JP2010225631A - Memory cell and method for manufacturing semiconductor diode - Google Patents
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Abstract
【課題】集積度の高いクロスポイント型メモリセルを低コストで提供する。
【解決手段】メモリセルを構成する半導体ダイオードにおいて、カソードと真性半導体層との間、および/またはアノードと真性半導体層との間に、カソードと逆導電型の不純物が低濃度に拡散した追加の半導体層および/またはアノードと逆導電型の不純物が低濃度に拡散した追加の半導体層を設ける。
【選択図】図4A highly integrated cross-point type memory cell is provided at low cost.
In a semiconductor diode constituting a memory cell, an additional impurity in which a cathode and a reverse conductivity type are diffused at a low concentration between a cathode and an intrinsic semiconductor layer and / or between an anode and an intrinsic semiconductor layer. An additional semiconductor layer in which impurities having a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer and / or the anode are diffused at a low concentration is provided.
[Selection] Figure 4
Description
本発明はメモリセルおよび半導体ダイオ−ドの製造方法に関する。 The present invention relates to a memory cell and a method for manufacturing a semiconductor diode.
3次元構造を有するクロスポイント型の半導体記憶装置が備えるメモリセルは、記憶素子の他、これに直列に接続された整流素子を含む。整流素子としては、一般的にPIN/NIPダイオ−ドが用いられる(例えば特許文献1)。この整流素子は、NIPダイオ−ドを例にとって説明すると、例えば多結晶シリコン膜に、N型、P型の不純物を、その両端に拡散させ、中央部に中間層としてIntrinsic状態の多結晶シリコン膜を配置したN+層/Intrinsic層(真性半導体層または高抵抗ベース層と呼ばれる。以下では、単に「真性半導体層」という)/P+層という、3層のド−パント種と濃度の異なるSi膜の積層構造を有するものである。この整流素子には、隣のメモリセルに電圧が印加された時に、迷走電流が流れることを阻止する役割がある。 A memory cell included in a cross-point type semiconductor memory device having a three-dimensional structure includes a rectifying element connected in series to the memory cell in addition to the memory element. As the rectifying element, a PIN / NIP diode is generally used (for example, Patent Document 1). This rectifying element will be described taking an NIP diode as an example. For example, an N-type and P-type impurity is diffused in both ends of a polycrystalline silicon film, and an intrinsic silicon film is formed as an intermediate layer in the central portion. N + layer / intrinsic layer (referred to as an intrinsic semiconductor layer or a high-resistance base layer, hereinafter referred to simply as “intrinsic semiconductor layer”) / P + layer of Si having a different concentration from the three dopant types It has a laminated structure of films. The rectifying element has a role of preventing stray current from flowing when a voltage is applied to the adjacent memory cell.
しかしながら、集積度を向上させるために、ダイオ−ドのサイズを単純にスケ−リングしてN+層、真性半導体層およびP+層を小さくしていくと、真性半導体層が短くなるにつれて、逆バイアス時のダイオ−ドの降伏電圧が低下してしまう。その場合、そもそも、このようなダイオ−ドをクロスポイント型メモリセルに用いている役割である迷走電流を阻止することができない。多結晶シリコンに形成されたNIPダイオードのスケーリングで問題となるのは、その製造工程における熱工程によって、シリコン中にドナ−型、または、アクセプタ−型のド−パントとして注入されたリン、ボロンなどの原子が、シリコン中を熱拡散などの現象によって、N+層、P+層から真性半導体層へ拡散するために、シリコン層の結晶化アニ−ルや、ド−パントの活性化のためのアニ−ルなどの熱工程を含む製造工程を終えた後で、真性半導体層の長さが、その成膜当初にくらべて短くなってしまうことである。多結晶シリコンを成膜した後で、ド−パントを再拡散させるような熱工程として主な工程は、ド−パントをシリコン結晶中で活性化させるための活性化アニ−ルと、次の段階でダイオ−ドのシリコンを成膜する工程であるLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)工程である。特に、3次元構造によって、メモリの集積化を図る場合、1段目のセルを成膜して加工形成した後に、2段目以降が形成されるため、メモリセルの段数を重ねるごとに、1段目のセルの多結晶シリコンダイオ−ドに熱処理がかかることになる。 However, in order to improve the degree of integration, if the size of the diode is simply scaled to make the N + layer, the intrinsic semiconductor layer, and the P + layer smaller, the reverse becomes true as the intrinsic semiconductor layer becomes shorter. The breakdown voltage of the diode at the time of bias is lowered. In that case, stray current, which is the role of using such a diode for the cross-point type memory cell, cannot be prevented in the first place. The problem with scaling of NIP diodes formed on polycrystalline silicon is that phosphorus, boron, etc. implanted as donor-type or acceptor-type dopants into silicon due to the thermal process in the manufacturing process. Atoms diffuse in the silicon from the N + layer and the P + layer to the intrinsic semiconductor layer by a phenomenon such as thermal diffusion, so that the crystallization annealing of the silicon layer and the activation of the dopant can be performed. After finishing a manufacturing process including a thermal process such as annealing, the length of the intrinsic semiconductor layer becomes shorter than the initial film formation. The main steps as a thermal process for re-diffusion of the dopant after the polycrystalline silicon film is formed are the activation anneal for activating the dopant in the silicon crystal, and the next step. This is a LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) step, which is a step of forming a diode silicon film. In particular, when integrating the memory with a three-dimensional structure, the second and subsequent stages are formed after the first stage cell is formed and processed, so that each time the number of memory cell stages is increased, 1 Heat treatment is applied to the polycrystalline silicon diode of the cell in the stage.
