JP2015177118A - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極層の信頼性が高い半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体記憶装置は、ボロン及びシリコンを含む複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びたチャネルボディと、前記チャネルボディと、それぞれの前記電極層との間に設けられたメモリ膜と、を備えている。前記メモリ膜は、前記チャネルボディ側から順に設けられたトンネル膜と、電荷蓄積膜と、ブロック膜とを有する。前記ブロック膜は、シリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜と前記電極層との間に設けられ、前記電極層に接する第1のシリコン酸化膜とを有する。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
メモリセルにおけるコントロールゲートとして機能する電極層を絶縁層を介して複数積層した積層体にメモリホールが形成され、そのメモリホールの側壁に電荷蓄積膜を介してチャネルとなるシリコンボディが設けられた3次元構造のメモリデバイスが提案されている。また、そのような3次元メモリデバイスにおいて電極層として不純物を含むシリコン層が提案されているが、その電極層には高い信頼性が求められる。
本発明の実施形態は、電極層の信頼性が高い半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
実施形態によれば、半導体記憶装置は、ボロン及びシリコンを含む複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びたチャネルボディと、前記チャネルボディと、それぞれの前記電極層との間に設けられたメモリ膜と、を備えている。前記メモリ膜は、前記チャネルボディ側から順に設けられたトンネル膜と、電荷蓄積膜と、ブロック膜とを有する。前記ブロック膜は、シリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜と前記電極層との間に設けられ、前記電極層に接する第1のシリコン酸化膜とを有する。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図1は、実施形態の半導体記憶装置のメモリセルアレイ1の模式斜視図である。なお、図1においては、図を見易くするために、電極層WL間の絶縁層、積層体を複数のブロックに分離する絶縁分離膜などの図示については省略している。
図1において、基板10の主面に対して平行な方向であって相互に直交する2方向をX方向及びY方向とし、これらX方向及びY方向の双方に対して直交する方向をZ方向(積層方向)とする。
メモリセルアレイ1は、複数のメモリストリングMSを有する。
図2は、メモリストリングMSの模式断面図である。図2は、図1におけるY−Z面に平行な断面を表す。
メモリセルアレイ1は、電極層WLと絶縁層40とがそれぞれ1層ずつ交互に複数層積層された積層体を有する。この積層体は、下部ゲート層としてのバックゲートBG上に設けられている。なお、図に示す電極層WLの層数は一例であって、電極層WLの層数は任意である。
バックゲートBGは、基板10上に絶縁層45を介して設けられている。バックゲートBG及び電極層WLは、シリコンを主成分として含む層である。さらに、バックゲートBG及び電極層WLは、シリコン層に導電性を付与するための不純物としてボロンを含んでいる。また、電極層WLは、金属シリサイドを含んでいてもよい。
1つのメモリストリングMSは、Z方向に延びる一対の柱状部CLと、一対の柱状部CLのそれぞれの下端を連結する連結部JPとを有するU字状に形成されている。柱状部CLは、例えば円柱状に形成され、積層体を貫通し、バックゲートBGに達している。
U字状のメモリストリングMSにおける一対の柱状部CLの一方の上端部にはドレイン側選択ゲートSGDが設けられ、他方の上端部にはソース側選択ゲートSGSが設けられている。ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、最上層の電極層WL上に絶縁層43を介して設けられている。
ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、シリコンを主成分として含む層である。さらに、ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、シリコン層に導電性を付与するための不純物としてボロンを含んでいる。
上部選択ゲートとしてのドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、1層の電極層WLよりも厚い。また、下部選択ゲートとしてのバックゲートBGは、1層の電極層WLよりも厚い。
