JP4437299B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に相変化材料を用いた不揮発性メモリを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体装置に使用される半導体メモリとして、電源をオフすると記憶情報が失われる揮発性メモリと、電源をオフしても記憶情報が保持される不揮発性メモリとがある。例えば、揮発性メモリはＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）であり、不揮発性メモリはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）やフラッシュメモリである。最近の携帯情報端末装置は、小型化と省電力化のために電源をオフしても記憶情報が保持されるフラッシュメモリが多く使用されている。

しかし最近は、さらなる小型化と省電力化のために、相変化材料を用いた相変化メモリが注目されている。相変化メモリは、相変化材料の２つの異なる結晶状態を記憶情報とする不揮発性メモリである。相変化材料を高抵抗値の非晶質状態、又は低抵抗値の結晶状態とすることで“１”、又は“０”の記憶情報としている。このような相変化材料としては、カルコゲナイド材料が使用されている。

相変化メモリの書換え動作は、相変化材料に十分なジュール熱を供給し一旦溶融させ、これを急冷することで高抵抗である非晶質状態（Reset状態）とする。また、これよりもやや少ないジュール熱を供給し、徐冷することで低抵抗である結晶状態（Set状態）とする。供給する熱量及び冷却速度は、相変化材料に印加されるパルスの電流値及び長さ（印加時間）により制御される。このように相変化材料を異なる結晶状態とし、その抵抗値を変えることでメモリとしての書換え動作が行われる。相変化メモリの読み出し動作は、相変化材料の非晶質状態、又は結晶状態により流れる電流値が異なることを利用して行われる。

従来の相変化メモリセルの部分断面図を図１に示す。下部電極６を覆う層間絶縁膜５にコンタクトホールを開口し、コンタクトホール内にヒータ電極１を形成する。ヒータ電極１及び層間絶縁膜５の上面の位置を同じ高さになるように平坦化し、その上面に相変化膜２と上部電極３を形成する。層間絶縁膜５は、例えばシリコン酸化膜(SiO₂)である。ヒータ電極１の１つの端は下部電極６に接続され、その他端は相変化膜２に接続される。相変化膜２は上部電極３に接続される。

この下部電極６と上部電極３との間に電圧を印加したときのジュール熱により、ヒータ電極１が発熱し、相変化膜２の結晶状態を変化させる。相変化膜２の結晶状態を変化させることで、相変化膜２の電気抵抗が変化する。このとき、相変化膜２の結晶状態が変化する領域を相変化領域４として示している。相変化膜２の結晶状態を変えるためには約６００℃以上の温度が必要である。このように、ヒータ電極１と相変化膜２との接触面を中心とした領域の相変化膜２が相変化領域４となる。またヒータ電極１は適切な抵抗値を有する材料、例えばチタンシリコン窒化物、タンタル窒化物等により形成される。

しかし従来例の相変化メモリにおいては、ヒータ電極１の上面に相変化膜２が平坦に存在することから相変化領域４が横方向にも拡がり、かつ熱が上部側（図の矢印方向）に拡散する。このように相変化領域が拡がり、熱が拡散してしまうために、ヒータ電極の発熱を小さな相変化領域のみに集中させることができず、発熱効率が悪いという問題がある。そのため相変化領域は小さく、かつ小さな電流で効率よく発熱できるヒータ電極と相変化膜とを備えた相変化メモリセルを開発することが相変化メモリの重要課題となっている。

これらの相変化メモリに関する先行文献として、下記特許文献がある。特許文献１（特開２００５−２４４２３５号公報）では、層間絶縁膜中のコンタクトホール内にスペーサとヒータ電極を形成し、ヒータ電極と平坦な相変化膜とを接触させている。特許文献２（特表２００６−５１０２１９号公報）では、ヒータ電極上の層間絶縁膜にコンタクトホールを開口し、コンタクトホール内にスペーサと相変化膜を形成している。特許文献３（特表２００６−５１０２１８号公報）では、層間絶縁膜中のコンタクトホール内に導体とヒータ電極とを形成し、ヒータ電極と平坦な相変化膜とを接触させている。

