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技術 相変化物質層及びその製造方法、該相変化物質層を備える相変化メモリ素子及びその製造方法並びに動作方法

出願人 三星電子株式会社
発明者 姜允善盧振瑞
出願日 2008年1月15日 (12年2ヶ月経過) 出願番号 2008-006200
公開日 2008年7月31日 (11年7ヶ月経過) 公開番号 2008-177570
状態 拒絶査定
技術分野 半導体メモリ オブシンスキー素子
主要キーワード 融点変化 測定信号強度 三次関数 データ書き込み電圧 変化物質層 相変化物質層 不純物ドーピング領域 ST層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年7月31日)のものです。
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図面 (16)

課題

相変化物質層及びその製造方法、該相変化物質層を備える相変化メモリ素子及びその製造方法並びに動作方法を提供する。

解決手段

インジウムを含む4成分化合物層であって、インジウム含有量(a)が15at.%≦a≦20at.%であることを特徴とする相変化物質層であり、該相変化物質層は、InaGebSbcTed層でありうる。このとき、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%でありうる。

概要

背景

次世代不揮発性メモリ素子である相変化メモリ素子一種であるPRAM(Phase change Random Access Memory)の特徴は、ストレージノード相変化物質層が含まれているということである。

相変化物質層は、結晶状態非晶質状態とを有する。前記2つの状態は、可逆的である。相変化物質層が結晶状態であるとき、相変化物質層の抵抗は、相変化物質層が非晶質状態であるときより低い。

PRAMは、相変化物質層の相の状態によって、相変化物質層の抵抗が異なる性質を利用してデータを記録する。

相変化物質層が結晶状態から非晶質状態に変化する第1温度(融点)は、相変化物質層が非晶質状態から結晶状態に変化する第2温度(結晶化温度)より高い。

PRAMの動作で、相変化物質層に電流が流れれば、相変化物質層にジュール熱が発生する。相変化物質層で発生するジュール熱により、相変化物質層の温度は、前記第1温度または前記第2温度になりうる。

PRAMの動作で、相変化物質層に第1電流を流して相変化物質層の温度が前記第1温度になるとき、前記第1電流をリセット電流(reset current)という。そして、相変化物質層に第2電流を流して相変化物質層の温度が前記第2温度になるとき、前記第2電流をセット電流(set current)という。

PRAMの動作で、相変化物質層にジュール熱を発生させる電流は、スイッチング素子を介して相変化物質層に流れる。従って、PRAMの動作で、相変化物質層に流れる電流は、スイッチング素子が耐えることができる電流より大きくてはならない。

PRAMが追求するところの一つは、他のメモリ素子と同様に集積度を高めることである。PRAMの集積度を高さる方法の一つは、スイッチング素子のサイズを縮めることである。PRAMで、スイッチング素子、例えばトランジスタのサイズが縮められる場合、前記トランジスタが耐えることができる電流の大きさも小さくなる。これは、相変化物質層に流すことができる最大電流も小さくなるということを意味する。従って、PRAMの集積度を高めるために、相変化物質層のリセット電流を低くせねばならない。

相変化物質層としてGST(Ge2Sb2Te5)層が広く利用されている。GST層の融点は、620℃ほどと高いために、GST層の温度を620℃に高めるために、大きいリセット電流が必要である。従って、GST層を相変化物質層として使用する現在のPRAM(以下、従来のPRAM)でスイッチング素子のサイズを縮める場合、スイッチング素子がGST層の温度を620℃に高めるのに必要なリセット電流を受け入れ難くなる。従って、従来のPRAMの場合、相変化物質層の変更なしに集積度を高めるということは、事実上困難である。

また、従来のPRAMでGST層の融点は、620℃と高い一方、結晶化温度は、160℃ほどと相対的に低い。従って、従来のPRAMの場合、選択されたセル(cell)がアクセス(access)されるとき、前記選択されたセルに隣接するセルが影響を受けるセル干渉(cell disturbance)がありえる。また、リテンション(Retention)や赤外線(IR)リフロー特性脆弱でありえる。

概要

相変化物質層及びその製造方法、該相変化物質層を備える相変化メモリ素子及びその製造方法並びに動作方法を提供する。インジウムを含む4成分化合物層であって、インジウム含有量(a)が15at.%≦a≦20at.%であることを特徴とする相変化物質層であり、該相変化物質層は、InaGebSbcTed層でありうる。このとき、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%でありうる。

目的

本発明がなそうとする第一の技術的課題は、前述の従来のPRAMの問題点を改善するためのものであり、GST層より結晶化温度Tcは高く、かつ融点Tmは低く、熱的及び構造的に安定した相変化物質層を提供するところにある。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

インジウムを含む4成分化合物層であって、インジウム含有量(a)が15at.%≦a≦20at.%であることを特徴とする相変化物質層

請求項2

前記4成分化合物層はInaGebSbcTed層であるが、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%であることを特徴とする請求項1に記載の相変化物質層。

請求項3

スパッタリング方式の相変化物質層蒸着用反応チャンバに、第1ターゲット及び第2ターゲットからなるコスパッタリング・ターゲットを準備する段階と、前記反応チャンバに前記相変化物質層が形成される基板ローディングする段階と、前記第1ターゲット及び第2ターゲットに、それぞれ第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階を含むことを特徴とする相変化物質層の形成方法

