TWI845743B - 用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法及包括氮化鉬膜之相關半導體裝置結構 - Google Patents

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Abstract

揭示用於將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法。方法可包括：將基板提供至反應室中；且藉由執行循環沉積製程之一或多個單元沉積循環而將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上，其中單元沉積循環可包括：使基板與包含鹵化鉬前驅物之第一氣相反應物接觸，且使基板與包含氮前驅物之第二氣相反應物接觸。亦揭示包括氮化鉬膜之半導體裝置結構。

Description

用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法及包括氮化鉬膜之相關半導體裝置結構
[ 相關申請案之交叉參考 ]
本申請案主張於2019年8月23日申請且標題為「用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法及包括氮化鉬膜之相關半導體裝置結構(METHODS FOR DEPOSITING A MOLYBDENUM NITRIDE FILM ON A SURFACE OF A SUBSTRATE BY A CYCLICAL DEPOSITION PROCESS AND RELATED SEMICONDUCTOR DEVICE STRUCTURES INCLUDING A MOLYBDENUM NITRIDE FILM)」之美國臨時專利申請案第62/891,254號之優先權，該申請案特此以引用之方式併入本文中。本申請案係關於2019年8月23日申請的標題為「用於在基板表面上形成多晶鉬膜之方法及包括多晶鉬膜之相關結構(METHODS FOR FORMING A POLYCRYSTALLINE MOLYBDENUM FILM OVER A SURFACE OF A SUBSTRATE AND RELATED STRUCTURES INCLUDING A POLYCRYSTALLINE MOLYBDENUM FILM)」之美國臨時專利申請案第62/891,247號，該申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
本發明大體上係關於用於將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法及用於藉由循環沉積製程沉積氮化鉬膜之特定方法。本發明大體上亦係關於包括氮化鉬膜之半導體裝置結構。
互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)技術習知地利用n型及p型多晶矽作為閘電極材料。然而，摻雜多晶矽可能並非用於先進技術節點之理想閘電極材料。舉例而言，儘管摻雜多晶矽為導電的，但仍可能存在可在偏壓下耗乏載流子之表面區域。此耗乏區可呈現為額外閘極絕緣體厚度，通常稱作閘極耗乏，且可增加等效氧化物厚度。儘管閘極耗乏區可能極薄，呈約數埃(Å)，但在閘極氧化物厚度在先進技術節點中減小時，其可能變得顯著。另外，對於NMOS及PMOS裝置兩者而言，多晶矽並未展現理想的有效功函數(effective work function, eWF)。為克服摻雜多晶矽之非理想有效功函數，可利用臨限電壓調整植入。然而，隨著裝置幾何形狀在先進技術節點中減小，臨限電壓調整植入過程可能變得愈來愈複雜。
為克服與摻雜多晶矽閘電極相關聯之問題，非理想摻雜多晶矽閘極材料可用替代材料替換，諸如金屬、金屬氮化物及金屬碳化物。舉例而言，金屬氮化物膜之特性可用以為NMOS及PMOS裝置兩者提供更理想的有效功函數，其中閘電極之有效功函數，亦即提取電子所需之能量，可與半導體材料之障高相容。舉例而言，在PMOS裝置之情況下，有效功函數為約5.0-5.2 eV，且在NMOS裝置之情況下，有效功函數為約4.1-4.3 eV。
因此，需要用於形成具有較佳有效功函數之NMOS裝置及PMOS裝置兩者之低電阻率閘電極的方法。
提供本發明內容來以簡化形式介紹一系列概念。此等概念在以下揭示內容之例示性具體例之詳細描述中加以進一步詳述。本發明內容並不意欲鑑別所主張之主題的關鍵特徵或基本特徵，亦不意欲用以限制所主張之主題的範疇。
在一些具體例中，提供用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法。方法可包含：將基板提供至反應室中；且藉由執行循環沉積製程之一或多個單元沉積循環而將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上，其中單元沉積循環包含：使基板與包含鹵化鉬前驅物之第一氣相反應物接觸；且使基板與包含氮前驅物之第二氣相反應物接觸。
在本發明之一些具體例中，提供包括氮化鉬膜之半導體裝置結構。本發明之半導體裝置結構可包含：半導體通道區；及直接安置於半導體通道區上之閘極堆疊結構，其中閘極堆疊結構包含：直接安置於半導體通道區上之閘極介電質；及直接安置於閘極介電質上之氮化鉬膜。
出於概述本發明及所達成之優於先前技術之優點的目的，已在上文中描述本發明之某些目標及優點。當然，應理解，可無須根據本發明之任何特定具體例來達成所有此類目標或優點。因此，舉例而言，熟悉本技藝者應認識到，本發明可以如本文所教示或建議達成或最佳化一個優點或一組優點而無須達成如本文可能教示或建議之其他目標或優點的方式實施或執行。
所有此等具體例皆意欲在本文所揭示之本發明之範疇內。此等及其他具體例將自以下參見附圖的某些具體例之詳細描述而對熟悉本技藝者變得顯而易見，但本發明並不受限於所揭示之任何一或多個特定具體例。
儘管在下文中揭示某些具體例及實施例，但熟悉本技藝者將理解，本發明延伸超出本發明所具體揭示之具體例及/或用途以及其明顯修改及等效物。因此，希望所揭示之本發明之範疇不應受下文所描述之特定揭示之具體例限制。
本文所呈現之圖示並不意欲為任何特定材料、結構或裝置之實際視圖，而僅為用於描述本發明之具體例的理想化表示。
如本文所用，術語「基板」可指任何底層材料或可使用其或在其上可形成裝置、電路或膜之材料。
如本文所用，術語「循環沉積(cyclical deposition)」可指將兩種或更多種前驅物(反應物)依序引入反應室中以在基板上方沉積膜且包括諸如原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)及循環化學氣相沉積(cyclical chemical vapor deposition, 循環CVD)之沉積技術。
如本文所用，術語「循環化學氣相沉積(cyclical chemical vapor deposition)」可指任何製程，其中基板依序暴露於兩種或更多種揮發性前驅物，該等前驅物在基板上反應及/或分解以沉積膜。
如本文所用，術語「原子層沉積」(ALD)可指氣相沉積製程，其中在反應室中進行沉積循環，較佳複數個連續沉積循環。通常，在各單元沉積循環期間，將前驅物化學吸附於沉積表面(例如，基板表面或先前沉積之底層表面，諸如來自先前ALD循環之材料)，形成不容易與額外前驅物反應(亦即，自限反應(self-limiting reaction))之單層或次單層。其後，若需要，可隨後將反應物(例如，另一前驅物或反應氣體)引入反應室中以用於將化學吸附之前驅物轉化為沉積表面上之所需材料。通常，此反應物能夠進一步與前驅物反應。此外，在各單元沉積循環期間，亦可利用吹掃步驟，以在化學吸附之前驅物轉化之後，自反應室移除過量前驅物及/或自反應室移除過量反應物及/或反應副產物。此外，當用一或多種前驅物組成物、反應氣體及吹掃氣體(例如，惰性運載氣體)之交替脈衝執行時，如本文所用之術語「原子層沉積」亦意謂包括由相關術語所表示之製程，諸如「化學氣相原子層沉積」、「原子層磊晶(atomic layer epitaxy；ALE)」、分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)、氣體源MBE、有機金屬MBE及化學束磊晶。
如本文所用，術語「膜」可指藉由本文所揭示之方法形成之任何物理上連續或物理上不連續的結構及材料。舉例而言，「膜」可包括2D材料、奈米層合物、奈米棒、奈米管、奈米粒子、或甚至部分或全部分子層、或部分或全部原子層或原子及/或分子之群集。「膜」可包含具有針孔但仍至少部分地物理上連續的材料或層。
如本文所用，術語「氮化鉬膜」可指包含至少鉬組分及氮組分之膜。
如本文所用，術語「鹵化鉬前驅物」可指包含至少鉬組分及鹵化物組分之反應物，其中該鹵化物組分可包括氯組分、碘組分或溴組分中之一或多者。
如本文所用，術語「硫化鉬鹵化物」可指包含至少鉬組分、鹵化物組分及硫族元素組分之反應物，其中硫族元素為元素週期表之第IV族之元素，包括氧(O)、硫(S)、硒(Se)及碲(Te)。
如本文所用，術語「鹵氧化鉬」可指至少包含鉬組分、氧組分及鹵化物組分之反應物。
