JP5636212B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
半導体基板の第1領域に形成された第1半導体素子を有する第1構造体と、
前記第1構造体上に、前記第1半導体素子と絶縁されて形成された金属膜と、
前記金属膜上に、前記金属膜と絶縁されて形成された第2半導体素子を有する第2構造体と、
前記半導体基板の第2領域に形成され、前記金属膜と絶縁された第3半導体素子を有する第3構造体と、
前記第1半導体素子および前記第2半導体素子と前記第3構造体とをそれぞれ電気的に接続する第1接続部材および第2接続部材と、
を有し、
前記金属膜は前記第1接続部材および前記第2接続部材よりも低い熱伝導度を有しているものである。
(a)半導体基板上に、第1半導体素子を有する第1構造体を形成する工程と、
(b)前記第1構造体上に、前記第1半導体素子と平面的に重なるように前記第1半導体素子と絶縁された第1金属膜を形成する工程と、
(c)前記第1金属膜上に、前記第1金属膜と絶縁された第2半導体素子を有する第2構造体を形成する工程と、
を有し、
前記(c)工程では、前記第2半導体素子を形成する際にレーザーにより熱処理を行うものである。
本実施の形態では、自己整列した複数のメモリセルをビットラインとワードラインとの交点に垂直に配置形成するクロスポイント型のメモリマトリクスを有し、選択素子としてダイオードを有し、記憶素子として相変化メモリを有する半導体装置について説明する。
前記実施の形態1では、クロスポイント型の相変化メモリを有する半導体装置について説明した。本実施の形態では、縦型チェインメモリ型の相変化メモリを有する半導体装置の構造について、図23〜図40を用いて説明する。
本実施の形態では、CMISFETにより構成される論理回路を含む半導体装置について説明する。図41に、本実施の形態の半導体装置を示す。図41に示すように、本実施の形態のCMISFET(以下単にCMISと言う)は半導体基板1上に複数のCMISを積層した構造を有している。半導体基板1の上面には素子分離領域3が複数形成されており、素子分離領域3同士の間の半導体基板1の上面にはpウエル4aまたはnウエル4bが形成されている。pウエル4a上およびnウエル4b上にはそれぞれゲート絶縁膜GOXを介してゲート電極GATEが形成されており、ゲート電極GATEの側壁にはサイドウォールSWが形成されている。サイドウォールSWは例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいはそれらの積層膜からなる絶縁膜であり、サイドウォールSWの下部のpウエル4aまたはnウエル4bのそれぞれの上面にはエクステンション領域5a、5bがそれぞれ形成されている。
2 素子分離層
3 素子分離領域
4a pウエル
4b nウエル
5a、5b エクステンション領域
6a、6b 不純物拡散層
7 シリサイド層
8 金属配線
11 ワード線
11a タングステン膜
12 p型層
12a p型アモルファスシリコン膜
12c p型ポリシリコン膜
13 n型層
13a ノンドープアモルファスシリコン膜
13b n型アモルファスシリコン膜
13c n型ポリシリコン膜
14 シリサイド層
15 下部電極
15a 金属膜
16 相変化材料層
17 上部電極
17a 金属膜
18 ビット線
18a タングステン膜
19 金属膜
21 ワード線
22 p型層
22c p型ポリシリコン膜
23 n型層
23c n型ポリシリコン膜
24 シリサイド層
25 下部電極
26 相変化材料層
27 上部電極
28、38、48 ビット線
29 金属膜
31、41 ワード線
39 金属膜
46 相変化材料
50、70 不純物拡散層
52〜57、72〜77 絶縁膜
58、78 チャネルポリシリコン膜
59 絶縁膜
61、81 第1ポリシリコン膜
62、82 第2ポリシリコン膜
63、83 第3ポリシリコン膜
64、84 第4ポリシリコン膜
103 素子分離領域
105a pウエル
105b nウエル
An nMIS形成領域
Ap pMIS形成領域
BL1、BL2 ビット線
C1〜C4、CP、CP1a〜CP4a コンタクトプラグ
CP1b〜CP3b、CP2、CP2b コンタクトプラグ
DIF 拡散層
FL1 配線
GATE ゲート電極
GF 絶縁膜
GL1〜GL3、GL2〜GL3 ゲート配線
GOX ゲート絶縁膜
GR ゲート保護膜
GWC コンタクトプラグ
HL 孔部
IF、IF1、IF1a、IF1b、IF2a、IF2b、IF3b 層間絶縁膜
IFc、IFd、ILD1、ILD2 層間絶縁膜
IFg 絶縁膜
M1 金属配線
M1a〜M4a、M1b〜M4b、M2a、M2b 配線層
MC1 下層メモリセル
MC2 上層メモリセル
MF 金属膜
ML1〜ML4 配線
Qn n型MISFET
Qp p型MISFET
SMC 選択セル
ST 電界効果トランジスタ
STGL1 ゲート配線
SW サイドウォール
Sb シリコン膜
USMC 非選択セル
WL1、WL2 ワード線
Claims (19)
- 半導体基板の第1領域に形成された第1半導体素子を有する第1構造体と、
前記第1構造体上に、前記第1半導体素子と第1層間絶縁膜を介して絶縁されて形成された金属膜と、
前記金属膜上に、前記金属膜と第2層間絶縁膜を介して絶縁されて形成された第2半導体素子を有する第2構造体と、
