CN114496932A - 用于使动态随机存取存储器位线金属平滑的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种使存储器结构的位线金属的顶表面平滑以降低位线堆叠的电阻的工艺。该工艺包括在基板上的多晶硅层上沉积约
至
的钛层，在钛层上沉积约
至约
的第一氮化钛层，在约700℃至约850℃的温度下对基板进行退火，退火后在第一氮化钛层上沉积约
至约
的第二氮化钛层，在第二氮化钛层上沉积钌位线金属层，在约550度至约650度的温度下对位线金属层进行退火，以及在退火期间将位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟到约6分钟。
Description
技术领域
本公开内容的实施方式涉及电子器件和电子器件制造领域。更特定地，本公开内容的实施方式提供包括具有平滑顶表面的位线的电子器件及其形成方法。
背景技术
现代集成电路的导电互连层通常具有非常细的间距和高密度。最终形成集成电路的金属互连层的前体金属膜中的单个小缺陷可能被定位成严重损害集成电路的操作完整性。位线堆叠沉积存在许多潜在问题。可能会由于在形成硬掩模时经历的高沉积温度而发生金属和氮化硅硬掩模的表面反应。由于硅进入位线以及金属原子进入氮化硅硬掩模的相互扩散，位线电阻会增大。此外，由于形成期间的高温导致金属表面粗糙，因此可能难以使用晶粒生长金属。
因此，发明人提供了一种用于使位线金属的顶表面平滑的方法和设备。
发明内容
本文提供了用于使位线金属的顶表面平滑的方法和设备。
在一些实施方式中，一种使存储器结构的位线金属的顶表面平滑的方法可包括：在基板上的多晶硅层上沉积约
至约
的钛层；在所述钛层上沉积约
至约
的第一氮化钛层；在约700℃至约850℃的温度下对基板进行退火；在退火后在所述第一氮化钛层上沉积约
至约
的第二氮化钛层；在所述第二氮化钛层上沉积钌位线金属层；在约550℃至约650℃的温度下对所述位线金属层进行退火；和在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟到约6分钟。
在一些实施方式中，所述方法可进一步包括：在约350℃至约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积盖层，和在高于约500℃的沉积温度下在所述盖层上沉积硬掩模层，其中所述盖层包括氮化硅或碳氮化硅中的一种或多种，其中所述盖层为约
至约
其中通过化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)工艺来沉积所述盖层，其中所述硬掩模层包括氮化硅，其中使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺来沉积所述硬掩模层，在低于约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积硬掩模层，其中使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺来沉积所述硬掩模层，并且/或者其中所述位线金属层具有粗糙度均方根(RMS)为1.15nm或更小的顶表面。
在一些实施方式中，一种形成存储器结构的方法可包括：在基板上的多晶硅层上形成阻挡金属层；在约700℃至约850℃的温度下对所述阻挡金属层进行退火；在所述阻挡金属层上形成阻挡层；在所述阻挡层上沉积位线金属层；在约550℃至约650℃的温度下对所述位线金属层进行退火；和在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟到约6分钟。
在一些实施方式中，所述方法可进一步包括：其中所述阻挡金属层是形成在所述多晶硅层上的约
至约
的钛层和形成在所述钛层上的约
至约
的氮化钛层，其中对所述阻挡金属层进行退火在所述多晶硅层上形成硅化钛层，其中所述阻挡层是约
至约
的氮化钛层，其中所述位线金属层是具有粗糙度均方根(RMS)为1.15nm或更小的顶表面的晶粒生长金属层，在约350℃至约400℃的沉积温度下使用化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)工艺在所述位线金属层上形成盖层，且在高于约500℃的沉积温度下使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在所述盖层上形成硬掩模层，其中所述盖层为约
至约
并且/或者在低于约400℃的沉积温度下使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在所述位线金属层上沉积硬掩模层。
在一些实施方式中，一种使存储器结构的位线金属的顶表面平滑的方法可包括：使用等离子体气相沉积(PVD)腔室在基板上的多晶硅层上沉积约
至约
的钛层；在约700℃至约850℃的温度下对所述基板进行退火，在所述钛层的沉积和所述基板的退火之间不破坏真空；在退火后在所述钛层上沉积约
至约
的氮化钛层；在所述氮化钛层上沉积钌位线金属层；在约550度至约650度的温度下对所述位线金属层进行退火；和在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟至约6分钟，使得所述位线金属的顶表面具有1.15nm或更小的粗糙度均方根(RMS)。
在一些实施方式中，所述方法可进一步包括：在约350℃至约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积盖层并在高于约500℃的沉积温度下在所述盖层上沉积硬掩模层，或在低于约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积硬掩模层。
下面公开了其他和进一步的实施方式。
附图说明
可以通过参考在附图中描绘的原理的说明性实施方式来理解上面简要概述并在下面更详细论述的本原理的实施方式。然而，附图仅示出了本原理的典型实施方式并且因此不应被认为是对范围的限制，因为这些原理可以允许其他同样有效的实施方式。
