JP2023180600A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルにおいて、動作時の放熱を抑制することで動作電流を低減することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施の形態に係る半導体記憶装置は、第1方向に延びる第1配線と、前記第1方向と交差する第2方向に延在する第2配線と、前記第1配線と第2配線との間に設けられ、ゲルマニウム、アンチモン及びテルルのうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含む抵抗変化膜と、前記抵抗変化膜と前記第1配線との間に設けられた電極と、前記電極と前記第1配線との間に選択的に設けられた第1の膜と、を備え、前記電極は、前記第1配線と前記第1の膜のいずれとも接する面を有する。【選択図】図4
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
膜の抵抗変化を利用した抵抗変化メモリ(ReRAM)が知られている。ReRAMの一種として、膜の記憶領域における結晶状態とアモルファス状態との間の熱的な相転移による抵抗値変化を利用した相変化メモリ(PCM)が開発されている。また、2つの異なる合金を繰り返し積層した超格子型のPCMは、少ない電流で膜を相変化させることができるため、省電力化が容易な記憶装置として注目されている。
メモリセルにおいて、動作時の放熱を抑制することで動作電流を低減することが可能な半導体記憶装置を提供する。
実施の形態に係る半導体記憶装置は、第1方向に延びる第1配線と、前記第1方向と交差する第2方向に延在する第2配線と、前記第1配線と第2配線との間に設けられ、ゲルマニウム、アンチモン及びテルルのうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含む抵抗変化膜と、前記抵抗変化膜と前記第1配線との間に設けられた電極と、前記電極と前記第1配線との間に選択的に設けられた第1の膜と、を備え、前記電極は、前記第1配線と前記第1の膜のいずれとも接する面を有する。
以下、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なる。
図1は、実施形態に係る半導体記憶装置のブロック図である。
本実施形態に係る半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ11と、メモリセルアレイ11から所望のメモリセルMCを選択する行デコーダ12及び列デコーダ13と、これらデコーダ12,13に行アドレス及び列アドレスを与える上位ブロックデコーダ14と、半導体記憶装置1の各部に電力を供給する電源15と、これらを制御する制御回路16とを備える。
メモリセルアレイ11は、それぞれ、1ビット又は複数ビットのデータを記憶するメモリセルMCを複数備える。メモリセルアレイ11は、行デコーダ12及び列デコーダ13によって選択された所望のビット線BL及びワード線WLに所定の電圧が印加されることにより、所望のメモリセルMCがアクセス(データ消去/書き込み/読み出し)可能に構成される。
図2は、メモリセルアレイ11の一部の構成を示す等価回路図である。
メモリセルアレイ11は、複数のビット線BL、複数のワード線WL1,WL2、及び、これらビット線BL及びワード線WL1,WL2に接続された複数のメモリセルMC1,MC2を備える。
これらメモリセルMC1,MC2は、ワード線WL1,WL2を介して行デコーダ12に接続されると共に、ビット線BLを介して列デコーダ13に接続される。メモリセルMC1,MC2は、それぞれ、例えば、1ビット分のデータを記憶する。また、共通のワード線WL1,WL2に接続された複数のメモリセルMC1,MC2は、例えば1ページ分のデータを記憶する。
メモリセルMC1,MC2は、相変化膜PCMとセレクタSELの直列回路により構成されている。相変化膜PCMは、電流パターン(加熱パターン)に応じて低抵抗の結晶状態と高抵抗のアモルファス状態の2種類の状態を取り得るので、抵抗変化膜として機能する。これら2種類の抵抗値の状態を“0”、“1”の情報に対応させることにより、相変化膜PCMをメモリセルとして機能させることができる。また、メモリセルMC1,MC2のセレクタSELは、整流素子として機能する。従って、選択されたワード線WL1,WL2以外のワード線WL1,WL2には、ほぼ電流が流れない。
なお、以下において、メモリセルアレイ11の第1層に対応する複数のビット線BL、複数のワード線WL1、及び、複数のメモリセルMC1を含む構成を、メモリマットMM0と呼ぶ。同様に、メモリセルアレイ11の第2層に対応する複数のビット線BL、複数のワード線WL2、及び、複数のメモリセルMC2を含む構成を、メモリマットMM1と呼ぶ。
