JP2020031197A - 集積回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気的特性の向上を図ることができる集積回路装置を提供することである。【解決手段】実施形態の集積回路装置は、第1配線と、第2配線と、第1半導体部分と、第2半導体部分と、第3半導体部分と、絶縁膜と、電極とを備えている。前記第3半導体部分は、前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との間に設けられている。前記電極は、第1電極部分と、第2電極部分とを有する。前記第1電極部分は、前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の一部上に設けられている。前記第2電極部分は、前記第1電極部分と電気的に接続し前記第1電極部分に対して前記第2半導体部分の近くに位置し、前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の別の一部上に設けられている。前記第2電極部分は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が前記第1電極部分とは異なる。【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、集積回路装置に関する。
2つの配線の間にスイッチング素子が設けられた集積回路装置が提案されている。
米国特許第8885389号明細書
本発明が解決しようとする課題は、電気的特性の向上を図ることができる集積回路装置を提供することである。
実施形態の集積回路装置は、第1配線と、第2配線と、第1半導体部分と、第2半導体部分と、第3半導体部分と、絶縁膜と、電極とを備えている。前記第1半導体部分は、前記第1配線に電気的に接続され、第1導電形である。前記第2半導体部分は、前記第2配線に電気的に接続され、前記第1導電形である。前記第3半導体部分は、前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との間に設けられ、第2導電形である。前記絶縁膜は、前記第1半導体部分の少なくとも一部、前記第2半導体部分の少なくとも一部、および前記第3半導体部分上に設けられている。前記電極は、第1電極部分と、第2電極部分とを有する。前記第1電極部分は、前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の一部上に設けられている。前記第2電極部分は、前記第1電極部分と電気的に接続し前記第1電極部分に対して前記第2半導体部分の近くに位置し、前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の別の一部上に設けられている。前記第2電極部分は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が前記第1電極部分とは異なる。
第1の実施形態の集積回路装置を示す斜視図。 第1の実施形態の縦型TFTとその周囲の構造を示す斜視図。 第1の実施形態の縦型TFTの断面および不純物プロファイルを示す図。 第1の実施形態の縦型TFTを示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第1の実施形態の縦型TFTの動作を説明するための断面図。 第2の実施形態の縦型TFTを示す断面図。 第2の実施形態の集積回路装置の製造方法を示す断面図。 第3の実施形態の縦型TFTを示す断面図。 実施形態の第1元素と第2元素の組み合わせの例を示す図。 実施形態の第3元素と第4元素の組み合わせの例を示す図。
以下、実施形態の集積回路装置を、図面を参照して説明する。以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。
本明細書において「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されず、電気的に接続される場合も含む。すなわち「接続」とは、2つの部材が直接に接する場合に限定されず、2つの部材の間に別の部材が介在する場合も含む。本明細書において「重なる」および「面する」とは、2つの部材が直接に向かい合うことに限定されず、2つの部材の間に別の部材が存在する場合も含む。また、「重なる」および「面する」とは、2つの部材のそれぞれ一部同士が向かい合う場合も含む。また、「XX上に設けられ」(XXは任意の要素)とは、XXに対して重力方向の上方に設けられたことを意味するものではない。
また先に、+X方向、−X方向、+Y方向、−Y方向、+Z方向、および−Z方向について定義する。+X方向は、後述する1つのゲート電極14(第1ゲート電極14A)からシリコン部材13に向かう方向である(図2参照)。+X方向は、「第2方向」の一例である。−X方向は、+X方向とは反対方向である。+X方向と−X方向とを区別しない場合は、単に「X方向」と称する。+Y方向および−Y方向は、X方向とは交差する(例えば略直交する)方向である。+Y方向と−Y方向とは、互いに反対方向である。+Y方向と−Y方向とを区別しない場合は、単に「Y方向」と称する。+Y方向は、「第3方向」の一例である。+Z方向および−Z方向は、X方向およびY方向とは交差する(例えば略直交する)方向である。+Z方向は、後述する第1半導体部分41から第2半導体部分42に向かう方向である(図2参照)。+Z方向は、「第1方向」の一例である。−Z方向は、+Z方向とは反対方向である。+Z方向と−Z方向とを区別しない場合は、単に「Z方向」と称する。本明細書では、「+Z方向」を「上」、「−Z方向」を「下」と称する場合がある。ただしこれら表現は、便宜上のものであり、重力方向を規定するものではない。
(第1の実施形態)
図1から図6を参照し、第1の実施形態の集積回路装置1について説明する。集積回路装置1は、例えば、抵抗変化型の半導体記憶装置である。ただし、本明細書でいう「集積回路装置」は、抵抗変化型以外の半導体記憶装置でもよく、また記憶装置とは異なる装置でもよい。
