JP2020161816A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】好適に動作する半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、基板と、基板の表面と交差する第1方向に配列された複数の第1半導体部と、第1方向に延伸し第1方向と交差する第2方向から複数の第1半導体部に対向する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられた第1絶縁部と、第1方向において第1ゲート電極と離間する第1配線と、第1ゲート電極の第1方向の一端及び第1配線に接続された第2半導体部と、第2半導体部に対向する第2ゲート電極と、第2半導体部及び第2ゲート電極の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。【選択図】図7
Description
以下に記載された実施形態は、半導体記憶装置に関する。
三次元状に配列された複数のメモリトランジスタを含む半導体記憶装置が知られている。この様な半導体記憶装置では、例えば、メモリトランジスタのチャネル領域として機能する半導体部、又は、メモリトランジスタのゲート電極として機能する導電部が、基板の表面と交差する方向に延伸している。また、メモリトランジスタのゲート絶縁膜は、フローティングゲート又は窒化シリコン部等の電荷蓄積部、強誘電体部、又はその他のデータの記録が可能なメモリ部を含む。
好適に動作する半導体記憶装置を提供する。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、基板と、基板の表面と交差する第1方向に配列された複数の第1半導体部と、第1方向に延伸し第1方向と交差する第2方向から複数の第1半導体部に対向する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられた第1絶縁部と、第1方向において第1ゲート電極と離間する第1配線と、第1ゲート電極の第1方向の一端及び第1配線に接続された第2半導体部と、第2半導体部に対向する第2ゲート電極と、第2半導体部及び第2ゲート電極の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、基板と、基板の表面と交差する第1方向において基板から離間して設けられ、第1方向と交差する第2方向に延伸する第1半導体部と、第1方向に延伸する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられ、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む第1絶縁部と、第1半導体部及び第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、第1半導体部及び第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。第1導電部の第1半導体部に対する対向面の面積は、第1導電部の第1ゲート電極に対する対向面の面積よりも大きい。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1方向に延伸する第1半導体部と、第1方向と交差する第2方向に延伸する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられ、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む第1絶縁部と、第1半導体部及び第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、第1半導体部及び第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。第1方向、並びに、第1方向及び第2方向と交差する第3方向に延伸し、第1半導体部の一部、第1ゲート電極の一部、第1絶縁部の一部、第1導電部の一部及び第2絶縁部の一部を含む断面を第1の断面とすると、第1半導体部は、第1の断面において、第1方向に延伸する第1部分と、第1部分に接続され第3方向における位置が第1部分の第3方向における位置よりも第1ゲート電極に近く第1導電部の第1方向の一方側の側面に対向する第2部分と、第1部分に接続され第3方向における位置が第1部分の第3方向における位置よりも第1ゲート電極に近く第1導電部の第1方向の他方側の側面に対向する第3部分と、を備える。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1方向に延伸し第1方向と交差する第2方向において隣り合う第1半導体部及び第2半導体部と、第1半導体部及び第2半導体部の間に設けられ第1方向において隣り合う第1ゲート電極及び第2ゲート電極と、を備える。また、この半導体記憶装置は、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられた第1絶縁部、第1半導体部及び第1絶縁部の間に設けられた第1導電部、及び、第1半導体部及び第1導電部の間に設けられた第2絶縁部を備える。また、この半導体記憶装置は、第1半導体部及び第2ゲート電極の間に設けられた第3絶縁部、第1半導体部及び第3絶縁部の間に設けられた第2導電部、及び、第1半導体部及び第2導電部の間に設けられた第4絶縁部を備える。また、この半導体記憶装置は、第2半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられた第5絶縁部、第2半導体部及び第5絶縁部の間に設けられた第3導電部、及び、第2半導体部及び第3導電部の間に設けられた第6絶縁部を備える。また、この半導体記憶装置は、第2半導体部及び第2ゲート電極の間に設けられた第7絶縁部、第2半導体部及び第7絶縁部の間に設けられた第4導電部、及び、第2半導体部及び第4導電部の間に設けられた第8絶縁部を備える。第1絶縁部、第3絶縁部、第5絶縁部及び第7絶縁部は、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む。第1半導体部は、第1導電部に対向する第1部分と、第2導電部に対向する第2部分と、第1部分及び第2部分の間に設けられた第3部分と、を備える。第2半導体部は、第3導電部に対向する第4部分と、第4導電部に対向する第5部分と、第4部分及び第5部分の間に設けられた第6部分と、を備える。第1導電部、第1絶縁部、第1ゲート電極、第5絶縁部及び第3導電部の第2方向における長さを第1の長さとし、第2導電部、第3絶縁部、第2ゲート電極、第7絶縁部及び第4導電部の第2方向における長さを第2の長さとし、第1半導体部の第3部分及び第2半導体部の第6部分の間の第2方向における距離を第1の距離とすると、第1の長さは第1の距離よりも大きく、第2の長さは第1の距離よりも大きい。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、基板と、基板の表面と交差する第1方向において基板から離間して設けられ、第1方向と交差する第2方向に延伸する第1半導体部と、第1方向に延伸する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられ、強誘電体を含む第1絶縁部と、第1半導体部及び第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、第1半導体部及び第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。第1導電部の第1半導体部に対する対向面の面積は、第1導電部の第1ゲート電極に対する対向面の面積よりも大きい。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1方向に延伸する第1半導体部と、第1方向と交差する第2方向に延伸する第1ゲート電極と、第1半導体部及び第1ゲート電極の間に設けられ、強誘電体を含む第1絶縁部と、第1半導体部及び第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、第1半導体部及び第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と、を備える。第1方向、並びに、第1方向及び第2方向と交差する第3方向に延伸し、第1半導体部の一部、第1ゲート電極の一部、第1絶縁部の一部、第1導電部の一部及び第2絶縁部の一部を含む断面を第1の断面とすると、第1半導体部は、第1の断面において、第1方向に延伸する第1部分と、第1部分に接続され第3方向における位置が第1部分の第3方向における位置よりも第1ゲート電極に近く第1導電部の第1方向の一方側の側面に対向する第2部分と、第1部分に接続され第3方向における位置が第1部分の第3方向における位置よりも第1ゲート電極に近く第1導電部の第1方向の他方側の側面に対向する第3部分と、を備える。
次に、実施形態に係る半導体記憶装置を、図面を参照して詳細に説明する。尚、これらの実施形態はあくまでも一例であり、本発明を限定する意図で示されるものではない。
