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JP7198921B2 - 半導体デバイスおよび方法 - Google Patents

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Description

半導体製造者は、より小さなメモリセルを必要とすることなくより高いデータ記憶密度を実現するために、三次元（３Ｄ）ＮＡＮＤフラッシュメモリ技術などの垂直デバイス技術を開発してきた。いくつかの例では、３Ｄ ＮＡＮＤメモリデバイスは、コア領域と階段領域とを含む。コア領域は、交互のゲート層および絶縁層のスタックを含む。交互のゲート層および絶縁層のスタックは、垂直に積み重ねられるメモリセルを形成するために使用される。階段領域は、それぞれのゲート層とのコンタクトの形成を容易にするために、階段ステップ形態のそれぞれのゲート層を含む。コンタクトは、積み重ねられたメモリセルを制御するための駆動回路をそれぞれのゲート層に接続するために使用される。
本開示の態様は、半導体デバイスを提供する。半導体デバイスは、基板上の第１の領域内に、半導体デバイスの基板に垂直な第１の方向に沿って交互に積み重ねられたゲート層および絶縁層を含む。ゲート層および絶縁層は、基板上の第２の領域内に階段形態で積み重ねられる。半導体デバイスは、第１の領域内に配設され、第１の方向に延びるチャネル構造を含む。チャネル構造は、ゲート層および絶縁層を貫通する。チャネル構造およびゲート層は、直列構成のトランジスタのスタックを形成し、ゲート層は、トランジスタのゲートである。半導体デバイスは、ゲート層の１つと導電性接続を形成するために第２の領域内に配設されたコンタクト構造と、第２の領域内およびコンタクト構造の周囲に配設された第１のダミーチャネル構造とを含む。第１のダミーチャネル構造は、チャネル構造の第２の形状とは異なる第１の形状でパターン化される。
いくつかの実施形態では、チャネル構造は、半導体デバイスの水平断面において円形形状を有し、第１のダミーチャネル構造は、水平断面において非円形形状を有する。第１のダミーチャネル構造は、非円形を画定する２つ以上のパラメータによって調整可能な非円形形状を有する。一例では、第１のダミーチャネル構造は、カプセル形状、長方形形状、および円弧形状のうちの少なくとも１つを有する。
一例によれば、半導体デバイスは、コンタクト構造に関して第１のダミーチャネル構造に対して対称であるように配設された第２のダミーチャネル構造を含む。いくつかの例では、半導体デバイスは、コンタクト構造に関して非対称構成でコンタクト構造の周りに配設された複数のダミーチャネル構造を含む。
いくつかの実施形態では、半導体デバイスは、コンタクト構造の周囲に配設された複数のダミーチャネル構造を含む。複数のダミーチャネル構造間の最大距離は、第１の限界値よりも短い。
いくつかの実施形態では、第１のダミーチャネル構造は、チャネル構造と同じ材料で形成される。いくつかの実施形態では、第１のダミーチャネル構造は、チャネル構造とは異なる材料で形成される。
いくつかの実施形態では、半導体デバイスは、ゲート層および絶縁層のスタック内に延びるゲートラインスリット構造を含む。ゲートラインスリット構造と第１のダミーチャネル構造との間の最大距離は、第２の限界値よりも短い。
本開示の態様は、レイアウト設計のための方法を提供する。方法は、半導体デバイスの基板上の交互の犠牲層および絶縁層のスタック内にチャネルホールおよびダミーチャネルホールをエッチングするために使用されるエッチングプロセスを特徴づけることを含む。チャネルホールはコア領域内にあり、ダミーチャネルホールは階段領域内にある。交互の犠牲ゲート層および絶縁層のスタックは、コア領域から階段ステップ形態の階段領域内に延びる。方法は、エッチングプロセスの特徴づけに基づいてレイアウト内にダミーチャネルホールを画定するための第１の形状を決定することをさらに含む。第１の形状は、チャネルホールを画定するための第２のチャネルとは異なる。
本開示の態様は、添付の図と共に読み取ることで以下の詳細な説明から最もよく理解される。業界の標準的な慣行に従って、様々な特徴は一定の縮尺で描かれていないことが、留意される。実際、議論を明確にするために、様々な特徴の寸法を任意に拡大または縮小することができる。
いくつかの実施形態による、半導体デバイスの水平断面図である。 いくつかの実施形態による、半導体デバイスの垂直断面図である。 いくつかの実施形態による対称パターンのレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による非対称パターンのレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による非対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による非対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 いくつかの実施形態による非対称パターンの別のレイアウト設計例を示す図である。 本開示の一実施形態によるプロセス例を概説するフローチャートである。 本開示のいくつかの実施形態によるマスクを示す図である。 いくつかの実施形態による製造プロセス中の半導体デバイスの水平断面図である。 いくつかの実施形態による製造プロセス中の半導体デバイスの別の水平断面図である。
以下の開示は、提供された主題の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態または例を提供する。本開示を簡略化するために、構成要素および配置の特定の例を以下に説明する。当然ながら、これらは単なる例であり、限定することを意図したものではない。例えば、後続の説明における、第２の特徴を覆ってまたはそれの上に第１の特徴を形成することは、第１および第２の特徴が直接接触して形成される実施形態を含むことができ、また、第１および第２の特徴が直接接触しなくてよいように第１と第２の特徴間に追加の特徴を形成することができる実施形態を含むこともできる。加えて、本開示は、様々な例において参照数字および／または文字を繰り返すことができる。この繰り返しは、単純さおよび明快さを目的としており、それ自体は、議論された様々な実施形態および／または構成間の関係を指示するものではない。
