KR20210080583A - A three-dimensional memory device comprising alternating stacks of source and drain layers and vertical gate electrodes - Google Patents
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Abstract
3차원 메모리 디바이스는 기판 위에 위치된 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택, 교번하는 스택의 소스 층들 및 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장되는 게이트 전극들, 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러싸는 메모리 필름들, 및 메모리 필름들의 각자의 메모리 필름을 측방향으로 둘러싸고 소스 층 및 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍에 접속된 반도체 채널들을 포함한다. 메모리 개구들의 어레이는 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장될 수 있고, 게이트 전극들 각각은 메모리 개구들의 각자의 메모리 개구 내에 위치될 수 있다.The three-dimensional memory device comprises an alternating stack of source and drain layers positioned over a substrate, gate electrodes extending vertically through each of the source and drain layers of the alternating stack, and a respective gate electrode of the gate electrodes laterally arranged. surrounding memory films, and semiconductor channels laterally surrounding a respective memory film of the memory films and connected to a respective vertically neighboring pair of source and drain layers. The array of memory openings may extend vertically through the alternating stack, and each of the gate electrodes may be located within a respective memory opening of the memory openings.
Description
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본 출원은 2019년 8월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/539,103호 및 제16/539,124호의 우선권의 이익을 주장하며, 이들의 전체 내용들은 본 명세서에 참고로 포함된다.This application claims the benefit of priority to U.S. Patent Applications Nos. 16/539,103 and 16/539,124, filed on August 13, 2019, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
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본 발명은 대체적으로 반도체 디바이스들의 분야에 관한 것으로, 특히 소스 층들과 드레인 층들의 교번하는 스택 및 수직 게이트 전극들을 포함하는 3차원 메모리 디바이스 및 그 제조 방법들에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of semiconductor devices, and more particularly to a three-dimensional memory device comprising an alternating stack of source and drain layers and vertical gate electrodes and methods of manufacturing the same.
전형적인 3차원 NAND 메모리 디바이스는 기판 위에 위치된 절연 층들 및 워드 라인들의 교번하는 스택을 포함한다. 차단 유전체 층과 터널링 유전체 층 사이에 위치된 전하 저장 층을 포함하는 메모리 필름들에 의해 둘러싸인 수직 반도체 채널들은 교번하는 스택을 통해 메모리 개구들에서 수직으로 연장된다. 비트 라인들은 반도체 채널들의 상단에 위치된 드레인 영역들에 전기적으로 접속되는 한편, 소스 라인 또는 인터커넥트는 수직 반도체 채널들의 하단 부분에 위치된 소스 영역들에 전기적으로 접속된다.A typical three-dimensional NAND memory device includes an alternating stack of word lines and insulating layers positioned over a substrate. Vertical semiconductor channels surrounded by memory films comprising a charge storage layer positioned between a blocking dielectric layer and a tunneling dielectric layer extend vertically in the memory openings through an alternating stack. The bit lines are electrically connected to drain regions located at the top of the semiconductor channels, while the source line or interconnect is electrically connected to the source regions located at the bottom portion of the vertical semiconductor channels.
본 발명의 일 태양에 따르면, 3차원 메모리 디바이스는 기판 위에 위치된 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택, 교번하는 스택의 소스 층들 및 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장되는 게이트 전극들, 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극을 각각 측방향으로 둘러싸는 메모리 필름들, 및 메모리 필름들의 각자의 메모리 필름을 각각 측방향으로 둘러싸고 소스 층들 중 일정 소스 층 및 드레인 층들 중 일정 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 측벽들과 접촉하는 반도체 채널들을 포함한다.According to one aspect of the present invention, a three-dimensional memory device comprises an alternating stack of source and drain layers positioned over a substrate, gate electrodes extending vertically through each of the source and drain layers of the alternating stack, and gate electrodes. memory films each laterally surrounding a respective gate electrode, and a respective vertically adjacent pair of a source layer of a source layer and a drain layer of a drain layer each laterally surrounding a respective memory film of the memory films semiconductor channels in contact with the sidewalls of
본 발명의 다른 태양에 따르면, 3차원 메모리 디바이스를 형성하는 방법은 기판 위에 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들의 교번하는 스택을 형성하는 단계, 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들을 형성하는 단계, 각각의 메모리 개구 내에 연속적 반도체 채널 층을 형성하는 단계 - 도핑된 반도체 소스 층들 중 일정 도핑된 반도체 소스 층 및 도핑된 반도체 드레인 층들 중 일정 도핑된 반도체 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 측벽들 상에 반도체 채널들이 형성됨 -, 반도체 채널들 위에 메모리 필름들을 형성하는 단계, 및 메모리 필름들 위에 게이트 전극들을 형성하는 단계 - 게이트 전극들 각각은 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨-를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of forming a three-dimensional memory device comprises forming an alternating stack of doped semiconductor source layers and doped semiconductor drain layers over a substrate, a memory opening extending vertically through the alternating stack. forming a continuous semiconductor channel layer within each memory opening - each vertically neighboring one of the doped semiconductor source layer and the doped one of the doped semiconductor drain layers. forming semiconductor channels on the pair of sidewalls, forming memory films over the semiconductor channels, and forming gate electrodes over the memory films, each of the gate electrodes comprising an alternating stack of doped semiconductor source layers and extending vertically through each of the doped semiconductor drain layers.
본 발명의 일 태양에 따르면, 3차원 메모리 디바이스는 기판 위에 위치된 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택, 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들의 어레이, 게이트 전극들 - 각각의 게이트 전극은 메모리 개구들의 어레이 중 하나에 위치되고 교번하는 스택의 소스 층들 및 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨 -, 메모리 필름들 - 각각의 메모리 필름은 메모리 개구들의 어레이 중 하나에 위치되고 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러쌈 -, 및 메모리 필름들의 각자의 메모리 필름을 측방향으로 둘러싸는 반도체 채널들의 수직 스택들을 포함하고, 여기서 수직 반도체 채널들 각각은 각자의 수직으로 이웃하는 수평 표면들과 접촉한다.In accordance with one aspect of the present invention, a three-dimensional memory device comprises an alternating stack of source and drain layers positioned over a substrate, an array of memory openings extending vertically through the alternating stack, gate electrodes, each gate electrode comprising: each memory film positioned in one of the array of memory openings and extending vertically through each of the source and drain layers of an alternating stack, each memory film positioned in one of the array of memory openings and a respective gate of the gate electrodes laterally surrounding the electrode, and vertical stacks of semiconductor channels laterally surrounding a respective memory film of memory films, wherein each of the vertical semiconductor channels is in contact with a respective vertically neighboring horizontal surface. do.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 3차원 메모리 디바이스를 형성하는 방법은 기판 위에 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들의 교번하는 스택을 형성하는 단계, 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들을 형성하는 단계, 각각의 메모리 개구 내에 메모리 필름 및 게이트 전극을 형성하는 단계 - 메모리 필름 및 게이트 전극은 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨 -, 및 메모리 필름 및 게이트 전극의 형성 이전에, 또는 그 후에 도핑된 반도체 소스 층들 중 일정 도핑된 반도체 소스 층 및 도핑된 반도체 드레인 층들 중 일정 도핑된 반도체 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 수평 표면들 상에 반도체 채널들의 수직 스택을 형성하는 단계 - 반도체 채널들의 각각의 수직 스택은 각자의 메모리 필름 및 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러쌈-를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of forming a three-dimensional memory device comprises forming an alternating stack of doped semiconductor source layers and doped semiconductor drain layers over a substrate, a memory opening extending vertically through the alternating stack. forming a memory film and a gate electrode in each memory opening, the memory film and the gate electrode extending vertically through each of the doped semiconductor source layers and the doped semiconductor drain layers of the alternating stack; and respective vertically neighboring pairs of horizontal surfaces of a doped one of the doped semiconductor source layers and a doped one of the doped semiconductor drain layers before or after formation of the memory film and the gate electrode forming a vertical stack of semiconductor channels thereon, each vertical stack of semiconductor channels laterally surrounding a respective memory film and a respective gate electrode.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판 위의 소스 희생 재료 층, 도핑된 반도체 소스 층, 채널 레벨 절연 층, 도핑된 반도체 드레인 층, 드레인 희생 재료 층, 및 트랜지스터간 레벨 절연 층을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스텝형 표면(stepped surface)들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역-스텝형(retro-stepped) 유전체 재료 부분들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 제1 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 3a의 단면의 평면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 메모리 개구 충전 구조물들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 콘택 패드 구조물들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 백사이드 트렌치(backside trench)의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 제1 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 6a의 단면의 평면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소스 레벨 백사이드 리세스(backside recess)들 및 드레인 레벨 리세스들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 소스 층들, 금속 드레인 층들, 및 백사이드 트렌치 충전 구조물의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 콘택 비아 구조물(contact via structure)들의 형성 후의 제1 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다. 도 9b는 도 9a의 제1 예시적인 구조물의 부분 투시 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 9a의 단면의 평면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판 위의 소스 희생 재료 층, 도핑된 반도체 소스 층, 절연 층, 도핑된 반도체 드레인 층, 드레인 희생 재료 층, 및 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적 수직 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스텝형 표면들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 12a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역-스텝형 유전체 재료 부분들 및 메모리 개구들의 어레이의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 12b는 도 12a의 제2 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 12a의 단면의 평면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메모리 개구 충전 구조물들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 콘택 패드 구조물들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 15a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 백사이드 트렌치의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 15b는 도 15a의 제2 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 15a의 단면의 평면이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소스 레벨 백사이드 리세스들 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 트랜지스터간 백사이드 리세스들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 수직 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 각각의 연속적 반도체 채널 층을 서로 수직으로 이격되는 개별 반도체 채널들의 세트로 분할한 후의 제2 예시적인 구조물의 수직 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 트랜지스터간 백사이드 리세스들 내의 대체 절연 층(replacement insulating layer)의 침착 및 백사이드 트렌치 충전 구조물의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 수직 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 콘택 비아 구조물들의 형성 후의 제2 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판 위의 소스 희생 재료 층, 도핑된 반도체 소스 층, 채널 레벨 절연 층, 도핑된 반도체 드레인 층, 드레인 희생 재료 층, 및 트랜지스터간 레벨 절연 층을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적 수직 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스텝형 표면들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 24a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 역-스텝형 유전체 재료 부분들 및 메모리 개구들의 어레이의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 24b는 도 24a의 제3 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 24a의 단면의 평면이다.
도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 채널 레벨 절연 층들의 각각의 레벨에서의 환상 공동(annular cavity)들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개별 반도체 채널들의 수직 스택들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메모리 개구 충전 구조물들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 28은 본 발명의 제3 실시예에 따른 콘택 패드 구조물들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 29a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 백사이드 트렌치의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 29b는 도 29a의 제3 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 29a의 단면의 평면이다.
도 30은 본 발명의 제3 실시예에 따른 소스 레벨 백사이드 리세스들 및 드레인 레벨 리세스들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 31은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 소스 층들, 금속 드레인 층들, 및 백사이드 트렌치 충전 구조물의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 32는 본 발명의 제3 실시예에 따른 콘택 비아 구조물들의 형성 후의 제3 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 33은 본 발명의 제4 실시예에 따라 기판 위에 소스 희생 재료 층, 도핑된 반도체 소스 층, 채널 레벨 희생 재료 층, 도핑된 반도체 드레인 층, 드레인 희생 재료 층, 및 트랜지스터간 레벨 절연 층을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적 수직 단면도이다.
도 34는 본 발명의 제4 실시예에 따른 스텝형 표면들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 35a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 역-스텝형 유전체 재료 부분들 및 메모리 개구들의 어레이의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 35b는 도 35a의 제4 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 35a의 단면의 평면이다.
도 36은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메모리 개구 충전 구조물들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 37은 본 발명의 제4 실시예에 따른 콘택 패드 구조물들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 38a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 백사이드 트렌치의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 38b는 도 38a의 제4 예시적인 구조물의 평면도이다. 수직 평면 A-A'는 도 38a의 단면의 평면이다.
도 39는 본 발명의 제4 실시예에 따른 소스 레벨 백사이드 리세스들 및 드레인 레벨 리세스들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 40은 본 발명의 제4 실시예에 따른 금속 소스 층들, 금속 드레인 층들, 및 백사이드 트렌치 충전 구조물의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 41은 본 발명의 제4 실시예에 따른 채널 레벨 희생 재료 층들의 제거에 의한 채널 레벨 백사이드 리세스들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 42는 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 채널 재료 층들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 43은 본 발명의 제4 실시예에 따른 채널 레벨 절연 층들 및 백사이드 트렌치 충전 구조물들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 44는 본 발명의 제4 실시예에 따른 콘택 비아 구조물들의 형성 후의 제4 예시적인 구조물의 개략적인 수직 단면도이다.
도 45는 본 발명의 제4 실시예에 따른 도 34의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 소스 희생 층들 및 드레인 희생 층들의 생략에 의해 형성되는 제4 예시적인 구조물의 대안적인 실시예의 개략적인 수직 단면도이다.
도 46은 본 발명의 제4 실시예에 따른 도 37의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 제4 예시적인 구조물의 대안적인 실시예의 개략적인 수직 단면도이다.
도 47은 본 발명의 제4 실시예에 따른 도 44의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 제4 예시적인 구조물의 대안적인 실시예의 개략적인 수직 단면도이다.
도 48은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 3차원 메모리 디바이스의 개략적 회로이다.1 includes a source sacrificial material layer, a doped semiconductor source layer, a channel level insulating layer, a doped semiconductor drain layer, a drain sacrificial material layer, and an inter-transistor level insulating layer over a substrate according to a first embodiment of the present invention; is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of multiple instances of a unit layer stack.
2 is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of stepped surfaces according to a first embodiment of the present invention;
3A is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of retro-stepped portions of dielectric material in accordance with a first embodiment of the present invention;
3B is a top view of the first exemplary structure of FIG. 3A ; The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in FIG. 3A .
4 is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of memory aperture filling structures in accordance with a first embodiment of the present invention.
5 is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of contact pad structures in accordance with a first embodiment of the present invention.
6A is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of a backside trench in accordance with a first embodiment of the present invention.
6B is a top view of the first exemplary structure of FIG. 6A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in FIG. 6A .
7 is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of source level backside recesses and drain level recesses in accordance with a first embodiment of the present invention.
8 is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of metal source layers, metal drain layers, and a backside trench fill structure in accordance with a first embodiment of the present invention.
9A is a schematic vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of contact via structures in accordance with a first embodiment of the present invention. 9B is a partial perspective top view of the first exemplary structure of FIG. 9A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in FIG. 9A.
10 is a diagram comprising a source sacrificial material layer, a doped semiconductor source layer, an insulating layer, a doped semiconductor drain layer, a drain sacrificial material layer, and an inter-transistor level sacrificial material layer over a substrate in accordance with a second embodiment of the present invention; A schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of multiple instances of a unit layer stack.
11 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of stepped surfaces according to a second embodiment of the present invention;
12A is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of an array of reverse-stepped dielectric material portions and memory openings in accordance with a second embodiment of the present invention.
12B is a top view of the second exemplary structure of FIG. 12A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in Fig. 12A.
13 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of memory aperture filling structures in accordance with a second embodiment of the present invention.
14 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of contact pad structures in accordance with a second embodiment of the present invention.
15A is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of a backside trench in accordance with a second embodiment of the present invention.
15B is a top view of the second exemplary structure of FIG. 15A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in Fig. 15A.
16 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of source level backside recesses and drain level backside recesses in accordance with a second embodiment of the present invention.
17 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of metal source layers and metal drain layers in accordance with a second embodiment of the present invention.
18 is a vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of inter-transistor backside recesses in accordance with a second embodiment of the present invention.
19 is a vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after dividing each successive semiconductor channel layer into a set of individual semiconductor channels that are vertically spaced apart from each other, in accordance with a second embodiment of the present invention.
20 is a vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after deposition of a replacement insulating layer in inter-transistor backside recesses and formation of a backside trench filling structure, in accordance with a second embodiment of the present invention;
21 is a schematic vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after formation of contact via structures in accordance with a second embodiment of the present invention.
22 includes a source sacrificial material layer, a doped semiconductor source layer, a channel level insulating layer, a doped semiconductor drain layer, a drain sacrificial material layer, and an inter-transistor level insulating layer over a substrate according to a third embodiment of the present invention. is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of multiple instances of a unit layer stack.
23 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of stepped surfaces according to a third embodiment of the present invention;
24A is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of an array of reverse-stepped dielectric material portions and memory openings in accordance with a third embodiment of the present invention.
24B is a top view of the third exemplary structure of FIG. 24A ; The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in Fig. 24A.
25 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of annular cavities at each level of channel level insulating layers, in accordance with a third embodiment of the present invention.
26 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of vertical stacks of individual semiconductor channels in accordance with a third embodiment of the present invention.
27 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of memory aperture filling structures in accordance with a third embodiment of the present invention.
28 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of contact pad structures in accordance with a third embodiment of the present invention.
29A is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of a backside trench in accordance with a third embodiment of the present invention.
29B is a top view of the third exemplary structure of FIG. 29A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in Fig. 29A.
30 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of source level backside recesses and drain level recesses in accordance with a third embodiment of the present invention.
31 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of metal source layers, metal drain layers, and backside trench fill structure in accordance with a third embodiment of the present invention.
32 is a schematic vertical cross-sectional view of a third exemplary structure after formation of contact via structures in accordance with a third embodiment of the present invention.
33 includes a source sacrificial material layer, a doped semiconductor source layer, a channel level sacrificial material layer, a doped semiconductor drain layer, a drain sacrificial material layer, and an inter-transistor level insulating layer over a substrate in accordance with a fourth embodiment of the present invention. is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of multiple instances of a unit layer stack.
34 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of stepped surfaces according to a fourth embodiment of the present invention;
35A is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of an array of reverse-stepped dielectric material portions and memory openings in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
35B is a top view of the fourth exemplary structure of FIG. 35A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross-section in Fig. 35A.
36 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of memory aperture filling structures in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
37 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of contact pad structures in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
38A is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of a backside trench according to a fourth embodiment of the present invention;
38B is a top view of the fourth exemplary structure of FIG. 38A . The vertical plane A-A' is the plane of the cross section of FIG. 38A.
39 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of source level backside recesses and drain level recesses in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
40 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of metal source layers, metal drain layers, and backside trench fill structure in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
41 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of channel level backside recesses by removal of channel level sacrificial material layers in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
42 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of layers of semiconductor channel material in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
43 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of channel level insulating layers and backside trench fill structures in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
44 is a schematic vertical cross-sectional view of a fourth exemplary structure after formation of contact via structures in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
45 is a schematic vertical view of an alternative embodiment of a fourth exemplary structure formed by omission of source sacrificial layers and drain sacrificial layers in a process step corresponding to the process steps of FIG. 34 in accordance with a fourth embodiment of the present invention; It is a cross section.
Figure 46 is a schematic vertical cross-sectional view of an alternative embodiment of a fourth exemplary structure in a process step corresponding to the process steps of Figure 37 in accordance with a fourth embodiment of the present invention;
Figure 47 is a schematic vertical cross-sectional view of an alternative embodiment of a fourth exemplary structure in a process step corresponding to the process steps of Figure 44 according to a fourth embodiment of the present invention;
48 is a schematic circuit diagram of a three-dimensional memory device in accordance with various embodiments of the present invention.
위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 수평 소스 라인들, 소스 층들, 드레인 층들 및 비트 라인들의 교번하는 스택, 및 교번하는 스택을 통해 연장되는 반도체 채널 및 메모리 필름에 의해 둘러싸인 수직 게이트 전극들을 포함하는 3차원 메모리 디바이스들, 및 그 제조 방법들에 관한 것이고, 이들의 다양한 태양들이 이하에 기술된다. 본 발명의 실시예들의 3차원 메모리 디바이스들은 소스 라인들, 드레인 라인들, 및 워드 라인들에 더 간단한 전기적 접속을 제공한다. 반도체 채널 폭은 그러한 디바이스들에서 증가될 수 있고, 이는 더 타이트한 임계 전압 분포를 제공하고 더 빠른 메모리 속도를 위해 더 높은 셀 전류의 사용을 허용한다. 일부 실시예들은 인접한 반도체 채널들 사이의 전기적 격리를 추가로 제공한다.As discussed above, embodiments of the present invention provide an alternating stack of horizontal source lines, source layers, drain layers and bit lines, and vertical gate electrodes surrounded by a semiconductor channel and memory film extending through the alternating stack. three-dimensional memory devices comprising, and methods of manufacturing the same, various aspects of which are described below The three-dimensional memory devices of embodiments of the present invention provide simpler electrical connections to source lines, drain lines, and word lines. The semiconductor channel width can be increased in such devices, which provides a tighter threshold voltage distribution and allows the use of higher cell currents for faster memory speeds. Some embodiments further provide electrical isolation between adjacent semiconductor channels.
