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JP2019161080A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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JP2019161080A
JP2019161080A JP2018047390A JP2018047390A JP2019161080A JP 2019161080 A JP2019161080 A JP 2019161080A JP 2018047390 A JP2018047390 A JP 2018047390A JP 2018047390 A JP2018047390 A JP 2018047390A JP 2019161080 A JP2019161080 A JP 2019161080A
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Kenta Yoshinaga
健太 吉永
英幹 猪熊
Hidemiki Iguma
英幹 猪熊
久詞 加藤
Hisashi Kato
久詞 加藤
正和 澤野
Masakazu Sawano
正和 澤野
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Abstract

【課題】配線抵抗の低減した半導体記憶装置を提供する。【解決手段】基板と、基板上に設けられ第1と第2の領域に跨がるように基板面と平行に延びる板状の第1の導電層と、第1の領域内で第1の導電層の端部が突き出た階段形状となるように第1の導電層上に離間して配置され、第1と第2の領域に跨がるように第1の導電層と平行に延びる板状の第2の導電層と、第1の領域内の第1の導電層の端部が突き出た位置で第1の導電層の側面又は底面で第1の導電層と接続され第1の導電層から基板へと延びる第1のコンタクトと、第1の領域内における第2の導電層の側面又は底面で第2の導電層と接続され第1の導電層を貫通するように第2の導電層から基板へと延びる第2のコンタクトと第2の領域内で第1及び第2の導電層を貫通するチャネルボディと、第2の領域内で第1及び第2の導電層とチャネルボディの間に設けられた電荷蓄積部を含むメモリ膜を備える。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
大容量の不揮発性メモリの開発が盛んに行われている。このタイプのメモリは、低電圧・低電流動作、高速スイッチング、メモリセルの微細化・高集積化が可能である。
大容量メモリアレイでは、ビット線及びワード線と呼ばれる金属配線が多数配列されている。1つのメモリセルの書き込みは、そのセルに接続されたビット線とワード線に電圧を印加することで行う。かかるワード線となる導電層と絶縁層とを交互に積層した積層体を使って、メモリセルを3次元配列したメモリデバイスが提案されている。かかる3次元配列したメモリデバイスでは、積層された各階層の導電層を他の階層の配線と接続させるための構造として、導電層を階層毎にずれるように階段状に形成して、上層側からのコンタクトと接続しやすい構造にしている。
特開2015−056452号公報 特開2009−016400号公報 特開2013−131580号公報
実施形態の目的は、配線抵抗の低減した半導体記憶装置を提供することにある。
実施形態の半導体記憶装置は、基板と、第1の導電層と、第2の導電層と、第1のコンタクトと、第2のコンタクトと、チャネルボディと、メモリ膜と、を備えている。第1の導電層は、基板上に設けられ、第1と第2の領域に跨がるように、基板面と平行に延びる板状の導電層である。第2の導電層は、第1の領域内で第1の導電層の端部が突き出た階段形状となるように第1の導電層上に離間して配置され、第1と第2の領域に跨がるように、第1の導電層と平行に延びる板状の導電層である。第1のコンタクトは、第1の領域内の第1の導電層の端部が突き出た位置で、第1の導電層の側面又は底面で第1の導電層と接続され、第1の導電層から基板へと延びる。第2のコンタクトは、第1の領域内における第2の導電層の側面又は底面で第2の導電層と接続され、第1の導電層を貫通するように、第2の導電層から基板へと延びる。チャネルボディは、第2の領域内で、第1及び第2の導電層を貫通する。メモリ膜は、第2の領域内で、第1及び第2の導電層と、チャネルボディの間に設けられ、電荷蓄積部を含む。
実施形態の半導体記憶装置の等価回路図である。 実施形態の半導体記憶装置の模式断面図である。 実施形態の半導体記憶装置のメモリホール付近の模式断面図である。 実施形態の半導体記憶装置の導電層と電極部材とが交差する領域付近の模式断面図である。 実施形態の半導体記憶装置の第1の階段領域及びメモリセル領域における模式図である。 実施形態の変形例となる半導体記憶装置の模式断面図である。 実施形態の半導体記憶装置の要部の製造方法において、製造途中の半導体記憶装置の断面を示す模式図である。 実施形態の半導体記憶装置の要部の製造方法の変形例において、製造途中の半導体記憶装置の断面を示す模式図である。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
