(57)【要約】【課題】ポリシリコンを含む半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】ポリシリコンを含む半導体素子において、ＴａＮＸ物質層と、ＴａＮＸ物質層上に形成されたポリシリコン層と、を備えるポリシリコンを含む半導体素子である。これにより、優秀な特性のポリシリコンダイオード及びＴａＮＸ／ポリシリコン構造を有する半導体素子に効果的に応用しうる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴａＮＸ物質層と、
前記ＴａＮＸ物質層上に形成されたポリシリコン層と、を備えることを特徴とするポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項２】
前記ＴａＮＸ物質層のＸは、０．５ないし１．５の範囲を有することを特徴とする請求項１に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項３】
前記ポリシリコン層は、ｐ型ポリシリコン層であることを特徴とする請求項１に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項４】
前記ｐ型ポリシリコン層上に形成されたｎ型ポリシリコン層をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項５】
前記ポリシリコン層は、ｎ型ポリシリコン層であり、前記ｎ型ポリシリコン層上には、ショットキー障壁を形成するシリサイドが形成されたことを特徴とする請求項１に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項６】
前記ＴａＮＸ物質層は、格子構造を有することを特徴とする請求項１ないし５のうち何れか１項に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項７】
前記ＴａＮＸ物質層は、キュービック格子構造を有することを特徴とする請求項６に記載のポリシリコンを含む半導体素子。
【請求項８】
ＴａＮＸ物質層を形成する工程と、
前記ＴａＮＸ物質層上に形成されたシリコンを蒸着した後、熱処理してポリシリコン層を形成する工程と、を含むことを特徴とするポリシリコンを含む半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記ＴａＮＸ物質層のＸは、０．５ないし１．５の範囲を有することを特徴とする請求項８に記載のポリシリコンを含む半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ＴａＮＸ物質層を、スパッタリング、ＡＬＤまたはＩＢＤ工程によって形成することを特徴とする請求項８または９の何れかに記載のポリシリコンを含む半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ＴａＮＸ物質層を、２００℃ないし６００℃の温度で形成することを特徴とする請求項８または９の何れかに記載のポリシリコンを含む半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリシリコンを含む半導体素子に係り、さらに詳細には、ダイオードなどの半導体素子に使われるポリシリコンの形成時に、ポリシリコンの安定な成長を誘導し、ポリシリコン内部への拡散を最小化できる伝導性物質層を備える半導体素子に関する。したがって、本発明は、半導体メモリ装置に応用しうる。
【背景技術】
【０００２】
ポリシリコンは、ダイオード、薄膜トランジスタなどの半導体素子に広く使われる物質であって、低温蒸着が可能であり、高濃度ドーピングが可能な物質と知られている。特に、最近注目されている１Ｄ（Ｄｉｏｄｅ：ダイオード）−１Ｒ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：抵抗体）構造のクロスポイント型メモリ素子に関する研究は活発に進められており、ポリシリコンが、シリコンダイオード（ｐｎまたはショットキー障壁ダイオード）の材料として使われる。
【０００３】
図１Ａは、従来の技術によるｐｎ接合ダイオードの構造を示す斜視図である。図１Ａを参照すれば、下部電極１１上にｐ型ポリシリコン層１２、ｎ型ポリシリコン層１３で形成されたダイオード構造体１２，１３が形成され、ダイオード構造体１２，１３上に上部電極１４が形成されている。クロスポイント型メモリ素子、例えば、ＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）では、下部電極１１と上部電極１４とが相互交差して形成され、ダイオード構造体１２，１３と上部電極１４との間に転移金属酸化物で形成されたストレージノードを含む。
【０００４】
ポリシリコンの下部に形成される電極は、シリコンとの接着特性が良好でなければならず、その上部に成長するポリシリコンの結晶性が高くなければならず、電極からポリシリコンへの拡散がよくはなされない物質が望ましい。従来、ポリシリコンの下部の電極としては、Ｗ、ＴａまたはＴｉを使用し、下部電極とポリシリコンとの間には、ＴｉＮなどの障壁層を形成して金属拡散を防止する方法を使用した（特許文献１参照）。しかし、前述した金属は、シリコンとの接着特性が良くなく、ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：エキシマレーザーアニーリング）熱処理過程で高品質のポリシリコンを形成し難く、特に、ＥＬＡ工程または後続熱処理工程で金属からポリシリコンへの拡散が大きく発生してｐｎダイオードの形成が難しいという問題点がある。