도면은 축척대로 도시되지 않는다. 요소들의 중복의 부재가 명백히 기술되거나 명확하게 달리 지시되지 않는 한, 요소의 단일 인스턴스가 예시되는 경우 요소의 다수의 인스턴스들이 중복될 수 있다. "제1", "제2", 및 "제3" 과 같은 서수들은 단지 유사한 요소들을 식별하는 데에 채용되며, 상이한 서수들이 본 발명의 명세서 및 청구범위에 전반에 걸쳐 채용될 수 있다. 동일한 도면 부호들은 동일한 요소 또는 유사한 요소를 지칭한다. 달리 지시되지 않는 한, 동일한 도면 부호들을 갖는 요소들은 동일한 조성 및 동일한 기능을 갖는 것으로 추정된다. 달리 지시되지 않는 한, 요소들 사이의 "접촉"은 요소들에 의해 공유되는 에지 또는 표면을 제공하는 요소들 사이의 직접 접촉을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제2 요소 "상에" 위치된 제1 요소는 제2 요소의 표면의 외부 면 상에 또는 제2 요소의 내부 면 상에 위치될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제1 요소의 표면과 제2 요소의 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우, 제1 요소는 제2 요소 "상에 직접" 위치된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제1 요소와 제2 요소 사이에 적어도 하나의 전도성 재료로 이루어진 전도성 경로가 존재하는 경우, 제1 요소는 제2 요소에 "전기적으로 접속된다". 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "프로토타입(prototype)" 구조물 또는 "공정중(in-process)" 구조물은, 그 안의 적어도 하나의 컴포넌트의 형상 또는 조성이 후속적으로 변형되는 일시적인 구조물을 지칭한다.The drawings are not drawn to scale. Multiple instances of an element may overlap when a single instance of an element is illustrated, unless the absence of overlapping elements is explicitly stated or clearly indicated otherwise. Ordinal numbers such as “first,” “second,” and “third” are merely employed to identify similar elements, and different ordinal numbers may be employed throughout the present specification and claims. Like reference numerals refer to like elements or like elements. Unless otherwise indicated, elements having the same reference numerals are assumed to have the same composition and the same function. Unless otherwise indicated, “contact” between elements refers to direct contact between elements that provides an edge or surface shared by the elements. As used herein, a first element positioned “on” a second element may be positioned on the outer surface of the surface of the second element or on the inner face of the second element. As used herein, a first element is positioned “directly on” a second element when there is physical contact between the surface of the first element and the surface of the second element. As used herein, a first element is "electrically connected" to a second element when there is a conductive path made of at least one conductive material between the first element and the second element. As used herein, a “prototype” structure or “in-process” structure refers to a temporary structure in which the shape or composition of at least one component therein is subsequently modified. .
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "층"은 두께를 갖는 영역을 포함하는 재료 부분을 지칭한다. 층은 아래에 놓인(underlying) 또는 위에 놓인(overlying) 구조물의 전체에 걸쳐 연장될 수 있거나, 아래에 놓인 또는 위에 놓인 구조물의 범위보다 작은 범위를 가질 수 있다. 또한, 층은 연속적인 구조물의 두께보다 작은 두께를 갖는 균질한 또는 불균질한 연속적인 구조물의 영역일 수 있다. 예를 들어, 층은 연속적인 구조물의 최상단 표면과 하단 표면에 있는 또는 그들 사이에 있는 임의의 쌍의 수평 평면들 사이에 위치될 수 있다. 층은 수평으로, 수직으로, 그리고/또는 테이퍼진 표면을 따라 연장될 수 있다. 기판은 하나의 층일 수 있거나, 그 내부에 하나 이상의 층들을 포함할 수 있거나, 그 상에, 그 위에, 그리고/또는 그 아래에 하나 이상의 층들을 가질 수 있다.As used herein, “layer” refers to a portion of a material comprising a region having a thickness. A layer may extend over the entirety of an underlying or overlying structure, or may have an extent that is less than the extent of the underlying or overlying structure. Also, the layer may be a region of a continuous structure that is homogeneous or heterogeneous with a thickness less than the thickness of the continuous structure. For example, the layer may be positioned between any pair of horizontal planes at or between the top and bottom surfaces of the continuous structure. The layer may extend horizontally, vertically, and/or along a tapered surface. The substrate may be one layer, may include one or more layers therein, or may have one or more layers thereon, above, and/or below.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 제2 표면이 제1 표면 위에 놓이거나 또는 아래에 놓이는 경우, 그리고 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 수직 평면 또는 실질적으로 수직 평면이 존재하는 경우, 제1 표면 및 제2 표면은 서로 "수직으로 일치"한다. 실질적으로 수직 평면은 수직 방향으로부터 5 도 미만의 각도만큼 벗어나는 방향을 따라 곧게 연장되는 평면이다. 수직 평면 또는 실질적으로 수직인 평면은 수직 방향 또는 실질적으로 수직 방향을 따라 직선형이고, 수직 방향 또는 실질적으로 수직 방향에 수직인 방향을 따른 곡률(curvature)을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다.As used herein, a first surface when a second surface overlies or overlies a first surface, and when there is a vertical or substantially vertical plane comprising the first surface and the second surface. and the second surfaces “perpendicularly coincide” with each other. A substantially vertical plane is a plane extending straight along a direction deviating from the vertical direction by an angle of less than 5 degrees. A vertical or substantially vertical plane is straight along a vertical or substantially vertical direction, and may or may not include a curvature along a vertical or substantially vertical direction.
모놀리식 3차원 메모리 어레이는, 개재하는 기판들 없이 반도체 웨이퍼와 같은 단일 기판 위에 다수의 메모리 레벨들이 형성되는 메모리 어레이이다. 용어 "모놀리식"은 어레이의 각각의 레벨의 층들이 어레이의 각각의 아래에 놓인 레벨의 층들 상에 직접 침착된다는 것을 의미한다. 대조적으로, 2차원 어레이들은 별도로 형성되고 이어서 함께 패키징되어 비-모놀리식 메모리 디바이스를 형성할 수 있다. 예를 들어, 발명의 명칭이 "Three-dimensional Structure Memory"인 미국 특허 제5,915,167호에 기술된 바와 같이, 별개의 기판들 상에 메모리 레벨들을 형성하고 메모리 레벨들을 수직으로 적층함으로써 비-모놀리식 스택형(stacked) 메모리들이 구성되었다. 기판들은 접합 이전에 메모리 레벨들로부터 박화되거나 제거될 수 있지만, 메모리 레벨들은 초기에 별개의 기판들 위에 형성되기 때문에, 그러한 메모리들은 진정한 모놀리식 3차원 메모리 어레이들이 아니다. 본 발명의 다양한 3차원 메모리 디바이스들은 모놀리식 3차원 NAND 스트링 메모리 디바이스를 포함하며, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들을 채용하여 제조될 수 있다.A monolithic three-dimensional memory array is a memory array in which multiple memory levels are formed on a single substrate, such as a semiconductor wafer, without intervening substrates. The term “monolithic” means that the layers of each level of the array are deposited directly on the layers of each underlying level of the array. In contrast, two-dimensional arrays can be formed separately and then packaged together to form a non-monolithic memory device. For example, as described in U.S. Patent No. 5,915,167 entitled "Three-dimensional Structure Memory," non-monolithic by forming memory levels on separate substrates and stacking the memory levels vertically. Stacked memories have been constructed. Substrates may be thinned or removed from the memory levels prior to bonding, but since the memory levels are initially formed over separate substrates, such memories are not truly monolithic three-dimensional memory arrays. Various three-dimensional memory devices of the present invention include monolithic three-dimensional NAND string memory devices, and may be fabricated employing various embodiments described herein.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 예시적인 구조물이 예시되는데, 이는 기판(9) 위에 최하단 절연 층(32B)을 형성함으로써, 그리고 최하단 절연 층(32B) 위에 선택적 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(32C)(이는, 제1 절연 층으로도 지칭됨), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 선택적 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)(이는, 제2 절연 층으로도 지칭됨)을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들을 형성함으로써 형성될 수 있다. 대안적인 구성에서, 선택적 소스 희생 재료 층들(42S) 및/또는 선택적 드레인 희생 재료 층(42D) 중 하나 또는 둘 모두가 생략될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "단위 층 스택"은 층 스택의 다수의 인스턴스들이 반복되는 구조물 내에서 반복의 단위로서 기능하는 다수의 층들의 층 스택을 지칭한다. 최상단 절연 층(32T)이 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 최상단 인스턴스에 대한 트랜지스터간 레벨 절연 층(321) 대신에 형성될 수 있다. 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 반복들의 총 횟수는 후속적으로 형성될 수직 전계 효과 트랜지스터들의 레벨들의 총 수와 동일할 수 있는데, 이는 후속적으로 형성될 메모리 요소들의 레벨들의 총 수와 동일할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "레벨"은 디바이스의 요소의 상단 표면을 포함하는 수평 평면과 디바이스의 요소의 하단 표면을 포함하는 수평 평면 사이에 위치된 디바이스의 체적을 지칭한다.Referring to FIG. 1 , a first exemplary structure is illustrated according to a first embodiment of the present invention, by forming a lowermost insulating
따라서, 채널 레벨 절연 층(32C)은 후속적으로 형성될 반도체 채널의 상단 표면을 포함하는 수평 평면과 후속적으로 형성될 반도체 채널의 하단 표면을 포함하는 수평 평면 사이에 형성되는 절연 층이다. 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)은 후속적으로 형성될 트랜지스터간 갭의 상단 표면을 포함하는 수평 평면과 후속적으로 형성될 트랜지스터간 갭의 하단 표면을 포함하는 수평 평면 사이에 형성되는 절연 층이다. 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들에서 단위 층 스택의 반복들의 횟수는 2 내지 1024, 예컨대 8 내지 128의 범위일 수 있지만, 더 적은 그리고 더 큰 횟수의 반복들이 또한 채용될 수 있다.Accordingly, the channel
본 발명은, 단위 층 스택이 선택적 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(32C), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 선택적 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)이 하단으로부터 상단까지 배열되는 층 스택을 포함하는 실시예를 채용하는 것으로 기술되지만, 도 1에 도시된 것과 역순으로 상단으로부터 하단까지 층 스택이 배열되는 실시예가 명확히 고려된다. 대체적으로, 소스 요소들(42S, 24)의 포지션들은 드레인 요소들(42D, 26)의 포지션들과 교환될 수 있는데, 그 이유는 소스 영역들 및 드레인 영역들이 전계 효과 트랜지스터들에서 대칭적일 수 있기 때문이다.In the present invention, the unit layer stack comprises a selective source
채널 레벨 절연 층들(32C), 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321), 최하단 절연 층(32B), 및 최상단 절연 층들(32T)은 집합적으로 절연 층들(32)로 지칭된다. 절연 층들(32) 각각은 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리(예컨대, 실리콘 산화물), 또는 유기실리케이트 유리와 같은 각자의 절연 재료를 포함한다. 채널 레벨 절연 층들(32C)의 재료 조성은 트랜지스터간 절연 층들(321)의 재료 조성과 동일할 수 있거나 또는 그와 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 절연 층들(32) 각각은 전체에 걸쳐 동일한 유전체 재료 조성을 갖는다. 대안적으로, 채널 레벨 절연 층들(32C)은 전체에 걸쳐 제1 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 제1 유전체 재료 조성과 상이한 제2 유전체 재료 조성을 가질 수 있다. 각각의 채널 레벨 절연 층(32C)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있고, 각각의 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.The channel
도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)은 도핑된 폴리실리콘, 또는 후속적으로 어닐링되어 도핑된 폴리실리콘을 형성할 수 있는 도핑된 비정질 실리콘과 같은 도핑된 반도체 재료를 포함한다. 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 전도형(conductivity type)은 본 명세서에서 제1 전도형으로 지칭되는데, 이는 p 형 또는 n 형일 수 있다.Doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 include doped polysilicon, or doped semiconductor material, such as doped amorphous silicon, which may be subsequently annealed to form doped polysilicon. do. The conductivity type of doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 is referred to herein as a first conductivity type, which may be p-type or n-type.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "반도체성 재료"는 1.0 × 10-5 S/m 내지 1.0 × 105 S/m 범위의 전기 전도도를 갖는 재료를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "반도체 재료"는 전기 도펀트들이 그 내부에 존재하지 않을 시에 1.0 × 10-5 S/m 내지 1.0 S/m 범위의 전기 전도도를 갖는 재료를 지칭하며, 전기 도펀트를 이용한 적합한 도핑 시에 1.0 S/m 내지 1.0 × 105 S/m 범위의 전기 전도도를 갖는 도핑된 재료를 생성할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전기 도펀트"는 밴드 구조 내의 가전자대에 홀을 추가하는 p 형 도펀트, 또는 밴드 구조 내의 전도대에 전자를 추가하는 n 형 도펀트를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전도성 재료"는 1.0 × 105 S/m 초과인 전기 전도도를 갖는 재료를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "절연체 재료" 또는 "유전체 재료"는 1.0 × 10-5 S/m 미만인 전기 전도도를 갖는 재료를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "고농도로 도핑된 반도체 재료"는, 결정질 재료로서 형성된 바와 같이 또는 (예를 들어, 초기 비정질 상태로부터) 어닐링 공정을 통해 결정질 재료로 변환되는 경우 전도성 재료가 되도록, 즉 1.0 × 105 S/cm 초과인 전기 전도도를 갖도록, 충분히 높은 원자 농도에서 전기 도펀트로 도핑된 반도체 재료를 지칭한다. "도핑된 반도체 재료"는 고농도로 도핑된 반도체 재료일 수 있거나, 또는 1.0 × 10-5 S/m 내지 1.0 × 105 S/m 범위의 전기 전도도를 제공하는 농도에서의 전기 도펀트(즉, p 형 도펀트 및/또는 n 형 도펀트)를 포함하는 반도체 재료일 수 있다. "진성 반도체 재료"는 전기 도펀트로 도핑되지 않는 반도체 재료를 지칭한다. 따라서, 반도체 재료는 반도체성 또는 전도성일 수 있고, 진성 반도체 재료 또는 도핑된 반도체 재료일 수 있다. 도핑된 반도체 재료는 그 내부의 전기 도펀트의 원자 농도에 따라 반도체성 또는 전도성일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "금속 재료"는 적어도 하나의 금속 원소를 그 내부에 포함하는 전도성 재료를 지칭한다. 전기 전도도에 대한 모든 측정은 표준 조건에서 이루어진다.As used herein, “semiconducting material” refers to a material having an electrical conductivity in the range of 1.0×10 −5 S/m to 1.0×10 5 S/m. As used herein, “semiconductor material” refers to a material having an electrical conductivity in the range of 1.0×10 −5 S/m to 1.0 S/m in the absence of electrical dopants therein, wherein the electrical dopant A doped material having an electrical conductivity in the range of 1.0 S/m to 1.0×10 5 S/m can be produced upon suitable doping with As used herein, “electrical dopant” refers to a p-type dopant that adds holes to the valence band in the band structure, or an n-type dopant adds electrons to the conduction band in the band structure. As used herein, “conductive material” refers to a material having an electrical conductivity greater than 1.0×10 5 S/m. As used herein, “insulator material” or “dielectric material” refers to a material having an electrical conductivity of less than 1.0×10 −5 S/m. As used herein, "heavily doped semiconductor material" refers to a conductive material as formed as a crystalline material or when converted to a crystalline material via an annealing process (e.g., from an initial amorphous state); It refers to a semiconductor material doped with an electrical dopant at a sufficiently high atomic concentration to have an electrical conductivity greater than 1.0×10 5 S/cm. A “doped semiconductor material” may be a highly doped semiconductor material, or an electrical dopant (i.e., p) at a concentration that provides an electrical conductivity ranging from 1.0×10 −5 S/m to 1.0×10 5 S/m. type dopant and/or n-type dopant). “Intrinsic semiconductor material” refers to a semiconductor material that is not doped with an electrical dopant. Accordingly, the semiconductor material may be semiconducting or conductive, and may be an intrinsic semiconducting material or a doped semiconducting material. The doped semiconductor material may be semiconducting or conductive, depending on the atomic concentration of the electrical dopant therein. As used herein, "metallic material" refers to a conductive material comprising therein at least one metallic element. All measurements of electrical conductivity are made under standard conditions.
