KR102113885B1 - 반도체 디바이스 유전체 계면층 - Google Patents

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마이클 기븐스
모히스 버기스
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Abstract

기판 상에 필름 스택을 형성하는 방법들에 관련된 실시형태들이 제공된다.
일 예의 방법은, 기판을 활성화된 산소 종들에 노출하는 단계 및 이 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환시키는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 또한, 기판을 에어 브레이크에 노출시키지 않고 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 디바이스 유전체 계면층{SEMICONDUCTOR DEVICE DIELECTRIC INTERFACE LAYER}
일부 반도체 디바이스들은 디바이스에 대해 원하는 EOT (equivalent oxide thickness) 를 달성하기 위해 게이트 유전체로서 (SiO2 에 대해) 하이-K 유전체 재료를 이용한다. 하이-K 유전체 재료는 바람직하지 않은 누설을 방지하면서 다른 바람직한 전기적 특성들을 제공하기에 충분한 두께인 필름을 제공할 수도 있다. 그러나 하이-K 유전체 재료를 직접 일부 기판들 상에 형성하는 것은 기판과 하이-K 유전체 재료 간의 상호작용들을 초래할 수도 있고, 이는 디바이스 성능을 바람직하지 않게 바꿀 수도 있다.
기판 상에 필름 스택을 형성하는 방법들에 관한 각종 실시형태들이 본원에 개시된다. 일 예의 방법은 기판을 활성화된 산소 종들에 노출시키는 단계 및 이 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 (continuous monolayer) 으로 변환하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 또한, 기판을 에어 브레이크 (air break) 에 노출시키지 않고 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 개요는 이하의 상세한 설명에서 더욱 설명되는 개념들의 선택을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 개요는 청구된 주제의 중요 피처들 또는 본질적인 피처들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 주제의 범위를 제한하는데 사용되도록 의도되지도 않는다. 더욱이, 청구된 주제는 본 개시물의 임의의 부분에서 메모된 어느 하나 또는 모든 단점들을 해결하는 구현들에 제한되지 않는다.
도 1 은 본 개시물의 일 실시형태에 따라 에어 브레이크 없이 기판 상에 필름 스택을 형성하는 방법의 일부를 예시하는 플로우차트를 나타낸다.
도 2 는 본 개시물의 일 실시형태에 따라 제 2 유전체 재료에 의해 커버된 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층을 포함하는 필름 스택을 개략적으로 나타낸다.
도 3a 는 본 개시물의 일 실시형태에 따라 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 것과 연관된 변환 시간을 결정하는 방법의 일부를 예시하는 플로우차트를 나타낸다.
도 3b 는 도 3a 에 도시된 방법의 다른 부분을 예시하는 플로우차트를 나타낸다.
도 4 는 본 개시물의 일 실시형태에 따라 형성된 필름 스택들에 대한 엘립소미터 (ellipsometer) 데이터를 나타낸다.
도 5 는 본 개시물의 일 실시형태에 따라 형성된 필름 스택들에 대한 엘립소미터 데이터를 나타낸다.
도 6 은 본 개시물의 일 실시형태에 따른 예시의 반도체 프로세싱 툴을 개략적으로 나타낸다.
현대의 반도체 디바이스들은 소정의 아키텍처 사이즈에서의 SiO2 게이트 유전체를 이용하는 디바이스들에 대한 디바이스 성능을 향상시키기 위해 하이-K 게이트 유전체 재료들을 포함할 수도 있다. 게이트 유전체 재료의 두께는 원하는 게이트 정전용량 및/또는 구동 전류를 제공하기 위한 트랜지스터 사이즈로 감축할 수도 있다. SiO2 게이트 유전체의 물리적 두께는 결국, 게이트로부터 채널까지의 (예를 들어, 터널링 효과들로부터의) 누설이 디바이스에서의 전력 손실을 용납할 수 없을 정도의 고 레벨들로 상승시키도록 충분히 작아질 수도 있다.
이 효과를 완화시키는 일 접근법은 SiO2 에 대한 유전율 (K ~ 3-4) 보다 상대적으로 높은 유전율 값 (K) 을 갖는 게이트 유전체 재료로 SiO2 게이트 유전체를 대체하는 것이다. 예를 들어, 일부 반도체 디바이스들은 HfO2 (K~ 20-25) 를 이용하는데, 이는 물리적으로 더 두꺼운 SiO2 층과 등가의 산화물 두께 (EOT) 를 제공할 수도 있다. 또한, 하이-K 게이트 유전체 재료를 포함하는 게이트는 게이트 누설 및 전력 손실을 완화시키면서 유사한 디바이스 턴-온 특성을 제공할 수도 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 하이-K 유전체 재료는 SiO2 보다 큰 유전율을 갖는 임의의 적합한 유전체 재료를 지칭한다. 따라서, 일부 전이 금속 산화물들, 예컨대 HfO2 및 TiO2 (K ~ 50) 가 하이-K 유전체 재료들로 고려될 수도 있다. 다른 예의 하이-K 유전체 재료는, 비제한적으로 HfOx, TiOx, SrOx, ZrOx, 및 LaOx 를 포함한다. 일부 비-전이 금속-포함 산화물들, 예컨대 Al2O3 (K ~ 8) 가 하이-K 유전체 재료들로 고려될 수도 있다. MgO 는 비-전이 금속 포함 산화물의 다른 비제한적인 예이다. 일부 하이-K 유전체 재료들은 200 이상의 유전율 (예를 들어, 울트라-하이-K 유전체 재료들), 예컨대 일부 알칼리 토금속-포함 금속 산화물들을 가질 수도 있다. 예를 들어, SrTixOy, BaTixOy, 및 SrxBa(l-x)TiyOz 가 하이-K 유전체 재료들로 고려될 수도 있다.
그러나, 하이-K 유전체 재료를 직접적으로 일부 기판 상에 형성하는 것은 기판과 하이-K 유전체 재료 또는 하이-K 유전체 재료를 형성하기 위해 사용된 하나 이상의 전구체들 간에 바람직하지 않은 반응을 초래할 수도 있다. 예를 들어, 실리콘 기판 상에 직접적으로 형성된 HfO2 의 층은 하프늄 규화물을 형성할 수도 있고, 이는 잠재적으로 디바이스의 의도된 성능 특징을 저하시킨다. 하이-K 재료들과 밑에 있는 (underlying) 기판들 간의 상호작용들을 관리하기 위한 일 접근법은 하이-K 재료의 증착 전에 기판 상에 보호용 산화물 배리어 층을 형성하는 것이다. 예를 들어, 중간층 산화물은 기판과 하이-K 유전체 사이에서 기판 상에 형성되어 하이-K 재료 또는 하이-K 게이트 유전체 재료를 형성하기 위해 사용된 전구체로부터 기판으로의 금속 양이온들의 확산을 제한 또는 방지할 수도 있다.
