JP2010087259A - Method of manufacturing nonvolatile storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性記憶装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nonvolatile memory device.
トランジスタを用いたNAND型の不揮発性記憶装置においては、装置の微細化に伴ういわゆる短チャネル効果の影響により、デバイス動作が困難となってきている。「短チャネル効果」とは、装置の微細化によってソース部とドレイン部との距離が近くなることによって生じる現象であり、例えば、ソースとドレインとの間に生じるリーク電流の増加等がある。そのため、トランジスタを用いた記憶装置に代わる記憶装置が求められている。その一つとして、遷移金属絶縁膜等に電界パルスを印加すると物質の抵抗が変化するという特性を利用した不揮発性記憶装置(抵抗変化型メモリ、ReRAM)が検討されている(例えば、特許文献1を参照)。 In a NAND-type nonvolatile memory device using a transistor, device operation has become difficult due to the influence of a so-called short channel effect accompanying the miniaturization of the device. The “short channel effect” is a phenomenon that occurs when the distance between the source portion and the drain portion is reduced due to miniaturization of the device, and includes, for example, an increase in leakage current generated between the source and the drain. Therefore, a memory device that replaces the memory device using a transistor is required. As one example, a nonvolatile memory device (resistance-change memory, ReRAM) that uses the characteristic that the resistance of a substance changes when an electric field pulse is applied to a transition metal insulating film or the like has been studied (for example, Patent Document 1). See).
ここで、抵抗変化型メモリは、NAND型の不揮発性記憶装置に比べて多値化が困難である。そのため、記憶容量の大容量化を図るためにメモリセルを積層させることが検討されている。
しかしながら、メモリセルを積層させた場合、下層に形成されたメモリセルと上層に形成されたメモリセルとでは熱履歴が異なるものとなる。すなわち、先に形成された下層のメモリセルほどその上層に形成されるメモリセルの熱工程の影響を繰り返し受けることになる。そのため、例えば、下層に形成されたメモリセルの整流素子(例えば、メモリセル選択用のダイオードなど)のドーピングプロファイルが変化してしまい積層された層毎に整流素子のドーピングプロファイルが異なるものとなってしまうおそれがある。そして、整流素子のドーピングプロファイルが異なるものとなると、それにともない耐圧などの整流素子の特性がばらついてしまうおそれがある。
However, when memory cells are stacked, the thermal history differs between the memory cells formed in the lower layer and the memory cells formed in the upper layer. That is, the lower memory cell formed earlier is repeatedly affected by the thermal process of the memory cell formed in the upper layer. Therefore, for example, the doping profile of the rectifying element of the memory cell formed in the lower layer (for example, a diode for selecting a memory cell) changes, and the doping profile of the rectifying element differs for each stacked layer. There is a risk that. If the doping profile of the rectifying element is different, the characteristics of the rectifying element such as a withstand voltage may vary accordingly.
本発明は、積層されたメモリセルの各層間における整流素子のドーピングプロファイルが異なるものとなることを抑制することができる不揮発性記憶装置の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a non-volatile memory device that can prevent the doping profiles of rectifying elements between layers of stacked memory cells from being different.
本発明の一態様によれば、第1の方向に延在する第1の配線と、前記第1の方向と非平行な第2の方向に延在する第2の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線との間に挟持され、前記第1の配線と前記第2の配線とを介して供給される電流により、第1の状態と第2の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、前記記録層に印加される電圧の極性に方向性を与える整流素子と、を有するメモリセルを複数の層に積層した不揮発性記憶装置の製造方法であって、前記整流素子を形成する工程は、p型半導体の層を形成する工程と、前記p型半導体の層の主面にn型半導体の調整層を形成する工程と、前記調整層の主面に前記調整層のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度のn型半導体の層を形成する工程と、を含み、前記調整層のドーパント濃度と厚み寸法の少なくともいずれかを前記積層されたメモリセルの各層毎に変化させること、を特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first wiring extending in a first direction, a second wiring extending in a second direction non-parallel to the first direction, and the first wiring Reversible between the first state and the second state by a current sandwiched between the wiring and the second wiring and supplied through the first wiring and the second wiring. And a rectifying element that gives direction to the polarity of a voltage applied to the recording layer, and a method of manufacturing a nonvolatile memory device in which a plurality of layers are stacked. The step of forming the rectifying element includes the step of forming a p-type semiconductor layer, the step of forming an n-type semiconductor adjustment layer on the main surface of the p-type semiconductor layer, and the adjustment on the main surface of the adjustment layer. Forming an n-type semiconductor layer having a dopant concentration lower than the dopant concentration of the layer, Varying at least one of the dopant concentration and thickness for each layer of the stacked memory cell, method of manufacturing the nonvolatile memory device according to claim is provided.
本発明によれば、積層されたメモリセルの各層間における整流素子のドーピングプロファイルが異なるものとなることを抑制することができる不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the non-volatile memory device which can suppress that the doping profile of the rectifier element in each layer of the laminated | stacked memory cell becomes different is provided.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and detailed description is abbreviate | omitted suitably.
図1〜図3は、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法によって製造される不揮発性記憶装置の一例を例示するための模式図である。
まず、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法によって製造される不揮発性記憶装置の一例について、図1〜図3を参照しつつ例示をする。
1 to 3 are schematic views for illustrating an example of a nonvolatile memory device manufactured by the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to this embodiment.
First, an example of a nonvolatile memory device manufactured by the method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the present embodiment will be illustrated with reference to FIGS.
