JP2009164458A - Phase change memory - Google Patents

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Yukio Maki
幸生 牧
Takeshi Koga
剛 古賀
Masamichi Matsuoka
正道 松岡
Masahiro Shigeniwa
昌弘 茂庭
Fumihiko Nitta
文彦 新田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a phase change memory capable of applying a reset current to phase change film for making it amorphous without the need for making the whole device larger and the need for a complicated manufacturing process. <P>SOLUTION: The phase change memory 80 includes a phase change film 16, lower plugs 12, 13 and an insulating film 15 between the phase change film 16 and lower plugs 12, 13. At a portion where the phase change film 16 connects with lower plugs 12, 13, lower plugs 12, 13 include a first region and a second region. The thickness of the insulating film 15 on lower plugs 12, 13 in the first region is zero or thinner than that of the insulating film 15 on lower plugs 12, 13 in the second region, thereby the current can be concentrated at lower plugs in the first region. In other words, the current density increases. Due to the current density rise, the phase change film 16 can be amorphous even if the value of reset current is lowered. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、不揮発性メモリに係る発明であり、特に、相変化に起因する抵抗値の変化によって情報を不揮発的に記憶する相変化メモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory, and more particularly to a phase change memory that stores information in a nonvolatile manner by a change in resistance value caused by a phase change.

相変化メモリは、記憶素子に相変化膜を用いている。当該相変化膜を結晶状態にするか、非晶質状態にするかによって、相変化メモリは2値情報を記憶することができる。ここで、相変化膜に施される加熱のプロファイルを異ならせることにより、相変化膜は、結晶状態になったり、非晶質状態になったりする。なお、情報の読み出しには、相状態変化に伴う抵抗の変化が利用される。また、相変化した状態は常温では変化することがないので、相変化メモリは、不揮発的に情報を保持することができる。   The phase change memory uses a phase change film as a storage element. The phase change memory can store binary information depending on whether the phase change film is in a crystalline state or an amorphous state. Here, by changing the profile of heating applied to the phase change film, the phase change film becomes a crystalline state or an amorphous state. Note that a change in resistance accompanying a change in phase state is used for reading information. In addition, since the phase change state does not change at room temperature, the phase change memory can hold information in a nonvolatile manner.

上記の通り、相変化メモリでは、相変化膜の加熱が重要な要素となる。特に、非晶質化のためには、相変化膜を600℃程度まで加熱する必要があり、相変化膜を効率良く加熱しなければならない。   As described above, in the phase change memory, heating of the phase change film is an important factor. In particular, for amorphization, it is necessary to heat the phase change film to about 600 ° C., and the phase change film must be efficiently heated.

なお、相変化メモリに関する従来文献として、たとえば非特許文献1が存在する。   Note that Non-Patent Document 1, for example, exists as conventional literature related to phase change memory.

Y.Matsui他、2006 IEEE、“Ta2O5 Interfacial Layer between GST and W Plug enabling Low power Operation of Phase Change Memories”Y. Matsui et al., 2006 IEEE, “Ta2O5 Interfacial Layer between GST and W Plug enabling Low power of phase change memories”

ところが、このような構成の相変化メモリでは、非晶質化のためには非常に大きな電流が必要であった。ここで、当該非晶質化のための電流をリセット電流と称する。たとえば、相変化膜の大きさにもよるが、リセット電流の大きさは数百μA以上必要であり、当該リセット電流値は、従来的なメモリの動作に必要とされる20〜30μAに比べると桁違いに大きい。   However, in the phase change memory having such a configuration, a very large current is required for the amorphization. Here, the current for amorphization is referred to as a reset current. For example, although it depends on the size of the phase change film, the magnitude of the reset current needs to be several hundred μA or more, and the reset current value is compared with 20 to 30 μA required for the operation of the conventional memory. An order of magnitude larger.

たとえば、駆動半導体デバイスがMOSトランジスタの場合では、ゲート幅を大きくすることにより、大きなリセット電流を相変化膜に供給することができる。しかし、当該場合には、装置全体が大型化する。   For example, when the driving semiconductor device is a MOS transistor, a large reset current can be supplied to the phase change film by increasing the gate width. However, in this case, the entire apparatus becomes large.

また、相変化膜とより下層の構成とを電気的に接続する下部プラグ(下部電極とも把握できる)の径を小さくことにより、大きなリセット電流を相変化膜に供給することができる。これは、供給されるリセット電流の電流密度が増加するからである。しかし、当該場合には、プロセスルール以上に下部プラグの径を小さくする必要があり、複雑なプロセスステップを追加する必要がある。つまり、製造工程の複雑化が余儀なくされる。   Moreover, a large reset current can be supplied to the phase change film by reducing the diameter of the lower plug (which can also be grasped as the lower electrode) that electrically connects the phase change film and the lower layer structure. This is because the current density of the supplied reset current increases. However, in this case, it is necessary to make the diameter of the lower plug smaller than the process rule, and it is necessary to add complicated process steps. That is, the manufacturing process must be complicated.

そこで、本発明は、装置全体の大型化を必要とせず、また複雑な製造工程を要せずに、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜に供給することができる相変化メモリを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention does not require an increase in the size of the entire apparatus, and does not require a complicated manufacturing process, and can supply a reset current necessary for amorphization to the phase change film. The purpose is to provide memory.

本発明に係る1の実施の形態においては、相変化メモリは、相変化膜、下部プラグ、および相変化膜と下部プラグとの間に存する絶縁膜を備えている。相変化膜と接続する部分において、下部プラグは、第一の領域と第二の領域とを有している。第一の領域の下部プラグ上に形成される絶縁膜の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ上に形成される絶縁膜の膜厚よりも薄い。   In one embodiment according to the present invention, the phase change memory includes a phase change film, a lower plug, and an insulating film existing between the phase change film and the lower plug. In the portion connected to the phase change film, the lower plug has a first region and a second region. The thickness of the insulating film formed on the lower plug in the first region is zero or smaller than the thickness of the insulating film formed on the lower plug in the second region.

上述の形態によれば、第一の領域の下部プラグにおいて、電流を集中させることができる。つまり、電流密度が上昇する。当該電流密度の上昇に起因して、リセット電流の電流値を低くしたとしても、相変化膜を非晶質化させることができる。換言すると、上記の形態により、半導体デバイス全体の大型化を必要とせず、また複雑な製造工程も必要とせずに、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜に供給することができる。   According to the above-described embodiment, current can be concentrated in the lower plug of the first region. That is, the current density increases. Even if the current value of the reset current is lowered due to the increase in the current density, the phase change film can be made amorphous. In other words, according to the above-described embodiment, the reset current necessary for the amorphization can be supplied to the phase change film without requiring an increase in the size of the entire semiconductor device and a complicated manufacturing process. it can.

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof.

<実施の形態1>
図1は、本実施の形態に係る相変換メモリが形成された半導体デバイスの要部構成を示す断面図である。半導体デバイス100は、半導体基板1に形成された、相変化メモリ80およびメモリ駆動用のMOSトランジスタ50を備えている。なお、本実施の形態では、MOSトランジスタ50は、NMOSトランジスタ50とする。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main configuration of a semiconductor device in which a phase conversion memory according to the present embodiment is formed. The semiconductor device 100 includes a phase change memory 80 and a memory driving MOS transistor 50 formed on the semiconductor substrate 1. In the present embodiment, the MOS transistor 50 is the NMOS transistor 50.

図1に示すように、相変化メモリ80は、下部プラグ12,13と、相変化膜16と、上部電極17とから構成されている。ここで、下部プラグ12,13は、構成同士を電気的に接続する「プラグ」として機能すると共に、相変化メモリ80の「下部電極」としても機能する。なお、下部プラグ12,13の上面は、絶縁膜15を介して相変化膜16の下面と接続されている。さらに、相変化膜16は、NMOSトランジスタ50を構成する電極領域7(相変化膜16よりも下層の構成と把握できる)の上面と電気的に接続している。つまり、下部プラグ12,13と相変化膜16との間には、絶縁膜15が存在する。しかし、当該下部プラグ12,13を介して、相変化膜16に電流を供給することが可能である。   As shown in FIG. 1, the phase change memory 80 includes lower plugs 12 and 13, a phase change film 16, and an upper electrode 17. Here, the lower plugs 12 and 13 function as “plugs” that electrically connect the components to each other, and also function as “lower electrodes” of the phase change memory 80. The upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 are connected to the lower surface of the phase change film 16 via the insulating film 15. Furthermore, the phase change film 16 is electrically connected to the upper surface of the electrode region 7 (which can be grasped as a lower layer structure than the phase change film 16) constituting the NMOS transistor 50. That is, the insulating film 15 exists between the lower plugs 12 and 13 and the phase change film 16. However, it is possible to supply current to the phase change film 16 via the lower plugs 12 and 13.

本発明では、下部プラグ12,13は、金属の2層構造をなす。下部プラグ12,13の最外層には、MOSトランジスタ50の電極領域7とのオーミックコンタクト可能とし、バリヤメタルとして機能する、窒化チタン(TiN)膜等のバリヤメタル膜12が形成されている。さらに、下部プラグ12,13の中央(内部)には、バリヤメタル膜12と接して、タングステン膜等の導電体13が形成されている。   In the present invention, the lower plugs 12 and 13 have a metal two-layer structure. A barrier metal film 12 such as a titanium nitride (TiN) film, which can make ohmic contact with the electrode region 7 of the MOS transistor 50 and functions as a barrier metal, is formed on the outermost layer of the lower plugs 12 and 13. Further, a conductor 13 such as a tungsten film is formed in contact with the barrier metal film 12 at the center (inside) of the lower plugs 12 and 13.

相変化膜16は、結晶状態および非晶質状態に相変化可能である。相変化膜16を結晶状態にするか、非晶質状態にするかによって、相変化メモリ80は2値情報を記憶することができる。ここで、相変化膜16に施される加熱のプロファイルを異ならせることにより、相変化膜16は、結晶状態になったり、非晶質状態になったりする。なお、情報の読み出しには、相変化膜16の相状態変化に伴う抵抗の変化が利用される。また、相変化膜16の相変化した状態は常温では変化することがない。よって、相変化メモリ80は、不揮発的に情報を保持することができる。   The phase change film 16 can change into a crystalline state and an amorphous state. The phase change memory 80 can store binary information depending on whether the phase change film 16 is in a crystalline state or an amorphous state. Here, by changing the heating profile applied to the phase change film 16, the phase change film 16 becomes a crystalline state or an amorphous state. Note that a change in resistance associated with a change in phase state of the phase change film 16 is used for reading information. Further, the phase change state of the phase change film 16 does not change at room temperature. Therefore, the phase change memory 80 can hold information in a nonvolatile manner.

相変化膜16として、カルコゲナイド化合物系の相変化材料であるGST膜を採用することができる。GST膜は、ゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)およびテルル(Te)で構成されており、これらの組成比によって結晶化温度や融点が異なる。たとえば、Ge2Sb2Te5であれば、結晶化温度は160℃、融点は600℃となる。なお、相変化膜16は、カルコゲナイド化合物であれば使用可能であり、カルコゲナイド化合物に酸素、窒素、亜鉛、炭化物等を添加したものを採用することもできる。 As the phase change film 16, a GST film that is a chalcogenide compound phase change material can be employed. The GST film is composed of germanium (Ge), antimony (Sb), and tellurium (Te), and the crystallization temperature and the melting point differ depending on the composition ratio. For example, Ge 2 Sb 2 Te 5 has a crystallization temperature of 160 ° C. and a melting point of 600 ° C. The phase change film 16 can be any chalcogenide compound, and a material obtained by adding oxygen, nitrogen, zinc, carbide or the like to the chalcogenide compound can also be used.

図1の丸の点線で囲まれた領域に示すように、本実施の形態では、下部プラグ12,13(より具体的には、導電体13)の上面には、底部に向かって幅が狭くなる窪み14(先の尖った窪み14)が形成されている。そして、上記窪み14内および下部プラグ12,13の上面には、絶縁膜15を介して、相変化膜16が形成されている。つまり、絶縁膜15は、下部プラグ12,13と相変化膜16との間に形成されている。ただし、後述するように、窪み14内においては絶縁膜15が形成されない場合もある。当該場合には、窪み14の表面に直接、相変化膜16が形成される。ここで、図1に示す構成では、絶縁膜15は、相変化膜16の下面と層間絶縁膜10の上面との間においても、形成されている。   As shown in a region surrounded by a dotted line in FIG. 1, in the present embodiment, the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 (more specifically, the conductor 13) are narrower toward the bottom. The hollow 14 (pointed hollow 14) is formed. A phase change film 16 is formed in the recess 14 and on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 via an insulating film 15. That is, the insulating film 15 is formed between the lower plugs 12 and 13 and the phase change film 16. However, as will be described later, the insulating film 15 may not be formed in the recess 14. In this case, the phase change film 16 is formed directly on the surface of the recess 14. Here, in the configuration shown in FIG. 1, the insulating film 15 is also formed between the lower surface of the phase change film 16 and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

ここで、本発明において、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、絶縁膜15の膜厚の相違に起因して、第一の領域と第二の領域とに区分できる。第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。本実施の形態では、図1に示したように、下部プラグ12,13の窪み14部分が第一の領域である。これに対して、本実施の形態では、当該窪み14以外の下部プラグ12,13の上面領域が、第二の領域である。   Here, in the present invention, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 can be divided into a first region and a second region due to the difference in film thickness of the insulating film 15. The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or thinner than the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. . In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the recess 14 portion of the lower plugs 12 and 13 is the first region. On the other hand, in the present embodiment, the upper region of the lower plugs 12 and 13 other than the recess 14 is the second region.

以下、本実施の形態に係る相変化メモリ80を有する半導体デバイス100の製造方法を説明しつつ、図1に示す他の構成について言及する。   In the following, the manufacturing method of the semiconductor device 100 having the phase change memory 80 according to the present embodiment will be described while referring to the other configuration shown in FIG.

