[發明專利]形成介電膜的方法

有效

• 申請號: 201010167894.5
• 申請日: 2008-12-26
• 公開（公告）號: CN101944482A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發明（設計）人: 北野尚武;福地祐介;鈴木伸昌;北川英夫
• 申請（專利權）人: 佳能株式會社;佳能安內華股份有限公司
• 主分類號: H01L21/316
• 分類號: H01L21/316;C23C14/14
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 楊國權

本專利申請是優先權日為2007年12月27日、申請號為200810190696.3、發明名稱為“形成介電膜的方法”的發明專利申請的分案申請，其在此全部引入作為參考。

技術領域

本發明涉及一種形成介電膜的方法，特別是涉及一種形成適合于用作半導體裝置中的高介電常數柵介電膜的介電膜的方法。

背景技術

在像MOS(金屬氧化物半導體)類型的晶體管的半導體裝置中，溝道長度制造得越來越短以提高操作速度。然而，溝道長度的縮短使柵介電膜的電容下降并使晶體管的切換操作延遲。因此，為了獲得用于晶體管的切換操作的充足電容，將柵介電膜制造得更薄。傳統上，作為用于MOS類型的晶體管的介電膜的材料，由于制造的容易和所獲得的滿意的膜的界面屬性，所以使用二氧化硅(SiO₂)。然而，柵介電膜的厚度降低到幾個納米趨向于引起大量柵漏電流而不利地增加功耗。這個問題的一種解決方案是從具有比SiO₂的相對介電常數(ε_r＝3.9)高的相對介電常數的材料形成柵介電膜。由這樣的材料構成的介電膜被稱為高介電常數介電膜(高-K介電膜)。可將具有更高介電常數的高-K介電膜制造得更厚以獲得與二氧化硅膜的電容相當的電容，而不增加漏電流。

用于高-K介電膜的材料包括金屬二氧化物，諸如ZrO₂和HfO₂。已知的將這樣的金屬二氧化物沉積在襯底的表面上的方法是如在公開的第2004-140292號日本專利申請(US對應的第7105362號US專利、第2006/0008969號US申請公布)中描述的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)。在MOCVD中，在器皿中通過加熱使金屬絡合材料液化，通過將載氣引入到器皿中使其汽化，并將其運載到反應室。運載到反應室的材料沉積以在加熱的襯底表面上形成膜。

然而，通過MOCVD形成的膜包含大量殘留雜質，像來自開始的有機材料的碳和氫。殘留的雜質趨向于在形成的膜中引起大量漏電流。另一已知方法是濺射，與MOCVD不同，濺射能夠實現包含更少量雜質的金屬氧化物的沉積。在濺射中，允許高能粒子碰撞金屬靶的表面以排斥構成靶的原子并使所述原子沉積在表面上。例如，通過將靶金屬用作陰極的放電使像氬的惰性稀有氣體電離，并允許形成的離子碰撞靶金屬以引起濺射。從而，可將包含更少量殘留雜質的金屬膜沉積。

以下參考圖4A至圖4D描述通過濺射形成高-K介電膜的傳統過程。在圖4A至圖4D中，標號如下表示：401，由單晶硅等材料構成的襯底；402，二氧化硅膜；403，金屬膜；404，金屬硅酸鹽膜；405，金屬氧化物膜。

在圖4A的步驟中，通過RCA清潔等清潔方法對襯底401的表面進行清潔以從表面去除污染物而使硅原子曝露在表面上。然后，在圖4B的步驟中，使襯底401的表面部分氧化以形成二氧化硅膜402。通過熱氧化、自由基氧化(radical?oxidation)等方法進行襯底401的表面部分的氧化。在圖4C中顯示的下一步驟中，通過濺射使金屬膜403沉積在二氧化硅膜402的表面上。在圖4D中顯示的下一步驟中，通過氧自由基(oxygen?radical)使金屬膜403氧化以形成金屬二氧化物膜405。由于與非晶金屬二氧化物膜相比，結晶的金屬二氧化物膜趨向于引起漏電流，所以用氧自由基進行金屬膜403的氧化，這使得能夠在較低溫度下進行氧化而在氧化期間沒有結晶。通過等離子體激發、光激發等方法產生氧自由基。

在自由基氧化期間，構成金屬膜403的金屬原子的一部分擴散到二氧化硅膜402中以形成金屬硅酸鹽膜404。金屬硅酸鹽膜404比金屬氧化物膜405更加熱穩定且更不易于結晶。

因此，為了獲得具有良好的熱穩定性和可靠性的柵介電膜，優選地，促進金屬膜403和二氧化硅膜的混合以盡可能地將膜中的金屬二氧化物轉換為硅酸鹽。

另一方面，公開的第2002-314074號日本專利申請(US對應的第6734069號US專利、第2003/0092238號US申請公布)公開了用于促進金屬原子的擴散的高溫熱氧化。公開的第2003-297814號日本專利申請(US對應的第2003/0185980號US申請公布)公開了用于促進金屬原子的擴散的高能粒子的照射。