このように従来の技術によれば、スケ−リングに対応する小さなダイオ−ドを製造しようとすると、ダイオ−ドの形成の必要な、ドナ−型およびアクセプタ−型の不純物の真性半導体層への熱拡散を抑制することができないという問題があった。 As described above, according to the conventional technique, when a small diode corresponding to scaling is to be manufactured, the donor-type and acceptor-type impurities that require formation of the diode are introduced into the intrinsic semiconductor layer. There was a problem that thermal diffusion could not be suppressed.
本発明の第1の目的は、集積度の高いメモリセルを提供することにある。 A first object of the present invention is to provide a highly integrated memory cell.
また、本発明の第2の目的は、微細な半導体ダイオ−ドを低コストで製造する方法を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide a method for producing a fine semiconductor diode at a low cost.
本発明の第1の態様によれば、平面視において互いに直交するように配置される第1および第2の配線の交点に配置され、前記第1および第2の配線に電気的に接続するとともに互いに直列接続するように形成された記憶素子および整流素子の積層体を備え、前記整流素子は、高濃度の第1導電型の第1の半導体層で構成されるアノードと、真性半導体層と、カソードとを含む半導体ダイオードで形成され、前記半導体ダイオードは、前記アノードと前記真性半導体層との間に形成される低濃度の第2導電型の第2の半導体層、および前記カソードと前記真性半導体層との間に形成される低濃度の第1導電型の第3の半導体層の少なくともいずれかをさらに含む、ことを特徴とするメモリセルが提供される。 According to the first aspect of the present invention, the first and second wirings are arranged at the intersections of the first and second wirings arranged so as to be orthogonal to each other in plan view, and are electrically connected to the first and second wirings. A stack of a memory element and a rectifying element formed so as to be connected in series with each other, the rectifying element including an anode composed of a first semiconductor layer of a high-concentration first conductivity type, an intrinsic semiconductor layer, A semiconductor diode including a cathode, wherein the semiconductor diode is a low-concentration second conductivity type second semiconductor layer formed between the anode and the intrinsic semiconductor layer, and the cathode and the intrinsic semiconductor. There is provided a memory cell further including at least one of a low-concentration first-conductivity-type third semiconductor layer formed between the layers.
また、本発明の第2の態様によれば、第1導電型の不純物が第1の濃度でドープされたカソードとなる第1の半導体層を形成する工程と、第2導電型の不純物が前記第1の濃度よりも低い第2の濃度でドープされた第2の半導体層を前記第1の半導体層の上に形成する工程と、前記第2の半導体層の上にアノードとなる導電層を形成する工程と、熱処理により、前記第1導電型および第2導電型の不純物を活性化させる工程と、を備える半導体ダイオードの製造方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the step of forming the first semiconductor layer serving as the cathode doped with the first conductivity type impurity at the first concentration; Forming a second semiconductor layer doped at a second concentration lower than the first concentration on the first semiconductor layer; and a conductive layer serving as an anode on the second semiconductor layer. There is provided a method of manufacturing a semiconductor diode, comprising a step of forming and a step of activating the impurities of the first conductivity type and the second conductivity type by heat treatment.
本発明によれば、集積度の高いメモリセルが提供される。 According to the present invention, a highly integrated memory cell is provided.
また、本発明によれば、微細な半導体ダイオ−ドを低コストで製造する方法が提供される。 Further, according to the present invention, a method for producing a fine semiconductor diode at a low cost is provided.
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図では同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は必要な場合に限り行う。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is performed only when necessary.
