JP2010245220A - Nonvolatile memory device, and manufacturing method of the same - Google Patents

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敦史 姫野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile memory device using a resistance change layer which can improve the deterioration of a property of the resistance change layer caused by a manufacturing process. <P>SOLUTION: The nonvolatile memory device is equipped with lower layer wiring 15 formed on a substrate 11, a resistance change layer 16 formed at least in part of the lower layer wiring 15, an interlayer insulating layer 17 formed on the substrate 11 that includes the lower layer wiring 15 and the resistance change layer 16, a contact hole 26 formed so that it may penetrate the interlayer insulating layer 17 and is connected to the resistance change layer 16, an embedded electrode 19 formed in the contact hole 26 that is connected to the resistance change layer 16, upper layer wiring 20 that crosses the lower layer wiring 15 and is connected to the embedded electrode 19 on the interlayer insulating layer 17. The resistance change layer 16 at least contains a transition metal oxide of an oxygen-shortage type, and the surface layer of the resistance change layer 16 in a region to which the contact hole 26 is connected is concave-shaped compared with the surface layer of the resistance change layer 16 connected to the contact hole 26 outside the region. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、抵抗変化層を用いたクロスポイント型の不揮発性記憶装置に関し、特に微細化に適した構造の不揮発性記憶装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a cross-point type nonvolatile memory device using a resistance change layer, and more particularly to a nonvolatile memory device having a structure suitable for miniaturization and a manufacturing method thereof.

近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、音楽、画像、情報等のデータを保存するために、大容量かつ不揮発性の半導体記憶装置の開発が活発に行われている。例えば、強誘電体を容量素子として用いる不揮発性記憶装置は既に多くの分野で用いられている。さらに、このような強誘電体キャパシタを用いる不揮発性記憶装置に対して、電気的パルスの印加によって抵抗値が変化し、その状態を保持し続ける材料を用いた不揮発性記憶装置(以下、ReRAMと呼ぶ)が、通常の半導体プロセスとの整合性を取りやすいという点で注目されている。   2. Description of the Related Art In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, development of large-capacity and nonvolatile semiconductor memory devices has been actively performed in order to store data such as music, images, and information. For example, a nonvolatile memory device using a ferroelectric as a capacitor element has already been used in many fields. Further, in contrast to a nonvolatile memory device using such a ferroelectric capacitor, a resistance value is changed by application of an electric pulse, and a nonvolatile memory device (hereinafter referred to as ReRAM) using a material that keeps the state. However, it is attracting attention because it is easy to achieve consistency with normal semiconductor processes.

このReRAMの抵抗変化材料としては、ニッケル酸化膜(NiO)、バナジウム酸化膜(V)、亜鉛酸化膜(ZnO)、ニオブ酸化膜(Nb)、チタン酸化膜(TiO)、タングステン酸化膜(WO)またはコバルト酸化膜(CoO)等が用いられている。このような遷移金属酸化膜は閾値以上の電圧または電流が印加されたときに特定の抵抗値を示し、その抵抗値は新たに電圧または電流が印加されるまでは、その抵抗値を保持しつづけることが知られており、かつ既存のDRAM工程をそのまま使用して作製できるという特徴を有している。 As the resistance change material of this ReRAM, nickel oxide film (NiO), vanadium oxide film (V 2 O 5 ), zinc oxide film (ZnO), niobium oxide film (Nb 2 O 5 ), titanium oxide film (TiO 2 ) A tungsten oxide film (WO 3 ) or a cobalt oxide film (CoO) is used. Such a transition metal oxide film exhibits a specific resistance value when a voltage or current exceeding a threshold is applied, and the resistance value keeps the resistance value until a new voltage or current is applied. It is known that it can be manufactured using an existing DRAM process as it is.

例えば、ワード線とビット線の交点に抵抗変化材料からなるアクティブ層を介在させたクロスポイント型構成のReRAMが提案されている(第1の従来例。例えば、特許文献1参照)。図17に特許文献1を説明するための代表図面を示す。このReRAMは、基板に下部電極が形成され、その上にアクティブ層が形成されており、さらにアクティブ層の上には下部電極に直交して上部電極が形成された構成からなる。そして、下部電極と上部電極とが交差している領域が個々の記憶素子を構成し、下部電極と上部電極はそれぞれワード線またはビット線のいずれかとして機能する。この例においては、抵抗変化材料からなるアクティブ層は個々の記憶素子ごとに分離されずに複数の記憶素子にまたがって連続的に形成されている。そのアクティブ層としては、印加される電気信号に応答して抵抗が変化する材料、例えば巨大磁気抵抗(GMR)材料または高温超伝導材料等のペロブスカイト材料を用いることが示されている。   For example, a ReRAM having a cross-point type structure in which an active layer made of a resistance change material is interposed at the intersection of a word line and a bit line has been proposed (first conventional example; see, for example, Patent Document 1). FIG. 17 shows a representative drawing for explaining Patent Document 1. This ReRAM has a configuration in which a lower electrode is formed on a substrate, an active layer is formed thereon, and an upper electrode is formed on the active layer so as to be orthogonal to the lower electrode. A region where the lower electrode and the upper electrode intersect constitutes an individual memory element, and the lower electrode and the upper electrode function as either a word line or a bit line, respectively. In this example, the active layer made of a resistance change material is continuously formed across a plurality of memory elements without being separated into individual memory elements. As the active layer, a material whose resistance changes in response to an applied electric signal, for example, a perovskite material such as a giant magnetoresistance (GMR) material or a high-temperature superconducting material has been shown.

さらに、ワード線とビット線とが交差する領域に設けられたプラグ中に抵抗変化材料からなる可変抵抗体と、非線形の電流・電圧特性を有する非線形素子とを形成した構成も示されている(第2の従来例。例えば、特許文献2参照)。図18に特許文献2を説明するための代表図面を示す。このような構成とすることで、非線形素子のスイッチング特性によってメモリセルの選択性が向上するため、高密度で、かつ高速アクセス可能なReRAMを実現できるとしている。   Furthermore, there is also shown a configuration in which a variable resistor made of a resistance change material and a nonlinear element having nonlinear current / voltage characteristics are formed in a plug provided in a region where a word line and a bit line intersect ( Second conventional example (for example, see Patent Document 2). FIG. 18 shows a representative drawing for explaining Patent Document 2. With such a configuration, the selectivity of the memory cell is improved by the switching characteristics of the non-linear element, so that it is possible to realize a ReRAM that can be accessed at high density and at high speed.

