形成鋁摻雜碳氮化物柵電極的方法

2023-08-03 12:57:16 3

專利名稱：形成鋁摻雜碳氮化物柵電極的方法
技術領域：
本發明一般涉及形成半導體器件的技術領域，更具體地，涉及形成具有可調的鋁 濃度的鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極。
背景技術：
在半導體工業中，微電子器件的最小特徵尺寸正接近深亞微米階段以滿足對更快 更低功率微處理器和數字電路的要求。矽基微電子技術當前主要面臨著材料挑戰以實現集 成電路器件的進一步小型化。具有更高電容的柵極疊層將會替換已經服務該工業幾十年的 包含S^2柵電介質層和退化的摻雜多晶Si柵電極的柵極疊層。通常稱為高k材料(其中「k」是指該材料的電介質常數)的高電容材料以電介質 常數大於SiO2的電介質常數(k約3. 9)為特徵。此外，高k材料可以指摻雜到襯底(例如， HfO2, ZrO2)而不是在襯底的表面上生成的(例如，SiO2, SiOxNy)諸如金屬矽酸鹽或者氧化 物。除了柵電介質層，柵電極還代表了未來微電子器件的小型化的主要挑戰。弓丨入含 金屬的柵電極來置換傳統的摻雜多晶矽柵電極能帶來若干優勢。這些優勢包括消除多晶矽 柵損耗效應，降低表面電阻，對先進的高k電介質材料提高可靠性和潛在地提高熱穩定性。 在一個示例中，從多晶矽轉換到含金屬的柵電極能在柵極疊層的有效厚度或者電子厚度上 實現2-3埃(A)的改進。產生這種改進很大程度是因為全部消除了在與其他材料的界面處 的多晶矽損耗的問題。對於新的柵電極材料，功函數、電阻係數和與互補金屬氧化物半導體(CMOS)的兼 容性是主要參數。正通道金屬氧化物半導體(PM0Q和負通道金屬氧化物半導體(NMOS)晶 體管柵電極要求不同的柵材料以實現可接受的閾值電壓；前者具有接近矽價帶的費米能級 (E約^V)，而後者具有接近導帶的費米能級(E約5. IeV)。用於控制柵電極的功函數的常規技術包括帶邊緣金屬方法，其中選擇具有特定功 函數的金屬；P金屬(Re、Co、Ni、Ru、Pt等)的功函數大於約5eV ；並且N金屬(Ta、Hf、Y、 La、Ir等)的功函數小於約4. 5eV0然而，柵極疊層的有效的功函數還取決於主體材料和表 面材料的性能、結晶取向和與柵電極交界的高k膜的介電常數。尤其是，在層界面處不同材 料的相互作用和在後處理期間(諸如高溫退火)整個柵極疊層的化學物質的擴散能影響半 導體器件的功函數和其他性能。近年來，柵電極金屬和電介質閾值電壓調節層已經被用來控制柵極疊層的功函數 並在製造的半導體器件中獲得N-MOS和P-MOS電晶體的期望閾值電壓。示例性的閾值電壓調節層包括N-MOS器件的氧化鑭(La2O3)和P-MOS器件的氧化鋁(Al2O3)。電介質閾值電壓 調節層一般定位在高k柵電介質的上方並與柵電極接觸。已經表明在高溫處理過程中，電 介質閾值電壓調節層中的元素一般穿過高k柵電介質朝著定位在高k柵電介質和襯底之間 的界面層(例如，高移動性、低缺陷S^2層)擴散，以在高k柵電介質和下面的界面層交界 附近進行閾值電壓調節。然而，一些電介質閾值電壓調節層中的元素不能穿過高k柵電介 質充分地擴散以將半導體器件的閾值電壓完全調整到期望值。因而，鑑於以上問題，需要新的方法來將含金屬的柵電極集成到柵極疊層中，尤其 需要新的方法來允許形成具有可調功函數的含金屬柵電極。

發明內容
本發明的實施例提供一種用於形成具有可調鋁濃度的鋁摻雜金屬(鉭或者鈦)氮 化碳柵電極的方法。根據本發明的實施例，鉭氮化碳(TaCN)或者鈦氮化碳(TiCN)膜在沒 有等離子體的情況下通過化學氣相沉積(CVD)而沉積並與鋁摻雜以調節功函數和閾值電 壓(Vt)。根據一個實施例，該方法包括提供在其上包含電介質層的襯底，並且在沒有等離 子體的情況下在電介質層上形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極。鋁摻雜金屬氮化碳柵電極通過 將襯底暴露到金屬氮化碳前驅物的氣體脈衝來沉積金屬氮化碳膜而形成，其中，金屬氮化 碳前驅物包含鉭、鈦或者其組合。該方法還包括通過將襯底暴露到鋁前驅物的氣體脈衝而 將鋁前驅物的原子層吸附在金屬氮化碳膜上，其中，在沉積和吸附過程中，襯底維持在金屬 氮化碳前驅物的熱分解溫度以上和鋁前驅物的熱分解溫度以下的溫度下。沉積和吸附的步 驟可以重複期望的次數，直到鋁摻雜金屬氮化碳柵電極具有期望的厚度。


本發明通過以下示例的方式圖示而不是在附圖中作為限制。圖1A-1C示出了根據本發明實施例形成包含鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的柵極疊 層的方法的示意截面視圖；圖2A-2D是用於根據本發明實施例在處理室中的襯底上沉積鋁摻雜鉭氮化碳膜 的示意氣體流程圖；圖3A-3D示出了根據本發明實施例包含鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的柵極疊層的 示意截面視圖；圖4示出了使用TBTEMT前驅物在襯底上沉積的鉭氮化碳膜的實驗數據；圖5示出了在鋁摻雜鉭氮化碳膜中的鋁濃度作為襯底溫度函數的實驗數據；圖6示出了在鋁摻雜鉭氮化碳膜中的鋁濃度作為TMA脈衝的總次數的函數的實驗 數據；圖7示出了鉭氮化碳膜和鋁摻雜鉭氮化物膜的組成與處理條件的函數關係；以及圖8描述了根據本發明用於形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的處理系統的示意圖。
