JP7301688B2 - 半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体記憶装置およびその製造方法に関する。
3次元半導体メモリでは、メモリセルの特性を向上させるために、チャネル半導体層の膜厚を薄くすることが望ましい。しかしながら、チャネル半導体層の膜厚を薄くすると、チャネル半導体層の付近で形状異常が生じる可能性がある。
特開2014-183304号公報
半導体層の付近で形状異常が生じることを抑制することが可能な半導体記憶装置およびその製造方法を提供する。
一の実施形態によれば、半導体記憶装置は、基板と、前記基板上に交互に設けられた複数の第1絶縁層および複数の電極層を含む積層膜と、前記積層膜上に設けられた第2絶縁層とを備える。前記装置はさらに、前記積層膜および前記第2絶縁層内に順に設けられた第1絶縁膜、電荷蓄積層、第2絶縁膜、第1半導体層、および第3絶縁膜を含む複数の柱状部を備える。さらに、前記柱状部間に挟まれた前記第2絶縁層の幅は、前記第2絶縁層の少なくとも一部において、前記柱状部間に挟まれた前記積層膜の幅よりも細い。
第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す断面図である。 第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す拡大断面図である。 第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す別の断面図である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(1/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(2/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(3/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(4/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(5/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図(6/6)である。 第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法の詳細を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1から図10において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す断面図である。図1の半導体記憶装置は、例えば3次元半導体メモリである。
図1の半導体記憶装置は、基板1と、複数の第1絶縁層2および複数の電極層3を含む積層膜Sと、第2絶縁層4と、複数の柱状部Cとを備えている。各柱状部Cは、メモリ絶縁膜5と、チャネル半導体層6と、コア絶縁膜7と、コア半導体層8とを含んでいる。図1の半導体記憶装置はさらに、複数のコンタクトプラグ9と、層間絶縁膜10とを備えている。
基板1は例えば、シリコン(Si)基板などの半導体基板である。図1は、基板1の表面に平行で互いに垂直なX方向およびY方向と、基板1の表面に垂直なZ方向とを示している。本明細書においては、+Z方向を上方向として取り扱い、-Z方向を下方向として取り扱う。-Z方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。
複数の第1絶縁層2と複数の電極層3は、基板1上に交互に形成されており、積層膜Sを構成している。積層膜Sは、基板1上に直接形成されていてもよいし、基板1上に他の層を介して形成されていてもよい。第1絶縁層2は例えば、シリコン酸化膜(SiO)である。電極層3は例えば、タングステン(W)層などの金属層や、ポリシリコン層などの半導体層であり、ワード線や選択線などの配線として機能する。本実施形態の積層膜Sは、幅W1を有している。
第2絶縁層4は、積層膜S上に形成されている。第2絶縁層4は例えば、シリコン酸化膜である。本実施形態の第2絶縁層4は、積層膜S上に形成され、幅W1を有する第1部分4aと、第1部分4a上に形成され、幅W1よりも細い幅W2を有する第2部分4bとを含んでいる。本実施形態の第2部分4bの幅W2は、第2部分4b内を上に行くほど減少している。