그러나, 중간층 산화물들을 형성하는 방법들 중 일부는 제어하기 어려울 수 있는 네이티브 산화물 (native oxide) 성장 프로세스에 의존한다. 예를 들어, 실리콘 기판 상에 SiO2 의 화학적 산화물을 형성하기 위한 하나의 접근법은 베어 실리콘 (bare silicon) 뒤의 기판을 박리하기 위해 HF 습식조를 사용한다. 화학적 산화물은 그 후, NH4OH, H2O2, 및 H2O 를 포함하는 습식조를 사용하는 "표준 세정 1" 또는 "SCI" 프로세스에 따라 형성된다. 기판면 부근의 액체 내에 형성된 확산 경계 층들은, 바람직하지 않은 두께일 수도 있는 평형 두께의 습식조 쇼오트 (bath short) 를 사용하여 형성된 산화물의 두께를 제어하는 것을 어렵게 만들 수도 있다. 예를 들어, 일부 화학적 산화물들은 바람직하지 않은 레벨에서 하이-K 유전체를 포함하는 디바이스의 EOT 에 기여할 수도 있는 7 내지 8 Å 에 가까운 두께를 가질 수도 있다.
따라서, 본원에 설명된 실시형태들은 기판 상에 필름 스택을 형성하는 방법에 관련된다. 일 예시의 방법은 기판을 활성화된 산소 종들에 노출시키는 단계 및 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 또한, 기판을 에어 브레이크에 노출시키지 않고 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계를 포함한다.
본원에 설명된 실시형태들은 또한, 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 것과 연관된 변환 시간을 결정하는 방법들에 관련된다. 일 예시의 방법은 기판의 노출면과 활성화된 산소 종들의 반응을 통해 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료로 변환하고, 그 후 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계를 포함한다. 예시의 방법은 또한, 제 2 유전체 재료의 두께를 측정하는 단계, 및 이 두께가 미리선택된 두께와 일치하는 경우 기판의 노출면 상에 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층이 형성되는 것을 결정하는 단계를 포함한다.
본원에 설명된 실시형태들은 또한, 반도체 디바이스 게이트 어셈블리들에 사용된 필름 스택들에 관련된다. 일 예에서, 반도체 디바이스용 게이트 어셈블리는 활성화된 산소 종들과 노출면의 반응을 통해 반도체 기판의 노출면으로부터 형성된 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 및 개재하는 (intervening) 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 위에 형성된 하이-K 유전체 재료를 포함한다.
에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 하이-K 유전체 재료를 형성하는 것은 디바이스의 EOT 를 바람직하지 않은 두께로 만들 수도 있는 대기 조건들에의 노출에 의해 야기된 자연스러운 산화를 방지할 수도 있다. 이러한 자연스러운 산화 프로세스들은 제어되지 않을 수도 있어서, 잠재적으로 기판 및/또는 디바이스 전체에 걸쳐 디바이스 성능을 변하게 할 수도 있다. 또한, 프로세싱 동안 에어 브레이크를 방지하는 것은 또한, 성능을 저하시킬 수도 있는 디바이스 내의 작은 입자들 및/또는 오염물들의 도입을 막을 수도 있다.
더욱이, 연속적인 모노층에 대한 제 1 유전체 재료의 형성을 제어함으로써, 제 1 유전체 재료로부터 디바이스의 EOT 에 대한 기여는 네이티브 성장 프로세스들, 예컨대, 주위 에어 노출 및/또는 습식조에서의 화학적 산화물 형성으로부터 형성된 경계 층들보다 더 정밀함을 갖고 관리될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 본원에 설명된 바와 같은 실리콘 기판 상의 SiO2 의 연속적인 모노층의 형성은 6 Å 두께 보다 물리적으로 작거나 같은 SiO2 필름을 제공할 수도 있다. 또한, 본원에 개시된 일부 실시형태들에서, 산소 플라즈마를 사용하여 실리콘으로부터 형성된 SiO2 의 연속적인 모노층 및 에어 브레이크 없이 그 위에 형성된 HfO2 하이-K 유전체 필름을 포함하는 필름 스택으로부터 형성된 게이트 어셈블리는 HF 박리 다음에 SC1 습식조에 의해 생성된 화학적 산화물을 통해 형성된 SiO2 상에 퇴적된 (수용 가능한 허용 오차 내의) HfO2 의 동일한 물리적 두께를 갖는 디바이스들에 대해 대략 20% 만큼 디바이스 EOT 를 감소시킬 수도 있다.
도 1 은 제 1 유전체 재료 및 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 형성된 제 2 유전체 재료의 연속적인 모노층을 포함하는 필름 스택을 형성하는 방법 (100) 의 일 실시형태를 예시하는 플로우차트이다. 방법 (100) 의 실시형태들은 본원에 설명된 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는, 임의의 적합한 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 수행될 수도 있다. 방법 (100) 에 설명된 프로세스들의 일부분들은 본 개시물의 범위를 벗어남 없이 생략, 재순서화, 및/또는 보충될 수도 있을 인식할 것이다.
방법 (100) 은, 102 에서, 리액터에 기판을 지지하는 단계를 포함한다. 본 개시물로부터 벗어남 없이 임의의 적합한 기판의 노출면 상에 제 1 유전체 재료가 형성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 리액터에 기판을 지지하는 단계는 하나 이상의 리액터 컨디션들, 예컨대 온도, 압력, 플라즈마 프로세싱 컨디션들, 및/또는 불활성 가스 (예를 들어, Ar, N2, 또는 He) 유동율을 기판을 프로세싱하기 전에 필름 형성에 적합한 컨디션들로 조정하는 단계를 포함할 수도 있으나, 이러한 조정들은 기판 프로세싱 동안 임의의 적합한 포인트에서 이루어질 수도 있음이 인식될 것이다. 또한, 이러한 필름 형성 컨디션들은 필름 프로세스 화학물질 (chemistry), 기판 표면 마감 (termination) 등에 따라 변할 수도 있음이 인식될 것이다. 또한, 일부 실시형태들에서, 리액터 컨디션들은 프로세스 환경에서 그리고/또는 기판 상에서의 바람직하지 않은 반응들을 방지하도록 조정될 수도 있다. 예를 들어, 리액터 컨디션들은 전구체들 및/또는 반응물들 중 하나 이상에 대한 기체상 분해 반응들을 방지하도록 조정되어, 확산 효과들에서 비롯되는 열악한 스텝 커버리지 및/또는 분해 산물들로부터의 필름 오염을 잠재적으로 방지할 수도 있다. 또한, 일부 시나리오들에서, 리액터 컨디션들은 각종 리액터 표면들 상에 전구체들 및/또는 반응물들의 응축을 방지하도록 조정되어, 작은 입자 결함 생성 프로세서들을 잠재적으로 방지할 수도 있다.
예를 들어, 이하에 제시된 표 1 은 실리콘 기판의 표면 상에 및/또는 내에 SiO2 의 제 1 유전체 층을 형성하고, 개재하는 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 층 상에 HfO2 의 제 2 유전체 층을 형성하기에 적합한 프로세스 컨디션들에 대한 비제한적 예들을 제공한다.
