TWI738489B - Memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本發明係有關於記憶裝置,且特別有關於具有被管狀元件圍繞之導電柱的記憶裝置。The present invention relates to memory devices, and more particularly to memory devices having conductive posts surrounded by tubular elements.
自從平面記憶裝置,例如二維(2-dimensional)記憶裝置,達到容量擴展極限且難以滿足市場需求,記憶裝置之發展已轉向三維(3-dimensional; 3D)記憶裝置。然而,三維記憶裝置之發展帶來許多挑戰,例如高成本、難以整合製程、記憶裝置之架構穩定性、記憶裝置之電性表現、複雜的裝置設計等問題。為了解決這些問題,發展新的三維記憶裝置顯得愈來愈重要。Since planar memory devices, such as 2-dimensional memory devices, have reached the limit of capacity expansion and are difficult to meet market demand, the development of memory devices has shifted to 3-dimensional (3D) memory devices. However, the development of three-dimensional memory devices has brought many challenges, such as high cost, difficult integration process, structural stability of memory devices, electrical performance of memory devices, and complicated device design. In order to solve these problems, the development of new three-dimensional memory devices has become more and more important.
因此,有需要提供具有改良的布局(layout)之記憶裝置。Therefore, there is a need to provide a memory device with an improved layout.
本發明係有關於記憶裝置。The present invention relates to a memory device.
根據一實施例,提供記憶裝置。記憶裝置包含堆疊結構、管狀元件、導電柱與多個記憶胞。管狀元件包含虛設通道層,且管狀元件貫穿該堆疊結構。導電柱被管狀元件圍繞,且導電柱延伸超過虛設通道層之底表面。多個記憶胞在堆疊結構中並電性連接至導電柱。According to an embodiment, a memory device is provided. The memory device includes a stacked structure, a tubular element, a conductive pillar, and a plurality of memory cells. The tubular element includes a dummy channel layer, and the tubular element penetrates the stacked structure. The conductive pillar is surrounded by the tubular element, and the conductive pillar extends beyond the bottom surface of the dummy channel layer. A plurality of memory cells are in a stacked structure and are electrically connected to the conductive pillars.
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉實施例,並配合所附圖式詳細說明如下。In order to have a better understanding of the above-mentioned and other aspects of the present invention, the following specific embodiments are described in detail in conjunction with the accompanying drawings.
以下係提出相關實施例,配合圖式以詳細說明本揭露所提出之記憶裝置及其製造方法。然而,本揭露並不以此為限。實施例中之敘述,例如細部結構、製造方法之步驟和材料應用等,僅為舉例說明之用,本揭露欲保護之範圍並非僅限於所述態樣。The following are related embodiments, in conjunction with the drawings, to describe in detail the memory device and its manufacturing method proposed in this disclosure. However, this disclosure is not limited to this. The descriptions in the embodiments, such as the detailed structure, the steps of the manufacturing method, and the material application, are for illustrative purposes only, and the scope of the disclosure to be protected is not limited to the described aspects.
同時,須注意的是,本揭露並非顯示出所有可能的實施例。相關技術領域者當可在不脫離本揭露之精神和範圍之前提下,對實施例之結構和製造方法加以變化與修飾,以符合實際應用所需。因此,未於本揭露提出的其他實施態樣也可能可以應用。再者,圖式係簡化以利清楚說明實施例之內容,圖式上的尺寸比例並非按照實際產品等比例繪製。因此,說明書和圖式僅作敘述實施例之用,而非用以限縮本揭露保護範圍。相同或相似的元件符號用以代表相同或相似的原件。At the same time, it should be noted that this disclosure does not show all possible embodiments. Those in the relevant technical field can change and modify the structure and manufacturing method of the embodiments without departing from the spirit and scope of the present disclosure to meet the needs of practical applications. Therefore, other implementation aspects not mentioned in this disclosure may also be applicable. Furthermore, the drawings are simplified to clearly illustrate the content of the embodiments, and the size ratios in the drawings are not drawn in proportion to the actual product. Therefore, the description and the drawings are only used to describe the embodiments, rather than to limit the protection scope of the disclosure. The same or similar component symbols are used to represent the same or similar originals.
