JP2008034809A - ポリシリコンパターンの形成方法、該ポリシリコンパターンを含むダイオード、ポリシリコンパターンを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及び、前記ダイオードと前記メモリ素子との製造方法 - Google Patents

ポリシリコンパターンの形成方法、該ポリシリコンパターンを含むダイオード、ポリシリコンパターンを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及び、前記ダイオードと前記メモリ素子との製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ポリシリコンパターンの形成方法、ポリシリコンパターンを含むダイオード、ポリシリコンパターンを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及びダイオードとメモリ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】多層交差点抵抗性メモリ素子は、配線M上にポリシリコンからなる第1垂直ダイオードD1が等間隔で備えられ、第1垂直ダイオードD1は、下第1n型不純物領域n1と上第1p型不純物領域p1とで形成され、第1垂直ダイオードD1上には、第1下部電極BE1、第1抵抗体R1と第1上部電極TE1とが順次に積層された構造を有するライン状の第1積層パターンP1が備えられる。垂直ダイオードの形成法は、下部膜上にキャッピング膜で覆われた非晶質シリコンパターンを形成するステップと、非晶質シリコンパターンをエキシマーレーザアニーリングによって多結晶化するステップと、キャッピング膜を除去するステップと、を含む。
【選択図】図7

Description

本発明は、ポリシリコンパターンの形成方法、ポリシリコンパターンを含むダイオード、ポリシリコンパターンを含む抵抗性メモリ素子及び、前記ダイオードと前記メモリ素子との製造方法に係り、さらに詳細には、エキシマーレーザアニーリング(ELA:Excimer Laser Annealing)によるポリシリコンパターンの形成方法、ポリシリコンパターンで形成された垂直ダイオード、ポリシリコンパターンで形成された垂直ダイオードを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及び、前記垂直ダイオードと前記メモリ素子との製造方法に関する。
半導体メモリ素子は、揮発性メモリ素子と不揮発性メモリ素子とに大別されうる。揮発性メモリ素子は、電源が遮断される場合に、記録されたデータが何れも消されるメモリ素子であり、不揮発性メモリ素子は、電源が遮断されても記録されたデータが消されないメモリ素子である。これにより、前記不揮発性メモリ素子は、コンピュータ、移動通信端末機及びメモリカードに広く採択されている。
特に、最近に長時間正常的に保存せねばならないデータの量が増加し、メモリスティックのように、一ヵ所で作業した結果を他の所に移動させるのに使われるデータ保存手段が普及しつつ、不揮発性メモリ素子についての関心が高まっている。
不揮発性メモリ素子を構成する基本要素であるメモリセルの構成は、不揮発性メモリ素子が使われる分野によって変わる。
例えば、現在広く使われている高容量の不揮発性メモリ素子として、NAND(Not And)型フラッシュメモリ素子のメモリセルの場合に、そのトランジスタのゲート構造物は、電荷が保存される、すなわち、データが保存されるフローティングゲートとゲートとの間の絶縁膜及びフローティングゲートを制御するコントロールゲートが順次に積層された構造を有することが一般的である。
しかし、このようなフラッシュメモリ素子は、代表的な揮発性メモリ素子であるDRAM(Dynamic Random Access Memory)に比べて集積度が低く、動作速度が遅いという短所がある。付け加えれば、フラッシュメモリ素子は、フローティングゲート物質としてドーピングされたポリシリコンのような導電物質を使用するため、高集積化時に隣接したゲート構造物間に寄生キャパシタンスが大きくなるという問題が発生する。
これにより、フラッシュメモリ素子の短所を改善できる新たな不揮発性メモリ素子についての研究及び開発が活発に進められている。このような努力の一環として、印加される電圧によって抵抗特性が変わることを利用するRRAM(Resistive Random Access Memory)素子が提案された。
特に、RRAM素子の一つである多層交差点RRAM素子は、そのセル構造が簡単であるため、高集積化に非常に有利であるという利点がある。以下、図1を参照して一般的な多層交差点RRAM素子をさらに詳細に説明する。
図1は、一般的な多層交差点RRAM素子の構造を説明するための斜視図であって、これを参照すれば、多層交差点RRAM素子では、半導体基板(図示せず)上に多数の配線Mが等間隔で形成される。そして、前記配線Mの上面と一定間隔で離隔してライン状の第1積層パターンP1が等間隔で形成される。ここで、前記第1積層パターンP1は、前記配線Mと直交し、第1抵抗体R1と第1上部電極TE1とが順次に積層された構造を有する。
