JP2008252118A - ドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品及びドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品の作製プロセス - Google Patents

ドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品及びドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品の作製プロセス Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、ドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品及びドープされた金属酸化物誘電体材料を有する電子部品の作製プロセスを提供する。
【解決手段】 ドープされた金属酸化物誘電体材料及びこの材料で作られた電子部品が明らかにされている。金属酸化物はIII族又はV族金属酸化物(たとえば、Al、Y、TaまたはV)で、金属ドーパントはIV族元素(Zr、Si、TiおよびHf)である。金属酸化物は約0.1重量パーセントないし約30重量パーセントのドーパントを含む。本発明のドープされた金属酸化物誘電体は、多くの異なる電子部品及びデバイス中で用いられる。たとえば、ドープされた金属酸化物誘電体は、MOSデバイスのゲート誘電体として用いられる。ドープされた金属酸化物誘電体はまた、フラッシュメモリデバイスのポリ間誘電体材料としても用いられる。
【選択図】 図1

Description

[本発明の背景]
本発明は半導体デバイス及び部品、より具体的には、半導体デバイス及び要素中で用いるための金属酸化物誘電体材料に係る。
[関連出願の記述]
本出願は1997年6月6日に出願された米国特許出願第08/871,024号と一部連続したものであり、この特許出願は1996年10月10日に出願された米国暫定出願60/027612号の利点を、特許請求の範囲としたものである。米国特許出願第08/871,024号が、ここに参照文献として含まれている。
誘電体材料は半導体デバイスの特性の鍵である。デバイスがより小さくなり、より高特性への必要性が大きくなるにつれ、半導体デバイス中の誘電体層の厚さは減少しつつある。同時に、最も一般的な誘電体材料、Sの誘電定数より大きな誘電定数をもつ誘電体材料への必要性が増している。また、半導体デバイス中の誘電層の厚さが減少するにつれ、誘電体材料層が非常に薄い(例えば100 以下)時ですら、電荷を漏らさない材料への必要性が増している。
しかし、全ての誘電体材料が、半導体デバイス及び部品中で用いるのに許容しうる薄い誘電体層を形成するわけではない。半導体デバイスは効率、動作パワー等のいくつかの特性要件をもつ。誘電体材料層の特性は、デバイス特性に直接影響を及ぼす。たとえば、薄い誘電体層があまりに多くの電流を、それを貫いて透過させると(この好ましくない電流は漏れ電流と呼ばれる)、得られるデバイス又は部品は、所望の特性要件にあわないであろう。MOS(金属−酸化物−半導体−電界効果トランジスタ)のゲート誘電体を貫く漏れ電流は、誘電体の絶縁特性(抵抗及び信頼性)を示すから、貫く漏れ電流が高すぎるゲート誘電体層は、誘電体層の抵抗及び信頼性が低すぎることを示している。誘電体材料層がポリ間(すなわち誘電体材料が多結晶シリコンの2つの層間にはさまれている)誘電体材料(IPD)半導体デバイス類において、IPD中の漏れ電流は、フラッシュメモリの保持時間に関連する。もし、IPDを貫く漏れ電流が高すぎると、デバイスの保持時間は低くなるであろう。
誘電体層と下の半導体界面との間の界面準位密度もまた、デバイス特性に影響を与える。界面準位密度は電流デバイス(チャネルを横切る電流)及びMOSFETとMIS(金属−絶縁体−半導体)FETの信頼性を劣化させる。したがって、もし界面準位密度が高すぎると、得られるデバイス又は部品は、所望の特性要件にあわないであろう。
