JP2011029462A - Nonvolatile storage device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、不揮発性記憶装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method for manufacturing the same.
近年、不揮発性記憶装置として、電気的に書換え可能な抵抗変化素子の抵抗値情報、たとえば高抵抗状態と低抵抗状態と、を不揮発に記憶するReRAM(Resistive Random Access Memory)が注目されている。このようなReRAMは、たとえば、記憶素子としての抵抗変化素子と、ダイオードなどの整流素子とが直列に接続された抵抗変化型メモリセルが、第1の方向に並行して延在する複数のビット線と、第1の方向に垂直な第2の方向に並行して延在する複数のワード線との交差部に、アレイ状に配列して構成される(たとえば、非特許文献1参照)。この抵抗変化素子としては、たとえば、電圧値と印加時間の制御によって、高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換えることができるNiOなどの金属酸化物を挙げることができる。 In recent years, attention has been paid to ReRAM (Resistive Random Access Memory) that stores resistance value information of an electrically rewritable variable resistance element, for example, a high resistance state and a low resistance state in a nonvolatile manner as a nonvolatile memory device. Such a ReRAM includes, for example, a plurality of bits in which a resistance change memory cell in which a resistance change element as a memory element and a rectifier element such as a diode are connected in series are extended in parallel in a first direction. An array is formed at the intersection of a line and a plurality of word lines extending in parallel in a second direction perpendicular to the first direction (see, for example, Non-Patent Document 1). Examples of the resistance change element include a metal oxide such as NiO that can be switched between a high resistance state and a low resistance state by controlling the voltage value and the application time.
このようなReRAMは、第1の方向に並行して延在する複数の第1の配線と、第1の方向に垂直な第2の方向に並行して延在する第2の配線との交差部に、ダイオード層とアンチフューズとなる絶縁層とが直列に接続された柱状構造を有する従来のField-Programmable ROMと同様の方法で形成することができる(たとえば、非特許文献2参照)。非特許文献2では、第1の配線が形成された絶縁膜上に、シリコン膜を堆積し、PIN接合を有するダイオード層を形成する。ついで、ダイオード層上に塗布したレジストが所望のパターンとなるようにフォトリソグラフィ技術で露光、現像を行ってマスクを形成した後、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching、以下、RIEという)法による異方性エッチングによってダイオード層を真円の柱状にエッチングする。このときダイオード層は、第1の配線上に位置するようにエッチングされる。ついで、柱状のダイオード層間を埋めるように層間絶縁膜を形成した後、ダイオード層の上層に数nmのSiO2膜からなる絶縁層を形成する。その後、柱状のダイオード層と絶縁層の積層構造上に第2の配線を形成し、Field-Programmable ROMを形成している。 Such a ReRAM is an intersection of a plurality of first wirings extending in parallel in a first direction and a second wiring extending in parallel in a second direction perpendicular to the first direction. It can be formed in the same manner as a conventional Field-Programmable ROM having a columnar structure in which a diode layer and an insulating layer serving as an antifuse are connected in series (see, for example, Non-Patent Document 2). In Non-Patent Document 2, a silicon film is deposited on an insulating film on which a first wiring is formed, and a diode layer having a PIN junction is formed. Next, the resist applied on the diode layer is exposed and developed by photolithography to form a desired pattern, and then a mask is formed. Then, a reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) method is used. The diode layer is etched into a perfect circular column by isotropic etching. At this time, the diode layer is etched so as to be located on the first wiring. Next, after an interlayer insulating film is formed so as to fill the columnar diode layers, an insulating layer made of a SiO 2 film having a thickness of several nm is formed above the diode layer. Thereafter, the second wiring is formed on the stacked structure of the columnar diode layer and the insulating layer, and the field-programmable ROM is formed.
ReRAMについても、この非特許文献2の製造方法と同じように、抵抗変化素子となる抵抗変化層と整流素子となる整流層とを、第1の配線が形成された絶縁膜上に積層させた後、真円の柱状のメモリセルに加工し、メモリセル間を層間絶縁膜で埋め込み、メモリセルの上部に第2の配線を形成することで、製造することができる。 As for the ReRAM, similarly to the manufacturing method of Non-Patent Document 2, a resistance change layer to be a resistance change element and a rectification layer to be a rectification element are stacked on an insulating film on which a first wiring is formed. Thereafter, it can be manufactured by processing into a perfect circular columnar memory cell, filling the space between the memory cells with an interlayer insulating film, and forming a second wiring above the memory cell.
しかし、上記の方法では、メモリセルは真円の柱状形状を有しているため、RIE処理時や後処理時、層間絶縁膜成膜時などの処理工程であらゆる方向にランダムにメモリセルが縒れたり、倒れたりしてしまうという問題点があった。そして、メモリセルが、上層に形成される第2の配線の延在方向と直交する方向に縒れたり、倒れたりした場合には、メモリセルと第2の配線との間の接触不良が懸念される。 However, in the above method, since the memory cell has a perfect columnar shape, the memory cell is randomly inserted in all directions in processing steps such as RIE processing, post-processing, and interlayer insulating film formation. There was a problem of falling or falling. If the memory cell falls or falls in a direction orthogonal to the extending direction of the second wiring formed in the upper layer, there is a concern about poor contact between the memory cell and the second wiring. Is done.
本発明は、柱状に加工されたメモリセルの上層配線の延在方向と直交する方向への縒れや倒れを抑制することができる不揮発性記憶装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a non-volatile memory device and a method for manufacturing the same that can prevent the memory cell processed in a columnar shape from being twisted or tilted in a direction orthogonal to the extending direction of the upper layer wiring. .