図3は、メモリセルアレイ11の一部の構成を示す概略的な斜視図である。図3に示すように、メモリセルアレイ11は、例えば、シリコン基板SB、ワード線WL、ビット線BL、メモリセルMCを含む。
続いて、X方向、Y方向およびZ方向について定義する。X方向及びY方向は、シリコン基板SBの表面に沿う方向である。X方向は、ワード線WLが延びた方向である。Y方向は、X方向と交差する(例えば直行する)方向である。Y方向は、ビット線BLが延びた方向である。Z方向は、X方向およびY方向とは交差する(例えば直交する)方向である。Z方向は、シリコン基板SBの厚さ方向である。X方向は「第1方向」の一例である。Y方向は「第2方向」の一例である。Z方向は「第3方向」の一例である。
メモリセルアレイ11は、この例では、いわゆるクロスポイント型のメモリセルアレイである。即ち、半導体基板SBの上方には、半導体基板SBの上面と平行なY方向に所定間隔を空けて配置され、半導体基板SBの上面と平行で且つY方向と交差するX方向に平行に延びる複数のワード線WL1が設けられる。また、これら複数のワード線WL1の上方には、X方向に所定間隔を空けて配置され、Y方向に平行に延びる複数のビット線BLが設けられる。更に、複数のビット線BLの上方には、Y方向に所定間隔を空けて配置され、X方向に平行に延びる複数のワード線WL2が設けられる。また、複数のワード線W
L1及び複数のビット線BLの交差部には、それぞれ、メモリセルMC1が設けられる。
同様に、複数のビット線BL及び複数のワード線WL2の交差部には、それぞれ、メモリセルMC2が設けられる。なお、この例では、メモリセルMC1,MC2が角柱状であるが、円柱状でも良い。
同様に、複数のビット線BL及び複数のワード線WL2の交差部には、それぞれ、メモリセルMC2が設けられる。なお、この例では、メモリセルMC1,MC2が角柱状であるが、円柱状でも良い。
(第1の実施形態)
図4は、第1の実施形態に係るメモリマットMM0の一部の構成を示す断面図である。図4(a)はX方向と直交する断面、図4(b)はY方向と直交する断面を示している。
メモリマットMM0は、X方向に延びるワード線WL1と、このワード線WL1に対して対向配置されたY方向に延びるビット線BLと、これらワード線WL1とビット線BLの間に配置されたメモリセルMC1と、複数のメモリセルMC1のX方向およびY方向の側面間に設けられた絶縁層20とを備える。ビット線は「第1配線」の一例である。ワード線WL1「第2配線」の一例である。
図4は、第1の実施形態に係るメモリマットMM0の一部の構成を示す断面図である。図4(a)はX方向と直交する断面、図4(b)はY方向と直交する断面を示している。
メモリマットMM0は、X方向に延びるワード線WL1と、このワード線WL1に対して対向配置されたY方向に延びるビット線BLと、これらワード線WL1とビット線BLの間に配置されたメモリセルMC1と、複数のメモリセルMC1のX方向およびY方向の側面間に設けられた絶縁層20とを備える。ビット線は「第1配線」の一例である。ワード線WL1「第2配線」の一例である。
メモリセルMC1は、ワード線WL1側からビット線BL側に向かって、X方向及びY方向と交差するZ方向に順に積層された下部電極層21、セレクタ層22(セレクタSEL)、中間電極層23、バリア金属層24、抵抗変化膜25 、バリア金属層26、及び上部電極層27を備えて構成されている。メモリセルMC1のX方向およびY方向、ワード線WL1の上面およびY方向、ビット線BLのX方向の側面には、絶縁層30が形成されている。上部電極層27の上面の一部、絶縁層20および絶縁層30の、上面および側面の一部には、絶縁膜31が形成されている。絶縁膜31は「第1の膜」の一例である。
下部電極層21は「第1電極」の一例である。中間電極層23は「第2電極」の一例である。上部電極層27は「電極」および「第3電極」の一例である。
下部電極層21は「第1電極」の一例である。中間電極層23は「第2電極」の一例である。上部電極層27は「電極」および「第3電極」の一例である。
ワード線WL1、ビット線BL、下部電極層21、中間電極層23及び上部電極層27は、例えばタングステン(W)、チタン(Ti)、ポリSi等の導電材料により構成される。これら電極層21,23及び27には、抵抗変化膜25の加熱のために熱抵抗効果の高い材料、例えば窒化炭素(CN)等を使用するようにしても良い。中間電極層23と抵抗変化膜25との間にはバリア金属層24が、上部電極層27と抵抗変化膜25との間にはバリア金属層26が形成されている。バリア金属層24、26は、例えば、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)等の導電材料により構成される。セレクタ層22は、例えば、少なくとも1種のカルコゲンまたは少なくとも1種のカルコゲナイドまたはB、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P、Sbからなる群より選択された少なくとも1種の元素を含む非オーミック素子、あるいはp型半導体層、真性半導体層、及びn型半導体層からなるpinダイオード等の非オーミック素子により構成される。絶縁層20は、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁体により構成される。絶縁層30は、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁体により構成される。
