專利名稱：相變存儲器裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變存儲器裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器裝置是將電阻隨著結(jié)晶狀態(tài)變化的相變層(硫族化物半導(dǎo)體薄膜等)用作存儲器元件的存儲裝置。所謂硫族化物半導(dǎo)體是包含硫族元素的非晶形(無定形的)半導(dǎo)體。
圖21是表示用于說明硫族元素的周期表的一部分的圖。
如圖所示，所謂硫族元素是6族元素的S(硫)、Se(硒)、Te(碲)。硫族化物半導(dǎo)體的利用領(lǐng)域大致分為光盤與電氣存儲器。作為在電氣存儲器領(lǐng)域中使用的硫族化物半導(dǎo)體，已知作為Ge(鍺)、Te(碲)和Sb(銻)的化合物之GeSbTe(下面稱為GST)、或AsSbTe或SeSbTe等。
圖22A、圖22B分別是說明相變存儲器的原理的圖。
硫族化物半導(dǎo)體如圖22A所示，可以取非晶形半導(dǎo)體的狀態(tài)10和結(jié)晶狀態(tài)30之兩個穩(wěn)定狀態(tài)，為了從非晶狀態(tài)10移動到結(jié)晶狀態(tài)30，需要提供超過能量勢壘20的熱。
如圖22B所示，非晶狀態(tài)的硫族化物半導(dǎo)體示出高電阻。該高電阻狀態(tài)對應(yīng)于數(shù)字值的“1”。結(jié)晶狀態(tài)的硫族化物半導(dǎo)體示出低電阻。該低電阻狀態(tài)對應(yīng)于數(shù)字值的“0”。這樣，可存儲數(shù)字信息。另外，通過檢測經(jīng)硫族化物半導(dǎo)體流過的電流量(或電壓降)的差，可判定存儲信息是“1”還是“0”(即讀出信息)。
作為為了硫族化物半導(dǎo)體相變所提供的熱，利用焦耳熱。即，通過向硫族化物半導(dǎo)體提供峰值和時間寬度不同的脈沖，在電極與硫族化物半導(dǎo)體的接觸面附近產(chǎn)生焦耳熱。硫族化物半導(dǎo)體的相，隨著該焦耳熱而變化。
具體而言，在向硫族化物半導(dǎo)體短時間提供其熔融點(diǎn)附近的熱之后，若急速冷卻，則硫族化物半導(dǎo)體變?yōu)榉蔷顟B(tài)。另一方面，若在向硫族化物半導(dǎo)體長時間提供比熔融點(diǎn)低的結(jié)晶溫度之后冷卻，則硫族化物半導(dǎo)體變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)。
例如，在向GST短時間(1-10ns)提供融點(diǎn)(約610度)附近的熱之后，若急速冷卻(約1ns)，則GST變?yōu)榉蔷顟B(tài)。另一方面，若向GST長時間(30-50ns)施加結(jié)晶溫度(約450度)之后冷卻，則GST變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)。
如圖22B所示，將從非晶狀態(tài)移動到結(jié)晶狀態(tài)稱為“置位(結(jié)晶過程)”，將此時提供給硫族化物半導(dǎo)體的脈沖稱為“置位脈沖(set pulse)”。在此，將結(jié)晶最低所需的溫度(結(jié)晶溫度)設(shè)為Tc，將結(jié)晶最低所需的時間(結(jié)晶時間)設(shè)為tr。
相反，將從結(jié)晶狀態(tài)移動到非晶狀態(tài)稱為“復(fù)位(非晶過程)”，將此時提供給硫族化物半導(dǎo)體的脈沖稱為“復(fù)位脈沖”。此時，提供給硫族化物半導(dǎo)體的熱為融點(diǎn)Tm附近的熱，在熔融后急劇冷卻硫族化物半導(dǎo)體。
圖23A～圖23D是說明相變存儲器裝置的基本構(gòu)造與相變存儲器裝置的置位/復(fù)位動作的圖。
如圖23A所示，相變存儲器裝置基本上為用上下電極(48、42)夾入硫族化物半導(dǎo)體層(相變層)46的構(gòu)造。另外，參照符號40表示基板，參照符號44表示電絕緣膜。在上側(cè)電極48上連接施加置位脈沖等的端子P，下側(cè)電極42被固定于地(基準(zhǔn)電位)。
如圖23B所示，圖23A的相變存儲器與電阻R1等效。如上所述，該電阻R1的電阻值因硫族化物半導(dǎo)體層是非晶狀態(tài)還是結(jié)晶狀態(tài)而不同。如圖23B左側(cè)所示，向端子P輸入3種脈沖。置位脈沖S1是峰值超過閾值Vth的脈沖。復(fù)位脈沖S2是峰值比置位脈沖S1大、寬度比置位脈沖S1短的脈沖。讀取脈沖S3是峰值不足閾值Vth、寬度比置位脈沖S1寬的脈沖。在此，Vth是產(chǎn)生結(jié)晶所需的焦耳熱的下限電壓。
圖23C表示置位脈沖S1與通過提供該置位脈沖S1而產(chǎn)生的焦耳熱引起的溫度上升的對應(yīng)。圖23C的上側(cè)示出電壓波形，下側(cè)示出焦耳熱引起的溫度上升的狀態(tài)。
置位脈沖S1的電壓值超過規(guī)定的閾值Vth，其時間寬度為tcry。tcry在結(jié)晶時間tr(硫族化物半導(dǎo)體結(jié)晶最低所需的時間)以上。焦耳熱引起的溫度上升比融點(diǎn)Tm很低，并且比結(jié)晶最低所需的溫度(結(jié)晶溫度)Tc高。
圖23D表示復(fù)位脈沖S2與通過提供該復(fù)位脈沖S2而產(chǎn)生的焦耳熱引起的溫度上升的對應(yīng)。圖23D的上側(cè)示出電壓波形，下側(cè)示出焦耳熱引起的溫度上升的狀態(tài)。
如圖所示，復(fù)位脈沖S2的峰值遠(yuǎn)超過結(jié)晶用的閾值Vth，并且其寬度非常窄。由此，焦耳熱引起的溫度上升超過硫族化物半導(dǎo)體的融點(diǎn)Tm。另外，溫度上升到達(dá)峰值的時刻至到達(dá)結(jié)晶溫度Tc的時間tamo足夠短。由此，硫族化物半導(dǎo)體一旦在熔融后被急劇冷卻，結(jié)果，硫族化物半導(dǎo)體恢復(fù)到非晶狀態(tài)。
圖24是說明相變存儲器裝置中的讀取動作的電路圖。圖24中，向與在前的圖相同的部分附加相同的參照符號。
圖24中，W表示字線，G表示地線，B表示位線(是連接于用于輸入置位脈沖S1、復(fù)位脈沖S2、讀取脈沖S3的端子P上的脈沖輸入線)。另外，R1表示相變存儲器元件(由硫簇化合物半導(dǎo)體層60構(gòu)成)的等效電阻。
另外，M4表示存儲器單元選擇用的NMOS晶體管(開關(guān)元件)，R2表示電流/電壓變換電阻，A1表示讀出放大器，參照符號62表示讀出放大器A1的基準(zhǔn)電壓源。另外，I1表示讀取動作時流過存儲器單元的電流，Vout表示讀出放大器A1的輸出電壓(傳感輸出)。
在設(shè)置動作時(復(fù)位動作時或讀取動作時也一樣)，將字線W設(shè)為有效電平，使NMOS晶體管M4導(dǎo)通，之后，從端子P輸入必要的脈沖(S1～S3的任一種)。在讀取動作時，輸入讀取脈沖S3。
根據(jù)構(gòu)成存儲器單元的硫族化物半導(dǎo)體層60是非晶狀態(tài)還是結(jié)晶狀態(tài)而不同，電阻R1的電阻值也不同，與之對應(yīng)，電流I1的電流量也不同。因此，通過將該電流量變換為電壓值后讀取，可以判定存儲的信息是“1”還是“0”。
本發(fā)明的發(fā)明人在本發(fā)明之前，對相變存儲器裝置進(jìn)行了各種研究，但結(jié)果，可知以往構(gòu)造中產(chǎn)生如下缺陷。
如圖23A所示，相變存儲器裝置中通常采用由上下電極夾持相變層(例如GST)的基本構(gòu)造(例如參照日本特開2005-159325號公報)。即，在相變層上，存在由鎢等金屬構(gòu)成的電極。由鎢等金屬構(gòu)成的上部電極也具有散熱性。因此，以前的相變存儲器元件可視為在相變區(qū)域的正上方形成散熱片的構(gòu)造。
