KR100728982B1 - Phase change memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변환 기억 소자 및 그의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 상변환 기억 소자는, 하부패턴이 구비되고 상기 하부패턴을 덮도록 제1층간절연막이 형성된 반도체기판; 상기 제1층간절연막 내에 형성된 콘택플러그; 상기 콘택플러그를 포함한 제1층간절연막 상에 패턴의 형태로 형성된 하부전극; 상기 하부전극을 덮도록 제1층간절연막 상에 형성된 제2층간절연막; 상기 제2층간절연막 내에 하부전극의 에지와 콘택하도록 플러그의 형태로 형성된 상변환막; 및 상기 상변환막을 포함한 제2층간절연막 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a phase change memory device and a method of manufacturing the same. A phase change memory device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a lower pattern and having a first interlayer insulating film formed to cover the lower pattern; A contact plug formed in the first interlayer insulating film; A lower electrode formed in the form of a pattern on the first interlayer insulating film including the contact plug; A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film to cover the lower electrode; A phase conversion film formed in the form of a plug in contact with the edge of the lower electrode in the second interlayer insulating film; And an upper electrode formed on the second interlayer insulating film including the phase conversion film.
Description
도 1 및 도 2는 종래의 상변환 기억 소자들을 도시한 단면도. 1 and 2 are cross-sectional views showing conventional phase change memory elements.
도 3은 본 발명의 상변환 기억 소자를 도시한 단면도. 3 is a cross-sectional view showing a phase change memory device of the present invention.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 상변환 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도. 4A through 4D are cross-sectional views illustrating processes of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
31 : 반도체기판 40 : 층간절연막31
41a : 콘택플러그 41 : 하부전극41a: contact plug 41: lower electrode
42 : 상변환막 43 : 상부전극42: phase conversion film 43: upper electrode
44 : 절연막 45 : 금속배선44: insulating film 45: metal wiring
50 : 보호절연막50: protective insulating film
본 발명은 상변환 기억 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상변환막으로부터의 열확산을 억제하여 상변화에 필요한 전류를 낮추면서도 상변환막과 전극과 의 안정적인 콘택을 용이하게 확보할 수 있는 상변환 기억 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a phase change memory device, and more particularly, to a phase that can easily secure stable contact between a phase change film and an electrode while reducing current required for phase change by suppressing thermal diffusion from the phase change film. A conversion memory element and a method of manufacturing the same.
기억 소자는 전원이 차단되면 입력된 정보를 잃어버리는 휘발성의 램(Random Access Memory : RAM) 소자와 전원이 차단되더라도 입력된 정보의 저장 상태를 계속해서 유지하는 롬(Read Only Memory : ROM) 소자로 크게 구분된다. 상기 휘발성의 램 소자로는 디램(DRAM) 및 에스램(SRAM)을 들 수 있으며, 상기 비휘발성의 롬 소자로는 EEPROM(Elecrtically Erasable and Programmable ROM)과 같은 플래쉬 기억(Flash Memory) 소자를 들 수 있다. The memory device is a volatile random access memory (RAM) device that loses input information when the power is cut off, and a read only memory (ROM) device that maintains the storage state of the input information even when the power is cut off. It is largely divided. The volatile RAM devices may include DRAM and SRAM, and the nonvolatile ROM devices may include flash memory devices such as EEPROM (Elecrtically Erasable and Programmable ROM). have.
그런데, 상기 디램은 잘 알려진 바와 같이 매우 우수한 기억 소자임에도 불구하고 높은 전하저장 능력이 요구되고, 이를 위해, 전극 표면적을 증가시켜야만 하므로 고집적화에 어려움이 있다. 또한, 상기 플래쉬 기억 소자는 두 개의 게이트가 적층된 구조를 갖는 것과 관련해서 전원전압에 비해 높은 동작전압이 요구되고, 이에 따라, 쓰기 및 소거 동작에 필요한 전압을 형성하기 위해 별도의 승압 회로를 필요로 하므로 고집적화에 어려움이 있다.However, although the DRAM has a very good memory device as is well known, high charge storage capability is required, and for this purpose, it is difficult to achieve high integration since the electrode surface area must be increased. In addition, the flash memory device requires a high operating voltage compared to a power supply voltage in connection with a structure in which two gates are stacked, and thus requires a separate boost circuit to form a voltage required for write and erase operations. Therefore, there is a difficulty in high integration.
