CN107564861A - 一种晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶体管结构的制备方法,方法包括提供一具有隔离结构的硅衬底;于硅衬底中形成有源区域;以多次交替刻蚀的方式形成若干相互平行的凹槽结构,所述凹槽结构包括刻蚀有源区域和硅衬底形成的具有第一深度区间的第一凹槽,刻蚀隔离结构形成的具有第二深度区间的第二凹槽,且第一深度区间小于第二深度区间;于凹槽结构的内侧及底部形成阻挡层,并依次填充导电层和绝缘层,以形成凹槽栅极,硅衬底依循导电层位于第一凹槽内的底部轮廓提供一深度小于第二深度区间的弧形沟道鳍结构,有源区域的上表面于凹槽栅极两侧形成源极区和漏极区。通过本发明解决了现有存储器阵列因埋入式栅极字线长短不一而产生的短通道效应或驱动电流过小的问题。
Description
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域,特别是涉及一种晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法。
背景技术
动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,简称:DRAM)是计算机中常用的半导体存储器件,由许多重复的存储单元组成。每一个存储单元主要由一个晶体管与一个由晶体管所操控的电容器所构成,且存储单元会排列成阵列形式,每一个存储单元通过字线与位线彼此电性连接。随着电子产品日益朝向轻、薄、短、小发展,动态随机存取存储器组件的设计也必须符合高集成度、高密度的要求朝小型化发展的趋势发展,为提高动态随机存取存储器的积集度以加快组件的操作速度,以及符合消费者对于小型化电子装置的需求,近年来发展出埋入式栅极字线动态随机存取存储器,以满足上述种种需求。
然而,在上述这种结构中,随着动态随机存储器的阵列不断减小,因所述埋入式栅极字线的长短不一致而导致所述存储器阵列问题频发;对于较短的埋入式栅极字线,所述存储器阵列容易产生短通道效应、且不容易保持足够的刷新时间;而对于较长的埋入式栅极字线,则会因长通道而产生驱动电流过小的问题。
鉴于此,有必要设计一种新的晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法用以解决上述技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法,用于解决现有存储器阵列因埋入式栅极字线长短不一而产生的短通道效应或驱动电流过小的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种晶体管结构的制备方法,所述制备方法包括:
1)提供一硅衬底,其中,所述硅衬底中形成有若干相互平行的隔离结构;
2)于所述硅衬底中形成由所述隔离结构隔离的有源区域;
3)以多次交替刻蚀的方式形成若干相互平行、且穿过所述有源区域和位于所述有源区域之间的所述隔离结构的凹槽结构,其中,所述凹槽结构包括刻蚀所述有源区域和所述硅衬底形成的具有第一深度区间的第一凹槽,及刻蚀所述隔离结构形成的具有第二深度区间的第二凹槽,且所述第一深度区间小于所述第二深度区间;以及
4)于所述凹槽结构的内侧及底部形成阻挡层,并于所述凹槽结构内依次填充导电层和绝缘层,以形成凹槽栅极,所述硅衬底依循所述导电层位于所述第一凹槽内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域的上表面分别于所述凹槽栅极两侧形成源极区和漏极区。
优选地,藉由所述多次交替刻蚀的方式控制所述有源区域和所述硅衬底中相邻的两个第一凹槽的第一深度区间的差值小于20nm,所述第一深度区间小于所述第二深度区间的差值介于1至60nm。
优选地,所述导电层包括底部波浪起伏的字线金属结构,用以增加所述字线金属结构的抗断裂韧度,其中,波浪起伏高度差不小于20nm为较佳。
优选地,步骤1)中形成所述隔离结构的方法包括:
1-1)于所述硅衬底上表面形成一具有第一刻蚀窗口的第一刻蚀阻挡层,其中,所述第一刻蚀窗口的位置与所述隔离结构的位置对应;
1-2)通过所述第一刻蚀窗口对所述硅衬底进行刻蚀,以形成隔离凹槽;以及
1-3)于所述隔离凹槽中形成填充层,以形成所述隔离结构;
步骤3)中形成所述凹槽结构的方法包括:
3-1)于所述有源区域和所述隔离结构上表面形成一具有第二刻蚀窗口的第二刻蚀阻挡层,其中,所述第二刻蚀窗口的位置与所述凹槽结构的位置对应;以及
3-2)通过所述第二刻蚀窗口分别对所述有源区域和所述硅衬底,及所述隔离结构进行多次交替刻蚀,以形成所述凹槽结构。
