KR20130007572A - 금속 산화물 저항률 전환층과 함께 사용하기 위한 하부 전극 - Google Patents
금속 산화물 저항률 전환층과 함께 사용하기 위한 하부 전극 Download PDFInfo
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Abstract
(1) 제 1 금속-실리사이드층(108a)과 제 2 금속-실리사이드층(108b)을 포함하는 제 1 도전층(108)과, (2) 상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층(104)과, (3) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층(106)을 포함하는, MIM 스택(200a)이 제공된다. 메모리 셀은 상기 MIM 스택으로부터 형성될 수 있다. 여러 다른 양상이 제공된다.
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본 출원은 전체 기재 내용이 각각 본 명세서에 완전히 참조로 포함되고, 발명의 명칭이 "ELECTRODES FOR USE WITH RESISTIVITY SWITCHING MATERIALS"이며, 2010년 3월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/314,577호 및 2011년 3월 14일자로 출원된 미국 출원 제 13/047,020호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 메모리 어레이에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 금속 산화물 저항률 전환층과 함께 사용하기 위한 하부 전극에 관한 것이다.
금속 산화물과 같은 가역 저항률 전환(RRS: Reversible resistivity-switching) 재료는 메모리 어레이에서의 저장 요소로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전체 기재 내용이 본 명세서에 참조로 포함되고 발명의 명칭이 "NON-VOLATILE MEMORY CELL COMPRISING A DIODE AND A RESISTANCE-SWITCHING MATERIAL"이며 2005년 5월 9일자로 출원된 미국 특허 제 7,812,404호는 금속 산화물 또는 금속 질화물과 같은 RRS 재료와 직렬로 연결된 다이오드를 포함하는 재기록 가능 비휘발성 메모리 셀을 개시한다.
하지만, 바람직한 전환 특성을 갖는 금속 산화물 재기록 가능 저항률 전환 재료로 이루어진 메모리 디바이스를 제조하는 것은 곤란하고; 금속 산화물 저항률 전환 재료를 채용하는 향상된 메모리 디바이스가 바람직하다.
본 발명의 제 1 양상에서, 금속-절연체-금속(MIM: metal-insulator-metal) 스택으로서, (1) 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금을 포함하는 제 1 도전층; (2) 상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을 포함하는, MIM 스택이 제공된다. 메모리 셀이 MIM 스택으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 제 2 양상에서, MIM 스택을 형성하는 방법으로서, (1) SiGe 합금을 포함하는 제 1 도전층을 형성하는 단계; (2) 상기 제 1 도전층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함하는, MIM 스택 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 제 3 양상에서, 메모리 셀을 형성하는 방법으로서, (a) SiGe 합금을 포함하는 제 1 도전층; (b) 상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층; 및 (c) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을 포함하는 (1) MIM 스택을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 MIM 스택에 연결된 스티어링 소자를 형성하는 단계를 포함하는, 메모리 셀 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 제 4 양상에서, MIM 스택으로서, (1) 제 1 금속-실리사이드층 및 제 2 금속-실리사이드층을 포함하는 제 1 도전층; (2) 상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을 포함하는, MIM 스택이 제공된다. 메모리 셀이 MIM 스택으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 제 5 양상에서, MIM 스택을 형성하는 방법으로서, (1) 제 1 금속-실리사이드층 및 제 2 금속-실리사이드층을 포함하는 제 1 도전층을 형성하는 단계; (2) 상기 제 1 도전층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함하는, MIM 스택 형성 방법이 제공된다. 메모리 셀이 상기 방법을 이용해서 형성될 수 있다.
본 발명의 제 6 양상에서, (1) 제 1 온도에서 형성되는 제 1 금속-실리사이드층; (2) 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 상기 제 1 금속-실리사이드층 위에 형성된 제 2 금속-실리사이드층; (3) 상기 제 2 금속-실리사이드층 위에 형성된 n+ 실리콘 또는 SiGe 층; (4) 상기 n+ 실리콘 또는 SiGe 층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층; 및 (5) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을 포함하는 MIM이 제공된다. 메모리 셀이 MIM 스택으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 제 7 양상에서, MIM 스택을 형성하는 방법은, (1) 제 1 온도에서 제 1 금속-실리사이드층을 형성하는 단계; (2) 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 상기 제 1 금속-실리사이드층 위에 제 2 금속-실리사이드층을 형성하는 단계; (3) 상기 제 2 금속-실리사이드층 위에 n+ 실리콘 또는 SiGe 층을 형성하는 단계; (4) 상기 n+ 실리콘 또는 SiGe 층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계; 및 (5) 상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함한다. 메모리 셀이 본 방법을 이용해서 형성될 수 있다.
본 발명의 제 8 양상에서, MIM 스택으로서, (1) 크롬, 크롬 질화물, 하프늄, 하프늄 질화물, 니오븀, 니오븀 질화물, 바나듐, 바나듐 질화물, 지르코늄 또는 지르코늄 질화물 중 하나 이상을 포함하는 제 1 도전층; (2) 상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을 포함하는, MIM 스택이 제공된다. 메모리 셀이 MIM 스택으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 제 9 양상에서, MIM 스택을 형성하는 방법으로서, (1) 크롬, 크롬 질화물, 하프늄, 하프늄 질화물, 니오븀, 니오븀 질화물, 바나듐, 바나듐 질화물, 지르코늄 또는 지르코늄 질화물 중 하나 이상을 포함하는 제 1 도전층을 형성하는 단계; (2) 상기 제 1 도전층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계; 및 (3) 상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 MIM 스택 형성 방법이 제공된다. 메모리 셀이 본 방법을 이용해서 형성될 수 있다. 다수의 다른 양상이 제공된다.
본 발명의 다른 특징 및 양상은 이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 첨부 도면으로부터 보다 완전하게 명백해질 것이다.
본 발명은, 금속 산화물 저항률 전환층과 함께 사용하기 위한 하부 전극을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1a 내지 1d는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 제 1 MIM(metal-insulator-metal) 스택의 단면도.
도 2a 내지 2h는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 제 2 MIM 스택의 단면도.
도 3a 내지 3d는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 제 3 MIM 스택의 단면도.
도 4a는, 본 발명에 따른 예시적인 메모리 셀의 개략도.
도 4b는, 본 발명에 따른 메모리 셀의 다른 실시예의 단순화된 사시도.
도 4c는, 본 발명에 따른 메모리 셀의 또 다른 실시예의 단순화된 사시도.
도 4d는, 본 발명에 따른 복수의 메모리 셀로 형성된 제 1 메모리 레벨의 일부의 단순화된 사시도.
도 4e는, 본 발명에 따른 제 2 메모리 레벨 아래에 위치된 제 1 메모리 레벨을 포함하는 제 1 모놀리틱 3차원 메모리 어레이의 일부의 단순화된 사시도.
도 4f는, 본 발명에 따른 제 2 메모리 레벨 아래에 위치된 제 1 메모리 레벨을 포함하는 제 2 모놀리틱 3차원 메모리 어레이의 일부의 단순화된 사시도.
도 5a 내지 5h는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 메모리 셀 스택의 단면도.
도 2a 내지 2h는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 제 2 MIM 스택의 단면도.
도 3a 내지 3d는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 제 3 MIM 스택의 단면도.
도 4a는, 본 발명에 따른 예시적인 메모리 셀의 개략도.
도 4b는, 본 발명에 따른 메모리 셀의 다른 실시예의 단순화된 사시도.
도 4c는, 본 발명에 따른 메모리 셀의 또 다른 실시예의 단순화된 사시도.
도 4d는, 본 발명에 따른 복수의 메모리 셀로 형성된 제 1 메모리 레벨의 일부의 단순화된 사시도.
도 4e는, 본 발명에 따른 제 2 메모리 레벨 아래에 위치된 제 1 메모리 레벨을 포함하는 제 1 모놀리틱 3차원 메모리 어레이의 일부의 단순화된 사시도.
도 4f는, 본 발명에 따른 제 2 메모리 레벨 아래에 위치된 제 1 메모리 레벨을 포함하는 제 2 모놀리틱 3차원 메모리 어레이의 일부의 단순화된 사시도.
도 5a 내지 5h는, 본 발명에 따라 제공되는 예시적인 메모리 셀 스택의 단면도.
2개의 금속, 또는 그렇지 않으면 도전층 사이에 개재된 RRS(reversible resistivity switching)로 형성된 MIM(metal-insulator-metal) 스택은 메모리 셀에 대한 저항률 전환 소자로서의 역할을 할 수 있다. 2개의 도전층은 저항률 전환 소자의 상부 및 하부 전극으로서의 역할을 할 수 있고, RRS 재료의 저항률을 높은 값에서 낮은 값으로, 그리고 그 역으로 변화시키는 RRS 재료 양단에 전계를 인가하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 산화물 저항률 전환층을 채용하는 새로운 MIM 스택이 제공된다. 3차원(3D) 메모리 어레이에서 이러한 MIM 스택을 채용하는 방법뿐만 아니라, 이러한 MIM 스택을 형성하는 방법도 제공된다.