実施形態の半導体記憶装置は、基板と、基板上に設けられ、第1と第2の領域に跨がるように、基板面と平行に延びる板状の第1の導電層と、第1の領域内で第1の導電層の端部が突き出た階段形状となるように第1の導電層上に離間して配置され、第1と第2の領域に跨がるように、第1の導電層と平行に延びる板状の第2の導電層と、第1の領域内の第1の導電層の端部が突き出た位置で、第1の導電層の側面又は底面で第1の導電層と接続され、第1の導電層から基板へと延びる第1のコンタクトと、第1の領域内における第2の導電層の側面又は底面で第2の導電層と接続され、第1の導電層を貫通するように、第2の導電層から基板へと延びる第2のコンタクトと、第2の領域内で、第1及び第2の導電層を貫通するチャネルボディと、第2の領域内で、第1及び第2の導電層と、チャネルボディの間に設けられた、電荷蓄積部を含むメモリ膜と、を備えた半導体記憶装置である。
図1は、実施形態の半導体記憶装置100の等価回路図である。
実施形態の半導体記憶装置100は、メモリセルを3次元的に配置した3次元NANDフラッシュメモリである。
図1に示すように、半導体記憶装置100は、複数のワード線WL、共通ソース線CSL、ソース選択ゲート線SGS、複数のドレイン選択ゲート線SGD、複数のビット線BL、複数のメモリストリングMSを備える。
メモリストリングMSは、共通ソース線CSLとビット線BLとの間に直列接続されたソース選択トランジスタSTS、複数のメモリセルトランジスタMT、及びドレイン選択トランジスタSTDを有する。
なお、ワード線WLの数、ビット線BLの数、メモリストリングMSの数、ドレイン選択ゲート線SGDの数は、図1のものに限定されない。
図2は、実施形態の半導体記憶装置の模式断面図である。
図2において、ソース選択ゲート線SGS、ドレイン選択ゲート線SGD、ソース選択トランジスタSTS、ドレイン選択トランジスタSTD、及びビット線BLは、図示を省略している。
基板10は、例えば半導体基板である。基板10は、例えばシリコン基板である。基板10は、図2において、xy面と基板面が平行になるように配置されている。
基板10には複数のトランジスタ18が設けられている。例えば、トランジスタ18a、18b及び18cが、基板10に設けられている。トランジスタ18a、18b及び18cは、基板10の上層部分に設けられたソース領域14と、基板10の上層部分に設けられたドレイン領域15と、ソース領域14とドレイン領域15の間における基板10の上層部分に設けられた半導体領域13と、半導体領域13上に設けられたゲート絶縁膜16と、ゲート絶縁膜16上に設けられたゲート電極17と、を有する。トランジスタ18a、18b及び18cは、例えば、電界効果型トランジスタである。トランジスタ18a、18b及び18cは、3次元NANDフラッシュメモリの駆動に用いられる。トランジスタ18a、18b及び18cは、半導体素子の一例である。図2の例では、複数のトランジスタ18として、例えば、トランジスタ18a、18b及び18cを示している。
絶縁層33は、基板10上に設けられている。絶縁層33は、例えばシリコン酸化物を含む。
集積回路20は、基板10内及び絶縁層33内に設けられている。集積回路20は、複数のトランジスタ18と、複数のトランジスタ18に電気的に接続されたコンタクト23と、コンタクト23に電気的に接続された配線22と、を有する。
埋込ソース線44は、集積回路20上に設けられている。埋込ソース線44は、例えば、W(タングステン)を含む埋込ソース線下層部分46と、ポリシリコンを含む埋込ソース線上層部分48と、を有する。埋込ソース線44には、集積回路20から電位が供給される。埋込ソース線44は、図1の共通ソース線CSLに対応する。
基板10上には、第1の階段領域、メモリセル領域、ビア領域、メモリセル領域及び第2の階段領域に跨がるように、基板10の面と平行に延びる板状の複数の導電層34が設けられている。例えば、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iが、それぞれ絶縁層33を介して積層されている。第1の階段領域は、第1の領域の一例である。メモリセル領域は第2の領域の一例である。図2の例において、これらの複数の導電層34は、例えば3層ずつ組みとなって、組毎に、図2におけるx方向に向かって階段状に形成される。具体的には以下のように配置される。
導電層34bは、導電層34a上に、導電層34aと離間して配置され、導電層34aと平行に延びる板状の導電層である。導電層34cは、導電層34b上に、導電層34bと離間して配置され、導電層34bと平行に延びる板状の導電層である。
