JP2007227812A - 相変化メモリ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】相変化層の下側のコンタクトプラグからの放熱は、異種材料コンタクトプラグ104を採用して抑制する。すなわち、第2の導電材料に比べて比抵抗が大きい(逆に、熱伝導率は小さい)第1の導電材料からなる第1の導電材料プラグ106にヒータ電極110を接続することによって、放熱を抑制する。相変化層の上側の電極からの放熱は、引き出し電極116を用いた、相変化領域(ヒータ電極110の上面112の近傍)の直上に電極を設けない電極構造の採用によって抑制する。
【選択図】図1
Description
すなわち、図25の相変化メモリ装置では、相変化層82の相変化領域Xにおいて発生した熱が、上部電極83から放熱され、これによって相変化時(特に、リセット時)における熱効率が低下する。つまり、良導電性の金属(例えば、タングステン(W))からなる上部電極83が、ヒートシンク(放熱フィン)として機能し、熱効率の低下が生じる。
また、図25の相変化メモリ装置では、相変化層82の相変化領域Xにおいて発生した熱が、ヒータ電極80を介して下方に伝達され、コンタクトプラグ77に達し、そして、このコンタクトプラグ77から放熱される、という放熱ルートが存在する。この放熱ルートは、相変化メモリ装置の構造上、必然的に生じるものである。
図1は、本発明の相変化メモリ装置の特徴的な構造の一例を説明するための図であり、(a)は、本発明の相変化メモリ装置の要部構成の一例を示す図であり、(b)は、比較例としての、ヒータ電極とコンタクトプラグとの接続構造の従来例を示す図である。
第1の導電材料プラグ108が放熱性が良好なヒートシンクとして機能して、放熱量が増えてしまい、相変化に使用されるべきジュール熱の損失が増大してしまう。このように、異種材料コンタクトプラグ104を採用することによって、ヒータ電極110の下側の金属を経由した放熱が効果的に抑制される。
本実施形態では、図1(a)で示した異種材料コンタクトプラグ104について、種々、考察する。
ちなみに、第1および第2の導電材料α,βの主成分の候補となり得る金属材料の導電率と熱伝導率は、以下のとおりである。以下の記載では、導電率をC,熱伝導率をPと略記する。
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。
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。
本実施形態では、図2〜図4を用いて異種材料コンタクトプラグにおける平面形状と、使用される材料の例、ならびに、異種材料コンタクトプラグ(ならびに接地電位用プラグ)の製造方法の概要を説明する。
本実施形態では、相変化メモリ装置(相変化メモリIC)の回路構成、メモリセルのレイアウト構成、ならびに、メモリセル部の具体的な断面構造と製造方法について説明する。
まず、図7に示すように、p型半導体基板200内にSTI(シャロートレンチアイソレーション)204を形成する。このSTIで囲まれた領域が素子形成領域(フィールド領域)となる。次に、半導体基板200の表面にゲート絶縁膜206を例えば7nmの厚みで形成する。続いて、例えば、ドープトポリシリコン232(厚み100nm),タングステンシリサイド234(厚み100nm),窒化膜236を順次堆積し、さらに、フォトリソ加工のためのマスクを形成し、異方性エッチングにより、窒化膜236,タングステンシリサイド234、ドープトポリシリコン236を連続的にエッチングする。
図8に示すように、TEOS酸化膜からなる層間絶縁膜238(厚み700nm)を堆積し、その後、CMP(ケミカルメカニカルエッチング)により平坦化する。そして、異種材料コンタクトプラグ104を形成するための、平面がP字型(図6,図4(a)参照)のコンタクトホール(開口部)239a(参照符号239aは、突起部に対応する狭い溝の部分を示している。以下、溝239aと言う)を形成する。当然のことながら、P字型コンタクトホールの突起部に相当する溝239aに連接する、幅広のコンタクトホール(図8では不図示。以下の説明では、便宜上、開口部239bと言う)も同時に形成される。
次に、先に説明した図3(b)〜(d)の工程を経て、P字型コンタクトホール(ならびに接地電位用プラグ用の円形のコンタクトホール)を埋め込む。すなわち、まず、TiN/Ti膜217b(Ti膜の厚み15nm,TiN膜の厚み50nm)を形成する。このとき、溝239aは、TiN/Ti膜217bによって完全に埋め込まれる。一方、幅広の開口部239bでは、TiN/Ti膜217bは底面と側面を覆うだけである。次に、タングステン(W)を250nm程度堆積し、CMPで、タングステン(W),TiN/Ti膜を連続的に平坦化する。このようにして、接地電位用プラグ100(第1の導電材料217a,第2の導電材料212a)と、異種材料コンタクトプラグ104(第1の導電材料プラグ217b,第2の導電材料プラグ212b)が形成される。次に、接地電位用プラグ100(第1の導電材料217a,第2の導電材料212a)上に接地電位用配線(グランド配線)260を形成する(図9では不図示、図6参照)。
次に、レジストマスク(不図示)を形成し、そのレジストマスクを用いて、チタン(Ti)層273,タングステン(W)層271を連続してドライエッチングし、これによって、引き出し電極層116が形成される。そして、さらに、ドライエッチングを継続することによって酸化膜264をパターニングし、これにより開口Qが形成される。
図11の工程では、半導体基板の全面に、相変化層(GST)114を、スパッタ法を用いて、例えば、100nm程度堆積する。そして、その相変化層(GST)114上に加工用マスク(不図示)を形成し、その加工用マスクを用いて、相変化層(GST)114をパターニングする。そして、加工用マスクを除去する。
図12では、層間絶縁膜276を形成し、この層間絶縁膜276の一部にコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホール内にコンタクトプラグ277を形成し、続いて、タングステン(W)からなるビット線279(図5のB1〜B3に相当する)形成する。図中、点線で囲まれて示される領域Xが相変化領域である。
本実施形態では、第1および第2の導電材料プラグを、共通のコンタクトホール内に積層形成した構造をもつ異種材料コンタクトプラグを備える相変化メモリ装置について説明する。
本実施形態では、図13に示した、各プラグが積層された構造をもつ異種材料コンタクトプラグの製造方法の例について説明する。
図15は、図13に示される構造をもつ相変化メモリ装置(相変化メモリIC)の、メモリセル領域における素子や配線のレイアウト配置の一例を示す平面図である。
図16は、第1の工程における、図15のA−A線に沿うデバイスの断面図である。
図17は、第2の工程における、図15のA−A線に沿うデバイスの断面図である。
図18は、第3の工程における、図15のA−A線に沿うデバイスの断面図である。
図19は、第4の工程における、図15のA−A線に沿うデバイスの断面図である。
図20は、第5の工程における、図15のA−A線に沿うデバイスの断面図である。
図21に示すように、相変化層(GST)195上に層間絶縁膜198を形成し、この層間絶縁膜198の一部に、コンタクトホールを形成する。そして、このコンタクトホール内にコンタクトプラグ197が形成され、図5のビット線(B1〜B3)としてのタングステン(W)層199を形成する。
102 接地用電極
