JP2016525797A5

JP2016525797A5 - ３次元構造体内にドープされた垂直チャンネルを作製する方法

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Publication number: JP2016525797A5
Application number: JP2016525443A
Authority: JP
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2034-07-09

Description

１つのデバイス上にトランジスタを高集積化し続けるために、３Ｄデバイスとしても知られている垂直デバイスの概念が本格化している。簡単に説明すると、従来のトランジスタは、水平方向に配向させたソース領域、ドレイン領域、及び、ゲート領域で作製される。垂直トランジスタでは、これらのフィーチャーを垂直方向に構築し、それにより各素子の水平方向の設置面積を低減させている。

かかるプロセスは、図２Ａ〜２Ｃに示されるように、チャンネル穴を有する階段状のＯＮＯ積層体を作製することから開始する。図２Ａは、基板の上面図を示し、図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ、側面図及び正面図である。かかる積層体を作製するために、酸化タンタル（ＴａＯ）等のエッチング停止層１６０をｎ型シリコン等のドープ基板１５０上に堆積させる。次いで、酸化物層（酸化物１２０）と窒化物層１２５との一連の交互層をエッチング停止層１６０上に堆積させる。これによりＯＮＯ層を有するブロックが作製され、次いでこのブロックを（図２Ｂで最もよくわかるように）階段状にエッチングする。次いで、階段状にエッチングした基板上の領域に酸化物１２４を堆積させる。かかる酸化物は、窒化物層１２５がブロックの最上層となるように研磨される。

次に、図３に示すように、多結晶シリコン材料１４７を使用して、垂直チャンネル１４０の側壁をコーティングする。次いで、誘電材料１４５を使用して垂直チャンネル１４０を塞ぐ。かかる多結晶シリコン材料１４７は電荷トラップ間に導電路を設けるために使用され、そのため、好ましくは、約１×１０ ^１７個の原子／ｃｍ^３のレベルまでドープされ得る。しかしながら、垂直チャンネル１４０内でかかる多結晶シリコン材料をドーピングすることは、そのアスペクト比（深さ／幅）が大きいため困難である。例えば、垂直チャンネル１４０の深さは約２μｍ、幅はほんの約２０ｎｍであり得る。本開示において、高アスペクト比のフィーチャーとは、幅に対する深さの比が５０超であるものと定義され得る。高アスペクト比のフィーチャーは、注入や堆積ではドープすることが難しい。例えば、ドープ多結晶シリコンのチャンネルはドープ堆積法（ｄｏｐｅｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）により作製され得る。ｉｎｓｉｔｕドープ多結晶堆積法とも称される本方法では、多結晶シリコンと、ホウ素又はリン等のドーパントとを同時に堆積させる。しかしながら、チャンネルの深さ方向のドーパントの分布が均一とならないことがあり、ドーパントの分布はチャンネルの深さに依る場合もある。

