(57)【要約】ゲルマニウム含有半導体デバイスおよびゲルマニウム含有半導体デバイスを形成するための方法が記載される。前記方法には、ゲルマニウム含有基板を提供すること、ゲルマニウム含有基板上でアルミニウム含有拡散バリア層を堆積すること、アルミニウム含有拡散バリア層上で高ｋ層を堆積すること、および高ｋ層を原子状酸素に曝露して、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させること、が含まれる。ゲルマニウム含有半導体デバイスは、ゲルマニウム含有基板、ゲルマニウム含有基板上のアルミニウム含有拡散バリア層、およびアルミニウム含有拡散バリア層上の高ｋ層であって、前記高ｋ層は、原子状酸素に曝露されていて、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層のＥＯＴを減少させる、高ｋ層、を含む。
2018528619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム含有半導体デバイスを形成するための方法であって、前記方法は、以下：
ゲルマニウム含有基板を提供すること；
ゲルマニウム含有基板上でアルミニウム含有拡散バリア層を堆積すること；
アルミニウム含有拡散バリア層上で高ｋ層を堆積すること；および
高ｋ層を原子状酸素に曝露して、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させること、
を含む、方法。
【請求項２】
曝露することが、高ｋ層をプラズマ励起された酸化ガスに曝露することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
酸化ガスが、Ｏ２および任意に不活性ガスからなる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ゲルマニウム含有基板が、ＧｅまたはＳｉＧｅを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
アルミニウム含有拡散バリア層が、アルミニウム酸化物、アルミニウム酸窒化物、アルミニウム窒化物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
高ｋ層が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、希土類元素またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
高ｋ層が、ハフニウムの酸化物、ジルコニウムの酸化物、チタンの酸化物、希土類元素の酸化物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
高ｋ層のＥＯＴが、高ｋ層を原子状酸素に曝露した後に０．７ｎｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
アルミニウム含有拡散バリア層の物理的厚さが、約１ｎｍであり、高ｋ層の物理的厚さが、約３ｎｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
高ｋ層を堆積することが、
原子層堆積の第１の複数のサイクルを行うことにより、ゲルマニウム含有基板の表面上で第１材料の少なくとも１つの第１の単層を形成すること；
その後、第１温度で第１不活性雰囲気下で、形成された第１材料の少なくとも１つの第１の単層をアニーリングすること；
その後、原子層堆積の第２の複数のサイクルを行うことにより、第２材料の少なくとも１つの第２の単層を形成し、ここで、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層は、アニーリングされた第１材料の少なくとも１つの第１の単層に少なくとも部分的に重なること；および
その後、第２温度で第２不活性雰囲気下で、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層をアニーリングすること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
以下：
ゲルマニウム含有基板；
ゲルマニウム含有基板上のアルミニウム含有拡散バリア層；および
アルミニウム含有拡散バリア層上の高ｋ層であって、前記高ｋ層は、原子状酸素に曝露されていて、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させる、高ｋ層、
を含む、ゲルマニウム含有半導体デバイス。
【請求項１２】
原子状酸素が、酸化ガスをプラズマ励起することにより発生する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
酸化ガスが、Ｏ２および任意に不活性ガスからなる、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
ゲルマニウム含有基板が、ＧｅまたはＳｉＧｅを含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１５】
アルミニウム含有拡散バリア層が、アルミニウム酸化物、アルミニウム酸窒化物、アルミニウム窒化物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１６】
