专利名称：包括含金属导线的半导体器件及其制造方法
技术领域：
实施例涉及一种半导体器件以及制造该半导体器件的方法，更具体地，涉及包括含金属(metal-containing)导线的半导体器件以及制造该半导体器件的方法。
背景技术：
半导体器件可以包括布线作为导电元件。布线可以被埋入在形成于半导体器件的半导体基板中的沟槽中。随着半导体器件的设计规则被减小，半导体器件可以具有减小的特征尺寸。
发明内容
实施例提出一种半导体器件，包括半导体基板，其中具有沟槽；含金属阻挡层，沿沟槽的内壁延伸并定义沟槽中的布线空间，该布线空间具有沿第一方向的第一宽度；以及含金属导线，在含金属阻挡层上且在布线空间中，并包括至少一个金属颗粒，该至少一个金属颗粒具有沿第一方·向的大约第一宽度的颗粒直径。至少一个金属颗粒可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。含金属导线还可以包括硼(B)。含金属阻挡层可以包括T1、Ta、TiN, TaN和TiSiN中的至少一种。含金属导线可以通过如下形成形成沿沟槽的内壁延伸的至少两个金属层，至少两个金属层的每个具有多个较小的金属颗粒，多个较小的金属颗粒的每个具有在第一方向上的小于第一宽度的1/2的颗粒直径；以及增大多个较小金属颗粒中至少一个的尺寸以形成具有沿第一方向的大约第一宽度的颗粒直径的至少一个金属颗粒。实施例还提出一种方法，包括在基板上形成含金属堆叠结构，该含金属堆叠结构包括至少两个籽层以及设置在至少两个籽层之间且包括多个金属颗粒的至少一个金属层；蚀刻含金属堆叠结构的一部分以形成包括含金属堆叠结构的剩余部分的含金属布线图案；以及退火含金属布线图案。至少两个籽层可以包括硼(B )。多个金属颗粒可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。含金属布线图案的退火可以在约800至约1000°C的温度进行。含金属布线图案的退火可以在H2、N2和Ar气体中的至少一个的气体气氛中进行。实施例还提出一种方法，该方法包括在半导体基板中形成沟槽；形成沿沟槽的内壁延伸并定义沟槽中的布线空间的下层，该布线空间具有沿第一方向的第一宽度；形成含金属堆叠结构，该含金属堆叠结构包括在下层上沿沟槽的内壁延伸的多个籽层以及在多个籽层之一上沿沟槽的内壁延伸并具有多个金属颗粒的至少一个金属层，多个金属颗粒的每个具有在第一方向上小于第一宽度的1/2的颗粒直径；蚀刻含金属堆叠结构的一部分以形成包括含金属堆叠结构的剩余部分的含金属布线图案；以及增大含金属布线图案中多个金属颗粒中至少一些的尺寸。
增大多个金属颗粒中至少一些的尺寸可以包括退火含金属布线图案。增大多个金属颗粒中至少一些的尺寸可以被进行，使得含金属布线图案包括具有沿第一方向的大约第一宽度的颗粒直径的至少一个金属颗粒。形成含金属堆叠结构可以包括在下层上形成包括硼(B)的第一籽层；通过使用化学气相沉积(CVD)工艺形成第一金属层，使得第一金属层在第一籽层上沿沟槽的内壁延伸并包括多个金属颗粒，多个金属颗粒的每个具有沿第一方向的小于第一宽度的1/2的颗粒直径；以及在第一金属层上形成包括硼(B)的第二籽层。形成含金属堆叠结构可以包括供应含硼气体到下层的暴露表面上以形成籽层；以及供应含金属气体到籽层上以形成金属层。含金属气体可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。第一宽度可以是含金属阻挡层的在内壁关于沟槽的中央的相对两侧的两部分之间的距离。在实施例中，直到蚀刻含金属堆叠结构的一部分以形成含金属布线图案，实质上没有去除至少一个金属层的部分。
通过参照附图详细描述示范性实施例，特征对于本领域技术人员将变得显然，附图中图1A和图1B示出根据实施例制造半导体器件的方法的流程图；图2A、2B、2C、 2D和2E示出根据实施例制造半导体器件的工艺中的阶段的截面图；图3A示出包括在图2D所示的含金属堆叠结构中的形成第一、第二和第三金属层的多个金属颗粒的截面图；图3B示出形成图2E所示的含金属导线的多个金属颗粒的截面图；图4A示出根据实施例的半导体器件的布图；图4B示出半导体器件沿图4A的线4B-4B’截取的截面图；图4C示出在图4A和4B所示的字线周围的埋入字线和其他部件的平面图；图5A、5B、5C、ro、5E、5F、5G、5H、51、5J和5K示出根据实施例的制造半导体器件的工艺中的阶段的截面图；图6示出截面图，示出由图5E中的虚线指示的区域A的放大图；图7A和图7B示出扫描电子显微(SEM)图像，用于评价通过由具有相对大厚度的金属层制造半导体器件的方法形成的体W膜的表面形貌；图7C和图7D示出SEM图像，用于评价通过由具有相对小厚度的多个金属层制造半导体器件的方法形成的体W膜的表面形貌；图7E和图7F示出SEM图像，用于评价在含金属堆叠结构的退火之前和之后的W颗粒的尺寸；图8A和图8B示出SEM图像，用于评价退火工艺对通过根据实施例的制造半导体器件的方法形成的含金属堆叠结构的效果；图9示出曲线图，示出根据退火形成在根据实施例的半导体器件中的多个沟槽中的含金属堆叠结构的电阻降低效果；图10示出包括根据实施例的半导体器件的存储器模块的平面图；图11示出包括根据实施例的半导体器件的存储卡的示意图；以及图12示出包括根据实施例的半导体器件的系统的示意图。
