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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023180601
(43)【公開日】2023-12-21
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H10B 63/10 20230101AFI20231214BHJP
   H10N 70/00 20230101ALI20231214BHJP
【FI】
H01L27/105 449
H01L45/00 A
H01L45/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022094032
(22)【出願日】2022-06-10
(71)【出願人】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100176599
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100205095
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 啓一
(74)【代理人】
【識別番号】100208775
【弁理士】
【氏名又は名称】栗田 雅章
(72)【発明者】
【氏名】野田 光太郎
(72)【発明者】
【氏名】野田 恭子
(72)【発明者】
【氏名】藤井 章輔
(72)【発明者】
【氏名】新屋敷 悠介
(72)【発明者】
【氏名】大出 裕之
【テーマコード(参考)】
5F083
【Fターム(参考)】
5F083FZ10
5F083GA27
5F083JA36
5F083JA37
5F083JA39
5F083JA40
5F083JA56
5F083JA60
5F083PR21
5F083PR22
5F083PR40
(57)【要約】
【課題】ディッシングおよび膜剥がれを抑制することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施の形態に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、複数のメモリセルを含む第1領域と、前記半導体基板上に設けられ、前記第1領域に隣接する第2領域と、前記第2領域に設けられ、第1の側面と前記第1の側面に交差する第2の側面を有するアライメントマークと、前記第2領域に設けられ、前記第1の側面および前記第2の側面に沿って設けられる複数のパターンと、を備える。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、複数のメモリセルを含む第1領域と、
前記半導体基板上に設けられ、前記第1領域に隣接する第2領域と、
前記第2領域に設けられ、第1の側面と前記第1の側面に交差する第2の側面を有するマークと、
前記第2領域に設けられ、前記第1の側面および前記第2の側面に沿って設けられる複数のパターンと、
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記複数のパターンはライン状に配置される、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記複数のパターンはマトリックス状に配置される、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記複数のパターンのそれぞれの幅は前記マークの幅よりも小さい、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記複数のパターンのそれぞれの幅は10μm以下である、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記複数のパターンは、前記メモリセルと略同一の積層構造を有する、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記マークと前記複数のパターンとの距離は2.5μm以上4μm以下である、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記マークは絶縁膜を含む、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第1領域はチップ領域であり、前記第2領域はカーフ領域である、請求項1に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
膜の抵抗変化を利用した抵抗変化メモリ(ReRAM)が知られている。ReRAMの一種として、膜の記憶領域における結晶状態とアモルファス状態との間の熱的な相転移による抵抗値変化を利用した相変化メモリ(PCM)がある。また、2つの異なる合金を繰り返し積層した超格子型のPCMは、少ない電流で膜を相変化させることができるため、省電力化が容易な記憶装置として注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許第9583538号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ディッシングおよび膜剥がれを抑制することが可能な半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施の形態に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、複数のメモリセルを含む第1領域と、前記半導体基板上に設けられ、前記第1領域に隣接する第2領域と、前記第2領域に設けられ、第1の側面と前記第1の側面に交差する第2の側面を有するアライメントマークと、前記第2領域に設けられ、前記第1の側面および前記第2の側面に沿って設けられる複数のパターンと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
