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JP2018137299A - 半導体装置 - Google Patents

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勝巳 森井
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Abstract

【課題】導電層に含まれる元素の柱状部への拡散ブロック性に優れた半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置は、下地層と、前記下地層上に設けられ、絶縁体を介して積層された複数の導電層を有する積層体と、前記積層体内を前記積層体の積層方向に延びる半導体ボディと、前記半導体ボディと前記導電層との間に設けられた電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部と前記導電層との間に設けられたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜と前記導電層との間に設けられたシリコン窒化膜と、を備えている。【選択図】図3

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
3次元メモリデバイスのコントロールゲートとして機能する電極層の形成方法として、絶縁層の間に形成された犠牲層を除去して空隙を形成し、その空隙に金属層を形成する方法が提案されている。
特開2015−177118号公報
実施形態は、導電層に含まれる元素の柱状部への拡散ブロック性に優れた半導体装置を提供する。
実施形態によれば、半導体装置は、下地層と、前記下地層上に設けられ、絶縁体を介して積層された複数の導電層を有する積層体と、前記積層体内を前記積層体の積層方向に延びる半導体ボディと、前記半導体ボディと前記導電層との間に設けられた電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部と前記導電層との間に設けられたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜と前記導電層との間に設けられたシリコン窒化膜と、を備えている。
実施形態の半導体装置の模式斜視図。 実施形態の半導体装置の模式断面図。 (a)〜(c)は、図2におけるA部の拡大図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体装置の模式斜視図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
実施形態では、半導体装置として、例えば、3次元構造のメモリセルアレイを有する半導体記憶装置を説明する。
図1は、実施形態のメモリセルアレイ1の模式斜視図である。
図1において、基板10の主面に対して平行な方向であって相互に直交する2方向をX方向およびY方向とし、これらX方向およびY方向の双方に対して直交する方向をZ方向(積層方向)とする。
メモリセルアレイ1は、基板10と、基板10の主面上に積層された積層体100と、複数の柱状部CLと、複数の分離部60と、積層体100の上方に設けられた上層配線とを有する。図1には、上層配線として、例えばビット線BLとソース線SLを示す。
柱状部CLは、積層体100内を積層方向(Z方向)に延びる略円柱状に形成されている。分離部60は、積層体100の積層方向(Z方向)およびX方向に広がる配線部LIを有し、積層体100をY方向に複数のブロック(またはフィンガー)に分離している。
複数の柱状部CLは、例えば千鳥配列されている。または、複数の柱状部CLは、X方向およびY方向に沿って正方格子配列されていてもよい。
積層体100の上方に、複数のビット線BLが設けられている。複数のビット線BLは、Y方向に延びる例えば金属膜である。複数のビット線BLは、X方向に互いに分離している。
柱状部CLの後述する半導体ボディの上端は、コンタクト部Cb及びV1を介してビット線BLに接続されている。複数の柱状部CLが、共通の1本のビット線BLに接続されている。その共通のビット線BLに接続された複数の柱状部CLは、分離部60によってY方向に分離されたそれぞれのブロックから1つずつ選択された柱状部CLを含む。
図2は、メモリセルアレイ1の模式断面図である。図2に示すY方向およびZ方向は、それぞれ、図1に示すY方向およびZ方向に対応する。
積層体100は、下地層としての基板10の主面上に積層された複数の導電層70を有する。複数の導電層70が、絶縁体としての絶縁層72を介して、基板10の主面に対して垂直な方向(Z方向)に積層されている。
導電層70は、金属層であり、例えばタングステン層またはモリブデン層である。絶縁層72は、例えばシリコン酸化層である。なお、上下で隣り合う導電層70間の絶縁体としては空隙(エアギャップ)でもよい。
