CN110872698B - 具有隔热板的半导体制造装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体制造装置包括工艺室。隔热板将工艺室的内部空间分成第一空间和第二空间，并使第一空间与第二空间热隔离。气体供应部被配置为将工艺气体供应到第一空间。辐射器被配置为加热第一空间。载物台设置在第二空间内，并且载物台被配置为支撑基板。

Description

具有隔热板的半导体制造装置
技术领域
本公开涉及半导体制造装置，更具体地，涉及具有隔热板的半导体制造装置。
背景技术
石墨烯是其中碳原子排列成具有蜂窝结构的二维薄膜的形式的碳。在石墨烯中，碳原子形成具有二维结构的碳六边形平面，该二维结构中碳原子具有sp2轨道杂化。具有该平面结构的碳原子集合被称为石墨烯，并且石墨烯的厚度为约0.34nm，其对应于仅一个碳原子的厚度。石墨烯在结构和化学上非常稳定，是优秀的电导体，其电荷迁移率是硅的约100倍，并且可允许的电流是铜的电流的约100倍。此外，石墨烯具有优秀的透明度并且可以具有比常用作透明电极的铟锡氧化物(ITO)更高的透明度。已经进行了各种研究以基于石墨烯的特性将石墨烯应用于电子器件。
近年来，已经尝试了通过经由使用化学气相沉积(CVD)在基板上直接生长石墨烯来制造包括石墨烯膜的半导体器件。直接生长石墨烯的方法可以令人满意的，因为可以省略石墨烯转移工艺，但是由于通常使用高的生长温度来获得高品质石墨烯，基板和/或基板上的材料膜在直接生长石墨烯期间会容易劣化。
发明内容
一种半导体制造装置包括工艺室。隔热板将工艺室的内部空间分成第一空间和第二空间，并使第一空间与第二空间热隔离。气体供应部被配置为将工艺气体供应到第一空间。辐射器被配置为加热第一空间。载物台设置在第二空间内并被配置为在其中支撑基板。
一种半导体制造装置包括工艺室。隔热板将工艺室的内部空间分成第一空间和第二空间，等离子体在第一空间中被产生，第一空间中产生的等离子体在第二空间中被扩散。气体供应部被配置为将工艺气体供应到第一空间。等离子体发生器被配置为从供应到第一空间的工艺气体产生等离子体。辐射器被配置为加热第一空间至第一温度。载物台被配置为在第二空间内支撑基板，并被配置为加热基板至低于第一温度的第二温度。
一种半导体制造装置包括具有第一空间和第二空间的工艺室，等离子体在第一空间中被产生，基板在第二空间中被处理。隔热板使第一空间与第二空间热隔离并包括第一通孔，等离子体穿过第一通孔从第一空间传输到第二空间。气体供应部被配置为将含碳的工艺气体供应到第一空间中。等离子体发生器被配置为在第一空间中从工艺气体产生等离子体。辐射器被配置为在第一空间中产生等离子体的同时加热第一空间至第一温度。载物台被配置为在第二空间内支撑基板，并且另外被配置为加热基板至低于第一温度的第二温度。
附图说明
本发明构思的示例性实施方式将由以下结合附图的详细描述被更清楚地理解，附图中：
图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置的剖视图；
图2是示出图1所示的隔热板和反射器的透视图；
图3是示出图1所示的半导体制造装置中的辐射器和气体注入器的俯视图；
图4是图1所示的辐射器和气体注入器的剖视图；
图5是示出根据本发明构思的示例性实施方式的隔热板的剖视图；
图6是根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置的剖视图；
图7是示出通过使用根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置制造石墨烯的方法的剖视图；
图8是示出根据本发明构思的示例性实施方式的存储器件的透视图；
图9是沿图8中的线X-X'截取的示出存储器件的剖视图；
图10A至10I是示出制造图8和9所示的存储器件的方法的剖视图；
图11A和11B分别是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体器件的主要构造的剖视图；以及
图12是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体器件的主要构造的剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明构思的实施方式。在描述本公开在附图中示出的示例性实施方式时，为清楚起见，采用了特定术语。然而，本公开不旨在限于如此选择的特定术语，并且将理解，每个特定元件包括以类似方式操作的所有技术等同物。在附图和详细描述中，相同或相似的元件可以由相同的附图标记表示。
图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置100的剖视图。
参照图1，半导体制造装置100可以包括工艺室110、载物台120、隔热板130、反射器140、气体供应部150、辐射器160、气体注入器170和等离子体发生器180。
半导体制造装置100可以是配置为通过使用等离子体在工艺室110中处理基板101的等离子体处理装置。例如，半导体制造装置100可以是用于在基板101上沉积材料层的等离子体沉积装置，并且工艺室110可以是用于执行等离子体沉积工艺的等离子体沉积室。例如，半导体制造装置100可以被配置为通过使用等离子体在基板101上生长石墨烯膜，并且也可以被配置为通过经由使用等离子体在基板101上沉积石墨烯膜来制造半导体器件。然而，对根据本发明的半导体制造装置100的使用不限于此。例如，半导体制造装置100可以执行蚀刻工艺、清洁工艺等。
基板101可以是例如硅基板的晶片。例如，半导体制造装置100可以被配置为在硅基板上沉积材料膜。在本发明构思的示例性实施方式中，半导体制造装置100可以被配置为通过使用等离子体在硅基板上直接生长石墨烯膜。
工艺室110可以限定内部空间。工艺室110的内部空间可以由隔热板130和/或反射器140分隔成第一空间111和第二空间112。第一空间111是提供在隔热板130和/或反射器140上方的空间，并且可以是产生等离子体的空间。第二空间112是提供在隔热板130和/或反射器140下方的空间。第二空间112可以是第一空间111中产生的等离子体被扩散并且基板101被处理的空间。
