JP2014036034A - 不揮発性半導体記憶装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
第1及び第2方向(X及びY方向)に延伸する平板電極15と、平板電極15を貫通する貫通孔内を第3方向(Z方向)に延伸する柱状電極11との間に、環状の可変抵抗体12と環状の双方向整流性材料14を狭持してなる環状のメモリセル17を、3次元マトリクス状に配置してなる3次元メモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置であって、可変抵抗体12と双方向整流性材料14の間に、中間電極13が挿入されている。中間電極13は、同じ柱状電極11に接続するメモリセル毎に、第3方向に電気的に分離して形成されている。
【選択図】 図1
Description
前記3次元メモリセルアレイが、
前記第1方向および前記第2方向のうち少なくとも何れかの方向に延伸する第1電極を備え、前記第1電極が層間絶縁膜を介して2層以上、前記第3方向に積層され、
前記積層された2層以上の前記第1電極とその間の前記層間絶縁膜を前記第3方向に貫通する複数の貫通孔を備え、前記貫通孔が前記第1方向および前記第2方向に2次元的に配列され、
前記第3方向に延伸する柱状の導電体で構成された、前記貫通孔内を前記第1電極と接触せずに充填する複数の第2電極を備え、
前記メモリセルが、
環状の第3電極と、前記第3電極の内周側面および外周側面の何れか一方と接触する環状の可変抵抗体と、前記第3電極の内周側面および外周側面の何れか他方と接触する環状の絶縁膜と、を備え、
前記第1電極が、前記可変抵抗体および前記環状の絶縁膜の夫々の外周側面のうち前記第3電極と接触しない方の外周側面と電気的に接続し、前記第2電極が、前記可変抵抗体および前記環状の絶縁膜の夫々の内周側面のうち前記第3電極と接触しない方の内周側面と電気的に接続して、環状のメモリセルが形成されてなり、
前記第3電極が、同じ前記第2電極と接続する前記メモリセル間で前記第3方向に分離形成されていることを特徴とする。
前記環状の絶縁膜、前記第3電極、及び、前記第1電極と前記第2電極のうち前記環状の絶縁膜と接続する他方の電極が、2端子の双方向整流素子を構成することができる。
選択トランジスタが前記第1方向と前記第2方向に夫々複数2次元マトリクス状に、前記3次元メモリセルの配置領域に対して前記第3方向に隣接して配置され、
前記第2電極が、その頂面または底面において前記選択トランジスタの入出力端子対の1つと接続していることが好ましい。
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1電極材料と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記第1電極材料と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記第1電極材料を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第3電極材料を、夫々、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、を有することを第1の特徴とする。
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第3電極材料を、夫々、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように順に堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記ダミー膜を除去する工程と、
前記ダミー膜が除去された領域に、第1電極材料を堆積して埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記層間絶縁膜が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、を有することを第2の特徴とする。
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
第3電極材料を、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記ダミー膜を除去する工程と、
前記ダミー膜が除去された領域に、非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第1電極材料を順に堆積し、前記ダミー膜が除去された領域を前記第1電極材料で埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記絶縁膜材料が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、を有することを第3の特徴とする。
前記ダミー膜が、前記第3電極材料の前駆体である前駆体材料であり、
前記貫通孔の側壁に前記凹部を形成する工程、前記第3電極材料を前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程、及び、前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去する工程に代えて、前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜の一部を前記第3電極材料に変化させる工程を有することを第4の特徴とする。
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記第1ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔を第2ダミー膜で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記第1ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記第1ダミー膜を、前記第2ダミー膜が露出するまで除去する工程と、
前記第1ダミー膜が除去された領域に、第3電極材料の前駆体である前駆体材料、非線形トンネル膜となる絶縁膜材料、及び、第1電極材料を順に堆積し、前記第1ダミー膜が除去された領域を前記第1電極材料で埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記絶縁膜材料が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、
前記貫通孔を充填する前記第2ダミー膜を除去する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記前駆体材料の一部を、前記第3電極材料に変化させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、を有することを第5の特徴とする
