KR100650720B1 - Phase-change memory device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화막과 상부전극(top electrode)간의 접촉면적을 감소시킴으로써, 상변화막의 상변화(phase change)에 필요한 전류량을 낮출 수 있으며, 상변화 기억 소자의 구동 스피드(speed) 능력을 향상시킬 수 있는 상변화 기억 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 상변화 기억 소자는, 소정의 하부구조가 구비된 반도체 기판 상에 형성되며, 상기 기판의 소정부분을 노출시키는 제1콘택홀들을 가진 제1절연막과, 상기 제1콘택홀들을 매립하는 도전플러그들과, 상기 도전플러그들을 포함한 상기 제1절연막 내에 상기 도전플러그들 사이의 기판의 일부를 노출시키도록 형성된 제2콘택홀과, 상기 제1절연막 상에 형성되어 상기 제2콘택홀을 매립하는 비트라인과, 상기 도전플러그들 및 비트라인을 포함한 상기 제1절연막 상에 형성되며 상기 도전플러그들을 노출시키는 제3콘택홀들 및 상기 제3콘택홀들 사이에 트렌치를 가진 제2절연막과, 상기 트렌치의 바닥면 및 측면을 덮도록 형성된 상부전극과, 상기 상부전극을 포함한 상기 트렌치를 매립하는 제3절연막과, 상기 제3콘택홀들을 매립하는 하부전극콘택들과, 상기 상부전극 및 하부전극콘택들을 포함한 상기 제2, 제3절연막 상에 형성되며, 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 각각의 상변화막 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention can reduce the amount of current required for the phase change of the phase change film by reducing the contact area between the phase change film and the top electrode, and improve the driving speed capability of the phase change memory device. A phase change memory device and a method of manufacturing the same are disclosed. The disclosed phase change memory device includes a first insulating layer having a first contact hole formed on a semiconductor substrate having a predetermined substructure and exposing a predetermined portion of the substrate, and filling the first contact holes. Conductive plugs; a second contact hole formed to expose a portion of the substrate between the conductive plugs in the first insulating film including the conductive plugs; and a second contact hole formed on the first insulating film. A buried bit line, a second insulating layer formed on the first insulating layer including the conductive plugs and the bit line and having a trench between the third contact holes and the third contact holes exposing the conductive plugs; And an upper electrode formed to cover the bottom and side surfaces of the trench, a third insulating layer to fill the trench including the upper electrode, and a lower electrode to fill the third contact holes. And a phase change layer pattern formed on the second and third insulating layers including the contacts and the upper and lower electrode contacts, and contacting the upper and lower electrode contacts.
Description
도 1은 상변화 기억 소자를 프로그램 및 소거시키는 방법을 설명하기 위한 그래프.1 is a graph for explaining a method of programming and erasing a phase change memory device.
도 2는 종래의 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view for explaining a conventional phase change memory element.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.4A to 4H are cross-sectional views illustrating processes for manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on main parts of drawing
40 : 반도체 기판 41 : 제1콘택홀40: semiconductor substrate 41: first contact hole
42 : 제1절연막 43 : 도전플러그42: first insulating film 43: conductive plug
44 : 제2콘택홀 45 : 비트라인44: second contact hole 45: bit line
46 : 제2절연막 47 : 트렌치46: second insulating film 47: trench
48 : 상부전극용 도전막 49 : 제3절연막48 conductive film for
48a : 상부전극 49a : 씨엠피후 잔류된 제3절연막48a:
50 : 제3콘택홀 51 : 하부전극콘택50: third contact hole 51: lower electrode contact
52 : 상변화막 53 : 하드마스크막 52: phase change film 53: hard mask film
52a : 상변화막 패턴 53a : 식각후 잔류된 하드마스크막52a: Phase
54 : 제4절연막 55 : 제4콘택홀54: fourth insulating film 55: fourth contact hole
56 : 상부전극콘택 57 : 금속패턴56: upper electrode contact 57: metal pattern
본 발명은 반도체 기억 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상변화막과 상부전극(top electrode)간의 접촉면적을 감소시킴으로써, 상변화막의 상변화(phase change)에 필요한 전류량을 낮추고, 상변화 기억 소자의 구동 스피드(speed) 능력을 향상시키기 위한 상변화 기억 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
반도체 기억 소자는 디램(dynamic random access Memory : DRAM) 및 에스램(static random access memory : SRAM)과 같이 시간이 지남에 따라 데이터를 잃어버리는 휘발성이면서 데이터의 입ㆍ출력이 빠른 램(RAM) 제품과, 한번 데이터를 입력하면 그 상태를 유지할 수 있지만 데이터의 입ㆍ출력이 느린 롬(read only memory : ROM) 제품으로 크게 구분할 수 있다. 이와 같은 전형적인 기억 소자들은 저장된 전하 유무에 따라 논리 '0' 또는 논리 '1'을 나타낸다. Semiconductor memory devices, such as DRAM (DRAM) and SRAM (Static Random Access Memory), are volatile and lose their data over time. Once the data is entered, it can be maintained, but it can be divided into read only memory (ROM) products that have slow input / output data. Such typical memory elements represent logic '0' or logic '1' depending on the stored charge.