优选地,形成所述第一刻蚀阻挡层的方法为电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第一刻蚀阻挡层的材料为氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种;形成所述第二刻蚀阻挡层的方法为电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第二刻蚀阻挡层的材料为氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种;形成所述填充层的方法为电介质旋涂、原子层沉积、高密度等离子体化学气相沉积或低压化学气相沉积,其中,所述填充层的材料为二氧化硅。
优选地,在步骤3)形成所述凹槽结构的方法中,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底的刻蚀气体包括氧气(O2)、溴化氢(HBr)、氯气(Cl2)、三氟化氮(NF3)及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氩气(Ar)或氦气(He);刻蚀所述隔离结构的刻蚀气体包括四氟化碳(CF4)、二氟甲烷(CH2F2)、六氟丁二烷(C4F6)、六氟化硫(SF6)、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气(He)或氩气(Ar);或刻蚀所述隔离结构的刻蚀气体包括四氟化碳(CF4)、三氟甲烷(CHF3)、六氟丁二烷(C4F6)、六氟化硫(SF6)、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气(He)或氩气(Ar)。
优选地,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底,及所述隔离结构的反应腔室的压力为5mTorr~30mTorr,源功率为200W~1200W,及偏压功率为50W~800W;其中,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底的过程中,所述氧气(O2)的气体流量为0sccm~50sccm,所述溴化氢(HBr)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氯气(Cl2)的气体流量为5sccm~100sccm,所述三氟化氮(NF3)的气体流量为5sccm~150sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm;刻蚀所述隔离结构的过程中,所述四氟化碳(CF4)的气体流量为10sccm~200sccm,所述二氟甲烷(CH2F2)的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟丁二烷(C4F6)的气体流量为0sccm~100sccm,所述六氟化硫(SF6)的气体流量为0sccm~200sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm;或所述四氟化碳(CF4)的气体流量为10sccm~200sccm,所述三氟甲烷(CHF3)的气体流量为10sccm~200sccm,所述六氟丁二烷(C4F6)的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟化硫(SF6)的气体流量为10sccm~200sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm。
优选地,所述交替刻蚀的次数为2次~100次,刻蚀总时间为10秒~500秒,所述第一深度区间为80nm~200nm,所述第二深度区间为90nm~250nm。
本发明还提供一种存储单元的制备方法,所述制备方法包括:
a)采用如上述所述制备方法形成一晶体管结构;
b)于所述凹槽栅极一侧的所述源极区上形成位线触点;
c)于所述凹槽栅极另一侧的所述漏极区上形成电容单元触点;以及
d)于所述位线触点和所述电容单元触点之间形成隔离材料层。
本发明还提供一种存储器阵列的制备方法,所述制备方法包括:
Ⅰ)采用如上述所述制备方法形成若干存储单元,所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
Ⅱ)连接一寻址线串连所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,所述寻址线用于控制各所述存储单元。
本发明还提供一种晶体管结构,所述晶体管结构包括:
硅衬底,所述硅衬底中形成有若干相互平行的隔离结构以及由所述隔离结构隔离的有源区域,所述硅衬底还具有;若干相互平行的凹槽结构,所述凹槽结构穿过所述有源区域和位于所述有源区域之间的所述隔离结构,其中,所述凹槽结构包括在所述有源区域和所述硅衬底中且具有第一深度区间的第一凹槽及在所述隔离结构中且具有第二深度区间的第二凹槽,且所述第一深度区间小于所述第二深度区间;