具体实施例方式在下文将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式实施，而不应被解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，为示出的清晰，层和区域的尺寸可以被夸大。还将理解，当称层或元件在另一层或基板“上”时，它可以直接在另一层或基板上，或者还可以存在插入的层。此外，将理解，当称一层在另一层“下”时，它可以直接在下面，也可以存在一个或多个插入元件。此外，还将理解，当称一层在两个层“之间”时，它可以是两个层之间唯一的层，或者也可以存在一个或多个插入元件。相似的附图标记始终指代相似的元件。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。诸如· ·中的至少一个”的术语，当在一系列元件之前时，修改了元件的整个列表而不修改该列表中的单个元件。将理解，虽然这里可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件 、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背离本发明构思的教导。除非另行定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一步理解的是，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。除非另外指定，工艺的执行顺序应当不受描述的工艺中的次序限制。例如，依次描述的两个工艺可以实质上同时执行，并可以以与描述相反的次序执行。附图所示的形状可以根据制造技术和/或公差而修改。因此，实施例不应被限制于附图所示的形状，而是应当包括可在制造工艺期间引起的形状的修改。图1A和图1B示出根据实施例的制造半导体器件的方法的流程图。参照图1A，在操作SlO中，含金属阻挡层可以形成在包括导电区的半导体基板上。含金属阻挡层可以形成在导电区上。在一些实施例中，含金属阻挡层可以包括T1、Ta、TiN、TaN和TiSiN中的至少一种。在操作S20中，含金属堆叠结构可以形成在含金属阻挡层上。含金属堆叠结构可以包括至少两个籽层、以及设置在至少两个籽层之间且包括多个金属颗粒的至少一个金属层。多个金属颗粒可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。图1B示出用于执行操作S20的示范性方法。在操作S22中，籽层可以形成在含金属阻挡层上。为了形成籽层，可以使用利用含硼气体的原子层沉积(ALD)工艺。ALD工艺周期可以包括供应含硼气体到含金属阻挡层上、执行净化操作、供应含金属气体、以及执行净化操作。ALD工艺周期可以反复地执行，例如执行三次到十次，从而形成籽层。含硼气体可以为例如B2H6气体。如果钨层形成为金属层，则含金属气体可以为例如WF6气体。籽层可以形成为至少30A的厚度。在操作S24中，含金属气体可以供应到籽层上以形成金属层。含金属气体可以根据要被形成的金属层而被不同地选择。含金属气体可以包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。例如，如果金属层为鹤(W)层,贝U含金属气体可以为WF6气体。WF6气体和H2气体可以被供应到籽层上以在化学气相沉积(CVD)工艺中生长W膜。金属层可以形成为具有适当的厚度，例如金属层可以形成为约loo至约500 A的厚度。在操作S26中，可以确定含金属堆叠结构是否为期望的厚度。如果含金属堆叠结构的总的厚度小于期望的厚度，则可以重复操作S22和S24。在操作S26中，如果确定含金属堆叠结构的总的厚度为期望的厚度，则可以执行图1A中所示的操作S30。在图1A的操作S30中，含金属堆叠结构的一部分可以被蚀刻以形成包括含金属堆叠结构的剩余部分的含金属布线图案。在操作S40中，含金属布线图案可以被退火以增大包括在含金属布线图案中的多个金属颗粒的尺寸。含金属布线图案的退火可以在约800至约1000°C范围内的温度进行。含金属布线图案的退火可以在H2、N2和Ar气体中的至少一种气体的气氛下进行。图2A、图2B、图2C、图2D 和图2E示出根据实施例的制造半导体器件的工艺中的阶段的截面图。参照图2A,含金属阻挡层210可以形成在半导体基板200的导电区202上。含金属阻挡层210可以包括T1、Ta、TiN, TaN和TiSiN中的至少一种。例如，含金属阻挡层210可以由TiN、Ti\TiN、TaN、Ta\TaN或TiSiN形成。含金属阻挡层210可以利用例如ALD工艺或CVD工艺形成。含金属阻挡层210可以形成到例如约20至100A的厚度。参照图2B，第一籽层222可以形成在含金属阻挡层210上。第一籽层222可以在ALD工艺中通过使用B2H6气体形成。第一籽层222可以形成到至少30 A的厚度。第一籽层222可以是包括B原子和W原子的非晶籽层。ALD工艺可以包括ALD工艺周期，该工艺周期包括供应B2H6气体到含金属阻挡层210上、执行净化操作、供应WF6气体、以及执行净化操作。ALD工艺周期可以反复地执行，例如执行三次到十次，从而形成第一籽层222。如果第一籽层222在以上工艺中形成，则第一籽层222可以包括W原子和B原子。