特開2003−68984号公報JP 2003-68984 A 特開2006−203098号公報JP 2006-203098 A

上記第1の従来例では、図17に示すように、下部電極と上部電極とで構成されるクロスポイント部分を含む領域にアクティブ層が連続的に形成されているので、高密度化するにつれて近接するクロスポイント間でのクロストークが生じやすくなり、大容量化が困難であるという課題を有している。   In the first conventional example, as shown in FIG. 17, since the active layer is continuously formed in the region including the cross-point portion composed of the lower electrode and the upper electrode, the proximity increases as the density increases. Crosstalk between the cross points is likely to occur, and it is difficult to increase the capacity.

また、第2の従来例では、ワード線とビット線とが交差する領域に設けられたプラグ状のメモリセルと、メモリセルを構成する非線形素子のスイッチング特性によってメモリセルの選択性が向上するため、高密度で、かつ高速アクセス可能となる。しかし、更なる高密度化、大容量化を実現するためには、ワード線とビット線とが交差する領域に設けられたコンタクトホールを用いてメモリセルを形成することが望ましい。しかし、通常コンタクトホール内に、図18に示すようなプラグ中に下部電極、可変抵抗体および上部電極、さらに非線形素子を多層構造ですべて形成することは非常に困難である。また、可変抵抗体に用いられる遷移金属酸化物薄膜は、製造工程中のドライエッチングダメージ等の影響を受けやすく、記憶素子の特性ばらつきが大きくなりやすいという課題を有している。   Further, in the second conventional example, the selectivity of the memory cell is improved by the switching characteristics of the plug-shaped memory cell provided in the region where the word line and the bit line intersect with each other and the nonlinear element constituting the memory cell. High density and high speed access. However, in order to realize further higher density and higher capacity, it is desirable to form a memory cell using a contact hole provided in a region where a word line and a bit line intersect. However, it is very difficult to form a lower electrode, a variable resistor and an upper electrode, and a non-linear element all in a multilayer structure in a plug as shown in FIG. In addition, the transition metal oxide thin film used for the variable resistor has a problem that it is easily affected by dry etching damage or the like during the manufacturing process and the characteristic variation of the memory element tends to increase.

そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するもので、微細化かつ大容量化が可能な構造のReRAMにおいて、製造工程において形成される抵抗変化層の変質層を除去する処理を施すことで、安定動作が可能な不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-described conventional problems, and in a ReRAM having a structure that can be miniaturized and increased in capacity, a process of removing the altered layer of the resistance change layer formed in the manufacturing process is performed. An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device capable of stable operation.

本発明の不揮発性記憶装置は、高密度のメモリアレイを実現するため、コンタクトホール中に形成された埋め込み電極に、前記抵抗変化層の抵抗変化に適した材料を選択することで、埋め込み電極と接する領域の抵抗変化層の抵抗値を変化させる。そのため、抵抗変化層形成後の層間絶縁層の成膜や熱処理、コンタクトホール形成のドライエッチング等のプロセスによる抵抗変化領域となる部分の抵抗変化層の組成変化によって、セル抵抗の高抵抗化や抵抗変化特性の劣化が起こりやすいという課題がある。   In order to realize a high-density memory array, the nonvolatile memory device of the present invention selects a material suitable for resistance change of the resistance change layer for the embedded electrode formed in the contact hole, The resistance value of the resistance change layer in the contact area is changed. Therefore, the cell resistance is increased and the resistance is increased by changing the composition of the variable resistance layer in the variable resistance region by processes such as film formation and heat treatment of the variable resistance layer and heat treatment, and dry etching for forming the contact hole. There is a problem that deterioration of change characteristics is likely to occur.

そこで、上記課題を達成するために、本発明の不揮発性記憶装置の製造方法は、配線層上に酸素不足型の遷移金属型酸化物を含む抵抗変化層を形成する工程と、前記抵抗変化層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をフッ素化合物ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングによって、コンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール底部に露出した前記抵抗変化層の表層の一部を、不活性ガスを用いたドライエッチングによって除去する工程と、前記コンタクトホール中に埋め込み電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the present invention includes a step of forming a resistance change layer containing an oxygen-deficient transition metal oxide on a wiring layer, and the resistance change layer. Forming an interlayer insulating film thereon, forming a contact hole in the interlayer insulating film by dry etching using an etching gas containing a fluorine compound gas, and forming the variable resistance layer exposed at the bottom of the contact hole The method includes a step of removing a part of the surface layer by dry etching using an inert gas, and a step of forming a buried electrode in the contact hole.

また、本発明の不揮発性記憶装置の製造方法は、基板上に下層配線を形成する工程(A)と、前記複数の下層配線上の少なくとも一部に、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む抵抗変化層を形成する工程(B)と、前記複数の下層配線と前記抵抗変化層とを含む前記基板上に層間絶縁層を形成する工程(C)と、少なくともフッ素化合物ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングによって、前記層間絶縁層を貫通して、前記抵抗変化層に接続するようにコンタクトホールを形成する工程(D)と、前記コンタクトホール底部に露出した前記抵抗変化層の表層の一部を、不活性ガスを用いたドライエッチングによって除去する工程(E)と、前記コンタクトホール内に、前記抵抗変化層に接続する埋め込み電極を形成する工程(F)と、前記層間絶縁層上に前記埋め込み電極に接続し、前記下層配線に交差する上層配線を形成する工程(G)とを含むことを特徴とする。   The method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the present invention includes a step (A) of forming a lower layer wiring on a substrate and an oxygen-deficient transition metal oxide in at least a part of the plurality of lower layer wirings. A step (B) of forming a resistance change layer, a step (C) of forming an interlayer insulating layer on the substrate including the plurality of lower layer wirings and the resistance change layer, and an etching gas containing at least a fluorine compound gas A step (D) of forming a contact hole so as to connect to the resistance change layer through the interlayer insulating layer by dry etching used, and a surface layer of the resistance change layer exposed at the bottom of the contact hole. A step (E) of removing the portion by dry etching using an inert gas, and a step (F) of forming a buried electrode connected to the variable resistance layer in the contact hole, Wherein connected to the buried electrode in the interlayer insulating layer, characterized in that it comprises a step (G) to form the upper wiring crossing the lower interconnection.

本発明の特徴である抵抗変化層に接続するコンタクトホール開口後に、コンタクトホール底部に露出した領域の抵抗変化層の表層の一部を、不活性ガスを用いたドライエッチングによって除去する工程(E)を施すことにより、セル抵抗の制御性が向上し、かつ安定動作する不揮発性記憶装置を製造することが可能になる。   Step (E) of removing a part of the surface layer of the variable resistance layer in the region exposed at the bottom of the contact hole by dry etching using an inert gas after opening the contact hole connected to the variable resistance layer, which is a feature of the present invention As a result, the controllability of the cell resistance is improved, and a nonvolatile memory device that operates stably can be manufactured.

