專利名稱：最小化n型摻雜物擴散的經(jīng)沉積半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用以最小化n型摻雜物的表面活性劑行為的經(jīng)沉積垂直半導(dǎo)體層堆 疊，和制造所述層堆疊的方法。
背景技術(shù)：
在硅的沉積期間，例如磷和砷的n型摻雜物傾向于去往在沉積硅層時經(jīng)由硅層而升 高的表面。如果需要緊接在重度摻雜n型層上方沉積具有極少n型摻雜物或無n型摻雜 物的層(例如，未摻雜或p摻雜層)，則n型摻雜物原子朝向表面擴散的此趨勢將非所 要的摻雜物引入未摻雜或p摻雜層中。此非所要的n型摻雜物可不利地影響裝置行為。因此，需要限制n型摻雜物在經(jīng)沉積硅和硅合金中的擴散。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明由以下權(quán)利要求書界定，且此部分不應(yīng)視為對那些權(quán)利要求書的限制。 一般 來說，本發(fā)明針對于用以限制n型摻雜物在經(jīng)沉積半導(dǎo)體層堆疊中擴散的結(jié)構(gòu)和方法。本發(fā)明的第一方面提供一種包含層堆疊的半導(dǎo)體裝置，所述層堆疊包含在襯底上沉積的重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一層，所述第一層至少約50埃厚；未重度n摻雜的 半導(dǎo)體材料的第二層，其中所述第二層的半導(dǎo)體材料為至少10原子％鍺的硅鍺合金， 所述第二層至少約100埃厚，其中第二層在第一層上方且與其接觸；和在第二層上且與 其接觸的未重度n摻雜的經(jīng)沉積半導(dǎo)體材料的第三層，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料為 硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金，其中第一、第二和第三層駐留在半導(dǎo)體裝置中。本發(fā)明的另一方面提供一種形成在襯底上方的非易失性存儲器單元，所述存儲器單 元包含位于所述襯底上方的底部導(dǎo)體的一部分；位于所述底部導(dǎo)體上方的頂部導(dǎo)體的 一部分；和垂直安置在所述底部導(dǎo)體與所述頂部導(dǎo)體之間的二極管，所述二極管包含-i)重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一經(jīng)沉積層；ii)未重度n摻雜的半導(dǎo)體材料的第二經(jīng)沉 積層，其中所述第二層的半導(dǎo)體材料為至少10原子％鍺的硅鍺合金，第二層安置在第 一層上方且與其接觸；和iii)未重度n摻雜的半導(dǎo)體材料的第三經(jīng)沉積層，其中所述第 三層的半導(dǎo)體材料為硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金，其中第三層位于第二層上方且 與其接觸。本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供一種用于在襯底上方形成第一存儲器層級的方法，所述方 法包含沉積重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一層；在第一層上方且與其接觸地沉積輕度n 摻雜、p摻雜或未摻雜半導(dǎo)體材料的第二層，其中第二層的半導(dǎo)體材料為至少10原子％ 鍺的硅鍺合金，在第一層上方且與其接觸地沉積輕度n摻雜、p摻雜或未摻雜半導(dǎo)體材 料的第三層，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料為硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金；和圖 案化和蝕刻第一、第二和第三層以形成具有柱狀物的形式的第一多個垂直定向的二極 管。相關(guān)實施例提供一種單片三維存儲器陣列，其包含a)形成在襯底上方的第一存 儲器層級，所述第一存儲器層級包含i)多個大體上平行、大體上共面的底部導(dǎo)體；ii) 多個大體上平行、大體上共面的頂部導(dǎo)體；iii)多個半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，每一二極管 垂直安置在所述底部導(dǎo)體的一者與所述頂部導(dǎo)體的一者之間，其中每一二極管包含重 度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一層；輕度n摻雜、p摻雜或未摻雜硅鍺合金的第二層，其中 所述第二層為至少10原子％鍺，第二層在第一層上方；和輕度n摻雜、p摻雜或未摻雜 硅或硅鍺合金的第三層，其中第三層為少于10原子％鍺，第三層在第二層上方；和b) 單片形成在第一存儲器層級上方的至少一第二存儲器層級。本文所描述的本發(fā)明的方面和實施例中的每一者可單獨使用或彼此組合使用?，F(xiàn)在將參看附圖描述優(yōu)選方面和實施例。


