JP2009094344A - Storage device - Google Patents

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Koji Arita
浩二 有田
Takeshi Takagi
剛 高木
Takumi Mikawa
巧 三河
Yoshio Kawashima
良男 川島
Shikiyo Gi
志強 魏
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Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-reliability storage device highly integrated without causing crosstalk between another storage device and itself, and excelling in mass productivity, and also to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: In this storage device 10, a resistance change element 12 including a resistance change film 11 and a current suppression element 14 including a current suppression layer 13 are connected in series to each other. The resistance change film 11 is arranged in a lower part of a first contact hole 17 formed by penetrating a first interlayer insulation film 16, and the current suppression layer 13 is arranged in an upper part of the first contact hole 17 and in a position facing the resistance change film 11. The resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are electrically connected to each other through a plug 18 formed in the first contact hole 17, and a conductive layer 19 in the plug 18 constitutes partial parts of the resistance change element 12 and the current suppression element 14. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細化に適した量産性の高い記憶装置に関する。   The present invention relates to a storage device with high mass productivity suitable for miniaturization.

近年、いわゆる抵抗変化素子をメモリとして利用することが提案されている。このような抵抗変化素子は、主として金属酸化物材料により構成される薄膜を有し、この薄膜に電気パルスを印加すると、その抵抗値が変化し、かつ、その変化した抵抗値が保持される。この薄膜の高抵抗状態と低抵抗状態を、それぞれ、例えば2値データの“1”と“0”に対応させると、2値データを記憶することができる。印加される電気パルスによる電界の大きさや電流密度は、薄膜の物理的な状態を変化させるには十分で、かつ、薄膜を破壊しない程度であればよく、また、電気パルスを複数回印加してもよい。   In recent years, it has been proposed to use a so-called variable resistance element as a memory. Such a resistance change element has a thin film mainly composed of a metal oxide material. When an electric pulse is applied to the thin film, its resistance value changes and the changed resistance value is maintained. When the high resistance state and the low resistance state of the thin film are associated with, for example, “1” and “0” of binary data, binary data can be stored. The magnitude and current density of the electric field due to the applied electric pulse need only be sufficient to change the physical state of the thin film and do not destroy the thin film. Also good.

このような抵抗変化素子を用いた記憶装置として、クロスポイント型のメモリ構造の上下の配線の交点部にメモリプラグが形成されて、このメモリプラグ内にバイポーラ特性を有する抵抗変化膜とダイオードを組み合わせて積層方向に形成し、高集積化とクロストークを抑制した記憶装置の構造が示されている(例えば、特許文献1参照)。
米国特許第6753561号明細書
As a memory device using such a resistance change element, a memory plug is formed at the intersection of upper and lower wirings of a cross-point type memory structure, and a resistance change film having a bipolar characteristic and a diode are combined in the memory plug. A structure of a memory device that is formed in the stacking direction and suppresses high integration and crosstalk is shown (for example, see Patent Document 1).
US Pat. No. 6,753,561

しかしながら、特許文献1で示されたメモリ構造は、1つのコンタクトホールの中に電流抑制素子と抵抗変化膜からなる記憶装置とを積層するもので、少なくとも6層の異なる材料の層を積層して形成する必要があるが、このような複雑な積層構造の製造は簡単ではなく、所謂プロセスルールが100nm未満となるような微細なプロセスでは、かなり困難な構造形成となる。また、電流抑制素子はコンタクトホール内で形成されるので、電流抑制素子の電流容量がコンタクトホールの直径で決まってしまい、電流抑制素子の単位面積あたりの許容電流量が十分大きくなければ、抵抗変化素子を安定的に動作させるために必要な電流を確保することが難しいという課題も生じる。   However, the memory structure disclosed in Patent Document 1 is a structure in which a current suppressing element and a memory device including a resistance change film are stacked in one contact hole, and at least six layers of different materials are stacked. Although it is necessary to form such a multilayer structure, it is not easy to manufacture such a complicated laminated structure, and a very difficult structure is formed by a fine process in which a so-called process rule is less than 100 nm. In addition, since the current suppression element is formed in the contact hole, the current capacity of the current suppression element is determined by the diameter of the contact hole. If the allowable current amount per unit area of the current suppression element is not sufficiently large, the resistance change There also arises a problem that it is difficult to secure a current necessary for stably operating the element.

本発明は、上記課題を解決するものであり、抵抗変化膜を含む抵抗変化素子と電流抑制層を含む電流抑制素子とを直列に接続する記憶装置を構成するときに、抵抗変化膜と電流抑制層とを接続するコンタクトホールの中に抵抗変化素子の電極層と電流抑制素子の電極層を自己整合的に接続する構造を形成することにより、高集積化ができて量産性に富み高信頼性の記憶装置を提供することを目的としている。   The present invention solves the above-described problem, and when configuring a memory device in which a resistance change element including a resistance change film and a current suppression element including a current suppression layer are connected in series, the resistance change film and the current suppression are configured. By forming a structure in which the electrode layer of the resistance change element and the electrode layer of the current suppressing element are connected in a self-aligned manner in the contact hole that connects the layers, high integration can be achieved, and mass production is high and high reliability. It is an object to provide a storage device.

上記目的を達成するために、本発明の記憶装置は、基板と、前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を貫通して形成された第1のコンタクトホール中に各々の少なくとも一部が形成された抵抗変化素子と電流抑制素子と、を有する記憶装置であって、前記抵抗変化素子は抵抗変化膜を有し、前記第1のコンタクトホールの上部または下部に配置され、前記電流抑制素子は電流抑制層を有し、前記電流抑制層は前記第1のコンタクトホールの下部または上部で、かつ前記抵抗変化膜に対向する位置に配置され、前記抵抗変化膜と前記電流抑制層とは前記第1のコンタクトホールの中に形成されたプラグにより電気的に接続されており、前記プラグ中の導電層は前記抵抗変化素子および前記電流抑制素子の一部を構成する。このような構成とすることにより、高集積化された電気特性のばらつきが少ない高信頼性の記憶装置を有する記憶装置が実現できる。そして、クロストークを防止し、大きい電流容量の電流抑制素子を有する記憶装置が実現できる。   In order to achieve the above object, a memory device according to the present invention includes a substrate, an interlayer insulating film formed on the substrate, and a first contact hole formed through the interlayer insulating film. A memory device having a resistance change element and a current suppression element formed at least in part, wherein the resistance change element has a resistance change film, and is disposed above or below the first contact hole. The current suppression element includes a current suppression layer, and the current suppression layer is disposed at a position below or above the first contact hole and facing the resistance change film, and the resistance change film and the current suppression layer The layer is electrically connected by a plug formed in the first contact hole, and the conductive layer in the plug constitutes a part of the variable resistance element and the current suppressing element. With such a structure, a highly integrated memory device including a highly reliable memory device with little variation in electrical characteristics can be realized. In addition, a storage device that prevents crosstalk and has a current suppressing element with a large current capacity can be realized.

また、プラグ中の導電層は、抵抗変化膜に隣接し抵抗変化素子を構成する第1の電極層、電流抑制層に隣接し電流抑制素子を構成する第2の電極層、第1の電極層と第2の電極層とを接続する第3の電極層の少なくとも3層からなる構成としてもよい。このような構成とすることにより、抵抗変化素子と電流抑制素子とが直列に接続された記憶装置において、さらに高集積化に適した接続の構造を実現することができる。そして、このような構造とすることにより、第1のコンタクトホール中の抵抗変化素子の電極および電流抑制素子の電極の電極材料をそれぞれ独立に選択することができる。   The conductive layer in the plug includes a first electrode layer adjacent to the resistance change film and constituting the resistance change element, a second electrode layer adjacent to the current suppression layer and constituting the current suppression element, and the first electrode layer. It is good also as a structure which consists of at least three layers of the 3rd electrode layer which connects 2nd electrode layer. With such a configuration, in the memory device in which the variable resistance element and the current suppressing element are connected in series, a connection structure suitable for higher integration can be realized. And by setting it as such a structure, the electrode material of the electrode of the resistance change element in the 1st contact hole and the electrode of a current suppression element can be selected independently, respectively.

また、プラグは、第1の層間絶縁膜にマトリクス状に複数個形成され、プラグの上部または下部に形成された抵抗変化層に接続されるストライプ状の第1の配線と、プラグの下部または上部に形成された電流抑制層に接続されるストライプ状の第2の配線と、をさらに備え、第1の配線と第2の配線とは交差するように配置され、マトリクス状に形成されたプラグを介して前記第1の配線と前記第2の配線とが接続されている構成としてもよい。このような構成とすることにより、クロスポイント型の記憶装置は、所謂プロセスルールが100nm未満となるような微細プロセスと親和性がある量産プロセスにより高集積化して製作することができる。   A plurality of plugs are formed in a matrix in the first interlayer insulating film, and the stripe-shaped first wiring connected to the resistance change layer formed on the upper or lower portion of the plug, and the lower or upper portion of the plug. And a stripe-shaped second wiring connected to the current suppression layer formed on the first wiring and the second wiring. The first wiring and the second wiring are arranged so as to intersect with each other, and plugs formed in a matrix are arranged. The first wiring and the second wiring may be connected via each other. With such a configuration, a cross-point type storage device can be manufactured with high integration by a mass production process having affinity with a fine process in which a so-called process rule is less than 100 nm.

また、第1の電極層または前記第2の電極層は、前記第1のコンタクトホールの底面を少なくとも覆い、前記第1のコンタクトホールの側面の上部を覆わない構成としてもよい。このような構成とすることにより、プラグ中の導電層の構造はさらに量産しやすく製造することができ、導電層を構成する電極層間の電気的な接続や導電層と抵抗変化膜または電流抑制層との電気的な接続もさらに良くすることができる。   Further, the first electrode layer or the second electrode layer may cover at least the bottom surface of the first contact hole and may not cover the upper part of the side surface of the first contact hole. By adopting such a configuration, the structure of the conductive layer in the plug can be manufactured more easily, and the electrical connection between the electrode layers constituting the conductive layer, the conductive layer and the resistance change film, or the current suppressing layer can be achieved. The electrical connection with can be further improved.

また、第2の電極層または第1の電極層は、第1のコンタクトホールの上面および側面の上部を覆って第1のコンタクトホール内に形成されている構成としてもよい。このような構成とすることにより、プラグ中の導電層の構造はさらに量産しやすく製造することができ、導電層を構成する電極層間の電気的な接続や導電層と抵抗変化膜または電流抑制層との電気的な接続もさらに良くすることができる。   Further, the second electrode layer or the first electrode layer may be formed in the first contact hole so as to cover the upper surface of the first contact hole and the upper part of the side surface. By adopting such a configuration, the structure of the conductive layer in the plug can be manufactured more easily, and the electrical connection between the electrode layers constituting the conductive layer, the conductive layer and the resistance change film, or the current suppressing layer can be achieved. The electrical connection with can be further improved.