図1は、本実施形態の集積回路装置1を示す斜視図である。図1では、いくつかの絶縁膜およびコンタクト24(後述)の図示が省略されている。集積回路装置1は、例えば、シリコン基板10、層間絶縁膜11、複数のグローバルビット線12、複数のシリコン部材13、複数のゲート電極14、複数のゲート絶縁膜15、複数のローカルビット線16、複数のワード線17、複数の抵抗変化膜18、および複数の層間絶縁膜19(図2参照)を備えている。
シリコン基板10は、X方 向およびY方向に沿う板状に形成されている。シリコン基板10は、「基板」の一例である。層間絶縁膜11は、シリコン基板10上に設けられている。層間絶縁膜11は、例えば、シリコン酸化物(SiO)により形成されている。シリコン基板10の上層部分および層間絶縁膜11の下層部分には、CMOSトランジスタなどの回路素子(不図示)が形成されている。層間絶縁膜11の内部には、配線およびビアなどの導電部材(不図示)が形成されている。これにより、シリコン基板10および層間絶縁膜11の内部には、駆動回路が形成されている。
複数のグローバルビット線12は、例えば、層間絶縁膜11上に設けられている。グローバルビット線12は、例えばタングステン(W)のような導電性材料により形成されている。グローバルビット線12は、「第1配線」の一例である。複数のグローバルビット線12は、Y方向で間隔を空けて配置され、互いに略平行にX方向に延びている。「グローバルビット線12がX方向に延びる」とは、X方向におけるグローバルビット線12の長さが、Y方向およびZ方向におけるグローバルビット線12の寸法よりも大きいことを意味する。この定義は、他の構成要素および他の方向についても同様である。
複数のシリコン部材13は、複数のグローバルビット線12の上方に設けられている。各シリコン部材13は、Z方向を長手方向とした略直方体状に形成されている。複数のシリコン部材13は、X方向およびY方向で間隔を空けてマトリクス状に配列されている。シリコン部材13の下端13aとグローバルビット線12との間には、例えばチタン窒化物(TiN)により形成されたバリアメタル層22(図2参照)が設けられている。シリコン部材13の下端13aは、バリアメタル層22を介してグローバルビット線12に接続されている。例えば、X方向に配列された複数のシリコン部材13の下端13aは、1本のグローバルビット線12に共通接続されている。
複数のゲート電極14は、1つのシリコン部材13に対して、−X方向側に位置した第1ゲート電極14Aと、+X方向側に位置した第2ゲート電極14Bとを含む。以下の説明では、第1ゲート電極14Aと第2ゲート電極14Bとを区別しない場合は、単に「ゲート電極14」と称する。ゲート電極14は、「電極」の一例である。各ゲート電極14は、Y方向に延びており、Y方向に配列された複数のシリコン部材13に面する。
複数のゲート絶縁膜15は、第1ゲート電極14Aとシリコン部材13との間に設けられた第1ゲート絶縁膜15Aと、第2ゲート電極14Bとシリコン部材13との間に設けられた第2ゲート絶縁膜15Bとを含む。以下の説明では、第1ゲート絶縁膜15Aと第2ゲート絶縁膜15Bとを区別しない場合は、単に「ゲート絶縁膜15」と称する。ゲート絶縁膜15は、「第1絶縁膜」の一例である。ゲート絶縁膜15は、例えば、シリコン酸化物(SiO)などにより形成されている。各ゲート絶縁膜15は、Y方向に延びており、Y方向に配列された複数のシリコン部材13に面する。
本実施形態では、1つのシリコン部材13と、このシリコン部材13を挟む一対のゲート電極14A,14Bと、これらシリコン部材13とゲート電極14A,14Bとの間に設けられたゲート絶縁膜15A,15Bとにより、1つのnチャネル形の縦型TFT(Thin Film Transistor)31が形成されている。縦型TFT31は、グローバルビット線12と後述するローカルビット線16との間で電流の導通および遮断を切り替えるスイッチング素子である。なお、縦型TFT31は、上記構成に代えて、1つのシリコン部材13と、1つのゲート電極14Aと、1つのゲート絶縁膜15Aとにより形成されてもよい。縦型TFT31の構成については詳しく後述する。
複数のローカルビット線16は、複数のシリコン部材13の上方に設けられている。ローカルビット線16は、例えばチタン窒化物のような導電性材料により形成されている。ローカルビット線16は、「第2配線」の一例である。複数のローカルビット線16は、X方向およびY方向で間隔を空けたマトリクス状に配列され、それぞれシリコン部材13の直上域に位置する。各ローカルビット線16は、例えば略四角形柱に形成され、Z方向に延びている。ローカルビット線16とシリコン部材13との間には、例えばチタン窒化物により形成されたバリアメタル層23と、例えばタングステンにより形成されたコンタクト24とが設けられている(図5F参照)。ローカルビット線16は、バリアメタル層23およびコンタクト24を介してシリコン部材13の上端13bに接続されている。
複数のワード線17は、X方向に配列された複数のローカルビット線16の間に設けられている。X方向で隣り合う2つのローカルビット線16の間に配置された複数のワード線17は、Z方向で間隔を空けて配置され、互いに略平行にY方向に延びている。ワード線17は、例えばチタン窒化物のような導電性材料により形成されている。ワード線17は、「第3配線」の一例である。
抵抗変化膜18は、ローカルビット線16と、複数のワード線17との間に設けられている。抵抗変化膜18は、印加される電圧または電流によってバンド構造が変化し、抵抗状態が変化する。これにより、ローカルビット線16とワード線17との交差部分には、抵抗変化膜18を介してメモリセルMCが形成されている。メモリセルMCは、X方向、Y方向、およびZ方向で間隔を空けた三次元のマトリクス状に配列されている。集積回路装置1は、各メモリセルMCの抵抗状態を変化させることで情報を記憶する。