이에, 상기 비휘발성 기억 소자의 특성을 가지면서 고집적화를 이룰 수 있고, 또한, 구조가 단순한 새로운 기억 소자를 개발하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있으며, 그 한 예로 최근 상변환 기억 소자(Phase Change RAM)가 제안되었다. Accordingly, many studies are being conducted to develop new memory devices having characteristics of the nonvolatile memory device and having a simple structure. For example, recently, a phase change RAM device has been developed. Was proposed.
상변환 기억 소자는 하부전극과 상부전극 사이의 전류 흐름을 통해서 상기 전극들 사이에 개재된 상변환막이 결정 상태에서 비정질 상태로 상변화가 일어나는 것으로부터 결정질과 비정질에 따른 저항 차이를 이용하여 셀에 저장된 정보를 판 별하는 기억 소자이다. 다시말해, 상변환 기억 소자는 상변환막으로 칼코제나이드(Chalcogenide)막을 이용하는데, 이러한 칼코제나이드막은 게르마늄(Ge), 스티비움(Sb) 및 텔루리움(Te)으로 이루어진 화합물막으로서, 인가된 전류에 의해 발생하는 열, 즉, 주울 열(Joule Heat)에 의해 비정질(Amorphouse) 상태와 결정질(Crystalline) 상태 사이에서 상변화가 일어나며, 이때, 비정질 상태를 갖는 상변환막의 비저항이 결정질 상태를 갖는 상변환막의 비저항 보다 높다는 것으로부터, 읽기 모드에서 상변환막을 통하여 흐르는 전류를 감지하여 상변환 기억 셀에 저장된 정보가 논리 '1'인지 또는 논리 '0'인지를 판별하게 된다. The phase change memory device utilizes a difference in resistance between crystalline and amorphous phases due to the phase change of the phase conversion film interposed between the electrodes from the crystal state to the amorphous state through the current flow between the lower electrode and the upper electrode. It is a memory device that determines the stored information. In other words, the phase-conversion memory device uses a chalcogenide film as a phase conversion film. The chalcogenide film is a compound film made of germanium (Ge), stevidium (Sb), and tellurium (Te). The phase change occurs between the amorphous state and the crystalline state by heat generated by the generated current, that is, Joule heat, and at this time, the resistivity of the phase change film having the amorphous state is determined by the crystalline state. Since it is higher than the specific resistance of the phase change film, the current flowing through the phase change film is sensed in the read mode to determine whether the information stored in the phase change memory cell is logic '1' or logic '0'.
한편, 이러한 상변환 기억 소자에서 상변환막이 결정질 상태에서 비정질 상태로 되는 것을 리세트(reset)라고 하고, 반대로 비정질 상태에서 결정질 상태로 되는 것을 세트(set)라고 하는데, 소비 전력 측면에서 상기 리세트/세트(프로그래밍)를 위한 전류의 크기는 낮을수록 좋다. 따라서, 상변환막과 전극과의 접촉 면적을 작게 하고 열방출을 억제하여 상변화에 필요한 전류를 낮추어야 한다. On the other hand, in such a phase conversion memory device, the phase conversion film is in a crystalline state to an amorphous state, and a reset is called. In contrast, in the amorphous state to a crystalline state, a set is called. The lower the magnitude of the current for the / set (programming), the better. Therefore, the contact area between the phase change film and the electrode must be reduced and heat dissipation must be suppressed to reduce the current required for phase change.
이에, 종래에는 하부전극과 상변환막 간의 접촉 면적을 줄여주기 위해 하부전극을 플러그형으로 형성하고 있다. 이하에서는, 도 1을 참조하여 종래의 상변환 기억 소자를 설명하도록 한다. Thus, in order to reduce the contact area between the lower electrode and the phase conversion film, the lower electrode is formed in a plug type. Hereinafter, a conventional phase change memory device will be described with reference to FIG. 1.
