JP2008515220A - High−k層内に形態を形成する方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】High−k層内に形態を形成する方法及びシステムを提供することである。
【解決手段】high−k層をプラズマ処理する方法は、high−k層が上に形成されている基板を、処理チャンバ内の基板ホルダ上に提供することと、この処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって、このhigh−k層をこのプラズマにさらすこととを含む。高周波電力がこの基板ホルダに印加され、この高周波電力は、この基板とこのhigh−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成の割合を低減する特性を有する。デバイスは、high−k層内でエッチングされた形態を含む。このデバイスのエッチングプロファイルは、低減されたバーズビークを含むことができ、また、エッチングされた領域内におけるこの基板の表面は、エッチングされていない領域の下の基板と実質的に同一平面にすることができる。
【選択図】
【解決手段】high−k層をプラズマ処理する方法は、high−k層が上に形成されている基板を、処理チャンバ内の基板ホルダ上に提供することと、この処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって、このhigh−k層をこのプラズマにさらすこととを含む。高周波電力がこの基板ホルダに印加され、この高周波電力は、この基板とこのhigh−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成の割合を低減する特性を有する。デバイスは、high−k層内でエッチングされた形態を含む。このデバイスのエッチングプロファイルは、低減されたバーズビークを含むことができ、また、エッチングされた領域内におけるこの基板の表面は、エッチングされていない領域の下の基板と実質的に同一平面にすることができる。
【選択図】
Description
本発明は、半導体処理に関し、より具体的には、基板上に形成されているhigh−k層内に形態(feature)を形成する方法及びシステムに関する。
半導体産業において、マイクロ電子デバイスの最小特徴寸法は、より速く、より低消費電力のマイクロプロセッサ及びディジタル回路に対する要求を満たすために、ディープサブミクロン型に近づいている。この傾向は、例えば、SiO2及びSi酸窒化物(SiOxNy)誘電体の高誘電率誘電体(本明細書において、「high−k」材料とも称する)との差し迫った置換、及びサブ0.1μmのCMOS(complementary metal−oxide semiconductor)技術において、従来のドープされた多結晶シリコン(poly−Si)に代わる代替的なゲート電極材料の使用につながる。従って、プロセスの開発及びインテグレーションの問題は、新たなゲートスタック材料及びシリサイド処理にとって鍵となる問題である。
SiO2(k〜3.9)の誘電定数よりも大きい誘電定数を特徴とする誘電体材料は、一般に、high−k材料と呼ばれている。また、high−k材料は、基板(例えば、SiO2、SiOxNy)の表面に成長させるのではなく、基板(例えば、HfO2、ZrO2)上に堆積される誘電体材料を指すこともできる。High−k材料は、Ta2O5(k〜26)、TiO2(k〜80)、ZrO2(k〜25)、Al2O3(k〜9)、HfSiOx(k〜4〜25)及びHfO2(k〜25)を含む金属ケイ酸塩又は酸化物を含むことができる。
high−k材料のゲートスタックへのインテグレーションは、界面順位特性を維持するため、及びhigh−k材料と基板との間に良好な電気的特性を有する境界を形成するために、基板表面に絶縁界面層(dielectric interface layer)を必要とする可能性がある。しかし、酸化物界面層の存在は、ゲートスタック全体の誘電定数を低下させるため、酸化物界面層は、薄くする必要がある。ゲートスタックの製造におけるプラズマ処理中に、high−k層は、ソース/ドレイン領域のケイ素化を可能にするため、及びイオン注入中に基板に注入される金属不純物のリスクを低減するため、基板のソース/ドレイン領域内で、頻繁に除去される。high−k材料の本質により、high−k材料を除去するためには、積極的なエッチングプロセスを要する可能性がある。しかし、これらの積極的なエッチングプロセスは、基板材料自体の除去につながる可能性があり、これは、不十分なデバイス特性をもたらす可能性がある。従って、産業努力は、high−k層がソース/ドレイン領域から除去されている場合には、エッチング処理を直ちに終了することに向けられていた。これらの努力は、high−k層のオーバーエッチングの制御をもたらしたが、本発明者らは、high−k材料内に形態を形成したデバイスが、それでも信頼性及び/又は動作上の問題に悩まされる可能性があることを認識している。
従って、本発明の1つの目的は、high−k層内に形態を形成する改良されたシステム及び方法を提供することである。
本発明の別の目的は、改善された動作特性及び/又は信頼性特性を有する電子デバイスを提供することである。
本発明のこれら及び/又は他の目的は、high−k層をプラズマ処理する方法及びシステムによって実現することができる。本方法は、high−k層が上に形成されている基板のプラズマ処理中に、酸化物界面層の形成を低減することを含む。本発明の実施形態によれば、異方性プラズマ処理中に、high−k層の表面の負の静電気を低減することが、酸化物界面層の形成を低減し、このことが、high−k層のエッチプロファイルを改善し、基板の酸化を低減することができることが分かった。
本発明の一態様において、high−k層をプラズマ処理する方法は、high−k層が上に形成されている基板を、処理チャンバ内の基板ホルダ上に提供することと、該処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって該high−k層を該プラズマにさらすこととを含む。高周波電力が該基板ホルダに印加され、該高周波電力は、該基板と該high−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成の割合を低減する特性を有する。