前記配線Mと第1積層パターンP1とが交差される部分には、第1垂直ダイオードD1を備えるプラグ型第1積層構造物S1が介在される。前記第1積層構造物S1は、第1タングステンプラグW1と第1垂直ダイオードD1及び第1下部電極BE1が順次に積層された構造物である。ここで、前記第1垂直ダイオードD1は、一般的にTiOのようなn型酸化膜n0とNiOのようなp型酸化膜p0とが順次に積層された構造物で形成される。前記第1タングステンプラグW1は、酸化膜材質からなる第1垂直ダイオードD1と配線Mとの間のコンタクト抵抗を下げるためのものである。
また、前記第1積層パターンP1の上面と一定間隔で離隔してライン状の第2積層パターンP2が等間隔で形成される。前記第2積層パターンP2は、第1積層パターンP1と直交し、第2抵抗体R2と第2上部電極TE2とが順次に積層された構造を有する。
前記第1積層パターンP1と第2積層パターンP2とが交差する部分には、第2垂直ダイオードD2を備えるプラグ型の第2積層構造物S2が介在される。前記第2積層構造物S2は、第2タングステンプラグW2と第2垂直ダイオードD2及び第2下部電極BE2が順次に積層された構造物であって、その材質は、前記第1積層構造物S1と同じである。前記第2積層構造物S2の構造は、前記第1積層構造物S1と同じであるので、ここでその詳細図は省略する。
ここで、前記第1抵抗体R1及び第2抵抗体R2は、NiOのような酸化膜であって、データ保存層として作用し、前記第1垂直ダイオードD1及び第2垂直ダイオードD2は、前述したように、酸化膜からなるPN接合構造であって、順方向にのみ電流を流す整流素子として作用する。
このような多層交差点RRAM素子は、ダイオードと抵抗体とが垂直方向に積層された構造であって、その構造が非常に単純である。したがって、多層交差点RRAM素子は、容易に高集積化され、次期NAND型素子の最も有力な候補として期待されている。
しかし、前述した従来の多層交差点RRAM素子は、垂直ダイオード物質としてTiO及びNiOのような二成分系酸化膜を使用するため、ダイオードを通じた電流密度が十分に高くなく、整流特性がよくないという短所がある。また、前記ダイオード用酸化膜は、その膜質の優秀性のために高温で形成されることが望ましいため、高温工程によるコスト上昇などの問題が発生する。
一方、多層交差点RRAM素子の垂直ダイオードは、単結晶シリコンで形成されることが最も望ましいが、これは、単結晶シリコンからなるダイオードは、二成分系酸化膜からなるダイオードに比べて電流密度が高く、ターンオン電流が低く、漏れ電流が低いためである。しかし、垂直ダイオードは、金属膜または金属酸化膜からなる下地層上に形成されねばならないため、実際的に単結晶シリコンからなるダイオードの形成は不可能である。
本発明が解決しようとする課題は、前記従来の技術の問題点を解決するために案出されたものであって、従来の二成分系酸化膜ダイオードより整流特性が改善されたダイオードを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及びその製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、多層交差点抵抗性メモリ素子のためのダイオードの材料として利用されうるポリシリコンパターンの形成方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、前記ポリシリコンパターンを含むダイオード及びその製造方法を提供することである。
前記課題を達成するために、本発明は、下部膜上に非晶質シリコンパターンを形成するステップと、前記非晶質シリコンパターンを覆うキャッピング膜を形成するステップと、前記非晶質シリコンパターンをエキシマーレーザアニーリングによって多結晶化するステップと、前記キャッピング膜を除去するステップと、を含むことを特徴とするポリシリコンパターンの形成方法を提供する。
ここで、前記下部膜は、金属物質で形成されうる。
前記非晶質シリコンパターンは、10Å〜100000Åの幅に形成されうる。
前記非晶質シリコンパターンは、10Å〜30000Åの厚さに形成されうる。
前記非晶質シリコンパターンは、円形または四角形に形成されうる。
前記エキシマーレーザアニーリングは、200mJ/cm〜3000mJ/cmの強度で行われうる。
前記ポリシリコンパターンの幅は、前記非晶質シリコンパターンの幅より狭く、前記ポリシリコンパターンの高さは、前記非晶質シリコンパターンの高さより高い。
前記ポリシリコンパターンは、支柱形状に形成されうる。
また、前記課題を達成するために、本発明は、前記ポリシリコンパターンの形成方法であって、前記ポリシリコンパターンを形成するステップと、前記ポリシリコンパターンをn型不純物及びp型不純物でドーピングするステップと、前記不純物が活性化されるように前記ポリシリコンパターンをアニーリングするステップと、を含むことを特徴とする垂直ダイオードの形成方法を提供する。
ここで、前記ポリシリコンパターンのアニーリングは、エキシマーレーザを利用して行える。
前記ポリシリコンパターンは、支柱形状を形成しうる。
