KR20060002130A - Phase-change random access memory device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 기억 소자 및 그 제조방법에 관해 개시한 것이다. 개시된 본 발명에 따른 상변화 기억 소자는 반도체기판의 액티브영역에 형성되며, 워드라인과, 상기 워드라인 일측의 액티브영역에 배열된 드레인 및 상기 워드라인 타측의 액티브영역에 배열된 소오스를 가진 트랜지스터와, 소오스 및 드레인과 연결되는 각각의 비트라인 콘택과, 비트라인 콘택과 연결되는 각각의 비트라인과, 소오스와 대응된 비트라인 부위에 연결되는 하부전극 콘택과, 하부전극 콘택에 연결되는 각각의 상변화막 패턴 및 상부전극을 포함하여 구성된다.The present invention discloses a phase change memory device and a method of manufacturing the same. A phase change memory device according to the present invention is formed in an active region of a semiconductor substrate, and has a word line, a transistor having a drain arranged in an active region on one side of the word line and a source arranged in the active region on the other side of the word line; Each bit line contact connected to the source and drain, each bit line connected to the bit line contact, a bottom electrode contact connected to the bit line portion corresponding to the source, and a respective phase connected to the bottom electrode contact. It includes a change film pattern and an upper electrode.
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 본 발명에 따른 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 최종 입체도. 2 is a final stereoscopic view for explaining a phase change memory device according to the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 입체도.4A to 4E are three-dimensional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention.
본 발명은 반도체 기억 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소오스 및 드레인에 동일한 갯수의 비트라인 콘택을 형성하여 채널길이를 동일하게 하여 디바이스의 동작특성을 향상시킬 수 있는 상변화 기억 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same. More specifically, a phase change memory capable of improving the operating characteristics of a device by making the same channel length by forming the same number of bit line contacts in a source and a drain. An element and a method of manufacturing the same.
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 (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory (SRAM)), are volatile and fast data input / output (RAM) products that lose data over time. Once the data is entered, the status can be maintained, but it can be largely classified as a ROM product having 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(Capacitor) 전극의 표면적을 증가시키기 위해 많은 노력이 시도되고 있다. 하지만 캐패시터 전극의 표면적 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 a 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, 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 there is an increasing demand for flash memory devices that are electrically input and output such as EEPROM (Elecrtically Erasable and Programmable ROM).
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 동작 에 필요한 전압을 형성하기 위하여 승압 회로가 요구된다. Such flash memory cells generally have a vertically stacked gate structure having a floating gate formed on a silicon substrate. The multilayer gate structure typically includes one or more tunnel oxide or dielectric layers 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 the tunnel oxide layer. A method of tunneling charges is used. 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 and random access, and having a simple structure while increasing the integration of devices. 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 결정질(Crystalline) 상태 사이에서 가역적인 상변화(Phase Change)를 일으킨다. 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 According to Joule Heat, a reversible phase change occurs between the amorphous state and the crystalline state.