본 발명의 이러한 실시예 및 다른 실시예가 도 1a 내지 5h를 참조하여 후술된다. 예를 들어, 도 1a 내지 1d는 SiGe 하부 전극을 채용하는 MIM 스택을 도시한다. 도 2a 내지 2h는 복수 층 금속-실리사이드 하부 전극을 채용하는 MIM 스택을 도시한다. 도 3a 내지 3d는 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 전환층에서 산소 결핍 형성을 촉진하기 위해 특히 선택된 금속 산화물을 갖는 하부 전극을 채용하는 MIM 스택을 도시한다. 도 4a 내지 5h는 상술한 MIM 스택 및/또는 하부 전극 중 임의의 것을 사용할 수 있는 메모리 셀 및 메모리 어레이의 실시예를 도시한다.
SiGe
하부 전극을 갖는
MIM
스택
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 실리콘 게르마늄 합금으로 이루어진 하부 전극을 채용하는 MIM 스택이 제공된다. 예를 들어, 도 1a는 상부 전극(106)과 SiGe 하부 전극(108) 사이에 개재된 RRS(reversible resistivity switching) 재료(104)를 포함하는 MIM 스택(100a)을 도시한다. 금속층, 금속 산화물층, 금속/금속 산화물층 스택 등과 같은 하나 이상의 추가적인 층(110)이 아래에서 추가적으로 설명하는 바와 같이 MIM 스택(100a) 내에 채용될 수 있다.
RRS 재료(104)는, 예를 들어, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX, AlXOY, 다른 금속 산화물(MOX) 층, 이러한 금속 산화물의 임의의 조합, 또는 다른 적절한 전환 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 전극(106)은, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 동일한 것의 조합, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN과 같은 금속/금속 질화물 스택 또는 다른 유사한 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 전극(106)은 n+ 실리콘 또는 p+ 실리콘과 같은 고농도로 도핑된 반도체, 고농도로 도핑된 게르마늄, 또는 고농도로 도핑된 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 다른 재료 및/또는 구성이 상부 전극(106)으로 사용될 수 있다.
n+ Si 하부 전극의 사용은 금속 산화물 내의 산소 결핍을 형성하기 위한 자유 에너지를 효과적으로 낮춤으로써 HfO2와 같은 금속 산화물의 전환 특성을 향상시킬 수 있다. 통상적으로, 이러한 n+ Si 전극은 비정질 또는 폴리실리콘 n+ Si 층을 증착하고, n+ Si 층 위에 금속 산화물층의 형성 전에 그 결정 및 표면 특성을 향상시키기 위해 n+ Si 층을 어닐링함으로써 형성된다. 이러한 어닐링은 일반적으로 약 750℃의 온도에서 RTA(rapid thermal anneal)를 통해 달성된다. 하지만, 복수의 층, 3차원 메모리 어레이를 형성할 때, 각 메모리층에 대한 이렇게 높은 RTA 온도의 사용은 메모리 어레이의 열 예산을 초과할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, MIM 스택의 하부 전극은 약 5 내지 35 atm%의 Ge 및 약 5×1019 - 5×1021 원자/cm3, 일부 실시예에서는 약 2×1020 원자/cm3의 n+ 도핑 농도를 갖는 SiGe 합금의 층을 포함할 수 있다. 이러한 SiGe 합금층은, Ge의 존재가 결정화 온도를 낮추므로, 다결정 n+ Si 하부 전극층보다 실질적으로 더 낮은 온도에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 다결정 SiGe 합금층은 약 600℃ 이하의 온도에서 증착될 수 있고, 일부 실시예에서, (채용되는 Ge의 atm%에 의존하여) SiGe 층의 결정성을 향상시키기 위해 추가적인 고온 어닐링을 필요로 하지 않고도 약 550℃ 이하에서 증착될 수 있다. 대안적으로, 비정질 SiGe 합금층은 보다 낮은 증착 온도에서 증착되고, (채용되는 Ge의 atm%에 의존하여) 약 600℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 550℃ 이하의 RTA를 이용하여 결정화된다.
특정 실시예에서, 약 5 - 35 atm%를 갖는 SiGe 하부 전극은 금속 산화물 전환층 내의 산소 결핍 형성을 위한 풍부한 Si를 여전히 제공하면서, 증착 및/또는 결정화 어닐링 온도를 상당히 감소시킨다. SiGe 하부 전극(108)에 대한 예시적인 두께는 약 2 내지 100 나노미터의 범위에 있다. 다른 Ge의 atm%, 도핑 유형, 도핑 레벨, 어닐링 온도 및/또는 층 두께가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 추가적인 층(들)(110)은, 예를 들어, 티타늄, 티타늄 산화물, 탄탈룸, 탄탈룸 산화물, 텅스텐, 텅스텐 산화물 등을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 추가적인 층(들)(110)은, Ti/TiOX, Zr/ZrOX, Ni/NiOX, Al/AlXOY, Ta/TaOX, Nb/NbOX, Hf/HfOX, 또는 임의의 적절한 층 스택과 같은 금속/금속 산화물층 스택을 포함할 수 있다.
도 1b는 도 1b에서 MIM 스택(100b)이라 불리는, 도 1a의 MIM 스택(100a)의 특정의 실시예를 도시한다. 도 1b의 MIM 스택(100b)에서, 하부 전극(108)은 SiGe 합금이고, RRS 재료(104)는 하프늄 산화물이고, 상부 전극(106)은 티타늄 질화물이고, 티타늄 또는 티타늄 산화물층은 하프늄 산화물 전환 재료(RRS 재료(104))와 TiN 상부 전극(106) 사이의 버퍼층으로서 제공된다. 예를 들어, 하부 전극(108)(SiGe)은 약 2 내지 100 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 10 - 60 나노미터, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. Ti 또는 TiOX 층(110)은 약 0.5 - 10 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 2 나노미터의 두께를 가질 수 있다. TiOX가 채용되는 경우, x는 약 1.2 - 2, 일부 실시예에서는 약 1.5일 수 있다. 하프늄 산화물층(104)은 약 3 - 12 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 5 나노미터의 두께를 가질 수 있고, x는 약 1.2 - 2.0, 일부 실시예에서는 약 1.7일 수 있다. TiN 상부 전극(106)은 약 2 내지 100 나노미터의 두께, 다른 실시예에서는 약 10 - 60 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. n+ SiGe 하부 전극(108)의 도핑 농도는 약 5 - 35 atm% Ge에 있어서, 약 5×1019 - 5×1021 원자/cm3, 일부 실시예에서는 2×1020 원자/cm3일 수 있다. 다른 막 두께, x 값, Ge의 atm% 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다.
도 1c는 SiGe 하부 전극(108), SiGe 하부 전극(108) 위에 형성된 RRS 재료(104), 금속 산화물층(110a)과 RRS 재료(104) 위에 형성된 금속층(110b), 및 금속/금속 산화물층 스택(110) 위에 형성된 상부 금속 질화물 전극(106)을 갖는 다른 예시적인 MIM 스택(100c)의 단면도를 도시한다.
일반적으로, 예를 들어, 상부 전극(106)은 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 동일한 것의 조합, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN과 같은 금속/금속 질화물 스택 또는 다른 유사한 격벽층을 포함할 수 있다. 금속/금속 산화물층 스택(110)은, 예를 들어, Ti/TiOX, Zr/ZrOX, Ni/NiOX, Al/AlXOY, Ta/TaOX, Nb/NbOX, Hf/HfOX 또는 다른 유사한 층 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, RRS 재료(104)는 HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY, 이들 금속 산화물의 임의의 조합, 또는 다른 적절한 전환 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 금속/금속-산화물층 스택(110)은 RRS 재료(104)에 대해 채용된 것과 다른 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, Ti/TiOX 층 스택이 HfOX, ZrOX, NiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Zr/ZrOX 층 스택이 HfOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 이용될 수 있다. Ni/NiOX 층 스택이 HfOX, ZrOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 이용될 수 있다. Al/AlXOY 층 스택이 HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX 또는 NbOX 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Ta/TaOX 층 스택이 HfOX, TiOX, ZrOX, NiOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Nb/NbOX 층 스택이 HfOX, TiOX, ZrOX, NiOX, TaOX, 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Hf/HfOX 층 스택이 NbOX, TiOX, ZrOX, NiOX, TaOX, 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다.
다른 실시예에서, 금속/금속 산화물층 스택(110)은 RRS 재료(104)에 대해 채용된 것과 유사한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, Ti/TiOX 층 스택은 TiOX 전환층과 함께 채용될 수 있다. 하지만, 이러한 실시예에서, 층 스택의 금속 산화물은 전환 재료의 결정 구조 및 특성에 비해 다른 결정 구조 또는 다른 특성을 가질 수 있다(예를 들어, 비정질 구조 대 결정 구조). 금속/금속-산화물층 스택(110)의 금속 산화물층은 전환 재료 내의 산소 결핍의 형성/제거를 더욱 제어 가능하고/제어 가능하거나 반복 가능하게 하는 "버퍼"층으로서의 역할을 할 수 있으며, 이는 전환 재료(104)의 내구성/수명을 향상시킬 수 있다.
