JP2017518632A - 強誘電体メモリ及びその形成方法 - Google Patents

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Abstract

強誘電体メモリ及びその形成方法を提供する。例示的なメモリ・セルは、基板内に形成された埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)、及びこのBRAD上に形成された強誘電体キャパシタを含むことが可能である。【選択図】図2A

Description

本開示は、一般に半導体デバイス及び方法に関し、さらに特に強誘電体デバイス及びその形成方法に関する。
メモリ・デバイスは内部の半導体、コンピュータ内の集積回路または他の電子機器として一般的に提供される。特に、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)、シンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(SDRAM)、強誘電体ランダム・アクセス・メモリ(FeRAM)、磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)、抵抗変化型メモリ(RRAM)、及びフラッシュ・メモリを含む、多くの異なるタイプのメモリがある。いくつかのタイプのメモリ・デバイスは、不揮発性メモリであることが可能であり、高メモリ密度、高い信頼性、及び低消費電力を必要としている広範囲の電子アプリケーションのために使用されることが可能である。不揮発性メモリは、たとえば、パーソナル・コンピュータ、ポータブル・メモリ・スティック、ソリッド・ステート・ドライブ(SSD)、デジタル・カメラ、携帯電話、MP3プレーヤのようなポータブル・ミュージック・プレイヤ、ムービ・プレイヤ、及び他の電子機器内で使用されることができる。揮発性メモリ・セル(たとえば、DRAMセル)は、電力のない中でそれらの格納された状態を保持する不揮発性メモリ・セル(たとえば、フラッシュ・メモリ・セル)とは対照的に、それらの格納されたデータ状態(たとえば、リフレッシュ・プロセスを介して)を保持するために電力を必要とする。しかしながら、DRAMセルのようなさまざまな揮発性メモリ・セルは、フラッシュ・メモリ・セルのようなさまざまな不揮発性メモリ・セルより高速で動作する(たとえば、プログラムされる、読み出される、消去されるなど)ことができる。
DRAMセルと同様に、FeRAMセルは、アクセス・デバイス(たとえば、トランジスタ)に関して直列でキャパシタ(たとえば、強誘電体キャパシタ)を備えることが可能である。このようなものとして、FeRAMは、たとえば、フラッシュ・メモリと比較した場合に相対的に高速なプログラム/読み出し時間のような利点がある。しかしながら、DRAMとは異なり、FeRAMは、不揮発性メモリである。
本開示の複数の実施形態に従いメモリ・アレイの1部の概略を図示する。 本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイの1部の断面図を説明する。 図2Aで示されたアレイの1部の概略を図示する。 本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイの1部の断面図を説明する。 本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイの1部の3次元図を説明する。 本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイの1部の俯瞰図を説明する。 本開示の複数の実施形態に従い動作する強誘電体メモリ・デバイスを含むメモリ・システムの形式で装置のブロック図を説明する。
強誘電体メモリ・アレイは、基板内に形成された埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)及びこのBRAD上に形成された強誘電体ストレージ・デバイスを含む。
複数の実施形態において、強誘電体メモリ・アレイは、第一導電線(たとえば、プレート線)及び第二導電線(たとえば、ビット線)間の連鎖型構成(たとえば、直列で)内で結合された複数の強誘電体ストレージ・デバイス(たとえば、強誘電体キャパシタ)及び対応するアクセス・デバイス(たとえば、トランジスタ)を備えることが可能である。このアクセス・デバイスは、アレイのそれぞれの導電線(たとえば、ワード線)にゲートを結合する埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)であることが可能である。
本開示の実施形態は、以前のFeRAMセル及び/またはシステムに勝る利点を提供することが可能である。たとえば、複数の実施形態は、BRAD上に、及びこれに関するピッチ上に形成された強誘電体キャパシタを備える。BRADは、たとえば、プレーナ型トランジスタのような他のアクセス・デバイスと比べて縮小した最小加工寸法を有することが可能である。また、複数の実施形態において、強誘電体キャパシタは、たとえば、従来技術のプレーナ型強誘電体「平行平板型」キャパシタと比較してより小さい最小加工寸法を提供することが可能である、「コンテナ」・キャパシタ(たとえば、縦型のコンテナ構造内に形成されることが可能なキャパシタ)であることが可能である。このようなものとして、本明細書で記述された複数の実施形態は、以前のアプローチと比較して増加したセル密度を提供することが可能である。たとえば、複数の実施形態は、4Fのセル・サイズを達成することが可能である。
本開示の以下の詳細な説明において、参照は、本明細書の部分を形成する添付の図面に行われ、本開示の1つ以上の実施形態を実施する方法の例示として示される。これらの実施形態は、当業者が本開示の実施形態を実施することを可能にするように十分に詳細に記述され、他の実施形態を利用することができること、及び本開示の範囲から逸脱することなく、そのプロセス、電気的、及び/または構造変更を行うことができることを理解するべきである。
