JP4786136B2 - 相変化記憶素子及びその形成方法 - Google Patents
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Description
前記相変化記憶素子では、データの貯蔵媒体として相変化物質膜を採択する。前記相変化物質膜は、温度によって二つの安定した状態(two stable states)を有する。
図1を参照すると、前記相変化物質膜を溶融温度(melting temperature;Tm)より高い温度まで第1期間(first duration;T1)の間加熱した後に急速に冷却すると、前記相変化物質膜は非晶質状態(amorphous state)に変わる(曲線(1)参照)。一方、前記相変化物質膜を前記溶融温度Tmより低く、結晶化温度(crystallization temperature;Tc)より高い温度まで前記第1期間T1より長い第2期間(second duration;T2)の間加熱した後に冷却すると、前記相変化物質膜は結晶状態に変わる(曲線(2)参照)。ここで、非晶質状態を有する相変化物質膜の比抵抗は結晶状態を有する相変化物質膜の比抵抗より高い。したがって、読み出しモードで前記相変化物質膜を通じて流れる電流を感知することによって、前記相変化記憶セルに貯蔵された情報が論理“1”であるか、または論理“0”であるかを判別することができる。前記相変化物質膜には、ゲルマニウム(Ge)、テルル(Tellurium;Te)及びアンチモン(stibium;Sb)を含有する化合物膜(compound material layer;以下‘GST膜’という)が広く使用される。
本発明の他の課題は、動作電流を減少させることによって、高集積化に適する相変化記憶素子の形成方法を提供することにある。
また、前記高抵抗相変化物質パターン上に位置した第2相変化物質パターンをさらに備える。この時に、前記高抵抗相変化物質パターンは前記第1相変化物質パターン及び第2相変化物質パターンの間に介在する。前記第1相変化物質パターン、第2相変化物質パターン及び前記高抵抗相変化物質パターンは結晶状態であり得る。
なお、半導体基板上に下部層間絶縁膜が配置される。前記第1相変化物質パターンは前記下部層間絶縁膜上に配置される。下部プラグが前記下部層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板の所定の領域と前記第1相変化物質パターンとを接続させる。前記下部層間絶縁膜、第1相変化物質パターン、第2相変化物質パターン及び高抵抗相変化物質パターンを覆う上部層間絶縁膜をさらに備える。配線が前記上部層間絶縁膜上に配置され、上部プラグが前記上部層間絶縁膜を貫通して前記第2相変化物質パターンと前記配線とを接続させる。
前記情報貯蔵要素の対向した面は前記相変化物質パターンで作られ得る。
また、前記下部層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板の所定の領域と前記情報貯蔵要素とを接続させる下部プラグをさらに備える。上部層間絶縁膜が前記情報貯蔵要素及び前記下部層間絶縁膜を覆い、前記上部層間絶縁膜上に配線が配置される。前記上部層間絶縁膜を貫通して前記情報貯蔵要素及び配線を接続させる上部プラグをさらに備える。
図2に示すように、半導体基板101の所定の領域に活性領域を限定する素子分離膜102が配置される。前記素子分離膜102はトレンチ素子分離膜であり得る。前記活性領域に不純物拡散層103が配置される。前記不純物拡散層103はMOSトランジスタ(図示しない)のソース/ドレイン領域であり得る。
前記情報貯蔵要素115は順次に積層された少なくとも二つの相変化物質パターン107a'、107b'、107c'と、隣接した前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'の間に各々介在した少なくとも一つの高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'とで構成される。この時に、前記高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'は前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'に比べて高い抵抗を有する。前記情報貯蔵要素115の下部面及び上部面は前記相変化物質パターン107a'、107c'からなることが望ましい。図2に示した前記情報貯蔵要素115は第1相変化物質パターン107a'、第1高抵抗相変化物質パターン109a'、第2相変化物質パターン107b'、第2高抵抗相変化物質パターン109b'及び第3相変化物質パターン107c'が順次に積層された構造を有する。前記情報貯蔵要素115は四つ以上の前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'及び三つ以上の前記高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'を有することができる。
前記MOSトランジスタ(図示しない)及び前記情報貯蔵要素115は単位セルを構成することができる。すなわち、前記MOSトランジスタのゲート電極(図示しない)はワードラインに該当し、前記情報貯蔵要素115はデータを貯蔵する場所になる。
図2及び図3に示すように、ポイント161、162、163は本実施例による情報貯蔵要素の実験値であり、ポイント150は一般的な相変化物質膜で形成された情報貯蔵要素の実験値である。前記ポイント161の情報貯蔵要素115は三つの前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'及び二つの前記高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'で構成され、30nmの厚さに形成した。前記ポイント162の情報貯蔵要素115は四つの前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'及び三つの前記高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'で構成され、40nmの厚さに形成した。前記ポイント163の情報貯蔵要素115は5個の前記相変化物質パターン107a'、107b'、107c'及び四つの前記高抵抗相変化物質パターン109a'、109b'で構成され、59nmの厚さに形成した。前記ポイント150の情報貯蔵要素は一つの相変化物質膜で構成され、50nmの厚さに形成した。
