專利名稱：包括含金屬導線的半導體器件及其制造方法
技術領域：
實施例涉及一種半導體器件以及制造該半導體器件的方法，更具體地，涉及包括含金屬(metal-containing)導線的半導體器件以及制造該半導體器件的方法。
背景技術：
半導體器件可以包括布線作為導電元件。布線可以被埋入在形成于半導體器件的半導體基板中的溝槽中。隨著半導體器件的設計規(guī)則被減小，半導體器件可以具有減小的特征尺寸。

發(fā)明內容
實施例提出一種半導體器件，包括半導體基板，其中具有溝槽；含金屬阻擋層，沿溝槽的內壁延伸并定義溝槽中的布線空間，該布線空間具有沿第一方向的第一寬度；以及含金屬導線，在含金屬阻擋層上且在布線空間中，并包括至少一個金屬顆粒，該至少一個金屬顆粒具有沿第一方·向的大約第一寬度的顆粒直徑。至少一個金屬顆粒可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。含金屬導線還可以包括硼(B)。含金屬阻擋層可以包括T1、Ta、TiN, TaN和TiSiN中的至少一種。含金屬導線可以通過如下形成形成沿溝槽的內壁延伸的至少兩個金屬層，至少兩個金屬層的每個具有多個較小的金屬顆粒，多個較小的金屬顆粒的每個具有在第一方向上的小于第一寬度的1/2的顆粒直徑；以及增大多個較小金屬顆粒中至少一個的尺寸以形成具有沿第一方向的大約第一寬度的顆粒直徑的至少一個金屬顆粒。實施例還提出一種方法，包括在基板上形成含金屬堆疊結構，該含金屬堆疊結構包括至少兩個籽層以及設置在至少兩個籽層之間且包括多個金屬顆粒的至少一個金屬層；蝕刻含金屬堆疊結構的一部分以形成包括含金屬堆疊結構的剩余部分的含金屬布線圖案；以及退火含金屬布線圖案。至少兩個籽層可以包括硼(B )。多個金屬顆?？梢园╓、Mo、Pt和Rh中的至少一種。含金屬布線圖案的退火可以在約800至約1000°C的溫度進行。含金屬布線圖案的退火可以在H2、N2和Ar氣體中的至少一個的氣體氣氛中進行。實施例還提出一種方法，該方法包括在半導體基板中形成溝槽；形成沿溝槽的內壁延伸并定義溝槽中的布線空間的下層，該布線空間具有沿第一方向的第一寬度；形成含金屬堆疊結構，該含金屬堆疊結構包括在下層上沿溝槽的內壁延伸的多個籽層以及在多個籽層之一上沿溝槽的內壁延伸并具有多個金屬顆粒的至少一個金屬層，多個金屬顆粒的每個具有在第一方向上小于第一寬度的1/2的顆粒直徑；蝕刻含金屬堆疊結構的一部分以形成包括含金屬堆疊結構的剩余部分的含金屬布線圖案；以及增大含金屬布線圖案中多個金屬顆粒中至少一些的尺寸。
增大多個金屬顆粒中至少一些的尺寸可以包括退火含金屬布線圖案。增大多個金屬顆粒中至少一些的尺寸可以被進行，使得含金屬布線圖案包括具有沿第一方向的大約第一寬度的顆粒直徑的至少一個金屬顆粒。形成含金屬堆疊結構可以包括在下層上形成包括硼(B)的第一籽層；通過使用化學氣相沉積(CVD)工藝形成第一金屬層，使得第一金屬層在第一籽層上沿溝槽的內壁延伸并包括多個金屬顆粒，多個金屬顆粒的每個具有沿第一方向的小于第一寬度的1/2的顆粒直徑；以及在第一金屬層上形成包括硼(B)的第二籽層。形成含金屬堆疊結構可以包括供應含硼氣體到下層的暴露表面上以形成籽層；以及供應含金屬氣體到籽層上以形成金屬層。含金屬氣體可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。第一寬度可以是含金屬阻擋層的在內壁關于溝槽的中央的相對兩側的兩部分之間的距離。在實施例中，直到蝕刻含金屬堆疊結構的一部分以形成含金屬布線圖案，實質上沒有去除至少一個金屬層的部分。


通過參照附圖詳細描述示范性實施例，特征對于本領域技術人員將變得顯然，附圖中圖1A和圖1B示出根據(jù)實施例制造半導體器件的方法的流程圖；圖2A、2B、2C、 2D和2E示出根據(jù)實施例制造半導體器件的工藝中的階段的截面圖；圖3A示出包括在圖2D所示的含金屬堆疊結構中的形成第一、第二和第三金屬層的多個金屬顆粒的截面圖；圖3B示出形成圖2E所示的含金屬導線的多個金屬顆粒的截面圖；圖4A示出根據(jù)實施例的半導體器件的布圖；圖4B示出半導體器件沿圖4A的線4B-4B’截取的截面圖；圖4C示出在圖4A和4B所示的字線周圍的埋入字線和其他部件的平面圖；圖5A、5B、5C、ro、5E、5F、5G、5H、51、5J和5K示出根據(jù)實施例的制造半導體器件的工藝中的階段的截面圖；圖6示出截面圖，示出由圖5E中的虛線指示的區(qū)域A的放大圖；圖7A和圖7B示出掃描電子顯微(SEM)圖像，用于評價通過由具有相對大厚度的金屬層制造半導體器件的方法形成的體W膜的表面形貌；圖7C和圖7D示出SEM圖像，用于評價通過由具有相對小厚度的多個金屬層制造半導體器件的方法形成的體W膜的表面形貌；圖7E和圖7F示出SEM圖像，用于評價在含金屬堆疊結構的退火之前和之后的W顆粒的尺寸；圖8A和圖8B示出SEM圖像，用于評價退火工藝對通過根據(jù)實施例的制造半導體器件的方法形成的含金屬堆疊結構的效果；圖9示出曲線圖，示出根據(jù)退火形成在根據(jù)實施例的半導體器件中的多個溝槽中的含金屬堆疊結構的電阻降低效果；圖10示出包括根據(jù)實施例的半導體器件的存儲器模塊的平面圖；圖11示出包括根據(jù)實施例的半導體器件的存儲卡的示意圖；以及圖12示出包括根據(jù)實施例的半導體器件的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式在下文將參照附圖更全面地描述示例實施例；然而，它們可以以不同的形式實施，而不應被解釋為限于這里闡述的實施例。