具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法，由上選擇管和下選擇管及中間的存儲單元組成三維結構，且所有的晶體管均為豎直結構，與水平晶體管相比豎直晶體管的布局面積更小，從而可以提高RRAM的集成密度，進一步降低成本。該方法包括：在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域；順序沉積多晶硅層和SiO2層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔；沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域。
【專利說明】具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體領域，特別涉及一種具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法。
【背景技術】
[0002]存儲器是國際國內諸多企業(yè)和行業(yè)產品的重要組成部分。電阻存儲器(ResistiveRandom Access Memory，簡稱RRAM)因其具有制備簡單、擦寫速度快、存儲密度高、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點而成為當前新型存儲器研究的熱點。RRAM的基本存儲單元為金屬一氧化物一金屬(MM)三明治結構，利用電壓或電流脈沖可以使MM結構中的阻變層在高阻和低阻之間轉變，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除。
[0003]但是由于串擾等原因，造成RRAM不能進行簡單的Crossbar集成，限制了其集成密度。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法，能夠提高RRAM集成密度、降低成本。
[0005]本發(fā)明實施例采用如下技術方案:
[0006]一種具有存儲器功能的場效應晶體管的三維集成方法，包括:
[0007]在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域；
[0008]順序沉積多晶硅層和SiO2層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔；
[0009]沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域。
[0010]可選的，所述在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域之后，還包括:
[0011]沉積下選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質。
[0012]可選的，所述沉積下選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質之后，還包括:
[0013]LPCVD沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極。
[0014]可選的，所述順序沉積多晶硅層和3102層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔之后，還包括:
[0015]依次沉積阻變層和隧穿氧化層，形成存儲單元的柵介質層。
[0016]可選的，所述依次沉積阻變層和隧穿氧化層，形成存儲單元的柵介質層之后，還包括:
[0017]沉積存儲單元的多晶硅體。
[0018]可選的，所述沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域之后，還包括:
[0019]沉積上選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質。
[0020]可選的，所述沉積上選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質之后，還包括:
[0021]LPCVD沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極。
[0022]可選的，所述LPCVD沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極之后,還包括:
[0023]沉積一層金屬并刻蝕形成位線。
[0024]一種具有存儲器功能的場效應晶體管，所述具有存儲器功能的場效應晶體管器件基于上述方法制備得到。
[0025]基于上述技術方案，本發(fā)明實施例的具有存儲器功能的場效應晶體管及其三維集成方法，在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域；順序沉積多晶硅層和Si02層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔；沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域。能夠提高RRAM集成密度、降低成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發(fā)明實施例提供的具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成的結構示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明實施例提供的沿位線方向的橫截面圖；
[0029]圖3為本發(fā)明實施例提供的具有存儲器功能的場效應晶體管的俯視圖；
[0030]圖4為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之一；
[0031]
[0032]圖5為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之二；
[0033]圖6為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之三；
[0034]圖7為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之四；
[0035]圖8為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之五；
[0036]圖9為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之六；
[0037]圖10為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之七；
[0038]圖11為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之八；
[0039]圖12為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之九；
[0040]圖13為本發(fā)明實施例提供的制備具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構的方法示意圖之十。
【具體實施方式】
[0041]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0042]本發(fā)明實施例的具有存儲器功能的場效應晶體管三維集成結構沿字線方向的橫截面圖如圖1，其中，圖1a為沿字線方向的橫截面圖；圖1b為垂直溝道的具有存儲功能的場效應晶體管的橫截面圖；圖1c為垂直溝道場效應晶體管的橫截面圖。