本発明の別の態様において、ゲートスタックをプラズマ処理する方法は、処理チャンバ内の基板ホルダ上に、該基板上に形成されている界面層と、該界面層上に形成されているhigh−k層と、該high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを有する基板を含むゲートスタックを提供することと、該処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって該high−k層を異方性エッチングプロセスにおいてプラズマにさらすこととを含む。高周波電力が該基板ホルダに印加され、該高周波電力は、該基板と該ゲートスタックに隣接する該high−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成の割合を低減する特性を有する。
本発明の別の態様によれば、半導体デバイスは、基板と、該基板上に形成されている界面層と、該界面層上に形成されているhigh−k層とを含む。該high−k層内に形成されているエッチング形態は該基板まで延び、それによって、界面層又はhigh−k層が存在しない第1の基板面と、該界面層及び該high−k層が上に積層されている第2の基板面とを画成する。該第1の基板面は、該第2の基板面と実質的に同一平面上にある。
本発明のまた別の態様によれば、半導体デバイスは、基板と、該基板上に形成されている界面層と、該界面層上に形成されているhigh−k層とを含む。該high−k層内に形成されているエッチング形態は、該基板まで延び、それによって、該基板上に、該界面層と、該high−k層と、該high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを備えるゲートスタックを形成する。該ゲートスタックの下の第1の基板面は、該ゲートスタックに隣接する第2の基板面と実質的に同一平面上にある。
本発明のさらに別の態様において、半導体デバイスは、基板と、該基板上に形成されている界面層と、該界面層上に形成されているhigh−k層とを含む。該high−k層内に形成されているエッチング形態は、該基板まで延び、それによって、該基板上に、該界面層と、該high−k層と、該high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを備えるゲートスタックを形成する。該ゲートスタックのエッチングプロファイルは、鳥のくちばし状のプロファイルを有する。
図1A、図1Bは、本発明の実施形態に従って形成することができるhigh−k層を含むゲートスタックの概略断面図を示す。図1Aは、図示したエッチング形態を形成する異方性プラズマエッチングプロセス後の、部分的に完成したゲートスタック100を示す。例示的なゲートスタック100は、ソース領域113及びドレイン領域114を有する基板102と、界面層104と、high−k層106と、ゲート電極層108と、反射防止膜(anti−reflective coating;ARC)/ハードマスク層110と、フォトレジスト層112とを含む。エッチング形態は、ゲートスタック100を画成するために、基板のソース領域113及びドレイン領域114内に形成される。図1Aを見て分かるように、ゲートスタック100の下部の基板113の表面は、以下にさらに説明するように、エッチングした領域内の基板の表面と実質的に同一平面上にある。基板102は、例えば、Si、Ge、Si/Ge、又はGaAsを含有する。本発明の一実施形態において、基板102は、エピタキシャルSi又はpoly−Siを含有するSi基板とすることができる。Si基板は、形成するデバイスの種類により、n型又はp型とすることができる。基板102は、どのようなサイズにもすることができ、例えば、200mm基板、300mm基板又はもっと大きな基板とすることができる。
界面層104は、例えば、酸化物層(例えば、SiO2)、窒化物層(例えば、SiNx)、又は酸窒化物層(例えば、SiOxNy)とすることができる。Si基板を含む集積回路は、一般的に、高電子移動度及び低電子トラップ密度を含む良好な電気的特性を有することが可能なSiO2及び/又はSiOxNy界面層を用いる。現在のところ、SiO2及び/又はSiOxNy界面層上に形成されているhigh−k層を含むゲートスタックは、約5〜10オングストローム(Å)の界面層厚さを要する可能性がある。
high−k層106は、例えば、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、HfSiOx、HfO2、ZrSiOx、TaSiOx、SrOx、SrSiOx、LaOx、LaSiOx、YOx又はYSiOx、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを含有することができる。high−k層106の厚さは、例えば、約20Å〜約200Åとすることができ、また、約40Åとすることができる。図1Aにおけるゲート電極層108は、例えば、poly−Siをドープすることができる。所望の寸法を有するエッチング形態の形成を可能にする適切なARC/ハードマスク層110及びフォトレジスト層112の選択は、リソグラフィ及びプラズマエッチングの当業者には公知である。
図1Bは、図示したエッチング形態を形成する異方性プラズマエッチングプロセス後の、別の部分的に完成したゲートスタック101を示す。ゲートスタック101は、図1Aに示す材料物質層に加えて、金属ゲート電極層107を含む。金属ゲート電極層107は、例えば、約100Å厚とすることができ、また、W、Al、TaN、TaSiN、HfN、HfSiN、TiN、TiSiN、Re、Ru又はSiGeを含有することができる。従来のpoly−Siに代わる、又は、従来のpoly−Siに集積される金属ゲート電極の導入は、poly−Siゲートの空乏効果、シート抵抗の低減、良好な信頼性及び進化したhigh−k層上の潜在的に良好な熱安定性を含むいくつかの利点をもたらすことができる。
図1A及び図1Bのゲートスタックは、図5に記載されているもの等のプラズマエッチングチャンバ内で形成することができる。図5を見て分かるように、エッチングシステムは、プラズマを生成する上方電極に結合された高周波電源と、処理すべき基板を保持する基板ホルダに結合されたRFシステムとを含むことができる。以下に説明するように、基板の高周波電力の調節は、high−k層のオーバーエッチングの制御に用いることができる。しかし、本発明者らは、high−k層のオーバーエッチングを制御しようとする努力にもかかわらず、high−k材料中に形成されている形態を有するデバイスが、不十分な特性を示す可能性があることを認識している。ゆえに、本発明者らは、high−k層内での形態の形成を改善するため、high−kゲートスタック構造をエッチングするプロセスを集中的に研究した。