도 1d는 도 1d에서 MIM 스택(100d)이라 불리는, MIM 스택(100c)의 특정 실시예를 나타내며, 여기에서 상부 전극(106)은 티타늄 질화물이고, 금속/금속 산화물층 스택(110)은 티타늄 산화물 위의 티타늄이고, RRS 재료(104)는 하프늄 산화물이고, 하부 전극(108)은 n+ SiGe이다. 예를 들어, 상부 전극(106)(TiN)은 약 10 - 60 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. Ti 층(110b)은 약 0.5 - 10 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 2 나노미터의 두께를 가질 수 있다. TiOX 층(110a)은 약 0.5 - 6 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 1 나노미터의 두께를 가질 수 있으며; x는 약 1.2 - 2.0, 일부 실시예에서는 약 1.5일 수 있다. 하프늄 산화물층(104)은 약 3 - 12 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 5 나노미터의 두께를 가질 수 있고; x는 약 1.2 - 2, 일부 실시예에서는 약 1.7일 수 있다. n+ SiGe 층(108)은 약 10 - 100 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. n+ SiGe 층(106)의 도핑 농도는 약 5 - 35 atm% Ge에서, 약 5×1019 - 5×1021 원자/cm3, 일부 실시예에서는 약 2×1020 원자/cm3일 수 있다. 다른 막 두께, x 값, Ge의 atm% 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다.
복수 층 실리사이드 하부 전극을 갖는
MIM
스택
본 발명의 일부 실시예에 따르면 2개 이상의 실리사이드층으로 이루어지는 하부 전극을 채용하는 MIM 스택이 제공된다. 예를 들어, 도 2a는 제 1 금속-실리사이드층(108a)과 제 2 금속-실리사이드층(108b)을 포함하는 하부 전극(108)과 상부 전극(106) 사이에 개재된 RRS 재료(104)를 포함하는 MIM 스택(200a)을 도시한다. 금속층, 금속 산화물층, 금속/금속 산화물층 스택 등과 같은 하나 이상의 추가적인 층(110)이 추가적으로 후술하는 바와 같이 MIM 스택(200a) 내에서 채용될 수 있다.
RRS 재료(104)는, 예를 들어, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX, AlXOY, 다른 금속 산화물(MOX) 층, 이러한 금속 산화물의 임의의 조합, 또는 다른 적절한 전환 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 전극(106)은, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 동일한 것의 조합, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN과 같은 금속/금속 질화물 스택 또는 다른 유사한 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 전극(106)은 n+ 실리콘 또는 p+ 실리콘과 같은 고농도로 도핑된 반도체, 고농도로 도핑된 게르마늄, 또는 고농도로 도핑된 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 다른 재료 및/또는 구성이 상부 전극(106)으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, n+ Si 하부 전극의 사용은 금속 산화물 내의 산소 결핍을 형성하기 위한 자유 에너지를 효과적으로 낮춤으로써 HfO2와 같은 금속 산화믈의 전환 특성을 향상시킬 수 있다. 하지만, n+ Si 전극의 사용은 n+ Si 층 위에 금속 산화물층의 형성 전에 결정성 및 표면 특성을 향상시키기 위해 비교적 높은 온도(예를 들어, 약 750℃)의 어닐링을 필요로 한다. 복수 층, 3차원 메모리 어레이를 형성할 때, 각 메모리층에 대한 이렇게 높은 온도의 어닐링의 사용은 메모리 어레이의 열 예산을 초과할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하부 전극(108)은 2개 이상의 금속 실리사이드층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 1개 이상의 금속 실리사이드층은 채용되는 실리사이드의 유형에 의존하여, 600℃ 이하와 같은 750℃ 미만의 온도, 일부 실시예에서는 약 500 - 550℃의 온도에서 형성될 수 있다. 예를 들어, Si 원자에 대한 Co 또는 Ni 원자의 비율에 같은 요인에 의존하여, 통상적으로 코발트 실리사이드는 약 300 - 800℃의 온도에서 형성될 수 있으며, 통상적으로 니켈 실리사이드는 400 - 800℃의 온도에서 형성될 수 있다. 통상적으로 티타늄 실리사이드 및 텅스텐 실리사이드는 티타늄 실리사이드에 대해 약 500 - 900℃, 텅스텐 실리사이드에 대해 약 1000℃ 이상의 범위에 드는 보다 높은 형성 온도를 필요로 한다.
다른 금속-실리사이드가 사용될 수도 있지만, 제 1 금속-실리사이드층(108a) 및/또는 제 2 금속-실리사이드층(108b)에 사용될 수 있는 예시적인 재료는, 티타늄 실리사이드, 탄탈룸 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드 또는 몰리브덴 실리사이드를 포함한다. 일부 실시예에서, 하부(제 1) 금속-실리사이드층(108a)은 상부(제 2) 금속-실리사이드층(108b)보다 더 낮은 온도에서 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 하부 금속-실리사이드층(108a)은 상부 금속-실리사이드층(108b)에 대한 결정화 시드층 또는 "템플릿"으로서의 역할을 할 수 있어, 상부 금속-실리사이드층(108b)이 보다 낮은 온도에서 형성될 수 있게 한다. 예를 들어, 제 1 금속-실리사이드층(108a)은 니켈 실리사이드 또는 코발트 실리사이드를 포함할 수 있으며, 제 2 금속-실리사이드층(108b)은 티타늄 실리사이드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 제 1 금속-실리사이드층(108a)은 티타늄 실리사이드를 포함할 수 있고, 제 2 금속-실리사이드층(108b)은 텅스텐 실리사이드를 포함할 수 있다. 실리사이드층의 다른 조합도 사용될 수 있다.
제 1 및/또는 제 2 금속-실리사이드층(108a, 108b)에 대한 예시적인 두께는 약 2 내지 약 50 나노미터의 범위에 있다. 다른 두께가 양 층 또는 둘 중의 하나의 층에 사용될 수 있다. 2개의 금속-실리사이드층이 도 2a에 도시되었지만, 2개 초과의 금속-실리사이드층이 채용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다(예를 들어, 3, 4, 5 등).
일부 실시예에서, 추가적인 층(들)(110)은, 예를 들어, 티타늄, 티타늄 산화물, 탄탈룸, 탄탈룸 산화물, 텅스텐, 텅스텐 산화물 등을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 추가적인 층(들)(110)은 Ti/TiOX, Zr/ZrOX, Ni/NiOX, Al/AlXOY, Ta/TaOX, Nb/NbOX, Hf/HfOX 또는 임의의 적합한 층 스택과 같은 금속/금속 산화물층 스택을 포함할 수 있다.
도 2b는 도 2b에서 MIM 스택(200b)으로 불리는, 도 2a의 MIM 스택(200a)의 특정 실시예를 도시한다. 도 2b의 MIM 스택(200b)에서, 하부 전극(108)은 복수-층 복수-실리사이드 스택이고, RRS 재료(104)는 하프늄 산화물이고, 상부 전극(106)은 티타늄 질화물이고, 티타늄 또는 티타늄 산화물층이 하프늄 산화물 전환 재료(RRS 재료(104))와 TiN 상부 전극(106) 사이에서 버퍼층으로서 제공된다. 예를 들어, 하부 전극(108)의 각각의 금속-실리사이드층(108a 또는 108b)은 약 2 내지 50 나노미터의 두께를 가질 수 있고, 다른 실시예에서는 약 5 - 25 나노미터, 그리고 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. Ti 또는 TiOX 층(110)은 약 0.5 - 10 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 2 나노미터의 두께를 가질 수 있다. TiOX가 채용되는 경우, x는 약 1.2 - 2, 일부 실시예에서는 약 1.5일 수 있다. 하프늄 산화물층(104)은 약 3 - 12 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 5 나노미터의 두께를 가질 수 있고, x는 약 1.2 - 2.0, 일부 실시예에서는 약 1.7이다. TiN 상부 전극(106)은 약 2 내지 100 나노미터의 두께, 다른 실시예에서는 약 10 - 60 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 다른 막 두께, x 값 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다.
도 2c는 복수-층 실리사이드 하부 전극(108), 하부 전극(108) 위에 형성된 RRS 재료(104), RRS 재료(104) 위에 형성된 금속 산화물층(110a)과 금속층(110b)을 포함하는 금속/금속 산화물층 스택(110), 및 금속/금속 산화물층 스택(110) 위에 형성된 상부 전극 질화물 전극(106)을 갖는 또 다른 예시적인 MIM 스택(200c)의 단면도를 도시한다.
일반적으로, 상부 전극(106)은, 예를 들어, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 동일한 것의 조합, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN과 같은 금속/금속 질화물 스택 또는 다른 유사한 격벽층을 포함할 수 있다. 금속/금속 산화물층 스택(110)은, 예를 들어, Ti/TiOX, Zr/ZrOX, Ni/NiOX, Al/AlXOY, Ta/TaOX, Nb/NbOX, Hf/HfOX 또는 다른 유사한 층 스택을 포함할 수 있다. RRS 재료(104)는, 예를 들어, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX, AlXOY, 또는 다른 적절한 전환 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 금속/금속-산화물층 스택(110)은 RRS 재료(104)에 대해 채용된 것과 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, Ti/TiOX 층 스택이 HfOX, ZrOX, NiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Zr/ZrOX 층 스택이 HfOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 이용될 수 있다. Ni/NiOX 층 스택이 HfOX, ZrOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 이용될 수 있다. Al/AlXOY 층 스택이 HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX 또는 NbOX 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Ta/TaOX 층 스택이 HfOX, TiOX, ZrOX, NiOX, NbOX 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Nb/NbOX 층 스택이 HfOX, TiOX, ZrOX, NiOX, TaOX, 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다. Hf/HfOX 층 스택이 NbOX, TiOX, ZrOX, NiOX, TaOX, 또는 AlXOY 전환 재료와 함께 채용될 수 있다.
