(57)【要約】      （修正有）【課題】相変化記憶素子およびその形成方法を提供する。【解決手段】この素子は電極ホール１１２を有する加熱電極１０６を有する。電極ホール１１２は加熱電極１０６の所定の領域を貫通する。相変化物質パターン１１６ａが電極ホール１１２の内側壁と接触する。相変化物質パターン１１６ａと加熱電極１０６の接触面は電極ホール１１２の内側壁面である。これによって、加熱電極１０６と相変化物質パターン１１６ａの接触面積を減少させて相変化記憶素子の消費電力を減少させることができる。【選択図】図３
2005159325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置され、それの所定の領域を貫通する電極ホールを有する加熱電極と、
前記電極ホールの内側壁と接触する相変化物質パターンとを含むことを特徴とする相変化記憶素子。
【請求項２】
前記加熱電極を覆い、自身の所定の領域を貫通するガイドホールを有する絶縁膜をさらに含み、
前記相変化物質パターンは、前記絶縁膜上に配置され、前記相変化物質パターンの一部分は、前記ガイドホールに沿って延長されて前記電極ホールの内側壁と接触することを特徴とする請求項１に記載の相変化記憶素子。
【請求項３】
前記電極ホールの側壁および前記ガイドホールの側壁は同一な一直線上に位置することを特徴とする請求項２に記載の相変化記憶素子。
【請求項４】
少なくとも前記ガイドホールの側壁が傾き、前記ガイドホールの上端幅は下端幅に比べて大きいことを特徴とする請求項２に記載の相変化記憶素子。
【請求項５】
前記ガイドホールの側壁に形成されたスペーサをさらに含み、前記加熱電極は前記スペーサの下部面の下に延長されて、前記電極ホールの幅が前記ガイドホールの幅に比べて小さいことを特徴とする請求項２に記載の相変化記憶素子。
【請求項６】
前記相変化物質パターンの上部面上に配置された導電性キャッピングパターンをさらに含み、前記導電性キャッピングパターンは前記相変化物質パターンの側壁に整列された側壁を有することを特徴とする請求項１に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項７】
前記加熱電極と前記基板との間に介在された下部層間絶縁膜と、
前記下部層間絶縁膜を貫通して前記基板の所定の領域と接触し、それの上面は前記加熱電極と電気的に接続する下部プラグとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の相変化記憶素子。
【請求項８】
前記相変化物質パターンを覆う上部層間絶縁膜と、
前記上部層間絶縁膜を貫通して前記相変化物質パターンと接触する上部プラグとをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の相変化記憶素子。
【請求項９】
前記下部プラグおよび上部プラグは前記基板の上面に垂直な仮想の垂直線上に整列されることを特徴とする請求項８に記載の相変化記憶素子。
【請求項１０】
前記ガイドホールおよび電極ホールは前記下部または／および上部プラグからオフセットされることを特徴とする請求項８に記載の相変化記憶素子。
【請求項１１】
前記相変化物質パターンは前記電極ホールの側壁を通じてのみ前記加熱電極と接触することを特徴とする請求項１に記載の相変化記憶素子。
【請求項１２】
基板の所定の領域上に加熱電極を形成する段階と、
前記加熱電極の所定の領域を貫通する電極ホールを形成する段階と、
前記電極ホールの内側壁と接触する相変化物質パターンを形成する段階とを含むことを特徴とする相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１３】
前記基板上に下部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記下部層間絶縁膜を貫通して前記基板の所定の領域と接触する下部プラグを形成する段階とをさらに含み、前記加熱電極は前記下部プラグの上面と接触するように形成することを特徴とする請求項１２に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１４】
前記電極ホールは前記下部プラグからオフセットされるように形成することを特徴とする請求項１３に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１５】
前記加熱電極を覆う絶縁膜を形成する段階と、
前記絶縁膜をパターニングして前記絶縁膜の所定の領域を貫通するガイドホールを形成する段階と、
をさらに含み、
前記相変化物質パターンは前記ガイドホールを通じて延長されて前記電極ホールの内側壁と接触するように形成されることを特徴とする請求項１２に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１６】
前記ガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、
前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させる前記ガイドホールを形成する段階と、
前記露出した加熱電極を選択的にエッチングして前記電極ホールを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１７】
前記ガイドホールはそれの側壁が傾くように形成され、前記ガイドホールの上端幅がそれの下端幅に比べて大きく形成されることを特徴とする請求項１５に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１８】
前記側壁に傾いたガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、
前記絶縁膜に傾いたエッチング工程を含むパターニング工程を遂行して前記加熱電極の所定の領域を露出させ、前記側壁が傾いたガイドホールを形成する段階と、
前記露出した加熱電極を選択的にエッチングして前記電極ホールを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項１９】