特開２００５−２４４２３５号公報 特表２００６−５１０２１９号公報 特表２００６−５１０２１８号公報

上記したように相変化メモリにおいては、小さな相変化領域を、小さな電流で効率よく発熱できるヒータ電極と相変化膜の構造を得ることが重要課題となっている。本発明の目的は、これらの課題に鑑み、小さな電流で効率よく書換え出来る相変化メモリを備えた半導体装置を提供することにある。本発明の他の目的は、量産しやすく、かつ安定動作可能な相変化メモリを備えた半導体装置の製造方法を提供することにある。

本願は上記した課題を解決するため、基本的には下記に記載される技術を採用するものである。またその技術趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できる応用技術も、本願に含まれることは言うまでもない。

本発明の半導体装置は、下部電極を覆うように半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、前記下部電極を露出させるように層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールの側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜と、前記サイドウォール絶縁膜の内側のコンタクトホールに形成されたヒータ電極と、前記ヒータ電極の上面に接するように形成された相変化膜と、前記相変化膜の上面に接するように形成された上部電極と、を備え、前記ヒータ電極は、その底面において前記下部電極に接続され、その上面の位置は前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置よりも低いことを特徴とする。

本発明の半導体装置の前記ヒータ電極の上面の位置は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より前記相変化膜の膜厚分以上低いことを特徴とする。

本発明の半導体装置においては、前記ヒータ電極の上面に接するように形成された相変化膜の上面位置の一部分は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする。

本発明の半導体装置の相変化する相変化領域は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低い領域の相変化膜に形成されることを特徴とする。

本発明の半導体装置の前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置は、前記層間絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする。

本発明の半導体装置の前記ヒータ電極はシリンダ形状であり、そのシリンダ内部に絶縁膜を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置の前記絶縁膜の上面の位置は、前記ヒータ電極の上面の位置より高く、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された下部電極を覆うように層間絶縁膜を成膜する工程と、前記下部電極を露出させるように層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記サイドウォール絶縁膜の内側のコンタクトホールにヒータ電極膜を形成し、さらに前記ヒータ電極膜をエッチングしヒータ電極を形成する工程と、前記ヒータ電極の上面に接するように相変化膜を形成する工程と、前記相変化膜の上面に上部電極を形成する工程と、を備え、前記ヒータ電極は、その底面において前記下部電極に接続され、その上面の位置は前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置よりも低く形成されることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の前記ヒータ電極を形成する工程において、前記ヒータ電極の上面の位置を前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置よりも前記相変化膜の膜厚分以上低く形成することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の前記サイドウォール絶縁膜を形成する工程において、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置を前記層間絶縁膜の上面の位置より低く形成することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の前記ヒータ電極を形成する工程において、前記ヒータ電極膜を形成した後にさらに絶縁膜を形成し、前記絶縁膜と前記ヒータ電極膜とをエッチングすること特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法においては、前記絶縁膜の上面の位置として、前記ヒータ電極の上面の位置より高く、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低くなるようにエッチングすることを特徴とする。

本発明の相変化メモリは、下部電極と導通するように開口されたコンタクトホールに、サイドウォール絶縁膜を形成し、さらにサイドウォール絶縁膜の内側にヒータ電極を形成する。ヒータ電極の上面位置は、サイドウォール絶縁膜の上面位置より相変化膜の膜厚分以上低くする。ヒータ電極の上面位置を低くし、ヒータ電極と相変化膜との接触面、及び相変化領域をサイドウォール絶縁膜で囲まれた領域内とする。これらの高温となる領域をサイドウォール絶縁膜で囲うことで、相変化領域は小さく、熱拡散を防止し、発熱効率が向上できる。そのため小さな書換え電流で、効率よく書換え動作が実施できる相変化メモリを備えた半導体装置が得られる。

本発明の半導体装置及びその製造方法について、以下に図を参照して詳細に説明する。

実施例１の半導体装置及びその製造方法について、図３から図８を参照して説明する。図３には相変化メモリセルの部分断面図を示す。図４から図８には製造工程における相変化メモリセルの部分断面図を示す。

