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垂直存儲單元的半導體元件及其制造方法與流程

文檔序號:12478244閱讀:229來源:國知局
垂直存儲單元的半導體元件及其制造方法與流程

本發(fā)明及其實施例,是有關于一種半導體元件及制造半導體元件的方法。



背景技術:

閃存元件(flash memory device)一般包括了排列成行及成列的存儲單元陣列。每一個存儲單元包括具有柵極、漏極、源極以及定義于漏極及源極之間的通道(channel)的晶體管結構。柵極對應于存儲單元陣列的字線,而漏極及源極對應于存儲單元陣列的位線。

半導體工業(yè)正日益朝向更小且更強大的電子元件,例如是計算元件、通信元件及存儲元件發(fā)展,電子元件。為了要提升這些元件的容量,形成了包括沿基板的多個垂直層的柵極的三維存儲單元陣列(three-dimensional memory cell array),或稱垂直存儲單元陣列(vertical memory cell array)。

發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)到制造垂直存儲單元的傳統(tǒng)工藝及其存儲器元件成品所具有的缺陷與問題。因此,基于所付出的努力、獨創(chuàng)性與創(chuàng)新,這些被發(fā)現(xiàn)的問題已經(jīng)由所開發(fā)的解決方案解決,而此些解決方案包括于如下所述的本發(fā)明以及其多種實施例之中。



技術實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的實施例提供用于制造存儲器元件中的制造半導體元件的方法,以及提供由此方法所形成的半導體存儲器元件。

本發(fā)明提供一種制造垂直存儲單元的方法,包括提供基板、形成柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層、刻蝕一或多個通道正交于柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層、利用包括硅的磷酸試劑進行第一氮化物移除步驟。于一些實施例中,此方法還包括第二氮化物移除步驟。

于一些實施例中,第一氮化物移除步驟包括于約140℃至約160℃下提供該試劑至柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層。于一些實施例中,第二氮化物移除步驟包括于約140℃至約160℃下提供該試劑至柵極絕緣層及 氮化物層的交替疊層。

于一些實施例中,第一氮化物移除步驟中的試劑對氮化物層與該柵極絕緣層的刻蝕速率比為約100∶1至約60∶1。于一些實施例中,第一氮化物移除步驟包括提供該試劑至柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層,其中試劑對氮化物層與柵極絕緣層的刻蝕速率比為約80∶1。

于一些實施例中,第二氮化物移除步驟中的試劑對氮化物層與該柵極絕緣層的刻蝕速率比為約100∶1至60∶1。于一些實施例中,第二氮化物移除步驟中的試劑包括磷酸。于一些實施例中,在第二氮化物移除步驟后可發(fā)現(xiàn)下層柵極絕緣層的減損。于一些實施例中,第一氮化物移除步驟包括使用試劑,其中試劑的硅濃度為約80ppm,而于一些實施例中,第二氮化物移除步驟包括使用試劑,其中試劑的硅濃度為約120ppm。

更進一步,于一些制造垂直存儲單元的實施例中,進行第一氮化物移除步驟包括形成一或多個柵極絕緣層上的一或多個圓邊(round edge)。于一些實施例中,一或多個柵極氧化層及氮化物層的至少一部分被移除,以形成沿著交替疊層的一或多個空隙,其中空隙寬約400埃(angstrom,)。

于一些實施例中,此方法包括于氮化物層移除之處形成多個金屬柵極層。于一些實施例中,金屬柵極層包括鎢,而于一些實施例中,柵極絕緣層包括氧化物。

于一些實施例中,此方法包括于氮化物移除之后形成氧化物-氮化物-氧化物(oxide-nitride-oxide)層。舉例而言,可在第一氮化物移除步驟之后沉積氧化物-氮化物-氧化物層,特別是可在第二氮化物移除步驟之后沉積氧化物-氮化物-氧化物層。

