特許 7515402 気相堆積によるＰ－金属仕事関数膜の仕事関数の調整

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】気相堆積によるＰ－金属仕事関数膜の仕事関数の調整

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/34 20060101AFI20240705BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20240705BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20240705BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

C23C16/34

C23C16/455

H01L21/28 301R

H01L21/285 C

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020557210

(86)(22)【出願日】2019-04-11

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-08-30

(86)【国際出願番号】 US2019027053

(87)【国際公開番号】W WO2019204120

(87)【国際公開日】2019-10-24

【審査請求日】2020-12-17

【審判番号】

【審判請求日】2022-12-02

(31)【優先権主張番号】62/660,235

(32)【優先日】2018-04-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/381,776

(32)【優先日】2019-04-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ジャン， グオチャン

(72)【発明者】

【氏名】タン， ウェイ

(72)【発明者】

【氏名】リン， チー－チョウ

(72)【発明者】

【氏名】マー， ポール

(72)【発明者】

【氏名】ヤン， イーシオン

(72)【発明者】

【氏名】チャン， メイ

(72)【発明者】

【氏名】リウ， ウェンイー

【合議体】

【審判長】宮澤 尚之

【審判官】小野 久子

【審判官】後藤 政博

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－４９８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２４３１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２１７１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３５２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８９４３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

C23C16/34

C23C16/455

H01L21/28

H01L21/285

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法であって、
ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整すること、ならびに
前記基板を、前記タングステン前駆体、前記チタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、前記所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成すること、
を含み、
前記所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜が、ＷＴｉＮＣ膜またはＷ_ｘＴｉ_ｙＮＣ膜である、方法。

【請求項2】

前記基板の前記温度が、約２５０℃から約５００℃の間である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記基板の前記温度が、約３７５℃から約４００℃の間である、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記時間的に分離された気相パルスが、約０．１秒から１０秒の間の持続時間を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間が、約１秒から５秒の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記反応の前記圧力が、約１トルから５０トルの間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記反応の前記圧力が、約５トルから２５トルの間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記基板の前記温度が、約３７５℃から約４００℃の間であり、前記時間的に分離された気相パルスの持続時間が、約１秒から５秒の間であり、前記圧力が、約５トルから２５トルの間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

各気相パルスの後に、過剰なタングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスを除去することを、さらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

除去することが、反応空間を不活性ガスでパージすることを、さらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記ｐ－金属仕事関数窒化物膜が、４．９ｅＶから５．０ｅＶの仕事関数を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記タングステン前駆体が、ＷＣｌ_５、ＷＣｌ_６、ＷＦ_６、ビス（ｔｅｒｔ－ブチルイミド）ビス（ジメチルアミド）タングステン（ＶＩ）のうちの１つ以上を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記チタン前駆体が、ＴｉＣｌ_４、ＴＤＭＡＴ、ＴＤＥＡＴ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

反応において１つ以上のｐ－金属仕事関数膜を、所望のｐ－仕事関数を有するように、基板上に形成するための方法であって、
１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、反応の１つ以上のプロセスパラメータを調整すること、ならびに
前記基板を、１種以上の金属源化学物質および１種以上の反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと、交互かつ順次に接触させて、所望のｐ－仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成すること、
を含み、
前記所望のｐ－仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜が、ＷＴｉＮＣ膜またはＷ_ｘＴｉ_ｙＮＣ膜である、方法。

【請求項15】

実行されると、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をプロセスチャンバ内の基板上に形成する方法を引き起こす命令が格納された、非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法が、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整すること、ならびに前記基板を、前記タングステン前駆体、前記チタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、前記所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成すること、を含み、前記所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜が、ＷＴｉＮＣ膜またはＷ_ｘＴｉ_ｙＮＣ膜である、非一時的なコンピュータ可読媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［０００１］本開示の実施形態は、一般に、半導体製造プロセスの分野に関し、より具体的には、ｐ－金属膜の仕事関数調整のための気相堆積方法に関する。

