JP2007505993A - バッチタイプ処理システムにおける順次ガス露出による金属含有膜の形成 - Google Patents

バッチタイプ処理システムにおける順次ガス露出による金属含有膜の形成 Download PDF

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Abstract

【課題】バッチタイプ処理システムにおいて順次ガス露出処理によって基板上に金属含有膜を形成するための方法を提供する。
【解決手段】バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給し、基板を加熱し、金属含有前駆体ガスのパルスと反応ガスのパルスを処理チャンバーに順に流し、これらの流し処理を所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで繰り返す。この方法によって、ＨｆＯ２やＺｒＯ２などの酸化金属膜、ＨｆｘＯｚＮｗやＨｆｘＯｚＮｗなどの酸窒化金属膜、ＨｆｘＳｉｙＯｚやＺｒｘＳｉｙＯｚなどのケイ酸金属膜、ＨｆｘＳｉｙＯｚＮｗやＺｒｘＳｉｙＯｚＮなどの窒素含有ケイ酸金属が形成できる。
【選択図】

Description

本発明は、半導体処理に関し、特に、バッチタイプ処理システムにおいて金属含有膜を形成するための順次ガス露出処理に関する。
半導体産業において、実効酸化膜厚(ＥＯＴ)が低くて漏れ電流が少ない高誘電率(ｈｉｇｈ-ｋ)物質は、酸化シリコン(ＳｉＯ２)誘電体層に取って代わる可能性が高い。ｈｉｇｈ-ｋ金属酸化物は、ＳｉＯ２に比べて非常に大きな物理的な厚さを持ちながらも必要な容量を提供でき、しかも直接トンネリングの抑制によってゲート漏れ電流を軽減できる。二酸化ハフニウム(ＨｆＯ２)や二酸化ジルコニウム(ＺｒＯ２)などの二酸化物、ケイ酸ハフニウム(ＨｆｘＳｉｙＯｚ)やケイ酸ジルコニウム(ＺｒｘＳｉｙＯｚ)などのケイ酸金属、アルミナ(Ａｌ２Ｏ３)、ランタニド酸化物は、ゲートスタックアプリケーションのための酸化金属ｈｉｇｈ-ｋ物質として有望である。
ｈｉｇｈ-ｋ膜成長の正確な制御、シリコンとｈｉｇｈ-ｋ膜の間のインタフェースの発展、ゲートスタックの熱安定性は、半導体アプリケーションへのｈｉｇｈ-ｋ膜のインテグレーションにとってキー要素である。本発明者らは、ｈｉｇｈ-ｋ膜のこれらのキー要素を主として単一ウェハ膜成長について研究することを認めた。しかしながら、本発明者らは、単一ウェハ処理が、半導体デバイスへの金属含有ｈｉｇｈ-ｋ膜の半導体産業インテグレーションにとって費用対効果メカニズムを提供する可能性が高くないことをさらに認めた。
本発明の目的は、金属含有膜を半導体アプリケーションにインテグレートするための費用対効果が高いメカニズムを提供することである。
本発明の別の目的は、バッチタイプ処理システムにおいて半導体ウェハ上にｈｉｇｈ-ｋ膜を形成するための方法とシステムを提供することである。
本発明のこれらのおよび／または他の目的は、バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給するプロセスと、基板を加熱するプロセスと、処理チャンバーに金属含有前駆体のパルスを流すプロセスと、処理チャンバーに反応ガスのパルスを流すプロセスと、これらの流すプロセスを所望の膜特性を有する金属含有膜が前記基板上に形成されるまで繰り返すプロセスとによって、基板上に金属含有膜を形成する方法によって提供され得る。金属含有膜は、酸化金属膜、酸窒化金属膜、ケイ酸金属膜、窒素含有ケイ酸金属膜のいずれかを含み得る。
本発明の別の側面においては、金属含有膜を形成するための処理装置が提供される。この処理装置は、バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給するように構成された搬送システムと、基板を加熱するためのヒーターと、処理チャンバーに金属含有前駆体のパルスを流すプロセス、処理チャンバーに反応ガスのパルスを流すプロセス、これらの流すプロセスを所望の膜特性を有する金属含有膜が前記基板上に形成されるまで繰り返すプロセスを行なうように構成されたガス注入システムとを有している。処理システムは、処理装置を制御するように構成された制御部をさらに有している。
先の発明の背景の個所で述べたように、単一基板への金属含有ｈｉｇｈ-ｋ膜の形成は、このような膜を半導体デバイスにインテグレートするための高い費用対効果メカニズムを提供しない。にもかかわらず、バッチタイプ処理システムにおける多数のウェハへのこのようなｈｉｇｈ-ｋ膜の形成は大きく論じられずに来た。それは、多分、バッチタイプ処理チャンバー内の異なるウェハ位置に均一な処理結果を与えることの困難な問題によると思われる。本発明者らは、バッチタイプ処理システムの異なるウェハ位置における膜厚とウェハ被覆の一様性と金属含有ｈｉｇｈ-ｋ膜の堆積レートとの変化について、異なるバッチタイプ処理パラメーターの影響を分析する実験を行なった。このような実験と分析の結果、本発明者らは、バッチ処理チャンバー内において複数枚の基板上に金属含有膜を形成することにとって、順次ガス露出が適したメカニズムを提供することを発見した。
順次ガス露出方法では、処理すべき基板を収容している処理チャンバーに金属含有前駆体ガスのパルスを流す。基板をガスパルスに露出すると、金属含有前駆体(あるいは金属含有前駆体のフラグメント)は、あいている表面吸着部位のすべてが占拠されるまで、自己制限プロセスで基板の表面に化学吸着し得る。金属含有前駆体は、表面結合部位を妨害または占拠することによって立体障害を提供する有機または無機分子含有配位子になり、これにより配位子が反応ガスによって取り去られるか修飾(改質)されるまで多層の構築を防止し得る。処理チャンバーをパージガスで浄化し、処理チャンバーを排気することにより、過剰の金属含有前駆体を処理チャンバーから除去し得る。その後、金属含有前駆体の吸着部と化学的に反応可能な反応ガスのガスパルスに基板を露出し得る。処理チャンバーをパージガスで浄化し、処理チャンバーを排気することにより、過剰の反応ガスを処理チャンバーから除去し得る。所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで順次ガス露出処理を繰り返し得る。以下でさらに論じるように、本発明者らは、このような順次ガス露出方法をバッチ処理システムにおいて適切なプロセスパラメーターで行なうことによりバッチ内のすべてのウェハの至る所で許容できる一定の特性を有する金属含有ｈｉｇｈ-ｋ膜を形成し得ることを発見した。
特に、本発明の一実施形態において、バッチタイプ処理システムにおいて恒温加熱状況を使用する順次ガス露出処理で基板上に金属含有膜を形成し得る。順次ガス露出処理では、バッチタイプ処理チャンバーに基板を供給し、真空ポンプシステムを使用してチャンバー圧力を下げ、チャンバーの温度と圧力を安定化させる。基板酸化が起こる温度よりも低い温度にあるバッチタイプ処理チャンバー内に基板(ウェハ)を装填し得る。ここで処理チャンバーは、およそ１％の酸素を含有している雰囲気(ambient)を有している。これらのプロセス条件は、基板から有機汚染物を取り除くことに効果的であり得る。加えて、不活性ガスを使用していくつかの排気/浄化サイクルを行ない得る。あるいは、オゾン(Ｏ３)処理(treatment)に基板を露出し得る。次に、処理チャンバー温度と処理チャンバー圧力を不活性雰囲気中において所望の値に調整して非平衡状況下における基板酸化を回避し得る。プロセス温度に達したら、基板上に金属含有膜が形成されるまでの時間の間、基板を処理し得る。プロセスの終わりに、処理チャンバーを排気し、不活性ガスで浄化し、基板を処理チャンバーから回収し得る。
図面を参照すると、図１Ａは、本発明の実施形態による金属含有膜を形成するためのバッチタイプ処理システムの簡易ブロック図を示している。バッチタイプ処理システム１００は、処理チャンバー１０２、ガス注入システム１０４、ヒーター１２２、真空ポンプシステム１０６、プロセス監視システム１０８、制御部１２４を有している。基板ホルダー１１２を使用して多数の基板１１０を処理チャンバー１０２に装填し処理し得る。さらに、処理チャンバー１０２は外側部１１４と内側部１１６を有している。本発明の一実施形態において、内側部１１６は処理炉心管であり得る。
ガス注入システム１０４は、処理チャンバー１０２を浄化するために、また基板１１０を下処理し洗浄し処理するために、処理チャンバー１０２にガスを導入し得る。ガス注入システム１０４は、例えば、金属含有前駆体液体を気化させる気化器を含む液体供給システム(ＬＤＳ)を有していてよい。気化した液体は、搬送ガスを利用して処理チャンバー１０２内に流し得る。あるいは、ガス注入システムは、金属含有前駆体を含むリザーバーを通して搬送ガスをバブリングするバブリングシステムを有していてよい。複数のガス供給ラインを配置して処理チャンバー１０２に複数のガスを流すようにしてもよい。内側部１１６によって定まるボリューム１１８にガスを導入し、基板１１０にガスを露出し得る。その後、ガスは内側部１１４と外側部１１６によって定まるボリューム１２０に流れ込み、真空ポンプシステム１０６によって処理チャンバー１０２からガスを排気し得る。