제 1 유전체 재료 변환 프로세스:
산소 플라즈마를 사용하여 SiO2 로 변환된 Si		 저
범위 예		 중간
범위 예		 고
범위 예
온도 (℃) 25 50 400
총 압력 (Torr) 0.5 1 5
플라즈마 전력 (W) 10 50 200
산소 유동율 (sccm) 10 100 1000
희석액 유동율 (sccm) 100 500 3000
변환 시간 (sec) 0.1 1 60
제 2 유전체 재료 변환 프로세스:
원자층 증착을 사용하여 증착된 HfO2
온도 (℃) 200 300 400
총 압력 (Torr) 1 4 9
전구체 (HfCl4) 및 반응물 (H2O) 에 대한 도즈 시간들 0.1 2 10
104 에서, 방법 (100) 은 활성화된 산소 종들을 노출된 기판 표면에 공급하는 단계를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 활성화된 산소 종들은 일반적으로 산소-포함 반응물로부터 생성된 산소의 화학적으로 활성 상태를 지칭한다. 일부 실시형태들에서, 활성화된 산소 종들은 오존 소스에 의해 제공될 수도 있다. 예를 들어, 오존은 산소가 공급된 오존 생성기에 의해 제공될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 활성화된 산소 종들은 산소 플라즈마 소스에 의해 제공될 수도 있다. 일 시나리오에서, 활성화된 산소 이온들은 기판에 근접하여 형성된 플라즈마 (예를 들어, 다이렉트 플라즈마) 에 의해 산소 가스로부터 생성될 수도 있다. 다른 시나리오에서, 활성화된 산소 이온들은 기판 표면으로부터 멀리서 생성된 산소 플라즈마 (예를 들어, 리모트 (remote) 플라즈마) 로부터 공급될 수도 있다. 활성화된 산소 종들을 생성하기 위한 소스의 선택은 하나 이상의 애플리케이션-관련 기준, 예컨대 이온 충격에 대한 기판의 민감도, 기판 표면에서의 활성화된 산소 종들의 원하는 플럭스, 기판 표면 내에서의 활성화된 산소 종들의 원하는 침투 깊이 등에 의존할 수도 있다. 이러한 고려사항 또는 다른 것들이 또한, 활성화된 산소 종들의 선택에 영향을 줄 수도 있다.
일반적으로 상기 설명은 산소-포함 유전체 재료의 층으로의 노출된 기판 표면의 변환에 관련되지만, 임의의 다른 적합한 재료가 또한, 본 개시물의 범위로부터 벗어남 없이 제 1 유전체 재료에 포함될 수도 있음이 인식될 것이다.
예를 들어, 일부 실시형태들에서, 질소는 또한, 제 1 유전체 재료의 하나 이상의 전기적 및/또는 물리적 특징들, 예컨대 유전율, 에칭 레이트 등을 조정하도록 제 1 유전체 재료에 포함될 수도 있다. 따라서, 일부 실시형태들에서, 104 에서 활성화된 산소 종들을 노출면에 공급하는 단계는 활성화된 질소 종들을 노출면에 공급하는 단계를 포함할 수도 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 활성화된 질소 종들은 일반적으로 질소-포함 반응물로부터 생성된 질소의 화학적으로 활성 상태를 지칭한다. 일부 실시형태들에서, 활성화된 질소 종들은 질소 플라즈마 소스에 의해 제공될 수도 있다. 일 시나리오에서, 활성화된 질소 종들은 다이렉트 플라즈마에 의해 질소 가스로부터 생성될 수도 있는 한편, 다른 시나리오에서, 활성화된 질소 이온들은 리모트 플라즈마에 의해 공급될 수도 있다.
활성화된 질소 종들은, 공급된다면, 일부 실시형태들에서 활성화된 산소 종들을 공급하기 위해 사용된 소스와 상이한 소스에 의해 제공될 수도 있으나, 일부 경우들에서 활성화된 질소 및 산소 종들이 공통의 생성 소스에 의해 생성될 수도 있음이 인식될 것이다. 또한, 활성화된 질소 종들을 생성하기 위한 소스의 선택은 상기 언급된 애플리케이션-관련 기준 중 하나 이상 또는 다른 적합한 팩터들 에 의존할 수도 있음이 인식될 것이다. 이러한 고려사항들 또는 다른 것들은 또한, 활성화된 질소 종들의 선택에 영향을 줄 수도 있다.
106 에서, 방법 (100) 은 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 단계를 포함한다. 활성화된 산소 종들, 및 일부 실시형태들에서는 활성화된 질소 종들은 기판 재료의 표면과 반응하여 제 1 유전체 재료를 형성할 수도 있다. 변환 반응 (conversion reaction) 은 기판의 노출면을 제 1 유전체 재료로 변형시킨다. 다르게 말하면, 활성화된 종들은 기판의 노출면의 일부를 제 1 유전체 재료를 생성하기 위해 소모한다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 활성화된 산소 종들은 실리콘 기판의 노출면과 반응하여 이들 표면들을 적합한 실리콘 산화물들 (SiOx), 예컨대 SiO2 로 변환할 수도 있다. 일부 다른 실시형태들에서, 활성화된 산소 및 질소 종들은 실리콘 기판의 노출면과 반응하여, 이들 표면들을 적합한 실리콘 산화질화물 (SiOxNy), 예컨대 SiON 으로 변환할 수도 있다.
변환 반응은, 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층이 형성될 때까지 수행된다. 본원에 사용된 바와 같이, 연속적인 모노층은, 제 1 유전체 재료와 같이 수용 가능한 허용오차 내에서, 특정 재료의 중단되지 않은 단일 층을 지칭한다. 이론에 구속되지 않고, 기판에 공급된 활성화된 종들은 기판과 반응하여 제 1 유전체 재료의 아일랜드들 또는 도메인들을 형성할 수도 있다. 활성화된 종들의 계속적인 공급은, 도메인들이 함께 융합되어 연속적인 모노층을 형성할 때까지, 새로운 도메인들이 형성되게 하고 기존의 도메인들이 성장하게 할 수도 있다.
모노층의 물리적 특징은 형성되는 재료에 의존할 수도 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 실리콘 기판 내에 형성된 SiO2 필름은 SiO2 에 대한 단위 셀 디멘전들 및 본드 길이에 기초하여 대략 4 Å 의 모노층 두께를 가질 수도 있다. 실리콘 아산화물 및 실리콘 산소질화물과 같은 실리콘 기판들로부터 형성된 다른 유전체 재료들은 상이한 모노층 두께를 가질 수도 있다. 다른 기판 재료들로부터 형성된 유전체 재료들은 또한, 선택된 재료 시스템들에 특정되는 상이한 모노층 두께를 가질 수도 있다.
전술된 변환 프로세스가 기판의 일부를 소모하기 때문에, 활성화된 종들은 제 1 유전체 재료를 통해 확산되어 반응하지 않은 기판에 도달할 수도 있음이 인식될 것이다. 유전체 재료의 여러 층들이 축적하면, 이들 확산 효과들은 기판 재료의 변환을 천천히하거나 중단시킬 수도 있다. 그러나, 유전체 재료의 여러 층들이 디바이스 성능을 위태롭게 하기 때문에, 활성 종들의 공급은, 이 공급이 유전체 재료의 연속적인 모노층을 생성한 후에 감축되도록 관리된다. 이 공급은 본 개시물의 범위를 벗어남 없이 임의의 적합한 방식으로 제어될 수도 있음이 인식될 것이다. 일부 실시형태들에서, 활성화된 종들은 미리결정된 변환 시간 동안에만 공급될 수도 있다. 미리결정된 변환 시간의 선택은 도 3a 및 도 3b 에 대하여 이하에서 더 상세히 논의된다.