前記側壁が傾いたガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、
前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させるガイドホールを形成する段階と、
前記絶縁膜および露出した加熱電極にＲＦスパッタエッチング工程を遂行して前記側壁が傾いたガイドホールおよび前記電極ホールを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１７の記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項２０】
前記ガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、
前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させる前記ガイドホールを形成する段階と、
前記ガイドホールの内側壁にスペーサを形成する段階と、
前記スペーサおよび絶縁膜をマスクとして使用して前記加熱電極をエッチングして前記電極ホールを形成する段階とを含み、
前記電極ホールの幅は前記ガイドホールの幅に比べて小さいことを特徴とする請求項１５に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項２１】
前記相変化物質パターン上に配置され、前記相変化物質パターンの側壁に整列された側壁を有する導電性キャッピングパターンを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項２２】
前記相変化物質パターンを覆う上部層間絶縁膜を形成する段階と、
前記上部層間絶縁膜を貫通して前記相変化物質パターンの所定の領域と接触する上部プラグを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項２３】
前記相変化物質パターンは前記電極ホールの側壁を通じてのみ前記加熱電極と接触するように形成されることを特徴とする請求項１２に記載の相変化記憶素子の形成方法。
【請求項２４】
厚さを有する電極と、
前記電極と接触する相変化物質パターンと、
前記電極の厚さを基づいて前記相変化物質パターンと前記電極間の接触面積を定義するための定義手段とを含むことを特徴とする相変化記憶素子。
【請求項２５】
前記定義手段は前記電極内のホールを含み、前記相変化物質パターンはただ前記ホールの側壁を通じて前記電極と接触することを特徴とする請求項２４に記載の相変化記憶素子。
【請求項２６】
内部に電極ホールを有する電極と、
前記電極と接触する相変化物質パターンとを含み、
前記相変化物質パターンはただ前記電極ホールの側壁を通じて前記電極と接触することを特徴とする相変化記憶素子。
【請求項２７】
内部に電極ホールを有する電極を形成する段階と、
前記電極と接触する相変化物質パターンを形成する段階とを含み、
前記相変化物質パターンはただ前記電極ホールの側壁を通じて前記電極と接触することを特徴とする相変化記憶素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子およびその形成方法に関するものであり、特に、相変化記憶素子およびその形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体記憶素子のうち不揮発性記憶素子は電源供給が中断されても、それの単位セル内に貯蔵されたデータをそのまま維持する特性を有する。現在広く使用されている不揮発性記憶素子はフラッシュ記憶素子である。前記フラッシュ記憶素子の単位セルは電気的に隔離されたフローティングゲートを有する。前記フローティングゲート内における電荷の存在有無（または電荷量の変化）に従って、前記フラッシュ記憶セルに貯蔵されたデータは論理“１”または論理“０”に区分される。
【０００３】
前記フラッシュ記憶セルは前記フローティングゲート内に電荷を注入するか、前記フローティングゲートから電荷を放出するために高い動作電圧（プログラム電圧、または消去電圧）が要求される。これによって、前記フラッシュ記憶素子は高い動作電圧をコントロールする周辺回路が要求されて製造工程が非常に複雑になってしまう。また、前記フラッシュ記憶素子は高い動作電圧によって消費電力が増加してしまう。したがって、このような問題点を解決するための研究が遂行されている。
【０００４】
一方、より優れた特性を有する新しい不揮発性記憶素子に対する研究も活発に遂行されている。前記新しい不揮発性記憶素子として、相変化記憶素子が提案されている。前記相変化記憶素子は、データの貯蔵媒体として相変化物質を採択する。前記相変化物質とは、二つの安定した状態を有する。すなわち、前記相変化物質は非晶質状態（アモルファス状態）および結晶状態の相変化物質に比べて高い非抵抗を有する。これによって、前記相変化物質を通じて流れる電流量の差を感知することによって、前記相変化記憶素子の単位セルに貯蔵された論理情報を判断することができる。前記相変化物質として広く知られた物質はゲルマニウムＧｅ、テルルＴｅおよびアンチモンＳｂの化合物であるＧＳＴ（またはＧｅ−Ｔｅ−Ｓｂ）である。
【０００５】
前記相変化物質は熱によって前記非晶質状態および結晶状態に変換する。具体的に、前記相変化物質に、それの溶融点の付近の熱を短時間供給した後に、急速に冷却すれば、前記相変化物質は非晶質状態になる。一方、前記相変化物質に前記溶融点に比べて低い結晶化温度を長時間にかけて供給した後に冷却すれば、前記相変化物質は結晶状態になる。例えば、前記ＧＳＴに溶融点（約６１０℃）の付近の熱を短時間（１〜１０ｎｓ）に供給した後に、急速に冷却（約１ｎｓ）すれば、前記ＧＳＴは非晶質状態になる。これと異なって、前記ＧＳＴに結晶化温度（約４５０℃）の熱を長時間（３０〜５０ｎｓ）印加した後に冷却すれば、前記ＧＳＴは結晶状態になる。
【０００６】
通常に、前記相変化物質の変化のために供給される熱はジュール熱を利用する。すなわち、前記相変化物質を通過する電流量を利用してジュール熱を発生させることによって、前記相変化物質に熱を供給する。
