスの完成がキャパシタの形成の完了を含む。あるいはまた、プロセスの完了が、原子層堆積させた酸化ハフニウムを含むゲート絶縁体を伴って形成したアクセストランジスタを持つアレイを有するメモリーデバイスの構成の完了を含む。他の具体例では、プロセスの完了が、原子層堆積させた酸化ハフニウムを含む絶縁層を伴って形成したトランジスタを有する電子デバイスを用いた情報処理装置を含む電子システムの形成を含む。コンピュータのような情報処理装置は一般に、多数のアクセストランジスタを有するメモリーデバイスを多数含む。
【００６５】
本明細書の開示を読んで理解すれば、図４の実施例における原子層堆積させた酸化ハフニウム層の形成は、所定の用途向けに形成する酸化ハフニウム層、及びこの酸化ハフニウム層を製造するために使用するシステムに応じて、他の種々の環境条件及びパルス期間の下で実行可能であることは当業者にとって明らかである。環境条件、使用する先駆物質、採用するパージガス、及びこれらの先駆物質及びパージガスのパルス期間の決定は、不必要な実験なしに行うことができる。
【００６６】
酸化ハフニウム絶縁層の原子層堆積は、ＡＬＤシステム２００のような原子層堆積システムにおいて、種々の具体例を実行するためのコンピュータの制御下で処理することができ、そしてこれらの具体例を実行するためのコンピュータで実行可能な命令の下で操作することができる。具体例では、絶縁層を形成するためのコンピュータ化した方法、及びこうした方法用のコンピュータで実行可能な命令が、原子層堆積によって金属層を形成すること、及び原子層堆積によってこの金属層上に金属酸化物層を形成することを含む。他の具体例では、絶縁層を形成するためのコンピュータ化した方法、及びこうした方法用のコンピュータで実行可能な命令が、原子層堆積によって基板上にハフニウム金属層を堆積させること、及び原子層堆積によってこのハフニウム金属層上に酸化ハフニウム層を形成することを含む。
【００６７】
具体例では、絶縁層を形成するためのコンピュータ化した方法、及びこうした方法用のコンピュータで実行可能な命令がさらに、原子層堆積によって酸化ハフニウム絶縁層を形成することを含み、ここでは各先駆物質を所定期間だけ反応チャンバ内にパルス発射する。この所定期間は、反応チャンバ内にパルス発射する先駆物質毎に個別に制御する。さらに、先駆物質の発射毎に、基板を選択した温度に維持することができる。これに加えて、先駆物質のパルス発射毎に、これに続いて反応チャンバをパージガスでパージする。
【００６８】
具体例では、絶縁層を形成するためのコンピュータ化した方法、及びこうした方法用のコンピュータで実行可能な命令が、ハフニウム及び酸化ハフニウムの堆積を調整して、約8から約25までの範囲の比誘電率を有する絶縁層を形成することを含むことができる。
【００６９】
具体例では、絶縁層を形成するためのコンピュータ化した方法、及びこうした方法用のコンピュータで実行可能な命令が、反応チャンバの環境を制御することを含む。これに加えて、このコンピュータ化した方法は、パージガスのパルス発射を制御し、各先駆物質ガスについて１回、関連する先駆物質ガスをパルス発射した後に各パージガスを発射する。コンピュータを用いて絶縁層を成長させるためのパラメータを制御することは、絶縁層の処理に広範囲にわたるパラメータを提供して、使用するＡＬＤシステム用に設定すべき最適なパラメータの決定を可能にする。これらのコンピュータで実行可能な命令は、あらゆるコンピュータ読取可能媒体で提供することができる。こうしたコンピュータ読取可能媒体は、フロッピー（登録商標）ディスク、ディスケット、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュＲＯＭ、不揮発ＲＯＭ、及びＲＡＭを含むことができるが、これらに限定されない。
