專利名稱：摻雜有銻以避免或限制摻雜物擴(kuò)散的垂直二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將銻用作半導(dǎo)體材料中的增強(qiáng)導(dǎo)電性摻雜物。
背景技術(shù)：
常常對(duì)例如硅的半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜以增強(qiáng)導(dǎo)電性。此類摻雜物可以是p型的或n型 的。裝置可具有鄰近未經(jīng)摻雜的硅區(qū)域或鄰近p型硅區(qū)域的n型硅區(qū)域。維持這些摻雜區(qū) 別對(duì)裝置性能至關(guān)重要。
然而，摻雜物易于擴(kuò)散，尤其是在將未經(jīng)摻雜的硅直接沉積在摻雜有常規(guī)n型摻雜 物(例如磷或砷)的硅上時(shí)。
因此，需要限制半導(dǎo)體材料中，尤其是具有垂直變化的摻雜物分布的沉積結(jié)構(gòu)中的 摻雜物擴(kuò)散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由所附權(quán)利要求書來(lái)界定，且此部分中的任何描述都不應(yīng)被視為是對(duì)所述權(quán) 利要求書的限制。 一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明針對(duì)用銻來(lái)?yè)诫s垂直半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的方面提供垂直定向的二極管，其包括摻雜有銻的第一多晶半導(dǎo)體材料層；
以及摻雜有p型摻雜物的第二多晶半導(dǎo)體材料層，所述第一層垂直形成在所述第二層上 方或下方，其中所述二極管是包括第一和第二多晶半導(dǎo)體材料層的半導(dǎo)體結(jié)型二極管。
優(yōu)選實(shí)施例提供一種形成非易失性存儲(chǔ)器單元的方法，所述方法包括在襯底上方
形成底部導(dǎo)體；在所述底部導(dǎo)體上方形成垂直定向的半導(dǎo)體結(jié)型二極管；在所述垂直定
向的半導(dǎo)體結(jié)型二極管上方形成頂部導(dǎo)體，其中所述二極管的一部分摻雜有銻，且其中 所述存儲(chǔ)器單元包括底部導(dǎo)體的一部分、二極管和頂部導(dǎo)體的一部分。
另一優(yōu)選實(shí)施例提供一種單片式(monolithic)三維存儲(chǔ)器陣列，其包括a)單片
形成于襯底上方的第一存儲(chǔ)器層級(jí)，所述第一存儲(chǔ)器層級(jí)包括i)第一多個(gè)大體上平行 且大體上共面的導(dǎo)體；ii)第一多個(gè)垂直定向的半導(dǎo)體結(jié)型二極管；以及iii)第二多個(gè) 大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體，所述第二導(dǎo)體位于所述第一導(dǎo)體上方，其中所述第一 二極管中的每一者安置在所述第一導(dǎo)體中的一者與所述第二導(dǎo)體中的一者之間，且其中所述第一二極管中的每一者包括摻雜有銻的重?fù)诫sn型區(qū)域，以及b)單片形成于所述 第一存儲(chǔ)器層級(jí)上的第二存儲(chǔ)器層級(jí)。
有關(guān)實(shí)施例提供一種用于形成單片式三維存儲(chǔ)器陣列的方法，所述方法包括a) 通過(guò)包括以下步驟的方法來(lái)在襯底上方單片形成第一存儲(chǔ)器層級(jí)i)形成第一多個(gè)大體 上平行且大體上共面的導(dǎo)體；ii)形成第一多個(gè)垂直定向的半導(dǎo)體二極管，每個(gè)第一二 極管包括摻雜有銻的重?fù)诫sn型區(qū)域，所述第一二極管位于第一導(dǎo)體上方；iii)形成第二 多個(gè)大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體，所述第二導(dǎo)體位于所述第一二極管上方；以及b) 在第一存儲(chǔ)器層級(jí)上方單片形成第二存儲(chǔ)器層級(jí)。
本文中所描述的本發(fā)明的每個(gè)方面和實(shí)施例可單獨(dú)使用或相互組合而使用。
現(xiàn)將參看附圖來(lái)描述優(yōu)選方面和實(shí)施例。


圖1是可從使用本發(fā)明的實(shí)施例中獲益的垂直定向的p-i-n二極管的透視圖。
圖2是包含圖1的垂直定向的二極管的非易失性存儲(chǔ)器單元的透視圖。
圖3是類似圖2的那些存儲(chǔ)器單元的非易失性存儲(chǔ)器單元的第一存儲(chǔ)器層級(jí)的透視圖。
圖4是展示原位摻雜的硅堆疊中磷的摻雜物濃度的曲線圖。
圖5a到圖5c是展示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的形成存儲(chǔ)器層級(jí)過(guò)程中的階段的橫截面圖。
圖6是可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而有利地形成的p-n二極管的橫截面圖。
圖7a和圖7b分別是可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而有利地形成的p-i-n和p-n二極管的橫截 面圖。
具體實(shí)施例方式