阻挡层,形成于所述凹槽结构内侧及底部;及
依次填充所述凹槽结构的导电层和绝缘层,以形成凹槽栅极,并且,所述硅衬底依循所述导电层位于所述第一凹槽内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域的上表面分别于所述凹槽栅极两侧形成源极区和漏极区。
优选地,所述第一深度区间小于所述第二深度区间的差值介于1至60nm,在所述有源区域和所述硅衬底中相邻的两个第一凹槽的第一深度区间的差值小于20nm。
优选地,所述第一深度区间为80nm~200nm,所述第二深度区间为90nm~250nm。
优选地,所述导电层包括底部波浪起伏的字线金属结构。
优选地,所述导电层的波浪起伏高度差不小于20nm。
优选地,所述第一凹槽接近所述第二凹槽的端部深度大于所述第一凹槽的中间段深度。
本发明还提供一种存储单元,所述存储单元包括:
如上述所述的晶体管结构;
形成于所述凹槽栅极一侧的所述源极区上的位线触点;
形成于所述凹槽栅极另一侧的所述漏极区上的电容单元触点;以及
形成于所述位线触点和所述电容单元触点之间的隔离材料层。
优选地,所述第一凹槽接近所述第二凹槽的端部深度大于所述第一凹槽的中间段深度。
本发明还提供一种存储器阵列,所述存储器阵列包括:
如上述所述的若干存储单元,各所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
寻址线,连接所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,用于控制各所述存储单元。
如上所述,本发明的晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法,具有以下有益效果:本发明通过对所述有源区域和所述隔离结构进行多次交替刻蚀,使得所述凹槽栅极(埋入式栅极字线)的深度有较佳的一致性,并通过先有源区域、后隔离结构刻蚀,得到圆型沟道鳍结构,不仅解决了所述存储器阵列存在的长、短通道问题,而且在增大了刷新时间的同时,还使得晶体管具有较大的驱动电流和较小的漏电流。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中晶体管结构的制备方法流程图。
图2至图6显示为本发明实施例一中所述晶体管结构在制备过程中的结构示意图,其中,图3b为图3a沿AA’方向的截面图,图4b为图4a沿BB’方向的截面图,图5b为图5a沿CC’方向的截面图。
图7显示为本发明实施例二中存储单元的制备方法流程图。
图8显示为本发明实施例二所述存储单元的结构示意图。
图9显示为本发明实施三中存储器阵列的制备方法流程图。
元件标号说明
100 存储单元 10 晶体管结构
1 硅衬底
2a 隔离结构 2b 浅沟槽隔离结构
20 位线触点
3 有源区域 30 电容单元触点
4 凹槽结构 40 隔离材料层
4a 第一凹槽 4b 第二凹槽
5 凹槽栅极
5a 阻挡层 5b 导电层
5c 绝缘层
6 源极区 7 漏极区
D1 第一深度区间 D1' 第一深度区间的最小深度
D1” 第一深度区间的最大深度
D2 第二深度区间 D2' 第二深度区间的最小深度
D2” 第二深度区间的最大深度
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图9。须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图1所示,并配合参阅图2至图6,本实施例提供一种晶体管结构的制备方法,所述制备方法包括:
1)如图2所示,提供一硅衬底1,其中,所述硅衬底1中形成有若干相互平行的隔离结构2a;
2)如图3a和图3b所示,于所述硅衬底1中形成由所述隔离结构2a隔离的有源区域3;
3)如图4a和图4b所示,以多次交替刻蚀的方式形成若干相互平行的凹槽结构4,所述凹槽结构4穿过所述有源区域3和位于所述有源区域3之间的所述隔离结构2a,其中,所述凹槽结构4包括刻蚀所述有源区域3和所述硅衬底1形成的具有第一深度区间D1的第一凹槽4a,及刻蚀所述隔离结构2a形成的具有第二深度区间D2的第二凹槽4b,且所述第一深度区间D1小于所述第二深度区间D2;以及
4)如图5a和图5b所示,于所述凹槽结构4的内侧及底部形成阻挡层5a,并于所述凹槽结构4内依次填充导电层5b和绝缘层5c,以形成凹槽栅极5,所述硅衬底1依循所述导电层5b位于所述第一凹槽4a内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域3的上表面分别于所述凹槽栅极5两侧形成源极区6和漏极区7。
