JP2005175461A - 非対称面積メモリセル - Google Patents
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Abstract
【課題】非対称面積メモリセルおよび非対称面積メモリセルを製造する方法が提供される。
【解決手段】本発明の方法は、ある面積を有する下部電極102を形成する工程と、下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜106を形成する工程と、CMR膜の上に、下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極110を形成する工程とを包含する。ある局面において、CMR膜は、上部電極に隣接する第1の面積と、第1の面積よりも大きい、下部電極に隣接する第2の面積とを有する。代表的には、CMR膜の第1の面積は、上部電極面積にほぼ等しいが、CMR膜の第2の面積は、下部電極面積よりも狭くなり得る。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の方法は、ある面積を有する下部電極102を形成する工程と、下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜106を形成する工程と、CMR膜の上に、下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極110を形成する工程とを包含する。ある局面において、CMR膜は、上部電極に隣接する第1の面積と、第1の面積よりも大きい、下部電極に隣接する第2の面積とを有する。代表的には、CMR膜の第1の面積は、上部電極面積にほぼ等しいが、CMR膜の第2の面積は、下部電極面積よりも狭くなり得る。
【選択図】図2
Description
本発明は、概して、不揮発性メモリアレイ用の薄膜抵抗メモリデバイスに関し、より具体的には、非対称な面積を有するバイポーラプログラマブルメモリセルに関する。
従来技術の抵抗器ランダムアクセスメモリ(RRAM)は、超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜、代表的には、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)タイプのCMR材料から製造される。CMR材料は、不揮発性の性質を持っていると言える。なぜなら、CMR材料の抵抗は、ほとんどの状況下で一定を維持するからである。しかし、高い電界によってCMR材料に電流が流れる場合、CMRの抵抗に変化が起き得る。狭いパルスプログラミングの間、電極の近傍のメモリ抵抗器の抵抗率は変化する。実験データは、カソード近傍のCMR材料の抵抗率は増大し、アノード近傍のCMR材料の抵抗率は低減することを示す。消去プロセスの間、パルス極性は反転する。すなわち、カソードとアノードとの名称は逆転する。その後、カソード近傍の材料の抵抗率は低減し、アノード近傍の抵抗率は増大する。
図1は、対称性CMR膜メモリセル(従来技術)の図である。このデバイスは、CMR膜の厚みの断面が全体にわたって同じ面積なので、対称性と呼ばれる。メモリセルは、正または負の狭いパルスのいずれかを用いて、高抵抗状態に書き込まれ得、長い幅の電気パルスを用いて低抵抗状態にリセットされ得る。他のメモリセル(図示せず)は、狭い負のパルスおよび狭い正のパルスを用いて、それぞれ、高抵抗状態に書き込まれ得、低抵抗状態に消去され得る。1つのタイプのプログラミングのみを行うメモリデバイスは、バイポーラまたはユニポーラのいずれであっても、必然的に用途が限定されており、システム仕様および利用可能な電源に依存する。
従って、用いられるCMRメモリセルのタイプに依存して、あるシステムはバイポーラプログラミング用に設計され、他のシステムはユニポーラプログラミング用に設計される。このメモリセルの設計における不確実性は、製造コストを必然的に増大させる。一部のCMR膜メモリセル設計は、RRAM抵抗器の厚みに沿って膜の組成を操作することによって、バイポーラプログラマブルにされる。メモリセルサイズが低減するにつれて、メモリ抵抗器薄膜の厚みも低減する。しかし、CMR膜の厚みは、制御が困難な変数となり得る。
CMRメモリセルが、ユニポーラパルスだけでなく、バイポーラを用いてプログラムされることができれば有用である。
バイポーラまたはユニポーラプログラミングのいずれかを行なうCMRメモリセルを製造するプロセスが、ますます小さくなるフィーチャサイズを用いるプロセスのために拡大縮小可能になることができれば有用である。
本発明は、バイポーラパルスプログラミングプロセスを用いて、高い信頼性でプログラミングされ得るCMRメモリデバイス構造を提供する。あるいは、デバイスは、ユニポーラパルスプログラミングプロセスを用いてプログラミングされ得る。プログラミングにおけるフレキシビリティは、このデバイス独自の非対称面積設計の結果である。
従って、非対称面積メモリセルを形成する方法が提供される。この方法は、ある面積を有する下部電極を形成する工程と、下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜を形成する工程と、CMR膜の上に、下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極を形成する工程とを包含する。ある局面において、CMR膜は、上部電極に隣接する第1の面積と、第1の面積よりも大きい、下部電極に隣接する第2の面積とを有する。代表的には、CMR膜の第1の面積は、上部電極面積にほぼ等しいが、CMR膜の第2の面積は、下部電極面積よりも狭くなり得る。
より具体的には、この方法は、下部電極層を等方的に堆積する工程と、該下部電極層の上に、第1の厚みを有するCMR膜層を等方的に堆積する工程と、該CMR膜層の上に上部電極層を等方的に堆積する工程とを包含する。その後、該上部電極層および該CMR膜層の第2の厚み部分がエッチングされて、前記上部電極面積および前記CMR膜の第1の面積が形成される。前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体が形成される。その後、CMR膜の第2の面積は、該第1のセットの側壁絶縁体の下に、該CMR膜の第2の面積の第3の厚み部分を残して、該CMR膜層の残りの部分をエッチングすることによって形成される。該第3の厚みは、前記第1の厚みから該第2の厚みを引いたものに等しい。第2のセットの側壁絶縁体は、第1のセットの側壁絶縁体を覆って形成され、CMR膜の第3の厚みの部分に隣接する。その後、該第1および第2のセットの側壁絶縁体の下にある下部電極層を残して下部電極層をエッチングする。
