TWI807991B - Semiconductor device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種半導體裝置及其製作方法,且特別是有關於一種三維半導體裝置及其製作方法。 The present invention relates to a semiconductor device and its manufacturing method, and in particular to a three-dimensional semiconductor device and its manufacturing method.
近年來,半導體裝置的尺寸必須逐漸縮小。隨著半導體裝置的尺寸縮小,在製作半導體裝置的過程更容易發生製程上的失誤,製程上的失誤會影響半導體裝置的電特性,嚴重的話甚至導致晶片失效。因此,目前仍亟需改善微型化半導體裝置在製程上的失誤。 In recent years, semiconductor devices have to be gradually reduced in size. As the size of the semiconductor device shrinks, manufacturing errors are more likely to occur in the process of manufacturing the semiconductor device. The manufacturing error will affect the electrical characteristics of the semiconductor device, and even cause the chip to fail. Therefore, there is still an urgent need to improve the manufacturing process errors of miniaturized semiconductor devices.
本發明係有關於一種半導體裝置及其製作方法。由於本案半導體裝置的製作方法包括形成導電材料層,導電材料層可作為蝕刻停止層,並不會有過蝕刻的問題產生。 The invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. Since the manufacturing method of the semiconductor device in this case includes forming a conductive material layer, the conductive material layer can be used as an etching stop layer, and there is no problem of over-etching.
根據本發明之一實施例,提出一種半導體裝置。半導體裝置包括一接地層、一堆疊結構以及至少一導電柱。接地層包括一下部半導體材料層、設置於下部半導體材料層上的一回填半導體材料層及設置於回填半導體材料層上的一上部導電層。堆疊結構設置於接地層上,且堆疊結構包括沿著一第一方向交替堆疊的複數個絕緣層及複數個導電層。導電柱沿著第一方向貫穿堆疊結構並延伸至接地層 中,其中導電柱包括彼此連接的底部本體部、中間本體部、及插塞,其中底部本體部對應於接地層,中間本體部對應於堆疊結構的中間及底部部分。其中,在不同於第一方向的一第二方向上,底部本體部之重疊於上部導電層的部分具有一第一尺寸,中間本體部重疊於堆疊結構之最底層絕緣層的部分具有一第二尺寸,第一尺寸大於第二尺寸。 According to an embodiment of the present invention, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a ground layer, a stack structure and at least one conductive column. The ground layer includes a lower semiconductor material layer, a backfill semiconductor material layer disposed on the lower semiconductor material layer, and an upper conductive layer disposed on the backfill semiconductor material layer. The stack structure is disposed on the ground layer, and the stack structure includes a plurality of insulating layers and a plurality of conductive layers alternately stacked along a first direction. The conductive column penetrates the stack structure along the first direction and extends to the ground layer , wherein the conductive post includes a bottom body part, a middle body part, and a plug connected to each other, wherein the bottom body part corresponds to the ground layer, and the middle body part corresponds to the middle and bottom parts of the stacked structure. Wherein, in a second direction different from the first direction, the portion of the bottom body portion overlapping the upper conductive layer has a first size, the portion of the middle body portion overlapping the bottommost insulating layer of the stack structure has a second size, and the first size is greater than the second size.
根據本發明之另一實施例,提出一種半導體裝置。半導體裝置包括一接地層以及一堆疊結構。接地層包括一下部半導體材料層、設置於下部半導體材料層上的一回填半導體材料層及設置於回填半導體材料層上的一上部導電層。堆疊結構設置於接地層上,且堆疊結構包括沿著一第一方向交替堆疊的複數個絕緣層及複數個導電層。其中,上部導電層包括一導電材料層,且導電材料層的材料包括金屬材料。 According to another embodiment of the present invention, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a ground layer and a stack structure. The ground layer includes a lower semiconductor material layer, a backfill semiconductor material layer disposed on the lower semiconductor material layer, and an upper conductive layer disposed on the backfill semiconductor material layer. The stack structure is disposed on the ground layer, and the stack structure includes a plurality of insulating layers and a plurality of conductive layers alternately stacked along a first direction. Wherein, the upper conductive layer includes a conductive material layer, and the material of the conductive material layer includes metal material.
根據本發明之又一實施例,提出一種半導體裝置的製作方法。方法包括下列步驟:提供一多層結構於一電路板上,多層結構包括沿著一第一方向由下往上依序堆疊於電路板上的一下部半導體材料層、一第一層間絕緣層、一中間半導體材料層、一第二層間絕緣層及一上部導電層;在上部導電層中形成一導電材料層,其中導電材料層包括金屬材料;在上部導電層上形成一層疊體,層疊體包括交替堆疊的複數個絕緣層及複數個犧牲層;以及在層疊體中形成至少一溝槽,其中溝槽沿著第一方向向下延伸,貫穿層疊體並停止於導電材料層。 According to yet another embodiment of the present invention, a method for fabricating a semiconductor device is provided. The method comprises the following steps: providing a multilayer structure on a circuit board, the multilayer structure comprising a lower semiconductor material layer, a first interlayer insulating layer, an intermediate semiconductor material layer, a second interlayer insulating layer and an upper conductive layer stacked on the circuit board from bottom to top along a first direction; forming a conductive material layer in the upper conductive layer, wherein the conductive material layer includes a metal material; At least one trench is formed in the center, wherein the trench extends downward along the first direction, penetrates the laminated body and stops at the conductive material layer.