本明細書の図面は、最初の1桁または複数の桁が描写する図面番号に対応し、残りの桁が図面内の素子または構成要素を識別する番号付けの規則に従う。異なる図面間の同様の素子または構成要素は、同様の桁の使用により識別されることができる。たとえば、108は、図1の素子「08」を参照することができ、同様の素子は、図4で408として参照されることができる。また、本明細書で使用されるように、「複数の」1つの特定の素子及び/または特徴は、このような素子及び/または特徴のうちの1つ以上を参照することが可能である。
図1は、本開示の複数の実施形態に従いメモリ・アレイ100の1部の概略を図示する。このアレイ100は、連鎖型構成(たとえば、直列で接続された)内の不揮発性強誘電体メモリ・セルを備えるが、実施形態はこの実施例に制限されない。メモリ・アレイ100は、アクセス線または「ワード線」と本明細書で言われることができる、導電線106−0、106−1、106−2、及び106−4、ならびにセンス線または「ビット線」と言われることができる、交差する導電線108−0、108−1、及び108−2を含む。デジタル環境内のアドレス指定を容易にするために、複数のワード線106−0〜106−3及び複数のビット線108−0〜108−2は、それぞれ2つのなんらかの累乗(たとえば、256本のワード線×4,096本のビット線)であることが可能である。ワード線及び/またはビット線は、導電性材料(複数を含む)(たとえば、窒化チタン、窒化タンタル、プラチナ、銅、タングステン、窒化タングステン、及び/またはルテニウムなど、導電性材料及び/またはそれらの組み合わせのような、金属)を含むことが可能である。3本のビット線及び4本のワード線を図1で示すが、実施形態は、特定の数のビット線及び/またはワード線に制限されない。
メモリ・アレイ100は、強誘電体ストレージ・デバイス(たとえば、120−0、120−1、120−2、120−3)及び対応するアクセス・デバイス(たとえば、112−0、112−1、112−2、112−3)を各々備える、セルのストリング109−0、109−1、109−2を含む。各ストリング109−0、109−1、及び109−2と関連したアクセス・デバイス112−0、112−1、112−2、及び112−3は、それぞれワード線106−0、106−1、106−2、及び106−3に結合される。また各ストリング109−0、109−1、及び109−2は、それぞれのビット線108−0、108−1、及び108−2と関連する。各ストリング109−0、109−1、及び109−2のメモリ・セルは、直列で接続される。たとえば、アクセス・デバイス(たとえば、トランジスタ)112−0、112−1、112−2、及び112−3は、ソース選択ゲート(たとえば、電界効果トランジスタ(FET))110−0、110−1、110−2及びビット線コンタクト間でソースがドレインに結合される。ソース選択ゲート110−0、110−1、110−2は、ソース選択線(SELECT)104上の信号に応答して共通プレート線(PL)102にそれぞれストリングを選択的に結合するように構成される。図1で示されないが、各ストリング109−0、109−1、及び109−2は、ソース選択ゲート110−0、110−1、110−2がドレイン選択線(図示せず)を介してそのゲートに適用された信号に応答してそれぞれのビット線108−0、108−1、及び108−2へそれぞれのストリング109−0、109−1、及び109−2を選択的に結合するように構成されているストリングの端部に結合されたドレイン選択ゲートを含むことが可能である。ワード線106−0、106−1、106−2、及び106−3、ビット線108−0、108−1、及び108−2、ならびにストリング109−0、109−1、109−2のような素子が一般的な方式でワード線106、ビット線108、及びストリング109と言われることができることに留意する。
複数の実施形態において、及び図1で示されるように、またそれぞれのストリング109−0、109−1、及び109−2の強誘電体ストレージ・デバイス120−0、120−1、120−2、120−3(たとえば、強誘電体キャパシタ)は、直列で接続される。たとえば、さらに以下で記述されるように、ストリング内の各強誘電体キャパシタの電極は、このストリング内の隣接する電極の電極に接続される。
複数の実施形態において、アクセス・デバイス112は、埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)である。さらに以下で記述されるように、アクセス・デバイス112は、ソース、ドレイン、及び埋め込みゲート(たとえば、制御ゲート)を備える。強誘電体ストレージ・デバイス120は、1組のキャパシタ電極間に強誘電体材料を備える強誘電体キャパシタであることが可能である。さらに以下で記述されるように、強誘電体キャパシタは、約10:1以上のアスペクト比を有するビア内に形成された縦型のコンテナ構造を有することが可能であるが、実施形態は特定のアスペクト比に制限されない。
強誘電体キャパシタ120は、それらがピッチ上にあるようにBRAD112上に形成されることが可能である。このようなものとして、本開示の実施形態は、プレーナ型アクセス・デバイス(たとえば、プレーナ型トランジスタ)及び/またはプレーナ平行平板型キャパシタを用いることができる、以前の強誘電体メモリに比べてより小さい設置面積及び増加した密度のような利点を提供することが可能である。
一般的に各ワード線106は、メモリ・セルの「ロー」に対応する複数のアクセス・デバイス112のゲートを結合する。各ストリング109は、特定のビット線108に結合されたメモリ・セルの「カラム」に対応する。用語「カラム」及び「ロー」の使用は、メモリ・セルの特定の線形(たとえば、垂直及び/または水平)方向を示唆することを意図されない。
当業者は、選択されたワード線(たとえば、106−0、106−1、106−2、及び106−3)に結合された複数のセルが、1ページのメモリ・セルとして共にプログラム及び/または感知(たとえば、読み出し)されることが可能であることを理解するであろう。プログラミング(たとえば、書き込み)動作は、非アクティブ(たとえば、非導電性)状態の選択されたワード線に結合されたアクセス・デバイスを維持しながら、選択されないワード線(たとえば、プログラムされないセルに結合されたワード線)に結合されたアクセス・デバイスをアクティブ化することを備えることが可能である。強誘電体キャパシタの電極間の(たとえば、共通プレート線102及びビット線108を介して)印加電圧は、強誘電体材料の分極状態をもたらすことが可能である。この分極化は、選択されたセル(たとえば、ロジック「0」または「1」)のデータ状態に対応することが可能である。
