JP2010161137A - 半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上に形成された被加工材料、若しくは複数の積層膜から構成される被加工材料を所望のダブルパターンニング法を用いて加工する製造方法において、パターンを形成する際、素子分離幅を規定する加工を2回行うことで解決できる
【選択図】図6
Description
我々は、将来の大容量メモリの候補の1つとして、可変抵抗素子とダイオードを用いた積層クロスポイント型セルの開発を行っている。具体的には、可変抵抗素子に相変化素子をダイオードに多結晶Siを用いたクロスポイント型の素子からなる不揮発性大容量メモリである。
図47〜図49にダブルリソ方式の概要を示す。201は支持基板、203は被加工材料(被エッチング材料)、204はハードマスク、205a、205bはレジストパターンである。ここでは、一例として、最小加工寸法;Fを32nmとし、201を単結晶シリコン基板、202をシリコン酸化膜、203を多結晶シリコン膜、204をシリコン酸化膜として説明する。
次に、上記レジストパターン205a上に第2のレジストパターンとなるレジスト205bを塗布した後(図47(c))、先のレジストパターン205aの間に、ライン幅:F、スペース:3Fのライン/スペースのレジストパターン205b(ピッチ:4F)を形成する(図48(a))。続いて、上記レジストパターン205a、205bをマスクとして、下地のシリコン酸化膜204をドライエッチング法により加工し、ライン幅:F、スペース:Fのライン/スペースのシリコン酸化膜パターン204(ピッチ:2F)を形成する(図48(b))。
次に、酸素アッシングによりレジストパターン205を除去した後、上記シリコン酸化膜204をハードマスクとして下層の多結晶シリコン膜203を加工し、ライン幅:F、スペース: Fのライン/スペースパターン(ピッチ:2F)を形成する(図48(c))。
この後、配線を分離するためのシリコン酸化膜206をパターン上に形成した後(図49(a))、CMP研磨により平坦化する(図49(b))。
最初に、ハードマスクとなるシリコン酸化膜307上にライン幅:F、スペース:3Fのライン/スペースのレジストパターン308(ピッチ:4F)を形成する(図50(a))。続いて、上記、レジストパターン308を用いて、下層のシリコン窒化膜307、及びカーボン膜306を加工する。レジストパターン308は、下層のカーボン膜306エッチング時に消失する(図50(b))。
次に、酸素プラズマによるドライエッチング法でカーボンパターン306をエッチングして、シリコン窒化膜のサイドスペーサー309のみを残す。上記、シリコン窒化膜のサイドスペーサーは幅;F、スペース;Fとすれば、自己整合的に2Fピッチのライン/スペースが形成される(図51(b))。
ハードマスクとして用いる材料の組み合わせは多数存在するが、1回の露光で形成した4Fピッチのライン/スペースパターンの側壁にスペーサーを形成し、自己整合的に2Fピッチのライン/スペースを形成する方法がスペーサー方式と呼ばれる。但し、スペーサー方式は、ラインパターンに対してスペーサーを形成する必要があるため、ラインパターンのエッジ部分が円周状に繋がってしまう。このため、もう1回露光、エッチングを追加して、エッジ部分を切り離す工程が必要となる。
以上示したように、最小加工寸法:Fが小さくなると素子分離幅の変動は大容量メモリを実現する上で大きな障害となる。更に、F<32nmを実現するためのダブルパターンニング法では、上記問題がより顕在化するようになる。
同様に、スペーサー方式も同じ問題を抱えている。図58に示したように、スペーサー方式の活性領域の寸法は最終的なスペーサー幅で規定される。通常、スペーサーはCVD法で形成した薄膜とドライエッチングにより形成される。このためスペーサーの膜厚バラツキとドライエッチングの寸法バラツキを合わせた寸法変動;±Δdが必然的に存在する。図58においては、活性領域の寸法が設計の数値に対し±Δd変動した場合を示している。この場合、リソグラフィーで規定される分離領域;Aの寸法はFとなるが、スペーサー形成で±Δdの影響を受ける分離領域;Bの寸法は、F±2・Δdとなる。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
図59〜図60に本発明の概要を示す。図は断面構造を示しており、401が支持基板、402が下地絶縁膜、403が被加工材料、404がハードマスク、405と407がレジストパターン、406と408が埋め込み絶縁膜(分離絶縁膜)である。ここでは、一例として、401を単結晶シリコン基板、402と404をシリコン酸化膜、403を多結晶シリコン膜、406と408を素子分離絶縁膜として説明する。
まず、ハードマスクとなるシリコン酸化膜404上に、ライン/スペースのレジストパターン405を形成する。ここで、例えば、レジストのスペースを最小加工寸法:F、レジストのパターン幅を3Fとする(図59(a))。
続いて、例えば、CVD法によりシリコン酸化膜406を全面に形成した後、化学的機械研磨法(CMP法)により上記シリコン酸化膜406をスクライブパターンのスペース部分に埋め込む(図59(c))。
次に、例えば、CVD法によりシリコン酸化膜408を全面に形成した後、CMP法により上記シリコン酸化膜408をスクライブパターンのスペース部分に埋め込み、素子分離膜とする(図60(c))。
3次元積層化した抵抗可変素子と選択素子の両方の高性能化、高信頼化を実現することで、大容量、高性能かつ高信頼な不揮発性半導体記憶装置を提供できる。
