(57)【要約】【課題】  相変化メモリにおける書換えは、ヒータ電極の発熱により相変化膜を高温とし、相変化膜の結晶状態を変えることにより行われる。そのため小さい書換え電流で効率よく相変化するメモリセル構造が望まれている。【解決手段】  本発明の相変化メモリにおいて、セルトランジスタの拡散層と相変化膜との間をコンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の多段構成とする。コンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の順に比抵抗は高く、その径は小さくする。ヒータ電極は小さな径で、高抵抗であることから電流密度が大きく、発熱効率がよい。さらにバッファプラグをやや高抵抗とすることで、コンタクトプラグへの熱拡散を抑制できる。これにより発熱効率を向上させ、小さな書換え電流でデータの書換えを行うことができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルトランジスタの１つの拡散層に接続されたコンタクトプラグと、相変化膜に接続されたヒータ電極とを備え、前記コンタクトプラグと前記相変化膜とを接続するバッファプラグをさらに備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれは、別々の層間絶縁膜中に形成され、中心位置がほぼ一致する位置に半導体基板の垂直方向に半導体基板側から前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に縦積みされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれの直径は、縦積みされた前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に小さくなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれの比抵抗は、縦積みされた前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に高くなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記コンタクトプラグは、Ｗ（タングステン）を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記バッファプラグは、ＣＶＤ法により形成されたＴｉＮ（チタンナイトライド）を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ヒータ電極は、TiN（チタンナイトライド）、TiSiN(チタンシリコンナイトライド)、TiAlN（チタンアルミニュームナイトライド）、C（カーボン）、CN（カーボンナイトライド）、MoN（モリブデンナイトライド）、TaN（タンタルナイトライド）、PtIr（イリジューム白金）、TiCN（チタンカーボンナイトライド）、TiSiC（チタンシリコンカーボン）のうちいずれかを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ヒータ電極は、その上面から酸素、窒素、カーボン、シリコンのいずれかを供給され、その上部をさらに高い比抵抗としたことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に相変化膜を用いた不揮発性メモリを備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置に使用される半導体メモリとして、電源をオフすると記憶情報が失われる揮発性メモリと、電源をオフしても記憶情報が保持される不揮発性メモリとがある。例えば、揮発性メモリはＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）であり、不揮発性メモリはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）やフラッシュメモリである。最近の携帯情報端末装置は、小型化と省電力化のために電源をオフしても記憶情報が保持されるフラッシュメモリが多く使用されている。
【０００３】
しかし最近は、さらなる小型化と省電力化のために、相変化膜を用いた相変化メモリが注目されている。相変化メモリは、相変化膜の２つの異なる結晶状態を記憶情報とする不揮発性メモリである。相変化膜を高抵抗値の非晶質状態、又は低抵抗値の結晶状態とすることで“１”、又は“０”の記憶情報としている。このような相変化膜としては、カルコゲナイド材料が使用されている。
【０００４】
相変化メモリセルの回路図を図１に、その従来断面図を図２，３に示す。図１（Ａ）に示すメモリセルは、相変化膜からなる可変抵抗の一端はビット線に、可変抵抗の他端はセルトランジスタのドレイン拡散層に、セルトランジスタのソース拡散層は定電位(ＧＮＤ)配線に、セルトランジスタのゲート電極はワード線にそれぞれ接続されている。可変抵抗は相変化膜の結晶状態により非晶質状態では高抵抗値、結晶状態では低抵抗値を示す。また図１（Ｂ）に示すようにメモリセルとしては、ビット線と定電位(ＧＮＤ)配線を交換して、可変抵抗の一端を定電位(ＧＮＤ)に、セルトランジスタのドレイン拡散層をビット線に接続してもよい。この場合には電流は逆方向に流れる。