下面请参阅图2至图6对本实施例所述晶体管结构的制备方法进行详细说明。
如图2所示,提供一硅衬底1,其中,所述硅衬底1中形成有若干相互平行的隔离结构2a。
作为示例,步骤1)中形成所述隔离结构2a的方法包括:
1-1)于所述硅衬底1上表面形成一具有第一刻蚀窗口的第一刻蚀阻挡层,其中,所述第一刻蚀窗口的位置与所述隔离结构2a的位置对应;
1-2)通过所述第一刻蚀窗口对所述硅衬底1进行刻蚀,以形成隔离凹槽;以及
1-3)于所述隔离凹槽中形成填充层,以形成所述隔离结构2a;此外,所述浅沟槽隔离结构2b亦可在前述步骤1-1)至前述步骤1-3)中,同时被制作。
作为示例,形成所述第一刻蚀阻挡层的方法为电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积、及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第一刻蚀阻挡层的材料为氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种。
作为示例,形成所述填充层的方法为电介质旋涂(spin-on dielectric,SOD)、原子层沉积、高密度等离子体化学气相沉积或低压化学气相沉积,其中,所述填充层的材料为二氧化硅。
作为示例,如图2所示,当同时形成多个所述晶体管结构时,多个所述晶体管结构之间通过浅沟槽隔离结构2b进行隔离;其中,所述浅沟槽隔离结构2b垂直于或倾斜于所述隔离结构2a。
如图3a和图3b所示,于所述硅衬底1中形成由所述隔离结构2a隔离的有源区域3。
作为示例,步骤2)形成所述有源区域3的方法包括于所述硅衬底1上方进行离子注入,以于所述硅衬底1上部形成有源区域3。
如图4a和图4b所示,以多次交替刻蚀的方式形成若干相互平行、且穿过所述有源区域3和位于所述有源区域3之间的所述隔离结构2a的凹槽结构4,其中,所述凹槽结构4包括刻蚀所述有源区域3和所述硅衬底1形成的具有第一深度区间D1的第一凹槽4a,及刻蚀所述隔离结构2a形成的具有第二深度区间D2的第二凹槽4b,且所述第一深度区间D1小于所述第二深度区间D2(如图4b所示),使得所述第一凹槽4a和所述第二凹槽4b以不同深度的型态相互线性连通。所述第一深度区间D1和所述第二深度区间D2小于等于所述隔离结构2a的深度,并且大于所述有源区域3的离子植入深度。在一较佳示例中,所述第一凹槽4a接近所述第二凹槽4b的端部深度大于所述第一凹槽4a的中间段深度,用以提供一种弧形沟道鳍结构。
作为示例,步骤3)中形成所述凹槽结构4的方法包括:
3-1)于所述有源区域和所述隔离结构4上表面形成一具有第二刻蚀窗口的第二刻蚀阻挡层,其中,所述第二刻蚀窗口的位置与所述凹槽结构4的位置对应;以及
3-2)通过所述第二刻蚀窗口分别对所述有源区域3和所述硅衬底1,及所述隔离结构2a进行多次交替刻蚀,以形成所述凹槽结构4。
作为示例,形成所述第二刻蚀阻挡层的方法包括但不限于电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积、及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第二刻蚀阻挡层的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种。
作为示例,刻蚀所述有源区域3和所述硅衬底1,及所述隔离结构2a的反应腔室的压力为5mTorr~30mTorr,源功率为200W~1200W,及偏压功率为50W~800W。
作为示例,刻蚀所述有源区域3和所述硅衬底1的过程中,刻蚀气体包括氧气(O2)、溴化氢(HBr)、氯气(Cl2)、三氟化氮(NF3)及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氩气(Ar)或氦气(He);其中,所述氧气(O2)的气体流量为0sccm~50sccm,所述溴化氢(HBr)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氯气(Cl2)的气体流量为5sccm~100sccm,所述三氟化氮(NF3)的气体流量为5sccm~150sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm。