图1描绘了根据本原理的一些实施方式的具有改进特性的DRAM存储器中的动态存储器单元的电路图。
图2描绘了根据本原理的一些实施方式的膜堆叠的截面图。
图3是根据本原理的一些实施方式形成膜堆叠的方法。
图4是根据本原理的一些实施方式的形成具有平滑位线金属层的膜堆叠的方法。
图5是根据本原理的一些实施方式的阻挡金属层的截面图。
图6是根据本原理的一些实施方式的群集工具的俯视图。
图7是根据本原理的一些实施方式的基板制造方法。
图8是根据本原理的一些实施方式的基板的截面图。
图9是根据本原理的一些实施方式的使位线金属层的顶表面平滑的方法。
为了便于理解，已在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示附图共有的相同元件。附图未按比例绘制并且可能为了清楚起见而被简化。一个实施方式的元素和特征可以有益地合并到其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
提供了位线堆叠和用于形成具有减小的电阻和位线表面粗糙度的位线堆叠的方法。本公开内容的一个或多个实施方式有利地解决了尽管有缩小节点的需要但仍降低电阻率的问题。在一些实施方式中，通过提供与现有位线金属的更清洁的界面以及通过降低位线金属的表面粗糙度来降低位线的电阻率。本公开内容的一些实施方式有利地提供了以下的一种或多种：在位线金属的选择中的灵活性；氮化硅硬掩模沉积的温度的灵活性；确保清洁的金属-电介质界面从而产生较低的电阻率；或最小化或消除高温氮化硅硬掩模沉积腔室被新位线金属污染的风险。
本公开内容的一些实施方式提供使用盖层的低温沉积方法，以当选择的金属表现出晶粒生长特性时防止位线金属表面的粗糙化。在一些实施方式中，使用高密度无孔膜在升高的温度下充当良好的扩散阻挡物。一些实施方式提供介电材料，例如氮化硅(SiN)或碳氮化硅(SiCN)，以充当盖膜以通过充当位线金属和SiN硬掩模的良好扩散阻挡物来最小化或消除对RC时间常数的不利影响。一些实施方式包括在沉积晶粒生长金属之前对金属层进行退火以降低晶粒生长金属的表面粗糙度，从而降低电阻。一些实施方式包括对用于位线金属层的晶粒生长材料进行退火以降低表面粗糙度同时保持低电阻率。RC时间常数是与通过电阻器将电容器充电至完全充电的一百分比或将电容器放电至初始电压的一部分相关的时间。RC时间常数等于电路电阻和电路电容的乘积。本公开内容的一些实施方式有利地提供低温(例如，＜500℃)的沉积工艺。一些实施方式提供与下层的位线金属兼容的沉积工艺以最小化或消除膜沉积期间的表面反应。
本公开内容的一个或多个实施方式通常提供包括由薄膜耐熔金属(例如，钨)形成的一个或多个低电阻率特征的结构，如可以在位线结构和/或栅极堆叠中实施。一些实施方式包括用于形成位线堆叠的方法。举例来说，根据本公开内容实施方式形成的位线堆叠结构可以是存储器型半导体器件，例如DRAM型集成电路。
图1图示了诸如可以在DRAM存储器中使用的一个晶体管一个电容器单元的示意性电路图100。图1中描绘的存储器单元包括存储电容器110和选择晶体管120。选择晶体管120形成为场效应晶体管并且具有第一源极/漏极电极121和第二源极/漏极电极123，有源区122布置在它们之间。在有源区122上方的是栅极绝缘层或介电层124(通常是热生长的氧化物)、和栅极电极/金属125(在存储器器件中称为字线)，它们一起充当平板电容器并且可以影响有源区122中的电荷密度，以便在第一源极/漏极电极121和第二源极/漏极电极123之间形成或阻断电流传导沟道。
选择晶体管120的第二源极/漏极电极123经由金属线114连接到存储电容器110的第一电极111。存储电容器110的第二电极112依次连接到电容器极板，所述电容器极板可以是DRAM存储器单元布置的存储电容器所公共的。存储电容器110的第二电极112可经由金属线115连接到电接地。选择晶体管120的第一源极/漏极电极121进一步连接到位线116，以便以电荷的形式存储在存储电容器110中的信息可被写入和读出。写入或读出操作经由字线117或选择晶体管120的栅极电极125和连接到第一源极/漏极电极121的位线116来控制。通过施加电压以在第一源极/漏极电极121和第二源极/漏极电极123之间的有源区122中产生电流传导沟道来发生写入或读出操作。
图2图示根据本公开内容的一个或多个实施方式的存储器器件200的一部分。图3图示用于形成图2中图示的存储器器件200的示例性处理方法300。本领域技术人员将认识到附图中图示的膜堆叠是存储器器件的示例性部分(位线部分)。参考图2和图3，存储器器件200的形成包括在操作310中提供基板210，可在基板210上形成膜堆叠205。如在说明书和所附权利要求书中使用的，术语“提供”是指使基板可用于处理(例如，放置在处理腔室中)。
如在说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“基板”是指工艺作用于其上的表面或表面的一部分。对基板的提及可仅指基板的一部分，除非上下文另有明确指示。此外，提及在基板上沉积可以指裸基板和在其上沉积或形成有一个或多个膜或特征的基板。本文所用的“基板”是指在制造工艺期间在其上执行膜处理的任何基板或形成在基板上的材料表面。例如，可以在其上执行处理的基板表面包括诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(SOI)、碳掺杂氧化硅、非晶硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石之类的材料，以及任何其他材料，诸如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电材料，这取决于应用。基板包括但不限于半导体晶片。基板可暴露于预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火和/或烘烤基板表面。除了直接在基板的表面上进行膜处理，在本公开内容中，所公开的任何膜处理步骤也可以在形成在基板上的下层上执行，如下文更详细公开的，并且术语“基板表面”旨在包括上下文所指示的下层。因此，例如，当膜/层或部分膜/层已沉积到基板表面上时，新沉积的膜/层的暴露表面成为基板表面。
