JP2023001826A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高集積化が可能な半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、第1方向に並ぶ複数のメモリ部と、第1方向に並び、複数のメモリ部に電気的に接続された複数の第1半導体層と、第1方向に並び、複数の第1半導体層とそれぞれ対向する複数の第1ゲート電極と、第1方向に延伸し、複数の第1半導体層に接続された第1配線と、第1方向に並び、第1方向と交差する第2方向に延伸し、複数の第1ゲート電極に接続された複数の第2配線と、第1方向に並び、複数の第2配線の第2方向の一端部に設けられた複数の第2半導体層と、第1方向に並び、複数の第2半導体層と対向する複数の第2ゲート電極と、第1方向に並び、複数の第2配線の第2方向の他端部に設けられた複数の第3半導体層と、第1方向に並び、複数の第3半導体層と対向する複数の第3ゲート電極と、を備える。【選択図】図1

Description

本実施形態は、半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置の高集積化に伴い、半導体記憶装置の三次元化に関する検討が進められている。
米国特許第9,514,792号明細書
高集積化が可能な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、第1方向に並ぶ複数のメモリ部と、第1方向に並び、複数のメモリ部に電気的に接続された複数の第1半導体層と、第1方向に並び、複数の第1半導体層とそれぞれ対向する複数の第1ゲート電極と、第1方向に延伸し、複数の第1半導体層に接続された第1配線と、第1方向に並び、第1方向と交差する第2方向に延伸し、複数の第1ゲート電極に接続された複数の第2配線と、第1方向に並び、複数の第2配線の第2方向の一端部に設けられた複数の第2半導体層と、第1方向に並び、複数の第2半導体層と対向する複数の第2ゲート電極と、第1方向に並び、複数の第2配線の第2方向の他端部に設けられた複数の第3半導体層と、第1方向に並び、複数の第3半導体層と対向する複数の第3ゲート電極と、を備える。
第1実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な回路図である。 同半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な回路図である。 同半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な波形図である。 同半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な波形図である。 同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的な斜視図である。 同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的なXY断面図である。 同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的なXY断面図である。 同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的なXY断面図である。 図7及び図8に示す構成をA-A´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なXZ断面図である。 図7及び図8に示す構成をB-B´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なYZ断面図である。 図7及び図8に示す構成をC-C´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なYZ断面図である。 第1実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 同製造方法について説明するための模式的な断面図である。 第2実施形態に係る半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な波形図である。 第2実施形態に係る半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な波形図である。 第2実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的な回路図である。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な斜視図である。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な平面図である。
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、以下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、以下の図面は模式的なものであり、説明の都合上、一部の構成等が省略される場合がある。また、複数の実施形態について共通する部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
また、本明細書において「半導体記憶装置」と言った場合には、メモリダイを意味する事もあるし、メモリチップ、メモリカード、SSD(Solid State Drive)等の、コントローラダイを含むメモリシステムを意味する事もある。更に、スマートホン、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等の、ホストコンピュータを含む構成を意味する事もある。
また、本明細書において、第1の構成が第2の構成に「電気的に接続されている」と言った場合、第1の構成は第2の構成に直接接続されていても良いし、第1の構成が第2の構成に配線、半導体部材又はトランジスタ等を介して接続されていても良い。例えば、3つのトランジスタを直列に接続した場合には、2つ目のトランジスタがOFF状態であったとしても、1つ目のトランジスタは3つ目のトランジスタに「電気的に接続」されている。
また、本明細書においては、基板の上面に対して平行な所定の方向をX方向、基板の上面に対して平行で、X方向と垂直な方向をY方向、基板の上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Z方向に沿って基板から離れる向きを上と、Z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、X方向又はY方向と交差する面を側面等と呼ぶ。
[第1実施形態]
[回路構成]
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な回路図である。図1に示す様に、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を備える。メモリセルアレイMCAは、複数のメモリ層ML0~ML3と、これら複数のメモリ層ML0~ML3に接続された複数のビット線BLと、複数のビット線BLに電気的に接続された複数のグローバルビット線GBLと、複数のメモリ層ML0~ML3に接続されたプレート線PLと、を備える。
メモリ層ML0~ML3は、それぞれ、複数のワード線WL0~WL2と、これら複数のワード線WL0~WL2に接続された複数のメモリセルMCと、を備える。メモリセルMCは、それぞれ、トランジスタTrCと、キャパシタCpCと、を備える。トランジスタTrCのソース電極は、ビット線BLに接続されている。トランジスタTrCのドレイン電極は、キャパシタCpCに接続されている。トランジスタTrCのゲート電極は、ワード線WL0~WL2のいずれかに接続されている。キャパシタCpCの一方の電極は、トランジスタTrCのドレイン電極に接続されている。キャパシタCpCの他方の電極は、プレート線PLに接続されている。
尚、各ビット線BLは、複数のメモリ層ML0~ML3に対応する複数のメモリセルMCに接続されている。また、各ビット線BLは、グローバルビット線GBLに接続されている。
また、メモリ層ML0~ML3は、それぞれ、複数のワード線WL0~WL2に対応して設けられた複数のトランジスタTrL0a,TrL0b,TrL1a,TrL1b,TrL2a,TrL2b,TrL3a,TrL3b(以下、「トランジスタTrL」と呼ぶ場合がある。)を備える。トランジスタTrLのドレイン電極は、ワード線WL0~WL2のいずれかに接続されている。トランジスタTrLのソース電極は、それぞれ、ワード線選択線LW0a,LW0b,LW1a,LW1b,LW2a,LW2b(以下、「ワード線選択線LW」と呼ぶ場合がある。)に接続されている。トランジスタTrLのゲート電極は、それぞれ、層選択線LL0a,LL0b,LL1a,LL1b,LL2a,LL2b,LL3a,LL3b(以下、「層選択線LL」と呼ぶ場合がある。)に接続されている。