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉實施例,並配合所附圖式詳細說明如下: In order to have a better understanding of the above-mentioned and other aspects of the present invention, the following specific examples are given in detail with the accompanying drawings as follows:
10,30:半導體裝置 10,30: Semiconductor device
110:電路板 110: circuit board
120,320:接地層 120,320: ground plane
120’,320’:多層結構 120', 320': multi-layer structure
121:下部半導體材料層 121: lower semiconductor material layer
123:第一層間絕緣層 123: The first interlayer insulating layer
124:回填半導體材料層 124: Backfilling the semiconductor material layer
125:中間半導體材料層 125: intermediate semiconductor material layer
127:第二層間絕緣層 127: The second interlayer insulating layer
129,329:上部導電層 129,329: upper conductive layer
130:堆疊結構 130:Stack structure
130’:層疊體 130': laminated body
131:絕緣層 131: insulation layer
133:犧牲層 133: sacrificial layer
134:導電層 134: conductive layer
134r:凹室 134r: alcove
140:垂直開口 140: vertical opening
141:記憶膜 141: memory film
141E:頂部移除部分 141E: Top removal part
143:通道膜 143: channel membrane
145:絕緣柱 145: Insulation column
147:接墊 147: Pad
149:通道結構 149: Channel structure
149b:下通道端部 149b: end of lower channel
151,153,155:絕緣膜 151, 153, 155: insulating film
157:間隔結構 157:Interval structure
161,361:保護層 161,361: protective layer
163,363:隔離材料層 163,363: layers of isolation material
171,371:本體阻障層 171,371: bulk barrier layer
173,373:下部導電層 173,373: lower conductive layer
175,375:上部阻障層 175,375: upper barrier layer
177,377:上部導體 177,377: Upper conductor
179,379:導電柱 179,379: conductive pillar
179A,379A:底部本體部 179A, 379A: Bottom body part
179B,379B:中間本體部 179B, 379B: middle body part
179C,379C:插塞 179C, 379C: plug
210:槽口 210: notch
220,420:導電材料層 220,420: layer of conductive material
230,430:溝槽 230,430: Groove
250:缺口 250: Gap
270,470:狹縫 270,470: Slits
272,472:延伸開口 272,472: Extended opening
274:空間 274: space
411:孔洞 411: hole
422:絕緣材料層 422: insulating material layer
F1:第一表面 F1: first surface
F2:第二表面 F2: second surface
H1,H2:高度 H1, H2: Height
S1:第一尺寸 S1: first size
S2:第二尺寸 S2: second size
S3:第三尺寸 S3: third size
S4,S5:最大尺寸 S4, S5: Maximum size
W1,W2:寬度 W1, W2: width
α:夾角 α: included angle
第1至16圖繪示依照本發明一實施例的半導體裝置的製作方法的剖面圖;及第17至32圖繪示依照本發明另一實施例的半導體裝置的製作方法的剖面圖。 1 to 16 are cross-sectional views of a manufacturing method of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention; and FIGS. 17 to 32 are cross-sectional views of a manufacturing method of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
以下係提出相關實施例,配合圖式以詳細說明本發明所提出之半導體結構及其製造方法。然而,本發明並不以此為限。實施例中之敘述,例如細部結構、製造方法之步驟和材料應用等,僅為舉例說明之用,本發明欲保護之範圍並非僅限於所述態樣。 The relevant embodiments are provided below, and the semiconductor structure and its manufacturing method proposed by the present invention are described in detail in conjunction with the drawings. However, the present invention is not limited thereto. The descriptions in the embodiments, such as the detailed structure, steps of the manufacturing method and application of materials, etc., are for illustration purposes only, and the protection scope of the present invention is not limited to the above-mentioned aspects.
同時,須注意的是,本發明並非顯示出所有可能的實施例。相關技術領域者當可在不脫離本發明之精神和範圍之前提下,對實施例之結構和製造方法加以變化與修飾,以符合實際應用所需。因此,未於本發明提出的其他實施態樣也可能可以應用。再者,圖式係簡化以利清楚說明實施例之內容,圖式上的尺寸比例並非按照實際產品等比例繪製。圖式中相同或相似的元件符號用以代表相同或相似的元件。可以理解的是,一個實施例的元件和特徵可以有益地結合於另一個實施例中,而無需進一步敘述。 At the same time, it should be noted that not all possible embodiments of the present invention are shown. Those skilled in the art may change and modify the structures and manufacturing methods of the embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention, so as to meet the needs of practical applications. Therefore, other implementation aspects not proposed in the present invention may also be applicable. Furthermore, the drawings are simplified to clearly illustrate the content of the embodiments, and the size ratios in the drawings are not drawn according to the proportion of the actual product. In the drawings, the same or similar element symbols are used to represent the same or similar elements. It is contemplated that elements and features of one embodiment may be beneficially incorporated in another embodiment without further recitation.
再者,說明書與申請專利範圍中所使用的序數例如「第一」、「第二」、「第三」等用詞是為了修飾元件,其本身並不意含 及代表該元件有任何之前的序數,也不代表某一元件與另一元件的順序、或是製造方法上的順序,該些序數的使用,僅是用來使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚區分。 Furthermore, ordinal numbers such as "first", "second", and "third" used in the specification and claims are intended to modify elements and do not imply And it means that the element has any previous ordinal number, nor does it represent the order of one element with another element, or the order in the manufacturing method. The use of these ordinal numbers is only used to clearly distinguish an element with a certain name from another element with the same name.
依照本發明之實施例的半導體裝置可應用於多種不同的三維(three-dimensional,3D)堆疊半導體結構。例如,實施例可應用於三維垂直通道(vertical channel,VC)反及閘(NAND)記憶裝置、或其它種類記憶裝置。 The semiconductor device according to the embodiments of the present invention can be applied to various three-dimensional (3D) stacked semiconductor structures. For example, the embodiments can be applied to three-dimensional vertical channel (VC) NAND memory devices, or other types of memory devices.
