特表 2024-522971 ＰＣＭ材料の膨張および制限を可能にする空隙を有する相変化メモリ・セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-25

(54)【発明の名称】ＰＣＭ材料の膨張および制限を可能にする空隙を有する相変化メモリ・セル

(51)【国際特許分類】

   H10B 63/10 20230101AFI20240618BHJP

   H10N 70/20 20230101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H10B63/10

H10N70/20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023570402

(86)(22)【出願日】2022-05-25

(85)【翻訳文提出日】2023-11-14

(86)【国際出願番号】 CN2022094882

(87)【国際公開番号】W WO2022257764

(87)【国際公開日】2022-12-15

(31)【優先権主張番号】17/303,836

(32)【優先日】2021-06-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】チョン、カングオ

(72)【発明者】

【氏名】シエ、ルイロン

(72)【発明者】

【氏名】ラーデンス、カール

(72)【発明者】

【氏名】リ、ジュンタオ

【テーマコード（参考）】

5F083

【Ｆターム（参考）】

5F083FZ10

5F083GA10

5F083GA30

5F083HA02

5F083HA06

5F083JA31

5F083JA37

5F083JA39

5F083JA40

5F083JA42

5F083JA60

5F083KA01

5F083KA03

5F083KA05

5F083KA06

5F083PR03

5F083PR21

5F083PR22

(57)【要約】

基板と、基板上に位置する第１の電極とを備える相変化メモリ（ＰＣＭ）セルを提供する。ＰＣＭセルは、第１の電極の隣に位置する相変化材料層であって、相変化材料層の第１の側面が第１の電極とじかに接触している、相変化材料層と、相変化材料層の隣に位置する第２の電極であって、第２の電極が相変化材料層の第２の側面とじかに接触しており、第１の側面と第２の側面が相変化材料層の異なる側面である、第２の電極と、相変化材料層の上方にじかに位置し、相変化材料が膨張または制限するための空間を提供する空隙と、を備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
基板上に位置する第１の電極と、
前記第１の電極の隣に位置する相変化材料層であり、前記相変化材料層の第１の側面が前記第１の電極とじかに接触している、前記相変化材料層と、
相変化材料層の隣に位置する第２の電極であり、前記第２の電極が、前記相変化材料層の第２の側面とじかに接触しており、前記第１の側面と前記第２の側面が前記相変化材料層の異なる側面である、前記第２の電極と、
前記相変化材料層の上方にじかに位置する空隙であり、前記相変化材料が膨張または制限するための空間を提供する、前記空隙と
を備えるＰＣＭセル。

【請求項2】

前記相変化材料層が位置する空洞の頂壁を形成するために前記空隙の上方に位置するハード・マスク層
をさらに備える、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項3】

前記ハード・マスク層がさらに前記空洞の側壁を形成している、請求項２に記載のＰＣＭセル。

【請求項4】

前記基板の上に形成された底部金属線であり、前記第１の電極が接続された、前記底部金属線と、
前記底部金属線の上に位置する誘電体層であり、前記誘電体層の上に前記相変化材料層が位置する、前記誘電体層と
をさらに備える、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項5】

前記誘電体層の上にじかに位置する抵抗性ライナであり、前記抵抗性ライナの上に前記相変化材料層の第１の部分がじかに位置する、前記抵抗性ライナ
をさらに備える、請求項４に記載のＰＣＭセル。

【請求項6】

前記誘電体層の上に前記相変化材料層の第２の部分がじかに形成されており、前記相変化材料層の前記第２の部分が、前記第２の電極とじかに接触した前記相変化材料層の前記第２の側面を含む、請求項５に記載のＰＣＭセル。

【請求項7】

前記空隙が、前記相変化材料層の前記第１の部分の上方に位置する、請求項６に記載のＰＣＭセル。

【請求項8】

前記相変化材料層の前記第１の部分の厚さが前記抵抗性ライナの長さに沿って変化している、請求項５に記載のＰＣＭセル。

【請求項9】

前記相変化材料層の前記第１の部分が、前記第１の電極とじかに接触した前記相変化材料層の前記第１の側面においてより厚くなっている、請求項８に記載のＰＣＭセル。

【請求項10】

前記相変化材料層が位置する空洞の頂壁を形成するために前記空隙の上方に位置するハード・マスク層であり、前記ハード・マスク層がさらに前記空洞の側壁を形成している、前記ハード・マスク層
をさらに備え、
前記相変化材料層の前記第１の部分が、前記相変化材料層が形成された前記空洞の側壁を形成している前記ハード・マスク層とじかに接触したセクションにおいてより厚くなっている、
請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項11】

前記相変化材料層の前記第１の部分が前記空洞の中心領域に向かってより幅が狭くなっている、請求項１０に記載のＰＣＭセル。

【請求項12】

前記相変化材料層が、前記第１の電極と接触した第１のセクションを含み、前記相変化材料層が、前記第２の電極と接触した第２のセクションを含み、前記空隙が、前記相変化材料層の前記第１のセクションの上方に位置する、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項13】

ハード・マスク層であり、前記ハード・マスク層の第１の部分が、前記相変化材料層の前記第１のセクションが位置する空洞の頂壁を形成するために空隙の上方に位置し、前記ハード・マスク層の第２の部分が前記空洞の側壁を形成しており、前記ハード・マスク層の前記第２の部分が前記相変化材料の前記第２のセクションの上方に位置する、前記ハード・マスク層
をさらに備える、請求項１２に記載のＰＣＭセル。

【請求項14】

前記相変化材料の前記第２のセクションが前記ハード・マスク層の前記第２の部分の底面とじかに接触している、請求項１３に記載のＰＣＭセル。

【請求項15】

前記基板の上に形成された底部金属線であり、前記第１の電極が接続された、前記底部金属線と、
前記底部金属線の上に位置する誘電体層と、
前記誘電体層の上にじかに位置する抵抗性ライナであり、前記抵抗性ライナの上に前記相変化材料層の前記第１のセクションがじかに位置し、前記ハード・マスク層の前記第２の部分と前記抵抗性ライナとの間にボトルネックが形成されている、前記抵抗性ライナと
をさらに備える、請求項１３に記載のＰＣＭセル。

