具有三维单元结构的半导体器件及其制造方法与流程

本申请要求在2020年10月29日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2020-0142565的韩国申请的优先权，该韩国申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种半导体器件，并且更具体地，涉及一种具有三维单元结构的半导体器件及其制造方法。

背景技术

最近以来，相比于具有平面结构的器件，已经出现了具有三维结构的半导体器件。具有三维结构的半导体器件的优点是能够有效地响应工业中对减少设计规则及提高集成度的要求。特别是在要求高集成度和高容量的存储器技术领域中，对具有三维结构的半导体器件的研究一直在积极进行。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面的半导体器件可以包括衬底、设置在衬底上方以在垂直于衬底表面的第一方向上彼此间隔开的多个字线结构。多个字线结构中的每一个可以在平行于衬底表面的第二方向上延伸。此外，半导体器件可以包括：设置在衬底上方的开关层，以接触多个字线结构的侧表面；以及设置在衬底上方的位线结构，以在第一方向延伸并接触开关层的表面。该开关层可以被配置为执行阈值开关操作并具有可变的可编程阈值电压。

公开了根据本公开的另一方面的制造半导体器件的方法。在该方法中，可以提供具有基底绝缘层的衬底。可以在基底绝缘层上方形成在平行于衬底表面的第一横向方向上延伸的多个第一字线结构和设置在多个第一字线结构之间的第一开关功能层。多个第一字线结构可以在基底绝缘层上方在第二横向方向上彼此隔开，所述第二横向方向与衬底的表面平行并与第一横向方向垂直。可以在多个第一字线结构和第一开关功能层上形成第一层间绝缘层。在第一层间绝缘层上可以形成在第一横向方向上延伸的多个第二字线结构和设置在多个第二字线结构之间的第二开关功能层。多个第二字线结构可以被布置为分别与多个第一字线结构重叠。可以选择性刻蚀第二开关功能层、第一层间绝缘层、第一开关功能层和基底绝缘层，以形成暴露衬底的位线接触孔，并使得保留在多个第一字线结构和多个第二字线结构的侧表面上的第一开关功能层和第二开关功能层的一些部分留下。可以在位线接触孔中提供导电材料以形成位线结构。

附图说明

图1是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的视图。

图2A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的第一编程操作的视图。

图2B是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的第二编程操作的视图。

图2C是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的读取操作的视图。

图3A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的平面图。

图3B是沿图3A的半导体器件的Ⅰ-Ⅰ'线截取的剖视图。

图3C是沿图3A的半导体器件的Ⅱ-Ⅱ'线截取的剖视图。

图4是示意性地示出根据本公开的另一实施例的半导体器件的剖视图。

图5A至11A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的制造半导体器件的方法的平面图。

图5B至11B是沿图5A至11A的半导体器件的A-A'线截取的剖视图。

图8C至11C是沿图8A至11A的半导体器件的B-B'线截取的剖视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方案。在附图中，为了清楚地表示每个装置的部件，因此放大了这些部件的尺寸，例如部件的宽度和厚度。本文使用的术语可以对应于考虑到其在实施例中的功能而选择的词语，并且根据实施例所属领域的普通技术人员，这些术语可以被解释为不同的含义。如果有明确的详细定义，这些术语可以根据定义来解释。除非另有定义，否则本文使用的术语(包括技术和科学术语)的含义与实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。

此外，除非在上下文中另外明确使用，否则单数形式的词语的表达应理解为包括该词的复数形式。可以理解的是，术语“包括”、“包含”或“具有”旨在说明存在特征、数字、步骤、操作、部件、元素、部分或它们的组合，但并不排除存在或可能增加一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、部件、元素、部分或它们的组合。

此外，在执行某方法或制造方法时，构成该方法的每个过程可以以不同于规定顺序的方式进行，除非在上下文中明确描述了特定的顺序。换言之，每个过程可以以与规定顺序相同的方式进行，并且可以基本在同一时间进行，或者可以以不同的顺序进行。另外，上述每个过程中的至少一部分可以以相反的顺序执行。

在本说明书中，术语“预定方向”可以指包括在坐标系中确定的一个方向的方向以及与该方向相反的方向。例如，在x-y-z坐标系中，x方向可以包括与x方向平行的方向。也就是说，x-方向可以指从原点0沿x轴在正方向x轴绝对值增加的方向和从原点0沿x轴在负方向x轴绝对值增加的方向中的全部。在x-y-z坐标系中，y方向和z方向均可以实质上相同的方式加以说明。