第1至16圖繪示依照本發明一實施例的半導體裝置10的製作方法的剖面圖。
1 to 16 are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a
請參照第1圖。提供多層結構120’於電路板110上。多層結構120’包括沿著Z方向(例如第一方向)由下往上依序堆疊於電路板110上的下部半導體材料層121、第一層間絕緣層123、中間半導體材料層125、第二層間絕緣層127及上部導電層129。
Please refer to Figure 1. A multilayer structure 120' is provided on the
在一實施例中,下部半導體材料層121、中間半導體材料層125與上部導電層129可包含摻雜的(doped)或未摻雜的(undoped)半導體材料,例如摻雜的或未摻雜的多晶矽(polysilicon)。第一層間絕緣層123與第二層間絕緣層127可包含絕緣材料,絕緣材料包括氧化物,例如氧化矽(silicon oxide)。在一實施例中,可藉由依序沉積下部半導體材料層121、第一層間絕緣層123、中間半導體材料層125、第二層間絕緣層127與上部導電層129以在電路板110上形成多層結構120’,例如是藉由化學氣相沉積處理(chemical vapor deposition,CVD)。
In one embodiment, the lower
請參照第2圖。在形成多層結構120’之後,移除一部分的上部導電層129以形成暴露第二層間絕緣層127的槽口(groove)210。例如,可藉由微影製程於預定位置蝕刻一部分的上部導電層129。所述預定位置在Z方向上重疊於欲形成溝槽230(trench)(繪示於第5圖中)的位置,且槽口210在Y方向(例如第二方向)上的寬度可大於溝槽230(繪示於第5圖中)在Y方向上的寬度,其中溝槽230(繪示於第5圖中)係用於形成導電柱179(繪示於第16圖中)。槽口210可沿著X方向(例如第三方向)延伸。
Please refer to Figure 2. After forming the multi-layer structure 120', a portion of the upper
請參照第3圖。在槽口210中填入導電材料,以形成位於槽口210中的導電材料層220。換言之,可在上部導電層129中形成導電材料層220。依據一實施例,可將導電材料沉積於槽口210中,此後進行化學機械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization,CMP),使得導電材料層220的頂面與上部導電層129的頂面可共平面。在一些實施例中,導電材料層220的材料包括金屬材料,例如是鎢。
Please refer to Figure 3. A conductive material is filled in the
請參照第4圖。在上部導電層129及導電材料層220上形成一層疊體130’,此後形成沿著Z方向穿過層疊體130’及部分多層結構120’的複數個通道結構149。層疊體130’包括交替堆疊的複數個絕緣層131及犧牲層133,其中層疊體130’的最底層及最頂層可為絕緣層131。通道結構149的下通道端部149b可位於下部半導體材料層121中。各個通道結構149可包含記憶膜141、通道膜143、絕緣柱145與接墊147。
Please refer to Figure 4. A laminated body 130' is formed on the upper
記憶膜141可包含記憶體技術領域中已知的多層結構(multilayer structure),例如ONO(氧化物-氮化物-氧化物)結構、
ONONO(氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物)結構、ONONONO(氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物)結構、SONOS(矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構、BE-SONOS(能隙工程矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構、TANOS(氮化鉭-氧化鋁-氮化矽-氧化矽-矽)結構、MA BE-SONOS(金屬-高介電常數材料能帶隙矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構及其組合。
The
通道膜143可包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的多晶矽或未摻雜的多晶矽。絕緣柱145可包含介電材料,介電材料包含氧化物(例如氧化矽)。接墊147可包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的多晶矽或未摻雜的多晶矽。
The
根據一些實施例,可在上部導電層129及導電材料層220上交替沉積複數個絕緣層131及複數個犧牲層133,以形成層疊體130’。此後,藉由圖案化(pattern)製程以在層疊體130’中形成複數個垂直開口140。例如,可藉由微影製程(photolithography process)以圖案化層疊體130’。垂直開口140可沿著Z方向貫穿過層疊體130’、上部導電層129、第二層間絕緣層127、中間半導體材料層125與第一層間絕緣層123,並停止於下部半導體材料層121,亦即是暴露下部半導體材料層121。接著,在各個垂直開口140中依序沉積記憶膜141、通道膜143、絕緣柱145與接墊147,以形成通道結構149。絕緣層131可包括氧化物,例如是氧化矽。犧牲層133可包括氮化物,例如是氮化矽。
According to some embodiments, a plurality of insulating
請參照第5圖。對層疊體130’進行圖案化製程以在層疊體130’中形成至少一溝槽230。舉例而言,可藉由微影製程以圖案化層疊體130’。溝槽230可沿著Z方向向下延伸,貫穿層疊體130’並停止於導電材料層220。導電材料層220可作為蝕刻停止層。溝槽230使層疊體130’和導電材料層220暴露(同時也作為溝槽230之側壁)。在一實施例中,可透過一蝕刻製程(例如是深蝕刻)形成溝槽230。由於蝕刻製程對於層疊體130’的材料和導電材料層220的材料之間具有高度的選擇性,故可確保蝕刻製程停止於導電材料層220,並不會有過蝕刻的問題產生。
Please refer to Figure 5. A patterning process is performed on the stack 130' to form at least one
雖然本案圖式未繪示出,應理解的是,由於溝槽230具有高深寬比,溝槽230在Y方向上的寬度是由上向下遞減。
Although not shown in the drawings, it should be understood that since the
