JP4873859B2 - 相変化メモリ及び相変化メモリを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子メモリに関し、特に、状態変化材料を使用する電子メモリに関する。

相変化材料は、少なくとも２つの異なる状態を示すことが可能である。それらの状態は、非晶質状態及び結晶状態である。それらの状態の遷移は選択的に開始される。一般に、非晶質状態は結晶状態より比較的大きい比抵抗値を示すため、それらの状態を区別することが可能である。非晶質状態は非常に乱れた原子構造を有する。一般に、いずれの相変化材料を利用することが可能である。しかしながら、一部の形態においては、カルコゲナイド系合金材料が特に適する。

相変化は可逆的に起こり得る。それ故、メモリは、温度変化に応じて、非晶質状態から結晶状態に変化し得て、その後、非晶質状態に可逆的に戻り得て、その逆も又起こり得る。実際には、各々のメモリセルは、高抵抗状態と低抵抗状態との間で可逆的に変化する、プログラム可能な抵抗とみなすことが可能である。相変化は抵抗加熱によりもたらすことが可能である。

既存の相変化メモリは、種々の欠点を示すことがある。それ故、相変化メモリのより良好な方式に対する要請が存在している。

図１を参照するに、相変化メモリ１０は、相変化材料層の上部における上部電極１２を有する。本発明の一実施形態においては、層１４はカルコゲナイド系材料を有する。相変化メモリ材料の例としては、テルル−ゲルマニウム−アンチモン（ＴｅｘＧｅｙＳＢｚ）系材料又はＧｅＳｂＴｅ合金の種類のカルコゲナイド系元素組成を有するが、それらの限定されるものではなく、又、本発明の範囲において、それらのみに限定されるものではない。代替として、電子的特性（例えば、抵抗、容量等）が、例えば、光、熱又は電流等のエネルギーの適用により変化されることが可能である、他の相変化材料を用いることが可能である。層１４は、本発明の一実施形態においては、実質的に平面的である。

ヒータ１８は、本質的に層１４の下に形成されることが可能である。層１８は、チタンシリコン窒化物、タンタル窒化物又は他の抵抗加熱材料から構成されることが可能である。ヒータ１８は、抵抗加熱をもたらす抵抗材料を有することが可能である。

導体２０は、ヒータ１８に接触し、ヒータ１８に電流を供給するために、電気絶縁体１６の中を貫いて伸びている。いずれの電気絶縁性材料を用いることが可能である。絶縁体１６は、層１４が基板１１に対して平行であり、導体２０に対して垂直であるように、半導体基板１１対して位置付けられることが可能である。

一部の実施形態においては、相変化材料スタックの平面的性質はステップカバレッジを改善し、界面清浄度を改善し、良好な断熱性にオプションを付加し、そして更に再生可能な装置性能をもたらす。

図２を参照するに、図１に示す構造を形成するための一処理に従って、初期に、接着層２４が基板１１の全体に亘って絶縁体１６の上部に堆積される。接着層２４は、絶縁体１６への層１４の接着を改善することが可能である。接着層の例は、ポリシリコン層である。レジスト２２は、接着層２４の全体に亘って形成されることが可能である。

本発明の一実施形態に従って、レジスト２２においてパターンを形成するために、電子ビームパターニング技術を使用することが可能である。電子ビームパターニング技術を使用することにより、レジスト２２に転写されるクリティカルディメンジョンをより小さくすることが可能である。パターン２６及びレジスト２２は、レジスト２２を貫通して伸び、図３に示すように、接着層２４及び絶縁体１６を貫通してエッチングするためのエッチングマスクとして最終的に機能する、パッセージ２８を形成するために用いることが可能である。

他の実施形態においては、位相シフトマスキング、クロムレス位相シフトマスキング又はスペーサを用いる従来のリソグラフィを含む、開口を形成するための他の技術を用いることが可能である。

図４を参照するに、幾つかの例として、パッセージ２８の下部は、例えば、タングステン、アルミニウム又は銅のような導電材料３０で満たされることが可能である。導電材料３０は、次いで、導電材料３０の高さを減少させるように、浸漬又はエッチング（湿式又は乾式）されることが可能である。それに続いて、他の導電材料３２を堆積させることが可能である。この導電材料３２は、例えば、チタンシリコン窒化物を含む、上記のいずれの抵抗加熱材料であることが可能であり、又は、その導電材料３２は、チタンアルミニウム窒化物又はタンタル窒化物であることが可能である。その後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）段階が、その構成の上部表面を平坦化させるために用いられる。