本発明による非対称面積メモリセルを形成する方法は、ある面積を有する下部電極を形成する工程と、該下部電極の上に、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜を形成する工程と、該CMR膜の上に、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極を形成する工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記上部電極に隣接する第1の面積と、該第1の面積よりも大きい、前記下部電極に隣接する第2の面積とを有するCMR膜を形成する工程を含んでもよい。
非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記上部電極面積にほぼ等しいCMR膜の第1の面積を形成する工程を含んでもよい。
非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記下部電極面積よりも狭いCMR膜の第2の面積を形成する工程を含んでもよい。
下部電極層を等方的に堆積する工程と、該下部電極層の上に、第1の厚みを有するCMR膜層を等方的に堆積する工程と、該CMR膜層の上に上部電極層を等方的に堆積する工程とをさらに包含する方法であって、前記上部電極面積および前記CMR膜の第1の面積を形成する工程は、該上部電極層および該CMR膜層の第2の厚み部分をエッチングする工程を含んでもよい。
前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体を形成する工程をさらに包含する方法であって、CMR膜の第2の面積を形成する工程は、該第1のセットの側壁絶縁体の下に、該CMR膜の第2の面積の第3の厚み部分を残して、該CMR膜層の残りの部分をエッチングする工程を含み、該第3の厚みは、前記第1の厚みから該第2の厚みを引いたものであってもよい。
前記第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体を形成する工程をさらに包含する方法であって、ある面積を有する下部電極を形成する工程は、該第1および第2のセットの側壁絶縁体の下の下部電極を残して、前記下部電極層をエッチングする工程を含んでもよい。
前記CMR膜の第2の面積を残す工程は、前記第1の厚みの20〜80%の範囲内の第3の厚みを残す工程を含んでもよい。
前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体を形成する工程は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から、50〜200ナノメートル(nm)の範囲内の厚さを有する、側壁絶縁体を形成する工程を含んでもよい。
前記第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体を形成する工程は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から、20〜100nmの範囲内の厚さを有する、側壁絶縁体を形成する工程を含んでもよい。
下部電極を形成する工程は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成する工程を含み、上部電極を形成する工程は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成する工程を含んでもよい。
前記下部電極の上にCMRメモリ膜を形成する工程は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)メモリ膜を形成する工程を含んでもよい。
前記下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜を形成する工程は、50〜350ナノメートルの範囲内のCMR膜の第1の厚みを形成する工程を含んでもよい。
本発明による方法は、RRAM非対称メモリセルを形成する方法であって、ソースおよびゲートアクティブ領域を有するCMOSトランジスタを形成する工程と、トランジスタアクティブ領域への金属中間相互接続を形成する工程と、該中間相互接続の上に、ある面積を有する下部電極を形成する工程と、該下部電極の上に、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜を形成する工程と、該CMR膜の上に、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極を形成する工程とを包含し、それにより上記目的を達成する。
本発明による方法は、バイポーラおよびユニポーラパルスを用いて非対称面積メモリセルをプログラミングする方法であって、第1の極性を有する第1の電圧パルスをメモリセル上部電極に印加する工程と、該第1のパルスに応じて、非対称面積超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜において抵抗を低くする工程と、第1の極性と反対の第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程と、該第2のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程と、該第2のパルスと同じ極性を有し、1マイクロ秒よりも大きいパルス幅を有する第3のパルスを印加する工程と、該第3のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