【請求項16】

前記相変化材料が、ゲルマニウム－テルル複合材料（ＧｅＴｅ）、Ｓｉ－Ｓｂ－Ｔｅ（シリコン－アンチモン－テルル）合金、Ｇａ－Ｓｂ－Ｔｅ（ガリウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｂｉ－Ｔｅ（ゲルマニウム－ビスマス－テルル）合金、Ｉｎ－Ｓｅ（インジウム－テルル）合金、Ａｓ－Ｓｂ－Ｔｅ（ヒ素－アンチモン－テルル）合金、Ａｇ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ（銀－インジウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｇｅ－Ｓｂ合金、Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｓｉ－Ｓｂ合金、Ｇｅ－Ｔｅ合金およびこれらの組合せからなるグループから選択された、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項17】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
基板の上に位置する底部金属線と、
底部金属層の上方に位置する誘電体層と、
前記誘電体層の上方に位置する相変化材料層と、
前記相変化材料層の上に位置する障壁層と、
前記障壁層の上方にじかに位置する空隙であり、前記相変化材料が膨張または制限するための空間を提供する、前記空隙と、
前記空隙の頂壁を形成している第１の層と、
前記底部金属線から上に延びる第１の電極であり、前記第１の電極が、前記誘電体層の第１の側壁、前記相変化材料層の第１の側壁、前記障壁層の第１の側壁および前記第１の層の第１の側壁とじかに接触しており、前記第１の電極が前記空隙の第１の側壁を形成している、前記第１の電極と、
頂部金属線から下方に延びる第２の電極であり、前記第２の電極が、前記相変化材料層の第２の側壁、前記障壁層の第２の側壁および前記第１の層の第２の側壁とじかに接触しており、前記第２の電極が前記誘電体層の頂面とじかに接触しており、前記第２の電極が前記空隙の第２の側壁を形成している、前記第２の電極と
を備えるＰＣＭセル。

【請求項18】

前記誘電体層の上にじかに位置する抵抗性ライナであり、前記抵抗性ライナの上に前記相変化材料層がじかに位置する、前記抵抗性ライナ
をさらに備える、請求項１７に記載のＰＣＭセル。

【請求項19】

基板上に第１の電極および第２の電極を形成すること、
前記第１の電極および前記第２の電極に物理的および電気的に接触した相変化材料を形成すること、
前記相変化材料の１つの側に空隙を形成すること
を含む方法。

【請求項20】

前記相変化材料が、ゲルマニウム－テルル複合材料（ＧｅＴｅ）、Ｓｉ－Ｓｂ－Ｔｅ（シリコン－アンチモン－テルル）合金、Ｇａ－Ｓｂ－Ｔｅ（ガリウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｂｉ－Ｔｅ（ゲルマニウム－ビスマス－テルル）合金、Ｉｎ－Ｓｅ（インジウム－テルル）合金、Ａｓ－Ｓｂ－Ｔｅ（ヒ素－アンチモン－テルル）合金、Ａｇ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ（銀－インジウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｇｅ－Ｓｂ合金、Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｓｉ－Ｓｂ合金、Ｇｅ－Ｔｅ合金およびこれらの組合せからなるグループから選択された、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般に相変化メモリ・セルの分野に関し、より詳細には、動作中の体積変化に対応するための片側空隙（one-sided airgap）を有する相変化メモリ・セルに関する。

【背景技術】

【0002】

相変化メモリ（ＰＣＭ）は、人工知能（ＡＩ）ディープ・ラーニング用途で使用されるメモリの主要な候補として追求されている。ＰＣＭセルは堅い壁／境界によって閉じ込められており、そのため、ＰＣＭ材料が膨張または制限するのに利用可能な空間がない。この堅い壁によって通常の動作サイクル中のＰＣＭの体積変化が妨げられ得る／損なわれ得るため、このことは耐久性または信頼性の問題を引き起こす。

【発明の概要】

【0003】

追加の態様もしくは利点またはその両方は、その一部が以下の説明に記載されており、その一部が以下の説明から明らかとなり、または本発明の実施によって知ることができる。

【0004】

基板と、基板上に位置する第１の電極とを備える相変化メモリ（ＰＣＭ）セルを提供する。ＰＣＭセルは、第１の電極の隣に位置する相変化材料層であって、相変化材料層の第１の側面が第１の電極とじかに接触している、相変化材料層と、相変化材料層の隣に位置する第２の電極であって、第２の電極が相変化材料層の第２の側面とじかに接触しており、第１の側面と第２の側面が相変化材料層の異なる側面である、第２の電極と、相変化材料層の上方にじかに位置し、相変化材料が膨張または制限するための空間を提供する空隙と、を備える。

【0005】

本発明のある例示的な実施形態の上記の態様、特徴および利点ならびにその他の態様、特徴および利点は、以下の説明を添付図面とともに検討することによってより明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の一実施形態による、相変化メモリ・デバイスの上面図である。

【図2】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図3】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、カラムの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図4】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、犠牲層の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図5】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、カラムを埋めた後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図6】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第２のカラムの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図7】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第１の電極の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図8】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第３のカラムの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図9】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、犠牲層が除去された後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図10】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、相変化材料層の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図11】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第３のカラムからＰＣＭ層が除去された後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図12】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第２の電極の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図13】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、頂部金属線の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図14】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、空隙の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図15】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図16】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、アモルファス層の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図17】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、カラムの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図18】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、異なるＰＣＭカラムの誘電体分離後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図19】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、電極用のカットアウトの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図20】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第１および第２の電極の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図21】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第２のスペーサの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図22】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第３のスペーサの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図23】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、除去チャネルの形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図24】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、第１の犠牲層の除去後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図25】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、除去チャネルが密封された後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図26】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、上部金属線の形成後のＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【図27】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による、ＰＣＭ層の下方に位置する抵抗性ライナを含むＰＣＭデバイスの断面ＡおよびＢを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