【０００５】
メモリセルの書換え動作は、ワード線を活性化させセルトランジスタをオンさせ、ビット線に流れる電流により相変化膜の結晶状態を変化させる。相変化膜に十分なジュール熱を供給し相変化膜を６００℃以上に加熱する。一旦溶融させ、これを急冷することにより、高抵抗値の非晶質状態（Reset状態）とする。また、これよりもやや少ないジュール熱を供給し、徐冷することで低抵抗値の結晶状態（Set状態）とする。供給する熱量及び冷却速度は、相変化膜に印加されるビット線からのパルス電流値及び長さ（印加時間）により制御する。メモリセルの読み出し動作は、ワード線を活性化させセルトランジスタをオン状態とし、相変化膜の非晶質状態、又は結晶状態によりビット線に流れる電流値が異なることを利用して行われる。
【０００６】
従来の相変化メモリセルの断面図を図２、図３示す。図２に示す第１の従来例のメモリセルは、セルトランジスタ、ヒータ電極１、相変化膜３、上部電極４及びＧＮＤ配線７から構成される。セルトランジスタはドレイン拡散層１０、ソース拡散層６、ゲート電極５を有する。ソース拡散層６はプラグを介してＧＮＤ配線７に、ゲート電極５はワード線に接続される。ドレイン拡散層１０はヒータ電極１に接続され、ヒータ電極１の上面に相変化膜３、相変化膜３の上面に上部電極４が形成されている。上部電極４はビット線に接続される。上部電極４とＧＮＤ配線７間に電圧を印加して電流を流すことにより、相変化膜３が発熱し、ヒータ電極１との界面の相変化膜３が相変化することで、直列の電気抵抗が変化する。このときに約６００℃以上の温度まで上昇し、相変化が起こる領域を相変化領域２として示している。
【０００７】
ワード線に接続されたゲート電極５が活性化されることで、セルトランジスタが導通し、メモリセルが選択される。上部電極４にパルス電圧が印加されたときの電流は、上部電極４、相変化膜３、ヒータ電極１、ドレイン拡散層１０、セルトランジスタのチャネル、ソース拡散層６、ＧＮＤ配線７へと流れる。すなわち、セルトランジスタが導通している選択されたメモリセルだけに電流が流れることになる。選択されたメモリセルの書換え時には、書換え電流により相変化膜は相変化し、データの書換えを行う。読み出し時には、相変化膜の抵抗値により流れる電流の大小を記憶データとして読み出す。
【０００８】
図２の従来例の場合、ヒータ電極１は直接ドレイン拡散層１０に接続されている。ヒータ電極１は、拡散層とのオーミックコンタクトを得る為に、例えばTi（チタン）を堆積、次にバリヤメタルとなるTiN（チタンナイトライド）を堆積、次に埋め込み用のW（タングステン）を堆積している。すなわち、ヒータ電極１は非常に低抵抗な材料で構成されている。発熱量はｉ２Ｒｔに比例する(i：電流、R：ヒータの抵抗、ｔ：パルス印加時間)。そのＲが小さい為に、相変化に必要な発熱を起こす為には大きな電流を流さなければならない。
【０００９】
また、ヒータ電極と相変化膜３との接触面積は小さい程、電流密度が上がり、発熱効率が向上する。しかし図２のヒータ電極は、深さが深いことから、小さなヒータ電極径を形成することが困難である。そのため、相変化させるためには大きな電流を流さなければならない。従って、セルトランジスタの電流能力も大きくなければならず、セルトランジスタサイズが大きくなり、セルサイズが増大し、メモリとしてのコストパフォーマンスが低くなるという問題がある。さらに発熱した熱はヒータ電極１の熱伝導率が高いことから、矢印で示すように下側への熱拡散が大きく、熱が有効活用されないという問題がある。
【００１０】
図３の第２の従来例は、図２のヒータ電極１をコンタクトプラグ８として、ヒータ電極２１はその上層に形成している。相変化膜３とドレイン拡散層１０間をヒータ電極２１とコンタクトプラグ８の２つで接続している。２段構造であることから、ヒータ電極の深さを浅くでき、ヒータ電極径を小さく形成することが可能となる。また、発熱効率を上げる為に、ヒータ電極２１を形成する材料を、コンタクトプラグ８を形成する材料よりも抵抗の高い材料を選択することが可能となる。例えばTiNなどを用いることが出来る。
【００１１】
しかし、ヒータ電極２１に電流を流し、ヒータ電極２１と相変化膜３の界面で発熱した場合、ヒータ電極２１の熱は、コンタクトプラグ８が低抵抗である為にコンタクトプラグ８へ逃げてしまう。そのため、コンタクトプラグ８への熱の拡散が起こり、熱効率が低下してしまう。この効率低下を補う為に電流を多くしなければならず、結果的にセルトランジスタの電流能力を増やさなければならなくなる。このようにコンタクトプラグ８への熱の拡散が大きく、発熱効率が低下してしまうという問題が残る。
【００１２】