前記第1のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程は、該非対称CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程を含み、前記第2のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程は、該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程を含んでもよい。
前記第1のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程は、1000〜10kオームの範囲内の抵抗にする工程を含み、前記第2のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程は、100k〜10Mオームの範囲内にある抵抗にする工程を含んでもよい。
第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、5〜500ナノ秒(ns)の範囲内の幅を有する電圧パルスを印加する工程を含み、第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、5〜500nsの範囲内の幅を有する電圧パルスを印加する工程を含んでもよい。
前記CMR膜は50〜350ナノメートルの範囲内の厚みを有し、第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有するパルスを印加する工程を含み、第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有するパルスを印加する工程を含んでもよい。
前記第1のパルスに応じて、前記非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程は、該CMRメモリ膜の狭い面積の領域における第1の電界と、該CMRメモリ膜の広い面積の領域における、該第1の電界よりも電界強度が低い第2の電界とに応じて、抵抗を低くする工程を含み、前記第2のパルスに応じて、該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程は、該CMRメモリ膜の狭い面積の領域における、第1の電界と反対の極性を有する第3の電界と、該CMRメモリ膜の広い面積の領域における、該第3の電界よりも電界強度が低い第4の電界とに応じて、抵抗を高くする工程を含んでもよい。
第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、正の極性パルスを印加する工程を含み、前記非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程は、該上部電極に隣接する狭い面積の領域において抵抗を低くする工程を含み、第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、負の極性パルスを印加する工程を含み、該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程は、該上部電極に隣接する狭い面積の領域において抵抗を高くする工程を含んでもよい。
本発明による非対称メモリセルは、ある面積を有する下部電極と、該下部電極の上にあり、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜と、該CMR膜の上にあり、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極とを含み、それにより上記目的が達成される。
CMR膜は、前記上部電極に隣接する第1の面積と、該第1の面積よりも大きい、前記下部電極に隣接する第2の面積とを有してもよい。
前記CMR膜の第1の面積は、前記上部電極面積にほぼ等しくてもよい。
前記CMR膜の第2の面積は、前記下部電極面積よりも狭くてもよい。
前記CMRメモリ膜は、全体的な第1の厚みと、第1の面積を有する第2の厚み部分と、該第2の厚みの下に、第2の面積の第3の厚み部分とを有し、該第3の厚みは、該第1の厚みから該第2の厚みを引いたものに等しくてもよい。
前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接する、第1のセットの側壁絶縁体と、該第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接する、第2のセットの側壁絶縁体とをさらに含んでもよい。
前記CMR膜の第3の厚みは、前記第1の厚みの20〜80%の範囲内であってもよい。
前記CMR膜の第1の厚みは、50〜350ナノメートルの範囲内であってもよい。
前記第1のセットの側壁絶縁体は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から形成され、各側壁絶縁体は、50〜200ナノメートル(nm)の範囲内の厚さを有してもよい。
前記第2のセットの側壁絶縁体は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から形成され、各側壁絶縁体は、20〜100nmの範囲内の厚さを有してもよい。
前記下部電極は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から形成され、前記上部電極は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成されてもよい。
前記CMRメモリ膜は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)から形成されてもよい。
本発明によるRRAM非対称面積メモリセルは、ソースおよびゲートアクティブ領域を有するCMOSトランジスタと、トランジスタアクティブ領域の上の金属中間相互接続と、該中間相互接続の上のある面積を有する下部電極と、該下部電極の上の、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜と、該CMR膜の上の、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極とを含み、それにより上記目的が達成される。
