KR20090104643A - Semiconductor device and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 반도체장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 저항의 차이를 이용해서 기억정보를 변별하는 고체 전해질 재료를 사용한 메모리 셀, 예를 들면, 고밀도 집적 메모리회로, 또는 메모리회로와 논리회로가 동일 반도체 기판에 설치된 로직(logic) 혼재형 메모리, 또는 아날로그회로를 가지는 반도체 집적회로장치에 적용하는 유효한 기술에 관한 것이며, 또한, 저전압으로 동작하는, 고속이면서, 불휘발성을 가지는 랜덤 액세스 메모리(random access memory)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
고체 전해질 재료를 사용한 기록 기술로서, 고체 전해질 메모리가 제안되어 있다. 비특허문헌 1 및 2에는 고체 전해질 메모리의 상세가 기술되어 있다. 이 메모리의 기억부와 그 주변의 구조를 도 2를 사용하여 설명한다. 고체 전해질 메모리는 기억부(RM)를 BEC와 상부전극(15) 사이에 끼운 구조를 가진다. 기억부(RM)는, 고체 전해질층(21)과 이온공급원이 되는 전극(22)의 적층구조를 가진다. 고체 전해질층(21) 중에서 모빌리티(mobility)가 높은 이온이 이동한다. 「모빌리티가 높은 이온」은, 어떤 전해질 중에서, 일정 전압을 인가(印加)했을 때 장거리 이 동하는 이온으로 정의한다. 전극(22) 재료는 모빌리티가 높은 원소 A(예를 들면, Cu)이다.As a recording technique using a solid electrolyte material, a solid electrolyte memory has been proposed.
고체 전해질층(21)의 재료는 예를 들면, 조성이 Cu와 S인 합금이며, 고체 전해질층(21)은 이온 A를 포함한다. BEC는 이온전도도가 낮은 플러그 재료(13)와 밀착층(14)의 적층으로 형성된다. 상부전극(15)은 모빌리티가 낮은 금속 재료를 사용한다. 그에 의해 전계(電界)를 인가했을 때 이동하는 것을 방지한다. 기억부(RM)의 저항이 낮은 'ON상태'에서는 고체 전해질 중에 금속 A에 의해 형성시킨 전기전도성 필라멘트가 전극(22)-BEC 사이를 접속하고 있다.The material of the
한편, 기억부(RM)의 저항이 높은 'OFF상태'에서는, 전기전도성 필라멘트가 절단되어 있다. 동작방법을 이하에 기술한다. 값의 독출(讀出)은, 기억부(RM)의 저항을 측정하여, 그 고저(高低)를 각각 '0'과 '1'에 대응시킨다. 기억부(RM)를 'ON상태'로 하는 'ON동작'은 이하와 같이 행한다. 전극(22)에 양의 전압을 인가함으로써, 전극(22)을 산화시켜, 이온 A로 한다. 그 후, 이온 A는 고체 전해질 중을 이온 전도하며, 하부전극(BEC) 혹은 필라멘트 근방에서 환원됨으로써, 필라멘트가 생성 혹은 성장한다. 필라멘트가 전극(22)-BEC 사이를 이어 줌으로써, 기억부(RM)는 저(低)저항이 된다. 기억부(RM)를 'OFF상태'로 하는 'OFF동작'은 이하와 같이 행한다. 전극 A에 음의 전압을 인가함으로써, 필라멘트를 구성하는 금속 A를 산화시켜, 이온 A로 한다. 그 후, 이온 A는 고체 전해질 중에 확산한다.On the other hand, the electrically conductive filament is cut | disconnected in the "OFF state" with high resistance of the memory | storage part RM. The operation method is described below. The reading of a value measures the resistance of the memory | storage part RM, and associates the height with "0" and "1", respectively. The 'ON operation' which sets the storage unit RM to the 'ON state' is performed as follows. By applying a positive voltage to the
또한, Cu 및 Ta, O로 이루어지고, 조성비가 Cu-Ta-O=1:2:6에 가까 운 결정구조가 비특허문헌 3에 보고되어 있다. 이하, 상기 결정을 Cu-Ta-O결정이라 한다.Moreover, the
특허문헌 1에는 산화물 재료를 사용한 반도체 메모리가 기재되어 있다. 금속 필라멘트를 형성 혹은 소멸시킴으로써 저항 변화를 생기게 하고 있다. 특허문헌 1의 반도체 메모리는 금속 필라멘트의 생성·소멸 장소가 산화물 재료 내(內)는 아니다.
또한, 특허문헌 2에는 2개의 전극 사이에 예를 들면 CuTe(동(銅) 텔루르(Tellurium) 화합물과 GdOx(가돌리늄(gadolinium) 산화물)의 적층을 끼운 구조의 반도체 메모리가 기재되고 있으며, GdOx 재료 내에 금속원소(예를 들면 Cu)를 첨가함으로써 기억층의 내압(耐壓)을 향상시키는 방법이 기술되어 있다.In addition, Patent Document 2 describes a semiconductor memory having a structure in which a stack of Cu (the Tellurium compound and Gadolinium oxide) is sandwiched between two electrodes, for example. A method of improving the breakdown voltage of a memory layer by adding a metal element (for example, Cu) is described.
[특허문헌 1] US 6,891,186[Patent Document 1] US 6,891,186
[특허문헌 2] 일본 공개특허 2006-351780호 공보[Patent Document 2] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-351780
[비특허문헌 1] T. Sakamoto, S. Kaeriyama, H. Sunamura, M. Mizuno, H. Kawaura, T. Hasegawa, K. Terabe, T. Nakayama, M. Aono, 「IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC) 2004」, Digest, (발행국 미국), 2004년, 페이지 번호 16.3 [Non-Patent Document 1] T. Sakamoto, S. Kaeriyama, H. Sunamura, M. Mizuno, H. Kawaura, T. Hasegawa, K. Terabe, T. Nakayama, M. Aono, IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2004, "Digest, ( US issuing country ), 2004, page number 16.3
[비특허문헌 2] M.N. Kozicki, C. Gopalan, M. Balakrishnan, M. Park, M. Mitkova, 「Proc. Non-Volatile Memory Technology Symposium(NVMTS) 2004」, (발행국 미국), 2004년, 페이지 번호 10∼17 [Non-Patent Document 2] MN Kozicki, C. Gopalan, M. Balakrishnan, M. Park, M. Mitkova, Proc. Non-Volatile Memory Technology Symposium (NVMTS) 2004, ”(Publishing United States ), 2004, Page No. 10-17
[비특허문헌 3] Journal of applied physics, Vol. 96, p. 4400-4404[Non-Patent Document 3] Journal of applied physics, Vol. 96, p. 4400-4404
고체 전해질 메모리에는 재기록을 반복함으로써 고체 전해질 중의 이온 A양(量) 및 전극의 형상이 변화해 버리기 때문에, 안정된 재기록이 곤란하다는 과제가 있다. 이것을 해결하기 위해 우리들이 검토하고 있는 회로장치의 대표적인 구조를 도 3을 사용해서 설명한다. 이온 A의 공급층은 종래의 고체 전해질 메모리에서는 전극 A였지만, 본 메모리에서는 고체 전해질 재료로 했다. 예를 들면 Cu-Ta-S이다. 이하, Cu-Ta-S를 예로 들어 설명한다. 또한, 필라멘트 형성부를 삼원계(三元系)의 산화물로 했다. 예를 들면 Cu-Ta-O이다. 이하, Cu-Ta-O를 예로 들어 설명한다. 또한, 이하, 필라멘트 형성부를 이온감금층이라 한다. 이 구조로 함으로써 얻어지는 효과를 이하에 기술한다. 제 1 점은, 이온 공급원을 전극 A로부터 고체 전해질 Cu-Ta-S로 변경함으로써 공급가능한 이온 총량을 제한하고, 또한 이온 공급원의 공극 생성 등의 물리적 변화를 억제한다. 제 2 점은, 모빌리티가 다른 Cu와 Ta를 금속이온으로서 사용하는 것이다. 모빌리티가 낮은 Ta는, TaS나 TaO의 안정 구조를 만든다. 한편, 모빌리티가 높은 Cu는, 전기전도성 필라멘트를 생성·소멸시킴으로써, 기억부(RM)의 저항 변화를 생기게 한다.The solid electrolyte memory has a problem that stable rewriting is difficult because the amount of ions A and the shape of the electrode in the solid electrolyte are changed by repeating rewriting. To solve this problem, a representative structure of the circuit device under consideration will be described with reference to FIG. 3. The supply layer of ion A was electrode A in the conventional solid electrolyte memory, but was used as the solid electrolyte material in this memory. For example, Cu-Ta-S. Hereinafter, the cu-Ta-S will be described as an example. In addition, a filament formation part was made into the ternary oxide. For example, Cu-Ta-O. Hereinafter, a description will be given taking Cu-Ta-O as an example. In the following, the filament forming portion is referred to as an ion confinement layer. The effect obtained by setting it as this structure is described below. The first point is to limit the total amount of ions that can be supplied by changing the ion source from the electrode A to the solid electrolyte Cu-Ta-S, and also to suppress physical changes such as the generation of voids in the ion source. A 2nd point is to use Cu and TA which differ in mobility as metal ion. TA having low mobility creates a stable structure of TA and TA. On the other hand, Cu having high mobility produces a change in the resistance of the memory portion RM by generating and extinguishing the electrically conductive filaments.
