JP5671413B2 - 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板(11)に第1方向に沿って、複数の素子分離絶縁層(12)を形成する工程と、複数の素子分離絶縁層(12)の間の複数の半導体領域(11p)の上部をエッチバックする工程と、複数の半導体領域の各々に、第1導電型(n)の不純物で相対的に深く、及び、第2導電型(p)の不純物で相対的に浅くイオン注入して、それぞれ第1イオン注入層(13a)、及び、第2イオン注入層(14a)を形成する工程と、複数の半導体領域の各々に、その上部を埋めるように下部電極膜(16a)を形成する工程と、複数の素子分離絶縁層(12)及び複数の下部電極膜(16a)を覆うように抵抗変化層膜(17a)、上部電極膜(18a)及び第2配線膜(20a)をこの順に成膜する工程と、第1方向と異なる第2方向に複数の第2配線(20)が延在するように、複数の第2イオン注入層(14a)をエッチングストッパーとし、第2配線膜(20a)、上部電極膜(18a)、抵抗変化層膜(17a)及び複数の下部電極膜(16a)をエッチングして、第2配線(20)、上部電極(18)、抵抗変化層(17)及び下部電極(16)とを形成する工程と、露出した第2イオン注入層(14a)を、第1導電型の不純物でイオン注入して、残りの第2イオン注入層(14a)を第2半導体層(14)とし、イオン注入された第2イオン注入層(14a)と第1イオン注入層(13a)とを第1半導体層(13)を含む第1配線(13)とする工程とを具備している。
本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。不揮発性半導体記憶装置1は、抵抗変化型不揮発メモリ(ReRAM)であり、複数のビット線13と、複数のワード線20と、複数のメモリセル10とを具備している。なお、この図において、電流・電圧の供給・印加を行う回路の記載を省略している(以下同じ)。
図2Aは、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例(図1A)の平面図である。メモリセル10は、破線で示す領域である。この領域のX方向及びY方向の幅は、ワード線20及びビット線13の幅をいずれも最小加工寸法Fとすれば、いずれも2Fである。すなわち、メモリセル10の面積は、(2F)2=4F2であり、最小単位セル面積である。このように、このメモリセル10は、1D1R構造を有し、最小単位セル面積を可能にしている。
本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図12は、本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Aは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、抵抗変化部19の側面にサイドウォール24が設けられている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
基板11の全面を覆うように酸化シリコンのような層間絶縁膜を形成する。そして、その層間絶縁膜をエッチバックする。それにより、Y方向に延在する抵抗変化部19及びワード線20の両側面にサイドウォール24を形成することができる。
それに加えて、ダイオード15の接合面積をより増大することができる。それにより、ダイオード15により大きな電流を流すことができる。更に、下部電極16と第1半導体層14とが直接接触すること、すなわちダイオード15がショートすることを防止することができる。
図14Aは本実施の形態における不揮発性半導体記憶装置1AのIII−III*断面図(図13Aと同じ)である。図14Bは本実施の形態における第1変形例の不揮発性半導体記憶装置1BのIII−III*断面図である。図14Cは本実施の形態における第2変形例の不揮発性半導体記憶装置1CのIII−III*断面図である。
それに加えて、ダイオード15の接合面積をより増大することができる。それにより、ダイオード15に更により大きな電流を流すことができる。
本発明の第3の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図15は、本発明の第3の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Dは、第2の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Aと比較して、サイドウォール24間のビット線13の少なくとも上部がシリサイド化されている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
まず、基板11の全面を覆うようにタングステンのような金属膜を成膜する。その後、基板11を適当な温度でアニールすることで、金属膜のうち、ビット線13が露出した部分に接している部分、すなわちn+型Si(シリコン)の部分に接している部分と、ビット線13の上部とが反応してシリサイド化される。その後、金属膜をエッチングにより除去する。それにより、シリサイド層26を形成することができる。
それに加えて、ビット線13の抵抗を更に低減することができる。
本発明の第4の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図17A〜図17Bは、本発明の第4の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例におけるI−I*断面図及びII−II*断面図である。ただし、I−I*断面及びII−II*断面の定義は第1の実施の形態と同様である。すなわち、I−I*断面はワード線20を含むyz断面である。II−II*断面はワード線20を含まないyz断面である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Eは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、下部電極16とダイオード15との接触部分がシリサイド化されている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
ダイオード15と抵抗変化部19との間にシリサイド層28を設けることで、接触抵抗を低減することができる。
それに加えて、ダイオード15と抵抗変化部19との間にシリサイド層28を設けることで、ダイオード15と抵抗変化部19との間の接触抵抗を低減することができる。
本発明の第5の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図24は、本発明の第5の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例におけるI−I*断面図である。ただし、I−I*断面の定義は第1の実施の形態と同様である。すなわち、I−I*断面はワード線20を含むyz断面である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Fは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、上部電極18とワード線20との間に、ワード線20の一部として、バリア層30を備えている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
それに加えて、上部電極18とワード線20との間にバリア層30を設けることで、金属拡散が防止され、不揮発性半導体記憶装置の信頼性を向上することができる。