前記前駆体材料が、多結晶シリコンであり、
前記前駆体材料の一部を前記第3電極材料に変化させる工程が、前記貫通孔の側壁に露出した前記多結晶シリコンをシリサイド化する工程であることを第6の特徴とする。
前記前駆体材料が、被酸化金属の金属酸化物膜であり、
前記前駆体材料の一部を前記第3電極材料に変化させる工程が、前記貫通孔の側壁に露出した前記金属酸化物膜を還元処理により前記被酸化金属に変化させる、または酸素欠損の多い導電性膜に変化させる工程であることを第7の特徴とする。
前記貫通孔を形成する工程が、底面において前記選択トランジスタのソース領域またはドレイン領域が露出する前記貫通孔を形成する工程であることが好ましい。
前記層間絶縁膜の間に形成された前記第1電極材料、及び、前記貫通孔内に形成された前記第2電極材料との間に電圧を印加するフォーミング工程を有し、
前記フォーミング工程において、前記可変抵抗体材料の前記第3電極材料と接触する部分の抵抗状態を低抵抗化し、初期高抵抗状態から電圧の印加により抵抗特性が変化する可変抵抗状態に変化させ、前記可変抵抗体材料の前記可変抵抗状態に変化した部分を可変抵抗体として機能させるとともに、前記可変抵抗体材料の前記層間絶縁膜と接触する部分が前記初期高抵抗状態のままであることにより、前記可変抵抗体が前記第3方向に電気的に分離形成されることを第8の特徴とする。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置1」と称す)及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。尚、以下に示される構造断面図は、適宜、要部が強調して示されており、図面上の各構成要素の寸法の縮尺と実際の寸法の縮尺とは必ずしも一致するものではない。これは以降の各実施形態においても同様とする。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置2」と称す)及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。図6〜図8、及び図10は、本発明装置2を製造する際の各工程における概略の構造断面図を示している。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置3」と称す)及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。本発明装置3の三次元メモリセルアレイの構造断面図を図13に示す。図14〜図16に、本発明装置3を製造する際の各工程における概略の構造断面図を示す。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置4」と称す)及びその製造方法につき、図面を参照して説明する。図17〜図20に、本発明装置4を製造する際の各工程における概略の構造断面図を示す。
以下に、別実施形態について説明する。
〈3〉上記第1及び第2実施形態において、貫通孔31の凹部に中間電極13を分離形成後(図4(b)、図7(b))、底部に残存する双方向整流性膜14を除去してから、可変抵抗体材料12の堆積を行っている(図5、図8)が、双方向整流性膜14については、図5又は図8において可変抵抗体材料12を堆積後、貫通孔31の底部に残存する可変抵抗体材料12を除去するのに併せて、同じく底部に残存する双方向整流性膜14を除去するようにしても構わない。
11、41a,41b: 柱状電極(第2電極)
11a: 周辺電極
11b: 内部電極
12、42: 可変抵抗体材料(可変抵抗体)
13、43: 中間電極(第3電極)
14: 双方向整流性膜
15、45: 平板電極(第1電極)
16、46: 層間絶縁膜
17、47: メモリセル
18: 2次元メモリセルアレイ
19: 中間電極の前駆体
20: 半導体基板
21: 選択トランジスタ
22: ゲート電極
23: ソース領域
24: ドレイン領域
25: チャネル領域
31: 貫通孔
32、34〜36: ダミー膜(ダミー材料)
33: 加工用の開口部
37a〜37d: コンタクトプラグ
38a〜38d: 配線層
48: フィラメント
Claims (15)
- 電圧の印加により抵抗特性が変化する不揮発性の可変抵抗素子を備えた2端子型のメモリセルが、互いに直交する第1方向、第2方向、及び、第3方向に夫々複数、3次元マトリクス状に配置された3次元メモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置であって、
前記3次元メモリセルアレイが、
前記第1方向および前記第2方向のうち少なくとも何れかの方向に延伸する第1電極を備え、前記第1電極が層間絶縁膜を介して2層以上、前記第3方向に積層され、
前記積層された2層以上の前記第1電極とその間の前記層間絶縁膜を前記第3方向に貫通する複数の貫通孔を備え、前記貫通孔が前記第1方向および前記第2方向に2次元的に配列され、
前記第3方向に延伸する柱状の導電体で構成された、前記貫通孔内を前記第1電極と接触せずに充填する複数の第2電極を備え、
前記メモリセルが、
環状の第3電極と、
前記第3電極の内周側面および外周側面の何れか一方と接触する環状の可変抵抗体と、
前記第3電極の内周側面および外周側面の何れか他方と接触する環状の絶縁膜と、を備え、
前記第1電極が、前記可変抵抗体および前記環状の絶縁膜の夫々の外周側面のうち前記第3電極と接触しない方の外周側面と電気的に接続し、
前記第2電極が、前記可変抵抗体および前記環状の絶縁膜の夫々の内周側面のうち前記第3電極と接触しない方の内周側面と電気的に接続して、環状のメモリセルが形成されてなり、
前記第3電極が、同じ前記第2電極と接続する前記メモリセル間で前記第3方向に分離形成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1電極が、前記環状の絶縁膜の外周側面と電気的に接続し、
前記第2電極が、前記可変抵抗体の内周側面と電気的に接続していることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗体、前記第3電極、及び、前記第1電極と前記第2電極のうち前記可変抵抗体と接続する一方の電極が、前記可変抵抗素子を構成し、
前記環状の絶縁膜、前記第3電極、及び、前記第1電極と前記第2電極のうち前記環状の絶縁膜と接続する他方の電極が、2端子の双方向整流素子を構成することを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗体が、同じ前記第2電極と接続する前記メモリセル間で前記第3方向に電気的に分離されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 選択トランジスタが前記第1方向と前記第2方向に夫々複数2次元マトリクス状に、前記3次元メモリセルの配置領域に対して前記第3方向に隣接して配置され、
