JP2023087906A - 半導体記憶装置の製造方法及び半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】互いに対向する降段部と昇段部との間に形成される隙間を縮小する。【解決手段】第1レジスト形成工程において、積層体の上面の一部を露出させる第1開口パターンが形成された第1レジスト層を積層体の上面に形成する。第1階段形成工程において、第1開口パターンを介して行われるエッチング加工により、降段部及び昇段部のうちの一方である第1階段部の下側領域と、降段部及び昇段部のうちの他方である第2階段部の上側領域とを同時に形成する。第2レジスト形成工程において、第1階段形成工程により形成された第1階段部及び第2階段部の最下段である中間底部の一部と第1階段部の下側領域とを露出させる第2開口パターンが形成された第2レジスト層を積層体の上面に形成する。第2階段形成工程において、第2開口パターンを介して行われるエッチング加工により、第1階段部の上側領域と、第2階段部の下側領域とを同時に形成する。【選択図】図5
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置の製造方法及び半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置として、導電層と絶縁層とが交互に複数積層された積層体に複数のメモリセルが三次元状に配置された三次元積層型メモリが利用されている。このような三次元積層型メモリにおいて、メモリセルから電荷を取り出すコンタクトの配置数を増加させるために積層体を階段状に形成する場合がある。特に、所定方向に向かって降段していく降段部と所定方向に向かって昇段していく昇段部とを互いに対向するように形成する場合がある。このとき、降段部と昇段部との間に形成される隙間は、コンタクトを配置できない領域となるため、できるだけ縮小されることが望まれる。しかしながら、従来の製造方法では当該隙間を十分に縮小できない。
本発明の一つの実施形態は、コンタクトが配置される領域において互いに対向する降段部と昇段部との間に形成される隙間を縮小可能な半導体記憶装置の製造方法及び半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、導電層と絶縁層との組からなる単位層が複数積層された積層体に降段部と昇段部とが形成された半導体記憶装置の製造方法が提供される。降段部は、単位層が第1方向に向かって降段していく部分である。昇段部は、降段部に対して対向するように単位層が第1方向に向かって昇段していく部分である。製造方法は、第1レジスト形成工程と、第1階段形成工程と、第2レジスト形成工程と、第2階段形成工程とを含む。第1レジスト形成工程において、積層体の上面の一部を露出させる第1開口パターンが形成された第1レジスト層を積層体の上面に形成する。第1階段形成工程において、第1開口パターンを介して行われるエッチング加工により、降段部及び昇段部のうちの一方である第1階段部の下側領域と、降段部及び昇段部のうちの他方である第2階段部の上側領域とを同時に形成する。第2レジスト形成工程において、第1階段形成工程により形成された第1階段部及び第2階段部の最下段である中間底部の一部と第1階段部の下側領域とを露出させる第2開口パターンが形成された第2レジスト層を積層体の上面に形成する。第2階段形成工程において、第2開口パターンを介して行われるエッチング加工により、第1階段部の上側領域と、第2階段部の下側領域とを同時に形成する。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体記憶装置及びその製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる半導体記憶装置の断面図等は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
図1は、実施形態の半導体記憶装置1の全体的構成の一例を示す上面図である。図1において、X方向(第1方向の一例)は紙面上で右から左へ向かう方向に対応し、Y方向は紙面上で下から上へ向かう方向に対応し、Z方向は紙面の奥から手前へ向かう方向に対応している。他の図面におけるX方向、Y方向、及びZ方向は、図1におけるX方向、Y方向、及びZ方向にそれぞれ対応している。
図1に示されるように、本実施形態の半導体記憶装置1は、基板S上に複数(本実施形態では8つ)のセル2が配置されて構成されている。複数のセル2のそれぞれは、メモリセルアレイ11、降段部12、及び昇段部13を含む。
メモリセルアレイ11は、導電層と絶縁層との組からなる単位層がZ方向に沿って複数積層された積層体の内部において複数のメモリセルが三次元状に配置された部分である。
