(57)【要約】【課題】相変化メモリやＲｅＲＡＭなどの記憶素子と半導体デバイスの積層により構成される半導体記憶装置を製造する際に、半導体デバイスと記憶素子の両方を高性能化し、半導体記憶装置の大容量化、高性能化、高信頼化を促進する。【解決手段】選択素子を形成するポリシリコンをアモルファス状態で低温で成膜した後、レーザーアニールによる短時間熱処理で結晶化と不純物活性化を行う。レーザーアニールを行う際、結晶化を行うシリコンの下にある記録材料は、金属膜、または金属膜と絶縁膜により完全に覆われた状態であるため、アニール時の温度上昇を抑制でき、記録材料への熱負荷を低減できる。【選択図】図６
2009267219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、シリコン材料とを含む半導体デバイスが積層された構造を持つ半導体記憶装置の製造方法であって、
（１）半導体基板上に前記記録材料を堆積する工程と、
（２）前記記録材料が堆積された前記半導体基板の表面全体を覆うように金属膜を堆積する工程と、
（３）前記金属膜上に、前記半導体デバイスを構成するアモルファスシリコンを堆積する工程と、
（４）前記アモルファスシリコンを短時間アニールで結晶化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項２】
前記（２）の工程で堆積する金属膜として、Wまたは、WとTiもしくはNiもしくはCoの積層膜を堆積することを特徴とする請求項１に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項３】
前記（４）の工程の前に、前記アモルファスシリコンの表面側に位置する上部領域または前記金属膜側に位置する下部領域のいずれか一方の領域に第１導電型の不純物領域を形成し、
前記上部領域と前記下部領域のうちのいずれか他方の領域に、第２導電型の不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１導電型の不純物領域と前記第２導電型の不純物領域のいずれか一方、または両方をイオン打ち込みにより形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコンを成膜後、前記第２導電型の不純物領域をイオン打ち込みにより形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体記憶装置製造方法。
【請求項６】
前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコンを成膜後、前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコン上に第２のアモルファスシリコンを成膜した後、前記第２導電型の不純物領域をイオン打ち込みにより形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコンを成膜後、前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコンを短時間アニールで結晶化する工程と、
前記結晶化された第１導電型の不純物を含むシリコン上に第２のアモルファスシリコンを成膜した後、前記第２導電型の不純物領域をイオン打ち込みにより形成する工程とを有することを特徴とする請求項６に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項８】
前記（４）の工程の前に、前記アモルファスシリコンの表面側に位置する上部領域または前記金属膜側に位置する下部領域のいずれか一方の領域に第１導電型の高濃度不純物領域を形成し、
前記上部領域と前記下部領域のうちのいずれか他方の領域に、第１導電型の低濃度不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項９】
前記記録材料と、前記半導体デバイスとが積層されたピラー状の構造を有するメモリの形成に際して、
前記（２）の工程で前記半導体基板の表面全体を金属膜で覆う前に、前記ピラー状構造を加工する際の最小寸法を用いて前記記録材料をストライプ状またはドット状にパターニングすることを特徴とする請求項１に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１０】
前記（４）の工程においてアモルファスシリコンを結晶化する前に、前記半導体デバイスが積層される部分に前記（２）の工程で形成した前記金属膜が残るようにパターニングすることを特徴とする請求項１に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ストライプ状またはドット状にパターニングされた記録材料間のスペースに絶縁膜を埋め込む工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１２】
相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、半導体デバイスとなるシリコン材料を含むメモリセルのアレイが積層された構造を持つ半導体記憶装置の製造方法であって、
（A）半導体基板上に前記記録材料を成膜する工程と、
（B）前記記録材料が堆積された前記半導体基板の表面全体を覆うように絶縁膜を堆積する工程と、
（C）前記絶縁膜の表面全体を覆うように金属膜を堆積する工程と、
（D）前記金属膜上に前記ダイオードとなるアモルファスシリコンを堆積する工程と、
（E）アモルファスシリコンを短時間アニールで結晶化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１３】
前記（Ｄ）の工程で、前記アモルファスシリコンの表面側に位置する上部領域または前記金属膜側に位置する下部領域のいずれか一方の領域に第１導電型の不純物領域を形成し、
前記上部領域と前記下部領域のうちのいずれか他方の領域に、第２導電型の不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１導電型の不純物領域と前記第２導電型の不純物領域のいずれか一方、または両方をイオン打ち込みにより形成することを特徴とする請求項１３に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第１導電型の不純物を含むアモルファスシリコンを成膜後、前記第２導電型の不純物領域をイオン打ち込みにより形成することを特徴とする請求項１３に記載の半導体記憶装置製造方法。
【請求項１６】
前記（Ｄ）の工程で、前記アモルファスシリコンの表面側に位置する上部領域または前記金属膜側に位置する下部領域のいずれか一方の領域に第１導電型の高濃度不純物領域を形成し、
前記上部領域と前記下部領域のうちのいずれか他方の領域に、第１導電型の低濃度不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１７】
前記記録材料と、前記半導体デバイスとが積層されたピラー状の構造を有するメモリの形成に際して、
前記（A）の記録材料を前記（B）の工程において、前記半導体基板の表面全体を絶縁膜で覆う前に、前記ピラー状構造を加工する際の最小寸法を用いて前記記録材料をストライプ状またはドット状にパターニングすることを特徴とする請求項１２に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１８】
前記ストライプ状またはドット状にパターニングされた記録材料間のスペースに絶縁膜を埋め込む工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【請求項１９】
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された形成された複数の第１金属配線と、
前記第１金属配線上の各々に形成された複数のダイオードと、
前記ダイオードの各々の上に形成された第１電極と、
前記第１電極上に形成された相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、
前記相変化材料の上に形成された第２電極と、
前記第２電極上に形成された複数の第２配線とを有し、
前記第１配線は、前記記録材料と前記第２配線とを介する前記第２電極よりも熱伝導率が大きい金属で形成されることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項２０】
前記第１電極と前記第２電極が、前記第１配線および前記第２配線よりも熱伝導率が小さい金属で形成されることを特徴とする請求項１９に記載の半導体記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体集積回路装置及びその製造方法に関し、特に電気的書き換えが可能な不揮発性半導体記憶装置の高集積化、高性能化を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的書き換えが可能な不揮発性半導体記憶装置のうち、一括消去が可能なものとしていわゆるフラッシュメモリが知られている。フラッシュメモリは携帯性、耐衝撃性に優れ、電気的に一括消去が可能なことから、近年、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルスチルカメラ等の小型携帯情報機器の記憶装置として急速に需要が拡大している。その市場の拡大にはメモリセル面積の縮小によるビットコストの低減が重要な要素であり、これを実現する様々なメモリセル方式が提案されている。
【０００３】
非特許文献１、２には大容量化に適するコンタクトレス型セルの一種である、いわゆるＮＡＮＤ型フラッシュメモリの例が報告されている。これらの構造を用いることによってメモリセルの物理的面積をほぼ４Ｆ２（Ｆ：最小加工寸法）にまで低減することに成功している。NAND型フラッシュは４Ｆ２のセルを用いて最小加工寸法の縮小と多値化を進めることで大容量化を実現し、データストレージ用メモリとして市場が急拡大してきている。しかし、フラッシュメモリは動作電圧の低減ができないため、微細化を進めるほど電極間の絶縁破壊による不良化が生じ易いことなどから、F＜32nmでの製品化は困難化すると考えられる。
【０００４】
そこで32nm世代以降、フラッシュメモリに代わるデータストレージ用メモリが必要となる。データストレージ用メモリの最重要課題である低コスト化はメモリの3次元化により実現できる。例えば特許文献１にはトランジスタを選択素子として用いた３次元相変化メモリ技術が開示されている。このようにトランジスタを選択素子に用いることもできるが、ダイオードを選択素子として用いてダイオードと抵抗可変素子の直列構造をクロスポイント型に配列したメモリアレイがセルの微細化の観点から最も有望である。
