(57)【要約】  熱プログラマブルメモリは、熱プログラマブル抵抗材料、好適には、相変化材料のプログラマブル素子（２０）と、プログラマブル材料に隣接するように配置された破壊可能な又は破壊されたアンチヒューズ（８０）とを有する。そのような破壊されたアンチヒューズは、製造中に誘電体に小さな孔を形成するよう高電圧を短時間誘電体の両端間に印加できるようにするために導電層（９０，１１０）に包囲された誘電層（１００）から有して、材料をプログラミングする際のきわめて小さいヒータとして用いることができる小さい導通経路を形成することができる。孔による電流の制限のために、高抵抗状態に切り替えるために加熱する必要がある材料の量が非常に少なくなる。その結果、プログラム電力を低くすることができる。
2008522400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱プログラマブル材料のプログラマブル素子（２０）と、前記プログラマブル材料に隣接して配置された破壊されたアンチヒューズ又は破壊可能なアンチヒューズ（８０）とを有する熱プログラマブル装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱プログラマブル装置において、前記プログラマブル材料がプログラマブル抵抗を有することを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱プログラマブル装置において、前記破壊されたアンチヒューズを、前記プログラマブル材料の状態を読み出す導通経路の一部としての役割を果たすように配置したことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、前記破壊されたアンチヒューズを、前記プログラマブル材料の状態を設定するヒータとしての役割を果たすように配置したことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、前記アンチヒューズが、導電層（９０，１１０；１３０；１４０）に包囲された誘電層（１２０）を有することを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱プログラマブル装置において、前記導電層（１３０，１４０）を、前記アンチヒューズにｐｎ接合を形成するよう互いに相違するドーピングの半導体材料によって形成したことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項７】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、前記プログラマブル材料を配置した前記アンチヒューズの下に配置された第１電極（５０，１４０）と、前記プログラミング材料の上に配置された第２電極（１０）とを有することを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項８】
請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、第２の量のプログラマブル材料（２０）を有し、前記アンチヒューズを前記プログラマブル材料と前記第２の量のプログラマブル材料との間に配置したことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項９】
請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、前記破壊されたアンチヒューズが、１００ｎｍ未満の径の孔を有する誘電体を有することを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項１０】
請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、前記アンチヒューズを選択装置と一体としたことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の熱プログラマブル装置において、前記選択装置をｐｎダイオードとしたことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の熱プログラマブル装置において、前記選択装置が相変化材料の層を有することを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の熱プログラマブル装置において、前記相変化材料の層をｎドープ層又はｐドープ層としたことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項１４】
各々が請求項１から１３又は２１から２３のうちのいずれか１項の熱プログラマブル装置を具えるアドレス指定可能なセルのアレイ。
【請求項１５】
各々が請求項１から１３又は２１から２３のうちのいずれか１項の熱プログラマブル装置を具える複数のアドレス指定可能なセルを有するメモリ。
【請求項１６】
請求項１５記載のメモリにおいて、前記セルを再プログラマブルセルとしたことを特徴とするメモリ。
【請求項１７】
請求項１から１３若しくは２１から２３のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置又は請求項１５若しくは１６記載のメモリを有する集積回路。
【請求項１８】
請求項１から１３又は２１から２３のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置を製造する方法であって、互いに隣接するアンチヒューズ及びプログラマブル材料の素子を形成するステップと、前記プログラマブル材料の形成前後に前記アンチヒューズを破壊するステップとを有する方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記アンチヒューズを破壊した後に他の層を形成することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９記載の方法において、ｐｎ接合を形成するよう互いに相違するドーピングの半導体そうを上下に形成することによって前記アンチヒューズを形成することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１記載の熱プログラマブル装置において、前記アンチヒューズをトンネル障壁層としたことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項２２】