高ｋ層が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、希土類元素またはこれらの組み合わせを含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１７】
高ｋ層が、ハフニウムの酸化物、ジルコニウムの酸化物、チタンの酸化物、希土類元素の酸化物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１８】
高ｋ層のＥＯＴが、原子状酸素の曝露後に０．７ｎｍ未満である、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１９】
アルミニウム含有拡散バリア層の物理的厚さが、約１ｎｍであり、高ｋ層の物理的厚さが、約３ｎｍである、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項２０】
高ｋ層が、以下：
原子層堆積の第１の複数のサイクルを行うことにより、ゲルマニウム含有基板の表面上で第１材料の少なくとも１つの第１の単層を形成すること；
その後、第１温度で第１不活性雰囲気下で、形成された第１材料の少なくとも１つの第１の単層をアニーリングすること；
その後、原子層堆積の第２の複数のサイクルを行うことにより、第２材料の少なくとも１つの第２の単層を形成し、ここで、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層は、アニーリングされた第１材料の少なくとも１つの第１の単層に少なくとも部分的に重なること；および
その後、第２温度で第２不活性雰囲気下で、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層をアニーリングすること、
により堆積されている、請求項１１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野
本発明は、一般に、半導体デバイスに関し、より特にはゲルマニウム含有基板上に低酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）高ｋ層を含む、ゲルマニウム含有半導体デバイス、および前記デバイスの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景
金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）がスケールし（scale）続けているので、短チャネル効果がますます問題となり、例えばＦｉｎＦＥＴおよびトライゲート（trigate）などの新たなデバイスアーキテクチャが導入されてきている。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）含有半導体デバイスなどの高移動度チャネルを有する半導体デバイスおよび第ＩＩＩ〜Ｖ族半導体デバイスは、従来のシリコン（Ｓｉ）含有半導体デバイスを超える、増加したデバイス性能の可能性を提供する。高誘電定数（高ｋ）層を含む、ゲルマニウム含有半導体デバイスについての課題は、ゲルマニウム含有基板上で高ｋ層の堆積およびプロセシングの間に、酸化および／または劣化に対するゲルマニウム含有基板を保護するための必要性を含む。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の要約
ゲルマニウム含有半導体デバイスおよびゲルマニウム含有半導体デバイスを形成するための方法が記載される。ゲルマニウム含有半導体デバイスは、ゲルマニウム含有基板、ゲルマニウム含有基板上のアルミニウム含有拡散バリア層、およびアルミニウム含有拡散バリア層上の高ｋ層を含み、ここで、高ｋ層は原子状酸素に曝露され、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させる。
【０００４】
一態様によれば、前記方法には、ゲルマニウム含有基板を提供すること、ゲルマニウム含有基板上でアルミニウム含有拡散バリア層を堆積すること、アルミニウム含有拡散バリア層上で高ｋ層を堆積すること、および高ｋ層を原子状酸素に曝露して、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層のＥＯＴを減少させることが含まれる。
【０００５】
図面の簡単な説明
添付図面において、
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の態様によるゲルマニウム含有半導体デバイスの形成方法についてのプロセスフロー図を示し；
【図２】図２は、ゲルマニウム含有試験サンプルについてのキャパシタンス対電圧を示し；
【図３】図３は、図２のゲルマニウム含有試験サンプルについてのリーク密度（leakage  density）対容量有効厚さ（capacitive  effective  thickness）を示し；
【図４】図４は、本発明の態様による基板をプロセシングするためのマイクロ波プラズマ源を含むプラズマプロセシングシステムの概略図を示し；
【図５】図５は、本発明の態様による基板をプロセシングするためのマイクロ波プラズマ源を含む別のプラズマプロセシングシステムの概略図を示し；
【図６】図６は、図５におけるプラズマプロセシングシステムのガス供給ユニットの平面図を例示し；
【図７】図７は、図５におけるプラズマプロセシングシステムのアンテナ部分の部分断面図を例示する。
【０００７】
いくつかの態様の詳細な説明
