JP2020155543A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体記憶装置の歩留まりを向上させる。【解決手段】実施形態の半導体記憶装置は、第1導電体層SLと、複数の第2導電体層WLと、第1ピラーMPと、第1コンタクトHRとを備える。複数の第2導電体層WLは、第1導電体層SLの上方で、互いが第1方向に離れて積層される。第1ピラーMPは、第1方向に沿って複数の第2導電体層WLを貫通し、側面の一部が第1導電体層SLと接触した第1半導体層31を含み、第2導電体層WLとの交差部分がメモリセルトランジスタMTとして機能する。第1コンタクトHRは、第1方向に沿って複数の第2導電体層WLを貫通し、側面の一部が第1導電体層SLと接触した第3導電体層40を含む。ソース線駆動回路は、第1コンタクトHRを介して第1導電体層SLと電気的に接続される。【選択図】図8
Description
実施形態は、半導体記憶装置に関する。
データを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリが知られている。
半導体記憶装置の歩留まりを向上させる。
実施形態の半導体記憶装置は、第1導電体層と、複数の第2導電体層と、第1ピラーと、第1コンタクトとを備える。第1導電体層は、第1絶縁体層を介して基板の上方に設けられる。複数の第2導電体層は、第1導電体層の上方で、互いが第1方向に離れて積層される。第1ピラーは、第1方向に沿って複数の第2導電体層を貫通し、側面の一部が第1導電体層と接触した第1半導体層と、第1半導体層と複数の第2導電体層との間に設けられた第2絶縁体層とを含み、第2導電体層との交差部分がメモリセルトランジスタとして機能する。第1コンタクトは、第1方向に沿って複数の第2導電体層を貫通し、側面の一部が第1導電体層と接触した第3導電体層と、第3導電体層と複数の第2導電体層との間に設けられた第3絶縁体層とを含む。ソース線駆動回路は、第1コンタクトを介して第1導電体層と電気的に接続される。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。各実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。本発明の技術思想は、構成要素の形状、構造、配置等によって特定されるものではない。
尚、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、同一符号を付す。参照符号を構成する文字の後の数字は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。同じ文字を含んだ参照符号で示される要素を相互に区別する必要がない場合、これらの要素はそれぞれ文字のみを含んだ参照符号により参照される。
[実施形態]
以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1について説明する。
以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1について説明する。
[1]半導体記憶装置1の構成
[1−1]半導体記憶装置1の全体構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の構成例を示している。半導体記憶装置1は、データを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリであり、外部のメモリコントローラ2によって制御される。半導体記憶装置1とメモリコントローラ2との間の通信は、例えばNANDインターフェイス規格をサポートしている。
[1−1]半導体記憶装置1の全体構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の構成例を示している。半導体記憶装置1は、データを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリであり、外部のメモリコントローラ2によって制御される。半導体記憶装置1とメモリコントローラ2との間の通信は、例えばNANDインターフェイス規格をサポートしている。
図1に示すように、半導体記憶装置1は、例えばメモリセルアレイ10、コマンドレジスタ11、アドレスレジスタ12、シーケンサ13、ドライバモジュール14、ロウデコーダモジュール15、並びにセンスアンプモジュール16を備えている。
メモリセルアレイ10は、複数のブロックBLK0〜BLKn(nは1以上の整数)を含んでいる。ブロックBLKは、データを不揮発に記憶することが可能な複数のメモリセルの集合であり、例えばデータの消去単位として使用される。また、メモリセルアレイ10には、複数のビット線及び複数のワード線が設けられる。各メモリセルは、例えば1本のビット線と1本のワード線とに関連付けられている。メモリセルアレイ10の詳細な構成については後述する。
コマンドレジスタ11は、半導体記憶装置1がメモリコントローラ2から受信したコマンドCMDを保持する。コマンドCMDは、例えばシーケンサ13に読み出し動作、書き込み動作、消去動作等を実行させる命令を含んでいる。
アドレスレジスタ12は、半導体記憶装置1がメモリコントローラ2から受信したアドレス情報ADDを保持する。アドレス情報ADDは、例えばブロックアドレスBAd、ページアドレスPAd、及びカラムアドレスCAdを含んでいる。例えば、ブロックアドレスBAd、ページアドレスPAd、及びカラムアドレスCAdは、それぞれブロックBLK、ワード線、及びビット線の選択に使用される。
シーケンサ13は、半導体記憶装置1全体の動作を制御する。例えば、シーケンサ13は、コマンドレジスタ11に保持されたコマンドCMDに基づいてドライバモジュール14、ロウデコーダモジュール15、及びセンスアンプモジュール16等を制御して、読み出し動作、書き込み動作、消去動作等を実行する。
ドライバモジュール14は、読み出し動作、書き込み動作、消去動作等で使用される電圧を生成する。そして、ドライバモジュール14は、例えばアドレスレジスタ12に保持されたページアドレスPAdに基づいて、選択されたワード線に対応する信号線に生成した電圧を印加する。また、ドライバモジュール14は、ソース線SLに電圧を印加することが出来る。すなわち、ドライバモジュール14は、ソース線SLを駆動する回路でもある。
ロウデコーダモジュール15は、アドレスレジスタ12に保持されたブロックアドレスBAdに基づいて、対応するメモリセルアレイ10内の1つのブロックBLKを選択する。そして、ロウデコーダモジュール15は、例えば選択されたワード線に対応する信号線に印加された電圧を、選択されたブロックBLK内の選択されたワード線に転送する。
センスアンプモジュール16は、書き込み動作において、メモリコントローラ2から受信した書き込みデータDATに応じて、各ビット線に所望の電圧を印加する。すなわち、センスアンプモジュール16は、ビット線BLを駆動する回路でもある。また、センスアンプモジュール16は、読み出し動作において、ビット線の電圧に基づいてメモリセルに記憶されたデータを判定し、判定結果を読み出しデータDATとしてメモリコントローラ2に転送する。
以上で説明した半導体記憶装置1及びメモリコントローラ2は、それらの組み合わせにより1つの半導体装置を構成しても良い。このような半導体装置としては、例えばSDTMカードのようなメモリカードや、SSD(solid state drive)等が挙げられる。
[1−2]メモリセルアレイ10の回路構成
図2は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10の回路構成の一例を、メモリセルアレイ10に含まれた複数のブロックBLKのうち1つのブロックBLKを抽出して示している。図2に示すように、ブロックBLKは、例えば4つのストリングユニットSU0〜SU3を含んでいる。
図2は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10の回路構成の一例を、メモリセルアレイ10に含まれた複数のブロックBLKのうち1つのブロックBLKを抽出して示している。図2に示すように、ブロックBLKは、例えば4つのストリングユニットSU0〜SU3を含んでいる。
