半導体装置および半導体装置の製造方法
【課題】良好な性能の半導体装置を低コストで提供する。
【解決手段】実施形態による半導体装置の製造方法は、非晶質シリコン膜を成膜する工程と、該非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、マイクロ波を用いたアニーリングにより上記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向で上記非晶質シリコン膜の内部へシリコンを結晶成長させる工程と、を持つ。
【解決手段】実施形態による半導体装置の製造方法は、非晶質シリコン膜を成膜する工程と、該非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、マイクロ波を用いたアニーリングにより上記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向で上記非晶質シリコン膜の内部へシリコンを結晶成長させる工程と、を持つ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、シリコン(Si)で構成される整流素子(セレクター)の形成方法として、下部電極上に、シリコンの結晶化温度よりも低い温度で不純物を含むアモルファスシリコンを堆積し、その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)でアモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を同時に行う方法がある。
【0003】
しかしながら、この方法では、例えばPIN(P−type/I−type/N−type)型のダイオードに適用した場合、下部電極を種結晶として使用するため、アモルファスシリコン層の膜厚方向へ結晶化が進行し(図4B参照)、下部電極から上部電極の方向へ縦方向に貫くように結晶粒界が形成される(図4D参照)。このため、この粒界を通して電流が流れ、オフ電流が大きくなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−289963号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、良好な性能の半導体装置を低コストで提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態による半導体装置の製造方法は、非晶質シリコン膜を成膜する工程と、該非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、マイクロ波を用いたアニーリングにより上記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向で上記非晶質シリコン膜の内部へシリコンを結晶成長させる工程と、を持つ。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施の一形態による半導体装置の主要部を示す断面図。
【図2】実施の一形態による半導体装置の製造方法の概略フローを示す図。
【図3A】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3B】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3C】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3D】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3E】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3F】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3G】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3H】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3I】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3J】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4A】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4B】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4C】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4D】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図5A】比較例におけるRTA前後の不純物プロファイルを示す図。
【図5B】図2に示す半導体装置の製造方法におけるアニール前後の不純物プロファイルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、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。添付図面において、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。
【0009】
(1)半導体装置
まず、実施の一形態による半導体装置について説明する。図1は、本実施形態であるPIN型ダイオードを含むReRAM(Resistance Change Random Access Memory)の主要部を示す断面図である。本実施形態において、PIN型ダイオードはReRAMの抵抗変化膜に電流を流すための素子として使用される。
【0010】
図1に示すReRAMは、PIN型ダイオード20と、PIN型ダイオード20上に順に積層された下部電極200、抵抗変化膜210および上部電極220を備える。
【0011】