如上所述，硫族化物半導(dǎo)體層的相變通過流過電流所引起的焦耳熱來實(shí)現(xiàn)，所以焦耳熱經(jīng)上部電極(上部金屬層)散熱導(dǎo)致熱效率下降，不好。
這種熱效率下降在試制單體的相變存儲器元件或集成度低的存儲器LSI的階段，基本上不成問題。但是，在利用細(xì)微化工藝，實(shí)際上批量生產(chǎn)高集成度的相變存儲器裝置的階段，成為大問題。
即，為了大容量化相變存儲器裝置，需要減小存儲器單元的尺寸，因此，降低復(fù)位電流(用于將相變層從結(jié)晶狀態(tài)恢復(fù)到非晶狀態(tài)的電流)成為重要的課題。即，若在相變層上層疊金屬層，則該上部金屬層用作散熱片，熱效率下降。這成為阻礙復(fù)位電流的電流量降低的重要因素。由此，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
在日本特開2003-332529號公報中，公開了如下技術(shù)，即將下側(cè)電極(加熱器電極)作為頂端尖的形狀，最小化該電極與相變層之間的接觸面積，縮小電流，從而抑制散熱。但是，為了將下側(cè)電極加工成頂端尖的形狀，需要通常的LSI制造中不使用的特殊制造工藝技術(shù)，就制造工序的復(fù)雜化或成本高方面不好。
另外，由于上部金屬層具有規(guī)定的厚度，所以熱也從上部金屬的側(cè)面部分釋放。因此，為了盡可能抑制來自上部金屬層的散熱，考慮使上部金屬層的厚度變薄。但是，若使上部金屬層的厚度變薄，則這次截面積變小，布線電阻變高，導(dǎo)致電路特性惡化。
另外，上部金屬層作為在層間絕緣膜中開口接觸孔的情況下的蝕刻停止器起作用，防止基底的相變層(例如GST膜)露出。因此，若薄膜化上部金屬層，則當(dāng)通過蝕刻在層間絕緣膜中形成接觸孔時，會穿通上部金屬層，存在相變層(例如GST膜)露出，相變層的成分揮發(fā)后產(chǎn)生線污染的危險性。
另外，若相變層的一部分露出，則由于之后實(shí)施的構(gòu)成接觸電極的金屬層埋入時的熱處理，產(chǎn)生相變層的成分升華、消失等問題。并且，擔(dān)心相變層的成分氣體充滿接觸孔內(nèi)，用于形成接觸電極的金屬氣體不能充分到達(dá)接觸孔內(nèi)，產(chǎn)生埋入電極的生長不好。
另外，如上所述，由于相變層與層間絕緣膜的密接性不好，所以有時在兩者之前插入由極薄的鈦(Ti)等金屬膜構(gòu)成的密接層。此時，由于密接層(Ti等)接觸相變層(例如GST膜)的底面，所以兩層的成分彼此結(jié)合，(例如Ti(鈦)與Te(碲)結(jié)合)，相變層在與密接層的接觸面附近中的組成變動，有時對相變層的改寫特性造成壞影響。
另外，上部金屬層必須設(shè)置成覆蓋相變層(GST膜)的上面。即，上部金屬層與相變層(GST膜)成對，一體不可分。因此，不能將上部金屬層用于外圍電路的布線或電極的形成中。因此，在外圍電路中形成布線或電極的情況下，需要在存儲器單元部中的金屬層成膜或加工工序之外，重新追加金屬層的成膜或加工工序，所以不能實(shí)現(xiàn)制造工序的簡化。
這樣，以往構(gòu)造的相變存儲器裝置在寫入時(尤其是復(fù)位時)的熱效率下降方面不好。另外，還存在上述大規(guī)模的相變存儲器LSI的批量生產(chǎn)上的各種問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于這種考察來做出的，其目的在于實(shí)現(xiàn)具有熱效率高的構(gòu)造之相變存儲器裝置，和消除伴隨相變存儲器裝置的批量生產(chǎn)的各種問題，可批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
在本發(fā)明的相變存儲器裝置的一優(yōu)選方式中，采樣使用了引出電極的新的電極構(gòu)造(在相變層的上側(cè)不存在電極的構(gòu)造)。加熱器電極以及引出電極層均接觸相變層的底面。引出電極層在脫離相變層與加熱器電極的接觸面正上方的區(qū)域中，連接于相變層的底面上。接觸電極在脫離加熱器電極上的部分中，直接連接于引出電極層的上面。由于在相變層的相變區(qū)域的正上方不存在作為散熱片起作用的電極，所以不會以往那樣經(jīng)電極散熱由電流產(chǎn)生的焦耳熱，改善相變處理中的熱效率。因此，可降低復(fù)位電流，可縮小存儲器單元尺寸。另外，由于不存在以往構(gòu)造的上部電極，所以其膜厚不成問題。即，在本發(fā)明的相變存儲器元件中，由于可毫無問題地形成具有足夠厚度的引出電極層，所以可降低布線電阻。另外，由于在接觸電極的正下方不存在GST等相變層，所以也不會產(chǎn)生在接觸孔開口時伴隨相變層露出的污染、或其部分升華、消失的問題、發(fā)生接觸孔的埋入不好的問題。另外，在本發(fā)明的相變存儲器元件構(gòu)造中，相變層的底面與引出電極層(金屬層)預(yù)先接觸，與相變層與絕緣膜接觸的以往構(gòu)造相比，密接性提高。另外，即便為了提高密接性而在引出電極層上形成由鈦(Ti)等的薄膜構(gòu)成的密接層，也由于該密接層不與產(chǎn)生相變的區(qū)域的相變層接觸，所以不會發(fā)生以前那樣、在相變產(chǎn)生的區(qū)域中、兩者的成分結(jié)合而產(chǎn)生組成變動的問題，因此，不影響改寫特性。另外，由于引出電極層(鎢(W)等金屬層)在制造工藝上獨(dú)立于相變層而存在，所以在存儲器單元中形成引出電極時，在外周電路中可同時形成電極或布線，可共享制造工藝。另外，可通過變更引出電極層的圖案來自由變更接觸電極的形成位置，提高布局設(shè)計(jì)的自由度。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的另一優(yōu)選方式中，將加熱器電極埋入層間絕緣膜內(nèi)。在埋入加熱器電極的該層間絕緣層上，設(shè)置圖案化(布圖)成使該加熱器電極露出的絕緣膜。在該絕緣膜上形成規(guī)定圖案的引出層。相變層連接于加熱器電極上，并以具有與引出電極層部分重合的方式形成。另外，接觸電極在脫離加熱器電極正下方的部位直接連接于引出電極層上。通過該構(gòu)造，可全部消除以往相變存儲器元件中擔(dān)心的問題，提供具有高熱效率構(gòu)造的相變存儲器元件，并可批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的再一優(yōu)選方式中，引出電極層由主電極層、和形成于該主電極層表面中的、用于提高與相變層密接性的密接層構(gòu)成。引出電極層通過在作為構(gòu)成要素的主電極層(例如鎢(W)等金屬層)上設(shè)置密接層(鈦(Ti)等)，可提高相變層與引出電極層的密接性。該密接層由于不與產(chǎn)生相變的區(qū)域的相變層接觸，所以不會發(fā)生如以前那樣、在相變產(chǎn)生的區(qū)域中、兩者的成分結(jié)合而產(chǎn)生組成變動的問題，因此，不影響改寫特性。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的又一優(yōu)選方式中，相變層是硫族化物半導(dǎo)體層。硫族化物半導(dǎo)體層在非晶狀態(tài)下的電阻率與在結(jié)晶狀態(tài)下的電阻率相差十倍以上，適于作為相變存儲材料。另外，與硅類LSI的制造工藝具有親和性，具有制造容易的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的又一優(yōu)選方式中，存儲器單元除存儲器元件外，還包含連接于加熱器電極上的絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管之任一種。另外，在存儲器單元的周圍，形成包含用于選擇存儲器單元的地址選擇電路的外圍電路。