先進的なゲルマニウム含有半導体デバイスについての課題は、半導体プロセシングの間に、例えばゲルマニウム含有基板上で高ｋ層の堆積および堆積後のプロセシングなどの間に、酸化および／または劣化に対するゲルマニウム含有基板を保護するための必要性を含む。本発明の態様は、ゲルマニウム含有基板および高ｋ層間のアルミニウム含有拡散バリア層を形成するための方法を説明する。ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させる高ｋ層の原子状酸素への曝露を含む堆積後プロセシングの間に、アルミニウム含有拡散バリア層（例えば、Ａｌ２Ｏ３など）は、上の高ｋ層中へのゲルマニウム拡散への良好なバリア、およびゲルマニウム含有基板中への酸素拡散への良好なバリアを提供する。
【０００８】
本発明者らは、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を減少させる高ｋ層の原子状酸素への曝露により、１０ｎｍ、７ｎｍ、および５ｎｍノードについてのリーク電流密度および熱安定性（＜５００℃）のための国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）要件を達成する低ＥＯＴ（すなわち、７オングストローム（Å）未満）がもたらされることを見出した。
【０００９】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の態様によるゲルマニウム含有半導体デバイスの形成方法についてのプロセスフロー図１００を示す。１０２において、前記方法は、プロセスチャンバ中でゲルマニウム含有基板を提供することを含む。いくつかの例において、プロセスチャンバは、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）、およびプラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）から選択され得る薄膜堆積を行うことができるものであってもよい。ゲルマニウム含有基板には、ＧｅまたはＳｉＧｅが含まれ得る。ＳｉＧｅは、ＳｉｘＧｅ１−ｘとして表すことができ、式中、ｘは、Ｓｉの原子分率であり、１−ｘは、Ｇｅの原子分率である。例示的なＳｉｘＧｅ１−ｘ化合物には、Ｓｉ０．１Ｇｅ０．９、Ｓｉ０．２Ｇｅ０．８、Ｓｉ０．３Ｇｅ０．７、Ｓｉ０．４Ｇｅ０．６、Ｓｉ０．５Ｇｅ０．５、Ｓｉ０．６Ｇｅ０．４、Ｓｉ０．７Ｇｅ０．３、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２、およびＳｉ０．９Ｇｅ０．１が含まれる。希フッ化水素酸（ＤＨＦ）または化学的酸化物除去プロセス（ＣＯＲ）を使用して、ゲルマニウム含有基板から、あらゆる酸化物層または汚染物質を除去してもよい。よって、ゲルマニウム含有基板の表面を、実質的に酸素を含まないように調製してもよい。代替的にＧｅＯ２層を、ゲルマニウム含有基板上で形成してもよい。しかしながら、ＧｅＯ２層の存在により、最終的なゲルマニウム含有半導体デバイスの酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）を増加させ得る。
【００１０】
１０４において、前記方法は、アルミニウム含有拡散バリア層をゲルマニウム含有基板上で堆積することをさらに含む。アルミニウム含有拡散バリア層の厚さは、例えば、約３Å〜約２０Å、約３Å〜約１０Å、または約４Å〜約６Åなどであり得る。一態様において、アルミニウム含有拡散バリア層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、またはこれらの組み合わせを含み得る。アルミニウム含有拡散バリア層を、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＡＬＤ、またはＰＥＣＶＤにより、アルミニウム前駆体、および酸化ソース、窒化ソース、または酸化ソースおよび窒化ソースの両方を使用して、ゲルマニウム含有基板上に堆積してもよい。
【００１１】
本発明の態様は、アルミニウム含有拡散バリア層を堆積するために広範なアルミニウム前駆体を利用し得る。アルミニウム前駆体の例には、これに限定されないが、ＡｌＭｅ３、ＡｌＥｔ３、ＡｌＭｅ２Ｈ、［Ａｌ（ＯｓＢｕ）３］４、Ａｌ（ＣＨ３ＣＯＣＨＣＯＣＨ３）３、ＡｌＣｌ３、ＡｌＢｒ３、ＡｌＩ３、Ａｌ（ＯｉＰｒ）３、［Ａｌ（ＮＭｅ２）３］２、Ａｌ（ｉＢｕ）２Ｃｌ、Ａｌ（ｉＢｕ）３、Ａｌ（ｉＢｕ）２Ｈ、ＡｌＥｔ２Ｃｌ、Ｅｔ３Ａｌ２（ＯｓＢｕ）３、Ａｌ（ＴＨＤ）３、Ｈ３ＡｌＮＭｅ３、Ｈ３ＡｌＮＥｔ３、Ｈ３ＡｌＮＭｅ２Ｅｔ、およびＨ３ＡｌＭｅＥｔ２が含まれる。
【００１２】
本発明の態様は、アルミニウム含有拡散バリア層を堆積するために広範な酸化ソースおよび窒化ソースを利用し得る。酸化ソースには、これに限定されないが、Ｏ２、原子状酸素（Ｏ）、オゾン（Ｏ３）、水（Ｈ２Ｏ）または過酸化物（Ｈ２Ｏ２）、またはこれらの組み合わせ、および任意に例えばアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスが含まれ得る。窒化ソースには、これに限定されないが、アンモニア（ＮＨ３）、原子状窒素（Ｎ）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、およびＣ１〜Ｃ１０アルキルヒドラジン化合物が含まれ得る。一般的なＣ１およびＣ２アルキルヒドラジン化合物には、モノメチルヒドラジン（ＭｅＮＨＮＨ２）、１，１−ジメチルヒドラジン（Ｍｅ２ＮＮＨ２）、および１，２−ジメチルヒドラジン（ＭｅＮＨＮＨＭｅ）が含まれる。一態様によれば、酸化ソースおよび窒化ソースの混合物を利用してもよい。一態様によれば、酸化および窒化ソースには、例えば、ＮＯ、ＮＯ２、またはＮ２Ｏ、またはこれらの組み合わせ、および任意に例えばＡｒなどの不活性ガスが含まれてもよい。