第1圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置10的示意立體圖。記憶裝置10可包含三維非揮發性記憶體,例如反或閘快閃記憶體(NOR flash memory)、反及閘快閃記憶體(NAND flash memory)、或其它種類記憶體。記憶裝置10可包含堆疊結構S。堆疊結構S可包含主堆疊結構100、階梯結構101與絕緣堆疊結構102。主堆疊結構100、階梯結構101與絕緣堆疊結構102可設置為相鄰於彼此。主堆疊結構100、階梯結構101與絕緣堆疊結構102可設置為於垂直方向上互不重疊,垂直方向例如是Z方向。主堆疊結構100與階梯結構101可沿著橫向方向設置,橫向方向例如是Y方向,但主堆疊結構100與階梯結構101於縱向方向上可互不重疊,縱向方向例如是X方向。主堆疊結構100與絕緣堆疊結構102可沿著X方向設置,但主堆疊結構100與絕緣堆疊結構102於Y方向上可互不重疊。相似地,階梯結構101與絕緣堆疊結構102可沿著X方向設置,但階梯結構101與絕緣堆疊結構102於Y方向上可互不重疊。FIG. 1 is a schematic perspective view of a
在一實施例中,如第1圖所示,記憶裝置10可具有四個階梯結構101/101A/101B/101C,階梯結構101與階梯結構101A設置為相鄰於彼此,且絕緣條103使階梯結構101隔離於階梯結構101A。階梯結構101B與階梯結構101C設置為相鄰於彼此,且絕緣條103使階梯結構101B隔離於階梯結構101C。階梯結構101與階梯結構101C設置於主堆疊結構100之相對側。階梯結構101A與階梯結構101B設置於主堆疊結構100之相對側。在一實施例中,階梯結構101與階梯結構101C可對稱設置。在一實施例中,階梯結構101A與階梯結構101B可對稱設置。在一實施例中,記憶裝置10可具有設置於主堆疊結構100之相對側的兩個絕緣堆疊結構102/102A;階梯結構101/101A/101B/101C和絕緣堆疊結構102/102A設置於主堆疊結構100的不同側。在一實施例中,兩個絕緣堆疊結構102/102A可對稱設置。In an embodiment, as shown in Figure 1, the
絕緣條103可沿著Y方向延伸,使主堆疊結構100隔離於主堆疊結構100A。依據不同的設計,記憶裝置10可具有一或更多的主堆疊結構100/100A、一或更多的階梯結構101/101A/101B/101C與一或更多的絕緣堆疊結構102/102A。如第1圖所示,絕緣條103可沿著Y方向延伸以使階梯結構101隔離於階梯結構101A、使主堆疊結構100隔離於主堆疊結構100A、以及階梯結構101B隔離於階梯結構101C。在一實施例中,絕緣條103可包含絕緣材料。The
第2A圖係繪示記憶裝置10的示意立體圖,不包含記憶裝置10對應於第1圖中的絕緣堆疊結構102之部分。請同時參照第1圖及第2A圖,主堆疊結構100可包含多個導電膜104與多個第一絕緣層105沿著Z方向交錯堆疊。多個導電膜104使多個第一絕緣層105相互隔離。在一實施例中,主堆疊結構100之導電膜104可包含導電材料,例如鎢(tungsten; W)。主堆疊結構100之第一絕緣層105可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽(silicon oxide)。FIG. 2A is a schematic perspective view of the
階梯結構101可包含多個導電階梯層106與多個絕緣階梯層107沿著Z方向交錯堆疊。多個導電階梯層106使多個絕緣階梯層107相互隔離。每一導電階梯層106具有在X-Y平面上不同的橫向面積。例如,導電階梯層106之橫向面積從階梯結構101之底表面108往階梯結構101之頂表面109逐漸變小。例如,位於較低階層(距離階梯結構101之底表面108較近的階層)的導電階梯層106之橫向面積大於位於較高階層(距離階梯結構101之底表面108較遠的階層)的導電階梯層106之橫向面積。在一實施例中,階梯結構101之導電階梯層106可包含導電材料,例如鎢。階梯結構101之絕緣階梯層107可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽。The
絕緣堆疊結構102可包含多個第二絕緣層110與多個第三絕緣層111沿著Z方向交錯堆疊。多個第二絕緣層110使多個第三絕緣層111相互隔離。在一實施例中,絕緣堆疊結構102之第二絕緣層110可包含絕緣材料,絕緣材料包含氮化物,例如氮化矽(silicon nitride)。絕緣堆疊結構102之第三絕緣層111可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽。在一實施例中,第二絕緣層110與第三絕緣層111可包含不同材料。The insulating stacked
在一實施例中,主堆疊結構100之導電膜104可電性連接至階梯結構101之導電階梯層106。絕緣堆疊結構102可為電性絕緣。主堆疊結構100之導電膜104與階梯結構101之導電階梯層106可做為記憶裝置10之閘極結構。In an embodiment, the
在一實施例中,主堆疊結構100之多個第一絕緣層105、階梯結構101之多個絕緣階梯層107與絕緣堆疊結構102之多個第三絕緣層111具有一對一對應關係,換言之,一第一絕緣層105、與該第一絕緣層105對應之一絕緣階梯層107、以及與該第一絕緣層105對應之一第三絕緣層111可具有Z方向上相同高度(或階層)。In an embodiment, the plurality of first insulating
記憶裝置10可包含多個柱體結構112,分散地配置於絕緣堆疊結構102與階梯結構101中。多個柱體結構112在Z方向上通過絕緣堆疊結構102與階梯結構101。每一柱體結構112包含管狀元件113與導電柱114。管狀元件113貫穿堆疊結構S。具體而言,導電柱114被管狀元件113圍繞。在一實施例中,柱體結構112可具有類似於同軸電纜(coaxial cable)之結構。導電柱114與管狀元件113可沿著Z方向延伸,且通過絕緣堆疊結構102與階梯結構101。導電柱114可包含導電材料,例如鎢。The
在絕緣堆疊結構102中,每一柱體結構112通過相同數量的第二絕緣層110。在階梯結構101中,多個柱體結構112分別通過不同數量的導電階梯層106。例如,階梯結構101可包含多個階梯部115 (如第2A圖所示),每一階梯部115所包含的導電階梯層106的數量可不相同,且階梯結構101中的柱體結構112可個別設置於不同階梯部115中,具體而言,一柱體結構112設置於一階梯部115中。In the insulating