(1)第1の実施の形態
図1は、本発明の第1の実施の形態によるメモリセルを備える半導体記憶装置の概略構造を示す斜視図である。同図に示す半導体記憶装置は、クロスポイント型の3次元構造の記憶装置であり、シリコン基板(図示せず)上のメモリドライバ回路10と、メモリドライバ回路10の上に、上面視において格子をなすように、交互に形成されたワードラインWLおよびビットラインBLと、ワードラインWLとビットラインBLとが交差する各点に形成された、メモリ素子となるMIM(Metal Insulator Metal)キャパシタと整流素子であるダイオードとの積層体を含むピラー状のメモリセルMC1と、を備える。
(1) First Embodiment FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a semiconductor memory device including a memory cell according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor memory device shown in the figure is a cross-point type three-dimensional memory device, and a
図2は、図1のメモリセルMC1の拡大斜視図である。同図に示すように、メモリセルMC1は、直列に接続されたMIMキャパシタ30およびPINダイオード20を含む積層構造を有する。
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the memory cell MC1 of FIG. As shown in the figure, memory cell MC1 has a stacked structure including
MIMキャパシタ30は、メモリ部分となる絶縁物としてアンチヒューズ(AntiFuse)材料または抵抗可変材料の薄膜と、この絶縁膜を間に挟む上部金属膜および下部金属膜とを含み、メモリ素子の記憶部分としての役割を果たす。例えば絶縁膜としてアンチヒューズ(AntiFuse)材料を用いる場合は、任意のアンチヒューズ(Antifuse)である絶縁膜をワードラインWLおよびビットラインBLを介して十分に高い電圧を印加して絶縁破壊を生じさせることにより、その箇所のMIMキャパシタの抵抗値を下げることできる。抵抗値が下がっている状態のセルが(1)(ハイ)であり、抵抗値が下がっていない、すなわち絶縁破壊を起こしていない絶縁材料がある状態が(0)(ロー)であるとすると、読み込み時には、ワードラインWLとビットラインBLを通じて、任意のメモリセルMC1に対し所望の低い電圧をダイオード20の順方向に印加することで、そのときの電流をセンサアンプで読み取れば、アンチヒューズ(Antifuse)たる絶縁膜が破壊されていない状態(0)なのか、絶縁膜が破壊された後(1)なのかを判断することができる。
The
したがって、このメモリに情報を書き込む(Bitを“1”にする)場合には、アンチヒューズ(Antifuse)を絶縁破壊するということが不可逆的な処理であるので、書き込みは1回しかできない。その場合は、この記憶装置はワンタイムプログラミング(One Time Programming(以下、単に「OTP」という))の記憶装置となる。また、このMIMキャパシタの絶縁膜として抵抗変化材料を用いた場合は、その抵抗変化の状態によって、絶縁膜のような抵抗の高い状態なのか、抵抗が低い状態にするかで、ダイオードの順方向に対して、ある規定の電圧の下での電流を変動できるため、何回でも書き込みが可能な、不揮発性のメモリとなる。 Therefore, when information is written in this memory (bit is set to “1”), the dielectric breakdown of the antifuse is an irreversible process, so that writing can be performed only once. In that case, the storage device is a storage device for one-time programming (hereinafter referred to simply as “OTP”). In addition, when a variable resistance material is used as the insulating film of the MIM capacitor, the forward direction of the diode depends on whether the resistance change state is a high resistance state such as an insulating film or a low resistance state. On the other hand, since the current under a predetermined voltage can be varied, the nonvolatile memory can be written any number of times.
OTPにせよ、抵抗変化材料による不揮発性メモリでせよ、任意のメモリセルにのみ電圧を印加するためには、所望のワードラインWLとビットラインBLとの間に電圧を印加することになるが、隣り合う他のメモリセルに、図3の回路図に示すような迷走電流が生じることを防ぐのが、それぞれのメモリセルに備えられているダイオードである。このダイオードにより、逆バイアスに印加された時に、逆方向電流を防ぐことで、迷走電流を止めることができる。このダイオード素子を多結晶シリコンなどで形成した時には、その逆方向電流の降伏耐圧を確保することが、ダイオードのスケーリング時には必要である。 In order to apply a voltage only to an arbitrary memory cell, whether it is OTP or a nonvolatile memory using a resistance change material, a voltage is applied between a desired word line WL and a bit line BL. It is a diode provided in each memory cell that prevents stray current as shown in the circuit diagram of FIG. 3 from occurring in other adjacent memory cells. With this diode, stray current can be stopped by preventing reverse current when applied to reverse bias. When this diode element is formed of polycrystalline silicon or the like, it is necessary to ensure the breakdown voltage of the reverse current when the diode is scaled.
図4は、図2に示すメモリセルMC1の具体的構成を示す略示断面図である。本実施形態のメモリセルMC1は、バリア金属膜BM2を介してワードラインWL上に形成されたPINダイオード20と、バリア金属膜BM4を介してPINダイオード20の上に形成されたMIMキャパシタ30とを備える。MIMキャパシタ30は、下部金属電極膜310と、上部金属電極膜330と、これらの金属電極膜の間に介挿され、抵抗変化材料を用いた絶縁膜320とを含む。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of memory cell MC1 shown in FIG. The memory cell MC1 of the present embodiment includes a
本実施形態のメモリセルMC1の特徴点は、PINダイオード20の構造にあり、アノードをなすP+シリコン半導体層250と、真性半導体層230と、カソードをなすN+シリコン半導体層210とに加え、P+シリコン半導体層250と真性半導体層230との間にアノード電極の導電型と逆導電型の不純物が拡散されたN−シリコン半導体層240と、真性半導体層230とN+シリコン半導体層210との間に、カソード電極の導電型と逆導電型の不純物が拡散されたP−型シリコン半導体層220とをさらに含む点にある。このような低濃度の逆導電体層をアノード・カソードと真性半導体層との間にそれぞれ配置することにより、製造時のアニーリング工程において隣接するP+シリコン半導体層250のドーパントおよびN+シリコン半導体層210のドーパントと打ち消し合ってこれらのドーパントが真性半導体層に拡散することが抑制される。図5(a)および(b)は本実施形態によるダイオード20の濃度分布図およびバンド構造を示し、また、図6(a)および(b)は比較例として従来の技術によるPINダイオードの濃度分布図およびバンド構造を示す。これらの対比により明らかなように、本実施形態のPINダイオード20では、アノード電極およびカソード電極の各半導体層内のドーパントが真性半導体層230に移動することが抑制され、かつ、そのバンド構造もなだらかな形状を有して真性半導体層の領域が充分に確保されていることが分かる。なお、本実施形態において、P+シリコン半導体層250は例えば第1の半導体層に対応し、N−シリコン半導体層240は例えば第2の半導体層に対応し、P−型シリコン半導体層220は例えば第3の半導体層に対応し、N+シリコン半導体210は例えば第4の半導体層に対応する。
The feature of the memory cell MC1 of the present embodiment is the structure of the
次に、図4に示すメモリセルMC1の製造方法について図7乃至図10の略示断面図を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing the memory cell MC1 shown in FIG. 4 will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS.
