혼합 희토류 산화물 또는 알루미네이트 막의 형성 방법, 혼합 희토류 산화물막의 형성 방법, 및 혼합 희토류 알루미네이트막의 형성 방법 document_id A220623108851

고 유전율(하이-k) 재료는 커패시터 유전체로서 사용하기에 바람직하고 차세대 전자 장치에서 게이트 유전체로서 사용하기에 바람직하다. 커패시터 유전체로서 사용되는 제 1 하이-k 재료는 탄탈룸 산화물 및 알루미늄 산화물 재료였다. 현재, 혼합된 하프늄 알루미늄 산화물 재료는 DRAM 생산에서 커패시터 유전체로서 구현되고 있다. 마찬가지로, 하프늄계 유전체는 게이트 유전체로서 생산에 들어가, 현재의 실리콘 산화물 및 실리콘 산질화물 재료를 대체할 것으로 기대된다. 하이-k 유전체를 증착하는 가장 일반적인 방법은 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)을 포함한다. PVD 및 CVD 방법에 더하여 ALD를 사용하는 이점은 박막의 두께 제어 향상, 웨이퍼 전반의 균일성 향상 및 고 종횡비 구조상의 등각성 향상을 포함한다. 원자층 증착 프로세스는 기판을 포함하는 프로세스 챔버에의 반응성 증기 스트림의 개별 펄스를 포함하는데, 여기서 펄스는 퍼징 또는 배기 중 어느 하나에 의해 분리될 수 있다. 각 펄스 동안, 자기-제한 화학 흡착층은 웨이퍼의 표면상에 형성되는데, 이 층은 다음 펄스에 포함되는 구성요소와 반응한다. 각 펄스 사이의 퍼징 또는 배기는 반응성 증기 스트림의 가스상 혼합을 감소 또는 제거하는데 사용된다. 전형적인 ALD 프로세스는 사이클당 양호하게 제어된 부 단층(sub-monolayer) 또는 근접 단층 성장을 초래한다. ALD의 한가지 대표적인 케이스는 트리메틸알루미늄 및 물로부터의 알루미늄(Al) 산화물의 증착이다. 이 ALD 프로세스에서, 트리메틸알루미늄의 펄스는 가열된 기판의 표면상의 하이드록실기와 반응하여 단층 미만으로 자기-제한되는 메틸-알루미늄 부분의 화학 흡착층을 형성한다. 그리고 나서 반응 챔버는 미반응 트리메틸알루미늄뿐만 아니라 임의의 기상 반응 부산물을 제거하도록 퍼징 또는 배기된다. 다음으로 표면 알루미늄-메틸 결합과 반응하여 하이드록실화 표면을 재생하는 수증기의 펄스가 도입된다. 위의 증착 사이클을 반복함으로써 사이클당 약 1 옹스트롬(10-10m)의 층간 성장을 실현하는 것이 가능하다. 상이한 반응성 전구체 및 가스를 선택함으로써, ALD 프로세스를 사용하여 많은 상이한 유형의 막을 증착하는 것이 가능하다. 현재 평가 단계에 있는 하이-k 유전체 재료는 여러 가지 문제점들이 있다. 직면한 몇가지 문제점들은 어닐 중의 막 결정화, 증착 및 부가적인 프로세싱 중의 계면층의 성장, 계면 트랩(interface trap)의 고밀도화, 채널 이동성의 감소, 폴리-실리콘 게이트와의 반응, 및 금속 게이트에 대한 페르미 준위 피닝(Fermi level pinning)을 포함한다. 최근에 제안되고 있는 이들 효과를 완화시키는 한가지 전략은 하이-k 유전체로서 혼합된 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf) 산화물을 사용하는 것이다. 이들 유전체의 몇가지 이득은 순수한 Zr 산화물 또는 순수한 Hf 산화물과 비교하여 열 안정성의 증가 및 전기적 특성의 향상을 포함한다. 이들 향상에 기여하는 모든 요소가 알려져 있지 않지만, 혼합된 Zr 및 Hf 산화물의 사용은 지르코늄 및 하프늄의 유사한 화학적 특성, 및 지르코늄 및 하프늄 산화물의 무한 혼합성에 의해 용이해진다. 현재의 하이-k 유전체 재료가 직면한 다른 문제들은 진보된 반도체 장치에 대한 소기의 값에 비해서 너무 낮은 유전율을 포함한다. 또한, 유전율은 하이-k 유전체 재료와 하부 기판 사이의 계면층의 존재에 의해 더욱 감소될 수 있다. 따라서, 커패시터 및 트랜지스터와 같은 반도체 장치에서 게이트 유전체로서 사용되는 하이-k 유전체 재료를 형성하는 부가적인 개발에 대한 필요성이 있다.