KR20060001053A - Phase-change memory device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하부전극과 상변환막과의 접촉면적을 줄여 전류량을 감소시킬 수 있는 상변환 기억 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 하부패턴이 구비된 반도체 기판; 상기 하부패턴을 덮도록 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성된 콘택플러그; 상기 콘택플러그 상에 형성되며 상부에 베리어막을 구비한 하부전극; 상기 하부전극 측면의 층간절연막 상에 상기 하부전극과 접하도록 형성된 제1산화막; 상기 제1산화막 상에 상기 하부전극 측면 상부를 노출시키도록 형성된 제2산화막; 상기 노출된 하부전극 측면 상부와 콘택되도록 베리어막과 제1산화막 및 제2산화막 상에 형성된 상변환막; 및 상기 상변환막 상에 형성된 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a phase change memory device capable of reducing the amount of current by reducing the contact area between the lower electrode and the phase change film and a method of manufacturing the same. Disclosed is a semiconductor substrate having a lower pattern; An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate to cover the lower pattern; A contact plug formed in the interlayer insulating film; A lower electrode formed on the contact plug and having a barrier film thereon; A first oxide layer formed on the interlayer insulating layer on the side of the lower electrode to contact the lower electrode; A second oxide film formed on the first oxide film to expose an upper portion of the lower electrode side surface; A phase conversion film formed on the barrier film, the first oxide film, and the second oxide film to contact the exposed lower electrode side upper portion; And an upper electrode formed on the phase conversion film.
Description
도 1은 상변환 메모리 셀을 프로그램 및 소거시키는 방법을 설명하기 위한 도면.1 is a diagram for explaining a method of programming and erasing a phase change memory cell.
도 2는 종래 상변환 메모리 셀을 설명하기 위한 도면.2 is a diagram for explaining a conventional phase change memory cell.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변환 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 4f는 본 발명의 실시예에 따른 상변환 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.4A to 4F are cross-sectional views of steps for explaining a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
21 : 반도체 기판 22 : 층간절연막21
23 : 콘택플러그 24 : 하부전극23
25 : 제1베리어막 26 : 제1산화막25: first barrier film 26: first oxide film
27 : 제2산화막 28 : 상변환막27: second oxide film 28: phase change film
29 : 상부전극 30 : 제2베리어막29: upper electrode 30: second barrier film
본 발명은 상변환 기억 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하부전극과 상변화막과의 접촉면적을 줄여 전류량을 감소시킬 수 있는 상변환 기억 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 전원이 차단되더라도 저장된 데이터가 소멸되지 않는 특징을 갖는 플래쉬 메모리 소자들이 채택되고 있다. 이러한 플래쉬 메로리 소자들은 채널 상에 차례로 적층된 터널산화막, 부유게이트, 게이트 층간 유전체막(Inter-Gate Dielectric Layer) 및 컨트롤 게이트 전극을 포함한다. 따라서, 상기 플래쉬 메모리 소자들의 신뢰성 및 프로그램 효율을 향상시키기 위해서는 터널산화막의 막질이 개선되어야 하고 셀의 커플링 비율이 증가되어야 한다.Recently, flash memory devices having a feature in which stored data are not destroyed even when a power supply is cut off have been adopted. Such flash memory devices include a tunnel oxide film, a floating gate, an inter-gate dielectric layer, and a control gate electrode, which are sequentially stacked on a channel. Therefore, in order to improve the reliability and program efficiency of the flash memory devices, the film quality of the tunnel oxide film should be improved and the coupling ratio of the cell should be increased.