尚、ワード線選択線LWは、複数のメモリ層ML0~ML3に対応する複数のトランジスタTrLに接続されている。また、層選択線LL0a,LL1a,LL2a,LL3aは、それぞれ、メモリ層ML0~ML3に対応する全てのトランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aに共通に接続されている。同様に、層選択線LL0b,LL1b,LL2b,LL3bは、それぞれ、メモリ層ML0~ML3に対応する全てのトランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bに共通に接続されている。
[読出動作]
図2は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な回路図である。
読出動作に際しては、複数のメモリ層ML0~ML3のうちの一つを選択する。図示の例では、メモリ層ML0が選択されている。メモリ層ML0~ML3の選択に際しては、例えば、複数の層選択線LL0a,LL1a,LL2a,LL3aのうち、読出動作の対象となるメモリ層ML0に対応する層選択線LL0aに電圧VON´を供給し、その他の層選択線LL1a,LL2a,LL3aに電圧VOFF´を供給する。また、例えば、複数の層選択線LL0b,LL1b,LL2b,LL3bのうち、読出動作の対象となるメモリ層ML0に対応する層選択線LL0bに電圧VOFF´を供給し、その他の層選択線LL1b,LL2b,LL3bに電圧VON´を供給する。
電圧VON´は、例えば、トランジスタTrLをON状態とする程度の大きさを有する。電圧VOFF´は、例えば、トランジスタTrLをOFF状態とする程度の大きさを有する。例えば、トランジスタTrLがNMOSトランジスタである場合、電圧VON´は、電圧VOFF´よりも大きい。また、例えば、トランジスタTrLがPMOSトランジスタである場合、電圧VON´は、電圧VOFF´よりも小さい。尚、以下では、トランジスタTrLがNMOSトランジスタである例について説明する。
また、読出動作に際しては、複数のワード線WL0~WL2のうちの一つを選択する。図示の例では、ワード線WL0が選択されている。ワード線WL0~WL2の選択に際しては、例えば、複数のワード線選択線LW0a,LW1a,LW2aのうち、読出動作の対象となるワード線WL0に対応するワード線選択線LW0aに電圧VONを供給し、その他の層選択線LW1a,LW2aに電圧VOFFを供給する。また、例えば、複数のワード線選択線LW0b,LW1b,LW2bに、電圧VOFFを供給する。
電圧VONは、例えば、トランジスタTrCをON状態とする程度の大きさを有する。電圧VOFFは、例えば、トランジスタTrCをOFF状態とする程度の大きさを有する。例えば、トランジスタTrCがNMOSトランジスタである場合、電圧VONは、電圧VOFFよりも大きい。また、例えば、トランジスタTrCがPMOSトランジスタである場合、電圧VONは、電圧VOFFよりも小さい。尚、以下では、トランジスタTrCがNMOSトランジスタである例について説明する。
ここで、読出動作の対象であるメモリセルMC(以下、「選択メモリセルMC」と呼ぶ。)に接続されたワード線WL0(以下、「選択ワード線WL0」と呼ぶ。)には、トランジスタTrL0aを介して、電圧VONが供給される。これにより、選択メモリセルMC中のトランジスタTrCがON状態となる。これに伴い、グローバルビット線GBLの電圧が変動し、又は、グローバルビット線GBLに電流が流れる。この電圧の変動又は電流を検出することにより、選択メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことが可能である。
また、選択メモリセルMCと同じメモリ層ML0に対応する選択ワード線WL0以外のワード線WL1,WL2(以下、「非選択ワード線WL1,WL2」等と呼ぶ。)には、トランジスタTrL0aを介して、電圧VOFFが供給される。これにより、メモリセルMC中のトランジスタTrCがOFF状態となる。
また、選択メモリセルMCと異なるメモリ層ML1,ML2,ML3に対応する非選択ワード線WL0,WL1,WL2には、トランジスタTrL1b,TrL2b,TrL3bを介して、電圧VOFFが供給される。これにより、メモリセルMC中のトランジスタTrCがOFF状態となる。
図3は、読出動作の実行例について説明するための模式的な波形図である。図3の例では、メモリ層ML0に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、メモリ層ML1に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、メモリ層ML2に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、更に、メモリ層ML3に含まれるワード線WL0に対応する読出動作を実行している。
即ち、図3の例では、期間T100に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T101に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T102に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL2に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
また、期間T110に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T111に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T112に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL2に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
また、期間T120に、メモリ層ML2に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T121に、メモリ層ML2に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T122に、メモリ層ML2に含まれるワード線WL2に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
また、期間T130に、メモリ層ML3に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
図4は、読出動作の他の実行例について説明するための模式的な波形図である。図4の例では、各メモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL0に対応する読出動作を順次実行し、各メモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL1に対応する読出動作を順次実行し、更に、各メモリ層ML0,ML1に含まれるワード線WL2に対応する読出動作を順次実行している。
即ち、図4の例では、期間T200に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T201に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T202に、メモリ層ML2に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T203に、メモリ層ML3に含まれるワード線WL0に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
また、期間T210に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T211に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T212に、メモリ層ML2に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T213に、メモリ層ML3に含まれるワード線WL1に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
また、期間T220に、メモリ層ML0に含まれるワード線WL2に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。また、期間T221に、メモリ層ML1に含まれるワード線WL2に接続された複数のメモリセルMCについての読出動作を実行している。
尚、図3及び図4には、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aを介して電圧を供給する例を示している。また、図3及び図4には、それ以外のメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを介して電圧を供給する例を示している。しかしながら、例えば、図3及び図4の例においてトランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aに供給されていた電圧を、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bに供給し、図3及び図4の例においてトランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bに供給されていた電圧を、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aに供給しても良い。