具體實施例方式鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極和包含這種柵電極的柵極疊層的形成在不同的實施例中公開。鋁參照金屬碳氮化物柵電極包含鋁(Al)、碳(C)、氮(N)和鉭(Ta)和/或鈦 (Ti)。鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極能進一步包含可能源自膜沉積處理和/或者膜沉積處理 之後在空氣中襯底轉移的諸如氧(0)、氯(Cl)和氫(H)的雜質。在一些示例中，鋁摻雜金屬 碳氮化物柵電極可以包含1-50原子％的C和1-50原子％的N的組合。在一些實施例中， 鋁鉭碳氮化物柵電極至少包括5 (並且在一些實施例中至少包括10、15、20、25、30、35、40、 45或者甚至至少包括50)原子百分比的鋁。根據一個實施例，鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極 能包含5至50之間的原子百分比的鋁。這允許將鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極的功函數改 變幾十電子伏特(eV)。本領域本領域技術人員將認識到不需要公開一個或者多個具體技術細節而可以 實施本發明各種實施例或者可以利用其他替代的和/或者附加的方法、材料或者部件來實 施各種實施例。在其他情況下，公知的結構、材料或者操作沒有詳細地示出或者描述以避 免使本發明的各種實施例變得模糊。類似地，為了說明的目的，陳述了具體的編號、材料和 構造以提供本發明的完整的理解。不管怎樣，本發明可以在沒有具體技術細節的情況下實 施。此外，可以理解到，在附圖中示出的各種實施例是圖示性的表示，並且不一定按照比例 繪製。本說明書通篇引用的「一個實施例」或者「實施例」的意思是結合本實施例描述的 特定特徵、結構、材料或者特性包括在本發明的至少一個實施例中，但是並非表明它們一定 出現在每個實施例中。因而，術語「在一個實施例中」或者「在實施例中」在說明書通篇各 個地方的出現不一定是指本發明相同的實施例。此外，特定的特徵、結構、材料或者特性可 以以任何適合的方式在一個或者多個實施例中組合。在其他實施例中可以包括各種附加層 和/或者結構，並且/或者可以省略所描述的特徵。以最有助於理解本發明的方式依次將各種操作描述為多個離散操作。然而，描述 的順序不應理解為要暗示這些操作一定是依賴於順序的。尤其是，這些操作不一定以呈現 的順序執行。所描述的操作可以在與所描述的實施例不同的順序執行。可以在附加實施例 中執行各種附加操作並且/或者可以省略所描述的操作。圖1A-1C示出了根據本發明實施例形成包含鋁摻雜金屬碳氮化物柵電極的柵極 疊層的方法的示意截面視圖。圖IA示意性地示出包含形成在其上的高k膜102的襯底 100。襯底100可以是任何尺寸，例如200mm襯底、300mm襯底或者甚至更大的襯底。根據 一個實施例，襯底100能包含Si，例如，晶體矽、多晶矽或者無定形矽。在一個實施例中，襯 底100可以是拉伸應變的矽層。根據另一實施例，襯底100可以包含Ge或者SixGei_x化合 物，其中χ是矽的原子分率，1-x是Ge的原子分率，並且0 < 1-x 0. 5)。儘管未示出，圖IA中的結構還可以在襯底100和 高k膜102之間包括界面層。界面層可以例如包含厚度在約5埃和約15埃之間(例如約 8埃)的矽氧氮化物(SiON)或者高移動性低缺陷的Si02。高k膜102可以例如包含鉿、鋯、或者鉿和鋯，包括氧化鉿(HfO2)、氧氮化鉿 (HfON)、矽酸鉿(HfSiO)、氧氮化鉿矽(HfSiON)、氧化鋯(&02)、氧氮化鋯(ZrON)、矽酸 鋯(ZrSiO)、氧氮化鋯矽(ZrSiON)、氧化鉿鋯(Hf^rO2)、氧氮化鉿鋯(HfZrON)、矽酸鉿鋯(HfZrSiO)、氧氮化鉿鋯矽(HfZrSiON)或者它們兩個以上的組合。然而，其他高k電介質材 料可以想到並且可以使用。圖IB示意性地示出形成在高k膜102上的鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108a。鋁摻 雜金屬氮化碳柵電極108a包含形成在高k膜102上的金屬氮化碳膜10 和吸附在金屬氮 化碳膜10 上的鋁前驅物的原子層106a。金屬氮化碳膜10 通過在沒有等離子體的條件 下將高k膜102暴露於在高k膜102上熱分解的金屬氮化碳前驅物而沉積。在暴露於金屬 氮化碳前驅物之後，在沒有等離子體的條件下將金屬氮化碳膜10 暴露於鋁前驅物以在 金屬氮化碳膜10 上形成原子層106a。