108 에서, 방법 (100) 은 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계를 포함한다. 제 2 유전체 재료는 임의의 적합한 방식으로 제 1 유전체 재료 상에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 유전체 재료는 열적 및/또는 플라즈마 감속 (plasma moderated) 증착 기법 (예를 들어, 원자층 증착 또는 화학적 기상 증착) 에 의해 제 1 유전체 재료 상에 형성될 수도 있다. 원자층 증착 기법의 일 예로써, 제 2 유전체 재료는 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층 상에 유전체 재료 전구체를 흡착함으로써 제 1 유전체 재료 상에 퇴적될 수도 있다. 제 2 유전체 재료의 층은 그 후, 후속적으로 도입된 반응물들과 흡착된 전구체의 상호작용으로부터 형성된다. 시퀀스를 반복하여 제 2 유전체 재료의 추가의 층들을 구축한다.
에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 것은 대기 조건들에 존재하는 습기 및/또는 산소에 대한 제 1 유전체 재료의 노출에 의해 야기된 산화물 성장을 방지할 수도 있다. 제 1 유전체 재료가 하이-K 유전체의 형성 전에 라이너 (liner) 또는 배리어 층으로서 사용되는 일부 설정들에서, 대기 조건들에의 노출에 의해 야기된 자연 산화는 디바이스의 EOT 를 바람직하지 않은 두께로 만들 수도 있다. 더욱이, 이러한 자연 산화 프로세스가 상대적으로 제어되지 않기 때문에, 제 1 유전체 재료는 기판 및/또는 디바이스 전체에 걸친 두께에서 변할 수도 있다. 또한, 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 것은 또한, 후속적인 프로세싱과 간섭할 수도 있는 작은 입자들 및/또는 대기 오염물들에 제 1 유전체 재료의 표면을 노출시키는 것을 방지할 수도 있다.
따라서, 일부 실시형태들에서, 제 1 유전체 재료는 반도체 프로세싱 툴의 제 1 프로세싱 모듈 안에 형성될 수도 있다. 기판은 그 후, 대기 습기 또는 에어에의 노출 없이, 제 2 유전체 재료의 형성을 위한 반도체 프로세싱 툴에 포함된 제 2 프로세싱 모듈로 이동될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 것은 진공 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 것을 포함할 수도 있다. 이러한 실시형태들 중 일부에서, 제 1 유전체 재료는 반도체 프로세싱 툴의 제 1 프로세싱 모듈에서 형성될 수도 있다. 기판은 그 후, 진공 브레이크 없이, 제 2 유전체 재료의 형성을 위한 반도체 프로세싱 툴에 포함된 제 2 프로세싱 모듈로 이동될 수도 있다. 이러한 실시형태들 중 일부 다른 실시형태에서, 제 2 유전체 재료는 제 1 유전체 재료와 동일한 프로세싱 모듈에서 형성될 수도 있다.
도 2 는 반도체 디바이스용 게이트 어셈블리를 형성하기 위해 사용될 수도 있는 필름 스택 (200) 의 일 실시형태를 개략적으로 도시한다. 필름 스택 (200) 은 본원에 개시된 방법들에 의해 또는 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수도 있다. 필름 스택 (200) 은 반도체 기판 (202), 제 1 유전체 재료 (204), 및 제 2 유전체 재료 (206) 를 포함한다.
반도체 기판 (202) 은 본 개시물의 범위를 벗어나지 않는 임의의 적합한 반도체 기판일 수도 있음이 인식될 것이다. 반도체 기판 (202) 의 비제한적 예들은 Si, Ge, SiGe, GaAs, InGaAs, 및 InP 를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 반도체 기판 (202) 은 적합한 웨이퍼, 예컨대 적합한 재료의 300-mm 양면 (double-sided) 폴리싱 웨이퍼로서 형성될 수도 있다. 또한, 반도체 기판 (202) 은 평면 및 비-평면적 표면들을 포함하는 임의의 적합한 토포그래피일 수도 있다.
제 1 유전체 재료 (204) 는 활성화된 산소 종들과 반도체 기판 (202) 의 노출면의 반응에 의해 형성된 연속적인 모노층이다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 활성화된 산소 종들은 실리콘 기판의 노출면들과 반응하여 이들 표면들을 적합한 실리콘 산화물들 (SiOx), 예컨대 SiO2 로 변환할 수도 있다. 일부 다른 실시형태들에서, 활성화된 산소 및 질소 종들은 실리콘 기판의 노출면들과 반응하여 이들 표면들을 적합한 실리콘 산화질화물 (SiOxNy), 예컨대 SiON 으로 변환할 수도 있다. 다른 적합한 제 1 유전체 재료들이 다른 기판 재료들로부터 형성될 수도 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 활성화된 산소 종들이 Ge, SiGe, GaAs, InGaAs, 또는 InP 기판에 공급되는 실시형태들에서, 제 1 유전체 재료 (204) 는 GeOx, SiGeOx, GaAsOx, InGaAsOx, 또는 InPOx 의 연속적인 모노층을 각각 포함한다. 활성화된 산소 및 질소 종들이 Ge, SiGe, GaAs, InGaAs, 또는 InP 기판에 공급되는 실시형태들에서, 제 1 유전체 재료 (204) 는 GeOxNy, SiGeOxNy, GaAsOxNy, InGaAsOxNy, 또는 InPOxNy 의 연속적인 모노층을 각각 포함한다.
제 2 유전체 재료 (206) 는 개재하는 에어 브레이크 없이 제 1 유전체 재료 (204) 상에 형성된 유전체 재료이다. 일부 실시형태들에서, 제 2 유전체 재료 (206) 는 제 2 차 또는 제 3 차 (binary or a tertiary) 전이 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 제 2 유전체 재료 (206) 는 하이-K 유전체 재료를 포함할 수도 있다. 제 2 유전체 재료 (206) 의 비제한적 예들은 HfOx, TiOx, SrOx, ZrOx, LaOx, SrTixOy, AlOx, MgO, BaTixOy, 및 SrxBa(1-x)TiyOz 를 포함한다.
도 2 에 도시되지 않았으나, 제 2 유전체 재료 (206) 상에는 적합한 게이트 전극이 형성될 수도 있어서, 제 1 유전체 재료 (204) 및 제 2 유전체 재료 (206) 가 게이트 전극을 포함하는 게이트 어셈블리용 게이트 유전체로서 작용한다. 필름 스택 (200) 은, 잠재적으로 하나 이상의 리소그래피, 에칭, 및 마스크 단계들을 포함하는, 적합한 패터닝 단계들에 의해 반도체 디바이스용 게이트 어셈블리 안에 형성될 수도 있다. 스페이서들, 콘택트들, 소스 및 드레인 영역들 등을 포함하는 다른 구조들이 또한, 필름 스택 (200) 을 포함하는 게이트 어셈블리를 포함하는 반도체 디바이스에 포함될 수도 있다.