而是，提供這些實施例是為了使本公開透徹和完整，并將本發(fā)明的范圍充分傳達給本領域技術人員。在附圖中，為示出的清晰，層和區(qū)域的尺寸可以被夸大。還將理解，當稱層或元件在另一層或基板“上”時，它可以直接在另一層或基板上，或者還可以存在插入的層。此外，將理解，當稱一層在另一層“下”時，它可以直接在下面，也可以存在一個或多個插入元件。此外，還將理解，當稱一層在兩個層“之間”時，它可以是兩個層之間唯一的層，或者也可以存在一個或多個插入元件。相似的附圖標記始終指代相似的元件。如這里所用的，術語“和/或”包括一個或多個所列相關項目的任何及所有組合。諸如· ·中的至少一個”的術語，當在一系列元件之前時，修改了元件的整個列表而不修改該列表中的單個元件。將理解，雖然這里可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應受限于這些術語。這些術語僅用于將一個元件 、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，以下討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分而不背離本發(fā)明構思的教導。除非另行定義，此處使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有本發(fā)明所屬領域內的普通技術人員所通常理解的同樣的含義。將進一步理解的是，諸如通用詞典中所定義的術語，除非此處加以明確定義，否則應當被解釋為具有與它們在相關領域的語境中的含義相一致的含義，而不應被解釋為理想化的或過度形式化的意義。除非另外指定，工藝的執(zhí)行順序應當不受描述的工藝中的次序限制。例如，依次描述的兩個工藝可以實質上同時執(zhí)行，并可以以與描述相反的次序執(zhí)行。附圖所示的形狀可以根據(jù)制造技術和/或公差而修改。因此，實施例不應被限制于附圖所示的形狀，而是應當包括可在制造工藝期間引起的形狀的修改。圖1A和圖1B示出根據(jù)實施例的制造半導體器件的方法的流程圖。參照圖1A，在操作SlO中，含金屬阻擋層可以形成在包括導電區(qū)的半導體基板上。含金屬阻擋層可以形成在導電區(qū)上。在一些實施例中，含金屬阻擋層可以包括T1、Ta、TiN、TaN和TiSiN中的至少一種。在操作S20中，含金屬堆疊結構可以形成在含金屬阻擋層上。含金屬堆疊結構可以包括至少兩個籽層、以及設置在至少兩個籽層之間且包括多個金屬顆粒的至少一個金屬層。多個金屬顆?？梢园╓、Mo、Pt和Rh中的至少一種。圖1B示出用于執(zhí)行操作S20的示范性方法。在操作S22中，籽層可以形成在含金屬阻擋層上。為了形成籽層，可以使用利用含硼氣體的原子層沉積(ALD)工藝。ALD工藝周期可以包括供應含硼氣體到含金屬阻擋層上、執(zhí)行凈化操作、供應含金屬氣體、以及執(zhí)行凈化操作。ALD工藝周期可以反復地執(zhí)行，例如執(zhí)行三次到十次，從而形成籽層。含硼氣體可以為例如B2H6氣體。如果鎢層形成為金屬層，則含金屬氣體可以為例如WF6氣體。籽層可以形成為至少30A的厚度。在操作S24中，含金屬氣體可以供應到籽層上以形成金屬層。含金屬氣體可以根據(jù)要被形成的金屬層而被不同地選擇。含金屬氣體可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。例如，如果金屬層為鶴(W)層,貝U含金屬氣體可以為WF6氣體。WF6氣體和H2氣體可以被供應到籽層上以在化學氣相沉積(CVD)工藝中生長W膜。金屬層可以形成為具有適當?shù)暮穸?，例如金屬層可以形成為約loo至約500 A的厚度。在操作S26中，可以確定含金屬堆疊結構是否為期望的厚度。如果含金屬堆疊結構的總的厚度小于期望的厚度，則可以重復操作S22和S24。在操作S26中，如果確定含金屬堆疊結構的總的厚度為期望的厚度，則可以執(zhí)行圖1A中所示的操作S30。在圖1A的操作S30中，含金屬堆疊結構的一部分可以被蝕刻以形成包括含金屬堆疊結構的剩余部分的含金屬布線圖案。在操作S40中，含金屬布線圖案可以被退火以增大包括在含金屬布線圖案中的多個金屬顆粒的尺寸。含金屬布線圖案的退火可以在約800至約1000°C范圍內的溫度進行。含金屬布線圖案的退火可以在H2、N2和Ar氣體中的至少一種氣體的氣氛下進行。圖2A、圖2B、圖2C、圖2D 和圖2E示出根據(jù)實施例的制造半導體器件的工藝中的階段的截面圖。參照圖2A,含金屬阻擋層210可以形成在半導體基板200的導電區(qū)202上。含金屬阻擋層210可以包括T1、Ta、TiN, TaN和TiSiN中的至少一種。例如，含金屬阻擋層210可以由TiN、Ti\TiN、TaN、Ta\TaN或TiSiN形成。含金屬阻擋層210可以利用例如ALD工藝或CVD工藝形成。含金屬阻擋層210可以形成到例如約20至100A的厚度。參照圖2B，第一籽層222可以形成在含金屬阻擋層210上。第一籽層222可以在ALD工藝中通過使用B2H6氣體形成。第一籽層222可以形成到至少30 A的厚度。第一籽層222可以是包括B原子和W原子的非晶籽層。