原子層106a包括部分分解的鋁前驅物。在一個示 例中，鋁前驅物包含三甲基鋁(AlMe3、Al (CH3)3、TMA)，並且可以想到原子層106a可以包括 AlMex0根據本發明的實施例，在形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108a的過程中，襯底100 維持在高於金屬氮化碳前驅物的熱分解溫度並低於鋁前驅物的熱分解溫度的溫度下。這允 許金屬氮化碳膜10 的熱化學氣相沉積(CVD)，其中金屬氮化碳膜10 的厚度與到金屬氮 化碳前驅物的暴露的長度成比例。相反，一旦在金屬氮化碳膜10 上實現鋁前驅物的約一 個原子層106a的自限制飽和度或者更小，金屬氮化碳膜10 到鋁前驅物的暴露不取決於 暴露的長度。金屬氮化碳前驅物和鋁前驅物的熱分解溫度可以分別如圖4和圖5所示通過 實驗確定。交替暴露到金屬氮化碳前驅物和鋁前驅物可以重複任何次數。圖IC示意性地示 出在交替暴露於金屬氮化碳前驅物和鋁前驅物分別達到總計η次以分別形成金屬氮化碳 膜104a、104b、104c、. · ·、10 和原子層106a、106b、106c、. · ·、106n之後的鋁摻雜金屬氮化 碳柵電極108η。根據本發明的一個實施例，鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108η能包含2至40 層之間的金屬氮化碳膜，或者5到20層之間的金屬氮化碳膜。鋁摻雜金屬氮化碳柵電極中
的鋁含量可以通過控制每個金屬氮化碳膜104a、104b.....104η的厚度來選擇。鋁摻雜金
屬氮化碳柵電極108η可以退火，以便進一步使金屬氮化碳膜和鋁混合併形成具有期望電 性能和材料性能的無定形鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108η。在一個示例中，鋁摻雜金屬氮化 碳柵電極108η可以在300度和500度之間的溫度下退火。根據本發明的一個實施例，鋁的量可以通過鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108η的厚
度而變化。例如，通過依次減小每個金屬氮化碳膜l(Ma、104b、l(Mc.....104η的厚度，鋁的
量可以隨著鋁摻雜鉭氮化碳柵電極108η的厚度而逐漸地增大或者減小。在一些實施例中， 鋁摻雜金屬氮化碳柵電極108η的鋁濃度是至少5 (在一些實施例中至少10、15、20、25、30、 35、40、45或者甚至至少50)原子百分比的鋁。大量鉭和鈦氮化碳前驅物可以用於沉積鉭氮化碳膜和鈦氮化碳膜。鉭氮化碳前 驅物可以包含Ta、C和N，但是附加的氮源氣體(例如，NH3)可以加入為附加的氮源。包 含「Ta-N」分子內鍵的鉭氮化碳前驅物的代表性示例包括Ta (NME2) 3 (NCMe2Et) (TA1MATA)、 Ta (NEt2) 5 (PDEAT)、Ta (NMe2) 5 (PDMAT)、Ta (NetMe) 5 (PEMAT)、(tBuN) Ta (NMe2) 3 (TBTDMT)、 (tBuN) Ta (NEt2) 3 (TBTDET)、(tBuN) Ta (NetMe) 3 (TBTEMT)和(iPrN) Ta (NEt2) 3 (IPTDET)。類 似地，鈦氮化碳前驅物可以包含Ti、C和N，但是附加的氮源氣體(例如，NH3)可以加入為附 加的氮源。包含「Ti-N」分子內鍵的鈦氮化碳前驅物的代表性示例包括Ti (NEt2)4(TDEAT)、 Ti (NMeEt) 4 (TEMAT)和 Ti (NMe2) 4 (TDMAT)。
本發明的實施例可以使用多種鋁前驅物。例如，許多鋁前驅物具有以下分子式AlL1L2L3Dx其中，L1、L2、L3是各個陰離子配體，並且D是中性供體配體，其中χ可以是0、1或 者2。每個L\L2、L3配體可以分別從烷氧化物、滷化物、芳氧化物、醯胺、環戊二烯、烷基、矽 烷基、咪、β-二酮、酮亞胺、矽烷化物和羧酸鹽的組中分別選擇。D配體可以從醚、呋喃、吡 啶、吡咯、批咯烷、醯胺、冠醚、甘醇二甲醚和腈組成的組中選擇。鋁前驅物的其他示例包括AlMe3、A1K3、AlI\fe2H、[Al(OsBu) 3]4、 Al ^H3C0CHC0CH3) 3、A1C13、AlBr3, Al 13、Al (OiPr) 3、[Al (NMe2) 3] 2、Al (iBu) 2C1、Al (iBu) 3、 Al (iBu) 2H、AlEt2Cl、Et3Al2 (Osbu) 3、Al (THD) 3、H3AlNMe3^ H2AlEt3^ H3AlNMe2Et H3AlMeEt2。圖2A-2D是用於根據本發明實施例在處理室中的襯底上沉積鋁摻雜鉭氮化碳膜 的示意氣體流程圖。不同的流程圖可以用來沉積具有不同元素成分的鋁摻雜鉭氮化碳膜或 者鋁摻雜鈦氮化碳膜。TBTEMT、NH3和TMA用來圖示實施例，但是也可以使用其他鉭或者鈦 氮化碳前驅物、附加氮源氣體和鋁前驅物。