KR101923428B1 - Phase Change Random Access Memory and method for manufacturing of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 상변화 물질막 내부에 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질, 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질을 이용하여 분리막을 형성함으로써, 셀 스위칭시 상변화 물질막을 구성하는 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하여 단위 면적당 조성 편차를 최소화한다. 또한, 상기 분리막을 통해 결정-비정질화시 결정립의 크기를 조절하고, 셀 저항 증가를 유도함으로써, 상변화 메모리 소자의 신뢰성을 보다 향상시킨다. The present invention relates to a phase-change memory device and a method of manufacturing the same. In the present invention, a separation membrane is formed by using a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity, During cell switching, elemental volatilization of the phase change material constituting the phase change material film is prevented to minimize compositional deviation per unit area. Also, the crystallinity of the phase-change memory device can be improved by controlling the size of crystal grains during crystal-amorphization through the separation film and inducing an increase in cell resistance.
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 물질의 조성 편차를 최소화할 수 있는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a phase-change memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a phase-change memory device capable of minimizing a compositional deviation of a phase-change material and a method of manufacturing the same.
정보 통신 분야의 급속한 발달과 정보 매체의 급속한 대중화에 따라 초고속 동작이 가능하고 대용량의 메모리 저장 능력을 가지는 차세대 반도체 메모리 소자에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.With the rapid development of the information and communication field and the rapid popularization of information media, there is an increasing demand for a next generation semiconductor memory device capable of high-speed operation and having a large memory capacity.
이러한 차세대 반도체 메모리 소자는 디램등의 휘발성 메모리 소자와 플래쉬 메모리등의 비휘발성 메모리 소자의 장점을 취하여 개발된 것으로서, PCRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory), STT-RAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory) 또는 PoRAM(Polymer Random Access Memory)등으로 대표될 수 있다.Such a next-generation semiconductor memory device has been developed by taking advantage of a volatile memory device such as a DRAM and a non-volatile memory device such as a flash memory. The memory device includes a phase change random access memory (PCRAM), a resistive random access memory (RRAM) Spin Transfer Torque Random Access Memory) or PoRAM (Polymer Random Access Memory).
차세대 반도체 메모리 소자 중, 상변화 물질을 적용한 PCRAM은 상변화 물질막의 결정 구조 변화에 의한 저항 차이를 이용하여 데이터 저장이 이루어지는 소자이다. 이러한 상변화 물질로서는, 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루늄(Te)으로 구성된 칼코겐 화합물(GST)이 사용될 수 있으며, 이러한 GST는 공급되는 전류의 크기 및 공급 시간에 의존하여 결정 구조가 달라진다.Among the next-generation semiconductor memory devices, PCRAM using a phase-change material is a device in which data is stored by using the difference in resistance due to the crystal structure change of the phase change material film. As the phase change material, a chalcogenide compound (GST) composed of germanium (Ge), antimony (Sb) and tellurium (Te) can be used. .
즉, 상변화 물질막에 높은 크기의 전류 펄스를 단시간 인가하여 상변화 물질막의 온도를 용융점 부근까지 높인 후, 급냉(약 1ns)시키면 열을 받은 상변화 물질막 부분은 저항이 높은 비정질 상태로 된다(리세트). 반면, 상대적으로 낮은 크기의 전류 펄스를 장시간 인가하여 상변화 물질막의 온도를 용융 온도보다 낮은 결정화 온도로 유지하여 결정화시킨 후, 냉각시키면 열을 받은 상변화 물질막 부분은 저항이 낮은 결정 상태가 된다(세트).That is, when the temperature of the phase change material film is increased to the vicinity of the melting point by applying a high-magnitude current pulse to the phase change material film for a short time, and then quenched (about 1 ns), the heat-affected phase change material film portion becomes amorphous with high resistance (Reset). On the other hand, when a relatively low-sized current pulse is applied for a long time to crystallize the phase-change material layer at a crystallization temperature lower than the melting temperature, and then cooled, the heat-affected phase change material layer portion becomes a crystalline state with low resistance (set).
이처럼 상변화 물질막은 그 결정 구조에 따라서 저항의 크기가 달라지는 특성(결정 상태는 저항이 작고, 비정질 상태는 저항이 크다)이 있는데, 이러한 저항 차이를 이용하여 "1" 또는 "0"의 데이터를 프로그램하고 소거하게 되는 것이다.As described above, the phase-change material film has characteristics of varying the resistance depending on the crystal structure (the crystalline state has a small resistance and the amorphous state has a large resistance). By using such a resistance difference, data of "1" or "0" It is programmed and erased.
한편, 공급되는 전류의 크기 및 공급 시간에 의존하여 상변화 물질막이 비정질/결정 상태로 변하는 영역을 상변화 영역이라고 하는데, 이러한 상변화 영역은 그 면적이 작을수록 유리하다. 왜냐하면 상변화 영역이 작을수록 적은 양의 전류를 인가하여 원하는 결정 구조를 얻을 수 있을 뿐 아니라 비정질/결정의 변화 제어 및 형성 속도가 개선되기 때문이다.On the other hand, the region where the phase change material film changes into the amorphous / crystalline state depending on the magnitude of the supplied current and the supply time is referred to as a phase change region. This is because, as the phase change region is smaller, a smaller amount of current is applied to obtain a desired crystal structure, and amorphous / crystal change control and formation speed are improved.
그러나, 통상적으로 상변화 물질막의 상부에 상부전극이 위치하므로 인가된 전류는 대부분 위를 향해 흐르게 된다. 그로 인해 비정질로 변하는 상변화 영역이 상변화 물질막내에 고르게 형성되지 못하고 하부전극의 상부에 편중되어 형성되는 현상이 발생한다. However, since the upper electrode is usually disposed on the phase change material film, most of the applied current flows upward. A phase change region which is changed into an amorphous state is not uniformly formed in the phase change material film and is formed in a biased state on the upper portion of the lower electrode.