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の配線よりも上に形成され、第2の方向に延在する第2の配線と、前記第2の配線よりも上に形成され、前記第1の方向に延在する第3の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線とが交差する位置に前記第1の配線と前記第2の配線の間に挟持されるように配置される、不揮発性記憶素子と整流素子とを含む柱状構造の第1の不揮発性メモリセルと、前記第2の配線と前記第3の配線とが交差する位置に前記第2の配線と前記第3の配線の間に挟持されるように配置される、不揮発性記憶素子と整流素子とを含む柱状構造の第2の不揮発性メモリセルと、を備え、前記第1および第2の不揮発性メモリセルは、前記第1および第2の方向で作られる平面内でのサイズが方向によって異なり、サイズが最も長い長径の方向を前記不揮発性メモリセルに接続される下層の配線の延在方向と対応させて配置されることを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first wiring extending in a first direction, a second wiring formed above the first wiring and extending in a second direction, A third wiring formed above the second wiring and extending in the first direction; and the first wiring and the second wiring at a position where the first wiring and the second wiring intersect each other. A first nonvolatile memory cell having a columnar structure including a nonvolatile memory element and a rectifying element, disposed so as to be sandwiched between second wirings; the second wiring; and the third wiring; A second non-volatile memory cell having a columnar structure including a non-volatile memory element and a rectifying element, disposed so as to be sandwiched between the second wiring and the third wiring at a position where The first and second nonvolatile memory cells are sized in a plane formed in the first and second directions. Depends direction, size longest major axis nonvolatile memory device characterized in that it is arranged a direction to correspond to the extending direction of the wiring of the lower layer to be connected to the nonvolatile memory cell is provided.
また、本発明の一態様によれば、第1の方向に延在する複数の第1の配線が形成された第1の層間絶縁膜上に、第1の整流層、第1の不揮発性記憶層を含む第1の積層膜を形成する第1の工程と、前記第1の積層膜上に、前記第1の方向と交差する第2の方向に比して前記第1の方向が長尺となる形状のパターンが前記複数の第1の配線上で二次元的に配置された第1のマスクパターンを形成する第2の工程と、前記第1のマスクパターンを用いて、前記第1の積層膜をエッチングし、整流素子と不揮発性記憶素子とを含む柱状構造の第1のメモリセルを形成する第3の工程と、柱状構造の前記第1のメモリセル間を第2の層間絶縁膜で埋め込み、前記第1のメモリセルの表面が露出するまで平坦化する第4の工程と、前記第1のメモリセル間を前記第2の方向に結ぶ複数の第2の配線と、前記複数の第2の配線間を絶縁する第3の層間絶縁膜と、を形成する第5の工程と、前記複数の第2の配線が形成された前記第3の層間絶縁膜上に、第2の整流層、第2の不揮発性記憶層を含む第2の積層膜を形成する第6の工程と、前記第2の積層膜上に、前記第1の方向に比して前記第2の方向が長尺となる形状のパターンが前記複数の第2の配線上で二次元的に配置された第2のマスクパターンを形成する第7の工程と、前記第2のマスクパターンを用いて、前記第2の積層膜をエッチングし、整流素子と不揮発性記憶素子とを含む柱状構造の第2のメモリセルを形成する第8の工程と、柱状構造の前記第2のメモリセル間を第4の層間絶縁膜で埋め込み、前記第2のメモリセルの表面が露出するまで平坦化する第9の工程と、前記第2のメモリセル間を前記第1の方向に結ぶ複数の第3の配線を形成する第10の工程と、を含む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 embodiment of the present invention, the first rectifying layer and the first nonvolatile memory are formed on the first interlayer insulating film in which the plurality of first wirings extending in the first direction are formed. A first step of forming a first laminated film including a layer, and the first direction is longer on the first laminated film than in a second direction intersecting the first direction. A second step of forming a first mask pattern in which a pattern having a shape to be two-dimensionally arranged on the plurality of first wirings, and using the first mask pattern, A third step of etching the stacked film to form a first memory cell having a columnar structure including a rectifying element and a nonvolatile memory element; and a second interlayer insulating film between the first memory cells having the columnar structure And a fourth step of planarizing until the surface of the first memory cell is exposed, and the first memory cell A fifth step of forming a plurality of second wirings connecting the second wirings in the second direction and a third interlayer insulating film that insulates between the plurality of second wirings; and the plurality of second wirings A sixth step of forming a second laminated film including a second rectifying layer and a second nonvolatile memory layer on the third interlayer insulating film on which the wiring is formed; and the second laminated film A second mask pattern is formed in which a pattern having a shape in which the second direction is longer than the first direction is two-dimensionally arranged on the plurality of second wirings. Etching the second laminated film using the seventh step and the second mask pattern to form a second memory cell having a columnar structure including a rectifying element and a nonvolatile memory element A step of filling a space between the second memory cells having a columnar structure with a fourth interlayer insulating film, and a surface of the second memory cells; A nonvolatile process comprising: a ninth step of flattening until exposed; and a tenth step of forming a plurality of third wirings connecting the second memory cells in the first direction. A method for manufacturing a volatile memory device is provided.
本発明によれば、柱状に加工されたメモリセルの上層配線の延在方向と直交する方向への縒れや倒れを抑制することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to suppress the twisting and falling in the direction orthogonal to the extending direction of the upper layer wiring of the memory cell processed into the columnar shape.
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる不揮発性記憶装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる不揮発性記憶装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、以下で示す膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a nonvolatile memory device and a method for manufacturing the same will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. In addition, the cross-sectional views of the nonvolatile memory device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones. Furthermore, the film thickness shown below is an example and is not limited thereto.
図1は、実施の形態による不揮発性記憶装置の構成を模式的に示す図であり、(a)は、不揮発性記憶装置の斜視図であり、(b)は、(a)のA−A断面図であり、(c)は、(a)のB−B断面図である。また、図2は、図1の不揮発性記憶装置のメモリセルアレイの平面の状態を模式的に示す図であり、(a)は、1層目と3層目のメモリセルアレイの平面図を示し、(b)は、2層目と4層目のメモリセルアレイの平面図を示している。なお、これらの図において、ワード線の延在方向をX方向とし、ビット線の延在方向をY方向としている。 FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a nonvolatile memory device according to an embodiment, (a) is a perspective view of the nonvolatile memory device, and (b) is an A-A diagram of (a). It is sectional drawing, (c) is BB sectional drawing of (a). FIG. 2 is a diagram schematically showing a planar state of the memory cell array of the nonvolatile memory device of FIG. 1, and FIG. 2A is a plan view of the first and third memory cell arrays. FIG. 2B is a plan view of the second and fourth memory cell arrays. In these drawings, the extending direction of the word lines is the X direction, and the extending direction of the bit lines is the Y direction.