降段部12及び昇段部13は、各メモリセルの電荷を外部へ出力可能な複数のコンタクトが配置される部分である。降段部12は、積層体の複数の単位層がX方向に向かって降段していくように形成された階段状の部分である。昇段部13は、積層体の複数の単位層がX方向に向かって昇段していくように形成された階段状の部分である。
隣接する2つのセル2の間には絶縁層からなる隙間14が形成されており、隣接する2つのセル2は電気的に分断された状態となっている。これにより、各セル2は、それぞれ独立した記憶領域を構成している。すなわち、本実施形態の半導体記憶装置1は、1つの基板S上に独立した8つの記憶領域を有している。
図2は、実施形態のメモリセルアレイ11の構造の一例を示す斜視図である。図2においては、積層体LBの一部を構成する絶縁層が省略されている。
基板S上には、導電層からなるソース線SLが設けられている。ソース線SL上には、Z方向に沿って延びる複数の酸化シリコン等からなるピラーPが設けられている。各々のピラーPは自身の側面に、ポリシリコン等からなるチャネル層と複数の絶縁層が積層されたメモリ層とを備える。ピラーPの側面に備えられる絶縁層は、例えば、チャネル層側からトンネル絶縁膜、電荷蓄積膜、及びブロック絶縁膜が積層された構成を有する。また、ソース線SL上には、層間絶縁層を介して、タングステン等からなる導電層と酸化シリコン等からなる絶縁層との組からなる単位層が交互に複数積層された積層体LBが設けられている。各々のピラーPは積層体LBを貫通している。
積層体LB中の最下層の導電層はソース側の選択ゲート線SGSとして機能し、最上層の導電層はドレイン側の選択ゲート線SGDとして機能する。選択ゲート線SGDは、X方向に沿って並ぶピラーP毎に分割されている。選択ゲート線SGS,SGDに挟まれた複数の導電層は、複数のワード線WLとして機能する。ワード線WLの積層数(メモリセルMSの個数)は用途等に応じて任意に設定される。選択ゲート線SGS,SGD及び複数のワード線WL間には絶縁層が配置されるが、図2においてはその図示が省略されている。各々のピラーPは、積層体LB上のビット線BLに接続されている。各々のビット線BLは、Y方向に沿って並ぶ複数のピラーPに接続される。
上記構成により、各ピラーPと各ワード線WLとの接続部分には、ピラーPの高さ方向に並ぶメモリセルMCが配置されることとなる。各ピラーPと選択ゲート線SGS,SGDとの接続部分には、それぞれソース側の選択トランジスタSTSとドレイン側の選択トランジスタSTDとが配置されることとなる。1つのピラーPの高さ方向に並ぶ、選択トランジスタSTS、複数のメモリセルMC、及び選択トランジスタSTDとで、メモリストリングMSが構成される。このような構成により、積層体LBの内部に複数のメモリセルMCが三次元(マトリクス)状に配置されたメモリセルアレイ11が構成される。
複数のワード線WLは、メモリセルアレイ11の外部に引き出され、後述する降段部12及び昇段部13においてコンタクトと接続する。
図3は、実施形態の降段部12及び昇段部13の構造の一例を示す斜視図である。図3には、図1において一点鎖線で示される領域20に対応する部分が模式的に例示されており、X方向に沿って隣接する2つのセル2A,2B(第1セル及び第2セルの一例)の一部が模式的に示されている。
図3に示されるように、メモリセルアレイ11の左側(X方向の正側)には降段部12が設けられ、メモリセルアレイ11の右側(X方向の負側)には昇段部13が設けられている。降段部12は、X方向に向かって降段していく複数のテラス部25を有し、昇段部13は、X方向に向かって昇段していく複数のテラス部26を有する。各テラス部25及び各テラス部26にはコンタクト15が配置されている。一方のセル2Aの降段部12と他方のセル2Bの昇段部13とは、隙間14を介して互いに対向するように配置されている。
図4は、実施形態の互いに対向する降段部12及び昇段部13の構造の一例を示す図3におけるA-A断面図である。図4に示されるように、降段部12及び昇段部13を構成する積層体LBは、ワード線WLと絶縁層ISとの組からなる単位層Lが複数積層されて構成されている。降段部12の各テラス部25及び昇段部13の各テラス部26は、絶縁層ISで構成されている。コンタクト15は、テラス部25,26の絶縁層ISを貫通し、当該絶縁層ISの直下のワード線WLと接続している。