図2に示すように、シリコンから成る半導体基板1を用意し、当該半導体基板1に選択的に素子分離膜2を形成する。当該素子分離膜2により、隣接する半導体素子同士が電気的に分離される。その後、ウエル領域(図示せず)形成のためにイオン注入処理を行う。上記の通り、本実施の形態ではメモリ駆動用のトランジスタ50は、NMOSトランジスタである。したがって、当該イオン注入処理により形成されるウエル領域は、P型の導電型を有する不純物領域である。なお、ウエル領域は、閾値調整用のイオン注入を含む複数のイオン注入処理により形成される。   As shown in FIG. 2, a semiconductor substrate 1 made of silicon is prepared, and an element isolation film 2 is selectively formed on the semiconductor substrate 1. Adjacent semiconductor elements are electrically isolated from each other by the element isolation film 2. Thereafter, an ion implantation process is performed to form a well region (not shown). As described above, in the present embodiment, the memory driving transistor 50 is an NMOS transistor. Therefore, the well region formed by the ion implantation process is an impurity region having P-type conductivity. Note that the well region is formed by a plurality of ion implantation processes including ion implantation for threshold adjustment.

図2に示す半導体基板1上に、絶縁膜と電極層とを堆積する。その後、当該絶縁膜および電極層に対してパターニング処理を施す。これにより、図3に示すように、半導体基板1上に、選択的に、ゲート絶縁膜3およびゲート電極4が当該順に形成されたゲート構造が形成される。その後、当該ゲート構造をマスクとして用いて、イオン注入処理を施す。これにより、図3に示すように、ゲート構造の両脇の半導体基板1の上面内に、N型の導電型を有する低濃度エクステンション領域5が形成される。   An insulating film and an electrode layer are deposited on the semiconductor substrate 1 shown in FIG. Thereafter, a patterning process is performed on the insulating film and the electrode layer. As a result, as shown in FIG. 3, a gate structure in which the gate insulating film 3 and the gate electrode 4 are selectively formed in this order is formed on the semiconductor substrate 1. Thereafter, ion implantation is performed using the gate structure as a mask. As a result, as shown in FIG. 3, low concentration extension regions 5 having an N-type conductivity are formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1 on both sides of the gate structure.

次に、ゲート構造を覆うように、半導体基板1上に酸化膜を形成する。その後、当該酸化膜に対して異方性エッチング処理を施す。これにより、図4に示すように、ゲート構造の両側面に、サイドウォール膜6が形成される。その後、当該サイドウォール膜6が側面部に形成されたゲート構造をマスクとして用いて、イオン注入処理を施す。これにより、図4に示すように、当該サイドウォール膜6が形成されたゲート構造の両脇における半導体基板1の上面内に、N型の高濃度の不純物領域7が形成される。   Next, an oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate structure. Thereafter, an anisotropic etching process is performed on the oxide film. Thereby, as shown in FIG. 4, sidewall films 6 are formed on both side surfaces of the gate structure. Thereafter, ion implantation is performed using the gate structure in which the sidewall film 6 is formed on the side surface as a mask. Thereby, as shown in FIG. 4, N-type high-concentration impurity regions 7 are formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1 on both sides of the gate structure in which the sidewall film 6 is formed.

低濃度エクステンション領域5および高濃度の不純物領域7により、ソース・ドレイン電極となる電極領域が形成される。   The low concentration extension region 5 and the high concentration impurity region 7 form an electrode region to be a source / drain electrode.

次に、電極領域(具体的に、高濃度の不純物領域7)の上面およびゲート電極4の上面に対してシリサイド化処理を施す。これにより、図5に示すように、高濃度の不純物領域7上には、シリサイド層8が形成され、ゲート電極4上には、シリサイド層9が形成される。当該シリサイド層8の形成により、後に形成されるコンタクトプラグ(下部プラグ12,13も含む)との接触抵抗の低減を図ることができる。なお、当該接触抵抗低減目的のシリサイド層8,9は、プロセス世代によっては形成を省略することもできる。   Next, silicidation is performed on the upper surface of the electrode region (specifically, the high-concentration impurity region 7) and the upper surface of the gate electrode 4. Thereby, as shown in FIG. 5, a silicide layer 8 is formed on the high-concentration impurity region 7, and a silicide layer 9 is formed on the gate electrode 4. By forming the silicide layer 8, it is possible to reduce contact resistance with contact plugs (including lower plugs 12 and 13) to be formed later. The formation of the silicide layers 8 and 9 for the purpose of reducing the contact resistance can be omitted depending on the process generation.

次に、図6に示すように、ゲート構造を覆うように、半導体基板1上に酸化膜から成る層間絶縁膜10を形成する。その後、層間絶縁膜10に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図6に示すように、層間絶縁膜10の上面内にはコンタクトホール(貫通孔と把握できる)11が形成される。ここで、当該コンタクトホール11は、層間絶縁膜10の上面から下面にかけて貫通して形成されている。また、コンタクトホール11の底面からは、図6に示すように、シリサイド層8が露出される。   Next, as shown in FIG. 6, an interlayer insulating film 10 made of an oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate structure. Thereafter, the interlayer insulating film 10 is subjected to a combination of a photolithography technique and an etching process. Thereby, as shown in FIG. 6, a contact hole (which can be grasped as a through hole) 11 is formed in the upper surface of the interlayer insulating film 10. Here, the contact hole 11 is formed so as to penetrate from the upper surface to the lower surface of the interlayer insulating film 10. Further, the silicide layer 8 is exposed from the bottom surface of the contact hole 11 as shown in FIG.

次に、コンタクトホール11の底面および側面に、TiNなどのバリヤメタル膜12を成膜する(図7参照)。当該バリヤメタル膜12は、後述する導電体(タングステン)13の層間絶縁膜10への拡散を防止する機能を有すると共に、シリサイド層8と後述するコンタクトプラグ(下部プラグ12,13を含む)との間におけるオーミック接続を可能とする機能も有する。ここで、ここまでの工程では、バリヤメタル膜12は、層間絶縁膜10上においても成膜されている(図7参照)。   Next, a barrier metal film 12 such as TiN is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 11 (see FIG. 7). The barrier metal film 12 has a function of preventing the later-described conductor (tungsten) 13 from diffusing into the interlayer insulating film 10, and between the silicide layer 8 and later-described contact plugs (including lower plugs 12 and 13). It also has a function that enables ohmic connection. Here, in the steps so far, the barrier metal film 12 is also formed on the interlayer insulating film 10 (see FIG. 7).

次に、図7に示すように、バリヤメタル膜12が形成されたコンタクトホール11内を充填するように、タングステン(W)などの導電体13を形成する。ここで、ここまでの工程では、導電体13は、層間絶縁膜10上に形成されたバリヤメタル膜12上にも形成されている(図7参照)。   Next, as shown in FIG. 7, a conductor 13 such as tungsten (W) is formed so as to fill the contact hole 11 in which the barrier metal film 12 is formed. Here, in the steps so far, the conductor 13 is also formed on the barrier metal film 12 formed on the interlayer insulating film 10 (see FIG. 7).

なお、後述するように、当該導電体13の形成により、図7の右側のコンタクトプラグ12,13を構成する導電体13内には、空隙K1が形成される。当該空隙K1は、後のCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理後には、窪み14となる。また、当該空隙K1は、コンタクトホール11の開口部付近に形成される。   As will be described later, the formation of the conductor 13 forms a gap K1 in the conductor 13 constituting the contact plugs 12 and 13 on the right side of FIG. The gap K1 becomes a depression 14 after a subsequent CMP (Chemical Mechanical Polishing) process. Further, the gap K1 is formed in the vicinity of the opening of the contact hole 11.

その後、導電体13およびバリヤメタル膜12に対して、所定の研磨条件によるCMP処理を施す。これにより、図8に示すように、各コンタクトホール11内にのみ、バリヤメタル膜12および導電体13を残し、層間絶縁膜10上のバリヤメタル膜12および導電体13を除去する。つまり、各コンタクトホール11内に、バリヤメタル膜12および導電体13の積層体から成るコンタクトプラグ12,13を形成する(図8)。   Thereafter, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are subjected to a CMP process under predetermined polishing conditions. As a result, as shown in FIG. 8, the barrier metal film 12 and the conductor 13 are left only in each contact hole 11, and the barrier metal film 12 and the conductor 13 on the interlayer insulating film 10 are removed. That is, in each contact hole 11, contact plugs 12 and 13 composed of a laminate of a barrier metal film 12 and a conductor 13 are formed (FIG. 8).

なお、後述する絶縁膜15を介して相変化膜16に接続されるコンタクトプラグ12,13(図8の右側のコンタクトプラグ)を、「下部プラグ」と称している。他方、当該下部プラグ12,13以外のコンタクトプラグ12,13(図8の左側のコンタクトプラグ)を、「通常プラグ」と称する。なお、当該コンタクトプラグ12,13の定義は、他の実施の形態においても共通する。   Note that the contact plugs 12 and 13 (the contact plugs on the right side in FIG. 8) connected to the phase change film 16 via an insulating film 15 described later are referred to as “lower plugs”. On the other hand, the contact plugs 12 and 13 other than the lower plugs 12 and 13 (left side contact plugs in FIG. 8) are referred to as “normal plugs”. The definitions of the contact plugs 12 and 13 are common to other embodiments.

ここで、上記において、コンタクトホール11の径、導電体13の材料の膜厚、および成膜条件などを適切に選択する。これにより、図8に示すように、下部プラグ12,13の上面部に窪み14(または、図7に示すように、導電体13内に空隙K1)を形成することができる。   Here, in the above, the diameter of the contact hole 11, the film thickness of the material of the conductor 13, the film forming conditions, and the like are appropriately selected. As a result, as shown in FIG. 8, a recess 14 (or a gap K1 in the conductor 13 as shown in FIG. 7) can be formed in the upper surface portions of the lower plugs 12 and 13.

たとえば、埋め込み性の悪い導電体13の成膜条件で、コンタクトホール11の半径以上の膜厚(導電体13の膜厚≧コンタクトホール11の径)で、導電体13を成膜する。これにより、コンタクトホール11の開口部付近(換言すれば、下部プラグ12,13の上面)において、底部に向かって幅が小さくなる窪み14を形成することができる。また、コンタクトホール11の断面形状は、導電体13の埋め込み性が向上するテーパー状にすることは望ましくない。つまり、上記窪み14(または空隙K1)の形成の観点から、当該コンタクトホール11の両側面部が底面部に対して垂直に立っている方が、より好ましい。また、導電体13の埋め込み性の低下観点から、コンタクトホール11の径は小さい方が良い。たとえば、通常のCVD法により導電体13を成膜する場合には、コンタクトホール11の直径が0.16μm以下であれば、上記窪み14(空隙K1)を形成することができる。さらに、導電体13の埋め込み性を低下させるために、ALD(Atomic Layer Deposition)−CVD法でなく、通常のCVD法を採用するべきである。   For example, the conductor 13 is formed with a film thickness equal to or larger than the radius of the contact hole 11 (film thickness of the conductor 13 ≧ diameter of the contact hole 11) under the film formation conditions of the conductor 13 with poor embedding property. Thereby, in the vicinity of the opening of the contact hole 11 (in other words, the upper surface of the lower plugs 12 and 13), a recess 14 whose width decreases toward the bottom can be formed. Further, it is not desirable that the cross-sectional shape of the contact hole 11 is a taper shape that improves the embedding property of the conductor 13. That is, from the viewpoint of forming the depression 14 (or the gap K1), it is more preferable that both side surface portions of the contact hole 11 stand perpendicular to the bottom surface portion. Further, from the viewpoint of lowering the embedding property of the conductor 13, it is better that the diameter of the contact hole 11 is smaller. For example, when the conductor 13 is formed by a normal CVD method, the recess 14 (gap K1) can be formed if the diameter of the contact hole 11 is 0.16 μm or less. Furthermore, in order to lower the embedding property of the conductor 13, a normal CVD method should be employed instead of an ALD (Atomic Layer Deposition) -CVD method.

これらのことから分かるように、前の世代で使用していた埋め込み技術を使えば、下部プラグ12,13の上面に窪み14(空隙K1)を発生させることができる。たとえば、90nmのデザインルールで130nmの埋め込み技術を用いれば、下部プラグ12,13の上面に窪み14を発生させることができる。換言すれば、コンタクトホール11の開口部付近に、空隙K1を形成することができる。   As can be seen from these facts, if the embedding technique used in the previous generation is used, the depression 14 (gap K1) can be generated on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13. For example, if a 130 nm embedding technique is used with a design rule of 90 nm, the depression 14 can be generated on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13. In other words, the gap K <b> 1 can be formed near the opening of the contact hole 11.

さて次に、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面および層間絶縁膜10の上面に対して、カバレッジの悪い条件による成膜処理(たとえば、スパッタリング処理)を施す。   Next, a film formation process (for example, a sputtering process) is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10 under conditions with poor coverage.

たとえば、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、および層間絶縁膜10の上面に対して、ターゲットとしてTa等の金属を用いたスパッタリング処理を施す。その後、当該金属膜に対して酸化処理を施し、金属膜を絶縁膜化させる。当該工程により、図9に示すように、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、および層間絶縁膜10の上面に、絶縁膜15が形成される。   For example, a sputtering process using a metal such as Ta as a target is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10. Thereafter, an oxidation treatment is performed on the metal film, and the metal film is turned into an insulating film. With this process, as shown in FIG. 9, the insulating film 15 is formed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

ところで、スパッタリング処理により形成される絶縁膜15のカバレッジは、良くないことが知られている。したがって、図10の下部プラグ12,13上面の拡大図に示すように、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚より薄い。   Incidentally, it is known that the coverage of the insulating film 15 formed by the sputtering process is not good. Therefore, as shown in the enlarged view of the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 in FIG. 10, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region is as follows. , 13 is thinner than the thickness of the insulating film 15 formed on the surface.

ここで、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロの場合もあり得る。また、第一の領域の下部プラグ12,13面とは、上記の通り、導電体13に形成された、底部に向かって幅が減少する窪み14内の表面である(図10参照)。他方、第二の領域の下部プラグ12,13面とは、上記の通り、上記窪み14以外の下部プラグ12,13の上面である(図10参照)。   Here, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region may be zero. Further, the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region are the surfaces in the recess 14 formed in the conductor 13 and decreasing in width toward the bottom as described above (see FIG. 10). On the other hand, the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region are the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 other than the recess 14 as described above (see FIG. 10).