【００１３】
１０４において、前記方法は、アルミニウム含有拡散バリア層上で高ｋ層を堆積することをさらに含む。高ｋ層の厚さは、例えば、約１ｎｍ〜約１０ｎｍ、約１．５ｎｍ〜約５ｎｍ、または約２ｎｍ〜約４ｎｍなどであり得る。高ｋ層を、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥＡＬＤ、またはＰＥＣＶＤにより、高前駆体（high−precursor）、および酸化ソース、窒化ソース、または酸化ソースおよび窒化ソースの両方を使用して、アルミニウム含有拡散バリア層上に堆積してもよい。
【００１４】
一態様によれば、高ｋ層には、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、希土類元素またはこれらの組み合わせが含まれる。例えば、高ｋ層は、ハフニウムの酸化物、ジルコニウムの酸化物、チタンの酸化物、希土類元素の酸化物、またはこれらの組み合わせを含み得る。例には、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＳｉＯ、ＺｒＳｉＯ、ＨｆＯＮ、ＺｒＯＮ、ＨｆＺｒＯ、ＨｆＺｒＯＮ）、ＨｆＺｒＳｉＯ、またはＨｆＺｒＳｉＯＮ、またはこれらの２種または３種以上の組み合わせが含まれる。他の例において、高ｋ層は、例えば、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、またはイッテルビウム（Ｙｂ）、またはこれらの２種または３種以上のあらゆる組み合わせなどの希土類元素を含む酸化物、窒化物または酸窒化物を含み得る。希土類系高ｋ層１０８の例には、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）、および酸化ランタンルテチウム（ＬａＬｕＯ３）が含まれる。
【００１５】
本発明の態様は、高ｋ層を堆積するために広範な酸化ソースおよび窒化ソースを利用し得る。酸化ソースには、これに限定されないが、Ｏ２、原子状酸素（Ｏ）、オゾン（Ｏ３）、水（Ｈ２Ｏ）、または過酸化物（Ｈ２Ｏ２）、またはこれらの組み合わせ、および任意に例えばＡｒなどの不活性ガスが含まれ得る。窒化ソースには、これに限定されないが、アンモニア（ＮＨ３）、原子状窒素（Ｎ）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、およびＣ１〜Ｃ１０アルキルヒドラジン化合物が含まれ得る。一般的なＣ１およびＣ２アルキルヒドラジン化合物には、モノメチルヒドラジン（ＭｅＮＨＮＨ２）、１，１−ジメチルヒドラジン（Ｍｅ２ＮＮＨ２）、および１，２−ジメチルヒドラジン（ＭｅＮＨＮＨＭｅ）が含まれる。一態様によれば、酸化ソースおよび窒化ソースの混合物を利用してもよい。一態様によれば、酸化および窒化ソースには、例えば、ＮＯ、ＮＯ２、またはＮ２Ｏ、またはこれらの組み合わせ、および任意に例えばＡｒなどの不活性ガスが含まれてもよい。
【００１６】
１０８において、前記方法は、ゲルマニウム含有基板が酸化されるのを回避しながら、高ｋ層のＥＯＴを減少させる、高ｋ層の原子状酸素への曝露をさらに含む。いくつかの態様によれば、曝露には、プラズマ励起酸化ガスへの高ｋ層の曝露が含まれる。一例において、酸化ガスは、Ｏ２および任意に不活性ガスからなる。酸化ガスは、例えば、マイクロ波プラズマ源などのプラズマ源によりプラズマ励起されてもよい。マイクロ波プラズマ源の例は、図４〜７に記載される。
【００１７】
高ｋ層の原子状酸素への曝露により、高ｋ層中の酸素空孔を修復することにより高ｋ層のＥＯＴが減少することが予想される。高ｋ層およびゲルマニウム含有基板間のアルミニウム含有拡散バリア層の存在は、原子状酸素曝露の間の酸素拡散へのバリアとして効果的に作用し、これにより、ＥＯＴを増加させるゲルマニウム含有基板の酸化を回避する。
【００１８】
前記方法は、高ｋ層上の金属含有ゲート電極を堆積することをさらに含み得る。一態様において、金属含有ゲート電極には、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｗ、またはＴａＮ、または２種または３種以上のこれらの組み合わせが含まれ得る。金属含有ゲート電極上での金属含有ゲート電極の堆積後に、得られたフィルム構造をさらにプロセスして、トランジスタのためのゲートスタックを形成してもよい。
【００１９】
図２は、ゲルマニウム含有試験サンプルについてのキャパシタンス対電圧を示す。試験サンプルは、Ｇｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＤＡＤＡ  ＺｒＯ２  ＋  ＳＰＡＯ：  ２０２、Ｇｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＤＡＤＡ  ＨｆＯ２  ＋  ＳＰＡＯ：２０４、およびＧｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２  ＋  ＳＰＡＯ：２０６とラベルされている。ＨｆＯ２およびＺｒＯ２の高ｋ層を、堆積後処理（ＳＰＡＯ）の間にプラズマ励起された酸化ガス（Ｏ２＋Ａｒ）に曝露した。