在本说明书中，字线和位线可以被解释为相对概念。也就是说，字线和位线的功能可以根据半导体器件的设计相对确定。相应地，字线可以根据设计充当位线，而位线可以充当字线。

图1是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的视图。参考图1，半导体器件1可以包括在第一方向(即z方向)上延伸的位线BL以及在垂直于第一方向的第二方向(即y方向)上延伸的多个字线WL1-1、WL1-2、WL2-1、WL2-2、WL3-1、WL3-2、WL4-1和WL4-2。此外，半导体器件1可以包括布置在位线BL与多个字线WL1-1、WL1-2、WL2-1、WL2-2、WL3-1、WL3-2、WL4-1和WL4-2重叠的区域中的多个单位单元C。

多个字线WL1-1、WL1-2、WL2-1、WL2-2、WL3-1、WL3-2、WL4-1和WL4-2可以包括第一字线WL1-1和WL1-2、第二字线WL2-1和WL2-2、第三字线WL3-1和WL3-2、以及第四字线WL4-1和WL4-2。多个字线可以沿第一方向(即z方向)布置。在图1中，示出了第一至第四字线，但是字线的数量不一定限于此，而且各种其他数量也是可能的。

第一字线WL1-1和WL1-2可以被配置为共享位线BL的一对字线。第二字线WL2-1和WL2-2、第三字线WL3-1和WL3-2以及第四字线WL4-1和WL4-2中的每一个也可以分别被配置为以相同方式共享位线BL的字线对。

根据本公开的实施例的单位单元C可以具有执行阈值开关操作的开关层。该开关层可以具有可编程的和可变的阈值电压。也就是说，通过对单位单元C执行不同的编程操作，开关层可以具有不同的阈值电压。随后，执行读取操作以识别不同阈值电压之间的差值，从而可以读取在单位单元C中编程的信号信息。

图2A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的第一编程操作的视图。图2B是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的第二编程操作的视图。图2C是示意性地示出根据本公开的一个实施例的对单位单元的读取操作的视图。在下文中，作为一个实施例，在图1中，将针对在多个字线WL1-1、WL1-2、WL2-1、WL2-2、WL3-1、WL3-2、WL4-1和WL4-2中的任何一个与位线BL之间设置的单位单元C来描述第一编程操作和第二编程操作以及读取操作。为了便于描述，将耦接到所述单位单元C的任何一个字线称为所选字线。

参考图2A，可以通过向单位单元C施加第一编程电压P1来执行第一编程操作11。在一个实施例中，第一编程电压P1可以是在第一时间间隔Δt1期间具有第一幅值V1的正脉冲电压。在一个实施方案中，可以通过将第一编程电压P1施加到所选字线，并且将图1中的位线BL接地来执行第一编程操作11。在这种情况下，可以不向所选字线以外的字线施加电压，或者可以向所选字线以外的字线施加幅值小于第一编程电压P1的第一幅值V1的正脉冲电压。

参考图2B，可以通过向单位单元C施加第二编程电压P2来执行第二编程操作12。在一个实施例中，第二编程电压P2可以是在第二时间间隔Δt2期间具有第二幅值V2的负脉冲电压。在一个实施例中，在图1中，可以通过将第二编程电压P2施加到所选字线，并且将位线BL接地来执行第二编程操作12。在这种情况下，可以不向除所选字线以外的字线施加电压，或者可以向所选字线以外的字线施加幅值小于第二编程电压P2的第二幅值V2的负脉冲电压。

参考图2C，利用第一开关曲线21和第二开关曲线22来描述执行了第一编程操作11和第二编程操作12的单位单元C的读取操作方法。第一开关曲线21和第二开关曲线22表示当电压被施加到所选字线(其从0V起在正方向扫频)并且当位线BL被接地时从图1中的所选单位单元C输出的电流。

参考第一开关曲线21和第二开关曲线22，当施加的电压分别达到第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2时，从单位单元C输出的电流可以迅速增加以达到接通电流Ic。因此，当施加的电压小于各自的第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2时，可以从单位单元C输出相对较低的电流，而当施加的电压等于或大于各自的第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2时，可以从单位单元C输出相对较高的电流。然而，当施加的电压再次降低到0V时，输出电流可以降低到0A。以这种方式，单位单元C可以通过施加电压沿第一开关曲线21和第二开关曲线22执行阈值开关操作。