排气管119可以提供在工艺室110的下部，并且可以连接到真空泵118。真空泵118可以调节工艺室110内部空间的压力，从而在工艺室110的内部空间中形成适合于等离子体产生和/或等离子体处理的压力氛围。闸阀117被配置为打开和关闭开口116，基板101通过开口116被放入和取出。闸阀117可以设置在工艺室110的侧壁上。
载物台120可以设置在工艺室110中的第二空间112内。基板101可以设置在载物台120的上表面上。载物台120可以在等离子体处理期间支撑基板101。此外，载物台120可以在等离子体处理期间用作电极。例如，当偏压电力(bias power)在等离子体处理期间施加到载物台120时，载物台120可以用作电极。
在本发明构思的示例性实施方式中，载物台120可以包括铝氮化物(AlN)、铝(Al)、硅碳化物(SiC)、不锈钢或其组合。
载物台120可以包括载物台加热器121。载物台120可以驱动载物台加热器121，从而加热由载物台120支撑的基板101，从而也加热第二空间112。例如，载物台加热器121可以被配置为在等离子体处理期间将基板101加热至适合于处理基板101的温度。
载物台加热器121可以包括加热电极1211。加热电极1211可以嵌入载物台120中。例如，加热电极1211可以关于载物台120的中心轴线具有同心的或螺旋形的图案。加热电极1211可以包括电导体，例如，诸如钨(W)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、钛(Ti)、镍-铬(Ni-Cr)合金或镍-铝(Ni-Al)合金的金属，或者诸如钨碳化物(WC)、钼碳化物(MoC)或钛氮化物(TiN)的导电陶瓷。
载物台加热器121可以电连接到加热器电力供应部1213。加热器电力供应部1213可以向加热电极1211施加电力(例如AC电压)，从而对加热电极1211进行加热。载物台120和由载物台120支撑的基板120的温度可以由被加热的加热电极1211调节。
图2是示出图1所示的隔热板130和反射器140的透视图。
参照图1和2，隔热板130可以提供在工艺室110中，并且可以将工艺室110的内部空间分成第一空间111和第二空间112。例如，隔热板130可以安装在工艺室110中以在工艺室110的内部空间中水平地延伸。隔热板130可以是盘状的，并且可以包括允许第一空间111中产生的等离子体穿过而进入第二空间112中的一个或更多个第一通孔131。
隔热板130可以被配置为使第一空间111与第二空间112热隔离。因为第一空间111和第二空间112可以通过隔热板130彼此热隔离，所以即使其中产生等离子体的第一空间111具有相对高的温度，第二空间112的温度也可以被保持在比第一空间111的温度低的温度。
例如，隔热板130可以包括低热导率材料。例如，隔热板130可以包括陶瓷、石英等。
反射器140可以提供在隔热板130上。反射器140可以覆盖隔热板130的上表面。例如，反射器140可以例如以与隔热板130的方式相似的方式安装在工艺室110中以在工艺室110的内部空间中水平地延伸。反射器140可以是板状的，并且可以包括允许第一空间111中产生的等离子体穿过而进入第二空间112中的至少一个第二通孔141。反射器140的第二通孔141可以与隔热板130的第一通孔131连通。
反射器140可以与隔热板130一起使第一空间111与第二空间112热隔离。反射器140可以阻止第一空间111与第二空间112之间的辐射热传递。例如，反射器140可以反射从第一空间111行进到第二空间112的红外线，以抑制第一空间111与第二空间112之间的辐射热传递。因为辐射热传递通过反射器140在第一空间111与第二空间112之间被阻止，所以即使当第一空间111具有比第二空间112高的温度时，第二空间112的温度也可以被保持在比第一空间111的温度低的温度。
参照回图1，气体供应部150可以将工艺气体供应到工艺室110的第一空间111。例如，气体供应部150可以将源气体、吹扫气体等供应到第一空间111。如图1所示，气体供应部150可以连接到提供在工艺室110侧壁上的气体注入器170，并且可以通过气体注入器170将工艺气体供应到第一空间111。或者，气体供应部150可以通过工艺室110的顶壁将工艺气体供应到第一空间111。
例如，气体供应部150可以包括供应用于产生等离子体的惰性气体的惰性气体供应源。例如，惰性气体供应源可以被配置为将Ar、He、Ne、Kr、Xe等供应到第一空间111。由气体供应部150供应的惰性气体可以通过等离子发生器180在第一空间111中被等离子化。
此外，气体供应部150可以包括供应源气体例如沉积源气体或蚀刻源气体的源气体供应源。
辐射器160可以加热工艺室110的第一空间111。例如，辐射器160可以安装在工艺室110的侧壁上。辐射器160可以提供适合于产生具有高活化能的自由基的温度氛围。例如，辐射器160可以将第一空间111加热至高温，使得从第一空间111中的工艺气体产生的自由基具有更高的活化能。
气体注入器170可以连接到气体供应部150，并且可以将通过气体供应部150供应的工艺气体注入到第一空间111中。例如，气体注入器170可以安装在工艺室110的侧壁上，并且可以被配置为在第一空间111的向内方向上注入工艺气体。
等离子体发生器180可以在第一空间111中产生等离子体。等离子体发生器180可以在第一空间111中产生电场，因而在第一空间111中从工艺气体产生等离子体。等离子体发生器180可以例如通过直接等离子体方法在第一空间111中产生等离子体。直接等离子体方法可以是指在作为基板处理空间的工艺室110中直接产生等离子体的方法。
在本发明构思的示例性实施方式中，等离子体发生器180可以从第一空间111的工艺气体产生等离子体。等离子体发生器180可以产生电感耦合等离子体、电容耦合等离子体或微波等离子体。