上記の方法、バイポーラまたはユニポーラパルスのいずれかを用いて非対称面積メモリセルをプログラミングする方法、非対称面積メモリセルデバイス、および非対称面積RRAMのさらなる細部は、以下に提供される。
図2は、本発明の非対称面積メモリセルを示す図である。非対称面積メモリセル100は、面積104を有する下部電極102(BE)を含む。下部電極102の上には、非対称面積108を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜106がある。CMR膜106の上には、上部電極110(TE)がある。上部電極110は、下部電極面積104よりも狭い面積112を有する。より具体的には、CMR膜106は、上部電極110に隣接する第1の面積114と、下部電極102に隣接し、第1の面積114よりも大きい第2の面積116を有する。CMRメモリ膜106は、代表的には、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)から製造される。しかし、当該技術分野においては、他の材料、例えば、高温超伝導(HTSC)、およびペロブスカイト金属酸化物材料なども公知である。
図3は、図2の非対称面積メモリセルの平面図である。本明細書中、用語「面積」は、図2の視点から見た断面の領域であると理解される。面積104、110、および116は、相対的な面積の大きさを示すため、架空の線(点線)で示されている。図から分かるように、CMR膜の第1の面積114は、上部電極面積112とほぼ等しい。「ほぼ」という用語は、製造プロセスにおける一般的な許容誤差を考慮に入れるために用いられる。以下に説明するように、面積114は、面積112よりもわずかに大きい。これは、上部電極110が、より長い時間、エッチャントに対して露出されるという事実に起因する。しかし、他の局面においては、CMRおよび電極材料のエッチング選択性に応じて、面積112が面積114よりもわずかに大きくなることもある。
CMRの第2の面積116は、下部電極面積104よりも狭く示されている。このことについては、以下により詳細に説明される。しかし、他の局面においては、CMRの第2の面積116と下部電極面積104とは、同じであることもある。面積104、110、114、および116の形は、ほぼ正方形として示されているが、他の局面において、面積の形は、矩形であってもよいし、円形であってもよいし、楕円であってもよい。
図2に戻ると、CMRメモリ膜106は、全体的な第1の厚み120と、第1の面積114を有する第2の厚み部分122と、第2の厚み部分122の下にある第2の面積116を有する第3の厚み部分124とを有する。第3の厚み124は、第1の厚み120から第2の厚み122を引いたものに等しい。CMR膜の第3の厚み124は、第1の厚み120の20〜80%の範囲内である。第1の厚み120は、50〜350ナノメートル(nm)の範囲内である。
第2および第3の厚み部分122/124は、段が付けられたり、形が矩形であるように示されているが、本発明は特定の形に限定されない。他の局面(図示せず)においては、CMR膜非対称面積108は、円錐形を有し、第1の面積114から第2の面積116にかけて面積が線形に変化する。他の局面(図示せず)においては、非対称面積108は、段が付けられたピラミッド型を有する。他の非対称な形を取ることも可能である。
上部電極110およびCMR膜106の第2の厚み部分122に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体130aおよび130bがある。第1のセットの側壁絶縁体130aおよび130bの上に、かつ、CMR膜106の第3の厚み部分124に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体132aおよび132bがある。
第1のセットの側壁絶縁体130aおよび130bは、窒化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの材料から形成される。しかし、当該技術分野において、他の絶縁材料も公知である。それぞれの側壁(130aまたは130b)は、50〜200nmの範囲内の厚み134を有する。同様に、第2のセットの側壁絶縁体132aおよび132bも、窒化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの材料から形成され、それぞれの側壁は、20〜100nmの範囲内の厚み136を有する。
下部電極102は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物などの材料から形成され得る。上部電極110は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物などの材料から形成される。しかし、これは、材料を網羅したリストではなく、他の電極材料も、当該技術分野において公知である。
図4は、本発明のRRAM非対称面積メモリセルの図である。メモリセル300は、ソース302およびドレイン304アクティブ領域を有するCMOSトランジスタを含む。メモリセルはまた、トランジスタアクティブ領域の上に金属(または導電金属)中間相互接続306を含む。中間相互接続306は、ソース302に接続されているように示されているが、その代わりに、ドレイン304に接続されてもよい。中間相互接続306の上に、面積104を有する下部電極102がある。下部電極102は、相互接続306との電気的通信を行う。上記で詳細に説明したように(図2および図3を参照)、CMRメモリ膜106が、下部電極102の上にあり、非対称面積108を有する。CMR膜106の上に、上部電極110があり、下部電極面積104よりも小さい面積112を有する。いくつかの局面においては、メモリセル上部電極110の上に金属中間相互接続308がある。
(機能の説明)
図2に戻ると、エッチング後のCMRメモリ薄膜が示されている。2つのセットの窒化物スペーサー(130a/bおよび132a/b)は、エッチングされた表面上に形成される。第1のセットのスペーサー130a/bは、第1のエッチングプロセスにおいて用いられる。残りのCMR膜は、エッチングされ、第2の窒化物膜を用いてパシベート処理される。結果として、上部電極面積112は、下部電極面積104よりも狭い。デバイス100は非対称であり、バイポーラの狭いパルスまたはユニポーラパルスのいずれかを用いて、プログラムされ得る。