前記半導体基板の第2領域に形成され、前記金属膜と絶縁された第3半導体素子を有する第3構造体と、
前記第1半導体素子および前記第2半導体素子と前記第3構造体とをそれぞれ電気的に接続する第1接続部材および第2接続部材と、
を有し、
前記金属膜は前記第1接続部材および前記第2接続部材よりも低い熱伝導度を有し、
前記金属膜は波長3μm以上の光に対し、前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜よりも高い反射率を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記金属膜は前記第1半導体素子と平面的に重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記金属膜は、複数の元素からなる化合物または合金からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第2半導体素子はポリシリコン膜を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ポリシリコン膜はレーザーによる熱処理を行うことで形成されていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
- 前記第2半導体素子は、
前記半導体基板の主面の第1方向に延在するストライプ状の複数の第1配線と、
前記複数の第1配線のそれぞれの上部に所定の間隔をおいて形成され、前記複数の第1配線のそれぞれと電気的に接続された複数のダイオードと、
前記複数のダイオードのそれぞれの上に形成され、前記複数のダイオードと電気的に接続された複数の不揮発性メモリと、
前記複数の不揮発性メモリ上に形成され、前記複数の不揮発性メモリと電気的に接続された、前記第1方向と直交する第2方向に延在するストライプ状の複数の第2配線と、
を有し、
前記複数のダイオードのそれぞれは第1導電型の多結晶半導体層および第2導電型の多結晶半導体層が積層された柱状の積層構造を有し、
前記複数の不揮発性メモリのそれぞれは前記複数のダイオードのそれぞれの上に順に積層された第1金属電極膜、相変化材料層および第2金属電極膜からなる柱状の積層構造を有し、
前記複数の第1配線および前記複数の第2配線は、前記複数の不揮発性メモリを選択するワード線およびビット線を構成していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記第2半導体素子は、
前記半導体基板の主面上に形成された第1導電膜と、
前記第1導電膜上に交互に積層された複数の第2絶縁膜および複数の第2導電膜と、
前記複数の第2絶縁膜および前記複数の第2導電膜は前記第1導電膜の上面に達する複数の孔を有し、
前記複数の孔のそれぞれの内壁に、前記内壁に沿って前記内壁側から順に形成された、第3絶縁膜、チャネル半導体層および前記複数の孔の底部において前記第1導電膜と電気的に接続された相変化材料層と、
前記チャネル半導体層上および前記第2絶縁膜上に形成され、前記半導体基板の主面に沿う方向にストライプ状に延在する複数の第2配線と、
を有し、
前記複数の第2導電膜、前記第3絶縁膜、前記チャネル半導体層、および前記相変化材料層により構成された複数の不揮発性メモリを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1半導体素子は相変化材料層を有する不揮発性メモリであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第2半導体素子は、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の下部の前記半導体基板を挟むように前記半導体基板の主面に形成された複数の不純物拡散層と、
を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - (a)半導体基板上に、第1半導体素子を有する第1構造体を形成する工程と、
(b)前記第1構造体上に、前記第1半導体素子と平面的に重なるように前記第1半導体素子と絶縁された第1金属膜を形成する工程と、
(c)前記第1金属膜上に、前記第1金属膜と絶縁された第2半導体素子を有する第2構造体を形成する工程と、
(d)前記半導体基板上に、前記第1金属膜と絶縁された第3半導体素子を有する第3構造体を形成する工程と、
(e)前記第3半導体素子と前記第1半導体素子とを電気的に接続する第1接続部材を形成する工程と、
(f)前記第3半導体素子と前記第2半導体素子とを電気的に接続する第2接続部材を形成する工程と、
を有し、
前記第1金属膜は前記第1接続部材および前記第2接続部材よりも熱伝導度が低く、
前記(c)工程では、前記第2半導体素子を形成する際に前記第1金属膜により反射されるレーザーにより前記半導体基板の上面側から熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1半導体素子および前記第2半導体素子の少なくとも一方はメモリであり、