さらに、「下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」などのような空間的に相対的な用語は、１つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を図示するように説明するために、説明を容易にするために本明細書において使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示す向きに加えて、使用中または作動中のデバイスの様々な向きを包含することを意図している。装置は他の方向に向けられてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよく）、本明細書で使用する空間的に相対的な記述子も同様に、それに応じて解釈され得る。
垂直メモリデバイスを製造するために、ゲートファースト製造技術、ゲートラスト製造技術などの様々な製造技術が開発されている。ゲートファースト製造技術は、メモリセルのチャネルよりも先にメモリセルのゲートを形成する。ゲートラスト製造技術は、犠牲ゲートを使用してメモリセルのチャネルの形成を容易にし、チャネルの形成後、犠牲ゲートをメモリセルの実際のゲートに置き換える。犠牲ゲートを実際のゲートに置き換えることは、犠牲ゲートを除去し、次いで、実際のゲートを形成することを含む。犠牲ゲートが除去されると、メモリセルのチャネルは、コア領域が崩壊しないように支持することができる。さらに、ダミーチャネルを階段領域内に形成して、犠牲ゲートが除去されたときに階段領域が崩壊しないように支持することができる。
本開示の態様は、階段領域内のダミーチャネルのレイアウト設計を提供する。レイアウト設計は、犠牲ゲートが除去されたときに階段領域を支持するために、維持距離の要件を満たす。さらに、本開示は、レイアウト設計に調整の柔軟性を提供して、ダミーチャネルのダミーチャネルホールおよび／または階段領域内のコンタクトのコンタクトホールをエッチングするためのエッチングプロファイルの歪みの影響を軽減する。
関連する例では、ダミーチャネルのレイアウト設計において円が使用され、階段領域内のコンタクトに関して対称パターンで配置される。円は、半径で調整することができる。
本開示のいくつかの実施形態では、カプセル形状、長方形形状、円弧形状、骨形状などの非円形形状がダミーチャネルに使用され、非円形形状は、幅、長さ、円弧半径、円弧角度などの２つ以上のパラメータによって調整することができる。さらに、いくつかの実施形態では、非円形形状は、階段領域内のコンタクトに関して対称パターンまたは非対称パターンで配置することができる。本開示によれば、ダミーチャネルのレイアウト設計は、階段領域内にダミーチャネルを形成するためのダミーチャネルホールをエッチングするためのエッチングプロファイルの特徴づけ（またはコンタクトを形成するためのコンタクトホールをエッチングするためのエッチングプロファイルの特徴づけ）に従って選択および調整することができ、それにより、階段領域内のダミーチャネルホールをエッチングするためのエッチングプロファイルの歪み（またはコンタクトホールをエッチングするためのエッチングプロファイルの歪み）の悪影響を低減することができる。
図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、半導体デバイス１００の水平断面図を示し、図１Ｂは、垂直断面図を示す。半導体デバイス１００は、基板１０１と、その上に形成された回路とを含む。基板１０１の主表面は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に延びる。水平断面（例えば、Ｘ－Ｙ平面）は、基板１０１の主表面に平行であり、垂直断面（例えば、Ｘ－Ｚ平面）は、基板１０１の主表面に垂直である。図１Ａは、図１Ｂの垂直断面図を生成するための線Ｂ－Ｂ’を示す。図１Ｂは、図１Ａの水平断面図を生成するための線Ａ－Ａ’を示す。
半導体デバイス１００は、任意の適切なデバイス、例えば、メモリ回路、半導体チップ上に形成されたメモリ回路を備えた半導体チップ（またはダイ）、半導体ウェーハ上に形成された複数の半導体ダイを備えた半導体ウェーハ、半導体チップのスタック、パッケージ基板上に組み立てられた１つまたは複数の半導体チップを含む半導体パッケージなどを指す。基板１０１は、シリコン（Ｓｉ）基板、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板、および／またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板などの任意の適切な基板であることができる。基板１０１は、半導体材料、例えば、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、またはＩＩ－ＶＩ族酸化物半導体を含み得る。ＩＶ族半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｉＧｅを含み得る。基板１０１は、バルクウェーハまたはエピタキシャル層であり得る。
様々な実施形態では、半導体デバイス１００は、基板１０１上に形成された三次元（３Ｄ）ＮＡＮＤメモリ回路を含む。半導体デバイス１００は、論理回路、電源回路などの、基板１０１または他の適切な基板上に形成され、３Ｄ ＮＡＮＤメモリ回路と適切に結合される他の適切な回路（図示せず）を含むことができる。通常、３Ｄ ＮＡＮＤメモリ回路は、メモリアレイと、周辺回路（例えば、アドレスデコーダ、駆動回路、センスアンプなど）とを含む。メモリアレイは、垂直メモリセルストリングのアレイとしてコア領域１１０内に形成される。周辺回路は、周辺領域（図示せず）内に形成される。コア領域１１０および周辺領域に加えて、半導体デバイス１００は、垂直メモリセルストリング内のメモリセルのゲートとの接触を容易にするための階段領域１２０を含む。垂直メモリセルストリング内のメモリセルのゲートは、ＮＡＮＤメモリアーキテクチャのワードラインに対応する。