基板ホルダー１１２を使用して処理チャンバー１０２に基板１１０を装填し処理し得る。バッチタイプ処理システム１００は、密に積み重ねられた多数の基板１１０を処理することにより、高い基板スループットを達成し得る。基板バッチサイズは、例えば、およそ１００枚以下の基板(ウェハ)としてよい。あるいは、バッチサイズはおよそ２５枚以下の基板としてよい。処理チャンバー１０２は、例えば、およそ１９５ｍｍより大きい直径の基板、例えば、２００ｍｍの基板、３００ｍｍの基板、さらに大きい基板など、あらゆる直径の基板を処理し得る。基板１１０は、例えば、半導体基板(例えばＳｉあるいは化合物半導体)、ＬＣＤ基板、ガラス基板を含み得る。きれいな基板のほか、これに限らないが、酸化膜(自然または熱酸化膜)、窒化膜、酸窒化膜、これらの混合物などの界面薄膜を有する基板を利用し得る。界面薄膜は、例えば、数オングストローム(Ａ)厚とし、低いプロセス圧力において自己制限プロセスで形成し得る。一例では、酸窒化界面薄膜は、希釈ＮＯガスを使用するおよそ７００℃ないしおよそ８００℃の間の基板温度および５Ｔｏｒｒのプロセス圧力において形成し得る。
バッチタイプ処理システム１００は、バッチタイプ処理システム１００からの出力を監視することはもちろん、バッチタイプ処理システム１００の入力を伝達し作動させるに十分な制御信号を生成可能な制御部１２４によって制御し得る。さらに、制御部１２４は、処理チャンバー１０２、ガス注入システム１０４、ヒーター１２２、プロセス監視システム１０８、真空ポンプシステム１０６と連結されていて、情報を交換し得る。例えば、制御部１２４のメモリーに記憶されているプログラムを使用し、記憶されているプロセス処方に従ってバッチタイプ処理システム１００の前述のコンポーネントを制御し得る。制御部１２４の一例は、テキサス州ダラスにあるデル株式会社から入手可能なＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫ ＳＴＡＴＩＯＮ ６１０(登録商標)である。
リアルタイムプロセス監視はプロセス監視システム１０８を使用して実施し得る。一般に、プロセス監視システム１０８は汎用監視システムであり、例えば、質量分析計(ＭＳ)やフーリエ変換赤外分光(ＦＴＩＲ)分析計などを含み得る。プロセス監視システム１０８は、プロセス環境におけるガスの化学種類の質的な分析と量的な分析を提供し得る。監視し得るプロセスパラメータは、ガスの流れ、ガスの圧力、ガスの種類の比率、ガスの純度を含む。これらのパラメーターは、事前のプロセス結果および金属含有膜の種々の物理的特性と関連づけし得る。
図１Ｂは、本発明の別の実施形態による金属含有膜を形成するためのバッチタイプ処理システムの簡易ブロック図を示している。バッチタイプ処理システム１は、処理チャンバー１０と、排気管８０と連結された上端部と円筒状マニホールド２のふた２７に気密に接合された下端部とを備えた処理炉心管２５とを有している。排気管８０は処理炉心管２５から真空ポンプシステム８８にガスを排出して処理システム１内を所定値以下の気圧に維持する。処理炉心管２５内には、複数の基板(ウェハ)４０を層状手法で(それぞれの水平面に鉛直に間隔をおいて)保持するための基板ホルダー３５が配置されている。基板ホルダー３５は、ふた２７を貫通し、モーター２８によって駆動される回転シャフト２１に取り付けられたターンテーブル２６の上に位置している。膜全体の一様性を改善するために処理の間じゅうターンテーブル２６を回転させてよい、あるいは、ターンテーブルは処理の間じゅう静止していてもよい。ふた２７は、反応炉心管２５に基板ホルダー３５を出し入れするためのエレベーター２２に取り付けられている。ふた２７が最上位位置にくると、ふた２７はマニホールド２の開口端をふさぐ。
マニホールド２の周囲には複数のガス供給ラインが設けられていて、ガス供給ラインを介して処理炉心管２５に多種のガスを供給し得る。図１Ｂには、複数のガス供給ライン中の一本のガス供給ライン４５だけが示されている。ガス供給ライン４５はガス注入システム９４に接続されている。反応炉心管２５を覆うように円筒状熱反射鏡３０が配置されている。熱反射鏡３０は鏡面仕上げ内側面を有し、主ヒーター２０と下部ヒーター６５、上部ヒーター１５、排気管ヒーター７０とによって放射される放射熱の消散を抑える。(図示しない)らせん状冷却水通路が冷却媒体通路として熱反射鏡１０の中に形成されている。
真空ポンプシステム８８は真空ポンプ８６と捕集器８４と自動圧力制御部(ＡＰＣ)８２とを有している。真空ポンプ８６は、例えば、毎秒２０,０００リットル(以上)の吸引速度が可能な真空ポンプであってよい。処理の間じゅう、ガス注入システム９４によって処理チャンバー１０にガスを導入し得、ＡＰＣ８２によってプロセス圧力を調整し得る。捕集器８４は処理チャンバー１０からの未反応前駆体物質と副産物を収集し得る。
プロセス監視システム９２はリアルタイムプロセス監視可能なセンサー７５を有し、例えば、ＭＳまたはＦＴＩＲ分析計を備え得る。制御部９０はマイクロプロセッサとメモリーとデジタルＩ／Ｏポートとを有し、処理システム１からの出力を監視することはもちろん、処理システム１００への入力を伝達し作動させるに十分な制御信号を生成可能である。さらに、制御部９０は、ガス注入システム９４、モーター２８、プロセス監視システム９２、ヒーター２０、１５、６５、７０、真空ポンプシステム８８に接続されていて、情報を交換し得る。図１Ａの制御部１２４と同じように、制御部９０はＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫ ＳＴＡＴＩＯＮ ６１０(登録商標)で構成してよい。
図２は、本発明の実施形態による処理装置の簡易ブロック図を示している。処理装置２００は、処理システム２２０と２３０と、基板を処理装置２００内に搬送するように構成された(自動)搬送システム２１０と、処理装置２００をコントロールするように構成された制御部２４０とを有している。本発明の別の実施形態では、処理装置２００はただ一つの処理システムを有していてもよく、あるいは、三つ以上の処理システムを有していてもよい。図２において、処理システム２２０と２３０は、例えば、以下の処理の少なくとも一つを実施し得る。(ａ)基板上に界面膜を形成する。(ｂ)順次ガス露出処理で基板上に金属含有膜を形成する。(ｃ)アニールプロセスを行なう。(ｄ)電極層を形成する。(ｅ)基板、界面膜、順次ガス露出処理で形成される金属含有膜、電極層の少なくとも一つの特性を決定する。電極層の形成に関して、伝統的なドープＳｉやポリＳｉのほかに、電極膜は、例えば、Ｗ、Ａｌ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＨｆＮ、ＨｆＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｒｅ、Ｒｕ、ＳｉＧｅの少なくとも一つとしてもよく、種々の公知の堆積プロセスを使用して堆積し得る。本発明の一実施形態において、プロセス(ａ)〜(ｅ)のおのおのを異なる処理システムで行ない得る。本発明の別の実施形態において、プロセス(ａ)〜(ｅ)の少なくとも二つを同一処理システムで行ない得る。本発明の一実施形態において、処理システムの少なくとも一つはバッチタイプ処理システムであり得る。
図１Ａと図Ｂの制御部と同じように、制御部２４０はＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫ ＳＴＡＴＩＯＮ ６１０(登録商標)で構成してよい。さらに、図１Ａと図１Ｂと図２のいずれの制御部も、図１４に関連して説明したような汎用コンピュータシステムで構成してもよい。
図３Ａは、本発明の一実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための流れ図を示している。３００において、プロセスを開始する。３０２において、バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給する。バッチタイプ処理システムは、例えば、図１Ａまたは図１Ｂに示したシステムであってもよくて、また、図２に示したような処理装置の一部として提供されてもよい。３０４において、金属含有前駆体のパルスを処理チャンバーに流す。前述したように、前駆体は、あいている表面吸着部位のすべてが占拠されるまで、自己制限プロセスで基板の表面に化学吸着し得る。本発明の一実施形態において、金属含有前駆体は金属アルコキシドを含み得る。金属アルコキシド前駆体は、例えば、Ｍ(ＯＲ)４を含み得る。ここでＭは金属であり、アルキルグループＲは、メチル配位子、エチル配位子(Ｅｔ)、プロピル配位子(Ｐｒ)とブチル-ｔ配位子(Ｂｕｔ)から選択し得る。金属Ｍは、例えば、ハフニウムとジルコニウムから選択し得、金属含有膜は、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、それらの混合物の少なくとも一つを含み得る。一例では、Ｍ(ＯＲ)４前駆体は、Ｈｆ(ＯＢｕｔ)４とＺｒ(ＯＢｕｔ)４から選択し得る。金属アルコキシドは、例えば、Ｍ(ＯＲ)２(ｍｍｐ)２とＭ(ｍｍｐ)４から選択し得る。ここでｍｍｐはＯＣＭｅ２ＣＨ２ＯＭｅ配位子、Ｍは金属、Ｒはアルキルグループである。Ｒは、例えば、メチル配位子、エチル配位子、プロピル配位子、ブチル-ｔ配位子のいずれかであり得る。金属Ｍは、例えば、ハフニウムとジルコニウムから選択し得る。
