專利名稱：氧化鉿鋁介質(zhì)薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件和器件的制作。特別是，本發(fā)明涉及晶體管器件的柵介質(zhì)層和它們的制作方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件制造業(yè)有著驅(qū)使其需要改善速率性能，改善其低靜態(tài)(靜止態(tài))功率要求和適應(yīng)對硅基微電子產(chǎn)品的各式各樣的電源要求及輸出電壓要求等方面的市場需求。尤其是在晶體管制作中，有著面臨要求減小器件例如晶體管尺寸的持續(xù)壓力。最終的目的是制作出越來越小的和更可靠的集成電路(IC)供在例如信息處理機(jī)芯片，移動電話機(jī)或存儲器例如DRAM等產(chǎn)品中使用。較小的器件經(jīng)常是由蓄電池供電，故也面臨要求減小蓄電池尺寸和延長電池充電之間的時間的壓力的處境。這促使工業(yè)界不僅要設(shè)計更小的晶體管而且要將它們設(shè)計成能在較低的電源下可靠工作。
目前，半導(dǎo)體工業(yè)有賴于減小或按比例縮小基本器件，主要是硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，的尺寸的能力。這一類晶體管的常見構(gòu)型示于

圖1。雖然以下的討論應(yīng)用了圖1來闡明利用現(xiàn)有技術(shù)制造的晶體管，但本領(lǐng)域的每一位技術(shù)人員都承認(rèn)可以將本發(fā)明引入圖1所示晶體管中，以制成與本發(fā)明相應(yīng)的新型晶體管。晶體管100用通常為硅的襯底110制成，但也可以用其它的半導(dǎo)體材料制成。晶體管100具有第一源極/漏極區(qū)120和第二源極/漏極區(qū)130。主體區(qū)132位于第一源極/漏極區(qū)和第二源極/漏極區(qū)之間，此處的主體區(qū)132定義了具有溝道長度134的晶體管溝道。柵介質(zhì)，或柵氧化物140位于主體區(qū)132內(nèi)，而柵150位于柵介質(zhì)的上方。雖然柵介質(zhì)可以是由氧化物之外的材料形成，但柵介質(zhì)通常是氧化物，并常稱為柵氧化物。柵可以用多晶硅制成，或用其它導(dǎo)電材料制成例如可以使用金屬。
為了制造尺寸更小的和能在較低電源下可靠地工作的晶體管，一個重要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是柵介質(zhì)140。形成柵介質(zhì)的主角是二氧化硅SiO2。熱生長非晶形SiO2層是一種電和熱力穩(wěn)定材料，在SiO2層與底層Si的界面處形成了高質(zhì)量的界面以及上佳的電絕緣性能。在典型的加工過程中，在Si上使用SiO2會造成缺陷電荷密度，其量級為1010/cm2，中間帶隙界面態(tài)密度約為1010/cm2eV，和擊穿電壓在15MV/cm范圍內(nèi)。就這樣的質(zhì)量而言，沒有明顯看出需要使用除SiO2之外的材料，但是柵介質(zhì)的定標(biāo)的提高和其它要求會產(chǎn)生需要尋找用作柵介質(zhì)的其它介質(zhì)材料。
所需要的是這樣一種替代介質(zhì)材料，它可用來形成具有較之SiO2有高介電常數(shù)的柵介質(zhì)和相對于硅是熱力穩(wěn)定的，以致在硅層上形成介質(zhì)時不會導(dǎo)致有SiO2形成或使來自底層硅層的材料例如摻雜劑擴(kuò)散到柵介質(zhì)中。
發(fā)明概述在本發(fā)明所講授的實施方案中論述了解決以上所述問題的方法。在一種實施方案中，一種在晶體管主體區(qū)上形成柵介質(zhì)的方法包括在晶體管主體區(qū)上進(jìn)行含HfAlO3非晶形薄膜的原子層沉積(ALD)。形成HfAlO3薄膜所采用的ALD方法是將含鉿前體脈沖輸入裝有襯底的反應(yīng)室，將第一含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室，將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，最后將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室。每種前體根據(jù)所選定的時間周期被脈沖輸入反應(yīng)室。脈沖輸送每種前體所用時間的長短根據(jù)所采用的前體選定。在每次脈沖輸送前體之間將剩余的前體和反應(yīng)的副產(chǎn)物從反應(yīng)室中除去。HfAlO3薄膜的厚度通過重復(fù)進(jìn)行脈沖輸送含鉿前體，第一含氧前體，含鋁前體和第二含氧前體的循環(huán)次數(shù)來控制，直至形成要求的厚度。
有利之處是，由HfAlO3薄膜形成的柵介質(zhì)具有比二氧化硅要大的介電常數(shù)，相對地小的漏電電流和對硅基襯底有良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明所講授的各種實施方案包含形成各種晶體管，存儲器，和具有含HfAlO3的介質(zhì)層的電子系統(tǒng)。
其它實施方案包括適用于晶體管，存儲器，和具有HfAlO3薄膜的介質(zhì)柵的電子系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)。與具有同樣實體厚度的氧化硅柵相比，這類介質(zhì)柵具有顯著地薄的等效氧化物厚度。另一方面，這類介質(zhì)柵較之具有同樣等效氧化物厚度的氧化硅柵具有顯著地厚的實體厚度。
本發(fā)明的這些和其它的實施方案，見解，優(yōu)點和特點部分地陳述于隨后的敘述中，和對于本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來說，部分地通過參閱下述本發(fā)明的敘述和參閱附圖或通過本發(fā)明的實踐而變得顯而易見了。本發(fā)明的這些見解，優(yōu)點和特點借助于尤其是在后面所附的權(quán)利要求書中所指出的裝置，程序和組合得以實現(xiàn)和達(dá)到。
附圖簡述圖1描繪了晶體管的常見構(gòu)型。
圖2A描繪了一種本發(fā)明所講授的加工HfAlO3薄膜用的原子層沉積系統(tǒng)的實施方案。
圖2B描繪了一種本發(fā)明所講授的加工HfAlO3薄膜用的原子層沉積室的氣體分配裝置的實施方案。
圖3說明了一種本發(fā)明所講授的HfAlO3薄膜加工方法的實施方案所采用的單元工藝流程圖。
圖4描繪了一種本發(fā)明所講授的可以用來制作一種晶體管構(gòu)型的圖5說明了引入本發(fā)明所講授的器件的個人用計算機(jī)的實施方案的透視圖。
圖6說明了引入本發(fā)明所講授的器件的中央處理機(jī)的實施方案的示意圖。
圖7說明了本發(fā)明所講授的DRAM存儲器的實施方案的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述在本發(fā)明的以下詳述中，參照了形成詳述一部分的附圖，并為了說明，這些附圖顯示了可以實施本發(fā)明的具體的實施方案。對這些實施方案所作的詳細(xì)陳述，足以使本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍久鳌？梢詰?yīng)用其它的實施方案并可在不超越本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)，邏輯和電學(xué)的更改。
在以下敘述中使用的術(shù)語晶片和襯底包括任何具有外露面的結(jié)構(gòu)，以便利用外露面形成本發(fā)明的集成電路(IC)結(jié)構(gòu)。術(shù)語襯底應(yīng)理解成包括半導(dǎo)體晶片。術(shù)語襯底也用來指加工過程中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并可以包括在其上已制成的其它層。晶片和襯底二者均包括摻雜和非摻雜的半導(dǎo)體，由基底半導(dǎo)體或絕緣體支承的外延半導(dǎo)體層，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。術(shù)語導(dǎo)體應(yīng)理解成包括半導(dǎo)體，而術(shù)語絕緣體或介質(zhì)被定義為包括導(dǎo)電性比稱為導(dǎo)體的材料要低些的任何材料。