図３は実施例１の相変化メモリセルのヒータ電極関係の部分断面図である。このメモリセルの製造方法を図４から図８を参照して説明する。図４に示すように下部電極６を覆う層間絶縁膜５に、下部電極６を露出するようにコンタクトホール８を開口する。例えば、層間絶縁膜５はシリコン酸化膜(SiO₂)であり、コンタクトホール８の直径は１２０ｎｍとする。次にサイドウォール絶縁膜となる窒化膜９を厚さ３０ｎｍ堆積する（図５）。

次にこの窒化膜９をエッチバックすることにより、サイドウォール窒化膜７を形成する（図６）。層間絶縁膜５と接する側のサイドウォール窒化膜７の上面の位置は、層間絶縁膜５の上面の位置と同じ高さでもよいし、上面の位置より少し低くしてもよい。しかし、コンタクトホールの内側のサイドウォール窒化膜７のコーナー形状はテーパー角を有したなだらかな形状が好ましい。このなだらかな形状とするためエッチバック量を多目に行い、サイドウォール窒化膜７の上面の位置を層間絶縁膜５の上面の位置より少し低くすることが好ましい。

次にヒータ電極となるヒータ電極膜１１として、例えばＴｉＮ（チタンナイトライド）やＴｉＳｉＮ（チタンシリコンナイトライド）またはこれらの積層膜を堆積する（図７）。次にヒータ電極膜１１をエッチバックし、ヒータ電極１を形成する。このとき、エッチバックによりヒータ電極膜１１をコンタクトホール内部までエッチバックしてヒータ電極１を形成する(図８)。ヒータ電極１の上面の位置が、サイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも低くなるようにする。この後に成膜される相変化膜の膜厚分以上低くなるようにする。このようにヒータ電極１はコンタクトホール内のサイドウォール窒化膜７に囲まれた領域に形成する。コンタクトホール８にサイドウォール窒化膜７を形成することで、ヒータ電極１の直径を小さくし、ヒータ電極に流れる電流密度を大きくすることができる。

次に相変化膜２と上部電極３を順に堆積して、図３に示す本実施例のメモリセル構造を得る。ヒータ電極１の上面の位置は、サイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも、相変化膜の膜厚分（例えば２０ｎｍ）以上低くなるようにしている。そのためコンタクトホール内にシリンダ状に堆積される相変化膜２の底部分における上面の位置（図においてＡで示す）は、サイドウォール窒化膜７の上面位置よりも低くなる。この結果、相変化膜２に形成される相変化領域４が、サイドウォール窒化膜７に囲まれた領域内に形成されるようにする。すなわち相変化メモリにおいて高温となるヒータ電極１と相変化領域４はサイドウォール窒化膜７に囲まれることになる。

相変化膜２は例えば膜厚２０ｎｍとし、材料としては、ゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、セレン(Se)、ガリウム(Ga)、インジュム(In)のうち少なくともいずれか２つ以上を含む材料を用いることができる。例えば、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジュム(InSb)、セレン化インジュム(InSe)，テルル化アンチモン(Sb₂Te₃)、テルル化ゲルマニウム(GeTe)、Ge₂Sb₂Te₅、InSbTe、GaSeTe、SnSb₂Te₄、InSbGe等である。また上部電極３はタングステン(W)やアルミニウム(Al)などの導体膜にて形成する。

本実施例の相変化メモリにおいては、コンタクトホール８にサイドウォール窒化膜７を形成することで、ヒータ電極１の直径を小さくする。さらにヒータ電極１の上面位置は、サイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも相変化膜の膜厚分以上低くする。そのため上部電極３と下部電極６の間に電流を流してヒータ電極１を発熱させると、相変化領域４はサイドウォール窒化膜７に囲まれた領域に形成される。すなわち、発熱により高温となる領域がコンタクトホール８内で、且つサイドウォール窒化膜７に囲われた場所に存在するので、熱の拡散を抑制し、発熱効率が向上する。このために、少ない書換え電流で相変化を起こすことが可能となる。従来例においては、ヒータ電極だけサイドウォール絶縁膜で囲まれた領域内にあり、相変化膜がサイドウォール絶縁膜で囲まれた領域外にあると、電流密度が下がり、熱も拡散してしまい効率が悪くなるという問題がある。しかし本発明の構成においては、これらの問題を防止することができる。

