CN118234235A - 三维nand存储器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

三维NAND存储器件及其形成方法。一种半导体器件包括在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级。每个层级包括交替的字线层和绝缘层。栅极线结构(GLS)延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。沟道结构延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续。所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。

Description

三维NAND存储器件及其形成方法

背景技术

随着集成电路中器件的临界尺寸缩小到平面存储单元技术的极限，设计者一直在寻找堆叠多个存储单元面的技术，以实现更大的储存容量和更低的每比特成本。一种三维(3D)NAND存储器件可以包括在衬底或半导体层之上的交替的绝缘层和字线层的堆叠体。存储单元串可以沿延伸穿过交替的绝缘层和字线层的堆叠体的沟道结构形成。

发明内容

本公开的方面提供了一种半导体器件。所述半导体器件包括在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级。每个层级包括交替的字线层和绝缘层。栅极线结构(GLS)延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。沟道结构延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续。所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。

在一些实施例中，所述GLS包括延伸穿过第一层级的第一部分和延伸穿过第二层级的第二部分。所述GLS的所述第一部分的顶面与所述GLS的所述第二部分的底面直接接触并且位于所述底面内。在一个实施例中，所述GLS的所述第一部分的侧壁与所述GLS的所述第二部分的侧壁间隔开。在一个实施例中，所述GLS的所述第一部分的侧壁和所述GLS的所述第二部分的侧壁彼此直接接触。

在一些实施例中，所述沟道结构包括延伸穿过第一层级的第一部分和延伸穿过第二层级的第二部分。所述沟道结构的所述第二部分的底面与所述沟道结构的所述第一部分的顶面直接接触并且位于所述顶面内。在一个实施例中，所述沟道结构的所述第二部分的所述底面具有比所述沟道结构的所述第一部分的所述顶面小的圆周。

在一些实施例中，所述GLS包括延伸穿过一个层级的至少一个栅极线缝隙，以及延伸穿过另一个层级并且彼此间隔开的子GLS。所述子GLS与所述至少一个栅极线缝隙对准并且直接接触。在一个实施例中，所述子GLS位于所述至少一个栅极线缝隙之上或下方。

在一些实施例中，所述第一GLS包括块分区GLS。所述第二GLS包括指状物分区GLS。所述块分区GLS包括没有栅极线孔的栅极线缝隙。在一个实施例中，所述指状物分区GLS包括栅极线孔。

本公开的方面提供了一种制造半导体器件的方法。所述方法包括形成在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级。每个层级包括交替的第一层和第二层。形成延伸穿过所述层级的所述第一层和所述第二层的栅极线结构(GLS)。所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续。所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。形成延伸穿过所述层级的所述第一层和所述第二层的沟道结构。所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续。

在一些实施例中，形成所述层级包括在所述半导体层之上形成第一层级。通过第一蚀刻工艺在所述第一层级中形成第一沟道开口和第一GLS开口。用牺牲材料形成所述第一沟道开口和所述第一GLS开口。在一个实施例中，在所述第一层级之上形成第二层级。通过第二蚀刻工艺在所述第二层级中形成第二沟道开口和第二GLS开口。用牺牲材料填充所述第二沟道开口和所述第二GLS开口。在一个实施例中，所述第二沟道开口的底面与所述第一沟道开口的顶面直接接触并且位于所述顶面内。所述第一GLS开口的顶面与所述第二GLS开口的底面直接接触并且位于所述底面内。在一个实施例中，所述沟道结构的所述第二部分的所述底面具有比所述沟道结构的所述第一部分的所述顶面小的圆周。

在一些实施例中，形成所述层级包括将所述层级中的最上层级形成在所述层级中的其他层级之上。通过两个独立的蚀刻工艺在所述最上层级中形成最上沟道开口和最上GLS开口。在一个实施例中，形成所述GLS包括在形成所述最上GLS开口之后，从其他层级中的其他GLS开口去除牺牲材料。用所述GLS填充所述其他GLS开口和所述最上GLS开口。在一个实施例中，形成所述沟道结构包括在形成所述最上沟道开口之后，从其他层级中的其他沟道开口去除牺牲材料。用所述沟道结构填充所述其他沟道开口和所述最上沟道开口。

在一些实施例中，形成所述GLS包括形成包括孔的一个GLS开口和包括线缝隙的另一个GLS开口。所述孔与所述线缝隙对准并且直接接触。用所述GLS填充所述孔和所述线缝隙。

本公开的方面提供一种存储系统。所述存储系统可以包括：控制器；用于将所述控制器连接到主机器件的接口电路系统；以及连接到所述控制器的存储器件。所述存储器件可以包括在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级。每个层级包括交替的字线层和绝缘层。栅极线结构(GLS)延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。沟道结构延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层。所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续。所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。