請求項２１記載の熱プログラマブル装置において、前記トンネル障壁層を、Ａｌ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｙ，ＮｂのいずれかとＯ，Ｎ，Ｓ，Ｃとの化合物から構成された絶縁層としたことを特徴とする熱プログラマブル装置。
【請求項２３】
請求項１から１３のうちのいずれか１項に記載の熱プログラマブル装置において、酸化アルミニウム層を更に具えることを特徴とする熱プログラマブル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱プログラマブル装置、そのような装置を用いたメモリ、そのような装置を有する集積回路、及び熱プログラマブル装置を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のプログラマブル装置は、例えば、プログラマブル論理及びプログラマブルメモリを有する。これら装置は、例えば、論理装置間の経路若しくは接続を変更するヒューズ若しくはアンチヒューズを用いる技術又は材料の状態の変化に基づいた技術に基づく。いずれの場合も、これら装置を、再プログラマブル又はワンタイムプログラマブルに分類することができる。これら装置を、電源から切断されたときに状態を消失するか否かに応じて不揮発性又は揮発性に分類することができる。既知の不揮発性メモリは、フラッシュメモリ、ＦｅＲＡＭ，ＭＲＡＭ、及び相変化メモリのようなプログラマブル抵抗装置を含む。
【０００３】
高密度のメモリが携帯情報端末での使用に望ましいので、相変化不揮発性メモリに注目が集まっている。相変化メモリは、材料の熱プログラマブル抵抗特性に基づくメモリの一例である。S. Lai, “Current status of the phase change memory and its future”, Proc. IEDM 2003, p.255参照。種々の大きさの電流パルスが、一方の電極から他方の電極に印加され、下側のコンタクト領域の周辺のプログラマブル材料を高抵抗アモルファス状態から結晶状態及びその逆に変化するために抵抗性加熱が用いられる。加熱源をできるだけプログラマブル材料に近接して配置するために抵抗電極や抵抗層のような抵抗材料を用いることができる。
【０００４】
相変化材料を、一般的に（整然としていない）アモルファス状態である第１の構造状態と一般的に（整然としている）結晶状態である第２の構造状態との間でプログラムすることができる。用語「アモルファス」は、単結晶に比べて構造的に整然としていないすなわち秩序が乱れた状態を言及し、高電気抵抗のような検出可能な特性を有する。用語「結晶化」は、アモルファスに比べて構造的に生存とした状態を言及し、アモルファスより低い電気抵抗を有する。
【０００５】
相変化材料層は、相が高抵抗のアモルファス（非晶）状態と低抵抗の結晶状態との間で可逆であるカルコゲニド材料を含むことができる。この材料を、抵抗値を制御するために電流を流すことによって非晶状態又は結晶状態に変化させることができる。例えば、データが格納された（書き込まれた）とき、相変化材料層をアモルファス状態から結晶状態に変化され、これによって低抵抗値となる。データを消去するとき、層は、高抵抗値を達成するために結晶状態からアモルファス状態に変化させる。抵抗値の差は、層をメモリとして用いるために読み出される。高抵抗状態は、例えば、論理１データビットを表し、低抵抗状態は、例えば、論理０データビットを表す。
【０００６】
初期の相変化材料は、局所的な構造の変化に基づくものであった。構造変化は、典型的には、材料内の所定の種の原子移動によって達成される。アモルファス状態と結晶状態との間でのそのような原子移動によって、典型的には約μジュールの範囲内で比較的高いプログラミングエネルギーが生じる。このエネルギーは、メモリセルの行及び列のマトリックス各メモリ素子に必要である。これによって、アドレス線に対する要求及び素子間の切り離しに対する要求に耐える高電流が生じる。
【０００７】
これらのメモリセルをプログラムする際のエネルギーの要求を減少することによって、テープ、フロッピーディスク（登録商標）、磁気若しくは光ハードディスクドライブ、固体状態ディスクフラッシュ、ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭ、ソケットフラッシュメモリ等のコンピュータメモリアプリケーションを直接置換することができる。特に、低プログラミングエネルギーは、コンピュータシステムの（磁気又は光ハードドライブのような）機械的なハードドライブの置換を行うために多量の記録文書の記憶にＥＥＰＲＯＭを用いる際に重要である。ラップトップコンピュータの場合、これは特に関心がある。その理由は、機械的なハードディスクドライブの電力消費が大きいために電池寿命を制限しうるからである。
【０００８】
米国特許出願第２００２／０００１１３７４号明細書は、各セルに対する複数の電極を含む複数の方法でプログラマブル抵抗メモリ素子のプログラミングエネルギーの要求を減少することができることを示す。メモリ材料の組成を適切に選択することによってエネルギーを減少することが米国特許第５，１６６，７５８号に記載されている。断面領域を減少するよう相変化材料層に向かってテーパー状にした電極−相変化材料層間に明瞭な界面を設けてテーパー端で電流密度を上げることも知られている。これによって、データを書込み及び消去する際のエネルギーの要求を減少することができる。しかしながら、コンタクトエリアが小さくので、電極−相変化材料層間のコンタクトが減少する場合、誤った導通の問題が生じて歩留まりを低下する傾向にある。
【０００９】
米国特許第６，６１３，６０４号は、プログラマブル装置の誘電層に非常に小さい孔を形成するとともに孔に相変化材料を充填する方法を示す。誘電層は、大きな熱が抵抗加熱層から相変化材料に流れて滞留するよう熱的な絶縁を行う傾向がある。