図1は、不揮発性記憶装置2の模式図である。なお、図1(a)は、不揮発性記憶装置2の模式斜視図であり、図1(b)は、不揮発性記憶装置2の模式回路図である。
図2は、不揮発性記憶装置2の模式断面図である。図2(a)は、不揮発性記憶装置2を第1の方向(X軸方向)から見た模式断面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線断面図である。
なお、1つの第1の配線20と1つの第2の配線50とが交叉する領域に設けられた1つの記録部40が1つの記録用単位要素であり、これを「メモリセル」という。
また、図1、図2は、最も下層に形成されたメモリセルの層を例示するものであり、これに積層されるようにして形成される上層のメモリセルは省略している。
図3は、積層されたメモリセルを例示するための模式断面図である。
なお、図3は、一例として二層に積層されたメモリセルを例示するものである。また、図3(a)は、積層されたメモリセルのワード線が各層毎に設けられた場合、図3(b)は、積層されたメモリセルのワード線が共有されている場合を例示するものである。
FIG. 1 is a schematic diagram of the
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
Note that one
1 and 2 exemplify the memory cell layer formed in the lowermost layer, and the upper-layer memory cell formed so as to be stacked thereon is omitted.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for illustrating stacked memory cells.
FIG. 3 exemplifies memory cells stacked in two layers as an example. 3A illustrates a case where word lines of stacked memory cells are provided for each layer, and FIG. 3B illustrates a case where word lines of stacked memory cells are shared. Is.
図1(a)に示すように、不揮発性記憶装置2は、基板10と、基板10の主面上に設けられ、第1の方向(X軸方向)に延在する第1の配線20(ビット線BL)と、第1の方向と非平行な(交叉する)第2の方向(Y軸方向)に延在する第2の配線50(ワード線WL)と、第1の配線20と第2の配線50との間に挟持され、第1の配線20と第2の配線50とを介して供給される電流により、第1の状態と第2の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層44と、を備える。また、第1の配線20と記録層44との間に、これらによって挟持されるようにして設けられた整流素子30を備えている。ここで、「主面」とは、第1の配線20、整流素子30、記録層44などが積層する方向(図1において、Z軸方向;上下方向)に対して垂直な面(図1において、XY面)をいう。
As shown in FIG. 1A, the
また、図2に示すように、記録層44のZ軸方向両側に、記録層44を挟持する電極層42、46を備えていてもよい。ここで、記録層44と、電極層42、46とを併せて「記録部40」と呼ぶことにする。また、第1の配線20と整流素子30との間に、バリア層32を備えていてもよい。
配線L(第1の配線20及び第2の配線50)には、導電性を有する材料を用いることができる。また、さらに耐熱性をも有する材料とすることができる。例えば、導電性と耐熱性とを有する材料として、タングステン(W)を用いることができる。
In addition, as shown in FIG. 2,
A conductive material can be used for the wiring L (the
また、図1、図2に示すように、記録層44(記録部40)と第2の配線50との間には、製造工程(平坦化工程)で必要となるストッパー層52を設けるようにすることができる。この場合、例えば、平坦化工程においてCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)法を用いる場合には、ストッパー層52をCMPストッパー層とすることができる。ただし、ストッパー層52は、必ずしも必要ではなく必要に応じて設けるようにすればよい。例えば、電極層46の厚さを充分厚くして、電極層46にストッパー層の機能を付与すれば、ストッパー層52を設ける必要はない。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
ここで、ストッパー層52と第2の配線50とを同じ材料で形成すれば、両者が一体化して第2の配線としての機能を担うことになる。このような場合の第2の配線を、「第2の配線54」と呼ぶことにする。そのため、第2の配線54は、各メモリセルにおいて記録層44側に突出した突出部(ストッパー層52)を有することになる。
Here, if the
整流素子30は、整流特性を有し、記録層44に印加される電圧の極性に方向性を与えるために設けられる。整流素子30には、例えば、PN接合ダイオード、ツェナーダイオード、ショットキーダイオード等を用いることができる。なお、整流素子30の構成などについては後述する。
図1では、整流素子30が、ビット線BLと電極層42との間に設けられている場合を例示したが、整流素子30は、ワード線WLと電極層46との間に設けられていてもよい。また、整流素子30は、ビット線BLとワード線WLとが対向する領域以外の領域に設けられていてもよい。
第1の配線20と整流素子30との間には、これらの間における元素の拡散などを抑制するためにバリア層32を設けるようにすることができる。
The rectifying
FIG. 1 illustrates the case where the rectifying
A
次に、記録部40について、図2を参照しつつ例示をする。
図2に示すように、記録部40は、記録層44と、記録層44をZ軸方向(上下方向)から挟持する電極層42、46とを有している。
電極層42、46は、記録層44が電気的接続を得やすいように、必要に応じて設けられる。また、電極層42、46は、例えば、記録層44とZ軸方向(上下方向)の構成要素との間における元素の拡散などを抑制するためのバリア層としての機能をも有していてもよい。
Next, the
As illustrated in FIG. 2, the
The electrode layers 42 and 46 are provided as necessary so that the
また、消去(リセット)動作において記録層44の加熱を効率よく行うために、記録層44の陰極側(ここでは、ワード線WL側)に、ヒータ層(抵抗率が約10−5Ωcm以上の材料)を設けてもよい。この場合、ヒータ層とワード線WLとの間にバリア層を設けるようにすることができる。
Further, in order to efficiently heat the
次に、記録層44について例示をする。
後述するように、不揮発性記憶装置2は、第1の配線20と第2の配線50とに与える電位の組合せによって、各記録部40に印加される電圧を変化させることができる。そして、その時の記録部40の特性(例えば、抵抗値)によって、情報を記録(書き込み)したり消去したりすることができる。そのため、記録層44は、印加される電圧によって特性が変化するものとされている。記録層44としては、例えば、抵抗値が可逆的に遷移可能な可変抵抗層や、印加される電圧によって結晶状態と非晶質状態との間で可逆的に遷移可能な相変化層などを例示することができる。
Next, the
As will be described later, the
また、記録層44の材料としては、例えば、金属酸化物を例示することができる。この場合、例えば、クロム(Cr)、タングステン(W)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、トリウム(Tr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、あるいは、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までのいわゆる希土類元素などの酸化物などとすることができる。
また、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化銅(CuO)、酸化シリコン(SiO2)等とすることもできる。
Moreover, as a material of the
Alternatively, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), copper oxide (CuO), silicon oxide (SiO 2 ), or the like can be used.
