JP2019161061A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チップ面積の増加を抑制する。【解決手段】上記実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1配線層10と、第1配線層10の上方に設けられ、半導体基板と垂直な第3方向に沿って配列された複数の第2配線層14と、第3方向に沿って延伸し、第1配線層10と電気的に接続された半導体層11と、第3方向に沿って延伸し、半導体層11と複数の第2配線層14との間に設けられた第1絶縁層12と、第3方向に沿って延伸し第1絶縁層12と複数の第2配線層14との間に設けられた第1酸化層25と、一方が複数の第2配線層14とそれぞれ接し、他方が第1酸化層25に接し、複数の第2配線層14に電圧を印加することによって第1酸化層25との積層膜の抵抗値が変化する複数の第2酸化層23とを含む。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、不揮発性半導体記憶装置に関する。
不揮発性半導体記憶装置には、メモリセルトランジスタの閾値電圧の変動により情報を記憶するものがある。
チップ面積の増加を抑制できる不揮発性半導体記憶装置を提供できる。
実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板上方に設けられ、第1方向に延伸する第1配線層と、第1配線層の上方に設けられ、第1方向と交差する第2方向に延伸し、第1方向及び第2方向に交差し半導体基板と垂直な第3方向に沿って配列された複数の第2配線層と、第3方向に沿って延伸し、第1配線層と電気的に接続された半導体層と、第3方向に沿って延伸し、半導体層に接し、半導体層と複数の第2配線層との間に設けられた第1絶縁層と、第3方向に沿って延伸し、第1絶縁層に接し、第1絶縁層と複数の第2配線層との間に設けられた第1酸化層と、一方が複数の第2配線層とそれぞれ接し、他方が第1酸化層に接し、複数の第2配線層に電圧を印加することによって第1酸化層との積層膜の抵抗値が変化する複数の第2酸化層とを含む。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。また、以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。実施形態の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
1.第1実施形態
第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。
第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。
1.1 構成
1.1.1 不揮発性半導体記憶装置の全体構成
まず、図1を用いて、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成について説明する。図1は、不揮発性半導体記憶装置の基本的な全体構成を示すブロック図の一例である。なお、図1では、各ブロックの接続の一部を矢印線により示しているが、ブロック間の接続はこれらに限定されない。
1.1.1 不揮発性半導体記憶装置の全体構成
まず、図1を用いて、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成について説明する。図1は、不揮発性半導体記憶装置の基本的な全体構成を示すブロック図の一例である。なお、図1では、各ブロックの接続の一部を矢印線により示しているが、ブロック間の接続はこれらに限定されない。
図1に示すように、不揮発性半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ2、WLデコーダ3、センスアンプ4、セレクタデコーダ5、制御回路6、及び電圧発生回路7を備えている。
メモリセルアレイ2は、マトリクス状に配置された複数のメモリセルトランジスタを含む。メモリセルトランジスタは、データを不揮発に記憶する。なお、メモリセルトランジスタの詳細は後述する。
WLデコーダ3は、図示せぬワード線選択部及びワード線ドライバを含む。ワード線選択部は、制御回路6から受信したWLアドレスに基づいてワード線WLを選択する。ワード線ドライバは、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに対して、データの読み出し動作及び書き込み動作等に必要な電圧を印加する。
センスアンプ4は、制御回路6から受信したGBLアドレスに基づいてグローバルビット線GBLを選択し、データの読み出し動作及び書き込み動作等に必要な電圧を印加する。センスアンプ4は、データの読み出し動作時には、メモリセルトランジスタから読み出したデータをセンスする。またセンスアンプ4は、データの書き込み動作時には、書き込みデータをメモリセルトランジスタに転送する。
セレクタデコーダ5は、図示せぬセレクタ選択部及びセレクタドライバを含む。セレクタ選択部は、制御回路6から受信したセレクタアドレスに基づいて、選択ゲート線SG1及びSG2を選択する。セレクタドライバは、選択した選択ゲート線SG1及びSG2、並びに非選択の選択ゲート線SG1及びSG2に対して、データの読み出し動作及び書き込み動作等に必要な電圧を印加する。