実施例２の半導体装置及びその製造方法について、図４から図６、及び図９から図１２を参照して説明する。図９にはメモリセルの部分断面図を示す。図４から図６、及び図１０から図１２には製造工程におけるメモリセルの部分断面図を示す。実施例２の相変化メモリセルはヒータ電極をシリンダ状に形成し、ヒータ電極と相変化膜との接触面をリング形状とした実施例である。

図９には実施例２の相変化メモリセルのヒータ電極関係の部分断面図を示す。このメモリセルの製造方法を図４から図６、及び図１０から図１２を参照して説明する。下部電極６を覆う層間絶縁膜５にコンタクトホール８を開口し（図４）、窒化膜９を堆積し(図５)、窒化膜９をエッチバックしてサイドウォール窒化膜７を形成する（図６）。このサイドウォール窒化膜７の形成までは、第１の実施例と同様であり、詳細な説明は省略する。

この後、図１０に示すようにヒータ電極膜１２を、例えばＴｉＮ（チタンナイトライド）やＴｉＳｉＮ（チタンシリコンナイトライド）またはこれらの積層膜として堆積する。しかし、このヒータ電極膜１２の膜厚が実施例１とは異なり、コンタクトホールの全部が埋まらない膜厚とする。実施例１では、ヒータ電極膜１１でコンタクト内部を完全に埋め込む構造であるが、実施例２では埋め込まない膜厚とする。例えばヒータ電極膜１１の膜厚は、１０ｎｍ程度である。次にコンタクトホール内に埋め込み絶縁膜１３を堆積する。これによりコンタクトホール内部は全て埋め込まれる。

次に図１２に示すように、絶縁膜１３とヒータ電極膜１２をエッチバックして、コンタクトホール内部だけに残し、ヒータ絶縁膜１４とヒータ電極１０を形成する。この時ヒータ絶縁膜１４とヒータ電極１０の上面の位置が、サイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも低くなるようにする。ヒータ絶縁膜１４とヒータ電極１０の上面の位置は、サイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも、この後に成膜される相変化膜の膜厚分以上低くなるようにする。

ヒータ絶縁膜１４とヒータ電極１０の上面の位置は同じ高さでもよく、ヒータ絶縁膜１４の上面の位置をヒータ電極１０の上面の位置より高くしてもよい。この場合にはヒータ電極１０の上面の位置をサイドウォール窒化膜７の上面の位置よりも、この後に成膜される相変化膜の膜厚分以上低くなるようにする。このようにヒータ電極１０が低くなることでコンタクトホール内部にさらに凹部ができることになる。この凹部には後述する相変化膜が埋め込まれる。凹部内でヒータ電極１０と相変化膜２との接触面が形成されることで、電流や熱がより集中できることから、ヒータ絶縁膜１４の上面の位置をヒータ電極１０の上面の位置より高くすることがより好ましい。

次に相変化材料２と上部電極３を順に堆積して、図９に示す本発明の実施例２のメモリセル構造を得る。相変化膜２は層間絶縁膜５の上面と、コンタクトホール内にシリンダ状に堆積される。このとき、コンタクトホール内にシリンダ状に堆積される相変化膜２の底部の上面の位置（図９においてＡで示す）は、サイドウォール窒化膜７の上面位置よりも低くする。すなわち相変化膜２に形成される相変化領域４が、サイドウォール窒化膜７に囲まれた領域内に形成されるようにする。

ヒータ電極１０がリング形状となっている為、相変化膜との接触面が少なく、この接触面での電流密度が高くなり、効率よく発熱できる。さらにヒータ電極１０の上面の位置がヒータ絶縁膜１４の上面の位置よりも低い場合には、ヒータ電極１０の凹部は相変化膜２により充填される。相変化膜２が凹部に形成されることから、熱の拡散が少なく、さらに効率よく発熱できる。

この相変化メモリにおいて、上部電極３と下部電極６の間に電流を流してヒータ電極１０を発熱させると、相変化領域４はコンタクトホール内に、リング形状に形成されることになる。すなわち、高温となる領域がコンタクトホール内で、且つサイドウォール窒化膜７に囲われた場所に存在するので、熱の拡散が抑制され、発熱効率が向上する。さらにヒータ電極１０の上面の位置がヒータ絶縁膜１４の上面の位置よりも低い場合には、相変化領域４は凹部に形成された相変化膜２を中心として形成される。このためさらに熱の拡散が抑制され、発熱効率が向上する。そのため少ない書換え電流で相変化を起こすことが可能となる。