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的又一優(yōu)選方式中，使絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管(除接合二極管外，還包含肖脫基二極管)等開關(guān)元件組合，構(gòu)成存儲器單元，并且，集成包含地址電路的外圍電路，構(gòu)成相變存儲器LSI。本發(fā)明的相變存儲器裝置的熱效率高，可消除所有以往構(gòu)造中擔(dān)心的制造工藝上的問題，可共享制造工序，布局設(shè)計(jì)上的自由度也高。因此，可穩(wěn)定批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法的一優(yōu)選方式中，包含第1工序，在形成于層間絕緣膜中的通孔中，埋入導(dǎo)電材料，形成加熱器電極；第2工序，在層間絕緣層上形成絕緣膜，在該絕緣膜上形成引出電極層，利用共同的掩模，連續(xù)圖案化引出電極層和所述絕緣膜，使加熱器電極上部的至少一部分以及所述層間絕緣膜的一部分露出；第3工序，形成相變層，以覆蓋引出電極層上、露出的加熱器電極上以及所述絕緣膜上；第4工序，圖案化相變層，以在加熱器電極的附近，相變層與引出電極層的一部分重合接觸，并且，在脫離該重合接觸的部分的部位，使引出電極層露出；和第5工序，在相變層上和引出電極層上形成層間絕緣層，在該層間絕緣層中形成到達(dá)引出電極層露出的所述部分的通孔，并形成經(jīng)該通孔直接接觸引出電極的接觸電極。本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法以硅類LSI的基本制造工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，完全不需要特殊的工序。從而，可合理地、容易地批量生產(chǎn)本發(fā)明的大規(guī)模的相變存儲器裝置。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法另一優(yōu)選方式中，在第2工序中，在連續(xù)地圖案化引出電極層與絕緣膜的情況下，由于雙方的蝕刻速度之差，圖案化的引出電極層的截面大致垂直，圖案化的絕緣膜的截面為傾斜形狀，由此，自動實(shí)現(xiàn)使引出電極層的端部位于脫離相變層與加熱器電極的接觸部分正上方的部位。在本發(fā)明的相變存儲器裝置中，加熱器電極的位置與引出電極層的端部的位置關(guān)系非常重要。即，引出電極層不妨礙加熱器電極與相變層的良好接觸，但另一方面，若引出電極層的端部脫離加熱器電極與相變層的接觸面附近很多，則不利于縮小存儲器單元尺寸。因此，采用自由確定加熱器電極與引出電極端部的相對位置的、所謂基于自整合的對位技術(shù)。即，當(dāng)圖案化埋入加熱器電極的層間絕緣層上的絕緣膜時，利用共同的掩模，加工引出電極層，接著連續(xù)地選擇性地去除絕緣膜，形成開口。此時，由于引出電極層的蝕刻速度高，所以引出電極層的加工部位的截面大致垂直，另一方面，由于絕緣膜的蝕刻速度低(在蝕刻的正中同時進(jìn)行絕緣膜的再生長)，所以絕緣膜的加工部位的截面為錐形(斜面)狀。由此，加熱器電極與相變層的接觸面，僅以絕緣膜變?yōu)樾泵鏍詈笱厮椒较蛲怀龅木嚯x、離開引出電極層的端部來形成。因此，自動確定引出電極層的端部、與加熱器電極和相變層的接觸面的相對位置關(guān)系，不產(chǎn)生定位上的問題，容易制造微小的相變存儲器裝置。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法再一優(yōu)選方式中，經(jīng)過主電極層的形成工序、和在該主電極層上形成使與所述相變層的密接性提高的密接層的工序，形成引出電極層。引出電極層通過在作為構(gòu)成要素的主電極層(例如鎢(W)等金屬層)上設(shè)置密接層(鈦(Ti)等)，可提高相變層與引出電極層的密接性。密接層由于不與產(chǎn)生相變的區(qū)域的相變層接觸，所以不會發(fā)生如以往那樣、在相變產(chǎn)生的區(qū)域中、兩者的成分結(jié)合而產(chǎn)生組成變動的問題，因此，不影響改寫特性。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法的又一優(yōu)選方式中，在第2工序中，在存儲器單元區(qū)域中形成、并使加熱器電極的上面的至少一部分、以及所述層間絕緣膜的一部分露出的開口圖案，跨躍在鄰接的兩個所述加熱器電極。通過跨躍鄰接的兩個加熱器電極來形成開口圖案，必然形成細(xì)長的開口圖案。因此，與形成單圓圖案(僅使一個加熱器上面露出的小面積圖案)的情況相比，容易形成該開口圖案(連續(xù)加工引出電極層和絕緣膜的工序)。即，在單圓圖案的情況下，假設(shè)在開口圖案與加熱器電極之間產(chǎn)生大的錯位時，產(chǎn)生加熱器電極的上面不完全露出的狀況(接觸不好)的概率變高。與此相對，在細(xì)長的開口圖案的情況下，即便假設(shè)在開口圖案與加熱器電極之間、沿開口圖案的長方向產(chǎn)生大的錯位，也由于開口部沿橫向延伸，所以產(chǎn)生加熱器電極的上面不完全露出的狀況(接觸不好)的擔(dān)心變低。這樣，由于開口圖案形成時的(掩模)對位的余裕(對位余裕)變大，結(jié)果，容易形成開口圖案。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法的又一優(yōu)選方式中，形成電連接于加熱器層上的絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管之任一種，之后，實(shí)施作為相變存儲器元件的制造工序的所述第1工序～第5工序。在形成絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管(除接合二極管外，還包含肖脫基二極管)等開關(guān)元件之后，形成本發(fā)明的相變存儲器單元，由此，形成存儲器單元。并且，通過形成包含地址電路的外圍電路，制造相變存儲器LSI。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法的又一優(yōu)選方式中，在第2工序中，不僅在形成存儲器單元的區(qū)域中，還在外圍電路的形成區(qū)域中形成絕緣膜與引出電極層，之后，在連續(xù)圖案化引出電極層與絕緣膜時，在外圍電路的形成區(qū)域中也進(jìn)行圖案化，從而，在外圍電路的形成區(qū)域中也形成具有規(guī)定圖案的電極層或絕緣層。在以往的相變存儲器元件的構(gòu)造中，上部電極與相變層為一體不可分的關(guān)系，不能與外圍電路的電極等形成工序僅共享上部電極的形成工序。但是，本發(fā)明的相變存儲器元件中，引出電極層(鎢(W)等金屬層)在制造工藝上與相變層獨(dú)立存在。因此，當(dāng)在存儲器單元中形成引出電極層時，可在外圍電路中同時形成電極或布線，可共享制造工藝。從而，容易制造大規(guī)模的相變存儲器LSI。


圖1是表示本發(fā)明的相變存儲器裝置(包含相變存儲器元件與外圍電路)的一例的主要部分構(gòu)造的截面圖。
圖2是表示本發(fā)明的相變存儲器裝置(存儲器LSI)的一例的整體的電路構(gòu)成的圖。
圖3是表示圖2所示的相變存儲器LSI的、在存儲器單元區(qū)域中的元件或布線的布局配置的一例、和在外圍電路區(qū)域中的元件或布線的布局配置之一例的平面圖。
圖4是沿圖3的A-A’線的第1制造工序中的器件截面圖。
圖5是沿圖3的A-A’線的第2制造工序中的器件截面圖。
圖6是沿圖3的A-A’線的第3制造工序中的器件截面圖。