在一些实施方式中，提供的基板210包括膜堆叠205，该膜堆叠205包括多晶硅层215和位线金属层240。在一些实施方式中，提供的基板210包括多晶硅层215，并且位线金属层240作为方法300的一部分形成。在一些实施方式中，基板210包括硅晶片上的氧化物层(未示出)。在一些实施方式中，氧化物层是形成在硅晶片上的原生氧化物。在一些实施方式中，氧化物层被有意地形成在硅晶片上并且具有大于原生氧化物膜的厚度的厚度。氧化物层可以通过本领域技术人员已知的任何合适的技术形成，包括但不限于热氧化、等离子体氧化和暴露于大气条件。
在一些实施方式中，在操作310中提供的基板210进一步包括位于多晶硅层215上的阻挡金属层220(也称为导电层)。阻挡金属层220可以是任何合适的导电材料。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钛(Ti)、钽(Ta)、硅化钛(TiSi)或硅化钽(TaSi)中的一种或多种。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钛。在一些实施方式中，阻挡金属层220基本上由钛组成。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钽或基本上由钽组成。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括硅化钛或基本上由硅化钛组成。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括硅化钽或基本上由硅化钽组成。如以这种方式使用的，术语“基本上由……组成”是指主题膜以原子为基础包括大于或等于约95％、98％、99％或99.9％的所述元素或组合物。例如，基本上由钛组成的阻挡金属层220具有沉积为大于或等于约95％、98％、99％或99.5％的钛的膜。
在一些实施方式中，在操作310中提供的基板210进一步包括在导电层(阻挡金属层220)上的阻挡层230。阻挡层230可形成在阻挡金属层220与位线金属层240之间。在一些实施方式中，方法300在操作310之前包括一操作，在该操作中将位线金属层240形成在阻挡层230上。阻挡层230可以是任何合适的阻挡层材料。在一些实施方式中，阻挡层230包括阻挡金属层220的氮化物或氧化物中的一种或多种。在一些实施方式中，阻挡层230基本上由阻挡金属层220的氮化物组成。例如，基本上由氮化钛组成的阻挡层230意味着膜中钛和氮原子的总和以原子为基础构成所沉积的阻挡层230的大于或等于约95％、98％、99％或99.5％。
在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钛(Ti)并且阻挡层230包括氮化钛(TiN)。在一些实施方式中，阻挡金属层220基本上由钛组成并且阻挡层230基本上由氮化钛组成。在一个或多个实施方式中，阻挡金属层220包括选自钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、钌(Ru)、锰(Mn)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、铁(Fe)、钼(Mo)、铑(Rh)、钛(Ti)、钽(Ta)、硅(Si)或钨(W)的一种或多种的金属。在一个或多个特定实施方式中，阻挡金属层220(导电材料)包括钛(Ti)、铜(Cu)、钴(Co)、钨(W)或钌(Ru)中的一种或多种。在一些实施方式中，阻挡层230包括阻挡金属层220中的金属的氮化物、氧氮化物、碳氮化物或氧碳氮化物。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钽或硅化钽(或基本上由钽或硅化钽组成)，并且阻挡层层230包括氮化钽(或基本上由氮化钽组成)。在一些实施方式中，阻挡金属层220包括钛或硅化钛(或基本上由钛或硅化钛组成)，并且阻挡层230包括氮化钛(或基本上由氮化钛组成)。
在一些实施方式中，位线金属层240被包括在方法300的操作310中提供的基板中。位线金属层240可以通过本领域技术人员已知的任何合适的技术来沉积。在一些实施方式中，位线金属层240包括钨(W)、钌(Ru)、铱(Ir)、铂(Pt)、铑(Rh)或钼(Mo)中的一种或多种。在一些特定实施方式中，位线金属层240包括钌或钨中的一种或多种或基本上由钌或钨中的一种或多种组成。钌需要不同的处理才能在位线金属层中取代钨。钨通常具有比钌更低的表面粗糙度和电阻率。发明人已发现如下论述的方法以改善钌的表面粗糙度同时保持低电阻率以允许钌替代钨。可改变位线金属层240的厚度。在一些实施方式中，位线金属层240的厚度在约
至约
的范围内，或在约
至约
的范围内，或在约
至约
的范围内，或在约
至约
的范围内。可以通过本领域技术人员已知的任何合适的技术来沉积位线金属层240。在一些实施方式中，通过化学气相沉积、原子层沉积或物理气相沉积中的一种或多种沉积位线金属层240。
在操作320，在位线金属层240上形成盖层250。一些实施方式的盖层250在比通常用于形成后续硬掩模260层的温度更低的温度下沉积。不受任何特定操作理论的束缚，发明人相信较低的沉积温度最小化盖层250元素向位线金属层240中的扩散。在一些实施方式中，发明人相信盖层250的低温沉积最小化位线金属层240界面处的晶粒生长，并最小化晶粒尺寸和粗糙度对所得位线金属层240的电阻率的影响。
可以通过本领域技术人员已知的任何合适的技术来沉积盖层250。在一些实施方式中，通过化学气相沉积或原子层沉积中的一种或多种沉积盖层250。一些实施方式的盖层250包括与后续硬掩模260相同的化合物。在一些实施方式中，盖层250包括氮化硅、碳氮化硅或碳化硅中的一种或多种。在一些实施方式中，盖层250基本上由氮化硅组成。在一些实施方式中，盖层250基本上由碳氮化硅组成。在一些实施方式中，盖层250基本上由碳化硅组成。可以改变盖层250的厚度以最小化硬掩模260的高温形成的影响。在一些实施方式中，盖层250的厚度在约