다른 실시예에서, 금속/금속 산화물층 스택(110)은 RRS 재료(104)에 대해 채용된 것과 유사한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, Ti/TiOX 층 스택은 TiOX 전환층과 함께 채용될 수 있다. 하지만, 이러한 실시예에서, 층 스택의 금속 산화물은 전환 재료의 결정 구조 및 특성에 비해 다른 결정 구조 또는 다른 특성을 가질 수 있다(예를 들어, 비정질 구조 대 결정 구조).
도 2d는, 도 2d에서 MIM 스택(200d)이라 불리는, MIM 스택(200c)의 특정 실시예를 나타내며, 여기에서 상부 전극(106)은 티타늄 질화물이고, 금속/금속 산화물층 스택(110)은 티타늄 산화물 위의 티타늄이고, RRS 재료(104)는 하프늄 산화물이고, 하부 전극(108)은 복수-층 금속-실리사이드 스택이다. 예를 들어, 상부 전극(106)(TiN)은 약 10 - 60 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터의 두께를 가질 수 있다. Ti 층(110b)은 약 0.5 - 10 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 2 나노미터의 두께를 가질 수 있다. TiOX 층(110a)은 약 0.5 - 6 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 1 나노미터의 두께를 가질 수 있으며; x는 약 1.2 - 2.0, 일부 실시예에서는 약 1.5일 수 있다. 하프늄 산화물층(104)은 약 3 - 12 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 5 나노미터의 두께를 가질 수 있고; x는 약 1.2 - 2, 일부 실시예에서는 약 1.7일 수 있다. 각 금속-실리사이드층(108a 또는 108b)은 약 2 - 50 나노미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 25 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 다른 막 두께, x 값 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다.
도 2e는, 도 2e에서 MIM 스택(200e)이라 불리는, 도 2a의 MIM 스택(200a)의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 2e의 MIM 스택(200e)은 도 2a의 MIM 스택(200a)과 유사하지만, 추가적인 금속(M), 금속 질화물(MNX) 또는 RRS 재료(104)와 복수-층 금속-실리사이드층 스택(108) 사이에 위치된 금속 산화물(MOX) 층(212)을 포함한다(이는 하부 전극(108)의 일부를 형성할 수도 있음). 일부 실시예에서, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)은 하나 이상의 실리콘, 실리콘 질화물 또는 산화물, 알루미늄, 알루미늄 질화물 또는 산화물, 란탄, 란탄 질화물 또는 산화물, 몰리브덴, 몰리브덴 질화물 또는 산화물, 탄탈룸, 탄탈룸 질화물 또는 산화물, 크롬, 크롬 질화물 또는 산화물, 하프늄, 하프늄 질화물 또는 산화물, 니오븀, 니오븀 질화물 또는 산화물, 바나듐, 바나듐 질화물 또는 산화물, 지르코늄, 또는 지르코늄 질화물 또는 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, n+ SiGe와 같은 합금이 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)으로서 사용될 수 있다. 다른 재료도 채용될 수 있다.
특정 금속이 산소 결핍 형성을 보다 강력하게 유리하게 하고, 금속 산화물 내의 산소 결핍의 형성의 깁스(Gibbs) 자유 에너지를 유효하게 감소시킴으로써 금속 산화물 내의 산소 결핍 형성을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, HfO2 게이트 산화물/Si 채널 시스템에서의 산소 결핍 형성을 개시하는 Roberston 등의 "Fermi level pinning by defects in HfO2-metal gate stacks," Appl. Phys. Letters 91, 132912(2007)을 참조한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 추가적인 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)이 금속 산화물 RRS 재료(104) 내의 산소 결핍 형성을 촉진하기 위하여 약 -3 내지 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖도록 선택될 수 있다. 적절할 수 있는 예시적인 금속은, 예를 들어, Yb, Tb, Y, So, La, Hf, Mg, Zr, Ta, Nb, V, Zn, W, Mo, Ti, Al, Cr, Si, Ni, Re, Co, Cu, Ru, Rh, Pd 및 Ir을 포함한다. 이러한 금속의 금속 질화물(또는 금속 산화물)은 저항률 전환 금속 산화물 내에서 산소 결핍 형성을 보다 바람직하게 강력하게 할 수 있게 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 추가적인 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)은 상술한 재료의 하나 이상의 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물, 또는 약 -3 내지 약 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다.
금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)에 대한 예시적인 두께는 약 10 내지 약 100 옹스트롬의 범위에 있을 수 있다. 다른 두께가 사용될 수 있다.
도 2f 내지 2h는 도 2b 내지 2d의 MIM 스택(200b-200d)과 유사한 MIM 스택(200f-200h)을 도시하지만, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)을 포함한다.
추가적인
MIM
스택
실시예
도 3a 내지 3d는, 도 3a 내지 3d에서 MIM 스택(300a-d)이라 불리는, 도 2e 내지 2h의 MIM 스택(200e-200h)의 대안적인 실시예를 도시하며, 여기에서, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(212)과 같은 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층 제 1 및 제 2 금속-실리사이드층(108a, 108b) 없이 하부 전극(108)으로서 사용된다. 일부 실시예에서, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)은 하나 이상의 실리콘, 실리콘 질화물 또는 산화물, 알루미늄, 알루미늄 질화물 또는 산화물, 란탄, 란탄 질화물 또는 산화물, 몰리브덴, 몰리브덴 질화물 또는 산화물, 탄탈룸, 탄탈룸 질화물 또는 산화물, 크롬, 크롬 질화물 또는 산화물, 하프늄, 하프늄 질화물 또는 산화물, 니오븀, 니오븀 질화물 또는 산화물, 바나듐, 바나듐 질화물 또는 산화물, 지르코늄, 또는 지르코늄 질화물 또는 산화물을 포함할 수 있다. 다른 재료도 채용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)이 금속 산화물 전환층(104)에서의 산소 결핍 형성을 촉진하기 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)이 약 -3 내지 약 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖도록 선택될 수 있다. 이러한 범위 내에 들 수 있는 예시적인 금속은, 예를 들어, Yb, Tb, Y, So, La, Hf, Mg, Zr, Ta, Nb, V, Zn, W, Mo, Ti, Al, Cr, Si, Ni, Re, Co, Cu, Ru, Rh, Pd 및 Ir을 포함한다. 이러한 금속의 금속 질화물(또는 금속 산화물)은 마찬가지로 저항률 전환 금속 산화물 내에서 산소 결핍 형성을 보다 바람직하게 강력하게 할 수 있게 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)은 상술한 재료의 하나 이상의 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물, 또는 약 -3 내지 약 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖는 임의의 다른 재료로 형성될 수 있다.
금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)에 대한 예시적인 두께는 약 10 내지 약 100 옹스트롬의 범위에 있을 수 있다. 다른 두께가 사용될 수 있다. 특정의 일 실시예에서, 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물 하부 전극(108)은 크롬, 크롬 질화물, 하프늄, 하프늄 질화물, 니오븀, 니오븀 질화물, 바나듐, 바나듐 질화물, 지르코늄 또는 지르코늄 질화물을 포함할 수 있다.
예시적인 진보적인 메모리 셀
도 4a는 본 발명에 따른 예시적인 메모리 셀(400)의 개략도이다. 메모리 셀(400)은 스티어링 소자(404)에 연결된 MIM 스택(402)을 포함한다. MIM 스택(402)은 2개 이상의 상태 사이에서 가역적으로 전환될 수 있고, 도 1a 내지 3d를 참조하여 상술한 MIM 스택 중 임의의 것과 유사할 수 있는 저항률을 갖는 RRS 재료(104)(별도로 도시하지 않음)를 포함한다.
스티어링 소자(404)는 박막 트랜지스터, 다이오드, 금속-절연체-금속 터널링 전류 디바이스, 펀치-스루 다이오드, 쇼트키-다이오드 또는 MIM 스택(402) 양단의 전압 및/또는 이를 통해 흐르는 전류를 선택적으로 제한함으로써 비저항(non-ohmic) 도전성을 나타내는 또 다른 유사한 스티어링 소자를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 메모리 셀(400)은 2차원 또는 3차원 메모리 어레이의 일부로서 사용될 수 있고, 데이터가 어레이의 다른 메모리 셀의 상태에 영향을 주지 않고 메모리 셀(400)로부터 기록 및/또는 판독될 수 있다. 일부 실시예에서, 스티어링 소자(404)는 생략될 수 있고, 메모리 셀(400)은 떨어져 위치된 스티어링 소자와 함께 사용될 수 있다.
메모리 셀과 메모리 어레이의
실시예
도 4b는 스티어링 소자(404)가 다이오드인 본 발명에 따른 메모리 셀(400)의 실시예의 단순화된 사시도이다. 메모리 셀(400)은 제 1 도전체(406a)와 제 2 도전체(406b) 사이에서 다이오드(404)와 직렬로 연결된 MIM 스택(402)(RRS 재료(104)를 가짐)을 포함한다.