また、前記課題を達成するために、本発明は、半導体基板上に配線を形成する工程と、前記配線上に第1垂直ダイオードを形成する工程と、前記第1垂直ダイオード上に第1下部電極を形成する工程と、前記第1下部電極上に前記配線と直交し、第1抵抗体と第1上部電極とが順次に積層された構造を有するライン形態の第1積層パターンを形成する工程と、前記第1積層パターン上にポリシリコンからなる第2垂直ダイオードを形成する工程と、前記第2垂直ダイオード上に第2下部電極を形成する工程と、前記第2下部電極上に前記第1積層パターンと直交し、第2抵抗体と第2上部電極とが順次に積層された構造を有するライン形態の第2積層パターンを形成する工程と、を含み、前記第1及び第2垂直ダイオードは、請求項9に記載の方法によって形成することを特徴とする多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を提供する。
ここで、前記第1垂直ダイオードを形成する工程及び前記第2垂直ダイオードを形成する工程のうち何れか一つは、前記ポリシリコンパターンを覆う層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をポリシリコンパターンが露出されるまでCMPまたはエッチバックする工程と、をさらに含みうる。
前記第1及び第2垂直ダイオードのうち少なくとも一つは、支柱形状に形成しうる。
また、前記課題を達成するために、本発明は、下部膜上に形成されたポリシリコンパターンと、前記ポリシリコンパターンの下端に形成されたn型不純物領域と、前記ポリシリコンパターンの上端に形成されたp型不純物領域と、を備えることを特徴とする垂直ダイオードを提供する。
ここで、前記下部膜は、金属物質で形成されうる。
前記ポリシリコンパターンは、支柱形状に形成されうる。
また、前記課題を達成するために、本発明は、半導体基板上に形成された配線と、前記配線上に形成された第1垂直ダイオードと、前記第1垂直ダイオード上に形成された第1下部電極と、前記第1下部電極上に前記配線と直交して形成されたものであって、第1抵抗体と第1上部電極とが順次に積層された構造を有するライン状の第1積層パターンと、前記第1積層パターン上に形成された第2垂直ダイオードと、前記第2垂直ダイオード上に形成された第2下部電極と、前記第2下部電極上に前記第1積層パターンと直交して形成されたものであって、第2抵抗体と第2上部電極とが順次に積層された構造を有するライン状の第2積層パターンと、を含み、前記第1及び第2垂直ダイオードは、請求項15に記載のダイオードであることを特徴とする多層交差点抵抗性メモリ素子を提供する。
ここで、前記第1垂直ダイオードおよび前記第2垂直ダイオードは、前記第1積層パターン及び前記第2積層パターンの幅よりも狭い幅を有しうる。
前記第1垂直ダイオードおよび前記第2垂直ダイオードのうち少なくとも一つは、支柱形状でありうる。
前記本発明のメモリ素子は、前記第2積層パターン上に、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極及び前記第1積層パターンを含む積層構造物と同じ構造の積層構造物を少なくとも一つさらに含みうる。
前記本発明のメモリ素子は、前記第2積層パターン上に、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極、前記第1積層パターン、前記第2垂直ダイオード、前記第2下部電極及び前記第2積層パターンを含む積層構造物と同じ構造の積層構造物を少なくとも一つさらに含みうる。
前記本発明のメモリ素子は、前記配線と前記第1垂直ダイオードとの間、及び前記第1積層パターンと前記第2垂直ダイオードとの間に形成されたバリヤ膜を備えうる。
本発明は、非晶質シリコンパターンからELAによって支柱形状のポリシリコンパターンを形成し、前記ポリシリコンパターンから得られた垂直ダイオードを多層交差点抵抗性メモリ素子に適用する。このような本発明によれば、次のような効果が得られる。
第一に、本発明によるポリシリコンダイオードは、従来の二成分系酸化膜ダイオードに比べて順方向の電流密度が高く、漏れ電流が少ないため、このようなポリシリコンダイオードを適用した本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子は、優秀な動作特性を有する。
第二に、本発明のポリシリコンダイオードの形成方法は、従来の酸化膜ダイオードの形成方法のように、高温工程を要求せず、比較的低温で進められうるため、本発明によれば、高温工程によるコスト上昇及び素子の信頼性劣化という問題を防止しうる。
第三に、本発明のポリシリコンパターンの形成方法によれば、従来よりも非常に小さい支柱形状のポリシリコンパターンが得られるため、本発明は、素子の高集積化のために非常に有利に適用されうる。
第四に、本発明による多層交差点抵抗性メモリ素子は、電極([発明を実施するための最良の形態]での配線及び積層パターン)とダイオードとの間のコンタクト抵抗の減少のための別途のタングステンプラグを必要としないため、タングステンプラグの形成によるコスト上昇及び工程数の増加のような色々な問題を防止しうる。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態によるポリシリコンパターンの形成方法、ポリシリコンパターンを含むダイオード、ポリシリコンパターンを含む多層交差点抵抗性メモリ素子及び、前記ダイオードと前記メモリ素子の製造方法を詳細に説明する。添付された図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示した。