到约
的范围内。可以控制盖层250的沉积温度以例如保持正在形成的器件的热预算。在一些实施方式中，在低于或等于约500℃、或约450℃、或约400℃、或约350℃、或约300℃的温度下形成盖层250。在一些实施方式中，在约350℃至约550℃的范围内或约400℃至约500℃的范围内的温度下形成盖层250。
在操作330，在盖层250上形成硬掩模260。一些实施方式的硬掩模260在温度高于约500℃、约600℃、约650℃、约700℃或约750℃的炉中形成。在一些实施方式中，硬掩模260包括与盖层250相同的成分。在一些实施方式中，盖层250和硬掩模260包括氮化硅、氧化硅或氮化硅或基本上由氮化硅、氧化硅或氮化硅组成。在一些实施方式中，硬掩模260具有与盖层250不同的密度。在一些实施方式中，硬掩模260具有与硬掩模260不同的孔隙率。在一些实施方式中，硬掩模260具有与盖层250不同的沉积温度。
在一些实施方式中，位线金属层240包括钨或基本上由钨组成，并且盖层250或硬掩模260中的一个或多个包括氮化硅或基本上由氮化硅组成。在一些实施方式中，位线金属层240包括钌或基本上由钌组成，并且盖层250或硬掩模260中的一个或多个包括氧化硅或氮化硅或基本上由氧化硅或氮化硅组成。在一些实施方式中，基本上防止硬掩模260的元素迁移到位线金属层240中。例如，如果硬掩模260包括硅和氮原子，则基本上防止硅或氮原子迁移到位线金属层240中。如以此方式使用时，术语“基本上防止”是指少于或等于约10％或5％的硬掩模260元素通过盖层250迁移到位线金属层240中。
发明人已经发现，当在形成盖层250之前对晶粒生长金属进行退火以降低电阻时，退火会使下面的阻挡金属层220硅化。此外，硅扩散到阻挡层230中。由晶粒生长金属的退火引起的附加应力使阻挡层230的表面232破裂。当位线金属层240的晶粒生长金属生长在阻挡层230的破裂表面上时，阻挡层230的破裂表面使得位线金属层240也具有粗糙化的顶表面242。位线金属层240的顶表面242的粗糙度直接影响位线金属层240的电阻率。发明人发现通过在形成阻挡层230之前对阻挡金属层220进行退火，由位线金属层240的晶粒生长金属的退火引起的硅化影响显着降低或消除，从而允许位线金属层240具有更光滑的顶表面242，降低电阻率。
图4是形成具有平滑位线金属层240的膜堆叠的方法400。在操作402，在基板210上的多晶硅层215上形成阻挡金属层220。在一些实施方式中，阻挡金属层220是通过首先沉积约
至约
的导电材料502(例如，钛、钽等)，然后沉积约
至约
的氧阻挡层504来形成(参见图5的示图500)。在使用用于沉积和退火的不同腔室的工艺中，当在腔室之间传送时，基板210暴露于大气。氧阻挡层504(例如，氮化钛、氮化钽等)防止导电材料502在基板210被传送时氧化。在一些实施方式中，如图6所示的集成工具600可用于提供在沉积和退火工艺之间没有空气中断的处理。在使用集成群集工具600的实施方式中，可以去除氧阻挡层504沉积工艺，因为基板从不暴露于大气并且沉积的导电材料502不会被氧化。
在操作404，阻挡金属层220在约700℃到约850℃的温度下退火。温度可以根据阻挡金属层220的成分而变化。在阻挡金属层220的退火期间，导电材料502被硅化并且氧阻挡层504可以使硅移动穿过氧阻挡层504，破坏表面506。相对于没有阻挡金属层退火工艺的约为2.2nm的表面粗糙度RMS，阻挡金属层220的退火导致钌位线金属层具有约为1.7nm的改进的表面粗糙度RMS(均方根)(用原子力显微镜(AFM)测量)。在操作406，在阻挡金属层220上形成阻挡层230。阻挡层230的厚度可以是约
到约
表面506上的缺陷可被阻挡层230的沉积所遮挡，有助于降低粗糙度和电阻率。阻挡层230可包括例如在阻挡金属层220中使用的导电材料502的氮化物变体。
在操作408，位线金属层240形成在阻挡层230上。位线金属层240包括晶粒生长金属，诸如但不限于钌，其使用图9的方法900中所描绘的氢退火工艺生长在阻挡层230的表面上。为简洁起见，在方法900中使用钌作为示例晶粒生长金属材料，但不意味着限制。在框902中，钌位线金属层沉积在沉积腔室中的基板上。沉积腔室可以包括物理沉积气相腔室、化学气相沉积腔室或原子层沉积腔室等。在一些实施方式中，钌位线金属层的厚度可以从约
到约
在一些实施方式中，钌位线金属层的厚度可以为约
在框904中，在沉积工艺之后，基板被传送至退火腔室，诸如例如快速热处理(RTP)腔室。在框906中，然后在约550℃到约650℃的温度下对基板进行退火。在框908中，在退火工艺期间，将基板浸泡在氢基环境中约3分钟到约6分钟。氢基环境由氢气和/或氢自由基提供。方法900的氢退火工艺以较慢的动力学促进钌位线金属层的主要是水平生长的晶粒生长，其产生钌位线金属层的较低的电阻率和更平滑的顶表面。因为氢退火工艺的动力学较慢，所以使用较长的退火时间。方法900的氢退火工艺进一步将钌位线金属层表面粗糙度从1.7nm的RMS(见上文，使用阻挡金属层退火工艺的RMS改进)改进到1.15nm或更小的RMS。在一些实施方式中，钌位线金属层在550℃下退火约4分钟以产生约1.1nm的表面粗糙度RMS以及约5.55欧姆/cm2的薄层电阻率(Rs)。在一些实施方式中，钌位线金属层在600℃下退火约5分钟以产生约1.15nm的表面粗糙度RMS和约5.5欧姆/cm2的Rs。较长的浸泡持续时间有助于降低Rs，同时保持表面平滑度。发明人已经发现，减少浸泡持续时间可能降低表面粗糙度，但以增加Rs为代价。类似地，增加浸泡持续时间可能会提高Rs，但以增加表面粗糙度为代价。选择平衡以在可接受的表面粗糙度RMS值下产生可接受的Rs值。