読み出し動作のような、センス動作は、非アクティブ(たとえば、非導電性)状態で選択されたワード線106に結合されたアクセス・デバイス112を維持しながら、選択されないワード線(たとえば、プログラムされないセルに結合されたワード線)に結合されたアクセス・デバイスをアクティブ化することを備えることが可能である。センス・アンプ(図示せず)は、ビット線108に結合されることが可能であり、キャパシタ120の分極化に応答してビット線108上で感知された電流及び/または電圧に基づき選択されたセルの格納されたデータ状態を判定するために使用されることが可能である。
図2Aは、本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイ200の1部の断面図を説明する。図2Bは、図2Aで示されたアレイ200の1部の概略を図示する。このアレイ200は、図1で示されるような連鎖型構成で結合された複数の強誘電体メモリ・セルを備える。メモリ・セルは、それぞれのBRAD(たとえば、212−0、212−1、212−2)上に形成された強誘電体キャパシタ(たとえば、220−0、220−1、220−2)を各々備える。
アクセス・デバイス(たとえば、212−0、212−1、212−2)は、それぞれのワード線(たとえば、206−0(WL0)、206−1(WL1)、206−2(WL2))に結合されたゲート、1組のソース/ドレイン領域215、217(たとえば、アクティブ領域)、及びキャッピング材料207を備える。図2Aで示されないが、ゲート酸化物材料は、このゲート及びキャッピング材料を形成するゲート・トレンチの側壁部上に形成されることが可能である。このゲートは、他の導電性材料の中では、ドープされたポリシリコン材料、窒化チタン(TiN)、及び/または窒化タンタル(TaN)など、及び/またはそれらの組み合わせのような導電性材料を含むことが可能である。アクセス・デバイスのゲートは、基板203の表面下に(たとえば、これに埋め込まれて)設置される。基板203は、たとえば、さまざまなドープされた及び/またはドープされない半導体材料を含むことができる基板構造の中でも、半導体基板、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板、及び/またはシリコン・オン・サファイア(SOI)基板であることが可能である。xソース/ドレイン領域215、217は、基板203内に広がるドープされた領域であることが可能である。ソース/ドレイン領域215、217は、イオン注入または他の適切なドーピング・プロセスを介して、リン、砒素、及び/または硼素イオンを含む種のようなさまざまな化学種でドープされることが可能である。ソース/ドレイン領域215のドーピング濃度は、ソース/ドレイン領域217のドーピング濃度と同じであってもよい、またはこれと同じでなくてもよい。アクセス・デバイス212のキャッピング材料は、適切な誘電体材料の中でも窒化シリコン(SiN)のような、誘電体材料であることが可能である。
アレイ200の強誘電体キャパシタ(たとえば、220−0、220−1、220−2)は、1組のキャパシタ電極229及び227間に強誘電体材料225を備える。この電極229は、下部電極と言われることができ、電極227は、上部電極と言われることができる。電極227及び/または電極229は、さまざまな他の適切な電極材料の中でもドープされたポリシリコン及び/または金属材料のような導電性材料を含むことが可能である。x強誘電体材料225は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、タンタル酸ストロンチウム・ビスマス(SBT)、酸化ハフニウム系材料、ペロブスカイト材料(たとえば、酸化チタン・カルシウム)、及び/またはチタン酸ビスマス・ランタンなど、他の強誘電体材料及び/またはそれらの組み合わせのようなさまざまな材料を含むことが可能である。いくつかの実施形態において、強誘電体材料225は、酸化ハフニウム系材料及び/または酸化ジルコニウム系材料を含むことが可能である。特定の実施形態において、酸化ハフニウム系材料及び/または酸化ジルコニウム系材料は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、及び/またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つでドープされる。
キャパシタ電極229は、導電性コンタクト230を介してアクセス・デバイス212のソース/ドレイン領域215に結合される。キャパシタ電極227は、導電性コンタクト221及び導電性コンタクト・ピラー223を介してアクセス・デバイス212のソース/ドレイン領域217に結合される。
強誘電体キャパシタ220は、強誘電体材料225と交換されるDRAMキャパシタの誘電体材料を除きDRAM「コンテナ」・キャパシタに類似した方式で形成されることが可能である。実施例として、複数の導電性コンタクト230は、図2Aで示されるようにソース/ドレイン領域215、217と接触しているBRAD212上に形成されることが可能である。誘電体材料211は、基板上に形成されることが可能であり、複数のコンテナ(たとえば、ビア)は、導電性コンタクト230上で誘電体材料211内に形成される(たとえば、エッチングされる)ことが可能である。電極材料は、コンテナ内に(たとえば、コンテナの側壁部及び下部上に)形成されることが可能であり、平坦化プロセスを実行して、図示されるようにコンテナ内に閉じ込められた下部電極229を形成することが可能である。つぎに強誘電体材料は、コンテナ内に(たとえば、下部電極229の側壁部及び下部上に)形成される(たとえば、コンフォーマルに)ことが可能であり、電極材料は、コンテナ内に(たとえば、強誘電体225の側壁部及び下部上に)形成され、上部電極227として有用であることが可能である。平坦化プロセスを実行して、コンテナ内に上部電極227を閉じ込めることができる。複数のビアは、誘電体材料211内にエッチングされることが可能であり、これらのビアは、導電性材料で充填され、上部電極のコンタクト・ピラー223として有用であることが可能である。つぎに導電性コンタクト材料をパターニング及びエッチングして、導電性コンタクト221を形成することで、上部電極227をそれぞれの導電性コンタクト・ピラー223に結合することが可能である。
