JP2010525596A - ハフニウム酸化物に基づく薄膜部分を備えた集積電子回路 - Google Patents

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サンドリーヌ・ロスティ
ダニエル−カミーユ・ベンサエル
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エステミクロエレクトロニクス(クロレ・2)・エスアーエス
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Abstract

本発明は、ハフニウム酸化物に基づく薄膜(1)を含む集積電子回路に関連している。本発明によれば、前記部分は同様に、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の形態においてマグネシウム原子を含有している。一つのそのような部分は高い誘電率、及び非常に低い漏れ電流を有している。本発明は特に、MOSトランジスタのゲート絶縁膜の部分、またはMIMキャパシタ誘電体の部分の形成に適している。

Description

本発明は、ハフニウム酸化物に基づく薄膜部分を備えている集積電子回路に関連している。本発明は同様に、そのようなフィルムを形成する方法に関連し、及び集積電子回路を製造するこの方法の利用に関連している。
集積電子回路の製造において、化学量論式がHfOであるハフニウム酸化物の薄膜の利用は、特に高誘電率を有する金属部分を製造することに対して知られている。しかし、この高誘電率は、ハフニウム酸化物の結晶構造に依存している。その単斜晶系相において、ハフニウム酸化物は、16から20を備える相対誘電率εを有しており、前記ハフニウム酸化物が立方、正方または斜方晶系構造を有するとき、この値は、25から80を備える。
今までは、集積電子回路の製造において得られたハフニウム酸化物は、単斜晶系かアモルファスであった。しかし、アモルファスのときは、ハフニウム酸化物部分の形成の後で、製造の間に回路が過熱される際、単斜晶系の形態でその後に結晶化される。ハフニウム酸化物部分の前記相対高誘電率はそれからおおよそ20以下まで戻る。
スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、またはチタン(Ti)の原子をさらに含有するハフニウム酸化物部分は同様に、ハフニウムとこれらの金属の一つとの混合酸化物のアモルファス相を固定するために、集積電子回路内部で製造される。しかし、これらの追加の金属に対して、得られた混合酸化物材料は依然として不十分な誘電率を有している。さらに、それらのいくつかに対して、前記混合酸化物材料は、単斜晶系構造で結晶化する。
本発明の目的は、ハフニウム酸化物に基づく材料を提案することであり、これは集積電子回路の製造に適合され、及び高誘電率を有している。
本発明の他の目的は、ハフニウム酸化物に基づく材料を提案することよりなり、これは非常に低い漏れ電流を有する電気的絶縁部分の製造に適合される。
これらの目的のために、本発明は、ハフニウム酸化物に基づく少なくとも一つの薄膜部分を備えている集積電子回路を提案し、この部分はさらにハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の形態でマグネシウム原子を含んでいる。
本発明の意義の範囲内で、薄膜は、5マイクロメートルより小さい厚さの膜で分離された二つの実質的に平行な面を有する材料の層と意味される。そのような薄膜の形態で得られた混合酸化物材料は特に、基板上で重ね合わされた層を有する構造を示す集積電子回路の製造に適合される。
同様に、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物はこれら二つの金属の酸化物の均一な化合物であるか、マグネシウム酸化物MgOを有するそのような化合物の混合物か、またはマグネシウム酸化物MgOとハフニウム酸化物HfOの混合物のどれかを意味している。一般的に、本発明で考慮されるようなハフニウムとマグネシウムの混合酸化物は、化学式HfMgに対応している。ここで、x及びyは整数である必要はない化学量論係数である。
前記部分におけるマグネシウム原子の存在により、ハフニウム酸化物との結合において、得られる前記薄膜部分は高い相対誘電率を有している。この誘電率は、好ましくは、25より大きく80より小さい。
本発明によると、前記薄膜部分の相対誘電率の値の間の間隔は、X線非破壊分析により決定されるように、前記混合酸化物材料がアモルファスであることに対応している。それにもかかわらず、少なくとも部分的に、それは、非常に小さな粒子と共に、立方の、正方の、または斜方晶系構造を有している。前記アモルファス形態は特に、MOSトランジスタのゲート絶縁膜を製造することに有利である。実際に、それは、前記トランジスタチャネルの導電率を修正しやすいフォノン共鳴の出現を避ける。前記ゲート絶縁膜とチャネルの間のそのような望まない相互作用はよく知られており、「リモートフォノン散乱」と一般的に示される。
本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の薄膜部分の相対誘電率に対する25から80の間隔の所定の利点は、特に電気的等価なシリカの厚さを考慮するとき、この部分の実際の厚さに現れる。この等しい厚さは、次の式に等しい「電気的酸化物厚さ」、EOTとして示される。