【０００７】
一方、特許文献１で相変化記憶セルの一形態を開示した。これを図１に簡略に図示した。
【０００８】
図１は従来の相変化記憶素子を図示した断面図である。
【０００９】
図１を参照すれば、第１絶縁膜１上に第１加熱膜３が配置され、前記第１加熱膜３の一部と前記第１絶縁膜１との間に第１電気的接触膜２が介在される。第２絶縁膜４が前記第１加熱膜３を覆い、前記第２絶縁膜４を貫通して前記第１加熱膜３の所定の領域を露出させるコンタクトホール５が形成される。前記第２絶縁膜４上に前記コンタクトホール５を通じて前記第１加熱膜３と接触する相変化膜６が配置され、前記相変化膜６上に第２加熱膜７および第２電気的接触膜８が順次に積層される。前記相変化膜６と前記第１加熱膜３の接触面積は前記コンタクトホール５に露出した第１加熱膜３の面積と同一である。
【００１０】
前記第１加熱膜３および前記相変化膜６の接触面、すなわち、前記コンタクトホール５を通じて流れる電流量を調節して前記接触面の付近の前記相変化膜６の一部分を非晶質状態または結晶状態に変換させることができる。
【００１１】
上述の従来の相変化記憶セルにおいて、前記相変化膜６を非晶質状態または結晶状態に変化させるための動作電流の量は前記相変化膜６と前記第１加熱膜３の接触面の面積に依存する。すなわち、前記接触面の面積と連関した前記コンタクトホール５の幅ＷＯが減少すれば減少するほど、前記コンタクトホール５を通じて流れる電流の密度が増加する。電流密度が増加すれば増加するほど、ジュール熱が増加することは公知の事実である。結果的に、前記コンタクトホール５の幅ＷＯが減少すれば減少するほど、前記動作電流の量が減少する。通常、前記コンタクトホール５の幅ＷＯはフォトリソグラフィ工程が定義する感光膜パターンに依存するので、前記コンタクトホール５の最小幅はフォトリソグラフィ工程が定義できる最小幅に依存する。
【００１２】
しかし、半導体素子の高集積化および消費電力の減少化が深化している現状況で、前記動作電流を調節する単一素子（ｄｉｓｃｒｅｔ  ｄｅｖｉｃｅ、例えば、ＭＯＳトランジスタなど）のサイズの減少などの理由によって、前記動作電流の量がさらに減少することが要求されている。
【特許文献１】米国特許第５，９３３，３６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする技術的課題は、相変化物質と電極間の接触面積を減少させることができる相変化記憶素子およびその形成方法を提供することにある。
【００１４】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、消費電力を減少させることができる相変化記憶素子およびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の技術的課題および他の技術的課題を解決するための相変化記憶素子を提供する。この素子は、基板上に配置された加熱電極と、相変化物質パターンとを含む。前記加熱電極は自身の所定の領域を貫通する電極ホールを有する。前記相変化物質パターンは前記電極ホールの内側壁と接触する。
【００１６】
具体的に、前記素子は前記加熱電極を覆い、自身の所定の領域を貫通するガイドホールを有する絶縁膜をさらに含むことが望ましい。この時、前記相変化物質パターンは前記絶縁膜上に配置され、前記相変化物質パターンの一部分は前記ガイドホールに沿って延長されて前記電極ホールの内側壁と接触することが望ましい。一実施の形態において、前記電極ホールの側壁および前記ガイドホールの側壁は同一な一直線上に位置することができる。一実施の形態において、少なくとも前記ガイドホールの側壁が傾くことができる。この時、前記ガイドホールの上端幅はそれの下端幅に比べて大きいことが望ましい。一実施の形態において、前記素子は前記ガイドホールの側壁に形成されたスペーサをさらに含むことができる。この時、前記加熱電極は前記スペーサの下部面の下に延長されて前記電極ホールの幅が前記ガイドホールの幅に比べて小さいことが望ましい。前記相変化物質パターンの上部面には導電性キャッピングパターンが配置されることができる。前記導電性キャッピングパターンは前記相変化物質パターンの側壁に整列された側壁を有する。前記素子は加熱電極と前記基板との間に介在された下部層間絶縁膜および前記下部層間絶縁膜を貫通して前記基板の所定の領域と接触する下部プラグをさらに含むことができる。前記下部プラグの上面は前記加熱電極と電気的に接続する。前記素子は前記相変化物質パターンを覆う上部層間絶縁膜および前記上部層間絶縁膜を貫通して前記相変化物質パターンと接触する上部プラグをさらに含むことができる。前記下部および上部プラグは前記基板の上面に垂直な仮想の垂直線上に整列されることができる。
【００１７】
前記ガイドホールおよび電極ホールは前記下部または／および上部プラグからオフセットされることができる。
【００１８】
本発明の他の実施の形態による相変化記憶素子は、厚さを有する電極と、前記電極と接触する相変化物質パターンと、前記電極の厚さを基づいて前記相変化物質パターンと前記電極間の接触面積を定義するための手段とを含むことができる。 
【００１９】
本発明のまた他の実施の形態による相変化記憶素子は、内部に電極ホールを有する電極と、前記電極と接触する相変化物質パターンとを含み、前記相変化物質パターンはただ前記電極ホールの側壁を通じて前記電極と接触することを含むことができる。
【００２０】
上述の技術的課題および他の技術的課題を解決するための相変化記憶素子の形成方法を提供する。この方法は、基板の所定の領域上に加熱電極を形成する段階と、前記加熱電極の所定の領域を貫通する電極ホールを形成する段階と、前記電極ホールの内側壁と接触する相変化物質パターンを形成する段階とを含む。
【００２１】