図1に示されるように、この不揮発性記憶装置は、X方向に並行して延在する複数のワード線WL11,WL12,・・・と、ワード線WL11,WL12,・・・とは異なる高さにY方向に並行して延在する複数のビット線BL11,BL12,・・・とが、互いに交差して配設され、これらの各交差部に整流素子12と、不揮発性記憶素子としての抵抗変化素子13とが直列に接続された楕円柱状の不揮発性メモリセルとしての抵抗変化型メモリセル(以下、単にメモリセルともいう)MCが配置される。ここでは、この2次元的に配置された抵抗変化型メモリセルMCが、高さ方向に隣接するメモリセルMCのワード線WLまたはビット線BLを共有しながら、高さ方向に複数積み重なった構成を有する。なお、ワード線WL、ビット線BLおよびメモリセルMC間には層間絶縁膜20が埋め込まれている。
As shown in FIG. 1, the nonvolatile memory device has a plurality of word lines WL11, WL12,... That extend in parallel in the X direction, and the word lines WL11, WL12,. In addition, a plurality of bit lines BL11, BL12,... Extending in parallel in the Y direction are arranged so as to intersect each other, and a
たとえば、図1で、最下層のX方向に延在するワード線WL11,WL12,WL13と、その上層にY方向に延在するビット線BL11,BL12,BL13との間の各交差位置には、第1のメモリ層として、整流素子12と抵抗変化素子13とが直列に接続されたメモリセルMCが配置されている。また、ビット線BL11,BL12,BL13と、その上層にX方向に延在するワード線WL21,WL22,WL23との間の各交差位置には、第2のメモリ層として、整流素子12と抵抗変化素子13とが直列に接続されたメモリセルMCが配置されている。ここで、ワード線WL21,WL22,WL23のXY面内における位置は、下層のワード線WL11,WL12,WL13のXY面内における位置とほぼ一致している。また、ビット線BL11,BL12,BL13は、第1のメモリ層と第2のメモリ層のビット線として共有されている。
For example, in FIG. 1, at each intersection position between the word lines WL11, WL12, WL13 extending in the X direction of the lowermost layer and the bit lines BL11, BL12, BL13 extending in the Y direction on the upper layer, As the first memory layer, a memory cell MC in which the rectifying
さらに、ワード線WL21,WL22,WL23と、その上層にY方向に延在するビット線BL21,BL22,BL23との間の各交差位置には、第3のメモリ層として、整流素子12と抵抗変化素子13とが直列に接続されたメモリセルMCが配置されている。ここで、ビット線BL21,BL22,BL23のXY面内における位置は、下層のビット線BL11,BL12,BL13のXY面内における位置とほぼ一致している。また、ワード線WL21,WL22,WL23は、第2のメモリ層と第3のメモリ層のワード線として共有されている。
Furthermore, at each crossing position between the word lines WL21, WL22, WL23 and the bit lines BL21, BL22, BL23 extending in the Y direction on the upper layer, a rectifying
同様に、ビット線BL21,BL22,BL23と、その上層にX方向に延在するワード線WL31,WL32,WL33との間の各交差位置には、第4のメモリ層として、整流素子12と抵抗変化素子13とが直列に接続されたメモリセルMCが配置されている。ここで、ワード線WL31,WL32,WL33のXY面内における位置は、下層のワード線WL21,WL22,WL23(WL11,WL12,WL13)のXY面内における位置とほぼ一致している。また、ビット線BL21,BL22,BL23は、第3のメモリ層と第4のメモリ層のビット線として共有されている。
Similarly, a rectifying
このようにして、X方向に延在するワード線WLとY方向に延在するビット線BLとが互いに交互に高さ方向に積層され、これらの配線の交差位置にメモリセルMCを形成することによって、3次元的に積層された不揮発性記憶装置が形成される。 In this way, the word lines WL extending in the X direction and the bit lines BL extending in the Y direction are alternately stacked in the height direction, and the memory cell MC is formed at the intersection of these wirings. Thus, a non-volatile memory device that is three-dimensionally stacked is formed.