また、第3の電極層は、第1のコンタクトホール中において、第1の電極層および第2の電極層に周囲を取り囲まれている構成としてもよい。このような構成とすることにより、第3の電極層として、さらに導電性に富む材料を選択して使用することもできる。   The third electrode layer may have a configuration in which the first electrode layer and the second electrode layer are surrounded by the first contact hole. By adopting such a configuration, a material having higher conductivity can be selected and used as the third electrode layer.

また、第3の電極層は凸部を有する形状に形成され、凸部は第1の電極層または第2の電極層の凹部に嵌め込まれている構成としてもよい。このような構成とすることにより、電極層間の電気的な接続をさらに良くすることができる。   Further, the third electrode layer may be formed in a shape having a convex portion, and the convex portion may be fitted into the concave portion of the first electrode layer or the second electrode layer. With such a configuration, electrical connection between the electrode layers can be further improved.

また、電流抑制素子は、MIMダイオード、MSMダイオード、あるいはバリスタである構成としてもよい。このような構成とすることにより、異なる極性の電気パルスを印加することによってデータを書き込む抵抗変化素子においてもクロストークが容易に防止できることに加えて、抵抗変化素子には十分な電流が印加できる構成とすることができる。   The current suppressing element may be a MIM diode, an MSM diode, or a varistor. With this configuration, crosstalk can be easily prevented even in a resistance change element that writes data by applying electric pulses of different polarities, and a sufficient current can be applied to the resistance change element. It can be.

本発明の記憶装置は、抵抗変化膜を含む抵抗変化素子と電流抑制層を含む電流抑制素子とを直列に接続する記憶装置を構成するときに、抵抗変化膜と電流抑制層とを接続するコンタクトホールの中に抵抗変化素子の電極層と電流抑制素子の電極層を自己整合的に接続する構造を形成する。このような構成とすることにより、コンパクトに抵抗変化素子と電流抑制素子とが直列に接続することができるので、高集積化ができて量産性に富んだ高信頼性の記憶装置が実現できる。また、平坦な抵抗変化膜と平坦な電流抑制層とを接続するので、電気的な特性が揃ったばらつきの少ない記憶装置が実現できる。   The memory device of the present invention has a contact for connecting a resistance change film and a current suppression layer when a memory device in which a resistance change element including a resistance change film and a current suppression element including a current suppression layer are connected in series is configured. A structure in which the electrode layer of the resistance change element and the electrode layer of the current suppressing element are connected in a self-aligned manner is formed in the hole. With such a configuration, the variable resistance element and the current suppressing element can be connected in series in a compact manner, so that a highly reliable memory device that can be highly integrated and is mass-productive can be realized. In addition, since the flat variable resistance film and the flat current suppression layer are connected, a memory device with uniform electrical characteristics and less variation can be realized.

以下、本発明の実施の形態に係る記憶装置とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。   Hereinafter, a storage device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in drawing may abbreviate | omit description.

(第1の実施の形態)
図1から図9は、本発明の第1の実施の形態を示す図である。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置10、15、20の概略構成図を示す。図1(a)および(b)は記憶装置10、15の構成を示す概略断面図である。図1(c)は図1(a)の導電層が3層からなる記憶装置20の構成を示す概略断面図である。
(First embodiment)
1 to 9 are diagrams showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of storage devices 10, 15, and 20 according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 1A and 1B are schematic cross-sectional views showing the configuration of the storage devices 10 and 15. FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the storage device 20 in which the conductive layer of FIG.

図1(a)において、記憶装置10は、抵抗変化膜11を含む抵抗変化素子12と電流抑制層13を含む電流抑制素子14とが直列に接続されている。そして、抵抗変化膜11は、第1の層間絶縁膜16を貫通して形成された第1のコンタクトホール17の下部に配置され、電流抑制層13は第1のコンタクトホール17の上部で、かつ抵抗変化膜11に対向する位置に配置されている。そして、抵抗変化膜11と電流抑制層13とは第1のコンタクトホール17の中に形成されたプラグ18により電気的に接続されており、プラグ18中の導電層19は抵抗変化素子12および電流抑制素子14の一部を構成している。なお、図1(a)に示すように抵抗変化素子12は、基板21上に形成された第1の配線22および導電層19が抵抗変化膜11の下部と上部に配置された構成からなり、電流抑制素子14は、第1の層間絶縁膜16および電流抑制層13の上部に形成された第2の配線23と導電層19とが電流抑制層13の上部と下部に配置された構成からなる。   1A, in the memory device 10, a resistance change element 12 including a resistance change film 11 and a current suppression element 14 including a current suppression layer 13 are connected in series. The resistance change film 11 is disposed below the first contact hole 17 formed so as to penetrate the first interlayer insulating film 16, and the current suppression layer 13 is disposed above the first contact hole 17. It is arranged at a position facing the resistance change film 11. The resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are electrically connected by a plug 18 formed in the first contact hole 17, and the conductive layer 19 in the plug 18 is connected to the resistance change element 12 and the current. A part of the suppression element 14 is configured. As shown in FIG. 1A, the resistance change element 12 has a configuration in which the first wiring 22 and the conductive layer 19 formed on the substrate 21 are arranged below and above the resistance change film 11, The current suppression element 14 has a configuration in which the second wiring 23 formed on the first interlayer insulating film 16 and the current suppression layer 13 and the conductive layer 19 are disposed above and below the current suppression layer 13. .

また、図1(b)の記憶装置15は、抵抗変化膜11を含む抵抗変化素子24と電流抑制層13を含む電流抑制素子25とが直列に接続されている。そして、抵抗変化膜11は、第1の層間絶縁膜16を貫通して形成された第1のコンタクトホール17の上部に配置され、電流抑制層13は第1のコンタクトホール17の下部で、かつ抵抗変化膜11に対向する位置に配置されている。そして、抵抗変化膜24と電流抑制層25とは第1のコンタクトホール17の中に形成されたプラグ18により電気的に接続されており、プラグ18中の導電層19は抵抗変化素子24および電流抑制素子25の一部を構成している。なお、図1(b)に示すように電流抑制素子25は、基板21上に形成された第1の配線22および導電層19が電流抑制層13の下部と上部に配置された構成からなり、抵抗変化素子24は、第1の層間絶縁膜16および抵抗変化膜11の上部に形成された第2の配線23と導電層19とが抵抗変化膜11の上部と下部に配置された構成からなる。図1(a)と図1(b)とは、抵抗変化膜11と電流抑制層13の位置がプラグ18を挟んで上下配置が入れ替わった構造となっており、同じ特性および機能の記憶装置を実現している。   1B includes a resistance change element 24 including the resistance change film 11 and a current suppression element 25 including the current suppression layer 13 connected in series. The resistance change film 11 is disposed above the first contact hole 17 formed so as to penetrate the first interlayer insulating film 16, and the current suppression layer 13 is located below the first contact hole 17, and It is arranged at a position facing the resistance change film 11. The resistance change film 24 and the current suppression layer 25 are electrically connected by a plug 18 formed in the first contact hole 17, and the conductive layer 19 in the plug 18 includes the resistance change element 24 and the current. A part of the suppression element 25 is configured. As shown in FIG. 1B, the current suppression element 25 has a configuration in which the first wiring 22 and the conductive layer 19 formed on the substrate 21 are disposed below and above the current suppression layer 13, The resistance change element 24 has a configuration in which the second wiring 23 formed on the first interlayer insulating film 16 and the resistance change film 11 and the conductive layer 19 are arranged above and below the resistance change film 11. . 1A and 1B have a structure in which the positions of the resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are interchanged with each other with the plug 18 interposed therebetween, and storage devices having the same characteristics and functions are provided. Realized.

このような構成とすることにより、高集積化された電気特性のばらつきが少ない高信頼性の記憶装置を有する記憶装置が実現できる。そして、記憶装置間のクロストークを防止し、大きい電流容量の電流抑制素子を有する記憶装置が実現できる。この作用効果については、以下に述べる実施形態の説明において、詳述する。さらに、図1(c)に示すようにプラグを複数の積層構造にて実現することもできる。プラグ18中の導電層19は、抵抗変化膜11に隣接し抵抗変化素子12を構成する第1の電極層26、電流抑制層13に隣接し電流抑制素子14を構成する第2の電極層27および第1の電極層26と第2の電極層27とを接続する第3の電極層28の少なくとも3層からなる構成となっている。この記憶装置20は、記憶装置としてマトリクス状に高集積化しやすい構成としている。すなわち、第1の配線22は、第2の層間絶縁膜29に同じ高さまで周囲を取り囲まれ、第2の配線23は電流抑制層13の上部に形成されて、電流抑制層13とともに第3の層間絶縁膜31に覆われている。   With such a structure, a highly integrated memory device including a highly reliable memory device with little variation in electrical characteristics can be realized. In addition, it is possible to realize a memory device that prevents crosstalk between the memory devices and has a current suppressing element with a large current capacity. This effect will be described in detail in the description of the embodiment described below. Furthermore, as shown in FIG. 1C, the plug can be realized by a plurality of laminated structures. The conductive layer 19 in the plug 18 is adjacent to the resistance change film 11 and constitutes the first electrode layer 26 constituting the resistance change element 12, and adjacent to the current restraint layer 13 and second electrode layer 27 constituting the current restraint element 14. The first electrode layer 26 and the second electrode layer 27 are connected to each other, and the third electrode layer 28 includes at least three layers. The storage device 20 is configured to be highly integrated in a matrix form as a storage device. That is, the first wiring 22 is surrounded by the second interlayer insulating film 29 up to the same height, and the second wiring 23 is formed on the current suppression layer 13, so Covered with an interlayer insulating film 31.

このような構成とすることにより、抵抗変化素子と電流抑制素子とが直列に接続された記憶装置において、さらに高集積化に適した接続の構造を実現することができる。そして、このような構造とすることにより、第1のコンタクトホール中の抵抗変化素子の電極および電流抑制素子の電極の電極材料をそれぞれ独立に選択することができる。   With such a configuration, in the memory device in which the variable resistance element and the current suppressing element are connected in series, a connection structure suitable for higher integration can be realized. And by setting it as such a structure, the electrode material of the electrode of the resistance change element in the 1st contact hole and the electrode of a current suppression element can be selected independently, respectively.