[構造]
図5は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的な斜視図である。図6は、同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的なXY断面図である。尚、図6では、一部の構成(後述する絶縁層121,151)を省略している。図7及び図8は、同半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的なXY断面図である。尚、図7及び図8は、異なる高さ位置におけるXY断面を示している。図9は、図7及び図8に示す構成をA-A´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なXZ断面図である。図10は、図7及び図8に示す構成をB-B´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なYZ断面図である。図11は、図7及び図8に示す構成をC-C´線に沿って切断し、矢印の方向に沿って見た模式的なXZ断面図である。
図5には、半導体基板Subの一部と、半導体基板Subの上方に設けられたメモリセルアレイMCAと、を示している。
半導体基板Subは、例えば、ホウ素(B)等のP型の不純物を含むシリコン(Si)等の半導体基板である。半導体基板Subの上面には、図示しない絶縁層及び電極層が設けられている。半導体基板Subの上面、図示しない絶縁層及び電極層は、第1実施形態に係る半導体記憶装置を制御するための制御回路を構成する。例えば、メモリセルアレイMCAの直下の領域には、センスアンプ回路が設けられる。センスアンプ回路は、グローバルビット線GBLに接続される。センスアンプ回路は、読出動作において、グローバルビット線GBLの電圧の変動又は電流を検出することにより、選択メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことが可能である。
メモリセルアレイMCAは、Z方向に並ぶ複数のメモリ層ML0~ML3と、これらの下方に設けられた複数のグローバルビット線GBLと、を備える。また、複数のメモリ層ML0~ML3の間には、それぞれ、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層103が設けられている。
メモリ層ML0~ML3は、図6に示す様に、メモリセル領域RMCと、Y方向においてメモリセル領域RMCの一方側及び他方側にそれぞれ設けられたトランジスタ領域RTrL及びフックアップ領域RHUと、を備える。トランジスタ領域RTrLは、それぞれ、メモリセル領域RMCと、フックアップ領域RHUと、の間に設けられている。
メモリセル領域RMCには、X方向に交互に並ぶ複数の絶縁層101及び複数の導電層102が設けられている。図5に示す様に、これら複数の絶縁層101及び複数の導電層102はY方向及びZ方向に延伸し、メモリ層ML0~ML3をX方向に分断する。
絶縁層101は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。
導電層102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。導電層102は、例えば、プレート線PL(図1)として機能する。
また、メモリセル領域RMCには、絶縁層101及び導電層102の間に設けられた複数の導電層104が設けられている。複数の導電層104は、Y方向に並び、複数のメモリ層ML0~ML3を貫通してZ方向に延伸する。
導電層104は、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電層104は、例えば、ビット線BL(図1)として機能する。ビット線BLは、メモリ層ML0~ML3に含まれる複数のトランジスタTrCに対応して、複数設けられている。
メモリセル領域RMCにおいて、メモリ層ML0~ML3は、複数の導電層104に対応して設けられた複数のトランジスタ構造110と、複数のトランジスタ構造110及び絶縁層101の間に設けられた導電層120と、複数のトランジスタ構造110及び導電層102の間に設けられた複数のキャパシタ構造130と、を備える。
トランジスタ構造110は、例えば図8及び図9に示す様に、導電層104の外周面に設けられた絶縁層111と、絶縁層111の外周面に設けられた導電層112と、導電層112の上面、下面及び外周面に設けられた絶縁層113と、絶縁層113の上面、下面及び外周面に設けられた半導体層114と、を備える。
尚、図8に例示する様なXY断面において、絶縁層111の外周面は、例えば、導電層104の中心位置を中心とする円に沿って形成されていても良い。また、導電層112、絶縁層113及び半導体層114のX方向の一方側(導電層102側)の側面は、導電層104の中心位置を中心とする円に沿って形成されていても良い。また、導電層112、絶縁層113及び半導体層114のY方向における両側面は、絶縁層115の側面に沿って直線状に形成されていても良い。
絶縁層111は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。絶縁層111は、導電層104の外周面を、全周にわたって囲んでいる。
導電層112は、例えば、トランジスタTrC(図1)のゲート電極として機能する。導電層112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。導電層112は、絶縁層111の外周面を、全周にわたって囲んでいる。図8に示す様に、Y方向に並ぶ複数の導電層112は、Y方向に延伸する導電層120に共通に接続されている。
絶縁層113は、例えば、トランジスタTrC(図1)のゲート絶縁膜として機能する。絶縁層113は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。絶縁層113は、導電層112のY方向の両側面及びX方向の一方側(導電層102側)の側面を覆っている。
半導体層114は、例えば、トランジスタTrC(図1)のチャネル領域として機能する。半導体層114は、例えば、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)のうち少なくとも一つの元素と、インジウム(In)と、亜鉛(Zn)と、酸素(O)と、を含む半導体であっても良いし、その他の酸化物半導体であっても良い。半導体層114は、絶縁層113を介して、導電層112のY方向の両側面及びX方向の一方側(導電層102側)の側面を覆っている。図9に示す様に、Z方向に並ぶ複数の半導体層114は、Z方向に延伸する導電層104に共通に接続されている。図7に示す様に、Y方向において隣り合う2つの半導体層114の間には、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層115が設けられている。
導電層120は、例えば、ワード線WL(図1)として機能する。導電層120は、例えば図8に示す様に、Y方向に延伸し、Y方向に並ぶ複数の導電層112に接続されている。導電層120は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を備える。尚、導電層120の上面及び下面は、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層121によって覆われている。絶縁層121は、絶縁層111及び絶縁層113に接続されている。
キャパシタ構造130は、例えば図9に示す様に、導電層131と、導電層131の上面、下面及びY方向の側面に設けられた導電層132と、導電層132の上面、下面及びY方向の側面に設けられた絶縁層133と、絶縁層133の上面、下面及びY方向の側面に設けられた導電層134と、導電層134の上面、下面及びY方向の側面に設けられた絶縁層135と、絶縁層135の上面、下面及びY方向の側面に設けられた導電層136と、導電層136の上面、下面及びY方向の側面に設けられた導電層137と、を備える。
導電層131,132,136,137は、キャパシタCpC(図1)の一方の電極として機能する。導電層131,137は、例えば、タングステン(W)等を含む。導電層132,136は、例えば、窒化チタン(TiN)等を含む。導電層131,132,136,137は、導電層102に接続されている。
絶縁層133,135は、キャパシタCpC(図2)の絶縁層として機能する。絶縁層133,135は、例えば、アルミナ(Al)又はその他の絶縁性の金属酸化物であっても良い。
導電層134は、例えば、キャパシタCpC(図2)の他方の電極として機能する。導電層134は、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)等を含む。導電層134は、絶縁層133,135を介して、導電層131,132,136,137から絶縁されている。導電層134は、半導体層114のX方向の側面に接続されている。
トランジスタ領域RTrLには、例えば図6に示す様に、X方向に並ぶ複数の絶縁層105が設けられている。これら複数の絶縁層105は、複数のメモリ層ML0~ML3を貫通してZ方向に延伸する。