請求項4

前記第1ターゲットは、Ge−Sb−Te系ターゲットであることを特徴とする請求項3に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項5

前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項3に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項6

前記第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階で、前記第1RFパワー及び第2RFパワーの強度を異ならせて印加することを特徴とする請求項3に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項7

前記相変化物質層はIGST層であるが、インジウムの含有量(a)は、15at.%≦a≦20at.%であることを特徴とする請求項3に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項8

前記IGST層で、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%であることを特徴とする請求項7に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項9

前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載の相変化物質層の形成方法。

請求項10

相変化物質層を備えるストレージノードと、これに連結されたスイッチング素子とを備える相変化メモリ素子において、前記ストレージノードは、請求項1に記載の相変化物質層を備えることを特徴とする相変化メモリ素子。

請求項11

スイッチング素子を備える下部構造物を形成する段階と、前記下部構造物上に前記スイッチング素子に連結された、相変化物質層を備えるストーリーノードとを形成する段階を含み、前記相変化物質層は、請求項3に記載の相変化物質層の形成方法で形成することを特徴とする相変化メモリ素子の製造方法。

請求項12

前記第1ターゲットは、Ge−Sb−Te系ターゲットであることを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項13

前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項14

前記第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階で、前記第1RFパワー及び第2RFパワーの強度を異ならせて印加することを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項15

前記相変化物質層はIGST層であるが、インジウムの含有量(a)は、15at.%≦a≦20at.%であることを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項16

前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項12に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項17

前記IGST層で、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%であることを特徴とする請求項15に記載の相変化メモリ素子の製造方法。

請求項18

スイッチング素子をオン状態に維持する段階と、前記スイッチング素子に連結されており、相変化物質層を備えるストレージノードに動作電圧を印加する段階とを含み、前記相変化物質層は、インジウム含有量(a)が15at.%≦a≦20at.%の4成分化合物から形成されたことを特徴とする相変化メモリ素子の動作方法

請求項19

前記4成分化合物はInaGebSbcTedで、ここで、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%であることを特徴とする請求項18に記載の相変化メモリ素子の動作方法。

請求項20

前記動作電圧は、データ書き込み電圧読み取り電圧及び消去電圧のうち、いずれか一つであることを特徴とする請求項18に記載の相変化メモリ素子の動作方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体メモリ素子係り、さらに詳細には、相変化物質層及びその製造方法、前記相変化物質層を備える相変化メモリ素子及びその製造方法及び動作方法に関する。

背景技術

0002

次世代不揮発性メモリ素子である相変化メモリ素子の一種であるPRAM(Phase change Random Access Memory)の特徴は、ストレージノードに相変化物質層が含まれているということである。

0003

相変化物質層は、結晶状態非晶質状態とを有する。前記2つの状態は、可逆的である。相変化物質層が結晶状態であるとき、相変化物質層の抵抗は、相変化物質層が非晶質状態であるときより低い。

0004

PRAMは、相変化物質層の相の状態によって、相変化物質層の抵抗が異なる性質を利用してデータを記録する。

0005

相変化物質層が結晶状態から非晶質状態に変化する第1温度(融点)は、相変化物質層が非晶質状態から結晶状態に変化する第2温度(結晶化温度)より高い。

0006

PRAMの動作で、相変化物質層に電流が流れれば、相変化物質層にジュール熱が発生する。相変化物質層で発生するジュール熱により、相変化物質層の温度は、前記第1温度または前記第2温度になりうる。

0007

PRAMの動作で、相変化物質層に第1電流を流して相変化物質層の温度が前記第1温度になるとき、前記第1電流をリセット電流(reset current)という。そして、相変化物質層に第2電流を流して相変化物質層の温度が前記第2温度になるとき、前記第2電流をセット電流(set current)という。

0008

PRAMの動作で、相変化物質層にジュール熱を発生させる電流は、スイッチング素子を介して相変化物質層に流れる。従って、PRAMの動作で、相変化物質層に流れる電流は、スイッチング素子が耐えることができる電流より大きくてはならない。

0009

PRAMが追求するところの一つは、他のメモリ素子と同様に集積度を高めることである。PRAMの集積度を高さる方法の一つは、スイッチング素子のサイズを縮めることである。PRAMで、スイッチング素子、例えばトランジスタのサイズが縮められる場合、前記トランジスタが耐えることができる電流の大きさも小さくなる。これは、相変化物質層に流すことができる最大電流も小さくなるということを意味する。従って、PRAMの集積度を高めるために、相変化物質層のリセット電流を低くせねばならない。

0010

相変化物質層としてGST(Ge2Sb2Te5)層が広く利用されている。GST層の融点は、620℃ほどと高いために、GST層の温度を620℃に高めるために、大きいリセット電流が必要である。従って、GST層を相変化物質層として使用する現在のPRAM(以下、従来のPRAM)でスイッチング素子のサイズを縮める場合、スイッチング素子がGST層の温度を620℃に高めるのに必要なリセット電流を受け入れ難くなる。従って、従来のPRAMの場合、相変化物質層の変更なしに集積度を高めるということは、事実上困難である。

