JP2009010337A - スペーサ材料層を有する集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルをプログラムするための電力量を最小限に抑えるため、メモリセルの相変化材料と少なくとも1つの電極との界面領域を最小にできる、より密度の高い相変化メモリを提供する。
【解決手段】相変化メモリセル200aは、第1の電極202、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、相変化材料層208、および第2の電極210を有している。第1の電極202は、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、および相変化材料層208に接触している。相変化材料層208は、スペーサ材料層206および第2の電極210に接触している。誘電体材料層204およびスペーサ材料層206は、内部に相変化材料が堆積される孔209を形成している。孔209は、第1の電極202と相変化材料層208との界面が、サブリソグラフィック断面を有している。
【選択図】図3A
【解決手段】相変化メモリセル200aは、第1の電極202、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、相変化材料層208、および第2の電極210を有している。第1の電極202は、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、および相変化材料層208に接触している。相変化材料層208は、スペーサ材料層206および第2の電極210に接触している。誘電体材料層204およびスペーサ材料層206は、内部に相変化材料が堆積される孔209を形成している。孔209は、第1の電極202と相変化材料層208との界面が、サブリソグラフィック断面を有している。
【選択図】図3A
Description
〔背景〕
メモリの1つのタイプとして、抵抗メモリがある。抵抗メモリは、メモリ素子の抵抗値を用いて、1ビットまたはそれ以上のデータを記憶する。例えば、抵抗値が高くなるようにプログラムされたメモリ素子は論理値「1」データビット値を示し、抵抗値が低くなるようにプログラムされたメモリ素子は論理値「0」データビット値を示す。一般的に、メモリ素子の抵抗値は、メモリ素子に電圧パルスまたは電流パルスを印加することによって、電気的に切り替えられる。
メモリの1つのタイプとして、抵抗メモリがある。抵抗メモリは、メモリ素子の抵抗値を用いて、1ビットまたはそれ以上のデータを記憶する。例えば、抵抗値が高くなるようにプログラムされたメモリ素子は論理値「1」データビット値を示し、抵抗値が低くなるようにプログラムされたメモリ素子は論理値「0」データビット値を示す。一般的に、メモリ素子の抵抗値は、メモリ素子に電圧パルスまたは電流パルスを印加することによって、電気的に切り替えられる。
抵抗メモリの1つのタイプとして、相変化メモリがある。相変化メモリは、抵抗メモリ素子として相変化材料を用いる。相変化材料は、少なくとも2つの異なる状態を示す。相変化材料のこの状態は、アモルファス状態および結晶状態と称される。アモルファス状態では原子構造がより不規則であり、結晶状態では格子がより規則的である。アモルファス状態は、一般的に、結晶状態よりも高い抵抗率を示す。また、一部の相変化材料は、例えば面心立方(face-centered cubic; FCC)状態および六方最密充てん(hexagonal closest packing; HCP)状態など、複数の結晶状態を示し、これら2つの結晶状態は抵抗率がそれぞれ異なり、複数のデータビットを記憶するために用いられる。以下の説明では、アモルファス状態は、一般的に抵抗率がより高い状態を指し、結晶状態は、一般的に抵抗率がより低い状態を示す。
相変化材料における相変化は、可逆的に誘発させることができる。メモリは、温度変化に反応して、アモルファス状態から結晶状態、および結晶状態からアモルファス状態へと変化する。相変化材料の温度は、相変化材料自身への電流供給、あるいは相変化材料に隣接する抵抗ヒータへの電流供給によって変化させることができる。これら方法のいずれにおいても、相変化材料の加熱が制御可能であることによって、これら相変化材料内における相変化が制御可能となる。
相変化材料からなる複数のメモリセルを有するメモリアレイを備えた相変化メモリは、データを記憶するために、相変化材料のメモリ状態を利用してプログラムすることができる。このような相変化メモリデバイスにおけるデータの読み出しおよび書き込みを行うための方法の1つとして、相変化材料へ印加される電流パルスおよび/または電圧パルスを制御する方法がある。電流および/または電圧のレベルは、各メモリセル内の相変化材料内において誘発される温度に対応している。各メモリセルをプログラムするために用いられる電力量を最小限に抑えるためには、メモリセルの相変化材料と少なくとも1つの電極との界面領域を最小にしなければならない。