在一个实施例中，如图2A，在用具有正极性的第一编程电压P1对单位单元C执行第一编程操作11之后，当向单位单元C施加具有正极性的电压，并如图2C扫频时，单位单元C可以沿着第一开关曲线21执行阈值开关操作。也就是说，单位单元C可以具有相对较低的第一阈值电压Vth1。

在另一个实施例中，如图2B，在用第二编程电压P2对单位单元C执行第二编程操作12之后，当向单位单元C施加具有正极性的电压，并如图2C扫频时，单位单元C可以沿第二开关曲线22执行阈值开关操作。也就是说，单位单元C可以具有相对较高的第二阈值电压Vth2。

参考图2C，针对已经执行了第一编程操作11或第二编程操作12的单位单元C，可以执行如下读取操作。首先，第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2之间的电压可以被确定为读取电压Vread。可以将确定的读取电压Vread施加到单位单元C，并且可以测量从单位单元C输出的电流。可以将测量的电流识别为高电流和低电流中的一个，因此，可以读取存储在单位单元C中的信号信息。第一阈值电压Vth1和第二阈值电压Vth2之间的电压差ΔVth可以确定读取电压的幅度或窗口。

如上所述，当用具有与读取电压相同极性的编程电压对单位单元C进行编程时，单位单元C在使用读取电压的读取操作期间可能具有相对较小的阈值电压。反之，当用具有与读取电压不同极性的编程电压对单位单元C进行编程时，单位单元C在使用读取电压的读取操作期间可能具有相对较大的阈值电压。因此，根据本公开的实施例，在确定读取电压的极性之后，可以根据确定的读取电压的极性来确定要施加用于编程操作的编程电压的极性。

图3A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的平面图。图3B是沿图3A的半导体器件的Ⅰ-Ⅰ’线截取的剖视图。图3C是沿图3A的半导体器件的Ⅱ-Ⅱ'线截取的剖视图。

参考图3A、3B和3C，半导体器件1a可以包括衬底101、设置在衬底101上或上方的多个字线结构122、124、126和128、以及开关层150。此外，半导体器件1a可以包括在衬底101上方的、与开关层150的表面相邻的位线结构140。开关层150可以布置在多个字线结构122、124、126和128与位线结构140之间以构成多个单位单元。

衬底101可以由半导体材料制成或包括半导体材料。半导体材料可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硒化钼(MoSe2)、硒化铪(HfSe2)、硒化铟(InSe)、硒化镓(GaSe)、黑磷、铟镓锌氧化物(IGZO)，或其两种或更多种的组合。例如，半导体材料可以掺有n型或p型掺杂剂。在其他一些实施例中，衬底101可以是绝缘衬底或导电衬底。

基底绝缘层110可以设置在衬底101上。基底绝缘层110可以使多个字线结构122、124、126和128中的最下层字线结构122与衬底101电绝缘。基底绝缘层110可以由绝缘材料制成或包括绝缘材料。绝缘材料可以包括例如氧化物、氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。

尽管未图示，但集成电路可以设置在衬底101和基底绝缘层110之间。例如，集成电路可以包括有源器件如晶体管、无源器件如电阻器和电容器、或有源器件和无源器件的组合。该集成电路可以包括至少一个电路图案层和用于使该至少一个电路图案层绝缘的至少一个绝缘层。

参考图3B和图3C，第一字线结构122可以设置在基底绝缘层110上。第一字线结构122可以在平行于衬底101的顶部或底部表面(即x-y平面)的第二方向(即y方向)上延伸。第一字线结构122可以设置成与另一个第一字线结构在第三方向(即x方向)上间隔开，其中第三方向与第二方向垂直。

第二字线结构124可以设置在第一字线结构122上方。第二字线结构124可以在第二方向(即y方向)上延伸。可以将第二字线结构124设置成与另一个第二字线结构在第三方向(即x方向)上间隔开。可以将第二字线结构124设置成与第一字线结构122在不同的平行平面上平行。

第二字线结构124和第一字线结构122可以设置成在不同的平面上彼此重叠。第一层间绝缘层132可以设置在第一字线结构122和第二字线结构124之间。第一层间绝缘层132可以使第一字线结构122和第二字线结构124电绝缘。