具体的に、前記加熱電極を形成する前に、前記基板上に下部層間絶縁膜を形成する段階と、前記下部層間絶縁膜を貫通して前記基板の所定の領域と接触する下部プラグを形成する段階とをさらに遂行することができる。前記加熱電極は前記下部プラグの上面と接触する。前記方法は、前記電極ホールを形成する前に、前記加熱電極を覆う絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜をパターニングして前記絶縁膜の所定の領域を貫通するガイドホールを形成する段階とをさらに含むことが望ましい。この場合に、前記相変化物質パターンは前記ガイドホールを通じて延長されて前記電極ホールの内側壁と接触するように形成されることが望ましい。
【００２２】
一実施の形態において、前記ガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させる前記ガイドホールを形成する段階と、前記露出した加熱電極を選択的にエッチングして前記電極ホールを形成する段階とを含むことができる。
【００２３】
一実施の形態において、前記ガイドホールはそれの側壁が傾くように形成されることができる。前記側壁が傾いたガイドホールはそれの上端幅がそれの下端幅に比べて大きく形成されることが望ましい。この場合に、前記側壁が傾いたガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は前記絶縁膜を傾斜エッチング工程を含むパターニング工程を遂行して前記加熱電極の所定の領域を露出させ、前記側壁が傾いたガイドホールを形成する段階と、前記露出した加熱電極を選択的にエッチングして前記電極ホールを形成する段階とを含むことができる。これと異なって、前記側壁が傾いたガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させるガイドホールを形成する段階と、前記絶縁膜および露出した加熱電極にＲＦスパッタエッチング工程を遂行して前記側壁が傾いたガイドホールおよび前記電極ホールを形成する段階とを含むことができる。
【００２４】
一実施の形態において、前記ガイドホールおよび電極ホールを形成する段階は、前記絶縁膜をパターニングして前記加熱電極の所定の領域を露出させる前記ガイドホールを形成する段階と、前記ガイドホールの内側壁にスペーサを形成する段階と、前記スペーサおよび絶縁膜をマスクとして使用して前記加熱電極をエッチングして前記電極ホールを形成する段階とを含むことができる。この場合に、前記電極ホールの幅は前記ガイドホールの幅に比べて小さい。
【００２５】
一方、前記方法は、前記相変化物質パターン上に配置され、前記相変化物質パターンの側壁に整列された側壁を有する導電性キャッピングパターンを形成する段階をさらに含むことができる。前記方法は、前記相変化物質パターンを形成した後に、前記相変化物質パターンを覆う上部層間絶縁膜を形成する段階と、前記上部層間絶縁膜を貫通して前記相変化物質パターンの所定の領域と接触する上部プラグを形成する段階とをさらに含むことができる。
【００２６】
本発明のまた他の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法は、内部に電極ホールを有する電極を形成する段階と、前記電極と接触する相変化物質パターンを形成する段階とを含むことができる。この時に、前記相変化物質パターンはただ前記電極ホールの側壁を通じて前記電極と接触することを含むことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、加熱電極は自身の所定の領域を貫通する電極ホールを有し、相変化物質パターンは前記電極ホールの内側壁に接続する。これによって、前記加熱電極と前記相変化物質パターンの接触面積は前記電極ホールの内側壁の面積に該当する。すなわち、前記加熱電極の厚さを減少させることによって、前記相変化物質パターンと加熱電極の接触面積は従来のそれより減少させることができる。結果的に、前記相変化物質パターンの状態変換のための動作電流が減少して相変化記憶素子の消費電力を減少させることができる。また、前記動作電流の減少によって、相変化記憶素子の他の単一素子、特に、ＭＯＳ電界効果トランジスタのサイズを減少させることができる。したがって、前記相変化記憶素子は高集積化に適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介する実施の形態は開示された内容が徹底で、完全になれるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝達するために提供されるものである。
【００２９】
図面において、層（または膜）および領域の厚さは明確性のために誇張されたものである。また、層（または膜）が他の層（または膜）または基板“上”にあると言及される場合に、それは他の層（または膜）または基板上に直接形成されることができるもの、またはそれらの間に第３の層（または膜）が介在されることもできるものである。明細書の全体にわたって同一の参照番号で表示された部分は同一の構成要素を示す。
【００３０】
図２は本発明の実施の形態による相変化記憶素子を示す平面図であり、図３は図２のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【００３１】
図２および図３を参照すれば、図２に示した平面図は本発明の実施の形態による相変化記憶素子のレイアウトである。半導体基板１００（以下基板という）上に下部層間絶縁膜１０２が配置される。前記下部層間絶縁膜１０２内に下部プラグ１０４が配置される。前記下部プラグ１０４は前記下部層間絶縁膜１０２を貫通して前記基板の所定の領域を露出させる下部コンタクトホール１０３を満たす。したがって、前記下部プラグ１０４は前記基板１００の所定の領域と接触する。前記下部プラグ１０４は前記基板１００内に形成された不純物拡散層（不図示）と接続される。前記不純物拡散層はＭＯＳ電界効果トランジスタ（不図示）のソース／ドレイン領域であり得る。これと異なって、前記不純物拡散層はＰＮダイオード、またはバイポーラトランジスタを構成する一要素であることもできる。
【００３２】
前記下部層間絶縁膜１０２はシリコン酸化膜からなることができる。前記下部プラグ１０４は導電膜からなる。例えば、前記上部プラグ１０４はドーピングされたポリシリコン、タングステンのような金属、または窒化チタンＴｉＮのような窒素含有導電性物質からなる。
【００３３】