つぎに、メモリセルの詳細な構成について説明する。ビット線BLとワード線WLとが交差する領域には、バリアメタル膜11、整流素子12、抵抗変化素子13およびキャップ膜14が順に積層した抵抗変化型メモリセルMCが、ビット線BLとワード線WLによって挟持される。
Next, a detailed configuration of the memory cell will be described. In a region where the bit line BL and the word line WL intersect, the resistance change type memory cell MC in which the
ビット線BLとワード線WLは、たとえばともにタングステン膜からなり、上記したようにそれぞれY方向およびX方向に延在して複数設けられる。また、バリアメタル膜11は、下層のビット線BLまたはワード線WLと整流素子12との間の密着性を高めるために設けられる導電性材料からなる層であり、たとえば、厚さ5nmのTiN膜によって構成される。
Both the bit line BL and the word line WL are made of, for example, a tungsten film, and a plurality of bit lines BL and word lines WL are provided extending in the Y direction and the X direction, respectively, as described above. The
整流素子12は、整流作用を有する材料からなり、バリアメタル膜11上に形成される。整流素子12として、PIN構造を有するシリコン層を例示することができ、たとえばビット線BL側から厚さ約20nmのP型ポリシリコン膜12P、厚さ約110nmのI型ポリシリコン膜12I、厚さ約20nmのN型ポリシリコン膜12Nを順に積層させたポリシリコン膜や、厚さ約20nmのN型ポリシリコン膜12N、厚さ約110nmのI型ポリシリコン膜12I、厚さ約20nmのP型ポリシリコン膜12Pを順に積層させたポリシリコン膜を用いることができる。なお、この実施の形態では、上下に隣接するメモリセル間でビット線BLまたはワード線WLを共有する構造となっているので、電流を流す方向に応じて積層状態が変えられる。すなわち、整流素子12のうち、ビット線BLに近い側にP型ポリシリコン膜12Pを配置している。
The rectifying
抵抗変化素子13は、電圧値と印加時間の制御により、高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換えることができる抵抗変化材料によって構成される。この抵抗変化材料として、たとえば、C,NbOx,TiドープNiOx,CrドープSrTiO3-x,NbドープSrTiO3-x,MnOx,FeOx,CoOx,LaOx,PrOx,PrxCayMnOz,ZrOx,NiOx,ZnOx,TiOx,TiOxNy,CuOx,GdOx,CuTex,HfOx,ZnMnxOyおよびZnFexOyからなる群から選択される少なくとも1つの材料を使用することができる。また、両端に印加された電圧で発生するジュール熱によって、その抵抗状態が変化するカルコゲナイド系のGST(GeSbxTey),NドープGST,OドープGST,GeSb,InGexTeyなども用いることができる。ここでは、抵抗変化素子13として厚さ5〜20nmのNiO膜を用いるものとする。
The
キャップ膜14は、抵抗変化型メモリセルMCと上層のワード線WLまたはビット線BLとを接続するために、プロセス上導入される導電性材料からなる膜である。ここでは、キャップ膜14として、W膜を用いるものとする。以上のように、整流素子12と抵抗変化素子13が積層された構造を含むことで抵抗変化型メモリセルMCが構成される。なお、この実施の形態では、バリアメタル膜11からキャップ膜14までをメモリセルMCということにする。
The
ビット線BLとワード線WLに挟まれるメモリセルMCは、楕円柱状に加工される。ただし、この楕円柱状のメモリセルの長径の方向は、その直下の配線の延在方向に対応するように設定されており、換言すれば下の配線がビット線BLであるかワード線WLであるかによって異ならせている。 The memory cell MC sandwiched between the bit line BL and the word line WL is processed into an elliptic cylinder. However, the major axis direction of the elliptical columnar memory cell is set so as to correspond to the extending direction of the wiring immediately below it. In other words, the lower wiring is the bit line BL or the word line WL. It depends on what.
具体的には、基板面に平行な面において、楕円柱状のメモリセルMCは、長径が下層の配線の延在方向と一致するように、短径が上層の配線層の延在方向と一致するように配置される。たとえば、図1の第1と第3のメモリ層では、下層の配線はX方向に延在するワード線WL11,WL12,WL13,WL21,WL22,WL23であり、上層の配線はY方向に延在するビット線BL11,BL12,BL13,BL21,BL22,BL23である。そのため、図2(a)に示されるように、長径がX方向となるように楕円柱状のメモリセルMCが配置される。一方、図1の第2と第4のメモリ層では、下層の配線はY方向に延在するビット線BL11,BL12,BL13,BL21,BL22,BL23であり、上層の配線は、X方向に延在するワード線WL21,WL22,WL23,WL31,WL32,WL33である。そのため、図2(b)に示されるように、長径がY方向となるように楕円柱状のメモリセルMCが配置される。 Specifically, in the plane parallel to the substrate surface, the elliptical columnar memory cell MC has a minor axis that coincides with the extending direction of the upper wiring layer so that the major axis thereof coincides with the extending direction of the lower wiring layer. Are arranged as follows. For example, in the first and third memory layers in FIG. 1, the lower layer wiring is the word lines WL11, WL12, WL13, WL21, WL22, WL23 extending in the X direction, and the upper layer wiring is extending in the Y direction. The bit lines BL11, BL12, BL13, BL21, BL22, and BL23 are used. Therefore, as shown in FIG. 2A, the elliptical columnar memory cells MC are arranged so that the major axis is in the X direction. On the other hand, in the second and fourth memory layers in FIG. 1, the lower layer wirings are bit lines BL11, BL12, BL13, BL21, BL22, and BL23 extending in the Y direction, and the upper layer wirings are extended in the X direction. The existing word lines WL21, WL22, WL23, WL31, WL32, and WL33. Therefore, as shown in FIG. 2B, the elliptical columnar memory cells MC are arranged so that the major axis is in the Y direction.
このように楕円柱状のメモリセルMCを上下の配線方向に応じて配置することで、メモリセルMCは、短径方向に比して長径方向に縒れ難くまた倒れ難くなる。つまり、上層配線の幅方向にメモリセルが極端に縒れたり倒れたりすることがないので、メモリセルMCと上層配線との間の接触性を高めることが可能となる。 By arranging the elliptical columnar memory cells MC according to the upper and lower wiring directions in this way, the memory cells MC are less likely to fall in the major axis direction and more unlikely to fall than the minor axis direction. That is, since the memory cell does not drastically fall over or fall down in the width direction of the upper layer wiring, it is possible to improve the contact between the memory cell MC and the upper layer wiring.
つぎに、このような構造の不揮発性記憶装置の製造方法について説明する。図3−1〜図3−11は、この実施の形態による不揮発性記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において(a)は、X方向に垂直な方向の断面図であり、(b)は、X方向に平行な方向の断面図であり、(c)は上面図である。ここでは、Y方向に延在する配線をビット線BLとし、X方向に延在する配線をワード線WLとして説明を行う。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device having such a structure will be described. 3-1 to 3-11 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to this embodiment. In these drawings, (a) is a sectional view in a direction perpendicular to the X direction, (b) is a sectional view in a direction parallel to the X direction, and (c) is a top view. Here, the wiring extending in the Y direction will be described as the bit line BL, and the wiring extending in the X direction will be described as the word line WL.