圖2A示意性地示出交替地暴露TBTEMT氣體脈 衝202和TMA氣體脈衝204，並以[TBTEMT — TMA]沉積循環表示。儘管在圖2A-圖2D中未 示出，諸如氬(Ar)的淨化氣體可以用來連續地淨化處理室或者在反應氣體的氣體脈衝(例 如，TBTEMT、TMA或者NH3)之間淨化處理室。圖2B示意性地示出TBTEMT氣體脈衝212和NH3氣體脈衝216的重疊暴露，之後 是TMA氣體脈衝214。該暴露順序表示為[(TBTEMT+NH3) - TMA]沉積循環。圖2C示意性地示出TBTEMT氣體脈衝222和NH3氣體脈衝226的重疊 暴露，之後是TMA氣體脈衝2M和附加的NH3氣體脈衝226』。該暴露順序表示為 [(TBTEMT+NH3) — TMA — NH3]沉積循環。儘管氣體脈衝226』和2 示出為單獨的氣體循 環，它們也可以組合成單一 NH3氣體脈衝。圖2D示意性地示出TBTEMT氣體脈衝232和NH3氣體脈衝236的重疊暴露，之後 依次是第二 TBTEMT氣體脈衝232」、TMA氣體脈衝234和第三TBTEMT氣體脈衝232，。該暴 露順序表示為[(TBTENT+NH3) — TBTEMT — TMA — TBTEMT]沉積循環。儘管氣體脈衝232，、 232和232」示出為單獨的氣體脈衝，但是兩個以上氣體脈衝可以組合成單個TBTEMT氣體脈 衝。在圖2A-2D中，不同的沉積循環可以重複任何次數，直到鋁摻雜鉭氮化碳柵電極 具有期望的厚度。圖3A-3D示出了根據本發明實施例的含有鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的柵極疊層 的示意截面視圖。圖3A示意性地示出了含有形成在其上的高k膜302和形成在高k膜302 上的鋁摻雜金屬氮化碳柵電極304的襯底300。鋁摻雜金屬氮化碳柵電極320使用圖2A 所示的[TBTEMT — TMA]沉積循環形成。圖示出了包含使用[TBTEMT — TMA]沉積循環 形成在高k膜302上的鋁摻雜金屬氮化碳柵電極308和使用(TBTEMT+NH3)暴露形成在鋁 摻雜金屬氮化碳柵電極308上的金屬氮化碳膜310的混合鋁摻雜金屬氮化碳柵電極320。 圖3C示出了包含使用(TBTEMT+NH3)暴露形成在高k膜302上的金屬氮化碳膜310和使用 [TBTEMT — TMA]沉積循環形成在金屬氮化碳膜310上的鋁摻雜金屬氮化碳柵電極308的 另一混合鋁摻雜金屬氮化碳柵電極322。圖3D示出了又一混合鋁摻雜金屬氮化碳柵電極 324。混合鋁摻雜金屬氮化碳柵電極3M類似於圖3C所示的混合鋁摻雜金屬氮化碳柵電極322，但是還包含使用(TBTEMT+NH3)暴露形成在鋁摻雜金屬氮化碳柵電極308上的第二金 屬氮化碳膜312。還參照圖3A-3D，根據本發明的其他實施例，可以使用圖2B所示的 [(TBTEMT+NH3) — TMA]沉積循環、圖 2C 所示的[(TBTEMT+NH3) — TMA — NH3]或者圖 2D 所 示的[(TBTEMT+NH3) — TBTEMT — TMA — TBTEMT]沉積循環來形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電 極 304 和 308。圖4示出使用TBTEMT前驅物沉積在襯底上的鉭氮化碳膜的實驗數據。在不使用 等離子體的情況下來熱沉積鉭氮化碳膜。跡線401示出了使用TBTEMT氣體脈衝和NH3氣體 脈衝的交替暴露而沉積的鉭氮化碳膜的結果。原子層沉積(ALD)窗口在約300攝氏度以下 識別，其中每個TBTEMT氣體脈衝和NH3氣體脈衝導致飽和的表面反應，並且鉭氮化碳膜厚 度僅僅微弱地取決於襯底溫度。在約300攝氏度以上，觀察到化學氣相沉積(CVD)階段，其 中TBTEMT氣體暴露導致連續的膜沉積，並且膜生長速率強烈地取決於襯底溫度。跡線402 示出了鉭氮化碳膜生長速率作為用於連續地暴露到包含TGTEMT前驅物氣體(不是NH3氣 體)的處理氣體的襯底溫度的函數。跡線403示出了鉭氮化碳膜生長速率作為用於連續地 暴露到包含TGTEMT前驅物氣體和NH3氣體的處理氣體的襯底溫度的函數。跡線402和403 示出了在大於約300度的襯底溫度下通過TGTEMT前驅物熱分解可形成鉭氮化碳膜，其具有 約13-15nm/min的由進料速率限制的生長速率。圖5示出了鋁摻雜鉭氮化碳膜中的鋁濃度作為襯底溫度的函數的實驗數據。通過 X射線螢光(XRF)光譜測量鋁含量。參照圖2A中的氣體流程和圖5中的跡線501，使用32 個[TBTEMT — TMA]沉積循環來沉積鋁摻雜鉭氮化碳膜。參照圖2C中的氣體流程和圖5中 的跡線502，使用32個[(TBTEMT+NH3) — TMA — NH3]沉積循環來沉積鋁摻雜鉭氮化碳膜。 在跡線501和502，每沉積循環的平均鉭氮化碳厚度約為0. 4nm,並且每個TMA氣體脈衝持 續時間為3秒。跡線501和502示出在約500攝氏度以下暴露的TMA導致飽和表面反應和 鋁原子層的形成，而在約500攝氏度以上暴露的TMA導致在襯底上的TMA熱致自分解。