参照图2C,第一金属层232可以形成在第一籽层222上。第一金属层232可以形成为包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。第一金属层232可以在CVD工艺中形成。为了形成第一金属层232，W层可以在供应WF6气体和H2气体到第一籽层222上之后通过CVD工艺生长在第一籽层222上。第一金属层232可以形成至适当的厚度，例如约50至500A的厚度。参照图2D，第二籽层224、第二金属层234、第三籽层226以及第三金属层236可以依次形成在第一金属层232上。第二籽层224和第三籽层226可以以与参照图2B所述的用于形成第一籽层222相同的制造工艺形成，或者不同的制造工艺可以用于形成每个籽层。此外，第二金属层234和第三金属层236可以以与参照图2C所述的用于形成第一金属层232相同的工艺形成，或者不同的制造工艺可以用于形成每个金属层。
参照图2D，通过以上工艺，含金属堆叠结构240可以形成在含金属阻挡层210上。含金属堆叠结构240可以包括三个籽层和三个金属层，该三个籽层包括第一、第二和第三籽层222、224和226,该三个金属层包括第一、第二和第三金属层232、234和236。第一、第二和第三金属层232、234和236可以分别形成在第一、第二和第三籽层222、224和226上。如果金属层在CVD工艺中形成，则形成金属层的多个金属颗粒的尺寸可以与金属层的厚度成比例。因此，形成第一、第二和第三金属层232、234和236(其可以具有相对于第一、第二和第三金属层232、234和236的厚度之和的小的厚度)的每个金属颗粒的尺寸可以小于形成具有对应于第一、第二和第三金属层232、234和236的厚度之和的厚度的金属层的每个金属颗粒的尺寸。因此，为了形成具有期望厚度的金属层，第一、第二和第三金属层232、234和236可以反复地形成，因此，可以形成包括相对小的金属颗粒的金属层。 图3A示出包括在图2D所示的含金属堆叠结构中的形成第一、第二和第三金属层的多个金属颗粒的截面图。尽管没有在附图中示出，但是含金属堆叠结构240的不需要的部分可以从图2D所示的所得结构中蚀刻。第一、第二和第三金属层232、234和236可以包括密集地形成的具有相对小的直径的多个金属颗粒232G、234G和236G。因此，在蚀刻工艺之后可以获得保留在半导体基板200上的含金属堆叠结构240的蚀刻表面的光滑形貌。相对于包括在具有对应于第一、第二和第三金属层232、234和236的厚度之和的厚度的金属层中的金属颗粒，具有相对小的直径的金属颗粒232G、234G和236G可以是小的。参照图2E，含金属堆叠结构240可以被热250处理从而形成其中多个金属颗粒的尺寸被增大的含金属导线240A。含金属堆叠结构240通过热250的处理可以在例如约800至约1000°C的范围内的温度进行。如果热250的温度在约800至约1000°C的范围内，则金属颗粒可以在含金属堆叠结构240中充分地生长，并且形成在半导体基板200上的其他单元器件不会由于所述热而劣化。含金属堆叠结构240通过热250处理的时间可以是适合的时间，也就是，通过热250的处理可以进行一时间，在该时间期间含金属导线240A中的金属颗粒的尺寸可以被足够地增大。对于通过热250的处理，可以进行快速热处理(RTP)、峰值快速热退火(RTA)、快速退火(flash annealing)或者熔炉退火工艺。含金属堆叠结构240通过热250的处理可以在非氧化气氛下进行。含金属堆叠结构240通过热250的处理可以在H2、N2和Ar气中的至少一种气体的气氛下进行。例如，在进行通过热250的处理期间，气氛气体可以包括仅H2、仅N2或者H2和N2的混合气体。如果热工艺250在H2气氛下进行，则可以防止包括在含金属堆叠结构240中的金属的氧化。可以包括在第一、第二和第三籽层222、224和226中的B原子可以由于通过热250的处理而分散在含金属堆叠结构240中，并且B原子可以保留在通过热250的处理之后获得的含金属导线240A中。图3B示出形成图2E所示的含金属导线的多个金属颗粒的截面图。当将图3A和图3B彼此对比时，与金属颗粒232G、234G和236G的尺寸相比，包括在通过热250的处理之后获得的含金属导线240A中的金属颗粒240G的尺寸增大。含金属导线240A中的金属颗粒240G的尺寸可以大致对应于含金属堆叠结构240的总厚度。参照图2A至图2E，含金属堆叠结构240可以包括三个籽层(也就是，第一、第二和第三籽层222、224和226)以及三个金属层(也就是，第一、第二和第三金属层232、234和236)。然而，任何合适数目的籽层和金属层可以被包括在含金属堆叠结构中，例如两个、四个或更多籽层以及两个、四个或更多金属层，含金属堆叠结构可以包括彼此交替堆叠的这些籽层和金属层。通过图2A至图2E所示的工艺获得的含金属导线240A可以用作半导体器件中的合适导电层。例如，含金属导线240A可以形成字线、位线、用于将多个导电层彼此电连接的接触插塞或者各种布线。图4A示出根据实施例的半导体器件的布图。图4B示出半导体器件沿图4A的线4B-4B’截取的截面图。图4C示出在图4A和图4B所示的埋入字线450和其他部件的平面图。图4A、图4B和图4C中所示的半导体器件400可以被包括在动态随机存取存储器(DRAM)器件的存储器单元区域中。