図2は図1(c)で示した本実施の形態に係る記憶装置20の構成を示す模式図で、図2(a)は半導体チップ表面32から見た平面図、図2(b)は図2(a)のA−A線の断面を矢印方向に見た概略断面図、図2(c)は図2(a)のB−B線の断面を矢印方向に見た概略断面図を示す。なお、図2(c)は図1(c)と同じ構成が示されている。   2A and 2B are schematic views showing the configuration of the memory device 20 according to the present embodiment shown in FIG. 1C. FIG. 2A is a plan view seen from the surface 32 of the semiconductor chip, and FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along the line AA in the arrow direction, and FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along the line BB of FIG. 2A in the arrow direction. Show. Note that FIG. 2C shows the same configuration as FIG.

図2(a)において、記憶装置20は第1の配線22と第2の配線23とに挟まれた抵抗変化素子12、プラグ18および電流抑制素子14とが積層方向に直列に配置され電気的に接続されている。   In FIG. 2A, the memory device 20 is electrically connected with a resistance change element 12, a plug 18, and a current suppression element 14 sandwiched between a first wiring 22 and a second wiring 23 in series in the stacking direction. It is connected to the.

また、図2(b)および(c)に示すように、記憶装置20は、半導体基板21上に第1の配線22および第1の電極26に挟まれた抵抗変化膜11を含む抵抗変化素子12と、第2の電極27および第2の配線23に挟まれた電流抑制素子13を含む電流抑制素子14が第1のコンタクトホール17のプラグ19により直列に接続された構成となっている。   As shown in FIGS. 2B and 2C, the memory device 20 includes a resistance change element including a resistance change film 11 sandwiched between a first wiring 22 and a first electrode 26 on a semiconductor substrate 21. 12 and the current suppression element 14 including the current suppression element 13 sandwiched between the second electrode 27 and the second wiring 23 are connected in series by the plug 19 of the first contact hole 17.

ここで、電流抑制素子14は、MIM(Metal−Insulator−Metal)ダイオード、MSM(Metal−Semiconductor−Metal)ダイオードまたはバリスタである構成とする。そうすると、抵抗変化素子12に異なる極性の電気パルスを印加することによってデータを書き込むような特性を有している場合においてもクロストークを容易に防止できることに加えて、抵抗変化素子12には十分な電流を印加できる構成とすることができる。そして、本実施の形態の記憶装置20は電流抑制素子14の下部電極に相当する第2の電極27よりも上部電極に相当する第2の配線23の面積を大きくする構成であるので、電流抑制素子14はさらに大きい駆動電流で抵抗変化素子12を駆動することができる。   Here, the current suppression element 14 is configured to be an MIM (Metal-Insulator-Metal) diode, an MSM (Metal-Semiconductor-Metal) diode, or a varistor. As a result, crosstalk can be easily prevented even in the case where data is written by applying electrical pulses of different polarities to the resistance change element 12, and the resistance change element 12 has sufficient characteristics. It can be set as the structure which can apply an electric current. Since the memory device 20 of the present embodiment has a configuration in which the area of the second wiring 23 corresponding to the upper electrode is larger than the second electrode 27 corresponding to the lower electrode of the current suppression element 14, The element 14 can drive the variable resistance element 12 with a larger driving current.

図3は、図2(b)および(c)に示す概略断面図の構造で作製した記憶装置20の抵抗変化素子12に電気的パルスを印加したときの抵抗値の変化を示したものである。記憶装置20の抵抗変化素子12の第1の配線22と、電流抑制素子14の第2の配線23との間に、極性が異なる2種類の電気的パルスを交互に印加すると、両配線間に印加された電圧により、抵抗変化素子12の抵抗値が図3に示すように変化する。すなわち、図3に示すように、負電圧パルス(以下、その電圧をE1とする)を印加すると抵抗値が減少して低抵抗値Raを示し、正電圧パルス(以下、その電圧をE2とする)を印加すると抵抗値が増加して高抵抗値Rbを示す。ここでは、抵抗値を変化させるために必要な電圧として、負電圧はE1、正電圧はE2として電気的パルスを印加して安定な抵抗値の書き換えを行っている。   FIG. 3 shows a change in resistance value when an electric pulse is applied to the resistance change element 12 of the memory device 20 manufactured with the structure of the schematic cross-sectional view shown in FIGS. 2B and 2C. . When two types of electrical pulses having different polarities are alternately applied between the first wiring 22 of the resistance change element 12 of the storage device 20 and the second wiring 23 of the current suppressing element 14, between the two wirings. Depending on the applied voltage, the resistance value of the resistance change element 12 changes as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 3, when a negative voltage pulse (hereinafter referred to as E1) is applied, the resistance value decreases to show a low resistance value Ra, and a positive voltage pulse (hereinafter referred to as E2). ) Is applied, the resistance value increases to show a high resistance value Rb. Here, as a voltage necessary for changing the resistance value, the negative voltage is E1, the positive voltage is E2, and an electric pulse is applied to rewrite the stable resistance value.

また、図3に示すように2つの異なる抵抗値RaまたはRbのうち、抵抗変化素子12の抵抗値のどちらか一方を情報「0」とし、もう一方を情報「1」とすると抵抗値がどちらであるかで異なる情報「0」または情報「1」を読み取ることができる。図3では大きい方の抵抗値Rbを情報「0」に、小さい方の抵抗値Raを情報「1」に割り当てている。図3に示すように、抵抗変化素子12の抵抗値がRbのときに負電圧パルスを印加すると、抵抗値Raが記録されて、抵抗変化素子12の情報は「0」から「1」に書き換えられる。また、同様に抵抗変化素子12の抵抗値がRaのときに正電圧パルスを印加すると、抵抗値Rbが記録されて、抵抗変化素子12の情報は「1」から「0」に書き換えられる。   Also, as shown in FIG. 3, when one of the two different resistance values Ra or Rb is set to information “0” and the other is set to information “1”, the resistance value is changed. Different information “0” or information “1” can be read. In FIG. 3, the larger resistance value Rb is assigned to information “0”, and the smaller resistance value Ra is assigned to information “1”. As shown in FIG. 3, when a negative voltage pulse is applied when the resistance value of the resistance change element 12 is Rb, the resistance value Ra is recorded, and the information of the resistance change element 12 is rewritten from “0” to “1”. It is done. Similarly, when a positive voltage pulse is applied when the resistance value of the resistance change element 12 is Ra, the resistance value Rb is recorded, and the information of the resistance change element 12 is rewritten from “1” to “0”.

この情報を読み取るときには、抵抗変化素子12の抵抗値を変化させるときに印加する電気的パルスよりも振幅の小さい再生電圧E3を印加して、図4に示す抵抗値と対応した出力電流値が、読み取られる。この出力電流値IaまたはIbの値が抵抗値RaまたはRbに対応しているので、図4に示すように情報「0」または情報「1」が読み取られる。このようにして、記憶装置20が動作する。   When this information is read, the reproduction voltage E3 having a smaller amplitude than the electric pulse applied when changing the resistance value of the resistance change element 12 is applied, and the output current value corresponding to the resistance value shown in FIG. Read. Since the output current value Ia or Ib corresponds to the resistance value Ra or Rb, information “0” or information “1” is read as shown in FIG. In this way, the storage device 20 operates.

なお、図3および図4は、負電圧パルスを印加すると抵抗値が減少し、かつ、正電圧パルスを印加すると抵抗値が増加する特性を有する抵抗変化素子を用いた場合を例として示したものである。以降も、負電圧パルスを印加すると抵抗値が減少し、かつ、正電圧パルスを印加すると抵抗値が増加する特性を有する抵抗変化素子を用いた場合を例として実施の形態を説明するが、抵抗変化素子として正電圧パルスを印加すると抵抗値が減少し、かつ、負電圧パルスを印加すると抵抗値が増加する特性を有するものを用いた場合でも、記載の操作は(抵抗変化素子に関する記載における、大小関係および/あるいは正負関係を適宜修正することにより)同様に成立することを付記しておく。   3 and 4 show, as an example, the case of using a resistance change element having a characteristic that the resistance value decreases when a negative voltage pulse is applied and the resistance value increases when a positive voltage pulse is applied. It is. In the following, the embodiment will be described by taking as an example the case of using a variable resistance element having a characteristic that the resistance value decreases when a negative voltage pulse is applied and the resistance value increases when a positive voltage pulse is applied. Even when a device having a characteristic that the resistance value decreases when a positive voltage pulse is applied as a change element and the resistance value increases when a negative voltage pulse is applied is used, the described operation (in the description about the resistance change element, It should be noted that the same holds true (by appropriately modifying the magnitude relationship and / or the positive / negative relationship).

図5は電流抑制素子14の電流−電圧特性(I−V特性)を模式的に示したもので、電流抑制素子14をMIMダイオード、MSMダイオードまたはバリスタで構成した場合、その電流−電圧特性は図5のようなものとなる。すなわち、正負ともに大きい電圧が印加されたときには電流抑制素子14は比較的低抵抗となり、VHやVLを超えない小さい電圧が印加されたときには電流抑制素子14は比較的高抵抗となる。特に、MSMダイオードは半導体を金属間に挟んだ構造の為、大電流を流すことは可能であり(従って、流すことが可能な電流のレンジを大きくとることができ)、また、その特性は金属と金属に隣接する半導体との間に形成される電位障壁に起因するが、特にアモルファス半導体を使用する場合は半導体の構造に起因する特性バラツキは原理的に発生しないと考えられるため、微細化時の動作特性バラつきもなく、電流抑制素子としてより好ましいと考えられる。   FIG. 5 schematically shows current-voltage characteristics (IV characteristics) of the current suppression element 14. When the current suppression element 14 is configured by an MIM diode, an MSM diode, or a varistor, the current-voltage characteristics are as follows. As shown in FIG. That is, the current suppressing element 14 has a relatively low resistance when a large voltage is applied in both positive and negative directions, and the current suppressing element 14 has a relatively high resistance when a small voltage not exceeding VH or VL is applied. In particular, since the MSM diode has a structure in which a semiconductor is sandwiched between metals, it is possible to flow a large current (thus, a large range of current that can be passed), and its characteristics are metal. This is due to the potential barrier formed between the metal and the semiconductor adjacent to the metal, but especially when an amorphous semiconductor is used, it is considered that characteristic variations due to the structure of the semiconductor do not occur in principle. This is considered to be more preferable as a current suppressing element.