圖l說(shuō)明由沉積的半導(dǎo)體材料(例如硅)形成的垂直定向的二極管2。 二極管2包含 底部重?fù)诫s區(qū)域4、未經(jīng)摻雜(或本質(zhì))區(qū)域6和頂部重?fù)诫s區(qū)域8。底部重?fù)诫s區(qū)域4和 頂部重?fù)诫s區(qū)域8以相反的導(dǎo)電類型摻雜舉例來(lái)說(shuō)，底部重?fù)诫s區(qū)域4可以是n型，而 頂部重?fù)诫s區(qū)域8是p型。這種二極管用于單片式三維存儲(chǔ)器陣列中的非易失性存儲(chǔ)器單 元中，其在以下專利中得以描述赫爾勒(Herner )等人的題為"mgh-Density Three-Dimensional Memory Cell"的第6,952，030號(hào)美國(guó)專利，(下文中稱之為'030專利)； 2004年9月29日申請(qǐng)的赫爾勒(Herner)的題為"Nonvolatile Memory CelWithout aDielectric Antifuse Having High- and Low-Impedance States"的第10/955，549號(hào)美國(guó)專利申 請(qǐng)案，(下文中稱之為'549申請(qǐng)案)；以及2004年12月17日申請(qǐng)的赫爾勒等人的題為 "Nonvolatile Memory Cell Comprising a Reduced Height Vertical Diode"的第11/015,824
號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案，(下文中稱之為'824申請(qǐng)案)；所有所述專利或?qū)＠暾?qǐng)案都為本申 請(qǐng)案的受讓人所有，且其全文以引用的方式并入本文中。
轉(zhuǎn)到圖2，在'030專利中，二極管2用于非易失性存儲(chǔ)器單元中。二極管2安置在底部 導(dǎo)體12與頂部導(dǎo)體16之間，且通過(guò)電介質(zhì)裂斷反熔絲(dielectric rupture antifuse) 14而 與頂部導(dǎo)體16分離。在'549申請(qǐng)案中，省略了電介質(zhì)裂斷反熔絲14。在這些存儲(chǔ)器單元 的任一者中，當(dāng)單元最初形成時(shí)，在以低讀取電壓使二極管2正偏壓時(shí)，非常低的電流 在導(dǎo)體12與16之間流動(dòng)。通過(guò)施加永久改變所述單元的大編程電流來(lái)對(duì)所述單元進(jìn)行編 程，使得在編程之后，當(dāng)以讀取電壓使二極管2正向偏壓時(shí)，較大的能可靠地檢測(cè)到的 電流在導(dǎo)體12與16之間流動(dòng)。未經(jīng)編程的單元與經(jīng)編程的單元中的電流的差異對(duì)應(yīng)于存 儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)，例如"0"或"1"。
圖3展示由類似于圖2中的那些存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器單元形成的存儲(chǔ)器層級(jí)，其包含 底部導(dǎo)體200、柱狀物300 (每個(gè)柱狀物300包含一個(gè)二極管)和頂部導(dǎo)體400。類似于圖 3的那些存儲(chǔ)器層級(jí)的多個(gè)存儲(chǔ)器層級(jí)可堆疊在彼此上方而形成，所有層級(jí)都位于襯底 (例如單晶硅晶片)上方，從而形成非常密集的存儲(chǔ)器陣列。
圖1的二極管2可以多種方式形成。可使用不同方法來(lái)?yè)诫s重慘雜區(qū)域4和8，所述方 法包含原位摻雜或離子注入。通常通過(guò)在導(dǎo)致硅沉積在表面上的條件下，使含有硅的前 驅(qū)體氣體(例如SiH4)在所述表面上流動(dòng)來(lái)沉積硅。在沉積此硅時(shí)，可通過(guò)同時(shí)使將提 供慘雜物原子的施體氣體流動(dòng)來(lái)對(duì)所述硅進(jìn)行原位摻雜。舉例來(lái)說(shuō)，如果使n型摻雜物 PH3隨SiH4流動(dòng)，那么磷原子將與硅一起被沉積，從而對(duì)硅進(jìn)行摻雜。 一旦已經(jīng)沉積了 所需厚度的經(jīng)摻雜硅，從而形成重?fù)诫s區(qū)域4， PH3的流動(dòng)就停止，而SiH4流動(dòng)繼續(xù)，從 而形成本質(zhì)區(qū)域6。
為了通過(guò)離子注入來(lái)?yè)诫s底部重?fù)诫s區(qū)域4，首先將硅區(qū)域4沉積成未經(jīng)摻雜的。接 下來(lái)，使所需摻雜物的離子朝硅區(qū)域4加速并穿透硅區(qū)域4。 一旦已經(jīng)達(dá)到足夠的摻雜濃 度，(例如通過(guò)HF浸漬)清除重?fù)诫s區(qū)域4表面的污染物或原生氧化物，并將其送回到腔 室，且本質(zhì)區(qū)域6沉積在重慘雜區(qū)域4上。
然而，在實(shí)踐中，可能難以維持重?fù)诫s區(qū)域4與本質(zhì)區(qū)域6之間的邊界。在類似于圖 l中的那些結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了特定的挑戰(zhàn)，其中硅沉積在重?fù)诫s有n型摻雜物的區(qū)域 上方繼續(xù)進(jìn)行。最常使用的n型摻雜物是磷和砷。當(dāng)位于硅膜中時(shí)，磷和砷兩者都趨向于向所述膜的表面移動(dòng)。因此，當(dāng)在沒(méi)有用以提供摻雜物原子的施體氣體流動(dòng)的情況下 沉積硅時(shí)，如在沉積本質(zhì)區(qū)域6期間，來(lái)自重?fù)诫s區(qū)域4的摻雜物原子趨向于向上朝硅表 面遷移。不論重慘雜區(qū)域4是通過(guò)離子注入來(lái)?yè)诫s還是原位摻雜，情況都是如此。摻雜 物原子的濃度不會(huì)在無(wú)附加摻雜物的硅的沉積開(kāi)始時(shí)突然停止；更明確地說(shuō)，所述濃度 逐漸下降，且在摻雜濃度下降到足夠低以使硅實(shí)際上被視為未經(jīng)摻雜之前，必須在無(wú)附 加摻雜物的情況下沉積相當(dāng)大厚度的硅。