도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 내의 제1 전도형의 도펀트들의 원자 농도는 5.0 × 1019/㎤ 내지 2.0 × 1021/㎤ 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 원자 농도들이 또한 채용될 수 있다. 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있고, 각각의 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.The atomic concentration of dopants of the first conductivity type in doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 may range from 5.0×10 19 /
소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있는 선택적 층들이다. 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 절연 층들(32), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 재료들에 대해 선택적으로 제거될 수 있는 재료를 포함한다. 예를 들어, 절연 층들(32)이 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리를 포함하면, 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물, 도핑되지 않은 비정질 실리콘, 또는 실리콘 게르마늄 합금을 포함할 수 있다. 각각의 소스 희생 재료 층(42S)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있고, 각각의 드레인 희생 재료 층(42D)의 두께는 5 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.Source sacrificial material layers 42S and drain sacrificial material layers 42D are optional layers that may or may not be present. The source
단위 층 스택의 다수의 인스턴스들은, 채널 레벨 절연 층(32C) 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)의 제2 교번하는 스택과 인터레이싱되는 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 제1 교번하는 스택을 포함할 수 있다. 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 생략되는 경우에, 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24)은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역으로서 기능하는 소스 층을 구성하고, 도핑된 반도체 드레인 층(26)은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역으로서 기능하는 드레인 층을 구성한다. 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 포함되는 경우에, 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 후속적으로 소스 희생 재료 층(42S)을 대체하는 금속 소스 층의 각각의 연속적인 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역으로서 기능하는 소스 층을 구성하고, 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 후속적으로 드레인 희생 재료 층(42D)을 대체하는 금속 드레인 층의 각각의 연속적인 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역으로서 기능하는 드레인 층을 구성한다.Multiple instances of the unit layer stack include doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 24 interlaced with a second alternating stack of channel
절연 층들(32C, 321)은 도핑된 반도체 소스 층들(24)의 각자의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 각자의 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 각각의 수직으로 이웃하는 쌍 사이에 형성된다. 채널 레벨 절연 층들(32C)은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 도핑된 반도체 소스 층(24)과 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성된다.Insulating
일 실시예에서, 소스 레벨 희생 재료 층들(42S) 각각은 도핑된 반도체 소스 층들(24)의 각자의 도핑된 반도체 소스 층 아래에 형성되고, 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 각자의 도핑된 반도체 드레인 층 위에 형성된다. 제1 예시적인 구조물은, 메모리 요소들의 3차원 어레이가 후속적으로 형성될 적어도 하나의 메모리 어레이 영역(100), 및 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 스텝형 표면들이 후속적으로 형성될 계단 영역들(200A, 200B)을 포함할 수 있다. 계단 영역들은 소스 측 계단 영역(200A) 및 드레인 측 계단 영역(200B)을 포함할 수 있다.In one embodiment, each of the source level
도 2를 참조하면, 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들은 계단 영역들(200A, 200B) 내에 스텝형 표면들을 형성하도록 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 트리밍가능(trimmable) 마스크 층(도시되지 않음)이 제1 예시적인 구조물 위에 형성될 수 있고, 각각의 메모리 어레이 영역(100) 및 계단 영역들(200A, 200B)의 인접 부분들을 커버하도록 패턴화되어 트리밍가능 마스크 층의 에지들이, 스텝형 표면들의 최외측 수직 스텝들이 후속적으로 형성될 위치에 형성되게 할 수 있다. 이방성 에칭 공정이 수행되어 트리밍가능 마스크 층에 의해 커버되지 않은 영역들 내에서 하나의 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)을 통해 에칭할 수 있다. 트리밍가능 마스크 층은, 스텝형 표면들의 제2 최외측 수직 스텝들이 후속적으로 형성될 위치에 트리밍가능 마스크 층의 에지들이 형성되도록 등방성으로 트리밍될 수 있다. 이방성 에칭 공정이 수행되어 트리밍가능 마스크 층에 의해 커버되지 않은 영역들 내에서 하나의 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)을 통해 에칭할 수 있다. 트리밍가능 마스크 층에 대한 등방성 트리밍 공정 및 이방성 에칭 공정이 반복적으로 수행되어 계단 영역들(200A, 200B) 각각 내에 스텝형 표면들을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2 , multiple instances of
일 실시예에서, 메모리 어레이 영역(100)의 각각의 측(side)에 위치된 한 쌍의 계단 영역들(200A, 200B) 내의 스텝형 표면들은, 하나의 유형의 표면들이 계단 영역들(200A, 200B) 중 하나의 계단 영역에서 물리적으로 노출되고 다른 유형의 표면들이 계단 영역들(200A, 200B) 중 다른 하나의 계단 영역에서 물리적으로 노출되도록 수직으로 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 도핑된 반도체 소스 층들(24)의 수평 표면들은 메모리 어레이 영역(100)의 일 측에 인접한 소스 측 계단 영역(200A)에서 물리적으로 노출될 수 있고, 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)의 수평 표면들은 메모리 어레이 영역(100)의 반대 측에 인접한 드레인 측 계단 영역(200B)에서 물리적으로 노출될 수 있다. 동일한 메모리 어레이 영역(100)의 대향 측들에 위치된 계단 영역들(200A, 200B)의 각각의 쌍 내의 수평 스텝들 사이의 수직 오프셋은 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 1/2의 두께, 예컨대 선택적 소스 희생 재료 층(42S)의 두께, 도핑된 반도체 소스 층(24)의 두께, 및 채널 레벨 절연 층(32C)의 두께의 합, 또는 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 두께, 선택적 드레인 희생 재료 층(42D)의 두께, 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)의 두께의 합과 동일할 수 있다. 이러한 경우에, 패턴화된 포토레지스트 층과 같은 에칭 마스크 층(도시되지 않음)이 메모리 어레이 영역(100) 및 계단 영역들 중 하나의 계단 영역(예컨대, 200A)을 커버할 수 있고, 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 1/2의 두께만큼 다른 계단 영역(예컨대, 200B)을 수직으로 리세스할 수 있다.In one embodiment, the stepped surfaces in a pair of stepped
스텝형 하단 표면들을 갖는 스텝형 공동들(69)이 계단 영역들(200A, 200B) 내에 형성될 수 있다. 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들 내의 각각의 유형의 층의 측방향 범위는 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들 상의 스텝형 표면들을 패턴화할 때 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소할 수 있다. 그 결과, 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택에서 도핑된 반도체 소스 층들(24)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖는다. 마찬가지로, 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택에서 도핑된 반도체 드레인 층들(26)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖는다. 트리밍가능 마스크 층은 최상단 수직 스텝들을 형성한 후에 제거될 수 있다.Stepped
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 역-스텝형(retro-stepped) 유전체 재료 부분(65)(즉, 절연 충전 재료 부분)은 그 내부에 유전체 재료의 침착에 의해 각각의 스텝형 공동(stepped cavity)(69) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화물과 같은 유전체 재료가 스텝형 공동 내에 침착될 수 있다. 침착된 유전체 재료의 과잉 부분들은, 예를 들어 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP)에 의해, 최상단 절연 층(32T)의 상단 표면 위로부터 제거될 수 있다. 스텝형 공동을 충전하는 침착된 유전체 재료의 각각의 나머지 부분은 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)을 구성한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "역-스텝형" 요소는, 스텝형 표면들, 및 요소가 존재하는 기판의 상단 표면으로부터의 수직 거리의 함수로서 단조적으로 증가하는 수평 단면적을 갖는 요소를 지칭한다. 실리콘 산화물이 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)에 채용되는 경우, 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)의 실리콘 산화물은 B, P 및/또는 F와 같은 도펀트들로 도핑될 수 있거나, 또는 도핑되지 않을 수 있다.3A and 3B , a retro-stepped dielectric material portion 65 (ie, an insulating fill material portion) is formed into each stepped cavity by deposition of dielectric material therein. ) (69). For example, a dielectric material such as silicon oxide may be deposited in the stepped cavity. Excess portions of the deposited dielectric material may be removed from over the top surface of the topmost insulating
적어도 포토레지스트 층을 포함하는 리소그래피 재료 스택(도시되지 않음)이 최상단 절연 층(32T) 및 역-스텝형 유전체 재료 부분(65) 위에 형성될 수 있고, 리소그래피적으로 패턴화되어 그 내부에 개구들을 형성할 수 있다. 개구들은 메모리 어레이 영역(100) 위에 형성된 제1 세트의 개구들 및 계단 영역들(200A, 200B) 위에 형성된 선택적인 제2 세트의 개구들을 포함한다. 리소그래피 재료 스택 내의 패턴은, 패터닝된 리소그래피 재료 스택을 에칭 마스크로서 채용하는 적어도 하나의 이방성 에칭에 의해 최상단 절연 층(32T) 또는 역-스텝형 유전체 재료 부분(65), 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들, 및 최하단 절연 층(32B)을 통해 전사될 수 있다. 메모리 어레이 영역(100)에 위치되고, 패턴화된 리소그래피 재료 스택 내의 제1 세트의 개구들 아래에 놓인 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 부분들이 에칭되어 메모리 개구들(49)을 형성한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "메모리 개구"는 메모리 스택 구조물과 같은 메모리 요소들이 후속으로 형성되는 구조물을 지칭한다. 메모리 개구들(49)은 메모리 어레이 영역(100) 내의 최상단 절연 층(32T) 및 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 전체를 통해 형성된다. 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 부분들 및 계단 영역들(200A, 200B) 내에 위치되고, 패턴화된 리소그래피 재료 스택 내의 제2 세트의 개구들 아래에 놓인 역-스텝형 유전체 층(65)이 에칭되어 도 3b에 도시된 선택적 지지 개구들(19)을 형성한다.A lithographic material stack (not shown) comprising at least a photoresist layer may be formed over the top insulating
메모리 개구들(49)은 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들 전체를 통해 연장된다. 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 재료들을 통해 에칭하기 위해 채용되는 이방성 에칭 공정의 화학물질(chemistry)은 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들에서 각자의 재료들의 에칭을 최적화하도록 교번할 수 있다. 이방성 에칭은, 예를 들어, 일련의 반응성 이온 에칭들일 수 있다. 메모리 개구들(49)의 측벽들은 실질적으로 수직일 수 있거나, 테이퍼(taper)질 수 있다. 패턴화된 리소그래피 재료 스택은, 예를 들어 애싱(ashing)에 의해 후속으로 제거될 수 있다.
메모리 개구들(49)은 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들의 상단 표면으로부터 기판(9)의 최상단 표면을 포함하는 적어도 수평 평면까지 연장될 수 있다. 메모리 개구들(49) 각각은 기판(9)의 최상단 표면에 실질적으로 수직으로 연장되는 측벽(또는 복수의 측벽들)을 포함할 수 있다. 메모리 개구들(49)의 2차원 어레이는 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들을 통해 메모리 어레이 영역(100) 내에 형성될 수 있다. 따라서, 메모리 개구들(49)의 2차원 어레이는 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택을 통해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 메모리 개구들(49)의 2차원 어레이는 육각형 어레이들과 같은 주기적인 2차원 어레이들의 클러스터들로서 형성될 수 있다.The
도 4를 참조하면, 연속적 재료 층들이 메모리 개구들(49) 각각과 지지 개구들(19)(존재하는 경우) 각각에 순차적으로 침착될 수 있다. 연속적 재료 층들은 연속적 반도체 채널 층, 연속적 메모리 필름, 연속적 전도성 재료 층, 및 선택적 유전체 충전 재료 층을 포함할 수 있다. 연속적 재료 층들의 과잉 부분들은 평탄화 공정에 의해 최상단 절연 층들(32T)의 상단 표면 및 역-스텝형 유전체 재료 부분들의 상단 표면들을 포함하는 수평 평면 위로부터 제거될 수 있다. 평탄화 공정은 화학적 기계적 평탄화(CMP) 및/또는 적어도 하나의 리세스 에칭 공정을 채용할 수 있다. 메모리 개구(49) 내에 남아 있는 연속적 재료 층들의 각각의 부분은 메모리 개구 충전 구조물(58)을 구성한다. 지지 개구(49) 내에 남아 있는 연속적 재료 층들의 각각의 부분은 지지 필러(support pillar)(20)(도 6b에 도시됨)를 구성한다.Referring to FIG. 4 , successive layers of material may be sequentially deposited on each of the
각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 연속적 반도체 채널 층(60L), 메모리 필름(54), 게이트 전극(66), 및 선택적 유전체 코어(62)를 포함한다. 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)은 평탄화 공정 후의 연속적 반도체 채널 층의 나머지 부분이다. 각각의 메모리 필름(54)은 평탄화 공정 후의 연속적 메모리 필름의 나머지 부분이다. 각각의 게이트 전극(66)은 평탄화 공정 후의 연속적 전도성 재료 층의 나머지 부분이다. 각각의 게이트 전극(66)은 NAND 메모리 디바이스의 제어 게이트 전극일 수 있다. 게이트 전극(66)은 후속 단계에서 형성될 위에 놓인 워드 라인에 전기적으로 접속될 수 있다. 각각의 유전체 코어(62)는 유전체 충전 재료 층의 나머지 부분이다.Each memory
연속적 반도체 채널 층(60L)은 제1 전도형과 반대인 제2 전도형의 도핑을 갖는 반도체 재료를 포함한다. 예를 들어, 제1 전도형이 n 형인 경우, 제2 전도형은 p 형이고, 그 반대로도 가능하다. 연속적 반도체 채널 층(60L) 내의 반도체 재료는 실리콘, 실리콘 게르마늄 합금, 또는 화합물 반도체 재료를 포함할 수 있다. 연속적 반도체 채널 층(60L) 내의 제2 전도형의 도펀트들의 원자 농도는 1.0 × 1014/㎤ 내지 3.0 × 1017/㎤의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 원자 농도들이 또한 채용될 수 있다. 연속적 반도체 채널 층(60L)의 두께는 1 nm 내지 30 nm, 예컨대 3 nm 내지 10 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.The continuous
메모리 필름(54)은 트래핑된 전기 전하들 또는 분극 형태로 데이터 비트들을 저장할 수 있는 적어도 하나의 재료 층을 포함한다. 일 실시예에서, 메모리 필름들 각각은, 외측에서부터 내측으로, 반도체 채널 층(60L)과 접촉하는 터널링 유전체 층(542), 게이트 전극(66)과 접촉하는 차단 유전체 층(546), 및 터널링 유전체 층(542)과 차단 유전체 층(546) 사이에 위치되고 그들과 접촉하는 전하 저장 층(544)을 포함하는 층 스택을 포함한다. 터널링 유전체 층(542)은 실리콘 산화물 층 또는 ONO 스택(즉, 실리콘 산화물 층, 실리콘 질화물 층, 및 실리콘 산화물 층의 스택)과 같은 터널링 유전체 재료를 포함할 수 있다. 전하 저장 층(544)은 유전체 재료 내에 매립된 전하 저장 나노입자들 또는 실리콘 질화물과 같은 전하 저장 재료를 포함할 수 있다. 차단 유전체 층(546)은 실리콘 산화물 및/또는 유전체 금속 산화물, 예컨대 알루미늄 산화물과 같은 차단 유전체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은 연속적 반도체 채널 층(60L) 또는 게이트 전극(66)과 접촉할 수 있는 적어도 하나의 선택적 유전체 재료 층(예컨대, 실리콘 산화물 층) 및 강유전성 재료 층(도시되지 않음)을 포함한다. 강유전성 재료 층은 하프늄 산화물(HfO2) 또는 하프늄 지르코늄 산화물(HfxZr1-xO2)을 포함할 수 있고, 여기서 0.01 < x < 0.99 이다. 강유전성 재료 층은 강유전성 특성들을 향상시키기 위해 Al, Zr, Y, Gd, La, Sr, 및/또는 Si 와 같은 적합한 도펀트를 포함할 수 있다.
각각의 게이트 전극(66)은 금속 재료와 같은 전도성 재료를 포함한다. 예를 들어, 각각의 게이트 전극(66)은 금속(예컨대, W, Co, Mo, Ru, Cu, 또는 이들의 합금)을 포함하는 금속 충전 층 및 전도성 금속 질화물(예컨대, TiN, TaN, 또는 WN)을 포함하는 금속 질화물 라이너(예컨대, 배리어 층)의 층 스택을 포함할 수 있다.Each
각각의 선택적 유전체 코어(62)는 실리콘 산화물과 같은 유전체 충전 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 유전체 코어들(62)은 에칭 공정에서 최상단 절연 층(32T)보다 더 높은 에칭 속도를 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 코어들(62)은 보로실리케이트 유리, 유기실리케이트 유리, 또는 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 최상단 절연 층(32T)은 고밀화된 도핑되지 않은 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 유전체 코어들(62)의 재료는 최상단 절연 층(32T)의 재료에 대해 후속적으로 리세스될 수 있다.Each
도핑된 반도체 소스 층(24)의 하단 표면으로부터 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 상단 표면까지 연장되는 연속적 반도체 채널 층(60L)의 각각의 부분이 반도체 채널을 구성한다. 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)은 반도체 채널들의 수직 스택을 포함한다. 반도체 채널들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 원통형 측벽들 상에 형성된다. 반도체 채널들 각각은 또한 채널 레벨 절연 층(32C)의 각자의 채널 레벨 절연 층의 원통형 측벽 상에 형성된다. 제1 실시예에서, 반도체 채널들의 각각의 수직 스택은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 영역들(26)의 교번하는 스택 내의 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 각각의 도핑된 반도체 드레인 층(26)을 통해 연장되는 연속적 반도체 채널 층(60L)으로서 형성된다. 반도체 채널들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍에 접속된다. 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택 내의 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 각각의 도핑된 반도체 드레인 층(26)을 통해 연장된다.Each portion of the continuous
메모리 필름(54)이 반도체 채널들의 수직 스택들 각각 상에 형성되고, 게이트 전극(66)이 메모리 필름들(54) 각각 상에 형성된다. 게이트 전극들(66) 각각은 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 각각을 통해 수직으로 연장된다. 각각의 게이트 전극(66)은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택 내의 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 각각의 도핑된 반도체 드레인 층(26)을 통해 연장된다.A
각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)은 중공 원통형 부분(hollow cylindrical portion) 및 원통형 부분의 하단 주연부(periphery)에 인접하는 하단 캡 부분을 포함한다. 각각의 메모리 필름(54)은 중공 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함한다. 각각의 게이트 전극(66)은 중공 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함할 수 있다. 게이트 전극들(66)은 메모리 필름들(54)의 수평 부분들에 의해 기판(9)으로부터 수직으로 이격될 수 있다. 게이트 전극들(66) 각각은, 게이트 전극들(66)이 중공 원통형 부분을 포함하는 경우 각자의 유전체 코어(62)를 측방향으로 둘러쌀 수 있다. 대안적으로, 유전체 코어(62)는 게이트 전극(66)이 충전된 원통(cylinder)을 포함하는 경우 생략될 수 있다. 원통형 메모리 개구들(49)을 충전하는 원통들 및 원통형 부분들이 전술되어 있지만, 메모리 개구들이 원통형과 다른 형상을 갖는 경우(예컨대, 메모리 개구들(49)이 다각형 수평 단면 형상을 갖는 경우) 메모리 개구들(49)을 충전하는 다른 형상들이 형성될 수 있다.Each continuous
도 5를 참조하면, 유전체 코어들(62)의 상단 부분들이 수직으로 리세스되어 공동 영역들을 형성할 수 있다. 금속 재료와 같은 전도성 재료가 공동 영역들 내에 침착될 수 있다. 전도성 재료의 과잉 부분들은 최상단 절연 층(32T)의 상단 표면들을 포함하는 수평 평면 위로부터 제거될 수 있다. 전도성 재료의 각각의 나머지 부분은 콘택 패드 구조물(68)을 구성한다.Referring to FIG. 5 , top portions of
일 실시예에서, 콘택 패드 구조물들(68)은 금속 질화물 라이너(TaN, TiN, 또는 WN) 및 전도성 충전 재료, 예컨대 금속 재료(예컨대, W, Ru, Co, 또는 Mo), 도핑된 반도체 재료, 및/또는 금속 규화물 재료를 포함할 수 있다. 각각의 콘택 패드 구조물(68)은 각자의 게이트 전극(66)의 상단 단부와 접촉하고, 각자의 메모리 필름(54)에 의해 각자의 연속적 반도체 채널 층(60L)으로부터 측방향으로 이격된다. 대안적으로, 게이트 전극들(66)이 충전된 원통을 포함하면, 콘택 패드 구조물(68)은 생략될 수 있다.In one embodiment, the
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 포토레지스트 층(도시되지 않음)이 최상단 절연 층(32T) 위에 도포될 수 있고, 메모리 개구 충전 구조물들(58)의 클러스터들과 지지 필러들(20) 사이의 영역들 내에 개구들을 형성하도록 리소그래피적으로 패턴화된다. 지지 필러들(20)은 간략함을 위해 후속 도면들에 도시되지 않는다. 포토레지스트 층 내의 패턴은 이방성 에칭을 채용하여 단위 층 스택(42S, 24, 32C, 26, 42D, 321)의 다수의 인스턴스들 및 최상단 절연 층(32T)을 통해 전사되어 백사이드 트렌치들(79)을 형성할 수 있고, 이는 최상단 절연 층(32T)의 상단 표면으로부터 적어도 기판(9)의 상단 표면까지 수직으로 연장되고, 메모리 어레이 영역(100) 및 계단 영역들(200A, 200B)을 통해 측방향으로 연장된다.6A and 6B , a photoresist layer (not shown) may be applied over the top insulating
일 실시예에서, 백사이드 트렌치들(79)은 제1 수평 방향(hd1)을 따라 측방향으로 연장될 수 있고, 제1 수평 방향(hd1)에 수직인 제2 수평 방향(hd2)을 따라 서로 측방향으로 이격될 수 있다. 메모리 개구 충전 구조물들(58)은 제1 수평 방향(hd1)을 따라 연장되는 로우들로 배열될 수 있다.In one embodiment, the
각각의 백사이드 트렌치(79)는 길이방향을 따라(즉, 제1 수평 방향(hd1)을 따라) 변화하지 않는 균일한 폭을 가질 수 있다. 메모리 개구 충전 구조물들(58)의 다수의 로우들이 백사이드 트렌치들(79)의 이웃하는 쌍 사이에 위치될 수 있다. 포토레지스트 층은, 예를 들어 애싱에 의해 제거될 수 있다.Each
도 7을 참조하면, 절연 층들(32), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 역-스텝형 유전체 재료 부분들(65), 및 연속적 반도체 채널 층들(60L)의 재료들에 대하여 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)의 재료들을 선택적으로 에칭하는 에천트(etchant)가, 예를 들어 에칭 공정을 채용하여 백사이드 트렌치들(79) 안으로 도입될 수 있다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 제거되는 체적들 내에 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)이 각각 형성된다. 일 실시예에서, 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 절연 층들(32) 및 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)의 재료들은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.7, insulating