本発明の別の実施形態において、金属含有前駆体は金属アルキルアミドを含み得る。金属アルキルアミドは、例えば、Ｍ(ＮＲ２)４から選択し得る。ここでＭは金属、Ｒはアルキルグループである。Ｒは、例えば、メチル配位子、エチル配位子、プロピル配位子、ブチル-ｔ配位子のいずれかであり得る。金属Ｍは、例えば、ハフニウムとジルコニウムから選択し得る。金属アルキルアミドの例としては、テトラキス(ジエチルアミノ)ハフニウム(ＴＤＥＡＨ、Ｈｆ(ＮＥｔ２)４)とテトラキス(エチルメチルアミノ)ハフニウム(ＴＥＭＡＨ、Ｈｆ(ＮＥｔＭｅ)４)がある。
前駆体ガスのパルスを流したあと、次いで、ステップ３０６に示すように、反応ガスのパルスを処理チャンバーに流す。反応ガスは、基板上の金属含有前駆体と反応可能なガスを含み得、基板から反応副産物の除去を促進し得る。反応ガスは還元ガスと酸化ガスの少なくとも一つを含み得、さらに不活性ガスをも含んでいてもよい。酸化ガスは酸素含有ガスを含み得る。酸素含有ガスは、例えば、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２の少なくとも一つを含み得る。還元ガスは、水素含有ガス、例えばＨ２を含み得る。あるいは、還元ガスは、シリコン含有ガス、例えば、シラン(ＳｉＨ４)、ジシラン(Ｓｉ２Ｈ６)、ヘキサクロロシラン(Ｓｉ２Ｃｌ６)、ジクロロシラン(ＳｉＣｌ２Ｈ２)を含み得る。あるいは、還元ガスはボロン含有ガス、例えば一般式ＢｘＨ３ｘを有するボロン含有ガスを含み得る。これは、例えば、ボラン(ＢＨ３)、ジボラン(Ｂ２Ｈ６)、トリボラン(Ｂ３Ｈ９)、その他を含む。あるいは、還元ガスは窒素含有ガス、例えばアンモニア(ＮＨ３)を含み得る。加えて、還元ガスは前述したガスの二以上を含み得る。搬送ガスとパージガスは不活性ガスを含み得る。不活性ガスは、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２の少なくとも一つを含み得る。
ステップ３０６において前駆体ガスと反応ガスをチャンバーに流したあと、判定ブロック３０８に示すように、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されたかどうかの判定を行なう。膜特性は、膜厚、膜組成、漏れ電流と電気的ヒステリシスとフラットバンド電圧などの電気的特性を含み得る。本発明の一実施形態において、金属含有膜の厚さはおよそ１０００オングストローム(Ａ)未満であり得る。本発明の別の実施形態において、金属含有膜の厚さはおよそ２００Ａ未満であり得る。本発明のまた別の実施形態において、金属含有膜の厚さは５０Ａ未満であり得る。所望の膜特性を有する膜が基板上に形成されたかどうかの判定は、好ましくは、例えば、図１Ａと図１Ｂに関連して説明した監視システムなどの監視システムによってなされる。膜特性は、膜自体を直接監視することによって判定してよく、また、膜の特性は、他のプロセスパラメータおよび／またはチャンバー状態から得てもよい。
ステップ３０８において所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されたと判定した場合には、３１０においてプロセスを終了する。基板上に形成された金属含有膜が所望の膜特性を有していないと判定した場合には、図３Ａのプロセスは、前駆体ガスに続けて反応ガスを流すサイクルを繰り返すステップ３０４に戻る。図３Ｂは、本発明の実施形態に従って基板上に金属含有膜を形成するためのガスの流れの反復を模式的に示している。図３Ｂのプロセスでは、金属含有前駆体のガスパルス３３０と反応ガスのガスパルス３５０とを処理チャンバーに順に流す。ガス露出サイクル３２０はガスパルス３３０とガスパルス３５０を含む。ガス露出サイクル３２０は、図３Ａのステップ３０８において判定するように、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで繰り返し得る。
本発明は、順次ガス露出方法の一部として搬送ガスとパージガスの少なくとも一つを処理チャンバーに流すことを含んでいてもよい。搬送ガスとパージガスは、処理チャンバーに処理の間じゅう継続的に流してもよく、あるいは、後述するように、処理チャンバーに処理の間じゅう断続的に流してもよい。一般に、金属含有前駆体ガスは金属含有前駆体と付随的に搬送ガスとを含有していると見なし得る。搬送ガスは処理チャンバーに金属含有前駆体を送り出すのを促進し得、さらにプロセスガス分圧の調整に使用し得る。パージガスは、例えば、反応ガス、金属含有前駆体ガス、搬送ガス、反応副産物を処理チャンバーから効率的に取り除くように選択し得る。順次ガス露出プロセスの間じゅう、真空ポンプシステムを使用して処理チャンバーからガスを継続的に排気する。
図４Ａは、パージガスをプロセスに使用する本発明の別の実施形態に従う基板上に金属含有膜を形成するための流れ図を示している。４００において、プロセスを開始する。４０２において、バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給する。４０４において、処理チャンバーに金属含有前駆体ガスのパルスを流す。ステップ４０４の金属含有前駆体ガスは、図３Ｂのステップ３０４に関連して説明した前駆体ガスのいずれのタイプであってよい。ただし、ステップ４０４の前駆体ガスは、チャンバーから前駆体ガスを浄化するのに使用する特定のパージガスを考慮して選択する。ステップ４０６に示すように、次いで処理チャンバーにパージガスのパルスを流す。ステップ４０６のパージガスはステップ４０４の前駆体ガスを処理チャンバーから効率的に取り除くように選択する。４０８において、処理チャンバーに反応ガスのパルスを流す。ステップ４０８の反応ガスは図３Ｂのステップ３０６に関連して説明した前駆体ガスのいずれのタイプであってよい。ただし、ステップ４０８の反応ガスは、チャンバーから反応ガスを浄化するのに使用する特定のパージガスを考慮して選択する。ステップ４１０に示すように、次いで処理チャンバーにパージガスのパルスを流す。ステップ４１０のパージガスはステップ４０８の反応ガスを処理チャンバーから効率的に取り除くように選択する。従ってステップ４０６のパージガスと異なってもよい。
ステップ４１０においてパージガスのパルスを流したあと、決定ブロック４１２に示すように、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されたかどうかの判定を行なう。図３Ａのプロセスと同じように、監視システムによって膜を直接監視しても、あるいは監視したプロセスパラメータおよび／または他のチャンバー状態から膜の特性を得てもよい。ステップ４１２において所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されたと判定した場合には、４１４においてプロセスを終了する。金属含有膜が所望の膜特性を有していないと判定した場合には、図４Ａのプロセスは、前駆体ガスに続けて反応ガスを流すサイクルを繰り返すステップ４０４に戻る。図４Ｂは、本発明の別の実施形態に従って基板上に金属含有膜を形成するための反復順次ガス露出プロセスを模式的に示している。このプロセスでは、金属含有前駆体のガスパルス４３０と反応ガスのガスパルス４５０とを処理チャンバーに順に流す。順次ガス露出サイクル４２０はガスパルス４３０とガスパルス４５０を含む。ガス露出サイクル４２０は、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで繰り返し得る。
図４Ｂに示す実施形態では、金属含有前駆体のガスパルス４３０と反応ガスのガスパルス４５０が処理チャンバーに流れていないときに、パージガスパルス４４０とパージガスパルス４６０を処理チャンバーに流す。ガス露出サイクルはガスパルス４３０、４４０、４５０、４６０を含む。ガス露出サイクル４２０は、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで繰り返し得る。パージガスパルス４４０と４６０は同じパージガスであっても異なるパージガスであってもよい。パージガスパルス４４０と４６０は長さが同じであっても異なっていてもよい。
図３Ｂと図４Ｂは、ガスパルスがすぐにお互いの後に続く順次ガス露出処理を示しているが、本発明はこのようなプロセスに限定されない。図５は、ガスパルスがすぐにお互いの後に続かない本発明の別の実施形態による金属含有膜を基板上に形成するための順次ガス露出処理を模式的に示している。この図に示すように、金属含有前駆体のガスパルス５５０と反応ガスのガスパルス５３０は、反応ガスパルスの前後にそれぞれ時間経過５４０と時間経過５６０を置いて処理チャンバーに流す。時間間隔５４０と時間間隔５６０は長さが同じであっても異なっていてもよい。従って、図５の順次ガス露出サイクル５２０はガスパルス５３０と時間間隔５４０とガスパルス５５０と時間間隔５６０とを有する。ガス露出サイクル５２０は、所望の膜特性を有する金属含有膜が基板上に形成されるまで繰り返し得る。時間間隔５４０と５６０の任意の一部または全部の間、搬送ガスまたはパージガスを処理チャンバーに流すことにより、時間間隔５４０と５６０の間にそのようなガスによって処理チャンバーを浄化し得る。あるいは、時間間隔５４０と５６０の間、処理チャンバーにガスを流さなくてもよい。５４０と５６０のパージガスは同じであっても異なっていてもよい。本発明の別の実施形態において、時間間隔５４０と５６０は、処理チャンバーにガスを流さない少なくとも一つの排出時間間隔をさらに含んでいてもよい。