制御回路6は、不揮発性半導体記憶装置1全体の動作を制御する。より具体的には、データの読み出し動作及び書き込み動作等において、WLデコーダ3、センスアンプ4、セレクタデコーダ5、及び電圧発生回路7を制御する。また、制御回路6は、WLアドレスをWLデコーダ3に送信し、GBLアドレスをセンスアンプ4に送信し、セレクタアドレスをセレクタデコーダ5に送信する。
電圧発生回路7は、制御回路6の制御に応じて必要な電圧を生成し、WLデコーダ3、センスアンプ4、及びセレクタデコーダ5等に供給する。
1.1.2 メモリセルアレイの構成
次に、図2〜図4を用いて、本実施形態に係るメモリセルアレイ2の構成について説明する。図2は、メモリセルアレイ2の斜視図を示している。図3は、メモリセルアレイ2の断面図を示している。図4は、メモリストリングの等価回路の一例を示している。なお、図2の例では、層間絶縁膜が省略されている。
次に、図2〜図4を用いて、本実施形態に係るメモリセルアレイ2の構成について説明する。図2は、メモリセルアレイ2の斜視図を示している。図3は、メモリセルアレイ2の断面図を示している。図4は、メモリストリングの等価回路の一例を示している。なお、図2の例では、層間絶縁膜が省略されている。
図2に示すように、メモリセルアレイ2内には、グローバルビット線GBLとして機能するGBL配線層10、選択トランジスタST1、メモリストリング13、及びワード線WL1〜WL4として機能するWL配線層14が設けられている。なお、グローバルビット線GBL、ワード線WL、及びメモリストリング13の個数は任意に設定可能である。
GBL配線層10は、例えば、メモリセルアレイ2の最下層に配置されている。GBL配線層10は、それぞれが半導体基板に平行な第2方向D2に沿って延び、半導体基板に平行であり且つ第2方向D2と直交する第1方向D1に沿って配列される。GBL配線層10は、導電材料により構成され、例えば金属材料としてタングステン(W)等を含む。
選択トランジスタST1は、GBL配線層10上に設けられている。選択トランジスタST1は、例えばTFT(thin film transistor)である。以下、選択トランジスタST1がTFTである場合について説明する。選択トランジスタST1は、ソース領域15、チャネル領域16、ドレイン領域17、ゲート絶縁層18、及び選択ゲート線SG1として機能するSG1配線層19を含む。
第3方向D3に沿って、GBL配線層10上に、ソース領域15、チャネル領域16、及びドレイン領域17が順次形成される。ドレイン領域17上には、メモリストリング13が形成される。ソース領域15及びドレイン領域17には、例えばリン(P)等がドープされた多結晶シリコンが用いられる。チャネル領域16には、例えば多結晶シリコンが用いられる。ソース領域15、チャネル領域16、及びドレイン領域17の側面にはゲート絶縁層18が形成される。ゲート絶縁層18には、例えばシリコン酸化膜(SiO2)が用いられる。
更に第2方向D2においてゲート絶縁層18と接し、第1方向D1に沿って延びるSG1配線層19が設けられている。SG1配線層19は、第1方向D1に沿って配置された複数の選択トランジスタST1の絶縁層18に共通に接続される。SG1配線層19は、導電材料により構成され、例えばW等の金属材料が用いられてもよい。第2方向D2からみて、SG1配線層19は、ソース領域15の上部、チャネル領域16の全体、ドレイン領域17の下部と重なっている。本実施形態では、1つの選択トランジスタST1が2つのSG1配線層19を含む。すなわち、選択トランジスタST1は、ソース領域15、チャネル領域16、及びドレイン領域17の1つの組に対して、それぞれ異なるSG1配線層19に接続された2つのゲート絶縁層18を備えている。言い換えれば、1本のメモリストリング13につき、2つのTFTが設けられ、これらは、ソース領域15、チャネル領域16、及び、ドレイン領域17を共有し、ゲートが互いに異なる選択ゲート線SG1に接続されている。なお、図2の例では、SG1配線層19が選択トランジスタST1の両側に設けられているが、片側に設けられていてもよい。
WL配線層14は、GBL配線層10及び選択トランジスタST1よりも半導体基板に垂直な第3方向D3において高い位置に形成される。WL配線層14は、それぞれが第1方向D1に沿って延び、第2方向D2に沿って配列されている。また、WL配線層14は、図示せぬ層間絶縁膜を介在させて、第3方向D3に沿って複数層(第1層、第2層、…)設けられている。図2の例では、4層のWL配線層14(第1層〜第4層)が設けられており、それぞれがワード線WL1〜WL4として機能する。以下、第1層〜第4層のWL配線層14を区別する場合、ワード線WL1として機能する最上層(第1層)のWL配線層14を第1WL配線層14とする。ワード線WL2として機能する第2層のWL配線層を第2WL配線層14とする。ワード線WL3として機能する第3層のWL配線層を第3WL配線層14とする。ワード線WL4として機能する最下層(第4層)のWL配線層14を第4WL配線層14と表記する。なお、WL配線層14の層数は、任意に設定可能である。
