JP2023038689A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体記憶装置のチップ面積を抑制する。【解決手段】実施形態の半導体記憶装置は、基板20と、下層配線46と、ソース線SLと、複数のワード線WLと、ピラーMPと、パターン部IPと、コンタクトC4と、を含む。ソース線SLは、下層配線46の上方の第1層に設けられる。ピラーMPは、第1方向に延伸し、且つ複数のワード線WLを貫通して設けられる。ピラーMPの底部は、ソース線SLに達している。パターン部IPは、第1層内で、ソース線SLと離隔し且つ絶縁されて設けられる。コンタクトC4は、第1方向に延伸し、パターン部IPを貫通し、且つ下層配線46の上に設けられる。コンタクトC4は、基板20の表面に平行な第2方向における幅が、第1層に含まれ、且つ基板20の表面と平行な面を境界面として変化する。【選択図】図9
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。
半導体記憶装置のチップ面積を抑制する。
実施形態の半導体記憶装置は、基板と、下層配線と、ソース線と、複数のワード線と、ピラーと、パターン部と、コンタクトと、を含む。下層配線は、基板の上方に設けられる。ソース線は、下層配線の上方の第1層に設けられる。複数のワード線は、ソース線の上方で、基板の表面と交差する第1方向に互いに離れて設けられる。ピラーは、第1方向に延伸し、且つ複数のワード線を貫通して設けられる。ピラーの底部は、ソース線に達している。ピラーと複数のワード線との交差部分がそれぞれメモリセルとして機能する。パターン部は、第1層内で、ソース線と離隔し且つ絶縁されて設けられる。コンタクトは、第1方向に延伸し、パターン部を貫通し、且つ下層配線の上に設けられる。コンタクトは、基板の表面に平行な第2方向における幅が、第1層に含まれ、且つ基板の表面と平行な面を境界面として変化する。
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。本発明の技術的思想は、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。
尚、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。参照符号を構成する文字の後の数字等は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。同じ文字を含んだ参照符号で示される要素を相互に区別する必要がない場合、これらの要素はそれぞれ文字のみを含んだ参照符号により参照される。
[実施形態]
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。
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]半導体記憶装置1の構成
[1-1]半導体記憶装置1の全体構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の全体構成の一例を示すブロック図である。半導体記憶装置1は、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り、外部のメモリコントローラ2によって制御可能である。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、並びにセンスアンプモジュール16を備えている。
[1-1]半導体記憶装置1の全体構成
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置1の全体構成の一例を示すブロック図である。半導体記憶装置1は、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り、外部のメモリコントローラ2によって制御可能である。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、並びにセンスアンプモジュール16を備えている。
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)を含んでいる。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んでいる。
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BAd、ページアドレスPAd、及びカラムアドレスCAdを含んでいる。例えば、ブロックアドレスBAd、ページアドレスPAd、及びカラムアドレスCAd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PAd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BAd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。
以上で説明された半導体記憶装置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つの半導体装置を構成しても良い。このような半導体装置としては、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。
[1-2]半導体記憶装置1の回路構成
図2は、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の回路構成の一例を示す回路図である。図2は、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を表示している。図2に示すように、ブロックBLKは、例えば5つのストリングユニットSU0~SU4を含んでいる。
図2は、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の回路構成の一例を示す回路図である。図2は、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を表示している。図2に示すように、ブロックBLKは、例えば5つのストリングユニットSU0~SU4を含んでいる。
各ストリングユニットSUは、ビット線BL0~BLm(mは1以上の整数)にそれぞれ関連付けられた複数のNANDストリングNSを含んでいる。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STD及びSTSを含んでいる。各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STD及びSTS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、メモリセルトランジスタMT0~MT7は、直列に接続される。選択トランジスタSTD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STD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。選択トランジスタSTSのドレインは、直列に接続されたメモリセルトランジスタMT0~MT7の他端に接続される。選択トランジスタSTSのソースは、ソース線SLに接続される。
同一のブロックBLKにおいて、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に接続される。ストリングユニットSU0内の複数の選択トランジスタSTDのゲートは、選択ゲート線SGD0に接続される。ストリングユニットSU1内の複数の選択トランジスタSTDのゲートは、選択ゲート線SGD1に接続される。ストリングユニットSU2内の複数の選択トランジスタSTDのゲートは、選択ゲート線SGD2に接続される。ストリングユニットSU3内の複数の選択トランジスタSTDのゲートは、選択ゲート線SGD3に接続される。ストリングユニットSU4内の複数の選択トランジスタSTDのゲートは、選択ゲート線SGD4に接続される。複数の選択トランジスタSTSのゲートは、選択ゲート線SGSに接続される。
ビット線BL0~BLmには、それぞれ異なるカラムアドレスが割り当てられる。各ビット線BLは、複数のブロックBLK間で同一のカラムアドレスが割り当てられたNANDストリングNSによって共有される。ワード線WL0~WL7のそれぞれは、ブロックBLK毎に設けられる。ソース線SLは、例えば複数のブロックBLK間で共有される。
