WO2021260792A1 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
実施形態の半導体記憶装置は、第1方向に積層された、それぞれタングステンを含む複数の第1導電体層と、前記複数の第1導電体層と交互に積層される積層部と、前記積層部に対して前記第1方向に直交する第2方向に突出する第1突出部とを含む複数の絶縁膜と、複数の前記積層部と前記複数の第1導電体層との積層体内を前記第1方向に延びる半導体層と、前記複数の第1導電体層と前記半導体層との間に配置される電荷蓄積層と、前記絶縁膜における前記第1突出部の上において前記第1導電体層に接して配置され、不純物を含むシリコンを有する複数の第2導電体層と、前記複数の第2導電体層のうちの1の第2導電体層の上に前記1の第2導電体に接して設けられ、導電性を有し、前記第1方向に延びる複数のコンタクトプラグと、を備える。
Description
実施形態は、半導体記憶装置に関する。
データを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリが知られている。
高品質な半導体記憶装置を提供する。
実施形態の半導体記憶装置は、第1方向に積層された、それぞれタングステンを含む複数の第1導電体層と、前記複数の第1導電体層と交互に積層される積層部と、前記積層部に対して前記第1方向に直交する第2方向に突出する第1突出部とを含む複数の絶縁膜と、複数の前記積層部と前記複数の第1導電体層との積層体内を前記第1方向に延びる半導体層と、前記複数の第1導電体層と前記半導体層との間に配置される電荷蓄積層と、前記絶縁膜における前記第1突出部の上において前記第1導電体層に接して配置され、不純物を含むシリコンを有する複数の第2導電体層と、前記複数の第2導電体層のうちの1の第2導電体層の上に前記1の第2導電体に接して設けられ、導電性を有し、前記第1方向に延びる複数のコンタクトプラグと、を備える。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。各実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。本発明の技術思想は、構成要素の形状、構造、配置等によって特定されるものではない。
<1>実施形態
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の構成例を示している。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1について説明する。
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の構成例を示している。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1について説明する。
<1-1>半導体記憶装置1の構成
<1-1-1>半導体記憶装置1の全体構成
半導体記憶装置1は、例えばデータを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリである。半導体記憶装置1は、例えば外部のメモリコントローラ2によって制御される。
<1-1-1>半導体記憶装置1の全体構成
半導体記憶装置1は、例えばデータを不揮発に記憶することが可能なNAND型フラッシュメモリである。半導体記憶装置1は、例えば外部のメモリコントローラ2によって制御される。
図1に示すように、半導体記憶装置1は、例えばメモリセルアレイ10、コマンドレジスタ11、アドレスレジスタ12、シーケンサ13、ドライバモジュール14、ロウデコーダモジュール15、及びセンスアンプモジュール16を含む。
メモリセルアレイ10は、複数のブロックBLK0~BLKn(nは1以上の整数)を含む。ブロックBLKは、データを不揮発に記憶することが可能な複数のメモリセルの集合であり、例えばデータの消去単位として使用される。
また、メモリセルアレイ10には、複数のビット線及び複数のワード線が設けられる。各メモリセルは、例えば1本のビット線と1本のワード線とに関連付けられている。メモリセルアレイ10の詳細な構成については後述する。
コマンドレジスタ11は、半導体記憶装置1がメモリコントローラ2から受信したコマンドCMDを保持する。コマンドCMDは、例えばシーケンサ13に読み出し動作、書き込み動作、消去動作等を実行させる命令を含む。
アドレスレジスタ12は、半導体記憶装置1がメモリコントローラ2から受信したアドレス情報ADDを保持する。アドレス情報ADDは、例えばブロックアドレスBA、ページアドレスPA、及びカラムアドレスCAを含む。例えば、ブロックアドレスBA、ページアドレスPA、及びカラムアドレスCAは、それぞれブロックBLK、ワード線、及びビット線の選択に使用される。
シーケンサ13は、半導体記憶装置1全体の動作を制御する。例えば、シーケンサ13は、コマンドレジスタ11に保持されたコマンドCMDに基づいてドライバモジュール14、ロウデコーダモジュール15、及びセンスアンプモジュール16等を制御して、読み出し動作、書き込み動作、消去動作等を実行する。
ドライバモジュール14は、読み出し動作、書き込み動作、消去動作等で使用される電圧を生成する。そして、ドライバモジュール14は、例えばアドレスレジスタ12に保持されたページアドレスPAに基づいて、選択されたワード線に対応する信号線に生成した電圧を印加する。
