(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１の導電層と、
前記第１の導電層上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第２の導電層と、
前記第１の導電層と接して設けられた第３の導電層と、該第３の導電層上に形成され加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、該抵抗変化層上に形成され前記第２の導電層と接続された第４の導電層とが積層され、前記第１の導電層上に前記層間絶縁膜に囲まれて柱状に形成された積層膜とを有し、
前記抵抗変化材料と前記第３の導電層との接触面積と、前記抵抗変化材料と前記第４の導電層との接触面積とが同じであり、
薄膜層が前記抵抗変化層の側壁と、前記第３の導電層の側壁と、前記第４の導電層の側壁と、前記抵抗変化材料と前記第３の導電層との接続部と、前記抵抗変化材料と前記第４の導電層との接続部とが接するように連続して形成され、
前記薄膜層は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料で形成され、
前記薄膜層の一表面は、前記第１の導電層の少なくとも一つと前記第２の導電層とが接触し、
前記第１の導電層と前記第２の導電層が前記薄膜層の外側表面を超えて、互いに水平方向に延在し、
前記第１の導電層の対応する表面に接触する前記第３の導電層の接触面積は、前記第１の導電層の表面積の総計より小さく、
前記第２の導電層の対応する表面に接触する前記第４の導電層の接触面積は、前記第２の導電層の表面積の総計より小さく、
前記第１の導電層の対応する表面と接触する前記第３の導電層の接触面積と前記第２の導電層の対応する表面と接触する前記第４の導電層の接触面積とが等しい
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２】
基板上に形成された第１の導電層と、
加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗変化層上に形成された第２の導電層とが前記第１の導電層上に形成された積層膜と、
前記抵抗変化層の側壁と、前記第２の導電層と、前記抵抗変化層と前記第１の導電層との第１の接続部と、前記抵抗変化層と前記第２の導電層との第２の接続部とが接するように連続して形成され、その一表面が前記第１の導電層の表面と接し、前記第１の導電層がその外側表面を超えて水平方向に延在するように配置された絶縁層と、
前記第１の導電層と前記絶縁層に隣接して形成された層間絶縁層とを有し、
前記抵抗変化層の底部の接触面積は、前記抵抗変化層と前記第２の導電層との接触面積とが同じであり、
前記絶縁層が前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料で形成され、
前記第１の接続部が前記第１の導電層に接する接触面積が前記第１の導電層表面の総面積より小さく、
前記第２の接続部が前記第２の導電層に接する接触面積が前記第２の導電層表面の総面積より小さく、
前記第１及び第２の接続部の接触面積が等しいこと
を特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項３】
前記基板に形成された拡散層を具備してなるトランジスタを有し、
前記第１の導電層と前記拡散層とがプラグ層により電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載の不揮発性記憶装置。
【請求項４】
前記第１の導電層は、前記第１の導電層と前記プラグ層との接触面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項３記載の不揮発性記憶装置。
【請求項５】
前記積層膜は、前記抵抗変化層の一端面およびそれに対向する他端面に接して形成された第２および第３の導電層を有することを特徴とする請求項２記載の不揮発性記憶装置。
【請求項６】
前記絶縁膜および前記第１の導電層を囲むように形成された別の絶縁膜をさらに有し、
前記別の絶縁膜は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする請求項５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項７】
前記第２の導電層、前記抵抗変化層および前記第３の導電層からなる積層膜を、前記第２の導電層に対して自己整合的にドライエッチング加工したことを特徴とする請求項５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項８】
前記第３の導電層が、複数の異なる金属材料の積層からなることを特徴とする請求項５記載の不揮発性記憶装置。
【請求項９】
基板上に形成された第１の導電層と、