以实质上相同的方式，可以将第二层间绝缘层134、第三字线结构126、第三层间绝缘层136、第四字线结构128和第四层间绝缘层138依次设置在基底绝缘层110上方。

第一至第四字线结构122、124、126和128可以由导电材料制成或包括导电材料。导电材料可以包括例如掺杂的半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。导电材料可以包括例如掺有n型或p型掺杂剂的硅(Si)、砷化镓(GaAs)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或其两种或更多种的组合。

第一至第四层间绝缘层132、134、136和138可以由绝缘材料制成或包括绝缘材料。绝缘材料可以包括例如氧化物、氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。

在一些实施例中，当层间绝缘层和字线结构沿第一方向(即z方向)交替堆叠时，堆叠的层间绝缘层的数量和堆叠的字线结构的数量可能不一定限于图3A、图3B和图3C中所示的数量，而是这些结构和层的数量可以变化。

开关层150中的每一个可以设置成分别与第一至第四字线结构122、124、126和128中的每一个的侧表面S1相邻。开关层150中的每一个可以在第二方向(即y方向)上被单元绝缘结构170分开。开关层150中的每一个的表面S2可以与位线结构140接触。

例如，开关层150可以由基于硫族化物的材料制成或包括基于硫族化物的材料。开关层150可以由以下制成或包括以下：例如锗-碲(Ge-Te)、锗-硒-碲(Ge-Se-Te)、铟-硒(In-Se)、锑-碲(Sb-Te)、砷-碲(As-Te)、铝-碲(Al-Te)、锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)、碲-锗-砷(Te-Ge-As)、铟-锑-碲(In-Sb-Te)，碲-锡-硒(Te-Sn-Se)，锗-硒-镓(Ge-Se-Ga)，铋-硒-锑(Bi-Se-Sb)、镓-硒-碲(Ga-Se-Te)，锡-锑-碲(Sn-Sb-Te)、碲-锗-锑-硫(Te-Ge-Sb-S)、碲-锗-锡-氧(Te-Ge-Sn-O)、碲-锗-锡-金(Te-Ge-Sn-Au)、钯-碲-锗-锡(Pd-Te-Ge-Sn)、铟-硒-钛-钴(In-Se-Ti-Co)、锗-锑-碲-钯(Ge-Sb-Te-Pd)、锗-锑-碲-钴(Ge-Sb-Te-Co)、锑-碲-铋-硒(Sb-Te-Bi-Se)、银-铟-锑-碲(Ag-In-Sb-Te)、锗-锑-硒-碲(Ge-Sb-Se-Te)、锗-锡-锑-碲(Ge-Sn-Sb-Te)、锗-碲-锡-镍(Ge-Te-Sn-Ni)、锗-碲-锡-钯(Ge-Te-Sn-Pd)，锗-碲-锡-铂(Ge-Te-Sn-Pt)，或其中两种或更多种的组合。

开关层150可以通过施加到开关层150两端的电压来执行上文参考图2A至2C所述的阈值开关操作。开关层150可以具有可编程的和可变的阈值电压。在一个实施例中，开关层150可以充当单位单元内的利用可变阈值电压特性的存储器层。

参考图3A、图3B和图3C，位线结构140可以设置在衬底101上方，以在第一方向(即z方向)上延伸并与每个开关层150的表面S2接触。如图3A所示，位线结构140可以设置成与其他相邻的位线结构在第二方向(即y方向)上通过单元绝缘结构170间隔开。

位线结构140中的每一个可以设置成与衬底101接触。位线结构140中的每一个可以电性连接到衬底101内的集成电路。

参考图3B，每个位线结构140的与开关层150和第一至第四层间绝缘层132、134、136和138接触的一个侧表面可以具有倾斜角α1，其可以实质上垂直于衬底101的表面。

位线结构140可以由导电材料制成或包括导电材料。导电材料可以包括例如掺有n型或p型掺杂剂的硅(Si)、砷化镓(GaAs)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或其两种或更多种的组合。

单元绝缘结构170可以设置在基底绝缘层110上方以在第一方向(即z方向)上延伸。单元绝缘层170可以设置成在第二方向(即y方向)上接触开关层150、第一至第四层间绝缘层132、134、136和138以及位线结构140。单元绝缘层170可以设置成在第三方向(即x方向)上接触第一至第四字线结构122、124、126和128以及第一至第四层间绝缘层132、134、136和138。