本申請中所采用的術(shù)語“水平”被定義為平行于晶片或襯底的普通的平面或表面，與晶片或襯底的取向無關(guān)。術(shù)語“垂直”指的是其方向與上面所定義的水平相垂直。以位于晶片或襯底的上表面上的普通平面或表面為基準(zhǔn)來定義表示位置的介詞，例如“在上面”，“側(cè)面”(如在側(cè)壁上)，“高于”，“低于”，“在上方”和“在下面”，與晶片或襯底的取向無關(guān)。所以，以下的詳述并不作出限制的含義，而本發(fā)明的范圍僅由附于后面的權(quán)利要求書，以及與權(quán)利要求書所給予的范圍等同的全范圍來定義。
圖1的柵介質(zhì)140，當(dāng)其運行于晶體管中時，既有實體柵介質(zhì)厚度又有等效氧化物厚度(teq)。等效氧化物厚度量化了以典型的實體厚度表示的柵介質(zhì)140的電氣性能例如電容。teq被定義為要求其具有和已知介質(zhì)同樣的電容密度的一種理論上的SiO2層的厚度，而不考慮漏電電流和可靠性這些方面的問題。
沉積在Si表面上作為柵介質(zhì)的厚度t的SiO2層還將有一個大于它的厚度t的teq。這teq是由在其上沉積了SiO2的表面溝道內(nèi)的電容引起的，這要歸因于耗盡/反型區(qū)的形成，。這耗盡/反型區(qū)可導(dǎo)致使teq比SiO2層的厚度t大3～6埃()。于是，總有一天，在半導(dǎo)體工業(yè)驅(qū)使將柵介質(zhì)等效氧化物厚度按比例縮小到低于10的情況下，用作柵介質(zhì)的SiO2層的實體厚度要求大概必須是大約4～7。
對于SiO2的額外要求取決于和SiO2介質(zhì)一起使用的柵電極。使用常規(guī)的多晶硅柵會導(dǎo)致SiO2層的teq額外增加。這額外增加的厚度可通過采用金屬柵電極而消除，可是，金屬柵目前尚未用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(CMOS)工藝中。因此，未來的器件將被設(shè)計為SiO2柵介質(zhì)層的實體厚度約5或更小。對SiO2氧化層如此小的厚度要求引起了額外的一些問題。
二氧化硅用作柵介質(zhì)，部分地是由于它在SiO2-Si基結(jié)構(gòu)中的電絕緣性能。這種電絕緣是由于SiO2的相對大的帶隙(8.9eV)使它成為一種沒有導(dǎo)電性的好的絕緣體。顯著減小它的帶隙會排除它作為一種柵介質(zhì)的材料。當(dāng)SiO2層的厚度降低時，在這厚度內(nèi)的原子層層數(shù)或這種材料的單層層數(shù)將下降。在一定的厚度下，單層層數(shù)將少到足以使SiO2層不能象在較厚的或整體層中那樣具有完整的原子排列。較之整體結(jié)構(gòu)而言，不完全構(gòu)造的結(jié)果是，只有一層或二層單層的薄SiO2層將不能形成全帶隙。在SiO2柵介質(zhì)中不是全帶隙會在底層Si溝道和上層多晶硅柵之間造成有效短路。這不良特性對可以按比例縮小的SiO2層的實體厚度規(guī)定了限制值。由于這單層效應(yīng)，這最小厚度被認(rèn)為是約7～8。所以，對于要求teq小于約10的未來的器件來說，必需考慮除SiO2以外別的介質(zhì)用作柵介質(zhì)。
對于用作柵介質(zhì)的典型介質(zhì)層，其電容根據(jù)適用于平行板電容的公式確定 式中K是介電常數(shù)， 是自由空間的電容率，A是電容器的面積，和t是這介質(zhì)的厚度。對于給定電容的將SiO2的介電常數(shù)，Kox＝3.9，與teq結(jié)合的某種材料的厚度t與teq的關(guān)系如下t＝(K/Kox)teq＝(K/3.9)teq于是，介電常數(shù)大于SiO2的介電常數(shù)3.9的材料，其具有的實體厚度，當(dāng)提供了所要求的等效氧化物厚度時，將顯著地大于所要求的teq。例如，具有介電常數(shù)10的替代介質(zhì)材料可以具有約25.6的厚度，便可使teq為10，不計及任何耗盡/反型層效應(yīng)。于是，通過采用具有介電常數(shù)高于SiO2的介質(zhì)材料就能實現(xiàn)降低晶體管的等效氧化物厚度。
為了獲得較低的晶體管工作電壓和較小的晶體管尺寸而所需的較薄的等效氧化物厚度可以利用很多種材料來實現(xiàn)，但額外的制作要求使確定替代SiO2的合適的置換材料變得困難了。微電子工業(yè)目前的觀點仍然是贊成Si基器件。這就要求采用的柵介質(zhì)要能生長在硅襯底或硅層上，而這就對取代的介質(zhì)材料設(shè)置了大量的限制。介質(zhì)在硅層上形成的過程中，除了所要求的介質(zhì)之外，還存在有可能形成一小層SiO2的可能性。結(jié)果實際上是一種由二層彼此平行的子層組成的介質(zhì)層和在其上形成該介質(zhì)的硅層。在這種情況下，最終的電容是二個串聯(lián)介質(zhì)的電容。因此，介質(zhì)層的teq是SiO2層的厚度與所形成的介質(zhì)的厚度乘以系數(shù)之和，寫成teq＝tSiO2+(Kox/K)t因此，如果在此過程中形成了SiO2層，那么teq再次受SiO2層的限制。即使是在硅層和要求的介質(zhì)之間有防止SiO2層形成的阻擋層，teq仍會受具有最小介電常數(shù)的那層的限制。可是，不管是采用了具有高介電常數(shù)的單層介質(zhì)層還是采用了介電常數(shù)比SiO2高的阻擋層，與硅層面接的層必須具有高質(zhì)量的界面，以保持高的溝道載流子遷移率。
G.D.Wilk等人的最新一篇論文發(fā)表在應(yīng)用物理雜志第89卷10期第5243～5275頁(2001)上，該論文討論了用作柵介質(zhì)的高介質(zhì)材料的材料性能。公開的資料之一是Al2O3作為SiO2的置換材料的適用性。公開的Al2O3具有用作柵介質(zhì)的良好的性能，例如大帶隙，直至高溫在Si上仍具有熱力穩(wěn)定性，和非晶形結(jié)構(gòu)。此外，Wilk公開了在硅上形成Al2O3層不會導(dǎo)致出現(xiàn)SiO2界面層?？墒?，Al2O3的介電常數(shù)僅為9，其一些薄層可能具有的介電常數(shù)為約8～約10。雖然Al2O3介電常數(shù)比SiO2有改進(jìn)，但仍希望柵介質(zhì)采用更高的介電常數(shù)。Wilk所論及的其它介質(zhì)及其性能如下
使用SiO2作為柵介質(zhì)的優(yōu)點之一是形成的SiO2層是一種非晶形的柵介質(zhì)。柵介質(zhì)具有非晶形結(jié)構(gòu)是有利的，因為在多晶形柵介質(zhì)中的晶界提供高的漏電路徑。另外，在整個多晶形柵介質(zhì)中晶粒尺寸和取向的變化可能引起該薄膜的介電常數(shù)發(fā)生變化。上述材料的性能包括結(jié)構(gòu)都是針對呈整體狀態(tài)的材料的。具有介電常數(shù)高于SiO2這一優(yōu)點的材料也有呈結(jié)晶形態(tài)，至少呈整體構(gòu)型這一缺點。用來替代SiO2作為柵介質(zhì)的最佳選擇材料是具有高介電常數(shù)的，能將它們制作成具有非晶形狀態(tài)的薄層的那些材料。
在共同未決的，共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請標(biāo)題為“用作柵介質(zhì)的原子層沉積LaALO3薄膜”代理卷號1303050 US1，序列號10/137499中公開了LaALO3作為SiO2的替換材料，在電子器件例如MOS晶體管中用來形成柵介質(zhì)和其它介質(zhì)薄膜。這份申請公開了，其中包括，應(yīng)用原子層沉積法利用含鑭源和含鋁源在硅上形成LaALO3層?？刂畦|順序沉積和鋁順序沉積便可形成這樣一種柵介質(zhì)，它是一種具有預(yù)定介電常數(shù)的組合物。
在本發(fā)明所講授的某一種實施方案中，利用原子層沉積(ALD)法，也稱為原子層外延(ALE)法，使HfAlO3層沉積在硅上。ALD作為化學(xué)氣相沉積(CVD)的一種改進(jìn)是在20世紀(jì)70年代初期開發(fā)出來的，所以也叫“交替脈沖型CVD”。在ALD中，將各種氣體前體每次一種引導(dǎo)到放置在反應(yīng)室(或反應(yīng)釜)中的襯底表面上。這些氣體前體的引進(jìn)采用脈沖輸送每種氣體前體的方式。在各個脈沖之間用惰性氣體吹洗反應(yīng)室或抽空反應(yīng)室。在第一個脈沖相中，在前體飽和地化學(xué)吸附在襯底表面的情況下，與襯底的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生了。隨后利用惰性氣體吹洗清除反應(yīng)室中剩余前體。