請參照第6圖。移除導電材料層220並暴露上部導電層129及第二層間絕緣層127(即再次暴露槽口210),使得溝槽230與槽口210彼此連通。如第6圖所示,溝槽230與槽口210在Z方向上彼此重疊,且槽口210在Y方向(例如第二方向)上的寬度W1可大於溝槽230在Y方向上的寬度W2,槽口210在Z方向(例如第一方向)上的深度小於溝槽230在Z方向上的深度。
Please refer to Figure 6. The
在一比較例中,可透過兩次蝕刻步驟來形成暴露上部導電層及第二層間絕緣層的溝槽,並沒有在形成溝槽之前先形成槽口及填入槽口中的導電材料層。相較於沒有導電材料層做為蝕刻停止層的比較例而言,由於本案的實施例係形成導電材料層220作為蝕刻停止層,用於形成溝槽230的蝕刻製程可安全地停止於導電
材料層220,亦即可精準地控制溝槽230的深度,並不會有過蝕刻的問題,故在後續形成導電柱(例如共同源極線)的製程中不易因過蝕刻及導電材料無法填滿用於形成導電柱的溝槽而生成孔隙,能夠避免導電材料透過孔隙使得導電柱與通道結構發生短路的情況,因此所形成的半導體裝置10可具有較佳的電特性。
In a comparative example, the trench exposing the upper conductive layer and the second interlayer insulating layer can be formed through two etching steps, and the notch and the conductive material layer filled in the notch are not formed before the trench is formed. Compared with the comparative example without the conductive material layer as the etch stop layer, since the embodiment of the case forms the
請參照第7圖。在第6圖所示之溝槽230的側壁、槽口210的側壁上形成間隔結構(spacer structure)157,間隔結構157可包括絕緣膜151、絕緣膜153與絕緣膜155。舉例來說,可藉由沉積處理使絕緣膜151形成於層疊體130’的上表面上且襯裡式地形成於溝槽230及槽口210中,再藉由蝕刻步驟移除槽口210底部上的部分絕緣膜151;接著,可藉由沉積處理使絕緣膜153形成於絕緣膜151上,再藉由蝕刻步驟移除槽口210底部上的部分絕緣膜153;然後,可藉由沉積處理使絕緣膜155形成於絕緣膜153上,再藉由蝕刻步驟移除槽口210底部上的部分絕緣膜155,此時,槽口210的底部可使部分的第二層間絕緣層127暴露。接著,可進行化學機械平坦化移除層疊體130’的上表面上的絕緣膜151、絕緣膜153與絕緣膜155。絕緣膜151可包含絕緣材料,絕緣材料包括氮化物,例如氮化矽。絕緣膜153可包含絕緣材料,絕緣材料包括氧化物,例如氧化矽。絕緣膜155可包含絕緣材料,絕緣材料包括氮化物,例如氮化矽。
Please refer to Figure 7. A
如第7圖所示,在形成間隔結構157之後進行蝕刻步驟。蝕刻步驟停止於中間半導體材料層125,以形成貫穿第二層
間絕緣層127並暴露中間半導體材料層125的缺口(notch)250。缺口250在Y方向上的寬度小於溝槽230及槽口210在Y方向上的寬度。溝槽230、槽口210與缺口250彼此連通。
As shown in FIG. 7, an etching step is performed after the
請參照第8圖。可進行蝕刻步驟以透過溝槽230、槽口210與缺口250移除中間半導體材料層125,從而形成狹縫270。狹縫270在第一層間絕緣層123與第二層間絕緣層127之間。此蝕刻步驟可實質上移除中間半導體材料層125,而不會移除第一層間絕緣層123下方的下部半導體材料層121與第二層間絕緣層127上方的上部導電層129。狹縫270使通道結構149的部分側壁暴露。具體而言,狹縫270使通道結構149的記憶膜141的部分側壁暴露。
Please refer to Figure 8. An etching step may be performed to remove the intermediate
請參照第9圖。可進行一或更多的蝕刻步驟以移除通道結構149之記憶膜141之一部分、第一層間絕緣層123、第二層間絕緣層127、部分的絕緣膜(即絕緣膜153與絕緣膜155)。在一實施例中,溝槽230之側壁及槽口210之側壁上的絕緣膜151可被保留。經蝕刻步驟所移除的各個記憶膜141包括一頂部移除部分141E,頂部移除部分141E連接於記憶膜141之對應於上部導電層129的底面。
Please refer to Figure 9. One or more etching steps may be performed to remove a part of the
請參照第10圖。可藉由沉積處理以在下部半導體材料層121與上部導電層129之間形成回填半導體材料層124。例如,可藉由沉積處理將半導體材料沉積於狹縫270之中,此後利用一回蝕製程移除部分的回填半導體材料層124以形成延伸開口
272,延伸開口272暴露回填半導體材料層124。溝槽230、槽口210與延伸開口272可彼此連通。在一實施例中,回填半導體材料層124可連接或接觸記憶膜141、通道膜143、下部半導體材料層121與上部導電層129。在一實施例中,回填半導體材料層124可包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的或未摻雜的多晶矽。下部半導體材料層121、回填半導體材料層124與上部導電層129可形成接地層120。接地層120可包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的或未摻雜的多晶矽。下部半導體材料層121、回填半導體材料層124與上部導電層129的摻雜濃度可彼此不同,然本發明並不限於此。
Please refer to Figure 10. A backfill
請參照第11圖。可進行蝕刻步驟以移除剩餘的絕緣膜151,並在槽口210及延伸開口272的側壁上及延伸開口272的底部上形成保護層161。保護層161可覆蓋被槽口210及延伸開口272暴露之接地層120。在一實施例中,保護層161可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽。舉例而言,可藉由氧化製程將接地層120之由槽口210及延伸開口272所暴露出之表面氧化為保護層161。
Please refer to Figure 11. An etching step may be performed to remove the remaining insulating