本実施形態の降段部12は、下側領域12Lと上側領域12Hとに区分される。本実施形態においては、降段部12全体が15段のテラス部25を含み、下側領域12Lが7段のテラス部25を含み、上側領域12Hが8段のテラス部25を含む。同様に、本実施形態の昇段部13は、下側領域13Lと上側領域13Hとに区分される。本実施形態においては、昇段部13全体が15段のテラス部26を含み、下側領域13Lが7段のテラス部26を含み、上側領域13Hが8段のテラス部26を含む。なお、降段部12全体のテラス部25の段数、昇段部13全体のテラス部26の段数、下側領域12L,13Lの段数、及び上側領域12H,13Hの段数は上記に限定されるものではなく、用途等に応じて任意に設定されるべきものである。
互いに対向する降段部12と昇段部13との間、すなわちX方向に沿って隣接する2つのセル2A,2Bの間に形成される隙間14は、積層体LBの最下層の絶縁層ISにより構成されている。隙間14は、コンタクト15を配置できない領域となるため、できるだけ縮小されることが望まれる。
以下に、半導体記憶装置1の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、積層体LBに対するフォトリソグラフィ加工により、一方のセル2Aの降段部12と他方のセル2Bの昇段部13とを同時に形成するものであり、上記隙間14を縮小するための手法を含んでいる。
図5は、実施形態の半導体記憶装置1の製造方法における工程の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法においては、先ず、積層体LBの上面に第1開口パターンが形成された第1レジスト層を形成する第1レジスト形成工程が行われる(S101)。
図6は、実施形態の第1レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図7は、実施形態の第1レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す上面図である。
第1レジスト形成工程においては、図6及び図7に示されるように、積層体LBの上面(最上層の絶縁層IS)の一部を露出させる第1開口パターンP1が形成された第1レジスト層R1を積層体LBの上面に形成する。図6及び図7において、最終的に隙間14が形成される領域を示す隙間形成領域30が示されている。第1開口パターンP1は、そのX方向の幅が隙間形成領域30のX方向の幅より広くなるように形成される。本実施形態の第1開口パターンP1は、隙間形成領域30と、最終的に昇段部13が形成される領域(図中、隙間形成領域30より左側の領域)の一部とを含むように形成される。また、図7において、最終的にコンタクト15が配置される位置を示すコンタクト配置位置31が示されている。
その後、図5に示されるように、第1階段形成工程が行われる(S102)。第1階段形成工程においては、第1開口パターンP1を介して行われるエッチング加工により、一方のセル2Aの降段部12(第1階段部の一例)の下側領域12Lと、他方のセル2Bの昇段部13(第2階段部の一例)の上側領域13Hとが同時に形成される。
図8は、実施形態の第1階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図9は、実施形態の第1階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す上面図である。
第1階段形成工程は、例えば、第1開口パターンP1を介して積層体LBの露出部分をエッチングするエッチング処理と、第1開口パターンP1のX方向の幅を広げるように第1レジスト層R1をアッシングするアッシング処理とを所定回数繰り返すことにより実行され得る。すなわち、先ず図6及び図7に示すような状態の第1開口パターンP1を介してエッチング処理が行われ、その後アッシング処理により第1開口パターンP1のX方向の幅を降段部12及び昇段部13の一段に相当する分だけ広げ、その後当該アッシング処理により広げられた第1開口パターンP1を介してエッチング処理が行われる。このようなエッチング処理及びアッシング処理が降段部12の下側領域12L及び昇段部13の上側領域13Hの段数分だけ繰り返される。これにより、積層体LBに降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとが同時に形成されていき、第1階段形成工程の終了時には、図8及び図9に示されるように、降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとが形成された状態となる。このとき、降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとの間に形成される中間底部35のX方向の幅は、図6及び図7に示される当初の第1開口パターンP1の幅と略同一となり、隙間形成領域30のX方向の幅より大きくなる。
その後、図5に示されるように、第2レジスト形成工程が行われる(S103)。第2レジスト形成工程においては、積層体LBの上面に第2開口パターンが形成された第2レジスト層が形成される。