一実施形態において、多結晶シリコン材料１４７は連鎖式高エネルギー注入でドーピングされる。例えば、上記多結晶シリコン材料への注入は、異なる注入エネルギーをそれぞれ有する一連の注入を使用して行われ得る。本開示において、「注入」とは、特定の注入エネルギーにおけるイオン注入であって、１つ以上のドーパントイオンを使用してチャンネル内の特定の深さにおいて特定のドーピングプロファイルを達成するものと定義される。したがって、特定の注入期間のパス数又は時間は限定されない。むしろ、注入は、特定の深さ範囲で所望のドーパント濃度を得たいという望みに基づいて定義される。いくつかの実施形態では、こららの高エネルギー注入は、それぞれ、少なくとも２００ｋｅＶのエネルギーを有し得る。いくつかの実施形態では、これらの注入のそれぞれのエネルギーは、約２００ｋｅＶ〜２ＭｅＶであり得る。いくつかの実施形態では、これらの注入の少なくとも１つは、少なくとも１ＭｅＶのエネルギーを有する。他の実施形態では、これらの注入の少なくとも１つは、少なくとも１．４ＭｅＶのエネルギーを有する。他の一実施形態では、これらの注入の少なくとも１つは、少なくとも１．８ＭｅＶのエネルギーを有する。行う注入の回数は変化し得る。例えば、一実施形態では、注入エネルギーがそれぞれ異なる５回以上の注入が行われ得る。他の一実施形態では、注入エネルギーがそれぞれ異なる７回以上の注入が行われ得る。他の一実施形態では、９回の注入が行われ得る。さらに、一実施形態では、各注入の注入エネルギーは、１．８ＭｅＶ、１．６ＭｅＶ、１．４ＭｅＶなど、約２００ｋｅＶ互いに異なり得る。エネルギーがそれぞれ異なるこれらの注入は、任意の順序で行われ得る。他の実施形態では、様々な注入間の注入エネルギーの差は、より大きいか、或いは、より小さくされ得る。他の実施形態では、注入エネルギーの差は、一連の注入を通して不定とされ得る。１．８ＭｅＶ、１．６ＭｅＶ等の高エネルギー注入を使用して、垂直チャンネル１４０の底部付近（例えば基板１５０付近）の多結晶シリコン材料１４７をドープし得る。エネルギーを漸次低くした注入を使用して、上面により近い多結晶シリコン材料１４７の領域がドープされ得、その結果、上面付近の多結晶シリコン材料１４７のドーピングに使用した注入の注入エネルギーは２００〜４００ＫｅＶとなり得る。いくつかの実施形態では、上記連鎖式高エネルギー注入はブランケット注入として行われ得る。換言すると、ＯＮＯ層を含むデバイス全体に連鎖式高エネルギー注入が印加される。他の実施形態では、垂直チャンネル１４０のみにイオン注入するためにパターン注入が行われ得る。

いくつかの実施形態では、堆積される多結晶シリコン材料１４７は、ホウ素等とｉｎｓｉｔｕでドープされ、その結果、多結晶シリコン及びホウ素の両方が垂直チャンネル１４０の側壁に堆積する。かかる場合、その後の連鎖式高エネルギー注入を使用して、先に堆積したドープ多結晶シリコンのドーピング濃度が均一化され得る。例えば、多結晶シリコン材料１４７の固有ドーピング濃度は深さに応じて変化する。連鎖式高エネルギー注入を使用して、垂直チャンネル１４０の高さ方向全体の濃度が均一化され得る。他の実施形態では、堆積中の多結晶シリコンはドープされない。かかる実施形態では、専らその後の連鎖式高エネルギー注入によってドーピング濃度が付与される。

いくつかの実施形態では、連鎖式高エネルギー注入は、図４に示されるように、基板表面に対する法線方向の角度で行われる（０°注入と定義する）。つまり、連鎖式注入は垂直方向に行われる。よって、垂直チャンネル１４０下部に注入されるイオン２００は、その真上に堆積された多結晶シリコン材料１４７のみを通過する。

他の実施形態では、連鎖式高エネルギー注入は、図５に示されるように、上記法線方向から外れた角度で行われる。例えば、最大約２０°等の角度を付けた注入で多結晶シリコン材料１４７がドープされ得る。かかる傾斜角度は、多結晶シリコン材料１４７に注入されるイオン２００を、酸化物層（酸化物１２０）または窒化物層１２５の一層以上を通過させる。換言すると、イオンはＯＮＯ積層体の少なくとも一部を通過する。ＯＮＯ積層体の層（酸化物１２０及び窒化物層１２５）は、注入イオンに対して異なる抵抗性を有し得る。ドーパントイオンは、様々な材料内を通過することにより、その移動距離が変化し得る。例えば、ドーパントが１つのみの材料（例えば、多結晶シリコン材料１４７）を通過する場合、その移動距離は当該材料により決まる。注入が傾斜していると、ドーパントイオンは数層の材料層を通過し、各イオンが届く距離の分布は垂直注入による分布と異なり得る。例えば、各イオンの移動距離の分布は、垂直注入の場合よりも狭くなり得る。