請參照第12圖。可透過溝槽230進行蝕刻步驟以移除層疊體130’之犧牲層133,形成絕緣層131之間的多個空間274。在此蝕刻步驟中,保護層161可保護接地層120,以避免接地層120在蝕刻步驟中被移除。在一實施例中,蝕刻步驟可包含溼式
蝕刻方式,例如使用熱磷酸(phosphoric acid;H3PO4)或其他合適的化學物。
Please refer to Figure 12. An etching step may be performed through the
請參照第13圖。以導電材料填充多個空間274,形成在多個絕緣層131之間的多個導電層134。例如,將導電材料沉積於多個空間274中,此後進行回蝕製程將鄰接於溝槽230的每個導電層134移除一小部分,以形成介於絕緣層131與導電層134之間的多個凹室134r。溝槽230與凹室134r彼此連通。交替堆疊的絕緣層131與導電層134可共同形成堆疊結構130。
Please refer to Figure 13. Fill the plurality of
在一實施例中,包含於第12至13圖之步驟可被理解為閘極取代(gate replacement)製程。在一實施例中,導電層134可包含導電材料,例如鎢(tungsten,W)。
In one embodiment, the steps included in FIGS. 12-13 can be understood as a gate replacement process. In one embodiment, the
請參照第14圖。可藉由沉積處理以形成隔離材料層163填充於凹室134r中,並襯裡式地形成於溝槽230、槽口210及延伸開口272中,此後可進行蝕刻步驟以移除延伸開口272底部的部分的隔離材料層163和保護層161,並暴露出接地層120。藉此,可形成覆蓋溝槽230、槽口210及延伸開口272的側壁的隔離材料層163。亦即,隔離材料層163可覆蓋堆疊結構130之導電層131與絕緣層134之暴露的側壁,且覆蓋保護層161。在一實施例中,隔離材料層163可包含氧化物,例如低溫氧化物(low temperature oxide,LTO)。
Please refer to Figure 14. The
在形成隔離材料層163之後,形成導電柱179於隔離材料層163與接地層120之間,如第15~16圖所示。第15~16
圖繪示根據本發明一實施例的導電柱179的形成方法,然本發明並不限於此。
After forming the
請參照第15圖。在形成隔離材料層163之後,可藉由沉積處理以使本體阻障層171襯裡式地形成於堆疊結構130上及溝槽230、槽口210及延伸開口272中。本體阻障層171可直接接觸於接地層120。
Please refer to Figure 15. After the
請參照第16圖。可移除堆疊結構130上多餘的本體阻障層171,並形成下部導電層173於溝槽230、槽口210及延伸開口272中,此後移除位於溝槽230之上部中的部分隔離材料層163、本體阻障層171、下部導電層173以形成一上部開口(未繪示),於上部開口中形成包括上部阻障層175及上部導體177的插塞179C。插塞179C之下的本體阻障層171及下部導電層173形成中間本體部179B及底部本體部179A。亦即,中間本體部179B及底部本體部179A包括本體阻障層171及下部導電層173。如此一來,即形成包括底部本體部179A、中間本體部179B、及插塞179C的導電柱179。
Please refer to Figure 16. The excess
本體阻障層171及上部阻障層175可防止異質原子藉由擴散行為進入元件中。在一實施例中,本體阻障層171及上部阻障層175的材料可各自獨立地為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其他合適的阻障材料。
The
在本實施例中,上部導體177的材料不同於下部導電層173的材料,上部導體177的材料可包含金屬材料,例如鎢;
下部導電層173的材料可包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的或未摻雜的多晶矽。在另一實施例中,上部導體177和下部導電層173可皆包含金屬材料,例如鎢。在其他實施例中,上部導體177和下部導電層173可皆包含摻雜的或未摻雜的半導體材料,例如摻雜的或未摻雜的多晶矽,且上部導體177和隔離材料層163之間以及下部導電層173和隔離材料層163之間不存在上部阻障層175及本體阻障層171,亦即上部導體177和下部導電層173可直接接觸於隔離材料層163。
In this embodiment, the material of the
如第16圖所示,半導體裝置10包括一電路板110、一接地層120、一堆疊結構130、複數個通道結構149、一隔離材料層163及至少一導電柱179。接地層120設置於電路板110上,堆疊結構130設置於接地層120上。
As shown in FIG. 16 , the
堆疊結構130包括沿著Z方向(例如第一方向)交替堆疊於接地層120上的複數個絕緣層131及複數個導電層134。通道結構149沿著Z方向(例如第一方向)貫穿堆疊結構130並延伸至接地層120中,更切確地說,接地層120包括沿著Z方向依序堆疊於電路板110上的下部半導體材料層121、回填半導體材料層124及上部導電層129,通道結構149的下通道端部149b可延伸至下部半導體材料層121中。
The
每個通道結構149可包含記憶膜141、通道膜143、絕緣柱145與接墊147,通道膜143環繞絕緣柱145,記憶膜141環繞通道膜143,接墊147設置於通道膜143與絕緣柱145上,各元件的
材料如上所述。部分的通道膜143由記憶膜141暴露出,使得接地層120直接接觸於通道膜143與記憶膜141。
Each
導電柱179沿著Z方向(例如第一方向)貫穿堆疊結構130並延伸至接地層120中。導電柱179包括彼此連接的底部本體部179A、中間本體部179B、及插塞179C,中間本體部179B設置於底部本體部179A及插塞179C之間。亦即,中間本體部179B設置於底部本體部179A之上,插塞179C設置於中間本體部179B之上。
The conductive pillar 179 penetrates the
底部本體部179A對應於接地層120,例如,底部本體部179A延伸至接地層120中,在Y方向上(例如第二方向),底部本體部179A重疊於接地層120。中間本體部179B對應於堆疊結構130的中間及底部部分;插塞179C對應於堆疊結構130的頂部部分。例如,在Y方向上,中間本體部179B重疊於堆疊結構130的中間及底部部分,插塞179C重疊於堆疊結構130的頂部部分。導電柱179例如是做為共同源極線(common source line,CSL),電性接觸於接地層120。
The