【００１０】
磁気抵抗性ランダムアクセスメモリの分野において、既知のメモリセルは、基本的には強磁性体／絶縁体／強磁性体多層構造を具える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と称される。絶縁材料は通常酸化アルミニウムであるが、これに限定されない。ＡｌＮやＭｇＯのような他の絶縁材料も考慮することができる。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の目的は、向上した装置又は方法、特に、熱プログラマブル装置、そのような装置を用いたメモリ、そのような装置を有する集積回路、及び熱プログラマブル装置を製造する方法を提供することである。
【００１２】
第１の態様によれば、本発明は、熱プログラマブル材料のプログラマブル素子と、前記プログラマブル材料に隣接して配置された破壊されたアンチヒューズ又は破壊可能なアンチヒューズとを有する熱プログラマブル装置を提供する。破壊されたアンチヒューズ又は破壊可能なアンチヒューズは、熱プログラマブル材料にコンタクトすることができ、又は電気的に機能するときにこの材料に熱的に影響を及ぼすことができるようできるだけ近接することができる。
【００１３】
損なわれていないアンチヒューズから破壊されたアンチヒューズへの転移によって、熱プログラミング装置のワンタイムプログラミングが可能になる。そのような破壊されたアンチヒューズは、典型的には、少なくとも２方向に引き出すことができる非常に小さい導通経路を有する。第１の使用は、材料をプログラミングする際のヒータである。小さい寸法の破壊されたアンチヒューズによって、ヒータが非常に小さい量を加熱することができる。好適には、破壊されたアンチヒューズの寸法をサブリソグラフィック、すなわち、１００ｎｍ未満の径とする。第２の使用は、材料の状態を読み出す際のプログラマブル材料の導通経路の一部である。アンチヒューズの小さい寸法の導通経路によって、所定量のプログラマブル材料の導通経路を制限した状態にすることができ、読出しは、少量のプログラマブル材料の変化に対して更に感度が良くなる。これは、装置寸法を小さくした状態にすることも意味し、これによって集積が更に良好になる。原理的には、加熱の使用及び読出しの使用を、読出し用の経路と加熱用の経路とを個別に設けることによって独立して行うことができるが、実際には、二つの使用は通常組み合わされ、読出し及び加熱が同一経路で行われる。小さい導通経路を形成する他の方法に比べて、破壊されたアンチヒューズは、例えば、より大きな信頼性、より小さな寸法又はより制御しやすい導電レベルを可能にする。原理的には、プログラマブル材料をワンタイムプログラマブル材料とするが、原理的には、可逆的又は反復的にプログラマブルな材料がより有用である。
【００１４】
相変化材料は、アモルファス相で半導体となる。結晶相において、相変化材料は、ｐｎ接合で用いることができない半金属となる。処理後、相変化層は結晶相となり、ショットキー障壁を形成することができる。
【００１５】
本発明は、相変化層の周辺の誘電層の破壊駆動圧縮に基づくアンチヒューズ相変化メモリも提供する。その結果、制限された電流が局所的な加熱を行うとともに相変化材料の転移を行うことができる。
【００１６】
本発明の一態様は、圧縮の大きさを減少するとともに相変化材料内の熱流を制限することであり、その結果、相を変化する量は最小になり、したがって、プログラム動作に要求される電力消費量が低下する。
【００１７】
本発明の他の態様は、プログラマブル抵抗を有するプログラマブル材料である。これは、光学的な特性のような異なる熱的なプログラム特性を有する他の材料を想定できるとしても、小型で信頼性のあるプログラマブル装置に利用できる適切な材料があるので商業的に重要である。
【００１８】
本発明の他の形態は、プログラマブル材料の状態を読み出す電気的な経路の一部としての役割を果たす破壊されたアンチヒューズである。
【００１９】
本発明の他の形態は、プログラマブル材料の状態を設定するヒータとしての役割を果たす破壊されたアンチヒューズである。
【００２０】
本発明の他の形態は、導電層によって包囲された誘電層を具えるアンチヒューズである。誘電層は、アンチヒューズが破壊される前は非導電状態である。導電層によって、高電圧を短時間誘電体の両端間に印加して製造中に誘電体に孔を形成することができ、又は、例えば使用のために小さい導通経路を形成することができる。
【００２１】
他の態様は、プログラマブル材料を配置したアンチヒューズの下に配置された第１電極と、プログラミング材料の上に配置された第２電極とを有することを特徴とする熱プログラマブル装置である。
【００２２】
他の態様は、第１電極とアンチヒューズとの間の配置されたプログラマブル材料の第２の層である。これによって、プログラマブル材料をヒータに更に近接して配置できるとともに、所定の量のプログラマブル材料に対して各装置の領域を減少するのを助け、集積度を更に増大することができる。
【００２３】
他の態様は、アンチヒューズをトンネル障壁層から形成することである。トンネル障壁層を、好適には、例えば酸化アルミニウムとする。直接的なトンネリングを十分に許容する厚さ範囲のあらゆる絶縁体を、「トンネル障壁」として用いることができる。
【００２４】
他の態様は、アンチヒューズ、拡散障壁及び／又は接着層又はその組合せのいずれかの理由から一つ以上の酸化アルミニウム層を含むことである。
【００２５】
他の態様は、１００ｎｍ未満の径の孔を有する誘電体の破壊されたアンチヒューズである。
【００２６】
本発明の他の態様は、各々が装置を具える複数のアドレス指定可能なセルを有するメモリのようなアレイを提供する。
【００２７】
他の態様として、メモリセルをワンタイムプログラマブルセルとする。
【００２８】
本発明の他の態様は、集積回路を提供する。
【００２９】
本発明の他の態様は、アンチヒューズを破壊するステップを有するそのような装置を製造する方法を提供する。
【００３０】
他の形態として、アンチヒューズは、他の層が形成される前に破壊される。
【００３１】
