3次元フラッシュメモリのチャネル向けメタルアシスト結晶化メカニズム解明

2024年12月17日

3次元フラッシュメモリは、市場からの低価格・大容量化の要求に応えるため、さらなる高積層化が必要になります。しかし、高積層化でポリSi（poly-Si）チャネルが長くなることで抵抗が増え、セル電流が不足します。この課題を解決するため、poly-Siチャネルの移動度を改善する技術として、メタルアシスト結晶化（Metal-induced Lateral Crystallization, MILC）の開発が進められています^[1][2][3]。

図1(a)はメモリホール内をMILCによって結晶化するプロセスの模式図です。NiSi₂の粒をチャネルの上から下に拡散させる際に、MILC現象によって結晶化が進みます。図1(b)はMILC現象を模式的に表したものです。MILC現象では、アモルファスSi（a-Si）内をNiSi₂の粒が熱によって拡散し、そのNiSi₂が通過した後には結晶Si（c-Si）が生成されます。MILCプロセスでは、a-Siがpoly-Siに変化する前にNiSi₂を拡散させることでチャネル全体を結晶化させます。

これまでMILCについて、多くの実験や現象論的な理論計算が行われてきました。しかし、原子スケールでの研究はc-SiとNiSi₂の結晶界面（c-Si/NiSi₂界面）での検討^[5]等にとどまり、NiSi₂とa-Siの界面（NiSi₂/a-Si界面）を含めた結晶成長の1サイクルを通した全体的なメカニズム解明には至っていませんでした。MILC技術を実用化するには、結晶化効率を十分向上させる必要がありますが、基本的なメカニズムが分かっていなければ、改善方針を立てることができません。そこで第一原理計算により原子スケールおよび全体的なメカニズムを明らかにし、何がMILC現象を律速しているのかを調査しました^[4]。

MILCは、複雑な界面やNiSi₂中の粒界・不純物など多様な要因が関わる現象と考えられます。しかし、結晶成長の前後でNiSi₂自体はほとんど変化しないことから、その中でもNiかSiの原子、あるいはそれらの空孔がNiSi₂結晶中を通り抜けることが本質的な要因であると考えられます。そして、拡散種が形成される場所は主にNiSi₂結晶中やc-Si/NiSi₂界面、NiSi₂/a-Si界面の3つの場所なので、結果として図2(a)の6パターンが拡散種の候補となります。

ここで、これら候補が形成されるのに必要なエネルギーを第一原理計算で求め、その結果を図2(b)に図示します。それらの値を比較すると、6パターンの候補のうちNiSi₂/a-Si界面付近のNi空孔が最も形成されやすく、そのためMILC現象で最も主要な拡散種となることを世界で初めて明らかにしました。

次に、その形成されたNi空孔がNiSi₂中をどのように拡散しているのかを調査しました。図3(a)はNi空孔をもつNiSi₂結晶構造の模式図で、Ni空孔を丸点線で表しています。このNi空孔がNi原子Aの位置に移動する場合、複数の拡散経路が考えられます。検討の結果、図3(b)に示すように4つの原子サイトを巡回して移動する複雑な経路が最もエネルギー的に低く、拡散しやすいことを見出しました。

このような複雑な経路で拡散したNi空孔は、最終的にc-Si/NiSi₂界面に集まります。その際にNiSi₂からNiが抜けることになるため、c-Siの領域が増加します^[5]。以上の結果をまとめるとMILC現象の1サイクルの全体像は図4(a)に示した、(1)NiSi₂/a-Si界面で形成されたNi空孔が、(2)複雑な経路でNiSi₂中を拡散し、(3)最終的にc-Si/NiSi₂界面に集まる、という3つのステップで説明できます。このようにMILC現象の1サイクルが分かると、これら3つのステップのエネルギー障壁を比較することで律速過程を特定できます。

第一原理計算で求めた各ステップのエネルギー障壁を、図4(b)にまとめました。その中で、ステップ(2)が最もエネルギー障壁が高く、最も遅いステップであることがわかりました。そしてこの値は、実験から求めた値^[6]と一致していることが確認できました。このように、このステップ(2)がMILC現象のボトルネックであることを世界で初めて理論的に特定できました。

基本的なメカニズムが明らかになったので、MILC現象に対する応力の影響が評価できるようになりました。チャネルは3次元フラッシュメモリ内に埋まっているため、周囲から応力がかかります。今回はメモリホールに沿った方向にチャネルが伸び縮みする応力を受けたケースを想定しました。図5にその結果を示します。

横軸はチャネルに対する応力で、負の方向は引張応力、正の方向は圧縮応力と対応しています。縦軸は、Ni空孔拡散に必要なエネルギーの、応力なしの値との差分を表しています。この結果は、引張応力がかかるほど、Ni空孔の拡散に必要なエネルギーは少なくなり、MILC成長速度が大きくなる可能性を示唆しています。この傾向は、これまでの実験による先行研究^[7][8]と一致しており、今回明らかにしたメカニズムの妥当性が裏付けられました。

チップの製造過程で、チャネルには応力の他にも様々な外部影響が加わります。このようにメカニズムを明らかにすることで、外部影響がMILC現象にどのような影響を与えるかをシミュレーションで評価できます。今後も、原理原則に基づいたシミュレーションによるプロセス改善の提案を通じて、開発の加速に貢献していきます。