圖1為可從本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法的使用中受益的垂直定向二極管的透視圖。 圖2為展示經(jīng)沉積硅層中深度處的磷濃度的圖。 圖3為展示經(jīng)沉積硅鍺層中深度處的磷濃度的圖。 圖4為根據(jù)本發(fā)明的方面的半導(dǎo)體層堆疊的橫截面視圖。圖5a和5b為根據(jù)本發(fā)明的實施例而形成的垂直定向二極管的透視圖。 圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例而形成的存儲器層級的透視圖。圖7a-7c為說明根據(jù)本發(fā)明的實施例而形成第一存儲器層級中的階段的橫截面視圖。圖8a-8c為說明根據(jù)本發(fā)明的實施例在垂直定向二極管的形成期間硅厚度的損耗的 橫截面視圖。
具體實施方式
半導(dǎo)體裝置經(jīng)摻雜有p型和n型摻雜物以增強傳導(dǎo)率。大多數(shù)半導(dǎo)體裝置在摻雜物 分布中需要急劇過渡。舉例來說，圖l展示由多晶硅形成的垂直定向p-i-n二極管2(在 此論述中，多晶硅(polycrystalline silicon)將稱為多晶硅(polysilicon))。 二極管形成 在底部導(dǎo)體12與頂部導(dǎo)體14之間。底部區(qū)域4經(jīng)重度摻雜有例如磷或砷的n型摻雜物， 中間區(qū)域6為本征多晶硅，其未經(jīng)有意摻雜，且頂部區(qū)域8經(jīng)重度摻雜有例如硼或BF2 的p型摻雜物。(包括p-n二極管、齊納二極管、可控硅整流器、雙極晶體管等的許多其 它半導(dǎo)體裝置包括具有不同摻雜特性的區(qū)域。圖1的p-i-n二極管2呈現(xiàn)為實例)。這些 不同區(qū)域之間的摻雜特性中的差異必須經(jīng)維持以供裝置運作?？赏ㄟ^包括離子植入或擴散的若干方法從鄰近摻雜物源將摻雜物引入半導(dǎo)體材料 (例如，硅)中。如果硅經(jīng)沉積，則可通過使在沉積期間將提供摻雜物的氣體流動而將 所述硅原位摻雜，使得摻雜物原子在沉積硅時并入硅中。例如磷和砷的大多數(shù)n型摻雜物展現(xiàn)表面活性劑行為，強烈偏好于定位在經(jīng)沉積硅 的表面上而非埋入。參看圖1,可通過使SiH4 (用以沉積硅的典型前驅(qū)氣體)連同將提 供磷的PH3—起流動而形成重度摻雜n型區(qū)域4。為形成本征區(qū)域6，停止PH3的流動， 而SiH4繼續(xù)流動。在無摻雜物的情況下沉積區(qū)域6的硅，而來自區(qū)域4的磷在沉積期間 擴散到區(qū)域6中。必須沉積顯著厚度的硅以保證形成實際上不包括n型摻雜物的足夠厚 度的區(qū)域6。從重度摻雜區(qū)域4到本征區(qū)域6的非所要的摻雜物擴散使得難以在這些區(qū) 域之間形成突變結(jié)，且可迫使二極管2的總高度大于所要的高度。n型摻雜物的表面活性劑行為在硅鍺合金中比在硅中小，且隨著合金的鍺含量增加 而減小。在至少約10原子％鍺，優(yōu)選至少約20原子％鍺的硅鍺合金中，n型摻雜物在 原位沉積期間去往表面的趨勢顯著減小。圖2為展示在以埃測量從標記為0埃的頂面到大約3500埃(其表示原位摻雜經(jīng)沉 積層的沉積的底部或初始表面)的深度范圍上硅中的磷濃度的圖。在此硅層中，在3450埃到3250埃的深度的初始硅沉積期間使PH3流動。在此深度，停止PH3的流動，而繼 續(xù)使SiH4流動，在重度n摻雜硅的頂部上標稱地沉積未摻雜硅。然而，如圖2中所展示， 在已沉積額外700埃的硅而未提供摻雜物之后，磷的濃度仍保持在約5><1017個原子/立 方厘米以上到約2650埃的深度。圖3為展示經(jīng)沉積硅鍺中的磷濃度的圖。在此層的沉積期間，PH3的流動在4050 埃的深度處開始，形成重度摻雜n型硅層，且在3900埃的深度處停止。在已沉積僅約 50埃的額外厚度的硅鍺之后，磷的濃度在約3850埃的深度處降到約5><1017個原子/立方 厘米。因此，如果圖1的二極管2由硅鍺合金(例如Si.8Ge.2)形成，則摻雜物從n摻雜區(qū) 域4到本征區(qū)域6的擴散將顯著減少，且可形成在這些區(qū)域之間的突變結(jié)。然而，鍺具有比硅小的帶隙，且增加本征區(qū)域6的鍺含量促使二極管在反向偏壓下 具有相對較高的漏電流。出于二極管的整流行為一一其在一個方向上比在相反方向上更 易于導(dǎo)通的趨勢一一且相反方向上的漏電流通常是不合需要的，而使用二極管。簡而言之，當二極管由硅形成時，本征區(qū)域6中非所要的n型摻雜物引起增加的反 向漏電流。可通過形成硅鍺合金的二極管來減少歸因于表面活性劑行為的此摻雜物擴 散，但此替代方案也不令人滿意，因為此材料的較小帶隙也導(dǎo)致較高的漏電流。在本發(fā)明中通過改變層堆疊內(nèi)的鍺含量來解決此問題。轉(zhuǎn)到圖4,在本發(fā)明中，在 經(jīng)沉積的半導(dǎo)體層堆疊中，半導(dǎo)體材料的第一層20經(jīng)重度摻雜有例如磷或砷的n型摻 雜物(例如具有至少約5><1019個摻雜物原子/立方厘米的摻雜物濃度)?？稍诔练e期間原 位摻雜層20或通過離子植入而摻雜。接下來緊接在第一層20上方沉積與其接觸的至少 約10原子％鍺，優(yōu)選至少約20原子％鍺的硅鍺薄封蓋層21。封蓋層21具有極低濃度 的n型摻雜物。其未經(jīng)摻雜或極輕度摻雜有ii型摻雜物，n型摻雜物濃度不多于約5xl017 個摻雜物原子/立方厘米。封蓋層21可摻雜有p型摻雜物。封蓋層21相對較薄，例如約 100和或200埃，優(yōu)選不多于約300到約500埃厚。在封蓋層上方并與其接觸地沉積硅 或硅鍺合金(其鍺較少，例如少于10原子％鍺，優(yōu)選少于5原子％鍺，優(yōu)選沒有鍺) 的第二層22。