如本文所用，術語「還原劑」可指在氧化還原化學反應中將電子供給另一物種之反應物。
如本文所用，術語「結晶膜」可指顯示至少短程有序或甚至長程有序之結晶結構的膜，且包括單晶膜以及多晶膜。
如本文所使用，術語「非晶形膜」可指實質上不顯示如在結晶膜中觀測到之有序結晶結構的膜。
如本文所用，術語「氣體」可指蒸氣或汽化固體及/或汽化液體，且可由單一氣體或氣體混合物構成。
本發明之具體例包括可用以沉積氮化鉬膜之方法及包括根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜的相關半導體裝置結構。在本發明之一些具體例中，舉例而言，氮化鉬膜可形成閘極堆疊之一部分，諸如電晶體裝置結構之閘電極之至少一部分。基於氮化鉬膜之閘電極可為PMOS及NMOS裝置兩者提供具有較佳有效功函數之閘極堆疊。
用於形成閘電極之現有功函數金屬可歸因於其不合適的有效功函數值而具有侷限性。舉例而言，已知材料之有效功函數可隨其厚度而變化。因此，隨著裝置幾何形狀在先進技術節點中減小，對應裝置膜(諸如閘電極之功函數金屬)的厚度亦可隨著總體閘極堆疊之有效功函數之值的關聯改變而減小厚度。閘極堆疊之有效功函數之此類改變可產生對於NMOS及PMOS裝置結構兩者非理想的有效功函數。
在本發明之一些具體例中，所沉積之氮化鉬膜之電阻率可為改良半導體裝置效率之重要參數，諸如在其中氮化鉬膜可用作閘電極、襯料(例如，在記憶體應用中)、障壁層材料、罩蓋材料(capping material)或接觸層之一部分的應用中。如上文所論述，下一代技術節點可能需要不斷減小的膜厚度。然而，隨著導電膜之膜厚度減小，導電膜之電阻率可能增加，從而導致相關聯半導體裝置結構中之效率出現損耗。作為一非限制性實施例，本發明之氮化鉬膜可用作半導體裝置結構中當前採用之常見氮化鈦膜的替代物。因此，與在可比厚度之氮化鈦膜中通常達成之電阻率相比，本發明之氮化鉬膜可具有較低電阻率。
因此，本發明之具體例可包括用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法。方法可包含：將基板提供至反應室中；且藉由執行循環沉積製程之一或多個單元沉積循環而將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上，其中單元沉積循環包含：使基板與包含鹵化鉬前驅物之第一氣相反應物接觸；且使基板與包含氮前驅物之第二氣相反應物接觸。
本文所揭示之將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上之方法可包含循環沉積製程，諸如原子層沉積(ALD)或循環化學氣相沉積(循環CVD)。
循環沉積方法之非限制性例示性具體例可包括原子層沉積(ALD)，其中ALD通常係基於自限反應，由此依序及交替反應物脈衝用以每單元沉積循環沉積約一個原子(或分子)材料單層。沉積條件及前驅物通常經選擇以提供自飽和反應，使得一個反應物之吸收層留下不與相同反應物之氣相反應物反應的表面終止。隨後使基板與不同反應物接觸，該反應物與先前終止反應以使得繼續沉積。因此，交替脈衝之各循環通常留下不超過約一個所需材料之單層。然而，如上文所提及，熟悉本技藝者將認識到，在一或多個ALD循環中，可沉積超過一個材料單層，例如在不管製程之交替性質如何發生某些氣相反應的情況下。
在用於直接在基板表面上沉積氮化鉬膜之例示性ALD製程中，單元沉積循環可包含：使基板暴露於第一氣相反應物，自反應室移除任何未反應之第一反應物及反應副產物，且使基板暴露於第二氣相反應物，隨後進行第二移除步驟。在本發明之一些具體例中，第一氣相反應物可包含鹵化鉬前驅物且第二氣相反應物可包含氮前驅物。
前驅物可藉由惰性氣體(諸如氬氣(Ar)或氮氣(N2 ))分離，以防止反應物之間發生氣相反應且能夠進行自飽和表面反應。然而，在一些具體例中，可移動基板以與第一氣相反應物及第二氣相反應物分別接觸。由於反應自飽和，所以可能不需要對基板進行嚴格溫度控制且對前驅物進行精確劑量控制。然而，基板溫度較佳使得送入的氣體物種不會冷凝成單層，亦不會在表面上分解。在使基板與下一反應性化學物質接觸之前，諸如藉由吹掃反應空間或藉由移動基板，自基板表面移除過剩化學物質及反應副產物(若存在)。藉助於惰性吹掃氣體，非所需氣態分子可有效地自反應空間排出。真空泵可用以輔助吹掃。
能夠進行循環沉積製程之反應器可用以沉積如本文所描述之氮化鉬膜。此類反應器包括經組態以提供前驅物之ALD反應器以及CVD反應器。根據一些具體例，可使用簇射頭式反應器(showerhead reactor)。根據一些具體例，可使用叉流式、分批式、小型分批式或空間式ALD反應器。
在本發明之一些具體例中，可使用分批式反應器。在一些具體例中，可使用垂直分批式反應器。舉例而言，垂直分批式反應器可包含反應室及升降機，升降機經構造及佈置以將經組態用於支撐10至200個之間的基板之批次的舟皿移入或移出反應室。在其他具體例中，分批式反應器包含經組態以(configured to)容納10個或更少晶圓、8個或更少晶圓、6個或更少晶圓、4個或更少晶圓或2個或更少晶圓之小型分批式反應器。在使用分批式反應器之一些具體例中，晶圓間之不一致性小於3% (1σ)、小於2%、小於1%或甚至小於0.5%。
本文所描述之例示性循環沉積製程可選擇地在反應器及連接至群集工具之一或多個相關反應室中進行。在群集工具中，因為各反應室專用於一種類型之製程，所以各模組中之反應室之溫度可保持恆定，其相較於在各輪次前將基板加熱至製程溫度的反應器可提高處理量。另外，在群集工具中，可減少將反應室泵至基板之間所需的製程壓力之時間。在本發明之一些具體例中，本文所揭示之用於沉積氮化鉬膜之例示性循環沉積製程可在包含多個反應室之群集工具中進行，其中各個別反應室可用以將基板暴露於個別前驅氣體且基板可在不同反應室之間轉移以用於暴露於多種前驅物，基板轉移係在受控環境下進行以防止基板污染。在本發明之一些具體例中，本文所描述之循環沉積製程可在包含多個反應室之群集工具中進行，其中各個別反應室可經組態以將基板加熱至不同溫度。
獨立式反應器可配備有負載鎖定件(load-lock)。在彼情況下，在各輪次之間無須冷卻反應室。
根據本發明之一些非限制性具體例，ALD製程可用以將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上。在本發明之一些具體例中，各ALD單元沉積循環可包含兩個不同沉積步驟或階段。在單元沉積循環之第一階段(「鉬階段」)中，可使需要沉積之基板表面與包含化學吸附至基板表面上之鉬前驅物的第一氣相反應物接觸，從而在基板表面上形成不超過約一個反應物物種單層。在單元沉積循環之第二階段(「氮階段」)中，可使需要沉積之基板表面與包含氮前驅物之第二氣相反應物接觸。
參看圖1，可理解用於將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上之例示性循環沉積製程，其繪示用於將氮化鉬膜沉積於基板表面上之例示性原子層沉積製程100。
更詳細而言，圖1繪示包括循環沉積階段105之例示性氮化鉬沉積製程100。例示性原子層沉積製程100可開始於製程框110，其包含將基板提供至反應室中且將基板加熱至所需沉積溫度。
在本發明之一些具體例中，基板可包含平面基板或經圖案化基板，其包括高縱橫比特徵，諸如垂直溝槽、水平溝槽、垂直間隙特徵、水平間隙特徵及/或鰭結構。基板可包含一或多種材料，包括(但不限於)半導體材料、介電材料及金屬材料。基板亦可包含一或多個暴露表面，包括(但不限於)半導體表面、介電質表面及金屬表面。
在一些具體例中，基板可包括半導體材料，諸如但不限於矽(Si)、鍺(Ge)、鍺錫(GeSn)、矽鍺(SiGe)、矽鍺錫(SiGeSn)、碳化矽(SiC)或第III-V族半導體材料。
在一些具體例中，基板可包括介電材料，諸如但不限於含矽介電材料及金屬氧化物介電材料。在一些具體例中，基板可包含一或多種含矽介電材料/表面，諸如但不限於二氧化矽(SiO2 )、亞氧化矽、氮化矽(Si3 N4 )、氮氧化矽(SiON)、碳氧化矽(SiOC)、氮化碳氧化矽(SiOCN)、氮化碳矽(SiCN)。在一些具體例中，基板可為一或多種金屬氧化物材料/表面，諸如但不限於氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鈦(TiO2 )、矽酸鉿(HfSiOx )及氧化鑭(La2 O3 )。
在一些具體例中，基板可包含經工程改造之基板，其中表面半導體層安置於本體支撐件上方，伴隨中間內埋氧化物(buried oxide, BOX)安置於其之間。
經圖案化基板可包含可包括形成於基板之表面中或形成至基板之表面上之半導體裝置結構的基板。舉例而言，半導體裝置結構可包含部分製造之半導體裝置結構，諸如電晶體及/或記憶體元件。在一些具體例中，基板可含有單晶表面及/或可包含非單晶表面之一或多個次表面，諸如多晶表面及/或非晶形表面。
用於沉積之反應室可為原子層沉積反應室，或化學氣相沉積反應室，或如本文先前所描述之反應室中之任一者。