상기에 소개된 바와 같이, 연속적인 모노층을 형성하기 위해 최소 충분한 양의 기판을 변환하면서 그 후에 변환을 단축시킴으로써 제 1 유전체의 연속적인 모노층이 형성된다. 도 3a 및 도 3b 는 본 개시물의 일 실시형태에 따라 실리콘 기판의 노출면을 실리콘 이산화물을 포함하는 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 것과 연관된 변환 시간을 결정하는 방법 (300) 의 일 실시형태를 예시한다. 방법 (300) 의 실시형태들은 본원에 설명된 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는, 임의의 적합한 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 수행될 수도 있다. 방법 (300) 에 설명된 프로세스들의 일부분들은 본 개시물의 범위로부터 벗어남 없이 생략, 재순서화, 및/또는 보충될 수도 있다. 예를 들어, 방법 (300) 에 포함된 각종 결정 구조들은 다른 기판 재료들, 다른 제 1 유전체 재료들, 및/또는 다른 제 2 유전체 재료들을 수반하는 일부 실시형태들에서 변경, 생략, 또는 보충될 수도 있음이 인식될 것이다.
302 에서, 방법 (300) 은 SiO2 를 형성하기 위해 선택된 시간 동안 실리콘 기판의 노출면에 활성 종들을 공급하는 단계를 포함한다. 기판을 SiO2 로 변환하기 위해 선택된 시간은 이하에 더 상세히 설명된 바와 같이 조정될 수도 있는, 임의의 적합한 시간일 수도 있다. 임의의 적합한 프로세스 변수, 예컨대 온도, 압력, 부분 압력, 플라즈마 전력, 등은 변환 (302) 동안 조정될 수도 있고, 이들 프로세스 파라미터들이 미리 선택되는 것이 바람직함을 인식할 것이다. 또한, 방법 (300) 은, 시간 선택 및 전체 프로세스 전개를 더 신속히 처리할 수도 있는, 특정 기판 재료 변환 프로세스를 위한 시간 선택에 초점을 맞출 수도 있다.
304 에서, 방법 (300) 은 에어 브레이크 없이 SiO2 상에 HfO2 를 형성하는 단계를 포함한다. 304 에서 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계는 SiO2 층 상에 미리결정된 양 또는 두께의 HfO2 를 형성하기에 적합한 컨디션들 하에서 기판을 프로세싱하는 단계를 포함한다. 이러한 실시형태들 중 일부에서, 기판은 미리결정된 필름 형성 시간 동안 프로세싱될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 유전체 재료가 열적 또는 플라즈마 기반 화학적 기상 증착 기법에 의해 증착되는 일부 실시형태들에서, 기판은 미리결정된 증착 시간 동안 프로세싱될 수도 있다. 제 2 유전체가 원자층 증착 기법에 의해 증착되는 일부 실시형태들에서, 기판은 미리결정된 수의 필름 형성 사이클들 동안 프로세싱될 수도 있다.
미리결정된 양의 제 2 유전체 재료를 형성하도록 기판을 프로세싱하는 것은, SiO2 필름이 폐쇄된, 연속적인 필름의 모노층으로 충분히 형성되었는지 여부를 식별하기 위한 접근법을 제공할 수도 있다. 일부 설정들에서, 제 2 유전체 재료를 형성하는데 사용된 전구체는 SiO2 상에서와 기판 상에서 상이한 레이트로 흡착될 수도 있다. 흡착율 및/또는 흡착 정도에서의 상대적인 차이들은 이들 표면들의 화학적 마감에서의 차이 때문일 수도 있다.
예를 들어, HfO2 는 하프늄-포함 전구체 및 산소-포함 반응물의 별개의, 변하는 도즈 또는 펄스들을 기판에 순차적으로 공급함으로써 원자층 증착을 사용하여 증착될 수도 있다. 반응들 1 및 2 는 원자층 증착을 사용하여 HfO2 의 층을 형성하기 위해 사용된 순차적인 사이클을 구성하는 2 개의 프로세스들의 단순화된 형태를 예시한다.
반응 1: HfCl4 ( gas ) + 표면 활성 사이트 → HfCl3 ( adsorbed ) + Cl ( adsorbed )
반응 2: 2H2O ( gas ) + HfCl3 ( adsorbed ) + Cl ( adsorbed ) → HfO2 + 4HC1 ( gas )
기판 표면 상의 모든 사이트들이 전구체를 흡착하기 위해 활성화되지 않을 수도 있음이 인식될 것이다. 일부 설정들에서, 표면의 화학적 마감은 표면 활성 사이트들의 집단에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, 수소로 마감된 표면은 수산기들로 마감된 표면 보다는 일부 프로세스들에 대해 덜 반응적일 수도 있다. 이론에 구속되지 않고, 수소-마감된 표면들은 다른 표면 치환기들에 비해 더 적은 댕글링 본드들을 가질 수도 있어, 잠재적으로 더 낮은 에너지 및 덜 반응적인 표면을 제공한다. 따라서, 일부 표면들은 그 표면이 필름 형성을 위해 활성적이기 전에 표면 변형을 겪을 수도 있다. 예를 들어, 수소-마감된 상태로부터 수산기-마감된 상태로 표면을 변형시키기 위해 물이 스플릿될 수도 있다. 전구체 흡착 및 필름 증착에 적합한 표면 활성 사이트들을 핵을 이루기 위해 하나 이상의 순차적 사이클들이 걸릴 수도 있다. 그 동안에, 작은 필름 형성은 표면 활성 사이트 핵행성 동안 발생할 수도 있다.
후속의 필름 형성을 위해 기판을 준비하는 것과 연관된 지연은 핵형성 페이즈로서 지칭될 수도 있다. 핵형성 페이즈의 지속기간은, 임의의 것이 존재한다면, 기판 및 전구체의 아이덴티티들에 따라 변할 수도 있음이 인식될 것이다. 핵형성 페이즈 지속기간은 또한, 제 1 유전체 재료로의 기판 표면의 변환의 정도 및 제 1 유전체 재료의 아이덴티티에 따라 변할 수도 있다. 상기 소개된 바와 같이, 일부 설정들에서, 제 2 유전체 재료를 형성하기 위해 사용된 전구체는 제 1 유전체 재료 상에서와 기판 상에서 상이한 레이트로 흡착될 수도 있다. 예를 들어, 실리콘 기판은 수소 마감 (hydrogen terminated) 될 수도 있는 한편, 실리콘 기판으로부터 형성된 실리콘 산화물 표면은 비-수소 종들, 예컨대 표면 수산기로 마감될 수도 있다. 이러한 예들 중 일부에서, 제 2 유전체 재료, 예컨대 HfCl4 를 형성하기 위해 사용된 전구체는 실리콘 표면 상에서보다 실리콘 산화물 표면 상에서 더 높은 부착 확률을 가질 수도 있다. 부착 확률에서의 차이는, 흡착할 가능성이 많은 전구체가 후속의 필름 형성 반응들에 참여할 가능성이 많기 때문에 제 2 유전체 재료를 형성하는 가능성에서의 차이를 초래할 수도 있다.