여기서, 휘발성 기억 소자인 디램(DRAM)은 주기적인 리프레쉬(refresh) 동작이 필요하기 때문에 높은 전하저장 능력이 요구되며, 이로 인해 캐패시터 전극의 표면적을 증가시키기 위해 많은 노력이 시도되고 있다. 하지만 캐패시터 전극의 표 면적 증가는 디램 소자의 집적도 증가를 어렵게 한다. Here, the DRAM, which is a volatile memory device, requires high charge storage capability because periodic refresh operation is required, and thus, many efforts have been made to increase the surface area of the capacitor electrode. However, increasing the surface area of the capacitor electrode makes it difficult to increase the integration of the DRAM device.
한편, 불휘발성 메모리 장치는 거의 무기한의 축적용량을 갖는데, 특히, EEPROM(elecrtically erasable and programmable ROM)과 같이 전기적으로 입ㆍ출력이 가능한 플래쉬 기억(flash memory) 소자에 대한 수요가 늘고 있다. On the other hand, nonvolatile memory devices have almost indefinite storage capacities, and in particular, demand for flash memory devices that can be electrically input and output such as EEPROM (elecrtically erasable and programmable ROM) is increasing.
이러한 플래쉬 기억 셀은 일반적으로 실리콘 기판 상에 형성된 플로팅 게이트(floating gate)를 구비하는 수직 적층형 게이트 구조를 갖는다. 다층 게이트 구조는 전형적으로 하나 이상의 터널 산화막 또는 유전막과, 상기 플로팅 게이트의 상부 또는 주변에 형성된 컨트롤 게이트(control gate)를 포함하며, 상기 플래쉬 기억 셀의 데이타를 기입 또는 소거하는 원리는 상기 터널 산화막을 통하여 전하들을 터널링(tunneling)시키는 방법을 사용한다. 이때, 전원 전압에 비하여 높은 동작 전압이 요구된다. 이로 인하여, 상기 플래쉬 기억 소자들은 기입 및 소거 동작에 필요한 전압을 형성하기 위하여 승압 회로가 요구된다. Such flash memory cells generally have a vertically stacked gate structure with a floating gate formed on a silicon substrate. The multilayer gate structure typically includes one or more tunnel oxide or dielectric films and a control gate formed on or around the floating gate, wherein the principle of writing or erasing data in the flash memory cell is based on It uses a method of tunneling charges through. At this time, a higher operating voltage than the power supply voltage is required. As a result, the flash memory elements require a boosting circuit to form a voltage necessary for writing and erasing operations.
따라서 비휘발성 특성 및 임의 접근이 가능하고, 소자의 집적도도 증가시키면서 구조가 간단한 새로운 기억 소자를 개발하기 위한 많은 노력이 있었으며, 이에 따라 나타난 대표적인 것이 상변화 기억 소자(phase change random access memory ; PRAM)이다. Therefore, many efforts have been made to develop a new memory device having a non-volatile characteristic, random access, and a simple structure while increasing the integration of the device. A representative example is a phase change random access memory (PRAM). to be.