在製程框110(圖1)之一些具體例中，可將基板加熱至沉積溫度以用於後續循環沉積階段105。舉例而言，基板可加熱至低於約700 ℃、或低於約600 ℃、或低於約500 ℃、或低於約400 ℃、或低於約300 ℃、或甚至低於約200 ℃之基板溫度。在一些具體例中，在循環沉積製程100期間之基板溫度可在約200℃與700 ℃之間、或在約350 ℃與600 ℃之間、或在約450 ℃與550 ℃之間。
除了達成所需沉積溫度，亦即所需基板溫度之外，例示性循環沉積製程100亦可在膜沉積期間調節反應室內之壓力。舉例而言，在一些具體例中，例示性循環沉積製程100可在調節至低於300托、或低於200托、或低於100托、或低於50托、或低於30托、或低於10托、或低於5托、或甚至低於2托之壓力的反應室內進行。在一些具體例中，沉積期間反應室內之壓力可在約2托與300托之間、或在約30托與80托之間的壓力下調節。
一旦將基板加熱至所需沉積溫度且調節反應室內之壓力，則例示性循環沉積製程100(例如，ALD製程)可藉助於製程框120以循環沉積階段105繼續，該製程框包含使基板與包含鹵化鉬前驅物(亦即，鉬前驅物)之第一氣相反應物接觸。
在本發明之一些具體例中，鹵化鉬前驅物可包含氯化鉬前驅物、溴化鉬前驅物或碘化鉬前驅物。舉例而言，作為一非限制性實施例，氯化鉬可包含以下中之一或多者：五氯化鉬(MoCl5 )或六氯化鉬(MoCl6 )。
在一些具體例中，鹵化鉬前驅物可包含硫化鉬鹵化物前驅物，諸如選自由包含以下之群的鹵氧化鉬前驅物：氯氧化鉬、碘氧化鉬及/或溴氧化鉬。在一些具體例中，鉬前驅物可包含氯氧化鉬，其包含以下中之一或多者：三氯氧化鉬(V) (MoOCl3 )、四氯氧化鉬(VI) (MoOCl4 )或二氯二氧化鉬(IV) (MoO2 Cl2 )。
在替代性具體例中，第一氣相反應物，亦即鉬前驅物可包含金屬有機鉬前驅物，諸如Mo(NMe2 )4 、Mo(NEt2 )4 、Mo2 (NMe2 )6 、Mo(tBuN)2 (NMe2 )2 、Mo(tBuN)2 (NEt2 )2 、Mo(NEtMe)4 、Mo(NtBu)2 (StBu)2 、Mo(NtBu)2 (iPr2 AMD)2 Mo(thd)3 、MoO2 (acac)­、MoO2 (thd)2 及/或MoO2 (iPr2 AMD)2 第一氣相反應物可包含有機金屬鉬化合物，其包括(但不限於)含有環戊二烯基(Cp)配位體、η6 -芳烴配位體及羰基配位體，諸如Mo(CO)6 、 Mo(Cp)2 H2 、Mo(iPrCp)2 H2 、Mo(η6 -乙苯)2 、MoCp(CO)2 (η3 -烯丙基)、MoCp(CO)2 (NO)、Mo(苯)2 、MoCp2 Cl2 及NMe)3 ，以及其變體。
在本發明之至少一個具體例中，第一氣相反應物可包含雙(第三丁基亞胺基)雙(二甲胺基)鉬(VI)。第一氣相反應物可與第二氣相反應物反應，其中第二氣相反應物可包含氨氣。所得氮化鉬膜可具有適用於pMOS功函數金屬應用之功函數值、電阻率及平帶位移(flatband shift)。舉例而言，此可部分歸因於相比於鈦或釩，鉬之較高電負性。另外，氮化鉬之較低電阻率使得有效功函數較高。
在本發明之一些具體例中，使基板與鹵化鉬前驅物接觸可包含在約0.1秒與約60秒之間、或在約0.1秒與約10秒之間、或甚至在約0.5秒與約5.0秒之間的接觸時段。另外，在基板與鹵化鉬前驅物接觸期間，鹵化鉬前驅物之流動速率可小於1000 sccm、或小於500 sccm、或小於100 sccm、或小於10 sccm、或甚至小於1 sccm。另外，在基板與鹵化鉬前驅物接觸期間，鉬前驅物之流動速率可在約1 sccm至2000 sccm、約5 sccm至1000 sccm或約10 sccm至約500 sccm範圍內。
用於如藉由圖1之製程100沉積氮化鉬膜之例示性循環沉積製程可藉由吹掃反應室而繼續。舉例而言，過量鹵化鉬前驅物及反應副產物(若存在)可例如藉由用惰性氣體抽汲自基板表面移除。在本發明之一些具體例中，吹掃製程可包含吹掃循環，其中將基板表面吹掃持續小於約5秒、或小於約3秒、或小於約2秒，在約2至5秒之間的時段。過量鹵化鉬前驅物及任何可能的反應副產物可藉助於由與反應室流體連通之抽汲系統產生之真空來移除。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與第一氣相反應物接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程100可藉助於製程框130以循環沉積階段105之第二階段繼續，該製程框包含使基板與第二氣相反應物接觸，且特定言之使基板與包含氮前驅物之第二氣相反應物接觸(「氮階段」)。
在本發明之一些具體例中，氮前驅物可包含以下中之至少一者：分子氮(N2 )、氨氣(NH3 )、肼(N2 H4 )、肼衍生物或氮基電漿。在一些具體例中，肼衍生物可包含烷基-肼，其包括以下中之至少一者：第三丁肼(C4 H9 N2 H3 )、甲肼(CH3 NHNH2 )、1,1-二甲肼((CH3 )2 N2 H2 )、1,2-二甲肼、乙肼、1,1-二乙肼、1-乙基-1-甲肼、異丙肼、苯肼、1,1-二苯肼、1,2-二苯肼、N-胺基哌啶、N-胺基吡咯、N-胺基吡咯啶、N-甲基-N-苯肼、1-胺基-1,2,3,4-四氫喹啉、N-胺基哌𠯤、1,1-二苯肼、1,2-二苯肼、1-乙基-1-苯肼、1-胺基吖𠰢、1-甲基-1-(間甲苯基)肼、1-乙基-1-(對甲苯基)肼、1-胺基咪唑、1-胺基-2,6-二甲基哌啶、N-胺基氮丙啶或偶氮基-第三丁烷。在一些具體例中，氮基電漿可藉由將RF功率施加至含氮氣體而產生，且氮基電漿可包含原子氮(N)、氮離子、氮自由基及氮之激發物種。在一些具體例中，氮基電漿可進一步包含額外反應性物種，諸如藉由添加另一氣體。
在本發明之一些具體例中，使基板與氮前驅物接觸可包含在約0.01秒與約180秒之間、或在約0.05秒與約60秒之間、或甚至在約0.1秒與約10.0秒之間的接觸時段。在一些具體例中，可使基板暴露於氮前驅物持續小於60秒、或小於30秒、或小於15秒、或甚至小於5秒之時段。在一些具體例中，可使基板暴露於氮前驅物持續5秒與60秒之間或5秒與30秒之間的時段。另外，在基板與氮前驅物接觸期間，氮前驅物之流動速率可為小於30 slm、或小於15 slm、或小於10 slm、或小於5 slm、或小於2 slm、或甚至小於1 slm。另外，在基板與氮前驅物接觸期間，氮前驅物之流動速率可在約0.1 slm至30 slm、約2 slm至15 slm或等於或大於2 slm範圍內。
一旦使基板與氮前驅物接觸，則例示性循環沉積製程100可藉由吹掃反應室進行，如本文先前所描述。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與氮前驅物接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程100之循環沉積階段105可利用決策閘140繼續，其中決策閘140視所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度而定。舉例而言，若所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度不足以用於所需裝置應用，則可藉由返回至製程框120且繼續通過另一單元沉積循環來重複循環沉積階段105，其中單元沉積循環可包含使基板與鹵化鉬前驅物接觸(製程框120)、吹掃反應室、使基板與氮前驅物接觸(製程框130)及再次吹掃反應室。在一些具體例中，循環沉積階段105之單元沉積循環可在引入前驅物之後省略吹掃循環。
循環沉積階段105之單元沉積循環可重複一或多次，直至所需平均膜厚度之氮化鉬膜沉積於基板上。一旦氮化鉬膜已沉積至所需平均膜厚度，則例示性循環沉積製程100可經由製程框150結束，且具有沉積於其上之氮化鉬膜的基板可經受進一步處理以用於形成例如半導體裝置結構。
應瞭解，在本發明之一些具體例中，基板與第一氣相反應物(例如，鉬前驅物)及第二氣相反應物(例如，氮前驅物)接觸之次序可使得基板首先與第二氣相反應物接觸，隨後與第一氣相反應物接觸。另外，在一些具體例中，例示性循環沉積製程100之循環沉積階段105可包含在使基板與第二氣相反應物接觸一或多次之前使基板與第一氣相反應物接觸一或多次。另外，在一些具體例中，例示性循環沉積製程100之循環沉積階段105可包含在使基板與第一氣相反應物接觸一或多次之前使基板與第二氣相反應物接觸一或多次。
在一些具體例中，本文所描述之循環沉積製程可包含混合ALD/CVD或循環CVD製程。舉例而言，在一些具體例中，與CVD製程相比，ALD製程之生長速率可較低。一種提高生長速率之方法可為在比ALD製程中通常採用之溫度更高的基板溫度下操作，產生化學氣相沉積製程之一些部分，但仍利用前驅物之依序引入，此類製程可稱為循環CVD。在一些具體例中，循環CVD製程可包含將兩種或更多種前驅物引入反應室中，其中在反應室中在兩種或更多種前驅物之間可能存在一定重疊時段，從而產生沉積的ALD組分及沉積的CVD組分。舉例而言，循環CVD製程可包含第一前驅物連續流動至反應室中及第二前驅物週期性脈衝至反應室中。
在一些具體例中，用於沉積氮化鉬膜之循環沉積製程可包含單元沉積，其進一步包括使基板與包含還原劑之第三氣相反應物接觸。作為一非限制性實施例，在一些具體例中，氮前驅物及還原劑可共流至反應室中，亦即，使基板同時與氮前驅物及還原劑接觸。作為另一非限制性實施例，在一些具體例中，可將氮前驅物及還原劑以單獨氣體脈衝引入至反應室中，例如可在使基板與氮前驅物接觸與使基板與還原劑接觸之製程之間執行吹掃循環。