0011

また、従来のPRAMでGST層の融点は、620℃と高い一方、結晶化温度は、160℃ほどと相対的に低い。従って、従来のPRAMの場合、選択されたセル(cell)がアクセス(access)されるとき、前記選択されたセルに隣接するセルが影響を受けるセル干渉(cell disturbance)がありえる。また、リテンション(Retention)や赤外線(IR)リフロー特性脆弱でありえる。

発明が解決しようとする課題

0012

本発明がなそうとする第一の技術的課題は、前述の従来のPRAMの問題点を改善するためのものであり、GST層より結晶化温度Tcは高く、かつ融点Tmは低く、熱的及び構造的に安定した相変化物質層を提供するところにある。

0013

本発明がなそうとする第二の技術的課題は、かような相変化物質層の製造方法を提供するところにある。

0014

本発明がなそうとする第三の技術的課題は、この方法で形成した相変化物質層を備える相変化メモリ素子を提供するところにある。

0015

本発明がなそうとする第四の技術的課題は、かような相変化メモリ素子の製造方法を提供するところにある。

0016

本発明がなそうとする第五の技術的課題は、かような相変化メモリ素子の動作方法を提供するところにある。

課題を解決するための手段

0017

前記第一の技術的課題を達成するために、本発明は、インジウムを含む4成分化合物層であって、インジウム含有量(a)が15原子百分率(at.%)≦a≦20at.%であることを特徴とする相変化物質層を提供する。

0018

本発明の実施形態によれば、前記相変化層は、InaGebSbcTed層でありうる。ここで、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%である。

0019

前記第二の技術的課題を達成するために、本発明は、スパッタリング方式の相変化物質層蒸着用反応チャンバに、第1ターゲット及び第2ターゲットからなるコスパッタリング・ターゲットを準備する段階、前記反応チャンバに前記相変化物質層が形成される基板ローディングする段階、及び前記第1ターゲット及び第2ターゲットに、それぞれ第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階を含むことを特徴とする相変化物質層の形成方法を提供する。

0020

この形成方法で、前記第1ターゲットは、Ge−Sb−Te系ターゲットであるが、例えばGe2Sb2Te5ターゲットでありうる。そして、前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうちいずれか一つでありうる。前記第2ターゲットがIn−Sb−Te系ターゲットであるとき、前記第2ターゲットは、In3SbTe2ターゲットでありうる。

0021

前記第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階で、前記第1RFパワー及び第2RFパワーの強度を異ならせて印加できる。

0022

前記相変化物質層はIGST層であるが、インジウムの含有量(a)は、15at.%≦a≦20at.%でありうる。

0023

前記第三の技術的課題を達成するために、本発明は、相変化物質層を備えるストレージノードと、これに連結されたスイッチング素子とを備える相変化メモリ素子において、前記ストレージノードは、前記第一の技術的課題を達成するために提供した相変化物質層を備えることを特徴とする相変化メモリ素子を提供する。

0024

前記第四の技術的課題を達成するために、本発明は、相変化物質層を備えるストレージノードと、これに連結されたスイッチング素子とを備える相変化メモリ素子の製造方法において、前記相変化物質層は、前記相変化物質層が形成される下部構造物を基板とし、前記第二の技術的課題を達成するために提供した相変化物質層の形成方法で形成することを特徴とする相変化メモリ素子の製造方法を提供する。

0025

このとき、前記第1ターゲット及び第2ターゲットは、前述の通りでありうる。また、前記第1RFパワー及び第2RFパワーを印加する段階で、前記第1RFパワー及び第2RFパワーの強度を異ならせて印加できる。また、前記相変化物質層はIGST層であるが、インジウムの含有量(a)は、15at.%≦a≦20at.%でありうる。

0026

前記第五の技術的課題を達成するために、本発明は、相変化物質層を備えるストレージノードと、これに連結されたスイッチング素子とを備える相変化メモリ素子の動作方法において、前記スイッチング素子をオン(ON)状態に維持する段階、及び前記ストレージノードに動作電圧を印加する段階を含み、前記相変化物質層は、インジウム含有量(a)が15at.%≦a≦20at.%であるInaGebSbcTed層であることを特徴とする相変化メモリ素子の動作方法を提供する。この動作方法で、Geの含有量(b)は10at.%≦b≦15at.%であり、Sbの含有量(c)は20at.%≦c≦25at.%であり、Teの含有量(d)は40at.%≦d≦55at.%でありうる。

0027

また、本発明の一実施形態によれば、本発明の相変化メモリ素子の動作方法は、スイッチング素子をオン状態に維持する段階、及び相変化層を含んで前記スイッチング素子に連結されたストレージノードに動作電圧を印加する段階を含み、前記相変化層は、インジウムを含む4成分化合物層であって、インジウムの含有量(a)は、15at.%≦a≦20at.%でありうる。このとき、前記4成分化合物層は、InaGebSbcTed層により形成され、Geの含有量(b)、Sbの含有量(c)、Teの含有量(d)は、前述の通りでありうる。