また、複合酸化物とすることもできる。この場合、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ビスマス酸化鉄(BiFeO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、バナジウム酸ナトリウム(Na3VO4)、バナジウム酸鉄(FeVO3)、チタン酸バナジウム(TiVO3)、クロム酸バナジウム(CrVO3)、バナジウム酸ニッケル(NiVO3)、バナジウム酸マグネシウム(MgVO3)、バナジウム酸カルシウム(CaVO3)、バナジウム酸ランタン(LaVO3)、モリブデン酸バナジウム(VMoO5)、モリブデン酸バナジウム(V2MoO8)、バナジウム酸リチウム(LiV2O5)、珪酸マグネシウム(Mg2SiO4)、珪酸マグネシウム(MgSiO3)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、マグネシウム酸鉛(PbMgO3)、ニオブ酸鉛(PbNbO3)、ホウ酸バリウム(BaB2O4)、クロム酸ランタン(LaCrO3)、チタン酸リチウム(LiTi2O4)、銅酸ランタン(LaCuO4)、チタン酸亜鉛(ZnTiO3)、タングステン酸カルシウム(CaWO4)等とすることができる。 Moreover, it can also be set as complex oxide. In this case, for example, barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), bismuth iron oxide (BiFeO 3 ), lithium niobate (LiNbO) 3), sodium vanadate (Na 3 VO 4), vanadium iron (FeVO 3), titanate vanadium (TiVO 3), chromic acid vanadium (CRVO 3), vanadium, nickel (NiVO 3), magnesium vanadate (MgVO 3), calcium vanadate (Cavo 3), vanadium lanthanum (LaVO 3), molybdate vanadium (VMoO 5), molybdate vanadium (V 2 MoO 8), lithium vanadate (LiV 2 O 5), silicates Magne Sium (Mg 2 SiO 4 ), magnesium silicate (MgSiO 3 ), zirconium titanate (ZrTiO 4 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), lead magnesium acid (PbMgO 3 ), lead niobate (PbNbO 3 ), barium borate (BaB 2 O 4 ), lanthanum chromate (LaCrO 3 ), lithium titanate (LiTi 2 O 4 ), lanthanum cuprate (LaCuO 4 ), zinc titanate (ZnTiO 3 ), calcium tungstate (CaWO 4 ), etc. can do.
また、カルコゲナイド系の可変抵抗材料とすることもできる。カルコゲナイドとは、Se、Te等の16族元素を含む化合物の総称であり、16族元素がカルコゲンと呼ばれることに由来する。このカルコゲナイド系材料は、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で可逆的に遷移可能な可変抵抗材料の一種である。
また、各メモリセルの間には、図2に示すように素子間絶縁層70が設けられている。
Also, a chalcogenide-based variable resistance material can be used. Chalcogenide is a general term for compounds containing group 16 elements such as Se and Te, and is derived from the fact that group 16 elements are called chalcogens. This chalcogenide-based material is a kind of variable resistance material that can reversibly transition between a crystalline state and an amorphous state by applying a voltage.
Further, an inter-element insulating
また、メモリセルの位置を基準として配線L(第1の配線20及び第2の配線50;ビット線BL及びワード線WL)の延在方向外側には、図示しないコンタクトプラグが設けられている。コンタクトプラグは、データの記録(書き込み)及び読み出しを行うための読み出し/記録回路(書き込み回路)等の周辺回路と接続されている(図示せず)。記録部40には、コンタクトプラグ及び配線Lを通じて電流が流され、これにより記録部40の記録(書き込み)や消去等の各種動作を行うことが可能となる。
この様に、ビット線BLとワード線WLとが交叉する部分に記録部40が設けられた不揮発性記憶装置2は、いわゆるクロスポイント型不揮発性記憶装置(メモリ)と呼ばれている。
Further, a contact plug (not shown) is provided on the outside in the extending direction of the wiring L (
As described above, the
また、メモリセルの層が一層からなる不揮発性記憶装置とすることもできるが、記憶容量の大容量化を図るためにメモリセルをZ軸方向(上下方向)に積層させることもできる。この場合、例えば、図3(a)に示すように、層間絶縁膜71を設けて第2の配線50(ワード線WL)が各層毎に設けられるようにすることができる。また、例えば、図3(b)に示すように、第2の配線50(ワード線WL)が共有されるように積層させることもできる。なお、図3は、一例として二層に積層されたメモリセルの層を例示したが、三層以上に積層させることもできる。
In addition, a nonvolatile memory device having a single memory cell layer can be used, but the memory cells can be stacked in the Z-axis direction (vertical direction) in order to increase the storage capacity. In this case, for example, as shown in FIG. 3A, an
ここで、メモリセルの層を積層させた場合、下層に形成されたメモリセルと上層に形成されたメモリセルとでは熱履歴が異なるものとなる。すなわち、先に形成された下層のメモリセルほどその上層に形成されるメモリセルの熱工程の影響を繰り返し受けることになる。特に、整流素子30が後から形成されるメモリセルの熱工程の影響を受けるとドーピングプロファイルが変化してしまうおそれがある。
Here, when the layers of the memory cells are stacked, the thermal history is different between the memory cells formed in the lower layer and the memory cells formed in the upper layer. That is, the lower memory cell formed earlier is repeatedly affected by the thermal process of the memory cell formed in the upper layer. In particular, the doping profile may change when the rectifying
図4は、整流素子30のドーピングプロファイルの一例を例示するための模式図である。なお、図4は、一例として整流素子30にpinダイオードを用いる場合を例示するものである。
図4に示すように、整流素子30には、第1の層30a、第2の層30b、第3の層30cが設けられている。
FIG. 4 is a schematic diagram for illustrating an example of a doping profile of the rectifying
As shown in FIG. 4, the rectifying