ロウデコーダモジュール15は、アドレスレジスタ12に保持されたブロックアドレスBAに基づいて、対応するメモリセルアレイ10内の1つのブロックBLKを選択する。そして、ロウデコーダモジュール15は、例えば選択されたワード線に対応する信号線に印加された電圧を、選択されたブロックBLK内の選択されたワード線に転送する。
センスアンプモジュール16は、書き込み動作において、メモリコントローラ2から受信した書き込みデータDATに応じて、各ビット線に所望の電圧を印加する。また、センスアンプモジュール16は、読み出し動作において、ビット線の電圧に基づいてメモリセルに記憶されたデータを判定し、判定結果を読み出しデータDATとしてメモリコントローラ2に転送する。
半導体記憶装置1とメモリコントローラ2との間の通信は、例えばNANDインターフェイス規格をサポートしている。例えば、半導体記憶装置1とメモリコントローラ2との間の通信では、コマンドラッチイネーブル信号CLE、アドレスラッチイネーブル信号ALE、ライトイネーブル信号WEn、リードイネーブル信号REn、レディビジー信号RBn、及び入出力信号I/Oが使用される。
コマンドラッチイネーブル信号CLEは、半導体記憶装置1が受信した入出力信号I/OがコマンドCMDであることを示す信号である。アドレスラッチイネーブル信号ALEは、半導体記憶装置1が受信した信号I/Oがアドレス情報ADDであることを示す信号である。ライトイネーブル信号WEnは、入出力信号I/Oの入力を半導体記憶装置1に命令する信号である。リードイネーブル信号REnは、入出力信号I/Oの出力を半導体記憶装置1に命令する信号である。
レディビジー信号RBnは、半導体記憶装置1がメモリコントローラ2からの命令を受け付けるレディ状態であるか命令を受け付けないビジー状態であるかを、メモリコントローラ2に通知する信号である。入出力信号I/Oは、例えば8ビット幅の信号であり、コマンドCMD、アドレス情報ADD、データDAT等を含み得る。
以上で説明した半導体記憶装置1及びメモリコントローラ2は、それらの組み合わせにより1つの半導体記憶装置を構成しても良い。このような半導体記憶装置としては、例えばSDTMカードのようなメモリカードや、SSD(solid state drive)等が挙げられる。
<1-1-2>メモリセルアレイ10の回路構成
図2は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10の回路構成であり、メモリセルアレイ10に含まれた複数のブロックBLKのうち1つのブロックBLKを抽出して示している。
図2は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10の回路構成であり、メモリセルアレイ10に含まれた複数のブロックBLKのうち1つのブロックBLKを抽出して示している。
図2に示すように、ブロックBLKは、例えば4つのストリングユニットSU0~SU3を含む。各ストリングユニットSUは、複数のNANDストリングNSを含む。
複数のNANDストリングNSは、それぞれビット線BL0~BLm(mは1以上の整数)に関連付けられている。各NANDストリングNSは、例えばメモリセルトランジスタMT0~MT7、並びに選択トランジスタST1及びST2を含む。
メモリセルトランジスタMTは、制御ゲート及び電荷蓄積層を含み、データを不揮発に保持する。選択トランジスタST1及びST2のそれぞれは、各種動作時におけるストリングユニットSUの選択に使用される。
各NANDストリングNSにおいて、選択トランジスタST1のドレインは、関連付けられたビット線BLに接続される。選択トランジスタST1のソースは、直列に接続されたメモリセルトランジスタMT0~MT7の一端に接続される。直列に接続されたメモリセルトランジスタMT0~MT7の他端は、選択トランジスタST2のドレインに接続される。
同一のブロックBLKにおいて、選択トランジスタST2のソースは、ソース線SLに共通接続される。ストリングユニットSU0~SU3内の選択トランジスタST1のゲートは、それぞれ選択ゲート線SGD0~SGD3に共通接続される。メモリセルトランジスタMT0~MT7の制御ゲートは、それぞれワード線WL0~WL7に共通接続される。選択トランジスタST2のゲートは、選択ゲート線SGSに共通接続される。
以上で説明したメモリセルアレイ10の回路構成において、同じカラムアドレスCAが割り当てられた複数のNANDストリングNSは、複数のブロックBLK間で同じビット線BLに共通接続される。ソース線SLは、複数のブロックBLK間で共通接続される。
1つのストリングユニットSU内で共通のワード線WLに接続された複数のメモリセルトランジスタMTの集合は、例えばセルユニットCUと称される。例えば、それぞれが1ビットデータを記憶するメモリセルトランジスタMTを含むセルユニットCUの記憶容量が、「1ページデータ」として定義される。セルユニットCUは、メモリセルトランジスタMTが記憶するデータのビット数に応じて、2ページデータ以上の記憶容量を有し得る。
尚、実施形態に係る半導体記憶装置1が備えるメモリセルアレイ10の回路構成は、以上で説明した構成に限定されない。例えば、各NANDストリングNSが含むメモリセルトランジスタMT、並びに選択トランジスタST1及びST2の個数は、それぞれ任意の個数に設計され得る。各ブロックBLKが含むストリングユニットSUの個数は、任意の個数に設計され得る。
<1-1-3>メモリセルアレイの平面レイアウト
<1-1-3-1>概要
図3は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10のレイアウトを示す平面図である。
<1-1-3-1>概要