なお、窪み14の開口部幅aと窪み14の深さbとの比で表されるアスペクト比(b/a)が1以上であるとする。すると、当該アスペクト比を有する当該窪み14への絶縁膜15の埋め込みが、低下する。したがって、本実施の形態では、窪み14への絶縁膜の埋め込み性を低下させる必要があるので、本実施の形態では、アスペクト比が1以上の窪み14を形成する必要がある。   It is assumed that the aspect ratio (b / a) represented by the ratio between the opening width a of the depression 14 and the depth b of the depression 14 is 1 or more. Then, the embedding of the insulating film 15 in the recess 14 having the aspect ratio is reduced. Therefore, in this embodiment, since it is necessary to reduce the embedding property of the insulating film in the recess 14, it is necessary to form the recess 14 having an aspect ratio of 1 or more in this embodiment.

また、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れないレベルの厚さが最低限必要である。他方、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れるレベルの厚さである必要がある。たとえば、絶縁膜15が、TaやCrの酸化物であるTaOやCrOである場合には、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、0から3nm未満である。これに対して、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、3nm以上である。   Further, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region is required to be at least a level at which a tunnel current does not flow. On the other hand, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region needs to be a thickness at which a tunnel current flows. For example, when the insulating film 15 is TaO or CrO which is an oxide of Ta or Cr, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is 0 to 3 nm. Is less than. On the other hand, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region is 3 nm or more.

次に、窪み14を充填するように、絶縁膜15上に、GSTなどの相変化膜15を形成する。その後、当該相変化膜15上に、W(タングステン)などの導電性膜を形成する。そして、当該相変化膜15および導電性膜に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図11に示すように、下部プラグ12,13の上面に接続される、絶縁膜15、相変化膜16および上部電極17から成る積層体が、パターニング形成される。図11の下部プラグ12,13上面近傍の拡大構成断面図を図12に示す。   Next, a phase change film 15 such as GST is formed on the insulating film 15 so as to fill the recess 14. Thereafter, a conductive film such as W (tungsten) is formed on the phase change film 15. Then, the phase change film 15 and the conductive film are applied in combination with a photolithography technique and an etching process. As a result, as shown in FIG. 11, a laminated body including the insulating film 15, the phase change film 16 and the upper electrode 17 connected to the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 is formed by patterning. FIG. 12 shows an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 in FIG.

なお、上記の通り、窪み14内に形成される絶縁膜15の膜厚がゼロの場合もある。当該場合は、窪み14を充填するように、導電体13に直接接して、相変化膜16が形成される。   As described above, the thickness of the insulating film 15 formed in the recess 14 may be zero. In this case, the phase change film 16 is formed in direct contact with the conductor 13 so as to fill the recess 14.

その後、エッチングストッパーとして機能するSiNなどの絶縁膜18および層間絶縁膜19を形成する。そして、必要に応じて、絶縁膜18内および層間絶縁膜19内に通常プラグ12u,13uを形成し、当該プラグ12u,13uに接続する配線20等を形成する。ここで、通常プラグ12u,13uは、最外層のバリヤメタル膜12uと内層の導電体13uとの積層体構造を有する。   Thereafter, an insulating film 18 such as SiN and an interlayer insulating film 19 functioning as an etching stopper are formed. Then, if necessary, normal plugs 12u and 13u are formed in the insulating film 18 and the interlayer insulating film 19, and wirings 20 and the like connected to the plugs 12u and 13u are formed. Here, the normal plugs 12u and 13u have a laminated structure of an outermost barrier metal film 12u and an inner conductor 13u.

また、図面右側の通常プラグ12u,13uの底部は、上部電極17の上面に接続されている(図1)。これに対して、図面左側の通常プラグ12u,13uの底部は、下層に配設された通常プラグ12,13の上面に接続されている(図1)。   Further, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the right side of the drawing are connected to the upper surface of the upper electrode 17 (FIG. 1). On the other hand, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the left side of the drawing are connected to the top surfaces of the normal plugs 12 and 13 disposed in the lower layer (FIG. 1).

以上までの工程により、図1に示した構成(つまり、相変化メモリ80とメモリ駆動トランジスタ50とを有する半導体デバイス100)が完成する。   The configuration shown in FIG. 1 (that is, the semiconductor device 100 having the phase change memory 80 and the memory driving transistor 50) is completed through the above steps.

以上のように、本実施の形態に係る相変化メモリ80では、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、第一の領域と第二の領域とを有している(図10参照)。そして、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。ここで、本実施の形態では、第一の領域は、下部プラグ12,13の上面に形成される、底部に向かって幅が狭くなる窪み14である。また、第二の領域は、下部電極12,13の当該窪み14以外の領域である。   As described above, in the phase change memory 80 according to the present embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 have the first region and the second region (FIG. 10). The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. Is also thin. Here, in the present embodiment, the first region is a recess 14 formed on the upper surface of the lower plugs 12 and 13 and having a width that decreases toward the bottom. The second region is a region other than the depression 14 of the lower electrodes 12 and 13.

したがって、第一の領域の下部プラグ12,13において、電流を集中させることができる。つまり、相変化膜16に供給される電流の電流密度を、より向上させることができる。これにより、リセット電流の電流値を低減したとしても、相変化膜16を非晶質化させることができる。つまり、本実施の形態に係る半導体デバイス100では、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜16に供給することができる。なお、上記実施の形態に係る半導体デバイス100は、装置全体の大型化を要していない。また、当該半導体デバイス100の作製に際して、複雑な工程も要しない。   Therefore, current can be concentrated in the lower plugs 12 and 13 in the first region. That is, the current density of the current supplied to the phase change film 16 can be further improved. Thereby, even if the current value of the reset current is reduced, the phase change film 16 can be made amorphous. That is, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, a reset current necessary for amorphization can be supplied to the phase change film 16. Note that the semiconductor device 100 according to the above embodiment does not require an increase in size of the entire apparatus. In addition, when manufacturing the semiconductor device 100, no complicated process is required.

なお、絶縁膜15がTaOまたはCrOである場合には、第一の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、0から3nm未満とし、第二の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、3nm以上とする。当該膜厚設定により、第一の領域のみにおいてトンネル電流を、下部プラグ12,13から相変化膜16へと流すことができる。   When the insulating film 15 is TaO or CrO, the thickness of the insulating film 15 formed in the first region is set to 0 to less than 3 nm, and the film of the insulating film 15 formed in the second region The thickness is 3 nm or more. By setting the film thickness, a tunnel current can flow from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 only in the first region.

なお、第一の領域の絶縁膜15の膜厚がばらつく場合には、半導体デバイス100の作製後、メモリセル部80に一定の電流を流す。これにより、所望の電流値が流れるように、第一の領域の絶縁膜15を破壊することも可能である。つまり、第一の領域の絶縁膜15にピンホールを発生させることも可能である。ここで、当該絶縁膜15の破壊のための電流条件および電圧条件は、絶縁膜15の膜厚等にも依存するが、一例として、数μm程度、2〜3V程度である。また、当該ピンホールの発生処理によっては、第二の領域に形成される絶縁膜15は影響を受けない。   When the thickness of the insulating film 15 in the first region varies, a constant current is passed through the memory cell unit 80 after the semiconductor device 100 is manufactured. Thereby, the insulating film 15 in the first region can be destroyed so that a desired current value flows. That is, it is possible to generate a pinhole in the insulating film 15 in the first region. Here, the current condition and the voltage condition for breaking the insulating film 15 depend on the film thickness of the insulating film 15 and the like, but are about several μm and about 2 to 3 V as an example. Further, the insulating film 15 formed in the second region is not affected by the pinhole generation process.

当該第一の領域の絶縁膜15の破壊により、下部プラグ12,13から相変化膜16に流れる電流の電流値のばらつきを、抑制することができる。   Due to the breakdown of the insulating film 15 in the first region, variation in the current value of the current flowing from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 can be suppressed.

なお、同一の条件・設計により、コンタクトプラグ12,13を作成した場合には、図1と異なり、通常プラグ12,13においても上記窪み14が形成される。しかし、通常プラグ12,13において当該窪み14が形成されたとしても、半導体デバイス100の動作上特に問題はない。もし、別工程、別条件にて、各コンタクトプラグ12,13を形成した場合には、図1に示したように、下部プラグ12,13にのみ窪み14を形成することができ、通常プラグ12,13には窪み14を形成させなくすることもできる。   In addition, when the contact plugs 12 and 13 are created under the same conditions and design, the recess 14 is formed also in the normal plugs 12 and 13, unlike FIG. However, even if the depression 14 is formed in the normal plugs 12 and 13, there is no particular problem in the operation of the semiconductor device 100. If the contact plugs 12 and 13 are formed in different processes and different conditions, the recess 14 can be formed only in the lower plugs 12 and 13 as shown in FIG. , 13 can be made not to form the recess 14.

また、本実施の形態では、メモリ駆動用としてMOSトランジスタ50を採用した。しかし、MOSトランジスタ50の代わりに、バイポーラトランジスタやダイオード、その他の駆動半導体デバイスを採用することもできる。また、当該トランジスタの導電型は、N型でもP型でもかまわない。   In the present embodiment, the MOS transistor 50 is used for driving the memory. However, instead of the MOS transistor 50, a bipolar transistor, a diode, and other driving semiconductor devices can be employed. Further, the conductivity type of the transistor may be N-type or P-type.

<実施の形態2>
図13は、本実施の形態に係る相変化メモリの構成を示す断面図である。また、図14は、図13の点線で囲まれた領域C11の拡大図である。
<Embodiment 2>
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the phase change memory according to the present embodiment. FIG. 14 is an enlarged view of a region C11 surrounded by a dotted line in FIG.

図13,14に示すように、下部プラグ12,13は、実施の形態1と同様に、バリヤメタル膜12と導電体13との積層体である。バリヤメタル膜12は、層間絶縁膜10の表面内に形成されたコンタクトホール11の、少なくとも側面に形成されている。また、導電体13は、コンタクトホール11内を充填するように、バリヤメタル膜12に接して形成されている。   As shown in FIGS. 13 and 14, the lower plugs 12 and 13 are laminated bodies of the barrier metal film 12 and the conductors 13 as in the first embodiment. The barrier metal film 12 is formed on at least the side surface of the contact hole 11 formed in the surface of the interlayer insulating film 10. The conductor 13 is formed in contact with the barrier metal film 12 so as to fill the contact hole 11.

本実施の形態では、当該導電体13の上面U1は、バリヤメタル膜の上端U2より下方に位置している。つまり、図13,14に示すように、導電体13の上面U1が層間絶縁膜10の上面よりリセスしている。当該リセスしている部分をリセス部11dと称する。そして、絶縁膜15は、当該リセス部11dの側面に形成されているバリヤメタル膜12上、リセス部11dの底部から望む導電体13の上面、および層間絶縁膜10の上面に形成されている。   In the present embodiment, the upper surface U1 of the conductor 13 is located below the upper end U2 of the barrier metal film. That is, as shown in FIGS. 13 and 14, the upper surface U <b> 1 of the conductor 13 is recessed from the upper surface of the interlayer insulating film 10. The recess portion is referred to as a recess portion 11d. The insulating film 15 is formed on the barrier metal film 12 formed on the side surface of the recess 11d, the upper surface of the conductor 13 desired from the bottom of the recess 11d, and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

実施の形態1で述べたように、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、絶縁膜15の膜厚の相違に起因して、第一の領域と第二の領域とに区分できる。第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。本実施の形態では、バリヤメタル膜12の上端部U2から導電体13の上面U1までのバリヤメタル膜12が、第一の領域に該当する。また、導電体13の上面U1およびバリヤメタル膜12の上端部U2上が、第二の領域に該当する。   As described in the first embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 are divided into the first region and the second region due to the difference in film thickness of the insulating film 15. Can be classified. The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or thinner than the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. . In the present embodiment, the barrier metal film 12 from the upper end portion U2 of the barrier metal film 12 to the upper surface U1 of the conductor 13 corresponds to the first region. The upper surface U1 of the conductor 13 and the upper end portion U2 of the barrier metal film 12 correspond to the second region.

上記以外の構成は、実施の形態1と同様である。したがって、ここでの他の構成の説明は省略する。   Other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, description of other structures here is omitted.

以下、本実施の形態に係る相変化メモリを有する半導体デバイスの製造方法について、説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device having the phase change memory according to the present embodiment will be described.

まず、実施の形態1と同様に、図2〜6に示した工程を実施する。その後、コンタクトホール11の底面および側面に、TiNなどのバリヤメタル膜12を成膜する。当該バリヤメタル膜12は、後述する導電体(タングステン)13の層間絶縁膜10への拡散を防止する機能を有すると共に、シリサイド層8と後述するコンタクトプラグ(下部プラグ12,13を含む)との間におけるオーミック接続を可能とする機能も有する。ここで、ここまでの工程では、バリヤメタル膜12は、層間絶縁膜10上においても成膜されている。   First, similarly to the first embodiment, the steps shown in FIGS. Thereafter, a barrier metal film 12 such as TiN is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 11. The barrier metal film 12 has a function of preventing the later-described conductor (tungsten) 13 from diffusing into the interlayer insulating film 10, and between the silicide layer 8 and later-described contact plugs (including lower plugs 12 and 13). It also has a function that enables ohmic connection. Here, in the steps so far, the barrier metal film 12 is also formed on the interlayer insulating film 10.

次に、バリヤメタル膜12が形成されたコンタクトホール11内を充填するように、タングステン(W)などの導電体13を形成する。ここで、ここまでの工程では、導電体13は、層間絶縁膜10上に形成されたバリヤメタル膜12上にも形成されている。   Next, a conductor 13 such as tungsten (W) is formed so as to fill the contact hole 11 in which the barrier metal film 12 is formed. Here, in the steps so far, the conductor 13 is also formed on the barrier metal film 12 formed on the interlayer insulating film 10.