更詳細而言，圖2繪示用於氮化鉬沉積之例示性循環沉積製程200。例示性製程200可包括循環沉積階段205，該循環沉積期包含製程框230，其中基板與包含氮前驅物及還原劑前驅物之氣體接觸，亦即，將氮前驅物及還原劑前驅物同時暴露於基板。
例示性循環沉積製程200可開始於製程框210，其包含將基板提供至反應室中且將基板加熱至所需沉積溫度。製程框210可與圖1之製程框110實質上相同，且因此，為簡潔起見，不重複對製程框210之描述。
例示性循環沉積製程200可藉由循環沉積階段205繼續，該循環沉積期可藉助於製程框220開始，該製程框包含使基板與鹵化鉬前驅物接觸。製程框220可與圖1之製程框120實質上相同，且因此，為簡潔起見，不重複對製程框220之描述。
例示性循環沉積製程200(圖2)可藉由如先前相對於圖1之例示性製程100所論述吹掃反應室而繼續。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與鹵化鉬前驅物接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程200可藉助於製程框230以循環沉積階段205之第二階段繼續，該製程框包含使基板與包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸。換言之，基板可與包含氮前驅物及還原劑兩者之氣體接觸。在本發明之至少一個具體例中，接觸基板之單一氣體可為氮前驅物與還原劑兩者。
在一些具體例中，氮前驅物可包含先前相對於圖1之製程框130所描述的氮前驅物中之一或多者，且因此，為簡潔起見，可用於例示性製程200中之一或多種氮前驅物未第二次描述。
在本發明之一些具體例中，可使基板與包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸約0.01秒與約180秒之間、約0.05秒與約60秒之間或約0.1秒與約10.0秒之間的時段，或持續小於60秒、或小於30秒、或小於15秒、或甚至小於5秒之時段。在一些具體例中，基板可暴露於包含氮前驅物及還原劑之氣體持續約5秒與60秒之間或約5秒與30秒之間的時段。另外，在基板與包含氮前驅物及還原劑兩者之氣體接觸期間，氮前驅物之流動速率可為小於30 slm、或小於15 slm、或小於10 slm、或小於5 slm、或小於2 slm、或小於1 slm，或甚至在約1 slm與30 slm之間。另外，還原劑之流動速率可小於30 slm、或小於15 slm、或小於10 slm、或小於5 slm、或小於2 slm，甚至在約2 slm與30 slm之間。
例示性循環沉積製程200可藉由吹掃反應室進行，如先前在本文中所描述。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與氮前驅物/還原劑接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程200之循環沉積階段205可以決策閘240繼續，其中決策閘240視所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度而定。舉例而言，若所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度不足以用於特定裝置應用，則可藉由返回至製程框220且繼續通過另一單元沉積循環來重複循環沉積階段205，其中單元沉積循環可包含使基板與鹵化鉬前驅物接觸(製程框220)、吹掃反應室、使基板與包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸(製程框230)及再次吹掃反應室。在一些具體例中，循環沉積階段205之單元沉積循環可在引入前驅物之後省略吹掃循環。
循環沉積階段205之單元沉積循環可重複一或多次，直至所需平均膜厚度之氮化鉬膜沉積於基板上。一旦氮化鉬膜已沉積至所需平均膜厚度，則例示性循環沉積製程200可經由製程框250結束，且具有沉積於其上之氮化鉬膜的基板可經受進一步處理以用於形成例如裝置結構。
應瞭解，在本發明之一些具體例中，基板與鹵化鉬前驅物及包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸之次序可使得基板首先與包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸，隨後與鹵化鉬前驅物接觸。另外，在一些具體例中，例示性製程200之循環沉積階段205可包含在使基板與包含氮前驅物及還原劑兩者之氣體接觸之前使基板與鹵化鉬前驅物接觸一或多次。另外，在一些具體例中，例示性製程200之循環沉積階段205可包含在使基板與鹵化鉬前驅物接觸一或多次之前使基板與包含氮前驅物及還原劑之氣體接觸一或多次。
在一些具體例中，用於沉積氮化鉬膜之例示性循環沉積製程可包含氮前驅物及還原劑之單獨脈衝，例如吹掃循環可在使基板與氮前驅物接觸與使基板與還原劑接觸之間進行。
更詳細而言，圖3繪示包括循環沉積階段305之例示性循環沉積製程300。在一些具體例中，循環沉積階段305可包含用於使基板與氮前驅物接觸之製程框330，及用於使基板與還原劑接觸之製程框340，亦即，基板可分別暴露於氮前驅物及還原劑。
例示性循環沉積製程300可開始於製程框310，其包含將基板提供至反應室中且將基板加熱至所需沉積溫度。製程框310可與圖1之製程框110實質上相同，且因此，為簡潔起見，不重複對製程框310之描述。
例示性循環沉積製程300可藉由循環沉積階段305繼續，該循環沉積期可藉助於製程框320開始，該製程框包含使基板與鹵化鉬前驅物接觸。製程框320可與圖1之製程框120實質上相同，且因此，為簡潔起見，不重複對製程框320之描述。
例示性循環沉積製程300(圖3)之例示性循環沉積階段305可藉由如先前相對於圖1之例示性製程100所論述吹掃反應室而繼續。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與鹵化鉬前驅物接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程300(圖3)可藉助於製程框330以循環沉積階段305之第二階段繼續，該製程框包含使基板與氮前驅物接觸。製程框330可與圖1之製程框130實質上相同，且因此，為簡潔起見，不重複對製程框330之描述。
製程300(圖3)之例示性循環沉積階段305可藉由如先前相對於圖1之例示性製程100所論述吹掃反應室而繼續。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與氮前驅物接觸之後的吹掃循環。
例示性循環沉積製程300可藉助於製程框340以循環沉積階段305之第三階段繼續，該製程框包含使基板與還原劑接觸。在本發明之一些具體例中，還原劑前驅物可選自先前相對於製程框230所描述之彼等，且因此，為簡潔起見，用於製程220之一或多種還原劑不重複。
在本發明之一些具體例中，可使基板與還原劑接觸約0.01秒與約180秒之間、約0.05秒與約60秒之間或約0.1秒與約10.0秒之間的時段，或小於60秒、或小於30秒、或小於15秒、或甚至小於5秒之時段。在一些具體例中，可使基板暴露於還原劑前驅物持續5秒與60秒之間或5秒與30秒之間的時段。另外，在基板與還原劑接觸期間，還原劑前驅物之流動速率可小於100 slm、或小於50 slm、或小於25 slm、或小於10 slm、或小於5 slm，或甚至在約5 slm與100 slm之間。
例示性循環沉積製程300(圖3)可藉由如先前相對於圖1之例示性製程100所論述吹掃反應室而繼續。在本發明之一些具體例中，可省略在使基板與還原劑接觸之後的吹掃循環。
例示性製程300 (圖3)之循環沉積階段305可以決策閘350繼續，其中決策閘350視所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度而定。舉例而言，若所沉積之氮化鉬膜之平均膜厚度不足以用於所需裝置應用，則可藉由返回至製程框320且繼續通過另一單元沉積循環來重複循環沉積階段305，其中單元沉積循環可包含使基板與鹵化鉬前驅物接觸(製程框320)、吹掃反應室、使基板氮前驅物接觸(製程框330)、吹掃反應室、使基板與還原劑接觸(製程框340)及再次吹掃反應室。在一些具體例中，循環沉積階段305之單元沉積循環可在引入前驅物之後省略吹掃循環。
循環沉積階段305之單元沉積循環可重複一或多次，直至所需平均膜厚度之氮化鉬膜沉積於基板上。一旦氮化鉬膜已沉積至所需平均膜厚度，則例示性循環沉積製程300可經由製程框360結束，且具有沉積於其上之氮化鉬膜的基板可經受進一步處理以用於形成例如裝置結構。
應瞭解，在本發明之一些具體例中，基板與鹵化鉬前驅物、氮前驅物及還原劑之接觸次序可以任何可設想之順序進行且不受圖3中所示之順序限制。另外，基板與特定前驅物(諸如鹵化鉬前驅物、氮前驅物或還原劑)之接觸可在執行循環沉積階段305之後續製程框之前重複一或多次。