複数の実施形態において、強誘電体材料225は、たとえば、約300オングストロームの長さ及び/または幅寸法または直径、及び約10キロオングストローム以上の高さを有することが可能である、コンテナ寸法のために有益であることが可能である、原子層堆積(ALD)を介して形成される(たとえば堆積する)ことが可能である。いくつかの実施形態において、コンテナ寸法は、5ナノメートル(nm)〜150ナノメートル(nm)の直径範囲を100nm〜25キロオングストロームの長さ範囲で有する。コンテナのアスペクト比が10:1以上である例において、たとえば、物理気相成長(PVD)のような他の堆積プロセスを使用してコンテナ内に強誘電体を適切に形成することは困難である可能性がある。
図2Aで示されるように、キャパシタ220は、対応するBRAD212に関するピッチ上に形成される。BRAD212がプレーナ型トランジスタに比べてより小さい物理的な設置面積を有するため、たとえば、アレイ200の密度は、以前の強誘電体メモリ・アレイに比べて改良されることが可能である。実施例として、図2で図示されたメモリ・セルは、4Fのセル・サイズを達成することが可能である。
図3は、本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイ300の1部の断面図を説明する。アレイ300は、図1、図2A、及び図2Bで示されるような連鎖型構成で結合された複数の強誘電体メモリ・セルを含む。このメモリ・セルは、それぞれのBRAD(たとえば、312−0、312−1、312−2)上に形成された強誘電体キャパシタ(たとえば、320−0、320−1、320−2)を各々備える。
アレイ300の強誘電体キャパシタ(たとえば、320−0、320−1、320−2)は、1組のキャパシタ電極329及び327間に強誘電体材料325を備える。この電極329は、下部電極と言われることができ、電極327は、上部電極と言われることができる。キャパシタ電極329は、導電性コンタクト330を介してアクセス・デバイス312のソース/ドレイン領域315に結合される。キャパシタ電極327は、導電性コンタクト321及び導電性コンタクト・ピラー323を介してアクセス・デバイス312のソース/ドレイン領域317に結合される。
強誘電体キャパシタ320−0、320−1、320−2を直列で結合し、これらのアライメントをとる(たとえば、対応するストリング沿いに)。いくつかの実施形態において、導電性コンタクト・ピラー323は、強誘電体キャパシタ320−0、320−1、320−2内の間にすべて設置されない。すなわち、導電性コンタクト・ピラー323は、所与のストリングの隣接する強誘電体キャパシタ320−0、320−1、320−2間にすべてない位置で位置決めされることが可能である。たとえば、いくつかの実施形態において、コンタクト・ピラー323は、隣接するストリングの強誘電体キャパシタから第一ストリングの強誘電体キャパシタを分離する分離領域の誘電体材料上に少なくとも部分的に位置決めされる。このようなものとして、導電性コンタクト・ピラー323は、ピラー323がキャパシタ320の隣接するストリング間にあるのでそれらが対応するそれぞれのキャパシタの「背面」に設置されるとみなされることができる。
複数の実施形態において、プレーナ型キャパシタに比べて相対的に高アクペクト比を有する強誘電体キャパシタ320−0、320−1、320−2は、複数の対応するBRAD312に関するピッチ上に形成され、以前の強誘電体メモリに比べてより小さい設置面積及び増加した密度を達成することが可能である。いくつかの実施形態において、4Fである強誘電体連鎖型アーキテクチャを達成する。いくつかの実施形態において、導電性コンタクト・ピラー323は、強誘電体ストレージ・デバイス320−0、320−1の対応するストリングの「背面」にある位置に位置決めされることが可能であり、以前の強誘電体メモリに比べてより小さい設置面積及び増加した密度を達成することができる、ストリングの強誘電体ストレージ・デバイス320−0、320−1のアライメントに(たとえば、これらの間に)導電性コンタクト・ピラー323を形成する実施形態に比べて互いに近接にストリングの強誘電体ストレージ・デバイス320−0、320−1を位置決めすることを可能にする。
図4は、本開示の複数の実施形態に従いメモリ・アレイ400の1部の3次元図を説明する。
メモリ・アレイ400は、選択線404、複数の強誘電体キャパシタ420、複数の電極421、430、コンタクト・ピラー423、アクセス・デバイス412、ワード線406、ビット線408、及び/または分離領域440に結合された選択トランジスタ410を介して、強誘電体ストレージ・デバイス420に結合されたプレート線402を含む。アレイ400は、図1、図2A、図2B、及び図3で示されるような連鎖型構成で結合された複数の強誘電体メモリ・セルを含む。このメモリ・セルは、それぞれのBRAD(たとえば、412−0、412−1、412−2)上に形成された強誘電体キャパシタ(たとえば、420−0、420−1、420−2)を各々含む。
アクセス・デバイス(たとえば、412−0、412−1、412−2)は、それぞれワード線(たとえば、406−0、406−1、406−2)、1組のソース/ドレイン領域415、417(たとえば、アクティブ領域)、及びキャッピング材料407に結合されたゲートを含む。ゲート酸化物材料は、ゲート及びキャッピング材料を形成するゲート・トレンチの側壁部上に形成されることが可能である。アクセス・デバイスのゲートは、基板(図示せず)の表面下に設置される(たとえば、これに埋め込まれる)。ソース/ドレイン領域415、417は、基板内に広がるドープされた領域であることが可能である。