また、各図面は模式的なものであり、一部の構成等が省略される場合がある。また、各実施形態において共通の部分には共通の符号を付し、説明を省略する場合がある。
また、本明細書においては、基板の表面に対して平行な所定の方向をX方向、基板の表面に対して平行で、X方向と垂直な方向をY方向、基板の表面に対して垂直な方向をZ方向と呼ぶ。
また、本明細書においては、所定の面に沿った方向を第1方向、この所定の面に沿って第1方向と交差する方向を第2方向、この所定の面と交差する方向を第3方向と呼ぶことがある。これら第1方向、第2方向及び第3方向は、X方向、Y方向及びZ方向のいずれかと対応していても良いし、対応していなくても良い。
また、本明細書において、「上」や「下」等の表現は、基板を基準とする。例えば、上記第1方向に沿って基板から離れる向きを上と、第1方向に沿って基板に近付く向きを下と呼ぶ。また、ある構成について下面や下端と言う場合には、この構成の基板側の面や端部を意味する事とし、上面や上端と言う場合には、この構成の基板と反対側の面や端部を意味する事とする。また、第2方向又は第3方向と交差する面を側面等と呼ぶ。
また、本明細書において、構成、部材等について、所定方向の「幅」又は「厚み」と言った場合には、SEM(Scanning electron microscopy)やTEM(Transmission electron microscopy)等によって観察された断面等における幅又は厚みを意味することがある。
[第1実施形態]
[構成]
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の模式的な図である。本実施形態に係る半導体記憶装置は、メモリセルアレイMCAと、メモリセルアレイMCAに電圧を供給する図示しない周辺回路と、を備える。メモリセルアレイMCAは、複数のメモリ層ML0〜MLk(kは自然数)と、トランジスタ層TLと、を備える。
[構成]
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の模式的な図である。本実施形態に係る半導体記憶装置は、メモリセルアレイMCAと、メモリセルアレイMCAに電圧を供給する図示しない周辺回路と、を備える。メモリセルアレイMCAは、複数のメモリ層ML0〜MLk(kは自然数)と、トランジスタ層TLと、を備える。
複数のメモリ層ML0〜MLkには、それぞれ、ドレイン選択線SGD0〜SGDkと、ソース選択線SGS0〜SGSkと、が接続されている。また、複数のメモリ層ML0〜MLkには、複数のビット線BL0〜BLl(lは自然数)と、ソース線SLと、が共通に接続されている。
トランジスタ層TLには、複数のグローバルワード線GWLa0〜GWLam,GWLb0〜GWLbm(mは自然数)が接続されている。また、トランジスタ層TLには、複数のワード線選択線SGWa0〜SGWal,SGWb0〜SGWblが接続されている。
図2は、ビット線BL1及びソース線SLの間に接続された構成を例示する模式的な等価回路図である。図2にはビット線BL1及びソース線SLの間に接続された構成を例示しているが、その他のビット線BL0,BL2〜BLl及びソース線SLの間にも、同様の構成が接続されている。
ビット線BL1及びソース線SLの間には、メモリ層ML0〜MLkに対応する複数のメモリグループMGが並列に接続されている。また、これら複数のメモリグループMGには、トランジスタ層TLに対応するトランジスタグループTGが共通に接続されている。
メモリグループMGは、ビット線BL1及びソース線SLの間に並列に接続された2つのメモリストリングMSa,MSbを備える。また、メモリグループMGは、メモリストリングMSa,MSb及びビット線BLの間に設けられたドレイン選択トランジスタSTDと、メモリストリングMSa,MSb及びソース線SLの間に設けられたソース選択トランジスタSTSと、を備える。
メモリストリングMSaは、直列に接続された複数のメモリセルMCa0〜MCamを備える。これら複数のメモリセルMCa0〜MCamは、半導体部と、この半導体部に対向するゲート電極と、これら半導体部及びゲート電極の間に設けられたゲート絶縁膜と、を備える電界効果型のトランジスタである。ゲート絶縁膜の電気的特性は書込動作及び消去動作に応じて変化し、これに伴ってメモリセルMCのしきい値電圧も変化する。メモリセルMCa0〜MCamは、これによって1ビット又は複数ビットのデータを記憶可能である。メモリセルMCa0〜MCamのゲート電極には、それぞれ、ローカルワード線LWLa0〜LWLamが接続されている。これら複数のローカルワード線LWLa0〜LWLamは、それぞれ、各メモリ層ML0〜MLkに含まれる複数のメモリセルMCa0〜MCamのゲート電極に共通に接続されている。
メモリストリングMSbは、直列に接続された複数のメモリセルMCb0〜MCbmを備える。これら複数のメモリセルMCb0〜MCbmは、メモリセルMCa0〜MCamと同様に構成されている。メモリセルMCb0〜MCbmのゲート電極には、それぞれ、ローカルワード線LWLb0〜LWLbmが接続されている。これら複数のローカルワード線LWLb0〜LWLbmは、それぞれ、各メモリ層ML0〜MLkに含まれる複数のメモリセルMCb0〜MCbmのゲート電極に共通に接続されている。
ドレイン選択トランジスタSTDのゲート電極には、ドレイン選択線SGD0〜SGDkのいずれかが接続されている。尚、同一のメモリ層MLz(zは0以上k以下の整数)に含まれる複数のドレイン選択トランジスタSTDのゲート電極には、それぞれ、ドレイン選択線SGDzが共通に接続されている。
ソース選択トランジスタSTSのゲート電極には、ソース選択線SGS0〜SGSkのいずれかが接続されている。尚、同一のメモリ層MLzに含まれる複数のソース選択トランジスタSTSのゲート電極には、それぞれ、ソース選択線SGSzが共通に接続されている。
トランジスタグループTGは、複数のローカルワード線LWLa0〜LWLam及びグローバルワード線GWLa0〜GWLamの間にそれぞれ接続された複数のワード線選択トランジスタSTWa0〜STWamを備える。これらのゲート電極には、ワード線選択線SGWa0〜SGWalが共通に接続されている。また、トランジスタグループTGは、複数のローカルワード線LWLb0〜LWLbm及びグローバルワード線GWLb0〜GWLbmの間にそれぞれ接続された複数のワード線選択トランジスタSTWb0〜STWbmを備える。これらのゲート電極には、ワード線選択線SGWb0〜SGWblが共通に接続されている。
次に、図3〜図10を参照して、本実施形態に係る半導体記憶装置の構成例について説明する。
図3は、本実施形態に係る半導体記憶装置の構成例について説明するための模式的な斜視図である。図4は、図3に示した構造から、ビット線BL0〜BLlが設けられるビット線層BLL、及び、グローバルワード線GWLa0〜GWLam,GWLb0〜GWLbmが設けられるワード線層WLLを省略した模式的な斜視図である。図5は、図4に示した構造からトランジスタ層TLを省略した模式的な斜視図である。尚、図4においては、複数の導電部220のうちの一部が省略されている。図3についても同様である。
図6は、同構成例について説明するための模式的なYZ断面図である。図6中に点線で示した構成は、図6に示す断面と異なる断面に表れる構成を模式的に示している。図7は、同構成例について説明するための模式的なXZ断面図である。
図8及び図9は、メモリ層ML0〜MLkの一部の構成を示す模式的なXY断面図である。図10は、トランジスタ層TLの一部の構成に対応する模式的なXY断面図である。
図3に示す様に、本実施形態に係る半導体記憶装置は、基板Sと、基板Sの上方に設けられたメモリセルアレイMCAと、を備える。メモリセルアレイMCAは、Z方向に配列された複数のメモリ層ML0〜MLkと、その上方に設けられたトランジスタ層TLと、その上方に設けられたワード線層WLLと、その上方に設けられたビット線層BLLと、を備える。以下、これらの構成について、順に説明する。
まず、メモリ層ML0〜MLkについて説明する。メモリ層ML0〜MLkは、図5に示す様に、それぞれ、X方向に配列されY方向に延伸する複数の半導体部110と、これら複数の半導体部110の間においてY方向に配列された複数の導電部120の一部と、半導体部110及び導電部120の間に設けられたゲート絶縁膜130と、を備える。また、メモリ層ML0〜MLkは、それぞれ、X方向に並ぶ複数の半導体部110のY方向の端部に対向する導電部140と、半導体部110及び導電部140の間に設けられたゲート絶縁膜150と、を備える。
半導体部110は、例えば、多結晶シリコン(Si)等を含む。半導体部110のX方向の一方側の側面は複数の導電部120と対向し、メモリセルMCa0〜MCamのチャネル領域として機能する。半導体部110のX方向の他方側の側面は複数の導電部120と対向し、メモリセルMCb0〜MCbmのチャネル領域として機能する。半導体部110のY方向の一端部のX方向の両側面及びY方向の側面は導電部140と対向し、ドレイン選択トランジスタSTDのチャネル領域として機能する。また、図6に示す様に、半導体部110のY方向の他端部も導電部140と対向し、ソース選択トランジスタSTSのチャネル領域として機能する。尚、半導体部110の一端部及び他端部は、それぞれ、導電部420及び導電部330に接続されている。