우선, 도 3을 사용해서 ON동작에 대해 기술한다. 상부전극(31)에 하부전극(34)보다 높은 전압을 인가함으로써, 고체 전하질(電荷質)인 Cu공급층 중의 양의 전하를 가지는 Cu이온(33)은 이온 전도하여, 이온감금층(11)으로 이동한다. 설명을 간단히 하기 위해, 이하의 설명에서는 상부전극에는 양의 전압이 인가되고, 하부전극은 OV로 유지되어 있는 것으로 한다. 이온감금층(11)에서, Cu이온(33)은 환원반응에 의해, 금속Cu(34)가 된다. 금속Cu(34)는 이온감금층(11)의 전류가 특히 흐르는 부분에서 생성된다. 또한, 금속Cu(34)가 생성되면 그 부분의 저항이 떨어져, 전류가 집중된다. 그 때문에, 금속Cu(34)는 필라멘트 형상을 가지는 일이 많다. Cu필라멘트가 형성됨으로써, 기억부(RM)의 저항은 저하한다.First, the ON operation will be described with reference to FIG. 3. By applying a voltage higher than the
다음으로, 도 4를 사용해서 OFF동작에 대해 설명한다. 상부전극(32)에 음의 전압을 인가하고, 하부전극(34)을 OV로 유지함으로써, Cu필라멘트 중의 금속Cu(34)는 산화되어, Cu이온이 된다. 그 결과, Cu필라멘트의 일부는 소멸하고, 기억부(RM)는 고(高)저항화한다. Cu이온은, 이온 전도에 의해, Cu공급층(12) 중으로 이동한다.Next, the OFF operation will be described with reference to FIG. 4. By applying a negative voltage to the
상기 설명을 도 5에 나타내는 전류-전압 파형을 사용해서 다시 한번 설명한다. 이 파형은 반도체 파라미터 애널라이저(analyzer)를 사용해서 측정했다. 상부전극 전압을 약 0.3V 인가함으로써, ON동작(51)이 생기고, 저항이 감소한다. 전압을 약 0.5V 인가한 시점에서, 전류가 300 마이크로 암페어라는 일정 값을 나타내고 있지만, 이것은 측정기기의 컴플라이언스(compliance) 전류에 도달했기 때문이다. 다음으로, 상부전극 전압으로 약 -0.3V의 전압을 인가함으로써, OFF동작(52)이 생기고, 저항이 상승한다. 상기 각 설명은, 동작 시의 전압의 극성을 반대로 해도 성립한다. 또한, 이온감금층과 이온공급층의 상하관계를 반대로 해도 성립한다. 이상과 같이 우리들은 고신뢰 동작을 목표로 해서 본 회로장치를 검토하고 있다. 다만, 고신뢰 용도용 DRAM(다이나믹 액세스 메모리) 등의 일부 용도에서는, 더 신뢰성이 높은 동작이 요구된다.The above explanation will be described once again using the current-voltage waveform shown in FIG. This waveform was measured using a semiconductor parametric analyzer. By applying the upper electrode voltage at about 0.3 kW, the
본 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제는, 상기 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 신뢰성이 높은 메모리 소자 등의 회로장치를 제공하는 것이다. 구체적으로는, 엔듀런스(endurance) 회수의 증가와 재기록 전압이나 재기록 저항의 편차를 저감시킨다.The technical problem to be solved by the present invention is to improve the problems of the above technology, and to provide a circuit device such as a memory device having high reliability. Specifically, the increase in the number of endurances and the variation in the rewrite voltage and the rewrite resistance are reduced.
상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, 기억부(RM)의 이온감금층의 상(相)상태가 결정(結晶)인 반도체장치를 제공한다. 특히, 결정 상태인 이온감금층은, 모빌리티가 높은 이온 A와 이온 A에 비해 모빌리티가 낮은 이온 C, 또한 이온 A 및 이온 C와 반대의 극성을 가지는 이온 D의 조성을 가진다. 결정 상태인 이온감금층의 조성의 예는, Cu-Ta-O=1:2:6이다. 결정화한 이온감금층은 안정하기 때문에, 재기록 동작을 행했을 경우의 기억부(RM)의 물리적 변형이나 기억부 내의 조성비의 과잉 변동이 생기기 어렵다. 그 때문에, 안정된 재기록 동작이 가능하다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In order to achieve the said subject, this invention provides the semiconductor device whose phase state of the ion confinement layer of memory | storage part RM is a crystal | crystallization. In particular, the ion confinement layer in the crystalline state has a composition of ions C having low mobility compared to ions A and ions A having high mobility, and ions D having polarities opposite to ions A and ions C. An example of the composition of the ion confinement layer in the crystalline state is Cu-Ta-O = 1: 2: 6. Since the crystallized ion confinement layer is stable, physical deformation of the storage unit RM and excessive variation of the composition ratio in the storage unit when the rewrite operation is performed are unlikely to occur. Therefore, stable rewrite operation is possible.
본원에서 개시되는 발명 중, 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단히 기술하면 이하와 같다. 엔듀런스 특성이 높은 메모리 소자를 실현할 수 있다.Among the inventions disclosed herein, the effects obtained by the representative ones are briefly described as follows. A memory device having high endurance characteristics can be realized.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 의거해서 상세히 설명한다. 본원에서 도체층 사이의 접촉이란, 직접 접하는 경우뿐 아니라, 전류가 흐를 정도로 얇은 절연체나 반도체 등의 층(層) 또는 영역을 사이에 두고 접하는 경우도 포함하는 것으로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail based on drawing. In this application, the contact between the conductor layers includes not only the case of direct contact but also the case of contact between layers or regions such as an insulator or a semiconductor thin enough to flow a current.