本明細書で記述されるように、アレイ400の強誘電体キャパシタ420は、1組のキャパシタ電極間に強誘電体材料を備える。この1組のキャパシタ電極は、上部キャパシタ電極及び下部キャパシタ電極と言われることが可能である。強誘電体キャパシタ420の下部キャパシタ電極は、導電性コンタクト430を介してアクセス・デバイス412のソース/ドレイン領域415に結合される。上部キャパシタ電極は、導電性コンタクト421及び導電性コンタクト・ピラー423を介してアクセス・デバイス412のソース/ドレイン領域417に結合される。
複数の実施形態において、強誘電体材料は、たとえば、約300オングストロームの長さ及び/または幅寸法または直径及び約10キロオングストローム以上の高さを有することが可能である、コンテナの寸法により有益であることが可能である、原子層堆積(ALD)を介して形成される(たとえば、堆積する)ことが可能である。コンテナのアスペクト比が10:1以上である例において、たとえば、物理気相成長(PVD)のような他の堆積プロセスを使用してコンテナ内に強誘電体を適切に形成することは、困難である可能性がある。
強誘電体キャパシタ420の追加のローは、分離領域440を使用して分離される。分離領域440は、強誘電体キャパシタ420の第一ローを強誘電体キャパシタ420の隣接する及び/または平行な第二ローから分離するために利用される。いくつかの実施形態において、分離領域440は、強誘電体ストレージ・キャパシタ420に平行するトレンチ内に堆積した誘電体材料を備える。さらに本明細書で記述されるように、特定の実施形態において、コンタクト・ピラー423は、分離領域440に対応する誘電体材料上に少なくとも部分的にある。
図5は、本開示の複数の実施形態に従いメモリ・アレイ500の1部の俯瞰図を説明する。図5で示された部分は、メモリ・セルの2つのストリング509−0及び509−1を含む。領域540は、隣接するストリング509−0及び509−1のアクセス・デバイス(たとえば、BRAD)間の分離領域(たとえば、STIトレンチ)を表す。
本明細書で記述されるように、ストリング509−0及び509−1の強誘電体キャパシタ(たとえば、520−0、520−1、520−2)は、直列で(たとえば、連鎖型アーキテクチャで)結合される。すなわち、強誘電体キャパシタ520−0は、コンタクト・ピラー523に接続された導電性コンタクト521(たとえば、上部導電性コンタクト)を介して強誘電体キャパシタ520−1に結合される。加えて、強誘電体キャパシタ520−1は、導電性コンタクト(たとえば、下部導電性コンタクト)(図示せず)を介して強誘電体キャパシタ520−2に結合される。強誘電体キャパシタ520の第一ストリング509−0及び強誘電体キャパシタ520の第二ストリング509−1は、誘電体材料を含む分離領域540の少なくとも1部とトレンチを含む分離領域540により分離される。
いくつかの実施形態において、コンタクト・ピラー523は、強誘電体キャパシタ520−0及び強誘電体キャパシタ520−1間に位置決めされる。特定の実施形態において、コンタクト・ピラー523は、強誘電体キャパシタ520−0及び強誘電体キャパシタ520−1間で等距離である位置に位置決めされる。すなわち、特定の実施形態において、コンタクト・ピラー523及び強誘電体キャパシタ520−0間の距離は、コンタクト・ピラー523及び強誘電体キャパシタ520−1間の距離に等しい。特定の実施形態において、コンタクト・ピラー523は、強誘電体キャパシタ520−0、520−1の表側及び裏側から等距離である位置に位置決めされる。すなわち、コンタクト・ピラー523は、強誘電体キャパシタ520−0及び強誘電体キャパシタ520−1間で相対的に中心位置に位置決めされる。
いくつかの実施形態において、コンタクト・ピラー523は、強誘電体キャパシタ520の「背面」である位置に位置決めされる。たとえば、コンタクト・ピラー523が強誘電体キャパシタ520間の相対的に中心位置の位置に設置されないときに、コンタクト・ピラー523は、ストリング509−0内の強誘電体キャパシタ520の「背面」に設置される。いくつかの実施形態において、少なくとも1部のコンタクト・ピラー523が分離領域540の1部上にあるようにコンタクト・ピラー523を形成する。たとえば、いくつかの実施形態において、コンタクト・ピラー523は、隣接するストリング509−1の強誘電体キャパシタから第一ストリング509−0の強誘電体キャパシタ520を分離する分離領域540の誘電体材料上に少なくとも部分的に位置決めされる。このようなものとして、導電性コンタクト・ピラー523は、ピラー523がキャパシタ520の隣接するストリング509間にあるためそれらが対応するそれぞれのキャパシタ520の「背面」に設置されるとみなされることができる。
アレイ500の強誘電体キャパシタ520は、1組のキャパシタ電極529及び527間に強誘電体材料525を備える。電極529は、下部電極と言われることができ、電極527は、上部電極と言われることができる。
キャパシタ電極529は、導電性コンタクトを介してアクセス・デバイスのソース/ドレイン領域に結合される。キャパシタ電極527は、導電性コンタクト521及び導電性コンタクト・ピラー523を介してアクセス・デバイスのソース/ドレイン領域に結合される。
複数の実施形態において、強誘電体材料525は、たとえば、約300オングストロームの長さ及び/または幅寸法または直径571−1、571−2及び約10キロオングストローム以上の高さを有することが可能である、コンテナの寸法により有益であることが可能である、原子層堆積(ALD)を介して形成される(たとえば、堆積する)ことが可能である。直径571−1、571−2は、加工寸法(F)であることが可能である。加えて、強誘電体材料525は、約100オングストロームの長さ577、約50オングストロームの長さ575、及び約50オングストロームの長さ573を有することが可能である。コンテナのアスペクト比が10:1以上である例において、たとえば、物理気相成長(PVD)のような他の堆積プロセスを使用してコンテナ内に強誘電体を適切に形成することは困難である可能性がある。