導電部120は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。図8に示す様に、導電部120は例えば、略四角柱状の形状を有する。尚、図示の例において、導電部120のメモリ層ML0〜MLkに含まれる部分のX方向の幅は、メモリ層ML0〜MLkに含まれない部分のX方向の幅よりも小さい。Y方向に並ぶ2つの導電部120の間には、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁部121が設けられる。図7に示す様に、導電部120はZ方向に延伸し、ローカルワード線LWLay又はローカルワード線LWLby(yは0以上m以下の整数)として機能する。また、例えばローカルワード線LWLayに対応する導電部120のX方向の一方側の側面はメモリ層ML0〜MLkに含まれる半導体部110の側面に対向し、ビット線BLxに接続されたメモリセルMCa0〜MCamのゲート電極として機能する。また、導電部120のX方向の他方側の側面はメモリ層ML0〜MLkに含まれる半導体部110の側面に対向し、ビット線BLx−1に接続されたメモリセルMCa0〜MCamのゲート電極として機能する。同様に、ローカルワード線LWLayに対応する導電部120のX方向の側面はメモリ層ML0〜MLkに含まれる半導体部110の側面に対向し、ビット線BLx及びビット線BLx+1に接続されたメモリセルMCb0〜MCbmのゲート電極として機能する。
尚、ローカルワード線LWLa0〜LWLamに対応する導電部120は、X方向及びY方向にマトリクス状に配列されている。また、ローカルワード線LWLb0〜LWLbmに対応する導電部120は、X方向及びY方向にマトリクス状に配列されている。また、ローカルワード線LWLa0〜LWLamに対応する導電部120と、ローカルワード線LWLb0〜LWLbmに対応する導電部120とでは、Y方向における位置が異なっている。例えば、ローカルワード線LWLa0に対応する導電部120のY方向における位置(例えば、XY断面における中心位置又は重心の位置)は、ローカルワード線LWLb0に対応する導電部120のY方向における位置、及び、ローカルワード線LWLb1に対応する導電部120のY方向における位置の間に設けられている。
ゲート絶縁膜130は、図8に示す様に、例えば、強誘電体部131と、酸化シリコン等の絶縁膜132と、を備える。
強誘電体部131は、例えば、直方晶の酸化ハフニウムを含んでも良い。強誘電体膜に含まれる酸化ハフニウムは直方晶を主とするものでも良い。より具体的には、強誘電体膜に含まれる酸化ハフニウムは、第三直方晶(orthorhombic III、空間群Pbc21、空間群番号29番)を主とするものでも良い。強誘電体膜に含まれる酸化ハフニウムの結晶の中で、直方晶の結晶が占める割合が最も多くても良い。なお、直方晶は斜方晶とも称される。
また、強誘電体部131は、例えば、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を主成分とし、シリコン(Si)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、ストロンチウム(Sr)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)及びバリウム(Ba)の少なくとも一つが添加物として添加された膜等である。強誘電体部131は、例えば、Hf1−xMxO2−y(Mは上記添加物のいずれか。xは0より大きく1より小さい。yは0より大きく2より小さい。)を含む。
酸化ハフニウムに強誘電性を発現させる観点から、上記添加元素の濃度は0.1原子%以上60%以下であることが好ましい。酸化ハフニウムに強誘電性を発現させるための上記添加元素の濃度の適切な範囲は、添加元素の種類によって異なる。例えば、添加元素がシリコン(Si)の場合、強誘電性を発現させるための上記添加元素の濃度の適切な範囲は、3原子%以上7原子%以下である。例えば、添加元素がバリウム(Ba)の場合、強誘電性を発現させるための上記添加元素の濃度の適切な範囲は、0.1原子%以上3原子%以下である。例えば、添加元素がジルコニウム(Zr)の場合、強誘電性を発現させるための上記添加元素の濃度の適切な範囲は、10原子%以上60原子%以下である。
導電部140(図9)は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電部140は、例えば図9に示す様に、略櫛状の形状を備える。即ち、X方向に配列されY方向に延伸する複数の第1部分141と、X方向に延伸し複数の第1部分141に接続された第2部分142と、を備える。複数の第1部分141は、それぞれ半導体部110の一端部又は他端部のX方向の側面に対向し、ドレイン選択トランジスタSTD又はソース選択トランジスタSTSのゲート電極として機能する。第2部分142は、ドレイン選択線SGDz又はソース選択線SGSzとして機能する。尚、図6に例示する様に、各メモリ層ML0〜MLkに配置された導電部140には、それぞれ、コンタクト143が接続されている。
ゲート絶縁膜150は、例えば、酸化シリコン等を含む。
次に、トランジスタ層TLについて説明する。トランジスタ層TLは、図4に示す様に、導電部120に対応してX方向及びY方向に配列された複数の半導体部210と、X方向に配列されY方向に延伸し複数の半導体部210の一方側又は他方側の側面に対向する複数の導電部220と、を備える。また、トランジスタ層TLは、図10に示す様に、半導体部210及び導電部220の間に設けられたゲート絶縁膜230を備える。
半導体部210は、例えば、多結晶シリコン(Si)等を含む。半導体部210のX方向の両側面は導電部220に対向し、ワード線選択トランジスタSTWay,STWbyのチャネル領域として機能する。Y方向に並ぶ2つの半導体部210の間には、絶縁部121が設けられる。図7に示す様に、半導体部210は複数の導電部120に対応して設けられ、半導体部210の下端は導電部120に接続されている。従って、図10に示す様に、ローカルワード線LWLa0〜LWLamに対応する導電部120に接続された半導体部210のY方向における位置と、ローカルワード線LWLb0〜LWLbmに対応する導電部120に接続された半導体部210のY方向における位置とでは、Y方向における位置が異なっている。
導電部220は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。図10に示す様に、導電部220はY方向に延伸し、ワード線選択線SGWax,SGWbx(xは0以上l以下の整数)として機能する。また、導電部220はY方向に配列された複数の半導体部210のX方向の側面に対向し、ワード線選択トランジスタSTWa0〜STWam,STWb0〜STWbmのゲート電極として機能する。X方向に並ぶ2つの導電部220の間には、酸化シリコン等の絶縁部221が設けられている。
ゲート絶縁膜230は、例えば、酸化シリコン等を含む。図7に示す様に、本実施形態に係るゲート絶縁膜230は、導電部220の上面、下面及びX方向の側面を覆う。ただし、ゲート絶縁膜230の具体的な構成は適宜変更可能であり、導電部220の上面及び下面を覆っていなくても良い。
次に、ワード線層WLLについて説明する。ワード線層WLLは、例えば図6に示す様に、Y方向に並ぶ複数の導電部310及び導電部320を備える。
導電部310は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電部310は、例えば図7に示す様にX方向に延伸し、X方向に並ぶ複数の半導体部210の上端に共通に接続されている。導電部310は、それぞれ、グローバルワード線GWLay,GWLbyとして機能する。
導電部320(図6)は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電部320は、例えば図6に示す様に、Z方向に延伸する導電部330を介して、メモリ層ML0〜MLkの半導体部110に共通に接続されている。導電部320はソース線SLとして機能する。導電部330はソース線コンタクトSLCとして機能する。
次に、ビット線層BLLについて説明する。ビット線層BLLは、例えば図3に示す様に、X方向に並びY方向に延伸する複数の導電部410を備える。
導電部410は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。図6に示す様に、導電部410は、Z方向に延伸する導電部420を介して、メモリ層ML0〜MLkの半導体部110に共通に接続されている。導電部410は、ビット線BLxとして機能する。導電部420はビット線コンタクトBLCとして機能する。
[製造方法]
次に、図11〜図39を参照して、図3〜図10を参照して説明した構成の製造方法を例示する。図11、図15、図19、図21、図23、図25、図27、図29〜図33、は、図7に対応するXZ断面図である。図12、図13、図34、図35は、図6に対応するYZ断面図である。図14、図18、図20、図22、図24、図26、図28は、図8に対応するXY断面図である。図16、図17、図36〜図39は、図9に対応するXY断面図である。