添付図面に関する以下の説明は、特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義された本発明の例示的な実施形態の包括的理解を支援するために示したものである。この説明は、その理解を支援するさまざまな特定の詳細を含むが、それの特定の詳細は単なる例とみなすべきである。したがって、本発明の範囲を逸脱することなく本明細書に記載された実施形態のさまざまな変更および修正を実施することができることを当業者は理解するであろう。さらに、明暸かつ簡潔にするために、よく知られた機能および構造の説明は省かれていることがある。

【0008】

以下の説明および特許請求の範囲で使用される用語および語は、書誌的な意味に限定されるものではなく、単に、本発明の明確で一貫した理解を可能にするために使用される。したがって、当業者には、本発明の例示的な実施形態の以下の説明は例示のためだけに提供されるのであり、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義された発明を限定するために提供されるのではないことが明白なはずである。

【0009】

文脈からそうでないことが明らかでない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は複数の指示物を含むことが理解される。したがって、例えば、文脈からそうでないことが明らかでない限り、「構成要素表面」に関する言及は、このような表面のうちの１つまたは複数の表面に関する言及を含む。

【0010】

本明細書には、特許請求された構造体および方法の詳細な実施形態が開示されている。しかしながら、開示された実施形態は、さまざまな形態で実施することができる特許請求された構造体および方法の単なる例に過ぎないことを理解することができる。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載された例示的な実施形態に本発明が限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本開示が徹底的で完全なものとなり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。この説明では、本発明の実施形態を不必要に不明確にすることを避けるために、よく知られた特徴および技術の詳細が省かれていることがある。

【0011】

本明細書において「一実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」などに言及されているとき、それは、記載されたその実施形態は特定の特徴、構造もしくは特性を含むことがあるが、全ての実施形態がその特定の特徴、構造もしくは特性を含むことがあり、またはそうではないこともあることを示す。さらに、このような句が、同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、１つの実施形態に関して特定の特徴、構造または特性が記載されているとき、明示的に記載されているか否かを問わず、他の実施形態に関してそのような特徴、構造または特性に影響を及ぼすことは、当業者の知識の範囲内にあると考えられる。

【0012】

以下の説明の目的上、用語「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」およびそれらの派生語は、図面に示された向きの開示された構造体および方法に関する。用語「～の上にある」、「～の上の」、「頂部の」、「～上に配置された」または「～の上に配置された」は、第１の構造体などの第１の要素が第２の構造体などの第２の要素上に存在することを意味し、第１の要素と第２の要素の間に界面構造体などの介在要素が存在してもよい。用語「じかに接触する」は、第１の構造体などの第１の要素と第２の構造体などの第２の要素が、これらの２つの要素の界面に介在導電層、絶縁層または半導体層なしで接続されていることを意味する。

【0013】

本発明の実施形態の提示を不明確にしないように、以下の詳細な説明では、当技術分野で知られている一部の処理ステップまたは動作が、提示および例示ために一緒に結合されていることがあり、一部の例では詳細に説明されていないことがある。他の例では、当技術分野で知られている一部の処理ステップまたは動作が全く説明されていないことがある。むしろ、以下の説明は、本発明のさまざまな実施形態の弁別的特徴または要素に重点が置かれていることを理解すべきである。

【0014】

本明細書では、本発明のさまざまな実施形態が関連図を参照して説明される。本発明の範囲を逸脱することなく代替実施形態を考案することができる。以下の説明および図面には要素間のさまざまな接続および位置関係（例えば上、下、隣など）が記載されていることに留意されたい。特段の記載がない限り、これらの接続関係もしくは位置関係またはその両方は直接的または間接的でありえ、この点で本発明が限定するものであることは意図されていない。したがって、実体の結合は直接結合または間接結合を指すことができ、実体間の位置関係は直接的位置関係または間接的位置関係であり得る。間接的位置関係の例として、本説明における、層「Ａ」を層「Ｂ」の上に形成するとの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連特性および機能が中間層によって大幅に変化しない限りにおいて、層「Ａ」と層「Ｂ」の間に１つまたは複数の中間層（例えば層「Ｃ」）がある状況を含む。

【0015】

特許請求の範囲および本明細書の解釈のために、以下の定義および略語が使用される。本明細書で使用されるとき、用語「備える（comprises）」、「備えている（comprising）」、「含む（includes）」、「含んでいる（including）」、「有する（has）」、「有している（having）」、「含有する（contains）」もしくは「含有している（containing）」、またはこれらの用語の他の変異語は、非排他的包含（non-exclusive inclusion）をカバーすることが意図されている。例えば、要素のリストを含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されるわけではなく、明示的にはリストに入れられていない他の要素、あるいはこのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品または装置に固有の他の要素を含み得る。

【0016】

さらに、本明細書では、用語「例示的な」が、「例、事例または実例として役立つ」ことを意味するものとして使用されている。本明細書に「例示的」として記載された実施形態または設計は必ずしも、他の実施形態または設計よりも好ましいまたは有利であるとは解釈されない。用語「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４などを含むと理解し得る。用語「複数」は、２以上の任意の整数、すなわち２、３、４、５などを含むと理解し得る。用語「接続」は、間接「接続」と直接「接続」の両方を含み得る。

【0017】

本明細書で使用されるとき、使用される本発明の原料、成分または反応物の量を修飾する用語「約」は、数量の変動、例えば、濃縮物または溶液を調製するために使用される通常の測定および液体取り扱い手順中に起こり得る数量の変動に関する。さらに、変動は、測定手順における不注意によるエラー、組成物を調製するためまたは方法を実行するに使用される原料の製造、源または純度の違いなどによっても生じる。用語「約」または「実質的に」は、特定の数量の大きさに関連した、本出願の提出時に利用可能な機器に基づく誤差の程度を含むことが意図されている。例えば、「約」は、所与の値の±８％、５％または２％の範囲を含み得る。別の態様では、用語「約」が、報告された数値の５％以内を意味する。別の態様では、用語「約」が、報告された数値の１０、９、８、７、６、５、４、３、２または１％以内を意味する。