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と呼ばれる。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、以上で説明された構成に限定されない。例えば、各ブロックBLKが含むストリングユニットSUの個数や、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STD及びSTSの個数は、それぞれ任意の個数でも良い。
[1-3]半導体記憶装置1の構造
以下に、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の構造の一例について説明する。以下で参照される図面において、X方向はワード線WLの延伸方向に対応し、Y方向はビット線BLの延伸方向に対応し、Z方向は半導体記憶装置1の形成に使用される半導体基板20の表面に対する鉛直方向に対応している。平面図には、図を見易くするためにハッチングが適宜付加されている。平面図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。平面図及び断面図のそれぞれでは、図を見易くするために、構成の図示が適宜省略されている。
以下に、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の構造の一例について説明する。以下で参照される図面において、X方向はワード線WLの延伸方向に対応し、Y方向はビット線BLの延伸方向に対応し、Z方向は半導体記憶装置1の形成に使用される半導体基板20の表面に対する鉛直方向に対応している。平面図には、図を見易くするためにハッチングが適宜付加されている。平面図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。平面図及び断面図のそれぞれでは、図を見易くするために、構成の図示が適宜省略されている。
[1-3-1]半導体記憶装置1の平面レイアウト
図3は、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の平面レイアウトの一例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、例えばブロックグループBLKG0~BLKG3を含んでいる。
図3は、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の平面レイアウトの一例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、例えばブロックグループBLKG0~BLKG3を含んでいる。
各ブロックグループBLKGは、複数のブロックBLKを含んでいる。各ブロックグループBLKGは、X方向に沿って延伸して設けられる。ブロックグループBLKG0~BLKG3は、Y方向に配列している。Y方向に隣り合うブロックグループBLKGの間には、ビット線接続領域BLTAPが設けられる。ビット線接続領域BLTAPは、ビット線BLとセンスアンプモジュール16との間を電気的に接続するためのコンタクトが形成される領域である。尚、ブロックグループBLKGの個数は、任意の個数でも良い。ビット線接続領域BLTAPは、隣り合うブロックグループBLKGに挟まれない領域に配置されても良い。
図4は、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に含まれたブロックグループBLKGの平面レイアウトの一例を示す平面図である。図4に示すように、ブロックグループBLKGは、例えばブロックBLK0~BLK3を含んでいる。ブロックグループBLKGの領域は、X方向に沿って、例えば、メモリ領域MA1及びMA2、引出領域HA1及びHA2、並びにコンタクト領域CAに分割される。ブロックグループBLKGの領域において、メモリセルアレイ10は、例えば複数のスリットSLT、複数のスリットSHE、及び複数のスリットOSTを含んでいる。
各ブロックBLKは、X方向に沿って延伸して設けられる。ブロックBLK0~BLK3は、Y方向に配列している。尚、ブロックグループBLKGが含むブロックBLKの個数は、任意の個数でも良い。ブロックグループBLKGは、データの記憶に使用されないダミーブロックを含んでいても良い。
メモリ領域MA1及びMA2は、引出領域HA1及びHA2の間に配置される。コンタクト領域CAは、メモリ領域MA1及びMA2の間に配置される。メモリ領域MA1及びMA2のそれぞれは、複数のNANDストリングNSを含んでいる。引出領域HA1及びHA2のそれぞれは、例えばワード線WL並びに選択ゲート線SGD及びSGSを含む積層配線の階段構造を含んでいる。当該階段構造には、NANDストリングNSに接続された積層配線とロウデコーダモジュール15との間を電気的に接続するための複数のコンタクトが接続される。コンタクト領域CAは、積層配線を貫通するコンタクトを含んでいる。以下では、メモリセルアレイ10内でワード線WL並びに選択ゲート線SGD及びSGSを含む積層配線が設けられる部分を、“積層配線部”とも呼ぶ。
各スリットSLTは、X方向に沿って延伸して設けられた部分を有する。複数のスリットSLTは、Y方向に並んでいる。スリットSLTによってY方向に区切られた領域のそれぞれが、1つのブロックBLKに対応している。各スリットSLTは、X方向にメモリ領域MA1及びMA2、引出領域HA1及びHA2、並びにコンタクト領域CAを横切っている。スリットSLTは、例えば、内部に絶縁体及び導電体が埋め込まれた構造を有する。各スリットSLTは、当該スリットSLTを介して隣り合う配線(例えば、ワード線WL0~WL7、並びに選択ゲート線SGD及びSGS)を分断している。
各スリットSHEは、メモリ領域MA1及びMA2のそれぞれに配置される。メモリ領域MA1に対応して設けられた複数のスリットSHEは、それぞれがメモリ領域MA1を横切って設けられ、Y方向に並んでいる。メモリ領域MA2に対応して設けられた複数のスリットSHEは、それぞれがメモリ領域MA2を横切って設けられ、Y方向に並んでいる。スリットSLT及びSHEによってY方向に区切られた領域のそれぞれが、1つのストリングユニットSUに対応している。スリットSHEは、内部に絶縁体が埋め込まれた構造を有する。本例では、Y方向に隣り合うスリットSLTの間のそれぞれに、4つのスリットSHEが配置されている。スリットSHEは、当該スリットSHEを介して隣り合う配線(少なくとも、選択ゲート線SGD)を分断している。
各スリットOSTは、コンタクト領域CAに配置される。各スリットOSTは、X方向に延伸して設けられた部分を有する。本例では、隣り合うスリットSLTの間のそれぞれに、2つのスリットOSTが配置される。隣り合うスリットSLTの間に配置された2つのスリットOSTは、互いに離れて配置され、Y方向に並んでいる。スリットOSTは、内部に絶縁体が埋め込まれた構造を有する。隣り合うスリットSLTの間の2つのスリットOSTの間には、貫通領域OAが設けられる。貫通領域OAは、少なくとも1つの貫通コンタクトが設けられる領域である。貫通コンタクトの詳細については後述する。
ブロックグループBLKGには、図4に示されたレイアウトが、Y方向に繰り返し配置される。尚、実施形態に係る半導体記憶装置1が備えるブロックグループBLKGの平面レイアウトは、以上で説明されたレイアウトに限定されない。隣り合うスリットSLTの間に配置されるスリットSHEの数は、任意の数に設計され得る。隣り合うスリットSLTの間に形成されるストリングユニットSUの数は、隣り合うスリットSLTの間に配置されたスリットSHEの数に基づいて変更され得る。メモリセルアレイ10は、複数のコンタクト領域CAを含んでいても良い。コンタクト領域CAは、引出領域HAに挿入されても良い。貫通領域OAは、2つ以上設けられても良い。引出領域HAは、2つのメモリ領域MAの間に配置されても良い。
[1-3-2]メモリ領域MAにおける構造
(メモリ領域MAの平面レイアウト)
図5は、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のメモリ領域MAにおける平面レイアウトの一例を示す平面図である。図5は、1つのブロックBLK(すなわち、ストリングユニットSU0~SU4)を含む領域を表示している。図5に示すように、メモリセルアレイ10は、メモリ領域MAにおいて、例えば、複数のメモリピラーMP、複数のコンタクトCV、及び複数のビット線BLをさらに含んでいる。また、各スリットSLTは、コンタクトLI及びスペーサSPを含んでいる。
(メモリ領域MAの平面レイアウト)