WL配線層14は導電材料により構成され、例えば窒化チタン(TiN)、W等の金属材料が用いられてもよい。WL配線層14にWが用いられる場合、絶縁層21とWとの界面には、Wのバリアメタルとして例えばTiNが形成されてもよい。本実施形態では、WL配線層14にTiNを用いた場合について説明する。
メモリストリング13は、半導体層11及び絶縁層12を含む。メモリストリング13は、第2方向D2に沿って隣接するWL配線層14の間において、第3方向D3に沿って延び、第1方向D1及び第2方向D2に沿って複数配置される。メモリストリング13の一端(底面)は、選択トランジスタST1の上端のドレイン領域17に接続される。第1方向D1と第2方向D2で形成される二次元平面内において、第2方向D2に沿って同一列に配列されたメモリストリング13は、同一のGBL配線層10に電気的に接続される。
1つのワード線WLと1つのメモリストリング13とに囲まれた領域が、1つのメモリセルトランジスタMTとして機能する。半導体層11は、メモリセルトランジスタMTのチャネルが形成される領域である。半導体層11には、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、及びこれらの化合物の少なくとも1つが用いられる。以下、本実施形態では、多結晶シリコンを用いた場合について説明する。
絶縁層12は、メモリストリング13の側面の少なくとも一部に形成される。絶縁層12は、例えばワード線WLに電圧を印加した際に、ワード線WLと半導体層11との間でリーク電流が流れるのを抑制するために設けられる。本実施形態における絶縁層12は、第2方向D2において、WL配線層14と隣り合うメモリストリング13の側面に設けられる。なお、絶縁層12は、半導体層11の側面を囲むように設けられてもよい。
絶縁層12には、例えば酸化アルミニウム(AlOX)が用いられる。なお、絶縁層12はAlOXに限定されず、酸化ハフニウム(HfOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)、酸化タンタル(TaOX)、SiO2、酸化ゲルマニウム(GeOX)、及びこれらの積層膜を用いた高抵抗酸化物であればよい。
次に、メモリセルアレイ2の断面構造について説明する。
図3に示すように、絶縁層21上に第2方向D2に延びるGBL配線層10が形成され、GBL配線層10の上には選択トランジスタST1が形成されている。そして、底面が選択トランジスタST1に接続されるように第3方向D3に延びるメモリストリング13が形成されている。メモリストリング13は、酸化層25、絶縁層12、半導体層11、及び絶縁層22を含む。メモリストリング13の側面には、酸化層25及び絶縁層12が積層されている。半導体層11の一方の側面は絶縁層12と接し、他方の側面は絶縁層22と接している。絶縁層22は、半導体層11の間に設けられている。また、メモリストリング13の上部には、電極24が設けられている。電極24は、例えば半導体層11と図示せぬ配線層(ソース線)とを接続することもできる。
酸化層25は、酸素欠損(空孔)を含む抵抗変化膜である。酸化層25には、例えば結晶化した酸化チタン(TiOX)、酸化タングステン(WOX)、酸化ニオブ(NbOX)、または酸化モリブデン(MoOX)等の低抵抗高誘電体金属酸化物が用いられる。以下、本実施形態では、酸化層25にTiOXを用いた場合について説明する。
絶縁層22には、例えばSiO2が用いられる。電極24は導電材料により構成され、例えばPがドープされた多結晶シリコンが用いられてもよく、W等の金属材料が用いられてもよい。
酸化層25の第2方向D2の膜厚は、1nm以上5nm以下が好ましい。酸化層1nmよりも薄くなると膜としての形成が困難となる。また、酸化層25の膜厚が5nmより厚くなると、酸化層25が結晶化し低抵抗化するため、各WL配線層14の間でのリーク電流が増加する。
絶縁層12の第2方向D2の膜厚は、5nm以上10nm以下が好ましい。絶縁層12が5nmより薄くなると、リーク電流が増加し、メモリストリング13に電流を流す際にGBL配線層10のドライバの負荷が大きくなる。すなわち、GBL配線層10にセル駆動に必要な電流が流せなくなる。また、絶縁層12の膜厚が10nmよりも厚くなると、ワード線WLとメモリストリング13との間隔が広くなり、メモリセルトランジスタMTのサイズが大きくなるためチップ面積が増加する。更には、絶縁層21にメモリストリング13を形成するためのホールを開口し、その側面に酸化層25及び絶縁層12を形成する場合、絶縁層12の膜厚が10nmよりも厚くなると、ホールの埋め込み不良が発生する可能性が高くなる。
絶縁層12及び酸化層25等の膜厚及び材料は、例えば、FE−TEM(field emission transmission electron microscopy)のEDX(energy dispersive X-ray spectroscopy)マッピング等で調べることができる。
WL配線層14は、絶縁層21を介在させて、第3方向D3に積層されている。すなわち、下層からワード線WL4〜WL1が順に積層されている。WL配線層14の上面、底面、及び側面の一部は、酸化層23により被覆されている。WL配線層14の一方の側面は、酸化層23を介して、メモリストリング13の酸化層25に接している。ワード線WL1として機能する第1WL配線層14とメモリストリング13とに囲まれた領域が、メモリセルトランジスタMT1として機能する。ワード線WL2〜WL4も同様に、対応する第2〜第4WL配線層14とメモリストリング13とに囲まれた領域が、メモリセルトランジスタMT2〜MT4としてそれぞれ機能する。