従って、許容しうる漏れ特性及び他の特性を有する薄い誘電体層を形成する誘電体材料が探求されている。
[本発明の要約]
本発明は誘電体材料層を有する集積回路デバイス及び線形容量のような集積又は個別部品のような電子部品に係る。誘電体材料はIV族元素をドープしたIII族金属又はVB族金属の金属酸化物に係る。III族(族はここで用いるように、メンデレーフ周期律表の族を意味する)金属酸化物の例には、アルミニウム酸化物(Al)及びイットリウム酸化物(Y)が含まれる。VB族金属酸化物の例は、五酸化タンタル(Ta)及び五酸化バナジウム(V)である。適当なIV族ドーパントの例には、ジルコニウム(Zr)、シリコン(Si)、チタン(Ti)及びハフニウム(Hf)が含まれる。ドーパントは金属酸化物の約0.1重量パーセントないし約30重量パーセントである。もし、ドーパントが金属酸化物の約0.1重量パーセントないし約10重量パーセントであると有利である。
スパッタリング、化学気相堆積(CVD)、有機金属CVD(MOCVD)及び原子層堆積(ALD)といった従来の堆積技術を用いて、所望のデバイス又は部品に適した基板の表面上に、誘電体材料層が形成される。基板上に層を形成する間に、ドーパントが金属酸化物に加えられる。所望の厚さのドープされた金属酸化物が基板上に形成されたら、次にデバイスを完成させるために、従来のプロセス技術が用いられる。
本発明の一実施例において、半導体デバイスはMOS又はMISデバイスである。そのようなデバイスの構造は、当業者には良く知られており、ここで詳細には述べない。これらのデバイス中のゲート誘電体層は、先に述べたようなドープされた金属酸化物である。低い漏れ、低い界面準位密度及びこれらの材料の高い誘電率のため、これらのデバイス中のゲート誘電体層は、直接トンネル漏れ電流の開始によって制限される最小の許容厚さ(たとえば約30 又はそれ以下)ほどに薄い。多くのトンネル電流が存在するが、ここではトンネル電流は直接トンネル電流をさす。このように、本発明のデバイス中のゲート誘電体層は、S(この場合、最小厚はトンネル漏れ電流の開始によって制限される)又は、たとえばAlのようなアンドープ金属酸化物(この場合、最小厚は高い界面準位密度及びトンネル漏れ電流の開始の両方によって制限される)のような従来の誘電体材料より利点をもつ。
本発明のMOSデバイスは当業者に良く知られた従来の技術を用いて作製される。ゲート誘電体層の堆積前及び後の従来のプロセス工程が適当と考えられる。
本発明の第2の実施例において、デバイスは不揮発性メモリデバイスである。不揮発性メモリは、パワーが除去された時、蓄積されたデータを保持するメモリの型である。不揮発性メモリの例には、消去可能でプログラム可能なリードオンリーメモリー(EPROM)及び電気的に消去可能なプログラム可能なリードオンリーメモリー(EEPROM)が含まれる。便宜上、フラッシュEEPROM及びEPROMはここではまとめてEPROMとよぶ。
本発明の不揮発性メモリデバイスは、従来の構造をもつが、デバイスのIPD層は本発明の誘電体材料である。IPD層は先に述べた堆積技術を用いて堆積させる。本発明の不揮発性メモリデバイスは、IPD層を形成する前及び後の両方で、そのようなデバイスを形成するために、従来のプロセス技術を用いて形成される。
本発明の誘電体材料が有用と考えられる他のデバイスは、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)用の蓄積容量である。本発明の誘電体材料はまた、線形容量及び他の集積容量及び容量デバイス中の誘電体層として有用である。
[詳細な記述]