ドレイン側選択ゲートSGDとソース側選択ゲートSGSとは、絶縁分離膜47によって、Y方向に分離されている。ドレイン側選択ゲートSGDの下の積層体と、ソース側選択ゲートSGSの下の積層体は、絶縁分離膜46によってY方向に分離されている。すなわち、メモリストリングMSの一対の柱状部CL間の積層体は、絶縁分離膜46、47によってY方向に分離されている。
ソース側選択ゲートSGS上には、絶縁層を介して、図1に示すソース線(例えば金属膜)SLが設けられている。ドレイン側選択ゲートSGD上及びソース線SL上には、絶縁層を介して、図1に示す複数本のビット線(例えば金属膜)BLが設けられている。各ビット線BLはY方向に延在している。
図3(a)は、メモリストリングMSの柱状部CLの拡大模式断面図である。図3(a)は、複数層の電極層WLを含む積層体中の柱状部CLを表す。
柱状部CLは、図8に示すU字状のメモリホールMH内に形成される。メモリホールMHは、上部選択ゲートSG、複数層の電極層WL、およびバックゲートBGを含む積層体内に形成される。
メモリホールMH内には、半導体チャネルとしてのチャネルボディ20が設けられている。チャネルボディ20は、例えばシリコン膜である。
メモリホールMHの内壁とチャネルボディ20との間には、メモリ膜30が設けられている。メモリ膜30は、ブロック膜36と電荷蓄積膜32とトンネル膜31とを有する。電極層WLとチャネルボディ20との間に、電極層WL側から順にブロック膜36、電荷蓄積膜32、およびトンネル膜31が設けられている。
チャネルボディ20は筒状に設けられ、そのチャネルボディ20の外周面を囲むように筒状のメモリ膜30が設けられている。電極層WLはメモリ膜30を介してチャネルボディ20の周囲を囲んでいる。また、チャネルボディ20の内側には、コア絶縁膜50が設けられている。コア絶縁膜50は、例えばシリコン酸化膜である。
ブロック膜36は電極層WLに接し、トンネル膜31はチャネルボディ20に接し、ブロック膜36とトンネル膜31との間に電荷蓄積膜32が設けられている。
チャネルボディ20はメモリセルにおけるチャネルとして機能し、電極層WLはメモリセルのコントロールゲートとして機能する。電荷蓄積膜32はチャネルボディ20から注入される電荷を蓄積するデータ記憶層として機能する。すなわち、チャネルボディ20と各電極層WLとの交差部分に、チャネルの周囲をコントロールゲートが囲んだ構造のメモリセルが形成されている。
実施形態の半導体記憶装置は、データの消去・書き込みを電気的に自由に行うことができ、電源を切っても記憶内容を保持することができる不揮発性半導体記憶装置である。
メモリセルは、例えばチャージトラップ型のメモリセルである。電荷蓄積膜32は、電荷を捕獲するトラップサイトを多数有し、例えば、シリコン窒化膜である。
トンネル膜31は、電荷蓄積膜32にチャネルボディ20から電荷が注入される際、または電荷蓄積膜32に蓄積された電荷がチャネルボディ20へ拡散する際に電位障壁となる。トンネル膜31は、絶縁膜であり、例えばシリコン酸化膜である。
ブロック膜36は、電荷蓄積膜32に蓄積された電荷が、電極層WLへ拡散するのを防止する。ブロック膜36は、電極層WL側から順に設けられたシリコン酸化膜(第1のシリコン酸化膜)35と、シリコン窒化膜34と、シリコン酸化膜(第2のシリコン酸化膜)33とを有する。
シリコン酸化膜35は電極層WLに接している。電極層WLとシリコン窒化膜34との間にシリコン酸化膜35が介在され、シリコン窒化膜34は電極層WLに接していない。
シリコン酸化膜35の膜厚は、チャネルボディ20、トンネル膜31、電荷蓄積膜32、シリコン酸化膜33、およびシリコン窒化膜34のそれぞれの膜厚よりも薄い。
なお、ブロック膜36において、シリコン酸化膜33及びシリコン窒化膜34はいずれか一方だけでもよい。ただし、シリコン酸化膜33及びシリコン窒化膜34の積層膜は、どちらかの単層膜よりも電荷のブロッキング性に優れる。特に、電荷蓄積膜32側にシリコン酸化膜33を、電極層WL側にシリコン窒化膜34を設けることで高いブロッキング性が得られる。
さらに実施形態によれば、シリコン窒化膜34と電極層WLとの間に、シリコン酸化膜35が設けられている。このシリコン酸化膜35は、後述するように、電極層WLに含まれるボロンの拡散を防止する。
図1、2に示すように、U字状のメモリストリングMSにおける一対の柱状部CLの一方の上端部にはドレイン側選択トランジスタSTDが設けられ、他方の上端部にはソース側選択トランジスタSTSが設けられている。
メモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD及びソース側選択トランジスタSTSは、Z方向に電流が流れる縦型トランジスタである。