圖6示出了鋁摻雜鉭氮化碳膜中的鋁濃度作為TMA脈衝的總次數的函數的 實驗數據。襯底溫度為450攝氏度和500攝氏度，並且每個鋁摻雜碳氮化碳膜的總 厚度約為lOnm。圖6還示出在每個沉積循環中沉積的鋁摻雜鉭氮化碳膜的厚度。通 過XRF光譜測量鋁濃度，並且鋁濃度的範圍從約4原子％到大於約35原子％。鋁濃 度通過選擇在每個沉積循環中沉積的不同的鉭氮化碳膜厚度而變化。例如，當使用 總計 5 個 TMA 氣體脈衝時，[(TBTEMT+NH3) — TMA]，[ (TBTEMT+NH3) — TMA — NH3]和 [(TBTEMT+NH3) — TBTEMT — TMA — TBTEMT]沉積循環導致約8原子％的鋁濃度，當使用總 計10個TMA氣體脈衝時，導致約15原子％的鋁濃度。在另一示例中，當使用總計5個TMA 氣體脈衝時，[TBTEMT — TMA]沉積循環導致約4原子％的鋁濃度，當使用總計約10個TMA 氣體脈衝時導致約7%的鋁濃度。因而，與沒有NH3氣體情況下的TBTEMT氣體的暴露相比， 當使用TBTEMT氣體和NH3氣體的共同暴露時，鋁濃度約為兩倍高。總之，通過調節在每個 循環中沉積的鉭氮化碳膜的厚度和TBTEMT氣體和NH3氣體的共同暴露，可以在寬的範圍內 調節鋁摻雜鉭氮化碳膜中的鋁濃度。圖7示出了鉭氮化碳膜和鋁摻雜鉭氮化碳膜的組成與處理條件的函數關係。使用 TBTEMT鉭前驅物和TMA鋁前驅物。實驗數據示出由於從吸附在襯底表面上的TMA前驅物的甲基團去除減小，AlTaCN膜比TaCN膜具有更高的C濃度。此外，與[TBTEMT]暴露相比， [(TBTEMT+NH3)]沉積循環導致增大的N膜濃度和減小的C濃度。此外，與[(TBTEMT — TMA)] 沉積循環相比，[(TBTEMT+NH3) — TMA — NH3]沉積循環導致增大的Al濃度和增大的N膜含 量和減小的C膜含量，這是由於NH3與吸附的TMA前驅物的反應而形成A1N。在膜沉積之後 由於空氣暴露，氧結合到膜中。圖8示出了根據本發明的實施例用於形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的處理系統 的示意圖。本技術領域的技術人員將易於認識到處理系統1能用來執行各種沉積處理，包 括熱CVD。沉積系統1包括具有襯底保持器20的處理室10，襯底保持器20構造成支撐其 上形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的襯底25。處理室10還包含連接到第一處理材料供應系 統40、第二處理材料供應系統42、第三處理材料供應系統44和淨化氣體供應系統46的上 組件30 (例如，噴頭)。此外，處理系統1包括連接到襯底保持器20並構造成提高和控制襯 底25的溫度的襯底溫度控制系統60。處理系統1可以構造成處理200mm襯底、300mm襯底或者更大尺寸的襯底。實際 上，可以想到，沉積系統可以構造成處理襯底、晶片或者平板顯示器，而不管它們的尺寸如 何，這些對於本領域的技術人員都是可以理解的。因而，儘管結合半導體襯底的處理描述本 發明的各方面，但是本發明不僅僅限於此。第一處理材料供應系統40、第二處理材料供應系統42和第三處理材料供應系統 44構造成同時或者交替地將第一、第二和第三處理材料引入處理室10中。交替引入第一、 第二和第三處理材料可以循環，或者引入第一、第二和第三處理材料之間的時間段可變而 非循環。第一處理材料可包含鉭氮化碳前驅物、鈦氮化碳前驅物或者兩者。例如，鉭或者鈦 氮化碳前驅物可以作為固相、液相或者氣相，並且可以在使用或者不使用載體氣體(例如， 惰性氣體或者N2)的情況下以氣相輸送到處理室10。第二處理材料例如可以包括附加氮源 氣體，並且可以在使用或者不使用載體氣體的情況下輸送到處理室10。第二處理材料可以 包含NH3、NH(CH3)2、N2H4或者N2H3CH3或者它們兩個以上的組合。第三處理材料供應系統44 可以構造成引入包含鋁前驅物的第三處理材料。鉭氮化碳前驅物、鈦氮化碳前驅物和鋁前 驅物的例子如上所述。此外，淨化氣體供應系統46能構造成將淨化氣體引入處理室10。例如，引入淨化 氣體可以分別在將第一處理材料和第二處理材料引入處理室10之間發生，或者在將第二 處理材料引入處理室10之後發生。淨化氣體可以包括惰性氣體，諸如惰性氣體(例如，氦、 氖、氬、氙、氪)、n2或者H2。還參照圖8，處理系統1包括連接到襯底保持器20並構造成提高和控制襯底25的 溫度的襯底溫度控制系統60。襯底溫度控制系統60包括溫度控制元件，諸如包括再循環冷 卻劑流路的冷卻系統，其從襯底保持器20接收熱，並將熱傳遞到熱交換系統(未示出)，或 者加熱時，傳遞來自熱交換系統的熱。此外，溫度控制元件可以包括加熱/冷卻元件，諸如 電阻加熱元件，或者熱電加熱器/冷卻器，加熱/冷卻元件能包括在襯底保持器20以及處 理室10的室壁和處理系統1內的任何其他部件中。