Figure 2010525596
ここで、ε及びeは、相対誘電率及びハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の薄膜部分の実厚さをそれぞれ示しており、ε(SiO)は、シリカの相対誘電率を示している。一般に、ε(SiO)は、おおよそ3.9に等しい。
このように、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に対しておおよそ1.6nmの等価厚を得るために、相対誘電率εが30から50を有するハフニウムとマグネシウムの混合酸化物により構成されるとき、この層の実厚さeは12.3から20.5nmの間で備えられる。電気的等価なシリカ絶縁膜よりも大きいゲート酸化膜の実厚さは、実質的に減少されたトンネル効果による前記ゲート絶縁膜を通る漏れ電流を得ることを可能にしている。さらに、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に対するそのような実厚さは、集積電子回路の設計に対してそれほど大きくない。特に、結果としてのゲート絶縁膜部分は、重ね合わせた層によって製造された回路の機械的剛性を阻害せず、及び回路内での電気破壊を引き起こし易い効果は現れない。これらの理由のため、30から50の間隔は、本発明によりハフニウムとマグネシウムの混合酸化物部分の相対誘電率に対してより特に好まれる。
本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の薄膜部分は、それ故、集積電子回路におけるMOSトランジスタのゲート絶縁膜の少なくとも一部分を有利的に構成する。本発明者は、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物のそのような部分は、次の追加の利点を有していることを示している。
−不可逆変化の効果が無いので、前記部分の誘電体極性化サイクルの間にヒステリシスが現れない。
−純ハフニウム酸化物(HfO)に関して、マグネシウム(Mg)の導入は、シリコン導電体バンドの閾値に近い値の方向に前記部分の電子の仕事関数を修正する。このシリコン導電体バンドの閾値は、電子の自由状態に対して、おおよそ−4.05evで適合される。本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分は、それ故、PMOSタイプのトランジスタを製造することに対して特に有利である。
他の応用により、本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の薄膜部分は、回路の容量の誘電体の少なくとも一部分を構成しうる。そのようなキャパシタは同様に、特に「金属−絶縁体−金属」型のMIMでありうる。それは、デカプリングキャパシタ、アナログ回路キャパシタ、メモリキャパシタなどでありうる。
本発明は同様に、基板上でハフニウムとマグネシウムの混合酸化物を含む薄膜を構成するための方法を提供し、以下の段階を備えている。
−酸素を収容している囲壁の内部の基板を加熱する段階
−前記囲壁の内部上の少なくとも一つの注入開口を、注入器を経て、ハフニウム及びマグネシウムの揮発性先駆耐の一つ以上のソースに接続する段階であって、これらの先駆体は、ソース内で液体形態である段階
−囲壁の内部にハフニウムとマグネシウムの先駆体の量を調整するために注入器の開口を制御する段階
好ましくは、ハフニウムの第1のソース及びマグネシウム先駆体の第2のソースは、分離されたそれぞれの注入器により囲壁に接続される。この薄膜内に含まれるマグネシウムとハフニウムの原子の全量に対して、薄膜内で15%から50%を備えたマグネシウム原子の割合を得るために、二つの注入器の開口のそれぞれの継続時間が調整される。より具体的には、この割合は、より高い誘電率を得るために20%から40%の間で備えられる。さらに、ハフニウムとマグネシウム先駆体は、好ましくは、アルキルまたはアルコキシドタイプの配位子を含む有機金属化合物である。実際、そのような先駆体は、本発明による方法を実装するために、標準で利用できるシンプルな器具を必要とするだけの揮発性と反応性を有している。
そのような方法は、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物を含む少なくとも一つの薄膜部分を組み込んだ集積電子回路を製造することに特に利用されうる。ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物のそのような部分は、純ハフニウム酸化物(HfO)の部分と近い堆積割合を有して得られ、及びそれと同様の方法でエッチングされうる。本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分の使用は、それ故、集積電子回路の製造に容易に組み込まれうる。
本発明の他の特性及び利点は、添付の図面を参照すると共に、制限とならない実施形態の次の詳細な説明から明らかにされる。
本発明を利用して製造された、MOSトランジスタを組み込んでいる集積電子回路の断面図である。 集積電子回路内部でのハフニウムとマグネシウムの混合酸化物を得る薄膜形成のためのデバイスを示している。