より密度の高い相変化メモリを達成するために、相変化メモリセルは、マルチビットのデータを記憶することができる。相変化メモリセル内におけるマルチビット記憶は、相変化材料が中間的な抵抗値または状態を有するようにプログラムすることによって達成することができる。マルチビットまたはマルチレベル相変化メモリセルは、2つ以上の状態に書き込むことができる。3つの異なる抵抗値のいずれか1つに相変化メモリセルをプログラムした場合は、1セルにつき1.5データビットを記憶させることができる。4つの異なる抵抗値のいずれか1つに相変化メモリセルをプログラムした場合は、1セルにつき2データビットを記憶することができ、以下同様に記憶させることができる。相変化メモリセルを中間的な抵抗値にプログラムするためには、アモルファス材料と共存している結晶性材料の量、ひいてはセル抵抗値が、適切な書き込み方式を介して制御される。
上記および上記以外の理由により、本発明が必要とされる。
〔概要〕
一実施形態は、集積回路を提供する。当該集積回路は、第1の電極と、当該第1の電極の第1の部分に接触している誘電体材料層とを有している。上記集積回路は、上記誘電体材料層の上部および側壁部分および上記第1の電極の第2の部分に接触している、スペーサ材料層を有している。上記第2の部分は、上記第1の部分内にある。上記集積回路は、上記スペーサ材料層および上記第1の電極の第3の部分に接触している、抵抗率変化材料を含んでいる。上記第3の部分は、上記第2の部分内にある。上記集積回路は、上記抵抗率変化材料に接触している、第2の電極を有している。
一実施形態は、集積回路を提供する。当該集積回路は、第1の電極と、当該第1の電極の第1の部分に接触している誘電体材料層とを有している。上記集積回路は、上記誘電体材料層の上部および側壁部分および上記第1の電極の第2の部分に接触している、スペーサ材料層を有している。上記第2の部分は、上記第1の部分内にある。上記集積回路は、上記スペーサ材料層および上記第1の電極の第3の部分に接触している、抵抗率変化材料を含んでいる。上記第3の部分は、上記第2の部分内にある。上記集積回路は、上記抵抗率変化材料に接触している、第2の電極を有している。
〔図面の簡単な説明〕
本発明をさらに理解するために、図面が添付されている。これらの添付図面は本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の実施形態を例証し、また本明細書における記載と共に本発明の原理を説明するためのものである。本発明の別の実施形態、および本発明の意図する多くの利点については、以下の詳細な説明を参照することによって容易に理解できるであろう。これら図面中の各素子は、必ずしも互いに相対的な縮尺とはなっていない。同様の符号は、対応する同様の箇所を示している。
本発明をさらに理解するために、図面が添付されている。これらの添付図面は本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の実施形態を例証し、また本明細書における記載と共に本発明の原理を説明するためのものである。本発明の別の実施形態、および本発明の意図する多くの利点については、以下の詳細な説明を参照することによって容易に理解できるであろう。これら図面中の各素子は、必ずしも互いに相対的な縮尺とはなっていない。同様の符号は、対応する同様の箇所を示している。
図1は、システムの一実施形態を示すブロック図である。
図2は、メモリデバイスの一実施形態を示すブロック図である。
図3Aは、相変化メモリセルの一実施形態を示す断面図である。
図3Bは、相変化メモリセルの別の実施形態を示す断面図である。
図4は、前処理されたウェハの一実施形態を示す断面図である。
図5は、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、第2の誘電体材料層、および第3の誘電体材料層の一実施形態を示す断面図である。
図6は、第3の誘電体材料層および第2の誘電体材料層をエッチングした後における、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、第2の誘電体材料層、および第3の誘電体材料層の一実施形態を示す断面図である。
図7は、第2の誘電体材料層をエッチングした後における、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、第2の誘電体材料層、および第3の誘電体材料層の一実施形態を示す断面図である。
図8は、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、第2の誘電体材料層、第3の誘電体材料層、およびポリシリコン層内に形成された鍵穴の一実施形態を示す断面図である。
図9は、ポリシリコン層および第1の誘電体材料層をエッチングした後における、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、第2の誘電体材料層、およびポリシリコン層の一実施形態を示す断面図である。
図10は、ポリシリコン層および第2の誘電体材料層を除去した後における、前処理されたウェハおよび第1の誘電体材料層の一実施形態を示す断面図である。
図11は、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、およびスペーサ材料層の一実施形態を示す断面図である。
図12は、スペーサ材料層をエッチングした後における、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、およびスペーサ材料層の一実施形態を示す断面図である。