まず、本発明の要旨を簡略に説明すれば、次の通りである。
本発明では、多層交差点抵抗性メモリ素子用のダイオードの整流特性を改善するために、ダイオード材料として酸化膜ではないポリシリコンを使用する。ポリシリコンからなるダイオードを具現するために、本発明は、非晶質シリコンパターンをELAによって多結晶化させて支柱形状のポリシリコンパターンを形成した後、前記ポリシリコンパターン内にn型及びp型不純物をドーピングする方法を提示する。このような方法によれば、ポリシリコンダイオードを容易に具現でき、ポリシリコンダイオードを備える多層交差点抵抗性メモリ素子を製造しうる。
以下では、図2Aないし図2Cを参照して前記n型及びp型不純物をドーピングする以前のポリシリコンパターンの形成方法を説明する。
図2Aないし図2Cは、本発明の実施形態によるポリシリコンパターンの形成方法を説明するための工程別断面図である。本実施例は、ダイオードを形成するために、ポリシリコンパターン内にn型及びp型不純物をドーピングする前のポリシリコンパターンの形成方法を示す。
図2Aを参照すれば、半導体基板200上に所定の下部パターン210を形成する。前記下部パターン210は、金属系物質でありうる。
次いで、前記下部パターン210上に第1幅及び第1高さを有するドットタイプの非晶質シリコンパターン220を形成する。前記非晶質シリコンパターン220は、円形または四角形に形成され、10Å〜100000Åの幅及び10Å〜30000Åの厚さに形成されうる。
次いで、前記非晶質シリコンパターン220を覆うように前記下部パターン210を含む基板200上にキャッピング膜230を形成する。前記キャッピング膜230は、シリコン酸化膜で形成されうる。
次いで、前記キャッピング膜230が形成された基板結果物にエキシマーレーザを照射して非晶質シリコンパターンの多結晶化を進める。前記エキシマーレーザの強度は、200mJ/cm〜3000mJ/cmでありうる。
エキシマーレーザが照射されれば、非晶質シリコンパターンが形成されていない下部パターン210の部分では、レーザが反射される。これは、下部パターン210が金属系物質であるためである。一方、非晶質シリコンパターンにはレーザがよく吸収されて、非晶質シリコンパターンの温度が急上昇する。これにより、非晶質シリコンパターンは、部分溶融または完全鎔融される。
図2Bを参照すれば、エキシマーレーザによって溶融されたシリコンパターンは、表面張力によって、半球形と類似した形状を有しようとする傾向を表す。一方、溶融されたシリコンパターンが次第に冷却されつつ、その中央下部で結晶化のためのシードが発生する。溶融されたシリコンパターンの中央下部でシードが発生することは、その部分での流体の流れが最も少ないためである。このような中央下部のシードから上方向に多結晶化が進められる。220aは、多結晶化の過程中にあるシリコンパターンを表す。
前記多結晶化が進められる間にキャッピング膜230の段差部に欠陥が発生する恐れがある。
図2Cを参照すれば、ELAによる多結晶化を通じて非晶質シリコンパターンから支柱形状のポリシリコンパターン220bを形成した後に、前記キャッピング膜を除去する。このとき、前記ポリシリコンパターン220bは、前記第1幅より狭い第2幅及び前記第1高さより高い第2高さを有する。
図3は、本発明でELAを行う以前の非晶質シリコンパターン(a−Si)を示す平面写真であり、図4Aないし図4Cは、それぞれ870mJ/cm、950mJ/cm及び1030mJ/cmの強度でELAを行って形成したポリシリコンパターン(poly−Si)を示す平面写真である。図3と図4Aないし図4Cを参照すれば、本発明の方法で非晶質シリコンパターン(a−Si)より狭い幅を有するポリシリコンパターン(poly−Si)を形成しうるということが確認できる。
一方、図5は、本発明の方法で形成されたポリシリコンパターンの断面写真であって、これを参照すれば、多結晶化されたポリシリコンパターンの微細構造が確認できる。
このように、支柱形状のポリシリコンパターン220bを形成した後、前記ポリシリコンパターン220bにn型及びp型不純物をドーピングすることによって、ポリシリコンからなる垂直ダイオードを具現しうる。
以下では、前記のような方法で形成されたポリシリコンダイオードを備える多層交差点抵抗性メモリ素子の構造を説明する。
図6及び図7は、本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の断面図及び斜視図である。
図6及び図7を参照すれば、本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子は、半導体基板(図示せず)上に形成された配線Mを備える。前記配線Mは、金属系物質で形成され、図7に示したように等間隔で複数個が形成される。図示していないが、前記配線Mは、その上部にTiNのようなバリヤ膜を備えてもよい。
そして、前記配線M上にポリシリコンからなる第1垂直ダイオードD1が等間隔で備えられる。前記第1垂直ダイオードD1は、下端の第1n型不純物領域n1と上端の第1p型不純物領域p1とで形成される。
前記第1垂直ダイオードD1上には、第1下部電極BE1が備えられる。前記第1下部電極BE1は、前記第1垂直ダイオードD1のそれぞれに個別的に形成され、前記第1垂直ダイオードD1より大きいサイズのパッド型でありうる。