第二層22未經(jīng)摻雜或極輕度摻雜有n型摻雜物，n型摻雜物濃度不大于 約5xl0"個摻雜物原子/立方厘米。第二層22可摻雜有p型摻雜物。整個層堆疊(層20、 21和22)是經(jīng)沉積的半導(dǎo)體材料。依據(jù)沉積條件，沉積的層堆疊可為非晶的或多晶的， 或部分層堆疊可為非晶的而其它部分為多晶的。硅鍺封蓋層21具有極低的n型摻雜物濃度，和鍺含量，所述鍺含量足夠高以確保 極少來自重度摻雜層20的n型摻雜物遷移通過此層。因此，硅鍺封蓋層21的頂面(少鍺的第二層22沉積在其上)將實際上不具有n型摻雜物原子，且在摻雜物分布中可實 現(xiàn)急劇過渡。在優(yōu)選實施例中，層20為至少10原子％鍺，優(yōu)選至少20原子％鍺的硅鍺合金。 較高鍺含量層20傾向于進一步減少表面活性劑行為。如果層20和21是相同的硅鍺合 金，則層堆疊的制造可簡化。然而，如果需要，則層20可為硅、少于10原子％鍺的硅 鍺合金，或某一其它半導(dǎo)體材料。轉(zhuǎn)到圖5a,在第一實施例中，通過使用本發(fā)明的方法，可形成低泄漏、垂直定向的 p-i-n 二極管。重度摻雜層4 (例如)通過原位摻雜或離子植入而重度摻雜有n型摻雜物。 重度摻雜層4優(yōu)選為至少10原子％鍺，優(yōu)選至少20原子％鍺的硅鍺合金。重度摻雜層 4中某一鍺含量是有利的，從而限制表面活性劑行為且提供與鄰近導(dǎo)體的較佳電接觸。 然而，在次優(yōu)選實施例中，重度摻雜層4可為硅、少于10原子％鍺的硅鍺合金，或某 一其它半導(dǎo)體材料。封蓋層5為至少10原子％，優(yōu)選至少20原子％鍺的硅鍺合金，且 未摻雜或輕度摻雜有n型摻雜物，摻雜物濃度小于約5><1017個原子/立方厘米。本征層6 為硅或不多于10原子％鍺，優(yōu)選不多于5原子％鍺，最優(yōu)選大體上無鍺的少鍺硅鍺合 金。重度摻雜p型半導(dǎo)體材料(優(yōu)選為硅)的頂層8可(例如)通過離子植入而形成在 本征層6上方以完成二極管。在所完成的裝置中，層4、 5、 6和8優(yōu)選為多晶的。轉(zhuǎn)到圖5b，在另一實施例中，本發(fā)明的方法可用以形成具有急劇摻雜物過渡的垂直 定向p-n二極管。重度摻雜層4為半導(dǎo)體材料且(例如)通過原位摻雜或離子植入而重 度摻雜有n型摻雜物。如在圖5a的二極管中，雖然在次優(yōu)選實施例中此層可為某一其 它半導(dǎo)體材料，例如硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金，但是此層優(yōu)選為至少10原子％ 鍺、優(yōu)選至少20原子％鍺的硅鍺合金。封蓋層5為至少10原子％鍺、優(yōu)選至少20原 子％鍺的硅鍺合金，且未摻雜或輕度摻雜有n型摻雜物，摻雜物濃度少于5><1017個原子 /立方厘米，或重度摻雜有p型摻雜物。在封蓋層5上方形成重度摻雜p型硅或不多于約 10原子％鍺、優(yōu)選不多于約5原子％鍺、最優(yōu)選大體上無鍺的貧鍺硅鍺合金的頂層8以 完成二極管。在所完成的裝置中，層4、 5和8優(yōu)選為多晶的。圖5a和5b中所展示的垂直定向二極管是實例；本發(fā)明的方法可用于需要從經(jīng)沉積 重度n摻雜層到其上沉積有n型摻雜物的未重度摻雜層的摻雜物分布急劇過渡的其它半 導(dǎo)體裝置中；尤其用于其中未重度n摻雜的層具有極少或沒有鍺為優(yōu)選的裝置中。2004年9月29日申請的赫納(Herner)等人的第10/955,549號美國專利申請案"不 具有擁有高合低阻抗狀態(tài)的介電反熔絲的非易失性存儲器單元(Nonvolatile Memory Cell Without a Dielectric Antifuse Having High-and Low-Impedance States)"(下文為'549申請案且以引用的方式并入本文中)描述包括類似圖1的二極管2的垂直定向p-i-n 二極管 的單片三維存儲器陣列。當形成時，p-i-n 二極管的多晶硅處于高電阻狀態(tài)。編程電壓的 施加永久地改變多晶硅的性質(zhì)，使其呈低電阻。據(jù)信所述變化是通過2005年6月8日 申請的赫納(Herner)等人的第11/148,530號美國專利申請案"非易失性存儲器單元通 過增加多晶半導(dǎo)體材料中的次序來操作(Nonvolatile Memory Cell Operating by Increasing Order in Polycrystalline Semiconductor Material)"(在下文為'530申請案且以弓l 用的方式并入本文中)中更充分描述的多晶硅中有序度的增加而引起。電阻的此變化是 穩(wěn)定的且可易于檢測，且因此可記錄數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而允許所述裝置操作為存儲器單元。 第一存儲器層級形成在襯底上方，且額外的存儲器層級可形成在其上方。這些存儲器可 從根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法和結(jié)構(gòu)的使用中受益。2004年12月17日申請的赫納(Herner)等人的第11/015,824號美國專利申請案"包 含減少高度的垂直二極管的非易失性存儲器單元(Nonvolatile Memory Cell Comprising a Reduced Height Vertical Diode)"(下文為'824申請案且以引用的方式并入本文中)中描 述相關(guān)存儲器。