도 1a 내지 3d를 참조하여 상술한 바와 같이, MIM 스택(402)은 메모리 셀(400)에 대한 가역 저항률 전환 소자로서의 역할을 할 수 있다. MIM 스택(402)은 도 1a 내지 3d의 MIM 스택 중 임의의 것, 또는 임의의 다른 적절한 MIM 스택과 유사할 수 있으며, MIM 스택(402)에 대하여 상부 및 하부 전극으로서의 역할을 하고 RRS 재료(104)를 둘러싸는 상부 도전층(106)과 하부 도전층(108)을 포함할 수 있다. 금속층, 금속 산화물층, 금속/금속 산화물층 스택 등과 같은 하나 이상의 추가적인 층(110)이 상술한 바와 같이 MIM 스택(402) 내에 채용될 수 있다.
일부 실시예에서, 격벽층(408)이 MIM 스택(402)과 다이오드(404) 사이에 형성될 수 있으며, 격벽층(410)이 MIM 스택(402)과 제 2 도전체(406b) 사이에 형성될 수 있다. 추가적인 격벽층(412)은 다이오드(404)와 제 1 도전체(406a) 사이에 형성될 수 있다. 격벽층(408, 410, 412)은 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈룸, 탄탈룸 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물, 몰리브덴, 동일한 것의 조합, 또는 다른 유사한 격벽층을 포함할 수 있다. 격벽층(210)은 제 2 도전체(406b)로부터 분리될 수 있거나 이의 일부일 수 있으며, 격벽층(412)은 제 1 도전체(406a)와 분리될 수 있거나 이의 일부일 수 있다.
다이오드(404)는 상방을 가리키는 것이 다이오드의 p 영역 위에 n 영역이 있는 것을 나타내고 하방을 가리키는 것이 다이오드의 n 영역 위에 p 영역이 있는 것을 나타내는 수직 다결정 p-n 또는 p-i-n 다이오드, p-n-p 또는 n-p-n 펀치 스루 다이오드, 쇼트키 다이오드 등과 같은 임의의 적절한 다이오드를 포함할 수 있다. 다이오드(204)의 실시예에 대해 도 5a 내지 5h를 참조하여 후술한다.
도 4b의 실시예에서, MIM 스택(402)은 다이오드(404) 위에 위치된다. 하지만, 도 4c에 도시된 바와 같이, MIM 스택(402)은 대안적으로 다이오드(404)의 아래에 위치될 수도 있다.
제 1 도전체(406a) 및/또는 제 2 도전체(406b)는 텅스텐, 임의의 적절한 금속, 고농도로 도핑된 반도체 재료, 도전성 실리사이드, 도전성 실리사이드-게르마나이드, 도전성 게르마나이드, 높은 도전성의 카본 등과 같은 임의의 적절한 도전성 재료를 포함할 수 있다. 도 4b의 실시예에서, 제 1 및 제 2 도전체(406a, 406b)는 각각 선형 또는 레일형이며 상이한 방향으로 연장된다(예를 들어, 서로 실질적으로 수직이다). 다른 도전체 형상 및/또는 구성이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 격벽층, 접착층, 반사방지 코팅 등(미도시)이 디바이스 성능을 향상시키고/향상시키거나 디바이스 제조를 돕기 위해서 제 1 도전체(406a) 및/또는 제 2 도전체(406b)와 함께 사용될 수 있다.
도 4d는 도 4a 또는 4b의 메모리 셀(400)과 같은 복수의 메모리 셀(400)로 형성된 제 1 메모리 레벨(414)의 일부의 단순화된 사시도이다. 단순화를 위해, RRS 재료(104), 도전층(106, 108), 추가적인 층(들)(110), 다이오드(404) 및 격벽층(408, 410, 412)이 별도로 도시되지 않았다. 메모리 어레이(414)는 복수의 메모리 셀이 연결되는(미도시) 복수의 비트 라인{제 2 도전체(406b)}과 워드 라인{제 1 도전체(406a)}을 포함하는 "교차점" 어레이이다. 복수의 메모리 레벨과 같이 다른 메모리 어레이 구성이 사용될 수 있다.
도 4e는 제 2 메모리 레벨(420) 아래에 위치된 제 1 메모리 레벨(418)을 포함하는 모놀리틱 3차원 메모리 어레이(416a)의 일부의 단순화된 사시도이다. 각각의 메모리 레벨(418, 420)은 교차점 어레이에서 복수의 메모리 셀(400)을 포함한다. 본 기술분야의 당업자라면 단순화를 위해 도 4e에 도시하지는 않았지만, 추가적인 층(예를 들어, 레벨간 유전층)이 제 1 및 제 2 메모리 레벨(418, 420) 사이에 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가적인 메모리 레벨과 같이, 다른 메모리 어레이 구성이 사용될 수 있다.
도 4e의 실시예에서, p-i-n 다이오드와 같은 양극 스티어링 소자가 각 메모리 셀(400) 내에서 채용되는 경우, 다이오드의 하부 또는 상부 상의 p 도핑된 영역을 갖는 p-i-n 다이오드가 채용되는지 여부에 따라 상방 또는 하방인, 모든 다이오드가 동일한 방향으로 "가리킬" 수 있어(동일한 "스티어링 소자" 극성 배향을 가짐), 다이오드 제조를 단순화한다.
일부 실시예에서, 전체 기재 내용이 본 명세서에 완전히 참조로 포함되고, 발명의 명칭이 "High-Density Three-Dimensional Memory Cell"인 미국 특허 제 6,952,030호에 개시된 바와 같이 메모리 레벨이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 메모리 레벨의 제 2(상부) 도전체는 도 4f에 도시된 바와 같이 제 1 메모리 레벨 위에 위치된 제 2 메모리 레벨의 제 1(하부) 도전체로서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전체 기재 내용이 본 명세서에 완전히 참조로 포함되고, 발명의 명칭이 "Large Array Of Upward Pointing P-I-N Diodes Having Large And Uniform Current"("'151 출원")이며, 2007년 3월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제 11/692,151호에 개시된 것과 반대 방향으로 인접 메모리 레벨 상의 다이오드가 가리키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 4f의 메모리 어레이(416b)에 도시된 바와 같이, 제 1 메모리 레벨(418)의 다이오드는 화살표 D1로 나타낸 바와 같이 상방으로 가리키는 다이오드일 수 있으며(예를 들어, 다이오드의 하부에 p 영역을 가짐), 반면 제 2 메모리 레벨(420)의 다이오드는 화살표 D2에 의해 나타내어진 바와 같이 하방으로 가리키는 다이오드일 수 있으며(예를 들어, 다이오드의 하부에 n 영역을 가짐), 그 반대일 수도 있다.
MIM 스택(402)이 양극이면, 도 4f에서와 같이 도전체가 메모리 레벨 사이에서 공유되는 실시예에서, MIM 스택(402)은 메모리 레벨 내에서 동일한 전압 극성 배향이지만, 인접 메모리 레벨 사이에서는 반대의 전압 극성 배향을 갖도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 메모리 레벨(418)의 MIM 스택(402)은 양으로 배향될 수 있는 반면, 제 2 메모리 레벨(420)의 MIM 스택(402)은 음으로 배향될 수 있고, 그 반대일 수도 있다. 일부 실시예에서, 다이오드(404)는 MIM 스택(402)의 설정된 동작 동안 역방향으로 바이어싱되도록 배향될 수 있다. 대안적으로, 다이오드(404)는 MIM 스택(402)의 설정된 동작 동안 순방향으로 바이어싱되도록 배향될 수 있다.
모놀리틱 3차원 메모리 어레이는, 개재되는 기판 없이, 웨이퍼와 같은 단일 기판 위에 복수의 메모리 레벨이 형성되는 메모리 어레이이다. 하나의 메모리 레벨을 형성하는 층은 기존의 레벨 또는 레벨의 층 위에 직접 증착되거나 성장된다. 반대로, 발명의 명칭이 "Three Dimensional Structure Memory"인 Leedy의 미국 특허 제 5,915,167호에서와 같이, 별도의 기판 상에 메모리 레벨을 형성하고 서로 꼭대기에 메모리 레벨을 증착시킴으로써 스택형 메모리가 구성된다. 기판은 본딩 전에 메모리 레벨로부터 시닝되거나 제거될 수 있지만, 메모리 레벨이 별도의 기판 위에 초기에 형성되므로, 이러한 메모리는 모놀리틱 3차원 메모리 어레이에는 유효하지 않다.
예시적인
스택형
메모리 셀
도 5a는 본 발명에 따라 제공되는 제 1 메모리 셀(500a)의 단면도이다. 추가적인 메모리 셀(미도시)이 도 4d 내지 4f에 도시된 바와 같이 각 메모리 레벨에 제공될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메모리 셀(500a)은 비트 라인(506a)과 워드 라인(506b) 사이에서 다이오드(504a)와 직렬로 연결된 MIM 스택(502a)을 포함한다. MIM 스택(502a)은 양의 극성의 배향을 가져, 비트 라인(506a)에 대하여 워드 라인(506b)에 인가된 양의 전압이 MIM 스택(502a)을 설정하는 데 채용될 수 있다. 다이오드(504a)는 이러한 설정 동작 동안 역방향으로 바이어싱되도록 배향된다. 다른 실시예에서, 다이오드(504a)는, MIM 스택(502a) 상에 설정 동작이 수행되는 동안 순방향으로 바이어싱되도록 배향될 수 있다.