各ストリングユニットSUは、ビット線BL0〜BLm(mは1以上の整数)にそれぞれ関連付けられた複数のNANDストリングNSを含んでいる。各NANDストリングNSは、例えばメモリセルトランジスタMT0〜MT15、並びに選択トランジスタST1及びST2を含んでいる。メモリセルトランジスタMTは、制御ゲート及び電荷蓄積層を含み、データを不揮発に保持する。選択トランジスタST1及びST2のそれぞれは、各種動作時におけるストリングユニットSUの選択に使用される。
各NANDストリングNSにおいて、メモリセルトランジスタMT0〜MT15は、直列接続される。選択トランジスタST1のドレインは、関連付けられたビット線BLに接続され、選択トランジスタST1のソースは、直列接続されたメモリセルトランジスタMT0〜MT15の一端に接続される。選択トランジスタST2のドレインは、直列接続されたメモリセルトランジスタMT0〜MT15の他端に接続される。選択トランジスタST2のソースは、ソース線SLに接続される。
同一のブロックBLKにおいて、メモリセルトランジスタMT0〜MT15の制御ゲートは、それぞれワード線WL0〜WL15に共通接続される。ストリングユニットSU0〜SU3内の選択トランジスタST1のゲートは、それぞれ選択ゲート線SGD0〜SGD3に共通接続される。選択トランジスタST2のゲートは、選択ゲート線SGSに共通接続される。
以上で説明したメモリセルアレイ10の回路構成において、ワード線WL0〜WL7は、後述するメモリホールLMH内に形成された部分と交差し、ワード線WL8〜WL15は、後述するメモリホールUMH内に形成された部分と交差している。ビット線BLは、各ストリングユニットSUで同一のカラムアドレスが割り当てられたNANDストリングNSによって共有される。ソース線SLは、例えば複数のブロックBLK間で共有される。
1つのストリングユニットSU内で共通のワード線WLに接続された複数のメモリセルトランジスタMTの集合は、例えばセルユニットCUと称される。例えば、それぞれが1ビットデータを記憶するメモリセルトランジスタMTを含むセルユニットCUの記憶容量が、「1ページデータ」として定義される。セルユニットCUは、メモリセルトランジスタMTが記憶するデータのビット数に応じて、2ページデータ以上の記憶容量を有し得る。
尚、本実施形態に係る半導体記憶装置1が備えるメモリセルアレイ10の回路構成は、以上で説明した構成に限定されない。例えば、各NANDストリングNSが含むメモリセルトランジスタMT並びに選択トランジスタST1及びST2の個数は、それぞれ任意の個数に設計され得る。各ブロックBLKが含むストリングユニットSUの個数は、任意の個数に設計され得る。
[1−3]メモリセルアレイ10の構造
以下に、実施形態におけるメモリセルアレイ10の構造の一例について説明する。
以下に、実施形態におけるメモリセルアレイ10の構造の一例について説明する。
尚、以下で参照される図面において、X方向はワード線WLの延伸方向に対応し、Y方向はビット線BLの延伸方向に対応し、Z方向は半導体記憶装置1が形成される半導体基板20の表面に対する鉛直方向に対応している。平面図には、図を見易くするためにハッチングが適宜付加されている。平面図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。断面図では、図を見易くするために絶縁層(層間絶縁膜)、配線、コンタクト等の構成要素が適宜省略されている。
図3は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10の平面レイアウトの一例であり、1つのブロックBLK(すなわち、ストリングユニットSU0〜SU3)に対応する構造体を含む領域を抽出して示している。図3に示すように、メモリセルアレイ10は、複数のスリットSLTを含んでいる。
複数のスリットSLTは、それぞれがX方向に延伸し、Y方向に配列している。スリットSLTは、絶縁体を含み、例えばワード線WLに対応する配線層と、選択ゲート線SGDに対応する配線層と、選択ゲート線SGSに対応する配線層とのそれぞれを分断している。本例では、スリットSLTによって区切られた領域が、1つのストリングユニットSUに対応している。つまり、各々がX方向に延伸したストリングユニットSU0〜SU3が、Y方向に配列している。メモリセルアレイ10には、例えば図3に示されたレイアウトがY方向に繰り返し配置される。
以上で説明したメモリセルアレイ10の平面レイアウトでは、セル領域CAとコンタクト領域C4tapとのそれぞれが、Y方向に延伸して設けられる。例えば、セル領域CAとコンタクト領域C4tapとは、X方向に交互に配置される。セル領域CAは、NANDストリングNSが形成される領域である。コンタクト領域C4tapは、例えばNANDストリングNSに接続されたソース線SLと、半導体基板とメモリセルアレイ10との間に形成された回路とを電気的に接続するためのコンタクトが形成される領域である。以下に、メモリセルアレイ10のセル領域CAにおける詳細な構造と、コンタクト領域C4tapにおける詳細な構造とについて順に説明する。
(セル領域CAにおける構造)
図4は、実施形態に係る半導体記憶装置1のセル領域CAにおけるメモリセルアレイ10の詳細な平面レイアウトの一例を示している。図4に示すように、セル領域CAにおいてメモリセルアレイ10は、複数のメモリピラーMP、及び複数のビット線BLを含んでいる。
図4は、実施形態に係る半導体記憶装置1のセル領域CAにおけるメモリセルアレイ10の詳細な平面レイアウトの一例を示している。図4に示すように、セル領域CAにおいてメモリセルアレイ10は、複数のメモリピラーMP、及び複数のビット線BLを含んでいる。
複数のメモリピラーMPは、隣り合うスリットSLT間の領域において、例えば4列の千鳥状に配置される。尚、隣り合うスリットSLT間におけるメモリピラーMPの個数及び配置はこれに限定されず、適宜変更され得る。メモリピラーMPの各々は、例えば1つのNANDストリングNSとして機能する。
複数のビット線BLは、それぞれがY方向に延伸し、X方向に配列している。各ビット線BLは、ストリングユニットSU毎に少なくとも1つのメモリピラーMPと重なるように配置される。本例において各メモリピラーMPには、2本のビット線BLが重なって配置される。メモリピラーMPに重なっている複数のビット線BLのうち1本のビット線BLと、当該メモリピラーMPとの間には、コンタクトMPCが設けられる。各メモリピラーMPは、コンタクトMPCを介して対応するビット線BLと電気的に接続される。
図5は、図4のV−V線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10のセル領域CAにおける断面構造の一例を示している。図5に示すように、メモリセルアレイ10は、導電体層21〜26をさらに含んでいる。導電体層21〜26は、半導体基板20の上方に設けられる。
具体的には、半導体基板20の上方に、絶縁体層を介して導電体層21が設けられる。図示が省略されているが、半導体基板20と導電体層21との間の絶縁体層には、例えばセンスアンプモジュール16等の回路が設けられる。導電体層21は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成され、ソース線SLとして使用される。導電体層21は、例えばシリコン(Si)を含んでいる。
導電体層21の上方に、絶縁体層を介して導電体層22が設けられる。導電体層22は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成され、選択ゲート線SGSとして使用される。導電体層22は、例えばシリコン(Si)を含んでいる。
導電体層22の上方に、絶縁体層と導電体層23とが交互に積層される。導電体層23は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成される。例えば、積層された複数の導電体層23は、半導体基板20側から順に、それぞれワード線WL0〜WL7として使用される。導電体層23は、例えばタングステン(W)を含んでいる。
最上層の導電体層23の上方に、絶縁体層と導電体層24とが交互に積層される。導電体層24は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成される。例えば、積層された複数の導電体層24は、半導体基板20側から順に、それぞれワード線WL8〜WL15として使用される。導電体層24は、例えばタングステンを含んでいる。