次に、図11〜図39を参照して、図3〜図10を参照して説明した構成の製造方法を例示する。図11、図15、図19、図21、図23、図25、図27、図29〜図33、は、図7に対応するXZ断面図である。図12、図13、図34、図35は、図6に対応するYZ断面図である。図14、図18、図20、図22、図24、図26、図28は、図8に対応するXY断面図である。図16、図17、図36〜図39は、図9に対応するXY断面図である。
同製造方法においては、例えば図11に例示する様に、基板S(図3)の上方に複数の半導体部110A及び絶縁部111を交互に形成する。また、この構造の上面に、絶縁部111と、窒化シリコン(Si3N4)等の犠牲膜220Aと、絶縁部111と、を形成する。この工程は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の方法によって行う。
次に、図11に例示する構造に対して図示しないビアホールを形成し、図12に例示する様に、このビアホールを介して半導体部110Aの一部を選択的に除去する。ビアホールの形成は、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の方法によって行う。半導体部110Aの除去は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行う。
次に、例えば図13に例示する様に、上記ビアホールを介して、絶縁部111の上面及び下面、並びに、半導体部110Aの側面に、酸化シリコン等の絶縁部150Aと、窒化チタン及びタングステンの導電部140Aと、を形成する。この工程は、例えば、CVDの方法によって行う。
次に、例えば図14及び図15に例示する様に、図13に例示した構造に対して複数のメモリトレンチMTを形成する。メモリトレンチMTは、X方向に配列され、Z方向及びY方向に延伸する。これにより、Z方向に積層された複数の半導体部110AがX方向に分断され、複数の半導体部110が形成される。
尚、例えば図16及び図17に例示する様に、メモリトレンチMTのY方向の端部は、導電部140Aに達する。従って、メモリトレンチMTが形成されると、導電部140Aは略櫛状に形成される。
次に、例えば図18及び図19に例示する様に、メモリトレンチMTに絶縁部121を形成する。また、Z方向に延伸し絶縁部121を貫通するホールAHを形成する。絶縁部121の形成は、例えば、CVD等の方法によって行われる。ホールAHの形成は、例えば、RIE等の方法によって行われる。
次に、例えば図20及び図21に例示する様に、ホールAHを介して、半導体部110の一部を選択的に除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。
次に、例えば図22及び図23に例示する様に、ホールAHを介して、半導体部110及び絶縁部111の露出面に対して絶縁膜132を形成する。この工程は、例えば、CVD等の方法によって行われる。絶縁膜132は、ホールAHが埋め込まれない程度に薄く形成される。
次に、例えば図24及び図25に例示する様に、ホールAHを介して、絶縁膜132に強誘電体部131を形成する。この工程は、例えば、CVD等の方法によって行われる。強誘電体部131は、ホールAHが埋め込まれない程度に薄く形成される。
次に、例えば図26及び図27に例示する様に、ホールAHを介して強誘電体部131及び絶縁膜132の一部を除去し、強誘電体部131及び絶縁膜132をZ方向に分断する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。
次に、例えば図28及び図29に例示する様に、ホールAHを介して絶縁部111の一部を選択的に除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。尚、図28中に点線で示した部分は、図28に示す断面と異なる断面に表れるホールAHの内周面を模式的に示している。
次に、例えば図30に例示する様に、ホールAHの内部に導電部120を形成する。この工程は、例えば、CVD及びウェットエッチング等の方法によって行われる。これにより、図8に例示した様な構造が形成される。
次に、例えば図31に例示する様に、導電部120の一部を除去し、ホールAHの内部に半導体部210を形成する。導電部120の除去は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。半導体部210の形成は、例えば、CVD及びRIEによるエッチバック等の方法によって行われる。
次に、例えば図32に例示する様に、トレンチGTを形成する。トレンチGTは、X方向に隣り合う2つの絶縁部121(メモリトレンチMT)の間に設けられ、Z方向及びY方向に延伸する。これにより、犠牲膜220AがX方向に分断される。
次に、例えば図33に例示する様に、トレンチGTを介して犠牲膜220Aを除去し、ゲート絶縁膜230及び導電部220を形成し、形成された導電部220の間に絶縁部221を形成する。犠牲膜220Aの除去は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。ゲート絶縁膜230及び導電部220の形成は、例えば、CVD及びウェットエッチング等の方法によって行われる。絶縁部221の形成は、例えば、CVD等の方法によって行われる。これにより、図10に例示した様な構造が形成される。尚、ゲート絶縁膜230の形成は、例えば、酸化等の方法によって行われても良いし、図31に例示した工程において半導体部210の形成の直前にCVD等の方法によって行われても良い。
次に、例えば図34に例示する様に、ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを形成する。ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHは、それぞれZ方向に延伸し、Z方向に配列された複数の導電部140Aを貫通する。この工程は、例えば、RIE等の方法によって行われる。
次に、例えば図35及び図36に例示する様に、ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを介して、導電部140Aの一部を選択的に除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。
次に、例えば図37に例示する様に、ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを介して、絶縁部121の側面に、窒化チタン及びタングステンの積層構造等を選択的に形成する。この工程は、例えば、CVD等の方法によって行われる。
次に、例えば図38に例示する様に、ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを介して、絶縁部150Aの一部を選択的に除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等の方法によって行われる。
次に、例えば図39に例示する様に、ビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを介して、導電部140のX方向及びY方向の側面にゲート絶縁膜150を形成する。この工程は、例えば、選択酸化又は選択的な成膜によって行われる。
その後、例えばビット線コンタクトホールBLCH及びソース線コンタクトホールSLCHを介したCVD等の方法によって半導体部110のY方向の端部が形成される。これにより、図9に例示した様な構造が形成される。その後、図6等を参照して説明した導電部310、導電部320、導電部330、導電部410、導電部420等の構成を形成することにより、図3〜図10を参照して説明した構造が形成される。
[効果]
図40は、比較例に係る半導体記憶装置の構成例を示す模式的なXZ断面図である。比較例に係る半導体記憶装置は、基本的には第1実施形態に係る半導体記憶装置と同様に構成されている。しかしながら、比較例に係る半導体記憶装置はトランジスタ層TLを有しておらず、ローカルワード線LWLay,LWLbyとして機能する導電部120´が、グローバルワード線GWLay,GWLbyとして機能する導電部310´に直接接続されている。
図40は、比較例に係る半導体記憶装置の構成例を示す模式的なXZ断面図である。比較例に係る半導体記憶装置は、基本的には第1実施形態に係る半導体記憶装置と同様に構成されている。しかしながら、比較例に係る半導体記憶装置はトランジスタ層TLを有しておらず、ローカルワード線LWLay,LWLbyとして機能する導電部120´が、グローバルワード線GWLay,GWLbyとして機能する導電部310´に直接接続されている。
比較例に係る半導体記憶装置は、第1実施形態と同様に、強誘電体部131を備える。強誘電体部131を備える半導体記憶装置は、例えば窒化シリコン等の電荷蓄積膜を利用する半導体記憶装置と比較して、低消費電力での動作が期待されている。