加熱条件により結晶または非結晶のいずれかの状態を遷移し、その抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗層の一端面上に形成された第２の導電層と、前記一端面に対向する他端面に形成された第３の導電層とからなり、前記第１の導電層上に形成された積層膜と、
前記抵抗変化層と前記第２の導電層と第３の導電層のそれぞれの側壁を囲むように形成され、前記第１の導電層の表面にその一端が接するように設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の側壁の一部を覆うように形成され、前記第１の導電層の表面にその一端が接するように設けられた導電性の金属材料膜と、
前記第１の導電層と前記導電膜と前記絶縁膜を囲むように形成された層間絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜は、前記層間絶縁膜に比べて熱伝導率の高い材料からなり、
前記導電性の金属材料膜の断面形状は、一端が細く他端がより太い側壁スペーサーからなることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項１０】
前記基板に形成された拡散層を具備してなるトランジスタを有し、
前記第１の導電層と前記拡散層とがプラグ層により電気的に接続されていることを特徴とする請求項９記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１１】
前記第１の導電層は、前記第１の導電層と前記プラグ層との接触面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１０記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１２】
前記第２の導電層、前記抵抗変化層および前記第３の導電層からなる積層膜を、前記第２の導電層に対して自己整合的にドライエッチング加工したことを特徴とする請求項９記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１３】
前記第３の導電層が、複数の異なる金属材料の積層からなることを特徴とする請求項９記載の不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置と同一基板上に形成して用いる不揮発性記憶装置に関するのもので、不揮発性記憶装置を構成する材料は金属化合物である。この技術は、半導体不揮発性記憶装置、あるいは不揮発性記憶装置を搭載した半導体論理演算装置と関連が深い。
【背景技術】
【０００２】
金属化合物の結晶状態と非晶質状態を記憶情報として用いる不揮発性記憶装置がある。これは、物質の非晶質状態と結晶状態との違いを利用して情報を格納するものであり、材料としては、一般にテルル化合物が用いられる。それらの反射率の違いで情報を記憶する原理は、ＤＶＤ（ディジタル・バーサタイル・ディスク）のような光学的情報記憶媒体に広く用いられている。
近年になり、この原理を電気的情報記憶にも用いる提案がなされている。これは光学的手法と異なり、非晶質と結晶との電気抵抗の差、即ち、非晶質の高抵抗状態と結晶の低抵抗状態を、電流量あるいは電圧変化で検出する方法である。公知の技術発表としては、非特許文献１などが挙げられる。また、公知特許では、特許文献１(特開２００３−１０００８５号公報)などがある。本発明は、後者の電気的情報記憶に関わるものである。
この記憶原理の特徴として、従来の半導体不揮発性記憶装置（浮遊ゲート型記憶装置、窒化膜中電子捕獲型記憶装置）に比して、情報の書換が非常に速い事が挙げられる。これを用いれば、不揮発性記憶装置の書換に伴う遅延を改善でき、不揮発性記憶装置を用いたシステムの性能を飛躍的に向上させることが可能である。そのためには、これまでのシステムと同様、半導体装置上に不揮発性記憶装置として組み入れなくてはならない。半導体装置に組み入れて電気的情報書換を行う際は、この材料あるいはこの材料近傍の発熱体に通電した際に発生するジュール熱を利用する。結晶状態から非晶質に変更する場合は、高い電圧、大きな電流で発生する熱を発生させ、材料の融点に過熱し、急速に冷却する。非晶質状態を結晶状態にする場合は、結晶化温度（一般に融点より低い）になるように、発生熱量を制御、即ち、印加する電圧、電流を制限する。このような動作において、如何に速やかな書換速度を実現するかが重要である。公知の技術では、その点についての情報は開示されていない。【０００３】