図10は、実施形態の第2レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図11は、第2レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す上面図である。
図10及び図11において、積層体LBの上面に第2開口パターンP2が形成された第2レジスト層R2が形成された状態が示されている。このとき、第2開口パターンP2は、第1階段形成工程により形成された中間底部35の一部と、降段部12の下側領域12Lとを露出させるように形成される。
その後、図5に示されるように、第2階段形成工程が行われる(S104)。第2階段形成工程においては、第2開口パターンP2を介して行われるエッチング加工により、一方のセル2Aの降段部12の上側領域12Hと、他方のセル2Bの昇段部13の下側領域13Lとが同時に形成される。
図12は、実施形態の第2階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図13は、実施形態の第2階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す上面図である。
第2階段形成工程は、第1階段形成工程と同様に、例えば、第2開口パターンP2を介して積層体LBの露出部分をエッチングするエッチング処理と、第2開口パターンP2のX方向の幅を広げるように第2レジスト層R2をアッシングするアッシング処理とを所定回数繰り返すことにより実行され得る。すなわち、先ず図10及び図11に示すような状態の第2開口パターンP2を介してエッチング処理が行われ、その後アッシング処理により第2開口パターンP2のX方向の幅を降段部12及び昇段部13の一段に相当する分だけ広げ、その後当該アッシング処理により広げられた第2開口パターンP2を介してエッチング処理が行われる。このようなエッチング処理及びアッシング処理が降段部12の上側領域12H及び昇段部13の下側領域13Lの段数分だけ繰り返される。これにより、積層体LBに降段部12の上側領域12Hと昇段部13の下側領域13Lとが同時に形成されていき、第2階段形成工程の終了時には、図12及び図13に示されるように、降段部12の全段と昇段部13の全段とが形成され、昇段部13の上側領域13H上に第2レジスト層R2が残留した状態となる。このとき、降段部12と昇段部13との間に形成される隙間14のX方向の幅は、第1レジスト層R1に形成された第1開口パターンP1の当初のX方向の幅(図6及び図7参照)、及び第2レジスト層R2に形成された第2開口パターンP2の当初のX方向の幅(図10及び図11参照)より小さくなる。
その後、図5に示されるように、剥離工程が行われる(S105)。剥離工程においては、積層体LBに残留した第2レジスト層R2が除去される。これにより、互いに対向する降段部12及び昇段部13の形成が完了する。
その後、コンタクト配置位置31へのコンタクト15の設置、基板Sの配線パターンの形成等の所定の工程を実行することにより、図1に例示するような半導体記憶装置1が製造される。
以上のように、本実施形態によれば、互いに対向する降段部12及び昇段部13を形成する際に、先ず降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとを同時に形成し、その後降段部12の上側領域12Hと昇段部13の下側領域13Lとを同時に形成する。このような製造方法によれば、降段部12の全段と昇段部13の全段とを同時に形成する場合に比べ、最終的に降段部12と昇段部13との間に形成される隙間14を縮小することが可能となり、半導体記憶装置1全体を小型化することが可能となる。
また、本実施形態の製造方法によれば、降段部12の段数及び昇段部13の段数をそれぞれ3以上とした場合に、隙間14のX方向の幅を1μm以下とすることが可能となる。
なお、上記においては、先に降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとを形成し、その後降段部12の上側領域12Hと昇段部13の下側領域13Lとを形成する例を示したが、形成順序は逆であってもよい。すなわち、先に降段部12の上側領域12Hと昇段部13の下側領域13Lとを形成し、その後降段部12の下側領域12Lと昇段部13の上側領域13Hとを形成してもよい。
図14は、変形例の第1レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図15は、変形例の第1階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図16は、変形例の第2レジスト形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。図17は、変形例の第2階段形成工程における積層体LBの状態の一例を示す断面図である。