前記下部層間絶縁膜１０２上に加熱電極１０６が配置される。前記加熱電極１０６は前記下部プラグ１０４の上部面と電気的に接続することが望ましい。すなわち、前記加熱電極１０６の底面の所定の領域は前記下部プラグ１０４と接触することができる。前記加熱電極１０６は電極ホール１１２を有する。前記電極ホール１１２は前記加熱電極１０６の所定の領域を貫通して前記下部層間絶縁膜１０６の所定の領域を露出させる。
【００３４】
前記加熱電極１０６は窒素含有導電性物質、炭素含有導電性物質、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンシリサイド、タンタルシリサイドで構成された一群から選択された少なくとも一つからなることが望ましい。
【００３５】
前記窒素含有導電性物質は窒化チタンＴｉＮ、窒化タンタルＴａＮ、窒化モリブデンＭｏＮ、窒化ニオブＮｂＮ、窒化シリコンチタンＴｉＳｉＮ、窒化アルミニウムチタンＴｉＡＩＮ、窒化ボロンチタンＴｉＢＮ、窒化シリコンジルコニウムＺｒＳｉＮ、窒化シリコンタングステンＷＳｉＮ、窒化ボロンタングステンＷＢＮ、窒化アルミニウムジルコニウムＺｒＡＩＮ、窒化シリコンモリブデンＭｏＳｉＮ、窒化アルミニウムモリブデンＭｏＡＩＮ、窒化シリコンタンタルＴａＳｉＮ、窒化アルミニウムタンタルＴａＡＩＮ、窒化酸化チタンＴｉＯＮ、窒化酸化アルミニウムチタンＴｉＡＩＯＮ、窒化酸化タングステンＷＯＮ、および窒化酸化タンタルＴａＯＮで構成された一群から選択された少なくとも一つであり得る。
【００３６】
前記加熱電極１０６を覆う絶縁膜１０８が配置される。前記絶縁膜１０８は前記加熱電極１０６および前記下部層間絶縁膜１０２を覆う。前記絶縁膜１０８はガイドホール１１０を有する。前記ガイドホール１１０は前記絶縁膜１０８の所定の領域を貫通する。前記ガイドホール１１０の内部空間は前記電極ホール１１２の内部空間と連結される。前記ガイドホール１１０の側壁は前記電極ホール１１２の側壁と連結されることができる。図３に示したように、前記ガイドホール１１０の側壁および前記電極ホール１１２の側壁は同一な一直線上に配置されることができる。図２では、前記電極ホール１１２の平面的な形態を正四角形のレイアウトで図示した。これと異なって、前記電極ホール１１２の平面的な形態は他の形態であってもよい。
【００３７】
前記絶縁膜１０８上に順次に積層された相変化物質パターン１１６ａおよび導電性キャッピングパターン１１８ａが配置される。前記相変化物質パターン１１６ａの一部分は前記ガイドホール１１０を通じるように延長されて前記電極ホール１１２の内側壁と接触する。前記相変化物質パターン１１６ａの延長された部分は前記ガイドホール１１０および前記電極ホール１１２を満たすことができる。
【００３８】
前記相変化物質パターン１１６ａは、ＴｅおよびＳｅのうちの少なくとも一つ以上が選択され、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｎのうちの少なくとも一つ以上が選択された物質の組み合わせの化合物からなることが望ましい。具体的に、前記相変化物質パターン１１６ａは、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、５Ａ族元素−Ｓｂ−Ｔｅ、６Ａ族元素−Ｓｂ−Ｔｅ、５Ａ族元素−Ｓｂ−Ｓｅまたは６Ａ族元素−Ｓｂ−Ｓｅなどを含むことができる。
【００３９】
前記導電性キャッピングパターン１１８ａは、窒素含有導電性物質、炭素含有導電性物質、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンシリサイド、タンタルシリサイドで構成された一群から選択された少なくとも一つからなることが望ましい。
【００４０】
前記窒素含有導電性物質は、窒化チタンＴｉＮ、窒化タンタルＴａＮ、窒化モリブデンＭｏＮ、窒化ニオブＮｂＮ、窒化シリコンチタンＴｉＳｉＮ、窒化アルミニウムチタンＴｉＡＩＮ、窒化ボロンチタンＴｉＢＮ、窒化シリコンジルコニウムＺｒＳｉＮ、窒化シリコンタングステンＷＳｉＮ、窒化ボロンタングステンＷＢＮ、窒化アルミニウムジルコニウムＺｒＡＩＮ、窒化シリコンモリブデンＭｏＳｉＮ、窒化アルミニウムモリブデンＭｏＡＩＮ、窒化シリコンタンタルＴａＳｉＮ、窒化アルミニウムタンタルＴａＡＩＮ、窒化酸化チタンＴｉＯＮ、窒化酸化アルミニウムチタンＴｉＡＩＯＮ、窒化酸化タングステンＷＯＮ、および窒化酸化タンタルＴａＯＮで構成された一群から選択された少なくとも一つであり得る。前記導電性キャッピングパターン１１８ａは前記加熱電極１０６と同一の物質からなることもできる。
【００４１】
前記相変化物質パターン１１６ａと前記加熱電極１０６の接触面は前記電極ホール１１２の内側壁面である。これによって、前記接触面の面積は従来のこれに比べて減少する。すなわち、前記接触面は前記加熱電極１０６の厚さおよび前記電極ホール１１２の周りの長さに比例する。この時、前記加熱電極１０６の厚さは従来のフォトリソグラフィ工程が定義することができる最小線幅に比べて顕著に薄く形成することができる。その結果、前記接触面の面積は従来のそれに比べて減少する。
【００４２】
また、工程上の誤差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）によって前記電極ホール１１２のサイズが変わっても、前記接触面の面積変化量は従来のそれに比べて減少する。具体的な例として、前記電極ホール１１２および従来のコンタクトホールの平面的な形態が同一な半径を有する円形態である場合、本発明による接触面の面積は２πｒ１ｔである。この時、ｒ１は前記電極ホール１１２の半径であり、ｔは前記加熱電極１０６の厚さである。これに反して、従来の接触面の面積は２πｒ２２であり、ｒ２は従来コンタクトホールの半径である。すなわち、本発明による接触面積は前記電極ホール１１２の半径に比例する一方、従来の接触面積は従来のコンタクトホールの半径の二乗に比例する。これによって、工程上の誤差に従って、ホールのサイズが変わる場合に、本発明による接触面の面積変化量は従来のそれに比べて減少する。
【００４３】
