三維半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，特別是涉及一種三維半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了改善存儲(chǔ)器件的密度，業(yè)界已經(jīng)廣泛致力于研發(fā)減小二維布置的存儲(chǔ)器單元的尺寸的方法。隨著二維(2D)存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)器單元尺寸持續(xù)縮減，信號(hào)沖突和干擾會(huì)顯著增大，以至于難以執(zhí)行多電平單元(MLC)操作。為了克服2D存儲(chǔ)器件的限制，業(yè)界已經(jīng)研發(fā)了具有三維(3D)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件，通過(guò)將存儲(chǔ)器單元三維地布置在襯底之上來(lái)提高集成密度。
[0003]具體的，可以首先在襯底上沉積多層疊層結(jié)構(gòu)(例如氧化物和氮化物交替的多個(gè)0N0結(jié)構(gòu));通過(guò)各向異性的刻蝕工藝對(duì)襯底上多層疊層結(jié)構(gòu)刻蝕而形成沿著存儲(chǔ)器單元字線(WL)延伸方向分布、垂直于襯底表面的多個(gè)溝道通孔(可直達(dá)襯底表面或者具有一定過(guò)刻蝕)；選擇性刻蝕溝道通孔側(cè)壁的疊層結(jié)構(gòu)以形成多個(gè)凹陷，例如部分地刻蝕去除0Ν0結(jié)構(gòu)中的氮化物的一部分而在上下兩層氧化物中形成凹陷，隨后在凹陷中形成被絕緣材料(例如隧穿層、阻擋層等等)包裹的浮柵；在溝道通孔中沉積多晶硅等材料形成柱狀溝道；沿著WL方向刻蝕多層疊層結(jié)構(gòu)形成直達(dá)襯底的溝槽，露出包圍在柱狀溝道周圍的多層疊層；濕法去除疊層中的某一類型材料(例如完全去除0Ν0結(jié)構(gòu)中的氧化物，僅保留與浮柵平行的氮化物)，在柱狀溝道周圍留下橫向分布的突起結(jié)構(gòu)；在溝槽中突起結(jié)構(gòu)的側(cè)壁沉積柵極介質(zhì)層(例如高k介質(zhì)材料)以及柵極導(dǎo)電層(例如T1、W、Cu、Mo等)形成柵極堆疊，例如包括底部選擇柵極線、虛設(shè)柵極線、字線、頂部選擇柵極線；垂直各向異性刻蝕去除突起側(cè)平面之外的柵極堆疊，直至露出突起側(cè)面的柵極介質(zhì)層；刻蝕疊層結(jié)構(gòu)形成源漏接觸并完成后端制造工藝。此時(shí)，疊層結(jié)構(gòu)在柱狀溝道側(cè)壁留下的一部分突起形成了柵電極之間的隔離層，而留下的柵極堆疊夾設(shè)在多個(gè)隔離層之間作為控制電極。當(dāng)向柵極施加電壓時(shí)，柵極的邊緣電場(chǎng)會(huì)使得例如多晶硅材料的柱狀溝道側(cè)壁上感應(yīng)形成源漏區(qū)，由此構(gòu)成多個(gè)串并聯(lián)的M0SFET構(gòu)成的門(mén)陣列而記錄所存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)。
[0004]對(duì)于上述浮柵存儲(chǔ)器件來(lái)說(shuō)，作為控制柵的柵極導(dǎo)電層與浮柵處于上下交錯(cuò)疊置關(guān)系，在隧穿層界面處浮柵并未直接鄰接控制柵，為了提高可靠性，需要增大控制柵與浮柵之間的耦合系數(shù)，這是由隧穿氧化層和阻擋層的電容決定。電容與介電常數(shù)以及控制柵與浮柵間的電容面積相關(guān)。在3D NAND中，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)使得控制柵到浮柵的耦合系數(shù)很難被提高，從而使得擦寫(xiě)電壓提高，造成了存儲(chǔ)器件的保持特性和耐久性的退化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，提出一種創(chuàng)新性三維半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件及其制造方法。
[0006]為此，本發(fā)明一方面提供了一種三維半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)存儲(chǔ)單元，多個(gè)存儲(chǔ)單元的每一個(gè)包括:溝道層堆疊，沿垂直于襯底表面的方向分布；多個(gè)絕緣層，沿著溝道層堆疊的側(cè)壁交替層疊；浮柵與控制柵極構(gòu)成的多個(gè)配對(duì)，水平相鄰地位于相鄰絕緣層之間，浮柵與控制柵極之間具有至少一個(gè)阻擋層；隧穿層，位于浮柵與溝道層堆疊側(cè)壁之間；漏極，位于溝道層堆疊的頂部；以及源極，位于多個(gè)存儲(chǔ)單元的相鄰兩個(gè)存儲(chǔ)單元之間的襯底中；其中，浮柵與控制柵極相互配合以具有曲折的界面。
[0007]其中，浮柵和/或控制柵極形狀沿垂直方向上下對(duì)稱或非對(duì)稱；優(yōu)選地，浮柵和/或控制柵極剖面為三角形、矩形、方形、梯形、倒梯形、Σ形、C形、D形的任一種或其組合。