本文中之例示性沉積製程揭示內容可以約0.05 Å/循環至約10 Å/循環、約0.5 Å/循環至約5 Å/循環，或甚至約0.5 Å/循環至約2 Å/循環之生長速率將氮化鉬膜直接沉積於基板表面上。在一些具體例中，直接沉積於基板表面上之氮化鉬膜之生長速率大於約0.5 Å/循環、大於約1 Å/循環或甚至大於約2 Å/循環。在本發明之一些具體例中，氮化鉬膜可在沉積溫度，亦即基板溫度，在300 ℃與700 ℃之間、或在400 ℃與500 ℃之間、或甚至低於450 ℃下，以0.5 Å/循環與1 Å/循環之間、或0.8 Å/循環與1 Å/循環之間的生長速率沉積。
藉由本文所揭示之方法沉積之氮化鉬膜可為物理上連續的膜。在一些具體例中，氮化鉬膜可在低於約100 Å、或低於約60 Å、或低於約50 Å、或低於約40 Å、或低於約30 Å、或約20 Å、甚至在約20 Å與100 Å之間的平均膜厚度下為物理上連續的。
在一些具體例中，膜可物理上連續之平均膜厚度可能不會與膜電學上連續之平均膜厚度相同，且反之亦然。
在一些具體例中，根據本文所揭露之方法沉積之氮化鉬膜可在低於40 Å、或低於30 Å、或低於20 Å、或低於10 Å，或甚至在約10 Å至40 Å之間的平均膜厚度下為物理上連續的。換言之，氮化鉬膜可具有小於40 Å、或小於30 Å、或小於20 Å、小於10 Å、或甚至在約10 Å與40 Å之間的平均膜閉合厚度。膜變得呈物理上連續之厚度可利用低能量離子散射(low-energy ion scattering；LEIS)來確定。
在一些具體例中，本發明之氮化鉬膜可具有約20 Å至250 Å、或約50 Å至200 Å、或甚至約100 Å至150 Å之平均膜厚度。在一些具體例中，本發明之氮化鉬膜可具有大於約20 Å、或大於約30 Å、或大於約40 Å、或大於約50 Å、或大於約60 Å、或大於約100 Å、或大於約250 Å、或大於約500 Å、或甚至在約20 Å與500 Å之間的平均膜厚度。在一些具體例中，本發明之氮化鉬膜可具有小於約250 Å、或小於約100 Å、或小於約50 Å、或小於約25 Å、或小於約10 Å、或小於約5 Å、或甚至約5 Å及250 Å之平均膜厚度。
在一些具體例中，根據本文所揭示之製程沉積之氮化鉬膜可包含低電阻率之氮化鉬膜。更詳細而言，圖4繪示根據本發明之具體例沉積之呈各種厚度之多個氮化鉬膜的電阻率，其中標記為400之資料包含藉由循環沉積製程100(圖1)沉積之氮化鉬膜，標記為410之資料包含藉由循環沉積製程200(圖2)沉積之氮化鉬膜，且標記為420之資料包含藉由循環沉積製程300(圖3)沉積之氮化鉬膜。圖4之電阻率資料之檢查清楚地繪示在製程200(標記為410之資料)及製程300(標記為420之資料)兩者中添加之還原劑降低氮化鉬膜之電阻率。另外，圖4之進一步檢查清楚地繪示相比於利用氮前驅物及還原劑之共流(製程200/標記為410之資料)沉積之氮化鉬膜，分別引入氮前驅物及還原劑之脈衝(製程300/標記為420之資料)進一步降低所沉積之氮化鉬膜之電阻率。
作為一非限制性實施例，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜在小於200 Å之平均膜厚度下可具有小於750 μΩ-cm之電阻率、或在小於100 Å之平均膜厚度下可具有小於750 μΩ-cm之電阻率、或在小於25 Å之平均膜厚度下可具有小於1300 μΩ-cm之電阻率。
作為另一非限制性實施例，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜在小於200 Å之平均膜厚度下可具有小於550 μΩ-cm之電阻率或在小於100 Å之平均膜厚度下可具有小於550 μΩ-cm之電阻率、或在小於25 Å之平均膜厚度下可具有小於950 μΩ-cm之電阻率。
作為另一非限制性實施例，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜在小於200 Å之平均膜厚度下可具有小於250 μΩ-cm之電阻率、或在小於100 Å之平均膜厚度下可具有小於250 μΩ-cm之電阻率、或在小於25 Å之平均膜厚度下可具有小於600 μΩ-cm之電阻率。
在一些具體例中，對於具有約10 Å與200 Å之間、或約20 Å與100 Å之間、或甚至約20 Å與50 Å之間的平均膜厚度的氮化鉬膜，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜可具有250 μΩ-cm與1000 μΩ-cm之間、或250 μΩ-cm與750 μΩ-cm之間、或甚至250 μΩ-cm與500 μΩ-cm之間的電阻率。
藉由本發明之具體例沉積之氮化鉬膜之優良電阻率進一步展示於圖5中，其繪示根據本發明之具體例沉積於介電基板上之呈各種厚度之多個氮化鉬膜的電阻率。另外，圖5亦比較本發明之電阻率鉬膜與利用四氯化鈦前驅物沉積之不同厚度之先前技術氮化鈦膜。標記為500之資料對應於採用四氯化鈦(TiCl4 )作為金屬前驅物沉積之氮化鈦膜。圖5中所繪示之所有膜均沉積於介電材料之暴露表面上。
更詳細而言，標記為510之資料對應於沉積於氧化矽基板上之氮化鉬膜，且標記為520之資料對應於沉積於氧化鉿(HfO2 )基板上之氮化鉬膜。圖5中所繪示之例示性氮化鉬膜係在小於約500 ℃之沉積溫度(亦即，基板溫度)下，利用二氯化鉬(IV) (MoO2 Cl2 )作為鹵化鉬前驅物、氨氣(NH3 )作為氮前驅物且氫氣(H2 )作為還原劑來沉積。
圖5中之電阻率資料之檢查清晰地表明，當與先前技術可比厚度之氮化鈦膜之電阻率比較時，本發明之氮化鉬膜在減小的平均膜厚度下具有減小的電阻率。
作為一非限制性實施例，本發明之氮化鉬膜在小於50 Å之平均膜厚度下可具有小於250 μΩ-cm之電阻率、或在小於40 Å之平均膜厚度下可具有小於300 μΩ-cm之電阻率、或在小於25 Å之平均膜厚度下可具有400 μΩ-cm之電阻率。在一些具體例中，本發明之氮化鉬膜在小於50 Å之平均膜厚度下可具有約250 μΩ-cm與400 μΩ-cm之間的電阻率。
在一些具體例中，根據本文所揭示之具體例沉積之氮化鉬膜可包含結晶膜或非晶形膜。在特定具體例中，其中氮化鉬膜為結晶的，氮化鉬膜可包含MoN相或Mo2 N相。在一些具體例中，氮化鉬膜可包含MoN相及Mo2 N相。
更詳細而言，圖6繪示自根據本發明之具體例沉積之例示性氮化鉬膜獲得的x射線繞射(XRD)資料，其中標記為600之XRD資料包含藉由循環沉積製程100 (圖1)沉積之氮化鉬膜、標記為610之XRD資料包含藉由循環沉積方法200 (圖2)沉積之氮化鉬膜及標記為620之XRD資料包含藉由循環沉積製程300 (圖3)沉積之氮化鉬膜。圖6之XRD資料之檢查繪示在藉由製程100、200或300沉積之氮化鉬膜之XRD資料之間不存在顯著差異。然而，圖6之XRD資料之進一步檢查繪示XRD資料中的標記為630、640、650及660之四個主峰。標記為630之XRD峰對應於具有(200)結晶定向之MoN相及具有(111)結晶定向之Mo2 N相(200)。標記為640之XRD峰對應於具有(200)結晶定向之Mo2 N相。標記為650之XRD峰對應於具有(220)結晶定向之MoN相及具有(200)結晶定向之Mo2 N相。標記為660之XRD峰對應於具有(222)結晶定向之MoN相及具有(311)結晶定向之Mo2N相。
在具體例中，其中所沉積之氮化鉬膜之組成包含至少MoN相及Mo2 N相，存在於氮化鉬膜內之MoN相相比於存在於氮化鉬膜內之Mo2 N相之比率(MoN:Mo2 N)可在本發明之循環沉積製程期間受控制。舉例而言，MoN:Mo2 N比率可藉由改變用於氮化鉬沉積之循環沉積參數來改變，包括(但不限於)沉積溫度、反應室壓力、前驅物濃度或另一氣體物種之添加。
在一些具體例中，氮化鉬之MoN相可優於氮化鉬之Mo2 N相，亦即，MoN:Mo2 N比率增加。作為一非限制性實施例，相對於Mo2 N相，MoN相可較佳藉由將還原劑添加至沉積製程中來沉積。
本文所揭示之例示性循環沉積方法亦可沉積具有改良之平均r.m.s.表面粗糙度之氮化鉬膜。舉例而言，在一些具體例中，氮化鉬膜可具有小於0.30奈米、或小於0.25奈米、或小於0.20奈米、或小於0.10奈米、或甚至在0.10奈米與0.30奈米之間的平均r.m.s.表面粗糙度(Ra ) (沉積後)。沉積後之氮化鉬膜之平均r.m.s.表面粗糙度(Ra )可採用原子力顯微法(atomic force microscopy；AFM)，例如藉由掃描約100 μm×100 μm之表面積來測定。
在一些具體例中，氮化鉬膜之表面粗糙度可表示為氮化鉬膜之平均總厚度之百分比粗糙度。舉例而言，本發明之氮化鉬膜之百分比表面粗糙度可小於10%、或小於5%、或小於3%、或小於2%、或小於1.5%、或甚至小於1%。作為一非限制性實施例，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜可具有約100 Å之平均膜厚度，其中氮化鉬膜具有小於4 Å之r.m.s.表面粗糙度(Ra )及小於4%之對應百分比表面粗糙度。