【００７０】
この方法の具体例は、図２ＡのＡＬＤシステムを用いて実現することができ、ＡＬＤシステム２００の個別要素の制御はコンピュータ（図２Ａには図示せず）に結合することができる。このコンピュータは、先駆物質ガスのチャンバ２２０内への流れを調整することによって、酸化ハフニウム絶縁層を処理するための動作の制御を行う。このコンピュータは、マスフロー・コントローラ２５６〜２５９を制御することによって、先駆物質の流量（フローレート）及びこれらのガスのパルス期間を制御する。これに加えて、このコンピュータはガス源２５１〜２５４の温度を制御する。さらに、パージガス源２６１、２６２からのパージガスのパルス期間及び流れは、それぞれマスフロー・コントローラ２６６、２６７のコンピュータ制御によって調整される。
【００７１】
前記コンピュータは、チャンバの内部で基板２１０上に絶縁層を形成する反応チャンバ２２０の環境も調整する。前記コンピュータは、真空ポンプ２８１、２８２を制御することによって、それぞれマスフロー・コントローラ２８６、２８７を通して、反応チャンバ２２０内の圧力を所定の圧力範囲内に調整する。前記コンピュータは、ヒータ２３０を制御することによって基板２１０の温度範囲も所定範囲内に調整する。
【００７２】
簡単のため、ＡＬＤ２００の要素に至る個別の制御線、並びにコンピュータは図２Ａに示していない。図２Ａを参照したコンピュータ制御の以上の説明は、酸化ハフニウムを含む絶縁層を形成するための具体例を、本明細書に記載のコンピュータ化した方法を用いて実施するための情報を当業者に提供する。
【００７３】
本明細書に記載の実施例は、広い範囲の利用可能な実効酸化膜厚ｔeqを、約8から約25までの範囲の比誘電率と共に有する絶縁層を成長させるためのプロセスを提供する。本発明の実施例によるｔeqの範囲は次表の通りである：
【００７４】
【表１】
2006523952.tif 000003
【００７５】
酸化ハフニウムの材料層の比較的大きい比誘電率は、10nm（100Å）の範囲の物理的厚さを有する絶縁層の作製を可能にしつつ、5nm（50Å）以下のｔeqを達成する。以上より、酸化ハフニウムを含む層を約1.5Åから約12Åまでの範囲で達成できることは明らかである。さらに、原子層堆積させた酸化ハフニウム層は、2, 3Åより大幅に小さいｔeqを、さらに1.5Å以下さえも提供することができる。
【００７６】
モノレイヤの厚さの範囲のｔeqの達成は、半導体基板表面と酸化ハフニウム絶縁層との境界層に関連し、この境界層は例外的に小さいか、あるいは酸化ハフニウムの比誘電率に近い比誘電率を有する材料から成る。ＳiＯ2境界層の形成は回避すべきである。従って、ＡＬＤプロセスの最初のシーケンスの最初のパルスより前の半導体基板表面の準備は、存在し得るあらゆるＳiＯ2層を除去すること、及びＡＬＤプロセスの開始前のＳiＯ2の形成を防止することを含むべきである。さらに、ＡＬＤによる金属層の最初の形成、例えば酸化ハフニウム絶縁層についての具体例におけるハフニウム層の形成は、ＳiＯ2境界層の低減または解消を手助けする。酸化ハフニウムを形成する前にハフニウム金属層を基板上に形成することは、これに続く酸化ハフニウムのＡＬＤ形成中に酸素がシリコン表面へ拡散することを防止する。酸化ハフニウムはＡＬＤによって形成されるので、シリコン基板に向かって拡散する酸素はハフニウム金属層と相互作用する。具体例では、ハフニウム層が実質的に酸化ハフニウムになる。
【００７７】