에칭 공정은 습식 에칭 용액을 채용하는 습식 에칭 공정일 수 있거나, 또는 에천트가 증기 상(vapor phase)으로 백사이드 트렌치들(79) 내로 도입되는 기체 상(gas phase)(건식) 에칭 공정일 수 있다. 예를 들어, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 에칭 공정은, 예시적인 구조물이 인산(phosphoric acid)을 포함하는 습식 에칭 탱크 내에 침지되는 습식 에칭 공정일 수 있고, 이는 실리콘 산화물, 실리콘, 및 다양한 다른 재료들에 대해 선택적으로 실리콘 질화물을 에칭한다.The etching process may be a wet etching process employing a wet etching solution, or it may be a gas phase (dry) etching process in which the etchant is introduced into the
각각의 백사이드 리세스(43S, 43D)는 공동의 수직 범위보다 더 큰 측방향 치수를 갖는 측방향으로 연장되는 공동일 수 있다. 다시 말하면, 각각의 백사이드 리세스(43S, 43D)의 측방향 치수는 백사이드 리세스(43S, 43D)의 높이보다 더 클 수 있다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층(42D)의 재료들이 제거되는 체적들 내에 복수의 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)이 형성될 수 있다. 메모리 개구 충전 구조물들(58)이 형성되는 메모리 개구들은 본 명세서에서, 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)과 대조적으로 전면(front side) 개구들 또는 전면 공동들로 지칭된다. 복수의 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D) 각각은 기판(9)의 상단 표면에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 백사이드 리세스(43S, 43D)는 전체에 걸쳐 균일한 높이를 가질 수 있다.Each
도 8을 참조하면, 적어도 하나의 금속 재료가 백사이드 트렌치들(79)을 통해 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D) 내에 침착될 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 금속 라이너를 형성하는 금속 질화물 재료(예컨대, TaN, TiN, 또는 WN) 및 금속 라이너에 의해 충전되지 않는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 나머지 체적들을 충전하는 금속 충전 재료(예컨대, W, Co, Ru, 또는 Mo)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 모든 체적들을 충전한다. 백사이드 트렌치들(79)의 주변 부분들에 또는 최상단 절연 층(32T) 위에 침착된 적어도 하나의 금속 재료의 부분들은 에칭 공정에 의해 제거될 수 있는데, 이는 등방성 에칭 공정 및/또는 이방성 에칭 공정을 포함할 수 있다. 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 소스 층들(즉, 전기 전도성 소스 라인들)(22)을 구성한다. 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 드레인 층들(즉, 전기 전도성 비트 라인들)(28)을 구성한다. 도핑된 반도체 소스 층(24)과 금속 소스 층(22)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역 및 소스 라인으로서 기능하는 소스 층(22, 24)을 구성한다. 도핑된 반도체 드레인층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역 및 비트 라인으로서 기능하는 드레인 층(26, 28)을 구성한다.Referring to FIG. 8 , at least one metallic material may be deposited in the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D through the
상기에 논의된 바와 같이, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 생략될 수 있는 선택적 요소들이다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 존재하는 경우에, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 각각 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)(즉, 소스 라인들 및 비트 라인들)로 대체된다. 이러한 경우에, 소스 층들(22, 24) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 층(22)의 수직 스택을 포함하고, 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 수직 스택을 포함한다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 생략된 경우에, 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24)으로 이루어지고, 각각의 드레인 층은 도핑된 반도체 드레인 층(26)으로 이루어진다. 이러한 경우에, 도핑된 반도체 소스 층(24)은 소스 영역 및 소스 라인 둘 모두로서 기능하고, 도핑된 반도체 드레인 층(26)은 드레인 영역들 및 비트 라인 둘 모두로서 기능한다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)을 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)로 각각 대체하는 데 채용되는 공정 단계들이 모든 그러한 실시예들에서 생략된다는 것이 이해된다.As discussed above, the source
각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 절연 층들(32C, 321)이 위치된다. 일 실시예에서, 절연 층들(32C, 321)은 전체에 걸쳐 동일한 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 이는 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리의 조성일 수 있다. 다른 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(32C)은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)과 상이한 조성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 반도체 채널은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(32C)의 원통형 측벽과 접촉한다.Insulating
유전체 재료, 예컨대 실리콘 산화물이 각각의 백사이드 트렌치 내에 침착되어 백사이드 트렌치 충전 구조물들(76)을 형성할 수 있다. 최상단 절연 층(32T) 위에 침착되는 유전체 재료의 부분들이 콘택 레벨 유전체 층(80)을 구성할 수 있다. 각각의 백사이드 트렌치 충전 구조물(76)은 금속 소스 층(22), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(32C), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 금속 드레인 층(28), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)을 포함하는 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들을 통해 수직으로 연장될 수 있다.A dielectric material, such as silicon oxide, may be deposited in each backside trench to form backside trench fill
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 콘택 비아 구조물들(88, 86)이 콘택 레벨 유전체 층(80)을 통해, 그리고 선택적으로 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)을 통해 형성될 수 있다. 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 워드 라인 콘택 비아 구조물들(88)을 포함하는데, 이들 각각은 콘택 패드 구조물들(68)의 각자의 콘택 패드 구조물과 접촉하고 각자의 게이트 전극(66)에 전기적으로 접속된다. 또한, 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 각자의 계단 영역들(200A, 200B) 내의 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층과 접촉하는 층 콘택 비아 구조물들(86)(예컨대, 86S, 86D)을 포함한다. 구체적으로, 층 콘택 비아 구조물들(86S, 86D) 각각은 계단 영역들(200A, 200B) 내의 스텝형 표면들에 노출된 소스 층들(22, 24) 또는 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층의 수평 표면과 접촉할 수 있다. 이어서, 워드 라인들(98)이 콘택 레벨 유전체 층(80) 위에(그리고 게이트 전극들(66), 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28) 위에) 형성되고, 콘택 비아 구조물들(88) 및 선택적 콘택 패드 구조물들(68)을 통해 게이트 전극들(66)과 전기 접촉한다. 워드 라인들(98)은 도 9b에 도시된 바와 같이, 백사이드 트렌치들(79)의 길이 방향에 수직인 수평 방향을 따라 연장되는 2차원 어레이로서 배열된다. 도 9b에서, 메모리 개구 충전 구조물들(58)의 위치들은 명확한 원들로서 개략적으로 도시되어 있는 한편, 백사이드 트렌치들(79)의 위치들은 명확한 라인들로서 개략적으로 도시되어 있다.9A and 9B , contact via
반도체 채널들의 각각의 수직 스택은 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 교번하는 스택 내의 각각의 소스 층(22, 24) 및 각각의 드레인 층(26, 28)을 통해 연장되는 연속적 반도체 채널 층(60L)의 부분들로서 형성되고, 콘택 비아 구조물들(86, 88)의 형성 후에 남아 있다. 층 콘택 비아 구조물들(86)은 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S) 및 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 포함한다. 각각의 소스 층 콘택 비아 구조물(86S)은 소스 층들(22, 24)의 각자의 소스 층과 접촉한다. 각각의 드레인 층 콘택 비아 구조물(86D)은 드레인 층들(26, 28)의 각자의 드레인 층과 접촉한다.Each vertical stack of semiconductor channels extends through a
일 실시예에서, 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 교번하는 스택 내의 소스 층들(22, 24)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고, 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 28)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖는다. 제1 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)이 교번하는 스택 내의 소스 층들(22, 24)의 수평 표면들과 접촉하고, 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S)을 측방향으로 둘러싼다. 제2 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)이 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 28)의 수평 표면들과 접촉하고, 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 측방향으로 둘러싼다.In one embodiment, source layers 22 , 24 in an alternating stack of source layers 22 , 24 and drain layers 26 , 28 have different lateral extents that decrease with vertical distance from
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 예시적인 구조물은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)을 희생 재료 층들로 대체함으로써 도 1의 제1 예시적인 구조물로부터 도출될 수 있고, 이는 본 명세서에서 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)로 지칭된다. 따라서, 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 단위 층 스택의 각각의 인스턴스는 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(32C), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층(142)을 포함한다.Referring to FIG. 10 , a second exemplary structure according to a second embodiment of the present invention can be derived from the first exemplary structure of FIG. 1 by replacing the inter-transistor
소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 채널 레벨 절연 층들(32C), 최상단 절연 층(32), 및 최상단 절연 층(32T)의 재료에 대해 선택적으로, 그리고 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)의 재료에 대해 선택적으로 제거될 수 있는 희생 재료를 포함한다. 예를 들어, 채널 레벨 절연 층(32C), 최하단 절연 층(32), 및 최상단 절연 층(32T)은 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 도핑된 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리를 포함할 수 있고; 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)은 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)을 후속적으로 대체하는 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들에 대해 채용될 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있고; 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 각각의 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층(142)은 5 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다. 대안적인 구성에서, 소스 희생 재료 층들(42S) 및/또는 드레인 희생 재료 층(42D) 중 하나 또는 둘 모두가 생략될 수 있다.Source sacrificial material layers 42S and drain sacrificial material layers 42D are selective with respect to the material of channel
단위 층 스택의 다수의 인스턴스들은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택을 포함한다. 채널 레벨 절연 층들(32C)은 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 아래에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 위에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 제공될 수 있다. 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)은 수직으로 이웃하는 쌍들의 위에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 아래에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성된다.Multiple instances of the unit layer stack include an alternating stack of doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 . Channel
도 11을 참조하면, 도 2의 공정 단계들이 수행되어 계단 영역들(200A, 200B) 내에 스텝형 공동들(69)을 형성할 수 있다. 계단 영역들(200A, 200B) 내에는 스텝형 표면들이 형성된다. 스텝형 표면들을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.Referring to FIG. 11 , the process steps of FIG. 2 may be performed to form stepped
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 도 3a 및 도 3b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 각각의 층을 통해 메모리 개구들(49)을 형성할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 제2 예시적인 구조물의 단위 층 스택은 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(32C), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층(142)을 포함할 수 있다. 메모리 개구들(49)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.12A and 12B , the process steps of FIGS. 3A and 3B may be performed to form
도 13을 참조하면, 도 4의 공정 단계들이 수행되어 메모리 개구 충전 구조물들(58)을 형성할 수 있다. 제2 예시적인 구조물의 메모리 개구 충전 구조물들(58) 각각은 도 4의 메모리 개구 충전 구조물들(58)과 동일한 세트의 요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 13 , the process steps of FIG. 4 may be performed to form memory
도 14를 참조하면, 도 5의 공정 단계들이 수행되어 콘택 패드 구조물들(68)을 형성할 수 있다. 각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극의 최상단 단부와 접촉하는 각자의 콘택 패드 구조물(68)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 14 , the process steps of FIG. 5 may be performed to form
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 도 6a 및 도 6b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들을 통해 백사이드 트렌치들(79)을 형성할 수 있다. 백사이드 트렌치들(79)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.15A and 15B , the process steps of FIGS. 6A and 6B may be performed to form
도 16을 참조하면, 절연 층들(32), 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 역-스텝형 유전체 재료 부분들(65), 및 연속적 반도체 채널 층들(60L)의 재료들에 대하여 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)의 재료들을 선택적으로 에칭하는 에천트가, 예를 들어 에칭 공정을 채용하여 백사이드 트렌치들(79) 안으로 도입될 수 있다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 제거되는 체적들 내에 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)이 각각 형성된다. 일 실시예에서, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있고; 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)은 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)을 후속적으로 대체하는 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들에 대해 채용될 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있고; 채널 레벨 절연 층들(32) 및 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)의 재료들은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 16 , insulating
에칭 공정은 습식 에칭 용액을 채용하는 습식 에칭 공정일 수 있거나, 또는 에천트가 증기 상으로 백사이드 트렌치들(79) 내로 도입되는 기체 상(건식) 에칭 공정일 수 있다. 예를 들어, 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 에칭 공정은, 예시적인 구조물이 인산을 포함하는 습식 에칭 탱크 내에 침지되는 습식 에칭 공정일 수 있고, 이는 실리콘 산화물, 실리콘, 및 다양한 다른 재료들에 대해 선택적인 실리콘 질화물을 에칭한다.The etching process may be a wet etching process employing a wet etching solution, or it may be a gas phase (dry) etching process in which the etchant is introduced into the
도 17을 참조하면, 적어도 하나의 금속 재료가 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D) 내에 침착될 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 금속 라이너를 형성하는 금속 질화물 재료(예컨대, TaN, TiN, or WN) 및 금속 라이너에 의해 충전되지 않는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 나머지 체적들을 충전하는 금속 충전 재료(예컨대, W, Co, Ru, 또는 Mo)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 모든 체적들을 충전한다. 백사이드 트렌치들(79)의 주변 부분들에 또는 최상단 절연 층(32T) 위에 침착된 적어도 하나의 금속 재료의 부분들은 에칭 공정에 의해 제거될 수 있는데, 이는 등방성 에칭 공정 및/또는 이방성 에칭 공정을 포함할 수 있다. 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 소스 층들(22)을 구성한다. 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 드레인 층들(28)을 구성한다. 도핑된 반도체 소스 층(24)과 금속 소스 층(22)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역들 및 소스 라인으로서 기능하는 소스 층(22, 24)을 구성한다. 도핑된 반도체 드레인층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역들 및 비트 라인으로서 기능하는 드레인 층(26, 28)을 구성한다.Referring to FIG. 17 , at least one metal material may be deposited in the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. The at least one metal material includes a metal nitride material (eg, TaN, TiN, or WN) forming a metal liner and source level backside recesses 43S and drain level backside recesses 43D not filled by the metal liner. ) may include a metal filling material (eg, W, Co, Ru, or Mo) that fills the remaining volumes. At least one metallic material fills all volumes of the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. Portions of at least one metallic material deposited on peripheral portions of
소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 생략될 수 있는 선택적 요소들이다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 존재하는 경우에, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 각각 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)로 대체된다. 이러한 경우에, 소스 층들(22, 24) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 층(22)의 수직 스택을 포함하고, 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 수직 스택을 포함한다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 생략된 경우에, 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 또는 도핑된 반도체 드레인 층(26)으로 이루어진다.Source
도 18을 참조하면, 트랜지스터간 백사이드 리세스들(143)은 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 채널 레벨 절연 층들(32C), 금속 소스 층들(22), 및 금속 드레인 층들(28)의 재료들에 대해 선택적으로 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)을 제거함으로써 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들(142)은 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)의 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있고, 채널 레벨 절연 층들(32C)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 18 , the inter-transistor backside recesses 143 include doped semiconductor source layers 24 , doped semiconductor drain layers 26 , channel
도 19를 참조하면, 등방성 에칭 공정이 수행되어 트랜지스터간 백사이드 리세스들(143)에서 노출되는 연속적 반도체 채널 층들(60L)의 물리적으로 노출된 부분들을 제거할 수 있다. 연속적 반도체 채널 층들(60L)의 물리적으로 노출된 부분들의 제거는 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 재료들에 대해 선택적일 수 있다. 예를 들어, 연속적 반도체 채널 층(60L)은 1.0 × 1014/㎤ 내지 3.0 × 1017/㎤ 범위의 원자 농도로 제2 전도형(예컨대, p 형)의 도펀트들을 포함하는 비정질 실리콘을 포함할 수 있고, 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)은 5.0 × 1019/㎤ 내지 2.0 × 1021/㎤ 범위의 원자 농도로 제1 전도형(예컨대, n 형)의 도펀트들을 포함하는 폴리실리콘 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 연속적 반도체 채널 층(60L)의 물리적으로 노출된 부분들을 에칭하는 등방성 에칭 공정은 고온 트리메틸-2 하이드록시 에틸 암모늄 하이드록사이드("고온 TMY") 또는 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH)를 채용하는 습식 에칭 공정을 채용할 수 있다. 대안적으로, 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 물리적으로 노출된 표면 부분들은 연속적 반도체 채널 층들(60L)의 물리적으로 노출된 부분들의 제거 동안 부수적으로(collaterally) 에칭될 수 있다.Referring to FIG. 19 , an isotropic etching process may be performed to remove physically exposed portions of the continuous