絶縁層105は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。
また、トランジスタ領域RTrLには、絶縁層105の間に設けられた複数の導電層106が設けられている。複数の導電層106は、X方向に並び、複数のメモリ層ML0~ML3を貫通してZ方向に延伸する(図10参照)。
導電層106は、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を含む。導電層106は、例えば、ワード線選択線LW(図1)として機能する。ワード線選択線LWは、メモリ層ML0~ML3に含まれる複数のトランジスタTrLに対応して、複数設けられている。
トランジスタ領域RTrLにおいて、メモリ層ML0~ML3は、例えば図6に示す様に、複数の導電層106に対応して設けられた複数のトランジスタ構造140と、これら複数のトランジスタ構造140に沿ってX方向に延伸する導電層150と、を備える。
トランジスタ構造140は、例えば図8及び図10に示す様に、導電層106の外周面に設けられた絶縁層141と、絶縁層141の外周面に設けられた導電層142と、導電層142の上面、下面及び外周面に設けられた絶縁層143と、絶縁層143の上面、下面及び外周面に設けられた半導体層144と、を備える。
尚、図8に例示する様なXY断面において、絶縁層141の外周面は、例えば、導電層106の中心位置を中心とする円に沿って形成されていても良い。また、導電層142、絶縁層143及び半導体層144のY方向の一方側(導電層120側)の側面は、導電層106の中心位置を中心とする円に沿って形成されていても良い。また、導電層142、絶縁層143及び半導体層144のX方向における両側面は、絶縁層105の側面に沿って直線状に形成されていても良い。
絶縁層141は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。絶縁層141は、導電層106の外周面を、全周にわたって囲んでいる。
導電層142は、例えば、トランジスタTrL(図1)のゲート電極として機能する。導電層142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。導電層142は、絶縁層141の外周面を、全周にわたって囲んでいる。図8に示す様に、X方向に並ぶ複数の導電層142は、X方向に延伸する導電層150に共通に接続されている。
絶縁層143は、例えば、トランジスタTrL(図1)のゲート絶縁膜として機能する。絶縁層143は、例えば、酸化シリコン(SiO)等を含む。絶縁層143は、導電層142のX方向の両側面及びY方向の一方側(導電層120側)の側面を覆っている。
半導体層144は、例えば、トランジスタTrL(図1)のチャネル領域として機能する。半導体層144は、例えば、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)のうち少なくとも一つの元素と、インジウム(In)と、亜鉛(Zn)と、酸素(O)と、を含む半導体であっても良いし、その他の酸化物半導体であっても良い。半導体層144は、絶縁層143を介して、導電層142のX方向の両側面及びY方向の一方側(導電層120側)の側面を覆っている。図10に示す様に、Z方向に並ぶ複数の半導体層144は、Z方向に延伸する導電層106に共通に接続されている。図7に示す様に、X方向において隣り合う2つの半導体層144の間には、絶縁層105が設けられている。尚、半導体層144は、導電層120のY方向の端部に接続されている。
導電層150は、例えば、層選択線LL(図1)として機能する。導電層150は、例えば図8に示す様に、X方向に延伸し、X方向に並ぶ複数の導電層142に接続されている。導電層150は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層構造等を備える。尚、導電層150の上面及び下面は、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層151によって覆われている。絶縁層151は、絶縁層141及び絶縁層143に接続されている。
フックアップ領域RHUには、X方向に並ぶ複数のコンタクト電極107が設けられている。コンタクト電極107は、図11に示す様に、Z方向に延伸し、下端において導電層150に接続されている。また、X方向に並ぶ複数のコンタクト電極107は、それぞれ、異なる高さ位置に設けられた導電層150に接続されている。コンタクト電極107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。
また、メモリ層ML0~ML3の下方には、図5に示す様に、複数のグローバルビット線GBLが設けられている。グローバルビット線GBLは、X方向に延伸し、Y方向に並ぶ。グローバルビット線GBL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。グローバルビット線GBLは、それぞれ、X方向に並ぶ複数の導電層104の下端に接続されている。
また、メモリ層ML0~ML3と複数のグローバルビット線GBLとの間には、図5に示す様に、エッチングストッパ109が設けられている。エッチングストッパ109は、絶縁層101、導電層102、絶縁層105、及び、導電層106に対応して設けられており、これらの下端に接続されている。エッチングストッパ109は、対応する構成の下端の形状に沿った形状を備えている。例えば、絶縁層101に対応するエッチングストッパ109は、絶縁層101に対応してY方向に延伸する。同様に、導電層102に対応するエッチングストッパ109は、導電層102に対応してY方向に延伸する。
また、メモリ層ML0~ML3とエッチングストッパ109との間には、絶縁層103aが設けられている(図9参照)。絶縁層103aは、例えば、他の絶縁層103と異なる材料を含んでいても良い。例えば、絶縁層103aは、炭素含有酸化シリコン(SiOC)等を含んでいても良い。
[製造方法]
図12~図66は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明するための模式的な断面図である。図13、図14、図16、図18、図20、図23、図25、図28、図30、図32、図34、図36、図38、図43、図45、図47、図49、図51、図54、図58、図60、図61、図63、及び、図65は、図8に対応する断面を示している。図12、図19、図21、図22、図29、図31、図33、図35、図37、図39~図42、図44、図46、図48、図50、及び、図52は、図9に対応する断面を示している。図15、図17、図24、図26、図27、図53、図55~図57、図59、図62、図64、及び、図66は、図10に対応する断面を示している。
同製造方法においては、例えば図12に示す様に、複数のグローバルビット線GBL、エッチングストッパ109、絶縁層103a等を形成する。この工程は、例えば、フォトリソグラフィー、エッチング等によって行う。
次に、例えば図12に示す様に、複数の絶縁層103と、複数の犠牲層120Aと、を交互に形成する。犠牲層120Aは、例えば、窒化シリコン(Si)等を含む。この工程は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)等によって行う。
次に、例えば図13に示す様に、フックアップ領域RHUにおいて複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120Aの一部を除去して、階段状の構造を形成する。
この工程では、例えば、図12に示す様な構造の上面に、フックアップ領域RHUの一部を露出させるレジストを形成する。次に、RIE(Reactive Ion Etching)等の方法によって、犠牲層120Aを選択的に除去する。次に、RIE等の方法によって、絶縁層103を選択的に除去する。これにより、上方から数えて2番目の犠牲層120Aの上面の一部が露出する。
次に、ウェットエッチング等の方法によって、レジストの一部を除去する。次に、RIE等の方法によって、犠牲層120Aを選択的に除去する。次に、RIE等の方法によって、絶縁層103を選択的に除去する。これにより、上方から数えて2番目及び3番目の犠牲層120Aの上面の一部が露出する。
以下同様に、レジストの一部の除去、犠牲層120Aの選択的除去、絶縁層103の選択的除去を繰り返し行う。これにより、全ての犠牲層120Aの上面の一部が露出し、階段状の構造が形成される。尚、階段状の構造の形成後、最上層の犠牲層120A及び階段状の構造の上面に、絶縁層103が形成される。
次に、例えば図14及び図15に示す様に、絶縁層115,105に対応する位置に、開口115A,105Aを形成する。開口115A,105Aは、図15に示す様にZ方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、エッチングストッパ109の上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図16及び図17に示す様に、絶縁層115,105を形成する。この工程は、例えば、CVD等によって行う。