上記したようにヒータ電極は、６００℃以上に発熱させるために小さい径で、高抵抗の材料で構成し、発熱効率を向上させなければならないという問題がある。さらに熱効率を高くするために、熱の拡散を防止しなければならないという問題がある。本発明では、ヒータ電極から下方向への熱の拡散を防ぎ、熱効率を向上させ、少ない書換え電流で相変化を起こすことが可能となる構造を提供する。
【００１３】
これらの相変化メモリに関する先行文献として、下記特許文献がある。特許文献１（特開２００５−５１１２２号公報）では、拡散層と上部電極間を接続する熱ブロック層、ヒータ電極、相変化膜、熱ブロック層を同一サイズとして構成している。特許文献２（特表２００６−５１０２１９号公報）では、ヒータ電極として、相変化膜側を高抵抗とし、その底部を低抵抗とすることで高抵抗全体に平均して電流を供給している。特許文献３（特開２００４−３４９７０９号公報）では、１つのコンタクトホールの下側にはコンタクトプラグを、上側にはサイドウォールを設け、サイドウォール内部にヒータ電極を形成する。さらに相変化膜と接するヒータ電極の上面を酸化し、比抵抗を高くしている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−５１１２２号公報
【特許文献２】特表２００６−５１０２１９号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
相変化メモリのデータ書換えには、相変化膜の結晶状態を変化させる必要がある。抵抗の低い結晶状態（Set状態）と、抵抗の高い非結晶状態（Reset状態）に変化させる。そのためには、ヒータ電極を６００℃以上に発熱させて相変化膜の結晶を溶かし、結晶状態を変化させる必要がある。このような高温にするためには大きな電流が必要となる。しかし、メモリセルの電流能力は、セルトランジスタの電流能力でリミットされてしまう。従ってメモリデータの書換えのために大電流を必要とする場合は、セルトランジスタの電流能力を高くしなければならない。これを実現しようとするには、セルトランジスタのチャネル幅を大きくする必要が生じる。
【００１６】
しかし、セルトランジスタのチャネル幅を大きくするとメモリセルのサイズが大きくなるために、チップサイズの増大を招きメモリのコストパフォーマンスが落ちてしまう。従って、コストパフォーマンスを落とすことなく小さなメモリセルを実現するためには、少ない書換え電流で相変化を起こさせる必要がある。すなわちヒータ電極の効率の良い発熱と、その熱が外部へ拡散しにくい構造とし、温度が低下することを抑制することが重要課題となる。本発明の目的は、これらの課題に鑑み、小さな電流で効率よく書換え出来る相変化メモリを備えた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願は上記した課題を解決するため、基本的には下記に記載される技術を採用するものである。またその技術趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できる応用技術も、本願に含まれることは言うまでもない。
【００１８】
本発明の半導体装置は、セルトランジスタの１つの拡散層に接続されたコンタクトプラグと、相変化膜に接続されたヒータ電極とを備え、前記コンタクトプラグと前記相変化膜とを接続するバッファプラグをさらに備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体装置の前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれは、別々の層間絶縁膜中に形成され、中心位置がほぼ一致する位置に半導体基板の垂直方向に半導体基板側から前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に縦積みされたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の半導体装置の前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれの直径は、縦積みされた前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に小さくなるように形成されたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体装置の前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極のそれぞれの比抵抗は、縦積みされた前記コンタクトプラグ、前記バッファプラグ及び前記ヒータ電極の順に高くなるように形成されたことを特徴とする。
【００２２】