附图说明

当与附图一起阅读时，可以从以下详细描述来理解本公开的方面。需要注意的是，根据行业标准实践，各种特征没有按比例绘制。为了清楚讨论，可以增大或减小各种特征的尺寸。

图1A示出了根据本公开的一些实施例的3D NAND存储器件的横截面视图。

图1B示出了根据本公开的实施例的3D NAND存储器件的横截面视图(或横截面)。

图1C-1、1C-2和1C-3示出了根据本公开的实施例的3D NAND存储器件的横截面视图。

图1D-1、1D-2和1D-3示出了根据本公开的实施例的3D NAND存储器件的横截面视图。

图1E-1、1E-2和1E-3示出了根据本公开的实施例的3D NAND存储器件的横截面视图。

图1F-1、1F-2和1F-3示出了根据本公开的实施例的3D NAND存储器件的横截面视图。

图2-7是根据本公开的实施例的在制造期间的各个中间步骤处的3D NAND存储器件的横截面视图。

图8是根据本公开的实施例的用于制作3D NAND存储器件的制造工艺800的流程图。

图9示出了根据本公开的一些示例的存储系统器件的框图。

具体实施方式

以下公开提供了用于实现所提供主题的各种特征的许多不同实施例或示例。下面描述部件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些只是示例，并不意图进行限制。例如，在下面的描述中，在第二特征之上或上形成第一特征可包括第一和第二特征可直接接触的实施例，并且还可包括在第一和第二特征之间形成有附加特征，使得第一和第二特征可不直接接触的实施例。此外，本公开可重复各种示例中的附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，本文可以使用诸如“在……下面”、“下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等空间相对术语来描述一个元件或特征与别的元件(一个或多个)或特征(一个或多个)的关系，如图中所示。空间上相关的术语意图涵盖除了图中所示的取向之外，使用或操作中的器件的不同取向。装置可以处于其他取向(旋转90度或以其他取向)，并且也可以相应地解释本文中使用的空间相关描述符。

一种三维(three-dimensional，3D)NAND存储器件，包括用于控制竖直布置的存储单元的堆叠字线层。字线层的数量可以从几十层增加到几百层，以实现更高的比特密度。因此，通过单个蚀刻工艺(一蚀刻(one-etch)GLS方法)形成穿过整个堆叠层的栅极线缝隙(gate line slit，GLS)变得越来越具有挑战性。例如，GLS的底部可能未完全打开。GLS可能沿X方向扭曲。GLS的竖直轮廓可能呈现凹口(有时称为“鼠咬”)或倾斜侧壁。

本公开描述了用于解决制造工艺期间的上述问题的技术。具有许多堆叠层(例如，超过100层)的3D NAND存储器件可以采用多层级配置(或N层级配置)，其中沟道结构逐层级形成。GLS可以逐层级形成(多蚀刻(multi-etch)GLS方法)。以这种方式，以单蚀刻工艺穿过整个堆叠层形成单个GLS可以被替换为独立形成各自穿过堆叠层的层级的多个子GLS。由于减小了单个层级的深度，所以蚀刻工艺变得更容易，并且GLS的形状变得更可控。

在一些实施例中，层级中的沟道结构和GLS的形成可以合并以节省处理成本。例如，GLS和沟道结构的构造可以共享相同的光刻掩模并且使用相同的蚀刻工艺。在一些实施例中，例如，当GLS和沟道结构可穿过不同的材料层时，可以使用不同的蚀刻工艺来进行层级中的沟道结构和GLS的形成。

图1A示出了根据本公开的一些实施例的3D NAND存储器件100(以下称为器件100)的块103的横截面视图。在图1A和本公开的其他图中使用3D坐标系作为描述器件100的结构的参考。3D坐标系具有三个相互垂直的坐标轴：分别与X方向、Y方向和Z方向对应的x轴、y轴和z轴。

块103由两个栅极线结构(GLS)111-112(也称为块分区GLS或第一GLS)界定。在图1A的俯视图中，块分区GLS 111-112在X方向上延伸。器件100包括交替的字线层和绝缘层(未示出)，交替的字线层和绝缘层与X-Y平面平行延伸并且在Z方向上堆叠。块分区GLS111-112可以各自在X-Z平面中延伸并穿过堆叠层以限定块103。器件100可以由各自在相应X-Z平面中延伸的任意数量的块分区GLS进行分区，从而产生任意数量的块。块103可以是这些块中的一个块。

块103还包括GLS 113的序列(称为指状物分区GLS)。在图1A的俯视图中，指状物分区GLS113的序列沿X方向分布。每个指状物分区GLS在Z方向上穿过堆叠层。因此，块103被分区为两个指状物105-106。在各种实施例中，块103可以包括任意数量的指状物分区GLS序列。每个指状物分区GLS序列可以包括任意数量的GLS。在一些示例中，指状物分区GLS的序列可以在X方向上从左侧到右侧穿过块。

块103包括若干区域：接触区域101、储存区域102以及接触区域101和储存区域102之间的过渡区域104，如图1A中所示。储存区域102(也称为核心区域或阵列区域)包括沟道结构131。沟道结构131竖直(在Z方向上)形成并穿过堆叠字线层。在沟道结构穿过字线层的每个位置处形成存储单元晶体管。因此，在Z方向上沿每个沟道结构形成存储单元串。过渡区域104包括虚设沟道结构133。接触区域101包括虚设沟道结构132。

接触区域101包括竖直(在Z方向上)形成的字线接触部171。每个字线接触部171可以到达字线接触部的底部的相应字线层(被称为用于特定字线接触部的目标字线层)。虽然图1A中示出了一个字线接触部171，但是可以在接触区域中形成任意数量的字线接触部，以向相应字线层提供接触线。