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(Quenching) 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 (Quenching), the phase change film is amorphous. Change to 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 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 감지(Detection)함으로써, 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. Accordingly, by detecting the current flowing through the phase change layer 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 열(Joule Heat)이 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. 이때, 상변화막의 상변화를 위해서는 1mA이상의 전류가 필요로 하는데, 0.18㎛ CMOS를 이용하는 트랜지스터의 경우에 폭(width)을 1.5㎛ 이상으로 유지시켜야 비트라인에서 GST셀로 전류가 흐르게 된다. 그러나, 트랜지스터의 폭을 크게 해주어도 GST셀에서 비트라인 콘택이 하나 밖에 형성되지 않음으로써 비트라인 콘택에서 GST셀의 비트라인 콘택까지의 거리가 모두 다르기 때문에 리드(read) 시 드레인에 형성되는 상부전극에서 소오스에 형성되는 비트라인으로 전류패스(path)가 형성되므로 커런트 드라이빙(current driving)이 떨어지고 라이팅(writing) 시에도 드레인과 소오스가 바뀌면서 GST셀로 커런트 드라이빙이 떨어지게 되는 문제점이 있다.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 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, the smaller the state of phase change material changes. The current density required to make it smaller. At this time, a current of 1 mA or more is required for the phase change of the phase change film. In the case of a transistor using 0.18 μm CMOS, the current must flow from the bit line to the GST cell only when the width is maintained to 1.5 μm or more. However, even if the width of the transistor is increased, since only one bit line contact is formed in the GST cell, the distance from the bit line contact to the bit line contact of the GST cell is different. Since a current path is formed by a bit line formed in the source, current driving is decreased, and current writing is dropped in the GST cell as the drain and the source are changed even when writing.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,소오스 및 드레인에 동일한 갯수의 비트라인 콘택을 형성하고, 각각의 비트라인 콘 택을 비트라인으로 연결하고 그 위에 GST셀을 형성함으로써, 채널길이를 동일하게 형성하여 디바이스의 동작특성을 향상시킬 수 있는 상변화 기억 소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by forming the same number of bit line contacts in the source and drain, by connecting each bit line contact to the bit line and forming a GST cell thereon It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a phase change memory device capable of improving the operating characteristics of a device by forming the same channel length.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상변화 기억 소자는 반도체기판의 액티브영역에 형성되며, 워드라인과, 상기 워드라인 일측의 액티브영역에 배열된 드레인 및 상기 워드라인 타측의 액티브영역에 배열된 소오스를 가진 트랜지스터와, 소오스 및 드레인과 연결되는 각각의 비트라인 콘택과, 비트라인 콘택과 연결되는 각각의 비트라인과, 소오스와 대응된 비트라인 부위에 연결되는 하부전극 콘택과, 하부전극 콘택에 연결되는 각각의 상변화막 패턴 및 상부전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The phase change memory device according to the present invention for achieving the above object is formed in the active region of the semiconductor substrate, the word line, the drain arranged in the active region on one side of the word line and the active region on the other side of the word line A transistor having an arranged source, a respective bit line contact connected to the source and drain, a respective bit line connected to the bit line contact, a lower electrode contact connected to the bit line portion corresponding to the source, and a lower electrode Each phase change film pattern and an upper electrode connected to the contact is characterized in that it is configured.
상기 워드라인은 1㎛ 이상의 폭을 갖도록 형성된다.The word line is formed to have a width of 1 μm or more.
상기 소오스 및 드레인은 P 및 As 중 어느 하나인 N타입 이온이 주입된다.The source and drain are implanted with N-type ions, either of P and As.
상기 비트라인 콘택은 상기 워드라인을 기준으로 소오스와 드레인에 동일한 갯수로 형성되어, 채널길이가 동일하게 되도록 한다.The bit line contacts are formed in the same number of sources and drains with respect to the word lines so that the channel lengths are the same.
상기 비트라인 콘택은 다결정실리콘 및 금속계열 중 어느 하나를 이용한다. 상기 비트라인은 다결정실리콘 및 금속계열 중 어느 하나를 이용한다.The bit line contact may use any one of polycrystalline silicon and metal series. The bit line uses any one of polycrystalline silicon and metal series.
상기 하부전극 콘택은 다결정실리콘 및 금속계열 중 어느 하나를 이용한다.The lower electrode contact uses any one of polycrystalline silicon and metal series.
상기 상부전극은 다결정실리콘 및 금속계열 중 어느 하나를 이용한다.The upper electrode uses any one of polycrystalline silicon and metal series.