예를 들어, 도 4 는 산소 플라즈마를 사용하여 실리콘 기판으로부터 성장된 SiO2 의 층의 상면 상에 형성된 HfO2 의 층을 포함하는 본원에 설명된 방법들의 일 실시형태에 따라 형성된 필름 스택에 대한 엘립소미터 데이터 (400) 를 나타낸다. 도 4 에 표시된 SiO2 층들은, HfO2 의 증착 전에 다이렉트 산소 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디컬들 및/또는 이온들에 대한 실리콘 기판의 노출을 변경함으로써 생성된 상이한 두께를 갖는다. 동일한 수의 원자층 증착 사이클들이 HfO2 층들을 형성하는 경우 사용되었다. 그러나, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, HfO2 의 결과의 두께는 SiO2 으로의 실리콘 표면의 변환의 정도에 따라 변할 수도 있다.
엘립소미터 데이터 (400) 는 산소 플라즈마 노출 시간의 함수로서 수집된 필름 두께 데이터 (402) 및 필름 불균일도 데이터 (404) 를 포함한다. 엘립소미터 데이터 (400) 는 기판 상의 적합한 수의 측정 사이트들로부터 평균된 데이터를 나타낸다. 두께 데이터 (402) 는 각각의 기판 표면 상에 배열된 49 개의 측정 사이트들로부터 수집되었으나, 임의의 적합한 수의 사이트들이 본 개시물의 범위로부터 벗어나지 않고 이용될 수도 있다. 불균일도 데이터 (404) 는 기판 내 불균일도를 나타내고, 이는 측정된 두께의 표준 편차를 평균 두께로 나눔으로써 계산되었다. 계산된 불균일도 값들은 결과들에 100 을 곱함으로써 퍼센티지로서 표현된다.
예시의 목적을 위해, 엘립소미터 데이터 (400) 는 영역 A 및 영역 B 로 분할된다. 영역 A 는 SiO2 로의 변환이 없거나 또는 SiO2 의 연속적인 모노층 미만으로의 변환을 나타내는 실리콘 표면에 대략 대응하는 엘립소미터 데이터 (400) 의 일부를 예시한다. 결과적으로, 원자층 증착 사이클들 중 일부는 핵형성 페이즈에서 표면을 변형시키는데 사용된다. 단지 남아있는 원자층 증착 사이클들이 표면 상에 HfO2 필름을 증착할 수 있다. 영역 A 에서 HfO2 형성 프로세스 동안 증착된 총 필름은 동일한 수의 원자층 증착 사이클들에 의해 정상적으로 증착되는 양보다 적기 때문에, 영역 A 에서의 두께 데이터 (402) 에 나타난 총 두께는 예상보다 작다. 더욱이, HfO2 프로세스는 핵형성 프로세스로 시작하기 때문에, 핵형성 사이트들로부터 표면 상에 형성된 HfO2 의 아일랜드들은 또한, 불균일도 데이터 (404) 에 나타낸 바와 같이, 예상보다 더 큰 불균일도를 갖는 표면을 초래할 수도 있다.
영역 B 는 HfO2 의 형성 전에 SiO2 의 연속적인 모노층으로의 변환을 나타내는 실리콘 기판에 대략 대응하는 엘립소미터 데이터 (400) 의 일부를 예시한다. SiO2 표면은 실리콘 표면보다 HfO2 형성에 더 민감할 수도 있기 때문에, 더 적은 원자층 증착 사이클들이 영역 A 에서보다 영역 B 에서의 핵형성 페이즈에서 사용될 수도 있다. 또한, 더 많은 증착 사이클들이 HfO2 의 층들을 형성하기 위해 이용 가능할 수도 있어서, 총 두께는 이들 원자층 증착 사이클들에 의해 증착될 것으로 예상되는 HfO2 의 양에 근접한다. SiO2 표면 상에 HfO2 를 형성하기 위한 핵형성 페이즈가 사실상 존재하지 않는 설정들에서, 형성된 HfO2 의 두께는 원자층 증착에 대한 이론적 값에 근접할 수도 있다. 또한, HfO2 필름들이 필름의 연속적인 모노층 상에 형성되기 때문에, 총 필름 스택은 불균일도 데이터 (404) 에 도시된 바와 같이, HfO2 아래의 SiO2 의 불연속적인, 서브-모노층 필름들을 갖는 표면들에 대해 더 균일한 표면을 나타낸다.
도 4 에 도시된 예에서, 트랜지션 (406) 에 대응하는 산소 플라즈마의 지속기간은 이들 변환 컨디션들에 대해 실리콘 기판으로부터 실리콘 산화물의 연속적인 모노층을 형성하기 위한 변환 시간을 표시한다. 다른 변환 컨디션들 및/또는 재료 시스템들은 상이한 변환 시간들을 가질 수도 있으나, 본원에 설명된 접근법은 또한 이러한 컨디션들 및/또는 시스템들에 대한 변환 시간을 식별하는데 이용될 수도 있음이 인식될 것이다. 또한, 플라즈마 지속기간을 연장시키는 것은 일부 설정들에서 실리콘 산화물 층의 두께를 증가시킬 수도 있음이 인식될 것이다. 실리콘 산화물 층이 게이트 어셈블리에 포함되는 설정들에서, 실리콘 산화물의 두께를 증가시키는 것은 게이트의 EOT 를 증가시킬 수도 있다.
도 5 는 오존을 사용하여 실리콘 기판으로부터 성장된 SiO2 의 층 상면에 형성된 HfO2 의 층을 포함하는 본원에 설명된 방법들의 일 실시형태에 따라 형성된 필름 스택들에 대한 엘립소미터 데이터 (500) 를 나타낸다. 두께 데이터 (502) 및 불균일도 데이터 (504) 는 도 4 에 관하여 전술된 것과 유사한 거동을 나타낸다. 도 5 에 도시된 예에서, 트랜지션 (506) 은, 이들 변환 컨디션들 하에서 오존 노출의 대략 5 초 후에 SiO2 의 연속적인 모노층이 실리콘 기판으로부터 형성되는 것을 나타낸다.
도 3a 로 리턴하면, 306 에서, 방법 (300) 은 SiO2 및 HfO2 필름들을 포함하는 필름 스택의 두께를 측정하는 단계를 포함한다. 측정된 값은, SiO2 가 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 연속적인 모노층 안에 존재하는지 여부를 결정하기 위한 기초를 제공한다. HfO2 를 측정하기 위한 임의의 적합한 기법은 본 개시물의 범위로부터 벗어남 없이 이용될 수도 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 광학적 기법 (예를 들어, 엘립소메트리) 에 의해, 마이크로스코피 기법 (예를 들어, 투과 전자 현미경) 에 의해, 전자 분광 기법 (예를 들어, 엑스선 광전자 분광법) 등에 의해 측정될 수도 있다.
308 에서, 방법 (300) 은 HfO2 형성 컨디션들에 기초하여 필름 스택의 두께가 예상보다 작은지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 이어서, SiO2 의 연속적인 모노층이 형성되는지 여부를 결정하는 것이 가능할 수도 있다. 필름 스택의 두께가 예상보다 작으면, 방법 (300) 은 도 3b 에서 310 으로 계속한다. 310 에서, 필름 스택의 두께 (또는 일부 실시형태들에서, HfO2 층의 두께) 가 소정의 HfO2 형성 컨디션들에 대해 적게 예상되기 때문에, 제 1 유전체 재료의 불완전하거나 불연속적인 모노층이 형성될 수도 있다.