記憶裝置10可包含多個導電插塞(plug) 116,設置於階梯結構101之導電階梯層106上。具體而言,每一導電插塞116可設置於階梯結構101中的不同階層之導電階梯層106上。多個導電插塞116可個別配置於不同階梯部115中。導電插塞116電性連接於此導電插塞116所設置的一導電階梯層106,且管狀元件113與導電柱114通過此導電階梯層106。The
第2B圖係繪示第1圖所示之絕緣堆疊結構102中的多個柱體結構112中的一者。第2C圖係繪示第1圖所示之階梯結構101中的多個柱體結構112中的一者。FIG. 2B shows one of the
請參照第1圖與第2B-2C圖,在絕緣堆疊結構102與階梯結構101中,管狀元件113可包含記憶膜117、虛設通道層118與絕緣膜119。導電柱114被管狀元件113圍繞,且導電柱114延伸超過虛設通道層118的底表面120。在一實施例中,虛設通道層118的底表面120可沿著Z方向延伸超過絕緣堆疊結構102的底表面121與階梯結構101的底表面108,且導電柱114可沿著Z方向延伸超過絕緣堆疊結構102的底表面121、階梯結構101的底表面108與虛設通道層118的底表面120。Referring to FIGS. 1 and 2B-2C, in the insulating
記憶膜117可包含記憶體技術領域中已知的多層結構(multilayer structure),例如ONO (氧化物-氮化物-氧化物)結構、ONONO (氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物)結構、ONONONO (氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物-氮化物-氧化物)結構、SONOS (矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構、BE-SONOS (能帶隙矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構、TANOS (氮化鉭-氧化鋁-氮化矽-氧化矽-矽)結構、MA BE-SONOS (金屬-高介電常數材料能帶隙矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構及其組合。記憶膜117可具有管狀且圍繞導電柱114。The
在一實施例中,記憶裝置10之記憶層可包含記憶膜117與記憶材料,記憶材料形成於記憶膜117與主堆疊結構100之導電膜104之間。記憶層可包含記憶體技術領域中已知的任意電荷捕捉(charge trapping)結構,例如ONO結構、ONONO結構、ONONONO結構、SONOS結構、BE-SONOS結構、TANOS結構、MA BE-SONOS結構及其組合等。電荷捕捉結構可使用氮化物例如氮化矽,或是其他類似的高介電常數物質包括金屬氧化物,例如三氧化二鋁(alumina; Al
2O
3)、氧化鋯(hafnium dioxide; HfO
2)等。記憶胞可定義在記憶層中。舉例來說,在記憶層包含記憶膜117與記憶材料的情況下,記憶膜117可理解為穿隧氧化層(tunneling oxide layer),記憶膜117可包含二氧化矽(silicon dioxide; SiO
2)或者僅包含二氧化矽;而記憶材料可包含記憶體技術領域中已知的多層記憶材料,例如三氧化二鋁、氮化鈦(titanium nitride; TiN)、ONO結構、ONONO結構、ONONONO結構、SONOS結構、BE-SONOS結構、TANOS結構、MA BE-SONOS結構及其組合等。
In one embodiment, the memory layer of the
虛設通道層118設置於記憶膜117與導電柱114之間。虛設通道層118可包含半導體材料,例如摻雜的(doped)半導體材料或未摻雜的(undoped)半導體材料。在一實施例中,虛設通道層118可包含多晶矽(polysilicon),例如摻雜的多晶矽或未摻雜的多晶矽。虛設通道層118可具有管狀且圍繞導電柱114。在一實施例中,虛設通道層118可意指不具有驅動電路的虛設通道層118。在一實施例中,虛設通道層118可理解為電性浮接(floating)的元件。The
絕緣膜119設置於導電柱114與虛設通道層118之間。絕緣膜119可具有管狀且圍繞導電柱114。絕緣膜119可包含介電材料,介電材料包含氧化物(例如氧化矽)。The insulating
第3圖係繪示根據本發明之一實施例之主堆疊結構100的示意俯視圖。請同時參照第1圖及第3圖,記憶裝置10可包含多個柱元件122,分散地配置於主堆疊結構100中。柱元件122沿著Z方向延伸且通過主堆疊結構100。FIG. 3 is a schematic top view of the
柱元件122可包含記憶膜117、通道層118A、源極/汲極柱123、源極/汲極柱124、絕緣柱125與絕緣膜119。絕緣柱125設置於源極/汲極柱123和源極/汲極柱124之間。絕緣柱125使源極/汲極柱123隔離於源極/汲極柱124彼此。源極/汲極柱123和源極/汲極柱124中的一者係為源極,另一者係為汲極。絕緣膜119設置於通道層118A與源極/汲極柱123、源極/汲極柱124和絕緣柱125之間。通道層118A設置於絕緣膜119與記憶膜117之間。通道層118A可具有管狀且圍繞源極/汲極柱123、源極/汲極柱124、絕緣膜119與絕緣柱125。記憶膜117可具有管狀且圍繞通道層118A。柱元件122之記憶膜117可相似於管狀元件113之記憶膜117。源極/汲極柱123和源極/汲極柱124可包含摻雜的半導體材料,例如N+多晶矽,或可包含未摻雜的半導體材料。絕緣柱125可包含絕緣材料,絕緣材料包含氮化物,例如氮化矽。The
記憶裝置10可包含多個記憶胞,設置於主堆疊結構100與主堆疊結構100A中。記憶胞可定義於導電膜104與柱元件122之通道層118A交錯處的記憶膜117中。柱元件122可理解為主動柱元件。在一實施例中,主堆疊結構100可設置於陣列區域(array region),且階梯結構101可設置於階梯區域(staircase region)。The
管狀元件113之虛設通道層118與柱元件122之通道層118A的不同之處在於,當施加電壓至記憶裝置10時,虛設通道層118並非用來提供通道給電子或電洞。The difference between the
第4圖係繪示根據本發明另一實施例之主堆疊結構100中的柱元件122A的示意立體圖。第4圖所示之柱元件122A與第3圖所示之柱元件122的不同之處說明如下。柱元件122A包含通道層118B、源極/汲極柱123、源極/汲極柱124與絕緣膜119。絕緣膜119使源極/汲極柱123隔離於源極/汲極柱124。第4圖所示之通道層118B與第3圖所示之通道層118A的不同之處在於通道層118B具有開環形狀,且通道層118B具有相對的端部分別電性連接至源極/汲極柱123與源極/汲極柱124。第4圖所示之記憶膜417與第3圖所示之記憶膜117的不同之處在於記憶膜417設置於主堆疊結構100之導電膜104的上表面與下表面,且可延伸於柱元件122A的外側壁與導電膜104之間。FIG. 4 is a schematic perspective view of the