尽管未图示，但在一些实施例中，包括碳(C)的聚合物层可以设置在开关层150和位线结构140之间的界面上。该聚合物层可以作为开关层150和位线结构140之间的缓冲层。聚合物层可以在形成开关层150的过程中形成。下面将结合图10A、图10B和图10C详细描述通过用于开关功能层352、354、356和358的图案化过程产生聚合物层的过程。

聚合物层可以连接到分别在第一至第四字线结构122、124、126和128与位线结构140之间串联的开关层150上。聚合物层可以作为具有恒定电阻的电阻层。聚合物层可以防止在开关层150的阈值开关操作期间输出电流在阈值电压下迅速增加。也就是说，聚合物层可以防止在阈值开关操作期间有过量的偏压施加到开关层150或过量的电流流经开关层150，从而防止半导体器件的耐用性下降。

此外，聚合物层可以有助于在开关层150的阈值开关操作期间根据施加电压的增加逐渐增加输出电流。因此，可以通过增加能够驱动开关层150的电压范围来增加编程操作的范围(即操作窗口)。

图4是示意性地示出根据本公开的另一实施例的半导体器件的剖视图。参考图4，半导体器件1b可以与上文参考图3A、图3B和图3C描述的半导体器件1a不同，区别在于由位线结构240的一侧与衬底101的表面形成的倾斜角α2。

图4的剖视图可以对应于图3B的剖视图。半导体器件1b可以包括被设置成在第一方向(即z方向)上彼此间隔开的第一至第四字线结构222、224、226和228。第一至第四字线结构222、224、226和228可以由与半导体器件1a的第一至第四字线结构122、124、126和128实质上相同的材料制成。

半导体器件1b可以包括在第一方向(即z方向)上延伸的位线结构240。倾斜角α2是由每个位线结构240的侧表面与衬底101形成。每个位线结构240的侧表面也可以与开关层250和第一至第四层间绝缘层132、134、136和138接触。倾斜角α2可以是锐角。位线结构240可以由与半导体器件1a的位线结构140实质上相同的材料制成。

参考图4，在每个位线结构240中，垂直于第一方向(即z方向)的横截面(即，由平行于x-y平面的平面构成的截面)的面积可以沿着第一方向(即z方向)改变。例如，每个位线结构240的下部横截面的面积可以小于每个位线结构240的上部横截面的面积。

在一个实施例中，第一至第四字线结构222、224、226和228中的每一个可以在第三方向(即x方向)上具有不同的宽度。在一个实施例中，第三方向上的宽度可以从第一字线结构222起到第四字线结构228依次减小。例如，第一字线结构222在第三方向上的宽度W1可以是最大的，而第四字线结构228在第三方向上的宽度W2可以是最小的。

在一个实施例中，第一字线结构222与相邻的位线结构240之间沿第三方向(即x方向)的距离可以在最小距离d1和最大距离d2之间变化。最小距离d1可以在第一字线结构222与第一层间绝缘层132之间的界面处获得。最大距离d2可以在第一字线结构222与基底绝缘层110之间的界面处获得。

此外，第二至第四字线结构224、226和228中的每一个与相邻的位线结构240之间沿第三方向(即x方向)的距离可以与第一字线结构222与相邻的位线结构240之间沿第三方向(即x方向)的距离实质上相同。例如，第二至第四字线结构224、226和228中的每一个与相邻的位线结构240之间沿第三方向(即x方向)的距离可以在最小距离d1和最大距离d2之间变化。最小距离d1可以分别在第二至第四字线结构224、226和228中的每一个的上表面处获得，并且最大距离d2可以分别从第二至第四字线结构224、226和228的下表面处获得。

参考图4，开关层250可以设置在第一至第四字线结构222、224、226和228中的每一个与位线结构240之间。每个开关层250可以具有在第三方向(即x方向)上，从第一至第四字线结构222、224、226和228中的每一个的侧表面起测量的最小厚度d1至最大厚度d2变化的厚度。开关层250可以由与上文参考图3A、图3B和图3C描述的开关层150实质上相同的材料制成。

图5A至图11A是示意性地示出根据本公开的一个实施例的半导体器件的制造方法的平面图。图5B至图11B是沿图5A至图11A的半导体器件的A-A'线截取的剖视图。图8C至图11C是沿图8A至图11A的半导体器件的B-B'线截取的剖视图。