この様な半導体記憶装置の書込動作では、例えば、導電部120´に正の極性を有する書込電圧を供給し、半導体部110に接地電圧又は負の極性を有する電圧を供給することが考えられる。これにより誘電分極が生じ、強誘電体部131の半導体部110側の面に正電荷が誘起される。これに伴い、半導体部110の強誘電体部131側の面に負電荷が誘起される。従って、メモリセルMCのしきい値電圧は負の大きさとなり、メモリセルMCは導電部120´に電圧を印加しない状態でもON状態となる。
また、この様な半導体記憶装置の消去動作では、例えば、導電部120´に接地電圧又は負の極性を有する電圧を供給し、半導体部110に正の極性を有する消去電圧を供給することが考えられる。これにより誘電分極が生じ、強誘電体部131の半導体部110側の面に負電荷が誘起される。これに伴い、半導体部110の強誘電体部131側の面に正電荷が誘起される。従って、メモリセルMCのしきい値電圧は正の大きさとなり、メモリセルMCは導電部120´に電圧を印加しない状態でOFF状態となる。
ここで、例えば強誘電体部131に対して書込動作を行う場合、半導体部110中の電子が絶縁膜132を介して強誘電体部131にトンネルしてしまい、強誘電体部131に蓄積されてしまう場合がある。強誘電体部131に電子が蓄積されてしまうと、この電子との反発によって半導体部110の強誘電体部131側の面に好適に負電荷を誘起出来なくなってしまい、書込動作が好適に実行出来なくなってしまう場合があった。また、同様の現象により、消去動作が好適に実行出来なくなってしまう場合があった。
ここで、強誘電体部131に誘電分極を発生させるために必要な電圧パルスのパルス幅(電圧が供給される時間)と、強誘電体部131に電荷を蓄積させるために必要な電圧パルスのパルス幅とは、大幅に異なる。例えば、所定の条件下において、強誘電体部131における誘電分極は、強誘電体部131に数ns程度のパルス幅を有する電圧パルスを供給することによって発生する。一方、強誘電体部131への電子等の蓄積は、強誘電体部131に数μs程度のパルス幅を有する電圧パルスを供給しないと生じない。従って、好適に動作する半導体記憶装置の提供のためには、導電部120´に供給される電圧パルスのパルス幅を十分小さくすることが考えられる。
しかしながら、比較例に係る半導体記憶装置では、全てのローカルワード線LWLay,LWLbyがグローバルワード線GWLay,GWLbyに直接接続されているため、ローカルワード線LWLay,LWLby及びグローバルワード線GWLay,GWLbyの配線容量が大きくなってしまう場合がある。従って、導電部120´に供給される電圧パルスのパルス幅を、十分小さくすることが出来ない場合がある。
そこで、第1実施形態に係る半導体記憶装置では、ローカルワード線LWLay,LWLbyとグローバルワード線GWLay,GWLbyとの間に、ワード線選択トランジスタSTWay,STWbyを設けている。この様な構成によれば、複数のビット線BL0〜BLlのうち、所定のビット線BLxに対応するローカルワード線LWLay,LWLbyを選択的にグローバルワード線GWLay,GWLbyと導通させることにより、ローカルワード線LWLay,LWLbyの配線容量を大幅に削減して、これらの電圧を高速に制御することが可能となる。これにより、導電部120に供給される電圧パルスのパルス幅を十分小さくして、強誘電体部131への電子等の蓄積を抑制し、好適に動作する半導体記憶装置を提供することが可能となる。尚、書込動作及び消去動作に際して導電部120に供給される電圧パルスのパルス幅は、例えば、1μs未満とすることが考えられる。
尚、ローカルワード線LWLay,LWLbyの配線容量を最小限まで削減するためには、例えば書込動作において、複数のワード線選択線SGWa1〜SGWalのうちの1本のワード線選択線SGWaxを選択的に“H”状態とすることが考えられる。しかしながら、例えばワード線選択線が数千本設けられる場合(“l”が数千である場合)、そのうちの数十本程度を“H”状態としても、ローカルワード線LWLay,LWLbyの配線容量を十分削減可能であると考えられる。また、詳細な構成や動作条件等によっては、複数本のワード線選択線を同時に“H”状態とすることにより、動作の高速化を実現可能であると考えられる。
また、この様な方法は、書込動作だけでなく、消去動作についても適用可能である。この場合には、強誘電体部131に供給される電界の方向が、書込動作とは逆方向になる。この様な方法でも、書込動作と同様の効果が期待される。
[第2実施形態]
図41は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の模式的なYZ断面図である。図42及び図43は、同構成例について説明するための模式的なXZ断面図である。
図41は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の模式的なYZ断面図である。図42及び図43は、同構成例について説明するための模式的なXZ断面図である。
図41に示す様に、第2実施形態に係る半導体記憶装置は、Z方向に配列された複数のメモリ層ML0〜MLkと、その上方に設けられたトランジスタ層TL0と、その上方に設けられたワード線層WLL0と、その上方に設けられたビット線層BLLと、を備える。また、本実施形態に係る半導体記憶装置は、メモリ層ML0〜MLkの下方に設けられたトランジスタ層TL1と、その下方に設けられたワード線層WLL1と、を備える。
メモリ層ML0〜MLk及びビット線層BLLは、第1実施形態に係るメモリ層ML0〜MLk及びビット線層BLLと同様に構成されている。
ここで、図6等を参照して説明した様に、第1実施形態に係るトランジスタ層TLは、ワード線選択トランジスタSTWa0〜STWamに対応する構成と、ワード線選択トランジスタSTWb0〜STWbmに対応する構成と、の双方を含んでいる。一方、図41に示す様に、本実施形態に係るトランジスタ層TL0はワード線選択トランジスタSTWb0〜STWbmに対応する構成を含み、本実施形態に係るトランジスタ層TL1はワード線選択トランジスタSTWa0〜STWamに対応する構成を含んでいる。
即ち、トランジスタ層TL0は、例えば図41及び図42に示す様に、X方向及びY方向に配列された複数の半導体部213と、X方向に配列されY方向に延伸し複数の半導体部213の外周面に対向する複数の導電部223と、半導体部213及び導電部223の間に設けられた酸化シリコン等のゲート絶縁膜233と、を備える。
半導体部213は、例えば、多結晶シリコン等を含む。半導体部213の外周面は導電部223に対向し、ワード線選択トランジスタSTWbxのチャネル領域として機能する。半導体部213の下端は導電部120に接続されている。
導電部223は、例えば、窒化チタン及びタングステンの積層構造等を含む。導電部223はY方向に延伸し、ワード線選択線SGWbxとして機能する。また、導電部223はY方向に配列された複数の半導体部213の外周面に対向し、ワード線選択トランジスタSTWb0〜STWbmのゲート電極として機能する。
また、トランジスタ層TL1は、例えば図41及び図43に示す様に、X方向及びY方向に配列された複数の半導体部214と、X方向に配列されY方向に延伸し複数の半導体部214の外周面に対向する複数の導電部224と、半導体部214及び導電部224の間に設けられた酸化シリコン等のゲート絶縁膜234と、を備える。
半導体部214は、例えば、多結晶シリコン等を含む。半導体部214の外周面は導電部224に対向し、ワード線選択トランジスタSTWaxのチャネル領域として機能する。半導体部214の上端は導電部120に接続されている。
導電部224は、例えば、窒化チタン及びタングステンの積層構造等を含む。導電部224はY方向に延伸し、ワード線選択線SGWaxとして機能する。また、導電部224はY方向に配列された複数の半導体部214の外周面に対向し、ワード線選択トランジスタSTWa0〜STWamのゲート電極として機能する。
また、図6等を参照して説明した様に、第1実施形態に係るワード線層WLLは、グローバルワード線GWLa0〜GWLamに対応する構成と、グローバルワード線GWLb0〜GWLbmに対応する構成と、の双方を含んでいる。一方、図41に示す様に、本実施形態に係るワード線層WLL0はグローバルワード線GWLb0〜GWLbmに対応する構成を含み、本実施形態に係るワード線層WLL1はグローバルワード線GWLa0〜GWLamに対応する構成を含んでいる。
即ち、ワード線層WLL0は、例えば図41に示す様に、Y方向に並ぶ複数の導電部313及び導電部320を備える。
導電部313は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電部313は、X方向に延伸し、X方向に並ぶ複数の半導体部213の上端に共通に接続されている。導電部313は、それぞれ、グローバルワード線GWLbyとして機能する。
ワード線層WLL1は、Y方向に並ぶ複数の導電部314を備える。
導電部314は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電部314は、X方向に延伸し、X方向に並ぶ複数の半導体部214の下端に共通に接続されている。導電部314は、それぞれ、グローバルワード線GWLayとして機能する。