図1】実施形態に係る半導体装置を示す上面図。
図2】メモリセルアレイの構造を示す上面図。
図3】メモリセルアレイに配置されるメモリセルの模式的鳥瞰図。
図4】第1の実施形態に係るアライメントマークを示す上面図。
図5】微細パターンを模式的に示す上面図。
図6】メモリセルおよび微細パターンの積層構造を示す模式的な断面図。
図7】実施形態の半導体装置の製造方法について説明する模式的な断面図。
図8図7に続いて、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する模式的な断面図。
図9図8に続いて、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する模式的な断面図。
図10図9に続いて、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する模式的な断面図。
図11図10に続いて、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する模式的な断面図。
図12】比較例に係るアライメントマークを示す上面図。
図13】第1の変形例に係るアライメントマークを示す上面図。
図14】第2の変形例に係るアライメントマークを示す上面図。
図15】第2の実施形態に係るアライメントマークを示す上面図。
図16】比較例に係るアライメントマークを示す上面図。
図17】変形例に係るアライメントマークを示す上面図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なる。
【0008】
(第1の実施形態)
本実施形態に係る半導体装置について図1を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る半導体装置のレイアウトを示す上面図である。なお、図1および以降の図面では、半導体装置の表面に平行な平面をX-Y平面とする。
【0009】
半導体装置1は、セル部AYおよび周辺部PEを含むチップ領域CRを複数有する。図1に示すように、それぞれのチップ領域CRの間にはカーフ領域KERが設けられている。セル部AYにはメモリセルアレイMAが例えばマトリックス状に配置される。メモリセルアレイMAの構造については後述する。
【0010】
周辺部PEはセル部AYを取り囲むように配置される。周辺部PEにはセル部AYを制御するロジック回路などが配置される。
【0011】
カーフ領域KERは、ダイシング工程において、ダイサーのブレードで切断されるスクライブ領域として機能する。また、カーフ領域KER内には、後述するアライメントマークが設けられる。
【0012】
つづいて、メモリセルアレイMAの構造について、図2を参照して説明する。図2は、メモリセルアレイMAの構造を示す上面図である。図4に示すように、複数の第1配線層(ビット線)11と、複数の第2配線層(ワード線)12と、複数の第1配線層11と複数の第2配線層12とのそれぞれの交差部に配置された複数のメモリセル10とを備える。
【0013】
つぎに、本実施形態に係る半導体装置のメモリセル10の構造について図3を参照して説明する。図3は、メモリセルアレイMAに配置されるメモリセル10の模式的鳥瞰図である。
【0014】
本実施形態に係る半導体装置のメモリセル10は、図3に示すように、第1配線層11と第2配線層12との間に直列接続された記憶素子と、セレクタ22とを有する。記憶素子は、抵抗変化膜24を有する。なお、後述する導電膜23および導電膜25も含めて記憶素子とする場合がある。
【0015】
抵抗変化膜24は、相対的に抵抗が低い状態(セット状態)と抵抗が高い状態(リセット状態)とを電気的にスイッチング可能で、データを不揮発に記憶する。セレクタ22は、選択したメモリセルへ電気的にアクセス(フォーミング/書き込み/消去/読出し)する際の回り込み電流(sneak current)を防止する。
【0016】
第1配線層11及び第2配線層12を通じて、相対的に抵抗が低い低抵抗状態(セット状態)の抵抗変化膜24にリセット電圧が印加されると、抵抗変化膜24は相対的に抵抗が高い高抵抗状態(リセット状態)に切り替わることができる。
【0017】
高抵抗状態(リセット状態)の抵抗変化膜24に、リセット電圧よりも高いセット電圧が印加されると、抵抗変化膜24は低抵抗状態(セット状態)に切り替わることができる。
【0018】
抵抗変化膜24は、複数のカルコゲナイド化合物の層が積層された超格子構造により形成される。抵抗変化膜24に用いられるカルコゲナイド化合物は、例えば、Sb2Te3等のアンチモンテルル及びGeTe等のゲルマニウムテルルのように、2つ以上のカルコゲナイド化合物から構成される。相変化を安定させるために、このカルコゲナイド化合物の一種はアンチモン(Sb)又はビスマス(Bi)を含むことが好ましい。