또한, 이러한 결정-비정질화 시, 상변화 물질막에 인가되는 온도에 따라 상변화 물질의 원소가 휘발되며, 결정화시 원소의 결합상태에 따라 단위 면적당 원소의 분포가 달라져 신뢰성에 악영향을 주고 있다. Further, during the crystallization-amorphization, the phase change material is volatilized according to the temperature applied to the phase change material film, and the distribution of the element per unit area varies depending on the bonding state of the element during the crystallization, thereby adversely affecting the reliability.
도 1a 및 도 1b에는 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자에서의 결정-비정질화 과정이 도시되어 있다.FIGS. 1A and 1B illustrate a crystal-amorphization process in a planar cell type phase change memory device.
도 1a를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극(100)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(100) 상부에 층간절연막(102)을 관통하는 콘택(104)이 형성되어 있으며, 상기 콘택(104) 상부에 상변화 물질막(106)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 상변화 물질막(106) 상부에 상부전극(108)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1A, a lower electrode 100 is formed on a semiconductor substrate (not shown) on which a conventional access element is formed. A
여기서, 상기 상변화 물질막(106)은 낮은 크기의 전류를 장시간 인가한 후에 냉각시켜 저항이 낮은 결정 상태, 즉 세트 상태를 유지하고 있다.Here, the phase-
도 1b를 참조하면, 상기 결정 상태의 상변화 물질막(106)에 높은 크기의 전류를 인가한 뒤, 이를 급냉(약 1ns 미만)시킨다. 그러면, 상기 결정 상태의 상변화 물질막(106)의 일부가 저항이 높은 비정질 상태(110), 즉 리세트 상태를 이루게 된다. Referring to FIG. 1B, a high-magnitude current is applied to the crystalline phase-
이처럼, 상변화 물질막의 결정-비정질화 시, 상기 도 1b에 도시된 것과 같이, 비정질화된 상변화 영역(110)이 상변화 물질막(106)의 일부 영역에 편중되어 있다. 보다 구체적으로, 상기 상변화 영역(110)이 콘택(104)의 상부 영역에 편중되어 있다. 이러한 편중현상은 하부전극 및 상부전극간 전류 흐름에 의한 것으로서, 인가된 전류가 상부전극이 위치하고 있는 상부를 향해 흐르므로 전체 상변화 물질막 영역중에서 일부 영역에서만 비정질화가 일어나는 것이다. 1B, the amorphized
그러나, 이처럼 상변화 영역이 콘택 상부 영역에 편중될 경우, 단위 영역별 조성 편차가 심해지게 되어 결과적으로 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 악화되는 문제점이 있다. However, when the phase change region is biased to the contact upper region as described above, the compositional deviation per unit region becomes large, which results in a problem that the electrical characteristics of the phase change memory element deteriorate.
한편, 이러한 상변화 영역의 편중현상은 상변화 물질막이 절연막에 둘러싸여 있는 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자에서도 발생하고 있다. On the other hand, such biasing phenomenon of the phase change region occurs in a convolved cell type phase change memory element in which a phase change material film is surrounded by an insulating film.
도 2a 및 도 2b에는 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자에서의 결정-비정질화 과정이 도시되어 있다.FIGS. 2A and 2B illustrate a crystal-amorphization process in a confined cell type phase change memory device.
도 2a를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극 콘택(200)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극 콘택(200) 상부에 층간절연막(202)이 형성되어 있으며, 상기 층간절연막을 일부 식각하여 형성된 홀 내부에 하부전극(204)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(204) 상부에 스페이서 절연막(206)에 둘러싸인 상변화 물질막(208)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 스페이서 절연막(206) 및 상변화 물질막(208) 상부에 상부전극(210)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 2A, a
여기서, 상기 상변화 물질막(208)은 낮은 크기의 전류를 장시간 인가한 후에 냉각시켜 저항이 낮은 결정 상태, 즉 세트 상태를 유지하고 있다. Here, the phase
도 2b를 참조하면, 상기 결정 상태의 상변화 물질막(208)에 높은 크기의 전류를 인가한 뒤, 이를 급냉시킨다. 그러면, 상기 결정 상태의 상변화 물질막(208)의 일부가 저항이 높은 비정질 상태(212), 즉 리세트 상태를 이루게 된다.Referring to FIG. 2B, a high-magnitude current is applied to the phase-
이처럼, 결정-비정질화 시, 상기 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자에서와 마찬가지로 상변화 영역(212)의 편중 현상이 발생한다. 즉, 상기 도 2b에 도시된 것과 같이, 비정질의 상변화 영역(212)이 상변화 물질막(208)의 일부 영역에 편중되어 나타난다. 보다 구체적으로, 상기 상변화 영역(212)이 하부전극(204)의 상부 중심에 편중되어 있다.As described above, biasing phenomenon of the
이러한 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자에서의 편중현상 역시 하부전극 및 상부전극간 전류 흐름에 의한 것으로서, 이처럼 전체 상변화 물질막중에서 일부 영역에서만 비정질화가 일어날 경우, 단위 영역별 조성 편차가 심해지게 되어 결과적으로 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 악화되는 문제점이 있다.The bias phenomenon in such a confined cell type phase change memory device is also caused by the current flow between the lower electrode and the upper electrode. When the amorphization occurs only in a partial region of the entire phase change material film, the compositional deviation per unit region is increased As a result, the electrical characteristics of the phase change memory element deteriorate.
또한, 상기 플래너 셀 타입 및 컨파인드 셀 타입의 상변화 메모리 소자에 있어서의 상변화 물질막의 단위 영역별 조성 편차는 셀 스위칭시 인가되는 온도에 따라 상변화 물질 원소의 휘발에 의해서도 유발된다. The compositional deviation of the phase change material layer in the planar cell type and the confined cell type phase change memory device is also caused by the volatilization of the phase change material element depending on the temperature applied at the time of cell switching.