本発明の半導体装置の前記コンタクトプラグは、Ｗ（タングステン）を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体装置の前記バッファプラグは、ＣＶＤ法により形成されたＴｉＮ（チタンナイトライド）を含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明の半導体装置の前記ヒータ電極は、TiN（チタンナイトライド）、TiSiN(チタンシリコンナイトライド)、TiAlN（チタンアルミニュームナイトライド）、C（カーボン）、CN（カーボンナイトライド）、MoN（モリブデンナイトライド）、TaN（タンタルナイトライド）、PtIr（イリジューム白金）、TiCN（チタンカーボンナイトライド）、TiSiC（チタンシリコンカーボン）のうちいずれかを含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体装置の前記ヒータ電極は、その上面から酸素、窒素、カーボン、シリコンのいずれかを供給され、その上部をさらに高い比抵抗としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の相変化メモリにおいて、セルトランジスタの拡散層と相変化膜との間をコンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の多段構成とする。コンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極のそれぞれは別々の層間絶縁膜中に設けられ、その中心位置はほぼ一致する位置に半導体基板の垂直方向に縦積みされる。コンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の順に比抵抗は高く、その径は小さくする。ヒータ電極は小さな径で、高抵抗であることから電流密度が大きく、発熱効率がよい。さらにバッファプラグをやや高抵抗とすることで熱拡散を抑制できる。これにより発熱効率を向上させ、データの書換え(相変化)に必要な書換え電流を小さくできる。その結果、セルトランジスタサイズ及びセルサイズの縮小が可能となり、小型で効率よく書換え動作が実施できる相変化メモリを備えた半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の半導体装置について、以下に図４、図５を参照して詳細に説明する。図４には本発明の相変化メモリセルの断面図を示す。図５には本発明の他の相変化メモリセルの断面図を示す。本発明の半導体装置においてはバッファプラグ９を追加し、相変化膜３とドレイン拡散層１０間にヒータ電極３１と、バッファプラグ９及びコンタクトプラグ８の３段階で接続している。
【００２８】
図４に示すメモリセルは、セルトランジスタ、コンタクトプラグ８、バッファプラグ９、ヒータ電極３１、相変化膜３、上部電極４及びＧＮＤ配線７から構成される。セルトランジスタはドレイン拡散層１０、ソース拡散層６、ゲート電極５から構成される。ソース拡散層６はプラグを介してＧＮＤ配線７に、ゲート電極５はワード線に接続される。ドレイン拡散層１０はコンタクトプラグ８と、バッファプラグ９とを経由してヒータ電極３１に接続される。さらにヒータ電極３１の上面に相変化膜３、相変化膜３の上面に上部電極４が形成されている。上部電極４とＧＮＤ配線７間に電圧を印加することで、ヒータ電極３１との界面の相変化膜３が相変化し、直列の電気抵抗が変化する。このときに相変化が起こる領域を相変化領域２として示す。
【００２９】
本発明のヒータ電極３１は、バッファプラグ９の上部に位置している。バッファプラグ９はコンタクトプラグ８の上部に位置している。ヒータ電極３１の上面に相変化膜３の層があり、その上に上部電極４が形成されている。上部電極４にパルス電圧を印加することにより、電流は、上部電極４、相変化膜３、ヒータ電極３１、バッファプラグ９、コンタクトプラグ８を通り、セルトランジスタを介してＧＮＤ配線７へ流れる。このとき、ヒータ電極３１と相変化膜３の界面で発熱が起こり、この部分の相変化膜３で相変化が起こり、直列の電気抵抗に変化が現れる。
【００３０】
コンタクトプラグ８、バッファプラグ９、ヒータ電極３１のそれぞれは別々の層間絶縁膜中に設けられている。その中心位置がほぼ一致する位置に半導体基板の垂直方向に下側からコンタクトプラグ８、バッファプラグ９、ヒータ電極３１の順に縦積みされる。コンタクトプラグ８、バッファプラグ９、ヒータ電極３１の順に比抵抗は高く、その径は小さくしている。コンタクトプラグ８は、拡散層とのオーミックコンタクトを得る為に、例えばＴｉを堆積、次にバリヤメタルとなるＴｉＮを堆積、次に埋め込み用のＷを堆積している。すなわち、コンタクトプラグ８は、非常に低抵抗な材料で構成されている。
【００３１】
バッファプラグ９は、コンタクトプラグ８を形成する材料よりも抵抗の高い材料を選択する。例えばＴｉＮなどで形成する。一般に抵抗の高い材料は、熱伝導率が小さくなる。このバッファプラグ９をコンタクトプラグ８よりもその径は小さく、抵抗の高い材料で形成することにより、ヒータ電極３１で発生した熱を下方向へ逃げにくくする。ヒータ電極３１はバッファプラグ９よりもさらに小さな径とし、さらに高抵抗の材料で形成する。小さな径で、高抵抗とすることで電流密度が大きく、発熱効率のよい構成とする。
【００３２】
