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存儲器柵介質(zhì)層及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了改善存儲器件的密度，業(yè)界已經(jīng)廣泛致力于研發(fā)減小二維布置的存儲器單元的尺寸的方法。隨著二維(2D)存儲器件的存儲器單元尺寸持續(xù)縮減，信號沖突和干擾會顯著增大，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)的存儲器件，通過將存儲器單元三維地布置在襯底之上來提高集成密度。
[0003]三維存儲器由于其特殊的三維結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的工藝繼承，無法使用單晶(硅)材料而只能用多晶(硅)材料作為溝道。其中，多晶(硅)材料的晶粒大小、晶粒邊界的陷阱多少成為制約溝道導(dǎo)通能力的關(guān)鍵。高的界面態(tài)使得溝道的漏電較大，同時特性隨溫度的變化影響很大。
[0004]附圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的三維存儲器。具體的，在襯底I上沉積不同介質(zhì)材料2A/2B構(gòu)成的堆疊以用作偽柵極，在多個偽柵極堆疊之間刻蝕開口填充絕緣材料形成存儲器單元之間的絕緣隔離層3。隔離層3包圍了多個有源區(qū)，刻蝕有源區(qū)內(nèi)的偽柵極堆疊形成溝道溝槽，在溝槽中沉積柵介質(zhì)4。在柵介質(zhì)4上共形沉積非晶溝道層5，例如非晶硅，并且在后續(xù)過程中通過退火工藝轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑У臏系缹印?br>[0005]做為一種電荷捕獲存儲器，柵介質(zhì)的特性是所有材料中最重要的部分，基本要求包括快的編程擦除速度以及良好的可靠性特性。因此，上述圖1所示的柵介質(zhì)層4通常至少包括三個子層，緊貼溝道層的隧穿層、隧穿層上用于存儲捕獲電荷的存儲層、以及存儲層與柵極/偽柵極之間的阻擋層。與以往其中隧穿層、存儲層、阻擋層依次沉積在單晶硅溝道層表面上的平面電荷捕獲存儲器的柵介質(zhì)制備方法不同，如圖1所示的三維存儲器由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，淀積順序的改變(溝道/隧穿層/存儲層/阻擋層變?yōu)樽钃鯇?存儲層/隧穿層/溝道)和溝道材料的變化(單晶硅變?yōu)槎嗑Ч?使得我們迫切需要尋求一種滿足以上三個基本要求的新的柵介質(zhì)制備方法。
[0006]另一方面，由于擦除操作時空穴遇到的價帶勢皇高度大于電子導(dǎo)帶勢皇高度，電荷存儲器一般采用ONO三明治結(jié)構(gòu)作為隧穿層。中間的氮氧化硅可以有效的降低擦除時空穴隧穿遇到的勢皇，極大的增強空穴隧穿幾率，加快擦除速度。
[0007]因此，依照圖1結(jié)構(gòu)的一種現(xiàn)有技術(shù)的柵極介質(zhì)層4的制備方法具體如圖2A至圖2E所示(對應(yīng)于圖1中虛線框所示，為對柵介質(zhì)層4附近結(jié)構(gòu)的局部放大)。如圖2A所示，在柵極/偽柵極結(jié)構(gòu)2A/2B中形成溝道溝槽，在溝道溝槽的側(cè)面和底部、偽柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)面(以及襯底I露出溝槽的頂表面)上共形地依次沉積阻擋層4A和存儲層4B。隨后如圖2B所示，在存儲層4B (圖中側(cè)面)上沉積氧化物的第一隧穿層4C1，例如氧化硅。接著如圖2C所示，在第一隧穿層4C1上共形地沉積氮氧化物的第二隧穿層4C2，例如氮氧化硅。然后如圖2D所示，在第二隧穿層4C2上共形地沉積氧化物例如氧化硅的第三隧穿層4C3并任選地退火處理。最后如圖2E所示，在第三隧穿層4C3上共形地沉積非晶材料層并退火使其部分結(jié)晶化成為多晶材料的溝道層5，其材質(zhì)例如為多晶硅。由此，形成了可加快擦除速度的ONO結(jié)構(gòu)的隧穿層結(jié)構(gòu)。
[0008]然而，現(xiàn)有方法存在以下問題。存儲層4B和第一層隧穿層4C1之間的界面很差，容易引起額外的電荷泄漏通路。第二層隧穿層4C2的氮濃度雖然可調(diào)，但是濃度峰值的位置不能調(diào)整。第三層隧穿層4C3和多晶硅5之間的界面很差，容易引起較大的閾值分布和較差的溫度特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，提出一種三維存儲器及其制造方法，能夠有效提高柵極介質(zhì)層中存儲層與隧穿層之間的界面質(zhì)量，增加工藝靈活性，改善器件可靠性和電流特性。