強誘電体キャパシタ・ストリング509−0、509−1の「背面」にコンタクト・ピラー523を位置決めすることは、強誘電体メモリ・アレイ500内の空間をセーブする。たとえば、分離領域540と関連した誘電体部分上にコンタクト・ピラー523を位置決めすることは、コンタクト・ピラー523を強誘電体キャパシタ520−0、520−1間に位置決めする実施形態に比べて強誘電体キャパシタ520−1へ相対的に近接する位置に強誘電体キャパシタ520−0を位置決めすることを可能にすることができる。
図6は、本開示の複数の実施形態に従い強誘電体メモリ・アレイ600を含むメモリ・システム650の形式で装置のブロック図を説明する。メモリ・システム650は、本明細書の以下で記述されるもののような、不揮発性強誘電体メモリ・セルのアレイ600を含む、メモリ・デバイス654に結合されたメモリ・アクセス・デバイス652(たとえば、ホスト・プロセッサ、ファームウェアなど)を含む。複数の実施形態において、また、メモリ・デバイス654、メモリ・アレイ600、及び/またはコントローラ655は、「装置」とみなされることができる。
メモリ・デバイス654及びメモリ・アクセス・デバイス652は、別個の集積回路として実現されることが可能である、またはアクセス・デバイス652及びメモリ・デバイス654は、同じ集積回路、チップ、若しくはパッケージに組み込まれることが可能である。メモリ・アクセス・デバイス652は、特定用途向け集積回路(ASIC)のような、ファームウェア内で実現された、ディスクリート・デバイス(たとえば、マイクロプロセッサ)またはある他のタイプのプロセス回路であることが可能である。
I/O接続672及び制御接続670は、メモリ・アクセス・デバイス652及びメモリ・デバイス654間に通信インタフェースを備える。図6の実施形態は、アドレス回路658を含み、I/O回路662を介してI/O接続672経由で提供されたアドレス信号をラッチする。アドレス信号は、ロー・デコーダ650及びカラム・デコーダ666により受信及び復号され、メモリ・アレイ600にアクセスする。
メモリ・デバイス654は、読み出し/ラッチ回路668を使用してメモリ・アレイ・カラム内の電圧及び/または電流変化を感知することでメモリ・アレイ600内のデータを感知する。読み出し/ラッチ回路668は、メモリ・アレイ600から1ページ(たとえば、ロー)のデータを読み出してラッチすることが可能である。メモリ・アクセス・デバイス652とI/O接続672経由での双方向データ通信用のI/O回路662を含む。メモリ・アレイ600にデータを書き込む書き込み回路664を含む。
制御ロジック回路、ソフトウェア、及び/またはファームウェアとして実現されることができる、コントローラ655は、メモリ・アクセス・デバイス652から制御接続670により通信された信号を復号する。コントローラ655は、たとえば、データ・センシング(たとえば、読み出し)及びデータ・プログラミング(たとえば、書き込み)を有する、メモリ・デバイス654上での、及びメモリ・アレイ600の動作を制御することが可能である。
特定の実施形態を本明細書で図示及び記述しているが、当業者は、同じ結果を達成するように計画された構成を示された特定の実施形態の代わりに用いることが可能であることを理解するであろう。本開示は、本開示のさまざまな実施形態の適応形態または変形形態を包含することを意図される。上記の説明が例示的な方式で行われていて限定的なものではないことを理解するべきである。上記の実施形態の組み合わせ、及び本明細書で具体的に記述されない他の実施形態は、上記の説明を再検討する際に当業者に明らかであろう。本開示のさまざまな実施形態の範囲は、上記の構造及び方法を使用する他の適用を有する。それゆえに、本開示のさまざまな実施形態の範囲は、このような特許請求の範囲に権利を与える均等物の全範囲に加えて、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
前述の発明を実施するための形態において、さまざまな特徴は、本開示を合理化する目的のために単一の実施形態にまとめられる。本開示の方法は、本開示の開示された実施形態が各請求項で明示的に記述されるよりも多くの特徴を使用する必要がある意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明の主題は、単一の開示された実施形態のすべての特徴より少ないことにある。このようにして、以下の特許請求の範囲は、各請求項が別個の実施形態として自立していながら、発明を実施するための形態に本明細書により組み込まれる。
メモリ・デバイスは内部の半導体、コンピュータ内の集積回路または他の電子機器として一般的に提供される。特に、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)、シンクロナス・ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(SDRAM)、強誘電体ランダム・アクセス・メモリ(FeRAM)、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)、抵抗変化型メモリ(RRAM)、及びフラッシュ・メモリを含む、多くの異なるタイプのメモリがある。いくつかのタイプのメモリ・デバイスは、不揮発性メモリであることが可能であり、高メモリ密度、高い信頼性、及び低消費電力を必要としている広範囲の電子アプリケーションのために使用されることが可能である。不揮発性メモリは、たとえば、パーソナル・コンピュータ、ポータブル・メモリ・スティック、ソリッド・ステート・ドライブ(SSD)、デジタル・カメラ、携帯電話、MP3プレーヤのようなポータブル・ミュージック・プレイヤ、ムービ・プレイヤ、及び他の電子機器内で使用されることができる。揮発性メモリ・セル(たとえば、DRAMセル)は、電力のない中でそれらの格納された状態を保持する不揮発性メモリ・セル(たとえば、フラッシュ・メモリ・セル)とは対照的に、それらの格納されたデータ状態(たとえば、リフレッシュ・プロセスを介して)を保持するために電力を必要とする。しかしながら、DRAMセルのようなさまざまな揮発性メモリ・セルは、フラッシュ・メモリ・セルのようなさまざまな不揮発性メモリ・セルより高速で動作する(たとえば、プログラムされる、読み出される、消去されるなど)ことができる。