このようにコンタクトプラグ８とヒータ電極３１との中間に、バッファプラグ９を介在させた多段構成とする。多段構成とすることで各層間絶縁膜に開口するホールのアスペクト比が小さくでき最適な径が選択できる。さらに、それぞれの抵抗値を最適に選択することができる。中間に挿入したバッファプラグ９は中間の径で、中間の比抵抗値を有する。バッファプラグ９の熱伝導率が小さいことから、ヒータ電極３１と相変化膜３の界面で発生した熱が下側のコンタクトプラグ８へ拡散して逃げてしまうことがなくなる。下側への熱の拡散がなくなり、熱は上側の相変化膜に伝達される。従って、熱効率が向上するので、従来例の構造に比べて、書換えに必要な電流を低減することが出来る。その結果、メモリセルのセルトランジスタの電流能力は小さくても書換えが可能となる。セルトランジスタサイズが小さく、セルサイズの縮小が可能となり、メモリのコストパフォーマンスを向上させることが出来る。
【００３３】
本発明のヒータ電極関係の製造方法を説明する。通常の製造方法により、セルトランジスタ及びＧＮＤ配線７を形成し、層間絶縁膜を成膜する。層間絶縁膜にドレイン拡散層１０を露出されるようにコンタクトホールを開口する。開口されたコンタクトホールを導電膜で埋め込み、コンタクトプラグ８を形成する。コンタクトプラグ８は拡散層とのオーミックコンタクトを得る為に、例えばＴｉ（チタン）を堆積、次にバリヤメタルとなるＴｉＮ（チタンナイトライド）を堆積、次に埋め込み用のＷ（タングステン）を堆積している。堆積した導電膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化する。
【００３４】
このようにコンタクトプラグ８は拡散層との反応を抑え、かつ非常に低い抵抗値となるように形成する。例えば、コンタクトプラグ８のメーン材料であるＷの比抵抗は７μΩ・ｃｍであり、Ｔｉ，ＴｉＮを含めた合成比抵抗は約２０μΩ・ｃｍとなる。コンタクトプラグの直径を２００ｎｍ、深さ６００ｎｍとした場合、コンタクトプラグの抵抗は３．８Ωとなる。コンタクトプラグ８の抵抗値は、小さいことが好ましく、１０Ω以下がよい。
【００３５】
次に第２の層間絶縁膜を成膜し、この第２の層間絶縁膜にコンタクトプラグ８の上面を露出するようにコンタクトホールを開口する。開口されたコンタクトホールを導電膜で埋め込みバッファプラグ９を形成する。バッファプラグ９の中心位置は、コンタクトプラグ８の中心位置とほぼ一致させるようにする。バッファプラグ９の直径は、コンタクトプラグ８の直径よりも小さくする。バッファプラグ９の材料は、コンタクトプラグ８を形成する材料よりも比抵抗の高い材料を使用する。
【００３６】
バッファプラグ９は、例えばＴｉＮなどで形成する。一般に抵抗の高い材料は、熱伝導率が小さくなる。このバッファプラグ９をコンタクトプラグ８よりも抵抗の高い材料で形成することにより、ヒータ電極３１で発生した熱を下方向へ逃げにくくする構造が得られる。例えば、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成されるＴｉＮの比抵抗は２００〜５００μΩ・ｃｍである。バッファプラグ９の直径を１００〜１２０ｎｍ、深さ２００ｎｍとした場合、バッファプラグ９の抵抗は３５〜１２７Ωとなる。バッファプラグ９は、熱伝導率が小さくするために１０Ω以上、２００Ω以下とする。
【００３７】
次に第３の層間絶縁膜を成膜し、この第３の層間絶縁膜にバッファプラグ９の上面を露出するようにコンタクトホールを開口する。開口されたコンタクトホールを発熱体となる高比抵抗の導電膜で埋め込みヒータ電極３１を形成する。ヒータ電極３１の中心位置は、コンタクトプラグ８及びバッファプラグ９の中心位置と一致させるようにする。ヒータ電極３１の直径は、バッファプラグ９の直径よりもさらに小さくする。ヒータ電極３１の直径を小さくすることで、ヒータ電極に流れる電流密度を大きくすることができる。ヒータ電極３１は、バッファプラグ９を形成する材料よりもさらに比抵抗の高い材料を使用する。
【００３８】
例えばヒータ電極は、TiN（チタンナイトライド）、TiSiN(チタンシリコンナイトライド)、TiAlN（チタンアルミニュームナイトライド）、C（カーボン）、CN（カーボンナイトライド）、MoN（モリブデンナイトライド）、TaN（タンタルナイトライド）、PtIr（イリジューム白金）、TiCN（チタンカーボンナイトライド）、TiSiC（チタンシリコンカーボン）のなどの高抵抗材料を使用することができる。
【００３９】
ここでは、バッファプラグ９とヒータ電極３１の材料として同じＴｉＮを使用している。この場合にも、ＴｉＮの成膜条件を変えることで比抵抗を変えている。Ｔｉの比抵抗としては約４２μΩ・ｃｍ、ＴｉＮの比抵抗としては約２００μΩ・ｃｍが一般的な数値として使用されている。しかし、これらの比抵抗は、成膜条件で高くすることができる。例えばTiCl4（四塩化チタン）ガスを使用したＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によるＴｉＮは、２００〜５００μΩ・ｃｍの比抵抗が得られる。さらにTi(N(CH3)2)4（テトラキスジメチルアミノチタニウム：ＴＤＭＡＴ）ガスを使用したＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法では、さらに高い４５００μΩ・ｃｍ程度の比抵抗のＴｉＮを得ることができる。
