JP5341529B2 - 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents
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Description
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なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置100は、基板1と、基板1の上に設けられた第1層51と、第1層51の基板1とは反対側の第1主面51a(主面)の上に設けられた第2層52と、第1主面51aを貫通して、第1層51と第2層52とに延在する導電性の柱状構造体60と、を備える。
すなわち、側部80は、第2孔62を形成する際のエッチングストッパとして機能する部分がエッチング工程の後に残存したものであっても良く、エッチング工程の後に除去されて、その部分に他の材料が埋め込まれたものであっても良く、さらに、エッチング工程の後に除去され、そのまま空隙となった構造であっても良い。
図2は、本発明の第1の実施例に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、第1の実施例に係る半導体装置100aは一括加工型の3次元積層メモリである。すなわち、シリコンからなる基板101の上に電極膜と絶縁膜とが交互に積層された積層体が設けられ、この積層体に貫通孔が一括加工され、貫通孔の側面に電荷蓄積層となるONO(Oxide Nitride Oxide)膜172が設けられ、貫通孔の内部に埋め込まれたシリコンによりシリコンピラーが形成される。これにより、各電極膜とシリコンピラーとの交差部分にメモリセルが形成される。同図中、右側の部分がメモリトランジスタ領域MAであり、左側の部分が周辺回路領域PAである。
本具体例では、このBPSG膜182及びBPSG膜182よりも下の層(基板101の側の層)が第1層51となる。
本具体例では、酸化珪素膜183、ポリシリコン膜184及び絶縁膜185が第2層52となる。
このように、本具体例では、第1孔61と第2孔62とに同一の材料の半導体ピラー193が埋め込まれている。半導体ピラー193には、アモルファスシリコンやポリシリコンを用いることができる。半導体ピラー193が柱状構造体60となる。
周辺回路領域PAにおいては、上記の酸化珪素膜142及び酸化珪素膜148が第1層51となる。
周辺回路領域PAにおいては、BPSG膜182及び酸化珪素膜187が第2層52となる。そして、BPSG膜182及び酸化珪素膜187を貫通して、第2孔62が設けられ、第2孔62の内部には第2柱62aとして例えば金属が埋め込まれて、接続プラグ188iが形成されている。接続プラグ188iには任意の導電性の材料を用いることができる。
図3は、本発明の第1の実施例に係る半導体装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。
図3に表したように、本実施例に係る半導体装置100bは、基板1と、基板1の上に設けられた第1層51と、第1層51の基板1とは反対側の第1主面51aの上に設けられた第2層52と、第1主面51aを貫通し、第1層51と第2層52とに延在する導電性の柱状構造体60と、を備える。
基板1は図2に例示した基板101に相当する。
すなわち、同図(a)は最初の工程の図であり、同図(b)、(c)及び(d)はそれぞれ前の工程に続く図である。
図5は、図4に続く工程順模式的断面図である。
図6は、図5に続く工程順模式的断面図である。
図7は、図6に続く工程順模式的断面図である。
図8は、第1の比較例の半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、第1の比較例の半導体装置201においては、側部80が設けられない。このため、第2孔62を形成する際に、第1の層間シリコン酸化膜4がエッチングされ、その下の層である電極膜3が露出する。このため、一番上層の電極膜3においては、電極膜3の上面がONO膜172と接し、一番上層の電極膜3がONO膜172と対応する面積が、下層の電極膜3とは異なってしまう。
図9は、第1の比較例の半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。 図10は、図9に続く工程順模式的断面図である。
半導体装置100bと同様に、第1の比較例の半導体装置201においても、基板1の上に、絶縁膜2及び電極膜3を交互に複数層堆積し、第1の層間シリコン酸化膜4を堆積して第1層51を形成し、第1層51に第1孔61を形成して、第1孔61にシリコン窒化膜8を埋め込み、第1の層間シリコン酸化膜4の上面のシリコン窒化膜8をウェットエッチング技術により除去する。
そして、図9(b)に表したように、選択ゲートとなるポリシリコン層10及びハードマスクとなるシリコン酸化膜11を堆積し、リソグラフィ技術を用いて第2のホールパターンをレジスト12に形成する。なお、この場合も、第2の層間シリコン酸化膜9、ポリシリコン層10及びシリコン酸化膜11が第2層52である。
そして、図9(c)に表したように、ドライエッチング技術、アッシング技術、ウェット洗浄技術を用いてレジスト12の第2のホールパターンをシリコン酸化膜11に転写する。