도 1은 일반적인 상변환 기억 소자를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a general phase change memory device.
도시된 바와 같이, 소자분리막(2)에 의해 한정된 반도체기판(1)의 액티브영역 상에 게이트들(3)이 형성되어져 있고, 상기 게이트(3) 양측의 기판 표면 내에는 소오스/드레인영역(4a, 4b)이 형성되어 있다. 상기 게이트들(3)을 덮도록 기판 전 면 상에 제1층간절연막(5)이 형성되어져 있고, 상변환 셀이 형성될 영역과 접지전압이 인가될 라인(이하, "접지라인(Vss line)"이라 칭함")이 형성될 영역의 제1층간절연막 부분들 내에 각각 제1텅스텐플러그(6a)과 제2텅스텐플러그(6b)가 형성되어 있다. As shown,
상기 제1 및 제2텅스텐플러그(6a, 6b)를 포함한 제1층간절연막(5) 상에 제2층간절연막(7)이 형성되어져 있으며, 다마신(Damascene) 공정에 따라 상변환 셀 형성 영역에는 제1텅스텐플러그(6a)와 콘택하도록 도트(Dot) 형태의 금속패드(8)가 형성되어 있고, 아울러, 접지전압이 인가될 영역에는 상기 제2텅스텐플러그(6b)와 콘택하도록 바(Bar) 형태의 접지라인(9)이 형성되어 있다. A second
계속해서, 상기 금속패드(8) 및 접지라인(9)을 포함한 제2층간절연막(7) 상에 제3층간절연막(10)이 형성되어져 있으며, 상변환 셀이 형성될 영역의 제3층간절연막(10) 부분 내에는 금속패드(8)와 콘택하도록 플러그 형태의 하부전극콘택(Bottom electrode contact; 11)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 하부전극콘택(11) 및 이에 인접한 제3층간절연막 부분 상에 패턴 형태로 상변환막(12)과 상부전극(13)이 차례로 적층되어져 있으며, 이 결과로, 플러그 형태의 하부전극, 즉, 하부전극콘택(11)과 그 위에 차례로 형성된 상변환막(12) 및 상부전극(13)을 포함한 상변환 셀이 구성되어 있다. Subsequently, a third
그리고, 상기 상변환 셀을 덮도록 제3층간절연막(10) 상에 제4층간절연막(14)이 형성되어져 있으며, 상기 제4층간절연막(14) 상에는 상부전극(13)과 콘택하도록 금속배선(15)이 형성되어 있다.In addition, a fourth
그러나, 전술한 종래의 상변환 기억 소자에서는 상변환막(12)과 상부전극(13) 간의 접촉 면적이 상변환막(12)과 하부전극 간의 접촉 면적에 비해 상대적으로 매우 넓고 상변환막(12)으로부터의 열방출이 용이하기 때문에 프로그래밍에 필요한 전류가 여전히 높다는 문제가 있다. However, in the above-described conventional phase change memory device, the contact area between the
이에, 상변환막(12)과 상부전극(13) 간의 접촉 면적을 줄여주기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 상변환 기억 소자가 제안되었다.Accordingly, in order to reduce the contact area between the
도 2에 도시된 상변환 기억 소자는, 상변환물질막과 상부전극용 도전막을 연이어 패터닝하되, 상기 상변환물질막의 패터닝시 패터닝된 상부전극용 도전막, 즉, 상부전극(13)의 가장자리에서 상변환물질막이 언더-컷(under-cut)되게 한 후, PVD(Physical Vaporization Deposition)와 같은 단차피복성(step coverage)이 불량한 공정으로 제4층간절연막(14)을 형성한 구조로서, 상부전극(13)과 상변환막(12)의 접촉 면적을 줄여주고 언더-컷 공간을 통해 열의 확산을 억제한 구조이다. In the phase change memory device shown in FIG. 2, the phase change material film and the upper electrode conductive film are patterned in succession, and at the edge of the upper electrode conductive film, that is, at the edge of the
도시된 바와 같이, 상기 제4층간절연막(14)을 형성하기 전, 상변환막(12)과 상부전극(13)을 포함한 제3층간절연막(10)의 표면 상에 ALD(Atomic Layer Deposition)와 같은 단차피복성이 우수한 공정을 통해 균일한 두께의 보호절연막(20)이 추가적으로 형성됨이 바람직하다. 한편, 도 1과 중복되는 도면부호들은 도 1의 구성요소와 동일하므로 설명하지 않는다. As shown in the figure, before forming the fourth
도 2와 같은 구조로 상변환 기억 소자를 제조하면 상부전극(13)의 크기는 종래와 동일하게 유지하면서 상변환막(12)의 크기만 감소시켜 상부전극(13)과 상변환막(12)의 접촉 면적을 감소시킴과 아울러 상변환막(12) 주위에 빈공간을 형성함으 로써 상변환막(12)의 열 방출 경로를 확보할 수 있으므로, 프로그래밍에 필요한 전류를 감소시킬 수 있다. When the phase change memory device having the structure as shown in FIG. 2 is manufactured, the size of the
