TW468212B - Method for fabricating a semiconductor structure including a metal oxide interface with silicon - Google Patents

Description

46 82 1 2 五、發明說明（1) 發明之領域 本發明通常係關於一種製造包含在矽基板與金屬氧化物 間之矽酸鹽界面之半導體結構之方法，特別是關於一種使 用原子層沈積或原子層外延製造包含種籽層之界面。 發明之背景 穩定矽（s i )表面最適於金屬氧化物薄膜在矽上之後續外 延生長供各種裝置應用，例如，鐵電體或高介電常數氧化 物供非揮發性高密度記憶體及次一代MOS裝置用。對高K金 屬氧化物之後續生長，關鍵是在S i表面上設置穩定過渡 層。 若干報導之此等氧化物如BaO及BaTi03在矽（100)上之生 長係以BaSi2(立方體的）模板為基礎，在850。(：以上溫度下 使用分子束外延法沈積1/4單層之Ba在Si (100)上。參照例 如，R. McKee 等人，Appl. Phys. Lett. 59(7)， 782-784 頁（1991 ’8，12) ;R· McKee 等人，Appl. Phys, Lett. 63 (20) ， 2818-2820 頁（1993 ， 11 ， 15) ;R· McKee 等人， Mat. Res. Soc. Symp. Proc·，VoL 21，13 卜 135 頁 (1 9 91 ) ; US專利5 2 2 5 0 3 1，1 9 9 3，7，6刊印，標題為"以外 延方式沈積氧化物在矽基板上之方法及用該法製備之結構 及US專利5482003，1 996，1，9刊印，標題為"沈積外 延驗土氧化物在基板上之方法及用該法製備之結構"。提 出具有c(4x2)結構之矽化锶（SrSi2)界面型式。參照例 如：R. McKee等人，Phys. Rev. Lett· 81(14) ， 3014 U 9 98 ’ 1 〇 ’ 5 )。然而，此提出結構之原子位準模擬顯示

46 821 2 五、發明說明〔2) 在高溫下其可能不穩定。 使用SrO缓衝層SrTiOs在矽（100)上之生長已達成。參照 例如.T. Tambo 專人，Jpn. j. App 1. Phys. ’ v01 37 ( 1 998 )，4454-4459頁。然而，SrO緩衝層相當厚（1〇〇 A )，因而限制電晶體膜之應用，結晶性無法維持整個生 長。

此外，使用SrO或TiOx之厚氧化物層（60_12〇A)在矽上 生長SrTi03。參照例如：Β. κ· Moon等人，Jpn j Appl. Phys.，V〇i. 33 ( 1 994 )，1 4 72_1 477 頁。·黧 衝層會限制電晶體之應用。 、寻原級 高K氧化物對次一代M0SFE丁應用極重要。通常， 此等已知結構中，其係使用分子束外延（mbe)、脈波雷射 Ϊ T:)J'賤及/或金屬有機化學蒸氣沉積⑽_)製 == 法中，很難控制氧化石夕界面以達賴 t物-致性及在溝槽上之符合性。因此，需要UJ，，: ，可，石夕基板與金屬氧化物層間提供較佳界自 簡 :大制。在M0SFET製置中具有抑制之燒製功效以

心=:::目的為提供-種製造薄又穩走以㈣ 本發明之另一目的為提供一種劁

物界面之半導體結構之方法，1為以矽與金屬氧: 率製造。 ’、马了靠又可以適應高生J

第5頁 4 6 82 1 2 五、發明說明（3) 發明之概述 上述及其他問題至小 造半導體結構之方部份被解決，上述及其他目的以製 表面之砂基板、藉現，該方法包括步驟為，提供具有 成包含矽酸鹽物;】=層沉積（ald)在發基板之表面上形 層上形成一層或多軒層及藉原子層沉積（ald)在種軒 附圖之簡單說明a两介電常數氧化物層° 參照附圖： 圖1例示'其上形成右 半導體基板之第一1各干氧化物層並根據本發明之清潔 圖2例示根據本發明體^之截面圖； 形成之界面種籽層夕丄使用原子層沉積之具有由石夕酸鹽廣 圖3例示其上形+導體基板之截面圖； 構之第二具體例之栽氫層並根據本發明之清潔半導體結 、戳面圖； 圖4例示其上形成古 構之截面圖； 有氧化物層並根據本發明之半導體結 圖5例示根據本發日日地 形成之界面種籽屛之上\用原子層沉積之具有由矽酸鹽層 fil fi -f- iP ^之半V體基板之截面圖； 圖b例不根據本發 3 方法； 月使用原子層沉積形成界面種籽層之 圖7例示根據本發 示之結構上形成之古入使原子層沉積之具有在圖2及5所 之截面圖；及 阿；丨電⑦數金屬氧化物層之半導體基板 圖8例示根據本私Ε 7 « χ月使用原子層沉積形成高介電常數金