図2に戻ると、エッチング後のCMRメモリ薄膜が示されている。2つのセットの窒化物スペーサー(130a/bおよび132a/b)は、エッチングされた表面上に形成される。第1のセットのスペーサー130a/bは、第1のエッチングプロセスにおいて用いられる。残りのCMR膜は、エッチングされ、第2の窒化物膜を用いてパシベート処理される。結果として、上部電極面積112は、下部電極面積104よりも狭い。デバイス100は非対称であり、バイポーラの狭いパルスまたはユニポーラパルスのいずれかを用いて、プログラムされ得る。
図には単層の金属電極が示されているが、上部電極および下部電極の両方が、マルチ層金属から製造されてもよい。例えば、下部電極はTiN/Ti、Pt/TiN/Ti、またはIn/TiN/Ti、上部電極はTiN、TiN/Pt、TiN/Inなどである。上述したように、他の材料の組み合わせも可能である。
図5は、本発明のメモリセル製造プロセスにおける初期の工程を示す。シリコン基板上に全ての電子部品(トランジスタ素子)の製造が完成した後、ウェハは、酸化物を用いてパシベート処理される。メモリセルの金属相互接続および関連付けられたトランジスタは、化学−機械的研磨(CMP)プロセスなどの任意の従来技術の手段を用いて、形成され、平板化される。下部電極102、メモリ抵抗器薄膜106、上部電極110、およびハードマスク材料600を含むスタックが形成される。
図6a〜6dは、非対称面積CMR膜を用いるRRAMメモリセルの製造におけるさらなる工程を示す。図6aにおいて、フォトレジストが用いられて、ハードマスク600、上部電極110、およびメモリ抵抗器薄膜106がエッチングされる。メモリ抵抗器薄膜106は、部分的にエッチングされる。残りのメモリ膜(第3の厚み部分124)は、元の膜の厚み120の20〜80%である。
図6bにおいて、フォトレジストが剥がされる。50〜200nmの窒化シリコンが堆積される。窒化シリコンはエッチングされて、パシベート処理されたエッチングされたメモリ抵抗器側壁(130aおよび130b)が形成される。
図6cにおいて、残りのメモリ抵抗器薄膜がエッチングされる。第1に、第2の窒化シリコンが、20〜100nmの厚さまで堆積される。その後、下部電極がエッチングされる。
図6bまたは図6cのプロセスのいずれかにおいて、ハードマスクが除去され得る。図6dにおいて、酸化物が堆積される。必要に応じて、CMP平板化プロセスが行われてもよく、その後、他の金属相互接続602が形成される。
いくつかの局面において、高融点金属が下部電極の一部として用いられる。高融点金属は、スパッタリングプロセスを用いて、少なくとも部分的に、ドライエッチングされる。従来のメモリセルプロセスにおいて、下部電極から除去される高融点金属の一部が、メモリ抵抗器スタックの側壁上に再堆積され、メモリ抵抗器の性質を低下させる可能性が高い。しかし、本発明のメモリセル側壁絶縁体は、高融点金属の再堆積を防ぎ、プロセスの歩留まりを向上させる。
図7は、非対称面積メモリセルを形成する本発明の方法を示すフローチャートである。この方法は、明瞭化のため、一連の数字が付けられた複数の工程として描かれるが、明確に記載されない限り、数字からいかなる順序も推測されるべきではない。一部の工程は、飛ばされてもよいし、並行して行われてもよいし、厳密に順序を守る必要なしに行われてもよいことを理解されたい。この方法は、工程700において開始される。
工程704において、ある面積を有する下部電極が形成される。「面積」という言葉の定義は図3を参照されたい。いくつかの局面において、下部電極は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物から形成される。工程706において、下部電極の上に非対称面積を有するCMRメモリ膜が形成される。CMRメモリ膜は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)メモリ膜から形成され得る。工程708において、CMR膜の上に、ある面積、下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極が形成される。上部電極は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx、または、PtIrOx化合物から形成され得る。
非対称面積を有するCMR膜を形成する工程(工程706)は、上部電極に隣接する第1の面積と、第1の面積よりも広く、下部電極に隣接する第2の面積とを有するCMR膜を形成する工程を含む。この方法のいくつかの局面において、CMR膜の第1の面積は、上部電極面積とほぼ等しい。他の局面においては、CMR膜の第2の面積は、下部電極面積よりも狭い。
より具体的には、この方法は、さらなる工程を含み得る。工程702aにおいて、下部電極(BE)層が等方的に堆積される。工程702bにおいて、下部電極層の上に、第1の厚みを有するCMR膜層が等方的に堆積される。工程702cにおいて、CMR膜層の上に、上部電極(TE)層が堆積される。その後、上部電極面積(工程708)およびCMR膜の第1の面積(工程706)を形成する工程は、上部電極層およびCMR膜層の第2の厚み部分をエッチングする工程を含む。
工程702dにおいて、上部電極およびCMR膜の第2の厚み部分に隣接する第1のセットの側壁絶縁体が形成される。いくつかの局面においては、側壁絶縁体は、窒化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの材料から形成され、厚みは、50〜200nmの範囲内である。その後、CMR膜の第2の面積を形成する工程(工程706)は、第1のセットの側壁絶縁体の下にCMR膜の第2の面積の第3の厚み部分を残して、CMR膜層の残りの部分をエッチングする工程を含む。第3の厚みは、第1の厚みから第2の厚みを引いたものと等しい。いくつかの局面において、CMRの第3の厚みは、第1の厚みの20〜80%の範囲内である。他の局面においては、CMRメモリ膜を形成する工程は、50〜350ナノメートルの範囲内のCMR膜の第1の厚みを形成する工程を含む。
