半导体器件制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及一种三维存储器多晶沟道层的制造方法。
【背景技术】
[0002]为了改善存储器件的密度，业界已经广泛致力于研发减小二维布置的存储器单元的尺寸的方法。随着二维(2D)存储器件的存储器单元尺寸持续缩减，信号冲突和干扰会显著增大，以至于难以执行多电平单元(MLC)操作。为了克服2D存储器件的限制，业界已经研发了具有三维(3D)结构的存储器件，通过将存储器单元三维地布置在衬底之上来提高集成密度。
[0003]三维存储器由于其特殊的三维结构和复杂的工艺继承，无法使用单晶(硅)材料而只能用多晶(硅)材料作为沟道。其中，多晶(硅)材料的晶粒大小、晶粒边界的陷阱多少成为制约沟道导通能力的关键。高的界面态使得沟道的漏电较大，同时特性随温度的变化影响很大。
[0004]附图1至4示出了现有技术中三维存储器的制造方法。具体的，在衬底I上沉积不同介质材料2A/2B构成的堆叠以用作伪栅极，在多个伪栅极堆叠之间刻蚀开口填充绝缘材料形成存储器单元之间的绝缘隔离层3。隔离层3包围了多个有源区，刻蚀有源区内的伪栅极堆叠形成沟道沟槽，在沟槽中沉积栅介质4。在栅介质4上共形沉积第一非晶沟道层5，例如非晶硅，用作后续沟道层的成核层或界面层。层5的薄膜厚度很小，例如仅0.2?5nm，其薄膜质量较差，厚度不均匀、表面存在大量缺陷。随后如图2所示，刻蚀栅介质4直至露出衬底1，此刻蚀过程中，干法刻蚀气体除了刻蚀去除沟道沟槽底部的栅介质4之外，还会同时侧向腐蚀沟道层5，使其表面缺陷、损伤进一步增大。在图3所示沉积第二非晶沟道层7的过程中，第一非晶沟道层5表面的损伤缺陷会保留，形成了与第二非晶沟道层7之间的较差的非晶-非晶界面，如图3中粗实线所示。因此，在后续图4所示退火将非晶转变为多晶沟道层的过程中，这种较高的界面态将影响多晶沟道层8/8’的特性。
【发明内容】
[0005]由上所述，本发明的目的在于克服上述技术困难，提出一种三维存储器制造方法，能够有效地降低多晶沟道层的界面态、损伤缺陷，有效提高器件的可靠性。
[0006]为此，本发明一方面提供了一种半导体器件制造方法，包括步骤:在衬底上形成栅介质层和第一非晶沟道层；减薄第一非晶沟道层；刻蚀第一非晶沟道层、栅介质层直至暴露衬底；在第一非晶沟道层和衬底上形成第二非晶沟道层；退火，使得第一非晶沟道层和第二非晶沟道层转变为多晶沟道层；减薄多晶沟道层。
[0007]其中，栅介质层包括选自隧穿层、存储层、阻挡层的多个子层。
[0008]其中，第一非晶沟道层选自非晶S1、非晶Ge。
[0009]其中，第二非晶沟道层选自非晶60、非晶5166、非晶51(:、非晶5166(:、非晶(:、111-￥族或I1-VI族非晶化合物半导体及其组合。
[0010]其中，第二非晶沟道层包含掺杂剂，退火激活了所述掺杂剂。
[0011]其中，减薄第一非晶沟道层之后、刻蚀第一非晶沟道层之前进一步包括，在第一非晶沟道层上形成保护层。
[0012]其中，保护层为单层或多层结构。
[0013]其中，刻蚀暴露衬底之后、形成第二非晶沟道层之前进一步包括，刻蚀去除保护层。
[0014]其中，在衬底上形成栅介质层和第一非晶沟道层包括，在衬底上形成伪栅极堆叠，刻蚀伪栅极堆叠形成垂直衬底的多个沟道沟槽，在每个沟道沟槽中依次沉积栅介质层和第一非晶沟道层。
[0015]其中，减薄多晶沟道层之后进一步包括，在多晶沟道层上下两端形成源漏区，去除伪栅极堆叠，在栅介质层侧面形成栅极导电层。
[0016]其中，退火温度为300?850°C，退火时间为I分钟?10小时。
[0017]依照本发明的半导体器件制造方法，沉积非晶厚膜再减薄退火以提高多晶薄膜的晶粒大小，并利用额外的保护层避免侧壁刻蚀损伤，能够有效地降低多晶沟道层的界面态、损伤缺陷，从而提高器件的可靠性。
【附图说明】
[0018]以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中:
[0019]图1至图4为现有技术的三维存储器件制造方法的各个步骤的剖视图；
[0020]图5至图11为本发明的三维存储器件制造方法的各个步骤的剖视图；以及
[0021]图12为本发明的三维存储器件制造方法的示意性流程图。
【具体实施方式】
[0022]以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能有效地提高器件可靠性的三维存储器制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。
[0023]如图12和图5所示，在衬底I上的沟道沟槽中形成栅介质4和第一非晶沟道层5。