導電層34dは、第1の階段領域内で導電層34a、34b及び34cの端部が突き出た階段形状となるように、導電層34c上に導電層34cと離間して配置され、導電層34cと平行に延びる板状の導電層である。
導電層34eは、導電層34d上に、導電層34dと離間して配置され、導電層34dと平行に延びる板状の導電層である。導電層34fは、導電層34e上に、導電層34eと離間して配置され、導電層34eと平行に延びる板状の導電層である。
導電層34gは、第1の階段領域内で導電層34d、34e及び34fの端部が突き出た階段形状となるように、導電層34f上に導電層34fと離間して配置され、導電層34fと平行に延びる板状の導電層である。
導電層34hは、導電層34g上に、導電層34gと離間して配置され、導電層34gと平行に延びる板状の導電層である。導電層34iは、導電層34h上に、導電層34hと離間して配置され、導電層34hと平行に延びる板状の導電層である。
導電層34cは第1の導電層の一例である。導電層34fは第2の導電層の一例である。
導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iは、ワード線WLとして機能する。
実施形態の半導体記憶装置100において導電層34の層数は9層であるが、導電層34の層数はこれに限定されない。
第1の階段領域には、電極部材58が設けられている。図2の例では、例えば、電極部材58a、58b及び58cが設けられている。各電極部材58は、対応する階層の導電層34と基板側の配線22とを接続するコンタクトとして機能する。
電極部材58aは、第1の階段領域内の導電層34a、34b及び34cが導電層34d、34e、34f、34g、34h及び34iに対して突き出た位置で、導電層34cの側面又は底面で導電層34cと接続されている。電極部材58aは、導電層34cから基板(ここでの「基板」には、基板10上に形成された集積回路20を含む)へと延びている。電極部材58aは、導電層34cよりも下層側の導電層34a及び34bを貫通している。また、図2では図示されていないが、図2の紙面に向かって奥側に、導電層34aから基板10へと延びる電極部材、及び導電層34bから基板10へと延びる電極部材が、例えば、電極部材58aと重なる位置に配置される。導電層34bから基板10へと延びる電極部材は、導電層34bよりも下層側の導電層34aを貫通している。
電極部材58bは、第1の階段領域内の、導電層34d、34e及び34fが、導電層34a、34b及び34cと重なり、導電層34g、34h及び34iに対して突き出た位置で、導電層34fの側面又は底面で導電層34fと接続されている。電極部材58bは、導電層34fから基板(ここでの「基板」には、基板10上に形成された集積回路20を含む)へと延び、導電層34fよりも下層側の導電層34a、34b、34c、34d及び34eを貫通している。また、図2では図示されていないが、図2の紙面に向かって奥側に、導電層34dから基板10へと延びる電極部材、及び導電層34eから基板10へと延びる電極部材が、例えば、電極部材58bと重なる位置に配置される。導電層34dから基板10へと延びる電極部材は、導電層34dよりも下層側の導電層34a、34b、及び34cを貫通している。導電層34eから基板10へと延びる電極部材は、導電層34eよりも下層側の導電層34a、34b、34c、及び34dを貫通している。
電極部材58cは、第1の階段領域内の、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iが重なる位置で、導電層34iから基板(ここでの「基板」には、基板10上に形成された集積回路20を含む)へと延びている。電極部材58cは、導電層34iよりも下層側の導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g及び34hを貫通している。また、図2では図示されていないが、図2の紙面に向かって奥側に、導電層34gから基板10へと延びる電極部材、及び導電層34hから基板10へと延びる電極部材が、例えば、電極部材58cと重なる位置に配置される。導電層34gから基板10へと延びる電極部材は、導電層34gよりも下層側の導電層34a、34b、34c、34d、34e、及び34fを貫通している。導電層34hから基板10へと延びる電極部材は、導電層34hよりも下層側の導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、及び34gを貫通している。