根據一實施例,導電柱179的外側壁在鄰近於堆疊結構130之最底層絕緣層131的部分具有轉角外觀(kink profile),即在Y方向上的尺寸有所變化。舉例而言,導電柱179的外側壁在對應於底部本體部179A且鄰接於轉角外觀的部分具有一第一表面F1,導電柱179的外側壁在對應於中間本體部179B且鄰接於轉角外觀的部分具有一第二表面F2,第一表面F1與第二表面
F2之間的夾角α可趨近於90度,例如是70~90度。由於溝槽230具有高深寬比,故形成於溝槽230中的中間本體部179B(在Y方向上重疊於堆疊結構130)在Y方向上的寬度是由上往下遞減。進一步而言,在Y方向上,底部本體部179A之重疊於接地層120的上部導電層129的部分具有一第一尺寸S1,中間本體部179B重疊於堆疊結構130之最底層絕緣層131的部分具有一第二尺寸S2,中間本體部179B重疊於堆疊結構130之最底層絕緣層131之上的部分具有一第三尺寸S3,第一尺寸S1大於第二尺寸S2及第三尺寸S3,且第三尺寸S3大於第二尺寸S2,例如是滿足”S1>S3>S2”的關係式。在接地層120中,回填半導體材料層124填充於記憶膜141的頂部移除部分141E。與頂部移除部分141E對應的底部本體部179A亦可具有第一尺寸S1。換言之,在Y方向上,底部本體部179A之重疊於回填半導體材料層124之頂部突起部(即回填半導體材料層124填充於頂部移除部分141E中所形成的頂部突起部)的部分亦可具有第一尺寸S1。根據一實施例,在Z方向(例如第一方向)上,堆疊結構130之最底層絕緣層131的一底面與上部導電層129的一底面之間具有一高度H1,高度H1大於0奈米且小於或等於60奈米(0nm<H160nm),例如20~60奈米、25~55奈米或其他合適的範圍。在一些實施例中,下部半導體材料層121的厚度大於回填半導體材料層124的厚度及上部導電層129的厚度。
According to an embodiment, the outer sidewall of the conductive pillar 179 has a kink profile at a portion adjacent to the bottommost insulating
根據一實施例,隔離材料層163設置於導電柱179與堆疊結構130之間以及導電柱179與接地層120之間。在Y方向上,隔離材料層163之重疊於接地層120的上部導電層129的部分的最大尺寸S4大於隔離材料層163之重疊於堆疊結構130之部分(例如是導電層134之間的部分)的最大尺寸S5。
According to an embodiment, the
第17至32圖繪示依照本發明另一實施例的半導體裝置30的製作方法的剖面圖。
17 to 32 are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a
半導體裝置30的製作方法與半導體裝置10的製作方法之間的主要差異在於上部導電層129置換為上部導電層329,上部導電層329包括導電材料層420。半導體裝置30及其製作方法係部份類似或相同於半導體裝置10及其製作方法,類似或相同的元件是標示為類似或相同的元件符號,且具有類似或相同的位置、形成方式、結構、材料或功能,重複的內容將不再詳細描述。
The main difference between the fabrication method of the
請參照第17圖。提供多層結構320’於電路板110上。多層結構320’包括沿著Z方向(例如第一方向)由下往上依序堆疊於電路板110上的下部半導體材料層121、第一層間絕緣層123、中間半導體材料層125、第二層間絕緣層127及上部導電層329。上部導電層329包括導電材料層420及絕緣材料層422。也可以說是在上部導電層329中形成一導電材料層420。在一些實施例中,導電材料層420的材料包括金屬材料,例如是鎢。絕緣材料層422可包含絕緣材料,絕緣材料包括氧化物,例如氧化矽(silicon oxide)。
Please refer to Figure 17. A multilayer structure 320' is provided on the
在一實施例中,可藉由依序沉積下部半導體材料層121、第一層間絕緣層123、中間半導體材料層125、第二層間絕緣層127、導電材料層420及絕緣材料層422以在電路板110上形成多層結構320’,例如是藉由化學氣相沉積處理(chemical vapor deposition,CVD)。
In one embodiment, the multilayer structure 320' can be formed on the
請參照第18圖。在形成多層結構320’之後,移除部分的上部導電層329以形成暴露中間半導體材料層125的孔洞411。例如,可藉由微影製程於預定位置蝕刻一部分的上部導電層329。所述預定位置在Z方向上重疊於欲形成通道結構149(繪示於第20圖中)的位置。
Please refer to Figure 18. After forming the multilayer structure 320', a portion of the upper
請參照第19圖。可藉由沉積處理在孔洞411中填入絕緣材料。此後,可進行化學機械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization,CMP)。
Please refer to Figure 19. The insulating material may be filled in the
請參照第20圖。在上部導電層329上形成一層疊體130’,此後形成沿著Z方向穿過層疊體130’及部分多層結構120’的複數個通道結構149。層疊體130’包括交替堆疊的複數個絕緣層131及犧牲層133,其中層疊體130’的最底層及最頂層可為絕緣層131。通道結構149的下通道端部149b可位於下部半導體材料層121中。各個通道結構149可包含記憶膜141、通道膜143、絕緣柱145與接墊147。
Please refer to Figure 20. A stack 130' is formed on the upper
請參照第21圖。對層疊體130’進行圖案化製程以在層疊體130’中形成至少一溝槽430。舉例而言,可藉由微影製程以圖案化層疊體130’。溝槽430可沿著Z方向向下延伸,貫穿層疊體130’並停止於導電材料層420。導電材料層420可作為蝕刻
停止層。溝槽430使層疊體130’、導電材料層420和絕緣材料層422暴露(層疊體130’、導電材料層420和絕緣材料層422同時也作為溝槽430之側壁)。在一實施例中,可透過一蝕刻製程(例如是深蝕刻)形成溝槽430。由於蝕刻製程對於層疊體130’的材料和導電材料層420的材料之間具有高度的選擇性,故可確保蝕刻製程停止於導電材料層420,並不會有過蝕刻的問題產生。
Please refer to Figure 21. A patterning process is performed on the stack 130' to form at least one