まず、図3−1に示されるように、図示しないSi基板などの基板上に第1の層間絶縁膜101を形成し、この第1の層間絶縁膜101にY方向に延在する第1の配線(ビット線BL)を形成するための配線用溝102を形成する。ついで、配線用溝102の側面と底面を被覆するようにTiNからなる厚さ10nmのバリアメタル膜103を第1の層間絶縁膜101上に形成し、さらにバリアメタル膜103上にW膜からなる導電層を形成する。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法で配線用溝102間の第1の層間絶縁膜101が露出するまで平坦化を行うことによって、第1の配線104が形成される。なお、この第1の層間絶縁膜101の下層の基板には、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタなどの素子が形成されている。
First, as shown in FIG. 3A, a first
ついで、図3−2に示されるように、第1の配線104が形成された第1の層間絶縁膜101上に、バリアメタル膜111、整流層112、抵抗変化層113、キャップ膜114およびマスク層を順に形成する。具体的には、まず、第1の配線104が形成された第1の層間絶縁膜101上に、スパッタ法などの方法によって、5nmの厚さのTiN膜からなるバリアメタル膜111を形成する。また、バリアメタル膜111上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの成膜法によって、厚さ約20nmのP型ポリシリコン膜112P、厚さ約110nmのI型ポリシリコン膜112Iおよび厚さ約20nmのN型ポリシリコン膜112Nを順に堆積させて、整流層112を形成する。P型ポリシリコン膜112Pは、B(ホウ素)などのP型不純物を導入しながらシリコン膜を堆積することによって得られ、I型ポリシリコン膜112Iは、不純物を導入しない環境でシリコン膜を堆積することによって得られ、N型ポリシリコン膜112Nは、P(リン)などのN型不純物を導入しながらシリコン膜を堆積することによって得られる。
Next, as shown in FIG. 3B, a
さらに、整流層112上に、CVD法などの方法によって、5〜20nmの厚さのNiO膜からなる抵抗変化層113を形成し、続けて、スパッタ法などの成膜法によって、W膜からなるキャップ膜114を形成する。その後、キャップ膜114上にCVD法などの成膜法によってTEOSやSiH4を原料として用いて形成したSiO2などからなるハードマスク膜115と、有機膜116を順に形成する。ここでは、ハードマスク膜115と有機膜116の厚さを、これらをマスクとしてバリアメタル膜111、整流層112、抵抗変化層113およびキャップ膜114を後のエッチング工程でエッチングすることができる厚さに設定している。なお、場合によっては、ハードマスク膜115を省略してもよい。
Further, a
ついで、リソグラフィ法によって有機膜116のパターニングを行い、Y方向が長尺となるようなパターンを形成する。ここでは、図示しない楕円形状のレジストパターンを形成し、その後、図3−3に示されるように、RIE法などのドライエッチング法によって、レジストパターンを有機膜116に転写する。これによって、有機膜116は楕円形状にパターニングされる。なお、楕円形状のパターンは、下層の第1の配線104の形成位置に対応する位置に形成される。
Next, the
その後、図3−4に示されるように、楕円形状にパターニングされた有機膜116をマスクとして、RIE法などのドライエッチング法によって、ハードマスク膜115、キャップ膜114、抵抗変化層113、整流層112およびバリアメタル膜111をエッチングして、楕円柱状のメモリセルパターンが二次元的に配置されたメモリセルアレイパターンを形成する。上記したように、このときのメモリセルの平面形状はY方向を長径とする楕円形状となっている。また、エッチングによって、メモリセルの縒れや倒れが発生するが、長径方向には縒れや倒れが発生し難いので、長径に垂直な方向、すなわち短径の方向に、縒れや倒れが主に発生する。図3−4(c)の平面図において、メモリセルパターンは、X方向に縒れたり倒れたりしているが、Y方向への変位はほとんどない。なお、図3−4(c)の平面図において、点線は、楕円形状にパターニングされた有機膜116の位置を示している。
After that, as shown in FIG. 3-4, the
その後、図3−5に示されるように、塗布法などによって、メモリセル間を埋めるようにBPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)膜やポリシラザンなどからなる第2の層間絶縁膜117を形成する。そして、キャップ膜114が露出するまでCMP法によって、第2の層間絶縁膜117の上面を除去し、平坦化する。
Thereafter, as shown in FIG. 3-5, a second
ついで、図3−6に示されるように、キャップ膜114が露出した第2の層間絶縁膜117上に、CVD法または塗布法などによって、第3の層間絶縁膜121を形成する。その後、公知のリソグラフィ技術とドライエッチング法によって、厚さ約100nmの第2の配線の鋳型となる深さ100nmのX方向に延在した複数の配線用溝122を第3の層間絶縁膜121に形成する。この配線用溝122は、X方向に隣接するメモリセル間を結ぶように、また第3の層間絶縁膜121を貫通するように、第3の層間絶縁膜121に形成される。
Next, as shown in FIG. 3-6, a third
ついで、配線用溝122の底面と側面を覆うように第3の層間絶縁膜121上に厚さ10nmの窒化チタン膜からなるバリアメタル膜123をスパッタ法によって形成する。さらに、バリアメタル膜123上に、バリアメタル膜123が形成された配線用溝122内を埋め込むようにCVD法やメッキ法によってW膜からなる導電層を形成する。その後、CMP法で配線用溝122間の領域で第3の層間絶縁膜121が露出するまで導電層とバリアメタル膜123を研磨するとともに平坦化する。これによって、第3の層間絶縁膜121内にX方向に延在する第2の配線(ワード線)124が形成される。以上によって、第1の配線104と第2の配線124との間に1層目のメモリセルが形成される。
Next, a
ついで、図3−7に示されるように、第2の配線124が形成された第3の層間絶縁膜121上に、バリアメタル膜131、整流層132、抵抗変化層133、キャップ膜134およびマスク層を順に形成する。ここでは、バリアメタル膜131として5nmの厚さのTiN膜を形成し、整流層132として、厚さ約20nmのN型ポリシリコン膜132N、厚さ約110nmのI型ポリシリコン膜132Iおよび厚さ約20nmのP型ポリシリコン膜132Pの積層膜を形成し、抵抗変化層133として、5〜20nmの厚さのNiO膜を形成し、キャップ膜134としてW膜を形成し、マスク層としてSiO2膜などからなるハードマスク膜135および有機膜136の積層膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 3-7, a