ALD工藝可以包括ALD工藝周期，該工藝周期包括供應B2H6氣體到含金屬阻擋層210上、執(zhí)行凈化操作、供應WF6氣體、以及執(zhí)行凈化操作。ALD工藝周期可以反復地執(zhí)行，例如執(zhí)行三次到十次，從而形成第一籽層222。如果第一籽層222在以上工藝中形成，則第一籽層222可以包括W原子和B原子。參照圖2C,第一金屬層232可以形成在第一籽層222上。第一金屬層232可以形成為包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。第一金屬層232可以在CVD工藝中形成。為了形成第一金屬層232，W層可以在供應WF6氣體和H2氣體到第一籽層222上之后通過CVD工藝生長在第一籽層222上。第一金屬層232可以形成至適當?shù)暮穸龋缂s50至500A的厚度。參照圖2D，第二籽層224、第二金屬層234、第三籽層226以及第三金屬層236可以依次形成在第一金屬層232上。第二籽層224和第三籽層226可以以與參照圖2B所述的用于形成第一籽層222相同的制造工藝形成，或者不同的制造工藝可以用于形成每個籽層。此外，第二金屬層234和第三金屬層236可以以與參照圖2C所述的用于形成第一金屬層232相同的工藝形成，或者不同的制造工藝可以用于形成每個金屬層。
參照圖2D，通過以上工藝，含金屬堆疊結構240可以形成在含金屬阻擋層210上。含金屬堆疊結構240可以包括三個籽層和三個金屬層，該三個籽層包括第一、第二和第三籽層222、224和226,該三個金屬層包括第一、第二和第三金屬層232、234和236。第一、第二和第三金屬層232、234和236可以分別形成在第一、第二和第三籽層222、224和226上。如果金屬層在CVD工藝中形成，則形成金屬層的多個金屬顆粒的尺寸可以與金屬層的厚度成比例。因此，形成第一、第二和第三金屬層232、234和236(其可以具有相對于第一、第二和第三金屬層232、234和236的厚度之和的小的厚度)的每個金屬顆粒的尺寸可以小于形成具有對應于第一、第二和第三金屬層232、234和236的厚度之和的厚度的金屬層的每個金屬顆粒的尺寸。因此，為了形成具有期望厚度的金屬層，第一、第二和第三金屬層232、234和236可以反復地形成，因此，可以形成包括相對小的金屬顆粒的金屬層。 圖3A示出包括在圖2D所示的含金屬堆疊結構中的形成第一、第二和第三金屬層的多個金屬顆粒的截面圖。盡管沒有在附圖中示出，但是含金屬堆疊結構240的不需要的部分可以從圖2D所示的所得結構中蝕刻。第一、第二和第三金屬層232、234和236可以包括密集地形成的具有相對小的直徑的多個金屬顆粒232G、234G和236G。因此，在蝕刻工藝之后可以獲得保留在半導體基板200上的含金屬堆疊結構240的蝕刻表面的光滑形貌。相對于包括在具有對應于第一、第二和第三金屬層232、234和236的厚度之和的厚度的金屬層中的金屬顆粒，具有相對小的直徑的金屬顆粒232G、234G和236G可以是小的。參照圖2E，含金屬堆疊結構240可以被熱250處理從而形成其中多個金屬顆粒的尺寸被增大的含金屬導線240A。含金屬堆疊結構240通過熱250的處理可以在例如約800至約1000°C的范圍內的溫度進行。如果熱250的溫度在約800至約1000°C的范圍內，則金屬顆?？梢栽诤饘俣询B結構240中充分地生長，并且形成在半導體基板200上的其他單元器件不會由于所述熱而劣化。含金屬堆疊結構240通過熱250處理的時間可以是適合的時間，也就是，通過熱250的處理可以進行一時間，在該時間期間含金屬導線240A中的金屬顆粒的尺寸可以被足夠地增大。對于通過熱250的處理，可以進行快速熱處理(RTP)、峰值快速熱退火(RTA)、快速退火(flash annealing)或者熔爐退火工藝。含金屬堆疊結構240通過熱250的處理可以在非氧化氣氛下進行。含金屬堆疊結構240通過熱250的處理可以在H2、N2和Ar氣中的至少一種氣體的氣氛下進行。例如，在進行通過熱250的處理期間，氣氛氣體可以包括僅H2、僅N2或者H2和N2的混合氣體。如果熱工藝250在H2氣氛下進行，則可以防止包括在含金屬堆疊結構240中的金屬的氧化。可以包括在第一、第二和第三籽層222、224和226中的B原子可以由于通過熱250的處理而分散在含金屬堆疊結構240中，并且B原子可以保留在通過熱250的處理之后獲得的含金屬導線240A中。圖3B示出形成圖2E所示的含金屬導線的多個金屬顆粒的截面圖。當將圖3A和圖3B彼此對比時，與金屬顆粒232G、234G和236G的尺寸相比，包括在通過熱250的處理之后獲得的含金屬導線240A中的金屬顆粒240G的尺寸增大。含金屬導線240A中的金屬顆粒240G的尺寸可以大致對應于含金屬堆疊結構240的總厚度。參照圖2A至圖2E，含金屬堆疊結構240可以包括三個籽層(也就是，第一、第二和第三籽層222、224和226)以及三個金屬層(也就是，第一、第二和第三金屬層232、234和236)。然而，任何合適數(shù)目的籽層和金屬層可以被包括在含金屬堆疊結構中，例如兩個、四個或更多籽層以及兩個、四個或更多金屬層，含金屬堆疊結構可以包括彼此交替堆疊的這些籽層和金屬層。通過圖2A至圖2E所示的工藝獲得的含金屬導線240A可以用作半導體器件中的合適導電層。例如，含金屬導線240A可以形成字線、位線、用于將多個導電層彼此電連接的接觸插塞或者各種布線。圖4A示出根據(jù)實施例的半導體器件的布圖。圖4B示出半導體器件沿圖4A的線4B-4B’截取的截面圖。