舉例來(lái)說(shuō)，圖4展示硅層中的磷的濃度。從堆疊頂部開(kāi)始的深度越過(guò)X軸從左向右增 加；因在圖右側(cè)的硅首先被沉積。硅層被沉積為原位摻雜有磷，直到2000埃點(diǎn)為止(注 意，此點(diǎn)的深度為2000埃，是在沉積完成后從堆疊的最終頂部開(kāi)始量測(cè)的)。在所述點(diǎn) 處，停止PH3的流動(dòng)，且從2000埃到表面不再進(jìn)一步提供磷。盡管如此，如曲線A上所示， 在隨后的沉積期間，以原位摻雜的厚度存在的磷原子向上遷移，使得在己經(jīng)沉積另外500 埃后(在1500埃的深度處)，磷的濃度約為1018原子/立方厘米，仍然相對(duì)較高。
在沉積完成后，硅通常將是非晶硅，且將通過(guò)退火步驟而結(jié)晶，使得在完成的裝置 中，二極管2的硅是多晶硅。在此退火期間，升高的溫度還將導(dǎo)致?lián)诫s物在各個(gè)方向上 通過(guò)硅擴(kuò)散。
這種有害的摻雜物擴(kuò)散可能損害裝置性能。在圖l的垂直定向的p-i-n二極管中，本 質(zhì)區(qū)域6用來(lái)防止或減少二極管反向偏壓時(shí)的泄漏電流。因?yàn)楸举|(zhì)區(qū)域6的厚度由于摻雜 物從重?fù)诫s區(qū)域4擴(kuò)散到本質(zhì)區(qū)域6的緣故而減小，所以反向偏壓期間二極管的泄漏電流 將增加。
可通過(guò)增加二極管2的整體高度來(lái)恢復(fù)本質(zhì)區(qū)域6的厚度，但這具有缺點(diǎn)。如在所并 入的專利和申請(qǐng)案中所描述，在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)以下步驟來(lái)形成類似于二極管2的 多個(gè)二極管1)沉積硅堆疊，如所描述那樣重?fù)诫s的底部區(qū)域；2)對(duì)所述硅堆疊進(jìn)行 圖案化和蝕刻以形成柱狀物；3)在柱狀物之間沉積電介質(zhì)填充物；4)(例如)通過(guò)化 學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)來(lái)進(jìn)行平坦化，以使柱狀物的頂部暴露；以及5)通過(guò)離子注入 來(lái)對(duì)柱狀物的頂部進(jìn)行摻雜以形成頂部重?fù)诫s區(qū)域，從而完成二極管。當(dāng)柱狀物變得更 高時(shí)，其縱橫比和其之間的間隙的縱橫比增大。高縱橫比的特征難以蝕刻，且高縱橫比 間隙難以填充。此外，如'824申請(qǐng)案中所述，二極管高度的減小降低了對(duì)存儲(chǔ)器單元迸 行編程所需的編程電壓。因此，防止或限制摻雜物擴(kuò)散是有利的。
如所指出，最常使用的n型摻雜物是磷和砷。另一已知的n型摻雜物是銻。然而，因 為銻不像磷或砷那樣容易活化(當(dāng)摻雜物原子向材料貢獻(xiàn)出電荷載流子時(shí)，摻雜物原子 被活化。)所以不常使用銻。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銻在硅沉積期間不展現(xiàn)磷或砷的向表面移動(dòng)的行為。參看圖4，曲線B展示 硅堆疊中銻的濃度。沉積第一厚度的硅，接著通過(guò)離子注入來(lái)用銻摻雜所述硅。在經(jīng)摻 雜區(qū)段上沉積另外2000埃的未經(jīng)摻雜的硅。如圖4中所示，銻尚未遷移到未經(jīng)摻雜的硅 中。銻不會(huì)像磷或砷那樣容易隨著溫度增加而擴(kuò)散。因此，在本發(fā)明中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可將 銻有利地用于摻雜其中必須維持垂直摻雜物分布的經(jīng)沉積結(jié)構(gòu)，例如圖l的p-i-n二極管。
將提供描述單片式三維存儲(chǔ)器陣列的形成的詳細(xì)實(shí)例，根據(jù)本發(fā)明在所述陣列中形 成類似于圖l的那些二極管的二極管。在'030專利、'549申請(qǐng)案和'824申請(qǐng)案中，可發(fā)現(xiàn) 關(guān)于類似的存儲(chǔ)器陣列的形成的額外信息。為了避免使本發(fā)明變得模糊，將不包含此專 利和這些申請(qǐng)案的所有細(xì)節(jié)，但將了解，不希望排除這些或任何其它所并入的專利或申 請(qǐng)案的教示。
為了清楚起見(jiàn)，在此闡釋內(nèi)容中將提供許多具體步驟和細(xì)節(jié)；所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 將了解此實(shí)例僅用于說(shuō)明，希望是非限制性的，且在結(jié)果屬于本發(fā)明的范圍的情況下， 可對(duì)所提供的許多步驟和細(xì)節(jié)進(jìn)行更改、增加或省略。
實(shí)例
將詳細(xì)描述單個(gè)存儲(chǔ)器層級(jí)的制造?？啥询B額外的存儲(chǔ)器層級(jí)，每個(gè)層級(jí)單片地形 成于位于其下方的一個(gè)層級(jí)上方。