作为示例,刻蚀所述隔离结构2a的刻蚀气体包括四氟化碳(CF4)、二氟甲烷(CH2F2)、六氟丁二烷(C4F6)、六氟化硫(SF6)、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气(He)或氩气(Ar);其中,所述四氟化碳(CF4)的气体流量为10sccm~200sccm,所述二氟甲烷(CH2F2)的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟丁二烷(C4F6)的气体流量为0sccm~100sccm,所述六氟化硫(SF6)的气体流量为0sccm~200sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm。或刻蚀所述隔离结构的刻蚀气体包括四氟化碳(CF4)、三氟甲烷(CHF3)、六氟丁二烷(C4F6)、六氟化硫(SF6)、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气(He)或氩气(Ar),其中,所述四氟化碳(CF4)的气体流量为10sccm~200sccm,所述三氟甲烷(CHF3)的气体流量为10sccm~200sccm,所述六氟丁二烷(C4F6)的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟化硫(SF6)的气体流量为10sccm~200sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气(He)的气体流量为10sccm~400sccm。
作为示例,所述交替刻蚀的次数为2次~100次,刻蚀总时间为10秒~500秒,在所述有源区域3和所述硅衬底1中的所述第一深度区间D1为80nm~200nm,其中,所述第一深度区间的最小深度为D1’,所述第一深度区间的最大深度为D1”;在所述隔离结构2a中的所述第二深度区间D2为90nm~250nm,其中,所述第二深度区间的最小深度为D2’,所述第二深度区间的最大深度为D2”,具体如图4b所示。
需要说明的是,每次刻蚀的深度与交替刻蚀的次数呈反比,即交替刻蚀的次数越多,每次刻蚀的深度越小,交替刻蚀的次数越少,每次刻蚀的深度越大。
作为示例,藉由所述多次交替刻蚀的方式控制所述有源区域3和所述硅衬底1中相邻的两个第一凹槽4a的第一深度区间D1的差值小于20nm,所述第一深度区间D1小于所述第二深度区间D2的差值可介于1至60nm。
需要说明的是,通过多次交替刻蚀的方式控制所述有源区域和所述硅衬底中相邻两个第一凹槽4a的第一深度区间D1的差值小于20nm,使得所述有源区域中通过相邻两个第一凹槽4a的晶体管沟道长度具有较佳的一致性。而且,在一次交替刻蚀中,通过先有源区域3或硅衬底刻蚀,后隔离结构2a刻蚀,使得由所述第一凹槽4a底部外缘形状构成的沟道鳍结构(trench channel)为圆弧型。
如图5a至图6所示,于所述凹槽结构4的内侧及底部形成阻挡层5a,其中一段在所述硅衬底1的所述第一凹槽4a中的阻挡层5a可作为功函数层。并于所述凹槽结构4内依次填充导电层5b和绝缘层5c,以形成凹槽栅极5,所述硅衬底1依循所述导电层5b位于所述第一凹槽4a内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间D2的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域3的上表面分别于所述凹槽栅极5两侧形成源极区6和漏极区7。在本实施例中,所述凹槽栅极5具体为嵌入式字线,一个所述有源区域3被二条所述凹槽栅极5穿过,所述有源区域3两端包含用以连接电容触点的两个源极区6,所述有源区域3的中间包含用以连接位线的共享漏极区7。
作为示例,形成所述阻挡层5a的方法包括但不限于电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积、快速热处理及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述阻挡层5a的材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种。
作为示例,形成所述导电层5b的方法包括:
4-1)于所述阻挡层5a的内侧及底部形成第一导电材料层;
4-2)于所述第一导电材料层表面形成第二导电材料层,所述第一导电材料层和所述第二导电材料层可更覆盖地形成于所述硅衬底1上;
4-3)对所述第一导电材料层及第二导电材料层进行刻蚀,以去除所述第一导电材料层和所述第二导电材料层在所述硅衬底1上以及在所述凹槽结构4上部分的部分,以形成所述导电层5b。
作为示例,步骤4-1)中形成所述第一导电材料层的方法包括但不限于原子层沉积或化学气相沉积,其中,所述第一导电材料层的材料包括但不限于氮化钛(TiN)。
作为示例,步骤4-2)中形成所述第二导电材料层的方法包括但不限于原子层沉积或化学气相沉积,其中,所述第二导电材料层的材料包括但不限于钨(W)。
作为示例,步骤4-3)中刻蚀所述第一导电材料层及第二导电材料层的方法包括:以多次交替刻蚀的方式分别刻蚀所述第一导电材料层和第二导电材料层,以形成所述导电层。