参照图4A、图4B和图4C，半导体器件400可以包括定义半导体基板410上的多个有源区412的隔离层414。半导体基板410可以由半导体材料诸如硅(Si)形成。延伸跨过有源区412和隔离层414的多个沟槽416可以形成在半导体基板410上。具有定位在比有源区412的上表面412T低的水平的上表面450T的多条埋入字线450可以沿X轴方向在沟槽416中延伸(参照图4A和图4C)。也就是，埋入字线450的上表面450T可以低于有源区412的上表面412T，使得上表面450T在沟槽416的底部与上表面412T之间。源极/漏极区470可以暴露在有源区412的上表面412T上。多条位线480(参照图4A)可以形成在半导体基板410上。多条位线480可以在垂直于埋入字线450延伸的方向的y轴方向(参照图4A)延伸 。 栅电介质层420和含金属阻挡层430可以形成在埋入字线450与有源区412之间。栅电介质层420可以形成为在直接接触沟槽416的内壁中的有源区412的同时沿沟槽416的内壁延伸。栅电介质层420可以由硅氧化物膜形成，栅电介质层420可以由具有高介电常数的层形成，例如铪氧化物膜(HfO2)。含金属阻挡层430可以在形成于沟槽416中的栅电介质层420上沿沟槽416的内壁延伸。含金属阻挡层430可以定义沟槽416中在y方向(参照图4A和图4C)上具有第一宽度(Wl)的布线空间。关于含金属阻挡层430的其他细节可以与参照图2A描述的含金属阻挡层210相同。埋入字线450可以形成在具有第一宽度Wl的布线空间内。埋入字线450可以包括多个金属颗粒450G，每个在J轴方向上(参照图4A和图4C)具有与第一宽度Wl相同的颗粒直径D1。多个金属颗粒450G可以由W、Mo、Pt和Rh中的至少一种形成。埋入字线450还可以包括分散在埋入字线450中的B原子。图5A、5B、5C、ro、5E、5F、5G、5H、51、5J和5K以制造的次序示出根据实施例的制造
半导体器件的工艺中的阶段的截面图。在图5A至图5K中，与图4A至图4C相似的附图标记指代相似的元件，这里将不重复其详细描述。图5A至图5K示出与图4B所示的沿图4A的线4B-4B’截取的截面图相应的截面图。参照图5A，隔离层414可以形成在半导体基板410上以定义多个有源区412。可以进行浅沟槽隔离(STI)工艺以形成隔离层414。隔离层414可以具有以下结构，其中覆盖形成在半导体基板410中的隔离沟槽404的内壁的热氧化物层(未示出)、形成在热氧化物层上的氮化物衬层(未示出)以及填充隔离沟槽404的内部的氧化物层(未示出)被依次堆叠。包括焊垫氧化物层图案406和掩模图案408的堆叠结构可以形成在其中形成隔离层414的半导体基板410上。焊垫氧化物层图案406和掩模图案408的堆叠结构408可以暴露有源区412的上表面412T的一部分以及隔离层414的上表面414T的将要形成沟槽416的部分。掩模图案408可以包括由氮化物层或多晶硅层形成的硬掩模图案。在实施中，掩模图案408可以是包括硬掩模图案和光致抗蚀剂图案的堆叠结构。然后，暴露的有源区412和隔离层414可以通过使用掩模图案408作为蚀刻掩模来蚀刻从而形成多个沟槽416，多个沟槽416延伸跨过半导体基板410中的多个有源区412和隔离层414。多个沟槽416可以形成为在半导体衬底410中在预定方向(图4A中的x轴方向)上彼此平行地延伸的多个线状图案。参照图5B，栅电介质层420可以形成在有源区412的被沟槽416的内壁暴露的表面上。可以对于有源区412的在沟槽416的内壁中的暴露表面进行热氧化工艺或等离子体自由基氧化(plasma radical oxidizing)工艺,从而形成栅电介质层420。参照图5C，含金属阻挡层430可以形成在栅电介质层420上。含金属阻挡层430可以通过CVD工艺或ALD工艺形成。参照图第一籽层442可以形成在含金属阻挡层430上，第一金属层444可以形成在第一籽层442上。 第一籽层442可以通过使用与用于形成参照图2B描述的第一籽层222相同的工艺形成。第一籽层442可以在含金属阻挡层430上沿沟槽416的内壁延伸，并可以形成到至少30A的厚度。第一金属层444可以通过使用与用于形成参照图2C描述的第一金属层232相同的工艺形成。第一金属层444可以在第一籽层442上沿沟槽416的内壁延伸。第一金属层444可以通过CVD工艺形成。第一金属层444可以形成为具有小于布线空间的宽度Wl的1/2的厚度D2。布线空间的宽度Wl可以在沟槽416中沿沟槽416的宽度方向(具体地，y轴方向(参照图4A))由含金属阻挡层430定义。也就是，布线空间的宽度Wl可以是含金属阻挡层430的位于内壁关于沟槽416的中央的相对两侧的两部分之间的距离。包括在第一金属层444中的多个金属颗粒的尺寸可以由第一金属层444的厚度限制。第一金属层444的厚度可以被减小。因此，还可以减小形成第一金属层444的多个金属颗粒的尺寸。第一金属层444可以形成至合适的厚度,例如约50至约500A的厚度。第一金属层444的厚度可以根据沟槽416的宽度而变化，形成在沟槽416中的籽层和金属层的数目也可以改变。例如，如果沟槽416的宽度W2为约300A,则第一籽层442可以形成至约30人的厚度并且第一金属层444可以形成至约50人的厚度。参照图5E，第二籽层446可以形成在第一金属层444上，第二金属层448可以形成在第二籽层446上。第二籽层446和第二金属层448可以以与参照图描述的用于形成第一籽层446和第一金属层444的相似的工艺形成。然而，如图5E所示，第二金属层448可以形成为完全填充沟槽416的内部。如果使用超过两个金属层，所形成的最后金属层可以完全填充沟槽416的内部。第一籽层442、第一金属层444、第二籽层446和第二金属层448可以构成填充在沟槽416的布线空间中的含金属堆叠结构440。
