JP2024030086A - メモリデバイス - Google Patents
メモリデバイス Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024030086A JP2024030086A JP2022132648A JP2022132648A JP2024030086A JP 2024030086 A JP2024030086 A JP 2024030086A JP 2022132648 A JP2022132648 A JP 2022132648A JP 2022132648 A JP2022132648 A JP 2022132648A JP 2024030086 A JP2024030086 A JP 2024030086A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- memory
- substrate
- circuit
- layer
- transistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims abstract description 329
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 247
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 91
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 81
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 77
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 62
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 18
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 38
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 99
- 238000000034 method Methods 0.000 description 34
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 15
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 9
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 5
- UAJUXJSXCLUTNU-UHFFFAOYSA-N pranlukast Chemical compound C=1C=C(OCCCCC=2C=CC=CC=2)C=CC=1C(=O)NC(C=1)=CC=C(C(C=2)=O)C=1OC=2C=1N=NNN=1 UAJUXJSXCLUTNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229960004583 pranlukast Drugs 0.000 description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 101710186414 N-succinylglutamate 5-semialdehyde dehydrogenase Proteins 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 101100481702 Arabidopsis thaliana TMK1 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100481703 Arabidopsis thaliana TMK2 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100481704 Arabidopsis thaliana TMK3 gene Proteins 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- HYIMSNHJOBLJNT-UHFFFAOYSA-N nifedipine Chemical compound COC(=O)C1=C(C)NC(C)=C(C(=O)OC)C1C1=CC=CC=C1[N+]([O-])=O HYIMSNHJOBLJNT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FWYUJENICVGSJH-UHFFFAOYSA-M sodium;2-[bis[2-[2-(2-methyl-5-nitroimidazol-1-yl)ethoxy]-2-oxoethyl]amino]acetate Chemical compound [Na+].CC1=NC=C([N+]([O-])=O)N1CCOC(=O)CN(CC([O-])=O)CC(=O)OCCN1C([N+]([O-])=O)=CN=C1C FWYUJENICVGSJH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B80/00—Assemblies of multiple devices comprising at least one memory device covered by this subclass
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/07—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process
- H01L24/08—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process of an individual bonding area
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/065—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
- H01L25/0657—Stacked arrangements of devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/50—Multistep manufacturing processes of assemblies consisting of devices, each device being of a type provided for in group H01L27/00 or H01L29/00
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B43/00—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
- H10B43/10—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the top-view layout
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B43/00—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
- H10B43/20—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by three-dimensional arrangements, e.g. with cells on different height levels
- H10B43/23—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by three-dimensional arrangements, e.g. with cells on different height levels with source and drain on different levels, e.g. with sloping channels
- H10B43/27—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by three-dimensional arrangements, e.g. with cells on different height levels with source and drain on different levels, e.g. with sloping channels the channels comprising vertical portions, e.g. U-shaped channels
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B43/00—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
- H10B43/40—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the peripheral circuit region
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B43/00—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
- H10B43/50—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the boundary region between the core and peripheral circuit regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/07—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process
- H01L2224/08—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/081—Disposition
- H01L2224/0812—Disposition the bonding area connecting directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
- H01L2224/08135—Disposition the bonding area connecting directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding the bonding area connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/08145—Disposition the bonding area connecting directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding the bonding area connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
- H01L2224/808—Bonding techniques
- H01L2224/80894—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces
- H01L2224/80895—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically conductive surfaces, e.g. copper-copper direct bonding, surface activated bonding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/80001—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected by connecting a bonding area directly to another bonding area, i.e. connectorless bonding, e.g. bumpless bonding
- H01L2224/808—Bonding techniques
- H01L2224/80894—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces
- H01L2224/80896—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically insulating surfaces, e.g. oxide or nitride layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/14—Integrated circuits
- H01L2924/143—Digital devices
- H01L2924/1431—Logic devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/14—Integrated circuits
- H01L2924/143—Digital devices
- H01L2924/1434—Memory
- H01L2924/145—Read-only memory [ROM]
- H01L2924/1451—EPROM
- H01L2924/14511—EEPROM
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
【課題】メモリデバイスの製造コストを抑制する。【解決手段】実施形態のメモリデバイス1は、第1基板W1と、第2基板W2とを含む。第1基板W1は、第1回路層100がおもて面に設けられ、CMOS回路を有する。第2基板W2は、第1基板W1と対向配置される。第2基板W2は、第1回路層100と接した第2回路層200がおもて面に設けられる。第2基板W2は、メモリ回路と、SOI(Silicon On Insulator)構造のトランジスタとを有する。【選択図】図11
Description
実施形態は、メモリデバイスに関する。
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。
メモリデバイスの製造コストを抑制する。
実施形態のメモリデバイスは、第1基板と、第2基板とを含む。第1基板は、第1回路層がおもて面に設けられ、CMOS回路を有する。第2基板は、第1基板と対向配置される。第2基板は、第1回路層と接した第2回路層がおもて面に設けられる。第2基板は、メモリ回路と、SOI(Silicon On Insulator)構造のトランジスタとを有する。
以下に、各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る。各図面の寸法や比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。構成の図示は、適宜省略されている。平面図に付加されたハッチングは、構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。本明細書において、略同一の機能及び構成を有する構成要素には、同一の符号が付加されている。参照符号に付加された数字や文字などは、同じ参照符号により参照され、且つ類似した要素同士を区別するために使用される。
