JP4860248B2 - 相変化メモリ装置および相変化メモリ装置の製造方法 - Google Patents
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Description
デジタル情報の記憶が可能となる。そして、カルコゲナイド半導体を介して流れる電流量(あるいは電圧降下)の差を検出することによって、記憶情報が"1"であるか、"0"であるかを判定することが可能となる。
相変化メモリ装置の量産化の妨げとなる。
(第1の実施形態)
(W))からなる。
(第1の導電材料αの主成分の候補)
Ti(チタン):C=2.34×106/mΩ,P=21.9W/m・K
Nb(ニオブ):C=6.93×106/mΩ,P=53.7W/m・K
Ta(タンタル):C=7.61×106/mΩ,P=57.5W/m・K
Zr(ジルコニウム):C=2.36×106/mΩ,P=22.7W/m・K
TiN(窒化チタン):金属の窒化物は、その金属の性質を引き継ぐため、Ti(チタン)の特性に準じる特性をもつと考えられる。
(第2の導電材料βの主成分の候補)
Al(アルミニュウム):C=37.7×106/mΩ,P=237W/m・K
Mo(モリブデン):C=18.7×106/mΩ,P=138W/m・K
Cu(銅):C=59.6×106/mΩ,P=401W/m・K
W(タングステン):C=18.9×106/mΩ,P=174W/m・K
各金属材料の導電率(ならびに薄膜の比抵抗)と熱伝導率の数値から、第1の導電材料αの主成分となり得る金属材料は、1.0×106/mΩオーダーの導電率ならびに10.0W/m・Kオーダーの熱伝導率を有し、一方、第2の導電材料βの主成分となり得る金属は、10.0×106/mΩオーダーの導電率ならびに100.0W/m・Kオーダーの熱伝導率を有し、導電材料αとβでは、導電率、熱伝導率共に、概ね10倍程度の差は認められることがわかる。
但し、金属窒化物の薄膜をCVD法で形成する場合、原材料ガスに依存して比抵抗が変化し、また、原材料ガスに応じて、比抵抗の値を変動幅も異なる。本発明の発明者の実験によると、TiN薄膜の比抵抗は、原材料ガスとしてTiCl4を使用した場合、500μΩ・cm〜900μΩ・cmの範囲で変更することが可能であった。MOCVD法を使用した場合(原材料ガスTi[N(C2H5)2]4)の場合、1000μΩ・cm〜6000μΩ・cmの範囲で変更可能であった。いずれにしろ、TiN薄膜の比抵抗はかなり大きいことがわかる。
一方、本発明の発明者は、W(タングステン)の薄膜をCVD法により作成し、その比抵抗を測定したが、比抵抗=10μΩ・cmであった。上記した、TiNの比抵抗の1/10以下であることがわかる。
(第2の実施形態)
(第3の実施形態)
Xデコーダ120,121は、ワード線WL1〜WL4を駆動する。Yデコーダ122,123は、ビット線B1〜B3を駆動する。
(第4の実施形態)
(1)工程1(図9)
(2)工程2(図10)
(3)工程3(図11)
(4)工程4(図12)
(5)工程5(図13)
(6)工程6(図14)
(第5の実施形態)
(第6の実施形態)
102,250 接地電位用配線(グランド配線)
104 異種材料コンタクトプラグ
106 第1の導電材料プラグ(TiN等からなる)
108 第2の導電材料プラグ(W等からなる)
110,218 ヒータ電極
114,300 相変化層としてのGST(GeSbTe:カルコゲナイド半導体)
116,268 上部電極
118,272 コンタクト電極(コンタクトプラグ)
119,274 電極層(電極端子P)
200 p型半導体基板
202(202a,202b) n型拡散層
204(204a,204b) シャロートレンチアイソレーション(STI)
206 ゲート絶縁膜
212a,212b タングステン(W)からなる第2の導電材料プラグ
214a,214b TiN膜
216a,216b Ti膜
217a,217b TiN/Ti膜からなる第1の導電材料プラグ
250 260 接地配線
WL(WL1〜WL4) ワード線
B(B1〜B3) ビット線
G(G1〜G3) グランド線
M 相変化メモリ装置選択用のMOSトランジスタ
R 相変化メモリ装置を示す等価抵抗
Vref 基準電圧源
DP ワード線WLを構成する導体層
Q 絶縁膜に設けられた、ヒータ電極の上面の一部を露出させる接続領域
F フィールド(素子形成領域)
Claims (16)
- 相変化層と、
この相変化層に一端が接触するヒータ電極と、
このヒータ電極の他端に接触する第1の導電材料からなる第1の導電材料プラグと、前記第1の導電材料よりも比抵抗が小さい第2の導電材料からなる第2の導電材料プラグとが、両プラグの少なくとも側面同士が接触し、かつ、前記ヒータ電極と前記第2の導電材料プラグとが重なりを持たない態様で接触して構成される異種材料コンタクトプラグと、
前記第2の導電材料プラグと電気的に接続される導電体層と、
を有することを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記異種材料コンタクトプラグの平面形状は、
前記第2の導電材料プラグが埋め込まれた幅広の本体部と、
この本体部分から突出し、前記本体部分の幅よりも狭く、前記第1の導電材料からなり、かつ前記ヒータ電極が接続される突起部と、
を含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第2の導電材料プラグの体積は、前記第1の導電材料プラグの体積よりも大きいことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第1の導電材料プラグを構成する前記第1の導電材料は、前記ヒータ電極を構成する金属材料と同じ金属材料からなることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第1の導電材料プラグを構成する前記第1の導電材料は、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo),ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr),タングステン(W)のいずれかの金属、または前記金属の窒化物、あるいは前記金属のシリサイドを