また、上記方法の工程(B)において、抵抗変化層を、下層配線上に、下層配線と同形状に形成する方法としてもよい。   Further, in the step (B) of the above method, the resistance change layer may be formed on the lower layer wiring in the same shape as the lower layer wiring.

このような方法とすることにより、下層配線に、抵抗変化層に適した金属電極材料を選択することにより、下層配線が記憶部の下部電極としても機能するため、製造工程を簡略化できる。   By adopting such a method, by selecting a metal electrode material suitable for the resistance change layer for the lower layer wiring, the lower layer wiring also functions as the lower electrode of the memory portion, so that the manufacturing process can be simplified.

さらに、上記方法において、前記工程(F)後に抵抗変化層に直列に接続する非オーミック性素子を形成する工程(H)を追加してもよい。   Further, in the above method, a step (H) of forming a non-ohmic element connected in series to the resistance change layer may be added after the step (F).

このような方法とすることにより、読み込み時あるいは書き込み時において選択メモリセルには十分な電流を流しながら、非選択メモリセルには、電流を流さない構成が実現でき、非選択メモリセルとのクロストークを防止することができるので、抵抗変化特性の再現性に優れ、かつ高信頼性の不揮発性記憶装置を製造することが可能になる。   By adopting such a method, it is possible to realize a configuration in which a sufficient current flows in the selected memory cell during reading or writing, but no current flows in the unselected memory cell. Since talk can be prevented, it is possible to manufacture a highly reliable nonvolatile memory device having excellent resistance change characteristic reproducibility.

また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、配線上に形成された酸素不足型の遷移金属型酸化物層を含む抵抗変化層と、前記抵抗変化層上に形成されたコンタクトホールを有する層間絶縁膜とを有し、前記コンタクトホールは前記抵抗変化層に通じており、前記コンタクトホールの底部と接する領域における前記抵抗変化層の厚さが前記コンタクトホールの底部と接する領域以外の領域における前記抵抗変化層の厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device having an interlayer insulation including a resistance change layer including an oxygen-deficient transition metal oxide layer formed on a wiring and a contact hole formed on the resistance change layer. The contact hole communicates with the variable resistance layer, and the thickness of the variable resistance layer in the region in contact with the bottom of the contact hole is in the region other than the region in contact with the bottom of the contact hole. It is characterized by being formed thinner than the thickness of the change layer.

また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、基板と、前記基板上に形成された下層配線と、前記下層配線上の少なくとも一部に形成された抵抗変化層と、前記下層配線と前記抵抗変化層とを含む前記基板上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層を貫通して、前記抵抗変化層に接続するように形成されたコンタクトホールと、前記抵抗変化層に接続し、前記コンタクトホール内に形成された埋め込み電極と、前記層間絶縁層上に、前記埋め込み電極に接続し、前記下層配線に対して交差する上層配線とを備え、前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物を含み、かつ前記コンタクトホールと接続する領域の前記抵抗変化層の表層部分が前記コンタクトホールと接続する領域以外の領域の前記抵抗変化層の表層部分に比べて凹んだ形状になっていることを特徴とする。   The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes a substrate, a lower layer wiring formed on the substrate, a resistance change layer formed on at least a part of the lower layer wiring, the lower layer wiring, and the resistance change. An interlayer insulating layer formed on the substrate including a layer, a contact hole penetrating the interlayer insulating layer and connected to the variable resistance layer, and connected to the variable resistance layer, A buried electrode formed in a contact hole; and an upper wiring connected to the buried electrode and intersecting the lower wiring on the interlayer insulating layer, wherein the resistance change layer is an oxygen-deficient transition metal A shape that includes an oxide and has a surface layer portion of the variable resistance layer in a region connected to the contact hole that is recessed compared to a surface layer portion of the variable resistance layer in a region other than the region connected to the contact hole It is characterized in that is.

このような構成とすることにより、微細化、大容量化が可能なコンタクトホールを用いたメモリセル構造において、セル抵抗の制御性が良く、かつ安定動作が可能な不揮発性記憶装置を実現することが可能になる。さらに、埋め込み電極に抵抗変化層の抵抗変化に適した材料を選択することで、コンタクトホール内に埋め込み形成する材料が一種類で済むため、埋め込みプロセスも容易で、かつ製造工程を簡略化できる。   By adopting such a configuration, a non-volatile memory device having good controllability of cell resistance and stable operation can be realized in a memory cell structure using contact holes that can be miniaturized and increased in capacity. Is possible. Furthermore, by selecting a material suitable for the resistance change of the variable resistance layer for the buried electrode, only one type of material is needed to be buried in the contact hole, so that the filling process is easy and the manufacturing process can be simplified.

また、上記構成において、下層配線上に、抵抗変化層が下層配線と同形状を有するようにしてもよい。   In the above configuration, the variable resistance layer may have the same shape as the lower layer wiring on the lower layer wiring.

このような構成とすることにより、下層配線に、抵抗変化層に適した金属電極材料を選択することにより、下層配線が記憶部の下部電極としても機能するため、製造工程を簡略化できる。   With such a configuration, by selecting a metal electrode material suitable for the resistance change layer for the lower layer wiring, the lower layer wiring also functions as the lower electrode of the storage unit, and thus the manufacturing process can be simplified.

さらに、上記構成において、埋め込み電極と上層配線との間に非オーミック性素子を備えるようにしてもよい。   Further, in the above configuration, a non-ohmic element may be provided between the embedded electrode and the upper layer wiring.

このような構成とすることにより、読み込み時あるいは書き込み時において選択メモリセルには十分な電流を流しながら、非選択メモリセルには、電流を流さない構成が実現でき、非選択メモリセルとのクロストークを防止することができるので、抵抗変化特性の再現性に優れ、かつ高信頼性の不揮発性記憶装置を実現できる。   By adopting such a configuration, it is possible to realize a configuration in which a sufficient current flows in the selected memory cell during reading or writing, but no current flows in the unselected memory cell. Since talk can be prevented, a highly reliable nonvolatile memory device having excellent reproducibility of resistance change characteristics and high reliability can be realized.

本発明の不揮発性記憶装置は、微細化かつ大容量化に適した、コンタクトホールを用いたメモリセル構造において、製造工程による抵抗変化層の変質を抑制し、安定な作動が可能な不揮発性記憶装置を実現できるという大きな効果を奏する。   The non-volatile memory device of the present invention is a non-volatile memory capable of stable operation in a memory cell structure using contact holes, which is suitable for miniaturization and large capacity, by suppressing the change of the resistance change layer due to the manufacturing process. There is a great effect that the device can be realized.