0028

前記動作電圧は、データ書き込み電圧読み取り電圧及び消去電圧のうち、いずれか一つでありうる。

発明の効果

0029

本発明による相変化メモリ素子でストレージノードは、相変化物質層として、インジウムを15at.%〜20at.%ほど含むIGST層を備える。かようなIGST層は、熱的及び構造的に安定しているだけではなく、GST層に比べ、結晶化温度は高く、かつ融点は低いという特徴を有している。よって、本発明を利用すれば、PRAMのリセット電流を低くすることができるので、集積度を高めることができる。そして、結晶化温度を高めることができるので、PRAMの単位セル間干渉やリテンション、またはIRリフロー特性が脆弱になることを防ぐことが可能である

発明を実施するための最良の形態

0030

以下、本発明の実施形態による相変化物質層、その製造方法、及び該方法で形成された相変化物質層を備える相変化メモリ素子並びにその製造及び動作方法について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。

0031

まず、相変化物質層について説明する。

0032

図1を参照すれば、本発明の実施形態による相変化物質層10は4成分化合物層であって、例えばInaGebSbcTed層(以下、IGST層ともいう)でありうる。前記InaGebSbcTed層で、インジウム(In)含有量(a)は0<a≦0.5(0<a≦50原子百分率(at.%))であるが、望ましくは0.15≦a≦0.2(15at.%≦a≦20at.%)である。そして、ゲルマニウム(Ge)含有量(b)は0<b≦0.25(0<b≦25at.%)であるが、望ましくは0.1≦b≦0.15(10at.%≦b≦15at.%)である。またアンチモン(Sb)含有量(c)は0.15≦c≦0.25(15at.%≦c≦25at.%)であるが、望ましくは0.2≦c≦0.25(20at.%≦c≦25at.%)である。またテルル(Te)含有量(d)は0.3≦d≦0.6(30at.%≦d≦60at.%)であるが、望ましくは0.45≦d≦0.5(45at.%≦d≦50at.%)である。

0033

次に、かような相変化物質層の形成方法について説明する。

0034

図2を参照すれば、第1段階(S1)は、反応チャンバにコスパッタリング・ターゲット(co−sputtering target)を準備する段階である。

0035

前記反応チャンバは、スパッタリング蒸着方式物質蒸着がなされる反応チャンバでありうる。前記コスパッタリング・ターゲットは、第1ターゲット及び第2ターゲットを含むことができる。前記第1ターゲットは、Ge−Sb−Te系ターゲットであるが、例えばGST(Ge2Sb2Te5)ターゲットでありうる。そして、前記第2ターゲットは、In−Sb−Te系ターゲット、In−Sb系ターゲット、In−Te系ターゲット及びInターゲットのうち、いずれか一つでありうる。前記第2ターゲットがIn−Sb−Te系であるとき、前記第2ターゲットは、IST(In3SbTe2)ターゲットでありうる。前記第1ターゲット及び第2ターゲットは、ローディングされる基板より高い位置に位置させる。

0036

第2段階(S2)は、コスパッタリング・ターゲットが準備された前記反応チャンバに、相変化物質層が積層される基板をローディングする段階である。

0037

前記基板は、半導体基板でありうる。また、前記基板は、積層物が形成された半導体基板でありうる。このとき、前記積層物は、半導体素子、例えばスイッチング素子、あるいはダイオード絶縁層などを備えることができる。

0038

第3段階(S3)は、準備されたコスパッタリング・ターゲットに、それぞれRFパワーを印加し、前記ローディングされた基板上に相変化物質層を形成する段階である。
第3段階(S3)で形成される前記相変化物質層は、前述のIGST層でありうる。前記IGST層の各成分の含有量の調節は、前記第1ターゲット及び第2ターゲットに印加されるRFパワーを調節してなすことができる。例えば、前記第1ターゲット及び第2ターゲットに印加されるRFパワーを調節し、前記IGST層のインジウム含有量(a)を0.15≦a≦0.20に調節できる。

0039

図3は、前述の相変化物質層の形成方法で、前記第1ターゲット及び第2ターゲットに印加するRFパワーの比(ratio)による前記IGST層でのインジウムとゲルマニウムとの組成比(In/Ge)の変化を示す。

0040

図3を参照すれば、前記第1ターゲット(GST)に第1RFパワー(RF1)を印加し、前記第2ターゲット(IST)に第2RFパワー(RF2)を印加するとき、RF2/RF1が上昇するほどIn/Ge組成比が大きくなるということが分かる。RF2/RF1とIn/Ge組成比との間に二次関数関係が成立する。かような結果は、RF2/RF1を変化させ、前記IGST層のIn/Ge組成比を容易に調節できるということを意味する。

0041

図4は、前述の相変化物質層の形成方法で形成されるIGST層で、インジウムの含有量による前記IGST層の他の成分(Ge、Sb、Te)の含有量変化を示す。

0042

図4を参照すれば、インジウム含有量の変化によって、ゲルマニウムとアンチモンとの含有量は、直線的に変化する。そして、ゲルマニウム含有量変化幅アンチモン含有量変化幅より大きい。テルルの変化は三次関数表現されうる。

0043

図3及び図4の結果から、RF2/RF1を調節して所望の組成を有するIGST層を容易に形成できるということが分かる。また、RF2/RF1を調節し、GST層とIST層とを形成することができるということが分かる。結局、RF2/RF1を調節することによって、GST層、IST層及びIGST層を容易に形成できる。