各プログラマブル装置は、選択装置を有することができる。アンチヒューズを選択装置に統合することができる。相変化材料の相を選択装置に統合することができる。選択装置をｐｎダイオードとすることができる。例えば、相変化材料の層をｎ又はｐドープ層とすることができる。
【００３２】
したがって、アンチヒューズの形成を、小さいｐｎ接合、例えば、ダイオードの形成と組み合わせることができる。そのようなダイオードは、プログラマブル抵抗に基づくメモリの非常に望ましい素子である。
【００３３】
選択装置を、ピンダイオード、パンチスルーダイオード、バイポーラトランジスタ又は他の任意の適切な装置とすることもできる。
【００３４】
誘電体のアンチヒューズを用いることによって、電熱プログラマブル抵抗を流れるプログラミング電流は局所的に非常に狭い領域に制限される。
【００３５】
これは、以下の二つの利点を有する。
１）大きな抵抗となり、これによって、プログラマブル層に近接し又はプログラマブル層内の抵抗性加熱素子としての役割を果たすことができる。
２）電流制限のために、高抵抗状態に切り替える、したがって、大きな抵抗を与えるために加熱する必要がある材料の量が非常に小さくなる。その結果、プログラム電力を低減することができる。
【００３６】
二つの相変化層に挟んだ誘電層の他の利点は、アンチヒューズの開口に発生した熱の除去が一つの相変化層とシリコンのような半導体層との間に誘電層を挟んだ場合に比べて困難になり、これによって、層変化材料に比べて非常に良好な熱伝導性を有する。これは、アンチヒューズの形成及び相変化材料のプログラム電力の両方に対して重要である。
【００３７】
他の形態のいずれかを互いに組み合わせることができるとともに態様のいずれかに組み合わせることができる。特に他の従来技術に比べて他の利点は、当業者に明らかである。本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく種々の変更及び変形が可能である。したがって、本発明の形態が図示的なものに過ぎず、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。
【００３８】
本発明を実施する方法を、添付図面を参照しながら例示して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明を、所定の図面を参照ながら特定の実施の形態について説明するが、本発明は、これに限定されず、特許請求の範囲のみによって制限される。請求項の任意の参照符号は、範囲を制限するものではない。記載した図面は、線形的であり、制限を課すものではない。図面中、素子の一部のサイズを誇張し、説明のために寸法通りに描写していない。用語「具え」を明細書及び特許請求の範囲で用いる場合、それは、他の構成要素及びステップを除外するものではない。不明確又は明確な個数を用いる場合、特に断りのない限り単数だけでなく複数のものも含む。
【００４０】
さらに、明細書及び特許請求の範囲で用いられる用語「具え」は、それ以後に挙げられる手段に限定されると解釈すべきでなく、それは、他の構成要素及びステップを除外しない。したがって、表現「手段Ａ及び手段Ｂを具える装置」の範囲は、構成要素Ａ及び構成要素Ｂのみからなる装置に限定されない。それは、本発明に関して、装置の必須の構成要素がＡ及びＢであることを意味する。
【００４１】
実施の形態を説明する前に、参考のために、既知の原理を用いる装置を簡潔に説明する。
【００４２】
図１は、プログラマブル材料２０の層上の電極１０を示す。この一部は、下にある抵抗層４０から加熱されることによってプログラムされる、誘電基板５０上のプルグラマブルボリューム３０であり、プログラマブルボリュームは、下側電極５０を通じて読み出される。図２及び３は、同様な配置を示し、対応する参照番号を適切に用いる。両方の図は、抵抗レベルすなわちメモリを読み出すための下側電極又は上側電極からの電流線６０を示す。図２の場合、下側電極は、図３の場合に比べてプログラマブル材料層２０のコンタクトエリアが小さい。これは、図２において電流線が集中され、所定の抵抗差を示すのに必要なプログラマブル材料の量を、図示したように少なくすることができる。これは、プログラミングに必要なエネルギーが低くなることを意味する。しかしながら、従来の製造工程によれば、形状が所定のレベルより小さくなると、信頼性すなわち歩留まりが低下する。したがって、図２は、どのようにしてプログラマブルボリュームがコンタクトのサイズに依存するかを説明する。
【００４３】
後に説明する実施の形態は、材料を低抵抗の結晶状態から高抵抗のアモルファス状態にするのに必要なプログラム電力に関連して説明する。この転移に対して、高パワーの（典型的には１０ｎｓのオーダの）短パルスが必要とされ、その後、材料のクエンチが生じる。プログラム電力は、１）材料のプログラマブルボリューム、２）プロブラマブルボリュームに対する熱源の近接及び３）熱源を包囲する材料の熱特性によって決定される。電流をプログラマブル材料に流す電極の断面の寸法は、プログラマブルボリュームを決定する。電流が、大きな断面を通じてプルグラマブル層に流れる場合、全抵抗を増大するのに必要なプログラマブルボリュームが大きくなる。電流が、小さな断面を通じてプログラマブル層に流れる場合、（図２に示すように）プログラマブルボリュームが小さくなる。
【００４４】
相変化材料を、アモルファス相で半導体にすることができる。結晶相の場合、相変化材料を、ｐｎ接合で用いることができない半金属にすることができる。処理後、相変化層は結晶相となり、ショットキー障壁が形成される。
【００４５】