[실시예 1]Example 1
도 1은, 본 발명에 관계되는 제 1 실시 형태에 의한 고체 전해질 재료를 사용한 메모리 소자의 구성을 나타내는 단면도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 메모리 소자는, 이온감금층(11)과 이온공급층(12)을 적층한 기억부(RM)를 하부전극(BEC)과 상부전극(15) 사이에 끼운 구조로 이루어져 있다. 하부전극(BEC)은 밀착층(14) 및 플러그 재료(13)에 의해 구성되어 있다. 밀착층(14)으로서는, 예를 들면, 미소 치수의 홀(hall) 형상에의 매립성이 우수한 TiN을 사용할 수 있다. 플러그 재료(13) 및 상부전극(15)의 재료로서 전기저항이 낮은 W을 사용할 수 있다. BEC의 재료로서, 고융점 재료인 TiAlN이나 TiW, TiSiC, TaN, 탄소 클러스터(C60 등의 탄소 동소체)를 사용할 수 있다. 이 경우, 전기전도성 필라멘트를 소멸시키는 방법으로서, 이온감금층에 주울 열을 발생시켜, 열 확산에 의해 필라멘트를 소멸시키는 방법을 사용할 수 있다. 그 결과, ON동작과 OFF동작에서 동일 극성의 전압을 사용하는 것이 가능해져, 주변 회로의 면적을 축소할 수 있다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a memory element using the solid electrolyte material according to the first embodiment according to the present invention. As shown in the figure, the memory device of the present invention has a structure in which a storage unit (RM) in which an ion confinement layer (11) and an ion supply layer (12) are stacked is sandwiched between a lower electrode (EC) and an upper electrode (15). Consists of The lower electrode VEC is constituted by the
플러그 재료(13)와 밀착층(14), 상부전극(15)의 재료는 재기록 동작에 영향을 주지 않도록 모빌리티가 낮은 원소를 사용하는 것이 좋다. 플러그 재료(13)와 밀착층(14)에 동일 재료, 예를 들면 TiN을 사용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다. 이온감금층(11)의 상상태(相狀態)는 결정이며, 재료로서 Cu와 Ta, O로 이루어지는 조성을 사용할 수 있다. 이온감금층(11)은 양이온과 음이온으로 이루어진다. 양이온으로서, 모빌리티에 차이가 있는 2종류 이상의 양이온과 음이온으로 이루어진다. 모빌리티가 높은 양이온은, 가수(價數)가 적고, 이온 반지름이 작은 이온이며, Ag나 Cu, Au, Zn가 해당된다. 또한, 모빌리티가 낮은 양이온은, 가수가 크고, 이온 반지름이 큰 이온이며, Ta나 W, Mo, 희토류 원소(특히 Gd)가 해당된다. 이온공급층(12)의 재료로서 Cu와 Ta, S로 이루어지는 조성을 사용할 수 있다. 이온공급층은, 양이온과 음이온으로 이루어진다. 또한, 양이온으로서 모빌리티가 다른 2종류 이상의 양이온을 사용함으로써, 모빌리티가 낮은 양이온과 음이온에 의해 형성되는 안정한 구조에 의해, 이온공급층에 공극 등 물리적 변화나 과도한 저항 변화가 생기는 것을 방지할 수 있다.The material of the
또한, 이온감금층(11)의 음이온을 이온공급층(12)의 음이온과 다른 원소로 함으로써, 이온감금층(11)과 이온공급층(12)의 이온전도도에 차이를 주어, 이온 농도의 구배를 한 방향으로 유지할 수 있다. 이온 농도는, 상부전극(15) 부근이 높고, 하부전극(BEC) 부근이 낮다. 만약, 이 이온 농도의 구배가 역전되면, 재기록 전압의 극성이 반전해 버리기 때문에, 안정된 재기록 동작을 행할 수 없다. 본 실시 형태에서는, 이온전도도에 차이를 줌으로써 이온 농도의 구배를 유지하는 것을 목적으로 하고 있다.In addition, by making the anion of the
본 발명에서는, 이온감금층(11)의 상(相)상태를 결정으로 하는 것을 특징으로 한다. 도 6을 사용하여, 이온감금층의 조성으로서, Cu 및 Ta, O를 사용하 고, 그 조성비가 Cu-Ta-O=1:2:6에 가까운 경우의 결정 구조를 설명한다. 결정 구조는 페롭스카이트 구조를 약간 변형시킨 것으로 이루어져 있다. 8면체의 정점(頂点)에 산소가 위치하고, 중심으로 Ta가 위치한다. 도 6 중의 Cu원자와 공공(空孔)으로 표시된 Cu사이트(site)에 주목하면, Cu사이트의 1/2은 공공이다. 한편, Cu사이트 중의 공공의 비율은 1/3이라고 하는 보고도 있다. 또한, 조성비가, Cu-Ta-O=1.03:2:6이라고 하는 보고도 있다. Cu사이트에 포함되는 다수의 공공은 Cu이온이 이동할 때의 경로가 되기 때문에, 높은 이온전도도를 가진다. 한편, Ta과 O에 의해 구성되는 구조는 안정적이어서, 전계를 걸거나, Cu이온이 이동하거나 하는 경우에도, 용이하게 구조는 열화(劣化)하지 않고, 공극이 생기거나, Ta나 O가 이동하는 일은 적다고 생각된다. 왜냐하면, 모빌리티가 낮은 양이온은 일반적으로 가수가 많기 때문에, 음이온인 산소와의 사이에, 강고한 결합을 형성하기 때문이다. 그 때문에, 높은 신뢰성을 가지는 메모리 소자를 제공하는 것이 가능하다.In the present invention, the phase state of the
이온공급층의 바람직한 조성은, 평균 조성이 하기의 일반식 (1)로 표현된다.As for the preferable composition of an ion supply layer, an average composition is represented by following General formula (1).
CuXTaYS(100-X-Y) (1) Cu X Ta Y S (100- X-Y) (1)
(여기서, 식 중의 X, Y는 각각 40≤X≤80, 5≤Y≤20이다)(Wherein, X and 중의 in the formula are 40≤X≤80, 5≤Y≤20, respectively)
Cu의 조성비가 이보다 많으면 그 자신이 전극처럼 저항이 낮아져서 고체 전해질로서 기능하지 않는다. 이보다 적으면 막(膜)이 화학적으로 불안정해지고, 또한, 세트(set)가 불충분해진다. Ta의 조성비가 이보다 많으면 세트 저항이 지 나치게 높다. 이보다 적으면 이온이 이동할 때 공극이 생기기 때문에, 재기록 가능 회수가 감소한다. 이 이외에 10원자% 이하의 다른 원소를 포함해도 좋다.If the composition ratio of Cu is higher than this, the resistance itself is lowered like the electrode, and thus it does not function as a solid electrolyte. If less than this, the film becomes chemically unstable, and the set becomes insufficient. If the composition ratio of TA is greater than this, the set resistance is excessively high. When less than this, since a space | gap arises when an ion moves, the rewritable frequency | count is reduced. In addition to this, another element of 10 atomic% or less may be included.
이온감금층의 바람직한 조성은, 평균 조성이 하기의 일반식 (2)로 표현된다.As for the preferable composition of an ion confinement layer, an average composition is represented by following General formula (2).