まず、図示しない基板の表面に形成されたSiO2等の層間絶縁膜IF1に図7(a)に示すように、トレンチTRを形成し、タングステン(W)等の金属でワ−ドライン(下部電極)WLを形成する。 First, as shown in FIG. 7A, a trench TR is formed in an interlayer insulating film IF1 such as SiO 2 formed on the surface of a substrate (not shown), and a word line (lower electrode) is formed with a metal such as tungsten (W). ) WL is formed.
次に、図7(b)に示すように、ワ−ドラインWL上のバリアメタル層として、チタンナイトライド(TiN)膜BM1を形成する。 Next, as shown in FIG. 7B, a titanium nitride (TiN) film BM1 is formed as a barrier metal layer on the word line WL.
次いで、リン(P)を大量に含んだアモルファスシリコンを全面に成膜させて図7(c)に示すようにダイオードのカソードとなるN+半導体層206を形成し、続いて微量のボロン(B)を含んだアモルファスシリコンを全面に成膜させて図7(d)に示すようにP−半導体層216を形成する。次いで、微量のリン(P)を含んだアモルファスシリコンを全面に成膜させて図7(e)に示すようにN−半導体層236を形成し、さらに、ボロン(B)を大量に含んだアモルファスシリコンを全面に成膜させて図8(a)に示すように、ダイオードのアノードとなるP+半導体層246を形成する。 Next, amorphous silicon containing a large amount of phosphorus (P) is deposited on the entire surface to form an N + semiconductor layer 206 serving as a cathode of the diode as shown in FIG. 7C, and then a small amount of boron (B ) Is formed on the entire surface to form a P − semiconductor layer 216 as shown in FIG. Next, amorphous silicon containing a small amount of phosphorus (P) is formed on the entire surface to form an N − semiconductor layer 236 as shown in FIG. 7E, and further, amorphous containing a large amount of boron (B). Silicon is deposited on the entire surface to form a P + semiconductor layer 246 that becomes the anode of the diode as shown in FIG.
より具体的には、例えば複数枚のシリコンウェ−ハを同時に処理できる縦型バッチ処理式のLPCVD装置を用いる場合は、LPCVD装置の反応室の温度を500℃近傍に設定した上で、まず、第1層となるN+シリコン半導体層206を形成するため、モノシランガス(SiH4)ガスとホスフィン(PH3)ガスと、キャリアガスを供給して、1×1021atom/cc以上の濃度のリン(P)を含んだアモルファスシリコン膜を5nm形成した後に、同じLPCVD装置にて、真空状態を開放させることなく、窒素ガスによるパ−ジ、または、真空によるパ−ジを繰り返して、LPCVD装置内部に残留するホスフィンガス、シランガスの分圧を、その必要に応じて下げた後に、LPCVD装置の温度を同じく500℃近傍に調整して、3塩化ボランガスを微量とモノシランガスを混合した雰囲気にて、ボロン(B)を約1×1018atom/ccの微量に含んだアモルファスシリコンを30nm程度成膜させることにより第2層となるP−半導体層216を形成する。同じく必要なパ−ジを施した後、真空状態を開放させること無く、ホスフィンの流量を微量にして、モノシランを流すことにより、約1E×1018atom/ccの微量のリン(P)を含んだ約アモルファスシリコンを30nm成膜させてN−半導体層236を形成し、その後、同じくパ−ジをして、真空状態を開放させることなく、第4層たるP+半導体層246を形成するために、3塩化ボランガスとモノシランガスによって、約1×1021atom/ccのボロンを含むアモルファスシリコン膜を成膜する。これにより、ボロン、リンの濃度が異なる4層からなるアモルファスシリコン膜の積層体が形成される。なお、本実施形態において、N+半導体層206は例えば第1の半導体層に対応し、P−半導体層216は例えば第2の半導体層に対応する。
More specifically, for example, when using a vertical batch processing type LPCVD apparatus capable of processing a plurality of silicon wafers simultaneously, after setting the temperature of the reaction chamber of the LPCVD apparatus to around 500 ° C., In order to form the N +
上述の工程において、ダイオ−ドの順方向の電流を確保するために、積層体のそれぞれの層間に自然酸化膜などの絶縁膜を介在させないことが望ましい。このため、4つの層を1度に、真空状態、窒素雰囲気状態など、大気、酸素、水蒸気などの酸化雰囲気を排除した状態で行うことが望ましい。また、その目的のため、ひとつのLPCVD反応室から被処理シリコンウェ−ハを搬出することなく、連続的に、4つの層を1つの反応室で成膜することも有効である。 In the above-described process, it is desirable not to interpose an insulating film such as a natural oxide film between the respective layers of the multilayer body in order to ensure a forward current of the diode. For this reason, it is desirable to perform the four layers at a time in a state where an oxidizing atmosphere such as air, oxygen, and water vapor is excluded, such as a vacuum state and a nitrogen atmosphere state. For this purpose, it is also effective to continuously form four layers in one reaction chamber without carrying out the silicon wafer to be processed from one LPCVD reaction chamber.