その後、導電体13およびバリヤメタル膜12に対して、所定の研磨条件によるCMP処理を施す。これにより、図15に示すように、各コンタクトホール11内にのみ、バリヤメタル膜12および導電体13を残し、層間絶縁膜10上のバリヤメタル膜12および導電体13を除去する。つまり、各コンタクトホール11内に、バリヤメタル膜12および導電体13の積層体から成るコンタクトプラグ12,13を形成する(図15)。   Thereafter, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are subjected to a CMP process under predetermined polishing conditions. As a result, as shown in FIG. 15, the barrier metal film 12 and the conductor 13 are left only in each contact hole 11, and the barrier metal film 12 and the conductor 13 on the interlayer insulating film 10 are removed. That is, in each contact hole 11, contact plugs 12 and 13 composed of a laminate of a barrier metal film 12 and a conductor 13 are formed (FIG. 15).

ここで、本実施の形態では、上記CMP処理時間を調整することにより、図15に示すように、導電体13の上面が層間絶縁膜10の上面より下方に位置される。つまり、導電体13の上面においてリセス部11dが形成される。   Here, in the present embodiment, by adjusting the CMP processing time, the upper surface of the conductor 13 is positioned below the upper surface of the interlayer insulating film 10 as shown in FIG. That is, the recess portion 11 d is formed on the upper surface of the conductor 13.

たとえば、導電体13がタングステン(W)の場合には、次のようにW−CMP処理の時間を調整する。通常のW−CMP処理では、層間絶縁膜10の上面を検知し、タングステンを層間絶縁膜10上に残さないため、オーバー研磨を実施する。当該オーバー研磨により、コンタクトホール11内のタングステンの一部が削れ、リセス部11dが形成される。なお、オーバー研磨の時間を長くすれば、それに応じてリセス部11dの深さも深くすることができる。   For example, when the conductor 13 is tungsten (W), the time of the W-CMP process is adjusted as follows. In a normal W-CMP process, the upper surface of the interlayer insulating film 10 is detected, and tungsten is not left on the interlayer insulating film 10, so over-polishing is performed. By the over polishing, a part of tungsten in the contact hole 11 is scraped, and a recess portion 11d is formed. If the over-polishing time is lengthened, the depth of the recess 11d can be increased accordingly.

次に、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面および層間絶縁膜10の上面に対して、カバレッジの悪い条件による成膜処理(たとえば、スパッタリング処理)を施す。   Next, a film formation process (for example, a sputtering process) is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10 under conditions with poor coverage.

たとえば、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、各リセス部11dの側面部、および層間絶縁膜10の上面に対して、ターゲットとしてTa等の金属を用いたスパッタリング処理を施す。その後、当該金属膜に対して酸化処理を施し、金属膜を絶縁膜化させる。当該工程により、図16に示すように、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、リセス部11dの側面、および層間絶縁膜10の上面に、絶縁膜15が形成される。   For example, a sputtering process using a metal such as Ta as a target is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, the side surfaces of the recess portions 11 d, and the upper surface of the interlayer insulating film 10. . Thereafter, an oxidation treatment is performed on the metal film, and the metal film is turned into an insulating film. In this process, as shown in FIG. 16, the insulating film 15 is formed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, the side surfaces of the recess portion 11 d, and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

ところで、スパッタリング処理により形成される絶縁膜15のカバレッジは、良くないことが知られている。したがって、図14を用いて説明したように、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。つまり、リセス部11dの側面部に形成されるバリヤメタル膜12上に形成される絶縁膜15の膜厚は、導電体13の上面U1上に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。また、リセス部11dの側面部に形成されるバリヤメタル膜12上に形成される絶縁膜15の膜厚は、バリヤメタル膜12の上端部U2上に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。   Incidentally, it is known that the coverage of the insulating film 15 formed by the sputtering process is not good. Therefore, as described with reference to FIG. 14, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region is formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region. It becomes thinner than the film thickness of the insulating film 15. That is, the thickness of the insulating film 15 formed on the barrier metal film 12 formed on the side surface portion of the recess portion 11d is smaller than the thickness of the insulating film 15 formed on the upper surface U1 of the conductor 13. In addition, the thickness of the insulating film 15 formed on the barrier metal film 12 formed on the side surface portion of the recess portion 11d is smaller than the thickness of the insulating film 15 formed on the upper end portion U2 of the barrier metal film 12.

ここで、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロの場合もあり得る。   Here, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region may be zero.

また、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れないレベルの厚さが最低限必要である。他方、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れるレベルの厚さである必要がある。たとえば、絶縁膜15が、TaやCrの酸化物であるTaOやCrOである場合には、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、0から3nm未満である。これに対して、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、3nm以上である。   Further, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region is required to be at least a level at which a tunnel current does not flow. On the other hand, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region needs to be a thickness at which a tunnel current flows. For example, when the insulating film 15 is TaO or CrO which is an oxide of Ta or Cr, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is 0 to 3 nm. Is less than. On the other hand, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region is 3 nm or more.

さて次に、リセス部11dを充填するように、絶縁膜15上に、GSTなどの相変化膜16を形成する。その後、当該相変化膜16上に、W(タングステン)などの導電性膜を形成する。そして、絶縁膜15、相変化膜16および導電性膜に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図17に示すように、下部プラグ12,13の上面に接続される、絶縁膜15、相変化膜16および上部電極17から成る積層体が、パターニング形成される。   Next, a phase change film 16 such as GST is formed on the insulating film 15 so as to fill the recess 11d. Thereafter, a conductive film such as W (tungsten) is formed on the phase change film 16. Then, the insulating film 15, the phase change film 16 and the conductive film are applied in combination with a photolithography technique and an etching process. As a result, as shown in FIG. 17, a laminate including the insulating film 15, the phase change film 16 and the upper electrode 17 connected to the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 is formed by patterning.

なお、上記の通り、窪み14内に形成される絶縁膜15の膜厚がゼロの場合もある。当該場合は、リセス部11dを充填するように、導電体13に直接接して、相変化膜16が形成される。   As described above, the thickness of the insulating film 15 formed in the recess 14 may be zero. In this case, the phase change film 16 is formed in direct contact with the conductor 13 so as to fill the recess 11d.

その後、エッチングストッパーとして機能するSiNなどの絶縁膜18および層間絶縁膜19を形成する。そして、必要に応じて、絶縁膜18内および層間絶縁膜19内に通常プラグ12u,13uを形成し、当該プラグ12u,13uに接続する配線20等を形成する。ここで、通常プラグ12u,13uは、最外層のバリヤメタル膜12uと内層の導電体13uとの積層体構造を有する。   Thereafter, an insulating film 18 such as SiN and an interlayer insulating film 19 functioning as an etching stopper are formed. Then, if necessary, normal plugs 12u and 13u are formed in the insulating film 18 and the interlayer insulating film 19, and wirings 20 and the like connected to the plugs 12u and 13u are formed. Here, the normal plugs 12u and 13u have a laminated structure of an outermost barrier metal film 12u and an inner conductor 13u.

また、図面右側の通常プラグ12u,13uの底部は、上部電極17の上面に接続されている(図13)。これに対して、図面左側の通常プラグ12u,13uの底部は、下層に配設された通常プラグ12,13の上面に接続されている(図13)。   Further, the bottoms of the normal plugs 12u, 13u on the right side of the drawing are connected to the upper surface of the upper electrode 17 (FIG. 13). On the other hand, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the left side of the drawing are connected to the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13 disposed in the lower layer (FIG. 13).

以上までの工程により、図13に示した構成(つまり、相変化メモリとメモリ駆動トランジスタとを有する半導体デバイス)が完成する。   Through the above steps, the configuration shown in FIG. 13 (that is, a semiconductor device having a phase change memory and a memory driving transistor) is completed.

以上のように、本実施の形態に係る相変化メモリでは、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、第一の領域と第二の領域とを有している(図14参照)。そして、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。ここで、本実施の形態では、第一の領域は、バリヤメタル膜12の上端部U2から導電体13の上面U1までのバリヤメタル膜12上である。換言すれば、リセス部11dの側面に形成されたバリヤメタル膜12が、第一の領域である。また、第二の領域は、導電体13の上面U1およびバリヤメタル膜12の上端部U2上である。   As described above, in the phase change memory according to the present embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 have the first region and the second region (FIG. 14). reference). The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. Is also thin. Here, in the present embodiment, the first region is on the barrier metal film 12 from the upper end portion U2 of the barrier metal film 12 to the upper surface U1 of the conductor 13. In other words, the barrier metal film 12 formed on the side surface of the recess portion 11d is the first region. The second region is on the upper surface U1 of the conductor 13 and the upper end portion U2 of the barrier metal film 12.

したがって、第一の領域の下部プラグ12,13において、電流を集中させることができる。つまり、相変化膜16に供給される電流の電流密度を、より向上させることができる。これにより、リセット電流の電流値を低減したとしても、相変化膜16を非晶質化させることができる。つまり、本実施の形態に係る半導体デバイスでは、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜16に供給することができる。なお、上記実施の形態に係る半導体デバイスは、装置全体の大型化を要していない。また、当該半導体デバイスの作製に際して、複雑な工程も要しない。   Therefore, current can be concentrated in the lower plugs 12 and 13 in the first region. That is, the current density of the current supplied to the phase change film 16 can be further improved. Thereby, even if the current value of the reset current is reduced, the phase change film 16 can be made amorphous. That is, in the semiconductor device according to the present embodiment, a reset current necessary for amorphization can be supplied to the phase change film 16. Note that the semiconductor device according to the above embodiment does not require an increase in size of the entire apparatus. Further, no complicated process is required for manufacturing the semiconductor device.

なお、絶縁膜15がTaOまたはCrOである場合には、第一の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、0から3nm未満とし、第二の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、3nm以上とする。当該膜厚設定により、第一の領域のみにおいてトンネル電流を、下部プラグ12,13から相変化膜16へと流すことができる。   When the insulating film 15 is TaO or CrO, the thickness of the insulating film 15 formed in the first region is set to 0 to less than 3 nm, and the film of the insulating film 15 formed in the second region The thickness is 3 nm or more. By setting the film thickness, a tunnel current can flow from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 only in the first region.

なお、第一の領域の絶縁膜15の膜厚がばらつく場合には、半導体デバイス作製後、メモリセル部に一定の電流を流す。これにより、所望の電流値が流れるように、第一の領域の絶縁膜15を破壊することも可能である。つまり、第一の領域の絶縁膜15にピンホールを発生させることも可能である。ここで、当該絶縁膜15の破壊のための電流条件および電圧条件は、絶縁膜15の膜厚等にも依存するが、一例として、数μm程度、2〜3V程度である。また、当該ピンホールの発生処理によっては、第二の領域に形成される絶縁膜15は影響を受けない。   When the thickness of the insulating film 15 in the first region varies, a constant current is passed through the memory cell portion after the semiconductor device is manufactured. Thereby, the insulating film 15 in the first region can be destroyed so that a desired current value flows. That is, it is possible to generate a pinhole in the insulating film 15 in the first region. Here, the current condition and the voltage condition for breaking the insulating film 15 depend on the film thickness of the insulating film 15 and the like, but are about several μm and about 2 to 3 V as an example. Further, the insulating film 15 formed in the second region is not affected by the pinhole generation process.

当該第一の領域の絶縁膜15の破壊により、下部プラグ12,13から相変化膜16に流れる電流の電流値のばらつきを、抑制することができる。   Due to the breakdown of the insulating film 15 in the first region, variation in the current value of the current flowing from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 can be suppressed.

なお、図15で示すように、導電体13に対するCMP処理により、通常プラグ12,13においても、リセス部11dが形成される。しかし、通常プラグ12,13において当該リセス部11dが形成されたとしても、電気特性上特に問題はない。   As shown in FIG. 15, the recess 11 d is formed also in the normal plugs 12 and 13 by the CMP process on the conductor 13. However, even if the recess 11d is formed in the normal plugs 12 and 13, there is no particular problem in terms of electrical characteristics.

また、本実施の形態では、メモリ駆動用としてMOSトランジスタを採用した。しかし、MOSトランジスタの代わりに、バイポーラトランジスタやダイオード、その他の駆動半導体デバイスを採用することもできる。また、当該トランジスタの導電型は、N型であってもP型であってもかまわない。   In this embodiment, a MOS transistor is used for memory driving. However, bipolar transistors, diodes, and other driving semiconductor devices can be employed instead of the MOS transistors. Further, the conductivity type of the transistor may be N-type or P-type.

なお、ドライエッチング処理によりリセス部11dを形成しても良い。また、CMP処理とドライエッチング処理とを併用して、リセス部11dを形成しても良い。つまり、CMP処理により所定量の導電体13および所定量のバリヤメタル膜12を除去した後に、導電体13およびバリヤメタル膜12に対してドライエッチング処理を施す。当該工程によってリセス部11dを形成しても良い。   Note that the recess portion 11d may be formed by dry etching. Further, the recess portion 11d may be formed by using both the CMP process and the dry etching process. That is, after the predetermined amount of the conductor 13 and the predetermined amount of the barrier metal film 12 are removed by the CMP process, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are dry-etched. The recess portion 11d may be formed by this process.

また、リセス部11dの深さは、上記の通り電流密度を向上させる観点から、小さいほど好ましい。ただし、界面絶縁膜に対して段差ができる必要がある。したがって、これらのことを加味すると、リセス部11dの深さは、10nm〜100nm程度であることが望ましい。   The depth of the recess 11d is preferably as small as possible from the viewpoint of improving the current density as described above. However, it is necessary to make a step with respect to the interface insulating film. Therefore, in consideration of these matters, the depth of the recess portion 11d is preferably about 10 nm to 100 nm.

<実施の形態3>
図18は、本実施の形態に係る相変化メモリの構成を示す断面図である。また、図19は、図18の点線で囲まれた領域C21の拡大図である。
<Embodiment 3>
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the phase change memory according to the present embodiment. FIG. 19 is an enlarged view of a region C21 surrounded by a dotted line in FIG.