그러나, 도 2와 같은 구조의 상변환 기억 소자의 제조시, 상변환물질막을 식각하여 언더-컷 공간을 생성함에 있어서 상변환물질막의 식각 속도가 방향에 따라 조금이라도 균일하지 못한 경우 잔류되는 상변환막(12)의 위치가 플러그 형태의 하부전극, 즉, 하부전극콘택(11)에서 벗어나게 되어 하부전극과 상변환막(12) 간의 안정적인 콘택 확보가 용이하지 않다는 문제가 있다. However, in the manufacture of the phase change memory device having the structure as shown in FIG. 2, the phase change material remaining when the etching rate of the phase change material film is not uniform even in the direction in etching the phase change material film to create the under-cut space. Since the position of the
특히, 상변환물질막과 상부전극용 도전막의 패터닝시 노광 공정의 부정확성 등으로 인해 오정렬(mis-align)이 발생된 경우에는 상기와 같은 문제가 발생할 확률이 더욱 높아지게 된다. In particular, when mis-alignment occurs due to the inaccuracy of the exposure process during the patterning of the phase change material film and the conductive film for the upper electrode, the probability of occurrence of the above problem becomes higher.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 상변환막과 전극과의 접촉 면적을 감소시키고 열확산을 억제하여 상변환막의 상변화에 필요한 전류를 낮추면서도 상변환막과 전극과의 안정적인 콘택을 용이하게 확보할 수 있는 상변환 기억 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and reduces the contact area between the phase conversion film and the electrode and suppresses the thermal diffusion to reduce the current required for the phase change of the phase conversion film and It is an object of the present invention to provide a phase change memory device capable of easily securing stable contact with an electrode, and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하부패턴이 구비된 반도체기판; 상기 기판 상에 하부패턴과 콘택하도록 형성된 패턴 형태의 하부전극; 상기 하부전극 상에 하부전극 보다 작은 크기로 형성된 상변환막; 상기 상변환막 상에 상변환막 보다 큰 크기로 형성된 패턴 형태의 상부전극; 및 상기 하부전극과 상부전극 사이의 빈공간은 매립하지 않으면서 하부전극, 상변환막 및 상부전극의 적층구조물을 덮도록 기판 상에 형성된 절연막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention, a semiconductor substrate provided with a lower pattern; A lower electrode having a pattern shape formed to contact the lower pattern on the substrate; A phase conversion film formed on the lower electrode in a smaller size than the lower electrode; An upper electrode of a pattern shape formed on the phase change film to have a size larger than that of the phase change film; And an insulating film formed on the substrate so as to cover the stacked structure of the lower electrode, the phase conversion film, and the upper electrode without filling the empty space between the lower electrode and the upper electrode. do.
상기 하부전극과 상부전극은 동일한 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자. And the lower electrode and the upper electrode have the same size.