于一些實施例中,此方法還包括于通道之中沉積導電材料,例如是多晶硅。

本發(fā)明的另一方面是提供一種垂直存儲單元,包括基板、位于基板上的柵極絕緣層及柵極層的交替疊層、正交于柵極絕緣層及柵極層的交替疊層的一或多個通道,其中柵極絕緣層具有一或多個圓邊。于一些實施例中,此垂直存儲單元包括了包括鎢的金屬柵極層。于一些實施例中,此垂直存儲單元包括了包括氧化物的柵極絕緣層。

于一些實施例中,柵極絕緣層的圓邊是因為在形成柵極層時將試劑使 用于存儲單元中所形成。

于一些實施例中,垂直存儲單元包括了包括導電材料的一或多個通道。于一些實施例中,此或此些通道中的導電材料為多晶硅。

于一些實施例中,至少一個通道的半徑小于第二通道的半徑。更進一步,于一些實施例中,至少一個通道具有梯度分布,使得此通道于底部的半徑小于此通道于頂部的半徑。

上述發(fā)明內(nèi)容僅用來總結本發(fā)明的一些示例性實施例,以提供對于本發(fā)明的一些方面的基礎理解。因此,應當可以理解的是,上述的示例性實施例僅是用來作為范例,而不應當以任何方式視為將本發(fā)明的范圍或精神進行限縮。應當可以理解的是,本發(fā)明的范圍包括了許多隱含的實施例,除了以上所總結者之外,還有一部分將會在以下的內(nèi)容中進行描述。

附圖說明

為了對上述本發(fā)明的概略說明進行更清楚的描述,此處配合所附附圖進行說明如下,其中附圖并非準確依照比例繪制:

圖1A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖1B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖2A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示填充一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示填充一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖3A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第二通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖3B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第二通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示包括柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層的垂直存儲單元于刻蝕一或多個第二通道之后的另一種示意圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示進行第一氮化物移除步驟及第二氮化物移除步驟之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖6A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示進行一或多次氮化物移除步驟之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖6B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示的垂直存儲單元的剖面圖。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成金屬柵極層之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖8A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示沉積絕緣層之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖8B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示沉積絕緣層之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖9A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成柵極之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖9B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成柵極之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖10A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示柵極隔離(gate isolation)之后的垂直存儲單元的俯視圖。

圖10B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示柵極隔離之后的垂直存儲單元的剖面圖。

圖11A為傳統(tǒng)垂直存儲單元的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像。

圖11B為繪示傳統(tǒng)垂直存儲單元的字線電阻。

圖12A為根據(jù)本發(fā)明的實施例所制備的垂直存儲單元的掃描式電子顯微鏡影像。

圖12B為繪示根據(jù)本發(fā)明的實施例所制備的垂直存儲單元的字線電阻。

圖13為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示硅濃度對等離子體增強氧化硅(plasma-enhanced silicon oxide,PE-OX)的關系,以及硅濃度對氮化硅刻蝕速率的關系圖。

圖14為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示試劑溫度對試劑中硅飽和濃度的關系圖。

圖15為繪示試劑中硅濃度對試劑的氮化物/柵極絕緣層選擇性的關 系圖。

圖16為根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直存儲單元制備方法流程圖。

【符號說明】

110、210:基板

120、220:柵極絕緣層

140、240:通道

150、250:柵極層

160:空穴

230:氮化物層

260:第一導電層

270:柵極密封層

280:第二通道

290:第二柵極絕緣層

300:柵極

310:隔離材料

320:第二導電材料

330:圓邊

510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650:步驟

D1:尺寸

r1、r2:半徑

具體實施方式

本發(fā)明的部分實施例將于后述內(nèi)容中配合所附附圖進行更詳細的描述,其中所附附圖繪示一部分的實施例,然并非繪示所有的實施例。事實上,本發(fā)明的多種實施例可以許多種不同的形式來實施,而不應當被視為是限縮在此處所提及的實施例當中;反之,提供此些實施例是使得本發(fā)明滿足所適用的法律要求。