尚、最上層の導電体層23と最下層の導電体層24との間の絶縁体層の厚さは、隣り合う導電体層23間の絶縁体層の厚さよりも厚く、隣り合う導電体層24間の絶縁体層の厚さよりも厚い。言い換えると、最上層の導電体層23と最下層の導電体層24とのZ方向における間隔は、隣り合う導電体層23間のZ方向における間隔よりも大きく、隣り合う導電体層24間のZ方向における間隔よりも大きい。
最上層の導電体層24の上方に、絶縁体層を介して導電体層25が設けられる。導電体層25は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成され、選択ゲート線SGDとして使用される。導電体層25は、例えばタングステンを含んでいる。
導電体層25の上方に、絶縁体層を介して導電体層26が設けられる。導電体層26は、例えばY方向に沿って延伸したライン状に形成され、ビット線BLとして使用される。つまり、図示せぬ領域において複数の導電体層26は、X方向に沿って配列している。導電体層26は、例えば銅(Cu)を含んでいる。
メモリピラーMPは、Z方向に沿って延伸して設けられ、導電体層22〜25を貫通している。また、メモリピラーMPの各々は、下層のメモリホールLMH内に形成される第1部分と、上層のメモリホールUMH内に形成される第2部分とを有している。
具体的には、メモリホールLMHに対応する第1部分は、導電体層22及び23を貫通している。また、メモリホールLMHに対応する第1部分の底部は、導電体層21が設けられた層内に位置している。言い換えると、メモリホールLMHに対応する第1部分の底部は、導電体層21を貫通せずに止まっている。メモリホールUMHに対応する第2部分は、メモリホールLMHに対応する第1部分の上方に設けられ、導電体層24及び25を貫通している。
また、メモリピラーMPは、例えばコア部材30、半導体層31、トンネル絶縁膜32、絶縁膜33、ブロック絶縁膜34、及び半導体部35を含んでいる。例えば、コア部材30、半導体層31、トンネル絶縁膜32、絶縁膜33、及びブロック絶縁膜34は、メモリピラーMPの第1部分と第2部分との間で連続的に設けられる。
具体的には、コア部材30は、Z方向に沿って延伸して設けられる。例えば、コア部材30の上端は、導電体層25が設けられた層よりも上層に含まれ、コア部材30の下端は、導電体層21が設けられた層内に含まれる。コア部材30は、例えば酸化シリコン(SiO2)等の絶縁体を含んでいる。
半導体層31は、コア部材30の側面及び底面を覆っている。半導体層31は、側面接触部SC1を有している。側面接触部SC1は、導電体層21が設けられた層に含まれている。半導体層31は、側面接触部SC1において導電体層21に接触し、導電体層21と電気的に接続される。半導体層31は、例えばシリコンを含んでいる。
トンネル絶縁膜32は、側面接触部SC1を除いて、半導体層31の側面及び底面を覆っている。絶縁膜33は、側面接触部SC1を除いて、トンネル絶縁膜32の側面及び底面を覆っている。ブロック絶縁膜34は、側面接触部SC1を除いて、絶縁膜33の側面及び底面を覆っている。トンネル絶縁膜32及びブロック絶縁膜34のそれぞれは、例えば酸化シリコンを含んでいる。絶縁膜33は、例えば窒化シリコン(SiN)を含んでいる。
半導体部35は、導電体層25よりも上層に含まれ、例えば側面が半導体層31の内壁に接し、底面がコア部材30に接している。半導体部35と半導体層31との間は、電気的に接続されている。半導体部35は、例えば半導体層31と同様の材料で設けられる。
メモリピラーMP内の半導体層31及び半導体部35の上面には、柱状のコンタクトMPCが設けられる。図示された領域には、2本のメモリピラーMPのうち、1本のメモリピラーMPに対応するコンタクトMPCが表示されている。当該領域においてコンタクトMPCが接続されていないメモリピラーMPには、図示されない領域においてコンタクトMPCが接続される。コンタクトMPCの上面には、1個の導電体層26、すなわち1本のビット線BLが接触している。1本のビット線BLには、スリットSLTで区切られた空間のそれぞれにおいて、1個のコンタクトMPCが接続される。
スリットSLTは、例えばXZ平面に沿って広がった板状に形成され、導電体層22〜25を分断している。スリットSLTの上端は、導電体層25と導電体層26との間の層に含まれている。スリットSLTの下端は、例えば導電体層21が設けられた層に含まれている。スリットSLTは、例えば酸化シリコン等の絶縁体を含んでいる。
図6は、図5のVI−VI線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置におけるメモリピラーMPの断面構造の一例を示している。より具体的には、図6は、半導体基板20の表面に平行且つ導電体層23を含む層における、メモリピラーMPとその周辺部分における断面構造を示している。
図6に示すように、導電体層23を含む層では、例えばコア部材30は、メモリピラーMPの中央部に設けられる。半導体層31は、コア部材30の側面を囲っている。トンネル絶縁膜32は、半導体層31の側面を囲っている。絶縁膜33は、トンネル絶縁膜32の側面を囲っている。ブロック絶縁膜34は、絶縁膜33の側面を囲っている。導電体層23は、ブロック絶縁膜34の側面を囲っている。
以上で説明したメモリピラーMPの構造では、メモリピラーMPと導電体層22とが交差する部分が、選択トランジスタST2として機能する。メモリピラーMPと導電体層23とが交差する部分と、メモリピラーMPと導電体層24とが交差する部分とのそれぞれが、メモリセルトランジスタMTとして機能する。メモリピラーMPと導電体層25とが交差する部分が、選択トランジスタST1として機能する。
つまり、半導体層31は、メモリセルトランジスタMT並びに選択トランジスタST1及びST2のそれぞれのチャネルとして使用される。絶縁膜33は、メモリセルトランジスタMTの電荷蓄積層として使用される。これにより、メモリピラーMPの各々は、1つのNANDストリングNSとして機能し得る。
(コンタクト領域C4tapにおける構造)
図7は、実施形態に係る半導体記憶装置1のコンタクト領域C4tapにおけるメモリセルアレイ10の詳細な平面レイアウトの一例を示している。尚、図7に示された領域は、セル領域CAの端部領域も含んでいる。図7に示すように、コンタクト領域C4tapにおいてメモリセルアレイ10は、複数の支持柱HR、コンタクトC4、及び配線ICを含んでいる。
図7は、実施形態に係る半導体記憶装置1のコンタクト領域C4tapにおけるメモリセルアレイ10の詳細な平面レイアウトの一例を示している。尚、図7に示された領域は、セル領域CAの端部領域も含んでいる。図7に示すように、コンタクト領域C4tapにおいてメモリセルアレイ10は、複数の支持柱HR、コンタクトC4、及び配線ICを含んでいる。
また、コンタクト領域C4tapでは、領域CRと領域PRとのそれぞれが、Y方向に延伸して設けられる。領域CRは、セル領域CAと隣接して設けられる。領域PRは、領域CRと隣接して且つセル領域CAから離れて設けられる。領域CRは、複数の支持柱HRを含んでいる。領域PRは、複数のコンタクトC4を含んでいる。尚、領域PRには、支持柱HRが含まれていても良い。
図示が省略されているが、領域CR内のソース線SLと、セル領域CA内のソース線SLとは連続的に設けられ、電気的に接続されている。領域PR内において、ソース線SLは分断されていても良いし、分断されていなくても良い。領域PR内のソース線SLは、セル領域CA及び領域CRと異なる層構造で設けられても良い。以下では、領域PR内においてソース線SLが分断されている場合について例示する。
複数の支持柱HRは、それぞれの下端部がソース線SLに電気的に接続される。例えば、複数の支持柱HRは、領域CRにおいて隣り合うスリットSLT間に配置される。複数のコンタクトC4は、それぞれの下端部がメモリセルアレイ10下の配線に電気的に接続される。例えば、複数のコンタクトC4は、領域PRにおいて隣り合うスリットSLT間に配置される。複数の配線ICは、少なくとも2つの支持柱HRと、少なくとも1つのコンタクトC4とに重なるように配置される。