先ず、単結晶シリコン基板101上に、100nmのシリコン酸化膜(SiO2)102、50nmのチタンナイトライド膜(TiN)103、150nmの多結晶シリコンダイオード104、50nmのチタンナイトライド膜105、100nmのシリコン酸化膜(SiO2)106を順次形成した。
なお、ここで、多結晶シリコンダイオード104は、加工後にダイオードとなる層を示し、加工前は、多結晶シリコンの薄膜層を指すものとする。
ここでは、図1(a)のy方向(図1(c)A−A)には2本のレジストパターン107だけを記載しているが、実際のメモリアレイでは繰り返しパターンとなる。図1に示したように、メモリ領域の周辺(図1では左右)には、周辺回路を配置している。周辺回路のレジストパターン間のスペースは最小加工寸法;Fとしたが、パターン幅は2F(64nm)とした。
次に、炭素を5%含有した塗布ガラス(SOG)を全面に塗布した後、400℃の窒素アニールを行い、SOG膜をシリコン酸化膜108に改質した。この後、機械的化学研磨法(CMP)でシリコン酸化膜108の研磨を行い、加工した積層膜のスペース部分にシリコン酸化膜108を埋め込んだ(図3)。
次に、上記ストライプ状に形成した1層目の多結晶シリコンダイオード103〜105上に2層目の多結晶シリコンダイオードを形成し、1層目のダイオードをクロスポイント型に、2層目のダイオードをストライプ状に加工する。ここでは図示していないが、2層目のダイオードを形成する前に、周辺回路部分の接続を行うためのコンタクト穴形成や、引き出し配線となるプラグの形成があるが、ここでは割愛する。
図22に平面図(a)とB−B断面図(b)、及びA’−A’断面図(c)を比較して示す。1層目のダイオード下部電極103がシリコン酸化膜で底部に埋め込まれている形状は同じであるが、厳密には、異なる工程で形成された埋め込み絶縁膜108、110、116、117の4つのシリコン酸化膜が共存している。この部分が、本方法の特徴的な部分である。
以上の工程で、2層目のシリコンダイオードがストライプ状にパターニングされ、1層目のシリコンダイオードがクロスポイント構造となる。本実施例では、2層目までのシリコンダイオード作製工程を示したが、同様の方法を用いて3層目以降も形成することができる。
図23は、本発明の実施例2である半導体記憶装置の一例を示した一部平面であり、図24〜27は、それぞれ図23におけるA−A線、B−B線、C−C線、D−D線断面図である。また図28は、メモリアレイ部分だけを示した立体図である。なお、図23の平面図、図28の立体図において、図面を見やすくするために一部の部材は省略している。
まず、シリコン基板上に公知の技術を用いて図24のA−A断面、図26のC−C断面に見られる選択トランジスタSTを形成する。メモリアレイの駆動に必要な周辺回路を形成するシリコン基板上のデバイスに関しても同様に形成する。
ST形成後に絶縁膜21でSTおよび、周辺回路のデバイスを埋め込み、必要に応じて化学的機械研磨法(CMP法)などで表面を平坦化、更にこの後形成するメモリアレイのワード線2とSTの拡散層Difを接続するCONTを形成したのが図32(a)の状態である。次にワード線となる例えばタングステン2を成膜した後、メモリアレイ単位でタングステン2を加工する。次に、Bドープアモルファスシリコン14、Pドープアモルファスシリコン15を成膜する(図32(b))。タングステン膜2の成膜にはスパッタ法、Bドープアモルファスシリコン14、Pドープアモルファスシリコン15の成膜には減圧CVD法を用いた。タングステン成膜温度は200℃以下、Bドープアモルファスシリコンの成膜温度は400℃程度、リンドープアモルファスシリコン15の成膜温度は520℃程度である。
次に、実施例1に示した方法と同様に、本発明であるダブルパターンニング法を用いて、上部電極材料7、相変化材料6、下部電極材料8、シリサイド膜10、Pドープポリシリコン5、Bドープポリシリコン4、ワード線材料2をx方向に延在するストライプ状にパターニングし、その分離領域に絶縁膜を埋め込みCMP法で表面を平坦化した。この時、WL、GWLに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す(図34(a))。この工程でのA−A断面を示したのが図34(b)である。パターンの平面図は図35である。またメモリアレイ部分の立体図は図36となる(分離絶縁膜22は記載なし)。
次に、ビット線と選択トランジスタの拡散層を接続するためのコンタクト孔150を形成する(図37(a)(b))。
レーザーアニールは、アモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を充分に行い、選択素子となるダイオードの電流駆動能力を充分なものにすること、1層目のメモリアレイを構成する相変化メモリ材料6への熱負荷を低減し歩留りを低下させないことを目的に行う。
通常、炉体によるポリシリコンの結晶化には700℃以上の長時間熱処理が必要であり、この熱負荷で相変化素子の歩留りはほぼ0%にまで低下してしまう。相変化材料6と結晶化を行う2層目のアモルファスシリコンの間に、ビット線材料3が存在する状態で、レーザーアニールによる短時間アニールを行なうと、炉対加熱の場合と比較して、2層目のアモルファスシリコンを結晶化する際の相変化材料6の温度上昇を抑制でき熱負荷を低減できる。