PIN型ダイオード20は、下部電極1と、積層体LP10と、上部電極10とを備える。積層体LP10は、下部電極1上に順に形成された、N型多結晶シリコン層12、ノンドープ(I型)多結晶シリコンチャネル層13およびP型多結晶シリコン層14を含む。上部電極10は、P型多結晶シリコン層14の上に配置される。本実施形態において、I型多結晶シリコンチャネル層13は例えばノンドープの第1の半導体層に対応する。また、N型多結晶シリコン層12およびP型多結晶シリコン層14は、例えば互いに逆導電型の第2および第3の半導体層にそれぞれ対応する。
【0012】
本実施形態によるダイオードの第1の特徴は、従来のデバイスと比較して大粒径の多結晶シリコンで積層体LP10が形成されている点にある。これにより、従来よりも抵抗が小さくなり、優れた動作特性を発揮する。
【0013】
また、本実施形態によるダイオードの第2の特徴は、図5Aおよび図5Bを参照して後に詳述する通り、積層体LP10がマイクロ波の照射によりアモルファスシリコン積層体を結晶化・活性化することにより形成されているので、N型多結晶シリコン層12およびP型多結晶シリコン層14の各不純物はI型多結晶シリコンチャネル層13に拡散しない。この結果、従来のデバイスと比較してオフ電流が抑制される。
【0014】
さらに、本実施形態によるダイオードの第3の特徴は、積層体LP1内に形成されたシリコン結晶の粒界GB1が、N型多結晶シリコン層12の底面からP型多結晶シリコン層14の頂面へ貫くように形成されることなく、積層体LP1の両側面間を貫くように形成されている点にある。これにより、OFF時に結晶粒界を通して下部電極1と上部電極10との間に大きなオフ電流が流れるという問題が解消される。
【0015】
このように、本実施形態によれば、オフ電流が小さく良好な性能を有する半導体装置が提供される。本実施形態の半導体装置は、例えば次記する製造方法により低コストで製造することが可能である。
【0016】
(2)半導体装置の製造方法
まず、本実施形態による半導体装置の製造方法の概略工程を図2のフロー図を参照しながら説明する。
【0017】
すなわち、図示しない基板上に下部電極を形成した後(ステップS1)、アモルファスシリコンのPIN積層体を下部電極上に形成する(ステップS2)。
【0018】
次に、各PIN積層体の側面に接するように種結晶を作成し(ステップS3)、低温でマイクロ波アニールを実行し(ステップS4)、これにより、PIN積層体の膜厚方向に直交する方向にシリコン結晶を成長させ、PIN積層体を多結晶シリコンの積層体にする。
【0019】
次いで、酸化または窒化により種結晶を絶縁化する(ステップS5)。その後は、PIN積層体の上に上部電極を形成することにより(ステップS6)、ダイオードを完成させる。
【0020】
以上の各工程を図3A乃至図3Eの略示断面図を参照してより詳細に説明する。
【0021】
まず、図3Aを参照してステップS2によるアモルファスシリコンのPIN積層体の形成方法の一例を述べる。PH3/Si2H6/He混合ガスまたはPH3/SiH4/He混合ガスを用い、基板温度500℃にてP(リン)がドープされたN型のアモルファスシリコン膜2を25nmの膜厚で成膜する。N型アモルファスシリコン膜2の成膜工程に連続して、SiH4ガスまたはSi2H6ガスを用い、基板温度500℃にて何もドープされていない(Intrinsic)アモルファスシリコン膜3を40nmの膜厚で成膜する。さらにノンドープアモルファスシリコン膜3の成膜工程に連続して、SiH4/H2/BCl3混合ガスまたは、Si2H6/H2/BCl3混合ガスを用い、500℃にてB(ボロン)がドープされたP型のアモルファスSi膜4を25nmの膜厚で成膜する。これにより、アモルファスシリコンでなるPIN積層体LP1が形成される。
【0022】
本実施形態において、ノンドープアモルファスシリコン膜3は例えば第1の半導体層に対応する。また、P(リン)ドープアモルファスシリコン膜2およびB(ボロン)ドープアモルファスSi膜4は、例えば第2および第3の半導体層にそれぞれ対応し、または、例えば第3および第2の半導体層にそれぞれ対応する。
【0023】
次に、ステップS3の具体的工程を説明する。
【0024】
まず、図3Bに示すように、レジストを用いたフォトリソグラフィにより、アモルファスシリコンPIN積層体LP1中でダイオードを形成しない領域に、下部電極1が露出するまでアモルファスシリコン膜2〜4を選択的に除去して開口TRを形成する。
【0025】
次に、図3Cに示すように、CVD法を用いて開口TRを埋め込むように、種結晶15を作成する。種結晶としては、Al,Ti,Ni,Cu,In,Mo、SiGe,Si,Ge,Co,Pd,W、Ga,B、Sn、のいずれか、またはこれらのシリサイドのいずれかを用いる。
【0026】
続いて、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりP型のアモルファスSi膜4上の種結晶15を除去し、これにより、開口TR内に埋め込まれ各PIN積層体LP1の側面に接する種結晶5とする。
【0027】
次いで、ステップS4の工程では、2.45GHz〜25GHzのマイクロ波を30秒〜30分の照射時間だけアモルファスシリコンPIN積層体LP1に照射する。このときのマイクロ波のパワーは、基板温度が600℃以下となるように設定し、好ましくは以下の理由から200℃〜550℃の範囲となるように設定する。
【0028】
すなわち、基板温度が200℃未満になると、シリコンの結晶化が進行せず、PIN積層体LP1はアモルファスのままである。これに対して、基板温度が200℃以上となるようにマイクロ波のパワーを上げると種結晶を核としてシリコンの結晶化が進行する。一方で、基板温度が550℃を超えると、シリコン膜中に微結晶が形成され、種結晶だけでなく、微結晶も核となってシリコンの結晶成長が起こる。従って、マイクロ波を照射してシリコンを結晶化させる場合の基板温度は、200〜550℃の範囲で実施するのが望ましい。具体的には10W/cm2〜80kW/cm2のパワーを設定する。これにより、ウエハを低温に保つことができる。
【0029】
