JP2019009383A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い抗折強度をもつ半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】半導体装置は、空隙75を介して積層された複数の導電層70を有する積層体100と、積層体100内を積層体の積層方向に延び下地層10に接する半導体ボディ20を有する柱状部CLと、空隙75につながる空洞を形成し積層体100内を積層方向に延びるホールDMHと、ホールDMHの上端を塞ぐ封止膜90と、を備えている。【選択図】図3
Description
実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
3次元メモリデバイスにおいて複数の導電層の間を空隙にした構造が提案されている。また、複数の導電層の間の犠牲層を、導電層および犠牲層を含む積層体に形成したスリットを通じたエッチングにより除去して、上記空隙を形成する技術が提案されている。
実施形態は、高い抗折強度をもつ半導体装置及びその製造方法を提供する。
実施形態によれば、半導体装置は、下地層と、前記下地層上に設けられ、空隙を介して積層された複数の導電層を有する積層体と、前記積層体内を前記積層体の積層方向に延び前記下地層に接する半導体ボディを有する柱状部と、前記空隙につながる空洞を形成し前記積層体内を前記積層方向に延びるホールと、前記空洞を形成する前記ホールの上端を塞ぐ封止膜と、を備えている。
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。
実施形態では、半導体装置として、例えば、3次元構造のメモリセルアレイを有する半導体記憶装置を説明する。
図1は、実施形態のメモリセルアレイの模式斜視図である。
図2は、実施形態のメモリセルアレイの模式平面図である。
図3は、図2におけるA−A断面図である。
図2は、実施形態のメモリセルアレイの模式平面図である。
図3は、図2におけるA−A断面図である。
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方向およびY方向とし、これらX方向および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。他の図に示すX方向、Y方向、およびZ方向は、それぞれ、図1のX方向、Y方向、およびZ方向に対応する。
メモリセルアレイ1は、下地層としての基板10と、基板10上に積層された積層体100と、複数の柱状部CLと、複数の分離部(第1分離部)60とを有する。積層体100の上方には、上層配線として例えばビット線BLとソース線SLが設けられている。
柱状部CLは、積層体100内をその積層方向(Z方向)に延びる略円柱状に形成されている。分離部60は、積層体100の積層方向(Z方向)およびX方向に広がり、積層体100をY方向に複数のブロック(またはフィンガー)に分離している。
複数の柱状部CLは、図2に示すように、例えば千鳥配列されている。または、複数の柱状部CLは、X方向およびY方向に沿って正方格子配列されていてもよい。
複数のビット線BLは、Y方向に延びる例えば金属膜である。複数のビット線BLは、X方向に互いに分離している。
図3に示すように、積層体100は、基板10上に積層された複数の導電層70を有する。複数の導電層70が空隙(エアギャップ)75を介して基板10の主面に対して垂直な方向(Z方向)に積層されている。導電層70は、例えば、金属を主成分に含む層、または、不純物がドープされたシリコン層である。基板10の主面と、最下層の導電層70との間には、絶縁層72が設けられている。
基板10は、主面よりも上方に突出した略円柱状の凸部10aを有する。凸部10aは、柱状部CLの下に設けられている。基板10は例えばシリコン基板であり、凸部10aはシリコンのエピタキシャル成長層である。
凸部10aは絶縁層72を貫通している。凸部10aの上面は、最下層の導電層70の上面よりも高く、下から2層目の導電層70の下面よりも低い高さに位置する。最下層の導電層70は、凸部10aのまわりを囲み、凸部10aの側面に対向している。最下層の導電層70と、凸部10aの側面との間に絶縁膜41が設けられ、最下層の導電層70は凸部10aに接していない。
空隙75を介して積層された複数の導電層70は、複数の柱状部CLの側面を囲むように、柱状部CLの側面に接している。複数の導電層70は、このような複数の柱状部CLとの物理的結合によって支えられ、導電層70間の空隙75が保たれる。
図2および図3に示すように、分離部60の近くに複数のホールDMHが配置されている。複数のホールDMHは、分離部60が延びる方向(X方向)に配列されている。2つの分離部60によって区切られた積層体100の1つのブロック(フィンガー)におけるY方向の両端に複数のホールDMHが配置されている。
図3に示すように、最上層の導電層70の上には、封止膜90が設けられている。封止膜90は絶縁膜であり、例えばシリコン酸化膜である。封止膜90は、柱状部CLの上端および分離部60の上端を覆っている。また、封止膜90は、ホールDMH内にZ方向に延びる空洞を残しつつ、ホールDMHの上端を塞いでいる。
導電層70間の空隙75におけるホールDMH側の端部を閉塞するような膜は形成されず、ホールDMHは空隙75とつながっている。
ホールDMHの下にも、基板10の凸部10aが設けられている。ホールDMHのボトムと柱状部CLのボトムは略同じ高さ(凸部10aの上面高さ)に位置する。