【背景技術】

【0002】

［０００２］Ｐ－金属膜が、１０ｎｍ技術ノード以降のフィン電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ）などの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）で、ますます使用されているが、本発明者らは、多くの課題が当技術分野に残っていることに気付いた。例えば、より進んだノード（ｎ＜１０ｎｍ）へのトランジスタ技術の進展には、トランジスタデバイス内の低抵抗率の仕事関数金属（例えば、ｐ－金属）の開発が必要である。さらに、しきい値電圧（Ｖｔ）の調整範囲は、ゲート構造で利用できるスペースが限られているので、従来の膜厚スケーリングによって大幅に制限される。したがって、膜厚を変えずに仕事関数を調整する機能（マルチＶｔ調整など）が、ｐ－金属膜の仕事関数制御にとって重要になる。

【0003】

［０００３］さらに、本発明者らは、いくつかの金属窒化物炭化物膜は、望ましい仕事関数を有するが、それらは、高い抵抗率に悩まされることがあり、これは、ＦｉｎＦＥＴデバイスにおける仕事関数材料としてのそれらの用途を制限することに気付いた。

【0004】

［０００４］したがって、本発明者らは、厚さスケーリングなしで望ましいｐ－仕事関数調整および低抵抗率を得る能力が、より小さなサイズのＦｉｎＦＥＴデバイスにとって重要であることに気付いた。

【0005】

［０００５］したがって、本発明者らは、１つ以上のｐ－金属仕事関数膜を形成し、１つ以上のｐ－金属仕事関数膜の仕事関数を調整する方法を提供した。

【発明の概要】

【0006】

［０００６］所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数膜を形成するための方法が、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、基板上に所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成するための方法は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、基板の温度、時間的に分離された１つ以上の気相パルスの持続時間、チタン前駆体に対するタングステン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整すること、ならびに基板を、タングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成することを含む。

【0007】

［０００７］いくつかの実施形態では、所望のｐ－仕事関数を有するように、反応において基板上に１つ以上のｐ－金属仕事関数膜を形成するための方法は、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、反応の１つ以上のプロセスパラメータを調整すること、ならびに基板を、１種以上の金属源化学物質および１種以上の反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと交互かつ順次に接触させて、所望の仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成すること、を含む。

【0008】

［０００８］いくつかの実施形態では、本開示は、実行されると、プロセスチャンバ内の基板上に所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成する方法を引き起こす命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体に関し、方法は、Ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、基板の温度、時間的に分離された１つ以上の気相パルスの持続時間、チタン前駆体に対するタングステン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整すること、ならびに基板を、タングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成することを含む。

【0009】

［０００９］本開示の他のおよびさらなる実施形態を以下に説明する。

【0010】

［００１０］上で簡単に要約され、以下でより詳細に議論される本開示の実施形態は、添付の図面に示される本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかしながら、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって、本開示は他の等しく有効な実施形態を認めることができるので、範囲を限定すると見なされるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法のフロー図を示す。

【図2】本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法のフロー図を示す。

【図3】本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法のフロー図を示す。

【図4】本開示に従って使用するのに適した、基板およびｐ－金属仕事関数窒化物膜を含むＰＭＯＳトランジスタを示す。

【図5】本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するのに適した堆積チャンバを示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［００１６］理解を容易にするために、図面に共通する同一の要素は、可能であれば、同一の参照番号を使用して示してある。図は一定の縮尺で描かれておらず、わかりやすくするために簡略化されている場合がある。１つの実施形態の要素および特徴は、さらなる列挙なしに他の実施形態に有益に組み込まれ得る。