本発明はドープされた金属酸化物材料に係る。これらのドープされた金属酸化物は、MOSデバイス、フラッシュEPROMデバイス、DRAM用容量、線形容量及び他の容量といった各種デバイス部品中の誘電体材料層を形成するために用いられる。本発明のドープされた金属酸化物誘電体材料は、IV族元素をドープしたIII族金属又はVB族金属の金属酸化物である。与えられた金属とドーパントの組合せに対し、もしドーパントに対する酸化物形成のエネルギーが、ドープされる金属酸化物に対する酸化物形成のエネルギーより小さければ有利である。III族(族はここではメンデレーフの周期律表の族を意味する)金属酸化物の例には、アルミニウム酸化物(Al)及びイットリウム酸化物(Y)が含まれる。VB族金属酸化物の例は、五酸化タンタル(Ta)及び五酸化バナジウム(V)である。適当なIV族ドーパントの例には、ジルコニウム(Zr)、シリコン(Si)、チタン(Ti)及びハフニウム(Hf)が含まれる。ドープされた金属酸化物は、約0.1重量パーセントないし約30重量パーセントのドーパントを含む。もし、ドープされた金属酸化物が約0.1重量パーセントないし約10重量パーセントのドーパントを含むと有利である。
出願人は特定の理論を保持することを望まないが、ドーパントが存在することにより、金属酸化物のバルク中の欠陥及び金属酸化物と隣接した半導体又は金属層間の界面に形成される欠陥が安定化されると確信する。そのような欠陥には、未結合手又は歪結合又は粒界が含まれる。未結合手は、その名称が暗示するように、不完全な結合をもつ原子である。従って、未結合手(ここではトラップ準位とも呼ぶ)は望ましくない。歪結合は、界面の物理的な性質から、ある種の歪を受けた結合である。これらの歪んだ結合は、より容易に切断され、未結合手を生じる。従って、歪んだ結合も望ましくない。
未結合手及び歪結合の数を減らし、バルク材料中及び誘電体材料と隣接する層との間の界面における粒界を安定させることは有利である。なぜなら、そのような減少により、誘電体材料の電気的特性が改善されるからである。先に述べたドーパントを、ここで述べた誘電体材料に添加することにより、実際にこれらの好ましくない欠陥が減少するというのが、出願人の確信するところである。金属酸化物中に導入されるドーパントの量は、誘電体材料の所望の電気的特性に依存するであろう。出願人は本発明のドープされた誘電体材料は、ドーパントに対する酸化物形成のエネルギーが、酸化後ドープされる金属に対する酸化物形成のエンタルピーより小さいため、有利であると確信する。
たとえば、アルミニウム酸化物に対する形成のエンタルピーは、−390kcal/molである。ジルコニウム酸化物に対する形成のエンタルピーは、−266kcal/molである。シリコン酸化物に対する形成のエンタルピーは、−217kcal/molである。アルミニウム酸化物材料の層は、ある数の未結合手、歪結合、及び粒界をバルク材料及び誘電体材料及び隣接する層との界面に含む。もしアルミニウム酸化物の同じ層に、ジルコニウム又は他のIV族金属をドープするなら、バルク材料中及び誘電体材料と隣接する層間の界面における未結合手、歪結合及び粒界の数は減少する。出願人は、金属酸化物(たとえばアルミニウム酸化物)の形成より、ドーパント酸化物(たとえばジルコニウム酸化物)の形成に適した反応熱力学の結果であると確信する。バルク材料中及び誘電滞在量感の界面における未結合手、歪結合及び粒界は、同程度には形成されない。なぜなら、ドーパント(たとえばジルコニウム)がこれらの発生しうる欠陥の位置において、酸素と反応でき、それによりそれらの少くとも一部が取り除かれるからである。その結果、誘電体材料の特性は、アンドープの誘電体材料より改善される。
先に述べたように、本発明の誘電体材料は、さまざまな電子デバイス及び電子部品中で用いられる。
本発明の一実施例において、ドープされた誘電体材料はMOSFETデバイス中のゲート誘電体材料である。そのようなデバイスが、図1に概略的に描かれている。MOSFET(10)はソース(11)、ドレイン(12)及びゲート(13)をもつ。ゲート(13)は側壁スペーサ(14)及び(15)の間に配置されている。ソース(11)及びドレイン(12)は側壁スペーサ(14)及び(15)に関する接触から、各フィールド酸化物領域(16)及び(17)まで延びている。ゲート誘電体層(18)は本発明のドープされた金属酸化物材料である。