轉(zhuǎn)到圖5a，存儲(chǔ)器的形成開(kāi)始于襯底IOO。此襯底100可以是此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何 半導(dǎo)體襯底，單晶硅、類似硅鍺或硅鍺碳的IV-IV族化合物、III-V族化合物、II-VII族化 合物、此類襯底上的外延層，或任何其它半導(dǎo)體材料。所述襯底可包含制造于其中的集 成電路。
絕緣層102形成于襯底100上。絕緣層102可以是氧化硅、氮化硅、高介電膜、Si-C-O-H
膜，或任何其它合適的絕緣材料。
第一導(dǎo)體200形成于襯底和絕緣體上。粘附層104可包含在絕緣層102與導(dǎo)電層106之 間，以有助于導(dǎo)電層106粘附。如果上伏的導(dǎo)電層為鎢，那么優(yōu)選將氮化鈦?zhàn)鳛檎掣綄?104。
要沉積的下一個(gè)層是導(dǎo)電層106。導(dǎo)電層106可包括此項(xiàng)技術(shù)中己知的任何導(dǎo)電材 料，例如鎢、氮化鎢、氮化鉭等。導(dǎo)電層106必須由與將形成于其上的硅或硅合金二極 管的沉積和結(jié)晶熱相容的材料形成。底部導(dǎo)體200形成于襯底100上方而不是襯底100中， 且在優(yōu)選實(shí)施例中不包括硅或任何其它半導(dǎo)體材料。
一旦將形成導(dǎo)電軌200的所有層都已被沉積，就將使用任何合適的掩蔽和蝕刻工藝 來(lái)對(duì)所述層進(jìn)行圖案化和蝕刻，以形成大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體200，如圖5a中以橫截面展示。在一個(gè)實(shí)施例中，沉積光致抗蝕劑、通過(guò)光刻對(duì)其進(jìn)行圖案化，且蝕刻 所述層，且接著使用標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)來(lái)去除所述光致抗蝕劑。導(dǎo)體200可改為通過(guò)金屬鑲 嵌(Damascene)方法來(lái)形成。
接下來(lái)，在導(dǎo)電軌200上和導(dǎo)電軌200之間沉積電介質(zhì)材料108。電介質(zhì)材料108可以 是任何已知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu)選實(shí)施例中，將二氧 化硅用作電介質(zhì)材料108。
最后，去除導(dǎo)電軌200之上的過(guò)多電介質(zhì)材料108,從而暴露由電介質(zhì)材料108分隔 的導(dǎo)電軌200的頂部，且留下大體上平坦的表面109。圖5a中展示所得結(jié)構(gòu)。可通過(guò)此項(xiàng) 技術(shù)中己知的任何工藝(例如CMP或回蝕)來(lái)執(zhí)行此去除過(guò)量填充電介質(zhì)以形成平坦表 面109的步驟。在2004年6月30日申請(qǐng)的拉古拉姆(Raghuram)等人的題為"Nonselective Unpatterned Etchback to Expose Buried Patterned Features"的第10/883417號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案中 描述可有利地被使用的回蝕技術(shù)，且所述美國(guó)申請(qǐng)案以引用的方式并入本文中。在此階 段，已在襯底100上方第一高度處形成了多個(gè)大體上平行的第一導(dǎo)體。
接下來(lái)，轉(zhuǎn)到圖5b，將在完成的導(dǎo)電軌200上方形成垂直柱狀物。(為了節(jié)省空間， 襯底100未在圖5b中展示；其存在將是假定的)。優(yōu)選地，在使導(dǎo)電軌平坦化之后，沉積 勢(shì)壘層110作為第一層。在勢(shì)壘層中可使用任何合適的材料，包含氮化鎢、氮化鉅、氮 化鈦或這些材料的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，將氮化鈦用作勢(shì)壘層。在勢(shì)壘層為氮化鈦的 情況下，可以與早先描述的粘附層104相同的方式沉積所述勢(shì)壘層。
接下來(lái)，沉積將被圖案化成柱狀物的半導(dǎo)體材料。所述半導(dǎo)體材料優(yōu)選為硅或富硅 合金。此描述內(nèi)容將半導(dǎo)體材料稱作硅，但將了解，可代替地使用某一其它半導(dǎo)體材料。
首先，將形成底部重?fù)诫s區(qū)域112。優(yōu)選地，沉積約100埃與約500埃之間的硅，最 優(yōu)選為約200?；蚣s300埃。在此沉積之后，將晶片從腔室去除，且通過(guò)離子注入用銻來(lái) 對(duì)層112進(jìn)行摻雜。當(dāng)用作增強(qiáng)導(dǎo)電性摻雜物時(shí)，銻通常不像其它n型摻雜物(例如磷和 砷)那樣容易活化。于是，可能需要將層112摻雜到比使用磷或砷時(shí)稍高的摻雜濃度。 舉例來(lái)說(shuō)，摻雜濃度可在約lxlO^與約5xlO"原子/立方厘米之間，優(yōu)選地在約lxlO"與約 2xlO"原子/立方厘米之間。舉例來(lái)說(shuō)，注入能量可約為25 KeV，而劑量可在約5"015與 1"016離子/平方厘米之間。接下來(lái)，應(yīng)清洗晶片以(例如)通過(guò)HF浸漬來(lái)去除已形成于 重?fù)诫s硅層112上的任何氧化物。
用銻對(duì)硅進(jìn)行原位摻雜并不是常規(guī)的，且不易獲得進(jìn)行此摻雜的設(shè)備。然而，如果 需要，重?fù)诫s層112可在沉積期間與銻原位摻雜，而不是通過(guò)離子注入來(lái)?yè)诫s。在此詳 細(xì)實(shí)例中，底部重?fù)诫s區(qū)域112為n型，而仍待形成的頂部重?fù)诫s區(qū)域?qū)閜型。在替代實(shí)施例中，二極管的極性可相反。