[0008]其中，溝道層堆疊平行于襯底表面的截面形狀包括選自矩形、方形、菱形、圓形、半圓形、橢圓形、三角形、五邊形、五角形、六邊形、八邊形及其組合的幾何形狀，以及包括選自所述幾何形狀演化得到的實(shí)心幾何圖形、空心環(huán)狀幾何圖形、或者空心環(huán)狀外圍層與絕緣層中心的組合圖形。
[0009]其中，絕緣層材料選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氮化硼、氧化鋁的任一種或其組合；任選地，溝道層堆疊包括溝道層、溝道填充層，優(yōu)選地溝道層材料選自IV族單質(zhì)、IV族化合物、II1-V族化合物、I1-VI族化合物半導(dǎo)體，例如為單晶S1、非晶S1、多晶S1、微晶 S1、單晶 Ge、SiGe、S1:C、SiGe:C、SiGe:H、GeSn、InSn、InN、InP、GaN、GaP、GaSn、GaAs的任一種或其組合，優(yōu)選地溝道填充層材料為空氣或氧化物、氮化物；任選地，阻擋層和/或隧穿層為氧化硅、高k材料的任一種或組合；任選地，浮柵和/或控制柵極材質(zhì)為摻雜多晶硅、摻雜非晶硅、金屬、金屬合金、導(dǎo)電的金屬氮化物和/或金屬氧化物和/或金屬硅化物的任一種或其組合。
[0010]其中，控制柵極包括底部選擇晶體管柵極、虛設(shè)柵極、多個(gè)字線柵極、頂部選擇晶體管柵極。
[0011]本發(fā)明還提供了一種三維半導(dǎo)體器件的制造方法，包括步驟:在存儲(chǔ)單元區(qū)的襯底上依次形成多個(gè)子層交替的堆疊；刻蝕堆疊形成多個(gè)垂直的溝槽；橫向刻蝕去除堆疊的多個(gè)子層的至少一部分，在溝槽側(cè)面形成多個(gè)凹槽；在多個(gè)凹槽中形成浮柵；在溝槽中依次形成隧穿層和溝道層堆疊；在溝道層堆疊頂部形成漏極；刻蝕堆疊形成多個(gè)垂直的開(kāi)口，直至暴露襯底；橫向刻蝕去除堆疊的多個(gè)子層的至少一部分，形成露出浮柵的多個(gè)第二凹槽；在開(kāi)口底部的襯底中形成源極；在第二凹槽中形成控制柵極。
[0012]其中，在形成浮柵之前和/或在形成控制柵極之前進(jìn)一步包括在凹槽或第二凹槽中形成至少一個(gè)阻擋層。
[0013]其中，凹槽和/或第二凹槽形狀沿垂直方向上下對(duì)稱或非對(duì)稱；優(yōu)選地，凹槽和/或第二凹槽剖面為三角形、矩形、方形、梯形、倒梯形、Σ形、C形、D形的任一種或其組合。
[0014]其中，多個(gè)子層中相鄰子層材料不同；任選地，多個(gè)子層的材料選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、多晶硅、非晶硅、非晶碳、氮化硼、氧化鋁的任一種或其組合；任選地，多個(gè)子層的材料關(guān)于中間層對(duì)稱或非對(duì)稱；任選地，多個(gè)子層的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)。
[0015]其中，形成控制柵極之后進(jìn)一步包括，形成源極連接線和字線連接線。
[0016]依照本發(fā)明的三維半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件及其制造方法，使得控制柵與浮柵在同一個(gè)水平面上相互咬合，有效地提高了控制柵至浮柵耦合系數(shù)同時(shí)減小了垂直串單元之間的耦合，提高了器件可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0017]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0018]圖1至圖10為依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三維半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件制造方法的各個(gè)步驟的剖視圖；
[0019]圖11為依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示出了圖10細(xì)節(jié)的放大示意圖；以及
[0020]圖12至圖14為依照本發(fā)明其他實(shí)施例的示出了局部細(xì)節(jié)的放大示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開(kāi)了有效地提高了控制柵至浮柵耦合系數(shù)同時(shí)減小了垂直串單元之間的耦合的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件及其制造方法。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說(shuō)明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0022]如圖1所示，在襯底上形成多個(gè)堆疊。
[0023]提供襯底1B，其材質(zhì)可以包括體娃(bulk Si)、體鍺(bulk Ge)、絕緣體上娃(S0I)、絕緣體上鍺(GeOI)或者