図13は、前処理されたウェハ、第1の誘電体材料層、スペーサ材料層、および相変化材料層の一実施形態を示す断面図である。
〔詳細な説明〕
以下の詳細な説明では、添付図面を参照する。これらの添付図面は、本明細書の一部を構成するものであり、また本発明を実施し得る具体的な実施形態を例証するために示されている。これに関し、説明する(これら)図面の方向を参照して、「上」「下」「前」「後」「先端」「後端」等の方向を示す用語が使用されている。本発明の実施形態の構成要素は、多くの様々な方向に配置することができる、従って方向を表す上記用語は、例証するために用いられているものであって、限定するものではない。なお、本発明の範囲を逸脱することなく、別の実施形態を用いること、および構造的または論理的な変化を加えることができることについて理解されたい。従って以下の詳細な説明は、限定的な意味として捉えられるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定される。
以下の詳細な説明では、添付図面を参照する。これらの添付図面は、本明細書の一部を構成するものであり、また本発明を実施し得る具体的な実施形態を例証するために示されている。これに関し、説明する(これら)図面の方向を参照して、「上」「下」「前」「後」「先端」「後端」等の方向を示す用語が使用されている。本発明の実施形態の構成要素は、多くの様々な方向に配置することができる、従って方向を表す上記用語は、例証するために用いられているものであって、限定するものではない。なお、本発明の範囲を逸脱することなく、別の実施形態を用いること、および構造的または論理的な変化を加えることができることについて理解されたい。従って以下の詳細な説明は、限定的な意味として捉えられるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定される。
図1は、システム90の一実施形態を示すブロック図である。システム90は、ホスト92およびメモリデバイス100を有している。ホスト92は、通信リンク94を介して、メモリデバイス100と通信可能なように結合されている。ホスト92は、コンピュータ(例えば、デスクトップ、ラップトップ、ハンドヘルド)、携帯用電子デバイス(例えば、携帯電話、PDA、MP3プレーヤ、ビデオプレーヤ)、あるいはメモリを用いるその他の適切なデバイスを有している。メモリデバイス100は、ホスト92に対してメモリを提供する。一実施形態では、メモリデバイス100は、相変化メモリデバイスを有している。
図2は、メモリデバイス100の一実施形態を示すブロック図である。メモリデバイス100は、書き込み回路102、分配回路104、メモリセル106a,106b,106c,106d、コントローラ118、およびセンス回路108を有している。各メモリセル106a〜106dは、メモリセル内の相変化材料のアモルファス状態および結晶状態に基づいてデータを記憶する相変化メモリセルである。また、各メモリセル106a〜106dは、相変化材料が中間的な抵抗値を有するようにプログラムすることによって、2つまたは2つ以上の状態のいずれか1つにプログラムすることができる。メモリセル106a〜106dのいずれか1つを中間的な抵抗値にプログラムするためには、アモルファス材料と共存している結晶性材料の量、ひいてはセル抵抗値が、適切な書き込み方式を介して制御される。
各メモリセル106a〜106bは、孔を用いたメモリセルデバイスである。孔は、誘電体材料内に形成されている。孔には、第1の電極および第2の電極に接触する、抵抗率変化材料あるいは相変化材料が充填されている。孔の断面によって、各メモリセルをリセットするために各メモリセルに流れる電流が規定される。孔は、まず鍵穴処理を用いて、誘電体材料層内に初期開口部を形成し、次にスペーサ処理を用いて、当該初期開口部の断面を縮小することによって形成される。
本明細書において使用される場合、「電気的に結合」という表現は、素子同士が直接結合しているという意味だけではなく、一方の素子と他方の素子との間に別の素子が介在した状態において「該一方の素子と該他方の素子とが電気的に結合されている」と言うことができる。
書き込み回路102は、信号経路110を介して、分配回路104に電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路112a〜112dを介して、各メモリセル106a〜106dに電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路112aを介して、メモリセル106aに電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路112bを介して、メモリセル106bに電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路112cを介して、メモリセル106cに電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路112dを介して、メモリセル106dに電気的に結合されている。分配回路104は、信号経路114を介して、センス回路108に電気的に結合されている。センス回路108は、信号経路116を介して、コントローラ118に電気的に結合されている。コントローラ118は、信号経路120を介して、書き込み回路102に電気的に結合されており、また信号経路122を介して、分配回路104に電気的に結合されている。
