JP7604570B2 - Treatment to improve material structure - Google Patents
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Description
[0001]本明細書に記載の実施形態は、一般に、半導体デバイスの製造に関連し、より具体的には、半導体構造内に高品質の高誘電率誘電体材料層を形成するシステムおよび方法に関連する。 [0001] The embodiments described herein relate generally to the fabrication of semiconductor devices, and more specifically to systems and methods for forming high quality, high permittivity dielectric material layers in semiconductor structures.
[0002]高いデバイス性能と低い電力消費を実現するため、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のサイズが縮小してきたので、従来の二酸化ケイ素(SiO2)ゲート誘電体の厚さは、物理的な限界まで減少した。その結果、二酸化ケイ素ゲート誘電体を高誘電率誘電体材料に置き換えることが、さらなるスケーリングを達成するためには不可避であった。様々な高誘電率誘電体材料の中で、酸化ハフニウム(HfO2)が、その高い誘電率とシリコン基板上での優れた熱安定性により、45nm MOSFETテクノロジーノードから適用されてきた。ただし、32nm MOSFETテクノロジーノード以降の酸化膜換算膜厚(EOT)をさらにスケーリングするには、高誘電率誘電体材料層の厚さを単純に薄くするだけでは、高誘電率誘電体材料層を通るリーク電流が増加するため、問題がある。 [0002] As the size of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) has been reduced to achieve high device performance and low power consumption, the thickness of the traditional silicon dioxide (SiO 2 ) gate dielectric has been reduced to its physical limit. As a result, replacing the silicon dioxide gate dielectric with a high-k dielectric material has been inevitable to achieve further scaling. Among various high-k dielectric materials, hafnium oxide (HfO 2 ) has been applied since the 45 nm MOSFET technology node due to its high dielectric constant and excellent thermal stability on silicon substrates. However, to further scale the equivalent oxide thickness (EOT) beyond the 32 nm MOSFET technology node, simply reducing the thickness of the high-k dielectric material layer is problematic due to the increased leakage current through the high-k dielectric material layer.
[0003]したがって、所望の構造的および電気的特性を確保するように制御することができる化学構造を有する薄い(例えば、1nm未満のEOT)高誘電率誘電体材料層を形成するために使用できるシステムおよび方法が必要である。 [0003] Thus, there is a need for systems and methods that can be used to form thin (e.g., less than 1 nm EOT) high-k dielectric material layers having chemical structures that can be controlled to ensure desired structural and electrical properties.
[0004]本開示の実施形態は、半導体構造を形成する方法を提供する。この方法は、基板の表面を前洗浄することと、基板の前洗浄された表面上に界面層を形成することと、界面層上に高誘電率誘電体層を堆積させることと、プラズマ窒化プロセスを実行して、堆積した高誘電率誘電体層内に窒素原子を挿入することと、窒化後アニールプロセスを実行して、プラズマ窒化された高誘電率誘電体層内の化学結合を不動態化することと、を含む。 [0004] An embodiment of the present disclosure provides a method of forming a semiconductor structure. The method includes pre-cleaning a surface of a substrate, forming an interfacial layer on the pre-cleaned surface of the substrate, depositing a high-k dielectric layer on the interfacial layer, performing a plasma nitridation process to insert nitrogen atoms in the deposited high-k dielectric layer, and performing a post-nitridation annealing process to passivate chemical bonds in the plasma-nitrided high-k dielectric layer.
[0005]本開示の実施形態はまた、半導体構造を形成する方法を提供する。この方法は、基板の表面を前洗浄することと、基板上に高誘電率誘電体層を堆積させることと、プラズマ窒化プロセスを実行して、堆積された高誘電率誘電体層内に窒素原子を挿入することと、を含む。 [0005] Embodiments of the present disclosure also provide a method of forming a semiconductor structure. The method includes pre-cleaning a surface of a substrate, depositing a high-k dielectric layer on the substrate, and performing a plasma nitridation process to insert nitrogen atoms into the deposited high-k dielectric layer.
[0006]本開示の実施形態は、処理システムを、さらに提供する。処理システムは、第1の処理チャンバ、第2の処理チャンバ、第3の処理チャンバ、第4の処理チャンバ、第5の処理チャンバ、およびシステムコントローラを含む。システムコントローラは、第1の処理チャンバ内で基板の表面を前洗浄し、第2の処理チャンバ内で、基板の前洗浄された表面上に界面層を形成し、第3の処理チャンバ内で、界面層上に高誘電率誘電体層を堆積させ、堆積した高誘電率誘電体層を、第4の処理チャンバ内で窒素プラズマに曝し、プラズマ窒化された高誘電率誘電体層を、第5の処理チャンバ内でアニールするように、構成されている。基板は、処理システム内の真空環境を破壊することなく、第1、第2、第3、第4、および第5の処理チャンバ間を移送される。 [0006] An embodiment of the present disclosure further provides a processing system. The processing system includes a first processing chamber, a second processing chamber, a third processing chamber, a fourth processing chamber, a fifth processing chamber, and a system controller. The system controller is configured to pre-clean a surface of the substrate in the first processing chamber, form an interface layer on the pre-cleaned surface of the substrate in the second processing chamber, deposit a high-k dielectric layer on the interface layer in the third processing chamber, expose the deposited high-k dielectric layer to a nitrogen plasma in the fourth processing chamber, and anneal the plasma-nitrided high-k dielectric layer in the fifth processing chamber. The substrate is transferred between the first, second, third, fourth, and fifth processing chambers without breaking the vacuum environment in the processing system.