<1>第1実施形態
第1実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリセルが形成された基板とCMOS回路が形成された基板とを含む複数の基板が接合された構造を有する。そして、第1実施形態に係るメモリデバイス1では、CMOS回路の一部が、メモリセルが形成された基板に配置される。以下に、第1実施形態の詳細について説明する。
第1実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリセルが形成された基板とCMOS回路が形成された基板とを含む複数の基板が接合された構造を有する。そして、第1実施形態に係るメモリデバイス1では、CMOS回路の一部が、メモリセルが形成された基板に配置される。以下に、第1実施形態の詳細について説明する。
<1-1>構成
<1-1-1>メモリデバイス1の全体構成
図1は、第1実施形態に係るメモリデバイス1を備えるメモリシステムの全体構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、メモリデバイス1は、外部のメモリコントローラ2によって制御される。メモリデバイス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。メモリデバイス1は、例えば、メモリセルアレイ10、入出力回路11、ロジックコントローラ12、レジスタ回路13、シーケンサ14、ドライバ回路15、ロウデコーダモジュール16、及びセンスアンプモジュール17を備える。
<1-1-1>メモリデバイス1の全体構成
図1は、第1実施形態に係るメモリデバイス1を備えるメモリシステムの全体構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、メモリデバイス1は、外部のメモリコントローラ2によって制御される。メモリデバイス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。メモリデバイス1は、例えば、メモリセルアレイ10、入出力回路11、ロジックコントローラ12、レジスタ回路13、シーケンサ14、ドライバ回路15、ロウデコーダモジュール16、及びセンスアンプモジュール17を備える。
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)を含む。ブロックBLKは、複数のメモリセルの集合である。ブロックBLKは、例えば、データの消去の単位に対応する。ブロックBLKは、複数のページを含む。ページは、データの読み出し及び書き込みが実行される単位に対応する。図示が省略されているが、メモリセルアレイ10には、複数のビット線BL0~BLm(“m”は1以上の整数)と、複数のワード線WLとが設けられる。各メモリセルは、例えば、1つのビット線BLと1つのワード線WLとに関連付けられる。各ブロックBLKには、ブロックアドレスが割り当てられる。各ビット線BLには、カラムアドレスが割り当てられる。各ワード線WLには、ページアドレスが割り当てられる。
入出力回路11は、メモリコントローラ2との間の入出力信号の送受信を司るインターフェース回路である。入出力信号は、例えば、データDAT、ステータス情報STS、アドレス情報ADD、コマンドCMDなどを含む。入出力回路11は、データDATを、センスアンプモジュール17とメモリコントローラ2とのそれぞれとの間で入出力し得る。入出力回路11は、レジスタ回路13から転送されたステータス情報STSを、メモリコントローラ2に出力し得る。入出力回路11は、メモリコントローラ2から転送されたアドレス情報ADD及びコマンドCMDのそれぞれを、レジスタ回路13に出力し得る。
ロジックコントローラ12は、メモリコントローラ2から入力された制御信号に基づいて、入出力回路11及びシーケンサ14のそれぞれを制御する。例えば、ロジックコントローラ12は、シーケンサ14を制御し、メモリデバイス1をイネーブルにする。ロジックコントローラ12は、入出力回路11が受信した入出力信号がコマンドCMDやアドレス情報ADDなどであることを入出力回路11に通知する。ロジックコントローラ12は、入出力信号の入力又は出力を入出力回路11に命令する。
レジスタ回路13は、ステータス情報STS、アドレス情報ADD、及びコマンドCMDを一時的に記憶する。ステータス情報STSは、シーケンサ14の制御に基づいて更新され、入出力回路11に転送される。アドレス情報ADDは、ブロックアドレス、ページアドレス、カラムアドレスなどを含む。コマンドCMDは、メモリデバイス1の様々な動作に関する命令を含む。
シーケンサ14は、メモリデバイス1の全体の動作を制御する。シーケンサ14は、レジスタ回路13に記憶されたコマンドCMD及びアドレス情報ADDに基づいて、読み出し動作、書き込み動作、消去動作などを実行する。
ドライバ回路15は、読み出し動作、書き込み動作、消去動作などで使用される電圧を生成する。そして、ドライバ回路15は、生成した電圧を、ロウデコーダモジュール16やセンスアンプモジュール17などに供給する。
ロウデコーダモジュール16は、動作対象のブロックBLKの選択や、ワード線WLなどの配線への電圧の転送に使用される回路である。ロウデコーダモジュール16は、複数のロウデコーダRD0~RDnを含む。ロウデコーダRD0~RDnは、それぞれブロックBLK0~BLKnに関連付けられている。
センスアンプモジュール17は、各ビット線BLへの電圧の転送や、データの読み出しに使用される回路である。センスアンプモジュール17は、複数のセンスアンプユニットSAU0~SAUmを含む。センスアンプユニットSAU0~SAUmは、それぞれ複数のビット線BL0~BLmに関連付けられている。
なお、メモリデバイス1及びメモリコントローラ2の組み合わせが、1つの半導体装置を構成してもよい。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)などが挙げられる。メモリセルアレイ10、ロウデコーダモジュール16、及びセンスアンプモジュール17の組は、例えば、“プレーン”とも呼ばれる。プレーンは、その他の回路を含んでいてもよい。メモリデバイス1は、複数のプレーンを備えていてもよい。
<1-1-2>メモリデバイス1の回路構成
次に、第1実施形態に係るメモリデバイス1の回路構成について説明する。
次に、第1実施形態に係るメモリデバイス1の回路構成について説明する。
(1:メモリセルアレイ10の回路構成)
図2は、第1実施形態に係るメモリデバイス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を含む。選択ゲート線SGD0~SGD4及びSGSとワード線WL0~WL7とは、ブロックBLK毎に設けられる。ビット線BL0~BLmとソース線SLとは、複数のブロックBLKで共有される。
図2は、第1実施形態に係るメモリデバイス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を含む。選択ゲート線SGD0~SGD4及びSGSとワード線WL0~WL7とは、ブロックBLK毎に設けられる。ビット線BL0~BLmとソース線SLとは、複数のブロックBLKで共有される。
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に関連付けられる。すなわち、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により共有される。各NANDストリングNSは、関連付けられたビット線BLとソース線SLとの間に接続される。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。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有するメモリセルであり、データを不揮発に保持(記憶)する。選択トランジスタST1及びST2のそれぞれは、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では、選択トランジスタST1、メモリセルトランジスタMT7~MT0、及び選択トランジスタST2が、この順番に、直列に接続される。具体的には、選択トランジスタST1のドレイン及びソースは、関連付けられたビット線BLと、メモリセルトランジスタMT7のドレインとにそれぞれ接続される。選択トランジスタST2のドレイン及びソースは、メモリセルトランジスタMT0のソースと、ソース線SLとにそれぞれ接続される。メモリセルトランジスタMT0~MT7は、選択トランジスタST1及びST2の間で直列に接続される。
選択ゲート線SGD0~SGD4は、それぞれストリングユニットSU0~SU4に関連付けられる。各選択ゲート線SGDは、関連付けられたストリングユニットSUに含まれた複数の選択トランジスタST1のそれぞれのゲートに接続される。選択ゲート線SGSは、関連付けられたブロックBLKに含まれた複数の選択トランジスタST2のそれぞれのゲートに接続される。ワード線WL0~WL7は、関連付けられたブロックBLKに含まれた複数のメモリセルトランジスタMT0~MT7のそれぞれの制御ゲートにそれぞれ接続される。
同一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、各メモリセルトランジスタMTが1ビットデータを記憶する場合のセルユニット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、各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。
なお、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリセルアレイ10の回路構成は、その他の構成であってもよい。例えば、各ブロックBLKが含むストリングユニットSUの数や、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ST1及びST2のそれぞれの数は、任意の数に設計され得る。
(2:ロウデコーダモジュール16の回路構成)
図3は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるロウデコーダモジュール16の回路構成の一例を示す回路図である。図3は、ロウデコーダモジュール16とドライバ回路15及びメモリセルアレイ10のそれぞれとの接続関係と、ロウデコーダRD0の詳細な回路構成とを示している。図3に示すように、各ロウデコーダRDとドライバ回路15との間は、信号線CG0~CG7、SGDD0~SGDD4、SGSD、USGD、及びUSGSを介して接続される。各ロウデコーダRDと、関連付けられたブロックBLKとの間は、ワード線WL0~WL7、並びに選択ゲート線SGS及びSGD0~SGD4を介して接続される。
図3は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるロウデコーダモジュール16の回路構成の一例を示す回路図である。図3は、ロウデコーダモジュール16とドライバ回路15及びメモリセルアレイ10のそれぞれとの接続関係と、ロウデコーダRD0の詳細な回路構成とを示している。図3に示すように、各ロウデコーダRDとドライバ回路15との間は、信号線CG0~CG7、SGDD0~SGDD4、SGSD、USGD、及びUSGSを介して接続される。各ロウデコーダRDと、関連付けられたブロックBLKとの間は、ワード線WL0~WL7、並びに選択ゲート線SGS及びSGD0~SGD4を介して接続される。
以下に、ロウデコーダRD0に注目して、ロウデコーダRDの各要素とドライバ回路15及びブロックBLK0のそれぞれとの接続関係について説明する。なお、その他のロウデコーダRDの構成は、関連付けられたブロックBLKが異なることを除いて、ロウデコーダRD0と同様である。ロウデコーダRD0は、例えば、トランジスタTR0~TR19、転送ゲート線TG及びbTG、並びにブロックデコーダBDを含む。
トランジスタTR0~TR19のそれぞれは、高耐圧なN型のMOSトランジスタ(以下、“高耐圧(High-Voltage)トランジスタ”とも呼ぶ)である。本明細書において、高耐圧トランジスタの閾値電圧は、10V以上に設計される。トランジスタTR0のドレイン及びソースは、それぞれ信号線SGSD及び選択ゲート線SGSに接続される。トランジスタTR1~TR8のそれぞれのドレインは、それぞれ信号線CG0~CG7に接続される。トランジスタTR1~TR8のそれぞれのソースは、ワード線WL0~WL7にそれぞれ接続される。トランジスタTR9~TR13のそれぞれのドレインは、それぞれ信号線SGDD0~SGDD4に接続される。トランジスタTR9~TR13のそれぞれのソースは、それぞれ選択ゲート線SGD0~SGD4に接続される。トランジスタTR14のドレイン及びソースは、それぞれ信号線USGS及び選択ゲート線SGSに接続される。トランジスタTR15~TR19のそれぞれのドレインは、信号線USGDに接続される。トランジスタTR15~TR19のそれぞれのソースは、それぞれ選択ゲート線SGD0~SGD4に接続される。トランジスタTR0~TR13のそれぞれのゲートは、転送ゲート線TGに接続される。トランジスタTR14~TR19のそれぞれのゲートは、転送ゲート線bTGに接続される。転送ゲート線bTGには、転送ゲート線TGに入力される信号の反転信号が入力される。
ブロックデコーダBDは、ブロックアドレスをデコードする機能を有する回路である。ブロックデコーダBDは、ブロックアドレスのデコード結果に基づいて、転送ゲート線TG及びbTGのそれぞれに所定の電圧を印加する。具体的には、選択されたブロックBLKに対応するブロックデコーダBDは、“H”レベル及び“L”レベルの電圧をそれぞれ転送ゲート線TG及びbTGに印加する。非選択のブロックBLKに対応するブロックデコーダBDは、“L”レベル及び“H”レベルの電圧をそれぞれ転送ゲート線TG及びbTGに印加する。これにより、信号線CG0~CG7の電圧が、選択されたブロックBLKのワード線WL0~WL7にそれぞれ転送され、信号線SGDD0~SGDD4及びSGSDの電圧が、選択されたブロックBLKの選択ゲート線SGD0~SGD4及びSGSにそれぞれ転送され、信号線USGD及びUSGSの電圧が、非選択のブロックBLKの選択ゲート線SGD及びSGSにそれぞれ転送される。
なお、ロウデコーダモジュール16は、その他の回路構成であってもよい。例えば、ロウデコーダモジュール16が含むトランジスタTRの個数は、各ブロックBLKに設けられる配線の本数に応じて変更され得る。信号線CGは、複数のブロックBLK間で共有されることから、“グローバルワード線”と呼ばれてもよい。ワード線WLは、ブロック毎に設けられることから、“ローカルワード線”と呼ばれてもよい。信号線SGDD及びSGSDのそれぞれは、複数のブロックBLK間で共有されることから、“グローバル転送ゲート線”と呼ばれてもよい。選択ゲート線SGD及びSGSのそれぞれは、ブロックBLK毎に設けられることから、“ローカル転送ゲート線”と呼ばれてもよい。以下では、各ロウデコーダモジュール16に含まれた高耐圧トランジスタ(トランジスタTR)の集合のことを、“ワード線スイッチ部WLSW”とも呼ぶ。
(3:センスアンプモジュール17の回路構成)