図2A〜図2Cは、high−k層のプラズマ処理中の酸化物界面層の形成の概略断面図を示す。図2Aは、基板202と、界面層204と、high−k層206と、パターン化されたゲート電極層208とを含む例示的なゲートスタック200を示す。ソース/ドレイン領域212からのhigh−k層206の除去は、high−k層206から基板202のソース/ドレイン領域212内への不純物のノックオン注入のリスクを軽減するために、イオン注入プロセスを実行する前に必要とされる。しかし、界面層204(例えば、SiO2)及び基板202(例えば、Si)に対するhigh−k層206(例えば、HfO2)の低いプラズマエッチング選択性は、high−k層206の異方性エッチングを試みて、界面層204上、又は基板202上でのエッチングプロセスを終了しようとしたときに問題になる可能性がある。Si基板202及びSiO2界面層204の場合、high−k層206のオーバーエッチングは、基板102のソース/ドレイン領域212からのSiO2及びSiの過剰な除去につながる可能性があり、それによって、半導体デバイスの機能を損傷又は破壊する可能性がある。
プラズマ210によるhigh−k層206の異方性エッチングは、一般式HX、X2、CxXz又はCxHyXzであり、ただし、Xはハロゲンである、活動的なハロゲン含有ガスの使用を含むことができる。ハロゲン含有ガスは、反応性エッチングプロセスにおいて、high−k層206と化学的に反応することができるが、界面層204又は基板202のエッチングと比べて、high−k層206のエッチングに対して非常に低い選択性を有する可能性がある。これらのハロゲン含有ガス(例えば、O2存在下でのCF4)は、high−kエッチング生成物の揮発度を高めるために、昇温した(例えば、T>300℃)基板の使用を必要とする場合がある。これらのガスの使用は、適切なエッチング選択性を実現するために、物理的に大きなエッチングコンポーネント及びポリマーの形成をさらに要する可能性がある。このため、high−k層206が除去されたときに、エッチングプロセスが直ちに終了しない場合には、下にある基板202を損傷させるリスクがある。純粋なエッチングプロセスのこの即座の終了は、実現するのが困難であることが分かっている。
しかし、プラズマ改質/薄膜化プロセスは、上記基板ホルダに対して高周波電力を用いて、オーバーエッチングすることなく、ソース/ドレイン領域212からhigh−k層206を異方的に除去することを支援することができる。具体的には、このプロセスは、high−k層206を完全に除去することなく部分的に除去し及び/又は改質するイオン衝撃を用いることができる。一実施例において、プラズマは、反応性ガス、例えば、HBr又はHCl及び不活性ガスを含有することができる。別の実施例においては、プラズマは、プラズマ環境中において、high−k層206に対して非反応性である化学的に不活性のガス活性種を含有するだけでもよいが、この場合、イオンは、後のウェットエッチングプロセスが、分離した(改質された)high−k層206を効率的に除去することができるように、high−k層を有効に分離及び/又は薄膜化するのに十分なエネルギを有する。不活性ガスは、例えば、希ガスHe、Ne、Ar、Kr及びXeを含有することができる。
high−k層206に対するプラズマ改質/薄膜化プロセスのはっきりとした効果は、現在のところ分かっておらず、プラズマ処理に用いられるガスによる可能性がある。しかし、プラズマ処理は、high−k層206の非晶質内容物を増加させ、high−k層206内に原子フラグメントを生成する化学的結合を潜在的に破断する可能性がある。high−k層のプラズマ処理中の分子構造の提案された崩壊は、界面層204及び基板202に対するhigh−k層206の高いエッチング選択性を有し、それによって、界面層でエッチングを停止する能力を改善するというウェットエッチングの化学的性質の良好な選択を可能にする。後続のウェットエッチングプロセスは、例えば、高温の硫酸(H2SO4)又はフッ酸(HF水溶液)を用いることができ、その結果、改質されたhigh−k層206及び界面層204の基板202からの選択的除去がもたらされる。
上記のプロセスにおいて、high−k層206がプラズマ改質/薄膜化プロセス中に越えられない場合、下にある基板202に対して生じる損傷の可能性は低減される。しかし、薄膜化工程が長時間実行された場合には、high−k層206が越えられて、下にある基板202に対する損傷を生じる結果となる。上記基板ホルダに対する高周波バイアスは、この薄膜化工程を制御するために調節することができる。具体的には、基板ホルダに対するより高い高周波電力は、限定された揮発度を有するhigh−k層をエッチングするのに有用であるより強力なイオン衝撃を実現でき、一方、基板のソース及びドレイン領域内へのエッチングの可能性を低減するには、より低い高周波電力が必要である。従って、基板ホルダに対する高周波電力を調節することは、このhigh−k層のオーバーエッチングを制御するのに用いることができる。しかし、上述したように、デバイスの問題は、なお存在する。
図2Bは、プラズマ処理による、high−k層206の部分的除去を概略的に示し、この場合、プラズマプロセスは、基板202のソース/ドレイン領域212からのhigh−k層206の完全除去の前に停止されている。high−k層206の不均一なエッチング及び界面層204の厚さの増加が、ゲートスタック200の縁部で観察された。界面層204の増加した厚みは、基板202の酸化(例えば、SiO2を形成するためのSiの酸化)により部分的なものである。また、Siに取って代わるSiO2は、消費されたSiよりもより多くの体積を占め、このことは、界面層の厚さの増加にも寄与する。図2Bに概略的に示すように、界面層204の厚さの増加(膨張)は、ソース/ドレイン領域212からのhigh−k層206の完全除去の前に発生させることができる。
図2Bにおいて、ゲートスタック200の縁部における界面層204の厚さの増加は、「バーズビーク(鳥のくちばし)」204aと呼ばれる。バーズビーク204aの形成は、長チャネル抵抗の電気的結果にはほとんど影響を及ぼさないが、短チャネル長を有する抵抗及び他の素子には、強い影響を及ぼす可能性がある。例えば、この界面層の厚さの増加による有効酸化物厚さの増加は、チャネルのゲート制御の低減につながる可能性がある。従って、本発明者らは、界面層204の厚さに関する制御は、ディープサブミクロンCMOSデバイスの電気的性能にとって重要であることを認識した。
図2Cは、high−k層206及び界面層204のソース/ドレイン領域212からの完全除去後のゲートスタック200を示す。上述したように、high−k層206の除去は、反応性プラズマエッチングにより、又は、ウェット処理工程が後に続く、プラズマ改質/薄膜化工程により、実行することができる。この図を見て分かるように、処理されたゲートスタック200は、テーパ状部分206aを有するエッチングされたhigh−k層206と、バーズビーク204aを有する界面層204と、基板202からの材料物質の除去が行われたソース/ドレイン領域212とを含む。この基板202からの材料物質の除去は、エッチング選択性が、上述した方法を用いて的確に制御されている場合にも生じる可能性がある。具体的には、本発明者らは、ソース基板材料の除去が、酸化物膨張プロセスによるこの材料物質の消耗によるものであると認識した。この結果、的確に制御されたエッチングプロセスは、オーバーエッチングによって生じるであろう除去と同様の基板材料の除去という結果を伴って、膨張した酸化物層を除去する。図2Cに示した問題は、デバイスの動作及び/又は信頼性特性を低減する可能性があり、また、高温反応性プラズマエッチング及びウェット処理が後に続くプラズマ改質/薄膜化処理の両方の場合に存在する可能性がある。