ドレイン側選択ゲートSGDは、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ドレイン側選択ゲートSGDとチャネルボディ20との間には、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート絶縁膜として機能する絶縁膜51(図2)が設けられている。ドレイン側選択トランジスタSTDのチャネルボディは、ドレイン側選択ゲートSGDの上方で、ビット線BLと接続されている。
ソース側選択ゲートSGSは、ソース側選択トランジスタSTSのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ソース側選択ゲートSGSとチャネルボディ20との間には、ソース側選択トランジスタSTSのゲート絶縁膜として機能する絶縁膜52(図2)が設けられている。ソース側選択トランジスタSTSのチャネルボディは、ソース側選択ゲートSGSの上方で、ソース線SLと接続されている。
メモリストリングMSの連結部JPには、バックゲートトランジスタBGTが設けられている。バックゲートBGは、バックゲートトランジスタBGTのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。バックゲートBG内に設けられたメモリ膜30は、バックゲートトランジスタBGTのゲート絶縁膜として機能する。
ドレイン側選択トランジスタSTDとバックゲートトランジスタBGTとの間には、各層の電極層WLをコントロールゲートとする複数のメモリセルが設けられている。同様に、バックゲートトランジスタBGTとソース側選択トランジスタSTSの間にも、各層の電極層WLをコントロールゲートとする複数のメモリセルが設けられている。
それら複数のメモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD、バックゲートトランジスタBGTおよびソース側選択トランジスタSTSは、チャネルボディ20を通じて直列接続され、U字状の1つのメモリストリングMSを構成する。このメモリストリングMSがX方向及びY方向に複数配列されていることにより、複数のメモリセルがX方向、Y方向及びZ方向に3次元的に設けられている。
シリコン窒化膜はシリコン酸化膜よりも電荷のブロッキング性が高い。また、シリコン窒化膜の単層よりもシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層構造はブロッキング性が高い。特に、シリコン酸化膜を電荷蓄積膜32側に設け、シリコン窒化膜を電極層WL側に設けると、ブロッキング性を高くできる。
このようなブロック膜構造において、シリコン窒化膜が電極層WLに接していると、ブロック膜を形成した後の工程での熱処理により電極層WL中のボロンがシリコン窒化膜に移動しやすい問題があった。電極層WLからシリコン窒化膜へのボロンの移動は、電極層WLの抵抗を上昇させる。さらには、電極層WLに電圧が印加された際に空乏化が生じて信頼性を低下させることが懸念される。
そこで、実施形態によれば、ブロック膜36におけるシリコン窒化膜34と、電極層WLとの間に、シリコン酸化膜35を設けている。このシリコン酸化膜35は、電極層WLからのボロンの抜けを抑制する。このため、後の熱処理工程での電極層WLの抵抗上昇を抑えることができ、空乏化を抑制し、信頼性を向上できる。
熱処理によって多少は電極層WLからシリコン酸化膜35にもボロンは吸い込まれる。しかし、シリコン窒化膜に比べてシリコン酸化膜に吸い込まれるボロンの量は少ない。シリコン酸化膜35は非常に薄く、例えば1nm以下であるため、シリコン酸化膜35中における単位体積あたりのボロンの数(ボロン濃度)は、電極層WL中における単位体積あたりのボロンの数(ボロン濃度)よりも大きくなる。
また、電極層WLの上及び下に積層された絶縁層40はシリコン酸化層である。このため、電極層WLの上面及び下面もシリコン酸化膜に接しており、電極層WLの上面側や下面側からのボロンの抜けも抑制される。
また、電極層WLはシリコン窒化膜34には接しておらず、シリコン酸化膜35に接していることで、Z方向(積層方向)で隣り合う電極層WL間の電荷移動(リーク電流)も抑制することができる。
また、電極層WLが接する膜がシリコン酸化膜であると、電極層WLがシリコン窒化膜と接する場合よりも電極層WLとシリコン酸化膜との間のバリアハイトが上がり、消去動作時に電極層WLからメモリ膜30側に抜けるバックトンネル電子や、書き込み動作時に電極層WLからメモリ膜30側に抜けるバックトンネル正孔を抑制し、信頼性を向上させることができる。
次に、図4〜図9を参照して、実施形態の半導体記憶装置の製造方法について説明する。
図4に示すように、基板10上に絶縁層45を介してバックゲートBGが形成される。バックゲートBGには凹部が形成され、その凹部内には犠牲膜55が埋め込まれる。犠牲膜55は、例えばシリコン窒化膜である。