本変形例においては、図14に示されるように、第1レジスト層R1の第1開口パターンP1は、隙間形成領域30と、最終的に降段部12が形成される領域(図中、隙間形成領域30より右側の領域)の一部とを含むように形成される。また、図15に示されるように、第1階段形成工程の終了時には、降段部12の上側領域12Hと昇段部13の下側領域13Lとが形成される。また、図16に示されるように、第2レジスト層R2の第2開口パターンP2は、第1階段形成工程により形成された中間底部35の一部と、昇段部13の下側領域13Lとを露出させるように形成される。また、図17に示されるように、第2階段形成工程の終了時には、第2レジスト層R2が降段部12の上側領域12H上に残留した状態となる。このような変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記においては、互いに対向する降段部12と昇段部13とが電気的に分断されている場合について説明したが、降段部12と昇段部13との関係はこれに限定されるものではない。例えば、互いに対向する降段部と昇段部とは電気的に接続されていてもよい。本実施形態の製造方法は、互いに対向する位置関係にある降段部と昇段部とを形成する場合について広く適用可能なものである。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…半導体記憶装置、2,2A,2B…セル、11…メモリセルアレイ、12…降段部、12H…上側領域、12L…下側領域、13…昇段部、13H…上側領域、13L…下側領域、14…隙間、15…コンタクト、25,26…テラス部、30…隙間形成領域、31…コンタクト配置位置、35…中間底部、IS…絶縁層、L…単位層、LB…積層体、MS…メモリセル、P1…第1開口パターン、P2…第2開口パターン、R1…第1レジスト層、R2…第2レジスト層、S…基板、WL…ワード線
Claims (5)
- 導電層と絶縁層との組からなる単位層が複数積層された積層体に、前記単位層が第1方向に向かって降段していく降段部と、前記降段部に対して対向するように前記単位層が前記第1方向に向かって昇段していく昇段部とが形成された半導体記憶装置の製造方法であって、
前記積層体の上面の一部を露出させる第1開口パターンが形成された第1レジスト層を前記積層体の上面に形成する第1レジスト形成工程と、
前記第1開口パターンを介して行われるエッチング加工により、前記降段部及び前記昇段部のうちの一方である第1階段部の下側領域と、前記降段部及び前記昇段部のうちの他方である第2階段部の上側領域とを同時に形成する第1階段形成工程と、
前記第1階段形成工程により形成された前記第1階段部及び前記第2階段部の最下段である中間底部の一部と前記第1階段部の下側領域とを露出させる第2開口パターンが形成された第2レジスト層を前記積層体の上面に形成する第2レジスト形成工程と、
前記第2開口パターンを介して行われるエッチング加工により、前記第1階段部の上側領域と、前記第2階段部の下側領域とを同時に形成する第2階段形成工程と、
を含む半導体記憶装置の製造方法。 - 前記第1開口パターンの前記第1方向の幅及び前記第2開口パターンの前記第1方向の幅は、前記第2階段形成工程後に前記降段部と前記昇段部との間に形成される隙間の前記第1方向の幅より広い、
請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。 - 前記降段部と前記昇段部とは、電気的に分断している、
請求項1又は2に記載の半導体記憶装置の製造方法。 - 前記半導体記憶装置は、電気的に分断された第1セル及び第2セルを含み、
前記降段部の前記導電層は、前記第1セルに含まれるメモリセルと接続し、
前記昇段部の前記導電層は、前記第2セルに含まれるメモリセルと接続する、
請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置の製造方法。 - 導電層と絶縁層との組からなる単位層が複数積層された積層体に、前記単位層が第1方向に向かって降段していく降段部と、前記降段部に対して対向するように前記単位層が前記第1方向に向かって昇段していく昇段部とが形成された半導体記憶装置であって、
前記降段部の段数及び前記昇段部の段数が3以上であり、
前記降段部と前記昇段部との間に形成される隙間の前記第1方向の幅が1μm以下である、
半導体記憶装置。
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