また、導電層34aの端部が突き出た位置の、電極部材58が接続された部分の導電層34aの上面は、導電層34bの底面よりも下に配置されている。言い換えると、導電層34aおよび導電層34aに接続された電極部材58における最上部は、例えこれらの接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34bの高さにまで突き出ていない。同様に、導電層34bの端部が突き出た位置の導電層34bの上面は、例え電極部材58との接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34cの底面よりも下に配置されている。導電層34cの端部が突き出た位置の導電層34cの上面は、例え電極部材58aとの接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34dの底面よりも下に配置されている。導電層34dの端部が突き出た位置の導電層34dの上面は、例え電極部材58との接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34eの底面よりも下に配置されている。導電層34eの端部が突き出た位置の導電層34eの上面は、例え電極部材58との接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34fの底面よりも下に配置されている。導電層34fの端部が突き出た位置の導電層34fの上面は、例え電極部材58bとの接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34gの底面よりも下に配置されている。導電層34gの端部が突き出た位置の導電層34gの上面は、例え電極部材58との接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34hよりも底面の下に配置されている。導電層34hの端部が突き出た位置の導電層34hの上面は、例え電極部材58との接続部分に凸部が形成された場合でも、導電層34iの底面よりも下に配置されている。
第2の階段領域内には、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iから基板10へ延びる電極部材58は設けられていない。
導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iの材料として、例えば、タングステン、窒化チタン、又は、銅を用いると好適である。なお、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iは、その他の金属、金属半導体化合物、又は、半導体等の導電材を用いても良い。
電極部材58a、58b及び58c(及び、その他の図示されていない上述した各電極部材)の材料として、例えば、タングステン、窒化チタン、又は、銅を用いると好適である。なお電極部材58a、58b及び58cは、その他の金属、金属半導体化合物、又は、半導体等の導電材を用いても良い。
メモリホール70は、メモリセル領域において、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iを貫通している。
ビア30、31及び32は、ビア領域内に設けられている。ビア30及び31は、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34i、埋込ソース線44を貫通し、例えば配線22に電気的に接続されている。ビア32は、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iを貫通し、例えば埋込ソース線44に電気的に接続されている。ビア30、31の周囲には、例えば図示しないバリアメタル膜及び絶縁膜が設けられ、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34i及び埋込ソース線44と電気的に絶縁されている。ビア32の周囲には、例えば図示しないバリアメタル膜及び絶縁層が設けられ、導電層34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h及び34iと電気的に絶縁されている。
ビア30、31及び32の材料として、例えばタングステンを用いると好適である。
ビア24は、配線22及びコンタクト23を介して基板10に設けられたトランジスタ18cと電気的に接続されている。
電極部材58a、電極部材58b、電極部材58cは、配線22及びコンタクト23を介して、トランジスタ18a及びトランジスタ18bと電気的に接続されている。
電極部材58aは、第1のコンタクトの一例である。電極部材58bは、第2のコンタクトの一例である。
埋込ソース線44と接続されたビア26は、配線22及びコンタクト23を介して図示しないトランジスタ(トランジスタ18と同様の素子)と電気的に接続されている。
補強部材80は、第1の階段領域、第2の階段領域において基板10面に対して垂直に延びている。補強部材80の材料として、例えば酸化シリコンを用いると好適である。後述するように、各導電層34の代わりに、まず窒化シリコン層を形成して、かかる窒化シリコン層を導電層34に置き換える。その際、一旦、空洞化するために補強部材80が積層構造を維持するために配置される。
