TWI789663B - Memory device and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明實施例是有關於一種半導體元件及其製造方法,且特別是有關於一種記憶體元件及其製造方法。 The embodiments of the present invention relate to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and in particular to a memory device and a manufacturing method thereof.
非揮發性記憶體元件(如,快閃記憶體)由於具有使存入的資料在斷電後也不會消失的優點,因此成為個人電腦和其他電子設備所廣泛採用的一種記憶體元件。 Non-volatile memory devices (eg, flash memory) are widely used in personal computers and other electronic devices due to the advantage that stored data will not disappear after power failure.
目前業界較常使用的快閃記憶體陣列包括反或閘(NOR)快閃記憶體與反及閘(NAND)快閃記憶體。由於NAND快閃記憶體的結構是使各記憶胞串接在一起,其積集度與面積利用率較NOR快閃記憶體佳,已經廣泛地應用在多種電子產品中。此外,為了進一步地提升記憶體元件的積集度,發展出一種三維NAND快閃記憶體。然而,仍存在許多與三維NAND快閃記憶體相關的挑戰。 Currently, the flash memory arrays commonly used in the industry include Negative-OR (NOR) flash memory and Negative-And (NAND) flash memory. Since the structure of NAND flash memory is to connect memory cells in series, its integration and area utilization are better than that of NOR flash memory, and it has been widely used in various electronic products. In addition, in order to further enhance the integration of memory components, a three-dimensional NAND flash memory has been developed. However, there are still many challenges associated with 3D NAND flash memory.
本發明提供一種記憶體元件,可將相鄰兩區塊(block)的多個字元線彼此分離。 The invention provides a memory device capable of separating word lines of two adjacent blocks from each other.
本發明的一實施例中,一種記憶體元件,包括:基底,包括多個區塊,每一區塊包括階梯區、記憶陣列區與字元線切割區,其中所述記憶陣列區位於所述階梯區與所述字元線切割區之間;堆疊結構,位於所述記憶陣列區中的所述基底上,其中所述堆疊結構包括彼此交互堆疊的多個第一絕緣層與多個導體層;第一階梯結構,位於所述階梯區中的所述基底上,其中所述第一階梯結構包括彼此交互堆疊的多個第一絕緣層與多個導體層;以及第二階梯結構的第一部分,位於所述字元線切割區中的所述基底上,其中所述第二階梯結構的所述第一部分包括彼此交互堆疊的多個第一絕緣層與多個導體層,且相鄰的兩個所述區塊的兩個第二階梯結構彼此分隔。 In one embodiment of the present invention, a memory device includes: a substrate including a plurality of blocks, each block including a step area, a memory array area and a word line cutting area, wherein the memory array area is located in the Between the step area and the word line cutting area; a stack structure located on the substrate in the memory array area, wherein the stack structure includes a plurality of first insulating layers and a plurality of conductor layers stacked alternately with each other a first stepped structure located on the substrate in the stepped region, wherein the first stepped structure includes a plurality of first insulating layers and a plurality of conductor layers alternately stacked on each other; and a first part of the second stepped structure , located on the substrate in the word line cutting area, wherein the first part of the second ladder structure includes a plurality of first insulating layers and a plurality of conductor layers stacked alternately, and two adjacent The two second ladder structures of the blocks are separated from each other.
本發明的一實施例中,一種記憶體元件的製造方法,包括:提供基底,包括多個區塊,每一區塊包括階梯區、記憶陣列區與字元線切割區,其中所述記憶陣列區位於所述階梯區與所述字元線切割區之間;於所述階梯區、所述記憶陣列區與所述字元線切割區中的所述基底上形成堆疊結構,其中所述堆疊結構包括彼此交互堆疊的多個第一絕緣層與多個第二絕緣層;圖案化所述階梯區中的所述堆疊結構,以形成第一階梯結構;圖案化所述字元線切割區中所述堆疊結構,以形成第二階梯結構的第一部分,以使相鄰的兩個所述區塊的兩個第二階梯結構彼此分隔;以及進行取代製程,將所述記憶陣列區的所述堆疊結構、所述階梯區中的所述第一階梯結構以及所述字元線切割區中的所述第二階梯結 構的所述第一部分取代為多個導體層。 In one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a memory device includes: providing a substrate, including a plurality of blocks, each block including a step area, a memory array area, and a word line cutting area, wherein the memory array The area is located between the step area and the word line cut area; a stack structure is formed on the substrate in the step area, the memory array area and the word line cut area, wherein the stack The structure includes a plurality of first insulating layers and a plurality of second insulating layers stacked alternately; patterning the stacked structure in the step area to form a first step structure; patterning the word line cutting area The stacked structure is used to form the first part of the second ladder structure, so that the two second ladder structures of two adjacent blocks are separated from each other; and a replacement process is performed to separate the memory array area. stack structure, the first ladder structure in the ladder area, and the second ladder junction in the word line cutting area The first portion of the structure is replaced by a plurality of conductor layers.
基於上述,本發明實施例將相鄰兩區塊(block)之間的堆疊結構圖案化成階梯結構並設置具有反階梯結構的介電層,可使不同區塊的多個字元線彼此分離。 Based on the above, in the embodiment of the present invention, the stacked structure between two adjacent blocks is patterned into a ladder structure and a dielectric layer with an inverted ladder structure is provided to separate word lines of different blocks from each other.