如在本說明書以及所附的權利要求當中,除非另外有明確說明,否則單數(shù)形式「一」、「該」包括了復數(shù)的情形。舉例而言,「一柵極絕緣層」也包括了多個柵極絕緣層。

除非另有說明,在本說明書以及所附的權利要求中所述的成分含量、反應條件等所有的數(shù)量,都以例如「約」的術語修飾。因此,除非另有相反的說明,否則本說明書以及所附的權利要求中所述的數(shù)量參數(shù)都屬于近似值,而可根據(jù)本發(fā)明的技術特征,依照所要得到的性質(zhì)進行調(diào)整與變化。

當用于數(shù)值或者是質(zhì)量、重量、時間、體積、濃度或百分比等數(shù)量時,此處所使用的術語「約」,在一些實施例中是指相對于所述的數(shù)值、數(shù)量的變異范圍為±20%以內(nèi)、在一些實施例中為±10%以內(nèi)、在一些實施例中為±5%以內(nèi)、在一些實施例中為±1%以內(nèi)、在一些實施例中為±0.5%以內(nèi)、在一些實施例中為±0.1%以內(nèi),且在這樣的變化適合于進行本發(fā)明所揭露的方法的前提之下。

盡管本文中采用了具體的術語,但此些具體術語僅用于一般的和描述性的意義,而并非用于限制本發(fā)明的目的。本文所使用的所有術語,包括技術術語和科學術語,具有與本發(fā)明所屬領域普通技術人員所理解的相同涵義,除非這些術語已經(jīng)在本文中另外定義。更進一步理解的是,術語應解釋為本發(fā)明所屬領域普通技術人員所理解的涵義,例如是常用辭典中所記載的涵義。再進一步理解的是,術語應解釋為與本發(fā)明或是相關技術的上下文中所具有的涵義相同的涵義,例如是常用辭典中所記載的涵義。此些常用術語將不會以理想化或過于正式的意義來解釋,除非本發(fā)明明確做出如此定義。

在半導體產(chǎn)業(yè)當中,增加半導體元件的容量的需求日益增加。在之前,通過將半導體本身尺寸縮小化(miniaturization),大體上已經(jīng)達到提升晶體管的密度。然而,半導體尺寸縮小化的程度也有物理上的極限。因此,正日益蓬勃發(fā)展在單一元件上繼續(xù)堆積更多晶體管的垂直元件,亦被稱為三維元件的概念。也就是說,當傳統(tǒng)的晶體管是由水平排列的源極、漏極及柵極所構成時,垂直存儲單元將這些元件建立在垂直方向上,也就降低了每個元件在水平方向上所占的面積。然而,在傳統(tǒng)垂直存儲單元的工藝當中,可以發(fā)現(xiàn)形成了許多空穴(void)在柵極中。此些空穴可造成字線電阻的增加,并因此阻礙了存儲單元的效率。

因此,需要一種替代的存儲單元結構以及此結構的制作方法,可以降低柵極層中空穴的發(fā)生機率,并且降低字線的電阻。

根據(jù)本發(fā)明所揭露的形成柵極層的方法,例如是利用此處所定義的試劑來進行氮化物移除步驟,可以改善柵極填充(gate fll-in)、降低柵極層中空穴的形成,并改善字線的電阻。

非揮發(fā)存儲器(non-volatile memory),意思是即便在移除提供給存儲器的電源供應之后,仍然能夠儲存信息的半導體元件。非揮發(fā)存儲器包括屏蔽式只讀存儲器(mask read-only memory)、可編程只讀存儲器(programmable read-only memory)、可抹除可編程只讀存儲器(erasable programmable read-only memory)、電可抹除可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory)以及例如與非門(NAND)元件及或非門(NOR)元件的閃存,但不局限于此。