図3は、実施形態の半導体記憶装置100のメモリホール70付近の模式断面図である。
コア部材71は、メモリホール70内に設けられている。コア部材71は、例えば酸化シリコンである。
チャネルボディ41は、メモリホール70内のコア部材71の周囲に設けられている。チャネルボディ41は、例えばシリコン等の半導体材料を含むピラーである。チャネルボディ41は、埋込ソース線44に電気的に接続されている。
トンネル絶縁膜72は、チャネルボディ41の周囲に設けられている。電荷蓄積膜73(電荷蓄積部)は、トンネル絶縁膜72の周囲に設けられている。ブロック絶縁膜74は、電荷蓄積膜73の周囲に設けられている。
トンネル絶縁膜72は、絶縁性であるが、所定の電圧の印加により電流を流す絶縁膜である。トンネル絶縁膜72は、例えばシリコン酸化物を含む。
電荷蓄積膜73は、電荷を蓄積することが出来る材料を含む膜である。電荷蓄積膜73は、例えばシリコン窒化物を含む。
ブロック絶縁膜74は、電荷蓄積膜73と導電層34の間に電荷が流れることを抑制する膜である。ブロック絶縁膜74は、例えばシリコン酸化物を含む。
メモリ膜42は、トンネル絶縁膜72、電荷蓄積膜73及びブロック絶縁膜74を有する。
図3にて点線で示した領域が1個のメモリセルMCである。例えば、導電層34h(ワード線)、メモリ膜42、チャネルボディ41が、1個のメモリセルトランジスタMTを構成する。1本のメモリホール70に設けられる複数のメモリセルMCが1本のメモリストリングMSに含まれる。
図4は、実施形態の半導体記憶装置100の導電層と電極部材とが交差する領域付近の模式断面図である。
バリアメタル膜36aは、導電層34aを覆うように設けられている。バリアメタル膜36bは、導電層34bを覆うように設けられている。バリアメタル膜36cは、導電層34cと電極部材58aを一体として覆うように設けられている。バリアメタル膜36dは、導電層34dを覆うように設けられている。バリアメタル膜36eは、導電層34eを覆うように設けられている。バリアメタル膜36fは、導電層34fと電極部材58bを一体として覆うように設けられている。また図3に示したように、バリアメタル膜36gは、導電層34gを覆うように設けられている。バリアメタル膜36hは、導電層34hを覆うように設けられている。バリアメタル膜36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g及び36hは、例えばチタン窒化物(TiN)を含む。
例えば、導電層34cと電極部材58bが交差する領域では、図4に示すように、導電層34c、バリアメタル膜36c(バリアメタル膜の一部)、絶縁層33b(絶縁膜スペーサ)、バリアメタル膜36f(バリアメタル膜の他の一部)、電極部材58bの順で接続されるように配置される。
図5は、実施形態の半導体記憶装置100の第1の階段領域及びメモリセル領域における模式図である。図5は、実施形態の半導体記憶装置100の第1の階段領域及びメモリセル領域における、メモリストリングMSを構成する複数のメモリセルトランジスタMTの最上層の導電層の模式上面図である。図5に示す導電層よりも上層側に、図1に示したドレイン選択トランジスタSTDの階層が構成されることになる。なお、絶縁層33の図示は省略する。
y方向に順に、基板10面に平行で基板10からの距離がそれぞれ異なる、第1の階段テラス領域、第2の階段テラス領域、第3の階段テラス領域が設けられている。第1の階段テラス領域は、導電層34iの階層に相当する。第2の階段テラス領域は、導電層34hの階層に相当する。第3の階段テラス領域は、導電層34gの階層に相当する。言い換えれば、図2の構成において、x方向だけではなく、紙面奥側(y方向側)でも第1の階段領域において各導電層34は階段状に形成される。なお、図5の例では、導電層34iの階層から見た図を示しているが、導電層34fの階層から見た場合も同様に、第1の階段テラス領域、第2の階段テラス領域、第3の階段テラス領域が設けられている。第1の階段テラス領域は、導電層34fの階層に相当する。第2の階段テラス領域は、導電層34eの階層に相当する。第3の階段テラス領域は、導電層34dの階層に相当する。同様に、導電層34cの階層から見た場合も同様に、第1の階段テラス領域、第2の階段テラス領域、第3の階段テラス領域が設けられている。第1の階段テラス領域は、導電層34cの階層に相当する。第2の階段テラス領域は、導電層34bの階層に相当する。第3の階段テラス領域は、導電層34aの階層に相当する。また、それぞれの導電層34に上述したように電気的に接続された電極部材58が設けられている。それぞれの電極部材58の周囲に、補強部材80が設けられている。
スリット領域28は、後述する半導体記憶装置100の製造の際に、導電層34及び電極部材58の形成に用いられるウエットエッチング液の導入と排出、及び導電材の導入に用いられる溝が設けられている部分である。導電材の導入が行われた後の溝は、例えばシリコン酸化物等で埋められ、スリット領域28が形成される。