在一實施例中,在主堆疊結構100之示意立體圖中,第3圖所示之記憶膜117可配置於導電膜104的上表面與下表面,且可延伸於柱元件122的外側壁與導電膜104之間,類似於第4圖所示之記憶膜417的配置方式。In one embodiment, in the schematic perspective view of the
請再次參照第1圖,記憶裝置10可包含多晶半導體層(poly semiconductor) 126,位於主堆疊結構100、階梯結構101與絕緣堆疊結構102下方。換言之,多晶半導體層126位於記憶胞下方。管狀元件113、導電柱114與柱元件122通過多晶半導體層126。多晶半導體層126可包含摻雜的半導體材料,例如P+多晶矽,或未摻雜的半導體材料。導電柱114可具有上導電柱端部127與相對於上導電柱端部127之下導電柱端部128。導電柱114之上導電柱端部127位於絕緣堆疊結構102與階梯結構101的上方。導電柱114之下導電柱端部128位於多晶半導體層126的下方。Please refer to FIG. 1 again, the
記憶裝置10可包含電晶體(transistor) 161、下導電結構163與下導電結構165。下導電結構163電性連接於導電柱114之下導電柱端部128與電晶體161之汲極與源極中的一者之間。下導電結構165電性連接於導電柱114之下導電柱端部128與電晶體161之汲極與源極中的另一者之間。The
第5圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置10的示意俯視圖。第1圖與第5圖的不同之處在於,第5圖所示之記憶裝置10包含更多的主堆疊結構100/100A/100B/100C,以及更多的階梯結構101/101A/101B/101C/101D/101E/101F/101G,第5圖並未示出絕緣堆疊結構102/102A。請同時參照第1圖及第5圖,記憶裝置10可包含導電層130。導電層130可設置於主堆疊結構100、階梯結構101與絕緣堆疊結構102的上方。導電層130可包含上導電結構171、上導電結構173、上導電結構181、上導電結構183與上導電結構191,設置於柱元件122及/或柱體結構112的上方。FIG. 5 is a schematic top view of the
上導電結構173可電性連接於絕緣堆疊結構102中的一柱體結構112之一導電柱114。上導電結構171可電性連接於絕緣堆疊結構102中的其他多個柱體結構112之多個導電柱114。上導電結構171電性連接於柱元件122之源極或汲極中的一者與導電柱114之間。上導電結構171電性連接於記憶胞與絕緣堆疊結構102中的導電柱114之上導電柱端部127之間。絕緣堆疊結構102中的一柱體結構112之一導電柱114電性連接於下導電結構165與上導電結構173之間。絕緣堆疊結構102中的其他多個柱體結構112之多個導電柱114電性連接於下導電結構163與上導電結構171之間。The upper
上導電結構183可電性連接於絕緣堆疊結構102A中的一柱體結構112之一導電柱114。上導電結構181可電性連接於絕緣堆疊結構102A中的其他多個柱體結構112之多個導電柱114。上導電結構181電性連接於柱元件122之源極或汲極中的另一者(例如是相對於上導電結構171所電性連接的一者)與導電柱114之間。上導電結構181電性連接於記憶胞與絕緣堆疊結構102A中的導電柱114之上導電柱端部127之間。絕緣堆疊結構102A中的一柱體結構112之一導電柱114電性連接於下導電結構165與上導電結構183之間。絕緣堆疊結構102A中的其他多個柱體結構112之多個導電柱114電性連接於下導電結構163與上導電結構181之間。The upper
在一實施例中,例如,柱元件122之源極電性連接至上導電結構171、絕緣堆疊結構102中的導電柱114、上導電結構173、下導電結構163、電晶體161與下導電結構165。上導電結構171、絕緣堆疊結構102中的導電柱114、上導電結構173、及電性連接於絕緣堆疊結構102中的多個導電柱114 (即有效導電柱或主動導電柱)之多個下導電柱端部128之間的下導電結構163與下導電結構165可做為源極線。例如,上導電結構173可做為全域源極線(global source line)或共同源極線(common source line)。電晶體161 (開關)可做為源極線電晶體(源極線開關)。絕緣堆疊結構102中的導電柱114可做為用於記憶胞之源極線接觸結構。In one embodiment, for example, the source of the
在一實施例中,例如,柱元件122之汲極電性連接至上導電結構181、絕緣堆疊結構102A中的導電柱114、上導電結構183、下導電結構163、電晶體161與下導電結構165。上導電結構181、絕緣堆疊結構102A中的導電柱114、上導電結構183、及電性連接於絕緣堆疊結構102A中的多個導電柱114 (即有效導電柱或主動導電柱)之多個下導電柱端部128之間的下導電結構163與下導電結構165可做為位元線。例如,上導電結構181可做為區域位元線(local bit line),上導電結構183可做為全域位元線(global bit line)或共同位元線(common bit line),區域位元線透過絕緣堆疊結構102A中的多個導電柱114、下導電結構163、電晶體161與下導電結構165電性連接於全域位元線。電晶體161 (開關)可做為位元線電晶體(位元線開關)。絕緣堆疊結構102A中的導電柱114可做為用於記憶胞之位元線接觸結構。In one embodiment, for example, the drain of the
上導電結構191可電性連接於導電插塞116與階梯結構101中的柱體結構112之導電柱114之上導電柱端部127之間。半導體裝置129可包含電晶體192與下導電結構194。下導電結構194電性連接於電晶體192。下導電結構194電性連接於電晶體192與階梯結構101中的柱體結構112之導電柱114之下導電柱端部128之間。在多個實施例中,階梯結構101中的柱體結構112之導電柱114 (即有效導電柱或主動導電柱)、上導電結構191、導電插塞116、下導電結構194可做為字元線。電晶體192 (開關)可做為字元線電晶體(字元線開關)。階梯結構101中的導電柱114可做為用於記憶胞之字元線接觸。The upper
階梯結構101中的多個柱體結構112之部分導電柱114可電性浮接且從而被稱為虛設(dummy)導電柱。例如,如第5圖所示,階梯結構101、階梯結構101B、階梯結構101D與階梯結構101F中的多個柱體結構112之導電柱114係為電性浮接,而階梯結構101A、階梯結構101C、階梯結構101E與階梯結構101G中的多個柱體結構112之導電柱114。Part of the
