(57)【要約】【課題】相変化膜と接触する電流印加部の接触面積を最小化して、相変化膜の相変化に必要な消費電力を最小化できる相変化メモリ素子を提供する。【解決手段】相変化メモリ素子は、コンタクトプラグ２７を備える下部構造体と、コンタクトプラグ２７の表面からコンタクトプラグ２７の内部に延びて形成されたナノワイヤ２８と、コンタクトプラグ２７上に形成された相変化膜２９とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンタクトプラグを備える下部構造体と、
前記コンタクトプラグの表面から前記コンタクトプラグの内部に延びて形成されたナノワイヤと、
前記コンタクトプラグ上に形成された相変化膜と
を備えることを特徴とする相変化メモリ素子。
【請求項２】
前記下部構造体は、
半導体基板と、
前記半導体基板上面の両側部に形成されたソース及びドレインと、
前記ソース及び前記ドレインと接触して前記基板上に順次に形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、
前記ソース及び前記ドレイン上にそれぞれ形成されたコンタクトプラグと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項３】
前記コンタクトプラグは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項４】
前記ナノワイヤは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＭｇのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項５】
前記相変化膜は、ＧｅＳｂＴｅを含むことを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項６】
前記相変化膜の上に上部電極をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項７】
前記コンタクトプラグの下に金属層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化メモリ素子。
【請求項８】
コンタクトプラグを備える下部構造体を形成するステップと、
前記コンタクトプラグ内に金属物質を導入するステップと、
前記コンタクトプラグを熱処理し、前記コンタクトプラグの表面から下部に延びるナノワイヤを形成するステップと、
前記コンタクトプラグ上に相変化膜を形成するステップと
を含むことを特徴とする相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項９】
前記下部構造体を形成するステップは、
基板上にゲート絶縁層及びゲート電極層を順次に形成するステップと、
前記ゲート絶縁層及びゲート電極層の両側部を除去し、前記基板上面の両側部を露出させるステップと、
前記露出された基板上面の両側部に不純物をドーピングしてソース及びドレインを形成するステップと、
前記ソース及び前記ドレイン上部に前記コンタクトプラグを形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項８に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記コンタクトプラグを形成するステップは、
前記ゲート電極層、前記ソース及び前記ドレイン上部に絶縁物質により層間絶縁膜を形成するステップと、
前記層間絶縁膜の部分を除去し、前記ソース及び前記ドレインを露出させる孔をそれぞれ形成するステップと、
前記孔内部にコンタクトプラグ材料を導入するステップと
を含むことを特徴とする請求項９に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記コンタクトプラグを形成するステップは、
前記ゲート電極層、前記ソース及び前記ドレイン上部に絶縁物質により層間絶縁膜を形成するステップと、
前記層間絶縁膜の部分を除去し、前記ソース及び前記ドレインを露出させる孔をそれぞれ形成するステップと、
前記孔内部に金属物質を導入して金属層を形成し、前記金属層上にコンタクトプラグ材料を導入するステップと
を含むことを特徴とする請求項９に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ナノワイヤを形成するステップは、エネルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ２ないし２，０００ｍＪ／ｃｍ２であるレーザビームを前記コンタクトプラグ表面に照射して熱処理することを特徴とする請求項８に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記コンタクトプラグは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項８に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ナノワイヤは