상변화 기억 소자는 상변화막으로서 칼코게나이드(chalcogenide)막을 널리 사용한다. 이때, 상기 칼코게나이드막은 게르마늄(Ge), 스티비움(Sb) 및 텔루리움(Te)을 함유하는 화합물막(이하, 'GST막' 이라 함)으로서, 상기 GST막은 제공되는 전류, 즉, 주울 열(joule heat)에 따라서 비정질(amorphouse) 상태와 결 정질(crystalline) 상태 사이에서 전기적으로 스위치(switch)된다. The phase change memory device widely uses a chalcogenide film as a phase change film. In this case, the chalcogenide film is a compound film containing germanium (Ge), stevidium (Sb), and tellurium (Te) (hereinafter referred to as a 'GST film'), wherein the GST film is provided with a current, that is, Joule The heat is electrically switched between the amorphous state and the crystalline state according to the joule heat.
도 1은 상변화 기억 소자를 프로그램 및 소거시키는 방법을 설명하기 위한 그래프로서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 상변화막에 가해지는 온도를 나타낸다. 1 is a graph for explaining a method of programming and erasing a phase change memory device, in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents temperature applied to the phase change film.
도 1에 도시된 바와 같이, 상변화막을 용융온도(melting temperature; Tm)보다 높은 온도에서 짧은시간(제1동작구간; t1) 동안 가열한 후에 빠른 속도로 냉각시키면(qenching) 상변화막은 비정질 상태(amorphous state)로 변한다(곡선 'A' 참조). 이에 반하여, 상기 상변화막을 용융온도(Tm)보다 낮고 결정화 온도(crystallization temperature; Tc) 보다 높은 온도에서 제1동작구간(t1) 보다 긴시간(제2동작구간; t2) 동안 가열한 후에 냉각시키면, 상변화막은 결정 상태(crystalline state)로 변한다(곡선 'B' 참조). As shown in FIG. 1, when the phase change film is heated at a temperature higher than the melting temperature (Tm) for a short time (first operating period; t 1 ) and then cooled rapidly (qenching), the phase change film is amorphous. Change to an amorphous state (see curve 'A'). On the contrary, the phase change film is heated at a temperature lower than the melting temperature Tm and higher than the crystallization temperature Tc for a longer time than the first operating period t 1 (second operating period; t 2 ). Upon cooling, the phase change film changes to a crystalline state (see curve 'B').
여기서, 비정질 상태를 갖는 상변화막의 비저항(resistivity)은 결정질 상태를 갖는 상변화막의 비저항보다 높다. 따라서, 읽기 모드에서 상기 상변화막을 통하여 흐르는 전류를 감지함으로써, 상기 상변화 기억 셀에 저장된 정보가 논리 '1'인지 또는 논리 '0'인지를 판별할 수 있다. Here, the resistivity of the phase change film having an amorphous state is higher than that of the phase change film having a crystalline state. Therefore, by sensing the current flowing through the phase change film in the read mode, it is possible to determine whether the information stored in the phase change memory cell is logic '1' or logic '0'.
상술한 바와 같이 상변화막의 상변화를 위해서는 주울 열이 필요하다. 통상적인 상변화 기억 소자에 있어서, 상변화막과 접촉하는 면적을 통해 높은 밀도의 전류를 흘려보내면 상변화막 접촉면의 결정 상태가 변하며, 상기 접촉면이 작으면 작을 수록 상변화 물질의 상태를 변화시키는데 필요한 전류 밀도는 작아진다. As described above, Joule heat is required for the phase change of the phase change film. In a conventional phase change memory device, when a high density of current flows through an area in contact with a phase change film, the crystal state of the phase change film contact surface changes, and the smaller the contact surface changes the state of the phase change material. The required current density is small.