前記第1下部電極BE1上には、前記配線Mと直交し、第1抵抗体R1と第1上部電極TE1とが順次に積層された構造を有するライン状の第1積層パターンP1が備えられる。前記第1積層パターンP1は、図7に示したように等間隔で複数個が形成される。図示していないが、前記第1積層パターンP1は、その上部にバリヤ膜をさらに備えてもよい。
前記第1積層パターンP1上にポリシリコンからなる第2垂直ダイオードD2が等間隔で備えられる。前記第2垂直ダイオードD2は、下端の第2n型不純物領域n2と上端の第2p型不純物領域p2とで形成される。
前記第2垂直ダイオードD2上には、第2下部電極BE2が備えられる。前記第2下部電極BE2は、第1下部電極BE1と同様に、前記第2垂直ダイオードD2のそれぞれに個別的に形成され、前記第2垂直ダイオードD2より大きいサイズのパッド型でありうる。
前記第2下部電極BE2上には、前記第1積層パターンP1と直交し、第2抵抗体R2と第2上部電極TE2とが順次に積層された構造を有するライン状の第2積層パターンP2が備えられる。前記第2積層パターンP2は、図7に示したように、等間隔で複数個が形成される。図示していないが、前記第2積層パターンP2は、その上部にバリヤ膜をさらに備えてもよい。
言い換えれば、本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子では、配線Mと第1積層パターンP1とが一定間隔で離隔して相互直交するように形成され、その交差部に第1垂直ダイオードD1が備えられる。また、第1積層パターンP1と第2積層パターンP2とが一定間隔で離隔して直交するように形成され、その交差部に第2垂直ダイオードD2が備えられる。
ここで、前記第1垂直ダイオードD1及び第2垂直ダイオードD2は、それぞれ前記配線M及び前記第1積層パターンP1上に形成された非晶質シリコンパターンをELAで多結晶化したポリシリコンパターンから形成される。すなわち、前記第1垂直ダイオードD1及び第2垂直ダイオードD2は、前記図2Aないし図2Cの過程を経て形成した支柱形状のポリシリコンパターン内にn型及びp型不純物をドーピングすることによって形成される。このように形成された前記第1垂直ダイオードD1及び第2垂直ダイオードD2は、前記第1積層パターンP1及び第2積層パターンP2の幅より狭い。例えば、前記第1垂直ダイオードD1及び第2垂直ダイオードD2の幅は、前記第1積層パターンP1及び第2積層パターンP2の幅の1/3レベルでありうる。
図6で、説明されていない図面符号ILDは、層間絶縁膜を表すが、このような層間絶縁膜は、図7に示されていない。
一方、図示していないが、本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子は、前記第2積層パターンP2上に前記第1垂直ダイオードD1、前記第1下部電極BE1及び前記第1積層パターンP1の積層構造物と同じ構造を有する構造物をさらに備えうる。
または、本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子は、前記第2積層パターンP2上に前記第1垂直ダイオードD1、前記第1下部電極BE1、前記第1積層パターンP1、前記第2垂直ダイオードD2、前記第2下部電極BE2及び前記第2積層パターンP2の積層構造物と同じ構造を有する構造物を少なくとも1セット以上さらに備えてもよい。
または、本発明の多層交差点抵抗性メモリ素子は、前記第2積層パターンP2上に前記第1垂直ダイオードD1、前記第1下部電極BE1、前記第1積層パターンP1、前記第2垂直ダイオードD2、前記第2下部電極BE2、前記第2積層パターンP2、前記第1垂直ダイオードD1、前記第1下部電極BE1及び前記第1積層パターンP1の積層構造物と同じ構造を有する構造物を少なくとも1セット以上さらに備えてもよい。
以下、図8Aないし図8Fを参照して、本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明する。
図8Aないし図8Fは、本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
図8Aを参照すれば、半導体基板(図示せず)上に金属材質の配線Mを形成した後に、前記配線M上にドットタイプの非晶質シリコンパターン220を形成する。ここで、前記非晶質シリコンパターン220は、円形または四角形に形成され、10Å〜100000Åの幅及び10Å〜30000Åの厚さに形成されうる。
次いで、前記非晶質シリコンパターン220を覆うように前記配線Mを含む基板全面上にキャッピング膜230を形成する。前記キャッピング膜230は、シリコン酸化膜でありうる。
図8Bを参照すれば、前記キャッピング膜が形成された基板結果物にエキシマーレーザを照射して非晶質シリコンパターンの多結晶化を進めることによって、支柱形状のポリシリコンパターン220bを形成する。前記ポリシリコンパターン220bは、非晶質シリコンパターンの幅より狭く、非晶質シリコンパターンの高さより高い。このとき、前記エキシマーレーザの強度は、200mJ/cm〜3000mJ/cmでありうる。