本発明の第6の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図25は、本発明の第6の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例におけるI−I*断面図である。ただし、I−I*断面の定義は第1の実施の形態と同様である。すなわち、I−I*断面はワード線20を含むyz断面である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Gは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、上部電極18とワード線20とを一体として形成した電極配線層32を備えている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
それに加えて、上部電極膜18aとワード線膜20aとの代わりに、一つの電極配線層膜を用いるので、製造プロセスの簡略化や、製造コストの低減や、製造期間の短縮を図ることができる。
本発明の第7の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図26は、本発明の第7の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Hは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、基板がSOI(Silicon on Insulator)基板である点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
それに加えて、基板11としてSOI基板を用いるので、埋め込みビット線13間のリーク電流を防止することができる。
本発明の第8の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図28は、本発明の第7の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Iは、第7の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Hと比較して、不揮発性半導体記憶装置1Hの構造が積層されている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
まず、複数の不揮発性半導体記憶装置1Hを製造する。不揮発性半導体記憶装置1Hの製造方法については、第7の実施の形態に記載のとおりである。次に、各不揮発性半導体記憶装置1Hの裏面側の絶縁層11bを所定の厚みになるまで研磨する。その所定の厚みは、例えば、不揮発性半導体記憶装置1H同士で互いに電気的・磁気的に影響を与えない程度の厚みが好ましい。その後、それらを貼り合わせることで、不揮発性半導体記憶装置1Iを製造する。
それに加えて、不揮発性半導体記憶装置1Hを積層しているので、セルアレイの集積度を向上させることができる。
本発明の第9の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図29は、本発明の第9の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Jは、第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1と比較して、ビット線13が薄く形成されている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
本発明の第10の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置について説明する。図31は、本発明の第10の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Kは、第9の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置1Jと比較して、ダイオードをショットキーダイオード36にしている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
加えて、ショットキーダイオード36とすることで、PN接合ダイオードと比較して、スイッチング速度を速くすることができ、高速動作を実現できる。
それに加えて、ショットキー用金属膜と下部電極膜との代わりに、一つの金属電極層膜を用いるので、製造プロセスの簡略化や、製造コストの低減や、製造期間の短縮を図ることができる。
10 メモリセル
11 基板
11a シリコン層
11b 絶縁層
11p 半導体領域
11q、11qa 凹構造
12 素子分離絶縁層
13 ビット線、第1半導体層
13a 第1イオン注入層
14 第2半導体層
14a 第2イオン注入層
15 ダイオード
16 下部電極
16a 下部電極膜
17 抵抗変化層
17a 抵抗変化層膜
18 上部電極
18a 上部電極膜
19 抵抗変化部
20 ワード線
24 サイドウォール
26 シリサイド層
28 シリサイド層
28a 金属膜
30 バリア層
32 電極配線層
34 金属層
36 ショットキーダイオード
38 金属電極層
Claims (2)
- 不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記不揮発性半導体記憶装置は、
複数の第1配線と、複数の第2配線と、複数のメモリセルとを具備し、
前記メモリセルは、ダイオードと、抵抗変化部とを備え、
前記ダイオードは、第1導電型の第1半導体層と、第2導電型の第2半導体層とを含み、
前記抵抗変化部は、上部電極と、抵抗変化層と、下部電極とを含み、
前記第1半導体層は、前記第1配線に含まれ、
前記第2半導体層は、前記第1半導体層の凹部に埋設され、
前記不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、
半導体基板に第1方向に沿って、複数の素子分離絶縁層を形成する工程と、
前記複数の素子分離絶縁層の間の複数の半導体領域の上部をエッチバックする工程と、
前記複数の半導体領域の各々に前記第1導電型の不純物でイオン注入して第1イオン注入層を形成する工程と、
前記複数の半導体領域の各々に前記第2導電型の不純物でイオン注入して第2イオン注入層を前記第1イオン注入層よりも浅い位置に形成する工程と、
前記複数の半導体領域の各々に、その上部を埋めるように下部電極膜を形成する工程と、
前記複数の素子分離絶縁層及び前記複数の下部電極膜を覆うように抵抗変化層膜、上部電極膜及び第2配線膜をこの順に成膜する工程と、
前記第1方向と異なる第2方向に複数の第2配線が延在するように、前記複数の第2イオン注入層をエッチングストッパーとし、前記第2配線膜、前記上部電極膜、前記抵抗変化層膜及び前記複数の下部電極膜をエッチングして、前記第2配線、前記上部電極、前記抵抗変化層及び前記下部電極とを形成する工程と、
露出した前記第2イオン注入層を、前記第1導電型の不純物でイオン注入して、残りの前記第2イオン注入層を前記第2半導体層とし、イオン注入された前記第2イオン注入層と第1イオン注入層とを前記第1半導体層を含む前記第1配線とする工程と
を具備する
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記下部電極膜を形成する工程は、前記複数の半導体領域の上部にシリサイド用金属膜と前記下部電極膜とをこの順で形成する工程を備え、
更に、前記半導体基板を加熱して、前記シリサイド用金属膜と前記第2イオン注入層とを反応させてシリサイド層を形成する工程を具備する
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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