또한, 플래쉬 메모리 소자들 대신에 새로운 비휘발성 메모리 소자들이 최근에 제안되었다. 예를 들면, 상변환 메모리(Phase-Change Memory) 소자들이며, 상변환에 따른 전기저항 차이를 이용하여 정보를 저장하고, 찰코젠나이드(Chalcogenide) 합금재료(Ge2Sb2Te5) 박막이 비정질 상태에서 결정질 상태로 상변환을 하여 결정질 상태일 때 저항 및 활성화 에너지가 낮아지고, 장거리 원자질서와 자유전자 밀도는 높아진다. 상기 상변환 기억 소자의 장점은 Soc(System On Chip)으로 제작하기 쉬우며, 차세대 메모리 반도체 중에서 생산가격이 낮은 편이다. 상기 상변환 기억 소자의 처리속도는 5ns로 매우 빠르며, 소비전력이 낮고 동작온도의 범위는 -196∼180℃로 넓은영역을 가지고 있다.In addition, new nonvolatile memory devices have recently been proposed in place of flash memory devices. For example, these devices are phase-change memory devices, and store information by using electric resistance difference according to a phase change, and the chalcogenide alloy material (Ge2Sb2Te5) thin film is changed from an amorphous state to a crystalline state. Phase transformation results in lower resistance and activation energy when in the crystalline state, and higher long-range atomic order and free electron density. The advantages of the phase change memory device are easy to fabricate with Soc (System On Chip), and low production cost among next generation memory semiconductors. The processing speed of the phase change memory device is very fast, 5ns, low power consumption, and a wide range of operating temperature of -196 to 180 ° C.
도 1은 상변환 메모리 셀을 프로그램 및 소거시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for describing a method of programming and erasing a phase change memory cell.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 상변환 박막을 용융온도(Melting Temperature : Tm)보다 높은 온도에서 제 1 동작(First Operation; T1)동안 가열한 후에 냉각시키면, 상기 상변환 박막은 비정질 상태(Amorphous State)로 변한다(A). 반면에, 상기 상변환 박막을 상기 용융온도(Tm)보다 낮고 결정화온도(Crystallization Temperature : Tc)보다 높은 온도에서 상기 제 1 동작(T1)보다 긴 제 2 동작(Second Operation : T2)동안 가열한 후에 냉각시키면, 상기 상변환 물질막은 결정상태(Crystalline State)로 변한다(B). 여기에서, 비정질 상태를 갖는 상변환 박막의 비저항은 결정질 상태를 갖는 상변환 박막의 비저항보다 높다. As shown in FIG. 1, when the phase conversion thin film is heated after cooling during a first operation (T1) at a temperature higher than a melting temperature (Tm), the phase conversion thin film is in an amorphous state. State) (A). On the other hand, after the phase conversion thin film is heated for a second operation longer than the first operation T1 at a temperature lower than the melting temperature Tm and higher than the crystallization temperature Tc, the second operation T2 is performed. Upon cooling, the phase change material film changes to a crystalline state (B). Here, the specific resistance of the phase change thin film having an amorphous state is higher than that of the phase change thin film having a crystalline state.
따라서, 읽기(Read) 모드에서 상기 상변환 박막을 통하여 흐르는 전류를 감지(Detection)함으로써, 상기 상변환 메모리 셀에 저장된 정보가 논리 '1'인지 또는 논리 '0'인지를 판별할 수 있다. 상기 상변환 박막으로는 게르마늄(Ge), 스티비움(Stibium : Sb), 텔루리움(Tellurium : Te)을 함유하는 화합물막(Compound Material Layer; 이하 GST막이라 함)이 널리 사용된다.Accordingly, by detecting the current flowing through the phase change thin film in a read mode, it is possible to determine whether the information stored in the phase change memory cell is logic '1' or logic '0'. As the phase change thin film, a compound film containing a germanium (Ge), stevilium (Sb), and tellurium (Te) (Compound Material Layer; hereinafter referred to as a GST film) is widely used.
도 2는 종래 상변환 메모리 셀을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for describing a conventional phase change memory cell.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 상변환 기억 소자는 하부전극(3)을 포함하는 반도체 기판(1) 상에 층간절연막(5)을 형성한다. 그 다음, 상기 층간 절연막(5)을 식각하여 소오스 영역들과 전기적으로 연결되는 콘택플러그(7)를 형성한 후에 콘택플러그(7)를 포함한 기판 결과물 상에 상변환막(9)을 형성한다. 이어서, 상기 상변환막(9) 상에 상부전극(11)을 형성한다.