상기 하부전극, 상변환막 및 상부전극의 적층구조물 표면에 균일한 두께로 형성된 절연보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자. And an insulating protective film formed on the surface of the stacked structure of the lower electrode, the phase conversion film and the upper electrode with a uniform thickness.
상기 절연보호막은 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 및 ZrOx로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자. And the insulating protective film is formed of any one film selected from the group consisting of SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx and ZrOx.
상기 절연보호막은 10∼200Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자. And the insulating protective film has a thickness of 10 to 200 Å.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상변환 기억 소자의 제조방법은, 하부패턴이 형성된 반도체기판을 마련하는 단계; 상기 기판 상에 제1도전막, 상변환물질막 및 제2도전막을 차례로 형성하는 단계; 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하여 상변환막이 개재된 패턴 형태의 하부전극과 상부전극을 형성하는 단계; 상기 상변환막의 가장자리 부분을 식각하여 하부전극과 상부전극 사이에 빈공간을 갖는 적층구조물을 형성하는 단계; 상기 하부전극과 상부전극 사이의 빈공간을 매립하지 않으면서 적층구조물을 덮도록 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;를 포함한다. In addition, a method of manufacturing a phase change memory device of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: preparing a semiconductor substrate having a lower pattern; Sequentially forming a first conductive film, a phase change material film, and a second conductive film on the substrate; Etching the second conductive film, the phase change material film, and the first conductive film in order to form a lower electrode and an upper electrode having a pattern shape interposed with a phase change film; Etching the edge portion of the phase conversion film to form a stacked structure having a void space between a lower electrode and an upper electrode; And forming an insulating film on the substrate to cover the stacked structure without filling the empty space between the lower electrode and the upper electrode.
여기서, 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하는 단계는 CF4, Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용하여 수행하되 상변환물질막 식각시에는 제2 및 제1도전막 식각시 보다 Ar 및 Cl2 대비 CF4의 함량을 상대적으로 감소시켜 식각을 진행하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. The etching of the second conductive film, the phase change material film, and the first conductive film in turn may be performed using an etching gas including CF 4, Ar, and
상기 상변환막의 가장자리 부분을 식각하여 하부전극과 상부전극 사이에 빈공간을 갖는 적층구조물을 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 절연막을 형성하는 단계 전, 상기 적층구조물의 표면에 균일한 두께의 보호절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. After etching the edge portion of the phase conversion film to form a stacked structure having an empty space between the lower electrode and the upper electrode, and before forming the insulating film, a protective insulating film having a uniform thickness on the surface of the laminated structure And forming a phase change memory device.
상기 절연보호막은 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 및 ZrOx로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed of any one film selected from the group consisting of SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx and ZrOx.
상기 절연보호막은 10∼200Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed to a thickness of 10 to 200 mW.
상기 절연보호막은 ALD 또는 CVD 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed by an ALD or CVD process.
상기 절연막은 PVD 또는 PE-CVD 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating film is formed by a PVD or PE-CVD process.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상변환 기억 소자의 제조방법은 하부패턴이 형성된 반도체기판을 마련하는 단계; 상기 기판 상에 제1도전 막, 상변환물질막 및 제2도전막을 차례로 형성하는 단계; 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하여 하부전극, 상변환막 및 상부전극의 적층구조물을 형성하되, 상변환막이 하부전극과 상부전극 보다 더 작은 크기를 갖도록 식각하여 하부전극과 상부전극 사이에 빈공간을 갖는 적층구조물을 형성하는 단계; 및 상기 하부전극과 상부전극 사이의 빈공간을 매립하지 않으면서 적층구조물을 덮도록 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;를 포함한다. In addition, the manufacturing method of the phase change memory device of the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a semiconductor substrate having a lower pattern; Sequentially forming a first conductive film, a phase change material film, and a second conductive film on the substrate; The second conductive film, the phase change material film, and the first conductive film are sequentially etched to form a stacked structure of a lower electrode, a phase change film, and an upper electrode, and the phase change film is etched to have a smaller size than the lower electrode and the upper electrode. Forming a stacked structure having an empty space between the lower electrode and the upper electrode; And forming an insulating film on the substrate to cover the stacked structure without filling the empty space between the lower electrode and the upper electrode.