圖7是沿圖3的A-A’線的第4制造工序中的器件截面圖。
圖8是沿圖3的A-A’線的第5制造工序中的器件截面圖。
圖9是沿圖3的A-A’線的第6制造工序中的器件截面圖。
圖10是沿圖3的A-A’線的第7制造工序中的器件截面圖。
圖11是沿圖3的A-A’線的第8制造工序中的器件截面圖。
圖12是沿圖3的A-A’線的第9制造工序中的器件截面圖。
圖13是沿圖3的A-A’線的第10制造工序中的器件截面圖。
圖14是沿圖3的A-A’線的第11制造工序中的器件截面圖。
圖15是沿圖3的A-A’線的第12制造工序中的器件截面圖。
圖16是沿圖3的A-A’線的第13制造工序中的器件截面圖。
圖17是沿圖3的A-A’線的第14制造工序中的器件截面圖。
圖18是表示本發(fā)明的相變存儲器裝置的電路方式的另一實(shí)例的電路圖。
圖19是表示在本發(fā)明之前、由本發(fā)明的發(fā)明人研究的、相變存儲器裝置的存儲器單元部的構(gòu)造之器件截面圖。
圖20是說明本發(fā)明的發(fā)明人明確的、圖19所示構(gòu)造的相變存儲器裝置在批量生產(chǎn)上的缺陷點(diǎn)的器件截面圖。
圖21是表示用于說明硫族元素的周期律表的一部分的圖。
圖22A、圖22B分別是說明相變存儲器的原理圖。
圖23A～圖23D分別是說明相變存儲器元件的基本構(gòu)造與相變存儲器元件的置位/復(fù)位動作的圖。
圖24是說明相變存儲器裝置(相變存儲器LSI)中的讀取動作的電路圖。
具體實(shí)施例方式
在說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
之前，說明在本發(fā)明之前、由本發(fā)明的發(fā)明人明確的、以往構(gòu)造的相變存儲器裝置的問題。
首先，在本發(fā)明之前，說明本發(fā)明的發(fā)明人研究的相變存儲器裝置的構(gòu)造。
圖19是表示在本發(fā)明之前、由本發(fā)明的發(fā)明人研究的、相變存儲器裝置的存儲器單元部的構(gòu)造之器件截面圖。
圖19中，在p型半導(dǎo)體基板70上，形成n型層71、72(源極層71、漏極層72)，在柵極絕緣膜73上設(shè)置有柵極電極74(連接于字線W上)。
參照符號75、79表示層間絕緣膜。在n型層71上預(yù)先連接電極(即貫穿層間絕緣膜75的埋入電極76和第1層導(dǎo)體層構(gòu)成的電極78)，將該電極連接于地線G上。
另外，在n型層72上，連接貫穿層間絕緣膜75的埋入電極77，在該埋入電極77上，連接有貫穿層間絕緣膜79的埋入電極80(加熱器電極)。
參照符號82表示由硫族化物半導(dǎo)體構(gòu)成的相變層。參照符號81表示由極薄的金屬膜構(gòu)成的密接層。由于認(rèn)為硫族化物半導(dǎo)體層81與層間絕緣膜79的密接性不好，所以為了提高兩者的密接強(qiáng)度，設(shè)置有密接層81。
參照符號83是設(shè)置成覆蓋相變層82上面的、第2層導(dǎo)體層構(gòu)成的上部電極。參照符號84是層間絕緣膜。在上部電極83中，預(yù)先設(shè)置貫穿層間絕緣膜84的埋入電極85，在該埋入電極85上，連接有由第3層導(dǎo)體層構(gòu)成的電極86(該電極86構(gòu)成脈沖提供用端子P)。由埋入電極85和第3層導(dǎo)體層構(gòu)成的電極86構(gòu)成接觸電極。
圖19中，相變層82內(nèi)由粗虛線X包圍示出的區(qū)域是產(chǎn)生相變的區(qū)域。埋入有層間絕緣膜79中的電極80集束(絞入)流過相變層82的電流，使電流密度增大，結(jié)果，由于執(zhí)行有助于使相變區(qū)域X中有效產(chǎn)生焦耳熱的動作，所以稱為加熱器電極(加熱電極)(下面稱為加熱器電極)。加熱器電極80與相變層82的接觸面積越少，則流過相變層82的電流的電流密度越高，與此同時，產(chǎn)生的焦耳熱增大。從而，將加熱器電極80與相變層82的接觸面積設(shè)定成非常窄(例如由光刻法的最小設(shè)計(jì)尺寸確定的面積)。
之后，本發(fā)明的發(fā)明人對圖19所示的構(gòu)造的相變存儲器裝置進(jìn)行了各種研究，結(jié)果，可知產(chǎn)生如下缺陷。另外，在下面的說明中，適當(dāng)參照圖20。圖20是說明圖19所示構(gòu)造的相變存儲器裝置在批量生產(chǎn)上的缺陷點(diǎn)(本發(fā)明的發(fā)明人的研究結(jié)果)的器件截面圖。圖20中，對與圖19相同的部分附加相同的參照符號。
如上所述，在以往的相變存儲器裝置中，作為常識，采用由上下電極夾持相變層(例如GST膜)的構(gòu)造。即，在相變層的上下存在電極，這意味著在相變層的相變區(qū)域上必然存在上部電極。在此，上部電極(由鎢等金屬構(gòu)成的上部金屬層)也具有散熱性，所以以往的相變存儲器裝置可視為是在相變區(qū)域的正上方形成了散熱片的構(gòu)造。
如上所述，由于硫族化物半導(dǎo)體層的相變利用流過電流來產(chǎn)生的焦耳熱來實(shí)現(xiàn)，所以焦耳熱經(jīng)上部電極(上部金屬層)散熱，導(dǎo)致熱效率下降，不好。
這種熱效率下降在試制單個相變存儲器元件或集成度低的相變存儲器LSI的階段，基本上不成問題，但在利用細(xì)微化工藝、實(shí)際上批量生產(chǎn)高集成度的相變存儲器元件的階段，成為大問題。
即，為了大容量化相變存儲器元件，需要減小存儲器單元的尺寸，因此，復(fù)位電流(使相變層從結(jié)晶狀態(tài)恢復(fù)到非晶狀態(tài)的電流)的降低成為重要的課題。在相變層上預(yù)先層疊金屬層，該上部金屬層用作散熱片作用的構(gòu)造，使寫入時(尤其是復(fù)位時)的熱效率降低，成為阻礙復(fù)位電流的電流量降低的主要原因。因此，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
即，由于在相變區(qū)域(圖20的粗虛線包圍的區(qū)域X)正上方存在用作散熱片作用的上部金屬層(圖20的參照符號83)，所以產(chǎn)生熱效率下降的缺陷(圖20所示的問題(1))。
另外，由于上部金屬層(圖20的參照符號83)具有規(guī)定厚度，所以熱也從上部金屬的側(cè)面部分釋放。因此，為了盡可能抑制從上部金屬層的散熱，考慮薄膜化上部金屬層。但是，若薄膜化上部金屬層，則這次截面積變小，布線電阻變高，導(dǎo)致電路特性惡化(圖20所示的問題(2))。
另外，上部金屬層(圖20的參照符號83)起到作為在層間絕緣膜中開口接觸孔(圖20的參照符號87)時的蝕刻停止器的作用，防止基底的相變層(例如GST膜圖20的參照符號82)露出。因此，若薄膜化上部金屬層(圖20的參照符號83)，則當(dāng)通過蝕刻在層間絕緣膜中形成接觸孔(圖20的參照符號87)時，會穿通上部金屬層，相變層(例如GST)露出，存在相變層的成分揮發(fā)后產(chǎn)生線污染的危險性(圖20所示的問題(3))。
另外，若相變層(例如GST圖20的參照符號82)的一部分露出，則由于之后實(shí)施的構(gòu)成接觸電極的金屬層埋入時的熱處理，產(chǎn)生相變層的成分升華、消失的問題，并且，在接觸孔內(nèi)充滿相變層的成分氣體，形成接觸電極用的金屬氣體不能充分到達(dá)接觸孔內(nèi)，擔(dān)心產(chǎn)生埋入電極的生長不良(圖20所示的問題(4))。
另外，如上所述，不認(rèn)為相變層(圖20的參照符號82)與層間絕緣膜(圖20的參照符號79)的密接性好。因此，有時在兩者之間夾入由極薄的鈦(Ti)等金屬膜構(gòu)成的密接層(圖20的參照符號81)。此時，從圖20可知，由于密接層(Ti等)81接觸相變層(例如GST)82的底面，所以兩層的成分彼此結(jié)合，(例如Ti(鈦)與Te(碲)結(jié)合)，相變層82與密接層81的接觸面附近的組成變動，有時對相變層的改寫特性產(chǎn)生壞影響(圖20的問題(5))。