絶縁膜31は、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁体により構成される。
絶縁膜31は、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)等の絶縁体により構成される。
抵抗変化膜25は、カルコゲンを含む。カルコゲンとは、周期表の第16族に属する元素である。抵抗変化膜25は、このうち、酸素(O)を除く、たとえば、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)等を含む。また、抵抗変化膜25は、カルコゲナイド膜でも良い。カルコゲナイドは、カルコゲンを含む化合物であり、例えば、GeSbTe、GeTe、SbTe、SiTe等である。即ち、抵抗変化膜25は、ゲルマニウム、アンチモン及びテルルのうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含むものでも良い。
次に、絶縁膜31の機能と、本実施形態の効果について説明する。抵抗変化膜25は、溶融温度以上の加熱と急速冷却によりアモルファス状態(リセット状態)となる。また、抵抗変化膜25は、溶融温度よりも低く、且つ結晶化温度よりも高い温度で加熱し、緩やかに冷却することにより結晶化状態(セット状態)となる。セット状態からリセット状態にする際に行われる溶融温度以上の加熱には大きな動作電流が必要となる。この加熱に際して、抵抗変化膜からの放熱を抑制することで、抵抗変化膜の加熱が効率よく行われ、動作電流を低減することが可能となる。本実施形態では、図4に示すように、上部電極層27の上面の一部が絶縁膜31によって覆われている。このような構造にすることで、絶縁膜31による放熱を抑制することが出来る。そのため、絶縁膜31がなく、上部電極層27の上面のほとんどがビット線BL構造と接する構造と比較して、動作電流を低減することが出来る。
次に、図5から図18を用いて、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明する。図5(a)は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法において、積層構造体を形成する工程を示すYZ平面の断面図である。図5(b)は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法において、積層構造体を形成する工程を示すXZ平面の断面図である。
図5に示すように、ワード線WL1となる導電層100、下部電極層21となる導電層211、セレクタ層22となる半導体層221、中間電極層23となる導電層231、バリア金属層24となる導電層241、抵抗変化膜25となる抵抗変化膜251、バリア金属層26となる導電層261、及び上部電極層27となる導電層271を含む積層構造体を形成する。それぞれの層は、例えば、ALD(Atomic Layer Deposition)、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の方法によって順次形成する。さらに、導電層271の上に、リソグラフィによりハードマスクHM1を形成する。
図6に示すように、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングにより、積層構造体の一部をZ方向に導電層271から導電層100まで除去する。積層構造体は、X方向に延伸するライン状のハードマスクHM1を用いて選択的にエッチングすることによって、Y方向に分断される。
次に、図7に示すように、絶縁層301を、積層構造体を覆うように形成する。つづいて、図8に示すように、エッチングにより分断された積層構造体それぞれを包埋するように絶縁層201を形成する。そして、図9に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等により、絶縁層301の上面及び絶縁層201を削り、ハードマスクHM1の上面を露出させる。
次に、図10に示すように、エッチングによってハードマスクHM1を除去する。つづいて、図11に示すように、導電層271の上面、絶縁層20の上面、絶縁層301の上面および側面に絶縁膜311を形成する。このとき、形成する絶縁膜311のカバレッジを悪くすることによって、導電層271と絶縁層301で形成される角の部分には絶縁膜311が形成されない。