酸化層23は、酸化層25と同様に酸素欠損(空孔)を含む抵抗変化膜である。酸化層23及び25の酸素欠損は、ワード線WLと半導体層11との間の電界に応じて、酸化層23及び25の中を移動する。すなわち、電界により酸化層23と酸化層25とによる積層膜(積層領域)中の酸素濃度分布が制御される。従って、酸化層23及び25の積層膜が、メモリセルトランジスタMTの抵抗変化膜として機能する。
酸化層23には、例えば酸化チタン(TiOX)、酸化タングステン(WOX)、酸化ニオブ(NbOX)、または酸化モリブデン(MoOX)等の低抵抗高誘電体金属酸化物が用いられる。酸化層23と酸化層25は同じ材料でもよく、違う材料であってもよい。酸化層23及び25の積層膜は結晶化している。例えば、酸化層23と酸化層25とが同じ材料であっても、酸化層23と酸化層25との界面では結晶化した際に酸化層23のグレイン(結晶粒)と酸化層25のグレインが分断されており、例えば、FE−TEM等でその分断面を確認できる。以下、本実施形態では、酸化層23に酸化層25と同じTiOXを用いた場合について説明する。
酸化層23の第2方向D2の膜厚は、酸化層25の膜厚と合わせて5nm以上20nm以下が好ましい。酸化層23及び25の積層膜の膜厚が5nmより薄くなると、積層膜が結晶化しなくなる。また、積層膜の膜厚が20nmよりも厚くなると、ワード線WLとメモリストリング13との間隔が広くなり、横方向(第2方向D2)におけるメモリセルトランジスタMTのサイズが大きくなるためチップ面積が増加する。また、酸化層23が厚くなると縦方向(第3方向D3)におけるワード線WL配線間の距離が長くなるため、メモリストリング13の加工及び埋め込みが困難になる。例えば、酸化層23の膜厚を5nm以下とし、熱処理により、酸化層23及び25の積層膜は結晶化するが、酸化層23及び25が単層で存在する領域は、結晶化しないようにしてもよい。
次に、メモリセルトランジスタMT1〜MT4に対応する等価回路について説明する。下の説明では、トランジスタのソース及びドレインを限定しない場合、トランジスタのソースまたはドレインのいずれか一方を「トランジスタの一端」と呼び、トランジスタのソースまたはドレインのいずれか他方を「トランジスタの他端」と呼ぶ。
図4に示すように、メモリセルトランジスタMT1〜MT4は、その電流経路が直列に接続されている。そして、メモリセルトランジスタMT1〜MT4のゲートは、酸化層23及び25の積層膜に対応する可変抵抗素子を介してワード線WL1〜WL4にそれぞれ接続されている。メモリセルトランジスタMT1の一端は、選択トランジスタST2の一端に接続される。選択トランジスタST2の他端はソース線SLに接続され、ゲートは選択ゲート線SG2に接続されている。選択トランジスタST2は、メモリストリング13とソース線SLとを接続するトランジスタである。なお、選択トランジスタST2は、メモリストリング13内に設けられてもよく、第3方向D3に沿ってメモリストリング13の上方に設けられてもよく、またメモリセルアレイ2とは異なる領域に設けられてもよい。選択ゲート線SG2には、セレクタデコーダ5から電圧が印加される。また、ソース線SLには、電圧発生回路7から、例えば図示せぬソース線ドライバを介して、電圧が印加される。メモリセルトランジスタMT4の一端は、選択トランジスタST1に接続される。選択トランジスタST1の他端は、グローバルビット線GBLに接続され、ゲートは、選択ゲート線SG1に接続される。
1.2 メモリセルトランジスタの書き込み動作及び消去動作について
次に、メモリセルトランジスタMTの書き込み動作及び消去動作について、簡単に説明する。図5は、メモリセルトランジスタMTの書き込み動作及び消去動作を説明する図である。
次に、メモリセルトランジスタMTの書き込み動作及び消去動作について、簡単に説明する。図5は、メモリセルトランジスタMTの書き込み動作及び消去動作を説明する図である。
図5に示すように、例えば、消去動作としてWL配線層14から半導体層11に向かって、すなわちワード線WLからメモリセルトランジスタMTのチャネルに向かって電界が加わると、酸化層23及び25の積層膜中の酸素欠損が、酸化層25と絶縁層12との界面近傍に偏在する。これにより、積層膜の抵抗値は高くなり、積層膜と半導体層11との界面のバンドアライメントが変わる。この結果、半導体層11におけるチャネル抵抗が変化しチャネル反転に要するメモリセルトランジスタMTの閾値電圧Vthが低くなる。他方で、書き込み動作として半導体層11からWL配線層14に向かって、すなわちチャネルからワード線WLに向かって電界が加わると、積層膜中の酸素欠損が、酸化層25と絶縁層12との界面近傍に偏在しなくなる。これにより、積層膜の抵抗値は低くなり、メモリセルトランジスタMTの閾値電圧Vthは高くなる。このように、消去動作と書き込み動作とでメモリセルトランジスタMTに加わる電界の向きを変えることにより、酸化層23及び25の積層膜の酸素濃度の分布が変化し、閾値電圧Vthが変動する。この結果、メモリセルトランジスタMTは、閾値電圧Vthに対応付けられたデータを不揮発に保存できる。メモリセルトランジスタMTは、閾値レベルに応じて2ビット(4値)以上のデータを保持できる。