第二脈沖相將另一種前體引至襯底上，在此發(fā)生所要求的薄膜的生長反應(yīng)。在薄膜生長反應(yīng)之后，從反應(yīng)室中清除反應(yīng)的副產(chǎn)物和剩余前體。在正確設(shè)計的流動式反應(yīng)室內(nèi)，憑借良好的前體化學(xué)性質(zhì)，這些前體在襯底上積極地吸附和彼此發(fā)生反應(yīng)，能在小于1秒鐘的時間內(nèi)進(jìn)行一次ALD循環(huán)。典型地，前體的脈沖輸送時間范圍從約0.5秒到約2至3秒。
在ALD中，有利之處是所有反應(yīng)和凈化階段處于飽和狀態(tài)使生長受到自身限制。這種自身限制式生長導(dǎo)致大面積的均勻性和共形性，這對于諸如平板襯底，深溝槽這類情況，并在多孔硅，和高表面面積的二氧化硅以及氧化鋁粉末的加工中有著重要的應(yīng)用價值。有意義的是，ALD提供了通過控制生長循環(huán)次數(shù)來控制薄膜厚度的一種直截了當(dāng)?shù)暮唵蔚姆椒ā?br> 最初，開發(fā)ALD是為了制造場致發(fā)光顯示器中所需的發(fā)光薄膜和介質(zhì)薄膜。經(jīng)多方努力已將ALD應(yīng)用于摻雜硫化鋅和堿土金屬硫化物的薄膜的生長。另外，已研究出將ALD應(yīng)用于各種各樣的外延II-V和II-VI薄膜的生長，非外延的結(jié)晶或非晶形的氧化物和氮化物薄膜的生長，和這些薄膜的多層結(jié)構(gòu)的形成。還有值得感興趣的是關(guān)于硅和鍺薄膜的ALD生長，但是由于困難的前體化學(xué)，故這一努力不十分成功。
這些前體可以是氣體，液體或固體。但是，液體或固體前體必須是易發(fā)揮的。蒸氣壓力必須足夠高以便能有效地輸送質(zhì)量。還有，固體前體和某些液體前體必需在反應(yīng)室內(nèi)加以加熱并通過受熱式管路將其引至襯底上。必需的蒸氣壓力務(wù)必在低于襯底溫度的溫度下達(dá)到，以避免前體凝結(jié)在襯底上。由于ALD的這種自身限制生長機(jī)理，對固體前體可以采用比較低的蒸氣壓力，雖然在此過程中由于它們的表面面積改變，蒸發(fā)速度可能有點變化。
對用于ALD的前體有一些其它要求。這類前體在襯底溫度下必須是熱穩(wěn)定的，因為它們的分解會破壞表面控制，并從而破壞了基于前體在襯底表面上形成反應(yīng)物的ALD方法的優(yōu)點。當(dāng)然，如果這種分解與ALD生長相比是緩慢的，則少量分解是可以允許的。
前體應(yīng)該化學(xué)吸附在襯底表面上或與表面起化學(xué)反應(yīng)，雖然前體和表面之間相互作用以及吸附的機(jī)理對于不同的前體是不同的。襯底表面上的分子必須積極地與第二前體發(fā)生反應(yīng)以便形成要求的固體薄膜。另外，前體不應(yīng)該與薄膜發(fā)生反應(yīng)而引起浸蝕，和前體不應(yīng)該溶于薄膜中。在ALD中使用高活性前體與常規(guī)CVD的前體選用形成了對比。
在本反應(yīng)中的副產(chǎn)物必須是氣體，以便很容易地將其從反應(yīng)室中排出，再者，這副產(chǎn)物不應(yīng)該發(fā)生反應(yīng)或吸附在表面上。
在一種實施方案中，采用以下程序使HfAlO3薄膜形成在放置于反應(yīng)室內(nèi)的襯底上，即將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室，隨后脈沖輸入第一含氧前體，然后將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，接著將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室。在每次脈沖輸送之間，將吹洗氣體引入反應(yīng)室。將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室，隨后脈沖輸送第一含氧前體，同時在每次脈沖輸送之后接著進(jìn)行吹洗便構(gòu)成一個鉿順序。類似地，將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，隨后將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室，同時在每次脈沖輸送之后接著進(jìn)行吹洗便構(gòu)成一個鋁順序。選擇第一含氧前體取決于被脈沖輸入反應(yīng)室的含鉿前體，同樣，第二含氧前體取決于被脈沖輸入反應(yīng)室的含鋁前體。另外，可以將不同的吹洗氣體應(yīng)用于鉿順序和鋁順序。此外，按照預(yù)定的周期逐一地對將每一種前體脈沖輸入反應(yīng)室加以控制，此處每種前體的預(yù)定周期根據(jù)前體的性質(zhì)而不同。
這樣選擇前體，以致在進(jìn)行了一個鉿順序之后接著進(jìn)行一個鋁順序便完成一次HfAlO3層的ALD沉積循環(huán)。HfAlO3層的厚度取決于所采用的前體，脈沖輸送的周期和工藝溫度。通過重復(fù)進(jìn)行若干次鉿順序和鋁順序循環(huán)來形成具有預(yù)定厚度的HfAlO3薄膜。一旦形成了具有要求厚度的HfAlO3薄膜，就對HfAlO3薄膜進(jìn)行退火。
在本發(fā)明的某一實施方案中，前體氣體被用來在晶體管主體上形成用作柵介質(zhì)的HfAlO3薄膜。另一方面，固體或液體前體可用于恰當(dāng)設(shè)計的反應(yīng)室中。其它材料的ALD形成公開于共同未決的，共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請中，標(biāo)題“原子層沉積和轉(zhuǎn)化”代理卷號303.802US1，序列號10/137,058，和“利用VLS1柵原子層沉積法形成的，用作柵介質(zhì)層的AlOx原子層”。代理卷號1303.048US1，系列號10/137,168。
圖2A描述了本發(fā)明所講授的加工HfAlO3薄膜用的原子層沉積系統(tǒng)的實施方案。所描述的部件是討論本發(fā)明所必需的那些部件，以致本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員無需過分的實驗工作經(jīng)驗就可實踐本發(fā)明。有關(guān)ALD反應(yīng)室的進(jìn)一步討論可從在此引入作參考的，共同未決的，共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請標(biāo)題“均勻化學(xué)氣相沉積所采用的方法，系統(tǒng)和裝置”，代理卷號303.717US1，系列號09/797324中找得。在圖2A中，襯底210被放置在ALD系統(tǒng)200的反應(yīng)室220內(nèi)。在反應(yīng)室220內(nèi)還放置了加熱元件230，它和襯底210發(fā)生熱耦合，以控制襯底的溫度。氣體分配裝置240將前體氣體引至襯底210。每一種前體氣體來源于各自的氣體源251～254，其流量分別由質(zhì)量流量控制器256～259控制。氣體源251～254或者通過儲存氣體狀前體的方法或是通過提供用于蒸發(fā)固體或液體材料以形成所選的前體氣體所需的場所和裝置的方法來提供前體氣體。
在ALD系統(tǒng)中還包括吹洗氣體源261，262，其中每個分別與質(zhì)量流量控制器266，267相耦合。氣體源251～254和吹洗氣體源261-262通過它們的質(zhì)量流量控制器與公共輸氣管或?qū)Ч?70相耦合，這輸氣導(dǎo)管又與反應(yīng)室220內(nèi)的氣體分配裝置240相耦合。這輸氣導(dǎo)管270還通過質(zhì)量流量控制器286與真空泵或排氣泵281相耦合，以便在吹洗程序結(jié)束時從輸氣導(dǎo)管中除去剩余的前體氣體，吹洗氣體，和副產(chǎn)品氣體。
真空泵或排氣泵282與質(zhì)量流量控制器287相耦合，以便在吹洗程序結(jié)束時從反應(yīng)室220中除去剩余的前體氣體，吹洗氣體，和副產(chǎn)物氣體。為了方便起見，本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員熟知的控制器顯示器，固定裝置，溫度傳感器件，襯底操縱裝置和必需的電氣引線，在圖2A上均未示出。