本実施の形態の記憶装置20は、抵抗変化素子12と電流抑制素子14が直列に接続された構成で電圧が印加される。このような構成にすると、再生電圧E3が印加される場合には、電流抑制素子14は高抵抗であるので、再生電圧E3は電流抑制素子14に比較的多く分圧して印加される。一方、抵抗値を書き換える大きい正電圧E2や負電圧E1が印加される場合には、電流抑制素子14は低抵抗であるので、正電圧E2や負電圧E1は抵抗変化素子12に比較的多く分圧して印加される。したがって、抵抗値を書き換えるときは、適切な大きさの電圧を記憶装置に印加することにより書き換えることができる。また、抵抗値を読み取るときの再生電圧E3を記憶装置20に印加するときには、抵抗変化素子12には比較的小さい分圧が印加されるので、ノイズ等が再生電圧E3に重畳されても誤って抵抗値を書き換えることなく、安全に抵抗値を読み取ることができる。   In the memory device 20 of the present embodiment, a voltage is applied in a configuration in which the resistance change element 12 and the current suppression element 14 are connected in series. With such a configuration, when the regenerative voltage E3 is applied, the current suppression element 14 has a high resistance, so that the regenerative voltage E3 is applied to the current suppression element 14 with a relatively large voltage division. On the other hand, when a large positive voltage E2 or negative voltage E1 that rewrites the resistance value is applied, the current suppressing element 14 has a low resistance, so that the positive voltage E2 and the negative voltage E1 are relatively divided into the resistance change element 12. Applied with pressure. Therefore, when the resistance value is rewritten, it can be rewritten by applying an appropriate voltage to the memory device. In addition, when the reproduction voltage E3 for reading the resistance value is applied to the storage device 20, a relatively small partial voltage is applied to the resistance change element 12. Therefore, even if noise or the like is superimposed on the reproduction voltage E3, it is erroneous. The resistance value can be safely read without rewriting the resistance value.

図6および図7は本実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置30の概略構成図を示す。図6は記憶装置30の構成を半導体チップ表面33から見た概略構成図である。ここでは、例えば、8本の第1の配線34(34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g、34h)と8本の第2の配線35(35a、35b、35c、35d、35e、35f、35g、35h)とが示されている。そして、これらが交差したところに抵抗変化素子(図示せず)と電流抑制素子(図示せず)とがプラグ18により直列に接続されて、第1の配線34と第2の配線35とに挟まれて配置されて記憶装置Eを構成する。そして、全体としてマトリックス状の記憶装置Eが複数構成されることとなる。なお、第1の配線34と第2の配線35とに挟まれて抵抗変化膜11および電流抑制層13が図6に示すようにシート状の形態で挟まれている。   6 and 7 are schematic configuration diagrams of the cross-point type storage device 30 according to the present embodiment. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the configuration of the storage device 30 as viewed from the semiconductor chip surface 33. Here, for example, eight first wirings 34 (34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 34h) and eight second wirings 35 (35a, 35b, 35c, 35d, 35e, 35f, 35g, 35h). A variable resistance element (not shown) and a current suppressing element (not shown) are connected in series by the plug 18 at the intersection of these and sandwiched between the first wiring 34 and the second wiring 35. Thus, the storage device E is configured. As a whole, a plurality of matrix storage devices E are configured. In addition, the resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are sandwiched between the first wiring 34 and the second wiring 35 in a sheet form as shown in FIG.

図7(a)は、図6の記憶装置30をC−C線の断面で矢印方向に見た概略断面図、図7(b)は、同じく図6の記憶装置30をD−D線の断面で矢印方向に見た概略断面図を示す。なお、図7(a)および(b)で示した破線で囲まれた領域の中に、図2(b)および(c)で示した記憶装置20と同様の構成からなる記憶装置30の記憶装置Eを示す。   7A is a schematic cross-sectional view of the storage device 30 of FIG. 6 as viewed in the direction of the arrow along the line CC, and FIG. 7B is a cross-sectional view of the storage device 30 of FIG. The schematic sectional drawing seen in the arrow direction in the cross section is shown. Note that the storage of the storage device 30 having the same configuration as that of the storage device 20 shown in FIGS. 2B and 2C in the area surrounded by the broken line shown in FIGS. 7A and 7B. Device E is shown.

図7(a)および(b)に示すように、プラグ18は、第1の層間絶縁膜16にマトリクス状に複数個形成され、プラグ18の下部に形成された抵抗変化膜11に接続するストライプ状の第1の配線34と、プラグ18の上部に形成された電流抑制層13に接続するストライプ状の第2の配線35と、をさらに備えて記憶装置30が構成されている。そして、第1の配線34と第2の配線35とが、マトリクス状に形成されたプラグ18を介して交差する形状に配置されている。なお、このときに抵抗変化膜11と電流抑制層13とがプラグ18を挟んで上部と下部とに配置されているが、この位置関係が入れ替わった構成で本実施の形態の記憶装置を構成してもよい。また、同様に第1の配線34と第2の配線35との位置関係も入れ替わった構成で本実施の形態の記憶装置を構成してもよい。   As shown in FIGS. 7A and 7B, a plurality of plugs 18 are formed in a matrix in the first interlayer insulating film 16 and are connected to the resistance change film 11 formed below the plug 18. The storage device 30 is further provided with a stripe-shaped first wiring 34 and a stripe-shaped second wiring 35 connected to the current suppression layer 13 formed above the plug 18. The first wiring 34 and the second wiring 35 are arranged in a shape that intersects with the plugs 18 formed in a matrix. At this time, the resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are arranged at the upper part and the lower part with the plug 18 interposed therebetween, and the storage device of the present embodiment is configured by changing the positional relationship. May be. Similarly, the storage device of this embodiment may be configured with a configuration in which the positional relationship between the first wiring 34 and the second wiring 35 is also switched.

このような構成とすることにより、クロスポイント型の記憶装置は、所謂プロセスルールが100nm未満の微細なプロセスと親和性がある量産プロセスにより高集積化して製作することができる。   With such a structure, a cross-point type storage device can be manufactured with high integration by a mass production process having a so-called process rule that is compatible with a fine process of less than 100 nm.

また、記憶装置30は、情報の書き込み、読み出しを行う電圧を印加する第1の配線34と第2の配線35の間に抵抗変化素子12と電流抑制素子14とが直列に接続されていることにより、隣接する記憶装置によるクロストークによる誤動作を防止し、安定した動作の記憶装置を実現する。   In the storage device 30, the resistance change element 12 and the current suppression element 14 are connected in series between the first wiring 34 and the second wiring 35 that apply a voltage for writing and reading information. Thus, it is possible to prevent malfunction due to crosstalk between adjacent storage devices, and to realize a storage device with stable operation.

また、電流抑制素子14はMIMダイオード、MSMダイオードまたはバリスタである構成とする。そうすると、抵抗変化素子12が異なる極性の電気パルスを印加することによってデータを書き込むような特性を有している場合においてもクロストークが容易に防止できることに加えて、抵抗変化素子12には十分な電流が印加できる構成とすることができる。   The current suppression element 14 is configured as an MIM diode, an MSM diode, or a varistor. Then, even when the variable resistance element 12 has a characteristic of writing data by applying electric pulses of different polarities, in addition to easily preventing crosstalk, the variable resistance element 12 is sufficient. It can be set as the structure which can apply an electric current.

また、このときに、ノイズ電圧が電源ラインを介して印加電圧に付加されても、ほとんど電流抑制素子14で吸収されるので、抵抗変化素子12の抵抗値を誤って書き換えるなどの誤動作がほとんど生じないようにすることができる。   At this time, even if the noise voltage is added to the applied voltage via the power supply line, it is almost absorbed by the current suppressing element 14, so that malfunctions such as erroneously rewriting the resistance value of the resistance change element 12 occur. Can not be.

また、記憶装置30は、第1の電極層26と第2の電極層27が第1のコンタクトホール17の中に自己整合的に形成され、その結果として直列に接続された抵抗変化素子12と電流抑制素子14とが積層方向に形成される。このことから、メモリ素子の高集積化のプロセスに適した素子構造をもつ記憶装置30を実現することができる。   In the memory device 30, the first electrode layer 26 and the second electrode layer 27 are formed in the first contact hole 17 in a self-aligned manner, and as a result, the resistance change element 12 connected in series The current suppressing element 14 is formed in the stacking direction. Thus, the memory device 30 having an element structure suitable for a process for highly integrating memory elements can be realized.

また、第1の電極層26と第2の電極層27が第1のコンタクトホール17の中に形成されることにより、抵抗変化素子の第1の電極層および電流抑制素子の第2の電極層とが第1のコンタクトホールのプラグと共有されている。したがって、電極層を形成するフォトマスク工程およびエッチング工程の工程数を削減することができ、工程を簡略化できる。   In addition, the first electrode layer 26 and the second electrode layer 27 are formed in the first contact hole 17, so that the first electrode layer of the resistance change element and the second electrode layer of the current suppressing element are formed. Are shared with the plug of the first contact hole. Therefore, the number of steps of the photomask process and the etching process for forming the electrode layer can be reduced, and the process can be simplified.

次に、本実施の形態による記憶装置の製造方法の例として、記憶装置20の製造方法について、図8および図9を用いて順にプロセスフローを説明する。   Next, as an example of the method for manufacturing the storage device according to the present embodiment, the process flow of the method for manufacturing the storage device 20 will be described in order with reference to FIGS.

本実施の形態に係る記憶装置20の製造方法は、基板21上に第1の配線22を形成する工程と、第1の配線22を覆い、基板21上に第2の層間絶縁膜29を形成したのち、第2の層間絶縁膜29を第1の配線22が露出するまで除去して第1の配線22の上面の高さに平坦化する工程と、平坦化工程ののちに第1の配線22および第2の層間絶縁膜29上に抵抗変化膜11を形成する工程とを含む。そして、抵抗変化膜11を覆い、第2の層間絶縁膜29および第1の配線22上に第1の層間絶縁膜16を形成する工程と、第1の層間絶縁膜16を貫通して第1の配線22上の抵抗変化膜11の上の第1のコンタクトホール17の中に導電層19からなるプラグ18を形成するプラグ形成工程と、プラグ18を覆う電流抑制層13および電流抑制層13上に第2の配線層を形成する工程と、を含んでいる。そして、第2の配線層の一部をストライプ状に除去してプラグ18上の電流抑制層13上に第1の配線22と直交するストライプ状の第2の配線23を形成する工程と、を含み、導電層19が抵抗変化素子12および電流抑制素子14の一部を構成することにより、抵抗変化素子12および電流抑制素子14が直列に接続されて形成されている。このように構成される製造方法について順にプロセスフローを説明する。   In the method for manufacturing the memory device 20 according to the present embodiment, a step of forming the first wiring 22 on the substrate 21, and a second interlayer insulating film 29 is formed on the substrate 21 so as to cover the first wiring 22. After that, the second interlayer insulating film 29 is removed until the first wiring 22 is exposed and planarized to the height of the upper surface of the first wiring 22, and the first wiring after the planarization process. 22 and the step of forming the resistance change film 11 on the second interlayer insulating film 29. Then, a step of covering the resistance change film 11 and forming the first interlayer insulating film 16 on the second interlayer insulating film 29 and the first wiring 22, and the first interlayer insulating film 16 penetrating the first interlayer insulating film 16. Plug forming step of forming the plug 18 made of the conductive layer 19 in the first contact hole 17 on the resistance change film 11 on the wiring 22 of the wiring, the current suppressing layer 13 covering the plug 18 and the current suppressing layer 13 Forming a second wiring layer. Then, a step of removing a part of the second wiring layer in a stripe shape and forming a stripe-shaped second wiring 23 orthogonal to the first wiring 22 on the current suppressing layer 13 on the plug 18; In addition, the conductive layer 19 constitutes a part of the variable resistance element 12 and the current suppression element 14, so that the variable resistance element 12 and the current suppression element 14 are connected in series. The process flow will be described in order for the manufacturing method configured as described above.