0044

本発明者は、前述の相変化物質層の形成方法で形成したIGST層の相が、インジウム含有量及び前記IGST層の形成後に、前記IGST層の結晶化のために実施される急速熱処理RTA)温度によって、いかように変化するか確認するための実験を実施した。

0045

<第1実験例>
相変化物質層の形成方法で、第1IGST層ないし第8IGST層を形成した。前記第1IGST層ないし第4IGST層は、インジウムとゲルマニウムとの組成比(In/Ge)を1より小さく((In/Ge)<1)した。前記第1IGST層ないし第4IGST層のインジウム含有量は、それぞれ2.0at.%、5.9at.%、9.2at.%及び12.5at.%である。前記第5IGST層ないし8IGST層は、前記組成比(In/Ge)を1より大きく((In/Ge)>1)した。前記第5IGST層ないし第8IGST層のインジウム含有量は、それぞれ17.3at.%、25.7at.%、34.6at.%及び37.7at.%である。前記第1IGST層ないし第8IGST層は、形成後に280℃で結晶化のためのRTAを5分間実施した。前記第1IGST層ないし第8IGST層との比較のために、第1GST層及び第2GST層を形成した。前記第1GST層及び第2GST層は、それぞれ280℃と250℃とでRTAを5分間実施した。前記RTAは、いずれも窒素(N2)雰囲気で実施した。そして、前記第1IGST層ないし第8IGST層と前記第1GST層及び第2GST層は、いずれも常温で蒸着した。

0046

図5は、RTAされた前記第1IGST層ないし第8IGST層と前記第1GST層及び第2GST層とに対するX線回折パターンを示す。

0047

図5で、第1グラフG1及び第2グラフG2は、前記第1GST層及び第2GST層についてのものである。そして第3グラフG3ないし第10グラフG10は、それぞれ前記第1IGST層ないし第8IGST層についてのものである。第11グラフG11は、面心立方FCC:Face Centered Cubic)結晶構造を有するIST層についてのものである。

0048

図5の第1グラフG1は、280℃でRTAされたGST層の結晶構造がHCP(Hexagonal Close−Packed)であることを示す。そして、第2グラフG2は、250℃でRTAされたGST層の結晶構造がFCCであることを示す。

0049

第3グラフG3ないし第10グラフG10を第1グラフG1及び第2グラフG2と比較すれば、前述の方法で形成された第1IGST層ないし第8IGST層の結晶構造は、いずれもFCCであることがわかる。

0050

図5の結果から、前述の本発明の相変化物質層の形成方法で形成し、形成後に280℃で結晶化のためのRTAを実施したIGST層の場合、いずれも単一相であり、インジウム含有量の増加によって、他の相は観測されないということが分かる。また、前記IGST層では、剥離(delamination)や凝集(agglormation)の現象も観察されていない。

0051

一方、図5の第6グラフG6ないし第10グラフG10で分かるように、IGST層内のインジウム含有量が増加しつつ、X線回折パターンのピークが左に移動しつつ広くなるということが分かるが、かような結果は、原子半径の大きいインジウムが原子半径の小さなゲルマニウム位置に位置しつつ発生するIGST層内の応力(stressまたはstrain)に起因すると見られる。

0052

<第2実験例>
RTAによるIGST層の構造的安定性を確認するための実験である。

0053

具体的に、前述の本発明の相変化物質層の形成方法で、第9IGST層ないし第12IGST層を形成した。前記第9IGST層で、インジウムとゲルマニウムとの含有量がそれぞれ12.5at.%及び16.2at.%である。そして、前記第10IGST層で、インジウムとゲルマニウムとの含有量は、それぞれ17.3at.%及び13.1at.%である。また、前記第11IGST層で、インジウムとゲルマニウムとの含有量は、それぞれ19.9at.%及び11.2at.%である。また、前記第12IGST層で、インジウムとゲルマニウムとの含有量は、25.7at.%及び8.0at.%である。

0054

前記第9IGST層ないし第12IGST層に対するRTAは、窒素雰囲気で5分間実施した。このとき、各IGST層に対する前記RTA温度は、250℃、280℃、300℃または320℃とした。

0055

図6ないし図9は、それぞれ前記第9IGST層ないし第12IGST層に対するX線回折パターンを示す。

0056

図6ないし図9を参照すれば、前記第9IGST層ないし第12IGST層は、いずれもRTA温度が250℃であるとき、非晶質であることが分かる。しかし、RTA温度が280℃、300℃または320℃であるとき、前記第9IGST層ないし第12IGST層は、いずれも結晶構造を有することが分かる。そして、RTA温度が280℃、300℃または320℃であるとき、相対的にインジウム含有量が少ない前記第9IGST層ないし第11IGST層の結晶構造は、いずれもFCCであって、単一相であることが分かる(図6ないし図8)。一方、前記第9IGST層ないし第11IGST層より相対的にインジウム含有量の多い第12IGST層の場合、42゜及び48゜付近回折角(2θ)で、前記第9IGST層ないし第11IGST層で見られない新しいピークP1,P2を見ることができる(図9)。新しいピークP1,P2が生じるのは、インジウム含有量の増減によって前記第12IGST層内に形成される他の化合物、例えばInxSby、InxTeyに起因するものと見られる。