需要说明的是,对所述第一导电材料层和所述第二导电材料层进行交替刻蚀时,可先刻蚀第一导电材料层,也可先刻蚀第二导电材料层,且每次刻蚀的时间不小于3秒。
作为示例,刻蚀所述第一导电材料层及第二导电材料层的反应腔室的压力为2Torr~40Torr,源功率为200W~1800W,及偏压功率为0W~200W;其中,刻蚀所述第一导电材料层的刻蚀气体包括氯气(Cl2),所述氯气(Cl2)的气体流量为10sccm~300sccm;刻蚀所述第二导电材料层的刻蚀气体包括六氟化硫(SF6),四氯化硅(SiCl4)及氩气(Ar)的混合气体,所述六氟化硫(SF6)的气体流量为10sccm~200sccm,所述四氯化硅(SiCl4)的气体流量为0sccm~100sccm,所述氩气(Ar)的气体流量为0sccm~450sccm。
作为示例,如图5b所示,所述导电层5b包括底部波浪起伏的字线金属结构,用以增加所述导电层5b的抗断裂韧度。利用所述导电层5b的拱形底面,防止所述导电层5b受到因在半导体材料与绝缘材料之间不同材料间穿越的应力集中而产生断裂。其中,优选的,波浪起伏高度差不小于20nm,即所述波浪的最高点至其最低点之间同向于所述硅衬底1厚度方向的纵向高度差不小于20nm。
作为示例,形成所述绝缘层5c的方法包括但不限于原子层沉积或化学气相沉积,其中,所述绝缘层5c的材料包括但不限于氧化硅(SiO2)或是氮化硅(Si3N4)。
通过上述制备方法制备的所述晶体管结构如图6所示,所述晶体管结构10包括:硅衬底1及凹槽栅极5。
所述硅衬底1中形成有若干相互平行的隔离结构2a以及由所述隔离结构2a隔离的有源区域3,所述硅衬底1还具有;若干相互平行的凹槽结构4,所述凹槽结构4穿过所述有源区域3和位于所述有源区域3之间的所述隔离结构2a,其中,所述凹槽结构4包括在所述有源区域3中、具有第一深度区间D1的第一凹槽4a及在所述隔离结构2a中、具有第二深度区间D2的第二凹槽4b,且所述第一深度区间D1小于所述第二深度区间D2。
所述凹槽栅极5包括阻挡层5a,形成于所述凹槽结构4内侧及底部。所述凹槽栅极5还包括依次填充所述凹槽结构4的导电层5b和绝缘层5c,以形成凹槽栅极5。并且,所述有源区域3依循所述导电层5b位于所述第一凹槽4a内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域3的上表面分别于所述凹槽栅极5两侧形成源极区6和漏极区7。
实施例二
如图7所示,本实施例提供一种存储单元的制备方法,所述制备方法包括:
a)采用如上述实施例一所述制备方法形成一晶体管结构10,如图6所示;
b)于所述凹槽栅极5一侧的所述源极区6上形成位线触点20,如图8所示;
c)于所述凹槽栅极5另一侧的所述漏极区7上形成电容单元触点30,如图8所示;以及
d)于所述位线触点20和所述电容单元触点30之间形成隔离材料层40,如图8所示。
通过上述制备方法制备得到的所述存储单元的结构如图8所示,所述存储单元100包括:
如上述实施例一所述的晶体管结构10;
形成于所述凹槽栅极5一侧的所述源极区6上的位线触点20;
形成于所述凹槽栅极5另一侧的所述漏极区7上的电容单元触点30;以及
形成于所述位线触点20和所述电容单元触点30之间的隔离材料层40。
实施例三
如图9所示,本实施例提供一种存储器阵列的制备方法,所述制备方法包括:
Ⅰ)采用如上述所述制备方法形成若干存储单元,所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
Ⅱ)连接一寻址线串连所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,所述寻址线用于控制各所述存储单元。
通过上述制备方法制备得到的所述存储器阵列结构包括:
如上述实施例二所述的若干存储单元,各所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
寻址线,连接所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,用于控制各所述存储单元。
综上所述,本发明的晶体管结构、存储单元、存储器阵列及其制备方法,具有以下有益效果:本发明通过对所述有源区域和所述隔离结构进行多次交替刻蚀,使得所述凹槽栅极(埋入式栅极字线)的深度有较佳的一致性,并通过先有源区域、后隔离结构刻蚀,得到圆型沟道鳍结构,不仅解决了所述存储器阵列存在的长、短通道问题,而且在增大了刷新时间的同时,还使得晶体管具有较大的驱动电流和较小的漏电流。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种晶体管结构的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