図3は、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるメモリセルアレイ10のレイアウトを示す平面図である。
図3に示すように、メモリセルアレイ10は、X軸に沿ったセル領域C1の一辺に階段領域C2が設けられ、Y軸に沿ったセル領域C1の一辺に階段領域C3が設けられ、Y軸に沿ったセル領域C1の他の一辺にダミー階段領域C4が設けられる。
<1-1-3-2>セル領域
図4~図6を用いて、実施形態におけるセル領域C1の構造について説明する。
図4~図6を用いて、実施形態におけるセル領域C1の構造について説明する。
尚、以下で参照される図面において、Y方向は、ワード線WLの延伸方向である。X方向は、ビット線BLの延伸方向である。Z方向は、半導体記憶装置1が形成される半導体基板の表面に対する鉛直方向である。
図4は、図3のC、つまりセル領域C1のレイアウトを示す平面図である。
セル領域C1は、NANDストリングNSに対応するメモリピラーMPが形成される領域である。
図4に示すように、セル領域C1が形成される領域には、例えば複数のスリットSTと、複数のストリングユニットSUと、複数のビット線BLとが含まれる。
複数のスリットSTは、それぞれがY方向に延伸し、X方向に配列している。X方向に隣り合うスリットST間には、例えば1つのストリングユニットSUが配置される。
各ストリングユニットSUは、複数のメモリピラーMPを含む。複数のメモリピラーMPは、例えばX方向に沿って千鳥状に配置される。メモリピラーMPの各々は、例えば1つのNANDストリングNSとして機能する。
複数のビット線BLは、それぞれがY方向に延伸し、X方向に配列している。例えば、各ビット線BLは、ストリングユニットSU毎に少なくとも1つのメモリピラーMPと重なるように配置される。具体的には、各メモリピラーMPには、例えば2本のビット線BLが重なる。
メモリピラーMPに重なっている複数のビット線BLのうち1本のビット線BLと、当該メモリピラーMPとの間には、コンタクトプラグCPが設けられる。各メモリピラーMPは、コンタクトプラグCPを介して対応するビット線BLと電気的に接続される。
尚、隣り合うスリットST間に設けられるストリングユニットSUの個数は、任意の個数に設計され得る。図4に示されたメモリピラーMPの個数及び配置はあくまで一例であり、メモリピラーMPは任意の個数及び配置に設計され得る。各メモリピラーMPと重なるビット線BLの本数は、任意の本数に設計され得る。
図5は、図4のIV-IV線に沿った断面図であり、実施形態に係る半導体記憶装置1の備えるセル領域C1の構造を示している。
図5に示すように、セル領域C1が形成される領域には、例えば導電体層21~25、メモリピラーMP、コンタクトプラグCP、並びにスリットSTが含まれる。
具体的には、半導体基板(不図示)の上方に、導電体層21が設けられる。例えば導電体層21は、XY平面に沿って広がった板状に形成され、ソース線SLとして使用される。導電体層21は、例えばシリコン(Si)を含む。
導電体層21の上方に、絶縁膜41を介して導電体層22が設けられる。例えば導電体層22は、XY平面に沿って広がった板状に形成され、選択ゲート線SGSとして使用される。導電体層22は、例えばシリコン(Si)を含む。
導電体層22の上方に、絶縁膜42を介して導電体層23と絶縁膜43とが交互に積層される。例えば導電体層23は、XY平面に沿って広がった板状に形成される。積層された複数の導電体層23は、半導体基板20側から順に、それぞれワード線WL0~WL7として使用される。導電体層23は、例えばタングステン(W)を含む。
最上層の導電体層23の上方に、絶縁膜44を介して導電体層24が設けられる。導電体層24は、例えばXY平面に沿って広がった板状に形成され、選択ゲート線SGDとして使用される。導電体層24は、例えばタングステン(W)を含む。
導電体層24の上方に、絶縁膜45を介して導電体層25が設けられる。例えば導電体層25は、X方向に沿って延伸したライン状に形成され、ビット線BLとして使用される。つまり、図示せぬ領域において複数の導電体層25は、Y方向に沿って配列している。導電体層25は、例えば銅(Cu)を含む。
メモリピラーMPは、Z方向に沿って延伸した柱状に形成され、例えば導電体層22~24を貫通している。具体的には、メモリピラーMPの上端は、例えば導電体層24が設けられた層と導電体層25が設けられた層との間の層に含まれる。メモリピラーMPの下端は、例えば導電体層21が設けられた層に含まれる。
なお、絶縁膜41~45は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。
図6に示すように、メモリピラーMPは、例えばコア部材30、半導体層31、及び積層膜32を含む。
コア部材30は、Z方向に沿って延伸した柱状に形成される。コア部材30の上端は、例えば導電体層24が設けられた層よりも上層に含まれる。コア部材30の下端は、例えば導電体層21が設けられた層に含まれる。コア部材30は、例えば酸化シリコン(SiO2)等の絶縁体を含む。
コア部材30は、半導体層31によって覆われる。半導体層31は、例えばメモリピラーMPの側面を介して導電体層21の一部である導電体層54と接触する。半導体層31は、例えばポリシリコン(Si)である。積層膜32は、導電体層21と半導体層31とが接触する部分を除いて、半導体層31の側面及び底面を覆う。
導電体層23を含む層においてコア部材30は、メモリピラーMPの中央部に設けられる。半導体層31は、コア部材30の側面を囲う。積層膜32は、半導体層31の側面を囲う。積層膜32は、例えばトンネル絶縁膜33、絶縁膜34、及びブロック絶縁膜35を含む。