在等离子体发生器180被配置为产生电感耦合等离子体的情况下，等离子体发生器180可以包括高频电源181、阻抗匹配器182和高频天线183。例如，工艺室110的顶板(ceiling)可以提供有与反射器140隔开的电介质窗184。天线室185可以与工艺室110一体地安装，以在电介质窗184上容置高频天线183，高频天线183具有诸如螺旋形或同心圆的线圈形状。高频天线183可以通过阻抗匹配器182电连接到高频电源181。高频电源181可以输出适合于等离子体产生的高频电力。阻抗匹配器182可以被提供以使高频电源181的阻抗与例如高频天线183的阻抗的负载相匹配。
随着从气体供应部150供应的工艺气体通过气体注入器170注入到第一空间111中，诸如沉积源气体和等离子体产生源气体的工艺气体可以在第一空间中均匀地扩散。由于在高频天线183中流动的电流，高频天线183周围可以产生磁场，并且磁力线可以穿透电介质窗184并穿过第一空间111。感应电场可以通过磁场的时间变化而产生，并且由感应电场加速的电子可以与沉积源气体的分子或原子碰撞，从而产生等离子体。第一空间111中产生的等离子体可以穿过反射器140的第二通孔141和隔热板130的第一通孔131扩散到第二空间112中。供应到第二空间112的等离子体可以与基板101或设置在基板101上的材料膜反应，从而在基板101上生长期望的材料膜。
图3是示出图1所示的半导体制造装置100中的辐射器160和气体注入器170的俯视图。图4是示出图1所示的辐射器160和气体注入器170的剖视图。
参照图3和4以及图1，辐射器160可以沿工艺室110的周界方向延伸。辐射器160可以包括沿工艺室110的周界方向延伸的发热体161以及安装在发热体161中的加热元件163。
在本发明构思的示例性实施方式中，加热元件163可以包括灯(lamp)、紫外(UV)光源、发光二极管(LED)光源、激光光源或热丝(hot wire)。
多个气体注入器170可以安装在辐射器160上，并在辐射器160的周界方向上彼此间隔开。例如，如图3所示，可以安装8个气体注入器170。这8个气体注入器170可以彼此周向间隔开。从气体注入器170注入的工艺气体可以朝向工艺室110的中心注入。
如图4所示，每个气体注入器170可以延伸穿过辐射器160，并且可以包括用于引导工艺气体的流动路径171。流动路径171可以引导工艺气体，使得通过气体供应部150供应的工艺气体经由辐射器160被供应到第一空间111。在这种情况下，辐射器160可以加热沿着气体注入器170的流动路径171流动的工艺气体，因而高温工艺气体可以被注入到第一空间111中。在流动路径171中，工艺气体可以涡旋并均匀地分散，然后被供应到第一空间111。如有必要，过滤杂质等的气体过滤器可以安装在流动路径171中。
图5是示出根据本发明构思的示例性实施方式的隔热板130a的剖视图。
参照图5，隔热板130a可以包括气穴133。气穴133可以是形成在隔热板130a内部的空洞。在本发明构思的示例性实施方式中，气穴133可以用诸如空气的气体填充。气穴133可以降低隔热板130a的热导率。因为隔热板130a的热导率可以通过气穴133降低，所以可以减少第一空间111与第二空间112之间的热传递。
图6是根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置100a的剖视图。除了等离子体发生器180a的构造之外，图6所示的半导体制造装置100a可以具有与图1所示的半导体制造装置100基本相同的构造。因此，与参照图1描述的描述重叠的描述被省略或简化，并且就已省略了对各种元件的描述来说，可以假设省略的细节至少类似于已描述的相应元件的细节。
参照图6，等离子体发生器180a可以包括设置在工艺室110外部的远程等离子体发生器187。远程等离子体发生器187可以被配置为向工艺室110供应以远程等离子体方法产生的远程等离子体源(RPS)。远程等离子体发生器187可以从供应自气体供应部150的工艺气体产生等离子体，并且可以将产生的等离子体供应到工艺室110的第一空间111。
图7是示出通过使用根据本发明构思的示例性实施方式的半导体制造装置100制造石墨烯的方法的剖视图。
参照图7，气体供应部150可以将用于产生等离子体的惰性气体和作为用于沉积的气体源的含碳气体供应到第一空间111中。例如，含碳气体可以包括乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、乙炔(C2H2)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)等。
等离子体发生器180可以在第一空间111中产生电场，从而产生等离子体。例如，在第一空间111中产生的电场所产生的电子与含碳气体碰撞的同时，可以产生在可自发引起化学反应的状态下活化的碳自由基。碳自由基可以穿过反射器140的第二通孔141和隔热板130的第一通孔131扩散到第二空间112中，并且可以通过第二空间112中的对流或扩散被输运到基板101的表面。输运到基板101表面的碳自由基可以被物理吸附到基板101或基板101上的材料膜，或者可以与基板101或基板101上的材料膜的原子形成化学键。在这种情况下，具有高活化能的碳自由基Ra可以移动到通过在基板101或基板101上的材料膜上的表面迁移而发现的最佳位置。碳自由基Ra可以形成稳定的网络，例如六边形蜂窝结构。另一方面，具有低活化能的碳自由基Rb可以在到达基板101之前消失，或者不参与基板101或基板101上的材料膜上的反应地消失。
当碳自由基在第一空间111中产生时，第一空间111可以保持相对高的第一温度。例如，第一空间111的第一温度可以是约700℃至约1200℃。辐射器160可以加热第一空间111，或者加热通过气体注入器170流入第一空间111中的工艺气体，以将第一空间111保持在第一温度。在作为较高温度的第一温度的条件下，可以提高具有高活化能的碳自由基Ra的生产比率(production ratio)。