図4(a)は、図3における一部分の拡大断面図である。
柱状部CLは、メモリ膜30と、半導体ボディ20と、絶縁性のコア膜50とを有する。半導体ボディ20およびコア膜50は、積層体100の積層方向に沿って連続して延びている。
半導体ボディ20は、積層体100内をその積層方向(Z方向)にパイプ状に延びている。メモリ膜30は、導電層70と半導体ボディ20との間に設けられ、半導体ボディ20を外周側から囲んでいる。コア膜50は、パイプ状の半導体ボディ20の内側に設けられている。
メモリ膜30は、トンネル絶縁膜31と、電荷蓄積膜(電荷蓄積部)32と、ブロック絶縁膜33とを有する絶縁膜の積層膜である。トンネル絶縁膜31は、半導体ボディ20と電荷蓄積膜32との間に設けられている。電荷蓄積膜32は、トンネル絶縁膜31とブロック絶縁膜33との間に設けられている。ブロック絶縁膜33は、電荷蓄積膜32と導電層70との間に設けられている。
半導体ボディ20、メモリ膜30、および導電層70は、メモリセルMCを構成する。メモリセルMCは、半導体ボディ20の周囲を、メモリ膜30を介して、導電層70が囲んだ縦型トランジスタ構造を有する。
その縦型トランジスタ構造のメモリセルMCにおいて、半導体ボディ20は例えばシリコンのチャネルボディであり、導電層70はコントロールゲートとして機能する。電荷蓄積膜32は半導体ボディ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。
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MC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、絶縁性の膜中に電荷を捕獲するトラップサイトを多数有するものであって、例えば、シリコン窒化膜を含む。または、電荷蓄積膜32は、まわりを絶縁体で囲まれた、導電性をもつ浮遊ゲートであってもよい。
トンネル絶縁膜31は、半導体ボディ20から電荷蓄積膜32に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半導体ボディ20に放出される際に電位障壁となる。トンネル絶縁膜31は、例えばシリコン酸化膜を含む。
ブロック絶縁膜33は、電荷蓄積膜32に蓄積された電荷が導電層70へ放出されるのを防止する。また、ブロック絶縁膜33は、導電層70から柱状部CLへの電荷のバックトンネリングを防止する。
ブロック絶縁膜33は、第1ブロック膜34と第2ブロック膜35とを有する。第1ブロック膜34は、電荷蓄積膜32と第2ブロック膜35との間に設けられ、例えばシリコン酸化膜である。第2ブロック膜35は、第1ブロック膜34と導電層70との間に設けられ、例えばアルミニウム酸化膜である。第2ブロック膜35は、空隙75の位置で縦方向に分離している。第2ブロック膜35は、導電層70の上面および下面にも設けられている。なお、図3においては、導電層70の上面および下面に設けられた第2ブロック膜35の図示は省略している。第2ブロック膜35と導電層70との間に例えば金属窒化膜が設けられてもよい。
図1に示すように、積層体100の上層部にはドレイン側選択トランジスタSTDが設けられている。積層体100の下層部にはソース側選択トランジスタSTSが設けられている。少なくとも最上層の導電層70は、ドレイン側選択トランジスタSTDのコントロールゲートとして機能する。少なくとも最下層の導電層70は、ソース側選択トランジスタSTSのコントロールゲートとして機能する。
それらドレイン側選択トランジスタSTDとソース側選択トランジスタSTSとの間には、複数のメモリセルMCが設けられている。複数のメモリセルMC、ドレイン側選択トランジスタSTD、およびソース側選択トランジスタSTSは、半導体ボディ20を通じて直列接続され、1つのメモリストリングを構成する。このメモリストリングが、X−Y面に対して平行な面方向に例えば千鳥配置され、複数のメモリセルMCがX方向、Y方向およびZ方向に3次元的に設けられている。
図3に示すように、分離部60は、配線部LIと絶縁膜61を有する。配線部LIは、X方向およびZ方向に広がり、例えば金属を含む膜である。その配線部LIの側面に絶縁膜61が設けられている。絶縁膜61は、積層体100と配線部LIとの間に設けられている。
配線部LIの下端部および半導体ボディ20の下端部は、下地層における半導体領域に接している。すなわち、配線部LIの下端部は基板10に接している。半導体ボディ20の下端部は、基板10の凸部10aに接している。
半導体ボディ20の上端部は、図1に示すコンタクトCbおよびコンタクトV1を介してビット線BLに接続されている。配線部LIの上端部は、図1に示すコンタクトCsを介してソース線SLに接続されている。
図2に示すように、分離部60と分離部60との間に、X方向に延びる分離部(第2分離部)65が設けられている。
図5は、図2におけるB−B断面図である。
図6は、図2におけるC−C断面図である。
図6は、図2におけるC−C断面図である。
図2に示すように、複数の柱状部CLおよび複数のホールDMHは、略等ピッチで周期配列されている。複数の柱状部CLおよび複数のホールDMHは、千鳥配列されている。または、複数の柱状部CLおよび複数のホールDMHは、X方向およびY方向に沿って正方格子配列されていてもよい。