도 2는 종래의 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a conventional phase change memory device.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 상변화 기억 소자는 하부전극(bottom electrode)(11)이 형성된 반도체 기판(10)과, 상기 하부전극(11) 상에 형성되어 상기 하부전극(11)의 소정 부분을 노출시키는 제1콘택홀(13)을 가진 제1절연막(12)과, 상기 제1콘택홀(13)을 매립하는 하부전극콘택(bottom electrode contact)(14)과, 상기 하부전극콘택(14)을 포함한 상기 제1절연막(12) 상에 형성되어 상기 하부전극콘택(14)을 노출시키는 제2콘택홀(16)을 가진 제2절연막(15)과, 상기 제2콘택홀(16)을 매립하는 상변화막(17)과, 상기 상변화막(17)을 포함한 상기 제2절연막(15) 상에 형성된 상부전극(top electrode)(18)을 포함한다. As shown in FIG. 2, the conventional phase change memory device includes a
이와 같은 종래의 상변화 기억 소자에서, 상기 하부전극(11) 및 상부전극(18) 사이에 전류가 흐르면, 상기 하부전극콘택(14)과 상기 상변화막(17)의 접촉면(19)을 통하는 전류 세기(즉, 열)에 따라 상기 접촉면(19)의 상변화막의 결정 상태가 변한다. 이때, 상변화막의 상태를 변화시키기 위해서 필요한 열은 상변화막(17)과 하부전극콘택(14)의 접촉면(19)에 직접적인 영향을 받는다. 따라서 상기 상변화막(17)과 하부전극콘택(14)간의 접촉면적은 가능한한 작아야 한다.In the conventional phase change memory device, when a current flows between the
하지만 이와 같은 종래의 상변화 기억 소자에서는, 상기 하부전극콘택(14)을 통해서 하부전극(11)과 상변화막(17)이 연결되기 때문에, 상기 상변화막(17)과 하부전극콘택(14)간의 접촉면적이 전적으로 콘택홀에 대한 사진 공정 한계에 제한을 받게 되어서 접촉면적을 감소시키는 데에 어려움이 따른다. 이에, 상변화에 필요한 전류량이 커지게 되며, 상변화 기억 소자의 구동 스피드(speed) 능력이 저하되는 문제점이 발생된다. However, in the conventional phase change memory device, since the
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상변화(phase change)가 일어나는 부분의 면적을 감소시킴으로써, 상변화막의 상변화에 필요한 전류량을 낮출 수 있으며, 상변화 기억 소자의 구동 스피드(speed) 능력을 향상시킬 수 있는 상변화 기억 소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and by reducing the area of the portion where the phase change occurs, it is possible to lower the amount of current required for the phase change of the phase change film, It is an object of the present invention to provide a phase change memory device capable of improving the driving speed capability and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상변화 기억 소자는, 소정의 하부구조가 구비된 반도체 기판 상에 형성되며, 상기 기판의 소정부분을 노출시키는 제1콘택홀들을 가진 제1절연막과, 상기 제1콘택홀들을 매립하는 도전플러그들과, 상기 도전플러그들을 포함한 상기 제1절연막 내에 상기 도전플러그들 사이의 기판의 일부를 노출시키도록 형성된 제2콘택홀과, 상기 제1절연막 상에 형성되어 상기 제2콘택홀을 매립하는 비트라인과, 상기 도전플러그들 및 비트라인을 포함한 상기 제1절연막 상에 형성되며 상기 도전플러그들을 노출시키는 제3콘택홀들 및 상기 제3콘택홀들 사이에 트렌치를 가진 제2절연막과, 상기 트렌치의 바닥면 및 측면을 덮도록 형성된 상부전극과, 상기 상부전극을 포함한 상기 트렌치를 매립하는 제3절연막과, 상기 제3콘택홀들을 매립하는 하부전극콘택들과, 상기 상부전극 및 하부전극콘택들을 포함한 상기 제2, 제3절연막 상에 형성되며, 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 각각의 상변화막 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a phase change memory device including: a first insulating layer formed on a semiconductor substrate having a predetermined substructure and having first contact holes exposing a predetermined portion of the substrate; Conductive plugs filling the first contact holes, a second contact hole formed to expose a portion of the substrate between the conductive plugs in the first insulating film including the conductive plugs, and formed on the first insulating film. And fill the second contact hole and between the third contact holes and the third contact holes formed on the first insulating layer including the conductive plugs and the bit line and exposing the conductive plugs. A second insulating film having a trench, an upper electrode formed to cover the bottom and side surfaces of the trench, a third insulating film filling the trench including the upper electrode, and the third cone A lower electrode contact filling the holes and formed on the second and third insulating layers including the upper electrode and the lower electrode contacts, and each of the phase change layer patterns contacting the upper electrode and the lower electrode contact. It is characterized by.