[0010]為此，本發(fā)明一方面提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括步驟:在偽柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面形成阻擋層和存儲層；執(zhí)行氧化和沉積工藝，在存儲層上形成第一界面層；在第一界面層上形成連續(xù)的隧穿層；執(zhí)行退火，在隧穿層表面形成第二界面層；在第二界面層上形成多晶材料的溝道。
[0011]其中，阻擋層為選自氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或其組合的單層結(jié)構(gòu)或多層堆疊結(jié)構(gòu)；任選地，存儲層為選自SiN、Hf0x、Zr0x、Y0x或其組合的單層結(jié)構(gòu)或多層堆疊結(jié)構(gòu)。
[0012]其中，所述氧化和沉積工藝至少包括多個交替進行的氧化子工序和沉積子工序；任選地，調(diào)節(jié)前驅(qū)體、還原性氣體、氧化性氣體的濃度和時序，控制進行氧化子工序和沉積子工序。
[0013]其中，形成隧穿層的步驟中，改變氣體組分濃度和比例調(diào)整各個元素之間的比例。
[0014]其中，形成多晶材料的溝道的步驟進一步包括，在第二界面層上形成非晶材料層，執(zhí)行第二退火將非晶材料層轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Р牧系臏系馈?br>[0015]其中，隧穿層為高k材料并優(yōu)選氮氧化物；任選地，第一界面層和/或第二界面層為氧化物。
[0016]本發(fā)明另一方面提供了一種半導(dǎo)體器件，包括襯底、源漏區(qū)、溝道區(qū)、柵極介質(zhì)層和柵極導(dǎo)電層，其中，柵極介質(zhì)層包括阻擋層、存儲層、第一界面層、隧穿層、第二界面層。
[0017]其中，阻擋層為選自氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或其組合的單層結(jié)構(gòu)或多層堆疊結(jié)構(gòu)；任選地，存儲層為選自SiN、HfOx, ZrOx, YOj其組合的單層結(jié)構(gòu)或多層堆疊結(jié)構(gòu)；任選地，隧穿層為高k材料并優(yōu)選氮氧化物；任選地，第一界面層和/或第二界面層為氧化物。
[0018]其中，存儲層厚度為2?15nm;任選地，第一界面層和/或第二界面層厚度為Inm;任選地，隧穿層厚度為2?8nm。
[0019]其中，隧穿層中各元素相對比例連續(xù)可調(diào)。
[0020]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法，調(diào)整工藝步驟在柵極介質(zhì)層中存儲層與隧穿層之間增加界面層并靈活調(diào)整隧穿層氮峰值濃度和位置，能夠有效提高柵極介質(zhì)層中存儲層與隧穿層之間的界面質(zhì)量，增加工藝靈活性，改善器件可靠性和電流特性。
【附圖說明】
[0021]以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的三維存儲器件的剖視圖；
[0023]圖2A至圖2E為圖1所示器件的柵介質(zhì)層制造方法的各步驟剖視圖；
[0024]圖3A至圖3E為本發(fā)明的柵介質(zhì)層制造方法的各步驟剖視圖；以及
[0025]圖4為本發(fā)明的三維存儲器件制造方法的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0026]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了能有效地提高柵介質(zhì)子層之間界面質(zhì)量的三維存儲器制造方法。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請中所用的術(shù)語“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)蛹夑P(guān)系。
[0027]首先，如圖1所示，形成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