次に、図５を参照するに、図１に示している構造を形成するための他の技術は、適切な基板（図示せず）の全体に亘る絶縁体１６において、適切なサイズの孔３６を形成することから始まる。この例においては、従来のリソグラフィを用いることが可能である。適切なパターンが、適切な孔３６をエッチングして、接着層２４及び絶縁体１６を貫通して形成される。孔３６は、次いで、酸化物及び窒化物を有するいずれの適切な材料であることが可能であるサイドウォールスペーサ材料３４でコーティングされる。サイドウォールスペーサ材料３４は、開口３６のサイズを減少させ、リソグラフィの限界を補償する。

孔３６は、次いで、図６に示すように、タングステンのような導電材料３８で満たされる。導電材料３８は、次いで、図７に示すような凹部４０を形成するために、浸漬又はエッチング（湿式又は乾式）により除去される。浸漬又はエッチング除去により形成された凹部４０は、次いで、図８に示すように、チタンシリコン窒化物の等の第２導電材料４２で満たされる。ヒータ１８（図１参照）は、材料３８を有する導電材料２０（図１参照）の上に材料４２を有することが可能である。

図９を参照するに、本発明の他の実施形態に従って、相変化メモリ１０ａは又、平面的構成の状態である、相変化材料１４の上の上部電極１２を有することが可能である。ヒータ４６は絶縁体４４を規定する。ヒータ４６は、絶縁体１６において規定された導体４８に結合される。

図１０を参照するに、図９に示す構造を形成するための一実施形態に従って、初期に、導電材料４８は、従来の技術を用いて、絶縁体１６における孔において規定される。絶縁体１６は、次いで、接着促進層又は接着層５２と絶縁層５０とで覆われる。

絶縁体５０は、次いで、図１１に示すように、いずれの適切なリソグラフィ技術を用いて、開口５４を形成するためにパターニングされる。従来のリソグラフィを用いる実施形態を提供する一方、開口５４は又、２つの付加的な例として、電子ビームリソグラフィ又は位相シフトマスキングを用いて、形成されることが可能である。電子ビームリソグラフィ又は位相シフトマスキングを用いる場合、サイドウォールスペーサはある状況下では不必要であることが可能である。

図１２を参照するに、従来のリソグラフィが用いられる実施形態に従って、開口５４は、サイドウォールスペーサ材料５６でコーティングされるサイドウォール５８は、図１３に示すように、異方性エッチング技術を用いて形成されることが可能である。

マスクとしてサイドウォールスペーサ５８を用いて、接着層５２は、図１４に示すように、導電材料４８までエッチングされる。次いで、図１５に示すように、ヒータ材料４６が残りの開口６０に堆積される。

次に、図１６を参照するに、メモリ１０ａを形成するための他の技術に従って、一対の層６２及び６４は、それらの層に転写されるアパーチャ６０を有することが可能である。一実施形態においては、アパーチャ６０は、電子ビームリソグラフィ技術を用いて、転写される。アパーチャ６０は、絶縁体１６において形成された導電材料層４８と連通している。その後、図１７に示すように、ヒータ材料６２が、導電材料４８に電気的に結合するように、アパーチャ６０中に形成される。適切な相変化材料層が、ヒータ６２の上に形成され、上部電極が、上記のように付加される。

次に、図１８を参照するに、相変化メモリ１０ｂは、相変化材料層１４の上に上部電極１２を有することが可能である。リング形状のヒータ７８が相変化材料層１４の下に位置付けられることが可能である。ヒータ７８は、絶縁体１６において規定されたカップ形状の導電材料７０と連通状態にあることが可能である。

図１８に示している構造を形成するための一実施形態に従って、初期に、絶縁性サイドウォールスペーサ６６が、図１９に示すように、適切な半導体基板の上の絶縁体におけるアパーチャ６８において、上記のように形成されることが可能である。

図２０を参照するに、図１９に示す開口６８は、導電材料７０で覆われることが可能である。導電材料７０は、図２１に示すように、絶縁体のようなフィル材料７２で満たされる。