抵抗可変素子としては、相変化メモリの他にもNiO、CuO、TiO2、などのＲｅＲＡＭ材料も知られている（それぞれ非特許文献３、４、５）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６００１４号公報
【非特許文献１】Symp. on VLSI Technology, 2007, p. 12 ― 13
【非特許文献２】International  Electron  Devices  Meeting, 2006, p. 823  826
【非特許文献３】Appl. Phys. Lett. 88, 202102 (2006)
【非特許文献４】International  Electron  Devices  Meeting, 2006, S30 p.6
【非特許文献５】SSDM 2006 p.4-14L
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
抵抗可変素子としては、例えば相変化メモリ素子が書換え回数、リテンション特性、動作速度などの観点から優れている。しかしながら相変化材料は融点が低く、また融点以上の高温に長時間曝すと一部元素の昇華などにより特性が劣化するという問題がある。
【０００７】
一方、ポリシリコンなどの半導体材料を用いたトランジスタ、ダイオードなどは、高温アニールによる材料の結晶化、不純物活性化を行なわないと充分な性能が得られない。
つまり、相変化素子とダイオードを用いた積層クロスポイント型セルの製造プロセスには、（１）トランジスタ、ダイオード材料の結晶化、不純物活性化アニールによる性能向上と、
（２）熱負荷による相変化材料の特性劣化防止と、
を両立させるという課題がある。
【０００８】
相変化材料に限らずNiO、CuO、TiO2などReRAMとなる記録材料も、ポリシリコンの成膜温度、結晶化温度に加熱すると変質し特性が劣化してしまう。
【０００９】
本発明の目的は、抵抗可変素子とポリシリコン材料を用いた半導体デバイスを積層するメモリの製造プロセスにおいて、抵抗可変素子への熱負荷を低減し特性劣化を抑制することで半導体記憶装置の高集積化、高性能化を推進する技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
すなわち、本願発明は、相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、シリコン材料とを含む半導体デバイスが積層された構造を持つ半導体記憶装置の製造方法であって、（１）半導体基板上に前記記録材料を堆積する工程と、（２）前記記録材料が堆積された前記半導体基板の表面全体を覆うように金属膜を堆積する工程と、（３）前記金属膜上に、前記半導体デバイスを構成するアモルファスシリコンを堆積する工程と、（４）前記アモルファスシリコンを短時間アニールで結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本願発明は、相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、半導体デバイスとなるシリコン材料を含むメモリセルのアレイが積層された構造を持つ半導体記憶装置の製造方法であって、（A）半導体基板上に前記記録材料を成膜する工程と、（B）前記記録材料が堆積された前記半導体基板の表面全体を覆うように絶縁膜を堆積する工程と、（C）前記絶縁膜の表面全体を覆うように金属膜を堆積する工程と、（D）前記金属膜上に前記ダイオードとなるアモルファスシリコンを堆積する工程と、（E）アモルファスシリコンを短時間アニールで結晶化する工程とを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本願発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された形成された複数の第１金属配線と、前記第１金属配線上の各々に形成された複数のダイオードと、前記ダイオードの各々の上に形成された第１電極と、前記第１電極上に形成された相変化材料やReRAM材料などの記録材料と、前記相変化材料の上に形成された第２電極と、
前記第２電極上に形成された複数の第２配線とを有し、前記第１配線は、前記記録材料と前記第２配線とを介する前記第２電極よりも熱伝導率が大きい金属で形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
３次元積層化した抵抗可変素子と選択素子の両方の高性能化、高信頼化を実現することで、大容量、高性能かつ高信頼な不揮発性半導体記憶装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部平面であり、図２〜５は、それぞれ図１におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線断面図である。また図６は、メモリアレイ部分だけを示した立体図である。なお、図１の平面図、図６の立体図において、図面を見やすくするために一部の部材は省略している。
【００１６】
本実施例の半導体記憶装置は、メモリ素子に抵抗可変素子（例えば、相変化メモリ）、選択素子にポリシリコンダイオードを用いていて、これらが積層クロスポイント型にアレイを構成している。半導体主面内のｘ方向にワード線、ｙ方向にビット線が延在しており、それぞれアレイ端のコンタクト孔を介して選択トランジスタＳＴの拡散層に接続されている。選択トランジスタの他方の拡散層はコンタクト孔を介してグローバルワード線ＧＷＬ、グローバルビット線ＧＢＬに接続されている。隣接するメモリ層はビット線かワード線のいずれかを共用する構造になっていて、これを実現するために選択素子となるダイオードの極性は隣接メモリ層で逆向きである（図６）。図１から図６では４層積層の場合のメモリアレイを示しているが、５層以上を積層することももちろん可能である。
【００１７】
相変化メモリは、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５などの相変化材料がアモルファス状態と結晶状態で抵抗値が異なることを利用して情報を記憶する。アモルファス状態では抵抗が高く、結晶状態では抵抗が低い。したがって、読み出しは素子の両端に電位差を与え、素子に流れる電流を測定することで、素子の高抵抗状態／低抵抗状態を判別することで行える。
【００１８】
相変化材料を高抵抗のアモルファス状態から低抵抗の結晶状態に変化させる動作、逆に低抵抗の結晶状態から高抵抗のアモルファス状態に変化させる動作は、図７のような温度変化を相変化材料に与えることで行える。アモルファス状態の相変化材料は結晶化温度以上に加熱し１０−６秒程度以上保持することで結晶状態にすることができる。また、結晶状態の相変化材料は、融点以上の温度まで加熱し液体状態にした後、急速に冷却することでアモルファス状態にすることができる。
【００１９】
相変化メモリでは電流により発生するジュール熱によって、相変化膜の電気抵抗を異なる状態に変化させることによりデータ書き込み行う。リセット動作、すなわち高抵抗のアモルファス状態へ変化させる動作は、大電流を短時間流して溶解させた後、電流を急減させ急冷することにより行う。一方、セット動作、すなわち低抵抗の結晶状態へ変化させる動作は、結晶化温度に保持するのに十分な電流を長時間流すことにより行う。
【００２０】
図８の等価回路図を用いて、本実施例の半導体装置の読出し動作を説明する。メモリアレイ中から１セルを選択して読出しを行なうには、選択セルが接続されているワード線（SWL：選択ワード線）、選択セルが接続されていないワード線（USWL：非選択ワード線）、選択セルが接続されているビット線（SBL：選択ビット線）、選択セルが接続されていないビット線（USBL：非選択ビット線）に、例えばそれぞれ、１V、０V、０V、１Vの電圧を印加する。ダイオードが逆向き電圧のリーク電流をほとんど流さないおかげで、選択セルＳＭＣだけに電流が流れ、センスアンプで測定することで抵抗状態を判定できる。
【００２１】
図９の等価回路図を用いて、本実施例の半導体装置のセット／リセット動作を説明する。メモリアレイ中から１セルを選択してセット動作を行うには、選択セルが接続されているワード線（SWL：選択ワード線）、選択セルが接続されていないワード線（USWL：非選択ワード線）、選択セルが接続されているビット線（SBL：選択ビット線）、選択セルが接続されていないビット線（USBL：非選択ビット線）に例えばそれぞれ、２．５V、０V、０V、２．５Vの電圧を印加する。この時、非選択ワード線、非選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＤは、ダイオードに印加される電圧が逆方向電圧であるために電流が流れない。また、選択ワード線、非選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＢ，非選択ワード線、選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＤはビット線とワード線が等電位であるために電流が流れない。選択セルＳＭＣにだけ電流が流れジュール熱により相変化材料が加熱される。選択ビット線、選択ワード線に印加する電圧は選択メモリセルの相変化材料を結晶化温度に加熱するのに充分な電圧であれば良い。結晶化に充分な時間（１０−６秒程度以上）電圧を印加すると、選択セルの相変化素子は低抵抗の結晶状態になり、それ以外のセルは状態を変化させない。
【００２２】
メモリアレイ中から１セルを選択してリセット動作を行うには、選択セルが接続されているワード線（SWL：選択ワード線）、選択セルが接続されていないワード線（USWL：非選択ワード線）、選択セルが接続されているビット線（SBL：選択ビット線）、選択セルが接続されていないビット線（USBL：非選択ビット線）に例えばそれぞれ、３V、０V、３V、０Vの電圧を印加する。この時、非選択ワード線、非選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＤは、ダイオードに印加される電圧が逆方向電圧であるために電流が流れない。また、選択ワード線、非選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＢ，非選択ワード線、選択ビット線に接続されたＣｅｌｌＤはビット線とワード線が等電位であるために電流が流れない。選択セルＳＭＣにだけ電流が流れジュール熱により相変化材料が加熱される。選択ビット線、選択ワード線に印加する電圧は選択メモリセルの相変化材料を融点以上の温度に加熱するのに充分な電圧であれば良い。印加電圧を急速に０にし相変化材料を急冷すると選択セルの相変化素子は高抵抗のアモルファス状態になり、それ以外のセルは状態を変化させない。
【００２３】