複数の柱状部Cは、積層膜Sおよび第2絶縁層4内に形成されており、ここでは、第2絶縁層4と積層膜Sとを貫通して基板1に達している。これらの柱状部Cは、Z方向に延びる柱状の形状を有している。各柱状部Cは、積層膜Sおよび第2絶縁層4の側面に順に形成されたメモリ絶縁膜5、チャネル半導体層6、およびコア絶縁膜7と、コア絶縁膜7上に形成されたコア半導体層8とを含んでいる。さらに、メモリ絶縁膜5は、図2に示すように、積層膜Sおよび第2絶縁層4の側面に順に形成されたブロック絶縁膜5a、電荷蓄積層5b、およびトンネル絶縁膜5cを含んでいる。
図2は、第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す拡大断面図である。
ブロック絶縁膜5aは例えば、シリコン酸化膜、金属酸化膜、またはこれらを含む積層膜である。電荷蓄積層5bは例えば、シリコン窒化膜(SiN)である。電荷蓄積層5bは、ポリシリコン層などの半導体層としてもよい。トンネル絶縁膜5cは例えば、シリコン酸化膜である。チャネル半導体層6は例えば、ポリシリコン層である。コア絶縁膜7は例えば、シリコン酸化膜である。コア半導体層8(図1参照)は例えば、ポリシリコン層である。ブロック絶縁膜5a、電荷蓄積層5b、トンネル絶縁膜5c、チャネル半導体層6、コア絶縁膜7、およびコア半導体層8はそれぞれ、第1絶縁膜、電荷蓄積層、第2絶縁膜、第1半導体層、第3絶縁膜、および第2半導体層の例である。本実施形態では、各柱状部C内のこれらの絶縁膜や層が、複数のメモリセルを構成している。
以下、再び図1を参照して、本実施形態の半導体記憶装置の構造を説明する。
本実施形態の各柱状部Cにおいて、チャネル半導体層6は、積層膜S内や第2絶縁層4の第1部分4a内に設けられた第1領域6aと、第2絶縁層4の第2部分4b内に設けられた第2領域6bとを含んでおり、第2部分6bの膜厚が第1領域6aの膜厚よりも厚くなっている。第1領域6aの膜厚は、例えば5nm以下である。第2領域6bの膜厚は、例えば5nm以上である。本実施形態の第2領域6bの膜厚はおおむね、第2領域6b内を上に行くほど増加している。本実施形態の第2領域6bは、シリコン原子と、シリコン原子以外の不純物原子とを含んでいる。不純物原子は例えば、B(ボロン)原子やC(炭素)原子である。
本実施形態の各柱状部Cにおいて、コア絶縁膜7とコア半導体層8は、Z方向に延びる中実の柱状の形状を有しており、メモリ絶縁膜5とチャネル半導体層6は、Z方向に延びる中空の柱状の形状(すなわち、管状の形状)を有している。そのため、コア絶縁膜7とコア半導体層8は、メモリ絶縁膜5とチャネル半導体層6により囲まれている。本実施形態のコア半導体層8は、チャネル半導体層6の第2領域6bや、第2絶縁層4の第2部分4bにより囲まれている。
図3は、第1実施形態の半導体記憶装置の構造を示す別の断面図である。
図3(a)は、本実施形態の半導体記憶装置を、第2絶縁層4の第1部分4aの高さで切断したXY断面を示している。一方、図3(b)は、本実施形態の半導体記憶装置を、第2絶縁層4の第2部分4bの高さで切断したXY断面を示している。
図3(a)および図3(b)に示すように、本実施形態の複数の柱状部Cは、三角格子状に配置されている。本実施形態では、第2絶縁層4(および積層膜S)が、柱状部C間の空間を満たしている。各柱状部C内のコア絶縁膜7(およびコア半導体層8)は、メモリ絶縁膜5とチャネル半導体層6により囲まれている。
図3(a)は、柱状部C間に挟まれた第2絶縁層4の幅として、柱状部C間に挟まれた第1部分4aの幅W1を示している。幅W1は、柱状部C間に挟まれた積層膜Sの幅に相当する(図1参照)。一方、図3(b)は、柱状部C間に挟まれた第2絶縁層4の幅として、柱状部C間に挟まれた第2部分4bの幅W2を示している。幅W1と幅W2は、柱状部C間に挟まれた第2絶縁層4のXY断面内の幅となっている。
本実施形態では、柱状部C間に挟まれた第2部分4bが、上に行くほど細くなる形状を有している。よって、幅W2が幅W1よりも狭くなっており、W2<W1の関係が成立している(ただし、第2部分4bの底面の幅W2は幅W1と同じであり、W2=W1の関係が成立している)。このように、柱状部C間に挟まれた第2絶縁層4の幅は、第2絶縁層4の第2部分4bにおいて、柱状部C間に挟まれた積層膜Sの幅よりも細くなっている。なお、本実施形態の第2絶縁層4の第2部分4bは、柱状部Cのコア絶縁膜7間に挟まれた部分と、柱状部Cのコア半導体層8間に挟まれた部分とを含んでいる(図1参照)。
なお、本実施形態の複数の柱状部Cは、三角格子以外のレイアウトで配置されていてもよい。これらの柱状部Cは、例えば四角格子状に配置されていてもよい。また、各柱状部CのXY断面の形状は、本実施形態では円形であるが、その他の形状(例えば四角形)でもよい。
以下、再び図1を参照して、本実施形態の半導体記憶装置の構造を説明する。