본 발명의 목적은, 상변화 물질의 원소 휘발을 방지할 수 있도록 하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a phase-change memory device capable of preventing elemental volatilization of a phase-change material and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은, 상변화 물질의 조성 편차를 최소화할 수 있도록 하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a phase-change memory device capable of minimizing a compositional deviation of a phase-change material and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은, 결정-비정질화시 결정립의 크기를 조절할 수 있도록 하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a phase-change memory device capable of controlling the size of crystal grains during crystal-amorphization and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은, 셀 저항 증가를 유도하여 신뢰성 향상을 도모할 수 있도록 하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다. It is another object of the present invention to provide a phase change memory device and a method of manufacturing the same, which can increase the cell resistance and improve the reliability.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는, 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 하부전극; 상기 하부전극 상부에 형성되며, 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 구비한 상변화 물질막; 및 상기 상변화 물질막 상부에 형성되어 있는 상부전극을 포함한다.A phase-change memory device according to an embodiment of the present invention includes: a lower electrode formed on a semiconductor substrate; A phase change material layer formed on the lower electrode and having a separation layer for preventing elemental volatilization of the phase change material; And an upper electrode formed on the phase change material layer.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는, 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 하부전극; 상기 하부전극 상부의 층간절연막을 관통하여 형성된 홀 내부에 도전막을 충전하여 형성된 콘택; 상기 콘택 상부에 형성되며, 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 가로막 형태의 분리막을 구비한 상변화 물질막; 및 상기 상변화 물질막 상부에 형성되어 있는 상부전극을 포함한다. A phase-change memory device according to an embodiment of the present invention includes: a lower electrode formed on a semiconductor substrate; A contact formed by filling a conductive film in a hole formed through the interlayer insulating film on the lower electrode; A phase change material film formed on the contact, the phase change material film having a barrier film type barrier film for preventing elemental volatilization of the phase change material; And an upper electrode formed on the phase change material layer.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는, 반도체 기판 상부에 형성되어 있는 하부전극 콘택; 상기 하부전극 콘택 상부의 층간절연막을 관통하여 형성된 홀의 하부에 도전막을 증착하여 형성된 하부전극; 상기 하부전극이 형성되어 있는 홀의 측벽에 형성되어 있는 스페이서 절연막; 상기 스페이서 절연막이 형성된 트렌치 내부에 세로막 형태로 형성되어 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막; 상기 분리막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질을 충전하여 형성된 다수개의 단위 상변화 물질막으로 이루어진 상변화 물질막; 및 상기 상변화 물질막 상부에 형성되어 있는 상부전극을 포함한다. A phase change memory device according to an embodiment of the present invention includes: a lower electrode contact formed on a semiconductor substrate; A lower electrode formed by depositing a conductive film on a lower portion of a hole formed through an interlayer insulating film on an upper portion of the lower electrode contact; A spacer insulating film formed on a sidewall of the hole in which the lower electrode is formed; A separation layer formed in the form of a vertical film inside the trench in which the spacer insulating film is formed to prevent elemental volatilization of the phase change material; A phase change material layer comprising a plurality of unit phase change material layers formed by filling a phase change material in a trench in which the separation layer is formed; And an upper electrode formed on the phase change material layer.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상부에 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 구비한 상변화 물질막을 형성하는 단계; 및 상기 상변화 물질막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a phase change memory device, including: forming a lower electrode on a semiconductor substrate; Forming a phase change material film on the lower electrode, the phase change material film including a separation film for preventing elemental volatilization of the phase change material; And forming an upper electrode on the phase change material layer.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상부에 층간절연막을 관통하는 홀을 형성한 뒤, 상기 홀 내부에 도전막을 충전하여 콘택을 형성하는 단계; 상기 콘택 상부에 제1 단위 상변화 물질막을 형성하는 단계; 상기 제1 단위 상변화 물질막 상부에, 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 형성하는 단계; 상기 분리막 상부에 제2 단위 상변화 물질막을 형성하여 상변화 물질막을 형성하는 단계; 및 상기 제1/제2 단위 상변화 물질막 및 분리막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a phase change memory device, including: forming a lower electrode on a semiconductor substrate; Forming a hole through the interlayer insulating film on the lower electrode, filling the hole with a conductive film to form a contact; Forming a first unit phase change material layer on the contact; Forming a separation membrane on the first unit phase change material film to prevent elemental volatilization of the phase change material; Forming a second unit phase change material layer on the separation layer to form a phase change material layer; And forming an upper electrode on the first / second unit phase change material layer and the separation layer.
본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판 상부에 하부전극 콘택을 형성하는 단계; 상기 하부전극 콘택 상부에 층간절연막을 관통하는 홀을 형성한 뒤, 상기 홀의 하부에 도전막을 증착하여 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극이 형성되어 있는 홀의 측벽에 스페이서 절연막을 형성하는 단계; 상기 스페이서 절연막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 세로막 형태로 형성하는 단계; 상기 분리막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질을 충전하여, 상기 분리막에 의해 분리 형성되는 다수개의 단위 상변화 물질막으로 이루어지는 상변화 물질막을 형성하는 단계; 및 상기 상변화 물질막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다. A method of fabricating a phase change memory device, comprising: forming a lower electrode contact on a semiconductor substrate; Forming a hole through the interlayer insulating film on the lower electrode contact, and depositing a conductive film on the lower portion of the hole to form a lower electrode; Forming a spacer insulating film on a sidewall of the hole in which the lower electrode is formed; Forming a separation film in a trench shape in the trench in which the spacer insulation film is formed to prevent elemental volatilization of the phase change material; Forming a phase change material layer including a plurality of unit phase change material layers separated by the separation layer by filling a phase change material in the trench in which the separation layer is formed; And forming an upper electrode on the phase change material layer.