次に、図12に示すように、絶縁膜311の上に、ビット線BLとなる導電層101を形成する。つづいて、図13に示すように、導電層101の上にハードマスクHM2を形成する。そして、図14に示すように、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングにより、積層構造体の一部をZ方向にビット線BLから導電層211まで除去する。積層構造体は、Y方向に延伸するライン状のハードマスクHM2を用いて選択的にエッチングすることによって、X方向に分断される。積層構造体が除去された領域では、導電層100の一部が露出する。
次に、図15に示すように、絶縁層302を、積層構造体を覆うように形成する。つづいて、図16に示すように、エッチングにより分断された積層構造体それぞれを包埋するように絶縁層202を形成する。そして、図17に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等により、絶縁層302の一部、絶縁層202の一部およびハードマスクHM2を削り、導電層101の上面を露出させる。上述した方法により、第1の実施形態に係る半導体記憶装置を製造することができる。
(第2の実施形態)
図18は、第2の実施形態に係るメモリマットMM0の一部の構成を示す断面図である。図18(a)はX方向と直交する断面、図18(b)はY方向と直交する断面を示している。第2の実施形態に係る半導体記憶装置は、絶縁膜31の形状が異なる以外、第1の実施形態に係る半導体記憶装置と同様であることから、共通する部分については説明を省略する。
図18は、第2の実施形態に係るメモリマットMM0の一部の構成を示す断面図である。図18(a)はX方向と直交する断面、図18(b)はY方向と直交する断面を示している。第2の実施形態に係る半導体記憶装置は、絶縁膜31の形状が異なる以外、第1の実施形態に係る半導体記憶装置と同様であることから、共通する部分については説明を省略する。
図18に示すように、メモリマットMM0は、X方向に延びるワード線WL1と、このワード線WL1に対して対向配置されたY方向に延びるビット線BLと、これらワード線WL1とビット線BLの間に配置されたメモリセルMC1と、複数のメモリセルMC1のX方向およびY方向の側面間に設けられた絶縁層20とを備える。メモリセルMC1のX方向およびY方向、ワード線WL1の上面およびY方向、ビット線BLのX方向の側面には、絶縁層30が形成されている。
図18(a)に示すように、上部電極層27の上面の一部に絶縁膜31が形成されている。より具体的には、上部電極層27の中央部を除く絶縁層20に近い部位に絶縁膜31が形成されている。このような構成にすることで、第1の実施形態に係る半導体記憶装置と同様に絶縁膜31による放熱を抑制することが出来る。そのため、絶縁膜31がなく、上部電極層27の上面のほとんどがビット線BL構造と接する構造と比較して、動作電流を低減することが出来る。
次に、第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明する。第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法と図5から図10までは同一の工程で行うことができることから、ここでは省略する。図19から図26を用いて、図10に続く、第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明する。
まず、図19に示すように、導電層271の上面、絶縁層20の上面、絶縁層301の上面および側面に絶縁膜311を形成する。つづいて、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを行う。これにより、図20に示すように、上部電極層27の上面の一部に絶縁膜31が形成された状態となる。
次に、図21に示すように、絶縁膜311の上に、ビット線BLとなる導電層101を形成する。つづいて、図22に示すように、導電層101の上にハードマスクHM2を形成する。そして、図23に示すように、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングにより、積層構造体の一部をZ方向にビット線BLから導電層211まで除去する。積層構造体は、Y方向に延伸するライン状のハードマスクHM2を用いて選択的にエッチングすることによって、X方向に分断される。積層構造体が除去された領域では、導電層100の一部が露出する。
次に、図24に示すように、絶縁層302を、積層構造体覆うように形成する。つづいて、図25に示すように、エッチングにより分断された積層構造体それぞれを包埋するように絶縁層202を形成する。そして、図26に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等により、絶縁層302の一部、絶縁層202の一部およびハードマスクHM2を削り、導電層101の上面を露出させる。上述した方法により、第2の実施形態に係る半導体記憶装置を製造することができる。