図8(a)に示すように、基板21上に第1の配線22となるAl材料等の導電性材料を蒸着法とエッチング法によりストライプ状に形成する。なお、配線の材料としてAl以外の金属材料、例えばCu、Ti、W、Pt、Ir、Cr、Ni、Nb等の金属やこれらの混合物(合金)、あるいはTiN、TiW、TaN、TaSi、TaSiN、TiAlN、NbN、WN、RuO、In、SnO、IrO等の導電性を有する化合物や、又はこれらの積層構造物を使用することができるが、もちろん、これらに限定されるものではない。なお、配線材料の堆積方法としてスパッタ法やその他の方法を使用してもよい。そして、図8(b)に示すように、第2の層間絶縁膜29をCVD法等により基板21と第1の配線22とを覆うように形成する。 As shown in FIG. 8A, a conductive material such as an Al material to be the first wiring 22 is formed on the substrate 21 in a stripe shape by vapor deposition and etching. Note that the wiring material is a metal material other than Al, for example, a metal such as Cu, Ti, W, Pt, Ir, Cr, Ni, Nb or a mixture (alloy) thereof, or TiN, TiW, TaN, TaSi 2 , TaSiN. , TiAlN, NbN, WN, RuO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , IrO 2, or other conductive compounds, or a laminated structure thereof can be used, but of course, it is limited to these. It is not a thing. A sputtering method or other methods may be used as a method for depositing the wiring material. Then, as shown in FIG. 8B, a second interlayer insulating film 29 is formed so as to cover the substrate 21 and the first wiring 22 by a CVD method or the like.

そして、図8(c)に示すように、第1の配線22の上面の高さまで第1の配線22が露出するように、例えばCMP(化学的機械的研磨)技術により第2の層間絶縁膜29を除去して平坦化し、第1の配線22の間を埋め込むように第2の層間絶縁膜29を形成する。そののちに図8(d)に示すように、第1の配線22と第2の層間絶縁膜29上に抵抗変化膜11となる材料をスパッタ法等により堆積し、エッチング法により必要な領域だけ残して抵抗変化膜11を形成する。このように平坦化された面上に抵抗変化膜11を形成することにより、ばらつきのない安定した特性の抵抗変化膜11を形成することができる。ここで、抵抗変化膜11を構成する抵抗変化材料としては、ペロブスカイト型遷移金属酸化物や典型金属又は遷移金属の酸化物等を用いることができる。具体的には、Pr(1−x)CaMnO(0<x<1)、TiO、NiO(x>0)、CuO(x>0)等やこれらの置換体、又はこれらの混合物や積層構造物が挙げられるが、もちろん、これらに限定されるものではない。 Then, as shown in FIG. 8C, the second interlayer insulating film is formed by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique so that the first wiring 22 is exposed up to the height of the upper surface of the first wiring 22. 29 is removed and planarized, and a second interlayer insulating film 29 is formed so as to fill the space between the first wirings 22. After that, as shown in FIG. 8D, a material for forming the resistance change film 11 is deposited on the first wiring 22 and the second interlayer insulating film 29 by a sputtering method or the like, and only a necessary region is obtained by an etching method. The resistance change film 11 is formed to remain. By forming the resistance change film 11 on the flattened surface as described above, it is possible to form the resistance change film 11 having stable characteristics without variations. Here, as the variable resistance material constituting the variable resistance film 11, a perovskite transition metal oxide, an oxide of a typical metal or a transition metal, or the like can be used. Specifically, Pr (1-x) Ca x MnO 3 (0 <x <1), TiO 2 , NiO x (x> 0), Cu x O (x> 0) and the like, or a substitute thereof, or Although these mixtures and laminated structures are mentioned, of course, it is not limited to these.

次に、図9(a)に示すように、抵抗変化膜11を覆い、第2の層間絶縁膜29および第1の配線22上に第1の層間絶縁膜16となる、例えばSiOなどの絶縁性材料をCVD法等により堆積する。そして、図9(b)に示すように、例えば、ドライエッチング法により、抵抗変化膜11上に第1の層間絶縁膜16を貫通して第1のコンタクトホール17を形成する。 Next, as shown in FIG. 9A, the resistance change film 11 is covered and becomes the first interlayer insulating film 16 on the second interlayer insulating film 29 and the first wiring 22, for example, SiO 2 or the like. An insulating material is deposited by a CVD method or the like. Then, as shown in FIG. 9B, the first contact hole 17 is formed through the first interlayer insulating film 16 on the resistance change film 11 by, for example, a dry etching method.

次に、図9(c)に示すように導電層19からなるプラグ18を第1のコンタクトホール17中に形成する。このときに、プラグ18中に形成された導電層19は、抵抗変化膜11に隣接し抵抗変化素子12を構成する第1の電極層26、電流抑制層13に隣接し電流抑制素子14を構成する第2の電極層27および第1の電極層26と第2の電極層27とを接続する第3の電極層28の少なくとも3層からなるように形成する。すなわち、第1の電極層26となる導電性材料と、第1の電極層26と第2の電極層27とを電気的に接続する第3の電極層28となる導電性材料と、第2の電極層27となる導電性材料とを、スパッタ法により第1のコンタクトホール17の中に順次積層方向に堆積させて形成する。これら3層の電極層を形成後、CMP技術により第1の層間絶縁膜16の上面38まで、第1の層間絶縁膜16が露出するように第2電極層27を除去して、第1のコンタクトホール17の中に3層からなるプラグ18を形成する。   Next, as shown in FIG. 9C, a plug 18 made of a conductive layer 19 is formed in the first contact hole 17. At this time, the conductive layer 19 formed in the plug 18 constitutes the first electrode layer 26 constituting the resistance change element 12 adjacent to the resistance change film 11 and the current suppression element 14 adjacent to the current suppression layer 13. The second electrode layer 27 and the third electrode layer 28 connecting the first electrode layer 26 and the second electrode layer 27 are formed to be at least three layers. That is, the conductive material that becomes the first electrode layer 26, the conductive material that becomes the third electrode layer 28 that electrically connects the first electrode layer 26 and the second electrode layer 27, and the second A conductive material for forming the electrode layer 27 is sequentially deposited in the first contact hole 17 in the stacking direction by sputtering. After these three electrode layers are formed, the second electrode layer 27 is removed by CMP technology so that the first interlayer insulating film 16 is exposed up to the upper surface 38 of the first interlayer insulating film 16. A plug 18 having three layers is formed in the contact hole 17.

そして、図9(d)に示すように、平坦化された上面38の上に電流抑制層13を構成する材料を堆積したのち、第2の配線23となるAl材料等の導電性材料を堆積する。そして、エッチング法によりプラグ18を覆う電流抑制層13および第2の配線23をパターニングして図9(d)のように形成する。さらに、電流抑制層13および第2の配線23を覆い、第1の層間絶縁膜16の上に保護膜として第3の層間絶縁膜31が、CVD法などにより形成される。このようにして、記憶装置20が形成される。ここで、電流抑制層13を構成する材料としては、GaN等の化合物半導体や、Al、SiO、Ta等の酸化物や、ZnO系バリスタ(ZnOにBi、Sb3、CoO、MnO、Cr、SrO、BaO、Pr等を添加したもの)や、SiN(x>0)等の窒化物や、接合を形成したa−Siや、又は有機物等が挙げられる。もちろん、これに限定されるものではなく、隣接する電極との接合において、印加される電圧の絶対値が増加するに連れてその抵抗値が減少するような非線形の電圧−電流特性を示すものであればよい。 Then, as shown in FIG. 9D, after depositing a material constituting the current suppression layer 13 on the planarized upper surface 38, a conductive material such as an Al material to be the second wiring 23 is deposited. To do. Then, the current suppressing layer 13 and the second wiring 23 covering the plug 18 are patterned by an etching method to form as shown in FIG. Further, a third interlayer insulating film 31 is formed as a protective film on the first interlayer insulating film 16 by the CVD method or the like so as to cover the current suppressing layer 13 and the second wiring 23. In this way, the storage device 20 is formed. Here, as a material constituting the current suppression layer 13, a compound semiconductor such as GaN, an oxide such as Al 2 O 3 , SiO 2 , Ta 2 O 5 , a ZnO-based varistor (ZnO with Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , CoO, MnO, Cr 2 O 3 , SrO, BaO, Pr 2 O 3, etc.), nitrides such as SiN x (x> 0), or a-Si with junctions formed Or organic matter. Of course, the present invention is not limited to this, and exhibits non-linear voltage-current characteristics in which the resistance value decreases as the absolute value of the applied voltage increases at the junction with adjacent electrodes. I just need it.

このようにプラグを3層からなる構成とすることにより、抵抗変化素子と電流抑制素子とが直列に接続された記憶装置において、さらに高集積化に適した接続の構造を実現することができる。そして、このような構造とすることにより、第1のコンタクトホール中の抵抗変化素子の電極および電流抑制素子の電極の電極材料をそれぞれ独立に選択することができる。   In this manner, by configuring the plug to have three layers, it is possible to realize a connection structure suitable for higher integration in the memory device in which the variable resistance element and the current suppressing element are connected in series. And by setting it as such a structure, the electrode material of the electrode of the resistance change element in the 1st contact hole and the electrode of a current suppression element can be selected independently, respectively.