図18,19に示すように、下部プラグ12,13は、実施の形態1と同様に、バリヤメタル膜12と導電体13との積層体である。当該下部プラグ12,13は、層間絶縁膜10の表面内に形成されたコンタクトホール11内に形成されている。ここで、本実施の形態では、下部プラグ12,13は、層間絶縁膜10の上面U5より突出した突出部L1を有している。   As shown in FIGS. 18 and 19, the lower plugs 12 and 13 are laminated bodies of the barrier metal film 12 and the conductor 13 as in the first embodiment. The lower plugs 12 and 13 are formed in the contact holes 11 formed in the surface of the interlayer insulating film 10. Here, in the present embodiment, the lower plugs 12 and 13 have a protruding portion L1 protruding from the upper surface U5 of the interlayer insulating film 10.

実施の形態1で述べたように、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、絶縁膜15の膜厚の相違に起因して、第一の領域と第二の領域とに区分できる。第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。本実施の形態では、下部プラグ12,13の前記突出部L1の側面部が、第一の領域に該当する。また、下部プラグ12,13の上面(突出部L1の上面)が、第二の領域に該当する。   As described in the first embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 are divided into the first region and the second region due to the difference in film thickness of the insulating film 15. Can be classified. The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or thinner than the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. . In the present embodiment, the side surface portion of the protruding portion L1 of the lower plugs 12 and 13 corresponds to the first region. Further, the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 (the upper surfaces of the protruding portions L1) correspond to the second region.

上記以外の構成は、実施の形態1と同様である。したがって、ここでの他の構成の説明は省略する。   Other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, description of other structures here is omitted.

以下、本実施の形態に係る相変化メモリを有する半導体デバイスの製造方法について、説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device having the phase change memory according to the present embodiment will be described.

まず、実施の形態1と同様に、図2〜6に示した工程を実施する。その後、コンタクトホール11の底面および側面に、TiNなどのバリヤメタル膜12を成膜する。当該バリヤメタル膜12は、後述する導電体(タングステン)13の層間絶縁膜10への拡散を防止する機能を有すると共に、シリサイド層8と後述するコンタクトプラグ(下部プラグ12,13を含む)との間におけるオーミック接続を可能とする機能も有する。ここで、ここまでの工程では、バリヤメタル膜12は、層間絶縁膜10上においても成膜されている。   First, similarly to the first embodiment, the steps shown in FIGS. Thereafter, a barrier metal film 12 such as TiN is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 11. The barrier metal film 12 has a function of preventing the later-described conductor (tungsten) 13 from diffusing into the interlayer insulating film 10, and between the silicide layer 8 and later-described contact plugs (including lower plugs 12 and 13). It also has a function that enables ohmic connection. Here, in the steps so far, the barrier metal film 12 is also formed on the interlayer insulating film 10.

次に、バリヤメタル膜12が形成されたコンタクトホール11内を充填するように、タングステン(W)などの導電体13を形成する。ここで、ここまでの工程では、導電体13は、層間絶縁膜10上に形成されたバリヤメタル膜12上にも形成されている。   Next, a conductor 13 such as tungsten (W) is formed so as to fill the contact hole 11 in which the barrier metal film 12 is formed. Here, in the steps so far, the conductor 13 is also formed on the barrier metal film 12 formed on the interlayer insulating film 10.

その後、導電体13およびバリヤメタル膜12に対して、所定の研磨条件によるCMP処理を施す。これにより、図20に示すように、各コンタクトホール11内にのみ、バリヤメタル膜12および導電体13を残し、層間絶縁膜10上のバリヤメタル膜12および導電体13を除去する。つまり、各コンタクトホール11内に、バリヤメタル膜12および導電体13の積層体から成るコンタクトプラグ12,13を形成する(図20)。   Thereafter, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are subjected to a CMP process under predetermined polishing conditions. As a result, as shown in FIG. 20, the barrier metal film 12 and the conductor 13 are left only in each contact hole 11, and the barrier metal film 12 and the conductor 13 on the interlayer insulating film 10 are removed. That is, in each contact hole 11, contact plugs 12 and 13 composed of a laminate of a barrier metal film 12 and a conductor 13 are formed (FIG. 20).

次に、層間絶縁膜10に対して、ウエットエッチングまたはドライエッチング処理を施す。これにより、図21に示すように、層間絶縁膜10の上面をエッチバックさせ、下部プラグ12,13を層間絶縁膜10の上面から突出させる。換言すると、当該エッチバックにより、図21に示すように、下部プラグ12,13および通常プラグ12,13において突出部L1を形成させる。   Next, wet etching or dry etching treatment is performed on the interlayer insulating film 10. As a result, as shown in FIG. 21, the upper surface of the interlayer insulating film 10 is etched back, and the lower plugs 12 and 13 are projected from the upper surface of the interlayer insulating film 10. In other words, as shown in FIG. 21, the protrusion L <b> 1 is formed in the lower plugs 12 and 13 and the normal plugs 12 and 13 by the etch back.

次に、下部プラグ12,13の上面・側面、通常プラグ12,13の上面・側面および層間絶縁膜10の上面に対して、カバレッジの悪い条件による成膜処理(たとえば、スパッタリング処理)を施す。   Next, a film formation process (for example, a sputtering process) is performed on the upper surface and side surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces and side surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10 under poor coverage conditions.

たとえば、下部プラグ12,13の上面・側面、通常プラグ12,13の上面・側面、および層間絶縁膜10の上面に対して、ターゲットとしてTa等の金属を用いたスパッタリング処理を施す。その後、当該金属膜に対して酸化処理を施し、金属膜を絶縁膜化させる。当該工程により、図22に示すように、下部プラグ12,13の上面・側面、通常プラグ12,13の上面・側面、および層間絶縁膜10の上面に、絶縁膜15が形成される。   For example, the upper and side surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper and side surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10 are subjected to sputtering using a metal such as Ta. Thereafter, an oxidation treatment is performed on the metal film, and the metal film is turned into an insulating film. 22, the insulating film 15 is formed on the upper surfaces and side surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces and side surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

ところで、スパッタリング処理により形成される絶縁膜15のカバレッジは、良くないことが知られている。したがって、図19を用いて説明したように、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。つまり、突出部L1の側面部に形成される絶縁膜15の膜厚は、突出部L1の上面に形成される絶縁膜15の膜厚より、薄くなる。   Incidentally, it is known that the coverage of the insulating film 15 formed by the sputtering process is not good. Accordingly, as described with reference to FIG. 19, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region is formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region. It becomes thinner than the film thickness of the insulating film 15. That is, the film thickness of the insulating film 15 formed on the side surface portion of the protruding portion L1 is thinner than the film thickness of the insulating film 15 formed on the upper surface of the protruding portion L1.

ここで、図19の構成からも分かるように、突出部L1の側面において、絶縁膜15は、バリヤメタル12と接触している。他方、突出部L1の上面において、絶縁膜15は、導電体13およびバリヤメタル膜12の上端部と接触している。また、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロの場合もあり得る。   Here, as can be seen from the configuration of FIG. 19, the insulating film 15 is in contact with the barrier metal 12 on the side surface of the protrusion L <b> 1. On the other hand, the insulating film 15 is in contact with the conductor 13 and the upper end portions of the barrier metal film 12 on the upper surface of the protrusion L1. Further, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region may be zero.

第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れないレベルの厚さが最低限必要である。他方、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れるレベルの厚さである必要がある。たとえば、絶縁膜15が、TaやCrの酸化物であるTaOやCrOである場合には、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、0から3nm未満である。これに対して、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、3nm以上である。   As a film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region, a minimum thickness that does not allow a tunnel current to flow is required. On the other hand, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region needs to be a thickness at which a tunnel current flows. For example, when the insulating film 15 is TaO or CrO which is an oxide of Ta or Cr, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is 0 to 3 nm. Is less than. On the other hand, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region is 3 nm or more.

さて次に、突出部L1を覆うように、絶縁膜15上に、GSTなどの相変化膜16を形成する。その後、当該相変化膜16上に、W(タングステン)などの導電性膜を形成する。そして、絶縁膜15、相変化膜15および導電性膜に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図23に示すように、下部プラグ12,13の上面に接続される、絶縁膜15、相変化膜16および上部電極17から成る積層体が、パターニング形成される。   Next, a phase change film 16 such as GST is formed on the insulating film 15 so as to cover the protrusion L1. Thereafter, a conductive film such as W (tungsten) is formed on the phase change film 16. Then, the insulating film 15, the phase change film 15 and the conductive film are applied in combination with a photolithography technique and an etching process. As a result, as shown in FIG. 23, a laminated body composed of the insulating film 15, the phase change film 16 and the upper electrode 17 connected to the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 is formed by patterning.

なお、上記の通り、突出部L1の側面に形成される絶縁膜15の膜厚がゼロの場合もある。当該場合は、突出部L1の側面部に直接接して、相変化膜16が形成される。   As described above, the thickness of the insulating film 15 formed on the side surface of the protruding portion L1 may be zero. In this case, the phase change film 16 is formed in direct contact with the side surface of the protrusion L1.

その後、エッチングストッパーとして機能するSiNなどの絶縁膜18および層間絶縁膜19を形成する。そして、必要に応じて、絶縁膜18内および層間絶縁膜19内に通常プラグ12u,13uを形成し、当該プラグ12u,13uに接続する配線20等を形成する。ここで、通常プラグ12u,13uは、最外層のバリヤメタル膜12uと内層の導電体13uとの積層体構造を有する。   Thereafter, an insulating film 18 such as SiN and an interlayer insulating film 19 functioning as an etching stopper are formed. Then, if necessary, normal plugs 12u and 13u are formed in the insulating film 18 and the interlayer insulating film 19, and wirings 20 and the like connected to the plugs 12u and 13u are formed. Here, the normal plugs 12u and 13u have a laminated structure of an outermost barrier metal film 12u and an inner conductor 13u.

また、図面右側の通常プラグ12u,13uの底部は、上部電極17の上面に接続されている(図18)。これに対して、図面左側の通常プラグ12u,13uの底部は、下層に配設された通常プラグ12,13の上面に接続されている(図18)。   Further, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the right side of the drawing are connected to the upper surface of the upper electrode 17 (FIG. 18). On the other hand, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the left side of the drawing are connected to the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13 disposed in the lower layer (FIG. 18).

以上までの工程により、図18に示した構成(つまり、相変化メモリとメモリ駆動トランジスタとを有する半導体デバイス)が完成する。   Through the steps described above, the configuration shown in FIG. 18 (that is, a semiconductor device having a phase change memory and a memory driving transistor) is completed.

以上のように、本実施の形態に係る相変化メモリでは、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、第一の領域と第二の領域とを有している(図19参照)。そして、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。ここで、本実施の形態では、第一の領域は、層間絶縁膜10の上面より突出した下部プラグ12,13の部分(突出部L1)の側面上である。また、第二の領域は、当該突出部L1の上面上である。   As described above, in the phase change memory according to the present embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 have the first region and the second region (FIG. 19). reference). The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. Is also thin. Here, in the present embodiment, the first region is on the side surface of the portion of the lower plugs 12 and 13 that protrude from the upper surface of the interlayer insulating film 10 (the protruding portion L1). The second region is on the upper surface of the protrusion L1.

したがって、第一の領域の下部プラグ12,13において、電流を集中させることができる。つまり、相変化膜16に供給される電流の電流密度を、より向上させることができる。これにより、リセット電流の電流値を低減したとしても、相変化膜16を非晶質化させることができる。つまり、本実施の形態に係る半導体デバイスでは、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜16に供給することができる。なお、上記実施の形態に係る半導体デバイスは、装置全体の大型化を要していない。また、当該半導体デバイスの作製に際して、複雑な工程も要しない。   Therefore, current can be concentrated in the lower plugs 12 and 13 in the first region. That is, the current density of the current supplied to the phase change film 16 can be further improved. Thereby, even if the current value of the reset current is reduced, the phase change film 16 can be made amorphous. That is, in the semiconductor device according to the present embodiment, a reset current necessary for amorphization can be supplied to the phase change film 16. Note that the semiconductor device according to the above embodiment does not require an increase in size of the entire apparatus. Further, no complicated process is required for manufacturing the semiconductor device.

なお、絶縁膜15がTaOまたはCrOである場合には、第一の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、0から3nm未満とし、第二の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、3nm以上とする。当該膜厚設定により、第一の領域のみにおいてトンネル電流を、下部プラグ12,13から相変化膜16へと流すことができる。   When the insulating film 15 is TaO or CrO, the thickness of the insulating film 15 formed in the first region is set to 0 to less than 3 nm, and the film of the insulating film 15 formed in the second region The thickness is 3 nm or more. By setting the film thickness, a tunnel current can flow from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 only in the first region.

なお、第一の領域の絶縁膜15の膜厚がばらつく場合には、半導体デバイス作成後、メモリセル部に一定の電流を流す。これにより、所望の電流値が流れるように、第一の領域の絶縁膜15を破壊することも可能である。つまり、第一の領域の絶縁膜15にピンホールを発生させることも可能である。ここで、当該絶縁膜15の破壊のための電流条件および電圧条件は、絶縁膜15の膜厚等にも依存するが、一例として、数μm程度、2〜3V程度である。また、当該ピンホールの発生処理によっては、第二の領域に形成される絶縁膜15は影響を受けない。   If the thickness of the insulating film 15 in the first region varies, a constant current is passed through the memory cell portion after the semiconductor device is formed. Thereby, the insulating film 15 in the first region can be destroyed so that a desired current value flows. That is, it is possible to generate a pinhole in the insulating film 15 in the first region. Here, the current condition and the voltage condition for breaking the insulating film 15 depend on the film thickness of the insulating film 15 and the like, but are about several μm and about 2 to 3 V as an example. Further, the insulating film 15 formed in the second region is not affected by the pinhole generation process.

当該第一の領域の絶縁膜15の破壊により、下部プラグ12,13から相変化膜16に流れる電流の電流値のばらつきを、抑制することができる。   Due to the breakdown of the insulating film 15 in the first region, variation in the current value of the current flowing from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 can be suppressed.