在图1A示例中，每个字线层可以在X-Y平面中延伸以覆盖块103中的三个区域101/104/102。在块103中不形成阶梯结构。

每个字线层可以包括不同的区域，这些区域可以包括不同的材料，由不同的工艺形成，并且用于不同的目的。作为示例，在图1A中示出了特定字线层(以下称为第一字线层)的布局。如所示，第一字线层可以包括区域151/152/153/161(也可以被称为部分、区域或层)。例如，可在该早期阶段形成交替的牺牲层和绝缘层的堆叠体。每个牺牲层然后可被导电材料层部分替换并成为字线层，诸如第一字线层。在第一字线层中，区域151/152/153可以是牺牲层已被导电材料替换的部分。区域161可以是原始牺牲层保留的部分。区域161可以被视为并被称为第一字线层内的牺牲区域161或牺牲层161。

第一字线层的(导电)区域153提供字线接触部171和区域151之间的连接(经由区域152)。(导电)区域152提供字线接触部171和区域153之间的连接。(导电)区域151用作栅极电极并与第一字线层中的存储单元连接。以这种方式，存储单元可以与形成在器件100顶部上的相应字线连接。

对于块103中的不同字线层，字线接触部可以分布在从俯视图看到的不同位置处。因此，每个字线接触部附近的导电区域(类似于区域152)可以在从俯视图看到的相应目标字线层中具有不同的位置。每个字线接触部可以从相应目标字线层向上(沿Z方向)延伸以连接到设置在块103顶部的字线。每个字线接触部可以穿过目标字线层上方的字线层以到达相应字线。字线接触部穿过字线层的位置可以在字线接触部穿过的该字线层的牺牲层(类似于第一字线层中的牺牲层161(区域161)的区域)内。

在过渡区域104中，如图1A中所示，第一字线层(和块103中的其他字线层)从(导电)区域151过渡到牺牲区域161。在一些示例中，该过渡可在过渡区域104中引入机械应力。因此，沟道结构可被损坏并且不能正常工作。

在其他示例中，与图1A示例不同，在器件100中的接触区域101中使用阶梯结构。在这种配置中，接触区域101可以被称为阶梯区域101。例如，阶梯区域101包括阶梯结构(未示出)。阶梯结构包括由相应字线层的边缘形成的台阶的序列(单个或多个)。例如，台阶沿X方向向下。字线接触部和虚设沟道可以形成在阶梯区域101中。字线接触部可以在相应的台阶处与每个相应的字线层接触。虚设沟道可以穿过堆叠层以提供对器件100的结构的支撑。

图1B示出了根据本公开的实施例的器件100的块103的横截面视图(或横截面)200。横截面视图200与通过图1A中所示的切割线A-A’的Y-Z平面对应。器件100可以使用N层级制造工艺来制作，其中N数量的层级逐层级形成。N可以是大于1的整数。作为示例，示出块103包括在Z方向(垂直于衬底207(也称为半导体层207)的工作表面的竖直方向)上向上堆叠的三个层级201-203。

每个层级201-203包括在Z方向上交替布置的字线层204和绝缘层205的堆叠层。字线层204包括导电材料，诸如金属、多晶硅等。绝缘层205包括非导电材料。导电层206设置在下部层级201的底部和衬底207的上方。导电层206可以包括导电材料(单种或多种)，并且用作用于图1A中所示的储存区域102中的沟道结构131的源极线。

图1B的横截面视图200中示出了两个沟道结构107A-107B。每个沟道结构107A-107B包括在Z方向上串联连接的多个段(子沟道结构)。沟道结构107A包括三个子沟道结构：分别与下部层级201、中部层级202和上部层级203对应的第一层级沟道结构211、第二层级沟道结构212和第三层级沟道结构213。类似地，沟道结构107B包括三个子沟道结构或部分：分别与下部层级201、中部层级202和上部层级203对应的第一层级沟道结构221、第二层级沟道结构222和第三层级沟道结构223。

如所示，沟道结构107A或107B的侧壁214或224的轮廓具有不连续形状。例如，侧壁214或224的轮廓在层级201-203之间的两个邻近或相邻层级之间的边界(也称为界面)(层级201-202之间的边界和层级202-203之间的边界)处不连续。在一些实施例中，第三层级沟道结构223的底面与第二层级沟道结构222的顶面直接接触并位于第二层级沟道结构222的顶面内。在XY平面中，第三层级沟道结构223的底面具有比第二层级沟道结构222的顶面更小的圆周，并且从第二层级沟道结构222的顶面偏移。相似地，第二层级沟道结构222的底面与第一层级沟道结构221的顶面直接接触并位于第一层级沟道结构221的顶面内。在XY平面中，第二层级沟道结构222的底面具有比第一层级沟道结构221的顶面小的圆周，并且从第一层级沟道结构221的顶面偏移。

在实施例中，下部子沟道结构211/221穿过底部层级201的堆叠层并到达导电层206。中部子沟道结构212/222穿过中部层级202的堆叠层。上部子沟道结构213/223穿过上部层级203的堆叠层。在实施例中，帽层241设置在上部层级203的顶部之上。沟道接触部216/226设置在沟道结构107A/107B的顶部处并穿过帽层241。

在实施例中，沟道结构107A/107B中的每个还包括核心215E、围绕核心215E的沟道层215D、围绕沟道层215D的隧穿层215C、围绕隧穿层215C的电荷俘获层215B、以及围绕电荷俘获层215B且进一步直接接触字线层204的阻挡层215A。在一些实施例中，可以在字线层204和阻挡层215A之间设置高K层，诸如HfO₂或AlO。那些层215A、215B、215C和215D以及对应的字线层一起形成相应存储单元串中的存储单元的结构。