接下來(lái)沉積未經(jīng)摻雜的硅，以形成本質(zhì)層114。本質(zhì)層114可由此項(xiàng)技術(shù)中已知的任 何方法形成。重?fù)诫s層112和本質(zhì)層114的組合厚度優(yōu)選地在約1400埃與約4300埃之間， 更優(yōu)選在約2000埃與約3800埃之間。
參看圖5b，將對(duì)半導(dǎo)體層114和112 (以及下伏的勢(shì)壘層IIO)進(jìn)行圖案化并蝕刻， 以形成柱狀物300。柱狀物300應(yīng)具有與下方的導(dǎo)體200大約相同的間距和大約相同的寬 度，使得每個(gè)柱狀物300形成于導(dǎo)體200之上?？扇菰S一些未對(duì)準(zhǔn)。
可使用任何合適的掩蔽和蝕刻工藝來(lái)形成柱狀物300。舉例來(lái)說(shuō)，可沉積光致抗蝕 劑，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行圖案化，并進(jìn)行蝕刻，然后去除光致抗蝕劑?；蛘?，可 在半導(dǎo)體層堆疊之上形成某一其它材料(例如二氧化硅)的硬掩膜，其上面具有底部抗 反射涂層(BARC)，接著對(duì)其進(jìn)行圖案化和蝕刻。類似地，可將電介質(zhì)抗反射涂層 (DARC)用作硬掩膜。
在2003年12月5日申請(qǐng)的Chen的題為"Photomask Features with Interior Nonprinting Window Using Alternating Phase Shming"的第10/728436號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案，或在2004年4月1 日申請(qǐng)的Chen的題為"Photomask Features with Chromeless Nonprinting Phase Shifting Window"的第I0/815312號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案(兩個(gè)申請(qǐng)案都為本發(fā)明的受讓人所有并以引用 的方式并入本文中)中描述的光刻技術(shù)可有利地用于執(zhí)行形成根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器陣列 中所使用的任何光刻步驟。
將電介質(zhì)材料108沉積在半導(dǎo)體柱狀物300上方和其之間，從而填充所述柱狀物之間 的間隙。電介質(zhì)材料108可以是任何已知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化 硅。在優(yōu)選實(shí)施例中，將二氧化硅用作絕緣材料。
接下來(lái)，去除柱狀物300頂上的電介質(zhì)材料，從而暴露由電介質(zhì)材料108分隔的柱狀 物300的頂部，且留下大體上平坦的表面?？赏ㄟ^(guò)此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何工藝(例如CMP 或回蝕)來(lái)執(zhí)行此去除過(guò)量填充電介質(zhì)的步驟。在CMP或回蝕之后，執(zhí)行離子注入，從 而形成重?fù)诫sp型頂部區(qū)域116。 p型摻雜物優(yōu)選為硼或BF2。在替代實(shí)施例中，重?fù)诫sp 型區(qū)域116可能已經(jīng)被原位摻雜。圖5b中展示所得結(jié)構(gòu)。在CMP之后，區(qū)域112、 114和 116的組合厚度(即完成的二極管的高度)在約1000埃與約3500埃之間，優(yōu)選小于3000 埃，且在優(yōu)選實(shí)施例中，小于約1500埃。在完成的存儲(chǔ)器陣列中，本質(zhì)區(qū)域114的厚度 優(yōu)選為至少約600埃，例如厚度為至少約1000埃。在完成的存儲(chǔ)器陣列中(在所有熱誘 導(dǎo)摻雜物擴(kuò)散都已經(jīng)發(fā)生之后)，本質(zhì)區(qū)域114中的摻雜濃度將小于約1018原子/立方厘 米，優(yōu)選小于5"017原子/立方厘米。在優(yōu)選實(shí)施例中，柱狀物300的圖案化尺寸(寬度或在垂直于襯底的平面內(nèi)的尺寸) 小于約150nm,例如約130nm、約80nm或約65nm。間距是特征在重復(fù)圖案中兩次相鄰 出現(xiàn)之間的距離；例如從一個(gè)柱狀物的中心到下一個(gè)柱狀物的中心的距離。在優(yōu)選實(shí)施 例中，那么柱狀物300的間距(且因此也是導(dǎo)體200必需的間距)小于約300 nm，例如約 160 nm或約130 nm。