図４に図示した本発明の第１の実施の形態は、プログラマブル材料層に隣接する破壊されたアンチヒューズの一例を示す。図示したアンチヒューズ構造は、二つの導電層９０及び１１０に挟まれた誘電層１００を有する。初期段階では、誘電層はアンチヒューズが破壊されるまで絶縁性である。アンチヒューズが破壊された後、誘電層は導電性となる。アンチヒューズを破壊することは、誘電層１００の両端間に高電圧が短い間印加される。アンチヒューズは、電流がプログラマブル層に流れる非常に小さい断面を形成するためにプログラマブル層に隣接しながら下側電極の上に配置される。基本的には、アンチヒューズは、上側層９０（図４の層１）と下側層１１０（層２）との間の挟まれた誘電層からなる。初期状態では、誘電層は損なわれていない。誘電層の両端間に十分大きな電圧が短時間で印加されると、例えば１０〜５０ｎｍ又はそれ以上（例えば、１００ｎｍ）の径の小さい孔が形成される。異なる材料（シリコン、金属、シリサイド）からなるアンチヒューズも知られている。例えば、C. de Fraaf et al, “A Novel High-Density Low-Cost Diode Programmable Read Only Memory”, Proc. IEDM 1996, p.189及びV. Houtsma, “Gate Oxide Reliability of Poly-Si and Poly SiGe CMOS devices”, Ph.D. Thesis, Twente University, 1999参照。
【００４６】
このようなアンチヒューズを用いることは、以下の二つの利点を有する。
１）誘電層内及びその周辺で電流が非常に小さい断面を流れ、これによって電気的な抵抗が大きくなる。その結果、孔の中及びその周辺の材料が、プログラマブル層に近接するヒータを形成する。
２）誘電層の孔が非常に小さいので、プログラマぶるボリュームも小さくなる。
【００４７】
利点１及び２の両方によってプログラム電力が小さくなる。この電力を最小にするために、孔の中及びその周辺の材料の熱的な抵抗及び電気抵抗を高くする必要がある。明らかに、アンチヒューズのプログラミングを１回だけ行う必要がある。一つの選択は、これを完全にプログラミングを行った後に行うことである。他の選択は、これをプログラマブル層の堆積前に行うことである。この場合、各メモリセルを個別にアドレス指定できるように一時的にコンタクト部を設ける必要がある。これらコンタクト部及び誘電層までの全ての層をその後に除去することができ、残りの工程を行うことができる。
【００４８】
他の二つの実施の形態を、最初は図５を参照して説明し、次に図７及び８を参照して説明し、これら二つの実施の形態の各々は固有の利点を有する。図５は、二つのプログラマブル層間に配置されたアンチヒューズを示す。本実施の形態では、二つのプログラマブル層間に配置されたアンチヒューズを有することによって、更に多くのプログラマブル材料を、アンチヒューズによって形成された加熱素子に隣接して配置することができる。プログラマブル材料と誘電材料の両方が、高い熱抵抗及び電気抵抗を有する。したがって、加熱素子は、必要に応じてプログラマブル材料の中央に存在し、プログラマブル材料の特定の抵抗が高いために電気抵抗が大きくなる。プログラマブル材料の熱拡散が小さいので、プログラマブル層の外側の材料の特性は、１０ｎｓのオーダのパルス持続時間に関連しない。
【００４９】
図６は、プログラマブル層が１５０ｎｍの厚さを有する構造の半分の計算シミュレーションを示す。酸化物の厚さを５ｎｍとし、孔の径を２０ｎｍとする。等温線は、１０ｎｓのパルス後のＴ＞１０００Ｋの場合の孔の周辺の領域を示す。等温線は、ｔ＝１０ｎｓの等温線である。最も外側の等温線は、Ｔ＝１０００Ｋのものであり、その内側の等温線は、Ｔ＜１０００のものである。この最も外側の等温線は、相変化材料が１０００Ｋの結晶化温度を有する場合のプログラマブルボリュームに対する評価を与える。それは、プログラマブルボリュームがサブリソグラフィクである場合に有利である。半導体工程において、所定の波長の放射を照明する際にマスクを用いる。波長λで達成できる形状に限界がある。これは、通常最小でλ／４である。用語「サブリソグラフィク」は、λ／４未満の寸法を意味し、この場合、λを、半導体装置の形状を規定するのに用いられる放射の波長とする。
【００５０】
図７及び８は、プログラマブル抵抗を有するワンタイムプログラマブルダイオード（ＤＰＲＯＭ）の構造及び等価回路を示す。周知のように、アンチヒューズの下側プレート（１４０）及び上側プレート（１３０）を、互いに異なるドープを行ったシリコン層で構成する場合、アンチヒューズを形成することによって、誘電層の孔の周辺に小さいｐｎ接合（１５０）が形成される。これは、C. de Fraaf et al, “A Novel High-Density Low-Cost Diode Programmable Read Only Memory”, Proc. IEDM 1996, p.189に示す周知のＤＰＲＯＭに基づくものである。そのようなＤＰＲＯＭをプログラマブル抵抗に結合した場合、図８に示すような等価回路となる。これは、アンチヒューズ８０によって形成されたダイオードに直列なプログラマブル材料２０によって形成された可変プログラマブル抵抗を示す。メモリに基づくプログラマブル抵抗に小さなダイオードを利用できることは、リーク電流の抑制及びメモリセルの選択に非常に望ましい。
【００５１】
プログラマブル素子を、メモリアレイのようなアレイを形成するために分離／選択装置及びアドレス線に電気的に結合することができる。そのようなアレイは、各々が熱プログラマブル材料のプログラマブル素子を有する個別に又はまとめてアドレス指定可能な熱プログラマブル装置を具える。プログラマブル装置は、行方向に論理的に配置され、選択装置によって個別に選択可能である。「行方向及び列方向に論理的に配置すること」は、個別の装置が行列配置されているかのように個別の装置に対してアドレス指定装置を設けることを意味するが、例えば、各記憶素子が半径及び円の交差部であるポーラーアレイ又は行及び列が直交するカルテシアンアレイにおいて、物理的な配置が異なってもよい。関連の選択装置を有する各熱プログラマブル装置は、プログラマブル材料に隣接して配置された破壊されたアンチヒューズ又は破壊可能なアンチヒューズを有する。分離／アドレス指定装置によって、アレイの隣接した又は離間したメモリセルに格納された情報に影響を及ぼすことなく個別のメモリセルを読み出し又は書き込むことができる。製造中にアンチヒューズを破壊するために各アンチヒューズを選択する際に同一のアドレス線を用いることができ、すなわち、高電圧を多くの又は全てのアンチヒューズに同時に印加することができる。相変化材料の層を選択装置と一体にすることができる。選択装置をｐｎダイオードとすることができ、この場合、相変化材料の層をｎ又はｐドープ層とする。ｐｉｎダイオード、パンチスルー型ダイオード、バイポーラトランジスタ等の他の選択装置を本発明の範囲内に含めることができる。