図5は、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のメモリ領域MAにおける平面レイアウトの一例を示す平面図である。図5は、1つのブロックBLK(すなわち、ストリングユニットSU0~SU4)を含む領域を表示している。図5に示すように、メモリセルアレイ10は、メモリ領域MAにおいて、例えば、複数のメモリピラーMP、複数のコンタクトCV、及び複数のビット線BLをさらに含んでいる。また、各スリットSLTは、コンタクトLI及びスペーサSPを含んでいる。
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。複数のメモリピラーMPは、隣り合う2つのスリットSLTの間の領域において、例えば24列の千鳥状に配置される。そして、例えば、紙面の上側から数えて、5列目のメモリピラーMPと、10列目のメモリピラーMPと、15列目のメモリピラーMPと、20列目のメモリピラーMPとのそれぞれに、1つのスリットSHEが重なっている。
複数のビット線BLは、それぞれがY方向に延伸して設けられた部分を有し、X方向に並んでいる。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ている。本例では、2つのビット線BLが、1つのメモリピラーMPと重なるように配置されている。メモリピラーMPと重なっている複数のビット線BLのうち1つのビット線BLと、当該メモリピラーMPとの間は、コンタクトCVを介して電気的に接続される。
例えば、スリットSHEに接したメモリピラーMPと、ビット線BLとの間のコンタクトCVは、省略される。言い換えると、異なる2つの選択ゲート線SGDに接したメモリピラーMPとビット線BLとの間のコンタクトCVは、省略される。隣り合うスリットSLTの間におけるメモリピラーMPやスリットSHE等の個数及び配置は、図5を用いて説明された構成に限定されず、適宜変更され得る。各メモリピラーMPに重なるビット線BLの数は、任意の数に設計され得る。
コンタクトLIは、X方向に延伸して設けられた部分を有する導電体であり、ソース線SLに接続される。スペーサSPは、コンタクトLIの側面に設けられた絶縁体である。コンタクトLIは、スペーサSPによって挟まれている。コンタクトLIと、当該コンタクトLIとY方向に隣り合う導電体(例えば、ワード線WL0~WL7並びに選択ゲート線SGD及びSGS)との間は、スペーサSPによって離隔及び絶縁される。スペーサSPは、例えば酸化膜である。コンタクトLIは、“ソース線コンタクト”と呼ばれても良い。
(メモリ領域MAの断面構造)
図6は、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のメモリ領域MAにおける断面構造の一例を示す、図5のVI-VI線に沿った断面図である。図6に示すように、半導体記憶装置1は、メモリ領域MAにおいて、例えば、半導体基板20、導電体層21~25、絶縁体層30~37をさらに含んでいる。
図6は、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のメモリ領域MAにおける断面構造の一例を示す、図5のVI-VI線に沿った断面図である。図6に示すように、半導体記憶装置1は、メモリ領域MAにおいて、例えば、半導体基板20、導電体層21~25、絶縁体層30~37をさらに含んでいる。
半導体基板20は、例えばP型の半導体基板である。半導体基板20の上に、絶縁体層30が設けられる。絶縁体層30は、半導体基板20上に形成されたロウデコーダモジュール15やセンスアンプモジュール16等に接続される回路等を覆い、複数層により構成され得る。例えば、絶縁体層30によって覆われた回路は、導電体層40~43及びコンタクトC0~C2を含む。導電体層40は、ゲート絶縁膜を介して、半導体基板20の上に設けられる。導電体層40は、積層配線部の下方に設けられたトランジスタのゲート電極として機能する。複数のコンタクトC0は、導電体層40の上と、半導体基板20の上とのそれぞれに設けられる。半導体基板20の上に設けられたコンタクトC0は、半導体基板20に設けられた不純物拡散領域(図示せず)に接続される。コンタクトC0の上に、導電体層41が設けられる。導電体層41の上に、コンタクトC1が設けられる。コンタクトC1の上に、導電体層42が設けられる。導電体層42の上に、コンタクトC2が設けられる。コンタクトC2の上に、導電体層43が設けられる。
絶縁体層30の上に、絶縁体層31が設けられる。絶縁体層31は、例えば窒化シリコンを含む。絶縁体層31は、例えば積層配線部を形成するための熱工程において発生する水素が、半導体基板20の上に設けられたトランジスタに侵入することを抑制する。絶縁体層31は、バリア膜と呼ばれても良い。
絶縁体層31の上に、絶縁体層32が設けられる。絶縁体層32の上に、導電体層21が設けられる。導電体層21は、例えば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、例えばリンがドープされたシリコンを含む。
導電体層21の上に、絶縁体層33が設けられる。絶縁体層33の上に、導電体層22が設けられる。導電体層22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SGSとして使用される。導電体層22は、例えばタングステンを含む。
導電体層22の上に、絶縁体層34及び導電体層23が交互に積層される。導電体層23は、例えば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を含む。
最上層の導電体層23の上に、絶縁体層35が設けられる。絶縁体層35の上に、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を含む。
導電体層24の上に、絶縁体層36が設けられる。絶縁体層36の上に、導電体層25が設けられる。導電体層25は、例えばY方向に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が、X方向に沿って配列している。導電体層25は、例えば銅を含む。
導電体層25の上に、絶縁体層37が設けられる。絶縁体層37は、メモリセルアレイ10と、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とを接続するための回路等を覆い、複数層により構成され得る。例えば、絶縁体層37によって覆われた回路は、導電体層44及び45を含む。導電体層44は、導電体層25よりも上層且つ導電体層25から離れて設けられる。導電体層45は、導電体層44よりも上層且つ導電体層44から離れて設けられる。
メモリピラーMPの各々は、Z方向に沿って延伸して設けられ、絶縁体層33~35、及び導電体層22~24を貫通している。メモリピラーMPの底部は、導電体層21に達している。メモリピラーMPと導電体層22とが交差した部分が、選択トランジスタSTSとして機能する。メモリピラーMPと1つの導電体層23とが交差した部分が、1つの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とが交差した部分が、選択トランジスタSTDとして機能する。
また、メモリピラーMPの各々は、例えば、コア部材50、半導体層51、積層膜52を含む。コア部材50は、Z方向に沿って延伸して設けられる。例えば、コア部材50の上端は、導電体層24よりも上層に含まれ、コア部材50の下端は、導電体層21が設けられた配線層に含まれる。半導体層51は、コア部材50の周囲を覆っている。半導体層51の一部が、メモリピラーMPの側面を介して、導電体層21に接触している。積層膜52は、半導体層51と導電体層21とが接触した部分を除いて、半導体層51の側面及び底面を覆っている。コア部材50は、酸化シリコン等の絶縁体を含む。半導体層51は、例えばシリコンを含む。
メモリピラーMP内の半導体層51の上に、柱状のコンタクトCVが設けられる。図示された領域には、5つのメモリピラーMPのうち、2つのメモリピラーMPにそれぞれ対応する2つのコンタクトCVが表示されている。メモリ領域MAにおいて、スリットSHEと重ならない且つコンタクトCV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CVが接続される。
コンタクトCVの上には、1つの導電体層25、すなわち1つのビット線BLが接触している。1つの導電体層25には、スリットSLT及びSHEによって区切られた空間のそれぞれにおいて、1つのコンタクトCVが接続される。つまり、導電体層25の各々には、隣り合うスリットSLT及びSHEの間に設けられたメモリピラーMPと、隣り合う2つのスリットSHEの間に設けられたメモリピラーMPとが電気的に接続される。