10:基底 10: Base
20:元件層 20: Component layer
30、40:金屬內連線結構 30, 40: Metal interconnection structure
32、42:介電層 32, 42: dielectric layer
34、44:插塞 34, 44: plug
33:金屬內連線 33: Metal interconnection
36、46:導線 36, 46: Wire
90、101:堆疊結構 90, 101: stack structure
92、102、10214、10213、10212、10211、10210、1029、1028、1027、1026、1025、1024、1023、1022、1021:絕緣層 92, 102, 102 14 , 102 13 , 102 12 , 102 11 , 102 10 , 102 9 , 102 8, 102 7 , 102 6 , 102 5 , 102 4 , 102 3 , 102 2 , 102 1 : insulating layer
94:導體層 94: conductor layer
106、OP1、OP2、OP3、OP4、OP11、OP12、OP13、OP14、OP21、OP22、OP23、OP24、OP31、OP32、OP33、OP34、OP41、OP42、OP43、OP44:開口 106, OP1, OP2, OP3, OP4, OP11, OP12, OP13, OP14, OP21, OP22, OP23, OP24, OP31, OP32, OP33, OP34, OP41, OP42, OP43, OP44: opening
102T:頂絕緣層 102T: top insulating layer
103:介電層 103: Dielectric layer
1031、1032、1033:島狀介電層 103 1 , 103 2 , 103 3 : island-shaped dielectric layer
104、10414、10413、10412、10411、10410、1049、1048、1047、1046、1045、1044、1043、1042、1041:犧牲層 104, 104 14 , 104 13 , 104 12 , 104 11 , 104 10 , 104 9 , 104 8 , 104 7 , 104 6 , 104 5 , 104 4 , 104 3 , 104 2 , 104 1 : sacrificial layer
105:停止層 105: stop layer
107:選擇源極線切割牆 107:Choose the source line to cut the wall
108:電荷儲存結構 108:Charge storage structure
110:通道層 110: Channel layer
111:凹槽 111: Groove
112:絕緣柱 112: Insulation column
113:絕緣牆 113: insulation wall
114:導體插塞 114: conductor plug
115:絕緣頂蓋層 115: insulating roof layer
116、119:溝渠 116, 119: ditches
117:間隙壁 117: gap wall
118、1181、1182、1183:源極線導體牆 118, 118 1 , 118 2 , 118 3 : source line conductor wall
121:水平開口 121: horizontal opening
120:源極線 120: source line
122:阻障層 122: barrier layer
124:金屬層 124: metal layer
126:閘極層 126: gate layer
A1:第一區
A1:
A2:第二區 A2: The second area
A3:第三區 A3: The third area
A4:第四區
A4:
B、B1、B2、B3、B4:區塊 B, B1, B2, B3, B4: blocks
C1、C2、C3、C5:接觸窗 C1, C2, C3, C5: contact window
CP:垂直通道柱 CP: vertical channel column
D1、D2:方向 D1, D2: direction
H1、H2、H3、H4:深度 H1, H2, H3, H4: Depth
P1、P2、P3、P4:部分 P1, P2, P3, P4: part
PL1、PL2、PL3、PL4:支撐結構 PL1, PL2, PL3, PL4: Support structure
R1、R5:周邊區 R1, R5: Surrounding area
R2:階梯區 R2: Ladder area
R3:記憶陣列區 R3: memory array area
R4:字元線切割區 R4: character line cutting area
PR1、PR1’、PR2、PR2’:罩幕層 PR1, PR1', PR2, PR2': mask layer
SC1、SC2、SC3、SC4:階梯結構 SC1, SC2, SC3, SC4: ladder structure
SC4a、SC4b、SC4c、SC4d、SC4e、SC4f:次階梯結構 SC4a, SC4b, SC4c, SC4d, SC4e, SC4f: sub-ladder structure
SC41、SC42、SC43:島狀階梯結構 SC4 1 , SC4 2 , SC4 3 : island-like ladder structure
T1:第一階段 T1: first stage
T2:第二階段 T2: the second stage
T3:第三階段 T3: The third stage
T4:第四階段 T4: The fourth stage
TSC1、TSC2、TSC4、TSC1’、TSC4':過渡階梯結構 TSC1, TSC2, TSC4, TSC1', TSC4': transition ladder structure
W1、W2、W3、W4、W5:寬度 W1, W2, W3, W4, W5: Width
I-I、II-II、A-A、B-B、C-C:切線 I-I, II-II, A-A, B-B, C-C: tangent
圖1是依照本發明一實施例所繪示的一種三維記憶體元件的上視圖。 FIG. 1 is a top view of a three-dimensional memory device according to an embodiment of the present invention.
圖2A至圖2P是依照本發明一實施例所繪示的一種三維記憶體元件製造方法的剖面示意圖。 2A to 2P are schematic cross-sectional views of a method for manufacturing a three-dimensional memory device according to an embodiment of the present invention.
圖3是繪示圖1切線A-A、B-B、C-C的剖面示意圖。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing cut lines A-A, B-B, and C-C in FIG. 1 .
圖4A、5A、6A、7A分別是依照本發明實施例所繪示的一種三維記憶體元件的上視圖。 4A, 5A, 6A, and 7A are respectively top views of a three-dimensional memory device according to an embodiment of the present invention.
圖4B、5B、6B、7B分別是圖4A、5A、6A、7A的切線I-I的剖面圖。 4B, 5B, 6B, and 7B are cross-sectional views of tangent line I-I in FIGS. 4A, 5A, 6A, and 7A, respectively.
圖1是依照本發明一實施例所繪示的一種三維記憶體元件的上視圖。圖2A至圖2P是依照本發明一實施例所繪示的一種三維記憶體元件製造方法的剖面示意圖。圖2A至圖2P是沿著圖1切線I-I的剖面示意圖。為清楚起見,在圖1中僅繪示出部分的構件。 FIG. 1 is a top view of a three-dimensional memory device according to an embodiment of the present invention. 2A to 2P are schematic cross-sectional views of a method for manufacturing a three-dimensional memory device according to an embodiment of the present invention. 2A to 2P are schematic cross-sectional views along line I-I in FIG. 1 . For clarity, only some components are shown in FIG. 1 .