0057

図6ないし図9の結果から、インジウム含有量が20at.%であるまでは、IGST層の相は、単一相に維持されるということが分かる。

0058

<第3実験例>
320℃より高いRTA温度で、本発明のIGST層の構造的安定性を確認するためのものである。

0059

具体的に、前述の相変化物質層の形成方法によって、第13IGST層ないし第17IGST層を形成し、比較のために第3GST層を形成した。前記第13IGST層ないし第17IGST層のインジウム含有量は、それぞれ12.5at.%、17.3at.%、25.7at.%、34.6at.%及び37.7at.%とした。また、前記第13IGST層ないし第17IGST層と前記第3GST層は、形成後に390℃と窒素雰囲気とで5分間RTAした。

0060

図10は、前記第3GST層と前記第13IGST層ないし第17IGST層とに対するX線回折パターンを示す。

0061

図10の第1グラフ10 G1は、前記第3GST層の結晶構造がHCPであることを示す。そして第2グラフ10 G2及び第3グラフ10 G3を参照すれば、インジウム含有量が25at.%以下である前記第13IGST層及び第14IGST層の場合、結晶構造がHCPであって単一相であることが分かる。しかし、第4グラフ10 G4及び第5グラフ10 G5を参照すれば、インジウム含有量が25at.%を超えた前記第15IGST層及び第16IGST層の場合、X線回折パターンに新しいピークP11ないしP44が現れるということが分かる。かような新しいピークP11ないしP44は、HCP結晶構造を有するIGST以外の他の化合物、例えば前記のInxSby、InxTeyが生成されるためであると見られる。また、第6グラフ10 G6を参照すれば、インジウム含有量が35at.%より多い第17IGST層の場合、RTA後にIGST層の剥離及び凝集の現象も現れるということが分かる。

0062

図5ないし図10に図示した本発明のIGST層に対する構造的安定性分析の結果、本発明により形成されたIGST層の場合、インジウム含有量(a)が0<a≦25at.%であるとき、単一相を維持するなど、熱的及び構造的安定性にすぐれるということが分かる。

0063

次に、本発明者は、前述の本発明の形成方法で形成したIGST層の結晶化温度Tcを知るために、前記IGST層に対する反射率の測定実験を実施した。

0064

今回の実験は、インジウム含有量を異ならせた複数のIGST層を対象に行った。そして、選択されたいずれか1層のIGST層に対して、測定温度を100℃から400℃まで変化させつつ反射率を測定した。

0065

図11は、前記反射率測定実験の結果を示す。

0066

図11で、第1グラフ11 G1及び第10グラフ11 G10は、それぞれGST層とIST層とに対する反射率測定の結果を示す。そして、第2ないしグラフ11G 2ないし第9グラフ11 G9は、インジウム含有量がそれぞれ2.0at.%、5.9at.%、9.2at.%、12.5at.%、17.3at.%、19.9at.%、25.7at.%及び34.6at.%である第18IGST層ないし第25IGST層についてのものである。第1グラフ11 G1ないし第10グラフ11 G10で、反射率が急激に上昇する部分は、該当グラフに対応する相変化物質層の結晶化温度Tcを示す。例えば、第1グラフ11 G1を見れば、160℃ほどで反射率が急激に上昇することが分かる。従って、第1グラフ11 G1から、GST層の結晶化温度は、160℃であることが分かる。

0067

図11の第2グラフ11 G2ないし第9グラフ11 G9を参照すれば、インジウム含有量が増加するほどIGST層の結晶化温度は、GST層の結晶化温度より高まることが分かる。特に、熱的及び構造的に安定したインジウム含有量(a)が0<a≦25at.%であるIGST層の場合(第2グラフ11 G2ないし第7グラフ11 G7)、非晶質状態−結晶状態の区分が明確であって結晶化温度も上昇することが分かる。第7グラフ11 G7を参照すれば、IGST層のインジウム含有量が19.9at.%であるとき、結晶化温度は、250℃以上であるが、該温度は、従来のGST層の結晶化温度である160℃より56%(90℃)高い温度である。

0068

次に、本発明者は、インジウム含有量によるIGST層の融点変化を知るために、エリプソメータ(Ellipsometer)を利用して検出信号強度を測定した。

0069

この測定で、検出信号強度は、本発明による形成方法で形成した複数のIGST層を対象に実施した。そして、前記測定は、選択されたいずれか1層のIGST層に対して温度を500℃から650℃に変化させつつ実施した。

0070

図12は、かような測定結果を示す。

0071

図12で、第7グラフ12 G7は、IST層に対する検出信号強度の測定結果を示す。そして、第1グラフ12 G1ないし第6グラフ12 G6は、インジウム含有量がそれぞれ2.0at.%、5.9at.%、17.3at.%、19.9at.%、25.7at.%及び34.6at.%であるIGST層についてのものである。