Z方向に配列された複数のワード線17の間には、複数の層間絶縁膜19(図2参照)が設けられている。層間絶縁膜19は、例えば、シリコン酸化物により形成されている。層間絶縁膜19は、「第2絶縁膜」の一例である。複数のワード線17と複数の層間絶縁膜19とは、Z方向で交互に積層されている。これにより、集積回路装置1には、複数のワード線17および複数の層間絶縁膜19を含む積層体LBが形成されている。
次に、本実施形態の縦型TFT31の各部の構成について詳しく説明する。
図2は、縦型TFT31とその周囲の構造を示す斜視図である。図2でもいくつかの絶縁膜およびコンタクト24の図示が省略されている。
まず、シリコン部材13について説明する。
シリコン部材13は、例えば、第1半導体部分41、第2半導体部分42、および第3半導体部分43を有する。
第1半導体部分41は、シリコン部材13においてローカルビット線16に対してグローバルビット線12側に位置するシリコン部材13の下端13aを含む。第1半導体部分41は、例えばバリアメタル層22を介してグローバルビット線12に接続されている。第1半導体部分41は、ドナーとなる不純物を含み、n形(例えばn形)の導電形を持つ。n形は、「第1導電形」の一例である。「ドナー」とは、4価元素よりも価電子数が多い元素であり、例えば5価元素である。本実施形態では、ドナーとしてリン(P)が用いられた例について説明する。
第2半導体部分42は、シリコン部材13においてグローバルビット線12に対してローカルビット線16側に位置するシリコン部材13の上端13bを含む。第2半導体部分42は、例えばバリアメタル層23およびコンタクト24(図5F参照)を介してローカルビット線16に接続されている。第2半導体部分42は、ドナーとなる不純物を含み、n形(例えばn形)の導電形を持つ。
第3半導体部分43は、Z方向において、第1半導体部分41と第2半導体部分42との間に設けられている。第3半導体部分43の下部は、第1半導体部分41に繋がっている。第3半導体部分43の上部は、第2半導体部分42に繋がっている。第3半導体部分43は、アクセプタとなる不純物を含み、p形(例えばp形)の導電形を持つ。p形は、「第2導電形」の一例である。「アクセプタ」とは、4価元素よりも価電子数が少ない元素であり、例えば3価元素である。本実施形態では、アクセプタとしてボロン(B)が用いられた例について説明する。
図3は、本実施形態の縦型TFT31の断面および不純物プロファイルを示す図である。図3中の不純物プロファイルでは、縦軸がZ方向の位置を示し、横軸が不純物濃度を示す。本明細書では、ドナーの濃度とアクセプタの濃度との大小関係により、第3半導体部分43と第1半導体部分41との境界b1、および第3半導体部分43と第2半導体部分42との境界b2を定義する。すなわち、ドナーとなるリンの濃度プロファイルP1と、アクセプタとなるボロンの濃度プロファイルP2とが交差するZ方向の位置F1,F2が、第3半導体部分43と第1半導体部分41との境界b1、および第3半導体部分43と第2半導体部分42との境界b2にそれぞれ該当する。言い換えると、シリコン部材13のなかで、ボロンの濃度よりもリンの濃度が高い部分が、第1半導体部分41および第2半導体部分42である。一方で、シリコン部材13のなかで、リンの濃度よりもボロンの濃度が高い部分が、第3半導体部分43である。本実施形態では、Z方向における第2半導体部分42の厚さt2は、Z方向における第1半導体部分41の厚さt1よりも薄い。
次に、ゲート絶縁膜15について説明する。
図4は、本実施形態の縦型TFT31を示す断面図である。ゲート絶縁膜15は、シリコン部材13の−X方向側の側面または+X方向側の側面と隣り合う。ゲート絶縁膜15は、第1半導体部分41の少なくとも一部、第2半導体部分42の少なくとも一部、および第3半導体部分43上に設けられている。ゲート絶縁膜15は、X方向で、第1半導体部分41の少なくとも一部、第2半導体部分42の少なくとも一部、および第3半導体部分43に面して、これら第1から第3の半導体部分41,42,43に接している。
次に、ゲート電極14について説明する。
ゲート電極14は、ゲート絶縁膜15の−X方向側の側面または+X方向側の側面と隣り合う。ゲート電極14は、第1電極部分51と、第2電極部分52とを含む。第1電極部分51および第2電極部分52は、Y方向に延びている。
第1電極部分51は、X方向で、ゲート絶縁膜15を間に挟んで第3半導体部分43の一部(第3半導体部分43の第1部分43a)と重なる。本実施形態では、第1電極部分51は、ゲート電極14のなかで上部以外の部分を形成し、ゲート絶縁膜15を間に挟んで第3半導体部分43の一部および第1半導体部分41の少なくとも一部と重なる。すなわち、第1電極部分51は、ゲート絶縁膜15を間に挟んで第3半導体部分43の一部および第1半導体部分41の少なくとも一部上に設けられている。第1電極部分51とグローバルビット線12との間には、絶縁膜26が設けられている。絶縁膜26は、X方向で第1半導体部分41の一部と重なる。絶縁膜26が設けられることで、第1電極部分51とグローバルビット線12との間に絶縁距離が確保されている。
第1電極部分51は、第1元素により形成されている。本実施形態では、第1電極部分51は、第1元素の一例であるタンタル(Ta)により形成されている。
第2電極部分52は、第1電極部分51のZ方向上方に設けられ、第1電極部分51と電気的に接続されている。第2電極部分52は、第1電極部分51と比べて、第2半導体部分42のZ方向の近くに位置する。第2電極部分52は、ゲート電極14の上部を形成している。第2電極部分52は、Z方向で第1電極部分51と連続して設けられ、第1電極部分51と繋がっている。「第2電極部分52が第1電極部分51と繋がる」とは、第1電極部分51と第2電極部分52との間に絶縁膜が存在しないことを意味する。第2電極部分52は、X方向で、ゲート絶縁膜15を間に挟んで第3半導体部分43の別の一部(第3半導体部分43の第2部分43b)と重なる。すなわち、第2電極部分52は、ゲート絶縁膜15を間に挟んで第3半導体部分43の別の一部上に設けられている。第2部分43bは、第2半導体部分42と繋がる第3半導体部分43の上端部である。