スリットSLTは、例えばXZ平面に沿って設けられた部分を有し、導電体層22~24及び絶縁体層33~35を分断している。スリットSLT内のコンタクトLIは、スリットSLTに沿って設けられる。コンタクトLIの上端の一部は、絶縁体層36と接触している。コンタクトLIの下端は、導電体層21と接触している。コンタクトLIは、例えばソース線SLの一部として使用される。スペーサSPは、コンタクトLIと導電体層22~24との間に少なくとも設けられる。コンタクトLIと、導電体層22~24との間は、スペーサSPによって離隔及び絶縁される。
スリットSHEは、例えばXZ平面に沿って設けられた部分を有し、少なくとも導電体層24を分断している。スリットSHEの上端は、絶縁体層36と接触している。スリットSHEの下端は、絶縁体層35と接触している。スリットSHEは、酸化シリコン等の絶縁体を含んでいる。スリットSHEの上端の高さとスリットSLTの上端の高さとは、揃っていても良いし、揃っていなくても良い。また、スリットSHEの上端の高さとメモリピラーMPの上端の高さとは、揃っていても良いし、揃っていなくても良い。
以下では、導電体層41、42及び43が設けられた配線層のことを、それぞれ“D0”、“D1”及び“D2”と呼ぶ。導電体層25、44及び45が設けられた配線層のことを、それぞれ“M0”、“M1”及び“M2”と呼ぶ。
図7は、実施形態に係る半導体記憶装置1におけるメモリピラーMPの断面構造の一例を示す、図6のVII-VII線に沿った断面図である。図7は、半導体基板20の表面に平行且つ導電体層23を含む層におけるメモリピラーMPの断面構造を表示している。図7に示すように、積層膜52は、例えば、トンネル絶縁膜53、絶縁膜54、及びブロック絶縁膜55を含む。
導電体層23を含む断面において、コア部材50は、メモリピラーMPの中央部分に設けられる。半導体層51は、コア部材50の側面を囲っている。トンネル絶縁膜53は、半導体層51の側面を囲っている。絶縁膜54は、トンネル絶縁膜53の側面を囲っている。ブロック絶縁膜55は、絶縁膜54の側面を囲っている。導電体層23は、ブロック絶縁膜55の側面を囲っている。トンネル絶縁膜53及びブロック絶縁膜55の各々は、例えば酸化シリコンを含んでいる。絶縁膜54は、例えば窒化シリコンを含んでいる。
以上で説明された各メモリピラーMPにおいて、半導体層51が、メモリセルトランジスタMT0~MT7並びに選択トランジスタSTD及びSTSのチャネル(電流経路)として使用される。絶縁膜54が、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。半導体記憶装置1は、メモリセルトランジスタMT0~MT7並びに選択トランジスタSTD及びSTSをオンさせることによって、ビット線BLとコンタクトLIとの間でメモリピラーMPを介した電流を流すことが出来る。
[1-3-3]コンタクト領域CAにおける構造
(コンタクト領域CAの平面レイアウト)
図8は、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のコンタクト領域CAにおける平面レイアウトの一例を示す平面図である。図8は、1つのブロックBLKとコンタクト領域CAとが重なった領域と、コンタクト領域CAの近傍におけるメモリ領域MA1及びMA2の一部とを示している。図8に示すように、メモリ領域MA1に設けられた選択ゲート線SGD(図8の“SGD_L”)と、メモリ領域MA2に設けられた選択ゲート線SGD(図8の“SGD_R”)とは、コンタクト領域CAを介して分断されている。同じストリングユニットSUに関連付けられた選択ゲート線SGD_L及びSGD_Rの間は、図示が省略されたコンタクト及び配線を介して電気的に接続される。一方で、メモリ領域MA1及びMA2のそれぞれで同じ高さに設けられたワード線WLは、コンタクト領域CAを介して連続的に設けられ、電気的に接続される。
(コンタクト領域CAの平面レイアウト)
図8は、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のコンタクト領域CAにおける平面レイアウトの一例を示す平面図である。図8は、1つのブロックBLKとコンタクト領域CAとが重なった領域と、コンタクト領域CAの近傍におけるメモリ領域MA1及びMA2の一部とを示している。図8に示すように、メモリ領域MA1に設けられた選択ゲート線SGD(図8の“SGD_L”)と、メモリ領域MA2に設けられた選択ゲート線SGD(図8の“SGD_R”)とは、コンタクト領域CAを介して分断されている。同じストリングユニットSUに関連付けられた選択ゲート線SGD_L及びSGD_Rの間は、図示が省略されたコンタクト及び配線を介して電気的に接続される。一方で、メモリ領域MA1及びMA2のそれぞれで同じ高さに設けられたワード線WLは、コンタクト領域CAを介して連続的に設けられ、電気的に接続される。
メモリセルアレイ10は、貫通領域OAにおいて、犠牲部材SMと、複数の島状部IPと、複数のコンタクトC4をさらに含む。犠牲部材SMは、積層配線部のリプレース処理に使用される部材である。貫通領域OA内の犠牲部材SMは、リプレース処理において、導電体に置換されずに残った絶縁体の部分に対応し、例えば導電体層23と同じ高さに設けられる。犠牲部材SMは、Y方向に隣り合うスリットOSTのそれぞれと接触している。このため、スリットOSTは、複数の犠牲部材SMと、複数のワード線WLとのそれぞれと接している。また、犠牲部材SMは、貫通領域OA内で、メモリ領域MA1側で接したワード線WLと、メモリ領域MA2側で接したワード線WLとの間をX方向に分離している。犠牲部材SMは、例えば窒化シリコンを含んでいる。
複数の島状部IPは、X方向に並んでいる。各島状部IPは、島状の“パターン部”と呼ばれても良い。島状部IPは、ソース線SLの形成に使用される積層構造を有し、ソース線SLと離れて設けられる。島状部IPとソース線SLとの間には、ボイドVOを含む絶縁体が設けられる。隣り合う島状部IPの間は、ボイドVOを含む絶縁体によって離隔及び絶縁されている。島状部IPの詳細な積層構造については後述する。各コンタクトC4は、複数の犠牲部材SMを貫通して設けられ、“貫通コンタクト”に対応している。複数のコンタクトC4は、それぞれ複数の島状部IPと重なるように配置される。各コンタクトC4は、積層配線部の上方の配線と、積層配線部の下方の配線との間を電気的に接続し、ワード線WL等と絶縁される。
(コンタクト領域CAの断面構造)
図9は、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のコンタクト領域CAにおける断面構造の一例を示す、図8のIX-IX線に沿った断面図である。図9は、コンタクト領域CA内でコンタクトC4を含む部分と、メモリ領域MA1の一部とを示している。図9に示すように、メモリセルアレイ10は、コンタクト領域CAにおいて、導電体層46、コンタクトCP、及び導電体層47を含む。島状部IPは、例えば導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、及び導電体層64を含む。
図9は、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のコンタクト領域CAにおける断面構造の一例を示す、図8のIX-IX線に沿った断面図である。図9は、コンタクト領域CA内でコンタクトC4を含む部分と、メモリ領域MA1の一部とを示している。図9に示すように、メモリセルアレイ10は、コンタクト領域CAにおいて、導電体層46、コンタクトCP、及び導電体層47を含む。島状部IPは、例えば導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、及び導電体層64を含む。
導電体層46は、配線層D2に設けられた配線であり、積層配線部の下方に設けられた回路と電気的に接続される。導電体層46の上に、コンタクトC4が設けられる。コンタクトC4の上に、コンタクトCPが設けられる。コンタクトCPの上に、導電体層47が設けられる。導電体層47は、配線層M0に設けられた配線であり、積層配線部の上方に設けられた回路と電気的に接続される。これにより、積層配線部の上方及び下方の回路、すなわち導電体層46及び47の間が、コンタクトC4及びCPを介して電気的に接続される。尚、導電体層46及び47の間は、少なくともコンタクトC4を介して電気的に接続されていれば良い。導電体層46は、“下層配線”と呼ばれても良い。導電体層47は、“上層配線”と呼ばれても良い。