複数の支持柱HRには、配線ICに重なっているものと、配線ICに重なっていないものとが含まれている。配線ICと重なった支持柱HR上には、当該配線ICとの間に、上部コンタクトとしてのコンタクトHRCが設けられる。配線ICに重なっていない支持柱HR上には、上部コンタクトは設けられていない。配線ICと重なった支持柱HRは、コンタクトHRCを介して、対応する配線ICと電気的に接続される。コンタクトC4と、当該コンタクトC4と重なった配線ICとの間には、コンタクトC4Cが設けられる。コンタクトC4は、コンタクトC4Cを介して、対応する配線ICと電気的に接続される。
図7の例では、各ストリングユニットSUの領域において、2つの支持柱HRと、1つのコンタクトC4とに重なるように、配線ICが設けられている。そして、2つの支持柱HRのそれぞれに対応してコンタクトHRCが設けられ、コンタクトC4に対応してコンタクトC4Cが設けられている。つまり、ソース線SLに並列接続された2つの支持柱HRと、1つのコンタクトC4とが、配線ICを介して電気的に接続されている。
尚、コンタクト領域C4tapにおけるメモリセルアレイ10の平面レイアウトは種々の変形が可能であり、図7の例に限定されない。例えば、配線ICは、3つ以上の支持柱HRと重なるように設けられても良い。配線ICと重なっている複数の支持柱HRは、コンタクトHRCが設けられ配線ICと接続されているものと、コンタクトHRCが設けられず配線ICと接続されていないものとが混在してもよい。また、支持柱HR、コンタクトC4、及び配線ICは、ストリングユニットSU毎に独立して設けられなくても良い。
図8は、図7のVIII−VIII線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10のコンタクト領域C4tapにおける断面構造の一例を示している。尚、図8に示された領域は、セル領域CAにおける1本のメモリピラーMPも含んでいる。図8に示すように、メモリセルアレイ10はコンタクト領域C4tapにおいて、導電体層D2、絶縁体層27、及び導電体層28をさらに含んでいる。
導電体層D2は、例えばドライバモジュール14に接続される配線であり、半導体基板20と導電体層21との間の層に設けられる。絶縁体層27は、例えば導電体層21(ソース線SL)を分断している。絶縁体層27が設けられた領域が、領域PRに対応している。尚、絶縁体層27は必ずしも設けられなくともよいし、絶縁体層27が設けられている領域に、導電体層21とは層構造の異なる導電体層が設けられても良い。この場合、隣り合うセル領域CA内の導電体層21(ソース線SL)が当該導電体層を介して電気的に接続される。導電体層28は、例えば導電体層26よりも上層に設けられ、配線ICとして使用される。
支持柱HRは、Z方向に沿って延伸して設けられ、導電体層22〜25を貫通している。支持柱HRの上端が含まれる層は、メモリピラーMPの上端が含まれる層よりも上層に含まれる。また、支持柱HRの各々は、下層のホールLHR内に形成される第1部分と、上層のホールUHR内に形成される第2部分とを有している。
具体的には、ホールLHRに対応する第1部分は、導電体層22及び23を貫通している。また、ホールLHRに対応する第1部分の底部は、導電体層21が設けられた層内に位置している。言い換えると、ホールLHRに対応する第1部分の底部は、導電体層21を貫通せずに止まっている。ホールUHRに対応する第2部分は、ホールLHRに対応する第1部分の上方に設けられ、導電体層24及び25を貫通している。支持柱HRの第1部分の上端の高さ、すなわちホールLHRに形成される第1部分の上端の高さは、メモリピラーMPの第1部分の上端の高さ、すなわちメモリホールLMHに形成される第1部分の上端の高さと略等しい。
また、支持柱HRは、例えば導電体層40及び絶縁膜41を含んでいる。例えば、導電体層40及び絶縁膜41は、支持柱HRの第1部分と第2部分との間で連続的に設けられる。
具体的には、導電体層40は、Z方向に沿って延伸して設けられる。例えば、導電体層40の上端は、メモリピラーMP内の半導体層31の上端よりも上層に含まれ、導電体層40の下端は、導電体層21が設けられた層内に含まれる。導電体層40は、導電体層21が設けられた層に含まれた側面接触部SC2において導電体層21に接触し、導電体層21と電気的に接続される。導電体層40は、金属であっても良いし、半導体であっても良い。例えば、導電体層40は、タングステンを含んでいても良いし、シリコンを含んでいても良い。
絶縁膜41は、導電体層40の側面接触部SC2を除いて、導電体層40の側面及び底面を覆っている。絶縁膜41は、例えば酸化シリコンを含んでいる。
配線ICと接続される支持柱HR上には、柱状のコンタクトHRCが設けられる。具体的には、導電体層40上に、コンタクトHRCが設けられる。図示された領域では、2本の支持柱HRのそれぞれの上面にコンタクトHRCが設けられ、これらのコンタクトHRC上に1個の導電体層28が接触している。
コンタクトC4は、Z方向に沿って延伸して設けられ、導電体層22〜25及び絶縁体層27を貫通している。コンタクトC4の上端は、支持柱HRの上端よりも上層に含まれる。コンタクトC4の底部は、導電体層D2と接触している。コンタクトC4の外径は、支持柱HRの外径よりも大きい。
また、コンタクトC4は、例えば導電体層50及び絶縁膜51を含んでいる。
具体的には、導電体層50は、Z方向に延伸して設けられる。例えば、導電体層50の上端は、支持柱HR内の導電体層40の上端よりも上層に含まれ、導電体層50の下端は、導電体層D2に接触している。導電体層50は、例えばタングステンを含んでいる。
絶縁膜51は、導電体層50の側面を覆っている。絶縁膜51は、例えば酸化シリコンを含んでいる。
コンタクトC4上には、柱状のコンタクトC4Cが設けられる。コンタクトC4Cの上面は、導電体層28に接触している。
図9は、図8のIX−IX線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置における支持柱HRの断面構造の一例を示している。より具体的には、図9は、半導体基板20の表面に平行且つ導電体層23を含む層における、支持柱HRとその周辺部分における断面構造を示している。
図9に示すように、導電体層23を含む層では、例えば導電体層40は、支持柱HRの中央部に設けられる。絶縁膜41は、導電体層40の側面を囲っている。導電体層23は、絶縁膜41の側面を囲っている。
図10は、図8のX−X線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置におけるコンタクトC4の断面構造の一例を示している。より具体的には、図10は、半導体基板20の表面に平行且つ導電体層23を含む層における、コンタクトC4とその周辺部分における断面構造を示している。
図10に示すように、導電体層23を含む層では、例えば導電体層50は、コンタクトC4の中央部に設けられる。絶縁膜51は、導電体層50の側面を囲っている。導電体層23は、絶縁膜51の側面を囲っている。
以上で説明した支持柱HR及びコンタクトC4の構造では、導電体層40及び導電体層50が、ソース線SLと導電体層D2との間の電流経路として機能する。つまり、ソース線SLとして使用される導電体層21は、導電体層40、コンタクトHRC、配線IC、コンタクトC4C、導電体層50を介して、導電体層D2と電気的に接続される。
尚、以上で説明したメモリセルアレイ10の構造はあくまで一例であり、メモリセルアレイ10はその他の構造を有していても良い。例えば、導電体層23及び導電体層24の個数は、ワード線WLの本数に基づいて設計される。選択ゲート線SGSには、複数層に設けられた複数の導電体層22が割り当てられても良い。選択ゲート線SGSが複数層に設けられる場合に、導電体層22と異なる導電体が使用されても良い。選択ゲート線SGDには、複数層に設けられた複数の導電体層25が割り当てられても良い。
メモリピラーMPと導電体層26との間は、2つ以上のコンタクトを介して電気的に接続されても良いし、その他の配線を介して電気的に接続されても良い。同様に、支持柱HRと配線ICとの間、コンタクトC4と配線ICとの間についても、2つ以上のコンタクトを介して電気的に接続されても良いし、その他の配線を介して電気的に接続されても良い。スリットSLT内は、複数種類の絶縁体により構成されても良い。例えば、スリットSLTに酸化シリコンが埋め込まれる前に、スリットSLTの側壁として窒化シリコン(SiN)が形成されても良い。