여기서, 상기 제2절연막은 HDP, USG, PSG, BPSG, SOG, HLD 및 TEOS 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 그리고, 상기 상부전극은 500Å 이하의 두께를 갖는다. 또한, 상기 상변화막 패턴은 상변화막 및 하드마스크막이 차례로 적층된 이중 구조로 이루어지며, 이때, 상기 상변화막은 GeSb2Te4막 및 Ge2Sb2Te5막 중 어느 하나로 이루어진다. 그리고, 상기 상변화막 패턴을 포함한 상기 제2, 제3절연막 상에 형성되며 상기 상부전극의 일부위를 노출시키는 제4콘택홀을 가진 제4절연막과, 상기 제4콘택홀을 매립하는 상부전극콘택과, 상기 상부전극콘택과 연결되는 금속패턴을 더 포함한다. Here, the second insulating film is made of any one selected from the group consisting of HDP, USG, PSG, BPSG, SOG, HLD, and TEOS oxide film. And, the upper electrode has a thickness of less than 500Å. In addition, the phase change layer pattern has a dual structure in which a phase change layer and a hard mask layer are sequentially stacked, wherein the phase change layer is formed of any one of a GeSb 2 Te 4 film and a Ge 2 Sb 2 Te 5 film. And a fourth insulating layer formed on the second and third insulating layers including the phase change layer pattern and having a fourth contact hole exposing a portion of the upper electrode, and an upper electrode filling the fourth contact hole. And a metal pattern connected to the contact and the upper electrode contact.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상변화 기억 소자의 제조방법은, 소정의 하부구조가 구비된 반도체 기판 상에 제1절연막을 형성하고 나서, 상기 제1절연막을 선택적으로 식각하여 상기 기판의 소정부분을 노출시키는 제1콘택홀들을 형성하는 단계; 상기 제1콘택홀들을 도전막으로 매립시켜 도전플러그들을 형성하는 단계; 상기 도전플러그들 사이의 기판의 일부를 노출시키도록 상기 제1절연막을 선택적으로 식각하여 제2콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제2콘택홀을 매립하도록 상기 제1절연막 상에 금속막을 증착한 다음, 이를 선택적으로 식각하여 비트라인을 형성하는 단계; 상기 도전플러그들 및 비트라인을 포함한 상기 제1절연막 상에 제2절연막을 형성하는 단계; 상기 제2절연막을 선택적으로 식각하여 상기 비트라인의 상부에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 포함한 상기 제2절연막 상에 상부전극용 도전막 및 제3절연막을 형성하는 단계; 상기 제2절연막이 노출될 때까지 상기 제3절연막 및 상부전극용 도전막을 씨엠피하여 상기 트렌치 의 바닥면 및 측면을 덮는 상부전극을 형성하는 단계; 상기 도전플러그들을 노출시키도록 상기 제2절연막을 선택적으로 식각하여 제3콘택홀들을 형성하는 단계; 상기 제3콘택홀들을 매립하는 하부전극콘택들을 형성하는 단계; 상기 결과물 상에 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 각각의 상변화막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, in the method of manufacturing a phase change memory device of the present invention for achieving the above object, by forming a first insulating film on a semiconductor substrate provided with a predetermined substructure, by selectively etching the first insulating film Forming first contact holes exposing a portion of the substrate; Filling the first contact holes with a conductive film to form conductive plugs; Selectively etching the first insulating layer to expose a portion of the substrate between the conductive plugs to form a second contact hole; Depositing a metal film on the first insulating layer to fill the second contact hole, and then selectively etching the metal layer to form a bit line; Forming a second insulating layer on the first insulating layer including the conductive plugs and the bit line; Selectively etching the second insulating layer to form a trench on the bit line; Forming an upper electrode conductive film and a third insulating film on the second insulating film including the trench; CMPing the third insulating layer and the conductive layer for the upper electrode until the second insulating layer is exposed to form an upper electrode covering the bottom and side surfaces of the trench; Selectively etching the second insulating layer to expose the conductive plugs to form third contact holes; Forming lower electrode contacts filling the third contact holes; And forming each phase change layer pattern on the resultant in contact with the upper electrode and the lower electrode contact.
여기서, 상기 상부전극용 도전막은 500Å 이하의 두께로 형성한다. 그리고, 상기 상변화막 패턴을 형성하는 단계는, 상기 결과물 상에 상변화막 및 하드마스크막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 하드마스크막 및 상변화막을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 상변화막 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.Here, the conductive film for the upper electrode is formed to a thickness of less than 500Å. The forming of the phase change layer pattern may include sequentially forming a phase change layer and a hard mask layer on the resultant, selectively etching the hard mask layer and the phase change layer to contact the upper electrode and the lower electrode contact. Forming a phase change film pattern in contact.