본 발명에 의하면, 상변화 물질막 내부에 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질, 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질을 이용하여 분리막을 형성함으로써, 셀 스위칭시 상변화 물질막을 구성하는 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하여 단위 면적당 조성 편차를 최소화한다. 또한, 상기 분리막을 통해 결정-비정질화시 결정립의 크기를 조절하고, 셀 저항 증가를 유도함으로써, 상변화 메모리 소자의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.According to the present invention, a phase-change material layer is formed by using a material having a crystallization temperature of at least 400 ° C., a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity. Thereby preventing the elemental volatilization of the phase change material constituting the phase change material film during cell switching, thereby minimizing the composition deviation per unit area. In addition, it is possible to improve the reliability of the phase-change memory device by controlling the size of crystal grains during crystal-amorphization through the separation film and inducing an increase in cell resistance.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자에서의 결정-비정질화 과정을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자에서의 결정-비정질화 과정을 나타낸다.
도 3a 내지 도 3e은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자의 제조방법을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자의 제조방법을 나타낸다.FIGS. 1A and 1B illustrate a crystal-amorphization process in a planar cell type phase change memory device according to the prior art.
FIGS. 2A and 2B illustrate a crystallization-amorphization process in a confined cell type phase change memory device according to the prior art.
3A through 3E illustrate a planar cell type phase change memory device fabrication method according to a preferred embodiment of the present invention.
4A through 4E illustrate a method of fabricating a confined cell type phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 하기의 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, a phase change memory device and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the following drawings.
먼저, 도 3d에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자가 도시되어 있다.First, in FIG. 3D, a planar cell type phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention is shown.
도 3d를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극(300)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(300) 상부에 층간절연막(302)이 형성되어 있으며, 상기 층간절연막(302)을 관통하여 콘택(304)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 콘택(304) 상부에 다층 구조의 상변화 물질막(306-306a, 306b, 306c)이 형성되어 있으며, 그 상부에 상부전극(310)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 3D, a
상기 다층 구조의 상변화 물질막(306)은 본 발명의 핵심 구성으로서, 수직방향으로 적층되어 있는 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 사이에 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질로 이루어진 다수개의 분리막(308-308a, 308b)이 형성되어 있는 것이 특징이다.The phase
이처럼, 상변화 물질막(306) 사이에 가로막 형태의 분리막(308)을 형성할 경우, 상기 분리막(308)에 의해 전체 상변화 물질막(306)이 보다 얇은 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c)으로 나뉘게 된다. 그 결과, 저온(약 400도 이하)에서 휘발성을 갖는 상변화 물질 원소의 확산이 상기 분리막(308)에 의해 방지되어 균일한 조성이 유지됨은 물론, 결정-비정질화가 이루어지는 상변화 물질막의 면적 자체가 작아지게 되어 상변화 물질의 조성 편차를 최소화할 수 있게 된다.As described above, when the
한편, 도 4d에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자가 도시되어 있다.Meanwhile, FIG. 4D illustrates a convolved cell type phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4d를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극 콘택(400)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극 콘택(400) 상부에 층간절연막(402)이 형성되어 있으며, 상기 층간절연막(402)을 일부 식각하여 형성된 홀 내부에 하부전극(404)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극(404) 상부에 스페이서 절연막(406)에 의해 둘러싸인 다겹 구조의 상변화 물질막(412)이 형성되어 있으며, 그 상부에 상부전극(414)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 4D, a
상기 다겹 구조의 상변화 물질막(412)은 본 발명의 핵심 구성으로서, 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 사이에 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질로 이루어진 다수개의 분리막(410-410a, 410b)이 형성되어 있는 것이 특징이다.The phase-
이처럼, 상변화 물질막(412) 사이에 세로막 형태의 분리막(410)을 형성할 경우, 상기 분리막(410)에 의해 전체 상변화 물질막(412)이 보다 얇은 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c)으로 분리된다. 그 결과, 저온(약 400도 이하)에서 휘발성을 갖는 상변화 물질 원소의 확산이 상기 분리막(410)에 의해 방지되어 균일한 조성이 유지됨은 물론, 결정-비정질화가 이루어지는 상변화 물질막의 면적 자체가 작아지게 되어 상변화 물질의 조성 편차를 최소화할 수 있게 된다.When the
그러면, 하기의 도면들을 참조하여 상기 플래너 셀 타입 및 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자의 제조과정을 보다 구체적으로 살펴보기로 하자.Hereinafter, a manufacturing process of the planar cell type and the confined cell type phase change memory device will be described in more detail with reference to the drawings.