第1の層30aはp型半導体の層(p層)であり、B(ボロン)等の周期律表の第III族元素が添加されている。また、第3の層30cはn型半導体の層(n層)であり、P(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)等の周期律表の第V族元素が添加されている。また、第1の層(p層)30aと第3の層(n層)30cとの間に挟持されるようにして設けられる第2の層30bもn型半導体の層であるが、第V族元素の添加量が少ない高純度層(i層)である。
The
この様な構成を有する整流素子30においては、逆方向にバイアス電圧が印加されたときには、高抵抗の第2の層(i層)30bにより高い耐圧特性を得ることができる。また、順方向にバイアス電圧が印加されたときには、第2の層(i層)30bにより可変抵抗特性を得ることができる。
In the rectifying
しかしながら、後から形成される上層のメモリセルの熱工程の影響を受けると、例えば、第1の層(p層)30aと第2の層(i層)30bとの接合部分において熱拡散が生じ、ドーピングプロファイルが変化してしまうおそれがある。そして、ドーピングプロファイルの変化の状態はメモリセルの各層毎に異なるものとなるので、耐圧特性や可変抵抗特性などが各層毎に異なるものとなってしまうおそれがある。 However, under the influence of the thermal process of the upper memory cell formed later, for example, thermal diffusion occurs at the junction between the first layer (p layer) 30a and the second layer (i layer) 30b. The doping profile may change. And since the state of the doping profile change is different for each layer of the memory cell, the breakdown voltage characteristic, variable resistance characteristic and the like may be different for each layer.
そこで、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法においては、第1の層(p層)30と第2の層(i層)30bとの間に調整層を形成し、熱履歴を考慮して調整層31のドーパント濃度や厚み寸法などを積層されるメモリセルの層毎に変化させるようにしている。そして、ドーパント濃度や厚み寸法などの異なる調整層を各層毎に形成することで熱工程の影響を抑制し、ドーピングプロファイルの変化を抑制するようにしている。なお、調整層の形成などに関しての詳細は後述する(図6を参照)。
Therefore, in the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to the present embodiment, an adjustment layer is formed between the first layer (p layer) 30 and the second layer (i layer) 30b, and the thermal history is obtained. Considering this, the dopant concentration, thickness dimension, and the like of the
以上、不揮発性記憶装置2の一例を例示したが、前述した構成に限定されるわけではなく適宜変更することができる。
例えば、第1の配線20、第2の配線50、メモリセルなどの数、配置などは、図1において例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述したものの場合には、第1の配線20を「ビット線BL」、第2の配線50を「ワード線WL」と呼んでいるが、逆に、第1の配線20を「ワード線WL」、第2の配線50を「ビット線BL」と呼んでもよい。
また、不揮発性記憶装置2のZ軸方向(上下方向)の両端においては、同種配線(例えば、2つのビット線BLまたは2つのワード線WL)が配置されていてもよく、異種配線(例えば、ビット線BL及びワード線WL)が配置されていてもよい。
As mentioned above, although an example of the
For example, the number, arrangement, and the like of the
In the case described above, the
Further, the same kind of wiring (for example, two bit lines BL or two word lines WL) may be arranged at both ends in the Z-axis direction (vertical direction) of the
次に、不揮発性記憶装置2の作用、すなわち、メモリセルへの記録(書き込み)動作、読み出し動作、及び消去動作を実行する場合について例示をする。
記録(書き込み)動作をさせるためには、選択されたメモリセルに電圧を印加し、そのメモリセル内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよい。この場合、例えば、ビット線BLを接地電位としワード線WLに負の電位を与えて、ワード線WLの電位がビット線BLの電位よりも相対的に低い状態を作るようにすればよい。
そして、選択されたメモリセルは、相変化等により電子伝導性を有するようになるため、記録(書き込み)動作が完了する。
なお、記録(書き込み)動作のための電流パルスは、ワード線WLの電位がビット線BLの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。
Next, the operation of the
In order to perform a recording (writing) operation, a voltage is applied to a selected memory cell, a potential gradient is generated in the memory cell, and a current pulse is supplied. In this case, for example, the bit line BL may be grounded and a negative potential may be applied to the word line WL so that the potential of the word line WL is relatively lower than the potential of the bit line BL.
Since the selected memory cell has electronic conductivity due to phase change or the like, the recording (writing) operation is completed.
Note that the current pulse for the recording (writing) operation may be generated by creating a state in which the potential of the word line WL is relatively higher than the potential of the bit line BL.
読み出し動作は、電流パルスを選択されたメモリセルに流し、そのメモリセルの抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセルを構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。 The read operation is performed by passing a current pulse through the selected memory cell and detecting the resistance value of the memory cell. However, the current pulse needs to have a minute value that does not cause a change in resistance of the material constituting the memory cell.