另外，在制造大規(guī)模LSI的情況下，共享制造工序、效率化LSI的制造是重要的。在此，著眼于圖20所示的上部金屬層(參照符號83)，上部金屬層83以往僅用作存儲器單元部的上部電極。在此，若也能將該上部金屬層83用作外圍電路(包含地址電路或脈沖提供電路、讀出放大器電路等)中的布線或電極，則由于實(shí)現(xiàn)制造工藝的共用化，所以好。
但是，在圖20所示構(gòu)造的相變存儲器元件中，上部金屬層83必須設(shè)計(jì)成覆蓋相變層(GST等)82的上面。即，上部金屬層83與相變層(GST等)82構(gòu)成一對，一體不可分。因此，僅上部金屬層83用于形成外圍電路中的布線或電極。因此，在外圍電路中形成布線或電極的情況下，除存儲器單元部中的金屬層的成膜或加工工序外，還需要重新追加金屬層的成膜或加工工序，不能實(shí)現(xiàn)制造工藝的簡化(圖20的問題(6))。
這樣，以往構(gòu)造的相變存儲器裝置存在如下問題對大規(guī)模的相變存儲器LSI的批量生產(chǎn)造成壞影響的多個問題(即由于從上部金屬層散熱導(dǎo)致熱效率降低(問題(1))，電阻值會伴隨上部金屬的薄膜化而上升(問題(2))，接觸孔形成時，由于上部金屬層的穿通而使相變層露出，產(chǎn)生線污染或相變層部分消失(問題(3))，埋入電極的生長不好的問題(問題(4))，密接層與相變層的成分彼此結(jié)合引起組成變動(問題(5))，以及不能將上部金屬層也用作外圍電路的布線等(問題(6))。因此，期望確立大規(guī)模相變存儲器LSI的批量生產(chǎn)技術(shù)。
本發(fā)明基于本發(fā)明人做出的上述研究結(jié)果做出。通過本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)具有寫入時(尤其是復(fù)位時)熱效率高的構(gòu)造的相變存儲器裝置，另外，可消除上述各問題，批量生產(chǎn)大規(guī)模相變存儲器LSI。
下面，參照附圖具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(第1實(shí)施方式)圖1是表示本發(fā)明的相變存儲器LSI(包含相變存儲器元件與外圍電路)的一例的主要部分構(gòu)造的器件截面圖。
圖1中，區(qū)域100是存儲器單元區(qū)域，區(qū)域101是外圍電路區(qū)域。存儲器單元區(qū)域100是形成多個由相變存儲器元件與MOS晶體管構(gòu)成的存儲器單元的區(qū)域。另外，外圍電路區(qū)域101是形成地址電路、脈沖提供電路、讀出放大器電路等的區(qū)域。
在存儲器單元區(qū)域100中，在p型半導(dǎo)體基板102上，形成n型層103、104(具體而言為源極層103、漏極層104)，在柵極絕緣膜91上，設(shè)置有由摻雜多晶硅等構(gòu)成的柵極電極105(連接于字線W上)。
參照符號106、110表示層間絕緣膜。在構(gòu)成MOS晶體管的n型層103上，預(yù)先連接貫穿層間絕緣膜106的埋入電極107及第1層金屬層(例如由鎢(W))構(gòu)成的第1層電極109，將該第1層電極109連接于地線G上。在以下的說明中，有時將第1層電極109稱為第1層金屬層。
另外，在構(gòu)成MOS晶體管的n型層104上，連接貫穿層間絕緣膜106的埋入電極108，在該埋入電極108上連接有貫穿層間絕緣膜110的加熱器電極111。
在層間絕緣膜110上，預(yù)先形成絕緣膜(CVD-SiO2膜)112，圖案化該絕緣膜112，設(shè)置開口部，使加熱器電極111的上面露出。
另外，在絕緣膜112上，設(shè)置有由鎢(W))構(gòu)成的主電極材料層113a、和由鈦(Ti)114a構(gòu)成的密接層所構(gòu)成的引出電極層。該引出電極層(113a、114a)被加工成規(guī)定圖案形狀。
密接層114a不是必需的構(gòu)成要素，但通過設(shè)置該密接層114a，使相變層115與引出電極層(113a、114a)的密接性提高，可確實(shí)消除相變層的剝離問題。在下面的說明中，有時也將引出電極層(113a、114a)稱為第2層金屬層。
另外，引出電極層(113a、114a第2層金屬層)形成于存儲器單元部100中，并圖案化時，在外圍電路區(qū)域101中也形成第2層金屬層(113b、114b)，由此，在外圍電路區(qū)域101中形成電極層或布線層。即，同時形成存儲器單元區(qū)域100中的引出電極(113a、114a)和外圍電路區(qū)域101中的電極或布線(113b、114b)，由此，實(shí)現(xiàn)制造工序的共用化。這種制造工序的共用化成為可能是由于在本發(fā)明的相變存儲器元件的情況下，在制造工藝上，引出電極層(113a、114a第2層金屬層)獨(dú)立于相變層(GST)115的原因。
在絕緣膜112上，形成有由GST構(gòu)成的規(guī)定圖案的相變層115。該相變層(GST)115，以覆蓋絕緣膜112的開口部上(即局部露出的加熱器電極111與層間絕緣膜110)、并且具有與引出電極層(113a、114a)部分重合的方式形成。
圖中，粗虛線包圍示出的區(qū)域X是產(chǎn)生焦耳焦引起的相變的區(qū)域(相變區(qū)域)。另外，同樣由粗虛線包圍的區(qū)域Y示出相變層(GST)115與加熱器電極111的接觸面。為了使電流密度增大，使焦耳熱有效產(chǎn)生，需要縮小相變層(GST)115與加熱器電極111的接觸面的面積。因此，相變層(GST)115不是接觸加熱器電極111的上面整個面，而僅接觸一部分。
在此，應(yīng)關(guān)注的一點(diǎn)在于，由于在相變區(qū)域X的正上方，不像以往那樣存在用作散熱片的上部電極，所以相變處理中的熱效率提高。
另外，應(yīng)關(guān)注的另一點(diǎn)在于，引出電極層(113a、114a第2層金屬層)的端部，沿水平方向僅離開加熱器111與相變層115的接觸面(Y)的端部“H”來形成。絕緣膜112的加工部分的截面形狀為斜面狀，兩者自動離開該斜面僅沿水平方向突出的距離(H)而形成。即，自整合地確定兩者的相對位置，由此，可高精度定位(這點(diǎn)在后面說明制造工藝時詳細(xì)描述)。
在相變層115上，預(yù)先設(shè)置層間絕緣膜117，在該層間絕緣膜117的脫離加熱器電極111正上方的部位設(shè)置有接觸孔。另外，經(jīng)接觸孔，接觸電極(由埋入電極116與第3層金屬層118構(gòu)成)直接連接于引出電極層(113a、114a)。在此，應(yīng)關(guān)注的一點(diǎn)在于在接觸電極(116、118)的正下方不存在相變層(GST)115，根本不產(chǎn)生以往的相變層(GST)115的成分升華、消失等問題。
根據(jù)圖1所示構(gòu)造的相變存儲器元件，消除全部圖20所示的以往相變存儲器元件的(1)～(6)的問題，可實(shí)現(xiàn)具有熱效率高、適于大規(guī)?；幕緲?gòu)造的相變存儲器元件。
即，在圖1的相變存儲器元件中，由于在相變層115的相變區(qū)域(X)的正上方不存在用作散熱片作用的電極，所以不象以往那樣、由電流產(chǎn)生的焦耳熱經(jīng)電極散熱，改善相變處理中的熱效率。因此，可降低復(fù)位電流，可縮小存儲器單元的尺寸。
另外，由于不存在以往構(gòu)造那樣的上部電極，所以其膜厚不成問題，在本發(fā)明的相變存儲器元件中，由于可毫無問題地形成具有足夠厚度的引出電極層(113a、114a)，所以可降低布線電阻。