積層方向(Z方向)で隣り合う複数の導電層70の間のすべての領域が空隙75になっているわけではなく、導電層70の間の領域は、空隙75が広がる領域と、絶縁層72が設けられた領域(図2における網掛け領域)とを有する。
図5に示すように、分離部65の近傍領域における導電層70の間には絶縁層72が設けられている。図2および図3に示すように、空隙75は、少なくともホールDMHの周辺を含む領域に広がっている。1つのブロック(フィンガー)において、空隙75が広がる領域の面積は、絶縁層72が設けられた領域の面積よりも広い。
導電層70と導電層70との間の領域の一部に絶縁層72を残すことで、積層体100の機械的強度を高めることができる。
図5に示すように、分離部65は、ドレイン側選択ゲートSGDとして機能する導電層70をY方向に分離している。
図5に示す例では、例えば上層側の3層の導電層70がドレイン側選択ゲートSGDとして機能する。したがって、分離部65はそれら上層側の3層の導電層70(ドレイン側選択ゲートSGD)をY方向に分離している。分離部65は、スリット内に設けられた絶縁膜66を有する。
また、図2に示すように、複数の柱状部CLが、分離部65に重なる領域でX方向に配列されている。図6に示す3つの柱状部CLのうちの真ん中に配置された柱状部CLが、分離部65に重なる領域に配置された柱状部CLである。分離部65に重なる領域に配置された柱状部CLは、分離部65を貫通している。
分離部65に重なる領域に配置された柱状部CLの半導体ボディ20および電荷蓄積膜32は、メモリセルMCのチャネルおよび電荷蓄積部としては使用されない。
メモリセルMCの密度を高くするには複数の導電層70の積層数の増大が求められる。一方、積層体100の加工を容易にする観点からは積層体100全体の厚さの増大は抑えることが望ましい。そのため、導電層70の積層数の増大にともない、積層方向で隣り合う導電層70の間隔の狭小化も求められる。そのような導電層70間の狭小化は、導電層70間の絶縁破壊や、導電層70間の容量結合に起因したメモリセルMC間の干渉(しきい値電圧の変動など)を引き起こしやすくする。
実施形態によれば、積層方向で隣り合うメモリセルMCの導電層70の間に空隙75を形成することで、隣接導電層70間の耐圧を向上できる。さらに、隣接導電層70間の容量を低減でき、隣接メモリセルMC間の干渉を抑制できる。
次に、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図7〜図17の断面図は、図2におけるA−A断面に対応する。
図18(a)は、図8の上面図に対応する。
図18(b)は、図10の上面図に対応する。
図19(a)は、図11の上面図に対応する。
図19(b)は、図14の上面図に対応する。
図20(a)は、図15の上面図に対応する。
図20(b)は、図16の上面図に対応する。
図18(a)は、図8の上面図に対応する。
図18(b)は、図10の上面図に対応する。
図19(a)は、図11の上面図に対応する。
図19(b)は、図14の上面図に対応する。
図20(a)は、図15の上面図に対応する。
図20(b)は、図16の上面図に対応する。
図7に示すように、基板10上に積層体100が形成される。基板10上に、第2層としての絶縁層72と、第1層としての犠牲層71とが交互に積層される。絶縁層72と犠牲層71とを交互に積層する工程が繰り返され、基板10上に複数の絶縁層72と複数の犠牲層71が形成される。例えば、絶縁層72はシリコン酸化層であり、犠牲層71はシリコン窒化層である。
次に、図8および図18(a)に示すように、積層体100に複数のメモリホール(第1ホール)MHおよび複数のホール(第2ホール)DMHが形成される。複数のメモリホールMHおよび複数のホールDMHが、図示しないマスクを用いたRIE(reactive ion etching)法で同時に形成される。メモリホールMHの直径とホールDMHの直径は略等しい。
複数のメモリホールMHおよび複数のホールDMHは、略等ピッチの周期配列(例えば図2に示すような千鳥配列)で形成される。メモリホールMHおよびホールDMHは、積層体100を貫通し、基板10に達する。
メモリホールMHのボトム上およびホールDMHのボトム上に、基板10の材料のシリコンがエピタキシャル成長される。図9に示すように、メモリホールMHのボトム上およびホールDMHのボトム上に、基板10と一体の結晶層として凸部10aが形成される。
凸部10a上のメモリホールMH内に、図10および図18(b)に示すように、柱状部CLが形成される。メモリホールMH内に、積層膜30a、半導体ボディ20、およびコア膜50が順に形成される。積層膜30aは、図4(a)に示すトンネル絶縁膜31、電荷蓄積膜32、および第1ブロック膜34を含む。半導体ボディ20の下端部は、凸部10aに接する。
メモリホールMH内に柱状部CLを形成するときに同時に、凸部10a上のホールDMH内にも柱状部CLが形成される。ホールDMH内の柱状部CLの積層膜30a、半導体ボディ20、およびコア膜50は、後述する工程で除去される犠牲膜として機能する。
次に、図11および図19(a)に示すように、積層体100上に、柱状部CLを覆うようにキャップ層(またはマスク層)110を形成した後、例えばRIE法によって、積層体100にスリットSTを形成する。スリットSTは、積層体100を貫通して基板10に達する。スリットSTはX方向に延び、積層体100をY方向に複数のブロック(またはフィンガー)に分離する。