マイクロ波を照射することにより、図3Eに示すように、アモルファスシリコンPIN積層体LP1の開口TR内に設けた種結晶5からアモルファスシリコンPIN積層体LP1の内部へ結晶化が進行してアモルファスシリコン膜が多結晶化する。この結果、図3Fに示すように、P(リン)ドープアモルファスシリコン膜2、ノンドープアモルファスシリコン膜3およびB(ボロン)ドープアモルファスSi膜4がそれぞれ、N型多結晶シリコン層12、I型多結晶シリコンチャネル層13およびP型多結晶シリコン層14となり、アモルファスシリコンPIN積層体LP1が多結晶シリコンのPIN積層体LP10となる。
【0030】
本実施形態によれば、各アモルファスシリコンPIN積層体LP1の側面につけた種結晶5から積層体LP1の膜厚方向に直交する方向においてアモルファスシリコンPIN積層体LP1の内部へ結晶化を進めるので、積層体LP10内に形成されるシリコン結晶の結晶粒界は、N型多結晶シリコン層12の底面からP型多結晶シリコン層14の頂面へ貫くように形成されることなく、図3Fの符号GB1に示すように、各積層体LP10の両側面間を貫くように形成される。これにより、OFF時に下部電極1と上部電極10(図1参照)との間で結晶粒界を通して大きなオフ電流が流れるという問題が解消される。
【0031】
次いで、ステップS5の工程において、例えばマイクロ波アニール後の酸化または窒化により、図3Gに示すように、種結晶5を絶縁化して金属酸化物8とする。これによってもオフ電流の増大が抑制される。種結晶5の酸化または窒化は、マイクロ波アニール照射後に限ることなく、例えばマイクロ波アニール照射時に雰囲気を連続的に酸化雰囲気にすることによっても可能であり、この場合は工程数を減らすことが可能である。さらに、マイクロ波アニール照射前であっても、種結晶5からの結晶成長を酸化雰囲気化で行えば、種結晶5の絶縁化と結晶成長を同時に行うことができる。
【0032】
次に、ステップS6の工程により、多結晶シリコンPIN積層体LP10および金属酸化物8の上に上部電極10を形成することにより、ダイオードが得られる。
【0033】
次いで、図3Hに示すように、全面にReRAM用の下部電極300、抵抗可変膜310および上部電極320をこの順に形成する。抵抗可変膜310の材料としては、例えば遷移金属酸化物が用いられる。より具体的には、例えば、HfO2、ZrO2、NiO、TiOおよびTa2O5等の遷移金属酸化物を用いることができる。
【0034】
次いで、レジストを用いたフォトリソグラフィにより、図3Iに示すように、上部電極320、抵抗可変膜310、下部電極300、積層体LP10のうち金属酸化物8が形成された領域を選択的に除去し、上部電極220、抵抗可変膜210、下部電極200とする。
【0035】
最後に、図3Jに示すように、層間絶縁膜500を堆積した後にCMPにより抵抗可変膜210上の上部電極220を露出させると、図1に示すReRAMが得られる。
【0036】
ここで、比較例を取り挙げて説明し、これとの対比で本実施形態による半導体装置の製造方法の利点を説明する。
【0037】
図4A乃至図4Dは、比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図である。
【0038】
まず、TiN等の下部電極100上に、P(リン)ドープN型アモルファスシリコン膜20を堆積し、次に、連続して、ノンドープアモルファスシリコン膜30を堆積し、さらに、連続してB(ボロン)ドープP型アモルファスシリコン膜40を堆積し、図4Aに示すように、アモルファスシリコンのPIN積層体LP100を形成する。
【0039】
次に、N2中あるいは不活性ガス中でRTAを行うことにより、N型アモルファスシリコン膜20およびP型アモルファスシリコン膜40を活性化するとともに、同時に下部電極100を種結晶に用いてアモルファスシリコンPIN積層体LP100の多結晶化を行う。これにより、図4Cに示すように、アモルファスシリコンPIN積層体LP100は、N型多結晶シリコン層120、I型多結晶シリコンチャネル層130およびP型多結晶シリコン層140で構成される多結晶シリコンPIN積層体LP200となる。
【0040】
N型アモルファスシリコン膜20およびP型アモルファスシリコン膜40からノンドープアモルファスシリコン膜30への不純物の拡散をできるだけ抑制しつつアモルファスシリコン膜を完全に結晶化させるために、RTAは700〜750℃、10〜60秒間の条件で行う。しかしながら、不純物の拡散を完全に抑制することはできず、図4Dに示すように、N層120のP(リン)やP層140のB(ボロン)がIntrinsic層(I層)130中に拡散してしまう。このようなPやBの混合自体は、I層の膜厚を厚くすれば、抑制することができる。しかしながら、最終製品の形状に応じて、上部電極をダイオードの上に形成した後に、上部電極、ダイオードおよび下部電極を一括して加工する場合がある。この場合、ダイオード全体の高さは加工の容易性から90nm以下が望ましい。しかし、ダイオードの高さが90nm以下になると、十分な厚さのI層を得ることは難しくなる。このように、ダイオードの加工容易性とI層の厚さとはトレードオフの関係にある。
【0041】
図5Aは、90nmの厚さのダイオードに対して、750℃、60秒のRTAを行った場合の、RTA前後の不純物プロファイルを示す。同図からわかるように、この参考例によれば、1E17cm−3台の濃度で、各不純物がI層内に混ざっていることが分かる。この場合は、オフ電流が大きいという問題が発生する。
【0042】
これに対して本実施形態によれば、アモルファスシリコンPIN積層体LP1の側面に接するように種結晶5を作成し、これを核として積層体LP1の内部へ結晶を成長させる際に、マイクロ波を用いたアニールを行う。これにより、200〜550℃という低温でもシリコンの結晶化ができ、かつ、アニール温度が600℃以下と低いので、図5Bに示すように、I層への不純物の拡散を完全に抑制しつつ、大粒径の多結晶シリコンでなる低抵抗のPIN積層体を形成することができる。マイクロ波の照射により、シリコン中で分極反転が起きるため、例えば500℃以下の低温でも、従来のランプアニールやファーネスアニールよりも短時間でシリコンの結晶成長を起こすことができ、なおかつ、薄膜においては大粒径化が可能となる。
