3D NAND中的金属间化合物保护层及其形成方法技术

提供了一种3D NAND中的金属间化合物(IMC)保护层及其形成方法。该IMC物保护层形成在源极选择单元沟槽中，位于TiN粘附层与钨(W)栅极之间，其为由HfF4、WF6与其他辅助气体制备的铪Hf和钨W共沉积金属层经由1000℃以上高温热处理而形成的IMC HfW2层。该IMC HfW2层能够阻止钨栅极的钨扩散进入硅衬底，从而避免了击穿电压失效问题，提高了3D NAND的电性能。

【技术实现步骤摘要】
3DNAND中的金属间化合物保护层及其形成方法
本申请涉及三维(3D)存储器
，更为具体的说，涉及一种3DNAND中的金属间化合物保护层及其形成方法。
技术介绍
随着闪存的快速发展，3D闪存结构得到了迅速发展，而NAND型闪存是一种比硬盘驱动器更好的存储设备，随着人们追求功耗低、质量轻和性能佳的非易失存储产品，3DNAND闪存更是在电子产品中得到了广泛的应用。现有的3DNAND制备工艺中，涉及底部选择栅极(BTM)的制备通常采用如下工艺：如图1(a)所示，利用原位水汽生长(ISSG)工艺制备底部选择栅极(BSG)的底部栅氧化物层；在形成存储单元之后，经由刻蚀形成源极沟槽，并如图1(b)所示形成BSG的侧部栅氧化物层；最后如图1(c)所示在沟槽中形成阻挡层之后沉积钨金属以作为钨栅极103。而ISSG工艺形成的BSG氧化物层的主要缺陷是在BSG侧部栅氧化之后源极选择区的BSG氧化物层过厚。为了解决该缺陷，通常采用NH3处理+高温氧化工艺的处理方式以改善源极选择区的BSG氧化物层厚度，但这会导致BSG氧化物的质量不佳并对芯片验收测试性能产生不利影响，同时申请人发现NH3处理+高温氧化工艺的处理方式虽然克服了源极选择区的BSG氧化物层过厚的问题，但会导致BSG产生连接引线(CW)击穿电压失效问题，这很可能是因为钨的扩散导致的。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种3DNAND中的金属间化合物保护层及其形成方法，通过形成一种金属间化合物保护层以阻止钨穿过源极选择区的BSG氧化物而扩散进入硅衬底。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：提供了一种3DNAND中的金属间化合物(IMC)保护层形成方法，具体包括如下步骤：S1：在半导体衬底上制备出源极选择单元的底部选择栅极的氧化物结构，然后制备Al2O3栅极阻挡层与TiN粘附层的叠层结构；S2：在上述叠层结构上形成IMC保护层；S3：在该IMC保护层上沉积钨栅极；其中该IMC层为IMCHfW2层。进一步地，上述IMC保护层形成方法，步骤S2中形成上述IMC保护层具体包括：首先形成铪Hf与钨W的共沉积层，接着将上述共沉积层高温加热从而形成IMC层。进一步地，上述IMC保护层形成方法中，形成上述共沉积层的化学式如下式(1)和(2)：HfF4→Hf+F2(1)WF6→W+F2(2)。进一步地，上述IMC保护层形成方法中，上述高温加热的实施温度为大于1000℃。进一步地，上述IMC保护层形成方法中，步骤S1中制备所述底部选择栅极的氧化物结构具体包括：利用原位水汽生长(ISSG)工艺制备出上述底部选择栅极的底部栅氧化物；在刻蚀出的源极沟槽中制备出上述底部选择栅极的侧部栅氧化物。进一步地，上述IMC保护层形成方法中，利用原子层沉积(ALD)工艺制备上述Al2O3栅极阻挡层。进一步地，上述IMC保护层形成方法中，步骤S1进一步包括：在形成上述底部选择栅极的氧化物结构之后，采用NH3处理与高温氧化工艺进行处理。此外还提供了一种3DNAND中的金属间化合物(IMC)保护层，该3DNAND包括形成在半导体衬底上的存储单元和源极选择单元，该IMC保护层形成在上述源极选择单元中，该源极选择单元进一步包括由底部栅氧化物和侧部栅氧化物构成的底部选择栅，在上述源极选择单元的沟槽中还依次包括Al2O3栅极阻挡层、TiN粘附层与钨栅极，其中：上述IMC层设置在上述TiN层与钨栅极之间，并且该IMC层为IMCHfW2层。进一步地，在上述IMC保护层中，该IMC层由包括HfF4和WF6的气体制备。进一步地，在上述IMC保护层中，上述底部栅氧化物为原位水汽生长(ISSG)氧化物。进一步地，在上述IMC保护层中，底部选择栅极的氧化物结构经由NH3处理与高温氧化工艺处理。本专利技术的优点在于：通过在3DNAND中的底部栅极结构中提供一种金属间化合物保护层，能够阻止钨穿过源极选择区的BSG氧化物而扩散进入硅衬底，由此使得源极选择区的BSG氧化物不会过厚，并能够防止钨扩散而导致BSG结构产生连接引线的击穿电压失效问题。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1(a)～1(c)示出了现有技术中3DNAND工艺中所涉及的底部选择栅极制备工艺；图2(a)～2(c)为本实施方式所提供的一种3DNAND中的金属间化合物保护层的形成方法；图3为HfW2的晶格结构；图4为IMCHfW2层对钨金属层中的钨扩散至硅衬底的阻挡作用示意图；图5为铪钨二元相图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。图2(a)-2(c)示出了本申请实施方式所提供的一种3DNAND中的金属间化合物保护层的形成方法，其中，该形成方法包括：S1：在半导体衬底上制备出3DNAND的存储单元以及BSG栅氧化结构，其中利用原位水汽生长(ISSG)工艺制备底部选择栅极(BSG)的底部栅氧化物层，并在刻蚀形成的源极沟槽中制备出BSG的侧部栅氧化物层；然后如图2(a)所示，在源极沟槽中利用原子层沉积(ALD)工艺形成高介电氧化铝Al2O3层并且接着形成TiN沉积层，从而形成了Al2O3栅极阻挡层与TiN粘附层的叠层结构101。其中由于存在源极选择区的BSG氧化物层过厚的问题，为了改善BSG氧化物层的厚度，需要在形成侧部栅氧化物层之后实施NH3处理+高温氧化工艺处理。S2：如图2(b)所示在Al2O3与TiN叠层结构101上形成IMC层102。该IMC层102利用两步工艺制备，首先形成金属共沉积层，然后经过热处理形成IMC结构。IMC结构的晶格结构紧密堆积并具有特定的化学键，该化学键介于金属键与共价键之间。正是因为其特定的晶格结构，因此该紧凑连续的IMC层能够有效地防止金属扩散，例如钨的扩散。并不是任何金属混合物都能够形成IMC结构，IMC结构的制备必须根据热力学理论实现。而在该3DNAND结构中，IMC层制备在TiN层与钨层之间，因此该IMC层的特性必须与上述相邻的TiN层、钨层相配。经过选择，由于金属铪Hf与钨W具有接近的原子数，因此二者具有相似的特性。此外，铪Hf与钨W之间经由处理能够形成HfW2金属间化合物，HfW2金属间化合物的晶格结构如图3所示，其具有复合立方晶格结构，因此使得该HfW2金属间化合物能够有效地阻挡金属钨的扩散，参见图4所示。因此在钨栅极沉积之前，选用铪Hf与钨W制备形成HfW2金属间化合物层。S3：最后，如图2(c)所示在该IMC层上沉积钨栅极103。在上述步骤S2中，为了形成IMCHfW2，首先必须要形成铪Hf与钨W的共沉积层。具体而言，在形成钨沉积层之前，利用HfF4、WF6与其他辅助气体制备形成了铪Hf与钨W的金属共沉积层。其中进行反应的化学式如下式(1)和(2)所示：HfF4→Hf+F2(1)WF6→本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D NAND中的金属间化合物(IMC)保护层形成方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在半导体衬底上制备出源极选择单元的底部选择栅极的氧化物结构，然后制备Al2O3栅极阻挡层与TiN粘附层的叠层结构(101)；S2：在上述叠层结构(101)上形成IMC保护层(102)；S3：在该IMC保护层(102)上沉积钨栅极(103)；其中该IMC层(102)为IMC HfW2层。