0072

第1グラフ12 G1ないし第7グラフ12 G7で、検出信号強度が急激に下落した部分は、該グラフに対応する相変化物質層の融点を示す。例えば、第7グラフ12 G7で検出信号強度が急激に下落した部分は、540℃で現れる。従って、第7グラフ12 G7に対応するIST層の融点Tmは、540℃となる。

0073

第1グラフ12 G1ないし第6グラフ12 G6を参照すれば、インジウム含有量が増加するほど、IGST層の融点は低くなることが分かるが、特にインジウム含有量が19.9at.%であるIGST層の場合(第4グラフ12 G4)、IGST層の融点は、570℃と低くなることが分かる。該温度は、GST層の融点である620℃より8%(50℃)低い温度である。インジウム含有量が25.7at.%であるIGST層(第5グラフ12 G5)と34.6at.%であるIGST層(第6グラフ12 G6)との場合、融点が570℃より高いが、600℃よりは低いことが分かる。

0074

次には、前述の相変化物質層の形成方法で形成された相変化物質層を備える相変化メモリ素子について、図13を参照して説明する。

0075

図13を参照すれば、基板40に、第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43が所定の間隔で存在する。第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43は、例えばn型不純物ドーピングされた領域である。基板40は、第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43にドーピングされた不純物と反対になるタイプの不純物が注入された基板であり、例えばp型シリコン基板でありうる。第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43は、多様な形態を有することができる。第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43のうち一つ、例えば第1不純物ドーピング領域41はソース領域であり、残りの領域はドレイン領域である。第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43間の基板40上に、ゲート絶縁膜42及びゲート電極44が順次に積層されている。基板40と、第1不純物ドーピング領域41及び第2不純物ドーピング領域43と、ゲート電極44は、電界効果トランジスタ(以下、トランジスタ)Tを構成する。

0076

次に、トランジスタTが形成された基板40上に、トランジスタTを覆う第1層間絶縁層46が存在する。第1層間絶縁層46に、第1不純物ドーピング領域41が露出されるコンタクトホールh1が形成されている。コンタクトホールh1は、第1不純物ドーピング領域41の代わりに、第2不純物ドーピング領域43が露出される位置に形成されることもある。コンタクトホールh1は、導電性プラグ50で充填されている。第1層間絶縁層46上に、導電性プラグ50の露出された上部面を覆う下部電極60が存在する。下部電極60は、パッド役割も兼ねる。下部電極60は、例えばTiN電極、あるいはTiAlN電極であるが、これと異なる物質からなる電極でありうる。第1層間絶縁層46上に、下部電極60を覆う第2層間絶縁層62が存在する。第2層間絶縁層62は、第1層間絶縁層46と同じ絶縁層でありうる。第2層間絶縁層62に、下部電極60の上部面が露出されるビヤホ—ルh2が形成されている。ビヤホ—ルh2は、下部電極コンタクト層64で充填されている。下部電極コンタクト層64は、下部電極60と同じ物質でありうる。第2層間絶縁層62上に、下部電極コンタクト層64の露出された上部面を覆う相変化層66が存在する。相変化層66は、4成分化合物層であり、例えばIGST層でありうる。相変化層66がIGST層であるとき、相変化層66のインジウム含有量(a)は0<a≦50at.%であるが、望ましくは15at.%≦a≦20at.%でありうる。また、ゲルマニウム含有量(b)は0<b≦25at.%であるが、望ましくは10at.%≦b≦15at.%でありうる。また、アンチモン含有量(c)は15at.%≦c≦25at.%であるが、望ましくは20at.%≦c≦25at.%でありうる。また、テルル含有量(d)は30at.%≦d≦60at.%であるが、望ましくは45at.%≦d≦50at.%でありうる。

0077

かような相変化層66上に、上部電極68が形成されている。上部電極68、相変化層66及び下部電極コンタクト層64は、ストレージノードをなすが、前記ストレージノードの形態は、多様に変形可能である。例えば、前記ストレージノードは、図14に図示してあるような形態に変形されうる。

0078

図14を参照すれば、第2層間絶縁層62上に、下部電極コンタクト層64が露出される第3コンタクトホールh3を含む上部絶縁層70が存在できる。第3コンタクトホールh3は、相変化層66で充填されている。上部絶縁層70上に、相変化層66を覆う上部電極68が存在する。

0079

また、前記ストレージノードは、図15に図示したような形態に変形されうる。図15に図示した変形されたストレージノードは、図14に図示したストレージノードで、相変化層66が第3コンタクトホールh3周囲の上部絶縁層70上に拡張された場合である。

0080

また、図13ないし図15で下部電極コンタクト層64も、相変化物質層でありうる。また、上部電極68と相変化層66との間に、付着層及び/または拡散防止膜(図示せず)がさらに備わることが可能である。

0081

次には、図13に図示した相変化メモリ素子の製造方法について説明する。

0082

図13を参照すれば、第2層間絶縁層62の第2コンタクトホールh2に、下部電極コンタクトホール64を充填する段階までは、通常の方法によって形成できる。その後、第2層間絶縁層62上に、下部電極コンタクト層64を覆う相変化層66を形成する。相変化層66は、4成分化合物層により形成できるが、例えばIGST層により形成できる。このとき、前記IGST層は、下部電極コンタクト層64が形成された結果物を基板とし、図2で説明したような方法で形成できる。