解碼器可設置於主堆疊結構100與階梯結構101的下方。位元線電晶體與源極線電晶體可設置於基板(未繪示)上,相鄰於記憶裝置10之外圍區域(periphery region)。在一實施例中,位元線電晶體與源極線電晶體可設置於基板且位於記憶裝置10之正下方區域,以形成驅動電路置於陣列之下的架構(CMOS under array)。The decoder can be arranged under the
在一實施例中,下導電結構163與下導電結構165可包含但不限於第一下金屬層(BM1)、第二下金屬層(BM2)、第三下金屬層(BM3)與設置於多個下金屬層之間且提供多個下金屬層之間電連接的多個下導孔(vias)。In an embodiment, the lower
在一實施例中,導電層130可包含第一上金屬層(TM1)及/或第二上金屬層(TM2)。In an embodiment, the
階梯結構101與絕緣堆疊結構102中的管狀元件113可具有相同的橫向剖面尺寸(例如直徑),例如,在X-Y平面上的剖面尺寸(例如直徑)。管狀元件113之橫向剖面尺寸可大於柱元件122之橫向剖面尺寸,例如,在X-Y平面上,管狀元件113的剖面直徑大於柱元件122的剖面直徑。The
第6-15圖係示例性繪示用以製造根據本發明之一實施例之記憶裝置10之方法。FIGS. 6-15 are exemplary illustrations of a method for manufacturing the
請參照第6圖,半導體裝置129提供於多晶半導體層126之下。半導體裝置129可具有如前所述之的結構(參照第1圖)。在一實施例中,半導體裝置129可包含但不限於第一下金屬層(BM1)、第二下金屬層(BM2)、第三下金屬層(BM3)與設置於多個下金屬層之間且提供多個下金屬層之間電連接的多個下導孔。半導體裝置129可包含其他形成於層間(inter-layer)介電層中或層間介電層上的導電線路。本揭露對此不做侷限。在一實施例中,半導體裝置129在前段製程(front-end-of-line; FEOL)中形成於基板(未繪示)上。Please refer to FIG. 6, the
半導體裝置可包含介電層136 (上介電層)。在一實施例中,介電層136可形成於第三下金屬層(BM3)上。介電層136可包含介電材料,介電材料包含氧化物,例如氧化矽。然後,多晶半導體層126形成於介電層136上。多晶半導體層126可包含摻雜的半導體材料,例如P+多晶矽,或未摻雜的半導體材料。在一實施例中,介電層136與多晶半導體層126可藉由沉積處理來形成,例如是藉由化學氣相沉積處理(chemical vapor deposition; CVD)。The semiconductor device may include a dielectric layer 136 (upper dielectric layer). In an embodiment, the
絕緣堆疊結構102’形成於多晶半導體層126上。絕緣堆疊結構102’可包含多個第二絕緣層110’與多個第三絕緣層111’交錯堆疊,例如沿著Z方向。多個第二絕緣層110’使多個第三絕緣層111’相互隔離。在一實施例中,第二絕緣層110’可包含絕緣材料,絕緣材料包含氮化物,例如氮化矽。第三絕緣層111’可包含絕緣材料,絕緣材料包含氧化物,例如氧化矽。在一實施例中,第二絕緣層110’與第三絕緣層111’包含不同材料。在一實施例中,絕緣堆疊結構102’可藉由依序沉積第三絕緣層111’與第二絕緣層110’來形成。The insulating stacked structure 102' is formed on the
請參照第7圖,絕緣堆疊結構102’被圖案化,例如是藉由光刻(photolithography)處理來圖案化,以在絕緣堆疊結構102’中形成第一孔137、第二孔138與第三孔139。第一孔137、第二孔138與第三孔139在Z方向上通過絕緣堆疊結構102’與多晶半導體層126。第一孔137、第二孔138與第三孔139使絕緣堆疊結構102’與多晶半導體層126之側壁暴露。在一實施例中,第一孔137、第二孔138與第三孔139之形成可藉由對絕緣堆疊結構102’進行蝕刻(etching)處理,例如是溼式蝕刻(wet etching)或乾式蝕刻(dry etching),然後當蝕刻處理稍微超過多晶半導體層126之底表面140時停止蝕刻。在一實施例中,多晶半導體層126可被視為蝕刻停止層。蝕刻處理可停止於介電層136中。在一實施例中,第一孔137、第二孔138與第三孔139可沿著Z方向從絕緣堆疊結構102’之頂表面141往多晶半導體層126之底表面140逐漸變窄。在一實施例中,第一孔137、第二孔138與第三孔139中的每一者可具有沿著Z方向從絕緣堆疊結構102’之頂表面141往多晶半導體層126之底表面140逐漸變小的橫向剖面尺寸(例如在X-Y平面上的橫向剖面尺寸)。在一實施例中,在任意一個X-Y平面(此X-Y平面和第一孔137、第二孔138與第三孔139交錯)上,第一孔137的橫向剖面尺寸小於第二孔138的橫向剖面尺寸,第一孔137的橫向剖面尺寸小於第三孔139的橫向剖面尺寸,第二孔138的橫向剖面尺寸大致和第三孔139的橫向剖面尺寸相同。Referring to FIG. 7, the insulating stacked structure 102' is patterned, for example, by photolithography processing to form a
請參照第8圖,記憶膜117與通道層118’形成於絕緣堆疊結構102’上且襯裡式地形成於第一孔137、第二孔138與第三孔中。在第一孔137、第二孔138與第三孔中,記憶膜117與通道層118’形成於第一孔137、第二孔138與第三孔之內側壁與底部。在一實施例中,記憶膜117與通道層118’可藉由沉積處理來形成,例如是藉由化學氣相沉積處理。在一示例中,記憶膜117與通道層118’形成於爐管(furnace)中。Referring to FIG. 8, the
記憶膜117可包含記憶體技術領域中已知的多層結構,例如ONO結構、ONONO結構、ONONONO結構、SONOS (矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)結構、BE-SONOS結構、TANOS結構、MA BE-SONOS結構及其組合。通道層118’可包含半導體材料,例如是摻雜的半導體材料或未摻雜的半導體材料。在一實施例中,通道層118’可包含多晶矽,例如摻雜的多晶矽或未摻雜的多晶矽。The