また、このような製造方法の構成とすることにより、高集積化された電気特性のばらつきが少ない高信頼性の記憶装置を有する記憶装置が実現できる。そして、クロストークを防止し、大きい電流容量の電流抑制素子を有する記憶装置が実現できる。また、所謂プロセスルールが100nm未満であるような微細なプロセスでも製造が容易で工程を簡略化して製造できる製造方法であり、半導体のプロセスルールと親和性に富む製造方法を実現することができる。   Further, with such a structure of the manufacturing method, a highly integrated memory device including a highly reliable memory device with little variation in electrical characteristics can be realized. In addition, a storage device that prevents crosstalk and has a current suppressing element with a large current capacity can be realized. In addition, even a fine process whose so-called process rule is less than 100 nm is easy to manufacture and can be manufactured by simplifying the process, and a manufacturing method having a high affinity with semiconductor process rules can be realized.

また、第1の電極層26と第2の電極層27とが第1のコンタクトホール17の中に自己整合的に形成され記憶装置をコンパクトに製造することができるので、本実施の形態の記憶装置の製造方法は高集積化に適している。   In addition, since the first electrode layer 26 and the second electrode layer 27 are formed in the first contact hole 17 in a self-aligning manner, a memory device can be manufactured in a compact manner. The device manufacturing method is suitable for high integration.

なお、本実施の形態の記憶装置の製造方法において、上記の説明ではプラグの下部に抵抗変化膜を形成する工程およびプラグの上部に電流抑制層を形成する工程について説明したが、プラグの下部に電流抑制層を形成する工程およびプラグの上部に抵抗変化膜を形成する工程を実施しても、本実施の形態で説明した製造方法と同様の方法で記憶装置を製造することができる。   Note that in the manufacturing method of the memory device of the present embodiment, in the above description, the step of forming the resistance change film at the lower portion of the plug and the step of forming the current suppression layer at the upper portion of the plug have been described. Even if the step of forming the current suppression layer and the step of forming the resistance change film on the plug are performed, the memory device can be manufactured by a method similar to the manufacturing method described in this embodiment.

(第2の実施の形態)
図10は第2の実施の形態に係る記憶装置40の構成を示す模式図で、図10(a)は半導体チップ表面41から見た平面図、図10(b)は図10(a)のF−F線の断面を矢印方向に見た概略断面図、図10(c)は図10(a)のG−G線の断面を矢印方向に見た概略断面図を示す。
(Second Embodiment)
10A and 10B are schematic views showing the configuration of the storage device 40 according to the second embodiment. FIG. 10A is a plan view seen from the surface 41 of the semiconductor chip, and FIG. 10B is the plan view of FIG. FIG. 10C is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along the line G-G in FIG. 10A in the direction of the arrow.

図10(a)において、記憶装置40は、第1の実施の形態で示した図2の記憶装置20と同様に、第1の配線22と第2の配線23とに挟まれた抵抗変化素子12、プラグ42および電流抑制素子14とが積層方向に直列に配置され電気的に接続されている。また、図10(b)および(c)に示すように、記憶装置40は、半導体基板21上に、第1の配線22および第1の電極層44に挟まれた抵抗変化膜11を含む抵抗変化素子12と、第2の電極層48および第2の配線23に挟まれた電流抑制素子14を含む電流抑制素子14が第1のコンタクトホール17のプラグ42により直列に接続された構成となっている。したがって、記憶装置40はプラグ42の導電層43の構造が記憶装置20とは異なる。   In FIG. 10A, the storage device 40 is a resistance change element sandwiched between a first wiring 22 and a second wiring 23, similarly to the storage device 20 of FIG. 2 shown in the first embodiment. 12, the plug 42 and the current suppressing element 14 are arranged in series in the stacking direction and electrically connected. Also, as shown in FIGS. 10B and 10C, the memory device 40 has a resistance including the resistance change film 11 sandwiched between the first wiring 22 and the first electrode layer 44 on the semiconductor substrate 21. The change element 12 and the current suppression element 14 including the current suppression element 14 sandwiched between the second electrode layer 48 and the second wiring 23 are connected in series by the plug 42 of the first contact hole 17. ing. Therefore, the storage device 40 is different from the storage device 20 in the structure of the conductive layer 43 of the plug 42.

図10(b)および(c)において、プラグ42の導電層43を構成する第1の電極層44は、第1のコンタクトホール17の底面45を少なくとも覆い、第1のコンタクトホール17の側面46の上部47を覆わない形状に形成されている。また、第2の電極層48は、第1のコンタクトホール17の上面49および側面46の上部47を覆って第1のコンタクトホール17内に形成されている。さらに、第3の電極層50は、第1のコンタクトホール17中において、第1の電極層44および第2の電極層48に周囲を取り囲まれているように形成されている。   10B and 10C, the first electrode layer 44 constituting the conductive layer 43 of the plug 42 covers at least the bottom surface 45 of the first contact hole 17 and the side surface 46 of the first contact hole 17. It is formed in a shape that does not cover the upper portion 47 of the. The second electrode layer 48 is formed in the first contact hole 17 so as to cover the upper surface 49 of the first contact hole 17 and the upper portion 47 of the side surface 46. Further, the third electrode layer 50 is formed in the first contact hole 17 so as to be surrounded by the first electrode layer 44 and the second electrode layer 48.

このような構成とすることにより、プラグ中の導電層の構造はさらに量産しやすく製造することができ、導電層を構成する電極層間の電気的な接続や導電層と抵抗変化膜または電流抑制層との電気的な接続もさらに良くすることができる。さらに、第3の電極層として、さらに導電性に富む材料を選択して使用することもできる。   By adopting such a configuration, the structure of the conductive layer in the plug can be manufactured more easily, and the electrical connection between the electrode layers constituting the conductive layer, the conductive layer and the resistance change film, or the current suppressing layer can be achieved. The electrical connection with can be further improved. Furthermore, as the third electrode layer, a material having higher conductivity can be selected and used.

次に、本実施の形態に係る記憶装置40の製造方法について説明する。なお、プラグを形成するプラグ工程以外の工程は第1の実施の形態の記憶装置20の製造方法を示す図8および図9で説明しており、これらの工程と同様であるので、これらについては説明を省略する。   Next, a method for manufacturing the storage device 40 according to the present embodiment will be described. The steps other than the plug step for forming the plug have been described with reference to FIGS. 8 and 9 showing the manufacturing method of the memory device 20 of the first embodiment, and are the same as these steps. Description is omitted.

図11および図12は、記憶装置40のプラグを形成するプラグ形成工程についての製造方法を示す概略断面図であり、図11および図12にしたがってプラグ形成工程のプロセスフローについて説明する。   11 and 12 are schematic cross-sectional views showing a manufacturing method for the plug forming process for forming the plug of the storage device 40, and the process flow of the plug forming process will be described with reference to FIGS.

プラグを形成するプラグ形成工程までは、図8(a)〜(d)、図9(a)(b)と同様である。   The process up to the plug forming process for forming the plug is the same as in FIGS. 8A to 8D and FIGS. 9A and 9B.

その後、図11(a)に示すように、第1の層間絶縁膜16に形成された第1のコンタクトホール17の底面45と側面46、および第1の層間絶縁膜16の上面を覆うように、スパッタ法により第1の電極層44となる導電膜51を堆積する。そして、図11(b)に示すように第1のコンタクトホール17の中を埋めて導電膜51の上部に第3の電極層50となる導電膜52をスパッタ法により堆積して、導電膜51と導電膜52の積層構造が形成される。   After that, as shown in FIG. 11A, the bottom surface 45 and the side surface 46 of the first contact hole 17 formed in the first interlayer insulating film 16 and the top surface of the first interlayer insulating film 16 are covered. Then, a conductive film 51 to be the first electrode layer 44 is deposited by sputtering. Then, as shown in FIG. 11 (b), a conductive film 52 that fills the first contact hole 17 and becomes the third electrode layer 50 is deposited on the conductive film 51 by a sputtering method. And a conductive film 52 are formed.

次に、図11(c)に示すように、第1のコンタクトホール17の中の導電膜51と導電膜52はそのまま埋め込まれた状態で、第1の層間絶縁膜16上に積層された導電膜51および導電膜52がCMP技術により除去される。そして、図11(d)に示すように、第1のコンタクトホール17の中に埋め込まれた導電膜51および導電膜52の上部の一部をさらにCMP技術により除去することにより、第1のコンタクトホール17の上部に凹部53を形成する。このようにして、第1の電極層44および第3の電極層50が形成される。このときに第1の電極層44の上面54の高さは、第3の電極層50の上面55の高さと同じか、または低くなるように形成される。このように形成することにより、凹部53に形成する第2の電極層48の形状と厚さを予め決めることができる。   Next, as shown in FIG. 11C, the conductive film 51 and the conductive film 52 in the first contact hole 17 are embedded as they are, and the conductive film stacked on the first interlayer insulating film 16 is used. The film 51 and the conductive film 52 are removed by the CMP technique. Then, as shown in FIG. 11D, the conductive film 51 embedded in the first contact hole 17 and a part of the upper part of the conductive film 52 are further removed by the CMP technique to thereby form the first contact. A recess 53 is formed in the upper portion of the hole 17. In this way, the first electrode layer 44 and the third electrode layer 50 are formed. At this time, the height of the upper surface 54 of the first electrode layer 44 is formed to be the same as or lower than the height of the upper surface 55 of the third electrode layer 50. By forming in this way, the shape and thickness of the second electrode layer 48 formed in the recess 53 can be determined in advance.

そして、第2の電極層48となる導電膜56が、図12(a)に示すように、第1のコンタクトホール17の凹部53を埋めて、かつ第1の層間絶縁膜16の上に堆積される。この堆積された導電膜56は、図12(b)に示すように、第1のコンタクトホール17中の第2の電極層48となる部分を残して、第1の層間絶縁膜16の上の導電膜56はCMP技術により除去される。そして、第1の層間絶縁膜17の表面および第1のコンタクトホール中に形成された第2の電極層48の上面49は平坦化され、このようにして、プラグ42は形成される。さらに、図12(b)に示すように、第1のコンタクトホール17の中の上部に形成された第2の電極層48の上に、電流抑制層13および第2の配線層57が形成される。そして、フォトリソグラフィ技術を用いてエッチングすることにより、第2の配線23が形成される。このようにして、抵抗変化素子12と電流抑制素子14とが直列に接続されて構成された記憶装置40が製造される。   Then, a conductive film 56 to be the second electrode layer 48 fills the concave portion 53 of the first contact hole 17 and is deposited on the first interlayer insulating film 16 as shown in FIG. Is done. As shown in FIG. 12B, the deposited conductive film 56 is formed on the first interlayer insulating film 16, leaving a portion to be the second electrode layer 48 in the first contact hole 17. The conductive film 56 is removed by a CMP technique. Then, the surface of the first interlayer insulating film 17 and the upper surface 49 of the second electrode layer 48 formed in the first contact hole are flattened, and the plug 42 is thus formed. Further, as shown in FIG. 12B, the current suppressing layer 13 and the second wiring layer 57 are formed on the second electrode layer 48 formed in the upper part of the first contact hole 17. The And the 2nd wiring 23 is formed by etching using a photolithographic technique. In this way, the storage device 40 configured by connecting the variable resistance element 12 and the current suppressing element 14 in series is manufactured.