먼저, 도 3a 및 3e에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자의 제조방법이 도시되어 있다.3A and 3E illustrate a planar cell type phase change memory device fabrication method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극(300)을 형성한다. 그리고, 상기 하부전극(300) 상부에 층간절연막(302)을 증착한 뒤, 상기 층간절연막(302)을 관통하는 홀을 형성한다. 그리고, 상기 홀 내부에 도전막을 충전하여 콘택(304)을 형성한다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참조하면, 상기 콘택(304)이 형성되어 있는 반도체 기판 상부에 제1상변화 물질막(306a)을 형성한다. 이어서, 상기 제1상변화 물질막(306a) 상부에 제1분리막(308a)을 형성한다.Referring to FIG. 3B, a first phase
여기서, 상기 제1상변화 물질막(306a)은 Ge, Se, Te, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, Ge, Se, Te, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 형성할 수 있다. Here, the first phase
그리고, 상기 제1분리막(308a)은 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은, SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있으며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다. The
그리고, 상기 제1분리막(308a)은 통상의 화학적기상증착(CVD), 물리적기상증착(PVD), 원자층증착(ALD) 또는 스핀 코팅 공정으로 형성할 수 있다.The
도 3c를 참조하면, 상기 제1분리막(308a) 상부에 제2상변화 물질막(306b)을 형성한다. 그리고, 상기 제2상변화 물질막(306b) 상부에 제2분리막(308b)을 형성한다. 그리고, 상기 제2분리막(308b) 상부에 제3상변화 물질막(306c)을 형성함으로써, 본 발명의 핵심 구조인 다수개의 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 및 다수개의 단위 분리막(308a, 308b)으로 이루어진 다층 구조의 상변화 물질막(306)을 형성한다.Referring to FIG. 3C, a second phase
여기서, 상기 제2상변화 물질막(306b)과 제3상변화 물질막(306c)은 상기 제1상변화 물질막(306a)과 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1상변화 물질막(306a), 제2상변화 물질막(306b), 제3상변화 물질막(306c)을 모두 동일한 상변화 물질로 형성하거나, 각각 서로 다른 물질로 형성할 수 있다. Here, the second phase
그리고, 상기 제2분리막(308b) 또한 CVD, PVD, ALD 또는 스핀 코팅 공정을 이용하여 상기 제1분리막(308a)과 동일한 물질로 형성하거나 서로 다른 물질로 형성할 수 있다.The
도 3d를 참조하면, 상기 제3상변화 물질막(306c) 상부에 상부전극(310)을 형성한다.Referring to FIG. 3D, an
도 3e를 참조하면, 결정 상태를 이루고 있는 상변화 물질막(306)에 높은 크기의 전류를 인가한 뒤, 이를 급냉(약 1ns 미만)시킨다. 그러면, 상기 결정 상태를 이루고 있던 각각의 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c)의 일부가 비정질 상태로 천이하여 각각의 상변화 영역(312a, 312b, 312c)을 형성하게 된다. 즉, 제1상변화 물질막(306a) 내부에는 제1상변화 영역(312a), 제2상변화 물질막(306b) 내부에는 제2상변화 영역(312b), 제3상변화 물질막(306c) 내부에는 제3상변화 영역(312c)이 각각 독립적으로 형성된다.Referring to FIG. 3E, a high-magnitude current is applied to the crystalline phase-
상기 상변화 물질막(306) 내부에는 두 개의 단위 분리막(308a, 308b)이 등간격으로 삽입 형성되어 있어, 전체 상변화 물질막(306)은 동일한 면적을 가지는 다수개의 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c)으로 분리된 상태이다. 이러한 분리막(308a, 308b)에 의해서 셀 스위칭 시, 상변화 물질 원소의 휘발이 방지되어 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c)의 조성이 균일하게 유지됨은 물론, 결정-비정질화가 이루어지는 상변화 물질막의 면적 자체가 작아지게 되어 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 내부에 상변화 영역(312a, 312b, 312c)이 고르게 형성되는 것이다.Two
종래 기술에 따른 플래너 셀 타입 상변화 메모리 소자에 있어서는, 전체 상변화 물질막의 조성 편차가 심해 상변화 영역이 일부 영역에 편중되어 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 불량한 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에서는 가로막 형태의 분리막에 의해 다수개로 나뉘어진 단위 상변화 물질막 내부에 상변화 영역이 고르게 형성됨으로 인하여 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. In the planar cell type phase change memory device according to the related art, there is a problem that the compositional deviation of the entire phase change material film is concentrated in a part of the deep phase change region and the electrical characteristics of the phase change memory element are poor. However, in the present invention, since the phase change region is uniformly formed in the unit phase change material film divided into a plurality of unit film by the diaphragm type separation membrane, the electrical characteristics of the phase change memory element can be improved.
한편, 상기 다수개의 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 및 다수개의 단위 분리막(308a, 308b)으로 이루어진 다층 구조의 상변화 물질막(306)을 형성함에 있어서, 단위 상변화 물질막과 단위 분리막의 개수 및 두께는 설계자에 의해 자유롭게 변경될 수 있다.Meanwhile, in forming the multi-layered phase
통상적으로, PCRAM의 경우, 결정립의 크기를 조절하거나 첨가물(예컨대, Si, C, N등)을 이용하여 셀 저항을 조절할 수 있다. 그러므로, 원하는 셀 저항을 얻기 위하여 결정립의 크기를 미리 계산한 뒤, 상기 상변화 물질막의 종류 및 두께, 그리고 분리막의 종류 및 두께를 결정하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 도 3d에 도시된 것과 같이, 상변화 물질막 내부에 두 개의 단위 분리막(308a, 308b)을 등간격으로 배치하거나, 결정립 크기 계산에 의한 지정 간격으로 배치함으로써, 셀 저항을 자유롭게 조절하여 낮은 동작 전류를 갖는 상변화 메모리 소자를 제조할 수 있다.Typically, in the case of PCRAM, the cell resistance can be controlled by adjusting the size of the crystal grains or by using additives (e.g., Si, C, N, etc.). Therefore, it is preferable to determine the type and thickness of the phase change material layer, and the type and thickness of the separation layer after previously calculating the size of the crystal grain to obtain a desired cell resistance. Therefore, as shown in FIG. 3D, two