結果的に、前記相変化物質パターン１１６ａと加熱電極１０６間の接触面積が減少することによって、プログラムまたは消去動作の時、前記相変化物質パターン１１６ａと加熱電極１０６の接触面を通過する動作電流の密度が増加する。これによって、動作電流の量を減少させることができ、相変化記憶素子の消費電力を減少させることができる。
【００４４】
続いて、図２および図３を参照すれば、前記相変化物質パターン１１６ａ、導電性キャッピングパターン１１８ａ、および絶縁膜１０８を覆う上部層間絶縁膜１２０が配置される。前記上部層間絶縁膜１２０はシリコン酸化膜からなる。前記上部層間絶縁膜１２０を貫通して前記導電性キャッピングパターン１１８ａの所定の領域を露出させる上部コンタクトホール１２１を上部プラグ１２２が満たす。前記上部層間絶縁膜１２０上に配線１２４が配置されることができる。前記配線１２４は前記上部プラグ１２２の上部面と接触する。
【００４５】
前記上部プラグ１２２は導電膜であるドーピングされたポリシリコン、タングステンのような金属または窒化チタンのような窒素含有導電性物質からなる。前記配線１２４はタングステンからなる。場合によって、前記上部プラグ１２２は前記配線１２４の一部分であり得る。すなわち、前記配線１２４が延長されて前記上部コンタクトホール１２１を満たすことができる。この場合に、前記上部コンタクトホール１２１内に位置する前記配線１２４の一部分は前記上部プラグ１２２に該当する。
【００４６】
前記上部プラグ１２２および前記下部プラグ１０４は前記基板に垂直な仮想の垂直線上に整列されることができる。すなわち、前記下部プラグ１０４の上部に前記上部プラグ１２２が整列されることができる。この時、前記ガイドホール１１０および電極ホール１１２は前記下部および上部プラグ１０４、１２２と異なる垂直線上に配置される。すなわち、前記ガイドホール１１０および電極ホール１１２は前記下部または／および上部プラグ１０４、１２２からオフセットされる。
【００４７】
上述の相変化記憶素子において、前記ガイドホール１１０または電極ホール１１２が他の形態を有することができる。これを図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。
【００４８】
図４Ａは本発明の実施の形態による相変化記憶素子の一変形例を示す断面図であり、図４Ｂは本発明の実施の形態による相変化記憶素子の他の変形例を示す断面図である。
【００４９】
図４Ａを参照すれば、相変化記憶素子の一変形例によれば、ガイドホール１１０'は傾いた形態の側壁を有する。この時、前記ガイドホール１１０'の下端幅Ｗ１（）はそれの上端幅Ｗ２に比べて小さいことが望ましい。前記ガイドホール１１０'の傾いた側壁に基づいて電極ホール１１２'の側壁も傾くことができる。前記ガイドホール１１０'の側壁が傾くことによって、前記ガイドホール１１０'の縦横比が緩和して相変化物質パターン１１６ａ'は前記ガイドホール１１０'および電極ホール１１２'をより容易に満たすことができる。
【００５０】
図４Ｂを参照すれば、相変化記憶素子の他の変形例によれば、ガイドホール１１０の側壁にスペーサ１１１が配置される。この時、加熱電極１０６は前記スペーサ１１１の下部面の下に水平に延長される。すなわち、電極ホール１１２”の側壁は前記ガイドホール１１０の側壁に対向された前記スペーサ１１１の側壁に整列される。これによって、前記電極ホール１１２”の幅は前記ガイドホール１１０の幅に比べて小さい。結果的に、前記加熱電極１０６と前記電極ホール１１２”の内側壁と接触する相変化物質パターン１１６ａ”の接触面積はさらに減少する。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明する。
【００５２】
図５乃至図８は本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明するために図３のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【００５３】
図５を参照すれば、基板１００上に下部層間絶縁膜１０２を形成する。前記下部層間絶縁膜１０２が形成される前に、前記基板１００の所定の領域に不純物拡散層（不図示）が形成されることができる。前記不純物拡散層はＭＯＳ電界効果トランジスタのソース／ドレイン領域に該当することができる。これと異なって、前記不純物拡散層はＰＮダイオードまたはバイポーラトランジスタを構成する一要素であることもできる。前記下部層間絶縁膜１０２はシリコン酸化膜で形成することができる。もちろん、前記下部層間絶縁膜１０２と前記基板１００との間にまた他の層（または膜）が形成されることもできる。
【００５４】
前記下部層間絶縁膜１０２をパターニングして前記基板１００の所定の領域を露出させる下部コンタクトホール１０３を形成する。前記下部コンタクトホール１０３は前記不純物拡散層（不図示）の所定の領域を露出させることができる。前記下部コンタクトホール１０３を満たす下部プラグ１０４を形成する。前記下部プラグ１０４はドーピングされたポリシリコン、タングステンのような金属または窒化チタンのような窒素含有導電物質で形成することができる。
【００５５】
前記下部層間絶縁膜１０２の所定の領域上に前記下部プラグ１０４の上部面と接触する加熱電極１０６を形成する。前記加熱電極１０６は、窒素含有導電性物質、炭素含有導電性物質、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンシリサイド、タンタルシリサイドで構成された一群から選択された少なくとも一つで形成されることができる。
【００５６】
前記窒素含有導電性物質は、窒化チタンＴｉＮ、窒化タンタルＴａＮ、窒化モリブデンＭｏＮ、 窒化ニオブＮｂＮ、窒化シリコンチタンＴｉＳｉＮ、窒化アルミニウムチタンＴｉＡＩＮ、窒化ボロンチタンＴｉＢＮ、窒化シリコンジルコニウムＺｒＳｉＮ、窒化シリコンタングステンＷＳｉＮ、窒化ボロンタングステンＷＢＮ、窒化アルミニウムジルコニウムＺｒＡＩＮ、窒化シリコンモリブデンＭｏＳｉＮ、窒化アルミニウムモリブデンＭｏＡＩＮ、窒化シリコンタンタルＴａＳｉＮ、窒化アルミニウムタンタルＴａＡＩＮ、窒化酸化チタンＴｉＯＮ、窒化酸化アルミニウムチタンＴｉＡＩＯＮ、窒化酸化タングステンＷＯＮ、および窒化酸化タンタルＴａＯＮで構成された一群から選択された少なくとも一つであり得る。