トンネル絶縁膜33は、半導体層31の側面を囲う。絶縁膜34は、トンネル絶縁膜33の側面を囲う。ブロック絶縁膜35は、絶縁膜34の側面を囲う。導電体層23は、ブロック絶縁膜35の側面を囲っている。
トンネル絶縁膜33は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。絶縁膜34は、例えば窒化シリコン(SiN)を含む。ブロック絶縁膜35は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。
図4に戻り、半導体層31上には、柱状のコンタクトプラグCPが設けられる。図示された領域には、2本のメモリピラーMPのうち、1本のメモリピラーMPに対応するコンタクトプラグCPが示されている。当該領域においてコンタクトプラグCPが接続されていないメモリピラーMPには、図示されない領域においてコンタクトプラグCPが接続される。
コンタクトプラグCPの上面には、1個の導電体層25、すなわち1本のビット線BLが接触する。メモリピラーMPと導電体層25との間は、2つ以上のコンタクトプラグを介して電気的に接続されても良いし、その他の配線を介して電気的に接続されても良い。
スリットSTは、Z方向に沿って延伸した板状に形成され、例えば導電体層22~24を分断する。具体的には、スリットSTの上端は、例えばメモリピラーMPの上端を含む層と導電体層25が設けられた層との間の層に含まれる。
スリットSTの内部には、絶縁体が設けられる。当該絶縁体は、例えば酸化シリコン(SiO2)等の絶縁物を含む。尚、スリットST内は、複数種類の絶縁体により構成されても良い。例えば、スリットSTに酸化シリコンが埋め込まれる前に、スリットSTの側壁として窒化シリコン(SiN)が形成されても良い。
以上で説明したメモリピラーMPの構成では、例えばメモリピラーMPと導電体層22とが交差する部分が、選択トランジスタST2として機能する。メモリピラーMPと導電体層23とが交差する部分が、メモリセルトランジスタMTとして機能する。メモリピラーMPと導電体層24とが交差する部分が、選択トランジスタST1として機能する。
つまり、半導体層31は、メモリセルトランジスタMT並びに選択トランジスタST1及びST2のそれぞれのチャネルとして使用される。絶縁膜34は、メモリセルトランジスタMTの電荷蓄積層として使用される。
尚、以上で説明したメモリセルアレイ10の構造において、導電体層23の個数は、ワード線WLの本数に基づいて設計される。選択ゲート線SGDには、複数層に設けられた複数の導電体層24が割り当てられても良い。選択ゲート線SGSには、複数層に設けられた複数の導電体層22が割り当てられても良い。選択ゲート線SGSが複数層に設けられる場合に、導電体層22と異なる導電体が使用されても良い。
<1-1-3-3>階段領域
図7を用いて、実施形態における階段領域C2の構造について説明する。
図7を用いて、実施形態における階段領域C2の構造について説明する。
図7は、図3のA-A‘断面、つまり階段領域C2の断面である。 階段領域C2は、選択ゲート線SGD及びSGS並びにワード線WL0~WL7に対応する複数の導電体層22~24が階段状に引き出されている領域である(以下、引き出し部を「テラス」または「突出部」と呼ぶ)。各テラス上にはコンタクトプラグCCが形成されている。コンタクトプラグCCは、上端に設けられた配線層(不図示)を介して、ロウデコーダモジュール15に接続される。コンタクトプラグCCは導電材料により構成され、例えばタングステン(W)または窒化チタン(TiN)等の金属材料が用いられてもよい。
具体的には、図7に示すように、選択ゲート線SGSは、セル領域C1においては導電体層22が用いられ、階段領域C2においては導電体層122が設けられる。そして、導電体層22と、導電体層122とは、セル領域C1と、階段領域C2との境界に接続される。この導電体層122が、選択ゲート線SGSのテラスとして機能し、Z軸方向に延伸するコンタクトプラグCCに接続される。この導電体層122は、例えばポリシリコンを含む。
また、ワード線WL0~WL7は、セル領域C1においては導電体層23が用いられ、階段領域C2においては導電体層123が設けられる。そして、導電体層23と、導電体層123とは、セル領域C1と、階段領域C2との境界に接続される。この導電体層123が、ワード線WL0~WL7のテラスとして機能し、Z軸方向に延伸するコンタクトプラグCCに接続される。この導電体層123は、例えばポリシリコンを含む。また、導電体層123は、不純物(例えばタングステン)を含んでいても良い。
また、選択ゲート線SGDは、セル領域C1においては導電体層24が用いられ、階段領域C2においては導電体層124が設けられる。そして、導電体層24と、導電体層124とは、セル領域C1と、階段領域C2との境界に接続される。この導電体層124が、選択ゲート線SGDのテラスとして機能し、Z軸方向に延伸するコンタクトプラグCCに接続される。この導電体層124は、例えばポリシリコンを含む。
なお、セル領域C1に設けられる絶縁膜41~44を、それぞれ絶縁膜41A~44Aとラベルし、階段領域C2に設けられる絶縁膜41~44を、それぞれ絶縁膜41B~44Bとラベルする。
<1-1-3-4>ダミー階段領域
図8を用いて、実施形態におけるダミー階段領域C4の構造について説明する。
図8を用いて、実施形態におけるダミー階段領域C4の構造について説明する。