島状部IPにおいて積層構造を形成する導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、及び導電体層64の組は、導電体層21と同じ高さに位置する、すなわち同じ層内に設けられている。具体的には、絶縁体層32の上に、導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、及び導電体層64が、この順番に積層される。導電体層60の下面の高さと導電体層21の下面の高さとは揃っている、すなわち略同じである。導電体層64の上面の高さと導電体層21の上面の高さとは揃っている、すなわち略同じである。
導電体層64の上には、絶縁体層33が設けられる。絶縁体層33は、島状部IPの側面及び上面を覆っている。言い換えると、絶縁体層33は、島状部IPとソース線SLとの間に設けられた第1部分と、ソース線SLの上に設けられた第2部分とを有する。これにより、絶縁体層33は、島状部IPと導電体層21との間を離隔及び絶縁している。絶縁体層33の第1部分は、ボイドVOを含む。ボイドVOは、平面視において島状部IPを囲み得る。ボイドVOの上には、絶縁体層33のシームが形成され得る。導電体層60及び64のそれぞれは、例えばリンがドープされたシリコンを含む。絶縁体層61及び63のそれぞれは、例えば酸化膜である。犠牲部材62は、例えば窒化シリコンを含む。
スリットOSTは、Z方向に延伸した部分を有している。スリットOSTの上端は、例えば絶縁体層36に達している。スリットOSTの下端は、例えば導電体層21に達している。図示された断面部分で、導電体層22と同じ層且つ2つのスリットOSTによって挟まれた部分には、犠牲部材SMが設けられる。同様に、図示された断面部分、すなわち貫通領域OA内で、導電体層23と同じ高さ且つ2つのスリットOSTによって挟まれた部分には、犠牲部材SMが設けられる。言い換えると、貫通領域OAでは、犠牲部材SMと絶縁体層34とが交互に積層される。コンタクト領域CAにおいて、最上層の犠牲部材SM及び最上層の導電体層23のそれぞれと、配線層M0との間には、例えば絶縁体層36が設けられる。
コンタクトC4は、Z方向に延伸して設けられる。コンタクトC4は、絶縁体層31及び32と、島状部IPと、絶縁体層33と、交互に積層された絶縁体層34及び犠牲部材SMとを貫通している。そして、コンタクトC4は、基板20の表面に平行な方向における幅が、島状部IPの積層構造が設けられた層に含まれ、且つ基板20の表面と平行な面を境界面として変化している。そして、コンタクトC4の、基板20の表面と平行な方向における幅は、境界面で不連続に変化し、境界面の上部よりも境界面の下部の方が小さい。言い換えると、コンタクトC4は、導電体層64の上面と導電体層60の下面の間の高さを境界として、境界面の下部側で細まった部分を有している。コンタクトC4の側面に設けられたスペーサSPは、段差部分において途切れていても良い。コンタクトC4と、積層された犠牲部材SM並びに導電体層60及び64のそれぞれとの間は、スペーサSPにより離隔及び絶縁されている。スペーサSPがコンタクトC4の段差部分で途切れている場合には、コンタクトC4と導電体層64との間が電気的に接続され得る。
以下では、導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、及び導電体層64の組のことを、“ソース線部SLP”と呼ぶ。尚、図9に示されたコンタクト領域CA内で導電体層21が設けられた部分に、ソース線部SLPの構造が残っていても良い。絶縁体層61及び犠牲部材62は、ソース線SLのリプレース処理に使用される部材であるため、コンタクト領域CA内において適宜省略されても良い。絶縁体層61及び犠牲部材62が省略されたソース線部SLPの上面の高さは、導電体層21の上面の高さよりも低くなり得る。
[2]半導体記憶装置1の製造方法
図10は、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法の一例を示すフローチャートである。図11~図28のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造途中の平面レイアウト又は断面構造の一例を示している。製造方法の説明に使用される平面図及び断面図は、それぞれ図8及び図9と同様の領域を示している。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、ソース線部SLPの形成からコンタクトC4及びLIの形成までの製造工程の一例について説明する。
図10は、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造方法の一例を示すフローチャートである。図11~図28のそれぞれは、実施形態に係る半導体記憶装置1の製造途中の平面レイアウト又は断面構造の一例を示している。製造方法の説明に使用される平面図及び断面図は、それぞれ図8及び図9と同様の領域を示している。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、ソース線部SLPの形成からコンタクトC4及びLIの形成までの製造工程の一例について説明する。
まず、図11に示すように、ソース線部SLPが形成される(ステップS10)。簡潔に述べると、半導体基板20の上に、図6を用いて説明された半導体基板20及び絶縁体層30の間の構造が形成される。図11は、絶縁体層30に覆われた回路のうち、1つの導電体層46を抽出して示している。絶縁体層30の上に、絶縁体層31及び32が、この順番に形成される。それから、絶縁体層32の上に、ソース線部SLP(導電体層60、絶縁体層61、犠牲部材62、絶縁体層63、並びに導電体層64)が形成される。
次に、スリットLST及びホールLHが形成される(ステップS11)。具体的には、図12に示すように、例えばフォトリソグラフィと異方性のエッチング処理との組み合わせによって導電体層64等が加工され、スリットLSTと複数のホールLHとが形成される。スリットLSTは、貫通領域OA内、且つ島状部IPに対応する部分を除く領域に設けられる。複数のホールLHは、複数の島状部IPに対応する部分とそれぞれ重なるように設けられる。各島状部IPは、スリットLSTと1つのホールLHによって、平面視においてリング状に加工される。図13は、図12のXIII-XIII線に沿った断面を示している。図13に示すように、スリットLSTは、導電体層64、絶縁体層63、犠牲部材62、絶縁体層61、導電体層60のそれぞれの一部を分断する。各ホールLHは、導電体層64、絶縁体層63、犠牲部材62、絶縁体層61、導電体層60のそれぞれの一部を貫通する。スリットLST及びホールLHのそれぞれの底部において、絶縁体層32が露出する。尚、ステップS11で利用される異方性のエッチング処理は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)である。
次に、図14に示すように、スリットLST及びホールLH内のそれぞれにボイドVOを有するように絶縁体層33が形成される(ステップS12)。具体的には、LPCVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition)のようなカバレッジの良好な方法ではなく、カバレッジの悪いプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等を使用して、絶縁体層33(例えばシリコン酸化膜)が形成される。これにより、ボイドVOが残った状態で、スリットLST及びホールLHのそれぞれが絶縁体層33により埋め込まれる。スリットLST内のボイドVOは、複数の島状部IPのそれぞれを個別に囲っている。ホールLH内のボイドVOは、島状部IPの中央部分に設けられる。図15は、図14のXV-XV線に沿った断面を示している。図15に示すように、スリットLST及びホールLHによって形成された段差部分が、絶縁体層33によって埋め込まれる。そして、スリットLSTに形成されたボイドVOの上と、ホールLHに形成されたボイドVOの上とのそれぞれには、絶縁体層33のシームが形成される。ホールLHは、導電体層46の上方に設けられる。言い換えると、ホールLHは、平面視において、導電体層46と重なるように設けられる。ホールLHの底部の径は、導電体層46の線幅よりも小さくなるように設計される。
次に、図16に示すように、絶縁体層33の上面の平坦化処理が実行される(ステップS13)。言い換えると、スリットLST及びホールLHの上方に形成されていた絶縁体層33の段差部分が平坦化される。ステップS13の平坦化処理には、例えば、エッチバック処理又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)が利用される。