請參照圖1與圖2A,三維記憶體元件100形成於基底10。沿著方向D2方向基底10分割為延著方向D2排列的多個區塊B,例如是區塊B1、B2、B3與B4。沿著方向D1,每一區塊B包括周邊區R1、階梯區R2、記憶陣列區R3、字元線切割區R4以及周邊區R5。沿著D2方向,每一區塊B包括第一區A1、第二區A2與第三區A3與第四區A4。
Please refer to FIG. 1 and FIG. 2A , a three-
三維記憶體元件100包括沿著方向D1方向延伸的多個源極線導體牆(source line slit)118以及選擇源極線切割牆(Selective Source Line cut slit)107。有一些源極線導體牆(source line slit)118在相鄰的兩區塊B的第四區A4與第一區A1之間,從階梯區R2延伸至字元線切割區R4。有另一些源極線導體牆118在每一區塊B的第二區A2與第三區A3之間,從記憶陣列區R3延伸至字元線切割區R4。選擇源極線切割牆107,位於每一區塊B的第一區A1與第二區A2之間以及第三區A3與第二區A4之間。
The three-
在本揭露的實施例中,三維記憶體元件100的字元線切割區R4與周邊區R5具有階梯結構SC4。階梯結構SC4包括部分P3與部分P4。部分P3與部分P4分別位於字元線切割區R4與周邊區R5,且彼此以介電層103分離。藉此,可使得相鄰兩區塊B之間的多個字元線彼此分離。
In the disclosed embodiment, the word line cut region R4 and the peripheral region R5 of the three-
三維記憶體元件100可以參照圖2A至2P的製造方法來形成,但本發明並不限於此。
The three-
請參照圖2A,在基底10上依序形成元件層20以及金屬內連線結構30。基底10可為半導體基底,例如含矽基底。元件層20可以包括主動元件或是被動元件。主動元件例如是電晶體、二
極體等。被動元件例如是電容器、電感等。電晶體可以是N型金氧半(NMOS)電晶體、P型金氧半(PMOS)電晶體或是互補式金氧半元件(CMOS)。
Referring to FIG. 2A , an
金屬內連線結構30可以包括多層介電層32以及形成在多層介電層32中的金屬內連線33。金屬內連線33包括多個插塞34與多個導線36等。介電層32分隔相鄰的導線36。導線36之間可藉由插塞34連接,且導線36可藉由插塞34連接到元件層20。
The
請參照圖2A,於金屬內連線結構30上形成堆疊結構90。堆疊結構90包括交替堆疊的多個絕緣層92與多個導體層94。在一實施例中,絕緣層92的材料包括氧化矽,而導體層94的材料包括摻雜多晶矽。
Referring to FIG. 2A , a
請參照圖1與圖2A,圖案化堆疊結構90,以形成凹槽111,並在溝槽111中填入介電層95(例如是氧化矽)。在堆疊結構90上形成堆疊結構101。堆疊結構101包括交替堆疊的多個絕緣層102與多個犧牲層104。絕緣層102包括頂絕緣層102T、10214、10213、10212、10211、10210、1029、1028、1027、1026、1025、1024、1023、1022、1021。犧牲層104包括10414、10413、10412、10411、10410、1049、1048、1047、1046、1045、1044、1043、1042、1041。絕緣層102與犧牲層104又可分別稱為第一絕緣層102與第二絕緣層104。在一實施例中,絕緣層102的材料包括氧化矽,而犧牲層104的材料包括氮化矽。之後,在堆疊結構101上形成停止層105。停止層105的材料與絕緣層102以及犧牲層104不同,例如是多晶矽。在一實施例中,堆疊結構101與停止層105位於每一區塊B的周邊區R1、階梯區R2、記憶陣列區R3、字元線切
割區R4以及周邊區R5上。
Referring to FIG. 1 and FIG. 2A , the stacked
請參照圖2B至2K,將周邊區R1、階梯區R2、字元線切割區R4以及周邊區R5的堆疊結構101的犧牲層104與絕緣層102圖案化,以分別形成階梯結構SC1、SC2、SC3與SC4,如圖2B至2K所示。在一些實施例中,階梯結構SC1、SC2、SC3與SC4經由四階段的圖案化製程來形成,但本發明不以此為限。在圖2B至2D說明第一階段T1的圖案化製程。在圖2E至2I說明第二階段T2的圖案化製程。在圖2J說明第三階段T3的圖案化製程。在圖2K說明第四階段T4的圖案化製程。
2B to 2K, the
請參照圖2B,將停止層105圖案化,以形成開口OP1、OP2、OP3與OP4。開口OP1裸露出周邊區R1與階梯區R2的堆疊結構101的頂絕緣層102T,開口OP2裸露出階梯區R2的堆疊結構101的頂絕緣層102T,開口OP3裸露出階梯區R2的堆疊結構101的頂絕緣層102T,開口OP4裸露出字元線切割區R4以及周邊區R5的堆疊結構101的頂絕緣層102T。
Referring to FIG. 2B , the
請參照圖2B,進行第一階段T1的圖案化製程。在停止層105與的頂絕緣層102T上形成罩幕層PR1。罩幕層PR1例如是圖案化的光阻層。罩幕層PR1具有開口OP11、OP12、OP13、OP14,其分別小於開口OP1、OP2、OP3與OP4。接著,以罩幕層PR1為罩幕,進行蝕刻製程,以將堆疊結構101的圖案化,從而將開口OP11、OP12、OP13、OP14的圖案轉移至頂絕緣層102T以及犧牲層10414。
Referring to FIG. 2B , the patterning process of the first stage T1 is performed. A mask layer PR1 is formed on the
請參照圖2C,對罩幕層PR1進行修整(trim),以形成罩幕層PR1’。罩幕層PR1’具有開口OP21、OP22、OP23與OP24,
其分別大於開口OP11、OP12、OP13、OP14,且小於分別小於開口OP1、OP2、OP3、OP4,裸露出頂絕緣層102T以及頂絕緣層10214的頂面以及頂絕緣層102T以及犧牲層10414的側壁。
Referring to FIG. 2C , the mask layer PR1 is trimmed to form the mask layer PR1 ′. The mask layer PR1' has openings OP21, OP22, OP23, and OP24, which are respectively larger than the openings OP11, OP12, OP13, and OP14, and smaller than the openings OP1, OP2, OP3, and OP4, exposing the top insulating
請參照圖2D,以罩幕層PR1’以及具有開口OP11、OP12、OP13、OP14的頂絕緣層102T以及犧牲層10414為罩幕,進行蝕刻製程,以將堆疊結構101圖案化,從而將開口OP21、OP22、OP23與OP24的圖案轉移至頂絕緣層102T以及犧牲層10414,並將開口OP11、OP12、OP13、OP14的圖案轉移到絕緣層10214以及犧牲層10413。
2D, with the mask layer PR1' and the top insulating
請參照圖2E,移除罩幕層PR1’,之後,進行第二階段T2的圖案化製程。在停止層105與堆疊結構101上形成罩幕層PR2。罩幕層PR2例如是圖案化的光阻層。罩幕層PR2具有開口OP31、OP32、OP33與OP34。開口OP31、OP32、OP33分別小於開口OP11、OP12、OP13,而開口OP34的大小與開口OP14相等,且與開口OP14對齊。
Referring to FIG. 2E, the mask layer PR1' is removed, and then the patterning process of the second stage T2 is performed. A mask layer PR2 is formed on the
請參照圖2F,以罩幕層PR2為罩幕,進行蝕刻製程,以將堆疊結構101的圖案化,從而將開口OP31、OP32、OP33與OP34的圖案轉移至絕緣層10213以及犧牲層10412。