또한, 상변화막 패턴을 형성한 다음, 상기 상변화막 패턴을 포함한 상기 제2, 제3절연막 상에 제4절연막을 형성하고 나서, 상기 제4 및 제3절연막을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극의 일부위를 노출시키는 제4콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 제4콘택홀을 매립하는 상부전극콘택 및 상기 상부전극콘택과 연결되는 금속패턴을 각각 형성하는 단계를 더 추가한다. 이때, 상기 상부전극콘택 및 금속패턴은 동시에 형성한다. Further, after forming a phase change layer pattern, a fourth insulating layer is formed on the second and third insulating layers including the phase change layer pattern, and then the fourth and third insulating layers are selectively etched to form the upper electrode. Forming a fourth contact hole exposing a portion of the second contact hole, and forming a top electrode contact filling the fourth contact hole and a metal pattern connected to the upper electrode contact, respectively. In this case, the upper electrode contact and the metal pattern are simultaneously formed.
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 단면도 이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자는, 도 3에 도시된 바와 같이, 소정의 하부구조(미도시)가 구비된 반도체 기판(40) 상에 형성되며, 상기 기판(40)의 소정부분을 노출시키는 제1콘택홀(41)들을 가진 제1절연막(42)과, 상기 제1콘택홀(41)들을 매립하는 도전플러그(43)들과, 상기 도전플러그(43)들을 포함한 상기 제1절연막(42) 내에 상기 도전플러그(43)들 사이의 기판(40)의 일부를 노출시키도록 형성된 제2콘택홀(44)과, 상기 제1절연막(42) 상에 형성되어 상기 제2콘택홀(44)을 매립하는 비트라인(45)과, 상기 도전플러그(43)들 및 비트라인(45)을 포함한 상기 제1절연막(42) 상에 형성되며 상기 도전플러그(43)들을 노출시키는 제3콘택홀(50)들 및 상기 제3콘택홀(50)들 사이에 트렌치(47)를 가진 제2절연막(46)과, 상기 트렌치(47)의 바닥면 및 측면을 덮도록 형성된 상부전극(48a)과, 상기 상부전극(48a)을 포함한 상기 트렌치(47)를 매립하는 제3절연막(49a)과, 상기 제3콘택홀(50)들을 매립하는 하부전극콘택(51)들과, 상기 상부전극(49a) 및 하부전극콘택(51)들을 포함한 상기 제2, 제3절연막(46, 49a) 상에 상기 상부전극(48a) 및 하부전극콘택(51)과 접촉되는 각각의 상변화막 패턴(52a)을 포함한다. As shown in FIG. 3, the phase change memory device according to the exemplary embodiment of the present invention is formed on a
여기서, 상기 제2절연막(46)은 HDP, USG, PSG, BPSG, SOG, HLD 및 TEOS 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 그리고, 상기 상부전극(48a)은 폴리실리콘 계열 및 금속 계열 중 어느 하나의 물질로 이루어진다. 또한, 상기 상부전극(48a)은 500Å 이하의 두께를 갖으며, 이때, 상기 상부전극(48a)의 두께는 상변화막 패턴(52a)과 상기 상부전극(48a)간의 접촉면적을 결정짓게 된 다. 즉, 상기 상부전극(48a)은 500Å 이하의 얇은 두께를 갖으므로 상기 상변화막 패턴(52a)과 그만큼 작은 접촉면적을 갖으면서 접촉하게 된다. 또한, 상기 하부전극콘택(51)은 폴리실리콘 계열 및 금속 계열 중 어느 하나의 물질로 이루어진다.Here, the second insulating
한편, 상기 상변화막 패턴(52a) 상에는 하드마스크막(hard mask)막(53a)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 상변화막 패턴(52a)은 GST막으로 이루어지며, 상기 GST막으로는 GeSb2Te4막 및 Ge2Sb2Te5막 중 어느 하나를 이용한다. On the other hand, a
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자는, 상기 상변화막 패턴(52a) 및 하드마스크막(53a)을 포함한 상기 제2, 제3절연막(46, 49a) 상에 형성되며 상기 상부전극(48a)의 일부를 노출시키는 제4콘택홀(55)을 가진 제4절연막(54)과, 상기 제4콘택홀(55)을 매립하는 상부전극콘택(top electrode contact)(56)과, 상기 상부전극콘택(56)과 연결되는 금속패턴(57)을 더 포함한다. The phase change memory device according to the embodiment of the present invention is formed on the second and third insulating
이하에서는 도 3에 도시된 상변화 기억 소자의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing the phase change memory device shown in FIG. 3 will be described.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 4A to 4H are cross-sectional views illustrating processes of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부구조(미도시)가 구비된 반도체 기판(40) 상에 제1절연막(42)을 형성하고 나서, 상기 제1절연막(42)을 선택적으로 식각하여 상기 기판(40)의 소정부분을 노출시키는 제1콘택홀(41)들을 형성한다. 이어, 상기 제1콘택홀(41)들을 도전막으로 매립시켜 도전플러그(43)들을 형성한다.