酸化ガスを、東京エレクトロン株式会社（日本国、東京）からのＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマプロセシングシステムを使用して、プラズマ励起した。マイクロ波プラズマプロセシングシステムは、プラズマ中での低電子温度により高ｋ層を処理するのに良好に適している。Ａｌ２Ｏ３層は１ｎｍの厚さであり、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）および水（Ｈ２Ｏ）の交互の曝露を使用してＧｅ基板上でＡＬＤにより堆積した。トレース２０６におけるＺｒＯ２層は３ｎｍの厚さであり、テトラキスエチルメチルアミドジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）および水（Ｈ２Ｏ）の交互の曝露を使用してＡｌ２Ｏ３層上でＡＬＤにより堆積した。トレース２０２におけるＺｒＯ２層を、ＤＡＤＡ（堆積、アニール、堆積、アニール）により示される断続的アニーリングでＴＥＭＡＺおよびＨ２Ｏの交互の曝露を使用してＡｌ２Ｏ３層上で改変されたＡＬＤにより堆積した。アニーリング温度をＮ２雰囲気中で８００℃に設定した。ＤＡＤＡプロセスは、その全体が参照により本願に組み込まれる、米国特許第８７２２５４８号明細書に記載されている。トレース２０４におけるＨｆＯ２層は３ｎｍの厚さであり、断続的アニーリングでテトラキスエチルメチルアミドハフニウム（ＴＥＭＡＨ）およびＨ２Ｏを使用して改変されたＡＬＤにより堆積した。
【００２０】
一態様によれば、ＤＡＤＡプロセスには、原子層堆積の第１の複数のサイクルを行うことにより、ゲルマニウム含有基板の表面上で第１材料の少なくとも１つの第１の単層を形成して、その後第１温度で第１不活性雰囲気下で、形成された第１材料の少なくとも１つの第１の単層をアニーリングして、その後原子層堆積の第２の複数のサイクルを行うことにより、第２材料の少なくとも１つの第２の単層を形成することが含まれ得、ここで、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層は、アニーリングされた第１材料の少なくとも１つの第１の単層に少なくとも部分的に重なり、その後、第２温度で第２不活性雰囲気下で、形成された第２材料の少なくとも１つの第２の単層をアニーリングする。
【００２１】
図３は、図２のゲルマニウム含有試験サンプルについてのリーク密度対容量有効厚さ（ＣＥＴ）を示す。
【００２２】
ＣＥＴは、等式：
ＣＥＴ  〜  ＥＯＴ＋（ｋＳｉＯ２／ｋ）Ｚａｖｅ
により極薄ゲート誘電体についてのＥＯＴに関し、
式中、ｋ＝実際の材料の誘電定数、Ｚａｖｅ＝ゲート誘電表面からの反転キャリア（inversion  carrier）の平均距離、およびｋＳｉＯ２＝ＳｉＯの誘電定数（〜３．９）である。さらに、ＥＯＴ＝（ｋＳｉＯ２／ｋ）ｔであり、式中、ｔ＝実際の材料の物理的厚さである。
【００２３】
図３におけるＣＥＴの結果を、図２のキャパシタンス対印加電圧トレースから計算した。ＣＥＴは、試験サンプル２０２、２０４および２０６のそれぞれについて、〜０．９５ｎｍ（３０２）、〜１．０ｎｍ（３０４）、および〜１．５ｎｍ（３０６）であった。対応するＥＯＴ値は、〜０．６９ｎｍ（３０２）、〜０．７６ｎｍ（３０４）および〜１．２ｎｍ  （３０６）である。比較のために、堆積後処理（ＳＰＡＯ）の間にプラズマ励起酸化ガス（Ｏ２＋Ａｒ）に曝露されていないＧｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＤＡＤＡ  ＨｆＯ２、Ｇｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＤＡＤＡ  ＺｒＯ２、およびＧｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２試験サンプルは、半導体デバイスの使用には高すぎるリーク密度を有していた。これは、堆積後処理により、半導体デバイス中でこれらのフィルムスタックの使用が可能となることを示す。さらに、改変されたＡＬＤプロセス（ＤＡＤＡ）により堆積されたフィルムスタックは、例えば１０ｎｍ、７ｎｍ、および５ｎｍノードなどの狭いノードでこれらのフィルムスタックのスケーリングを可能にする、改善されたＣＥＴ値を示した。
【００２４】
例示的マイクロ波プラズマプロセシングシステム
【００２５】
図４は、本発明の態様による基板をプロセシングするためのＲＬＳＡ（登録商標）プラズマを含むマイクロ波プラズマプロセシングシステムの概略図を示す。プラズマプロセシングシステム５１０において生成されたプラズマは、低電子温度および高プラズマ密度により特徴付けられる。プラズマプロセシングシステム５１０は、基板５５８より大きいプラズマプロセシングチャンバ５５０の上側部分に開口部５５１を有するプラズマプロセシングチャンバ５５０を含む。石英、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウム製の円筒状誘電トッププレート５５４が提供され、開口部５５１を覆う。
【００２６】
ガスライン５７２は、トッププレート５５４の下のプラズマプロセシングチャンバ５５０の上側部分の側壁中に位置される。一例において、ガスライン５７２の数は、１６個（図４に示されるのはそのうちの２個のみ）であり得る。代替的に、異なる数のガスライン５７２を使用することができる。ガスライン５７２をプラズマプロセシングチャンバ５５０内で周囲に配置してもよいが、本発明にとって必須ではない。ガスライン５７２からプラズマプロセシングチャンバ５５０のプラズマ領域５５９中に、プロセスガスを一様に均一に供給することができる。