[2]半導体記憶装置1の製造方法
以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1における、メモリセルアレイ10内の積層配線構造の形成に関する一連の製造工程の一例について説明する。図11〜図29のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造工程における、メモリセルアレイ10に対応する構造体を含む断面構造の一例を示している。尚、以下で参照される各製造工程の断面図に表示された領域は、メモリピラーMP、支持柱HR、コンタクトC4、及びスリットSLTのそれぞれが形成される領域を含んでいる。
以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1における、メモリセルアレイ10内の積層配線構造の形成に関する一連の製造工程の一例について説明する。図11〜図29のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造工程における、メモリセルアレイ10に対応する構造体を含む断面構造の一例を示している。尚、以下で参照される各製造工程の断面図に表示された領域は、メモリピラーMP、支持柱HR、コンタクトC4、及びスリットSLTのそれぞれが形成される領域を含んでいる。
まず、図11に示すように、ソース線部が形成される。ソース線部は、ソース線SLとして使用される導電体層21に対応する配線層の積層構造のことを示している。本工程では、まず半導体基板20上に、導電体層D2を含む絶縁体層60と、導電体層61と、犠牲部材62と、導電体層63とが順に形成される。そして、導電体層61、犠牲部材62、及び導電体層63の一部が除去され、除去された空間に絶縁体層27が形成される。
導電体層D2の一部と絶縁体層27とは、図7で説明した領域PRに重なっている。図示が省略されているが、半導体基板20と導電体層61との間には、ドライバモジュール14、センスアンプモジュール16等に対応する回路が形成される。導電体層61及び導電体層63のそれぞれは、例えばリンがドープされたポリシリコンを含んでいる。犠牲部材62としては、導電体層61及び63のそれぞれに対してエッチング選択比を大きくすることが可能な材料が選択される。絶縁体層27は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含んでいる。
次に、図12に示すように、導電体層63及び絶縁体層27上に、絶縁体層64が形成される。絶縁体層64上に、導電体層22が形成される。導電体層22上に、絶縁体層65及び犠牲部材66が交互に積層される。最上層の犠牲部材66上に、絶縁体層67が形成される。導電体層22が、選択ゲート線SGSに対応している。絶縁体層64、65、及び67のそれぞれは、例えば酸化シリコンを含んでいる。犠牲部材66は、メモリピラーMPの第1部分と交差するワード線WLに対応している。犠牲部材66は、例えば窒化シリコン(SiN)を含んでいる。
次に、図13に示すように、メモリホールLMH及びホールLHRが形成される。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、メモリホールLMH及びホールLHRに対応する領域が開口したマスクが形成される。そして、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、メモリホールLMH及びホールLHRが形成される。
本工程で形成されるメモリホールLMH及びホールLHRは、絶縁体層64、65、及び67、犠牲部材62及び66、並びに導電体層63のそれぞれを貫通し、メモリホールLMHの底部及びホールLHRの底部は、例えば導電体層61内で停止する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIE(Reactive Ion Etching)である。
次に、図14に示すように、メモリホールLMH内及びホールLHR内に犠牲部材68が形成される。具体的には、まずメモリホールLMH及びホールLHRが埋まるように、犠牲部材68が形成される。そして、メモリホールLMH外及びホールLHR外に形成された犠牲部材68が、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって除去される。犠牲部材68は、例えばアモルファスシリコンである。
次に、図15に示すように、絶縁体層67及び犠牲部材68上に絶縁体層70が形成される。絶縁体層70上に、犠牲部材71及び絶縁体層72が交互に積層される。最上層の犠牲部材71上に、絶縁体層73が形成される。絶縁体層70、72、及び73は、例えば酸化シリコンを含んでいる。犠牲部材71が、メモリピラーMPの第2部分と交差するワード線WL及び選択ゲート線SGDに対応している。犠牲部材71は、例えば窒化シリコンを含んでいる。
次に、図16に示すように、メモリホールUMHが形成される。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、メモリホールUMHに対応する領域、すなわちメモリホールLMHと重なった領域が開口したマスクが形成される。そして、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、メモリホールUMHが形成される。
本工程で形成されるメモリホールUMHは、メモリホールLMHに埋め込まれた犠牲部材68の上方に設けられる。メモリホールUMHは、絶縁体層70、72、及び73、並びに犠牲部材71のそれぞれを貫通し、メモリホールUMHの底部において、メモリホールLMH内の犠牲部材68の一部が露出する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIEである。
次に、図17に示すように、メモリピラーMPが形成される。具体的には、まずメモリホールLMH内に形成された犠牲部材68が、メモリホールUMHを介したウェットエッチング等によって除去される。その後、メモリホールLMH及びUMH内にブロック絶縁膜34、絶縁膜33、トンネル絶縁膜32、半導体層31、及びコア部材30が順に形成される。その後、絶縁体層73の上面よりも上層に形成されたブロック絶縁膜34、絶縁膜33、トンネル絶縁膜32、半導体層31、及びコア部材30が、例えばCMPによって除去される。その後、コア部材30の上端が、絶縁体層73が形成された層内までエッチバックされ、コア部材30が除去された領域に半導体部35が形成される。その結果、メモリホールLMH及びUMH内に、メモリピラーMPに対応する構造が形成される。
次に、図18に示すように、ホールUHRが形成される。具体的には、まず絶縁体層73及びメモリピラーMPの上面に、絶縁体層74が形成される。その後、フォトリソグラフィ等によって、ホールUHRに対応する領域、すなわちホールLHRと重なった領域が開口したマスクが形成される。そして、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、ホールUHRが形成される。
本工程で形成されるホールUHRは、ホールLHRに埋め込まれた犠牲部材68の上方に設けられる。ホールUHRは、絶縁体層70、72、73、及び74、並びに犠牲部材71のそれぞれを貫通し、ホールUHRの底部において、ホールLHR内の犠牲部材68の一部が露出する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIEである。また、絶縁体層74は、例えば酸化シリコンを含んでいる。
次に、図19に示すように、支持柱HRが形成される。具体的には、まずホールLHR内に形成された犠牲部材68がウェットエッチング等によって除去される。その後、ホールLHR及びUHR内に絶縁膜41及び導電体層40が形成される。そして、絶縁体層74の上面よりも上層に形成された絶縁膜41及び導電体層40が、例えばCMPによって除去される。