次に、例えば図18及び図19に示す様に、導電層104に対応する位置に、開口104Aを形成する。開口104Aは、図19に示す様にZ方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、グローバルビット線GBLの上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図20及び図21に示す様に、開口104Aを介して、犠牲層120Aの一部を選択的に除去する。この工程では、開口104Aの内部に絶縁層115のY方向の側面が露出し、これによって犠牲層120AがX方向に分断される。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図22に示す様に、開口104Aの内部に、犠牲層104Bを形成する。犠牲層104Bは、例えば、シリコン(Si)等を含む。この工程は、例えば、CVD等によって行う。
次に、例えば図23及び図24に示す様に、導電層106に対応する位置に、開口106Aを形成する。開口106Aは、図24に示す様にZ方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、エッチングストッパ109の上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図25及び図26に示す様に、開口106Aを介して、犠牲層120Aの一部を選択的に除去する。この工程では、開口106Aの内部に絶縁層105のX方向の側面が露出し、これによって犠牲層120AがY方向に分断される。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図27に示す様に、開口106Aの内部に、犠牲層106Bを形成する。犠牲層106Bは、例えば、シリコン(Si)等を含む。この工程は、例えば、CVD等によって行う。
次に、例えば図28及び図29に示す様に、導電層102に対応する位置に、開口102Aを形成する。開口102Aは、図29に示す様にZ方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、これらの構成をX方向に分断し、エッチングストッパ109の上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図30及び図31に示す様に、開口102Aを介して、犠牲層120Aの一部を選択的に除去する。この工程では、開口102Aの内部に犠牲層104BのX方向の側面が露出する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図32及び図33に示す様に、開口102Aを介して、犠牲層104BのX方向の側面、絶縁層115のX方向及びY方向の側面、並びに、絶縁層103(図33)の上面、下面及びX方向の側面に、導電層134を形成する。また、開口102Aの内部に、犠牲層102Bを形成する。犠牲層102Bは、例えば、シリコン(Si)等を含む。この工程では、例えば図33に示す様に、Z方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域が犠牲層102Bによって埋め込まれる。一方、X方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域は、犠牲層102Bによって埋め込まれない。この工程は、例えば、ALD(Atomic Layer Deposition)及びCVD等によって行う。
次に、例えば図34及び図35に示す様に、開口102Aを介して、犠牲層102B及び導電層134の一部を除去する。この工程では、例えば、犠牲層102Bの一部を除去して、導電層134の、絶縁層115(図32)及び絶縁層103(図33)のX方向の側面に設けられた部分を露出させ、この部分を除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図36及び図37に示す様に、開口102Aを介して、犠牲層102B、絶縁層115(図34)の一部、及び、絶縁層103(図35)の一部を除去する。この工程では、犠牲層102Bが完全に除去される。また、絶縁層115(図34)及び絶縁層103(図35)は、犠牲層104Bが開口102Aに露出しない程度の範囲で除去される。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図38及び図39に示す様に、開口102Aを介して、導電層134の上面、下面、X方向の側面及びY方向の側面に、絶縁層133,135、導電層132,136、及び、導電層131,137,102を形成する。この工程は、例えば、CVD等によって行う。
次に、例えば図40に示す様に、犠牲層104Bを除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図41に示す様に、開口104Aを介して、犠牲層120A及び導電層134のX方向の側面、絶縁層115のY方向の側面、並びに、絶縁層103の上面及び下面に、半導体層114を形成する。また、Z方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域に、犠牲層112Aを形成する。この工程では、例えば図41に示す様に、Z方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域が犠牲層112Aによって埋め込まれる。一方、開口104Aは、犠牲層112Aによって埋め込まれない。この工程は、例えば、ALD及びCVD等によって行う。
次に、例えば図42に示す様に、開口104Aを介して、犠牲層112A及び半導体層114の一部を除去する。この工程では、例えば、犠牲層112Aの一部を除去して、半導体層114の、絶縁層103の内周面に設けられた部分を露出させ、この部分を除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図43及び図44に示す様に、開口104Aの内部に、導電層104を形成する。この工程は、例えば、ALD及びCVD等によって行う。
次に、例えば図45及び図46に示す様に、絶縁層101に対応する位置に、開口101Aを形成する。開口101Aは、図46に示す様にZ方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、これらの構成をX方向に分断し、エッチングストッパ109の上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図47及び図48に示す様に、開口101Aを介して、犠牲層120Aを除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。尚、図には、犠牲層120Aが設けられていた部分に形成された開口を、開口120Bとして示している。
次に、例えば図49及び図50に示す様に、開口101A,120Bを介して、半導体層114の一部を除去し、犠牲層112Aの一部を露出させる。また、開口101A,120Bを介して、犠牲層112Aを除去し、導電層104の外周面を露出させる。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図51及び図52に示す様に、開口120Bの内部に、絶縁層111,113,121を形成し、導電層112,120を形成する。この工程では、例えば、CVD等によって、開口101A,120Bに、絶縁層及び導電層を形成する。この際、開口120Bは、導電層によって埋め込まれる。一方、開口101Aは、導電層によって埋め込まれない。次に、例えば、ウェットエッチング等によって、これら絶縁層及び導電層のうち、絶縁層103の内周面に設けられた部分を除去する。その後、開口101Aの内部に、絶縁層101を形成する。
次に、例えば図53に示す様に、犠牲層106Bを除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図54及び図55に示す様に、開口106Aを介して、絶縁層113の一部を除去し、導電層120の一部を露出させる。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図56に示す様に、開口106Aを介して、犠牲層120A及び導電層120のY方向の側面、絶縁層105及び絶縁層115のX方向の側面、並びに、絶縁層103の上面及び下面に、半導体層144を形成する。また、Z方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域に、犠牲層142Aを形成する。この工程では、Z方向において隣り合う2つの絶縁層103の間の領域が犠牲層142Aによって埋め込まれる。一方、開口106Aは、犠牲層142Aによって埋め込まれない。この工程は、例えば、ALD及びCVD等によって行う。
次に、例えば図57に示す様に、開口106Aを介して、犠牲層142A及び半導体層144の一部を除去する。この工程では、例えば、犠牲層142Aの一部を除去して、半導体層144の、絶縁層103の内周面に設けられた部分を露出させ、この部分を除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図58及び図59に示す様に、開口106Aの内部に、導電層106を形成する。この工程は、例えば、ALDやCVD等によって行う。