次に、図１０〜図３４を用いて上記積層相変化メモリの製造方法を説明する。
まず、シリコン基板上に公知の技術を用いて図２のＡ−Ａ断面、図４のＣ−Ｃ断面に見られる選択トランジスタＳＴを形成する。メモリアレイの駆動に必要な周辺回路を形成するシリコン基板上のデバイスに関しても同様に形成する。
ＳＴ形成後に絶縁膜２１でＳＴおよび、周辺回路のデバイスを埋め込み、必要に応じて化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）などで表面を平坦化、更にこの後形成するメモリアレイのワード線２とＳＴの拡散層Ｄｉｆを接続するＣＯＮＴを形成したのが図１０（ａ）の状態である。次にワード線となる例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図１０（ｂ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープする（図１０（ｃ））。
【００２４】
次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１１（ａ））。この時点では、相変化メモリ材料は含まれていないので、熱負荷低減の目的で行うレーザーアニールは必須ではなく、通常の加熱炉によるポリシリコンの結晶化、不純物の活性化を行うことも可能であるが、後述するように２層目以降のメモリアレイを製造する際には、レーザーアニールが必須である。本実施例では、１層目と２層目以降の選択素子の特性を同等にそろえるために、図１１（ａ）の工程で２層目以降に用いるのと同じレーザーアニールを用いた。
【００２５】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図６２（ｂ））。
ポリシリコン積層ダイオード構造は、図１０、１１に示した方法以外の方法でも形成できる。
【００２６】
別方法の１つ目は、図１２（ａ）（ｂ）に示す以下の方法である。
ワード線となる例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５を成膜する（図１２（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１２（ｂ））。
別方法の２つ目は、図１２（ｃ）（ｄ）に示す以下の方法である。
ワード線となる、例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５を成膜する（図１２（ｃ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１１、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１２（ｄ））。
【００２７】
別方法の３つ目は、図１３（ａ）〜（ｄ）に示す以下の方法である。
ワード線となる例えばタングステン２、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図１３（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１の下半分に最大濃度が入るようにドープする（図１３（ｂ））。次に、イオン打ち込み法によりＰイオンをアモルファスシリコン１１の上半分に最大濃度が入るようにドープする（図１３（ｃ））。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１３（ｄ））。
【００２８】
別方法の４つ目は、図１４（ａ）〜（ｃ）に示す以下の方法である。
ワード線となる例えばタングステン２、Ｂをドープしたアモルファスシリコン１４を成膜する（図１４（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂをドープしたアモルファスシリコン１４の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂをドープしたアモルファスシリコン１４の成膜温度は４００℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＰイオンをアモルファスシリコン１１の上半分に最大濃度が入るようにドープする（図１４（ｂ））。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１４（ｃ））。
別方法の５つ目は、図１５（ａ）〜（ｃ）に示す以下の方法である。ワード線となる例えばタングステン２、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５を成膜する（図１５（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１の下半分に最大濃度が入るようにドープする（図１５（ｂ））。次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図１５（ｃ））。
【００２９】
図１１（ｂ）の次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４、ワード線材料２をｘ方向に延在するストライプ状にパターニングした。この時、ＷＬ、ＧＷＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す（図１６（ａ））。この工程でのＡ−Ａ断面を示したのが図１６（ｂ）である。パターンの平面図は図１７である。またメモリアレイ部分の立体図は図１８となる。
【００３０】
次に、シリコン酸化膜２２を例えばＣＶＤ法で堆積し、図１６でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させ、ビット線と選択トランジスタの拡散層を接続するためのコンタクト孔１５０を形成する（図１９（ａ）（ｂ））。
【００３１】
次に、例えば孔１５０内に例えばＣＶＤ法でＷ、またはＴｉ、ＴｉＮ、Ｗを順に埋め込む。上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する。次にビット線３となる材料（例えばタングステン）を成膜し、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５を成膜する。次に、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図２０（ａ））。
次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１にドープする（図２０（ｂ））。
【００３２】
次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２１（ａ））。
レーザーアニールは、アモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を充分に行い、選択素子となるダイオードの電流駆動能力を充分なものにすること、１層目のメモリアレイを構成する相変化メモリ材料６への熱負荷を低減し歩留りを低下させないことを目的に行う。
【００３３】
通常、炉体によるポリシリコンの結晶化には７００℃以上の長時間熱処理が必要であり、この熱負荷で相変化素子の歩留りはほぼ０％にまで低下してしまう。相変化材料６と結晶化を行う２層目のアモルファスシリコンの間に、ビット線材料３が存在する状態で、レーザーアニールによる短時間アニールを行なうと、炉対加熱の場合と比較して、２層目のアモルファスシリコンを結晶化する際の相変化材料６の温度上昇を抑制でき熱負荷を低減できる。
【００３４】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド９をＢドープポリシリコン４の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図２１（ｂ））。
ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図７２〜７４に示した方法以外の方法でも形成できる。
【００３５】
別方法の１つ目は、図２２（ａ）（ｂ）に示す以下の方法である。ビット線となる例えばタングステン３、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、Ｐドープアモルファスシリコン１５、Ｂドープしたアモルファスシリコン１４を成膜する（図２２（ａ））。タングステン膜３の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２２（ｂ））。
【００３６】
別方法の２つ目は、図２２（ｃ）（ｄ）に示す以下の方法である。ビット線となる例えばタングステン３、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、Ｐドープアモルファスシリコン１５、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｂドープアモルファスシリコン１４を成膜する（図２２（ｃ））。タングステン膜３の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｐドープアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１、Ｐドープアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１１、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２２（ｄ））。
【００３７】
別方法の３つ目は、図２３（ａ）〜（ｄ）に示す以下の方法である。ビット線となる例えばタングステン３、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図２３（ａ））。タングステン膜３の成膜にはスパッタ法、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１の上半分に最大濃度が入るようにドープする（図２３（ｂ））。次に、イオン打ち込み法によりＰイオンをアモルファスシリコン１１の下半分に最大濃度が入るようにドープする（図２３（ｃ））。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２３（ｄ））。
【００３８】
別方法の４つ目は、図２４（ａ）〜（ｃ）に示す以下の方法である。ビット線となる例えばタングステン３、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、Ｂドープアモルファスシリコン１４を成膜する（図２４（ａ））。タングステン膜３の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコン１４の成膜温度は４００℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＰイオンをアモルファスシリコン１１の下半分に最大濃度が入るようにドープする（図２４（ｂ））。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２４（ｃ））。