【００５２】
分離／アドレス指定装置の例は、電界効果トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ及びダイオードを含む。電界効果トランジスタの例は、ＪＦＥＴ及びＭＯＳＦＥＴを含む。ＭＯＳＦＥＴの例は、ＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタを含む。さらに、ＮＭＯＳ及びＰＭＯＳをＣＭＯＳ技術を用いて同一基板上に形成することもできる。したがって、分離／アドレス指定装置はメモリアレイ構造の各メモリ素子に関連し、分離／アドレス指定装置は、当該メモリ素子の分離／アドレス指定装置としての役割を果たし、その結果、アレイの隣接する又は離間したメモリ素子に格納された情報に悪影響を及ぼすことなく当該セルの読出し及び書込みを行うことができる。
【００５３】
プログラマブル材料は、メモリ素子の各々が単一ビットの情報を格納することができるように二つの抵抗状態にプログラム可能である。他の実施の形態において、メモリ材料は、メモリ素子の各々が１を超えるビットの情報を格納することができるように少なくとも三つの抵抗状態にプログラム可能である。したがって、メモリ材料は、複数ビットの情報の「グレースケール」の記憶を１セルで行う抵抗値の範囲を有することができる。
【００５４】
プログラマブル材料を初期状態にする必要なくある抵抗状態から他の抵抗状態にプログラムすることができるようにプログラマブル材料を直接上書きすることができる。好適には、一つ以上の同一のパルスを用いて材料を以前の抵抗状態に関係なく特定の抵抗状態にプログラムすることができる（例えば、一つ以上の同一の電流パルスを用いて材料を以前の状態に関係なく高抵抗状態にすることができる。）。素子のプログラミング方法の一例は、米国特許第６，０７５，７１９号明細書を参照されたい。
【００５５】
プログラマブル材料を、従来知られているあらゆる相変化メモリ材料とすることができる。好適には、相変化材料は、１次の相転移を示すことができる。
【００５６】
適切な材料の例については、米国特許第６，６１３，６０４号明細書及びここで引用した文献を参照されたい。この特許は、相変化材料を複数の原子から形成できることを説明している。好適には、プログラマブル材料は、少なくとも一つのカルコゲン元素を含む。カルコゲン元素を、Ｔｅ，Ｓｅからなる群から選択した元素及びその混合物又は合金ことができる。プログラマブル材料は、Ｇｅ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ａｓ，Ｓ，Ｓｉ，Ｐ，Ｏからなる群から選択した少なくとも一つの元素及びその混合物又は合金を含むことができる。一実施の形態において、プログラマブル材料は、元素Ｔｅ，Ｇｅ及びＳｂを含む。他の実施の形態において、プログラマブル材料は、実質的にはＴｅ，Ｇｅ及びＳｂからなる。用いることができるプログラマブル材料の一例は、Ｔｅ２Ｇｅ２Ｓｂ５である。
【００５７】
メモリ材料は、少なくとも一つの遷移金属元素を含むことができる。ここで用いられる用語「遷移金属」は、元素番号２１〜３０ｍ３９〜４８，５７及び７２〜８０を含む。好適には、一つ以上の遷移金属元素を、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｔからなる群及びその混合物又は合金から選択する。遷移金属を含むメモリ材料を、Ｔｅ−Ｇｅ−Ｓｂの三成分系のメモリ材料の成分を変更した形態とすることができる。このような成分変更を、Ｓｅのような追加のカルコゲン元素を用いて又は用いることなく遷移金属を基本のＴｅ−Ｇｅ−Ｓｂの三成分系に混入することによって行うことができる。
【００５８】
成分を変更したメモリ材料の第１例を、Ｔｅ，Ｇｅ，Ｓｂ及び遷移金属を（ＴｅａＧｅｂＳｂ（１００−（ａ＋ｂ）））ｃＴＭ１００−ｃで含む相変化メモリ材料とし、この場合、下付き文字は、構成要素の合計が１００％となる原子パーセントを表し、ＴＭを一つ以上の遷移金属とし、ａ及びｂを、既に説明したように基本的なＴｅ−Ｇｅ−Ｓｂの三成分系に対して設定し、ｃを、約９０％と約９９．９９％との間とする。好適には、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｐｔ及びその混合粒又は合金を含むことができる。
【００５９】
成分を変更したメモリ材料の第２例を、Ｔｅ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｓｅ及び遷移金属を（ＴｅａＧｅｂＳｂ（１００−（ａ＋ｂ）））ｃＴＭｄＳｅ１００−（ｃ＋ｄ）で含む相変化メモリ材料とし、この場合、下付き文字は、構成要素の合計が１００％となる原子パーセントを表し、ＴＭを一つ以上の遷移金属とし、ａ及びｂを、既に説明したように基本的なＴｅ−Ｇｅ−Ｓｂの三成分系に対して設定し、ｃを、約９０％と９９．５％との間とし、ｄを、０．００１％と１０％との間とする。好適には、遷移金属は、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｂ及びその混合物又は合金を含むことができる。他の実施の形態において、相変化材料を、化学式ＳｂａＴｅｂＸ１００−（ａ＋ｂ）の組成とし、この場合、ａ，ｂ及び１００−（ａ＋ｂ）は、１≦ａ／ｂ≦８及び４≦１００−（ａ＋ｂ）≦２２を満足する原子パーセントを表し、Ｘを、Ｇｅ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｇａ及びＺｎから選択した一つ以上の材料とする。
【００６０】