消去(リセット)動作をさせるためには、選択されたメモリセルを大電流パルスによりジュール加熱して、そのメモリセルの抵抗状態を元に戻せばよい。 In order to perform the erase (reset) operation, the selected memory cell may be Joule-heated with a large current pulse to restore the resistance state of the memory cell.
次に、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法について例示をする。
図5、図7〜図9は、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法について例示をするための模式工程断面図である。
本実施の形態においては、一例として、周辺回路を形成した後の配線形成工程において、図1〜図4において例示をしたクロスポイント型の不揮発性記憶装置2を製造する場合を例示する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device according to this embodiment is illustrated.
5 and 7 to 9 are schematic process cross-sectional views for illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to this embodiment.
In the present embodiment, as an example, a case where the cross-point type
まず、図5(a)に示すように、基板10の主面上に、第1の配線20(ビット線)、バリア層32、整流素子30、電極層42、記録層44、電極層46、ストッパー層52、及びエッチングマスク60となる各層を、下からこの順番で形成する。形成方法としては、例えばスパッタリング法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、プラズマCVD法などを例示することができる。
First, as shown in FIG. 5A, on the main surface of the
第1の配線20の材料としては、例えばタングステンを例示することができる。整流素子30としては、例えば前述したpin(p型半導体/絶縁体/n型半導体)ダイオードを例示することができる。ストッパー層52の材料には、第2の配線50(ワード線)の材料と同じ材料を用いる(例えば、タングステンなど)。エッチングマスク60の材料としては、例えばSiO2を例示することができる。バリア層32、及び電極層42、46は、必要に応じて設けるものである。これらの材料としては、例えば、チタンや窒化チタンを例示することができる。
An example of the material of the
ここで、整流素子30の形成についてさらに例示をする。
図6は、整流素子30の形成について例示をするための模式断面図である。
整流素子30の形成においては、LP(Low Pressure)−CVD法を用いて、SiH4ガス、H2ガス、N2ガスなどの材料ガスとドーピング用のガスとを同時に流しながら整流素子30を構成する各層を形成させるようにすることができる。
Here, the formation of the rectifying
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for illustrating the formation of the rectifying
In forming the rectifying
第1の層(p層)30aの形成にはB2H6ガスやBCl3ガスなどをドーピング用のガスとして用いることができる。そして、所定の膜厚となるように第1の層30aを形成させた後に、第1の層30aの主面に調整層31を形成させる。調整層31を形成させた後には、第2の層(i層)30b、第3の層(n層)30cをこの順に順次形成させる。
For the formation of the first layer (p layer) 30a, B 2 H 6 gas, BCl 3 gas or the like can be used as a doping gas. And after forming the
n型半導体の層である調整層31、第2の層30b、第3の層30cの形成にはPH3ガスをドーピング用のガスとして用いることができる。ただし、これに限定されるわけではなく、n型半導体を形成させる際に用いることができるドーピング用のガスを用いることができる。例えば、AsH3ガスを用いることができる。
For the formation of the
そして、調整層31、第2の層30b、第3の層30cの機能に応じてドーピング用のガスの流量を変化させてドーパント濃度を制御するようにする(材料ガスとドーピングガスとの流量比を制御することでドーパント濃度を制御するようにする)。例えば、第3の層30cの形成においてはドーパント濃度を高め(例えば、キャリア濃度が1020/cm3以上)、第2の層30bにおいてはドーパント濃度を低め(例えば、キャリア濃度が1016/cm3以上)となるように制御する。
Then, the dopant concentration is controlled by changing the flow rate of the doping gas in accordance with the functions of the
前述したように、メモリセルの層を積層させた場合、下層に形成された整流素子30と上層に形成された整流素子30とでは熱履歴が異なるものとなる。すなわち、先に形成された下層の整流素子30ほどその上層に形成されるメモリセルの熱工程の影響を繰り返し受けることになる。例えば、LP−CVD法を用いて整流素子30を構成する各層を形成させる場合には、550℃程度の熱がかかることになる。そして、この熱が、先に形成されたメモリセルに伝わると第1の層(p層)30aから第2の層(i層)30bにアクセプターが熱拡散して、整流素子30のドーピングプロファイルが変化してしまうおそれがある。
As described above, when the memory cell layers are stacked, the thermal history is different between the rectifying
そのため、本実施の形態においては、調整層31を形成し、熱履歴を考慮して調整層31のドーパント濃度を積層されるメモリセルの層毎に変化させるようにしている。また、調整層31のドーパント濃度が第2の層(i層)30bのドーパント濃度よりも高くなるように形成されている。例えば、下層になるほど調整層31のドーパント濃度が高くなるようにし、これとは逆に上層になるほど調整層31のドーパント濃度が低くなるようにしている。そして、最も上層においては、第2の層30bと調整層31とのドーパント濃度が略同一となるようにされている。なお、最も上層においては、調整層31を形成しないようにすることもできる。
Therefore, in the present embodiment, the
なお、ポリシリコンを形成させる材料ガスと、ドーピングガスと、を供給し、材料ガスとドーピングガスとの流量比を制御することで、調整層31のドーパント濃度を制御する場合を例示したが、ポリシリコンの膜を形成させた後に注入するイオンを制御することで調整層31のドーパント濃度を制御してもよい。ただし、ドーパント濃度の均一性などを考慮すると、材料ガスとドーピングガスとの流量比を制御することで、調整層31のドーパント濃度を制御する方が好ましい。
The case where the dopant concentration of the
前述したものの場合は、調整層31のドーパント濃度を変化させるようにしたが、調整層31のドーパント濃度を略一定として、調整層31の厚み寸法を変化させるようにすることもできる。例えば、下層になるほど調整層31の厚み寸法を厚くし、これとは逆に上層になるほど調整層31の厚み寸法を薄くするようにすることができる。そして、最も上層においては、調整層31を極わずか形成させるかあるいは形成させないようにすることができる。
また、必要に応じて、調整層31のドーパント濃度と厚み寸法とを変化させるようにすることもできる。
In the case described above, the dopant concentration of the
In addition, the dopant concentration and thickness dimension of the
すなわち、整流素子30を形成する工程は、p型半導体の層である第1の層(p層)30aを形成する工程と、第1の層(p層)30aの主面にn型半導体の調整層31を形成する工程と、調整層31の主面に調整層31のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度のn型半導体の層である第2の層(i層)30bを形成する工程と、第2の層(i層)30bの主面に、第2の層(i層)30bのドーパント濃度よりも高いドーパント濃度のn型半導体の層である第3の層(n層)30cを形成する工程と、を備えている。