【技术特征摘要】
1.一种3DNAND中的金属间化合物(IMC)保护层形成方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在半导体衬底上制备出源极选择单元的底部选择栅极的氧化物结构，然后制备Al2O3栅极阻挡层与TiN粘附层的叠层结构(101)；S2：在上述叠层结构(101)上形成IMC保护层(102)；S3：在该IMC保护层(102)上沉积钨栅极(103)；其中该IMC层(102)为IMCHfW2层。2.根据权利要求1所述的IMC保护层形成方法，其特征在于，步骤S2中形成上述IMC保护层(102)具体包括：首先形成铪(Hf)与钨(W)的共沉积层，接着将上述共沉积层高温加热从而形成IMC层。3.根据权利要求2所述的IMC保护层形成方法，其特征在于，形成上述共沉积层的化学式如下式(1)和(2)：HfF4→Hf+F2(1)WF6→W+F2(2)。4.根据权利要求2所述的IMC保护层形成方法，其特征在于，上述高温加热的实施温度为大于1000℃。5.根据权利要求1至3任一所述的IMC保护层形成方法，其特征在于，步骤S1中制备所述底部选择栅极的氧化物结构具体包括：利用原位水汽生长(ISSG)工艺制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘力恒，高晶，杨川，严萍，丁蕾，喻兰芳，张森，许波，
申请(专利权)人：长江存储科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42