一种存储器件的制造设备及其方法与流程

本发明涉及存储器的制造领域。具体而言，本发明涉及一种存储器件的制造设备及其方法。

背景技术：

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器。当电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在第一低能量状态位置，而当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在第二低能量状态。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。

当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在“1”或“0”状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在“1”或“0”的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。并且，与现有的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

铁电性是铁电存储器的一个关键因素。具有较好结晶度、较低缺陷的薄膜和材料将显著改进铁电存储器的铁电性，从而获得更好的器件性能。

现有技术的铁电存储器的沉积系统和方法通常在一个处理腔室内完成所有的处理工艺，例如多种材料层的沉积。这样，前一材料层中的元素必然或多或少的残留在腔室中，导致一层与二层材料的交叉污染，从而影响器件性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种形成mim(metalinsulatormetal金属-绝缘体-金属)电容铁电存储器件或mis(metal-insulator-semiconductor金属-绝缘体-半导体)铁电存储器件的方法，该存储器件的铁电材料与电极之间的界面具有零或最小化的界面区。零界面结构的氧型空穴和陷阱减少，提高薄膜结晶质量，从而显著改善器件的电学性能。

根据本发明的一个方面，提供一种存储器件的制造方法，包括：

在第一沉积腔对待处理衬底进行第一沉积层的沉积；

通过传送模块在真空状态下将所述衬底从第一沉积腔传送到第二沉积腔；以及

在第二沉积腔对所述衬底进行第二沉积层的沉积。

在本发明的一个实施例中，进行第一沉积层的沉积之前还包括：

在刻蚀腔对所述衬底进行刻蚀；以及

通过传送模块在真空状态下将所述衬底从刻蚀腔传送到第一沉积腔。

在本发明的一个实施例中，所述第一沉积层是高k铁电氧化物。

在本发明的一个实施例中，所述第一沉积层是以下材料中的一种或多种：hfox、alox、zrox、laox、taox、nbox、gdox、yox、siox、srox或这些材料的复合。

在本发明的一个实施例中，所述第二沉积层是电极层，所述第二沉积层是以下材料中的一种或多种：tinx、tanx、tialnx、ticnx、taalnx、tacnx、alnx、ru、ruox、ir、irox、w、wcnx、wsix、pt、au、ni、mo或这些材料的复合。

在本发明的一个实施例中，该存储器件的制造方法还包括：

通过传送模块在真空状态下将所述衬底从第二沉积腔传送到第一沉积腔；以及

在第一沉积腔对所述衬底进行第三沉积层的沉积。

在本发明的一个实施例中，所述第一沉积层和第三沉积层是电极层，所述第一沉积层和第三沉积层是以下材料中的一种或多种：tinx、tanx、tialnx、ticnx、taalnx、tacnx、alnx、ru、ruox、ir、irox、w、wcnx、wsix、pt、au、ni、mo或这些材料的复合。

在本发明的一个实施例中，所述第二沉积层是高k铁电氧化物。

在本发明的一个实施例中，所述第二沉积层是以下材料中的一种或多种：hfox、alox、zrox、laox、taox、nbox、gdox、yox、siox、srox或这些材料的复合。

根据本发明的另一个方面，提供一种存储器件制造设备，其包括：

第一沉积腔，用于对待处理晶圆进行第一材料层的沉积；

第二沉积腔，用于待处理晶圆进行第二材料层的沉积；以及

传送模块，其中所述传送模块分别与第一沉积腔和第二沉积腔相连，用于在第一沉积腔与第二沉积腔之间传送晶圆，其中传送过程中传送模块为真空状态。

在本发明的另一个实施例中，该存储器件制造设备还包括：刻蚀腔，用于对晶圆表面杂质层进行刻蚀以去除杂质层，其中所述传送模块与所述刻蚀腔相连，所述传送模块用于在刻蚀腔与第一沉积腔或第二沉积腔之间传送晶圆，其中传送过程中传送模块为真空状态。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的原位沉积真空系统的示意图。

图2a至图2e示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电栅极场效应晶体管的过程的截面图。

图3示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电栅极场效应晶体管的流程图。

图4示出通过现有工艺形成的tin层和高k铁电氧化物层之间的界面层的电镜图像。

图5示出根据本发明的实施例形成的tin层和高k铁电氧化物层的电镜图像。

图6a至图6f示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电电容器件的过程的截面图。

图7示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电电容器件的流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