在一些具體例中，基板可包含介電質表面、半導體表面或金屬表面中之至少一者。如本文所用，術語「介電質表面」可指介電材料之表面，包括(但不限於)含矽介電材料(諸如，氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳氧化矽以及其混合物)以及例如金屬氧化物。如本文所用，術語「金屬表面」可指包括金屬組分之表面，包括(但不限於)金屬表面、金屬氧化物表面、金屬矽化物表面、金屬氮化物表面及金屬碳化物表面。在一些具體例中，基板可包含介電質表面及金屬表面兩者，且本發明之循環沉積製程可用以將氮化鉬膜直接沉積於介電質表面及金屬表面兩者上，亦即在不使用介入晶核層之情況下。
根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜可用於多種應用中。舉例而言，氮化鉬膜可用作障壁層材料以防止金屬物種擴散至層間介電質中，或用作襯料，或用作形成於半導體裝置結構上之閘極堆疊之一部分。
作為一非限制性例示性具體例，根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜可用作後段製程(back-end-of-line；BEOL)金屬化應用中之障壁層，如圖7中所示。更詳細而言，圖7繪示部分製造之半導體裝置結構700，其包含基板702，基板可包括部分製造及/或製造之半導體裝置結構，諸如電晶體及記憶體元件(未圖示)。部分製造之半導體裝置結構700可包括形成於基板702上之介電材料704，材料可包含低介電常數材料，亦即低k介電質，諸如含矽介電質或金屬氧化物介電質。溝槽可形成於介電材料704中且障壁層706可安置於溝槽之表面上，此防止或實質上防止金屬互連材料708擴散至周圍介電材料704中。在本發明之一些具體例中，障壁層706可包含藉由本文所描述之沉積製程沉積之氮化鉬膜。
部分製造之半導體結構700亦可包含用於電學上互連安置於基板702中/上之複數個裝置結構的金屬互連材料708。在一些具體例中，金屬互連材料708可包含銅或鈷。另外，罩蓋層710可安置於金屬互連材料708之上表面上。因此，參看圖7，半導體裝置結構700亦可包括直接安置於金屬互連材料708之上表面上的罩蓋層710。罩蓋層710可用以防止金屬互連材料708氧化，且重要地係防止金屬互連材料708擴散至在後續製造製程中(亦即，對於多層互連結構)形成於部分製造之半導體結構700上之額外介電材料中。在一些具體例中，金屬互連材料708、氮化鉬障壁層706及罩蓋層710可共同地形成用於安置於基板702中/上之複數個半導體裝置之電氣互連的電極。在一些具體例中，罩蓋層710可包含根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜。
作為另一非限制性實施例，本發明之氮化鉬膜可包含形成於半導體通道區上之閘極堆疊中之閘電極之至少一部分。更詳細而言，圖8繪示包括根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜的半導體裝置結構之橫剖面示意圖。半導體裝置結構800可包含電晶體結構，電晶體結構包括半導體主體816，半導體主體包括源極區802、汲極區804及安置於源極區802與汲極區804之間的半導體通道區806。
在一些具體例中，半導體裝置結構800可包含NMOS裝置，且半導體主體816及半導體通道區806兩者可為摻雜p型，且源極區802及汲極區804兩者可為摻雜n型。在替代性具體例中，半導體裝置結構800可包含PMOS裝置，且半導體主體816及半導體通道區806兩者可為摻雜n型，且源極區802及汲極區804兩者可為摻雜p型。在一些具體例中，半導體主體816可包含實質上單晶矽。
安置於半導體通道區806上方的為閘極堆疊808，其可包括閘極介電質809及閘電極811。在一些具體例中，閘極介電質可包含直接安置於半導體通道區806上之氧化矽中間層816及直接安置於中間層816上之高k介電層812。在本發明之一些具體例中，高k電介質層812可包含以下中之至少一者：氧化鉿(HfO2 )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鈦(TiO2 )、矽酸鉿(HfSiOx )、氧化鑭(La2 O3 )或其混合物/層合物。
安置於閘極介電質809上方且在一些具體例中，直接安置於閘極介電質809上方的為閘電極811，閘電極可包含根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜810。直接安置於氮化鉬膜810上方的可為另一金屬膜814以使閘電極811完整，舉例而言，另一金屬膜814可包含過渡碳化物(例如，碳化鈦)或過渡氮化物(例如，氮化鈦)。
在本發明之一些具體例中，安置於半導體通道區806上方之閘極堆疊808之有效功函數可藉由用以沉積氮化鉬膜810之沉積方法及氮化鉬膜810之平均膜厚度來調整。舉例而言，對於平均氮化鉬膜厚度小於50 Å、小於40 Å、小於30 Å、或小於20 Å、或小於15 Å，或在15 Å與50 Å之間而言，包含氮化鉬膜之閘極堆疊808之有效功函數可在約4 eV至約5 eV範圍內、或大於4 eV、或大於4.5 eV、或大於4.75 eV。
因此，在一些具體例中，氮化鉬膜包含形成於半導體通道區之閘極堆疊之一部分，其中在平均氮化鉬膜厚度小於50 Å、或小於40 Å、或小於30 Å、或小於20 Å、或小於20 Å、或小於15 Å、或在15 Å與50 Å之間下，閘極堆疊具有大於4.0 eV、或大於4.5 eV、或大於4.75 eV、或甚至大於4.9 eV、或在4 eV與5 eV之間的有效功函數。
作為一非限制性實施例，圖9繪示包含根據本發明之具體例沉積之各種平均膜厚度之氮化鉬膜之閘極堆疊(安置於半導體通道區上方)的有效功函數。圖9之檢查表明，隨著氮化鉬層之平均膜厚度自約50 Å減小至15 Å，包括氮化鉬膜之閘極堆疊的對應有效功函數僅自約4.75 eV略微減小至約4.6 eV。因此，在本發明之一些具體例中，在平均氮化鉬膜厚度小於50 Å、或小於40 Å、或小於30 Å、或小於20 Å、或小於15 Å、或在15 Å與50 Å之間下，本發明之氮化鉬膜可包含具有大於4 eV、或大於4.25 eV、或大於4.5 eV、或大於4.75 eV、或大於4.8 eV、或在4 eV與4.8 eV之間、或在4.6 eV與4.75 eV之間的有效功函數的閘極堆疊之一部分。在一些具體例中，在平均氮化鉬膜厚度等於或小於50 Å下，安置於半導體通道區上方且包含氮化鉬膜之閘極堆疊具有大於4.75 eV之有效功函數。
作為另一非限制性實施例，圖10繪示包含利用例示性循環沉積製程300(圖3)沉積之不同平均膜厚度之氮化鉬膜之閘極堆疊的有效功函數。圖10之檢閱表明，隨著氮化鉬膜之平均膜厚度自約45 Å減小至15 Å，包括氮化鉬膜之閘極堆疊的對應有效功函數在約4.75 eV之值下保持實質上不變。因此，在一些具體例中，在平均氮化鉬膜厚度小於50 Å、或小於40 Å、或小於30 Å、或小於20 Å、或小於15 Å、或甚至在約15 Å與50 Å之間下，本發明之氮化鉬可包含具有大於4.6 eV、或大於4.75 eV、或大於4.8 eV、或大於4.9 eV、或大於5.0 eV、或在4.6 eV與4.9 eV之間、或甚至在4.75 eV與4.8 eV之間的閘極堆疊之一部分。
在一些裝置應用中，例如對於PMOS裝置結構，形成包含氮化鉬膜之閘極堆疊的能力可為合乎需要的，其中閘極堆疊之有效功函數實質上與氮化鉬膜之平均膜厚度無關。
因此，在一些具體例中，閘極堆疊可包含平均膜厚度在約15 Å與45 Å之間的氮化鉬膜，其中閘極堆疊之有效功函數可具有實質上與氮化鉬膜之平均膜厚度無關的有效功函數。另外，對於平均膜厚度在約15 Å與45 Å之間，包含氮化鉬膜之閘極堆疊可包含約4.8 eV之實質上恆定的有效功函數。此外，閘極堆疊可包含藉由包含以下之循環沉積製程沉積之氮化鉬膜：使基板與鹵化鉬前驅物、氮前驅物及還原劑依序接觸，其中對於平均氮化鉬膜厚度在約15 Å與45 Å之間，該閘極堆疊包含約4.8 eV之實質上恆定的有效功函數。
作為本發明之氮化鉬膜之另一非限制性應用，圖11繪示例示性半導體裝置結構之另一橫剖面示意圖，半導體裝置結構包括根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜，且尤其繪示FinFet半導體裝置結構。
更詳細而言，圖11繪示包含例示性FinFET裝置結構的半導體裝置結構1100的非限制性實施例。半導體裝置結構1100可包含基板1102，基板可包含本體矽(Si)基板。基板1102可摻雜有p型摻雜物(對於NMOS型FinFET裝置)及/或摻雜有n型摻雜物(對於PMOS型FinFET裝置)。
半導體裝置結構1100亦可包含隔離區1104，隔離區可包含淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)區。半導體裝置結構1100亦可包含在隔離區1104之頂表面上方延伸之鰭結構1106，鰭結構1106之一部分埋入包含半導體通道區之閘極堆疊1108下方。閘極介電質1110可安置於鰭結構1106之側壁上方且閘極介電質1110可包含氧化矽及/或高k介電材料。