如'824申請案中所描述，減少p-i-n 二極管的高度可為有利的。較短的 二極管需要較低的編程電壓且減小鄰近二極管之間的間隙的縱橫比。極高縱橫比的間隙 難以無空隙地填充。至少600埃的厚度優(yōu)選用于本征區(qū)域以減少二極管的反向偏壓中的 電流泄漏。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在重度n摻雜層上形成具有少硅本征層的二極管 (所述兩者由硅鍺的薄本征封蓋層隔離)將允許摻雜物分布中的更具突變的過渡，且因 此減少總二極管高度。本發(fā)明的實施例證明在單片三維存儲器陣列的形成中尤其有用。單片三維存儲器陣 列為其中多個存儲器層級形成在例如晶片的單一襯底上而沒有介入的襯底的陣列。形成一個存儲器層級的層直接沉積或生長在現(xiàn)有級的層上。相反，如在里迪(Leedy)，第 5,915,167號美國專利"三維結(jié)構(gòu)存儲器(Three dimensional structure memory)"中，已通過在單獨襯底上形成存儲器層級且將頂上的存儲器層級彼此粘附而建構(gòu)堆疊的存儲 器。襯底可在結(jié)合之前經(jīng)薄化或從存儲器層級移除，但因為存儲器層級最初形成在單獨 襯底上，所以這些存儲器并非真正的單片三維存儲器陣列。圖6展示根據(jù)本發(fā)明的實施例而形成的示范性存儲器單元的存儲器層級的一部分， 其包括底部導(dǎo)體200、柱狀物300 (每一柱狀物300包含一二極管)和頂部導(dǎo)體400。將 詳細描述此類存儲器層級的制造，所述存儲器層級包括垂直定向二極管，每一垂直定向 二極管具有底部硅鍺重度n摻雜區(qū)域、未摻雜的硅鍺封蓋層和由硅或少鍺硅鍺合金形成 的本征區(qū)域。關(guān)于類似存儲器層級的制造的更多詳細信息在先前并入的'549和'824申請案中提供。相關(guān)存儲器的制造的更多信息提供在由本發(fā)明的受讓人所有且以引用的方式 并入本文中的赫納(Henier)等人的第6,952,030號美國專利"高密度三維存儲器單元 (High-Density Three-Dimensional Memory Cell)"中。為避免混淆本發(fā)明，雖然并非所有 此細節(jié)將包括在此描述中，但是并不期望排除這些或其它并入的專利或申請案的教示。 將了解，此實例是非限制性的，且本文所提供的細節(jié)可當結(jié)果屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)時經(jīng) 修改、省略或擴充。 實例將詳細描述單一存儲器層級的制造?？啥询B額外的存儲器層級，每一者單片地形成 在其下方的一者上方。轉(zhuǎn)到圖7a,存儲器的形成開始于襯底100。此襯底100可為此項技術(shù)中已知的任何 半導(dǎo)體襯底，例如單晶硅、類似硅鍺或硅鍺碳的IV-IV化合物、III-V化合物、II-VII化合物、此類襯底上的外延層或任何其它半導(dǎo)體材料。所述襯底可包括制造在其中的集成 電路。絕緣層102形成在襯底100上。絕緣層102可為二氧化硅、氮化硅、高介電膜、 Si-C-O-H膜或任何其它合適的絕緣材料。第一導(dǎo)體200形成在襯底和絕緣體上。粘附層104可包括在絕緣層102與傳導(dǎo)層106 之間以幫助傳導(dǎo)層106粘附。如果上覆傳導(dǎo)層為鎢，則氮化鈦優(yōu)選為粘附層104。待沉積的下一層為傳導(dǎo)層106。傳導(dǎo)層106可包含此項技術(shù)中已知的任何傳導(dǎo)材料， 例如鴇或包括鉅、鈦、銅、鈷或其合金的其它材料。一旦已沉積將形成導(dǎo)體軌的所有層，將使用任何合適的掩蔽和蝕刻工藝來圖案化和 蝕刻所述層以形成圖7a中所展示的橫截面延伸出頁面以外的大體上平行、大體上共面 的導(dǎo)體200。在一實施例中，沉積光致抗蝕劑，通過光刻進行圖案化且蝕刻所述層，且 接著使用標準工藝技術(shù)而移除光致抗蝕劑。導(dǎo)體200可替代地通過鑲嵌方法形成。接著介電材料108沉積在導(dǎo)體軌200上并沉積在其間。介電材料108可為任何已知 的電絕緣材料，例如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu)選實施例中，二氧化硅用作介 電材料108。最終，移除導(dǎo)體軌200頂部上多余的介電材料108,暴露由介電材料108隔離的導(dǎo) 體軌200的頂部，且留下大體上平坦的表面109。所得結(jié)構(gòu)展示在圖7a中。可通過例如 化學(xué)機械平坦化(CMP)或回蝕的此項技術(shù)中已知的任何工藝來執(zhí)行用以形成平坦表面 109的介電過填充的此移除。在此階段，多個大體上平行的第一導(dǎo)體已形成在襯底100 上方的第一高度處。接著，轉(zhuǎn)到圖7b，垂直柱狀物將形成在完成的導(dǎo)體軌200上方。(為了節(jié)省空間， 襯底IOO在圖7b和隨后圖式中未圖示；將假設(shè)其存在)。在導(dǎo)體軌的平坦化之后，優(yōu)選 勢壘層IIO沉積為第一層。包括氮化鎢、氮化鉭、氮化鈦或這些材料的組合的任何合適 的材料可用于勢壘層中。在一優(yōu)選實施例中，氮化鈦用作勢壘層。在勢壘層為氮化鈦的 情況下，可以與早先所描述的粘附層相同的方式沉積勢壘層。