[0024]在衬底I上交替形成第一材料层2A与第二材料层2B的堆叠结构2。衬底I材质可以包括体娃(bulk Si)、体锗(bulk Ge)、绝缘体上娃(SOI)、绝缘体上锗(GeOI)或者是其他化合物半导体衬底，例如SiGe、SiC, GaN, GaAs, InP等等，以及这些物质的组合。为了与现有的IC制造工艺兼容，衬底I优选地为含硅材质的衬底，例如S1、SO1、SiGe、S1: C等。堆叠结构2的选自以下材料的组合并且至少包括一种绝缘介质:如氧化硅、氮化硅、非晶碳、类金刚石无定形碳(DLC)、氧化锗、氧化铝、等及其组合。第一材料层2A具有第一刻蚀选择性，第二材料层2B具有第二刻蚀选择性并且不同于第一刻蚀选择性(例如两种材料之间的刻蚀选择比大于5:1并优选大于10:1)。在本发明一个优选实施例中，叠层结构2A/2B均为非导电材料，层2A/层2B的组合例如氧化硅与氮化硅的组合、氧化硅与(未掺杂)多晶硅或非晶硅的组合、氧化硅或氮化硅与非晶碳的组合等等。在本发明另一优选实施例中，层2A与层2B在湿法腐蚀条件或者在氧等离子干法刻蚀条件下具有较大的刻蚀选择比(例如大于 5:1)。层 2A、层 2B 的沉积方法包括 PECVD、LPCVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、热氧化、蒸发、溅射等各种工艺。在本发明一个最优实施例中，层2A为二氧化硅，层2B为氮化硅。
[0025]在阵列区域刻蚀(伪栅极)堆叠结构2直至暴露衬底1，形成伪栅极开孔(或称第一开孔，图5中位于中心位置)并在其中形成填充层3 (填充层3下方的衬底将形成未来的共源区)。优选地，采用RIE或等离子干法刻蚀各向异性刻蚀层2A/层2B的堆叠结构2，形成露出衬底I以及衬底I上交替堆叠的层2A/层2B的侧壁的开孔(未示出)。刻蚀气体例如针对二氧化硅和氮化硅等材质的碳氟基刻蚀气体，并且通过增加碳氟比而在侧壁形成由含C聚合物形成的临时保护侧壁，最终获得较好的垂直侧壁。在本发明一个优选实施例中刻蚀气体优选C3F6X4F8等含C量比较高的气体并进一步优选通过增加氧化性气体如O 2、C0等控制侧壁形貌。平行于衬底I表面切得的孔槽的截面形状可以为矩形、方形、菱形、圆形、半圆形、椭圆形、三角形、五边形、五角形、六边形、八边形等等各种几何形状。填充层3沉积方法包括PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸发、溅射等，材质优选为与堆叠结构2的层2A、层2B均具有高选择性的材料，例如层3、层2A、层2B三者之间每两个之间的刻蚀选择比均大于等于5:1。在本发明一个优选实施例中，层2A为氧化硅，层2B为氮化硅，填充层3为非晶锗、非晶碳、DLC氮氧化硅等，反之亦然。
[0026]接着，与刻蚀形成第一开孔的工艺类似，RIE或等离子干法刻蚀各向异性刻蚀层2A/层2B的堆叠结构2，在第一开孔的周围形成多个露出衬底I以及衬底I上交替堆叠的层2A/层2B的侧壁的第二开孔(图5中暴露的开孔，位于图5中边缘位置)。刻蚀气体例如针对二氧化硅和氮化硅等材质的碳氟基刻蚀气体，并且通过增加碳氟比而在侧壁形成由含C聚合物形成的临时保护侧壁，最终获得较好的垂直侧壁。在本发明一个优选实施例中刻蚀气体优选C3F6X4F8等含C量比较高的气体并进一步优选通过增加氧化性气体如O 2、C0等控制侧壁形貌。在本发明一个优选实施例中(图5中并未示出)，用于暴露共源区的第一开孔的尺寸(例如直径)要大于或等于用于形成沟道区的第二开孔尺寸，例如两者尺寸(直径或者多边形的最大跨距的比值)比大于1.5并优选大于等于2。在本发明一个实施例中，每一个第一开孔周围具有六个第二开孔，以便于提高稍后侧向刻蚀层2B的效率以及均匀性。
[0027]此后，在第二开孔中形成栅介质层4。栅介质层4的沉积方法包括PECVD、HDPCVD、M0CVD、MBE、ALD、蒸发、溅射等。如图中所示，层4优选地进一步包括多个子层，例如隧穿层、存储层、阻挡层。其中隧穿层包括S12或高k材料，其中高k材料包括但不限于氮化物(例如SiN、S1N、AlN、TiN)、金属氧化物(主要为副族和镧系金属元素氧化物，例如Mg0、Al203、Ta205、T12, ZnO, ZrO2, HfO2, CeO2, Y2O3, La2O3)、氮氧化物(如 HfS1N)、钙钛矿相氧化物(例如PbZrxTi1 A(PZT) ,BaxSr1 J13(BST))等，隧穿层可以是上述材料的单层结构或多层堆叠结构。存储层是具有电荷俘获能力的介质材料，例如SiN、HfOx, ZrOx, YOx等及其组合，同样可以是上述材料的单层结构或多层堆叠结构。阻挡层可以是氧化硅、氧化铝、氧化铪等介质材料的单层结构或多层堆叠结构。在本发明一个实施例中，栅介质层4例如是氧化硅、氮化硅、氧化硅组成的ONO结构。
[0028]接着，在栅介质层4上形成第一非晶沟道层5’。第一非晶沟道层5’的材料例如为非晶硅、非晶锗，沉积工艺包括LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD等。在本发明一个实施例中，第一非晶沟道层5’的沉积方式为局部填充第二开孔的侧壁而形成为具有空气隙的中空柱形。在本发明其他实施例中，选择第一非晶沟道层5’的沉积方式以完全或者局部填充第二开孔，形成实心柱、空心环、或者空心环内填充绝缘层(未示出)的核心-外壳结构。第一非晶沟道层5’的水平截面的形状与第二开孔类似并且优选地共形，可以为实心的矩形、方形、菱形、圆形、半圆形、椭圆形、三角形、五边形