【0013】

［００１７］本開示の実施形態は、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を有利に調整する、基板上に１つ以上のｐ－金属仕事関数膜を形成するための方法を提供する。本開示による調整された仕事関数は、半導体デバイスにおいて所望のしきい値電圧（Ｖｔ）を得るのに適切であり得る。したがって、本開示の実施形態は、種々の化学気相堆積（ＣＶＤ）および原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスにおいて、またはさらなる処理に供され得るデバイスにおいて有利に使用され得る。いくつかの実施形態では、本開示の方法は、有利には、１０ｎｍ技術ノード以降のフィン電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ）での使用に適した、所望のまたは所定のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を提供する。実施形態では、本開示のｐ－金属膜の所望の仕事関数が、事前に決定されている。例えば、本開示のｐ－金属膜の所望の仕事関数は、４．８ｅＶより大きい、または４．８ｅＶより大きく約５．０ｅＶまで、４．９ｅＶから５．０ｅＶまで、約４．９ｅＶから約５．０ｅｖまで、約５．０ｅＶ、または５．０ｅＶであることをターゲットにすることができる。

【0014】

［００１８］図１は、本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法１００のフロー図である。方法１００は、基板を処理する段階に関して以下に説明され、例えば、適切なウェハ処理システムで、実行することができる。本明細書に開示される方法を実行するために使用できる例示的な処理システムには、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から市販されているＥＮＤＵＲＡ（登録商標）、ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）、またはＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ブランドの処理システムのいずれかが含まれ得るが、これらに限定されない。適切なＡＬＤウェハ処理システムの一例は、２００７年７月３日にアプライドマテリアルズ社に付与された、Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ａｆｔｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｆｉｌｍ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓと題された米国特許第７，２３８，５５２号に示され、記載されている。他の製造業者から入手可能なものを含む他のプロセスチャンバもまた、本明細書で提供される教示に関連して適切に使用され得る。

【0015】

［００１９］方法１００は、典型的には、半導体基板およびガラス基板などの基板上で、ならびに誘電体層（例えば、ＳｉＯ_２）およびバリア層（例えば、チタン、窒化チタンなど）などの、その上に形成された層上で実行される。いくつかの実施形態では、基板は、プロセスチャンバの処理容積部に提供されるｈｉｇｈ－ｋ誘電体層であり得る。ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層は、二酸化ケイ素（３．９）と比較して高い誘電率を有する任意の適切な層であり得る。ｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料の非限定的な例には、７より大きい誘電率を有する材料が含まれる。ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層は、金属酸化物を含み得る。本開示に従って使用するのに適した金属酸化物の非限定的な例には、ハフニウム（Ｈｆ）などの金属を含有する酸化物が含まれる。例えば、金属酸化物は、酸化ハフニウムまたはＨｆＯ_２を含み得る。本開示による基板として適切なｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料の非限定的な例は、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、ＢａＺｒＴｉＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、およびそれらの組み合わせをさらに含み得る。実施形態では、基板は、１から５ｎｍの厚さを有する。実施形態では、基板は、物理気相堆積、化学気相堆積、および原子層堆積のうちの１つによって形成される。

【0016】

［００２０］本開示の実施形態では、ｐ－金属仕事関数窒化物膜が、ＡＬＤプロセス、ＣＶＤプロセス、またはそれらの派生プロセスによって、上記の基板などの基板上に基板と接触して形成または堆積される。図１に戻ると、プロセスは、１０２で、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整するように、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整することを含む。１０２で説明されているプロセスは、以下でさらに説明されている１０４の前、後、または間に実行することができる。実施形態では、適切なｐ－金属仕事関数窒化物膜は、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）およびそれらの組み合わせを含む膜、例えば、ＷＴｉＮＣ膜またはＷ _ｘ Ｔｉ _ｙ ＮＣ膜などの膜を含む。