그리고, 상기 도 3e에는 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 내부의 상변화 영역(312a, 312b, 312c)이 동일한 면적으로 형성된 상태가 도시되어 있다. 그러나, 이러한 상변화 영역(312a, 312b, 312c)의 면적 또한 각각 개별적으로 제어할 수 있다. 즉, 상기 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c)에 인가되는 전류량을 개별적으로 조절하여 각각의 단위 상변화 물질막(306a, 306b, 306c) 내부에 형성되는 상변화 영역(312a, 312b, 312c)이 독립적으로 형성될 수 있도록 함으로써, 원하는 셀 저항을 얻을 수 있게 된다. 3E shows a state where the phase change regions 312a, 312b, and 312c in the unit phase
한편, 도 4a 및 도 4e에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자의 제조방법이 도시되어 있다.4A and 4E illustrate a method of fabricating a conformed cell type phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 통상의 억세스 소자가 형성되어 있는 반도체 기판(도시되지 않음) 상부에 하부전극 콘택(400)을 형성한다. 그리고, 상기 하부전극 콘택(400) 상부에 층간절연막(402)을 증착한 뒤, 상기 층간절연막(402)을 관통하는 홀을 형성한다. 그리고, 상기 홀 내부의 바텀 영역에 도전막을 증착하여 하부전극(404)을 형성한다.Referring to FIG. 4A, a
그리고, 상기 하부전극(404)이 형성되어 있는 홀 내부의 측벽에 스페이서 절연막(406)을 형성하여 상변화 물질막이 형성되어질 트렌치(408)를 형성한다. A
도 4b를 참조하면, 상기 트렌치(408) 내부에 제1분리막(410a) 및 제2분리막(410b)으로 구성되는 분리막(410)을 형성한다. 여기서, 상기 제1분리막(410a) 및 제2분리막(410b)은 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은, SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있으며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다. 그리고, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물일 수 있다.Referring to FIG. 4B, a
그리고, 상기 제1분리막(410a) 및 제2분리막(410b)은 통상의 화학적기상증착(CVD), 물리적기상증착(PVD), 원자층증착(ALD) 또는 스핀 코팅 공정으로 형성할 수 있다.The first and
도 4c를 참조하면, 상기 분리막(410)이 형성되어 있는 트렌치(408) 내부에 상변화 물질을 충전한다. 이때, 상기 상변화 물질은 Ge, Se, Te, 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, Ge, Se, Te, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O, N 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4C, a phase change material is filled in the
이처럼, 상기 두 개의 단위 분리막(410a, 410b)이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질을 충전하게 되면, 이미 소정 간격으로 이격 형성되어 있는 상기 단위 분리막(410a, 410b)에 의해 모두 세 개의 단위 상변화 물질막(412-412a, 412b, 412c)이 형성된다. 이로써, 본 발명의 핵심 구조인 다수개의 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 및 다수개의 단위 분리막(410a, 410b)으로 이루어진 다겹 구조의 상변화 물질막(412)이 구현된다.When the phase change material is filled in the trenches in which the two
도 4d를 참조하면, 상기 다겹 구조의 상변화 물질막(412) 상부에 상부전극(414)을 형성한다.Referring to FIG. 4D, an
도 4e를 참조하면, 결정 상태를 이루고 있는 상변화 물질막(412)에 높은 크기의 전류를 인가한 뒤, 이를 급냉(약 1ns 미만)시킨다. 그러면, 상기 결정 상태를 이루고 있던 각각의 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c)의 일부가 비정질 상태로 천이하여 각각의 상변화 영역을 형성하게 된다. 즉, 제1상변화 물질막(412a) 내부에는 제1상변화 영역(416a), 제2상변화 물질막(412b) 내부에는 제2상변화 영역(416b), 제3상변화 물질막(412c) 내부에는 제3상변화 영역(416c)이 각각 독립적으로 형성된다.Referring to FIG. 4E, a high-magnitude current is applied to the crystalline phase-
이때, 상기 상변화 물질막(412) 내부에 두 개의 분리막(410a, 410b)이 등간격으로 삽입 형성되어 있어, 전체 상변화 물질막(412)은 동일한 면적을 가지는 다수개의 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c)으로 분리된 상태이다. 이러한 단위 분리막(410a, 410b)에 의해서 셀 스위칭시 상변화 물질 원소의 휘발이 방지되어 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c)의 조성이 균일하게 유지됨은 물론, 결정-비정질화가 이루어지는 상변화 물질막의 면적 자체가 작아지게 되어 상기 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 내부에 상변화 영역(416a, 416b, 416c)이 고르게 형성되는 것이다. At this time, two
종래 기술에 따른 컨파인드 셀 타입 상변화 메모리 소자에 있어서는, 전체 상변화 물질막의 조성 편차가 심해 상변화 영역이 일부 영역에 편중되어 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 불량한 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에서는 세로막 형태의 분리막에 의해 다수개로 나뉘어진 단위 상변화 물질막 내부에 상변화 영역이 고르게 형성됨으로 인하여 상변화 메모리 소자의 전기적 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. In the convolved cell type phase-change memory device according to the related art, there is a problem that the compositional deviation of the entire phase-change material film is concentrated in a part of the deep-sea phase change region and the electrical characteristics of the phase-change memory device are poor. However, in the present invention, since the phase change region is uniformly formed in the unit phase change material film divided into a plurality of unit film by the longitudinal film type separation membrane, the electrical characteristics of the phase change memory element can be improved.