従って、本発明者らは、バッチ処理チャンバー内において複数枚の基板上に金属含有膜を形成するのに効果的である順次ガス露出プロセスを発見した。図３〜図５が本発明を説明するために本質的に例示的であることは理解されよう。所望の膜特性を有する金属含有膜の堆積を可能にする適当なプロセス条件は、ここに述べた発明の背景の恩恵を有する当業者による直接の実験および／または実験計画(ＤＯＥ)によって決定し得る。調整可能なプロセスパラメータは、例えば、ガスのパルス長、プロセス圧力、プロセス温度、反応ガスのタイプ、金属含有ガスのタイプ、相対ガス流を含み得る。
パルス長に関して、ガスのパルス長は独立に変更可能であり、本発明に従って形成される金属含有膜の特性に影響を与える。例えば、金属含有前駆体のパルスの長さは、十分な量の金属含有前駆体を基板表面に露出するのに十分に長くなるように選択し得る。パルスの長さは、例えば、金属含有前駆体の反応性、搬送ガスでの金属含有前駆体の希釈、処理システムの流れ特性に依存し得る。反応ガスのパルスの長さは、十分な量の反応ガスを基板表面に露出するのに十分に長くなるように選択し得る。パルスの長さは、例えば、反応ガスの反応性、希薄ガスでの反応ガスの希釈、処理システムの流れ特性に依存し得る。パージガスのパルスの長さは、金属含有前駆体、反応ガス、搬送ガス、反応副産物の処理チャンバーを浄化するのに十分に長くなるように選択し得る。パルスの長さは、例えば、処理システムの流れ特性、処理システムの排気速度に依存し得る。さらに、パルス長はそれぞれのガス露出サイクルにおいて同じであってもよく、あるいは、パルス長はそれぞれのガス露出サイクルにおいて変更してもよい。パルス長は、例えば、およそ１秒からおよそ５００秒まで、例えば、６０秒であってよい。ガス露出サイクルの長さは、例えば、数分であってよい。
同様に、順次ガス露出プロセスの流量、チャンバー圧力、チャンバー温度も変えてよい。液体供給システムにおける気化器への金属含有前駆体液体の流量は、例えば、およそ０.０５立方センチメートル毎分(ｃｃｍ)とおよそ１ｃｃｍの間としてよい。反応ガス流量は、例えば、およそ１００ｓｃｃｍとおよそ２０００ｓｃｃｍの間としてよい。搬送ガス流量は、例えば、およそ１００ｓｃｃｍとおよそ１０,０００ｓｃｃｍの間、好ましくはおよそ２０００ｓｃｃｍとしてよい。パージガス流量は、例えば、およそ１００ｓｃｃｍと１０,０００ｓｃｃｍの間としてよい。処理チャンバー内のプロセス圧力は、例えば、およそ１０Ｔｏｒｒ未満、好ましくはおよそ０.０５Ｔｏｒｒとおよそ２Ｔｏｒｒの間としてよい。一実施形態において、プロセス圧力をおよそ０.３Ｔｏｒｒとしてよい。処理チャンバー内のプロセス圧力はプロセスの間じゅう一定としてもよく、あるいは、圧力はプロセスの間に変更してもよい。基板温度はおよそ１００℃とおよそ６００℃の間としてよい。本発明の一実施形態において、基板温度は、例えば、およそ２００℃未満、例えばおよそ１９０℃としてよい。基板温度はプロセスの間じゅう一定に維持してもよく、あるいは、温度はプロセスの間に変更してもよい。
プロセスパラメータの変更に加えて、本発明のプロセスは、図３〜図５に関連して言及していない追加のプロセスを有してもよい。例えば、本発明の一実施形態において、順次ガス露出プロセスの後に金属含有膜をアニールして金属含有膜の特性を改善してもよい。アニール中の処理チャンバー雰囲気(ambient)は、例えば、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、Ｏ２、Ｏ３の少なくとも一つを含んでいるガスと不活性ガス(例えばＨｅまたはＡｒ)とを含み得る。アニールプロセスは、例えば、およそ１５０℃とおよそ１０００℃の間の基板温度でのアニールを含み得る。
さらに、本発明のプロセスは、図３〜図５に関連して言及していない追加のガス流しステップを含んでいてもよい。例えば、酸化金属膜を形成するための前述のプロセスは、窒素含有ガス(例えばＮＨ３やＮ２Ｏ)のパルスを流して酸窒化金属膜(例えばＭｘＯｚＮｗ、ここでＭはＨｆまたはＺｒであり得る)を形成するためのプロセスステップをさらに含み得る。本発明のまた別の実施形態において、酸化金属膜を形成するための前述のプロセスは、シリコン含有ガス(例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＳｉＣｌ２Ｈ２)のパルスを流してケイ酸金属膜(例えばＭｘＳｉｙＯｚ、ここでＭはＨｆまたはＺｒであり得る)を形成するためのプロセスステップを含み得る。本発明のさらに別の実施形態において、酸化金属膜を形成するためのプロセスは、窒素含有ガス(例えばＮＨ３やＮ２Ｏ)のパルスを流して窒素含有ケイ酸金属膜(例えば、ＭｘＳｉｙＯｚＮｗ、ここでＭはＨｆまたはＺｒであり得る)を形成するためのプロセスステップを含み得る。またさらに、本発明の一実施形態において、膜中の少なくとも一つの含有量を高めるために、同一ガス露出サイクル中に少なくとも一つの流しプロセスを複数回行なってもよい。例えば、Ｈｆ(ＯＢｕｔ)４、Ｏ２、ＳｉＨ４、Ｏ２、ＳｉＨ４を含むガス露出サイクルを使用して、ＳｉとＯの含有量を高めたＨｆｘＳｉｙＯｚ膜を形成することができる。
またさらに、本発明者は、本発明による順次ガス露出プロセスを、図３〜図５に示した反応ガスの流れをプロセスから省き不活性ガスの流れに置き換えて行なえることを発見した。例えば、順次ガス露出処理において、金属アルコキシド前駆体(例えばＨｆ(ＯＢｕｔ)４)と不活性ガスの流れを使用して、ＨｆＯ２膜を形成できる。
前述したように、本発明の順次ガス露出プロセスは金属含有膜を形成するために使用し得る。金属含有膜は化学量酸化金属膜、例えば化学式がＭＯ２の酸化金属であり得る。あるいは、酸化金属膜は非化学量、例えば金属リッチ(例えば、Ｍｘ<1Ｏ２)や、あるいは酸素リッチ(例えば、Ｍｘ<1Ｏ２)であり得る。図６は、本発明の実施形態に従って酸化物層上に堆積させたＨｆＯ２のＴＥＭを示している。構造６００はバルクＳｉ基板６１０と自然酸化物(ＳｉＯ２)膜６２０とＨｆＯ２膜６３０とを有している。アモルファスＨｆＯ２膜６３０は順次ガス露出処理においてＨｆ(ＯＢｕｔ)４前駆体を使用して堆積した。このＨｆＯ２膜６３０はおよそ１７Ａ厚で、自然酸化物膜６２０はおよそ２５Ａ厚である。図６から分かるように、ＨｆＯ２膜６３０には視認できるピンホールはなく、処理条件はＣｕインテグレーションと両立できる。加えて、図７〜図９に示すように、本発明に従って形成したＨｆＯ２膜はｈｉｇｈ-ｋ膜に、望ましい静電容量と漏れ電流特性はもちろん、高い誘電率を与える。
図７は、本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の実効酸化膜厚(ＥＯＴ)を光学厚さの関数として示している。ＥＯＴはＳＳＭ６１０エレクトリカルキャラクタリゼーションシステム(SSM610 Electrical Characterization System)(ソリッドソテートメジャーメント(Solid State Measurements)、ピッツバーグ、ペンシルベニア州)を使用して測定した。また光学式厚さはサーマウェーブオプティプローブ(Thermawave Optiprobe)(サーマウェーブ(Thermawave)、フリーモント、カリフォルニア州)と２.０８の屈折率を使用して測定した。データの線形適合は、ＨｆＯ２膜に対して２０より大きい誘電率(ｋ)と自然酸化物に起因するおよそ１５Ａのゼロオフセットとを示している。
図８は、本発明の実施形態に従って堆積させたＨｆＯ２膜におけるＣ−Ｖ曲線を示している。アニールしていないＨｆＯ２膜をＳｉ基板上に堆積させた。Ｃ−Ｖ曲線はフラットバンド電圧においておよそ１８ｍＶのヒステリシス(ΔＶＦＢ)を示している。ＨｆＯ２膜の全体の厚さは偏向解析法によって１５.８Ａであると測定され、ＥＯＴは１５.８Ａ、静電容量の同等の厚さは１８.８Ａであった。図９は、本発明の実施形態に従って堆積させたＨｆＯ２膜におけるＩ−Ｖ曲線を示している。アニールしていないＨｆＯ２膜をＳｉ基板上に堆積させた。Ｉ−Ｖ曲線はＶＦＢ−Ｖ＝−１.３１８Ｖにおいておよそ１０−８Ａ/ｃｍ２の漏れ流れを示している。
