方語萱 夏志良 楊濤 周文犀 霍宗亮4)?

1) (中國科學院微電子研究所,北京 100029)

2) (中國科學院大學,北京 101408)

3) (長江存儲科技有限責任公司,武漢 430071)

4) (長江先進存儲產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限責任公司,武漢 430014)

隨著3D NAND 閃存向更高層數(shù)堆疊,后柵工藝下,金屬鎢(W)柵字線(WL)層填充工藝面臨的挑戰(zhàn)進一步增大.由于填充路徑增長,鎢柵在沉積過程中易產(chǎn)生空洞,造成含氟(F)副產(chǎn)物的聚集,引起氟攻擊問題.具體表現(xiàn)為,在后續(xù)高溫制程的激發(fā)下,含氟副產(chǎn)物向周圍結(jié)構(gòu)擴散,侵蝕其周邊氧化物層,導致字線漏電,影響器件的良率及可靠性.本文首先分析了在3D NAND 閃存中氟攻擊的微觀原理,并提出了通過低壓退火改善氟攻擊問題的方法.接下來對平面薄膜疊層與三維填充結(jié)構(gòu)進行常壓與低壓下的退火實驗,并使用多種方法對殘留氟元素的濃度與分布進行表征.實驗結(jié)果表明,適當條件下的低壓退火,使得鎢柵中的殘余氟有效地被排出,可以有效降低字線的漏電指數(shù),提高3D NAND 閃存的質(zhì)量.

1 引言

3D NAND 閃存因其極高的存儲密度和低比特成本而在許多應(yīng)用中成為主流[1].然而,與平面2D NAND 閃存相比,其幾何結(jié)構(gòu)的變化相對復(fù)雜.因此,3D NAND 閃存不僅面臨著尺寸縮小帶來的挑戰(zhàn),還面臨溝道孔刻蝕、金屬柵置換及填充等復(fù)雜的工藝問題[2].目前,為了滿足先進3D NAND閃存工藝中高深寬比金屬柵填充的需求,原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)以其相對于化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)更好的臺階覆蓋能力[3],成為柵極金屬鎢(W)沉積的關(guān)鍵工藝技術(shù)[4].然而鎢沉積工藝中的六氟化鎢(WF6)氣體會產(chǎn)生氟(F)殘留,引起器件性能和可靠性下降的問題[5].目前,改善氟攻擊問題的方向主要分為3 種: 1)從源頭上降低氟含量,即在鎢柵沉積過程中降低氟含量,如Bakke 等[6]通過利用無氟前驅(qū)體(WClx)來降低鎢中的殘余氟含量,Lee 等[7]使用金屬有機物前驅(qū)體來避免在鎢沉積過程中引入氟元素,而Kim 等[8]則利用脈沖CVDW 成核方式改進這一問題;2)將氟阻擋在鎢柵中,使氟不能擴散到氧化層中,如Subramaniyan 等[9]研究了氟阻擋層(TiN)的厚度對于阻止氟擴散能力的影響;3)鎢柵沉積過程中或過程后將殘留氟排出,例如此前Song[10]通過溝道孔布局來減少鎢填充過程中產(chǎn)生的空隙,使得漏電問題被改善.目前關(guān)于鎢柵氟殘留問題的研究主要集中于前兩個方向,盡管前述相關(guān)研究在減少氟殘留方面取得了成效,但在當前3D NAND 的應(yīng)用中依然存在各種挑戰(zhàn): 改變前驅(qū)體的方法會嚴重增加工藝成本,同時也會引入新的雜質(zhì),影響器件可靠性;而增大TiN 的厚度將進一步提高3D NAND 工藝中高深寬比刻蝕的復(fù)雜性,從而對后續(xù)工藝產(chǎn)生不利影響.因此,在鎢柵沉積過程后通過退火的方法排出氟元素仍是目前最有效的改善氟殘留的方法之一.然而這一部分的研究卻較為有限,存在大量的優(yōu)化空間.