本発明は、集積電子回路の中で、MOSトランジスタのためのゲート絶縁薄膜の製造の内容において詳細に述べられる。本発明のこの応用は、一例としてだけであり、本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分は、電子回路の中または他のデバイス内での他の応用に対して使用されうることが理解される。
図1は、図示の目的のためだけに示した、二つの理想的なMOSトランジスタを備えている集積電子回路の一部を示している。明確さの理由のため、図に示されている電気的構成要素の部分の寸法は、実際の寸法または寸法比に対応していない。Nは、前記回路の金属の表面に垂直な方向を示し、図1の頂部の方向に配向され、前記回路は、この図の底部において適合される。ここで利用される用語「上に」「下に」「下側」及び「上側」はこの方向で参照される。
この図に従って、集積電子回路は基板100を備えており、例えば、単結晶シリコン(Si−mono)よりなり、その表面において、MOSトランジスタが製造される。基板100の表面はSで示される。前記トランジスタのそれぞれは、ソース領域とドレイン領域を備えており、このトランジスタのチャネル10の二つの対向側に配置される。領域11及び12、及びチャネル10は、MOSトランジスタに対して本来知られている方法で、基板100を適度にド−ピングすることによって製造される。
ゲート構造は、前記基板100の表面S上で、チャネル10上に形成される。それはゲート絶縁薄膜部分1、ゲート部14、及びスペーサ15を備えている。
本発明に従って、前記部分1は、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物HfMgによって構成される。好ましくは、前記部分1に含有されたマグネシウムとハフニウム原子の全量に対するマグネシウム原子の割合、すなわち、割合x/(1+x)は、0.15から0.50を備えている。この場合、前記部分1は、25から80の間を備えた相対誘電率εを有している。この割合がさらに0.20と0.40の間を備えると、eは30から50を備える。
有利的に、前記部分1は、中間層2よりチャネル10から分離されうる。そのような中間層は、前記部分1の下端で規則的な接触面を得るために、基板100の表面Sでのハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の成長を促進させる。
前記中間層2が電気的絶縁体であるとき、前記部分1と共に、それは前記ゲート14と前記チャネル10の間の絶縁性を生み出す。ホールとしてのこの絶縁性は図1において参照番号13で参照される。任意的に、層2は、図1に示されるように、基板100の表面Sより上で連続している。本発明者は、シリカ(SiO)が前記部分1の混合酸化物がほとんど欠損を有さずに形成されうる少なくとも部分的に層2を構成するための材料として適していることを示している。例えば、前記層2は、制御された状態で、基板100の上部表面の酸化を実行することにより、製造されうる。
好ましくは、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の前記部分1は、1から6nmの厚さを備え、前記中間層2は1.0nmより小さい厚さを有するシリカで作られ、これらの厚さは、前記部分1と前記層2の間の接触面に垂直な方向Nで測定される。
前記部分1の相対誘電率は40に等しく、前記部分1及び層2の厚さは、それぞれ4.8nm(ナノメートル)及び0.7nmに等しく、前記等価厚EOTは、0.7+4.8・3.9/40=1.16nmに等しい。シリコンゲート絶縁膜の通常厚さに関連して、前記部分1の重要な有効厚さは、非常に低いオフ状態でのトランジスタに対する漏れ電流値を保証する。この値は、−1V(ボルト)の電圧が基板100に対して前記ゲート部分14に印加されるとき、10−7A/cm(表面Sに平行なゲート表面の平方センチメートル当たりのアンペア)より低くなりうる。
より好ましくは、前記部分1及び前記層2は、第1に対して2から3nmの間、及び第2に対して0.5から0.8nmの間の厚さをそれぞれ有している。
前記ゲート部分14は、それ自身が、ポリシリコン(Si−poly)の部分3を備えている。好ましくは、同様に、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物部分1から前記部分3を分離する金属または金属窒化層4を備えている。ポリシリコンで作られたゲート部分3を利用することで、前記トランジスタのゲート構造を製造するための前記MOS法は、現在満足に産業化されている一般的な方法に対してわずかに修正されるだけである。前記層4は例えば、コバルト(Co)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、イリジウム(Ir)、またはこれらの金属の合金で作られてもよい。同様に、金属層に実質的に電気的に等しいゲルマニウム(Ge)または金属窒化物で作られてもよい。そのような層4を前記部分1と3の間に挿入することは、前記ポリシリコン部分3の形成の間に前記集積回路と接触する還元雰囲気が、部分1のハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の如何なる還元も起こさないことを保証する。例えば、前記層4は、前記層4と前記部分1との間の接触面に垂直な方向Nで、5から10nmの間の厚さを有している。前記部分1の材料は、部分3の形成の間に、いかなる修正をそれから受けない。さらに、前記ゲート構造が方向Nでおおよそ100nmの全体高さを有するとき、前記層4のそのような厚さは十分に小さく、MOSトランジスタの製造方法のゲートエッチングステップは特にその期間において実質的に修正されない。