如上所述，工艺室110中的第一空间111和第二空间112可以通过隔热板130和反射器140彼此热隔离。因此，作为产生等离子体的区域的第一空间111的温度可以被保持在相对高的温度，并且作为生长石墨烯的区域的第二空间112的温度可以被保持在相对低的温度。例如，第一空间111的温度可以被保持在例如约700℃与约1200℃之间的温度的较高温度，从而产生具有高活化能的碳自由基Ra。载物台120可以在相对低的温度例如约100℃至约600℃下调节基板101的温度，以防止基板101或基板101上的材料膜的劣化。
通常，当石墨烯在较低生长温度下(例如在约600℃或更低的温度下)生长时，石墨烯的结晶度下降。然而，根据本发明构思的示例性实施方式，因为可以通过使用在高温度条件下具有高活化能的碳自由基Ra在基板101上生长石墨烯，所以即使在低生长温度下也可以制造具有高结晶度的石墨烯。
图8是根据本发明构思的示例性实施方式的存储器件300的透视图。图9是存储器件300沿图8中的线X-X'截取的剖视图。
参照图8和9，存储器件300可以包括位于基板310上方的多个第一导电线320、多个第二导电线380和多个存储单元MCP。
第一层间绝缘膜312可以位于基板310上。第一层间绝缘膜312可以包括诸如硅氧化物的氧化物或诸如硅氮化物的氮化物。多个晶体管可以形成在基板310上，以构成用于驱动多个存储单元MCP的驱动电路。例如，驱动电路可以是配置为处理输入到所述多个存储单元MCP/从所述多个存储单元MCP输出的数据的一个或更多个外围电路。例如，外围电路可以包括页缓冲器、锁存电路、高速缓冲电路、列解码器、读出放大器、数据输入/输出电路和/或行解码器。例如，驱动电路可以位于与所述多个存储单元MCP垂直重叠的区域中的基板310上，并且第一层间绝缘膜312可以至少部分地覆盖基板310上的驱动电路。或者，驱动电路可以位于基板310的不与所述多个存储单元MCP垂直重叠的区域上。
所述多个第一导电线320可以在第一层间绝缘膜312上沿第一方向(X方向)延伸。所述多个第二导电线380可以在相对于基板310的上表面的比所述多个第一导电线320的水平高的水平处沿第二方向(Y方向)延伸。所述多个第一导电线320可以是字线，所述多个第二导电线380可以是位线。
所述多个第一导电线320和所述多个第二导电线380可以每个包括金属、导电金属氮化物、导电金属氧化物或其组合。例如，所述多个第一导电线320和所述多个第二导电线380可以每个包括石墨烯、W、WN、Au、Ag、Cu、Al、TiAlN、Ir、Pt、Pd、Ru、Zr、Rh、Ni、Co、Cr、Sn、Zn、ITO、其合金或其组合。所述多个第一导电线320和所述多个第二导电线380可以每个包括金属膜和覆盖金属膜的至少一部分的导电阻挡膜。导电阻挡膜可以包括例如Ti、TiN、Ta、TaN或其组合。
第一绝缘层322可以位于所述多个第一导电线320的每个之间，第二绝缘层382可以位于所述多个第二导电线380的每个之间。第一绝缘层322可以具有每个沿第一方向(X方向)延伸的多个线形状。第二绝缘层382可以具有每个沿第二方向(Y方向)延伸的多个线形状。
所述多个存储单元MCP可以布置在所述多个第二导电线380的每个与所述多个第一导电线320之间。所述多个存储单元MCP的每个可以位于所述多个第一导电线320在垂直方向上重叠所述多个第二导电线380的区域中，并且可以连接到与该存储单元MCP对应的第一导电线320和第二导电线380。
所述多个存储单元MCP的每个可以包括顺序地布置在所述多个第一导电线320上的加热电极330、可变电阻存储层342、居间电极344、第一界面层352、开关材料图案360、第二界面层354和上电极370。
第一绝缘图案324可以在所述多个第一导电线320上位于沿第一方向(X方向)彼此相邻的两个存储单元MCP之间。第二绝缘图案326可以在第一绝缘图案322上位于沿第二方向(Y方向)彼此相邻的两个存储单元MCP之间。第二绝缘图案326可以具有沿第一方向(X方向)延伸的多个线形状。第一绝缘图案324和第二绝缘图案326可以具有位于与居间电极344的上表面相同的水平上的上表面。或者，第一绝缘图案324和第二绝缘图案326可以包括单个材料层。
加热电极330可以包括配置为产生足以使可变电阻存储层342相变的热的导电材料。在本发明构思的示例性实施方式中，加热电极330可以包括TiN、TiSiN、TiAlN、TaSiN、TaAlN、TaN、WSi、WN、TiW、MoN、NbN、TiBN、ZrSiN、WSiN、WBN、ZrAlN、MoAlN、TiAl、TiON、TiAlON、WON、TaON、C、SiC、SiCN、CN、TiCN、TaCN或其组合。加热电极330可以具有U形剖面，并且一个加热电极330可以由两个相邻的存储单元MCP共用。然而，加热电极330的形状和布置不限于此。
在本发明构思的示例性实施方式中，加热电极330可以包括石墨烯。在这种情况下，因为包括石墨烯的加热电极330具有高电导率，所以加热电极330可以抑制从加热电极330传输到可变电阻存储层342的电流的泄漏。此外，因为加热电极330包括具有高热导率的石墨烯，所以加热电极330中产生的热可以有效地传递到可变电阻存储层342。
具有U形剖面的第三绝缘图案332可以位于加热电极330的内壁上。此外，第四绝缘图案334可以在共用一个加热电极330的两个存储单元MCP之间位于第三绝缘图案332上。第四绝缘图案334可以具有位于与居间电极344的上表面相同的平面中的上表面。
可变电阻存储层342可以位于加热电极330和第三绝缘图案332上。可变电阻存储层342可以包括相变材料，该相变材料被配置为依据加热时间而从非晶态变到晶态以及从晶态变到非晶态。例如，可变电阻存储层342的相可以通过由施加在可变电阻存储层342两端的电压产生的焦耳热可逆地改变，并且可变电阻存储层342可以包括电阻可通过该相变而改变的材料。例如，该相变材料可以在非晶态具有相对高的电阻，在晶态具有相对低的电阻。例如，通过将高电阻状态定义为“0”并且将低电阻状态定义为“1”，数据可以被存储在可变电阻存储层342中。