【0043】
また、比較例のように、アモルファスシリコン膜の下端や上端に種結晶を作成すると、図4Cの符号GB100に示すように、結晶粒界がダイオードを上下に貫くように形成されてしまう。特に、結晶粒界GB100が多く存在する場合、後工程の熱処理などで、粒界拡散が起こることがある。その場合は、粒界そのものが電流導通部となり、PIN型ダイオードに対して、逆方向に電圧をかけた場合の逆電流が増加するという問題が発生する。
【0044】
これに対して、本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、図3Eに示す結晶粒界GB1のように、ダイオードを、一方側の側面から他方側の側面へ横方向に貫く結晶粒界が形成される。これにより、比較例のような結晶粒界GB100を通じたオフ電流を減らすことができる。また、シリコン結晶の粒界が多く存在するために、後工程の熱処理などで粒界拡散が起こる場合でも、粒界そのものが電流導通部となってPIN型ダイオードに対して逆方向に電圧をかけた場合の逆電流が増加するという問題も発生しない。
【0045】
このように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、高いスループットで低コストの半導体デバイスを製造できることに加え、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができるので、抵抗低減による半導体デバイスの性能向上も実現することができる。
【0046】
(3)その他
上記説明では、PIN型ダイオードおよびその製造方法を取り挙げたが、これはあくまでも一例であり、上記実施形態は、例えばNIP型ダイオードにも勿論適用可能である。また、ダイオードだけでなく、PNP型やNPN型のパンチスルー型セレクターにも同様に適用可能である。この場合、PNP型であれば、例えばN型半導体層が第1の半導体層に対応し、これを間に挟む2つのP型半導体層が例えば第2および第3の半導体層に対応する。また、NPN型であれば、例えばP型半導体層が第1の半導体層に対応し、これを間に挟む2つのN型半導体層が例えば第2および第3の半導体層に対応する。PNP型の場合、N層の不純物濃度はP層よりも低く、NPN型の場合、P層の不純物濃度はN層よりも低くなる構造となる。NPN型を取り挙げてその製造方法の一例を簡単に説明すると、まず、NIN構造の積層膜を形成し、イオン注入法でボロン(B)を1×1013cm−2のドーズ量でI層の中心付近に、不純物が到達する加速エネルギで注入し、その後アニールにより不純物を拡散させればよい。
【0047】
さらに、上記説明ではアモルファスシリコンの積層体に対する多結晶化を取り挙げたが、上述した実施形態の製造方法は、単層のアモルファスシリコンの多結晶化にも適用可能であり、例えばBiCS(Bit cost scalable)Flashメモリのチャネル層に用いた場合は、熱処理温度が低いために、例えば周辺トランジスタでSurface耐圧やJunction耐圧が劣化するなどの問題が発生することもない。
【符号の説明】
【0048】
1:下部電極
2:P(リン)ドープN型アモルファスシリコン膜
3:ノンドープアモルファスシリコン膜
4:B(ボロン)ドープP型アモルファスSi膜
5:種結晶
12:N型多結晶シリコン層
13:I型多結晶シリコンチャネル層
14:P型多結晶シリコン層
GB1:シリコン結晶の粒界
LP1:アモルファスシリコンPIN積層体
LP10:多結晶シリコンPIN積層体
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、シリコン(Si)で構成される整流素子(セレクター)の形成方法として、下部電極上に、シリコンの結晶化温度よりも低い温度で不純物を含むアモルファスシリコンを堆積し、その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)でアモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を同時に行う方法がある。
【0003】
しかしながら、この方法では、例えばPIN(P−type/I−type/N−type)型のダイオードに適用した場合、下部電極を種結晶として使用するため、アモルファスシリコン層の膜厚方向へ結晶化が進行し(図4B参照)、下部電極から上部電極の方向へ縦方向に貫くように結晶粒界が形成される(図4D参照)。このため、この粒界を通して電流が流れ、オフ電流が大きくなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−289963号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、良好な性能の半導体装置を低コストで提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態による半導体装置の製造方法は、非晶質シリコン膜を成膜する工程と、該非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、マイクロ波を用いたアニーリングにより上記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向で上記非晶質シリコン膜の内部へシリコンを結晶成長させる工程と、を持つ。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施の一形態による半導体装置の主要部を示す断面図。
【図2】実施の一形態による半導体装置の製造方法の概略フローを示す図。