閘電極可安置於閘極介電質1110上以提供與半導體通道區之電接觸，且閘電極可包含根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜1112，以及可包含過渡金屬碳化物或過渡金屬氮化物之額外金屬膜1114。在本發明之一些具體例中，半導體裝置結構1100可進一步包含鄰近於半導體通道區之源極/汲極區1116。
作為本發明之氮化鉬膜之另一非限制性應用，圖12繪示例示性半導體裝置結構之另一示意圖，半導體裝置結構包括根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜，且尤其繪示環繞式閘極(GAA)半導體裝置結構。
更詳細而言，半導體裝置結構1200可包含半導體基板1202及安置於基板1202上方之介電質膜1204。另外，GAA裝置結構可包含半導體線1206 (摻雜p型或n型)，其中閘極介電質1208圍繞且包圍半導體線1206安置。閘電極可圍繞半導體線1206之區域安置，且可包含根據本發明之具體例沉積之氮化鉬膜1210。另外，閘電極可包含另一金屬膜1212，諸如過渡金屬碳化物或過渡金屬氮化物。
本發明之具體例亦提供包括氮化鉬膜之半導體裝置結構。在一些具體例中，半導體裝置結構可包含：半導體通道區；及直接安置於半導體通道區上之閘極堆疊，其中閘極堆疊包含：直接安置於半導體通道區上之閘極介電質及包含直接安置於閘極介電質上之氮化鉬膜的閘電極。
在一些具體例中，在平均氮化鉬膜厚度小於100 Å、或小於50 Å、或小於20 Å、或小於10 Å、或在10 Å與50 Å之間下，半導體裝置結構可包含可具有小於1000 μΩ-cm、或小於500 μΩ-cm、或小於250 μΩ-cm、或在250 μΩ-cm與1000 μΩ-cm之間的電阻率的氮化鉬膜。在一些具體例中，在平均膜厚度小於100 Å下，半導體裝置結構可包含可具有小於250 μΩ-cm之電阻率的氮化鉬膜。在一些具體例中，在平均膜厚度小於25 Å下，半導體裝置結構可包含可具有小於500 μΩ-cm之電阻率的氮化鉬膜。
在一些具體例中，包括氮化鉬膜之半導體裝置結構可包含MoN相及Mo2 N相兩者。在一些具體例中，半導體裝置結構包含平均膜厚度小於40 Å、或小於30 Å、或小於20 Å、或小於15 Å、或在15 Å與40 Å之間的物理上連續的氮化鉬膜。在一些具體例中，半導體裝置結構可包含可為非晶形或結晶之氮化鉬膜。
在一些具體例中，包括氮化鉬膜之半導體裝置結構可包含PMOS功函數金屬裝置結構、FinFET半導體裝置結構或環繞式閘極半導體裝置結構。
本發明之具體例亦可包括經組態以用於沉積本發明之氮化鉬膜之反應系統。更詳細而言，圖13示意性地繪示反應系統1300，其包括反應室1302，反應室進一步包括用於在預定壓力、溫度及環境條件下保持基板(未圖示)且用於將基板選擇性地暴露於各種氣體的機構。前驅反應物源1304可藉由管道或其他適當構件1304A耦接至反應室1302，且可進一步耦接至歧管、閥控制系統、質量流量控制系統或用以控制源自前驅反應物源1304之氣態前驅物。藉由前驅反應物源1304供應之前驅物(未圖示)，反應物(未圖示)在室溫及標準大氣壓條件下可為液體或固體。此類前驅物可在反應物源真空容器內汽化，反應物源真空容器可維持處於或高於前驅物源室內之汽化溫度。在此類具體例中，汽化前驅物可與運載氣體(例如不活動或惰性氣體)一起輸送，且隨後經由管道1304A饋入反應室1302中。在其他具體例中，前驅物在標準條件下可為蒸氣。在此類具體例中，前驅物並不需要汽化且可能不需要運載氣體。舉例而言，在一個具體例中，前驅物可儲存於貯氣缸中。反應系統1300亦可包括額外前驅反應物源，諸如前驅反應物源1306及1308，其亦可藉由如上文所描述之管道1306A及1308A耦接至反應室。在一些具體例中，前驅反應物源1304可包含鹵化鉬，前驅反應物源1306可包含氮前驅物，且前驅反應物源1308可包含還原劑。
吹掃氣體源1310亦可經由管道1310A耦接至反應室1302，且選擇性地將各種惰性或稀有氣體供應至反應室1302以輔助自反應室移除前驅氣體或廢氣。可供應之各種惰性或稀有氣體可來源於固體、液體或儲存之氣態形式。
圖13之反應系統1300亦可包含提供電子電路及機械組件以選擇性地操作閥、歧管、泵及反應系統1300中所包括之其他設備的系統操作及控制機構1312。此類電路及組件操作以自各別前驅物來源1304、1306、1308及吹掃氣體源1310引入前驅物、吹掃氣體。系統操作及控制機構1312亦控制氣體脈衝序列之時序、基板及反應室之溫度、反應室之壓力及提供反應系統1300之恰當操作所需的各種其他操作。操作及控制機構1312可包括控制軟體及電學上或氣動控制閥以控制前驅物、反應物及吹掃氣體流入反應室1302及流出該反應室。控制系統可包括執行某些任務之模組，諸如軟體或硬體組件，例如，FPGA或ASIC。模組可有利地經組態以駐留於控制系統之可定址儲存媒體上且經組態以執行一或多個程序。
熟習相關技術者瞭解，本發明反應系統之其他組態為可能的，包括不同數目及種類之前驅反應物源及吹掃氣體源。此外，此類人員亦將瞭解，存在閥、管道、前驅物源、吹掃氣體源之許多配置，其可用以實現將氣體選擇性地饋入反應室1302中之目標。此外，作為反應系統之示意性表示，為簡化圖示起見，已省略許多組件，且此類組件可包括例如各種閥、歧管、純化器、加熱器、容器、通風口及/或旁路。
上文所描述之本發明之例示性具體例並不限制本發明之範疇，因為此等具體例僅為本發明之具體例之實施例，本發明之範疇由所附申請專利範圍及其法定等效物定義。任何等效具體例意欲處於本發明之範疇內。實際上，除本文中所示及所描述之彼等之外，本發明之各種修改(諸如所描述之元件的替代性適用組合)根據描述對熟習本技藝者而言可變得顯而易見。此類修改及具體例亦意欲屬於所附申請專利範圍之範疇內。
100:例示性原子層沉積製程/例示性氮化鉬沉積製程/例示性循環沉積製程/循環沉積製程/例示性製程/製程 105:循環沉積階段 110、120、130、150:製程框 140:決策閘 200:例示性循環沉積製程/例示性製程/循環沉積製程/製程 205:循環沉積階段 210、220、230、250:製程框 240:決策閘 300:例示性循環沉積製程/例示性製程/循環沉積製程/製程 305:循環沉積階段 310、320、330、340、360:製程框 350:決策閘 400、410、420、500、510、520:資料 600、610、620:XRD資料 630、640、650、660:主峰/XRD峰 700:半導體裝置結構/半導體結構 702:基板 704:介電材料/周圍介電材料 706:障壁層/氮化鉬障壁層 708:金屬互連材料 710:罩蓋層 800:半導體裝置結構 802:源極區 804:汲極區 806:半導體通道區 808:閘極堆疊 809:閘極介電質 810:氮化鉬膜 811:閘電極 812:高k介電層 814:另一金屬膜 816:半導體主體/氧化矽介面層/介面層 1100:半導體裝置結構 1102:基板 1104:隔離區 1106:鰭結構 1108:閘極堆疊 1110:閘極介電質 1112:氮化鉬膜 1114:額外金屬膜 1116:源極/汲極區 1200:半導體裝置結構 1202:半導體基板/基板 1204:介電質膜 1206:半導體線 1208:閘極介電質 1210:氮化鉬膜 1212:另一金屬膜 1300:反應系統 1302:反應室 1304、1306、1308:前驅反應物源/前驅物源 1304A、1306A、1308A、1310A:管道 1310:吹掃氣體源 1312:系統操作及控制機構/操作及控制機構
儘管本說明書以特別指出且明確主張視為本發明之具體例的申請專利範圍作結，但在結合附圖理解時可自本發明之具體例之某些實施例的描述更容易地確定本發明之具體例的優點，在該等附圖中：
圖1繪示例示性流程，其表明用於沉積根據本發明之具體例之氮化鉬膜的循環沉積製程；
圖2繪示例示性流程，其表明用於沉積根據本發明之具體例之氮化鉬膜的額外循環沉積製程；
圖3繪示例示性流程，其表明用於沉積根據本發明之具體例之氮化鉬膜的另一循環沉積製程；
圖4繪示根據本發明之具體例沉積的呈各種厚度之多個氮化鉬膜的電阻率；
圖5繪示與採用四氯化鈦前驅物沉積之不同厚度之氮化鈦膜的電阻率相比，直接沉積於介電質上之不同厚度之多個氮化鉬膜的電阻率；
圖6繪示自根據本發明之具體例沉積之例示性氮化鉬膜獲得的x射線繞射(XRD)資料；
圖7繪示根據本發明之具體例沉積的包括氮化鉬膜之例示性半導體裝置結構的橫剖面示意圖；
圖8繪示根據本發明之具體例的包括氮化鉬膜之額外半導體裝置結構的橫剖面示意圖；
圖9繪示根據本發明之具體例沉積的包括各種厚度之氮化鉬膜的各種閘極堆疊的有效功函數；
圖10繪示根據本發明之具體例沉積的各種厚度之其他氮化鉬膜的有效功函數；
圖11繪示根據本發明之具體例的包括氮化鉬膜之例示性半導體裝置結構的示意圖；
圖12繪示根據本發明之具體例的包括氮化鉬膜之例示性半導體裝置結構的另一示意圖；及
圖13繪示根據本發明之具體例的經組態用於沉積氮化鉬膜之反應系統的示意圖。
100:製程
105:循環沉積階段
110、120、130、150:製程框
140:決策閘

Claims (37)