于一些實施例中,例如圖1A及圖1B所示的實施例,提供了一種于基板210上具有柵極絕緣層220及氮化物層230的交替疊層。圖1A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖1B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。亦繪示于上述附圖中,于一些實施例中,存儲單元包括與柵極絕緣層220及氮化物層230正交的一或多個通道240。于此些實施例中,存儲單元包括了多個柵極絕緣層及多個氮化物層,其中柵極絕緣層與氮化物層是于基板上,一個在另一個之上地交替(alternating)疊層。

基板可包括元件、電路、外延層或半導體可在其上形成的任意基底材料。一般而言,基板是用來定義為于半導體元件之下的一或多層,或甚至形成半導體元件的基底層?;蹇砂ü?、摻雜硅、鍺、硅鍺、半導體化合物或其他半導體材料的其中一種或任意種的組合,但并非限制于此。

柵極絕緣層可包括任意適合的介電材料,例如氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)或其任意組合??梢酝ㄟ^任意適合的沉積工藝來形成一或多層的柵極絕緣層,例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)或旋涂介電處理(spin-on dielectric processing)。于一些實施例中,可于基板上形成一或多個柵極絕緣層。

氮化物層可包括任意適合的含氮材料,例如是氮化硅(Si3N4)。

于本發(fā)明的一些實施例中,柵極絕緣層及氮化層被指稱為「交替」疊層。于此處所述的「交替」是指稱形成柵極絕緣層之后接著形成氮化物層。 形成一或多個柵極絕緣層之后可接著形成一或多個氮化物層。形成一或多個氮化物層之后可接著形成一或多個柵極絕緣層。于一些實施例中,這樣的交替圖案可以重復數(shù)次,以形成垂直存儲單元陣列。當存儲單元包括了至少一次柵極絕緣層接著氮化物層交替的重復圖案,此交替疊層可稱為「多個」獨立的交替疊層。

于一些實施例中,通道可垂直于柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層形成。此或此些通道可通過進刻蝕柵極絕緣層及氮化物層,以形成正交于交替疊層的溝槽或通道。刻蝕進柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層的第一組通道可稱為「第一通道」。如圖1A所示,第一通道具有半徑r1。

于一些實施例中,可填充一或多個第一通道。于一些實施例中,可由第一導電層260及柵極密封層270填充一或多個第一通道。圖2A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示填充一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示填充一或多個第一通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。第一導電層可包括任意的導電材料,例如多晶硅。柵極密封層可包括任意的絕緣材料,例如氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiOxNy)或其任意組合。對于高寬高比(aspect ratio)的結構,一或多個第一通道可包括具有厚度梯度(thickness gradient)的第一導電層。舉例而言,第一導電層可以在通道頂部的厚度大于在通道底部的厚度。換句話說,一或多個第一通道可以在通道頂部的半徑大于在通道底部的半徑。

于一些實施例中,可以于垂直存儲單元中形成第二組通道。圖3A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第二通道之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖3B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示刻蝕一或多個第二通道之后的垂直存儲單元的剖面圖。第二通道280可正交于柵極絕緣層220及氮化物層230的交替疊層刻蝕。圖3A根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示了第二通道的可能排列。第二通道具有半徑r2,而半徑r2大于半徑r1。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示包括柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層的垂直存儲單元于刻蝕一或多個第二通道之后的另一種示意圖。于圖4所繪示的實施例中,存儲單元包括基板210、柵極絕緣層220及氮化物層230。又如圖4所繪示的實施例中,存儲單元包括正交于柵極絕緣層220及氮化物層230的第二通道280。于此實施例中,存儲單元包括多個柵極 絕緣層及多個氮化物層,而柵極絕緣層及氮化物層為一個接著一個設置于基板上。