Referring to FIG. 2F, the etching process is performed with the mask layer PR2 as a mask to pattern the
請參照圖2G,對罩幕層PR2進行修整(trim),以形成罩幕層PR2’。罩幕層PR2’具有開口OP41、OP42與OP43,其分別大於開口OP31、OP32與OP33,且分別小於開口OP11、OP12、OP13。開口OP41大於開口OP14與OP34,且等於開口OP24。開口OP41、OP42與OP43分別裸露出絕緣層10213、10212的頂面以及絕緣層10213與犧牲層10412的側壁。開口OP44裸露出絕緣層
10214、10212的頂面以及頂絕緣層102T、絕緣層10214、10213以及犧牲層10414、10413、10412的側壁。
Referring to FIG. 2G, the mask layer PR2 is trimmed to form a mask layer PR2'. The mask layer PR2' has openings OP41, OP42 and OP43 which are respectively larger than the openings OP31, OP32 and OP33 and smaller than the openings OP11, OP12 and OP13. The opening OP41 is larger than the openings OP14 and OP34 and equal to the opening OP24. The openings OP41 , OP42 and OP43 respectively expose the top surfaces of the insulating
請參照圖2H,以罩幕層PR2’、具有開口OP31、OP32、OP33的絕緣層10213以及犧牲層10412以及具有開口OP14的絕緣層10214以及犧牲層10413為罩幕,將堆疊結構101圖案化。開口OP41、OP42與OP43的圖案被轉移至絕緣層10213與犧牲層10412。開口OP44的圖案被轉移至絕緣層10214與犧牲層10413。開口OP31、OP32、OP33與開口OP14的圖案被轉移至絕緣層10212與犧牲層10411。
Please refer to FIG. 2H, with mask layer PR2′, insulating
請參照圖2I,移除罩幕層PR2’。至此,形成了過渡階梯結構TSC1、TSC2、階梯結構SC3以及過渡階梯結構TSC4。 Referring to FIG. 2I, the mask layer PR2' is removed. So far, the transitional stepped structures TSC1 , TSC2 , the stepped structure SC3 and the transitional stepped structure TSC4 are formed.
請參照圖1與2J,進行第三階段T3的圖案化製程。形成罩幕層(未示出),對過渡階梯結構TSC1、TSC2、TSC4進行選擇性蝕刻製程,以形成過渡階梯結構TSC1’、階梯結構SC2以及過渡階梯結構TSC4’。之後將罩幕層移除。 Referring to FIGS. 1 and 2J , the patterning process of the third stage T3 is performed. A mask layer (not shown) is formed, and a selective etching process is performed on the transitional stepped structures TSC1, TSC2, and TSC4 to form the transitional stepped structure TSC1', the stepped structure SC2, and the transitional stepped structure TSC4'. The mask layer is then removed.
請參照圖1與2K,進行第四階段T4的圖案化製程。形成罩幕層(未示出),對過渡階梯結構TSC1’以及TSC4’進行選擇性蝕刻製程,以形成階梯結構SC1以及SC4。階梯結構SC1位於周邊區R1與階梯區R2之中。階梯結構SC2、SC3位於階梯區R2中。階梯結構SC4位於字元線切割區R4以及周邊區R5之中。之後將罩幕層移除。 Referring to FIGS. 1 and 2K , the patterning process of the fourth stage T4 is performed. A mask layer (not shown) is formed, and a selective etching process is performed on the transitional stepped structures TSC1' and TSC4' to form the stepped structures SC1 and SC4. The stepped structure SC1 is located in the peripheral region R1 and the stepped region R2. The stepped structures SC2, SC3 are located in the stepped region R2. The stepped structure SC4 is located in the word line cut region R4 and the peripheral region R5. The mask layer is then removed.
階梯結構SC1、SC2、SC3、SC4的側面輪廓分別大致呈對稱結構。階梯結構SC1與SC4向基底10的方向延伸,至裸露出絕緣層1021。因此,階梯結構SC1的深度H1大於階梯結構SC2
的深度H2。階梯結構SC2的深度H2大於階梯結構SC3的深度H3。階梯結構SC4的深度H4與階梯結構SC1的深度H1相等。但階梯結構SC4的階梯數小於階梯結構SC1的階梯數。舉例來說,在圖2K中,階梯結構SC4的階梯數為4,階梯結構SC1的階梯數為6。階梯結構SC4的第一階的高度是階梯結構SC1的第一階與第二階的高度和。階梯結構SC4的第二階的高度是階梯結構SC1的第三階與第四階的高度和。階梯結構SC4的第三階的高度等於階梯結構SC1的第五階的高度。階梯結構SC4的第四階的高度等於階梯結構SC1的第六階的高度。
The side profiles of the stepped structures SC1 , SC2 , SC3 , and SC4 are approximately symmetrical. The stepped structures SC1 and SC4 extend toward the
此外,階梯結構SC1包括部分P1與P2;階梯結構SC4包括部分P3與P4。部分P1位於周邊區R1;部分P2位於階梯區R2。部分P1與部分P2彼此分離。部分P3位於字元線切割區R4;部分P4位於周邊區R5。部分P3與部分P4彼此分離。 In addition, the ladder structure SC1 includes parts P1 and P2; the ladder structure SC4 includes parts P3 and P4. The part P1 is located in the peripheral area R1; the part P2 is located in the stepped area R2. Part P1 and part P2 are separated from each other. The part P3 is located in the word line cutting area R4; the part P4 is located in the peripheral area R5. Part P3 and part P4 are separated from each other.