【0019】
セレクタ22は、遷移金属のカルコゲナイド化合物により形成される。このカルコゲナイド化合物は、例えば、チタン(Ti)、バナジウム(V)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びハフニウム(Hf)からなる群より選択された1種以上の遷移金属と、硫黄(S)、セレン(Se)及びテルル(Te)からなる群より選択された1種以上のカルコゲン元素との化合物である。
【0020】
抵抗変化膜24は、導電膜25と導電膜23との間に配置されている。導電膜25及び導電膜23は、金属膜または金属窒化膜である。
【0021】
導電膜25と第2配線層12との間には、電極層26が配置されている。第1配線層11、第2配線層12及び電極層26には、例えば、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、または、それらの窒化物などを適用可能である。
【0022】
第1配線層11とセレクタ22との間には、導電膜21が配置されている。導電膜21は、金属膜または金属窒化膜である。導電膜21は、例えば、チタン窒化物(TiN)、タングステン(W)、銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等の導電性材料であっても良い。導電膜21は、第1配線層11に接続されている。
【0023】
導電膜21、23は、セレクタ22の層間の元素の拡散を防止する。同様に、導電膜23、25は、抵抗変化膜24の層間の元素の拡散を防止する。
【0024】
また、導電膜21、23は、セレクタ22の密着性を高める。同様に、導電膜23、25は、抵抗変化膜24の密着性を高める。
【0025】
つづいて、第1の実施形態に係るアライメントマークについて図4から図6を参照して説明する。第1の実施形態に係るアライメントマークは、例えば、リソグラフィの位置合わせ等に使用される。
【0026】
まず、第1の実施形態に係るアライメントマークについて、図4を参照して説明する。図4は、第1の実施形態に係るアライメントマークのレイアウトを示す図であり、図1の領域Aを拡大した上面図である。なお、領域Aはアライメントマークの位置を例示したものであり、カーフ領域KERのどこに設けられてもよい。また、領域Aは複数設けられてもよい。
【0027】
図4に示すように、第1の実施形態に係るアライメントマークは、マーク31および文字マーク32を備える。マーク31は、アライメントの際に位置合わせの指標となるマークである。文字マーク32は、アライメントマークを識別するために設けられる。マーク31および文字マーク32は、X方向に長さを有する第1の側面と、Y方向に長さを有する第2の側面と備える。図4では、文字マーク32を設ける例を示したが、文字マーク32は設けられなくてもよい。マーク31および文字マーク32は、アライメントマークの一例である。
【0028】
第1の実施形態において、マーク31および文字マーク32はそれぞれ複数有してよい。マーク31は、例えばX方向に延び、Y方向にそれぞれ間隔を有して配列される。または、マーク31は、例えばY方向に延び、X方向にそれぞれ間隔を有して配列される。つまり、図4に示すように、複数のマーク31が配列して集合を成すことでアライメントパターンを形成する。
【0029】
図4に示すように、図1の領域Aは、微細パターン33をさらに備える。微細パターン33は、マーク31および文字マーク32とその周囲を除く領域を埋めるように設けられる。微細パターン33は、マーク31および文字マーク32の第1の側面および第2の側面に沿って設けられる。マーク31、文字マーク32および微細パターン33のそれぞれの間には、層間絶縁膜34が設けられる。層間絶縁膜34は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁性の材料を含む。なお、微細パターン33とマーク31の距離Dは2.5μm以上4μm以下であることが望ましい。これは、マーク31の視認性を高くするためである。
【0030】
図5は、微細パターン33のレイアウトを模式的に示した図である。微細パターン33のレイアウトとしては、例えば、図5(a)に示すように微細パターン33が正方形であり、それぞれがマトリックス状に配置されたものや、図5(b)に示すように微細パターン33がライン状のものなどがあげられる。または、図5(a)および図5(b)の両方を備えていてもよい。微細パターン33のそれぞれの間には、例えば層間絶縁膜を有する。なお、微細パターン33の幅W2は、図4に示すマーク31の幅W1よりも小さいことが望ましい。より具体的には10μm以下であることが望ましい。これは、マーク31の視認性を高くするためである。
【0031】
図6はメモリセル10および微細パターン33の積層構造を示す模式的な断面図である。セル部AYにはメモリセル10の、カーフ領域KERには微細パターン33の積層膜が示されている。図6に示すように、微細パターン33は、セル部AYに配置されるメモリセル10を構成する積層膜(21、22、23、24、25、26)と略同一構造の積層膜を有する。また、マーク31および文字マーク32も微細パターン33と同様にメモリセル10と略同一の積層構造を有する。なお、図6では図示していないが、メモリセル10と微細パターン33との間には、例えば、セル部AYを制御するロジック回路などが配置されていてもよい。