図4は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるセンスアンプモジュール17の回路構成の一例を示す回路図である。図4は、1つのセンスアンプユニットSAUの回路構成を抽出して示している。図4に示すように、センスアンプユニットSAUは、例えば、センスアンプ部SA、ビット線接続部BLHU、ラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL及びXDL、並びにバスLBUSを含む。センスアンプ部SA、並びにラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL及びXDLは、例えば、バスLBUSを介してデータを送受信可能に構成される。
図4は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるセンスアンプモジュール17の回路構成の一例を示す回路図である。図4は、1つのセンスアンプユニットSAUの回路構成を抽出して示している。図4に示すように、センスアンプユニットSAUは、例えば、センスアンプ部SA、ビット線接続部BLHU、ラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL及びXDL、並びにバスLBUSを含む。センスアンプ部SA、並びにラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL及びXDLは、例えば、バスLBUSを介してデータを送受信可能に構成される。
センスアンプ部SAは、ビット線BLの電圧に基づいたデータの判定や、ビット線BLへの電圧の印加に使用される回路である。センスアンプ部SAは、読み出し動作時に制御信号STBがアサートされると、関連付けられたビット線BLの電圧に基づいて、選択されたメモリセルトランジスタMTから読み出されたデータが“0”であるか“1”であるかを判定する。ラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL、及びXDLのそれぞれは、データを一時的に保持することが可能な回路である。ラッチ回路XDLは、センスアンプユニットSAUと入出力回路11との間のデータDATの入出力に使用される。ラッチ回路XDLは、キャッシュメモリとしても使用され得る。ラッチ回路XDLは、複数のセンスアンプユニットSAUにより共有されてもよい。
センスアンプ部SAは、トランジスタT0~T7、キャパシタCP、並びにノードND1、ND2、SEN及びSRCを含む。ビット線接続部BLHUは、消去動作においてNANDストリングNSのチャネルに印加される高電圧が、センスアンプ部SA内の回路に印加されないようにするためのスイッチ回路である。ビット線接続部BLHUは、トランジスタT8を含む。ラッチ回路SDLは、インバータIV0及びIV1、トランジスタT10及びT11、並びにノードSINV及びSLATを含む。トランジスタT0は、P型のMOSトランジスタである。トランジスタT1~T8、T10及びT11のそれぞれは、N型のMOSトランジスタである。トランジスタT8は、センスアンプ部SA内のN型トランジスタよりも高耐圧なN型のMOSトランジスタ(N型高耐圧トランジスタ)である。以下では、高耐圧トランジスタよりも低耐圧なトランジスタのことを、“低耐圧(Lov-Voltage)トランジスタ”とも呼ぶ。低耐圧トランジスタの閾値電圧は、高耐圧トランジスタの閾値電圧よりも低い。
トランジスタT0のゲートは、ノードSINVに接続される。トランジスタT0のソースは、電源線に接続される。トランジスタT0のドレインは、ノードND1に接続される。ノードND1は、トランジスタT1及びT2のそれぞれのドレインに接続される。トランジスタT1及びT2のソースは、それぞれノードND2及びSENに接続される。ノードND2及びSENは、それぞれトランジスタT3のソース及びドレインに接続される。ノードND2は、トランジスタT4及びT5のそれぞれのドレインに接続される。トランジスタT5のソースは、ノードSRCに接続される。トランジスタT5のゲートは、ノードSINVに接続される。ノードSENは、トランジスタT6のゲートと、キャパシタCPの一方電極とに接続される。トランジスタT6のソースは、接地される。トランジスタT7のドレイン及びソースは、それぞれバスLBUSとトランジスタT6のドレインとに接続される。トランジスタT8のドレインは、トランジスタT4のソースに接続される。トランジスタT8のソースは、関連付けられたビット線BLに電気的に接続される。
トランジスタT0のソースには、例えば、電源電圧VDDが印加される。ノードSRCには、例えば、接地電圧VSSが印加される。トランジスタT1、T2、T3、T4及びT7のそれぞれのゲートには、それぞれ制御信号BLX、HLL、XXL、BLC及びSTBが入力される。トランジスタT8のゲートには、制御信号BLSが入力される。キャパシタCPの他方電極には、クロック信号CLKが入力される。
インバータIV0の入力ノード及び出力ノードは、それぞれノードSLAT及びSINVに接続される。インバータIV1の入力ノード及び出力は、それぞれノードSINV及びSLATに接続される。トランジスタT10の一端及び他端は、それぞれノードSINV及びバスLBUSに接続される。トランジスタT10のゲートには、制御信号STINVが入力される。トランジスタT11の一端及び他端は、それぞれノードSLAT及びバスLBUSに接続される。トランジスタT11のゲートには、制御信号STLATが入力される。ラッチ回路SDLは、ノードSLATにデータを保持し、ノードSINVにノードSLATに保持されるデータの反転データを保持する。
ラッチ回路ADL、BDL、CDL、及びXDLの回路構成は、ラッチ回路SDLと類似している。例えば、ラッチ回路ADLは、ノードALATにおいてデータを保持し、ノードAINVにおいてその反転データを保持する。そして、ラッチ回路ADLのトランジスタT10のゲートには制御信号ATINVが入力され、ラッチ回路ADLのトランジスタT11のゲートには制御信号ATLATが入力される。ラッチ回路BDLは、ノードBLATにおいてデータを保持し、ノードBINVにおいてその反転データを保持する。そして、ラッチ回路BDLのトランジスタT10のゲートには制御信号BTINVが入力され、ラッチ回路BDLのトランジスタT11のゲートには制御信号BTLATが入力される。ラッチ回路CDL、及びXDLについても同様のため、説明を省略する。
なお、制御信号BLX、HLL、XXL、BLC、STB、BLS、STINV及びSTLAT、並びにクロック信号CLKのそれぞれは、例えば、シーケンサ14によって生成される。センスアンプモジュール17は、その他の回路構成であってもよい。例えば、各センスアンプユニットSAUが備えるラッチ回路の個数は、メモリセルトランジスタMTが記憶するビット数などに応じて変更され得る。センスアンプユニットSAUは、簡単な論理演算を実行することが可能な演算回路を有し得る。センスアンプモジュール17は、各ページの読み出し動作において、ラッチ回路を用いた演算処理を適宜実行することによって、メモリセルトランジスタMTに記憶されているデータを確定(判定)し得る。
<1-1-3>メモリデバイス1の構造
次に、第1実施形態に係るメモリデバイス1の構造について説明する。以下で参照される図面では、3次元の直交座標系が使用される。X方向は、ワード線WLの延伸方向に対応する。Y方向は、ビット線BLの延伸方向に対応する。Z方向は、基準とされる基板の表面に対する鉛直方向に対応する。本明細書における“上下”は、Z方向に沿った方向に基づいて定義され、基準とされる基板の表(おもて)面側から離れる方向を正方向(上方)とする。基準とされる基板としては、例えば、図面において最下部に配置された基板が使用される。基板の表(おもて)面は、トランジスタ(CMOS回路)などの素子が形成される側の面に対応する。基板の裏面は、おもて面に対して反対側の面に対応する。
次に、第1実施形態に係るメモリデバイス1の構造について説明する。以下で参照される図面では、3次元の直交座標系が使用される。X方向は、ワード線WLの延伸方向に対応する。Y方向は、ビット線BLの延伸方向に対応する。Z方向は、基準とされる基板の表面に対する鉛直方向に対応する。本明細書における“上下”は、Z方向に沿った方向に基づいて定義され、基準とされる基板の表(おもて)面側から離れる方向を正方向(上方)とする。基準とされる基板としては、例えば、図面において最下部に配置された基板が使用される。基板の表(おもて)面は、トランジスタ(CMOS回路)などの素子が形成される側の面に対応する。基板の裏面は、おもて面に対して反対側の面に対応する。
(1:メモリデバイス1の外観)
図5は、第1実施形態に係るメモリデバイスの外観の一例を示す斜視図である。図5に示すように、メモリデバイス1は、例えば、下方から順に、CMOS基板W1、回路層100及び200、メモリ基板W2、及び配線層300が積層された構造を有する。
図5は、第1実施形態に係るメモリデバイスの外観の一例を示す斜視図である。図5に示すように、メモリデバイス1は、例えば、下方から順に、CMOS基板W1、回路層100及び200、メモリ基板W2、及び配線層300が積層された構造を有する。
CMOS基板W1は、CMOS回路の形成に使用されるシリコン基板である。メモリ基板W2は、メモリセルアレイ10の形成に使用されるシリコン基板である。CMOS基板W1には、例えば、入出力回路11、ロジックコントローラ12、レジスタ回路13、シーケンサ14、ドライバ回路15、ロウデコーダモジュール16、及びセンスアンプモジュール17などが配置される。メモリ基板W2には、メモリセルアレイ10が配置される。さらに、メモリ基板W2には、例えば、ロウデコーダモジュール16及びセンスアンプモジュール17などのCMOS回路の一部が配置され得る。
回路層100は、CMOS基板W1を用いて形成された複数の配線層を含む。回路層200は、メモリ基板W2を用いて形成された複数の配線層を含む。メモリデバイス1は、CMOS基板W1とメモリ基板W2との接合処理により、CMOS基板W1とメモリ基板W2とが対向配置され、回路層100と回路層200とが接した構造を有する。すなわち、メモリデバイス1の接合面は、回路層100と回路層200との接触(境界)部分に対応する。配線層300の上面には、メモリデバイス1とメモリコントローラ2との接続に使用される複数のパッドPDが設けられる。パッドPDは、例えば、CMOS基板W1に設けられた入出力回路11に接続される。
(2:メモリデバイス1の平面レイアウト)
図6は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の平面レイアウトの一例を示す模式図である。図6は、回路層100(CMOS基板W1)と回路層200(メモリ基板W2)との接合面におけるレイアウトを示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。図6に示すように、メモリ基板W2の領域は、例えば、メモリ領域MR、引出領域HR1及びHR2、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2の領域、ビット線接続部BLHUの領域、並びに入出力領域IOR1に分けられる。CMOS基板W1の領域は、例えば、周辺回路領域PERI、及び入出力領域IOR2に分けられる。
図6は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の平面レイアウトの一例を示す模式図である。図6は、回路層100(CMOS基板W1)と回路層200(メモリ基板W2)との接合面におけるレイアウトを示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。図6に示すように、メモリ基板W2の領域は、例えば、メモリ領域MR、引出領域HR1及びHR2、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2の領域、ビット線接続部BLHUの領域、並びに入出力領域IOR1に分けられる。CMOS基板W1の領域は、例えば、周辺回路領域PERI、及び入出力領域IOR2に分けられる。
メモリ領域MRは、データの記憶に使用され、複数のNANDストリングNSを含む。メモリ領域MRは、引出領域HR1及びHR2の間に配置され、引出領域HR1及びHR2とX方向に隣り合っている。引出領域HRは、メモリ領域MRに設けられた積層配線に対するコンタクトの接続に使用される領域である。引出領域HR1及びHR2は、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2の間に配置され、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2とX方向に隣り合っている。ワード線スイッチ部WLSWには、ロウデコーダRDに含まれた高耐圧トランジスタ(TR)が配置される。ビット線接続部BLHUは、例えば、メモリ領域MRとY方向に隣り合っている。ビット線接続部BLHUは、上述したように、複数の高耐圧トランジスタ(T8)を含む。入出力領域IOR1は、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2並びにビット線接続部BLHUのそれぞれとY方向に隣り合っている。入出力領域IOR1は、入出力回路11に関連する回路を含む。
周辺回路領域PERIは、ワード線スイッチ部WLSWに配置された高耐圧トランジスタを除くロウデコーダモジュール16や、ビット線接続部BLHUに配置された高耐圧トランジスタを除くセンスアンプモジュール17や、シーケンサ14などのCMOS回路を含む。周辺回路領域PERIは、メモリ領域MR、引出領域HR1及びHR2、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2、並びにビット線接続部BLHUとZ方向に重なっている。入出力領域IOR2は、入出力回路11などを含む。入出力領域IOR2は、入出力領域IOR1とZ方向に重なっている。
回路層100(CMOS基板W1)と回路層200(メモリ基板W2)の接合面には、複数の接合パッドBPが設けられる。複数の接合パッドBPは、例えば、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2と、ビット線接続部BLHUと、入出力領域IOR1とのそれぞれに配置される。回路層100の接合面に設けられた複数の接合パッドBPはそれぞれ、回路層200の接合面に設けられた複数の接合パッドBPと対向配置される。そして、回路層100と回路層200との間で対向配置された2つの接合パッドBPの組は、接合処理により接合される(図6の“接合”)。これにより、対向配置された2つの接合パッドBPの間が、電気的に接続される。接合パッドBPの配置は、メモリデバイス1の回路設計に応じて適宜変更され得る。接合パッドBPは、接合金属と呼ばれてもよい。接合パッドBPは、例えば、銅を含む。
(3:メモリ基板W2の平面レイアウト)
図7は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリ基板W2の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図7は、メモリセルアレイ10と、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2と、ビット線接続部BLHUとのそれぞれを示している。図7に示すように、メモリセルアレイ10は、例えば、複数のスリットSLTと、複数のスリットSHEとを含む。メモリ基板W2には、複数のコンタクトCCが設けられる。
図7は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリ基板W2の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図7は、メモリセルアレイ10と、ワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2と、ビット線接続部BLHUとのそれぞれを示している。図7に示すように、メモリセルアレイ10は、例えば、複数のスリットSLTと、複数のスリットSHEとを含む。メモリ基板W2には、複数のコンタクトCCが設けられる。