【００５７】
前記加熱電極１０６を有する基板１００の全面に絶縁膜１０８を形成する。前記絶縁膜１０８はシリコン酸化膜で形成することができる。
【００５８】
図６および図７を参照すれば、前記絶縁膜１０８をパターニングして前記加熱電極１０６の所定の領域を露出させるガイドホール１１０を形成する。この時、前記パターニング工程は典型的な異方性エッチング工程を含んで遂行することができる。
【００５９】
続いて、前記ガイドホール１１０に露出した前記加熱電極１０６をエッチングして前記下部層間絶縁膜１０２の所定の領域を露出させる電極ホール１１２を形成する。前記電極ホール１１２の形成のためのエッチング工程は前記ガイドホール１０６の形成のためのパターニング工程で使用された感光膜パターン（不図示）をエッチングマスクとして使用して遂行することができる。
【００６０】
前記電極ホール１１２は前記加熱電極１０６を貫通する。前記電極ホール１１２は前記ガイドホール１１０の側壁に自己整列される。これによって、前記電極ホール１１２の側壁および前記ガイドホール１１０の側壁は同一な一直線上（特に、基板に対する垂直線上）に位置するように形成されることができる。前記電極ホール１１２は前記下部プラグ１０４と互いに異なる垂直線上に配置されるように形成する。すなわち、前記電極ホール１１２は前記下部プラグ１０４からオフセットされるように形成する。
【００６１】
続いて、前記ガイドホール１１０および電極ホール１１２を満たす相変化物質膜１１６を基板１００の全面に形成し、前記相変化物質膜１１６上に導電性キャッピング膜１１８を形成する。前記相変化物質膜１１６は、ＴｅおよびＳｅのうちの少なくとも一つ以上が選択され、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｎのうちの少なくとも一つ以上が選択された物質の組み合わせられた化合物で形成されることができる。例えば、前記相変化物質１１６は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ、５Ａ族元素−Ｓｂ−Ｔｅ、６Ａ族元素−Ｓｂ−Ｔｅ、５Ａ族元素−Ｓｂ−Ｓｅまたは６Ａ族元素Ｓｂ−Ｓｅなどの物質で形成することができる。
【００６２】
前記導電性キャッピング膜１１８は、窒素含有導電性物質、炭素含有導電性物質、チタン、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンシリサイド、タンタルシリサイドで構成された一群から選択された少なくとも一つで形成することができる。前記窒素含有導電性物質は上述の物質と同一な物質で形成することができる。前記キャッピング膜１１８は前記加熱電極１０６と同一な物質で形成されることもできる。
【００６３】
図８を参照すれば、前記導電性キャッピング膜１１８および相変化物質膜１１６を連続してパターニングして順次に積層された相変化物質パターン１１６ａおよび導電性キャッピングパターン１１８ａを形成する。この時、前記相変化物質パターン１１６ａは前記ガイドホール１１０および電極ホール１１２を満たす。これによって、前記相変化物質パターン１１６ａは前記電極ホール１１２の内側壁と接触する。すなわち、前記相変化物質パターン１１６ａおよび前記加熱電極１０６の接触面は前記電極ホール１１２の内側壁である。前記電極ホール１１２内に位置した前記相変化物質パターン１１６ａの底面は前記下部層間絶縁膜１０２と接触される。
【００６４】
続いて、前記導電性キャッピングパターン１１８ａおよび相変化物質パターン１１６ａを有する基板１００の全面に上部層間絶縁膜１２０を形成する。前記上部層間絶縁膜１２０はシリコン酸化膜で形成することができる。
【００６５】
前記上部層間絶縁膜１２０をパターニングして前記導電性キャッピングパターン１１８ａの所定の領域を露出させる上部コンタクトホール１２１を形成し、前記上部コンタクトホール１２１を満たす上部プラグ１２２を形成する。前記上部プラグ１２２はタングステンのような金属または窒化チタンのような窒素含有導電性物質で形成することができる。前記上部プラグ１２２および前記下部プラグ１０４は前記基板１００の上面に対して垂直な仮想の垂直線上に整列されるように形成される。この時、前記ガイドホール１１０および電極ホール１１２は前記下部および上部プラグ１０４、１２２と異なる垂直線上に整列される。
【００６６】
続いて、前記上部層間絶縁膜１２０上に図３に示した配線１２４を形成する。前記上部プラグ１２２は前記配線１２４の一部分であることもできる。すなわち、前記上部コンタクトホール１２１を形成した後に、前記上部コンタクトホール１２１を満たす配線導電膜（不図示）を基板１００の全面に形成し、前記配線導電膜をパターニングして前記配線１２４を形成することもできる。この場合に、前記配線１２４の一部分が前記コンタクトホール１２１を満たすことによって、前記上部プラグ１２２は前記配線１２４の一部分で形成される。
【００６７】
一方、図４Ａに示したガイドホール１１０'および電極ホール１１２'を形成する方法を図５、図６および図４Ａを参照して説明する。
【００６８】
図５および図４Ａを参照すれば、ガイドホール１１０'および電極ホール１１２'の一形成方法によれば、基板１００上に形成された絶縁膜１０８に傾斜エッチング工程（ｓｌｏｐｅ−ｅｔｃｈｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を含むパターニング工程を遂行して加熱電極１０６の所定の領域を露出させるガイドホール１１０'を形成する。前記傾斜エッチング工程によって、前記ガイドホール１１０'はそれの側壁が傾くように形成される。この時、前記ガイドホール１１０'はそれの下端幅Ｗ１が上端幅Ｗ２に比べて小さく形成されることが望ましい。
【００６９】
続いて、前記ガイドホール１１０'に露出した加熱電極１０６を選択的にエッチングして電極ホール１１２'を形成する。前記電極ホール１１２'の側壁は前記ガイドホール１１０'の傾いた側壁に基づいて傾くように形成されることもできる。
