[发明专利]形成高介电常数薄膜的方法以及形成半导体器件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过原子层沉积形成高介电常数薄膜的方法以及形成半导体器件的方法。

背景技术

随着大规模集成电路的尺寸小型化，需要日益增加的薄的栅极介电薄膜。由于漏电流的增加，迄今为止使用的氧化硅薄膜和氮化硅薄膜受到它们的厚度可被降低的程度的限制，且对SiO₂等效薄膜厚度≤1.5nm产生亚-0.1μm CMOS的要求已是极大挑战。因而，已经提出通过使用比氧化硅薄膜或氮化硅薄膜具有更高的相对介电常数的金属氧化物薄膜、金属硅酸盐薄膜或金属铝酸盐薄膜形式的高介电常数薄膜(高-k薄膜)，并通过利用物理厚的薄膜来抑制漏电流。

近来已经出现大量对于尝试使用具有优异的电性能的金属硅酸盐薄膜作为这些高介电常数薄膜的报道。化学气相淀积和溅射法通常用于形成金属硅酸盐薄膜。

然而在化学气相淀积的情况下，金属硅酸盐薄膜的形成在大约300℃下通过低温薄膜制备程序进行，结果大量的杂质(＞10²¹cm^-3)如碳和氢残留在薄膜中，产生不能接受的薄膜质量问题。而且，由于薄膜组成由所用的起始材料确定，因此产生在不改变所用的起始材料的情况下薄膜组成不能改变的问题。

另一方面，在溅射法的情况下，在形成金属硅酸盐薄膜的初始阶段过程中，通过来自例如氩气的自由基类在硅基材中产生破坏。这导致在金属硅酸盐薄膜/硅基材界面处形成厚的界面层(＞大约1nm)，其使得难以降低薄膜厚度。

近来已经描述了能够在原子层基础上形成栅极介电薄膜的原子层沉积(下文缩写为ALD)。使用ALD形成栅极介电薄膜使得可以无须改变所用的起始材料而改变薄膜组成。金属铝酸盐薄膜已经被广泛用于ALD-制造的栅极介电薄膜。例如专利文献1描述了通过如下制备方法形成例如Al₂O₃的高介电常数薄膜，该制备方法包括：

第一步，其中通过含臭氧的氧化气体将硅基材进行氧化；

第二步，其中将硅基材的已氧化表面羟基化，接着是第一反应物如三甲基铝(TMA)在其上的吸附；和

第三步，其中将第二反应物如H₂O引入并使其与氧化的表面上残余的第一反应物反应。

专利文献2描述了形成具有组成Al_xM(_1-x)O_y(0.05≤x≤0.3)的无定形金属铝酸盐薄膜，其包含无定形氧化铝材料和金属氧化物，例如锆，其是结晶电介质。

金属铝酸盐薄膜如这些已经广泛用作ALD-制造的栅极介电薄膜。这是由于久为人知的如下事实：通过ALD使用TMA(铝源)作为源材料形成薄膜相对容易。

已经尝试通过ALD制造具有优异的电性能的金属硅酸盐薄膜。如果ALD制造的金属硅酸盐薄膜可用于半导体器件，这将能够比使用金属铝酸盐薄膜更大地抑制漏电流的产生，由此提高元件的可靠性。此外，由于在金属硅酸盐薄膜/硅基材界面处还没有形成厚的界面层，因此降低金属硅酸盐薄膜的厚度将是一件容易的事情。

在此方面，专利文献3描述了一种通过原子层沉积形成金属硅酸盐薄膜的方法。该方法使用Hf((C₂H₅)(CH₃)N)₄形式的含金属化合物和O(Si(CH₃)₂H)₂或((CH₃)₃Si)₂形式的含硅化合物。

[专利文献1]

日本未审公开(未审或公开或A)专利申请号2003-188171

[专利文献2]

日本未审公开(未审或公开或A)专利申请号2004-214304

[专利文献3]

日本未审公开(未审或公开或A)专利申请号2004-165668

发明内容

本发明要解决的问题

关于通过如上所述的现有技术方法形成的金属硅酸盐薄膜，薄膜在基质上形成还不充分且薄膜的形成性需要改进。另外，当这些薄膜已经用于半导体器件时，元件可靠性，例如漏电流产生，还没有必然令人满意。

解决问题的手段

根据本发明用于形成高介电常数薄膜的方法使用含金属化合物的气体和由下面通式表示的含硅化合物的气体通过原子层沉积在基材上形成包含金属硅酸盐的高介电常数薄膜：

其中