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し、X方向に沿って引出領域HR1、メモリ領域MR、及び引出領域HR2を横切っている。複数のスリットSLTは、Y方向に並んでいる。各スリットSLTは、例えば、絶縁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SLT内には、側壁に絶縁体のスペーサが設けられた導電体が、これらの配線とは絶縁されて配置されていてもよい。メモリセルアレイ10では、スリットSLTによってY方向に沿って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SHEは、X方向に沿って延伸して設けられた部分を有し、X方向に沿ってメモリ領域MRを横切っている。複数のスリットSHEは、Y方向に並んでいる。本例では、Y方向に隣り合う2つのスリット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。各スリットSHEは、例えば、絶縁体が埋め込まれた構造を有する。各スリット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。メモリセルアレイ10では、スリットSLT及びSHEによってY方向に沿って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。
メモリセルアレイ10が備える積層配線(例えば、選択ゲート線SGS、ワード線WL0~WL7、及び選択ゲート線SGD)のそれぞれの端部は、引出領域HR1及びHR2のそれぞれにおいて、テラス部分を有する。テラス部分は、メモリ基板W2を基準として上層の配線層(導電体層)と重ならない部分に対応する。複数のテラス部分により形成される構造は、階段(step)、段丘(terrace)、畦石(rimstone)などと類似している。本例では、X方向に段差を有する階段構造が、選択ゲート線SGSの端部と、ワード線WL0~WL7のそれぞれの端部と、選択ゲート線SGDの端部とによって形成される。
積層配線に接続されるコンタクトCCは、引出領域HR1及びHR2の少なくとも一方のテラス部分に接続される。例えば、偶数番のブロックBLK(BLK0、BLK2、…)の積層配線は、引出領域HR1に設けられたコンタクトCCに接続される。奇数番のブロックBLK(BLK1、BLK3、…)の積層配線は、引出領域HR2に設けられたコンタクトCCに接続される。なお、メモリデバイス1は、引出領域HRのテラス部分が省略された構造を有していてもよい。この場合、積層配線のある配線層に接続されるコンタクトCCは、上層の導電体層を貫通し且つ離れて(絶縁されて)設けられる。引出領域HRは、メモリ領域MRをX方向に分割するように配置されてもよい。
ワード線スイッチ部WLSW1に設けられた複数のコンタクトCCは、引出領域HR1で積層配線に接続されたコンタクトCCに電気的に接続される。ワード線スイッチ部WLSW2に設けられた複数のコンタクトCCは、引出領域HR2で積層配線に接続されたコンタクトCCに電気的に接続される。積層配線に接続されたワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2のそれぞれのコンタクトCCは、ロウデコーダRDの高耐圧トランジスタ(TR)に接続される。ビット線接続部BLHUに設けられた各コンタクトCCは、関連付けられたビット線BLとビット線接続部BLHUの高耐圧トランジスタ(T8)との間を電気的に接続する。
なお、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリセルアレイ10の平面レイアウトは、その他のレイアウトであってもよい。例えば、隣り合う2つのスリット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。各ブロックBLKが備えるストリングユニットSUの個数は、隣り合う2つのスリット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。積層配線に接続されるコンタクトCCは、奇数番及び偶数番のブロックBLKで交互に配置されなくてもよい。ワード線スイッチ部WLSWの配置は、積層配線に接続されるコンタクトCCの配置に応じて変更され得る。
(4:メモリ領域MRの平面レイアウト)
図8は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリ基板W2のメモリ領域MRの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(ストリングユニットSU0~SU4)を含む領域を示している。図8に示すように、メモリデバイス1は、メモリ領域MRにおいて、例えば、複数のメモリピラーMPと、複数のコンタクトCVと、複数のビット線BLとを含む。
図8は、第1実施形態に係るメモリデバイス1が備えるメモリ基板W2のメモリ領域MRの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(ストリングユニットSU0~SU4)を含む領域を示している。図8に示すように、メモリデバイス1は、メモリ領域MRにおいて、例えば、複数のメモリピラーMPと、複数のコンタクトCVと、複数のビット線BLとを含む。
各メモリピラーMPは、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。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が重なって配置される。
各ビット線BLは、Y方向に延伸して設けられた部分を有する。複数のビット線は、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る。各メモリピラーMPと重なるビット線BLの数は、任意の数に設計され得る。本例では、1つのメモリピラーMPに、2つのビット線BLが重なって配置されている。メモリピラーMPは、重なって配置された複数のビット線BLのうち1つのビット線BLに、コンタクトCVを介して電気的に接続される。なお、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、省略され得る。
(5:メモリ領域MRを含む断面構造)
図9は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2のメモリ領域MRを含む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、接合前のメモリ基板W2に形成されたメモリセルアレイ10の構造の一例を示し、メモリ基板W2を基準とした座標軸を表示している。図9に示すように、メモリデバイス1は、メモリ領域MRにおいて、例えば、P型基板部20、N型不純物拡散領域21、半導体層22及び23、導電体層24~27、及び絶縁体層30~35を含む。
図9は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2のメモリ領域MRを含む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、接合前のメモリ基板W2に形成されたメモリセルアレイ10の構造の一例を示し、メモリ基板W2を基準とした座標軸を表示している。図9に示すように、メモリデバイス1は、メモリ領域MRにおいて、例えば、P型基板部20、N型不純物拡散領域21、半導体層22及び23、導電体層24~27、及び絶縁体層30~35を含む。
メモリ領域MRでは、P型基板部20上に、N型不純物拡散領域21が設けられる。N型不純物拡散領域21上に、半導体層22が設けられる。半導体層22上に、半導体層23が設けられる。半導体層23上に、絶縁体層30が設けられる。絶縁体層30上に、導電体層24が設けられる。導電体層24上に、絶縁体層31及び導電体層25及びが交互に設けられる。最上層の導電体層25上に、絶縁体層32が設けられる。絶縁体層32上に、導電体層26が設けられる。導電体層26(積層配線)上に、絶縁体層33が設けられる。絶縁体層33上に、導電体層27が設けられる。導電体層27上に、絶縁体層34が設けられる。絶縁体層34上に、絶縁体層35が設けられる。
P型基板部20及びN型不純物拡散領域21は、メモリ基板W2に対応する。P型基板部20は、メモリ基板W2のうち、P型不純物を含む部分に対応する。N型不純物拡散領域21は、メモリ基板W2のうち、上面近傍でN型不純物がドープされた部分に対応する。N型不純物拡散領域21におけるN型不純物の濃度は、N型不純物拡散領域21におけるP型不純物の濃度よりも高い。
半導体層22及び23のそれぞれは、XY平面に沿って広がった板状に設けられた部分を有する。半導体層22及び23の組は、ソース線SLとして機能する。半導体層22及び23は、N型不純物拡散領域21と電気的に接続されている。このため、メモリ領域MR内で半導体層22及び23と電気的に接続されたN型不純物拡散領域21は、ソース線SLの一部としてみなされてもよい。半導体層22及び23のそれぞれは、例えば、N型不純物がドープされたポリシリコンである。
導電体層24~26のそれぞれは、XY平面に沿って広がった板状に設けられた部分を有する。導電体層27は、例えば、Y方向に延伸したライン状に形成される。導電体層24は、選択ゲート線SGSとして使用される。複数の導電体層25は、メモリ基板W2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26は、選択ゲート線SGDとして使用される。導電体層27は、ビット線BLとして使用される。
スリットSLTは、XZ平面に沿って広がった板状に形成された部分を有する。スリットSLTは、絶縁体層30~32、半導体層23、及び導電体層24~26を分断している。スリットSLTの底部は、半導体層22に接している。
各メモリピラーMPは、Z方向に沿って延伸して設けられ、絶縁体層30~32、半導体層22及び23、並びに導電体層24~26を貫通している。メモリピラーMPの底部は、N型不純物拡散領域21に接している。メモリピラーMPと導電体層24とが交差した部分は、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25とが交差した部分は、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26とが交差した部分は、選択トランジスタST1として機能する。
各メモリピラーMPは、例えば、コア部材40、半導体層41、及び積層膜42を含む。コア部材40は、Z方向に沿って延伸して設けられた絶縁体である。半導体層41は、コア部材40を覆っている。半導体層41は、メモリピラーMPの側面を介して、半導体層22と接している。積層膜42は、半導体層41と半導体層22との接触部分を除いて、半導体層41の側面及び底面を覆っている。
メモリピラーMPの半導体層41上に、コンタクトCVが設けられる。コンタクトCV上には、導電体層27(ビット線BL)が接触している。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に対応する2つのコンタクトCVが示されている。当該領域においてスリット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。
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26を分断している。スリットSHEの上端は、メモリピラーMPの上端と導電体層27との間の高さに設けられる。スリットSHEの下端は、絶縁体層32の高さに設けられる。スリットSHEの上端とスリットSLTの上端とは、揃っていてもよいし、揃っていなくてもよい。スリットSHEの上端とメモリピラーMPの上端とは、揃っていてもよいし、揃っていなくてもよい。
以下では、導電体層27が設けられた配線層のことを、“M0”と呼ぶ。絶縁体層35が設けられた配線層のことを、“B1”と呼ぶ。配線層M0及びB1の間の配線層のことを、“M1”と呼ぶ。半導体層22が形成された高さの層のことを、“ソース線接続層”とも呼ぶ。配線層M1は、絶縁体層34内に配置される。配線層B1には、複数の接合パッドBPが設けられる(図示せず)。接合前のメモリ基板W2において、複数の接合パッドBPの表面は、露出している。
(6:メモリピラーMPの断面構造)
図10は、第1実施形態に係るメモリデバイス1のメモリピラーMPを含む断面構造の一例を示す、図9のX-X線に沿った断面図である。図10は、メモリピラーMPと導電体層25とを含み且つメモリ基板W2の表面と平行な断面を表示している。図10に示すように、積層膜42は、例えば、トンネル絶縁膜43、絶縁膜44、及びブロック絶縁膜45を含む。
図10は、第1実施形態に係るメモリデバイス1のメモリピラーMPを含む断面構造の一例を示す、図9のX-X線に沿った断面図である。図10は、メモリピラーMPと導電体層25とを含み且つメモリ基板W2の表面と平行な断面を表示している。図10に示すように、積層膜42は、例えば、トンネル絶縁膜43、絶縁膜44、及びブロック絶縁膜45を含む。
コア部材40は、例えば、メモリピラーMPの中心部に設けられる。半導体層41は、コア部材40の側面を囲っている。トンネル絶縁膜43は、半導体層41の側面を囲っている。絶縁膜44は、トンネル絶縁膜43の側面を囲っている。ブロック絶縁膜45は、絶縁膜44の側面を囲っている。導電体層25は、ブロック絶縁膜45の側面を囲っている。半導体層41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ST1及びST2のチャネル(電流経路)として機能する。トンネル絶縁膜43及びブロック絶縁膜45のそれぞれは、例えば、酸化シリコンを含む。絶縁膜44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、例えば、窒化シリコンを含む。これにより、メモリピラーMPの各々が、1つのNANDストリングNSとして機能する。
(7:メモリデバイス1の断面構造の概要)
図11は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の断面構造の概要を示す断面図である。図11は、メモリ領域MRと、領域WR、NHVR、及びPHVRとのそれぞれを含むメモリデバイス1の断面を示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。図11は、CMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の状態に対応するため、メモリ領域MRにおける回路層200の構造が、図9に対して上下に反転して示されている。図11に示すように、CMOS基板W1には、複数のトランジスタTrが設けられる。
図11は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の断面構造の概要を示す断面図である。図11は、メモリ領域MRと、領域WR、NHVR、及びPHVRとのそれぞれを含むメモリデバイス1の断面を示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。図11は、CMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の状態に対応するため、メモリ領域MRにおける回路層200の構造が、図9に対して上下に反転して示されている。図11に示すように、CMOS基板W1には、複数のトランジスタTrが設けられる。