電極部材58が設けられている領域とメモリホール70が設けられている領域の間の第1の階段領域には、補強部材80が設けられている。さらに、複数のドレイン選択ゲート線SGDに電気的接続を行うための図示しない電極部材が設けられ、第1の階段領域の上層に設けられた図示しない配線と接続されている。第1の階段領域の上層に設けられた配線は、例えば、第1の階段領域外に設けられた図示しないビアを介して、集積回路20に接続されている。
なお、導電層の数及び配置、電極部材58の数及び配置、補強部材80の数及び配置、メモリホール70の数及び配置は、図5で示されているものに限定されない。
図6は、実施形態の変形例となる半導体記憶装置200の模式断面図である。図2の例では、導電層34の一方の端部に電極部材58を設ける場合について説明したが、これに限るものではない。図6に示すように、変形例では、第1の階段領域だけではなく、第2の階段領域にも電極部材58d、58e、58fが設けられている。第2の階段領域下の基板10にトランジスタ18d及びトランジスタ18eが設けられている。そして、第2の階段領域内で、トランジスタ18d及びトランジスタ18eは、電極部材58を介して、導電層34と電気的に接続されている。構造は、第1の階段領域の場合と同様で構わないので説明を省略する。
図7は、実施形態の半導体記憶装置100の製造方法において、製造途中の半導体記憶装置100の断面を示す模式図である。
まず、図7(a)に示すように、窒化膜92と酸化膜94の積層体96を形成する。窒化膜92は、例えばシリコン窒化物を含む。酸化膜94は、例えばシリコン酸化物を含む。
次に、積層体96上にレジスト88aのパターンを形成する。次に、図7(b)に示すように、例えばフォトリソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、レジスト88aをマスクにして積層体96に対して複数の貫通孔90を形成する。
次に、レジスト88aを除去し、次に、図7(c)に示すように、積層体96上及び貫通孔90内に、シリコン酸化物を含む表面層98を形成する。次に、表面層98上及び貫通孔90内に、アモルファスシリコン86を形成する。
次に、図7(d)に示すように、例えばエッチバックにより、積層体96上に形成されたアモルファスシリコン86の一部を除去し、貫通孔90内に形成されたアモルファスシリコン86を残す。
次に、積層体96上にレジスト88bのパターンを形成する。次に、図7(e)に示すように、アッシング法によるレジスト88bの一部の除去と、積層体96の一部の除去を繰り返すことにより、積層体96に第1の階段領域を形成する。
次に、図7(f)に示すように、例えばトリメチル−2−ヒドロキシエチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用い、貫通孔90内に形成されたアモルファスシリコン86を除去する。
次に、図7(g)に示すように、例えばRIEを用いたエッチバックにより、表面層98の一部を除去し、第1の階段領域内の上層に設けられた窒化膜92の上面及び側面を露出させる。貫通孔90内の上部の表面層98は除去される。一方、貫通孔90内の上部以外の表面層98は、除去されずに貫通孔90内に残される。
次に、図7(h)に示すように、第1の階段領域上に、貫通孔90内に空孔82が形成されるように、絶縁膜62を形成する。その後、絶縁膜62を平坦化する。このとき、絶縁膜62を高成膜速度で形成すると、空孔82が形成されやすくなるため好ましい。なお、空孔82の上部を、空孔82上部周囲の窒化膜92の上面の高さと同じ高さになるまで、絶縁膜62を形成して覆うことは難しい。そのため、空孔82の上には、絶縁膜62が形成されずドーム状空洞83が形成される。
次に、絶縁膜62及び積層体96に図示しないスリットを形成する。次に、スリットを経由したウエットエッチングにより窒化膜92を除去する。次に、窒化膜92が除去された部分、空孔82、及びドーム状空洞83内の、酸化膜94の表面、表面層98の表面及び絶縁膜62の表面に、図示しないバリアメタル膜を形成する。次に、スリットを経由して例えばタングステンを含む第2の導電材料を形成する。絶縁膜62、酸化膜94及び表面層98は、絶縁層33となる。導電層34及び電極部材58は、第2の導電材料により一体として形成される(図7(i))。導電層34は、導電層34の底面35で電極部材58と接続される。また、ドーム状空洞83に導入された第2の導電材料により、導電層34の突き出た部分の上面に、凸部84が導電層34及び電極部材58と一体として形成される。バリアメタル膜は、導電層34の上面、導電層34の底面、導電層34の外側面39、凸部84の上面、及び電極部材58の表面を、一体として覆うように形成される。なお、このときに、窒化膜92が存在していた部分だけでなく貫通孔90にも第2の導電材料を形成するため、空孔82の一部が残ることがある。その後、スリット内に絶縁材料を埋め込む。