図8は、図3のB-B‘断面、つまりダミー階段領域C4の断面である。ダミー階段領域C4は、選択ゲート線SGD及びSGS並びにワード線WL0~WL7に対応する複数の導電体層22~24が階段状に引き出されている領域である。ダミー階段領域C4における引き出されている領域をダミーテラス等と記載する。階段領域C2とダミー階段領域C4とで異なる部分としては、各ダミーテラスにはコンタクトプラグCCが設けられないことである。
具体的には、図8に示すように、選択ゲート線SGSは、セル領域C1においては導電体層22が用いられ、ダミー階段領域C4においては導電体層222が設けられる。そして、導電体層22と、導電体層222とは、セル領域C1と、ダミー階段領域C4との境界に接続される。この導電体層222が、選択ゲート線SGSのダミーテラスとして機能し、例えばポリシリコンを含む。
また、ワード線WL0~WL7は、セル領域C1においては導電体層23が用いられ、ダミー階段領域C4においては導電体層223が設けられる。そして、導電体層23と、導電体層223とは、セル領域C1と、ダミー階段領域C4との境界に接続される。この導電体層223が、ワード線WL0~WL7のダミーテラスとして機能し、例えばポリシリコンを含む。
また、選択ゲート線SGDは、セル領域C1においては導電体層24が用いられ、ダミー階段領域C4においては導電体層224が設けられる。そして、導電体層24と、導電体層224とは、セル領域C1と、ダミー階段領域C4との境界に接続される。この導電体層224が、選択ゲート線SGDのダミーテラスとして機能し、例えばポリシリコンを含む。
なお、ダミー階段領域C4に設けられる絶縁膜41~44を、それぞれ絶縁膜41B~44Bとラベルする。
なお、以上のことは、他のダミー階段領域C3でも同様である。
<1-1-3-5>ワード線
ここで、図9を用いて、セル領域C1、階段領域C2、ダミー階段領域C3、及びC4に設けられるワード線WL6について説明する。
ここで、図9を用いて、セル領域C1、階段領域C2、ダミー階段領域C3、及びC4に設けられるワード線WL6について説明する。
図9に示すように、ワード線WL6は、板状の導電体層であり、セル領域C1、階段領域C2、ダミー階段領域C3、及びC4をまたぐように設けられている。セル領域C1に位置するワード線WL6については23とラベルし、階段領域C2に位置するワード線WL6については123とラベルし、ダミー階段領域C3、及びC4に位置するワード線WL6については223とラベルしている。
<1-2>半導体記憶装置1の製造方法
以下に、図10を適宜参照して、実施形態に係る半導体記憶装置1における、ワード線に対応する積層構造の形成からスリットSTの形成までの一連の製造工程について説明する。図10は、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法を示すフローチャートである。図11~図16のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造工程における、セル領域C1及びダミー階段領域C4に対応する構造体を含む構造を示している。
以下に、図10を適宜参照して、実施形態に係る半導体記憶装置1における、ワード線に対応する積層構造の形成からスリットSTの形成までの一連の製造工程について説明する。図10は、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法を示すフローチャートである。図11~図16のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造工程における、セル領域C1及びダミー階段領域C4に対応する構造体を含む構造を示している。
[ステップS1001]
図示しない半導体基板の上方に、ソース線部とワード線部の犠牲部材を積層する。具体的には、図11に示すように、図示しない半導体基板の上方に、導電体層21を形成する。導電体層21上に、絶縁体層321及び犠牲部材322を交互に積層する。
図示しない半導体基板の上方に、ソース線部とワード線部の犠牲部材を積層する。具体的には、図11に示すように、図示しない半導体基板の上方に、導電体層21を形成する。導電体層21上に、絶縁体層321及び犠牲部材322を交互に積層する。
導電体層21が、ソース線部である。導電体層21は、例えばポリシリコン(Si)を含む。絶縁体層321は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。例えば、絶縁体層321の膜厚は15nm以下である。各犠牲部材322を、選択ゲート線及びワード線部に置換する。例えば、犠牲部材322を形成する層数が、積層する選択ゲート線及びワード線WLの本数に対応している。犠牲部材322は、例えばポリシリコンを含む。
[ステップS1002]
次に、メモリホールMHを形成する。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、メモリホールMHに対応する領域が開口したマスク(不図示)を形成する。そして、図12に示すように、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、メモリホールMHを形成する。
次に、メモリホールMHを形成する。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、メモリホールMHに対応する領域が開口したマスク(不図示)を形成する。そして、図12に示すように、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、メモリホールMHを形成する。