【0017】

［００２１］実施形態では、基板の温度は、例えばＡＬＤなどの、特定の堆積プロセスに応じて、堆積において設定され得る。実施形態では、反応の、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの温度を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整することができる。基板は、ペデスタル内に埋め込まれたヒーターによって、層堆積の前に、図５のプロセスチャンバ１６などの反応チャンバ内で所望の温度に加熱することができる。例えば、ペデスタルは、ペデスタルに配置されたヒーター要素に電源から電流を印加することによって抵抗的に加熱することができる。次に、基板が加熱され、例えば約２５０℃から約５００℃の、所望のプロセス温度範囲内に維持することができる。いくつかの実施形態では、基板の温度は、約３７５℃から約４００℃の間である。熱電対などの温度センサをウェハ支持ペデスタルに埋め込んで、従来の方法でペデスタルの温度を監視することもできる。

【0018】

［００２２］実施形態では、反応の、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整することができる。例えば、タングステン、窒素、炭素および水素を含む前駆体などの有機金属前駆体を含む第１の気相パルスが、ＡＬＤなどの堆積プロセスにおいて基板上に堆積され得る。第１の前駆体の他の非限定的な例には、ＷＣｌ_５、ＷＣｌ_６、ＷＦ_６、ビス（ｔｅｒｔ－ブチルイミド）ビス（ジメチルアミド）タングステン（ＶＩ）などのうちの１つ以上などのタングステン前駆体が含まれる。第１の前駆体は、基板の上面に第１の層を形成するのに十分な量で、例えば、約１０オングストロームから約５０オングストロームの厚さを有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の形成に寄与するのに十分な量で、供給され得る。実施形態では、気相パルスの持続時間は、約０．１秒から１０秒の間である。いくつかの実施形態では、第１の気相パルスの持続時間または１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の膜仕事関数を所望の仕事関数に変えるように調整される。実施形態では、気相パルスの持続時間は、約０．２秒から９．９秒の間の量で変えられる。

【0019】

［００２３］実施形態では、反応の第２の時間的に分離された気相パルスの持続時間を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望の値に調整することができる。例えば、チタンを含む前駆体などの金属前駆体を含む第２の気相パルスが、ＡＬＤなどの堆積プロセスにおいて基板上に堆積され得る。第２の前駆体の他の非限定的な例には、ＴｉＣｌ_４、テトラキス（ジメチルアミド）チタン（ＴＤＭＡＴ）、テトラキス（ジエチルアミド）チタン（ＴＤＥＡＴ）などのうちの１つ以上、またはそれらの組み合わせなどのチタン前駆体が含まれる。実施形態では、適切な第２の前駆体は、ＴｉＣｌ_４である。第２の前駆体は、基板の上面上に第１の前駆体によって形成された層上に層を形成するのに十分な量で、例えば、約１０オングストロームから約５０オングストロームの厚さを有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の形成に寄与するのに十分な量で、供給され得る。実施形態では、第２の気相パルスの持続時間は、約０．１秒から１０秒の間である。いくつかの実施形態では、第２の気相パルスの持続時間を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整する。実施形態では、第２の気相パルスの持続時間は、約０．２秒から９．９秒の間の量で変えられる。

【0020】

［００２４］実施形態では、反応のタングステン前駆体とチタン前駆体の比を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望の値に調整することができる。例えば、第１の前駆体が、タングステン前駆体であり、第２の前駆体が、チタン前駆体である場合、膜を形成する各前駆体の量を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望の値に調整することができる。実施形態では、膜中に存在するタングステンのパーセンテージが、膜中のチタンの量よりも著しく大きいタングステンリッチ膜が、形成される。実施形態では、タングステンは、膜中においてチタンよりも１、２、５、１０、２０倍まで多い量で存在する。同様に、Ｔｉリッチ膜の形成は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整することができる。実施形態では、チタンは、膜中においてタングステンよりも１、２、５、１０、２０倍まで多い量で存在する。実施形態では、タングステン前駆体対チタンは、１：９９から９９：１までの間のタングステン前駆体対チタン前駆体の比で適用される。選択された比は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整するのに適している。実施形態では、タングステンまたはタングステン成分を増加させると、より高いｐ－仕事関数の膜が提供され、トランジスタなどの、内部または上にｐ－仕事関数膜が配置された半導体デバイスのＶｔを低下させることができる。実施形態では、チタンまたはチタン成分を増加させると、より低いｐ－仕事関数の膜が提供され、トランジスタなどの、内部または上にｐ－仕事関数膜が配置された半導体デバイスのＶｔを上昇させることができる。