なお、図21で示すように、層間絶縁膜10に対するエッチバック処理により、通常プラグ12,13の上部も層間絶縁膜10の上面から突出する(つまり、突出部L1が形成される)。しかし、通常プラグ12,13において当該突出部L1が形成されたとしても、半導体デバイスの動作上特に問題はない。   As shown in FIG. 21, the upper portions of the normal plugs 12 and 13 also protrude from the upper surface of the interlayer insulating film 10 (that is, the protruding portion L1 is formed) by the etch back process for the interlayer insulating film 10. However, even if the protrusions L1 are formed in the normal plugs 12 and 13, there is no particular problem in the operation of the semiconductor device.

また、本実施の形態では、メモリ駆動用としてMOSトランジスタを採用した。しかし、MOSトランジスタの代わりに、バイポーラトランジスタやダイオード、その他の駆動半導体デバイスを採用することもできる。また、当該トランジスタの導電型は、N型であってもP型であってもかまわない。   In this embodiment, a MOS transistor is used for memory driving. However, bipolar transistors, diodes, and other driving semiconductor devices can be employed instead of the MOS transistors. Further, the conductivity type of the transistor may be N-type or P-type.

また、突出部L1の高さは、上記の通り電流密度を向上させる観点から、小さいほど好ましい。ただし、界面絶縁膜に対して段差ができる必要がある。したがって、これらのことを加味すると、突出部L1の高さは、10nm〜100nm程度であることが望ましい。   Further, the height of the protruding portion L1 is preferably as small as possible from the viewpoint of improving the current density as described above. However, it is necessary to make a step with respect to the interface insulating film. Therefore, in consideration of these points, it is desirable that the height of the protrusion L1 is about 10 nm to 100 nm.

<実施の形態4>
実施の形態3に記載した方法により、図18で示した構成を複数の半導体デバイスを形成する場合には、各半導体デバイスにおいて、突出部L1の突出寸法のばらつきが生じ得る。これは、層間絶縁膜10のエッチバック量を精度良く制御することが、困難だからである。また、コンタクトプラグ12,13のレイアウトの疎密具合に依存して、エッチバック量が変化してしまう(つまり、突出部L1の突出寸法が変化してしまう)。そこで、突出部L1の突出寸法を精度良く形成する(換言すれば、突出寸法の制御容易性を図ることができる)構造・方法を、本実施の形態において提供する。
<Embodiment 4>
When a plurality of semiconductor devices having the configuration shown in FIG. 18 are formed by the method described in the third embodiment, variation in the protruding dimension of the protruding portion L1 may occur in each semiconductor device. This is because it is difficult to accurately control the etch back amount of the interlayer insulating film 10. Further, the etchback amount changes depending on the density of the layout of the contact plugs 12 and 13 (that is, the protruding dimension of the protruding portion L1 changes). Therefore, a structure / method for accurately forming the protrusion dimension of the protrusion L1 (in other words, the controllability of the protrusion dimension can be achieved) is provided in the present embodiment.

図24は、本実施の形態に係る相変化メモリの構成を示す断面図である。   FIG. 24 is a cross-sectional view showing the configuration of the phase change memory according to the present embodiment.

図18と図24とを比較すると分かるように、次の点おいて両者は異なる。つまり、実施の形態3に係る構成では、層間絶縁膜は酸化膜の1層構造であった。これに対して、本実施のに係る構成では、層間絶縁膜10は、窒化膜10tと酸化膜10sとの積層構造を有している。ここで、層間絶縁膜10の上面側に窒化膜10tが形成され、当該窒化膜10tの直下層に酸化膜10sが形成されている。換言すれば、図24に示すように、層間絶縁膜10の上面からは窒化膜10tが露出しており、層間絶縁膜10の内部には酸化膜10sから成る層が形成されている。   As can be seen from a comparison between FIG. 18 and FIG. 24, they are different in the following points. That is, in the configuration according to the third embodiment, the interlayer insulating film has a single-layer structure of an oxide film. On the other hand, in the configuration according to the present embodiment, the interlayer insulating film 10 has a laminated structure of the nitride film 10t and the oxide film 10s. Here, a nitride film 10t is formed on the upper surface side of the interlayer insulating film 10, and an oxide film 10s is formed immediately below the nitride film 10t. In other words, as shown in FIG. 24, the nitride film 10 t is exposed from the upper surface of the interlayer insulating film 10, and a layer made of the oxide film 10 s is formed inside the interlayer insulating film 10.

本実施の形態においても、下部プラグ12,13は、層間絶縁膜10(より具体的には、窒化膜10t)の上面より突出した突出部L1を有している。また、実施の形態3と同様に、本実施の形態においても、下部プラグ12,13の前記突出部L1の側面部が、第一の領域に該当する。また、下部プラグ12,13の上面(突出部L1の上面)が、第二の領域に該当する。   Also in the present embodiment, the lower plugs 12 and 13 have the protruding portion L1 protruding from the upper surface of the interlayer insulating film 10 (more specifically, the nitride film 10t). Similarly to the third embodiment, also in the present embodiment, the side surface portion of the protruding portion L1 of the lower plugs 12 and 13 corresponds to the first region. Further, the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 (the upper surfaces of the protruding portions L1) correspond to the second region.

上記以外の構成は、実施の形態3と同様である。したがって、ここでの他の構成の説明は省略する。   Other configurations are the same as those in the third embodiment. Therefore, description of other structures here is omitted.

以下、本実施の形態に係る相変化メモリを有する半導体デバイスの製造方法について、説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device having the phase change memory according to the present embodiment will be described.

まず、実施の形態1と同様に、図2〜5に示した工程を実施する。その後、ゲート構造を覆うように、半導体基板1上に酸化膜10sを形成する。次に、当該酸化膜10s上に窒化膜10tを形成し、当該窒化膜10t上に酸化膜10wを形成する。ここで、当該段階において、層間絶縁膜10は、酸化膜10s、窒化膜10t、および酸化膜10wから成る積層構造を有している。   First, similarly to the first embodiment, the steps shown in FIGS. Thereafter, an oxide film 10s is formed on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate structure. Next, a nitride film 10t is formed on the oxide film 10s, and an oxide film 10w is formed on the nitride film 10t. Here, at this stage, the interlayer insulating film 10 has a laminated structure including the oxide film 10s, the nitride film 10t, and the oxide film 10w.

その後、当該積層構造の層間絶縁膜10に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図25に示すように、層間絶縁膜10の上面内にはコンタクトホール11が形成される。ここで、当該コンタクトホール11は、層間絶縁膜10の上面から下面にかけて貫通して形成されている。また、コンタクトホール11の底面からは、図25に示すように、シリサイド層8が露出される。   Thereafter, the interlayer insulating film 10 having the laminated structure is subjected to a combination of a photolithography technique and an etching process. As a result, a contact hole 11 is formed in the upper surface of the interlayer insulating film 10 as shown in FIG. Here, the contact hole 11 is formed so as to penetrate from the upper surface to the lower surface of the interlayer insulating film 10. Further, the silicide layer 8 is exposed from the bottom surface of the contact hole 11 as shown in FIG.

次に、コンタクトホール11の底面および側面に、TiNなどのバリヤメタル膜12を成膜する。当該バリヤメタル膜12は、後述する導電体(タングステン)13の層間絶縁膜10への拡散を防止する機能を有すると共に、シリサイド層8と後述するコンタクトプラグ(下部プラグ12,13を含む)との間におけるオーミック接続を可能とする機能も有する。ここで、ここまでの工程では、バリヤメタル膜12は、酸化膜10w上においても成膜されている。   Next, a barrier metal film 12 such as TiN is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 11. The barrier metal film 12 has a function of preventing the later-described conductor (tungsten) 13 from diffusing into the interlayer insulating film 10, and between the silicide layer 8 and later-described contact plugs (including lower plugs 12 and 13). It also has a function that enables ohmic connection. Here, in the steps so far, the barrier metal film 12 is also formed on the oxide film 10w.

次に、バリヤメタル膜12が形成されたコンタクトホール11内を充填するように、タングステン(W)などの導電体13を形成する。ここで、ここまでの工程では、導電体13は、酸化膜10w上に形成されたバリヤメタル膜12上にも形成されている。   Next, a conductor 13 such as tungsten (W) is formed so as to fill the contact hole 11 in which the barrier metal film 12 is formed. Here, in the steps so far, the conductor 13 is also formed on the barrier metal film 12 formed on the oxide film 10w.

その後、導電体13およびバリヤメタル膜12に対して、所定の研磨条件によるCMP処理を施す。これにより、図26に示すように、各コンタクトホール11内にのみ、バリヤメタル膜12および導電体13を残し、層間絶縁膜10(より具体的に、酸化膜10w)上のバリヤメタル膜12および導電体13を除去する。つまり、各コンタクトホール11内に、バリヤメタル膜12および導電体13の積層体から成るコンタクトプラグ12,13を形成する(図26)。   Thereafter, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are subjected to a CMP process under predetermined polishing conditions. As a result, as shown in FIG. 26, the barrier metal film 12 and the conductor 13 are left only in each contact hole 11, and the barrier metal film 12 and the conductor on the interlayer insulating film 10 (more specifically, the oxide film 10w) are left. 13 is removed. That is, in each contact hole 11, contact plugs 12 and 13 composed of a laminate of a barrier metal film 12 and a conductor 13 are formed (FIG. 26).

次に、酸化膜10wに対して、ウエットエッチングまたはドライエッチング処理を施す。当該エッチング処理の際、窒化膜10tはエッチングストッパーとして機能する。つまり、酸化膜10wを制御よくエッチング除去することができる。これにより、図27に示すように、層間絶縁膜10(具体的には、窒化膜10t)の上面から、下部プラグ12,13を突出させる。換言すると、当該エッチング処理により、図27に示すように、下部プラグ12,13および通常プラグ12,13において突出部L1を形成させる。   Next, wet etching or dry etching treatment is performed on the oxide film 10w. During the etching process, the nitride film 10t functions as an etching stopper. That is, the oxide film 10w can be etched away with good control. Thereby, as shown in FIG. 27, the lower plugs 12 and 13 are projected from the upper surface of the interlayer insulating film 10 (specifically, the nitride film 10t). In other words, by the etching process, as shown in FIG. 27, the protrusions L1 are formed in the lower plugs 12 and 13 and the normal plugs 12 and 13.

ここで、上記説明から分かるように、当該突出部L1の突出寸法は、酸化膜10wの膜厚と同じである。つまり、層間絶縁膜10を上記積層構造にすることにより、成膜時に酸化膜10wの膜厚を制御するだけで、容易に突出部L1の突出寸法を制御することができる。また、当該酸化膜10wの除去により、層間絶縁膜10は、酸化膜10sと窒化膜10tとが当該順に形成された積層構造となる。   Here, as can be seen from the above description, the protruding dimension of the protruding portion L1 is the same as the thickness of the oxide film 10w. That is, by making the interlayer insulating film 10 have the above-described laminated structure, the protruding dimension of the protruding portion L1 can be easily controlled only by controlling the film thickness of the oxide film 10w during film formation. Further, by removing the oxide film 10w, the interlayer insulating film 10 has a laminated structure in which the oxide film 10s and the nitride film 10t are formed in this order.

なお、絶縁膜15の形成以後の工程は、実施の形態3で説明した内容と同様である。したがって、以後の工程の説明は省略する。   Note that the steps after the formation of the insulating film 15 are the same as those described in the third embodiment. Therefore, description of the subsequent steps is omitted.

以上までの工程により、図24に示した構成(つまり、相変化メモリとメモリ駆動トランジスタ50とを有する半導体デバイス)が完成する。上述したように、完成品において、層間絶縁膜10は、酸化膜10s(下層)と窒化膜10t(上層)とが当該順に形成された積層構造となる。   The configuration shown in FIG. 24 (that is, the semiconductor device having the phase change memory and the memory driving transistor 50) is completed through the above steps. As described above, in the finished product, the interlayer insulating film 10 has a laminated structure in which the oxide film 10s (lower layer) and the nitride film 10t (upper layer) are formed in this order.

以上のように、本実施の形態では、酸化膜10s上に、エッチング処理の際にエッチングストッパーとなる窒化膜10tを形成している。したがって、窒化膜10t上に所望の膜厚の酸化膜10wを形成し、当該酸化膜10wをエッチングすることにより、容易に突出部L1の突出寸法を精度良く制御することができる。   As described above, in the present embodiment, the nitride film 10t serving as an etching stopper during the etching process is formed on the oxide film 10s. Therefore, by forming the oxide film 10w having a desired thickness on the nitride film 10t and etching the oxide film 10w, the projecting dimension of the projecting portion L1 can be easily controlled with high accuracy.

なお、本実施の形態においても、実施の形態3で言及した効果と同じ効果を有することは、言うまでもない。   Needless to say, this embodiment also has the same effect as that described in the third embodiment.

ところで、上記では、酸化膜10s上に、酸化膜10wのエッチング処理の際にエッチングストッパーとなる窒化膜10tを形成した。   In the above description, the nitride film 10t serving as an etching stopper is formed on the oxide film 10s when the oxide film 10w is etched.

しかし、酸化膜上に窒化膜を形成し、当該窒化膜のエッチングストッパーとして、当該酸化膜を機能させても良い。当該方法によっても、突出部L1の突出寸法を制御を容易にすることができる。なお、当該方法の場合には、製造途中では、層間絶縁膜10は、酸化膜と窒化膜とが当該順に積層された積層構造を有するが、完成においては、図18と同様の構造となる。つまり、層間絶縁膜10は酸化膜の一層から成る。   However, a nitride film may be formed on the oxide film, and the oxide film may function as an etching stopper for the nitride film. Also by this method, the projecting dimension of the projecting portion L1 can be easily controlled. In the case of this method, the interlayer insulating film 10 has a laminated structure in which an oxide film and a nitride film are laminated in this order during the manufacturing process. However, when completed, the interlayer insulating film 10 has a structure similar to that shown in FIG. That is, the interlayer insulating film 10 is composed of a single layer of oxide film.