具体的には、図１Ａおよび図１Ｂの例では、コア領域１１０は、ゲート層１０５（例えば、１０５（Ａ）～１０５（Ｉ））と、絶縁層１０４（例えば、１０４（Ａ）～１０４（Ｉ））とを含み、これらの層は、交互に積み重ねられて、垂直に積み重ねられたトランジスタを形成する。いくつかの例では、トランジスタのスタックは、メモリセルと、グランド選択トランジスタ、ストリング選択トランジスタなどの選択トランジスタとを含む。ゲート層１０５は、トランジスタのゲートに対応する。一例では、ゲート層１０５（Ａ）は、グランド選択トランジスタのゲートに対応し、ゲート層１０５（Ｉ）は、ストリング選択トランジスタのゲートに対応し、他のゲート層１０５（Ｂ）～１０５（Ｈ）は、グランド選択トランジスタおよびストリング選択トランジスタと共に垂直に積み重ねられたメモリセルのゲートに対応する。ゲート層１０５（Ｂ）～１０５（Ｈ）は、メモリアーキテクチャ内ではワードラインとも呼ばれる。ゲート層１０５は、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）ゲート絶縁体層、金属ゲート（ＭＧ）電極などのゲートスタック材料で作製される。絶縁層１０４は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素などの絶縁材料で作製される。
コア領域１１０内には、複数のチャネル構造１１１が形成される。いくつかの実施形態では、各チャネル構造１１１は、基板１０１の主表面の方向に垂直なＺ方向に延びる柱形状を有する。複数のチャネル構造１１１は、Ｘ方向およびＹ方向に沿って互いに分離して配設することができ、Ｘ方向およびＹ方向に沿ったマトリックスアレイ形状、ＸまたはＹ方向に沿ったジグザグアレイ形状、ビーハイブ（例えば、六角形）アレイ形状などのいくつかの適切なアレイ形状で配設することができる。いくつかの実施形態では、チャネル構造１１１のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面において円形形状、Ｘ－Ｚ平面において柱形状を有する。
いくつかの実施形態では、チャネル構造１１１のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面において円形形状の材料によって形成され、Ｚ方向に延びる。例えば、チャネル構造１１１のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面において円形形状を有し、かつＹ方向に延びるゲート誘電体層１１２、半導体層１１３、および絶縁層１１４を含む。ゲート誘電体層１１２は、チャネル構造１１１の側壁上に形成され、側壁から順次積み重ねられた複数の層、例えばトンネル絶縁層（例えば、酸化ケイ素）、電荷蓄積層（例えば、窒化ケイ素）、およびブロッキング絶縁層（例えば酸化ケイ素）などを含む。一例では、ゲート誘電体層１１２は、酸化物－窒化物－酸化物（ＯＮＯ）スタック構造を有する。半導体層１１３は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンなどの任意の適切な半導体材料であることができ、半導体材料は、非ドープであってよく、またはｐ型もしくはｎ型ドーパントを含み得る。絶縁層１１４は、酸化ケイ素および／または窒化ケイ素などの絶縁材料で形成され、および／またはエアギャップとして形成することもできる。
チャネル構造１１１は、他の適切な構成要素を含む。例えば、各チャネル構造１１１は、第１の端部構造１１５と、第２の端部構造１１６とを含む。いくつかの実施形態では、第１の端部構造１１５および第２の端部構造１１６は、ポリシリコンまたは単結晶シリコンなどの任意の適切な半導体材料で形成され、半導体材料は、非ドープであってよく、またはｐ型もしくはｎ型ドーパントを含み得る。一例では、第１の端部構造１１５は、グランド選択トランジスタのソースであり、第２の端部構造１１６は、ストリング選択トランジスタのドレインである。
さらに、図１Ａおよび図１Ｂの例では、ゲート層１０５および絶縁層１０４のスタックは、階段領域１２０内に延び、ゲート層１０５とのコンタクト（例えば、コンタクト１４５、１５５、および１６５）の形成を容易にするために階段ステップ（例えば階段ステップ１４０、１５０、１６０）を形成する。コンタクトは、周辺回路内のワードライン駆動回路、グランド選択駆動回路、ストリング選択駆動回路などの駆動回路を、スタック内のトランジスタのそれぞれのゲートに接続するために使用される。
いくつかの例では、スタックの上部は、異なる階段ステップにおいて選択的に除去される。例えば、階段ステップ１４０において、ゲート層１０５（Ｅ）の上方にあるスタックの上部が除去される。階段ステップ１５０において、ゲート層１０５（Ｄ）の上方にあるスタックの上部が除去される。階段ステップ１６０において、ゲート層１０５（Ｃ）の上方にあるスタックの上部が除去される。したがって、コンタクト１４５、１５５および１６５用のコンタクトホールは、単一のエッチングプロセスによって形成される。エッチングプロセスは、例えば、上部ゲート層において停止するように構成される。したがって、階段ステップ１４０のコンタクトホールは、ゲート層１０５（Ｅ）において停止する。階段ステップ１５０のコンタクトホールは、ゲート層１０５（Ｄ）において停止する。階段ステップ１６０のコンタクトホールは、ゲート層１０５（Ｃ）において停止する。コンタクト１４５、１５５、および１６５を形成するためにコンタクトホールが金属で満たされると、コンタクト１４５は、ゲート層１０５（Ｅ）と導電的に接続され、コンタクト１５５は、ゲート層１０５（Ｄ）と導電的に接続され、コンタクト１６５は、ゲート層１０５（Ｃ）と導電的に接続される。