工程702eにおいて、第1のセットの側壁絶縁体の上に、かつ、CMR膜の第3の厚み部分に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体が形成される。いくつかの局面において、第2のセットの側壁絶縁体は、窒化シリコンまたは酸化アルミニウム材料から形成され、厚みは、20〜100nmの範囲内である。その後、ある面積を有する下部電極を形成する工程(工程704)は、第1および第2のセットの側壁絶縁体の下に下部電極面積を残して、下部電極層をエッチングする工程を含む。
図8は、RRAM非対称面積メモリセルを形成する本発明の方法を示すフローチャートである。この方法は、工程800において開始される。工程802において、ソースおよびドレインアクティブ領域を有するCMOSトランジスタが形成される。工程804において、トランジスタアクティブ領域(ソースまたはドレインのいずれか)への金属中間相互接続が形成される。工程802および804は、当該技術分野において公知の従来のプロセスを用いて行われ得る。工程806において、中間相互接続の上にある、ある面積を有する下部電極が形成される。工程808において、下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜が形成される。工程810において、下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極が、CMR膜の上に形成される。工程806、808、および810は、図7を参照にしながらより詳細に説明される。
図9は、バイポーラおよびユニポーラパルスを用いて非対称面積メモリセルをプログラミングする本発明の方法を示すフローチャートである。この方法は、工程900において開始される。工程902は、第1の極性を有する第1の電圧パルスをメモリセル上部電極に印加する。以下に説明するように、第1のパルスは比較的狭い。工程904において、第1のパルスに応じて、非対称面積超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜において、抵抗が低くなる。工程906において、第1の極性と反対の第2の極性を有する第2の(狭い)電圧パルスがメモリセル上部電極に印加される。工程908において、第2のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において、抵抗が高くなる。工程910において、第2のパルスと同じ極性を有し、パルス幅が1マイクロ秒よりも大きい第3のパルスが印加される。工程912において、第3のパルスに応じて、CMRメモリ膜において、抵抗が低くなる。
第1のパルスに応じてCMRメモリ膜における抵抗を低くする工程(工程904)は、非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程を含む。いくつかの局面においては、CMRメモリ膜において低くされた抵抗は、1000〜10kオームの範囲内である。CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程(工程908)は、非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程を含む。CMRメモリ膜において高くされた抵抗は、100k〜10Mオームの範囲内である。
いくつかの局面においては、第1の極性を有する第1のパルスをメモリセル上部電極に印加する工程(工程902)は、5〜500ナノ秒(ns)の範囲内における幅を有する電圧パルスを印加する工程を含む。第2の極性を有する第2のパルスをメモリセル上部電極に印加する工程(工程906)は、5〜500nsの範囲内の幅を有する電圧パルスを印加する工程を含む。
CMR膜が50〜350ナノメートルの範囲内の厚みを有するとして、工程902において、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有する第1のパルスが印加され、工程906において、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有する第2のパルスが印加される。
いくつかの局面において、第1のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程(工程904)は、CMRメモリ膜の狭い面積の領域における第1の電界、およびCMRメモリ膜の広い面積の領域における、第1の電界よりも電界強度が低い第2の電界に応じて抵抗を低くする工程を含む。第1および第2の電界は、同じ極性を有する。同様に、非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程(工程908)は、CMRメモリ膜の狭い面積の領域における、第1の電界と逆の極性を有する第3の電界と、CMRメモリ膜の広い面積の領域における、第3の電界よりも電界強度が低い第4の電界とに応じて、抵抗を高くする工程を含む。第3および第4の電界は、同じ極性を有する。
一例として、工程902において、正の極性のパルスが印加され、工程904において、上部電極に隣接する狭い面積の領域において抵抗が低くされる。この例においては、メモリセルが、図2に示すメモリセルのように構成されていると仮定されている。この例について続けると、工程906において、負の極性のパルスが印加される。その後、非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗が高くされる工程(工程908)は、上部電極に隣接する狭い範囲の領域において抵抗を高くする工程を含む。この例において記載するパルス極性は、上部電極、および上部電極に隣接するCMR膜面積が、下部電極よりも広い場合、反対にされる(非対称性が反転される)。
非対称メモリセル、対応するRRAM構造、プログラミング手順、および製造プロセスが提示されてきた。幅、厚み、材料などの特定の細部は、本発明を例示するために用いられてきた。しかし、本発明は、これらの例のみに限定されない。当業者であれば、他の変形例および本発明の実施形態に想到し得る。
100 非対称面積メモリセル
102 下部電極
106 超巨大磁気抵抗メモリ膜
110 上部電極
102 下部電極
106 超巨大磁気抵抗メモリ膜
110 上部電極