As shown in FIG. 2, the conventional phase change memory device forms an
상기 상변환 메모리 셀을 프로그램하기 위해 전압을 인가하면, 상기 상변환막(9)과 콘택플러그(7) 사이의 계면에서 열이 발생하여 상변환막의 일부분(9a)이 비정질 상태로 변한다. 상기 상변환막(9)과 콘택플러그(7)의 가장자리(C)의 열은 주변의 층간절연막(7)으로 확산되어 상태변화에 필요한 온도가 되지 않을 수 있다. 이로 인해, 상기 상변환막을 비정질화시킬때 상기 가장자리의 상변환막(9)이 비정질화되지 않은 비정상적 영역이 생성될 수 있다. When a voltage is applied to program the phase change memory cell, heat is generated at the interface between the
또한, 상변화 메모리 소자의 읽기(Read) 및 쓰기(Write) 동작시 상기 하부전극과 상변환막의 접촉면적이 크기 때문에 상변화에 필요한 전류량이 증가하게 되고, 이로 인해 상변환 기억 소자의 속도에도 영향을 주게된다.In addition, since the contact area between the lower electrode and the phase conversion film is large during read and write operations of the phase change memory device, the amount of current required for phase change increases, thereby affecting the speed of the phase change memory device. Will give.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하부전극과 상변환막과의 접촉면적을 줄여 전류량을 감소시킬 수 있는 상변환 기억 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a phase change memory device and a method of manufacturing the same, which reduce the amount of current by reducing the contact area between the lower electrode and the phase conversion film. .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부패턴이 구비된 반도체 기판; 상기 하부패턴을 덮도록 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성된 콘택플러그; 상기 콘택플러그 상에 형성되며 상부에 베리어막을 구비한 하부전극; 상기 하부전극 측면의 층간절연막 상에 상기 하부전극과 접하도록 형성된 제1산화막; 상기 제1산화막 상에 상기 하부전극 측면 상부를 노출시키도록 형성된 제2산화막; 상기 노출된 하부전극 측면 상부와 콘택되도록 베리어막과 제1산화막 및 제2산화막 상에 형성된 상변환막; 및 상기 상변환막 상에 형성된 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate provided with a lower pattern; An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate to cover the lower pattern; A contact plug formed in the interlayer insulating film; A lower electrode formed on the contact plug and having a barrier film thereon; A first oxide layer formed on the interlayer insulating layer on the side of the lower electrode to contact the lower electrode; A second oxide film formed on the first oxide film to expose an upper portion of the lower electrode side surface; A phase conversion film formed on the barrier film, the first oxide film, and the second oxide film to contact the exposed lower electrode side upper portion; And an upper electrode formed on the phase conversion film.
여기에서, 상기 상부전극 상에 형성된 베리어막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the barrier layer formed on the upper electrode is characterized in that it further comprises.
상기 하부전극 및 상부전극은 폴리실리콘막 또는 금속막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The lower electrode and the upper electrode may be made of a polysilicon film or a metal film.