次に、実施例1に示した、本発明のダブルパターンニング法を用いて、上部電極材料7、相変化材料6、下部電極材料8、シリサイド膜9、Bドープポリシリコン4、Pドープポリシリコン5、TiNなどのバリアメタル、またはWSi、TiSi2などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜し形成した10、ビット線材料3、1層目のメモリアレイの上部電極7、1層目のメモリアレイの相変化材料6、1層目のメモリアレイの下部電極8、1層目のメモリアレイの膜10、1層目のメモリアレイのPドープポリシリコン5、1層目のメモリアレイのBドープポリシリコン4をy方向に延在するストライプ状にパターニングし、スペース部分をシリコン酸化膜23で埋め込み平坦化した。この時、BL、GBLに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す(図40(a))。この工程でのC−C断面を示したのが図40(b)である。パターンの平面図は図41である。またメモリアレイ部分の立体図は図42(a)がパターニングされて図42(b)となる(絶縁膜は図示せず)。2層目のメモリアレイがストライプ状にパターニングされ、1層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
次に例えばCO2レーザーアニールにより、アモルファスシリコン14、15を結晶化し不純物の活性化を行う(図43(b))。
以下、同様のプロセスを繰り返すことで、本実施例の4層積層クロスポイントメモリを完成することができる。
本実施例2で作製した抵抗可変素子を相変化メモリとしたメモリは、書換えに伴うディスターブ耐性が、従来のダブルパターンニング法で作製した場合に比べ、1桁以上向上した。また、作製途中のパターン倒れ不良が殆ど発生せず、製造歩留りが著しく改善した。
本実施例では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
102,106,114,202,302…シリコン酸化膜、
103,105,111,113…チタンナイトライド膜、
104,112…シリコンダイオード、
108,110,116,117…埋め込み酸化膜、
107,109,115,117…レジストパターン、
203,303,403…多結晶シリコン膜、
205a,205b,308,405…レジストパターン、
1…半導体基板(シリコン基板)、
2…ワード線、
3…ビット線、
4…p型ポリシリコン、
5…n型ポリシリコン、
6…抵抗可変素子材料(例えば相変化材料)、
7…抵抗可変素子の上部電極、
8…抵抗可変素子の下部電極、
9…p型ポリシリコン界面のバリアメタル、またはシリサイド、
10…n型ポリシリコン界面のバリアメタル、またはシリサイド、
14…p型不純物を高濃度に含むアモルファスシリコン、
15…n型不純物を高濃度に含むアモルファスシリコン、
44…p型不純物を低濃度に含むポリシリコン、
45…n型不純物を低濃度に含むポリシリコン、
54…p型不純物を低濃度に含むアモルファスシリコン、
55…n型不純物を低濃度に含むアモルファスシリコン、
20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,31…シリコン酸化膜、
30…ハードマスク材料、
100…プレート電極、
120,121,122,123,124,125,126,127…絶縁膜、
150,151…コンタクト孔、
161…ゲート絶縁膜、
200…素子分離、
Gate…ゲート電極、
Dif…拡散層、
ST…選択トランジスタ、
plug…プラグ電極、
SWL…選択ワード線、
USWL…非選択ワード線、
SBL…選択ビット線、
USBL…非選択ビット線、
SMC…選択メモリセル、
Sense Amp.…センスアンプ、
Icell…読み出し時選択セル電流、
Iread…読み出し時センスアンプ電流、
Iset…セット時選択セル電流、
Ireset…リセット時選択セル電流、
CellA…選択ワード線、選択ビット線メモリセル(選択メモリセル)、
CellB…非選択ワード線、選択ビット線メモリセル、
CellC…選択ワード線、非選択ビット線メモリセル、
CellD…非選択ワード線、非選択ビット線メモリセル、
u…選択ワード線の上層のビット線、
d…選択ワード線の下層のビット線。
Claims (8)
- 半導体基板上に形成された少なくとも一層からなる被加工材料を、最小寸法Fなる解像能力を有するリソグラフィー装置を用いて所望の形状に加工する半導体記憶装置の製造方法において、
a)前記被加工材料の上部に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第1のレジストパターンを形成する工程と、
b)前記第1のレジストパターンを用いて、前記被加工材料の前記第1のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第1の溝を複数形成した後に、前記第1の溝を絶縁膜で埋め込む工程と、
c)前記ストライプ状の第1の溝と隣接する前記ストライプ状の第1の溝との間に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第2のレジストパターンのスペース部分がアライメントされるように該第2のレジストパターンを前記被加工材料上に形成する工程と、
d)前記第2のレジストパターンを用いて、前記被加工材料の前記第2のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第2の溝を複数形成する工程と、を有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
d)前記第2の溝を複数形成した後に、前記第2の溝を絶縁膜で埋め込む工程と、