圖2B描述了本發(fā)明所講授的加工HfAlO3薄膜用的原子層沉積室的氣體分配裝置的實施方案。氣體分配裝置240包括氣體分配部件242和氣體進(jìn)氣管244。氣體進(jìn)氣管244使氣體分配部件242與圖2A的輸氣導(dǎo)管270相耦合。氣體分配部件242包括氣體分配孔或出口246和氣體分配管道248。在這示范性實施方案中，這些孔246基本上都是具有同樣的直徑為15～20微米的圓；氣體分配管道248具有同樣的寬度20～45微米。具有氣體分配孔246的氣體分配部件的表面249基本上是平面且平行于圖2A的襯底210。但是，其它一些實施方案采用了其它的表面形式以及孔和管道的形狀和尺寸?？椎姆植己统叽邕€可能影響沉積厚度，因而可以用來參與厚度控制?？?46通過氣體分配管道248與氣體進(jìn)氣管244相耦合。雖然ALD系統(tǒng)200很適宜于實踐本發(fā)明，但市場上有售的其它ALD系統(tǒng)也可使用。
沉積薄膜所采用的反應(yīng)室的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)和基本運作，對于半導(dǎo)體制作領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員來說都是了解的。本發(fā)明可以在各種這樣的反應(yīng)室內(nèi)得以實施無需過分的實驗工作經(jīng)驗。此外，本領(lǐng)域的每個普通技術(shù)人員一閱讀本公開內(nèi)容就將會理解半導(dǎo)體制作領(lǐng)域中所必需的探測，測量和控制技術(shù)。
圖3說明了本發(fā)明所講授的HfAlO3薄膜加工方法的實施方案所采用的單元的流程圖。本方法可利用圖2A，B所示的原子層沉積系統(tǒng)得以實現(xiàn)。在程序塊305內(nèi)，制備襯底。用來形成晶體管的襯底典型地是硅或含硅材料。在其它實施方案中，可以采用鍺，砷化鎵，和藍(lán)寶石上硅襯底。這制備方法包括在形成柵介質(zhì)之前清洗襯底210和形成襯底的各層和各個區(qū)，例如金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的漏區(qū)和源區(qū)。正被加工的晶體管其各個區(qū)的形成順序遵循著在MOS晶體管的制作中通常采用的，本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員眾所周知的典型順序。在形成柵介質(zhì)之前所包括的加工是在柵介質(zhì)形成過程中要加以防護(hù)的襯底區(qū)的掩蔽，這正是MOS制作過程中典型地要進(jìn)行的工作。在本實施方案中，非掩蔽的區(qū)包括晶體管的主體區(qū)，可是，本領(lǐng)域的每個技術(shù)人員將認(rèn)識到其它的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)可以利用本方法。另外，將處于準(zhǔn)備加工狀態(tài)的襯底210傳送到進(jìn)行ALD作業(yè)所采用的反應(yīng)室220中的某一位置上。
在程序塊310內(nèi)，將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室220。尤其是，HfCl4用作源材料。HfCl4通過位于襯底210上方的氣體分配裝置240被脈沖輸入反應(yīng)室220。來自氣體源251的HfCl4流量由質(zhì)量流量控制器256加以控制。HfCl4源的氣體溫度范圍為約130℃～約154℃。HfCl4與位于由襯底210的非遮掩面所定義的要求區(qū)中的襯底210的表面發(fā)生反應(yīng)。
在程序塊315內(nèi)，將第一吹洗氣體脈沖輸入反應(yīng)室220。尤其是，純度大于99.99％的純凈氮氣用作HfCl4的吹洗氣體。來自吹洗氣體源261的氮進(jìn)入輸氣導(dǎo)管270的流量由質(zhì)量流量控制器266控制。利用純凈氮氣吹洗避免了前體脈沖和可能的氣相反應(yīng)發(fā)生重疊。吹洗之后，在程序塊320內(nèi)，將第一含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室220。對于使用HfCl4作為前體的鉿順序，選擇水蒸氣作為前體起著氧化反應(yīng)物的作用，以便在襯底210上形成氧化鉿。來自氣體源252的水蒸氣，利用質(zhì)量流量控制器257，以約0.5～約1.0mPam3/秒的流速，通過輸氣導(dǎo)管270，將其脈沖輸入反應(yīng)室220。水蒸氣在襯底210的表面上發(fā)生積極的反應(yīng)。
在脈沖輸送氧化反應(yīng)物水蒸氣之后，在程序塊325內(nèi)，將第一吹洗氣體噴射入反應(yīng)室220。在HfCl4/水蒸氣順序中，在脈沖輸送每種前體氣體之后，利用純氮氣體吹洗反應(yīng)室。利用吹洗氣體，清除掉系統(tǒng)中的剩余前體氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物，同時利用真空泵282，通過質(zhì)量流量控制器287抽空反映器220，和利用真空泵281，通過質(zhì)量流量控制器286抽空輸氣導(dǎo)管270。
在實施HfCl4/水蒸氣順序過程中，通過加熱元件230和使用呈低壓(250Pa)熱壁構(gòu)形的反應(yīng)室一起使襯底溫度保持為約350℃～約550℃。在其它的一些實施方案中，使襯底溫度保持為約500℃～1000℃。HfCl4的脈沖輸送時間在約1.0秒～2.0秒范圍內(nèi)。在脈沖輸送HfCl4之后，繼續(xù)進(jìn)行包括吹洗脈沖，接著水蒸氣脈沖，再接著吹洗脈沖在內(nèi)的鉿順序。在一種實施方案中，進(jìn)行吹洗脈沖，接著水蒸氣脈沖，再接著吹洗脈沖共費時約2秒。在另一實施方案中，在脈沖輸送HfCl4之后，在鉿順序中，每個脈沖有2秒的脈沖周期。
在程序塊330內(nèi)，將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室220。在一種實施方案中，在HfCl4/臭氧順序之后，三甲基鋁(TMA)，Al(CH3)3，用作含鋁前體。來自氣流源253的TMA，利用質(zhì)量流量控制器258，通過氣流分配裝置240，將其脈沖輸送到襯底210的表面。TMA被引至在HfCl4/水蒸氣順序進(jìn)行過程中形成的二氧化鉿薄膜上。
在程序塊335內(nèi)，第二吹洗氣體被引入系統(tǒng)。對于TMA前體，純凈氬氣用作吹洗氣體和載氣。來自吹洗氣源262的氬氣進(jìn)入輸氣導(dǎo)管270，隨后進(jìn)入反應(yīng)室220，其流量由質(zhì)量流量控制器267控制。在經(jīng)氬氣吹洗之后，在程序塊340內(nèi)，將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室220。對于使用TMA作為前體的鋁順序，選用蒸餾水蒸氣作為前體起氧化反應(yīng)物作用，以便和位于襯底210上的TMA相互作用。來自氣體源254的蒸餾水蒸氣，利用質(zhì)量控制器259，通過輸氣導(dǎo)管270將其脈沖輸入反應(yīng)室220。蒸餾水蒸氣在襯底210的表面上發(fā)生積極的反應(yīng)，從而形成HfAlO3薄膜。
在脈沖輸送起氧化反應(yīng)物作用的蒸餾水蒸氣之后，在程序塊345內(nèi)，將第二吹洗氣體噴射入反應(yīng)室220。在TMA/蒸餾水蒸氣順序中，在脈沖輸送每種前體氣體之后，用氬氣吹洗反應(yīng)室。在另一實施方案中，純凈氮氣重新用作吹洗氣體。利用吹洗氣體，清除掉系統(tǒng)中的剩余前體氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物，同時利用真空泵282，通過質(zhì)量流量控制器287，抽空反應(yīng)室220，和利用真空泵281，通過質(zhì)量流量控制器286，抽空輸氣導(dǎo)管270。這不僅完成了TMA/蒸餾水蒸氣順序，而且它還完成了鉿順序/鋁順序循環(huán)，從而形成了具有與一種ALD循環(huán)有關(guān)的設(shè)定厚度的HfAlO3層。