在本发明构思的一些示例性实施方式中，可变电阻存储层342可以包括Ge-Sb-Te、Ge-Te、Sb-Te、In-Se、Ga-Sb、In-Sb、As-Te、Al-Te、Bi-Sb-Te(BST)、In-Sb-Te(IST)、Ge-Sb-Te、Te-Ge-As、Te-Sn-Se、Ge-Se-Ga、Bi-Se-Sb、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、In-Ge-Te、Ge-Sn-Te、Ge-Bi-Te、Ge-Te-Se、As-Sb-Te、Sn-Sb-Bi、Ge-Te-O、Te-Ge-Sb-S、Te-Ge-Sn-O、Te-Ge-Sn-Au、Pd-Te-Ge-Sn、In-Se-Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge-Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn-Ni、Ge-Te-Sn-Pd、Ge-Te-Sn-Pt、In-Sn-Sb-Te和As-Ge-Sb-Te或其组合。
在本发明构思的一些示例性实施方式中，可变电阻存储层342还可以包括杂质，诸如碳(C)、氮(N)、硅(Si)、氧(O)、铋(Bi)和/或锡(Sn)。在本发明构思的一些示例性实施方式中，可变电阻存储层342还可以包括金属材料，诸如Al、Ga、Zn、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、Ru、Pd、Hf、Ta、Ir、Pt、Zr、Tl、Pb和/或Po。
在本发明构思的一些示例性实施方式中，可变电阻存储层342可以具有其中堆叠拥有不同物理性质的两个或更多个层的多层结构，并且多个层例如所述两个或更多个层之间还可以形成阻挡层，以防止材料在所述多个层之间的扩散。阻挡层可以被进一步形成。此外，可变电阻存储层342可以具有其中交替地堆叠包括不同材料的多个层的超晶格结构。例如，可变电阻存储层342可以具有这样的结构，其中Ge-Te的第一层和Sb-Te的第二层交替地，并且可能重复地堆叠。然而，第一层和第二层的材料不限于Ge-Te和Sb-Te，可以包括上述各种材料。
居间电极344可以位于可变电阻存储层342上。在本发明构思的示例性实施方式中，居间电极344可以包括TiN、TiSiN、TiAlN、TaSiN、TaAlN、TaN、WSi、WN、TiW、MoN、NbN、TiBN、ZrSiN、WSiN、WBN、ZrAlN、MoAlN、TiAl、TiON、TiAlON、WON、TaON、C、SiC、SiCN、CN、TiCN、TaCN或其组合。
第一界面层352、开关材料图案360和第二界面层354可以顺序地形成在居间电极344上。第一界面层352可以包括防止开关材料图案360被开关材料图案360与居间电极344之间的接触损坏的材料层。第二界面层354可以包括防止开关材料图案360被开关材料图案360与上电极370之间的接触损坏的材料层。
在本发明构思的示例性实施方式中，第一界面层352和/或第二界面层354可以包括石墨烯。因为第一界面层352和/或第二界面层354包括石墨烯，所以开关材料图案360可以由具有高刚度(rigidity)的石墨烯稳定地支撑，而且可以抑制传输到开关材料图案360的电流的泄漏。
开关材料图案360可以位于第一界面层352上。开关材料图案360可以是配置为控制电流流动的电流控制层。开关材料图案360可以包括电阻可依据开关材料图案360两端的电压大小而变化的材料层。例如，开关材料图案360可以包括具有双向阈值开关(OTS)特性的材料层。开关材料图案360可以包括硫族化物材料作为OTS材料层。在本发明构思的示例性实施方式中，开关材料图案360可以包括硅(Si)、碲(Te)、硒(Se)、硫(S)、砷(As)、锗(Ge)、铟(In)、锑(Sb)或这些元素的组合。例如，开关材料图案360可以包括具有化学式GeXAsYSeZSiU(0<X+Y+Z+U≤1)的硫族化物材料。
上电极370可以位于第二界面层354上。上电极370可以包括TiN、TiSiN、TiAlN、TaSiN、TaAlN、TaN、WSi、WN、TiW、MoN、NbN、TiBN、ZrSiN、WSiN、WBN、ZrAlN、MoAlN、TiAl、TiON、TiAlON、WON、TaON、C、SiC、SiCN、CN、TiCN、TaCN或其组合。
掩埋绝缘层372可以围绕第一界面层352、开关材料图案360、第二界面层354和上电极370的侧壁。掩埋绝缘层372的底表面可以接触第一绝缘图案324、第二绝缘图案326和第四绝缘图案334的上表面，并且掩埋绝缘层372的上表面可以位于与上电极370的上表面相同的平面上。第一界面层352、开关材料图案360、第二界面层354和上电极370的侧壁可以彼此对准并排列成直线。
所述多个第二导电线380可以布置在上电极370和掩埋绝缘层372上。
图10A至10I是示出制造图8和9所示的存储器件300的方法的剖视图。
参照图10A，第一层间绝缘膜312可以在基板310上形成。通过在第一层间绝缘膜312上形成导电层然后图案化该导电层，多个第一导电线320可以被形成。在本发明构思的一些示例性实施方式中，为了形成用于所述多个第一导电线320的导电层，可以通过使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a在第一层间绝缘膜312上直接生长石墨烯膜。
然后，绝缘层可以在所述多个第一导电线320和第一层间绝缘膜312上形成，并且绝缘层的上部可以被平坦化直到暴露所述多个第一导电线320的上表面，从而形成图8所示的第一绝缘层322。在这种情况下，对绝缘层上部的平坦化工艺可以是使用所述多个第一导电线320作为抛光停止层的化学机械平坦化(CMP)工艺。
然后，第一绝缘图案324可以在所述多个第一导电线320和第一绝缘层322上形成。第一绝缘图案324可以具有每个沿第二方向(Y方向)延伸的多个线图案形状。