本発明の第2の実施例において、ドープされた誘電体材料は、フラッシュEPROMデバイスのIPDである。そのようなデバイスが、図2に示されている。デバイスは中に形成されたソース(112)、ドレイン(114)及びチャネル領域(116)を有する基板(110)上に形成された二酸化シリコン(S)の層をもつ。酸化物は当業者にはよく知られたO及びNOのような通常の雰囲気中での炉酸化及び急速熱酸化(RTO)といった従来の技術によって形成される。
ポリシリコンフローティングゲート(122)が、ゲート酸化物層(120)上に形成される。ポリシリコン層(122)は化学気相堆積(CVD)のような従来の技術を用いて形成される。ポリシリコン層(122)の厚さは、設計上の選択である。典型的な場合、フローティングゲートの厚さは、約50nmないし約100nmである。
IPD(124)は従来の技術を用いて、フローティングゲート上に形成される。典型的な場合、スパッタリング、化学気相堆積又は酸化といった技術が、IPD層を形成するために用いられる。先に述べたように、もしIPD層が少くとも約8の誘電定数をもつが、フローティングゲートからの著しい漏れ電流を生じなければ有利である。この実施例において、ドーパント濃度は許容されない高い漏れ及び許容されない低い降伏強度をもつ材料を生じさせてはならない。
少くとも約10年間その電荷を、デバイスが保持するためには、IPD層を貫く電荷の漏れは、約10−14A/cm以下にすべきである。この実施例において、電荷がフローティングゲート上に保たれるように、低漏れ材料が望ましい。上述の誘電材料は、この要件にあう材料の例である。
制御ゲート(126)はIPD層(124)上に形成された導電性材料の層である。制御ゲートはドープされたポリシリコン、金属シリサイド、チタン窒化物又はポリシリコンと金属シリサイドの二重層である。制御ゲート層はMOSデバイスを作製する従来の技術を用いて形成され、パターン形成される。
この実施例において、本発明のデバイスでは、IPD層の材料及び厚さは、低電圧で動作し、フローティングゲート上の電荷を、適切な長期間保持するデバイスが実現されるように選択される。本発明のデバイスにおいて、IPD層の材料及び厚さと、トンネル酸化物(TO)層の厚さは、KIPDIPDTOTOであるように選択される。この式において、材料の誘電定数はKで示され、層の電界はEで示されている。本発明に関しては、ETOはデバイスが短時間で消去できる雰囲気ができるほど大きいと有利である。この点に関して、EIPD が少くとも約8MV(メガボルト)/cmであると有利である。また、EIPD が小さければ小さいほど、IPDの信頼性は高いから、EIPD が小さいと有利である。この点に関して、EIPD が約5MV/cmより小さいと有利である。KTOは固定されているから、KIPD が増すと、与えられた制御ゲート上のバイアスに対し、またトンネル酸化物及びIPDに対し、ETOは増加する。
本発明の第3の実施例において、DRAMデバイスの蓄積容量中で誘電体材料が用いられる。本発明の第4の実施例において、誘電体材料は線形容量中で用いられる。他の集積及び個別容量用に、本発明の誘電体材料を用いることも考えられる。
上述の実施例において、誘電体材料は1種のドーパントを含む単一の層として述べてきた。しかし、誘電体層が材料の1ないし複数の個別の層を含むことも考えられる。多層の実施例において、層の少くとも1つは、先に述べたようにドープされている。当業者は1つの層を所望の誘電体層を作るために用い、1つの層を誘電体層と隣接した層間の界面を改善するために用いる時、多層構造は有用であることを認識するであろう。同様に、ドープされた層は1ないし複数のドーパントを含むことも考えられる。たとえば、第1のドーパントは金属酸化物の誘電特性を改善するために、金属酸化物中に添加し、第2のドーパントは誘電体材料と誘電体層に隣接した材料間の界面を改善するために添加できる。
実施例1