[0007]本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって行われ、そのいくつかが、添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって、その範囲を限定すると見なされるべきではなく、本開示は、他の同等に有効な実施形態を認めることができることに留意されたい。 [0007] So that the above features of the present disclosure can be understood in detail, a more particular description of the present disclosure briefly summarized above will be made by reference to embodiments, some of which are illustrated in the accompanying drawings. It should be noted, however, that the accompanying drawings illustrate only typical embodiments of the present disclosure and therefore should not be considered as limiting its scope, as the present disclosure may admit of other equally effective embodiments.
[0011]理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すために同一の参照番号が使用されている。一実施形態の要素および特徴は、さらに説明することなく、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図される。 [0011] For ease of understanding, wherever possible, identical reference numbers have been used to designate identical elements common to the figures. It is contemplated that elements and features of one embodiment may be beneficially incorporated in other embodiments without further description.
[0012]ゲート構造が、より小さな寸法にスケーリングするにつれて、改善を提供するための新しい材料構造が、求められている。高誘電率誘電体材料を使用すると、酸化ケイ素などの材料を使用する従来のゲート構造よりも、ゲート構造の誘電率が高くなる。ただし、酸化ケイ素と同様に、ゲート構造の厚さが薄くなると、リーク電流が増加する。例えば、酸化膜換算膜厚が減少すると、ゲートリークが増加する。したがって、ゲートリークと酸化膜換算膜厚の間の逆の関係は、トランジスタと製造されるデバイスの性能に限界を形成する可能性がある。 [0012] As gate structures scale to smaller dimensions, new material structures are sought to provide improvements. The use of high-k dielectric materials provides a gate structure with a higher dielectric constant than conventional gate structures that use materials such as silicon oxide. However, similar to silicon oxide, as the thickness of the gate structure decreases, leakage current increases. For example, as the equivalent oxide thickness decreases, gate leakage increases. Thus, the inverse relationship between gate leakage and equivalent oxide thickness can create limitations in the performance of transistors and fabricated devices.
[0013]高誘電率誘電体材料は、同様の厚さにおいて、酸化ケイ素よりも大きなチャネル移動度を提供することができる。ゲートリークを増加させることなく酸化膜換算膜厚を薄くすることを、業界が求め続けるにつれ、既知の高誘電率材料の誘電率(「κ値」とも呼ばれる)を最大化する努力は、形態的特性により限界に達しつつある。従来の技術は、κ値の上限を設定する可能性のある高誘電率材料の自然の特性を克服するのに苦労し、その後、新しい膜を組み込もうとしてデバイスを改造してきた。 [0013] High-k dielectric materials can provide greater channel mobility than silicon oxide at similar thicknesses. As the industry continues to seek thinner equivalent oxide thicknesses without increasing gate leakage, efforts to maximize the dielectric constant (also called "kappa value") of known high-k materials are reaching limits due to morphological characteristics. Conventional techniques have struggled to overcome the natural properties of high-k materials that may set an upper limit for kappa values, and have subsequently modified devices to incorporate new films.
[0014]本明細書に記載の実施形態は、高誘電率誘電体材料の特性を改善するためのシステムおよび方法を提供する。特定の形態または粒子構造を示す高誘電率誘電体材料を製造することにより、より高い誘電率と、それに続く改善されたデバイス性能が、可能になり得る。例示的なデバイスにおける粒子形成を制御するために、処理が実行され、特定の粒子成長を誘発することができる活性化された基板表面を提供し、ならびに形成後に膜を安定化させることができ、これにより、より高い誘電率をもたらすことができる。 [0014] The embodiments described herein provide systems and methods for improving the properties of high-k dielectric materials. By fabricating high-k dielectric materials that exhibit specific morphologies or grain structures, higher dielectric constants and subsequent improved device performance can be possible. To control grain formation in exemplary devices, treatments can be performed to provide an activated substrate surface that can induce specific grain growth, as well as to stabilize the film after formation, which can result in a higher dielectric constant.