【0018】

パッケージ化して集積回路（ＩＣ）にするマイクロチップを形成するために使用されるさまざまなプロセスは、４つの一般的なカテゴリ、すなわち膜堆積、除去／エッチング、半導体ドーピングおよびパターニング／リソグラフィに分類される。堆積は、ウェーハ上で材料を成長させる、ウェーハを材料でコーディングする、または他の手法でウェーハ上に材料を移す任意のプロセスである。利用可能な技術には、特に、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、電気化学堆積（ＥＣＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、および最近になって出現した原子層堆積（ＡＬＤ）が含まれる。除去／エッチングは、ウェーハから材料を除去する任意のプロセスである。その例には、エッチング・プロセス（ウェットまたはドライ）、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）および化学機械平坦化（ＣＭＰ）などが含まれる。半導体ドーピングは、ドーピング、例えばトランジスタのソースおよびドレインのドーピングによる電気的特性の改変であり、一般に拡散もしくはイオン注入またはその両方によって実行される。これらのドーピング・プロセスの後には、炉アニールまたは高速熱アニール（ＲＴＡ）が実行される。アニールは、注入ドーパントを活性化する役目を果たす。導体（例えばアルミニウム、銅など）と絶縁体（例えばさまざまな形態の二酸化シリコン、窒化シリコンなど）の両方の膜が、電気構成要素を接続および分離するために使用される。半導体基板のさまざまな領域の選択的ドーピングは、電圧の印加によって基板の導電性を変化させることを可能にする。

【0019】

次に、本発明の実施形態を詳細に参照する。添付図面には実施形態の例が示されており、添付図面では、全体を通じて、同じ符号が同じ要素を指す。相変化メモリ（ＰＣＭ）は、通常動作中にＰＣＭ材料に電流／電気パルスが適用されたとき／適用されていないときにその体積を変化させる材料からなる。ＲＥＳＥＴ動作中にＰＣＭ材料が結晶状態からアモルファス状態に変化すると体積が約６～７％膨張する。ＳＥＴ動作中にＰＣＭ材料がアモルファス状態から結晶状態に変化すると体積が約６～７％収縮する。本発明は、ＰＣＭ材料の体積変化に対応するための空隙を形成することを対象としている。

【0020】

図１は、本発明の一実施形態による、相変化メモリ（ＰＣＭ）デバイス１００、２００、３００の上面図を示している。図１は、ＰＣＭメモリ・セル、電極、Ｍｘ線（金属線）、Ｍｘ－１線（金属線）を含むメモリ・アレイの上面図を示している。断面Ａおよび断面Ｂが識別されており、以下の図は、これらの断面における製造段階を反映したものである。

【0021】

図２（Ａ）は、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図２（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ＰＣＭデバイス１００は、基板１０２、底部金属線１０４、第１の誘電体層１０６、任意選択の抵抗性ライナ１０８、第１の犠牲層１１０、ハード・マスク１１２および層間絶縁体（ＩＬＤ）層１１４を含む。基板１０２は例えば、必ずしも限定はされないが、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、Ｓｉ：Ｃ（炭素ドープ・シリコン）、シリコンゲルマニウムカーバイド（ＳｉＧｅＣ）、炭素ドープ・シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ：Ｃ）、ＩＩＩ－Ｖ族、ＩＩ－Ｖ族化合物半導体または他の同様の半導体を含む材料とすることができる。さらに、これらの半導体材料の多数の層を基板１０２の半導体材料として使用することもできる。いくつかの実施形態では、基板１０２が半導体材料および誘電体材料の両方を含む。半導体基板１０２はさらに、有機物半導体、または例えばＳｉ／ＳｉＧｅ、シリコン・オン・インシュレータもしくはＳｉＧｅオン・インシュレータなどの層状半導体を含むことができる。半導体基板１０２の一部または全部がアモルファス、多結晶または単結晶であってもよい。半導体基板１０２は、ドープされた半導体基板もしくは無ドープの半導体基板とすることができ、またはドープされた領域および無ドープの領域をその中に含む半導体基板とすることができる。いくつかの実施形態では、基板１０２が、トランジスタ、（浅いトレンチ分離などの）分離構造体、コンタクト、導線などの他のデバイス構造体（図示せず）、またはＰＣＭデバイス１００のベースとして機能し得る任意の適当な層を含む。第１の犠牲層１１０は例えばゲルマニウムからなることができる。抵抗性ライナ１０８は例えば、アモルファス炭素、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、コバルトタングステン（ＣｏＷ）、ニッケルタングステン（ＮｉＷ）、酸化イットリウム（ＹＯ）または他の適当な材料からなることができる。抵抗性ライナ１０８の抵抗は、低抵抗状態にあるＰＣＭ材料の抵抗よりもかなり大きく（例えば１０ないし４０倍または約２０倍）、高抵抗状態にあるＰＣＭ材料の抵抗よりもかなり小さい（例えば１／５ないし１／５０または約１／１０）。第１の誘電体層１０６は例えばＳｉＮまたは他の適当な誘電体材料からなることができる。

【0022】

図３（Ａ）は、本発明の一実施形態による、カラム１１８の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図３（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、カラム１１８の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。一実施形態では、ハード・マスク１１２およびＩＬＤ層１１４の上に光学パターニング層（optical patterning layer）（ＯＰＬ）１１６が形成される。ＯＰＬ１１６は、カラム１１８を形成するためにパターニングされている。ＯＰＬ１１６はマスキング層の役目を果たす。カラム１１８は、ハード・マスク１１２、第１の犠牲層１１０、抵抗性ライナ１０８および第１の誘電体層１０６の各々から材料の一部分を除去することによって形成された空間である。カラム１１８の底は第１の誘電体層１０６内に位置するが、カラム１１８は底部金属線１０４までは下方に延びていない。

【0023】

図４（Ａ）は、本発明の一実施形態による、犠牲層の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図４（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、犠牲層の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ＯＰＬ１１６とＯＰＬ１１６の上に形成された第２の犠牲層１２０の任意の過剰の材料とが除去されている。カラム１１８の底に第２の犠牲層１２０が形成されている。第２の犠牲層１２０は、第１の犠牲層１１０の一部分と重なる垂直高さを有する。第２の犠牲層１２０は例えばＧｅ、ＳｉＧｅまたは別の適当な犠牲材料からなることができる。第２の犠牲層１２０の垂直高さは、ＰＣＭデバイス１００の下流処理中にボトルネックを形成することを可能にする。