与典型的氮或氩退火工艺相比，氢退火工艺具有提高20％至30％的顶表面平滑度，同时仍保持氮或氩退火工艺的电阻率(Rs)水平。通过高能退火工艺获得更好的晶粒生长以保持低电阻率，并且氢环境提供更平滑的顶表面。更长的浸泡持续时间(与氮或氩退火工艺相比)允许更慢的晶粒生长，从而保持低电阻率和更平滑的顶表面。长持续时间(例如，7分钟或更长)高于700℃的温度会降低Rs值，但以增加表面粗糙度为代价(例如，RMS为1.4nm)。通过改变退火工艺的三个主要参数——持续时间、温度和环境气体，可以获得不同水平的Rs和表面平滑度。
在操作410，可以可选地在约350℃到约400℃的温度下在位线金属层240上形成盖层250。低工艺温度有助于保持膜堆叠205的热预算并降低位线金属层表面的粗糙度。发明人已发现，如果温度太低，则盖层250的密度不够，如果温度太高，则位线金属层表面粗糙度增加。温度还取决于位线金属层材料并相应地进行调整。在操作412，如上所述，在约650℃的温度下在盖层250(当存在时)上形成硬掩模260。如果不存在盖层，则硬掩模260可以在低于400℃的温度下形成以保持膜堆叠205的热预算。当盖层250不存在时，用于形成硬掩模260的较低温度是由于增加的沉积时间(例如，硬掩模可以是约
厚)和较低的硬掩模260密度而导致的折衷。
本文描述的在各别处理腔室中执行的方法也可以在群集工具中执行，例如，下面关于图6描述的群集工具600或集成工具。使用群集工具600的优点在于：没有真空中断，沉积和处理之间没有实质性的工艺滞后。群集工具600的示例包括可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司获得的
集成工具。然而，这里描述的方法可以使用具有合适处理腔室的其他群集工具或在其他合适的处理腔室中实施。例如，在一些实施方式中，上面讨论的本发明方法可以有利地在群集工具中执行，从而在工艺之间没有真空破坏。例如，消除真空破坏可以限制或防止工艺之间的基板污染(氧化)。
图6是被配置用于基板制造(例如，多晶硅插塞(poly plug)后制造)的群集工具600的示意图。群集工具600包括一个或多个真空传送模块(VTM；图6中所示的VTM 601和VTM602)、前端模块604、多个处理腔室/模块606、608、610、612、614、616和618以及工艺控制器(控制器620)。在具有多于一个VTM的实施方式中，例如图6中所示，可以提供一个或多个通过腔室(pass-through chamber)以促进从一个VTM到另一VTM的真空传送。在与图6所示一致的实施方式中，可以提供两个通过腔室(例如，通过腔室640和通过腔室642)。前端模块604包括装载端口622，其被配置为接收例如来自FOUP(前开式标准舱)或其他合适的基板容纳盒或载体的一个或多个基板，这些基板将使用群集工具600进行处理。装载端口622可包括三个装载区624a-624c，其可用于装载一个或多个基板。然而，可以使用更多或更少的装载区。
前端模块604包括大气传送模块(ATM)626，其用于传送已装载到装载端口622中的基板。更特定地，ATM 626包括一个或多个机械臂628(以虚线示出)，被配置为通过将ATM626连接到装载端口622的门635(以虚线示出)将基板从装载区624a-624c传送至ATM 626。每个装载端口通常有一个门(624a-624c)以允许基板从相应的装载端口传送至ATM 626。机械臂628还被配置为通过将ATM 626连接到气锁630a、630b的门632(以虚线示出，每个用于每个气锁)将基板从ATM 626传送至气锁630a、630b。气锁的数量可多于或少于两个，但仅出于说明目的，示出了两个气锁(630a和630b)，每个气锁都具有门以将气锁连接到ATM 626。
在控制器620的控制下，气锁630a、630b可以保持在大气压环境或真空压力环境中，并且用作用于正被传送至VTM 601、602或正从VTM 601、602传送的基板的中间或临时保持空间。VTM 601包括机械臂638(以虚线示出)，其被配置为在不破坏真空的情况下，即在保持VTM 602和多个处理腔室606、608和通过腔室640和642内的真空压力环境的同时，将基板从气锁630a、630b传送至多个处理腔室606、608中的一个或多个，或传送至一个或多个通过腔室640和642。VTM 602包括机械臂638(以虚线示出)，其被配置为在不破坏真空的情况下，即在保持VTM 602和多个处理腔室606、608、610、612、614、616和618内的真空压力环境的同时，将基板从气锁630a、630b传送至多个处理腔室606、608、610、612、614、616和618中的一个或多个。在某些实施方式中，可以省略气锁630a、630b，并且控制器620可被配置为将基板直接从ATM 626移动到VTM 602。
门634，例如狭缝阀门，将每个相应的气锁630a、630b连接到VTM 601。类似地，门636，例如狭缝阀门，将每个处理模块连接到相应的处理模块所耦接到的VTM(例如，VTM 601或VTM 602)。多个处理腔室606、608、610、612、614、616和618被配置为执行通常与本文所述的多晶硅插塞后基板制造相关联的一个或多个工艺。
控制器620控制群集工具600的整体操作并且包括存储器621以存储与群集工具600的操作相关的数据或命令/指令。例如，控制器620分别控制ATM 626、VTM 601、VTM 602的机械臂628、638、639，用于将基板传送进出VTM 601以及在VTM 601和VTM 602之间传送基板。控制器620控制门632、634、636的打开和关闭，并控制气锁630a、630b的压力，例如根据基板传送工艺的需要维持气锁630a、630b内的大气压力/真空压力环境。控制器620还控制各个处理腔室606、608、610、612、614、616和618的操作以执行与其相关联的操作，如下文更详细描述的。
图7是使用群集工具600执行一个或多个DRAM位线堆叠工艺、多晶硅插塞后制造的方法。为了说明性目的，图8示出了包括多晶硅插塞802的例如已在群集工具600外部在基板800上形成多晶硅插塞802之后的基板800的一部分的截面图。在执行图7的方法之前，基板800可以经由装载区624a-624c中的一个或多个被装载到装载端口622中。在控制器620的控制下，ATM 626的机械臂628可将具有多晶硅插塞802的基板800从装载区624a传送至ATM626。