複数のコンタクトプラグ9は、複数の柱状部C上に形成されている。各コンタクトプラグ9は、対応する柱状部Cのコア半導体層8上に形成されている。よって、各コンタクトプラグ9は、対応する柱状部Cのコア半導体層8やチャネル半導体層6に電気的に接続されている。コンタクトプラグ9は例えば、チタン(Ti)またはTa(タンタル)を含むバリアメタル層と、タングステン(W)、銅(Cu)、またはアルミニウム(Al)を含むプラグ材層とを含んでいる。
層間絶縁膜10は、第2絶縁層4上や複数の柱状部C上に形成されている。各コンタクトプラグ9は、層間絶縁膜10内に埋め込まれている。層間絶縁膜10は例えば、シリコン酸化膜である。
以下、本実施形態の半導体記憶装置のさらなる詳細について説明する。
本実施形態の半導体記憶装置は、例えば3次元半導体メモリである。この場合、3次元半導体メモリのメモリセルの特性を向上させるために、チャネル半導体層6の膜厚を薄くすることが望ましい。そのため、本実施形態のチャネル半導体層6は、第1領域6aにおいて、5nm以下という薄い膜厚を有している。
しかしながら、チャネル半導体層6の膜厚を薄くすると、チャネル半導体層6の付近で形状異常が生じる可能性がある。例えば、柱状部Cを埋め込むための開口部を積層膜Sおよび第2絶縁層4に形成し、開口部内にチャネル半導体層6を形成した場合、チャネル半導体層6の膜厚が薄いと、第2絶縁層4の付近でチャネル半導体層6に穴が開く可能性がある。第2絶縁層4の付近でチャネル半導体層6に穴が開くと、例えば、第2絶縁層4がエッチングされてしまう可能性や、コア半導体層8が異常な形状に成長してしまう可能性がある。このように、チャネル半導体層6の膜厚を薄くすると、チャネル半導体層6やその付近の絶縁膜や層で形状異常が生じる可能性がある。
そこで、本実施形態では、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6の膜厚を厚く設定している。具体的には、チャネル半導体層6の第2領域6bの膜厚を、チャネル半導体層6の第1領域6aの膜厚よりも厚く設定している。これにより、第2絶縁層4の付近でチャネル半導体層6に穴が開くことを抑制することが可能となる。
しかしながら、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6の膜厚を厚くすると、上述の開口部が第2絶縁層4の付近で閉塞するおそれがある。開口部が第2絶縁層4の付近で閉塞してしまうと、開口部内に柱状部Cを埋め込むことが不可能または困難となる。このように、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6の膜厚を厚くすると、チャネル半導体層6やその付近の絶縁膜や層で形状異常が生じる可能性がある。
そこで、本実施形態では、第2絶縁層4の少なくとも一部の幅を、積層膜Sの幅よりも細く設定している(W2<W1)。具体的には、本実施形態の第2絶縁層4は、積層膜S上に形成され、幅W1を有する第1部分4aと、第1部分4a上に形成され、幅W1よりも細い幅W2を有する第2部分4bとを含んでいる。これにより、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6の膜厚を厚く設定しつつ、開口部が第2絶縁層4の付近で閉塞することを抑制することが可能となる。このように、本実施形態によれば、チャネル半導体層6の付近で形状異常が生じることを抑制することが可能となる。
以下、上述の説明の内容を、図4から図9を参照してより詳細に説明する。
図4から図9は、第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す断面図である。
まず、基板1上に、複数の第1絶縁層2と複数の犠牲層11とを交互に含む積層膜S’を形成し、積層膜S’上に第2絶縁層4を形成する。(図4(a))。積層膜S’は、基板1上に直接形成してもよいし、基板1上に他の層を介して形成してもよい。第1絶縁層2は例えば、シリコン酸化膜である。複数の犠牲層11は例えば、シリコン窒化膜である。第2絶縁層4は例えば、シリコン酸化膜である。犠牲層11は、第1膜の例である。
次に、RIE(Reactive Ion Etching)により、積層膜S’および第2絶縁層4内に複数の開口部H1を形成する(図4(b))。本実施形態の開口部H1は、第2絶縁層4と積層膜S’とを貫通して基板1に達するように形成される。本実施形態の開口部H1は、メモリホールであり、柱状部Cを埋め込むために使用される。図4(b)は、開口部H1間に挟まれた積層膜S’(および第2絶縁層4)の幅W1を示している。