(a)は本発明の課題を説明するための不揮発性記憶装置の構成を示す断面図、(b)は(a)に示す1A−1A線での断面を矢印方向に見た断面図(A) is sectional drawing which shows the structure of the non-volatile memory device for demonstrating the subject of this invention, (b) is sectional drawing which looked at the cross section in the 1A-1A line shown to (a) in the arrow direction 図1に記載の不揮発性記憶素子の抵抗値と電気パルス印加回数との関係を示す図The figure which shows the relationship between the resistance value of the non-volatile memory element of FIG. 1, and the electrical pulse application frequency (a)はフッ素系エッチングガスによるドライエッチング処理を施したTaO薄膜の二次イオン質量分析法(SIMS)を用いたフッ素の深さ方向濃度分布を示す図、(b)は炭素の深さ方向濃度分布を示す図、(c)は酸素の深さ方向濃度分布を示す図(A) illustrates the depth direction concentration distribution of fluorine using the fluorine-based secondary ion mass spectrometry of TaO x film which has been subjected to dry etching with an etching gas (SIMS) is, (b) the depth of the carbon The figure which shows a direction concentration distribution, (c) is a figure which shows the depth direction concentration distribution of oxygen X線反射率測定法(GIXR)を用いたTaO薄膜のフッ素混入層に関する分析結果を示す図Schematic drawing illustrating the analytic results of fluorine contamination layer of TaO x thin film using X-ray reflectivity measurement method (GIXR) (a)は本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の構成を説明する平面図、(b)は(a)の5A−5A線の断面を矢印方向に見た断面図(A) is a top view explaining the structure of the non-volatile memory device based on the 1st Embodiment of this invention, (b) is sectional drawing which looked at the cross section of the 5A-5A line of (a) in the arrow direction (a)は第1の実施の形態における不揮発性記憶装置の記憶部の構成を示すための要部の部分拡大図の平面図、(b)は(a)の6A−6A線の断面を矢印方向に見た断面図(A) is a top view of the elements on larger scale of the principal part for showing the structure of the memory | storage part of the non-volatile memory device in 1st Embodiment, (b) is a cross section of the 6A-6A line of (a) by the arrow Cross section viewed in the direction (a)から(c)は第1の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、能動素子が形成された基板上に層間絶縁層までを形成し、さらに複数の下層配線を形成するまでの工程を示す図(A) to (c) in the method of manufacturing the nonvolatile memory device according to the first embodiment, from the formation of the interlayer insulating layer on the substrate on which the active element is formed to the formation of a plurality of lower layer wirings Of the process (a)から(c)は第1の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、複数の下層配線上に、下層配線と同形状の抵抗変化層を形成し、さらに層間絶縁層を形成する工程を示す図(A) to (c) in the method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the first embodiment, a variable resistance layer having the same shape as a lower layer wiring is formed on a plurality of lower layer wirings, and an interlayer insulating layer is further formed. Showing the process 第1の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、層間絶縁層の所定の位置にコンタクトホールを形成する工程を示す図で、(a)は平面図、(b)と(c)は(a)に示す9A−9A線での断面を矢印方向に見た断面図In the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to the first embodiment, a diagram illustrating a process of forming a contact hole at a predetermined position of an interlayer insulating layer, (a) is a plan view, (b) and (c) Sectional drawing which looked at the cross section in the 9A-9A line shown to (a) in the arrow direction (a)と(b)は第1の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、コンタクトホール中に埋め込み電極を埋め込み形成するまでの工程を示す図FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating steps until a buried electrode is embedded in a contact hole in the method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the first embodiment. 第1の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、層間絶縁層上に埋め込み電極に接続するように複数の上層配線を形成した状態の図で、(a)は平面図、(b)は(a)に示す11A−11A線での断面を矢印方向に見た断面図In the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to the first embodiment, a plurality of upper layer wirings are formed on the interlayer insulating layer so as to be connected to the buried electrode, (a) is a plan view, (b) Is a sectional view of the section taken along line 11A-11A shown in FIG. 本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の抵抗値と電気パルス印加回数との関係を示す図The figure which shows the relationship between the resistance value of the non-volatile memory element which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and the frequency | count of an electric pulse application (a)は本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の構成を説明する断面図、(b)は第2の実施の形態における不揮発性記憶装置の非オーミック性素子と記憶部の構成を示すための要部の部分拡大図の断面図(A) is sectional drawing explaining the structure of the non-volatile memory device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, (b) is the non-ohmic element and memory | storage part of the non-volatile memory device in 2nd Embodiment Sectional drawing of the elements on larger scale of the principal part for showing the structure of (a)から(d)は第2の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、半導体層間絶縁層上に、複数の下層配線と抵抗変化層をストライプ形状に形成し、さらにその上に2層構成からなる層間絶縁層を形成し、その層間絶縁層にコンタクトホールを形成するまでの工程を示す図(A) to (d) in the method for manufacturing a nonvolatile memory device according to the second embodiment, a plurality of lower layer wirings and variable resistance layers are formed in a stripe shape on a semiconductor interlayer insulating layer, and further thereon The figure which shows the process until it forms an interlayer insulation layer which consists of two layers, and forms a contact hole in the interlayer insulation layer (a)から(c)は第2の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、コンタクトホール中に埋め込み電極を埋め込み形成する工程を示す図FIGS. 9A to 9C are views showing steps of embedding and forming a buried electrode in a contact hole in the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the second embodiment. (a)から(c)は第2の実施の形態の不揮発性記憶装置の製造方法において、コンタクトホール中の埋め込み電極上に、非オーミック性素子の一部となる下部電極を埋め込み形成し、さらに下部電極を含む層間絶縁層上に非オーミック性素子の一部となる半導体層と上部電極、および複数の上層配線を積層形成するまでの工程を示す図(A) to (c) show a method of manufacturing the nonvolatile memory device according to the second embodiment, in which a lower electrode that becomes a part of a non-ohmic element is embedded and formed on the embedded electrode in the contact hole; The figure which shows the process until it laminates | stacks and forms the semiconductor layer used as a part of non-ohmic element, an upper electrode, and several upper layer wiring on the interlayer insulation layer containing a lower electrode 第1の従来例を説明する図(特開2003−68984号公報の図1)The figure explaining the 1st prior art example (Drawing 1 of JP, 2003-68984, A) 第2の従来例を説明する図(特開2003−68984号公報の図2)The figure explaining the 2nd prior art example (Drawing 2 of JP, 2003-68984, A)

本発明者らは、より微細化が可能で、かつ安定な特性を有する不揮発性記憶装置およびその製造方法を提供することを目的として、図1に記載された構造を提案した。   The inventors of the present invention have proposed the structure shown in FIG. 1 in order to provide a nonvolatile memory device that can be further miniaturized and has stable characteristics and a method for manufacturing the same.