(Arプラズマを用いたHfO2 High−k層のプラズマ処理)
図2D、図2Eは、ゲートスタックのプラズマ処理の後のゲートスタックのTEMイメージを示す。このゲートスタックは、Si基板252上の5Å厚のSiOxNy界面層254の上にある56Å厚のHfO2 high−k層256を含む。このゲートスタックはさらに、TiN金属電極層258と、poly−Si電極層260とを含む。このゲートスタックは、例えば、図5に概略的に示すような容量結合プラズマ処理システムにおいて、Arプラズマにさらした。上記基板ホルダに対する高周波電力は、上述したように、単にhigh−k層の薄膜化を制御するために制御される。HfO2 high−k層256aのプラズマ改質/薄膜化の後、HfO2 high−k層256a及びゲートスタックの縁部のソース/ドレイン領域262における酸化物界面層254aの厚さは、それぞれ、48Å及び12Åであった。この結果、HfO2 high−k層のプラズマ処理は、界面層254の厚さを5Åから12Åへ増加させると共に、HfO2 high−k層256aを部分的に除去した。図2Dはさらに、Si基板252の酸化による、ソース/ドレイン領域262からのSi材料の除去を示す。
図2D、図2Eは、ゲートスタックのプラズマ処理の後のゲートスタックのTEMイメージを示す。このゲートスタックは、Si基板252上の5Å厚のSiOxNy界面層254の上にある56Å厚のHfO2 high−k層256を含む。このゲートスタックはさらに、TiN金属電極層258と、poly−Si電極層260とを含む。このゲートスタックは、例えば、図5に概略的に示すような容量結合プラズマ処理システムにおいて、Arプラズマにさらした。上記基板ホルダに対する高周波電力は、上述したように、単にhigh−k層の薄膜化を制御するために制御される。HfO2 high−k層256aのプラズマ改質/薄膜化の後、HfO2 high−k層256a及びゲートスタックの縁部のソース/ドレイン領域262における酸化物界面層254aの厚さは、それぞれ、48Å及び12Åであった。この結果、HfO2 high−k層のプラズマ処理は、界面層254の厚さを5Åから12Åへ増加させると共に、HfO2 high−k層256aを部分的に除去した。図2Dはさらに、Si基板252の酸化による、ソース/ドレイン領域262からのSi材料の除去を示す。
図2Eは、上記ゲートスタックのプラズマ処理及びウェット処理後のゲートスタックのTEMイメージである。図2Eは、バーズビーク254aの存在と、テーパ状エッチングプロファイル256bを有するパターン化されたhigh−k層256と、基板252のソース/ドレイン領域262からのSi材料の除去とを示す。
本発明者らは、上述した問題を、基板上に形成されているhigh−k層のプラズマ処理中の上記界面層の厚さの増加を最小限にすることによって低減することができることに気付いた。このため、本発明の実施形態は、high−k層のプラズマ処理中の界面層の厚さの増加を最小限にすることに注力し、この場合、プラズマ処理は、例えば、このhigh−k層のプラズマ改質/薄膜化又はこのhigh−k層の反応性エッチングを含むことができる。本発明者らは、high−k層のプラズマ処理中に見られる界面層の厚さの増加は、界面層及び基板の電界(E界)強化酸化によるものであると考える。これを、図3A、図3Bに概略的に示す。本発明の実施形態によれば、この界面層の厚さの増加は、high−k層のプラズマ処理中の、界面層及び基板の電界強化酸化を低減するプラズマ処理パラメータを選択することによって、低減することができる。
図3A、図3Bは、high−k層のプラズマ処理中の、界面層の電解強化形成を概略的に示す。基板352を接地した状態で、high−k層356をプラズマ環境360にさらすと、high−k層356の表面に電子358の蓄積を生じて、正味の負の帯電が生成される。high−k層356の表面の帯電は、high−k層356のキャパシタのような作用の結果であり、この場合、接地された基板352は、このキャパシタの一方のプレートであり、high−k層356の負に帯電した面は他方のプレートになる。代替として、基板352を接地電位から電気的に絶縁した状態で、high−k層358をプラズマ環境360にさらしても、high−k層356の表面に電子358の蓄積を生じて、正味の負の帯電が生成される。この基板は、図3A及び図3Bにおいて、接地されて示されているが、上述したキャパシタ効果の適切な考慮を要することなく、高周波バイアスが基板に印加された場合には、high−k層356上の負の帯電も生じる可能性がある。
本発明者らは、high−k層356のプラズマ処理中に、表面帯電により誘導された強力な電界が酸素イオン(O2−)をhigh−k層356(例えば、HfO2又はHfSiOx)から、下にある界面層354及び基板352内へ引き抜くことができることに気が付いた。このことが、図3Aに示す界面層354よりも著しく厚い、図3Bに示す界面層355を形成し、上述した問題をもたらす。
図4A、図4Bは、本発明の実施形態による、high−k層のプラズマ処理中の酸化物界面層の形成を最小限にする方法を概略的に示す。本発明の実施形態によれば、図3A及び図3Bに示すように、基板352を接地する代わりに、基板352に結合された高周波電源362から高周波電力を印加すると、プラズマ360からの正イオンとhigh−k層356との衝突を増加させることにより、high−k層356の表面上の電子358の蓄積を有効に低減することができる。また、例えば、上述したようにオーバーエッチングを制御するために、既に高周波バイアスが上記基板ホルダに印加されているエッチングシステムにおいては、このhigh−k層上の電子358の蓄積をさらに低減するために、適切な電力レベルの高周波バイアスを選定することができる。すなわち、本発明者らは、基板に対する高周波レベルを調節してエッチングを制御することが、high−k層356の表面上での負の帯電の蓄積を防ぐのに十分ではないことを発見した。high−k層356の表面上での電子358の低減された蓄積は、このhigh−k層上での負の帯電を低減し、それによって、電界及び界面層354及び基板356の電界強化酸化を最小限にする。