第二金属层448可以通过CVD工艺形成。因此，多个金属颗粒可以在沟槽416中彼此面对的同时逐渐生长，并可以如图5E所示在沟槽416的中央部分中彼此接触。此外，在形成第二金属层448之后，接合部分448S可以形成为线，所述线可以沿沟槽416的长度方向(对应于图4A的X轴方向的方向)保留在沟槽416的中央部分处。图6示出截面图，示出由图5E的虚线指示的区域A的放大图，用于更详细地描述接合部分448S。在图6中，为了描述的方便，示出可以形成第一金属层444和第二金属层448的多个金属颗粒444G和448G。当形成第二金属层448时，多个金属颗粒448G可以通过CVD工艺从第二籽层446的表面朝向沟槽416的中央部分生长。金属颗粒444G和448G的直径可以小于宽度Wl的约1/2，并可以在宽度Wl的约1/10至约2/5之间。在生长多个金属颗粒448G期间，多个金属颗粒448G可以填充沟槽416中的中央部分。因此，彼此面对地生长的多个金属颗粒448G可以在沟槽416的中央部分处彼此接触。沟槽416可以通过第二金属层448填充，在沟槽416中可以没有空的空间。因此，接合部分448S可以在沟槽416中的中央部分处沿沟槽416的长度方向连续地或间断地延伸。第一和第二金属层444和448 (其可以具有相对于布线空间的宽度Wl的小的厚度)的每个可以包括多个金属颗粒444G或448G，其具有相对小的颗粒直径并密集地形成。因此，沟槽416的内部可以被密集地填充而没有空隙。多个金属颗粒444G或448G的相对小的颗粒直径可以相对于布线空间的宽度Wl为小的。参照图5F，形成在含金属阻挡层430上的含金属堆叠结构440可以从含金属堆叠结构440的上部回蚀刻，从而可以形成含金属布线图案450A。含金属布线图案450A可以包括回蚀刻之后沟槽416中的含金属堆叠结构440的剩余部分。因此，含金属阻挡层430可以在半导体基板410的上部上被暴露，凹入孔416H可以形成在沟槽416的入口部分(也就是，沟槽416中的含金属布线图案450A的上部)上。含金属堆叠结构440的回蚀刻可以通过使用例如干法蚀刻工艺进行。含金属堆叠结构440的回蚀刻可以去除含金属堆叠结构440的一部分，使得含金属布线图案450A的上表面450S在沟槽416的底部与有源区412的上表面或栅极电介质层42 0的上表面之间。含金属堆叠结构440的回蚀刻可以是第一次含金属堆叠结构440的一部分被去除。也就是，在实施例中，含金属堆叠结构440可以仅通过沉积形成，而在形成含金属布线图案450A的回蚀刻之前没有任何含金属堆叠结构440的实质部分被去除。第一和第二金属层444和448可以包括具有相对小颗粒直径并密集地形成的多个金属颗粒444G和448G。金属颗粒444G和448G的相对小的颗粒直径可以相对于布线空间的宽度Wl是小的。多个金属颗粒444G和448G的颗粒边界可以影响在执行回蚀刻工艺之后形成在半导体基板410上的多个含金属布线图案450A的上表面450S上的形貌变化。也就是，如果多个金属颗粒444G和448G的颗粒直径是大的，则形貌变化可以增大，并且如果多个金属颗粒444G和448G的颗粒直径是小的，则形貌变化可以减小。当回蚀刻第一和第二籽层442和446以及第一和第二金属层444和448时,第一和第二金属层444和448可以包括具有相对小的颗粒直径的多个金属颗粒444G和448G。因此，可以减小在进行回蚀刻工艺之后获得的含金属布线图案450A的上表面450S的形貌变化。此外，可以在半导体基板410的整个区域上减小形成在多个沟槽416中的多个含金属布线图案450A上的形貌的变化，因而，可以增加形貌均匀性。因此，可以防止利用含金属布线图案450A形成的多个单元晶体管的阈值电压V分布的劣化。参照图5G，含金属阻挡层430的暴露部分可以被去除从而可以保留含金属阻挡层430的位于含金属布线图案450A的上表面450S下的部分。为了去除含金属阻挡层430的暴露部分，可以执行湿法蚀刻工艺。因此，栅电介质层420的某些部分可以暴露在凹入孔416H的侧壁上。参照图5H，包括含金属布线图案450A的所得结构可以通过经由热452的处理来退火从而增大包括在含金属布线图案450A中的金属颗粒444G和448G的尺寸。因而,可以获得包括具有增大的尺寸的多个金属颗粒的导线450B。导线450B可以形成图4A至图4C所示的埋入字线450，并可以包括多个金属颗粒450G，每个具有对应于由含金属阻挡层430定义的布线空间的宽度Wl的颗粒直径，如图4C所示。通过热452的处理的细节可以与参照图2E描述的含金属堆叠结构240通过热250的处理类似。可包括在第一和第二籽层442和446中的B原子可以通过热452的处理而分散在含金属布线图案450A中，并可以以分散的状态保留在热工艺之后获得的含金属导线450B中。