트랜지스터간 레벨 백사이드 리세스들(143)에 물리적으로 노출되는 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)의 부분들이 등방성 에칭 공정에 의해 제거될 수 있다. 따라서, 등방성 에칭 공정은 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)을 서로 수직으로 이격되는 한 세트의 개별 반도체 채널들(60)로 분할할 수 있다. 다시 말하면, 각각의 연속적 반도체 채널 층(60L)의 나머지 부분들은 서로 직접 접촉하지 않는 한 세트의 개별 반도체 채널들(60)을 포함한다. 개별 반도체 채널들(60) 각각은 소스 층들(22, 24)의 각자의 소스 층의 원통형 수직 표면 및 드레인 층들(26, 28)의 각자의 드레인 층의 원통형 수직 표면과 접촉한다.Portions of each successive
도 20을 참조하면, 유전체 재료가 컨포멀(conformal) 침착 공정에 의해 트랜지스터간 백사이드 리세스들(143) 내에 침착될 수 있다. 트랜지스터간 레벨 백사이드 리세스들(143)을 충전하는 유전체 재료의 부분들은 대체 절연 층들을 구성하는데, 이는 본 명세서에서 트랜지스터간 레벨 절연 층들(176)로 지칭된다. 백사이드 트렌치들(79)을 충전하는 유전체 재료의 부분들은 백사이드 트렌치 충전 구조물들(76)을 구성한다. 최상단 절연 층(32T) 위에 놓이는 유전체 충전 재료의 부분들이 콘택 레벨 유전체 층(80)을 구성한다. 트랜지스터간 레벨 절연 층들(176), 백사이드 트렌치 충전 구조물(76), 및 콘택 레벨 유전체 층(80)의 유전체 재료는 전체에 걸쳐 균일한 재료 조성을 가질 수 있고, 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 20 , a dielectric material may be deposited in the inter-transistor backside recesses 143 by a conformal deposition process. Portions of dielectric material filling the inter-transistor level backside recesses 143 constitute replacement insulating layers, referred to herein as inter-transistor
각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 절연 층들(32C, 176)이 제공된다. 일 실시예에서, 절연 층들(32C, 176)은 전체에 걸쳐 동일한 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 이는 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리의 조성일 수 있다. 다른 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(32C)은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(176)과 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체 채널들(60)의 각자의 반도체 채널의 측벽과 접촉하는 채널 레벨 절연 층들(32C)은 제1 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 반도체 채널들(60)의 측벽들과 접촉하지 않는 트랜지스터간 레벨 절연 층들(176)은 제1 유전체 재료 조성과 상이한 제2 유전체 재료 조성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 반도체 채널(60)은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(32C)의 원통형 측벽과 접촉한다.Insulating
도 21을 참조하면, 도 9a의 공정 단계들이 수행되어 콘택 레벨 유전체 층(80)을 통해 그리고 선택적으로 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)을 통해 콘택 비아 구조물들(88, 86)을 형성할 수 있다. 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 워드 라인 콘택 비아 구조물들(88)을 포함하는데, 이들 각각은 콘택 패드 구조물들(68)의 각자의 콘택 패드 구조물과 접촉하고 각자의 게이트 전극(66)에 전기적으로 접속된다. 또한, 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 각자의 계단 영역들(200A, 200B) 내의 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층과 접촉하는 층 콘택 비아 구조물들(86)(예컨대, 86S, 86D)을 포함한다. 구체적으로, 층 콘택 비아 구조물들(86S, 86D) 각각은 계단 영역들(200A, 200B) 내의 스텝형 표면들에 노출된 소스 층들(22, 24) 또는 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층의 수평 표면과 접촉할 수 있다. 이어서, 워드 라인들(98)이 콘택 레벨 유전체 층(80) 위에(그리고 게이트 전극들(66), 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28) 위에) 형성되고, 콘택 비아 구조물(88) 및 선택적 콘택 패드 구조물들(68)을 통해 게이트 전극들(66)과 전기 접촉한다.Referring to FIG. 21 , the process steps of FIG. 9A may be performed to form contact via
제1 및 제2 실시예들의 제1 예시적인 구조물 및 제2 예시적인 구조물의 모든 도면들을 참조하면, 3차원 메모리 디바이스가 제공되는데, 이는, 기판(9) 위에 위치된 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 교번하는 스택; 교번하는 스택의 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28) 각각을 통해 수직으로 연장되는 게이트 전극들(66); 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극을 각각 측방향으로 둘러싸는 메모리 필름들(54); 및 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 드레인 층(26, 선택적으로 28)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 측벽들과 접촉하고 메모리 필름들(54)의 각자의 메모리 필름을 각각 측방향으로 둘러싸는 반도체 채널들(60 또는 층(60L)의 부분들)을 포함한다.With reference to all drawings of the first exemplary structure and the second exemplary structure of the first and second embodiments, a three-dimensional memory device is provided, comprising source layers 24 , optionally located over a
일 실시예에서, 워드 라인들(98)은 게이트 전극들(66) 위에 그리고 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택 위에 위치되고, 여기서 워드 라인들은 게이트 전극들에 전기적으로 접속된다. 원통형 메모리 개구들과 같은 메모리 개구들(49)의 어레이는 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장될 수 있고, 게이트 전극들(66) 각각은 메모리 개구들(49)의 각자의 메모리 개구 내에 위치된다. 반도체 채널들 각각은 중공 원통 형상을 가질 수 있다.In one embodiment, word lines 98 are positioned over
각각의 게이트 전극(66)은 기판(9) 위에 위치된 적어도 4개의 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 적어도 4개의 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 교번하는 스택을 통해 연장될 수 있다.Each
절연 층들{(32C, 321) 또는(32C, 176)}은 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 제1 소스 층(24, 선택적으로 22)과 드레인 층(26, 선택적으로 28) 사이에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 절연 층들{(32C, 321) 또는 (32C, 176)}은 전체에 걸쳐 동일한 유전체 재료 조성을 갖는다. 다른 실시예에서, 절연 층들{(32C, 321) 또는 (32C, 176)}은 반도체 채널들(60 또는 층(60L)의 부분들)의 각자의 반도체 채널과 접촉하고 제1 유전체 재료 조성을 갖는 채널 레벨 절연 층들(32C); 및 반도체 채널들(60 또는 층(60L)의 부분들) 중 어떠한 반도체 채널과도 접촉하지 않고 제1 유전체 재료 조성과 상이한 제2 유전체 재료 조성을 갖는 트랜지스터간 레벨 절연 층들(176)을 포함한다.Insulating layers (32C, 321 or 32C, 176) may be positioned between each vertically neighboring pair of first source layer 24 (optionally 22) and drain layer 26 (optionally 28). have. In one embodiment, the insulating layers (32C, 321 or 32C, 176) have the same dielectric material composition throughout. In another embodiment, the insulating layers (32C, 321 or 32C, 176) contact a respective semiconductor channel of the
일 실시예에서, 반도체 채널은 교번하는 스택 내의 각각의 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 각각의 드레인 층(26, 선택적으로 28)을 통해 연장되는 연속적 반도체 채널 층(60L)의 각자의 부분을 포함한다.In one embodiment, the semiconductor channel is a respective portion of a continuous
다른 실시예에서, 반도체 채널들 각각은 서로 수직으로 이격되는 한 세트의 개별 반도체 채널들(60) 중 하나의 채널(60)을 포함한다. 일 실시예에서, 개별 반도체 채널들(60) 각각은, 각자의 위에 놓인 트랜지스터간 절연 층(176)의 하단 표면과 접촉하는 환상 상단 표면, 및 각자의 아래에 놓인 트랜지스터간 절연 층(176)과 접촉하는 환상 하단 표면을 포함한다.In another embodiment, each of the semiconductor channels includes one
일 실시예에서, 반도체 채널들(60 또는 60L의 부분들) 각각은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(24, 선택적으로 22)과 드레인 층(26, 선택적으로 28) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(32C)의 원통형 측벽과 접촉한다.In one embodiment, each of the semiconductor channels (portions of 60 or 60L) is each positioned between the source layer 24 (optionally 22) and the drain layer 26 (optionally 28) of a respective vertically neighboring pair. in contact with the cylindrical sidewall of the channel
일 실시예에서, 소스 층들(24, 22) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 층(22)의 수직 스택을 포함하고; 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 수직 스택을 포함한다.In one embodiment, each of the source layers 24 , 22 comprises a vertical stack of a doped
일 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은, 터널링 유전체 층(542); 터널링 유전체 층(542)과 접촉하는 전하 저장 층(544); 전하 저장 층(544)과 접촉하는 차단 유전체 층(546)을 포함하는 네스트형 층 스택(nested layer stack)을 포함한다. 다른 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은 강유전성 재료 층을 포함하고/포함하거나 강유전성 재료 층으로 이루어진다.In one embodiment, each of the
일 실시예에서, 3차원 메모리 디바이스는 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 각자의 소스 층과 접촉하는 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S); 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 각자의 드레인 층과 접촉하는 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 포함한다.In one embodiment, the three-dimensional memory device includes source layer contact via
일 실시예에서, 교번하는 스택 내의 소스 층들(24, 선택적으로 22)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고; 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 선택적으로 28)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고; 제1 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)은 교번하는 스택 내의 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 수평 표면들과 접촉하고, 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S)을 측방향으로 둘러싸고; 그리고, 제2 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)은 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 수평 표면들과 접촉하고, 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 통해 측방향으로 둘러싼다.In one embodiment, the source layers 24 , optionally 22 in the alternating stack, have different lateral extents that decrease with vertical distance from the
일 실시예에서, 게이트 전극들(66)은 메모리 필름들(54)의 수평 부분들에 의해 기판(9)으로부터 수직으로 이격되고; 게이트 전극들(66) 각각은 각자의 유전체 코어(62)를 측방향으로 둘러싸고; 그리고, 콘택 패드 구조물들(68)은 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극의 상단 단부와 접촉한다.In one embodiment, the
도 22를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제3 예시적인 구조물은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(32C)을 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)과는 상이한 재료 조성을 갖는 채널 레벨 절연 층들(132)로 대체함으로써 도 1의 제1 예시적인 구조물로부터 도출될 수 있다. 따라서, 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 단위 층 스택의 각각의 인스턴스는 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(132), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)을 포함한다. 대안적인 구성에서, 소스 희생 재료 층들(42S) 및/또는 드레인 희생 재료 층(42D) 중 하나 또는 둘 모두가 생략될 수 있다.Referring to FIG. 22 , a third exemplary structure in accordance with a third embodiment of the present invention comprises inter-transistor
채널 레벨 절연 층들(132)은 제1 절연 재료를 포함하고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 등방성 에칭 공정에서 더 작은 에칭 속도를 제공할 수 있는 제2 절연 재료를 포함한다. 예를 들어, 채널 레벨 절연 층들(132)은 보로실리케이트 유리 또는 유기실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 도핑되지 않은 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 100:1로 희석된 플루오르화수소산 내의 채널 레벨 절연 층들(132)의 재료의 에칭 속도는 100:1로 희석된 플루오르화수소산 내의 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 재료의 에칭 속도의 적어도 10배, 예컨대 100배 이상일 수 있다. 각각의 채널 레벨 절연 층들(132)은 5 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다. 대안적으로, 채널 레벨 절연 층들(132)은 알루미늄 산화물을 포함할 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 알루미늄 산화물 선택적 에칭이 사용될 경우 도핑되지 않은 실리케이트 유리(즉, 실리콘 산화물)를 포함할 수 있다.The channel
단위 층 스택의 다수의 인스턴스들은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택을 포함한다. 채널 레벨 절연 층들(132)은 후속적으로 형성될 반도체 채널들의 레벨들에서 형성된다. 예를 들어, 채널 레벨 절연 층들(132)은 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 아래에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 위에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성될 수 있다. 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 후속적으로 형성될 트랜지스터간 갭들의 레벨들에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 수직으로 이웃하는 쌍들의 위에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 아래에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 도핑된 반도체 소스 층(24)과 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 절연 층들(131, 321)이 형성된다.Multiple instances of the unit layer stack include an alternating stack of doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 . Channel
도 23을 참조하면, 도 2의 공정 단계들이 수행되어 계단 영역들(200A, 200B) 내에 스텝형 공동들(69)을 형성할 수 있다. 계단 영역들(200A, 200B) 내에는 스텝형 표면들이 형성된다. 스텝형 표면들을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 절연 층들(132)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.Referring to FIG. 23 , the process steps of FIG. 2 may be performed to form stepped
도 24a 및 도 24b를 참조하면, 도 3a 및 도 3b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 각각의 층을 통해 메모리 개구들(49)을 형성할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 제2 예시적인 구조물의 단위 층 스택은 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 절연 층(132), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)을 포함할 수 있다. 메모리 개구들(49)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 절연 층들(132)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.24A and 24B , the process steps of FIGS. 3A and 3B may be performed to form
도 25를 참조하면, 측방향 환상 공동들(349)은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 소스 희생 재료 층들(42S), 및 드레인 희생 재료 층들(42D)에 대해 채널 레벨 절연 층들(132)을 측방향으로 리세스함으로써 채널 레벨 절연 층들(132)의 각각의 레벨에서 형성될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 채널 레벨 절연 층들(132)의 제1 절연 재료는 등방성 에칭 공정에서 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 제2 절연 재료보다 더 큰 에칭 속도를 제공한다. 일 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(132)의 제1 절연 재료는 보로실리케이트 유리 또는 유기실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 제2 절연 재료는 도핑되지 않은 실리케이트 유리를 포함할 수 있다.25 , the lateral
이러한 경우에, 100:1로 희석된 플루오르화수소산 내의 채널 레벨 절연 층들(132)의 제1 절연 재료의 에칭 속도는 100:1로 희석된 플루오르화수소산 내의 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 제2 절연 재료의 에칭 속도의 적어도 10배, 예컨대 100배 이상일 수 있다. 등방성 에칭 공정은 100:1로 희석된 플루오르화수소산을 채용하는 습식 에칭 공정일 수 있다. 환상 공동들(349) 각각의 측방향 리세스 거리는 5 nm 내지 100 nm, 예컨대 10 nm 내지 50 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 거리들이 또한 채용될 수 있다.In this case, the etch rate of the first insulating material of the channel
도 26을 참조하면, 화학적 증착 공정과 같은 컨포멀 침착 공정에 의해 환상 공동들(349) 내에 반도체 재료가 침착될 수 있다. 환상 공동들(349) 내에 침착된 반도체 재료는 제1 예시적인 구조물에 사용되는 연속적 반도체 채널 층들(60L)과 동일한 재료 조성을 가질 수 있다. 컨포멀하게 침착된 반도체 재료의 부분들은 이방성 에칭 공정을 수행함으로써 환상 공동들(349) 외부로부터 제거될 수 있다. 환상 공동들(349) 내의 컨포멀하게 침착된 반도체 재료의 나머지 부분들은 반도체 채널들(360)의 수직 스택들을 구성한다. 반도체 채널들(360)의 각각의 수직 스택은 환상 공동들(349) 내에 위치되고 서로 수직으로 이격된, 즉 서로 직접 접촉하지 않는 한 세트의 개별 반도체 채널들로서 형성된다. 각각의 반도체 채널(360)은 환상 형상(예컨대, 중공 디스크 형상)을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 반도체 채널(360)은 내측 원통형 측벽, 외측 원통형 측벽, 상단 환상 표면, 및 하단 환상 표면을 가질 수 있다.Referring to FIG. 26 , semiconductor material may be deposited within the
개별 반도체 채널들(360) 각각은 채널 레벨 절연 층들(132)의 각자의 채널 레벨 절연 층의 원통형 측벽과 접촉한다. 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들에서의 절연 층들(132, 321)은 반도체 채널들(360)의 각자의 반도체 채널의 측벽과 접촉하는 채널 레벨 절연 층들(132), 및 반도체 채널들(360) 중 어떠한 반도체 채널과도 접촉하지 않는 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)을 포함한다. 채널 레벨 절연 층들(132)의 측벽들은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 측벽들에 대해 그리고 각각의 메모리 개구(49) 주위의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 측벽들에 대해 외측으로 측방향으로 리세스된다. 채널 레벨 절연 층들(132) 각각은 도핑된 반도체 소스 층들(24)의 각자의 도핑된 반도체 소스 층 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 각자의 도핑된 반도체 드레인 층의 수평 표면들과 직접 접촉할 수 있다.Each of the
반도체 채널들(360) 각각은, 메모리 필름들 및 게이트 전극들의 형성 이전에 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 수평 평면들 상에 형성된다. 반도체 채널들(360)의 수직 스택이 메모리 개구들(49) 각각에 형성된다. 반도체 채널들(360) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍에 접속된다.Each of the
일 실시예에서, 각각의 반도체 채널(360)의 외측 측벽 전체는 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 도핑된 반도체 소스 층 (24)과 도핑된 반도체 드레인 층 (26) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(132)의 원통형 측벽과 접촉한다. 일 실시예에서, 외측 측벽은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍 내의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26) 중 하나의 층의 수평 표면과 접촉하는 상부 주연부를 포함하고, 각자의 수직으로 이웃하는 쌍 내의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 다른 층의 수평 표면과 접촉하는 하부 주연부를 포함한다.In one embodiment, the entire outer sidewall of each
도 27을 참조하면, 연속적 재료 층들이 메모리 개구들(49) 각각에 순차적으로 침착될 수 있다. 연속적 재료 층들은 연속적 메모리 필름, 연속적 전도성 재료 층, 및 선택적 유전체 충전 재료 층을 포함할 수 있다. 연속적 재료 층들의 과잉 부분들은 평탄화 공정에 의해 최상단 절연 층들(32T)의 상단 표면 및 역-스텝형 유전체 재료 부분들의 상단 표면들을 포함하는 수평 평면 위로부터 제거될 수 있다. 평탄화 공정은 화학적 기계적 평탄화 및/또는 적어도 하나의 리세스 에칭 공정을 채용할 수 있다. 메모리 개구(49) 내에 남아 있는 연속적 재료 층들의 각각의 부분은 메모리 개구 충전 구조물(58)을 구성한다.Referring to FIG. 27 , successive layers of material may be sequentially deposited into each of the
각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 메모리 필름(54), 게이트 전극(66), 및 선택적 유전체 코어(62)를 포함한다. 각각의 메모리 필름(54)은 평탄화 공정 후의 연속적 메모리 필름의 나머지 부분이다. 각각의 게이트 전극(66)은 평탄화 공정 후의 연속적 전도성 재료 층의 나머지 부분이다. 각각의 유전체 코어(62)는 유전체 충전 재료 층의 나머지 부분이다. 반도체 채널들(360)의 각각의 수직 스택은 각자의 메모리 필름(54) 및 각자의 게이트 전극(66)을 측방향으로 둘러싼다.Each memory
메모리 필름(54)은 트래핑된 전기 전하들, 분극, 또는 자기 모멘트들의 형태로 데이터 비트들을 저장할 수 있는 적어도 하나의 재료 층을 포함한다. 일 실시예에서, 메모리 필름들 각각은, 외측에서부터 내측으로, 터널링 유전체 층(542), 터널링 유전체 층(542)과 접촉하는 전하 저장 층(544), 및 전하 저장 층(544)과 접촉하는 차단 유전체 층(546)을 포함한다. 터널링 유전체 층(542)은 실리콘 산화물 또는 ONO 스택(즉, 실리콘 산화물 층, 실리콘 질화물 층, 및 실리콘 산화물 층의 스택)과 같은 터널링 유전체 재료를 포함할 수 있다. 전하 저장 층(544)은 실리콘 질화물과 같은 전하 저장 재료를 포함할 수 있다. 차단 유전체 층(546)은 실리콘 산화물 및/또는 유전체 금속 산화물과 같은 차단 유전체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은 반도체 채널들(360) 또는 게이트 전극(66)과 접촉할 수 있는 적어도 하나의 선택적 유전체 재료 층(예컨대, 실리콘 산화물 층) 및 강유전성 재료 층(도시되지 않음)을 포함한다.