なお、これらの膜は、1層目のメモリセルの場合と同様にして形成される。また、ここでは、整流層132は1層目のメモリセルのときとは異なり、下からN層/I層/P層の順に積層させている。これは、すべてのメモリセルにおいて、ワード線からビット線の方向にのみ電流を流すようにするためである。さらに、ハードマスク膜135と有機膜136の厚さを、これらをマスクとしてバリアメタル膜131、整流層132、抵抗変化層133およびキャップ膜134を後のエッチング工程でエッチングすることができる厚さに設定している。また、場合によっては、ハードマスク膜135を省略してもよい。
These films are formed in the same manner as in the case of the first-layer memory cell. Here, unlike the first memory cell, the
ついで、リソグラフィ法によって有機膜136のパターニングを行い、下層の第2の配線124の延在方向であるX方向が長尺となるようなパターンを形成する。ここでは、図示しない楕円形状のレジストパターンを形成し、その後、図3−8に示されるように、RIE法などのドライエッチング法によって、レジストパターンを有機膜136に転写する。これによって、有機膜136は楕円形状にパターニングされる。
Next, the
その後、図3−9に示されるように、楕円形状にパターニングされた有機膜136をマスクとして、RIE法などのドライエッチング法によって、ハードマスク膜135、キャップ膜134、抵抗変化層133、整流層132およびバリアメタル膜131をエッチングして、楕円柱状のメモリセルパターンが二次元的に配置されたメモリセルアレイパターンを形成する。上記したように、このときのメモリセルの平面形状はX方向を長径とする楕円形状となっている。また、エッチングによって、メモリセルの縒れや倒れが発生するが、長径方向には縒れや倒れが発生し難い一方、長径に垂直な方向、すなわち短径の方向に、縒れや倒れが主に発生する。図3−9(c)の平面図において、メモリセルパターンは、Y方向に縒れたり倒れたりしているが、X方向への変位はほとんどない。なお、図3−9(c)の平面図において、点線は、楕円形状にパターニングされた有機膜136の位置を示している。
Thereafter, as shown in FIG. 3-9, the
その後、図3−10に示されるように、塗布法などによって、メモリセル間を埋めるようにBPSG膜やポリシラザンなどからなる第4の層間絶縁膜137を形成する。そして、キャップ膜134が露出するまでCMP法によって、第4の層間絶縁膜137の上面を除去し、平坦化させる。
Thereafter, as shown in FIG. 3-10, a fourth
ついで、図3−11に示されるように、キャップ膜134が露出した第4の層間絶縁膜137上に、CVD法または塗布法などによって、たとえば厚さ100nmの第5の層間絶縁膜141を形成する。その後、公知のリソグラフィ技術とドライエッチング法によって、第3の配線の鋳型となる深さ100nmのY方向に延在した複数の配線用溝142を第5の層間絶縁膜141に形成する。この配線用溝142は、Y方向に隣接するメモリセル間を結ぶように、また第5の層間絶縁膜141を貫通するように、第5の層間絶縁膜141に形成される。
Next, as shown in FIG. 3-11, for example, a fifth
ついで、配線用溝142の底面と側面を覆うように第5の層間絶縁膜141上に、厚さ10nmの窒化チタン膜からなるバリアメタル膜143をスパッタ法によって形成する。さらに、バリアメタル膜143上に、バリアメタル膜143が形成された配線用溝142内を埋め込むようにCVD法によってW膜からなる導電層を形成する。その後、CMP法によって、配線用溝142間の領域で第5の層間絶縁膜141が露出するまで導電層とバリアメタル膜143を研磨するとともに平坦化する。これによって、第5の層間絶縁膜141内にY方向に延在する第3の配線(ビット線)144が形成される。以上によって、第2の配線124と第3の配線144との間に2層目のメモリセルが形成される。
Next, a
以上の処理工程によって、高さ方向にメモリセルが2層積層された構造の不揮発性記憶装置が形成される。なお、2層よりも多層にされた構造の不揮発性記憶装置を形成する場合には、上記した手順を繰り返し実行すればよい。 Through the above processing steps, a nonvolatile memory device having a structure in which two layers of memory cells are stacked in the height direction is formed. Note that in the case of forming a nonvolatile memory device having a structure with more than two layers, the above-described procedure may be repeated.
また、上述した説明では、下層の配線上に、整流素子と抵抗変化素子とがこの順で積層される場合を示したが、下層の配線上に抵抗変化素子と整流素子の順に積層されるようにしてもよい。さらに、整流層としてPIN接合構造の半導体層を用いる場合を示したが、PN接合構造の半導体層を用いてもよいし、ショットキー接合を用いてもよい。 In the above description, the rectifier element and the resistance change element are stacked in this order on the lower layer wiring. However, the resistance change element and the rectification element are stacked in this order on the lower layer wiring. It may be. Furthermore, although the case where a semiconductor layer having a PIN junction structure is used as the rectifying layer has been described, a semiconductor layer having a PN junction structure may be used, or a Schottky junction may be used.
また、上述した説明では、高さ方向に隣接するメモリセル間でビット線またはワード線を共有する構造としたが、高さ方向に隣接するメモリセル間でビット線またはワード線を共有しない構造としてもよい。この場合には、高さ方向に隣接するメモリセルそれぞれにワード線とビット線が設けられることになる。 In the above description, the bit line or the word line is shared between the memory cells adjacent in the height direction. However, the bit line or the word line is not shared between the memory cells adjacent in the height direction. Also good. In this case, a word line and a bit line are provided for each memory cell adjacent in the height direction.