バックゲートBG上には、金属酸化膜42が形成され、その金属酸化膜42はパターニングされ、選択的に除去される。金属酸化膜42が除去された部分には、シリコン酸化膜41が形成される。金属酸化膜42は、例えば、タンタル酸化膜(TaO膜)である。
金属酸化膜42上及びシリコン酸化膜41上には、絶縁層40と電極層WLとがそれぞれ交互に複数積層される。電極層WLは、不純物としてボロンを含むシリコン層である。
電極層WL及び絶縁層40を含む積層体を形成した後、積層体にスリットを形成する。スリットの下端は金属酸化膜42に達する。絶縁層40はシリコン酸化層であり、電極層WLはボロンドープされたシリコン層である。スリットはRIE(reactive ion etching)法で形成される。このとき、絶縁層40及び電極層WLに対して異種材料であり、エッチング選択比が高い金属酸化膜42はエッチングストッパーとして機能する。スリット内には、図5に示すように、絶縁分離膜46が埋め込まれる。絶縁分離膜46は、例えばシリコン窒化膜である。
絶縁分離膜46を形成した後、最上層の電極層WL上に、図6に示すように、絶縁層43を形成し、さらに絶縁層43上に、ドレイン側選択ゲートSGDまたはソース側選択ゲートSGSとなる上部選択ゲートSGが形成され、さらに上部選択ゲートSG上に絶縁層44が形成される。
次に、図7に示すように、上記積層体に複数のホール71を形成する。ホール71は、図示しないマスクを用いた例えばRIE法で形成される。
ホール71の下端は犠牲膜55に達し、ホール71のボトムに犠牲膜55が露出する。1つの犠牲膜55上には、一対のホール71が形成される。ホール71は、金属酸化膜42が形成された部分を貫通して、犠牲膜55に達する。
絶縁層40、43、44はシリコン酸化層であり、電極層WL及び上部選択ゲートSGはボロンドープされたシリコン層である。例えば同じエッチング条件で、絶縁層40、43、44、電極層WL、および上部選択ゲートSGが続けてエッチングされる。このとき、シリコン酸化層及びシリコン層に対して異種材料である金属酸化膜42はエッチングストッパーとして機能する。
金属酸化膜42の位置で、複数のホール71のエッチングの進行程度がそろえられ、複数のホール71の形状や深さを均一にそろえることができる。
ホール71を形成した後、ホール71を通じたエッチングにより、犠牲膜55を除去する。犠牲膜55は、例えばウェットエッチングにより除去される。
犠牲膜55の除去により、図8に示すように、バックゲートBGに形成された凹部72が現れる。1つの凹部72に対して、一対のホール71がつながっている。すなわち、一対のホール71のそれぞれの下端が1つの共通の凹部72とつながり、1つのU字状のメモリホールMHが形成される。
メモリホールMHを形成した後、RIE時にホール内壁に堆積した有機物などの洗浄処理が行われる。例えば、オゾン水、または、硫酸と過酸化水素の混合液などの薬液を使ったウェット処理が行われる。このウェット処理は、メモリホールMHの内壁に露出するシリコン層(電極層WL、上部選択ゲートSG、バックゲートBG)の表面に、図9に示すように、1nm以下の薄いシリコン酸化膜35を形成する。したがって、工程を追加することなく、前述したボロンの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜35を形成することができる。
なお、上記薬液処理では、金属酸化膜(例えばTaO膜)42の表面にはシリコン酸化膜は形成されない。
その後、メモリホールMHの内壁に、図3(a)及び(b)に示す各膜が順に形成される。すなわち、図3(a)に示すように、電極層WLと、シリコン窒化膜34との間に、シリコン酸化膜35が介在した構造が得られる。
図3(b)は、メモリストリングMSの柱状部CLが、積層体の最下層(例えば絶縁層40)と、バックゲートBGとの間の層を貫通する部分の拡大模式断面図である。
前述したように、ホール形成後の薬液処理によって金属酸化膜42にはシリコン酸化膜は形成されない。したがって、金属酸化膜42の側面に接してシリコン窒化膜34が形成される。
すなわち、バックゲートBGと、電極層WLを含む積層体との間におけるシリコン窒化膜34の側面に金属酸化膜42が設けられ、さらにその金属酸化膜42の側面に、シリコン酸化膜(第3のシリコン酸化膜)41が設けられている。シリコン酸化膜41の膜厚は、電極層WLの側面に形成されたシリコン酸化膜35の膜厚よりも厚い。また、シリコン酸化膜41の膜厚は、ブロック膜36の膜厚よりも厚い。
TaO膜などの金属酸化膜は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜に比べて、電荷のブロッキング性が低い。しかしながら、実施形態によれば、金属酸化膜42の側面に、ブロック膜36よりも厚いシリコン酸化膜41が設けられている。このため、バックゲートBGと、バックゲートBGよりも上方の電荷蓄積膜32との間の電荷の移動を、シリコン酸化膜41によって抑制することができる。