参考图5A和5B，可以提供衬底301。衬底301可以与上文参考图3A、图3B和图3C描述的衬底101实质上相同。

接下来，可以在衬底301上形成基底绝缘层310。基底绝缘层310可以使用例如化学气相沉积法、物理气相沉积法、原子层沉积法等形成。

尽管未图示，但可以在衬底301和基底绝缘层310之间形成集成电路。例如，集成电路可以包括有源器件如晶体管、无源器件如电阻器和电容器，或有源器件和无源器件的组合。该集成电路可以包括至少一个电路图案层和用于使该至少一个电路图案层绝缘的至少一个绝缘层。

接下来，可以在基底绝缘层310上形成导电材料层。导电材料层可以被图案化以在基底绝缘层310上形成沿第一横向方向(即y方向)延伸的多个第一字线结构322。例如，导电材料可以包括掺杂的半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。例如，导电材料可以包括掺有n型或p型掺杂剂的硅(Si)、砷化镓(GaAs)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或其两种或更多种的组合。例如，形成导电材料层的方法可以包括化学气相沉积法、物理气相沉积法、原子层沉积法等。可以应用光刻法和刻蚀法作为对导电材料层进行图案化的方法。

参考图5A和图5B，多个第一字线结构322中的每一个可以设置成在垂直于第一横向方向的第二横向方向(即x方向)上彼此间隔开。沟槽3001可以形成在多个第一字线结构322之间的第二横向方向(即x方向)上的空间中。沟槽3001可以在第一横向方向(即y方向)上延伸。

参考图6A和图6B，可以使用溅射方法用开关材料在基底绝缘层310上方形成开关材料层，以填充图5A和图5B的沟槽3001。在这种情况下，开关材料层也可以在沟槽3001外的多个第一字线结构322上形成。随后，开关材料层可以在基底绝缘层310上被平坦化以形成第一开关功能层352。第一开关功能层352可以被定位在与基底绝缘层310上的多个第一字线结构322相同的水平上。也就是说，第一开关功能层352可以具有与基底绝缘层310上的多个第一字线结构322中的每一个相同的厚度。

开关材料层可以由开关材料形成或包括开关材料，所述开关材料如基于硫族化物的材料。例如，开关材料层可以由以下形成或包括以下：锗-碲(Ge-Te)、锗-硒-碲(Ge-Se-Te)、铟-硒(In-Se)、锑-碲(Sb-Te)、砷-碲(As-Te)、铝-碲(Al-Te)、锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)、碲-锗-砷(Te-Ge-As)、铟-锑-碲(In-Sb-Te)、碲-锡-硒(Te-Sn-Se)、锗-硒-镓(Ge-Se-Ga)、铋-硒-锑(Bi-Se-Sb)、镓-硒-碲(Ga-Se-Te)、锡-锑-碲(Sn-Sb-Te)、碲-锗-锑-硫(Te-Ge-Sb-S)、碲-锗-锡-氧(Te-Ge-Sn-O)、碲-锗-锡-金(Te-Ge-Sn-Au)、钯-碲--锗-锡(Pd-Te-Ge-Sn)、铟-硒-钛-钴(In-Se-Ti-Co)、锗-锑-碲-钯(Ge-Sb-Te-Pd)、锗-锑-碲-钴(Ge-Sb-Te-Co)、锑-碲-铋-硒(Sb-Te-Bi-Se)、银-铟-锑-碲(Ag-In-Sb-Te)、锗-锑-硒-碲(Ge-Sb-Se-Te)、锗-锡-锑-碲(Ge-Sn-Sb-Te)、锗-碲-锡-镍(Ge-Te-Sn-Ni)、锗-碲-锡-钯(Ge-Te-Sn-Pd)、锗-碲-锡-铂(Ge-Te-Sn-Pt)，或其两种或更多种的结合。

例如，开关材料层可以通过溅射方法形成。在本公开的一个实施例中，可以通过包括制备由构成开关材料层的金属制成的至少一个金属靶的过程、以及使用惰性气体的等离子体轰击该至少一个金属靶的过程来执行溅射方法。可以通过对至少一个金属靶的撞击，将从该至少一个金属靶上逸出的金属附着在衬底上而形成开关材料层。惰性气体可以包括氦气(He)、氮气(N2)、氩气(Ar)等。