【００７０】
これと異なる方法で、前記ガイドホール１１０'および電極１１２'は他の方法で形成されることができる。これを図６および図４Ａを参照して説明する。
【００７１】
図６および図４Ａを参照すれば、前記ガイドホール１１０'および電極ホール１１２'の他の形成方法によれば、絶縁膜１０８をパターニングして前記加熱電極１０６の所定の領域を露出させるガイドホール１１０を形成する。この時、パターニング工程は典型的な異方性エッチングで遂行する。前記ガイドホール１１０の形成のためのパターニング工程は感光膜パターン（不図示）を除去する工程を含む。したがって、前記絶縁膜１０８は露出する。
【００７２】
続いて、前記露出した加熱電極１０６および絶縁膜１０８を有する基板１００にＲＦスパッタエッチング工程を遂行して電極ホール１１２'を形成する。この時、前記ガイドホール１１０の側壁も一部エッチングされる。前記ガイドホール１１０の側壁はそれの上部がそれの下部に比べて多くエッチングされる。結果的に、前記電極ホール１１２'およびガイドホール１１０'が形成される。前記電極ホール１１２'とガイドホール１１０'は同時に形成される。以後の後続工程は図７および図８を参照して説明した工程と同一に遂行することができる。
【００７３】
前記ガイドホール１１０'の側壁が傾くように形成されることによって、前記ガイドホール１１０'の縦横比が緩和する。これによって、相変化物質膜が前記ガイドホール１１０'および電極ホール１１２'をより容易に満たすことができる。
【００７４】
次に、図４Ｂに示した相変化記憶素子の形成方法を図９および図１０を参照して説明する。
【００７５】
図６、図９および図１０を参照すれば、基板１００上に形成された絶縁膜１０８に典型的な異方性エッチング工程を含むパターニング工程を遂行して加熱電極１０６の所定の領域を露出させるガイドホール１１０を形成する。
【００７６】
続いて、前記ガイドホール１１０の内側壁にスペーサ１１１を形成する。前記スペーサ１１１は前記加熱電極１０６に対してエッチング選択比を有する絶縁物質で形成することが望ましい。例えば、前記スペーサ１１１はシリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、またはシリコン酸化膜で形成することができる。
【００７７】
続いて、前記絶縁膜１０８およびスペーサ１１１をマスクとして使用して前記露出した加熱電極１０６をエッチングして下部層間絶縁膜１０２を露出させる電極ホール１１２”を形成する。これによって、前記電極ホール１１２”の幅は前記ガイドホール１１０の幅に比べて小さく形成される。以後に、遂行される後続工程は図７および図８を参照して説明した工程と同一に遂行することができる。
【００７８】
前記スペーサ１１１によって、前記電極ホール１１２”は前記ガイドホール１１０に比べて小さい幅を有するように形成される。これによって、前記加熱電極１０６と相変化物質パターン１１６ａ”の接触面積はさらに減少する。
【００７９】
また、前記ガイドホール１１０がフォトリソグラフィ工程が定義することができる最小幅で形成される場合に、前記電極ホール１１２”はフォトリソグラフィ工程が定義することができる最小幅より小さい幅を有するように形成される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】従来の相変化記憶素子を示した断面図である。
【図２】本発明の実施の形態による相変化記憶素子を示す平面図である。
【図３】図２のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の一変形例を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の他の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明するために図３のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【図６】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明するために図３のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【図７】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明するために図３のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【図８】本発明の実施の形態による相変化記憶素子の形成方法を説明するために図３のＩ−Ｉ'に沿って切断した断面図である。
【図９】図４Ｂに示した相変化記憶素子の形成方法を説明するための断面図である。
【図１０】図４Ｂに示した相変化記憶素子の形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１００…半導体基板、
１０２…下部層間絶縁膜、
１０３…下部コンタクトホール、
１０４…下部プラグ、
１０６…加熱電極、
１０８…絶縁膜、
１１０…ガイドホール、
１１１…スペーサ、
１１２、１１２” …電極ホール、
１１６…相変化物質、
１１６ａ、１１６ａ” …相変化物質パターン、
１１８…キャッピング膜、
１１８ａ…導電性キャッピングパターン、
１２０…上部層間絶縁膜、
１２１…上部コンタクトホール、
１２２…上部プラグ、
１２４…配線。
【図１】
2005159325.tif 000003
【図２】
2005159325.tif 000004
【図３】
2005159325.tif 000005
【図４Ａ】
2005159325.tif 000006
【図４Ｂ】
2005159325.tif 000007
【図５】
2005159325.tif 000008
【図６】
2005159325.tif 000009
【図７】
2005159325.tif 000010
【図８】
2005159325.tif 000011
【図９】
2005159325.tif 000012
【図１０】
2005159325.tif 000013