[0015]図1は、本開示のいくつかの例によるマルチチャンバ処理システム100の例の概略上面図である。処理システム100は、一般に、ファクトリインターフェース102、ロードロックチャンバ104、106、それぞれの移送ロボット112、114を備えた移送チャンバ108、110、保持チャンバ116、118、および処理チャンバ120、122、124、126、128、130を含む。本明細書に詳述するように、処理システム100内のウェハは、ウェハを処理システム100の外部の周囲環境(例えば、ファブ内に存在し得るような大気環境)に曝すことなく、様々なチャンバ内で処理され、様々なチャンバ間で移送され得る。例えば、ウェハは、処理システム100内でウェハ上で実行される様々なプロセス間で低圧または真空環境を破壊することなく、低圧(例えば、約300Torr以下)または真空環境で様々なチャンバ内で処理され、様々なチャンバ間で移送され得る。したがって、処理システム100は、ウェハのいくつかの処理のための統合されたソリューションを提供することができる。
[0015] FIG. 1 is a schematic top view of an example of a
[0016]本明細書で提供される教示に従って適切に改変され得る処理システムの例には、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から市販されているEndura(登録商標)、Producer(登録商標)またはCentura(登録商標)統合処理システムまたは他の適切な処理システムが含まれる。他の処理システム(他の製造業者からのものを含む)が、本明細書に記載された態様から利益を得るように適合され得ることが企図される。 [0016] Examples of processing systems that may be suitably modified in accordance with the teachings provided herein include the Endura®, Producer®, or Centura® integrated processing systems available from Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., or other suitable processing systems. It is contemplated that other processing systems, including those from other manufacturers, may be adapted to benefit from the aspects described herein.
[0017]図1の図示の例では、ファクトリインターフェース102は、ウェハの移送を容易にするために、ドッキングステーション140およびファクトリインターフェースロボット142を含む。ドッキングステーション140は、1つ以上の前方開口式一体型ポッド(FOUP)144を受け入れるように構成されている。いくつかの例では、各ファクトリインターフェースロボット142は、一般に、ウェハをファクトリインターフェース102からロードロックチャンバ104、106に移送するように構成された、それぞれのファクトリインターフェースロボット142の一端に配置されたブレード148を備える。
[0017] In the illustrated example of FIG. 1, the
[0018]ロードロックチャンバ104、106は、ファクトリインターフェース102に連結されたそれぞれのポート150、152と、移送チャンバ108に連結されたそれぞれのポート154、156とを有する。移送チャンバ108は、保持チャンバ116、118に連結されたそれぞれのポート158、160と、処理チャンバ120、122に連結されたそれぞれのポート162、164とを、さらに有する。同様に、移送チャンバ110は、保持チャンバ116、118に連結されたそれぞれのポート166、168と、処理チャンバ124、126、128、130に連結されたそれぞれのポート170、172、174、176とを有する。ポート154、156、158、160、162、164、166、168、170、172、174、176は、例えば、移送ロボット112、114によってウェハを通過させるための、かつ、それぞれのチャンバ間にシールを提供して、ガスがそれぞれのチャンバ間を通るのを防ぐための、スリットバルブを備えたスリットバルブ開口部であり得る。一般に、ウェハを通過させるために任意のポートが開く。それ以外の場合、ポートは閉じられる。
[0018] The
[0019]ロードロックチャンバ104、106、移送チャンバ108、110、保持チャンバ116、118、および処理チャンバ120、122、124、126、128、130は、ガスおよび圧力制御システム(具体的には示されていない)に流体連結され得る。ガスおよび圧力制御システムは、1つ以上のガスポンプ(例えば、ターボポンプ、クライオポンプ、粗引きポンプ)、ガス源、様々なバルブ、および様々なチャンバに流体連結された導管を含むことができる。動作中、ファクトリインターフェースロボット142は、ウェハをFOUP144からポート150または152を介してロードロックチャンバ104または106に移送する。次に、ガスおよび圧力制御システムは、ロードロックチャンバ104または106をポンプダウンする。さらに、ガスおよび圧力制御システムは、移送チャンバ108、110および保持チャンバ116、118を内部の低圧または真空環境(不活性ガスを含み得る)で維持する。したがって、ロードロックチャンバ104または106のポンプダウンは、例えば、ファクトリインターフェース102の大気環境と移送チャンバ108の低圧または真空環境との間で、ウェハを渡すことを容易にする。
[0019] The
[0020]ポンプダウンされたロードロックチャンバ104または106内のウェハを、移送ロボット112が、ポート154または156を介して、ロードロックチャンバ104または106から移送チャンバ108に移送する。次に、移送ロボット112は、処理のためにそれぞれのポート162、164を介して処理チャンバ120、122のいずれかに、さらなる移送を待って保持するためにそれぞれのポート158、160を介して保持チャンバ116、118のいずれかに、および/またはそれらの間で、ウェハを移送することができる。同様に、移送ロボット114は、ポート166または168を介して保持チャンバ116または118内のウェハにアクセスすることができ、処理のためにそれぞれのポート170、172、174、176を介して処理チャンバ124、126、128、130のいずれかに、さらなる移送を待って保持するためにそれぞれのポート166、168を介して保持チャンバ116、118のいずれかに、および/またはそれらの間で、ウェハを移送することができる。様々なチャンバ内およびチャンバ間でのウェハの移送および保持は、ガスおよび圧力制御システムによって提供される低圧または真空環境で行うことができる。