そして、調整層31のドーパント濃度と厚み寸法の少なくともいずれかを積層されたメモリセルの各層毎に変化させるようにしている。
また、調整層31のドーパント濃度を、下層に設けられるものほど高くしている。
また、調整層31の厚み寸法を、下層に設けられるものほど厚くすることもできる。
In other words, the step of forming the rectifying
Then, at least one of the dopant concentration and the thickness dimension of the
Further, the dopant concentration of the
Moreover, the thickness dimension of the
また、LP−CVD法を用いて調整層31を形成する際に、ポリシリコンを形成させる材料ガスと、ドーピングガスと、を供給し、材料ガスとドーピングガスとの流量比を制御することで、調整層31のドーパント濃度を制御するようにすることができる。
Further, when forming the
このようにメモリセルの層を積層させる過程において、整流素子30に調整層31を設けてそのドーパント濃度や厚み寸法などを積層されるメモリセルの各層毎に適正なものとすれば、熱履歴の影響を抑制することができる。すなわち、第1の層(p層)30aからアクセプターが熱拡散しても、ドーパント濃度の高い調整層31に阻まれて第2の層(i層)30bにまでアクセプターが拡散することを抑制することができる。その結果、ドーピングプロファイルが変化してしまうことを抑制することができるので、整流素子30の特性(例えば、耐圧特性や可変抵抗特性など)を安定させることができる。
In this process of stacking the memory cell layers, if the
なお、最上層のメモリセルが形成された際に、積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルが、それまでの熱履歴により略同一となるような調整層31のドーパント濃度や厚み寸法とすることが好ましい。
そのようにすれば、最上層のメモリセルが形成されるまでの間の熱履歴により、p型半導体の層である第1の層(p層)30aから調整層31にアクセプターが熱拡散することで、積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルが略同一となるようにすることができる。
It should be noted that when the uppermost memory cell is formed, the dopant concentration of the
By doing so, the acceptor is thermally diffused from the first layer (p layer) 30a, which is a p-type semiconductor layer, to the
この場合、最上層のメモリセルが形成された後に、積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルを略同一とする熱処理(例えば、低温アニール等)を行う工程をさらに備えるようにしてもよい。
In this case, after the uppermost memory cell is formed, there is further provided a step of performing a heat treatment (for example, low-temperature annealing) that makes the doping profile of the rectifying
次に、図5(b)に戻って、不揮発性記憶装置2の製造方法についての例示を続ける。 図5(b)に示すように、積層体(第1の配線20〜エッチングマスク60が積層されたもの)の第1の方向(X軸方向)にエッチング処理を行い、素子分離領域80を形成させる。エッチング処理は、基板10と第1の配線20との界面深さまで行う。
Next, returning to FIG. 5B, the illustration of the method for manufacturing the
次に、図5(c)に示すように、素子分離領域80が形成されたものの表面に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて第1の絶縁層70Aを形成する。原料ガスとしては、例えばSiH4/O2を例示することができる。これにより、記録部40や整流素子30の側面を含むメモリセル側壁に、不純物の少ない高品質な絶縁層を形成することができる。
第1の絶縁層70Aは、素子分離領域80の表面と、エッチングマスク60の主面とに形成される。そのため、素子分離領域80及びその近傍に、溝90が形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, the first insulating
The first insulating
そして、溝90の開口部90aが第1の絶縁層70Aによって閉塞される前にプラズマCVD法による第1の絶縁層70Aの形成を停止するようにする。この場合、開口部90aの幅(開口部幅L1)が、後の塗布工程において塗布剤が通過し得る幅(例えば、5nm程度以上)となるようにする。なお、塗布工程において塗布剤が通過することのできる幅を、「塗布剤通過幅」と称することにする。
Then, before the
なお、この段階でプラズマCVD法による第1の絶縁層70Aの形成を停止しなければ、第1の絶縁層70Aは開口部90a近傍に比較的多く堆積すると考えられる。そのため、開口部90aが第1の絶縁層70Aによって閉塞された後、素子分離領域80に空隙が形成されてしまうおそれがある。特に、素子分離領域80のアスペクト比が高い場合には、空隙が形成されるおそれが高くなる。そして、空隙が形成された場合には、素子分離領域80の絶縁性が低下するおそれがある。そのため、前述したように、溝90の開口部90aが第1の絶縁層70Aによって閉塞される前にプラズマCVD法による第1の絶縁層70Aの形成を停止するようにしている。
If the formation of the first insulating
ここで、溝90の形状が適切なものとなるようにするため、プラズマCVD法による堆積の異方性を高めるようにすることが好ましい。そのようにすれば、第1の絶縁層70Aによる開口部90aの閉塞が発生し難くなる。堆積の異方性を高めるためには、例えば、バイアス電力やガス圧力などの工程条件を変えてプラズマ雰囲気中のイオンの比率を高めるようにすればよい。
Here, in order to make the shape of the
なお、適切な開口部幅L1を確保するために、必要に応じて、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing )法などを用いて積層体上面(積層体の主面)の平坦化を行ったり、素子分離領域80にエッチング処理を行ってもよい(図示せず)。
In order to secure an appropriate opening width L1, the upper surface of the stacked body (main surface of the stacked body) is flattened by using, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like as necessary. The
次に、図5(d)に示すように、第1の絶縁層70Aの表面に、例えばスピンコート法を用いて第2の絶縁層70Bを形成する。この際に用いられる塗布剤としては、例えばポリシラザンなどを例示することができる。溝90に塗布剤が充填されることで第2の絶縁層70Bが形成されると、素子分離領域80は第1の絶縁層70Aと第2の絶縁層70Bとによって埋込が行われることになる。この様にして、第1の方向(X軸方向)の素子間絶縁層70を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5D, the second insulating
次に、図7(a)に示すように、積層体上面を、例えばCMP法を用いて平坦化する。平坦化は、ストッパー層52が露出するまで行うようにする。
これにより、第1の方向(X軸方向)の加工が完了する。
Next, as shown in FIG. 7A, the upper surface of the stacked body is planarized using, for example, a CMP method. The planarization is performed until the
Thereby, processing in the first direction (X-axis direction) is completed.