シリコン基板との境界面におけるハフニウム金属は、シリコン基板と酸化ハフニウム層との間の境界層としてハフニウム・シリサイドを形成することができる。このハフニウム・シリサイド境界層は小さいが、シリコン基板上に堆積させた絶縁層の実効的な比誘電率を低減する。しかし、ハフニウム・シリサイドの比誘電率は約8であり、これは二酸化シリコン絶縁層の比誘電率よりずっと高い。ハフニウム・シリサイドの形成、及びこの境界領域の厚さに応じて、ハフニウム金属の原子層堆積に続く酸化ハフニウムの原子層堆積によって形成される酸化ハフニウムの比誘電率は約8から約25までの範囲になる。
【００７８】
酸化ハフニウムの薄い層に関連するあらゆる微小な粗さは、基板表面上の絶縁層の部分的なモノレイヤの形成に起因し得る。絶縁層の一部の領域では２、３サイクルでモノレイヤが形成され、絶縁層の他の領域では１、２サイクルでモノレイヤが形成されることにより、酸化ハフニウム絶縁層の表面にある程度の微小な粗さが現われ得る。硝酸ハフニウムの先駆物質の使用は、基板表面にわたって均一な分布を提供して、こうした絶縁層の微小な粗さの発生を軽減することを手助けするものと考えられる。酸化ハフニウム絶縁層の微小な粗さを低減するかあるいはほぼ解消するための特定の成長速度及び処理条件は、所定の用途のために酸化ハフニウム絶縁層を処理するＡＬＤシステムの通常の初期テスト中に、不必要な実験なしに決めることができることは、当業者にとって明らかである。
【００７９】
さらに、原子層堆積によって形成した酸化ハフニウムの絶縁層は、非常に薄いｔeqの層のみならず、比較的低い漏れ電流を有する層も提供する。ＡＬＤを用いて精密に作製した層の厚さを、調整された比誘電率、良好なブレークダウン（降伏）電界特性、及び比較的低い漏れ電流と共に提供することに加えて、ＡＬＤ処理は、選択した基板表面上に層として適合する絶縁層を提供する。
【００８０】
酸化ハフニウムの原子層堆積を実行するプロセスの上述した具体例は、形成する絶縁層の厚さを精密に制御するために用いられ、原子層堆積プロセスは、非常に薄いｔeqを提供することに加えて、比較的平滑な表面及び限定された境界層の形成を提供する。これに加えて、酸化ハフニウム絶縁層のような絶縁層のＡＬＤ処理のこれらの具体例を実現して、トランジスタ、キャパシタ（コンデンサ）、メモリーデバイス、及び情報処理装置を形成することができる。酸化ハフニウム層の慎重な準備及び作製、境界領域の大きさの限定により、これらのデバイス用の約5Å〜約3Åまたはそれ以下のｔeqの見通しが得られる。
【００８１】
図１に示すトランジスタ１００は、ソース領域１２０及びドレイン領域１３０をシリコンベースの基板１１０内に形成することによって形成することができ、ソース領域１２０とドレイン領域１３０とはボディ領域１３２によって分離されている。ボディ領域１３２はチャンネル長１３４を有するチャンネルを規定する。絶縁層を基板１１０上に堆積させ、即ち原子層堆積によって基板１１０上の酸化ハフニウムを含む層として形成する。結果的な酸化ハフニウム絶縁層はゲート絶縁体１４０を形成する。
【００８２】
ゲート絶縁体１４０上にゲート１５０を形成する。一般に、ゲート１５０の形成はポリシリコン層の形成を含むことができるが、代案のプロセスでは金属ゲートを形成することができる。基板、ソース及びドレイン領域、及びゲートの形成は、当業者にとって既知の標準的なプロセスを用いて実行する。これに加えて、トランジスタを形成するプロセスの種々の要素の順次実行も、当業者にとって既知の標準的な製造プロセスを用いて行う。
【００８３】