また、アクセプタ−となるボロン、ドナ−となるリンと、それぞれ異なるタイプの不純物の間のクロスコンタミネ−ションを避けるために、二つの反応室を具備して、その間を窒素雰囲気や真空状態で、大気などに曝すことなくウェ−ハを搬送できるように配置したマルチチャンバ−式の成膜装置を使用することも有効である。また、各層の成膜に際して縦型LPCVD炉の温度制御は、各成膜条件において、バッチ処理されたウェ−ハ上で、成膜される膜厚が均一になるようにそれぞれ調整されたものを用いる。また、3塩化ボランを多量に含む第4層の成膜にあたっては、その炉の設定中心温度を450℃程度まで低温化させることによって、成膜中のシリコンの結晶化を防いでアモルファスの状態を維持することができる。このアモルファスの状態を維持することが、シリコン膜の表面のモホロジ−を平坦にするために有効である。特に、本実施形態のように3次元構造に積み増すような場合には、平坦性を確保するが、積層した次の層の加工形状を良好にすることに有効である。 In addition, in order to avoid cross-contamination between boron, which is an acceptor, phosphorus, which is a donor, and different types of impurities, two reaction chambers are provided, with a nitrogen atmosphere or vacuum between them. It is also effective to use a multi-chamber film forming apparatus arranged so that the wafer can be conveyed without being exposed to the atmosphere. In addition, the temperature control of the vertical LPCVD furnace during film formation of each layer is adjusted so that the film thickness to be formed is uniform on the batch-processed wafer under each film formation condition. Use. In addition, in the formation of the fourth layer containing a large amount of borane trichloride, the center temperature of the furnace is lowered to about 450 ° C., thereby preventing the crystallization of silicon during the film formation and maintaining the amorphous state. Can be maintained. Maintaining this amorphous state is effective for flattening the surface morphology of the silicon film. In particular, in the case where the three-dimensional structure is accumulated as in the present embodiment, the flatness is ensured, but it is effective in improving the processed shape of the next layer that is stacked.
その後、MIMキャパシタ30を形成するため、図8(b)に示すように、P+半導体層246の上にバリアメタル層BM3を形成して、その後に、600℃、1分程度の熱工程を加える。これにより、上述した4層の積層体からなるアモルファスシリコン層が多結晶シリコン層の積層体に変わる。この方法では、最初の成膜時のアモルファスシリコンの表面モホロジ−を維持するので、平坦性を確保したままで、ダイオ−ドの電流特性に好適な多結晶シリコンに変換することができる。
Thereafter, in order to form the
次いで、バリアメタル層BM3上に、下部電極金属膜308、抵抗可変材料膜318および上部電極金属膜328を順次に形成する。その後、ピラー形状に加工するため、図8(c)に示すように、ハ−ドマスク材としてシリコン酸化膜HM1を低温のPE(Plasma Enhanced)CVDにて形成した上で、図9(a)および(b)に示すように、レジストを用いたパタ−ニングによりハ−ドマスクHM2を形成し、RIE(Reactive Ion Etching)工程を経ることによって、図10(a)に示すように、第1乃至第4の半導体層でなる積層体とMIMキャパシタ30とを含むピラー状素子がマトリクスをなすように配置されている状態を形成する。この工程により、従前のN+半導体層206、P−半導体層216、N−半導体層236およびP+半導体層246は、それぞれN+半導体層208、P−半導体層218、N−半導体層238およびP+半導体層248となる。
Next, a lower
ピラー状素子を形成した後は、図10(b)に示すように、シリコン酸化膜によってピラー間を埋め戻すことにより、ピラー状素子を絶縁膜IF3で覆い、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により上面を平坦化して、図11(a)に示すように、ピラーの上部と絶縁膜の上部とを揃える。 After the pillar-shaped element is formed, as shown in FIG. 10B, the pillar-shaped element is covered with the insulating film IF3 by backfilling the space between the pillars with a silicon oxide film, and the upper surface is formed by CMP (Chemical Mechanical Polishing). After planarization, as shown in FIG. 11A, the upper part of the pillar and the upper part of the insulating film are aligned.
その後は、図11(b)に示すように、タングステン(W)により上部配線たるビットラインBLを形成する。 After that, as shown in FIG. 11B, the bit line BL as the upper wiring is formed of tungsten (W).