図4は、この実施の形態のメモリセルと上層配線との関係を模式的に示す平面図であり、図5は、円柱状のメモリセルと上層配線との関係を模式的に示す平面図である。図4(a)は、上記の製造工程における1層目のメモリセルと第2の配線124との配置関係を示す図であり、図4(b)は、同じく2層目のメモリセルと第3の配線144との配置関係を示す図である。なお、図4(a)、(b)において、上層配線は点線で示されている。
FIG. 4 is a plan view schematically showing the relationship between the memory cell and the upper layer wiring of this embodiment, and FIG. 5 is a plan view schematically showing the relationship between the columnar memory cell and the upper layer wiring. is there. FIG. 4A is a diagram showing an arrangement relationship between the first-layer memory cell and the
図4(a)に示されるように、1層目のメモリセルは、下層の第1の配線104の延在方向であるY方向が長径の方向となるように楕円柱状に形成される。そのため、ドライエッチング処理時に、短径方向のX方向に比して長径方向には縒れや倒れが発生しにくい。つまり、同じ第2の配線124で接続される1層目のメモリセルの上面(キャップ膜114)のY方向の形成位置は、ほぼ同じ位置となっている。また、メモリセル間に塗布系のBPSG膜やポリシラザンなどの第2の層間絶縁膜117を形成した場合にも、塗布膜のストレスによってメモリセルの上面(キャップ膜114)の位置がY方向に大きくずれることはない。その結果、1層目のメモリセル上に第2の配線124を形成した場合に、第2の配線124は、メモリセルとの接触面積を大きく確保することが可能となる。
As shown in FIG. 4A, the memory cell in the first layer is formed in an elliptical column shape so that the Y direction, which is the extending direction of the
これは、図4(b)に示される2層目のメモリセルについても同様である。2層目のメモリセルでは、下層の第2の配線124の延在方向であるX方向が長径の方向となるように楕円柱状に形成される。これによって、ドライエッチング時や第4の層間絶縁膜137の埋め込み時に、メモリセルの上面(キャップ膜134)の位置がY方向にはずれるが、X方向に大きくずれることはない。その結果、2層目のメモリセル上に形成される第3の配線144は、メモリセルとの接触面積を大きく確保することが可能となる。
The same applies to the second-layer memory cell shown in FIG. The second-layer memory cell is formed in an elliptical column shape so that the X direction, which is the extending direction of the
これに対して、図5に示されるように、円柱状のメモリセルMCの場合には、ドライエッチング時や層間絶縁膜の埋め込み時にあらゆる方向にメモリセルMCの上面が変位してしまう可能性がある。その結果、上層の配線201との接触面積が非常に少ない、接触不良となるメモリセルMCが存在してしまう場合がある。このように、円柱状に限らず基板面に平行な断面が正方形の柱状構造などのように、配線方向に依らない形状のメモリセルMCの場合には、メモリセルMCの縒れや倒れが発生してしまい、その結果、上層の配線201との接触不良が生じる虞を有している。
On the other hand, as shown in FIG. 5, in the case of a cylindrical memory cell MC, there is a possibility that the upper surface of the memory cell MC is displaced in any direction during dry etching or when an interlayer insulating film is embedded. is there. As a result, there may be a memory cell MC that has a very small contact area with the
以上のように、本実施の形態によれば、メモリセルの基板面に平行な方向の形状を、上層の配線方向のサイズに比して、下層の配線方向のサイズを大きく取ったので、メモリセルのエッチング時やメモリセル間に層間絶縁膜を埋め込む際のメモリセルの縒れや倒れが、上層配線の幅方向に生じ難くすることができる。その結果、メモリセルと上層配線との間の接触不良を抑制することができるという効果を有する。 As described above, according to the present embodiment, the shape in the direction parallel to the substrate surface of the memory cell is larger in the wiring direction in the lower layer than the size in the wiring direction in the upper layer. It is possible to prevent the memory cell from being bent or tilted during the etching of the cell or when the interlayer insulating film is embedded between the memory cells in the width direction of the upper layer wiring. As a result, the contact failure between the memory cell and the upper layer wiring can be suppressed.
なお、上述した説明では、基板面に平行な面内で、メモリセルの長径を下層の配線層の延在方向と一致させる場合を説明したが、実際の製造工程にはばらつきがあるので、メモリセルの長径の方向を下層の配線層の延在方向に正確に一致させることは難しい。本発明者の実験によって、下層の配線層の延在方向に対してメモリセルの長径の方向が±30°程度傾いた場合でも、上記と同様の効果を得られることがわかった。下層の配線層の延在方向に対してメモリセルの長径の方向が±30°よりも大きくなってしまうと、メモリセルの縒れや倒れによって横方向に隣接するメモリセルとの間で接触する虞が高まり、望ましくない。そのため、下層の配線層の延在方向に対してメモリセルの長径の方向が±30°の範囲にあればよい。 In the above description, the case where the major axis of the memory cell is made to coincide with the extending direction of the lower wiring layer in a plane parallel to the substrate surface has been described. It is difficult to accurately match the major axis direction of the cell with the extending direction of the lower wiring layer. According to the experiments by the present inventors, it has been found that the same effect as described above can be obtained even when the major axis direction of the memory cell is inclined by about ± 30 ° with respect to the extending direction of the lower wiring layer. When the direction of the major axis of the memory cell becomes larger than ± 30 ° with respect to the extending direction of the lower wiring layer, the memory cell comes into contact with the adjacent memory cell in the lateral direction due to the twisting or falling of the memory cell. The fear increases and is not desirable. Therefore, the direction of the major axis of the memory cell only needs to be within a range of ± 30 ° with respect to the extending direction of the lower wiring layer.
また、上述した説明では、メモリセルが楕円柱状の構造を有する場合を説明したが、長方形状の柱状(矩形柱状)の構造を有する場合でも上記と同様の効果を得ることができる。また、メモリセルの基板面に平行な面内での形状が、上層の配線方向に比して下層の配線方向のサイズが長くなる形状であればよい。なお、これらの場合において、サイズが最も長くなる方向を長径方向とする。 In the above description, the case where the memory cell has an elliptical columnar structure is described, but the same effect as described above can be obtained even when the memory cell has a rectangular columnar (rectangular columnar) structure. Further, the shape in the plane parallel to the substrate surface of the memory cell may be a shape in which the size in the lower wiring direction is longer than the upper wiring direction. In these cases, the longest direction is the direction in which the size becomes the longest.