また、この記憶原理のもう一つの課題として、記憶保持時間の向上が挙げられる。この材料では、非晶質は準安定状態であり、放置状態のまま一定の時間を経ると、エネルギー的に安定な結晶へ変化してしまう。即ち、非晶質状態として記憶した情報が、結晶化により消失してしまう。信頼性確保のためには、非晶質状態が結晶に変化するまでの時間を延ばすことが重要である。しかし、結晶はその性質上、結晶核の周囲に成長するため、非晶質と結晶とが混在する状態では、結晶化までの時間を延長させることは容易ではない。これを図１のような構造をとる場合で説明する。ME1は下部配線層、INS１はME１を覆う絶縁層、PLUGはINS１中を貫く、ME1から上部方向へ引き出された柱状の配線層である。CHLは抵抗変化材料、UPMはその上部に接触して設けられた上部電極、INS２は絶縁層、INS3は上部電極を覆う絶縁層、ME２は上部配線層、PLUG２はUPMとME2を接続する柱状電極である。非晶質に状態を変化させる際にはME1とME2の間に電流を流すが、この電流は広い上部電極UPMからCHLBに流れ込み、直径の小さいPLUG１に集中する。このため、発熱部位はPLUG1上が主となり、非晶質に変化する部分はごく一部の領域（CHLSR）に限られ、電流経路とならない周辺部位は十分に温度が上がらず結晶（CHLB）のままで残ってしまう。この構造では非晶質が結晶と接触する面が存在するので、そこから結晶化が進んでしまい、情報保持寿命が短くなる虞がある。非特許文献１(“A Novel Cell Technology Using N-Doped GeSbTe Films for Phase Change RAM (IEEE,VLSI Technology Symposium 2003)、2003年、p.177―178)で開示された構造が、これに該当する。特許文献１は、抵抗変化材の上底部および下底部が全て電極として作用する構造になっており、発熱は抵抗変化材料の内部全てで起こると考えられるが、下部電極の直ぐ下にシリコンが存在している。このため、下部電極側の放熱は若干悪くなり、材料を非晶質化した際も、下部電極側に結晶が残り、情報保持時間が短くなる可能性がある。【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０００８５号公報
【非特許文献１】“A Novel Cell Technology Using N-Doped GeSbTe Films for Phase Change RAM”、アイ・イー・イー、ブイエルエスアイ・テクノロジー・シンポジウム２００３年予稿集(IEEE,VLSI Technology Symposium 2003)、２００３年、p.１７７―１７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、非晶質と結晶とを熱によって変化させて記憶する、電気的読み出しを行なう不揮発性記憶装置の構造において、抵抗変化材料に接する材料の熱伝導率が、その抵抗変化材料に接しない絶縁膜の熱伝導率よりも高くすることにより達成できる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
速やかな書換速度を実現するためには、加熱と放熱の時間が速いことが必要である。急速な加熱は外部からの電圧、電流印加で制御できる。しかし、放熱は電圧、電流を遮断した後の周囲への熱伝導で決まってしまう。したがって、迅速な書換のために、非晶質・結晶間を変化させる材料を、熱伝導の良い他の材料と接する構造にする。
また、結晶と非晶質の混在を防ぎ、抵抗変化材料全体を非晶質あるいは結晶とするため、抵抗変化材料の上底部と下底部に、それらと同面積の金属電極材料を設ける。且つ、速やかな放熱のため、抵抗変化材料は電極間にシリコンを含まない配線構造中に設ける。【０００７】
これらを図２に示す。非晶質と結晶が混在しない抵抗変化材料CHLSRは、下部柱状電極PLUG２に接し、上部電極UPMに接する。CHLSRとUPM、CHLSRとPLUG２の接触面積は、夫々同じである。これにより、電流の経路は均一となり、抵抗変化材料全体が非晶質あるいは結晶となる。また、CHLSR側壁は、層間絶縁膜INS１よりも熱伝導率の高い材料HSに接し、CHLSRからの熱放散は速やかに行われる。これにより、CHLSRの非晶質化、結晶化が速やかとなる。なお、層間絶縁膜INS１よりも熱伝導率の高い材料HSとしては、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜又はチタン窒化膜の何れかを用いる。
この構造は、上部電極、抵抗変化材料、下部電極からなる積層を、上部電極に対して自己整合的にドライエッチング加工することで得られる。
【発明の効果】
【０００８】
以上、開示した実施形態により、書換の速い不揮発性記憶装置を実現できる。また、抵抗変化材料と上部電極との接触面積および下部電極との接触面積が等しいので、どちらか片方の電極に偏った発熱を抑えられる。これにより、抵抗変化材料内部に結晶と非晶質とが混在することを防ぐことが出来、情報保持寿命の長い不揮発性記憶装置を実現できる。これにより、不揮発ランダム・アクセス・記憶装置、高信頼性不揮発記憶装置装置が実現可能である。また、それらを半導体論理演算装置の不揮発記憶装置として搭載すれば、格納プログラムの自由な書換えが可能且つ信頼性の高いマイクロコンピュータおよびICカードなどを供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図３から図９を用い、本発明の実施形態およびその製造方法を説明する。この抵抗変化材料は、MOSトランジスタのドレイン側に接続するものと仮定する。図３は、半導体集積回路装置で用いられる既知のMOSトランジスタである。このMOSトランジスタは、素子分離溝ISO、ｐ型ウエルPWE、ｎ型ソースNS、ｎ型ドレインND、ゲート電極GATE、側壁スペーサーSPC、からなる。ND上に抵抗変化材料に接続するプラグ配線PLUG１を設ける。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、NSに対する配線引き出しは図示しないこととする。