次に、スリットSTを通じて供給されるエッチング液またはエッチングガスを用いて、犠牲層71を除去する。例えば、燐酸を含むエッチング液を用いて、シリコン窒化層である犠牲層71を除去する。
犠牲層71が除去され、図12に示すように、積層方向で隣り合う絶縁層72の間に空隙74が形成される。空隙74を介して積層された複数の絶縁層72は、複数の柱状部CLの側面を囲むように、柱状部CLの側面に接している。複数の絶縁層72は、このような複数の柱状部CLとの物理的結合によって支えられ、絶縁層72間の空隙74が保たれる。
柱状部CLの最外周の膜は図4(a)に示す第1ブロック膜34である。その第1ブロック膜34は、犠牲層71とは異なる材料の例えばシリコン酸化膜であるため、犠牲層71を除去するエッチングに対して耐性をもち、柱状部CLは残る。
基板10の凸部10aの側面は空隙74に露出する。その凸部10aの側面を熱酸化して、凸部10aの側面に絶縁膜41を形成する。
その後、空隙74に、図13に示す導電層70が形成される。例えばCVD法により、タングステン層が導電層70として形成される。スリットSTを通じてソースガスが空隙74に供給される。
導電層70を形成する前に、空隙74の内壁には、図4(a)に示す第2ブロック膜35が形成される。または、第2ブロック膜35は、図9に示す工程の後、メモリホールMHおよびホールDMHの側面に形成してもよい。この場合、図4(b)に示すように、第2ブロック膜35は、積層体100の積層方向に連続して延びている。
スリットSTの側面に形成された導電層70を除去した後、スリットST内に、図14および図19(b)に示す絶縁膜61および配線部LIを含む分離部60が形成される。スリットSTの側面およびボトムに沿ってコンフォーマルに絶縁膜61を形成した後、スリットSTのボトムに形成された絶縁膜61をRIE法で除去する。その後、スリットST内における絶縁膜61の内側に配線部LIが埋め込まれる。配線部LIの下端部は、基板10に接する。
分離部60を形成した後、図15および図20(a)に示すように、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)111を形成する。キャップ層111は、メモリホールMH内の柱状部CLの上端部、および分離部60の上端部を覆う。キャップ層111は、図11に示されるスリットST形成時のマスク層とは別に形成されるものであってもよいし、スリットST形成時のマスク層上に積層された積層構造として形成されるものであってもよい。
キャップ層111には例えばスリット状の開口111aが形成され、ホールDMH内の柱状部CLの上端部は、開口111aから露出し、キャップ層111で覆われない。
そして、ホールDMH内の柱状部CLをエッチングにより除去し、図16および図20(b)に示すように、ホールDMHが現れる。最下層の絶縁層72を除く複数の絶縁層72のホールDMH側の端部がホールDMHに露出する。
基板10の凸部10aの側面を囲むように設けられた最下層の絶縁層72は、ホールDMHに通じていない。
そして、メモリホールMH内の柱状部CLが残っている状態で、ホールDMHを通じたエッチングにより絶縁層72を除去する。例えば、フッ酸を含むエッチング液を用いて、シリコン酸化層である絶縁層72を除去する。
絶縁層72が除去され、図17に示すように、積層方向で隣り合う導電層70の間に空隙75が形成される。ホールDMHに通じていない最下層の絶縁層72はエッチングされずに残る。その後、キャップ層111は除去される。
シリコン酸化層である絶縁層72を除去するエッチングのとき、柱状部CLの側面に対するエッチングは、シリコン窒化膜である電荷蓄積膜32でストップさせることができる。
絶縁層72のエッチングはホールDMHに露出する部分から進行していく。図2に示すように、X方向に配列された複数のホールDMHの列が、分離部60で区切られたブロックのY方向の両端付近に配置された場合、絶縁層72のエッチングは、ブロックのY方向の両端付近から進行していく。
この場合、絶縁層72の厚さ、エッチング条件、エッチングすべき領域の広さによっては、図2において網掛け領域で表すように、ブロックのY方向の中央付近の領域に絶縁層72が残る場合がある。すべての領域を空隙化せず、一部領域に絶縁層72を残すことは、積層体100の強度確保や、製造時間の短縮につながる。
空隙75を形成した後、図3に示すように、ホールDMHの上端は封止膜90によって塞がれる。カバレッジの悪い封止膜90を形成することで、封止膜90がホールDMHを通じて空隙75に入り込むことを防止できる。
分離部65は、例えば、メモリホールMHおよびホールDMHを形成するよりも前に形成される。導電層70への置換前の複数の犠牲層71、および複数の絶縁層72を含む積層体100における少なくとも最上層の犠牲層71をY方向に分離するスリットを形成した後、そのスリット内に絶縁膜66が埋め込まれる。
ここで比較例として、スリットSTを通じたエッチングにより絶縁層72を除去した場合を考える。絶縁層72の除去により空隙75を形成した後、スリットSTを通じて膜が空隙75に入り込むのを防ぐために、スリットST内に空洞が残された状態でスリットSTの上端を塞ぐことが望ましい。その場合、積層体100内にX方向に連続した空洞であるスリットSTが残る。
これに対して、実施形態によれば、スリットSTではなく、ホールDMHを通じたエッチングにより絶縁層72を除去して空隙75を形成する。スリットST内には絶縁膜61および配線部LIが埋め込まれる。積層体100内には複数のホールDMHが残るが、複数のホールDMHは、基板10の主面に対して平行な方向につながっていない。このような実施形態の構造は、X方向に連続して延びるスリットSTが積層体100内に残るよりも抗折強度を高くすることができる。