前記スペーサ15は、例えば、前記回路上にシリコン窒化物(Si)の実質的な基準層を堆積し、それから前記方向Nに平行で、後者とは反対にこの層の方向性エッチングを実行するような、通常の方法で形成されうる。
本発明によるハフニウムとマグネシウムの混合酸化物薄膜を形成する方法は、図2を参照して述べられる。図1で示したタイプの集積電子回路を製造するために、この方法は、前記中間層2の形成と、前記金属または金属窒化物層4の形成の間に実装されうる。
前記基板100は、気密性堆積囲壁200内に導入される。それは、この囲壁の内部で、加熱システム102で配備された支持体101上に配置される。前記囲壁200は、先駆体を導入するための二つのシステム、反応ガスを導入するためのライン107、及びポンプ排気システム108で提供される。前記ポンプシステム108は、例えば、1.0mbar(ミリバール)に実質的に等しい囲壁200内での全ガス圧を得るために、囲壁200において導入されるガスの全流量比に対して調整される。前記反応ガスは、酸素であってもよく、囲壁200内に連続的に導入されても良い。任意的に、それは水蒸気(HO)、二酸化炭素(CO)、酸化窒素(NO)等の純粋な形態か混合であってもよい。
前記先駆体を導入するための第1のシステムは、ハフニウム先駆体のソース104aの出口に接続される注入器106aと、囲壁200への移動パイプ105aとを備えている。同様に、前記先駆体を導入するための第2のシステムは、マグネシウム先駆体のソース104bの出口に接続された注入器106bと、移動パイプ105bとを備えている。ハフニウムとマグネシウム先駆体を前記囲壁200に導入するためのシステムは、前記囲壁200内のこれらの先駆体のそれぞれの量の独立した調整を可能にするために、好ましくは分離される。前記注入器106a及び106bはそれぞれエバポレータ109a、109b内の出口開口を有しており、それらは、パイプ105a及び105bにより前記囲壁200の出口にリンクされる。前記ソース104a及び104bのハフニウムとマグネシウムの先駆体は、注入器106a及び106bの出口開口までは、これらのソースにおいて液体状態であることが選択される。それらは、対応するエバポレータ内に導入された後、即座に気化され、それから前記パイプ105a及び105b内を気体形態で囲壁200に搬送される。この目的のために、これらのパイプ、及びエバポレータ109a及び109bは加熱されうる。
アルゴン(Ar)または窒素(N)のキャリアガスがさらに、囲壁200内に導入される。それは好ましくは、前記ハフニウムとマグネシウム先駆体の気体を効果的に引くために、エバポレータ109a及び109b内に導入される。
前記注入器106a及び106bは、0.1から10Hz(ヘルツ)の周波数で、及び開口の期間対注入サイクルの期間の比が1/50から1/2の間を有した、途切れ途切れに開くモデルでありうる。前記二つの注入器106a及び106bのそれぞれの開口の期間は、囲壁200内のハフニウムとマグネシウム先駆体のそれぞれが、5.2・10−6mbar及び3.4・10−6mbarに実質的に等しい分圧を得るために調整されうる。
前記ハフニウム先駆体は、ハフニウムテトラ−tert−ブトキシド(Hf(OBu))、またはハフニウムジ−tert−ブトキシジメトキシメチルプロポキシド(Hf(OBu)(mmp))であってもよい。前記マグネシウム先駆体は、マグネシウムジテトラメチルヘプタンジオネート(Mg(tmhd))であってもよい。
利用される方法は、パルス状液体注入を利用する有機金属先駆体に基づく化学気相蒸着である。堆積の間に基板100の温度は、400℃から600度の間を備えており、及び単位秒あたり0.6nmのオーダでハフニウムとマグネシウムの混合酸化物フィルム1を形成する割合を得るために、囲壁200内部でのガス形状において存在する前記先駆体の濃度が調整される。得られる前記フィルム1は、化学量論式HfMgか、マグネシウム酸化物MgOを有するこの化学式に関連した化合物の混合物に対応している。
図1で示されたような集積電子回路の製造の間に、上述したような方法で得られた前記連続的なハフニウムとマグネシウムの混合酸化物薄膜1は、一般に示されるゲートエッチングの段階の後でエッチングされる。方向性エッチング型の前記フィルム1のこのエッチングは、一般にプラズマを利用して実行され、その粒子は、方向Nに平行に、前記回路の表面の方向に加速される。
説明されたハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の形成のための方法に対して、多くの修正がなされることが理解できる。特に、それぞれの先駆体の混合物を含む両金属の先駆体の単一のソースが利用されうる。前記混合物の割合は、前記混合酸化物の所定の化学量論を得るために適合される。最後に、本発明により他の混合酸化物薄膜を得ると同時に、引用された前記堆積パラメータの前記数値は図示の目的のためだけに与えられ、修正されうる。
1 ゲート絶縁膜部分
2 中間層
3 ポリシリコン部分
4 金属または金属窒化物層
10 チャネル
11、12 ソースドレイン領域