[0020] The
[0021]処理チャンバ120、122、124、126、128、130は、ウェハを処理するための任意の適切なチャンバであり得る。いくつかの例では、処理チャンバ122は、洗浄プロセスを実行することができ、処理チャンバ120は、エッチングプロセスを実行することができ、処理チャンバ124、126、128、130は、それぞれのエピタキシャル成長プロセスを実行することができる。処理チャンバ122は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズから入手可能なSiCoNi(商標)前洗浄チャンバであり得る。処理チャンバ120は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズから入手可能なSelectra(商標)エッチングチャンバであり得る。
[0021]
[0022]システムコントローラ190が、処理システム100またはその構成要素を制御するために処理システム100に連結されている。例えば、システムコントローラ190は、処理システム100のチャンバ104、106、108、116、118、110、120、122、124、126、128、130の直接制御を使用して、またはチャンバ104、106、108、116、118、110、120、122、124、126、128、130に関連付けられたコントローラを制御することによって、処理システム100の動作を制御することができる。動作中、システムコントローラ190は、それぞれのチャンバからのデータ収集およびフィードバックが、処理システム100のパフォーマンスを調整することを可能にする。
[0022] A
[0023]システムコントローラ190は、一般に、中央処理装置(CPU)192、メモリ194、およびサポート回路196を含む。CPU192は、産業環境で使用することができる任意の形態の汎用プロセッサの1つであり得る。メモリ194、すなわち非一時的なコンピュータ可読媒体は、CPU192によってアクセス可能であり、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)などのメモリ、フロッピーディスク、ハードディスク、またはローカルもしくはリモートの他の形式のデジタルストレージのうちの1つ以上であってよい。サポート回路196は、CPU192に連結され、キャッシュ、クロック回路、入力/出力サブシステム、電源などを含み得る。本明細書に開示される様々な方法は、一般に、例えばソフトウェアルーチンとして、メモリ194(または特定の処理チャンバのメモリ)に格納されたコンピュータ命令コードを実行するCPU192によって、CPU192の制御下で実施され得る。コンピュータ命令コードがCPU192によって実行されるとき、CPU192は、様々な方法に従ってプロセスを実行するようにチャンバを制御する。
[0023] The
[0024]他の処理システムは、他の構成にすることができる。例えば、より多くのまたはより少ない処理チャンバが、移送装置に連結されてもよい。図示の例では、移送装置は、移送チャンバ108、110および保持チャンバ116、118を含む。他の例では、より多くのもしくはより少ない移送チャンバ(例えば、1つの移送チャンバ)および/またはより多くのもしくはより少ない保持チャンバ(例えば、保持チャンバなし)が、処理システムにおける移送装置として実施され得る。
[0024] Other processing systems may have other configurations. For example, more or fewer processing chambers may be coupled to the transfer apparatus. In the illustrated example, the transfer apparatus includes
[0025]図2は、本開示の1つ以上の実施態様による半導体構造300を形成する方法200のプロセスフロー図である。図3Aおよび図3Bは、方法200の様々な状態に対応する半導体構造300の一部の断面図である。図3Aおよび図3Bは、半導体構造300の部分的な概略図のみを示し、半導体構造300は、図に示されるような態様を有する任意の数のトランジスタセクションおよび追加の材料を含み得ることを理解されたい。図2に示される方法ステップは、順次的に記載されているが、省略および/もしくは追加された、ならびに/または別の望ましい順序で再配置された1つ以上の方法ステップを含む他のプロセスシーケンスが、本明細書に提供される本開示の実施形態の範囲内にあることにも、留意されたい。
2 is a process flow diagram of a
[0026]方法200は、基板302の表面を前洗浄するためのブロック210の前洗浄プロセスから始まる。前洗浄プロセスは、NH4OH(水酸化アンモニウム)、H2O2(過酸化水素)、およびH2O(水)を含むスタンダードクリーン1(SC1)エッチング溶液などのエッチング溶液を使用するウェットエッチングプロセスによって、またはドライエッチングプロセス、例えば、基板302の表面がN2、NF3、およびNH3プラズマ副生成物に曝される、SiConi(商標)遠隔プラズマ支援ドライエッチングプロセスによって、基板302の表面をエッチングすることを含み得る。前洗浄プロセスは、図1に示す処理チャンバ122または120などの前洗浄チャンバで実行できる。
[0026] The
[0027]ブロック220において、図3Aに示されるように、界面形成プロセスが実行されて、基板302の前洗浄された表面上に界面層304を形成する。界面形成プロセスは、亜酸化窒素(N2O)ガスを利用する改良されたインシトゥ(その場)蒸気発生(eISSG)プロセスなどの適切な熱酸化プロセスを含み得る。ブロック220で形成された界面層304は、薄いアモルファス酸化ケイ素(SiO2)層であり、酸化ケイ素の1つ以上の単分子層に対応する、約3Åから約10Åの間、例えば約5Åの、厚さを有する。いくつかの実施形態では、界面層304は、H2およびO2ガスを利用するインシトゥ蒸気発生(ISSG)プロセス、またはNH3およびO2ガスを利用する高速熱酸化(RTO)プロセスによって形成され得る。界面層304は、その上に堆積される高誘電率誘電体材料層の核形成層として機能し、基板302と高誘電率誘電体材料層の間の界面の品質(例えば、界面状態密度、蓄積容量、周波数分散、およびリーク電流など)を改善し得る。界面形成プロセスは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、または130などの処理チャンバで実行することができる。