于一些實施例中,可進行第一氮化物移除步驟以移除一部分或全部的氮化物層。于一些實施例中,進行第一氮化物移除步驟及第二氮化物移除步驟以移除介于柵極絕緣層之間的氮化物層。圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示進行第一氮化物移除步驟及第二氮化物移除步驟之后的垂直存儲單元的剖面圖。于圖5所繪示的實施例當中,存儲單元包括基板210及柵極絕緣層220。于圖5中,第一氮化物移除步驟移除了一或多層柵極絕緣層的至少一部分及一或多層氮化物層的至少一部分。于一些實施例中,第一氮化物移除步驟可移除一部分或全部的氮化物層,而第一氮化物移除步驟僅移除一或多層柵極絕緣層的一部分。于圖5中,第二氮化物移除步驟移除氮化物層中剩下的氮化物材料。舉例而言,于一些實施例中,是可于相鄰的柵極絕緣層之間形成小于約500埃、大于約100埃的空隙,例如是約400埃。于圖5所繪示的實施例中,存儲單元包括介于相鄰的柵極絕緣層220之間的,尺寸D1的空隙。

在實際的工藝中,存儲單元可具有圓邊。圖6A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示進行一或多次氮化物移除步驟之后的垂直存儲單元的俯視圖,其中一或多次氮化物移除步驟造成柵極絕緣層的圓邊。圖6B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示的垂直存儲單元的剖面圖。如圖6B所示,一或多次氮化物移除步驟造成柵極絕緣層的圓邊。于一些實施例中,第一氮化物移除步驟可通過移除一部分的柵極絕緣層來造成柵極絕緣層的圓邊。于一些實施例中,可調(diào)整試劑的組成以增加柵極絕緣層的刻蝕速率,造成更圓的圓邊及/或增加所造成介于相鄰柵極絕緣層之間的空隙的寬度。舉例而言,在第一氮化物移除步驟中使用對于柵極絕緣層刻蝕速率較高的試劑,會移除更多的柵極絕緣層而形成更圓的角以及對于隨后的柵極沉積較大的工藝裕度。

于一些實施例中,第一氮化物移除步驟包括對存儲單元使用試劑。于一些實施例中,用于第一氮化物移除步驟的試劑對氮化物與柵極絕緣材料的刻蝕速率比為約100∶1至約50∶1。舉例而言,于一些實施例中,氮化物與柵極絕緣材料的刻蝕速率比為約90∶1至70∶1,例如是約85∶1至75∶1,可為約80∶1。

于一些實施例中,試劑可包括磷酸及硅。典型的傳統(tǒng)試劑是包括85%的磷酸。于本發(fā)明的一些實施例中,硅的濃度可為小于約120ppm,例如是約100ppm或更少,例如是約90ppm或更少。于一些實施例中,硅的濃度為約80ppm。舉例而言,于柵極絕緣層包括氧化硅的實施例中,下列的反應式說明了當提升試劑中的硅濃度時,會移除較少的氧化硅。

式一描述了利用磷酸刻蝕氮化硅的反應機制。反應物為氮化硅、磷酸及水,而產(chǎn)物為磷酸銨及二氧化硅。如式一所示,將磷酸或水的量增加,將會增加氮化硅的刻蝕速率。式二說明了提升硅的濃度會抑制二氧化硅分解成硅,可能從而得到了較式一為低的氮化硅刻蝕速率。

第一氮化物移除步驟可在任意適合的溫度下進行,例如是約120℃至約170℃,可為約140℃至約160℃,更可為約150℃。當在這些溫度下使用試劑時,會移除至少一部分的柵極絕緣層及氮化物層,以提供接下來的柵極沉積較寬的區(qū)域。舉例而言,高溫可加速二氧化硅的化學反應(二氧化硅會與氫反應得到水合硅與水)。通過控制溶解于試劑中的硅濃度,可以控制反應??梢赃_到刻蝕一定量的硅,例如是沒有刻蝕硅。此外如果試劑中的硅濃度超過其飽和濃度的話,就會使氧化物再沉積(redeposit)??紤]這些因素,可以通過所揭露的試劑來控制垂直存儲單元的刻蝕速率。