本実施形態では、第2電極部分52は、X方向で、第2半導体部分42とは重ならない。すなわち、第2電極部分52の上端52aは、Z方向において、第3半導体部分43と第2半導体部分42との境界b2と略同じ位置か、境界b2よりも下方に位置する。
第2電極部分52は、第1電極部分51を形成する第1元素に加えて、窒素(N)、酸素(O)、炭素(C)、およびシリコン(Si)のうち少なくとも一つを含む。すなわち、第2電極部分52は、第1元素に対して、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つが結合することで生成された組成物(化合物)により形成されている。別の表現によれば、第2電極部分52は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が第1電極部分51よりも高い。
本実施形態では、縦型TFT31は、nチャネル形のトランジスタである。この場合、第2電極部分52は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち第1元素と結合することで第1元素よりも仕事関数が低い組成物を形成する第2元素を含む。例えば、第1元素がタンタルである場合、第2元素の一例は、窒素である。この場合、第2電極部分52は、タンタル窒化物(TaN)により形成される。
本実施形態では、Z方向における第2電極部分52の長さL2は、Z方向における第1電極部分51の長さL1よりも短い。例えば、Z方向における第2電極部分52の長さL2は、Z方向における第1電極部分51の長さL1の半分以下である。一方で、Z方向における第2電極部分52の長さL2は、X方向における第2電極部分52の厚さt3よりも大きい。Z方向における第2電極部分52の長さL2は、例えば20nm以上である。
次に、集積回路装置1の製造方法の一例について、縦型TFT31の形成方法を中心に説明する。図5Aから図5Fは、本実施形態の集積回路装置1の製造方法を示す断面図である。ここでは、第2電極部分52が窒素を含む例について説明する。
集積回路装置1の製造方法では、まず、シリコン基板10上に層間絶縁膜11が形成され、シリコン基板10および層間絶縁膜11の内部に駆動回路が形成される。
次に、図5A中の(a)に示すように、層間絶縁膜11上に、複数のグローバルビット線12および複数の絶縁膜21が形成される。次に、グローバルビット線12および絶縁膜21の上に、バリアメタル層22が形成される。
次に、図5A中の(b)に示すように、バリアメタル層22上にシリコン膜60が形成される。シリコン膜60は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により、ドナーとなる不純物、例えばリンが必要部分に導入されながら、シリコンが蓄積されることで形成される。
次に、図5A中の(c)に示すように、アクセプタとなる不純物、例えばボロンがイオン注入されることで、シリコン膜60内のi形層がp形層に変化する。次に、アニール処理が施されることで、リンおよびボロンを拡散させるとともに活性化させる。これにより、第1半導体層61、第2半導体層62、および第3半導体層63が形成される。
次に、図5B中の(d)に示すように、シリコン膜60上に、バリアメタル層23が形成される。次に、バリアメタル層23上に、例えばシリコン窒化物(SiN)からなるハードマスクHMが形成される。
次に、図5B中の(e)に示すように、リソグラフィ法およびRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)法によりハードマスクHMが加工され、ハードマスクHMをグローバルビット線12の直上域のみに残留させる。次に、加工したハードマスクHMをマスクとしたRIE法によりシリコン膜60が加工され、シリコン膜60が複数のシリコン板60Aに分割される。
次に、図5B中の(f)に示すように、複数のシリコン板60Aの間に、例えばシリコン酸化物からなる絶縁性材料が埋め込まれ、絶縁膜65が形成される。これにより、シリコン板60Aと絶縁膜65とがY方向に交互に配列された中間構造体70が生成される。
図5C中の(g)は、図5B中の(f)で示された中間構造体70を別の方向から見た図である。次に図5C中の(h)に示すように、中間構造体70は、リソグラフィ法およびRIE法により加工され、複数の柱状の中間構造体70Aに分割される。このとき、各シリコン板60Aが複数の柱状のシリコン部材13に分割されることで、第1から第3の半導体層61,62,63が第1から第3の半導体部分41,42,43となる。
次に、図5C中の(i)に示すように、複数の中間構造体70Aの間に、例えばシリコン酸化物を堆積させてエッチバックが行われることで、グローバルビット線12の上に絶縁膜26が形成される。次に、絶縁膜26および中間構造体70Aの上にシリコン酸化膜を堆積させることで、ゲート絶縁膜15の元になる絶縁膜72が形成される。
次に、図5D中の(j)に示すように、導電性材料を堆積させることで、絶縁膜72上に、ゲート電極14の元になる電極膜73が形成される。次に、図5D中の(k)に示すように、RIE法により中間構造体70Aの上方から電極膜73が除去される。次に、図5D中の(l)に示すように、中間構造体70Aおよび電極膜73の上方を除く領域に絶縁性材料が埋め込まれ、絶縁部74が形成される。絶縁性材料は、例えば、TEOS(Tetraethyl orthosilicate:オルト酸テトラエチル)である。このとき、Z方向における絶縁部74の上面74aの位置は、第3半導体部分43と第2半導体部分42との境界b2と略同じ高さか、境界b2よりも低い位置に調整される。
次に、図5E中の(m)に示すように、例えば、RIE法により絶縁部74よりも上方に位置した電極膜73が除去される。