[0027] In
[0028]いくつかの実施形態では、ブロック220の界面形成プロセスは省略され、界面層304は、基板302上に高誘電率誘電体材料層を堆積する前に形成されない。その場合、界面層304は、基板302上に堆積された高誘電率誘電体材料層を通して基板302を熱酸化する、以下に説明するブロック250またはブロック290の熱酸化プロセスによって形成される。ブロック250またはブロック290の熱酸化プロセスによって形成された界面層304は、信頼できるデバイス特性(例えば、界面状態密度、蓄積容量、周波数分散、およびリーク電流など)を確保し、高誘電率誘電体材料層から基板302への原子拡散を低減するのに十分な厚さであり得、約0.3nmから約1nmの間、例えば約0.5nmの厚さを有する。
[0028] In some embodiments, the interface formation process of
[0029]ブロック230では、堆積プロセスが実行されて、半導体構造300の露出表面(すなわち、界面層304がブロック220で形成される場合は、図3Bに示されるような界面層304、そして界面層304がブロック220で形成されない場合は、基板302)上に高誘電率誘電体層306が堆積される。高誘電率誘電体層306は、二酸化ハフニウム(HfO2)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イッテルビウム(Y2O3)、または酸化アルミニウム(Al2O3)などの高誘電率誘電体材料で形成され得る。堆積プロセスは、金属含有前駆体および酸素含有前駆体が半導体構造300の露出表面に交互に送達される原子層堆積(ALD)プロセスを含み得る。いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、酸素含有前駆体を送達する前にパージされる。金属は、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)などの遷移金属、ランタン(La)、イッテルビウム(Yb)、イットリウム(Y)などの希土類金属、ストロンチウム(Sr)などのアルカリ土類金属、またはアルミニウム(Al)などの他の金属であり得る。酸化剤については、金属と反応することができる任意の酸素含有前駆体を使用することができる。例えば、酸素含有前駆体は、水、二原子酸素、オゾン、ヒドロキシル含有前駆体もしくはアルコール、窒素および酸素含有前駆体、ローカルもしくはリモートで強化された酸素を含むプラズマ強化された酸素、または基板302上に金属の酸化物の層を生成するために金属に組み込まれ得る酸素を含む任意の他の材料であり得るか、またはそれらを含み得る。一例では、二酸化ハフニウム(HfO2)層を形成するために、金属含有前駆体は四塩化ハフニウム(HfCl4)であり、酸化剤は水(H2O)である。ALDプロセスは、約200℃から約400℃の間、例えば約270℃の温度で、実行することができる。ALDプロセスによって堆積された高誘電率誘電体層306は、アモルファスであり得、約10Åから約30Åの間の厚さを有し得る。堆積プロセスは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、または130などの処理チャンバで実行することができる。
[0029] In
[0030]ブロック240では、任意選択の堆積後アニールプロセスが実行されて、堆積直後の高誘電率誘電体層306を硬化および高密度化する。堆積直後のアモルファス高誘電率誘電体層306の結晶化が、起こり得る。堆積後アニールプロセスは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手可能なRADOX(商標)チャンバなどの高速熱処理(RTP)チャンバで実行される、窒素(N2)およびアルゴン(Ar)雰囲気などの不活性雰囲気での熱アニールプロセスを含み得る。RTPチャンバは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、および130のいずれかであり得る。堆積後アニールプロセスは、界面層304および高誘電率誘電体層306を熱的に硬化および高密度化することができる。
[0030] In
[0031]堆積後アニールプロセスは、約1秒間~約60秒間、約500℃から約800℃の間の温度で、および約0.01Torrから10Torrの間の圧力で実行できる。 [0031] The post-deposition anneal process can be performed for about 1 second to about 60 seconds, at a temperature between about 500°C and about 800°C, and at a pressure between about 0.01 Torr and 10 Torr.
[0032]ブロック250では、ブロック240の堆積後アニールプロセスの代わりに、任意選択の再酸化プロセスが実行されて、基板302を熱酸化する。再酸化プロセスは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手可能なRADOX(商標)チャンバなどの高速熱処理(RTP)チャンバで実行される、酸素(O2)、亜酸化窒素(N2O)、およびH2雰囲気での熱アニールプロセスを含み得る。RTPチャンバは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、および130のいずれかであり得る。ブロック250の再酸化プロセスは、高誘電率誘電体層306を通して下にある層を熱酸化することができ、したがって、界面層304がブロック220で形成されている場合、界面層304を約3Åから約10Åの間の厚さまで厚くすることができ、界面層304がブロック220で形成されていない場合、高誘電率誘電体層306との界面近くの基板302内に界面層304を形成することができる。
[0032] In
[0033]再酸化プロセスは、約1秒間~約30秒間、約400℃から約900℃の間の温度で、および約0.01Torrから100Torrの間の圧力で実行できる。 [0033] The reoxidation process can be carried out for about 1 second to about 30 seconds, at a temperature between about 400°C and about 900°C, and at a pressure between about 0.01 Torr and 100 Torr.