e)前記ストライプ状の第1および第2の溝と交わる方向に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第3のレジストパターンを前記被加工材料上に形成する工程と、
f)前記第3のレジストパターンを用いて、前記被加工材料の前記第3のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第3の溝を複数形成し前記第1および第2の溝と前記第3の溝との交点部分にピラー状の加工領域を形成した後に、前記第3の溝に絶縁膜を埋め込む工程を、さらに有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 相変化材料やReRAM材料などの記録材料とシリコン材料とを含む半導体デバイスが積層された構造を持つ半導体記憶装置を、最小寸法Fなる解像能力を有するリソグラフィー装置を用いて所望の形状に加工する半導体記憶装置の製造方法において、
a)前記記録材料と前記シリコン材料と金属膜を設けた積層膜を形成する工程と、
b)前記積層膜上に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第1のレジストパターンを形成する工程と、
c)前記第1のレジストパターンを用いて、前記積層膜の前記第1のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第1の溝を複数形成した後に、前記第1の溝を絶縁膜で埋め込む工程と、
d)前記ストライプ状の第1の溝と隣接する前記ストライプ状の第1の溝との間に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第2のレジストパターンのスペース部分がアライメントされるように該第2のレジストパターンを前記積層膜上に形成する工程と、
e)前記第2のレジストパターンを用いて、前記積層膜の前記第2のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第2の溝を複数形成する工程と、を有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項3記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1および第2の溝に絶縁膜を埋め込んだ領域が、電気的な素子分離領域であり、前記絶縁膜に囲まれた前記積層膜の部分が、素子の活性領域であることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 相変化材料やReRAM材料などの記録材料とシリコン材料とを含む半導体デバイスが積層された構造を持つ半導体記憶装置を、最小寸法Fなる解像能力を有するリソグラフィー装置を用いて所望の形状に加工する半導体記憶装置の製造方法において、
a)前記記録材料と前記シリコン材料と金属膜を設けた積層膜を形成する工程と、
b)前記積層膜上に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第1のレジストパターンを形成する工程と、
c)前記第1のレジストパターンを用いて、前記積層膜の前記第1のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第1の溝を複数形成した後に、前記第1の溝を絶縁膜で埋め込む工程と、
d)前記ストライプ状の第1の溝と隣接する前記ストライプ状の第1の溝との間に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第2のレジストパターンのスペース部分がアライメントされるように該第2のレジストパターンを前記積層膜上に形成する工程と、
e)前記第2のレジストパターンを用いて、前記積層膜の前記第2のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第2の溝を複数形成した後に、前記第2の溝を絶縁膜で埋め込む工程と、
f)前記ストライプ状の第1および第2の溝と交わる方向に、ライン幅が2F以上でスペースがFであるライン/スペースを有する第3のレジストパターンを前記積層膜上に形成する工程と、
g)前記第3のレジストパターンを用いて、前記積層膜の前記第3のレジストパターンのスペース部分をエッチングしてストライプ状の第3の溝を複数形成し前記第1および第2の溝と前記第3の溝との交点部分にピラー状の加工領域を形成した後に、前記第3の溝に絶縁膜を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項5記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1、第2および第3の溝に絶縁膜を埋め込んだ領域が、電気的な素子分離領域であり、前記絶縁膜に囲まれた前記積層膜の部分が、素子の活性領域であることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項6記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記素子分離領域の分離幅が、40nm以下であることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記分離幅のバラツキが、前記積層膜部分の幅のバラツキに比べ小さいことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
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