1.3 メモリセルアレイの製造方法
次に、メモリセルアレイの製造方法について、図6〜図12を用いて説明する。図6〜図12は、メモリセルアレイ2の製造工程におけるメモリセルアレイ2の断面図を示す。本実施形態では、WL配線層14及び酸化層23に相当する構造を犠牲層30で形成した後、犠牲層30を除去してからWL配線層14及び酸化層23で埋め込む方法(以下、「埋め戻し」と呼ぶ)について説明する。以下では、犠牲層30としてシリコン窒化膜(SiN)を用いる場合について説明する。なお、犠牲層30は、SiNに限定されない。例えばシリコン酸窒化膜(SiON)でもよく、絶縁層21(例えばSiO2)とウエットエッチングの選択比が十分に得られる材料であればよい。
次に、メモリセルアレイの製造方法について、図6〜図12を用いて説明する。図6〜図12は、メモリセルアレイ2の製造工程におけるメモリセルアレイ2の断面図を示す。本実施形態では、WL配線層14及び酸化層23に相当する構造を犠牲層30で形成した後、犠牲層30を除去してからWL配線層14及び酸化層23で埋め込む方法(以下、「埋め戻し」と呼ぶ)について説明する。以下では、犠牲層30としてシリコン窒化膜(SiN)を用いる場合について説明する。なお、犠牲層30は、SiNに限定されない。例えばシリコン酸窒化膜(SiON)でもよく、絶縁層21(例えばSiO2)とウエットエッチングの選択比が十分に得られる材料であればよい。
なお、以下の説明では、GBL配線層10及び選択トランジスタST1(ソース領域15、チャネル領域16、ドレイン領域17、ゲート絶縁層18、及びSG1配線層19)の形成方法については説明を省略し、メモリストリング13及びWL配線層14の形成方法について説明する。また、図6〜図12の例は、説明を簡略化するため、1つのメモリストリング13と、このメモリストリング13の両側に配置されたWL配線層14のみを示し、第2方向D2に沿って、WL配線層14の側面にスリットSLTが形成される場合を示している。
図6に示すように、まず絶縁層21上にGBL配線層10及び選択トランジスタST1を形成した後、再度、絶縁層21を形成し、これらを埋め込む。次に、層間に絶縁層21を介在させて4層の犠牲層30を積層し、最上層の犠牲層30の上に、更に絶縁層21を形成する。
図7に示すように、次に、メモリストリング13を形成するために、底面が選択トランジスタST1のドレイン領域17に達するメモリホールMHが形成される。
図8に示すように、次に、メモリホールMHが酸化層25、絶縁層12、半導体層11、及び絶縁層22により埋め込まれて、メモリストリング13が形成された後、メモリストリング13を被覆するように、絶縁層21が形成される。より具体的には、メモリホールMH開口後、まず酸化層25及び絶縁層12が積層される。例えば、酸化層25にTiOXを用いる場合、有機系Tiソースまたは四塩化チタン(TiCl4)等を用いたCVD(chemical vapor deposition)またはALD(atomic layer deposition)によりTiを含む薄膜を形成し、これをプラズマ酸化することによりTiOXを形成してもよい。次に、異方性エッチングにより、メモリホールMHの底部及び絶縁層21上の酸化層25及び絶縁層12が除去される。次に、半導体層11及び絶縁層22を積層してメモリホールMH内を埋め込んだ後に、絶縁層21上の半導体層11及び絶縁層22を除去し、メモリストリング13を形成する。次に絶縁層21を形成しメモリストリング13を埋め込む。
図9に示すように、次に、側面に4つの犠牲層30が露出するように、第1方向D1に延びるスリットSLTを形成する。なお、図2に示したメモリセルアレイ2の構成では、第2方向D2に沿って、メモリストリング13とWL配線層14が交互に形成されており、第2方向D2にスリットSLTを形成する場所がない。このような場合、第1方向D1に沿って配置された2つのメモリストリング13の間にスリットSLTを形成してもよい。
図10に示すように、次に、犠牲層30がSiNの場合、燐酸(H3PO4)を用いたウエットエッチングを行う。これにより、スリットSLT側から犠牲層30がエッチングされ、犠牲層30があった部分に空隙GAPが形成される。
図11に示すように、次に、酸化層23及びWL配線層14を形成する。より具体的には、まず、酸化層25と同様に酸化層23として例えばTiOXを形成する。次に、例えば400℃〜1000℃で熱処理を行う。これにより、少なくとも酸化層23及び25の積層領域では、TiOXが結晶化される。例えば、400℃以上の熱処理を行うことでTiOXは、アナターゼ構造をとり、膜中の酸素濃度(空孔濃度)を電界で制御できるようになる。次に、例えばWL配線層14として、スリットSLTが完全に埋め込まれない膜厚のTiNを形成する。その後、スリットSLTの側面及び底部、並びに絶縁層21上に形成されたTiOX及びTiNを除去する。これによりWL配線層14及び酸化層23が形成される。
図12に示すように、次に、スリットSLTをSiO2により埋め込んだ後、電極24を形成する。