加热电极层330P可以在所述多个第一导电线320的上表面、第一绝缘层322的上表面以及第一绝缘图案324的侧壁和上表面上共形地形成。在本发明构思的一些示例性实施方式中，为了形成加热电极层330P，可以通过使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a在所述多个第一导电线320的上表面、第一绝缘层322的上表面以及第一绝缘图案324的侧壁和上表面上直接生长石墨烯膜。
参照图10B，间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P可以在加热电极层330P上顺序地形成。
参照图10C，加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P的上部可以被去除以暴露第一绝缘图案324的上表面。用于去除加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P的上部的工艺可以是CMP工艺或回蚀刻工艺。
然后，掩模图案可以在第一绝缘图案324、加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P上形成，并且通过使用该掩模图案作为蚀刻掩模，第一绝缘图案324、加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P的部分可以被去除。该掩模图案可以具有沿第一方向(X方向)延伸的多个线形状，并且可以布置为垂直地重叠所述多个第一导电线320。因此，第一绝缘图案324、加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P的部分可以被去除，并且第一绝缘层322的上表面可以再次被暴露。
然后，其中去除了第一绝缘图案324、加热电极层330P、间隔物绝缘层332P和掩埋绝缘层334P的所述部分的区域可以用绝缘材料填充，从而形成图8中的第二绝缘图案326。此时掩埋绝缘层334P的留下的部分可以被称为第四绝缘图案334。
参照图10D，图10C中的加热电极层330P和图10C中的间隔物绝缘层332P的上部可以通过回蚀刻工艺被去除，因而可以形成加热电极330和第三绝缘图案332。加热电极330的上表面可以位于与第三绝缘图案332的上表面相同的水平处，并且可以布置在比第一绝缘图案324的上表面低的水平处。通过回蚀刻工艺，可以在加热电极330和第三绝缘图案332上在第一绝缘图案324与第四绝缘图案334之间的空间中限定第一间隙G1。
参照图10E，填充第一间隙G1内部的可变电阻存储层342和居间电极344可以在加热电极330和第三绝缘图案332上顺序地形成。
参照图10F，初始第一界面层352P、初始开关材料层360P、初始第二界面层354P和初始上电极层370P可以在图10E中的居间电极344以及第一绝缘图案324、第二绝缘图案326和第四绝缘图案334上顺序地形成。
在本发明构思的一些示例性实施方式中，初始第一界面层352P和初始第二界面层354P可以包括使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a生长的石墨烯膜。例如，为了形成初始第一界面层352P，可以在图10E中的居间电极344以及第一绝缘图案324、第二绝缘图案326和第四绝缘图案334上直接生长石墨烯膜。此外，为了形成初始第二界面层354P，可以在初始开关材料层360P上直接生长石墨烯膜。
参照图10G，掩模图案可以在初始上电极层370P上形成，并且初始第一界面层352P、初始开关材料层360P、初始第二界面层354P和初始上电极层370P可以使用该掩模图案被图案化，从而形成顺序地布置在居间电极344上的第一界面层352、开关材料图案360、第二界面层354和上电极370。
在本发明构思的示例性实施方式中，该掩模图案可以具有在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上间隔开的多个岛形状。当在俯视图中看时，使用该掩模图案作为蚀刻掩模被图案化且具有所述多个岛形状的第一界面层352、开关材料图案360、第二界面层354和上电极370可以具有在第一方向(X方向)上以及在第二方向(Y方向)上间隔开的多个岛形状。
参照图10H，通过将绝缘材料填充到多个存储单元MCP之间的空间中并去除该绝缘材料的上部以暴露上电极370的上表面，掩埋绝缘层372可以被形成。
参照图10I，通过在上电极370和掩埋绝缘层372上形成导电层并图案化该导电层，多个第二导电线380可以被形成。在本发明构思的一些示例性实施方式中，为了形成所述多个第二导电线380的导电层，可以通过使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a在上电极370和掩埋绝缘层372上直接生长石墨烯膜。
然后，绝缘层可以在所述多个第二导电线380和掩埋绝缘层372上形成，并且绝缘层的上部可以被平坦化直到暴露所述多个第二导电线380的上表面，从而形成第二绝缘层382。在这种情况下，用于绝缘层的上部的平坦化工艺可以是使用所述多个第二导电线380作为抛光停止层的CMP工艺。
图11A和11B分别是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体器件500和500a的主要构造的剖视图。
参照图11A，半导体器件500可以包括布线结构510，布线结构510包括顺序地形成在基板501上的多晶硅层520和导电材料层530。例如，布线结构510可以形成诸如栅极位线的位线结构。
基板501可以是用于制造应用布线结构510的半导体器件500的基板，并且可以包括诸如Si或Ge的半导体或者诸如SiGe、SiC、GaAs、InAs或InP的化合物半导体。例如硅氧化物层的绝缘膜503可以形成在基板501上。
导电材料层530可以提供在多晶硅层520上，并且可以具有其中堆叠第一导电材料层531和第二导电材料层533的结构。虽然图11A示出了导电材料层530具有包括第一导电材料层531和第二导电材料层533的两层结构的情况，但本发明构思不限于此。例如，导电材料层530可以具有三层或更多层的堆叠结构。