次に、図5E中の(n)に示すように、電極膜73の上部に対して窒素を導入する処理が行われる。ここで、本実施形態の構成によれば、このとき中間構造体70Aの上方が空いている。このため、電極膜73の上部に対して比較的容易に窒素を導入することができる。窒素を導入する処理としては、例えば、窒素イオンのイオン注入や、窒素雰囲気中でのアニール処理などが挙げられる。これにより、電極膜73の上部において、電極膜73を形成している金属に窒素を結合させる。これにより、第1電極部分51よりも窒素濃度が高い第2電極部分52を有したゲート電極14が形成される。このとき、イオン注入の加速電圧やアニール処理の時間などを調整することで、Z方向における第2電極部分52の長さL2を調整することができる。なお本実施形態では、ゲート絶縁膜15となる絶縁膜72に関しては、窒素が導入されてもよく、窒素が導入されなくてもよい。絶縁膜72に窒素が導入される例については、第2の実施形態として改めて説明する。
次に、図5E中の(o)に示すように、絶縁部74およびゲート電極14の上に絶縁性材料が供給され、絶縁部75が形成される。次に、図5F中の(p)に示すように、RIE法により絶縁膜72の上部が除去されることで、絶縁膜72がゲート絶縁膜15となる。また、リソグラフィ法およびRIE法によりハードマスクHMにホール76が設けられる。次に、図5F中の(q)に示すように、ホール76にコンタクト24が設けられる。これにより、集積回路装置1の下部が形成される。
この後、集積回路装置1の下部の上に、導電膜と絶縁膜とが交互に積層されることで積層体が形成され、この積層体が加工されることで複数のワード線17と複数の層間絶縁膜19とを含む積層体LBが形成される。また、複数のワード線17の間に抵抗変化膜18およびローカルビット線16が設けられる。これにより、集積回路装置1が製造される。
次に、集積回路装置1の動作について説明する。
図6は、集積回路装置1の動作を説明するための断面図である。本実施形態では、ゲート電極14は、第1電極部分51と、第1電極部分51と比べて仕事関数が低い第2電極部分52とを有する。この場合、ゲート電極14に電圧が印加されると、第1電極部分51と比べて第2電極部分52が先にON状態になり、第2電極部分52によるn形チャネル部CPが第3半導体部分43の上端部に形成される。ここで、第2電極部分52は、第1電極部分51と比べて仕事関数が低いため、比較的大きなフリンジ電界を作用させることができる。このため、第2電極部分52によって形成されるn形チャネル部CPは、第2電極部分52の上端および下端よりも+Z方向および−Z方向に拡がやすい。このため、第2電極部分52が第2半導体部分42と重なっていなくても第2電極部分52により形成されるn形チャネル部CPは、Z方向で第2半導体部分42と繋がることができる。そして、第2電極部分52によりn形チャネル部CPが形成された後に第1電極部分51がON状態なることで、ゲート電極14は、第1半導体部分41と第2半導体部分42とを接続するn形チャネルを形成することができる。
このような構成の集積回路装置1によれば、電気的特性の向上を図ることができる。例えば、集積回路装置1は、複数の電気的特性の向上が期待されている。このような電気的特性としては、まず、縦型TFT31のソースとドレインとの間の耐圧特性が挙げられる。この耐圧特性を向上させるためには、Z方向における第1半導体部分41の厚さと第2半導体部分42の厚さとのうち少なくとも一方を薄くし、第1半導体部分41と第2半導体部分42との間の距離を大きくすることが考えられる。
しかしながら、仮にZ方向における第2半導体部分42の厚さを薄くすると、第2半導体部分42に対するゲート電極14の重なり幅が小さくなり、縦型TFT31の駆動時に縦型TFT31を流れる電流(ON電流)が低下する。そこで、Z方向における第2半導体部分42の厚さを薄くしつつ、Z方向におけるゲート電極14の長さを長くすることで、第2半導体部分42に対するゲート電極14の重なり幅を確保することが考えられる。
しかしながら、Z方向におけるゲート電極14の長さを長くすると、ゲート電極14とローカルビット線16との間の絶縁距離が短くなり、ゲート電極14とローカルビット線16との間でショートが生じる可能性を高めてしまう。
そこで本実施形態では、ゲート電極14に、第1電極部分51と、第1電極部分51よりも仕事関数が低い第2電極部分52とを設けている。このような構成によれば、ゲート電極14に電圧が印加されると、第2電極部分52により第2半導体部分42に繋がるn形チャネル部CPが形成される。このため、第2半導体部分42に対するゲート電極14の重なり幅が小さい場合や第2半導体部分42に対してゲート電極14が重ならない場合であっても、縦型TFT31のON電流の低下を抑制することができる。これにより、縦型TFT31の耐圧特性の向上、縦型TFT31のON電流の低下の抑制、およびゲート電極14とローカルビット線16との間のショートの発生抑制の3つを併せて実現することができる。
また本実施形態では、ゲート電極14は、仕事関数が低い第2電極部分52のみで形成されるのではなく、第2電極部分52と比べて仕事関数が高い第1電極部分51を含む。このような構成によれば、ゲート電極14が第2電極部分52のみで形成される場合と比べて、縦型TFT31のOFF時に流れるリーク電流を小さくすることができる。
本実施形態では、第1電極部分51の上方に第2電極部分52が設けられている。このような構成によれば、第1電極部分51と第2電極部分52との間に絶縁膜を設けることなく、第1電極部分51および第2電極部分52を形成することができる。このため、第1電極部分51と第2電極部分52との間に絶縁膜が設けられる場合と比べて、n形チャネル内にポテンシャル障壁(不連続点)が発生することを抑制することができる。これにより、縦型TFT31のON電流の低下をさらに抑制することができる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態は、ゲート絶縁膜15にも窒素が導入される点で、第1の実施形態とは異なる。なお以下に説明する以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
図7は、第2の実施形態の縦型TFT31Aを示す断面図である。本実施形態の集積回路装置1は、上述した縦型TFT31に代えて、縦型TFT31Aを有する。縦型TFT31Aのゲート絶縁膜15は、第1絶縁部分81と、第2絶縁部分82とを有する。