CuXTaYO(100-X-Y) (2) Cu X Ta Y O (100- X-Y) (2)
(여기서, 식 중의 X, Y는 각각 10≤X≤50, 10≤Y≤30이다)(Wherein, 중의 and 중의 in the formula are respectively 10≤X≤50, 10≤Y≤30)
Cu의 조성비가 이보다 많으면 그 자신이 전극처럼 저항이 낮아져서 고체 전해질로서 기능하지 않는다. 이보다 적으면 화학적 안정성이 불안해지고, 또한, 세트가 불충분해진다. Ta의 조성비가 이보다 많으면 세트 저항이 지나치게 높다. 이보다 적으면 저(低)저항 상태의 내열성이 부족하다. 산소가 이보다 많으면 세트가 불충분해진다. 이보다 적으면 이온이 이동할 때 공극이 생기기 때문에, 재기록 가능 회수가 감소한다. 이 이외에 10원자% 이하의 다른 원소를 포함해도 좋다.If the composition ratio of Cu is higher than this, the resistance itself is lowered like the electrode, and thus it does not function as a solid electrolyte. If less than this, the chemical stability becomes unstable, and the set becomes insufficient. If the composition ratio of TA is larger than this, the set resistance is too high. If less than this, the heat resistance of a low resistance state is lacking. If there is more oxygen, the set is insufficient. When less than this, since a space | gap arises when an ion moves, the rewritable frequency | count is reduced. In addition to this, another element of 10 atomic% or less may be included.
우리들이 실험한 이온감금층의 상(相)상태를 아몰퍼스(amorphous)로 한 경우와, 결정으로 한 경우의 비교를 도 7과 도 8에 나타낸다. 도 7은 상상태가 결정이며, 도 8은 상상태가 아몰퍼스이다. 독출 동작을 행했을 때 흐르는 전류량을 나타내고 있다. 상상태를 결정으로 함으로써 재기록 동작을 반복했을 때의 독출 전류의 안정성이 높아지는 것이 도시되어 있다. 이것으로부터 Cu-Ta-O를 결정으로 함으로써, 고신뢰 동작하는 메모리를 제공 가능하다는 것이 판명된다. 이 이유를 설명하는 모델의 하나는 이하이다. Cu-Ta-O가 아몰퍼스라면, 이온 사이의 결합력은, 장소에 따라 다르다. 가운데에는 불안정한 결합이 존재하여, 전계를 인가하 거나, Cu이온이 이동함으로써, Ta-O 사이의 결합이 절단된다. 절단된 Ta-O의 결합이 일정 비율에 달하면, 일렉트로-마이그레이션(electro-migration)에 의해, 공극이 생긴다. 그 결과, ON저항이나 OFF저항, 동작 전압이 변동한다. Cu-Ta-O가 결정(結晶)인 경우, Cu이온은, Cu-Ta-O 중의 Cu사이트를 중심으로 이동하는 모델과, 입계(粒界)를 중심으로 이동하는 모델이 생각될 수 있다. Cu-Ta-O 중의 Cu사이트를 중심으로 이동하는 모델에서는, 이온 사이의 결합력은 적어도 입내(粒內)에서는, 거의 일정하여, 공극이 생길 수 있는 결합력이 약한 장소는 생기지 않는다. 따라서 안정된 재기록 동작이 가능하다는 가능성이 생각될 수 있다. Cu이온이 입계를 이동하는 모델에서는, 입계의 장소는 거의 안정하기 때문에, 안정된 재기록 동작이 가능하다는 가능성이 생각될 수 있다.Fig. 7 and Fig. 8 show a comparison between the case where the phase state of the ion confinement layer in our experiment was made amorphous and the case where it was crystallized. In Fig. 7, the phase state is determined, and Fig. 8 is amorphous. The amount of current flowing when the read operation is performed is shown. It is shown that the stability of the read current when the rewriting operation is repeated by making the phase state a crystal is shown. From this, it is proved that by setting Cu-Ta-O as the crystal, a memory of high reliability operation can be provided. One model for explaining this reason is as follows. If Cu-Ta-O is amorphous, the bonding force between the ions varies from place to place. An unstable bond exists in the center, and the bond between Ta-O is broken by applying an electric field or by moving the Cu ion. When the bond of the cut | disconnected TA-O reaches a predetermined ratio, an air gap arises by electro-migration. As a result, the ON resistance, the OFF resistance, and the operating voltage change. In the case where Cu-Ta-O is the crystal, a model in which the Cu ion is moved around the Cu site in the Cu-Ta-O and a model that moves around the grain boundary can be considered. In the model which moves around Cusite in Cu-Ta-O, the binding force between ions is substantially constant at least in a mouth, and the place where the binding force which a void | gap can generate | occur | produce is weak is not produced. Therefore, the possibility that a stable rewriting operation is possible can be considered. In the model where the Cu ion moves the grain boundary, it is conceivable that the stable rewriting operation is possible since the grain boundary is almost stable.
다음으로, 우리들이 작성한 결정 Cu-Ta-O와 그 주변부의 단면(斷面) SEM상(像)을 도 9에 나타낸다. SEM에 의한 관찰에 의해 결정 Cu-Ta-O(91)에는 약 5nm의 구조가 존재하는 것이 판명되었다. 이것은 결정 Cu-Ta-O(91)의 입경은 약 5nm인 것을 시사한다. 또한, 도 9에는, Cu-Ta-S(92) 및 상부전극(94), PTEOS(93)가 도시되어 있다.Next, the crystal | crystallized Cu-TA-O which we created, and the cross-sectional SEM image of the peripheral part is shown in FIG. Observation by SEM revealed that a structure of about 5 nm exists in the crystal Cu-Ta-
또한, 도 9의 모식도를 도 10에 나타낸다. 산화 실리콘(103)과 이온공급층 즉 Cu-Ta-S 사이에 결정 Cu-Ta-O(104)가 위치한다. Cu-Ta-O의 결정 입경은 약 5nm인 것이, 결정 입계(101)의 형상에 의해 도시되어 있다. 입내(102)와 입계(101)는 전기전도율 및 Cu의 모빌리티는 다르다. 입경(粒徑)이 하부전극(BEC) 지름에 비해 충분히 작게 함으로써, Cu-Ta-O입계가 메모리 특성에 미치 는 영향이 평균화되어, 소자 사이 편차가 작아지는 효과가 있다. Cu-Ta-O의 조성이나 결정화 조건에 의해, 결정 입계(101)에 Cu나 Ta 및 그 산화물을 석출시키는 것이 가능한 것은 용이하게 생각될 수 있다. 이 석출량의 대소 및 그 조성에 의해, Cu의 이동을 주로 입내에서 생기게 할지, 아니면, 입계에서 생기게 할지를 결정하는 것이 가능하다고 생각된다. 소자 사이 편차를 감소시킴으로써 대용량의 메모리를 제공할 수 있다. 또한, 고신뢰 동작화에 의해, 높은 재기록 가능 회수가 요구되는 RAM에의 응용이 가능해진다. 특히, 컴퓨터용 주기억장치로서 큰 시장을 가지지만 프로세스 세대 45nm보다 가는 미세화에 문제가 있는 DRAM을 대신해서, 45nm보다 가는 미세화에 대응한 주기억장치로서 본 메모리 소자를 제공하는 것이 가능하다.Moreover, the schematic diagram of FIG. 9 is shown in FIG. The crystal Cu-Ta-
도 11을 사용해서 Cu-Ta-O의 결정화 조건을 설명한다. 우선, 스패터링(sputtering)법에 의해 아몰퍼스의 Cu-Ta-O를 성막(成膜)했다. 다음으로, 각각 소정의 온도로, 질소분위기 중에서 30분간의 열처리를 행했다. 이 시료의 XRD측정을 행한 결과, asdepo막(膜) 및, 500℃ 이하의 열처리온도에서는, Cu-Ta-O결정은 관찰되지 않았다. 그에 대해, 700℃의 열처리를 행함으로써, Cu-Ta-O결정이 관찰되었다.The crystallization condition of Cu-Ta-O is demonstrated using FIG. First, amorphous Cu-Ta-O was formed into a film by the sputtering method. Next, heat processing for 30 minutes was performed in nitrogen atmosphere at predetermined temperature, respectively. As a result of performing the QR measurement of this sample, the Cu-Ta-O crystal was not observed at the asdepo film and the heat treatment temperature of 500 ° C or lower. On the other hand, Cu-Ta-O crystal | crystallization was observed by performing 700 degreeC heat processing.