次に、第2の方向(Y軸方向)の加工を行う。
図7(b)は、図7(a)に示した積層体のB−B線断面図である。すなわち、図7(b)は、第2の方向(Y軸方向)の加工を例示するために、図7(a)に示した積層体を第2の方向(Y軸方向)から見たときの断面を表した図である。
Next, processing in the second direction (Y-axis direction) is performed.
FIG.7 (b) is the BB sectional drawing of the laminated body shown to Fig.7 (a). That is, FIG. 7B shows the laminate shown in FIG. 7A viewed from the second direction (Y-axis direction) to illustrate processing in the second direction (Y-axis direction). FIG.
まず、図7(c)に示すように、積層体上面に第2の配線50の層を形成する。第2の配線50の層の形成方法としては、例えばスパッタリング法を例示することができる。前述したように、第2の配線50(ワード線)及びストッパー層52には同じ材料を用い、これらを一体化して第2の配線54を形成するようにすることができる。
First, as shown in FIG. 7C, a layer of the
次に、図8(a)に示すように、積層体上面に、例えばプラズマCVD法を用いてエッチングマスク60の層を形成する。
Next, as shown in FIG. 8A, a layer of the
次に、図8(b)に示すように、積層体の第2の方向(Y軸方向)にエッチング処理を行い、素子分離領域80を形成させる。エッチング処理は、第1の配線20とバリア層32との界面深さまで行う。
Next, as illustrated in FIG. 8B, an
次に、図8(c)に示すように、素子分離領域80が形成されたものの表面に、例えばプラズマCVD法を用いて第1の絶縁層70Aを形成する。原料ガスとしては、例えばSiH4/O2を例示することができる。これにより、記録部40や整流素子30の側面を含むメモリセル側壁に、不純物の少ない高品質な絶縁層を形成することができる。
第1の絶縁層70Aは、素子分離領域80の表面と、エッチングマスク60の主面とに形成される。そのため、素子分離領域80及びその近傍に、溝90が形成される。
Next, as shown in FIG. 8C, a first insulating
The first insulating
そして、図5(c)において例示をした場合と同様に、溝90の開口部90aが第1の絶縁層70Aによって閉塞される前にプラズマCVD法による第1の絶縁層70Aの形成を停止するようにする。この場合、前述した場合のように、開口部90aの幅(開口部幅L1)が塗布剤通過幅(例えば、5nm程度以上)となるようにする。
Then, similarly to the case illustrated in FIG. 5C, the formation of the first insulating
第2の方向(Y軸方向)の加工においても、溝90の形状が適切なものとなるように、プラズマCVD法による堆積の異方性を高めるようにすることが好ましい。
なお、適切な開口部幅L1を確保するために、必要に応じて、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing )法などを用いて積層体上面(積層体の主面)の平坦化を行ったり、素子分離領域80にエッチング処理を行ってもよい(図示せず)。
Also in the processing in the second direction (Y-axis direction), it is preferable to increase the anisotropy of deposition by the plasma CVD method so that the shape of the
In order to secure an appropriate opening width L1, the upper surface of the stacked body (main surface of the stacked body) is flattened by using, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like as necessary. The
次に、図9(a)に示すように、第1の絶縁層70Aの表面に、例えばスピンコート法を用いて第2の絶縁層70Bを形成する。この際に用いられる塗布剤としては、例えばポリシラザンなどを例示することができる。溝90に塗布剤が充填されることで第2の絶縁層70Bが形成されると、素子分離領域80は第1の絶縁層70Aと第2の絶縁層70Bとによって埋込が行われることになる。この様にして、第2の方向(Y軸方向)の素子間絶縁層70を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 9A, a second insulating
次に、図9(b)に示すように、積層体上面を、例えばCMP法を用いて平坦化する。平坦化は、第2の配線54が露出するまで行うようにする。
これにより、第2の方向(Y軸方向)の加工が完了する。
Next, as shown in FIG. 9B, the upper surface of the stacked body is planarized using, for example, a CMP method. The planarization is performed until the
Thereby, processing in the second direction (Y-axis direction) is completed.