このとき、第1孔61と第2孔62の位置は、リソグラフィにおける合わせずれによりずれる。このずれを完全に無くすことは不可能である。このため、第2孔62において、第1孔61よりもはみ出た部分が発生する。そして、この時、ポリシリコン層10及び第2の層間シリコン酸化膜9をドライエッチングする際、ウェーハ面内のエッチングレートのばらつきや、ポリシリコン層10及び第2の層間シリコン酸化膜9などの堆積膜のウェーハ間のばらつきを考慮して、オーバーエッチングが行われる。その時には、同図に例示したように、第1の層間シリコン酸化膜4もエッチングされてしまい、第1層51の最上層の電極膜3が露出されてしまう。
そして、第1孔61の側壁に、電荷蓄積層となる酸化珪素膜、窒化珪素膜及び酸化珪素膜のONO膜13を堆積し、その中にポリシリコン層14を埋め込み、必要に応じて不要なONO膜13及びポリシリコン層14を除去して、図8に例示した第1の比較例の半導体装置201が形成される。
図11は、第2及び第3の比較例の半導体装置の製造途中の状態を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図は、図10に例示した、シリコン窒化膜8を除去して、第1孔61と第2孔62とが連通した状態を例示している。すなわち、第1の実施例に係る図7(b)に対応する図である。
図12(a)に例示したように、本実施形態に係る別の半導体装置100dでは、元々シリコン窒化膜16aが存在した場所に、空隙17が設けられている。すなわち、第1の実施例に係る半導体装置100bではシリコン窒化膜16aが存在した場所に、ONO膜13(及びポリシリコン層14)が埋め込まれているが、半導体装置100dでは、その箇所が空隙17となっている。そして、空隙17が側部80となる。このように、シリコン窒化膜16aが存在した場所が空隙17であってもデバイス特性上問題がない。
第2の実施例は、図2に例示した半導体装置100のコンタクト部C2に本実施形態を適用した例である。
図13は、本発明の第2の実施例に係る半導体装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。
図13に表したように、本実例に係る半導体装置100cは、基板1と、基板1の上に設けられた第1層51と、第1層51の基板1とは反対側の第1主面51a(主面)の上に設けられた第2層52と、第1主面51aを貫通し、第1層51と第2層52とに延在する導電性の柱状構造体60と、を備える。
第1層51は、図2に例示した酸化珪素膜142及び酸化珪素膜148に対応する。そして、第2層52は、図2に例示したBPSG膜182及び酸化珪素膜187に対応する。
図14は、本発明の第2の実施例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図15は、図14に続く工程順模式的断面図である。
図14(a)に表したように、まず、基板1の上にCVD技術を用いて第1のシリコン酸化膜22を堆積し、その上にレジスト23を形成し、そのレジスト23にリソグラフィ技術によって第1のホールパターンを形成する。
図16は、第4の比較例の半導体装置の製造途中の状態を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図は、第2孔62が形成され、その内部にTaN等のバリアメタル及びシードCu膜の積層膜29を形成した時の状態を例示している。すなわち、第2の実施例に係る図15(c)から図15(d)に到る途中の工程に対応する図である。
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第1層51と、第1層51の主面の上に設けられた第2層52と、第1層51の前記主面を貫通し、第1層51と第2層52とに延在する導電性の柱状構造体60と、を有する半導体装置の製造方法である。以下では、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の特徴の部分について説明する。
図17に表したように、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、まず、基板1の上に第1層51となる層を形成する(ステップS110)。例えば、図4(a)や図14(a)に関して説明した方法を採用することができる。
すなわち、図4(d)に関して説明したように、第1孔61の内部に第3層としてシリコン窒化膜8を埋め込む。また、図14(c)に関して説明したように、第1孔61の内部に第3層となる、Ti/TiNの積層膜であるバリアメタル24及びタングステン膜25を埋め込み、第3層となる第1柱61aを形成する。
すなわち、例えば、図5(b)に関して説明したように、第1層51の第2主面51bを後退させて第1主面51aを形成し、第3層であるシリコン窒化膜8の側壁を露出させる。
また、図14(d)に関して説明したように、第1のシリコン酸化膜22の第2主面51bをエッチバックして第1主面51aを形成し、第3層である第1柱61aの側壁が露出される。
すなわち、例えば、図5(c)及び(d)に関して説明したように、シリコン窒化膜16を形成した後エッチバックすることで、第3層であるシリコン窒化膜8の側壁の部分に、第4層となるシリコン窒化膜16aを形成する。