種々の具体例における原子層堆積した酸化ハフニウムを形成する方法は、絶縁層を有する他のトランジスタ構造に適用することができる。図５に、原子層堆積した酸化ハフニウム絶縁層を有するトランジスタ５００の構成の具体例を示す。トランジスタ５００は、ボディ領域５３２によって分離されたソース５２０及びドレイン５３０を有するシリコンベースの基板５１０を具えている。ソース領域５２０とドレイン領域５３０との間のボディ領域５３２は、チャンネル長５３４を有するチャンネル領域を規定する。ボディ領域５３２上には、ゲート絶縁体５４０、フローティング（浮動）ゲート５５２、フローティングゲート絶縁体５４２、及び制御ゲート５５０を含むスタック（積層）５５５が配置されている。ゲート絶縁体５４０は上述した原子層堆積した酸化ハフニウムを含めて形成し、トランジスタ５００の残りの要素は当業者にとって既知のプロセスを用いて形成することができる。あるいはまた、ゲート絶縁体５４０及び浮動ゲート絶縁体５４２は共に、本明細書に記載の種々の具体例における酸化ハフニウムを含む絶縁層として形成することができる。
【００８４】
酸化ハフニウム絶縁層を形成する方法は、種々の集積回路、メモリーデバイス、及び電子システム内のキャパシタの形成にも適用することができる。キャパシタを形成する方法は、第１導電層を形成するステップ、原子層堆積によってこの第１導電層上に酸化ハフニウムを含む絶縁層を形成するステップ、及びこの絶縁層上に第２導電層を形成するステップを含む。酸化ハフニウム絶縁層のALD形成は、この絶縁層を所望の比誘電率を提供する所定範囲内の組成に作製することを可能にする。
【００８５】
トランジスタ、キャパシタ、及び本明細書に記載の方法を用いた原子層堆積によって形成した絶縁層、例えば酸化ハフニウム絶縁層を有する他のデバイスは、メモリーデバイス、及び情報処理装置を含む電子システム内で実現することができる。こうした情報装置は、無線システム、電気通信システム、及びコンピュータを含むことができる。本明細書に記載の方法を用いた原子層堆積によって形成した絶縁層、例えば酸化ハフニウム絶縁層を有するコンピュータの具体例を図６〜８に示して説明する。以下では特定種類のメモリーデバイス及び演算装置を示しているが、いくつかの種類のメモリーデバイス、及び情報処理装置を含む電子システムが本発明を利用できることは当業者にとって明らかである。
【００８６】
図６及び７に示すように、パーソナルコンピュータ６００はモニター６０１、キーボード入力６０２、及び中央処理装置６０４を具えることができる。中央処理装置６０４は一般に、マイクロプロセッサ７０６、複数のメモリースロット７１２（ａ〜ｎ）を有するメモリーバス回路７０８、及び他の周辺回路７１０を含むことができる。周辺回路７１０は、種々の周辺装置７２４が入出力（Ｉ／Ｏ）バス７２２を介してプロセッサメモリーバス７２０とインターフェース（接触）することを可能にする。図６及び７に示すパーソナルコンピュータは、本明細書に記載の本発明の実施例による方法を用いた原子層堆積によって形成した絶縁層、例えば酸化ハフニウム絶縁層を有する少なくとも１つのトランジスタも含む。
【００８７】
マイクロプロセッサ７０６は、メモリーバス回路７０８とマイクロプロセッサ７０６との間、及びメモリーバス回路７０８と周辺回路７１０との間のデータの交換を制御するための制御信号及びデータ信号を生成する。このデータの交換は、高速メモリーバス７２０及び高速Ｉ／Ｏバス７２２上で達成される。
【００８８】
複数のメモリースロット７１２（ａ〜ｎ）はメモリーバス７２０に結合され、例えば、シングル・インライン・モジュール（ＳＩＭＭ：single in-line module）及びデュアル・インライン・モジュール（ＤＩＭＭ：dual in-line module）を、本発明の実施例の実現に用いることができる。
【００８９】