各メモリセル106a〜106dは、温度変化の影響下において、アモルファス状態から結晶状態、あるいは結晶状態からアモルファス状態へと変化する相変化材料を含んでいる。従って、メモリセル106a〜106dのいずれか1つにおいて、アモルファス状態にある相変化材料と共存している、結晶状態にある相変化材料の量によって、メモリデバイス100内にデータを記憶させるための2つまたは2つ以上の状態が規定される。
アモルファス状態にある相変化材料は、結晶状態にある場合よりも遥かに高い抵抗率を示す。従って、メモリセル106a〜106dの2つまたは2つ以上の状態は、その電気抵抗率において異なっている。一実施形態では、上記2つまたは2つ以上の状態は2つの状態であり、これら2つの状態が「0」および「1」のビット値に割り当てられる2値システムが用いられる。別の実施形態では、上記2つまたは2つ以上の状態は3つの状態であり、これら3つの状態が「0」、「1」、および「2」のビット値に割り当てられる3値システムが用いられる。別の実施形態では、上記2つまたは2つ以上の状態は4つの状態であり、「00」、「01」、「10」、および「11」などのマルチビット値が割り当てられる。別の実施形態では、上記2つまたは2つ以上の状態は、メモリセルの相変化材料における適切な任意数の状態であってよい。
コントローラ118は、書き込み回路102、センス回路108、および分配回路104の動作を制御する。コントローラ118は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいは、書き込み回路102、センス回路108、および分配回路104の動作を制御するその他の適切な論理回路を有している。コントローラ118は、書き込み回路102がメモリセル106a〜106dの抵抗状態をセットするのを制御する。コントローラ118は、センス回路108がメモリセル106a〜106dの抵抗状態を読み出すのを制御する。コントローラ118は、分配回路104が読み出しまたは書き込みアクセスのためにメモリセル106a〜106dを選択するのを制御する。一実施形態では、コントローラ118は、メモリセル106a〜106dと同じチップ上に埋め込まれている。別の実施形態では、コントローラ118は、メモリセル106a〜106dとは別のチップ上に位置している。
一実施形態では、書き込み回路102は、信号経路110を介して分配回路104に電圧パルスを供給し、分配回路104は、信号経路112a〜112dを介して、メモリセル106a〜106dに電圧パルスを制御しながら与える。別の実施形態では、書き込み回路102は、信号経路110を介して分配回路104に電流パルスを供給し、分配回路104は、信号経路112a〜112dを介して、メモリセル106a〜106dに電流パルスを制御しながら与える。一実施形態では、分配回路104は、各メモリセル106a〜106dに電圧パルスまたは電流パルスを制御しながら与える複数のトランジスタを備えている。
センス回路108は、信号経路114を介して、メモリセル106a〜106dの2つまたは2つ以上の各状態を読み出す。分配回路104は、センス回路108とメモリセル106a〜106dとの間に、信号経路112a〜112dを介して、読み出し信号を制御しながら与える。一実施形態では、分配回路104は、センス回路108とメモリセル106a〜106dとの間に読み出し信号を制御しながら与える、複数のトランジスタを備えている。
一実施形態では、メモリセル106a〜106dのいずれか1つの抵抗を読み出すために、センス回路108は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つに流れる電流を供給し、そしてメモリセル106a〜106dのいずれか1つおける電圧を読み出す。別の実施形態では、センス回路108は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つに電圧を供給し、そしてメモリセル106a〜106dのいずれか1つに流れる電流を読み出す。別の実施形態では、書き込み回路102は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つに電圧を供給し、センス回路108は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つに流れる電流を読み出す。別の実施形態では、書き込み回路102は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つに流れる電流を供給し、センス回路108は、メモリセル106a〜106dのいずれか1つにおける電圧を読み出す。