CMOS基板W1は、メモリデバイス1の回路設計に応じた不純物拡散領域を基板部50内に有する。CMOS基板W1の上面近傍には、STI(Shallow Trench Isolation)が形成される。平面視においてSTIにより囲まれた領域には、トランジスタTrの形成に使用されるアクティブ領域が画定される。また、CMOS基板W1のアクティブ領域には、トランジスタTrのソース領域とドレイン領域とのそれぞれに対応して、不純物拡散領域DRが形成される。例えば、トランジスタTrがN型トランジスタである場合、アクティブ領域としてP型ウェル領域が設けられ、不純物拡散領域DRとしてN型不純物拡散領域が設けられる。トランジスタTrがP型トランジスタである場合、アクティブ領域としてN型ウェル領域が設けられ、不純物拡散領域DRとしてP型不純物拡散領域が設けられる。
CMOS基板W1の基板部50上に、絶縁体層51が設けられる。絶縁体層51上に、絶縁体層52が設けられる。絶縁体層51及び52内には、回路層100の配線層が形成される。回路層100は、複数のゲート電極GCと、複数のコンタクトC0、C1、C2及びC3と、複数の導電体層53、54及び55と、複数の接合パッドBPとを含む。各ゲート電極GCは、対応付けられたトランジスタTrのゲート部分である。各ゲート電極GCは、隣り合う不純物拡散領域DRの間、且つウェル領域の上方に、ゲート絶縁膜を介して設けられる。各コンタクトC0は、対応付けられた不純物拡散領域DR又はゲート電極GC上に設けられる。複数のコンタクトC0の上面の高さは、揃っている。各導電体層53は、対応付けられたコンタクトC0上に設けられる。各コンタクトC1は、対応付けられた導電体層53上に設けられる。各導電体層54は、対応付けられたコンタクトC1上に設けられる。各コンタクトC2は、対応付けられた導電体層54上に設けられる。各導電体層55は、対応付けられたコンタクトC2上に設けられる。各コンタクトC3は、対応付けられた導電体層55上に設けられる。回路層100の接合パッドBPは、対応付けられたコンタクトC3上に設けられる。以下では、導電体層53、54及び55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。配線層D0~D2は、絶縁体層51内に配置される。回路層100の絶縁体層52及び接合パッドBPが設けられた配線層のことを、“B2”と呼ぶ。
接合後のメモリ基板W2では、P型基板部20が除去されている。このため、接合後のメモリ基板W2では、N型不純物拡散領域21が、メモリ基板W2のおもて面から裏面に亘って設けられている。また、メモリ基板W2は、メモリデバイス1の回路設計に応じた不純物拡散領域を有する。例えば、メモリ基板W2には、STIが形成される。メモリ基板W2に形成されたSTIは、メモリ基板W2を分断している。平面視においてSTIにより囲まれた領域には、N型高耐圧トランジスタNHVの形成に使用されるアクティブ領域と、P型高耐圧トランジスタPHVの形成に使用されるアクティブ領域とが画定される。本例において、メモリ基板W2は、N型高耐圧トランジスタNHVのアクティブ領域として、領域NHVRにP型ウェル領域PWを備え、P型高耐圧トランジスタPHVのアクティブ領域として、領域PHVRにN型ウェル領域NWを備えている。すなわち、領域NHVR内のP型ウェル領域PW及び領域PHVR内のN型ウェル領域NWが、メモリ領域MR内のN型不純物拡散領域21と対応する高さ位置に設けられている。
領域NHVR内のP型ウェル領域PWには、N型高耐圧トランジスタNHVのソース領域とドレイン領域とのそれぞれに対応して、N型不純物拡散領域NPが設けられる。領域PHVR内のN型ウェル領域NWには、P型高耐圧トランジスタPHVのソース領域とドレイン領域とのそれぞれに対応して、P型不純物拡散領域PPが設けられる。また、メモリ基板W2は、領域WRに、平面視においてSTIにより囲まれたN型不純物拡散領域21aを有する。N型不純物拡散領域21aは、STIによってN型高耐圧トランジスタNHV及びP型高耐圧トランジスタPHVのアクティブ領域、並びにメモリ領域MR内のN型不純物拡散領域21とは絶縁分離されている。N型不純物拡散領域21aは、例えば、メモリ領域MR内のN型不純物拡散領域21と同様の組成を有する。
回路層200は、絶縁体層36及び37と、複数の導電体層28及び29と、複数のコンタクトCC、V0及びV1と、複数の接合パッドBPとを含む。絶縁体層36は、領域PHVR、NHVR及びWRのそれぞれにおいて、メモリ基板W2下に設けられる。絶縁体層37は、領域PHVR、NHVR及びWRのそれぞれにおいて、絶縁体層36下に設けられる。絶縁体層37の厚さは、半導体層23の厚さと略等しい。半導体層23は、領域PHVRにおいて、P型高耐圧トランジスタPHVのゲート電極として機能する部分(半導体層23a)を有し、領域NHVRにおいて、N型高耐圧トランジスタNHVのゲート電極として機能する部分(半導体層23b)を有する。このため、半導体層23a及び23bと、半導体層23とは、例えば、略等しい厚さのポリシリコンを含む。また、領域PHVR、NHVR内の半導体層23a及び23bは、メモリ領域MR内の半導体層23と対応する高さ位置に設けられている。半導体層23aとN型ウェル領域NWとの間の絶縁体層36の部分は、P型高耐圧トランジスタPHVのゲート絶縁膜として機能する。半導体層23bとP型ウェル領域PWとの間の絶縁体層36の部分は、N型高耐圧トランジスタNHVのゲート絶縁膜として機能する。
領域PHVRの各コンタクトCCは、対応付けられたP型不純物拡散領域PP又は半導体層23a下に設けられる。領域NHVRの各コンタクトCCは、対応付けられたN型不純物拡散領域NP又は半導体層23b下に設けられる。複数のコンタクトCCは、絶縁体層36及び37、並びに絶縁体層37下の絶縁体層33を貫通するようにZ方向に沿って延伸して設けられ、複数のコンタクトCCの下面の高さは、揃っている。各導電体層28は、配線層M0に含まれ、対応付けられたコンタクトCC下に設けられる。各コンタクトV0は、対応付けられた導電体層28下に設けられる。各導電体層29は、配線層M1に含まれ、対応付けられたコンタクトV0下に設けられる。各コンタクトV1は、対応付けられた導電体層29下に設けられる。回路層200の接合パッドBPは、配線層B1に含まれ、対応付けられたコンタクトV1下に設けられる。
配線層300は、絶縁体層60と、複数の導電体層61とを含む。絶縁体層60と複数の導電体層61とのそれぞれは、メモリ基板W2上に設けられる。メモリ領域MRに設けられた導電体層61は、N型不純物拡散領域21と接し、電気的に接続されている。領域WRに設けられた導電体層61は、N型不純物拡散領域21aと接し、電気的に接続されている。絶縁体層60は、例えば、メモリ基板W2の上面のうち、導電体層61が設けられていない部分と、導電体層61の一部とを覆っている。導電体層61として、例えば、アルミニウム(Al)が使用される。図示が省略されているが、導電体層61上には、その他の配線やコンタクトが接続され、絶縁体層60の上方において、メモリデバイス1とメモリコントローラ2との接続に使用される複数のパッドPDが設けられてもよい。
メモリ領域MRでは、メモリピラーMP(メモリセルアレイ10)の下方に、トランジスタTrが配置され得る。領域WRは、貫通配線部TWを含む。貫通配線部TWは、メモリ基板W2の上面(配線層300)に設けられた配線と、回路層100の配線との間を電気的に接続する導電部である。例えば、貫通配線部TWは、CMOS基板W1に電源電圧を供給するための電源線の一部として使用される。本例では、回路層100の導電体層54と、配線層300の導電体層61との間が、コンタクトCC、V0、V1、C2及びC3と、導電体層28、29、54及び55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPと、N型不純物拡散領域21aとを介して電気的に接続されている。貫通配線部TWは、並列に接続された複数のコンタクトや導電体層を含んでいてもよい。
領域NHVRのN型高耐圧トランジスタNHVと、領域PHVRのP型高耐圧トランジスタPHVとのそれぞれは、メモリデバイス1の設計に応じて、CMOS基板W1に形成された素子や配線に接続されてもよいし、メモリ基板W2に形成された素子や配線に接続されてもよい。本例では、領域PHVRにおいて、P型高耐圧トランジスタPHVのドレイン端又はソース端が、コンタクトCC、V0、V1、C0、C1、C2及びC3と、導電体層28、29、53、54及び55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に形成されたトランジスタTrのドレイン端又はソース端に接続されている。本例では、領域NHVRにおいて、N型高耐圧トランジスタNHVのドレイン端又はソース端が、コンタクトCC、V0、V1、C0、C1、C2及びC3と、導電体層28、29、53、54及び55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に形成されたトランジスタTrのドレイン端又はソース端に接続されている。
第1実施形態に係るメモリデバイス1において、N型高耐圧トランジスタNHVのP型ウェル領域PWと、P型高耐圧トランジスタPHVのN型ウェル領域NWとのそれぞれは、絶縁体(STI、絶縁体層36、及び絶縁体層60)によって囲まれている。言い換えると、N型高耐圧トランジスタNHVと、P型高耐圧トランジスタPHVとのそれぞれは、STIと絶縁体層60とによって島状に絶縁分離されている。すなわち、第1実施形態では、N型高耐圧トランジスタNHVと、P型高耐圧トランジスタPHVとのそれぞれは、SOI(Silicon On Insulator)構造で設けられている。また、N型高耐圧トランジスタNHVと、P型高耐圧トランジスタPHVとのそれぞれの構造は、CMOS回路に含まれた非SOI構造のトランジスタTrの構造と異なっている。
(8:ワード線スイッチ部WLSWを含む断面構造)
図12は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるワード線スイッチ部WLSWを含む断面構造の一例を示す断面図である。図12は、メモリセルアレイ10の積層配線と、CMOS基板W1上に設けられたロウデコーダモジュール16との接続を示している。以下では、積層配線のうち導電体層24(選択ゲート線SGS)と、ロウデコーダモジュール16との接続を例に説明する。
図12は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるワード線スイッチ部WLSWを含む断面構造の一例を示す断面図である。図12は、メモリセルアレイ10の積層配線と、CMOS基板W1上に設けられたロウデコーダモジュール16との接続を示している。以下では、積層配線のうち導電体層24(選択ゲート線SGS)と、ロウデコーダモジュール16との接続を例に説明する。
図12に示すように、導電体層24は、コンタクトCC及びV0と、導電体層28及び29とを介して、メモリ基板W2に設けられたトランジスタTR0(N型高耐圧トランジスタNHV)の一方のN型不純物拡散領域NPに接続されている。そして、トランジスタTR0の他方のN型不純物拡散領域NPが、コンタクトCC、V0、V1、及びC0~C3と、導電体層28、29、及び53~55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に設けられたトランジスタTrの不純物拡散領域DRに接続されている。図示が省略されているが、トランジスタTR0のゲート電極(半導体層23b)は、トランジスタTR0の他方のN型不純物拡散領域NPと同様に、回路層100及び200の接合パッドBPを介して、CMOS基板W1に設けられた配線に接続され得る。積層配線のうち導電体層24以外の導電体層25及び26も同様に、メモリ基板W2に設けられた高耐圧トランジスタを介して、CMOS基板W1に設けられた回路に接続され得る。
(9:ビット線接続部BLHUを含む断面構造)
図13は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるビット線接続部BLHUを含む断面構造の一例を示す断面図である。図13は、メモリセルアレイ10に接続された導電体層27(ビット線BL)と、CMOS基板W1上に設けられたセンスアンプモジュール17との接続を示している。
図13は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるビット線接続部BLHUを含む断面構造の一例を示す断面図である。図13は、メモリセルアレイ10に接続された導電体層27(ビット線BL)と、CMOS基板W1上に設けられたセンスアンプモジュール17との接続を示している。
図13に示すように、導電体層27は、コンタクトV0を介して、配線層M1に設けられた導電体層29に接続される。そして、導電体層27に接続された導電体層29は、ビット線接続部BLHUにおいて、コンタクトCC及びV0と導電体層28を介して、メモリ基板W2に設けられたトランジスタT8(N型高耐圧トランジスタNHV)の一方のN型不純物拡散領域NPに接続されている。そして、トランジスタT8の他方のN型不純物拡散領域NPが、コンタクトCC、V0、V1、及びC0~C3と、導電体層28、29、及び53~55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に設けられたトランジスタT4の不純物拡散領域DRに接続されている。すなわち、ビット線BLは、メモリ基板W2に設けられた高耐圧トランジスタを介して、CMOS基板W1に設けられた回路に接続される。図示が省略されているが、ビット線接続部BLHUに含まれた高耐圧トランジスタのゲート電極(半導体層23b)は、トランジスタT8の他方のN型不純物拡散領域NPと同様に、回路層100及び200の接合パッドBPを介して、CMOS基板W1に設けられた配線に接続され得る。
<1-2>メモリデバイス1の製造方法
以下に、メモリデバイス1の製造方法について説明する。
以下に、メモリデバイス1の製造方法について説明する。
<1-2-1>接合前のメモリ基板W2の製造工程
図14は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2の製造工程の一例を示すフローチャートである。図15~図26は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2の製造途中の断面構造の一例を示し、メモリ基板W2を基準とした座標軸を表示している。また、メモリデバイス1の製造途中の各断面構造では、図11に示された領域に対応するメモリ領域MRと領域WR、NHVR及びPHVRとを示している。以下に、図14を適宜参照して、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造方法として、接合前のメモリ基板W2の製造工程について説明する。
図14は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2の製造工程の一例を示すフローチャートである。図15~図26は、第1実施形態に係るメモリデバイス1における接合前のメモリ基板W2の製造途中の断面構造の一例を示し、メモリ基板W2を基準とした座標軸を表示している。また、メモリデバイス1の製造途中の各断面構造では、図11に示された領域に対応するメモリ領域MRと領域WR、NHVR及びPHVRとを示している。以下に、図14を適宜参照して、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造方法として、接合前のメモリ基板W2の製造工程について説明する。