在進(jìn)行TMA/蒸餾水蒸氣順序的過程中，通過加熱元件230，使襯底溫度保持為約350℃～約450℃。使反應(yīng)室的溫度保持為約150℃，以便使反應(yīng)物凝結(jié)的可能性降至最低。使工藝壓力在脈沖輸送前體氣體時保持為約230m托，而用于脈沖輸送吹洗氣體時保持為約200m托。用于TMA和蒸餾水蒸氣二種前體的脈沖時間均約為1秒，而用于吹洗的脈沖時間約為15秒。在一種實施方案中，在完整的HfCl4/水蒸氣/TMA/蒸餾水蒸氣循環(huán)過程中，使襯底溫度保持為約350℃。在另一實施方案中，在完整的HfCl4/水蒸氣/TMA/蒸餾水蒸氣循環(huán)過程中，使襯底溫度保持為約550℃。
作為一種替代的鋁順序，可使用DMEAA/氧順序而不是TMA/蒸餾水蒸氣順序。含鋁前體DMEAA是一種鋁烷(AlH3)和二甲基乙烷[N(CH3)2(C2H5)]的加合物。在程序塊330內(nèi)，來自氣體源253的DMEAA氣體被脈沖輸送到襯底210表面上。通過將溫度控制在25℃的氣泡型蒸發(fā)作用向氣體源253提供DMEAA氣體。在程序塊335內(nèi)，與DMEAA有關(guān)的吹洗氣體和載氣是來自吹洗氣體源262的氫。在程序塊340內(nèi)，為了在襯底210上產(chǎn)生必要的反應(yīng)，來自氣體源254的作為第二含氧前體的氧被脈沖輸入反應(yīng)室220。在程序塊345內(nèi)，來自吹洗氣體源262的吹洗氣體氫再次流過反應(yīng)室220。
在進(jìn)行DMEAA/氧順序的過程中，利用加熱元件230使襯底溫度保持為約100℃～約125℃。在進(jìn)行DMEAA/氧順序的過程中，使工藝壓力保持為約30m托。
在利用DMEAA替代鋁順序時，可在與TMA/蒸餾水順序相同的溫度和壓力范圍下使用DMEAA/蒸餾水蒸氣順序。在本發(fā)明的某一實施方案中，在完整的HfCl4/水蒸氣/DMEAA/蒸餾水蒸氣循環(huán)過程中使襯底溫度保持為約350℃。另一方面，可在使襯底溫度保持為約550℃的條件下，進(jìn)行完整的HfCl4/水蒸氣/DMEAA/蒸餾水蒸氣循環(huán)。
在一個循環(huán)之后的HfAlO3薄膜的厚度，在已知溫度下，由在鉿順序和鋁順序中所采用的脈沖周期確定。ALD方法的脈沖周期取決于所使用的反應(yīng)系統(tǒng)200和前體以及吹洗氣體源的特性。典型地，在給定溫度下，脈沖周期可以在一個要比前體的最小脈沖時間長一些的較大范圍內(nèi)變化，但基本上沒有改變生長速率。一旦一個循環(huán)的周期組被確定，那么HfAlO3薄膜的生長速率將被定為某一值例如Nnm/循環(huán)。例如在形成MOS晶體管的柵介質(zhì)的應(yīng)用中，為了使HfAlO3薄膜達(dá)到要求的厚度t，ALD方法應(yīng)重復(fù)t/N次循環(huán)。
在程序塊350內(nèi)，要確定HfAlO3薄膜是否達(dá)到了要求的厚度t。正如所述，要求的厚度應(yīng)在t/N次循環(huán)后完成。如果完成的循環(huán)次數(shù)小于t/N，本方法從脈沖輸送含鉿前體的程序塊310處重新開始，在上面所討論的實施方案中，這含鉿前體就是HfCl4氣體。如果t/N次循環(huán)已完成，不再進(jìn)一步要求繼續(xù)ALD作業(yè)，而在程序塊355內(nèi)，對HfAlO3薄膜進(jìn)行退火。退火是生產(chǎn)HfAlO3薄膜的最后的加熱循環(huán)，是在溫度約300℃～800℃下進(jìn)行的，以便生產(chǎn)出具有最佳性能的介質(zhì)絕緣體。退火可以在惰性氣氛或氮氣氣氛中進(jìn)行。
在程序塊360內(nèi)，在形成HfAlO3薄膜之后，含HfAlO3薄膜的器件的加工便完成了。在一種實施方案中，完成這個器件包含完成晶體管的構(gòu)成。另一方面，完成這方法包括完成存儲器的構(gòu)建，這存儲器具有由HfAlO3薄膜柵介質(zhì)形成的存取晶體管組成的陣列。再者，在另一實施方案中，完成這方法包括含有信息處理器的電子系統(tǒng)的形成，這信息處理器采用的電子器件使用了由HfAlO3薄膜柵介質(zhì)形成的晶體管。典型地，信息處理器例如計算機(jī)包括許多存儲器，這些存儲器內(nèi)裝有許多存取晶體管。
在一種實施方案中，用作柵介質(zhì)的HfAlO3薄膜是通過采用鉿/水蒸氣/鋁/水蒸氣循環(huán)的ALD方法使其形成在晶體管的本體區(qū)內(nèi)。這循環(huán)是鉿/水蒸氣順序和鋁/水蒸氣順序的組合。在鉿/水蒸氣順序結(jié)束時終止這循環(huán)將典型地導(dǎo)致形成HfO2薄膜。只進(jìn)行鋁/水順序則典型地會導(dǎo)致形成Al2O3薄膜。
最近W.Zhu等人在第一屆國際電子器件會議上發(fā)表的，刊登在會議論文集P.463～466(2001)上的論文，報導(dǎo)了利用噴射蒸汽沉積法形成的HfO2和HfAlO薄膜的生長。大約3nm厚的HfO2薄膜在400℃～500℃下似乎發(fā)生了晶化，而含有約6.8％Al的HfAlO薄膜在比HfO2薄膜約高200℃的溫度下發(fā)生晶化，含有約31.7％Al的HfAlO薄膜則在比HfO2薄膜約高400℃的溫度下發(fā)生晶化。因此，該論文指出HfAlO薄膜在較高溫度下對其進(jìn)行加工時往往導(dǎo)致形成結(jié)晶形結(jié)構(gòu)?？墒欠蔷谓Y(jié)構(gòu)有利于用作柵介質(zhì)。
最近J.Aarik等人在應(yīng)用表面科學(xué)第173卷P.15～21(2001)上發(fā)表了一篇論文，報導(dǎo)了通過使用HfCl4/水蒸氣順序的ALD形成HfO2薄膜的生長。在襯底溫度保持在從500℃到1000℃范圍內(nèi)的不同溫度的情況下，HfCl4源的溫度范圍為130℃～154℃。對于襯底溫度為940℃和水蒸氣流速0.7mPa/m3的情況，已證實最終的薄膜結(jié)構(gòu)取決于HfCl4源的溫度。在HfCl4源溫度為128℃時，薄膜是單斜晶系的，此時生長速率為0.034nm/循環(huán)，而在HfCl4源溫度為152℃時，薄膜是立方晶系的，此時生長速率為0.067nm/循環(huán)。該報導(dǎo)斷定，通過采用HfCl4和水蒸氣的ALD生長成的HfO2薄膜的表面結(jié)構(gòu)，當(dāng)改變生長溫度和前體劑量時，可以發(fā)生變化。
最近Y.Kim等人在應(yīng)用物理通訊71(25)卷P.3604～3606(1997)頁上發(fā)表的論文，報導(dǎo)了通過使用TMA/蒸餾水蒸氣順序的ALD形成Al2O3薄膜的生長。在襯底溫度保持為370℃和TMA和蒸餾水蒸氣的脈沖輸送時間設(shè)定為各1秒的情況下，Al2O3薄膜的生長速率確定為每個循環(huán)約0.19nm。確定的這個生長速率對于TiN，Si，和SiO2襯底都是相同的。在最近由C.Jeong等人發(fā)表的刊登在日本應(yīng)用物理雜志第40卷1部1章P.285～289頁(2001)上的論文中，報導(dǎo)了利用ALD在100℃下Al2O3的生長速率為24.4/循環(huán)，此處一個循環(huán)為利用DMEAA作為前體進(jìn)行五次Al沉積隨后是O2等離子體氧化。典型地，由ALD形成的Al2O3薄膜是非晶形的。
含HfAlO3，Al2O3和HfO2的介質(zhì)薄膜具有的介電常數(shù)在從Al2O3的介電常數(shù)9到HfO2的介電常數(shù)25的范圍內(nèi)。通過控制鉿順序的循環(huán)次數(shù)和鋁順序的循環(huán)次數(shù)，就能控制沉積在襯底表面區(qū)上的鉿和鋁的數(shù)量。因此，通過采用鉿順序和鋁順序的ALD所形成的介質(zhì)薄膜可利用由含有選定或預(yù)定百分率的HfAlO3，Al2O3和HfO2組成的組合物制成，在這種情況下，這薄膜的有效介電常數(shù)將被選定或預(yù)定在9～25的范圍內(nèi)。此外，在鉿順序之后采用鋁順序，最后所得的含HfAlO3的介質(zhì)應(yīng)是非晶形的。
除了分別控制在ALD方法中的鉿順序和鋁順序的循環(huán)次數(shù)外，也可通過控制以下因素將含有HfAlO3的介質(zhì)薄膜制造成具有選定的特性，即控制每個順序所用的前體材料，每個順序所采用的工藝溫度和壓力，各個前體的脈沖輸送時間，以及在本方法的末尾，在每個循環(huán)的末尾和在每個順序的末尾的熱處理。熱處理可包括在原位在各種環(huán)境包括在氬和氮環(huán)境中進(jìn)行退火。