図２１に示す構造は、図２２に示す構造を達成するために、平坦化される。次に、導電材料７０は、図２３に示すように、リング形状の窪み７６を形成するように浸漬又はエッチングされる。窪みは、次いで、図２４に示すように、カップ形状の導電材料７０に結合したリング形状のヒータ６６を形成するように、ヒータ材料７８で満たされる。

図２５を参照するに、相変化メモリ１０ｃは、相変化材料層１４の上に上部電極１２を有することが可能である。ヒータ１８は、接着層７９及び断熱層８０において相変化材料層１４の下に位置付けられる。断熱層８０は、上記のような導電材料２０を規定する孔を有する絶縁体８２の上に置かれている。

断熱層８０は、酸化物のような他の絶縁性材料より良好な断熱性を備えている。断熱層８０は、上記のいずれの実施形態において用いられることが可能である。断熱層８０は、一実施形態における酸化物に比べて、４倍又はそれ以上小さい熱伝導性を有することが可能である。例えば、断熱層８０はキセロゲル又は有機高分子であることが可能である。

キセロゲルは、多孔から液体が除去されるゲルである。キセロゲルは超臨界乾燥処理からもたらされる。それ故、キセロゲルは、大気圧下且つ室温に近い温度で乾燥されるゲルである。キセロゲルは、固体ネットワークによる非常に低い透水性と共にクラッキングを回避するように緩やかに乾燥する特性を有する。キセロゲルは、酸化物に比べて１０倍又はそれ以上小さい熱伝導性を有することが可能である。

一部の実施形態においては、上記の構造は、従来のプロセスフローで必要な重要なマスク層及び処理段階を減少させることが可能である。それらのフローは、一部の実施形態においては、最適な熱効率のために適切な位置に最適な材料を用いることを可能にする。それ故、本発明の一部の実施形態においては、次のような特性、即ち、少ないマスキング処理によるより安価なコスト、及び熱的結合における熱の損失が小さいことによるより良好な性能の１つ又はそれ以上を有することが可能である。

図２６に示す、処理器に基づくシステム８４は、例えば、ディジタル信号処理器又は汎用処理器であることが可能である処理器８６を有することが可能である。処理器８６は、ワイヤレスの実施形態においては、ワイヤレスインタフェース９０にバス８８により結合されることが可能であり、相変化メモリ１０は、例えば、上記のいずれの実施形態であることが可能である。しかしながら、本発明は、決して、ワイヤレスアプリケーションに限定されるものではない。

本発明については、限定された数の実施形態に関して説明したが、当業者は、それらから数多くの修正及び変形が可能であることを理解するであろう。同時提出の特許請求の範囲は、本発明の範囲及び主旨から逸脱することなく、そのような修正及び変形全てを網羅することが意図されている。

本発明の一実施形態の、拡大された一部の断面図である。 製造過程における図１に示す実施形態の、拡大された一部の断面図である。 図２に対応する、続く段階における、拡大された一部の断面図である。 続く段階における、拡大された断面図である。 製造の初期段階における、本発明の他の実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階における、図７に示している実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の他の実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った図９に示す実施形態の製造の初期段階の、拡大された一部の断面図である。 製造の続く段階における本発明の一実施形態に従った図１０に示す実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の他の実施形態に従った製造の続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の他の段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の後の段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の後の段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った図９に示す構造を形成するための他の技術に従った製造の初期段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階における図１６に示す実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の他の実施形態の、拡大された一部の断面図である。 製造の初期段階における図１８に示す実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った製造の続く段階における図２０に示す実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態に従った続く段階における、拡大された一部の断面図である。 本発明の他の実施形態の、拡大された一部の断面図である。 本発明の一実施形態におけるシステムの模式図である。

Claims (27)