또한, 우리들은 Cu-Ta-O의 전기저항을 조사하는 실험을 행하고 있는데, 우리들이 실험에 사용한 Cu-Ta-O의 결정화 온도는 500℃ 이상, 700℃ 이하인 것을 알고 있다. Cu-Ta-O의 막 두께는 예를 들면 5∼60nm이며, Cu-Ta-S의 막 두께는 예를 들면 3∼30nm이다.In addition, we are conducting an experiment to investigate the electrical resistance of Cu-Ta-O, but it is known that the crystallization temperature of Cu-Ta-O used in the experiment is 500 ° C or more and 700 ° C or less. The film thickness of Cu-Ta-O is 5 to 60 nm, for example, and the film thickness of Cu-Ta-S is 3 to 30 nm, for example.
우리들은, 시험제작한 메모리 셀의 단면 TEM(투과형 전자현미경) 관찰을 행하고, 나노-디플렉션(nano-deflection)법에 의해 얻은 전자선회절(電子線回折)도형을 도 25에 나타낸다. 또한, CuTa2O6 결정 구조로부터 회절도형을 계산한 결과를 도 26에 나타낸다. 도 25와 도 26의 결과가 일치함으로써, 메모리 셀 중에 CuTa2O6 결정이 존재하는 것이 판명된다. 이상과 같이, 단면 TEM관찰에 의해 용이하게 이온감금층이 결정화하고 있는지 어떤지를 조사할 수 있다.We perform cross-sectional TEM (transmission electron microscope) observation of the test-made memory cell, and the electron diffraction figure obtained by the nano-deflection method is shown in FIG. Also shows the calculation results of the diffraction pattern from a CuTa 2 O 6 crystal structure in Fig. By the agreement of the results in FIG. 25 and FIG. 26, it is found that the Cu 2 O 6 crystal exists in the memory cell. As described above, it is possible to easily check whether the ion confinement layer is crystallized by the cross-sectional TEM observation.
Cu-Ta-O와 Cu-Ta-S의 상하관계에 대해, 이하에 기술한다. Cu-Ta-O를 성막하고, Cu-Ta-O을 결정화시키며, 그 후, Cu-Ta-S를 성막하는 프로세스 공정을 사용하면, Cu-Ta-S의 내열성은 Cu-Ta-O의 결정화 온도보다 낮아도 좋기 때문에, 폭 넓은 조성으로부터 Cu-Ta-S 재료를 선택할 수 있다. 예를 들면, 600℃의 열 부하를 줌으로써 승화하는 Cu:Ta:S=60:10:30의 조성을 사용할 수 있다. Cu-Ta-S의 조성비로서는, 예를 들면 Cu농도에 대해서는 10% 이상이면서 50% 이하, Ta농도에 대해서는 10% 이상이면서 30% 이하라면, 저항을 변화시키기에 충분한 Cu공급량이 있고, 또한 Cu를 공급했을 때의 Cu-Ta-S 재료의 공극을 억제하는 데에 적합하다고 생각되지만, 물론, 그 밖의 조성을 사용하는 것도 가능하다. 다음으로, 본 메모리의 제조공정에 대해, 도 12를 사용해서 설명한다.The vertical relationship between Cu-Ta-O and Cu-Ta-S is described below. When the Cu-Ta-O film is formed, the Cu-Ta-O is crystallized, and then the Cu-Ta-S film is formed, the heat resistance of the Cu-Ta-S crystallizes the Cu-Ta-O. Since it may be lower than temperature, a Cu-Ta-S material can be selected from a wide composition. For example, the composition of Cu: Ta: S = 60: 10: 30 which sublimes by applying the heat load of 600 degreeC can be used. As the composition ratio of Cu-Ta-S, for example, if the Cu concentration is 10% or more and 50% or less, and the TA concentration is 10% or more and 30% or less, the amount of Cu supplied is sufficient to change the resistance. Although it is thought that it is suitable for suppressing the space | gap of the Cu-Ta-S material at the time of supplying, of course, it is also possible to use other compositions. Next, the manufacturing process of this memory is demonstrated using FIG.
우선, 통상의 반도체공정을 사용하여 MIS트랜지스터 형성 및 필드 산화막에 의한 확산층의 분리를 행한다. 다음으로, 층간절연막 형성 후, 상기 트랜지스터 의 드레인(drain)에 접속된 콘택트 홀을 형성하여, 화학적 기상성장법(CVD)에 의해, 밀착층(14) 및, 플러그 재료(13)를 형성한다. 그 후, CMP(화학기계연마)를 행하여, BEC를 형성한다. 또한, 결정 Cu-Ta-O의 성막을 행한다. 결과로서 얻어지는 구조의 모식도를 도 12에 나타낸다. BEC로부터 상부만이 도시되어 있다. 층간절연막(121)으로서, PTEOS(Plasma Tetra Ethyle Ortho Silicate)를 사용할 수 있다.First, an MIS transistor is formed and a diffusion layer is separated by a field oxide film using a normal semiconductor process. Next, after the interlayer insulating film is formed, a contact hole connected to the drain of the transistor is formed, and the
도 13에는 결정 Cu-Ta-O의 성막방법이 3종류 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 기반(基盤) 가열 스패터링법에 의한 Cu-Ta-O 성막을 선택했다. 상기 방법은, 웨이퍼 기반 온도를 예를 들면 500℃ 이상으로 제어하여, 스패터링을 행한다. 물론, Cu-Ta-O 결정 이외의 재료를 이온감금층으로 사용하는 것이 가능하며, 조성에 의해 결정화 온도는 다르기 때문에, 조성에 따른 적절한 기반 온도를 선택할 필요가 있다.Three types of film formation methods of the crystal Cu-Ta-O are shown in FIG. In the present Example, Cu-Ta-O film-forming by the base heating spattering method was selected. The method performs sputtering by controlling the wafer base temperature to, for example, 500 ° C. or higher. Of course, it is possible to use materials other than Cu-Ta-O crystals as the ion confinement layer, and since the crystallization temperature varies depending on the composition, it is necessary to select an appropriate base temperature according to the composition.
스패터링에 의해 기반에 입사한 스패터링 입자는 높은 운동 에너지를 가져, 기반 상에서, 어느 정도 자유롭게 운동할 수 있기 때문에, 열역학적으로 안정한 결정 상태가 되기 쉽다. 그 때문에, 우선, 아몰퍼스 상태로 성막하고, 그 후에 열 부하를 주는 경우에 비해, 결정화에 필요한 온도를 저온화할 수 있다. 그 결과, 실리콘 기반에 주입한 도펀트(dopant)가 높은 열 부하에 의해 이동하기 때문에, 트랜지스터 특성이 열화하는 문제를 회피할 수 있다.The sputtered particles incident on the substrate by sputtering have a high kinetic energy and can move freely to a certain extent on the substrate, so that they tend to be in a thermodynamically stable crystal state. Therefore, compared with the case where it forms into an amorphous state first and heat loads after that, the temperature required for crystallization can be made low temperature. As a result, since the dopant injected into the silicon base is moved by a high thermal load, the problem of deterioration of transistor characteristics can be avoided.