In the method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4A, a first insulating
그런다음, 상기 도전플러그(43)들 사이의 기판(40)의 일부를 노출시키도록 상기 제1절연막(42)을 선택적으로 식각하여 제2콘택홀(44)을 형성한다. 계속해서, 상기 제2콘택홀(44)을 매립하도록 상기 제1절연막(42) 상에 금속막을 증착한 다음, 이를 선택적으로 식각하여 비트라인(45)을 형성한다. Thereafter, the first insulating
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 도전플러그(43)들 및 상기 비트라인(45)을 포함한 상기 제1절연막(42) 상에 제2절연막(46)을 형성한다. 여기서, 상기 제2절연막(46)으로는 HDP, USG, PSG, BPSG, SOG, HLD 및 TEOS 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 이용한다. 그런 후에, 상기 제2절연막(46)을 선택적으로 식각하여 상기 비트라인(45)의 상부에 트렌치(47)를 형성한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 4B, a second insulating
그리고나서, 상기 트렌치(47)를 포함한 상기 제2절연막(46) 상에 상부전극용 도전막(48)을 형성한다. 여기서, 상기 상부전극용 도전막(48)으로는 폴리실리콘막 및 금속막 중 어느 하나를 이용하며, 또한, 상기 상부전극용 도전막(48)은 500Å 이하의 두께로 형성한다. 이어, 상기 상부전극용 도전막(48) 상에 상기 트렌치(47)를 매립하도록 제3절연막(49)을 형성한다. Then, an upper electrode
한편, 상기 상부전극용 도전막(48)의 두께는, 이후에 형성될 상부전극과 상변화막과의 접촉면적을 결정짓게 된다. 즉, 상기 상부전극용 도전막(48)의 두께를 가능한 얇게 함으로써 상부전극과 상변화막간의 접촉면적을 작게 할 수 있다. 이러한 접촉면적을 결정짓는 상기 상부전극용 도전막(48)의 두께는 사진 공정의 한계에 의해 좌우되지 않기 때문에, 사진 공정의 한계 보다 더 낮은 치수로 형성할 수 있다.
On the other hand, the thickness of the upper electrode
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제2절연막(46)이 노출될 때까지 상기 제3절연막 및 상부전극용 도전막을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing ; 이하, 씨엠피)하여 상기 트렌치(47)의 바닥면 및 측면을 덮는 상부전극(48a)을 형성한다. 이때, 도 4c에서 미설명된 도면부호 49a는 씨엠피후 잔류된 제3절연막을 나타낸 것이다.Next, as shown in FIG. 4C, the trench is formed by chemical mechanical polishing (CMP) of the third insulating layer and the conductive layer for the upper electrode until the second insulating
그런다음, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 도전플러그(43)들을 노출시키도록 상기 제2절연막(46)을 선택적으로 식각하여 제3콘택홀(50)들을 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 4D, the second insulating
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 제3콘택홀(50)들을 도전막으로 매립하여 상기 도전플러그(43)들과 전기적으로 연결되는 하부전극콘택(51)들을 형성한다. 이때, 상기 하부전극콘택(51)은 폴리실리콘막 및 금속막 중 어느 하나로 이루어진다. 그 다음, 상기 결과물 상에 상변화막(52) 및 하드마스크막(53)을 차례로 형성한다. 여기서, 상기 상변화막(52)은 GST막으로 이루어지며, 이때, 상기 GST막으로는 GeSb2Te4막 및 Ge2Sb2Te5막 중 어느 하나를 이용한다. Subsequently, as shown in FIG. 4E, the third contact holes 50 are filled with a conductive film to form
그런 후, 도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 하드마스크막 및 상변화막을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극(48a) 및 하부전극콘택(51)과 접촉되는 상변화막 패턴(52a)들을 형성한다. 이때, 상기 도 4f에서 미설명된 도면부호 53a는 식각후 잔류된 하드마스크막을 나타낸 것이다. Thereafter, as illustrated in FIG. 4F, the hard mask layer and the phase change layer are selectively etched to form phase
다음으로, 도 4g에 도시된 바와 같이, 상기 상변화막 패턴(52a)과 그 상부의 식각후 잔류된 하드마스크막(53a)을 덮도록 제2, 제3절연막(46, 49a) 상에 제4절연막(54)을 형성한 후, 상기 제4절연막(54)과 제3절연막(49a)을 선택적으로 식각하여 상기 상부전극(48a)의 일부를 노출시키는 제4콘택홀(55)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 4G, the second and third insulating