一般に、リソグラフィーおよびRIEによって複数のホールパターンを形成するとき、端に配置されるホールの形状や寸法精度は低下する傾向がある。実施形態によれば、図2に示すように、複数の柱状部CLを形成する領域の端には、半導体ボディ20やメモリ膜30を含まないホールDMHが配置されるため、メモリセルMCの要素として機能する複数の柱状部CLの形状や直径などのばらつきを低減できる。
導電層70のソースガスは、ホールDMHからではなく、X方向に連続して延びているスリットSTを通じて、図12に示す空隙74に供給される。そのため、ホールDMHからソースガスを供給するよりも、高いレートで面方向の全体に均一にソースガスを供給しやすい。
また、スリットSTから遠い分離部65付近にはソースガスが行き届きにくく、結果として、分離部65付近の導電層70の密度は、スリットSTに近い領域の導電層70の密度よりも小さくなりやすい。
図2の例では、絶縁層72が残っている領域(網掛け領域)における導電層70の密度は、空隙75が形成された領域における導電層70の密度よりも小さくなる場合があり得る。そのような相対的に導電層70の密度が小さい領域に絶縁層72を残しても、相対的に導電層70の密度が高い領域よりも、耐圧低下や容量結合は生じにくい。
また、分離部65が形成される領域にダミーの柱状部CLを配置した構造は、分離部65に柱状部CLを配置しない構造に比べて、分離部65付近の柱状部CL間の間隔を小さくすることができる。
スリットSTから遠くソースガスが届きにくい分離部65付近で柱状部CLの間隔が広くなると、導電層70中に大きなボイドが発生しやすくなる。柱状部CLの間隔が狭くなると、柱状部CLの側面に堆積(成長)した導電層70が、隣の柱状部CLの側面に堆積(成長)した導電層70とつながりやすくなり、大きなボイドの発生を抑えることができる。
図21は、実施形態のメモリセルアレイの他の例を示す模式断面図である。図21は、図3の断面図に対応する。
図21の構造では、基板10の主面と最下層の導電層70との間にも空隙75が形成されている。また、ホールDMHの下には基板10の凸部10aが形成されず、ホールDMHのボトムは、メモリホールMH内の柱状部CLのボトムよりも低い位置にある。
次に、図22〜図30(c)を参照して、図21に示す構造の製造方法について説明する。
図22〜図29の断面図は、図2におけるA−A断面に対応する。
図30(a)は、図22の上面図に対応する。
図30(b)は、図27の上面図に対応する。
図30(c)は、図28の上面図に対応する。
図30(a)は、図22の上面図に対応する。
図30(b)は、図27の上面図に対応する。
図30(c)は、図28の上面図に対応する。
まず、前述した工程と同様に、基板10の凸部10a上のメモリホールMH内に柱状部CLが形成される。その後、図22および図30(a)に示すように、積層体100上に柱状部CLを覆うようにキャップ層(またはマスク層)112を形成し、そのキャップ層112をマスクにしたRIE法により、積層体100にホールDMHを形成する。ホールDMHは積層体100を貫通して基板10に達する。ホールDMHのボトム上には凸部10aをエピタキシャル成長させない。
キャップ層112を除去した後、ホールDMH内には、図23に示すように、カバー膜91が形成される。カバー膜91は、後の工程で除去される犠牲膜である。カバー膜91は、例えばシリコン酸化膜である。カバー膜91は、ホールDMHの側面およびボトムにコンフォーマルに形成される。
カバー膜91を形成した後、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)113が形成される。キャップ層113は、ホールDMH内に空洞を残した状態でホールDMHの上端を塞ぐ。
その後、キャップ層113をマスクにしたRIE法により、図24に示すように、積層体100にスリットSTが形成される。スリットSTは、積層体100を貫通して基板10に達する。
そして、スリットSTを通じて供給される例えば燐酸を含むエッチング液を用いて、シリコン窒化層である犠牲層71を除去する。
犠牲層71が除去され、図25に示すように、積層方向で隣り合う絶縁層72の間に空隙74が形成される。ホールDMHの側面にはカバー膜91が形成されている。そのカバー膜91は、犠牲層71とは異なる材料の例えばシリコン酸化膜であるため、犠牲層71を除去するエッチングに対して耐性をもち、カバー膜91は残る。
空隙74には、図4(a)に示す第2ブロック膜35を介して、図26に示す導電層70が形成される。導電層70を形成するときのソースガスは、キャップ層113およびカバー膜91でブロックされ、ホールDMH内に進入しない。したがって、ホールDMH内に導電層70は形成されない。
スリットSTの側面に形成された導電層70を除去した後、スリットST内に、図27に示すように絶縁膜61および配線部LIを含む分離部60が形成される。
分離部60を形成した後、図27および図30(b)に示すように、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)111を形成する。キャップ層111は、メモリホールMH内の柱状部CLの上端部、および分離部60の上端部を覆う。
キャップ層111には開口111aが形成され、ホールDMHおよびホールDMH内のカバー膜91が開口111aから露出する。