基板10の主面と、最下層の導電層70との間には、絶縁膜41が設けられている。最上層の導電層70上に絶縁膜42が設けられ、その絶縁膜42上に絶縁膜43が設けられている。
柱状部CLは、メモリ膜(積層膜)30と、半導体ボディ20と、絶縁性のコア膜50とを有する。
半導体ボディ20は、積層体100内を積層方向(Z方向)にパイプ状に延びている。メモリ膜30は、導電層70と半導体ボディ20との間に設けられ、半導体ボディ20を外周側から囲んでいる。コア膜50は、パイプ状の半導体ボディ20の内側に設けられている。半導体ボディ20の上端は、図1に示すコンタクト部Cb及びV1を介してビット線BLに接続している。
図3(a)は、図2におけるA部の拡大図である。
メモリ膜30は、トンネル絶縁膜31と、電荷蓄積膜(電荷蓄積部)32と、ブロック絶縁膜33とを有する積層膜である。導電層70と半導体ボディ20との間に、導電層70側から順に、ブロック絶縁膜33、電荷蓄積膜32、およびトンネル絶縁膜31が設けられている。トンネル絶縁膜31は半導体ボディ20に接している。電荷蓄積膜32は、ブロック絶縁膜33とトンネル絶縁膜31との間に設けられている。トンネル絶縁膜31および電荷蓄積膜32は、積層体100の積層方向に連続して延びている。
半導体ボディ20、メモリ膜30、および導電層70は、メモリセルMCを構成する。図3(a)において1つのメモリセルMCを破線で模式的に表す。メモリセルMCは、半導体ボディ20の周囲を、メモリ膜30を介して、導電層70が囲んだ縦型トランジスタ構造を有する。
その縦型トランジスタ構造のメモリセルMCにおいて、半導体ボディ20は例えばシリコンのチャネルボディであり、導電層70はコントロールゲートとして機能する。電荷蓄積膜32は半導体ボディ20から注入される電荷を蓄積するデータ記憶層として機能する。
実施形態の半導体記憶装置は、データの消去・書き込みを電気的に自由に行うことができ、電源を切っても記憶内容を保持することができる不揮発性半導体記憶装置である。
メモリセルMCは、例えばチャージトラップ型のメモリセルである。電荷蓄積膜32は、絶縁性の膜中に電荷を捕獲するトラップサイトを多数有するものであって、例えば、シリコン窒化膜を含む。または、電荷蓄積膜(電荷蓄積部)32は、まわりを絶縁体で囲まれた、導電性をもつ浮遊ゲートであってもよい。
トンネル絶縁膜31は、半導体ボディ20から電荷蓄積膜32に電荷が注入される際、または電荷蓄積膜32に蓄積された電荷が半導体ボディ20に放出される際に電位障壁となる。トンネル絶縁膜31は、例えばシリコン酸化膜を含む。
ブロック絶縁膜33は、シリコン酸化膜33aと、シリコン窒化膜33bと、金属酸化膜33cとを有する。シリコン酸化膜33aは、電荷蓄積膜32に接し、積層体100の積層方向に連続して延びている。シリコン窒化膜33bは、金属酸化膜33cとシリコン酸化膜33aとの間、および絶縁層72とシリコン酸化膜33aとの間に設けられ、積層体100の積層方向に連続して延びている。
シリコン酸化膜33aは、電荷蓄積膜32に蓄積された電荷が導電層70へ拡散するのを防止する。
金属酸化膜33cは、導電層70とシリコン窒化膜33bとの間に設けられ、シリコン窒化膜33bに接している。金属酸化膜33cは、導電層70と絶縁層72との間にも設けられている。金属酸化膜33cは、シリコン酸化膜33aおよびシリコン窒化膜33bよりも誘電率が高く、例えばアルミニウム酸化膜である。
例えばデータの消去動作時、金属酸化膜33cは、導電層70と半導体ボディ20との間の電界を緩和し、導電層70から柱状部CLへのバックトンネリング電子のエネルギーを低減させる。
導電層70と金属酸化膜33cとの間に、金属窒化膜91が設けられている。金属窒化膜91は、例えば窒化チタン膜である。金属窒化膜91は、導電層70の上面、下面、および柱状部CL側の側面に沿って連続し、それら導電層70の上面、下面、および側面に接している。
図1に示すように、積層体100の上層部にはドレイン側選択トランジスタSTDが設けられている。積層体100の下層部にはソース側選択トランジスタSTSが設けられている。少なくとも最上層の導電層70は、ドレイン側選択トランジスタSTDのコントロールゲートとして機能する。少なくとも最下層の導電層70は、ソース側選択トランジスタSTSのコントロールゲートとして機能する。
それらドレイン側選択トランジスタSTDとソース側選択トランジスタSTSとの間に、複数のメモリセルMCが設けられている。複数のメモリセルMC、ドレイン側選択トランジスタSTD、およびソース側選択トランジスタSTSは、半導体ボディ20を通じて直列接続され、1つのメモリストリングを構成する。このメモリストリングが、X−Y面に対して平行な面方向に例えば千鳥配置され、複数のメモリセルMCがX方向、Y方向およびZ方向に3次元的に設けられている。