図1に記載の構造は、基板と、前記基板上に形成されたストライプ形状の複数の下層配線と、前記複数の下層配線上の少なくとも一部に形成された抵抗変化層と、前記複数の下層配線を含む基板上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層を貫通して前記抵抗変化層に接続するように形成されたコンタクトホールと、前記抵抗変化層に接続し、前記コンタクトホール内に形成された埋め込み電極と、前記層間絶縁層上に、前記埋め込み電極と接続し、前記複数の下層配線に対して交差するストライプ形状を有する複数の複数の上層配線とを備え、前記抵抗変化層は少なくとも酸素不足型のタンタル酸化物(TaO)を含む構成のReRAMである。 1 includes a substrate, a plurality of stripe-shaped lower layer wirings formed on the substrate, a resistance change layer formed on at least a part of the plurality of lower layer wirings, and the plurality of lower layers. An interlayer insulating layer formed on a substrate including wiring; a contact hole formed so as to penetrate the interlayer insulating layer and connect to the resistance change layer; and connect to the resistance change layer, And a plurality of upper layer wirings having a stripe shape connected to the embedded electrodes and intersecting the plurality of lower layer wirings on the interlayer insulating layer, and the resistance change layer Is a ReRAM configured to include at least an oxygen-deficient tantalum oxide (TaO x ).

ここで、本発明において、「基板の上に下層配線を形成する」とは、一般的な解釈に従って、基板の上に、直接、下層配線を形成する場合と、基板の上に他のものを介して下層配線を形成する場合との双方を意味する。また、「層間絶縁層」とは、不揮発性記憶素子の製造プロセスにおいて1つのプロセスで形成される層間絶縁層と、不揮発性記憶素子の製造プロセスにおいては複数のプロセスでそれぞれ形成された複数の層間絶縁層が1つに合体してなる層間絶縁層との双方を指す。   Here, in the present invention, “to form the lower layer wiring on the substrate” means that the lower layer wiring is formed directly on the substrate according to a general interpretation, and the other is formed on the substrate. It means both of the case where the lower layer wiring is formed via. The “interlayer insulating layer” is an interlayer insulating layer formed in one process in the manufacturing process of the nonvolatile memory element, and a plurality of interlayers formed in a plurality of processes in the manufacturing process of the nonvolatile memory element. It refers to both the interlayer insulating layer formed by combining the insulating layers into one.

次に、図1に記載のReRAMの製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the ReRAM shown in FIG. 1 will be described.

はじめに、基板上に、下層配線15と抵抗変化層16の2層構成からなる複数のストライプ形状の第1配線層を形成し、その上に層間絶縁層17を形成する。   First, a plurality of stripe-shaped first wiring layers having a two-layer structure of a lower layer wiring 15 and a resistance change layer 16 are formed on a substrate, and an interlayer insulating layer 17 is formed thereon.

そして、フッ素化合物ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより、層間絶縁層17を貫通して、抵抗変化層16に接続するコンタクトホールを形成する。   Then, a contact hole that penetrates the interlayer insulating layer 17 and is connected to the resistance change layer 16 is formed by dry etching using an etching gas containing a fluorine compound gas.

その後、コンタクトホール内に抵抗変化層に接続する埋め込み電極19を形成し、層間絶縁層17上に埋め込み電極19と接続し、第1配線層と交差する複数のストライプ形状の上層配線20を形成する。本構成では、下層配線15と埋め込み電極19が、それぞれ抵抗変化層16の下部電極および上部電極となっている。   Thereafter, a buried electrode 19 connected to the variable resistance layer is formed in the contact hole, connected to the buried electrode 19 on the interlayer insulating layer 17, and a plurality of stripe-shaped upper layer wirings 20 intersecting with the first wiring layer are formed. . In this configuration, the lower layer wiring 15 and the buried electrode 19 are the lower electrode and the upper electrode of the resistance change layer 16, respectively.

図1に記載の構造は、微細化かつ大容量化に適しており、コンタクトホールを用いたメモリセル構造において、安定した抵抗変化動作が可能である。   The structure shown in FIG. 1 is suitable for miniaturization and large capacity, and a stable resistance change operation is possible in a memory cell structure using contact holes.

しかしながら、図1に記載の抵抗変化素子は、抵抗変化特性が劣化することがあった。   However, the resistance change element described in FIG. 1 sometimes deteriorates in resistance change characteristics.

図2は上記プロセスにより作製されたReRAMに対して電気的パルスを加えた時の抵抗変化の測定結果である。横軸は加えた電気的なパルスの数であり、縦軸は抵抗値である。また測定時に加えた電気的パルスは、下部電極を基準として上部電極を1.8Vと−1.8Vとし、パルス幅は100nsとした。   FIG. 2 shows measurement results of resistance change when an electrical pulse is applied to the ReRAM manufactured by the above process. The horizontal axis is the number of applied electrical pulses, and the vertical axis is the resistance value. The electrical pulse applied during the measurement was 1.8 V and −1.8 V for the upper electrode with the lower electrode as a reference, and the pulse width was 100 ns.

図2は図1に記載の抵抗変化素子を動作させたときの抵抗変化特性が悪いサンプルの一例で、セル抵抗値が10E+10Ω以上と所望の値よりもはるかに高く、抵抗変化動作を示さない。抵抗値が10E+10〜10E+12Ωの間でばらついている原因は、検出限界近傍の超高抵抗のため、測定に起因するノイズのせいである。また、パルス電圧を±5Vまで増加させても抵抗変化動作を示さなかった。   FIG. 2 is an example of a sample having poor resistance change characteristics when the resistance change element shown in FIG. 1 is operated. The cell resistance value is 10E + 10Ω or higher, which is much higher than a desired value, and does not show resistance change operation. The reason why the resistance value varies between 10E + 10 to 10E + 12Ω is due to noise caused by measurement because of the extremely high resistance near the detection limit. Further, even when the pulse voltage was increased to ± 5 V, no resistance change operation was shown.