また、図14(d)及び図15(a)に関して説明したように、シリコン窒化膜26を体積した後、シリコン窒化膜26をエッチバックすることにより、第1主面51aにおいて、第3層である第1柱61aの側壁のみに、第4層となるシリコン窒化膜26aを残存させる。
すなわち、例えば、図6(a)〜(c)に関して説明したように、第2層52となる第2の層間シリコン酸化膜9、ポリシリコン層10及びシリコン酸化膜11を形成する。
また、図15(b)に関して説明したように、第2層52となる第2のシリコン酸化膜27を形成する。
すなわち、例えば、図6(d)及び図7(a)に関して説明したように、第2層52となる第2の層間シリコン酸化膜9、ポリシリコン層10及びシリコン酸化膜11に、第3層(シリコン窒化膜8)に到達する第2孔62を形成する。
また、図15(c)に関して説明したように、第2層52となる第2のシリコン酸化膜27に、第3層となる第1柱61aに到達する第2孔62を形成する。
すなわち、例えば、図7(b)及び(c)に関して説明したように、シリコン窒化膜8及びシリコン窒化膜16aを除去した後、第1孔61及び第2孔62の内部に、ONO膜13及びポリシリコン層14を埋め込む。
また、図15(d)に関して説明したように、第2孔62の内部に積層膜29及びCu膜30を埋め込む。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれが、第3層の側壁に第4層が設けられ、第2層52に第2孔62を形成する工程において、第4層がエッチングストッパとして機能することで、第1層51の上面にダメージを与えることがない。これにより、柱状構造体60の形成の際のリソグラフィの合わせずれの許容度を拡大し、デバイス特性の劣化を抑制する半導体装置の製造方法が提供できる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
2 絶縁膜
3 電極膜
4 第1の層間シリコン酸化膜
5 レジスト
8 シリコン窒化膜
9 第2の層間シリコン酸化膜
9a、9b エッチングストッパ膜
10 ポリシリコン層
11 シリコン酸化膜
12 レジスト
13 ONO膜
14 ポリシリコン層
16、16a シリコン窒化膜
17 空隙
18 絶縁層
22 第1のシリコン酸化膜
23 レジスト
24 バリアメタル
25 タングステン膜
26、26a シリコン窒化膜
27 シリコン酸化膜
28 レジスト
29 積層膜
30 Cu膜
31 スリット
51 第1層
51a 第1主面
51b 第2主面
52 第2層
60 柱状構造体
61 第1孔
61a 第1柱
62 第2孔
62a 第2柱
80 側部
100、100a〜100e、201〜204 半導体装置
101 基板
102 STI
104 Pウエル領域
107 n+拡散領域
110 周辺回路トランジスタ
118 窒化珪素膜
124 BPSG膜
126 導電膜
127 TEOS膜
128 窒化珪素膜
142 酸化珪素膜
146a 配線
148 酸化珪素膜
150、154、158、162 電極膜
152、156、160、164 酸化珪素膜
172 ONO膜
182 BPSG膜
183 酸化珪素膜
184 ポリシリコン膜
185 絶縁膜
187 酸化珪素膜
188c〜188i 接続プラグ
189 熱酸化膜
190、190a、190d〜190g 電極
192 BPSG膜
193 半導体ピラー
194a、194b 接続プラグ
196b 電極
C1、C2 コンタクト部
MA メモリトランジスタ領域
PA 周辺回路領域
Claims (3)
- 基板の上に複数の絶縁膜と複数の導電膜とを交互に積層して最上層が前記複数の絶縁膜の1つである第1層となる層を形成し、
前記第1層となる前記層の上面から前記基板の側に向かって、前記上面に対して直交する方向に延在する第1孔を形成し、
前記第1孔の内部に前記絶縁膜とは異なる材料の第3層を埋め込み、
前記第1層の前記上面を後退させて前記第3層の側壁と、前記複数の絶縁膜のうちの前記1つと、を露出させ、
前記露出した前記第3層の前記側壁及び前記複数の絶縁膜のうちの前記1つ上に、前記第3層と同じ材料の第4層を形成し、
前記第1層、前記第3層及び前記第4層を覆うように第2層を形成し、
前記第2層の上面から前記第2層を貫通し、前記第3層に到達する第2孔を形成し、
前記第2孔を形成した後、前記複数の絶縁膜のうちの前記1つを残しつつ、前記第3層及び前記第4層を一括して除去し、
前記第1孔及び前記第2孔の内部において露出する前記第1層の側壁及び前記第2層の側壁上に電荷蓄積層を形成し、前記第1孔及び前記第2孔の内部の残余の空間に一括して半導体材料を埋め込むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記複数の絶縁膜は、酸化珪素膜であり、
前記第3層及び前記第4層は、窒化珪素膜である請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記電荷蓄積層は、第1の酸化珪素膜と、第2の酸化珪素膜と、前記第1の酸化珪素膜と前記第2の酸化珪素膜との間に設けられた窒化珪素膜と、を含む請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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