次に、例えば図60に示す様に、フックアップ領域RHUに、X方向に並ぶ複数の開口opを形成する。開口opは、Z方向に延伸し、Z方向に並ぶ複数の絶縁層103及び複数の犠牲層120A、並びに、絶縁層103aを貫通して、エッチングストッパ109の上面を露出させる。この工程は、例えば、RIE等によって行う。
次に、例えば図61及び図62に示す様に、開口opを介して、犠牲層120Aを除去する。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。尚、図には、犠牲層120Aが設けられていた部分に形成された開口を、開口150Aとして示している。
次に、例えば図63及び図64に示す様に、開口op,150Aを介して、半導体層144の一部を除去し、犠牲層142Aの一部を露出させる。また、開口op,150Aを介して、犠牲層142Aを除去し、導電層106の外周面を露出させる。この工程は、例えば、ウェットエッチング等によって行う。
次に、例えば図65及び図66に示す様に、開口150Aに、絶縁層141,143,151を形成し、導電層142,150を形成する。この工程では、例えば、CVD等によって、開口op,150Aに、絶縁層及び導電層を形成する。この際、開口150Aは、導電層によって埋め込まれる。一方、開口opは、導電層によって埋め込まれない。次に、例えば、ウェットエッチング等によって、これら絶縁層及び導電層のうち、絶縁層103の内周面に設けられた部分を除去する。その後、開口opの内部に、絶縁層を形成する。
[効果]
図5等を参照して説明した様に、本実施形態に係る半導体記憶装置は、Z方向に並ぶ複数のメモリ層ML0~ML3を備えている。また、各メモリ層ML0~ML3は、それぞれ、複数のワード線WL0~WL2を備えている。この様な構成においては、読出動作に際して、複数のメモリ層ML0~ML3のうちの一つを選択し、更に、選択されたメモリ層ML0~ML3に含まれる複数のワード線WL0~WL2のうちの一つを選択する必要がある。従って、複数のメモリ層ML0~ML3に含まれる複数のワード線WL0~WL2には、独立して電圧を供給する必要がある。
このためには、例えば、メモリ層ML0~ML3の数と、各メモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL0~WL2の数と、の積の分だけ、図6、図10及び図11を参照して説明したようなコンタクト電極107を設け、これら複数のコンタクト電極107を、各メモリ層ML0~ML3に含まれる複数のワード線WL0~ML2に接続することが可能である。また、これら複数のコンタクト電極107を介して、各メモリ層ML0~ML3に含まれる複数のワード線WL0~ML2を周辺回路に接続することが可能である。
しかしながら、この様な方法を採用する場合、コンタクト電極107とワード線WL0~WL2とを接続するための面積が大きくなってしまう場合がある。また、この面積は、Z方向に並ぶメモリ層MLの数が多くなるほど大きくなってしまう。例えば、メモリ層MLの数が64であり、ワード線WLの数が128である場合、コンタクト電極107が8192本必要になってしまう。
そこで、本実施形態に係る半導体記憶装置においては、図6等を参照して説明した様に、各メモリ層ML0~ML3に2つのトランジスタ領域RTrLを設け、これら2つのトランジスタ領域RTrLに、それぞれ、複数のトランジスタ構造140を設けている。また、各トランジスタ構造140に対応する複数のトランジスタTrLのゲート電極が、各メモリ層ML0~ML3に設けられた導電層150を介して電気的に共通に接続されている。また、複数のメモリ層ML0~ML3に対応する複数のトランジスタTrLのソース電極が、Z方向に延伸する導電層106に共通に接続されている。
この様な方法を採用した場合、コンタクト電極107とワード線WL0~WL2とを接続するための面積を、大幅に削減可能な場合がある。例えば、メモリ層の数が64であり、ワード線の数が128である場合、コンタクト電極107の数は、およそ、メモリ層の数(64)及びフックアップ領域RHUの数(2)の積(128)となる。従って、上述の例と比較して、フックアップ領域RHUの面積を、およそ1/64程度に削減可能である。
また、図8、図10等を参照して説明した様に、本実施形態に係る半導体記憶装置においては、半導体層144が、それぞれ、導電層142の上面、下面及びX方向の側面と対向している。
この様な構成では、半導体層144の、導電層142の上面との対向部分、下面との対向部分、及び、X方向の側面との対向部分に、チャネルが形成される。従って、トランジスタTrLのON電流を比較的大きくすることが可能である。これにより、動作の高速化・安定化を図ることが可能である。
また、この様な構成においては、Z方向において隣り合う2つのトランジスタTrLが、お互いのチャネル領域を介して隣り合うこととなる。この様な構成では、例えば、Z方向において隣り合う2つのトランジスタTrLが、お互いのゲート電極を介して隣り合う様な構造と比較して、ゲート電極間の静電容量を削減可能である。これにより、動作の高速化・安定化を図ることが可能である。
[第2実施形態]
第1実施形態に係る半導体記憶装置は、例えば、図3及び図4を参照して説明した様な態様で、読出動作を実行可能である。
ここで、例えば図3の例では、層選択線LL0b,LL1b,LL2b,LL3bの電圧が、比較的長い間、電圧VONに維持される。従って、図3の例では、比較的長い間、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bがON状態に維持される。また、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bがON状態に維持される時間は、各メモリ層MLに含まれるワード線WLの数が多いほど、長くなる場合がある。
また、図4の例では、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bがON状態に維持される時間が、メモリ層MLの数が多いほど、長くなる場合がある。
ここで、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを長時間ON状態に維持し続けると、BTI(Bias Temperature Instability)の影響により、これらトランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bのしきい値電圧が変動してしまう恐れがある。この様な場合、選択メモリセルMCに対応するメモリ層ML0~ML3以外のメモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL0~WL2に、好適に電圧VOFFを供給することが出来ず、この様なメモリ層ML0~ML3中のトランジスタTrCにおいてリーク電流が発生してしまう恐れがある。これにより、キャパシタCpC中の電荷が放電されてしまい、データが破壊されてしまう恐れがある。
次に、図67~図69を参照して、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。図67及び図68は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読出動作について説明するための模式的な波形図である。図69は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成を示す模式的な回路図である。
第2実施形態に係る半導体記憶装置においては、例えば図67及び図68に示す様に、層選択線LLの電圧を適宜切り替え、これによって上記BTIの影響を抑制する。
例えば、図67の例では、図3の例と同様に、メモリ層ML0に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、メモリ層ML1に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、メモリ層ML2に含まれる複数のワード線WL0~WL2に対応する読出動作を順次実行し、更に、メモリ層ML3に含まれるワード線WL0に対応する読出動作を実行している。
ただし、図67の例では、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に電圧を供給するトランジスタTrLを、読出動作を1回実行する度に切り替えている。
即ち、図67の例では、期間T300,T302,T311,T320,T322において、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2aを介して電圧を供給している。また、これらの期間において、それ以外のメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを介して電圧を供給している。
また、図67の例では、期間T301,T310,T312,T321,T330において、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを介して電圧を供給している。また、これらの期間において、それ以外のメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aを介して電圧を供給している。