前記多結晶化が完了した後に、前記キャッピング膜を湿式洗浄などの方法で除去する。
図8Cを参照すれば、前記ポリシリコンパターン220bを覆うように基板結果物の全面上に層間絶縁膜を形成した後に、前記層間絶縁膜をポリシリコンパターン220bが露出されるまでCMPまたはエッチバックする。これにより、前記ポリシリコンパターン220bの周囲に第1層膜絶縁膜ILD1が残留される。
図8Dを参照すれば、前記ポリシリコンパターン内にn型及びp型不純物をドーピングした後に、ドーピングされた不純物が活性化されるようにドーピングされたポリシリコンパターンをアニーリングする。これにより、ポリシリコンで形成され、下端の第1n型不純物領域n1と上端の第1p型不純物領域p1とから形成される第1垂直ダイオードD1が形成される。
ここで、前記ドーピング時の不純物の浸透深さは、イオン注入エネルギーによって調節されうる。一方、ドーピングされた不純物の活性化のためのアニーリングは、エキシマーレーザを使用して行うことが望ましいが、これは、エキシマーレーザを利用したアニーリング時にドーピングされたポリシリコンパターンにレーザエネルギーが集中して高温工程を回避できるためである。
図8Eを参照すれば、前記第1垂直ダイオードD1上に所定形状、例えば、四角形のパッド型の第1下部電極BE1を形成する。前記第1下部電極BE1は、第1垂直ダイオードD1より大きく形成することが望ましい。
次いで、前記第1下部電極BE1の形成領域以外の第1層間絶縁膜ILD1の部分上に第1下部電極BE1と同じ高さの第2層間絶縁膜ILD2を形成する。
次いで、前記第1下部電極BE1及び第2層間絶縁膜ILD2上に前記配線Mと直交し、第1抵抗体R1と第1上部電極TE1とが順次に積層された構造を有するライン状の第1積層パターンP1を形成する。
次いで、前記第1積層パターンP1の両側の第2層間絶縁膜ILD2の部分上に第1積層パターンP1の高さで第3層間絶縁膜ILD3を形成する。
図8Fを参照すれば、前記第1垂直ダイオードD1の形成方法と同じ方法で前記第1積層パターンP1上にポリシリコンからなる第2垂直ダイオードD2を形成する。前記第2垂直ダイオードD2は、下端の第2n型不純物領域n2と上端の第2p型不純物領域p2とで形成される。図面符号ILD4は、前記第1層間絶縁膜ILD1と同じ方法で形成された第4層間絶縁膜を表す。
次いで、前記第1下部電極BE1の形成方法と同じ方法で、前記第2垂直ダイオードD2上にパッド型の第2下部電極BE2を形成し、前記第2下部電極BE2の形成領域以外の第4層間絶縁膜ILD4の部分上に第2下部電極BE2と同じ高さで第5層間絶縁膜ILD5を形成する。
次いで、前記第2下部電極BE2及び第5層間絶縁膜ILD5上に前記第1積層パターンP1と直交し、第2抵抗体R2と第2上部電極TE2とが順次に積層された構造を有するライン状の第2積層パターンP2を形成する。
ここで、図示していないが、前記第2積層パターンP2上に第1垂直ダイオードD1、第1下部電極BE1及び第1積層パターンP1の積層構造物のような1D−1R構造物をさらに形成してもよく、次いで、前記1D−1R構造物の方向を90°ほど異ならせて連続的にさらに形成してもよい。
このように、ドットタイプの非晶質シリコンパターンをELAで多結晶化し、n型及びp型不純物をドーピングして得られたポリシリコンダイオードは、従来の二成分系酸化膜ダイオードに比べて順方向電流密度が高く、漏れ電流が少ないので、非常に優秀な整流特性、すなわち優秀なスイッチング特性を表す。
また、本発明によるポリシリコンPN接合は、一般的な方法、すなわち、ドットタイプでパターニングされていない状態の非晶質シリコン膜をELAで多結晶化し、不純物ドーピング及びパターニングを行う方法で形成した他のポリシリコンPN接合に比べても優秀な整流特性を表す。
図9は、本発明の効果を説明するための電圧−電流(V−I)グラフであって、形成条件が異なるPN接合のV−I特性を示す。サンプル1ないしサンプル3は、何れも特性評価のために異なる条件で製造したTFT(Thin Film Transistor)である。ここで、サンプル1とサンプル2とは、前記一般的な方法で形成したPN接合を含み、サンプル3は、本発明の方法で形成したPN接合を含む。一方、サンプル1は、450mJ/cmの強度でELAされ、サンプル2とサンプル3とは、950mJ/cmの強度でELAされた。
図9を参照すれば、サンプル3のV−I曲線がサンプル1及びサンプル2のV−I曲線より高い所に位置しているが、これは、サンプル3の順方向の電流密度が相対的に高いということを意味する。すなわち、サンプル3がサンプル1及びサンプル2に比べて短い時間内に多量の電流を流すことができる。サンプル2とサンプル3とのELA強度が同じであるにも拘わらず、サンプル3の整流特性がさらに優秀であるというのは、本発明の方法が前記一般的な方法より優秀であるということを表す。
しかも、本発明のポリシリコンダイオードの形成方法は、従来の酸化膜ダイオードの形成方法のように、高温工程を要求せず、比較的低温で進められるため、高温工程によるコスト上昇及び素子の信頼性劣化の問題が防止される。
また、本発明によるポリシリコンパターンの形成方法は、ポリシリコンパターンの微細化に有利であるので、素子の高集積化に適している。