参照图51,绝缘层(未不出)可以形成在含金属阻挡层430、含金属导线450B和掩模图案408上从而完全填充凹入孔416H的内部空间。之后，绝缘层可以被回蚀刻从而可以暴露掩模图案408并且盖层460可以形成在凹入孔416H中。绝缘层可以例如通过化学机械抛光(CMP)工艺抛光以形成盖层460。盖层460可以由例如氮化物层或氧化物层形成。掩模图案408也可以与绝缘层一起被抛光。参照图5J，掩模图案408和焊垫氧化物层图案406可以从如图51所示的其中形成盖层460的所得结构去除，因此，有源区412的上表面可以被暴露。掩模图案408和衬垫氧化物层图案406可以通过湿法蚀刻工艺去除。如果盖层460是氮化物层并且掩模图案408是氧化物层，则掩模图案408和焊垫氧化物层图案406可以通过利用盖层460与掩模图案408和衬垫氧化物层图案406的蚀刻选择性之间的差异的湿法蚀刻工艺去除。参照图5K，源极/漏极区470可以通过注入杂质离子到有源区412的上表面中而形成在有源区412的上表面上。用于形成源极/漏极区470的离子注入可以与用于形成半导体基板410的周边电路区域(未示出)上形成的周边电路晶体管(未示出)的源极/漏极区的离子注入同时地进行。用于形成源极/漏极区470的离子注入还可以在形成隔离层414之后并且在形成半导体基板410中的沟槽416之前进行，如图5A中。参照图5A至图5K，含金属堆叠结构440示出为包括两个籽层(也就是，第一和第二籽层442和446)以及两个金属层(也就是，第一和第二金属层444和448)。然而,可以形成包括彼此交替堆叠的三个或更多籽层和三个或更多金属层的含金属堆叠结构。参照图5A至图5K，如果含金属导线450B由包括具有相对小的厚度的多个金属层的含金属堆叠结构440形成(也就是，首先形成第一和第二金属层444和448，然后进行用于去除堆叠结构中的一部分的回蚀刻工艺，然后回蚀刻工艺之后的剩余堆叠结构被退火以增大金属颗粒的尺寸从而形成导线)，含金属导线450B可以提供期望的电性能。回蚀刻工艺可以对包括小尺寸的金属颗粒的形成为具有相对小厚度的多个金属层进行。因此，可以改善回蚀刻工艺之后保留的堆叠结构的表面形貌特性，并且可以减小多个含金属布线图案的形貌之间的变化。因此，可以增大半导体基板的形貌均匀性。在以上工艺中形成的导线可以用作晶体管的字线。因此，可以防止阈值电压V分布的劣化。此外，如图5H所示，多个金属颗粒450G的尺寸可以由于退火工艺而增大。因此,包括金属颗粒450G (其尺寸增大)的导线450B可以用作埋入字线450，因此可以减小电阻。图7A至图7D是扫描电子显微(SEM)图像，允许对比当具有相对小厚度的体W层分别多次形成在单独的籽层上时和当体W层一次性形成至相对大的厚度时的表面形貌的对比。图7A和图7B示出SEM图像，用于评价通过由具有相对大厚度的金属层制造半导体器件的方法形成的体W膜的表面形貌。图7C和图7D示出SEM图像，用于评价通过由具有相对小厚度的多个金属层制造半导体器件的方法形成的体W膜的表面形貌。更具体地，图7A和图7B是SEM图像，示出当多个沟槽形成在半导体基板中、TiN阻挡层形成在多个沟槽中且在半导体基板上、并且通过在TiN阻挡层上依次堆叠具有50A的厚度的籽层和具有400A的厚度的体W层而形成含金属层时的含金属层的表面形貌(图7A)和形成含金属层的W颗粒(图7B)。也就是，图7A和图7B的含金属层由具有相对大的厚度的单个金属层形成。图7C和图7D是SEM图像，示出当多个沟槽形成在半导体基板中、TiN阻挡层形成在多个沟槽中且在半导体基板上、通过在TiN阻挡层上依次形成具有50A的厚度的第一籽层、具有180人的厚度的第一体W层、具有50人的厚度的第二籽层以及具有180A的厚度的第二体w层而形成含金属堆叠结构时的含金属堆叠结构的表面形貌(图7C)和形成含金属堆叠结构的W颗粒(图7D)。也就是，图7C和图7D的含金属层由具有相对小厚度的多个金属层形成。如图7C和图7D所示，含金属堆叠结构可以通过交替堆叠具有相对小厚度的籽层和体W层而形成。因此，可以减小包括在体W层中的金属颗粒的尺寸，并且可以改善含金属堆叠结构的表面形貌。`图7E和图7F示出SEM图像，用于评价在含金属堆叠结构的退火之前和之后的W颗粒的尺寸。图7E示出在退火之前W颗粒的尺寸，图7F示出在退火之后W颗粒的尺寸。图7E和图7F示出，W颗粒的尺寸可以由于退火而相对增大。图8A和图8B示出SEM图像，用于评价退火工艺对通过根据实施例的制造半导体器件的方法形成的含金属堆叠结构的效果。更具体地，图8A和图SB是示出关于含金属堆叠结构退火之前(图8A)和之后(图SB)的W颗粒的尺寸，该含金属堆叠结构通过在半导体基板中形成多个沟槽、在多个沟槽中和半导体基板上形成TiN阻挡层、以及在TiN阻挡层上依次形成具有50A的厚度的第一籽层、具有180A的厚度的第一体w层、具有50 A的厚度的第二籽层以及具有180 A的厚度的第二体W层而获得。更具体地，图8A是在退火之前的SEM图像，示出在形成含金属堆叠结构以及从含金属堆叠结构的上部回蚀刻含金属堆叠结构之后的所得结构。图8B是SEM图像，示出在H2气体气氛中在800°C的温度对回蚀刻之后剩余的含金属堆叠结构进行退火之后的所得结构。从图8A和图8B的对比,确定W颗粒的尺寸由于退火而增大。