この様な構成によっても、第1実施形態と同様の効果を奏する半導体記憶装置を製造可能である。また、この様な構成によれば、ワード線選択線SGWb0〜SGWblをトランジスタ層TL0に設け、ワード線選択線SGWa0〜SGWalをトランジスタ層TL1に設けることにより、X方向に隣り合うワード線選択線間の距離を大きくして、これら配線間の静電容量を削減し、更に好適に動作する半導体記憶装置を製造可能である。
[第1実施形態及び第2実施形態の変形例]
以上、第1実施形態及び第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明した。しかしながら、以上において説明した構成はあくまでも例示であり、例えば以下の様に、具体的な構成は適宜変更可能である。
以上、第1実施形態及び第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明した。しかしながら、以上において説明した構成はあくまでも例示であり、例えば以下の様に、具体的な構成は適宜変更可能である。
[トランジスタ層]
例えば、第1実施形態及び第2実施形態においては、導電部120の上端及び下端の一方のみにワード線選択トランジスタが接続されている。しかしながら、例えば図44に例示する様に、導電部120の上端及び下端の双方にワード線選択トランジスタが接続されていても良い。
例えば、第1実施形態及び第2実施形態においては、導電部120の上端及び下端の一方のみにワード線選択トランジスタが接続されている。しかしながら、例えば図44に例示する様に、導電部120の上端及び下端の双方にワード線選択トランジスタが接続されていても良い。
図44に例示する構成は、第1実施形態に係るトランジスタ層TL及びワード線層WLL、並びに、トランジスタ層TL2及びワード線層WLL2を備えている。トランジスタ層TL2及びワード線層WLL2は、基本的には第2実施形態に係るトランジスタ層TL1及びワード線層WLL1と同様に構成されている。ただし、トランジスタ層TL2は、第1実施形態に係るトランジスタ層TLと同様に、ワード線選択トランジスタSTWa0〜STWamに対応する構成と、ワード線選択トランジスタSTWb0〜STWbmに対応する構成と、の双方を含んでいる。また、ワード線層WLL2は、第1実施形態に係るワード線層WLLと同様に、グローバルワード線GWLa0〜GWLamに対応する構成と、グローバルワード線GWLb0〜GWLbmに対応する構成と、の双方を含んでいる。
この様な構成によれば、例えば、予め導電部313及び導電部314に異なる電圧を供給し、ワード線選択トランジスタのゲート電極(導電部223,224)の電圧を切り換えることにより、導電部120の電圧を更に高速に制御することが可能である。また、非選択の導電部120に電圧を供給することも可能である。
また、例えば第1実施形態においては、図10等を参照して説明した様に、ワード線選択トランジスタのゲート電極がX方向に分割されていた。即ち、ワード線選択トランジスタのチャネル領域を構成する半導体部210のX方向の両側面に対向する2つの導電部220が設けられていた。しかしながら、例えば図45に例示する様に、ワード線選択トランジスタのゲート電極は、所謂サラウンドゲート型の構造を備えていても良い。例えば、導電部220のかわりに、Y方向に配列された複数の半導体部210の外周面を覆う導電部222を設けても良い。尚、例えば図43〜図44を参照して説明した様な、導電部120の下端に接続されるワード線選択トランジスタのゲート電極も、X方向に分割されていても良いし、所謂サラウンドゲート型の構造を備えていても良い。
また、以上に例示した構成においては、ワード線選択トランジスタのゲート電極に相当する導電部220等の構成がY方向に延伸し、ワード線選択トランジスタのドレイン電極に相当する導電部313等の構成がX方向に延伸していた。しかしながら、ワード線選択トランジスタのゲート電極に相当する導電部220等の構成がX方向に延伸し、ワード線選択トランジスタのドレイン電極に相当する導電部313等の構成がY方向に延伸していても良い。
[メモリセルMC]
例えば第1実施形態の図23を参照して説明した工程においては、CVD等の方法によって絶縁膜132を形成するのではなく、熱酸化処理等の方法によって絶縁膜132を形成しても良い。この様な場合、例えば図46に例示する様に、強誘電体部131の上面及び下面が絶縁部111に接する様な構造を形成しても良い。
例えば第1実施形態の図23を参照して説明した工程においては、CVD等の方法によって絶縁膜132を形成するのではなく、熱酸化処理等の方法によって絶縁膜132を形成しても良い。この様な場合、例えば図46に例示する様に、強誘電体部131の上面及び下面が絶縁部111に接する様な構造を形成しても良い。
また、例えば第1実施形態の図28及び図29を参照して説明した工程においては、ゲート絶縁膜130の絶縁膜132の一部を除去しても良い。これにより、例えば図47に例示する様に、導電部120と強誘電体部131との対向面積を増大させることが可能である。
また、例えば図48に例示する様に、半導体部110及び絶縁部121の間に、絶縁部122を設けても良い。絶縁部122のX方向の幅は、例えば、ゲート絶縁膜130のX方向の幅と同程度である。
また、ゲート絶縁膜130の膜構成等も適宜変更可能である。例えば図49に示す様に、強誘電体部131及び導電部120の間に酸化シリコン等の絶縁膜133を設けても良い。また、例えば図49に例示した構成において、強誘電体部131のかわりに多結晶シリコン等の半導体部又はその他の導電部を設け、絶縁膜133のかわりに強誘電体部を設けても良い。
図50は、この様な構成を有するゲート絶縁膜130´´の構成を示す模式的なXY断面図である。図51は、この様な構成を有するゲート絶縁膜130´´の構成を示す模式的なXZ断面図である。即ち、図50に示すゲート絶縁膜130´´は、半導体部110と導電部120´´との間に設けられた強誘電体部134の一部と、半導体部110と強誘電体部134との間に設けられた導電部135と、半導体部110と導電部135との間に設けられた絶縁部136と、を備える。強誘電体部134は、基本的には強誘電体部131と同様に構成されている。ただし、例えば図51に例示する様に、強誘電体部134は導電部120´´の外周面に沿ってZ方向に延伸する。導電部135は、例えば、チタン(Ti)、タングステン(W)又はタンタル(Ta)の酸化物(TiO,WO,TaO)又は窒化物(TiN,WN,TaN)等を含む。導電部135のX方向の長さは、例えば、4nm以上であっても良い。絶縁部136は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)又は酸窒化シリコン(SiON)等を含む。絶縁部136は、半導体部110の導電部120´´に対する対向面に形成されている。
ここで、例えば図50に示す様な断面に、Y方向に延伸し半導体部110及び複数の導電部135と重なる仮想的な直線ILを設定した場合、半導体部110は、この直線ILに対してX方向の一方側(例えば図50の左側)に設けられた第1部分110aと、X方向の他方側(例えば図50の右側)に設けられY方向に並ぶ複数の第2部分110bと、を備える。第1部分110aはY方向に延伸する。複数の第2部分110bは、それぞれ第1部分110aと接続される。また、これら複数の第2部分のX方向における位置は、第1部分110aのX方向における位置よりも、導電部120´´に近い。また、Y方向において隣り合う2つの第2部分110bの間には1つの導電部135が設けられる。この導電部135のY方向の一方側(例えば図50の上側)の側面は、絶縁部136を介して一の第2部分110bのY方向の側面に対向する。また、この導電部135のY方向の他方側(例えば図50の下側)の側面は、絶縁部136を介して他の第2部分110bのY方向の側面に対向する。
また、X方向において隣り合う2つの半導体部110に着目した場合に、これらの間に設けられた導電部120´´、この導電部120´´のX方向の両側面に設けられた2つの強誘電体部134、及び、この2つの強誘電体部134のX方向の両側面に設けられた2つの導電部135を含む構成のX方向の長さをL1とする(図50参照)。また、X方向において隣り合う2つの半導体部110の間の距離をD1とする。この場合、L1はD1よりも大きい。また、導電部135のY方向における長さをL2とし、導電部120´´のY方向における長さをL3とすると、L2はL3よりも大きい。
また、半導体部110と導電部135との対向面積をS1とし、導電部120´´と導電部135との対向面積をS2とすると、S1はS2の3倍以上の大きさを有していても良い。尚、S1とS2との面積比は、例えば、図50に示す様なXY断面に基づいて算出することが出来る。例えば、図50に示す様なXY断面において、半導体部110と絶縁部136との接触部分の長さ(図50のL4)を算出し、導電部135のZ方向における長さを仮にZ1とし、これらの積L4×Z1をS1とする。また、図50に示す様なXY断面において、導電部120´´のY方向における長さ(図50のL3)を算出し、導電部135のZ方向における長さを仮にZ1とし、これらの積L3×Z1をS2とする。次に、S1/S2=(L4×Z1)/(L3×Z1)=L4/L3を算出し、これをS1とS2との面積比とすることが出来る。