本開示によれば、ゲートラストプロセスを使用して半導体デバイス１００を形成し、階段領域１２０内にダミーチャネル構造（例えば、ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１…）を形成して、階段領域１２０を支持する。ゲートラストプロセス中、最初に、（図１Ｂには示さないが、図６および７に示す）犠牲層がゲート層１０５の代わりに使用され、したがって、初期スタックは、基板１０１上でコア領域１１０および階段領域１２０内に交互に堆積された犠牲層および絶縁層１０４を含む。さらに、階段ステップは、例えば、異なる階段ステップにおいてスタックの上部を選択的に除去することによって階段領域１２０内に形成される。一例では、階段ステップは、トリムおよびエッチング手順によって形成される。次いで、コア領域１１０内にチャネル構造１１１が形成され、階段領域１２０内にダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１が形成される。
さらに、犠牲層は、ゲート層１０５によって置き換えられる。コア領域１１０には、トランジスタへのゲートが形成される。一例では、ゲートラインスリット（ＧＬＳ）１３０が、スタック内のトレンチとしてエッチングされる。犠牲層へのエッチング液が、犠牲層を除去するために ＧＬＳ１３０を介して加えられる。一例では、犠牲層は窒化ケイ素で作製され、高温硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が、犠牲層を除去するためにＧＬＳ１３０を介して加えられる。さらに、ＧＬＳ１３０を介して、コア領域内のトランジスタへのゲートが形成される。一例では、ゲートは、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層、接着剤層、および金属層で形成される。ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯ４）、酸窒化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ジルコニウムシリコン（ＺｒＳｉＯ４）、酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆＺｒＯ４）などの、比較的大きい誘電定数を提供する任意の適切な材料を含むことができる。接着剤層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属、およびＴｉＮ、ＴａＮ、Ｗ２Ｎ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮなどのそれらの窒化物を含むことができる。金属層は、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）などの導電性の高い金属を含む。
犠牲層が除去されると、チャネル構造１１１は、コア領域１１０内の絶縁層１０４のスタックを支持し、ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１などは、階段領域１２０内の絶縁層１０４のスタックを支持することが、留意される。本開示の一態様によれば、支持を提供するために、チャネル構造およびダミーチャネル構造は、最大維持距離要件を満たす必要がある。一例では、最大維持距離要件では、２つのダミーチャネル構造間の最大距離（Ｄ１）を第１の限界値より小さく、かつダミーチャネル構造からＧＬＳ までの間の最大距離（Ｄ２）を第２の限界値より小さくする必要がある。一例では、第１の限界値および第２の限界値は、崩壊無しの十分な支持を確実にするように事前に決定される。
いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１などは、チャネル構造１１１と共に形成され、したがって、ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１は、チャネル構造１１１と同じ材料で形成される。いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１などは、例えばコア領域１１０と階段領域１２０とを区別するためにマスク層を使用して、チャネル構造１１１とは異なる材料で形成される。
本開示のいくつかの態様によれば、ダミーチャネル構造１４１、１５１、および１６１は、チャネル構造１１１とは異なる形状を有するようにパターン化される。図１Ａの例では、チャネル構造１１１は、水平断面において円形形状を有し、ダミーチャネル構造１４１、１５１、および１６１は、水平断面においてカプセル形状を有する。円形形状のサイズは半径で調整することができ、カプセル形状は、幅（Ｗ）および長さ（Ｌ）で調整することができる。ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１などには、任意の適切な非円形形状を使用できることが、留意される。いくつかの例を、図２Ａ～図２Ｆ、および図３Ａ～図３Ｄに示す。
図１Ａの例では、ダミーチャネル構造１４１、１５１、および１６１は、コンタクト１４５、１５５、および１６５に関して対称パターンを有するように配置される。ダミーチャネル構造１４１、１５１、１６１などが、コンタクト１４５、１５５、および１６５に関して対称パターンまたは非対称パターンを有するように配置できることが、留意される。いくつかの対称パターンの例を図２Ａ～２Ｆに示し、いくつかの非対称パターンの例を図３Ａ～３Ｄに示す。
いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造１４１、１５１、および１６１は、コンタクト構造１４５、１５５、および１６５と重ならないように設計される。加えて、ダミーチャネル構造は、最大維持距離要件を満たす必要がある。ダミーチャネル構造に円形形状が使用される場合、設計者は、ダミーチャネル構造の配置にさらなる制限を有する。非円形形状が使用される場合、設計者は、レイアウト調整のためのより多くの調整可能なパラメータを有する。