【０００５】
図２Ａは、ＥＬＡによって低温結晶化したポリＳｉ（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）／Ｔｉ／Ｍｏ／ＳｉＯ２サンプルの２次イオン質量分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下、ＳＩＭＳという）の分析結果を表したグラフである。ここでは、ＳｉＯ２絶縁薄膜上にＭｏ及びＴｉを金属層で形成し、金属層上にシリコンを塗布したサンプルに対して、ＥＬＡで低温熱処理してポリシリコンを形成した。次いで、サンプルの深さによる成分別組成値を調べた。図２Ａを参照すれば、短いスパッタリング時間領域でＴｉ及びＭｏが観察されるということが分かる。これは、ポリシリコン層の下部に形成されたＴｉ及びＭｏ層の物質がＥＬＡ熱処理過程でポリシリコンの内部に拡散して浸透したものである。
【０００６】
図２Ｂは、ＥＬＡによって結晶化したポリＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／ＳｉＯ２サンプルの断面を撮った透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）イメージである。図２Ｂを参照すれば、ＥＬＡ工程でＳｉが液状に変わる時点でＳｉがＴｉ及びＭｏと反応してＳｉ−Ｔｉ、Ｓｉ−Ｍｏなどのシリサイドが形成された領域（点線）が存在するということが分かる。シリサイドは、金属の融点を下げる役割を行い、これにより、金属は、シリコン膜の内部に拡散する。特に、ポリシリコンの結晶粒界を通じてポリシリコンの表面まで拡散する場合もある。これにより、素子自体の特性に大きい問題が発生することもある。
【０００７】
図３Ａは、アモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）／Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／ＳｉＯ２サンプルを約５００℃のＮ２雰囲気で約５分間熱処理を実施した後の表面を撮った顕微鏡写真である。そして、図３Ｂは、アモルファスＳｉ／Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉ／ＳｉＯ２サンプルを約５００℃のＮ２雰囲気で約５分間熱処理を実施した後の表面を撮った顕微鏡写真である。図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、アモルファスＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／ＳｉＯ２、アモルファスＳｉ／Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉ／ＳｉＯ２サンプルを５００℃のＮ２雰囲気で熱処理すれば、アモルファスＳｉは、下部金属層との反応性が大きく増大してシリサイドを形成し、薄膜表面が非常に粗くなったということが確認できる。
【特許文献１】米国特許第６１８０４４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の技術の問題点を解決するためのものであって、ポリシリコンを形成する工程でシリコンとの接着特性に優れ、ポリシリコンの成長が容易であり、シリコン内部への拡散が少ないので、その自体で拡散防止膜の役割を行えるポリシリコンを含む半導体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】
【０００９】
前記課題を達成するために、本発明では、ＴａＮＸ物質層と、前記ＴａＮＸ物質層上に形成されたポリシリコン層と、を備えるポリシリコンを含む半導体素子を提供する。
【００１０】
本発明において、前記ＴａＮＸ物質層のＸは、０．５ないし１．５の範囲を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記ポリシリコン層は、ｐ型ポリシリコン層であり、前記ｐ型ポリシリコン層上に形成されたｎ型ポリシリコン層をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記ＴａＮＸ物質層の格子構造は、キュービック構造であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明では、ＴａＮＸ物質層を形成する工程と、前記ＴａＮＸ物質層上に形成されたシリコンを蒸着した後、熱処理してポリシリコン層を形成する工程と、を含むポリシリコンを含む半導体素子の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明において、前記ＴａＮＸ物質層のＸは、０．５ないし１．５の範囲を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記ＴａＮＸ物質層を、２００℃ないし６００℃の温度でスパッタリング、ＡＬＤ（原子層堆積）またはＩＢＤ（イオンビーム蒸着）工程によって形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、次のような効果がある。