相変化材料を、好適には少なくとも１ｍ／ｓの結晶化速度を有する高速成長材料とすることができる。一実施の形態において、相変化材料を、化学式Ｓｂ１−ｃＭｃの組成とし、この場合、ｃは０．０５≦ｃ≦０．６１を満足し、Ｍを、Ｇｅ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｇａ，Ｔｅ，Ｚｎ及びＳｎからなる群から選択した一つ以上の素子とする。好適には、ｃは０．０５≦ｃ≦０．５を満足する。好適な相変化材料の群は、全体で２５原子パーセント未満の濃度のＧｅ及びＧａ以外の一つ以上の元素Ｍを有し、及び／又は、全体で３０原子パーセント未満のＧｅ及び／又はＧａを含む。２０原子パーセントを超えるＧｅ及びＧａ及び全体で５〜２０原子パーセントの濃度のＩｎ及びＳｎから選択された一つ以上の元素を含む相変化材料は、比較的高い結晶化速度及び比較的高いアモルファス相の安定性を同時に有する。
【００６１】
メモリセルのアレイに装置の多くを有する集積回路の製造工程において、先ず、標準的なＩＣ技術を用いて、選択装置のアレイ及び選択線のグリッドが形成され、二酸化珪素のような誘電材料６０に組み込まれる。次に、アンチヒューズ装置の層を形成する表面が準備される。
【００６２】
誘電材料の厚さを、４〜２５ｎｍとすることができ、これによってアンチヒューズ装置を形成する。２５ｎｍ未満の厚さの任意の適切な誘電材料、例えば、４〜２５ｎｍの二酸化珪素を用いることができる。それに対して、厚さを４ｎｍ未満にするとトンネル障壁が生じ、この場合、「トンネル障壁」は、一部に直接的なトンネリングがあり得ることを仮定する。
【００６３】
次に、プログラマブル材料を、Stefan Lai “Current status of the phase change memory and its futre”, IEDM 2003による文献で説明されているようなスパッタリングによって堆積する。プログラマブル材料の厚さを、典型的には５〜７０ｎｍとし、例えば、１０〜６０ｎｍ、好適には、１５ｎｍとする。
【００６４】
アンチヒューズを破壊することによって形成された孔の寸法は、用いられる電力に依存する。典型的には、誘電層の厚さに応じて７〜１０Ｖの電圧で１００μＷから数ｍＷまでが用いられる。これを、孔の寸法したがって破壊されるアンチヒューズの抵抗を制御できるようにするために慎重に制御された電力消失、直列抵抗、寄生容量等の条件の下で実行する必要がある。孔を、フォトリソグラフィのような従来のＩＣ処理技術によって得ることができるものより小さくすることができる。装置の寿命に亘ってアンチヒューズの非常に小さい領域を通じた読出し及び再プログラミング経路の信頼性を保証するとともに製造工程の歩留まりを良くするために、アンチヒューズにコンタクトする材料を慎重に選択する必要がある。プログラマブル材料の上面に他の選択線及び選択又はアドレス指定装置を従来の手法に従って形成することができる。
【００６５】
本発明の特定の実施の形態において、アンチヒューズを形成する誘電層に用いられる材料を、破壊後の導通経路の寸法を減少するように選択する。本発明による相変化メモリセルの実施の形態において、トンネル障壁層を、最終的に破壊されるアンチヒューズとして用いる。好適には、トンネル障壁の破壊は、ＭＲＡＭで用いられるような典型的な酸化アルミニウム装置における１．５〜２・０Ｖのような例えば約２Ｖまでの所定の電圧を超えると可変で生じる単一の破壊現象を提供する。本発明は、低破壊電圧を有するトンネル障壁材料の使用を含む。例えば、材料を１．１Ｖの電源電圧の使用に対して選択することができる。他の解決は、（１）高温（したがって低いＶＢＤ）のバーンインステップ又は（２）テスト段階中にアクセス可能であるとともにその時間で高電圧の使用が可能になる他のコンタクトパッドの追加を含む。高電圧におけるサンプルの種々の位置における更なる破壊現象を、例えば、破壊の際のトンネル障壁全体に亘る有効電圧を瞬時に制限する直列抵抗のような電流制限器の形態の電流適合部を追加することによって減少し又は防止することができる。メモリセルの直列抵抗をこのために用いることもできる。本発明の一態様によれば、装置の制御可能な破壊を意図的に行うことができるように、メモリセルに組み込まれた電流順応手段を設ける。
【００６６】
好適なトンネル障壁層を酸化アルミニウムから構成する。種々の絶縁化合物、例えば、Ｏ，Ｎ，Ｓ，Ｃを含むＨｆ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｂ，Ｙ，Ｎｂの化合物を含む他の材料を用いることができ、これによって絶縁材料を形成する。絶縁層、例えば、酸化アルミニウム層を、相変化層の上下に設けることができる。トンネル障壁に隣接する他の層を、最終工程における材料の安定性に対する要求のような例えばＣＭＯＳ集積の処理の適合性に従って任意に選択することができる。他の実施の形態において、酸化アルミニウム層を同一の二つの相変化層に挟むこともできる。他の実施の形態において、酸化アルミニウム層を用いて、マルチレベル相変化セルを製造するのに用いることができる互いに異なる二つの相変化層を分離することができる。これに関して、酸化アルミニウム層は、互いに異なる二つの材料間の拡散障壁として作用することもできる。他の実施の形態において、相変化層に直接コンタクトしないように酸化アルミニウム層を設けることもできる。異なる層を追加することによって、メモリセルのプログラミング中の輸送現象に関連する破壊の際の有効寸法を変更することができる。有効寸法は、近似的にはこの追加の層の厚さの線形関数となる。
【００６７】
酸化アルミニウム層を、肉薄のＡｌ前駆体層を堆積した後に酸化工程を行うことによって形成することができる。追加の前駆体層の厚さ並びに酸化方法及び条件に応じて、トンネル障壁抵抗を、１平方ミクロンの装置サイズに対して数十Ωから数ＧΩまで１０倍を超える大きさにすることができる。抵抗−エリア積は、Ω・μｍ２からＧΩ・μｍ２まで変化する。Ａｌ前駆体層の厚さを１ｎｍより下（例えば、６〜８Å）から約２ｎｍまで変化させることができる。酸化後、酸化アルミニウムは、２０〜３０％のオーダで僅かに厚くなる。あらゆる適切な酸化方法、例えば、熱酸化、紫外光を用いた熱酸化、グロー放電酸化、ＤＣ又はＲＦ等を用いることができる。酸化を、純酸素又は希ガス／酸素の混合物中において好適にはそのままですなわち真空で行う。後処理のアニール中に上記方法によって得られる酸化アルミニウム層の温度特性が、４００℃を超えるアニール温度に耐えることを実験から確認された。トンネル障壁の絶縁品質は、一般に、室温又はその近傍で得られる絶縁層に対して予測できるアニール温度とともに向上する。Ａｌ前駆体層を室温で堆積することの利点は、あらゆる下側の層に対して非常に明瞭な境界を得ることができることであり、その後、アルミニウムが酸化されて酸化アルミニウムになる。これによって、後工程又はアニーリングステップにおいて隣接する層との固体状態での反応を防止する。