一般来说，术语可以至少部分地根据上下文中的使用来理解。例如，在此使用的术语“一个或多个”，至少部分地根据上下文，可用于以单数形式来描述任何特征、结构或特性，或以复数形式来描述特征、结构或特性的组合。类似地，诸如“一个”、“一”、或“该”之类的术语又可以至少部分地根据上下文被理解为表达单数用法或表达复数用法。

能容易地理解的是，“在……上”、“在……之上”、以及“在……上方”在本发明中的含义应该以最宽泛方式来解释，使得“在……上”不仅指直接处于某物上，而且还可以包括在有中间特征或中间层位于二者之间的情况下处于某物上，并且“在……之上”、或“在…….上方”不仅指处于某物之上或上方，而且还可以包括在二者之间没有中间特征或中间层的情况下处于在某物之上或上方(即直接处于某物上)。

此外空间相关术语，如“在……下面”、“在……之下”、“下部”、“在……之上”、“上部”等等可以在此用于方便描述一个元素或特征相对于另一元素或特征在附图中示出的关系。空间相关术语旨在除了涵盖器件在附图中描述的取向以外还涵盖该器件在使用或操作时的其它取向。装置可以以其它方式被定向(旋转90°或处于其它取向)，并且这里所用的空间相关描述相应地也可同样地来解释。

这里所用的术语“衬底”是指后续材料层所添加到的材料。衬底本身可以被图案化。添加到衬底之上的材料可以被图案化，或者可保持未经图案化。此外，衬底可包括多种多样的半导体材料，如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。可替代地，衬底也可由电学非导电材料，如玻璃、塑料、或蓝宝石晶片制成。

这里所用的术语“层”是指包括具有厚度的某一区域的材料部位。层可以延伸到下方或上方结构的全部之上，或可以具有小于下方或上方结构的伸展。此外，层可以是同质或异质的连续结构的一个区域，该区域的厚度小于该连续结构的厚度。例如，层可位于任何一对水平平面之间，或位于该连续结构的顶面或底面处。层可水平地、垂直地、和/或沿锥形表面延伸。衬底可以是层，可包括一个或多个层在其中，和/或可以具有一个或多个层在其上，和/或一个或多个层在其下。一层可包括多层。例如，互连层可包括一个或多个导体和接触层(其中形成接触部、互连线和/或通孔)和一个或多个介电层。

图1示出根据本发明的一个实施例的原位沉积真空系统100的示意图。如图1所示，原位沉积真空系统100可包括刻蚀腔110、第一沉积腔120、第二沉积腔130以及传送模块140。在本发明的其他实施例中，原位沉积真空系统100还可以包括其他沉积腔或处理腔。

刻蚀腔110可以用于进行原子层刻蚀ale或其他类似的刻蚀工艺。

第一沉积腔120和第二沉积腔130可以用于进行原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺。

待处理的晶圆通过传送模块140在刻蚀腔110、第一沉积腔120和第二沉积腔130之间进行传送。传送模块140分别与刻蚀腔110、第一沉积腔120和第二沉积腔130相连。传送模块140在传送晶圆的过程中，保持晶圆处于真空状态，即，传送模块140能够在基本不改变待处理晶圆的真空状态的情况下将待处理晶圆从一个腔室传送到另一个腔室，从而实现待处理晶圆不与外界环境接触的情况下在不同腔室内的完成多层沉积。

图2a至图2e示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电栅极场效应晶体管的过程的截面图。图3示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电栅极场效应晶体管的流程图。结合图2a至图2e以及图3描述通过原位沉积真空系统形成misfet器件的过程。

首先，在步骤310，提供半导体衬底210，如图2a所示。衬底210可以已经完成功能区的制造工艺。例如，衬底210已经形成源区s和漏区d。当衬底210完成预先处理后，由于衬底210与空气接触而在表面形成自然氧化层211。

接下来，在步骤320，对衬底210进行刻蚀，去除衬底210表面上不需要的表面氧化物和污染物，如图2b所示。在本发明的具体实施例中，可将衬底210放置在刻蚀腔中，通过原子层刻蚀工艺进行刻蚀操作。