図1に示すように、配線部LIは、X方向およびZ方向に広がり、例えば金属を含む膜である。その配線部LIの側面には、図2に示すように、絶縁膜63が設けられている。絶縁膜63は、積層体100と配線部LIとの間に設けられている。
配線部LIの上端は、図1に示すコンタクト部Csを介してソース線SLに接続されている。
配線部LIの下端は基板10に接している。また、半導体ボディ20の下端は基板10に接している。基板10は、例えば、不純物がドープされ導電性をもつシリコン基板である。
配線部LIの下端が達する基板10の表面には、図2に示すように、半導体領域81が形成されている。複数の配線部LIに対応して複数の半導体領域81が設けられている。読み出し動作時、配線部LIからn型の半導体領域81、および基板10を介して半導体ボディ20に電子が供給される。
基板10の表面(主面)上に絶縁膜41を介して設けられた最下層の導電層70に与える電位制御により、半導体領域81と半導体ボディ20の下端との間における基板10の表面にチャネルを誘起し、半導体領域81と半導体ボディ20の下端との間に電流を流すことができる。
最下層の導電層70は基板10の表面にチャネルを誘起するためのコントロールゲートとして機能し、絶縁膜41はゲート絶縁膜として機能する。
実施形態によれば、ブロック絶縁膜33に含まれるシリコン窒化膜33bが、後述するように、導電層70中に含まれる主成分金属以外の元素(例えばフッ素)の絶縁層72、およびシリコン酸化膜33a側への拡散をブロックする。
次に、図4〜図16(c)を参照して、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図15(a)〜図16(c)は、積層体100の一部拡大断面図である。
図4に示すように、下地層としての基板10上に積層体100が形成される。基板10の主面(表面)に絶縁膜41が形成され、その絶縁膜41の上に、第1層として犠牲層71と、第2層として絶縁層72とが交互に積層される。犠牲層71と絶縁層72とを交互に積層する工程が繰り返され、基板10上に複数の犠牲層71と複数の絶縁層72が形成される。例えば、犠牲層71はシリコン窒化層であり、絶縁層72はシリコン酸化層である。
絶縁膜41上に最下層の犠牲層71が形成され、その最下層の犠牲層71上に最下層の絶縁層72が形成される。最上層の犠牲層71上に絶縁膜42が形成される。
次に、図5、図15(a)に示すように、積層体100に複数のメモリホールMHが形成される。メモリホールMHは、図示しないマスクを用いたreactive ion etching(RIE)法で形成される。メモリホールMHは、積層体100の積層方向(Z方向)に延び、基板10に達する。
メモリホールMHに露出する犠牲層71の端部に、図15(b)に示すようにシリコン酸化部(カバー酸化膜)35を形成する。例えば、シリコン窒化層である犠牲層71の端部を酸化する。または、犠牲層71の端部にシリコン酸化膜を成膜してもよい。このシリコン酸化膜を形成する前、犠牲層71の端部は後退させてもよいし、犠牲層71の端部を後退させずにそのままシリコン酸化膜を形成してもよい。
シリコン酸化部35を形成した後、メモリホールMH内に、図6に示すように、積層膜30aを形成する。積層膜30aは、図3(a)に示すメモリ膜30のうち、シリコン窒化膜33b、シリコン酸化膜33a、電荷蓄積膜32、およびトンネル絶縁膜31を含む。積層膜30aは、メモリホールMHの側面およびボトムに沿ってコンフォーマルに形成される。
積層膜30aの内側には、図7に示すようにカバー膜20aが形成される。カバー膜20aは、メモリホールMHの側面およびボトムに沿ってコンフォーマルに形成される。
そして、図8に示すように、積層体100の上面上にマスク層45が形成され、RIE法により、メモリホールMHのボトムに堆積したカバー膜20aおよび積層膜30aが除去される。このRIEのとき、メモリホールMHの側面に形成された積層膜30aは、カバー膜20aで覆われて保護され、RIEのダメージを受けない。
マスク層45を除去した後、図9に示すように、メモリホールMH内に半導体膜20bが形成される。半導体膜20bは、カバー膜20aの側面、および基板10が露出するメモリホールMHの底に形成される。
カバー膜20aおよび半導体膜20bは、例えばアモルファスシリコン膜として形成された後、熱処理により多結晶シリコン膜に結晶化される。カバー膜20aおよび半導体膜20bは、前述した半導体ボディ20を構成する。
半導体膜20bの内側には、図10に示すように、コア膜50が形成される。このようにして、図10、図15(c)に示すように、積層膜30a、半導体ボディ20、およびコア膜50を含む複数の柱状部CLが、積層体100中に形成される。
なお、メモリホールMHを形成した後、そのボトムに基板10のシリコンをエピタキシャル成長させ、そのエピタキシャル成長部に半導体ボディ20の下端部が接するようにしてもよい。