圖4C示出在圖4A和圖4B所示的埋入字線450和其他部件的平面圖。圖4A、圖4B和圖4C中所示的半導體器件400可以被包括在動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)器件的存儲器單元區(qū)域中。參照圖4A、圖4B和圖4C，半導體器件400可以包括定義半導體基板410上的多個有源區(qū)412的隔離層414。半導體基板410可以由半導體材料諸如硅(Si)形成。延伸跨過有源區(qū)412和隔離層414的多個溝槽416可以形成在半導體基板410上。具有定位在比有源區(qū)412的上表面412T低的水平的上表面450T的多條埋入字線450可以沿X軸方向在溝槽416中延伸(參照圖4A和圖4C)。也就是，埋入字線450的上表面450T可以低于有源區(qū)412的上表面412T，使得上表面450T在溝槽416的底部與上表面412T之間。源極/漏極區(qū)470可以暴露在有源區(qū)412的上表面412T上。多條位線480(參照圖4A)可以形成在半導體基板410上。多條位線480可以在垂直于埋入字線450延伸的方向的y軸方向(參照圖4A)延伸 。 柵電介質層420和含金屬阻擋層430可以形成在埋入字線450與有源區(qū)412之間。柵電介質層420可以形成為在直接接觸溝槽416的內壁中的有源區(qū)412的同時沿溝槽416的內壁延伸。柵電介質層420可以由硅氧化物膜形成，柵電介質層420可以由具有高介電常數(shù)的層形成，例如鉿氧化物膜(HfO2)。含金屬阻擋層430可以在形成于溝槽416中的柵電介質層420上沿溝槽416的內壁延伸。含金屬阻擋層430可以定義溝槽416中在y方向(參照圖4A和圖4C)上具有第一寬度(Wl)的布線空間。關于含金屬阻擋層430的其他細節(jié)可以與參照圖2A描述的含金屬阻擋層210相同。埋入字線450可以形成在具有第一寬度Wl的布線空間內。埋入字線450可以包括多個金屬顆粒450G，每個在J軸方向上(參照圖4A和圖4C)具有與第一寬度Wl相同的顆粒直徑D1。多個金屬顆粒450G可以由W、Mo、Pt和Rh中的至少一種形成。埋入字線450還可以包括分散在埋入字線450中的B原子。圖5A、5B、5C、ro、5E、5F、5G、5H、51、5J和5K以制造的次序示出根據(jù)實施例的制造
半導體器件的工藝中的階段的截面圖。在圖5A至圖5K中，與圖4A至圖4C相似的附圖標記指代相似的元件，這里將不重復其詳細描述。圖5A至圖5K示出與圖4B所示的沿圖4A的線4B-4B’截取的截面圖相應的截面圖。參照圖5A，隔離層414可以形成在半導體基板410上以定義多個有源區(qū)412?？梢赃M行淺溝槽隔離(STI)工藝以形成隔離層414。隔離層414可以具有以下結構，其中覆蓋形成在半導體基板410中的隔離溝槽404的內壁的熱氧化物層(未示出)、形成在熱氧化物層上的氮化物襯層(未示出)以及填充隔離溝槽404的內部的氧化物層(未示出)被依次堆疊。包括焊墊氧化物層圖案406和掩模圖案408的堆疊結構可以形成在其中形成隔離層414的半導體基板410上。焊墊氧化物層圖案406和掩模圖案408的堆疊結構408可以暴露有源區(qū)412的上表面412T的一部分以及隔離層414的上表面414T的將要形成溝槽416的部分。掩模圖案408可以包括由氮化物層或多晶硅層形成的硬掩模圖案。在實施中，掩模圖案408可以是包括硬掩模圖案和光致抗蝕劑圖案的堆疊結構。然后，暴露的有源區(qū)412和隔離層414可以通過使用掩模圖案408作為蝕刻掩模來蝕刻從而形成多個溝槽416，多個溝槽416延伸跨過半導體基板410中的多個有源區(qū)412和隔離層414。多個溝槽416可以形成為在半導體襯底410中在預定方向(圖4A中的x軸方向)上彼此平行地延伸的多個線狀圖案。參照圖5B，柵電介質層420可以形成在有源區(qū)412的被溝槽416的內壁暴露的表面上。可以對于有源區(qū)412的在溝槽416的內壁中的暴露表面進行熱氧化工藝或等離子體自由基氧化(plasma radical oxidizing)工藝,從而形成柵電介質層420。參照圖5C，含金屬阻擋層430可以形成在柵電介質層420上。含金屬阻擋層430可以通過CVD工藝或ALD工藝形成。參照圖第一籽層442可以形成在含金屬阻擋層430上，第一金屬層444可以形成在第一籽層442上。 第一籽層442可以通過使用與用于形成參照圖2B描述的第一籽層222相同的工藝形成。第一籽層442可以在含金屬阻擋層430上沿溝槽416的內壁延伸，并可以形成到至少30A的厚度。第一金屬層444可以通過使用與用于形成參照圖2C描述的第一金屬層232相同的工藝形成。第一金屬層444可以在第一籽層442上沿溝槽416的內壁延伸。第一金屬層444可以通過CVD工藝形成。第一金屬層444可以形成為具有小于布線空間的寬度Wl的1/2的厚度D2。布線空間的寬度Wl可以在溝槽416中沿溝槽416的寬度方向(具體地，y軸方向(參照圖4A))由含金屬阻擋層430定義。也就是，布線空間的寬度Wl可以是含金屬阻擋層430的位于內壁關于溝槽416的中央的相對兩側的兩部分之間的距離。包括在第一金屬層444中的多個金屬顆粒的尺寸可以由第一金屬層444的厚度限制。第一金屬層444的厚度可以被減小。因此，還可以減小形成第一金屬層444的多個金屬顆粒的尺寸。