然后，在步骤330，在衬底210表面进行第一沉积层220的沉积，如图2c所示。在原位沉积真空系统中，在衬底210完成刻蚀后，通过传送模块将衬底210传送到第一沉积腔，进行第一沉积层的沉积。第一沉积层可以是高k铁电氧化物，例如，可以是以下材料中的一种或多种：hfox、alox、zrox、laox、taox、nbox、gdox、yox、siox、srox或这些材料的复合。可通过原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积第一沉积层。

通过传送模块在不改变衬底210的真空状态的情况下将衬底210从刻蚀腔传送到第一沉积腔，避免了衬底与外界空气接触在衬底表面产生例如siox之类的杂质层，保证了衬底210表面的清洁状态，从而显著改善衬底210与第一沉积层220的界面状态，进而提高最终形成的器件性能。

接下来，在步骤340，进行第二沉积层230的沉积，如图2d所示。在原位沉积真空系统中，在完成第一沉积层220的沉积后，通过传送模块将衬底210传送到第二沉积腔，进行第二沉积层的沉积。第二沉积层230可以是电极层，例如，可以是以下材料中的一种或多种：tinx、tanx、tialnx、ticnx、taalnx、tacnx、alnx、ru、ruox、ir、irox、w、wcnx、wsix、pt、au、ni、mo或这些材料的复合。可通过原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积第二沉积层。

通过传送模块在不改变衬底210的真空状态的情况下将衬底210从第一沉积腔传送到第二沉积腔，可以避免沉积有第一沉积层的衬底与外界接触，可以显著减少或完全去除第一沉积层220与第二沉积层230之间由于外界杂质例如空气中的氧或碳而产生的杂质层，从而显著改善第一沉积层220与第二沉积层230之间的界面状态，进而提高最终形成的器件性能。

在上述实施例中第一沉积层220主要为氧化物材料，而第二沉积层230主要为金属或金属氮化物材料。通过本发明的具有多个沉积腔的原位沉积真空系统，氧化物材料与金属或氮化物材料分别在不同的腔室进行沉积，避免了前一工艺步骤中残留在腔室内的元素(例如，氧原子或氮原子)对后续沉积层造成污染。同时通过传送模块，实现多种沉积层的原位沉积，避免衬底210与外界环境接触，有效防止外部颗粒、氧原子等物质进入沉积材料层。

图4示出通过现有工艺形成的tin层和高k铁电氧化物层之间的界面层的电镜图像。从图4的图像可以看出，在tin层和高k铁电氧化物层之间存在无定型的界面层。

图5示出根据本发明的实施例形成的tin层和高k铁电氧化物层的电镜图像。从图5可以看出，tin层和高k铁电氧化物层具有锐利的界面，两者之间没有用于过渡的无定型界面层，并且tin层和高k铁电氧化物层的界面处没有氧、氮共存区。

形成第一沉积层220和第二沉积层230之后，衬底210离开原位沉积真空系统，进行fet器件的后续工艺，如图2e所示，包括通过刻蚀工艺去除部分第一沉积层220和第二沉积层230，仅保留栅极区上方的第一沉积层220和第二沉积层230；以及绝缘层240沉积。绝缘层240可以是sin。

图6a至图6f示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电电容器件的过程的截面图。图7示出根据本发明的一个实施例的形成高介电常数铁电电容器件的流程图。结合图6a至图6f以及图7描述通过原位沉积真空系统形成mim电容器件的过程。

首先，在步骤710，提供半导体衬底610，如图6a所示。衬底610可以已经完成功能区的制造工艺。当衬底610完成预先处理后，由于衬底610与空气接触而在表面形成自然氧化层611。

接下来，在步骤720，对衬底610进行刻蚀，去除衬底610表面上不需要的表面氧化物和污染物，如图6b所示。在本发明的具体实施例中，可将衬底610放置在刻蚀腔中，通过原子层刻蚀工艺进行刻蚀操作。

然后，在步骤730，在衬底610表面进行第一沉积层620的沉积，如图6c所示。在原位沉积真空系统中，在衬底610完成刻蚀后，通过传送模块将衬底610传送到第一沉积腔，进行第一沉积层的沉积。第一沉积层620可以是电极层，例如，可以是以下材料中的一种或多种：tinx、tanx、tialnx、ticnx、taalnx、tacnx、alnx、ru、ruox、ir、irox、w、wcnx、wsix、pt、au、ni、mo或这些材料的复合。可通过原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积第一沉积层620。