1.4 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、チップ面積の増加を抑制できる。本効果につき、詳述する。
本実施形態に係る構成であれば、チップ面積の増加を抑制できる。本効果につき、詳述する。
例えば、メモリセルトランジスタMTの抵抗変化膜(酸素欠損膜)として8nmの膜厚の酸化層を形成する場合に、酸化層25を省略して酸化層23を8nm成膜すると、WL配線層14の上面及び底面に接する酸化層23の膜厚が厚くなるため、WL配線層14の配線間隔が広くなり、縦方向(第3方向D3)におけるメモリセルトランジスタMTのサイズが大きくなる。これにより、メモリストリング13の高さが高くなると、メモリホールMHを開口する際の開口不良や、埋め込み不良が発生しやすくなる。また、酸化層23を省略して酸化層25を8nm成膜すると、酸化層25が結晶化し低抵抗化するため、積層されたワード線WLの間のリークの原因となる。
これに対し、本実施形態に係る構成であれば、メモリセルトランジスタの抵抗変化膜(酸素欠損膜)を酸化層23及び25の積層膜により形成できる。これにより、酸化層23及び25のそれぞれの膜厚を抵抗変化膜として必要な膜厚よりも薄くできる。酸化層23を薄膜化することにより、縦方向におけるメモリセルトランジスタMTのサイズを小さくできる。従って、メモリストリング13の高さを低くでき、三次元積層型メモリの高集積化が容易となり、不揮発性半導体記憶装置のチップ面積の増加を抑制できる。
更に、メモリストリング13の高さを低くできるため、メモリホールMHの開口不良や埋め込み不良を低減できる。従って、不揮発性半導体記憶装置の信頼性を向上できる。
更に、酸化層25を薄膜化できるため、WL配線層14の間に単層で存在する酸化層25の結晶化を抑制できる。これにより、酸化層25の低抵抗化を抑制し、積層されたワード線WLの間のリーク電流を抑制できる。よって、不揮発性半導体記憶装置の信頼性を向上できる。
更に、WL配線層14と半導体層11との間にある酸化層23及び25は、ドライエッチングの雰囲気に晒されることがないため、エッチングダメージによる膜質劣化がなく、メモリセルトランジスタMTの特性のばらつきを低減できる。
更に、酸化層23と酸化層25との界面には、結晶化したグレインの分断面が形成されるため、酸化層23と酸化層25とを貫通する貫通転位が入りにくく欠陥等によるメモリセルトランジスタMTの信頼性の劣化を抑制できる。
更に、酸化層23及び25の膜厚を薄膜化できるため、成膜プロセス及びエッチングプロセスにおけるプロセス時間の短縮が可能となるため、成膜装置及びエッチング装置の処理能力を向上し、プロセスコストを低減できる。
2.第2実施形態
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、第1実施形態と異なるメモリセルアレイ2の構造について2つの例を説明する。以下では、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、第1実施形態と異なるメモリセルアレイ2の構造について2つの例を説明する。以下では、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。
2.1 第1例
第1例のメモリセルアレイ2の構造について説明する。
第1例のメモリセルアレイ2の構造について説明する。
2.1.1 メモリセルアレイの断面構造
まず、メモリセルアレイ2の断面構造について、図13を用いて説明する。
まず、メモリセルアレイ2の断面構造について、図13を用いて説明する。
図13に示すように、酸化層23は、WL配線層14の一方の側面、すなわちWL配線層14と酸化層25との間に形成されており、WL配線層14の上面及び底面には形成されていない。以下、このような酸化層23の構造を「摺り切り構造」と呼ぶ。他の構成は、第1実施形態の図3と同じである。
本実施形態では、WL配線層14に用いられている金属材料と酸化層23の金属材料を同じにする。例えばWL配線層14にWが用いられている場合、酸化層23としてWOXが形成される。また、例えばWL配線層14にTiNが用いられている場合、酸化層23としてTiOXが形成される。
2.1.2 メモリセルアレイの製造方法
次に、メモリセルアレイの製造方法について、図14及び図15を用いて説明する。本実施形態では、第1実施形態と異なり、埋め戻しを行わずにWL配線層14を形成している。なお、以下の説明では、メモリストリング13及びWL配線層14の形成方法について説明する。
次に、メモリセルアレイの製造方法について、図14及び図15を用いて説明する。本実施形態では、第1実施形態と異なり、埋め戻しを行わずにWL配線層14を形成している。なお、以下の説明では、メモリストリング13及びWL配線層14の形成方法について説明する。
図14に示すように、本例では、犠牲層30を用いずに4層のWL配線層14を積層した後、メモリホールMHを形成する。
図15に示すように、次に、メモリホールMHの側面に露出したWL配線層14の表面を酸化処理することにより、酸化層23を形成する。以降は、第1実施形態の図8と同様の手順でメモリホールMHを埋め込みメモリストリング13を形成する。なお、この際、選択トランジスタST1のドレイン領域17の表面も酸化されるが、弗酸系の薬液を用いたウエットエッチングにより表面の酸化領域を除去してもよい。または、異方性エッチングによりドレイン領域17の表面の酸化領域を除去してもよい。