前記第3半導体素子は前記メモリの周辺回路であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 - 前記(c)工程では、アモルファスシリコン膜を前記レーザーにより熱処理することで多結晶化し、ポリシリコン膜を形成することを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザーの波長は3μm以上であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザーによる熱処理の時間は10ms以下であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レーザーによる熱処理の温度は1000℃以上であることを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2半導体素子は、
(g1)前記第1構造体上に第1半導体膜、第2金属膜、前記第2金属膜と電気的に接続された第1導電型の半導体層および第2導電型の半導体層を順次形成する工程と、
(g2)前記第1導電型の半導体層および前記第2導電型の半導体層を前記レーザーを用いて熱処理する工程と、
(g3)前記(g2)工程の後、前記第2導電型の半導体層上に第1金属電極膜、相変化材料層および第2金属電極膜を順次形成する工程と、
(g4)前記半導体基板の主面に沿う第1方向に沿って前記第2金属電極膜、前記相変化材料層、前記第1金属電極膜、前記第2導電型の半導体層、前記第1導電型の半導体層および前記第2金属膜をストライプ状に加工して、前記第2金属膜からなる複数の第1配線と、前記第2金属電極膜、前記相変化材料層、前記第1金属電極膜、前記第2導電型の半導体層および前記第1導電型の半導体層を含む複数の第1パターンとを形成し、
(g5)前記複数の第1配線同士の間および前記複数の第1パターン同士の間を第1絶縁膜で埋め込んだ後、前記複数の第1パターンのそれぞれの上面を露出させる工程と、
(g6)前記第1絶縁膜上および前記第2金属電極膜上に、前記第2金属電極膜と電気的に接続された第3金属膜を形成する工程と、
(g7)前記第1方向と直交する第2方向に沿って前記第3金属膜、前記第1絶縁膜および前記複数の第1パターンをストライプ状に加工して、前記第3金属膜からなる複数の第2配線、前記第1絶縁膜および前記複数の第1パターンを含む複数の第2パターンを形成し、前記第1金属電極膜、前記相変化材料層および前記第2金属電極膜からなる複数の不揮発性メモリを形成する工程と、
(g8)前記複数の第2パターン同士の間を層間絶縁膜で埋め込んだ後、前記層間絶縁膜の上面を平坦化する工程と、
により形成されることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2半導体素子は、
(h1)前記第1構造体上に第1半導体膜および第1導電膜を順次形成する工程と、
(h2)前記第1導電膜上に複数の第2絶縁膜と複数の第2導電膜とを交互に積層する工程と、
(h3)前記複数の第2絶縁膜および前記複数の第2導電膜を貫き前記第1導電膜の上面を露出する複数の孔を形成する工程と、
(h4)前記複数の孔の内壁に第3絶縁膜およびチャネル半導体層を順次形成した後、前記チャネル半導体層をレーザーにより熱処理した後、前記複数の孔の底部の前記第3絶縁膜および前記チャネル半導体層をエッチバックし、前記第1導電膜の上面を露出する工程と、
(h5)前記複数の孔内に相変化材料層を形成して前記複数の孔内を埋める工程と、
(h6)前記相変化材料層をエッチバックして前記チャネル半導体層の上面を露出させ、前記第2導電膜、前記第3絶縁膜、前記チャネル半導体層および前記相変化材料層からなる複数の不揮発性メモリを形成する工程と、
(h7)前記(h6)工程の後、前記チャネル半導体層上に、前記チャネル半導体層と電気的に接続された第3金属膜を形成する工程と、
(h8)前記半導体基板の主面に沿う第1方向に直交する第2方向に沿って前記第3金属膜をストライプ状に加工し、前記第3金属膜からなる第2配線を形成する工程と、
により形成されることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 - 前記(h2)工程では、前記第1導電膜上に前記複数の第2絶縁膜と第2半導体膜からなる前記複数の第2導電膜とを交互に積層し、前記複数の第2導電膜のそれぞれをレーザーによって熱処理することを特徴とする請求項17記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2半導体素子は、
(i1)前記第1構造体上に第1半導体膜、絶縁膜および第2半導体膜を順次形成する工程と、
(i2)前記絶縁膜および前記第2半導体膜をパターニングし、前記絶縁膜からなるゲート絶縁膜と、前記第2半導体膜からなるゲート電極とを形成する工程と、
(i3)前記ゲート電極をマスクとして前記第1半導体膜の上面に不純物を打ち込み、複数の不純物拡散層を形成した後、前記不純物拡散層をレーザーによって熱処理する工程と、
(i4)前記ゲート電極上および前記不純物拡散層上に複数のシリサイド層を形成する工程と、
により形成された、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記不純物拡散層を含む電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
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