【0032】
つぎに、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図7から図11を参照して説明する。
【0033】
まず、図7に示すように、セル部AYおよびカーフ領域KERの半導体基板9上に第1配線層111を形成し、第1配線層111上にメモリセル10及び微細パターン33となる積層膜110(121、122、123、124、125、126)を積層する。すなわち、第1配線層111上に、導電膜121、セレクタ122、導電膜123、抵抗変化膜124、導電膜125及び電極層126を、順に形成する。そして、リソグラフィ等によってマスク127を形成する。半導体基板は、たとえばシリコン基板を含む。
【0034】
つぎに、図8に示すように、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により、セル部AYの積層膜110及び第1配線層111をX方向に延伸するライン状に加工し、カーフ領域KERの積層膜110及び第1配線層111をマトリックス状あるいはライン状に加工する。その結果、セル部AYには積層膜10Cが、カーフ領域KERには積層膜10Mが形成される。
【0035】
つぎに、図9に示すように、層間絶縁膜34を形成し、化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)技術などを用いて、上部を平坦化する。この結果、積層膜10Cや積層膜10Mの間に層間絶縁膜34が埋め込まれる。
【0036】
層間絶縁膜34としては、例えば、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が挙げられ、例えば、ALD(Atomic Layer Deposition)法、低圧CVD(Chemical Vapor Deposition)、流動性(flowable)CVD法などにより形成される。
【0037】
つぎに、図10に示すように、第2配線層12となる金属層112を形成する。
【0038】
つぎに、図11に示すように、図示しないマスクを用いたRIE法により、セル部AYの金属層112をY方向に延伸するライン状に加工し、第2配線層12を形成する。これと同時に、カーフ領域KERの金属層112をマトリックス状あるいはライン状に加工する。図11では、セル部AYの金属層112とカーフ領域KERの金属層112のいずれも、Y方向に延伸するライン状に加工される場合を例示している。
【0039】
セル部AYおよびカーフ領域KERの複数の第2配線層12は、隙間をあけてX方向に配列され、X方向で隣り合う第2配線層12間には、積層膜10Cの上面(電極層26の上面)、及び層間絶縁膜34の上面が露出する。
【0040】
つぎに、図示しないマスクを用いたRIE法により、ライン状に加工された第2配線層12の間の下の積層膜及び層間絶縁膜34をさらに加工し、第2配線層12と第1配線層11との交差部分に、メモリセル10を形成する。これと同時に、カーフ領域KERの積層膜110及び第1配線層111をマトリックス状あるいはライン状に加工し、微細パターン33を形成する。
【0041】
そして、加工によって生じた空間に層間絶縁膜34を埋め込み、化学的機械研磨(CMP)技術などを用いて、平坦化する。この結果、第2配線層12、積層膜10Cや積層膜10Mの間に層間絶縁膜34が形成される。
【0042】
なお、マーク31および文字マーク32も微細パターン33と同様の工程で作成することが出来る。
【0043】
このようにして、第1の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【0044】
つづいて、本実施形態に係る半導体装置の効果について比較例を参照して説明する。
【0045】
図12は、第1の比較例に係る半導体装置のアライメントマークのレイアウトを示す図である。図13に示すように、第1の比較例に係る半導体装置のアライメントマークは、アライメントマーク領域3にマーク31および文字マーク32を備える。第1の比較例に係る半導体装置のアライメントマークは、第1の実施形態に係るアライメントマークと比較して微細パターン33を有しておらず、マーク31および文字マーク32を除く領域が層間絶縁膜34で覆われる。すなわち、第1の実施形態と比較して、より広い領域が層間絶縁膜34で構成されている。なお、マーク31および文字マーク32は第1の実施形態と同様にメモリセル10と同一の積層構造を有する。
【0046】
第1の比較例に係る半導体装置のアライメントマークでは、層間絶縁膜34を形成した後に行われるCMPにおいて、層間絶縁膜34が曲面状に過剰に研磨され、ディッシングが発生しやすいという特徴を有している。これは、層間絶縁膜34が、マーク31および文字マーク32を構成する積層構造と比較してCMPの研磨レートが高いことに起因する。ディッシングが発生すると、その後のリソグラフィでのアライメントのデフォーカス等の悪影響を及ぼす可能性がある。
【0047】