한편, 본 발명의 상변화 기억 소자의 제조방법은 액티브영역이 구비된 반도 체기판을 제공하는 단계와, 기판 위에 워드라인을 형성하되, 상기 워드라인의 양측 하부에 액티브영역이 배열되도록 하며, 워드라인 일측의 액티브영역에 드레인을, 상기 워드라인 타측의 액티브영역에 소오스를 각각 형성하여 트랜지스터를 제조하는 단계와, 소오스 및 드레인에 연결되도록 각각의 비트라인 콘택을 형성하는 단계와, 비트라인 콘택에 연결되도록 각각의 비트라인을 형성하는 단계와, 소오스와 대응된 비트라인 부위에 연결되도록 하부전극 콘택을 형성하는 단계와, 하부전극 콘택에 연결되도록 상변화막 패턴 및 상부전극을 차례로 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.Meanwhile, a method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention includes the steps of providing a semiconductor substrate having an active region, forming a word line on the substrate, and having an active region arranged under both sides of the word line. Manufacturing a transistor by forming a drain in an active region on one side of a line and a source in the active region on the other side of the word line, forming respective bit line contacts to be connected to a source and a drain, and forming a bit line contact Forming each bit line to be connected, forming a bottom electrode contact to be connected to a bit line portion corresponding to the source, and sequentially forming a phase change layer pattern and an upper electrode to be connected to the bottom electrode contact. It is characterized by including.
상기 워드라인은, 바람직하게는, 1㎛ 이상의 폭을 갖도록 형성한다.The word line is preferably formed to have a width of 1 μm or more.
상기 소오스 및 드레인은 상기 워드라인을 마스크로 하여 상기 액티브영역에 N타입 이온주입을 진행하여 형성하며, 상기 N타입 이온으로는 P 및 As 중 어느 하나의 이온을 주입한다.The source and drain are formed by implanting N-type ions into the active region using the word line as a mask, and implanting any one of P and As into the N-type ions.
상기 비트라인 콘택은 상기 워드라인을 기준으로 소오스와 드레인에 동일한 갯수로 형성하여 채널길이를 동일하게 한다.The bit line contacts are formed in the same number of sources and drains on the basis of the word lines to make the channel lengths the same.
(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 2는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자를 설명하기 위한 최종 입체도이다. 2 is a final stereoscopic view for explaining a phase change memory device according to the present invention.
본 발명에 따른 상변화 기억 소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체기판(미도시)의 액티브영역(102)에 형성되며, 워드라인(104)과, 워드라인(104) 일측의 액티브영역에 배열된 드레인(미도시) 및 워드라인 타측의 액티브영역에 배열된 소오스(미도시)를 가진 트랜지스터(미도시)와, 소오스 및 드레인에 각각 연결되며, 워드라인(104)을 기준으로 소오스와 드레인에 동일한 갯수로 형성되어 채널길이가 동일하게 되도록 하는 비트라인 콘택(103)과, 비트라인 콘택(103)과 연결되는 각각의 비트라인(106)과, 드레인과 대응된 비트라인 부위(106a)에 연결되는 하부전극 콘택(107)과, 하부전극 콘택(1007)에 연결되는 각각의 상변화막 패턴(108) 및 상부전극(110)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 워드라인(104)은 1㎛ 이상의 폭을 갖도록 형성된다.As shown in FIG. 2, the phase change memory device according to the present invention is formed in an
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이고, 도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 입체도이다.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the phase change memory device according to the present invention, and FIGS. 4A to 4E are three-dimensional views illustrating the method of manufacturing the phase change memory device according to the present invention.
상술한 구성을 가진 본 발명에 따른 상변화 기억 소자의 제조방법은, 도 3a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 액티브영역(102)이 구비된 반도체기판을 제공한다.이어, 상기 기판의 액티브영역에 워드라인(104)을 형성한 다음, 상기 워드라인을 마스크로 하여 N타입 이온 주입공정을 실시하여 워드라인 일측의 액티브영역에는 드레인(미도시)을, 상기 워드라인 타측의 액티브영역에는 소오스(미도시)를 각각 형성하여 트랜지스터를 제조한다. 이때, 상기 워드라인(104)은 1㎛ 이상의 폭을 갖도록 형성한다. 또한, 상기 N타입 이온으로는 P 및 As 중 어느 하나를 이용한다. 한편, 도 3a 및 도 4a에서, 워드라인(104)을 기준으로 윗쪽 부위에는 소오스가, 아랫쪽 부위에는 드레인이 각각 형성된다.