本工程で形成するメモリホールMHは、絶縁体層321及び犠牲部材322のそれぞれを貫通し、メモリホールMHの底部は、例えば導電体層21内で停止する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIE(Reactive Ion Etching)である。
[ステップS1003]
次に、ワード線部と選択ゲート線部の置換処理を実行する。具体的には、図13に示すように、メモリホールMH内で露出した犠牲部材322をフッ化タングステン(WF6)ガスに晒す。これにより、メモリホールMH内で露出した犠牲部材322のポリシリコンをタングステン(W)に置換する。これにより、ワード線WL0~WL7にそれぞれ対応する複数の導電体層23と、選択ゲート線SGS、SGDに対応する導電体層22、24とを形成する。なお、導電体層22~24はタングステン(W)に置換されるが、不純物レベルでシリコン(Si)が残る事がある。
次に、ワード線部と選択ゲート線部の置換処理を実行する。具体的には、図13に示すように、メモリホールMH内で露出した犠牲部材322をフッ化タングステン(WF6)ガスに晒す。これにより、メモリホールMH内で露出した犠牲部材322のポリシリコンをタングステン(W)に置換する。これにより、ワード線WL0~WL7にそれぞれ対応する複数の導電体層23と、選択ゲート線SGS、SGDに対応する導電体層22、24とを形成する。なお、導電体層22~24はタングステン(W)に置換されるが、不純物レベルでシリコン(Si)が残る事がある。
なお、ダミー階段領域C4における犠牲部材322はフッ化タングステン(WF6)ガスが届かないため、タングステン(W)に置換されず、ポリシリコンが残ることになる。
[ステップS1004]
メモリホールMH内にメモリピラーMPを形成する。具体的には、図14に示すように、メモリホールMHの側面及び底面にブロック絶縁膜35(酸化シリコン(SiO2))を形成し、ブロック絶縁膜35上に絶縁膜34として窒化シリコンを形成し、絶縁膜34上にトンネル絶縁膜33として酸化シリコン(SiO2)を形成し、トンネル絶縁膜33上に半導体層31としてシリコン(Si)を形成し、半導体層31上にコア部材30として絶縁材料を形成する。このようにして、メモリホールMH内にメモリピラーMPを形成する。
メモリホールMH内にメモリピラーMPを形成する。具体的には、図14に示すように、メモリホールMHの側面及び底面にブロック絶縁膜35(酸化シリコン(SiO2))を形成し、ブロック絶縁膜35上に絶縁膜34として窒化シリコンを形成し、絶縁膜34上にトンネル絶縁膜33として酸化シリコン(SiO2)を形成し、トンネル絶縁膜33上に半導体層31としてシリコン(Si)を形成し、半導体層31上にコア部材30として絶縁材料を形成する。このようにして、メモリホールMH内にメモリピラーMPを形成する。
[ステップS1005]
続いて、スリットSTを形成する。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、スリットSTに対応する領域が開口したマスク(不図示)を形成する。それから、図15に示すように、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、スリットSTを形成する。
続いて、スリットSTを形成する。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、スリットSTに対応する領域が開口したマスク(不図示)を形成する。それから、図15に示すように、形成されたマスクを用いた異方性エッチングによって、スリットSTを形成する。
本工程で形成するスリットSTは、絶縁体層321、導電体層22~24のそれぞれを分断し、スリットSTの底部は、例えば導電体層21が設けられた層内で停止する。本工程における異方性エッチングは、例えばRIEである。
そして、その後スリットST内を絶縁体26によって埋め込む。その後スリットST外に形成された絶縁体26を、例えばCMPによって除去する。その結果、スリットSTが絶縁体26によって埋め込まれた構造を形成する。絶縁体26は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。
[ステップS1006]
続いて、ダミーテラス(テラス)を形成する。図16に示すように、導電体層及び絶縁膜の組を順次、異方性エッチング等によって、階段状に除去することによって、ダミーテラス222~224を形成する。
続いて、ダミーテラス(テラス)を形成する。図16に示すように、導電体層及び絶縁膜の組を順次、異方性エッチング等によって、階段状に除去することによって、ダミーテラス222~224を形成する。
以上で説明した実施形態に係る半導体記憶装置1の製造工程によって、メモリピラーMPと、メモリピラーMPに接続されるソース線SL、ワード線WL、並びに選択ゲート線SGS及びSGDとのそれぞれを形成する。尚、以上で説明した製造工程はあくまで一例であり、各製造工程の間にはその他の処理が挿入されても良いし、製造工程の順番は問題が生じない範囲で入れ替えられても良い。
また、以上では、ダミー階段領域C4について述べたが、階段領域C2、及びダミー階段領域C3についても、ダミー階段領域C4と同様に形成する。
<1-3>実施形態の効果
上述した実施形態によれば、積層構造(選択ゲート線及びワード線)の形成方法として、酸化シリコン(SiO2)と、ポリシリコンと、を交互に複数層積層し、メモリホールMHを形成する。その後、メモリホールMH内で露出したポリシリコンをフッ化タングステン(WF6)ガスに晒す。これにより、選択ゲート線及びワード線として機能するポリシリコンをタングステン(W)に置換する。