在一些实施例中，一个或多个顶部栅极选择(TGS)晶体管可以形成在每个沟道结构107A/107B处的上部层级203的顶部字线层处；并且一个或多个底部栅极选择(BGS)晶体管可以形成在每个沟道结构107A/107B处的底部层级201的底部字线层处。在一些示例中，对于那些TGS晶体管或BGS晶体管，存储单元晶体管中的阻挡层215A、电荷俘获层215B和隧穿层215C可以被例如栅极氧化层替代。

GLS 111示出于图1B中的横截面视图200中。GLS 111在X-Z平面中穿过三个层级201-203的堆叠层。在横截面视图200中，GLS 111包括三个段或部分(称为总层级(per-deck)GLS或子GLS)231-233：分别与层级201-203对应的底部层级子GLS 231、中部层级子GLS 232和上部层级子GLS233。底部层级子GLS 231穿过底部层级201的堆叠层并到达导电层206。中部层级子GLS 232穿过中部层级202的堆叠层。上部层级子GLS 233穿过上部层级203的堆叠层并被帽层242覆盖。三个子GLS 231-233在Z方向上串联连接。

在N层级制造工艺中，子GLS 231-233可在制造工艺的不同阶段使用独立的蚀刻工艺一个层级一个层级地形成。结果，横截面视图200中GLS 111的侧壁234的轮廓具有不连续形状。例如，侧壁234在位于上部层级203和中部层级202之间的层级界限(或边界或界面)209处的位置236A-236B处不连续，并且在位于中部层级202和下部层级201之间的层级界限208处的位置236C和236D处不连续。换句话说，侧壁234包括相对于彼此交错的段，而不是在YZ横截面中形成连续的直线。

对于GLS 111，每个子GLS 231/232/233可以具有更宽的顶部宽度和更窄的底部宽度。此外，上部子GLS的底部宽度可以宽于或等于邻近下部子GLS的顶部宽度。此外，上部子GLS可以具有比下部邻近子GLS相对小的侧壁坡度。结果，GLS 111作为整体可以具有小的B/T比(即底部宽度与顶部宽度的比)。这样的GLS形状使得填充GLS 111更容易，并且使得GLS111成为更强的支撑结构，以对抗器件100内部的机械应力的不利影响。

在一些示例中，GLS 111不提供从顶侧(前侧)到底侧(后侧)的电路路径，并且因此可以与围绕结构或材料隔离。在示例中，电介质材料(例如SiO₂)的层237可以形成在GLS111的侧壁和底部上。然后，多晶硅238可以填充在GLS 111内的空间中。在一些示例中，GLS111提供用于连接到导电层206的电路路径。隔离层可以形成在GLS 111的侧壁上，并且可以在GLS 111内的空间中填充导电材料(例如，金属)。

注意，图1A中的指状物分区GLS 113的序列可以具有与块分区GLS 111类似的结构。并且，可以使用与用于制作块分区GLS 111的处理工艺类似的处理工艺来形成指状物分区GLS。

在各种实施例中，器件100可以包括任意数量的层级，诸如2、4、5、6、7等。因此，沟道结构107A/107B和GLS 111可以包括与相应层级对应的任意数量的段。此外，由于采用了不同的设计和制造工艺，GLS 111或沟道结构107A/107B的轮廓可以具有与图1B中所示的轮廓不同的形状。

在一些实施例中，沟道结构107A/107B或GLS 111的段可使用单个蚀刻工艺形成，但穿过一个以上的层级(诸如2、3或更多层级)。包括在一个沟道结构或一个GLS中的那些段均可以穿过不同数量的层级。具有不同深度(按层级的数量测量的)的那些段可在不同示例中按任意次序布置。

作为示例，下面参考图2-7描述用于制作器件100的制造工艺。图2-7各示出了在制造工艺的中间阶段的块103的横截面视图。横截面视图与通过图1A中的切割线A-A’的切割面对应。

在一些实施例中，图1C-1、1C-2和1C-3示出了分别沿线切口BB’、CC’和DD’取得的器件100的横截面视图。注意，图1C-1、1C-2、1C-3、1D-1、1D-2、1D-3、1E-1、1E-2、1E-3、1F-1、1F-2和1F-3未按比例绘制。如所示，沟道结构107和虚设沟道结构134设置在块分区GLS 111和112之间。GLS 114和115(也称为指状物分区GLS或第二GLS)也设置在块分区GLS 111和112之间。在图1C-1、1C-2和1C-3的示例中，底部层级子GLS 231、中部层级子GLS 232和上部层级子GLS233均包括栅极线孔。中部层级子GLS 232的每个栅极线孔与底部层级子GLS 231的相应栅极线孔和上部层级子GLS 233的相应栅极线孔对准并连接。GLS 111和112各自为栅极线缝隙。

特别地，图1B可以是在该示例中沿线切口EE’取得的横截面视图。注意，GLS 111示出了栅极线缝隙，而GLS 231A示出栅极线孔。GLS 111和GLS 231A可以具有基本上类似或相同的横截面，例如如图1B中所示。