以上の工程により、タングステン(W)の上下配線BL,WLの間に、シリコンダイオ−ドおよびMIMキャパシタを含むピラーを形成することができる。 Through the above steps, a pillar including a silicon diode and an MIM capacitor can be formed between the upper and lower wirings BL and WL of tungsten (W).
さらに、以上の工程を繰り返すことにより、さらに上方へ同一構造のメモリセルを積層していくことにより、図1に示すような三次元型の半導体記憶装置を形成することができる。所望の段数に至るまで積層体を形成した後は、約900℃で約5秒のRTA(Rapid Thermal Annealing)処理により、多結晶シリコン中にド−ピングしたリンおよびボロンを活性化すれば、N+、P+拡散層の多結晶シリコンをダイオードのカソード電極およびアノ−ド電極としてそれぞれ形成することができ、このとき、N+半導体層208およびP+半導体層248は、それぞれN+半導体層210(カソード)およびP+半導体層250(アノード)となり、P−半導体層218およびN−半導体層238は、P−半導体層220、真性半導体層230およびN−半導体層240となり、図4に示すメモリセルMC1を得ることができる。
Further, by repeating the above steps and further stacking memory cells having the same structure upward, a three-dimensional semiconductor memory device as shown in FIG. 1 can be formed. After forming the laminated body up to the desired number of stages, if phosphorus and boron doped in polycrystalline silicon are activated by RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment at about 900 ° C. for about 5 seconds, N The polysilicon of the + and P + diffusion layers can be formed as a cathode electrode and an anode electrode of the diode, respectively. At this time, the N + semiconductor layer 208 and the P + semiconductor layer 248 are respectively formed as the N + semiconductor layer 210. (Cathode) and P + semiconductor layer 250 (anode), and P − semiconductor layer 218 and N − semiconductor layer 238 become P − semiconductor layer 220,
図12は、本実施形態の製造方法により、ダイオ−ド20の多結晶シリコン部分において、それぞれドナ−およびアクセプタ−を形成するリンとボロンの濃度を模式的に表したグラフである。同図の紙面上部のグラフは、成膜直後の濃度分布を示し、紙面下部のグラフは全ての熱工程を終了した後の濃度分布を示している。
FIG. 12 is a graph schematically showing the concentrations of phosphorus and boron forming donors and acceptors in the polycrystalline silicon portion of the
N+半導体層208、P−半導体層218、N−半導体層238およびP+半導体層248の成膜後に、上述した結晶化アニ−ルや、活性化のためのRTA処理を行うことで、熱拡散が生じる。そのとき、N+半導体層208に隣接して配置された、比較的に濃度の薄いP−半導体層218のド−パントがN+半導体層208のド−パントと交じり合って互いに打ち消し合うように拡散するため、熱拡散によってN+半導体層208のド−パントが真性半導体層へ移動する際の実効的な距離を小さい値に維持することができる。P+半導体層248についても同様に、隣接して配置された比較的濃度の薄いN−半導体層238のド−パントがP+半導体層248のド−パントとお互いに混じり合って打ち消すように拡散をしてP+半導体層248との境界位置の変動を抑え、P+半導体層248のド−パントの熱拡散による移動距離を実効的に小さなものにすることができる。その結果、中央付近に配置したN−第3半導体層238とP−第2半導体層218との接合部分は、十分に不純物濃度が低い部分であるため、熱工程終了後に真性半導体層230として機能する。逆に、全ての熱工程の終了後にそのような濃度になるように、初期のN−第1半導体層206およびP−第4半導体層246の濃度、並びにそれぞれの位置を設定することが肝要である。
After the N + semiconductor layer 208, the P − semiconductor layer 218, the N − semiconductor layer 238, and the P + semiconductor layer 248 are formed, heat treatment is performed by performing the above-described crystallization annealing or RTA treatment for activation. Diffusion occurs. Then, disposed adjacent to the N + semiconductor layer 208, a thin density relatively P - de of the semiconductor layer 218 - punt de of N + semiconductor layer 208 - are intermingled with punt as cancel each other Therefore, the effective distance when the dopant of the N + semiconductor layer 208 moves to the intrinsic semiconductor layer by thermal diffusion can be maintained at a small value. Similarly, the P + semiconductor layer 248, thin relatively concentration disposed adjacent N - de of the semiconductor layer 238 - punt of P + semiconductor layer 248 de - diffusion to cancel and mingled in Punt and each other Thus, the fluctuation of the boundary position with the P + semiconductor layer 248 can be suppressed, and the movement distance due to the thermal diffusion of the dopant of the P + semiconductor layer 248 can be effectively reduced. As a result, N was placed near the center - the
このように、本実施形態の製造方法によれば、カソ−ドとなる第1の半導体層に隣接して第1の半導体層の不純物と逆導電型の不純物を低濃度にド−プした第2の半導体層を形成し、同様に、アノ−ドとなる第4の半導体層に隣接して第4の半導体層の不純物と逆導電型の不純物が低濃度にド−プされた第3の半導体層をいずれもアモルファスシリコンの状態で形成し、最後の熱工程により多結晶シリコンの積層体とするので、第1と第2の半導体層の間、および、第3と第4の半導体層の間で不純物が打ち消し合い、第1および第4の半導体層における不純物の真性半導体層への拡散が抑制され、ダイオ−ドの整流機能を維持しながら真性半導体層の厚みを薄くすることができる。これにより低コストで微細なダイオ−ドが提供されるので集積度の高いメモリセルが提供される。 As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the first semiconductor layer serving as the cathode is adjacent to the first semiconductor layer, and the impurity having the opposite conductivity type to the impurity of the first semiconductor layer is doped at a low concentration. Similarly, the third semiconductor layer is doped with an impurity of a conductivity type opposite to that of the fourth semiconductor layer adjacent to the fourth semiconductor layer to be an anode. Since all the semiconductor layers are formed in the state of amorphous silicon and are formed into a stacked body of polycrystalline silicon by the final thermal process, the first and second semiconductor layers and the third and fourth semiconductor layers are formed. The impurities cancel each other out, diffusion of impurities into the intrinsic semiconductor layer in the first and fourth semiconductor layers is suppressed, and the thickness of the intrinsic semiconductor layer can be reduced while maintaining the rectifying function of the diode. As a result, a fine diode is provided at a low cost, and a highly integrated memory cell is provided.