【0021】

［００２５］実施形態では、反応の圧力を調整して、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整することができる。真空ポンプを使用して、プロセスチャンバを排気し、プロセスチャンバ内での適切なガスの流れと圧力を維持するのを促進することもできる。実施形態では、反応の圧力は、約１トルから５０トルの間、または約５トルから２５トルの間である。

【0022】

［００２６］図１に戻ると、１０４は、基板を、タングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガス（それぞれ個別に添加される）の時間的に分離された気相パルスと接触させて、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成することを含む。

【0023】

［００２７］実施形態では、反応性ガスは、上記の第１の前駆体および第２の前駆体と反応してｐ－金属窒化物膜を形成するのに十分な量で提供される。実施形態では、反応性ガスは、気相のアンモニア、ヒドラジン、またはそれらの組み合わせを含み、反応性ガスパルスで基板に供給され、基板の開口部に供給される。

【0024】

［００２８］実施形態では、少なくとも堆積が望まれる全ての表面に到達するのに十分なタングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスが供給された後、過剰なタングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガス（および任意の反応副生成物）が、不活性ガスでのパージなどにより、時間的に分離された各気相パルスに続く１つ以上のパージまたは除去プロセスにおいて、除去される。

【0025】

［００２９］図２は、本開示のいくつかの実施形態による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するための方法２００のフロー図である。方法２００は、基板を処理する段階に関して方法１００と同様であり、例えば、適切なウェハ処理システムで、実行することができる。さらに、方法２００は、上記の前駆体および反応性ガスを利用することができる。しかしながら、方法２００のプロセスは、交互の時間的に分離されたパルスで３つ以上の反応物を使用するプロセスにも適用することができ、また、本開示に従って、ｐ－金属窒化物膜の仕事関数を調整するために、プロセスパラメータが全体に調整され得るように、他の追加の反応物または条件を使用することができる。例えば、いくつかの用途では、パージなどによる除去によってのみ分離された、同じ反応物の２つの連続したパルスを供給することが、有利な場合がある。さらに、いくつかの用途では、本開示のｐ－金属膜を形成するために上記のように反応性ガスを適用する前に、パージなどによる除去によってのみ分離されて、タングステン前駆体パルスの前にチタン前駆体パルスを供給することが、有利な場合がある。さらに図２を参照すると、方法２００は、所望のｐ－仕事関数を有するように、基板上に１つ以上のｐ－金属仕事関数膜を形成することに関する。プロセスシーケンス２０２において、方法２００は、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、反応の１つ以上のプロセスパラメータを調整することを含む。さらに２０４において、方法２００は、基板を、１種以上の金属源化学物質および１種以上の反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと交互かつ順次に接触させて、所望の仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成することを含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整するための１つ以上のプロセスパラメータは、基板の温度、時間的に分離された気相パルスの持続時間、または反応の圧力のうちの１つ以上である。一実施形態では、１つのプロセスパラメータは、本開示による事前選択または調整に適した基板の温度である。一実施形態では、１つのプロセスパラメータは、本開示による事前選択または調整に適した時間的に分離された気相パルスの持続時間である。一実施形態では、反応の圧力は、本開示による事前選択または調整に適したプロセスパラメータである。一実施形態では、本明細書で使用するのに適した金属源化学物質は、タングステン前駆体およびチタン前駆体を含み、タングステン前駆体およびチタン前駆体は、１：９９から９９：１までの間の比で適用される。