図4に示すように、半導体基板101に活性領域を限定する素子分離膜102を形成する。前記素子分離膜102はトレンチ素子分離膜で形成することができる。前記活性領域に選択的に不純物イオンを注入して不純物拡散層103を形成する。前記不純物拡散層103はMOSトランジスタのソース/ドレイン領域であり得る。前記不純物拡散層103を有する半導体基板101の全面上に下部層間絶縁膜104を形成する。前記下部層間絶縁膜104はシリコン酸化膜で形成することができる。前記下部層間絶縁膜104を貫通して前記不純物拡散層103の所定の領域と接触する下部プラグ105を形成する。前記下部プラグ105は導電膜で形成する。例えば、TiN、TiAlN、TiBN、TiSiN、TaN、TaAlN、TaBN、TaSiN、WN、WBN、WSiN、WAlN、ZrN、ZrSiN、ZrAlN、ZrBN、MoN、Al、Al−Cu、Al−Cu−Si、WSix、Ti、W、Mo、Ta、TiW及びCuで構成されたグループから選択された少なくとも一つで形成することができる。
前記相変化物質膜107a、107b、107cはカルコゲナイド元素であるテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含む物質で形成することが望ましい。例えば、Ge−Sb−Te、As−Sb−Te、As−Ge−Sb−Te、Sn−Sb−Te、Sn−In−Sb−Te、5A族元素−Sb−Te、6A族元素−Sb−Te、5A族元素−Sb−Se、6A族元素−Sb−Seで形成することができる。前記高抵抗相変化物質膜109a、109bは一つ以上の酸化された相変化物質または一つ以上の窒化された相変化物質またはその組み合わせのうちいずれか一つからなる。前記酸化された相変化物質はカルコゲナイド元素であるテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に酸素(O)を含む物質であり、前記窒化された相変化物質はカルコゲナイド元素であるテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に窒素(N)を含む物質である。
前記上部層間絶縁膜117はシリコン酸化膜で形成することができる。前記上部プラグ118は、TiN、TiAlN、TiBN、TiSiN、TaN、TaAlN、TaBN、TaSiN、WN、WBN、WSiN、WAlN、ZrN、ZrSiN、ZrAlN、ZrBN、MoN、Al、Al−Cu 、Al−Cu−Si、WSix、Ti、W、Mo、Ta、TiW及びCuで構成された一群かた選択された少なくとも一つで形成することができる。
Claims (23)
- 半導体基板上に形成された下部層間絶縁膜と、
前記下部層間絶縁膜上に積層された複数の相変化物質パターンと、
隣接した前記相変化物質パターンの間に各々介在している複数の高抵抗相変化物質パターンと、
を備え、
前記高抵抗相変化物質パターンは前記相変化物質パターンに比べて高い抵抗を有し、一つ以上の酸化された相変化物質または一つ以上の窒化された相変化物質またはその組み合わせのうちいずれか一つからなり、
前記酸化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に酸素を含有し、前記窒化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に窒素を含有し、前記相変化物質パターン及び前記高抵抗物質パターンは情報貯蔵要素を提供することを特徴とする相変化記憶素子。 - 前記相変化物質パターン及び前記高抵抗相変化物質パターンは、結晶状態であることを特徴とする請求項1に記載の相変化記憶素子。
- 前記相変化物質パターンは、テルル(Te)及びセレン(Se)うちから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化記憶素子。
- 前記情報貯蔵要素の上部および下部は、前記相変化物質パターンからなることを特徴とする請求項1に記載の相変化記憶素子。
- 前記情報貯蔵要素上に形成されたバリアパターンをさらに備え、
前記バリアパターンは、導電膜であることを特徴とする請求項1に記載の相変化記憶素子。 - 前記下部層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板の所定の領域と前記情報貯蔵要素とを連結させる下部プラグと、
前記下部層間絶縁膜及び前記情報貯蔵要素を覆う上部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜上に配置された配線と、
前記上部層間絶縁膜を貫通して前記配線及び前記情報貯蔵要素を連結させる上部プラグと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の相変化記憶素子。 - 半導体基板上に下部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記下部層間絶縁膜上に順次に積層された少なくとも二つの相変化物質膜、ならびに前記少なくとも二つの相変化物質膜の間に介在した高抵抗相変化物質膜を含む情報貯蔵膜を形成する段階と、
前記情報貯蔵膜をパターニングし、少なくとも二つの相変化物質パターン、ならびに前記少なくとも二つの相変化物質パターンの間に介在した高抵抗相変化物質パターンを有する情報貯蔵要素を形成する段階と、
を含み、
前記高抵抗相変化物質膜は、前記相変化物質膜に比べて高い抵抗を有し、一つ以上の酸化された相変化物質または一つ以上の窒化された相変化物質またはその組み合わせのうちいずれか一つからなり、
前記酸化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に酸素を含有し、前記窒化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に窒素を含有することを特徴とする相変化記憶素子の形成方法。 - 前記少なくとも二つの相変化物質膜と前記高抵抗相変化物質膜とは、結晶状態であることを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記情報貯蔵膜を形成する前に、