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第1の導電材料プラグを構成する前記第1の導電材料は、チタン窒化物(TiN)、タンタル窒化物(TaN)、モリブデン窒化物(MoN)、ニオブ窒化物、チタンシリコン窒化物、チタンアルミニウム窒化物、チタンボロン窒化物、ジルコニウム−シリコン窒化物、タングステン−シリコン窒化物、タングステン−ボロン窒化物、ジルコニウム−アルミニウム窒化物、モリブデン−シリコン窒化物、モリブデン−アルミニウム窒化物、タンタル−シリコン窒化物、タンタル−アルミニウム窒化物、チタン酸窒化物、チタンアルミニウム酸窒化物、タングステン酸窒化物、タンタル酸窒化物、タンタルシリサイド(TaSi)、タングステンシリサイド(WSi)またはモリブデンシリサイド(MoSi)のいずれかを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第2の導電材料プラグを構成する前記第2の導電材料は、タングステン(W),アルミニウム(Al),モリブデン(Mo),銅(Cu)のいずれかの金属、または、前記金属のシリサイドを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第1の導電材料プラグを構成する第1の導電材料の比抵抗は、前記第2の導電材料プラグを構成する第2の導電材料の比抵抗の10倍以上であることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
前記第1の導電材料プラグは、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールの内表面ならびに底面に形成された薄いチタン(Ti)膜上に窒化チタン(TiN)を埋め込むことによって形成されたプラグであり、前記第2の導電材料プラグは、前記窒化チタン(TiN)の埋め込み後も残存している窪みの部分を、タングステン(W)でさらに埋め込むことによって形成されたプラグであることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置であって、
メモリセル選択用のスイッチング素子と、このスイッチング素子の一極に接地電位を接続するための接地電位接続用プラグと、をさらに有し、
前記スイッチング素子の一極が、前記接地電位接続用プラグを介して接地電位に接続され、前記スイッチング素子の他極が、前記異種材料コンタクトプラグを構成する前記第2の導電材料プラグに電気的に接続されることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 半導体基板内または半導体基板上に設けられるメモリセル選択用のスイッチング素子と、
第1の導電材料プラグと、この第1の導電材料よりも導電率、熱伝導率が共に高い第2の導電材料プラグとが、両プラグの側面同士が接触する態様で接触して構成される異種材料コンタクトプラグと、
前記第1の導電材料プラグに接触して接続され、かつ、前記第2の導電材料プラグと重なりを持たないヒータ電極と、
このヒータ電極に接触して接続される相変化層と、
この相変化層に接続される電極層と、
を有することを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1または請求項11記載の相変化メモリ装置であって、
前記相変化層は、カルコゲナイド半導体層であることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1に記載される相変化メモリ装置の製造方法であって、
半導体基板上に形成される層間絶縁膜の一部を選択的にパターニングし、その平面形状が、幅広の本体部と、この本体部から突出すると共に、その幅が前記本体部の幅よりも狭い突起部と、を有するコンタクトホールを形成する第1の工程と、
前記突起部のみを完全に埋め込むことができる条件にて、前記コンタクトホールを前記第1の導電材料により埋め込んで前記第1の導電材料プラグを形成する第2の工程と、
前記コンタクトホールの前記本体部を、前記第2の導電材料にて完全に埋め込んで前記2の導電材料プラグを形成する第3の工程と、
を含むことを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項1記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
半導体基板内または半導体基板上にメモリセル選択用のスイッチング素子を形成する第1の工程と、
請求項13に記載される異種材料コンタクトプラグの製造方法を用いて、前記第2の導電材料プラグが前記スイッチング素子の一極に電気的に接触するように、前記異種材料コンタクトプラグを形成する第2の工程と、
ヒータ電極の下面が、前記第1の導電材料プラグの上面に接触するように前記ヒータ電極を形成する第3の工程と、
前記ヒータ電極の上面に、相変化層の下面が接触するように前記相変化層を形成する第4の工程と、
前記相変化層の上面の少なくとも一部に接続される電極層を形成する第5の工程と、
を含むことを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項14記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記第2の工程において、異種材料コンタクトプラグを形成する際、前記スイッチング素子の他極を接地電位とするための接地電位用プラグも形成することを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項14記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記スイッチング素子は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、この絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極を形成する際、そのゲート電極を構成する導電材料層の上面ならびに側面に電気的絶縁層を形成することを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。
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