在一个实施例中，至少一个金属靶可以由构成开关材料层的单一金属制成。至少一个金属靶的数量可以对应于构成开关材料层的金属的数量。在另一个实施例中，至少一个金属靶可以由构成开关材料层的多种金属的合金制成。

在一些实施例中，在溅射过程中，可以额外提供反应性气体以形成开关材料层。例如，反应性气体可以包括氧气(O2)。

例如，可以通过应用化学机械抛光工艺或回蚀工艺，对开关材料层进行平坦化以形成第一开关功能层352。作为平坦化的结果，如图6A和图6B所示，第一开关功能层352的上表面和多个字线结构322的上表面可以定位在同一平面上。

参考图7A和图7B，第一层间绝缘层332可以形成在多个字线结构322和第一开关功能层352上。第一层间绝缘层332可以由绝缘材料形成或包括绝缘材料。例如，该绝缘材料可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。例如，第一层间绝缘层332可以使用物理气相沉积法、化学气相沉积法等形成。

接下来，可以在第一层间绝缘层332上形成在第一横向方向(即y方向)上延伸的多个第二字线结构324。可以将多个第二字线结构324形成和布置成与多个第一字线结构322在垂直方向(即z方向)上重叠。

多个第二字线结构324可以具有与多个第一字线结构322实质上相同的配置。此外，形成多个第二字线结构324的方法可以与形成多个第一字线结构322的方法实质上相同。

接下来，可以在多个第二字线结构324之间形成第二开关功能层354。第二开关功能层354可以具有与第一开关功能层352实质上相同的配置。此外，形成第二开关功能层354的方法可以与形成第一开关功能层352的方法实质上相同。

接下来，可以在多个第二字线结构324和第二开关功能层354上方依次形成第二层间绝缘层334、多个第三字线结构326和第三开关功能层356、第三层间绝缘层336、多个第四字线结构328和第四开关功能层358、以及第四层间绝缘层338。

多个第三字线结构326和多个第四字线结构328的配置和形成方法可以与多个第一字线结构322和多个第二字线结构324的配置和形成方法实质上相同。第三开关功能层356和第四开关功能层358的配置和形成方法可以与第一开关功能层352和第二开关功能层354的配置和形成方法实质上相同。第二层间绝缘层334、第三层间绝缘层336和第四层间绝缘层338的配置和形成方法可以与第一层间绝缘层332的配置和形成方法实质上相同。

根据本公开的一个实施例，如上所述，在由开关材料层形成第一至第四开关功能层352、354、356和358的过程中，可以有效地排除针对开关材料层的化学刻蚀。因此，有可能防止第一至第四开关功能层352、354、356和358受到化学刻蚀过程的损害。例如，受化学刻蚀过程的损害可以意指构成第一至第四开关功能层352、354、356和358的一些金属原子的损失。当开关材料层包含不同类型的金属原子时，不同类型的金属原子可能损失不同的数量，这取决于在化学刻蚀开关材料层期间有关刻蚀剂的刻蚀选择性。因此，在完成化学刻蚀过程后，构成第一至第四开关功能层352、354、356和358的金属原子之间的化学计量比可能发生变化，因此第一至第四开关功能层352、354、356和358的物理性能可以发生变化。相反，为了防止金属原子的损失，根据本公开的其中有效排除了化学刻蚀的实施例，当第一至第四开关功能层352、354、356和358由开关材料层形成时，可以防止物理性能发生不期望的变化。因此，可以改善第一至第四开关功能层352、354、356和358的电气可靠性。作为改进的示例，多个第一至第四字线结构322、324、326和328与第一至第四开关功能层352、354、356和358之间的界面特性可以得到稳定。

参考图8A、图8B和图8C，可以选择性刻蚀第一至第四层间绝缘层332、334、336和338以及第一至第四开关功能层352、354、356和358，以形成暴露基底绝缘层310的单元绝缘接触孔3002。每个单元绝缘接触孔3002的侧表面可以具有倾斜角β1，其可以实质上垂直于基底绝缘层310的表面。单元绝缘接触孔3002可以通过应用光刻法和各向异性刻蚀法形成。

单元绝缘接触孔3002可以在第一横向方向(即y方向)上暴露第一至第四开关功能层352、354、356和358以及第一至第四层间绝缘层332、334、336和338。单元绝缘接触孔3002可以在第二横向方向(即x方向)上暴露第一至第四字线结构322、324、326和328以及第一至第四层间绝缘层332、334、336和338。