上述した実施形態によれば、積層構造(選択ゲート線及びワード線)の形成方法として、酸化シリコン(SiO2)と、ポリシリコンと、を交互に複数層積層し、メモリホールMHを形成する。その後、メモリホールMH内で露出したポリシリコンをフッ化タングステン(WF6)ガスに晒す。これにより、選択ゲート線及びワード線として機能するポリシリコンをタングステン(W)に置換する。
これにより、スリットSTの数や、階段領域およびダミー階段領域における支持部材を低減することができ、Z方向における、タングステン間の距離を縮めることができる。
以下に、実施形態の効果を説明するために、比較例について簡単に説明する。
以下に、図17を適宜参照して、比較例に係る半導体記憶装置1における、ワード線に対応する積層構造の形成から階段の形成までの一連の製造工程について説明する。図17は、比較例に係る半導体記憶装置1の製造方法を示すフローチャートである。図18~図23のそれぞれは、比較例に係る半導体記憶装置1の製造工程における、セル領域C1及びダミー階段領域C4に対応する構造体を含む構造を示している。
[ステップS2001]
半導体基板の上方に、ソース線部とワード線部の犠牲部材を積層する。具体的には、図18に示すように、図示しない半導体基板の上方に、導電体層21を形成する。導電体層21上に、絶縁体層421及び犠牲部材422を交互に積層する。
半導体基板の上方に、ソース線部とワード線部の犠牲部材を積層する。具体的には、図18に示すように、図示しない半導体基板の上方に、導電体層21を形成する。導電体層21上に、絶縁体層421及び犠牲部材422を交互に積層する。
絶縁体層421は、例えば酸化シリコン(SiO2)を含む。各犠牲部材422は、例えば窒化シリコン(SiN)を含む。
[ステップS2002]
次に、図19に示すようにメモリピラーMP及び支持部HRを形成する。この支持部HRは、後段にて犠牲部材422を除去するときに、メモリピラーMPが形成されない階段領域が崩れないように、支えるための構造である。この支持部HRは、例えばZ軸方向に延伸する柱状の絶縁体である。また、この支持部HRは、本実施形態では設けられていない。
次に、図19に示すようにメモリピラーMP及び支持部HRを形成する。この支持部HRは、後段にて犠牲部材422を除去するときに、メモリピラーMPが形成されない階段領域が崩れないように、支えるための構造である。この支持部HRは、例えばZ軸方向に延伸する柱状の絶縁体である。また、この支持部HRは、本実施形態では設けられていない。
[ステップS2003]
続いて、図20に示すように、スリットSTを形成する。
続いて、図20に示すように、スリットSTを形成する。
[ステップS2004]
次に、図21に示すように、スリットSTを介して、例えば熱リン酸によるウェットエッチングを行う。これによって、犠牲部材422を選択的に除去する。犠牲部材422が除去された構造体は、複数のメモリピラーMP、及び複数の支持部HR等によってその立体構造が維持される。
次に、図21に示すように、スリットSTを介して、例えば熱リン酸によるウェットエッチングを行う。これによって、犠牲部材422を選択的に除去する。犠牲部材422が除去された構造体は、複数のメモリピラーMP、及び複数の支持部HR等によってその立体構造が維持される。
[ステップS2005]
次に、ワード線部と選択ゲート線部の置換処理を実行する。具体的には、図22及び図23に示すように、例えばCVDによって、犠牲部材422が除去された空間にバリアメタルとして窒化チタン(TiN)423が成膜された後に、タングステン(W)424を形成する。これにより、ワード線WL0~WL7にそれぞれ対応する複数の導電体層23と、選択ゲート線SGDに対応する導電体層24とを形成する。
次に、ワード線部と選択ゲート線部の置換処理を実行する。具体的には、図22及び図23に示すように、例えばCVDによって、犠牲部材422が除去された空間にバリアメタルとして窒化チタン(TiN)423が成膜された後に、タングステン(W)424を形成する。これにより、ワード線WL0~WL7にそれぞれ対応する複数の導電体層23と、選択ゲート線SGDに対応する導電体層24とを形成する。
ところで、タングステン(W)424を、フッ化タングステン(WF6)ガスを用いて形成する。しかし、このフッ化タングステン(WF6)ガスに含まれるフッ素(F)が、メモリピラーMPに悪影響を及ぼすことがある。そのため、本実施形態と異なり、比較例ではバリアメタルとして窒化チタン(TiN)423を設ける必要がある。
この窒化チタン(TiN)の膜厚はd1(例えば3nm程度)である。
その後、任意の製造工程により、半導体記憶装置を形成する。
以上のように、比較例においては、積層構造(選択ゲート線及びワード線)として、酸化シリコン(SiO2)と、窒化シリコン(SiN)と、を交互に複数層積層し、スリットを形成する際に、窒化シリコン(SiN)を除去し、選択ゲート線及びワード線の部材として、バリアメタルと導電材料を埋め込むことにより、半導体記憶装置を形成する。
しかし、比較例で説明したように、犠牲部材422を除去する場合、立体構造を維持するために、支持部HRが必要となる。また、犠牲部材422を除去するためのエッチング溶液をいきわたらせるために、本実施形態に比べて、より多くのスリットSTが必要となる。また、比較例では、メモリピラーを形成した後に、選択ゲート線及びワード線としてタングステン(W)を形成する。そのため、タングステン(W)を形成する際のフッ化タングステン(WF6)ガスのフッ素(F)から、メモリピラーMPを保護するためのバリアメタルが必要となる。