【図3A】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3B】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3C】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3D】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3E】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3F】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3G】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3H】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3I】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図3J】図2に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4A】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4B】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4C】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図4D】比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図。
【図5A】比較例におけるRTA前後の不純物プロファイルを示す図。
【図5B】図2に示す半導体装置の製造方法におけるアニール前後の不純物プロファイルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、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。添付図面において、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。
【0009】
(1)半導体装置
まず、実施の一形態による半導体装置について説明する。図1は、本実施形態であるPIN型ダイオードを含むReRAM(Resistance Change Random Access Memory)の主要部を示す断面図である。本実施形態において、PIN型ダイオードはReRAMの抵抗変化膜に電流を流すための素子として使用される。
【0010】
図1に示すReRAMは、PIN型ダイオード20と、PIN型ダイオード20上に順に積層された下部電極200、抵抗変化膜210および上部電極220を備える。
【0011】
PIN型ダイオード20は、下部電極1と、積層体LP10と、上部電極10とを備える。積層体LP10は、下部電極1上に順に形成された、N型多結晶シリコン層12、ノンドープ(I型)多結晶シリコンチャネル層13およびP型多結晶シリコン層14を含む。上部電極10は、P型多結晶シリコン層14の上に配置される。本実施形態において、I型多結晶シリコンチャネル層13は例えばノンドープの第1の半導体層に対応する。また、N型多結晶シリコン層12およびP型多結晶シリコン層14は、例えば互いに逆導電型の第2および第3の半導体層にそれぞれ対応する。
【0012】
本実施形態によるダイオードの第1の特徴は、従来のデバイスと比較して大粒径の多結晶シリコンで積層体LP10が形成されている点にある。これにより、従来よりも抵抗が小さくなり、優れた動作特性を発揮する。
【0013】
また、本実施形態によるダイオードの第2の特徴は、図5Aおよび図5Bを参照して後に詳述する通り、積層体LP10がマイクロ波の照射によりアモルファスシリコン積層体を結晶化・活性化することにより形成されているので、N型多結晶シリコン層12およびP型多結晶シリコン層14の各不純物はI型多結晶シリコンチャネル層13に拡散しない。この結果、従来のデバイスと比較してオフ電流が抑制される。
【0014】
さらに、本実施形態によるダイオードの第3の特徴は、積層体LP1内に形成されたシリコン結晶の粒界GB1が、N型多結晶シリコン層12の底面からP型多結晶シリコン層14の頂面へ貫くように形成されることなく、積層体LP1の両側面間を貫くように形成されている点にある。これにより、OFF時に結晶粒界を通して下部電極1と上部電極10との間に大きなオフ電流が流れるという問題が解消される。
【0015】
このように、本実施形態によれば、オフ電流が小さく良好な性能を有する半導体装置が提供される。本実施形態の半導体装置は、例えば次記する製造方法により低コストで製造することが可能である。
【0016】
(2)半導体装置の製造方法
まず、本実施形態による半導体装置の製造方法の概略工程を図2のフロー図を参照しながら説明する。
【0017】
すなわち、図示しない基板上に下部電極を形成した後(ステップS1)、アモルファスシリコンのPIN積層体を下部電極上に形成する(ステップS2)。
【0018】
次に、各PIN積層体の側面に接するように種結晶を作成し(ステップS3)、低温でマイクロ波アニールを実行し(ステップS4)、これにより、PIN積層体の膜厚方向に直交する方向にシリコン結晶を成長させ、PIN積層体を多結晶シリコンの積層体にする。
【0019】
次いで、酸化または窒化により種結晶を絶縁化する(ステップS5)。その後は、PIN積層体の上に上部電極を形成することにより(ステップS6)、ダイオードを完成させる。
【0020】
以上の各工程を図3A乃至図3Eの略示断面図を参照してより詳細に説明する。
【0021】
まず、図3Aを参照してステップS2によるアモルファスシリコンのPIN積層体の形成方法の一例を述べる。PH3/Si2H6/He混合ガスまたはPH3/SiH4/He混合ガスを用い、基板温度500℃にてP(リン)がドープされたN型のアモルファスシリコン膜2を25nmの膜厚で成膜する。N型アモルファスシリコン膜2の成膜工程に連続して、SiH4ガスまたはSi2H6ガスを用い、基板温度500℃にて何もドープされていない(Intrinsic)アモルファスシリコン膜3を40nmの膜厚で成膜する。さらにノンドープアモルファスシリコン膜3の成膜工程に連続して、SiH4/H2/BCl3混合ガスまたは、Si2H6/H2/BCl3混合ガスを用い、500℃にてB(ボロン)がドープされたP型のアモルファスSi膜4を25nmの膜厚で成膜する。これにより、アモルファスシリコンでなるPIN積層体LP1が形成される。