図11および図12を用いて上記に説明したように、記憶装置40のプラグ形成工程は、第1のコンタクトホール17の底面45と側面46を覆う第1の電極層44を形成する工程と、第1の層間絶縁膜16の上部を覆って第1のコンタクトホール17を埋め込んで第1の層間絶縁膜16上に第3の電極層50を形成する工程を含む。そして、第1の層間絶縁膜16上の第3の電極層50をCMP技術により第1の層間絶縁膜16の表面が露出するまで除去したのちに、第1のコンタクトホール17中の上部に埋め込まれた第1の電極層44および第3の電極層50の一部をCMP技術により除去して、第1のコンタクトホール17の上部に凹部53を形成する工程が含まれ実施される。そして、記憶装置40のプラグ形成工程は、凹部53を埋め込み第1の層間絶縁膜16上に第2の電極層48をCMP技術により第1の層間絶縁膜16の表面が露出するまで除去して平坦化する工程と、からなる。   As described above with reference to FIGS. 11 and 12, the plug forming step of the memory device 40 includes the step of forming the first electrode layer 44 covering the bottom surface 45 and the side surface 46 of the first contact hole 17; A step of covering the upper portion of the first interlayer insulating film 16 and filling the first contact hole 17 to form the third electrode layer 50 on the first interlayer insulating film 16. Then, after the third electrode layer 50 on the first interlayer insulating film 16 is removed by CMP technique until the surface of the first interlayer insulating film 16 is exposed, it is buried in the upper part of the first contact hole 17. A part of the first electrode layer 44 and the third electrode layer 50 thus formed is removed by a CMP technique to form a recess 53 on the first contact hole 17. Then, in the plug forming step of the memory device 40, the recess 53 is buried, and the second electrode layer 48 is removed on the first interlayer insulating film 16 by CMP until the surface of the first interlayer insulating film 16 is exposed. And flattening step.

このような構成とすることにより、プラグ中の導電層の構造はさらに量産しやすく製造することができ、導電層を構成する電極層間の電気的な接続や導電層と抵抗変化膜または電流抑制層との電気的な接続もさらに良くすることができる。また、第3の電極層として、さらに導電性に富む材料を選択して使用することもできる。   By adopting such a configuration, the structure of the conductive layer in the plug can be manufactured more easily, and the electrical connection between the electrode layers constituting the conductive layer, the conductive layer and the resistance change film, or the current suppressing layer can be achieved. The electrical connection with can be further improved. Further, as the third electrode layer, a material having higher conductivity can be selected and used.

なお、図12(c)に示す記憶装置40と比べて、抵抗変化素子12および電流抑制素子14が形成されている位置が上と下で入れ替わっていても本実施の形態で示した記憶装置の製造方法は同様に適用することができる。また、このとき、プラグの導電層を構成する第1の電極層と第2の電極層との位置関係や形状が入れ替わることになるが、上述した実施形態の製造方法と同様に適用することができる。   Note that, compared with the storage device 40 shown in FIG. 12C, the manufacturing method of the storage device shown in the present embodiment even if the positions where the variable resistance element 12 and the current suppressing element 14 are formed are switched between the upper side and the lower side. Can be applied as well. At this time, the positional relationship and shape of the first electrode layer and the second electrode layer constituting the conductive layer of the plug are interchanged, but the present invention can be applied similarly to the manufacturing method of the above-described embodiment. it can.

(第3の実施の形態)
図13は第3の実施の形態に係る記憶装置60の構成を示す概略断面図である。本実施形態は、上述した第2の実施形態のバリエーションであり、図11(d)で凹部53を形成したのちに、記憶装置40の第3の電極層50と同じ材料の導電層を積層することにより、図13に示す凸部62を有する形状の第3の電極層61を形成することができる。したがって、記憶装置60の第3の電極層50は凸部62を有する形状に形成され、凸部62は第1の電極層44または第2の電極層48の凹部に嵌め込まれている構成となる。図13では第1の電極層44の凹部に嵌め込まれている。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the storage device 60 according to the third embodiment. This embodiment is a variation of the second embodiment described above, and after forming the recess 53 in FIG. 11D, a conductive layer made of the same material as the third electrode layer 50 of the memory device 40 is stacked. As a result, the third electrode layer 61 having the convex portion 62 shown in FIG. 13 can be formed. Therefore, the third electrode layer 50 of the memory device 60 is formed in a shape having the convex portion 62, and the convex portion 62 is fitted into the concave portion of the first electrode layer 44 or the second electrode layer 48. . In FIG. 13, the first electrode layer 44 is fitted in the recess.

このような構成とすることにより、電極層間の電気的な接続をさらに良くすることができる。   With such a configuration, electrical connection between the electrode layers can be further improved.

次に、図14および図15に、本実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置70の概略構成図を示す。図14は記憶装置70の構成を半導体チップ表面71から見た概略構成図である。ここでは、例えば、8本の第1の配線72(72a、72b、72c、72d、72e、72f、72g、72h)と8本の第2の配線73(73a、73b、73c、73d、73e、73f、73g、73h)とが示されている。そして、これらが交差したところに抵抗変化素子(図示せず)と電流抑制素子(図示せず)とがプラグ42により直列に接続されて、第1の配線72と第2の配線73とに挟まれて配置されて記憶装置Lを構成する。そして、全体としてマトリックス状の記憶装置Lが複数構成されることとなる。なお、第1の配線72と第2の配線73とに挟まれて抵抗変化膜11および電流抑制層13が図14に示すようにシート状の形態で挟まれている。   Next, FIG. 14 and FIG. 15 show schematic configuration diagrams of the cross-point type storage device 70 according to the present embodiment. FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the configuration of the storage device 70 as viewed from the semiconductor chip surface 71. Here, for example, eight first wirings 72 (72a, 72b, 72c, 72d, 72e, 72f, 72g, 72h) and eight second wirings 73 (73a, 73b, 73c, 73d, 73e, 73f, 73g, 73h). A resistance change element (not shown) and a current suppressing element (not shown) are connected in series by the plug 42 at the intersection of these and sandwiched between the first wiring 72 and the second wiring 73. Thus, the storage device L is arranged. As a whole, a plurality of matrix storage devices L are configured. Note that the resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are sandwiched between the first wiring 72 and the second wiring 73 in a sheet form as shown in FIG.

図15(a)は、図14の記憶装置70をJ−J線の断面で矢印方向に見た概略断面図を示す。図15(b)は、同じく図14の記憶装置70をK−K線の断面で矢印方向に見た概略断面図を示す。なお、図15(a)および(b)で示した破線で囲まれた領域の中に図10(b)および(c)で示した記憶装置40と同様の構成からなる記憶装置70の記憶装置Lを示す。   FIG. 15A shows a schematic cross-sectional view of the storage device 70 of FIG. 14 as seen in the direction of the arrow along the line JJ. FIG. 15B is a schematic cross-sectional view of the storage device 70 of FIG. 14 as seen in the direction of the arrow along the line KK. Note that the storage device of the storage device 70 having the same configuration as the storage device 40 shown in FIGS. 10B and 10C in the area surrounded by the broken line shown in FIGS. 15A and 15B. L is shown.

図15(a)および(b)に示すように、プラグ42は、第1の層間絶縁膜16にマトリクス状に複数個形成され、プラグ42の下部に形成された抵抗変化膜11に接続するストライプ状の第1の配線72と、プラグ42の上部形成された電流抑制層13に接続するストライプ状の第2の配線73と、をさらに備えて記憶装置70が構成されている。そして、第1の配線72と第2の配線73とが、マトリクス状に形成されたプラグ42を介して交差する形状に配置されている。なお、このときに抵抗変化膜11と電流抑制層13とがプラグ42を挟んで上部と下部とに配置されているが、この位置関係が入れ替わった構成で本実施の形態の記憶装置を構成してもよい。また、同様に第1の配線72と第2の配線73との位置関係も入れ替わった構成で本実施の形態の記憶装置を構成してもよい。   As shown in FIGS. 15A and 15B, a plurality of plugs 42 are formed in a matrix in the first interlayer insulating film 16 and are connected to the resistance change film 11 formed below the plugs 42. The storage device 70 is further provided with a stripe-shaped first wiring 72 and a stripe-shaped second wiring 73 connected to the current suppression layer 13 formed above the plug 42. And the 1st wiring 72 and the 2nd wiring 73 are arrange | positioned in the shape which cross | intersects through the plug 42 formed in the matrix form. At this time, the resistance change film 11 and the current suppression layer 13 are arranged at the upper part and the lower part with the plug 42 interposed therebetween, and the storage device of the present embodiment is configured with this positional relationship interchanged. May be. Similarly, the memory device of this embodiment may be configured with a configuration in which the positional relationship between the first wiring 72 and the second wiring 73 is switched.

このような構成とすることにより、クロスポイント型の記憶装置は、所謂プロセスルールが100nm未満であるような微細なプロセスと親和性がある量産プロセスにより高集積化して製作することができる。   With such a structure, a cross-point storage device can be manufactured with high integration by a mass production process having affinity with a fine process whose so-called process rule is less than 100 nm.

また、記憶装置70は、情報の書き込み、読み出しを行う電圧を印加する第1の配線72と第2の配線73の間に抵抗変化素子12と電流抑制素子14とが直列に接続されていることにより、隣接する記憶装置によるクロストークによる誤動作を防止し、安定した動作の記憶装置を実現する。   In the storage device 70, the resistance change element 12 and the current suppression element 14 are connected in series between the first wiring 72 and the second wiring 73 to which a voltage for writing and reading information is applied. Thus, it is possible to prevent malfunction due to crosstalk between adjacent storage devices, and to realize a storage device with stable operation.

本発明は、微細化に適した量産性の高い記憶装置およびその製造方法を提供するものであり、携帯情報機器や情報家電等の電子機器の小型化、薄型化に有用である。   The present invention provides a mass-productive storage device suitable for miniaturization and a method for manufacturing the same, and is useful for reducing the size and thickness of electronic devices such as portable information devices and information home appliances.