さらに、本発明の順次ガス露出プロセスは、バッチ全体にわたって許容できる変化で所望の膜特性を有する金属含有ｈｉｇｈ-ｋ膜のバッチ形成を提供する。図１０は、本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の厚さとウェハ内(ＷＩＷ)一様性をガス露出時間の関数として示している。ＨｆＯ２膜は、順次ガス露出処理において、Ｈｆ(ＯＢｕｔ)４とＮ２の希薄ガスを含む前駆体ガスと、Ｏ２とＮ２の希薄ガスを含む反応ガスとの等しいパルス継続時間を使用して形成した。反応ガスは、２５０ｓｃｃｍであるＯ２流量と１２５０ｓｃｃｍのＮ２希薄ガス流量とを含んでいた。気化器へのＨｆ(ＯＢｕｔ)４液体流量は０.１ｃｃｍであった。前駆体ガスはさらに１２５０ｓｃｃｍのＮ２希薄ガス流量を含んでいた。基板温度は２００℃、プロセス圧力は０.３Ｔｏｒｒであった。ガス露出サイクルの数は３０であった。ＨｆＯ２膜の厚さは、基板ホルダーの上部と中央部と下部の近くに配置された基板について測定した。図１０のデータは、およそ３０Ａからおよそ５０Ａ厚までのＨｆＯ２膜がおよそ１０〜１５％のＷＩＷ一様性で形成されたことを示している。図１１は、本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の厚さとＷＩＷ一様性を基板温度の関数として示している。図１１のデータは、およそ２０Ａからおよそ３０Ａ厚ＨｆＯ２膜までのＨｆＯ２膜がおよそ２０％よりも良いＷＩＷ一様性で形成されたことを示している。
図１２Ａは、本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の堆積レートを基板温度の関数として示している。およそ２００℃を超える基板温度において深刻なＨｆ(ＯＢｕｔ)４ガス枯渇状況、ここで基板に処理チャンバーの底部近くに配置された基板へのＨｆＯ２膜の体積レートは処理チャンバーの上部近くに配置された基板へのものよりも高い。それぞれのガスパルスは６０秒の長さであった。図１２Ｂは図１２Ａの拡大図である。図１２Ｂから分かるように、およそ１６０℃からおよそ１８０℃までの基板温度において自己制限堆積状況が見られる。ここで膜堆積レートは温度に独立である。さらに、図１３は、本発明の実施形態に従って堆積したＨｆＯ２膜についてのＷＩＷ一様性を示している。この図で分かるように、堆積レートが１Ａ/サイクルで膜成長が自分制限である(図１２Ａと図１２Ｂ参照)とき、ＷＩＷ一様性が最良である。
図１４は、本発明の実施形態を実行し得るコンピュータシステム１２０１を示している。コンピュータシステム１２０１は、図１Ａまたは図１Ｂまたは図２の制御部として、またはそれらの図のシステムと一緒に使用して前述の機能のいずれかまたはすべてを行ない得る同様の制御部として使用してよい。コンピュータシステム１２０１は、情報を通信するためのバス１２０２または他の通信機構と、バス１２０２に接続された情報を処理するためのプロセッサー１２０３とを有している。コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に接続された、情報とプロセッサー１２０３によって実行される命令を記憶しておくためのメインメモリー１２０４、例えばランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)や他のダイナミックな記憶装置(例えば、ダイナミックＲＡＭ(ＤＲＡＭ)、スタティックＲＡＭ(ＳＲＡＭ)、シンクロナスＤＲＡＭ(ＳＤＲＡＭ))を有している。加えて、メインメモリー１２０４はプロセッサー１２０３による命令の実行中の一時的な変数や他の媒介情報を記憶しておくために使用してもよい。コンピュータシステム１２０１はさらに、バス１２０２に接続された、スタティックな情報とプロセッサー１２０３用の命令を記憶しておくためのリードオンリーメモリ(ＲＯＭ)１２０５や他のスタティックな記憶装置(例えば、プログラマブルＲＯＭ(ＰＲＯＭ)、消去可能なＰＲＯＭ(ＥＰＲＯＭ)と電気的に消去可能なＰＲＯＭ(ＥＥＰＲＯＭ))を有している。
コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に接続された、情報や命令を記憶しておくための一以上の記憶装置を制御するディスク制御部１２０６、例えば磁気ハードディスク１２０７やリムーバブル媒体ドライブ１２０８(例えば、フロッピー(登録商標)ディスクドライブ、リードオンリーコンパクトディスクドライブ、リードライトコンパクトディスクドライブ、コンパクトディスクジュークボックス、テープドライブ、リムーバブル光磁気ドライブ)を有している。記憶装置は適切な装置インタフェース(例えば小型コンピュータシステムインタフェース(ＳＣＳＩ)、インテグレイテドデバイスエレクトロニクス(ＩＤＥ)、エンハンストＩＤＥ(Ｅ-ＩＤＥ)、ダイレクトメモリアクセス(ＤＭＡ)、ウルトラＤＭＡ)を使用してコンピュータシステム１２０１に付け加えてよい。
コンピュータシステム１２０１はまた、専用論理装置(例えば、特定用途向け集積回路(ＡＳＩＣ))や構成可能論理装置(例えば、単純なプログラマブル論理装置(ＳＰＬＤ)、複雑なプログラマブル論理装置(ＣＰＬＤ)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(ＦＰＧＡ))を有していてもよい。コンピュータシステムはまた、一以上のデジタル信号プロセッサー(ＤＳＰ)、例えばテキサスインスツルメンツ(Texas Instruments)のＴＭＳ３２０シリーズのチップ、モトローラ(Motorola)のＤＳＰ５６０００、ＤＳＰ５６１００、ＤＳＰ５６３００、ＤＳＰ５６６００、ＤＳＰ９６０００シリーズのチップ、ルーセントテクノロジー(Lucent Technologies)のＤＳＰ１６００、ＤＳＰ３２００シリーズのチップ、アナログデバイシズ(Analog Devices)のＡＤＳＰ２１００、ＡＤＳＰ２１０００シリーズのチップを有していてもよい。デジタルドメインに変換したアナログ信号を処理するように特別に設計した他のプロセッサーを使用してもよい。
コンピュータシステム１２０１はまた、ディスコンピュータ使用者に情報を表示するためのブラウン管(ＣＲＴ)などのディスプレイ１２１０をコントロールするバス１２０２に接続されたディスプレイ制御部１２０９を有していてもよい。コンピュータシステムは、コンピューター使用者と相互に作用してプロセッサー１２０３に情報を提供するためのキーボード１２１１やポインティングデバイス１２１２などの入力装置を有している。ポインティングデバイス１２１２は、例えば、方向情報とコマンド選択をプロセッサー１２０３に伝達し、またディスプレイ１２１０の上にカーソルの動きを制御するためのマウスやトラックボール、ポインティングスティックであってもよい。加えて、記憶されているおよび／またはコンピュータシステム１２０１によって生成されるデータのプリントリストをプリンターが提供してもよい。
コンピュータシステム１２０１は、メインメモリー１２０４などのメモリーに収納されている一以上の命令の一以上のシーケンスを実行しているプロセッサー１２０３に応じて本発明のプロセスステップの一部または全部を行なう。このような命令は、ハードディスク１２０７やリムーバブル媒体ドライブ１２０８などの別のコンピューター読取可能媒体からメインメモリー１２０４に読み込んでもよい。マルチプロセッシング装置における一以上のプロセッサーを用いてメインメモリー１２０４に収納されている命令のシーケンスを実行してもよい。代替実施形態において、ソフトウェア命令に代えてまたはそれと組み合わせてハードウェアに組み込みの電気回路構成を使用してもよい。従って、実施形態は、ハードウェア電気回路構成とソフトウェアのどのような特定の組み合わせに限定されない。
前述したように、コンピュータシステム１２０１は、本発明の教示に従ってプログラムした命令を保持するための、またここに述べたデータ構造やテーブル、記録、そのほかを収納するための少なくとも一つのコンピューター読取可能媒体またはメモリーを有している。コンピューター読取可能媒体の例としては、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭ(ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ)、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、そのほかのあらゆる磁気媒体、コンパクトディスク(例えば、ＣＤ-ＲＯＭ)、そのほかのあらゆる光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを有するそのほかのあらゆる物理的媒体、(後述する)キャリア波、コンピューターが読み取り可能なそのほかのあらゆる媒体があげられる。
本発明は、コンピューター読取可能媒体のどのようなものまたは組み合わせに記憶されたものであれ、コンピュータシステム１２０１を制御するための、また本発明を実行するための装置を駆動するための、さらにコンピュータシステム１２０１を人間の使用者(例えば、印刷生産職員)と相互作用可能にするためのソフトウェアを有している。このようなソフトウェアは、これに限らないが、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、開発ツール、アプリケーションソフトウェアを含んでいてよい。このようなコンピューター読取可能媒体はさらに、本発明を実行するプロセスのすべてまたは一部(もしプロセスが分配されるなら)を行なうための本発明のコンピュータプログラム製品を含む。