在一些实施例中，底部层级子GLS 231的顶面与中部层级子GLS 232的底面直接接触并位于中部层级子GLS 232的底面内。底部层级子GLS 231的侧壁与中部层级子GLS 232的侧壁间隔开。相似地，中部层级子GLS 232的顶面与上部层级子GLS 233的底面直接接触并位于上部层级子GLS233的底面内。中部层级子GLS 232的侧壁与上部层级子GLS 233的侧壁间隔开。

在一些实施例中，图1D-1、1D-2和1D-3示出了分别沿线切口BB’、CC’和DD’取得的器件100的横截面视图。在此，底部层级子GLS 231D是栅极线缝隙。中部层级子GLS 232和上部层级子GLS 233中的栅极线孔与底部层级子GLS 231D中的栅极线缝隙对准。中部层级子GLS 232中的栅极线孔与底部层级子GLS 231D中的栅极线缝隙直接接触。结果，GLS 114包括栅极线缝隙和栅极线孔的组合。

在一些实施例中，图1E-1、1E-2和1E-3示出了分别沿线切口BB’、CC’和DD’取得的器件100的横截面视图。在此，中部层级子GLS 232E是栅极线缝隙。底部层级子GLS 231和上部层级子GLS 233中的栅极线孔与中部层级子GLS 231D中的栅极线缝隙对准并直接接触。

在一些实施例中，图1F-1、1F-2和1F-3示出了分别沿线切口BB’、CC’和DD’取得的器件100的横截面视图。在此，顶部层级子GLS 233F是栅极线缝隙。底部层级子GLS 231和中部层级子GLS 232中的栅极线孔与顶部层级子GLS 233F中的栅极线缝隙对准。中部层级子GLS 232中的栅极线孔与顶部层级子GLS 233F中的栅极线缝隙直接接触。

在图2中，导电层206可以形成在衬底207之上。衬底207可以是任何合适的衬底并且可以被处理以形成各种合适的特征。衬底207可以由任何合适的半导体材料形成，合适的半导体材料是诸如硅(Si)、锗(Ge)、SiGe、化合物半导体、合金半导体等。衬底207可以包括各种层，包括形成在半导体衬底上的导电或绝缘层。根据设计要求，衬底207可以包括各种掺杂配置。在一些实施例中，导电层206可以是沉积在衬底207之上的导电层(例如，多晶硅)。在一些实施例中，导电层206可以是衬底207的部分。

在导电层206之上形成交替的牺牲层304和绝缘层205的堆叠层的层级301。层级301与图1B示例中的底部层级201对应。在后面阶段，可以将牺牲层304替换为字线层204。例如，牺牲层304可以包括氮化硅，并且绝缘层205可以包括电介质材料(诸如SiO₂)。

层级301可以包括任意数量的堆叠层(牺牲层304和绝缘层205)，诸如128、256或1024个牺牲层。牺牲层304和绝缘层205可以具有任何合适的厚度。可以使用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)等来形成牺牲层304和绝缘层205。

可以同时或随后形成与图1B中的子沟道结构211和221对应的沟道开口302A和302B以及与子GLS 231对应的GLS开口306。

注意，在在层级301顶部上形成下一层级之前，在层级301中形成开口302A/302B/306。在传统方法中，GLS在所有层级形成之后形成。由于所有层级的堆叠层的数量非常大，所以在单个蚀刻工艺中形成的GLS可能不会穿过堆叠层级的底部的堆叠层。或者，GLS的底部部分可能沿X方向扭曲，并且GLS的侧壁可能倾斜且具有鼠咬(mouse bite)。相比之下，本公开提供了一种以逐层级方式形成多层级GLS的方法。多层级GLS可包括竖直布置的多个部分(子GLS)。每个部分通过蚀刻单个层级形成。由于子GLS的蚀刻深度减小，因此可以更好地控制子GLS的竖直轮廓的形状。结果，可以保护靠近GLS的器件100的结构不因GLS的变形而受损。

另外，在一些实施例中，开口302A/302B/306在相同工艺(例如，相同蚀刻工艺)期间形成。将开口302A/302B/306的形成合并到一个蚀刻工艺中，与独立于沟道开口302A/302B而形成GLS开口306相比，可以降低制造成本。在一些其他实施例中，例如，可以使用两个独立的蚀刻工艺独立地形成沟道开口302A/302B和GLS开口306。

为了形成开口302A/302B/306，在示例中，在层级301之上形成掩模层(未示出)。使用光刻工艺对掩模层进行图案化以定义开口302A/302B/306的位置。基于图案化掩模层，使用蚀刻工艺(诸如湿法蚀刻、干法蚀刻(例如，称为等离子体打孔的等离子体蚀刻)或其组合)形成开口302A/302B/306。

沟道开口302A/302B可以具有任何合适的形状，诸如圆形柱形、方形柱形、椭圆形柱形等。开口302A/302B具有锥形轮廓，其中顶部开口尺寸大于底部开口尺寸，如图2中所示。图2的横截面视图中的GLS开口306的轮廓具有锥形轮廓，其中顶部开口尺寸(顶部宽度)大于底部开口尺寸(底部宽度)，如图2中所示。在一个实施例中，GLS开口306是栅极线孔，并且形成多个这样的栅极线孔，例如如图1C-1、1E-1或1F-1中所示。在另一个实施例中，GLS开口306是栅极线缝隙，例如如图1D-1中所示。