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＭｇのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項８に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化メモリ（ＰＲＡＭ：Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）素子及びその製造方法に係り、さらに詳細には、相変化膜の下部に形成されたコンタクトプラグ内部に金属ナノワイヤを形成し、電気的特性を向上させたＰＲＡＭ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
相変化物質（Ｐｈａｓｅ−Ｃｈａｎｇｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）は、温度によって結晶状態または非晶質状態の相異なる状態をとる物質である。結晶状態は、非晶質状態に比べて低い抵抗値を表し、秩序整然とした規則的な原子配列を有している。結晶状態及び非晶質状態は、相互可逆的な変化が可能である。すなわち、結晶状態から非晶質状態に変化させることができ、非晶質状態から再び結晶状態に変化させることができる。相互変化可能な状態を有し、明確に区別されうる抵抗値を有した物質の特性をメモリ素子に適用させたのがＰＲＡＭ素子である。
【０００３】
ＰＲＡＭ素子の一般的な形態は、トランジスタのソースまたはドレイン領域にコンタクトプラグを形成し、その上部に相変化膜及び上部電極を順次に形成させたものである。
【０００４】
前記のような一般的な構造のＰＲＡＭ素子にデータを保存するメカニズムは次の通りである。相変化膜下部の電極を介して電流を印加すれば、印加された電流によって下部電極と相変化膜との接触領域で熱（ジュール熱）が発生する。発生した熱が相変化膜の再結晶温度以上になれば、相変化膜の結晶構造に変化を起こす。印加電流を適切に変化させ、相変化膜の結晶構造を意図的に結晶状態または非晶質状態に変化させる。このとき、結晶状態と非晶状態との変化による抵抗値が変わるようになるので、以前に保存されたデータ値を区別できることとなる。非晶質状態から結晶状態にするためには、融点（Ｔｍ）より低い温度である程度の時間を維持する。そして、結晶状態を非晶質状態にするためには、温度をほぼ融点まで上げておいて急冷する。
【０００５】
メモリ素子に応用できる相変化物質は様々であるが、代表的なものがカルコゲナイド（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）系、すなわちＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）系合金である。ＰＲＡＭメモリ素子の性能を向上させるためには、印加される消費電流値を低下させることが必須である。特に、最も多用されている相変化物質であるＧＳＴ ＰＲＡＭの場合、結晶状態から非晶質状態に変化させるためのリセット電流値が高い。
【０００６】
図１Ａは、特許文献１に開示された従来技術によるＰＲＡＭを概略的に表したものであり、図１Ｂは、特許文献１に開示のＰＲＡＭ素子の構造を表した画像である。
【０００７】
図１Ａでは、半導体基板（図示せず）上に下部電極１１が形成され、その上部に、順次に相変化膜１２及び上部電極１３が形成されている。相変化膜１２と接触する面積を縮小するために、下部電極１１を上方に行くほどに狭く形成しているということが分かる。すなわち、電流の印加面積を狭めることにより、発熱量を大きくすることが試みられている。
【０００８】
そして図１Ｂでは、ＧＳＴ相変化膜の下部を下部電極（ＢＥ）と直接接触させずに、狭幅のＴｉＮ層を別途に形成し、印加電流に比べて高い発熱量を出すように形成している。
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂのような構造は、相変化膜とその下部の電流印加領域との接触面積を縮めることを意図しているが、半導体工程上の技術的限界により、接触面積の縮小にも限界がある。従って、それを克服する新しい構造のＰＲＡＭ素子が要求されている。
【特許文献１】米国特許第６，８００，５６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、前記従来技術の問題点を解決するために、相変化膜と接触する電流印加部の接触面積を最小化して消費電力を最小化できる新しい構造のＰＲＡＭ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明にかかるＰＲＡＭ素子は、コンタクトプラグを備える下部構造体と、前記コンタクトプラグの表面から前記コンタクトプラグ内部に延びて形成されたナノワイヤと、前記コンタクトプラグ上に形成された相変化膜とを備えることを特徴とする。
【００１２】
前記下部構造体は、半導体基板と、前記半導体基板上面の両側部に形成されたソース及びドレインと、前記ソース及び前記ドレインと接触して前記基板上に順次に形成されたゲート絶縁層及びゲート電極層と、前記ソース及び前記ドレイン上にそれぞれ形成されたコンタクトプラグとを備えることが好ましい。
