JP4860249B2 - 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。
そして、材料を適切に選択すれば、導電率、熱伝導率共に、その程度の差を実現するのは、それほどむずかしいことではない。
(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。なお、金属窒化物の薄膜をCVD法で形成する場合、原材料ガスによって特性が変化し、また、特性を変動させることができる範囲も異なる。本発明の発明者の実験によると、TiN薄膜の比抵抗(抵抗率(導電率の逆数)を示す指標)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薄膜のシート抵抗はかなり大きいことがわかる。
(第2の導電材料βの主成分の候補)
W(タングステン):C=18.9×106/mΩ,P=174W/m・K
また、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。
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
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。したがって、導電率、熱伝導率に関し、この程度の差を設けるのは、材料選択を適切に行えば、それほどむずかしいことではない。
(5)好ましい導電材料の一例としては、チタン窒化物(TiN)と、タングステン(W)があげられる。すなわち、第1の導電材料(α)として、チタン窒化物(TiN)の薄膜を使用し、第2の導電材料(β)としてタングステン(W)を使用することができる。ここでは、チタン窒化物(TiN)の薄膜と、タングステン(W)の薄膜の比抵抗について比較する。
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)
(第4の実施形態)
Xデコーダ120,121は、ワード線W1〜W4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1の工程:図6)
(第2の工程:図7)
(第3の工程:図8)
(第4の工程:図9)
(第5の工程:図10)
(第6の工程:図11)
相変化メモリ装置における良好な電気特性と良好な熱特性を両立させ、電極や配線の材料選択の自由度も高めて、大規模な相変化メモリ装置の量産を可能とすることができる。
102 接地配線(グランド配線)
104 異種材料コンタクトプラグ
105 接地電位用プラグ(異種材料からなる)
106 第1の導電材料プラグ(TiN)
108 第2の導電材料プラグ(W)
110 ヒータ電極
114 相変化層としてのGST(GeSbTe:カルコゲナイド半導体)
116 上部電極
118 コンタクト電極(コンタクトプラグ)
119 電極層(電極端子)
150 p型半導体基板
152 n型拡散層
154 層間絶縁膜
156 シリコン窒化膜からなるエッチングマスク
158 コンタクトホール
160 タングステン(W)からなる第2の導電材料プラグ
162 窒化チタン(TiN)からなる第1の導電材料プラグ
171 シャロートレンチアイソレーション(STI)
172a,172b n型拡散層
173 ゲート絶縁膜
174 サイドウール
175 ドープドポリシリコン
176 タングステンシリサイド
177 シリコン窒化膜
178 層間絶縁膜
179 密着層(TiN/Ti)
180 第1の導電材料プラグ(TiN)
181 第2の導電材料プラグ(W)
183 ヒータ電極
184 相変化層(GST)
185 上部電極
186 層間絶縁膜
187 コンタクトホール
188 コンタクト電極
189 電極層(電極端子)
CN コンタクトホール
P 電極端子
W(W1〜W4) ワード線
B(B1〜B3) ビット線
G 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
Vref 基準電圧源
DP ワード線WLを構成する導体層
F フィールド(素子形成領域)
Claims (16)
- 拡散層を有するMOSトランジスタを表面に備えた半導体基板と、
前記MOSトランジスタを覆って前記半導体基板上に形成された第1層間絶縁膜と、
前記拡散層の表面を露出させるように前記第1層間絶縁膜に形成された第1コンタクトホールと、
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の導電材料プラグの下に接触して位置すると共にその底面が前記拡散層に接続して前記第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、前記第1コンタクトホール内に積み重ねられて埋設された異種材料コンタクトプラグと、
前記第1層間絶縁膜上に設けられた第2層間絶縁膜と、
前記第1の導電材料プラグの表面を露出させるように前記第2層間絶縁膜に形成された第2コンタクトホールと、
前記第2コンタクトホールに埋設され、その底面が前記第1の導電材料プラグの上面と接触して接続されると共に前記第2の導電材料プラグに対して平面視で重なりを有するヒータ電極と、
前記ヒータ電極の上面に接続される相変化層と、
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、
前記異種材料コンタクトプラグにおける前記第1の導電材料プラグは、前記ヒータ電極を構成する主成分の金属材料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、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の導電材料の比抵抗は、前記第2の導電材料の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、第1層間絶縁膜に設けられた第1コンタクトホールの上側の空間に埋め込まれた窒化チタン(TiN)を含む金属材料により形成されたプラグであり、
前記第2の導電材料プラグは、前記第1コンタクトホールの下側の空間に埋め込まれた、タングステン(W)を含む金属材料に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をさらに有し、前記スイッチング素子の一極が、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、拡散層を有するメモリセル選択用のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を覆って前記半導体基板上に形成された第1層間絶縁膜と、
前記拡散層の表面を露出させるように前記第1層間絶縁膜に形成された第1コンタクトホールと、
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の導電材料プラグの下に接触して位置すると共にその底面が前記拡散層に接続して前記第1の導電材料よりも導電率、熱伝導率が共に高い第2の導電材料からなる第2の導電材料プラグとが、前記第1コンタクトホール内に積み重ねられて埋設された異種材料コンタクトプラグと、
前記第1層間絶縁膜上に設けられた第2層間絶縁膜と、
前記第1の導電材料プラグの表面を露出させるように前記第2層間絶縁膜に形成された第2コンタクトホールと、
前記第2コンタクトホールに埋設され、その底面が前記第1の導電材料プラグの上面と接触して接続されると共に前記第2の導電材料プラグに対して平面視で重なりを有するヒータ電極と、
前記ヒータ電極の上面に接続される相変化層と、
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11に記載の相変化メモリ装置において、
前記ヒータ電極の上面に接続される前記相変化層は、チタン膜からなる密着層を介して前記ヒータ電極と接触してい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てコンタクトホールを形成する第1の工程と、
前記コンタクトホール内に、前記第2の導電材料を埋め込み、さらにエッチバックすることによって、前記第2の導電材料の上面が前記コンタクトホールの上面よりも低くなるようにし、これによって、前記第2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内の前記第2の導電材料プラグ上に、前記第1の導電材料を埋め込み、これによって、前記第1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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