また、例えば、図68の例では、図4の例と同様に、各メモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL0に対応する読出動作を順次実行し、各メモリ層ML0~ML3に含まれるワード線WL1に対応する読出動作を順次実行し、更に、各メモリ層ML0,ML1に含まれるワード線WL2に対応する読出動作を順次実行している。
ただし、図68の例は、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に電圧を供給するトランジスタTrLを、読出動作を1回実行する度に切り替えている。
即ち、図68の例では、期間T400,T402,T410,T412,T420において、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aを介して電圧を供給している。また、これらの期間において、それ以外のメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを介して電圧を供給している。
また、図68の例では、期間T401,T403,T411,T413,T421において、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0b,TrL1b,TrL2b,TrL3bを介して電圧を供給している。また、これらの期間において、それ以外のメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に、トランジスタTrL0a,TrL1a,TrL2a,TrL3aを介して電圧を供給している。
図69には、本実施形態に係る半導体記憶装置のデコード回路200を例示している。
デコード回路200は、Dフリップフロップ210と、Dフリップフロップ210の出力端子に接続された複数の層選択線デコードユニット220と、Dフリップフロップ210の出力端子に接続された複数のワード線選択線デコードユニット230と、を備える。
Dフリップフロップ210は、D端子と、Q端子と、/Q端子と、クロック端子CNTと、を備える。/Q端子は、D端子に接続されている。従って、Q端子の信号は、クロック端子CNTの信号の立ち上がりに応じて、“H”から“L”に切り替わり、又は、“L”から“H”に切り替わる。
例えば、図67及び図68の例では、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に電圧を供給するトランジスタTrLを、読出動作を1回実行する度に切り替えていた。この様な場合には、読出動作を1回実行する度にクロック端子CNTの信号を立ち上げることが可能である。
尚、読出動作の対象となるメモリ層ML0~ML3中のワード線WL0~WL2に電圧を供給するトランジスタTrLを、読出動作を複数回実行する度に切り替えることも可能である。この様な場合には、読出動作を複数回実行する度にクロック端子CNTの信号を立ち上げることが可能である。
層選択線デコードユニット220は、XNOR回路221と、NOT回路222と、を備える。
XNOR回路221の一方の入力端子には、アドレス信号AL0,AL1,AL2のいずれかが入力される。アドレス信号AL0は、メモリ層ML0が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。アドレス信号AL1は、メモリ層ML1が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。アドレス信号AL2は、メモリ層ML2が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。XNOR回路221の他方の入力端子は、Dフリップフロップ210のQ端子に接続されている。また、XNOR回路221の出力端子は、層選択線LL0a,LL1a,LL2aのいずれか、及び、NOT回路222の入力端子に接続されている。
XNOR回路221は、例えば、Q端子の信号が“H”であり、且つ、入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“H”である場合に“H”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“H”であり、且つ、入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“L”である場合に“L”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“L”であり、且つ、入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“H”である場合に“L”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“L”であり、且つ、入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“L”である場合に“H”を出力する。
NOT回路222の出力端子は、層選択線LL0b,LL1b,LL2bのいずれかに接続されている。
NOT回路222は、例えば、Q端子の信号が“H”であり、且つ、XNOR回路221に入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“H”である場合に“L”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“H”であり、且つ、XNOR回路221に入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“L”である場合に“H”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“L”であり、且つ、XNOR回路221に入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“H”である場合に“H”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“L”であり、且つ、XNOR回路221に入力されたアドレス信号AL0,AL1,AL2が“L”である場合に“L”を出力する。
ワード線選択線デコードユニット230は、NOT回路231と、AND回路232,233と、を備える。
NOT回路231の入力端子は、Dフリップフロップ210のQ端子に接続されている。
AND回路232の一方の入力端子には、アドレス信号AW0,AW1,AW2のいずれかが入力される。アドレス信号AW0は、ワード線WL0が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。アドレス信号AW1は、ワード線WL1が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。アドレス信号AW2は、ワード線WL2が選択される場合に“H”となり、それ以外の場合に“L”となる。AND回路232の他方の入力端子は、Dフリップフロップ210のQ端子に接続されている。また、AND回路232の出力端子は、ワード線選択線LW0a,LW1a,LW2aのいずれかに接続されている。
AND回路232は、例えば、Q端子の信号が“H”であり、且つ、入力されたアドレス信号AW0,AW1,AW2が“H”である場合に“H”を出力する。また、例えば、Q端子の信号及び入力されたアドレス信号AW0,AW1,AW2の少なくとも一方が“L”である場合に“L”を出力する。
AND回路233の一方の入力端子には、アドレス信号AW0,AW1,AW2のいずれかが入力される。AND回路233の他方の入力端子は、NOT回路231の出力端子に接続されている。また、AND回路233の出力端子は、ワード線選択線LW0b,LW1b,LW2bのいずれかに接続されている。
AND回路233は、例えば、Q端子の信号が“L”であり、且つ、入力されたアドレス信号AW0,AW1,AW2が“H”である場合に“H”を出力する。また、例えば、Q端子の信号が“H”であるか、入力されたアドレス信号AW0,AW1,AW2が“L”であるかの少なくとも一方の条件が満たされる場合に“L”を出力する。
尚、層選択線デコードユニット220中の各構成の出力信号が“H”である場合、この出力信号の電圧の大きさは、例えば、電圧VON´であっても良い。また、層選択線デコードユニット220中の各構成の出力信号が“L”である場合、この出力信号の電圧の大きさは、例えば、電圧VOFF´であっても良い。
同様に、ワード線選択線デコードユニット230中の各構成の出力信号が“H”である場合、この出力信号の電圧の大きさは、例えば、電圧VONであっても良い。また、ワード線選択線デコードユニット230中の各構成の出力信号が“L”である場合、この出力信号の電圧の大きさは、例えば、電圧VOFFであっても良い。
[その他の実施形態]
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、これらの実施形態に係る半導体記憶装置はあくまでも例示であり、具体的な構成、動作等は適宜調整可能である。
例えば、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おいては、グローバルビット線GBLが、メモリ層ML0~ML3より下方に設けられていた。しかしながら、この様な構成はあくまでも例示に過ぎず、具体的な構成は適宜調整可能である。例えば、図70に示す様に、グローバルビット線GBLは、メモリ層ML0~ML3より上方に設けられていても良い。