図10に示す絶縁膜42上に堆積した各膜は、chemical mechanical polishing(CMP)またはエッチバックにより除去される。その後、図11に示すように、絶縁膜42上に絶縁膜43が形成される。絶縁膜43は柱状部CLの上端を覆う。
そして、積層体100に、積層方向に延びる複数のスリットSTを形成する。複数のスリットSTは、図示しないマスクを用いたRIE法により、絶縁膜43、絶縁膜42、犠牲層71、絶縁層72、および絶縁膜41を含む積層体100に形成される。スリットSTは、積層体100を貫通し、基板10に達する。
スリットSTの底に露出する基板10には、イオン注入法により不純物が打ち込まれ、スリットSTの底の基板10の表面に半導体領域81が形成される。
次に、スリットSTを通じて供給されるエッチング液またはエッチングガスにより、犠牲層71を除去する。例えば、燐酸を含むエッチング液を用いて、シリコン窒化層である犠牲層71を除去する。
犠牲層71が除去され、図12、図16(a)に示すように、上下で隣接する絶縁層72の間に空隙44が形成される。空隙44は、絶縁膜41と最下層の絶縁層72との間、および最上層の絶縁層72と絶縁膜42との間にも形成される。空隙44には、絶縁層72の上面および下面が露出する。
犠牲層71のエッチングのとき、シリコン窒化膜33bにおける犠牲層71に囲まれていた部分は、図16(a)に示すように、シリコン酸化部35によって保護され、エッチングされない。
空隙44を介して積層方向に離間する複数の絶縁層72は、図12に示すように、柱状部CLによって支えられている。また、柱状部CLの下端は基板10に支えられ、上端は絶縁膜42および絶縁膜43に支えられている。
次に、スリットSTを通じて供給されるエッチング液またはエッチングガスにより、シリコン酸化部35を除去する。図16(b)に示すように、空隙44にシリコン窒化膜33bが露出する。
空隙44の内壁(絶縁層72の上面、下面、およびシリコン窒化膜33bの側面)に、図16(c)に示すように、金属酸化膜33cが形成される。金属酸化膜33cの原料ガスがスリットSTを通じて空隙44内に入り込む。
絶縁層72の空隙44に対向する面(上面および下面)、およびシリコン窒化膜33bの側面に沿って、金属酸化膜33cがコンフォーマルに連続して形成される。
図16(c)に示すように、上下で隣接する絶縁層72と絶縁層72との間における金属酸化膜33cの内側には空隙44が残される。
その空隙44内に、図3(a)に示すように、金属窒化膜91を介して、導電層70が形成される。
金属酸化膜33cの空隙44に露出する表面に、金属窒化膜91がコンフォーマルに連続して形成される。金属窒化膜91の原料ガスがスリットSTを通じて空隙44内に入り込む。
そして、導電層70として、例えばタングステン層またはモリブデン層がCVD法で形成される。このCVDに使われるガスはスリットSTを通じて空隙44内に入り込む。
導電層70として例えばタングステン層をCVD法で形成する工程は、金属窒化膜91の表面に、結晶性が低い、または微結晶のタングステン初期膜を成長させる工程と、その初期膜の内側に初期膜よりも厚く、大粒径のタングステン層を形成する工程と、を有する。
例えば、初期膜は、タングステンのソースガスであるフッ化タングステン(WF)ガスと、還元ガスとしてのジボラン(B)ガスとの反応により形成される。その後、WFガスと、還元ガスとしての水素(H)ガスとの反応により、初期膜の内側にタングステン層が形成される。
導電層70としてモリブデン層を形成するときも、例えば、フッ化モリブデン(MoF)ガスとジボラン(B)ガスを用いてモリブデンの初期膜を形成し、その後、MoFガスと水素(H)ガスを用いてモリブデン層を形成することができる。
導電層70の成膜初期に、初期膜が金属窒化膜91の表面に形成されることで、その初期膜の内側に形成されるタングステンまたはモリブデンの結晶性と、金属窒化膜91の結晶性とを分断することができ、金属窒化膜91の結晶性が導電層70の結晶性に影響しない。これは、H還元反応によるタングステンまたはモリブデンの大粒径化を促進し、導電層70を低抵抗化する。
上記CVD法で形成された導電層(タングステン層またはモリブデン層)70は、主成分金属(タングステンまたはモリブデン)以外に、フッ素とボロンも含む。このような導電層70を形成した後に行われる熱処理を伴う後工程で、導電層70に含まれるフッ素(F)が、柱状部CLに拡散することが懸念される。そのフッ素は、ブロック絶縁膜33のシリコン酸化膜33aをエッチングし得る。
実施形態によれば、導電層70とシリコン酸化膜33aとの間に設けられたシリコン窒化膜33bが、導電層70からシリコン酸化膜33aへのフッ素の拡散をブロックする。これは、シリコン酸化膜33aのエッチングを抑制し、電荷蓄積膜32に蓄積された電荷の導電層70側への拡散ブロッキング性能が損なわれない。
図13に示すように導電層70を形成した後、図14に示すように、スリットSTの側面およびボトムに絶縁膜63を形成する。