本文首先說明了3D NAND 中殘余氟攻擊金屬柵周圍氧化物的問題及其對字線(word line,WL)漏電的影響,并研究了鎢柵沉積后的低壓退火對WL 漏電性能的改善作用.為全面研究該方法對于氟殘留問題的影響,本文制備了平面W/TiN/SiO2薄膜疊層和3D NAND 陣列結(jié)構(gòu),以分析平面薄膜疊層中氟的精確濃度和三維陣列結(jié)構(gòu)中氟的分布以及其電學特性.此外,基于3D NAND陣列結(jié)構(gòu),本文還研究了三維結(jié)構(gòu)中溝道孔位置分布對于氟攻擊作用的影響.

2 氟攻擊問題

鎢柵極填充結(jié)構(gòu)具有高深寬比,在沉積過程中會不可避免地導致鎢柵極中形成圖1 中所示的空隙(Seam)[11].圖1 說明了鎢柵極周圍的二氧化硅(SiO2)被空隙中殘留的氟侵蝕的現(xiàn)象.在某些條件,如高溫工藝下,殘留在空隙中的氟會擴散進溝道孔(channel hole,CH)的氧化物阻擋層、相鄰鎢柵極之間的層間氧化物,以及鎢柵極和陣列公共源(array common source,ACS)之間的間隔氧化物中,將其侵蝕,并在這些受損氧化物中產(chǎn)生空洞.因而,鎢通過這些空洞擴散到被侵蝕的氧化物中,導致WL 連接到CH,WL 連接到WL 以及WL 連接到ACS,造成這些位置上的漏電.鎢的 CVD 或ALD 過程可以使用含鎢無機前驅(qū)體 WF6與H2[12],SiH4[13],Si2H6[14],B2H6[15]等一系列還原劑進行.使用 WF6和H2進行沉積的成核速度較慢,沉積時間較長,因此電阻率較低,是3D NAND 工藝中主要采用的鎢柵沉積方法.含氟副產(chǎn)物的產(chǎn)生及其侵蝕周圍氧化物的過程中的具體化學反應(yīng)機理可以用以下兩個化學反應(yīng)方程式來解釋:

圖1 氟攻擊問題示意圖,說明 W 柵中剩余 F 對氧化層的腐蝕機理(O-N-O 分別代表氧化物隧穿層、氮化物俘獲層和氧化物阻擋層)Fig.1.Schematic diagram of fluorine attacks oxide,illustrating the corrosion mechanism of the oxide layer in the W gate (O-N-O represents the oxide tunneling layer,nitride capture layer and oxide barrier layer,respectively).

鎢柵極通過六氟化鎢和氫的化學反應(yīng)沉積[12].(1)式中所述的六氟化鎢與氫的反應(yīng)可導致含氟的副產(chǎn)物產(chǎn)生(主要含有HF).如反應(yīng)(2)所示,它會攻擊鎢柵極周圍的二氧化硅(SiO2),導致WL 漏電通道的形成.

3 實驗及結(jié)果

為了系統(tǒng)地研究氟攻擊問題,本文制備了平面W/TiN/SiO2薄膜疊層和3D NAND 陣列結(jié)構(gòu).平面W/TiN/SiO2薄膜疊層的制備流程如下: 首先,在12 in (1 in=2.54 cm)厚層P 型硅晶片上通過熱氧化生長SiO2;然后使用氯化鈦前驅(qū)體和N2/H2反應(yīng)氣體通過ALD 沉積TiN,用作后續(xù)鎢柵極金屬的黏附和阻擋層[16,17];最后使用WF6前驅(qū)體和N2/H2反應(yīng)氣體通過ALD 沉積鎢[18].圖2(a)所示的3D NAND 結(jié)構(gòu)則通過圖2(b)所示的工藝流程制造.在制備平面W/TiN/SiO2薄膜疊層和3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)之后,隨即在N2環(huán)境中在溫度T(T>700 ℃)下退火,退火時間為M(M>10 min).為了研究不同退火壓力條件的影響,將它們分為兩組樣品,一組樣品在大氣壓力(atmospheric pressure,AP)下以P1(P1>700 Torr,1 Torr=133.322 Pa)退火,另一組在低壓(low pressure,LP)下以P2(P2<10 Torr)退火.利用二次離子質(zhì)譜分析(secondary ion mass spectroscopy,SIMS)對平面W/TiN/SiO2疊層中殘留氟的精確濃度進行表征,并且在3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)上測試了氧化物阻擋層中氟元素的電子能量損失譜(electron energy loss spectroscopy,EELS)圖和WL 的平均漏電指數(shù).