図1は、本開示の複数の実施形態に従いメモリ・アレイ100の1部の概略を図示する。このアレイ100は、連鎖型構成(たとえば、直列で接続された)内の不揮発性強誘電体メモリ・セルを備えるが、実施形態はこの実施例に制限されない。メモリ・アレイ100は、アクセス線または「ワード線」と本明細書で言われることができる、導電線106−0、106−1、106−2、及び106−、ならびにセンス線または「ビット線」と言われることができる、交差する導電線108−0、108−1、及び108−2を含む。デジタル環境内のアドレス指定を容易にするために、複数のワード線106−0〜106−3及び複数のビット線108−0〜108−2は、それぞれ2つのなんらかの累乗(たとえば、256本のワード線×4,096本のビット線)であることが可能である。ワード線及び/またはビット線は、導電性材料(複数を含む)(たとえば、窒化チタン、窒化タンタル、プラチナ、銅、タングステン、窒化タングステン、及び/またはルテニウムなど、導電性材料及び/またはそれらの組み合わせのような、金属)を含むことが可能である。3本のビット線及び4本のワード線を図1で示すが、実施形態は、特定の数のビット線及び/またはワード線に制限されない。
アクセス・デバイス(たとえば、212−0、212−1、212−2)は、それぞれのワード線(たとえば、206−0(WL0)、206−1(WL1)、206−2(WL2))に結合されたゲート、1組のソース/ドレイン領域215、217(たとえば、アクティブ領域)、及びキャッピング材料207を備える。図2Aで示されないが、ゲート酸化物材料は、このゲート及びキャッピング材料を形成するゲート・トレンチの側壁部上に形成されることが可能である。このゲートは、他の導電性材料の中では、ドープされたポリシリコン材料、窒化チタン(TiN)、及び/または窒化タンタル(TaN)など、及び/またはそれらの組み合わせのような導電性材料を含むことが可能である。アクセス・デバイスのゲートは、基板203の表面下に(たとえば、これに埋め込まれて)設置される。基板203は、たとえば、さまざまなドープされた及び/またはドープされない半導体材料を含むことができる基板構造の中でも、半導体基板、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板、及び/またはシリコン・オン・サファイア(SO)基板であることが可能である。xソース/ドレイン領域215、217は、基板203内に広がるドープされた領域であることが可能である。ソース/ドレイン領域215、217は、イオン注入または他の適切なドーピング・プロセスを介して、リン、砒素、及び/または硼素イオンを含む種のようなさまざまな化学種でドープされることが可能である。ソース/ドレイン領域215のドーピング濃度は、ソース/ドレイン領域217のドーピング濃度と同じであってもよい、またはこれと同じでなくてもよい。アクセス・デバイス212のキャッピング材料は、適切な誘電体材料の中でも窒化シリコン(SiN)のような、誘電体材料であることが可能である。

Claims (30)

  1. 基板内に形成された埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)、及び
    前記BRAD上に形成された強誘電体キャパシタ、
    を備える、メモリ・セル。
  2. 前記強誘電体キャパシタは、それらの内に形成された強誘電体材料を含むコンテナ・キャパシタである、請求項1の前記メモリ・セル。
  3. 前記強誘電体材料は、原子層堆積を介して形成される、請求項2の前記メモリ・セル。
  4. 前記強誘電体材料は、前記コンテナ・キャパシタのコンテナ内の電極材料の側壁部上に形成される、請求項2の前記メモリ・セル。
  5. 前記コンテナの高さは、約10キロオングストローム以上であり、前記コンテナの直径は、約600オングストローム以下である、請求項4の前記メモリ・セル。
  6. 前記BRADのゲートは、前記BRADに対応する第一ソース/ドレイン領域及び第二ソース/ドレイン領域間に形成され、前記ゲートは、前記第一及び前記第二ソース/ドレイン領域のうちの少なくとも1つの上面下方に形成される、請求項1〜5のうちの1つの前記メモリ・セル。
  7. 前記強誘電体キャパシタの下部電極は、前記第一ソース/ドレイン領域に結合され、前記強誘電体キャパシタの上部電極は、前記第二ソース/ドレイン領域に結合される、請求項6の前記メモリ・セル。
  8. 前記上部電極に及び前記第二ソース/ドレイン領域に結合された導電性コンタクトをさらに備える、請求項7の前記メモリ・セル。
  9. 前記導電性コンタクトは、前記第二ソース/ドレイン領域上に少なくとも部分的に、ならびに前記メモリ・セル及び隣接するメモリ・セル間の分離領域に対応する誘電体材料上に少なくとも部分的に形成される、請求項8の前記メモリ・セル。
  10. 前記強誘電体キャパシタは、前記BRADに関するピッチ上にある、請求項1〜5のうちの1つの前記メモリ・セル。
  11. 前記メモリ・セルは、前記メモリ・セルに対応する加工寸法であるFに関して4Fアーキテクチャを達成する、請求項1〜5のうちの1つの前記メモリ・セル。
  12. 前記強誘電体キャパシタは、隣接するメモリ・セルの強誘電体キャパシタに関して直列で結合される、請求項1〜5のうちの1つの前記メモリ・セル。
  13. 基板内に埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)を形成し、前記BRADのゲートは、前記BRADに対応する、第一ソース/ドレイン領域の上面下方及び第二ソース/ドレイン領域の上面下方に形成され、
    前記BRADのキャッピング材料上に、及び前記第一ソース/ドレイン領域上に第一電極コンタクトを形成し、
    前記第一電極コンタクト上に強誘電体キャパシタに対応するコンテナを形成し、
    前記コンテナ内に、及び前記第一電極コンタクト上に前記強誘電体キャパシタの下部電極を形成し、
    前記コンテナ内に強誘電体材料を形成し、
    前記コンテナ内に上部電極を形成し、
    前記第二ソース/ドレイン領域上に導電性ピラーの少なくとも1部を形成し、前記導電性ピラーは、第二電極コンタクトを介して前記上部電極に結合される、
    ことを備える、メモリ・セルを形成する方法。