【００１３】
前記コンタクトプラグは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることが好ましい。
【００１４】
前記ナノワイヤは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＭｇのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることが好ましい。
【００１５】
前記相変化膜は、ＧｅＳｂＴｅを含むことが好ましい。
【００１６】
前記ＰＲＡＭ素子は、前記相変化膜の上に上部電極をさらに備えることが好ましい。
【００１７】
前記ＰＲＡＭ素子は、前記コンタクトプラグの下に金属層をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
また前記課題を解決するために、本発明にかかるＰＲＡＭ素子を製造する方法は、コンタクトプラグを備える下部構造体を形成するステップと、前記コンタクトプラグ内に金属物質を導入するステップと、前記コンタクトプラグを熱処理し、前記コンタクトプラグの表面から下部に延びるナノワイヤを形成するステップと、前記コンタクトプラグ上に相変化膜を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
前記下部構造体を形成するステップは、基板上にゲート絶縁層及びゲート電極層を順次に形成するステップと、前記ゲート絶縁層及びゲート電極層の両側部を除去し、前記基板上面の両側部を露出させるステップと、前記露出された基板上面の両側部に不純物をドーピングしてソース及びドレインを形成するステップと、前記ソース及び前記ドレイン上部に前記コンタクトプラグを形成するステップとを含むことが好ましい。
【００２０】
前記コンタクトプラグを形成するステップは、前記ゲート電極層、前記ソース及び前記ドレイン上部に絶縁物質により層間絶縁膜を形成するステップと、前記層間絶縁膜の部分を除去し、前記ソース及び前記ドレインを露出させる孔をそれぞれ形成するステップと、前記孔内部にコンタクトプラグ材料を導入するステップとを含むことが好ましい。
【００２１】
前記コンタクトプラグを形成するステップは、前記ゲート電極層、ソース及びドレイン上部に絶縁物質を塗布して層間絶縁膜を形成するステップと、前記層間絶縁膜をエッチングし、前記ソースまたはドレインを露出させる孔をそれぞれ形成するステップと、前記孔内部に金属物質を導入して金属層を形成し、前記金属層上にコンタクトプラグ材料を導入するステップとを含むことが好ましい。
【００２２】
前記ナノワイヤを形成するステップは、エネルギー密度が３００ｍＪ／ｃｍ２ないし２，０００ｍＪ／ｃｍ２であるレーザビームを前記コンタクトプラグ表面に照射して熱処理することが好ましい。
【００２３】
前記ＰＲＡＭ素子を製造する方法において、前記コンタクトプラグは、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることが好ましい。
【００２４】
前記ＰＲＡＭ素子を製造する方法において、前記ナノワイヤは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＭｇのうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、相変化膜の下部にナノワイヤを形成することにより、相変化膜との接触面積を非常に小さく形成し、ＰＲＡＭ素子の相変化膜の相変化に必要な印加電流（リセット、セット電流）消費を最小化できる新しい構造のＰＲＡＭ素子及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ、本発明によるＰＲＡＭ素子及びその製造方法について詳細に説明する。
【００２７】
図２は、本発明のＰＲＡＭ素子の構造の一実施形態を示す図面である。図２に示すように、基板２１の両側上部には、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂが形成されている。ソース２２ａ及びドレイン２２ｂとそれぞれ接触し、基板２１上には、ゲート構造体が形成されている。ゲート構造体は、ゲート絶縁層２３及びゲート電極層２４が順次に形成され側壁２５に挟まれた一般的なトランジスタ構造を有している。このようなトランジスタ構造上には、層間絶縁膜２６が形成されており、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂに該当する領域上には、層間絶縁膜２６を貫通するコンタクトプラグ２７が形成されている。なお、このコンタクトプラグ２７とソース２２ａ及びドレイン２２ｂとの間に金属層２７ｂ（図４Ｄ参照）を設けてもよい。これにより金属層を設けない場合に比べて可動電流値を相対的に低くすることができる。コンタクトプラグ２７上には、相変化膜２９が形成されている。そして、コンタクトプラグ２７内には、相変化膜２９の下面と接触し、下面から垂直下方に伸びるナノワイヤ２８が形成されている。
【００２８】