メモリデバイス100内のメモリセル106a〜106dをプログラムするために、書き込み回路102は、標的メモリセル内の相変化材料を加熱する電流パルスまたは電圧パルスを生成する。一実施形態では、書き込み回路102は、適切な電流パルスまたは電圧パルスを生成する。当該電流パルスまたは電圧パルスは、分配回路104に供給され、そして適切な標的メモリセル106a〜106dに分配される。上記電流パルスまたは電圧パルスの振幅およびパルス幅は、メモリセルがセットされるのか、あるいはリセットされるのかに応じて制御される。一般的には、メモリセルの「セット」動作では、標的メモリセルの相変化材料が、その結晶化温度を超えて(しかし通常はその融点を超えないように)、結晶状態または部分的結晶状態および部分的アモルファス状態に達するまで、十分な時間加熱される。一般的には、メモリセルの「リセット」動作では、標的メモリセルの相変化材料が、その融点を超えて加熱された後に急速に冷却され、これによってアモルファス状態または部分的アモルファス状態および部分的結晶状態が達成される。
図3Aは、一実施形態の相変化メモリセル200aを示す断面図である。相変化メモリセル200aは、第1の電極202、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、相変化材料層208、および第2の電極210を有している。第1の電極202は、誘電体材料層204、スペーサ材料層206、および相変化材料層208に接触している。相変化材料層208は、スペーサ材料層206および第2の電極210に接触している。誘電体材料層204およびスペーサ材料層206は、内部に相変化材料が堆積される孔209を形成している。一実施形態では、孔209は、第1の電極202と相変化材料層208との界面がサブリソグラフィック断面(sublithographic cross-section)を有するように、サブリソグラフィック断面を有している。
読み出しおよび書き込み信号は、第1の電極202および第2の電極210を介して、相変化材料層208に供給される。書き込み動作中、相変化材料208を通過する電流経路は、第1の電極202(第2の電極210)から、孔209を通過し、第2の電極210(第1の電極202)へと伸びる。相変化メモリセル200aは、孔209内部の相変化材料内に、1つまたは1つ以上のデータビットを記憶させるための記憶場所を提供する。一実施形態では、各相変化メモリセル106a〜106dは、相変化メモリセル200aに類似している。
第1の電極202および第2の電極210は、TiN、TaN、W、Al、Ti、Ta、TiSiN、TaSiN、TiAlN、TaAlN、C、あるいはCuなど、任意の適切な電極材料を含んでいてよい。誘電体材料層204は、SiNなど、任意の適切な誘電体材料を含んでいてよい。スペーサ材料層206は、SiO2あるいは低誘電率材料など、任意の適切な誘電体材料を含んでいてよい。スペーサ材料層206によって、相変化メモリセル200aのクリティカルディメンジョン(critical dimension; CD)がさらに微細化され、また相変化材料層208の能動領域(すなわち孔209内部)の熱絶縁性が改善される。CDが微細化され、熱絶縁性が改善されることによって、メモリセル200aを結晶状態からアモルファス状態に遷移させるために用いられるリセット電流が低減される。
本発明では、相変化材料208は、様々な材料から形成されていてよい。このような材料としては、一般的には、周期表の6族に属する元素を1つまたは1つ以上含有したカルコゲナイド合金が有用である。一実施形態では、相変化メモリセル200aの相変化材料208は、GeSbTe、SbTe、GeTe、あるいはAgInSbTeなどのカルコゲナイド化合物材料からなる。別の実施形態では、相変化材料208は、GeSb、GeSb、InSb、あるいはGeGaInSbなどのカルコゲンを含有していない材料である。別の実施形態では、相変化材料208は、Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se、およびSのうちのいずれか1つまたは1つ以上の元素を含有した、任意の適切な材料からなる。
図3Bは、別の実施形態の相変化メモリセル200bを示す断面図である。相変化メモリセル200bは、スペーサ材料層206が誘電体材料層204の上部を被覆していない点を除いては、図3Aに照らして説明および図示した相変化メモリセル200aと同様である。本実施形態では、スペーサ材料層206は、誘電体材料層204の側壁を被覆している。一実施形態では、各相変化メモリセル106a〜106dは、相変化メモリセル200bと同様である。
以下の図4〜図13は、図3Aおよび図3Bに照らして説明および図示した相変化メモリセル200aおよび200bの形成プロセスを示す一実施形態である。
図4は、前処理されたウェハ212の一実施形態を示す断面図である。前処理されたウェハ212は、誘電体材料214、第1の電極202、および下方のウェハ層(図示せず)を有している。誘電体材料214は、SiO2、SiOx、SiN、フッ化ケイ酸ガラス(FSG)、リンホウ素シリケートガラス(BPSG)、ホウ素シリケートガラス(BSG)、あるいはその他の適切な誘電体材料を含んでいる。第1の電極202は、TiN、TaN、W、Al、Ti、Ta、TiSiN、TaSiN、TiAlN、TaAlN、C、Cu、あるいはその他の適切な電極材料を含んでいる。誘電体材料214は、第1の電極202の側方を囲み、第1の電極202を隣接するデバイス構造から絶縁している。