これらのメモリーデバイスは、メモリースロット７１２のダイナミック・メモリーセルの異なる読出し及び書込み方法を提供する種々の設計で生産することができる。こうした方法の１つがページモード動作である。ＤＲＡＭのページモード動作は、メモリーセルアレイの行をアクセスし、このアレイの異なる列をランダムにアクセスする方法によって定義される。行と列との交点に記憶されているデータは、当該列がアクセスされている間に読み出して出力することができる。ページモードのＤＲＡＭは、メモリー回路７０８の通信速度を制限するアクセスステップを用いる。
【００９０】
これに代わるデバイスの種類はエクステンデッド・データ・アウトプット（ＥＤＯ：extended data output、拡張データ出力）メモリーであり、これはメモリーアレイのあるアドレスに記憶されたデータを、アドレス指定された列が閉じられた後に出力として利用可能にする。このメモリーは、メモリー出力データがメモリーバス７２０上で利用可能な時間を減らすことなしに、より短いアクセス信号を可能にすることによって、一部の通信速度を増加させることができる。これに代わる他の種類のデバイスは、ＳＤＲＡＭ（synchronous DRAM）、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ（double data rate SDRAM）、ＳＬＤＲＡＭ（synchronous link DRAM）、及びダイレクトＤＲＡＭ、並びにＳＲＡＭまたはフラッシュメモリーのような他のものを含む。
【００９１】
図８に、本明細書に記載の実施例により形成した原子層堆積した絶縁層を有するＤＲＡＭメモリーデバイス８００の具体例を図式的に示す。図に示すＤＲＡＭメモリー８００は、メモリースロット７１２（ａ〜ｎ）に適合する。ＤＲＡＭメモリーデバイス８００の説明は、ＤＲＡＭメモリーデバイスを例示する目的で簡略化し、ＤＲＡＭのすべての特徴を完全に説明することは意図しない。本発明の実施例の実現に広範な種類のメモリーデバイスを使用できることは当業者にとって明らかである。図８に示すＤＲＡＭメモリーデバイスの具体例は、本発明の教示による本明細書に記載の方法を用いた原子層堆積によって形成した絶縁層、例えば酸化シリコン絶縁層を有するトランジスタを少なくとも１つ具えている。
【００９２】
メモリーバス７２０を介して供給される制御、アドレス、及びデータ情報はさらに、図８に示すように、ＤＲＡＭ８００の個別の入力として表わされる。これらの個別入力の表現は、データ線（ライン）８０２、アドレス線８０４、及び制御論理回路８０６に向かう種々の独立線によって示す。
【００９３】
現在技術で周知のように、ＤＲＡＭ８００はメモリーアレイ８１０を具え、メモリーアレイ８１０はアドレス指定可能なメモリーセルの行及び列から成る。ワード線は個々のトランジスタのゲートに結合され、少なくとも１つのトランジスタは、前述した方法及び構造による原子層堆積によって形成したゲート絶縁体、例えば酸化ハフニウム絶縁体に結合されたゲートを有する。これに加えて、列内の各メモリーセルは共通のビット線に結合されている。メモリーアレイ８１０内の各セルは記憶キャパシタ及びアクセストランジスタを具え、このことは現在技術で通常のことである。
【００９４】
ＤＲＡＭ８００は、アドレス線８０４及びデータ線８０２を通して例えばマイクロプロセッサ７０６とインタフェースする（接続される）。あるいはまた、ＤＲＡＭ８００はＤＲＡＭコントローラ、マイクロコントローラ、チップセット（チップ設定）または他の電子システムとインタフェース（接続）することができる。マイクロプロセッサ７０６は複数の制御信号もＤＲＡＭ８００に供給し、これらの制御信号は行及び列のアドレス・ストローブ信号ＲＡＳ及びＣＡＳ、ライト・イネーブル（書込み許可）信号ＷＥ、出力イネーブル信号ＯＥ、及び他の通常の制御信号を含むが、これらに限定されない。
【００９５】