<実施の形態5>
図28は、本実施の形態に係る相変化メモリの構成を示す断面図である。また、図29は、図28の点線で囲まれた領域C31の拡大図である。
<Embodiment 5>
FIG. 28 is a cross-sectional view showing the configuration of the phase change memory according to the present embodiment. FIG. 29 is an enlarged view of a region C31 surrounded by a dotted line in FIG.

図28,29に示すように、下部プラグ12,13は、実施の形態1と同様に、外層となるバリヤメタル膜12と内層となる導電体13との積層体である。また、本実施の形態では、図28,29に示すように、下部プラグ12,13(より具体的には、導電体13)の上面が荒れている。つまり、下部プラグ12,13(具体的には、導電体13)の上面には、複数の凸部と複数の凹部とが形成されている。図28,29において、当該複数の凹凸部が形成されている領域には、符号G1が付されている。   As shown in FIGS. 28 and 29, the lower plugs 12 and 13 are laminated bodies of the barrier metal film 12 serving as the outer layer and the conductor 13 serving as the inner layer, as in the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIGS. 28 and 29, the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 (more specifically, the conductor 13) are rough. That is, a plurality of convex portions and a plurality of concave portions are formed on the upper surface of the lower plugs 12 and 13 (specifically, the conductor 13). In FIGS. 28 and 29, a region where the plurality of concave and convex portions are formed is denoted by reference numeral G1.

実施の形態1で述べたように、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、絶縁膜15の膜厚の相違に起因して、第一の領域と第二の領域とに区分できる。第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。本実施の形態では、導電体13の上面に形成された凸部の頂点および当該凸部の頂点の付近が、第一の領域に該当する。また、導電体13の上面に形成された凹部の底面および当該凹部の底面付近が、第二の領域に該当する。   As described in the first embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 are divided into the first region and the second region due to the difference in film thickness of the insulating film 15. Can be classified. The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or thinner than the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. . In the present embodiment, the apex of the convex portion formed on the upper surface of the conductor 13 and the vicinity of the apex of the convex portion correspond to the first region. The bottom surface of the recess formed on the top surface of the conductor 13 and the vicinity of the bottom surface of the recess correspond to the second region.

上記以外の構成は、実施の形態1と同様である。したがって、ここでの他の構成の説明は省略する。   Other configurations are the same as those in the first embodiment. Therefore, description of other structures here is omitted.

以下、本実施の形態に係る相変化メモリを有する半導体デバイスの製造方法について、説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device having the phase change memory according to the present embodiment will be described.

まず、実施の形態1と同様に、図2〜6に示した工程を実施する。その後、コンタクトホール11の底面および側面に、TiNなどのバリヤメタル膜12を成膜する。当該バリヤメタル膜12は、後述する導電体(タングステン)13の層間絶縁膜10への拡散を防止する機能を有すると共に、シリサイド層8と後述するコンタクトプラグ(下部プラグ12,13を含む)との間におけるオーミック接続を可能とする機能も有する。ここで、ここまでの工程では、バリヤメタル膜12は、層間絶縁膜10上においても成膜されている。   First, similarly to the first embodiment, the steps shown in FIGS. Thereafter, a barrier metal film 12 such as TiN is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 11. The barrier metal film 12 has a function of preventing the later-described conductor (tungsten) 13 from diffusing into the interlayer insulating film 10, and between the silicide layer 8 and later-described contact plugs (including lower plugs 12 and 13). It also has a function that enables ohmic connection. Here, in the steps so far, the barrier metal film 12 is also formed on the interlayer insulating film 10.

次に、バリヤメタル膜12が形成されたコンタクトホール11内を充填するように、タングステン(W)などの導電体13を形成する。ここで、ここまでの工程では、導電体13は、層間絶縁膜10上に形成されたバリヤメタル膜12上にも形成されている。   Next, a conductor 13 such as tungsten (W) is formed so as to fill the contact hole 11 in which the barrier metal film 12 is formed. Here, in the steps so far, the conductor 13 is also formed on the barrier metal film 12 formed on the interlayer insulating film 10.

その後、導電体13およびバリヤメタル膜12に対して、所定の研磨条件によるCMP処理を施す。これにより、図30に示すように、各コンタクトホール11内にのみ、バリヤメタル膜12および導電体13を残し、層間絶縁膜10上のバリヤメタル膜12および導電体13を除去する。つまり、各コンタクトホール11内に、バリヤメタル膜12および導電体13の積層体から成るコンタクトプラグ12,13を形成する(図30)。   Thereafter, the conductor 13 and the barrier metal film 12 are subjected to a CMP process under predetermined polishing conditions. Thereby, as shown in FIG. 30, the barrier metal film 12 and the conductor 13 are left only in each contact hole 11, and the barrier metal film 12 and the conductor 13 on the interlayer insulating film 10 are removed. That is, in each contact hole 11, contact plugs 12 and 13 composed of a laminate of a barrier metal film 12 and a conductor 13 are formed (FIG. 30).

ここで、本実施の形態では、導電体13を構成する粒子の粒子径を大きくする。さらに、上記CMP処理において、平坦性が低下するようなスラリーを用いる。これにより、図30および図29の拡大図に示すように、導電体13の上面に複数の凹凸形状から成る凹凸領域G1が形成される。なお、タングステンの粒径は、成膜条件に依るが、一般的に大きい。通常のCVD法により導電体13を成膜した場合には、タングステンの粒径は50nm程度である。また、ALD−CVD法により導電体13を成膜した場合には、20nm程度である。ただし、これら例示した粒径サイズは、デポ条件、デポガス、および後処理により多少変化する。   Here, in this Embodiment, the particle diameter of the particle | grains which comprise the conductor 13 is enlarged. Further, in the CMP process, a slurry that reduces flatness is used. Thereby, as shown in the enlarged views of FIG. 30 and FIG. 29, a concavo-convex region G1 having a plurality of concavo-convex shapes is formed on the upper surface of the conductor 13. The particle size of tungsten is generally large although it depends on the film forming conditions. When the conductor 13 is formed by a normal CVD method, the grain size of tungsten is about 50 nm. Moreover, when the conductor 13 is formed by ALD-CVD, the thickness is about 20 nm. However, these exemplified particle sizes vary somewhat depending on the deposition conditions, deposition gas, and post-treatment.

たとえば、絶縁膜の膜厚およびカバレッジにも依るが、導電体13を構成するタングステン等の粒径を10nm以上程度とすることにより、導電体13の平坦性を低下させることができる。また、W−CMP処理の際に使用するスラリとして、フュームドシリカを採用することにより、タングステンの平坦性を低下させることができる。また、高圧力で研磨レートを早くした研磨条件を採用することにより、化学反応を起こしやすくなり、結果として、導電体13の平坦性が低下する。   For example, although depending on the film thickness and coverage of the insulating film, the flatness of the conductor 13 can be reduced by setting the particle diameter of tungsten or the like constituting the conductor 13 to about 10 nm or more. Further, by adopting fumed silica as a slurry used in the W-CMP process, the flatness of tungsten can be lowered. Further, by adopting polishing conditions in which the polishing rate is increased under high pressure, a chemical reaction is likely to occur, and as a result, the flatness of the conductor 13 is lowered.

なお、上記において形成される凹凸形状は一定でなく、凸部の頂点の高さ、凹部の底部の深さは、場所により大小異なる。   In addition, the uneven | corrugated shape formed in the above is not constant, and the height of the vertex of a convex part and the depth of the bottom part of a recessed part differ depending on a place.

さて次に、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面および層間絶縁膜10の上面に対して、カバレッジの悪い条件による成膜処理(たとえば、スパッタリング処理)を施す。   Next, a film formation process (for example, a sputtering process) is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10 under conditions with poor coverage.

たとえば、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、および層間絶縁膜10の上面に対して、ターゲットとしてTa等の金属を用いたスパッタリング処理を施す。その後、当該金属膜に対して酸化処理を施し、金属膜を絶縁膜化させる。当該工程により、図31に示すように、下部プラグ12,13の上面、通常プラグ12,13の上面、および層間絶縁膜10の上面に、絶縁膜15が形成される。   For example, a sputtering process using a metal such as Ta as a target is performed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10. Thereafter, an oxidation treatment is performed on the metal film, and the metal film is turned into an insulating film. With this process, as shown in FIG. 31, the insulating film 15 is formed on the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13, the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13, and the upper surface of the interlayer insulating film 10.

ところで、スパッタリング処理により形成される絶縁膜15のカバレッジは、良くないことが知られている。したがって、図29を用いて説明したように、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。つまり、導電体13の上面に形成された凸部の頂点および当該頂点付近に形成される絶縁膜15の膜厚は、導電体13の上面に形成された凹部の底部および当該底部付近に形成される絶縁膜15の膜厚より薄くなる。   Incidentally, it is known that the coverage of the insulating film 15 formed by the sputtering process is not good. Therefore, as described with reference to FIG. 29, the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region is formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region. It becomes thinner than the film thickness of the insulating film 15. That is, the apex of the convex portion formed on the upper surface of the conductor 13 and the film thickness of the insulating film 15 formed in the vicinity of the apex are formed on the bottom portion of the concave portion formed on the upper surface of the conductor 13 and in the vicinity of the bottom portion. The thickness of the insulating film 15 becomes smaller.

ここで、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロの場合もあり得る。   Here, the film thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region may be zero.

なお、上記凹部の開口部幅aと上記凹部の深さbとの比で表されるアスペクト比(b/a)が1未満であると、当該凹部へ絶縁膜15を均一に埋め込むことができる。つまり、当該アスペクト比の場合には、凹部への絶縁膜15の埋め込み性が向上する。したがって、上述した第二の領域の形成の観点から、本実施の形態では凹部に絶縁膜15を均一に埋め込む必要性があるので、本実施の形態で形成される凹部のアスペクト比は、1未満とする必要がある。   When the aspect ratio (b / a) expressed by the ratio of the opening width a of the recess and the depth b of the recess is less than 1, the insulating film 15 can be uniformly embedded in the recess. . That is, in the case of the aspect ratio, the embedding property of the insulating film 15 in the recess is improved. Therefore, from the viewpoint of forming the second region described above, in this embodiment, it is necessary to uniformly embed the insulating film 15 in the recess, so that the aspect ratio of the recess formed in this embodiment is less than 1. It is necessary to.

また、第二の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れないレベルの厚さが最低限必要である。他方、第一の領域の下部プラグ12,13面に形成される絶縁膜15の膜厚としては、トンネル電流が流れるレベルの厚さである必要がある。たとえば、絶縁膜15が、TaやCrの酸化物であるTaOやCrOである場合には、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、0から3nm未満である。これに対して、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、3nm以上である。   Further, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the second region is required to be at least a level at which a tunnel current does not flow. On the other hand, the thickness of the insulating film 15 formed on the surfaces of the lower plugs 12 and 13 in the first region needs to be a thickness at which a tunnel current flows. For example, when the insulating film 15 is TaO or CrO which is an oxide of Ta or Cr, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is 0 to 3 nm. Is less than. On the other hand, the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region is 3 nm or more.

さて次に、絶縁膜15上に、GSTなどの相変化膜16を形成する。その後、当該相変化膜16上に、W(タングステン)などの導電性膜を形成する。そして、絶縁膜15、相変化膜16および導電性膜に対して、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理とを組み合わせて施す。これにより、図32に示すように、下部プラグ12,13の上面に接続される、絶縁膜15、相変化膜16および上部電極17から成る積層体が、パターニング形成される。   Next, a phase change film 16 such as GST is formed on the insulating film 15. Thereafter, a conductive film such as W (tungsten) is formed on the phase change film 16. Then, the insulating film 15, the phase change film 16 and the conductive film are applied in combination with a photolithography technique and an etching process. As a result, as shown in FIG. 32, a laminated body including the insulating film 15, the phase change film 16 and the upper electrode 17 connected to the upper surfaces of the lower plugs 12 and 13 is formed by patterning.

なお、上記の通り、導電体13に形成された凸部の頂点および当該頂点付近に形成される絶縁膜15の膜厚がゼロの場合もある。当該場合は、当該凸部の頂点および当該頂点付近の導電体13に直接接して、相変化膜16が形成される。   As described above, the thickness of the top of the convex portion formed on the conductor 13 and the thickness of the insulating film 15 formed near the top may be zero. In this case, the phase change film 16 is formed in direct contact with the apex of the convex portion and the conductor 13 near the apex.

その後、エッチングストッパーとして機能するSiNなどの絶縁膜18および層間絶縁膜19を形成する。そして、必要に応じて、絶縁膜18内および層間絶縁膜19内に通常プラグ12u,13uを形成し、当該プラグ12u,13uに接続する配線20等を形成する。ここで、通常プラグ12u,13uは、最外層のバリヤメタル膜12uと内層の導電体13uとの積層体構造を有する。   Thereafter, an insulating film 18 such as SiN and an interlayer insulating film 19 functioning as an etching stopper are formed. Then, if necessary, normal plugs 12u and 13u are formed in the insulating film 18 and the interlayer insulating film 19, and wirings 20 and the like connected to the plugs 12u and 13u are formed. Here, the normal plugs 12u and 13u have a laminated structure of an outermost barrier metal film 12u and an inner conductor 13u.

また、図面右側の通常プラグ12u,13uの底部は、上部電極17の上面に接続されている(図28)。これに対して、図面左側の通常プラグ12u,13uの底部は、下層に配設された通常プラグ12,13の上面に接続されている(図28)。   The bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the right side of the drawing are connected to the upper surface of the upper electrode 17 (FIG. 28). On the other hand, the bottoms of the normal plugs 12u and 13u on the left side of the drawing are connected to the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13 disposed in the lower layer (FIG. 28).

以上までの工程により、図28に示した構成(つまり、相変化メモリとメモリ駆動トランジスタ50とを有する半導体デバイス)が完成する。   The configuration shown in FIG. 28 (that is, the semiconductor device having the phase change memory and the memory drive transistor 50) is completed through the above steps.