次に、図20に示すように、コンタクトホールC4Hが形成される。具体的には、まず絶縁体層74及び支持柱HRの上面に、絶縁体層75が形成される。その後、フォトリソグラフィ等によって、コンタクトホールC4Hに対応する領域が開口したマスクが形成される。そして、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、コンタクトホールC4Hが形成される。
本工程で形成されるコンタクトホールC4Hは、絶縁体層27、64、65、67、70、72、73、74、及び75、犠牲部材66及び71、並びに導電体層22のそれぞれを貫通し、コンタクトホールC4Hの底部においては、絶縁体層60内の導電体層D2の一部が露出する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIEである。また、絶縁体層75は、例えば酸化シリコンを含んでいる。
次に、図21に示すように、コンタクトC4が形成される。具体的には、まずコンタクトホールC4H内に絶縁膜51が形成される。そして、コンタクトホールC4H底部に形成された絶縁膜51が除去され、導電体層D2が露出する。それから、コンタクトホールC4H内に導電体層50が埋め込まれ、絶縁体層75の上面よりも上層に形成された絶縁膜51及び導電体層50が、例えばCMPによって除去される。
次に、ソース線部の置換処理が実行される。ソース線部の置換処理では、まず絶縁体層75及びコンタクトC4の上面に、絶縁体層76が形成される。続いて、フォトリソグラフィ等によって、スリットSLTに対応する領域が開口したマスクが形成される。それから、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、図22に示すようにスリットSLTが形成される。
本工程で形成されるスリットSLTは、絶縁体層65、67、70、72、73、74、75、及び76、犠牲部材66及び71、並びに導電体層22のそれぞれを貫通し、スリットSLTの底部は、絶縁体層64内で停止する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIEである。また、絶縁体層76は、例えば酸化シリコンを含んでいる。
そして、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)によって、絶縁体層76の上面とスリットSLTの内壁とにそれぞれスペーサ77が形成される。スペーサ77としては、例えば窒化シリコンが形成される。そして、例えばRIEによって、図23に示すように、絶縁体層76の上面に形成されたスペーサ77と、スリットSLTの底部に形成されたスペーサ77とが除去される。これにより、例えば窒化シリコンの側壁が、スリットSLTの側面に形成される。
スリットSLTの底部に形成されたスペーサ77を除去するエッチングは、スリットSLTの底部に形成されたスペーサ77が除去された後にも継続される。その結果、本エッチングによってスリットSLTの底部は、例えば犠牲部材62が形成された層まで到達する。本工程においてスリットSLTは、犠牲部材62を貫通していても良いし、スリットSLTの底部が、導電体層61が形成された層内に到達していても良い。本工程においてスリットSLTは、少なくとも犠牲部材62まで到達していれば良い。
それから、スリットSLTを介したエッチングによって、犠牲部材62が選択的に除去される。その結果、メモリピラーMPの下端部において、ブロック絶縁膜34の側面が露出し、支持柱HRの下端部において、絶縁膜41の側面が露出する。続けて、犠牲部材62が除去された空間を介したエッチングによって、当該空間において露出したブロック絶縁膜34、絶縁膜33、及びトンネル絶縁膜32の一部と、絶縁膜41の一部とが除去される。その結果、図24に示すように、メモリピラーMPの下端部において、半導体層31の側面の一部が露出し、支持柱HRの下端部において、導電体層40の側面の一部が露出する。
その後、犠牲部材62と、ブロック絶縁膜34、絶縁膜33、及びトンネル絶縁膜32の一部と、絶縁膜41の一部とが除去された空間に導電体層78が形成され、その後エッチバックされる。その結果、図25に示すように、メモリピラーMPの半導体層31と、支持柱HRの導電体層40と、ソース線部(導電体層61、78、及び63の組)とが電気的に接続される。導電体層78としては、例えばリンがドープされたポリシリコンが形成される。
次に、積層配線部の置換処理が実行される。積層配線部の置換処理では、まずスリットSLT内で露出した導電体層61、78、及び63(ポリシリコン膜)の表面が酸化され、酸化保護膜(図示せず)が形成される。その後、例えば熱リン酸によるウェットエッチングによって、図26に示すように、スペーサ77並びに犠牲部材66及び71が除去される。犠牲部材66及び71が除去された構造体は、例えばメモリピラーMP及び支持柱HRによってその立体構造が維持される。尚、ポリシリコン膜の表面に酸化保護膜を形成する際には、スペーサ77の表面には酸化保護膜を形成しない。つまり、本工程において酸化保護膜を形成する際には、例えば選択酸化が実行される。
そして、例えばCVDによって、犠牲部材66及び71が除去された空間に、導電体層23、24、及び25に対応する導電体が形成される。導電体層23、24、及び25に対応する導電体としては、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)等のブロック膜が形成された後に、タングステン等の金属膜が埋め込まれてもよい。
それから、スリットSLT内に形成された導電体が、例えばウェットエッチングによって除去され、異なる層に設けられた複数の導電体層23、24、及び25とが、それぞれ分離される。その結果、図27に示すように、例えばワード線WL0〜WL7にそれぞれ対応する複数の導電体層23と、ワード線WL8〜WL15にそれぞれ対応する複数の導電体層24と、選択ゲート線SGDに対応する導電体層25とがそれぞれ形成される。
その後、図28に示すように、スリットSLT内に絶縁体79が形成される。本工程では、スリットSLT内に絶縁体79が埋め込まれる前に、スリットSLTの側壁として窒化シリコン等が形成されても良い。
以上で説明した製造工程によって、NANDストリングNSと、NANDストリングNSに接続されるソース線SL、選択ゲート線SGS及びSGD、ワード線WL、支持柱HR、並びにコンタクトC4とのそれぞれが形成される。尚、以上で説明した製造工程はあくまで一例であり、各製造工程の間にその他の処理が挿入されても良い。
[3]実施形態の効果
以上で説明した実施形態に係る半導体記憶装置1によれば、半導体記憶装置1の歩留まりを向上させることが出来る。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1の詳細な効果について説明する。
以上で説明した実施形態に係る半導体記憶装置1によれば、半導体記憶装置1の歩留まりを向上させることが出来る。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1の詳細な効果について説明する。
メモリセルが三次元に積層された半導体記憶装置では、例えば半導体基板の上方にソース線SL、選択ゲート線SGS、ワード線WL、選択ゲート線SGDを含む積層配線が設けられる。そして、メモリピラーMPが、ソース線SLの上方の積層配線を貫通して設けられ、最下層に配置されたソース線SLに電気的に接続される。このように、半導体基板の上方にメモリセルアレイが設けられた構造を有する半導体記憶装置では、ソース線SLに電圧を印加するための配線が、メモリセルアレイ下、すなわち半導体基板とソース線SLとの間に設けられることがある。
積層配線を有するメモリセルアレイの製造工程では、例えば、積層配線の置換処理が行われる。積層配線の置換処理では、まず犠牲部材及び絶縁体層が交互に積層される。そして、例えば当該積層構造にメモリピラーMP、支持柱HR、及びコンタクトC4を形成した後に、犠牲部材が除去され、犠牲部材が除去された空間に導電体が形成される。犠牲部材が除去された際のセル領域CA内の立体構造は、複数のメモリピラーMPによって維持され、コンタクト領域C4tap内の立体構造は、複数の支持柱HR及び複数のコンタクトC4によって維持される。