【００３９】
別方法の５つ目は、図２５（ａ）〜（ｃ）に示す以下の方法である。ビット線となる例えばタングステン３、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５を成膜する（図２５（ａ））。タングステン膜３の成膜にはスパッタ法、Ｐドープアモルファスシリコン１５の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｐドープアモルファスシリコン１５の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１の上半分に最大濃度が入るようにドープする（図２５（ｂ））。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２５（ｃ））。
【００４０】
図２１（ｂ）の次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜９、Ｂドープポリシリコン４、Ｐドープポリシリコン５、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜、またバリアメタルとシリサイド膜を順に成膜した膜１０を形成し、ビット線材料３、１層目のメモリアレイの上部電極７、１層目のメモリアレイの相変化材料６、１層目のメモリアレイの下部電極８、１層目のメモリアレイの膜１０、１層目のメモリアレイのＰドープポリシリコン５、１層目のメモリアレイのＢドープポリシリコン４をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした。この時、ＢＬ、ＧＢＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す（図２６（ａ））。この工程でのＣ−Ｃ断面を示したのが図２６（ｂ）である。パターンの平面図は図２７である。またメモリアレイ部分の立体図は図２８（ａ）がパターニングされて図２８（ｂ）となる。２層目のメモリアレイがストライプ状にパターニングされ、１層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
【００４１】
次にシリコン酸化膜２３を例えばＣＶＤ法で堆積し、図２６でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにし、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させ、ワード線１層目のパターンに至るコンタクト孔１５０を形成、その後、例えば孔１５０内に例えばＣＶＤ法でＷを埋め込む。上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成した。次にワード線となる例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図２９（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープする。次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図２９（ｂ））。
【００４２】
次に、ＴｉＮなどのバリアメタル、またはＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図３０）。
【００４３】
ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図２９に示した方法以外の方法でも形成できる。前述のように、別方法１（図２２（ａ）（ｂ））、別方法２（図２２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図２３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図２４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図２５（ａ）〜（ｃ））を用いることもできる。
【００４４】
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４、ワード線材料２、２層目のメモリアレイの上部電極７、２層目のメモリアレイの相変化材料６、２層目のメモリアレイの下部電極８、２層目のメモリアレイのシリサイド９、２層目のメモリアレイのＢドープポリシリコン４、２層目のメモリアレイのＰドープポリシリコン５をｘ方向に延在するストライプ状にパターニングした。またメモリアレイ部分の立体図は図３１となる。３層目のメモリアレイがストライプ状にパターニングされ、２層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
【００４５】
以下、同様のプロセスを繰り返すことで、本実施例の４層積層クロスポイントメモリを完成することができる。
図３０の次にシリコン酸化膜２４を例えばＣＶＤ法で堆積し、図８８、８９でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させる。次に、ビット線に接続する選択トランジスタの拡散層に至るコンタクト孔を形成した後、例えばＣＶＤ法で孔内にＷを埋め込み上表面に堆積したＷをＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する。次に２層目のメモリアレイと同様の工程で、ビット線３、バリアメタル膜またはシリサイド膜１０を形成、Ｐドープポリシリコン、Ｂドープポリシリコン、シリサイド９、下部電極８、相変化材料６、上部電極７の積層構造を形成する（図３２）。
【００４６】
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜９、Ｂドープポリシリコン４、Ｐドープポリシリコン５、バリアメタル膜またはシリサイド膜１０、ビット線材料３、３層目のメモリアレイの上部電極７、３層目のメモリアレイの相変化材料６、３層目のメモリアレイの下部電極８、３層目のメモリアレイのバリアメタル膜またはシリサイド膜１０、３層目のメモリアレイのＰドープポリシリコン５、３層目のメモリアレイのＢドープポリシリコン４をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした（図３３）。４層目のメモリアレイがストライプ状にパターニングされ、３層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
【００４７】
次にシリコン酸化膜２５を例えばＣＶＤ法で堆積し、図３３でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させた後、ワード線２層目のパターンに至るコンタクト孔を形成した後、孔内に例えばＣＶＤ法でＷを埋め込み上表面に堆積したＷをＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する。次にワード線となる例えばタングステン２、ハードマスクとなる例えばシリコン酸化膜３０を成膜する（図３４）。
【００４８】
次に、ハードマスク３０、ワード線材料２、上部電極７、相変化材料６、下部電極８、シリサイド９、Ｂドープポリシリコン４、Ｐドープポリシリコン５をｘ方向に延在するストライプ状にパターニングした。
次にシリコン酸化膜２６を例えばＣＶＤ法で堆積し、図３４でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにした後、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化する。その後、最上層のワード線パターン、ビット線パターンと、ＧＷＬ、ＧＢＬを接続するためのプラグを形成した。この後、図には示していないが、選択トランジスタＳＴのウェル、ゲートに給電するための配線、ＧＢＬ、ＧＷＬを形成し半導体記憶装置を完成した。
【００４９】
長時間の炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった（図３６（ａ））。Ｙｍｉｎは、相変化メモリの積層化によるコスト低減を可能とするための最小歩留り値である。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった（図３６（ｂ））。
【００５０】
本実施例１では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例２】
【００５１】
実施例１では、レーザーアニールによるアモルファスシリコンの結晶化、不純物の活性化を行う際に、アモルファスシリコン直下のワード線材料、またはビット線材料が半導体主面全体を覆っていたが、本実施例２のようにレーザーアニールの際にワード線材料、ビット線材料が半導体主面の全てを覆わない製造方法も可能である。
本実施例２の半導体記憶装置の製造方法を図３７〜図４６に示す。
【００５２】
まず、実施例１と同様に選択トランジスタおよび周辺回路デバイスを半導体基板１上に形成し、絶縁膜２１を形成する。次にワード線材料（例えばＷ）をスパッタ法で成膜する。タングステン成膜温度は２００℃以下である。次に、ワード線材料をパターニングし、図３７（ａ）（ｂ）（ｃ）のようにする。
【００５３】
次に、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図３８（ａ））。Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。
【００５４】
次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープした後、次に、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図３９（ａ）（ｂ））。この時点では、相変化メモリ材料は含まれていないので、熱負荷低減の目的で行うレーザーアニールは必須ではなく、通常の加熱炉によるポリシリコンの結晶化、不純物の活性化を行うことも可能であるが、後述するように２層目以降のメモリアレイを製造する際には、レーザーアニールが必須である。本実施例では、１層目と２層目以降の選択素子の特性を同等にそろえるために、２層目以降のダイオードを形成するポリシリコンの結晶化と同様のレーザーアニールを用いた。
【００５５】