第1絶縁部分81は、X方向で、第1半導体部分41の一部と、第3半導体部分43の一部(第3半導体部分43の第1部分43a)とに面する。すなわち、第1絶縁部分81は、第1半導体部分41の一部および第3半導体部分43の一部上に設けられている。第1絶縁部分81は、例えば、シリコン酸化物(SiO)により形成されている。
第2絶縁部分82は、第1絶縁部分81の上方に設けられている。第2絶縁部分82は、Z方向で第1絶縁部分81と連続して設けられ、第1絶縁部分81と繋がっている。第2絶縁部分82は、X方向で、第3半導体部分43の別の一部(第3半導体部分43の第2部分43b)と、第2半導体部分42とに面する。すなわち、第2絶縁部分82は、第3半導体部分43の別の一部および第2半導体部分42上に設けられている。第2絶縁部分82の一部は、ゲート電極14の第2電極部分52と第3半導体部分43との間に位置する。第2絶縁部分82は、例えば、シリコン酸窒化物(SiON)により形成され、第1絶縁部分81と比べて窒素濃度が高い。
図8は、本実施形態の縦型TFT31Aの製造方法を示す断面図である。図8で示す工程は、第1の実施形態の図5E中の(n)に対応する。本実施形態では、ゲート電極14となる電極膜73の上部に窒素を導入する工程において、ゲート絶縁膜15となる絶縁膜72の上部にも窒素が導入される。絶縁膜72に対する窒素の導入は、例えば、特別な追加処理は必要ない。すなわち、第2絶縁部分82は、第2電極部分52を形成する処理のなかで形成される。なおこれに代えて、第2絶縁部分82の形成を促進するため、絶縁膜72に対して斜め上方からイオン注入を行うなど、特別な処理が行われてもよい。
ここで比較例として、ゲート絶縁膜15が窒素を含まない場合について考える。この場合、例えばゲート電極14が形成された後に行われるウェットエッチングにより、ゲート絶縁膜15のなかでゲート電極14よりも上方に位置する部分が削られて薄くなることがある。ゲート絶縁膜15が薄くなると、ゲート電極14と第2半導体部分42との間のリーク電流が増える可能性がある。
そこで、本実施形態では、ゲート電極14の第2電極部分52を形成する過程で、ゲート絶縁膜15の上部にも窒素が導入される。これにより、ゲート絶縁膜15の上部を、シリコン酸化物と比べてエッチングに対する耐性が高いシリコン酸窒化物により形成する。その結果、集積回路装置1の製造途中においてゲート絶縁膜15が薄くなりにくく、ゲート電極14と第2半導体部分42との間のリーク電流を低減することができる。
また、ゲート絶縁膜15の一部をシリコン酸窒化物で形成することで、ゲート絶縁膜15の誘電率を向上させることができる。本実施形態では、シリコン酸窒化物で形成された第2絶縁部分82がゲート電極14の第2電極部分52と第3半導体部分43との間に位置する。このような構成によれば、ゲート電極14の第2電極部分52により形成されるn形チャネル部CPの大きさを拡げることができる。これにより、縦型TFT31のON電流を増加させることができる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。本実施形態は、p形チャネルの縦型TFT31Bが設けられた点で、第1の実施形態とは異なる。なお以下に説明する以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
図9は、第3の実施形態の縦型TFT31Bを示す断面図である。本実施形態の集積回路装置1は、上述した縦型TFT31に代えて、p形チャネルの縦型TFT31Bを有する。
本実施形態では、シリコン部材13は、第1半導体部分91、第2半導体部分92、および第3半導体部分93を有する。第1半導体部分91は、アクセプタとなる不純物を含み、p形(例えばp形)の導電形を持つ。p形は、「第1導電形」の別の一例である。第2半導体部分92は、アクセプタとなる不純物を含み、p形(例えばp形)の導電形を持つ。第3半導体部分93は、ドナーとなる不純物を含み、n形(例えばn形)の導電形を持つ。n形は、「第2導電形」の別の一例である。第1から第3の半導体部分91,92,93のその他の構成および定義は、第1から第3の半導体部分41,42,43とそれぞれ略同じである。
本実施形態では、ゲート電極14は、第1電極部分101と、第2電極部分102とを有する。第1電極部分101は、第3元素により形成されている。本実施形態では、第1電極部分101は、第3元素の一例であるチタン(Ti)により形成されている。
第2電極部分102は、第1電極部分101を形成する第3元素に加えて、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つを含む。すなわち、第2電極部分102は、第3元素に対して、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つが結合することで生成された組成物(化合物)により形成されている。別の表現によれば、第2電極部分102は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が第1電極部分101よりも高い。
本実施形態では、縦型TFT31Bは、pチャネル形のトランジスタである。この場合、第2電極部分102は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち第3元素と結合することで第3元素よりも仕事関数が高い組成物を形成する第4元素を含む。例えば、第3元素がチタンである場合、第4元素の一例は、窒素である。この場合、第2電極部分102は、チタン窒化物(TiN)により形成される。
本実施形態では、第2電極部分102は、X方向で、第2半導体部分92とは重ならない。すなわち、第2電極部分102の上端102aは、Z方向において、第3半導体部分93と第2半導体部分92との境界b2と略同じ位置か、この境界b2よりも下方に位置する。第1および第2の電極部分101,102のその他の構成および定義は、第1および第2の電極部分51,52と略同じである。