形成牺牲层(或核心)308以填充开口302A/302B/306中的每个。牺牲层308可沉积在每个开口302A/302B/306的侧壁的表面之上。可使用任何合适的工艺形成牺牲层308，合适的工艺是诸如ALD工艺、CVD工艺、PVD工艺或其组合。牺牲层308可以包括一种或多种牺牲材料。在各种实施例中，牺牲层308包括碳、硅(例如多晶硅)、金属(例如钨)和/或类似物。在实施例中，在相应牺牲层308内形成气隙309。

表面平坦化工艺(例如，化学机械平坦化(CMP))可以用于从层级301的顶面去除掩模层和牺牲层308的过量材料。

在图3中，在第一层级301之上形成第二层级311。第二层级311可以具有类似于第一层级301的结构并且以类似于第一层级301的方式形成。第二层级311可以包括与第一层级301相同数量或不同数量的堆叠层。

沟道开口312A和312B以及GLS开口316可以以相同的处理工艺形成在第二层311中。可以共享相同的光刻掩模来形成开口302A/302B/306。开口312A/312B/316可以以类似于开口302A/302B/306的方式形成。在实施例中，开口312A/312B/316的底部位于开口302A/302B/306的牺牲层308的顶面处。

可以以类似于第一层级201中的牺牲层308和气隙309的方式在开口312A/312B/316中的每个中形成牺牲层318和气隙319。

在一个实施例中，GLS开口316是栅极线孔，并且形成多个这样的栅极线孔，例如如图1C-1、1D-1或1F-1中所示。在另一个实施例中，GLS开口316是栅极线缝隙，例如如图1E-1中所示。

在图4中，在第二层级311之上形成第三层级321。第三层级321可以具有类似于第一层级301和第二层级311的结构。可以以类似于第一层级301和第二层级311的方式形成第三层级321。第三层级321可以包括与第一层级301或第二层级311相同数量或不同数量的堆叠层。

可在第三层级321中形成沟道开口322A和322B。当前阶段未形成GLS开口。可以以类似于开口312A/312B的方式形成开口322A/322B。在实施例中，开口322A/322B的底部位于开口312A/312B中的牺牲层318的顶面处。

通过执行适当的处理工艺，可以从开口312A/312B(图3中所示)去除牺牲层318，并且可以从开口302A/302B(图2中所示)去除牺牲层308。在示例中，使用碳形成牺牲层318和308。使用二氧化碳气体烧尽碳以去除牺牲层318和308。结果，可以暴露沟道开口302A/302B、312A/312B和322A/322B的侧壁。

在当前阶段，在Z方向上串联连接的沟道开口302A/302B、312A/312B和322A/322B形成两个多层级沟道开口：包括沟道开口302A、312A和322A的左侧开口341A；以及包括沟道开口302B、312B和322B的右侧开口341B。还可以执行湿清洁工艺以清洁暴露在开口341A/341B中的层级301/311/321的堆叠层的表面。

在图5中，沟道结构107A和107B可以形成在左侧开口341A和右侧开口341B内。在实施例中，阻挡层215A、电荷俘获层215B、隧穿层215C和沟道层215D可以共形地并且随后沉积在开口341A/341B的侧壁之上。电荷俘获层215B夹在阻挡层215A和隧穿层215C之间。核心215E可以形成在由沟道层215D围绕的开口内。可以执行CMP工艺以去除位于层级321的顶面上方的过量材料。可以形成帽层241以覆盖层级321的顶面。随后可以穿过帽层241形成沟道接触部216和226以连接至沟道结构107A/107B的沟道层215D。

在一些实施例中，在接触区域101中采用阶梯结构。在这种配置中，在形成沟道结构107A/107B和相应沟道接触部216/226之后，在一些实施例中，可以执行各种制造步骤以在阶梯区域101中形成阶梯结构、字线接触部和虚设沟道。

在一些示例中，不使用阶梯结构。可以在接触区域中形成字线接触部(诸如字线接触部171)。在一些示例中，这些字线接触部(没有阶梯)的形成可以推迟到字线替换和GLS结构完成后的后期阶段。

在图6中，在层级321中形成GLS开口326。GLS开口326可以以类似于层级311中的开口316的方式形成。在实施例中，开口326的底部位于开口316中的牺牲层318的顶面处。可以去除开口316中的牺牲层318(如图3中所示)和开口306中的牺牲层308。因此，可以暴露GLS开口306、316和326的侧壁。

在一个实施例中，GLS开口326是栅极线孔，并且形成多个这样的栅极线孔，例如如图1C-1、1D-1或1E-1中所示。在另一个实施例中，GLS开口316是栅极线缝隙，例如如图1F-1中所示。

在图7中，多层级GLS开口341C示出为穿过层级301/311/321。多层级GLS开口341C包括在Z方向上串联连接的GLS开口306、316和326。

在制造工艺的随后步骤中，可以经由多层级GLS开口341C用字线层204替换牺牲层304。然后，可以通过填充一种或多种材料来封闭多层级GLS开口341C。例如，可以通过蚀刻工艺(诸如湿法蚀刻工艺)去除牺牲层304。在示例中，可以施加四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)以选择性地去除牺牲层304。当去除牺牲层304时，可以在绝缘层205之间形成空间。沟道结构107A/107B的侧壁可暴露于该空间中。