レーザーアニールによるアモルファスシリコンの結晶化の際には、レーザーを半導体主面の全体に同時に照射するのではなく、部分に分けて照射する。この際、金属膜であるワード線材料２が半導体主面全体で繋がっていると、レーザー照射部の熱がワード線材料２を伝わって放熱するため、結晶化のために大きなレーザーパワーが必要になる。本実施例２のように結晶化を行うアモルファスシリコン直下の金属膜をパターニングすることで、少ないレーザーパワーでアモルファスシリコンの結晶化、不純物の活性化が可能となる。
【００５６】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した。ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図３８から３９に示した方法以外の方法でも形成できる。
【００５７】
実施例１に示した、別方法１（図１２（ａ）（ｂ））、別方法２（図１２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図１３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図１４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図１５（ａ）〜（ｃ））をパターニングしたワード線２上で用いることもできる。
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４、ワード線材料２をｘ方向に延在するストライプ状にパターニングした。平面図は、図４１（ａ）が図４１（ｂ）となる。この時、ＷＬ、ＧＷＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す。
【００５８】
次に、シリコン酸化膜２２を例えばＣＶＤ法で堆積し、図４０（ａ）（ｂ）でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させ、ビット線と選択トランジスタの拡散層を接続するためのコンタクト孔を形成する。次に例えばコンタクト孔内に例えばＣＶＤ法でＷ、またはＴｉ、ＴｉＮ、Ｗを順に埋め込む。上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成した後、ビット線材料３を成膜する（図１２１（ａ）（ｂ））。
【００５９】
次に、ビット線材料をパターニングし、図４２、図４３（ａ）（ｂ）のようにする。
次に、Ｗｓｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜１０を形成、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する。次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１にドープした後、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図４４（ａ）（ｂ））。
【００６０】
レーザーアニールは、アモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を充分に行い、選択素子となるダイオードの電流駆動能力を充分なものにすること、１層目のメモリアレイを構成する相変化メモリ材料６への熱負荷を低減し歩留りを低下させないことを目的に行う。
【００６１】
通常、炉体によるポリシリコンの結晶化には７００℃以上の長時間熱処理が必要であり、この熱負荷で相変化素子の歩留りはほぼ０％にまで低下してしまう。相変化材料６と結晶化を行う２層目のアモルファスシリコンの間に、ビット線材料３が存在する状態で、レーザーアニールによる短時間アニールを行なうと、炉対加熱の場合と比較して、２層目のアモルファスシリコンを結晶化する際の相変化材料６の温度上昇を抑制でき熱負荷を低減できる。
【００６２】
レーザーアニールによるアモルファスシリコンの結晶化の際には、レーザーを半導体主面の全体に同時に照射するのではなく、部分ごとに分けて照射する。この際、金属膜であるビット線材料３が半導体主面全体で繋がっていると、レーザー照射部の熱がワード線材料３を伝わって放熱するため、結晶化のために大きなレーザーパワーが必要になる。本実施例３のように結晶化を行うアモルファスシリコン直下の金属膜をパターニングすることで、少ないレーザーパワーでアモルファスシリコンの結晶化、不純物の活性化が可能となる。
【００６３】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド９をＢドープポリシリコン４の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図４５）。
なお、ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図４４に示した方法以外の方法でも形成できる。
【００６４】
実施例１に示した、別方法１（図２２（ａ）（ｂ））、別方法２（図２２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図２３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図２４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図２５（ａ）〜（ｃ））をパターニングしたビット線３上で用いることもできる。
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜９、Ｂドープポリシリコン４、Ｐドープポリシリコン５、シリサイド１０、ビット線材料３、１層目のメモリアレイの上部電極７、１層目のメモリアレイの相変化材料６、１層目のメモリアレイの下部電極８、１層目のメモリアレイのシリサイド１０、１層目のメモリアレイのＰドープポリシリコン５、１層目のメモリアレイのＢドープポリシリコン４をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした。この時、ＢＬ、ＧＢＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す（図４６（ａ）（ｂ））。２層目のメモリアレイがストライプ状にパターニングされ、１層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
【００６５】
以下、実施例１の図２９から図３５までの工程と同様に、ただしビット線やワード線を成膜するたびにパターニングする工程を行うことで、半導体記憶装置を製造した。
実施例１の場合と同様に、炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった。
本実施例２では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例３】
【００６６】
実施例２では、ビット線材料、ワード線材料をパターニングした後、平坦ではない表面にアモルファスシリコン１４、１１、１５、シリサイド膜９、１０、下部電極７、相変化材料６、上部電極８を成膜していたが、本実施例３のように、平坦化を行ってから上述の膜を成膜することで、リソグラフィ、ドライエッチング時の段差を小さくし、加工を容易にすることもできる。実施例２の図３７の工程の後、ワード線２が完全に埋め込まれるように絶縁膜３１を埋め込み、ＣＭＰにより絶縁膜３１の一部を除去し、ワード線２の上表面を露出させる。この後、実施例３と同様の工程、ただしビット線、ワード線のパターニングごとに絶縁膜によるビット線、ワード線の埋め込みと表面の平坦化を行うことで半導体記憶装置を完成した。
【００６７】
実施例１、２の場合と同様に、炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった。
【００６８】
本実施例３では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例４】
【００６９】
実施例１から３では、ｘ方向、ｙ方向のストライプ状のマスクによるパターンニングだけで、メモリアレイを形成したが、本実施例５のようにメモリセルを形成する柱状パターンのマスクを追加して用いることもできる。本実施例５の半導体記憶装置製造方法を図４７〜図６１に示す。
【００７０】
まず、実施例１と同様に、シリコン基板上に公知の技術を用いて選択トランジスタＳＴを形成する。メモリアレイの駆動に必要な周辺回路を形成するシリコン基板上のデバイスに関しても同様に形成する。
【００７１】
次にワード線材料となる例えばタングステン２をスパッタ法で成膜する。タングステン成膜温度は２００℃以下である。次に、図６８と同様のパターンにワード線２を加工し、絶縁膜３１で埋め込んだ後、ＣＭＰにより平坦化する（図４７（ａ）（ｂ））。ワード線パターニングにより、立体図は図５８（ａ）から図５８（ｂ）となる。
【００７２】
次に、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図４８（ａ）（ｂ））。Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。
【００７３】
次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープした後、例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図４９）。この時点では、相変化メモリ材料は含まれていないので、熱負荷低減の目的で行うレーザーアニールは必須ではなく、通常の加熱炉によるポリシリコンの結晶化、不純物の活性化を行うことも可能であるが、後述するように２層目以降のメモリアレイを製造する際には、レーザーアニールが必須である。本実施例では、１層目と２層目以降の選択素子の特性を同等にそろえるために、図４９の工程で２層目以降に用いるのと同じレーザーアニールを用いた。
【００７４】
また、ワード線材料がパターニングされているので、実施例２、３と同様に少ないレーザーパワーでアモルファスシリコン１４、１５の結晶化と不純物活性化が可能であった。
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した。立体図は、図５８（ｃ）となる。
【００７５】
ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図４８〜図４９に示した方法以外の方法でも形成できる。