【0022】
本実施形態において、ノンドープアモルファスシリコン膜3は例えば第1の半導体層に対応する。また、P(リン)ドープアモルファスシリコン膜2およびB(ボロン)ドープアモルファスSi膜4は、例えば第2および第3の半導体層にそれぞれ対応し、または、例えば第3および第2の半導体層にそれぞれ対応する。
【0023】
次に、ステップS3の具体的工程を説明する。
【0024】
まず、図3Bに示すように、レジストを用いたフォトリソグラフィにより、アモルファスシリコンPIN積層体LP1中でダイオードを形成しない領域に、下部電極1が露出するまでアモルファスシリコン膜2〜4を選択的に除去して開口TRを形成する。
【0025】
次に、図3Cに示すように、CVD法を用いて開口TRを埋め込むように、種結晶15を作成する。種結晶としては、Al,Ti,Ni,Cu,In,Mo、SiGe,Si,Ge,Co,Pd,W、Ga,B、Sn、のいずれか、またはこれらのシリサイドのいずれかを用いる。
【0026】
続いて、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりP型のアモルファスSi膜4上の種結晶15を除去し、これにより、開口TR内に埋め込まれ各PIN積層体LP1の側面に接する種結晶5とする。
【0027】
次いで、ステップS4の工程では、2.45GHz〜25GHzのマイクロ波を30秒〜30分の照射時間だけアモルファスシリコンPIN積層体LP1に照射する。このときのマイクロ波のパワーは、基板温度が600℃以下となるように設定し、好ましくは以下の理由から200℃〜550℃の範囲となるように設定する。
【0028】
すなわち、基板温度が200℃未満になると、シリコンの結晶化が進行せず、PIN積層体LP1はアモルファスのままである。これに対して、基板温度が200℃以上となるようにマイクロ波のパワーを上げると種結晶を核としてシリコンの結晶化が進行する。一方で、基板温度が550℃を超えると、シリコン膜中に微結晶が形成され、種結晶だけでなく、微結晶も核となってシリコンの結晶成長が起こる。従って、マイクロ波を照射してシリコンを結晶化させる場合の基板温度は、200〜550℃の範囲で実施するのが望ましい。具体的には10W/cm2〜80kW/cm2のパワーを設定する。これにより、ウエハを低温に保つことができる。
【0029】
マイクロ波を照射することにより、図3Eに示すように、アモルファスシリコンPIN積層体LP1の開口TR内に設けた種結晶5からアモルファスシリコンPIN積層体LP1の内部へ結晶化が進行してアモルファスシリコン膜が多結晶化する。この結果、図3Fに示すように、P(リン)ドープアモルファスシリコン膜2、ノンドープアモルファスシリコン膜3およびB(ボロン)ドープアモルファスSi膜4がそれぞれ、N型多結晶シリコン層12、I型多結晶シリコンチャネル層13およびP型多結晶シリコン層14となり、アモルファスシリコンPIN積層体LP1が多結晶シリコンのPIN積層体LP10となる。
【0030】
本実施形態によれば、各アモルファスシリコンPIN積層体LP1の側面につけた種結晶5から積層体LP1の膜厚方向に直交する方向においてアモルファスシリコンPIN積層体LP1の内部へ結晶化を進めるので、積層体LP10内に形成されるシリコン結晶の結晶粒界は、N型多結晶シリコン層12の底面からP型多結晶シリコン層14の頂面へ貫くように形成されることなく、図3Fの符号GB1に示すように、各積層体LP10の両側面間を貫くように形成される。これにより、OFF時に下部電極1と上部電極10(図1参照)との間で結晶粒界を通して大きなオフ電流が流れるという問題が解消される。
【0031】
次いで、ステップS5の工程において、例えばマイクロ波アニール後の酸化または窒化により、図3Gに示すように、種結晶5を絶縁化して金属酸化物8とする。これによってもオフ電流の増大が抑制される。種結晶5の酸化または窒化は、マイクロ波アニール照射後に限ることなく、例えばマイクロ波アニール照射時に雰囲気を連続的に酸化雰囲気にすることによっても可能であり、この場合は工程数を減らすことが可能である。さらに、マイクロ波アニール照射前であっても、種結晶5からの結晶成長を酸化雰囲気化で行えば、種結晶5の絶縁化と結晶成長を同時に行うことができる。
【0032】
次に、ステップS6の工程により、多結晶シリコンPIN積層体LP10および金属酸化物8の上に上部電極10を形成することにより、ダイオードが得られる。
【0033】
次いで、図3Hに示すように、全面にReRAM用の下部電極300、抵抗可変膜310および上部電極320をこの順に形成する。抵抗可変膜310の材料としては、例えば遷移金属酸化物が用いられる。より具体的には、例えば、HfO2、ZrO2、NiO、TiOおよびTa2O5等の遷移金属酸化物を用いることができる。
【0034】
次いで、レジストを用いたフォトリソグラフィにより、図3Iに示すように、上部電極320、抵抗可変膜310、下部電極300、積層体LP10のうち金属酸化物8が形成された領域を選択的に除去し、上部電極220、抵抗可変膜210、下部電極200とする。
【0035】
最後に、図3Jに示すように、層間絶縁膜500を堆積した後にCMPにより抵抗可変膜210上の上部電極220を露出させると、図1に示すReRAMが得られる。
【0036】
ここで、比較例を取り挙げて説明し、これとの対比で本実施形態による半導体装置の製造方法の利点を説明する。
【0037】
図4A乃至図4Dは、比較例による半導体装置の製造方法を説明する略示断面図である。
【0038】
まず、TiN等の下部電極100上に、P(リン)ドープN型アモルファスシリコン膜20を堆積し、次に、連続して、ノンドープアモルファスシリコン膜30を堆積し、さらに、連続してB(ボロン)ドープP型アモルファスシリコン膜40を堆積し、図4Aに示すように、アモルファスシリコンのPIN積層体LP100を形成する。