第一金屬層444可以形成至合適的厚度,例如約50至約500A的厚度。第一金屬層444的厚度可以根據(jù)溝槽416的寬度而變化，形成在溝槽416中的籽層和金屬層的數(shù)目也可以改變。例如，如果溝槽416的寬度W2為約300A,則第一籽層442可以形成至約30人的厚度并且第一金屬層444可以形成至約50人的厚度。參照圖5E，第二籽層446可以形成在第一金屬層444上，第二金屬層448可以形成在第二籽層446上。第二籽層446和第二金屬層448可以以與參照圖描述的用于形成第一籽層446和第一金屬層444的相似的工藝形成。然而，如圖5E所示，第二金屬層448可以形成為完全填充溝槽416的內部。如果使用超過兩個金屬層，所形成的最后金屬層可以完全填充溝槽416的內部。第一籽層442、第一金屬層444、第二籽層446和第二金屬層448可以構成填充在溝槽416的布線空間中的含金屬堆疊結構440。
第二金屬層448可以通過CVD工藝形成。因此，多個金屬顆粒可以在溝槽416中彼此面對的同時逐漸生長，并可以如圖5E所示在溝槽416的中央部分中彼此接觸。此外，在形成第二金屬層448之后，接合部分448S可以形成為線，所述線可以沿溝槽416的長度方向(對應于圖4A的X軸方向的方向)保留在溝槽416的中央部分處。圖6示出截面圖，示出由圖5E的虛線指示的區(qū)域A的放大圖，用于更詳細地描述接合部分448S。在圖6中，為了描述的方便，示出可以形成第一金屬層444和第二金屬層448的多個金屬顆粒444G和448G。當形成第二金屬層448時，多個金屬顆粒448G可以通過CVD工藝從第二籽層446的表面朝向溝槽416的中央部分生長。金屬顆粒444G和448G的直徑可以小于寬度Wl的約1/2，并可以在寬度Wl的約1/10至約2/5之間。在生長多個金屬顆粒448G期間，多個金屬顆粒448G可以填充溝槽416中的中央部分。因此，彼此面對地生長的多個金屬顆粒448G可以在溝槽416的中央部分處彼此接觸。溝槽416可以通過第二金屬層448填充，在溝槽416中可以沒有空的空間。因此，接合部分448S可以在溝槽416中的中央部分處沿溝槽416的長度方向連續(xù)地或間斷地延伸。第一和第二金屬層444和448 (其可以具有相對于布線空間的寬度Wl的小的厚度)的每個可以包括多個金屬顆粒444G或448G，其具有相對小的顆粒直徑并密集地形成。因此，溝槽416的內部可以被密集地填充而沒有空隙。多個金屬顆粒444G或448G的相對小的顆粒直徑可以相對于布線空間的寬度Wl為小的。參照圖5F，形成在含金屬阻擋層430上的含金屬堆疊結構440可以從含金屬堆疊結構440的上部回蝕刻，從而可以形成含金屬布線圖案450A。含金屬布線圖案450A可以包括回蝕刻之后溝槽416中的含金屬堆疊結構440的剩余部分。因此，含金屬阻擋層430可以在半導體基板410的上部上被暴露，凹入孔416H可以形成在溝槽416的入口部分(也就是，溝槽416中的含金屬布線圖案450A的上部)上。含金屬堆疊結構440的回蝕刻可以通過使用例如干法蝕刻工藝進行。含金屬堆疊結構440的回蝕刻可以去除含金屬堆疊結構440的一部分，使得含金屬布線圖案450A的上表面450S在溝槽416的底部與有源區(qū)412的上表面或柵極電介質層42 0的上表面之間。含金屬堆疊結構440的回蝕刻可以是第一次含金屬堆疊結構440的一部分被去除。也就是，在實施例中，含金屬堆疊結構440可以僅通過沉積形成，而在形成含金屬布線圖案450A的回蝕刻之前沒有任何含金屬堆疊結構440的實質部分被去除。第一和第二金屬層444和448可以包括具有相對小顆粒直徑并密集地形成的多個金屬顆粒444G和448G。金屬顆粒444G和448G的相對小的顆粒直徑可以相對于布線空間的寬度Wl是小的。多個金屬顆粒444G和448G的顆粒邊界可以影響在執(zhí)行回蝕刻工藝之后形成在半導體基板410上的多個含金屬布線圖案450A的上表面450S上的形貌變化。也就是，如果多個金屬顆粒444G和448G的顆粒直徑是大的，則形貌變化可以增大，并且如果多個金屬顆粒444G和448G的顆粒直徑是小的，則形貌變化可以減小。當回蝕刻第一和第二籽層442和446以及第一和第二金屬層444和448時,第一和第二金屬層444和448可以包括具有相對小的顆粒直徑的多個金屬顆粒444G和448G。因此，可以減小在進行回蝕刻工藝之后獲得的含金屬布線圖案450A的上表面450S的形貌變化。此外，可以在半導體基板410的整個區(qū)域上減小形成在多個溝槽416中的多個含金屬布線圖案450A上的形貌的變化，因而，可以增加形貌均勻性。因此，可以防止利用含金屬布線圖案450A形成的多個單元晶體管的閾值電壓V分布的劣化。參照圖5G，含金屬阻擋層430的暴露部分可以被去除從而可以保留含金屬阻擋層430的位于含金屬布線圖案450A的上表面450S下的部分。為了去除含金屬阻擋層430的暴露部分，可以執(zhí)行濕法蝕刻工藝。因此，柵電介質層420的某些部分可以暴露在凹入孔416H的側壁上。參照圖5H，包括含金屬布線圖案450A的所得結構可以通過經(jīng)由熱452的處理來退火從而增大包括在含金屬布線圖案450A中的金屬顆粒444G和448G的尺寸。因而,可以獲得包括具有增大的尺寸的多個金屬顆粒的導線450B。導線450B可以形成圖4A至圖4C所示的埋入字線450，并可以包括多個金屬顆粒450G，每個具有對應于由含金屬阻擋層430定義的布線空間的寬度Wl的顆粒直徑，如圖4C所示。通過熱452的處理的細節(jié)可以與參照圖2E描述的含金屬堆疊結構240通過熱250的處理類似?？砂ㄔ诘谝缓偷诙褜?42和446中的B原子可以通過熱452的處理而分散在含金屬布線圖案450A中，并可以以分散的狀態(tài)保留在熱工藝之后獲得的含金屬導線450B中。