각각의 게이트 전극(66)은 금속 재료와 같은 전도성 재료를 포함한다. 예를 들어, 각각의 게이트 전극(66)은 금속(예컨대, W, Co, Mo, Ru, Cu, 또는 이들의 합금)을 포함하는 금속 층 및 전도성 금속 질화물(예컨대, TiN, TaN, 또는 WN)을 포함하는 금속 질화물 라이너의 층 스택을 포함할 수 있다.Each
각각의 유전체 코어(62)는 실리콘 산화물과 같은 유전체 충전 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 유전체 코어들(62)은 에칭 공정에서 최상단 절연 층(32T)보다 더 높은 에칭 속도를 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 코어들(62)은 보로실리케이트 유리, 유기실리케이트 유리, 또는 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 최상단 절연 층(32T)은 고밀화된 도핑되지 않은 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 유전체 코어들(62)의 재료는 최상단 절연 층(32T)의 재료에 대해 후속적으로 리세스될 수 있다.Each
메모리 필름(54)이 반도체 채널들(360)의 수직 스택들 각각 상에 형성되고, 게이트 전극(66)이 메모리 필름들(54) 각각 상에 형성된다. 메모리 필름들(54) 각각은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 각각을 통해 연장된다. 게이트 전극들(66) 각각은 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 각각을 통해 수직으로 연장된다. 각각의 게이트 전극(66)은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택 내의 각각의 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 각각의 도핑된 반도체 드레인 층(26)을 통해 연장된다.A
각각의 메모리 필름(54)은 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함한다. 각각의 게이트 전극(66)은 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함할 수 있다. 게이트 전극들(66)은 메모리 필름들(54)의 수평 부분들에 의해 기판(9)으로부터 수직으로 이격될 수 있다. 게이트 전극들(66) 각각은 각자의 유전체 코어(62)를 측방향으로 둘러쌀 수 있다.Each
도 28을 참조하면, 도 5의 공정 단계들이 수행되어 콘택 패드 구조물들(68)을 형성할 수 있다. 각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극의 최상단 단부와 접촉하는 각자의 콘택 패드 구조물(68)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 28 , the process steps of FIG. 5 may be performed to form
도 29a 및 도 29b를 참조하면, 도 6a 및 도 6b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들을 통해 백사이드 트렌치들(79)을 형성할 수 있다. 백사이드 트렌치들(79)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 절연 층들(132)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.29A and 29B , the process steps of FIGS. 6A and 6B may be performed to form
도 30을 참조하면, 절연 층들(132, 321), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 역-스텝형 유전체 재료 부분들(65), 및 반도체 채널들(360)의 재료들에 대하여 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)의 재료들을 선택적으로 에칭하는 에천트가, 예를 들어 에칭 공정을 채용하여 백사이드 트렌치들(79) 안으로 도입될 수 있다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 제거되는 체적들 내에 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)이 각각 형성된다. 일 실시예에서, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물, 및 채널 레벨 절연 층들(132), 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 재료들을 포함할 수 있고, 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)은 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 도핑된 실리케이트 유리, 및/또는 유기실리케이트 유리와 같은 실리케이트 유리 재료들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 30 , insulating
에칭 공정은 습식 에칭 용액을 채용하는 습식 에칭 공정일 수 있거나, 또는 에천트가 증기 상으로 백사이드 트렌치들(79) 내로 도입되는 기체 상(건식) 에칭 공정일 수 있다. 예를 들어, 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 에칭 공정은, 예시적인 구조물이 인산을 포함하는 습식 에칭 탱크 내에 침지되는 습식 에칭 공정일 수 있고, 이는 실리콘 산화물, 실리콘, 및 본 기술에서 채용된 다양한 다른 재료들에 대해 선택적인 실리콘 질화물을 에칭한다.The etching process may be a wet etching process employing a wet etching solution, or it may be a gas phase (dry) etching process in which the etchant is introduced into the
도 31을 참조하면, 적어도 하나의 금속 재료가 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D) 내에 침착될 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 금속 라이너를 형성하는 금속 질화물 재료(예컨대, TaN, TiN, or WN) 및 금속 라이너에 의해 충전되지 않는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 나머지 체적들을 충전하는 금속 충전 재료(예컨대, W, Co, Ru, 또는 Mo)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 모든 체적들을 충전한다. 백사이드 트렌치들(79)의 주변 부분들에 또는 최상단 절연 층(32T) 위에 침착된 적어도 하나의 금속 재료의 부분들은 에칭 공정에 의해 제거될 수 있는데, 이는 등방성 에칭 공정 및/또는 이방성 에칭 공정을 포함할 수 있다. 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 소스 층들(22)을 구성한다. 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 드레인 층들(28)을 구성한다. 도핑된 반도체 소스 층(24)과 금속 소스 층(22)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역들 및 소스 라인으로서 기능하는 소스 층(22, 24)을 구성한다. 도핑된 반도체 드레인층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역들 및 비트 라인으로서 기능하는 드레인 층(26, 28)을 구성한다.Referring to FIG. 31 , at least one metal material may be deposited in the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. The at least one metal material includes a metal nitride material (eg, TaN, TiN, or WN) forming a metal liner and source level backside recesses 43S and drain level backside recesses 43D not filled by the metal liner. ) may include a metal filling material (eg, W, Co, Ru, or Mo) that fills the remaining volumes. At least one metallic material fills all volumes of the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. Portions of at least one metallic material deposited on peripheral portions of
소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 생략될 수 있는 선택적 요소들이다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 존재하는 경우에, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 각각 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)로 대체된다. 이러한 경우에, 소스 층들(22, 24) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 층(22)의 수직 스택을 포함하고, 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 수직 스택을 포함한다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 생략된 경우에, 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 또는 도핑된 반도체 드레인 층(26)으로 이루어진다.Source
유전체 재료가 백사이드 트렌치들(79) 내에 그리고 최상단 절연 층(32T) 위에 침착될 수 있다. 백사이드 트렌치들(79)을 충전하는 유전체 재료의 부분들은 백사이드 트렌치 충전 구조물들(76)을 구성한다. 최상단 절연 층(32T) 위에 놓이는 유전체 충전 재료의 부분들이 콘택 레벨 유전체 층(80)을 구성한다.A dielectric material may be deposited in the
도 32를 참조하면, 도 9a의 공정 단계들이 수행되어 콘택 레벨 유전체 층(80)을 통해 그리고 선택적으로 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)을 통해 콘택 비아 구조물들(88, 86)을 형성할 수 있다. 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 워드 라인 콘택 비아 구조물들(88)을 포함하는데, 이들 각각은 콘택 패드 구조물들(68)의 각자의 콘택 패드 구조물과 접촉하고 각자의 게이트 전극(66)에 전기적으로 접속된다. 또한, 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 각자의 계단 영역들(200A, 200B) 내의 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층과 접촉하는 층 콘택 비아 구조물들(86)(예컨대, 86S, 86D)을 포함한다. 구체적으로, 층 콘택 비아 구조물들(86S, 86D) 각각은 계단 영역들(200A, 200B) 내의 스텝형 표면들에 노출된 소스 층들(22, 24) 또는 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층의 수평 표면과 접촉할 수 있다. 이어서, 워드 라인들(98)이 콘택 레벨 유전체 층(80) 위에(그리고 게이트 전극들(66), 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28) 위에) 형성되고, 콘택 비아 구조물(88) 및 선택적 콘택 패드 구조물들(68)을 통해 게이트 전극들(66)과 전기 접촉한다.Referring to FIG. 32 , the process steps of FIG. 9A may be performed to form contact via
도 33을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제4 예시적인 구조물은 채널 레벨 절연 층들(32C)을 채널 레벨 희생 재료 층들(232)로 대체함으로써 도 1의 제1 예시적인 구조물로부터 도출될 수 있다. 따라서, 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 단위 층 스택의 각각의 인스턴스는 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 희생 재료 층들(232), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)을 포함한다.Referring to FIG. 33 , a fourth exemplary structure according to a fourth embodiment of the present invention is derived from the first exemplary structure of FIG. 1 by replacing the channel
채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 재료들에 선택적으로, 그리고 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)을 후속적으로 대체하는 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들에 대해 채용될 금속 재료들에 선택적으로 제거될 수 있는 재료를 포함한다. 예를 들어, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)을 후속적으로 대체하는 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들에 대해 채용될 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있다. 각각의 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 5 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 가질 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.Channel level sacrificial material layers 232 are optionally in materials of doped semiconductor source layers 24 , doped semiconductor drain layers 26 , and inter-transistor
단위 층 스택의 다수의 인스턴스들은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택을 포함한다. 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 후속적으로 형성될 반도체 채널들의 레벨들에서 형성된다. 예를 들어, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 아래에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 위에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성될 수 있다. 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 후속적으로 형성될 트랜지스터간 갭들의 레벨들에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 수직으로 이웃하는 쌍들의 위에 놓인 도핑된 반도체 소스 층(24)과 아래에 놓인 도핑된 반도체 드레인 층(26) 사이에 형성될 수 있다.Multiple instances of the unit layer stack include an alternating stack of doped semiconductor source layers 24 and doped semiconductor drain layers 26 . Channel level sacrificial material layers 232 are formed at the levels of semiconductor channels to be subsequently formed. For example, channel level sacrificial material layers 232 may be formed between an underlying doped
도 34를 참조하면, 도 2의 공정 단계들이 수행되어 계단 영역들(200A, 200B) 내에 스텝형 공동들(69)을 형성할 수 있다. 계단 영역들(200A, 200B) 내에는 스텝형 표면들이 형성된다. 스텝형 표면들을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 희생 재료 층들(232)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.Referring to FIG. 34 , the process steps of FIG. 2 may be performed to form stepped
도 35a 및 도 35b를 참조하면, 도 3a 및 도 3b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들 내의 각각의 층을 통해 메모리 개구들(49)을 형성할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 제2 예시적인 구조물의 단위 층 스택은 소스 희생 재료 층(42S), 도핑된 반도체 소스 층(24), 채널 레벨 희생 재료 층들(232), 도핑된 반도체 드레인 층(26), 드레인 희생 재료 층(42D), 및 트랜지스터간 레벨 절연 층(321)을 포함할 수 있다. 메모리 개구들(49)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 희생 재료 층들(232)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.35A and 35B , the process steps of FIGS. 3A and 3B may be performed to form
도 36을 참조하면, 연속적 재료 층들이 메모리 개구들(49) 각각에 순차적으로 침착될 수 있다. 연속적 재료 층들은 연속적 메모리 필름, 연속적 전도성 재료 층, 및 선택적 유전체 충전 재료 층을 포함할 수 있다. 연속적 재료 층들의 과잉 부분들은 평탄화 공정에 의해 최상단 절연 층들(32T)의 상단 표면 및 역-스텝형 유전체 재료 부분들의 상단 표면들을 포함하는 수평 평면 위로부터 제거될 수 있다. 평탄화 공정은 화학적 기계적 평탄화 및/또는 적어도 하나의 리세스 에칭 공정을 채용할 수 있다. 메모리 개구(49) 내에 남아 있는 연속적 재료 층들의 각각의 부분은 메모리 개구 충전 구조물(58)을 구성한다.Referring to FIG. 36 , successive layers of material may be sequentially deposited into each of the
각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 메모리 필름(54), 게이트 전극(66), 및 선택적 유전체 코어(62)를 포함한다. 각각의 메모리 필름(54)은 평탄화 공정 후의 연속적 메모리 필름의 나머지 부분이다. 각각의 게이트 전극(66)은 평탄화 공정 후의 연속적 전도성 재료 층의 나머지 부분이다. 각각의 유전체 코어(62)는 유전체 충전 재료 층의 나머지 부분이다.Each memory
메모리 필름(54)은 트래핑된 전기 전하들, 분극, 또는 자기 모멘트들의 형태로 데이터 비트들을 저장할 수 있는 적어도 하나의 재료 층을 포함한다. 일 실시예에서, 메모리 필름들 각각은, 외측에서부터 내측으로, 터널링 유전체 층(542), 터널링 유전체 층(542)과 접촉하는 전하 저장 층(544), 및 전하 저장 층(544)과 접촉하는 차단 유전체 층(546)을 포함한다. 터널링 유전체 층(542)은 실리콘 산화물 층 또는 ONO 스택(즉, 실리콘 산화물 층, 실리콘 질화물 층, 및 실리콘 산화물 층의 스택)과 같은 터널링 유전체 재료를 포함할 수 있다. 전하 저장 층(544)은 실리콘 질화물과 같은 전하 저장 재료를 포함할 수 있다. 차단 유전체 층(546)은 실리콘 산화물 및/또는 유전체 금속 산화물과 같은 차단 유전체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은 채널 레벨 희생 재료 층들(232) 또는 게이트 전극(66)과 접촉할 수 있는 적어도 하나의 선택적 유전체 재료 층(예컨대, 실리콘 산화물 층) 및 강유전성 재료 층(도시되지 않음)을 포함한다.
각각의 게이트 전극(66)은 금속 재료와 같은 전도성 재료를 포함한다. 예를 들어, 각각의 게이트 전극(66)은 금속(예컨대, W, Co, Mo, Ru, Cu, 또는 이들의 합금)을 포함하는 금속 층 및 전도성 금속 질화물(예컨대, TiN, TaN, 또는 WN)을 포함하는 금속 질화물 라이너의 층 스택을 포함할 수 있다.Each
각각의 유전체 코어(62)는 실리콘 산화물과 같은 유전체 충전 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 유전체 코어들(62)은 에칭 공정에서 최상단 절연 층(32T)보다 더 높은 에칭 속도를 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 코어들(62)은 보로실리케이트 유리, 유기실리케이트 유리, 또는 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있고, 최상단 절연 층(32T)은 고밀화된 도핑되지 않은 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 유전체 코어들(62)의 재료는 최상단 절연 층(32T)의 재료에 대해 후속적으로 리세스될 수 있다.Each
메모리 필름(54)이 단위 층 스택의 다수의 반복들의 각각의 층의 측벽들 상에 형성될 수 있고, 게이트 전극(66)이 메모리 필름들(54) 각각 상에 형성될 수 있다. 메모리 필름들(54) 각각은 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26)의 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 각각을 통해 연장된다. 게이트 전극들(66) 각각은 교번하는 스택의 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 도핑된 반도체 드레인 층들(26) 각각을 통해 수직으로 연장된다.A
각각의 메모리 필름(54)은 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함한다. 각각의 게이트 전극(66)은 원통형 부분 및 원통형 부분의 하단 주연부에 인접하는 하단 캡 부분을 포함할 수 있다. 게이트 전극들(66)은 메모리 필름들(54)의 수평 부분들에 의해 기판(9)으로부터 수직으로 이격될 수 있다. 게이트 전극들(66) 각각은 각자의 유전체 코어(62)를 측방향으로 둘러쌀 수 있다.Each
도 37을 참조하면, 도 5의 공정 단계들이 수행되어 콘택 패드 구조물들(68)을 형성할 수 있다. 각각의 메모리 개구 충전 구조물(58)은 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극의 최상단 단부와 접촉하는 각자의 콘택 패드 구조물(68)을 포함할 수 있다. 도 38a 및 도 38b를 참조하면, 도 6a 및 도 6b의 공정 단계들이 수행되어 단위 층 스택의 다수의 인스턴스들을 통해 백사이드 트렌치들(79)을 형성할 수 있다. 백사이드 트렌치들(79)을 형성하기 위한 이방성 에칭 공정들의 단계들은 채널 레벨 희생 재료 층들(232)을 효과적으로 에칭하는 에칭 화학물질을 제공하도록 수정될 수 있다.Referring to FIG. 37 , the process steps of FIG. 5 may be performed to form
도 39를 참조하면, 채널 레벨 희생 재료 층들(232), 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321), 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 및 역-스텝형 유전체 재료 부분들(65)의 재료들에 대하여 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)의 재료들을 선택적으로 에칭하는 에천트가, 예를 들어 에칭 공정을 채용하여 백사이드 트렌치들(79) 안으로 도입될 수 있다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 제거되는 체적들 내에 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)이 각각 형성된다. 일 실시예에서, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321) 및 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)의 재료들은 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 도핑된 실리케이트 유리, 및/또는 유기실리케이트 유리와 같은 실리케이트 유리 재료들을 포함할 수 있고, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)의 재료는 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)을 후속적으로 대체하는 금속 소스 층들 및 금속 드레인 층들에 대해 채용될 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 39 , channel level sacrificial material layers 232 , inter-transistor
에칭 공정은 습식 에칭 용액을 채용하는 습식 에칭 공정일 수 있거나, 또는 에천트가 증기 상으로 백사이드 트렌치들(79) 내로 도입되는 기체 상(건식) 에칭 공정일 수 있다. 예를 들어, 소스 희생 재료 층들(42S) 및 드레인 희생 재료 층들(42D)이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 에칭 공정은, 예시적인 구조물이 인산을 포함하는 습식 에칭 탱크 내에 침지되는 습식 에칭 공정일 수 있고, 이는 실리콘 산화물, 실리콘, 및 본 기술에서 채용된 다양한 다른 재료들에 대해 선택적인 실리콘 질화물을 에칭한다.The etching process may be a wet etching process employing a wet etching solution, or it may be a gas phase (dry) etching process in which the etchant is introduced into the
도 40을 참조하면, 적어도 하나의 금속 재료가 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D) 내에 침착될 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 금속 라이너를 형성하는 금속 질화물 재료(예컨대, TaN, TiN, or WN) 및 금속 라이너에 의해 충전되지 않는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 나머지 체적들을 충전하는 금속 충전 재료(예컨대, W, Co, Ru, 또는 Mo)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 금속 재료는 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S) 및 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)의 모든 체적들을 충전한다. 백사이드 트렌치들(79)의 주변 부분들에 또는 최상단 절연 층(32T) 위에 침착된 적어도 하나의 금속 재료의 부분들은 에칭 공정에 의해 제거될 수 있는데, 이는 등방성 에칭 공정 및/또는 이방성 에칭 공정을 포함할 수 있다. 소스 레벨 백사이드 리세스들(43S)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 소스 층들(22)을 구성한다. 드레인 레벨 백사이드 리세스들(43D)을 충전하는 적어도 하나의 금속 재료의 나머지 부분들은 금속 드레인 층들(28)을 구성한다. 도핑된 반도체 소스 층(24)과 금속 소스 층(22)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 소스 영역들 및 소스 라인으로서 기능하는 소스 층(22, 24)을 구성한다.Referring to FIG. 40 , at least one metal material may be deposited in the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. The at least one metal material includes a metal nitride material (eg, TaN, TiN, or WN) forming a metal liner and source level backside recesses 43S and drain level backside recesses 43D not filled by the metal liner. ) may include a metal filling material (eg, W, Co, Ru, or Mo) that fills the remaining volumes. At least one metallic material fills all volumes of the source level backside recesses 43S and the drain level backside recesses 43D. Portions of at least one metallic material deposited on peripheral portions of
도핑된 반도체 드레인층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 각각의 인접한 조합은 수직 전계 효과 트랜지스터들의 각자의 2차원 어레이에 대한 드레인 영역들 및 비트 라인으로서 기능하는 드레인 층(26, 28)을 구성한다.Each adjacent combination of doped
소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 생략될 수 있는 선택적 요소들이다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 존재하는 경우에, 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)은 각각 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)로 대체된다. 이러한 경우에, 소스 층들(22, 24) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 층(22)의 수직 스택을 포함하고, 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 드레인 층(28)의 수직 스택을 포함한다. 소스 희생 재료 층(42S) 및 드레인 레벨 희생 재료 층들(42D)이 생략된 경우에, 하기에서 도 45 내지 도 47에 대하여 더 상세히 기술되는 바와 같이, 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 또는 도핑된 반도체 드레인 층(26)으로 이루어진다. 층들(42S, 42D)이 생략되면, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.Source
도 41을 참조하면, 채널 레벨 백사이드 리세스들(233)은 도핑된 반도체 소스 층들(24), 도핑된 반도체 드레인 층들(26), 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321), 선택적 금속 소스 층들(22), 및 선택적 금속 드레인 층들(28)의 재료들에 선택적으로 채널 레벨 희생 재료 층들(232)을 제거함으로써 형성될 수 있고, 기판(9)의 표면들(이는, 반도체 표면들일 수 있음)에 물리적으로 노출될 수 있다. 일 실시예에서, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 유전체 금속 산화물(예컨대, 알루미늄 산화물)과 같은 재료, 20% 초과의 게르마늄의 원자 농도를 갖는 실리콘 게르마늄 합금, 폴리머 재료, 또는 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)의 금속 재료들과는 상이한 금속 재료를 포함할 수 있고, 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 금속 소스 층들(22) 및 금속 드레인 층들(28)이 생략되면, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 인산 에칭에 의해 선택적으로 제거될 수 있다.Referring to FIG. 41 , the channel level backside recesses 233 include doped semiconductor source layers 24 , doped semiconductor drain layers 26 , inter-transistor
도 42를 참조하면, 연속적 도핑된 반도체 재료 층이 채널 레벨 백사이드 리세스들(233) 내에, 백사이드 트렌치들(79)의 주변 영역들에, 그리고 최상단 절연 층(32T)의 상단 표면 위에 컨포멀하게 침착될 수 있다. 연속적 도핑된 반도체 재료 층은 제1 전도형과 반대인 제2 전도형의 도핑을 갖는 반도체 재료를 포함한다.Referring to FIG. 42 , a continuous doped semiconductor material layer is conformally within the channel level backside recesses 233 , in the peripheral regions of the
연속적 도핑된 반도체 채널 층 내의 반도체 재료는 실리콘, 실리콘 게르마늄 합금, 또는 화합물 반도체 재료를 포함할 수 있다. 연속적 도핑된 반도체 재료 층 내의 제2 전도형의 도펀트들의 원자 농도는 1.0 × 1014/㎤ 내지 3.0 × 1017/㎤의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 원자 농도들이 또한 채용될 수 있다. 연속적 도핑된 반도체 재료 층의 두께는 채널 레벨 백사이드 리세스들(233)의 최소 높이의 1/2 미만일 수 있고, 1 nm 내지 20 nm, 예컨대 3 nm 내지 10 nm의 범위일 수 있지만, 더 작은 그리고 더 큰 두께들이 또한 채용될 수 있다.The semiconductor material in the continuously doped semiconductor channel layer may include silicon, a silicon germanium alloy, or a compound semiconductor material. The atomic concentration of dopants of the second conductivity type in the continuously doped semiconductor material layer may range from 1.0 x 10 14 /
이방성 에칭 공정이 수행되어, 백사이드 트렌치들(79) 내에 그리고 최상단 절연 층(32T) 위에 형성되는 연속적 도핑된 반도체 재료 층의 부분들을 제거할 수 있다. 채널 레벨 백사이드 리세스들(233) 내의 연속적 도핑된 반도체 재료 층의 각각의 나머지 부분이 반도체 채널 재료 층(460)을 구성한다. 반도체 채널 재료 층들(460)은 채널 레벨 백사이드 리세스(233)의 각자의 채널 레벨 백사이드 리세스 내에 전체적으로 위치되는 컨포멀 재료 층들일 수 있다. 메모리 필름(54)을 측방향으로 둘러싸는 반도체 채널 재료 층들(460)의 각각의 원통형 부분이 반도체 채널(60')을 구성한다. 각각의 수직 반도체 채널(60')은 도핑된 반도체 드레인 층(26)과 같은 위에 놓인 도핑된 반도체 층의 하단 표면과 접촉하고, 도핑된 반도체 소스 층(24)과 같은 아래에 놓인 도핑된 반도체 층의 상단 표면과 접촉한다. 반도체 채널들(60)의 수직 스택은, 메모리 필름들(54) 및 게이트 전극들(66)의 형성 후에 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 도핑된 반도체 소스 층 및 도핑된 반도체 드레인 층(26)의 수평 평면들 상에 형성될 수 있다. 반도체 채널들(60')의 각각의 수직 스택은 각자의 메모리 필름(54) 및 각자의 게이트 전극(66)을 측방향으로 둘러싼다.An anisotropic etch process may be performed to remove portions of the continuous doped semiconductor material layer formed in the
도 43을 참조하면, 유전체 재료가 컨포멀 침착 공정에 의해 채널 레벨 백사이드 리세스들(233)의 나머지 체적들 내에 침착될 수 있다. 채널 레벨 백사이드 리세스들(233)을 충전하는 유전체 재료의 부분들은 대체 절연 층들을 구성하는데, 이는 본 명세서에서 채널 레벨 절연 층들(276)로 지칭된다. 백사이드 트렌치들(79)을 충전하는 유전체 재료의 부분들은 백사이드 트렌치 충전 구조물들(76)을 구성한다. 최상단 절연 층(32T) 위에 놓이는 유전체 충전 재료의 부분들이 콘택 레벨 유전체 층(80)을 구성한다. 채널 레벨 절연 층들(276), 백사이드 트렌치 충전 구조물(76), 및 콘택 레벨 유전체 층(80)의 유전체 재료는 전체에 걸쳐 균일한 재료 조성을 가질 수 있고, 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 43 , a dielectric material may be deposited in the remaining volumes of the channel level backside recesses 233 by a conformal deposition process. Portions of dielectric material filling the channel level backside recesses 233 constitute replacement insulating layers, referred to herein as channel
각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 절연 층들(276, 321)이 제공된다. 일 실시예에서, 절연 층들(276, 321)은 전체에 걸쳐 동일한 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 이는 도핑된 실리케이트 유리, 도핑되지 않은 실리케이트 유리, 또는 유기실리케이트 유리의 조성일 수 있다. 다른 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(276)은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)과 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체 채널들(60')의 각자의 반도체 채널과 접촉하는 채널 레벨 절연 층들(276)은 제1 유전체 재료 조성을 가질 수 있고, 반도체 채널들(60')의 임의의 것과 접촉하지 않는 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)은 제1 유전체 재료 조성과 상이한 제2 유전체 재료 조성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 채널들(60')의 수직 스택의 각각의 반도체 채널은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(22, 24)과 드레인 층(26, 28) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(276)의 원통형 측벽과 접촉한다.Insulating
도 44를 참조하면, 도 9a의 공정 단계들이 수행되어 콘택 레벨 유전체 층(80)을 통해 그리고 선택적으로 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)을 통해 콘택 비아 구조물들(88, 86)을 형성할 수 있다. 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 워드 라인 콘택 비아 구조물들(88)을 포함하는데, 이들 각각은 콘택 패드 구조물들(68)의 각자의 콘택 패드 구조물과 접촉하고 각자의 게이트 전극(66)에 전기적으로 접속된다. 또한, 콘택 비아 구조물들(88, 86)은 각자의 계단 영역들(200A, 200B) 내의 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층과 접촉하는 층 콘택 비아 구조물들(86)(예컨대, 86S, 86D)을 포함한다. 구체적으로, 층 콘택 비아 구조물들(86S, 86D) 각각은 계단 영역들(200A, 200B) 내의 스텝형 표면들에 노출된 소스 층들(22, 24) 또는 드레인 층들(26, 28)의 각자의 층의 수평 표면과 접촉할 수 있다. 이어서, 워드 라인들(98)이 콘택 레벨 유전체 층(80) 위에(그리고 게이트 전극들(66), 소스 층들(22, 24) 및 드레인 층들(26, 28) 위에) 형성되고, 콘택 비아 구조물(88) 및 선택적 콘택 패드 구조물들(68)을 통해 게이트 전극들(66)과 전기 접촉한다.Referring to FIG. 44 , the process steps of FIG. 9A may be performed to form contact via
도 45를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 도 34의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 소스 희생 층들(42S) 및 드레인 희생 층들(42D)의 생략에 의해 형성되는 제4 예시적인 구조물의 대안적인 실시예가 예시된다. 이러한 실시예에서, 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 45 , a fourth exemplary embodiment formed by omitting the source
도 46을 참조하면, 제4 예시적인 실시예의 대안적인 실시예가 도 37의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 예시된다.Referring to FIG. 46 , an alternative embodiment of the fourth exemplary embodiment is illustrated in process steps corresponding to the process steps in FIG. 37 .