또한, 본 발명은 하부패턴이 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 하부패턴을 덮도록 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 내에 콘택플러그를 형성하는 단계; 상기 콘택플러그 상에 상부에 베리어막을 구비한 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 및 층간절연막 상에 균일한 두께로 제1산화막을 형성하는 단계; 상기 제1산화막 상에 상기 제1산화막 보다 적어도 2배 이상 느린 식각속도를 갖는 제2산화막을 형성하는 단계; 상기 베리어막이 노출되도록 상기 제2산화막과 제1산화막을 연마하는 단계; 상기 하부전극의 측면 상부가 노출되도록 상기 제1산화막과 제2산화막을 부분 식각하는 단계; 상기 노출된 하부전극 측면 상부와 콘택되도록 상기 베리어막과 잔류된 제1산화막 및 제2산화막 상에 상변환막을 형성하는 단계; 및 상기 상변환막 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of providing a semiconductor substrate having a lower pattern; Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate to cover the lower pattern; Forming a contact plug in the interlayer insulating film; Forming a lower electrode on the contact plug, the lower electrode having a barrier film thereon; Forming a first oxide film having a uniform thickness on the lower electrode and the interlayer insulating film; Forming a second oxide film on the first oxide film, the second oxide film having an etching speed that is at least two times slower than the first oxide film; Polishing the second oxide film and the first oxide film to expose the barrier film; Partially etching the first oxide layer and the second oxide layer to expose the upper side surface of the lower electrode; Forming a phase conversion film on the barrier film, the remaining first oxide film, and the second oxide film to be in contact with the exposed lower electrode side surface; And forming an upper electrode on the phase conversion film.
여기에서, 상기 제1산화막은 SOG, PSG, TEOS, BPSG, USG, HLD 및 HDP 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.Here, the first oxide film is characterized in that it is made of any one selected from the group consisting of SOG, PSG, TEOS, BPSG, USG, HLD and HDP oxide film.
상기 상부전극은 상부에 베리어막을 구비한 것을 특징으로 한다. The upper electrode is characterized in that it comprises a barrier film on the top.
상기 하부전극 및 상부전극은 폴리실리콘막 또는 금속막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The lower electrode and the upper electrode may be made of a polysilicon film or a metal film.
(실시예)(Example)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변환 기억 소자를 설명하기 위한 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상변환 기억 소자는 하부패턴(미도시)이 구비된 반도체 기판(21) 상에 하부패턴을 덮도록 층간절연막(22)를 형성되며, 상기 층간절연막(22) 내에 콘택플러그(23)가 형성된다. 상기 콘택플러그(23) 상에 형성되며, 상부에 제1베리어막(25)을 구비한 하부전극(24)이 형성된다. 상기 하부전극(24) 측면의 층간절연막(22) 상에 하부전극(24)과 접하도록 형성된 제1산화막(26)이 형성된다. 상기 제1산화막(26) 상에 하부전극(24) 측면 상부와 콘택되도록 제1베리어막(25)과 제1산화막(26) 및 제2산화막(27) 상에 상변환막(28)이 형성된다. 상기 상변환막(28) 상에 상부전극(29)이 형성되며, 상기 상부전극(29) 상에 제2베리어막(30)이 형성된다.As shown in FIG. 3, in the phase change memory device of the present invention, an interlayer
상기 하부전극(24) 및 상부전극(29)은 폴리실리콘막 또는 금속막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 제1산화막(26)은 SOG, PSG, TEOS, BPSG, USG, HLD 및 HDP 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것이 바람직 하다. 상기 제1산화막(26)은 제2산화막(27)에 비해 식각선택비가 적어도 2배이상 빠른 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 상변환막(28)은 Ge1Sb2Te4 및 Ge2Sb2Te으로 형성하는 것이 바람직하다.The
상기 상변화 메모리 소자의 읽기(Read) 및 쓰기(Write) 동작시 상기 상변환막(28)의 접촉면에서 열이 발생하면 상기 상변화막의 상태가 비정질 상태 또는 결정질 상태로 변한다. 본 발명의 상변환 기억 소자는 제1베리어(25)막과 제1산화막(26) 및 제2산화막(27) 상에 상변환막(28)을 형성함으로써 하부전극(24)과 상변환막(28)의 접촉면적(D)이 작기 때문에 상변화에 필요한 전류를 감소시킬 수 있으므로, 상변환 기억 소자의 속도를 향상시킬 수 있다.When heat is generated at the contact surface of the