2.2 第2例
次に、第2例のメモリセルアレイ2の構造について、図16を用いて説明する。図16は、メモリセルアレイ2の断面図を示している。
次に、第2例のメモリセルアレイ2の構造について、図16を用いて説明する。図16は、メモリセルアレイ2の断面図を示している。
図16に示すように、本例では、ワード線WL1として機能するWL配線層14の上方に絶縁層21を介してソース線SLとして機能するSL配線層26及びSL配線層26の底面及び側面の一部を被覆する酸化層27が設けられている。そして、ソース線SLとして機能するSL配線層26の上面の一部が、半導体層11と電気的に接続されている。なお、酸化層27は省略されてもよく、酸化層27の代わりにSL配線層26と絶縁層21との反応を抑制するための導電性のバリアメタルが用いられてもよい。SL配線層26は、導電材料により構成され、例えばWL配線層14と同じ材料であってもよい。酸化層27は、例えば、酸化層23または酸化層25と同じ材料であってもよい。
また、メモリストリング13において、半導体層11の内部は電極28並びに電極28の側面及び底面を被覆する絶縁層22により埋め込まれている。本例では、電極28は、半導体層11において絶縁層22との界面近傍にチャネルを形成し、例えばグローバルビット線GBLからソース線SLに電流を流すためのパス(チャネル)を形成するゲート線GLとして機能する。
このため、本例の電極28は、ゲート線GLとして機能する図示せぬ配線層に接続され、例えば、センスアンプ4等により電圧を印加される。
2.3 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。
本実施形態に係る構成であれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の第1例に係る構成であれば、摺り切り構造の酸化層23の膜質劣化を抑制できる。本効果につき詳述する。
例えば、メモリホールMH開口後に、メモリホール側面に露出したWL配線層14をウエットエッチング等により後退させ、この後退部分をTiOX等で埋め込んで酸化層23を形成する方法が考えられる。このような方法では、後退させたWL配線層14の膜厚以上にTiOXを厚く成膜し、余剰のTiOXを異方性エッチングにより除去する。この際、後退部分のTiOXの表面に加工ダメージが入り、ダメージ層に欠陥準位が形成される可能性がある。欠陥準位により酸化層23に固定電荷が形成されると、チャネルの移動度が下がり、縦方向(第3方向D3)におけるセル電流が低下する。セル電流が低下すると、センスアンプにおける電流センスの時間が遅くなるため、デバイスの動作速度が低下する。更には、酸化層23のダメージ層の厚みは、メモリホールMHにおける高さ位置の違い等により、メモリセルトランジスタMT間でばらつきが生じる。このため、メモリセルトランジスタMT間で特性を揃えるように設計マージンを余計に取る必要が発生する。
また、WL配線層14の後退部分をTiOX等で埋め込む際に、後退部分にボイドやシームが形成される可能性がある。これらも酸化層23中で格子欠陥となり、デバイスの特性に影響を与える可能性がある。
これに対し、本実施形態の第1例に係る構成では、摺り切り構造の酸化層23を形成する場合に、メモリホールMHに露出したWL配線層14の表面を酸化して、酸化層23を形成できる。従って、酸化層23表面がエッチング雰囲気に晒されることがないため、エッチングダメージによる膜質劣化がなく、メモリセルトランジスタMTの特性のばらつきを低減できる。従って、不揮発性半導体記憶装置の信頼性を向上できる。
3.変形例等
上記実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板上方に設けられ、第1方向(D2)に延伸する第1配線層(10)と、第1配線層の上方に設けられ、第1方向と交差する第2方向(D1)に延伸し、第1方向及び第2方向に交差し半導体基板と垂直な第3方向(D3)に沿って配列された複数の第2配線層(14)と、第3方向に沿って延伸し、第1配線層と電気的に接続された半導体層(11)と、第3方向に沿って延伸し、半導体層に接し、半導体層と複数の第2配線層との間に設けられた第1絶縁層(12)と、第3方向に沿って延伸し、第1絶縁層に接し、第1絶縁層と複数の第2配線層との間に設けられた第1酸化層(25)と、一方が複数の第2配線層とそれぞれ接し、他方が第1酸化層に接し、複数の第2配線層に電圧を印加することによって第1酸化層との積層膜の抵抗値が変化する複数の第2酸化層(23)とを含む。
上記実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板上方に設けられ、第1方向(D2)に延伸する第1配線層(10)と、第1配線層の上方に設けられ、第1方向と交差する第2方向(D1)に延伸し、第1方向及び第2方向に交差し半導体基板と垂直な第3方向(D3)に沿って配列された複数の第2配線層(14)と、第3方向に沿って延伸し、第1配線層と電気的に接続された半導体層(11)と、第3方向に沿って延伸し、半導体層に接し、半導体層と複数の第2配線層との間に設けられた第1絶縁層(12)と、第3方向に沿って延伸し、第1絶縁層に接し、第1絶縁層と複数の第2配線層との間に設けられた第1酸化層(25)と、一方が複数の第2配線層とそれぞれ接し、他方が第1酸化層に接し、複数の第2配線層に電圧を印加することによって第1酸化層との積層膜の抵抗値が変化する複数の第2酸化層(23)とを含む。