【００６８】
アモルファス状態（＞ＭΩ・ｃｍ）及び結晶状態（数百Ω・ｃｍ）を示す典型的な相変化層と磁気材料（〜２０Ω・ｃｍ）との間の抵抗差を考えると、Ａｌ前駆体、したがって、トンネル障壁抵抗を、圧縮に近づく状態のいずれかのあらゆる直接的なトンネルプロセスをキャンセルするよう十分に選択する必要がある。（最終工程の熱量のために）処理工程後に相変化層全体が結晶状態になると仮定すると、圧縮の有効抵抗は、好適には破壊工程による影響を受けない並列トンネル装置の残りの部分の抵抗より低くなる。簡単な例を図９に示す。有限並列トンネル接合「装置」寸法（／／ＴＪ）を、例えば１μｍ２と仮定し、この場合、低抵抗圧縮（ｃｏｎｓｔｒ）となる。障壁層の破壊後の抵抗は、１０Ωのオーダとなる。圧縮エリアのアモルファス材料に対して、これは、数倍の大きさ、例えば、１００倍となる。Ｉ／／ＴＪ＜＜Ｉｃｏｎｓｔｒから開始する電圧バイアスの簡単な外挿によって、Ｒｃｏｎｓｔｒ＜＜Ｒ／／ＴＪ＝［ＲｘＡ］／／ＴＪ／Ａ／／ＴＪの要求が生じる。１％のリークに対して、［ＲｘＡ］／／ＴＪの最小値は、１ＭΩ・μｍ２となる。これは、既に説明したように酸化アルミニウムから構成されるトンネル障壁に対して得ることができる。この抵抗は最小値であり、更に低い並列リーク値が要求される場合には、好適にはトンネル障壁に対して更に高い値が達成される。
【００６９】
アンチヒューズを形成する誘電層として酸化アルミニウム層のようなトンネル障壁層の使用は、破壊後の圧縮可能が制御可能であり、例えば１０ｎｍより下の径の非常に小さな圧縮寸法となることである。酸化アルミニウム極薄層のような絶縁層は、電流を非常に小さい相変化材料に流すための破壊圧縮を生じる。他の利点は、そのような層が固体状態の反応を防止し又は軽減し及び／又は相変化層と異なる隣接層、例えば、ＣＭＯＳ後部で用いられる相変化層の下側のタングステンプラグ又は相変化層の上側若しくは下側のＴｉＮ若しくはＴａＮ障壁層との間の接着を向上する。酸化アルミニウム層は、相変化材料と異なる層との間の拡散障壁としての役割を果たす。例えば、トンネル障壁層は、Ｔｉ及びＴａが相変化材料と反応してメモリセルの耐久性（反復性）が減少するのを防止する。障壁層は、電極と相変化材料との間の弱い接着による電極の剥離を軽減し又は防止する。酸化アルミニウムは、接着のように相変化材料をＣＭＯＳプロセスに組み込む際の問題の一部を解決することができる非常に良好な接着層である。
【００７０】
さらに、既に説明したような障壁層の熱的な安定性は、最終工程に適合する。
【００７１】
本発明の他の実施の形態において、酸化アルミニウム層は、非常に低い抵抗の直接のトンネリングモードで設けられる。例えば、（例えば、１ｎｍより下の）数ÅのＡｌの層は、相変化層と隣接層との接着を向上することができ、その結果、直列抵抗が無視しうる値となる。本発明は、アンチヒューズ、拡散障壁及び／又は接着層の少なくとも一つに対する酸化アルミニウム層の使用も範囲内に含む。本発明は、種々の目的、すなわち、アンチヒューズ、拡散障壁及び／又は接着層のうちに少なくとも二つに対する単一の相変化メモリセル内の複数の酸化アルミニウム層を用いることも範囲内に含む。
【００７２】
これまで説明したように、熱プログラマブルメモリは、熱プログラマブル抵抗材料のプログラマブル素子（２０）と、プログラマブル材料に隣接して接触するように配置された破壊可能な又は破壊されたアンチヒューズ（８０）とを有する。破壊された又は破壊可能なアンチヒューズを、酸化アルミニウム層のような誘電トンネル障壁層によって構成することができる。酸化アルミニウム層の厚さを、好適には、例えば１０ｎｍ未満、好適には４ｎｍ未満、例えば、０．５〜３．０ｎｍのトンネル層を形成するように適合させる。例えば０．５〜３．０ｎｍのような１０ｎｍ未満の適切な厚さの酸化アルミニウムのような一つ以上の層を、他の目的、例えば、拡散を防止し及び／又は接着を向上するためにメモリ内に含めることができる。本発明の実施の形態による破壊された又は破壊可能なアンチヒューズを、製造中に誘電体に小さな孔を形成するよう高電圧を短時間誘電体の両端間に印加できるようにするために導電層に包囲された誘電層から形成して、材料をプログラミングする際のきわめて小さいヒータとして用いることができる小さい導通経路を形成することができる。孔による電流の制限のために、高抵抗状態に切り替えるために加熱する必要がある材料の量が非常に少なくなる。その結果、プログラム電力を低くすることができる。これは、プログラミング材料の寸法を減少するのを助けることができ、したがって、集積のレベルを高くすることができ、電源の要求を少なくすることができる。
【００７３】
他の変形を特許請求の範囲内で想定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】既知の原理による熱プログラマブル構造の配置を示す。
【図２】既知の原理による熱プログラマブル構造の配置を示す。
【図３】既知の原理による熱プログラマブル構造の配置を示す。
【図４】本発明の実施の形態による熱プログラマブル装置の構造を示す。
【図５】誘電体の肉薄部分にアンチヒューズを示す本発明の他の実施の形態による熱プログラマブル装置の構造を示す。
【図６】等温線を重ねた、実施の形態による装置の断面を示す。
【図７】ｐｎダイオードを有するアンチヒューズを示す本発明の他の実施の形態による熱プログラマブル装置の構造を示す。
【図８】図７の装置の等価回路を線形的に示す。
【図９】本発明の実施の形態で用いられるトンネル障壁層を通じた破壊を線形的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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