いくつかの実施形態では、データ記憶密度を改善するために、ゲート層１０５および絶縁層１０４のスタック内に比較的多数の層があり、したがって、スタックは比較的厚い。製造コストを削減するために、一例では、チャネル構造およびダミーチャネル構造のためのチャネルホールは、ワンステップエッチングプロセスによって形成される。一例では、エッチングプロセスは、１６２で示すような湾曲歪み、１６３で示すようなねじれ歪みなどのエッチングプロファイルの歪みを引き起こし得る。エッチングプロファイルの歪みは、回路の短絡などの欠陥を引き起こし、生産歩留まりを低下させる可能性がある。非円形形状が使用される場合、設計者は、Ｘ方向および／またはＹ方向の調整の柔軟性を高めてエッチングプロファイルの歪みを軽減し、したがって、非円形形状の使用は、エッチングプロファイルの歪みの悪影響を減らし、生産歩留まりを向上させることができる。
図２Ａ～図２Ｆは、いくつかの実施形態による対称パターンのレイアウト設計例を示す。
図２Ａは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２１０を示す。レイアウト設計２１０は、半導体デバイス１００を製造するために使用される。レイアウト設計２１０は、レイアウト設計２１０のコンタクト層内に、コンタクト１５５などのコンタクト用の円形形状２１５を含み、レイアウト設計２１０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造１５１などのダミーチャネル構造用のカプセル形状２１１を含む。レイアウト設計２１０を使用して半導体デバイス１００を製造する場合、ダミーチャネル構造１５１は、カプセル形状２１１に従って画定され、したがって、ダミーチャネル構造１５１は、水平断面においてカプセル形状を有する。
図２Ｂは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２２０を示す。レイアウト設計２２０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計２２０は、レイアウト設計２２０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状２２５を含み、レイアウト設計２２０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の長方形形状２２１を含む。長方形形状２２１は、円形形状２２５に関して対称的なパターンで４辺の円形形状２２５の周りに配置される。レイアウト設計２２０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、次いで、長方形形状２２１に従って画定される。
図２Ｃは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２３０を示す。レイアウト設計２３０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計２３０は、レイアウト設計２３０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状２３５を含み、レイアウト設計２３０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の長方形形状２３１を含む。長方形形状２３１は、円形形状２３５に対して対称パターンで六角形パターンの３辺の円形形状２３５の周りに配置される。レイアウト設計２３０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、次いで、長方形形状２３１に従って画定される。
図２Ｄは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２４０を示す。レイアウト設計２４０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計２４０は、レイアウト設計２４０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状２４５を含み、レイアウト設計２４０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の長方形形状２４１を含む。長方形形状２４１は、円形形状２４５に関して対称パターンで円形形状２４５の周りに配置される。レイアウト設計２４０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、次いで、長方形形状２４１に従って画定される。
図２Ｅは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２５０を示す。レイアウト設計２５０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計２５０は、レイアウト設計２５０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状２５５を含み、レイアウト設計２５０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の円弧形状２５１を含む。円弧形状２５１は、円形形状２５５に関して対称パターンで円形形状２５５の周りに配置される。レイアウト設計２５０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、次いで、円弧形状２５１に従って画定される。
図２Ｆは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計２６０を示す。レイアウト設計２６０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計２６０は、レイアウト設計２６０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状２６５を含み、レイアウト設計２６０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の円弧形状２６１およびカプセル形状２６２を含む。円弧形状２６１およびカプセル形状２６２は、円形形状２６５に関して対称パターンで円形形状２６５の周りに配置される。レイアウト設計２６０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、次いで、円弧形状２６１およびカプセル形状２６２に従って画定される。