本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の概略構成図で、(a)および(b)は記憶装置の概略断面図、(c)は(a)の導電層が3層からなる記憶装置の概略断面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram of the memory | storage device based on the 1st Embodiment of this invention, (a) And (b) is a schematic sectional drawing of a memory device, (c) is a memory | storage which (a) has three conductive layers. Schematic cross section of the device 本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の構成を示す模式図で、(a)は半導体チップ表面から見た平面図、(b)は(a)のA−A線の断面を矢印方向に見た概略断面図、(c)は(a)のB−B線の断面を矢印方向に見た概略断面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the structure of the memory | storage device based on the 1st Embodiment of this invention, (a) is the top view seen from the semiconductor chip surface, (b) is a cross section of the AA line of (a) by the arrow (C) is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along line BB in (a) as viewed in the direction of the arrow. 本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の抵抗値の変化を示す模式図Schematic diagram showing a change in resistance value of the memory device according to the first embodiment of the present invention. 2つの異なる抵抗値と情報「0」、情報「1」の関係を示す図The figure which shows the relationship between two different resistance values and information "0" and information "1" MIMダイオードの電流−電圧特性(I−V特性)の模式図Schematic diagram of current-voltage characteristics (IV characteristics) of MIM diode 本発明の第1の実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置の概略構成図で、半導体チップ表面から見た模式図1 is a schematic configuration diagram of a cross-point type storage device according to a first embodiment of the present invention, and is a schematic diagram viewed from the surface of a semiconductor chip 本発明の第1の実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置の概略構成図で、(a)は図6のC−C線の断面を矢印方向に見た概略断面図、(b)は図6のD−D線の断面を矢印方向に見た概略断面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram of the cross-point type | mold memory | storage device based on the 1st Embodiment of this invention, (a) is a schematic sectional drawing which looked at the cross section of the CC line of FIG. 6 in the arrow direction, (b) is FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along the line DD in FIG. (a)から(d)は本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の製造方法を示すプロセスフロー図FIGS. 4A to 4D are process flow diagrams illustrating a method for manufacturing a memory device according to the first embodiment of the invention. FIGS. (a)から(d)は本発明の第1の実施の形態に係る記憶装置の製造方法を示すプロセスフロー図FIGS. 4A to 4D are process flow diagrams illustrating a method for manufacturing a memory device according to the first embodiment of the invention. FIGS. 本発明の第2の実施の形態に係る記憶装置の構成を示す模式図で、(a)は半導体チップ表面から見た平面図、(b)は(a)のF−F線の断面を矢印方向に見た概略断面図、(c)は(a)のG−G線の断面を矢印方向に見た概略断面図4A and 4B are schematic views showing the configuration of a memory device according to a second embodiment of the present invention, where FIG. 5A is a plan view seen from the surface of a semiconductor chip, and FIG. (C) is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along line GG in (a) as viewed in the direction of the arrow. (a)から(d)は本発明の第2の実施の形態に係る記憶装置の製造方法を示すプロセスフロー図(A) to (d) is a process flow diagram showing a method for manufacturing a memory device according to the second embodiment of the present invention. (a)から(c)は本発明の第2の実施の形態に係る記憶装置の製造方法を示すプロセスフロー図(A) to (c) are process flow diagrams showing a method for manufacturing a memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施の形態における記憶装置の概略断面図Schematic sectional view of a storage device according to a third embodiment of the present invention 本発明の第3の実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置の概略構成図で、半導体チップ表面から見た模式図FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a cross-point type storage device according to a third embodiment of the present invention, and is a schematic diagram viewed from the surface of a semiconductor chip. 本発明の第3の実施の形態に係るクロスポイント型の記憶装置の概略構成図で、(a)は図14のJ−J線の断面を矢印方向に見た概略断面図、(b)は図14のK−K線の断面を矢印方向に見た概略断面図FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a cross-point type storage device according to a third embodiment of the present invention, in which (a) is a schematic cross-sectional view of a cross section taken along line JJ in FIG. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the cross section taken along the line KK in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10,15,20,30,40,60,70 記憶装置
11 抵抗変化膜
12,24 抵抗変化素子
13 電流抑制層
14,25 電流抑制素子
16 第1の層間絶縁膜
17 第1のコンタクトホール
18,42 プラグ
19,43 導電層
21 基板
22,34,34a,34b,34c,34d,34e,34f,34g,34h,72,72a,72b,72c,72d,72e,72f,72g,72h 第1の配線
23,35,35a,35b,35c,35d,35e,35f,35g,35h,73,73a,73b,73c,73d,73e,73f,73g,73h 第2の配線
26,44 第1の電極層(導電層)
27,48 第2の電極層(導電層)
28,50,61 第3の電極層(導電層)
29 第2の層間絶縁膜
31 第3の層間絶縁膜
32,33,41,71 半導体チップ表面
36,38,49,54,55 上面
45 底面
46 側面
51,52,56 導電膜
53 凹部
57 第2の配線層
62 凸部
10, 15, 20, 30, 40, 60, 70 Memory device 11 Resistance change film 12, 24 Resistance change element 13 Current suppression layer 14, 25 Current suppression element 16 First interlayer insulating film 17 First contact hole 18, 42 Plug 19, 43 Conductive layer 21 Board 22, 34, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 34h, 72, 72a, 72b, 72c, 72d, 72e, 72f, 72g, 72h First wiring 23, 35, 35a, 35b, 35c, 35d, 35e, 35f, 35g, 35h, 73, 73a, 73b, 73c, 73d, 73e, 73f, 73g, 73h Second wiring 26, 44 First electrode layer ( Conductive layer)
27, 48 Second electrode layer (conductive layer)
28, 50, 61 Third electrode layer (conductive layer)
29 Second interlayer insulating film 31 Third interlayer insulating film 32, 33, 41, 71 Semiconductor chip surface 36, 38, 49, 54, 55 Upper surface 45 Bottom surface 46 Side surface 51, 52, 56 Conductive film 53 Recessed portion 57 Second Wiring layer 62 convex

Claims (8)

基板と、
前記基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜を貫通して形成された第1のコンタクトホール中に各々の少なくとも一部が形成された抵抗変化素子と電流抑制素子と、を有する記憶装置であって、
前記抵抗変化素子は抵抗変化膜を有し、前記第1のコンタクトホールの上部または下部に配置され、
前記電流抑制素子は電流抑制層を有し、前記電流抑制層は前記第1のコンタクトホールの下部または上部で、かつ前記抵抗変化膜に対向する位置に配置され、
前記抵抗変化膜と前記電流抑制層とは前記第1のコンタクトホールの中に形成されたプラグにより電気的に接続されており、前記プラグ中の導電層は前記抵抗変化素子および前記電流抑制素子の一部を構成することを特徴とする記憶装置。
A substrate,
An interlayer insulating film formed on the substrate;
A storage device having a resistance change element and a current suppression element each of which is formed at least in part in a first contact hole formed through the interlayer insulating film;
The variable resistance element has a variable resistance film, and is disposed above or below the first contact hole.
The current suppression element has a current suppression layer, and the current suppression layer is disposed at a position below or above the first contact hole and facing the resistance change film,
The resistance change film and the current suppression layer are electrically connected by a plug formed in the first contact hole, and the conductive layer in the plug is connected to the resistance change element and the current suppression element. A storage device comprising a part.
前記プラグ中の導電層は、前記抵抗変化膜に隣接し前記抵抗変化素子を構成する第1の電極層、前記電流抑制層に隣接し前記電流抑制素子を構成する第2の電極層、前記第1の電極層と前記第2の電極層とを接続する第3の電極層の少なくとも3層からなることを特徴とする、請求項1に記載の記憶装置。 The conductive layer in the plug includes a first electrode layer adjacent to the resistance change film and constituting the resistance change element, a second electrode layer adjacent to the current suppression layer and constituting the current suppression element, the first 2. The memory device according to claim 1, comprising at least three layers of a third electrode layer that connects one electrode layer and the second electrode layer. 3. 前記プラグは、前記第1の層間絶縁膜にマトリクス状に複数個形成され、
前記プラグの上部または下部に形成された前記抵抗変化層に接続されるストライプ状の第1の配線と、
前記プラグの下部または上部に形成された前記電流抑制層に接続されるストライプ状の第2の配線と、
をさらに備え、
前記第1の配線と前記第2の配線とは交差するように配置され、マトリクス状に形成された前記プラグを介して前記第1の配線と前記第2の配線とが接続されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の記憶装置。
A plurality of the plugs are formed in a matrix on the first interlayer insulating film,
Striped first wiring connected to the variable resistance layer formed above or below the plug;
A stripe-shaped second wiring connected to the current suppression layer formed below or above the plug;
Further comprising
The first wiring and the second wiring are arranged so as to intersect with each other, and the first wiring and the second wiring are connected via the plugs formed in a matrix. The storage device according to claim 1, wherein the storage device is characterized.
前記第1の電極層または前記第2の電極層は、前記第1のコンタクトホールの底面を少なくとも覆い、前記第1のコンタクトホールの側面の上部を覆わないことを特徴とする、請求項2または請求項3に記載の記憶装置。 The first electrode layer or the second electrode layer covers at least a bottom surface of the first contact hole and does not cover an upper portion of a side surface of the first contact hole. The storage device according to claim 3. 前記第2の電極層または前記第1の電極層は、前記第1のコンタクトホールの上面および前記側面の上部を覆って前記第1のコンタクトホール内に形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の記憶装置。 The second electrode layer or the first electrode layer is formed in the first contact hole so as to cover an upper surface of the first contact hole and an upper portion of the side surface. Item 5. The storage device according to Item 4. 前記第3の電極層は、前記第1のコンタクトホール中において、前記第1の電極層および前記第2の電極層に周囲を取り囲まれていることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の記憶装置。 6. The third electrode layer is surrounded by the first electrode layer and the second electrode layer in the first contact hole. 6. The third electrode layer according to claim 5, wherein the third electrode layer is surrounded by the first electrode layer and the second electrode layer. The storage device described in 1. 前記第3の電極層は凸部を有する形状に形成され、前記凸部は前記第1の電極層または前記第2の電極層の凹部に嵌め込まれていることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の記憶装置。 The third electrode layer is formed in a shape having a convex portion, and the convex portion is fitted into the concave portion of the first electrode layer or the second electrode layer. The storage device according to claim 5. 前記電流抑制素子は、MIMダイオード、MSMダイオード、あるいはバリスタであることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の記憶装置。 The storage device according to claim 1, wherein the current suppressing element is an MIM diode, an MSM diode, or a varistor.
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