本発明のコンピュータコード装置は、解釈可能すなわち実行可能ないかなるコード機構であってもよく、それは、これらに限らないが、スクリプト、解釈可能プログラム、ダイナミックリンクライブラリ(ＤＬＬ)、Ｊａｖａ(登録商標)クラス、完全な実行可能なプログラムを含む。さらに、本発明の処理の一部は、もっと良いパフォーマンスおよび／または信頼性、コストのために分配されてもよい。
ここで使用している「コンピューター読取可能媒体」という用語は、プロセッサー１２０３に実行のための命令を与えることに関係するあらゆる媒体をいう。コンピューター読取可能媒体は、これに限定されないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、通信媒体を含む、多くの形態をとってもよい。不揮発性媒体としては、例えば、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、例えばハードディスク１２０７、リムーバブル媒体ドライブ１２０８がある。揮発性媒体としてはメインメモリー１２０４などのダイナミックメモリがある。通信媒体としては同軸ケーブル、銅ワイヤー、光ファイバーがあり、バス１２０２を構成するワイヤーを含んでいる。通信媒体はまた、無線通信と赤外線通信の間に生成される音波や光波の形態をとってもよい。
コンピューター読取可能媒体の種々の形態は、実行のためにプロセッサー１２０３に一以上の命令の一以上のシーケンスを遂行することに関与してもよい。例えば、命令は初めに遠隔コンピューターの磁気ディスクに保持されてもよい。遠隔コンピューターは本発明のすべてまたは一部を実行するための命令をロードし、この命令をモデムを使用して電話線に送ることができる。コンピュータシステム１２０１にローカルのモデムが電話線上のデータを受け取り、赤外線送信機を使用してそのデータを赤外線信号に変換してもよい。バス１２０２に接続された赤外線検出器が赤外線信号で運ばれるデータを受け取り、そのデータをバス１２０２上に置くことができる。バス１２０２はデータをメインメモリー１２０４に運び、そこからプロセッサー１２０３が命令を取り出して実行する。メインメモリー１２０４が受け取った命令は、プロセッサー１２０３による実行の前後に記憶装置１２０７または１２０８に随意に記憶してもよい。
コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に接続された通信インタフェース１２１３を有している。通信インタフェース１２１３は、例えば、ローカルエリアネットワーク(ＬＡＮ)１２１５や他の通信ネットワーク１２１６、例えばインターネットに接続されたネットワークリンク１２１４に接続する双方向データ通信を提供する。例えば、通信インタフェース１２１３は、どのようなパケットスイッチＬＡＮに取り付くネットワークインタフェースカードであってもよい。別の例としては、通信インタフェース１２１３は、非対称型デジタル加入者回線(ＡＤＳＬ)カード、統合サービスデジタル通信網(ＩＳＤＮ)カード、対応するタイプの通信回線にデータ通信接続を提供するモデムであってもよい。無線リンクが構成されてもよい。このようないかなる構成においても、通信インタフェース１２１３は、種々のタイプの情報を表しているデジタルデータの流れを運ぶ電気信号や電磁気信号、光信号を送受信する。
ネットワークリンク１２１４は典型的に、一以上のネットワークを介した他のデータ装置へのデータ通信を提供する。例えば、ネットワークリンク１２１４は、ローカルネットワーク１２１５(例えば、ＬＡＮ)を介して、または通信ネットワーク１２１６を介して通信サービスを提供するサービスプロバイダによって操作される装置を介して別のコンピューターへの接続を提供してよい。ローカルネットワーク１２１４と通信ネットワーク１２１６は、例えば、デジタルデータの流れを運ぶ電気信号や電磁気信号、光信号と、関連物理層(例えば、ＣＡＴ５ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバー、その他)とを使用する。デジタルデータをコンピュータシステム１２０１にまたそこから運ぶ、種々のネットワークを介した信号とネットワークリンク１２１４上の信号、通信インタフェース１２１３を介した信号がベースバンド信号中にまたは搬送波ベース信号中に構成されてよい。ベースバンド信号は、デジタルデータビットの流れを記述している無変調電気パルスとしてデジタルデータを運ぶ。ここで「ビット」という用語は、そのおのおのが少なくとも一以上の情報ビットを運ぶシンボルを意味すると広く解釈すべきものである。デジタルデータはまた、導電媒体を伝搬するか伝搬媒体を電磁波として透過する振幅変調信号および／または位相偏移変調信号、周波数偏移変調信号などで搬送波を変調したものを使用してもよい。従って、デジタルデータは、「配線された」通信チャンネルを介して無変調ベースバンドデータとして送っても、および／または、搬送波を変調することによってベースバンドと異なる所定周波数バンド内で送ってもよい。コンピュータシステム１２０１はネットワーク１２１５と１２１６、ネットワークリンク１２１４、通信インタフェース１２１３を介して、プログラムコードを含め、データを送受信することができる。さらに、ネットワークリンク１２１４は、パーソナルデジタルアシスタント(ＰＤＡ)ラップトップコンピュータや携帯電話などのモバイル装置１２１７にＬＡＮ１２１５を介した接続を提供してもよい。
本発明のある代表的実施形態だけを詳しく上述したが、当業者であれば、本発明の斬新な教示と利点から外れることなく、代表的実施形態において多くの変更が可能であることを容易に察知するであろう。従って、そのような変更はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明の一実施形態において、所定量の反応ガスを金属含有前駆体ガスの流れに混ぜて金属含有膜の特性を改善することができる。例えば、少量のＯ２またはＮＨ３をガス流に混ぜることも可能である。本発明の別の実施形態において、処理チャンバーに流すことができる金属含有前駆体の最初のパルスを流す前に反応物のパルスを処理チャンバーに最初に流すことができる。
本発明の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するためのバッチタイプ処理システムの簡易ブロック図を示している。 本発明の別の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するためのバッチタイプ処理システムの簡易ブロック図を示している。 本発明の実施形態による処理装置の簡易ブロック図を示している。 本発明の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための流れ図を示している。 本発明の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための順次ガス露出処理を模式的に示している。 本発明の別の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための流れ図を示している。 本発明の別の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための順次ガス露出処理を模式的に示している。 本発明の別の実施形態による基板上に金属含有膜を形成するための順次ガス露出処理を模式的に示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の透過型電子顕微鏡写真(ＴＥＭ)を示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の実効酸化膜厚(ＥＯＴ)を光学厚さの関数として示している。 本発明の実施形態に従って形成したＨｆＯ２膜におけるＣ−Ｖ曲線を示している。 本発明の実施形態に従って形成したＨｆＯ２膜におけるＩ−Ｖ曲線を示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の厚さとウェハ内(ＷＩＷ)一様性をガス露出時間の関数として示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の厚さとＷＩＷ一様性をガス露出サイクルの回数の関数として示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の堆積レートを基板温度の関数として示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜の堆積レートを基板温度の関数として示している。 本発明の実施形態によるＨｆＯ２膜のＷＩＷ一様性を基板温度の関数として示している。 本発明の実行に使用し得る汎用コンピューターを示している。

Claims (77)

  1. 基板上に金属含有膜を形成する方法であって、
    バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給するプロセスと、
    前記基板を加熱するプロセスと、
    前記処理チャンバーに金属含有前駆体のパルスを流すプロセスと、