轉(zhuǎn)到圖5c，待形成的下一個(gè)元件是可選的電介質(zhì)裂斷反熔絲118。如果包含電介質(zhì) 裂斷反熔絲118，那么其可通過(guò)重?fù)诫sp型區(qū)116的一部分的熱氧化而生長(zhǎng)。在其它實(shí)施 例中，此層可被沉積，且可為任何適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)材料。舉例來(lái)說(shuō)，可在約150攝氏度的 溫度下沉積Al203層?？纱娴厥褂闷渌牧稀?br> 可以與底部導(dǎo)體200相同的方式形成頂部導(dǎo)體400，例如通過(guò)沉積粘附層120 (優(yōu)選 為氮化鈦)，和導(dǎo)電層122 (優(yōu)選為鎢)。接著使用任何合適的掩蔽和蝕刻技術(shù)來(lái)對(duì)導(dǎo)電 層122和粘附層120進(jìn)行圖案化和蝕刻，以形成大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體400,其 圖5c中展示為從左到右越過(guò)頁(yè)面而延伸。每個(gè)柱狀物300應(yīng)安置在底部導(dǎo)體200與頂部導(dǎo) 體400之間。頂部導(dǎo)體400優(yōu)選大體上垂直于底部導(dǎo)體200而延伸。在優(yōu)選實(shí)施例中，沉 積光致抗蝕劑、通過(guò)光刻對(duì)其進(jìn)行圖案化，并蝕刻所述層，且接著使用標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)來(lái) 去除所述光致抗蝕劑。
接下來(lái)，在導(dǎo)電軌400上和導(dǎo)電軌400之間沉積電介質(zhì)材料(未圖示)。所述電介質(zhì) 材料可以是任何已知的電絕緣材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在優(yōu)選實(shí)施例中， 將氧化硅用作此電介質(zhì)材料。
已經(jīng)描述了第一存儲(chǔ)器層級(jí)的形成?？稍诖说谝淮鎯?chǔ)器層級(jí)上形成額外的存儲(chǔ)器層 級(jí)。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體可在存儲(chǔ)器層級(jí)之間共享；即頂部導(dǎo)體400將充當(dāng)下一個(gè)存 儲(chǔ)器層級(jí)的底部導(dǎo)體。在其它實(shí)施例中，在圖5c的第一存儲(chǔ)器層級(jí)上方形成層間電介質(zhì) (未圖示)，其表面被平坦化，且第二存儲(chǔ)器層級(jí)的構(gòu)造開(kāi)始于此經(jīng)平坦化的層間電介 質(zhì)上，無(wú)共享導(dǎo)體。
所得存儲(chǔ)器陣列是單片式三維存儲(chǔ)器陣列。此陣列包括a)單片地形成于襯底上 方的第一存儲(chǔ)器層級(jí)，所述第一存儲(chǔ)器層級(jí)包括i)第一多個(gè)大體上平行且大體上共面 的導(dǎo)體ii)第一多個(gè)垂直定向的半導(dǎo)體結(jié)型二極管；和iii)第二多個(gè)大體上平行且大 體上共面的導(dǎo)體，所述第二導(dǎo)體位于所述第一導(dǎo)體上方，其中所述第--二極管中的每一 者安置在所述第一導(dǎo)體中的一者與所述第二導(dǎo)體中的一者之間，且其中所述第一二極管 中的每一者包括摻雜有銻的重?fù)诫sn型區(qū)域。接著，在第一存儲(chǔ)器層級(jí)上方單片地形成 第二存儲(chǔ)器層級(jí)。在2003年3月31日申請(qǐng)的雪萊恩(Scheuerlein)的題為"用于三維存儲(chǔ)器陣列的具有 多層字線段的字線布置(Word Line Arrangement Having Multi-Layer Word Line Segments for Three-Dimensional Memory Array)"的第10/403，844號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案中描述有利地 用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例而形成的單片式三維存儲(chǔ)器陣列中的電路布局和偏置方案，所述 專利申請(qǐng)案以引用的方式并入本文中。
隨著硅鍺合金的鍺含量的增加，磷和砷的向表面移動(dòng)的趨勢(shì)減小。通常，當(dāng)鍺含量 較高時(shí)，包含銻、磷和砷的n型摻雜物在暴露于升高的溫度時(shí)更容易擴(kuò)散。因此，預(yù)期 本發(fā)明將在硅或富硅合金中使用最為有利，且隨著鍺含量增加，所提供的益處變小。
已經(jīng)描述了將銻用作圖l裝置的摻雜物的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明還將在由具有垂直摻雜物分 布的半導(dǎo)體材料形成的其它裝置中提供優(yōu)勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，圖6展示在底部重?fù)诫sn型區(qū)域 4與頂部重?fù)诫sp型區(qū)域8之間具有很少或沒(méi)有本質(zhì)區(qū)域的p-n二極管。
如所描述，銻在沉積期間不會(huì)趨向于朝表面移動(dòng)的事實(shí)使其在摻雜上面緊接沉積有 未經(jīng)摻雜或p摻雜區(qū)域的n型區(qū)域時(shí)的使用特別有利。然而，因?yàn)殇R的擴(kuò)散速率通常較慢， 所以具有形成于本質(zhì)區(qū)域6和重?fù)诫sp型區(qū)8 (在圖7a的p-i-n二極管中)上方，或形成于 重?fù)诫sp型區(qū)8 (在圖7b的p-n二極管中)上方的n型區(qū)4的裝置(例如圖7a和7b中所示的那 些裝置)也將受益于將銻用作為摻雜物。
在本文中，使用術(shù)語(yǔ)"結(jié)型二極管"來(lái)指代具有非歐姆傳導(dǎo)特性、具有兩個(gè)端電極 且由半導(dǎo)體材料(在一個(gè)電極處為p型且在另一電極處為n型)制成的半導(dǎo)體裝置。實(shí)例 包含具有相接觸的p型半導(dǎo)體材料和n型半導(dǎo)體材料的p-n二極管(例如齊納二極管)，以 及p-i-n二極管，在所述p-i-n二極管中，本質(zhì)(未經(jīng)摻雜)半導(dǎo)體材料插入p型半導(dǎo)體材 料與n型半導(dǎo)體材料之間。