また、TaO膜などの金属酸化膜42が柱状部CLの周囲でシリコン酸化膜41よりも内側に形成されていることで、この部分のフリンジ電界が強くなり、チャネル抵抗を下げることができ、オン電流Ionが改善する。
また、TaO膜などの金属酸化膜42が柱状部CLの周囲でシリコン酸化膜41よりも内側に形成されていることで、この部分のフリンジ電界が強くなり、チャネル抵抗を下げることができ、オン電流Ionが改善する。
メモリホールMH内に、メモリ膜30、チャネルボディ20、およびコア絶縁膜50を形成した後、一対の柱状部CL間の上部選択ゲートSGは、図2に示すように、絶縁分離膜47によってY方向に分離される。
その後、絶縁層44上に、図1に示すソース線SL、ビット線BLなどが形成される。
メモリストリングの構成はU字状に限らず、図10に示すようにI字状であってもよい。図10には導電部分のみを示し、絶縁部分の図示は省略している。この構造では、基板10上にソース線SLが設けられ、その上にソース側選択ゲート(または下部選択ゲート)SGSが設けられ、その上に複数層の電極層WLが設けられ、最上層の電極層WLとビット線BLとの間にドレイン側選択ゲート(または上部選択ゲート)SGDが設けられている。
このようなI字状のメモリストリングにおいても、柱状部CLのブロック膜36におけるシリコン窒化膜34と、電極層WLとの間に、シリコン酸化膜35を設けている。このシリコン酸化膜35は、電極層WLからのボロンの抜けを抑制する。このため、後の熱処理工程での電極層WLの抵抗上昇を抑えることができ、空乏化を抑制し、信頼性を向上できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
20…チャネルボディ、30…メモリ膜、31…トンネル膜、32…電荷蓄積膜、33…シリコン酸化膜、34…シリコン窒化膜、35…シリコン酸化膜、36…ブロック膜、41…シリコン酸化膜、42…金属酸化膜、WL…電極層
Claims (7)
- ボロン及びシリコンを含む複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、
前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びたチャネルボディと、
前記チャネルボディと、それぞれの前記電極層との間に設けられたメモリ膜と、
を備え、
前記メモリ膜は、前記チャネルボディ側から順に設けられたトンネル膜と、電荷蓄積膜と、ブロック膜とを有し、
前記ブロック膜は、シリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜と前記電極層との間に設けられ、前記電極層に接する第1のシリコン酸化膜とを有する半導体記憶装置。 - 前記第1のシリコン酸化膜の膜厚は、前記シリコン窒化膜の膜厚よりも薄い請求項1記載の半導体記憶装置。
- 前記ブロック膜は、前記シリコン窒化膜と前記電荷蓄積膜との間に設けられた第2のシリコン酸化膜をさらに有する請求項1または2に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1のシリコン酸化膜の膜厚は、前記第2のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄い請求項3記載の半導体記憶装置。
- 前記積層体の下に下部ゲート層が設けられ、
前記下部ゲート層と前記積層体との間における前記シリコン窒化膜の側面に金属酸化膜が設けられ、
前記金属酸化膜の側面に、前記第1のシリコン酸化膜の膜厚よりも厚い膜厚を有する第3のシリコン酸化膜が設けられている請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。 - 基板上に、ボロン及びシリコンを含む複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体を形成する工程と、
前記積層体に前記積層体を貫通するホールを形成する工程と、
前記ホールの側壁に順に、ブロック膜、電荷蓄積膜、およびトンネル膜を形成する工程と、
前記トンネル膜の側壁にチャネルボディを形成する工程と、
を備え、
前記ブロック膜を形成する工程は、
前記ホールに露出する前記電極層に接するように前記ホールの側壁にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜の側壁にシリコン窒化膜を形成する工程と、
を有する半導体記憶装置の製造方法。 - 前記ホールを形成した後、ウェット処理により前記ホールの側壁に前記シリコン酸化膜を形成する請求項6記載の半導体記憶装置の製造方法。
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