また、メモリセルアレイ下の配線を有する半導体記憶装置では、例えばソース線SLとメモリセルアレイ下の配線とを電気的に接続するために、ソース線SLに接続され且つソース線SLよりも上層の積層配線を貫通するコンタクトと、メモリセルアレイ下の配線に接続され且つ上端の高さがソース線SLを含む積層配線における最上層配線(選択ゲート線SGD)の高さよりも高いコンタクトC4とが使用される。そして、ソース線SLは、これらの2種類のコンタクトとメモリセルアレイの上方の配線とを経由することによって、メモリセルアレイ下の配線に電気的に接続される。
ソース線SLとメモリセルアレイ下の配線とを接続するための2種類のコンタクトは、一方がソース線SL上に設けられ、他方がメモリセルアレイ下の配線上に設けられる。これらの2種類のコンタクトは、何れも積層配線の高さに対応した深さを有するホール内に形成されるコンタクトであり、製造コストを抑制するためにも同一の工程で形成されることが好ましい。つまり、これらの2種類のコンタクトが同一の工程で形成される場合、底部の目標位置が異なる2種類のコンタクトホールを同時に形成することになる。しかしながら、このような2種類のコンタクトホールを形成するエッチングは難易度が高く、コンタクトホールの底部の位置にばらつきが生じ得る。そして、このばらつきの影響によりソース線SL起因の不良が発生し、半導体記憶装置の歩留まりが低下する懸念がある。
これに対して、実施形態に係る半導体記憶装置1は、コンタクト領域C4tapに設けられた複数の支持柱HRを、ソース線SLとメモリセルアレイ下の配線とを電気的に接続するためのコンタクトとして使用する。具体的には、実施形態に係る半導体記憶装置1では、複数の支持柱HRがソース線SLと重なって設けられ、支持柱HRの各々が、積層配線を貫通して設けられた導電体層40を含んでいる。そして、導電体層40の各々は、ソース線SL(導電体層21)が設けられた層において、メモリピラーMPと同様に、側面を介してソース線SLと電気的に接続される。
また、複数の支持柱HRには、その上部にコンタクトHRCが接続されたものと、上部コンタクトが接続されていないものが含まれている。そして、コンタクトHRCが接続された支持柱HRは、積層配線を貫通し且つメモリセルアレイ下の配線と接続されたコンタクトC4と電気的に接続される。つまり、実施形態に係る半導体記憶装置1では、ソース線SL(導電体層21)が、コンタクトC4と、コンタクトHRCが接続された支持柱HRとを介して、ソース線駆動回路(例えば、ドライバモジュール14)と電気的に接続される。
その結果、実施形態に係る半導体記憶装置1は、支持柱HRを介してソース線SLを駆動することが出来る。また、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法は、支持柱HRがソース線SLに対するコンタクトとして使用されるため、コンタクトC4に対応するコンタクトホールC4Hの形成工程において、コンタクトホールC4Hの底部の目標位置を1種類にすることが出来る。これにより、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法は、コンタクトホールC4Hの加工難易度を低減することができ、歩留まりを向上することが出来る。
また、支持柱HRに含まれる導電体層40は、ソース線SLが設けられる層において、側面を介してソース線SLと電気的に接続されている。これは、メモリピラーMPに含まれる半導体層31とソース線SLとの接続と同様である。すなわち、支持柱HRに含まれる導電体層40をソース線SLと接続するための工程と、メモリピラーMPに含まれる半導体層31をソース線SLと接続するための工程とは、同一の工程で実行することが出来る。これにより、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法は、製造工程を削減でき、製造コストを抑制することが出来る。
また、半導体記憶装置1が、メモリピラーMPが2本以上のピラーが連結された構造、すなわち下層のメモリホールLMH内に形成される第1部分と、上層のメモリホールUMH内に形成される第2部分とを有している場合、例えば支持柱HRもメモリピラーMPと同様に2本以上のピラーが連結された構造に形成される。この場合に、下層の積層配線を貫通し且つ支持柱HRに対応するホールLHRの加工と、メモリホールLMHの加工とは、一括で行われても良い。その結果、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法は、支持柱HRの形成とメモリピラーのMPの形成の一部工程を共通化することで製造工程を削減でき、製造コストを抑制することができる。
また、実施形態に係る半導体記憶装置1では、ソース線SLと電気的に接続された複数の支持柱HRが、それぞれの支持柱HR上に設けられたコンタクトHRCを介して、1つの配線ICと電気的に接続され、配線ICを介して、コンタクトC4と電気的に接続されている。つまり、ソース線SLとコンタクトC4の間の電気的接続では、複数の支持柱HRが共通の配線ICに対して並列接続されている。例えば、支持柱HRの形成とメモリピラーのMPの形成の一部工程を共通化する場合、一般に支持柱HRの外径はコンタクトC4の外径よりも小さく設計されるが、ソース線SLに対するコンタクトとして使用される支持柱HRが複数並列接続されることによって、ソース線SL及びコンタクトC4間の電流経路における電気抵抗が抑制される。また、支持柱HRに含まれる導電体層40をその側面を介してソース線SLと電気的に接続させることで、支持柱HRの外径によらず導電体層40とソース線SLとの接触面積をZ方向に確保することが可能であり、各支持柱HRのソース線SLとの接触面におけるコンタクト抵抗を下げることが出来る。
尚、以上で説明された複数の支持柱HRは、積層配線の置換処理を実行する際に立体構造を維持する柱として使用されている部材である。そして、実施形態に係る半導体記憶装置1は、複数の支持柱HRの一部を、ソース線駆動回路とソース線SLとの間を電気的に接続するコンタクトとして利用している。つまり、実施形態に係る半導体記憶装置1は、最小限の設計変更で実現することが出来、メモリセルアレイ10の面積増加、及び製造コストを抑制することが出来る。
[4]その他の変形例等
上記実施形態において、メモリセルアレイ10の構造はその他の構造であっても良い。例えば、メモリピラーMPは、連結された構造を持たない単一のピラーで構成されても良いし、複数のピラーがZ方向に3本以上連結された構造であっても良い。また、メモリピラーMPは、選択ゲート線SGDに対応するピラーと、ワード線WLに対応するピラーとが連結された構造であっても良い。スリットSLT内は、複数種類の絶縁体により構成されても良い。各メモリピラーMPと重なるビット線BLの本数は、任意の本数に設計され得る。
上記実施形態において、メモリセルアレイ10の構造はその他の構造であっても良い。例えば、メモリピラーMPは、連結された構造を持たない単一のピラーで構成されても良いし、複数のピラーがZ方向に3本以上連結された構造であっても良い。また、メモリピラーMPは、選択ゲート線SGDに対応するピラーと、ワード線WLに対応するピラーとが連結された構造であっても良い。スリットSLT内は、複数種類の絶縁体により構成されても良い。各メモリピラーMPと重なるビット線BLの本数は、任意の本数に設計され得る。
図29は、実施形態の第1変形例に係る半導体記憶装置のセル領域CA及びコンタクト領域C4tapにおける断面構造の一例であり、図8に示された領域と同様の領域に対応している。図29に示すように、メモリピラーMP及び支持柱HRのそれぞれは、底部において導電体層21と接触していても良い。
具体的には、上記実施形態では、メモリピラーMPの側面に設けられた側面接触部SC1を介して、半導体層31と導電体層21とが電気的に接続される場合について例示したが、半導体層31と導電体層21とは、メモリピラーMPの底部を介して電気的に接続されても良い。この場合、メモリピラーMPの底部に形成されたトンネル絶縁膜32、絶縁膜33、及びブロック絶縁膜34それぞれの一部が除去され、当該部分を介して半導体層31と導電体層21とが接触した構造が形成される。
また、支持柱HRについても、同様の変形が可能である。上記実施形態では、支持柱HRの側面に設けられた側面接触部SC2を介して、導電体層40と導電体層21とが電気的に接続される場合について例示したが、導電体層40と導電体層21とは、支持柱HRの底部を介して電気的に接続されても良い。この場合、支持柱HRの底部に形成された絶縁膜41の一部が除去され、当該部分を介して導電体層40と導電体層21とが接触した構造が形成される。