前記第2電極が、その頂面または底面において前記選択トランジスタの入出力端子対の1つと接続していることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗体が、遷移金属酸化物もしくはアルミニウム酸化物、又は、遷移金属の酸窒化物で構成されることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1電極材料と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記第1電極材料と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記第1電極材料を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第3電極材料を、夫々、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第3電極材料を、夫々、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように順に堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記ダミー膜を除去する工程と、
前記ダミー膜が除去された領域に、第1電極材料を堆積して埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記層間絶縁膜が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜を所定の膜厚分エッチング除去し、前記貫通孔の側壁に凹部を形成する工程と、
第3電極材料を、前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去し、前記貫通孔の前記凹部に前記第3電極材料を残存させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記ダミー膜を除去する工程と、
前記ダミー膜が除去された領域に、非線形トンネル膜となる絶縁膜材料と第1電極材料を順に堆積し、前記ダミー膜が除去された領域を前記第1電極材料で埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記絶縁膜材料が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記ダミー膜が、前記第3電極材料の前駆体である前駆体材料であり、
前記貫通孔の側壁に前記凹部を形成する工程、前記第3電極材料を前記貫通孔の前記凹部を含む側壁面を覆うように堆積する工程、及び、前記貫通孔の前記凹部を除く側壁面に形成された前記第3電極材料を除去する工程に代えて、前記貫通孔の側壁に露出した前記ダミー膜の一部を前記第3電極材料に変化させる工程を有することを特徴とする請求項9に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1ダミー膜と層間絶縁膜を交互に堆積し、前記第1ダミー膜と前記層間絶縁膜の積層構造を形成する工程と、
前記積層構造に、前記積層構造を貫通する複数の貫通孔を、前記基板面に平行で互いに直交する第1方向および第2方向に2次元的に配置されるように形成する工程と、
前記貫通孔を第2ダミー膜で充填する工程と、
前記貫通孔に近接して加工用の開口部を、前記積層構造の前記第1ダミー膜が残存する部分に形成する工程と、
前記開口部を介して、前記層間絶縁膜の間に挟まれた前記第1ダミー膜を、前記第2ダミー膜が露出するまで除去する工程と、
前記第1ダミー膜が除去された領域に、第3電極材料の前駆体である前駆体材料、非線形トンネル膜となる絶縁膜材料、及び、第1電極材料を順に堆積し、前記第1ダミー膜が除去された領域を前記第1電極材料で埋め込む工程と、
前記開口部の側壁面上に前記絶縁膜材料が露出するまで、前記開口部の側壁に堆積された前記第1電極材料を除去後、前記開口部を絶縁膜で充填する工程と、
前記貫通孔を充填する前記第2ダミー膜を除去する工程と、
前記貫通孔の側壁に露出した前記前駆体材料の一部を、前記第3電極材料に変化させる工程と、
可変抵抗体材料を、前記貫通孔の側壁面を覆うように堆積する工程と、
前記貫通孔を第2電極材料で充填する工程と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記前駆体材料が、多結晶シリコンであり、
前記前駆体材料の一部を前記第3電極材料に変化させる工程が、前記貫通孔の側壁に露出した前記多結晶シリコンをシリサイド化する工程であることを特徴とする請求項10又は11に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記前駆体材料が、被酸化金属の金属酸化物膜であり、
前記前駆体材料の一部を前記第3電極材料に変化させる工程が、前記貫通孔の側壁に露出した前記金属酸化物膜を還元処理により前記被酸化金属に変化させる、または酸素欠損の多い導電性膜に変化させる工程であることを特徴とする請求項10又は11に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記基板上に、選択トランジスタをマトリクス状に形成する工程を有し、
前記貫通孔を形成する工程が、底面において前記選択トランジスタのソース領域またはドレイン領域が露出する前記貫通孔を形成する工程である請求項8〜13の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記層間絶縁膜の間に形成された前記第1電極材料、及び、前記貫通孔内に形成された前記第2電極材料との間に電圧を印加するフォーミング工程を有し、
前記フォーミング工程において、前記可変抵抗体材料の前記第3電極材料と接触する部分の抵抗状態を低抵抗化し、初期高抵抗状態から電圧の印加により抵抗特性が変化する可変抵抗状態に変化させ、前記可変抵抗体材料の前記可変抵抗状態に変化した部分を可変抵抗体として機能させるとともに、前記可変抵抗体材料の前記層間絶縁膜と接触する部分が前記初期高抵抗状態のままであることにより、前記可変抵抗体が前記第3方向に電気的に分離形成されることを特徴とする請求項8〜14の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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