[0043]沿位線方向的橫截面圖如圖2，俯視圖如圖3，僅以4層控制柵層為例，控制柵的層數(shù)可以根據(jù)存儲需要而增加。其中上下選擇管為垂直溝道的場效應晶體管:柵極材料為重摻雜的多晶硅；柵介質層可以為二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)等介質材料；用多晶硅原位摻雜形成晶體管的源極和漏極。存儲單元為垂直溝道的具有存儲功能的場效應晶體管:柵極材料為重摻雜的多晶硅(也可以為TiN，TaN和HfN等金屬柵，但因很難實現(xiàn)多層金屬/氧化物同時刻蝕，此處選擇重摻雜多晶硅為柵極材料)；介質層從柵極到多晶硅體依次為阻變層和隧穿氧化層，阻變層材料HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3, NiO, Ta2O5和ZnO等氧化物材料及摻雜Al、Gd、La、T1、Nb、Ta和N等元素的氧化物材料，隧穿氧化層可以為二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或高K介質；為了避免工藝(在體硅中形成p-n結)復雜性，存儲單元的體為不摻雜的多晶硅，從而使晶體管工作在耗盡型。
[0044]每層存儲單元晶體管的柵極層為控制柵層，位線垂直于柵極層。單個存儲單元位于控制柵和位線所連接的存儲串的交叉處，通過位線和字線來選擇某一特定的存儲單元。對于P型體硅，存儲單元編程操作實現(xiàn)方式為:存儲單元的位線加高電位，柵極加相應偏壓(視存“I”或存“O”而定)。存儲單元的擦除操作實現(xiàn)方式為:通過下選擇管附近的GIDL漏電產生的空穴電流來升高體電勢完成。
[0045]下面詳細介紹本發(fā)明實施例的制備具有存儲器功能的場效應晶體管的三維集成方法。
[0046]本發(fā)明實施例以P型體硅，p+重摻雜的多晶硅柵，4層控制柵層為例來描述具體的制備方法。具體制作步驟為:1、下選擇管的制備；2、存儲單元的制備；3、上選擇管的制備。
[0047]其中在形成下選擇管之前要在字線方向形成必要的淺槽隔離。下選擇管的具體制備過程如下:
[0048]I)在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層(此處為p+polySi) SiO2，而后通過反應離子(RIE)刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層來定義下選擇管的溝道區(qū)域，此此步完成后的圖形如圖4。
[0049]2)沉積下選擇管的柵介質層(此處為SiO2),并刻蝕掉底部的介質，此步完成后的圖形如圖5。
[0050]3) LPCVD沉積P型多晶娃體,用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極,此歩完成后的圖形如圖6。
[0051]存儲單元的具體制作過程如下:
[0052]I)順序沉積多晶硅層和SiO2層，此處以4層多晶硅字線層為例。而后反應離子刻蝕沉積的Si02和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔，此歩完成后的圖形如圖7。
[0053]2)依次沉積阻變層和隧穿氧化層，形成存儲單元的柵介質層，此歩完成后如圖8。
[0054]3)沉積存儲單元的多晶硅體(此處為P型多晶硅)，此歩完成后形成圖形如圖9。
[0055]上選擇管的具體制作過程如下:
[0056]I)沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層(p+poly Si)和Si02。而后通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，來定義上選擇管的溝道區(qū)域，此歩完成后的圖形如圖10。
[0057]2)沉積上選擇管的柵介質層(此處為SiO2),并刻蝕掉底部的介質，此歩完成后的圖形如圖11。
[0058]3) LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition,低溫化學氣象沉積)沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極，此歩完成后的圖形如圖12。
[0059]4)沉積一層金屬Al并刻蝕形成位線，此歩完成后的圖形如圖13。
[0060]基于上述技術方案，本發(fā)明實施例的具有存儲器功能的場效應晶體管的三維集成及其制備方法，能夠提高RRAM集成密度、降低成本。
[0061]本發(fā)明實施例提供一種基于上述方法制備的具有存儲器功能的場效應晶體管的三維集成結構，該結構的組成部分如圖1-3所示。
[0062]由上選擇管(Upper SG)和下選擇管(Lower SG)及中間的存儲單元(具有存儲功能的場效應晶體管)組成三維結構，且所有的晶體管均為豎直結構，與水平晶體管相比豎直晶體管的布局面積更小,從而可以提高RRAM (RandomResistive Access Memory,電阻存儲器)的集成密度，進一步降低成本。
[0063]本發(fā)明實施例，在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2,通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域；順序沉積多晶硅層和SiO2層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔；沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域。能夠提高RRAM集成密度、降低成本。
[0064]本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種具有存儲器功能的場效應晶體管的三維集成方法，其特征在于，包括: 在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、SiO2層形成下選擇管的溝道區(qū)域； 順序沉積多晶硅層和SiO2層，反應離子刻蝕沉積的Si02和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔； 沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述在襯底上依次沉積SiO2、下選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層、SiO2，通過反應離子刻蝕SiO2、多晶硅、5102層形成下選擇管的溝道區(qū)域之后，還包括: 沉積下選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉積下選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質之后，還包括: 低溫化學氣象沉積LPCVDp型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述順序沉積多晶硅層和SiO2層，反應離子刻蝕沉積的SiO2和多晶硅層，形成存儲單元的溝道通孔之后，還包括: 依次沉積阻變層和隧穿氧化層，形成存儲單元的柵介質層。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述依次沉積阻變層和隧穿氧化層，形成存儲單元的柵介質層之后，還包括: 沉積存儲單元的多晶硅體。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積上選擇管的重摻雜多晶硅控制柵層和SiO2，通過反應離子刻蝕多晶硅層和SiO2層，形成上選擇管的溝道區(qū)域之后，還包括: 沉積上選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述沉積上選擇管的柵介質層，并刻蝕掉底部的介質之后，還包括: 低溫化學氣象沉積LPCVD沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述LPCVD沉積P型多晶硅體，用原位摻雜形成晶體管的源極和漏極之后，還包括: 沉積一層金屬并刻蝕形成位線。
9.一種具有存儲器功能的場效應晶體管，其特征在于，所述具有存儲器功能的場效應晶體管器件基于上述權 利要求1至8中任一項所述的方法制備得到。
【文檔編號】H01L21/77GK103904118SQ201410085379
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權日:2014年3月10日
【發(fā)明者】劉力鋒, 張偉兵, 后羿, 高濱, 韓德棟, 王漪, 劉曉彥, 康晉鋒 申請人:北京大學