另外，由于在接觸電極(116、118)的正下方不存在由GST構(gòu)成的相變層115，所以根本不產(chǎn)生接觸孔開口時的伴隨相變層露出的污染、其部分升華、消失的問題、產(chǎn)生接觸孔的埋入不好的問題。
另外，相變層115的底面預(yù)先與引出電極層(113a、114a第2層金屬層)接觸，與相變層與絕緣膜接觸的以往構(gòu)造相比，密接性提高。這點(diǎn)從提高相變存儲器元件的可靠性觀點(diǎn)看有利。
即便為了提高密接性而在引出電極層(113a、114a)上形成由鈦(Ti)等薄膜構(gòu)成的密接層114a，在本發(fā)明的相變存儲器元件中，由于密接層與產(chǎn)生相變的區(qū)域的相變層不接觸，所以不產(chǎn)生像以往那樣、在相變產(chǎn)生的區(qū)域中兩者的成分結(jié)合后產(chǎn)生組成變動的問題，因此，不影響改寫特性。
另外，圖1的相變存儲器元件通過變更引出電極層(113a、114a)的圖案，可自由變更接觸電極(116、118)的形成位置，提高布局設(shè)計(jì)的自由度。
這樣，圖1的相變存儲器元件的熱效率高，消除所有以往構(gòu)造中擔(dān)心的、構(gòu)造上或制造工藝上的問題，可共用制造工序，具有布局設(shè)計(jì)上的自由度也高的多個優(yōu)點(diǎn)。因此，可穩(wěn)定地批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
另外，圖1的相變存儲器元件，可以僅利用硅類LSI的基本制造工藝技術(shù)來制造，所以容易批量生產(chǎn)。
另外，在圖1的相變存儲器元件中，引出電極層(113a、114a)是在制造工藝上獨(dú)立于相變層115的存在，因此，當(dāng)在存儲器單元區(qū)域100中形成引出電極層(113a、114a)時，可同時在外圍電路區(qū)域(101)中形成電極或布線(113b、114b)。從而，可共用制造工藝。由此，容易制造大規(guī)模相變存儲器LSI。
另外，通過使用共同的掩模，連續(xù)地圖案化引出電極層(113a、114a)與絕緣膜112，將絕緣膜112的加工截面形成斜面狀，從而也可通過自整合來進(jìn)行加熱器電極111與引出電極(113a、114a)的端部的適當(dāng)定位，容易制造微小的相變存儲器元件。
(第2實(shí)施方式)在本實(shí)施方式中，具體說明使用具有圖1所示的基本構(gòu)造的相變存儲器元件的、大規(guī)模LSI的電路構(gòu)成、布局配置以及器件的制造過程。
圖2是表示本發(fā)明的相變存儲器LSI的一例的整體電路構(gòu)成的圖。
如圖所示，在相變存儲器LSI的中央部，配置有將由元件選擇用的MOS晶體管(M)、和本發(fā)明的相變存儲器元件(圖中描繪為等效電阻R)構(gòu)成的存儲器單元配置成矩陣狀的存儲器單元部。
圖中，G1～G3是地線，W1～W4是字線，B1～B3是位線。X解碼器120、121與Y解碼器122、123構(gòu)成地址電路。X解碼器120、121驅(qū)動字線W1-W4。Y解碼器122、123驅(qū)動位線B1～B3。
控制電路124統(tǒng)一控制相變存儲器LSI的動作。該控制電路124向Y解碼器122、123、X解碼器120、121的每一個分別提供控制信號S5～S8，單獨(dú)控制各解碼器(120～123)的動作。
脈沖生成電路125根據(jù)來自控制電路124的控制信號S10，生成各種脈沖信號(置位脈沖、復(fù)位脈沖、讀取脈沖)S20，提供給Y解碼器122、123。
圖2中，A10a、A10b是構(gòu)成讀出電路的運(yùn)算放大器。R10a、R10b是用于將電流I(圖2中用粗實(shí)線的箭頭表示)變換為電壓的電流/電壓變換電阻。另外，Vref是基準(zhǔn)電壓，Vout1、Vout2是相變存儲器LSI的檢測信號(讀出信號)。
圖3是表示圖2所示的相變存儲器LSI的、在存儲器單元區(qū)域中的元件或布線的布局配置之一例、和在外圍電路區(qū)域中的元件或布線的布局配置之一例的平面圖。
圖3中，用粗實(shí)線包圍的區(qū)域F是字段區(qū)域(元件形成區(qū)域)。另外，在存儲器單元區(qū)域中，沿縱向布線的4條布線(DP)，分別是構(gòu)成字線(W1～W4)的(并且兼作MOS晶體管的柵極電極的)摻雜多晶硅層。
同樣，圖3中，沿左右布線的2條布線(用細(xì)實(shí)線表示)AL1表示構(gòu)成地線(G1、G2)的第1層金屬層。
GST表示構(gòu)成相變層的GST膜(相當(dāng)于圖1的參照符號115)。
另外，AL2(用粗虛線表示的區(qū)域)表示構(gòu)成引出布線層(圖1的113a、113b)或外圍電路區(qū)域中的布線或電極(圖1的113b、114b)的第2層金屬布線。
另外，C1表示地線(G1(AL1)、G2(AL2))與硅基板表面的接觸區(qū)域(接地接觸)。
另外，存儲器單元區(qū)域中的H1、H2是相當(dāng)于加熱器電極(圖1的參照符號111)的上面的區(qū)域。同樣，Q表示設(shè)置在絕緣膜(圖1的參照符號112)中的、使加熱器電極(圖1的參照符號111)的上面一部分露出的開口區(qū)域。即，在開口部Q的端部，GST與加熱器電極(圖1的111)的上面一部分接觸。
另外，圖3的外圍區(qū)域附近記載的CN1-CN3分別表示基板與第1層金屬層的接觸區(qū)域、第1層金屬層與第2層金屬層的接觸區(qū)域、和第2層金屬層與第3層金屬層的接觸區(qū)域。
另外，AL3(用粗點(diǎn)劃線表示)表示第3層金屬布線(相當(dāng)于圖1的參照符號18)。
下面，參照圖4～圖17來說明圖3所示的相變存儲器LSI的主要制造工序。
圖4～圖17分別是沿圖3的A-A’線的每個主要制造工序的器件的截面圖。
圖4中，在p型硅基板202中，形成淺的溝槽電離(shallow trenchisolation)(圖中表述為STI)，形成NMOS晶體管的構(gòu)成要素。
即，形成n型擴(kuò)散層204a、204b、柵極絕緣膜206，并且，形成有由摻雜多晶硅構(gòu)成的柵極電極(相當(dāng)于圖3中的構(gòu)成字線W的布線層DP)208。參照符號212、214表示埋入層間絕緣膜210中的埋入電極(圖3中相當(dāng)于H1、H2的位置)。
參照符號218表示埋入貫穿層間絕緣膜210、216所形成的接觸孔(CN1參照圖3)內(nèi)的埋入電極。
埋入電極212、214例如由摻雜多晶硅構(gòu)成。另外，埋入電極218例如由鎢(W)構(gòu)成。層間絕緣膜210是BPSG膜(硼硅酸鹽玻璃膜)，其膜厚為500nm左右，同樣，層間絕緣膜216是P-TEOS(等離子體四乙基原硅酸鹽)氧化膜，其膜厚為100nm左右。
圖5中，形成第1層金屬層(相當(dāng)于圖3的AL1)220a、220b。第1層金屬層例如由鎢(W)構(gòu)成。
圖6中，在第1層金屬層220a、220b上形成作為層間絕緣膜的HDP氧化膜(等離子體氧化膜)222。另外，形成使存儲器單元區(qū)域的埋入電極212、214的上面的一部分露出的接觸孔224a、224b。
圖7中，利用CVD法沉積鎢(W)層226。
圖8中，利用CMP(chemical mechanical polishing化學(xué)機(jī)械研磨)法來平坦化鎢(W)層。由此，形成埋入電極228、230。
圖9中，形成層間絕緣膜(例如HDP(high-density plasma高密度等離子體)氧化膜)232，在該層間絕緣膜232的一部分中，形成使埋入電極228、230的上面露出的通孔(接觸孔)234、236。
圖10中，利用CVD法，沉積氮化鈦(TiN)層238。