다음으로, Cu-Ta-O 및 Cu-Ta-S의 가공방법에 대해 설명한다. Cu를 포함하는 재료는, 일반적으로 에칭에 의한 미세가공은 곤란하다. 예를 들면, C u의 배선공정에서는 다마신(damascene)공정이 사용된다. 본 실시예의 가공방법을 도 14∼도 16을 사용해서 설명한다.Next, the processing method of Cu-Ta-O and Cu-Ta-S is demonstrated. In general, the material containing Cu is difficult to be micromachined by etching. For example, a damascene process is used in the wiring process of Cu. The processing method of this embodiment will be described using FIGS. 14 to 16.
도 12에 나타낸 상태로부터, Cu-Ta-S와 상부전극(15), 하드마스크(141)를 더 성막한 후에, 레지스트(142)를 도포, 노광, 현상한 모식도를 도 14에 나타낸다. 하드마스크(141)로서, SiN(실리콘 질화물)을 사용할 수 있다. 하드마스크(141)의 막 두께는 예를 들면 150nm이다. 이 막 두께는 제조장치의 프로세스 세대나 Cu-Ta-S 및 Cu-Ta-O의 막 두께에 맞춰서 적절한 값을 선택한다. 레지스트(142)를 마스크로 하여, 하드마스크(141)를 드라이 에칭(etching)에 의해 가공한다. 그 후, 레지스트 애싱(resist ashing)을 행하여, 레지스트(142)를 제거한다. 이 상태의 모식도를 도 15에 나타낸다.FIG. 14 shows a schematic view of coating, exposing and developing the resist 142 after further forming the Cu-Ta-S, the
또한, 하드마스크(141)를 사용하여, Cu-Ta-S 및 Cu-Ta-O의 가공을 드라이 에칭에 의해 행한다. 하드마스크(141)는 레지스트(142)에 비해, Cu-Ta-O 및 Cu-Ta-S의 선택비를 크게 취할 수 있기 때문에, 더 미세한 가공이 가능해진다.In addition, using the
이하, 또한 기억부(RM)와 비트선의 접속부나 MIS트랜지스터의 소스(source)와 소스선의 접속부의 형성을 행하고, 순차적으로, 상부배선을 형성한다. 이상의 순서에 의해 형성한 메모리 셀의 레이아웃을 도 17∼도 19에 나타낸다. 도 17에는, 확산층(171), BEC(172), 소스선-확산층 간 접속부(173)가 도시되어 있다.Hereinafter, the connection portion of the storage portion RM and the bit line or the connection portion of the source and source line of the MSI transistor is formed, and the upper wiring is formed sequentially. 17 to 19 show the layout of the memory cells formed by the above procedure. In FIG. 17, the
다음으로, 도 18에는, 워드선(181)과 소스선(182)이 도시되어 있다. 소스선 간격은 F를 최소 치수라 하면 3F이다. 또한, 워드선 간격은 2F이다. 또한, 도 19에는, 비트선(191)이 도시되어 있다. 비트선 간격은 3F이다. 본 실시예에서는 메모리 셀 면적을 6F2로 할 수 있다. 하부전극(BEC)의 플러그 지름은, 예를 들면 0.2F2∼2F2이다. 하부전극(BEC)의 플러그 지름을 1F2 이하로 가공하는 경우는, 사이드월 등의 단차를 하드마스크로서 사용하여 가공하는 방법 등을 사용할 수 있다.Next, the
본 실시예의 요부 단면 모식도를 도 20과 도 21에 나타낸다. 도 20은 도 19 중의 X-X'의 단면 모식도이며, 도 21은 도 19 중의 Y-Y'의 단면 모식도이다. 도 20에서는, 사이드월(201)을 이용하여, 워드선(202)과 BEC의 분리를 행하고 있는 것이 도시되어 있다. 필드 산화막(203)에 의해, 확산층(171)은 분리되어 있다.20 and 21 show schematic cross-sectional views of the main part of the embodiment. FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of VIII-VIII 'in FIG. 19, and FIG. 21 is a cross-sectional schematic view of VIII-VIII' in FIG. 19. In FIG. 20, the
도 21에서는, 밀착층(214)과 플러그 재료(213)로 형성된 확산층-소스선 접속부(173)가 소스선(182)과 확산층(171)을 접속하고 있는 것이 도시되어 있다. 밀착층(214)은 예를 들면 TiN이며, 플러그 재료(213)는 예를 들면 W이다. 또한, CVD로 형성할 수 있다. 소스선(182)은 배리어층(215)과 배선재료(216)에 의해 형성되어 있다. 배리어층으로서는 Ta, 배선재료로서는 Cu를 사용할 수 있다.In FIG. 21, the diffusion layer-source
[실시예 2]Example 2
본 실시예는, 도 13 중의 Cu-Ta-O 결정화방법 중, 이온감금층의 결정화를 레이저 조사(照射)에 의해 행하는 것을 특징으로 한다. Cu-Ta-O의 성막은 이하와 같이 행한다. 스패터링 시의 기반온도는 Cu-Ta-O가 결정화하지 않는 정도로 낮게 제어하여, 아몰퍼스Cu-Ta-O를 성막한다. 다음으로, 레이저 조사를 사용한 Cu-Ta-O의 결정화를 행한다.This embodiment is characterized in that, among the Cu-Ta-O crystallization method in FIG. 13, crystallization of the ion confinement layer is performed by laser irradiation. The film formation of Cu-Ta-O is performed as follows. The base temperature at the time of sputtering is controlled so low that Cu-Ta-O does not crystallize, and an amorphous Cu-Ta-O is formed. Next, the crystallization of Cu-Ta-O using laser irradiation is performed.
노체(爐體)를 사용한 열처리가 아닌, 레이저 조사를 행함으로써, 실리콘 웨이퍼 기반의 온도 상승을 경감할 수 있다. 이에 의해, 확산층 중의 도펀트가 이동하기 때문에, 트랜지스터 특성이 열화하는 문제를 회피할 수 있을 뿐만 아니라, 또한, 로우케이(Low-k) 재료의 열화를 방지할 수 있기 때문에, 로우케이(Low-k) 재료를 층간절연막으로 사용할 수 있다. 로우케이(Low-k) 재료를 사용함으로써, 반도체회로의 배선 지연을 경감하는 것이 가능해지며, 고속 동작을 행할 수 있다. 로우케이(Low-k) 재료는 일반적으로 내열성이 낮다. 예를 들면, 다공성 로우케이(Low-k) 재료에 400℃를 넘는 열 부하를 주면, 내부의 미세 공극이 소멸하고, 유전율 k가 상승하기 때문에, 배선 지연이 증대되거나, 로우케이(Low-k) 재료의 변형에 의해, 배선 쇼트가 생기거나 한다. 로우케이(Low-k) 재료가 열화하는 온도는, 로우케이(Low-k) 재료의 종류에 의해 변화하는 것은 말할 필요도 없다.By performing laser irradiation instead of the heat treatment using a furnace body, temperature rise based on a silicon wafer can be reduced. As a result, since the dopant in the diffusion layer moves, not only the problem of deteriorating transistor characteristics can be avoided, but also the degradation of the low-k material can be prevented. ) Material can be used as an interlayer insulating film. By using the low-k material, it is possible to reduce the wiring delay of the semiconductor circuit and to perform high speed operation. Low-k materials are generally low in heat resistance. For example, when a porous low-k material is subjected to a heat load exceeding 400 ° C., the internal micro voids disappear and the dielectric constant k increases, so that the wiring delay is increased or the low-k is low-k. ) Deformation of the material may cause a wiring short. It goes without saying that the temperature at which the low-k material deteriorates varies depending on the type of the low-k material.