도 47을 참조하면, 제4 예시적인 구조물의 대안적인 실시예는 도 44의 공정 단계들에 대응하는 공정 단계에서 예시되는데, 여기서 채널 레벨 희생 재료 층들(232)은 선택적 에칭에 의해(예컨대, 인산 에칭에 의해) 제거되고 수직 반도체 채널들(60')로 대체된다. 선택적으로, 수직 반도체 채널(60') 및 도핑된 반도체 소스 층들(24) 및 드레인 층들(26)은, 스택 내의 나머지 절연 층들에 대해 반도체 재료들(예컨대, 실리콘)을 에칭하는 선택적 에칭을 사용하는 백사이드 트렌치들(79)을 통한 선택적 에칭에 의해 리세스될 수 있다. 이어서, 리세스들 내에 금속이 형성되어 각자의 반도체 소스 층들(24) 및 드레인 층들(26)과 접촉하는 전기 전도성 소스 라인(122) 및 전기 전도성 드레인 라인(128)을 형성한다. 금속은 텅스텐, 니켈 또는 코발트를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 금속을 각자의 반도체 소스 층들(24) 및 드레인 층들(26)과 반응시키고, 전기 전도성 소스 라인(122) 및 전기 전도성 드레인 라인(128)의 전부 또는 일부를 금속 규화물, 예컨대 텅스텐 규화물, 니켈 규화물 또는 코발트 규화물로 변환시키기 위해 실리사이드화 어닐링(silicidation anneal)이 행해질 수 있다. 전기 전도성 소스 라인(122) 및 전기 전도성 드레인 라인(128)은 반도체 채널 재료 층(460)과 접촉할 수 있거나, 그들이 반도체 채널 재료 층(460)과 접촉하지 않도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 47 , an alternative embodiment of a fourth exemplary structure is illustrated in a process step corresponding to the process steps of FIG. 44 , wherein the channel level sacrificial material layers 232 are selectively etched (eg, phosphoric acid). etch) and replaced with vertical semiconductor channels 60'. Optionally, the vertical semiconductor channel 60' and the doped semiconductor source layers 24 and drain layers 26 using a selective etch to etch semiconductor materials (eg, silicon) relative to the remaining insulating layers in the stack. It may be recessed by selective etching through the
제3 예시적인 구조물 및 제4 예시적인 구조물의 모든 도면들을 참조하면, 3차원 메모리 디바이스가 제공되고, 이는 기판(9) 위에 위치된 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 교번하는 스택, 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들(49)의 어레이, 메모리 개구들(49)의 어레이의 각자의 메모리 개구 내에 각각 위치되고 교번하는 스택의 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28) 각각을 통해 수직으로 연장되는 게이트 전극들(66); 메모리 개구들(49)의 어레이 중 하나의 메모리 개구 내에 각각 위치되고 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러싸는 메모리 필름들(54), 및 메모리 필름들(54)의 각자의 메모리 필름을 측방향으로 둘러싸는 반도체 채널들(360, 60')의 수직 스택들을 포함하고, 여기서 수직 반도체 채널들(360, 60') 각각은 소스 층들(24, 선택적으로 22) 중 일정 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28) 중 일정 드레인 층(26, 선택적으로 28)의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 수평 표면들과 접촉한다.With reference to all figures of the third exemplary structure and the fourth exemplary structure, a three-dimensional memory device is provided, comprising source layers 24 , optionally 22 , and drain layers 26 , optionally located over a
일 실시예에서, 워드 라인들(98)은 게이트 전극들(66) 위에 그리고 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택 위에 위치되고, 여기서 워드 라인들(98)은 게이트 전극들(66)에 전기적으로 접속된다.In one embodiment, word lines 98 are positioned over
일 실시예에서, 절연 층들(132, 270, 321)이 각각의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층(26, 선택적으로 28) 사이에 위치된다.In one embodiment, insulating
일 실시예에서, 절연 층들(132, 270, 321)은 반도체 채널들(360, 60')의 각자의 반도체 채널과 접촉하는 채널 레벨 절연 층들(132, 270); 및 반도체 채널들(360, 60') 중 어떠한 반도체 채널과도 접촉하지 않는 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)을 포함한다.In one embodiment, insulating
일 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(132)의 측벽들은 트랜지스터간 레벨 절연 층들(321)의 측벽들에 대해 그리고 각각의 메모리 개구(49) 주위의 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 측벽들에 대해 외측으로 측방향으로 리세스된다.In one embodiment, the sidewalls of the channel
일 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(132) 각각은 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 각자의 소스 층 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 각자의 드레인 층의 수평 표면들과 직접 접촉한다.In one embodiment, each of the channel
일 실시예에서, 채널 레벨 절연 층들(270) 각각은 소스 층들(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)과 접촉하지 않고, 이들로부터 적어도 각자의 반도체 채널 재료 층(460)에 의해 수직으로 이격된다.In one embodiment, each of the channel level insulating layers 270 is not in contact with the source layers 24 , optionally 22 , and the drain layers 26 , optionally 28 , therefrom at least a respective semiconductor
일 실시예에서, 반도체 채널들(360, 60')의 수직 스택들 각각은 서로 직접 접촉하지 않고 서로 수직으로 이격되는 한 세트의 개별 반도체 채널들(360, 60')을 포함한다.In one embodiment, each of the vertical stacks of
일 실시예에서, 각각의 반도체 채널(360, 60')의 외측 측벽의 전체가 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(24, 선택적으로 22)과 드레인 층들(26, 선택적으로 28) 사이에 위치된 각자의 채널 레벨 절연 층(132, 270)의 원통형 측벽과 접촉한다.In one embodiment, the entirety of the outer sidewall of each
제3 실시예에서, 각각의 반도체 채널(360)의 외측 측벽은 각자의 수직으로 이웃하는 쌍 내의 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층(26, 선택적으로 28) 중 하나의 층의 수평 표면과 접촉하는 상부 주연부를 포함하고, 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 소스 층(24, 선택적으로 22) 및 드레인 층(26, 선택적으로 28) 중 다른 층의 수평 표면과 접촉하는 하부 주연부를 포함한다.In a third embodiment, the outer sidewall of each
제4 실시예에서, 반도체 채널들(60') 각각은 반도체 채널 재료 층(460)의 중공 원통형 세그먼트를 포함하며, 이는 각자의 반도체 채널(60')의 상부 단부에 인접한 상부 반도체 채널 재료 층 세그먼트; 및 각자의 반도체 채널(60')의 하부 단부에 인접한 하부 반도체 채널 재료 층 세그먼트를 포함한다. 상부 반도체 채널 재료 층 세그먼트는 제1 p-n 접합부에서 도핑된 반도체 드레인 층(26)과 같은 위에 놓인 도핑된 반도체 재료 층과 접촉하는 반도체 채널 재료 층(460)의 상부 수평 부분이다. 하부 반도체 채널 재료 층 세그먼트는 제2 p-n 접합부에서 도핑된 반도체 소스 층(24)과 같은 위에 놓인 도핑된 반도체 재료 층과 접촉하는 반도체 채널 재료 층(460)의 하부 수평 부분이다.In a fourth embodiment, each of the semiconductor channels 60' comprises a hollow cylindrical segment of a semiconductor
일 실시예에서, 반도체 채널 재료 층(460)은 중공 원통형 세그먼트 및 게이트 전극들(66)을 측방향으로 둘러싸는 추가의 원통형 세그먼트들을 포함하는 한 세트의 반도체 채널들(60')을 포함한다.In one embodiment, the semiconductor
일 실시예에서, 소스 층들(24, 22) 각각은 도핑된 반도체 소스 층(24) 및 금속 소스 라인(22)의 수직 스택을 포함하고; 드레인 층들(26, 28) 각각은 도핑된 반도체 드레인 층(26) 및 금속 비트 라인(28)의 수직 스택을 포함한다.In one embodiment, each of the source layers 24 , 22 comprises a vertical stack of a doped
일 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은, 터널링 유전체 층(542); 터널링 유전체 층(542)과 접촉하는 전하 저장 층(544); 및 전하 저장 층(544)과 접촉하는 차단 유전체 층(546)을 포함하는 네스트형 층 스택을 포함한다. 다른 실시예에서, 메모리 필름들(54) 각각은 강유전성 재료 층을 포함하고/포함하거나 강유전성 재료 층으로 이루어진다.In one embodiment, each of the
일 실시예에서, 3차원 메모리 디바이스는 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 각자의 소스 층과 접촉하는 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S); 및 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 각자의 드레인 층과 접촉하는 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 포함한다.In one embodiment, the three-dimensional memory device includes source layer contact via
일 실시예에서, 교번하는 스택 내의 소스 층들(24, 선택적으로 22)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고; 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 선택적으로 28)은 기판(9)으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고; 제1 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)은 교번하는 스택 내의 소스 층들(24, 선택적으로 22)의 수평 표면들과 접촉하고, 소스 층 콘택 비아 구조물들(86S)을 측방향으로 둘러싸고; 그리고, 제2 역-스텝형 유전체 재료 부분(65)은 교번하는 스택 내의 드레인 층들(26, 선택적으로 28)의 수평 표면들과 접촉하고, 드레인 층 콘택 비아 구조물들(86D)을 측방향으로 둘러싼다.In one embodiment, the source layers 24 , optionally 22 in the alternating stack, have different lateral extents that decrease with vertical distance from the
일 실시예에서, 게이트 전극들(66)은 메모리 필름들(54)의 수평 부분들에 의해 기판(9)으로부터 수직으로 이격되고; 게이트 전극들(66) 각각은 각자의 유전체 코어(62)를 측방향으로 둘러싸고; 그리고, 콘택 패드 구조물들(68)은 게이트 전극들(66)의 각자의 게이트 전극의 상단 단부와 접촉한다.In one embodiment, the
도 48을 참조하면, 본 발명의 3차원 메모리 디바이스의 다양한 실시예들에 대한 회로도가 예시된다. 각각의 소스 층(24, 22)은 백사이드 트렌치들(79)의 각자의 이웃하는 쌍에 의해 측방향으로 경계지어질 수 있고, 소스 라인(22, 122)("SL")을 포함한다. 소스 라인(SL)들은 수직 방향을 따라 그리고 백사이드 트렌치들(79)의 길이 방향에 평행한 수평 방향을 따라 연장되는 3차원 어레이로서 배열된다. 이와 같이, 소스 라인(SL)들은 2차원 좌표(i, j)로 넘버링될 수 있으며, 여기서 i는 각자의 소스 라인의 레벨을 지칭하고, j는 백사이드 트렌치들(79)의 각자의 이웃하는 쌍에 의해 결정되는 공간을 지칭한다. 예를 들어, 기판(9)으로부터 각자의 거리를 갖고 백사이드 트렌치들(79)의 각각의 이웃하는 쌍 사이에 (n+1)개의 소스 층들(24, 22) 및 (n+1)개의 드레인 층들(26, 28)이 존재하는 경우, 인덱스 i는 0 내지 n의 범위일 수 있다. (m+2)개의 백사이드 트렌치들(79)이 존재하는 경우, (m+1)개의 소스 층들(24, 22)이 각각의 소스 레벨마다 제공되고 (m+1)개의 드레인 층들(26, 28)이 각각의 드레인 레벨마다 제공된다. 인덱스 j는 0 내지 m의 범위일 수 있다.Referring to Figure 48, a circuit diagram for various embodiments of the three-dimensional memory device of the present invention is illustrated. Each
각각의 드레인 층(26, 28)은 백사이드 트렌치들(79)의 각자의 이웃하는 쌍에 의해 측방향으로 경계지어질 수 있고, 비트 라인(28, 128)("BL")을 포함한다. 비트 라인(BL)들은 수직 방향을 따라 그리고 백사이드 트렌치들(79)의 길이 방향에 평행한 수평 방향을 따라 연장되는 3차원 어레이로서 배열된다.Each
그와 같이, 비트 라인(BL)들은 대응하는 소스 라인(SL)(i, j)과 동일한 2차원 좌표(i, j)로 넘버링될 수 있다.As such, the bit lines BL may be numbered with the same two-dimensional coordinates (i, j) as the corresponding source line SL (i, j).
게이트 전극들(66)은 2차원 어레이로서 배열될 수 있고, 메모리 수직 전계 효과 트랜지스터들의 제어 게이트 전극들로서 기능할 수 있다. 각각의 트랜지스터는 각자의 반도체 채널인데, 이는 반도체 채널 층(60L)의 일부분을 포함할 수 있거나, 개별 반도체 채널(60, 360)을 포함할 수 있거나, 반도체 채널 재료 층(460)의 일부분인 반도체 채널(60')을 포함할 수 있다. 게이트 전극들(66)은 2차원 어레이로서 배열될 수 있는데, 이는 육각형 어레이 또는 직사각형 어레이일 수 있다. 동일한 메모리 블록 내의 각자의 이웃하는 쌍의 백사이드 트렌치들(79) 사이에 위치된 소스 라인(SL)들 및 비트 라인(BL)들의 동일한 세트를 통해 연장되는 게이트 전극들(66)은 게이트 전극들의 그룹을 구성한다. 동일한 그룹 내의(즉, 동일한 메모리 블록 내의) 각각의 게이트 전극(66)은 상이한 워드 라인(98)(WL)과 전기적으로 접촉한다.The
워드 라인들(98)(WL)은 백사이드 트렌치들(79)의 길이 방향에 수직인(그리고, 소스 라인(SL)들 및 비트 라인(BL)들의 방향에 수직인) 수평 방향을 따라 연장되는 2차원 어레이로서 배열된다. 그룹들의 총 수는 (m+1)개일 수 있다. 게이트 전극들의 그룹 내의 각각의 게이트 전극(66)은 개별적으로 넘버링될 수 있다. 전극들의 각각의 그룹 내에 (x+1)개의 게이트 전극들이 존재하면, 게이트 전극들은 2차원 좌표계 (k, j)를 채용하여 라벨링될 수 있고, 여기서, k는 0 내지 x로 이어지는 인덱스이고 그룹 내의 개별 게이트 전극을 식별하고, j는 0 내지 m으로 이어지는 인덱스이고 게이트 전극이 속하는 그룹을 식별한다. 따라서, 3차원 좌표 (i, j, k)는 메모리 셀을 고유하게 식별할 수 있다.The word lines 98 (WL) extend along a horizontal direction perpendicular to the longitudinal direction of the backside trenches 79 (and perpendicular to the directions of the source lines SL and bit lines BL). arranged as a dimensional array. The total number of groups may be (m+1). Each
제1 실시예에서, 반도체 채널은 수직 방향에서 연속적이다. 따라서, 하나의 워드 라인(98)을 활성화시키는 것은 활성화된 워드 라인(98)에 전기적으로 접속되는 각자의 게이트 전극들(66)을 활성화시킨다. 한 쌍의 활성화된 소스 영역과 드레인 영역 사이의 반도체 채널 층(60L)의 일부분에 인접한 메모리 필름(54)의 일부분이 활성화된다(예컨대, 프로그래밍되거나, 소거되거나 또는 판독됨). 소스 영역 및 드레인 영역의 쌍은 드레인 영역과는 상이한 전압을 소스 영역에 인가함으로써 활성화될 수 있다. 나머지, 선택되지 않은 소스 영역 및 드레인 영역(및 그들의 선택적인 각자의 소스 라인 및 드레인 라인)은 선택되지 않은 메모리 셀들의 활성화를 회피하도록 선택된 메모리 셀의 소스 전압으로 설정된다.In the first embodiment, the semiconductor channel is continuous in the vertical direction. Thus, activating one
제2 내지 제4 실시예들에서, 반도체 채널들은 수직 방향에서 불연속적이다. 이들 실시예들에서, 하나의 워드 라인(98)이 활성화되어 활성화된 워드 라인(98)에 전기적으로 접속되는 각자의 게이트 전극들(66)을 활성화시킨다. 모든 메모리 필름들(54)은 이들 실시예들에서 활성화될 수 있다.In the second to fourth embodiments, the semiconductor channels are discontinuous in the vertical direction. In these embodiments, one
본 발명의 실시예들은 비트 어드레스 가능한, 고밀도 3차원 메모리 어레이를 제공한다. 반도체 채널은 더 넓게 만들어질 수 있고, 이는 더 타이트한 임계 전압 분포를 제공한다. 각각의 메모리 셀에 대한 개별 소스 라인들(22, 122) 및 비트 라인들(28, 128)은 증가된 메모리 속도에 대해 더 높은 셀 전류를 제공한다.Embodiments of the present invention provide a bit-addressable, high-density three-dimensional memory array. The semiconductor channel can be made wider, which provides a tighter threshold voltage distribution. Separate source lines 22, 122 and
전술한 내용이 특정 바람직한 실시예들을 언급하지만, 본 발명이 그렇게 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 다양한 수정들이 개시된 실시예들에 대해 이루어질 수 있고 그러한 수정들은 본 발명의 범주 내에 있도록 의도된다는 것이 당업자에게 떠오를 것이다. 서로 대안이 아닌 모든 실시예들 사이에서 호환성이 추정된다. 단어 "포함한다(comprise 또는 include)"는, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 단어 "~로 본질적으로 이루어진다(consist essentially of)" 또는 단어 "~로 이루어진다"가 단어 "포함하다"를 대체하는 모든 실시예들을 고려한다. 특정 구조 및/또는 구성을 채용하는 실시예가 본 발명에 예시되어 있는 경우, 본 발명은, 그러한 치환이 명백히 금지되거나 달리 당업자에게 불가능하다고 알려져 있지 않다면, 기능적으로 등가인 임의의 다른 호환가능한 구조들 및/또는 구성들로 실시될 수 있음이 이해된다. 본 명세서에 인용된 모든 간행물, 특허 출원 및 특허는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.While the foregoing refers to certain preferred embodiments, it will be understood that the invention is not so limited. It will occur to those skilled in the art that various modifications may be made to the disclosed embodiments and that such modifications are intended to be within the scope of the present invention. Compatibility is assumed between all embodiments that are not alternatives to each other. The word “comprise or include” means that, unless explicitly stated otherwise, the word “consist essentially of” or the word “consisting of” replaces the word “comprise”. All embodiments are considered. When an embodiment employing a particular structure and/or configuration is illustrated in the present invention, the present invention relates to any other functionally equivalent compatible structures and It is understood that/or configurations may be implemented. All publications, patent applications and patents cited herein are incorporated herein by reference in their entirety.