ここで基板２１は、例えば半導体素子の基板として使われるＳｉ、ＳｉＣなどを利用できる。ゲート構造体のゲート絶縁層２３は、例えばＳｉＯ２のような絶縁物質で形成でき、ゲート電極層２４は、例えば一般的に使われる金属または非金属の導電性物質から形成されうる。しかし基板２１、ゲート絶縁層２３及びゲート電極層２４の材料については、それぞれの機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。またこれらの厚みについても、当分野で通常用いられる厚みを用いればよく、特に限定されるものではない。
【００２９】
ソース２２ａ、ドレイン２２ｂは、当分野で公知の材料から形成することができるが、ソース及びドレインとしての機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。また側壁２５は任意に設けることができ、当分野で公知の材料から形成することができるが、ゲート構造体の機能を阻害しないものであれば特に限定されるものではない。
【００３０】
層間絶縁膜２６は、例えばＳｉＯ２などの絶縁物質から形成することができるが、その材料は絶縁膜としての機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。層間絶縁膜２６の厚みは、好ましくは５０〜１００ｎｍであるが、当分野で通常用いられる厚みを用いればよく、特に限定されるものではない。
【００３１】
任意に設けることのできる金属層２７ｂ（図４Ｄ参照）は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＺｎまたはＭｇのような金属物質から形成することができるが、可動電流値を相対的に低くする機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。金属層２７ｂの厚みはコンタクトプラグ２７の厚みとの合計が層間絶縁膜２６の厚みと等しくなる必要があるため、コンタクトプラグ２７の所望の厚みに応じて設定する。
【００３２】
ソース２２ａ及びドレイン２２ｂ上に形成されるコンタクトプラグ２７の材料の例として、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣのうち、少なくともいずれか１つの物質を挙げることができるが、その材料はコンタクトプラグとして機能することのできるものであれば特に限定されるものではない。コンタクトプラグ２７の厚みは、好ましくは５０〜１００ｎｍであるが、内部にナノワイヤ２８が形成されるのを妨げない範囲で選択されれば特に限定されるものではない。
【００３３】
ナノワイヤ２８は、コンタクトプラグ２７内に金属物質が導入されて形成され、このときに使用することのできる金属物質の例としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ及びＭｇなどのイオンが挙げられるが、ナノワイヤとして機能することのできるものであれば特に限定されるものではない。ナノワイヤ２８の長さは好ましくは層間絶縁膜２６の厚みによって調節されるものであり、直径は好ましくは２ｎｍ以上であるが、ＰＲＡＭ素子の相変化膜の相変化に必要な印加電流が得られるものであれば特に限定されるものではない。
【００３４】
相変化膜２９は例えばＧｅＳｂＴｅ（ＧＳＴ）から形成することができるが、相変化膜としての機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。相変化膜２９の厚みは当分野で通常用いられているものを用いることができるが、ＰＲＡＭ素子としての機能を損なうものでなければ特に限定されるものではない。
【００３５】
なお一般に、相変化膜の上に上部電極をさらに形成して使用することができる。
【００３６】
以下、図面を参照しつつ、本発明のＰＲＡＭ素子の製造方法について詳細に説明する。図３Ａないし図３Ｈは、本発明のＰＲＡＭ素子の製造方法の第１の態様を表す図面である。なお、以下の説明における各構成要素の材料は、本発明のＰＲＡＭ素子の構造について説明したものを参照することができる。
【００３７】
図３Ａは、図２の下部を構成するトランジスタ構造を示す図面である。このような構造は、一般的な半導体工程により製造できる。簡単に説明すると次の通りである。まず、Ｓｉのような半導体基板上に、ＳｉＯ２のような絶縁物質によりゲート絶縁層２３を形成し、その上部に、金属または導電性の非金属物質によりゲート電極層２４を形成する。これらの形成方法としては例えば塗布が挙げられるが、これに限定されるものではない。そして、ゲート絶縁層２３及びゲート電極層２４の両側部を除去し、基板２１の両側上部を露出させる。除去方法としては例えばエッチングが挙げられるが、これに限定されるものではない。次に、露出された基板２１の両側部に対してドーパントを基板２１内にドープする。ドープ方法としては例えばイオン注入が挙げられるが、ドープができればこれに限定されるものではない。ゲート構造体の両側幅を非常に狭く形成する場合には、ドーパント注入後の熱処理で拡散が起こり、ゲート絶縁層２３の真下でソース領域２２ａ及びドレイン領域２２ｂが重なることがある。従って一般的には、低濃度ドーピングを行った後、図３Ａのようにゲート構造体の両側に側壁２５を形成し、さらに高濃度ドーピングを実施するが、側壁２５の形成は任意で行うことのできる工程である。そして、熱処理を実施すると、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂが活性化される。その結果、トランジスタ構造体が形成される。なお、熱処理の方法も当分野で通常用いられるものを用いればよく、特に限定されるものではない。