    前記処理チャンバーに反応ガスのパルスを流すプロセスと、
    前記流すプロセスを所望の膜特性を有する金属含有膜が前記基板上に形成されるまで繰り返すプロセスとを有する、方法。
  2. 前記繰り返すプロセスは、酸化金属膜を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記繰り返すプロセスは、ＨｆＯ２膜、ＺｒＯ２膜、ＨｆＯ２とＺｒＯ２の混合物を含有する膜の少なくとも一つを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記処理チャンバーにパージガスを流すプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  5. 前記のパージガスを流すプロセスは、およそ１００ｓｃｃｍとおよそ１０,０００ｓｃｃｍの間の流量を流すプロセスを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記金属含有前駆体と前記反応ガスが流れていないときに前記処理チャンバーにパージガスのパルスを流すプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記のパージガスのパルスを流すプロセスは、およそ１秒とおよそ５００秒までの間のパルス持続時間を流すプロセスを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、金属含有前駆体と搬送ガスを流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記の搬送ガスを流すプロセスは、およそ１００ｓｃｃｍとおよそ１０,０００ｓｃｃｍの間の流量を有する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、反応ガスと搬送ガスを流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、酸化ガスと還元ガスと不活性ガスの少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記の酸化ガスのパルスを流すプロセスは、酸素含有ガスを流すプロセスを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記の酸素含有ガスのパルスを流すプロセスは、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記の還元ガスのパルスを流すプロセスは、水素含有ガス、シリコン含有ガス、ボロン含有ガス、窒素含有ガスの少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記の水素含有ガスのパルスを流すプロセスは、Ｈ２を流すプロセスを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記のシリコン含有ガスのパルスを流すプロセスは、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＳｉＣｌ２Ｈ２の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項１４に記載の方法。
  17. 前記のボロン含有ガスのパルスを流すプロセスは、化学式ＢｘＨ３ｘを持つガスを流すプロセスを含む、請求項１４に記載の方法。
  18. 前記のボロン含有ガスのパルスを流すプロセスは、ＢＨ３、Ｂ２Ｈ６、Ｂ３Ｈ９の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項１４に記載の方法。
  19. 前記の窒素含有ガスのパルスを流すプロセスは、ＮＨ３を流すプロセスを含む、請求項１４に記載の方法。
  20. 前記供給するプロセスは、半導体基板、ＬＣＤ基板、ガラス基板の少なくとも一つを供給するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記供給するプロセスは、Ｓｉ基板または化合物半導体基板を供給するプロセスを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記供給するプロセスは、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、それらの混合物から選択された界面膜を供給するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  23. 前記供給するプロセスは、およそ１００枚以下の基板のバッチを供給するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  24. 前記供給するプロセスは、およそ１９５ｍｍより大きい基板直径の基板を供給するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  25. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、およそ１秒とおよそ５００秒の間のパルス持続時間を流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  26. 前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、およそ１秒とおよそ５００秒の間のパルス持続時間を流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  27. 前記加熱するプロセスは、基板をおよそ１００℃とおよそ６００℃の間に加熱するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  28. 前記加熱するプロセスは、基板をおよそ２００℃未満に加熱するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  29. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスはさらに、金属含有前駆体液を気化器内におよそ０.０５ｃｃｍとおよそ１ｃｃｍの間の流量で流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  30. 前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、およそ１００ｓｃｃｍとおよそ２,０００ｓｃｃｍの間の流量を流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  31. およそ１０Ｔｏｒｒ未満の処理チャンバー圧力を供給するプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  32. およそ０.０５Ｔｏｒｒとおよそ２Ｔｏｒｒの間の処理チャンバー圧力を供給するプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  33. およそ０.３Ｔｏｒｒの処理チャンバー圧力を供給するプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  34. 前記繰り返すプロセスは、金属含有膜をおよそ１０００Ａ未満の膜厚に形成するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  35. 前記繰り返すプロセスは、金属含有膜をおよそ２００Ａ未満の膜厚に形成するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  36. 前記繰り返すプロセスは、金属含有膜をおよそ５０Ａ未満の膜厚に形成するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  37. 金属含有膜をおよそ１５０℃とおよそ１０００℃の間の温度でアニールするプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  38. Ｗ、Ａｌ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＨｆＮ、ＨｆＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｓｉ、ポリＳｉ、ＳｉＧｅの少なくとも一つからなる電極膜を堆積するプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  39. 窒素含有ガスのパルスを処理チャンバーに流すプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  40. 前記繰り返すプロセスは、酸窒化金属膜を形成するプロセスを含む、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記繰り返すプロセスは、ＨｆｘＯＮｗ膜、ＺｒｘＯＮｗ膜、ＨｆｘＯｚＮｗとＺｒｘＯｚＮｗの混合物を含有する膜の少なくとも一つを形成するプロセスを含む、請求項３９に記載の方法。