行アドレスバッファ８１２及び行デコーダ８１４は、マイクロプロセッサ７０６によってアドレス線８０４上に供給される行アドレス信号から行アドレスを受け取り復号化（デコード）する。一意的な各行アドレスが、メモリーアレイ８１０内の一行のセルに対応する。行デコーダ８１４は、ワード線ドライバ（駆動回路）、アドレスデコーダ・ツリー、及び行アドレスバッファ８１２から受け取った所定の行アドレスを解釈して、前記ワード線ドライバによってメモリーアレイ８１０の適切なワード線を選択して活性化する回路を具えることができる。
【００９６】
列アドレスバッファ８１６及び列デコーダ８１８は、アドレス線８０４上に供給される列アドレス信号を受信し復号化する。列デコーダ８１８は、列に欠陥があること、及び代わりの列のアドレスも特定する。列デコーダ８１８はセンスアンプ（センス増幅器、読取り増幅器）８２０に結合されている。センスアンプ８２０はメモリーアレイ８１０のビット線の相補的な対に結合されている。
【００９７】
センスアンプ８２０は、データ入力バッファ８２２及びデータ出力バッファ８２４に結合されている。データ入力バッファ８２２及びデータ出力バッファ８２４はデータ線８０２に結合されている。書込み動作中には、データ線８０２がデータ入力バッファ８２２にデータを供給する。センスアンプ８２０は、データ入力バッファ８２２からデータを受け取って、このデータを、データ線８０４上で指定されたアドレスにあるセルのキャパシタの変化としてメモリーアレイ８１０内に記憶する。
【００９８】
読出し動作中には、ＤＲＡＭ８００はメモリーアレイ８１０からマイクロプロセッサ７０６にデータを転送する。アクセスされているセル用の相補的なビット線は、プリチャージ（事前充電）動作中に、平衡回路及び基準電圧源によって供給される基準電圧と平衡になる。そして、アクセスされているセルに蓄積されている電荷は、関連するビット線に分配される。センスアンプ８２０の１つのセンスアンプは、前記相補的なビット線間の電圧さを検出し増幅する。このセンスアンプは増幅した電圧をデータ出力バッファ８２４に渡す。
【００９９】
制御論理回路８０６は、ＤＲＡＭ８００の多数の利用可能な機能を制御するために用いる。これに加えて、本明細書では詳細に説明しない種々の制御回路及び制御信号がＤＲＡＭ８００の動作を開始し同期させることは当業者にとって既知である。上述したように、ＤＲＡＭ８００の説明は本発明の実施例を例示する目的で簡略化してあり、ＤＲＡＭのすべての特徴を完全に説明することを意図していない。これらに限定されないが、ＳＤＲＡＭ、ＳＬＤＲＡＭ、ＲＤＲＡＭ（direct Rambus DRAM）及び他のＤＲＡＭ、及びＳＲＡＭ、ＶＲＡＭ（video RAM）及びＥＥＰＲＯＭ（electrically erasable programmable ROM）を含む広範なメモリーデバイスを本発明の実施例の実現に用いることができることは、当業者にとって明らかである。本明細書に記載のＤＲＡＭの実現は例示的なものに過ぎず、排他及び限定を意図したものではない。
【０１００】
（結論）
本明細書に記載の方法を用いた原子層堆積によって形成した絶縁層、例えば酸化ハフニウム絶縁層は、ＳiＯ2を用いて達成可能な絶縁層より薄い実効酸化膜厚を有する高信頼性の絶縁層を生成する。本明細書に記載の方法を用いて形成した原子層堆積の酸化ハフニウムを含む絶縁層は熱力学的に安定であり、このため形成される絶縁層は、処理中にシリコン基板または他の構造と最小限の反応を行う。
【０１０１】
比較的低い処理温度で酸化ハフニウム層を原子層堆積によって形成することは、アモルファスであり、かつ基板上に層として適合する酸化ハフニウム層を可能にする。さらに、酸化ハフニウム絶縁層のＡＬＤ形成は、アモルファスＳiＯx層によって達成される特性よりも向上した絶縁及び電気特性を提供する。原子層堆積した酸化ハフニウム層を含む層のこれらの特性は、多数の電子デバイス及びシステムにおける絶縁層としての応用を可能にする。