メモリ基板W2として使用されるP型のシリコン基板が用意されると、図14に示された一連の処理、すなわちメモリ基板W2の前工程の処理が開始する(開始)。
まず、図15に示すように、メモリ基板W2に、アクティブ領域AAが形成される(S11)。具体的には、アクティブ領域AAに対応する部分が開口したマスクを形成するフォトリソグラフィ処理とN型不純物のイオン注入処理との組によって、N型不純物拡散領域21及び21aと、N型ウェル領域NWとが形成される。N型不純物拡散領域21及び21aにおけるN型不純物濃度と、N型ウェル領域NWにおけるN型不純物濃度が異なる場合、マスクの形成及びイオン注入処理との組が、N型不純物拡散領域21及び21aと、N型ウェル領域NWとのそれぞれに対応して実行される。なお、メモリ基板W2のP型不純物濃度と、P型ウェル領域PWのP型不純物濃度とが同等に設計されている場合、P型ウェル領域PWの領域に対するP型不純物のイオン注入処理は省略され得る。その後、フォトリソグラフィ処理及びエッチング処理により、STIに対応する部分にスリットが形成され、当該スリットに絶縁体が埋め込まれることによって、STIが形成される。
次に、ソース線接続層が形成される(S12)。具体的には、まず、図16に示すように、メモリ基板W2上に、絶縁体層70と、犠牲部材71とが、この順番に形成される。絶縁体層70は、例えば、酸化シリコン(SiO)である。犠牲部材71は、例えば、窒化シリコン(SiN)である。そして、領域WR、NHVR及びPHVRに形成された犠牲部材71が、フォトリソグラフィ処理及びエッチング処理によって除去される。それから、図17に示すように、絶縁体層72が形成される。絶縁体層72は、例えば、酸化シリコンである。本例では、領域WR、NHVR及びPHVRに形成された絶縁体層70及び72の組の厚さと、メモリ領域MRに形成された絶縁体層70及び72並びに犠牲部材71の組の厚さとは、揃っていてもよいし、異なっていても良い。メモリ領域MRと領域WR、NHVR及びPHVRとにおける絶縁体層72の上面の高さを揃える場合、例えば、絶縁体層72が形成された後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)などの平坦化処理が実行される。なお、領域WR、NHVR及びPHVRに形成された絶縁体層70及び72の組は、図11に示された絶縁体層36と対応している。
次に、図18に示すように、半導体層23が形成される(S13)。半導体層23は、メモリ領域MRと領域WR、NHVR及びPHVRとのそれぞれで、絶縁体層72上に設けられる。
次に、図19に示すように、半導体層23が加工され、高耐圧トランジスタのゲート電極に対応する半導体層23a及び23bが形成される(S14)。具体的には、例えば、フォトリソグラフィ処理によって、メモリ領域MRと、領域NHVR及びPHVRにおいて高耐圧トランジスタのゲート電極として使用される部分とを覆うマスクが形成される。そして、当該マスクを介したエッチング処理によって、マスクの開口部分の半導体層23が除去される。これにより、メモリ領域MRに半導体層23が残り、領域PHVRに半導体層23a(P型高耐圧トランジスタPHVのゲート電極)が残り、領域NHVRに半導体層23b(N型高耐圧トランジスタNHVのゲート電極)が残った構造が形成される。
次に、図20に示すように、各高耐圧トランジスタの不純物拡散領域が形成される(S15)。具体的には、P型高耐圧トランジスタPHVに対応する部分が開口したマスクを形成するフォトリソグラフィ処理とP型不純物のイオン注入処理との組によって、P型不純物拡散領域PPが形成される。同様に、N型高耐圧トランジスタNHVに対応する部分が開口したマスクを形成するリソグラフィ処理とN型不純物のイオン注入処理との組によって、N型不純物拡散領域NPが形成される。その後、絶縁体層37が形成されることによって、半導体層23が除去された部分に絶縁体層37が埋め込まれる。それから、半導体層23をエッチングストッパーとして用いたCMP処理によって、図21に示すように、半導体層23、23a及び23b、並びに絶縁体層37のそれぞれの上面が揃った構造が形成される。
次に、図22に示すように、ONON積層構造が形成される(S16)。ONON積層構造は、メモリセルアレイ10の積層配線の形成に使用され、絶縁体層と犠牲部材とが交互に積層された構造である。具体的には、まず、絶縁体層30及び犠牲部材73が、この順番に形成される。次に、絶縁体層31と、犠牲部材74とが、交互に形成される。最上層の犠牲部材74上に、絶縁体層32及び犠牲部材75が、この順番に形成される。その後、ONON積層構造が適宜加工されることによって、図示が省略された引出領域HRにおいてONON積層構造の階段構造が形成される。それから、ONON積層構造が除去された部分が、絶縁体層76によって埋め込まれ、絶縁体層76の上面が平坦化される。犠牲部材73~75は、例えば、窒化シリコン(SiN)である。
次に、図23に示すように、メモリピラーMPが形成される(S17)。具体的には、まずフォトリソグラフィ処理などによって、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処理によって、絶縁体層70、犠牲部材71、絶縁体層72、半導体層23、絶縁体層30~32、犠牲部材73~75、及び絶縁体層76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、N型不純物拡散領域21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42(すなわち、ブロック絶縁膜45、絶縁膜44、及びトンネル絶縁膜43)、半導体層41、及びコア部材40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40の一部が除去され、コア部材40が除去された部分に半導体層41が形成される。
次に、リプレース処理が実行される(S18)。このリプレース処理では、メモリピラーMPの上部を覆う絶縁体層77が形成された後に、スリットSLTを形成する工程と、ソース線SLのリプレース処理と、積層配線部のリプレース処理とが順に実行される。
具体的には、まず、フォトリソグラフィ処理とエッチング処理とによって、図24に示すように、スリットSLTが形成される。スリットSLTは、絶縁体層72、半導体層23、絶縁体層30~32、犠牲部材73~75、並びに絶縁体層76及び77を分断し、当該スリットSLTの底部において、犠牲部材71が露出する。
次に、ソース線SLのリプレース処理が実行される。具体的には、まず、例えばウェットエッチングによって、犠牲部材71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、ソース線接続層内で、絶縁体層70及び72と、メモリピラーMPの側面の積層膜42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、ソース線接続層に形成された空間に埋め込まれる。当該導電体によって、半導体層22が構成され、半導体層22とメモリピラーMP内の半導体層41とが電気的に接続される。
次に、積層配線部のリプレース処理が実行される。具体的には、まず、スリットSLTの底部で露出していた半導体層22の部分に、保護膜(例えばシリコン酸化膜)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73~75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73~75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、選択ゲート線SGSとして機能する導電体層24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25と、選択ゲート線SGDとして機能する導電体層26とが形成される。その後、図25に示すように、スリットSLT内に絶縁体78が埋め込まれる。
次に、回路層200のコンタクト及び配線が形成される(S19)。具体的には、絶縁体層77上に絶縁体層79が形成される。フォトリソグラフィ処理などによって、複数のコンタクトCCに対応する部分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のエッチング処理によって、複数のコンタクトCCに対応する複数のコンタクトホールが形成される。各コンタクトホールは、少なくとも絶縁体層76、77及び79を貫通して設けられる。各コンタクトホールの底部は、例えば、メモリ基板W2の表面部分、半導体層23a、半導体層23b、又は積層配線のテラス部分に達する。それから、各コンタクトホール内に導電体が埋め込まれ、複数のコンタクトCCが形成される。なお、図14の一連の処理で形成される絶縁体層76、77及び79は、図11に示された絶縁体層33と対応している。S19の処理では、絶縁体層76、77及び79内に、複数のコンタクトCCとともに、各メモリピラーMPに接続されるコンタクトCVが形成される。その後、図26に示すように、配線層M0から配線層B1までの構造が形成される。
S19の処理が完了すると、図14の一連の処理が終了する、すなわち、メモリ基板W2の前工程の処理が完了する(終了)。メモリ基板W2の前工程の処理が完了した時点で、配線層B1において、回路層200の複数の接合パッドBPの表面が露出している。
<1-2-2>CMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の製造工程
図27は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるCMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の製造工程の一例を示すフローチャートである。図28~図31は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造途中の断面構造の一例を示す断面を示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。以下に、図27を適宜参照して、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造方法として、CMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の製造工程について説明する。
図27は、第1実施形態に係るメモリデバイス1におけるCMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の製造工程の一例を示すフローチャートである。図28~図31は、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造途中の断面構造の一例を示す断面を示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。以下に、図27を適宜参照して、第1実施形態に係るメモリデバイス1の製造方法として、CMOS基板W1及びメモリ基板W2の接合後の製造工程について説明する。
接合処理によって、図28に示されたような前工程の処理が完了したCMOS基板W1と前工程の処理が完了したメモリ基板W2とが接合された基板(接合基板)が用意されると、図27に示された一連の処理が開始する(開始)。接合基板の上面では、メモリ基板W2のP型基板部20の上面が露出している。
まず、図29に示すように、CMP処理により、少なくともメモリ基板W2のSTIの上端部分の高さまでメモリ基板W2が除去される(S21)。つまり、S21の処理では、メモリ基板W2のSTIをストッパーとして用いたCMP処理により、P型基板部20が除去される。これにより、領域PHVRのN型ウェル領域NWの上面と、領域NHVRのP型ウェル領域PWの上面と、領域WRのN型不純物拡散領域21aの上面と、メモリ基板W2のSTIの上面とのそれぞれの高さが揃った構造が形成される。
次に、図30に示すように、導電体層61が形成される(S22)。導電体層61は、少なくともN型不純物拡散領域21及び21aのそれぞれと接触し、電気的に接続される。
次に、導電体層61が所望の形状に加工される(S23)。S23の処理では、例えば、フォトリソグラフィ処理によって、導電体層61のうち、メモリ領域MRにおいてN型不純物拡散領域21に接続される部分と、領域WRにおいてN型不純物拡散領域21aに接続される部分とを覆う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処理によって、マスクの開口部分に設けられた導電体層61が除去される。
次に、図31に示すように、メモリ基板W2上に、絶縁体層60が形成される(S24)。絶縁体層60が形成されることによって、メモリ領域MRの導電体層61と、領域WRの導電体層61とのそれぞれが絶縁体層60によって覆われた構造が形成される。また、領域PHVRのN型ウェル領域NWが、コンタクトCCが接続された部分を除いて、絶縁体層36及び60とSTIとの絶縁体の組によって囲まれる。領域NHVRのP型ウェル領域PWが、コンタクトCCが接続された部分を除いて、絶縁体層36及び60とSTIとの絶縁体の組によって囲まれる。
次に、各導電体層61の上部の絶縁体層60が除去される(S25)。これにより、各導電体層61の上面が露出し、図11に示された構造が形成される。
次に、配線層300のその他の配線が形成される(S26)。これにより、例えば、導電体層61に接続される配線やパッドが形成される。
S26の処理が完了すると、図27の一連の処理が終了する、すなわち、メモリデバイス1の構造が完成する(終了)。
<1-3>第1実施形態の効果
第1実施形態に係るメモリデバイス1に依れば、メモリデバイスの製造コストを抑制することができる。以下に、図32を適宜参照して、第1実施形態の効果の詳細について説明する。図32の(A)、(B)及び(C)は、それぞれ第1比較例、第2比較例、及び第1実施形態における回路配置の一例を模式的に示している。
第1実施形態に係るメモリデバイス1に依れば、メモリデバイスの製造コストを抑制することができる。以下に、図32を適宜参照して、第1実施形態の効果の詳細について説明する。図32の(A)、(B)及び(C)は、それぞれ第1比較例、第2比較例、及び第1実施形態における回路配置の一例を模式的に示している。
メモリセルが三次元に積層された構造を有するメモリデバイスが知られている。このようなメモリデバイスは、例えば、メモリセルの積層数を増やすことによって、メモリデバイスの記憶容量を増やすことができる。また、メモリデバイスの構造としては、CMOS回路が形成された基板(CMOS基板)と、メモリセルアレイが形成された基板(メモリ基板)とが接合された構造が知られている。このような構造は、メモリデバイスのチップ面積を抑制して、メモリデバイスの製造コストを抑制することができる。メモリ基板のチップ面積とCMOS基板のチップ面積とは、図32の(A)に示された第1比較例のように、同等に設計されることが好ましい。
しかしながら、メモリセルの積層数が増えた場合、例えば、ロウデコーダモジュール16やセンスアンプモジュール17などで使用されるトランジスタの数が増える。メモリセルの積層数が増えることは、CMOS回路の面積が大きくなる要因となる。CMOS回路の面積が大きくなる、すなわちCMOS基板のサイズが大きくなると、図32の(B)に示された第2比較例のように、メモリデバイスのチップサイズが、大きくなったCMOS基板のチップサイズに律速される。このため、接合構造を有するメモリデバイスにおいて、CMOS基板のチップサイズとメモリ基板のチップサイズとを同等に設計することが困難になる。