そして、ホールDMH内のカバー膜91をエッチングにより除去し、図28および図30(c)に示すように、絶縁層72のホールDMH側の端部がホールDMH内に露出する。
そして、柱状部CLが残っている状態で、ホールDMHを通じたエッチングにより絶縁層72を除去する。例えば、フッ酸を含むエッチング液を用いて、シリコン酸化層である絶縁層72を除去する。
絶縁層72が除去され、図29に示すように、積層方向で隣り合う導電層70の間に空隙75が形成される。基板10と最下層の導電層70との間にも空隙75が形成される。
その後、キャップ層111を除去し、図21に示すように、積層体100上に封止膜90が形成され、ホールDMHの上端が封止膜90で塞がれる。
図21に示す構造を形成するにあたって、柱状部CLよりも先にホールDMHを形成することもできる。
積層体100にホールDMHおよびカバー膜91を形成した後、ホールDMHの上端をキャップ層(またはマスク層)で塞ぐ。その後、積層体100にメモリホールMHを形成し、そのメモリホールMH内に柱状部CLを形成することで、図23の構造が得られる。
図31は、実施形態のメモリセルアレイのさらに他の例を示す模式平面図である。図31に示す領域は、図2における左側の分離部60付近の一列のホールDMHおよび2列の柱状部CLが配置された領域に対応し、図31の右方には図2と同様の構成が形成されている。
図32は、図31におけるD−D断面図である。
図32に示すメモリセルアレイでは、ソース層SLが基板10と積層体100との間に設けられている。
基板10上に絶縁層41が設けられ、絶縁層41上にソース層SLが設けられている。または、基板10とソース層SLとの間に、メモリセルアレイを制御するための回路を含む層が設けられてもよい。
ソース層SLは、絶縁層41上に設けられた金属を含む層11と、金属を含む層11上に設けられた半導体層12と、半導体層12上に設けられた半導体層13とを有する。
例えば、金属を含む層11はタングステン層またはタングステンシリサイド層であり、半導体層12および半導体層13は、不純物がドープされた多結晶シリコン層である。
ソース層SL上に積層体100が設けられている。積層体100は、上記実施形態と同様、空隙75を介して積層された複数の導電層70を有する。ソース層SLの半導体層13と、最下層の導電層70との間にも空隙75が形成されている。
積層体100内にその積層方向(Z方向)に延びる複数の柱状部CLが設けられ、柱状部CLは積層体100を貫通して、ソース層SLの半導体層12に達している。
半導体ボディ20の側面の一部が、ソース層SLの半導体層13に接している。半導体層13は、複数の柱状部CLの半導体ボディ20の側面を囲んでいる。
図31に示すように、複数の柱状部CLのうちのY方向の最も端の列と、分離部160との間に、複数のホールDMHが配置されている。複数のホールDMHは、X方向に配列されている。
図32に示すように、ホールDMHは、積層体100を貫通して、ソース層SLに達する。ホールDMHは、導電層70間の空隙75とつながっている。
図31に示すように、分離部160は、X方向に延び、積層体100をY方向に複数のブロック(またはフィンガー)に分離している。
図32に示すように、分離部160は、積層体100を貫通してソース層SLに達している。分離部160は、後述するスリット内に形成された絶縁膜161を有する。分離部160は配線部を含まない。
積層体100上に封止膜90が設けられている。封止膜90は、柱状部CLの上端および分離部160の上端を覆っている。また、封止膜90は、ホールDMH内に空洞を残して、ホールDMHの上端を塞いでいる。
次に、図33〜図44を参照して、図31および図32に示す構造の製造方法について説明する。図33〜図44の断面図は、図31におけるD−D断面に対応する。
図33に示すように、基板10上に絶縁層41が形成され、絶縁層41上に金属を含む層11が形成され、金属を含む層11上に半導体層12が形成される。
半導体層12上にはカバー膜14が形成される。カバー膜14は、例えばシリコン酸化膜である。カバー膜14上に犠牲層15が形成される。犠牲層15は、例えば多結晶シリコン層である。
犠牲層15上に、交互に積層された複数の絶縁層72と複数の犠牲層71とを有する積層体100が形成される。
積層体100には、図示しないマスク層を用いたRIE法により、複数のメモリホールMHと複数のホールDMHとが同時に形成される。それらメモリホールMHおよびホールDMH内には、図34に示すように、積層膜30a、半導体ボディ20、およびコア膜50を含む柱状部CLが形成される。メモリホールMH内およびホールDMH内に同時に柱状部CLが形成される。
柱状部CLは、積層体100、犠牲層15、およびカバー膜14を貫通し、柱状部CLのボトムは半導体層12に達する。
その後、図35に示すように、柱状部CLの上端を覆うように、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)114を形成し、RIE法により積層体100にスリットSTを形成する。スリットSTは、積層体100を貫通して犠牲層15に達する。
スリットSTの側面には、図36に示すように、ライナー膜92が形成される。ライナー膜92は、例えばシリコン窒化膜である。ライナー膜92は、スリットSTの側面およびボトムにコンフォーマルに形成され、スリットSTのボトムのライナー膜92はRIE法により除去される。スリットSTのボトムに犠牲層15が露出する。