貫通孔90の径サイズは、表面層98が除去された貫通孔90内の上端近傍部分と比較して、表面層98が残っている貫通孔90内の下の部分の方が、一段小さい。そのため、貫通孔90内の上端近傍部分に形成された電極部材58の径サイズと比較して、表面層98が残っている貫通孔90内の下の部分に形成された電極部材58の径サイズは、一段小さい。また、各階層において導電層34及び電極部材58の最上部となる導電層34上面の凸部84は、階段状に形成された導電層34と対応する段差を凸部84の表面同士が有しつつ、各階段テラス領域内に配置される。
図8は、実施形態の半導体記憶装置100の製造方法の変形例において、製造途中の半導体記憶装置の断面を示す模式図である。
まず、図8(a)に示すように、窒化膜92と酸化膜94の積層体96を形成する。窒化膜92は、例えばシリコン窒化物を含む。酸化膜94は、例えばシリコン酸化物を含む。
次に、積層体96上にレジスト88aのパターンを形成する。次に、図8(b)に示すように、例えばフォトリソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、レジスト88aをマスクにして積層体96に対して複数の貫通孔90を形成する。
次に、レジスト88aを除去する。次に、図8(c)に示すように、貫通孔90内及び積層体96上にレジスト88bのパターンを形成する。
次に、図8(d)に示すように、レジスト88bの一部を、例えばアッシング法により除去する。次に、除去されたレジスト88bの一部の下に設けられていた積層体96の一部を、例えばRIEにより除去する。このように、アッシング法によるレジスト88bの一部の除去と、RIEによる積層体96の一部の除去を繰り返すことにより、積層体96に第1の階段領域を形成する。
次に、図8(e)に示すように、第1の階段領域内における積層体96の表面及び貫通孔90内に、例えばシリコン酸化物を含む表面層98を形成する。
次に、図8(f)に示すように、例えばRIEを用いたエッチバックにより、表面層98の一部を除去し、第1の階段領域内の上層の窒化膜92の上面及び側面を露出させる。
次に、露出された第1の階段領域の上面及び側面並びに表面層98の表面に、例えばチタン酸化物を含む図示しないバリアメタル膜を形成する。次に、図8(g)に示すように、例えばプラズマCVDにより、タングステンを含む第1の導電材料78を、貫通孔90内部及び第1の階段領域上に形成する。
次に、図8(h)に示すように、例えば等方的エッチバックにより、貫通孔90の内部以外に形成された第1の導電材料78を除去し、第1の階段領域の上面及び側面を露出させる。
次に、図8(i)に示すように、第1の階段領域上に絶縁膜62を形成し、その後平坦化する。次に、絶縁膜62及び積層体96に図示しないスリットを形成する。次に、スリットを経由したウエットエッチングにより窒化膜92を除去する。次に、窒化膜92が除去された部分の酸化膜94の表面に、例えばチタン窒化物を含む図示しないバリアメタル膜を形成する。なお、バリアメタル膜の図示は省略する。
次に、窒化膜92が除去された部分に、スリットを経由してタングステンを導入することにより、第2の導電材料を埋め込む。
絶縁膜62、酸化膜94及び表面層98は、絶縁層33となる。第1の導電材料78は、電極部材58となる。また、第2の導電材料は導電層34となる。すなわち、図8に示した製造方法によれば、図7の製造方法の場合と異なり、導電層34と電極部材58は別体として形成される。そして、導電層34は導電層34の内側面(側面)37で導電層34を覆うバリアメタル層を介して電極部材58と接続される。さらにバリアメタル層は、導電層34の上面、導電層34の底面及び導電層の外側面39も覆うように形成される。また、バリアメタル層は、電極部材58の表面を覆うように形成される。
なお、窒化膜92の代わりに、例えばリン(P)を含むシリコン膜を使用しても良い。リン(P)を含むシリコン膜は導電性を有するため、図8(i)に示したような、ウエットエッチングにより窒化膜92を除去するプロセスを省くことが出来るためである。
なお、導電層34及び電極部材58の形状は、図8で示したものに限定されない。
次に、実施形態の作用効果を記載する。
導電層34から電極部材が上方に延び、第1の階段領域の上層に設けられた配線及び第1の階段領域外に設けられたビアを介して集積回路20に接続される場合を考える。この場合、配線長が長くなってしまうため、配線抵抗が大きくなってしまう。
実施形態の半導体記憶装置100、200は、例えば、第1の階段領域内の導電層34cの端部が突き出た位置で、導電層34cの側面又は底面で導電層34cと接続され、導電層34cから基板10へと延びる電極部材58aを備える。また、第1の階段領域内における導電層34fの側面又は底面で導電層34fと接続され、導電層34cを貫通するように、導電層34fから基板10へと延びる電極部材58bと、を備える。このように、電極部材58を基板10へと延びるように形成したことにより、長い配線長の回路を経由せずに、導電層34と集積回路20を接続出来る。したがって、導電層34から集積回路20までの配線長が短くなり、配線抵抗を低減することが可能になる。