  42. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の窒素含有ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含む、請求項３９に記載の方法。
  43. シリコン含有ガスのパルスを処理チャンバーに流すプロセスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
  44. 前記繰り返すプロセスは、ケイ酸金属膜を形成するプロセスを含む、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記繰り返すプロセスは、ＨｆｘＳｉｙＯｚ膜、ＺｒｘＳｉｙＯｚ膜、ＨｆｘＳｉｙＯｚとＺｒｘＳｉｙＯｚの混合物を含有する膜の少なくとも一つを形成するプロセスを含む、請求項４３に記載の方法。
  46. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の窒素含有ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含む、請求項４３に記載の方法。
  47. 窒素含有ガスのパルスを処理チャンバーに流すプロセスをさらに有する、請求項４３に記載の方法。
  48. 前記繰り返すプロセスは、窒素含有ケイ酸金属膜を形成するプロセスを含む、請求項４７に記載の方法。
  49. 前記繰り返すプロセスは、ＨｆｘＳｉｙＯｚＮｗ膜、ＺｒｘＳｉｙＯｚＮｗ膜、ＨｆｘＳｉｙＯｚＮｗとＺｒｘＳｉｙＯｚＮｗの混合を含有する膜の少なくとも一つを形成するプロセスを含む、請求項４７に記載の方法。
  50. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の反応ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記の窒素含有ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含み、
    前記のシリコン含有ガスのパルスを流すプロセスは、少なくとも一つのパルスを流すプロセスを含む、請求項４７に記載の方法。
  51. 前記繰り返すプロセスは、金属含有膜を自己制限プロセスで形成するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  52. 前記加熱するプロセスは、基板を恒温加熱状況下で加熱するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  53. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、金属アルコキシドを流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  54. 前記の金属アルコキシドを流すプロセスは、Ｍ(ＯＭｅ)４、Ｍ(ＯＥｔ)４、Ｍ(ＯＰｒ)４、Ｍ(ＯＢｕｔ)４の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５３に記載の方法。
  55. 前記の金属アルコキシドを流すプロセスは、ハフニウムアルコキシドとジルコニウムアルコキシドの少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５３に記載の方法。
  56. 前記の金属アルコキシドを流すプロセスは、Ｈｆ(ＯＢｕｔ)４とＺｒ(ＯＢｕｔ)４の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５３に記載の方法。
  57. 前記の金属アルコキシドを流すプロセスは、Ｍ(ＯＲ)２(ｍｍｐ)２とＭ(ｍｍｐ)４の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５３に記載の方法。
  58. 前記の金属含有前駆体のパルスを流すプロセスは、金属アルキルアミドを流すプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  59. 前記の金属アルキルアミドを流すプロセスは、ハフニウムアルキルアミドとジルコニウムアルキルアミドの少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５８に記載の方法。
  60. 前記の金属アルキルアミドを流すプロセスは、Ｈｆ(ＮＥｔ２)４、Ｈｆ(ＮＥｔＭｅ)４、Ｚｒ(ＮＥｔ２)４、Ｚｒ(ＮＥｔＭｅ)４の少なくとも一つを流すプロセスを含む、請求項５８に記載の方法。
  61. 前記供給するプロセスは、複数枚の基板を前記処理チャンバーに供給するプロセスを含み、
    前記繰り返すプロセスは、前記複数枚の基板のおのおのにＨｆＯ２膜を形成するプロセスを含み、前記複数枚の基板はおよそ３０Ａないしおよそ５０Ａの厚さとおよそ１０％ないし１５％のＷＩＷ一様性を有する、請求項１に記載の方法。
  62. 前記供給するプロセスは、複数枚の基板を前記処理チャンバーに供給するプロセスを含み、
    前記繰り返すプロセスは、前記複数枚の基板のおのおのにＨｆＯ２膜を形成するプロセスを含み、前記複数枚の基板はおよそ２０Ａないしおよそ５０Ａの厚さとおよそ２０％未満のＷＩＷ一様性を有する、請求項１に記載の方法。
  63. 前記供給するプロセスは、複数枚の基板を前記処理チャンバーに供給するプロセスを含み、
    前記繰り返すプロセスは、前記複数枚の基板のおのおのにＨｆＯ２膜を形成するプロセスを含み、
    前記加熱するプロセスは、膜堆積レートが温度に独立である温度範囲内で加熱するプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
  64. 前記加熱するプロセスは、およそ１６０ないし１８０℃の温度範囲内で加熱するプロセスを含む、請求項６３に記載の方法。
  65. プロセッサーでの実行のためのプログラム命令を含んでいるコンピューター読取可能媒体であって、プロセッサーによって実行されるとき、請求項１に述べた方法の工程をバッチ基板処理装置に実施させる、媒体。
  66. 複数枚の基板をバッチ処理するためのシステムであって、
    バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給するための手段と、
    前記基板を加熱するための手段と、
    前記処理チャンバーに金属含有前駆体のパルスを流すための手段と、
    前記処理チャンバーに反応ガスのパルスを流すための手段と、
    前記流すプロセスを所望の膜特性を有する金属含有膜が前記基板上に形成されるまで繰り返すプロセスとを有する、システム。
  67. 処理装置であって、
    金属含有膜を形成するように構成されたバッチタイプ処理システムと、
    前記バッチタイプ処理システムの処理チャンバーに基板を供給するように構成された搬送システムと、
    前記基板を加熱するためのヒーターと、
    前記処理チャンバーに金属含有前駆体のパルスを流すプロセスと、前記処理チャンバーに反応ガスのパルスを流すプロセスと、前記流すプロセスを所望の膜特性を有する金属含有膜が前記基板上に形成されるまで繰り返すプロセスとを行なうように構成されたガス注入システムと、
    前記処理装置を制御するように構成された制御部とを有する、処理装置。
  68. 前記基板上に界面膜を形成するように構成された処理システムをさらに有する、請求項６７に記載の処理装置。
  69. 前記基板上の膜をアニールするように構成された処理システムをさらに有する、請求項６７に記載の処理装置。
  70. 前記基板に予備洗浄プロセスを行なうように構成された処理システムをさらに有する、請求項６７に記載の処理装置。
  71. 前記バッチタイプ処理システムは、少なくとも一つの処理炉心管を有する、請求項６７に記載の処理装置。
  72. プロセス監視システムをさらに有する、請求項６７に記載の処理装置。
  73. 前記ガス注入システムはさらに、搬送ガスとパージガスの少なくとも一つを流すように構成されている、請求項６７に記載の処理装置。
  74. 前記装置は、酸化金属膜、酸窒化金属膜、ケイ酸金属膜、窒素含有ケイ酸金属膜の少なくとも一つを含む金属含有膜を形成するように構成されている、請求項６７に記載の処理装置。
  75. 前記ガス注入システムは、アルコキシドとアルキルアミドの少なくとも一つを含む金属含有前駆体を流すように構成されている、請求項６７に記載の方法。
  76. 前記ガス注入システムは、ハフニウムとジルコニウムの少なくとも一つを含む金属含有前駆体を流すように構成されている、請求項６７に記載の方法。
  77. 前記ガス注入システムは、窒素含有ガスのパルスとシリコン含有ガスのパルスの少なくとも一つを流すように構成されている、請求項６７に記載の処理装置。
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