Claims (40)
기판 위에 위치된 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택; 상기 교번하는 스택의 상기 소스 층들 및 상기 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장되는 게이트 전극들;
상기 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극을 각각 측방향으로 둘러싸는 메모리 필름들; 및 상기 메모리 필름들의 각자의 메모리 필름을 각각 측방향으로 둘러싸고 상기 소스 층들 중 일정 소스 층 및 상기 드레인 층들 중 일정 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 측벽들과 접촉하는 반도체 채널들을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.A three-dimensional memory device comprising:
an alternating stack of source and drain layers positioned over the substrate; gate electrodes extending vertically through each of the source and drain layers of the alternating stack;
memory films that laterally surround respective gate electrodes of the gate electrodes; and semiconductor channels laterally surrounding a respective one of the memory films and in contact with a respective vertically neighboring pair of sidewalls of a source layer of the source layers and a drain layer of the drain layers. 3D memory device.
상기 게이트 전극들 위에 그리고 상기 소스 층들 및 상기 드레인 층들의 상기 교번하는 스택 위에 위치되는 워드 라인들 - 상기 워드 라인들은 상기 게이트 전극들에 전기적으로 접속됨 -; 및
상기 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들의 어레이를 추가로 포함하고, 상기 게이트 전극들 각각은 상기 메모리 개구들의 각자의 메모리 개구 내에 위치되는, 3차원 메모리 디바이스.According to claim 1,
word lines positioned over said gate electrodes and over said alternating stack of source and drain layers, said word lines electrically connected to said gate electrodes; and
and an array of memory openings extending vertically through the alternating stack, each of the gate electrodes located within a respective memory opening of the memory openings.
상기 반도체 채널들의 각자의 반도체 채널과 접촉하고 제1 유전체 재료 조성을 갖는 채널 레벨 절연 층들; 및
상기 반도체 채널들 중 어떠한 반도체 채널과도 접촉하지 않고 상기 제1 유전체 재료 조성과 상이한 제2 유전체 재료 조성을 갖는 트랜지스터간 레벨 절연 층들을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.4. The method of claim 3, wherein the insulating layers are
channel level insulating layers in contact with a respective semiconductor channel of the semiconductor channels and having a first dielectric material composition; and
and inter-transistor level insulating layers not in contact with any of the semiconductor channels and having a second dielectric material composition different from the first dielectric material composition.
상기 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층 및 금속 소스 라인의 수직 스택을 포함하고;
상기 드레인 층들 각각은 도핑된 반도체 드레인 층 및 금속 비트 라인의 수직 스택을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.According to claim 1,
each of the source layers comprises a doped semiconductor source layer and a vertical stack of metal source lines;
wherein each of the drain layers comprises a doped semiconductor drain layer and a vertical stack of metal bit lines.
터널링 유전체 층;
상기 터널링 유전체 층과 접촉하는 전하 저장 층; 및
상기 전하 저장 층과 접촉하는 차단 유전체 층을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.The method of claim 1 , wherein each of the memory films comprises a layer stack, the layer stack comprising:
tunneling dielectric layer;
a charge storage layer in contact with the tunneling dielectric layer; and
and a blocking dielectric layer in contact with the charge storage layer.
상기 소스 층들의 각자의 소스 층과 접촉하는 소스 층 콘택 비아 구조물들; 및
상기 드레인 층들의 각자의 드레인 층과 접촉하는 드레인 층 콘택 비아 구조물들을 추가로 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.According to claim 1,
source layer contact via structures in contact with a respective source layer of the source layers; and
and drain layer contact via structures in contact with a respective drain layer of the drain layers.
상기 교번하는 스택 내의 상기 소스 층들은 상기 기판으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고;
상기 교번하는 스택 내의 상기 드레인 층들은 상기 기판으로부터의 수직 거리에 따라 감소하는 상이한 측방향 범위들을 갖고;
제1 역-스텝형 유전체 재료 부분은 상기 교번하는 스택 내의 상기 소스 층들의 수평 표면들과 접촉하고, 상기 소스 층 콘택 비아 구조물들을 측방향으로 둘러싸고;
제2 역-스텝형 유전체 재료 부분은 상기 교번하는 스택 내의 상기 드레인 층들의 수평 표면들과 접촉하고, 상기 드레인 층 콘택 비아 구조물들을 측방향으로 둘러싸는, 3차원 메모리 디바이스.14. The method of claim 13,
the source layers in the alternating stack have different lateral extents that decrease with vertical distance from the substrate;
the drain layers in the alternating stack have different lateral extents that decrease with vertical distance from the substrate;
a first reverse-stepped dielectric material portion contacts horizontal surfaces of the source layers in the alternating stack and laterally surrounds the source layer contact via structures;
and a second portion of reverse-stepped dielectric material contacts horizontal surfaces of the drain layers in the alternating stack and laterally surrounds the drain layer contact via structures.
상기 게이트 전극들은 상기 메모리 필름들의 수평 부분들에 의해 상기 기판으로부터 수직으로 이격되고;
상기 게이트 전극들 각각은 각자의 유전체 코어를 측방향으로 둘러싸고; 콘택 패드 구조물들이 상기 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극의 최상단 단부와 접촉하는, 3차원 메모리 디바이스.According to claim 1,
the gate electrodes are vertically spaced from the substrate by horizontal portions of the memory films;
each of the gate electrodes laterally surrounds a respective dielectric core; and contact pad structures contacting a top end of a respective gate electrode of the gate electrodes.
기판 위에 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들의 교번하는 스택을 형성하는 단계;
상기 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들을 형성하는 단계; 각각의 메모리 개구 내에 연속적 반도체 채널 층을 형성하는 단계 - 상기 도핑된 반도체 소스 층들 중 일정 도핑된 반도체 소스 층 및 상기 도핑된 반도체 드레인 층들 중 일정 도핑된 반도체 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 측벽들 상에 반도체 채널들이 형성됨 -;
상기 반도체 채널들 위에 메모리 필름들을 형성하는 단계; 및
상기 메모리 필름들 위에 게이트 전극들을 형성하는 단계 - 상기 게이트 전극들 각각은 상기 교번하는 스택의 상기 도핑된 반도체 소스 층들 및 상기 도핑된 반도체 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨-를 포함하는, 방법.A method of forming a three-dimensional memory device, comprising:
forming an alternating stack of doped semiconductor source layers and doped semiconductor drain layers over a substrate;
forming memory openings extending vertically through the alternating stack; forming a continuous semiconductor channel layer within each memory opening - a respective vertically neighboring pair of a doped one of the doped semiconductor source layers and a doped one of the doped semiconductor drain layers semiconductor channels formed on the sidewalls;
forming memory films over the semiconductor channels; and
forming gate electrodes over the memory films, each of the gate electrodes extending vertically through each of the doped semiconductor source layers and the doped semiconductor drain layers of the alternating stack.
상기 메모리 개구들의 형성 이전에 수직으로 이웃하는 쌍들의 도핑된 반도체 소스 층과 도핑된 반도체 드레인 층 사이에 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층을 형성하는 단계;
상기 도핑된 반도체 소스 층들 및 상기 도핑된 반도체 드레인 층들에 대해 선택적으로 상기 트랜지스터간 레벨 희생 재료 층들을 제거함으로써 백사이드 리세스들을 형성하는 단계;
상기 연속적 반도체 채널 층들 각각을, 상기 백사이드 리세스들에 물리적으로 노출되는 각각의 연속적 반도체 채널 층의 부분들을 제거함으로써 서로 수직으로 이격되는 한 세트의 개별 반도체 채널들로 분할하는 단계; 및
상기 백사이드 리세스들 각각에 트랜지스터간 레벨 절연 층을 침착시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.17. The method of claim 16,
forming an inter-transistor level sacrificial material layer between vertically adjacent pairs of doped semiconductor source and doped semiconductor drain layers prior to formation of the memory openings;
forming backside recesses by removing the inter-transistor level sacrificial material layers selectively with respect to the doped semiconductor source layers and the doped semiconductor drain layers;
dividing each of the successive semiconductor channel layers into a set of discrete semiconductor channels vertically spaced apart from each other by removing portions of each successive semiconductor channel layer that are physically exposed to the backside recesses; and
and depositing an inter-transistor level insulating layer in each of the backside recesses.
상기 게이트 전극들 위에 그리고 상기 교번하는 스택 위에 위치되는 워드 라인들을 형성하는 단계 - 상기 워드 라인들은 상기 게이트 전극들에 전기적으로 접속됨 -;
상기 메모리 개구들의 형성 이전에 소스 레벨 희생 재료 층들 및 드레인 레벨 희생 재료 층들을 형성하여, 상기 소스 레벨 희생 재료 층들 각각이 상기 도핑된 반도체 소스 층들의 각자의 도핑된 반도체 소스 층 아래에 형성되게 하고 드레인 레벨 희생 재료 층들 각각이 상기 도핑된 반도체 소스 층들의 각자의 도핑된 반도체 소스 층 위에 형성되게 하는 단계; 및
상기 소스 레벨 희생 재료 층들 및 드레인 레벨 희생 재료 층들을 금속 소스 라인들 및 금속 드레인 라인들로 각각 대체하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.17. The method of claim 16,
forming word lines positioned over the gate electrodes and over the alternating stack, the word lines electrically connected to the gate electrodes;
forming source level sacrificial material layers and drain level sacrificial material layers prior to formation of the memory openings such that each of the source level sacrificial material layers is formed under a respective doped semiconductor source layer of the doped semiconductor source layers and a drain causing each of the level sacrificial material layers to be formed over a respective doped semiconductor source layer of the doped semiconductor source layers; and
and replacing the source level sacrificial material layers and drain level sacrificial material layers with metal source lines and metal drain lines, respectively.
기판 위에 위치된 소스 층들 및 드레인 층들의 교번하는 스택;
상기 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들의 어레이; 게이트 전극들 - 각각의 게이트 전극은 상기 메모리 개구들의 어레이 중 하나의 메모리 개구 내에 위치되고 상기 교번하는 스택의 상기 소스 층들 및 상기 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨 -;
메모리 필름들 - 각각의 메모리 필름은 상기 메모리 개구들의 어레이 중 하나의 메모리 개구 내에 위치되고 상기 게이트 전극들의 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러쌈 -; 및
상기 메모리 필름들의 각자의 메모리 필름을 측방향으로 둘러싸는 반도체 채널들의 수직 스택들 - 상기 수직의 반도체 채널들 각각은 상기 소스 층들 중 일정 소스 층 및 상기 드레인 층들 중 일정 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 수평 표면들과 접촉함 - 을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.A three-dimensional memory device comprising:
an alternating stack of source and drain layers positioned over the substrate;
an array of memory openings extending vertically through the alternating stack; gate electrodes, each gate electrode positioned within one of the array of memory openings and extending vertically through each of the source and drain layers of the alternating stack;
memory films, each memory film positioned within one of the array of memory openings and laterally surrounding a respective gate electrode of the gate electrodes; and
vertical stacks of semiconductor channels laterally surrounding a respective memory film of said memory films, each of said vertical semiconductor channels being a respective vertically neighboring one of said source layers and a respective one of said drain layers. A three-dimensional memory device comprising: in contact with a pair of horizontal surfaces.
상기 반도체 채널들의 각자의 반도체 채널과 접촉하는 채널 레벨 절연 층들; 및
상기 반도체 채널들 중 어떠한 반도체 채널과도 접촉하지 않는 트랜지스터간 레벨 절연 층들을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.24. The method of claim 23, wherein the insulating layers comprise:
channel level insulating layers in contact with respective semiconductor channels of the semiconductor channels; and
and inter-transistor level insulating layers not in contact with any of the semiconductor channels.
각자의 반도체 채널의 상부 단부에 인접한 상부 반도체 채널 재료 층 세그먼트; 및
상기 각자의 반도체 채널의 하부 단부에 인접한 하부 반도체 채널 재료 층 세그먼트를 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.30. The method of claim 29, wherein each of the semiconductor channels comprises a hollow cylindrical segment of a layer of semiconductor channel material, the hollow cylindrical segment of the layer of semiconductor channel material comprising:
an upper semiconductor channel material layer segment adjacent an upper end of each semiconductor channel; and
and a lower semiconductor channel material layer segment adjacent a lower end of the respective semiconductor channel.
상기 소스 층들 각각은 도핑된 반도체 소스 층 및 금속 소스 라인의 수직 스택을 포함하고;
상기 드레인 층들 각각은 도핑된 반도체 드레인 층 및 금속 비트 라인의 수직 스택을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.32. The method of claim 31,
each of the source layers comprises a doped semiconductor source layer and a vertical stack of metal source lines;
wherein each of the drain layers comprises a doped semiconductor drain layer and a vertical stack of metal bit lines.
터널링 유전체 층;
상기 터널링 유전체 층과 접촉하는 전하 저장 층; 및
상기 전하 저장 층과 접촉하는 차단 유전체 층을 포함하는, 3차원 메모리 디바이스.32. The method of claim 31 , wherein each of the memory films comprises a layer stack, the layer stack comprising:
tunneling dielectric layer;
a charge storage layer in contact with the tunneling dielectric layer; and
and a blocking dielectric layer in contact with the charge storage layer.
기판 위에 도핑된 반도체 소스 층들 및 도핑된 반도체 드레인 층들의 교번하는 스택을 형성하는 단계;
상기 교번하는 스택을 통해 수직으로 연장되는 메모리 개구들을 형성하는 단계; 각각의 메모리 개구 내에 메모리 필름 및 게이트 전극을 형성하는 단계 - 상기 메모리 필름 및 상기 게이트 전극은 상기 교번하는 스택의 상기 도핑된 반도체 소스 층들 및 상기 도핑된 반도체 드레인 층들 각각을 통해 수직으로 연장됨 -; 및
상기 메모리 필름 및 상기 게이트 전극의 형성 이전에, 또는 그 후에 상기 도핑된 반도체 소스 층들 중 일정 도핑된 반도체 소스 층 및 상기 도핑된 반도체 드레인 층들 중 일정 도핑된 반도체 드레인 층의 각자의 수직으로 이웃하는 쌍의 수평 표면들 상에 반도체 채널들의 수직 스택을 형성하는 단계를 포함하고,
반도체 채널들의 각각의 수직 스택은 상기 각자의 메모리 필름 및 상기 각자의 게이트 전극을 측방향으로 둘러싸는, 방법.A method of forming a three-dimensional memory device, comprising:
forming an alternating stack of doped semiconductor source layers and doped semiconductor drain layers over a substrate;
forming memory openings extending vertically through the alternating stack; forming a memory film and a gate electrode in each memory opening, the memory film and the gate electrode extending vertically through each of the doped semiconductor source layers and the doped semiconductor drain layers of the alternating stack; and
Each vertically adjacent pair of a doped one of the doped semiconductor source layers and a doped one of the doped semiconductor drain layers before or after formation of the memory film and the gate electrode forming a vertical stack of semiconductor channels on the horizontal surfaces of
and each vertical stack of semiconductor channels laterally surrounds the respective memory film and the respective gate electrode.
상기 반도체 채널들의 레벨들에 형성된 채널 레벨 절연 층들; 및 상기 반도체 채널들로부터 수직으로 이격되는 트랜지스터간 레벨 절연 층들을 포함하는, 방법.37. The method of claim 36, further comprising: forming insulating layers between each vertically neighboring pair of a doped one of the doped semiconductor source layers and a doped one of the doped semiconductor drain layers. Further comprising, the insulating layers comprising:
channel level insulating layers formed at the levels of the semiconductor channels; and inter-transistor level insulating layers spaced vertically from the semiconductor channels.
상기 트랜지스터간 레벨 절연 층들 및 상기 채널 레벨 절연 층들은 상기 메모리 개구들의 형성 이전에 형성되고;
상기 방법은,
상기 도핑된 반도체 소스 층들, 도핑된 반도체 드레인 층들, 및 트랜지스터간 레벨 절연 층들의 측벽들에 대해 상기 채널 레벨 절연 층들의 측벽들을 측방향으로 리세스함으로써 환상 공동들을 형성하는 단계;
상기 환상 공동들 내에 반도체 재료를 컨포멀하게 침착시키는 단계; 및 상기 환상 공동들 외측으로부터 상기 컨포멀하게 침착된 반도체 재료의 부분들을 제거하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 환상 공동들 내의 상기 컨포멀하게 침착된 반도체 재료의 나머지 부분들이 상기 반도체 채널들의 수직 스택들을 구성하는, 방법.38. The method of claim 37,
the inter-transistor level insulating layers and the channel level insulating layers are formed prior to the formation of the memory openings;
The method is
forming annular cavities by laterally recessing sidewalls of the channel level insulating layers with respect to the sidewalls of the doped semiconductor source layers, doped semiconductor drain layers, and inter-transistor level insulating layers;
conformally depositing a semiconductor material within the annular cavities; and removing portions of the conformally deposited semiconductor material from outside the annular cavities, wherein the remaining portions of the conformally deposited semiconductor material within the annular cavities are the vertical stack of semiconductor channels. How to organize them.
상기 트랜지스터간 레벨 절연 층들 및 채널 레벨 희생 재료 층들을 형성하는 단계는 상기 메모리 개구들의 형성 이전에 발생하고, 상기 채널 레벨 희생 재료 층들은 상기 채널 레벨 절연 층들이 후속적으로 형성되는 레벨들에 형성되고;
상기 방법은,
상기 도핑된 반도체 소스 층들, 도핑된 반도체 드레인 층들, 및 상기 트랜지스터간 레벨 절연 층들에 대해 선택적으로
상기 채널 레벨 희생 재료 층들을 제거함으로써 백사이드 리세스들을 형성하는 단계; 및
각각의 백사이드 리세스 내에 반도체 채널 재료 층을 침착시키는 단계를 추가로 포함하고, 메모리 필름을 측방향으로 둘러싸는 상기 반도체 채널 재료 층들의 각각의 원통형 부분은 상기 반도체 채널들 중 하나의 반도체 채널을 구성하는, 방법.38. The method of claim 37,
forming the inter-transistor level insulating layers and the channel level sacrificial material layers occurs prior to the formation of the memory openings, the channel level sacrificial material layers being formed at levels at which the channel level insulating layers are subsequently formed; ;
The method is
selectively with respect to the doped semiconductor source layers, doped semiconductor drain layers, and the inter-transistor level insulating layers
forming backside recesses by removing the channel level sacrificial material layers; and
depositing a layer of semiconductor channel material in each backside recess, wherein each cylindrical portion of the layers of semiconductor channel material laterally surrounding the memory film constitutes a semiconductor channel of one of the semiconductor channels. How to.
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