【0039】
次に、N2中あるいは不活性ガス中でRTAを行うことにより、N型アモルファスシリコン膜20およびP型アモルファスシリコン膜40を活性化するとともに、同時に下部電極100を種結晶に用いてアモルファスシリコンPIN積層体LP100の多結晶化を行う。これにより、図4Cに示すように、アモルファスシリコンPIN積層体LP100は、N型多結晶シリコン層120、I型多結晶シリコンチャネル層130およびP型多結晶シリコン層140で構成される多結晶シリコンPIN積層体LP200となる。
【0040】
N型アモルファスシリコン膜20およびP型アモルファスシリコン膜40からノンドープアモルファスシリコン膜30への不純物の拡散をできるだけ抑制しつつアモルファスシリコン膜を完全に結晶化させるために、RTAは700〜750℃、10〜60秒間の条件で行う。しかしながら、不純物の拡散を完全に抑制することはできず、図4Dに示すように、N層120のP(リン)やP層140のB(ボロン)がIntrinsic層(I層)130中に拡散してしまう。このようなPやBの混合自体は、I層の膜厚を厚くすれば、抑制することができる。しかしながら、最終製品の形状に応じて、上部電極をダイオードの上に形成した後に、上部電極、ダイオードおよび下部電極を一括して加工する場合がある。この場合、ダイオード全体の高さは加工の容易性から90nm以下が望ましい。しかし、ダイオードの高さが90nm以下になると、十分な厚さのI層を得ることは難しくなる。このように、ダイオードの加工容易性とI層の厚さとはトレードオフの関係にある。
【0041】
図5Aは、90nmの厚さのダイオードに対して、750℃、60秒のRTAを行った場合の、RTA前後の不純物プロファイルを示す。同図からわかるように、この参考例によれば、1E17cm−3台の濃度で、各不純物がI層内に混ざっていることが分かる。この場合は、オフ電流が大きいという問題が発生する。
【0042】
これに対して本実施形態によれば、アモルファスシリコンPIN積層体LP1の側面に接するように種結晶5を作成し、これを核として積層体LP1の内部へ結晶を成長させる際に、マイクロ波を用いたアニールを行う。これにより、200〜550℃という低温でもシリコンの結晶化ができ、かつ、アニール温度が600℃以下と低いので、図5Bに示すように、I層への不純物の拡散を完全に抑制しつつ、大粒径の多結晶シリコンでなる低抵抗のPIN積層体を形成することができる。マイクロ波の照射により、シリコン中で分極反転が起きるため、例えば500℃以下の低温でも、従来のランプアニールやファーネスアニールよりも短時間でシリコンの結晶成長を起こすことができ、なおかつ、薄膜においては大粒径化が可能となる。
【0043】
また、比較例のように、アモルファスシリコン膜の下端や上端に種結晶を作成すると、図4Cの符号GB100に示すように、結晶粒界がダイオードを上下に貫くように形成されてしまう。特に、結晶粒界GB100が多く存在する場合、後工程の熱処理などで、粒界拡散が起こることがある。その場合は、粒界そのものが電流導通部となり、PIN型ダイオードに対して、逆方向に電圧をかけた場合の逆電流が増加するという問題が発生する。
【0044】
これに対して、本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、図3Eに示す結晶粒界GB1のように、ダイオードを、一方側の側面から他方側の側面へ横方向に貫く結晶粒界が形成される。これにより、比較例のような結晶粒界GB100を通じたオフ電流を減らすことができる。また、シリコン結晶の粒界が多く存在するために、後工程の熱処理などで粒界拡散が起こる場合でも、粒界そのものが電流導通部となってPIN型ダイオードに対して逆方向に電圧をかけた場合の逆電流が増加するという問題も発生しない。
【0045】
このように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、高いスループットで低コストの半導体デバイスを製造できることに加え、大粒径の多結晶シリコン膜を得ることができるので、抵抗低減による半導体デバイスの性能向上も実現することができる。
【0046】
(3)その他
上記説明では、PIN型ダイオードおよびその製造方法を取り挙げたが、これはあくまでも一例であり、上記実施形態は、例えばNIP型ダイオードにも勿論適用可能である。また、ダイオードだけでなく、PNP型やNPN型のパンチスルー型セレクターにも同様に適用可能である。この場合、PNP型であれば、例えばN型半導体層が第1の半導体層に対応し、これを間に挟む2つのP型半導体層が例えば第2および第3の半導体層に対応する。また、NPN型であれば、例えばP型半導体層が第1の半導体層に対応し、これを間に挟む2つのN型半導体層が例えば第2および第3の半導体層に対応する。PNP型の場合、N層の不純物濃度はP層よりも低く、NPN型の場合、P層の不純物濃度はN層よりも低くなる構造となる。NPN型を取り挙げてその製造方法の一例を簡単に説明すると、まず、NIN構造の積層膜を形成し、イオン注入法でボロン(B)を1×1013cm−2のドーズ量でI層の中心付近に、不純物が到達する加速エネルギで注入し、その後アニールにより不純物を拡散させればよい。
【0047】
さらに、上記説明ではアモルファスシリコンの積層体に対する多結晶化を取り挙げたが、上述した実施形態の製造方法は、単層のアモルファスシリコンの多結晶化にも適用可能であり、例えばBiCS(Bit cost scalable)Flashメモリのチャネル層に用いた場合は、熱処理温度が低いために、例えば周辺トランジスタでSurface耐圧やJunction耐圧が劣化するなどの問題が発生することもない。
【符号の説明】
【0048】
1:下部電極
2:P(リン)ドープN型アモルファスシリコン膜
3:ノンドープアモルファスシリコン膜
4:B(ボロン)ドープP型アモルファスSi膜
5:種結晶
12:N型多結晶シリコン層
13:I型多結晶シリコンチャネル層
14:P型多結晶シリコン層
GB1:シリコン結晶の粒界
LP1:アモルファスシリコンPIN積層体
LP10:多結晶シリコンPIN積層体