參照圖51,絕緣層(未不出)可以形成在含金屬阻擋層430、含金屬導線450B和掩模圖案408上從而完全填充凹入孔416H的內部空間。之后，絕緣層可以被回蝕刻從而可以暴露掩模圖案408并且蓋層460可以形成在凹入孔416H中。絕緣層可以例如通過化學機械拋光(CMP)工藝拋光以形成蓋層460。蓋層460可以由例如氮化物層或氧化物層形成。掩模圖案408也可以與絕緣層一起被拋光。參照圖5J，掩模圖案408和焊墊氧化物層圖案406可以從如圖51所示的其中形成蓋層460的所得結構去除，因此，有源區(qū)412的上表面可以被暴露。掩模圖案408和襯墊氧化物層圖案406可以通過濕法蝕刻工藝去除。如果蓋層460是氮化物層并且掩模圖案408是氧化物層，則掩模圖案408和焊墊氧化物層圖案406可以通過利用蓋層460與掩模圖案408和襯墊氧化物層圖案406的蝕刻選擇性之間的差異的濕法蝕刻工藝去除。參照圖5K，源極/漏極區(qū)470可以通過注入雜質離子到有源區(qū)412的上表面中而形成在有源區(qū)412的上表面上。用于形成源極/漏極區(qū)470的離子注入可以與用于形成半導體基板410的周邊電路區(qū)域(未示出)上形成的周邊電路晶體管(未示出)的源極/漏極區(qū)的離子注入同時地進行。用于形成源極/漏極區(qū)470的離子注入還可以在形成隔離層414之后并且在形成半導體基板410中的溝槽416之前進行，如圖5A中。參照圖5A至圖5K，含金屬堆疊結構440示出為包括兩個籽層(也就是，第一和第二籽層442和446)以及兩個金屬層(也就是，第一和第二金屬層444和448)。然而,可以形成包括彼此交替堆疊的三個或更多籽層和三個或更多金屬層的含金屬堆疊結構。參照圖5A至圖5K，如果含金屬導線450B由包括具有相對小的厚度的多個金屬層的含金屬堆疊結構440形成(也就是，首先形成第一和第二金屬層444和448，然后進行用于去除堆疊結構中的一部分的回蝕刻工藝，然后回蝕刻工藝之后的剩余堆疊結構被退火以增大金屬顆粒的尺寸從而形成導線)，含金屬導線450B可以提供期望的電性能?；匚g刻工藝可以對包括小尺寸的金屬顆粒的形成為具有相對小厚度的多個金屬層進行。因此，可以改善回蝕刻工藝之后保留的堆疊結構的表面形貌特性，并且可以減小多個含金屬布線圖案的形貌之間的變化。因此，可以增大半導體基板的形貌均勻性。在以上工藝中形成的導線可以用作晶體管的字線。因此，可以防止閾值電壓V分布的劣化。此外，如圖5H所示，多個金屬顆粒450G的尺寸可以由于退火工藝而增大。因此,包括金屬顆粒450G (其尺寸增大)的導線450B可以用作埋入字線450，因此可以減小電阻。圖7A至圖7D是掃描電子顯微(SEM)圖像，允許對比當具有相對小厚度的體W層分別多次形成在單獨的籽層上時和當體W層一次性形成至相對大的厚度時的表面形貌的對比。圖7A和圖7B示出SEM圖像，用于評價通過由具有相對大厚度的金屬層制造半導體器件的方法形成的體W膜的表面形貌。圖7C和圖7D示出SEM圖像，用于評價通過由具有相對小厚度的多個金屬層制造半導體器件的方法形成的體W膜的表面形貌。更具體地，圖7A和圖7B是SEM圖像，示出當多個溝槽形成在半導體基板中、TiN阻擋層形成在多個溝槽中且在半導體基板上、并且通過在TiN阻擋層上依次堆疊具有50A的厚度的籽層和具有400A的厚度的體W層而形成含金屬層時的含金屬層的表面形貌(圖7A)和形成含金屬層的W顆粒(圖7B)。也就是，圖7A和圖7B的含金屬層由具有相對大的厚度的單個金屬層形成。圖7C和圖7D是SEM圖像，示出當多個溝槽形成在半導體基板中、TiN阻擋層形成在多個溝槽中且在半導體基板上、通過在TiN阻擋層上依次形成具有50A的厚度的第一籽層、具有180人的厚度的第一體W層、具有50人的厚度的第二籽層以及具有180A的厚度的第二體w層而形成含金屬堆疊結構時的含金屬堆疊結構的表面形貌(圖7C)和形成含金屬堆疊結構的W顆粒(圖7D)。也就是，圖7C和圖7D的含金屬層由具有相對小厚度的多個金屬層形成。如圖7C和圖7D所示，含金屬堆疊結構可以通過交替堆疊具有相對小厚度的籽層和體W層而形成。因此，可以減小包括在體W層中的金屬顆粒的尺寸，并且可以改善含金屬堆疊結構的表面形貌。`圖7E和圖7F示出SEM圖像，用于評價在含金屬堆疊結構的退火之前和之后的W顆粒的尺寸。圖7E示出在退火之前W顆粒的尺寸，圖7F示出在退火之后W顆粒的尺寸。圖7E和圖7F示出，W顆粒的尺寸可以由于退火而相對增大。圖8A和圖8B示出SEM圖像，用于評價退火工藝對通過根據(jù)實施例的制造半導體器件的方法形成的含金屬堆疊結構的效果。更具體地，圖8A和圖SB是示出關于含金屬堆疊結構退火之前(圖8A)和之后(圖SB)的W顆粒的尺寸，該含金屬堆疊結構通過在半導體基板中形成多個溝槽、在多個溝槽中和半導體基板上形成TiN阻擋層、以及在TiN阻擋層上依次形成具有50A的厚度的第一籽層、具有180A的厚度的第一體w層、具有50 A的厚度的第二籽層以及具有180 A的厚度的第二體W層而獲得。更具體地，圖8A是在退火之前的SEM圖像，示出在形成含金屬堆疊結構以及從含金屬堆疊結構的上部回蝕刻含金屬堆疊結構之后的所得結構。