参考图9A、图9B和图9C，单元绝缘接触孔3002可以用绝缘材料填充以形成单元绝缘结构370。例如，该绝缘材料可以包括氧化物、氮化物、氮氧化物或其两种或更多种的组合。例如，单元绝缘结构370可以通过应用物理气相沉积法或化学气相沉积法等形成。

参考图10A、图10B和图10C，可以选择性刻蚀第一至第四层间绝缘层332、334、336和338、第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)以及基底绝缘层310，以形成暴露衬底301的位线接触孔3003。可以执行选择性刻蚀使得第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)中的每一个分别在多个第一至第四字线结构322、324、326和328的侧表面上具有剩余厚度。也就是说，在形成位线接触孔3003的选择性刻蚀之后，第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)的一些部分可以保留在多个第一至第四字线结构322、324、326和328的侧表面上。因此，第一至第四开关层352a、354a、356a和358a可以由在选择性刻蚀后剩余的第一至第四开关功能层形成。第一至第四开关层352a、354a、356a和358a中的每一个在第二横向方向(即x方向)的厚度ts可以实质上相同。

参考图10B，位线接触孔3003的每个侧表面可以具有倾斜角β2，其可以垂直于衬底301的上表面。位线接触孔3003可以通过应用光刻法和各向异性刻蚀法形成。

在一些实施例中，当通过各向异性刻蚀形成位线接触孔3003时，可以在第一至第四开关层352a、354a、356a和358a的表面S352、S354、S356和S358(它们沿着位线接触孔3003的侧表面暴露出来)上形成含有碳(C)的聚合物层(未图示)。在一个实施例中，可以通过使用等离子体的干刻蚀法执行各向异性刻蚀。在这种情况下，可以应用包括氯基气体和烃基气体的反应性气体。该反应性气体可以与含有基于硫族化物材料的第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)反应，以刻蚀第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)。同时，可以在第一至第四开关功能层(图9B的352、354、356和358)的侧表面上形成聚合物层，并且在完成刻蚀后，聚合物层可以保留。该聚合物层可以具有如上文参考图3A、图3B和图3C描述的恒定电阻。

位线接触孔3003可以在第一横向方向(即y方向)上暴露单元绝缘层370的侧表面。位线接触孔3003可以暴露第一至第四开关层352a、354a、356a和358a的侧表面、第一至第四层间绝缘层332、334、336和338的侧表面以及基底绝缘层310的侧表面。

参考图11A、图11B和图11C，可以在位线接触孔3003中提供导电材料以形成位线结构380。例如，导电材料可以包括掺杂的半导体、金属、导电金属氮化物、导电金属碳化物、导电金属硅化物或导电金属氧化物。例如，导电材料可以包括掺有n型或p型掺杂剂的硅(Si)、砷化镓(GaAs)、钨(W)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钌(Ru)、铂(Pt)、铱(Ir)、氧化铱、氮化钨、氮化钛、氮化钽、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛、硅化钽、氧化钌，或其两种或更多种的组合。例如，位线结构380可以通过应用物理气相沉积法、化学气相沉积法等形成。

通过执行上述过程，可以制造根据本公开实施例的半导体器件。

在一些实施例中，每个位线接触孔3003的侧表面可能不具有垂直于衬底301的上表面的倾斜角。这时，可以执行上文针对图11A、图11B和图11C所描述的过程以形成位线结构380。在这种情况下，位线结构380的形状可以与上文参考图4描述的半导体器件1b的位线结构240的形状实质上相同，

在一些实施例中，在执行上文参考图11A、11B和11C描述的用于形成位线结构380的过程之后，可以执行上文参考图8A、8B和8C描述的用于形成单元绝缘接触孔3002的过程。在这种情况下，产生的单元绝缘接触孔3002可以在第一横向方向(即y方向)暴露第一至第四开关层352a、354a、356a和358a、第一至第四层间绝缘层332、334、336和338以及位线结构380，并可在第二横向方向(即x方向)暴露多个第一至第四字线结构322、324、326和328以及第一至第四层间绝缘层332、334、336和338。此后，可以用绝缘材料填充单元绝缘接触孔3002，以形成单元绝缘结构370。

为了说明的目的已经公开了本公开的实施例。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开和所附权利要求的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。