한편, 상기 다수개의 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 및 다수개의 단위 분리막(410a, 410b)으로 이루어진 다겹 구조의 상변화 물질막(412)을 형성함에 있어서, 단위 상변화 물질막과 단위 분리막의 개수 및 두께는 설계자에 의해 자유롭게 변경될 수 있다.Meanwhile, in forming the multi-layered phase
통상적으로, PCRAM의 경우, 결정립의 크기를 조절하거나 첨가물(예컨대, Si, C, N등)을 이용하여 셀 저항을 조절할 수 있다. 그러므로, 원하는 셀 저항을 얻기 위하여 결정립의 크기를 미리 계산한 뒤, 상기 상변화 물질막의 종류 및 두께, 그리고 분리막의 종류 및 두께를 결정하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 도 4b에 도시된 것과 같이, 상변화 물질막이 채워질 트렌치 내부에 두 개의 단위 분리막(410a, 410b)을 등간격으로 배치하거나, 결정립 크기 계산에 의한 지정 간격으로 배치함으로써, 셀 저항을 자유롭게 조절하여 낮은 동작 전류를 갖는 상변화 메모리 소자를 제조할 수 있다.Typically, in the case of PCRAM, the cell resistance can be controlled by adjusting the size of the crystal grains or by using additives (e.g., Si, C, N, etc.). Therefore, it is preferable to determine the type and thickness of the phase change material layer, and the type and thickness of the separation layer after previously calculating the size of the crystal grain to obtain a desired cell resistance. Therefore, as shown in FIG. 4B, two
그리고, 상기 도 4e에는 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 내부의 상변화 영역(416a, 416b, 416c)이 동일한 면적으로 형성된 상태가 도시되어 있다. 그러나, 이러한 상변화 영역(416a, 416b, 416c)의 면적 또한 각각 개별적으로 제어할 수 있다. 즉, 상기 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c)에 인가되는 전류량을 개별적으로 조절하여 각각의 단위 상변화 물질막(412a, 412b, 412c) 내부에 형성되는 상변화 영역(416a, 416b, 416c)이 독립적으로 형성될 수 있도록 함으로써, 원하는 셀 저항을 얻을 수 있게 된다.4E, the
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상변화 물질막 내부에 ① 결정화 온도가 400도 이상인 물질, ② low-k 물질 또는 high-k 물질, ③ 전기전도율이 낮은 물질, 또는 ④ 열전도율이 낮은 물질을 삽입하여 분리막을 형성함으로써, 셀 스위칭시 상변화 물질막을 구성하는 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하여 단위 면적당 조성 편차를 최소화한다. 또한, 상기 분리막을 통해 결정-비정질화시 결정립의 크기를 조절하고, 셀 저항 증가를 유도함으로써, 상변화 메모리 소자의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.As described above, in the present invention, a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity is inserted By forming a separation membrane, elemental volatilization of the phase change material constituting the phase change material film is prevented during cell switching, thereby minimizing compositional deviation per unit area. In addition, it is possible to improve the reliability of the phase-change memory device by controlling the size of crystal grains during crystal-amorphization through the separation film and inducing an increase in cell resistance.
본 발명에서는 플래너 셀 타입 및 컨파인드 셀 타입을 예로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상변화 물질막을 적용하는 상변화 메모리 소자에 전반적으로 적용할 수 있다.The planar cell type and the confined cell type are described as an example, but the present invention is not limited thereto, and the present invention can be generally applied to a phase change memory device using a phase change material film.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 개략적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It can be understood that It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
300: 하부전극 302: 층간절연막
304: 콘택 306: 상변화 물질막
308: 분리막 310: 상부전극
312a, 312b, 312c: 상변화 영역 400: 하부전극 콘택
402: 층간절연막 404: 하부전극
406: 스페이서 절연막 408: 트렌치
410: 분리막 412: 상변화 물질막
414: 상부전극 416a, 416b, 416c: 상변화 영역300: lower electrode 302: interlayer insulating film
304: contact 306: phase change material film
308: separator 310: upper electrode
312a, 312b, and 312c: phase change region 400: lower electrode contact
402: interlayer insulating film 404: lower electrode
406: spacer insulating film 408: trench
410: separator 412: phase change material film
414:
Claims (30)
상기 하부전극 상부에 형성되며, 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 구비한 상변화 물질막; 및
상기 상변화 물질막 상부에 형성되어 있는 상부전극을 포함하며,
상기 분리막은 상기 상변화 물질막 내부에 하나 또는 그 이상 복수개로 형성되어 상기 상변화 물질막을 복수의 박막으로 분리하며,
상기 분리막은 결정화 온도가 400도 이상인 물질, low-k 물질 또는 high-k 물질, 전기전도율이 낮은 물질 또는 열전도율이 낮은 물질로 형성되고,
상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은 SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물이며, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물인 상변화 메모리 소자.A lower electrode formed on a semiconductor substrate;
A phase change material layer formed on the lower electrode and having a separation layer for preventing elemental volatilization of the phase change material; And
And an upper electrode formed on the phase change material layer,
The separation membrane is formed in the phase-change material layer in a plurality of or more than one, to separate the phase-change material layer into a plurality of thin films,
The separation membrane may be formed of a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity,
Material wherein the crystallization temperature is at least 400 degrees is SiO 2, Si 3 N 4, and an oxide or nitride, such as Nb 2 O 5, wherein the low-k materials are metal oxides such as Si 3 N 4, SiO 2, SiON, SiOC , and Wherein the high-k material is a metal oxide or a metal nitride such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , or HfZrO 3, and the low electrical conductivity material is Si 3 N 4 , A metal oxide such as SiO 2 , SiON, SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 and HfZrO 3 and a metal nitride, and the low thermal conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON , SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , HfZrO 3 and metal nitride.
상기 하부전극 상부에 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 구비한 상변화 물질막을 형성하는 단계; 및
상기 상변화 물질막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 분리막은 상기 상변화 물질막 내부에 하나 또는 그 이상 복수개로 형성되어 상기 상변화 물질막을 복수의 박막으로 분리하며,
상기 분리막은 결정화 온도가 400도 이상인 물질, low-k 물질 또는 high-k 물질, 전기전도율이 낮은 물질 또는 열전도율이 낮은 물질로 형성되고,
상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은 SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물이며, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SION, SIOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물인 상변화 메모리 소자의 제조방법.Forming a lower electrode on a semiconductor substrate;
Forming a phase change material film on the lower electrode, the phase change material film including a separation film for preventing elemental volatilization of the phase change material; And
Forming an upper electrode over the phase change material layer,
The separation membrane is formed in the phase-change material layer in a plurality of or more than one, to separate the phase-change material layer into a plurality of thin films,
The separation membrane may be formed of a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity,
Material wherein the crystallization temperature is at least 400 degrees is SiO 2, Si 3 N 4, and an oxide or nitride, such as Nb 2 O 5, wherein the low-k materials are metal oxides such as Si 3 N 4, SiO 2, SiON, SiOC , and Wherein the high-k material is a metal oxide or a metal nitride such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , or HfZrO 3, and the low electrical conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , SION, SIOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , HfZrO 3 and the like, and the low thermal conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON , SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , HfZrO 3 , and metal nitride.