圖8B是SEM圖像，示出在H2氣體氣氛中在800°C的溫度對回蝕刻之后剩余的含金屬堆疊結構進行退火之后的所得結構。從圖8A和圖8B的對比,確定W顆粒的尺寸由于退火而增大。圖9示出曲線圖，示出在根據(jù)實施例的半導體器件中根據(jù)形成在多個溝槽中的含金屬堆疊結構的退火的電阻減小效果。更具體地，圖9示出曲線圖，示出在含金屬堆疊結構的退火之前和之后的電阻(IV)的變化，該含金屬堆疊結構通過在半導體基板中形成多個溝槽、在多個溝槽中和半導體基板上形成TiN阻擋層、以及在TiN阻擋層上依次形成具有50人的厚度的第一籽層、具有180A的厚度的第一體W層、具有50 A的厚度的第二籽層以及具有180A的厚度的第二體W層而獲得。在圖9的曲線圖中，橫軸表示兩個相鄰含金屬堆疊結構之間的電容(Cwl),縱軸表示電阻(Rwl )。在圖9中，標記■和▼表示含金屬堆疊結構沒有被退火的情形，標記 示出含金屬堆疊結構在860°c的溫度在H2氣體氣氛下退火的情形，標記Λ表示含金屬堆疊結構在800°C的溫度在H2氣體氣氛中退火的情形，標記□表示含金屬堆疊結構沒有形成在TiN阻擋層上并且沒有進行退火的情形。在圖9中，標記■和▼具有不同高度的含金屬堆疊結構。標記■表示含金屬堆疊結構從其上部回蝕刻小深度的情形，標記▼表示含金屬堆疊結構從其上部回蝕刻大深度的情形，使得在回蝕刻之后，標記▼的含金屬堆疊結構的高度為標記■的含金屬堆疊結構的高度的約93%。如圖9所示，當含金屬堆疊結構被退火時，W顆粒的尺寸在含金屬堆疊結構中增大，電阻減小。圖10示出 包括根據(jù)實施例的半導體器件的存儲器模塊4000的平面圖。存儲器模塊4000包括印刷電路板(PCB) 4100和多個半導體封裝4200。多個半導體封裝4200可以包括通過根據(jù)實施例的制造方法制造的半導體器件。根據(jù)實施例的存儲器模塊4000可以是單列直插存儲器模塊(SIMM)或者雙列直插存儲器模塊(DIMM)，在單列直插存儲器模塊中，多個半導體封裝4200安裝在PCB 4100的表面上，在雙列直插存儲器模塊中，多個半導體封裝4200安裝在PCB 4100的兩個表面上。在實施中，存儲器模塊4000可以是包括先進存儲器緩沖(AMB)的完全緩沖DIMM (FBDIMM)，其向多個半導體封裝4200提供外部信號。圖11示出包括根據(jù)實施例的半導體器件的存儲卡5000的示意圖。在存儲卡5000中，控制器5100和存儲器5200可以設置為交換電信號。例如，當控制器5100發(fā)送命令時，數(shù)據(jù)可以從存儲器5200讀取。存儲器5200可以包括通過根據(jù)實施例的方法制造的半導體器件。存儲卡5000可以配置為合適的存儲卡,例如存儲棒卡、智能媒體卡(SM)、安全數(shù)字卡(SD)、迷你安全數(shù)字卡(mini SD)以及多媒體卡(MMC)。圖12示出包括根據(jù)實施例的半導體器件的系統(tǒng)6000的示意圖。在系統(tǒng)6000中，處理器6100、輸入/輸出裝置6300和存儲器6200可以通過使用總線6500彼此通信數(shù)據(jù)。存儲器6200可以包括隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。此外，系統(tǒng)6000可以包括外圍設備6400，諸如，例如軟盤驅動器和致密盤(⑶)ROM驅動器。存儲器6200可以包括通過根據(jù)實施例的方法制造的半導體器件。存儲器6200可以存儲用于操作處理器6100的代碼和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)6000可以使用在例如移動電話、MP3播放器、導航儀、便攜式多媒體播放器(PMP )、固態(tài)盤(SSD )或家用電器中。通過總結和回顧，在具有減小的特征尺寸和減小的設計規(guī)則的半導體器件的半導體基板的溝槽中形成埋入型布線，例如埋入型字線，是有利的。對于埋入型布線具有低電阻也是有利的。
埋入字線的電阻可以通過使用例如TiN+W而減小，其具有比TiN低的電阻率。然而，如果埋入字線的尺寸減小至例如約20nm或更小，則埋入W的顆粒尺寸還可以減小并且電阻會增大。因此，對于埋入W的顆粒尺寸增大以減小電阻是有利的。然而，沉積具有增大顆粒尺寸的埋入W會導致在W回蝕刻工藝期間由于W顆粒邊界而導致有缺陷的局域分散(local dispersion),這會導致使單元晶體管的閾值電壓V分布的劣化。通過反復沉積籽層和體層，可以減小W顆粒的尺寸，可以改善溝槽中的埋入W的顆粒和表面形貌。籽層和體層的堆疊結構可以被回蝕刻以形成期望的結構，然后籽層和體層的堆疊結構可以被熱處理以增大W顆粒的尺寸并減小電阻。因此，埋入W可以具有低電阻而不劣化閾值電壓V的分布，即使埋入字線具有小的尺寸。這里已經(jīng)公開了示例實施例，盡管使用了特定的術語，它們僅以一般和描述的含義來使用和解釋，而不是為了限制的目的。在某些情形下，如對于本申請所提交的領域內的普通技術人員將是明顯的，結合特定 實施例描述的特征、特性和/或元件可以被單獨使用或與結合其他實施例描述的特征、特性和/或元件組合地使用，除非另外特別指示。因而，本領域技術人員將理解，可以進行形式和細節(jié)上的各種變化而不背離本發(fā)明的由權利要求書所闡述的精神和范圍。于2011年9月28日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請No. 10-2011-0098308通過引用整體結合于此。