請參照第9圖,絕緣堆疊結構102’上的記憶膜117與通道層118’被移除以暴露絕緣堆疊結構102’之頂部,且形成在X-Y平面上平坦的頂部表面。通道層118’可包含如第1圖繪示之虛設通道層118、通道層118A等。在此處理階段,位於第一孔137、第二孔138與第三孔139底部之通道層118’與記憶膜117被移除以暴露出介電層136。換言之,位於第一孔137、第二孔138與第三孔139底部之通道層118/118A未相連,以避免漏電流路徑 (current leakage path)。通道層118/118A可具有管狀且具有兩開放的端部。在一實施例中,絕緣堆疊結構102’上的記憶膜117、絕緣堆疊結構102’上的通道層118’與第一孔137、第二孔138和第三孔139底部之通道層118’、記憶膜117之移除可藉由回蝕(etching-back)處理來進行。Referring to FIG. 9, the
請參照第10圖,絕緣膜119形成於第一孔137、第二孔138與第三孔139中。絕緣膜119可包含介電材料,介電材料包含氧化物,例如氧化矽。在一實施例中,絕緣膜119可藉由以下步驟來形成:在絕緣堆疊結構102’上沉積絕緣膜119,且填充第一孔137、第二孔138與第三孔139;移除絕緣堆疊結構102’上的絕緣膜119以暴露絕緣堆疊結構102’之頂表面141,例如是藉由化學機械平坦化(chemical-mechanical planarization)處理或回蝕處理;第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144分別形成於第一孔137、第二孔138與第三孔139中的絕緣膜119中,例如是藉由溼式蝕刻或乾式蝕刻。第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144沿著Z方向延伸且暴露第一孔137、第二孔138與第三孔139中的絕緣膜119之側壁。在一實施例中,用以形成第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144之蝕刻處理可停止於絕緣膜119。在一實施例中,第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144可分別位於第一孔137、第二孔138與第三孔139的中央。Referring to FIG. 10, the insulating
在一實施例中,在任意一個X-Y平面(此X-Y平面和第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144交錯)上,第一開孔142的橫向剖面尺寸小於第二開孔143的橫向剖面尺寸,第一開孔142的橫向剖面尺寸小於第三開孔144的橫向剖面尺寸,第二開孔143的橫向剖面尺寸大致和第三開孔144的橫向剖面尺寸相同。In one embodiment, on any XY plane (the XY plane is intersected with the
請參照第11圖,絕緣柱125分別形成於第一開孔142、第二開孔143與第三開孔144中。絕緣柱125可包含絕緣材料,絕緣材料包含氮化物,例如氮化矽。絕緣柱125可藉由沉積處理來形成,例如是藉由化學氣相沉積處理。Referring to FIG. 11, the insulating
請參照第12圖,源極/汲極柱123和源極/汲極柱124形成於第一開孔142中的絕緣柱125之相對側。絕緣柱125使源極/汲極柱123隔離於源極/汲極柱124彼此。源極/汲極柱123和源極/汲極柱124可以以下步驟來形成:在第一開孔142中的絕緣柱125之相對側形成兩個窄開孔,該些窄開孔可使通道層118A之側壁、及/或絕緣柱125之側壁暴露;源極/汲極柱123和源極/汲極柱124分別形成於窄開孔中以填滿該些窄開孔。在一實施例中,窄開孔可藉由蝕刻處理來形成,例如是藉由溼式蝕刻或乾式蝕刻。窄開孔可彼此不重疊。在一實施例中,源極/汲極柱123和源極/汲極柱124可藉由沉積處理來形成,例如是藉由化學氣相沉積處理。源極/汲極柱123和源極/汲極柱124可包含摻雜的半導體材料,例如N+多晶矽,或可包含未摻雜的半導體材料。在源極/汲極柱123和源極/汲極柱124之間設置絕緣柱125有助於提升製程視窗(process window)以避免衝穿(PLG-to-PLG punch)發生。Please refer to FIG. 12, the source/
請參照第13圖,溝槽145形成於絕緣堆疊結構102’中。溝槽145在Z方向上通過絕緣堆疊結構102’。溝槽145使絕緣堆疊結構102’與多晶半導體層126之側壁暴露。在一實施例中,可對絕緣堆疊結構102’進行蝕刻處理,例如是藉由溼式蝕刻或乾式蝕刻,以形成溝槽145,且使蝕刻處理停止於多晶半導體層126。Referring to FIG. 13, the
請參照第14圖,透過溝槽145進行蝕刻處理以移除部分的第二絕緣層110’ (即第一孔137與第二孔138周圍的第二絕緣層110’),以形成第三絕緣層111’之間的空間。在一實施例中,蝕刻處理可使用熱磷酸(phosphoric acid; H
3PO
4)。藉由控制蝕刻處理的時間,可使部分的第二絕緣層110’ (即第一孔137與第二孔138周圍的第二絕緣層110’)被移除,同時保留其他部分的第二絕緣層110’ (即第三孔139周圍的第二絕緣層110’)。換言之,第三孔139周圍的第二絕緣層110’不會在蝕刻處理中被移除。然後,介電膜146可襯裡式地形成於第三絕緣層111’之間的空間中。導電材料147,例如鎢,可形成以填充第三絕緣層111’之間的空間,以形成如第1圖所示之導電膜104與導電階梯層106。介電膜146可包含儲存層與阻擋層(未繪示)。介電膜146可包含高介電常數(high-k)材料。在一實施例中,導電膜104可做為閘極。在一實施例中,介電膜146與導電膜104可藉由HKMG (High-k Metal Gate)製程來形成。包含於第14圖之製程可被理解為閘極取代(gate replacement)製程。
Referring to FIG. 14, an etching process is performed through the
在一實施例中,記憶裝置10之記憶層可包含第14圖所示之記憶膜117與介電膜146。也就是說,介電膜146可做為記憶材料。記憶層可包含記憶體技術領域中已知的任意電荷捕捉結構,例如ONO結構、ONONO結構、ONONONO結構、SONOS結構、BE-SONOS結構、TANOS結構、MA BE-SONOS結構及其組合等。電荷捕捉結構可使用氮化物例如氮化矽,或是其他類似的高介電常數物質包括金屬氧化物,例如三氧化二鋁(Al
2O
3)、氧化鋯(HfO
2)等。記憶胞可定義在記憶層中。舉例來說,在記憶層包含記憶膜117與介電膜146的情況下,記憶膜117可理解為穿隧氧化層,記憶膜117可包含二氧化矽(SiO
2)或者僅包含二氧化矽;而介電膜146可做為記憶材料,介電膜146可包含記憶體技術領域中已知的多層記憶材料,例如三氧化二鋁、氮化鈦(TiN)、ONO結構、ONONO結構、ONONONO結構、SONOS結構、BE-SONOS結構、TANOS結構、MA BE-SONOS結構及其組合等。