付け加えれば、本発明による多層交差点抵抗性メモリ素子の他の利点としては、従来の構造である図1のような第1タングステンプラグW1及び第2タングステンプラグW2が必要でないという点である。すなわち、従来の酸化膜ダイオードの場合、下部の配線Mとのコンタクト抵抗を低めるためのタングステンプラグが要求されるが、ポリシリコンダイオードは、このような別途のタングステンプラグが要求されない。
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、本発明の実施形態で第1積層パターンP1及び第2積層パターンP2の構成をさらに多様化しうるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
本発明は、半導体メモリ素子関連の技術分野に適用可能である。
従来の技術による多層交差点抵抗性メモリ素子を示す斜視図である。 本発明の実施形態によるポリシリコンパターンの形成方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態によるポリシリコンパターンの形成方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態によるポリシリコンパターンの形成方法を説明するための工程別断面図である。 本発明のポリシリコンパターンの形成方法でELAを行う以前の非晶質シリコンパターン(a−Si)を示す平面写真である。 870mJ/cmの強度でELAを行って形成したポリシリコンパターン(poly−Si)を示す平面写真である。 950mJ/cmの強度でELAを行って形成したポリシリコンパターン(poly−Si)を示す平面写真である。 1030mJ/cmの強度でELAを行って形成したポリシリコンパターン(poly−Si)を示す平面写真である。 本発明の方法で形成されたポリシリコンパターンの断面写真である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の斜視図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施形態による多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の利点を説明するための3サンプルの電圧−電流(V−I)グラフである。
符号の説明
D1,D2 第1垂直ダイオード及び第2垂直ダイオード
P1,P2 第1積層パターン及び第2積層パターン
BE1,BE2 第1下部電極及び第2下部電極
R1,R2 第1抵抗体及び第2抵抗体
TE1,TE2 第1上部電極及び第2上部電極
n1,n2 第1n型不純物領域及び第2n型不純物領域
p1,p2 第1p型不純物領域及び第2p型不純物領域

Claims (24)

  1. 下部膜上に非晶質シリコンパターンを形成するステップと、
    前記非晶質シリコンパターンを覆うキャッピング膜を形成するステップと、
    前記非晶質シリコンパターンをエキシマーレーザアニーリングによって多結晶化するステップと、
    前記キャッピング膜を除去するステップと、を含むことを特徴とするポリシリコンパターンの形成方法。
  2. 前記下部膜は、金属物質で形成されていることを請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  3. 前記非晶質シリコンパターンは、10Å〜100000Åの幅に形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  4. 前記非晶質シリコンパターンは、10Å〜30000Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  5. 前記非晶質シリコンパターンは、円形または四角形に形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  6. 前記エキシマーレーザアニーリングは、200mJ/cm〜3000mJ/cmの強度で行われることを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  7. 前記ポリシリコンパターンの幅は、前記非晶質シリコンパターンの幅よりも狭く、前記ポリシリコンパターンの高さは、前記非晶質シリコンパターンの高さよりも高いことを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  8. 前記ポリシリコンパターンは、支柱形状に形成されることを特徴とする請求項1に記載のポリシリコンパターンの形成方法。
  9. 請求項1による前記ポリシリコンパターンを形成するステップと、
    前記ポリシリコンパターンをn型不純物及びp型不純物でドーピングするステップと、
    前記不純物が活性化されるように前記ポリシリコンパターンをアニーリングするステップと、を含むことを特徴とする垂直ダイオードの形成方法。
  10. 前記ポリシリコンパターンのアニーリングは、エキシマーレーザを利用して行うことを特徴とする請求項9に記載の垂直ダイオードの形成方法。
  11. 前記ポリシリコンパターンは、支柱形状を形成することを特徴とする請求項9に記載の垂直ダイオードの形成方法。
  12. 半導体基板上に配線を形成する工程と、
