JP4795961B2 - 不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
近年になり、この原理を電気的情報記憶にも用いる提案がなされている。これは光学的手法と異なり、非晶質と結晶との電気抵抗の差、即ち、非晶質の高抵抗状態と結晶の低抵抗状態を、電流量あるいは電圧変化で検出する方法である。公知の技術発表としては、非特許文献1などが挙げられる。また、公知特許では、特許文献1(特開2003−100085号公報)などがある。本発明は、後者の電気的情報記憶に関わるものである。
この記憶原理の特徴として、従来の半導体不揮発性記憶装置(浮遊ゲート型記憶装置、窒化膜中電子捕獲型記憶装置)に比して、情報の書換が非常に速い事が挙げられる。これを用いれば、不揮発性記憶装置の書換に伴う遅延を改善でき、不揮発性記憶装置を用いたシステムの性能を飛躍的に向上させることが可能である。そのためには、これまでのシステムと同様、半導体装置上に不揮発性記憶装置として組み入れなくてはならない。半導体装置に組み入れて電気的情報書換を行う際は、この材料あるいはこの材料近傍の発熱体に通電した際に発生するジュール熱を利用する。結晶状態から非晶質に変更する場合は、高い電圧、大きな電流で発生する熱を発生させ、材料の融点に過熱し、急速に冷却する。非晶質状態を結晶状態にする場合は、結晶化温度(一般に融点より低い)になるように、発生熱量を制御、即ち、印加する電圧、電流を制限する。このような動作において、如何に速やかな書換速度を実現するかが重要である。公知の技術では、その点についての情報は開示されていない。
また、結晶と非晶質の混在を防ぎ、抵抗変化材料全体を非晶質あるいは結晶とするため、抵抗変化材料の上底部と下底部に、それらと同面積の金属電極材料を設ける。且つ、速やかな放熱のため、抵抗変化材料は電極間にシリコンを含まない配線構造中に設ける。
この構造は、上部電極、抵抗変化材料、下部電極からなる積層を、上部電極に対して自己整合的にドライエッチング加工することで得られる。
図4は、図3の上に下部電極層BM、抵抗変化材料CHL、上部電極層UM、および絶縁層SINを堆積する。SINは、プラズマ堆積法で形成された、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が良い。低圧での化学的気相成長法では、堆積温度が高温になり、CHLが揮発してしまうためである。
図5では、これを既知のリソグラフィとドライエッチング技術を用いて加工する。RES1は、このときに用いるフォトレジストである。このときのドライエッチングは、BMまでで止める。
図8では、図7の状態に対して、金属配線層M2および保護膜CAP2を堆積する。
なお、CHLで発生したジュール熱は、UPMおよびBMを介して放散するが、UPMには金属配線層M2が接続されているので、UPM側に放散した方が冷却効果が高い。したがって、PLUG1の高さとBMの膜厚との合計よりも、UPMの膜厚を小さくすることで、M2を利用した熱放散の効果が高まる。
図10は既知のMOSトランジスタ上に下部電極そうBM1、BM2、抵抗変化材料CHL、上部電極UM、絶縁層SINを、順次、堆積したものである。
これを図5と同様の方法で加工し、BM1を加工せずに残す(図11)。
以降、図6から図8に対応する製造手順を踏み、図12の構造とする。図9との差異は、CHLは、CHLと同じ柱状のBM2と接していることにある。即ち、BM2、CHL、UMの3層を流れる電流経路には電流集中部分が無く、本発明の目的の一つである、抵抗変化材料内での均一な熱発生に寄与する。なお、抵抗変化材料CHL側壁に接触して設けられた熱伝導率の高い材料SWHSとしては、図9の構造と同様に、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜などが挙げられる。
PLUG1…ME1とCHLとを接続するプラグ配線、
UPM…CHL上部に接触する上部電極、
ME2…上部配線層、
PLUG2…UPMとME2とを接続するプラグ配線、
CHLSR…CHL内部の抵抗変化領域、
CHLB…CHL内部で抵抗変化に寄与しない領域、
CHL…抵抗変化材料、
SWHS…CHL側壁に接触して設けられた熱伝導率の高い材料かなる側壁スペーサー、
SWHSM…SWSHに接してその外側に設けられた金属からなる側壁スペーサー、
SWHS1…CHL側壁スペーサー、
FLMHS…CHLに接触して被着されたINS2よりも熱伝導の良い絶縁膜、
SWHS2…FLMHSと同じ材質からなり、CHLに接触して被着された側壁スペーサー、
INS1…層間膜(1層目)、
INS2…層間膜(2層目)、
INS3…層間膜(3層目)、
HS…CHL側壁に接触して設けられた、熱伝導率の高い材料からなる層、
GATE…n型MOSトランジスタのゲート電極、
SPC…GATE側壁に形成された絶縁膜のスペーサー、
NS…N型ソース領域、
ND…N型ドレイン領域、
ISO…素子分離領域、
SIN…UPM上に設けたシリコン窒化膜、
UM…上部電極層、
BM…下部電極層、
RES1…UPM,CHL,BMを加工するためのマスクとなるフォトレジスト、
CAPM2…M2上の絶縁膜、
M1,ME1…下部配線層、
M2,ME2…上部配線層。
Claims (13)
- 基板上に形成された第1の導電層と、
前記第1の導電層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第2の導電層と、
前記第1の導電層と接して設けられた第3の導電層と、該第3の導電層上に形成され加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、該抵抗変化層上に形成され前記第2の導電層と接続された第4の導電層とが積層され、前記第1の導電層上に前記層間絶縁膜に囲まれて柱状に形成された積層膜とを有し、
前記抵抗変化材料と前記第3の導電層との接触面積と、前記抵抗変化材料と前記第4の導電層との接触面積とが同じであり、