図３Ａ～図３Ｄは、いくつかの実施形態による非対称パターンのレイアウト設計例を示す。
図３Ａは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計３１０を示す。レイアウト設計３１０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計３１０は、レイアウト設計３１０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状３１５を含み、レイアウト設計３１０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用のカプセル形状３１１および骨形状３１２を含む。ダミーチャネル構造用のカプセル形状３１１および骨形状３１２は、円形形状３１５に関して非対称パターンで円形形状３１５の周りに配置される。レイアウト設計３１０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、その結果、カプセル形状３１１および骨形状３１２に従って画定される。
図３Ｂは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計３２０を示す。レイアウト設計３２０を使用して、レイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計３２０は、レイアウト設計３２０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状３２５を含み、レイアウト設計３２０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の長方形形状３２１を含む。ダミーチャネル構造用の長方形形状３２１は、円形形状３２５に関して非対称パターンで円形形状３２５の周りに配置される。レイアウト設計３２０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、その結果、長方形形状３２１に従って画定される。
図３Ｃは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計３３０を示す。レイアウト設計３３０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計３３０は、レイアウト設計３３０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状３３５を含み、レイアウト設計３２０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の長方形形状３３１を含む。ダミーチャネル構造用の長方形形状３３１は、円形形状３３５に関して非対称パターンで円形形状３３５の周りに配置される。レイアウト設計３３０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、その結果、長方形形状３３１に従って画定される。
図３Ｄは、ダミーチャネル構造およびコンタクトのレイアウト設計３４０を示す。レイアウト設計３４０を使用してレイアウト設計２１０を置き換えて、半導体デバイスを製造することができる。レイアウト設計３４０は、レイアウト設計３４０のコンタクト層内に、コンタクト用の円形形状３４５を含み、レイアウト設計３４０のチャネル層内に、ダミーチャネル構造用の円弧形状３４１を含む。ダミーチャネル構造用の円弧形状３４１は、円形形状３４５に関して非対称パターンで円形形状３４５の周りに配置される。レイアウト設計３４０を使用して半導体デバイスを製造する場合、半導体デバイスのダミーチャネル構造は、その結果、円弧形状３４１に従って画定される。
図４は、本開示の一実施形態によるプロセス例４００の概要を示すフローチャートを示す。プロセス４００は、３Ｄ ＮＡＮＤメモリデバイスのレイアウト設計を生成し、次いで、レイアウト設計に従って半導体デバイスを製造するために使用される。プロセスはＳ４０１から始まり、Ｓ４１０まで進む。
Ｓ４１０では、エッチングプロファイルの歪みが、エッチングプロセスに対して特徴づけられる。エッチングプロセスは、コア領域内にチャネル構造用のチャネルホールを生成し、半導体デバイスの階段領域内にダミーチャネル構造用のダミーチャネルホールを生成する。
Ｓ４２０では、ダミーチャネル構造の形状およびパターンが選択され、エッチングプロファイルの歪みの特徴づけに応じて調整される。いくつかの例では、カプセル形状、長方形形状、円弧形状、骨形状などの様々な非円形形状を選択することができる。形状は、Ｘ方向および／またはＹ方向の２つ以上のパラメータによって調整することができる。非円形形状は、対称パターンまたは非対称パターンでコンタクト形状の周りに配置することができる。
Ｓ４３０では、レイアウトが生成される。レイアウトは、コア領域内のチャネル構造および階段領域内のダミーチャネル構造を画定するためのチャネル層、階段領域内にコンタクトを画定するためのコンタクト層などの多くの層を有する。チャネル層は、階段領域に対応するレイアウトの領域内に、ダミーチャネル構造の選択され調整された形状およびパターンを含む。
Ｓ４４０では、レイアウトは、半導体デバイス１００などの半導体デバイスを製造するために使用される。一例では、マスクのセットが、レイアウトに従って生成される。次いで、マスクのセットは、例えば半導体デバイス１００を製造するためにゲートラストプロセスで使用される。その後、プロセスはＳ４９９に進み、終了する。
