半导体器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种三维存储器栅介质层及其制造方法。
【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示出了现有技术中一种典型的三维存储器。具体的，在衬底1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上共形沉积非晶沟道层5，例如非晶硅，并且在后续过程中通过退火工艺转变为多晶的沟道层。
[0005]做为一种电荷捕获存储器，栅介质的特性是所有材料中最重要的部分，基本要求包括快的编程擦除速度以及良好的可靠性特性。通常而言，三维存储器的栅介质包括氧化硅/氮化硅(用作阻挡层)与高k材料的多层堆叠，其中要求栅介质层的阻挡层具有良好的正向/反向注入抵挡以及低的陷阱态。因此，上述图1所示的栅介质层4通常至少包括三个子层，紧贴沟道层的隧穿层、隧穿层上用于存储捕获电荷的存储层、以及存储层与栅极/伪栅极之间的阻挡层。与以往其中隧穿层、存储层、阻挡层依次沉积在单晶硅沟道层表面上的平面电荷捕获存储器的栅介质制备方法不同，如图1所示的三维存储器由于其复杂的结构，淀积顺序的改变(沟道/隧穿层/存储层/阻挡层变为阻挡层/存储层/隧穿层/沟道)和沟道材料的变化(单晶硅变为多晶硅)使得我们迫切需要寻求一种满足以上三个基本要求的新的栅介质制备方法。
[0006]另一方面，由于擦除操作时空穴遇到的价带势皇高度大于电子导带势皇高度，电荷存储器一般采用0N0三明治结构作为隧穿层。中间的氮氧化硅可以有效的降低擦除时空穴隧穿遇到的势皇，极大的增强空穴隧穿几率，加快擦除速度。
[0007]因此，依照图1结构的一种现有技术的栅极介质层4的制备方法具体如图2Α至图2F所示(对应于图1中虚线框所示，为对栅介质层4附近结构的局部放大)。如图2Α所示，在栅极/伪栅极结构2Α/2Β中形成沟道沟槽，在沟道沟槽的侧面和底部、伪栅极结构的侧面(以及衬底1露出沟槽的顶表面)上共形地沉积例如氧化硅材料的第一阻挡层4Α。随后如图2B所示，在第一阻挡层4A上共形沉积存储层4B。如图2C所示，在存储层4B (图中侧面)上沉积隧穿层堆叠4C，包括氧化硅的第一隧穿层4C1、氮化硅或氮氧化硅的第二隧穿层4C2以及氧化硅的第三隧穿层4C3，并任选地退火处理。如图2D所示，在第三隧穿层4C3上共形地沉积非晶材料层并退火使其部分结晶化成为多晶材料的沟道层5，其材质例如为多晶硅。由此，形成了可加快擦除速度的ΟΝΟ结构的隧穿层结构。此后，如图2Ε所示，去除图1中的绝缘隔离层3，在暴露的开口(未示出)中选择性去除伪栅极2Β，留下横向凹槽，并且共形沉积高k材料的第二阻挡层6A。最后，如图2F所示，形成金属材料的栅极6B填充横向凹槽。
[0008]然而，现有方法存在以下问题:1)淀积的氧化硅中含有较高的陷阱态，编程后会捕获一部分电荷，引起短时间内的阈值电压漂移；2)和存储层之间的界面处含有大量的陷阱态，成为电荷横向扩散的通路，引起数据保持特性的退化。
【发明内容】
[0009]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及其制造方法，能够有效减少缺陷态、抑制阈值电压漂移，改善存储层内电荷横向扩散，提高器件的可靠性。
[0010]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:在伪栅极侧面形成主要包含氮化物的垫层；将垫层转变为主要包含氧化物的第一阻挡层；在第一阻挡层上依次形成存储层、隧穿层、沟道层；去除伪栅极，在暴露的第一阻挡层上形成第二阻挡层；在第二阻挡层上形成栅极导电层。
[0011]其中，转变垫层的工艺选自ISSG、干氧氧化、湿氧氧化的任一种或其组合。
[0012]其中，去除伪栅极之后、形成第二阻挡层之前进一步包括，执行氧化退火或ISSG工艺以在第一阻挡层上形成界面层。
[0013]其中，第二阻挡层材料为高k材料；任选地，存储层为具有电荷俘获能力的介质材料，例如SilHfO^ZrOpYOxS其组合的单层结构或多层堆叠结构；任选地，隧穿层为高k材料、氮化硅、氧化硅，并优选为多个子层的堆叠结构；任选地，栅极导电层为多晶硅、多晶锗硅、金属单质、或这些金属的合金或这些金属的导电氧化物和/或氮化物。
[0014]其中，垫层厚度为2?10nm。
[0015]本发明另外还提供了一种半导体器件，包括衬底、源漏区、沟道区、栅极介质层和栅极导电层，栅极介质层包括隧穿层、存储层、第一阻挡层、第二阻挡层，其中第一阻挡层主要包含氧化物。
[0016]其中，第一阻挡层中0含量远高于N含量。
[0017]其中，第一阻挡层与第二阻挡层之间进一步包括界面层；优选地，界面层主要包含氧化物。
[0018]其中，第二阻挡层材料为高k材料；任选地，存储层为具有电荷俘获能力的介质材料，例如SilHfO^ZrOpYOxS其组合的单层结构或多层堆叠结构；任选地，隧穿层为高k材料、氮化硅、氧化硅，并优选为多个子层的堆叠结构；任选地，栅极导电层为多晶硅、多晶锗硅、金属单质、或这些金属的合金或这些金属的导电氧化物和/或氮化物。
[0019]依照本发明的半导体器件及其制造方法，将氮化物垫层转变为氧化物阻挡层，能够有效减少缺陷态、抑制阈值电压漂移，改善存储层内电荷横向扩散，提高器件的可靠性。
【附图说明】
[0020]以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中:
[0021]图1为现有技术的三维存储器件的剖视图；
[0022]图2A至图2F为图1所示器件的栅介质层制造方法的各步骤剖视图；
[0023]图3A至图3H为本发明的栅介质层制造方法的各步骤剖视图；以及
[0024]图4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】
[0025]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，公开了能有效地减少缺陷态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。
[0026]首先，如图1所示，形成基础结构。
[0027]在衬底1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1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1C制造工艺兼容，衬底1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。
[0028]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)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1以及衬底1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C3F6、C4Fs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0 2、C0等控制侧壁形貌。平行于衬底1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氮氧化娃等，反之亦然。
[0029]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1以及衬底1上交替堆叠的层2A/层2B的侧壁的第二开孔。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C3F6、C4Fs等含C量比较高的气体并进一步优