そして、スリットSTを通じたエッチングにより、犠牲層15を除去する。犠牲層15が除去され、図37に示すように、積層体100とストッパー膜14との間に空洞93が形成される。このとき、半導体層12の上面はカバー膜14で覆われ、半導体層12はエッチングされない。
柱状部CLの積層膜30aの側面の一部が、空洞93に露出する。その空洞93に露出した積層膜30aをスリットSTを通じたエッチングにより除去する。図38に示すように、積層膜30aが空洞93の位置で上下に分断され、空洞93に半導体ボディ20の側面の一部が露出する。
積層膜30aに含まれる膜と同じ材料(酸化シリコン)のストッパー膜14も除去され、空洞93に半導体層12の上面が露出する。
積層膜30aの一部を除去するとき、シリコン酸化層である絶縁層72のスリットST側の端部はライナー膜92で覆われ、絶縁層72はエッチングされない。
空洞93には、図39に示すように半導体層13が形成される。スリットSTを通じて空洞93にソースガスが供給され、空洞93に露出している半導体層12の上面および半導体ボディ20の側面から半導体層13が成長する。
その後、スリットSTの側面のライナー膜92を除去した後、またはライナー膜92を除去する工程と同時に、スリットSTを通じたエッチングにより犠牲層71を除去する。
犠牲層71が除去され、図40に示すように、積層方向で隣り合う絶縁層72の間に空隙74が形成される。
そして、スリットSTを通じて空隙74にソースガスを供給して、空隙74に、図4(a)に示す第2ブロック膜35を介して、図41に示す導電層70を形成する。その後、スリットST内には図42に示すように絶縁膜161が埋め込まれ、分離部160が形成される。
分離部160を形成した後、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)115を形成する。キャップ層115は、メモリホールMH内の柱状部CLの上端部、および分離部160の上端部を覆う。キャップ層115は、図35に示されるスリットST形成時のマスク層とは別に形成されるものであってもよいし、スリットST形成時のマスク層上に積層された積層構造として形成されるものであってもよい。
キャップ層115には開口115aが形成され、ホールDMH内の柱状部CLの上端部は開口115aから露出する。
そして、ホールDMH内の柱状部CLをエッチングにより除去し、図43に示すようにホールDMHが現れる。
そして、メモリホールMH内の柱状部CLが残っている状態で、ホールDMHを通じたエッチングにより絶縁層72を除去する。絶縁層72が除去され、図44に示すように、積層方向で隣り合う導電層70の間に空隙75が形成される。
その後、キャップ層115を除去し、図32に示すように、積層体100上に封止膜90を形成する。封止膜90は、柱状部CLの上端および分離部160の上端を覆う。また、封止膜90は、ホールDMH内に空洞を残した状態で、ホールDMHの上端を塞ぐ。
図45は、分離部65の他の例を示す模式平面図である。図45には、分離部65付近の領域しか示さないが、図45に示す領域の左方および右方にはそれぞれ図2に示すようにX方向に延びる複数のホールDMHの列、および分離部60が配置されている。
図46は、図45におけるE−E断面図である。
図47は、図45におけるF−F断面図である。
図47は、図45におけるF−F断面図である。
図45に示す例では、複数のホールDMHを分離部65に重なる領域にも配置している。複数のホールDMHは、分離部65に重なる領域でX方向に配列されている。
図46に示すように、例えば上層側の3層の導電層70がドレイン側選択ゲートSGDとして機能する。分離部65はそれらドレイン側選択ゲートSGDをY方向に分離し、X方向にスリット状に延びる空洞67として形成されている。ドレイン側選択ゲートSGDよりも下の導電層70は、分離部65の位置ではY方向に分離していない。
分離部65に重なる領域に配置されたホールDMHは、図47に示すように、積層体100を貫通している。空洞67が形成された上層側においては、空洞67内にホールDMHが位置し、ホールDMHと空洞67との境界がない。
積層方向で隣り合う導電層70の間に空隙75を形成するための絶縁層72のエッチングは、分離部65に重なる領域に配置されたホールDMHからも行われ、図46および図47に示すように、分離部65付近の領域においても、導電層70間に空隙75が形成される。
次に、図48〜図53を参照して、図45〜図47に示す分離部65およびホールDMHの形成方法について説明する。
図48、図49、および図51は、図45におけるF−F断面に対応する。
図50、図52、および図53は、図45におけるE−E断面に対応する。
図50、図52、および図53は、図45におけるE−E断面に対応する。
図48に示す工程は、ホールDMH内の柱状部CLを除去した前述した図16に示す工程に対応する。その後、ホールDMHを通じたエッチングにより絶縁層72を除去して、図49に示すように導電層70の間に空隙75を形成する。このとき、ホールDMHが形成されなかった部分は図50のようになっている。
絶縁層72は、図2と同様に配列された分離部60の近く(ブロックの端)の複数のホールDMH、およびブロックの中央付近(分離部65の形成領域)に配置された複数のホールDMHを通じてエッチングされる。または、ブロックの端にはホールDMHを形成せずに、ブロックの中央付近(分離部65の形成領域)に配置された複数のホールDMHのみから絶縁層72をエッチングしてもよい。