【０１０２】
キャパシタ、トランジスタ、光電デバイス、高レベルのＩＣまたはデバイス、及び電子システムが、非常に薄い実効酸化膜厚ｔeqを有する絶縁層を形成するプロセスの種々の具体例を利用して構成される。シリコン酸化物の比誘電率よりずっと高い比誘電率を有する原子層堆積した酸化ハフニウムを含むゲート絶縁層が形成され、これらの絶縁層は10Åより薄いｔeq、ＳiＯ2ゲート絶縁体について想定される限界より薄いｔeqを可能にする。これらの絶縁層のより薄いｔeqは、ＳiＯ2ゲート絶縁体より高いキャパシタンスを可能にし、このことはさらに、マイクロエレクトロニクス装置及びシステムのための効果的な縮小をもたらす。同時に、原子層堆積した酸化ハフニウム絶縁層の物理的厚さは、ＳiＯ2のｔeq限界に関連するＳiＯ2の厚さよりずっと大きい。より大きい厚さを形成することは、ゲート絶縁体及び他の絶縁層用の製造プロセスを手助けする。さらに、原子層堆積によって可能な、比較的低温で処理した酸化ハフニウム層は、電子デバイス及びシステムにおける絶縁層として使用するための比較的低い漏れ電流を有するアモルファス絶縁層を提供する。
【０１０３】
本明細書では特定の実施例を図示し説明してきたが、同じ目的を達成すべく案出したあらゆる構成が、本明細書に示す特定実施例の代案となり得ることは通常の当業者にとって明らかである。本願は、本発明のあらゆる適応または変形をカバーすることを意図している。以上の説明は例示を意図したものであり限定的でないことは明らかである。以上の実施例の組合せ、及び他の実施例は、当業者が以上の説明を検討すれば明らかである。本発明の範囲は、上述した構造及び製造方法を用いる他のあらゆる応用を含む。本発明の範囲は特許請求の範囲によって定められ、これらの請求項が与えるものと等価なもの全体を含む。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】原子層堆積した酸化ハフニウムを含むゲート絶縁体を、本発明の種々の実施例により形成することのできるトランジスタの一般的な構成を示す図である。
【図２Ａ】本発明の種々の実施例による、酸化ハフニウムを含む絶縁層を処理するための原子層堆積システムを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の種々の実施例による、酸化ハフニウムを含む絶縁層を処理するための原子層堆積システムのガス分配器を示す図である。
【図３】本発明の種々の実施例による、原子層堆積によって絶縁層を処理する方法の具体例の流れ図である。
【図４】本発明の種々の実施例による、酸化ハフニウムを含む絶縁層を原子層堆積によって処理する方法の具体例の流れ図である。
【図５】本発明の種々の実施例による、原子層堆積した酸化ハフニウム絶縁層を有するトランジスタの構成の具体例を示す図である。
【図６】本発明の種々の実施例による、原子層堆積した絶縁層を有するデバイスを内蔵するパーソナルコンピュータの具体例を示す図である。
【図７】本発明の種々の実施例による、原子層堆積した絶縁層を有するデバイスを内蔵する中央処理装置の具体例を図式的に示す図である。
【図８】本発明の種々の実施例による、原子層堆積した絶縁層を有するDRAMメモリーデバイスの具体例を図式的に示す図である。
【図１】
2006523952.tif 000004
2006523952.tif 000005
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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