圖13為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示硅濃度與等離子體增強氧化硅之間刻蝕速率的關系,以及硅濃度對氮化硅刻蝕速率的關系圖。于圖13所繪示的實施例中,柵極絕緣層包括氧化硅及包括氮化硅的氮化物層。于此實施例中,在提升磷酸試劑中的硅濃度時,氮化硅刻蝕速率實質(zhì)上維持常數(shù)。于160℃的磷酸中,硅的飽和濃度為約120ppm。隨著試劑中的硅濃度提升,二氧化硅的刻蝕速率隨之下降。

圖14為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示試劑溫度對試劑中硅飽和濃度的關系圖。于此實施例中,當試劑的溫度(圖中所示「磷酸溫度」)提升時,磷酸試劑中硅的飽和濃度也隨之提升。

圖15為繪示試劑中硅濃度對試劑的氮化物/柵極絕緣層選擇性的關 系圖。于圖15所繪示的實施例中,當硅的濃度提升時,氮化硅/氧化硅柵極絕緣層的選擇性隨之提升。于一些實施例中,可通過于試劑中加入硅添加物及/或刻蝕擋片(dummy wafer)來提升硅的濃度。通過在刻蝕中調(diào)整硅的濃度,可以控制刻蝕氮化物層相對于柵極絕緣層的刻蝕速率。

于一些實施例中,可進行第二氮化物移除步驟。于一些實施例中,試劑可包括磷酸及硅。硅的濃度可為大于約80ppm,例如是大于約90ppm,例如是約100ppm或更多,或例如是110ppm或更多。于一些實施例中,硅的濃度為約120ppm。第二氮化物移除步驟可在任意適合的溫度下進行,例如是約120℃至約170℃,可為約140℃至約160℃,更可為約150℃。前述所討論關于第一氮化物移除步驟中溫度、硅濃度及刻蝕選擇性的關系,也適用于第二氮化物移除步驟。

于一些實施例中,可于第二氮化物移除步驟中,移除剩下的氮化物層。一部分的氮化物層可于第一氮化物移除步驟中移除,而其他的氮化物層可于第二氮化物移除步驟中移除??梢勒者@些原則,進行額外的氮化物移除步驟,移除額外的氮化物及/或柵極絕緣材料。

于一些實施例中,第二氮化物移除步驟具有較高的氮化物與柵極絕緣層刻蝕速率比,使得在第二氮化物移除步驟中實質(zhì)上沒有柵極絕緣材料被移除。于一些實施例中,用于第二氮化物移除步驟的試劑對氮化物與柵極絕緣材料的刻蝕速率比為約100∶1至約50∶1。舉例而言,于一些實施例中,氮化物與柵極絕緣材料的刻蝕速率比為約90∶1至70∶1,例如是約85∶1至75∶1,可為約80∶1。于一些實施例中,于160℃的磷酸試劑中硅濃度是設定為120ppm,使得在第二氮化物移除步驟中柵極絕緣層的耗損接近于零。若有需要,第二氮化物移除步驟中的試劑可以修改為降低氮化物與柵極絕緣層刻蝕速率比,以于柵極絕緣層中移除部分的柵極絕緣材料。優(yōu)選的是,柵極絕緣材料及氮化物材料被移除,以在相鄰的柵極絕緣層之間提供所期望的尺寸的空隙。如圖5所示,氮化物移除步驟可修改為在相鄰的柵極絕緣層之間得到尺寸D1的空隙。

如前所述,氮化物移除步驟可得到長方形的外型(例如圖5所繪示)及/或圓形的外型(例如圖6B所繪示)。于一些實施例中,可通過使用對于氮化物移除具有高選擇性的試劑進行一步驟氮化物移除工藝得到長方 形的外型。于一些實施例中,可利用兩步驟氮化物移除工藝得到圓形的外型。在二步驟氮化物移除工藝中,可以在第一步驟中使用高選擇性的試劑,移除氮化物而實質(zhì)上沒有移除柵極絕緣層。接著第二步驟中可使用一般的試劑移除任意再沉積的硅或柵極絕緣層,并調(diào)整柵極絕緣層的外型。此些步驟也可互換以達到圓形的外型。試劑的選擇性可通過修改試劑中的硅濃度及試劑的溫度來控制。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成金屬柵極層之后的垂直存儲單元的剖面圖。如圖7所繪示的實施例中,存儲單元包括基板210、柵極絕緣層220及柵極層250。于一些實施例中,通過移除柵極絕緣層及/或氮化物層所形成在相鄰柵極絕緣層之間的空隙可用例如是金屬的導電材料填充。填充這些在相鄰柵極絕緣層之間的空隙形成了金屬柵極。在一些實施例中,金屬柵極包括鎢。