【0026】

［００３０］図３は、本開示の実施形態による、交互かつ順次的な堆積プロセスを一般的に示すフローチャートである。実施形態では、プロセスパラメータが、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を調整して、所望のｐ－仕事関数値を達成するように、例えば、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整することによって、３０２において調整される。実施形態では、第１の前駆体が、第１の前駆体パルス３０４において、基板に供給され、基板の開口部に供給される。少なくとも堆積が望まれる全ての表面に到達するのに十分な、タングステン前駆体などの前駆体が供給された後、過剰な第１の反応物（および任意の反応副生成物）が、第１の除去またはパージ３０５で除去される。除去またはパージ３０５は、真空へのポンプダウンを含むことができる。ただし、除去は、パージとして不活性ガスを供給することによっても達成できる。基板上の反応空間における第１の前駆体と第２の前駆体との間の望ましくない気相反応は、除去によって回避され、除去は、相互に反応する反応物の空間的および時間的分離を確保しながら可能な限り短くなるように最適化されている。第１の前駆体パルス３０４および第１の除去またはパージ３０５は、一緒になって、第１の反応物の段階を表す。

【0027】

［００３１］続いて、気相のチタン前駆体などの第２の前駆体が、第２の前駆体パルス３０６において、基板に供給され、基板の開口部に供給される。少なくとも堆積が望まれる全ての表面に到達するのに十分な第２の前駆体が供給された後、過剰な第２の前駆体（および任意の反応副生成物）は、不活性ガスによるパージを含み得る第２の除去３０７で除去される。第２の前駆体パルス３０６および第２の除去３０７は、一緒になって、第２の段階を表す。図３の第２の前駆体パルス３０６は、第２の前駆体パルス３０６および反応性ガスパルス３０８が任意選択で交換可能である実施形態を示すために、想像線で示されている。例えば、以下に記載される反応性ガスパルス３０８は、パージ３０５の次に来ることができ、第２の前駆体パルス３０６は、任意選択で、第２の除去３０７の次に来ることができる。

【0028】

［００３２］気相のアンモニア、ヒドラジン、またはそれらの組み合わせなどの反応性ガスが、反応性ガスパルス３０８で基板に供給され、基板の開口部に供給される。少なくとも堆積が望まれる全ての表面に到達するのに十分な反応性ガスが供給された後、過剰な反応性ガス（および任意の反応副生成物）は、不活性ガスによるパージを含み得る第３の除去３０９で除去される。反応性ガスパルス３０８および第３の除去３０９は、一緒になって、第３の段階を表し、第１、第２、および第３の段階は、一緒になって、交互かつ順次的な堆積プロセスのサイクルを表す。次に、このサイクルは、所望の厚さの膜が形成されるまで、所望の回数繰り返される。さらに、上記のように、プロセスパラメータ３０２が、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のしきい値電圧に調整するように、本開示に従って変更されることができる。

【0029】

［００３３］実施形態では、第１の前駆体および第２の前駆体は、プラズマ活性化され得る。例えば、プラズマ活性化前駆体は、基板上面の真上にある反応器内でインシトゥ（その場）で活性化され、基板全体に活性化種の均一な供給を提供する。

【0030】

［００３４］図４を参照すると、実施形態では、本開示の窒化タングステン膜４０２は、ＰＯＭＳトランジスタ４００での使用に適しており、例えば、第１の表面を含む１０ナノメートル未満のノードに適した基板４０４と、基板の上面に配置された１０から５０オングストロームの厚さを有する仕事関数金属であって、所定の所望の仕事関数を備える仕事関数金属と、を含むＰＭＯＳトランジスタ４００での使用に適している。実施形態では、ＰＭＯＳトランジスタは、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）およびそれらの組み合わせを含む膜、例えば、ＷＴｉＮＣ膜またはＷｘＴｉｙＮＣ膜などの膜を含むｐ－金属仕事関数窒化物膜を含む。実施形態では、ｐ－金属仕事関数窒化物膜は、事前に決定された所望の仕事関数を有する。例えば、本開示のｐ－金属膜の所望の仕事関数は、４．８ｅＶより大きい、または４．８ｅＶより大きく約５．０ｅＶまで、４．９ｅＶから５．０ｅＶまで、約４．９ｅＶから約５．０ｅｖまで、約５．０ｅＶ、または５．０ｅＶであることをターゲットし、事前に決定することができる。