1)提供一硅衬底,其中,所述硅衬底中形成有若干相互平行的隔离结构;
2)于所述硅衬底中形成由所述隔离结构隔离的有源区域;
3)以多次交替刻蚀的方式形成若干相互平行、且穿过所述有源区域和位于所述有源区域之间的所述隔离结构的凹槽结构,其中,所述凹槽结构包括刻蚀所述有源区域和所述硅衬底形成的具有第一深度区间的第一凹槽,及刻蚀所述隔离结构形成的具有第二深度区间的第二凹槽,且所述第一深度区间小于所述第二深度区间;以及
4)于所述凹槽结构的内侧及底部形成阻挡层,并于所述凹槽结构内依次填充导电层和绝缘层,以形成凹槽栅极,所述硅衬底依循所述导电层位于所述第一凹槽内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域的上表面分别于所述凹槽栅极两侧形成源极区和漏极区。
2.根据权利要求1所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,藉由所述多次交替刻蚀的方式控制所述有源区域和所述硅衬底中相邻的两个第一凹槽的第一深度区间的差值小于20nm,所述第一深度区间小于所述第二深度区间的差值介于1至60nm。
3.根据权利要求1所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,所述导电层包括底部波浪起伏的字线金属结构,其中,波浪起伏高度差不小于20nm。
4.根据权利要求1所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,步骤1)中形成所述隔离结构的方法包括:
1-1)于所述硅衬底上表面形成一具有第一刻蚀窗口的第一刻蚀阻挡层,其中,所述第一刻蚀窗口的位置与所述隔离结构的位置对应;
1-2)通过所述第一刻蚀窗口对所述硅衬底进行刻蚀,以形成隔离凹槽;以及
1-3)于所述隔离凹槽中形成填充层,以形成所述隔离结构;
步骤3)中形成所述凹槽结构的方法包括:
3-1)于所述有源区域和所述隔离结构上表面形成一具有第二刻蚀窗口的第二刻蚀阻挡层,其中,所述第二刻蚀窗口的位置与所述凹槽结构的位置对应;以及
3-2)通过所述第二刻蚀窗口分别对所述有源区域和所述硅衬底,及所述隔离结构进行多次交替刻蚀,以形成所述凹槽结构。
5.根据权利要求4所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,形成所述第一刻蚀阻挡层的方法为电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第一刻蚀阻挡层的材料为氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种;形成所述第二刻蚀阻挡层的方法为电介质旋涂、化学气相沉积、流体化学气相沉积及高密度等离子体化学气相沉积中的一种,其中,所述第二刻蚀阻挡层的材料为氮化硅、二氧化硅及碳化合物中的一种;形成所述填充层的方法为电介质旋涂、原子层沉积、高密度等离子体化学气相沉积或低压化学气相沉积,其中,所述填充层的材料为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,在步骤3)形成所述凹槽结构的方法中,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底的刻蚀气体包括氧气O2、溴化氢HBr、氯气Cl2、三氟化氮NF3及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氩气Ar或氦气He;刻蚀所述隔离结构的刻蚀气体包括四氟化碳CF4、二氟甲烷CH2F2、六氟丁二烷C4F6、六氟化硫SF6、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气He或氩气Ar;或刻蚀所述隔离结构的刻蚀气体包括四氟化碳CF4、三氟甲烷CHF3、六氟丁二烷C4F6、六氟化硫SF6、及惰性气体的混合气体,所述惰性气体包括氦气He或氩气Ar。
7.根据权利要求6所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底,及所述隔离结构的反应腔室的压力为5mTorr~30mTorr,源功率为200W~1200W,及偏压功率为50W~800W;其中,刻蚀所述有源区域和所述硅衬底的过程中,所述氧气O2的气体流量为0sccm~50sccm,所述溴化氢HBr的气体流量为10sccm~400sccm,所述氯气Cl2的气体流量为5sccm~100sccm,所述三氟化氮NF3的气体流量为5sccm~150sccm,所述氩气Ar的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