そこで、本発明者らは原因を検討したところ、層間絶縁層を貫通して、タンタル酸化物からなる抵抗変化層に接続するコンタクトホールを開口する工程に問題があるのではないかと考えた。すなわち、ドライエッチング工程中に抵抗変化層がフッ素化合物ガスを含むエッチングガスに曝されることによって、抵抗変化層にエッチングガスプラズマ中に含まれるラジカルなフッ素が混入し、その組成が変化し、抵抗変化特性が劣化したのではないかと考えた。また、抵抗変化特性を示す他の酸素不足型の遷移金属酸化物についても、酸素不足により形成された欠陥中に酸素よりも非常に酸化作用の強いフッ素が混入しやすいことが考えられる。   Therefore, the present inventors examined the cause and thought that there might be a problem in the process of opening a contact hole that penetrates the interlayer insulating layer and connects to the resistance change layer made of tantalum oxide. That is, when the variable resistance layer is exposed to an etching gas containing a fluorine compound gas during the dry etching process, radical fluorine contained in the etching gas plasma is mixed in the variable resistance layer, and its composition changes, and the resistance changes. We thought that the change characteristics had deteriorated. In addition, with respect to other oxygen-deficient transition metal oxides showing resistance change characteristics, it is conceivable that fluorine having a stronger oxidizing action than oxygen is likely to be mixed into defects formed due to oxygen deficiency.

本発明者らはフッ素化合物ガスを含むエッチングガスによるタンタル酸化物の膜質に与える影響を調べるため、以下の実験を行った。   The present inventors conducted the following experiment in order to investigate the influence of an etching gas containing a fluorine compound gas on the film quality of tantalum oxide.

はじめに、基板上にタンタル酸化物薄膜を堆積したサンプルを用意して、二次イオン質量分析法(SIMS)を用いて、タンタル酸化物中に含まれる不純物元素の分析を行った。   First, a sample in which a tantalum oxide thin film was deposited on a substrate was prepared, and an impurity element contained in the tantalum oxide was analyzed using secondary ion mass spectrometry (SIMS).

次に、C、O、Arの混合ガスを用いてタンタル酸化物表面にドライエッチング処理を施した後、タンタル酸化物薄膜をSIMSを用いて測定した。SIMSで測定した元素は、F、C、Oである。図3にSIMSを用いて、C、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチング処理前後のタンタル酸化物薄膜中のフッ素、炭素および酸素の深さ方向濃度分布について調べた結果を示す。 Next, the tantalum oxide surface was dry-etched using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar, and then the tantalum oxide thin film was measured using SIMS. Elements measured by SIMS are F, C, and O. FIG. 3 shows the results of investigating the concentration distribution in the depth direction of fluorine, carbon, and oxygen in a tantalum oxide thin film before and after dry etching using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar using SIMS. Show.

縦軸にフッ素イオンカウント数(cps)、横軸にタンタル酸化物膜の表面からの深さ(nm)を示す。また白丸印がドライエッチング前、黒丸印がドライエッチング後データを表す。図3(a)はフッ素の深さ方向濃度分布、(b)は炭素の深さ方向濃度分布、および(c)は酸素の深さ方向濃度分布を示す。   The vertical axis represents the fluorine ion count (cps), and the horizontal axis represents the depth (nm) from the surface of the tantalum oxide film. White circles represent data before dry etching, and black circles represent data after dry etching. 3A shows the concentration distribution in the depth direction of fluorine, FIG. 3B shows the concentration distribution in the depth direction of carbon, and FIG. 3C shows the concentration distribution in the depth direction of oxygen.

図3(a)の結果から、フッ素系ガスを用いたドライエッチング処理により、タンタル酸化物薄膜の表層にフッ素が混入することが明らかになった。また、半値幅から見積もると、タンタル酸化物膜の表層から5nm未満の深さ領域にフッ素が混入していることが分かった。また、他のフッ素化合物エッチングガス、例えば、CFやCHF、SFを用いた場合にも同様の結果が得られた。なお、ドライエッチング処理前にも表面付近にフッ素イオンが観測されているが、これは測定起因によるバックグラウンドノイズであると考えられる。 From the result of FIG. 3A, it became clear that fluorine is mixed into the surface layer of the tantalum oxide thin film by the dry etching process using the fluorine-based gas. Further, when estimated from the half width, it was found that fluorine was mixed in a depth region of less than 5 nm from the surface layer of the tantalum oxide film. Similar results were obtained when other fluorine compound etching gases such as CF 4 , CHF 3 , and SF 6 were used. Note that fluorine ions are observed in the vicinity of the surface even before the dry etching process, which is considered to be background noise due to measurement.

また、図3(b)と(c)の結果から、ドライエッチング前後で、炭素および酸素の深さ方向濃度分布に大きな変化はなく、エッチングガスに含まれる炭素や酸素はタンタル酸化物に悪影響を与えていないと考えられる。   Further, from the results of FIGS. 3B and 3C, there is no significant change in the concentration distribution of carbon and oxygen in the depth direction before and after dry etching, and the carbon and oxygen contained in the etching gas have an adverse effect on the tantalum oxide. It is thought not to give.

したがって、抵抗変化層がフッ素化合物エッチングガスに曝されない製造方法やそれが可能な素子構造、もしくは抵抗変化層がフッ素系エッチングガスに曝されて抵抗変化層の組成が変質しても、その後に抵抗変化層の組成を元の状態に戻す追加処理が必須である。   Therefore, even if the resistance change layer is not exposed to the fluorine compound etching gas, the device structure, or the device structure capable of this, or even if the resistance change layer is exposed to the fluorine-based etching gas and the composition of the resistance change layer is altered, the resistance change layer An additional process for returning the composition of the change layer to the original state is essential.

そこで、本発明者らは、フッ素が混入した抵抗変化層の表層部分を不活性ガスのArを用いたドライエッチングによって除去する方法を検討した。   Therefore, the present inventors studied a method of removing the surface layer portion of the resistance change layer mixed with fluorine by dry etching using an inert gas Ar.

はじめに、基板上にタンタル酸化物薄膜を堆積したサンプルを用意して、X線反射率測定法(GIXR)を用いた分析を行った。   First, a sample in which a tantalum oxide thin film was deposited on a substrate was prepared, and analysis using an X-ray reflectometry (GIXR) was performed.

次に、タンタル酸化物薄膜をC、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチング処理を施した後、タンタル酸化物薄膜をGIXRを用いて分析した。 Next, the tantalum oxide thin film was subjected to a dry etching process using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar, and then the tantalum oxide thin film was analyzed using GIXR.