為了改善襯底25和襯底保持器20之間的熱傳遞，襯底保持器20能包括機械夾持 系統或者電夾持系統(諸如靜電夾持系統)以將襯底25附於襯底保持器20的上表面。此 外，襯底保持器20還能包括襯底背側氣體輸送系統，其構造成將氣體引入襯底25的背側以便改善襯底25和襯底保持器20之間的氣體-間隙熱傳導。當在升高的溫度或者降低的溫 度下要求襯底25的溫度控制時，可以使用該系統。例如，襯底背側氣體系統可以包括兩區 域氣體分配系統，其中，在襯底25的中心和邊緣之間能獨立地改變氦氣間隙壓力。此外，處理室10還通過導管38連接到包括真空泵送系統34和閥36的壓力控制 系統32，其中，壓力控制系統32構造成將處理室10可控地抽空到適於在襯底25上形成薄 膜和適於第一、第二和第三處理材料的使用的壓力。真空泵送系統34可包括泵送速度高達 約每秒5000升(或者更大)的透平分子真空泵(TMP)或者低溫泵，並且閥36可包括用於 對室壓力進行節流的門閥。此外，用於監視室壓力的裝置(未示出)可連接到處理室10。 壓力測量裝置例如可以是電容壓力計。處理系統1包括可用來構造處理系統1的任何數量的處理元件的控制器70，並且 控制器70能收集、提供、處理、存儲和顯示來自處理元件的數據。控制器70能包括一定數 量的用於控制一個或者多個處理元件的應用。例如，控制器70可包括圖形用戶界面(GUI) 部件(未示出)，其能容易地使用使用戶能監視和/或者控制一個或者多個處理元件的界 面。可選地或者附加地，控制器70能連接到一個或者多個附加控制器/計算機(未示出)， 並且控制器70能從附加控制器/計算機獲得設置和/或者構造信息。控制器70能包括微處理器、存儲器和數字I/O埠，該數字I/O埠能產生足以 通信和激活處理系統1的處理元件的輸入以及監視來自處理系統1的輸出的控制電壓。例 如，存儲在存儲器中的程序可以用來根據處理配方激活到處理系統1的上述部件的輸入以 為了執行蝕刻處理或者沉積處理。控制器70可以實施為通用計算機系統，其響應於執行包含在存儲器中的一個或 者多個指令的一個或者多個指令序列的處理器來執行本發明的實施例的基於微處理器的 處理步驟的一部分或者全部。這樣的指令可以從其他計算機可讀介質(諸如硬碟或者可拆 裝介質驅動器)讀入控制器存儲器中。多處理器布置中的一個或者多個處理器還可以用作 控制器微處理器以執行包含在主存儲器中的指令序列。在可替換的實施例中，硬體電路可 以用來代替軟體指令或者與軟體指令結合。因而，實施例不限於硬體電路和軟體的任何具 體組合。控制器70至少包括計算機可讀介質或者存儲器，諸如控制器存儲器，用於保持根 據本發明的教導而編程的指令並用於包含數據結構、表格、記錄或者實施本發明所需的其 他數據。計算機可讀介質的示例是⑶、硬碟、軟盤、磁帶、磁光碟、PR0M(EPR0M、EEPROM、閃 EPR0M)、DRAM、SRAM、SDRAM或者其他任何磁介質、光碟(例如，CD-ROM)或者任何其他光學 介質、打孔卡、紙帶或者其他具有孔的圖案、載波(下文描述)的物理介質、或者計算機能讀 取的任何其他介質。存儲在計算機可讀介質中任一者或者組合上，本發明包括用於控制控制器70、用 於驅動用於實施本發明實施例的一個或者多個裝置和/或者用於使控制器能與使用者相 互作用的軟體。這樣的軟體可包括但不限於裝置驅動器、作業系統、開發工具和應用軟體。 這樣的計算機可讀介質還包括用於執行在實施本發明實施例中執行的處理的全部或者一 部分(如果處理是分布式的)的本發明的電腦程式產品。本發明的計算機代碼裝置可以是任何可編譯或者可執行代碼機構，包括但不限於 腳本、可編譯程序、動態連接庫(DLL)、Java類和完全可執行程序。此外，本發明的處理的一部分可以為了更好的性能、可靠性和/或者成本而進行分布式處理。此處使用的術語「計算機可讀介質」是指參與向用於執行的控制器70的處理器提 供指令的任何介質。計算機可讀介質可以採取任何形式，包括但不限於非易失性介質、易失 性介質和傳輸介質。非易失性介質例如包括光學磁碟和磁光碟，諸如硬碟或者可拆裝介質 驅動器。易失性介質包括動態存儲器，諸如主存儲器。此外，計算機可讀介質的各種形式可 以參與用於執行的控制器的處理器的一個或者多個指令的一個或者多個指令序列的執行 中。例如，指令可初始地在遠程計算機的磁碟上執行。遠程計算機可將用於實施本發明的 全部或者一部分的指令遠程裝載到動態存儲器並通過網絡將指令發送到控制器70。控制器70可以相對於處理系統1本地地定位，或者可以相對於處理系統1遠程定 位。例如，控制器70可以使用直接連接、企業內部網際網路、網際網路和無線連接中的至少一者 與處理系統1交換數據。控制器70可例如在客戶端(即，裝置製造商等)連接到企業內部 網際網路，或者可以在供應商端(即，設備製造商)連接到企業內部網際網路。附加地，例如，另 一計算機(即，控制器、伺服器等)可例如訪問控制器70以經由直接連接、企業內部網際網路 和網際網路中的至少一者交換數據。本領域的技術人員將理解到，控制器70可以與處理系統 1經由無線連接交換數據。