[0034]ブロック260において、プラズマ窒化プロセスが実行されて、窒素原子を、高誘電率誘電体層306の空孔および欠陥に挿入する。プラズマ窒化プロセスは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手可能なCENTURA(登録商標)DPNチャンバなどのDPNチャンバで実行されるデカップルド(decoupled)プラズマ窒化(DPN)プロセスであり得る。DPNチャンバは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、および130のいずれかであり得る。プラズマ窒化プロセスは、高誘電率誘電体層306を窒素プラズマに曝し、これにより、窒素ラジカルまたは窒素原子が、高誘電率誘電体層306の厚さ全体にわたって、高誘電率誘電体層306内に組み込まれることが可能になる。プラズマ窒化プロセス中に、窒素原子は、酸素(O)と準安定結合を形成することができる。プラズマプロセスで使用できるガスには、窒素(N2)、アンモニア(NH3)、またはそれらの混合物などの窒素含有ガスが含まれる。一例では、窒素ガスは、約3%から約8%の窒素(N2)と混合されたアンモニア(NH3)である。プラズマ窒化プロセスは、堆積直後の高誘電率誘電体層306の空孔および欠陥への窒素の取り込みの結果として高誘電率誘電体層306の厚さを変化させることがない。
[0034] At
[0035]窒化プロセスは、約0℃から約500℃の間の温度で、約10秒間~約300秒間、実行できる。 [0035] The nitridation process can be carried out at a temperature between about 0°C and about 500°C for about 10 seconds to about 300 seconds.
[0036]ブロック270において、任意選択の熱窒化プロセスが実行されて、窒素原子を、プラズマ窒化された高誘電率誘電体層306の空孔および欠陥にさらに挿入する。熱窒化プロセスは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手可能なRADOX(商標)チャンバなどの高速熱処理(RTP)チャンバで実行される、アンモニア(NH3)雰囲気での熱アニールプロセスを含み得る。RTPチャンバは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、および130のいずれかであり得る。
[0036] At
[0037]熱窒化プロセスは、約10秒間~約300秒間、約700℃から約900℃の間の温度で、および約10Torrから740Torrの間の圧力で実行できる。 [0037] The thermal nitridation process can be carried out for about 10 seconds to about 300 seconds, at a temperature between about 700°C and about 900°C, and at a pressure between about 10 Torr and 740 Torr.
[0038]ブロック280では、窒化後アニールプロセスが実行されて、プラズマ窒化された高誘電率誘電体層306内の残りの化学結合を不動態化する。窒化後アニールプロセスは、カリフォルニア州サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から入手可能なRADOX(商標)チャンバなどの高速熱処理(RTP)チャンバで実行される、窒素(N2)およびアルゴン(Ar)雰囲気でのスパイク熱アニールプロセスを含み得る。RTPチャンバは、図1に示す処理チャンバ120、122、124、126、128、および130のいずれかであり得る。窒化後アニールプロセスは、ブロック240のプラズマ窒化プロセスで形成された準安定窒素結合を不動態化することができ、アモルファス高誘電率誘電体層306の結晶化が、起こり得る。
[0038] At
[0039]スパイク熱アニールプロセスは、約1秒間~約30秒間、約700℃から約850℃の間の温度で、および約10Torrから740Torrの間の圧力で実行できる。 [0039] The spike thermal anneal process can be performed for about 1 second to about 30 seconds, at a temperature between about 700°C and about 850°C, and at a pressure between about 10 Torr and 740 Torr.
[0040]ブロック290では、ブロック280の窒化後アニールプロセスの代わりに、窒化後アニールおよび再酸化プロセスが実行されて、ブロック280のように、高誘電率誘電体層306内の残りの化学結合を不動態化すると同時に、ブロック250のように、基板302を熱酸化する。ブロック290における窒化後アニールおよび再酸化プロセスは、ブロック250における再酸化プロセスと同じである。したがって、ブロック290における窒化後アニールおよび再酸化プロセスの詳細は、ここでは省略される。
[0040] In
[0041]本明細書に記載の実施形態では、高品質の薄い高誘電率誘電体材料層を形成するシステムおよび方法が、提供される。このような高誘電率誘電体材料層の特性が、十分に制御できる。例えば、ブロック260および270における窒化プロセスは、高誘電率誘電体層306への約3原子%から約20原子%の間の窒素取り込みを提供して、より多くの窒素取り込みよりも高いκ値、およびより少ない窒素取り込みよりも優れた構造安定化を達成するように、制御され得る。ブロック240、270、280、および290のアニールプロセスはまた、高誘電率誘電体層306を通るリーク電流を低減するために、約20Åよりも大きいサイズを有する粒子を高誘電率誘電体層306に提供するように制御され得る。
[0041] In the embodiments described herein, systems and methods for forming high quality thin high-k dielectric material layers are provided. The properties of such high-k dielectric material layers can be well controlled. For example, the nitridation process in
[0042]上記は本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のさらなる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく考案され、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。[0042] While the forgoing is directed to embodiments of the present disclosure, other and further embodiments of the present disclosure may be devised without departing from the basic scope thereof, which scope is determined by the following claims.