一方で、図4に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置のアライメントマークは、マーク31および文字マーク32を除く領域に微細パターン33が設けられている。マーク31、文字マーク32および微細パターン33を除く領域は第1の比較例と同様に層間絶縁膜34で覆われている。これにより、微細パターン33を構成する積層構造がCMPによる研磨のストッパとなる。さらに、微細パターン33の配置により、層間絶縁膜34で覆われた領域を狭くすることができる。そのため、研磨によってできる曲面を浅くかつ狭くすることができ、ディッシングの発生を抑えることが出来る。
【0048】
(第1の変形例)
つづいて、第1の実施形態に係る第1の変形例について、図13を参照して説明する。
【0049】
第1の変形例は図13に示すように、領域Aの外周部およびマーク31と文字マーク32との間に微細パターン33を配置する。このような配置にすることで、少なくとも、微細パターン33を配置した領域の近傍では第1の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【0050】
(第2の変形例)
つぎに、第1の実施形態に係る第2の変形例について、図14を参照して説明する。
【0051】
第2の変形例は図14に示すように、領域Aの外周部にのみ微細パターン33を配置してもよい。このようにすることで、微細パターン33を配置した領域の近傍では第1の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【0052】
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態に係る半導体装置1のアライメントマークについて、図15を参照して説明する。図15は第2の実施形態に係るアライメントマークを示す図であり、図1の領域Aを拡大した上面図である。なお、アライメントマーク以外の構成は第1の実施形態と同様である。
【0053】
図15に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1のアライメントマークは、マーク41、文字マーク42および微細パターン33を備える。マーク41は、アライメントの際に位置合わせの指標となるマークである。文字マーク42は、マークの識別のために設けられる。図15では、文字マーク42を設ける例を示したが、文字マーク42は設けられなくてもよい。第2の実施形態に係るアライメントマークは、マーク41および文字マーク42が層間絶縁膜で構成されており、微細パターン33がマーク41および文字マーク42の外周に沿う方向に並ぶ。層間絶縁膜は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁性の材料を含む。
【0054】
つづいて、第2の実施形態に係る半導体装置1の効果について比較例を参照して説明する。図16は、比較例に係る半導体装置のアライメントマークを示す図である。図16に示すように、比較例に係る半導体装置のアライメントマークは微細パターン33を有しておらず、メモリセル10と同一の積層構造43がマーク41および文字マーク42に接する。比較例に係る半導体装置のアライメントマークは、層間絶縁膜を形成した後に行われるCMPにおいて、メモリセル10の抵抗変化膜24と導電膜25との間で膜剥がれが発生しやすいという特徴を有している。これは、抵抗変化膜24と導電膜25との密着性が低いことに起因する。CMPによって抵抗変化膜24と導電膜25との界面にヨレが発生してしまい、膜剥がれの原因となる。抵抗変化膜24と導電膜25との界面のヨレは積層構造43の占める面積が大きいほど発生しやすくなる。
【0055】
一方で、図15に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置1のアライメントマークは、積層構造43の代わりに、マトリクス状またはライン状に分断された微細パターン33が設けられている。そのため、CMPによる抵抗変化膜24と導電膜25との界面のヨレの発生を抑制することができる。(変形例)
【0056】
つづいて、第2の実施形態に係る半導体装置1の変形例について、図17を参照して説明する。
【0057】
変形例は図17に示すように、マーク41および文字マーク42から離れた位置に微細パターン33が配置されている。マーク41と微細パターン33との間、および文字マーク42と微細パターン33との間にはメモリセル10と同一の積層構造43を有する。つまり、第2の実施形態のアライメントマークと第1の実施形態のアライメントマークとでは、マーク41および層間絶縁膜34(図4参照)の構成が反対となっている。微細パターン33を配置した領域の近傍では第2の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【0058】
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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【0059】
1…半導体装置、AY…セル部、PE…周辺部、CR…チップ領域、KER…カーフ領域、MA…メモリセルアレイ、9…半導体基板、10…メモリセル、11…第1配線層、12…第2配線層、21、23、25…導電膜、22…セレクタ、24…抵抗変化膜、26…電極層、31、41…マーク、32、42…文字マーク、33…微細パターン、34…層間絶縁膜
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17