このような構成によれば、ゲート電極14に電圧が印加されると、第1電極部分101と比べて第2電極部分102が先にON状態になり、第2電極部分102によるp形チャネル部が形成される。本実施形態では、第2電極部分102が第1電極部分101と比べて仕事関数が高いため、第2半導体部分92に対するゲート電極14の重なり幅が小さい場合や第2半導体部分92に対してゲート電極14が重ならない場合であっても、第2半導体部分92と繋がるp形チャネルを形成することができる。これにより、縦型TFT31BのON電流の低下を抑制することができる。
以上、いくつかの実施形態について説明したが、実施形態は、上記例に限定されない。例えば、第1から第3の実施形態は、互いに組み合わせて実現されてもよい。例えば、第3の実施形態の縦型TFT31Bにおいて、ゲート絶縁膜15は、第1絶縁部分81と第2絶縁部分82とを有してもよい。
上記実施形態では、n形チャネルの縦型TFT31が形成される場合のゲート電極14の材料の組み合わせ(第1元素:第2元素)として、(タンタル:窒素)の例について説明した。ただし、(第1元素:第2元素)の組み合わせは、上記例に限定されず、(ルテニウム:酸素)などでもよい。(ルテニウム:酸素)の組み合わせが用いられた場合、第1電極部分51は、ルテニウム(Ru)により形成され、第2電極部分52は、ルテニウム酸化物(RuO)により形成される。これら第1元素と第2元素の組み合わせの例は、図10に整理して示される。図10中の「仕事関数差」とは、第1電極部分51の仕事関数に対する第2電極部分52の仕事関数の差分を意味する。
上記実施形態では、p形チャネルの縦型TFT31Bが形成される場合のゲート電極14の材料の組み合わせ(第3元素:第4元素)として、(チタン:窒素)の例について説明した。ただし、(第3元素:第4元素)の組み合わせは、上記例に限定されず、(チタン:炭素)、(チタン:シリコン)、(タングステン:窒素)、(モリブデン:窒素)などでもよい。(チタン:炭素)の組み合わせが用いられた場合、第1電極部分101は、チタンにより形成され、第2電極部分102は、チタン炭化物(TiC)により形成される。(チタン:シリコン)の組み合わせが用いられた場合、第1電極部分101は、チタンにより形成され、第2電極部分102は、チタンケイ化物(TiSi)により形成される。(タングステン:窒素)の組み合わせが用いられた場合、第1電極部分101は、タングステン(W)により形成され、第2電極部分102は、タングステン窒化物(WN)により形成される。(モリブデン:窒素)の組み合わせが用いられた場合、第1電極部分101は、モリブデン(Mo)により形成され、第2電極部分102は、モリブデン窒化物(MoN)により形成される。これら第3元素と第4元素の組み合わせの例は、図11に整理して示される。図11中の「仕事関数差」とは、第1電極部分101の仕事関数に対する第2電極部分102の仕事関数の差分を意味する。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が第1電極部分とは異なる第2電極部分が設けられることで、集積回路装置の電気的特性の向上を図ることができる。
以下、いくつかの集積回路装置について付記する。
[1]第1配線と、
第2配線と、
前記第1配線に電気的に接続され、第1導電形である第1半導体部分と、
前記第2配線に電気的に接続され、前記第1導電形である第2半導体部分と、
前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との間に設けられ、第2導電形である第3半導体部分と、
前記第1半導体部分の少なくとも一部、前記第2半導体部分の少なくとも一部、および前記第3半導体部分上に設けられた第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の一部上に設けられた第1電極部分と、前記第1電極部分と電気的に接続し前記第1電極部分に対して前記第2半導体部分の近くに位置し、前記第1絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の別の一部上に設けられ、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が前記第1電極部分とは異なる第2電極部分とを有した電極と、
を備えた集積回路装置。
[2].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第2電極部分は、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が前記第1電極部分と比べて高い。
[3].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、タンタルを含み、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度が高い。
[4].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、ルテニウムを含み、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて酸素濃度が高い。
[5].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、チタンを含み、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度、炭素濃度、およびシリコン濃度のうち少なくとも一つが高い。
[6].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、タングステンを含み、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度が高い。
[7].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、モリブデンを含み、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度が高い。