104,105 異種材料コンタクトプラグ
106,107 第1の導電材料プラグ
108,109 第2の導電材料プラグ
110 ヒータ電極
112 ヒータ電極の上面
114 相変化層(GST膜)
116 引き出し電極層
117 コンタクトプラグ
119 各種パルスを入力するための端子Pとして機能する電極
M メモリセル選択用スイッチング素子
WL1,WL2 ワード線
B1〜B3 ビット線
Claims (14)
- 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、が共通のコンタクトホール内に埋め込まれ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一端が接続されるヒータ電極と、
このヒータ電極の他端に、その底面の一部が接続される相変化層と、
この相変化層と前記ヒータ電極との接触面の直上から外れた領域において、前記相変化層の底面の一部に接触する引き出し電極層と、
この引き出し電極の上面の一部に接続されるコンタクト電極と、
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を構成する前記第1の導電材料プラグおよび前記第2の導電材料プラグは、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を構成する前記第1の導電材料プラグおよび前記第2の導電材料プラグは、両プラグが前記コンタクトホール内に積み重ねられ、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有する態様にて接触して構成されることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか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〜請求項3のいずれか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〜請求項3のいずれか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),アルミニュウム(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〜請求項3のいずれか記載の相変化メモリ装置であって、
前記第2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〜請求項3のいずれか記載の相変化メモリ装置であって、
前記ヒータ電極は絶縁膜に埋め込まれており、その絶縁膜上に、前記ヒータ電極の上面の少なくとも一部を露出するようにパターニングされている絶縁膜が形成され、そのパターニングされている絶縁膜上に所定パターンの前記引き出し電極層が形成され、この引き出し電極層の一部上ならびに前記露出しているヒータ電極上を覆うように前記相変化層が設けられていることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか記載の相変化メモリ装置であって、
前記引き出し電極層は、主電極層と、その主電極層の表面に形成された、前記相変化層との密着性を向上させるための密着層と、により構成され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、
第1の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホール内に、第1の導電材料からなる第1の導電材料プラグおよび前記第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の導電材料プラグを埋め込んで異種材料コンタクトプラグを形成する第1の工程と、
前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成し、この第2の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホール内に、前記第1の導電材料プラグに一端が接続されるヒータ電極を形成する第2の工程と、
前記引き出し電極層を形成すると共に、前記ヒータ電極の少なくとも一部を露出させる第3の工程と、
前記引き出し電極層上ならびに前記露出しているヒータ電極上を覆うように相変化層を形成する第4の工程と、
前記相変化層を、前記ヒータ電極の近傍において前記相変化層と前記引き出し電極層の一部とが重なり合って接触し、かつ、その重なり合って接触する部分から外れた箇所において前記引き出し電極層が露出するように、パターニングする第5の工程と、
前記相変化層上ならびに前記引き出し電極層上の絶縁膜に、前記引き出し電極層に達するコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールを介して前記引き出し電極に直接的に接触するコンタクトプラグを形成する第6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10記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記第1の工程では、まず、前記第1の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、を有する前記コンタクトホールを形成し、次に、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し、次に、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ことを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項10記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記第1の工程では、まず、前記第1の絶縁膜の一部を選択的にパターニングして前記コンタクトホールを形成し、次に、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し、次に、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ことを特徴とする相変化メモリ装置の製造方法。 - 請求項10記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記第3の工程では、前記引き出し電極層とその下の絶縁膜を連続的にパターニングすることによって前記ヒータ電極の上面の少なくとも一部が露出し、かつ、前記連続的なパターニングの際、前記引き出し電極層とその下の絶縁膜とのエッチングレートの差に起因して、パターニングされた前記引き出し電極層の断面は略垂直となり、一方、パターニングされた前記絶縁膜の断面が傾斜形状となり、これにより、前記引き出し電極層の端部を、前記相変化層と前記ヒータ電極との接触部分の直上から外れた箇所に位置させることが自動的に達成されることを特徴とする相変化メモリの製造方法。 - 請求項10記載の相変化メモリ装置の製造方法であって、
前記第3の工程における前記引き出し電極層の形成は、主電極層の形成工程と、その主電極層上に、前記相変化層との密着性を向上させるための密着層を形成する工程と、を経て形成され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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