图9示出曲线图，示出在根据实施例的半导体器件中根据形成在多个沟槽中的含金属堆叠结构的退火的电阻减小效果。更具体地，图9示出曲线图，示出在含金属堆叠结构的退火之前和之后的电阻(IV)的变化，该含金属堆叠结构通过在半导体基板中形成多个沟槽、在多个沟槽中和半导体基板上形成TiN阻挡层、以及在TiN阻挡层上依次形成具有50人的厚度的第一籽层、具有180A的厚度的第一体W层、具有50 A的厚度的第二籽层以及具有180A的厚度的第二体W层而获得。在图9的曲线图中，横轴表示两个相邻含金属堆叠结构之间的电容(Cwl),纵轴表示电阻(Rwl )。在图9中，标记■和▼表示含金属堆叠结构没有被退火的情形，标记 示出含金属堆叠结构在860°c的温度在H2气体气氛下退火的情形，标记Λ表示含金属堆叠结构在800°C的温度在H2气体气氛中退火的情形，标记□表示含金属堆叠结构没有形成在TiN阻挡层上并且没有进行退火的情形。在图9中，标记■和▼具有不同高度的含金属堆叠结构。标记■表示含金属堆叠结构从其上部回蚀刻小深度的情形，标记▼表示含金属堆叠结构从其上部回蚀刻大深度的情形，使得在回蚀刻之后，标记▼的含金属堆叠结构的高度为标记■的含金属堆叠结构的高度的约93%。如图9所示，当含金属堆叠结构被退火时，W颗粒的尺寸在含金属堆叠结构中增大，电阻减小。图10示出 包括根据实施例的半导体器件的存储器模块4000的平面图。存储器模块4000包括印刷电路板(PCB) 4100和多个半导体封装4200。多个半导体封装4200可以包括通过根据实施例的制造方法制造的半导体器件。根据实施例的存储器模块4000可以是单列直插存储器模块(SIMM)或者双列直插存储器模块(DIMM)，在单列直插存储器模块中，多个半导体封装4200安装在PCB 4100的表面上，在双列直插存储器模块中，多个半导体封装4200安装在PCB 4100的两个表面上。在实施中，存储器模块4000可以是包括先进存储器缓冲(AMB)的完全缓冲DIMM (FBDIMM)，其向多个半导体封装4200提供外部信号。图11示出包括根据实施例的半导体器件的存储卡5000的示意图。在存储卡5000中，控制器5100和存储器5200可以设置为交换电信号。例如，当控制器5100发送命令时，数据可以从存储器5200读取。存储器5200可以包括通过根据实施例的方法制造的半导体器件。存储卡5000可以配置为合适的存储卡,例如存储棒卡、智能媒体卡(SM)、安全数字卡(SD)、迷你安全数字卡(mini SD)以及多媒体卡(MMC)。图12示出包括根据实施例的半导体器件的系统6000的示意图。在系统6000中，处理器6100、输入/输出装置6300和存储器6200可以通过使用总线6500彼此通信数据。存储器6200可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。此外，系统6000可以包括外围设备6400，诸如，例如软盘驱动器和致密盘(⑶)ROM驱动器。存储器6200可以包括通过根据实施例的方法制造的半导体器件。存储器6200可以存储用于操作处理器6100的代码和数据。系统6000可以使用在例如移动电话、MP3播放器、导航仪、便携式多媒体播放器(PMP )、固态盘(SSD )或家用电器中。通过总结和回顾，在具有减小的特征尺寸和减小的设计规则的半导体器件的半导体基板的沟槽中形成埋入型布线，例如埋入型字线，是有利的。对于埋入型布线具有低电阻也是有利的。
埋入字线的电阻可以通过使用例如TiN+W而减小，其具有比TiN低的电阻率。然而，如果埋入字线的尺寸减小至例如约20nm或更小，则埋入W的颗粒尺寸还可以减小并且电阻会增大。因此，对于埋入W的颗粒尺寸增大以减小电阻是有利的。然而，沉积具有增大颗粒尺寸的埋入W会导致在W回蚀刻工艺期间由于W颗粒边界而导致有缺陷的局域分散(local dispersion),这会导致使单元晶体管的阈值电压V分布的劣化。通过反复沉积籽层和体层，可以减小W颗粒的尺寸，可以改善沟槽中的埋入W的颗粒和表面形貌。籽层和体层的堆叠结构可以被回蚀刻以形成期望的结构，然后籽层和体层的堆叠结构可以被热处理以增大W颗粒的尺寸并减小电阻。因此，埋入W可以具有低电阻而不劣化阈值电压V的分布，即使埋入字线具有小的尺寸。这里已经公开了示例实施例，尽管使用了特定的术语，它们仅以一般和描述的含义来使用和解释，而不是为了限制的目的。在某些情形下，如对于本申请所提交的领域内的普通技术人员将是明显的，结合特定 实施例描述的特征、特性和/或元件可以被单独使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合地使用，除非另外特别指示。因而，本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种变化而不背离本发明的由权利要求书所阐述的精神和范围。于2011年9月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No. 10-2011-0098308通过引用整体结合于此。
权利要求