可以沉积导电材料(诸如钨)以填充绝缘层205之间的空间以形成字线层204。可以去除绝缘层205之间的空间外部和多层级GLS开口341C内部的过量导电材料。在示例中，在将导电材料填充到空间中之前，可以首先在空间内部沉积衬垫(例如，锡)。

可以施加沉积工艺以沿多层级GLS开口341C的侧壁和底部沉积电介质材料(诸如SiO₂)。随后可以通过将导电或电介质材料(诸如多晶硅)填充到先前沉积的电介质材料内部的开口中来形成GLS 111。

在图4-7的实施例中，在形成GLS 111之前形成沟道结构107-107B。在其他实施例(未示出)中，可以在形成沟道结构107-107B之前形成GLS 111。即，在形成第三层级321之后，形成GLS开口326，而不形成沟道开口(例如322A和322B)。接下来，可以去除开口316(图3中所示)中的牺牲层318和开口306中的牺牲层308。因此，可以暴露GLS开口306、316和326的侧壁。结果，形成多层级GLS开口341C，使得可以形成GLS 111。

在形成GLS 111之后，可以形成沟道开口322A和322B。然后，可以从开口312A/312B(图3中所示)去除牺牲层318，并且可以从开口302A/302B(图2中所示)去除牺牲层308。因此，可以在左侧开口341A和右侧开口341B内形成沟道结构107A和107B。

在图1A示例中，可以在不同的时间部分地替换区域151和区域153中的牺牲层304。例如，可以通过例如填充牺牲材料或光刻掩模来首先覆盖与过渡区域104和接触区域101处的GLS 111和112对应的GLS开口。然后，可以经区域151中未被覆盖的GLS开口用金属替换区域151中的牺牲层304。在下一步骤中，可以替换区域153中的牺牲层304。或者，可以颠倒上述次序。例如，在替换区域151中的牺牲层304之前，可以执行区域153中的牺牲层304的替换。然后，可以填充与GLS111-113对应的GLS开口以形成GLS 111-113。此后，可以在接触区域101中形成字线接触部171。

在另一示例中，可在接触区域101中形成阶梯。当替换牺牲层304时，可经由与GLS111/112/113对应的GLS开口替换每个台阶的整个牺牲层304。

在当前阶段，在参考图2-7所述的以上处理步骤之后，形成图1A和图1B中所示的器件100。

当在接触区域101中使用阶梯结构时，对于一蚀刻GLS方法或多蚀刻GLS方法，除了交替的牺牲层和绝缘层之外，GLS蚀刻穿过形成在阶梯结构上方的氧化层(例如，包括SiO₂)。沟道结构的刻蚀穿过交替的牺牲层和绝缘层。将GLS蚀刻与沟道结构蚀刻合并可能相对困难，因为蚀刻工艺涉及氧化物材料。相比之下，对于没有阶梯结构的配置，GLS和沟道结构穿过相同的堆叠层。因此，合并这两种类型的结构的形成可能相对更可行。

另外，对于图1A的示例中的特定字线接触部设计，可以给GLS结构产生更多的芯片区域。因此，图1B中的GLS 111可以具有更宽的顶部尺寸。更宽的GLS开口使得填充GLS开口更容易，并且使得GLS结构更坚固以更好地支持器件100的结构。

在一些实施例中，不使用GLS，而是在接触区域101处形成源极线接触部，以为器件100的底部处的源极线提供导电接触路径。这样的源极线接触部穿过器件100的N个层级。结合这样的配置，可以避免由多蚀刻(多段)GLS的不连续性引起的电介质击穿风险。

另外，当使用GLS提供源极线接触路径时，形成间隔层(例如SiO₂)以将导电核心(例如多晶硅)与围绕字线层隔离。间隔层结构对GLS开口的尺寸和形状施加限制。结合在接触区域101中形成的源极线接触部，可以放宽对多蚀刻(多段)GLS的尺寸和/或形状要求。在一些示例中，不限制间隔结构，GLS的底部可以形成得更窄。

图8是根据本公开的实施例的用于制作诸如器件100的3D NAND存储器件的制造工艺800的流程图。工艺800可以从S801开始并进行到S810。

在S810处，形成在垂直于半导体层的工作表面的竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级。每个层级包括交替的字线层和绝缘层。在S820处，形成延伸穿过层级的第一层和第二层的栅极线结构(GLS)。GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续。该GLS包括：包括栅极线缝隙的第一GLS；包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS的第二GLS；或其组合。在S830处，形成延伸穿过层级的第一层和第二层的沟道结构。沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续。

应当注意，可以在工艺800之前、期间和之后提供附加步骤，并且对于工艺800的附加实施例，可以替换、消除或以不同次序执行所描述的一些步骤。在随后的工艺步骤中，可以在3D NAND存储器件之上形成各种附加互连结构(例如，具有导电线和/或过孔的金属化层)或外围结构。外围结构可以形成控制电路系统来操作3D存储器件。互连结构可以将3DNAND存储器件与外围结构或其他接触结构和/或有源器件电连接以形成功能电路。还可以形成诸如钝化层、输入/输出结构等的附加器件特征。

图9示出了根据本公开的一些示例的存储系统器件900(也称为存储系统900)的框图。存储系统器件900包括一个或多个可以类似于器件100的半导体存储器件911-914。在一些示例中，存储系统器件900是固态驱动器(SSD)或存储模块。