The method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention having the above-described configuration provides a semiconductor substrate having an
그런다음, 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 트랜지스터가 제조된 기판 위에 제 1도전막(미도시)을 형성하고 나서, 상기 제 1도전막을 패터닝하여 소오스 및 드레인에 연결되는 각각의 비트라인 콘택(103)을 형성한다. 이때, 상기 비트라인 콘택(103)은 워드라인(104)을 기준으로 소오스와 드레인에 동일한 갯수로 형성하여 채널길이를 동일하게 한다. 한편, 본 발명에서는 절연막 형성공정에 대해서는 생략하기로 한다.3B and 4B, each bit connected to a source and a drain by patterning the first conductive film after forming a first conductive film (not shown) on the substrate on which the transistor is manufactured.
이후, 도 3c 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 비트라인 콘택을 포함한 기판 위에 제 2도전막(미도시)을 형성하고 나서, 상기 제 2도전막을 패터닝하여 비트라인 콘택과 연결되는 각각의 비트라인(106)을 형성한다. 이때, 상기 비트라인(106)은 GST셀이 형성되는 부위에서는 액티브영역의 길이로 비트라인(106a)을 형성하고, 그렇지 않은 부위에서는 비트라인(106b)을 길게 배열되도록 하여 라이트와 리드(read) 동작 시에 증폭기(sense amplifier)에서 106b로 표시된 비트라인 부위에 대해 증폭하도록 한다.3C and 4C, a second conductive film (not shown) is formed on the substrate including the bit line contact, and then each bit connected to the bit line contact is patterned by patterning the second conductive film.
한편, 도 3c 및 도 4c에서, 도면부호 106a는 드레인과 연결되는 비트라인을, 도면부호 106b는 소오스와 연결되는 비트라인을 각각 나타낸 것이다. 3C and 4C,
이어, 도 3d 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 위에 제 3도전막(미도시)을 형성하고 나서, 상기 제 3도전막을 패터닝하여 소오스와 대응된 비트라인 부위(106a)에 연결되는 하부전극 콘택(107)을 형성한다.3D and 4D, a third conductive film (not shown) is formed on the resultant, and then the third conductive film is patterned to form a lower portion connected to the
그런 다음, 도 3e 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 하부전극 콘택(107)을 포함한 기판 위에 상변화막(미도시) 및 제 4도전막(미도시)을 차례로 형성한 다음, 상기 제 4도전막 및 상변화막을 패터닝하여 하부전극 콘택(107)과 연결되는 각각의 상변화막 패턴 (108)및 상부전극(110)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4도전막으로는 다결정실리콘 및 금속계열 중 어느 하나를 이용한다.3E and 4E, a phase change film (not shown) and a fourth conductive film (not shown) are sequentially formed on the substrate including the
본 발명에 따르면, 소오스 및 드레인에 동일한 갯수의 비트라인 콘택을 형성하고, 각각의 비트라인 콘택을 비트라인으로 연결하고 그 위에 GST셀을 형성함으로써, 채널길이를 동일하게 형성하여 디바이스의 동작특성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the same number of bit line contacts are formed in the source and drain, each bit line contact is connected to the bit line, and the GST cell is formed thereon, thereby forming the same channel length to improve the operation characteristics of the device. Can be improved.
이상에서와 같이, 본 발명에서는 워드라인의 소오스와 드레인에 비트라인 콘택(103)을 각각 동일한 갯수만큼 형성하여 채널길이를 동일하게 함으로써, 디바이스의 동작 특성을 향상시킨다.As described above, in the present invention, the same channel length is formed by forming the same number of
또한, 본 발명에서는 GST셀에 있어서, 비트라인 위에 하부전극 콘택을 형성함으로써, 전류 흐름이 비트라인을 통해서 하부전극 콘택에 집중화되도록 하여 상변화 물질의 상변화가 쉽게 일어나도록 하고, 이로써 디바이스의 동작 특성을 향상시키는 이점이 있다.In addition, in the present invention, by forming a lower electrode contact on the bit line in the GST cell, the current flow is concentrated in the lower electrode contact through the bit line so that the phase change of the phase change material occurs easily, thereby operating the device. There is an advantage of improving the properties.
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