前記下部層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板の所定の領域と接続する下部プラグを形成する段階をさらに含み、
前記情報貯蔵要素は、前記下部プラグと接続することを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 前記少なくとも二つの相変化物質パターンは、テルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記高抵抗相変化物質パターンは酸化された相変化物質を含み、前記酸化された相変化物質は酸化工程、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法及び原子層積層法のうちから選択された少なくとも一つで形成されることを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記高抵抗相変化物質パターンは窒化された相変化物質を含み、前記窒化された相変化物質は窒化工程、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法及び原子層積層法のうちから選択された少なくとも一つで形成されることを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記情報貯蔵膜をパターニングする前に、
前記少なくとも二つの相変化物質膜のうちのいずれか一つと接する導電性バリア膜を形成する段階と、
前記導電性バリア膜をパターニングし、バリアパターンを形成する段階と、
をさらに含み、
前記バリアパターンは、前記情報貯蔵要素の上部面または下部面のうちいずれか一つと接続することを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 前記情報貯蔵要素及び前記下部層間絶縁膜を覆う上部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記上部層間絶縁膜を貫通して前記情報貯蔵要素と接続する上部プラグを形成する段階と、
前記上部層間絶縁膜上に前記上部プラグと接続する配線を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 半導体基板上に下部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記下部層間絶縁膜上に順次に積層された複数の相変化物質膜、ならびに隣接した前記相変化物質膜の間に各々介在した複数の高抵抗相変化物質膜を含む情報貯蔵膜を形成する段階と、
前記情報貯蔵膜をパターニングし、情報貯蔵要素を形成する段階と
を含み、
前記高抵抗相変化物質膜は、前記相変化物質膜に比べて高い抵抗を有し、一つ以上の酸化された相変化物質または一つ以上の窒化された相変化物質またはその組み合わせのうちいずれか一つからなり、
前記酸化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に酸素を含有し、前記窒化された相変化物質はテルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含有すると同時に窒素を含有することを特徴とする相変化記憶素子の形成方法。 - 前記相変化物質膜及び前記高抵抗相変化物質膜は、結晶状態であることを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記情報貯蔵膜を形成する前に、
前記下部層間絶縁膜を貫通して前記半導体基板の所定の領域と接触する下部プラグを形成する段階をさらに含み、
前記情報貯蔵要素は、前記下部プラグと接続することを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 前記相変化物質膜は、テルル(Te)及びセレン(Se)のうちから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記酸化された相変化物質は、酸化工程、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法及び原子層積層法のうちから選択された少なくとも一つで形成されることを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記窒化された相変化物質は、窒化工程、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法及び原子層積層法のうちから選択された少なくとも一つで形成されることを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。
- 前記情報貯蔵膜上に導電性バリア膜を形成する段階と、
前記導電性バリア膜をパターニングし、前記情報貯蔵膜上にバリアパターンを形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 前記下部層間絶縁膜上に導電性バリア膜を形成する段階と、
前記導電性バリア膜をパターニングし、バリアパターンを形成する段階と
をさらに含み、
前記情報貯蔵膜は前記導電性バリア膜上に形成され、前記情報貯蔵要素は前記バリアパターン上に配置されることを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。 - 前記情報貯蔵要素及び前記下部層間絶縁膜を覆う上部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記上部層間絶縁膜を貫通して前記情報貯蔵要素と接続する上部プラグを形成する段階と、
前記上部層間絶縁膜上に前記上部プラグと接続する配線を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項15に記載の相変化記憶素子の形成方法。
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