第6頁 468212 五、發明說明

屬氧化層之方法β 圖據本發明使用原子層沉積之具有形成在圖2及 3 ^ ，"構上之高介電常數金屬氧化物層之半導體基板 之截面圖。 土 較佳具體例之說明 ,二揭二®物"教不—種製造具有矽基板之界面之高介電常襄 (尚K金屬虱化物之方法，該方法乃基於使用原子層沉積 (ALD)以形成鹼土金屬氧化物層之後續生長所需之穩定矽 Ϊ Ϊ Γ層。因此’揭示一種使用原子層沉積生長種籽層 與金屬氧化物層之新穎方法。 為了在矽（s〇基板與.一層或多層高介電常數（高κ)金屬 氧化，，間形成新穎介面，可使用二種特定利用原子層沉 積之提議，端視基板而定。第一例將開始提供用形成在表 面上^具有一氧化矽（Si〇2)iSi基板。二氧化矽被揭示如 同，淨氧化物形成，或利用熱或化學技術。s丨〇2為非晶而 非單結晶，希望是在基板上生長種籽層物質以產生介面 層。第二例將開始提供受到氫（H)鈍化之Si基板，藉以在 表面上形成氫（H)層。

現回_至附圖，其中所有圖中相同元件以相同號數標示， 圖1所不Si基板10，其上具有表面丨2及31〇2層14。在此特 別具體例中，一旦矽基板1〇暴露至空氣（氧）時，^〇2層14 自然存在（純淨氧化物）β此外，s i 〇2層丨4可以習知技藝已 知之可控制方式，例如’藉在高溫下施加氧在表面12之加 熱方式，或使用標準化學蝕刻過程之化學方式刻意形成。

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4 6 82 1 2 五、發明說明（6) 供所述之特殊具體例用’但本發明不限於特殊溫度或塵力 範圍。 在一替代具體例中’且如圖3 - 6所示，揭示具有經氫（η ) 鈍化之表面12’之Si基體10’ ，因而其上形成有氫（η)層 1 3。須知類似於圖3-5组件之所有圖1及2之組件皆以類似 號數標示’加入單一分號以示不同具體例。在此特殊具體 例中’氫（Η )層1 3係藉氫鈍化技術以可控制方式形成。 新穎種籽層（先前所述）係使用原子層沉積形成 百无 氫（Η)層13係在尚溫’較佳超過3〇〇 下，自表面12，解 吸。其次，Si基板10’之表面12’被暴露至Si先質，如石夕你 (SiH4)、二矽烷（SiH6)等及金屬先質如铪（Hf)、鳃（Sr)、 錯（Zr·)等’圖4中通常指;[5，在等於T1之時間時，如圖6許 示，意指30。基板10’係在溫度通常為丨⑽它巧⑽亡，在一 2佳具體例中溫度為250 t及大氣壓力為〇· 5m托爾下，暴 露至先質。一旦沈積先質時，表面丨7係用惰性氣體如氣、 r )、氮（N2)或氦（H e)沖洗3 2 —段時間，τ 2，如圖4及6所 示，以除去任何多餘物質。然後堆積物暴露34至用電漿或 ::電漿之氧⑻、水⑽）、氧化亞氮(M)或氧化氮⑽: 時間’尸，以氧化Si與金屬之層15，藉以形成種種狩 ，通常類似於圖2之種軒層2〇。最後，種軒_，， 如圖6所示，帛氬(Ar)、氮(Μ或氦(He)沖洗％ 任何多餘氧（0)。 成 此步韓提供穩定；Ε夕酸鹽在已 ，特別是種籽層2 0 ’之形成。 被氫鈍化之矽基板上之形 種籽層20’之厚度大約為若