權利要求
1.一種半導體器件，包括 半導體基板，其中具有溝槽； 含金屬阻擋層，沿所述溝槽的內壁延伸并定義所述溝槽中的布線空間，該布線空間具有沿第一方向的第一寬度；以及 含金屬導線，在所述含金屬阻擋層上且在所述布線空間中，并包括至少一個金屬顆粒，所述至少一個金屬顆粒具有沿所述第一方向的大約所述第一寬度的顆粒直徑。
2.如權利要求1所述的半導體器件，其中所述至少一個金屬顆粒包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。
3.如權利要求2所述的半導體器件，其中所述含金屬導線還包括硼(B)。
4.如權利要求1所述的半導體器件，其中所述含金屬阻擋層包括T1、Ta、TiN,TaN和TiSiN中的至少一種。
5.如權利要求1所述的半導體器件，其中所述含金屬導線通過如下形成 形成沿所述溝槽的所述內壁延伸的至少兩個金屬層，所述至少兩個金屬層的每個具有多個第一金屬顆粒，所述多個第一金屬顆粒的每個在所述第一方向上具有小于所述第一寬度的1/2的顆粒直徑；以及 增大所述多個第一金屬顆粒中至少一個的尺寸以形成具有沿所述第一方向的大約所述第一寬度的顆粒直徑的所述至少一個金屬顆粒。
6.如權利要求1所述的半導體器件，其中所述第一寬度是所述含金屬阻擋層的在所述內壁相對于所述溝槽的中央的相對兩側的兩部分之間的距離。
7.—種制造半導體器件的方法，該方法包括 在基板上形成含金屬堆疊結構，該含金屬堆疊結構包括 至少兩個籽層，和 至少一個金屬層，設置在所述至少兩個籽層之間且包括多個金屬顆粒； 蝕刻所述含金屬堆疊結構的一部分以形成包括所述含金屬堆疊結構的剩余部分的含金屬布線圖案；以及 退火所述含金屬布線圖案。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述至少兩個籽層包括硼(B)。
9.如權利要求7所述的方法，其中所述多個金屬顆粒包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。
10.如權利要求7所述的方法，其中所述含金屬布線圖案的退火在800至1000°C的溫度進行。
11.如權利要求7所述的方法，其中所述含金屬布線圖案的退火在H2、N2和Ar氣中的至少一個的氣體氣氛中進行。
12.如權利要求7所述的方法，其中直到蝕刻所述含金屬堆疊結構的一部分以形成所述含金屬布線圖案，實質上沒有去除所述至少一個金屬層的部分。
13.—種制造半導體器件的方法，該方法包括 在半導體基板中形成溝槽； 形成沿所述溝槽的內壁延伸并定義所述溝槽中的布線空間的下層，該布線空間具有沿第一方向的第一寬度；形成含金屬堆疊結構，該含金屬堆疊結構包括 在所述下層上沿所述溝槽的內壁延伸的多個籽層，和 至少一個金屬層，在所述多個籽層之一上沿所述溝槽的內壁延伸并具有多個金屬顆粒，所述多個金屬顆粒的每個具有在所述第一方向上的小于第一寬度的1/2的顆粒直徑；蝕刻所述含金屬堆疊結構的一部分以形成包括所述含金屬堆疊結構的剩余部分的含金屬布線圖案；以及 增大所述含金屬布線圖案中多個金屬顆粒中至少一些的尺寸。
14.如權利要求13所述的方法，其中增大所述多個金屬顆粒中至少一些的尺寸包括退火所述含金屬布線圖案。
15.如權利要求13所述的方法，其中增大所述多個金屬顆粒中至少一些的尺寸被進行，使得所述含金屬布線圖案包括具有沿所述第一方向的大約第一寬度的顆粒直徑的至少一個金屬顆粒。
16.如權利要求13所述的方法，其中形成所述含金屬堆疊結構包括 在所述下層上形成包括硼(B)的第一籽層； 通過使用化學氣相沉積工藝形成第一金屬層，使得所述第一金屬層在所述第一籽層上沿所述溝槽的內壁延伸并包括多個金屬顆粒，所述多個金屬顆粒的每個具有沿所述第一方向的小于第一寬度的1/2的顆粒直徑；以及 在所述第一金屬層上形成包括硼(B)的第二籽層。
17.如權利要求13所述的方法，其中形成所述含金屬堆疊結構包括 供應含硼氣體到所述下層的暴露表面上以形成籽層；以及 供應含金屬氣體到所述籽層上以形成金屬層。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述含金屬氣體包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一種。
19.如權利要求13所述的方法，其中所述第一寬度是所述下層的在所述內壁相對于所述溝槽的中央的相對兩側的兩部分之間的距離。
20.如權利要求13所述的方法，其中直到蝕刻所述含金屬堆疊結構的一部分以形成所述含金屬布線圖案，實質上沒有去除所述至少一個金屬層的部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了包括含金屬導線的半導體器件及其制造方法。該半導體器件包括半導體基板，其中具有溝槽；含金屬阻擋層，沿溝槽的內壁延伸并定義溝槽中的布線空間，該布線空間具有沿第一方向的第一寬度；以及含金屬導線，在含金屬阻擋層上且在布線空間中，并包括具有沿第一方向的大約第一寬度的顆粒直徑的至少一個金屬顆粒。
文檔編號H01L27/108GK103035646SQ201210367959
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者樸在花, 姜晚錫, 樸嬉淑, 孫雄喜 申請人:三星電子株式會社