1. 相変化メモリを形成する方法であって：
   半導体基板の一主表面上に絶縁体層を形成する段階；
   前記絶縁体層を貫いて形成されたパッセージ内に第１導電性材料による導体を形成する段階；
   前記導体上で、且つ前記パッセージ内に第２導電性材料による相変化材料ヒータを形成し、その表面が前記絶縁体層の表面と同一平面となるようにする段階；
   前記絶縁体層及び前記相変化材料ヒータ上に且つ前記半導体基板の前記主表面の前記主表面に対して実質的に平行に、平面的相変化材料層を形成する段階；並びに
   前記平面的相変化材料層上に上部電極を形成する段階；
   を有する方法であり、
   前記平面的相変化材料層と熱的に接触している前記相変化材料ヒータは前記平面的相変化材料層を加熱することが可能であり、前記導体を介して前記相変化材料ヒータに電流が供給される；
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記パッセージを形成するために電子ビームリソグラフィを用いる段階を有する、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記パッセージ内にサイドウォールスペーサを形成する段階を有する、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記導体は前記相変化材料ヒータと実質的に同じ幅を有する、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記導体は前記相変化材料ヒータより広い幅を有する、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記導体は絶縁体で覆われ、前記絶縁体内に前記導体に達する孔が形成され、前記孔内に前記相変化材料ヒータを形成する段階を有する、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、電子ビームリソグラフィを用いて前記孔を形成する段階を有する、方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、前記孔内にサイドウォールスペーサを形成する段階を有する、方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記導体はカップ形状の導体である、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記相変化材料ヒータはリング形状のヒータである、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記絶縁体層において開口が形成されて、該開口の壁の上に第２の絶縁体層が形成され、前記導体が中央に開口を有するように、前記第２の絶縁体層を導電材料で覆われ、絶縁体で前記開口が満たされ、そして前記導電材料の一部を除去して、リング形状の窪みが形成され、前記相変化材料ヒータを形成するように材料が前記窪みに満たされる、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記絶縁体層の上に形成したキセロゲルの上に前記平面的相変化材料層を形成する段階を有する、方法。
13. 半導体基板の一主表面上に形成された絶縁体層；
    前記絶縁体層を貫いて形成されたパッセージ内に形成された第１導電性材料による導体；
    前記導体上で、且つ前記パッセージ内に形成され、その表面が前記絶縁体層の表面と同一平面にある第２導電性材料による相変化材料ヒータ；
    前記絶縁体層及び前記相変化材料ヒータ上に且つ前記半導体基板の前記主表面の前記主表面に対して実質的に平行に形成された平面的相変化材料層；並びに
    前記平面的相変化材料層上に形成された上部電極；
    を有する相変化メモリであって、
    前記平面的相変化材料層と熱的に接触している前記相変化材料ヒータは前記平面的相変化材料層を加熱することが可能であり、前記導体を介して前記相変化材料ヒータに電流が供給される；
    相変化メモリ。
14. 請求項１３に記載の相変化メモリであって、前記パッセージはサイドウォールスペーサを有する、相変化メモリ。
15. 請求項１３に記載の相変化メモリであって、前記導体は前記相変化材料ヒータと実質的に同じ幅を有する、相変化メモリ。
16. 請求項１３に記載の相変化メモリであって、前記導体はカップ形状の導体である、相変化メモリ。
17. 請求項１３に記載の相変化メモリであって、前記相変化材料ヒータはリング形状であり、前記導体の上に形成される、相変化メモリ。
18. 請求項１６に記載の相変化メモリであって、前記導体は中央の開口によりカップ形状にされる、相変化メモリ。
19. 請求項１８に記載の相変化メモリであって、前記開口を絶縁体で満たす、ことを特徴とする相変化メモリ。
20. 請求項１３に記載の相変化メモリであって、前記導体は前記相変化材料ヒータより広い、相変化メモリ。
21. 基板；
    該基板の上の絶縁体；
    該絶縁体を貫通するパッセージ；
    前記パッセージ内に、その表面が前記絶縁体の表面と同一平面となるように形成されたヒータ；
    前記絶縁体及び前記ヒータの上の且つ前記基板に対して並行の平面的相変化材料層；
    前記平面的相変化材料層上に形成された上部電極；並びに
    前記基板と前記ヒータとの間の前記パッセージ内の導体；
    を有する相変化メモリ。
22. 請求項２１に記載の相変化メモリであって、前記導体は細長い形状の導体である、相変化メモリ。
23. 請求項２１に記載の相変化メモリであって、前記導体はカップ形状の導体である、相変化メモリ。
24. 請求項２２に記載の相変化メモリであって、前記ヒータはリング形状のヒータである、相変化メモリ。
25. 請求項２１に記載の相変化メモリであって、前記絶縁体と前記平面的相変化材料層との間にキセロゲルを有する、相変化メモリ。
26. 請求項２１に記載の相変化メモリであって、前記パッセージ内にサイドウォールスペーサを有する、相変化メモリ。
27. 請求項２１に記載の相変化メモリであって、前記導体は前記ヒータより広い、相変化メモリ。

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