請參照圖1與2K,再者,階梯結構SC1的部分P2、階梯結構SC2、SC3以及階梯結構SC4的部分P3位於每個區塊B的階梯區R2的第一區A1、第二區A2、第三區A3與第四區A4。在記憶陣列區R3,其停止層105以及堆疊結構101與90並未被圖案化,因此,並未形成階梯結構。
Please refer to FIGS. 1 and 2K. Furthermore, the portion P2 of the stepped structure SC1, the stepped structures SC2, SC3, and the portion P3 of the stepped structure SC4 are located in the first area A1, the second area A2, and the second area A2 of the stepped area R2 of each block B. The third area A3 and the fourth area A4. In the memory array region R3, the
請參照圖2L,在基底10上方形成介電層103,以覆蓋階梯結構SC1、SC2、SC3以及SC4。介電層103具有反階梯結構。介電層103的材料例如是氧化矽。介電層103的形成方法例如是形成介電材料層,以填覆蓋階梯結構SC1、SC2、SC3以及SC4以及停止層105。之後再以進行停止層105為停止層,進行平坦化製程,例如是化學機械研磨製程,以移除停止層105以上的介電
材料層。
Referring to FIG. 2L , a
請參照圖2M,移除停止層105。於堆疊結構101上方形成絕緣頂蓋層115。在一實施例中,絕緣頂蓋層115的材料包括氧化矽。之後,進行圖案化製程,移除記憶陣列區R3的部分絕緣頂蓋層115、部分堆疊結構101與部分堆疊結構90,以形成穿過絕緣頂蓋層115、堆疊結構101與堆疊結構90的一個或多個開口106。在一實施例中,開口106可具有略微傾斜的側壁,如圖2M所示。在另一實施例中,開口106可具有大致垂直的側壁(未示出)。在一實施例中,開口106又稱為垂直通道(vertical channel;VC)孔洞。之後於開口106中形成垂直通道柱CP。垂直通道柱CP可以以下所述的方法來形成。
Referring to FIG. 2M , the
請參照圖2M,於開口106的側壁上形成電荷儲存結構108。電荷儲存結構108與絕緣頂蓋層115、絕緣層102、犧牲層104、絕緣層92以及導體層94接觸。在一實施例中,電荷儲存結構108為氧化物/氮化物/氧化物(ONO)複合層。在一實施例中,電荷儲存結構108以間隙壁的形式形成於開口106的側壁上,而裸露出開口106的底面。
Referring to FIG. 2M , a
然後,請參照圖2M,於電荷儲存結構108上形成通道層110。在一實施例中,通道層110的材料包括多晶矽。在一實施例中,通道層110覆蓋開口106的側壁上的電荷儲存結構108,並且在開口106的底面也覆蓋通道層110。接著,於開口106的下部形成絕緣柱112。在一實施例中,絕緣柱112的材料包括氧化矽。之後,於開口106的上部形成導體插塞114,且導體插塞114與通道層110接觸。在一實施例中,導體插塞114的材料包括多晶矽。
通道層110、以及導體插塞114可合稱為垂直通道柱CP。電荷儲存結構108環繞於垂直通道柱CP的垂直外表面。
Then, referring to FIG. 2M , a
在一些實施例中,在形成開口106、電荷儲存結構108以及垂直通道柱CP時,也同時在階梯區R2以及字元線切割區R4形成支撐結構PL1、PL2、PL3與PL4,以避免階梯結構SC1的部分P2、階梯結構SC2、SC3以及階梯結構SC4的部分P3在後續移除犧牲層104的過程中倒塌。支撐結構PL1、PL2、PL3與PL4可分別與電荷儲存結構108以及垂直通道柱CP所組合的結構具有相同的結構,但本發明不以此為限。在其他的實施例中,支撐結構PL1、PL2、PL3與PL4可以另外形成,且其結構可與電荷儲存結構108以及垂直通道柱CP所組合的結構不同。在本實施例中,在後續的過程中,階梯結構SC1的部分P1、階梯結構SC4的部分P4以及階梯區R2的第二區A2與第三區A3犧牲層104不會被移除,因此,在階梯結構SC1的部分P1、階梯結構SC4的部分P4以及階梯區R2的第二區A2與第三區A3無須形成支撐結構。
In some embodiments, when the
請參照圖1與2N,進行圖案化製程,移除在相鄰兩區塊B之間,例如區塊B1的第四區A4與區塊B2的第一區A1之間的絕緣頂蓋層115、部分堆疊結構101與部分堆疊結構90,以形成穿過絕緣頂蓋層115與堆疊結構101以及穿過部分堆疊結構90的多個溝渠116。在一實施例中,溝渠116可具有大致垂直的側壁,如圖2N所示。在另一實施例中,溝渠116可具有略微傾斜的側壁(未示出)。溝渠116裸露出絕緣頂蓋層115、犧牲層104、絕緣層102、絕緣層92與導體層94的側壁。
Referring to FIGS. 1 and 2N, a patterning process is performed to remove the insulating
請參照圖1與2N,之後,進行選擇性蝕刻製程,使蝕刻
劑經由溝渠116流經兩側的第一區A1與第四區A4,再流經第二區A2與第三區A3。藉此,以移除階梯結構SC1的部分P2、階梯結構SC2、SC3以及階梯結構SC4的部分P3的犧牲層104,形成多個水平開口121。水平開口121裸露出在記憶陣列區R3的部分電荷儲存結構108以及絕緣層102的側壁,並且裸露出部分支撐結構PL1、PL2、PL3與PL4的側壁。在此過程中,由於支撐結構PL1、PL2、PL3與PL4的設置,因此,可以避免階梯結構SC1的部分P2、階梯結構SC2、SC3以及階梯結構SC4的部分P3發生倒塌。選擇性蝕刻製程可以是等向性蝕刻,例如是濕式蝕刻製程。濕式蝕刻製程所採用的蝕刻劑例如是熱磷酸。蝕刻劑經由溝渠116流入每個區塊B的階梯區R2、記憶陣列區R3、字元線切割區R4的第一區A1與第四區A4,再延伸至記憶陣列區R3與字元線切割區R4的第二區A2與第三區A3。
Please refer to Figures 1 and 2N, after that, a selective etching process is performed to make the etching
The agent flows through the first area A1 and the fourth area A4 on both sides through the