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 상변환 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.4A through 4F are cross-sectional views of processes for describing a method of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 하부패턴(미도시)을 구비한 반도체 기판(21)을 제공한다. 그 다음, 상기 반도체 기판 상에 하부패턴을 덮도록 층간절연막(22)을 형성하고, 상기 층간절연막(22) 내에 콘택플러그(23)를 형성한다. As shown in FIG. 4A, a
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 콘택플러그(23) 상에 상부에 제1베리어막(25)을 구비한 하부전극(24)을 형성한다.As shown in FIG. 4B, a
도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 하부전극(24) 및 층간절연막 상에 균일한 두께를 갖도록 제1산화막(26)을 형성한다. 이때, 상기 제1산화막(26)은 SOG, PSG, TEOS, BPSG, USG, HLD 및 HDP 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 이어서, 상기 제1산화막(26) 상에 제2산화막(27)을 형성한다. 여기에서, 상기 제1산화막(26)은 제2산화막(27)에 비해 적어도 2배 이상 식각 속도가 빠른 산화막으로 형성한다.As shown in FIG. 4C, a
도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 제1베리어막(25)이 노출되도록 상기 제2산화막(27) 및 제1산화막(26) 표면을 CMP한다.As shown in FIG. 4D, the surfaces of the
도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 하부전극(27)의 측면 상부가 노출되도록 임의의 에천트(Echant) 또는 가스를 사용하여 상기 제1산화막(26)과 제2산화막(27)을 부분 식각한다. 이때, 상기 제2산화막(27)의 식각선택비가 제1산화막(26)의 식각선택비보다 낮기 때문에 제2산화막(27)은 일정 두께가 식각되고, 상기 제1산화막(26)은 층간절연막(22) 상부에 일정 두께로 잔류된다. As shown in FIG. 4E, the
도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 하부전극(27) 측면 상부와 콘택되도록 상기 제1베리어막(25)과 잔류된 제1산화막(26) 및 제2산화막(27) 상에 상변환막(28)을 형성한다. 여기에서, 상기 상변환막(28)은 Ge1Sb2Te4 및 Ge2Sb2Te으로 형성한다. 그 다음, 상기 상변환막(28) 상에 상부전극(29) 및 제2베리어막(30)을 형성한다. 이때, 하부전극(27) 및 상부전극(29)은 폴리실리콘막 또는 금속막으로 형성한다.As shown in FIG. 4F, a phase change layer is formed on the
전술한 바와 같이, 본 발명은 상변환 기억 소자 제조시 상변환막을 하부전극의 측벽에만 접촉하도록 형성함으로써 하부전극과 상변환막과의 접촉면적을 줄일 수 있으며, 이로 인해 상변화에 필요한 전류량을 감소시킬 수 있다.As described above, the present invention can reduce the contact area between the lower electrode and the phase change film by forming the phase change film to contact only the sidewall of the lower electrode when manufacturing the phase change memory device, thereby reducing the amount of current required for the phase change. You can.
이상, 본 발명을 몇 가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형을 가할 수 있음을 이해할 것이 다.In the above, the present invention has been described with reference to some examples, but the present invention is not limited thereto, and a person of ordinary skill in the art may make many modifications and variations without departing from the spirit of the present invention. I will understand that.
이상에서와 같이, 본 발명은 상변화막의 상변화가 용이하게 일어나도록 하기 위해 상변환막을 하부전극의 측벽에만 접촉하도록 형성함으로써 상변환막과 하부전극과의 접촉면적을 줄일 수 있으며, 이로 인해 상변화에 필요한 전류량을 감소시킬 수 있다.As described above, the present invention can reduce the contact area between the phase change film and the lower electrode by forming the phase change film to contact only the sidewall of the lower electrode in order to facilitate the phase change of the phase change film. The amount of current required for change can be reduced.
따라서, 상변환에 필요한 전류량을 감소시킴으로써 상변환 기억 소자의 속도를 향상시킬 수 있다.Therefore, the speed of the phase conversion memory element can be improved by reducing the amount of current required for phase conversion.
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