In one embodiment, the memory layer of the
然後,絕緣條103形成以填充溝槽145,例如藉由沉積處理。Then, the insulating
請參照第15圖,導電柱114形成於第二孔138與第三孔139中的絕緣膜119中。導電柱114沿著Z方向延伸、通過介電層136、且接觸半導體裝置129,例如是接觸第三下金屬層(BM3)。導電柱114可包含導電材料,例如鎢。在一實施例中,導電柱114可藉由以下步驟來形成:藉由蝕刻處理,例如是藉由溼式蝕刻或乾式蝕刻,來移除形成於第二開孔143與第三開孔144中的絕緣柱125 (如第10-11圖所示);蝕刻處理可停止於介電層136的底表面148;藉由蝕刻處理形成深開孔;藉由沉積處理使導電柱114分別形成於深開孔中,例如是藉由化學氣相沉積處理。導電柱114電性連接於半導體裝置129。在此處理階段中,形成於第二孔138中的導電柱114可理解為第1圖所示之階梯結構101中的導電柱114,且形成於第三孔139中的導電柱114可理解為第1圖所示之絕緣堆疊結構102A中的導電柱114。Referring to FIG. 15, the
本揭露提供記憶裝置,其具有被虛設通道層圍繞之位元線接觸、源極線接觸及/或字元線接觸,且位元線接觸、源極線接觸及/或字元線接觸可被管狀元件保護與電性絕緣。由於具有這樣的配置,可省略記憶裝置中用以使位元線接觸、源極線接觸及/或字元線接觸電性絕緣之額外的隔離區,可提升記憶裝置之空間效率、可降低生產成本、可提升記憶裝置之設計自由度,且可改善製程整合度。此外,本揭露提供具有多晶半導體層之記憶裝置,多晶半導體層用來作為蝕刻停止層,多晶半導體層有助於提升用於柱元件之孔的均勻度,且同時可提升蝕刻處理之可控性。The present disclosure provides a memory device that has bit line contacts, source line contacts, and/or word line contacts surrounded by a dummy channel layer, and the bit line contacts, source line contacts, and/or word line contacts can be The tubular element is protected and electrically insulated. Due to this configuration, additional isolation regions for electrically insulating bit line contacts, source line contacts, and/or word line contacts in the memory device can be omitted, which can improve the space efficiency of the memory device and reduce production Cost, can increase the design freedom of the memory device, and can improve the process integration. In addition, the present disclosure provides a memory device with a polycrystalline semiconductor layer. The polycrystalline semiconductor layer is used as an etch stop layer. The polycrystalline semiconductor layer helps to improve the uniformity of the holes used for the pillar elements and at the same time can improve the etching process. Controllable.
應注意的是,如上所述之圖式、結構和步驟,是用以敘述本揭露之部分實施例或應用例,本揭露並不限制於上述結構和步驟之範圍與應用態樣。其他不同結構態樣之實施例,例如不同內部組件的已知構件都可應用,其示例之結構和步驟可根據實際應用之需求而調整。因此圖式之結構僅用以舉例說明之,而非用以限制本發明。通常知識者當知,應用本揭露之相關結構和步驟過程,例如半導體結構中的相關元件和層的排列方式或構型,或製造步驟細節等,都可能依實際應用樣態所需而可能有相應的調整和變化。It should be noted that the above-mentioned drawings, structures and steps are used to describe some embodiments or application examples of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the scope and application of the above-mentioned structures and steps. Other embodiments with different structural aspects, such as known components of different internal components, can be applied, and the structure and steps of the examples can be adjusted according to actual application requirements. Therefore, the structure of the drawings is only used for illustration, not for limiting the present invention. Generally, the knowledgeable person should know that the relevant structures and steps of the application of the present disclosure, such as the arrangement or configuration of the relevant elements and layers in the semiconductor structure, or the details of the manufacturing steps, may be required by the actual application. Adjust and change accordingly.