他方で、上述した実施形態によれば、比較例のステップS2004のように犠牲部材を除去することがない。そのため、立体構造を支える為の支持部HRが不要となる。その結果、本実施形態は、比較例と比較し、支持部HRの分だけ面積を小さくできる。換言すると、本実施形態の階段領域において、Z方向に延びる柱状体は、全てコンタクトプラグであるとも言える。また、ダミー階段領域において、Z方向に延びる柱状体は設けられない。また、上述した実施形態によれば、犠牲部材422を除去するためのエッチング溶液をいきわたらせる必要がない。その結果、本実施形態は、比較例と比較し、スリットSTの数を抑制でき、スリットの数だけ面積を小さくできる。また、上述した実施形態によれば、比較例と異なり、選択ゲート線及びワード線を形成してから、メモリピラーMPを形成する。メモリピラーMPを形成が、フッ化タングステン(WF6)ガスに曝されないため、比較例で説明した、選択ゲート線及びワード線に設けられるバリアメタルが不要となる。具体的には、選択ゲート線及びワード線とZ方向に隣り合う絶縁膜との間、及びメモリピラーと選択ゲート線及びワード線との間にバリアメタルは設けられない。その結果、本実施形態では、選択ゲート線及びワード線のそれぞれについて、Z軸方向、X軸及びY軸方向のそれぞれについてd1×2(バリアメタルの厚さが約3nmである場合、6nm)だけ面積を小さくできる。絶縁膜の膜厚がうすくなることで、ワード線抵抗を低減することができる。以上のように、上述した実施形態によれば、比較例と比較し、半導体記憶装置のサイズを小さくすることができる。
<2>その他の変形例等
上記実施形態及び変形例で説明された製造工程はあくまで一例であり、各製造工程の間にその他の処理が挿入されても良いし、製造工程が適宜入れ替えられても良い。半導体記憶装置1の製造工程は、上記実施形態及び変形例で説明した構造を形成することが可能であれば、どのような製造工程が適用されても良い。
上記実施形態及び変形例で説明された製造工程はあくまで一例であり、各製造工程の間にその他の処理が挿入されても良いし、製造工程が適宜入れ替えられても良い。半導体記憶装置1の製造工程は、上記実施形態及び変形例で説明した構造を形成することが可能であれば、どのような製造工程が適用されても良い。
上記実施形態において、メモリセルアレイ10の構造はその他の構造であっても良い。例えば、メモリピラーMPは、複数のピラーがZ方向に連結された構造であっても良い。例えば、メモリピラーMPは、導電体層24(選択ゲート線SGD)を貫通するピラーと、複数の導電体層23(ワード線WL)を貫通するピラーとが連結された構造であっても良い。また、メモリピラーMPは、それぞれが複数の導電体層23を貫通する複数のピラーがZ方向に連結された構造であっても良い。
本明細書において“ポリシリコン”は、多結晶の半導体と言い換えることが出来る。
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。
Claims (8)
- 第1方向に積層された、それぞれタングステンを含む複数の第1導電体層と、
前記複数の第1導電体層と交互に積層される積層部と、前記積層部に対して前記第1方向に直交する第2方向に突出する第1突出部とを含む複数の絶縁膜と、
複数の前記積層部と前記複数の第1導電体層との積層体内を前記第1方向に延びる半導体層と、
前記複数の第1導電体層と前記半導体層との間に配置される電荷蓄積層と、
前記絶縁膜における前記第1突出部の上において前記第1導電体層に接して配置され、不純物を含むシリコンを有する複数の第2導電体層と、
前記複数の第2導電体層のうちの1の第2導電体層の上に前記1の第2導電体に接して設けられ、導電性を有し、前記第1方向に延びる複数のコンタクトプラグと、
を備える半導体記憶装置。 - 前記複数の第2導電体層のうちの1の第2導電体層の上に前記1の第2導電体に接して設けられ、前記第1方向に延びる柱状体は、全て前記コンタクトプラグである
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2導電体層は、不純物を含むポリシリコンを有する
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記絶縁膜は、前記積層部に対して前記第1方向及び前記第2方向に直交する第3方向に突出する第2突出部を含み、
前記絶縁膜における前記第2突出部の上において前記第1導電体層に接して配置され、不純物を含むシリコンを有する複数の第3導電体層と、
を更に備える請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2突出部の上には、前記複数の第3導電体層のうちの1の第3導電体層の上に前記1の第3導電体に接して設けられ、前記第1方向に延びる柱状体が、設けられない、
請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 前記第3導電体層は、不純物を含むポリシリコンを有する
請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1導電体層と前記絶縁膜との間、及び半導体層と前記絶縁膜の間には、バリアメタルは配置されていない
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記バリアメタルは、窒化チタンを含む
請求項7に記載の半導体記憶装置。
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