(2)第2の実施の形態
図13は、本発明の第2の実施の形態によるメモリセルの概略構造を示す略示断面図である。図4に示すメモリセルMC1との対比により明らかなように、本実施形態のメモリセルMC2は、図4の半導体ダイオ−ド20に代えて半導体ダイオ−ド40を備える。半導体ダイオ−ド40において、アノ−ドをなすP+半導体層250の直下に形成された低濃度のN−半導体層240を含む点は図4の半導体ダイオ−ド20と同一であるが、カソ−ドをなすN+半導体層210と真性半導体層232との間にP−半導体層が設けられていない。このような配置にすることにより、P−半導体層を設けるプロセスを省略することができるので、製品のコストをさらに低減させることができる。この一方、熱拡散としてはボロン(B)の拡散が支配的であるため、アノ−ドをなすP+半導体層250のドーパントの熱拡散に対策を講じることが重要であるため、最終製品の要求仕様によってはカソ−ドをなすN+半導体層210に隣接してP−半導体層を設ける必要はない。
(2) Second Embodiment FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a schematic structure of a memory cell according to a second embodiment of the present invention. As apparent from comparison with the memory cell MC1 shown in FIG. 4, the memory cell MC2 of this embodiment includes a
(3)第3の実施の形態
図14は、本発明の第3の実施の形態によるメモリセルの概略構造を示す略示断面図である。
(3) Third Embodiment FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a schematic structure of a memory cell according to a third embodiment of the present invention.
図4に示すメモリセルMC1では多結晶シリコンによるダイオード20が用いられていたが、本実施形態のメモリセルMC3の特徴はSiGe膜を用いて形成されたダイオード50を備える点にある。ダイオード5のその他の構成は図4のダイオード20と実質的に同一である。本実施形態では、P+SiGe半導体層550が例えば第1の半導体層に対応し、N−SiGe半導体層540が例えば第2の半導体層に対応し、また、P−SiGe半導体層520が第3の半導体層に対応し、さらに、N+SiGe半導体層510が例えば第4の半導体層に対応する。
In the memory cell MC1 shown in FIG. 4, the
このように、多結晶シリコンよりもバンドギャップの小さいSiGeを用いることで、キャリアの移動度を向上させ、順方向の電流を増加させることができる。なお、同様に、多結晶ゲルマニウムによるダイオードでも、さらに順方向の電流を増加させることができる。 Thus, by using SiGe having a band gap smaller than that of polycrystalline silicon, carrier mobility can be improved and a forward current can be increased. Similarly, a forward current can be increased even in a diode made of polycrystalline germanium.