상기 하부전극 콘택 상부의 층간절연막을 관통하여 형성된 홀의 하부에 도전막을 증착하여 형성된 하부전극;
상기 하부전극이 형성되어 있는 홀의 측벽에 형성되어 있는 스페이서 절연막;
상기 스페이서 절연막이 형성된 트렌치 내부에 세로막 형태로 형성되어 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막;
상기 분리막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질을 충전하여 형성된 다수개의 단위 상변화 물질막으로 이루어진 상변화 물질막; 및
상기 상변화 물질막 상부에 형성되어 있는 상부전극을 포함하며,
상기 분리막은 상기 상변화 물질막 내부에 하나 또는 그 이상 복수개로 형성되어 상기 상변화 물질막을 복수의 박막으로 분리하며,
상기 분리막은 결정화 온도가 400도 이상인 물질, low-k 물질 또는 high-k 물질, 전기전도율이 낮은 물질 또는 열전도율이 낮은 물질로 형성되고,
상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은, SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물이며, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물인 상변화 메모리 소자.A lower electrode contact formed on a semiconductor substrate;
A lower electrode formed by depositing a conductive film on a lower portion of a hole formed through an interlayer insulating film on an upper portion of the lower electrode contact;
A spacer insulating film formed on a sidewall of the hole in which the lower electrode is formed;
A separation layer formed in the form of a vertical film inside the trench in which the spacer insulating film is formed to prevent elemental volatilization of the phase change material;
A phase change material layer comprising a plurality of unit phase change material layers formed by filling a phase change material in a trench in which the separation layer is formed; And
And an upper electrode formed on the phase change material layer,
The separation membrane is formed in the phase-change material layer in a plurality of or more than one, to separate the phase-change material layer into a plurality of thin films,
The separation membrane may be formed of a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity,
The low-k material may be a metal oxide such as Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON, or SiOC. The low-k material may be an oxide or nitride of SiO 2 , Si 3 N 4 , Nb 2 O 5 , Wherein the high-k material is a metal oxide or a metal nitride such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 or HfZrO 3, and the low electrical conductivity material is Si 3 N 4 , A metal oxide such as SiO 2 , SiON, SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 and HfZrO 3 and a metal nitride, and the low thermal conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON , SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , HfZrO 3 and metal nitride.
상기 하부전극 콘택 상부에 층간절연막을 관통하는 홀을 형성한 뒤, 상기 홀의 하부에 도전막을 증착하여 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부전극이 형성되어 있는 홀의 측벽에 스페이서 절연막을 형성하는 단계;
상기 스페이서 절연막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질의 원소 휘발을 방지하는 분리막을 세로막 형태로 형성하는 단계;
상기 분리막이 형성되어 있는 트렌치 내부에 상변화 물질을 충전하여, 상기 분리막에 의해 분리 형성되는 다수개의 단위 상변화 물질막으로 이루어지는 상변화 물질막을 형성하는 단계; 및
상기 상변화 물질막 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 분리막은 상기 상변화 물질막 내부에 하나 또는 그 이상 복수개로 형성되어 상기 상변화 물질막을 복수의 박막으로 분리하며,
상기 분리막은 결정화 온도가 400도 이상인 물질, low-k 물질 또는 high-k 물질, 전기전도율이 낮은 물질 또는 열전도율이 낮은 물질로 형성되고,
상기 결정화 온도가 400도 이상인 물질은, SiO2, Si3N4, Nb2O5등의 산화물 또는 질화물이며, 상기 low-k 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 high-k 물질은 Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 전기전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물이며, 상기 열전도율이 낮은 물질은 Si3N4, SiO2, SiON, SiOC, Ta2O5, TiO2, HfO2, ZrO2, HfSiO3, HfZrO3등의 금속 산화물 및 금속 질화물인 상변화 메모리 소자의 제조방법.Forming a lower electrode contact over the semiconductor substrate;
Forming a hole through the interlayer insulating film on the lower electrode contact, and depositing a conductive film on the lower portion of the hole to form a lower electrode;
Forming a spacer insulating film on a sidewall of the hole in which the lower electrode is formed;
Forming a separation film in a trench shape in the trench in which the spacer insulation film is formed to prevent elemental volatilization of the phase change material;
Forming a phase change material layer including a plurality of unit phase change material layers separated by the separation layer by filling a phase change material in the trench in which the separation layer is formed; And
Forming an upper electrode over the phase change material layer,
The separation membrane is formed in the phase-change material layer in a plurality of or more than one, to separate the phase-change material layer into a plurality of thin films,
The separation membrane may be formed of a material having a crystallization temperature of 400 ° C or higher, a low-k material or a high-k material, a material having a low electrical conductivity, or a material having a low thermal conductivity,
The low-k material may be a metal oxide such as Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON, or SiOC. The low-k material may be an oxide or nitride of SiO 2 , Si 3 N 4 , Nb 2 O 5 , Wherein the high-k material is a metal oxide or a metal nitride such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , or HfZrO 3, and the low electrical conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON, SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 and HfZrO 3, and the low thermal conductivity material is Si 3 N 4 , SiO 2 , Wherein the metal oxide is a metal oxide such as SiON, SiOC, Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , HfSiO 3 , HfZrO 3 and metal nitride.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) |