這種垂直定向的二極管包括摻雜有銻的第一多晶半導(dǎo)體材料層以及摻雜有p型 摻雜物的第二多晶半導(dǎo)體材料層，所述第一層垂直地形成于所述第二層上方或下方，其 中所述二極管是包括第一和第二多晶半導(dǎo)體材料層的半導(dǎo)體結(jié)型二極管。在優(yōu)選實(shí)施例 中，將摻雜有銻的第一層摻雜到至少lxlO^原子/立方厘米的濃度。在編程后，二極管與
底部導(dǎo)體和頂部導(dǎo)體兩者電接觸。
單片式三維存儲(chǔ)器陣列是多個(gè)存儲(chǔ)器層級(jí)形成于單個(gè)襯底(例如晶片)上方，且無(wú) 介入襯底的一種存儲(chǔ)器陣列。形成一個(gè)存儲(chǔ)器層級(jí)的層直接沉積或生長(zhǎng)在現(xiàn)有層級(jí)的層 上。相反，如在利迪(Leedy)的題為"Three dimensional structure memory"的第5,915,167 號(hào)美國(guó)專利中，通過(guò)在單獨(dú)的襯底上形成存儲(chǔ)器層級(jí)并使所述存儲(chǔ)器層級(jí)粘附在彼此上 面，來(lái)構(gòu)造堆疊存儲(chǔ)器。在接合之前，可使襯底變薄或?qū)⑵鋸拇鎯?chǔ)器層級(jí)去除，但因?yàn)榇鎯?chǔ)器層級(jí)最初形成于單獨(dú)的襯底上，所以此類存儲(chǔ)器并不是真正的單片式三維存儲(chǔ)器 陣列。
形成于襯底上方的單片式三維存儲(chǔ)器陣列至少包括形成于襯底上方第一高度處的 第一存儲(chǔ)器層級(jí)，和形成于不同于第一高度的第二高度處的第二存儲(chǔ)器層級(jí)。在這種多 層級(jí)陣列中，可在襯底上方形成三個(gè)、四個(gè)、八個(gè)或?qū)嶋H上任何數(shù)目的存儲(chǔ)器層級(jí)。
本發(fā)明的方法可有利地用于'030專利、'549申請(qǐng)案、'824申請(qǐng)案的單片式三維存儲(chǔ) 器陣列中且可有利地用于2005年5月9日申請(qǐng)的赫爾勒等人的題為"High-Density Nonvolatile Memory Array Fabricated at Low Temperature Comprising Semiconductor Diodes"的第11/125,606號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案;貝蒂(Petti)等人的題為"Semiconductor Device Including Junction Diode Contacting Contact-Antifuse Unit Comprising Silicide"的 第6,946,719號(hào)美國(guó)專利；以及2004年9月29日申請(qǐng)的赫爾勒的題為"Memory Cell Comprising a Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide"的第 10/954,510號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案中，所有所述專利和專利申請(qǐng)案都以引用的方式并入本文 中。
已經(jīng)在單片式三維存儲(chǔ)器陣列的背景下描述了本發(fā)明。在這種堆疊陣列中，每個(gè)存 儲(chǔ)器層級(jí)不僅經(jīng)受其自身制造過(guò)程中的熱應(yīng)力，而且經(jīng)受形成堆疊在其上方的存儲(chǔ)器層 級(jí)所必需的熱應(yīng)力。因此，在這種陣列中摻雜物擴(kuò)散問(wèn)題特別尖銳，且本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)特 別有利。然而，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)不限于單片式三維 存儲(chǔ)器陣列，且可用于任何使用銻作為摻雜物可防止或限制摻雜物擴(kuò)散的沉積半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)中。
本文已經(jīng)描述了詳細(xì)的制造方法，但在結(jié)果屬于本發(fā)明的范圍的情況下，可使用形 成相同結(jié)構(gòu)的任何其它方法。
前面的詳細(xì)描述內(nèi)容只說(shuō)明了本發(fā)明可采用的許多形式中的幾種形式。為此，希望 此詳細(xì)描述內(nèi)容是作為說(shuō)明而不是作為限制。