【0024】

図５（Ａ）は、本発明の一実施形態による、カラム１１８を埋めた後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図５（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、カラム１１８を埋めた後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ＰＣＭデバイス１００の露出した表面に追加のハード・マスク１１２材料が形成されている。この追加のハード・マスク１１２材料は、カラム１１８内に位置する空間を埋めている。ハード・マスク１１２材料は、ハード・マスク１１２およびＩＬＤ層１１４の均一な表面を露出させるために平坦化されている。ハード・マスク１１２は、ハード・マスク１１２の一部分が第２の犠牲層１２０の頂部と接触するように下方に延びている。下方に延びるハード・マスク１１２は、ＰＣＭデバイス１００の下流処理中にハード・マスク１１２と抵抗性ライナ１０８の間にボトルネックを形成することを可能にする。

【0025】

図６（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第２のカラムの形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図６（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第２のカラムの形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ハード・マスク１１２の上およびＩＬＤ層１１４の上にＯＰＬ１１６が形成されている。ＯＰＬ１１６は、第２のカラム１２２を形成するためにパターニングされており、第２のカラム１２２は、後述する第１の電極１２４を形成する位置を決定する。第２のカラム１２２は、このスタックの第１のカラム１１８が位置していた側とは異なる側に位置する。ハード・マスク１１２、第１の犠牲層１１０、抵抗性ライナ１０８および第１の誘電体層１０６の各々から一部分を除去することによって、第２のカラム１２２を含む空間が形成されている。第２のカラム１２２は下方に延びて底部金属線１０４の頂面を露出させている。

【0026】

図７（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第１の電極１２４の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図７（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第１の電極１２４の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。第２のカラム１２２内に第１の電極１２４が形成されており、第１の電極１２４の底部は底部金属線１０４とじかに接触している。第１の電極１２４は、第２のカラム１２２内に第１の電極１２４を形成するための露出させた表面に導電性金属を堆積させることによって形成される。第１の電極１２４は、第１の電極１２４の頂面が第１の犠牲層１１０の頂面よりも高くなるような態様で底部金属線１０４から上方に延びている。第１の電極１２４は例えばタングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）または他の適当な導電性金属からなることができる。第１の電極１２４は、単一の導電性材料または任意の導電性材料の適当な組合せを含むことができる。破線の枠１２６によって示されているように、カラム１２２の残りの部分を埋めるために追加のＩＬＤ層１１４材料を堆積させる。平坦化された表面を形成するために、ＣＭＰプロセスによって、ＯＰＬ１１６、第１の電極１２４を形成するための過剰の材料および過剰のＩＬＤ層１１４が平坦化されている。この平坦化は、ＩＬＤ層１１４の頂部およびハード・マスク１１２の頂部を横切る平らな表面を形成する。

【0027】

図８（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第３のカラムの形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図８（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第３のカラムの形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ハード・マスク１１２およびＩＬＤ層１１４の上に、ＯＰＬ１１６または任意の他の適当なマスキング層が形成されている。ＯＰＬ１１６は、第３のカラム１２８を形成するためにパターニングされており、第３のカラム１２８は、第１のカラム１１８の位置の隣に位置する。ハード・マスク１１２および第２の犠牲層１２０の隣のＩＬＤ層１１４材料の一部分を除去することによって、第３のカラム１２８を含む空間が形成されている。ＩＬＤ層１１４のこの部分を除去して第３のカラム１２８を形成すると、ハード・マスク１１２の側面および第２の犠牲層１２０の側面が露出する。第３のカラム１２８は、第２の犠牲層１２０の底面よりも下まで下方に延びている。

【0028】

図９（Ａ）は、本発明の一実施形態による、犠牲層が除去された後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図９（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、犠牲層が除去された後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ＯＰＬ１１６は、ＩＬＤ層１１４の頂面およびハード・マスク１１２の頂部を露出させるために除去されている。第１の犠牲層１１０および第２の犠牲層１２０が除去されている。第１の犠牲層１１０および第２の犠牲層１２０の除去は、これらの層が位置していた位置に空洞１２９を形成する。空洞１２９は、任意選択の抵抗性ライナ１０８（または抵抗性ライナ１０８が存在しないときには第１の誘電体層１０６）の底壁によって画定されている。第１の電極１２４は、空洞１２９の第１の側壁として機能する。ハード・マスク１１２は空洞１２９の頂壁として機能し、ハード・マスク１１２は空洞１２９の第２の側壁として機能する。第１および第２の犠牲層１１０および１２０の除去によってボトルネック１３０が露出している。ボトルネック１３０は、下方に延びるハード・マスク１１２の一部分および抵抗性ライナ１０８の端部によって形成されている。いくつかの実施形態では、第１の犠牲層１１０および第２の犠牲層１２０が、例えばアンモニアおよび過酸化水素を含む水溶液によってまたは気相塩化水素（ＨＣｌ）によって除去することができるＳｉＧｅまたはＧｅを含む。

【0029】

図１０（Ａ）は、本発明の一実施形態による、相変化材料層の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図１０（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、相変化材料層の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。原子層堆積（ＡＬＤ）または同様の堆積技術によって相変化材料（ＰＣＭ）層１３２が形成されている。ＰＣＭ層１３２は本質的に、ゲルマニウム－アンチモン－テルル（ＧＳＴ）、ガリウム－アンチモン－テルル（ＧａＳＴ）または銀－イリジウム－アンチモン－テルル化物（ＡＩＳＴ）材料などの相変化材料から構成されたものとすることができるが、適宜、他の材料を使用することもできる。限定はされないが、ゲルマニウム－テルル複合材料（ＧｅＴｅ）、Ｓｉ－Ｓｂ－Ｔｅ（シリコン－アンチモン－テルル）合金、Ｇａ－Ｓｂ－Ｔｅ（ガリウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｂｉ－Ｔｅ（ゲルマニウム－ビスマス－テルル）合金、Ｉｎ－Ｓｅ（インジウム－テルル）合金、Ａｓ－Ｓｂ－Ｔｅ（ヒ素－アンチモン－テルル）合金、Ａｇ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ（銀－インジウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｇｅ－Ｓｂ合金、Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｓｉ－Ｓｂ合金、Ｇｅ－Ｔｅ合金およびこれらの組合せを含む他のＰＣＭ材料を使用することもできる。ＰＣＭ材料は、無ドープのＰＣＭ材料、またはドープされた（例えば酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）もしくはチタン（Ｔｉ）のうちの１種または数種の材料でドープされた）ＰＣＭ材料とすることができる。異なる層の材料に関して本明細書で使用されている用語「本質的に構成された（composed essentially）」、「本質的になる（consist essentially）」は、他の材料が存在する場合に、それらの材料が、挙げられた材料の基本的特性を大きくは変化させないことを示す。例えば、本質的にＧＳＴ材料からなるＰＣＭ材料は、ＧＳＴ材料の基本的特性を大きく変化させる他の材料を含まない。