이론에 구속되지 않고, HfO2 전구체 또는 반응물이 실리콘 기판 상에서보다 SiO2 상에서 더 높은 부착 확률을 갖는 경우 예상보다 두꺼운 HfO2 층이 결과로 생길 수도 있다. 실리콘 기판 상의 HfO2 층의 초기 형성은, HfO2 층을 예상보다 더 두껍게 하는, SiO2 상에 HfO2 층을 형성하는 것과 연관된 핵생성 페이즈보다 긴 핵형성 페이즈를 저해할 수도 있다. 결과적으로, 312 에서, 방법 (300) 은 선택된 변환 시간은 증가시키고 방법 (300) 을 반복하는 것을 포함한다. 선택된 변환 시간을 증가시키는 것은 SiO2 재료가 연속적인 모노층 안에 더 가깝게 하는 추가의 시간을 제공할 수도 있다.
308 에서 필름 스택의 두께가 예상보다 작지 않으면, 방법 (300) 은 도 3b 에서 314 로 계속한다. 314 에서, 방법 (300) 은 필름 스택의 두께가 예상보다 큰지 여부를 결정하는 단계를 포함하고, 이는 SiO2 층 두께가 하나의 모노층을 초과한다는 것을 나타낼 수도 있다. 필름 스택의 두께가 예상보다 크지 않으면, 방법 (300) 은 316 으로 계속하고, 여기서 SiO2 의 연속적인 모노층이 형성되었다고 결정된다. 이어서, 변환 (302) 을 위해 선택된 변환 시간은 SiO2 의 연속적인 모노층을 형성하는데 사용될 수도 있다.
필름 스택의 두께가 예상보다 더 크면, 방법 (300) 은 318 로 계속하고, 여기서 SiO2 의 1 보다 많은 모노층이 형성되었다고 결정된다. 후속하여, 320 에서, 방법 (300) 은 선택된 변환 시간을 감소시키고 방법 (300) 을 반복하는 단계를 포함한다. 선택된 변환 시간을 감소시키는 것은 SiO2 재료에 이용 가능한 시간을 감소시켜 연속적인 모노층 이상으로 성장하게 할 수도 있다.
상기에서 개시된 실리콘/SiO2 예는 단지 예시적이며, 방법 (300) 중 일부 부분들은 재료들 및/또는 프로세스 관련 고려사항들에 따라 변할 수도 있음이 인식될 것이다. 일부 실시형태들에서, 두께 비교에 기초한 결정들은, 기판의 제 1 유전체 재료로의 변환 정도에 관련될 수도 있고, 기판에 대한 제 1 유전체 재료 상의 제 2 유전체 재료의 형성과 연관된 전구체, 반응물, 및/또는 반응 생성물 (예를 들어, CVD 반응에 참여하는 기체상 증착 생성물) 에 의존할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 두께 비교에 기초한 결정들은 기판, 및 제 1 유전체 재료의 물리적 표면 컨디션들 (예를 들어, 패시팅 (faceting) 등) 및 화학적 표면 컨디션들 (예를 들어, 수소, 수산기를 포함하는 표면 흡착된 기들, 댕글링 본드들의 집단 등) 에서의 변화들에 관련될 수도 있다.
예를 들어, 제 2 유전체 재료를 형성하기 위해 사용된 전구체가 제 1 유전체 재료 상에서보다 기판 상에서 더 높은 부착 확률 (sticking probability) 을 가지면, 제 2 유전체 재료의 두께는 예상보다 더 클 수도 있다. 이러한 실시형태들에서, 예상보다 더 큰 두께는 선택된 변환 시간을 증가시키는데 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 실시형태들 중 일부에서, 그 자체 상에서, 제 2 유전체 재료의 측정된 두께는 제 1 유전체 재료의 불완전하고 불연속적인 층을 포함하는 필름 스택과 제 1 유전체 재료의 1 보다 많은 모노층을 포함하는 필름 스택 간의 구별을 도울 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 본원에 설명된 필름 스택들 및 구조물들에 포함된 금속 산화물 보호층들 및 다른 필름들은 적합한 반도체 프로세싱 툴을 사용하여 형성될 수도 있다. 도 6 은 복수의 반도체 프로세싱 모듈들 (602) 을 포함하는 반도체 프로세싱 툴 (600) 의 일 실시형태의 상면 뷰를 개략적으로 나타낸다. 도시된 실시형태들이 2 개의 모듈들을 포함하지만, 임의의 적합한 수의 반도체 프로세싱 모듈들이 제공될 수도 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 일부 프로세싱 툴들은 단지 하나의 모듈을 포함할 수도 있는 한편, 다른 프로세싱 툴들은 2 보다 많은 툴들을 포함할 수도 있다.
도 6 은 또한 대기 컨디션들보다 낮은 압력에 있는 툴의 일부분들 및 주변 대기 압력 컨디션을 나타내는 반도체 프로세싱 툴 (600) 의 일부분들 사이에서 기판을 이동시키기 위한 로드 록들 (604) 을 나타낸다. 대기 기판 핸들링 로봇 (610) 을 포함하는 대기 전송 모듈 (608) 은 기판들을 로드 포트들 (606) 과 로드 록들 (604) 사이에서 이동시키는데, 여기서 주변 압력의 일부는 기판이 툴 안으로 또는 밖으로 이송되고 있는지 여부에 따라 진공 소스 (미도시) 에 의해 제거되고 또는 적합한 가스로 다시 채워짐으로써 복구된다. 저-압력 기판 핸들링 로봇 (612) 은 기판들을 로드 록들 (604) 과 반도체 프로세싱 모듈들 (602) 사이의 저-압력 이송 모듈 (614) 내에서 이동시킨다. 기판들은 또한, 저-압력 기판 핸들링 로봇 (612) 을 사용하여 저-압력 이송 모듈 (614) 내에서 반도체 프로세싱 모듈들 (602) 사이를 이동될 수도 있으므로, 기판들의 순차적 및/또는 병렬적 프로세싱은 에어에 대한 노출 없이 및/또는 진공 브레이크 (vacuum break) 없이 수행될 수도 있다.
도 6 은 또한, 시스템 프로세스 제어기 (622) 에 접속된 사용자 인터페이스 (620) 를 나타낸다. 사용자 인터페이스 (620) 는 시스템 프로세스 제어기 (622) 로의 사용자 입력을 수신하도록 적응된다. 사용자 인터페이스 (620) 는 선택적으로, 디스플레이 서브시스템 및 적합한 사용자 입력 디바이스들, 예컨대 도 6 에 도시되지 않은 키보드, 마우스, 제어 패드들, 및/또는 터치 스크린들을 포함할 수도 있다.
도 6 은 반도체 프로세싱 툴 (600) 을 제거하기 위해 제공된 시스템 프로세스 제어기 (622) 의 일 실시형태를 나타낸다. 시스템 프로세스 제어기 (622) 는 프로세스 모듈 제어 서브시스템들, 예컨대 가스 제어 서브시스템, 압력 제어 서브시스템, 온도 제어 서브시스템, 전기적 제어 서브시스템, 및 기계적 제어 서브시스템을 동작할 수도 있다. 이러한 제어 서브시스템들은 센서들, 중계기들, 및 제어기들에 의해 제공된 각종 신호들을 수신하고, 응답으로 적합한 조정들을 행할 수도 있다.