なお、必要に応じて、塗布法によって形成された第2の絶縁層70Bの質を改善するために、例えば400℃以下の低温アニール等の熱処理を行うようにすることもできる。
以上の工程により、最も下層に位置するメモリセルの層を形成することができる。メモリセルを多層に形成させる場合には、同様の手順を繰り返すようにすればよい。
また、メモリセルを多層に形成させた場合、積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルが略同一となるように低温アニール等の熱処理を行うようにすることができる。
If necessary, in order to improve the quality of the second insulating
Through the above steps, the memory cell layer located at the lowest layer can be formed. When memory cells are formed in multiple layers, the same procedure may be repeated.
Further, when the memory cells are formed in multiple layers, heat treatment such as low-temperature annealing can be performed so that the doping profile of the rectifying
なお、プラズマCVD法によって形成される第1の絶縁層70Aと、スピンコート法によって形成される第2の絶縁層70Bとの界面には、低温アニール等の熱処理により、第2の絶縁層70Bのポリシラザンに含まれる窒素(N)が析出する可能性がある。しかしながら、この窒素は絶縁性に影響を与えることがないので、充分な絶縁性を確保することができる。
Note that the interface between the first insulating
本実施の形態によれば、整流素子30となる層を形成させる際に、第1の層(p層)30aと第2の層(i層)30bとの間に調整層31を形成し、熱履歴を考慮して調整層31のドーパント濃度や厚み寸法などを積層されるメモリセルの層毎に変えるようにしている。そのため、上層に形成されるメモリセルの熱工程の影響を抑制することができるので下層に形成された整流素子30のドーピングプロファイルが変化してしまうことを抑制することができる。
According to the present embodiment, when forming the layer to be the rectifying
また、調整層31のドーパント濃度や厚み寸法を適宜選択することで、最上層のメモリセルが形成された際に積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルが、それまでの熱履歴により略同一となるようにすることができる。
また、最上層のメモリセルが形成された後に、低温アニール等の熱処理を行うことで積層されたメモリセルの各層間における整流素子30のドーピングプロファイルが略同一となるようにすることもできる。
In addition, by appropriately selecting the dopant concentration and the thickness dimension of the
Further, after the uppermost memory cell is formed, heat treatment such as low-temperature annealing is performed so that the doping profiles of the rectifying
そのため、整流素子30の特性(例えば、耐圧特性や可変抵抗特性など)を安定させることができ、ひいては不揮発性記憶装置2の特性や品質を向上させることができる。
Therefore, the characteristics of the rectifying element 30 (for example, withstand voltage characteristics and variable resistance characteristics) can be stabilized, and the characteristics and quality of the
以上、本実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、不揮発性記憶装置2が備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
Heretofore, the present embodiment has been illustrated. However, the present invention is not limited to these descriptions.
As long as the features of the present invention are provided, those skilled in the art appropriately modified the design of the above-described embodiments are also included in the scope of the present invention.
For example, the shape, size, material, arrangement, and the like of each element included in the
Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is combined can be combined as much as possible, and what combined these is also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are included.
2 不揮発性記憶装置、10 基板、20 第1の配線、30 整流素子、30a 第1の層、30b 第2の層、30c 第3の層、40 記録部、42 電極層、44 記録層、46 電極層、50 第2の配線、52 ストッパー層 2 Nonvolatile memory device, 10 substrate, 20 first wiring, 30 rectifying element, 30a first layer, 30b second layer, 30c third layer, 40 recording unit, 42 electrode layer, 44 recording layer, 46 Electrode layer, 50 second wiring, 52 stopper layer
Claims (7)
前記第1の方向と非平行な第2の方向に延在する第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に挟持され、前記第1の配線と前記第2の配線とを介して供給される電流により、第1の状態と第2の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
前記記録層に印加される電圧の極性に方向性を与える整流素子と、
を有するメモリセルを複数の層に積層した不揮発性記憶装置の製造方法であって、
前記整流素子を形成する工程は、p型半導体の層を形成する工程と、前記p型半導体の層の主面にn型半導体の調整層を形成する工程と、前記調整層の主面に前記調整層のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度のn型半導体の層を形成する工程と、を含み、
前記調整層のドーパント濃度と厚み寸法の少なくともいずれかを前記積層されたメモリセルの各層毎に変化させること、を特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。 A first wiring extending in a first direction;
A second wiring extending in a second direction non-parallel to the first direction;
The first state and the second state are sandwiched between the first wiring and the second wiring, and are supplied via the first wiring and the second wiring. A reversible recording layer,
A rectifying element that gives direction to the polarity of the voltage applied to the recording layer;
A method for manufacturing a nonvolatile memory device in which memory cells having a plurality of layers are stacked,
The step of forming the rectifying element includes a step of forming a p-type semiconductor layer, a step of forming an n-type semiconductor adjustment layer on the main surface of the p-type semiconductor layer, and the main surface of the adjustment layer. Forming an n-type semiconductor layer having a dopant concentration lower than that of the adjustment layer,
A method of manufacturing a nonvolatile memory device, wherein at least one of a dopant concentration and a thickness dimension of the adjustment layer is changed for each layer of the stacked memory cells.
ポリシリコンを形成させる材料ガスと、ドーピングガスと、を供給し、前記材料ガスと前記ドーピングガスとの流量比を制御することで、前記調整層のドーパント濃度を制御すること、を特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の不揮発性記憶装置の製造方法。 When forming the adjustment layer using the LP-CVD method,
A material gas for forming polysilicon and a doping gas are supplied, and a dopant concentration of the adjustment layer is controlled by controlling a flow rate ratio between the material gas and the doping gas. Item 4. The method for manufacturing a nonvolatile memory device according to any one of Items 1 to 3.
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