  14. 前記BRADに関するピッチ上に前記強誘電体キャパシタを形成することを備える、請求項13の前記方法。
  15. 前記BRAD及び隣接するメモリ・セルのBRAD間に分離領域を形成し、
    前記分離領域に対応する誘電体材料上に前記導電性ピラーの少なくとも1部を形成する、
    ことを備える、請求項13の前記方法。
  16. 第一導電線及び第二導電線間の複数の追加のメモリ・セルのそれぞれの強誘電体キャパシタに関して直列で前記強誘電体キャパシタを形成することをさらに備える、請求項13の前記方法。
  17. 前記コンテナは、少なくとも20:1のアスペクト比を有し、前記コンテナ内に前記強誘電体材料を形成することは、
    チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)材料、
    タンタル酸ストロンチウム・ビスマス(SBT)材料、
    酸化ハフニウム系材料、及び
    酸化ジルコニウム系材料、
    のうちの少なくとも1つを堆積させることを備える、請求項13〜16のうちの1つの前記方法。
  18. 前記酸化ハフニウム系材料及び前記酸化ジルコニウム系材料は、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、及び/またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つでドープされる、請求項17の前記方法。
  19. 第一導電線及び第二導電線間に直列で結合された第一複数の強誘電体キャパシタ、ならびに
    前記第一導電線及び第三導電線間に直列で結合された第二複数の強誘電体キャパシタ、
    を備え、
    各前記第一及び第二複数の強誘電体キャパシタは、前記対応する強誘電体キャパシタの下方に形成されたゲート電極を含むそれぞれの埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)に結合される、
    強誘電体ランダム・アクセス・メモリ(FeRAM)。
  20. 各前記第一複数の強誘電体キャパシタは、コンテナ内に形成され、
    前記コンテナの側壁部上に、及び下部電極コンタクト上に形成された下部電極、
    前記コンテナ内に、及び前記下部電極の側壁部上に形成された強誘電体材料、ならびに
    前記コンテナ内に、及び前記強誘電体材料の側壁部上に形成された上部電極、
    を含み、
    前記上部電極は、導電性ピラーを介して前記対応するBRADのソース/ドレイン領域に結合され、前記導電性ピラーの少なくとも1つの第一部分は、前記第一複数の強誘電体キャパシタに対応するBRAD及び前記第二複数の強誘電体キャパシタに対応するBRADを分離する分離領域の誘電体材料上に形成される、
    請求項19の前記FeRAM。
  21. 前記第一導電線は、プレート線であり、前記第二導電線は、ビット線であり、前記第三導電線は、別のビット線である、請求項20の前記FeRAM。
  22. 前記第一複数の強誘電体キャパシタのうちの少なくとも1つは、
    チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、及び
    タンタル酸ストロンチウム・ビスマス(SBT)、
    酸化ハフニウム系材料、及び
    酸化ジルコニウム系材料、
    を含む前記群から選択された強誘電体ストレージ材料を備える、請求項18〜21のうちの1つの前記FeRAM。
  23. 前記第一複数の強誘電体キャパシタは、少なくとも4つの強誘電体キャパシタを含む、請求項18〜21のうちの1つの前記FeRAM。
  24. 前記第一複数の強誘電体キャパシタは、少なくとも8つの強誘電体キャパシタを含む、請求項18〜21のうちの1つの前記FeRAM。
  25. 前記第一複数の強誘電体キャパシタを前記第一導電線に選択的に結合するように構成された第一選択デバイス、及び
    前記第二複数の強誘電体キャパシタを前記第一導電線に選択的に結合するように構成された第二選択デバイス、
    をさらに備える、請求項18〜21のうちの1つの前記FeRAM。
  26. それぞれの第一複数のメモリ・セルに対応する第一複数の埋設凹部アクセス・デバイス(BRAD)を形成し、
    前記第一複数のBRAD上に第一複数の強誘電体キャパシタを形成し、
    それぞれの第二複数のメモリ・セルに対応する第二複数のBRADを形成し、
    前記第二複数のBRAD上に第二複数の強誘電体キャパシタを形成し、
    前記第一複数の強誘電体キャパシタは、第一導電線及び第二導電線間に互いに関して直列で結合され、
    前記第二複数の強誘電体キャパシタは、前記第一導電線及び第三導電線間に互いに関して直列で結合される、
    ことを備える、強誘電体ランダム・アクセス・メモリ(FeRAM)を形成する方法。
  27. 前記第一複数のBRADを形成することは、
    ポリシリコン材料、
    窒化チタン、及び
    窒化タンタル、
    のうちの少なくとも1つで前記複数のBRADのゲートを形成する、
    ことを備える、請求項26の前記方法。
  28. 前記第一複数のBRADを形成することは、
    基板の表面下方に前記BRADのゲートを形成する、
    ことを備える、請求項26の前記方法。
  29. 前記第一複数の強誘電体キャパシタを形成することは、
    前記第一複数のBRAD上に複数の導電性コンタクトを形成し、
    前記導電性コンタクト上に誘電体材料を堆積させ、
    前記誘電体材料内の複数のコンテナにエッチングし、前記複数のコンテナ内に第一導電性材料を堆積させ、
    原子層堆積を介して、前記第一導電性材料上に強誘電体材料を堆積させ、
    前記複数のコンテナ内に第二導電性材料を堆積させる、
    ことを備える、請求項26〜28のうちの1つの前記方法。
  30. 前記第一導電性材料は、前記強誘電体キャパシタの下部電極として作用し、前記第二導電性材料は、前記強誘電体キャパシタの上部電極として作用する、請求項29の前記方法。
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