시스템 프로세스 제어기 (622) 는 데이터 홀딩 서브시스템 (624) 및 로직 서브시스템 (626) 을 포함하는 컴퓨팅 시스템을 포함한다. 데이터 홀딩 서브시스템 (624) 은 본원에 설명된 방법들 및 프로세스들을 구현하기 위해 로직 서브시스템 (626) 에 의해 실행 가능한 데이터 및/또는 명령들을 홀딩하도록 구성된 하나 이상의 물리적, 비-일시적 디바이스들을 포함할 수도 있다. 로직 서브시스템 (626) 은 데이터 홀딩 서브시스템 (624) 에 저장된 하나 이상의 명령들을 실행하도록 구성된 하나 이상의 물리적 디바이스들을 포함할 수도 있다. 로직 서브시스템 (626) 은 소프트웨어 명령들을 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 이러한 명령들은 프로세스 레시피들의 실행을 제어할 수도 있다. 일반적으로, 프로세스 레시피는 기판을 프로세싱하는데 사용된 프로세스 파라미터들의 순차적 설명을 포함하는데, 이러한 파라미터들은 시간, 온도, 압력, 및 농도 뿐만 아니라 기판 프로세싱 동안 툴의 전기적, 기계적, 및 환경적 양태들을 설명하는 각종 파라미터들을 포함하는데, 이에 한정되지는 않는다. 명령들은 또한, 유지보수 절차들 동안 사용된 각종 유지보수 레시피들의 실행을 제어할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 이러한 명령들은 착탈형 컴퓨터 판독가능 저장 매체 (628) 상에 저장될 수도 있고, 이 매체는 그 자체로는 신호를 배제하는, 본원에 설명된 방법들 및 프로세스들을 구현하기 위해 실행 가능한 데이터 및/또는 명령들을 저장 및/또는 전송하는데 사용될 수도 있다. 임의의 적합한 착탈형 컴퓨터 판독가능 저장 매체 (628) 가 본 개시물의 범위를 벗어남 없이 이용될 수도 있음이 인식될 것이다. 비제한의 예들은 DVD, CD-ROM, 플로피 디스크들, 및 플래시 드라이브들을 포함한다.
본원에 설명된 구성들 및/또는 접근법들은 사실상 예시적인 것이고, 이들 특정 실시형태들 또는 예들은 다수의 변형들이 가능하기 때문에 제한의 의미로 고려되는 것이 아니다. 본원에 설명된 특정 루틴들 또는 방법들은 임의의 수의 프로세싱 전략들 중 하나 이상을 나타낼 수도 있다. 따라서, 예시된 각종 액트들은 예시된 시퀀스로, 다른 시퀀스로 수행될 수도 있고, 또는 일부 경우들에서 생략될 수도 있다.
본 개시물의 주제는 본원에 개시된 각종 프로세스들, 시스템들 및 구성들, 및 다른 피처들, 기능들, 액트들, 및/또는 특성들 뿐만 아니라 그 등가물 중 어느 하나 및 전부의 모든 신규하고 명확하지 않은 조합들 및 서브조합들을 포함한다.

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  10. 제 1 유전체 재료를 진공 브레이크에 노출시키지 않고 게이트 어셈블리에서 기판의 노출면을 상기 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층으로 변환하는 것과 연관된 변환 시간을 결정하는 방법으로서,
    미리선택된 시간 동안 상기 기판의 상기 노출면과 활성화된 산소 종들의 반응을 통해 상기 기판의 상기 노출면을 상기 제 1 유전체 재료로 변환하는 단계;
    에어 브레이크 없이 상기 제 1 유전체 재료 상에 제 2 유전체 재료를 형성하는 단계;
    상기 제 2 유전체 재료의 두께를 측정하는 단계; 및
    상기 두께가 미리선택된 두께에 일치하면, 상기 미리선택된 시간을 상기 변환 시간으로서 설정하는 단계를 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 노출면과 활성화된 산소 종들의 반응을 통해 상기 기판의 상기 노출면을 상기 제 1 유전체 재료로 변환하는 단계는, 상기 기판의 상기 노출면과 상기 활성화된 산소 종들 및 활성화된 질소 종들의 반응을 통해 상기 기판의 상기 노출면을 상기 제 1 유전체 재료로 변환하는 단계를 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 노출면을 상기 제 1 유전체 재료로 변환하는 단계는, 오존 소스 및 산소 플라즈마 소스 중 하나 이상으로부터 상기 활성화된 산소 종들을 공급하는 단계를 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체 재료의 두께가 상기 미리선택된 두께보다 작으면, 상기 기판의 상기 노출면 상에 상기 제 1 유전체 재료의 불연속적 층이 형성되었다는 것을 결정하는 단계를 더 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체 재료의 두께를 측정하는 단계는, 상기 제 1 유전체 재료 및 상기 제 2 유전체 재료를 포함하는 필름 스택의 두께를 측정하는 단계를 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 두께가 상기 미리선택된 두께에 일치하면, 상기 기판의 상기 노출면 상에 상기 제 1 유전체 재료의 상기 연속적인 모노층이 형성되었다는 것을 결정하는 단계를 더 포함하는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 수소 마감되고, 상기 제 1 유전체 재료는 비-수소 마감되는, 변환 시간을 결정하는 방법.
  17. 반도체 기판 상에 형성된 게이트 어셈블리용 필름 스택으로서,
    기판의 노출면을 연속적인 모노층으로 변환하기 위한 미리결정된 변환 시간 동안 플라즈마 활성화된 산소 종들과 노출면의 반응을 통해 상기 반도체 기판의 상기 노출면으로부터 형성된 제 1 유전체 재료의 연속적인 모노층; 및
    개재하는 (intervening) 에어 브레이크 없이 상기 제 1 유전체 재료 위에 형성된 하이-K 유전체 재료를 포함하고,
    상기 미리결정된 변환 시간은 상기 하이-K 유전체 재료와 상기 제 1 유전체 재료의 두께를 측정함으로써 결정되는, 게이트 어셈블리용 필름 스택.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 재료는 질소를 포함하는, 게이트 어셈블리용 필름 스택.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 Si, Ge, SiGe, GaAs, InGaAs, 및 InP 로 이루어진 세트로부터 선택되고,
    상기 제 1 유전체 재료는 SiOxNy, SiOx, GeOxNy, GeOx, SiGeOxNy, SiGeOx, GaAsOxNy, GaAsOx, InGaAsOxNy, InGaAsOx, InPOxNy, 및 InPOx 로 이루어진 세트로부터 선택되는, 게이트 어셈블리용 필름 스택.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 하이-K 유전체 재료는 HfOx, TiOx, SrOx, ZrOx, LaOx, SrTixOy, AlOx, MgO, BaTixOy, 및 SrxBa(1-x)TiyOz 로 이루어진 세트로부터 선택되는, 게이트 어셈블리용 필름 스택.
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