尚、上述の通り、強誘電体部131を含む半導体記憶装置は、例えば窒化シリコン等の電荷蓄積膜を利用する半導体記憶装置と比較して、低消費電力での動作が期待されている。例えば、窒化シリコン等の電荷蓄積膜を利用する半導体記憶装置においては、書込動作及び消去動作に際して、半導体記憶装置の内部において電源電圧(電源パッドに供給された電圧)よりも大きい電圧(例えば、15V〜25V程度の電圧)が生成され、この様な電圧がグローバルワード線、ソース線等の配線に供給される場合がある。一方、強誘電体部131を含む半導体記憶装置においては、書込動作及び消去動作に際してグローバルワード線、ソース線等の配線に供給される電圧が、電源電圧又はそれよりも小さい電圧である場合がある。
[導電部120]
例えば、第1実施形態及び第2実施形態においては、図7を参照して説明した様に、導電部120のメモリ層ML0〜MLkに含まれる部分のX方向の幅が、メモリ層ML0〜MLkに含まれない部分のX方向の幅よりも小さい。しかしながら、例えば図51に例示する導電部120´´のメモリ層ML0〜MLkに含まれる部分のX方向の幅は、メモリ層ML0〜MLkに含まれない部分のX方向の幅と同程度であっても良い。この様な構成は、例えば、図28及び図29を参照して説明した工程を省略することにより、製造可能である。
例えば、第1実施形態及び第2実施形態においては、図7を参照して説明した様に、導電部120のメモリ層ML0〜MLkに含まれる部分のX方向の幅が、メモリ層ML0〜MLkに含まれない部分のX方向の幅よりも小さい。しかしながら、例えば図51に例示する導電部120´´のメモリ層ML0〜MLkに含まれる部分のX方向の幅は、メモリ層ML0〜MLkに含まれない部分のX方向の幅と同程度であっても良い。この様な構成は、例えば、図28及び図29を参照して説明した工程を省略することにより、製造可能である。
[第3実施形態]
図52は、第3実施形態に係る半導体記憶装置の構成例を示す模式的なXZ断面図である。第3実施形態に係る半導体記憶装置は、基本的には第1実施形態に係る半導体記憶装置と同様に構成されている。しかしながら、第3実施形態に係る半導体記憶装置はトランジスタ層TLを有しておらず、ローカルワード線LWLay,LWLbyとして機能する導電部120´´が、グローバルワード線GWLay,GWLbyとして機能する導電部310´´に直接接続されている。また、第3実施形態に係る半導体記憶装置は、図50を参照して説明した様なゲート絶縁膜130´´を備えている。また、本実施形態に係る導電部120´´は、図51を参照して説明した様な構成を備えている。
図52は、第3実施形態に係る半導体記憶装置の構成例を示す模式的なXZ断面図である。第3実施形態に係る半導体記憶装置は、基本的には第1実施形態に係る半導体記憶装置と同様に構成されている。しかしながら、第3実施形態に係る半導体記憶装置はトランジスタ層TLを有しておらず、ローカルワード線LWLay,LWLbyとして機能する導電部120´´が、グローバルワード線GWLay,GWLbyとして機能する導電部310´´に直接接続されている。また、第3実施形態に係る半導体記憶装置は、図50を参照して説明した様なゲート絶縁膜130´´を備えている。また、本実施形態に係る導電部120´´は、図51を参照して説明した様な構成を備えている。
[効果]
図8を参照して説明した様なゲート絶縁膜130は、上述の様に、強誘電体部131と、絶縁膜132と、を備えており、強誘電体部131が絶縁膜132に接している。ここで、例えば強誘電体部131がハフニウム(Hf)及び酸素(O)を主成分とする部材であり、絶縁膜132が酸化シリコン(SiO2)等を主成分とする部材であった場合、絶縁膜132の誘電率が強誘電体部131の誘電率よりも小さくなってしまう場合がある。この様な構成では、半導体部110と導電部120との間に電圧を供給した場合に、絶縁膜132における分圧が強誘電体部131における分圧よりも大きくなってしまい、半導体部110中の電子が絶縁膜132を介して強誘電体部131と絶縁膜132との界面等にトンネルしてしまい、この界面に蓄積されてしまう場合がある。これにより、上述の様に、書込動作及び消去動作が好適に実行出来なくなってしまう場合がある。
図8を参照して説明した様なゲート絶縁膜130は、上述の様に、強誘電体部131と、絶縁膜132と、を備えており、強誘電体部131が絶縁膜132に接している。ここで、例えば強誘電体部131がハフニウム(Hf)及び酸素(O)を主成分とする部材であり、絶縁膜132が酸化シリコン(SiO2)等を主成分とする部材であった場合、絶縁膜132の誘電率が強誘電体部131の誘電率よりも小さくなってしまう場合がある。この様な構成では、半導体部110と導電部120との間に電圧を供給した場合に、絶縁膜132における分圧が強誘電体部131における分圧よりも大きくなってしまい、半導体部110中の電子が絶縁膜132を介して強誘電体部131と絶縁膜132との界面等にトンネルしてしまい、この界面に蓄積されてしまう場合がある。これにより、上述の様に、書込動作及び消去動作が好適に実行出来なくなってしまう場合がある。
そこで、本実施形態に係る半導体記憶装置は、図50を参照して説明した様なゲート絶縁膜130´´を備えている。この様な構成では、強誘電体部134と絶縁部136との間に、導電部135が設けられている。また、半導体部110と導電部135との対向面積(S1)が、導電部120´´と導電部135との対向面積(S2)よりも大きい。従って、半導体部110と導電部135との間の静電容量を相対的に大きくして、導電部120´´と導電部135との間の静電容量を相対的に小さくすることが可能である。これにより、絶縁部136における分圧を相対的に小さくして、強誘電体部134における分圧を相対的に大きくすることが可能である。これにより、上述の様な、絶縁膜132を介した電子のトンネルを抑制可能である。また、半導体部110と導電部120´´との間に供給される電圧が強誘電体部134に効率良く供給されるため、動作の低消費電力化を実現可能である。
尚、図50を参照して説明した様なゲート絶縁膜130´´を、第1実施形態、第2実施形態又はそのいずれかの変形例に適用した場合にも、同様の効果を奏することが可能である。
また、以上の各実施形態においてはゲート絶縁膜が強誘電体部を含む構成について例示した。しかしながら、ゲート絶縁膜は、例えば、多結晶シリコン等のフローティングゲートや、窒化シリコン等の絶縁性の電荷蓄積膜等、強誘電体部以外の構成を含むものであっても良い。
[その他]
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。
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。
S…基板、110…半導体部、120…導電部、130…ゲート絶縁膜、210…半導体部、220…導電部、230…ゲート絶縁膜、310…導電部、410…導電部。
Claims (16)
- 基板と、
前記基板の表面と交差する第1方向に配列された複数の第1半導体部と、
前記第1方向に延伸し、前記第1方向と交差する第2方向から前記複数の第1半導体部に対向する第1ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられた第1絶縁部と、
前記第1方向において前記第1ゲート電極と離間する第1配線と、
前記第1ゲート電極の前記第1方向の一端及び前記第1配線に接続された第2半導体部と、
前記第2半導体部に対向する第2ゲート電極と、
前記第2半導体部及び前記第2ゲート電極の間に設けられた第2絶縁部と
を備える半導体記憶装置。 - 前記第1配線は、前記第2方向、並びに、前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向のうちの一方の方向に延伸し、
前記第2ゲート電極は、前記第2方向及び前記第3方向のうちの他方の方向に延伸する
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向に離間して配置された第1コンタクト及び第2コンタクトを備え、
前記第1半導体部は、
前記第3方向に延伸し、
前記第1コンタクトに接続された第1部分と、
前記第2コンタクトに接続された第2部分と、
前記第1部分及び前記第2部分の間に設けられた第3部分と
を備え、
前記第1ゲート電極は、前記第1半導体部の第3部分に対向する
請求項1又は2記載の半導体記憶装置。 - 前記第1方向に延伸し、前記第2方向から前記複数の第1半導体部に対向する第3ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第3ゲート電極の間に設けられた第3絶縁部と、
前記第1方向において前記第3ゲート電極と離間する第2配線と、
前記第3ゲート電極の前記第1方向の一端及び前記第2配線に接続された第3半導体部と、
前記第3半導体部に対向する第4ゲート電極と、
前記第3半導体部及び前記第4ゲート電極の間に設けられた第4絶縁部と、
を備え、
前記第1配線及び前記第2配線の一方は、前記第1ゲート電極及び前記第3ゲート電極よりも前記基板から遠く、
前記第1配線及び前記第2配線の他方は、前記第1ゲート電極及び前記第3ゲート電極よりも前記基板に近い