상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하는 단계는 CF4, Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용해서 수행하되 상변환물질막 식각시에는 제2 및 제1도전막 식각시 보다 Ar 및 Cl2 대비 CF4의 함량을 상대적으로 감소시켜 식각을 진행하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. Etching the second conductive film, the phase change material film, and the first conductive film in turn may be performed using an etching gas including CF 4, Ar, and
상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하는 단계는 Etching the second conductive film, the phase change material film and the first conductive film in sequence
상기 제2도전막을 CF4, Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용해서 식각하는 제1단계; 상기 상변환물질막을 Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용해서 식각하는 제2단계; 및 상기 제1도전막을 CF4, Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용해서 식각하는 제3단계;를 포함한다. Etching the second conductive layer using an etching gas including CF 4, Ar, and
상기 절연보호막은 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 및 ZrOx로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed of any one film selected from the group consisting of SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx and ZrOx.
상기 절연보호막은 10∼200Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed to a thickness of 10 to 200 mW.
상기 절연보호막은 ALD 또는 CVD 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating protective film is formed by an ALD or CVD process.
상기 절연막은 PVD 또는 PE-CVD 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상변환 기억 소자의 제조방법. And the insulating film is formed by a PVD or PE-CVD process.
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 상변환 기억 소자의 단면도로서, 이를 참조하면, 본 발명의 상변환 기억 소자는 게이트 및 접합영역(소오스/드레인영역)과 같은 소정의 하부구조물(미도시)이 형성되고, 상기 하부구조물(미도시)을 덮도록 층간절연막(40)이 형성되며, 상기 층간절연막(40) 내에 콘택플러그(41a)와 같은 하부패턴이 구비된 반도체기판(31)과, 상기 기판 결과물(층간절연막 및 콘택플러그) 상에 콘택플러그(41a)와 콘택하도록 형성된 패턴 형태의 하부전극(41)과, 상기 하부전극(41) 상에 하부전극 보다 작은 크기로 형성된 상변환막(42)과, 상기 상변환막(42) 상에 상변환막(42) 보다 큰 크기로 형성된 패턴 형태의 상부전극(43)과, 상기 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이의 빈공간은 매립하지 않으면서 하부전극(41), 상변환막(42) 및 상부전극(43)의 적층구조물을 덮도록 층간절연막(40) 상에 형성된 절연막(44)을 포함한다. 미설명된 도면부호 45는 상부전극(43)과 콘택하도록 절연막(44) 상에 형성된 금속배선을 나타낸다. 3 is a cross-sectional view of a phase change memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to this, the phase change memory device of the present invention is a predetermined substructure (not shown) such as a gate and a junction region (source / drain region). Is formed, an
여기서, 상기 하부전극(41)과 상부전극(43)은 동일한 크기로 형성함이 바람 직하다. Here, the
또한, 본 발명의 상변환 기억 소자는 하부전극(41), 상변환막(42) 및 상부전극(43)으로 이루어진 적층구조물의 표면을 포함한 층간절연막(40) 상에 균일한 두께로 형성된 절연보호막(50)을 더 포함할 수 있다. In addition, the phase change memory device of the present invention has an insulating protective film formed in a uniform thickness on the
이때, 상기 절연보호막은 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 및 ZrOx로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 막으로, 바람직하게는 SiNx막으로, 10∼200Å의 두께로 형성된다. At this time, the insulating protective film is any one selected from the group consisting of SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx and ZrOx, preferably a SiNx film, is formed to a thickness of 10 ~ 200Å.