0083

このように相変化層66を形成した後、相変化層66上に上部電極68を形成する。上部電極68と相変化層66との間に、付着層及び/または拡散防止膜をさらに形成できる。

0084

相変化層66を形成する段階で、相変化層66は、図14に図示したように、上部絶縁層70の第3コンタクトホールh3を充填するように形成できる。また、図15に図示したように、相変化層66を上部絶縁層70上に拡張して形成することも可能である。

0085

次には、本発明の実施形態による相変化メモリ素子の動作方法について、図13を参照しつつ説明する。

0086

図13を参照すれば、トランジスタTをオン(ON)状態に維持する。その後、上部電極68と第2不純物領域43との間に所定の動作電圧を印加する。前記動作電圧は、相変化層66にデータを記録するための書き込み電圧でありうる。前記動作電圧により、相変化層66にリセット電流が印加されて相変化層66に非晶質領域が形成されたとき、相変化層66にデータ「1」が記録されたと見なす。前記リセット電流は、1mAより小さくありうる。

0087

また、前記動作電圧は、相変化層66に記録されたデータを読むための読み取り電圧でありうる。前記動作電圧が読み取り電圧であるとき、相変化層66の抵抗を測定した後、基準抵抗と比較する過程を進められる。比較結果、測定された抵抗が前記基準抵抗より低ければ、相変化層66は結晶状態であり、相変化層66からデータ「0」を読み込んだと判断する。反対に、前記測定された抵抗が前記基準抵抗より高ければ、相変化層66は非晶質状態であり、相変化層66からデータ「1」を読み込んだと判断する。前記測定された抵抗と基準抵抗との比較結果を、いかなるデータと判断するかは任意的でありうる。

0088

また、前記動作電圧は、相変化層66に記録されたデータを消去するための消去電圧でありうる。前記動作電圧が消去電圧であるとき、相変化層66には、セット電流が印加される。その結果、相変化層66の非晶質領域は結晶領域に変化するが、相変化層66の全体領域は結晶状態になる。

0089

前記の説明で、多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されるものである。例えば、本発明の属する技術分野で当業者ならば、相変化層66は本発明のIGST層に維持しつつ、他の部分を変形することができるであろう。例えば、トランジスタをPN接合ダイオード替えることができる。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるのである。

0090

本発明の相変化物質層及びその製造方法、該相変化物質層を備える相変化メモリ素子及びその製造方法並びに動作方法は、半導体メモリ素子が使われるあらゆる電子製品に使われ、例えば、携帯電話カムコーダ、MP3、PDA(Personal Digital Assistant)、GPS(Global Positioning System)、DMB(Dual Mode Bus)ホンデジタルカメラのようなデジタル機器、各種携帯用映像ディスプレイ家電製品のような技術分野に効果的に適用可能である。

図面の簡単な説明

0091

本発明の実施形態による4成分相変化物質層を表したブロック図である。
本発明の実施形態による相変化物質層の形成方法を段階別に示した順序図である。
図2の形成方法で、コスパッタリング・ターゲットに印加されるRFパワー比による相変化物質層でのインジウムとゲルマニウムとの組成比(In/Ge)の変化を示したグラフである。
図2の形成方法で形成された相変化物質層で、相変化物質層に含まれたインジウムの含有量による該相変化物質層の残りの成分の含有量変化を示したグラフである。
図2の形成方法で形成した後、280℃でRTAしるInGeSbTe層に対するX線回折パターンを示したグラフである。
同一組成を有するものの、一つの組成比で図2の形成方法で形成した4種類のInGeSbTe層に対するX線回折パターンをRTA温度別に区分して示したグラフである。
同一組成を有するものの、他の組成比で図2の形成方法で形成した4種類のInGeSbTe層に対するX線回折パターンをRTA温度別に区分して示したグラフである。
同一組成を有するものの、さらに他の組成比で図2の形成方法で形成した4種類のInGeSbTe層に対するX線回折パターンをRTA温度別に区分して示したグラフである。
同一組成を有するものの、さらに他の組成比で図2の形成方法で形成した4種類のInGeSbTe層に対するX線回折パターンをRTA温度別に区分して示したグラフである。
図2の形成方法で形成した後、390℃でRTAを行ったInGeSbTe層に対するX線回折パターンを示したグラフである。
インジウムの含有量を異ならせて、図2の形成方法で形成したInGeSbTe層の反射率対温度変化を示したグラフである。
インジウムの含有量を異ならせて図2の形成方法で形成したInGeSbTe層の測定信号強度対温度変化を示したグラフである。
本発明の実施形態による相変化メモリ素子の断面図である。
図13のストレージノードの変形例を示した断面図である。
図13のストレージノードの変形例を示した断面図である。

符号の説明

0092

10相変化物質層
40基板
41 第1不純物ドーピング領域
42ゲート絶縁膜
43 第2不純物ドーピング領域
44ゲート電極
46 第1層間絶縁膜
60 下部電極
62 第2層間絶縁膜
64 下部電極コンタクト層
66相変化層
68 上部電極
70 上部絶縁層
h1コンタクトホール
h2ビアホール
h3 第3コンタクトホール
T 電界効果トランジスタ

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