已經描述了用於形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極的多個實施例。為了圖示和描述的 目的，已經呈現本發明的實施例的前述描述。但是並不想要將本發明唯一性地限制到所公 開的精確形式。此描述和隨後的權利要求包括用於僅僅描述目的而不能理解為限制的術 語。例如，此處使用(包括在權利要求中)的術語「上」並不要求在第二膜「上」的第一膜 直接在第二膜上並與第二膜緊緊接觸，除非另有說明；可以在第一膜和第一膜上的第二膜 之間可以有第三膜或者其他結構。相關技術領域的技術人員可以理解到鑑於以上教導可以進行各種修改和變化。本 技術領域的技術人員將認識到各種等同組合和對附圖所示的各種部件的替換。因而，本發 明的範圍意在不受詳細描述的限制，而是由權利要求限制。
權利要求
1.一種形成半導體器件的方法，所述方法包括提供其上包含電介質層的襯底；以及通過下述步驟在沒有等離子體的情況下在所述電介質層上形成鋁摻雜金屬氮化碳柵 電極通過將所述襯底暴露到金屬氮化碳前驅物的氣體脈衝來沉積金屬氮化碳膜，所述金屬 氮化碳前驅物包括鉭、鈦或者其組合，通過將所述襯底暴露到鋁前驅物的氣體脈衝來將所述鋁前驅物的原子層吸附在所述 金屬氮化碳膜上，其中在所述沉積和吸附過程中，所述襯底維持在高於所述金屬氮化碳前 驅物的熱分解溫度且低於所述鋁前驅物的熱分解溫度的溫度，並且以期望的次數重複所述沉積和吸附。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述沉積和吸附沒有時間上的重疊。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在不將所述襯底暴露到包含附加氮源氣體的氣 體脈衝的情況下執行沉積所述金屬氮化碳膜的步驟。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括在沉積所述金屬氮化碳膜之前在所述電介質層上沉積第一附加金屬氮化碳膜，並且/ 或者，在所述鋁摻雜金屬氮化碳柵電極上沉積第二附加金屬氮化碳膜，其中，沉積所述第一 和/或者第二附加金屬氮化碳膜包括將所述襯底暴露到附加金屬氮化碳前驅物和附加氮 源氣體的氣體脈衝，所述附加金屬氮化碳前驅物包括鉭、鈦或者其組合，並且所述附加氮源 氣體包括 NH3> NH (CH3) 2、N2H4 或者 N2H3CH30
5.根據權利要求1所述的方法，其中，沉積所述金屬氮化碳膜還包括將所述襯底暴露 到包含附加氮源氣體的氣體脈衝，所述氣體脈衝與所述金屬氮化碳前驅物的氣體脈衝至少 具有部分時間重疊。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，包含所述附加氮源氣體的所述氣體脈衝包括 NH3> NH (CH3) 2、N2H4 或者 RH3CH3。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述形成步驟還包括將所述襯底暴露到所述附 加氮源氣體的第二氣體脈衝，其中，所述附加氮源氣體的所述第二氣體脈衝與所述金屬氮 化碳前驅物的氣體脈衝或者與所述鋁前驅物的氣體脈衝不具有重疊。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，沉積所述金屬氮化碳膜還包括將所述襯底暴露 到所述金屬氮化碳前驅物的附加氣體脈衝，所述附加氣體脈衝與所述金屬氮化碳前驅物的 氣體脈衝或者所述鋁前驅物的氣體脈衝不具有重疊。
9.根據權利要求5所述的方法，還包括在所述鋁摻雜金屬氮化碳柵電極上沉積附加金屬氮化碳膜，其中，沉積所述附加金屬 氮化碳膜包括將所述襯底暴露到附加金屬氮化碳前驅物和附加氮源氣體的氣體脈衝，所述 附加金屬氮化碳前驅物包括鉭、鈦或者其組合。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述金屬氮化碳前驅物包括具有Ta-N分子內鍵 的鉭氮化碳前驅物。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述鉭氮化碳前驅物包括Ta(NMe2) 3 (NCMe2Et) (TA1MATA)、Ta (NEt2) 5 (PDEAT)、Ta (NMe2) 5 (PDMAT)、Ta (NEtMe) 5 (PEMAT)、(tBuN) Ta (匪3 (TBTDMT)、(tBuN) Ta (NEt2) 3 (TBTDET)、(tBuN) Ta (NEtMe) 3 (TBTEMT)或者(iPrN)Ta (NEt2)3(IPTDET)。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述金屬氮化碳前驅物包括具有Ti-N分子內鍵 的鈦氮化碳前驅物。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述鈦氮化碳前驅物包括Ti(NEt2)4 (TDEAT)、 Ti (NMeEt) 4 (TEMAT)或者 Ti (NMe2) 4 (TDMAT)。