実施例１に示した、別方法１（図１２（ａ）（ｂ））、別方法２（図１２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図１３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図１４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図１５（ａ）〜（ｃ））をパターニングしたワード線２上で用いることもできる。
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４、ワード線材料２を柱状にパターニングした。この時、柱状構造がＷＬ上に形成されるように、パターン合せを行なう必要がある（図５０（ａ）（ｂ））。立体図は、図５９（ａ）となる。
【００７６】
次にシリコン酸化膜２２を例えばＣＶＤ法で堆積し、図５０（ａ）（ｂ）でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させる。次に、ビット線に接続する選択トランジスタの拡散層に至るコンタクト孔を形成し、次に例えばコンタクト１５０内に例えばＣＶＤ法でＷを埋め込んだ後、上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する。
次にビット線３となる材料（例えばタングステン）を成膜した。立体図は、図５９（ｂ）となる。
【００７７】
次にビット線材料をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした。ビット線は前記メモリセルの柱状構造上に存在するようにパターン合せをして形成する必要がある（図５１（ａ）（ｂ））。またこの時、ＢＬ、ＧＢＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す。１層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。立体図は、図５９（ｃ）となる。
次に絶縁膜３２で加工したビット線を埋め込んだ後、ＣＭＰで平坦化する（図５２（ａ）（ｂ））。
【００７８】
次に、Ｗｓｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド膜１０を形成、Ｐをドープしたアモルファスシリコン１５、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図５３（ａ）（ｂ））。
次に、イオン打ち込み法によりＢイオンをアモルファスシリコン１１にドープした後、次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図５４（ａ）（ｂ））。
【００７９】
レーザーアニールは、アモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を充分に行い、選択素子となるダイオードの電流駆動能力を充分なものにすること、１層目のメモリアレイを構成する相変化メモリ材料６への熱負荷を低減し歩留りを低下させないことを目的に行う。
【００８０】
通常、炉体によるポリシリコンの結晶化には７００℃以上の長時間熱処理が必要であり、この熱負荷で相変化素子の歩留りはほぼ０％にまで低下してしまう。相変化材料６と結晶化を行う２層目のアモルファスシリコンの間に、ビット線材料３が存在する状態で、レーザーアニールによる短時間アニールを行なうと、炉対加熱の場合と比較して、２層目のアモルファスシリコンを結晶化する際の相変化材料６の温度上昇を抑制でき熱負荷を低減できる。
【００８１】
また、ワード線材料がパターニングされているので、実施例２、３と同様に少ないレーザーパワーでアモルファスシリコン１４、１５の結晶化と不純物活性化が可能であった。
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド９をＢドープポリシリコン４の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した。立体図は、図６０（ａ）となる。
【００８２】
ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図５３〜図５４に示した方法以外の方法でも形成できる。実施例１に示した、別方法１（図２２（ａ）（ｂ））、別方法２（図２２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図２３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図２４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図２５（ａ）〜（ｃ））をパターニングしたビット線３上で用いることもできる。
次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜９、Ｂドープポリシリコン４、Ｐドープポリシリコン５を柱状構造にパターニングした。この時、柱状構造がＢＬ上に形成されるように、パターン合せを行なう必要がある。立体図は、図６０（ｂ）となる。
【００８３】
次にシリコン酸化膜２３を例えばＣＶＤ法で堆積し、図６０（ｂ）でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにした後、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させる（図５５（ａ）（ｂ））。
次に、ワード線１層目に至るコンタクト孔を形成した後、孔内に例えばＣＶＤ法でＷを埋め込んだ後、上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する（図５６（ａ）（ｂ））。
次にワード線２となる材料（例えばタングステン）を成膜した。立体図は、図６１（ａ）となる。
【００８４】
次にワード線材料をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした。ワード線は前記メモリセルの柱状構造上に存在するようにパターン合せをして形成する必要がある（図５７（ａ）（ｂ））。立体図は、図６１（ｂ）となる。
またこの時、ＢＬ、ＧＢＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す。２層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する。
【００８５】
以下同様の工程を繰り返すことで、３層目、４層目のアレイを形成できた。
実施例１〜４の場合と同様に、炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった。
【００８６】
本実施例４では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例５】
【００８７】
実施例１〜４では、ワード線、ビット線を隣接するメモリアレイ層で共用する型のクロスポイントセルアレイの製造方法を示したが、本実施例５のようにワード線、ビット線をメモリアレイ層ごとに独立して形成することもできる。
【００８８】
図１は本実施例の半導体記憶装置の平面図であり、実施例１〜４と同様である。図６２〜６５は図１におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、断面図である。また図６６は、メモリアレイ部分だけを示した立体図である。なお、図１の平面図、図６６の立体図において、図面を見やすくするために一部の部材は省略している。
【００８９】
本実施例の半導体記憶装置は、メモリ素子に抵抗可変素子である相変化メモリ、選択素子にポリシリコンダイオードを用いていて、これらが積層クロスポイント型にアレイを構成している点で実施例１〜４と同様であるが、ワード線やビット線を隣接メモリアレイ層で共用していない。そのため、選択素子となるダイオードの極性は隣接メモリ層で逆向きにする必要が無く、同じ向きで良い（図６６）。
【００９０】
図６２から６６では４層積層の場合のメモリアレイを示しているが、５層以上を積層することももちろん可能である。
相変化素子の動作は図７で説明した通りである。また、読み出し時、セット／リセット時のメモリアレイ内のセル選択方式も図８、９で説明したのと同様である。
次に、図６７〜図７４を用いて上記積層相変化メモリの製造方法を説明する。
ＳＴ形成後に絶縁膜２１でＳＴおよび、周辺回路のデバイスを埋め込み、必要に応じて化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）などで表面を平坦化したのが図６７（ａ）の状態である。次にワード線となる例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図６７（ｂ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープする（図６７（ｃ））。
【００９１】
次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図６８（ａ））。この時点では、相変化メモリ材料は含まれていないので、熱負荷低減の目的で行うレーザーアニールは必須ではなく、通常の加熱炉によるポリシリコンの結晶化、不純物の活性化を行うことも可能であるが、後述するように２層目以降のメモリアレイを製造する際には、レーザーアニールが必須である。本実施例では、１層目と２層目以降の選択素子の特性を同等にそろえるために、図６８（ａ）の工程で２層目以降に用いるのと同じレーザーアニールを用いた。
【００９２】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図６８（ｂ））。
ポリシリコンによる積層ＰＮダイオード構造は、図６７、図６８に示した方法以外の方法でも形成できる。
【００９３】
実施例１に示した、別方法１（図１２（ａ）（ｂ））、別方法２（図１２（ｃ）（ｄ））、別方法３（図１３（ａ）〜（ｄ））、別方法４（図１４（ａ）〜（ｃ））、別方法５（図１５（ａ）〜（ｃ））を用いることもできる。
【００９４】
図６８（ｂ）の次に、上部電極材料７、相変化材料６、下部電極材料８、シリサイド膜１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４、ワード線材料２をｘ方向に延在するストライプ状にパターニングした。この時、ＷＬ、ＧＷＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す。メモリアレイ部分の立体図は図１６６となる。