本願は以下に記載する態様をさらに含む。The present application further includes the aspects described below.
(態様1)(Aspect 1)
半導体構造を形成する方法であって、1. A method of forming a semiconductor structure, comprising:
基板の表面を前洗浄することと、Pre-cleaning a surface of a substrate;
前記基板上に高誘電率誘電体層を堆積させることと、depositing a high-k dielectric layer on the substrate;
堆積された前記高誘電率誘電体層内に窒素原子を挿入するように、プラズマ窒化プロセスを実行することと、performing a plasma nitridation process to insert nitrogen atoms into the deposited high-k dielectric layer;
プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層内の残りの化学結合を不動態化し且つ前記基板を熱酸化するように、再酸化プロセスを実行することと、performing a re-oxidation process to passivate remaining chemical bonds in the plasma nitrided high-k dielectric layer and to thermally oxidize the substrate;
を含む半導体構造を形成することを含む方法。23. A method comprising forming a semiconductor structure comprising:
(態様2)(Aspect 2)
前記半導体構造を形成することが、真空を破壊することなく処理システム内で実行される、態様1に記載の方法。2. The method of embodiment 1, wherein forming the semiconductor structure is performed in a processing system without breaking vacuum.
(態様3)(Aspect 3)
亜酸化窒素(NNitrous oxide (N
22
O)ガスを利用して前記基板を熱酸化することを含む、前記基板の前洗浄された前記表面上に界面層を形成することを、さらに含み、前記界面層が、酸化ケイ素(SiOforming an interfacial layer on the pre-cleaned surface of the substrate, the interfacial layer comprising thermally oxidizing the substrate utilizing silicon oxide (SiO) gas, the interfacial layer being
22
)を含む、態様1に記載の方法。2. The method of claim 1, comprising:
(態様4)(Aspect 4)
前記高誘電率誘電体層が、酸化ハフニウム(HfOThe high dielectric constant dielectric layer is made of hafnium oxide (HfO
22
)を含む、態様1に記載の方法。2. The method of claim 1, comprising:
(態様5)(Aspect 5)
前記プラズマ窒化プロセスが、堆積された前記高誘電率誘電体層を、窒素(NThe plasma nitridation process nitriding the deposited high-k dielectric layer with nitrogen (N
22
)およびアンモニア(NH) and ammonia (NH
33
)ガスの混合物を使用した窒素プラズマに曝すことを含む、態様1に記載の方法。2. The method of claim 1, comprising exposing the material to a nitrogen plasma using a mixture of N 2 .
(態様6)(Aspect 6)
前記再酸化プロセスが、前記高誘電率誘電体層を、400℃から900℃の間の温度で、酸素(OThe re-oxidation process comprises treating the high-k dielectric layer with oxygen (O
22
)、亜酸化窒素(N), nitrous oxide (N
22
O)、およびHO), and H
22
雰囲気中でアニールすることを含む、態様1に記載の方法。2. The method of embodiment 1, comprising annealing in an atmosphere.
(態様7)(Aspect 7)
第1の処理チャンバ、A first processing chamber;
第2の処理チャンバ、A second processing chamber;
第3の処理チャンバ、およびa third processing chamber; and
システムコントローラ、System Controller,
を備える処理システムであって、前記システムコントローラが、1. A processing system comprising:
前記第1の処理チャンバ内で、基板の表面を前洗浄することと、pre-cleaning a surface of a substrate in the first processing chamber;
前記第2の処理チャンバ内で、前記基板上に高誘電率誘電体層を堆積させることと、depositing a high-k dielectric layer on the substrate in the second processing chamber;
前記第3の処理チャンバ内で、堆積された前記高誘電率誘電体層を窒素プラズマに曝すように、プラズマ窒化プロセスを実行することと、performing a plasma nitridation process in the third processing chamber to expose the deposited high-k dielectric layer to a nitrogen plasma;
を行うように構成されており、The device is configured to:
前記基板が、前記処理システム内の真空環境を破壊することなく、前記第1の処理チャンバ、前記第2の処理チャンバ、および前記第3の処理チャンバの間で移送される、処理システム。A processing system, wherein the substrate is transferred between the first processing chamber, the second processing chamber, and the third processing chamber without breaking a vacuum environment within the processing system.
(態様8)(Aspect 8)
第4の処理チャンバをさらに含み、further comprising a fourth processing chamber;
前記システムコントローラがさらに、前記第4の処理チャンバ内で、前記基板の前記前洗浄された表面上に界面層を形成するように構成されている、態様7に記載の処理システム。8. The processing system of claim 7, wherein the system controller is further configured to form an interface layer on the pre-cleaned surface of the substrate in the fourth processing chamber.