図５は、本開示のいくつかの実施形態によるマスク５００を示す。マスク５００は、レイアウト内のチャネル層に従って生成される。マスク５００は、コア領域１１０に対応するコア領域５１０と、階段領域１２０に対応する階段領域５２０とを含む。コア領域５１０は、チャネルホールおよびチャネル構造の形状を画定する複数の円形形状５１１を含む。階段領域５２０は、ダミーチャネルホールおよびダミーチャネル構造の形状を画定するカプセル形状５２１を含む。マスク５００は、コア領域１１０内にチャネルホールを作成し、階段領域１２０内にダミーチャネルホールを作り出すために使用される。
図６は、本開示のいくつかの実施形態による、チャネルエッチングプロセス後のゲートラストプロセス中の半導体デバイス１００の水平断面図を示す。チャネルエッチングプロセスは、一例のマスク５００に従って、チャネルホールおよびダミーチャネルホールを生成する。水平断面図は、図１Ｂの線Ａ－Ａ’に従って生成される。
ゲートラストプロセス中、最初に、犠牲層６０３（例えば６０３（Ａ）～６０３（Ｉ））がゲート層１０５の代わりに使用され、したがって、初期スタックは、基板１０１上でコア領域１１０および階段領域１２０内に交互に堆積された犠牲層６０３および絶縁層１０４を含む。さらに、階段ステップは、例えば、異なる階段ステップにおいてスタックの上部を選択的に除去することによって階段領域１２０内に形成される。一例では、適切な平坦化プロセスを実行して、比較的平坦な表面を得る。
次いで、フォトリソグラフィ技術を使用して、マスク５００に従ってフォトレジストおよび／またはハードマーク層内にパターンを画定し、エッチング技術を使用して、パターンを犠牲層６０３および絶縁層１０５のスタックに転写する。こうして、チャネルホール６１１が、コア領域１１０に形成され、ダミーチャネルホール６５１および６６１が、階段領域１２０内に形成される。
次いで、チャネル構造がチャネルホール内に形成され、ダミーチャネル構造がダミーチャネルホール内に形成される。いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造は、チャネル構造と共に形成することができ、したがって、ダミーチャネル構造は、チャネル構造と同じ材料で形成される。いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造は、チャネル構造とは異なって形成される。
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、ＧＬＳエッチングプロセス後のゲートラストプロセス中の半導体デバイス１００の水平断面図を示す。水平断面図は、図１Ｂの線Ａ－Ａ’に従って生成される。
図７の例では、チャネル構造１１１およびダミーチャネル構造１５１および１６１が、形成される。チャネル構造１１１はコア領域１１０内に形成され、ダミーチャネル構造１５１および１６１は、階段領域１２０内に形成される。いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造１５１および１６１は、チャネル構造１１１と共に同じ材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、ダミーチャネル構造１５１および１６１は、チャネル構造１１１とは異なる材料で形成することができる。
図７の例では、ＧＬＳ７３０は、スタック内のトレンチとしてエッチングされている。ＧＬＳ７３０を使用して、犠牲層６０３をゲート層１０５に置き換えることができる。一例では、犠牲層へのエッチング液が、犠牲層を除去するために ＧＬＳ７３０を介して加えられる。一例では、犠牲層は窒化ケイ素で作製され、高温硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が、犠牲層を除去するためにＧＬＳ７３０を介して加えられる。さらに、ＧＬＳ７３０を介して、コア領域内のトランジスタへのゲートスタックが、形成される。一例では、ゲートスタックは、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層、接着剤層、および金属層で形成される。ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯ４）、酸窒化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ランタン（ Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ジルコニウムシリコン（ＺｒＳｉＯ４）、酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆＺｒＯ４）などの、比較的大きい誘電定数を提供する任意の適切な材料を含むことができる。接着剤層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属、およびＴｉＮ、ＴａＮ、Ｗ２Ｎ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮなどのそれらの窒化物を含むことができる。金属層は、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）などの導電性の高い金属を含む。
ゲートラストプロセスは、例えば、ゲートラインスリット７３０をスペーサ材料（例えば、酸化ケイ素）および共通ソース材料（例えば、タングステン）で満たし続けて、ＧＬＳ１３０を形成し、コンタクト１４５、１５５および１６５などを形成し、金属トレースなどを形成する。
前述は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的を実行するため、および／または同じ利点を達成するために、他のプロセスおよび構造を設計または改変するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解しなければならない。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、本明細書において様々な変更、置換、および変更を本開示の精神および範囲から逸脱することなく行うことができることも理解しなければならない。