接著沉積將被圖案化為柱狀物的半導(dǎo)體材料。在本實施例中，所述柱狀物包含半導(dǎo) 體面結(jié)型二極管p-i-n二極管，其具有底部重度摻雜ii型區(qū)域、緊接在其上方的封蓋層、 中間本征區(qū)域和頂部重度摻雜p型區(qū)域。術(shù)語"面結(jié)型二極管"在本文中用以指代具有 以下特性的半導(dǎo)體裝置在一個方向上比在另一方向上更易于傳導(dǎo)電流，具有兩個端子 電極且由半導(dǎo)體材料(在一個電極處為p型且在另一電極處為n型)制造。首先沉積將形成底部重度摻雜n型層112的半導(dǎo)體材料。此半導(dǎo)體材料優(yōu)選為至少 10原子％鍺的硅鍺合金，以最小化n型摻雜物的表面去往擴散。優(yōu)選使用SbGe.2合金。 在其它實施例中，鍺含量可較高；例如，其可為25原子％、 30原子％、 50原子％或更 高，包括100原子％鍺，沒有硅。在其它實施例中，例如碳或錫的某一其它半導(dǎo)體材料 可包括為硅鍺合金的一小部分。優(yōu)選通過使將提供n型摻雜物的適當供體氣體流動而原 位摻雜重度摻雜層112。在沉積期間使PH3流動將促使磷原子在層112形成時并入層112 中。摻雜物濃度應(yīng)為至少約5><1019個摻雜物原子/立方厘米，例如在約5><1019個摻雜物 原子/立方厘米與約3xl021個摻雜物原子/立方厘米之間，優(yōu)選約8xl02G個摻雜物原子/ 立方厘米。重度摻雜層H2優(yōu)選在約50與約500埃厚之間，優(yōu)選約200埃厚。在次優(yōu)選實施例中，重度摻雜n型層112為硅、少于約10原子％鍺的硅鍺合金或 某一其它半導(dǎo)體材料。不同于硅，硅鍺傾向于不均勻地沉積在勢壘層110上，最初形成島狀物而非連續(xù)層。 為輔助硅鍺層112的均勻沉積，可優(yōu)選在開始硅鍺的沉積前首先沉積例如約30埃厚的 硅的薄種子層。此極薄層將不會顯著改變裝置的電行為。2005年6月22日申請的且以 引用的方式并入本文中的赫納(Herner)的第11/159,031號美國專利申請案"沉積鍺膜 的方法(Method of Depositing Germanium Films)"中描述了使用硅種子層來輔助鍺膜的 沉積。接下來將緊接在重度摻雜n型層112的頂部上沉積封蓋層113。停止供體氣體(例 如，PH3)的流動，使得封蓋層113未經(jīng)摻雜。在重度摻雜層112的沉積與封蓋層113 的沉積之間未從沉積腔室移除襯底。優(yōu)選的是，封蓋層113為與重度摻雜n型層112相 同的硅鍺合金，例如Si.sGe.2。在其它實施例中，只要鍺的比例保持為至少10原子％，則封蓋層113可具有不同比例的鍺。舉例來說，鍺含量可通過封蓋層113逐漸降低。封 蓋層113至少約IOO埃厚，例如約200埃厚。接下來緊接著在封蓋層113的頂部上沉積本征層114。層114為硅或少于約10原子 %鍺(例如少于約5原子％鍺)的硅鍺合金；層U4優(yōu)選為硅。在一優(yōu)選實施例中，將 通過離子植入形成重度摻雜p型層116。轉(zhuǎn)到圖8a，本征層114具有一經(jīng)沉積厚度A。 如圖8b中所展示，即將進行的平坦化步驟將移除厚度B，且在圖8c中，用以形成區(qū)域 116的離子植入將促使厚度C被重度摻雜。在所完成的裝置中，本征層114應(yīng)具有厚度 D。因此，待沉積的厚度A為本征區(qū)域114的最終所要厚度D、將要通過植入形成的重 度摻雜p型區(qū)域116的厚度C與在平坦化期間將要損耗的厚度B的總和。在所完成的裝 置中，本征區(qū)域114優(yōu)選在約600與約2000埃之間，例如約1600埃。重度摻雜p型層 116在約IOO與約1000埃厚之間，優(yōu)選約200埃。在平坦化期間損耗的量將最有可能在 約400與約800埃之間，這取決于所使用的平坦化方法。接著，在此步驟中將要沉積的 未摻雜厚度在約1100與約3800埃之間，優(yōu)選約2600埃。返回到圖7b，剛剛沉積的半導(dǎo)體層114、 113和112連同下伏勢壘層110將經(jīng)圖案 化和蝕刻以形成柱狀物300。柱狀物300應(yīng)與其下方的導(dǎo)體200具有約相同的間距和約 相同的寬度，使得每一柱狀物300形成在導(dǎo)體200的頂部上?？扇菰S某一不對準?？墒褂萌魏魏线m的掩蔽和蝕刻工藝來形成柱狀物300。舉例來說，可沉積光致抗蝕 劑，使用標準光刻技術(shù)進行圖案化，且蝕刻，接著移除光致抗蝕劑?；蛘?，可將例如二 氧化硅等某一其它材料的硬掩模形成在半導(dǎo)體層堆疊的頂部上(且底部抗反射涂層 (BARC)位于頂部上)，接著將其圖案化和蝕刻。類似地，介電抗反射涂層(DARC) 可用作硬掩模。在均由本發(fā)明的受讓人所有且以引用的方式并入本文中的2003年12月5日申請的 陳(Chen)的第10/728436號美國專利申請案"使用交替式相移的具有內(nèi)部非印刷窗的 光掩模特征(Photomask Features with Interior Nonprinting Window Using Alternating Phase Shifting)";或2004年4月1日申請的陳(Chen)的第10/815312號美國申請案"具有 非印刷相移窗的光掩模特征(Photomask Features with Chromeless Nonprinting Phase Shifting Window)"中描述的光刻技術(shù)可有利地用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的存儲器陣列的形 成中所使用的任何光刻步驟。