  1. 一種用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法，該方法包含：將一基板提供至一反應室中；及藉由執行循環沉積製程之一或多個單元沉積循環而將一氮化鉬膜直接沉積於該基板表面上，其中一單元沉積循環包含：使該基板與包含一鉬前驅物之一第一氣相反應物接觸；及使該基板與包含一氮前驅物之一第二氣相反應物接觸，其中該氮化鉬膜具有小於1.5%之百分比粗糙度。
  2. 如請求項1之方法，其中，該單元沉積循環進一步包含使該基板與包含一還原劑之一第三氣相反應物接觸。
  3. 如請求項2之方法，其中，該基板與該氮前驅物及該還原劑同時接觸。
  4. 如請求項2之方法，其中，在使該基板與該氮前驅物接觸與使該基板與該還原劑接觸之該等製程之間執行吹掃循環。
  5. 如請求項2之方法，其中，該還原劑包含以下中之至少一者：分子氫(H2)、原子氫(H)、合成氣體(H2+N2)、氨氣(NH3)、肼(N2H4)、肼衍生物、氫基電漿、醇、醛、羧酸、硼烷、胺或矽烷。
  6. 如請求項1之方法，其中，該氮前驅物包含以下中之至少一者：分子氮(N2)、氨氣(NH3)、肼(N2H4)、肼衍生物或氮基電漿。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包含將該基板加熱至小於450℃之沉積溫度。
  8. 如請求項1之方法，其中，該鉬前驅物包含一鹵氧化鉬前驅物。
  9. 如請求項8之方法，其中，該氯氧化鉬前驅物包含以下中之至少一者：三氯氧化鉬(V)(MoOCl3)、四氯氧化鉬(VI)(MoOCl4)或二氯二氧化鉬(IV)(MoO2Cl2)。
  10. 如請求項1之方法，其中，該鉬前驅物包含以下中之至少一者：五氯化鉬(MoCl5)或六氯化鉬(MoCl6)。
  11. 如請求項1之方法，其中，該鉬前驅物包含以下中之至少一者：Mo(NMe2)4、Mo(NEt2)4、Mo2(NMe2)6、Mo(tBuN)2(NMe2)2、Mo(tBuN)2(NEt2)2、Mo(NEtMe)4、Mo(NtBu)2(StBu)2、Mo(NtBu)2(iPr2AMD)2Mo(thd)3、MoO2(acac)、MoO2(thd)2、MoO2(iPr2AMD)2Mo(CO)6、Mo(Cp)2H2、Mo(iPrCp)2H2、Mo(η6-乙苯)2、MoCp(CO)2(η3-烯丙基)及MoCp(CO)2(NO)。
  12. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜在小於50Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於750μΩ-cm之電阻率。
  13. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜在小於100Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於250μΩ-cm之電阻率。
  14. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜在小於25Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於400μΩ-cm之電阻率。
  15. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜之組成包含一MoN相及一Mo2N相兩者。
  16. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜直接沉積於一介電質表面上。
  17. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜包含安置於一半導體通道區上方之一閘極堆疊之一部分，其中在小於50Å之平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有大於4.6eV之有效功函數。
  18. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜包含安置於一半導體通道區上方之一閘極堆疊之一部分，其中在小於50Å之平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有大於4.75eV之有效功函數。
  19. 如請求項1之方法，其中，該氮化鉬膜包含安置於一半導體通道區上方之一閘極堆疊之一部分，其中在約15Å與50Å之間的平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有在約4.6eV與4.75eV之間的有效功函數。
  20. 如請求項2之方法，其中，該氮化鉬膜包含安置於一半導體通道區上方之一閘極堆疊之一部分，其中在約15Å與50Å之間的平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有約4.75eV之實質上恆定的有效功函數。
  21. 一種反應系統，經組態以執行請求項1之方法。
  22. 一種半導體裝置結構，其包括藉由請求項1之方法沉積之一氮化鉬膜。
  23. 一種半導體裝置結構，包含：一半導體通道區；及直接安置於該半導體通道區上之一閘極堆疊，其中該閘極堆疊包含：一閘極介電質，安置於該半導體通道區上；及一閘電極，包含安置於該閘極介電質上之一氮化鉬膜，其中該氮化鉬膜具有小於1.5%之百分比粗糙度。
  24. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該閘極介電質直接安置於該半導體通道區上。
  25. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜直接安置於該閘極介電質上。
  26. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜在小於100Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於750μΩ-cm之電阻率。
  27. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜在小於100Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於250μΩ-cm之電阻率。
  28. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜在小於25Å之平均氮化鉬膜厚度下具有小於500μΩ-cm之電阻率。
  29. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜具有包含一MoN相及一Mo2N相之組成。
  30. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜為具有小於40Å之平均膜厚度之物理上連續的氮化鉬膜。
  31. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜為非晶形的。
  32. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該氮化鉬膜為結晶的。
  33. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，在等於或小於50Å之平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有大於4.75eV之有效功函數。
  34. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，在15Å與50Å之間的平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有約4.75eV之實質上恆定的有效功函數。
  35. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該半導體通道區包含一FinFET半導體裝置結構之一部分。
  36. 如請求項23之半導體裝置結構，其中，該半導體通道區包含一環繞式閘極半導體裝置結構之一部分。
  37. 一種用於藉由循環沉積製程將氮化鉬膜沉積於基板表面上之方法，該方法包含：將一基板提供至一反應室中；及 藉由執行循環沉積製程之一或多個單元沉積循環而將一氮化鉬膜直接沉積於該基板表面上，其中一單元沉積循環包含：使該基板與包含一鉬前驅物之一第一氣相反應物接觸；及使該基板與包含一氮前驅物之一第二氣相反應物接觸，其中，該氮化鉬膜包含安置於一半導體通道區上方之一閘極堆疊之一部分，其中在約15Å與50Å之間的平均氮化鉬膜厚度下，該閘極堆疊具有在約4.6eV與4.75eV之間的有效功函數，其中該氮化鉬膜具有小於1.5%之百分比粗糙度。
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