空隙75を形成した後、キャップ層111を除去し、ホールDMH形成部分の断面である図51、およびホールDMHが形成されていない部分の断面である図52に示すように、積層体100上にマスク層116を形成する。そのマスク層116には、X方向に延びるスリット116aが形成される。
そして、ホールDMHが形成されていない部分の断面である図53に示すように、RIE法により、ドレイン側選択ゲートSGDとして機能する上層側の導電層70をY方向に分離する。
その後、マスク層116を除去し、図46および図47に示すように、積層体100上に封止膜90が形成され、ホールDMHの上端は封止膜90で塞がれる。
ホールDMHの直径は、メモリホールMHの直径およびそのメモリホールMH内に形成される柱状部CLの直径よりも小さくしてもよい。
その場合のプロセスを図54〜図58に示す。図54〜図58は、図2におけるA−A断面に対応する。
前述した工程と同様に、図54に示すように、メモリホールMHとホールDMHを同時に形成する。ただし、ホールDMHの直径は、メモリホールMHの直径よりも小さい。
その後、図55に示すように、メモリホールMH内に柱状部CLを形成する。メモリホールMH内に、積層膜30a、半導体ボディ20、およびコア膜50が順に形成される。
メモリホールMH内に積層膜30aを形成するとき、ホールDMH内にも積層膜30aが形成され、メモリホールMH内に半導体ボディ20を形成するとき、ホールDMH内にも半導体ボディ20が形成される。
ホールDMHの直径はメモリホールMHの直径よりも小さいため、ホールDMH内は積層膜30aと半導体膜20で埋まる。ホールDMH内にコア膜50は形成されない。したがって、ホールDMH内に、積層膜30aと半導体ボディ20とからなる柱状部DCLが形成される。柱状部DCLの直径は、柱状部CLの直径よりも小さい。
その後、犠牲層71を導電層70に置換し、さらに分離部60を形成した後、図56に示すように、積層体100上にキャップ層(またはマスク層)111を形成する。キャップ層111は、メモリホールMH内の柱状部CLの上端部、および分離部60の上端部を覆う。
キャップ層111には開口111aが形成され、ホールDMH内の柱状部DCLの上端部は開口111aから露出する。
そして、ホールDMH内の柱状部DCLをエッチングにより除去し、図57に示すように、ホールDMHが現れる。
ホールDMH内の柱状部DCLはコア膜50を含まないため、コア膜50を除去する工程が不要である。
その後、メモリホールMH内の柱状部CLが残っている状態で、ホールDMHを通じたエッチングにより、最下層の絶縁層72を除く絶縁層72を除去する。図58に示すように、積層方向で隣り合う導電層70間に空隙75が形成される。
その後、図3と同様に積層体100上に封止膜90が形成され、ホールDMHの上端は封止膜90で塞がれる。
上記実施形態では、第1層として犠牲層71を形成した後に、その犠牲層71を導電層70に置換するプロセスを例示したが、第1層として金属層、または不純物がドープされたシリコン層を形成してもよい。この場合、置換プロセスを経ずに第1層がそのまま導電層70として残る。
以上説明した実施形態によれば、積層方向で隣り合う導電層70の間を空隙化しつつ、高い抗折強度をもつ半導体装置を提供することができる。
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…半導体ボディ、60,160…分離部(第1分離部)、65…分離部(第2分離部)、70…導電層、72…絶縁層、75…空隙、90…封止膜、CL…柱状部、MH…メモリホール、DMH…ホール
Claims (5)
- 下地層と、
前記下地層上に設けられ、空隙を介して積層された複数の導電層を有する積層体と、
前記積層体内を前記積層体の積層方向に延び前記下地層に接する半導体ボディを有する柱状部と、
前記空隙につながる空洞を形成し前記積層体内を前記積層方向に延びるホールと、
前記空洞を形成する前記ホールの上端を塞ぐ封止膜と、
を備えた半導体装置。 - 複数の前記ホールが、前記積層方向に対して交差する第1方向に配列されている請求項1記載の半導体装置。
- 複数の前記柱状部および複数の前記ホールが、略等ピッチで周期配列されている請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記積層方向で隣り合う複数の導電層の間の領域は、前記ホールの周辺で前記空隙が広がる領域と、絶縁層が設けられた領域と、を有する請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 下地層上に、交互に積層された第1層および第2層を含む複数の第1層および複数の第2層を有する積層体を形成する工程と、
前記積層体に、前記下地層に達する第1ホールを形成する工程と、
前記積層体に、前記下地層に達する第2ホールを形成する工程と、
前記第1ホール内に、前記積層体の積層方向に延びる半導体ボディを含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部が形成された状態で、前記第2ホールを通じたエッチングにより前記第2層の少なくとも一部を除去する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
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