介電材料108沉積在半導(dǎo)體柱狀物300上和半導(dǎo)體柱狀物300之間，填充其間的間 隙。介電材料108可為任何已知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在一 優(yōu)選實施例中，二氧化硅用作絕緣材料。接下來移除位于柱狀物300的頂部上的介電材料，暴露由介電材料108隔離的柱狀 物300的頂部，且留下大體上平坦的表面?？赏ㄟ^例如CMP或回蝕的此項技術(shù)中已知 的任何工藝來執(zhí)行介電過填充的此移除。在CMP或回蝕之后，執(zhí)行離子植入，形成重 度摻雜p型頂部區(qū)域116。 p型摻雜物優(yōu)選為硼或BF2。所得結(jié)構(gòu)展示在圖7b中。如先前所描述，所并入的'539申請案描述當經(jīng)受編程電壓時，二極管的半導(dǎo)體材 料的電阻率可檢測地且永久地變化。在某些實施例中，在編程之前完好且在編程期間斷 裂的介電斷裂反熔絲可包括在單元中，以增加當讀取電壓施加到經(jīng)編程對未經(jīng)編程單元 時所觀測到的電流之間的差異。轉(zhuǎn)到圖7c，如果包括可選的介電斷裂反熔絲118，則其可通過任何適當方法(包括 重度摻雜p型區(qū)域116的一部分的熱氧化)來形成?；蛘撸商娲爻练e此層，且可為 任何合適的介電材料。舉例來說，可在約150攝氏度下沉積Al203層?？墒褂闷渌牧?。 介電斷裂反熔絲118優(yōu)選在約20與約80埃厚之間，優(yōu)選約50埃厚。在其它實施例中， 可省略介電斷裂反熔絲118?？梢耘c底部導(dǎo)體200相同的方式，例如通過沉積優(yōu)選為氮化鈦的粘附層120和優(yōu)選 為鎢的傳導(dǎo)層122來形成頂部導(dǎo)體400。接著使用任何合適的掩蔽和蝕刻技術(shù)來圖案化 和蝕刻傳導(dǎo)層122和粘附層120,以形成圖7c中所展示的從左到右延伸通過頁面的大體 上平行、大體上共面的導(dǎo)體400。在一優(yōu)選實施例中，沉積光致抗蝕劑，通過光刻進行 圖案化且蝕刻層，且接著使用標準工藝技術(shù)來移除光致抗蝕劑。每一柱狀物應(yīng)安置在底 部導(dǎo)體的一者與頂部導(dǎo)體的一者之間；可容許某些不對準。接下來介電材料(未圖示)沉積在導(dǎo)體軌400上和其間。介電材料可為任何已知的 電絕緣材料，例如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在一優(yōu)選實施例中，二氧化硅用作此 介電材料。已描述第一存儲器層級的形成。此存儲器層級包含多個存儲器單元，且在每一存儲 器單元中， 一柱狀物垂直安置在底部導(dǎo)體與頂部導(dǎo)體之間，其中非易失性存儲器單元包 含底部導(dǎo)體的一部分、柱狀物和頂部導(dǎo)體的一部分。額外的存儲器層級可形成在此第一 存儲器層級上。在某些實施例中，導(dǎo)體可在存儲器層級之間共用；即，頂部導(dǎo)體400將 用作下一存儲器層級的底部導(dǎo)體。在其它實施例中，級間電介質(zhì)(未圖示)形成在圖7c 的第一存儲器層級上，其表面經(jīng)平坦化，且在此經(jīng)平坦化的級間電介質(zhì)上開始第二存儲 器層級的建構(gòu)，且不具有共用的導(dǎo)體。柱狀物300和隨后形成的存儲器層級中的半導(dǎo)體材料優(yōu)選經(jīng)結(jié)晶以形成多晶二極 管。優(yōu)選在所有二極管已形成之后執(zhí)行最終的結(jié)晶退火。形成在襯底上的單片三維存儲器陣列包含在所述襯底上方第一高度處形成的至少 一第一存儲器層級和在不同于所述第一高度的第二高度處形成的第二存儲器層級。在此 多級陣列中可在襯底上方形成三個、四個、八個或?qū)嶋H上任何數(shù)目的存儲器層級。已在包括一個或一個以上存儲器層級中的垂直定向的二極管的單片三維存儲器陣 列的背景下描述了本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)。除先前并入的那些專利和申請案之外，本發(fā)明 的方法可有利地用于例如在佩蒂(Petti)等人的第6,946,719號美國專利"包括包含硅 化物的面結(jié)型二極管接觸接觸件-反熔絲單元的半導(dǎo)體裝置(Semiconductor Device Including Junction Diode Contacting Contact-Antifuse Unit Comprising Silicide)"; 2004年 9月29日申請的佩蒂(Petti)的第10/955,387號美國專利申請案"包含二極管的存儲器 單元,二極管用作熔絲元件(Fuse Memory Cell Comprising a Diode, the Diode Serving as the Fuse Element)";和2004年9月29日申請的赫納(Herner)等人的第10/954,510號 美國專利申請案"包含鄰近于硅化物而結(jié)晶的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管的存儲器單元 (Memory Cell Comprising a Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide)"中所描述的那些單片三維存儲器陣列的相關(guān)單片三維存儲器陣列中。