ドープ及びアンドープアルミニウム酸化物のいくつかの薄膜を形成した。用いたドーパントはジルコニウム及びシリコンである。薄膜は6インチシリコンウエハ上に形成した。金属酸化物薄膜を基板上に形成する前に、フッ化水素酸の水溶液(15:1HF)を用いて、基板を清浄化した。清浄化後、それ以上自然の酸化物が成長しないように、シリコン基板をロードロック真空容器中に置いた。
アルゴン/酸素雰囲気中での反応性スパッタリングを用いて、ドープ及びアンドープアルミニウム酸化物薄膜を基板上に形成した。重量で1パーセントのシリコンを一様に分布させたアルミニウムターゲットを、シリコンドープ薄膜を形成するために用いた。0.5重量パーセントのジルコニウムを一様に分布させたアルミニウムターゲットを、ジルコニウムドープ薄膜を形成するために用いた。高純度(99.9重量パーセント)アルミニウムターゲットを、アンドープアルミニウム酸化物薄膜を形成するために用いた。
薄膜は所望のターゲットをスパッタ室中に置くことにより形成した。次に、アルゴン及び酸素を容器中に導入した。約1kWないし約2kWの範囲で、交流(AC)パワーを陰極と陽極間に印加することにより、プラズマグローを成長させた。(用いる具体的な電流は、用いるシステムに依存する。)ターゲットの表面を酸化するために、堆積前にターゲットに焼き入れを行った。焼き入れが完了したことを確かめるために、電流及び電圧をモニターした。
金属酸化物薄膜を上にスパッタ堆積する間、基板は380℃に保った。堆積速度は1.1 /秒であった。得られる薄膜の厚さは、ウエハの表面上で2パーセント以内で変化した。酸素及びアルゴン流速は、マスフローコントローラを用いて薄膜堆積中制御した。
各薄膜の厚さは、約10nmであった。薄膜の各型の1つは、続いて550℃に置いて窒素雰囲気中で30分間アニールした。薄膜の各型の第2のものは、続いて550℃において酸素雰囲気中で30分間アニールした。
各種薄膜を貫く漏れ電流は、当業者に周知の標準的な電流−電圧(I−V)試験を用いて測定した。印加した電圧は1.5MV(メガボルト)/cmであった。薄膜の表面積は、1000μm であった。550℃でアニールした薄膜についての結果は、図2に報告されている。図2はアンドープ薄膜を貫く漏れ電流は、シリコン又はジルコニウムをドープしたアルミニウム酸化物薄膜中の漏れ電流より、1桁以上大きいことを示している。酸素雰囲気中でアニールした薄膜の漏れ電流特性は、窒素雰囲気中でアニールした薄膜の漏れ特性と実質的に同一であった。800℃でアニールした薄膜とアニールしない薄膜は、同様な傾向を示した。
各種薄膜の界面とラップ密度は、当業者には周知の標準的な容量−電圧(C−V)準静的法を用いて測定した。薄膜の表面積は100μm であった。結果は図3に示されている。図3はアンドープ薄膜の界面状態密度は、シリコン又はジルコニウムをドープしたアルミニウム酸化物薄膜中の界面状態密度より、1桁以上大きかった。
本発明のMOSFETの概略側面図である。 本発明のフラッシュEPROMデバイスの概略側面図である。 本発明のドープされた金属酸化物誘電体材料の漏れ特性を、アンドープ金属酸化物層の漏れ特性と比較した図である。 本発明のドープされた金属酸化物誘電体材料の界面とラップ密度を、アンドープ金属酸化物層の界面とラップ密度と比較した図である。
符号の説明
10 MOSFET
11 ソース
12 ドレイン
13 ゲート
14,15 側壁スペーサ
16,17 フィールド酸化物領域
110 基板
112 ソース
114 ドレイン
116 チャネル領域
120 ゲート酸化物層
122 フローティングゲート,ポリシリコン層
124 IPD,IPD層
126 制御ゲート

Claims (1)

  1. 0.1重量パーセントないし30重量パーセントになるように少なくとも1種類のIV族元素をドープしたIII族金属又はVB族金属の金属酸化物である誘電体材料含む電子部品。
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