【0031】

［００３５］ここで図５を参照すると、本開示による、所望の仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜を基板上に形成するのに適したプロセスチャンバ１６が示されている。実施形態では、プロセスチャンバ１６は、ＣＶＤモードおよび周期的堆積モード（ＡＬＤ）の両方で動作するように構成され得る。図５を参照すると、ウェハを支持するのに適した、支持シャフト４８ａに接続された支持ペデスタル４８を含むヒーター／リフトアセンブリ４６が、プロセスチャンバ１６内に配置されている。リッドアセンブリ２０が閉位置にあるとき、支持ペデスタル４８は、支持シャフト４８ａとリッドアセンブリ２０との間に配置される。支持シャフト４８ａは、支持ペデスタル４８から、ハウジング１４に形成された通路を通って、リッドアセンブリ２０から離れる方向に延びている。ベローズ５０が、支持シャフト４８ａとハウジング１４との間からプロセスチャンバ１６への漏れを防ぐために、リッドアセンブリ２０の反対側に配置されたハウジング１４の部分に取り付けられている。ヒーター／リフトアセンブリ４６は、プロセスチャンバ１６内で垂直に移動させることができ、その結果、支持ペデスタル４８とリッドアセンブリ２０との間の距離を制御することができる。センサ（図示せず）が、プロセスチャンバ１６内の支持ペデスタル４８の位置に関する情報を提供する。

【0032】

［００３６］支持ペデスタル４８は、その温度を監視するために使用され得る埋め込まれた熱電対５０ａを含む。例えば、熱電対５０ａからの信号は、電源５２によってヒーター要素５２ａに加えられる電力を制御するためにフィードバックループで使用され得る。ヒーター要素５２ａは、支持ペデスタル４８内にまたは支持ペデスタル４８と接触して配置されて、その温度を制御するために利用される抵抗性ヒーター要素または他の熱伝達装置であり得る。任意選択で、支持ペデスタル４８は、熱伝達流体（図示せず）を使用して加熱されてもよい。

【0033】

［００３７］支持ペデスタル４８は、窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウムを含む任意のプロセス適合性材料から形成することができ、また、真空を使用してその上に基板（図示せず）を保持するように構成されてもよく、すなわち、支持ペデスタル４８は、真空チャックであってもよい。そのために、支持ペデスタル４８は、支持シャフト４８ａを通って引かれた真空チューブを介してポンプシステムなどの真空源と流体連通するように配置された複数の真空穴（図示せず）を含み得る。

【0034】

［００３８］ライナーアセンブリが、プロセスチャンバ１６内に配置され、円筒形部分５４および平面部分を含む。円筒形部分５４および平面部分は、アルミニウム、セラミックなどの任意の適切な材料から形成することができる。円筒形部分５４は、支持ペデスタル４８を取り囲んでいる。円筒形部分５４は、ハウジング１４の側壁１４ｂに配置されたスリットバルブ開口部４４と整列して、プロセスチャンバ１６からの基板の出入りを可能にするアパーチャ６０を、さらに含む。