只希望所附權(quán)利要求書(包含所有均等物) 來(lái)界定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種垂直定向的二極管，其包括摻雜有銻的第一多晶半導(dǎo)體材料層；以及摻雜有p型摻雜物的第二多晶半導(dǎo)體材料層，所述第一層垂直地形成于所述第二層上方或下方，其中所述二極管是包括所述第一和第二多晶半導(dǎo)體材料層的半導(dǎo)體結(jié)型二極管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述第一層的所述多晶半導(dǎo)體材料是硅或硅合 金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述二極管是p-i-n二極管或p-n二極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的二極管，其中本質(zhì)或輕摻雜半導(dǎo)體材料層位于所述第一層與 所述第二層之間并與所述第一層和所述第二層接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述第一層具有至少為1"019摻雜物原子/立方 厘米的摻雜濃度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述第一層是通過(guò)原位摻雜來(lái)?yè)诫s的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述第一層是通過(guò)離子注入來(lái)?yè)诫s的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述二極管安置在底部導(dǎo)體上方且在頂部導(dǎo)體 下方，并與所述底部導(dǎo)體和所述頂部導(dǎo)體電接觸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的二極管，其中所述底部導(dǎo)體不包括半導(dǎo)體材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述二極管具有小于約3000埃的垂直高度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的二極管，其中所述二極管具有小于約1500埃的垂直高度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述第一層的厚度不超過(guò)約500埃。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述二極管形成于單晶硅襯底上方。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二極管，其中所述二極管是存儲(chǔ)器單元的一部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的二極管，其中所述存儲(chǔ)器單元駐留在單片式三維存儲(chǔ)器陣列 中。
16. —種單片式三維存儲(chǔ)器陣列，其包括a) 單片地形成于襯底上方的第一存儲(chǔ)器層級(jí)，所述第一存儲(chǔ)器層級(jí)包括i) 第一多個(gè)大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體；ii) 第一多個(gè)垂直定向的半導(dǎo)體結(jié)型二極管；以及iii) 第二多個(gè)大體上平行且大體上共面的導(dǎo)體，所述第二導(dǎo)體位于所述第一 導(dǎo)體上方，其中所述第一二極管中的每一者安置在所述第一導(dǎo)體中的一者與所述第二導(dǎo) 體中的一者之間，且其中所述第一二極管中的每一者包括摻雜有銻的重?fù)诫sn型區(qū)域，以及b) 單片地形成于所述第一存儲(chǔ)器層級(jí)上方的第二存儲(chǔ)器層級(jí)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的單片式三維存儲(chǔ)器陣列，其中每個(gè)第一二極管進(jìn)一步包括重 摻雜p型區(qū)域。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的單片式三維存儲(chǔ)器陣列，其中每個(gè)第一二極管進(jìn)一步包括位 于所述重?fù)诫sp型區(qū)域與所述重?fù)诫sn型區(qū)域之間的本質(zhì)或輕摻雜區(qū)域。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的單片式三維存儲(chǔ)器陣列，其中每個(gè)第一二極管的所述本質(zhì)或 輕摻雜區(qū)域的厚度為至少600埃。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的單片式三維存儲(chǔ)器陣列，其中每個(gè)第一二極管的所述本質(zhì) 或輕摻雜區(qū)域的厚度為至少1000埃。
全文摘要
本發(fā)明描述在具有垂直摻雜物分布的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中使用銻作為n型增強(qiáng)導(dǎo)電性摻雜物。摻雜物易于擴(kuò)散，且難以維持陡的摻雜梯度。具體地說(shuō)，當(dāng)硅層中摻雜有磷或砷(兩者都是n型摻雜物)時(shí)，由于未經(jīng)摻雜的硅沉積在n型摻雜層之上，所以摻雜物原子趨向于向表面移動(dòng)，從而在沉積期間上升穿過(guò)未經(jīng)摻雜的硅。銻不具有此趨向，且還比磷或砷擴(kuò)散得更慢，且這將有利地用于摻雜此類結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L21/70GK101305469SQ200680042220
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2006年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者S·布拉德·赫納, 坦邁·庫(kù)馬爾 申請(qǐng)人:桑迪士克3D公司