スリットSTのボトムに形成された絶縁膜63をRIE法で除去した後、スリットST内における絶縁膜63の内側に、図2に示すように配線部LIが埋め込まれる。配線部LIの下端は、半導体領域81を介して基板10に接続する。その後、図1に示すビット線BLや、ソース線SLなどが形成される。
図3(b)は、図3(a)と同様の断面部分における他の構造例を示す。
前述したシリコン酸化部35を図16(b)に示す工程で除去せずに、残している。導電層70の側面に設けられた金属酸化膜33cと、シリコン窒化膜33bとの間に、シリコン酸化部35が設けられている。
導電層70と電荷蓄積膜32との間に、シリコン酸化膜33aに加えて、シリコン酸化部35も設けられている。このため、電荷蓄積膜32から導電層70側への電荷拡散のブロッキング性をよりいっそう高めることができる。また、シリコン酸化部35を除去する工程を省いて、工程短縮およびコスト低減ができる。
図3(c)は、図3(a)と同様の断面部分におけるさらに他の構造例を示す。
シリコン窒化膜33bをメモリホールMHの側面に形成するのではなく、図16(b)に示す空隙44を形成した後、その空隙44内にシリコン窒化膜33bを形成してもよい。
空隙44にはシリコン酸化膜33aの側面が露出する。絶縁層72の空隙44に対向する面(上面および下面)、およびシリコン酸化膜33aの側面に沿って、図3(c)に示すように、シリコン窒化膜33bがコンフォーマルに連続して形成される。
そのシリコン窒化膜33bの内側に金属酸化膜33cが形成され、その金属酸化膜33cの内側に金属窒化膜91を介して導電層70が形成される。シリコン窒化膜33bは、導電層70と絶縁層72との間にも形成され、導電層70から絶縁層(シリコン酸化層)72へのフッ素の拡散をブロックする。
また、シリコン酸化部35を除去せずに、空隙44内にシリコン窒化膜33bを形成してもよい。
図17は、実施形態のメモリセルアレイの他の例の模式斜視図である。
基板10と積層体100との間に、第1下地層11と第2下地層12が設けられている。第1下地層11は基板10と第2下地層12との間に設けられ、第2下地層12は第1下地層11と積層体100との間に設けられている。
第2下地層12は、半導体層または導電層である。または、第2下地層12は、半導体層と導電層との積層膜を含んでもよい。第1下地層11は、制御回路を形成するトランジスタおよび配線を含む。
柱状部CLの半導体ボディ20の下端は第2下地層12に接し、第2下地層12は制御回路と接続されている。したがって、柱状部CLの半導体ボディ20の下端は、第2下地層12を介して制御回路と電気的に接続されている。すなわち、第2下地層12はソース層として用いることができる。
積層体100は、分離部160によってY方向に複数のブロック(またはフィンガー部)に分離されている。分離部160は、絶縁膜であり、配線を含まない。
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。
20…半導体ボディ、31…トンネル絶縁膜、32…電荷蓄積膜、33…ブロック絶縁膜、33a…シリコン酸化膜、33b…シリコン窒化膜、33c…金属酸化膜、35…シリコン酸化部、70…導電層、71…犠牲層(第1層)、72…絶縁層(第2層)、91…金属窒化膜、100…積層体

Claims (5)

  1. 下地層と、
    前記下地層上に設けられ、絶縁体を介して積層された複数の導電層を有する積層体と、
    前記積層体内を前記積層体の積層方向に延びる半導体ボディと、
    前記半導体ボディと前記導電層との間に設けられた電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部と前記導電層との間に設けられたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜と前記導電層との間に設けられたシリコン窒化膜と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記導電層と前記シリコン窒化膜との間に設けられた金属酸化膜をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記導電層と前記シリコン窒化膜との間に設けられたシリコン酸化部をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記金属酸化膜と前記シリコン窒化膜との間に設けられたシリコン酸化部をさらに備えた請求項2記載の半導体装置。
  5. 前記シリコン窒化膜は、前記積層方向に連続して延びている請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
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