前體的脈沖輸送時間范圍為約0.5秒～約2至3秒，盡管可以使用較長的脈沖。典型地，吹洗氣體的脈沖輸送時間范圍從等于與其相關(guān)的前體脈沖輸送時間到數(shù)量級大于該相關(guān)前體脈沖輸送時間，以便將所有剩余材料和副產(chǎn)物從反應(yīng)系統(tǒng)中吹洗掉。通常吹洗氣體的脈沖輸送時間范圍為約1秒～約30秒。在一種實施方案中，吹洗氣體的脈沖輸送時間范圍為1～2秒。
所制成的含HfAlO3的薄膜的生長速率將受各個順序的生長速率控制，而典型地可以是約0.34/循環(huán)～約5/循環(huán)。其它的生長速率也可獲得。
在本發(fā)明的各種實施方案中可能得到的等效氧化物厚度teq的范圍與形成具有介電常數(shù)為約9～約25的組合物的能力有關(guān)，和與達(dá)到實體薄膜厚度約2～約3nm和以上的能力有關(guān)。符合本發(fā)明的teq的范圍示于下表
含HfAlO3的層其定標(biāo)的下限將取決于形成全帶隙所必須的薄膜的各單層，以使底層硅層和對著HfAlO3薄膜的上層導(dǎo)電層之間保持良好絕緣性。這一要求是避免底層硅層和上層導(dǎo)電層之間可能發(fā)生短路所必需的。根據(jù)上面所述，可明顯看到可以實現(xiàn)使含HfAlO3的薄膜具有的teq為3?！?2。再說，基本上沒有界面層的薄膜可以達(dá)到的teq顯著地小于2或3甚至小于1.5。
上面所述的利用鉿順序/鋁順序沉積循環(huán)進(jìn)行原子層沉積的新穎方法具有很多優(yōu)點。再者，通過獨立地控制每個順序的各個參數(shù)便可形成具有選定介電常數(shù)的柵介質(zhì)。另外，提供的這新穎的方法可以用來形成各種晶體管，存儲器和信息處理器。
圖1中所描繪的晶體管100可以由形成在硅基襯底110中的源/漏區(qū)120和另一個源/漏區(qū)130構(gòu)成，而這二個源/漏區(qū)120，130被主體區(qū)132隔開。源/漏120和源/漏130隔開的主體區(qū)132定義了具有溝道長度134的溝道。HfAlO3薄膜利用ALD方法形成，這ALD方法包括將含鉿前體脈沖輸入裝有襯底110的反應(yīng)室，將第一含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室，將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，以及將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室。每一種前體根據(jù)選定的時間周期被脈沖輸入反應(yīng)室。脈沖輸送每一種前體所需時間的長短根據(jù)所采用的前體選定。在每次脈沖輸送前體之間，將剩余前體和反應(yīng)的副產(chǎn)物從反應(yīng)室中去除。HfAlO3薄膜的厚度由重復(fù)進(jìn)行脈沖輸送含鉿前體，第一含氧前體，含鋁前體，和第二含氧前體的循環(huán)次數(shù)來控制，直到在主體區(qū)上形成要求厚度的含HfAlO3的薄膜140。柵形成在柵介質(zhì)140的上方。典型地，形成柵包括形成多晶硅層，雖然在另外別的方法中可以形成金屬柵?？刹捎帽绢I(lǐng)域的那些技術(shù)人員周知的標(biāo)準(zhǔn)方法來形成襯底，源/漏區(qū)和柵。另外，用來形成晶體管的工藝各個單元的操作程序是按照對本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來說也是周知的標(biāo)準(zhǔn)制作程序進(jìn)行的。
利用ALD形成用作柵介質(zhì)的HfAlO3薄膜的方法的實施方案可以應(yīng)用于其它的含有介質(zhì)層的晶體管結(jié)構(gòu)。例如，圖4描繪了一種本發(fā)明所講授的可以用來制作一種晶體管400構(gòu)型的實施方案。晶體管400包括硅基襯底410和被主體區(qū)432隔開的二個源/漏區(qū)420，430。位于二個源/漏區(qū)420，430之間的主體區(qū)432定義了具有溝道長度434的溝道區(qū)。位于主體區(qū)432上方的是疊層455，它包括柵介質(zhì)440，浮柵452，浮柵介質(zhì)442，和控制柵450。柵介質(zhì)440按照上述本發(fā)明所講授的ALD方法形成，而晶體管400的其余單元采用本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員熟知的方法形成。另一方面，柵介質(zhì)440和浮柵介質(zhì)442二者均可按照上述本發(fā)明所講授的ALD方法形成。
采用上述方法產(chǎn)生的晶體管可以用于存儲器和包含信息處理器的電子系統(tǒng)中。內(nèi)含HfAlO3薄膜介質(zhì)層的信息處理器可以采用上述方法的各種實施方案構(gòu)成。這類信息處理器包括各種無線系統(tǒng)，電信系統(tǒng)和計算機(jī)。一種內(nèi)含HfAlO3薄膜介質(zhì)層的計算機(jī)實施方案示于圖5～7并敘述如下。雖然下面所示的是特定形式的存儲器和計算器件，但本領(lǐng)域的每一位技術(shù)人員都承認(rèn)各個不同形式的存儲器和和包含信息處理器的電子系統(tǒng)均可利用本發(fā)明。
個人用計算機(jī)如圖5和圖6所示，它包括監(jiān)視器500，鍵盤輸入502和中央處理機(jī)504。處理機(jī)部件504典型地包括微處理機(jī)606，存儲器總線電路608，它含有許多存儲器溝槽612(a～n)，和其它外圍電路610。外圍電路610允許各種外圍器件624通過輸入/輸出(I/O)總線622與處理機(jī)/存儲器總線620連接。圖5和圖6所示的個人用計算機(jī)還包括至少有一個這樣的晶體管，它具有按照本發(fā)明所講授的一種實施方案形成的含HfAlO3薄膜的柵介質(zhì)。
微處理機(jī)606產(chǎn)生控制和地址信號，以便控制存儲器總線電路608和微處理和606之間以及存儲器總線電路608和外圍電路610之間的數(shù)據(jù)交換。這種數(shù)據(jù)交換是通過高速存儲器總線620和通過高速I/O總線622完成的。
許多存儲器溝槽612(a～n)與存儲器總線620耦合，這些溝槽能容納對本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來說是眾所周知的各種存儲器。例如單列直插式存儲模塊(SIMM)和雙列直插式存儲模塊(DIMM)可用于本發(fā)明的裝置中。
這些存儲器可根據(jù)各種不同的設(shè)計生產(chǎn)，這些設(shè)計提供不同的讀出和寫入存儲器溝槽612的動態(tài)存儲單元的方法。一種這樣的方法是頁面模式運行。DRAM中的頁面模式運行由如下方法定義，存取一行存儲單元陣列和隨機(jī)地存取這陣列的不同的列。當(dāng)存取該列的時候，儲存在上述行和該列相交處的數(shù)據(jù)便可讀出并輸出。頁面模式DRAM要求有一些限制存儲器電路608通信速度的存取步驟。
一種替代型器件是擴(kuò)充數(shù)據(jù)輸出(EDO)型存儲器，它使儲存在存儲器陣列地址處的數(shù)據(jù)，在尋址列已關(guān)閉之后仍可以有效輸出。這種存儲器由于允許較短的存取信號而增加了一些通信速度，但沒有降低存儲器輸出數(shù)據(jù)在存儲器總線620上有效的時間。其它別的類型的器件包括SDRAM，DDR SDRAM，SLDRAM和直接式RDRAM，以及其它的例如SRAM或快速存儲器。
圖7闡明了本發(fā)明所講授的DRAM存儲器700的實施方案的示意圖。DRAM器件700是與存儲器溝槽612(a～n)相容的。對DRAM700的敘述已作了簡化，為的是闡明DRAM存儲器而不是用來全面敘述DRAM的所有特性。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員都承認(rèn)各種各樣的存儲器均可用于本發(fā)明的裝置中。圖6所示的DRAM存儲器實例包括至少有一個這樣的晶體管，它具有按本發(fā)明所講授的實施方案形成的HfAlO3薄膜的柵介質(zhì)。
通過存儲器總線620提供的控制，地址和數(shù)據(jù)信息由DRAM700的各路輸入進(jìn)一步表示，正如圖7所示。這些各路的表示由數(shù)據(jù)線702，地址線704和指向控制邏輯部件706的各條分立的線來闡明。