図5は、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204a、第2の誘電体材料層216a、および第3の誘電体材料層218aの一実施形態を示す断面図である。前処理されたウェハ212上に、誘電体材料(例えばSiNあるいはその他の適切な誘電体材料)が堆積され、これによって第1の誘電体材料層204aが形成される。第1の誘電体材料層204aは、化学気相成長法(chemical vapor deposition; CVD)、原子層堆積法(atomic layer deposition; ALD)、有機金属化学気相成長法(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)、プラズマ気相成長法(plasma vapor deposition; PVD)、ジェット気相堆積(jet vapor deposition; JVD)、あるいはその他の適切な堆積技術を用いて堆積される。
第1の誘電体材料層204a上には、第1の誘電体材料層204aの誘電体材料とは異なる第2の誘電体材料(例えばSiO2あるいはその他の適切な材料)が堆積され、これによって第2の誘電体材料層216aが形成される。第2の誘電体材料層216aは、第1の誘電体材料層204aよりも厚い。一実施形態では、第2の誘電体材料層216aは、第1の誘電体材料層204aの少なくとも4倍の厚さを有している。誘電体材料層216aは、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。
第2の誘電体材料層216a上には、誘電体材料層204aの誘電体材料と類似した第3の誘電体材料(例えばSiNあるいはその他の適切な材料)が堆積され、これによって第3の誘電体材料層218aが形成される。第3の誘電体材料層218aは、第2の誘電体材料層216aよりも薄い。一実施形態では、第3の誘電体材料層218aは、第1の誘電体材料層204aと実質的に同じ厚さを有している。第3の誘電体材料層218aは、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。
図6は、第3の誘電体材料層218aおよび第2の誘電体材料層216aをエッチングした後における、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204a、第2の誘電体材料層216b、および第3の誘電体材料層218bの一実施形態を示す断面図である。第3の誘電体材料層218aおよび第2の誘電体材料層216aは、エッチングされる。これによって、開口部220が形成されて第1の誘電体材料層204aが露出され、そして第2の誘電体材料層216bおよび第3の誘電体材料層218bが形成される。一実施形態では、開口部220は、実質的に第1の電極202の中心に位置するように形成される。
図7は、第2の誘電体材料層216bをエッチングした後における、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204a、第2の誘電体材料層216c、および第3の誘電体材料層218bの一実施形態を示す断面図である。第2の誘電体材料層216bは、選択的ウェットエッチングあるいはその他の適切なエッチングによって、選択的にリセスエッチングされる。これによって、参照符号222に示されているように、第3の誘電体材料層218bの突出部が形成される。
図8は、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204a、第2の誘電体材料層216c、第3の誘電体材料層218b、およびポリシリコン層224a内に形成された鍵穴226の一実施形態を示す断面図である。第3の誘電体材料層218b、第2の誘電体材料層216c、および第1の誘電体材料層204aの露出された部分上に、ポリシリコンあるいはその他の適切な材料がコンフォーマルに堆積される。突出部222があるため、ポリシリコンは、共形的に堆積されることによって自身をピンチオフ(pinch off)し、これによって空隙または鍵穴226が形成される。鍵穴226は、第1の電極202の実質的に中心に位置するように形成される。ポリシリコン層224aは、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。
図9は、ポリシリコン層224aおよび第1の誘電体材料層204aをエッチングした後における、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204、第2の誘電体材料層216c、およびポリシリコン層224bの一実施形態を示す断面図である。第3の誘電体材料層218bは除去される。ポリシリコン層224aはエッチングされ、これによって鍵穴226が露出される。次に、開口部228によって示されているように、鍵穴226が第1の誘電体材料層204a内に移動され、これによってポリシリコン層224bおよび第1の誘電体材料層204が形成される。一実施形態では、開口部あるいは孔228は、第1の電極202の露出された部分がサブリソグラフィック断面を有するように、サブリソグラフィック断面を有している。
図10は、ポリシリコン層224bおよび第2の誘電体材料層216cを除去した後における、前処理されたウェハ212および第1の誘電体材料層204の一実施形態の断面図である。第2の誘電体材料層216cおよびポリシリコン層224bはエッチングされ、これによって第1の誘電体材料層204が露出される。