【0030】

ＰＣＭ層１３２は、ＡＬＤまたはＣＶＤプロセスを使用することによって形成され、したがって空洞１２９内の壁に沿ってＰＣＭ層１３２を形成することを可能にする。ＰＣＭ層１３２はさらに、第２の犠牲層１２０の除去によって形成された空洞内および第３のカラム１２８内にも形成されている。ＰＣＭ層１３２は最初に、第１の犠牲層１１０の除去によって形成された空洞１２９の壁全体に沿って形成されるが、ＰＣＭ層１３２はこの空洞を完全には埋めない。ボトルネック１３０は、ＰＣＭ層１３２によって閉め切られ、したがってＰＣＭ層１３２が空洞を埋めるのを防ぐ。図１０（Ａ）および１０（Ｂ）は、ＰＣＭ層１３２は空洞１２９の壁に沿って形成され、一方で空洞１２９の中心は空のままであることを示している。

【0031】

図１１（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第３のカラム１２８からＰＣＭ層１３２が除去された後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図１１（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第３のカラム１２８からＰＣＭ層１３２が除去された後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ＩＬＤ層１１４の上に位置するＰＣＭ層１３２、ハード・マスク１１２の上に位置するＰＣＭ層１３２および第３のカラム１２８内に位置するＰＣＭ層１３２の部分が除去されている。このＰＣＭ層の除去は例えば反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）プロセスによって達成することができる。

【0032】

図１２（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第２の電極１３４の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図１２（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第２の電極１３４を形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。第３のカラム１２８内に第２の電極１３４が形成されており、第２の電極１３４は、ハード・マスク１１２の側壁およびＰＣＭ層１３２の側壁と接触している。第２の電極１３４を形成するために使用された任意の過剰の材料（例えばハード・マスク１１２の上の材料もしくはＩＬＤ層１１４の上の材料またはその両方）が平坦化されており、したがって、第２の電極１３４の頂面は、ハード・マスク１１２の頂部およびＩＬＤ層１１４の頂面と平面である。第２の電極１３４は例えばＣｕ、Ｗまたは他の適当な導電性金属からなることができる。

【0033】

図１３（Ａ）は、本発明の一実施形態による、頂部金属線１３６の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図１３（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、頂部金属線１３６の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。ハード・マスク１１２、第２の電極１３４および以前に形成されたＩＬＤ層１１４の上に追加のＩＬＤ材料が形成されるような態様でＩＬＤ層１１４を拡張するために、追加のＩＬＤ材料を堆積させる。ＩＬＤ層１１４は、第２の電極１３４の上に位置する空洞を形成するためにパターニングされている。第２の電極１３４の上に位置する空洞内に頂部金属線１３６が形成されている。したがって、第１の電極１２４は底部金属線１０４と接触しており、一方、第２の電極１３４は第２の金属線１３６と接触している。

【0034】

図１４（Ａ）は、本発明の一実施形態による、空隙１３８の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ａを示している。図１４（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、空隙１３８の形成後のＰＣＭデバイス１００の断面Ｂを示している。底部電極１２４、ＰＣＭ層１３２および頂部電極１３４に電気パルスが流される。それらの電気パルスは、空洞１２９の壁全体に沿って形成されたＰＣＭ層１３２を加熱し、それによってＰＣＭ層１３２は相を変化させ、空洞１２９の底に集まる。任意選択の抵抗性ライナ１０８上に位置するＰＣＭ層１３２は、空洞１２９の水平軸に沿って変化する厚さを有する。ＰＣＭ層１３２は、空洞１２９の側壁のより近くに位置するより厚い領域１３２Ｗを有する。ＰＣＭ層１３２は、空洞１２９の中心領域に幅の狭い領域１３２Ｎを有する。空洞１２９内のＰＣＭ層１３２の上方に空隙１３８が形成されている。空隙１３８は空間または材料のボイド（void）からなる。空隙１３８は、最初は空洞１２９の側面および頂部に位置するＰＣＭ層１３２の溶融によって形成される。ＰＣＭ層１３２の空隙１３８の下方に位置するセクションは、ＰＣＭ層１３２が空隙１３８の側面（空洞１２９の側壁）に向かってより厚くなり、空隙１３８の中心に向かってより薄くなるような可変の厚さを有する。空隙１３８は、ＰＣＭデバイス１００の動作／プログラミング中にＰＣＭ層１３２の体積が膨張および制限することを可能にする。

【0035】

図１５（Ａ）は、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図１５（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、材料スタック形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。ＰＣＭデバイス２００は、基板２０２、底部金属線２０４、第１の誘電体層２０６、相変化メモリ（ＰＣＭ）層２０８、障壁層２１０、犠牲層２１２およびハード・マスク２１４を含む。基板２０２は例えば、必ずしも限定はされないが、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、Ｓｉ：Ｃ（炭素ドープ・シリコン）、シリコンゲルマニウムカーバイド（ＳｉＧｅＣ）、炭素ドープ・シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ：Ｃ）、ＩＩＩ－Ｖ族、ＩＩ－Ｖ族化合物半導体または他の同様の半導体を含む材料とすることができる。さらに、これらの半導体材料の多数の層を基板２０２の半導体材料として使用することもできる。いくつかの実施形態では、基板２０２が半導体材料および誘電体材料を含む。半導体基板２０２はさらに、有機物半導体、または例えばＳｉ／ＳｉＧｅ、シリコン・オン・インシュレータもしくはＳｉＧｅオン・インシュレータなどの層状半導体を含むことができる。半導体基板２０２の一部または全部がアモルファス、多結晶または単結晶であってもよい。半導体基板２０２は、ドープされた半導体基板もしくは無ドープの半導体基板とすることができ、またはドープされた領域および無ドープの領域をその中に含む半導体基板とすることができる。いくつかの実施形態では、基板２０２が、トランジスタ、（浅いトレンチ分離などの）分離構造体、コンタクト、導線などの他のデバイス構造体（図示せず）、またはＰＣＭデバイス２００のベースとして機能し得る任意の適当な層を含む。第１の誘電体層２０６は例えばＳｉＮまたは他の適当な誘電体材料からなることができる。