正如本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的，DRAM700包括存儲器陣列710，它本身包含行和列的可尋址存儲器單元。同一行上的每個存儲器單元與一條公用字線相耦合。這字線與各個晶體管的柵相耦合，此處至少有一個晶體管具與采用前面所述方法和結(jié)構(gòu)形成的含HfAlO3的柵介質(zhì)相耦合的柵。另外，在同一列上的每個存儲器單元與一條公用位線相耦合。在存儲器陣列710中的每個單元包括本領(lǐng)域內(nèi)常見的存儲電容器和存取晶體管。
例如，DRAM700通過地址線704和數(shù)據(jù)線702與微處理機(jī)606相連接。另一方面，DRAM700可以與DRAM控制器，微控制器，芯片裝置或其它電子系統(tǒng)相連接。微處理機(jī)606還向DRAM700提供許多控制信號，包括但不限于行和列地址選通信號RAS和CAS，寫入啟動信號WE，輸出啟動信號OE和其它常規(guī)控制信號。
行地址緩沖器712和行譯碼器714接收和譯解來自行地址信號的行地址，這行地址信號由微處理機(jī)606經(jīng)地址線704提供。每個唯一的行地址與存儲器陣列710中的一行單元相對應(yīng)。行譯碼器714包括字線驅(qū)動器，地址譯碼器樹，和電路系統(tǒng)，這電路系統(tǒng)譯出收到的來自行地址緩沖器712的給定行地址以及通過字線驅(qū)動器有選擇地激活存儲器陣列710的適合的字線。
列地址緩沖器716和列譯碼器718接收和譯解通過地址線704提供的列地址信號。列譯碼器718還確定列何時發(fā)生了故障和確定置換列的地址。列譯碼器718與讀出放大器720相耦合。讀出放大器720與存儲器陣列710的互補(bǔ)位線對相耦合。
讀出放大器720與數(shù)據(jù)輸入緩沖器722和數(shù)據(jù)輸出緩沖器724相耦合。數(shù)據(jù)輸入緩沖器722和數(shù)據(jù)輸出緩沖器724均與數(shù)據(jù)線702相耦合。在寫入運作過程中，數(shù)據(jù)線702向數(shù)據(jù)輸入緩沖器722提供數(shù)據(jù)。讀出放大器720接收來自數(shù)據(jù)輸入緩沖器722的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲存在存儲器陣列710中，以電荷形式儲存在地址線704上規(guī)定地址處的單元的電容中。
在讀出運作過程中，DRAM700將數(shù)據(jù)從存儲器陣列710傳輸?shù)轿⑻幚頇C(jī)606。在預(yù)充電運行期間使存取單元的互補(bǔ)位線平衡于基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓由平衡電路和基準(zhǔn)電壓源提供。于是，儲存在存取單元中的電荷與相關(guān)的位線分享。諸讀出放大器720的一個讀出放大器檢測和放大互補(bǔ)位線之間的電壓差。讀出放大器將放大的電壓傳到數(shù)據(jù)輸出緩沖器724。
控制邏輯部件706用來控制DRAM700的許多有用的功能。此外，正如本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員所熟知的那些用來啟動DRAM700并使DRAM700運作保持同步的各種控制電路和信號在本文中沒有詳述。如上所述，已對DRAM700的敘述作了簡化，以便闡明本發(fā)明和沒有打算完整敘述DRAM的所有性能。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識，許多種存儲器，包括但不限于，SDRAM，SLDRAM，RDRAM，和其它的DRAM和SRAM，VRAM和EEPROM，均可用于本發(fā)明的裝置中。文中所描述的DRAM裝置僅是為了說明，并沒有排他或限制的意圖。
結(jié)論一種含HfAlO3的柵介質(zhì)和一種制作這一類柵介質(zhì)的方法生產(chǎn)出了一種可靠的柵介質(zhì)，它具有的等效氧化物厚度比采用SiO2可能得到的要薄。
使用本文中所述方法形成的HfAlO3柵介質(zhì)是熱力穩(wěn)定的，以致形成的柵介質(zhì)在加工過程中與硅襯底或其它結(jié)構(gòu)有極微弱的反應(yīng)。
晶體管，高水平IC或器件，和系統(tǒng)是應(yīng)用了形成超薄等效氧化物厚度teq的柵介質(zhì)的新穎方法構(gòu)成的。形成的含HfAlO3的柵介質(zhì)層或薄膜具有高的介電常數(shù)(κ)，此處的柵介質(zhì)的teq能夠小于10，小于SiO2柵介質(zhì)的預(yù)定限制值。同時，HfAlO3層的實體厚度比與SiO2的teq限制值相關(guān)的SiO2厚度厚得多。形成較厚厚度有利于加工柵介質(zhì)。此外，通過控制襯底的ALD加工過程中的鉿順序和鋁順序能使形成的含HfAlO3，Al2O3和HfO2的介質(zhì)的介電常數(shù)可在Al2O3的介電常數(shù)到HfO2的介電常數(shù)范圍內(nèi)選擇。
雖然在本文中已對一些具體的實施方案作了闡明和陳述，但本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員都知道，任何以達(dá)到同樣目的為目標(biāo)的方案均可以代替所示的這些具體實施方案。本申請意圖是包含本發(fā)明的任何修改或變更?？梢哉J(rèn)為上面的敘述是為了用來闡明的而不是限制的。在審閱上面陳述時，上述實施方案和其它的實施方案的組合對本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來說是顯而易見的。本發(fā)明的范圍包括其中采用了上述結(jié)構(gòu)和制作方法的任何其它申請。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附于后面的權(quán)利要求書，以及與該權(quán)利要求書所給予的范圍等同的全范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種形成電子器件的方法，它包含將含鉿前體脈沖輸入裝有襯底的反應(yīng)室；和將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室以形成介質(zhì)薄膜。
2.權(quán)利要求1的方法，其中將含鉿前體脈沖輸入裝有襯底的反應(yīng)室，和將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，它們均是原子層沉積法的單元。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中形成電子器件包括形成晶體管，這方法進(jìn)一步包括在襯底上形成第一和第二源/漏區(qū)；在第一和第二源/漏區(qū)之間形成主體區(qū)；將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室和將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室以便在位于在第一和第二源/漏區(qū)之間的主體上形成介質(zhì)薄膜；和使柵與介質(zhì)薄膜耦合。
4.權(quán)利要求1或2的方法，其中形成電子器件包括形成存儲器，它至少有一個這樣的存取晶體管，它在位于第一和第二源/漏區(qū)之間的主體區(qū)上有一層含HfAlO3的薄膜，其中形成這薄膜包括脈沖輸送含鉿前體和脈沖輸送含鋁前體。
5.權(quán)利要求4的方法，其中該方法進(jìn)一步包括形成若干個存取晶體管；形成若干條字線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個柵相耦合；形成若干條源線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個第一源/漏區(qū)相耦合；形成若干條位線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個第二源/漏區(qū)相耦合。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中形成電子器件包括形成電子系統(tǒng)，該電子系統(tǒng)則包括有一個處理機(jī)；使存儲器與處理機(jī)相耦合，其中存儲器或處理機(jī)之一至少有一個這樣的晶體管，它在位于第一和第二源/漏區(qū)之間的主體區(qū)上有一層含HfAlO3的薄膜，這種含HfAlO3的薄膜通過將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室和將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室的方法形成；和形成系統(tǒng)總線，該總線使處理器與存儲器陣列相耦合。