【００１７】
第一に、従来の一般的な金属電極上にポリシリコンを形成する熱処理過程で、金属電極の物質がポリシリコンの結晶粒界を通じて広がる問題点を防止しうる。
【００１８】
第二に、本発明の実施例によるＴａＮＸは、ポリシリコンとの接着特性に優れ、安定なポリシリコン成長を容易にする。
【００１９】
第三に、本発明の実施例によるＴａＮＸは、電極としての役割はもとより、不純物がポリシリコン層の内部に広がることを防止する拡散防止膜の役割を同時に行える。
【００２０】
第四に、優秀な特性のポリシリコンダイオードを提供でき、ダイオード以外に、ＴａＮＸ／ポリシリコン構造を有する半導体素子に効果的に応用しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例によるポリシリコンを含む半導体素子及びその製造方法について詳細に説明する。この過程で図面に示された層や各領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示されている。
【００２２】
図４は、本発明の実施例によるポリシリコンを含む半導体素子を示す図面である。本発明の基本構造は、ＴａＮＸ上に形成されたポリシリコン層であり、ここでは、ＴａＮＸ下部電極上にポリシリコンダイオード構造体が形成された構造を表した。
【００２３】
図４を参照すれば、下部電極２１上にｐ型ポリシリコン層２２、ｎ型ポリシリコン層２３で形成されたダイオード構造体２２，２３が形成されている。そして、ダイオード構造体２２，２３上には、上部構造体２４が形成されている。単純なダイオード構造体である場合には、上部構造体２４は上部電極となる。一方、クロスポイント型メモリ素子、例えば、ＲＲＡＭである場合には、上部構造体２４は、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの多様な転移金属酸化物で形成されたストレージノードである抵抗層及び下部電極２１と交差して形成された上部電極を備える構造となる。ショットキー障壁ダイオードの場合には、下部電極上にｎ型ポリシリコン層が形成され、ｎ型ポリシリコン層上には、ショットキー障壁を形成するシリサイドが形成された構造となる。
【００２４】
前述したように、本発明の実施例によるポリシリコン成長のためのＴａＮＸは、特に、ポリシリコンｐｎ接合ダイオード、ショットキー障壁ダイオードまたはクロスポイント型メモリ素子で非常に有用に適用できるが、これに限定されず、ポリシリコン層の下部に形成された導電層構造を有する半導体素子では制限されずに適用される。
【００２５】
以下、ＴａＮＸ上に形成されたポリシリコンを含む半導体素子の特性について詳細に説明する。まず、ＴａＮＸ物質層を形成する。そして、ＴａＮＸ物質層上にシリコンを塗布する。熱処理していない状態でのシリコンは、アモルファス状態（非晶質状態）である。そして、アモルファスシリコンをポリシリコンにするために熱処理工程を実施する。熱処理工程は、ＥＬＡ工程で実施しうる。
【００２６】
図５Ａは、前述したように、約５０ｎｍの厚さのＴａＮＸ電極上に形成されたアモルファスＳｉをＥＬＡ方式で結晶化した後、波長対ＵＶ反射度を示すグラフである。図５Ａで注目せねばならない領域は、２５０ｎｍないし３００ｎｍのＵＶ反射度である。図５Ａを参照すれば、３つのサンプルが何れも結晶化されたシリコン（ｃ−Ｓｉ）グラフと類似した形態のグラフを表し、これは、すなわち、ポリシリコンがよく形成されたということを意味する。もし、アモルファスシリコン状態ならば、２５０ｎｍないし３００ｎｍの波長帯において、グラフが、右下方の直線形態として現れる。
【００２７】
図５Ｂは、ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）で低温結晶化したポリＳｉ／ＴａＮ／ＳｉＯ２サンプルに対するＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析結果を示すグラフである。図５Ｂに表したＳＩＭＳ結果グラフを、図２Ｂに示した従来の技術によるポリＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／ＳｉＯ２サンプルのＳＩＭＳ結果グラフと比較すれば、その差が明確である。
【００２８】
具体的に説明すれば、図５Ｂに示したグラフを参照すれば、ポリシリコンの形成領域とＴａＮＸの形成領域とが明確に区分されるということが分かる。一定深さまではポリシリコンのみが存在し、一定領域以下では、ＴａＮＸが集中的に存在する。ポリシリコンとＴａＮＸとの間には、ＴａＮＸ及びシリコンの反応結果物であるＴａＳｉＮが形成され、不純物の拡散を防止する。
【００２９】
一方、図２Ｂの場合、ポリシリコンの下部の金属層の物質がポリシリコン内部に広がって、ほぼポリシリコンの表面領域まで金属物質が存在するということが分かる。結果的に、ＴａＮＸを下部電極として使用した場合、ＴａＮＸ物質はもとより、その下部に形成されたＳｉＯ２の酸素成分がポリシリコン層に広がることを防止するということが分かる。したがって、ＴａＮＸを下部電極として使用する場合、金属電極及び拡散防止膜の役割を同時に行える。
【００３０】