図4Bは、本発明の実施形態による、high−k構造の概略図を示す。この図を見て分かるように、界面層357は、本発明の実施形態によらない図4Bに示す界面層355よりも著しく薄い。この結果、high−k層356の表面上の電子358の蓄積を低減する高周波電力を印加することにより、界面層354及び基板356の低減された酸化が生じる。また、この低減された酸化は、鳥のくちばし状のプロファイルを有する改善されたエッチングプロファイルをもたらす。本明細書で用いる場合、鳥のくちばし状のプロファイルとは、high−k材料上の電子の蓄積を低減することを考慮せずに形成されたエッチングプロファイルに対して、バーズビーク又は低減されたバーズビークのどちらも有しないhigh−k構造のエッチングプロファイルを意味する。さらに、この低減された酸化は、界面膜の下の基板面を、エッチングされた領域内の基板面と実質的に同一平面にすることができる。本明細書で用いる場合、実質的に同一平面とは、このhigh−k材料上での電子の蓄積を低減することを考慮せずに形成された形態よりもより同一平面であることを意味する。
図2B、図2Cに戻って説明すると、本発明の実施形態は、界面層204及び基板202の電界誘導酸化を最小限にすることができ、それによって、バーズビーク204aの形成を低減し、テーパ状のエッチングプロファイル206aを低減し、かつ基板202のソース/ドレイン領域212からの材料物質の除去を低減する。
基板のプラズマ処理中に、高周波電力を基板に印加することの潜在的な欠点は、下にある界面層及び基板に対する上記high−k層のエッチング選択性の低下である。しかし、一実施例において、少量のN2ガスをプロセスガスに加えると、界面層の窒化物生成を強化することができ、また、エッチング選択性を高めることができる。
本発明の実施形態は、不活性ガス、反応性ガス又はこれら両方を含むプロセスガスを含有するプラズマの処理に適用することができる。この不活性ガスは、He、Ne、Ar、Kr又はXe、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを含有することができる。この反応性ガスは、HX(例えば、X=Cl、Br)、X2(例えば、X=Cl、Br)、CxXz(Xはハロゲン)、CxHyXz(Xはハロゲン)、又は、これらのうちの2つ以上からなる組合せを含有することができる。このプロセスガスはさらに、H2を含有することができる。不活性ガス及び反応性ガスを含有するプロセスガスは、例えば、HCl+Ar、HBr+Ar、Cl2+H2+Ar、又はCF4+O2+Arを含むことができる。
図5は、本発明の実施形態によるプラズマ処理システムを示す。プラズマ処理システム1は、処理チャンバ10の処理領域45内でのプラズマの生成を容易にするように構成されている。プラズマ処理システム1はさらに、処理すべき基板25が、基板25上に取り付けられて電気的接触が形成される基板ホルダ20と、プロセスガス42を処理チャンバ10内に導入するガス注入システム40と、真空ポンプシステム50とを備える。ガス注入システム40は、ex−situガスソースから処理チャンバ10へのプロセスガス42の送給に関する独立した制御を可能にする。
イオン性プロセスガス42は、ガス注入システム40を介して導入され、プロセス圧力が調節される。このプロセスガスの流量は、約10sccm〜約5000sccm、代替的には、約20sccm〜約1000sccm、さらに代替的には、約50sccm〜約500sccmとすることができる。チャンバ圧力は、例えば、約1ミリトール〜約200ミリトール、代替的には、約5ミリトール〜約100ミリトール、さらに代替的には、約10ミリトール〜約50ミリトールとすることができる。コントローラ55は、真空ポンプシステム50及びガス注入システム40を制御するのに用いることができる。基板25は、(ロボット式)基板移送システムを介してスロットバルブ(図示せず)及びチャンバフィードスルー(図示せず)によって処理チャンバ10内へ移送され、そこでこの基板は、基板ホルダ20内に収容された基板リフトピン(図示せず)によって受取られ、この基板ホルダ内に収容されたデバイスによって機械的に平行移動される。基板25が一旦、この基板移送システムから受取られると、この基板は、基板ホルダ20の上面まで低下される。
代替の実施形態においては、基板25は、静電クランプ(図示せず)を介して基板ホルダ20に取り付けられる。さらに、基板ホルダ20は、基板ホルダ20から熱を受取って、熱を熱交換システム(図示せず)へ移す、又は、加熱時に、この熱交換システムから熱を移す再循環冷却剤フローを含む冷却システムをさらに含む。また、基板25と基板ホルダ20との間のガスギャップ熱伝導性を改善するために、この基板の裏面にガスを供給してもよい。このようなシステムは、この基板の温度制御が、高温又は低温において必要な場合に用いられる。例えば、この基板の温度制御は、プラズマから基板25に供給される熱流束と、基板ホルダ20への伝導による基板25から取り除かれる熱流束とのバランスによって成される定常状態の温度を超える温度において有用である。他の実施形態においては、抵抗加熱素子又は熱電気ヒータ/冷却器等の加熱素子が基板ホルダ20内に含まれている。
図5のプラズマ処理システム1は、インピーダンス整合回路網74を介して高周波電源72から高周波電力が結合されている上部プレート電極70を含むRFプラズマソースを含む。上部プレート電極70への高周波電力の印加のための典型的な周波数は、10MHz〜200MHzとすることができ、また、60MHzとすることができる。上部プレート電極70に印加される高周波電力は、約50ワット(W)〜約5,000Wとすることができる。代替として、上部プレート電極70に印加される高周波電力は、約100W〜約1,000Wとすることができる。上述したように、図5のプラズマ処理システム1はさらに、高周波電力を基板ホルダ20に印加して基板25にバイアスを掛けるRFソースを含む。このRFソースは、高周波電源30と、反射電力を最小限にすることにより、プラズマから処理領域45への高周波電力の移動を最大化するように機能するインピーダンス整合回路網32とを含む。整合回路網の接続形態(例えば、L型、π型、T型)及び自動制御法は当分野において公知である。基板ホルダ20への高周波電力の印加のための典型的な周波数は、0.1MHz〜30MHzであり、また、2MHzとすることができる。基板ホルダ20に印加される高周波電力は、約10W〜約500Wとすることができる。代替として、基板ホルダ20に印加される高周波電力は、約20W〜約100Wとすることができる。また、コントローラ55は、上部プレート電極70への高周波電力の印加を制御するために、高周波電源72及びインピーダンス整合回路網74に結合されている。代替の実施形態において、高周波電力は、多数の周波数で基板ホルダ20に印加することができる。