7.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中將含鉿前體脈沖輸入反應(yīng)室，隨后將第一含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室，然后將含鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室，接著將第二含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室。
8.權(quán)利要求7的方法，其中脈沖輸送第一含氧前體包括脈沖輸送水蒸氣。
9.權(quán)利要求7的方法，其中脈沖輸送第二含氧前體包括脈沖輸送蒸鎦水蒸氣。
10.權(quán)利要求7的方法，其中脈沖輸送第二含氧前體包括脈沖輸送氧。
11.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中按照預(yù)定的周期對將每種前體脈沖輸入反應(yīng)室加以控制，預(yù)定的周期則根據(jù)被脈沖輸入反應(yīng)室的每種前體分別地加以確定。
12.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中該方法進(jìn)一步包括，使襯底保持在根據(jù)每次脈沖輸送的前體選定的溫度下，這選定的溫度根據(jù)脈沖輸送的每種前體獨立地設(shè)定。
13.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中在每次脈沖輸送前體之后，接著用吹洗氣體吹洗反應(yīng)室。
14.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中該方法進(jìn)一步包括重復(fù)進(jìn)行若干次脈沖輸送含鉿前體和含鋁前體的循環(huán)。
15.權(quán)利要求14的方法，其中在重復(fù)進(jìn)行許多次脈沖輸送含鉿前體和含鋁前體循環(huán)之后，接著在約300℃～約800℃的溫度下進(jìn)行退火處理。
16.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中該方法進(jìn)一步包括獨立地控制每種前體的脈沖周期的時間，被脈沖輸送到襯底上的前體的次數(shù)，和襯底的溫度，以便形成含HfAlO3的介質(zhì)薄膜，這介質(zhì)薄膜具有的介電常數(shù)為約9～約25。
17.權(quán)利要求16的方法，其中形成含HfAlO3的介質(zhì)薄膜包括形成一種基本上是HfAlO3的薄膜。
18.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中脈沖輸送含鉿前體包括脈沖輸送HfCl4前體。
19.權(quán)利要求18的方法，其中將HfCl4前體脈沖輸入反應(yīng)室是在使襯底的溫度保持在約350℃～約550℃的條件下進(jìn)行的。
20.權(quán)利要求18的方法，其中將HfCl4前體脈沖輸入反應(yīng)室是在HfCl4前體的溫度為約130℃～約154℃的條件下進(jìn)行的。
21.權(quán)利要求18的方法，其中該方法進(jìn)一步包括在脈沖輸送HfCl4前體之后，以約0.5mPam3/秒～約1.0mPam3/秒的流速將第一含氧前體脈沖輸入反應(yīng)室。
22.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中脈沖輸送含鋁前體包括將三甲基鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室。
23.權(quán)利要求22的方法，其中將三甲基鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室是在使襯底溫度保持在約350℃～約370℃的條件下進(jìn)行的。
24.權(quán)利要求22的方法，其中將三甲基鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室是在壓力約為230m托的條件下進(jìn)行的。
25.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中脈沖輸送含鋁前體包括將DMEAA前體脈沖輸入反應(yīng)室。
26.權(quán)利要求25的方法，其中將DMEAA前體脈沖輸入反應(yīng)室是在使襯底溫度保持在約350℃～約550℃的條件下進(jìn)行的。
27.權(quán)利要求25的方法，其中將DMEAA前體脈沖輸入反應(yīng)室是在壓力約為30m托的條件下進(jìn)行的。
28.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中脈沖輸送含鉿前體包括脈沖輸送HfCl4前體入反應(yīng)室而脈沖輸送含鋁前體包括將三甲基鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室。
29.權(quán)利要求28的方法，其中在將三甲基鋁前體脈沖輸入反應(yīng)室之后，接著用氬氣吹洗反應(yīng)室。
30.權(quán)利要求1，2，3，4，或6的方法，其中脈沖輸送含鉿前體包括脈沖輸送HfCl4前體入反應(yīng)室和脈沖輸送含鋁前體包括將DMEAA前體脈沖輸入反應(yīng)室。
31.權(quán)利要求28或30的方法，其中在將HfCl4前體脈沖輸入反應(yīng)室之后，接著用純凈氮氣吹洗反應(yīng)室。
32.權(quán)利要求30的方法，其中在將DMEAA前體脈沖輸入反應(yīng)室之后，接著用氫氣吹洗反應(yīng)室。
33.一種用權(quán)利要求1，2，3，4，6，18，22，25，28，或30的方法形成的電子器件。
34.一種電子器件，它包含至少一個晶體管，它具有一個位于第一和第二源/漏區(qū)之間的主體區(qū)，一層形成在主體區(qū)上的介質(zhì)薄膜，和一個與該介質(zhì)薄膜相耦合的柵；其特征在于介質(zhì)薄膜含有原子層沉積型HfAlO3。
35.權(quán)利要求34的電子器件，其中這電子器件是存儲器。
36.權(quán)利要求35的電子器件，其中這存儲器進(jìn)一步包括若干個存取晶體管；若干條字線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個柵相耦合；若干條源線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個第一源/漏區(qū)相耦合；若干條位線，它們與存取晶體管數(shù)目相同的若干個第二源/漏區(qū)相耦合。
37.權(quán)利要求34的電子器件，其中這電子器件是一種具有與存儲器相耦合的處理機(jī)的電子系統(tǒng)。
38.權(quán)利要求34，35，或37的電子器件，其中介質(zhì)薄膜包括Al2O3和HfO2。
39.權(quán)利要求34，35，或37的電子器件，其中介質(zhì)薄膜基本上是非晶形的。
40.權(quán)利要求34，35，或37的電子器件，其中介質(zhì)薄膜具有的介電常數(shù)為約9～約25。
41.權(quán)利要求34，35，或37的電子器件，其中介質(zhì)薄膜具有的等效氧化物厚度(teq)為約3埃～約12埃。
42.權(quán)利要求34，35，或37的電子器件，其中介質(zhì)薄膜具有的等效氧化物厚度(teq)小于3埃。
全文摘要
一種含HfAlO
文檔編號H01L21/28GK1672244SQ03817714
公開日2005年9月21日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月5日
發(fā)明者K·Y·阿恩, L·福爾貝斯 申請人:微米技術(shù)有限公司