控制器620可确定气锁630a、630b中的至少一个是否处于大气压环境，这取决于气锁630a、630b的一个或两个是否正在被使用。出于说明的目的，假设仅气锁630a正在被使用。如果控制器620确定气锁630a处于大气压环境下，则控制器620可以打开将ATM 626连接到气锁630a的门(632的一部分)。相反，如果控制器620确定气锁630a不处于大气压环境，则控制器620可以将气锁630a内的压力调节到大气压环境(例如，经由可操作地连接到气锁630a、630b并由控制器620控制的压力控制阀)，并且可以重新检查气锁630a内的压力。控制器可指示机械臂628将基板800从ATM 626传送至气锁630a，关闭门632，并将气锁630a内的压力调节至真空压力环境，例如匹配或基本上匹配VTM 601内部的真空压力环境。
控制器620可以确定气锁630a是否处于真空压力环境。如果控制器620确定气锁630a处于真空压力环境，则控制器可以打开将VTM 601连接到气锁630a的门634。相反，如果控制器620确定气锁630a不处于真空压力环境，则控制器620可以将气锁630a内的压力调节到真空压力环境(例如，经由可操作地连接到气锁630a、630b并由控制器620控制的压力控制阀)，并重新检查气锁630a内的压力。
控制器620使用对处理腔室的直接控制或替代地通过控制与处理腔室和群集工具600相关联的计算机(或控制器)来控制群集工具600的操作。在操作中，控制器620使得能够从各个腔室和系统收集数据和反馈以优化群集工具600的性能。控制器620通常包括中央处理单元(CPU)619、存储器621和支持电路625。CPU 619可以是可用于工业环境的任何形式的通用计算机处理器。支持电路625常规地耦接到CPU 619并且可以包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等。诸如上述方法的软件例程可存储在存储器621中，并且当由CPU619执行时，将CPU 619转换为专用计算机(控制器620)。软件例程还可以由远离群集工具600的第二控制器(未示出)存储和/或执行。
存储器621是包含指令的计算机可读存储介质的形式，当由CPU 619执行时，促进半导体工艺和设备的操作。存储器621中的指令为程序产品的形式，例如实现本原理的方法的程序。程序代码可以符合多种不同编程语言中的任何一种。在一个示例中，本公开内容可以实现为存储在计算机可读存储介质上以供计算机系统使用的程序产品。程序产品的程序定义了各方面的功能(包括这里描述的各方法)。示例性计算机可读存储介质包括但不限于：其上永久存储信息的不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器器件，例如可由CD-ROM驱动器读取的CD-ROM盘、闪存、ROM芯片、或任何类型的固态非易失性半导体存储器)；和其上存储可更改的信息的可写存储介质(例如，软盘驱动器或硬盘驱动器中的软盘或任何类型的固态随机存取半导体存储器)。这种计算机可读存储介质在承载指导本文所述方法的功能的计算机可读指令时是本原理的方面。
在700，控制器620指示机械臂638将基板800从气锁630a通过门634传送至VTM 601并关闭门634。或者，门634可以保持打开，例如，以在群集工具600内完成处理后接收出站基板。在702处，控制器620指示机械臂638将基板800传送至一个或多个处理腔室，从而可以完成基板的制造-即，在基板800上的多晶硅插塞802顶上完成位线堆叠工艺。例如，在702，控制器620可以指示机械臂638打开对应于处理腔室606的门636。一旦打开，控制器620就可以指示机械臂638将基板800传送(不破坏真空，即在处理腔室606、608、610、612和614之间传送基板800时，在VTM 601和VTM 602内保持真空压力环境)到预清洁腔室(例如，处理腔室606)。处理腔室606可用于执行一个或多个预清洁工艺以去除可能存在于基板800上的污染物，例如可存在于基板800上的原生氧化物。一种这样的预清洁腔室是可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司商购获得的SiCoNiTM处理工具。
接下来，在704，控制器620打开门636并指示机械臂638将基板800传送至下一个处理腔室。例如，在704，控制器620可以指示机械臂638在不破坏真空的情况下将基板800从预清洁腔室传送至阻挡金属沉积腔室。例如，控制器620可以指示机械臂638在真空下将基板从处理腔室606传送至例如处理腔室608。处理腔室608被配置为在基板800上执行阻挡金属沉积工艺(例如，在清洁的基板800和多晶硅栓塞802的顶上沉积阻挡金属804)。阻挡金属可以是钛(Ti)或钽(Ta)中的一种。
接下来，在706，控制器620可以指示机械臂638在不破坏真空的情况下将基板800从阻挡金属沉积腔室传送至阻挡层沉积腔室或退火腔室。如果基板800被传送至退火腔室，则基板800将被带回阻挡金属沉积腔室以进行防氧化沉积(例如阻挡金属的氮化物变体)。在阻挡金属沉积腔室之后，基板800被传送至阻挡层沉积腔室。例如，控制器620可以指示机械臂638在真空下将基板从处理腔室608传送至通过腔室640、642中的任一个，此时VTM 602内部的机械臂639可以拾取基板800并将基板800移动到例如处理腔室610。处理腔室610被配置为在基板800上执行阻挡层沉积工艺(例如，以在阻挡金属804顶上沉积阻挡层806)。阻挡层可以是氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)或氮化钨(WN)中的一种。