레이저 조사방법을 설명한다. 실리콘 웨이퍼면(面)과 직교하고 웨이퍼 중심을 지나는 축을 중심으로 웨이퍼를 회전시키고, 레이저 조사부를 웨이퍼의 반지름방향으로 이동시킨다. 또한, 레이저 조사부의 위치에 의해, 회전속도를 변화시켜, 레이저의 선속도를 일정하게 유지한다. 상기에 의해, 균일한 조사 강도에서의 레이저 열처리가 가능하다.The laser irradiation method is explained. The wafer is rotated about an axis perpendicular to the silicon wafer surface and passing through the wafer center, and the laser irradiation part is moved in the radial direction of the wafer. Moreover, the rotational speed is changed by the position of the laser irradiation part, and the linear speed of the laser is kept constant. By this, laser heat treatment at a uniform irradiation intensity is possible.
우리들이 측정한 아몰퍼스 상태의 Cu-Ta-O의 굴절률은, 파장 632.8nm에 서, 3.9였다. 레이저 조사 강도를 16kW/mm2으로 하고, 레이저 조사부의 이동속도를 25mm/초로 하며, 레이저의 이동방향의 조사 길이를 1㎛로 함으로써, 결정화가 가능하다고 생각되지만, Cu-Ta-O 재료의 조성에 의해, 굴절률이나 결정화 온도, 결정화에 필요한 시간이 변화하기 때문에, 조사 강도나 조사부의 이동속도를 최적인 값으로 제어하는 것은 말할 필요도 없다.The refractive index of Cu-Ta-O in the amorphous state measured by us was 3.9 at a wavelength of 632.8 nm. Crystallization is considered possible by setting the laser irradiation intensity to 16 kW / mm 2 , the moving speed of the laser irradiation part to 25 mm / sec, and the irradiation length of the laser moving direction to 1 μm, but the composition of the Cu-Ta-O material Since the refractive index, the crystallization temperature, and the time required for crystallization change, needless to say, control the irradiation intensity or the moving speed of the irradiation section to an optimum value.
또한, 레이저 조사에 의해 Cu-Ta-O를 선택적으로 가열을 행함으로써 결정화시켜, 그 하부에 형성하는 Cu-Ta-S의 온도상승을 억제하는 것이 가능해진다. 그 결과, Cu-Ta-O의 결정화 온도보다 내열성이 낮은 Cu-Ta-S를 사용해서, Cu-Ta-S가 Cu -Ta-O보다 하부에 있는 구조를 형성하는 것이 가능해진다.Moreover, it becomes possible to crystallize by selectively heating Cu-Ta-O by laser irradiation, and to suppress the temperature rise of Cu-Ta-S formed in the lower part. As a result, it is possible to form a structure in which Cu-Ta-S is lower than Cu-Ta-O by using Cu-Ta-S having lower heat resistance than the crystallization temperature of Cu-Ta-O.
[실시예 3]Example 3
본 실시예는, 도 13 중의 Cu-Ta-O 결정화방법 중, 아몰퍼스 Cu-Ta-O 성막 후에 전기로 혹은 적외로(赤外爐)에서 열처리를 행해, Cu-Ta-O을 결정화시키는 것을 특징으로 한다. 시간을 들여 결정화를 행함으로써, 결정 성장의 속도를 억제해, 상대적으로 결정핵 생성의 확률을 높게 할 수 있기 때문에, 미세한 결정 구조가 얻어진다. 이에 의해, BEC 상의 입계의 수를 균일화할 수 있기 때문에, 입계가 재기록 동작에 미치는 영향을 평균화할 수 있다. 그 결과, 편차가 적은 반도체회로장치를 제공할 수 있다. 열처리 시간은 예를 들면 30분이다. 실시예 1에서 기술한 바와 같이 Cu-Ta-O의 결정화 온도는 600℃ 이상이기 때문에, 열 처리 온도는 600℃ 이상으로 하는 것이 좋다.In the Cu-Ta-O crystallization method of FIG. 13, the present embodiment is characterized by crystallizing Cu-Ta-O by performing heat treatment in an electric furnace or an infrared furnace after amorphous Cu-Ta-O film formation. It is done. Since crystallization takes place over time, the rate of crystal growth can be suppressed and the probability of crystal nucleation can be relatively increased, whereby a fine crystal structure is obtained. As a result, the number of grain boundaries on the VEC can be made uniform, and the influence of grain boundaries on the rewriting operation can be averaged. As a result, a semiconductor circuit device with less variation can be provided. The heat treatment time is 30 minutes, for example. As described in Example 1, the crystallization temperature of Cu-Ta-O is 600 ° C or higher, so the heat treatment temperature is preferably 600 ° C or higher.
[실시예 4]Example 4
본 실시예는, 기억부의 분리를 CMP에 의해 행하는 것을 특징으로 한다. 본 메모리의 제조공정에 대해, 도 22∼도 24를 사용해서 설명한다. 우선, 통상의 반도체공정을 사용하여 MIS트랜지스터 형성 및 필드 산화막에 의한 확산층의 분리를 행한다. 다음으로, 층간절연막 형성 후, 상기 트랜지스터의 드레인 및 소스에 접속된 콘택트 홀을 형성하고, 화학적 기상성장법(CVD)에 의해, 밀착층(225) 및, 플러그 재료(224)를 형성한다. 그 후, CMP(화학기계연마)를 행하고, 확산층-1 메탈선(線) 사이 접속부를 형성한다. 다음으로, CVD성막과 다마신가공을 사용하여, 1 메탈선(223)을 형성한다. 1 메탈선 재료의 예는 W이다. 그 후, 에칭 스토퍼층(221) 및 층간절연막(226)을 형성하고, 또한, CVD 및 드라이 에칭을 행하여, 단차부(222)를 형성한다. 에칭 스토퍼층의 재료의 예는 SiN이며, 층간절연막(226)의 재료의 예는 PTEOS이다. 또한, 단차부(222)의 재료의 예는 SiN이다. 결과로서 얻어지는 단면(斷面)의 모식도를 도 22에 나타낸다.This embodiment is characterized in that the memory section is separated by CPM. The manufacturing process of this memory will be described with reference to FIGS. 22 to 24. First, an MIS transistor is formed and a diffusion layer is separated by a field oxide film using a normal semiconductor process. Next, after the interlayer insulating film is formed, contact holes connected to the drain and the source of the transistor are formed, and the
또한, 이온감금층(11)과 이온공급층(12), 상부전극(15)의 성막을 행한다. 이들 성막은 모두 스패터링법으로 행할 수 있다. 다만, 단차부의 높이와 개구부의 어스펙트비(aspect比)가 1을 초과하는 깊은 구멍을 사용하는 경우는, CVD법을 사용해서 각(各) 층의 형성을 행한다. 결과로서 얻어지는 단면의 모식도를 도 23에 나타낸다.In addition, the
다음으로, CMP를 행함으로써, 도 24에 도시되는 기억부가 분리된 구조를 형성할 수 있다. 본 실시예를 사용함으로써, 특히 미세한 메모리 셀 구조를 형성하는 것이 가능하다.Next, by performing CMP, a structure in which the storage unit shown in FIG. 24 is separated can be formed. By using this embodiment, it is possible to form a particularly fine memory cell structure.