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ノンドープの第1の半導体層と、前記第1の半導体層を間に挟むように配置された互いに逆導電型の第2および第3の半導体層と、を含む積層体、または第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層を間に挟むように配置された第2導電型の第2および第3の半導体層と、を含む積層体を備え、
前記積層体の半導体結晶の粒界は、前記積層体の底面および頂面間を貫くことなく前記積層体の両側面間を貫くことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
非晶質シリコン膜を成膜する工程と、
前記非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、
マイクロ波を用いたアニールを行うことにより、前記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向にシリコンを前記非晶質シリコン膜の内部へ結晶成長させる工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項3】
非晶質シリコン層を含む積層体を形成する工程と、
前記積層体の側面に種結晶を作成する工程と、
マイクロ波を用いたアニールを行うことにより、前記積層体の膜厚の方向に直交する方向にシリコンを前記積層体の内部へ結晶成長させる工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記アニールは200℃以上550℃以下の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
酸化または窒化により前記種結晶を絶縁化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記の種結晶は、Al、Ti、Ni、Cu、In、Mo、SiGe、Si、Ge、Co、Pd、W、Ga、B、Snのいずれか、またはこれらのサリサイドのいずれかを用いて作成されることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記積層体は、実質的にノンドープの第1の非晶質シリコン層と、前記第1の非晶質シリコン層を間に挟むように配置された互いに逆導電型の第2および第3の非晶質シリコン層と、を含むことを特徴とする請求項3および請求項3に係る限りにおける請求項4乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
ノンドープの第1の半導体層と、前記第1の半導体層を間に挟むように配置された互いに逆導電型の第2および第3の半導体層と、を含む積層体、または第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層を間に挟むように配置された第2導電型の第2および第3の半導体層と、を含む積層体を備え、
前記積層体の半導体結晶の粒界は、前記積層体の底面および頂面間を貫くことなく前記積層体の両側面間を貫くことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
非晶質シリコン膜を成膜する工程と、
前記非晶質シリコン膜の側面に種結晶を作成する工程と、
マイクロ波を用いたアニールを行うことにより、前記非晶質シリコン膜の膜厚の方向に直交する方向にシリコンを前記非晶質シリコン膜の内部へ結晶成長させる工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項3】
非晶質シリコン層を含む積層体を形成する工程と、
前記積層体の側面に種結晶を作成する工程と、
マイクロ波を用いたアニールを行うことにより、前記積層体の膜厚の方向に直交する方向にシリコンを前記積層体の内部へ結晶成長させる工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記アニールは200℃以上550℃以下の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
酸化または窒化により前記種結晶を絶縁化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記の種結晶は、Al、Ti、Ni、Cu、In、Mo、SiGe、Si、Ge、Co、Pd、W、Ga、B、Snのいずれか、またはこれらのサリサイドのいずれかを用いて作成されることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記積層体は、実質的にノンドープの第1の非晶質シリコン層と、前記第1の非晶質シリコン層を間に挟むように配置された互いに逆導電型の第2および第3の非晶質シリコン層と、を含むことを特徴とする請求項3および請求項3に係る限りにおける請求項4乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図3H】
【図3I】
【図3J】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図3H】
【図3I】
【図3J】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【公開番号】特開2012−43941(P2012−43941A)
【公開日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−183154(P2010−183154)
【出願日】平成22年8月18日(2010.8.18)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年8月18日(2010.8.18)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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