連鎖式高エネルギー注入が完了すると、多結晶シリコンは所望のドーピング濃度を有し、これは約１×１０ ^１７個の原子／ｃｍ^３以上であり得る。さらに、ドーピング濃度は垂直チャンネル１４０の高さ方向全体に均一であり得る。他の実施形態では、ドーピング濃度は、電荷トラップの閾値電圧等のプロセスパラメータを最適化するためにチャンネルの高さに応じて変化し得る。

連鎖式高エネルギー注入後、ＮＡＮＤＦＬＡＳＨデバイスの作製プロセスが継続される。図６は、作製の後続ステージにおけるデバイスを示す。注入後、エッチングによりＯＮＯ積層体にスリットを入れて、当該積層体を半分に分離する。かかるエッチングはＯＮＯ積層体とＴａＯ層（エッチング停止層１６０）とを貫通して進行する。次いで、基板１５０内にイオン注入を行って共通ソースライン１７０を形成する。そして、熱リン酸を使用して全ての窒化シリコンを除去する。これにより、図６に示す凹凸形状の酸化シリコン積層体（酸化物１２０）が作製される。そして、デバイス上にＯＮＯ層１１０を堆積させる。

次いで、従来知られているように、タングステン等の金属を堆積させてエッチングで除去し、先に除去した窒化シリコン層（窒化物層１２５）と置き換える（図３参照）。これにより、タングステン電極１３０が作製される（図１参照）。次いで、酸化物１８０（図１参照）を設ける。酸化物１８０内に穴をエッチングで穿設し（不図示）、タングステン電極１３０と相互接続させる。これらの穴（不図示）を金属で充填し、上面から各タングステン電極１３０に至る導電路を作製する。