図４は、図３の上に下部電極層BM、抵抗変化材料CHL、上部電極層UM、および絶縁層SINを堆積する。SINは、プラズマ堆積法で形成された、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が良い。低圧での化学的気相成長法では、堆積温度が高温になり、CHLが揮発してしまうためである。
図５では、これを既知のリソグラフィとドライエッチング技術を用いて加工する。RES１は、このときに用いるフォトレジストである。このときのドライエッチングは、BMまでで止める。【００１０】
図６を説明する。図５からRES1を除去した後、先に加工したCHL、UPM、SINの積層膜側壁に、スペーサー上のSWHS1を設ける。その後、全体を絶縁膜INS２で覆う。SWHS１は、INS２の材料よりも熱伝導率が高い材料とする。INS２がシリコン堆積酸化膜であれば、SWHS1としてはシリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜などが挙げられる。SWHS1の下部が金属材料BMに接していることで、CHLからの速やかな熱放散に寄与する。SWHS1を設けてから、BMを加工した理由を説明する。CHLの加工は、まずリソグラフィでPLUG1に対する合わせを行うことから始まる（図５）。このとき、製造上の合わせずれは、ほぼ確実に発生する。合わせずれが出た状態でBMまで加工すると、BMとPLUG1の表面との接触面積がばらついて電流が変わり、素子の特性変動を生んでしまう。これを防ぐため、SWHS1を設けることで加工後のBMの面積を増やし、上記の合わせずれが発生してもPLUG1を必ず覆うようにすれば、BMとPLUG1との接触面積を一定にできる。【００１１】
図７は、図６にCMP（化学的機械的研磨）を行う。このとき、SINは完全に除去してしまい、上部電極UMを露出させる。
図８では、図７の状態に対して、金属配線層M2および保護膜CAP2を堆積する。【００１２】
これを既知のリソグラフィとドライエッチングで加工して、全体をシリコン堆積酸化膜で覆ったのが、図９である。以降、既知の方法によって、所望の配線層形成を行うが、本図では省略する。
なお、CHLで発生したジュール熱は、UPMおよびBMを介して放散するが、UPMには金属配線層M2が接続されているので、UPM側に放散した方が冷却効果が高い。したがって、PLUG1の高さとBMの膜厚との合計よりも、UPMの膜厚を小さくすることで、M2を利用した熱放散の効果が高まる。【００１３】
図１０から図１２で、他の実施形態を説明する。これは、下部電極、抵抗変化材料、上部電極の３層が、１つの柱状構造になる実施例であり、図９の実施形態よりも電流の流れが均一になることを目的としたものである。
図１０は既知のMOSトランジスタ上に下部電極そうBM1、BM2、抵抗変化材料CHL、上部電極UM、絶縁層SINを、順次、堆積したものである。
これを図５と同様の方法で加工し、BM1を加工せずに残す（図１１）。
以降、図６から図８に対応する製造手順を踏み、図１２の構造とする。図９との差異は、CHLは、CHLと同じ柱状のBM2と接していることにある。即ち、BM2、CHL、UMの３層を流れる電流経路には電流集中部分が無く、本発明の目的の一つである、抵抗変化材料内での均一な熱発生に寄与する。なお、抵抗変化材料CHL側壁に接触して設けられた熱伝導率の高い材料SWHSとしては、図９の構造と同様に、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜などが挙げられる。【００１４】
また、図９ではCHL下部に接するBMはCHLよりも面積が大きいのに対し、図１２ではCHL下部に接するBM2はCHLと同面積である。図９の場合、CHLとBMとを貫通する電流は、CHL下端部から垂直にBMに流れずに、一部がBM外端部側に斜めにはみ出した経路をとる。一部、電流経路が不均一になる。図１２のように、CHLと同面積のBM2をBM1上に設けることにより、CHL端部においても電流が均一な経路を辿って流れるようになる。【００１５】
図１３は、更に他の実施例である。これは、図１２のSWHS外側に、更に熱伝導の良い側壁SWHSMを設けた後に、BM1を加工した形状である。SWHSMは金属材料が良いが、CMP後にM1と接触しないようにするため、SWHSよりも低い高さに形成する事が必要である。SWHSMにより、図９の構造よりも更に速やかな放熱が期待できる。【００１６】