在均以引用的方式并入本文中的2005年5月9日申請的赫納(Herner)等人的第 11/125939號美國專利申請案且下文為'939申請案，"包含二極管和電阻切換材料的可重 寫存儲器單元(Rewriteable Memory Cell Comprising a Diode and a Resistance-Switching Material)";和2005年11月23日申請的赫納(Herner)等人的第11,287,452號美國專 利申請案"具有添加金屬的可逆電阻率切換金屬氧化物或氮化物層(Reversible Resistivity-Switching Metal Oxide or Nitride Layer With Added Metal)"(下文為'452申請 案)中所描述的存儲器陣列的實施例中，垂直定向的p-i-n二極管(或在某些實施例中， 垂直定向的p-n 二極管)與包含電阻率切換材料的可逆狀態(tài)改變元件配對以形成存儲器 單元。在優(yōu)選實施例中，可逆狀態(tài)改變元件與二極管串聯(lián)而以電方式形成，垂直安置在 所述二極管與頂部導(dǎo)體之間或所述二極管與底部導(dǎo)體之間。可逆電阻率切換材料為電阻率切換金屬氧化物或氮化物化合物，所述化合物確切地 包括一種金屬；例如，所述電阻率切換金屬氧化物或氮化物化合物可選自由以下各物組 成的群NiO、 Nb205、 Ti02、 Hf02、 A1203、 CoO、 MgOx、 Cr02、 VO、 BN和A1N。在 某些實施例中，電阻率切換金屬氧化物或氮化物化合物的層包括添加的金屬。所述層可 包括如在'452申請案中所描述的添加的金屬。這些存儲器單元是可重寫的。根據(jù)本發(fā)明 所形成的p-i-n 二極管的減少的反向漏電流可證明在類似'939和'452申請案的那些陣列中 在寫入和擦除存儲器單元中尤其有利。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，如當具有較寬帶隙的材料是優(yōu)選時，尤其如果 沉積在重度摻雜n型層上的層優(yōu)選具有極少鍺或沒有鍺，那么本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)可有 利地用于其中需要在重度摻雜n型層上方的摻雜物分布中具有急劇過渡的經(jīng)沉積半導(dǎo)體 層堆疊的任何裝置中。本發(fā)明的效用未以任何方式限于垂直定向的二極管、存儲器單元 或單片三維存儲器陣列或結(jié)構(gòu)。雖然已在本文中描述了制造的詳細方法，但是當結(jié)果屬于發(fā)明的范圍內(nèi)時可使用形 成相同結(jié)構(gòu)的任何其它方法。前述詳細描述僅描述本發(fā)明可呈現(xiàn)的許多形式中的數(shù)個形式。出于此原因，此詳細 描述意欲是以說明而非限制的方式。僅以下權(quán)利要求書(包括所有等效物)意欲定義本 發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種包含層堆疊的半導(dǎo)體裝置，所述層堆疊包含位于襯底上方的經(jīng)沉積重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一層，所述第一層至少約50埃厚；未重度n摻雜的半導(dǎo)體材料的第二層，其中所述第二層的半導(dǎo)體材料為至少10原子％鍺的硅鍺合金，所述第二層至少約100埃厚，其中所述第二層位于所述第一層上方且與其接觸；以及位于所述第二層上方且與其接觸的未重度n摻雜的經(jīng)沉積半導(dǎo)體材料的第三層，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料為硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金，其中所述第一、第二和第三層駐留在半導(dǎo)體裝置中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二層的半導(dǎo)體材料為至少20原子 %鍺。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料不多于5原子％ 鍺。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一、第二和第三層是垂直定向的面 結(jié)型二極管的部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述二極管是p-i-n二極管，且所述第三 層未經(jīng)慘雜或經(jīng)輕度摻雜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一、第二和第三層已被圖案化和蝕 刻以形成柱狀物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述柱狀物垂直安置在底部導(dǎo)體與頂部導(dǎo) 體之間，其中非易失性存儲器單元包含所述底部導(dǎo)體的一部分、所述柱狀物和所述 頂部導(dǎo)體的一部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一層被摻雜到至少約5><1019個摻雜物原子/立方厘米的摻雜物濃度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第三層具有小于約5><1017個摻雜物 原子/立方厘米的摻雜物濃度的n型摻雜物。