薄膜層が前記抵抗変化層の側壁と、前記第3の導電層の側壁と、前記第4の導電層の側壁と、前記抵抗変化材料と前記第3の導電層との接続部と、前記抵抗変化材料と前記第4の導電層との接続部とが接するように連続して形成され、
前記薄膜層は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料で形成され、
前記薄膜層の一表面は、前記第1の導電層の少なくとも一つと前記第2の導電層とが接触し、
前記第1の導電層と前記第2の導電層が前記薄膜層の外側表面を超えて、互いに水平方向に延在し、
前記第1の導電層の対応する表面に接触する前記第3の導電層の接触面積は、前記第1の導電層の表面積の総計より小さく、
前記第2の導電層の対応する表面に接触する前記第4の導電層の接触面積は、前記第2の導電層の表面積の総計より小さく、
前記第1の導電層の対応する表面と接触する前記第3の導電層の接触面積と前記第2の導電層の対応する表面と接触する前記第4の導電層の接触面積とが等しい
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 基板上に形成された第1の導電層と、
加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗変化層上に形成された第2の導電層とが前記第1の導電層上に形成された積層膜と、
前記抵抗変化層の側壁と、前記第2の導電層と、前記抵抗変化層と前記第1の導電層との第1の接続部と、前記抵抗変化層と前記第2の導電層との第2の接続部とが接するように連続して形成され、その一表面が前記第1の導電層の表面と接し、前記第1の導電層がその外側表面を超えて水平方向に延在するように配置された絶縁層と、
前記第1の導電層と前記絶縁層に隣接して形成された層間絶縁層とを有し、
前記抵抗変化層の底部の接触面積は、前記抵抗変化層と前記第2の導電層との接触面積とが同じであり、
前記絶縁層が前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料で形成され、
前記第1の接続部が前記第1の導電層に接する接触面積が前記第1の導電層表面の総面積より小さく、
前記第2の接続部が前記第2の導電層に接する接触面積が前記第2の導電層表面の総面積より小さく、
前記第1及び第2の接続部の接触面積が等しいこと
を特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記基板に形成された拡散層を具備してなるトランジスタを有し、
前記第1の導電層と前記拡散層とがプラグ層により電気的に接続されていることを特徴とする請求項2記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の導電層は、前記第1の導電層と前記プラグ層との接触面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項3記載の不揮発性記憶装置。
- 前記積層膜は、前記抵抗変化層の一端面およびそれに対向する他端面に接して形成された第2および第3の導電層を有することを特徴とする請求項2記載の不揮発性記憶装置。
- 前記絶縁膜および前記第1の導電層を囲むように形成された別の絶縁膜をさらに有し、
前記別の絶縁膜は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする請求項5記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第2の導電層、前記抵抗変化層および前記第3の導電層からなる積層膜を、前記第2の導電層に対して自己整合的にドライエッチング加工したことを特徴とする請求項5記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第3の導電層が、複数の異なる金属材料の積層からなることを特徴とする請求項5記載の不揮発性記憶装置。
- 基板上に形成された第1の導電層と、
加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗層の一端面上に形成された第2の導電層と、前記一端面に対向する他端面に形成された第3の導電層とからなり、前記第1の導電層上に形成された積層膜と、
前記抵抗変化層と前記第2の導電層と第3の導電層のそれぞれの側壁を囲むように形成され、前記第1の導電層の表面にその一端が接するように設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の側壁の一部を覆うように形成され、前記第1の導電層の表面にその一端が接するように設けられた導電性の金属材料膜と、
前記第1の導電層と前記導電膜と前記絶縁膜を囲むように形成された層間絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料からなり、
前記導電性の金属材料膜の断面形状は、一端が細く他端がより太い側壁スペーサーからなることを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記基板に形成された拡散層を具備してなるトランジスタを有し、
前記第1の導電層と前記拡散層とがプラグ層により電気的に接続されていることを特徴とする請求項9記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の導電層は、前記第1の導電層と前記プラグ層との接触面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項10記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第2の導電層、前記抵抗変化層および前記第3の導電層からなる積層膜を、前記第2の導電層に対して自己整合的にドライエッチング加工したことを特徴とする請求項9記載の不揮発性記憶装置。
- 前記第3の導電層が、複数の異なる金属材料の積層からなることを特徴とする請求項9記載の不揮発性記憶装置。
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