圖2 (a) Y-Z 方向的3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 3D NAND 陣列的制造工藝流程(外排孔靠近陣列公共源區(qū),內(nèi)排孔遠離陣列公共源區(qū))Fig.2.(a) Schematic diagram of the 3D NAND array structure in the Y-Z direction;(b) the manufacturing process of 3D NAND array (the outer hole is close to the array common source area,and the inner hole is far away from the array common source area).

4 實驗結(jié)果與討論

為了分析與研究W/TiN/SiO2薄膜疊層樣品中的殘留氟含量受不同退火條件的影響,在鎢沉積后對平面膜疊層進行不同壓力條件下的退火處理.圖3(a)展示了鎢柵沉積后退火處理的示意圖,高溫(>700 ℃)熱處理會提高殘余氟的活躍度,使其沿著鎢柵被排出.圖3(b)描述了在AP 退火和LP 退火后平面膜疊層的鎢中殘余的氟的濃度,兩者均在N2環(huán)境中在T℃下退火M分鐘.實驗結(jié)果表明,經(jīng)過AP 條件退火處理的薄膜疊層中的氟濃度要高于經(jīng)過LP 條件退火處理的.這可以歸因于,較AP 退火條件,更低的退火壓力可以使殘余氟更容易擴散[19].

圖3 (a) W 沉積后退火示意圖,說明了高溫熱處理可以將剩余 F 排出;(b)常壓退火及低壓退火后 W 層中的 F 元素二次離子質(zhì)譜分析圖Fig.3.(a) Schematic diagram of annealing after W deposition,illustrating the thermal processing can discharge the remaining F element;(b) SIMS of the F element in the W layer after AP and LP.

為了進一步證明低壓退火比常壓退火能排出更多的殘余氟,并驗證其在3D NAND 工藝中應(yīng)用的有效性,在三維陣列結(jié)構(gòu)上測試了氧化物阻擋層中氟元素的EELS 圖.圖4 顯示了在不同條件的退火處理后氟元素在氧化物阻擋層中的分布.紅色區(qū)域代表氟元素的分布,它可以反映擴散到氧化物阻擋層的殘余氟的含量.如圖4 所示,AP 退火條件下(圖4(a))內(nèi)排溝道孔氧化物阻擋層中氟含量最大,而LP 退火處理后的外排溝道孔阻擋氧化物中氟含量最小,如圖4(d)所示.此外,LP 退火的內(nèi)排CH 的氧化物阻擋層和AP 退火的外排CH的氧化物阻擋層含有的氟含量分別排在第2 和第3 的位置,如圖4(b),(c)所示.因此,通過比較相同CH 氧化物阻擋層在不同壓力條件下進行退火處理后的氟含量的分布,可以得出結(jié)論: LP 退火處理可以比AP 退火處理更多地減少內(nèi)排CH或外排CH 氧化物阻擋層中氟元素的含量,這也與圖3(b)所示的結(jié)論相一致,即殘余氟在較低壓力下更容易擴散[20],使得LP 退火處理后,3D NAND陣列結(jié)構(gòu)中的氧化物阻擋層中氟含量較少.特別的是,經(jīng)過相同壓力條件的退火處理,與內(nèi)排CH 氧化物阻擋層中的氟分布相比,外排CH 氧化物阻擋層中的氟分布更少.這可能是由于外排CH 比內(nèi)排CH 更靠近殘余氟的逸出通道,使得外排CH 的氧化物阻擋層中有更多的氟擴散出去.