さらに、上述した説明では、抵抗変化型メモリを例に挙げて説明したが、これに限られず、相変化素子を有する相変化型メモリやanti-fuseを使用するField-Programmable ROMなどの不揮発性記憶装置およびその製造方法に対しても、本発明を適用することができる。 Furthermore, in the above description, the resistance change type memory has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a nonvolatile memory such as a phase change type memory having a phase change element or a field-programmable ROM using an anti-fuse is used. The present invention can also be applied to an apparatus and a manufacturing method thereof.
11…バリアメタル膜、12…整流素子、12P…P型ポリシリコン膜、12I…I型ポリシリコン膜、12N…N型ポリシリコン膜、13…抵抗変化素子、14…キャップ膜、20…層間絶縁膜。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の配線よりも上に形成され、第2の方向に延在する第2の配線と、
前記第2の配線よりも上に形成され、前記第1の方向に延在する第3の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線とが交差する位置に前記第1の配線と前記第2の配線の間に挟持されるように配置される、不揮発性記憶素子と整流素子とを含む柱状構造の第1の不揮発性メモリセルと、
前記第2の配線と前記第3の配線とが交差する位置に前記第2の配線と前記第3の配線の間に挟持されるように配置される、不揮発性記憶素子と整流素子とを含む柱状構造の第2の不揮発性メモリセルと、
を備え、
前記第1および第2の不揮発性メモリセルは、前記第1および第2の方向で作られる平面内でのサイズが方向によって異なり、サイズが最も長い長径の方向を前記不揮発性メモリセルに接続される下層の配線の延在方向と対応させて配置されることを特徴とする不揮発性記憶装置。 A first wiring extending in a first direction;
A second wiring formed above the first wiring and extending in a second direction;
A third wiring formed above the second wiring and extending in the first direction;
A non-volatile memory element and a rectifying element arranged to be sandwiched between the first wiring and the second wiring at a position where the first wiring and the second wiring cross each other A first nonvolatile memory cell having a columnar structure;
A non-volatile memory element and a rectifying element arranged to be sandwiched between the second wiring and the third wiring at a position where the second wiring and the third wiring intersect A second nonvolatile memory cell having a columnar structure;
With
The first and second nonvolatile memory cells have different sizes in a plane formed in the first and second directions, and the longest diameter direction of the size is connected to the nonvolatile memory cell. A non-volatile memory device, wherein the non-volatile memory device is arranged in correspondence with an extending direction of a lower layer wiring.
前記第1の積層膜上に、前記第1の方向と交差する第2の方向に比して前記第1の方向が長尺となる形状のパターンが前記複数の第1の配線上で二次元的に配置された第1のマスクパターンを形成する第2の工程と、
前記第1のマスクパターンを用いて、前記第1の積層膜をエッチングし、整流素子と不揮発性記憶素子とを含む柱状構造の第1のメモリセルを形成する第3の工程と、
柱状構造の前記第1のメモリセル間を第2の層間絶縁膜で埋め込み、前記第1のメモリセルの表面が露出するまで平坦化する第4の工程と、
前記第1のメモリセル間を前記第2の方向に結ぶ複数の第2の配線と、前記複数の第2の配線間を絶縁する第3の層間絶縁膜と、を形成する第5の工程と、
前記複数の第2の配線が形成された前記第3の層間絶縁膜上に、第2の整流層、第2の不揮発性記憶層を含む第2の積層膜を形成する第6の工程と、
前記第2の積層膜上に、前記第1の方向に比して前記第2の方向が長尺となる形状のパターンが前記複数の第2の配線上で二次元的に配置された第2のマスクパターンを形成する第7の工程と、
前記第2のマスクパターンを用いて、前記第2の積層膜をエッチングし、整流素子と不揮発性記憶素子とを含む柱状構造の第2のメモリセルを形成する第8の工程と、
柱状構造の前記第2のメモリセル間を第4の層間絶縁膜で埋め込み、前記第2のメモリセルの表面が露出するまで平坦化する第9の工程と、
前記第2のメモリセル間を前記第1の方向に結ぶ複数の第3の配線を形成する第10の工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。 A first stacked film including a first rectifying layer and a first nonvolatile memory layer is formed on a first interlayer insulating film in which a plurality of first wirings extending in a first direction are formed. A first step;
A pattern having a shape in which the first direction is longer than the second direction intersecting the first direction is two-dimensionally formed on the plurality of first wirings on the first stacked film. A second step of forming a first mask pattern arranged in an automatic manner;
Etching the first stacked film using the first mask pattern to form a first memory cell having a columnar structure including a rectifying element and a nonvolatile memory element;
A fourth step of filling a space between the first memory cells having a columnar structure with a second interlayer insulating film and flattening until the surface of the first memory cell is exposed;
A fifth step of forming a plurality of second wirings that connect the first memory cells in the second direction, and a third interlayer insulating film that insulates the plurality of second wirings; ,
A sixth step of forming a second laminated film including a second rectifying layer and a second nonvolatile memory layer on the third interlayer insulating film in which the plurality of second wirings are formed;
A second pattern in which a pattern having a shape in which the second direction is longer than the first direction is two-dimensionally arranged on the plurality of second wirings on the second stacked film; A seventh step of forming the mask pattern;
Etching the second laminated film using the second mask pattern to form a second memory cell having a columnar structure including a rectifying element and a nonvolatile memory element;
A ninth step of filling a space between the second memory cells having a columnar structure with a fourth interlayer insulating film and flattening until the surface of the second memory cell is exposed;
A tenth step of forming a plurality of third wirings connecting the second memory cells in the first direction;
A method for manufacturing a nonvolatile memory device, comprising:
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