次に、図17に示すように、積層配線部の犠牲部材SMが形成される(ステップS14)。具体的には、導電体層64の上に、犠牲部材SMと絶縁体層34とが交互に積層され、最上層の犠牲部材SMの上に絶縁体層35と犠牲部材SMとがこの順番に積層される。その後、例えばスリミング処理やエッチング処理によって、引出領域HA1及びHA2のそれぞれに犠牲部材SMの階段構造が形成され、コンタクト領域CA内で絶縁体層35の上の犠牲部材SMと絶縁体層35とが除去される。そして、犠牲部材SMの階段構造の形成等によって形成された段差が、絶縁体層36-1によって埋め込まれる。それから、絶縁体層36-1の表面が、例えばCMPによって平坦化される。
次に、図18に示すように、メモリピラーMPが形成される(ステップS15)。具体的には、まずフォトリソグラフィ等によって、メモリピラーMPに対応する領域が開口したマスクが形成される。そして、当該マスクを用いた異方性エッチングによって、絶縁体層36-1、絶縁体層35~33、積層された犠牲部材SM、導電体層64、絶縁体層63、犠牲部材62、及び絶縁体層61を貫通するメモリホールが形成され、メモリホールの底部において、導電体層60の一部が露出する。それから、メモリホールの側面及び底面に、積層膜52(すなわち、ブロック絶縁膜55、絶縁膜54、及びトンネル絶縁膜53)、半導体層51、及びコア部材50が、この順番に形成される。その後、メモリホールの上部に設けられたコア部材50の一部が除去され、コア部材50が除去された部分に半導体層51が形成される。このようにメモリピラーMPが形成された後に、メモリピラーMPの上部を覆う保護膜が形成される。図18には、当該保護膜と絶縁体層36-1との組が、絶縁体層36-2として示されている。
次に、スリットSLT及びOST、並びにホールC4Hが形成される(ステップS16)。具体的には、図19に示すように、例えばフォトリソグラフィと異方性のエッチング処理との組み合わせによって犠牲部材SM等が加工され、スリットSLT及びOST、並びに複数のホールC4Hが形成される。スリットSLTは、例えばブロックBLKの境界部分に設けられる。2つのスリットOSTは、貫通領域OAを挟むように設けられる。複数のホールC4Hは、それぞれ複数の島状部IPと重なるように設けられる。図20は、図19のXX-XX線に沿った断面を示している。図20に示すように、スリットSLTは、絶縁体層36-2、絶縁体層35~33、積層された犠牲部材SM、及び導電体層64を分断し、当該スリットSLTの底部において、絶縁体層63が露出する。スリットOSTは、絶縁体層36-2、絶縁体層34及び33、積層された犠牲部材SM、及び導電体層64を分断し、当該スリットOSTの底部において、絶縁体層63が露出する。ホールC4Hは、絶縁体層36-2、絶縁体層34及び33、積層された犠牲部材SM、絶縁体層32及び31を貫通し、当該ホールC4Hの底部において、導電体層46が露出する。
本例において、スリットSLT及びOSTのそれぞれの形成には、絶縁体層63がエッチングストッパーとして使用されている。一方で、ホールC4Hを形成するエッチングは、島状部IPに形成されたホールLHの部分、すなわち絶縁体層63が除去された部分に向かって進行する。このため、ホールC4Hの加工は、絶縁体層63よりも絶縁体層33のエッチングレートが高くなるように加工することにより、ホールLHに沿って、スリットSLT及びOSTのそれぞれよりも深く進行し得る。そして、ホールLHの部分は、ボイドVOを含む絶縁体層33で埋め込まれている。ボイドVOは、エッチングの障害とならない。従って、ホールC4Hを形成するエッチングがボイドVOまで到達すると、ボイドVOの下部に形成された絶縁体層33のエッチングが開始する。その結果、ステップS16のエッチング処理は、スリットSLT及びOSTのそれぞれの底部におけるオーバーエッチングを抑制しつつ、ホールC4Hの底部を導電体層46まで到達させ得る。ホールC4Hの上部(ソース線部SLPよりも上層の部分)の径は、ホールC4Hの形成に使用されたマスクの形状に基づいた大きさになる。一方で、ホールC4Hの下部(ソース線部SLPから下層の部分)の径は、ホールLHの上部の形状に基づいた大きさになる。
次に、スリットOST内に絶縁体65が形成される(ステップS17)。具体的には、例えばスリットSLT及びホールC4Hがマスクされた状態で絶縁体65が形成され、スリットOST内が埋め込まれる。それから、マスクと、スリットOSTの外に設けられた絶縁体65が除去される。その後、図21に示すように、続くリプレース処理のための保護膜66が形成される。保護膜66は、少なくとも、ホールC4Hの側面及び底面と、スリットSLTの側面及び底面とを覆うように設けられる。
次に、ソース線部SLPのリプレース処理が実行される(ステップS18)。具体的には、まず、図22に示すように、スリットSLTの底部に設けられた保護膜66と絶縁体層63とが除去され、スリットSLTの底部で犠牲部材62が露出する。このとき、保護膜66は、少なくともホールC4H及びスリットSLTのそれぞれの側面に残っていれば良い。そして、例えばウェットエッチングによって、犠牲部材62が、スリットSLTを介して選択的に除去される。続けて、例えばウェットエッチングによって、ソース線部SLPの絶縁体層61及び63と、メモリピラーMPの側面の積層膜52の一部とが、スリットSLTを介して選択的に除去される。それから、導電体(例えばシリコン)が、ソース線部SLPに形成された空間に埋め込まれる。当該導電体と導電体層60及び64とによって、図23に示すように導電体層21が構成され、導電体層21とメモリピラーMP内の半導体層51とが電気的に接続される。本例において、保護膜66は、ソース線部SLPのリプレース処理の後に除去される。尚、島状部IPのソース線部SLPでは、スリットSLTを介したリプレース処理の経路が、絶縁体層33により分断されている。このため、ステップS18の処理の後で、犠牲部材62並びに絶縁体層61及び63が、導電体にリプレースされずに残っている。
次に、積層配線部のリプレース処理が実行される(ステップS19)。まず、図24に示すように、スリットSLTの底部で露出していた導電体層21の部分に、保護膜67(例えばシリコン酸化膜)が形成される。また、ホールC4Hの側面及び底面に、保護膜68が形成される。そして、熱リン酸等によるウェットエッチングによって、積層された犠牲部材SMが、スリットSLTを介して選択的に除去される。それから、導電体が、スリットSLTを介して、犠牲部材SMが除去された空間に埋め込まれる。本工程における導電体の形成には、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)が使用される。その後、スリットSLT内部に形成された導電体がエッチバック処理によって除去され、隣り合う配線層に形成された導電体が分離される。これにより、図25に示すように、選択ゲート線SGSとして機能する導電体層22と、それぞれがワード線WLとして機能する複数の導電体層23と、選択ゲート線SGDとして機能する導電体層24とが形成される。本例において、保護膜68は、積層配線部のリプレース処理の後に除去される。本工程において形成される導電体層22~24は、バリアメタルを含んでいても良い。この場合、犠牲部材SMの除去後の導電体の形成では、例えばバリアメタルとして窒化チタンが成膜された後に、タングステンが形成される。尚、ステップS19におけるウェットエッチング時に、熱リン酸等の薬液は、貫通領域OAに到達しない。このため、ステップS19の処理の後で、貫通領域OA内に設けられた複数の犠牲部材SMは、導電体にリプレースされずに残っている。
次に、スリットSLT内にスペーサSP及びコンタクトLI、ホールC4H内にスペーサSP及びコンタクトC4がそれぞれ形成される(ステップS20)。具体的には、まず図26に示すように、まずスペーサSPに対応する絶縁膜69が、CVD等によって形成される。絶縁膜69は、スリットSLT及びホールC4Hのそれぞれの側面だけでなく、底部にも形成される。続けて、エッチバック処理によって、スリットSLTの底部に形成された絶縁膜69及び保護膜67が除去され、ホールC4Hの底部に形成された絶縁膜69が除去される。これにより、スリットSLTの底部において導電体層21が露出した状態になり、ホールC4Hの底部において導電体層46が露出した状態になる。そして、スリットSLT及びホールC4Hのそれぞれに導電体が埋め込まれ、図28に示すように、
スリットSLT及びホールC4Hの外に形成された導電体が除去される。スリットSLTの内に形成された導電体が、コンタクトLIに対応している。ホールC4Hの内に形成された導電体が、コンタクトC4に対応している。その後、絶縁体層36-2の上に絶縁体層が形成されると、図9に示された絶縁体層36が形成される。