【0036】

ＰＣＭ層２０８は本質的に、ゲルマニウム－アンチモン－テルル（ＧＳＴ）、ガリウム－アンチモン－テルル（ＧａＳＴ）または銀－イリジウム－アンチモン－テルル化物（ＡＩＳＴ）材料などの相変化材料から構成されたものとすることができるが、適宜、他の材料を使用することもできる。限定はされないが、ゲルマニウム－テルル複合材料（ＧｅＴｅ）、Ｓｉ－Ｓｂ－Ｔｅ（シリコン－アンチモン－テルル）合金、Ｇａ－Ｓｂ－Ｔｅ（ガリウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｂｉ－Ｔｅ（ゲルマニウム－ビスマス－テルル）合金、Ｉｎ－Ｓｅ（インジウム－テルル）合金、Ａｓ－Ｓｂ－Ｔｅ（ヒ素－アンチモン－テルル）合金、Ａｇ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ（銀－インジウム－アンチモン－テルル）合金、Ｇｅ－Ｉｎ－Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｇｅ－Ｓｂ合金、Ｓｂ－Ｔｅ合金、Ｓｉ－Ｓｂ合金、Ｇｅ－Ｔｅ合金およびこれらの組合せを含む他のＰＣＭ材料を使用することもできる。ＰＣＭ材料１１２は、無ドープのＰＣＭ材料、またはドープされた（例えば酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）もしくはチタン（Ｔｉ）のうちの１種または数種の材料でドープされた）ＰＣＭ材料とすることができる。異なる層の材料に関して本明細書で使用されている用語「本質的に構成された」、「本質的になる」は、他の材料が存在する場合に、それらの材料が、挙げられた材料の基本的特性を大きくは変化させないことを示す。例えば、本質的にＧＳＴ材料からなるＰＣＭ材料１１２は、ＧＳＴ材料の基本的特性を大きく変化させる他の材料を含まない。障壁層２１０は、ＰＣＭ層２０８と第１の犠牲層２１２の混合を防ぐ拡散障壁として機能する。障壁層２１０は例えばＳｉＯ_２または他の適当な障壁材料からなることができる。

【0037】

図１６（Ａ）は、本発明の一実施形態による、マスキング層２１６の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図１６（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、マスキング層２１６の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。ハード・マスク２１４の上にマスキング層２１６が形成されている。マスキング層２１６は、ＰＣＭデバイス２００を構成するカラムを形成するために（例えばリソグラフィおよび続く反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって）パターニングされている。マスキング層２１６は例えばアモルファス・シリコンからなることができる。

【0038】

図１７（Ａ）は、本発明の一実施形態による、カラムの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図１７（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、カラムの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。ＰＣＭカラム２２２は、これらの異なる層から材料を除去してカットアウト（cutout）２１８を形成することによって形成される。カットアウト２１８は、マスキング層２１６の頂部から底部金属線２０４の頂面まで下方に延びている。マスキング層２１６は、第１のスペーサ２２０の形成を可能にするために後退している。第１のスペーサ２２０は、カットアウト２１８のそれぞれの側のハード・マスク２１４の上に形成されており、第１のスペーサ２２０はマスキング層２１６と隣り合っている。第１のスペーサ２２０は、下流プロセスで電極が製造される位置に位置している。第１のスペーサ２２０は例えばＳｉＮからなることができる。

【0039】

図１８（Ａ）は、本発明の一実施形態による、異なるＰＣＭカラム２２２の誘電体分離後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図１８（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、異なるＰＣＭカラム２２２の誘電体分離後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。カットアウト２１８に分離層２２４が充填されている。分離層２２４は、隣り合うＰＣＭカラム２２２を互いに電気的に分離している。分離層２２４は、ＳｉＯ_２または他の適当な誘電体などの誘電体材料からなることができる。

【0040】

図１９（Ａ）は、本発明の一実施形態による、電極用のカットアウトの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図１９（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、電極用のカットアウトの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。第１のスペーサ２２０が除去されており、分離層２２４の両側に電極トレンチ２２６、２２８が形成されている。第１の電極トレンチ２２６は、マスキング層２１６の頂部から誘電体層２０６の頂部まで下方に延びている。第１の電極トレンチ２２６は分離層２２４の第１の側面の隣に位置している。第２の電極トレンチ２２８は、マスキング層２１６の頂部から底部金属線２０４の頂部まで下方に延びている。第２の電極トレンチ２２８は分離層２２４の第２の側面の隣に位置しており、第１の側面は第２の側面の反対側にある。

【0041】

図２０（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第１および第２の電極の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２０（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第１および第２の電極の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。第１の電極トレンチ２２６内に第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂが形成されている。第２の電極トレンチ２２８内に第２の電極２３２Ａおよび２３２Ｂが形成されている。第１の電極２３０Ａは、分離層２２４によって第２の電極２３２Ａから分離されている。第１の電極２３０Ａと第２の電極２３２Ａは異なるＰＣＭカラム２２２に接続されている。例えば、第１の電極２３０Ｂおよび第２の電極２３２Ａは第１のＰＣＭカラム２２２Ａに接続されており、一方、第２の電極２３２Ｂは第２のＰＣＭカラム２２２Ｂに接続されている。第２のＰＣＭカラム２２２Ｂには別の第１の電極（図示せず）が接続される。第２の電極２３２Ａと第１の電極２３０Ｂは、第１のＰＣＭカラム２２２Ａの反対の側に位置している。第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂならびに第２の電極２３２Ａおよび２３２Ｂは例えば、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）または他の適当な導電性金属からなることができる。第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂならびに第２の電極２３２Ａおよび２３２Ｂは、単一の導電性材料または導電性材料の任意の適当な組合せを含むことができる。