【００３８】
次に、図３Ｂに示すように、トランジスタ構造体上に例えばＳｉＯ２などの絶縁物質により層間絶縁膜２６を形成する。形成方法としては例えば塗布が挙げられるが、これに限定されるものではない。図３Ｃに示すように、層間絶縁膜２６に孔ｈを形成し、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂの表面を露出させる。形成方法としては例えばエッチングが挙げられるが、これに限定されるものではない。そして図３Ｄに示すように、孔ｈの内部にＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮまたはＳｉＣのような物質を導入し、コンタクトプラグ２７を形成する。導入方法としては例えば塗布や蒸着が挙げられるが、これらに限定されるものではない。この状態で、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂの上部に形成されたコンタクトプラグ２７は、熱処理過程を経ていないので、非晶質状態に形成されている（以下、結晶状態になる前のコンタクトプラグ２７相当部分を「コンタクトプラグ前駆体２７ａ」と称する）。
【００３９】
図３Ｅに示すように、フォトレジスト（ＰＲ）を層間絶縁膜２６とコンタクトプラグ前駆体２７ａ上に塗布し、コンタクトプラグ前駆体２７ａに該当する領域のＰＲを除去してコンタクトプラグ前駆体２７ａを露出させる。除去方法としては当分野で用いられる通常の方法が挙げられるが、これに限定されるものではない。そして、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＺｎまたはＭｇのような金属のイオンをコンタクトプラグ前駆体２７ａの内部に導入する。導入方法としてはイオン注入が挙げられるが、これに限定されるものではない。このとき、イオン注入のためのエネルギーは、１ｋｅＶないし１ＭｅＶの範囲に設定することが望ましい。そして、注入される金属イオンのドーピング量は、１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ないし１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲に設定することが望ましい。金属イオンのイオン注入工程により、コンタクトプラグ前駆体２７ａの表面内部には、金属イオンが浸透した状態となる。
【００４０】
図３Ｆに示すように、ＰＲを除去した後、コンタクトプラグ前駆体２７ａ内にナノワイヤを形成するために、コンタクトプラグ前駆体２７ａに対してレーザビームを照射し、アニーリング工程を実施する。このとき、照射するレーザビームのエネルギー密度は、３００ｍＪ／ｃｍ２ないし２，０００ｍＪ／ｃｍ２であることが望ましい。なお、非結晶状態のコンタクトプラグ前駆体２７ａを結晶状態のコンタクトプラグ２７とし、同時にナノワイヤを形成する方法はレーザビーム照射に限定されず、コンタクトプラグ及びナノワイヤとしての機能を損なわないものであればどのような方法を用いてもよい。
【００４１】
図３Ｇに示すように、前述のようなレーザビームによるアニーリング工程により、非晶質状態のコンタクトプラグ前駆体２７ａは、複数個の結晶粒からなる結晶状態のコンタクトプラグ２７に変化する。そして、コンタクトプラグ２７内には、表面から延びたナノワイヤ２８が形成される。これをさらに詳細に説明すれば、次の通りである。
【００４２】
例えば、コンタクトプラグ２７をＳｉから形成した場合、レーザビームによる熱処理を行うと、内部で核が生成され、結晶粒が成長する。多数の結晶が成長した結果、コンタクトプラグ２７の内部に結晶粒界が形成され、シリサイド状の金属イオンは、結晶粒界で安定的にナノスケールのナノワイヤ２８に成長する。もちろん、ナノワイヤは、垂直方向だけでなく、傾斜方向にも成長できる。
【００４３】
図３Ｈに示すように、ナノワイヤ２８が垂直方向から形成されたコンタクトプラグ２７の上部に、例えば、ＧＳＴのような相変化膜２９を形成してＰＲＡＭ素子を完成する。もちろん、ＰＲＡＭ素子上部に、上部電極（図示せず）をさらに形成して使用する。図３ＨのＮ領域の断面をＴＥＭで撮影したイメージを図５に示す。図５は、Ｓｉコンタクトプラグ内にＭｏイオンをイオン注入した後、レーザビームを照射して熱処理を実施したものであり、周辺のＳｉ層とは異なる濃厚な部分がシリサイドナノワイヤを表す。このとき、幅は、約２ｎｍ以上であることがわかる。
【００４４】
次に、図４Ａないし図４Ｉを参照し、本発明のＰＲＡＭ素子の製造方法の第２の実施形態について詳細に説明する。
【００４５】