【0035】

［００３９］ポンピングチャネル６２が、リッドアセンブリ２０に近接するプロセスチャンバ１６の側壁１４ｂに沿って配置されている。ポンピングチャネル６２は、複数のアパーチャを含み、そのうちの１つが、第１のアパーチャ６２ａとして示されている。ポンピングチャネル６２は、導管６６によってポンプシステム１８に結合された第２のアパーチャ６２ｂを含む。スロットルバルブ１８Ａが、ポンピングチャネル６２とポンプシステム１８との間に結合されている。ポンピングチャネル６２、スロットルバルブ１８Ａおよびポンプシステム１８は、プロセスチャンバ１６からの流れの量を制御する。プロセスチャンバ１６と連通している第１のアパーチャ６２ａなどのアパーチャのサイズおよび数および位置は、支持ペデスタル４８およびその上に着座したときの基板上における、リッドアセンブリ２０を出たガスの均一な流れを達成するように構成される。プロセスおよび／または他の流体の複数の供給部６８ａ、６８ｂおよび６８ｃが、ハウジング１４、リッドアセンブリ２０、およびガスマニホルド３４を通って形成された一連の導管（図示せず）を介して、バルブ３２ａ、３２ｂまたは３２ｃの１つと流体連通している。

【0036】

［００４０］コントローラ７０が、システム１０の様々な構成要素の動作を調整する。コントローラ７０は、ランダムアクセスメモリ７４およびハードディスクドライブ７６などのメモリとデータ通信するプロセッサ７２を含み、少なくともポンプシステム１８、電源５２、ならびにバルブ３２ａ、３２ｂ、および３２ｃと通信している。

【0037】

［００４１］任意のタイプのプロセス流体を使用することができるが、プロセス流体の一例は、上記のタングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスであり、任意選択でパージ流体である。チャンバ圧力は、上記のような圧力範囲内であり得、支持ペデスタル４８は、基板が、本明細書に記載の上記の温度などの設定温度に維持され得るように、加熱される。実施形態では、タングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスなどのプロセス流体は、Ａｒなどのキャリア流体とともにプロセスチャンバ１６内に流されてもよい。ただし、パージ流体は、キャリア流体または前駆体、または共反応物とは異なってもよい。

【0038】

［００４２］本開示による気相堆積の実施形態では、方法は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するために、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整することによって、プロセスチャンバ１６などのプロセスチャンバ内で化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスを実行することを含む。実施形態では、プロセスチャンバは、基板を、１種以上のタングステン前駆体、１種以上のチタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成するのに適している。

【0039】

［００４３］いくつかの実施形態では、本開示による気相堆積の実施形態は、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するために、反応の１つ以上のプロセスパラメータを調整することによって、プロセスチャンバ１６などのプロセスチャンバ内で化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスを実行することを含む方法を含む。実施形態では、プロセスチャンバは、基板を、１種以上の金属源化学物質および１種以上の反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと交互かつ順次に接触させて、所望の仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成するように構成される。

【0040】

別の実施形態では、実行されると、本開示による基板処理などの堆積方法を引き起こす命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。例えば、実施形態では、実行されると、堆積チャンバ内で、または堆積チャンバを通って処理される基板処理方法を引き起こす命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、基板処理方法は、ｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、基板の温度、１つ以上の時間的に分離された気相パルスの持続時間、タングステン前駆体とチタン前駆体の比、または反応の圧力のうちの１つ以上を調整すること、ならびに基板を、タングステン前駆体、チタン前駆体、および反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと接触させて、所望のｐ－仕事関数を有するｐ－金属仕事関数窒化物膜をその上に形成することを含む。

【0041】

別の実施形態では、実行されると、本開示による基板処理などの堆積方法を引き起こす命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。例えば、実施形態では、実行されると、堆積チャンバ内で、または堆積チャンバを通って処理される基板処理方法を引き起こす命令が格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、基板処理方法は、１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜の仕事関数を所望のｐ－仕事関数に調整するように、反応の１つ以上のプロセスパラメータを調整すること、ならびに基板を、１種以上の金属源化学物質および１種以上の反応性ガスの時間的に分離された気相パルスと交互かつ順次に接触させて、所望の仕事関数を有する１つ以上のｐ－金属仕事関数窒化物膜を形成することを含む。

【0042】

［００４４］上記の実施形態は、例示的な方法でのみ説明されており、添付の特許請求の範囲によって画定される保護範囲から逸脱することなく、変形例が存在し得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】