図１４から図１５で示す構造は、CHL側壁に接触する熱伝送の良い材料が、スペーサー形状でない場合の実施形態である。図１４は図６に対応する工程であるが、図６で存在したSWHS１を洗浄で除去し、その代わりに、全面に熱伝導率の高い層FLMHSを堆積してある点が異なる。以降は、図７から図９に対応する工程を順次進め、図１５の構造を形成する。FLMHSは堆積のみ行うので、図３から図９で説明したSWHS１よりも膜厚が厚く出来る。このため、SWHS１よりも放熱効果が高い事が期待できる。FLMHSの材料は、スパッタあるいはプラズマ堆積法で形成したシリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜などが挙げられる。【００１７】
図１６は、CHL側壁のSWHS２を残したまま、FLMHSを堆積した構造である。SWHS2の材質はFLMHSと同じで良く、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜などが挙げられる。熱効果は図１５と同一であるが、SWHSを除去する工程が不要なので、それだけ工程数を削減できる長所がある。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
以上のように、不揮発ランダム・アクセス・記憶装置、高信頼性不揮発記憶装置装置が実現可能である。また、それらを半導体論理演算装置の不揮発記憶装置として搭載すれば、格納プログラムの自由な書換えが可能且つ信頼性の高いマイクロコンピュータおよびICカードなどに適している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】抵抗変化材料を用いた公知の不揮発性記憶装置断面図。
【図２】抵抗変化材料を用いた不揮発性記憶装置の、本発明の構造概念図。
【図３】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図４】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図５】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図６】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図７】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図８】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図９】本発明の概念に基づく構造を製造する工程における断面図。
【図１０】本発明の概念に基づく他の構造を製造する工程における断面図。
【図１１】本発明の概念に基づく他の構造を製造する工程における断面図。
【図１２】本発明の概念に基づく他の構造を製造する工程における断面図。
【図１３】本発明の概念に基づく他の構造を製造する工程における断面図。
【図１４】本発明の概念に基づく更に別の構造を製造する工程における断面図。
【図１５】本発明の概念に基づく更に別の構造を製造する工程における断面図。
【図１６】本発明の概念に基づく更に別の構造を製造する工程における断面図。
【符号の説明】
【００２０】
ME1…下部配線層、
PLUG１…ME1とCHLとを接続するプラグ配線、
UPM…CHL上部に接触する上部電極、
ME2…上部配線層、
PLUG２…UPMとME2とを接続するプラグ配線、
CHLSR…CHL内部の抵抗変化領域、
CHLB…CHL内部で抵抗変化に寄与しない領域、
CHL…抵抗変化材料、
SWHS…CHL側壁に接触して設けられた熱伝導率の高い材料かなる側壁スペーサー、
SWHSM…SWSHに接してその外側に設けられた金属からなる側壁スペーサー、
SWHS1…CHL側壁スペーサー、
FLMHS…CHLに接触して被着されたINS2よりも熱伝導の良い絶縁膜、
SWHS2…FLMHSと同じ材質からなり、CHLに接触して被着された側壁スペーサー、
INS1…層間膜（１層目）、
INS2…層間膜（２層目）、
INS3…層間膜（３層目）、
HS…CHL側壁に接触して設けられた、熱伝導率の高い材料からなる層、
GATE…ｎ型MOSトランジスタのゲート電極、
SPC…GATE側壁に形成された絶縁膜のスペーサー、
NS…Ｎ型ソース領域、
ND…Ｎ型ドレイン領域、
ISO…素子分離領域、
SIN…UPM上に設けたシリコン窒化膜、
UM…上部電極層、
BM…下部電極層、
RES1…UPM,CHL,BMを加工するためのマスクとなるフォトレジスト、
CAPM2…M2上の絶縁膜、
M1,ME1…下部配線層、
M2,ME2…上部配線層。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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