气He的气体流量为10sccm~400sccm;刻蚀所述隔离结构的过程中,所述四氟化碳CF4的气体流量为10sccm~200sccm,所述二氟甲烷CH2F2的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟丁二烷C4F6的气体流量为0sccm~100sccm,所述六氟化硫SF6的气体流量为0sccm~200sccm,所述氩气Ar的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气He的气体流量为10sccm~400sccm;或所述四氟化碳CF4的气体流量为10sccm~200sccm,所述三氟甲烷CHF3的气体流量为10sccm~200sccm,所述六氟丁二烷C4F6的气体流量为5sccm~100sccm,所述六氟化硫SF6的气体流量为10sccm~200sccm,所述氩气Ar的气体流量为10sccm~400sccm,所述氦气He的气体流量为10sccm~400sccm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的晶体管结构的制备方法,其特征在于,所述交替刻蚀的次数为2次~100次,刻蚀总时间为10秒~500秒,所述第一深度区间为80nm~200nm,所述第二深度区间为90nm~250nm。
9.一种存储单元的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
a)采用如权利要求1所述制备方法形成一晶体管结构;
b)于所述凹槽栅极一侧的所述源极区上形成位线触点;
c)于所述凹槽栅极另一侧的所述漏极区上形成电容单元触点;以及
d)于所述位线触点和所述电容单元触点之间形成隔离材料层。
10.一种存储器阵列的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
Ⅰ)采用如权利要求9所述制备方法形成若干存储单元,所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
Ⅱ)连接一寻址线串连所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,所述寻址线用于控制各所述存储单元。
11.一种晶体管结构,其特征在于,所述晶体管结构包括:
硅衬底,所述硅衬底中形成有若干相互平行的隔离结构以及由所述隔离结构隔离的有源区域,所述硅衬底还具有;若干相互平行的凹槽结构,所述凹槽结构穿过所述有源区域和位于所述有源区域之间的所述隔离结构,其中,所述凹槽结构包括在所述有源区域和所述硅衬底中且具有第一深度区间的第一凹槽及在所述隔离结构中且具有第二深度区间的第二凹槽,且所述第一深度区间小于所述第二深度区间;
阻挡层,形成于所述凹槽结构内侧及底部;及
依次填充所述凹槽结构的导电层和绝缘层,以形成凹槽栅极,并且,所述硅衬底依循所述导电层位于所述第一凹槽内的底部轮廓提供一深度小于所述第二深度区间的弧形沟道鳍结构,其中,所述有源区域的上表面分别于所述凹槽栅极两侧形成源极区和漏极区。
12.根据权利要求11所述的晶体管结构,其特征在于,所述第一深度区间小于所述第二深度区间的差值介于1至60nm,在所述有源区域和所述硅衬底中相邻的两个第一凹槽的第一深度区间的差值小于20nm。
13.根据权利要求11所述的晶体管结构,其特征在于,所述第一深度区间为80nm~200nm,所述第二深度区间为90nm~250nm。
14.根据权利要求11所述的晶体管结构,其特征在于,所述导电层包括底部波浪起伏的字线金属结构。
15.根据权利要求14所述的晶体管结构,其特征在于,所述导电层的波浪起伏高度差不小于20nm。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的晶体管结构,其特征在于,所述第一凹槽接近所述第二凹槽的端部深度大于所述第一凹槽的中间段深度。
17.一种存储单元,其特征在于,所述存储单元包括:
如权利要求11所述的晶体管结构;
形成于所述凹槽栅极一侧的所述源极区上的位线触点;
形成于所述凹槽栅极另一侧的所述漏极区上的电容单元触点;以及
形成于所述位线触点和所述电容单元触点之间的隔离材料层。
18.根据权利要求17所述的存储单元,其特征在于,所述第一凹槽接近所述第二凹槽的端部深度大于所述第一凹槽的中间段深度。
19.一种存储器阵列,其特征在于,所述存储器阵列包括:
如权利要求17所述的若干存储单元,各所述存储单元配置为具有单元行及单元列的存储单元阵列;以及
寻址线,连接所述单元行或单元列中的导电层,以作为埋入式栅极字线,用于控制各所述存储单元。
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