スリットSLT及びホールC4Hの外に形成された導電体が除去される。スリットSLTの内に形成された導電体が、コンタクトLIに対応している。ホールC4Hの内に形成された導電体が、コンタクトC4に対応している。その後、絶縁体層36-2の上に絶縁体層が形成されると、図9に示された絶縁体層36が形成される。
以上で説明されたように、コンタクトC4及びLIのそれぞれのスペーサSPは、同じステップS20により形成される。このため、コンタクトC4の側面に設けられたスペーサSPと、コンタクトLIの側面に設けられたスペーサSPとのそれぞれの組成及び膜厚は、略同じである。同様に、コンタクトC4及びLIのそれぞれの組成は、略同じである。
[3]実施形態の効果
以上で説明された実施形態に係る半導体記憶装置1に依れば、半導体記憶装置1のチップ面積を抑制することが出来る。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1における効果の詳細について説明する。
以上で説明された実施形態に係る半導体記憶装置1に依れば、半導体記憶装置1のチップ面積を抑制することが出来る。以下に、実施形態に係る半導体記憶装置1における効果の詳細について説明する。
半導体記憶装置の製造コストを削減するためには、製造工程を可能な限り統合することが好ましい。例えば、スリットSLTとホールC4Hを加工する工程は、統合可能である。しかしながら、スリットSLTとホールC4Hとは加工深さが異なり、ホールC4Hの加工深さが、スリットSLTの加工深さよりも深い。この加工深さの差を考慮した上で、スリットSLTとホールC4Hの統合加工を成立させるためには、例えばホールC4Hを形成するためのマスクの開口部分の径を大きくして、当該開口部分におけるエッチングレートを高くすることが考えられる。一方で、開口部分の径を大きくする場合、形成されるホールの底部の径も大きくなるため、コンタクトC4の接続先である配線層D2の導電体層46の線幅も太くすることが好ましい。導電体層46の線幅を太くすることは、チップサイズの拡大の要因となり得る。
図29は、比較例におけるホールC4Hのレイアウトの一例を示す断面図であり、貫通領域OA内で隣り合う2つのホールC4Haを表示している。比較例は、貫通領域OAにおいて、島状部IPが絶縁体層33に置き換えられた構成を有する。図29に示すように、ホールC4Haは、ボーイング形状を有する場合がある。島状部IPが設けられない場合、ホールC4Haの上部の径W1が大きくなることに伴い、ホールC4Haの底部の径W2が大きくなる。また、導電体層46aの線幅W3は、例えば径W1及びW2のそれぞれよりも大きく設計される。そして、隣り合うホールC4HaのピッチP1と導電体層46aの線幅W3とのそれぞれは、隣り合うホールC4Haが接触しないように且つ導電体層46aとホールC4Haとの重ね合わせに所定のマージンが形成されるように設計される。比較例では、スリットSLTとホールC4Haとを統合加工する場合に、上述したように、導電体層46aの線幅W3が太く設計され、ピッチP1が大きく設計される。
これに対して、実施形態に係る半導体記憶装置1では、ホールC4H及びスリットSLTを一括で加工する前に、ソース線部SLPが加工され、加工箇所にカバレッジの悪い方法を用いて絶縁膜(絶縁体層33)が埋め込まれる。これにより、コンタクト領域CA内のソース線部SLPに、ボイドVOを有する絶縁体層33を囲んだリング状の島状部IPが形成される。言い換えると、ホールC4Hに加工される部分で、スリットSLTよりも深い部分に、ボイドVOが形成される。
図30は、実施形態におけるホールC4Hのレイアウトの一例を示す断面図であり、貫通領域OA内で隣り合う2つのホールC4Hbを表示している。図30に示すように、本例では、ホールC4Hbがボーイング形状を有し、ホールLHを含んでいる。実施形態では、ホールC4Hbの上部の径W4ではなく、ホールLHの上部の径W5に基づいて、ホールC4Hbの底部の径W6が決定される。隣り合うホールC4HbのピッチP2と導電体層46bの線幅W7とのそれぞれは、隣り合うホールC4Hbが接触しないように且つ導電体層46bとホールC4Hbとの重ね合わせに所定のマージンを有するように設計される。そして、実施形態では、スリットSLTとホールC4Hbとを統合加工する場合に、ホールC4Hの形成時にボイドVOが形成された絶縁体層33の部分がエッチング対象に含まれることによって、当該部分のエッチングレートを擬似的に高めることが出来る。
その結果、実施形態では、スリットSLT及びホールC4Hbの統合加工において、スリットSLTの底部が導電体層64の近傍で停止し、且つホールC4Hbが導電体層46に接続され得る。そして、実施形態では、ホールC4Hbの径W4が拡大されることなく、ホールC4Hbの形成におけるエッチングレートが高められ得る。従って、実施形態に係る半導体記憶装置1は、コンタクトC4の径を縮小し、且つ導電体層46bの線幅W7を縮小することが出来、導電体層46bのピッチP2を縮小することが出来る。つまり、実施形態に係る半導体記憶装置1は、コンタクト領域CAのレイアウトを縮小することが出来、半導体記憶装置1のチップサイズを縮小することが出来る。
また、実施形態に係る半導体記憶装置1は、複数の島状部IPを形成することによって、ステップS11において加工されるソース線部SLPの面積を縮小することが出来る。加工されるソース線部SLPの面積が縮小されることによって、絶縁体層33が埋め込まれた後の平坦化工程におけるディッシング等の発生が、比較例よりも抑制され得る。その結果、実施形態に係る半導体記憶装置1は、貫通領域OAの上部に積層された犠牲部材SMにおいて、比較例よりも、下地(加工されたソース線部SLP)起因で発生するうねり等の発生を抑制することが出来る。すなわち、実施形態に係る半導体記憶装置1は、積層配線部の平坦性を向上させることが出来、積層配線部のうねり等起因の不良の発生を抑制することが出来る。
[4]変形例等
以上で説明された実施形態に係る半導体記憶装置1は、種々の変形が可能である。
以上で説明された実施形態に係る半導体記憶装置1は、種々の変形が可能である。
例えば、島状部IPは、ビット線接続領域BLTAPに設けられても良い。図31は、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のビット線接続領域BLTAPにおける平面レイアウトの一例を示す平面図である。図31に示すように、ビット線接続領域BLTAPは、例えば、2本のダミースリットDSTに挟まれた領域を含む。ダミースリットDSTは、スリットSLTと同様の形状で、絶縁体が埋め込まれた構造を有する。ダミースリットDSTは、リプレース処理の際に、犠牲部材SMをエッチングする経路として使用されない。このため、ビット線接続領域BLTAPでは、貫通領域OAと同様に、積層配線部の犠牲部材SMが残っている。そして、本例では、ダミースリットDSTに挟まれた領域に、複数の島状部IPが格子状に配置されている。複数の島状部IPのそれぞれには、実施形態と同様に、コンタクトC4が貫通するように設けられる。また、複数の島状部IPのそれぞれは、ボイドVOを含む絶縁体層33によって分断及び離隔される。このように、ビット線接続領域BLTAPに島状部IPが設けられる場合においても、実施形態と同様の効果が実現される。ビット線接続領域BLTAPの構成は、その他の構成であっても良く、少なくとも、複数のコンタクトC4が島状部IPを貫通するように設けられていれば良い。
コンタクトC4と、積層配線部に設けられたワード線WL等とをスペーサSPにより絶縁することが可能であれば、コンタクト領域CA内のスリットOSTやスリットLSTが省略されても良い。図32は、実施形態の変形例に係る半導体記憶装置1が備えるメモリセルアレイ10のコンタクト領域CAにおける断面構造の一例を示す断面図である。図32に示すように、コンタクト領域CA内の全ての犠牲部材SMが、導電体にリプレースされ、コンタクト領域CA内の全てのソース線部SLPが、導電体層21にリプレースされても良い。また、スリットOST及びLSTの何れか一方のみが省略されても良い。スリットLSTが省略された場合、少なくともホールLHが形成され、ボイドVOが設けられるように絶縁体層33が形成されていれば良い。このような場合においても、実施形態と同様の効果を得ることが出来、コンタクト領域CAにおける積層配線部の歪みが抑制され得る。実施形態で説明されたように貫通領域OAを形成することは、コンタクトC4とワード線WL等とをより確実に絶縁することが出来るという利点を有する。実施形態で説明されたように島状部IPを形成することは、コンタクトC4とソース線SLとをより確実に絶縁することが出来るという利点を有する。ビット線接続領域BLTAPにおいても、コンタクト領域CAと同様に、スリットLSTが省略されても良い。