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^68212 --- 五、發明說明（υ - *^

干 vu JS 1〇早曰。’明確而言，範圍為5 —1〇〇 A，較佳厚度範圍為 25 A。在此特殊具體例中，原子層沈積被重複若干循 二’較佳為4-5循環，以形成若干單層。因此，化學反應 發生形成氧化矽姶（HfSi〇4)、氧化矽鉛（ZrSi〇4)、氧化矽 銀（SrSi〇4)等作為種籽層2〇，。 須知’具有Μβυ之組合物之組件（x)，其中厂〇至1於 層2 0中’可使用在導入反應室内前混合之金屬與矽之先 質流動調整供較佳控制。特別是，可使用分級組合物，藉 以使用ALD之所得最後層沈積使唯一金屬氧化物層不含 石夕。 現參照圖7、8及9 ’高介電常數氧化物層40之形成係藉 原子層沈積完成。首先’種籽層2〇被暴露5〇至金屬先質， 如給（Hf)、链（Sr)、結（Zr)、鑭（La)、鋁（Ai)、紀（Y)、 鈦（Ti)、鋇（Ba)、鑭銃（LaSc)等一段時間，T1，藉以在種 籽層20之表面21上形成層42。種籽層20在溫度通常為1〇〇 °C- 5 0 0 °C ’在一較佳具體例中溫度為250 °C及大氣壓力為 0.5m托爾下暴露50至金屬先質。其次，層42之表面43係用 惰性氣體如氬（Ar)、氮（N2)或氦（He )沖洗5 2 —段時間， 丁2，以除去任何多餘金屬先質。最後，半導體結構被暴露 54炱用或不用電漿之氧（〇2)、水（1120)、氧化亞氮（1'|2〇)或 氧化氮（N 0) —段時間，T 3，以氧化層4 2，特別是形成高κ 金屬氧化物層40之金屬先質，如圖9所示。揭示的是，高κ 金屬氧化物層40因而包括高介電常數氧化物中至少一個， 其瘥自氧化給（Hf02)、氧化锆（Zr02)、鈦酸锶（srTi03)、

第10頁 46 821 2 五、發明說明（8) 氧化鑭（La2〇3)、氧化釔（Y2〇3)、氧化鈦（Ti02)、鈦酸鋇 (BaTi03)、鋁酸鑭（LaAi〇3)、氧化銃鑭（LaSc03)及氧化鋁 (A 1203 )之群。 至於最後步驟，層40係用氬（Ar)、氮（N2)、氦（He)等沖 洗5 6，以除去任何多餘氧。重複此原子層沈積規定循環 數，以形成具所欲厚度之高κ氧化物。 因此，揭示一種本文所述使用原子層沈積（ALD)製造以 矽1 0之薄種籽層2 0之方法β此藉原子層沈積形成之矽酸鹽 層提供厚度及組合物在；^面積上之兩精確控制。另亦達成 溝槽内之生長之一致性β在沈積過程之各循環中，種類之 移動在表面上會增加。

Claims (1)

1. 46 82 1 2 六、申請專利範圍 1 ·種製造半導體結構之方法，包括步驟為： =供具有表面之矽基板； :f子層沈積在矽基板之表面上形成種籽層；及 氧化ί ϊ Γ層沈積在種狩層上形成—層或多層高介電常數 乂： f 1 ?專利範圍第1項之製造半導體結構之方法， ^ ，、土板之步驟包括提供其上形成有氧化矽之基板之 史驟。 I3中專利範圍第2項之製造半導體結構之方法， 八中措原子層沈積形成種籽層 氧化物層在氧化秒之矣品L /巴括沈積金屬 Μ Ά R m ^ 表面上 '用惰性氣體沖洗金屬氧化物 層反應金屬氧化物與氧化梦 二專利範圍第1項之製造半導^^法， 基：基板之步驟包括藉氫鈍化提供其上形成有氫層之 其5中：範圍第4項之製造半導體結構之方法， 在基板上之氫層、暴露秒基板至解吸= 石夕層以除去任何多餘石夕及金層、；惰性氣體沖洗 至用電漿或不用電漿之至少一個氧：、暴露矽層，表面 氣（m20)或氧化氮⑽）以氡化石夕與2、水义〇)、氧化亞 -氧化的單層，及用惰性氣體沖洗d?以形成單 6.根據申請專利範圍第5項 ^化的卓層之步驟。 之衣造半導體結構之方法，