請參照圖1與2N,介電層103將階梯結構SC1的部分P1與P2彼此分隔,且將階梯結構SC4的部分P3與P4彼此分隔。因此,階梯結構SC1的部分P1以及階梯結構SC4的部分P4的犧牲層104被介電層103阻擋且不會被移除,因而被保留下來。此外,在一些實施例中,在進行選擇性蝕刻製程以移除犧牲層104之前,在階梯區R2的第二區A2與第三區A3周圍形成絕緣牆113。因此,當蝕刻劑經由溝渠116流經兩側的第一區A1與第四區A4之後,由於絕緣牆113的阻擋,使得蝕刻劑無法再流經階梯區R2的第二區A2與第三區A3,因此階梯區R2的第二區A2與
第三區A3的犧牲層104未被移除,而保留下來。
1 and 2N, the
請參照圖2N,然後,於溝渠116以及水平開口121中形成導體層。導體層例如是包括阻障層122以及金屬層124。在一實施例中,阻障層122的材料包括鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其組合,而金屬層124的材料包括鎢(W)。在水平開口121中的導體層做為閘極層126。
Referring to FIG. 2N , then, a conductive layer is formed in the
請參照圖2N,階梯結構SC1的部分P2、階梯結構SC2、SC3以及階梯結構SC4的部分P3的犧牲層104被取代為閘極層126。階梯結構SC1的部分P1以及階梯結構SC4的部分P4的犧牲層104被保留下來。階梯結構SC1的部分P1與P2具有對稱的側面輪廓,但由不同的材料層堆疊而成。階梯結構SC1的部分P1是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成;階梯結構SC1的部分P2是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成。階梯結構SC2、SC3分別是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成,且分別具有對稱結構。階梯結構SC4的部分P3與P4具有對稱的側面輪廓,但由不同的材料層堆疊而成。階梯結構SC4的部分P3是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成;階梯結構SC4的部分P4是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成。在一些實施例中,在階梯區R2的階梯結構SC1的部分P2以及階梯結構SC2、SC3可以合稱為階梯結構SC。階梯結構SC1的部分P2以及階梯結構SC2、SC3可以分別稱為階梯結構SC的次階梯結構。在本實施例中,是以三個次階梯結構(例如P2、SC2、SC3)來說明,然而,本發明不以此為限,階梯結構
SC可以包括更多或更少的次階梯結構。
Referring to FIG. 2N , the
請參照圖2N,接著,在溝渠116的側壁形成間隙壁117。間隙壁117包括與絕緣層102不同的介電材料,例如是氮化矽或是氧化矽/氮化矽/氧化矽複合層。之後,將記憶陣列區R3中的堆疊結構90的中間的導體層94移除,再移除導體層94上下的絕緣層92,以在堆疊結構90中形成水平開口(未示出)。之後再於溝渠116以及水平開口之中填入導體層。在水平開口中的導體層與其上下方的導體層94共同形成源極線120。
Referring to FIG. 2N , next, a
請參照圖2O,在溝渠116中形成導體層,以形成用於傳導來自源極線120的電流的源極線導體牆(source line slit)118。間隙壁117隔離源極線導體牆118以避免與閘極層126接觸。
Referring to FIG. 2O , a conductive layer is formed in the
請參照圖1與2P,其後,於周邊區R1與R5形成接觸窗C1與C5,以與金屬內連線結構30的導體層36電性連接。於階梯區R2的第一區A1與第四區A4中形成多個接觸窗C2,以與閘極層126的末端連接。於階梯區R2的第二區A2與第三區A3形成多個接觸窗(未示出),以與金屬內連線結構30的導體層36電性連接。於記憶陣列區R3中形成多個接觸窗C3,以與垂直通道柱CP的導體插塞114電性連接。接觸窗C1、C2、C3與C5可以同時形成或分別形成。此外,接觸窗C1、C2、C3與C5可以分別包括一個或多個插塞。接觸窗C1、C2、C3與C5的多個插塞可以同時形成或是分別形成。在一實施例中,接觸窗C1、C2、C3與C5的每一者可包括阻障層以及導體層。阻障層的材料例如是鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或其組合,導體層的材料例如是鎢(W)。此外,在本實施例中,如圖2P所示,
於字元線切割區R4不會形成接觸窗,也就是說,字元線切割區R4是不包括接觸窗的。
Referring to FIGS. 1 and 2P , thereafter, contact holes C1 and C5 are formed in the peripheral regions R1 and R5 to be electrically connected to the
在一些實施例中,由於階梯結構SC1的部分P1不會電性連接接觸窗C1,階梯結構SC4的部分P3不會形成接觸窗,階梯結構SC4的部分P4不會電性連接接觸窗C5,因此,階梯結構SC1的部分P1以及階梯結構SC4又可稱為虛設階梯結構。 In some embodiments, since the portion P1 of the stepped structure SC1 will not be electrically connected to the contact C1, the portion P3 of the stepped structure SC4 will not form a contact, and the portion P4 of the stepped structure SC4 will not be electrically connected to the contact C5. , the part P1 of the stair structure SC1 and the stair structure SC4 may also be referred to as a dummy stair structure.
請參照圖1與2P,形成金屬內連線結構40。金屬內連線結構40可以包括多層介電層42以及形成在多層介電層42中的多個插塞44與多個導線46等。介電層42分隔相鄰的導線46。導線46之間可藉由插塞44連接,且導線46可與接觸窗C1、C2、C3及C5電性連接。與接觸窗C3連接的導線46,可做為位元線BL。
Referring to FIGS. 1 and 2P , a
其後,再進行後續的相關製程,以完成記憶體元件的製作。 Thereafter, follow-up related processes are carried out to complete the production of the memory device.
