[发明专利]形成介电膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成介电膜的方法，特别是涉及一种形成适合于 用作半导体装置中的高介电常数栅介电膜的包括金属氮化物硅酸盐 的介电膜的方法。

背景技术

由于高操作速度的实现，诸如MOS(金属氧化物半导体)晶体 管的半导体装置在沟道长度减小方面加速发展。然而，沟道长度的大 大减小使栅介电膜的静电电容下降，从而引起晶体管的切换操作的故 障。因此，栅介电膜的变薄提供能够实现晶体管的切换操作的静电电 容。传统上，作为MOS晶体管的栅介电膜的材料，使用能够以简单 的制造工艺实现良好的界面特性的二氧化硅膜(SiO₂)。然而，在栅 介电膜的膜厚度降低到近似几个nm的情况下，由隧穿电流引起的栅 泄漏大量产生，从而引起高功耗的问题。作为解决这个问题的手段， 提出了一种使用具有比SiO₂的相对介电常数(ε_r＝3.9)高的相对介电 常数的材料形成栅介电膜的方法。由这样的材料构成的介电膜被称为 高介电常数介电膜(高-k介电膜)。当材料具有较高的相对介电常数 时，高-k介电膜可使膜厚度增加到所需要的程度以获得与二氧化硅膜 的静电电容相同的静电电容，从而禁止漏电流的增加。

作为高-k介电膜的材料的一个候选者，例如提出了金属二氧化 物，诸如ZrO₂和HfO₂。传统上，作为使这样的金属二氧化物沉积在 衬底的表面上的方法，已知在公开的第2004-140292号日本专利申请 (US对应的USP7105362、US专利申请公布2006/0008969)中公开 的MOCVD(有机金属化学气相沉积)。根据MOCVD法，将金属 络合物原始材料放在原始材料槽中，用加热器对其进行加热以变成液 态，并使载气流到原始材料槽中以使原始材料汽化，并被传送到反应 室中。使传送到反应室的原始材料沉积在加热的衬底的表面上，从而 实现膜形成。

然而，根据MOCVD法形成的膜为包括许多杂质的膜，所述杂 质诸如源于有机原始材料的碳或氢。发生以下问题：受残留杂质的影 响，根据MOCVD法形成的膜趋向于产生大量漏电流。作为与 MOCVD法相似的使包括很少的源于原始材料的杂质的金属二氧化 物沉积在衬底上的另一方法，已知有溅射法。根据溅射法，例如，通 过使被通过等离子体电离化的诸如Ar的稀有气体碰撞靶表面，构成 靶的原子被拒斥并沉积在衬底的表面上。沉积的膜中的杂质含量比根 据MOCVD的杂质含量少。通过使用包含不同元素的多个靶执行溅 射，可容易地形成具有各种成分的膜。例如，通过使用由金属构成的 靶和由Si构成的靶，同时溅射所述靶以使包含金属和硅的膜沉积。通 过使这样的膜氧化，可容易地形成金属硅酸盐膜。

现在参考图5A至图5E，以下将描述应用溅射法的制造高-k介 电膜的传统方法。标号201表示包含单晶硅的衬底，标号202表示二 氧化硅膜，标号203表示包含金属和硅的膜，标号204表示金属硅酸 盐膜，标号205表示金属氮化物硅酸盐膜。

首先，在图5A的步骤中，根据已知的RCA清洁方法去除衬底 201的表面上的污染物，以使硅原子曝露在衬底201的表面上。

接下来，在图5B的步骤中，使衬底201的表面氧化以形成二氧 化硅膜202。作为氧化衬底201的方法，如果该方法提供良好的硅界 面，则可使用热氧化法、自由基(radical)氧化法等任何方法。

接下来，在图5C的步骤中，通过用包含金属的靶和包含硅的靶 执行溅射，使包含金属和硅的膜203沉积在二氧化硅膜202的表面上。

此外，在图5D的步骤中，通过氧自由基使包含金属和硅的膜203 氧化以形成金属硅酸盐膜204。可通过能够实现低温氧化的自由基氧 化法而不使用热氧化法来实现包含金属和硅的膜203的氧化。通常， 在热稳定性方面，金属氧化物膜和金属硅酸盐膜比二氧化硅膜低。在 用于以高温执行氧化的热氧化法中，可使非晶状态下的金属硅酸盐膜 结晶。结晶的金属硅酸盐膜趋向于产生漏电流。因此，能够实现低温 氧化的自由基氧化是合适的。作为用于产生氧自由基的单元，如果可 形成活动的氧自由基，则可使用等离子体激发、光学激发等的任何产 生方法。另外，在执行溅射中，可使用在引入诸如氧的氧化反应气体 的同时的溅射，即，反应溅射。在这种情况下，从靶溅射的原子被氧 化，并作为氧化物沉积在衬底上，从而省略溅射之后的氧化步骤。