MIM 스택(502a)은 상술한 MIM 스택 중 임의의 것, 또는 임의의 다른 적절한 MIM 스택을 포함할 수 있다. 도 5a에서, MIM 스택(502a)은 MIM 스택(100d)(도 1d)과 유사한 것으로 도시된다.
다이오드(504a)는 임의의 2개 단자의, p-n 또는 p-i-n 접합 다이오드와 같은 비선형 스티어링 소자, 펀치 스루 다이오드, 터널링 산화물 디바이스, 쇼트키 다이오드 등을 포함할 수 있다. 도 5a에서, 다이오드(504a)는 p-i-n 접합 다이오드인 것으로 도시된다.
도 5a를 참조하면, 메모리 셀(500a)은 비트 라인(506a)을 포함한다. 비트 라인(506a)은, 텅스텐 또는 다른 적절한 금속, 고농도로 도핑된 반도체 재료, 도전성 실리사이드, 도전성 실리사이드-게르마나이드, 도전성 게르마나이드 등과 같은 임의의 적절한 도전성 재료의 약 200 내지 약 2500 옹스트롬일 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 비트 라인(506a)(예를 들어, 도 4d 내지 4f 참조)이 실질적으로 평행하고 실질적으로 동일면의 비트 라인(506)으로서 형성될 수 있다. 예시적인 비트 라인(506a)에 대한 폭 및/또는 비트 라인(506a) 사이의 간격은, 다른 도전체 폭 및/또는 간격이 사용될 수도 있지만 약 200 내지 약 2500 옹스트롬의 범위에 있다. 비트 라인(506a)은 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물, 낮은 K의 유전체 등과 같은 유전체 재료(미도시) 및/또는 다른 유전체 재료에 의해 서로 분리될 수 있다.
격벽층(512)은 비트 라인(506a) 위에 형성된다. 격벽층(512)은 티타늄 질화물 또는 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 텅스텐, 몰리브덴, 하나 이상의 격벽층의 조합, 티타늄/티타늄 질화물, 탄탈룸/탄탈룸 질화물 또는 텅스텐/텅스텐 질화물 스택 등과 같은 다른 층과의 조합으로 된 격벽층과 같은 다른 적절한 격벽층의 약 20 내지 약 500 옹스트롬일 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 100 옹스트롬일 수 있다. 다른 격벽층 재료 및/또는 두께가 채용될 수 있다.
다이오드(504a)를 형성하는 데 사용되는 반도체 재료가 격벽층(512) 위에 형성된다. 도 5a의 실시예에서, 다이오드(504a)는 폴리실리콘, 다결정 실리콘-게르마늄 합금, 폴리게르마늄 또는 임의의 다른 적절한 재료와 같은 다결정 반도체 재료로 형성된다. 예를 들어, 고농도로 도핑된 비정질 또는 다결정 p+ 실리콘층(504a-1)이 격벽층(512) 상에 증착될 수 있다. CVD 또는 다른 적절한 프로세스가 p+ 실리콘층(504a-1)을 증착시키는 데 채용될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, p+ 실리콘층(504a-1)이 예를 들어, 약 1021cm-3의 도핑 농도를 갖는 p+ 실리콘에서 약 100 내지 약 1000 옹스트롬으로, 일부 실시예에서는 약 100 옹스트롬으로 형성될 수 있다. 다른 층 두께 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다. P+ 실리콘층(504a-1)이, 예를 들어, 증착 동안 어셉터 가스를 흐르게 함으로써 원 위치에서 도핑될 수 있거나, 예를 들어, 주입을 통해 다른 위치에서 도핑될 수 있다.
p+ 실리콘층(504a-1)의 증착 후에, 저농도로 도핑된, 진성의 및/또는 비의도적으로 도핑된 비정질 또는 다결정 실리콘층(504a-2)이 p+ 실리콘층(504a-1) 위에 형성될 수 있다. CVD 또는 다른 적절한 증착 방법이 진성 실리콘층(504a-2)을 증착하는 데 채용될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 진성 실리콘층(504a-2)은 그 두께가 약 500 내지 약 4800 옹스트롬일 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 2500 옹스트롬일 수 있다. 다른 진성층의 두께가 사용될 수도 있다.
추가적인 실리콘이 이온 주입에 의해 증착 및 도핑될 수 있거나 증착 동안 원 위치에서 도핑되어 n+ 실리콘층(504a-3)을 형성한다. 또한, 일부 실시예에서는, 확산 프로세스가 채용될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 결과적인 n+ 실리콘층(504a-3)은 약 1021cm-3의 도핑 농도에서, 약 100 내지 약 1000 옹스트롬의 두께, 일부 실시예에서는 약 100 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 다른 층 두께 및/또는 도핑 농도가 사용될 수 있다.
n+ 실리콘층(504a-3)이 형성 후에, 실리사이드-형성 금속층 스택(508)이 n+ 실리콘층(504a-3) 위에 증착될 수 있다. 예시적인 실리사이드-형성 금속은 스퍼터링되거나 그렇지 않으면 증착된 티타늄 또는 코발트를 포함한다. 일부 실시예에서, 실리사이드-형성 금속층 스택(508)은 티타늄의 약 1 - 4 나노미터, 티타늄 질화물의 약 15 - 25 나노미터로 형성된다. 다른 실리사이드-형성 금속층 재료 및/또는 두께가 사용될 수 있다.
"RTA(rapid thermal anneal)" 단계가 n+ 영역(504-3)을 갖는 Ti와 같은 실리사이드-형성 금속의 반응에 의해 실리사이드 영역을 형성하기 위해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, RTA는 약 540℃에서 약 1분 동안 수행될 수 있어 실리사이드-형성 금속 및 증착된 다이오드(504a)의 실리콘이 상호작용하게 하여 실리사이드층을 형성하고, 실리사이드-형성 금속의 전부 또는 일부를 소비한다.
다른 실시예에서, 실리사이드층은 실리사이드 타겟을 스퍼터링하거나 금속 및 실리콘을 형성하는 실리사이드를 코-스퍼터링(co-sputtering)함으로써 형성될 수 있다.
본 명세서에 전체 기재 내용이 완전히 참조로 포함되고, 발명의 명칭이 "Memory Cell Comprising A Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent To A Silicide"인 미국 특허 제 7,176,064호에 개시된 바와 같이, 티타늄 및/또는 코발트와 같은 실리사이드-형성 재료가 어닐링 동안 증착된 실리콘과 반응하여 실리사이드층을 형성한다. 티타늄 실리사이드와 코발트 실리사이드의 격자 간격은 실리콘의 간격과 근접하며, 이러한 실리사이드층은 증착된 실리콘이 결정화될 때 인접한 증착 실리콘에 대한 "결정화 템플릿" 또는 "시드"로서의 역할을 할 수 있다(예를 들어, 실리사이드층은 어닐링 동안 실리콘 다이오드(504a)의 결정화 구조를 향상시킬 수 있다). 이에 의해 보다 낮은 저항률의 실리콘이 제공된다. 유사한 결과가 실리콘-게르마늄 합금 및/또는 게르마늄 다이오드에 대해 달성될 수 있다.
금속층 스택(508)의 형성 후에, MIM 스택(502a)의 하부 전극(108)이 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 하부 전극(108)은 약 5 내지 약 35 atm%에서 약 5×1019 - 5×1021 원자/cm3의 n+ 도핑 농도, 일부 실시예에서는 약 2×1020 원자/cm3의 도핑 농도를 갖는 SiGe 합금의 층을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 약 5 - 35 atm% Ge를 갖는 SiGe 하부 전극은 산소 결핍 형성을 위해 여전히 풍부한 Si를 공급하면서 결정화 어닐링 온도를 현저하게 감소시킨다. 일부 실시예에서, LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 또는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)와 같은 저온 프로세스가 SiGe 하부 전극(108)을 형성하는 데 채용될 수 있다. SiGe 하부 전극(108)이 형성(결정화)될 수 있는 예시적인 온도 범위는 600℃ 이하이며, 일부 실시예에서는 550℃ 이하이다. SiGe 하부 전극(108)에 대한 예시적인 두께는 약 2 내지 100 나노미터의 범위에 있다. 다른 Ge의 atm%, 도핑 유형, 도핑 레벨, 형성 온도 및/또는 층 두께가 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
하부 전극(108)의 형성 후에, RRS 재료(104)가 ALD(atomic layer deposition) 또는 다른 적절한 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, RRS 재료(104)는, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX, AlXOY, 이러한 금속 산화물의 하나 이상의 조합 또는 다른 적절한 전환 재료를 포함할 수 있다. 도 5a의 실시예에서, RRS 재료(104)는 약 3 - 12 나노미터의 두께를 갖는 HfOX를 포함할 수 있고, 일부 실시예에서는 약 5 나노미터일 수 있고, x는 약 1.2 - 2.0일 수 있고, 일부 실시예에서는 약 1.7일 수 있다. 다른 두께 범위 및/또는 x 값이 사용될 수 있다.