如圖7所示,所沉積的金屬填充了在相鄰柵極絕緣層之間的空隙。由于根據(jù)上述內(nèi)容進行一或多次的氮化物移除步驟,金屬柵極填充物就不會有空穴,而降低字線電阻。接著可進行濕式刻蝕以沿著金屬柵極層移除多余的金屬。如此所得到的存儲單元,繪示于圖7。接著,利用例如是包含多晶硅的第二導電材料,填充金屬柵極層被刻蝕之處。

于一替代性實施例中,可于氮化物移除程序所得的外型上形成第二柵極絕緣層,舉例而言,圖8A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示沉積第二柵極絕緣層之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖8B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示沉積第二柵極絕緣層之后的垂直存儲單元的剖面圖。于此實施例中,第二柵極絕緣層可為氮化物-氧化物-氮化物層。如圖8B所示,第二柵極絕緣層290是沿著垂直存儲單元的溝槽所形成。

于一些實施例中,在沿著垂直存儲單元的外型形成絕緣層之后,可于垂直存儲單元中形成一或多個柵極。圖9A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成柵極之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖9B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示形成柵極之后的垂直存儲單元的剖面圖。柵極300可通過沉積例如是多晶硅的任意導電材料形成??煽涛g柵極至適合的寬度。此柵極可具有「環(huán)繞式柵極」(gate-all-around)的結構,即柵極材料在各方向上被通道區(qū)域所圍繞。

于一些實施例中,在柵極形成之后,可進行柵極隔離。圖10A為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示柵極隔離之后的垂直存儲單元的俯視圖。圖10B圖10B為根據(jù)本發(fā)明的實施例繪示柵極隔離之后的垂直存儲單元的剖面圖。柵極可通過形成任意介電材料來隔離,例如氧化硅、氮氧化硅或其任意組合。如圖10A及圖10B圖10B所示,隔離材料310可沿著垂直存儲單元的外型形成。第二導電材料320,例如是多晶硅,可沿著隔離材料310沉積。

形成存儲單元最終形式的后續(xù)工藝,為本發(fā)明所屬技術領域普通技術人員所熟知。舉例而言,可進行后端工藝(back-end of line)以提供橫跨存儲單元之上的位線。

圖11A為傳統(tǒng)垂直存儲單元的掃描式電子顯微鏡影像。在圖11A中,顯示了基板110、柵極絕緣層120及柵極層150,特別是金屬柵極層。存儲單元也包括沿著基板設置的通道140。如圖11A所示,在傳統(tǒng)的存儲單元中,空穴160沿著介于柵極絕緣層之間的柵極層形成。此柵極填充并未完成,而在相鄰的柵極絕緣層之間形成空隙。此些空隙影響了字線電阻。圖11B為繪示傳統(tǒng)垂直存儲單元的字線電阻。其中x軸為片電阻(sheet resistance)Rss(單位為歐姆/平方(Ω/Sq)),y軸為累積百分比(單位為%)。此數(shù)據(jù)是通過在累積常態(tài)分布函數(shù)圖上,對常態(tài)分布函數(shù)進行回歸來分析。

圖12A為根據(jù)本發(fā)明的實施例所制備的垂直存儲單元的掃描式電子顯微鏡影像。于圖12A中,顯示了基板210、柵極絕緣層220及柵極層250,特別是金屬柵極層。圖12A中的存儲單元亦包括通道280。圖12B為繪示根據(jù)本發(fā)明的實施例所制備的垂直存儲單元的字線電阻。