    前記配線上に第1垂直ダイオードを形成する工程と、
    前記第1垂直ダイオード上に第1下部電極を形成する工程と、
    前記第1下部電極上に前記配線と直交し、第1抵抗体と第1上部電極とが順次に積層された構造を有するライン形態の第1積層パターンを形成する工程と、
    前記第1積層パターン上にポリシリコンからなる第2垂直ダイオードを形成する工程と、
    前記第2垂直ダイオード上に第2下部電極を形成する工程と、
    前記第2下部電極上に前記第1積層パターンと直交し、第2抵抗体と第2上部電極とが順次に積層された構造を有するライン形態の第2積層パターンを形成する工程と、を含み、
    前記第1垂直ダイオード及び前記第2垂直ダイオードは、請求項9に記載の方法によって形成することを特徴とする多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法。
  13. 前記第1垂直ダイオードを形成する工程及び前記第2垂直ダイオードを形成する工程のうち何れか一つは、
    前記ポリシリコンパターンを覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜をポリシリコンパターンが露出されるまでCMPまたはエッチバックする工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法。
  14. 前記第1垂直ダイオード及び前記第2垂直ダイオードのうち少なくとも一つは、支柱形状に形成することを特徴とする請求項12に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子の製造方法。
  15. 下部膜上に形成されたポリシリコンパターンと、
    前記ポリシリコンパターンの下端に形成されたn型不純物領域と、
    前記ポリシリコンパターンの上端に形成されたp型不純物領域と、を備えることを特徴とする垂直ダイオード。
  16. 前記下部膜は、金属物質で形成されていることを特徴とする請求項15に記載の垂直ダイオード。
  17. 前記ポリシリコンパターンは、支柱形状に形成されていることを特徴とする請求項15に記載の垂直ダイオード。
  18. 半導体基板上に形成された配線と、
    前記配線上に形成された第1垂直ダイオードと、
    前記第1垂直ダイオード上に形成された第1下部電極と、
    前記第1下部電極上に前記配線と直交して形成されたものであって、第1抵抗体と第1 上部電極とが順次に積層された構造を有するライン状の第1積層パターンと、
    前記第1積層パターン上に形成された第2垂直ダイオードと、
    前記第2垂直ダイオード上に形成された第2下部電極と、
    前記第2下部電極上に前記第1積層パターンと直交して形成されたものであって、第2抵抗体と第2上部電極とが順次に積層された構造を有するライン状の第2積層パターンと、を含み、
    前記第1垂直ダイオード及び前記第2垂直ダイオードは、請求項15に記載のダイオードであることを特徴とする多層交差点抵抗性メモリ素子。
  19. 前記第1垂直ダイオードおよび前記第2垂直ダイオードは、前記第1垂直ダイオード及び前記第2積層パターンの幅よりも狭いことを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
  20. 前記第1垂直ダイオードおよび前記第2垂直ダイオードのうち少なくとも一つは、支柱形状であることを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
  21. 前記第2積層パターン上に、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極及び前記第1積層パターンを含む積層構造物と同じ構造の積層構造物を少なくとも一つさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
  22. 前記第2積層パターン上に、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極、前記第1積層パターン、前記第2垂直ダイオード、前記第2下部電極及び前記第2積層パターンを含む積層構造物と同じ構造の積層構造物を少なくとも一つさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
  23. 前記第2積層パターン上に、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極、前記第1積層パターン、前記第2垂直ダイオード、前記第2下部電極及び前記第2積層パターン、前記第1垂直ダイオード、前記第1下部電極、前記第1積層パターンを含む積層構造物と同じ構造の積層構造物を少なくとも一つさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
  24. 前記配線と前記第1垂直ダイオードとの間、及び前記第1積層パターンと前記第2垂直ダイオードとの間に形成されたバリヤ膜を備えることを特徴とする請求項18に記載の多層交差点抵抗性メモリ素子。
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