図４Ａないし図４Ｃは、図３Ａないし図３Ｃと実質的に同じ工程である。従って、図４Ａないし図４Ｃは、前述の図３Ａないし図３Ｃに関する説明を準用できる。また図４Ｄ以下の工程においても、図３Ｄ〜Ｈについて説明した方法を準用できる。
【００４６】
図４Ｄに示すように、層間絶縁膜２６に形成された孔ｈによりその表面が露出されたソース２２ａ及びドレイン２２ｂ上に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＺｎまたはＭｇのような金属物質を導入して金属層２７ｂを形成する。このとき、金属層２７ｂは、孔ｈ内部の中間領域以下の高さまで導入する。導入方法は例えば蒸着や塗布が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４７】
図４Ｅに示すように、孔ｈ内部の金属層２７ｂ上に、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮまたはＳｉＣのような物質を導入し、コンタクトプラグ前駆体２７ａを形成する。ここで、ソース２２ａ及びドレイン２２ｂの上部に形成されたコンタクトプラグ前駆体２７ａは、熱処理過程を経ていないので、非晶質状態に形成されている。
【００４８】
図４Ｆに示すように、層間絶縁膜２６とコンタクトプラグ前駆体２７ａ上にＰＲを塗布し、コンタクトプラグ前駆体２７ａに該当する領域のＰＲを除去してコンタクトプラグ前駆体２７ａを露出させる。そして、露出されたコンタクトプラグ前駆体２７ａに対してＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＺｎまたはＭｇのような金属イオンをイオン注入工程のような工程によりドーピングする。イオン注入のためのエネルギーは、１ｋｅＶないし１ＭｅＶの範囲に設定し、注入される金属イオンのドーピング量は、１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ないし１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲で実施することが望ましい。金属イオンのイオン注入工程により、コンタクトプラグ前駆体２７ａの表面内部は、金属イオンが浸透した状態となる。
【００４９】
図４Ｇに示すように、ＰＲを除去した後、コンタクトプラグ前駆体２７ａ内にナノワイヤを形成するために、コンタクトプラグ前駆体２７ａに上方からレーザビームを照射し、アニーリング工程を実施する。このとき、照射するレーザビームのエネルギー密度は、３００ｍＪ／ｃｍ２ないし２，０００ｍＪ／ｃｍ２であることが望ましい。
【００５０】
図４Ｈに示すように、レーザビームの照射によるアニーリング工程により、非晶質状態のコンタクトプラグ前駆体２７ａは、複数個の結晶粒からなる結晶状態のコンタクトプラグ２７に変化する。そして、コンタクトプラグ２７内には、表面から延びたナノワイヤ２８が形成される。
【００５１】
図４Ｉに示すように、ナノワイヤ２８が垂直方向から形成されたコンタクトプラグ２７の上部に、例えば、ＧＳＴのような相変化膜２９を形成してＰＲＡＭ素子を完成する。一般的に、ＰＲＡＭ素子上部に上部電極（図示せず）をさらに形成して使用する。
【００５２】
以下、図６に示すような構造のＰＲＡＭ素子を製造し、本発明の効果を確認した。試験条件は表１の通りである。
【００５３】
【表１】
2006313912.tif 000003
【００５４】
図７Ａは、コンタクトプラグ２７をＴｉＮから形成し、ナノワイヤ２８を形成していない従来技術によるＰＲＡＭ素子試片に対し、１．０ｍＡ、１．４ｍＡ及び２．０ｍＡの電流を印加する条件で得た相変化膜２９の温度を測定した結果を示すグラフである。図７Ａに示すように、ＴｉＮ電極から距離が０ｎｍから１００ｎｍに延長しつつ、温度が順次低下することを確認できる。そして、ＴｉＮ電極に印加する電流量が増大するほど相変化膜の温度が大きく上昇することが分かる。
【００５５】
図７Ｂは、コンタクトプラグ２７をＴｉＮから形成し、ＭｏＳｉ２のナノワイヤ２８を形成した図６のような構造の本発明によるＰＲＡＭ素子試片に対し、図７Ａと同じ１．０ｍＡ、１．４ｍＡ及び２．０ｍＡ電流を印加する条件で得た相変化膜２９の温度を測定した結果を示すグラフである。図７Ｂに示すように、ＭｏＳｉ２電極からの距離が０ｎｍから１００ｎｍに延長しつつ、ほぼ温度が順次に低下するということを確認することができる。そして、ＭｏＳｉ２電極に印加する電流量が増大するほど相変化膜の温度が大きく上昇するということが分かる。ここで、図７Ａにおいて２．０ｍＡの電流を印加する場合、最大温度約２，３００℃ほどまで上昇したが、図７Ｂの場合、最大温度が１．３×１０５℃まで上昇したということが分かる。
【００５６】
図７Ｃは、前述の図７Ａ及び図７Ｂのグラフに表された結果から、同一距離、同一電流値での相変化膜２９の温度比を表したグラフである。図７Ｃに示すように、本発明によるＰＲＡＭ素子の場合、従来技術によるＰＲＡＭ素子に比べて最大６０倍以上の温度上昇効果を表しているということが分かる。この結果から、同じ電流を印加した場合、ＰＲＡＭ素子の相変化膜２９の温度を大きく上昇させられるだけではなく、同じ温度まで上げるための印加電流値を大きく低下させることができるということが分かる。