在本发明构思的示例性实施方式中，第一导电材料层531可以包括石墨烯。第一导电材料层531可以例如用作扩散阻挡部。此外，在本发明构思的示例性实施方式中，第二导电材料层533可以包括钨(W)或钨硅化物(WSiX)。
通常，布线结构中的扩散阻挡膜可以包括Ti-Si-N(TSN)或钛氮化物(TiN)。然而，根据本发明构思的示例性实施方式，通过经由使用具有非常低的电阻率的石墨烯形成可用作扩散阻挡部的第一导电材料层531，可以抑制布线结构510的电阻增加和泄漏电流，并且可以实现垂直堆叠减小(vertical stack down)。
参照图11B，半导体器件500a可以包括布线结构510a，布线结构510a包括顺序地形成在基板501上的多晶硅层520和导电材料层530a。图11B所示的布线结构510a可以包括包含单层的导电材料层530a。在本发明构思的示例性实施方式中，导电材料层530a可以包括石墨烯。
图11A的第一导电材料层531或图11B的导电材料层530a可以包括通过使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a的等离子体沉积工艺形成的石墨烯膜。例如，石墨烯膜可以直接生长在基板501上的多晶硅层520上，以形成图11A的第一导电材料层531或图11B的导电材料层530a。
如图11A和11B，根据本发明构思的示例性实施方式，因为布线结构510和510a包括具有优秀电导率的石墨烯，所以可以大大减小布线电阻并且可以实现垂直堆叠减小。
图12是示出根据本发明构思的示例性实施方式的半导体器件600的主要构造的剖视图。
参照图12，半导体器件600可以包括形成在基板601上的布线结构620。布线结构620可以包括沿一个方向延伸的导电线部分。
下绝缘膜603和穿透下绝缘膜603的下导电膜610可以位于基板601上。下导电膜610可以连接到形成在基板601上的导电区域，例如形成在基板601中的晶体管的源极/漏极区域或栅电极。第一绝缘膜605可以位于下绝缘膜603上，并且布线结构620可以穿过第一绝缘膜605延伸至下导电膜610。
布线结构620可以包括下盖层621、金属层623和上盖层625。例如，布线结构620可以包括连接到上布线结构630的导电线部分、以及从导电线部分朝基板601突出并连接到下导电膜610的接触插塞部分。
下盖层621可以形成在第一绝缘膜605上，并且可以覆盖金属层623的底部和侧壁。在本发明构思的示例性实施方式中，下盖层621可以包括石墨烯。或者，在本发明构思的示例性实施方式中，下盖层621可以具有多层结构，该多层结构包括包含石墨烯膜的第一层以及插置在第一层与第一绝缘膜605之间的第二层。第二层可以包括Ta、TaN、Ti、TiN或其组合。
金属层623可以包括导电材料，例如Cu、W、Co、Ru、Mn、Ti、Ta或其组合。在本发明构思的示例性实施方式中，金属层623可以通过在下盖层621上形成籽晶层并使用该籽晶层作为籽晶执行电镀工艺而形成。在本发明构思的示例性实施方式中，籽晶层可以包括石墨烯膜，并且金属层623可以通过使用石墨烯膜作为籽晶的电镀工艺而形成。
上盖层625可以覆盖金属层623的上表面。在本发明构思的示例性实施方式中，上盖层625可以包括石墨烯。或者，在本发明构思的另外的示例性实施方式中，上盖层625可以具有多层结构，该多层结构包括包含石墨烯膜的第一层以及插置在第一层与第二绝缘膜607之间的第二层。第二层可以包括Ta、TaN、Ti、TiN或其组合。
上盖层625可以用第二绝缘膜607覆盖。上布线结构630可以延伸穿过第二绝缘膜607和上盖层625，从而电连接到金属层623。上布线结构630可以穿过第二绝缘膜607和上盖层625电连接到金属层623。上布线结构630可以包括金属膜631和围绕金属膜631的导电阻挡膜633。在本发明构思的一些示例性实施方式中，上布线结构630可以构成接触插塞。
下盖层621和上盖层625可以包括通过使用参照图1至7描述的半导体制造装置100或100a的等离子体沉积工艺形成的石墨烯膜。例如，为了形成下盖层621，可以在第一绝缘膜605上直接生长石墨烯膜。此外，为了形成上盖层625，可以在金属层623上直接生长石墨烯膜。
根据本发明构思的示例性实施方式，因为布线结构620包括包含具有非常低的电阻率的石墨烯的下盖层621和/或上盖层625，所以可以抑制金属层623的电阻增加和泄漏电流，并且可以抑制金属的电子从金属层623的移动，从而提高包括金属层623的布线结构620的可靠性。
虽然已经参照本发明构思的示例性实施方式具体显示并描述了本发明构思，但是将理解，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
本申请要求享有2018年8月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0104008号的权益及优先权，其公开通过引用全文合并于此。

Claims (23)

1.一种半导体制造装置，包括：
工艺室；
隔热板，将所述工艺室的内部空间分成第一空间和第二空间，并且使所述第一空间与所述第二空间热隔离；
气体供应部，配置为将工艺气体供应到所述第一空间；
等离子体发生器，配置为在所述第一空间中从所述工艺气体产生等离子体；
环形辐射器，配置为加热所述第一空间；
载物台，设置在所述第二空间内并且配置为在所述第二空间中支撑基板；以及
多个气体注入器，安装在所述环形辐射器上并且彼此周向地间隔开，
其中所述多个气体注入器中的每个与所述环形辐射器的加热元件中的对应加热元件直接接触，使得所述工艺气体在其移动通过所述多个气体注入器中的每个的流动路径时被加热，
其中所述环形辐射器被配置为在等离子体在所述第一空间中产生的同时，将所述第一空间加热至第一温度，以及
其中所述隔热板被配置为使所述第二空间与所述第一空间热绝缘，使得在等离子体在所述第一空间中产生的同时，所述第二空间的温度被保持为低于所述第一空间的所述第一温度。