【００４０】
ヒータ電極３１の材料として、１０００μΩ・ｃｍ以上の比抵抗のＴｉＮを使用する。ヒータ電極３１の直径を５０〜７０ｎｍ、深さを１００〜１３０ｎｍ、比抵抗を１０００μΩ・ｃｍとした場合、ヒータ電極の抵抗は２６０〜６６０Ωとなる。このように比抵抗で表すと、例えばコンタクトプラグは５０μΩ・ｃｍΩ以下、バッファプラグは１００μΩ・ｃｍ以上、５００μΩ・ｃｍ以下、ヒータ電極は１０００μΩ・ｃｍ以上の比抵抗を有する材料を使って形成する。ここで複数の膜を積層した場合の比抵抗値としては、積層膜厚に応じた平均比抵抗値である。
【００４１】
次に相変化膜３と上部電極４を順に堆積する。相変化膜３は材料として例えば、ゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、セレン(Se)、ガリウム(Ga)、インジュム(In)のうち少なくともいずれか２つ以上を含む材料を用いることができる。例えば、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジュム(InSb)、セレン化インジュム(InSe)，テルル化アンチモン(Sb2Te3)、テルル化ゲルマニウム(GeTe)、Ge2Sb2Te5、InSbTe、GaSeTe、SnSb2Te4、InSbGe等である。また上部電極４はタングステン(W)やアルミニウム(Al)などの導体膜にて形成する。
【００４２】
次に図５を参照して、他のメモリセルの構造を説明する。図５と図４との相違はヒータ電極３１の上部の一部をさらに高抵抗な高抵抗部３２としたことである。ヒータ電極において最も効率よく発熱してほしい場所は、ヒータ電極と相変化膜の接触領域である。そのために接触するヒータ電極の上部の比抵抗をさらに高くし、高抵抗部３２とする。このヒータ電極上部の比抵抗を高くする方法としては、ヒータ電極３１を形成した後、ヒータ電極３１の上面から、例えば窒素をイオン注入することでヒータ電極３１上部の比抵抗をさらに高くできる。ヒータ電極上部の比抵抗を高くする方法としては、イオン注入により窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）やシリコン（Ｓｉ）を注入する方法がある。またプラズマにより酸素や窒素を供給する方法や熱酸化する方法がある。この高抵抗部３２は図５に示すようにヒータ電極の上部の一部のみに形成してもよく、あるいはヒータ電極全体としてもよい。
【００４３】
本発明の相変化メモリは、セルトランジスタの拡散層と相変化膜との間をコンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の多段構成とする。コンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極のそれぞれは別々の層間絶縁膜中に設けられ、その中心位置はほぼ一致する位置に半導体基板の垂直方向に縦積みされる。コンタクトプラグ、バッファプラグ、ヒータ電極の順に比抵抗は高く、その径は小さくする。ヒータ電極は小さな径で、高抵抗であることから電流密度が大きく、発熱効率がよい。さらにバッファプラグをやや高抵抗とすることで熱拡散を抑制できる。これにより発熱効率を向上させ、小さな書換え電流でデータの書換え(相変化)を行うことができる。その結果、セルトランジスタサイズ及びセルサイズの縮小が可能となり、小型で効率よく書換え動作が実施できる相変化メモリを備えた半導体装置が得られる。
【００４４】
以上、実施形態に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に制限されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができ、これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】相変化メモリセルの回路図（Ａ），（Ｂ）である。
【図２】第１の従来例における相変化メモリセルの断面図である。
【図３】第２の従来例における相変化メモリセルの断面図である。
【図４】本発明における相変化メモリセルの断面図である。
【図５】本発明における他の相変化メモリセルの断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、２１、３１    ヒータ電極
２    相変化領域
３    相変化膜
４    上部電極
５    ゲート電極
６    ソース拡散層
７    ＧＮＤ配線
８    プラグ
９    プラグ
１０    ドレイン拡散層
３２    高抵抗部
【図１】
2008066449.tif 000003
【図２】
2008066449.tif 000004
【図３】
2008066449.tif 000005
【図４】
2008066449.tif 000006
【図５】
2008066449.tif 000007