接下来，在708处，控制器620可以指示机械臂639在不破坏真空的情况下将基板800从处理腔室610传送至例如处理腔室612。处理腔室612被配置为在基板800上执行位线金属沉积工艺(例如，在706处沉积的阻挡层806顶上沉积位线金属层808)。位线金属可以是钨(W)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)或铑(Rh)中的一种。接下来，在710，控制器620可以指示机械臂639在不破坏真空的情况下将基板800从处理腔室612传送至例如处理腔室614。处理腔室614被配置为在基板800上执行硬掩模沉积工艺(例如，在708处沉积的位线金属层808顶上沉积硬掩模层810)。硬掩模可以是氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)或碳化硅(SiC)中的一种。
在一些实施方式中，可以在沉积阻挡层806之前或之后在基板800上执行退火工艺，如在705处所示。退火工艺可以是任何合适的退火工艺，例如快速热处理(RTP)退火。例如，在将基板800从处理腔室608传送至处理腔室610之前，可先将基板800传送至处理腔室616。处理腔室616被配置为对基板800执行退火工艺。在退火工艺之后，例如使用机械臂639可使包括阻挡层806的经退火的基板800在真空下从退火腔室(例如，处理腔室616)传送到阻挡层沉积腔室(例如，处理腔室610)。
替代地或组合地，可以在位线金属层808的沉积之后并且于在位线金属层808的顶上沉积硬掩模层810之前在基板800上执行退火工艺，如在709a所示。例如，在将基板800从处理腔室612传送至处理腔室614之前，可以首先将基板800传送至处理腔室616(即，退火腔室)。可以在上面沉积有位线金属层808的基板800上执行退火工艺，或者如果之前已经执行了705处的退火，则可以执行另一退火工艺，如上所述。在其中在709a执行退火工艺的一些实施方式中，经退火的基板800可被传送到另一处理腔室以在位线金属层808上沉积可选盖层809，如在709b所示。例如，可例如使用机械臂639将包括位线金属层808的经退火的基板800在真空下从退火腔室(例如，处理腔室616)传送到盖层沉积腔室(例如，处理腔室618)，以在经退火的位线金属层808的顶上沉积盖层。
在一些实施方式中，在沉积位线金属之后，一些金属例如钌(Ru)是晶粒生长材料。发明人已经观察到，随后在这种位线金属顶上在高温下沉积硬掩模层将不期望地导致较差的表面粗糙度。发明人已经发现，通过在沉积硬掩模层(在沉积低温盖层之后沉积硬掩模层)之前对位线金属层进行氢退火，可以有利地改善位线金属层的表面粗糙度。通过在集成工具(例如，群集工具600)中执行以上序列中的每一个，进一步有利地避免了在用于晶粒生长的退火期间位线金属的氧化。
也可以在基板800上执行这里没有描述的附加工艺，或者可以省略这里描述的一些工艺。
在与处理腔室608、610、612和614(以及处理腔室616、618，如果使用的话)相关联的上述工艺已经在基板800上执行之后，基板800从VTM 602传送回装载端口622，例如，使用VTM 602中的机械臂639将基板800传送至通过腔室640、642，并且使用VTM 601中的机械臂638将基板800从通过腔室640、642传送到气锁630a、630b之一。然后机械臂628可用于将基板800返回到装载端口622中的FOUP中的空槽。
本文描述的群集工具600和使用方法有利地允许使用者使用单个机器在多晶硅栓塞上执行多个DRAM位线工艺，该机器被配置为在整个DRAM位线工艺中保持真空压力环境。因此，即使没有消除，也降低了在后基板800制造期间在基板上发生氧化的可能性。此外，因为在整个DRAM位线工艺过程中保持真空压力环境，所以位线金属材料的选择不受金属的晶粒生长特性的限制。
在描述本文讨论的材料和方法的上下文中(特别是在随附权利要求书的上下文中)，术语“一”和“所述”以及类似指代的使用被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非本文另有说明，否则本文对数值范围的引用仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独值并入说明书中，就好像该值在本文中单独引用一样。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法都可以任何合适的顺序进行。除非另有声明，否则本文提供的任何以及所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明材料和方法并且不对范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的元素对于所公开的材料和方法的实践是必不可少的。
在整个说明书中对“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一个或多个实施方式”或“一实施方式”的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的各个地方出现诸如“在一个或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”之类的短语不一定指代相同的本公开内容的实施方式。此外，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。
尽管已经参考特定实施方式描述了本文的公开内容，但是这些实施方式仅是对本公开内容的原理和应用的说明。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本公开内容的方法和设备进行各种修改和变化。因此，本公开内容包括在随附权利要求书及其等同物的范围内的修改和变化。
根据本原理的实施方式可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实现。实施方式还可以实现为使用一个或多个计算机可读介质存储的指令，其可以由一个或多个处理器读取和执行。计算机可读介质可包括用于以机器可读的形式存储或传输信息的任何机构(例如，计算平台或在一个或多个计算平台上运行的“虚拟机”)。例如，计算机可读介质可包括任何合适形式的易失性或非易失性存储器。在一些实施方式中，计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质。