請求項1〜3のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第1絶縁部は、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む
請求項1〜4のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第1絶縁部は、シリコン(Si)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、ストロンチウム(Sr)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)及びバリウム(Ba)の少なくとも一つを含む
請求項5記載の半導体記憶装置。 - 基板と、
前記基板の表面と交差する第1方向において前記基板から離間して設けられ、前記第1方向と交差する第2方向に延伸する第1半導体部と、
前記第1方向に延伸する第1ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられ、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む第1絶縁部と、
前記第1半導体部及び前記第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、
前記第1半導体部及び前記第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と
を備え、
前記第1導電部の前記第1半導体部に対する対向面の面積は、前記第1導電部の前記第1ゲート電極に対する対向面の面積よりも大きい
半導体記憶装置。 - 前記第1導電部の前記第2方向における長さは、前記第1ゲート電極の前記第2方向における長さよりも大きい
請求項7記載の半導体記憶装置。 - 前記第1導電部の、前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向における長さは4nm以上である
請求項7又は8記載の半導体記憶装置。 - 前記第1導電部の前記第1半導体部に対する対向面の面積は、前記第1導電部の前記第1ゲート電極に対する対向面の面積の3倍以上である
請求項7〜9のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 第1方向に延伸する第1半導体部と、
前記第1方向と交差する第2方向に延伸する第1ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられ、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含む第1絶縁部と、
前記第1半導体部及び前記第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、
前記第1半導体部及び前記第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と
を備え、
前記第1方向、並びに、前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向に延伸し、前記第1半導体部の一部、前記第1ゲート電極の一部、前記第1絶縁部の一部、前記第1導電部の一部及び前記第2絶縁部の一部を含む断面を第1の断面とすると、
前記第1半導体部は、前記第1の断面において、
前記第1方向に延伸する第1部分と、
前記第1部分に接続され、前記第3方向における位置が前記第1部分の前記第3方向における位置よりも前記第1ゲート電極に近く、前記第1導電部の前記第1方向の一方側の側面に対向する第2部分と、
前記第1部分に接続され、前記第3方向における位置が前記第1部分の前記第3方向における位置よりも前記第1ゲート電極に近く、前記第1導電部の前記第1方向の他方側の側面に対向する第3部分と
を備える半導体記憶装置。 - 前記第1絶縁部は、シリコン(Si)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、ストロンチウム(Sr)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)及びバリウム(Ba)の少なくとも一つを含む
請求項7〜11のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第2絶縁部は、シリコン(Si)、並びに、酸素(O)及び窒素(N)の少なくとも一方を含む
請求項7〜12のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 第1方向に延伸し、前記第1方向と交差する第2方向において隣り合う第1半導体部及び第2半導体部と、
前記第1半導体部及び前記第2半導体部の間に設けられ、前記第1方向において隣り合う第1ゲート電極及び第2ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられた第1絶縁部、前記第1半導体部及び前記第1絶縁部の間に設けられた第1導電部、及び、前記第1半導体部及び前記第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と、
前記第1半導体部及び前記第2ゲート電極の間に設けられた第3絶縁部、前記第1半導体部及び前記第3絶縁部の間に設けられた第2導電部、及び、前記第1半導体部及び前記第2導電部の間に設けられた第4絶縁部と、
前記第2半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられた第5絶縁部、前記第2半導体部及び前記第5絶縁部の間に設けられた第3導電部、及び、前記第2半導体部及び前記第3導電部の間に設けられた第6絶縁部と、
前記第2半導体部及び前記第2ゲート電極の間に設けられた第7絶縁部、前記第2半導体部及び前記第7絶縁部の間に設けられた第4導電部、及び、前記第2半導体部及び前記第4導電部の間に設けられた第8絶縁部と
を備え、
前記第1絶縁部、前記第3絶縁部、前記第5絶縁部及び前記第7絶縁部は、ハフニウム(Hf)及び酸素(O)を含み、結晶構造として直方晶を含み、
前記第1半導体部は、
前記第1導電部に対向する第1部分と、
前記第2導電部に対向する第2部分と、
前記第1部分及び前記第2部分の間に設けられた第3部分と
を備え、
前記第2半導体部は、
前記第3導電部に対向する第4部分と、
前記第4導電部に対向する第5部分と、
前記第4部分及び前記第5部分の間に設けられた第6部分と
を備え、
前記第1導電部、前記第1絶縁部、前記第1ゲート電極、前記第5絶縁部及び前記第3導電部の前記第2方向における長さを第1の長さとし、
前記第2導電部、前記第3絶縁部、前記第2ゲート電極、前記第7絶縁部及び前記第4導電部の前記第2方向における長さを第2の長さとし、
前記第1半導体部の第3部分及び前記第2半導体部の第6部分の間の前記第2方向における距離を第1の距離とすると、
前記第1の長さは前記第1の距離よりも大きく、
前記第2の長さは前記第1の距離よりも大きい
半導体記憶装置。 - 基板と、
前記基板の表面と交差する第1方向において前記基板から離間して設けられ、前記第1方向と交差する第2方向に延伸する第1半導体部と、
前記第1方向に延伸する第1ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられ、強誘電体を含む第1絶縁部と、
前記第1半導体部及び前記第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、
前記第1半導体部及び前記第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と
を備え、
前記第1導電部の前記第1半導体部に対する対向面の面積は、前記第1導電部の前記第1ゲート電極に対する対向面の面積よりも大きい
半導体記憶装置。 - 第1方向に延伸する第1半導体部と、
前記第1方向と交差する第2方向に延伸する第1ゲート電極と、
前記第1半導体部及び前記第1ゲート電極の間に設けられ、強誘電体を含む第1絶縁部と、
前記第1半導体部及び前記第1絶縁部の間に設けられた第1導電部と、
前記第1半導体部及び前記第1導電部の間に設けられた第2絶縁部と
を備え、
前記第1方向、並びに、前記第1方向及び前記第2方向と交差する第3方向に延伸し、前記第1半導体部の一部、前記第1ゲート電極の一部、前記第1絶縁部の一部、前記第1導電部の一部及び前記第2絶縁部の一部を含む断面を第1の断面とすると、
前記第1半導体部は、前記第1の断面において、
前記第1方向に延伸する第1部分と、
前記第1部分に接続され、前記第3方向における位置が前記第1部分の前記第3方向における位置よりも前記第1ゲート電極に近く、前記第1導電部の前記第1方向の一方側の側面に対向する第2部分と、
前記第1部分に接続され、前記第3方向における位置が前記第1部分の前記第3方向における位置よりも前記第1ゲート電極に近く、前記第1導電部の前記第1方向の他方側の側面に対向する第3部分と
を備える半導体記憶装置。
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