   46B212 六、申請專利範圍 進步包括重複原子層沈積以形成單層之+ 复由根據申請專利範圍第1項之製造半導體驟。 以：：層沈積形成—層或多層常數構之:法’ 二驟包括暴露種籽層至金屬先电常數軋化物層之 匕屬層藉《形⑽以氧 洗巩化的單層之步驟。 增及用惰性氣體沖 8·根據申請專利範圍第7項之 進—步包括重複；^子js + # 、 導體結構之方法， 物層。重複原子層沈積以形成具所欲厚度之高κ氧化 9·提體結構之方法，包括步驟為： ，伢具有表面之矽基板； 藉原子層沈積在矽美柄 由矽酸鹽物質所形成表面上形成種籽層，種籽層 氣化層沈積在種軒層上形成-層或多層高介電常數 I 〇 ·根據申請專利範囡 其中藉原子層沈積來ώ d 、之忒造半導體結構之方法， 成選自氧化矽鰓(Sr酸鹽物質之種籽層之步驟包括形 II ·根據申請專利範 法，其中藉原子層沈積在二項居之製造半導體結構之方 常數氧化物層之步騍包报層上形成一層或多層高介電 括形成選自氧化铪（Hf02)、氧化錯

   第13頁 4S 82 1 2 #、申料穩m ' — (2r"02)、鈦酸鳃（SrTi〇j、氧化鑭、氧化釔（乙ο》 、氧化鈦（Ti〇2)、鈦酸鋇（BaTi03)、鋁酸鑭（LaA103)、氧 化敍鑭（LaScOs)及氧化鋁（八12〇3)之群之高介電常數氧化物 層。 1 2 _根據申請專利範圍第丨丨項之製造半導體結構之方 法，其中提供基板之步驟包括提供其上形成有氧化矽之基 板之步驟。 1 3.根據申請專利範圍第丨2項之製造半導體結構之方 法，其中藉原子層沈積形成種籽層之步驟進一步包括沈積 金屬氧化物層在氧化矽之表面上、用惰性氣體沖洗金屬氧 化物層、將金屬氧化物與氧化矽反應以形成選自氧化矽勰 (SrSi04)、氧化矽鉛（ZrSi04)及氧化矽姶（HfSi〇4)之群之 矽酸鹽物之步驟。 1 4 _根據申請專利範圍第11項之製造半導體結構之方 法，其中提供基板之步驟包括藉氫鈍化提供其上形成有氫 唐之基板。 < 1 5.根據申請專利範圍第14項之製造半導體結構之方 法’其中藉原子層沈積形成種籽層之步驟進—步包括解吸 形成在基板上之虱層、暴露石夕基板至^夕先質及在碎基板之 表面上形成矽與金屬層之至少一個金屬先質、.用惰性氣體 沖洗矽層以除去任何多餘矽及金屬先質物質、暴露石夕層之 表面至用電漿或不用電漿之至少一個氧（〇2)、水（化〇)、氧 化亞氮（NgO)或氧化氮（NO)以氧化矽與金屬之層，藉以形 成單一氧化的單層，及用惰性氣體沖洗氧化的單層之步

   第14頁 d6 821 2 六、申請專利範圍 ' ^ " 驟。 、1 6.根據申請專利範圍第1 5項之製造半導體結構之方 法’進一步包括重複原子層沈積以形成氧化的單層之步 驟。 、17.根據+申請專利範圍第11項之製造半導體結構之方 ^ ’其中藉原子層沈積形成一層或多層高介電常數氧化物 s之步驟包括暴露種籽層至金屬先質’藉以形成金屬層、 用情f氣體沖洗金屬層、暴露金屬層至用電漿或不用電漿 之f少一個氧（0)、水（H2o)、氡化亞氮（Nz0)或氧化氮（N0) 以卓化金屬層藉以形成單一高K氧化的單層，及用惰性氣 體沖洗氧化的單層之步驟。 、1 8.根據申請專利範圍第1 7項之製造半導體結構之方 f" ’進一步包括重複原子層沈積以形成具所欲厚度之高K 氣化物層。 19. 一種製造半導體結構之方法，包括步驟為： 提供具有表面之矽基板； 、藉f子層沈積在矽基板之表面上形成種籽層，種籽層 由選自氧化發鋪（SrSi〇4)、氧化矽錘（ZrSi〇4)及氧化矽銓 (Η ϊ S i 〇4)之群之石夕酸鹽物質所形成；及 ^藉原子層沈積在種籽層上形成一層或多層高介電常數 氧化物層，南介電常數氧化物層選自氧化铪（H f 〇2)、氧化 锆（Zr02)、鈦酸锶（srTi〇3)、氧化鑭（La2〇3)、氧化釔 (y2〇3)、氧化鈦（Ti〇2)、鈦酸鋇（BaTi〇3)、鋁酸鑭（LaA1〇3) 、氧化銃鑭（LaSc03)及氧化鋁（Al2〇3)之群。

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