虽然前述内容是针对本原理的实施方式，但是在不脱离其基本范围的情况下可以设计本原理的其他和进一步的实施方式。
Claims (20)
1.一种使存储器结构的位线金属的顶表面平滑的方法，包括：
在基板上的多晶硅层上沉积约
至约
的钛层；
在所述钛层上沉积约
至约
的第一氮化钛层；
在约700℃至约850℃的温度下对所述基板进行退火；
在退火后在所述第一氮化钛层上沉积约
至约
的第二氮化钛层；
在所述第二氮化钛层上沉积钌位线金属层；
在约550℃至约650℃的温度下对所述位线金属层进行退火；和
在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟到约6分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在约350℃至约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积盖层；和
在高于约500℃的沉积温度下在所述盖层上沉积硬掩模层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述盖层包括氮化硅或碳氮化硅中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述盖层为约
至约
5.根据权利要求2所述的方法，其中通过化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)工艺来沉积所述盖层。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述硬掩模层包括氮化硅。
7.根据权利要求2所述的方法，其中使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺来沉积所述硬掩模层。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在低于约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积硬掩模层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺来沉积所述硬掩模层。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述位线金属层具有粗糙度均方根(RMS)为1.15nm或更小的顶表面。
11.一种形成存储器结构的方法，包括：
在基板上的多晶硅层上形成阻挡金属层；
在约700℃至约850℃的温度下对所述阻挡金属层进行退火；
在所述阻挡金属层上形成阻挡层；
在所述阻挡层上沉积位线金属层；
在约550度至约650度的温度下对所述位线金属层进行退火；和
在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟到约6分钟。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述阻挡金属层是形成在所述多晶硅层上的约
至约
的钛层和形成在所述钛层上的约
至约
的氮化钛层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中对所述阻挡金属层进行退火在所述多晶硅层上形成硅化钛层。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述阻挡层是约
至约
的氮化钛层。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述位线金属层是具有粗糙度均方根(RMS)为1.15nm或更小的顶表面的晶粒生长金属层。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在约350℃至约400℃的沉积温度下使用化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)工艺在所述位线金属层上形成盖层；和
在高于约500℃的沉积温度下使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在所述盖层上形成硬掩模层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述盖层为约
至约
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在低于约400℃的沉积温度下使用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在所述位线金属层上沉积硬掩模层。
19.一种使存储器结构的位线金属的顶表面平滑的方法，包括：
使用等离子体气相沉积(PVD)腔室在基板上的多晶硅层上沉积约
至约
的钛层；
在约700℃至约850℃的温度下对所述基板进行退火，在所述钛层的沉积和所述基板的退火之间不破坏真空；
在退火之后在所述钛层上沉积约
至约
的氮化钛层；
在所述氮化钛层上沉积钌位线金属层；
在约550℃至约650℃的温度下对所述位线金属层进行退火；和
在退火期间将所述位线金属层在氢基环境中浸泡约3分钟至约6分钟，使得所述位线金属的顶表面具有1.15nm或更小的粗糙度均方根(RMS)。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
在约350℃至约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积盖层，并在高于约500℃的沉积温度下在所述盖层上沉积硬掩模层；或
在低于约400℃的沉积温度下在所述位线金属层上沉积硬掩模层。
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