圖11中，利用CMP法平坦化氮化鈦(TiN)層238。由此，形成加熱器電極240、242(相當(dāng)于圖1的加熱器電極111、圖3的H1、H2)。
圖12中，在加熱器電極240、242上，利用等離子體CVD法，形成氧化膜246。氧化膜246的膜厚為50nm左右。該氧化膜246相當(dāng)于圖1的絕緣膜112。
下面，形成貫穿氧化膜246、層間絕緣膜232、222的接觸孔248(相當(dāng)于圖3的CN2)。
圖13中，形成作為第2層金屬層(AL2參照圖3)的引出電極層(由構(gòu)成主電極層的鎢(W)層252)與由鈦(Ti)構(gòu)成的密接層256構(gòu)成)。
鎢(W)層252的厚度為50nm左右。另外，作為密接層的鈦(Ti)層的厚度為1nm左右。該引出電極層(252、256)相當(dāng)于圖1的引出電極層(113a、114a)。之后，在該引出電極層(252、256)上形成抗蝕劑掩模254。
圖14中，使用共同的掩模(未圖示)，利用干蝕刻，連續(xù)地蝕刻引出電極層(252、256)。由此，在存儲器單元區(qū)域(圖14左側(cè)的區(qū)域)形成開口部Q(參照圖3)。
在此應(yīng)關(guān)注的是氧化膜246加工后的截面為傾斜狀(錐形狀)。圖14中，氧化膜246的加工端面的斜面部分表述為TP。由此，加工后的引出電極層(252、256)的端部與加熱器電極242的露出面的端部，沿水平方向自動離開僅“H”。下面，具體說明這點(diǎn)。
加熱器電極(240、242)的位置與加工后的引出電極層(252、256)的端部的相對位置關(guān)系非常重要。即，引出電極層(252、256)不阻礙加熱器電極(240、242)與相變層(GST)258的良好接觸。另一方面，若引出電極層(252、256)的端部離加熱器電極(240、242)與相變層(GST)258的接觸面附近太遠(yuǎn)，則不利于縮小存儲器單元尺寸。因此，在本發(fā)明的相變存儲器LSI的制造方法中，采樣自動確定加熱器電極與引出電極的端部的相對位置的所謂基于自整合的定位技術(shù)。
即，當(dāng)圖案化埋入加熱器電極(240、242)的層間絕緣層232上的絕緣膜246時，利用共同的掩模(圖13的參照符號254)，連續(xù)地蝕刻引出電極層(240、242)與絕緣膜246。
此時，由于引出電極層(252、256)的蝕刻速度高，所以引出電極層(252、256)的加工部位的截面大致垂直。
另一方面，由于絕緣膜246的蝕刻速度低，所以在蝕刻正中，同時進(jìn)行絕緣膜的再生長，絕緣膜的加工部位截面變?yōu)殄F形(斜面)狀。從而，加熱器電極與相變層的接觸面的端部，僅距引出電極層(252、256)的端部為絕緣膜246的加工端面變?yōu)樾泵鏍詈笱厮椒较蛲怀龅木嚯x“H”后形成。因此，自動確定引出電極層(252、256)的端部、與加熱器電極(228、230)和相變層(258)的接觸面的相對位置關(guān)系，不產(chǎn)生定位上的問題，容易制造微小的相變存儲器元件。
另外，在圖14的工序中，應(yīng)關(guān)注的另一點(diǎn)在于在外圍電路區(qū)域(圖14右側(cè)的區(qū)域)中也布線引出電極層的材料(252、256)，由此，形成了要連接于埋入電極250上的電極(或布線)。
即，在本發(fā)明的相變存儲器元件中，引出電極層(252、256)在制造工藝上與相變層(GST)258獨(dú)立存在，因此，當(dāng)在存儲器單元區(qū)域中形成引出電極層時，可在外圍電路區(qū)域中同時形成電極或布線。由此，可共用制造工藝，容易制造大規(guī)模相變存儲器LSI。
圖15中，在半導(dǎo)體基板的整個面上，使用濺射法，沉積例如100nm左右的相變層(GST)258。之后，在該相變層(GST)258上，形成加工用掩模260。
圖16中，使用圖15的加工用掩模260，圖案化相變層(GST)258。之后，去除加工用掩模260。
圖17中，形成層間絕緣膜260，在該層間絕緣膜260的一部分中形成接觸孔CN3(參照圖3)。之后，在接觸孔CN3內(nèi)，形成埋入電極262、264，之后，形成作為第3層金屬層(AL3參照圖3)的由鎢(W)構(gòu)成的電極266、268。圖17表示沿圖3的A-A’線的截面構(gòu)造。
以上，參照實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于此，在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，可進(jìn)行各種變形、應(yīng)用。
在上述說明中，采用了從端子P提供置位脈沖S1/復(fù)位脈沖S2的電路方式，但作為電路方式，也可以是圖18所示的電路方式。即，作為相變存儲器LSI的電路方式，也可采用使尺寸不同的晶體管選擇地導(dǎo)通后引導(dǎo)電流、而非輸入波形不同的脈沖的方式。
圖18是表示相變存儲器元件的電路方式之一實(shí)例的電路圖。
圖18中，電阻R1是與相變存儲器元件等效的電阻，端子P連接于VDD(電源電位)。M1～M3是調(diào)整了尺寸后的MOS晶體管，P1、P2、P3分別是置位脈沖用端子、復(fù)位脈沖用端子和讀取脈沖用端子。
利用P1～P3分別選擇使MOS晶體管M1～M3哪個導(dǎo)通，同時，控制MOS晶體管M1～M3的導(dǎo)通時間。由此，可實(shí)現(xiàn)設(shè)置、復(fù)位、及讀取的各動作。
另外，也可以使用雙極晶體管、接合二極管、肖脫基勢壘二極管等開關(guān)元件來代替構(gòu)成存儲器單元的MOS晶體管。作為相變層，也可作用硫族化物半導(dǎo)體以外的材料。另外，引出電極層也可用作存儲器區(qū)域中的布線層。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供一種代替以往的常識上基本構(gòu)造(由上下電極夾持相變層的構(gòu)造)的、相變存儲器裝置的新的基板構(gòu)造(在相變層的上側(cè)不存在電極，熱效率高的基本構(gòu)造)。
即，在本發(fā)明的相變存儲器裝置中，由于在相變層的相變區(qū)域的正上方不存在用作散熱片的電極，所以不會像以往那樣經(jīng)電極散熱由電流產(chǎn)生的焦耳熱，改善相變處理中的熱效率。因此，可降低復(fù)位電流，縮小存儲器單元尺寸。
另外，由于不存在以往構(gòu)造那樣的上部電極，所以其膜厚不成問題。即，在本發(fā)明的相變存儲器元件中，由于可毫無問題地形成具有足夠厚度的引出電極層，所以可降低布線電阻。
另外，由于在接觸電極的正下方不存在GST等相變層，所以不產(chǎn)生接觸孔開口時的伴隨相變層露出的污染、其一部分升華、消失的問題、產(chǎn)生接觸孔的埋入不好的問題。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置中，相變層的底面預(yù)先與引出電極層(金屬層)接觸，與相變層與絕緣膜接觸的以往構(gòu)造相比，密接性提高。
另外，即便為了提高密接性而在引出電極層上形成由鈦(Ti)等薄膜構(gòu)成的密接層，也由于該密接層不與產(chǎn)生相變的區(qū)域的相變層接觸，所以不會產(chǎn)生以往那樣在產(chǎn)生相變的區(qū)域中、兩者的成分結(jié)合而產(chǎn)生組成變動的問題，因此，不影響改寫特性。另一方面，就相變層的與密接層接觸的部分(即相變的區(qū)域以外)而言，通過在后工序的熱處理等，兩者的成分結(jié)合，實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生組成變動，由此，兩者的密接性提高。因此，根據(jù)本發(fā)明，不會對相變元件的改寫特性造成任何壞影響，可確實(shí)消除相變層的剝離的問題。