綜上所述,雖然本發明已以實施例揭露如上,然而其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍前提下,當可作各種之更動與潤飾。因此,本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。In summary, although the present invention has been disclosed in the above embodiments, it is not intended to limit the present invention. Those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can make various changes and modifications without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention shall be subject to those defined by the attached patent application scope.
10:記憶裝置 S:堆疊結構 100,100A,100B,100C:主堆疊結構 101,101A,101B,101C,101D,101E,101F,101G:階梯結構 102,102A,102':絕緣堆疊結構 103:絕緣條 104:導電膜 105:第一絕緣層 106:導電階梯層 107:絕緣階梯層 108,120,121,140,148:底表面 109,141:頂表面 110,110':第二絕緣層 111,111':第三絕緣層 112:柱體結構 113:管狀元件 114:導電柱 115:階梯部 116:導電插塞 117,417:記憶膜 118:虛設通道層 118A,118B,118':通道層 119:絕緣膜 122,122A:柱元件 123,124:源極/汲極柱 125:絕緣柱 126:多晶半導體層 127:上導電柱端部 128:下導電柱端部 129:半導體裝置 130:導電層 136:介電層 137:第一孔 138:第二孔 139:第三孔 142:第一開孔 143:第二開孔 144:第三開孔 145:溝槽 146:介電膜 147:導電材料 161,192:電晶體 163,165,194:下導電結構 171,173,181,183,191:上導電結構 X,Y,Z:方向10: Memory device S: Stacked structure 100, 100A, 100B, 100C: main stack structure 101, 101A, 101B, 101C, 101D, 101E, 101F, 101G: ladder structure 102, 102A, 102': Insulation stack structure 103: Insulation strip 104: conductive film 105: first insulating layer 106: conductive step layer 107: Insulation step layer 108, 120, 121, 140, 148: bottom surface 109,141: top surface 110, 110': second insulating layer 111,111': third insulating layer 112: Cylinder structure 113: Tubular element 114: Conductive column 115: Step 116: conductive plug 117,417: Memory film 118: Dummy channel layer 118A, 118B, 118': channel layer 119: Insulating film 122, 122A: Column element 123,124: source/drain column 125: Insulating column 126: Polycrystalline semiconductor layer 127: Upper conductive column end 128: Lower conductive column end 129: Semiconductor Devices 130: conductive layer 136: Dielectric layer 137: The first hole 138: second hole 139: The third hole 142: first opening 143: second opening 144: third opening 145: groove 146: Dielectric film 147: Conductive materials 161,192: Transistor 163, 165, 194: lower conductive structure 171, 173, 181, 183, 191: upper conductive structure X, Y, Z: direction
第1圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置的示意立體圖; 第2A圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置的示意立體圖; 第2B圖係繪示第1圖所示之絕緣堆疊結構中的多個柱體結構中的一者; 第2C圖係繪示第1圖所示之階梯結構中的多個柱體結構中的一者; 第3圖係繪示根據本發明之一實施例之主堆疊結構的示意俯視圖; 第4圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置的示意立體圖; 第5圖係繪示根據本發明之一實施例之記憶裝置的示意俯視圖;及 第6-15圖係示例性繪示用以製造根據本發明之一實施例之記憶裝置之方法。 Figure 1 is a schematic perspective view of a memory device according to an embodiment of the present invention; Figure 2A is a schematic perspective view of a memory device according to an embodiment of the present invention; FIG. 2B shows one of a plurality of pillar structures in the insulating stacked structure shown in FIG. 1; Figure 2C shows one of the multiple pillar structures in the stepped structure shown in Figure 1; Figure 3 is a schematic top view of a main stack structure according to an embodiment of the present invention; Figure 4 is a schematic perspective view of a memory device according to an embodiment of the present invention; Figure 5 is a schematic top view of a memory device according to an embodiment of the present invention; and FIGS. 6-15 are exemplary illustrations of a method for manufacturing a memory device according to an embodiment of the present invention.
10:記憶裝置 10: Memory device
S:堆疊結構 S: Stacked structure
100,100A:主堆疊結構 100, 100A: Main stack structure
101,101A,101B,101C:階梯結構 101, 101A, 101B, 101C: ladder structure
102,102A:絕緣堆疊結構 102, 102A: Insulation stack structure
103:絕緣條 103: Insulation strip
106:導電階梯層 106: conductive step layer
107:絕緣階梯層 107: Insulation step layer
121:底表面 121: bottom surface
110:第二絕緣層 110: second insulating layer
111:第三絕緣層 111: third insulating layer
112:柱體結構 112: Cylinder structure
113:管狀元件 113: Tubular element
114:導電柱 114: Conductive column
116:導電插塞 116: conductive plug
122:柱元件 122: Column element
126:多晶半導體層 126: Polycrystalline semiconductor layer
127:上導電柱端部 127: Upper conductive column end
129:半導體裝置 129: Semiconductor Devices
130:導電層 130: conductive layer
161,192:電晶體 161,192: Transistor
163,165,194:下導電結構 163, 165, 194: lower conductive structure
171,173,181,183,191:上導電結構 171, 173, 181, 183, 191: upper conductive structure
X,Y,Z:方向 X, Y, Z: direction
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