請參照圖1、2P與3,在本發明的一些實施例中,在每一區塊B中,在字元線切割區R4的階梯結構SC4的部分P3與在周邊區R5的階梯結構SC4的部分P4彼此分離且完全被介電層103分隔,如圖2P所示。相鄰兩區塊B(例如區塊B2與B3)的階梯結構SC4的部分P3也是彼此分離且完全被介電層103分隔。因此,相鄰兩區塊B(例如區塊B2與B3)的相同水平高度的閘極層(多個字元線)126彼此分離且被介電層103分隔,如圖3所示。
1, 2P and 3, in some embodiments of the present invention, in each block B, the part P3 of the stepped structure SC4 in the word line cutting area R4 and the portion of the stepped structure SC4 in the peripheral area R5 Portions P4 are separated from each other and completely separated by the
請參照圖1、2K與2L,在以上的實施例中,每一區塊B的階梯結構SC4均從字元線切割區R4的第一區A1連續延伸至第四區A4。因此,階梯結構SC4的部分P3與在周邊區R5的階梯結構SC4的部分P4彼此分離,而在其彼此之間形成的溝渠119會從
區塊B1連續延伸至區塊B4。因此,位於字元線切割區R4與周邊區R5之間的介電層103也會填入此溝渠119之中,而從區塊B1連續延伸至區塊B4。
1, 2K and 2L, in the above embodiments, the ladder structure SC4 of each block B extends continuously from the first area A1 of the word line cutting area R4 to the fourth area A4. Therefore, the portion P3 of the stepped structure SC4 and the portion P4 of the stepped structure SC4 in the peripheral region R5 are separated from each other, and the
請參照圖4A與4B,在另一些實施例中,字元線切割區R4與周邊區R5的階梯結構SC4不是從第一區A1連續延伸至第四區A4,而是包括多個島狀階梯結構SC41、SC42以及SC43。島階梯結構SC41、SC42以及SC43分別形成在相鄰兩區塊B之間的源極線導體牆(source line slit)118的末端。亦即,島狀階梯結構SC41形成在區塊B1的第四區A4與區塊B2的第一區A1、島狀階梯結構SC42形成在區塊B2的第四區A4與區塊B3的第一區A1、島狀階梯結構SC43形成在區塊B3的第四區A4與區塊B4的第一區A1。在一些實施例中,島階梯結構SC41、SC42以及SC43經由四階段(即T1、T2、T3與T4)的圖案化製程來形成,但本發明不以此為限。 4A and 4B, in some other embodiments, the step structure SC4 of the word line cutting region R4 and the peripheral region R5 does not extend continuously from the first region A1 to the fourth region A4, but includes a plurality of island-like steps Structures SC4 1 , SC4 2 and SC4 3 . The island ladder structures SC4 1 , SC4 2 and SC4 3 are respectively formed at ends of source line slits 118 between two adjacent blocks B. As shown in FIG. That is, the island-shaped stepped structure SC41 is formed in the fourth area A4 of the block B1 and the first area A1 of the block B2, and the island-shaped stepped structure SC42 is formed in the fourth area A4 of the block B2 and the first area A1 of the block B3. The first area A1 and the island-like stepped structure SC43 are formed in the fourth area A4 of the block B3 and the first area A1 of the block B4. In some embodiments, the island ladder structures SC4 1 , SC4 2 and SC4 3 are formed through a patterning process of four stages (ie T1 , T2 , T3 and T4 ), but the invention is not limited thereto.
因此,各區塊B的介電層103不是從字元線切割區R4的第一區A1連續延伸至第四區A4,而是包括彼此分離的島狀介電層1031、1032、1033。島狀介電層1031、1032、1033分別形成在相鄰兩區塊B之間的源極線導體牆(source line slit)118(亦即,1181、1182、1183)的末端,如圖4A所示。亦即,介電層103形成在相鄰兩區塊B之間。舉例來說,島狀介電層1031形成在區塊B1的第四區A4與區塊B2的第一區A1、島狀介電層1032形成在區塊B2的第四區A4與區塊B3的第一區A1、島狀介電層1033形成在區塊B3的第四區A4與區塊B4的第一區A1。
Therefore, the
在島狀介電層1031、1032、1033接近記憶陣列區R3一側
的次階梯結構SC41、SC42以及SC43的部分P3是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成。在島狀介電層1031、1032、1033遠離記憶陣列區R3一側的次階梯結構SC41、SC42以及SC43的部分P4是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成。階梯結構SC41、SC42以及SC43的其他部分可以是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成,或是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成,或其組合。
Parts P3 of the sub-step structures SC4 1 , SC4 2 and SC4 3 on the side of the island-shaped
請參照圖1與4A,在以上的實施例中,字元線切割區R4的寬度W4相當小,例如是小於周邊區R1的寬度W1、階梯區R2的寬度W2或記憶陣列區R3的寬度W3。 1 and 4A, in the above embodiments, the width W4 of the word line cutting region R4 is quite small, for example, it is smaller than the width W1 of the peripheral region R1, the width W2 of the step region R2 or the width W3 of the memory array region R3 .
