[发明专利]用于含金属膜的第4族金属前体

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求序号为61/254,253、申请日为10/23/2009的美国 临时专利申请的权利。

背景技术

尽管对于各代金属氧化物半导体(MOS)集成电路(IC)，器件尺寸 已经连续地按比例缩小，以提供高密度和高性能，例如高速度和低能 耗的要求。遗憾的是，场效应半导体器件产生了一种与沟道宽度成比 例的输出信号，以致缩放比例减少了它们的输出。通常这种效果通过 降低栅极电介质厚度来补偿，因此使栅极更接近沟道并增强场效应， 能因此增加驱动电流。因此，提供用于提高器件性能的极薄、可靠和 低缺陷的栅极电介质变得越来越重要。

十年间，一种热氧化硅，SiO₂，已经成为主要的栅极电介质，因 为它与下层的硅衬底相容，并且其制造方法相对简单。然而，因为该 氧化硅栅极电介质的介电常数(k)相对较低，为3.9，进一步按比例缩 小氧化硅栅极电介质的厚度到小于变得越来越困难，特别是由于 通过薄氧化硅栅极电介质的栅极到沟道泄漏电流。

这导致考虑可替代的电介质材料，该材料可以形成于比氧化硅厚 的层中，但仍然产生相同的或更好的装置性能。该性能可以用“同等 的氧化物厚度(EOT)”来表示。虽然替代的电介质材料层可能比对比的 氧化硅层厚，其具有与薄很多的氧化硅层同等的效果。

为此，已有建议将高k金属氧化物材料作为用于栅极或电容器电 介质的替代电介质材料。含第4族金属的前体也可以单独使用或与含 有其他金属的前体结合使用来制造高介电常数和/或铁电体氧化物薄 膜，例如，Pb(Zr，Ti)O₃或(Ba，Si)(Zr，Ti)O₃。因为金属氧化物材料的介 电常数可以大于氧化硅的介电常数，可以沉积具有相似EOT的较厚 的金属氧化物层。结果，半导体工业需要第4族前体，例如，含钛、 含锆和含铪前体及其组合，以能够将含金属膜例如，但并非限于，氧 化物、氮化物、硅酸盐或其组合沉积在衬底，例如金属氮化物或者硅 上。

遗憾的是，当使用传统的衬底材料例如硅时，使用高k金属氧化 物材料存在几个问题。在高k金属氧化物沉积期间或随后的热力过程 中硅可以与高k金属氧化物反应或者氧化，因此形成氧化硅界面层。 这增加了同等的氧化物的的厚度，因此降低了装置性能。而且，高k 金属氧化物层和硅衬底之间的界面阱密度增加。因此，载流子的沟道 迁移率降低。这降低了MOS晶体管的开/关电流比，因此降低了其转 换特性。而且，高k金属氧化物层，例如二氧化铪(HfO₂)层或氧化锆 (ZrO₂)层的结晶温度相对较低，并且是热不稳定的。因此，金属氧化 物层可以容易地在随后的热退火处理期间结晶，所述热退火处理用于 活化注入源/漏区域的掺杂物。这可以在金属氧化物层中形成电流可流 通经过的晶界。由于金属氧化物层的表面粗糙度增加，泄漏电流特征 可能变差。而且，由于光在具有粗糙表面的定位键(alignment key)上 的不规则反射，高k金属氧化物层的结晶不希望地影响随后的定位过 程。

含第4族金属的膜可以使用化学蒸汽沉积法(CVD)和/或原子层 沉淀法(ALD)沉积。在传统的CVD过程中，一种或多种挥发性前体 的蒸气引入化学气相沉积反应器中，所述反应器载荷有半装配的衬 底，所述衬底已预加热至高于至少一种前体的热分解温度的温度。膜 生长速率取决于表面上的反应物之间的反应速率，且只要反应物蒸汽 存在于蒸汽相中，该膜就继续生长。另一方面，原子层沉识(ALD)过 程中，反应物被连续引入ALD反应器中，因此避免了反应物之间的 任何气相反应。用于沉积金属氧化膜的ALD过程的一个典型循环包 括：1)将充足的含金属前体的蒸汽引入ALD室中，使得所述前体化 学吸附到表面上，直到覆盖整个表面积；2)用惰性气体吹扫ALD室， 从而除去任何副产物以及未反应的前体；3)引入氧化剂以与该吸附在 表面上的前体反应；4)吹扫除去任何未反应的氧化剂和任何反应副产 物。重复该循环直到达到所需厚度。理想的ALD过程是自限制的， 即，衬底表面在反应物引入期间被反应物饱和，并且即使存在于气相 中的前体大大过量时，该膜生长停止。因此，对于将高度共形的膜沉 积在复合表面例如深沟道及其他阶梯结构上，ALD比CVD提供多种 优点。