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート部
15 スペーサ
100 基板
101 支持体
102 加熱システム
104a、104b ソース
105a、105b 移動パイプ
106a、106b 注入器
107 ライン
108 排気システム
109a,109b エバポレータ
200 囲壁

Claims (16)

  1. ハフニウム酸化物に基づく少なくとも一つの薄膜部分を備えている集積電子回路であって、前記部分はさらに、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の形態でマグネシウム原子を含んでおり、
    前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物部分(1)は30から50の間を備えた誘電率を有していることを特徴とする。
  2. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物は、アモルファスであるか、または立方、正方、または斜方晶系結晶構造を有している請求項1に記載の回路。
  3. 前記混合酸化物部分に含まれたマグネシウムとハフニウム原子の全量に対するマグネシウムの割合は、0.20から0.40の間を備えている請求項1または2に記載の回路。
  4. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分は、前記回路の少なくともキャパシタ誘電体の一部を構成している請求項1ないし3のいずれか一項に記載の回路。
  5. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分(1)は、前記回路のMOSトランジスタの少なくともゲート絶縁膜(13)の部分を構成している請求項1ないし3のいずれか一項に記載の回路。
  6. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分(1)は、中間層(2)によって、前記トランジスタのチャネル(10)から分離されている請求項5に記載の回路。
  7. 前記中間層(2)は、少なくとも部分的にシリカに基づいている請求6に記載の回路。
  8. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の前記部分(1)は、1から6nmの間を備えた厚さを有しており、及び前記中間層(2)は、1.0nm未満の厚さを有しており、前記厚さは、前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物部分と前記中間層の間の接触面に垂直な方向(N)で測定されている請求項6または7に記載の回路。
  9. 前記ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物の部分(1)は、2から3nmの間を備えた厚さを有しており、前記中間層(2)は、0.5から0.8nmの間を備えた厚さを有している請求項8に記載の回路。
  10. 前記トランジスタゲート(14)は、ポリシリコン部分(3)を備えている請求項5ないし9のいずれか一項に記載の回路。
  11. 前記ゲート(3)の前記ポリシリコン部分は、金属または金属窒化物層(4)により前記ゲート絶縁膜(1)のハフニウムとマグネシウムの混合酸化物部分から分離されている請求項10に記載の回路。
  12. 前記金属または金属窒化物層(4)は、前記金属または金属窒化膜と前記ポリシリコン部分の間の接触面に垂直な方向Nで、5から10nmの間を備えた厚さを有している請求項11に記載の回路。
  13. 基板(100)上にハフニウムとマグネシウムの混合酸化物を含有する薄膜(1)を形成する方法であって、前記方法は、
    −酸素を収容している囲壁(200)内部で基板を加熱する段階と、
    −前記囲壁(200)の内側上の少なくとも一つの注入開口を、注入器(106a、106b)を経て、ハフニウムとマグネシウムの揮発性先駆体の一つ以上のソース(104a、104b)に接続する段階であって、前記先駆体は、前記ソース内で液体形状である段階と、
    −前記囲壁(200)の内側で、ハフニウムとマグネシウム先駆体の量を調整するために、注入器(106a、106b)の開口を制御する段階と、
    を備えている方法。
  14. ハフニウム先駆体の第1のソース(104a)と、マグネシウム先駆体の第2のソース(104b)が、それぞれ分離された注入器(106a、106b)によって前記囲壁(200)に接続され、及びそれぞれの前記注入器の開口の期間は、前記膜(1)に含有されたマグネシウムとハフニウムの全量に対する前記膜におけるマグネシウムの割合が0.20から0.40の間を備えるように調整される請求項13に記載の方法。
  15. 前記ハフニウム及びマグネシウム先駆体は、アルキルまたはアルコキシドタイプの配位子を含有している有機金属化合物である請求項13または14に方法。
  16. 請求項13ないし15のいずれか一項に記載の方法を使用する方法であって、ハフニウムとマグネシウムの混合酸化物を含有している少なくとも一つの薄膜部分を組み込んでいる集積電子回路を製造するための方法。
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