Claims (15)

  1. 半導体デバイスであって、
    前記半導体デバイスの基板に垂直な第１の方向に沿って前記基板上の第１の領域内に交互に積み重ねられたゲート層および絶縁層であって、前記基板上の第２の領域内に階段ステップ形態で積み重ねられる、ゲート層および絶縁層と、
    前記第１の領域内に配設され、前記第１の方向に延びるチャネル構造であって、前記チャネル構造は、前記ゲート層および前記絶縁層を貫通し、前記チャネル構造および前記ゲート層は、直列構成のトランジスタのスタックを形成し、前記ゲート層は、前記トランジスタのゲートである、チャネル構造と、
    前記ゲート層の１つとの導電性接続を形成するように前記第２の領域内に配設されたコンタクト構造と、
    前記第２の領域内におよび前記コンタクト構造を囲むように配設された複数のダミーチャネル構造であって、前記チャネル構造の第２の形状とは異なる第１の形状でパターン化され、前記コンタクト構造に関して非対称構成である、複数のダミーチャネル構造とを備え、
    前記複数のダミーチャネル構造が、前記半導体デバイスの水平断面において非円形形状を有する、半導体デバイス。
  2. 前記チャネル構造が、前記水平断面において円形形状を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 前記複数のダミーチャネル構造が、前記非円形形状を画定する２つ以上のパラメータによって調整可能な前記非円形形状を有する、請求項２に記載の半導体デバイス。
  4. 前記複数のダミーチャネル構造が、カプセル形状、長方形形状、および円弧形状のうちの少なくとも１つを有する、請求項３に記載の半導体デバイス。
  5. 前記複数のダミーチャネル構造間の最大距離は、第１の限界値より短い、複数のダミーチャネル構造をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
  6. 前記複数のダミーチャネル構造が、前記チャネル構造と同じ材料で形成される、請求項１に記載の半導体デバイス。
  7. 前記複数のダミーチャネル構造が、二酸化ケイ素で形成される、請求項１に記載の半導体デバイス。
  8. 前記ゲート層および前記絶縁層の前記スタック内に延びるゲートラインスリットであって、前記ゲートラインスリットと前記複数のダミーチャネル構造との間の最大距離は、第２の限界値よりも短い、ゲートラインスリットをさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス。
  9. 方法であって、
    半導体デバイスの基板上の交互の犠牲層および絶縁層のスタック内にチャネルホールおよびダミーチャネルホールをエッチングするために使用されるエッチングプロセスを特徴づけることであって、前記チャネルホールは、コア領域内にあり、前記ダミーチャネルホールは、階段領域内にあり、交互の犠牲ゲート層および絶縁層の前記スタックは、前記コア領域から階段ステップ形態の前記階段領域内に延びる、エッチングプロセスを特徴づけすることと、
    前記エッチングプロセスの特徴づけに基づいて、レイアウト内に前記ダミーチャネルホールを画定するための、前記階段領域内にコンタクトを画定するパターンを囲むように配置される複数のパターンの第１の形状を決定することであって、前記第１の形状は、前記チャネルホールを画定するための第２の形状とは異なり、前記複数のパターンは、前記コンタクトを画定するパターンに関して非対称構成にある、第１の形状を決定することと、
    前記チャネルホールの円形形状とは異なる、前記ダミーチャネルホールの非円形形状を決定することとを含む、
    方法。
  10. 前記半導体デバイスの前記レイアウトを生成することであって、前記レイアウトは、前記階段領域に対応する前記レイアウトの第１の領域内に前記第１の形状の第１のインスタンスを有し、前記コア領域に対応する前記レイアウトの第２の領域内に前記第２の形状の第２のインスタンスを有する、前記半導体デバイスの前記レイアウトを生成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記エッチングプロセスの特徴づけに基づいて前記非円形形状を画定する２つ以上のパラメータを調整することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  12. 少なくともカプセル形状、棒形状、および円弧形状から前記非円形形状を選択することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  13. 前記ダミーチャネルホールに対応する複数のインスタンスを配設することであって、前記複数のインスタンス間の最大距離は、第１の限界値よりも短い、複数のインスタンスを配設することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記コア領域と前記階段領域を区別するために前記レイアウト内にマスク層を生成することであって、前記マスク層は、前記階段領域内の前記ダミーチャネルホールに対応するダミーチャネル構造を、前記コア領域内の前記チャネルホールに対応するチャネル構造とは異なる材料で形成するために使用される、マスク層を生成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  15. 前記半導体デバイス内にゲートラインスリットを画定するために前記レイアウト内にパターンを生成することであって、当該パターンと前記第１のインスタンスとの間の最大距離は、第２の限界値よりも短い、パターンを生成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
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