図5の説明を続けると、プロセスガス42は、ガス注入システム40によって処理領域45に導入される。ガス注入システム40は、シャワーヘッドを含むことができ、プロセスガス42は、ガス供給システム(図示せず)からガス注入プレナム(図示せず)、一連のバッフルプレート(図示せず)及びマルチオリフィスシャワーヘッドガス注入プレートを介して処理領域45に供給される。一実施形態において、このマルチオリフィスシャワーヘッドガス注入プレートは、上部プレート電極70とすることができる。
真空ポンプシステム50は、毎秒5000リットルまで(及び、それ以上)のポンピング速度が可能なターボ分子真空ポンプ(turbo−molecular vacuum pump;TMP)と、チャンバ圧力を調節するゲートバルブとを含むことができる。ドライプラズマエッチングに用いられる従来のプラズマ処理装置においては、毎秒1000〜3000リットルのTMPが用いられる。TMPは、低圧処理、典型的には、50ミリトール未満の処理に有用である。高圧処理(例えば、100ミリトール以上)の場合、機械式ブースターポンプ及びドライ粗引きポンプが使用される。
コントローラ55は、マイクロプロセッサと、記憶装置と、プラズマ処理システム1へ入力を伝達し、かつ入力を活性化し、プラズマ処理システム1からの出力を監視するのに十分な制御電圧を生成することが可能なディジタルI/Oポートとを含む。また、コントローラ55は、高周波電源30、インピーダンス整合回路網32、高周波電源72、インピーダンス整合回路網74、ガス注入システム40、プラズマモニタシステム57及び真空ポンプシステム50に結合されており、かつこれらの構成要素と情報を交換する。この記憶装置に格納されたプログラムは、格納されたプロセスレシピに従って、プラズマ処理システム1の前述した構成要素を制御するのに用いられる。コントローラ55の一実施例は、ディジタル信号プロセッサ(digital signal processor;DSP)であり、すなわち、テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツ社(Texas Instruments、Dallas、Texas)から入手可能なモデル番号TMS320である。
プラズマモニタシステム57は、例えば、プラズマ環境中の励起された粒子を測定する発光分光分析(optical emission spectroscopy;OES)システム及び/又はプラズマ密度を測定する、ラングミュアプローブ等のプラズマ診断システムを備えることができる。プラズマモニタシステム57は、コントローラ55と共に用いて、エッチングプロセスの状態を判断し、プロセス順守を確実にするためのフィードバックを生成することができる。代替として、プラズマモニタシステム57は、マイクロ波及び/又はRF診断システムを備えることができる。
図6は、本発明の別の実施形態によるプラズマ処理システムを示す。プラズマ処理システム2は、プラズマ密度を潜在的に増加させ及び/又はプラズマ処理均一性を改善するために、機械的又は電気的回転DC磁界システム60を備えるRFプラズマソースを含む。また、コントローラ55は、回転の速度及び磁界強度を調整するために、回転磁界システム60に結合されている。
図7は、本発明のまた別の実施形態によるプラズマ処理システムを示す。プラズマ処理システム3は、高周波電源82を介してインピーダンス整合回路網84によって高周波電力が結合される誘導コイル80を備えるRFプラズマソースを含む。高周波電力は、誘導コイル80から絶縁ウィンドウ(図示せず)を通ってプラズマ処理領域45に誘導結合される。誘導コイル80への高周波電力の印加のための典型的な周波数は、0.1MHz〜100MHzであり、また、13.56MHzとすることができる。この誘導コイルに印加される高周波電力は、約50W〜約10,000Wとすることができる。同様に、チャック電極への電力の印加のための典型的な周波数は、0.1MHz〜30MHzとすることができ、また、13.56MHzとすることができる。上記基板ホルダに印加される高周波電力は、約10W〜約500Wとすることができる。また、スロット式ファラデーシールド(図示せず)を、誘導コイル80とプラズマとの間の容量結合を低減するのに用いることができる。また、コントローラ55は、誘導コイル80への電力の印加を制御するために、高周波電源82及びインピーダンス整合回路網84に結合されている。
本発明の実施形態によれば、図5〜図7の基板ホルダに印加される高周波電力は、上記high−k材料上での負の帯電の蓄積を低減し、それによって、上述したような界面層の膨張を低減するように選定される。基板バイアスの正確な特性は、プロセス仕様、材料組成及び他の要因に依存し、実験技法のデザインによって決めることができる。また、特定のハードウェアの多くの変形例を、本発明を実施することができる処理システムを実施するのに用いることができ、かつこれらの変形例は、当業者には容易に理解できるため、図5〜図7に描かれたプラズマ処理システムが例示目的のためだけに示されていることを理解すべきである。
図8は、本発明の実施形態による、high−k層をプラズマ処理する方法を説明するフローチャートを示す。プロセス800は、ステップ802において、high−k層が上に形成されている基板を処理チャンバ内に提供することを含む。この処理チャンバは、RFプラズマソースと、この基板を支持する基板ホルダに電力を供給するRFソースとを含む。例えば、この処理チャンバは、図5〜図7に関して論じたチャンバのうちの1つとすることができる。ステップ804において、プラズマがこの処理チャンバ内に生成され、このhigh−k層がこのプラズマにさらされる。ステップ806において、高周波電力がこのhigh−k層に印加される。この高周波電源によって生成される高周波電力は、この基板とこのhigh−k層との間への酸化物界面層の形成を低減するように選定される。ステップ806は、プロセス中に、この基板に高周波電力を印加することを含むことができ、この場合、高周波電力は、通常、この基板ホルダには印加されない。代替として、オーバーエッチングを制御するために、高周波電力がこの基板に印加されるプロセスにおいては、例えば、RFバイアス電力は、界面層の膨張を低減する特定の特性のために選定される。プロセス804は、このhigh−k層を少なくとも部分的に除去するために、所望の時間、実行される。本発明の一実施形態において、このプラズマ処理は、このhigh−k層を除去する高温反応性プラズマエッチングを含むことができる。本発明の別の実施形態においては、このプラズマ処理は、残っているhigh−k層を除去するウェット処理が後に続くプラズマ改質/薄膜化プロセスを含むことができる。
[実施例]HBrプラズマを用いたHfO2 high−k層のプラズマエッチング