2.根据权利要求1所述的半导体制造装置，还包括：
反射器，设置在所述隔热板上并且配置为阻止所述第一空间与所述第二空间之间的辐射热传递。
3.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述多个气体注入器配置为将从所述气体供应部供应的所述工艺气体注入到所述第一空间中并朝向所述工艺室的中心注入。
4.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述隔热板包括设置在其中的至少一个气穴。
5.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述载物台包括载物台加热器，所述载物台加热器被配置为在所述基板被支撑在所述载物台上的同时加热所述基板。
6.根据权利要求5所述的半导体制造装置，其中所述载物台加热器被配置为将所述基板加热至低于所述第一温度的第二温度。
7.根据权利要求6所述的半导体制造装置，其中所述第一温度在700℃与1200℃之间，包括700℃和1200℃。
8.根据权利要求6所述的半导体制造装置，其中所述第二温度在100℃与600℃之间，包括100℃和600℃。
9.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述等离子体发生器被配置为产生电感耦合等离子体、电容耦合等离子体或微波等离子体。
10.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述隔热板包括使所述工艺室的所述第一空间与所述工艺室的所述第二空间热隔离的低热导率材料。
11.根据权利要求10所述的半导体制造装置，其中所述低热导率材料包括陶瓷或石英。
12.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其中所述环形辐射器的每个所述加热元件包括灯、紫外光源、发光二极管光源、激光光源或热丝。
13.一种半导体制造装置，包括：
工艺室；
隔热板，将所述工艺室的内部空间分成第一空间和第二空间，等离子体在所述第一空间中被产生，所述第一空间中产生的等离子体在所述第二空间中被扩散；
气体供应部，配置为将工艺气体供应到所述第一空间；
等离子体发生器，配置为从供应到所述第一空间的所述工艺气体产生等离子体；
环形辐射器，配置为在等离子体在所述第一空间中产生的同时，将所述第一空间加热至第一温度；
载物台，配置为在所述第二空间内支撑基板，并且包括配置为加热所述基板至低于所述第一温度的第二温度的载物台加热器；以及
多个气体注入器，安装在所述环形辐射器上并且彼此周向地间隔开，
其中所述多个气体注入器中的每个与所述环形辐射器的加热元件中的对应加热元件直接接触，使得所述工艺气体在其移动通过所述多个气体注入器中的每个的流动路径时被加热，以及
其中所述隔热板被配置为使所述第二空间与所述第一空间热绝缘，使得在等离子体在所述第一空间中产生的同时，所述第二空间的温度被保持为低于所述第一空间的所述第一温度。
14.根据权利要求13所述的半导体制造装置，还包括：
设置在所述隔热板上的反射器，
其中所述反射器具有板形状，并且包括与所述隔热板中的第一通孔连通的第二通孔。
15.根据权利要求13所述的半导体制造装置，其中所述多个气体注入器配置为使供应自所述气体供应部的所述工艺气体穿过所述环形辐射器注入到所述第一空间中。
16.根据权利要求13所述的半导体制造装置，其中所述第一温度在700℃与1200℃之间，包括700℃和1200℃，所述第二温度在100℃与600℃之间，包括100℃和600℃。
17.根据权利要求13所述的半导体制造装置，其中所述载物台加热器被配置为在所述第一空间中产生等离子体的同时，加热所述基板。
18.根据权利要求13所述的半导体制造装置，其中所述隔热板包括用空气填充的至少一个气穴。
19.一种半导体制造装置，包括：
工艺室，包括第一空间和第二空间，等离子体在所述第一空间中被产生，基板在所述第二空间中被处理；
隔热板，使所述第一空间与所述第二空间热隔离并且包括第一通孔，等离子体穿过所述第一通孔从所述第一空间传输到所述第二空间；
气体供应部，配置为将含碳的工艺气体供应到所述第一空间中；
等离子体发生器，配置为在所述第一空间中从所述工艺气体产生等离子体；
环形辐射器，配置为在所述第一空间中产生等离子体的同时加热所述第一空间至第一温度；
载物台，配置为在所述第二空间内支撑所述基板，并且包括配置为加热所述基板至低于所述第一温度的第二温度的载物台加热器；以及
多个气体注入器，安装在所述环形辐射器上并且彼此周向地间隔开，
其中所述多个气体注入器中的每个与所述环形辐射器的加热元件中的对应加热元件直接接触，使得所述工艺气体在其移动通过所述多个气体注入器中的每个的流动路径时被加热，以及
其中所述隔热板被配置为使所述第二空间与所述第一空间热绝缘，使得在等离子体在所述第一空间中产生的同时，所述第二空间的温度被保持为低于所述第一空间的所述第一温度。
20.根据权利要求19所述的半导体制造装置，还包括：
反射器，提供在所述隔热板上并且配置为阻止所述第一空间与所述第二空间之间的辐射热传递，
其中所述反射器包括至少一个第二通孔，等离子体穿过所述至少一个第二通孔从所述第一空间传输到所述第二空间。
21.根据权利要求19所述的半导体制造装置，其中所述多个气体注入器配置为将供应自所述气体供应部的所述工艺气体注入到所述第一空间中，
其中所述多个气体注入器被配置为将由所述环形辐射器加热的所述工艺气体注入到所述第一空间中。
22.根据权利要求19所述的半导体制造装置，其中所述环形辐射器包括发热体和在所述发热体内的所述加热元件，所述发热体围绕所述工艺室周向地延伸，
其中每个所述加热元件包括灯、紫外光源、发光二极管光源、激光光源或热丝。
23.根据权利要求19所述的半导体制造装置，其中所述等离子体发生器被配置为产生电感耦合等离子体、电容耦合等离子体或微波等离子体。
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