次にシリコン酸化膜２２を例えばＣＶＤ法で堆積し、図６９でパターニングしたスペースが完全に埋まり込むようにする。次に、例えばＣＭＰ法で表面を平坦化し上部電極７を露出させる。次に、ビット線に接続する選択トランジスタの拡散層に至るコンタクト孔１５０を形成する。次に例えば孔１５０内に例えばＣＶＤ法でＷ、またはＴｉ、ＴｉＮ、Ｗを順に埋め込む。上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成した後、ビット線３となる材料（例えばタングステン）を成膜する。立体図は図７０（ｂ）となる。次にビット線材料、上部電極７、相変化材料６、下部電極８、シリサイド１０、Ｐドープポリシリコン５、Ｂドープポリシリコン４をｙ方向に延在するストライプ状にパターニングした。またこの時、ＢＬ、ＧＢＬに至るコンタクト孔が形成される部分にはパターンを残す。１層目のメモリアレイのクロスポイント構造が完成する（図７０（ｂ））
次に、メモリアレイ層１層目と２層目を分離するための絶縁膜２３を成膜した後、ＣＭＰで絶縁膜２３の上表面を平坦化する。次に、ワード線１層目に至るコンタクト孔を形成し、次に例えばコンタクト孔内に例えばＣＶＤ法でＷ、またはＴｉ、ＴｉＮ、Ｗを順に埋め込む。上表面に堆積したＷを例えばＣＭＰ法で除去することでｐｌｕｇを形成する。
【００９５】
次にワード線となる例えばタングステン２、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図７１（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、Ｂドープアモルファスシリコン１４、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、Ｂドープアモルファスシリコンの成膜温度は４００℃程度、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。
【００９６】
次に、イオン打ち込み法によりリンイオンをアモルファスシリコン１１にドープし（図７１（ｂ））、次に例えばＣＯ２レーザーアニールにより、アモルファスシリコン１４、１５を結晶化し不純物の活性化も行う（図７２（ａ））。
レーザーアニールは、アモルファスシリコンの結晶化と不純物の活性化を充分に行い、選択素子となるダイオードの電流駆動能力を充分なものにすること、１層目のメモリアレイを構成する相変化メモリ材料６への熱負荷を低減し歩留りを低下させないことを目的に行う。
【００９７】
通常、炉体によるポリシリコンの結晶化には７００℃以上の長時間熱処理が必要であり、この熱負荷で相変化素子の歩留りはほぼ０％にまで低下してしまう。相変化材料６と結晶化を行う２層目のアモルファスシリコンの間に、ビット線材料３が存在する状態で、レーザーアニールによる短時間アニールを行なうと、炉対加熱の場合と比較して、２層目のアモルファスシリコンを結晶化する際の相変化材料６の温度上昇を抑制でき熱負荷を低減できる。
【００９８】
次に、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ２などのシリサイド１０をＰドープポリシリコン５の表面に形成し、相変化素子の下部電極となる８（ＴｉＮ、Ｗなど）、相変化材料６（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５など）、相変化素子の上部電極となる７（ＴｉＮ、Ｗなど）を順に成膜した（図７２（ｂ））。立体図は、図７３となる。
【００９９】
以下１層目の形成と同様の工程を繰り返すことで、２層目、３層目、４層目のアレイを形成できた。
実施例１〜４の場合と同様に、炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった。
本実施例５では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例６】
【０１００】
実施例１〜５では、メモリアレイの選択素子に用いるダイオードをポリシリコンのＰ-Ｎダイオード、あるいはP-I-Nダイオードで形成していたが、これらをポリシリコン／金属間のショットキーダイオードで形成することもできる。
【０１０１】
ショットキーダイオードはたとえば、図７５〜図７８に示す方法で形成できる。
ワード線、ビット線となる例えばタングステン上に、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜する（図７５（ａ））。タングステン膜２の成膜にはスパッタ法、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜にはＣＶＤ法を用いた。タングステン成膜温度は２００℃以下、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１の成膜温度は５３０℃程度である。次にイオン打ち込みによりＢイオンをアモルファスシリコンにドープする。不純物イオンの濃度をアモルファスシリコンの下部電極側、特にタングステン表面側を高濃度にし、表面側は低濃度にする（図７５（ｂ））。次にレーザーアニールによりアモルファスシリコンを結晶化した後（図７５（ｃ））、電極８（たとえばＴｉＮ）を成膜する（図７５（ｄ））。このようにすることで、電流が上向き方向が順方向となるショットキーダイオードを形成することができる。
【０１０２】
ワード線、ビット線となる例えばタングステン上に、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜した後（図７６（ａ））、イオン打ち込みによりＢイオンをアモルファスシリコンにドープする際に、不純物イオンの濃度をアモルファスシリコンの上表面で高濃度にし下部電極側は低濃度にする（図７６（ｂ））。次にレーザーアニールによりアモルファスシリコンを結晶化した後（図７６（ｃ））、シリサイド膜９を成膜し、電極８（たとえばＴｉＮ）を成膜する（図７６（ｄ））。このようにすることで、電流が下向き方向が順方向となるショットキーダイオードを形成することができる。
【０１０３】
ワード線、ビット線となる例えばタングステン上に、シリサイド膜１０を成膜し、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜した後（図７７（ａ））、イオン打ち込みによりＰイオンをアモルファスシリコンにドープする。不純物イオンの濃度をアモルファスシリコンの下部電極側、特にタングステン表面側を高濃度にし、表面側は低濃度にする（図７７（ｂ））。次にレーザーアニールによりアモルファスシリコンを結晶化した後（図７７（ｃ））、電極８（たとえばＴｉＮ）を成膜する（図７７（ｄ））。このようにすることで、電流が下向き方向が順方向となるショットキーダイオードを形成することができる。
ワード線、ビット線の特に上表面をＴｉＮにし、不純物をドープしないアモルファスシリコン１１を成膜した後（図７８（ａ））、イオン打ち込みによりＰイオンをアモルファスシリコンにドープする。不純物イオンの濃度をアモルファスシリコンの上表面を高濃度にし、下部電極界面は低濃度にする（図７８（ｂ））。次にレーザーアニールによりアモルファスシリコンを結晶化した後（図７８（ｃ））、シリサイド膜１０、電極８（たとえばＴｉＮ）を成膜する（図７８（ｄ））。このようにすることで、電流が上向き方向が順方向となるショットキーダイオードを形成することができる。
【０１０４】
図７５〜７８の製造方法のショットキーダイオードを用いた半導体記憶装置は、実施例１〜５の場合と同様に、炉体加熱により選択素子となるトランジスタのポリシリコン結晶化を行う従来の方法で製造すると、積層相変化メモリの選択素子の電流駆動能力と相変化素子の歩留りＹｍｉｎ以上を両立させることが不可能であった。本発明の方法で両立させることが可能となり、積層化による相変化メモリの低コスト大容量化が可能となった。
本実施例６では、抵抗可変素子を相変化メモリ、選択素子となるトランジスタをポリシリコンで形成したが、抵抗可変素子をNiO、CuO、TiO2などのReRAM、選択トランジスタをGe、SiGeなどのシリコン以外の半導体を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができた。
【実施例７】
【０１０５】
実施例１〜６の半導体記憶装置製造方法で、相変化材料６の上部電極７、または上部電極７と下部電極８を、ワード線２、ビット線３よりも熱伝導率が小さい材料で形成することもできる。
実施例１〜６でレーザーアニールにより、ポリシリコンの結晶化を行う際に、相変化材料６の熱負荷を低減するためには、レーザーアニールにより結晶化されるポリシリコンの熱が、相変化材料６に伝わりにくくする方が良く、ワード線２、ビット線３、上部電極７、下部電極８を熱伝導率が低い金属で形成することが好ましい。
【０１０６】
金属材料は、電気伝導率と熱伝導率の間に、ウィーデマン・フランツ則
熱伝導率  ÷  電気伝導率  ＝  ローレンツ数  × 絶対温度
が成り立つ。ここで、ローレンツ数は、２．４５×１０−８ ＷΩＫ―２である。つまり、熱伝導率が低い金属は、電気伝導率も低く、熱伝導率が高い金属は電気伝導率も低い。
ワード線２やビット線３は、相変化メモリの書換え、読出し時に電流を流すメモリアレイ内の長い配線を形成するため電気伝導率が十分高くしないと配線での電圧降下により相変化メモリの動作ができなくなるなどの不具合が生じる。それに対して、上部電極７や下部電極８は電流経路としては短く、配線ほど電気伝導率が高い必要が無い。
【０１０７】
そこで、上部電極７または上部電極７と下部電極８の両方をワード線２、ビット線３よりも熱伝導率が低い材料で形成することで、配線抵抗による相変化メモリの動作への悪影響を増加させることなく、レーザーアニールによるシリコンの結晶化の際の熱負荷を低減できる。実施例１〜６の製造方法で、例えば、ＴｉＮなどのような熱伝導率が小さい金属を上部電極７と下部電極８に用いて、Ｗ、Ｃｕなどをワード線２、ビット線３に用いることで本実施例７の不揮発性半導体記憶装置を製造できた。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルスチルカメラ等の小型携帯情報機器用記憶装置に用いて好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施例１〜６である半導体記憶装置の一例を示した一部平面図である。
【図２】本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＡ−Ａ線断面図）。
【図３】本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＢ−Ｂ線断面図）。
【図４】本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＣ−Ｃ線断面図）。
【図５】本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＤ−Ｄ線断面図）。
【図６】本発明の実施例１である半導体記憶装置の一例を示した一部立体図である。
【図７】相変化メモリのセット／リセット動作時の温度の時間変化を示した図である。