相對于圖11A的傳統(tǒng)元件,圖12A中的柵極層沒有空穴,形成了鮮明的對比。也就是說,在圖12A所繪示的實施例中,柵極層完全填充于相鄰的兩柵極絕緣層之間而沒有空穴。亦可看到,柵極層的寬度也大于傳統(tǒng)存儲單元,因而改善了字線電阻。圖12B繪示了根據(jù)本發(fā)明的實施例所制備的存儲單元的字線電阻的改善。其中x軸為片電阻Rss(單位為歐姆/平方),y軸為累積百分比(單位為%)。

亦如圖12A所示,柵極絕緣層220具有圓邊330。相比之下,圖5繪 示了具有直邊的柵極絕緣層,而圖6A及圖6B繪示了具有圓邊的柵極絕緣層。

如本文所述的任意過程、方法或技術,可用來完成本發(fā)明方法中的任一步驟。在方法中所大致描述的一些步驟可具有其他未特定說明的子步驟。此些附加步驟可被本發(fā)明所屬技術領域普通技術人員所理解。

圖16為根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直存儲單元制備方法流程圖。于圖16所示的實施例中,此垂直存儲單元制備方法包括提供基板的步驟510、形成多個柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層的步驟520,以及刻蝕正交于多個柵極絕緣層及氮化物層的交替疊層的一或多個第一通道的步驟530。此方法另外包括了填充一或多個第一通道的步驟540及刻蝕一或多個第二通道的步驟550。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直存儲單元制備方法還包括進行氮化物移除的步驟560。氮化物移除步驟可包括使用具有硅的磷酸試劑進行第一氮化物移除步驟600,以及于一些實施例中,可包括使用磷酸試劑進行第二氮化物移除步驟610。

于一些實施例中,根據(jù)本發(fā)明的實施例的垂直存儲單元制備方法亦可包括于氮化物層移除之處形成柵極層的步驟570、刻蝕柵極層的步驟580、填充一或多個通道的刻蝕部分的步驟590。于本發(fā)明的一些實施例中,形成柵極層的步驟可包括沉積金屬柵極層的步驟620,而在其他的一些實施例中,形成柵極層的步驟可包括沉積一氮化物-氧化物-氮化物層并接著形成多晶硅層的步驟630。填充刻蝕部分的步驟可包括形成多晶硅層的步驟640,或可包括形成隔離層及多晶硅層的步驟650。

本發(fā)明可用于制備任意的存儲器元件。舉例而言,本發(fā)明的方法可用于制備任意的非揮發(fā)性存儲器元件,例如與非門閃存元件、或非門閃存元件或邏輯元件。其中一些實施例可能不適用于屏蔽式只讀存儲器元件。

在理解本發(fā)明中上述內(nèi)容及所附附圖所呈現(xiàn)的教示及所涉及的益處之后,本發(fā)明所屬領域普通技術人員當可想到本文所闡述的本發(fā)明的許多修改與其它實施例。因此應當理解的是,本發(fā)明并非限于所揭露的特定實施例,且本發(fā)明的修改和其他實施例也應包含于所附的權利要求之內(nèi)。而且,盡管上述內(nèi)容及所附附圖在文中的示例性實施例中描述了元件及/或 功效的某些示例性組合,但是應當理解,替代實施例可在不脫離所附的權利要求之內(nèi),提供元件及/或功效的不同組合。在這方面,例如是不同于上述內(nèi)容所明確描述的元件及/或功效的不同組合,亦被認為是可包含于所附的權利要求之內(nèi)。盡管在本文中采用了特定術語進行描述,但其僅用于一般性和描述性的意義,而并非用于限制本發(fā)明的目的。

綜上所述,雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭露如上,然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術領域中普通技術人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當可作各種的更改與修飾。因此,本發(fā)明的保護范圍當視權利要求所界定者為準。

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