(4)第4の実施の形態
図15は、本発明の第4の実施の形態によるメモリセルの概略構造を示す略示断面図である。図4に示すメモリセルMC1との対比により明らかなように、本実施形態のメモリセルMC4の特徴は、図4のPINダイオ−ド20に代えてショットキーバリアダイオ−ド60を備える点にある。ショットキーバリアダイオ−ド60は、N+シリコン半導体層210(アノード)と、P−シリコン半導体層220と、真性半導体層640と、NiSi2(ニッケルダイシリサイド)(カソード)でなる金属薄膜650がワードラインWL側からMIM30側へ順次に形成された積層体で構成される。本実施形態においても、アノードをなすN+シリコン半導体層210に隣接してN+シリコン半導体層210のドーパントの真性半導体層640への拡散を抑制するP−シリコン半導体層220が設けられているので、ダイオ−ドの整流機能を維持しながら真性半導体層640の厚みを薄くすることができる。これにより低コストで微細なダイオ−ドが提供されるので集積度の高いメモリセルが提供される。
(4) Fourth Embodiment FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a schematic structure of a memory cell according to a fourth embodiment of the present invention. As is clear from comparison with the memory cell MC1 shown in FIG. 4, the feature of the memory cell MC4 of this embodiment is that a
ショットキーバリアダイオ−ド60の製造方法としては、上述した第1の実施の形態において、図7(a)乃至(d)までは同一の工程を使用し、その後、図16(a)に示すように、アンドープのアモルファスシリコン層636を成膜する。その後、アンドープのアモルファスシリコン層636の上に、図16(b)に示すように、ニッケル金属薄膜648を形成してシリサイドさせることにより、ニッケルダイシリサイド(NiSi2)の金属薄膜650をシリコン膜の上部に形成すればよい。これにより、N+/Intrinsic(真性半導体層)/NiSi2によるショットキーダイオードを形成することができる。金属薄膜を構成するシリサイドとしてはNiSi2に限るものでは決してなく、ロジウム(Rh)シリサイド、白金(Pt)シリサイド、タングステン(W)シリサイド、チタン(Ti)シリサイドでもよい。なお、ダイオード60とMIMキャパシタ30との間に介挿されるバリア金属膜としては、窒化チタン(TiN)や窒化タンタル(TaN)などの導電性を有する金属化合物、コバルトシリサイド(CoSi)、チタンシリサイド(TiSi)、タングステンシリサイド(WSi)およびニッケルシリサイド(NiSi)などの金属シリサイドの他、タングステン(W)等の高融点金属が好ましい。
As a method of manufacturing the
(5)その他
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限るものでは決してなく、その技術的範囲内で適宜変更して適用できることは勿論である。上記実施形態では、整流素子としてPINダイオードとショットキーダイオードを取り上げて説明したが、本発明はこれらのダイオードに限定されるものではなく、例えばMIS(Metal Insulator Semiconductor)ダイオードなど、半導体層の空乏化を用いて整流特性を得る整流素子全般に適用できることは勿論である。また、上記第1乃至第3の実施の形態ではビットラインBLからMIM30を介してワードラインWLへ電流を流すPIN型の半導体ダイオードについて説明したが、これに限るものでは無く、第4の実施の形態におけるショットキーバリアダイオード60のように、ワードラインWLからビットラインへ電流を流すNIP型ダイオードにも適用できることは勿論である。さらに、ダイオードとMIMとのピラー構造についても、ワードラインWL側からこの順序で積層する必要は全くなく、製品の仕様に応じてワードラインWL側からMIM→ダイオードの順に積層する態様でもよい。
(5) Others Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied within the technical scope. In the above embodiment, the PIN diode and the Schottky diode have been described as the rectifying elements. However, the present invention is not limited to these diodes. For example, the semiconductor layer is depleted such as a MIS (Metal Insulator Semiconductor) diode. Needless to say, the present invention can be applied to all rectifying elements that obtain rectifying characteristics by using. In the first to third embodiments, the PIN type semiconductor diode for flowing current from the bit line BL to the word line WL via the
20,40,50,60:半導体ダイオード
30:MIMキャパシタ
206,208:N+アモルファスシリコン半導体層
210,510:N+半導体層
216,218:P−アモルファスシリコン半導体層
220,520:P−半導体層
230,232,530,640:真性半導体層
240,540:N−半導体層
246,248:Bドープ高濃度半導体層
250,550:P+半導体層
648,650:NiSi2層
BL:ビット線
MC1〜MC4:メモリセル
WL:ワード線
20, 40, 50, 60: Semiconductor diode 30: MIM
Claims (5)
前記整流素子は、高濃度の第1導電型の第1の半導体層で構成されるアノードと、真性半導体層と、カソードとを含む半導体ダイオードで形成され、
前記半導体ダイオードは、前記アノードと前記真性半導体層との間に形成される低濃度の第2導電型の第2の半導体層、および前記カソードと前記真性半導体層との間に形成される低濃度の第1導電型の第3の半導体層の少なくともいずれかをさらに含む、
ことを特徴とするメモリセル。 A memory element that is arranged at the intersection of first and second wirings arranged so as to be orthogonal to each other in plan view, and is electrically connected to the first and second wirings and connected in series to each other And a laminate of rectifying elements,
The rectifying element is formed of a semiconductor diode including an anode composed of a high-concentration first conductive type first semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a cathode;
The semiconductor diode includes a low-concentration second conductivity type second semiconductor layer formed between the anode and the intrinsic semiconductor layer, and a low concentration formed between the cathode and the intrinsic semiconductor layer. And further including at least one of the third semiconductor layer of the first conductivity type.
A memory cell characterized by the above.
第2導電型の不純物が前記第1の濃度よりも低い第2の濃度でドープされた第2の半導体層を前記第1の半導体層の上に形成する工程と、
前記第2の半導体層の上にアノードとなる導電層を形成する工程と、
熱処理により、前記第1導電型および第2導電型の不純物を活性化させる工程と、
を備える半導体ダイオードの製造方法。 Forming a first semiconductor layer serving as a cathode doped with an impurity of a first conductivity type at a first concentration;
Forming a second semiconductor layer doped with an impurity of a second conductivity type at a second concentration lower than the first concentration on the first semiconductor layer;
Forming a conductive layer to be an anode on the second semiconductor layer;
Activating the impurities of the first conductivity type and the second conductivity type by heat treatment;
A method for manufacturing a semiconductor diode.
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