そこで、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、CMOS回路の一部を、メモリ基板W2側に形成する。言い換えると、第1実施形態では、メモリ基板W2が、メモリセルアレイ10と、CMOS回路の第1部分とを備え、CMOS基板W1が、CMOS回路の第2部分とを備えている。例えば、第1実施形態に係るメモリデバイス1では、ロウデコーダモジュール16のワード線スイッチ部WLSWのトランジスタTRや、センスアンプモジュール17のビット線接続部BLHUのトランジスタT8が、メモリ基板W2側に形成される。言い換えると、メモリデバイス1が備えるCMOS回路のうち、ワード線スイッチ部WLSWとビット線接続部BLHUの高耐圧トランジスタが、メモリ基板W2、すなわちメモリセルアレイ10と同一平面(基板)上に形成される。
その結果、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、図32の(C)に示されるように、CMOS回路のトランジスタが、メモリ基板W2と重なる領域から大きくはみ出すことを抑制することができる。言い換えると、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、CMOS基板W1の面積拡大を抑制し、CMOS基板W1及びメモリ基板W2のそれぞれのチップサイズを同等に設計することができる。従って、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリデバイス1のチップサイズの増大を抑制することができる。
また、第1実施形態に係るメモリデバイス1では、メモリ基板W2に設けられたトランジスタの構造が、CMOS基板W1に設けられたトランジスタの構造と異なっている。具体的には、メモリ基板W2に設けられたトランジスタは、絶縁体層36及び60とSTIとによって囲まれることにより、SOI構造を有している。言い換えると、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリ基板W2のSTIと、メモリ基板W2の裏面絶縁膜(絶縁体層60)とによって、メモリ基板W2に設けられたトランジスタのアクティブ領域を孤立化させることが出来る。従って、メモリ基板W2に設けられたトランジスタは、CMOS基板W1に設けられた非SOI構造のトランジスタと比べて、リーク電流を大幅に抑制することができる。また、リーク電流を抑制することができるため、STI間耐圧を増加させることができる。
さらに、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、CMOS基板W1を基準として、メモリ基板W2の上方にCMOS回路を有しない。このため、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリ基板W2の上方にCMOS回路が設けられる場合と比べて、配線層の数を抑制することができ、チップの膜厚を薄くすることができる。従って、第1実施形態に係るメモリデバイス1は、製造コストを抑制することができる。
<2>第2実施形態
第2実施形態に係るメモリデバイス1は、複数のプレーンを備え、少なくとも1つのプレーンの一部の高耐圧トランジスタがメモリ基板W2に設けられた構成を有する。以下に、第2実施形態の詳細について説明する。
第2実施形態に係るメモリデバイス1は、複数のプレーンを備え、少なくとも1つのプレーンの一部の高耐圧トランジスタがメモリ基板W2に設けられた構成を有する。以下に、第2実施形態の詳細について説明する。
<2-1>構成
<2-1-1>メモリデバイス1の全体構成
図33は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の構成の一例を示すブロック図である。図33に示すように、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、複数のプレーンを備える。具体的には、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリセルアレイ10A及び10B、プレーン制御回路80A及び80B、並びに共有回路SCを備える。
<2-1-1>メモリデバイス1の全体構成
図33は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の構成の一例を示すブロック図である。図33に示すように、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、複数のプレーンを備える。具体的には、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリセルアレイ10A及び10B、プレーン制御回路80A及び80B、並びに共有回路SCを備える。
メモリセルアレイ10A及び10Bは、それぞれプレーン制御回路80A及び80Bによって制御される。プレーン制御回路80Aは、メモリセルアレイ10Aに関連付けられたロウデコーダモジュール16やセンスアンプモジュール17などを含む。プレーン制御回路80Bは、メモリセルアレイ10Bに関連付けられたロウデコーダモジュール16やセンスアンプモジュール17などを含む。本例では、プレーン制御回路80Aが分割され、プレーン制御回路80Aが、第1部分801Aと第2部分802Aを備えている。
共有回路SCは、複数のプレーンで共有されるCMOS回路である。具体的には、共有回路SCは、プレーン制御回路80A及び80Bのそれぞれに接続される。共有回路SCは、例えば、入出力回路11、ロジックコントローラ12、レジスタ回路13、シーケンサ14を含む。なお、第2実施形態に係るメモリデバイス1において、プレーン制御回路80と、共有回路SCとに割り当てられるCMOS回路の組み合わせは、メモリデバイス1の設計に応じて変更されてもよい。また、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、3つ以上のプレーンを備えていてもよい。
<2-1-2>メモリデバイス1の構造
次に、第2実施形態に係るメモリデバイス1の構造について説明する
(1:メモリデバイス1の平面レイアウト)
図34は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の平面レイアウトの一例を示す模式図である。図34は、第2実施形態における回路層100(CMOS基板W1)と回路層200(メモリ基板W2)との接合面におけるレイアウトを示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。また、図34では、入出力領域IORの図示が省略されている。図34に示すように、メモリ基板W2は、メモリセルアレイ10Aに対応するメモリ領域MR並びに引出領域HR1及びHR2と、メモリセルアレイ10Bに対応するメモリ領域MR並びに引出領域HR1及びHR2とを有する。
次に、第2実施形態に係るメモリデバイス1の構造について説明する
(1:メモリデバイス1の平面レイアウト)
図34は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の平面レイアウトの一例を示す模式図である。図34は、第2実施形態における回路層100(CMOS基板W1)と回路層200(メモリ基板W2)との接合面におけるレイアウトを示し、CMOS基板W1を基準とした座標軸を表示している。また、図34では、入出力領域IORの図示が省略されている。図34に示すように、メモリ基板W2は、メモリセルアレイ10Aに対応するメモリ領域MR並びに引出領域HR1及びHR2と、メモリセルアレイ10Bに対応するメモリ領域MR並びに引出領域HR1及びHR2とを有する。
そして、第2実施形態では、メモリセルアレイ10Aに対応するワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2とビット線接続部BLHUとが、第1実施形態と同様に、メモリ基板W2に配置されている。メモリセルアレイ10Aに対応するワード線スイッチ部WLSW1及びWLSW2とビット線接続部BLHUとは、プレーン制御回路80Aの第1部分801Aに対応する。そして、プレーン制御回路80Aの第2部分802Aが、CMOS基板W1に配置される。一方で、メモリセルアレイ10Bに対応するプレーン制御回路80Bは、専らCMOS基板W1に配置されている。すなわち、メモリセルアレイ10Bに対応するワード線スイッチ部WLSWとビット線接続部BLHUとは、メモリ基板W2でなく、CMOS基板W1に設けられている。
また、第2実施形態では、各プレーンに対応付けられた回路面積が、CMOS基板W1とメモリ基板W2とで異なっている。本例では、プレーン制御回路80Aの第1部分801Aがメモリ基板W2に配置されることによって、メモリセルアレイ10Aに関連付けられたメモリ領域MRと、引出領域HR1及びHR2と、プレーン制御回路80Aの第1部分801Aとの合計の面積が、プレーン制御回路80Aの第2部分802Aの面積よりも大きくなる。一方で、メモリセルアレイ10Bに関連付けられたメモリ領域MRと、引出領域HR1及びHR2との合計の面積が、プレーン制御回路80Bの面積よりも小さく設計され得る。これにより、CMOS基板W1においてメモリセルアレイ10A及び10Bに関連付けられた部分の面積の合計と、メモリ基板W2においてメモリセルアレイ10A及び10Bに関連付けられた部分の面積の合計とが、略等しく設計され得る。このように、第2実施形態では、メモリセルアレイ10Aの面積と、メモリセルアレイ10Bの面積とが異なっていてもよい。
(2:メモリデバイス1の断面構造)
図35は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の断面構造の一例を示す断面図である。図35は、メモリセルアレイ10Bに対応するメモリ領域MR及び引出領域HRを含むメモリデバイス1の断面を示している。以下では、メモリセルアレイ10Bの積層配線のうち導電体層24(選択ゲート線SGS)とロウデコーダモジュール16との接続と、導電体層27(ビット線BL)と、センスアンプモジュール17との接続を例に説明する。
図35は、第2実施形態に係るメモリデバイス1の断面構造の一例を示す断面図である。図35は、メモリセルアレイ10Bに対応するメモリ領域MR及び引出領域HRを含むメモリデバイス1の断面を示している。以下では、メモリセルアレイ10Bの積層配線のうち導電体層24(選択ゲート線SGS)とロウデコーダモジュール16との接続と、導電体層27(ビット線BL)と、センスアンプモジュール17との接続を例に説明する。
図35に示すように、メモリセルアレイ10Bでは、各積層配線と各ビット線BLとが、メモリ基板W2に設けられたトランジスタでなく、CMOS基板W1に設けられたトランジスタに接続されている。
具体的には、メモリセルアレイ10Bの導電体層24(選択ゲート線SGS)は、コンタクトCC、V0、V1、及びC0~C3と、導電体層28、29、及び53~55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に設けられたトランジスタTR0の不純物拡散領域DRに接続されている。図示が省略されているが、積層配線のうち導電体層24以外の導電体層25及び26も同様に、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPを介して、CMOS基板W1に設けられた回路に接続される。
また、メモリセルアレイ10Bの導電体層27(ビット線BL)は、コンタクトCC、V0、V1、及びC0~C3と、導電体層28、29、及び53~55と、回路層100及び200のそれぞれの接合パッドBPとを介して、CMOS基板W1に設けられたトランジスタT8の不純物拡散領域DRに接続されている。第2実施形態に係るメモリデバイス1のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
<2-2>第2実施形態の効果
以上で説明されたように、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、対応付けられたCMOS回路の一部がメモリ基板W2に設けられたメモリセルアレイ10Aと、対応付けられたCMOS回路がCMOS基板W1のみに設けられたメモリセルアレイ10Bとを備えている。図36の(A)、(B)及び(C)は、それぞれ第3比較例、第4比較例、及び第2実施形態における回路配置の一例を模式的に示している。以下に、メモリデバイス1が4つのプレーンPL1~PL4を備える場合を例に、第2実施形態の効果を説明する。
以上で説明されたように、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、対応付けられたCMOS回路の一部がメモリ基板W2に設けられたメモリセルアレイ10Aと、対応付けられたCMOS回路がCMOS基板W1のみに設けられたメモリセルアレイ10Bとを備えている。図36の(A)、(B)及び(C)は、それぞれ第3比較例、第4比較例、及び第2実施形態における回路配置の一例を模式的に示している。以下に、メモリデバイス1が4つのプレーンPL1~PL4を備える場合を例に、第2実施形態の効果を説明する。
第3比較例は、メモリセルアレイ10と、CMOS回路とが同等の面積で設けられた場合に対応する。図36の(A)に示すように、第3比較例では、CMOS基板W1とメモリ基板W2とがほぼ同じ面積で設計できるため、メモリデバイス1のチップサイズが抑制され得る。
第4比較例は、メモリセルの積層数が多くなり、メモリセルアレイ10よりもCMOS回路の面積が大きくなる場合に対応する。図36の(B)に示すように、第4比較例では、CMOS回路の面積増大に伴い、メモリ基板W2の面積よりも、CMOS基板W1の面積の方が大きくなっている。このため、第4比較例におけるメモリデバイス1のチップサイズは、CMOS基板W1のチップサイズに律速されて大きくなる。
一方で、第2実施形態は、第1実施形態のようにCMOS回路の一部がメモリ基板W2に設けられたプレーンPL4と、メモリセルアレイ10とCMOS回路とが異なる基板に設けられたプレーンPL1~PL3とを備えている。そして、第2実施形態では、図36の(C)に示すように、CMOS基板W1において、プレーンPL4に対応するCMOS回路の面積が、他のプレーンPLに対応するCMOS回路の面積よりも小さく設計され得る。
これにより、メモリ基板W2におけるプレーンPL1~PL4のメモリセルアレイ10と、プレーンPL4の一部のCMOS回路との面積の合計が、CMOS基板W1におけるプレーンPL1~PL3のCMOS回路と、プレーンPL4の残りのCMOS回路との面積の合計と略等しく設計される。つまり、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、第1実施形態で説明された構造を有するプレーンPLと、メモリセルアレイ10とCMOS回路とが異なる基板に設けられたプレーンPLとを備えることによって、メモリ基板W2の面積とCMOS基板W1の面積とが略等しく設計され得る。従って、第2実施形態に係るメモリデバイス1は、メモリデバイス1のチップサイズを抑制することができ、メモリデバイス1の製造コストを抑制することができる。
なお、第2実施形態において、第1実施形態で説明された構造を有するプレーンのメモリセルアレイ10のサイズは、図35を用いて説明されたメモリセルアレイ10Bのサイズと異なっていてもよい。第2実施形態に係るメモリデバイス1は、複数のプレーンPLを備え、当該複数のプレーンPLが、第1実施形態で説明された構造を有するプレーンPLを少なくとも一つ含み、例えば、図36の(C)に示された4つのプレーンPL1~PL4のうちの2つ、または3つが、第1実施形態で説明された構造を有していてもよい。