Si基板上の5Å厚のSiOxNy界面層の上にある40Å厚のHfO2 high−k層を含むゲートスタックを、HBrエッチングガスを含有するプラズマにさらした。このプロセス条件は、400sccmのHBrガス流量と、20ミリトールの処理チャンバ圧力を含んだ。このプラズマ処理システムは、図5に概略的に示すような容量結合プラズマシステムであった。本発明者らは、40Wの電力を上記基板ホルダに供給すると、370℃において、HfO2を除去することができるが、この界面層の膨張が、なお存在することを発見した。従って、本発明者らは、本発明に従って、上記酸化物の膨張をさらに低減する高周波電力を選定した。この実施形態において、上部電極電力は、1,000Wから200Wに低下し、この基板ホルダに印加される高周波電力は、40Wから50Wに増加した。
Si基板上の5Å厚のSiOxNy界面層の上にある40Å厚のHfO2 high−k層を含むゲートスタックを、HBrエッチングガスを含有するプラズマにさらした。このプロセス条件は、400sccmのHBrガス流量と、20ミリトールの処理チャンバ圧力を含んだ。このプラズマ処理システムは、図5に概略的に示すような容量結合プラズマシステムであった。本発明者らは、40Wの電力を上記基板ホルダに供給すると、370℃において、HfO2を除去することができるが、この界面層の膨張が、なお存在することを発見した。従って、本発明者らは、本発明に従って、上記酸化物の膨張をさらに低減する高周波電力を選定した。この実施形態において、上部電極電力は、1,000Wから200Wに低下し、この基板ホルダに印加される高周波電力は、40Wから50Wに増加した。
図9は、本発明の実施形態による上記ゲートスタックのプラズマ処理の後のゲートスタックのTEMイメージを示す。この図を見て分かるように、例示的な方法は、界面層254の成長を著しく低減し、HfO2層256のテーパがほとんどなく、又は全くなく、かつ界面層254の膨張が最小限である、直線状のHfO2エッチングプロファイルを形成した。また、この図を見て分かるように、エッチングされた領域内の上記基板の表面は、エッチングされていない領域内のこの基板の表面と実質的に同一平面上にある。図9は、この基板のエッチングされた領域内のこの基板の上の影の層を示すことに留意する。この影は、図9の構造の物理的な層ではなく、分析のために図9のサンプルを準備するのに用いられる材料に対するTEM測定の結果と思われる。
本発明の実施形態によれば、上記基板ホルダに印加される高周波電力は、約10W〜約500Wとすることができる。代替として、この基板ホルダに印加する高周波電力は、約20W〜約100Wとすることができる。良好なHfO2エッチングプロファイル及び最小限の界面層成長を実現するのに必要な上記基板ホルダの高周波電力は、例えば、このHfO2 high−k層の異なる堆積後の状態(例えば、アニーリング)に対して変えることができ、これらの変化は、当業者には容易に理解される。
本発明の多数の変更例及び変形例が、上記の教示に照らして可能である。従って、添付クレームの範囲内で、本発明を、本明細書に具体的に記載した方法以外の方法で実施することができることを理解すべきである。
Claims (35)
- high−k層をプラズマ処理する方法であって、
high−k層が上に形成されている基板を、処理チャンバ内の基板ホルダ上に提供することと、
前記処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって前記high−k層を前記プラズマにさらすことと、
高周波電力を前記基板ホルダに印加することであって、前記高周波電力は、前記基板と前記high−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成速度を低減する特性を有していることと、
を備える方法。 - 前記提供することは、前記基板上に界面層を形成し、かつ前記界面層上にhigh−k層を形成した基板を提供することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記界面層は、酸化物層、窒化物層又は酸窒化物層、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項2に記載の方法。
- 前記提供することは、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、HfSiOx、HfO2、ZrSiOx、TaSiOx、SrOx、SrSiOx、LaOx、LaSiOx、YOx又はYSiOx、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備えるhigh−k層を有する前記基板を提供することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記提供することは、Si、Ge、Si/Ge又はGaAs、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える基板を提供することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記生成することは、プロセスガスを前記処理チャンバ内に導入して、前記プラズマを生成することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記プロセスガスは、不活性ガス、反応性ガス又はこれら両方を備える、請求項6に記載の方法。
- 前記不活性ガスは、He、Ar、Kr又はXe、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項7に記載の方法。
- 前記反応性ガスは、HCl、HBr、Cl2、Br2、CxHyXz又はCxHyXz、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項7に記載の方法。
- 前記high−k層をプラズマにさらすことは、異方性エッチングプロセスにおいて、前記high−k層を少なくとも部分的に除去する、請求項1に記載の方法。
- 前記生成することは、高周波電力をインピーダンス整合回路網を介して、プラズマソースの上部プレート電極に印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記上部プレート電極に印加されるRF周波数は、約10MHz〜約200MHzである、請求項11に記載の方法。
- 前記上部プレート電極に印加される高周波電力は、約50W〜約5,000Wである、請求項11に記載の方法。
- 前記生成することは、インピーダンス整合回路網を介して、高周波電力をプラズマソースの誘導コイルに印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記高周波電力は、絶縁ウィンドウを介して、前記誘導コイルから前記プラズマに誘導結合されている、請求項14に記載の方法。