さらに、不活性ガスであるArのみを用いたドライエッチングにより、C、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチング処理を施したタンタル酸化物薄膜の表層を5nm除去した後のタンタル酸化物薄膜をGIXRを用いて分析した。 Further, tantalum after removing 5 nm of the surface layer of the tantalum oxide thin film subjected to the dry etching process using the mixed gas of C 5 F 8 , O 2 and Ar by dry etching using only the inert gas Ar. The oxide thin film was analyzed using GIXR.

図4に、これら3つのサンプルにおけるタンタル酸化物薄膜についてX線反射率測定法を用いて調べた結果を示す。なお、図4における横軸は2θ(X線の入射角度θ)、縦軸はX線の反射率をそれぞれ示している。   FIG. 4 shows the results of examining the tantalum oxide thin film in these three samples using the X-ray reflectivity measurement method. In FIG. 4, the horizontal axis represents 2θ (X-ray incident angle θ), and the vertical axis represents X-ray reflectivity.

図4中の(a)は、タンタル酸化物薄膜を堆積した後の状態のX線反射率パターンを示しており、図中の実線は、基板上にタンタル酸化物が存在していることを仮定してフィッティングを行った結果を示す。実測の反射率パターンとフィッティングによって得られた反射率パターンとは、良好に一致している。したがって、サンプル(a)は、タンタル酸化物のみから構成されていると考えられる。   (A) in FIG. 4 shows an X-ray reflectivity pattern in a state after the tantalum oxide thin film is deposited, and the solid line in the figure assumes that tantalum oxide exists on the substrate. Then, the result of fitting is shown. The actually measured reflectance pattern and the reflectance pattern obtained by fitting are in good agreement. Therefore, it is considered that the sample (a) is composed only of tantalum oxide.

次に、(b)は、タンタル酸化物薄膜をC、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチング処理を施したサンプルのGIXR測定結果を示している。(b)の反射率パターンの測定結果は、タンタル酸化物のみが存在するモデルを用いたフィッティングとは合致しなかった。また、2θが1°付近のところで、反射率に大きな減少が見られる。これはタンタル酸化物の表層付近にタンタル酸化物以外の組成をもつ層が形成されていることを示唆している。C、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチングによって、タンタル酸化物薄膜中にフッ素のみが混入することが図3のSIMS分析の結果から明らかになっているため、このタンタル酸化物以外の膜質の層はタンタル酸化物にフッ素が混入した層であると断定できる。 Next, (b) shows a GIXR measurement result of a sample obtained by subjecting a tantalum oxide thin film to a dry etching process using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar. The measurement result of the reflectance pattern of (b) did not agree with the fitting using the model in which only tantalum oxide was present. Further, when 2θ is around 1 °, a large decrease in reflectance is observed. This suggests that a layer having a composition other than tantalum oxide is formed in the vicinity of the surface layer of tantalum oxide. Since it is clear from the results of SIMS analysis in FIG. 3 that only fluorine is mixed in the tantalum oxide thin film by dry etching using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar, this tantalum oxidation It can be determined that the film quality layer other than the material is a layer in which fluorine is mixed in tantalum oxide.

そして、(c)は、Arを用いたドライエッチングによって、フッ素が混入したタンタル酸化物の表層を5nm除去したサンプルのX線反射率パターンを示している。この(c)の測定パターンは、基板上にタンタル酸化物が存在していることを仮定したモデルによるフィッティングと合致し、(b)で観測された2θが1°付近の反射率の減少も消失している。これらのことから、Arを用いたドライエッチングによって、フッ素混入層を除去できることが分かる。   And (c) has shown the X-ray reflectivity pattern of the sample which removed 5 nm of the surface layer of the tantalum oxide which fluorine mixed by dry etching using Ar. The measurement pattern in (c) agrees with the fitting by the model assuming that tantalum oxide is present on the substrate, and the decrease in reflectivity near 2 ° observed in (b) is also disappeared. is doing. From these, it can be seen that the fluorine-containing layer can be removed by dry etching using Ar.

したがって、C、O、Arの混合ガスを用いたドライエッチングによって、タンタル酸化物の表層に形成されたフッ素混入層を、Arガスを用いたドライエッチングによって除去できることが明らかになった。 Therefore, it became clear that the fluorine mixed layer formed on the surface layer of the tantalum oxide can be removed by dry etching using Ar gas by dry etching using a mixed gas of C 5 F 8 , O 2 , and Ar. .

なお、Arガスを用いたドライエッチングの他に水素アニールや窒素アニールも試したが、劣化層を除去することはできなかった。   In addition to dry etching using Ar gas, hydrogen annealing and nitrogen annealing were also tried, but the deteriorated layer could not be removed.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素については同じ符号を付しており説明を省略する場合がある。また、トランジスタや記憶部等の形状については模式的なものであり、その個数等についても図示しやすい個数としている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and description may be abbreviate | omitted. Further, the shapes of the transistors, the memory portions, and the like are schematic, and the numbers thereof are easily illustrated.

(第1の実施の形態)
図5は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶装置100の構成を説明する図で、(a)は平面図、(b)は(a)に示す5A−5A線に沿う断面を矢印方向に見た断面図を示す。なお、図5(a)の平面図においては、理解しやすくするために最上層の絶縁保護層21の一部を切り欠いて示している。また、図6は、記憶部18の構成を示すための要部の部分拡大図で、(a)は平面図、(b)は(a)に示す6A−6A線に沿う断面を矢印方向に見た断面図である。
(First embodiment)
5A and 5B are diagrams for explaining the configuration of the nonvolatile memory device 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is along the line 5A-5A shown in FIG. Sectional drawing which looked at the cross section in the arrow direction is shown. Note that, in the plan view of FIG. 5A, a part of the uppermost insulating protective layer 21 is notched for easy understanding. 6 is a partial enlarged view of a main part for showing the configuration of the storage unit 18. FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view along the line 6A-6A shown in FIG. FIG.