RRS 재료(104)의 형성 후에, 금속/금속 산화물층 스택(110)이 형성될 수 있다. 금속/금속 산화물층 스택(110)은, 예를 들어, Ti/TiOX, Zr/ZrOX, Ni/NiOX, Al/AlXOY, Ta/TaOX, Nb/NbOX, Hf/HfOX 또는 다른 유사한 층 스택을 포함할 수 있다. 나타낸 실시예에서, 금속/금속 산화물층 스택(110)은 약 0.5 - 10 나노미터의 두께를 갖는 Ti 층(110b)을 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 2 나노미터의 두께를 가질 수 있고, TiOX 층(110a)은 약 0.5 - 6 나노미터의 두께를 갖고 일부 실시예에서는 약 1 나노미터의 두께를 갖고; x는 약 1.2 - 2.0일 수 있고, 일부 실시예에서는 약 1.5일 수 있다. 다른 두께 및/또는 x 값이 사용될 수 있다.
예를 들어, TiOX 층(110a)이 형성하기 위해, HfOX 층(104) 위에 Ti의 층을 증착하고 그 후에 Ti를 산화시킴으로써 TiOX 층(110a)이 형성될 수 있다. 예를 들어, Ti의 층이 PVD를 통해 증착될 수 있고, (예를 들어, Hf 전구체를 흐르게 하지 않음으로써) 그 후에 HfOX 층(104)을 형성하는 데 사용되는 동일한 ALD 챔버에서 산화될 수 있다. Ti 층(110b)은 그 후에 TiOX 층(110a) 위에 형성될 수 있다.
상부 전극(106)은 Ti 층(110b) 위에 형성된다. 예를 들어, 상부 전극(106)은 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물, 텅스텐 질화물, 동일한 것의 조합, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN과 같은 금속/금속 질화물 스택 또는 다른 유사한 격벽층을 포함할 수 있다. 나타낸 실시예에서, 상부 전극(106)은 TiN의 약 10 - 60 나노미터를 포함할 수 있고, 일부 실시예에서는 약 20 나노미터를 포함할 수 있다. 다른 층 두께가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, n+ SiGe 층(108), HfOX 층(104), TiOX 층(110a), Ti 층(110b) 및/또는 TiN 층(106)이 (예를 들어, 진공을 파괴시키지 않고) 단일 클러스터 툴에서 형성될 수 있어 다양한 층 사이의 계면을 향상시킨다.
상술한 MIM 스택 및 다이오드 층을 (도 4b 내지 4f에 도시된 바와 같이) 기둥형 구조(514)로 에칭하기 위해, 임의의 적절한 에칭 프로세스가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 하드 마스크 프로세스가 아래와 같이 채용될 수 있다.
(1) W의 약 500 - 1000 옹스트롬과 같이, 상부 TiN 전극(106) 위에 금속 하드 마스크를 증착시킴;
(2) SiXOY의 약 1000 - 2000 옹스트롬과 같이, 금속 하드 마스크 위에 산화물 하드 마스크를 증착시킴;
(3) 폴리실리콘의 약 500 - 2000 옹스트롬과 같이, 산화물 하드 마스크 위에 폴리실리콘 하드 마스크를 증착시킴; 및
(4) 포토레지스트의 약 1000 - 3000 옹스트롬과 같이, 폴리실리콘 하드 마스크 위에 포토레지스트를 증착시킴.
그 후에, 포토레지스트층이 노광 및 현상될 수 있으며, 폴리실리콘 하드 마스크층이 적절한 고농도 플라즈마 에칭 챔버 내에서, 예를 들어, HBr, Cl2, O2 및/또는 He를 이용하여 에칭될 수 있다. 포토레지스트의 박리(애싱(ashing)) 후에, 산화물 하드 마스크가 적절한 매질-농도 플라즈마 에칭 챔버 내에서 예를 들어, C4F6, O2 및 Ar을 이용하여 패터닝 및 에칭된 폴리실리콘 하드 마스크를 통해 에칭될 수 있다.
그 후에, TiN 상부 전극(106)이 예를 들어, HBr, Cl2 및/또는 He를 이용하여 에칭될 수 있고; Ti/TiOX 금속층 스택(110)이 예를 들어, CF4, Cl2, He 및/또는 N2를 이용하여 에칭될 수 있고; HfOX RRS 재료(104)가 예를 들어, HBr, Cl2, He 및/또는 N2를 이용하여 에칭될 수 있고; n+ SiGe 하부 전극(108)이 예를 들어, HBr, Cl2, He, O2 및/또는 N2를 이용하여 에칭될 수 있고; Ti/TiN 층 스택(508)이 예를 들어, HBr, Cl2 및/또는 He를 이용하여 에칭될 수 있고; 폴리실리콘 다이오드(504a)가 예를 들어, HBr, Cl2, He, O2 및/또는 N2를 이용해서 에칭될 수 있고; TiN 층(512)이 예를 들어, HBr, Cl2 및/또는 He를 이용해서 에칭될 수 있다. 이러한 에칭 프로세스의 모두는, 예를 들어, 적절한 고농도 플라즈마 에칭 챔버 내에서 수행될 수 있다. 다른 에칭 챔버 및/또는 프로세스가 채용될 수 있다.
결과적인 기둥형 구조(514)는 적절한 유전체에 의해 둘러싸여져 동일한 메모리 레벨 상의 다른 유사한 기둥형 구조(미도시)로부터 이를 격리할 수 있다. 예를 들어, 약 200 - 7000 옹스트롬의 실리콘 이산화물이 화학적 기계적 연마 또는 에치백 프로세스를 이용해서 증착 및 평탄화될 수 있어 과잉 유전체 재료를 제거하고 수신 워드 라인(506b)에 대한 평탄면을 형성한다. 추가적으로, 약 50 내지 200 옹스트롬과 같은 얇은 실리콘 질화물 라이너가 실리콘 이산화물 증착 전에 증착될 수 있다.
워드 라인(506b)은 임의의 적절한 방법(예를 들어, CVD, PVD 등)에 의해 증착된 텅스텐, 다른 적절한 금속, 고농도로 도핑된 반도체 재료, 도전성 실리사이드, 도전성 실리사이드-게르마나이드, 도전성 게르마나이드 등과 같은 임의의 적절한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 다른 도전층 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도전성 재료가 증착 및 에칭되어 워드 라인(506b)(그리고 별도로 도시하지 않은 다른 워드 라인)을 형성할 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 이러한 워드 라인은 비트 라인(들)(506a)과 상이한 방향으로 연장하는 실질적으로 평행하고 실질적으로 동일 평면의 도전체이다(예를 들어, 도 4f에 도시됨).
워드 라인(506b)은 적절한 유전체 충진 및 에치백 프로세스를 통해 다른 워드 라인과 격리될 수 있다. 그 후에, 추가적인 메모리 셀(미도시)이 메모리 셀(500a)을 형성하는 데 사용되는 것과 유사한 방식으로 워드 라인(506b) 위에 형성될 수 있다.
메모리 셀(500a)(및/또는 메모리 셀 스택(500a) 위에 형성되는 임의의 추가적인 메모리 셀 층/레벨)의 형성 후에, 결과적인 구조가 어닐링되어 증착된 다이오드(504a)의 반도체 재료를 결정화할 수 있다(및/또는 다이오드(504a)의 실리콘 영역(들)을 갖는 층(508)으로부터의 실리사이드-형성 금속의 반응에 의해 실리사이드 영역을 형성한다). 상술한 바와 같이, 티타늄 실리사이드와 코발트 실리사이드의 격자 간격은 실리콘의 격자 간격과 근접하며, 실리사이드층은 증착된 실리콘이 결정화할 때 인접한 증착 실리콘에 대한 "결정화 템플릿" 또는 "시드"로서의 역할을 할 수 있는 것으로 보인다(예를 들어, 실리사이드층은 약 600 - 800℃의 온도에서의 어닐링 동안 실리콘 다이오드의 결정 구조를 향상시킬 수 있다). 이에 의해 보다 낮은 저항률의 다이오드 재료가 제공된다. 유사한 결과가 실리콘-게르마늄 합금 및/또는 게르마늄 다이오드에 대해 달성될 수 있다.
따라서, 적어도 일 실시예에서, 결정화 어닐링이 약 600 내지 800℃, 일부 실시예에서는 약 650 내지 750℃의 온도의 질소에서 약 10초 내지 약 2분 동안 수행될 수 있다. 다른 어닐링 시간, 온도 및/또는 환경이 사용될 수도 있다.
도 5b는 본 발명에 따라 제공된 제 2 메모리 셀(500b)의 단면도이다. 도 5b의 제 2 메모리 셀(500b)은 도 5a의 제 1 메모리 셀(500a)과 유사하지만, 제 1 메모리 셀(500a)에 의해 채용된 양극 스티어링 소자 대신 단극 스티어링 소자를 채용한다. 예를 들어, 도 5b의 다이오드(604b)는 도 5a의 메모리 셀(500a)에서 사용된 p-i-n 접합 다이오드가 아니라 펀치 스루 다이오드이다. 상술한 바와 같이, 터널링 디바이스, 쇼트키 다이오드 등과 같은 다른 스티어링 소자가 사용될 수도 있다.