이후, 상부배선을 형성함으로써, 메모리 소자를 제조한다. 한편, 일반적인 반도체 프로세스를 사용하여 본 구조를 형성하면 Cu-Ta-O 혹은 Cu-Ta-S에 10∼500nm의 단차가 생긴다. 한편, 본 실시예에서는, 소스선이 비트선의 하부에 배치되고 있으며, 소스선은 1 메탈선(223)을 사용하여 배선되어 있다. 또한, 1 메탈선과 상부배선의 접속부의 형성을 용이하게 행할 수 있도록 드라이 에칭 스패터층(221)을 형성하고 있다.Thereafter, the upper wiring is formed to manufacture a memory device. On the other hand, when the present structure is formed using a general semiconductor process, a step of 10 to 500 nm occurs in Cu-Ta-O or Cu-Ta-S. On the other hand, in the present embodiment, the source line is disposed under the bit line, and the source line is wired using one
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서의 메모리 소자의 요부(要部) 단면도이다.1 is a sectional view of principal parts of a memory device in one embodiment of the present invention.
도 2는 고체 전해질 메모리 소자의 요부 단면도이다.2 is a sectional view of principal parts of a solid electrolyte memory device.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 ON동작을 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows ON operation in one Embodiment of this invention.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 OFF동작을 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows the OFF operation in one Embodiment of this invention.
도 5는 전류와 전압의 관계를 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating a relationship between current and voltage.
도 6은 CuTa2O6 결정 구조를 나타내는 도면이다.Fig. 6 is a view showing the Cuta 2 O 6 crystal structure.
도 7은 이온감금층이 결정(結晶)인 경우의 사이클 회수와 독출(讀出) 전류의 관계를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the cycle count and the readout current when the ion confinement layer is a crystal. FIG.
도 8은 이온감금층이 아몰퍼스인 경우의 사이클 회수와 독출 전류의 관계를 나타내는 도면이다.Fig. 8 is a diagram showing the relationship between the cycle number and the read current when the ion confinement layer is amorphous.
도 9는 결정 Cu-Ta-O 주변부의 단면 SEM사진이다.Fig. 9 is a cross-sectional SEM photograph of the crystal Cu-Ta-O periphery.
도 10은 결정 Cu-Ta-O 주변부의 단면 모식도이다.10 is a schematic sectional view of the vicinity of the crystal Cu-Ta-O.
도 11은 Cu-Ta-O의 XRD 측정 결과를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the CRD measurement result of Cu-Ta-O.
도 12는 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부의 구성예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.12 is a cross-sectional view schematically showing a structural example of a main part in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
도 13은 3종류의 이온감금층의 결정화방법을 나타내는 도면이다.Fig. 13 is a view showing the crystallization method of three kinds of ion confinement layers.
도 14는 도 12에 뒤따르는 제조공정 중의 반도체장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 14 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 12.
도 15는 도 14에 뒤따르는 제조공정 중의 반도체장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 14; FIG.
도 16은 도 15에 뒤따르는 제조공정 중의 반도체장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 16 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 15.
도 17은 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부의 레이아웃을 모식적으로 나타내는 도면이다.FIG. 17 is a diagram schematically showing a layout of main parts in a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 18은 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부의 레이아웃을 모식적으로 나타내는 도면이다.FIG. 18 is a diagram schematically showing a layout of main parts in a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 19는 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부의 레이아웃을 모식적으로 나타내는 도면이다.FIG. 19 is a diagram schematically showing a layout of main parts in a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 20은 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부를 모식적으로 나타내는 단면도이다.20 is a cross-sectional view schematically showing the main parts of the manufacturing process in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
도 21은 본 발명의 실시예 1에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부를 모식적으로 나타내는 단면도이다.Fig. 21 is a cross-sectional view schematically showing the main parts of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
도 22는 본 발명의 실시예 4에 의한 반도체장치에서, 그 제조공정 중의 요부를 모식적으로 나타내는 단면도이다.Fig. 22 is a cross-sectional view schematically showing the main parts of the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
도 23은 도 22에 뒤따르는 제조공정 중의 반도체장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 23 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 22.
도 24는 도 23에 뒤따르는 제조공정 중의 반도체장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 24 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 23.
도 25는 메모리 셀을 전자선회절(電子線回折)로 분석함으로써 얻어진 CuTa2O6 결정의 회절도형이다.Fig. 25 is a diffraction diagram of Cuta 2 O 6 crystals obtained by analyzing memory cells by electron diffraction.
도 26은 계산으로 구해진 CuTa2O6 결정의 전자선회절도형이다.Fig. 26 is an electron diffraction diagram of Cutau 2 O 6 crystal obtained by calculation.
[부호의 설명][Description of the code]
11…이온감금층,11... Ion Confinement Layer,
12…이온공급층,12... Ion Supply Layer,
13, 213, 224…플러그 재료,13, 213, 224. Plug material,
14, 214, 225…밀착층,14, 214, 225... Adhesive Layer,
15, 94…상부전극,15, 94... Upper electrode,
21…고체 전해질층,21... Solid electrolyte layer,
22…이온공급원이 되는 전극,22... An electrode as an ion source,
33…이온,33... ion,
34…금속,34... metal,
51…ON동작,51... ON operation,
52…OFF동작,52... OFF operation,
91, 104…결정(結晶) Cu-Ta-O,91, 104. Crystal Cuuc-Ta-O,
92…Cu-Ta-S,92... Cu-Ta-S,
93, 103…PTEOS,93, 103... TTEOS,
101…입계(粒界),101... Grain boundary,
102…입내(粒內),102... Mouth,
103…산화 실리콘,103... Silicon oxide,
121…층간(層間)절연막,121... Interlayer insulating film,
141…하드마스크,141... Hard Mask,
142…레지스트,142... Resist,
171…확산층,171... Diffusion Layer,
172…하부전극,172... Bottom electrode,
173…소스선-확산층 사이 접속부,173... Connection between source line and diffusion layer,
181…워드선(線),181... Word Line,
182…소스선(線),182... Source Line,
191…비트선(線),191... Bit line,
201…사이드월,201... Sidewall,
202…워드선,202... Word Line,
203…필드 산화막,203... Field oxide,
215…배리어(barrier)층,215... Barrier layer,
216…배선재료,216... Wiring Material,
221…에칭 스토퍼층,221... Etching stopper layer,
222…단차부(段差部),222... Step,
223…1 메탈선,223... 1 metal wire,
RM…기억부,RM… Memory,
BEC…하부전극.VEC… Bottom electrode.
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090005638A KR20090104643A (en) | 2008-03-31 | 2009-01-22 | Semiconductor device and method thereof |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JPJP-P-2008-089776 | 2008-03-31 | ||
KR1020090005638A KR20090104643A (en) | 2008-03-31 | 2009-01-22 | Semiconductor device and method thereof |
Publications (1)
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---|---|
KR20090104643A true KR20090104643A (en) | 2009-10-06 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020090005638A KR20090104643A (en) | 2008-03-31 | 2009-01-22 | Semiconductor device and method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20090104643A (en) |
-
2009
- 2009-01-22 KR KR1020090005638A patent/KR20090104643A/en not_active Application Discontinuation
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
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