なお、第1の実施形態及び第2の実施形態では、柱状のメモリセル周囲の絶縁層の突出部に自己整合(self-alignment)して第1の膜である絶縁膜31を形成した。即ち、上部電極層が第1配線と接する領域、及び上部電極が第1の膜と接する領域は、メモリセル、即ち上部電極のパターンに自己整合して設けられている。しかしながらこれらに限るものではない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
SB…半導体基板、WL…ワード線、BL…ビット線、20…絶縁層、21…下部電極層、22…セレクタ層、23…中間電極層、24…バリア金属層、25…抵抗変化膜、26…バリア金属層、27…上部電極層、30…絶縁層、31…絶縁膜
Claims (8)
- 第1方向に延在する第1配線と、
前記第1方向と交差する第2方向に延在する第2配線と、
前記第1配線と第2配線との間に設けられ、ゲルマニウム、アンチモン及びテルルのうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含む抵抗変化膜と、
前記抵抗変化膜と前記第1配線との間に設けられた電極と、
前記電極と前記第1配線との間に選択的に設けられた第1の膜と、を備え、
前記電極は、前記第1配線と前記第1の膜のいずれとも接する面を有する、半導体記憶装置。 - 前記電極の面の中心部は前記第1の膜と接する、請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記電極の面の中心部は前記第1配線と接する、請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記電極が前記第1配線と接する領域、及び前記電極が前記第1の膜と接する領域は、前記電極のパターンに自己整合して設けられている、請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の膜の熱伝導率は前記第1配線の熱伝導率よりも低い、請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の膜は絶縁膜である、請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 第1方向に延在する第1配線と、
前記第1方向と交差する第2方向に延在する第2配線と、
前記第1配線と前記第2配線との間に設けられ、前記第1方向および前記第2方向と交差する第3方向にそれぞれ向かい合う、第1電極、第2電極及び第3電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられたセレクタ層と、
前記第2電極と前記第3電極との間に設けられた抵抗変化膜と、
前記第3電極と前記第1配線との間に設けられた絶縁膜と、を備え、
前記第3電極は、前記第1配線と前記絶縁膜のいずれとも接する面を有する、半導体記憶装置。 - 前記第2電極と前記抵抗変化膜との間、および、前記第3電極と前記抵抗変化膜との間にはバリア金属層を備える、請求項7に記載の半導体記憶装置。
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JP2022094031A JP2023180600A (ja) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 半導体記憶装置 |
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JP2022094031A JP2023180600A (ja) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 半導体記憶装置 |
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JP2022094031A Pending JP2023180600A (ja) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 半導体記憶装置 |
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2022
- 2022-06-10 JP JP2022094031A patent/JP2023180600A/ja active Pending
-
2023
- 2023-06-07 US US18/330,515 patent/US20230403955A1/en active Pending
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US20230403955A1 (en) | 2023-12-14 |
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