<3>その他
図37は、組み合わされた2つの接合パッドBPの接合部の断面構造の一例を示す断面図である。図37は、回路層100の接合パッドBPと回路層200の接合パッドBPと、これらの接合パッドBPに接続される一部のコンタクト及び配線を示している。図37に示すように、対向配置される2つの接合パッドBPは、形成時のエッチング方向に基づいて、異なるテーパー形状を有している。具体的には、CMOS基板W1を利用して形成された接合パッドBPは、例えば、逆テーパー形状を有している。メモリ基板W2を利用して形成された接合パッドBPは、例えば、テーパー形状を有している。逆テーパー形状に形成された接合パッドBPは、接合処理により上下に反転されて接合されるため、CMOS基板W1を基準とした場合にテーパー形状とみなされ得る。
図37は、組み合わされた2つの接合パッドBPの接合部の断面構造の一例を示す断面図である。図37は、回路層100の接合パッドBPと回路層200の接合パッドBPと、これらの接合パッドBPに接続される一部のコンタクト及び配線を示している。図37に示すように、対向配置される2つの接合パッドBPは、形成時のエッチング方向に基づいて、異なるテーパー形状を有している。具体的には、CMOS基板W1を利用して形成された接合パッドBPは、例えば、逆テーパー形状を有している。メモリ基板W2を利用して形成された接合パッドBPは、例えば、テーパー形状を有している。逆テーパー形状に形成された接合パッドBPは、接合処理により上下に反転されて接合されるため、CMOS基板W1を基準とした場合にテーパー形状とみなされ得る。
なお、対向配置される2つの接合パッドBPの組は、接合処理時の位置合わせに応じて、ずれて接合され得る。このため、回路層100の接合パッドBPの上面と回路層200の接合パッドBPの下面とは、段差を形成し得る。対向配置される2つの接合パッドBPの組は、境界を有していてもよいし、一体化されていてもよい。接合パッドBPと、当該接合パッドBPに接続されるコンタクトV1、C3とは、一体で形成されてもよい。回路層100の接合パッドBPは、複数のコンタクトC3を介して導電体層55に接続されてもよい。同様に、回路層200の接合パッドBPは、複数のコンタクトV1を介して導電体層29に接続されてもよい。
各実施形態は、種々の変形が可能である。上記実施形態において、メモリデバイス1の回路構成、平面レイアウト、及び断面構造のそれぞれは、適宜変更され得る。例えば、引出領域HRは、少なくとも1つ設けられていればよい。メモリデバイス1は、複数のメモリ領域MRを備えていてもよい。メモリ領域MR、引出領域HR、ワード線スイッチ部WLSW、ビット線接続部BLHU、周辺回路領域PERIの配置は、適宜変更され得る。メモリデバイス1が、複数のメモリ基板W2と複数のCMOS基板W1とにより構成されてもよい。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よい。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もよい。各コンタクトは、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よい。複数のコンタクトの連結部分には、導電体層が挿入されてもよい。メモリデバイス1が備える配線層やコンタクトの数は、適宜変更され得る。
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。メモリピラーMPは、テーパー形状、逆テーパー形状、又はボーイング形状を有していてもよい。同様に、スリットSLT及びSHEのそれぞれが、テーパー形状、逆テーパー形状、又はボーイング形状を有していてもよい。同様に、各コンタクトが、テーパー形状、逆テーパー形状、又はボーイング形状を有していてもよい。メモリピラーMP及び各コンタクトのそれぞれの断面構造は、円形であってもよいし、楕円形であってもよい。
本明細書において“第1基板と第2基板とを接合すること”は、第1基板(CMOS基板W1)上に形成された回路層(100)と、第2基板(メモリ基板W2)上に形成された回路層(200)とを対向させて接合することに対応する。メモリセルアレイ10は、“メモリ回路”と呼ばれてもよい。STI並びにスリットSLT及びSHEのそれぞれは、“絶縁部材”と呼ばれてもよい。本明細書において“接続”は、電気的に接続されていることを示し、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よい。“テーパー形状”は、基準とされる基板から離れるにつれて細くなる形状のことを示している。“逆テーパー形状”は、基準とされる基板から離れるにつれて太くなる形状のことを示している。“柱状”は、メモリデバイス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。“径”は、基板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。“幅”は、例えば、X方向又はY方向における構成要素のサイズのことを示している。“半導体層”は、“導電体層”と呼ばれてもよい。
本明細書において“領域”は、基準とされる基板によって含まれる構成と見なされてもよい。例えば、CMOS基板W1がメモリ領域MRと引出領域HRとを含むと規定された場合、メモリ領域MRと引出領域HRとは、CMOS基板W1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CMOS基板W1とのZ方向の間隔に対応している。“高さ”の基準としては、CMOS基板W1以外の構成が使用されてもよい。“平面位置”は、平面レイアウトにおける構成要素の位置を示している。“上面(平面)視”は、例えば、メモリ基板W2側からCMOS基板W1を見ることに対応する。
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…メモリデバイス、2…メモリコントローラ、10…メモリセルアレイ、11…入出力回路、12…ロジックコントローラ、13…レジスタ回路、14…シーケンサ、15…ドライバ回路、16…ロウデコーダモジュール、17…センスアンプモジュール、20…P型基板部、21…N型不純物拡散領域、22,23…半導体層、24~29…導電体層、30~37…絶縁体層、40…コア部材、41…半導体層、42…積層膜、43…トンネル絶縁膜、44…絶縁膜、45…ブロック絶縁膜、53~55…導電体層、60…絶縁体層、61…導電体層、70…絶縁体層、71…犠牲部材、72…絶縁体層、73~75…犠牲部材、76,77…絶縁体層、78…絶縁体、79…絶縁体層、80…プレーン制御回路、100,200…回路層、300…配線層、C0~C3,V0,V1…コンタクト、MR…メモリ領域、HR…引出領域、IOR…入出力領域、D0~D3,M0,M1,B1,B2…配線層、BLK…ブロック、SU…ストリングユニット、MT…メモリセルトランジスタ、ST1,ST2…選択トランジスタ、BL…ビット線、WL…ワード線、SGD,SGS…選択ゲート線、RD…ロウデコーダ、SAU…センスアンプユニット、T0~T8,T10,T11…トランジスタ、TR0~TR19…トランジスタ、W1…CMOS基板、W2…メモリ基板、WLSW…ワード線スイッチ部、BLHU…ビット線接続部
Claims (5)
- 第1回路層がおもて面に設けられ、CMOS回路を有する第1基板と、
前記第1基板と対向配置され、前記第1回路層と接した第2回路層がおもて面に設けられ、メモリ回路と、SOI(Silicon On Insulator)構造のトランジスタとを有する第2基板と、を備える、
メモリデバイス。 - 前記第2基板上に設けられた第1絶縁体層をさらに備え、
前記第2基板は、前記第2基板を分断して設けられ、且つ前記第1絶縁体層と接した第1絶縁部材と、前記トランジスタが形成されるウェル領域とを有し、
前記第2回路層は、前記第2基板下に設けられた第2絶縁体層と、前記第2絶縁体層下に設けられ、前記ウェル領域と対向配置された前記トランジスタのゲート電極とを有し、
前記トランジスタは、前記第1絶縁部材と前記第1絶縁体層によって島状に絶縁分離されたSOI構造を有する、
請求項1に記載のメモリデバイス。 - 前記第2基板は、N型不純物を含み、且つ前記第2基板のおもて面から裏面に亘って設けられた第1不純物拡散領域を有し、
前記第2回路層は、前記第1不純物拡散領域下に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層下に設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の下方で第1方向に並んで設けられた複数のワード線と、前記第1方向に延伸して設けられ、前記複数のワード線との交差部分がメモリセルとして機能するメモリピラーと、を有し、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層は、前記メモリ回路のソース線の少なくとも一部分として機能し、
前記第2半導体層の前記第1方向に沿った厚さが、前記ゲート電極の前記第1方向に沿った厚さと略等しい、
請求項2に記載のメモリデバイス。 - 前記第2基板は、複数のメモリセルアレイを備え、
前記複数のメモリセルアレイは、前記メモリ回路の少なくとも一部分が前記トランジスタを介して前記CMOS回路に接続された少なくとも1つの第1メモリセルアレイと、前記メモリ回路が前記トランジスタを介さずに前記CMOS回路に接続された少なくとも1つの第2メモリセルアレイとを含む、
請求項1に記載のメモリデバイス。 - 第1回路層がおもて面に設けられ、CMOS回路を有する第1基板と、
前記第1基板と対向配置され、前記第1回路層と接した第2回路層がおもて面に設けられ、メモリ回路を有する第2基板と、を備え、
前記第2基板は、N型不純物を含み、且つ前記第2基板のおもて面から裏面に亘って設けられた第1不純物拡散領域と、前記第1不純物拡散領域と絶縁分離されたウェル領域と、を有し、
前記第2回路層は、前記第1不純物拡散領域下に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層下に設けられた第2半導体層と、前記第2半導体層の下方で第1方向に並んで設けられた複数のワード線と、前記第1方向に延伸して設けられ、前記複数のワード線との交差部分がメモリセルトランジスタとして機能するメモリピラーと、前記メモリセルトランジスタとは異なるトランジスタのアクティブ領域として機能する前記ウェル領域の下方で前記ウェル領域と対向配置された前記トランジスタのゲート電極と、を有し、
前記第1不純物拡散領域、前記第1半導体層及び前記第2半導体層は、前記メモリ回路のソース線として機能し、
前記ウェル領域は、前記第1方向における前記第1不純物拡散領域と対応する位置に配置され、前記ゲート電極は、前記第1方向における前記第2半導体層と対応する位置に配置されている、
メモリデバイス。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022132648A JP2024030086A (ja) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | メモリデバイス |
CN202310592096.4A CN117641942A (zh) | 2022-08-23 | 2023-05-24 | 存储器装置 |
TW112119518A TW202410044A (zh) | 2022-08-23 | 2023-05-25 | 記憶體裝置 |
US18/360,696 US20240074213A1 (en) | 2022-08-23 | 2023-07-27 | Memory device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022132648A JP2024030086A (ja) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | メモリデバイス |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024030086A true JP2024030086A (ja) | 2024-03-07 |
Family
ID=89996153
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022132648A Pending JP2024030086A (ja) | 2022-08-23 | 2022-08-23 | メモリデバイス |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20240074213A1 (ja) |
JP (1) | JP2024030086A (ja) |
CN (1) | CN117641942A (ja) |
TW (1) | TW202410044A (ja) |
-
2022
- 2022-08-23 JP JP2022132648A patent/JP2024030086A/ja active Pending
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310592096.4A patent/CN117641942A/zh active Pending
- 2023-05-25 TW TW112119518A patent/TW202410044A/zh unknown
- 2023-07-27 US US18/360,696 patent/US20240074213A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20240074213A1 (en) | 2024-02-29 |
TW202410044A (zh) | 2024-03-01 |
CN117641942A (zh) | 2024-03-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7520494B2 (ja) | 半導体記憶装置 | |
US11889699B2 (en) | Semiconductor memory device with a plurality of sense ampilifers overlapping a plurality of metal joints | |
CN112750488B (zh) | 半导体存储装置 | |
US20230005957A1 (en) | Semiconductor memory device | |
TWI760734B (zh) | 半導體裝置及半導體裝置之製造方法 | |
JP2024030086A (ja) | メモリデバイス | |
TW202137510A (zh) | 半導體記憶裝置 | |
CN220041401U (zh) | 存储器设备 | |
WO2022130554A1 (ja) | 半導体記憶装置 | |
TWI806090B (zh) | 半導體記憶裝置 | |
US20230420007A1 (en) | Memory device | |
JP2024002881A (ja) | メモリデバイス | |
JP2023141977A (ja) | 半導体装置、半導体記憶装置、及び半導体装置の製造方法 | |
JP2024019886A (ja) | メモリデバイス | |
JP2023132769A (ja) | 半導体記憶装置 | |
CN117255561A (zh) | 半导体存储装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20230106 |