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鋁前驅物包括AlMe3,AlEt3^ AlMe2H, [Al (OsBu) 3]4、A1(CH3C0CHC0CH3)3、A1C13、Α1Βγ3> Α1Ι3、Al (OiPr) 3、[Al (NMe2) 3]2、Al (iBu2) Cl、Al (iBu) 3、Al (iBu) 2H、AlEt2Cl、Et3Al2 (OsBu) 3、Al (THD) 3、H3AlNMe3^ H3AlNEt3、H3AlNMe3^ H3AlNEt3、H3AlWe^t 或者 H3AlMeEt2。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鋁摻雜金屬氮化碳柵電極包括5原子％和 50原子％之間的鋁。
16.一種形成半導體器件的方法，所述方法包括提供其上包含高k膜的襯底；以及在沒有等離子體的情況下在所述電介質層上形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極所述形成 包括通過將所述襯底暴露到金屬氮化碳前驅物的氣體脈衝並將所述襯底暴露到包含附加 氮源氣體的氣體脈衝來沉積金屬氮化碳膜，所述附加氮源氣體的氣體脈衝至少具有與所述 金屬氮化碳前驅物的氣體脈衝部分時間重疊，所述金屬氮化碳前驅物包括具有Ta-N分子 內鍵的鉭氮化碳前驅物或者具有Ti-N分子內鍵的鈦氮化碳前驅物，通過將所述襯底暴露到鋁前驅物的氣體脈衝來將所述鋁前驅物的原子層吸附在所述 金屬氮化碳膜上，其中，所述沉積和吸附不具有時間重疊，並且在所述沉積和吸附過程中， 所述襯底維持在高於所述金屬氮化碳前驅物的熱分解溫度且低於所述鋁前驅物的熱分解 溫度的溫度下，並且以期望的次數重複所述沉積和吸附。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，包含所述附加氮源氣體的所述氣體脈衝包括 NH3> NH (CH3) 2、N2H4 或者 RH3CH3。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，所述鉭氮化碳前驅物包括Ta(^e2)3(NCMe2Et) (TA1MATA)、Ta (NEt2) 5 (PDEAT)、Ta (NMe2) 5 (PDMAT)、Ta (NEtMe) 5 (PEMAT)、(tBuN) Ta (匪3 (TBTDMT)、(tBuN) Ta (NEt2) 3 (TBTDET)、(tBuN) Ta (NEtMe) 3 (TBTEMT)或者(iPrN) Ta (NEt2) 3 (IPTDET)，所述鈦氮化碳前驅物包括 Ti (NEt2) 4 (TDEAT)、Ti (^eEt) 4 (TEMAT) 或者 Ti (NMe2) 4 (TDMAT)，並且所述鋁前驅物包括 AlMe3、AlEt3> AlMe2H, [Al (OsBu) 3] 4、 Al ^H3C0CHC0CH3) 3、A1C13、Α1Βγ3> Al 13、Al (OiPr) 3、[Al (NMe2) 3] 2、Al (iBu2) Cl、Al (iBu) 3、 Al(iBu)2H、AlEt2Cl、Et3Al2 (OsBu) 3、Al (THD) 3、H3AlNMe3^ H3AlNEt3^ H3AlNMe2Et 或者 H3AlMeEt2。
19.根據權利要求16所述的方法，其中，所述鋁摻雜金屬氮化碳柵電極包括5原子％和 50原子％之間鋁。
20.一種形成半導體器件的方法，所述方法包括提供其上包含高k膜的襯底；以及在沒有等離子體的情況下在所述電介質層上形成鋁摻雜金屬氮化碳柵電極所述形成包括通過將所述襯底暴露到(tBuN) Ta (NetMe) 3 (TBTEMT)前驅物的氣體脈衝來沉積鉭氮化 碳膜，通過將所述襯底暴露到Alife3前驅物的氣體脈衝來將所述AlMe3前驅物的原子層吸附 在所述鉭氮化碳膜上，其中，在所述沉積和吸附過程中，所述襯底維持在高於所述(tBuN) Ta(NetMe)3(TBTEMT)前驅物的熱分解溫度且低於所述AlMe3前驅物的熱分解溫度的溫度 下，並且以期望的次數重複所述沉積和吸附，其中，所述鋁摻雜金屬氮化碳柵電極包括5原 子％和50原子％之間的鋁。
全文摘要
本申請描述了一種用於形成用於半導體器件的鋁摻雜金屬(鉭或者鈦)氮化碳柵電極的方法。該方法包括提供其上包含電介質層的襯底，並且在沒有等離子體的情況下在電介質層上形成柵電極。通過沉積金屬氮化碳膜並且將鋁前驅物的原子層吸附在金屬氮化碳膜上來形成柵極。沉積和吸附的步驟可以重複期望的次數，直到鋁摻雜金屬氮化碳柵電極具有期望的厚度。
文檔編號H01L29/808GK102132389SQ200980133509
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月22日 優先權日2008年8月25日
發明者格利特·J·萊烏辛克, 長谷川利夫 申請人:東京毅力科創株式會社