通过传送模块在不改变衬底610的真空状态的情况下将衬底610从刻蚀腔传送到第一沉积腔，避免了衬底与外界空气接触在衬底表面产生例如siox之类的杂质层，保证了衬底610表面的清洁状态。从而显著改善衬底610与第一沉积层620之间的界面状态，进而提高最终形成的器件性能。

接下来，在步骤740，进行第二沉积层630的沉积，如图6d所示。在原位沉积真空系统中，在完成第一沉积层620的沉积后，通过传送模块将衬底610传送到第二沉积腔，进行第二沉积层的沉积。第二沉积层可以是高k铁电氧化物，例如，可以是以下材料中的一种或多种：hfox、alox、zrox、laox、taox、nbox、gdox、yox、siox、srox或这些材料的复合。可通过原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积第二沉积层。

通过传送模块在不改变衬底610的真空状态的情况下将衬底610从第一沉积腔传送到第二沉积腔，避免了第一沉积层与外界接触，可以显著减少或完全去除第一沉积层620与第二沉积层630之间由于外界杂质而产生的诸如tionx、ticnx之类的不需要的材料层，从而显著改善第一沉积层620与第二沉积层630的界面状态，进而提高最终形成的器件性能。

接下来，在步骤750，进行第三沉积层640的沉积，如图6e所示。在原位沉积真空系统中，在完成第二沉积层630的沉积后，通过传送模块将衬底610传送回第一沉积腔，进行第三沉积层的沉积。第三沉积层640可以是电极层，例如，可以是以下材料中的一种或多种：tinx、tanx、tialnx、ticnx、taalnx、tacnx、alnx、ru、ruox、ir、irox、w、wcnx、wsix、pt、au、ni、mo或这些材料的复合。可通过原子层沉积ald、化学气相沉积cvd、物理气相沉积pvd、电子束ebeam蒸发沉积、分子束外延mbe沉积、脉冲激光沉积pld以及类似沉积工艺中的一种或多种工艺来沉积第三沉积层。

通过传送模块在不改变衬底610的真空状态的情况下将衬底610从第二沉积腔传送到第一沉积腔，避免了沉积有第二沉积层的衬底与外界接触，可以显著减少或完全去除第二沉积层630与第三沉积层640之间由于外界杂质而形成的杂质层，从而显著改善第二沉积层630与第三沉积层640之间的界面状态，进而提高最终形成的器件性能。

在上述实施例中第一沉积层620和第三沉积层640主要为金属或金属氮化物材料，而第二沉积层630主要为氧化物材料。通过本发明的具有多个沉积腔的原位沉积真空系统，氧化物材料与金属或氮化物材料分别在不同的腔室进行沉积，避免了前一工艺步骤中残留在腔室内的元素(例如，氧原子或氮原子)对后续沉积层造成污染。同时通过传送模块，实现多种沉积层的原位沉积，避免衬底与外界环境接触，有效防止外部颗粒、氧原子等物质进入沉积材料层。

形成第一沉积层620、第二沉积层630和第三沉积层640之后，衬底610离开原位沉积真空系统，进行电容器件的后续工艺，如图6f所示，包括通过刻蚀工艺去除部分第一沉积层620、第二沉积层630和第三沉积层640；以及绝缘层650沉积。绝缘层650可以是sin。

通过本发明的方法形成的第一沉积层620、第二沉积层630和第三沉积层640具有锐利的界面，两种材料层之间没有用于过渡的无定型界面层，并且两种材料层的界面处没有氧、氮共存区。

现有技术的原位沉积系统和方法通常在一个处理腔室内完成所有的处理工艺，例如多种材料层的沉积。这样，前一材料层中的元素必然或多或少的残留在腔室中，而无法清除干净。通过本发明的公开的系统和方法，不同材料层的沉积在不同的腔室内完成，从根本上解决腔室内元素材料的问题。另外，本发明的方法在不同的处理腔传送过程中保持传送模块为真空状态，可以避免晶圆与空气接触形成杂质层。从根据本发明的实施例形成的tin层和高k铁电氧化物层的电镜图像可以看出，tin层和高k铁电氧化物层具有锐利的界面，两者之间没有用于过渡的无定型界面层，并且tin层和高k铁电氧化物层的界面处没有氧、氮共存区。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。