上記実施形態を適用することにより、チップ面積の増加を抑制できる不揮発性半導体記憶装置を提供できる。
例えば、上記実施形態において、メモリストリング13が選択トランジスタST1上に形成される場合について説明したが、メモリストリング13が選択トランジスタST1及びST2を含んでいてもよい。
更に、上記実施形態において、複数のメモリセルトランジスタMTが半導体基板の上方に積層された三次元積層型メモリについて説明したが、複数のメモリセルトランジスタMTが半導体基板上に二次元に配置された平面型メモリにも適用できる。
更に、上記実施形態における「接続」とは、間に例えばトランジスタあるいは抵抗等、他の何かを介在させて間接的に接続されている状態も含む。
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。
1…不揮発性半導体記憶装置、2…メモリセルアレイ、3…WLデコーダ、4…センスアンプ、5…セレクタデコーダ、6…制御回路、7…電圧発生回路、10、14、19、26…配線層、11…半導体層、12、18、21、22…絶縁層、13…メモリストリング、15…ソース領域、16…チャネル領域、17…ドレイン領域、23、25、27…酸化層、24、28…電極、30…犠牲層。
Claims (9)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上方に設けられ、第1方向に延伸する第1配線層と、
前記第1配線層の上方に設けられ、前記第1方向と交差する第2方向に延伸し、前記第1方向及び前記第2方向に交差し前記半導体基板と垂直な第3方向に沿って配列された複数の第2配線層と、
前記第3方向に沿って延伸し、前記第1配線層と電気的に接続された半導体層と、
前記第3方向に沿って延伸し、前記半導体層に接し、前記半導体層と前記複数の第2配線層との間に設けられた第1絶縁層と、
前記第3方向に沿って延伸し、前記第1絶縁層に接し、前記第1絶縁層と前記複数の第2配線層との間に設けられた第1酸化層と、
一方が前記複数の第2配線層とそれぞれ接し、他方が前記第1酸化層に接し、前記複数の第2配線層に電圧を印加することによって前記第1酸化層との積層膜の抵抗値が変化する複数の第2酸化層と
を備える不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1酸化層及び前記複数の第2酸化層は、チタン、タングステン、ニオブ、及びモリブデンの少なくとも1つを含む請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1酸化層と前記複数の第2酸化層とによる前記積層膜は結晶化している請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記複数の第2酸化層の各々は、前記複数の第2配線層の各々の上面、底面、及び側面の一部に接する請求項1乃至3のいずれか一項記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1酸化層と前記複数の第2酸化層とによる前記積層膜の前記第1方向の膜厚は、前記複数の第2配線層の前記上面に接する前記複数の第2酸化層の前記第3方向の膜厚よりも厚い請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 結晶化している前記積層膜において前記第1酸化層と前記複数の第2酸化層との界面で前記第1酸化層のグレインと前記複数の第2酸化層のグレインとが分断されている請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記複数の第2配線層と前記複数の第2酸化層とは、同じ金属材料を含む請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1絶縁層は、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、シリコン、及びゲルマニウムの少なくとも1つを含む請求項1乃至7のいずれか一項記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記複数の第2配線層と、前記半導体層を介して前記第1方向に隣り合い、前記第3方向に沿って配置された複数の第3配線層と、
前記半導体層に接し、前記半導体層と前記複数の第3配線層の間に設けられた第2絶縁層と、
前記第2絶縁層に接し、前記第2絶縁層と前記複数の第3配線層との間に設けられた第3酸化層と、
一方が前記複数の第3配線層とそれぞれ接し、他方が前記第3酸化層に接し、前記複数の第3配線層に電圧を印加することによって前記第3酸化層との積層膜の抵抗値が変化する複数の第4酸化層と
を更に備える請求項1乃至8のいずれか一項記載の不揮発性半導体記憶装置。
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