実施形態で説明された製造工程は、あくまで一例である。例えば、各製造工程の間に、その他の処理が挿入されても良いし、製造工程の順番が問題の生じない範囲で入れ替えられても良い。実施形態で説明された配線層の数は、あくまで一例である。ソース線SLと半導体基板20との間には、1つ以上の配線層が設けられていれば良い。メモリピラーMPは、複数のピラーがZ方向に2本以上連結された構造を有していても良い。メモリピラーMPは、選択ゲート線SGDに対応するピラーと、ワード線WLに対応するピラーとが連結された構造を有していて良い。メモリピラーMP及びビット線BLの間と、コンタクトC4と導電体層47との間とのそれぞれは、Z方向に連結された複数のコンタクトによって接続されても良い。複数のコンタクトの連結部分に、導電体層が挿入されても良い。
上記実施形態で説明に使用された図面では、メモリピラーMPがZ方向において同一径を有している場合を例示したが、これに限定されない。例えば、メモリピラーMPは、テーパー形状又は逆テーパー形状を有していても良いし、中間部分が膨らんだ形状(ボーイング形状)を有していても良い。同様に、スリットSLT、SHE、OST及びLSTのそれぞれがテーパー形状又は逆テーパー形状を有していても良いし、ボーイング形状を有していても良い。同様に、コンタクトC0~C2、C4、CP及びCVのそれぞれが、テーパー形状又は逆テーパー形状を有していても良いし、ボーイング形状を有していても良い。また、メモリピラーMP及びコンタクトC4のそれぞれの断面構造は、楕円形であっても良く、自由に設計され得る。
ホールC4H内のコンタクトC4と、スリットSLT内のコンタクトLIとが、別の工程で形成されても良い。この場合、コンタクトC4の側面のスペーサSPが、省略され得る。ホールC4H内のコンタクトC4と、スリットSLT内のコンタクトLIとが別の工程で形成される場合に、スリットSLTは、単一又は複数種類の絶縁体により構成されても良い。この場合、例えば、ソース線SLに対するコンタクトが、引出領域HAに設けられる。実施形態で説明されたように島状部IPが設けられることによって、少なくとも、コンタクト領域CAにおける積層配線部の歪みが抑制され得る。実施形態において、スリットSLTの位置は、コンタクトLIの位置に基づいて特定され得る。スリットSLTが絶縁体で構成される場合に、スリットSLTの位置は、例えば、スリットSLT内のシームや、リプレース処理時にスリットSLT内に残った材料によって特定され得る。
本明細書において“径”は、半導体基板20の表面と平行な断面における、ホール等の内径のことを示している。“ホールの径”は、当該ホールに埋め込まれた部材の外径に基づいて見積もられても良い。“幅”及び“線幅”は、例えばX方向又はY方向における構成要素の幅のことを示している。“接続”は、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。“電気的に接続される”は、電気的に接続されたものと同様に動作することが可能であれば、絶縁体を介していても良い。“柱状”は、半導体記憶装置1の製造工程において形成されたホール内に設けられた構造体であることを示している。“同じ層構造”は、少なくとも層が形成された順番が同じであれば良い。
本明細書において“配線層”は、例えば素子間の接続に使用される配線が配置される層に対応している。“コンタクト”は、例えば、異なる配線層に設けられた2つの配線の間を電気的に接続する場合や、配線と半導体基板20とを電気的に接続する場合に使用される部材である。“半導体層”は、“導電体層”と呼ばれても良い。ソース線部SLPの導電体層60及び64が、ソース線と呼ばれても良い。ソース線部SLPにおいて、ソース線の上面は、導電体層64の上面に対応する。“領域”は、半導体基板20によって含まれる構成と見なされても良い。例えば、半導体基板20がメモリ領域MAと引出領域HAとを含むと規定された場合、メモリ領域MAと引出領域HAとは、半導体基板20の上方の異なる領域にそれぞれ関連付けられる。“高さ”は、例えば計測対象の構成と半導体基板20とのZ方向の間隔に対応している。“高さ”の基準としては、半導体基板20以外の構成が使用されても良い。“平面視”は、例えばX方向とY方向により形成されるXY平面をZ方向から見た状態に対応している。
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。
1…半導体記憶装置、2…メモリコントローラ、10…メモリセルアレイ、11…コマンドレジスタ、12…アドレスレジスタ、13…シーケンサ、14…ドライバモジュール、15…ロウデコーダモジュール、16…センスアンプモジュール、20…半導体基板、21~25…導電体層、30~37…絶縁体層、40~47…導電体層、50…コア部材、51…半導体層、52…積層膜、53…トンネル絶縁膜、54…絶縁膜、55…ブロック絶縁膜、60…導電体層、61…絶縁体層、62…犠牲部材、63…絶縁体層、64…導電体層、65…絶縁体、MA…メモリ領域、HA…引出領域、CA…コンタクト領域、OA…貫通領域、SLP…ソース線部、BLKG…ブロックグループ、BLK…ブロック、SU…ストリングユニット、SL…ソース線、BL…ビット線、WL…ワード線、MT…メモリセルトランジスタ、STD,STS…選択トランジスタ、SGD,SGS…選択ゲート線、C0~C2,C4…コンタクト、D0~D2,M0~M2…配線層
Claims (5)
- 基板と、
前記基板の上方に設けられた下層配線と、
前記下層配線の上方の第1層に設けられたソース線と、
前記ソース線の上方で、前記基板の表面と交差する第1方向に互いに離れて設けられた複数のワード線と、
前記第1方向に延伸し、且つ前記複数のワード線を貫通して設けられ、底部が前記ソース線に達し、前記複数のワード線との交差部分がそれぞれメモリセルとして機能するピラーと、
前記第1層内で、前記ソース線と離隔し且つ絶縁されて設けられたパターン部と、
前記第1方向に延伸し、前記パターン部を貫通し、且つ前記下層配線の上に設けられたコンタクトと、を備え、
前記コンタクトは、前記基板の表面に平行な第2方向における幅が、前記第1層に含まれ、且つ前記基板の表面と平行な面を境界面として変化する、
半導体記憶装置。 - 前記第1層内で、平面視において前記パターン部を囲むように設けられた第1部分と、前記ソース線の上に設けられた第2部分とを有する第1絶縁体層と、をさらに備え、
前記第1絶縁体層は、前記第1部分内にボイドを含む、
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1層内に、複数の前記パターン部が設けられ、隣り合うパターン部の間は、前記第1絶縁体層によって離隔及び絶縁されている、
請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 基板と、
前記基板の上方に設けられた下層配線と、
前記下層配線の上方に設けられたソース線と、
前記ソース線の上方で、前記基板の表面と交差する第1方向に互いに離れて設けられた複数のワード線と、
前記第1方向に延伸し、且つ前記複数のワード線を貫通して設けられ、底部が前記ソース線に達し、前記複数のワード線との交差部分がそれぞれメモリセルとして機能するピラーと、
前記第1方向に延伸し、前記ソース線を貫通し、且つ前記下層配線の上に設けられたコンタクトと、
前記コンタクトの側面に設けられ、前記コンタクトと前記ソース線との間を絶縁する第1絶縁膜と、を備え、
前記コンタクトは、前記基板の表面に平行な第2方向における幅が、前記ソース線が設けられた層に含まれ、且つ前記基板の表面と平行な面を境界面として変化する、
半導体記憶装置。 - 前記コンタクトの前記第2方向における幅は、前記境界面で不連続に変化し、前記境界面の上部よりも前記境界面の下部の方が小さい、
請求項1又は請求項4に記載の半導体記憶装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021145550A JP2023038689A (ja) | 2021-09-07 | 2021-09-07 | 半導体記憶装置 |
US17/578,803 US20230072833A1 (en) | 2021-09-07 | 2022-01-19 | Semiconductor memory device |
Applications Claiming Priority (1)
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