10. —種形成在襯底上方的非易失性存儲器單元，所述存儲器單元包含位于所述襯底上方的底部導(dǎo)體的一部分； 位于所述底部導(dǎo)體上方的頂部導(dǎo)體的一部分；以及垂直安置在所述底部導(dǎo)體與所述頂部導(dǎo)體之間的二極管，所述二極管包含-i) 重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一沉積層；ii) 未重度n摻雜的半導(dǎo)體材料的第二沉積層，其中所述第二層的半導(dǎo)體材料 為至少10原子％鍺的硅鍺合金，所述第二層安置在所述第一層上方且與其接觸； 以及iii) 未重度n摻雜的半導(dǎo)體材料的第三沉積層，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料 為硅或少于10原子％鍺的硅鍺合金，其中所述第三層位于所述第二層上方且與 其接觸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的非易失性存儲器單元，其中所述第一層的半導(dǎo)體材料為至 少10原子％鍺的硅鍺合金。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的非易失性存儲器單元，其中所述第一層被摻雜到至少約 5xl0^個摻雜物原子/立方厘米的摻雜物濃度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的非易失性存儲器單元，其中所述第三層具有少于約5xl017 個摻雜物原子/立方厘米的摻雜物濃度的n型摻雜物。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的非易失性存儲器單元，其中所述第二層具有少于約5xl017 個摻雜物原子/立方厘米的摻雜物濃度的n型摻雜物。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的非易失性存儲器單元，其中所述第三層的半導(dǎo)體材料為硅 或不多于5原子％鍺的硅鍺合金。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的非易失性存儲器單元，其中所述二極管呈柱狀物的形式。
17. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的非易失性存儲器單元，其中所述存儲器單元進一步包含可 逆狀態(tài)改變元件，所述可逆狀態(tài)改變元件安置在所述二極管與所述底部導(dǎo)體之間或 所述二極管與所述頂部導(dǎo)體之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的非易失性存儲器單元，其中所述可逆狀態(tài)改變元件包含選 自由以下各物組成的群的電阻率切換金屬氧化物或氮化物化合物層NiO、 Nb205、 Ti02、 Hf02、 A1203、 CoO、 MgOx、 Cr02、 VO、 BN和AIN。
19. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的非易失性存儲器單元，其中所述第二層為至少約100埃厚。
20. —種單片三維存儲器陣列，其包含a) 形成在襯底上方的第一存儲器層級，所述第一存儲器層級包含i) 多個大體上平行、大體上共面的底部導(dǎo)體；ii) 多個大體上平行、大體上共面的頂部導(dǎo)體；iii) 多個半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，每一二極管垂直安置在所述底部導(dǎo)體的一者與 所述頂部導(dǎo)體的一者之間，其中每一二極管包含重度n摻雜半導(dǎo)體材料的第一 層；輕度n摻雜、p摻雜或未摻雜硅鍺合金的第二層，其中所述第二層為至少IO 原子％鍺，所述第二層位于所述第一層上方；和輕度n摻雜、p摻雜或未摻雜硅 或硅鍺合金的第三層，其中所述第三層為少于10原子％鍺，所述第三層位于所 述第二層上方；以及b) 單片形成在所述第一存儲器層級上方的至少一第二存儲器層級。
全文摘要
在經(jīng)沉積的硅中，例如磷和砷等n型摻雜物傾向于去往在沉積層時升高的所述硅的表面。當在未提供n型摻雜物的情況下在n摻雜硅上沉積第二未摻雜或p摻雜硅層時，第一厚度的此第二硅層仍傾向于包括從較低層向上擴散的非所要的n型摻雜物。當鍺與所述硅合金化時，此去往表面的行為減少。在某些裝置中，第二層具有顯著的鍺含量可能是不利的。在本發(fā)明中，沉積第一重度n摻雜半導(dǎo)體層(優(yōu)選至少10原子％鍺)，接著沉積具有極少或無n型摻雜物的硅鍺封蓋層，接著沉積具有極少或無n型摻雜物并少于10原子％鍺的層。所述第一層和所述封蓋層中的所述鍺使n型摻雜物進入上方少鍺層中的擴散最小化。
文檔編號H01L27/102GK101336478SQ200680052354
公開日2008年12月31日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者S·布拉德·赫納 申請人:桑迪士克3D公司