図11は、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204、およびスペーサ材料層206aの一実施形態を示す断面図である。誘電体材料層204および第1の電極202の露出された部分上に、SiO2および低誘電率材料などのスペーサ材料、あるいはその他の適切なスペーサ材料が共形的に堆積され、これによってスペーサ材料層206aが形成される。スペーサ材料層206aは、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。
図12は、スペーサ材料層206aをエッチングした後における、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204、およびスペーサ材料層206の一実施形態を示す断面図である。スペーサ材料層206aはスペーサエッチングされ、これによって第1の電極202の一部が露出され、スペーサ材料層206が形成される。一実施形態では、スペーサ材料は、エッチング後に、第1の誘電体材料層204の上部と側壁との両方に残留する。別の実施形態では、スペーサ材料は、エッチング後に、第1の誘電体材料層204の側壁には残留するが、図3Bに照らして説明および図示したように、誘電体材料層204の上部には残留しない。
図13は、前処理されたウェハ212、第1の誘電体材料層204、スペーサ材料層206、および相変化材料層208の一実施形態を示す断面図である。スペーサ材料層206および第1の電極202の露出された部分上に、カルコゲナイド化合物材料などの相変化材料、あるいはその他の適切な相変化材料が堆積され、これによって相変化材料層208が形成される。相変化材料層208は、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。
相変化材料層208上には、TiN、TaN、W、Al、Ti、Ta、TiSiN、TaSiN、TiAlN、TaAlN、C、Cuなどの電極材料、あるいはその他の適切な電極材料が堆積される。これによって、図3Aに照らして説明および図示した第2の電極210および相変化メモリセル200aが形成される。電極材料は、CVD、ALD、MOCVD、PVD、JVD、あるいはその他の適切な堆積技術によって堆積される。スペーサ材料層206が第1の誘電体材料層204の側壁のみに残留して誘電体材料層204の上部には残留しない別の実施形態では、図3Bに照らして説明および図示した相変化メモリセル200bが形成される。
本発明の実施形態は、内部に相変化材料が堆積される孔を有する相変化メモリセルを提供する。当該孔は、鍵穴処理によって形成され、さらにスペーサ処理によって微細化される。スペーサ材料によって、上記メモリセルのクリティカルディメンションがさらに微細化され、また上記メモリセルの能動領域の熱絶縁性が向上する。クリティカルディメンションが微細化され、熱絶縁性が向上することによって、相変化材料を結晶状態からアモルファス状態に遷移させるために用いられるリセット電流が低減される。
本明細書において、具体的な実施形態について図示および説明してきたが、当該分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、図示および説明してきたこれらの実施形態の代わりに、様々な別の、および/または同等の実施形態を用いることができることについて理解するであろう。本出願は、本明細書に記載の具体的な実施形態の任意の適応または改変を含んでいる。従って本発明は、特許請求の範囲および特許請求の範囲に相当する部分によってのみ限定される。
Claims (24)
- 第1の電極と、
上記第1の電極の第1の部分に接触している、誘電体材料層と、
上記誘電体材料層の上部および側壁部分と、上記第1の電極の上記第1の部分内にある第2の部分とに接触している、スペーサ材料層と、
上記スペーサ材料層と、上記第1の電極の上記第2の部分内にある第3の部分とに接触している、抵抗率変化材料と、
上記抵抗率変化材料に接触している、第2の電極とを有している集積回路。 - 上記第1の電極の上記第3の部分は、サブリソグラフィック断面(sublithographic cross-section)を有している請求項1に記載の集積回路。
- 上記誘電体材料層はSiNを含んでいる請求項1に記載の集積回路。
- 上記スペーサ材料層は、SiO2および低誘電率材料のうちのいずれか1つを含んでいる請求項1に記載の集積回路。
- 上記抵抗率変化材料は、Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se、およびSのうちの少なくともいずれか1つを含んでいる請求項1に記載の集積回路。
- ホストと、当該ホストと通信可能なように結合されたメモリデバイスとを有したシステムであって、
上記メモリデバイスは、孔内に堆積された相変化材料を含んだ相変化メモリセルを有しており、
上記相変化材料は、第1の電極および第2の電極に接触しており、
上記孔は、誘電体材料層内および開口部の断面を縮小させるスペーサ材料層内に形成された開口部によって規定されており、
上記スペーサ材料層は、上記誘電体材料層の上部および側壁部分に接触しているシステム。 - 上記メモリデバイスは、
上記メモリセルにデータを書き込む書き込み回路と、
上記メモリセルからデータを読み出すセンス回路とをさらに有している請求項6に記載のシステム。 - 上記メモリデバイスは、上記書き込み回路および上記センス回路を制御するように構成されたコントローラをさらに有している請求項7に記載のシステム。