請參照第22圖。可藉由蝕刻步驟移除部分導電材料層420並暴露第二層間絕緣層127,使得溝槽430的深度延長。
Please refer to Figure 22. Part of the
請參照第23圖。在第22圖所示之溝槽430的側壁上形成間隔結構(spacer structure)157,間隔結構157可包括絕緣膜151、絕緣膜153與絕緣膜155。在形成間隔結構157之後進行蝕刻步驟。蝕刻步驟停止於中間半導體材料層125,並暴露中間半導體材料層125。
Please refer to Figure 23. A
請參照第24圖。可進行蝕刻步驟以透過溝槽430移除中間半導體材料層125,從而形成狹縫470。狹縫470在第一層間絕緣層123與第二層間絕緣層127之間。狹縫470使通道結構149的部分側壁暴露。具體而言,狹縫470使通道結構149的記憶膜141的部分側壁暴露。
Please refer to Figure 24. An etching step may be performed to remove the intermediate
請參照第25圖。可進行一或更多的蝕刻步驟以移除通道結構149之記憶膜141之一部分、第一層間絕緣層123、第二層間絕緣層127、部分的絕緣膜(即絕緣膜153與絕緣膜155)。在一實施例中,溝槽430之側壁上的絕緣膜151可被保留。
Please refer to Figure 25. One or more etching steps may be performed to remove a part of the
請參照第26圖。可藉由沉積處理以在下部半導體材料層121與上部導電層329之間形成回填半導體材料層124。例如,可藉由沉積處理將半導體材料沉積於狹縫470之中,此後利用一回蝕製程移除部分的回填半導體材料層124以形成延伸開口472,延伸開口472暴露回填半導體材料層124。溝槽430與延伸開口472可彼此連通。在一實施例中,回填半導體材料層124可連接或接觸記憶膜141、通道膜143、下部半導體材料層121與上部導電層329。下部半導體材料層121、回填半導體材料層124與上部導電層329可形成接地層320。
Please refer to Figure 26. A backfill
請參照第27圖。可進行蝕刻步驟以移除剩餘的絕緣膜151,並在延伸開口472的側壁及底部上形成保護層361。保護層361可覆蓋被延伸開口472暴露之接地層320。在一實施例中,保護層361可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽。舉例而言,可藉由氧化製程將接地層320之由延伸開口472所暴露出之表面氧化為保護層361。
Please refer to Figure 27. An etching step may be performed to remove the remaining insulating
請參照第28圖。可透過溝槽430進行蝕刻步驟以移除層疊體130’之犧牲層133,形成絕緣層131之間的多個空間274。在此蝕刻步驟中,保護層361可保護接地層320,以避免接地層320在蝕刻步驟中被移除。在一實施例中,蝕刻步驟可包含溼式蝕刻方式,例如使用熱磷酸(phosphoric acid;H3PO4)或其他合適的化學物。
Please refer to Figure 28. An etching step may be performed through the
請參照第29圖。以導電材料填充多個空間274,形
成在多個絕緣層131之間的多個導電層134。例如,將導電材料沉積於多個空間274中,此後進行回蝕製程將鄰接於溝槽430的每個導電層134移除一小部分,亦將鄰接於溝槽430的導電材料層420移除一小部分,以形成介於絕緣層131與導電層134之間以及絕緣材料層422與導電材料層420之間的多個凹室134r。溝槽430與凹室134r彼此連通。交替堆疊的絕緣層131與導電層134可共同形成堆疊結構130。
Please refer to Figure 29. Fill the plurality of
請參照第30圖。可藉由沉積處理以形成隔離材料層363填充於凹室134r中,並襯裡式地形成於溝槽430及延伸開口472中,此後可進行蝕刻步驟以移除延伸開口472底部的部分的隔離材料層363和保護層361,並暴露出接地層320。藉此,可形成覆蓋溝槽430及延伸開口472的側壁的隔離材料層363。亦即,隔離材料層363可覆蓋堆疊結構130之導電層131與絕緣層134之暴露的側壁,且覆蓋保護層361。在一實施例中,隔離材料層363可包含氧化物,例如低溫氧化物(low temperature oxide;LTO)。
Please refer to Figure 30. The
請參照第31圖。在形成隔離材料層363之後,可藉由沉積處理以使本體阻障層371襯裡式地形成於堆疊結構130上及溝槽430及延伸開口472中。本體阻障層371可直接接觸於接地層320。
Please refer to Figure 31. After the
請參照第32圖。可移除堆疊結構130上多餘的本體阻障層371,並形成下部導電層373於溝槽430及延伸開口472中,此後移除位於溝槽430之上部中的部分隔離材料層363、本
體阻障層371、下部導電層373以形成一上部開口(未繪示),於上部開口中形成包括上部阻障層375及上部導體377的插塞379C。插塞379C之下的本體阻障層371及下部導電層373形成中間本體部379B及底部本體部379A。亦即,中間本體部379B及底部本體部379A包括本體阻障層371及下部導電層373。如此一來,即形成包括底部本體部379A、中間本體部379B、及插塞379C的導電柱379。
Please refer to Figure 32. The excess
在一實施例中,本體阻障層371及上部阻障層375的材料可各自獨立地為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其他合適的阻障材料。在本實施例中,導電柱379的形成方法是相同或類似於導電柱179的形成方法,應理解的是,導電柱379可應用於本案的上述實施例或其他實施例。
In one embodiment, the material of the
如第32圖所示,半導體裝置30包括一電路板110、一接地層320、一堆疊結構130、複數個通道結構149、一隔離材料層363及至少一導電柱379。接地層320設置於電路板110上,堆疊結構130設置於接地層320上。
As shown in FIG. 32 , the
接地層320包括一下部半導體材料層121、設置於下部半導體材料層121上的一回填半導體材料層124、及設置於回填半導體材料層121上的一上部導電層329。上部導電層329可為複合層,例如上部導電層329包括導電材料層420和絕緣材料層422。導電材料層420的材料包括金屬材料,例如是鎢。
The