図30は、実施形態の第2変形例に係る半導体記憶装置1のセル領域CA及びコンタクト領域C4tapにおける断面構造の一例を示している。図30に示すように、実施形態の第2変形例では、実施形態に示したコンタクト領域C4tapの構造に対して、図7で説明したコンタクトC4を含む領域PRにおける断面構造が異なっている。
具体的には、例えばコンタクトC4の周囲には、絶縁体が埋め込まれたスリット80が設けられる。スリット80は、Y方向に隣り合うスリットSLT間におけるコンタクトC4を含む領域PRにおいて、少なくとも導電体層23〜25が設けられた配線層を局所的に分断している。そして、導電体層23〜25が設けられた配線層のそれぞれで、スリット80によって囲まれた部分には、それぞれ絶縁体層82が設けられている。絶縁体層82は、例えば実施形態で説明した積層配線の置換処理で除去される犠牲部材66又は71であり、積層配線の置換処理の際にスリット80内の絶縁体をストッパーとして機能させることで、スリット80によって囲まれた部分に残留した犠牲部材66又は71に相当する。これに限定されず、絶縁体層82としては、犠牲部材66及び71を除去した空間に埋め込まれたその他の絶縁部材(例えば酸化膜)であっても良い。また、導電体層22は、平面視において絶縁体層27と重なる領域が、絶縁体層81に置き換えられても良い。さらに、絶縁膜51を省略してもよい。
以上のように、コンタクトC4は、実施形態のように導電体層22〜25を直接貫通していなくても良く、絶縁体層81及び82を貫通して設けられてもよい。このように、上記実施形態において、コンタクトC4の周囲の構造は適宜変更することが可能である。
上記実施形態で説明した製造方法では、メモリピラーMPを形成した後、支持柱HRを形成する場合について例示したが、これに限定されない。支持柱HRを形成した後に、メモリピラーMPを形成しても良い。この場合、メモリピラーMPの高さは、支持柱HRの高さよりも高くなっても良い。
上記実施形態では、半導体記憶装置1がメモリセルアレイ10下にセンスアンプモジュール16等の回路が設けられた構造を有する場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、半導体記憶装置1は、センスアンプモジュール16等が設けられたチップと、メモリセルアレイ10が設けられたチップとが貼り合わされた構造であっても良い。
上記実施形態では、ワード線WLと選択ゲート線SGSとが隣り合い、ワード線WLと選択ゲート線SGDとが隣り合う構造について説明したが、これに限定されない。例えば、最上層のワード線WLと選択ゲート線SGDとの間には、ダミートランジスタに対応するダミーワード線が設けられても良い。同様に、最下層のワード線WLと選択ゲート線SGSとの間には、ダミーワード線が設けられても良い。また、Z方向に連結されたメモリピラーMPの接合部の近傍における導電体層がダミーワード線として使用されても良い。
上記実施形態で説明に使用した図面では、支持柱HRやコンタクトC4がテーパー形状を有している場合を例示したが、これに限定されない。例えば、支持柱HRやコンタクトC4は、逆テーパー形状を有していても良いし、中間部分が膨らんだ形状を有していても良い。同様に、メモリピラーMPやスリットSLTが逆テーパー形状を有していても良いし、中間部分が膨らんだ形状を有していても良い。また、上記実施形態では、支持柱HR、コンタクトC4、及びメモリピラーMPのそれぞれの断面構造が円形である場合について例示したが、これらの断面構造は楕円形であっても良く、任意の形状に設計され得る。
尚、本明細書において“外径”とは、例えばメモリピラーMPのブロック絶縁膜34の外径、又は支持柱HRの絶縁膜41の外径、又はコンタクトC4の絶縁膜51の外径のことを示している。ある部材の外径が他の部材の外径と比べて大きい又は小さいとは、同一の層における外径の大小関係を示している。言い換えると、第1部材と第2部材との間の外径の比較には、半導体基板20の表面と平行且つ同一の断面における第1部材及び第2部材のそれぞれの外径が使用される。
本明細書において“高さ”とは、半導体基板20の表面と、対象の部分との間の、半導体基板20の表面に鉛直な方向における間隔のことを示している。“高さ”の基準としては、半導体基板20以外の構成が使用されても良い。例えば、半導体記憶装置1が、メモリセルアレイ10が形成されたチップとセンスアンプモジュール16等の周辺回路が形成されたチップとが貼り合わせられた構成を有する場合、“高さ”の基準としては、半導体基板20の代わりにソース線SL(導電体層21)等が使用され得る。
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、変更を行うことが出来る。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共に、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…半導体記憶装置、2…メモリコントローラ、10…メモリセルアレイ、11…コマンドレジスタ、12…アドレスレジスタ、13…シーケンサ、14…ドライバモジュール、15…ロウデコーダモジュール、16…センスアンプモジュール、20…半導体基板、21〜26…導電体層、27…絶縁体層、28…導電体層、30…コア部材、31…半導体層、32…トンネル絶縁膜、33…絶縁膜、34…ブロック絶縁膜、35…半導体部、40…導電体層、41…絶縁膜、50…導電体層、51…絶縁膜、D2…導電体層、BL…ビット線、WL…ワード線、SGS,SGD…選択ゲート線、SL…ソース線、MP…メモリピラー、HR…支持柱、C4,MPC,HRC,C4C…コンタクト、IC…配線
Claims (5)
- 基板の上方に第1絶縁体層を介して設けられた第1導電体層と、
前記第1導電体層の上方で、互いが第1方向に離れて積層された複数の第2導電体層と、
前記第1方向に沿って前記複数の第2導電体層を貫通し、側面の一部が前記第1導電体層と接触した第1半導体層と、前記第1半導体層と前記複数の第2導電体層との間に設けられた第2絶縁体層とを含み、前記第2導電体層との交差部分がメモリセルトランジスタとして機能する第1ピラーと、
前記第1方向に沿って前記複数の第2導電体層を貫通し、側面の一部が前記第1導電体層と接触した第3導電体層と、前記第3導電体層と前記複数の第2導電体層との間に設けられた第3絶縁体層とを含む第1コンタクトと、
前記第1コンタクトを介して前記第1導電体層と電気的に接続されたソース線駆動回路と
を備える、半導体記憶装置。 - 前記基板と前記第1導電体層との間に設けられた第4導電体層と、
前記第1方向に沿って延伸し且つ前記第4導電体層上に設けられた第5導電体層を含む第2コンタクトと
を更に備え、
前記第2コンタクトの高さは、前記複数の第2導電体層の最上層の高さよりも高く、
前記ソース線駆動回路は、前記第4導電体層及び前記第2コンタクトを介して前記第1コンタクトと電気的に接続される、
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2コンタクトの外径は、前記第1コンタクトの外径よりも大きい、
請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記複数の第2導電体層の上方に設けられ、前記第2コンタクトと電気的に接続された配線をさらに備え、
前記第3導電体層及び前記第3絶縁体層を含む前記第1コンタクトが複数設けられ、
前記複数の第1コンタクトは、共通の前記配線と電気的に接続されている、
請求項2又は3に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1ピラーは、前記第1導電体層に接触した第1部分と、前記第1部分上に設けられた第2部分とを含み、
前記第1コンタクトは、前記第1導電体層に接触した第3部分と、前記第3部分上に設けられた第4部分とを含み、
前記第1部分の上端の高さと前記第3部分の上端の高さとは略等しく、
前記第2部分の上端の高さと前記第4部分の上端の高さとは異なる、
請求項1に記載の半導体記憶装置。
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