【００２７】
プラズマプロセシングシステム５１０において、トッププレート５５４を通して複数のスロット５６０Ａを有するスロットアンテナ５６０を介して、マイクロ波電力をプラズマプロセシングチャンバ５５０に供給する。スロットアンテナ５６０は、プロセスされる基板５５８に面していて、スロットアンテナ５６０は、例えば銅などの金属プレート製であり得る。スロットアンテナ５６０にマイクロ波電力を供給するために、導波管５６３がトッププレート５５４上に配置され、ここで、導波管５６３は、例えば約２．４５ＧＨｚなどの周波数のマイクロ波を発生させるためのマイクロ波電力供給部５６１に接続されている。導波管５６３は、スロットアンテナ５６０に接続された下端部を有する平坦な環状導波管５６３Ａ、環状導波管５６３Ａの上側表面に接続された環状導波管５６３Ｂ、および環状導波管５６３Ｂの上側表面に接続された共軸導波管コンバータ５６３Ｃを含む。さらに、矩形導波管５６３Ｄは、共軸導波管コンバータ５６３Ｃおよびマイクロ波電力供給部５６１の側面に接続されている。
【００２８】
環状導波管５６３Ｂの内部では、電気伝導性材料の軸方向部分５６２が共軸状に提供され、これにより、軸部分５６２の一方の端部が、スロットアンテナ５６０の上側表面の中央（または、ほぼ中央）部分に接続され、軸部分５６２の他方の端部が、環状導波管５６３Ｂの上側表面に接続され、これにより、共軸構造を形成する。結果として、環状導波管５６３Ｂは、共軸導波管として機能するように構成されている。マイクロ波電力は、例えば、約０．５Ｗ／ｃｍ２〜約４Ｗ／ｃｍ２などであり得る。代替的に、マイクロ波電力は、約０．５Ｗ／ｃｍ２〜約３Ｗ／ｃｍ２であり得る。マイクロ波照射には、約３００ＭＨｚ〜約１０ＧＨｚ、例えば約２．４５ＧＨｚなどのマイクロ波周波数が含まれてもよく、プラズマには、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５または５ｅＶ、またはこれらのあらゆる組み合わせを含む、５ｅＶ以下の電子温度が含まれてもよい。いくつかの例において、電子温度は、５ｅＶ未満、４．５ｅＶ未満、４ｅＶ未満、または３．５ｅＶ未満ですらあり得る。いくつかの例において、電子温度は、３．０〜３．５ｅＶ、３．５ｅＶ〜４．０ｅＶ、または４．０〜４．５ｅＶであり得る。プラズマは、約１ｘ１０１１／ｃｍ３〜約１ｘ１０１３／ｃｍ３、またはそれより高い密度を有してもよい。
【００２９】
さらに、プラズマプロセシングチャンバ５５０において、基板ホルダ５５２が、基板５５８（例えば、ウエハなど）を支持して加熱するためにトッププレート５５４の反対側に提供される。基板ホルダ５５２は、基板５２５を加熱するためのヒータ５５７を含み、ここで、ヒータ５５７は抵抗ヒータであり得る。代替的に、ヒータ５５７は、ランプヒータまたはあらゆる他のタイプのヒータであってもよい。さらに、プラズマプロセシングチャンバ５５０は、プラズマプロセシングチャンバ５５０の底部に、および真空ポンプ５５５に接続された排出ライン５５３を含む。
【００３０】
プラズマプロセシングシステム５１０は、プラズマを発生させるために、および／または基板５５８に引き寄せられるイオンのエネルギーを制御するために、基板ホルダ５５２および基板５５８をバイアスするように構成された基板バイアスシステム５５６をさらに含む。基板バイアスシステム５５６には、電力を基板ホルダ５５２に結合するように構成された基板電源が含まれる。基板電源には、ＲＦ発生器およびインピーダンス整合ネットワークが含まれる。基板電源は、基板ホルダ５５２中の電極を印加することにより、電力を基板ホルダ５５２に結合するように構成される。ＲＦバイアスについての典型的周波数は、約０．１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの範囲であり得、１３．５６ＭＨｚであり得る。いくつかの例においては、ＲＦバイアスは、１ＭＨｚ未満、例えば、０．８ＭＨｚ未満、０．６ＭＨｚ未満、０．４ＭＨｚ未満、または０．２ＭＨｚ未満すらなどであり得る。一例において、ＲＦバイアスは、約０．４ＭＨｚであり得る。代替的にＲＦ電力は、複数の周波数で電極に印加される。基板バイアスシステム５５６は、ＲＦバイアス電力を供給するために構成され、０Ｗ〜１００Ｗ、１００Ｗ〜２００Ｗ、２００Ｗ〜３００Ｗ、３００Ｗ〜４００Ｗ、または４００Ｗ〜５００Ｗであり得る。いくつかの例において、ＲＦバイアス電力は、例えば１００Ｗ未満、５０Ｗ未満、または２５Ｗ未満などであり得る。プラズマプロセシングのためのＲＦバイアスシステムは、当業者に周知である。さらに、基板バイアスシステム５５６には、−５ｋＶ〜＋５ｋＶのＤＣバイアスを基板ホルダ５５２に供給することができるＤＣ電圧発生器が含まれる。
【００３１】
基板バイアスシステム５５６は、任意にＲＦバイアス電力のパルスを提供するようにさらに構成される。パルス周波数は、１Ｈｚより大きく、例えば２Ｈｚ、４Ｈｚ、６Ｈｚ、８Ｈｚ、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、３０Ｈｚ、５０Ｈｚ、またはそれより大きいものなどであり得る。当業者は、基板バイアスシステム５５６の電力レベルは、プロセスされる基板のサイズに関係することを十分に理解するであろうことが留意される。例えば、３００ｍｍのＳｉウエハは、プロセシングの間に２００ｍｍのウエハより大きな電力消費を必要とする。
【００３２】