圖4 氧化物阻擋層中的 F 元素 EELS 映射圖 (a)常壓退火,內(nèi)排孔;(b)常壓退火,外排孔;(c)低壓退火,內(nèi)排孔;(d)低壓退火,外排孔Fig.4.The EELS map of F element in the oxide barrier layer: (a) AP,inner hole;(b) LP,outer hole;(d) LP,inner hole;(b) AP,outer hole.

此外,為了研究低壓退火處理對WL 漏電情況的改善作用,在3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)上測試了WL 漏電特性.圖5 顯示了在相同位置的字線中,經(jīng)過不同壓力條件退火處理的WL 漏電指數(shù).WL漏電指數(shù)通過在兩根WL 間施加電壓,并測量和歸一化所產(chǎn)生的漏電流來獲得.WL 漏電指數(shù)可以相對反映WL 漏電情況,即WL 漏電指數(shù)越高,WL漏電現(xiàn)象越嚴重.LP 退火后的WL 漏電指數(shù)約為0.1,而AP 退火后的WL 漏電指數(shù)高達0.7.通過比較常壓退火和低壓退火后測試的WL 漏電指數(shù),可以發(fā)現(xiàn)LP 退火后的WL 漏電指數(shù)較低,說明低壓退火有效地改善了WL 漏電情況.如圖3 和圖4所示,LP 退火使更多的殘留氟逸出.因此,WL 周圍的氧化物受到的腐蝕作用更小.這使得WL 漏電減少,極大程度地提高了可靠性.

圖5 相同 WL 在常壓和低壓退火處理后的 WL 漏電指數(shù)Fig.5.The WL leakage index of the same WL at AP and LP annealing.

此外,為避免對3D NAND 陣列后續(xù)工藝步驟產(chǎn)生不利影響,保證器件的良率及可靠性.在平面W/TiN/SiO2 薄膜疊層和3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)上分別測試了不同退火條件下鎢字線的方塊電阻值與片彎曲度(wafer bow).同時,為了對比增厚TiN 以阻擋氟攻擊的傳統(tǒng)改善方法,制備一組TiN 增厚a(a>2 nm)的平面W/TiN/SiO2薄膜疊層和3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)樣品,于大氣壓力N2環(huán)境在溫度T(T>700 ℃)下退火,退火時間為M(M>10 min),并進行相同測試.圖6(a)分別顯示了常壓退火、低壓退火處理后的常規(guī)TiN 厚度薄膜疊層樣品,及常壓退火處理后的TiN 增厚薄膜疊層樣品的方塊電阻值.圖6(b)分別顯示了常壓退火、低壓退火處理后的常規(guī)TiN 厚度3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)樣品,及常壓退火處理后的TiN增厚3D NAND 陣列結(jié)構(gòu)樣品的片彎曲度.可以看出,相較于傳統(tǒng)改善方法,低壓退火處理可以降低鎢柵電阻、減小片彎曲程度,這可以有效提高器件的可靠性,并降低后續(xù)工藝的實現(xiàn)難度.

圖6 常規(guī) TiN 厚度薄膜疊層樣品在常壓退火、低壓退火處理后,及 TiN 增厚薄膜疊層樣品在常壓退火處理后的(a)電阻值和(b)片彎曲度Fig.6.(a) The WL sheet resistance and (b) the wafer bow of the sample of initial TiN thickness after AP and LP annealing,and the sample of thickened TiN after AP annealing.

5 結(jié)論

綜上所述,本文研究了3D NAND 閃存中鎢柵工藝產(chǎn)生的氟攻擊問題及其優(yōu)化方法.鎢柵空隙中殘留的氟擴散并侵蝕金屬柵周圍的氧化物,導致字線漏電.鎢沉積后通過高溫(>700 ℃)退火處理可以降低金屬柵中氟的含量.本文通過實驗證明低壓退火處理比常壓退火更易使鎢柵中的氟沿排出通道排出.此外,由于外排孔更靠近氟排出通道,低壓退火對外排孔的效果要優(yōu)于內(nèi)排孔.低壓退火可以顯著地降低鎢柵中的氟含量,改善氟攻擊氧化物的問題,減少WL 漏電情況.采用低壓退火處理很好地提升了3D NAND 閃存的質(zhì)量.