(態様9)(Aspect 9)
第5の処理チャンバをさらに含み、further comprising a fifth processing chamber;
前記システムコントローラがさらに、前記第5の処理チャンバ内で、プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層をアニールするように、窒化後アニールプロセスを実行するように構成されている、態様8に記載の処理システム。9. The processing system of claim 8, wherein the system controller is further configured to perform a post-nitridation anneal process in the fifth processing chamber to anneal the plasma nitrided high-k dielectric layer.
(態様10)(Aspect 10)
第6の処理チャンバをさらに含み、Further comprising a sixth processing chamber;
前記システムコントローラがさらに、堆積された前記高誘電率誘電体層を硬化および高密度化するように、前記プラズマ窒化プロセスの前に堆積後アニールプロセスを実行するように構成されている、態様9に記載の処理システム。10. The processing system of claim 9, wherein the system controller is further configured to perform a post-deposition anneal process prior to the plasma nitridation process to harden and densify the deposited high-k dielectric layer.
(態様11)(Aspect 11)
第6の処理チャンバをさらに含み、Further comprising a sixth processing chamber;
前記システムコントローラがさらに、プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層内に窒素原子をさらに挿入するように、前記窒化後アニールプロセスの前にプラズマ窒化プロセスを実行するように構成されている、態様9に記載の処理システム。10. The processing system of claim 9, wherein the system controller is further configured to perform a plasma nitridation process prior to the post-nitridation anneal process to further insert nitrogen atoms into the plasma nitrided high-k dielectric layer.
(態様12)(Aspect 12)
第5の処理チャンバをさらに含み、further comprising a fifth processing chamber;
前記システムコントローラがさらに、前記第5の処理チャンバ内で、プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層内の残りの化学結合を不動態化し且つ前記基板を熱酸化するように、再酸化プロセスを実行するように構成されている、態様8に記載の処理システム。9. The processing system of claim 8, wherein the system controller is further configured to perform a re-oxidation process in the fifth processing chamber to passivate remaining chemical bonds in the plasma nitrided high-k dielectric layer and to thermally oxidize the substrate.
100 処理システム
102 ファクトリインターフェース
104 ロードロックチャンバ
106 ロードロックチャンバ
108 移送チャンバ
110 移送チャンバ
112 移送ロボット
114 移送ロボット
116 チャンバ
118 チャンバ
120 処理チャンバ
122 処理チャンバ
124 処理チャンバ
126 処理チャンバ
128 処理チャンバ
130 処理チャンバ
140 ステーション
142 ファクトリインターフェースロボット
144 前方開口式一体型ポッド(FOUP)
148 ブレード
150 ポート
152 それぞれのポート
154 ポート
156 ポート
158 ポート
160 ポート
162 ポート
164 ポート
166 ポート
168 ポート
170 ポート
172 ポート
174 ポート
176 ポート
190 システムコントローラ
192 中央処理装置(CPU)
194 メモリ
196 サポート回路
200 方法
210 ブロック
220 ブロック
230 ブロック
240 ブロック
250 ブロック
260 ブロック
270 ブロック
280 ブロック
290 ブロック
300 半導体構造
302 基板
304 界面層
306 ゲート誘電体層
400 方法
410 ブロック
420 ブロック
430 ブロック
440 ブロック
450 ブロック
460 ブロック
480 ブロック
500 金属ゲート構造
502 誘電体キャップ層
504 犠牲シリコンキャップ層
506 金属層
100
148
194
Claims (9)
基板の表面を前洗浄することと、
前記基板の前洗浄された前記表面上に界面層を形成することと、
前記界面層上に高誘電率誘電体層を堆積させることと、
堆積された前記高誘電率誘電体層内に窒素原子を挿入するように、プラズマ窒化プロセスを実行することと、
プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層内の化学結合を不動態化するように、窒化後アニールプロセスを実行することと、
を含む半導体構造を形成することと、
プラズマ窒化された前記高誘電率誘電体層内に窒素原子をさらに挿入するように、前記窒化後アニールプロセスの前に熱窒化プロセスを実行することを含む、方法。 1. A method of forming a semiconductor structure, comprising:
Pre-cleaning a surface of a substrate;
forming an interface layer on the pre-cleaned surface of the substrate;
depositing a high-k dielectric layer over the interfacial layer;
performing a plasma nitridation process to insert nitrogen atoms into the deposited high-k dielectric layer;
performing a post-nitridation anneal process to passivate chemical bonds within the plasma nitrided high-k dielectric layer;
forming a semiconductor structure comprising :
20. The method of claim 19, further comprising : performing a thermal nitridation process prior to said post-nitridation anneal process to further insert nitrogen atoms into said plasma nitrided high-k dielectric layer .
前記界面層を形成することが、亜酸化窒素(N2O)ガスを利用して前記基板を熱酸化することを含む、請求項1に記載の方法。 the interfacial layer comprises silicon oxide (SiO 2 );
10. The method of claim 1, wherein forming the interfacial layer comprises thermally oxidizing the substrate utilizing nitrous oxide ( N2O ) gas.
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