[0028]在襯底I上交替形成第一材料層2A與第二材料層2B的堆疊結(jié)構(gòu)2。襯底I材質(zhì)可以包括體娃(bulk Si)、體鍺(bulk Ge)、絕緣體上娃(SOI)、絕緣體上鍺(GeOI)或者是其他化合物半導(dǎo)體襯底，例如SiGe、SiC, GaN, GaAs, InP等等，以及這些物質(zhì)的組合。為了與現(xiàn)有的IC制造工藝兼容，襯底I優(yōu)選地為含硅材質(zhì)的襯底，例如S1、SO1、SiGe、S1: C等。堆疊結(jié)構(gòu)2的選自以下材料的組合并且至少包括一種絕緣介質(zhì):如氧化硅、氮化硅、非晶碳、類金剛石無定形碳(DLC)、氧化鍺、氧化鋁、等及其組合。第一材料層2A具有第一刻蝕選擇性，第二材料層2B具有第二刻蝕選擇性并且不同于第一刻蝕選擇性(例如兩種材料之間的刻蝕選擇比大于5:1并優(yōu)選大于10:1)。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中，疊層結(jié)構(gòu)2A/2B均為非導(dǎo)電材料，層2A/層2B的組合例如氧化硅與氮化硅的組合、氧化硅與(未摻雜)多晶硅或非晶硅的組合、氧化硅或氮化硅與非晶碳的組合等等。在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，層2A與層2B在濕法腐蝕條件或者在氧等離子干法刻蝕條件下具有較大的刻蝕選擇比(例如大于 5:1)。層 2A、層 2B 的沉積方法包括 PECVD、LPCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、熱氧化、蒸發(fā)、濺射等各種工藝。在本發(fā)明一個最優(yōu)實施例中，層2A為二氧化硅，層2B為氮化硅。
[0029]在陣列區(qū)域刻蝕(偽柵極)堆疊結(jié)構(gòu)2直至暴露襯底1，形成偽柵極開孔(或稱第一開孔)并在其中形成填充層3 (填充層3下方的襯底將形成未來的共源區(qū))。優(yōu)選地，采用RIE或等離子干法刻蝕各向異性刻蝕層2A/層2B的堆疊結(jié)構(gòu)2，形成露出襯底I以及襯底I上交替堆疊的層2A/層2B的側(cè)壁的開孔(未示出)。刻蝕氣體例如針對二氧化硅和氮化硅等材質(zhì)的碳氟基刻蝕氣體，并且通過增加碳氟比而在側(cè)壁形成由含C聚合物形成的臨時保護側(cè)壁，最終獲得較好的垂直側(cè)壁。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中刻蝕氣體優(yōu)選C3F6、C4F8等含C量比較高的氣體并進一步優(yōu)選通過增加氧化性氣體如O 2、CO等控制側(cè)壁形貌。平行于襯底I表面切得的孔槽的截面形狀可以為矩形、方形、菱形、圓形、半圓形、橢圓形、三角形、五邊形、五角形、六邊形、八邊形等等各種幾何形狀。填充層3沉積方法包括PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等，材質(zhì)優(yōu)選為與堆疊結(jié)構(gòu)2的層2A、層2B均具有高選擇性的材料，例如層3、層2A、層2B三者之間每兩個之間的刻蝕選擇比均大于等于5:1。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中，層2A為氧化硅，層2B為氮化硅，填充層3為非晶鍺、非晶碳、DLC氮氧化娃等，反之亦然。
[0030]接著，與刻蝕形成第一開孔的工藝類似，RIE或等離子干法刻蝕各向異性刻蝕層2A/層2B的堆疊結(jié)構(gòu)2，在第一開孔的周圍形成多個露出襯底I以及襯底I上交替堆疊的層2A/層2B的側(cè)壁的第二開孔?？涛g氣體例如針對二氧化硅和氮化硅等材質(zhì)的碳氟基刻蝕氣體，并且通過增加碳氟比而在側(cè)壁形成由含C聚合物形成的臨時保護側(cè)壁，最終獲得較好的垂直側(cè)壁。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中刻蝕氣體優(yōu)選C3F6、C4F8等含C量比較高的氣體并進一步優(yōu)選通過增加氧化性氣體如02、C0等控制側(cè)壁形貌。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中，用于暴露共源區(qū)的第一開孔的尺寸(例如直徑)要大于或等于用于形成溝道區(qū)的第二開孔尺寸，例如兩者尺寸(直徑或者多邊形的最大跨距的比值)比大于1.5并優(yōu)選大于等于2。在本發(fā)明一個實施例中，每一個第一開孔周圍具有六個第二開孔，以便于提高稍后側(cè)向刻蝕層2B的效率以及均