도 5c는 본 발명에 따라 제공된 제 3 메모리 셀(500c)의 단면도이다. 도 5c의 제 3 메모리 셀(500c)은 도 5a의 제 1 메모리 셀(500a)과 유사하지만(유사하게 형성될 수 있음), (도 2a 내지 2d를 참조하여 상술한 바와 같이) 이중층 금속-실리사이드 하부 전극(108)을 채용한다.
도 5d는 본 발명에 따라 제공된 제 4 메모리 셀(500d)의 단면도이다. 도 5d의 제 4 메모리 셀(500b)은 도 5c의 제 3 메모리 셀(500c)과 유사하지만, 제 3 메모리 셀(500c)에 의해 채용된 양극 스티어링 소자 대신 단극 스티어링 소자를 채용한다. 예를 들어, 도 5d의 다이오드(504d)는 도 5c의 메모리 셀(500c)에서 사용된 p-i-n 접합 다이오드가 아니라 펀치 스루 다이오드이다. 상술한 바와 같이, 터널링 디바이스, 쇼트키 다이오드 등과 같은 다른 스티어링 소자가 사용될 수도 있다.
도 5e는 본 발명에 따라 제공된 제 5 메모리 셀(500e)의 단면도이다. 도 5e의 제 5 메모리 셀(500e)은 도 5a의 제 1 메모리 셀(500a)과 유사하지만(유사하게 형성될 수 있음), (도 2e 내지 2h를 참조하여 상술한 바와 같이) 하부 전극에 대해 추가적인 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층(112)을 갖는 금속-실리사이드 이중층을 채용한다.
도 5f는 본 발명에 따라 제공된 제 6 메모리 셀(500f)의 단면도이다. 도 5f의 제 6 메모리 셀(500f)은 도 5e의 제 5 메모리 셀(500e)과 유사하지만, 제 5 메모리 셀(500e)에 의해 채용된 양극 스티어링 소자 대신 단극 스티어링 소자를 채용한다. 예를 들어, 도 5f의 다이오드(504f)는 도 5e의 메모리 셀(500e)에서 사용된 p-i-n 접합 다이오드가 아니라 펀치 스루 다이오드이다. 상술한 바와 같이, 터널링 디바이스, 쇼트키 다이오드 등과 같은 다른 스티어링 소자가 사용될 수도 있다.
도 5g는 본 발명에 따라 제공된 제 7 메모리 셀(500g)의 단면도이다. 도 5g의 제 7 메모리 셀(500g)은 도 5a의 제 1 메모리 셀(500a)과 유사하지만(유사하게 형성될 수 있음), (도 3a 내지 3d를 참조하여 상술한 바와 같이) 하부 전극(108)에 대해 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물층을 채용한다.
도 5h는 본 발명에 따라 제공된 제 8 메모리 셀(500h)의 단면도이다. 도 5h의 제 8 메모리 셀(500h)은 도 5g의 제 7 메모리 셀(500g)과 유사하지만, 제 7 메모리 셀(500g)에 의해 채용된 양극 스티어링 소자 대신 단극 스티어링 소자를 채용한다. 예를 들어, 도 5h의 다이오드(504h)는 도 5g의 메모리 셀(500g)에서 사용된 p-i-n 접합 다이오드가 아니라 펀치 스루 다이오드이다. 상술한 바와 같이, 터널링 디바이스, 쇼트키 다이오드 등과 같은 다른 스티어링 소자가 사용될 수도 있다.
상술한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 실시예를 개시한다. 본 발명의 범위 내에 드는 상술한 장치 및 방법의 변형이 본 기술 분야의 당업자에게 용이하게 자명할 것이다. 예를 들어, MIM 스택은 임의의 메모리 셀 내에서 스티어링 소자 위에 또는 아래에 위치될 수 있다.
따라서, 본 발명이 예시적인 실시예와 연계하여 개시되었지만, 이하의 청구항에 의해 규정되는, 본 발명의 사상 및 범위 내에 다른 실시예도 속할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
Claims (35)
- 금속-절연체-금속(MIM: metal-insulator-metal) 스택으로서,
제 1 금속-실리사이드층(metal-silicide layer)과 제 2 금속-실리사이드층을 포함하는 제 1 도전층과,
상기 제 1 도전층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층(resistivity-switching layer)과,
상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을
포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택. - 제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은, 티타늄 실리사이드, 탄탈룸 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드 또는 몰리브덴 실리사이드 중 하나를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은, 티타늄 실리사이드, 탄탈룸 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드 또는 몰리브덴 실리사이드 중 다른 하나를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 니켈 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 코발트 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속 실리사이드층은 텅스텐 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 도전층은 약 2 나노미터 내지 약 100 나노미터의 두께를 갖는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물층은, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 중 하나 이상을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 도전층은, 상기 저항률 전환층 위에 형성된 티타늄층과 티타늄 산화물층 중 적어도 하나와 그 위에 형성된 티타늄 질화물층을 갖는 층 스택(layer stack)을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 도전층은, 약 -3 eV 내지 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖는 금속 또는 금속 질화물을 더 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 9항에 있어서, 상기 제 1 도전층은, 알루미늄, 알루미늄 질화물, 란탄, 란탄 질화물, 몰리브덴, 몰리브덴 질화물, 탄탈룸, 탄탈룸 질화물, 크롬, 크롬 질화물, 하프늄, 하프늄 질화물, 니오븀, 니오븀 질화물, 바나듐, 바나듐 질화물, 지르코늄 또는 지르코늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 메모리 셀로서,
청구항 제 1항의 MIM 스택과,
상기 MIM 스택에 연결된 스티어링 소자(steering element)를
포함하는, 메모리 셀. - 제 11항에 있어서, 상기 스티어링 소자는 수직 폴리실리콘 다이오드를 포함하는, 메모리 셀.
- 금속-절연체-금속(MIM) 스택을 형성하는 방법으로서,
제 1 금속-실리사이드층과 제 2 금속-실리사이드층을 포함하는 제 1 도전층을 형성하는 단계와,
상기 제 1 도전층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계와,
상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를
포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법. - 제 13항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은, 티타늄 실리사이드, 탄탈룸 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드 또는 몰리브덴 실리사이드 중 하나를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은, 티타늄 실리사이드, 탄탈룸 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드 또는 몰리브덴 실리사이드 중 다른 하나를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 니켈 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 코발트 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속 실리사이드층은 텅스텐 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 1 도전층은 약 2 나노미터 내지 약 100 나노미터의 두께를 갖는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 금속 산화물층은, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 중 하나 이상을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 제 1 도전층은 약 -3 eV 내지 -6 eV의 O에 대한 형성의 깁스 자유 에너지를 갖는 금속 또는 금속 질화물을 더 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 13항의 방법을 사용하여 형성된 메모리 셀.
- 금속-절연체-금속(MIM) 스택으로서,
제 1 온도에서 형성되는 제 1 금속-실리사이드층과,
상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 상기 제 1 금속-실리사이드층 위에 형성된 제 2 금속-실리사이드층과,
상기 제 2 금속-실리사이드층 위에 형성된 n+ 실리콘 또는 SiGe 층과,
상기 n+ 실리콘 또는 SiGe 층 위에 형성된 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층과,
상기 저항률 전환층 위에 형성된 제 2 도전층을
포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택. - 제 22항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 니켈 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 22항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 코발트 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 22항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속 실리사이드층은 텅스텐 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 22항에 있어서, 상기 제 2 도전층은, 상기 저항률 전환층 위에 형성된 티타늄층과 티타늄 산화물층 중 적어도 하나와 그 위에 형성된 티타늄 질화물층을 갖는 층 스택을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 제 22항에 있어서, 상기 금속 산화물층은, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 중 하나 이상을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택.
- 메모리 셀로서,
청구항 제 22항의 MIM 스택과,
상기 MIM 스택에 연결된 스티어링 소자를
포함하는, 메모리 셀. - 제 28항에 있어서, 상기 스티어링 소자는 수직 폴리실리콘 다이오드를 포함하는, 메모리 셀.
- 금속-절연체-금속(MIM) 스택을 형성하는 방법으로서,
제 1 온도에서 제 1 금속-실리사이드층을 형성하는 단계와,
상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 상기 제 1 금속-실리사이드층 위에 제 2 금속-실리사이드층을 형성하는 단계와,
상기 제 2 금속-실리사이드층 위에 n+ 실리콘 또는 SiGe 층을 형성하는 단계와,
상기 n+ 실리콘 또는 SiGe 층 위에 금속 산화물층을 포함하는 저항률 전환층을 형성하는 단계와,
상기 저항률 전환층 위에 제 2 도전층을 형성하는 단계를
포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법. - 제 30항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 니켈 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 30항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 코발트 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 30항에 있어서, 상기 제 1 금속-실리사이드층은 티타늄 실리사이드를 포함하고, 상기 제 2 금속 실리사이드층은 텅스텐 실리사이드를 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 30항에 있어서, 상기 금속 산화물층은, HfOX, ZrOX, NiOX, TiOX, TaOX, NbOX 또는 AlXOY 중 하나 이상을 포함하는, 금속-절연체-금속(MIM) 스택 형성 방법.
- 제 30항의 방법에 의해 형성된 메모리 셀.
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