また、本実施形態の半導体記憶装置100、200においては、導電層34の側面又は底面で電極部材58との接続が行われる。そのため、例えば導電層34の上面で電極部材58との接続を行う場合と比較して、導電層34と電極部材58を接続させるための接続部分を、別途設けなくとも良い。そのため、導電層34と電極部材58の接続部分の面積縮小を図ることが出来る。
また、例えば電極部材58a、58bの上部が導電層34c、34fを貫通してさらにそれらの上方まで突き出ている場合、電極部材58aと電極部材58bの間の寄生容量や、電極部材58aと導電層34fの間の寄生容量が増加してしまう。しかし、本実施形態の半導体記憶装置100、200においては、例えば、導電層34cの端部が突き出た位置の導電層34cおよび電極部材58aの最上部は、導電層34fの底面よりも下に配置されている。なお図7に示した製造方法を用いた場合には導電層34の上面に凸部84が形成される。しかし、導電層34上面の凸部84同士が階段状の段差を有するように形成されており、例えば、導電層34cの上面に設けられた凸部84が導電層34fの高さ以上に突き出るわけではない。そのため、上述の寄生容量を減少させて、導電層34及び電極部材58の低インピーダンス化を実現することが可能となる。
図6に示したように、第1の階段領域と第2の階段領域の両方に導電層34を貫通する電極部材58を設け、第2の階段領域内でトランジスタ18d又はトランジスタ18eを導電層34と電気的に接続する場合、第1の階段領域と第2の階段領域の両方に3次元NANDフラッシュメモリの駆動回路が設けられることになる。そのため、駆動回路の数を増加させることが出来るため、データのより高速な書き込み又はより高速な読み出しが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態及び変形例を説明したが、これらの実施形態及び変形例は、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。
10 基板
18 トランジスタ
33 絶縁層(絶縁膜)
34 導電層
35 (導電層の)底面
36 バリアメタル膜
37 (導電層の)側面
41 チャネルボディ
42 メモリ膜
58 電極部材(第1のコンタクト、第2のコンタクト)
70 メモリホール
72 トンネル絶縁膜
73 電荷蓄積膜
74 ブロック絶縁膜
100 半導体記憶装置
200 半導体記憶装置
MC メモリセル

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられ、第1と第2の領域に跨がるように、基板面と平行に延びる板状の第1の導電層と、
    前記第1の領域内で前記第1の導電層の端部が突き出た階段形状となるように前記第1の導電層上に離間して配置され、前記第1と第2の領域に跨がるように、前記第1の導電層と平行に延びる板状の第2の導電層と、
    前記第1の領域内の前記第1の導電層の端部が突き出た位置で、前記第1の導電層の側面又は底面で前記第1の導電層と接続され、前記第1の導電層から前記基板へと延びる第1のコンタクトと、
    前記第1の領域内における前記第2の導電層の側面又は底面で前記第2の導電層と接続され、前記第1の導電層を貫通するように、前記第2の導電層から前記基板へと延びる第2のコンタクトと、
    前記第2の領域内で、前記第1及び第2の導電層を貫通するチャネルボディと、
    前記第2の領域内で、前記第1及び第2の導電層と、前記チャネルボディの間に設けられた、電荷蓄積部を含むメモリ膜と、
    を備えた半導体記憶装置。
  2. 前記第1と第2の導電層と、前記第1と第2のコンタクトを覆う、バリアメタル膜をさらに備えた請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記第1の導電層と前記第2のコンタクトの間に設けられた絶縁膜をさらに備えた請求項1又は請求項2記載の半導体記憶装置。
  4. 前記第1と第2のコンタクトは、それぞれ前記基板に設けられた半導体素子に電気的に接続されている請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体記憶装置。
  5. 前記第1の導電層の端部が突き出た位置における前記第1の導電層及び前記第1のコンタクトの最上部は、前記第2の導電層の底面の下に配置されている請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体記憶装置。
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