【図８】本発明の実施例１の半導体記憶装置の読み出し動作時の電圧条件を示した回路図である。
【図９】本発明の実施例１の半導体記憶装置のセット／リセット動作時の電圧条件を示した回路図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図１７】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部平面図である。
【図１８】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図１９】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２２】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２３】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２５】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２６】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図２７】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部平面図である。
【図２８】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図２９】（ａ）〜（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図３０】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３１】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３２】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３３】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３４】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３５】実施例１の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図３６】（ａ）と（ｂ）は、実施例１の半導体記憶装置の製造方法の効果を示した図である。
【図３７】（ａ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部平面図である。（ｂ）と（ｃ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図３８】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図３９】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４０】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部平面図である。
【図４２】実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４３】（ａ）〜（ｂ）は実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４４】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４５】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４６】（ａ）〜（ｂ）は、実施例２の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４７】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４８】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図４９】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５０】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５２】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５３】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５４】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５５】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５６】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５７】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図５８】（ａ）〜（ｃ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図５９】（ａ）〜（ｃ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図６０】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図６１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例３の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図６２】本発明の実施例４である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＡ−Ａ線断面図）。
【図６３】本発明の実施例４である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＢ−Ｂ線断面図）。
【図６４】本発明の実施例４である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＣ−Ｃ線断面図）。
【図６５】本発明の実施例４である半導体記憶装置の一例を示した一部断面図である（図１のＤ−Ｄ線断面図）。
【図６６】本発明の実施例４である半導体記憶装置の一例を示した一部立体図である。
【図６７】（ａ）〜（ｃ）は、実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図６８】（ａ）〜（ｂ）は、実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図６９】実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図７０】（ａ）〜（ｂ）は、実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図７１】（ａ）〜（ｂ）は、実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図７２】（ａ）〜（ｂ）は、実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図７３】実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図７４】実施例４の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部立体図である。
【図７５】（ａ）〜（ｄ）は、実施例５の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図７６】（ａ）〜（ｄ）は、実施例５の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図７７】（ａ）〜（ｄ）は、実施例５の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【図７８】（ａ）〜（ｄ）は、実施例５の半導体記憶装置の製造方法の一例を示した一部断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１…半導体基板（シリコン基板）、
２…ワード線、
３…ビット線、
４…ｐ型ポリシリコン、
５…ｎ型ポリシリコン、
６…抵抗可変素子材料（例えば相変化材料）、
７…抵抗可変素子の上部電極、
８…抵抗可変素子の下部電極、
９…ｐ型ポリシリコン界面のバリアメタル、またはシリサイド、
１０…ｎ型ポリシリコン界面のバリアメタル、またはシリサイド、
１１…不純物をドープしていないアモルファスシリコン、
１２…不純物をドープしていないポリシリコン、
１４…ｐ型不純物を高濃度に含むアモルファスシリコン、
１５…ｎ型不純物を高濃度に含むアモルファスシリコン、
４４…ｐ型不純物を低濃度に含むポリシリコン、
４５…ｎ型不純物を低濃度に含むポリシリコン、
５４…ｐ型不純物を低濃度に含むアモルファスシリコン、
５５…ｎ型不純物を低濃度に含むアモルファスシリコン、
２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３１…シリコン酸化膜、
３０…ハードマスク材料、
１００…プレート電極、
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７…絶縁膜、
１５０、１５１…コンタクト孔、
１６１…ゲート絶縁膜、
２００…素子分離、
Ｇａｔｅ…ゲート電極、
Ｄｉｆ…拡散層、
ＳＴ…選択トランジスタ、
ｐｌｕｇ…プラグ電極、
ＳＷＬ…選択ワード線、
ＵＳＷＬ…非選択ワード線、
ＳＢＬ…選択ビット線、
ＵＳＢＬ…非選択ビット線
ＳＭＣ…選択メモリセル、
Ｓｅｎｓｅ  Ａｍｐ．…センスアンプ、
Ｉｃｅｌｌ…読み出し時選択セル電流、
Ｉｒｅａｄ…読み出し時センスアンプ電流、
Ｉｓｅｔ…セット時選択セル電流、
Ｉｒｅｓｅｔ…リセット時選択セル電流、
ＣｅｌｌＡ…選択ワード線、選択ビット線メモリセル（選択メモリセル）、
ＣｅｌｌＢ…非選択ワード線、選択ビット線メモリセル、
ＣｅｌｌＣ…選択ワード線、非選択ビット線メモリセル、
ＣｅｌｌＤ…非選択ワード線、非選択ビット線メモリセル、
ｕ…選択ワード線の上層のビット線、
ｄ…選択ワード線の下層のビット線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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