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の実施例によるＴａＮＸ電極をスパッタリング工程で形成する過程でＮ２分圧と導電率との関係を示すグラフである。スパッタリング工程でターゲットとしてＴａＮＸを使用して基板上にＴａＮＸを蒸着させる工程で、雰囲気ガスとしてＡｒ及びＮ２を使用して基板上にＴａＮＸの組成を調節して形成した後、抵抗値を測定した。
【００３１】
図６Ａ及び図６Ｂを参照すれば、Ｎ２の分圧が低い場合には、抵抗値が小さく、極めて低い場合には、ほぼ金属特性を表すということが分かる。一方、Ｎ２の分圧を増大させた場合、半導体特性を表すことを確認できる。本発明の実施例によるＴａＮＸ電極の場合、Ｔａ及びＮの組成比（Ｔａ：Ｎ）が１：０．５ないし１：１．５であることが望ましい。すなわち、ＴａＮＸで、Ｘは、０．５ないし１．５範囲であることが望ましい。スパッタリング、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：原子層堆積法）またはＩＢＤ（Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：イオンビーム蒸着法）でＴａＮＸを形成する場合、２００℃ないし６００℃の工程温度でＮ２の分圧を５％ないし２５％に調節することが望ましい。
【００３２】
図７は、２００℃ないし６００℃の温度範囲でスパッタリング工程で形成したＴａＮＸに対するＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）グラフである。図７を参照すれば、３５．８６１°、４１．６４１°及び６０．３１２°領域でピークが観察でき、これは、形成されたＴａＮＸがキュービック構造を有することを表す。
【００３３】
前記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ではなく、望ましい実施例の例示であると解釈されたい。本発明の実施例によるポリシリコン成長のためのＴａＮＸは、ｐｎ接合ダイオードの下部電極、クロスポイント型メモリ素子だけでなく、ポリシリコンを電極層上に形成する場合にその電極層として使われ、その制限はない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施例によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、半導体メモリ装置関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の技術によるポリシリコンダイオードの構造を示す斜視図である。
【図２Ａ】ＥＬＡによって結晶化したポリＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／ＳｉＯ２サンプルのＳＩＭＳの分析結果を示すグラフである。
【図２Ｂ】ＥＬＡによって結晶化したポリＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／ＳｉＯ２サンプルの断面を撮ったＴＥＭイメージである。
【図３Ａ】アモルファスＳｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／ＳｉＯ２サンプルを約５００℃のＮ２雰囲気で約５分間熱処理を実施した後の表面を撮った顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】アモルファスＳｉ／Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉ／ＳｉＯ２サンプルを約５００℃のＮ２雰囲気で約５分間熱処理を実施した後の表面を撮った顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施例によるポリシリコンを含むダイオード構造体を示す図面である。
【図５Ａ】約５０ｎｍの厚さのＴａＮ電極上に形成されたアモルファスＳｉをＥＬＡ方式で結晶化した後、波長−ＵＶ反射度を示すグラフである。
【図５Ｂ】ＥＬＡで低温結晶化したポリＳｉ／ＴａＮ／ＳｉＯ２サンプルに対するＳＩＭＳの分析結果を示すグラフである。
【図６Ａ】本発明の実施例によるＴａＮＸ形成工程でのＮ２の比率と抵抗との関係を示すグラフである。
【図６Ｂ】本発明の実施例によるＴａＮＸ形成工程でのＮ２の比率と抵抗との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例によるＴａＮＸを形成した後、Ｘ線回折特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１１，２１  下部電極
１２，２２  ｐ型ポリシリコン層
１３，２３  ｎ型ポリシリコン層
１４，２４  上部電極
【図１】
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【図２Ａ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図５Ｂ】
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【図７】
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