Claims (34)
- 非対称面積メモリセルを形成する方法であって、
ある面積を有する下部電極を形成する工程と、
該下部電極の上に、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜を形成する工程と、
該CMR膜の上に、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極を形成する工程と
を包含する、方法。 - 非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記上部電極に隣接する第1の面積と、該第1の面積よりも大きい、前記下部電極に隣接する第2の面積とを有するCMR膜を形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記上部電極面積にほぼ等しいCMR膜の第1の面積を形成する工程を含む、請求項2に記載の方法。
- 非対称面積を有するCMR膜を形成する工程は、前記下部電極面積よりも狭いCMR膜の第2の面積を形成する工程を含む、請求項3に記載の方法。
- 下部電極層を等方的に堆積する工程と、
該下部電極層の上に、第1の厚みを有するCMR膜層を等方的に堆積する工程と、
該CMR膜層の上に上部電極層を等方的に堆積する工程とをさらに包含する方法であって、
前記上部電極面積および前記CMR膜の第1の面積を形成する工程は、該上部電極層および該CMR膜層の第2の厚み部分をエッチングする工程を含む、請求項4に記載の方法。 - 前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体を形成する工程をさらに包含する方法であって、
CMR膜の第2の面積を形成する工程は、該第1のセットの側壁絶縁体の下に、該CMR膜の第2の面積の第3の厚み部分を残して、該CMR膜層の残りの部分をエッチングする工程を含み、該第3の厚みは、前記第1の厚みから該第2の厚みを引いたものである、請求項5に記載の方法。 - 前記第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体を形成する工程をさらに包含する方法であって、
ある面積を有する下部電極を形成する工程は、該第1および第2のセットの側壁絶縁体の下の下部電極を残して、前記下部電極層をエッチングする工程を含む、請求項6に記載の方法。 - 前記CMR膜の第2の面積を残す工程は、前記第1の厚みの20〜80%の範囲内の第3の厚みを残す工程を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接して、第1のセットの側壁絶縁体を形成する工程は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から、50〜200ナノメートル(nm)の範囲内の厚さを有する、側壁絶縁体を形成する工程を含む、請求項7に記載の方法。
- 前記第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接して、第2のセットの側壁絶縁体を形成する工程は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から、20〜100nmの範囲内の厚さを有する、側壁絶縁体を形成する工程を含む、請求項7に記載の方法。
- 下部電極を形成する工程は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成する工程を含み、
上部電極を形成する工程は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記下部電極の上にCMRメモリ膜を形成する工程は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)メモリ膜を形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記下部電極の上に、非対称面積を有するCMRメモリ膜を形成する工程は、50〜350ナノメートルの範囲内のCMR膜の第1の厚みを形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- RRAM非対称メモリセルを形成する方法であって、
ソースおよびゲートアクティブ領域を有するCMOSトランジスタを形成する工程と、
トランジスタアクティブ領域への金属中間相互接続を形成する工程と、
該中間相互接続の上に、ある面積を有する下部電極を形成する工程と、
該下部電極の上に、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜を形成する工程と、
該CMR膜の上に、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極を形成する工程と
を包含する、方法。 - バイポーラおよびユニポーラパルスを用いて非対称面積メモリセルをプログラミングする方法であって、
第1の極性を有する第1の電圧パルスをメモリセル上部電極に印加する工程と、
該第1のパルスに応じて、非対称面積超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜において抵抗を低くする工程と、
第1の極性と反対の第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程と、
該第2のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程と、
該第2のパルスと同じ極性を有し、1マイクロ秒よりも大きいパルス幅を有する第3のパルスを印加する工程と、
該第3のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程と
を包含する、方法。 - 前記第1のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程は、該非対称CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程を含み、