なお図４を参照して、コントローラ５９９は、プラズマプロセシングシステム５１０を制御するために構成される。コントローラ５９９には、プラズマプロセシングシステム５１０の入力およびプラズマプロセシングシステム５１０からのモニタ出力を伝達して作動させるのに十分な制御電圧を発生させることができる、デジタルＩ／Ｏポート、メモリ、およびマイクロプロセッサが含まれ得る。さらに、コントローラ５９９は、プラズマプロセシングチャンバ５５０、真空ポンプ５５５、ヒータ５５７、基板バイアスシステム５５６、およびマイクロ波電力供給部５６１に結合されて情報交換をする。メモリに保存されたプログラムを利用して、保存されたプロセスレシピによりプラズマプロセシングシステム５１０の上記構成要素を制御する。コントローラ５９９の一例は、ＵＮＩＸ（登録商標）系ワークステーションである。代替的に、コントローラ５９９を、汎用コンピュータ、デジタルシグナルプロセシングシステムなどとして実装することができる。
【００３３】
図５は、本発明の別の態様による基板をプロセシングするためのＲＬＳＡ（登録商標）プラズマを含む、マイクロ波プラズマプロセシングシステムの概略図である。図５において示されるとおり、プラズマプロセシングシステム１０には、プラズマプロセシングチャンバ２０（真空チャンバ）、アンテナユニット５０、および基板ホルダ２１が含まれる。プラズマプロセシングチャンバ２０の内部は、プラズマガス供給ユニット３０の下に位置するプラズマ発生領域Ｒ１、および基板ホルダ２１の上のプラズマ拡散領域Ｒ２に、大まかに区分されている。プラズマ発生領域Ｒ１において発生したプラズマは、数電子ボルト（ｅＶ）の電子温度を有し得る。プラズマが、フィルム形成プロセスが行われるプラズマ拡散領域Ｒ２中へ拡散する際に、基板ホルダ２１近傍のプラズマの電子温度は、約２ｅＶより低い値に低下し得る。基板ホルダ２１は、プラズマプロセシングチャンバ２０の底部上の中央部に位置されて、基板Ｗを支持するための基板ホルダとしての役割を担う。基板ホルダ２１の内部では、基板温度を制御するための絶縁部材２１ａ、冷却ジャケット２１ｂ、および温度制御ユニット（図示せず）が提供される。
【００３４】
プラズマプロセシングチャンバ２０の最上部は、開放端部である。プラズマガス供給ユニット３０は、基板ホルダ２１の反対に置かれ、例えばＯリング（図示せず）などの密封部材を介してプラズマプロセシングチャンバ２０の最上部に取り付けられる。誘電ウィンドウとしてもまた機能し得るプラズマガス供給ユニット３０は、例えば酸化アルミニウムまたは石英などの材料製であり得、平坦な表面を有する。複数のガス供給ホール３１が、プラズマガス供給ユニット３０の平坦な表面上の基板ホルダ２１の反対に提供される。複数のガス供給ホール３１は、ガスフローチャネル３２を介してプラズマガス供給ポート３３と連通している。プラズマガス供給源３４は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス、または他の不活性ガスなどのプラズマガスを、プラズマガス供給ポート３３中に提供する。プラズマガスは、次いで、複数のガス供給ホール３１を介してプラズマ発生領域Ｒ１中に均一に供給される。
【００３５】
プラズマプロセシングシステム１０には、プラズマ発生領域Ｒ１およびプラズマ拡散領域Ｒ２間のプラズマプロセシングチャンバ２０において中央にあるプロセスガス供給ユニット４０がさらに含まれる。プロセスガス供給ユニット４０は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を含むアルミニウム合金、またはステンレス鋼などの導電性材料製であり得る。プラズマガス供給ユニット３０と同様に、複数のガス供給ホール４１が、プロセスガス供給ユニット４０の平坦な表面上に提供される。プロセスガス供給ユニット４０の平坦な表面は、基板ホルダ２１の反対に位置する。
【００３６】
プラズマプロセシングチャンバ２０は、プラズマプロセシングチャンバ２０の底部に接続された排出ライン２６、圧力コントローラバルブ２８および真空ポンプ２９に排出ライン２６を接続する真空ライン２７をさらに含む。圧力コントローラバルブ２８を使用して、プラズマプロセシングチャンバ２０において所望のガス圧を達成してもよい。
【００３７】
プロセスガス供給ユニット４０の平面図を、図６に示す。この図面に示されるとおり、グリッド様のガスフローチャネル４２がプロセスガス供給ユニット４０内で形成される。グリッド様のガスフローチャネル４２は、垂直方向に形成された複数のガス供給ホール４１の上側端部と連通している。複数のガス供給ホール４１の下側部分は、基板ホルダ２１に面した開口部である。複数のガス供給ホール４１は、グリッドパターン化されたガスフローチャネル４２を介してプロセスガス供給ポート４３と連通している。
【００３８】
さらに、複数の開口部４４は、プロセスガス供給ユニット４０中に形成されて、これにより、複数の開口部４４は、垂直方向にプロセスガス供給ユニット４０を通る。複数の開口部４４は、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、または他の不活性ガスなどのプラズマガスを、基板ホルダ２１の上のプラズマ拡散領域Ｒ２中へ導入する。図６において示されるとおり、複数の開口部４４は、隣接するガスフローチャネル４２間に形成される。プロセスガスを、３つの別個のプロセスガス供給源４５〜４７からプロセスガス供給ポート４３へ供給してもよい。プロセスガス供給源４５〜４７は、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス、およびＡｒガスを供給してもよい。しかしながら、他のガスを使用してもよい。