本発明の相変化メモリは、下部電極と導通するように開口されたコンタクトホールに、サイドウォール絶縁膜を形成し、さらにサイドウォール絶縁膜の内側にヒータ電極を形成する。ヒータ電極の上面の位置は、サイドウォール絶縁膜の上面の位置より相変化膜の膜厚分以上低くする。ヒータ電極の上面の位置を低くし、ヒータ電極と相変化膜との接触面、及び相変化領域等の高温となる領域をサイドウォール絶縁膜で囲まれた領域内とする。この構成とすることで、熱拡散を防止し、発熱効率が向上できる。そのため小さな書換え電流で、効率よく書換え動作が実施できる相変化メモリを備えた半導体装置が得られる。

以上、実施形態に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に制限されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができ、これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。

従来例における相変化メモリセルの部分断面図である。 従来例における相変化メモリセルの熱拡散を示す説明図である。 実施例１における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例１の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例１の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例１の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例１の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例１の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例２における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例２の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例２の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。 実施例２の製造工程における相変化メモリセルの部分断面図である。

符号の説明

１、１０ ヒータ電極
２ 相変化膜
３ 上部電極
４ 相変化領域
５ 層間絶縁膜
６ 下部電極
７ サイドウォール窒化膜
８ コンタクトホール
９ 窒化膜
１１、１２ ヒータ電極膜
１３ 絶縁膜
１４ ヒータ絶縁膜

Claims (14)

1. 半導体基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜に開口され、下部電極を露出させたコンタクトホールと、該コンタクトホールの内壁に形成されたサイドウォール絶縁膜とを有し、該サイドウォール絶縁膜で囲まれた領域内に設けられ、前記下部電極に接触したヒータ電極、相変化領域を含みヒータ電極に接する相変化膜、及び、該相変化膜に前記コンタクトホール内で接する部分を備えた上部電極を有し、前記相変化領域が前記サイドウォール絶縁膜により囲まれた前記コンタクトホール内の領域に形成されるように、構成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒータ電極の上面の位置は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より前記相変化膜の膜厚分以上低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒータ電極の上面に接するように形成された相変化膜の上面位置の一部分は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 相変化する相変化領域は、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低い領域の相変化膜に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置は、前記層間絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記ヒータ電極はシリンダ形状であり、そのシリンダ内部に絶縁膜を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
7. 前記絶縁膜の上面の位置は、前記ヒータ電極の上面の位置より高く、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低いことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 半導体基板上に形成された下部電極を覆うように層間絶縁膜を成膜する工程と、前記下部電極を露出させるように層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記サイドウォール絶縁膜の内側のコンタクトホールにヒータ電極膜を形成し、さらに前記ヒータ電極膜をエッチングしヒータ電極を形成する工程と、前記ヒータ電極の上面に接するように相変化膜を形成する工程と、前記相変化膜の上面に上部電極を形成する工程と、を備え、前記相変化領域が前記サイドウォール絶縁膜により囲まれた前記コンタクトホール内の領域に形成されるように、前記ヒータ電極の上面の位置及び前記上部電極と前記相変化膜の接触位置が選択されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記ヒータ電極を形成する工程において、前記ヒータ電極の上面の位置を前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置よりも前記相変化膜の膜厚分以上低く形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記サイドウォール絶縁膜を形成する工程において、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置を前記層間絶縁膜の上面の位置より低く形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記ヒータ電極を形成する工程において、前記ヒータ電極膜を形成した後にさらに絶縁膜を形成し、前記絶縁膜と前記ヒータ電極膜とをエッチングすること特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記絶縁膜の上面の位置として、前記ヒータ電極の上面の位置より高く、前記サイドウォール絶縁膜の上面の位置より低くなるようにエッチングすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 請求項１において、前記上部電極は前記相変化膜との接触面において前記下部電極方向に凸形状を有することを特徴とする半導体装置。
14. 請求項１３において、前記上部電極は、前記コンタクトホール内に設けられた先端部を有し、当該先端部は前記凸形状を有していることを特徴とする半導体装置。

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