次に、第2絶縁層4にアルゴンをイオン注入し、希フッ酸により第2絶縁層4を加工する(図5(a))。その結果、第2絶縁層4内にイオン注入された領域が形成され、この領域が、積層膜S’上に形成され、幅W1を有する第1部分4aと、第1部分4a上に形成され、幅W1よりも細い幅W2を有する第2部分4bと、を含む形状に加工される。なお、注入する元素は、半導体中で導電性を持たなければアルゴンに限らない。また、第2絶縁層4へのイオン注入は、イオンの進行方向が-Z方向に対して少し傾くように行われることが望ましい。
次に、基板1の全面に、メモリ絶縁膜5とチャネル半導体層6とを順に形成する(図5(b))。その結果、開口部H1内や開口部H1外の積層膜S’や第2絶縁層4の表面に、メモリ絶縁膜5とチャネル半導体層6がコンフォーマルに形成される。なお、メモリ絶縁膜5は、基板1の全面にブロック絶縁膜5a、電荷蓄積層5b、およびトンネル絶縁膜5cを順に形成することで形成される(図2参照)。
次に、イオン注入により、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6内に不純物原子を注入する(図6(a))。このイオン注入は、イオンの進行方向が-Z方向に対して少し傾くように行われることが望ましい。当該不純物原子は例えば、B(ボロン)原子やC(炭素)原子である。
本実施形態ではその後、アルカリ水溶液によりチャネル半導体層6をスリミングする。スリミング後において、チャネル半導体層6の第1領域6aの膜厚は例えば5nm以下である。実験によれば、イオン注入されたチャネル半導体層6は、注入されていない半導体層6よりも薬液への耐性が向上する。そのため、チャネル半導体層6の第2領域6bの膜厚は例えば5nm以上となる。よって、図6(a)のチャネル半導体層6は、積層膜S’付近および第2絶縁層4の第1部分4a付近のメモリ絶縁膜5の側面に形成された第1領域6aと、第2絶縁層4の第2部分4b付近のメモリ絶縁膜5の側面に形成され、第1領域6aの膜厚よりも厚い膜厚を有する第2領域6bと、を含む形状に変化する。よって、本実施形態のチャネル半導体層6の第2領域6bは、不純物原子を含んでいる。
ここで、チャネル半導体層6の第2領域6bは、第2絶縁層4の第2部分4bの側面にメモリ絶縁膜5を介して形成されていることに留意されたい。もし第2部分4bの幅W2が第1部分4aの幅W1と同じであれば、第2領域6bが開口部H1の中心軸に向けて大きく突出し、開口部H1を閉塞させるおそれがある。しかしながら、本実施形態の第2部分4bの幅W2は第1部分4aの幅W1よりも細いため、第2領域6bが開口部H1を閉塞させることが抑制されている。また、本実施形態の第2領域6bの膜厚は、第1領域6aの膜厚よりも厚いため、第2絶縁層4の付近のチャネル半導体層6に穴が開くことを抑制することができる。
なお、図6(a)に示す第2領域6bの外側の側面は、平坦に描かれているが、閉塞が生じない程度の傾斜や凹凸を有していてもよい。本実施形態の第2領域6bは、上述のようにイオン注入により形成されるため、このような傾斜や凹凸を有している場合が多いと考えられる。
次に、開口部H1内にコア絶縁膜7を形成し、その後に開口部H1内の一部のコア絶縁膜7を除去する(図6(b))。本実施形態では、コア絶縁膜7の上面がチャネル半導体層6の第2領域6bに接するように、コア絶縁膜7が加工される。
次に、基板1の全面にコア半導体層8を形成し、その後に開口部H1外のコア半導体層8をRIEにより除去する(図7(a)、図7(b))。その結果、開口部H1内においてコア絶縁膜7上にコア半導体層8が形成され、コア半導体層8がチャネル半導体層6に電気的に接続される。このようにして、開口部H1内に複数の柱状部Cが形成される。なお、本実施形態の上記のRIEは、第2絶縁層4の第2部分4bの一部が除去されるように行われる。
次に、積層膜S’と第2絶縁層4とを貫通する不図示の開口部を形成し、開口部から犠牲層11を除去する(図8(a))。その結果、積層膜S’内の第1絶縁層2間に複数の空洞H3が形成される。次に、これらの空洞H3内に複数の電極層3を形成する(図8(b))。このようにして、犠牲層11が電極層3に置換され、複数の第1絶縁層2と複数の電極層3とを交互に含む積層膜Sが基板1上に形成される。
なお、図4(a)の工程では、基板1上に、複数の第1絶縁層2と複数の犠牲層11とを交互に含む積層膜S’を形成する代わりに、複数の第1絶縁層2と複数の電極層3とを交互に含む積層膜Sを形成してもよい。この場合、図8(a)および図8(b)の工程は実行不要である。また、この場合の電極層3は、第1膜の例である。
次に、第2絶縁層4および柱状部C上に層間絶縁膜10を形成する(図9(a))。次に、層間絶縁膜10に複数のコンタクトホールH2を形成する(図9(b))。その結果、各コンタクトホールH2内に、対応する柱状部Cのコア半導体層8の上面が露出する。その後、各コンタクトホールH2内のコア半導体層8上にコンタクトプラグ9が形成される(図1参照)。このようにして、本実施形態の半導体記憶装置が製造される。