另外，本發(fā)明的相變存儲器裝置通過變更引出電極層的圖案，可自由變更接觸電極的形成位置，布局設(shè)計(jì)的自由度提高。
另外，本發(fā)明的相變存儲器裝置的熱效率高，完全消除了以往構(gòu)造中擔(dān)心的制造工藝上的問題，可共用制造工序，布局設(shè)計(jì)上的自由度也高。因此，可穩(wěn)定批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI，以硅類LSI的基本制造工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，完全不需要特殊的工序。從而，可合理地、容易地批量生產(chǎn)本發(fā)明的相變存儲器裝置。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法中，通過使用共同的掩模，連續(xù)地圖案化引出電極層與絕緣層，將絕緣膜的加工截面設(shè)為斜面狀，從而可通過自整合來執(zhí)行加熱器電極與引出電極端部的適當(dāng)定位，因此，可正確定位存儲器單元的構(gòu)成要素，容易制造微小的相變存儲器元件。
另外，在本發(fā)明的相變存儲器裝置的制造方法中，引出電極層(鎢(W)等金屬層)在制造工藝上與相變層獨(dú)立存在，因此，當(dāng)在存儲器單元中形成引出電極層時，可在外圍電路中同時形成電極或布線，可共享制造工藝。從而，容易制造大規(guī)模的相變存儲器LSI。
通過本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)具有熱效率高的構(gòu)造之相變存儲器裝置，另外，可消除伴隨相變存儲器的LSI化的各問題，可批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)具有熱效率高的構(gòu)造之相變存儲器元件，另外，達(dá)到可批量生產(chǎn)大規(guī)模的相變存儲器LSI的效果，因此，可用作相變存儲器裝置、相變存儲器裝置的制造方法而有用。
本專利申請基于2005年9月12日申請的日本專利2005-264484號，其全部內(nèi)容包含于本說明書中。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲器裝置，具有相變層；與該相變層的下面的一部分接觸的加熱器電極；引出電極層，在脫離所述相變層與所述加熱器電極的接觸面正上方的區(qū)域中，與所述相變層的底面一部分接觸；和連接于該引出電極的一部分上的接觸電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器裝置，其中將所述加熱器電極預(yù)先埋入層間絕緣膜內(nèi)，在該層間絕緣層上，形成圖案化成使所述加熱器電極上面的至少一部分露出的絕緣膜，在該絕緣膜上，形成規(guī)定圖案的所述引出電極層，設(shè)置所述相變層，以覆蓋該引出電極層的一部分上以及所述露出的加熱器電極上，所述接觸電極在脫離所述加熱器電極正上方的部位連接于所述引出電極層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器裝置，其中所述引出電極層由主電極層、和形成于該主電極層表面中的、用于提高與所述相變層密接性的密接層構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器裝置，其中所述相變層是硫族化物半導(dǎo)體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器裝置，其中具有包含連接于所述加熱器電極上的絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管之任一種的存儲器元件；和包含地址選擇電路的外圍電路。
6.一種相變存儲器裝置的制造方法，包含第1工序，在形成于層間絕緣膜中的通孔中，埋入導(dǎo)電材料，形成加熱器電極；第2工序，在所述層間絕緣層上形成絕緣膜，在該絕緣膜上形成引出電極層，利用共同的掩模，連續(xù)地圖案化所述引出電極層和所述絕緣膜，使所述加熱器電極之上面的至少一部分以及所述層間絕緣膜的一部分露出；第3工序，形成相變層，以覆蓋所述引出電極層上、所述露出的加熱器電極上以及所述絕緣膜上；第4工序，圖案化所述相變層，以在所述加熱器電極的附近，所述相變層與所述引出電極層的一部分重合接觸，并且，在脫離該重合接觸的部分的部位，所述引出電極層露出；和第5工序，在所述相變層上和所述引出電極層上形成層間絕緣層，在該層間絕緣層中形成到達(dá)所述引出電極層露出的所述部位的通孔，并形成經(jīng)該通孔直接接觸所述引出電極的接觸電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相變存儲器裝置的制造方法，其中在所述第2工序中，在連續(xù)圖案化所述引出電極層與所述絕緣膜的情況下，由于雙方的蝕刻速度差，圖案化成的所述引出電極層的截面大致垂直，另一方面，圖案化成的所述絕緣膜的截面為傾斜形狀，由此，自動實(shí)現(xiàn)使所述引出電極層的端部位于脫離所述相變層與所述加熱器電極的接觸部分正上方的部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相變存儲器裝置的制造方法，其中經(jīng)過主電極層的形成工序、和在該主電極層上形成使與所述相變層的密接性提高的密接層的工序，形成所述引出電極層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相變存儲器裝置的制造方法，其中在所述第2工序中，形成于存儲器單元區(qū)域中、使所述加熱器電極的上面的至少一部分以及所述層間絕緣膜的一部分露出的開口圖案，跨躍鄰接的兩個所述加熱器電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相變存儲器裝置的制造方法，其中在所述第1～第5工序之前，形成電連接于所述加熱器層上的絕緣柵極型場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管或二極管之任一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相變存儲器裝置的制造方法，其中在所述第2工序中，不僅在形成所述存儲器單元的區(qū)域中，還在所述外圍電路的形成區(qū)域中，形成所述絕緣膜與引出電極層，之后，在連續(xù)圖案化所述引出電極層與所述絕緣膜時，在所述外圍電路的形成區(qū)域中也進(jìn)行圖案化，從而，在外圍電路的形成區(qū)域中也形成具有規(guī)定圖案的電極層或絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種相變存儲器裝置的新的構(gòu)造。即，本發(fā)明的相變存儲器裝置在相變層(115)的相變區(qū)域正上方不存在用作散熱片的電極。加熱器電極(111)以及引出電極層(113a、114a)均接觸由GST構(gòu)成的相變層(115)的底面。引出電極層(113a、114a)在脫離相變層與加熱器電極的接觸面(Y)正上方的區(qū)域中，以具有部分重合的方式接觸相變層(115)的底面。另外，在脫離加熱器電極(111)的正上方的部位，接觸電極(116、118)直接連接于引出電極層(113a、114a)上。另外，在接觸電極的正下方，不存在GST等相變層。
文檔編號H01L27/24GK1933208SQ20061012907
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者早川努 申請人:爾必達(dá)存儲器股份有限公司