【００３９】
プロセスガスは、グリッド様のガスフローチャネル４２を通って流れ、複数のガス供給ホール４１を介してプラズマ拡散領域Ｒ２中に均一に供給される。プラズマプロセシングシステム１０には、プロセスガスの供給を制御するための４つのバルブ（Ｖ１〜Ｖ４）および４つの質量流量コントローラ（ＭＦＣ１〜ＭＦＣ４）がさらに含まれる。
【００４０】
外部マイクロ波発生器５５は、例えば２．４５ＧＨｚなどの所定の周波数のマイクロ波をアンテナユニット５０に共軸導波管５４を介して提供する。共軸導波管５４には、内部コンダクタ５４Ｂおよび外部コンダクタ５４Ａが含まれてもよい。マイクロ波発生器５５からのマイクロ波は、プラズマ発生領域Ｒ１中のプラズマガス供給ユニット３０のすぐ下で電場を発生させ、これは、プラズマプロセシングチャンバ２０内でプロセスガスの励起を次いで生じさせる。
【００４１】
図７は、アンテナユニット５０の部分断面図を例示する。この図において示されるとおり、アンテナユニット５０には、フラットアンテナ本体５１、ラジアルラインスロットプレート５２、および誘電プレート５３が含まれ、マイクロ波の波長を短くしてもよい。フラットアンテナ本体５１は、開放端部の下側表面を有する環状形状を有し得る。フラットアンテナ本体５１およびラジアルラインスロットプレート５２は、導電性材料製であり得る。
【００４２】
複数のスロット５６は、ラジアルラインスロットプレート５２上に提供されて、環状の偏向波を発生させる。複数のスロット５６を、各スロット間に小さなギャップを有した、実質的なＴ字形に配置する。複数のスロット５６を、円周方向に沿って同心円状パターンまたはらせんパターンに配置する。スロット５６ａおよび５６ｂが互いに垂直であるので、２つの直交する偏向成分を含む円偏向波は、平面波としてラジアルラインスロットプレート５２から照射される。
【００４３】
誘電プレート５３は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの低損失誘電材料製であり得、これは、ラジアルラインスロットプレート５２およびフラットアンテナ本体５１間に位置する。ラジアルラインスロットプレート５２を、密封部材（図示せず）を使用してプラズマプロセシングチャンバ２０上に取り付けてもよく、これにより、ラジアルラインスロットプレート５２がカバープレート２３と密に接触する。カバープレート２３は、プラズマガス供給ユニット３０の上側表面上に位置し、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのマイクロ波透過性誘電材料から形成される。
【００４４】
外部高周波数電力供給源２２は、基板ホルダ２１に整合ネットワーク２５を介して電気的に接続されている。外部高周波数電力供給源２２は、基板Ｗに引き寄せられるプラズマ中のイオンのエネルギーを制御するために、例えば、１３．５６ＭＨｚなどの所定の周波数のＲＦバイアス電力を発生させる。電力供給源２２は、任意にＲＦバイアス電力のパルスを提供するようにさらに構成される。パルス周波数は、１Ｈｚより大きく、例えば２Ｈｚ、４Ｈｚ、６Ｈｚ、８Ｈｚ、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、３０Ｈｚ、５０Ｈｚ、またはそれより大きいものなどであり得る。電力供給源２２は、ＲＦバイアス電力を供給するために構成され、０Ｗ〜１００Ｗ、１００Ｗ〜２００Ｗ、２００Ｗ〜３００Ｗ、３００Ｗ〜４００Ｗ、または４００Ｗ〜５００Ｗである。当業者は、電力供給源２２の電力レベルは、プロセスされる基板のサイズに関係することを十分に理解するであろう。例えば、３００ｍｍのＳｉウエハは、プロセシングの間に２００ｍｍのウエハより大きな電力消費を必要とする。プラズマプロセシングシステム１０には、−５ｋＶ〜＋５ｋＶのＤＣ電圧バイアスを基板ホルダ２１に供給することができるＤＣ電圧発生器３５がさらに含まれる。
【００４５】
ゲルマニウム含有半導体デバイスおよび形成方法が、種々の態様で開示されてきた。本発明の態様の上記の説明は、例示および説明の目的のために提示されてきた。開示された正確な形態に、網羅すること（to  be  exhaustive）または限定することを意図するものではない。この説明および以下の特許請求の範囲には、説明目的のためのみに使用される用語が含まれ、限定するものと解釈されてはならない。当該関連技術分野の当業者は、多くの改変および変形が上記の教示に照らして可能であることを十分に理解することができる。当業者は、図面に示された種々の構成要素についての種々の均等な組み合わせおよび置換を認識するであろう。したがって、本発明の範囲はこの詳細な説明により限定されるのではなく、むしろ本願に添付された特許請求の範囲により限定されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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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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【国際調査報告】
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