図10は、第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法の詳細を示す断面図である。
図10(a)は、図4(b)と同じ断面を示している。本実施形態の第2絶縁層4は例えば、積層膜S’上に形成され、第1の膜質を有する第1SiO膜Paと、第1SiO膜Pa上に形成され、第2の膜質を有する第2SiO膜Pbとを含むように形成してもよい。例えば、第2SiO膜Pbのエッチングレートが、第1SiO膜Paのエッチングレートよりも高くなるように、第2絶縁層4を形成しておいてもよい。
この場合、希フッ酸処理などの薬液処理を行うと、第2SiO膜Pbが第1SiO膜Paよりもエッチングされやすい。その結果、この第2絶縁層4は、積層膜S’上に形成され、幅W1を有する第1部分4aと、第1部分4a上に形成され、幅W1よりも細い幅W2を有する第2部分4bと、を含む形状に加工される(図10(b))。具体的には、第1SiO膜Paが第1部分4aとなり、第2SiO膜Pbが第2部分4bとなる。
なお、膜質の異なる第1SiO膜Paと第2SiO膜Pbは例えば、第1SiO膜Paと第2SiO膜Pbを異なる方法で形成することで実現可能である。また、膜質の異なる第1SiO膜Paと第2SiO膜Pbは例えば、第1SiO膜Paと第2SiO膜Pbを同じ方法で形成し、第2SiO膜Pbにアルゴンガスなどによりダメージを与えることでも実現可能である。
以上のように、本実施形態では、柱状部C間に挟まれた第2絶縁層4は、柱状部C間に挟まれた積層膜Sの幅W1より細い幅W2を有する第2部分4bを含んでいる。よって、本実施形態によれば、メモリセルの特性を向上させつつ、チャネル半導体層6の付近で形状異常が生じることを抑制することが可能となる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
1:基板、2:第1絶縁層、3:電極層、4:第2絶縁層、
4a:第1部分、4b:第2部分、5:メモリ絶縁膜、
5a:ブロック絶縁膜、5b:電荷蓄積層、5c:トンネル絶縁膜、
6:チャネル半導体層、6a:第1領域、6b:第2領域、7:コア絶縁膜、
8:コア半導体層、9:コンタクトプラグ、10:層間絶縁膜、11:犠牲層

Claims (4)

  1. 基板上に、複数の第1絶縁層と複数の第1膜とを交互に含む積層膜を形成し、
    前記積層膜上に第2絶縁層を形成し、
    前記積層膜および前記第2絶縁層内に複数の開口部を形成し、
    前記開口部間に挟まれた前記第2絶縁層の幅が、前記第2絶縁層の少なくとも一部において、前記開口部間に挟まれた前記積層膜の幅よりも細くなるように、前記第2絶縁層を加工し、
    前記複数の開口部内に、第1絶縁膜、電荷蓄積層、第2絶縁膜、第1半導体層、および第3絶縁膜を順に含む複数の柱状部を形成する、
    ことを含み、
    前記第2絶縁層は、前記第2絶縁層内にイオンを注入した後に、酸により加工され、
    前記第2絶縁層への前記イオンの注入は、前記イオンの進行方向が、前記基板の表面に垂直な方向に対して傾くように行われ、
    前記第2絶縁層は、
    前記積層膜上に設けられた第1部分と、
    前記第1部分上に設けられた第2部分であって、前記開口部間に挟まれた前記第2部分の幅が、前記開口部間に挟まれた前記積層膜の幅よりも細い、第2部分と、
    を含むように加工され、
    前記柱状部を形成する際に、前記第2絶縁層内に形成された前記第1半導体層内に不純物原子を注入することを含み、
    前記第1半導体層は、前記第2絶縁層内に形成された前記第1半導体層の少なくとも一部の膜厚が、前記積層膜内に形成された前記第1半導体層の膜厚よりも厚くなるように形成される、
    半導体記憶装置の製造方法。
  2. 前記第2部分は、ある高さにおける前記第2部分の幅が、その高さが高くなるほど狭くなるように加工される、請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  3. さらに、前記柱状部の形成後に、前記第2部分の一部を除去することを含む、請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  4. 前記不純物原子は、B(ボロン)原子である、請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
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