前記第2のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程は、該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程を含む、請求項15に記載の方法。 - 前記第1のパルスに応じて、CMRメモリ膜において抵抗を低くする工程は、1000〜10kオームの範囲内の抵抗にする工程を含み、
前記第2のパルスに応じて、非対称面積CMRメモリ膜において抵抗を高くする工程は、100k〜10Mオームの範囲内にある抵抗にする工程を含む、請求項16に記載の方法。 - 第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、5〜500ナノ秒(ns)の範囲内の幅を有する電圧パルスを印加する工程を含み、
第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、5〜500nsの範囲内の幅を有する電圧パルスを印加する工程を含む、請求項17に記載の方法。 - 前記CMR膜は50〜350ナノメートルの範囲内の厚みを有し、
第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有するパルスを印加する工程を含み、
第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、2〜6ボルトの範囲内の電圧振幅を有するパルスを印加する工程を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記第1のパルスに応じて、前記非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程は、該CMRメモリ膜の狭い面積の領域における第1の電界と、該CMRメモリ膜の広い面積の領域における、該第1の電界よりも電界強度が低い第2の電界とに応じて、抵抗を低くする工程を含み、
前記第2のパルスに応じて、該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程は、該CMRメモリ膜の狭い面積の領域における、第1の電界と反対の極性を有する第3の電界と、該CMRメモリ膜の広い面積の領域における、該第3の電界よりも電界強度が低い第4の電界とに応じて、抵抗を高くする工程を含む、請求項16に記載の方法。 - 第1の極性を有する第1の電圧パルスを前記メモリセル上部電極に印加する工程は、正の極性パルスを印加する工程を含み、
前記非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を低くする工程は、該上部電極に隣接する狭い面積の領域において抵抗を低くする工程を含み、
第2の極性を有する第2の電圧パルスを該メモリセル上部電極に印加する工程は、負の極性パルスを印加する工程を含み、
該非対称面積CMRメモリ膜の狭い面積の領域において抵抗を高くする工程は、該上部電極に隣接する狭い面積の領域において抵抗を高くする工程を含む、請求項16に記載の方法。 - ある面積を有する下部電極と、
該下部電極の上にあり、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜と、
該CMR膜の上にあり、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極と
を含む、非対称メモリセル。 - CMR膜は、前記上部電極に隣接する第1の面積と、該第1の面積よりも大きい、前記下部電極に隣接する第2の面積とを有する、請求項22に記載のメモリセル。
- 前記CMR膜の第1の面積は、前記上部電極面積にほぼ等しい、請求項23に記載のメモリセル。
- 前記CMR膜の第2の面積は、前記下部電極面積よりも狭い、請求項24に記載のメモリセル。
- 前記CMRメモリ膜は、全体的な第1の厚みと、第1の面積を有する第2の厚み部分と、該第2の厚みの下に、第2の面積の第3の厚み部分とを有し、該第3の厚みは、該第1の厚みから該第2の厚みを引いたものに等しい、請求項25に記載のメモリセル。
- 前記上部電極および前記CMR膜の第2の厚み部分に隣接する、第1のセットの側壁絶縁体と、
該第1のセットの側壁絶縁体の上に、前記CMR膜の第3の厚み部分に隣接する、第2のセットの側壁絶縁体とをさらに含む、請求項26に記載のメモリセル。 - 前記CMR膜の第3の厚みは、前記第1の厚みの20〜80%の範囲内である、請求項27に記載のメモリセル。
- 前記CMR膜の第1の厚みは、50〜350ナノメートルの範囲内である、請求項26に記載のメモリセル。
- 前記第1のセットの側壁絶縁体は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から形成され、各側壁絶縁体は、50〜200ナノメートル(nm)の範囲内の厚さを有する、請求項27に記載のメモリセル。
- 前記第2のセットの側壁絶縁体は、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムの群から選択される材料から形成され、各側壁絶縁体は、20〜100nmの範囲内の厚さを有する、請求項30に記載のメモリセル。
- 前記下部電極は、TiN/Ti、Pt/TiN/Ti、In/TiN/Ti、PtRhOx化合物、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から形成され、
前記上部電極は、TiN、TiN/Pt、TiN/In、PtRhOx、または、PtIrOx化合物を含む群から選択される材料から電極を形成される、請求項22に記載のメモリセル。 - 前記CMRメモリ膜は、Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)から形成される、請求項22に記載のメモリセル。
- ソースおよびゲートアクティブ領域を有するCMOSトランジスタと、
トランジスタアクティブ領域の上の金属中間相互接続と、
該中間相互接続の上のある面積を有する下部電極と、
該下部電極の上の、非対称面積を有する超巨大磁気抵抗(CMR)メモリ膜と、
該CMR膜の上の、該下部電極面積よりも狭い面積を有する上部電極と
を含む、RRAM非対称面積メモリセル。
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