【００５７】
以上、特定の実施形態を挙げて本発明を詳しく説明したが、本発明はそれら実施形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められた範囲内で様々な改変が可能であることは当業者に理解されよう。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の相変化メモリ素子及びその製造方法は、例えば、メモリ関連の技術分野で効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】従来技術による相変化メモリ素子の構造を表した図面である。
【図１Ｂ】従来技術による相変化メモリ素子の構造を表した画像である。
【図２】本発明の相変化メモリ素子の構造の一実施形態を表した図面である。
【図３Ａ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｂ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｃ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｄ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｅ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｆ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｇ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図３Ｈ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第１の実施形態を表した図面である。
【図４Ａ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｂ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｃ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｄ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｅ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｆ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｇ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｈ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図４Ｉ】本発明の相変化メモリ素子の製造方法の第２の実施形態を表した図面である。
【図５】本発明の第１の実施形態による相変化メモリ素子のナノワイヤ領域を表したＴＥＭイメージである。
【図６】本発明の一実施形態により製造したＰＲＡＭ素子のナノワイヤ及び相変化膜を表した図面である。
【図７Ａ】従来技術によるＰＲＡＭ素子に対し、コンタクトプラグに所定電流を印加して相変化膜の温度上昇を測定して表したグラフである。
【図７Ｂ】本発明によるＰＲＡＭ素子に対し、コンタクトプラグに所定電流を印加して相変化膜の温度上昇を測定して表したグラフである。
【図７Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂに表した従来技術及び本発明によるＰＲＡＭ素子の同じ印加電流に対する相変化膜の温度上昇比を表したグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１１    下部電極
１２，２９    相変化膜
１３，３０    上部電極
２１    基板
２２ａ    ソース
２２ｂ    ドレイン
２３    ゲート絶縁層
２４    ゲート電極層
２５    層間絶縁膜
２６    絶縁層
２７    コンタクトプラグ
２７ａ    コンタクトプラグ前駆体
２７ｂ    金属層
２８    ナノワイヤ
ｈ    孔
【図１Ａ】
2006313912.tif 000004
【図２】
2006313912.tif 000005
【図３Ａ】
2006313912.tif 000006
【図３Ｂ】
2006313912.tif 000007
【図３Ｃ】
2006313912.tif 000008
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ｃ】
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【図１Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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