以上のように、本実施の形態に係る相変化メモリでは、相変化膜16と接続する下部プラグ12,13の領域は、第一の領域と第二の領域とを有している(図29参照)。そして、第一の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚は、ゼロまたは、第二の領域の下部プラグ12,13上に形成される絶縁膜15の膜厚よりも薄い。ここで、本実施の形態では、第一の領域は、導電体13の上面に形成された凸部の頂点および当該頂点付近である。また、第二の領域は、導電体13の上面に形成された凹部の底部および当該底部付近である。   As described above, in the phase change memory according to the present embodiment, the regions of the lower plugs 12 and 13 connected to the phase change film 16 have the first region and the second region (FIG. 29). reference). The film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the first region is zero or the film thickness of the insulating film 15 formed on the lower plugs 12 and 13 in the second region. Is also thin. Here, in the present embodiment, the first region is the apex of the convex portion formed on the upper surface of the conductor 13 and the vicinity of the apex. The second region is the bottom of the recess formed on the top surface of the conductor 13 and the vicinity of the bottom.

したがって、第一の領域の下部プラグ12,13において、電流を集中させることができる。つまり、相変化膜16に供給される電流の電流密度を、より向上させることができる。これにより、リセット電流の電流値を低減したとしても、相変化膜16を非晶質化させることができる。つまり、本実施の形態に係る半導体デバイスでは、非晶質化のために必要なリセット電流を相変化膜16に供給することができる。なお、上記実施の形態に係る半導体デバイスは、装置全体の大型化を要していない。また、当該半導体デバイスの作製に際して、複雑な工程も要しない。   Therefore, current can be concentrated in the lower plugs 12 and 13 in the first region. That is, the current density of the current supplied to the phase change film 16 can be further improved. Thereby, even if the current value of the reset current is reduced, the phase change film 16 can be made amorphous. That is, in the semiconductor device according to the present embodiment, a reset current necessary for amorphization can be supplied to the phase change film 16. Note that the semiconductor device according to the above embodiment does not require an increase in size of the entire apparatus. Further, no complicated process is required for manufacturing the semiconductor device.

なお、絶縁膜15がTaOまたはCrOである場合には、第一の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、0から3nm未満とし、第二の領域に形成される絶縁膜15の膜厚を、3nm以上とする。当該膜厚設定により、第一の領域のみにおいてトンネル電流を、下部プラグ12,13から相変化膜16へと流すことができる。   When the insulating film 15 is TaO or CrO, the thickness of the insulating film 15 formed in the first region is set to 0 to less than 3 nm, and the film of the insulating film 15 formed in the second region The thickness is 3 nm or more. By setting the film thickness, a tunnel current can flow from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 only in the first region.

なお、第一の領域の絶縁膜15の膜厚がばらつく場合には、半導体デバイス作成後、メモリセル部に一定の電流を流す。これにより、所望の電流値が流れるように、第一の領域の絶縁膜15を破壊することも可能である。つまり、第一の領域の絶縁膜15にピンホールを発生させることも可能である。ここで、当該絶縁膜15の破壊のための電流条件および電圧条件は、絶縁膜15の膜厚等にも依存するが、一例として、数μm程度、2〜3V程度である。また、当該ピンホールの発生処理によっては、第二の領域に形成される絶縁膜15は影響を受けない。   If the thickness of the insulating film 15 in the first region varies, a constant current is passed through the memory cell portion after the semiconductor device is formed. Thereby, the insulating film 15 in the first region can be destroyed so that a desired current value flows. That is, it is possible to generate a pinhole in the insulating film 15 in the first region. Here, the current condition and the voltage condition for breaking the insulating film 15 depend on the film thickness of the insulating film 15 and the like, but are about several μm and about 2 to 3 V as an example. Further, the insulating film 15 formed in the second region is not affected by the pinhole generation process.

当該第一の領域の絶縁膜15の破壊により、下部プラグ12,13から相変化膜16に流れる電流の電流値のばらつきを、抑制することができる。   Due to the breakdown of the insulating film 15 in the first region, variation in the current value of the current flowing from the lower plugs 12 and 13 to the phase change film 16 can be suppressed.

なお、図6の図面左側のコンタクトホール11および右側のコンタクトホール11に対して、同じ粒径の大きな導電体13を充填し、図30を用いて説明したCMP処理を施し、下部プラグ12,13および通常プラグ12,13を作成する。この場合には、図30とは異なるが、通常プラグ12,13の上面においても凹凸領域G1が形成される。しかし、通常プラグ12,13において当該凹凸領域G1が形成されたとしても、電気特性上特に問題はない。   Note that the contact hole 11 on the left side of FIG. 6 and the contact hole 11 on the right side of FIG. 6 are filled with the conductor 13 having the same particle size and subjected to the CMP process described with reference to FIG. And normal plugs 12 and 13 are created. In this case, although different from FIG. 30, the uneven region G1 is also formed on the upper surfaces of the normal plugs 12 and 13. However, even if the uneven region G1 is formed in the normal plugs 12 and 13, there is no particular problem in terms of electrical characteristics.

もし、通常プラグ12,13と下部プラグ12,13とで導電体13の構成材料を異ならせ、通常プラグ12,13と下部プラグ12,13とを別条件のCMP処理により形成する。これにより、図30に示すように、下部プラグ12,13の上面においてものみ、凹凸領域G1を形成させることができる。たとえば、通常プラグ12,13内を充填する導電体13として、銅などの粒径の小さい材料を用いる。他方、下部プラグ12,13内を充填する導電体13として、タングステンなどの粒径の大きな材料を用いる。これにより、図30に示すように、下部プラグ12,13の上面においてものみ、凹凸領域G1を形成させることができる。   If the normal plugs 12 and 13 and the lower plugs 12 and 13 are made of different constituent materials, the normal plugs 12 and 13 and the lower plugs 12 and 13 are formed by CMP processing under different conditions. Thereby, as shown in FIG. 30, the uneven | corrugated | grooved area | region G1 can be formed also only in the upper surface of the lower plugs 12 and 13. FIG. For example, a material having a small particle diameter such as copper is used as the conductor 13 that normally fills the plugs 12 and 13. On the other hand, a material having a large particle diameter such as tungsten is used as the conductor 13 filling the lower plugs 12 and 13. Thereby, as shown in FIG. 30, the uneven | corrugated | grooved area | region G1 can be formed also only in the upper surface of the lower plugs 12 and 13. FIG.

また、本実施の形態では、メモリ駆動用としてMOSトランジスタを採用した。しかし、MOSトランジスタ50の代わりに、バイポーラトランジスタやダイオード、その他の駆動半導体デバイスを採用することもできる。また、当該トランジスタの導電型は、N型であってもP型であってもかまわない。   In this embodiment, a MOS transistor is used for memory driving. However, instead of the MOS transistor 50, a bipolar transistor, a diode, and other driving semiconductor devices can be employed. Further, the conductivity type of the transistor may be N-type or P-type.

また、ポリシリコンの粒径は、成膜条件およびその後のアニール処理により、変化させることができる。つまり、ポリシリコンの粒径は、製造方法を変化させると10nm以上とすることができる。したがって、導電体13の構成材料として、ポリシリコンを採用しても良い。   The grain size of polysilicon can be changed by the film forming conditions and the subsequent annealing treatment. That is, the grain size of polysilicon can be 10 nm or more when the manufacturing method is changed. Therefore, polysilicon may be adopted as the constituent material of the conductor 13.

たとえば、TFT(Thin Film Transistor)形成時には、ポリシリコン粒子の粒径は200nm程度となることが知られている。したがって、当該粒径の大きなポリシリコンを採用し、平坦性の低下したCMP処理を施すことにより、導電体13の上面に凹凸領域G1を形成することができる。   For example, when forming a TFT (Thin Film Transistor), it is known that the particle size of polysilicon particles is about 200 nm. Therefore, the uneven region G <b> 1 can be formed on the upper surface of the conductor 13 by adopting the polysilicon having a large particle size and performing CMP processing with reduced flatness.

実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (phase change memory) according to a first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 下部プラグの上面付近の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition near the upper surface of the lower plug. 実施の形態1に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view for illustrating the method of manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the first embodiment. 下部プラグの上面付近の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition near the upper surface of the lower plug. 実施の形態2に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (phase change memory) according to a second embodiment. 下部プラグの上面付近の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition near the upper surface of the lower plug. 実施の形態2に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the second embodiment. 実施の形態2に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the second embodiment. 実施の形態2に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the second embodiment. 実施の形態3に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (phase change memory) according to a third embodiment. 下部プラグの上面付近の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition near the upper surface of the lower plug. 実施の形態3に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 11 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the third embodiment. 実施の形態3に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 11 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the third embodiment. 実施の形態3に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 11 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the third embodiment. 実施の形態3に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 11 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the third embodiment. 実施の形態4に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (phase change memory) according to a fourth embodiment. 実施の形態4に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fourth embodiment. 実施の形態4に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fourth embodiment. 実施の形態4に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fourth embodiment. 実施の形態5に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (phase change memory) according to a fifth embodiment. 下部プラグの上面付近の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition near the upper surface of the lower plug. 実施の形態5に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fifth embodiment. 実施の形態5に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fifth embodiment. 実施の形態5に係る半導体デバイス(相変化メモリ)の製造方法を説明するための工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device (phase change memory) according to the fifth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板、2 素子分離膜、3 ゲート絶縁膜、4 ゲート電極、5 低濃度エクステンション領域、6 サイドウォール膜、7 高濃度の不純物領域、8,9 シリサイド層、10 層間絶縁膜、10s,10w 酸化膜、10t 窒化膜、11 コンタクトホール、11d リセス部、12 バリヤメタル、13 導電体、12+13 下部プラグ、14 窪み、15 絶縁膜、16 相変化膜、17 上部電極、50 メモリ駆動用のMOSトランジスタ、80 相変化メモリ、100 半導体デバイス、K1 空隙、L1 突出部、G1 凹凸領域。   1 semiconductor substrate, 2 element isolation film, 3 gate insulating film, 4 gate electrode, 5 low concentration extension region, 6 side wall film, 7 high concentration impurity region, 8, 9 silicide layer, 10 interlayer insulating film, 10s, 10w Oxide film, 10t nitride film, 11 contact hole, 11d recess, 12 barrier metal, 13 conductor, 12 + 13 lower plug, 14 depression, 15 insulating film, 16 phase change film, 17 upper electrode, 50 MOS transistor for memory drive, 80 phase change memory, 100 semiconductor device, K1 gap, L1 protrusion, G1 uneven region.

Claims (7)

結晶状態および非晶質状態に相変化可能な相変化膜と、
前記相変化膜と前記相変化膜よりも下層の構成とを接続する下部プラグと、
前記下部プラグと前記相変化膜との間に形成される絶縁膜とを、備えており、
前記相変化膜と接続する部分において前記下部プラグは、
第一の領域と第二の領域とを有しており、
前記第一の領域の前記下部プラグ上に形成される前記絶縁膜の膜厚は、
ゼロまたは、前記第二の領域の前記下部プラグ上に形成される前記絶縁膜の膜厚よりも、薄い、
ことを特徴とする相変化メモリ。
A phase change film capable of changing into a crystalline state and an amorphous state;
A lower plug connecting the phase change film and a lower layer configuration than the phase change film;
An insulating film formed between the lower plug and the phase change film,
In the portion connected to the phase change film, the lower plug is
Having a first region and a second region;
The thickness of the insulating film formed on the lower plug in the first region is
Zero or thinner than the thickness of the insulating film formed on the lower plug in the second region,
Phase change memory characterized by that.
前記絶縁膜は、
TaOまたはCrOであり、
前記第一の領域の前記下部プラグ上に形成される前記絶縁膜の膜厚は、
0から3nm未満であり、
前記第二の領域の前記下部プラグ上に形成される前記絶縁膜の膜厚は、
3nm以上である、
ことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ。
The insulating film is
TaO or CrO,
The thickness of the insulating film formed on the lower plug in the first region is
0 to less than 3 nm,
The film thickness of the insulating film formed on the lower plug in the second region is
3 nm or more,
The phase change memory according to claim 1.
前記下部プラグの上面には、
底部に向かって幅が狭くなる窪みが形成されており、
前記下部プラグの前記窪みが、
前記第一の領域である、
ことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ。
On the upper surface of the lower plug,
A dent that narrows toward the bottom is formed,
The recess of the lower plug is
The first region,
The phase change memory according to claim 1.
前記下部プラグは、
層間絶縁膜中の貫通孔の少なくとも側面に形成されたバリヤメタル膜と、
前記貫通孔内を満たすように、前記バリヤメタル膜に接して形成された導電体とから、構成されており、
前記導電体の上面は、
前記バリヤメタル膜の上端より下方に位置しており、
前記バリヤメタル膜の前記上端部から前記導電体の上面までの前記バリヤメタル膜が、
前記第一の領域である、
ことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ。
The lower plug is
A barrier metal film formed on at least the side surface of the through hole in the interlayer insulating film;
A conductor formed in contact with the barrier metal film so as to fill the inside of the through hole;
The upper surface of the conductor is
Located below the upper end of the barrier metal film,
The barrier metal film from the upper end of the barrier metal film to the upper surface of the conductor is
The first region,
The phase change memory according to claim 1.
前記下部プラグは、
層間絶縁膜内に形成されており、
前記下部プラグは、
前記層間絶縁膜の上面より突出した突出部を有しており、
前記突出部の側面が、
前記第一の領域である、
ことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ。
The lower plug is
It is formed in the interlayer insulation film,
The lower plug is
Having a protruding portion protruding from the upper surface of the interlayer insulating film;
A side surface of the protruding portion is
The first region,
The phase change memory according to claim 1.
前記層間絶縁膜は、
上面から順に、窒化膜と酸化膜とが当該順に形成されている積層構造を、有している、
ことを特徴とする請求項5に記載の相変化メモリ。
The interlayer insulating film is
In order from the top surface, it has a laminated structure in which a nitride film and an oxide film are formed in that order.
The phase change memory according to claim 5.
前記下部プラグの上面には、
複数の凸部と複数の凹部とが形成されており、
前記凸部の頂点が、
少なくとも、前記第一の領域である、
ことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ。
On the upper surface of the lower plug,
A plurality of convex portions and a plurality of concave portions are formed,
The vertex of the convex part is
At least the first region,
The phase change memory according to claim 1.
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