이하에서는, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 상변환 기억 소자의 제조방법을 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing the phase change memory device of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4D.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 상변환 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 평면도이다.4A through 4D are plan views illustrating processes of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 게이트 및 접합영역(소오스/드레인영역)과 같은 소정의 하부구조물(미도시)이 형성되고, 상기 하부구조물(미도시)을 덮도록 층간절연막(40)이 형성되며, 상기 층간절연막(40) 내에 콘택플러그(41a)와 같은 하부패턴이 구비된 반도체기판(31)을 마련한다. Referring to FIG. 4A, a predetermined substructure (not shown) such as a gate and a junction region (source / drain region) is formed, and an
그런 다음, 상기 기판 결과물(층간절연막 및 콘택플러그) 상에 제1도전막, 상변환물질막 및 제2도전막을 차례로 형성하고, 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제2도전막을 차례로 식각하여 상변환막(42)이 개재된 패턴 형태의 하부전극(41)과 상부전극(43)을 형성한다. Thereafter, a first conductive film, a phase change material film, and a second conductive film are sequentially formed on the substrate resultant (interlayer insulating film and contact plug), and the second conductive film, the phase change material film, and the second conductive film are sequentially etched. Thus, the
여기서, 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 차례로 식각하는 단 계는 CF4, Ar 및 Cl2를 포함하는 식각 가스를 사용하여 수행하되 상변환물질막 식각시에는 제2 및 제1도전막 식각시 보다 Ar 및 Cl2 대비 CF4의 함량을 상대적으로 감소시켜 식각을 진행함이 바람직하다. 이것은 CF4의 함량이 적을수록 상변환물질막의 식각이 용이하기 때문이다. Here, the step of sequentially etching the second conductive film, the phase change material film, and the first conductive film is performed using an etching gas including CF4, Ar, and Cl2, and the second and first phases during the phase change material film etching. It is preferable to proceed with etching by reducing the content of CF4 relative to Ar and Cl2 relative to the etching of the conductive film. This is because the smaller the content of CF4, the easier the phase-change material film is etched.
도 4b를 참조하면, 상기 상변환막(42)의 가장자리 부분을 선택적 식각 방식, 예컨대, 상기 상변환막(42)을 식각하는 속도가 매우 빠른 세정액을 이용한 습식 식각 방식으로 식각하여 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이에 빈공간을 갖는 적층구조물을 형성한다. Referring to FIG. 4B, an edge portion of the
그런 다음, 상기 적층구조물의 표면을 포함한 층간절연막(40) 상에 ALD 또는 CVD와 같은 단차피복성이 우수한 공정으로 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 또는 ZrOx로 이루어진, 바람직하게는 SiNx막으로 이루어진 균일한 두께의 보호절연막(50)을 형성한다. 이때, 상기 보호절연막(50)은 형성하지 않을수도 있으나, 되도록 상변환막(42)과 상하부전극(41, 43) 사이의 계면을 보호하기 위해 되도록 형성함이 바람직하며, 형성시 10∼200Å 정도의 두께로 형성하여 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이의 빈공간이 매립되지 않도록한다. Then, SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx or ZrOx in a process having excellent step coverage such as ALD or CVD on the
도 4c를 참조하면, 상기 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이의 빈공간을 매립하지 않으면서 적층구조물을 덮도록 PVD와 PE-CVD(Plasma enhanced CVD)와 같은 단차피복성이 좋지 않은 공정으로 기판 결과물 상에 절연막(44)을 형성한다. 이때, 상기 절연막(44)은 SiO2, SiNx, SiON, AlOx, Ta2O5, HfO2, NiOx 또는 ZrOx 중에서 어느 하나의 막으로, 바람직하게는 SiO2으로 형성한다. Referring to FIG. 4C, step coverage such as PVD and PE-CVD (Plasma enhanced CVD) is not good so as to cover the stacked structure without filling the empty space between the
도 4d를 참조하면, 상기 절연막(44)과 보호절연막(50)을 식각하여 상부전극(43)을 노출시키는 콘택홀(H)을 형성한 후, 상기 콘택홀(H)을 매립하도록 절연막(44) 상에 금속배선(45)을 형성한다. Referring to FIG. 4D, after forming the contact hole H exposing the
이후, 도시하지는 않았지만, 공지의 후속 공정을 차례로 수행하여 본 발명의 상변환 기억 소자를 제조한다. After that, although not shown in the drawing, a subsequent known process is sequentially performed to manufacture the phase change memory device of the present invention.