【0042】

図２１（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第２のスペーサ２３４の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２１（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第２のスペーサ２３４の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂの各々の上ならびに第２の電極２３２Ａおよび２３２Ｂの各々の上に、第２のスペーサ２３４が形成されている。第２のスペーサ２３４はＳｉＮなどの誘電体材料からなることができる。

【0043】

図２２（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第３のスペーサの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２２（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第３のスペーサの形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。マスキング層２１６が除去されており、ハード・マスク２１４および誘電体層２０６の上に第３のスペーサ２３６が形成されている。第３のスペーサ２３６はＳｉＯ_２などの誘電体材料からなることができる。第３のスペーサ２３６は、ＰＣＭカラム２２２の各々の中の除去チャネルが形成される位置を示すためにパターニングされている。

【0044】

図２３（Ａ）は、本発明の一実施形態による、除去チャネル２３８の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２３（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、除去チャネル２３８の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。ＰＣＭカラム２２２の各々の中に除去チャネル２３８がエッチングされている。除去チャネル２３８は、第１の犠牲層２１２内まで下方に延びている。除去チャネル２３８の底部は第１の犠牲層２１２内に位置している。除去チャネル２３８は、第１の犠牲層２１２にエッチング溶液を適用することを可能にする。

【0045】

図２４（Ａ）は、本発明の一実施形態による、第１の犠牲層２１２の除去後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２４（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、第１の犠牲層２１２の除去後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。除去チャネル２３８の各々にエッチング溶液が導入され、そこでエッチング溶液は第１の犠牲層２１２と相互作用する。このエッチング溶液および洗浄プロセスによって、ＰＣＭカラム２２２の各々から第１の犠牲層２１２が除去される。いくつかの実施形態では、第１の犠牲層２１２が、例えばアンモニアおよび過酸化水素を含む水溶液によってまたは気相塩化水素（ＨＣｌ）によって除去することができるＳｉＧｅまたはＧｅを含む。ＰＣＭカラム２２２の各々の中の第１の犠牲層２１２の除去によって空洞２４０が形成されている。空洞２４０または空隙は、ＰＣＭデバイス２００の動作／プログラミング中にＰＣＭ層２０８が膨張および制限することを可能にする。

【0046】

図２５（Ａ）は、本発明の一実施形態による、除去チャネルが密封された後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２５（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、除去チャネルが密封された後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。除去チャネル２３８の各々を密封するために、以前に形成された第３のスペーサ２３６の上に追加の第３のスペーサ２３６の材料を堆積させる。新たな第３のスペーサ２３６Ａは除去チャネル内まで下方に延びているが、空洞２４０内までは下方に延びていない。

【0047】

図２６（Ａ）は、本発明の一実施形態による、上部金属線２４４の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ａを示している。図２６（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、上部金属線２４４の形成後のＰＣＭデバイス２００の断面Ｂを示している。第３のスペーサ２３６の上に第２の誘電体層２４２が形成されている。第２の誘電体層２４２は、第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂの上に位置する第２のスペーサ２３４を露出させるためにパターニングされている。露出した第２のスペーサ２３４は、第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂの頂部を露出させるために除去されている。第１の電極２３０Ａおよび２３０Ｂの上に上部金属線２４４が形成されている。空洞２４０／空隙は、上部金属線２４４または底部金属線２０４を介して第１の電極２３０Ｂまたは第２の電極２３２Ａに電流／電気パルスが適用されたときのＰＣＭ層２０８の体積変化に対応することができる。

【0048】

図２７（Ａ）は、本発明の一実施形態による、ＰＣＭ層の下方に位置する抵抗性ライナ３５０を含むＰＣＭデバイス３００の断面Ａを示している。図２７（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、ＰＣＭ層の下方に位置する抵抗性ライナ３５０を含むＰＣＭデバイス３００の断面Ｂを示している。ＰＣＭデバイス３００は上述のＰＣＭデバイス２００と同じである。ＰＣＭデバイス３００に空洞２４０を形成するステップは、ＰＣＭデバイス２００に空洞２４０を形成するテップと同じである。図２７（Ａ）および２７（Ｂ）で使用されている層および参照符号は、上で使用されている同じ層および参照符号に対応する。違いは、初期ＰＣＭデバイス３００を形成するときには、第１の誘電体層２０６の上に追加の抵抗性ライナ３５０が形成されること、および抵抗性ライナ３５０の上にＰＣＭ層２０８が形成されることである。抵抗性ライナ３５０は例えば、アモルファス炭素、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、コバルトタングステン（ＣｏＷ）、ニッケルタングステン（ＮｉＷ）、酸化イットリウム（ＹＯ）または他の適当な材料からなることができる。抵抗性ライナ３５０の抵抗は、低抵抗状態にあるＰＣＭ材料の抵抗よりもかなり大きく（例えば１０ないし４０倍または約２０倍）、高抵抗状態にあるＰＣＭ材料の抵抗よりもかなり小さい（例えば１／５ないし１／５０または約１／１０）。抵抗性ライナ３５０は、ＰＣＭデバイス３００の動作中のＰＣＭ層２０８の抵抗ドリフトを移動させる。

【0049】

本発明を、本発明のある例示的な実施形態に関して示し、説明したが、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義された本発明の範囲を逸脱することなく、それらの実施形態に形態および詳細のさまざまな変更を加えることができることを当業者は理解するであろう。

【0050】

本発明のさまざまな実施形態の説明は例示のために提示されたものであり、それらの説明が網羅的であること、または開示された実施形態に限定されることは意図されていない。当業者には、記載された実施形態の範囲を逸脱しない多くの変更および変形が明らかとなろう。本明細書で使用した用語は、１つまたは複数の実施形態の原理、実用的用途、もしくは市販されている技術にはない技術的改善点を最もよく説明するように、または本明細書に開示された実施形態を当業者が理解できるように選択した。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【国際調査報告】