また、第1実施形態及び第2実施形態に係る半導体記憶装置の製造に際しては、例えば、図18~図22を参照して説明した工程において、導電層104に対応する開口104A及び犠牲層104Bを形成していた。また、例えば、図23~図27を参照して説明した工程において、導電層106に対応する開口106A及び犠牲層106Bを形成していた。しかしながら、この様な方法はあくまでも例示に過ぎず、具体的な方法は適宜調整可能である。例えば、図18~図22を参照して説明した工程と、図23~図27を参照して説明した工程は、一括して実行しても良い。この場合には、例えば、開口104A(図18、図19)の内径と開口106A(図23、図24)の内径とを同程度の大きさとしても良い。また、一つのトランジスタ構造140に対応して、複数の開口106Aを形成しても良い。この様な場合、例えば図71に示す様に、一つのトランジスタ構造140に対応して、導電層104と同程度の大きさの導電層106が、複数設けられていても良い。
また、以上の説明では、Z方向において隣り合う2つのトランジスタTrC,TrLが、お互いのチャネル領域を介して隣り合う様な構造を採用していた。しかしながら、例えば、Z方向において隣り合う2つのトランジスタTrC,TrLが、お互いのゲート電極を介して隣り合う様な構造を採用しても良い。
また、以上の説明では、トランジスタ構造110に接続されるメモリ部として、キャパシタCpCが採用される例について説明した。しかしながら、メモリ部は、キャパシタCpCでなくても良い。例えば、メモリ部は、強誘電体、強磁性体、GeSbTe等のカルコゲン材料又はその他の材料を含み、これら材料の特性を利用してデータを記録するものであっても良い。例えば、以上において説明したいずれかの構造において、キャパシタCpCを形成する電極間の絶縁層に、これら材料のいずれかを含ませても良い。
[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。
Sub…半導体基板、ML0~ML3…メモリ層、BL…ビット線、WL…ワード線、PL…プレート線、TrC,TrL…トランジスタ、102…導電層、104…導電層、110…トランジスタ構造、120…導電層、130…キャパシタ構造、140…トランジスタ構造、150…導電層。

Claims (13)

  1. 第1方向に並ぶ複数のメモリ部と、
    前記第1方向に並び、前記複数のメモリ部に電気的に接続された複数の第1半導体層と、
    前記第1方向に並び、前記複数の第1半導体層とそれぞれ対向する複数の第1ゲート電極と、
    前記第1方向に延伸し、前記複数の第1半導体層に接続された第1配線と、
    前記第1方向に並び、前記第1方向と交差する第2方向に延伸し、前記複数の第1ゲート電極に接続された複数の第2配線と、
    前記第1方向に並び、前記複数の第2配線の前記第2方向の一端部に設けられた複数の第2半導体層と、
    前記第1方向に並び、前記複数の第2半導体層と対向する複数の第2ゲート電極と、
    前記第1方向に並び、前記複数の第2配線の前記第2方向の他端部に設けられた複数の第3半導体層と、
    前記第1方向に並び、前記複数の第3半導体層と対向する複数の第3ゲート電極と
    を備える半導体記憶装置。
  2. 前記第1方向に延伸し、前記複数の第2半導体層に接続された第3配線と、
    前記第1方向に延伸し、前記複数の第3半導体層に接続された第4配線と
    を備える請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 第1の読出動作を実行可能に構成され、
    前記複数の第2配線のうちの一つを第5配線とすると、
    前記第1の読出動作に際して、
    前記複数の第2ゲート電極のうち、前記第5配線に接続された前記第2半導体層と対向するものに第1電圧を供給し、それ以外の少なくとも1つの前記第2ゲート電極に前記第1電圧と異なる第2電圧を供給し、
    前記複数の第3ゲート電極のうち、前記第5配線に接続された前記第3半導体層と対向するものに前記第2電圧を供給し、それ以外の少なくとも1つの前記第3ゲート電極に前記第1電圧を供給する
    請求項2記載の半導体記憶装置。
  4. 前記第1の読出動作に際して、前記第3配線及び前記第4配線に、異なる電圧を供給する
    請求項3記載の半導体記憶装置。
  5. 第2の読出動作を実行可能に構成され、
    前記複数の第2配線のうちの一つを第6配線とすると、
    前記第2の読出動作に際して、
    前記複数の第2ゲート電極のうち、前記第6配線に接続された前記第2半導体層と対向するものに前記第2電圧を供給し、それ以外の少なくとも1つの前記第2ゲート電極に前記第1電圧を供給し、
    前記複数の第3ゲート電極のうち、前記第6配線に接続された前記第3半導体層と対向するものに前記第1電圧を供給し、それ以外の少なくとも1つの前記第3ゲート電極に前記第2電圧を供給する
    請求項3又は4記載の半導体記憶装置。
  6. 前記第2の読出動作に際して、前記第3配線及び前記第4配線に、異なる電圧を供給する
    請求項5記載の半導体記憶装置。
  7. 前記複数の第2ゲート電極のいずれか、及び、前記複数の第3ゲート電極のいずれかに接続された第1回路を備え、
    前記第1回路は、
    第1のデータが入力される第1の入力端子と、
    第2のデータが入力される第2の入力端子と
    を備え、
    前記第1のデータが第1の状態であり、且つ、前記第2のデータが前記第1の状態である場合に、前記第2ゲート電極に第1電圧を供給し、前記第3ゲート電極に、前記第1電圧と異なる第2電圧を供給し、
    前記第1のデータが前記第1の状態であり、且つ、前記第2のデータが前記第1の状態と異なる第2の状態である場合に、前記第2ゲート電極に前記第2電圧を供給し、前記第3ゲート電極に前記第1電圧を供給し、
    前記第1のデータが前記第2の状態であり、且つ、前記第2のデータが前記第1の状態である場合に、前記第2ゲート電極に前記第2電圧を供給し、前記第3ゲート電極に前記第1電圧を供給し、
    前記第1のデータが前記第2の状態であり、且つ、前記第2のデータが前記第2の状態である場合に、前記第2ゲート電極に前記第1電圧を供給し、前記第3ゲート電極に前記第2電圧を供給する
    請求項2~6のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  8. 前記第3配線及び前記第4配線に接続された第2回路を備え、
    前記第2回路は、
    第3のデータが入力される第3の入力端子と、
    第1のデータが入力される第4の入力端子と
    を備え、
    前記第1のデータが第1の状態であり、且つ、前記第3のデータが前記第1の状態である場合に、前記第3配線に第3電圧を供給し、前記第4配線に、前記第3電圧と異なる第4電圧を供給し、
    前記第1のデータが前記第1の状態と異なる第2の状態であり、且つ、前記第3のデータが前記第1の状態である場合に、前記第3配線に前記第4電圧を供給し、前記第4配線に前記第3電圧を供給し、
    前記第3のデータが前記第2の状態である場合に、前記第3配線及び前記第4配線に、前記第4電圧を供給する
    請求項2~7のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  9. 前記メモリ部は、キャパシタである
    請求項1~8のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  10. 前記複数の第1半導体層は、それぞれ、前記複数の第1ゲート電極の前記第1方向における一方側及び他方側の面と対向する
    請求項1~9のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  11. 前記第2半導体層は、前記第2ゲート電極の前記第1方向における一方側及び他方側の面と対向し、
    前記第3半導体層は、前記第3ゲート電極の前記第1方向における一方側及び他方側の面と対向する
    請求項1~10のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  12. 前記第1半導体層、前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、それぞれ、酸化物半導体を含む
    請求項1~11のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  13. 前記第1半導体層、前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、それぞれ、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)のうち少なくとも一つの元素と、インジウム(In)と、亜鉛(Zn)と、酸素(O)と、を含む
    請求項1~12のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
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