堆疊結構130包括沿著Z方向(例如第一方向)交替堆疊於接地層320上的複數個絕緣層131及複數個導電層134。通道結構149沿著Z方向(例如第一方向)貫穿堆疊結構130並延伸至接地層320中,更切確地說,接地層320包括沿著Z方向依序堆疊於電路板110上的下部半導體材料層121、回填半導體材料124及上部導電層329,通道結構149的下通道端部149b可延伸至下部半導體材料層121中。導電材料層420與通道結構149之間藉由絕緣材料所隔開,且導電材料層420環繞通道結構149。
The
根據一實施例,在Z方向(例如第一方向)上,堆疊結構130之最底層絕緣層131的一底面與上部導電層329的一底面之間具有一高度H2,高度H2大於0奈米且小於或等於60奈米(0nm<H260nm),例如20~60奈米、25~55奈米或其他合適的範圍。其中,導電材料層420在第一方向上的高度可大於絕緣材料層422在第一方向上的高度。
According to an embodiment, in the Z direction (for example, the first direction), there is a height H2 between a bottom surface of the bottom insulating
相較於沒有導電材料層做為蝕刻停止層的比較例而言,在本案一些實施例的半導體裝置中,由於係形成導電材料層作為蝕刻停止層,用於形成溝槽的蝕刻製程可安全地停止於導電材料層,亦即可精準地控制溝槽的深度,並不會有過蝕刻的問題,故在後續形成導電柱的製程中,導電柱的深度可受到良好的控制,且不易在導電柱下方生成孔隙,能夠避免導電材料透過孔隙使得導電柱與通道結構發生短路的情況,因此本案所形成的半導體裝置或可具有較佳的電特性。 Compared with the comparative example without the conductive material layer as the etch stop layer, in the semiconductor device of some embodiments of the present application, since the conductive material layer is formed as the etch stop layer, the etching process for forming the trench can be safely stopped on the conductive material layer, that is, the depth of the trench can be precisely controlled, and there is no problem of over-etching. Therefore, in the subsequent process of forming the conductive pillar, the depth of the conductive pillar can be well controlled, and it is not easy to form pores under the conductive pillar. , so the semiconductor device formed in this case may have better electrical characteristics.
綜上所述,雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾。因此,本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 To sum up, although the present invention has been disclosed by the above embodiments, it is not intended to limit the present invention. Those skilled in the art of the present invention can make various changes and modifications without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the scope of the appended patent application.
10:半導體裝置 10: Semiconductor device
110:電路板 110: circuit board
120:接地層 120: ground plane
121:下部半導體材料層 121: lower semiconductor material layer
124:回填半導體材料層 124: Backfilling the semiconductor material layer
129:上部導電層 129: upper conductive layer
130:堆疊結構 130:Stack structure
131:絕緣層 131: insulation layer
134:導電層 134: conductive layer
140:垂直開口 140: vertical opening
141:記憶膜 141: memory film
141E:頂部移除部分 141E: Top removal part
143:通道膜 143: channel membrane
145:絕緣柱 145: Insulation column
147:接墊 147: Pad
149:通道結構 149: Channel structure
149b:下通道端部 149b: end of lower channel
163:隔離材料層 163: isolation material layer
171:本體阻障層 171: Body barrier layer
173:下部導電層 173: Lower conductive layer
175:上部阻障層 175: Upper barrier layer
177:上部導體 177: Upper conductor
179:導電柱 179: Conductive column
179A:底部本體部 179A: Bottom body part
179B:中間本體部 179B: middle body part
179C:插塞 179C: plug
F1:第一表面 F1: first surface
F2:第二表面 F2: second surface
H1:高度 H1: height
S1:第一尺寸 S1: first size
S2:第二尺寸 S2: second size
S3:第三尺寸 S3: third size
S4,S5:最大尺寸 S4, S5: Maximum size
α:夾角 α: included angle
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