[8].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第2電極部分は、前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向とは略直交した第2方向において、前記第2半導体部分とは重ならない。
[9].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向における前記第2電極部分の長さは、前記第1方向における前記第1電極部分の長さよりも短い。
[10].[9]に記載の集積回路装置において、
前記第1方向における前記第2電極部分の長さは、前記第1方向における前記第1電極部分の長さの半分以下である。
[11].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向における前記第2電極部分の長さは、前記第1方向とは略直交した第2方向における前記第2電極部分の厚さよりも大きい。
[12].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向における前記第2半導体部分の厚さは、前記第1方向における前記第1半導体部分の厚さよりも薄い。
[13].[1]に記載の集積回路装置において、
基板と、
複数の第3配線と複数の第2絶縁膜とが交互に積層された積層体と、
をさらに備え、
前記第1電極部分および前記第2電極部分は、前記基板と前記積層体との間に位置し、
前記第2電極部分は、前記第1電極部分に対して前記積層体の近くに位置する。
[14].[13]に記載の集積回路装置において、
前記複数の第3配線および前記複数の第2絶縁膜は、前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向において交互に積層されている。
[15].[13]に記載の集積回路装置において、
前記第1電極部分は、前記第1絶縁膜を間に挟んで前記第1半導体部分の少なくとも一部と重なる。
[16].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第1絶縁膜は、前記第3半導体部分上に設けられた第1絶縁部分と、前記第2半導体部分上に設けられた第2絶縁部分とを含み、
前記第2絶縁部分は、前記第1絶縁部分と比べて窒素濃度が高い。
[17].[16]に記載の集積回路装置において、
前記第2絶縁部分の一部は、前記第2電極部分と前記第3半導体部分との間に位置する。
[18].[1]に記載の集積回路装置において、
前記第2配線は前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向に延伸し、前記第1配線は前記第1方向と交差する第2方向に延伸し、前記第1電極部分及び前記第2電極部分は前記第1方向及び前記第2方向と交差する前記第3方向に延伸する。
[19].[14]に記載の集積回路装置において、
前記第2配線は前記第1方向に延伸し、前記第1配線は前記第1方向と交差する第2方向に延伸し、前記第1電極部分及び前記第2電極部分は前記第1方向及び前記第2方向と交差する前記第3方向に延伸する。
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同様に、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ものである。
1…集積回路装置、10…シリコン基板(基板)、12…グローバルビット線(第1配線)、14…ゲート電極(電極)、15…ゲート絶縁膜(絶縁膜、第1絶縁膜)、16…ローカルビット線(第2配線)、17…ワード線(第3配線)、19…層間絶縁膜(第2絶縁膜)、41,91…第1半導体部分、42,92…第2半導体部分、43,93…第3半導体部分、51,101…第1電極部分、52,102…第2電極部分、LB…積層体。

Claims (5)

  1. 第1配線と、
    第2配線と、
    前記第1配線に電気的に接続され、第1導電形である第1半導体部分と、
    前記第2配線に電気的に接続され、前記第1導電形である第2半導体部分と、
    前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との間に設けられ、第2導電形である第3半導体部分と、
    前記第1半導体部分の少なくとも一部、前記第2半導体部分の少なくとも一部、および前記第3半導体部分上に設けられた絶縁膜と、
    前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の一部上に設けられた第1電極部分と、前記第1電極部分と電気的に接続し前記第1電極部分に対して前記第2半導体部分の近くに位置し、前記絶縁膜を間に挟んで前記第3半導体部分の別の一部上に設けられ、窒素、酸素、炭素、およびシリコンのうち少なくとも一つの濃度が前記第1電極部分とは異なる第2電極部分とを有した電極と、
    を備えた集積回路装置。
  2. 前記第1電極部分および前記第2電極部分は、タンタルを含み、
    前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度が高い、
    請求項1に記載の集積回路装置。
  3. 前記第1電極部分および前記第2電極部分は、タングステン、チタン、およびモリブデンのうち少なくとも一つを含み、
    前記第2電極部分は、前記第1電極部分と比べて窒素濃度が高い、
    請求項1に記載の集積回路装置。
  4. 前記第2電極部分は、前記第1半導体部分から前記第2半導体部分に向かう第1方向とは略直交した第2方向において、前記第2半導体部分とは重ならない、
    請求項1に記載の集積回路装置。
  5. 前記絶縁膜は、前記第3半導体部分上に設けられた第1絶縁部分と、前記第2半導体部分上に設けられた第2絶縁部分とを含み、
    前記第2絶縁部分は、前記第1絶縁部分と比べて窒素濃度が高い、
    請求項1に記載の集積回路装置。
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