- 前記誘導コイルに印加されるRF周波数は、約0.1MHz〜約100MHzである、請求項14に記載の方法。
- 前記誘導コイルに印加される高周波電力は、約50W〜約10,000Wである、請求項14に記載の方法。
- 前記印加することは、約0.1MHz〜約30MHzのRF周波数を前記基板ホルダに印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記印加することは、約10W〜約500Wの高周波電力を前記基板ホルダに印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記印加することは、約20W〜約100Wの高周波電力を前記基板ホルダに印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記生成することは、高周波電力を、回転DC磁界電源に印加することを備える、請求項1に記載の方法。
- ゲートスタックをプラズマ処理する方法であって、
処理チャンバ内の基板ホルダ上に、前記基板上に形成されている界面層と、前記界面層上に形成されているhigh−k層と、前記high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを有する基板を含むゲートスタックを提供することと、
前記処理チャンバ内にプラズマを生成し、それによって前記high−k層を異方性エッチングプロセスにおいてプラズマにさらすことと、
高周波電力を前記基板ホルダに印加することであって、前記高周波電力は、前記基板と前記ゲートスタックに隣接する前記high−k層との間に配設されている酸化物界面層の形成の割合を低減する特性を有することと、
を備える方法。 - 前記提供することは、酸化物層、窒化物層又は酸窒化物層、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える界面層を有する基板を提供することを備える、請求項22に記載の方法。
- 前記提供することは、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、HfSiOx、HfO2、ZrSiOx、TaSiOx、SrOx、SrSiOx、LaOx、LaSiOx、YOx又はYSiOx、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備えるhigh−k層を有する基板を提供することを備える、請求項22に記載の方法。
- 前記提供することは、poly−Si、W、Al、TaN、TaSiN、HfN、HfSiN、TiN、TiSiN、Re、Ru又はSiGe、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備えるゲート電極層を有する基板を提供することを備える、請求項22に記載の方法。
- 前記提供することは、Si、Ge、Si/Ge又はGaAs、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える基板を有する基板を提供することを備える、請求項22に記載の方法。
- 前記提供することは、パターン化されたARC層、パターン化されたハードマスク又はパターン化されたフォトレジスト層、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せをさらに備えるゲートスタックを有する基板を提供することを備える、請求項22に記載の方法。
- 基板と、
前記基板上に形成されている界面層と、
前記界面層上に形成されているhigh−k層と、
前記high−k層内に形成され、かつ前記基板まで延び、それによって、界面層又はhigh−k層が存在しない第1の基板面と、前記界面層及び前記high−k層が上に積層されている第2の基板面とを画成するエッチング形態であって、前記第1の基板面が、前記第2の基板面と実質的に同一平面上にある、エッチング形態と、
を備える半導体デバイス。 - 前記界面層は、酸化物層、窒化物層又は酸窒化物層、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項28に記載のデバイス。
- 前記high−k層は、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、HfSiOx、HfO2、ZrSiOx、TaSiOx、SrOx、SrSiOx、LaOx、LaSiOx、YOx又はYSiOx、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項28に記載のデバイス。
- 前記基板は、Si、Ge、Si/Ge又はGaAs、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項28に記載のデバイス。
- 基板と、
前記基板上に形成されている界面層と、
前記界面層上に形成されているhigh−k層と、
前記high−k層内に形成され、かつ前記基板まで延び、それによって、前記基板上に、前記界面層と、前記high−k層と、前記high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを備えるゲートスタックを形成するエッチング形態であって、前記ゲートスタックの下の第1の基板面が、前記ゲートスタックに隣接する第2の基板面と実質的に同一平面上にある、エッチング形態と、
を備える半導体デバイス。 - 前記ゲート電極層は、poly−Si、W、Al、TaN、TaSiN、HfN、HfSiN、TiN、TiSiN、Re、Ru又はSiGe、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せを備える、請求項32に記載のデバイス。
- 前記ゲートスタック構造上に形成されており、パターン化されたARC層、パターン化されたハードマスク又はパターン化されたフォトレジスト層、あるいは、これらのうちの2つ以上からなる組合せをさらに備える、請求項32に記載のデバイス。
- 基板と、
前記基板上に形成されている界面層と、
前記界面層上に形成されているhigh−k層と、
前記high−k層内に形成され、かつ前記基板まで延び、それによって、前記基板上に、前記界面層と、前記high−k層と、前記high−k層上に形成されているパターン化されたゲート電極層とを備えるゲートスタックを形成するエッチング形態であって、前記ゲートスタックのエッチングプロファイルが、鳥のくちばし状のプロファイルを有するエッチング形態と、
を備える半導体デバイス。
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