이후, 도 4h에 도시된 바와 같이, 상기 제4콘택홀(55)을 매립하도록 상기 제4절연막(54) 상에 금속막을 형성한 후, 상기 금속막을 선택적으로 식각하여 상기 제4콘택홀(55)을 매립하는 상부전극콘택(56) 및 상기 상부전극콘택(56)과 연결되는 금속패턴(57)을 각각 형성한다. Thereafter, as shown in FIG. 4H, after forming a metal film on the fourth insulating
상기와 같은 공정을 통해 제조되는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자는, 상부전극과 상변화막 패턴간의 접촉면에서 상변화가 일어나도록 상기 상부전극을 먼저 형성하고 나서, 하부전극콘택을 형성한 후에, 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 상변화막 패턴을 형성한다. 이때, 본 발명은 상기 상부전극과 상변화막 패턴간의 접촉면적이 상기 상부전극의 두께에 의해 결정되도록 하여, 상기 상변화가 일어나는 부분의 면적을 종래의 사진 공정의 한계 보다 더 낮은 치수로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상변화막 패턴의 상변화에 필요한 전류량을 감소시킬 수 있다. In the phase change memory device according to the present invention manufactured through the above process, the upper electrode is first formed so that the phase change occurs at the contact surface between the upper electrode and the phase change film pattern, and then the lower electrode contact is formed. A phase change layer pattern is formed in contact with the upper electrode and the lower electrode contact. In this case, the present invention allows the contact area between the upper electrode and the phase change film pattern to be determined by the thickness of the upper electrode, so that the area of the portion where the phase change occurs can be formed to a dimension lower than the limit of the conventional photo process. Can be. Therefore, the present invention can reduce the amount of current required for the phase change of the phase change film pattern.
이상에서와 같이, 본 발명은 상부전극과 상변화막 패턴간의 접촉면에서 상변화가 일어나도록 상부전극을 먼저 형성하고 나서, 하부전극콘택을 형성한 후에, 상기 상부전극 및 하부전극콘택과 접촉되는 상변화막 패턴을 형성한다. 여기서, 본 발명은 상기 상부전극과 상기 상변화막 패턴간의 접촉면적이 상기 상부전극의 두께에 의해 결정될 수 있도록 한다. As described above, according to the present invention, an upper electrode is first formed so that a phase change occurs at the contact surface between the upper electrode and the phase change layer pattern, and then a lower electrode contact is formed, and then the image is in contact with the upper electrode and the lower electrode contact. A change film pattern is formed. Herein, the contact area between the upper electrode and the phase change layer pattern may be determined by the thickness of the upper electrode.
즉, 상기 상부전극의 두께는 증착 공정에 의해 원하는 치수로 형성할 수 있 기 때문에, 상기 상변화가 일어나는 부분의 면적을 종래의 사진 공정의 한계 보다 더 낮은 치수로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상변화에 필요한 전류량을 감소시킬 수 있으며, 상변화 기억 소자의 구동 스피드 능력을 향상시킬 수 있다. That is, since the thickness of the upper electrode can be formed in a desired dimension by the deposition process, the area of the portion where the phase change occurs can be formed in a dimension lower than the limit of the conventional photo process. Therefore, the present invention can reduce the amount of current required for the phase change, and can improve the drive speed capability of the phase change memory element.
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