이와 같이, 본 발명은 콘택플러그(41a) 상에 상변환막(42)이 개재된 패턴 형태의 하부전극(41)과 상부전극(43)을 형성한 후, 상기 상변환막(42)의 가장자리를 선택적으로 식각하여 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이에 빈공간을 형성한 다음, 상기 빈공간이 매립되지 않도록 기판 결과물 상에 절연막(44)을 형성한다. As described above, according to the present invention, after forming the
이 경우, 가장자리가 식각되기 전의 상변환막(42) 상하부에 비교적 넓은 패턴 형태의 전극들이 형성되어 있기 때문에 상기 상변환막(42)의 가장자리를 식각할 때, 방향에 따른 식각 속도가 균일하지 못하다 하더라도 상변환막(42)이 하부전극(41) 및 상부전극(43)으로부터 벗어나는 일이 발생하지 않는다. In this case, since the electrodes having a relatively wide pattern shape are formed above and below the
또한, 본 발명은 콘택플러그(41a) 상에 패턴 형태의 하부전극(41), 상변환막(42) 및 상부전극(42)의 적층구조물을 형성하기 때문에 상기 적층구조물이 오정렬된다고 하더라도 하부전극(41)과 상변환막(42)의 안정적인 콘택 확보에는 전혀 문제가 없다. In addition, the present invention forms a stacked structure of the
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 콘택플러그(41a)를 구비한 층간절연막(40) 상에 제1도전막, 상변환물질막 및 제2도전막을 차례로 형성한 후, 상기 제2도전막, 상변환물질막 및 제1도전막을 식각할 때, 식각 조건을 조절하여 상변환막이 하부전극과 상부전극 보다 작은 크기를 갖도록 함으로써, 하부전극과 상부전극 사이에 빈공간을 만들어 줄 수도 있다. 이 경우, 상변환물질막의 식각시 CF4의 함량이 '0'이거나 전술한 일실시예에서의 그것 보다 적으며, 후속의 상변환막 가장자리를 식각하기 위한 별도의 습식 식각 공정이 요구되지 않는다. 한편, 보호절연막(50)의 형성 등과 관련된 나머지 공정 조건들은 모두 동일하다. Although not shown, in another embodiment of the present invention, the first conductive film, the phase change material film, and the second conductive film are sequentially formed on the
이상, 여기에서는 본 발명을 몇 가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형을 가할 수 있음을 이해할 것이다.Hereinbefore, the present invention has been described with reference to some examples, but the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art to which the present invention pertains have many modifications and variations without departing from the spirit of the present invention. It will be appreciated that it can be added.
이상에서와 같이, 본 발명은 패턴 형태의 하부전극과 상부전극 사이에 전극들 보다 작은 크기의 상변환막이 개재되어, 하부전극과 상부전극 사이에 빈공간이 확보된 상변환 기억 소자를 제조함으로써, 전극과 상변환막의 접촉 면적을 안정적으로 줄일 수 있고, 아울러서, 상변환막으로부터의 열방출을 효과적으로 억제할 수 있다. As described above, according to the present invention, a phase change film having a smaller size than the electrodes is interposed between the lower electrode and the upper electrode in the form of a pattern, thereby manufacturing a phase change memory device having an empty space between the lower electrode and the upper electrode. The contact area between the electrode and the phase change film can be stably reduced, and heat release from the phase change film can be effectively suppressed.
따라서, 본 발명은 전극들과 상변환막 간의 접촉 불량을 방지하여 안정적인 콘택이 이루어지도록 하면서 동시에 상변환막의 상변화시 주울열 효율을 향상시킬 수 있어서 종래와 비교해 상변환막의 상변화에 필요한 프로그래밍 전류를 낮출 수 있다. Accordingly, the present invention can prevent the poor contact between the electrodes and the phase change film to achieve a stable contact, and at the same time improve the Joule heat efficiency during phase change of the phase change film. Can be lowered.
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