1.一种半导体器件，包括 半导体基板，其中具有沟槽； 含金属阻挡层，沿所述沟槽的内壁延伸并定义所述沟槽中的布线空间，该布线空间具有沿第一方向的第一宽度；以及 含金属导线，在所述含金属阻挡层上且在所述布线空间中，并包括至少一个金属颗粒，所述至少一个金属颗粒具有沿所述第一方向的大约所述第一宽度的颗粒直径。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述至少一个金属颗粒包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其中所述含金属导线还包括硼(B)。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述含金属阻挡层包括T1、Ta、TiN,TaN和TiSiN中的至少一种。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述含金属导线通过如下形成 形成沿所述沟槽的所述内壁延伸的至少两个金属层，所述至少两个金属层的每个具有多个第一金属颗粒，所述多个第一金属颗粒的每个在所述第一方向上具有小于所述第一宽度的1/2的颗粒直径；以及 增大所述多个第一金属颗粒中至少一个的尺寸以形成具有沿所述第一方向的大约所述第一宽度的颗粒直径的所述至少一个金属颗粒。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一宽度是所述含金属阻挡层的在所述内壁相对于所述沟槽的中央的相对两侧的两部分之间的距离。
7.—种制造半导体器件的方法，该方法包括 在基板上形成含金属堆叠结构，该含金属堆叠结构包括 至少两个籽层，和 至少一个金属层，设置在所述至少两个籽层之间且包括多个金属颗粒； 蚀刻所述含金属堆叠结构的一部分以形成包括所述含金属堆叠结构的剩余部分的含金属布线图案；以及 退火所述含金属布线图案。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述至少两个籽层包括硼(B)。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述多个金属颗粒包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述含金属布线图案的退火在800至1000°C的温度进行。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述含金属布线图案的退火在H2、N2和Ar气中的至少一个的气体气氛中进行。
12.如权利要求7所述的方法，其中直到蚀刻所述含金属堆叠结构的一部分以形成所述含金属布线图案，实质上没有去除所述至少一个金属层的部分。
13.—种制造半导体器件的方法，该方法包括 在半导体基板中形成沟槽； 形成沿所述沟槽的内壁延伸并定义所述沟槽中的布线空间的下层，该布线空间具有沿第一方向的第一宽度；形成含金属堆叠结构，该含金属堆叠结构包括 在所述下层上沿所述沟槽的内壁延伸的多个籽层，和 至少一个金属层，在所述多个籽层之一上沿所述沟槽的内壁延伸并具有多个金属颗粒，所述多个金属颗粒的每个具有在所述第一方向上的小于第一宽度的1/2的颗粒直径；蚀刻所述含金属堆叠结构的一部分以形成包括所述含金属堆叠结构的剩余部分的含金属布线图案；以及 增大所述含金属布线图案中多个金属颗粒中至少一些的尺寸。
14.如权利要求13所述的方法，其中增大所述多个金属颗粒中至少一些的尺寸包括退火所述含金属布线图案。
15.如权利要求13所述的方法，其中增大所述多个金属颗粒中至少一些的尺寸被进行，使得所述含金属布线图案包括具有沿所述第一方向的大约第一宽度的颗粒直径的至少一个金属颗粒。
16.如权利要求13所述的方法，其中形成所述含金属堆叠结构包括 在所述下层上形成包括硼(B)的第一籽层； 通过使用化学气相沉积工艺形成第一金属层，使得所述第一金属层在所述第一籽层上沿所述沟槽的内壁延伸并包括多个金属颗粒，所述多个金属颗粒的每个具有沿所述第一方向的小于第一宽度的1/2的颗粒直径；以及 在所述第一金属层上形成包括硼(B)的第二籽层。
17.如权利要求13所述的方法，其中形成所述含金属堆叠结构包括 供应含硼气体到所述下层的暴露表面上以形成籽层；以及 供应含金属气体到所述籽层上以形成金属层。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述含金属气体包括W、Mo、Pt和Rh中的至少一种。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述第一宽度是所述下层的在所述内壁相对于所述沟槽的中央的相对两侧的两部分之间的距离。
20.如权利要求13所述的方法，其中直到蚀刻所述含金属堆叠结构的一部分以形成所述含金属布线图案，实质上没有去除所述至少一个金属层的部分。
全文摘要
本发明提供了包括含金属导线的半导体器件及其制造方法。该半导体器件包括半导体基板，其中具有沟槽；含金属阻挡层，沿沟槽的内壁延伸并定义沟槽中的布线空间，该布线空间具有沿第一方向的第一宽度；以及含金属导线，在含金属阻挡层上且在布线空间中，并包括具有沿第一方向的大约第一宽度的颗粒直径的至少一个金属颗粒。
文档编号H01L27/108GK103035646SQ201210367959
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者朴在花, 姜晚锡, 朴嬉淑, 孙雄喜 申请人:三星电子株式会社