Claims

３次元構造体内に、酸化物−窒化物−酸化物（ｏｘｉｄｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）積層体で囲まれて、ドープされた垂直チャンネルを作製する方法であって、
エッチングにより、前記酸化物−窒化物−酸化物積層体を貫通する穴を穿設する工程と、
前記穴内に側壁に沿って多結晶シリコン材料を堆積させる工程と、
少なくとも２００ｋｅＶの注入エネルギーをそれぞれ有する複数の高エネルギーイオン注入を使用して、前記多結晶シリコン材料中にドーパントイオンを注入する工程と、を含み、前記高エネルギーイオン注入の少なくとも１つは、少なくとも１ＭｅＶの注入エネルギーを使用して行われる、方法。
ドーパントを前記多結晶シリコン材料と共に堆積させ、前記注入を使用して、前記垂直チャンネル全体の前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを均一化する、請求項１に記載の方法。
前記３次元構造体は複数の電荷トラップを含み、前記複数の高エネルギーイオン注入は、前記複数の電荷トラップのそれぞれの閾値電圧を最適化する、前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを作成する、請求項１に記載の方法。
先に作製した３次元構造体の前記閾値電圧を測定する工程と、
前記測定された閾値電圧を使用して、前記多結晶シリコン材料の前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを決定する工程と、
前記複数の高エネルギーイオン注入の動作パラメータを変えて前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを作成する工程と、を更に含む、請求項３に記載の方法。
３次元構造体内に、酸化物−窒化物−酸化物（ｏｘｉｄｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）積層体で囲まれて、ドープされた垂直チャンネルを作製する方法であって、
エッチングにより、前記酸化物−窒化物−酸化物積層体を貫通する穴を穿設する工程と、
前記穴内に側壁に沿って多結晶シリコン材料を堆積させる工程と、
前記３次元構造体の表面に対する法線方向から外れた角度で、前記多結晶シリコン材料中にドーパントイオンを注入する工程と、を含み、
前記ドーパントイオンは、前記多結晶シリコン材料に到達する前に前記酸化物−窒化物−酸化物積層体の一部を通過する、方法。
ドーパントを前記多結晶シリコン材料と共に堆積させ、前記注入を使用して、前記垂直チャンネル全体の前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを均一化する、請求項５に記載の方法。
前記３次元構造体は複数の電荷トラップを含み、複数の高エネルギーイオン注入は、前記複数の電荷トラップのそれぞれの閾値電圧を最適化する、前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを作成する、請求項５に記載の方法。
先に作製した３次元構造体の前記閾値電圧を測定する工程と、
前記測定された閾値電圧を使用して、前記多結晶シリコン材料の前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを決定する工程と、
前記複数の高エネルギーイオン注入の動作パラメータを変えて前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを作成する工程と、を更に含む、請求項７に記載の方法。
３次元ＮＡＮＤＦＬＡＳＨデバイス内に、ドープされた垂直チャンネルを作製する方法であって、
酸化シリコンと窒化シリコンとの交互層を堆積して酸化物−窒化物−酸化物（ｏｘｉｄｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）積層体を作製する工程と、
エッチングにより、前記酸化物−窒化物−酸化物積層体を貫通する穴を穿設する工程と、
前記穴の側壁に沿って多結晶シリコン材料を堆積させる工程と、
前記多結晶シリコン材料の堆積後に、前記穴内に誘電材料を堆積させる工程と、
少なくとも２００ｋｅＶの注入エネルギーをそれぞれ有し、且つ、その少なくとも１つが少なくとも１ＭｅＶの注入エネルギーを使用して行なわれる複数の高エネルギーイオン注入により前記多結晶シリコン材料にドーパントイオンを注入する工程とを含み、
前記イオン注入は、前記ドーパントイオンが前記多結晶シリコン材料に到達する前に前記酸化物−窒化物−酸化物積層体の一部を通過するように、前記３次元ＮＡＮＤＦＬＡＳＨデバイスの表面に対する法線方向から外れた角度で行われる、方法。
ドーパントを前記多結晶シリコン材料と共に堆積させ、前記注入を使用して、前記垂直チャンネル全体の前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを均一化する、請求項９に記載の方法。
前記３次元ＮＡＮＤＦＬＡＳＨデバイスは複数の電荷トラップを含み、前記複数の高エネルギーイオン注入は、前記複数の電荷トラップのそれぞれの閾値電圧を最適化する、前記多結晶シリコン材料のドーピング濃度プロファイルを作成する、請求項９に記載の方法。
先に作製した３次元ＮＡＮＤＦＬＡＳＨデバイスの前記閾値電圧を測定する工程と、
前記測定された閾値電圧を使用して、前記多結晶シリコン材料の前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを決定する工程と、
前記複数の高エネルギーイオン注入の動作パラメータを変えて前記最適化されたドーピング濃度プロファイルを作成する工程と、を更に含む、請求項11に記載の方法。
前記多結晶シリコン材料及び前記誘電材料の堆積後、前記窒化シリコン層を除去して、前記酸化シリコン層間にスペースを作る工程と、
前記スペースに金属を堆積させて電極を形成する工程と、を更に含み、
前記注入は前記窒化シリコン層を除去する工程の前に行われる、請求項９に記載の方法。
前記多結晶シリコン材料及び前記誘電材料の堆積後、前記窒化シリコン層を除去して、前記酸化シリコン層間にスペースを作る工程と、
前記スペースに金属を堆積させて電極を形成する工程と、を更に含み、
前記注入は前記窒化シリコン層を除去する工程の後であって、前記金属を堆積させる工程の前に行われる、請求項９に記載の方法。
前記多結晶シリコン材料及び前記誘電材料の堆積後、前記窒化シリコン層を除去して、前記酸化シリコン層間にスペースを作る工程と、
前記スペースに金属を堆積させて電極を形成する工程と、を更に含み、
前記注入は前記窒化シリコン層を除去する工程の後、及び、前記金属を堆積させる工程の後に行われる、請求項９に記載の方法。