存储系统器件900可以包括其他合适的部件。例如，存储系统器件900包括如图9中所示耦合在一起的接口(或主接口电路系统)901和主控制器(或主控制电路系统)902。存储系统器件900可以包括将主控制器902与半导体存储器件911-914耦合的总线920。另外，主控制器902通过控制线921-924与半导体存储器件911-914连接。

接口901被适当地配置为机械地和电气地连接在存储系统器件900和主机器件930之间。接口901可用于在存储系统器件900和主机器件930之间传输数据。

主控制器902被配置成将相应半导体存储器件911-914连接到接口901以进行数据传输。例如，主控制器902被配置为分别向半导体存储器件911-914提供启用/禁用信号，以激活一个或多个半导体存储器件911-914以进行数据传输。

主控制器902提供用于完成存储系统器件900内的各种指令的功能。例如，主控制器902可以执行坏块管理、错误检查和校正、垃圾收集等。在一些实施例中，使用处理器芯片实现主控制器902。在一些示例中，使用多个主控制单元(MCU)来实现主控制器902。

上述概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改其他工艺和结构的基础，以实现本文介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优点。本领域技术人员还应认识到，此类等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且他们可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本文进行各种更改、替换和变更。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：

在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级，每个层级包括交替的字线层和绝缘层；

栅极线结构(GLS)，延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层；以及

沟道结构，延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层，

其中，所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续，

其中，所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述GLS包括延伸穿过第一层级的第一部分和延伸穿过第二层级的第二部分；并且

所述GLS的所述第一部分的顶面与所述GLS的所述第二部分的底面直接接触并且位于所述底面内。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中：

所述GLS的所述第一部分的侧壁与所述GLS的所述第二部分的侧壁间隔开。

4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中：

所述GLS的所述第一部分的侧壁和所述GLS的所述第二部分的侧壁彼此直接接触。

5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述沟道结构包括延伸穿过第一层级的第一部分和延伸穿过第二层级的第二部分；并且

所述沟道结构的所述第二部分的底面与所述沟道结构的所述第一部分的顶面直接接触并且位于所述顶面内。

6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中：

所述沟道结构的所述第二部分的所述底面具有比所述沟道结构的所述第一部分的所述顶面小的圆周。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述GLS包括延伸穿过一个层级的至少一个栅极线缝隙，以及延伸穿过另一个层级并且彼此间隔开的子GLS；并且

所述子GLS与所述至少一个栅极线缝隙对准并且直接接触。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中：

所述子GLS位于所述至少一个栅极线缝隙之上或下方。

9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述第一GLS包括块分区GLS；

所述第二GLS包括指状物分区GLS；并且

所述块分区GLS包括没有栅极线孔的栅极线缝隙。

10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中：

所述指状物分区GLS包括栅极线孔。

11.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：

形成在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级，每个层级包括交替的第一层和第二层；

形成延伸穿过所述层级的所述第一层和所述第二层的栅极线结构(GLS)，其中，所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS；以及

形成延伸穿过所述层级的所述第一层和所述第二层的沟道结构，其中，所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述层级包括：

在所述半导体层之上形成第一层级；

通过第一蚀刻工艺在所述第一层级中形成第一沟道开口和第一GLS开口；以及

用牺牲材料填充所述第一沟道开口和所述第一GLS开口。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在所述第一层级之上形成第二层级；

通过第二蚀刻工艺在所述第二层级中形成第二沟道开口和第二GLS开口；以及

用牺牲材料填充所述第二沟道开口和所述第二GLS开口。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述第二沟道开口的底面与所述第一沟道开口的顶面直接接触并且位于所述顶面内；并且

所述第一GLS开口的顶面与所述第二GLS开口的底面直接接触并且位于所述底面内。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述沟道结构的所述第二部分的所述底面具有比所述沟道结构的所述第一部分的所述顶面小的圆周。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述层级包括：

将所述层级中的最上层级形成在所述层级中的其他层级之上；以及

通过两个独立的蚀刻工艺在所述最上层级中形成最上沟道开口和最上GLS开口。

17.根据权利要求16所述方法，其中，形成所述GLS包括：

在形成所述最上GLS开口之后，从其他层级中的其他GLS开口去除牺牲材料；以及

用所述GLS填充所述其他GLS开口和所述最上GLS开口。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述沟道结构包括：

在形成所述最上沟道开口之后，从其他层级中的其他沟道开口去除牺牲材料；以及

用所述沟道结构填充所述其他沟道开口和所述最上沟道开口。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述GLS包括：

形成包括孔的一个GLS开口和包括线缝隙的另一个GLS开口，其中，所述孔与所述线缝隙对准并且直接接触；以及

用所述GLS填充所述孔和所述线缝隙。

20.一种存储系统，包括：

控制器；

用于将所述控制器连接到主机器件的接口电路系统；以及

连接到所述控制器的存储器件，所述存储器件包括：

在竖直方向上堆叠在半导体层之上的层级，每个层级包括交替的字线层和绝缘层；

栅极线结构(GLS)，延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层；以及

沟道结构，延伸穿过所述层级的所述字线层和所述绝缘层，

其中，所述GLS的侧壁在两个相邻层级之间的边界处不连续，并且所述沟道结构的侧壁在两个相邻层级之间的界面处不连续，

其中，所述GLS包括第一GLS、第二GLS或其组合，所述第一GLS包括栅极线缝隙，所述第二GLS包括在水平方向上彼此间隔开的子GLS。