請參照圖5A與5B,在另一實施例中,字元線切割區R4的寬度W4可以等於階梯區R2的寬度W2。在字元線切割區R4與周邊區R5的階梯結構SC4可以包括多個次階梯結構SC4a、SC4b、SC4c。次階梯結構SC4a可與階梯結構SC3具有相似的寬度與側面輪廓、次階梯結構SC4b可與階梯結構SC2具有相似的寬度與側面輪廓、次階梯結構SC4c可與階梯結構SC1具有相似的寬度與側面輪廓。次階梯結構SC4a、SC4b是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成。次階梯結構SC4c包括彼此分離的部分P3與P4。次階梯結構SC4c的部分P3是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成;次階梯結構SC4c的部分P4是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成。在一些實施例中,次階梯結構SC4a是經由第一階段T1與第二階段T2的圖案化製程來形成;次階梯結構SC4b是經由第一階段T1、第二階段T2與第三階段T3的圖案化製程來形成;次階梯結構SC4c是經由第一階段T1、第二階段T2、第三階段T3與第四階段T4的圖案化製程來形成,但本發明不以此為限。
Referring to FIGS. 5A and 5B , in another embodiment, the width W4 of the word line cutting region R4 may be equal to the width W2 of the step region R2 . The stepped structure SC4 in the word line cutting region R4 and the peripheral region R5 may include a plurality of sub-stepped structures SC4a, SC4b, SC4c. Sub-step structure SC4a may have a similar width and side profile to step structure SC3, Sub-step structure SC4b may have a similar width and side profile to step structure SC2, Sub-step structure SC4c may have a similar width and side profile to step structure SC1 . The sub-ladder structures SC4 a and SC4 b are formed by stacking the insulating
次階梯結構SC4c的部分P3與P4之間的介電層103從區塊B1連續延伸至區塊B4,以使相鄰區塊B的閘極層(字元線)126彼此分離,如圖5A所示。
The
請參照圖6A與6B,在又一實施例中,在字元線切割區R4與周邊區R5的階梯結構SC4可與在周邊區R1與階梯區R2的階梯結構SC1具有相同的寬度與相似的側面輪廓。同樣地,階梯結構SC4包括彼此分離的部分P3與P4。階梯結構SC4的部分P3是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成;階梯結構SC4的部分P4是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成。在一些實施例中,階梯結構SC4經由四階段(即T1、T2、T3與T4)的圖案化製程來形成,但本發明不以此為限。
Please refer to FIGS. 6A and 6B. In yet another embodiment, the stepped structure SC4 in the word line cutting region R4 and the peripheral region R5 may have the same width and similar width as the stepped structure SC1 in the peripheral region R1 and the stepped region R2. profile. Likewise, the stepped structure SC4 includes portions P3 and P4 separated from each other. Part P3 of the stepped structure SC4 is formed by stacking the insulating
階梯結構SC4的部分P3與P4之間的介電層103從區塊B1連續延伸至區塊B4,以使相鄰區塊B的閘極層(字元線)126彼此分離,如圖6A所示。
The
請參照圖7A與7B,在又一實施例中,在字元線切割區R4與周邊區R5的階梯結構SC4包括多個次階梯結構SC4d、SC4e、SC4f。次階梯結構SC4d、SC4e、SC4f的寬度分別小於階梯結構SC3、SC2以及SC1的寬度。次階梯結構SC4d、SC4e分別是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成。次階梯結構SC4f包括彼此分離的部分P3與P4。次階梯結構SC4f的部分P3是由絕緣層102與閘極層126堆疊而成;階梯結構SC4f的部分P4是由絕緣層102與犧牲層104堆疊而成。在一些實施例中,次階梯結構SC4d是經由第一階段T1與第二階段T2的圖案化製程來形成;次階梯結構SC4e是經由第一階段T1、第二階段T2與第三階段T3
的圖案化製程來形成;次階梯結構SC4f是經由第一階段T1、第二階段T2、第三階段T3與第四階段T4的圖案化製程來形成,但本發明不以此為限。
7A and 7B, in yet another embodiment, the ladder structure SC4 in the word line cutting region R4 and the peripheral region R5 includes a plurality of sub-step structures SC4d, SC4e, SC4f. The widths of the sub-step structures SC4d, SC4e, SC4f are respectively smaller than the widths of the step structures SC3, SC2 and SC1. The sub-ladder structures SC4d and SC4e are respectively formed by stacking the insulating
階梯結構SC4f的部分P3與P4之間的介電層103從區塊B1連續延伸至區塊B4,以使相鄰區塊B的閘極層(字元線)126彼此分離,如圖7A所示。
The
在本實施例中,本發明實施例將相鄰兩區塊之間的堆疊結構圖案化成彼此分離的兩個部分的階梯結構,並在其彼此之間設置具有反階梯結構的介電層,以使不同區塊的多個字元線彼此分離,避免兩個區塊的多個字元線之間發生短路。再者,由於相鄰兩區塊之間的階梯結構可以與階梯區的階梯結構同時形成,因此可與現有的製程整合,不會增加製造的成本與負擔。 In this embodiment, in the embodiment of the present invention, the stacked structure between two adjacent blocks is patterned into a ladder structure of two parts separated from each other, and a dielectric layer with a reverse ladder structure is provided between them, so as to The multiple word lines of different blocks are separated from each other to avoid short circuit between the multiple word lines of two blocks. Furthermore, since the stepped structure between two adjacent blocks can be formed simultaneously with the stepped structure in the stepped area, it can be integrated with existing manufacturing processes without increasing manufacturing costs and burdens.
10:基底 10: Base
20:元件層 20: Component layer
30:金屬內連線結構 30: Metal interconnection structure
32:介電層 32: Dielectric layer
34:插塞 34: plug
36:導線 36: Wire
90、101:堆疊結構 90, 101: stack structure
92、10214、10213、10212、10211、10210、1029、1028、1027、1026、1025、1024、1023、1022、1021:絕緣層 92, 102 14 , 102 13 , 102 12 , 102 11 , 102 10 , 102 9 , 102 8 , 102 7 , 102 6 , 102 5 , 102 4 , 102 3 , 102 2 , 102 1 : insulating layer
94:導體層 94: conductor layer
102T:頂絕緣層 102T: top insulating layer
103:介電層 103: Dielectric layer
10414、10413、10412、10411、10410、1049、1048、1047、1046、1045、 1044、1043、1042、1041:犧牲層 104 14 , 104 13 , 104 12 , 104 11 , 104 10 , 104 9 , 104 8 , 104 7 , 104 6 , 104 5 , 104 4 , 104 3 , 104 2 , 104 1 : sacrificial layer
105:停止層 105: stop layer
119:溝渠 119: Ditch
P1、P2、P3、P4:部分 P1, P2, P3, P4: part
SC1、SC2、SC3、SC4:階梯結構 SC1, SC2, SC3, SC4: ladder structure
I-I、II-II:切線 I-I, II-II: Tangent
R1、R5:周邊區 R1, R5: Surrounding area
R2:階梯區 R2: Ladder area
R3:記憶陣列區 R3: memory array area
R4:字元線切割區 R4: character line cutting area
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