- 上記メモリデバイスは、上記相変化メモリセルにアクセスするように構成された分配回路をさらに有している請求項6に記載のシステム。
- 第1の電極と、
第2の電極と、
上記第1の電極と上記第2の電極との間の相変化材料と、
上記相変化材料の能動領域を形成する手段と、
上記能動領域の断面を縮小する手段とを有しているメモリセル。 - 上記相変化材料は、Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se、およびSのうちの少なくともいずれか1つを含んでいる請求項10に記載のメモリセル。
- 上記第1の電極は、TiN、TaN、W、Al、Ti、Ta、TiSiN、TaSiN、TiAlN、TaAlN、C、およびCuのうちのいずれか1つを含んでいる請求項10に記載のメモリセル。
- 集積回路の形成方法であって、
第1の電極を含む前処理されたウェハを設ける工程と、
上記前処理されたウェハ上に、誘電体材料層を堆積する工程と、
上記誘電体材料層内にエッチングによって開口部を形成して、上記第1の電極の第1の部分を露出する工程と、
上記誘電体材料層および上記第1の電極の露出された部分上に、スペーサ材料層を共形的に堆積する工程と、
上記スペーサ材料層をスペーサエッチングして上記第1の電極の第2の部分を露出させるとともに、上記誘電体材料層上に上記スペーサ材料を保持する工程と、
上記スペーサ材料層上および上記第1の電極の上記第2の部分上に、相変化材料層を堆積する工程と、
上記相変化材料層に接触する第2の電極を形成する工程とを含んでいる方法。 - 上記誘電体材料層内にエッチングによって上記開口部を形成する上記工程は、鍵穴処理を用いたエッチングによって上記誘電体材料層内に上記開口部を形成して、上記開口部をエッチングするためのマスクを形成する工程を含んでいる請求項13に記載の方法。
- 上記スペーサ材料層をスペーサエッチングする上記工程は、上記スペーサ材料層をスペーサエッチングして、サブリソグラフィック断面を有する上記第1の電極の第2の部分を露出する工程を含んでいる請求項13に記載の方法。
- 上記誘電体材料層を堆積する上記工程は、SiNを堆積する工程を含んでいる請求項13に記載の方法。
- 上記スペーサ材料層を堆積する上記工程は、SiO2および低誘電率材料のうちのいずれか1つを堆積する工程を含んでいる請求項13に記載の方法。
- 上記相変化材料層を堆積する上記工程は、Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se、およびSのうちの少なくともいずれか1つを堆積する工程を含んでいる請求項13に記載の方法。
- メモリセルの形成方法であって、
第1の電極を有する前処理されたウェハを設ける工程と、
上記前処理されたウェハ上に、第1の誘電体材料層を堆積する工程と、
上記第1の誘電体材料層上に、第2の誘電体材料層を堆積する工程と、
上記第2の誘電体材料層上に、第3の誘電体材料層を堆積する工程と、
上記第2および第3の誘電体材料層をエッチングして開口部を設け、上記第1の誘電体材料層の一部を露出する工程と、
エッチングされた上記第2の誘電体材料層をリセスエッチングして、エッチングされた上記第3の誘電体材料層の突出部を設ける工程と、
上記第1の誘電体材料層、リセスエッチングされた上記第2の誘電体材料層、およびエッチングされた上記第3の誘電体材料層の露出された部分上に、ポリシリコン層をコンフォーマルに堆積して、鍵穴を形成する工程と、
上記第1の誘電体材料層をエッチングして上記第1の電極の一部を露出することによって、上記鍵穴を上記第1の誘電体材料層に移動させる工程と、
上記第2の誘電体材料層、上記第3の誘電体材料層、および上記ポリシリコン層を除去する工程と、
上記誘電体材料層および上記第1の電極の露出された部分上に、スペーサ材料層を共形的に堆積する工程と、
上記スペーサ材料層をスペーサエッチングして、上記第1の電極の第2の部分を露出する工程と、
上記スペーサ材料層上および上記第1の電極の上記第2の部分上に、相変化材料層を堆積する工程と、
上記相変化材料層に接触する第2の電極を形成する工程とを含んでいる方法。 - 上記スペーサ材料層をスペーサエッチングする上記工程は、上記スペーサ材料層をスペーサエッチングして上記第1の電極の上記第2の部分を露出させるとともに、上記誘電体材料層上に上記スペーサ材料を保持する工程を含んでいる請求項19に記載の方法。
- 上記スペーサ材料層をスペーサエッチングする上記工程は、上記スペーサ材料層をスペーサエッチングして、サブリソグラフィック断面を有する上記第1の電極の第2の部分を露出する工程を含んでいる請求項19に記載の方法。
- 上記誘電体材料層を堆積する上記工程は、SiNを堆積する工程を含んでいる請求項19に記載の方法。
- 上記スペーサ材料層を堆積する上記工程は、SiO2および低誘電率材料のうちのいずれか1つを堆積する工程を含んでいる請求項19に記載の方法。
- 上記相変化材料層を堆積する上記工程は、Ge、Sb、Te、Ga、As、In、Se、およびSのうちの少なくともいずれか1つを堆積する工程を含んでいる請求項19に記載の方法。
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