本実施の形態の不揮発性記憶装置100は、基板11と、この基板11上に形成されたストライプ形状の複数の下層配線15と、複数の下層配線15上に、複数の下層配線15と同形状に形成された抵抗変化層16と、複数の下層配線15と抵抗変化層16とを含む基板11上に形成された層間絶縁層17と、層間絶縁層17を貫通して、抵抗変化層16に接続するように形成されたコンタクトホールと、上記コンタクトホール中に埋め込まれ、抵抗変化層16と接続する埋め込み電極19と、埋め込み電極19に接続し、層間絶縁層17上に形成された複数の上層配線20とを備え、コンタクトホールと接続する領域の抵抗変化層が他の領域の抵抗変化層と比べて凹んだ形状になっているという特徴をもつ。別の表現をすると、コンタクトホールと接続する領域の抵抗変化層は他の領域の抵抗変化層に比べて薄くなっている。   The nonvolatile memory device 100 according to the present embodiment includes a substrate 11, a plurality of stripe-shaped lower layer wirings 15 formed on the substrate 11, and the same shape as the plurality of lower layer wirings 15 on the plurality of lower layer wirings 15. The resistance change layer 16 formed on the substrate 11, the interlayer insulating layer 17 formed on the substrate 11 including the plurality of lower-layer wirings 15 and the resistance change layer 16, and the interlayer insulation layer 17 to penetrate the resistance change layer 16. A contact hole formed so as to be connected, a buried electrode 19 buried in the contact hole and connected to the resistance change layer 16, and a plurality of upper layers connected to the buried electrode 19 and formed on the interlayer insulating layer 17 The variable resistance layer in the region connected to the contact hole has a feature that is recessed as compared with the variable resistance layer in the other region. In other words, the variable resistance layer in the region connected to the contact hole is thinner than the variable resistance layer in the other region.

さらに、本実施の形態の場合には、複数の上層配線20が層間絶縁層17上で、ストライプ形状の複数の下層配線15に対して交差するストライプ形状に形成されている。そして、複数の下層配線15と埋め込み電極19、この埋め込み電極19に接続する領域の抵抗変化層16とにより記憶部18を構成している。抵抗変化層16としては、電気信号の印加により不揮発的に抵抗変化を示す酸素不足型の遷移金属酸化物を含んだ材料で構成されるが、酸素不足型タンタル酸化物(TaO)が抵抗変化特性の安定性や作製の再現性等の面から好ましい。なお、図5に示すように、複数の上層配線20は、記憶部18がマトリクス状に形成された領域外まで延在されている。 Further, in the case of the present embodiment, a plurality of upper layer wirings 20 are formed on the interlayer insulating layer 17 in a stripe shape intersecting with the plurality of lower layer wirings 15 having a stripe shape. A plurality of lower layer wirings 15, embedded electrodes 19, and a resistance change layer 16 in a region connected to the embedded electrodes 19 constitute a storage unit 18. The resistance change layer 16 is made of a material containing an oxygen-deficient transition metal oxide that exhibits a resistance change in a nonvolatile manner when an electric signal is applied. However, the oxygen-deficient tantalum oxide (TaO x ) changes in resistance. This is preferable from the viewpoint of stability of characteristics and reproducibility of production. As shown in FIG. 5, the plurality of upper layer wirings 20 extend outside the region where the storage unit 18 is formed in a matrix.

さらに、本実施の形態においては、基板11としてシリコン単結晶基板を用いてトランジスタ等の能動素子12を集積した半導体回路を有する。図5では、能動素子12は、ソース領域12a、ドレイン領域12b、ゲート絶縁膜12cおよびゲート電極12dからなるトランジスタを示しているが、これらの能動素子12だけでなく、一般にメモリ回路に必要な素子および回路を含む。   Further, in this embodiment, a semiconductor circuit in which an active element 12 such as a transistor is integrated using a silicon single crystal substrate as the substrate 11 is provided. In FIG. 5, the active element 12 is a transistor including a source region 12a, a drain region 12b, a gate insulating film 12c, and a gate electrode 12d. However, not only the active element 12 but also an element generally required for a memory circuit. And including circuitry.

複数の下層配線15および複数の上層配線20は、記憶部18が形成されたマトリクス領域とは異なる領域において能動素子12にそれぞれ接続されている。すなわち、図5においては、複数の下層配線15は、埋め込み導体22、23および配線24を介して能動素子12のソース領域12aに接続されている。なお、複数の上層配線20についても、埋め込み導体25を介して同様に別の能動素子(図示せず)に接続されている。   The plurality of lower layer wirings 15 and the plurality of upper layer wirings 20 are respectively connected to the active elements 12 in a region different from the matrix region in which the storage unit 18 is formed. That is, in FIG. 5, the plurality of lower-layer wirings 15 are connected to the source region 12 a of the active element 12 through the buried conductors 22 and 23 and the wirings 24. The plurality of upper layer wirings 20 are also connected to other active elements (not shown) through the embedded conductors 25 in the same manner.

複数の下層配線15は、例えばTi−Al−N合金、アルミニウム(Al)あるいは銅(Cu)を用いてスパッタリングなどにより成膜し、露光プロセスとエッチングプロセス、あるいはダマシンプロセスを用いることで容易に形成できる。   The plurality of lower layer wirings 15 are formed by sputtering using, for example, Ti—Al—N alloy, aluminum (Al) or copper (Cu), and easily formed by using an exposure process and an etching process or a damascene process. it can.

また、層間絶縁層18としては、絶縁性酸化物材料等を用いることができる。具体的には、CVD法による酸化シリコン(SiO)やオゾン(O)とテトラエトキシシラン(TEOS)を用いてCVD法により形成したTEOS−SiO膜、低誘電率材料であるシリコン炭酸化(SiOC)膜あるいはシリコンフッ素酸化(SiOF)膜等を用いてもよい。 For the interlayer insulating layer 18, an insulating oxide material or the like can be used. Specifically, silicon oxide (SiO 2 ) by CVD method, TEOS-SiO 2 film formed by CVD method using ozone (O 3 ) and tetraethoxysilane (TEOS), silicon carbonation which is a low dielectric constant material An (SiOC) film or a silicon fluorine oxide (SiOF) film may be used.

次に、記憶部18を構成する抵抗変化層16は、上記したTaOだけでなく、鉄酸化物、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化亜鉛、ニオブ酸化膜、タングステン酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜等の酸素不足型遷移金属酸化物を用い、スパッタリング法等で形成してもよい。このような酸素不足型遷移金属酸化物材料は、閾値以上の電圧または電流が印加されたときに特定の抵抗値を示し、その抵抗値は新たに一定の大きさのパルス電圧またはパルス電流が印加されるまでは、その抵抗値を維持しつづける。 Next, the resistance change layer 16 constituting the storage unit 18 includes not only the above TaO x but also iron oxide, titanium oxide, vanadium oxide, cobalt oxide, nickel oxide, zinc oxide, niobium oxide film, tungsten oxide film, Alternatively, an oxygen-deficient transition metal oxide such as a hafnium oxide film or a zirconium oxide film may be used and formed by a sputtering method or the like. Such an oxygen-deficient transition metal oxide material exhibits a specific resistance value when a voltage or current exceeding a threshold is applied, and the resistance value is newly applied with a pulse voltage or pulse current of a certain magnitude. Until it is done, the resistance value is maintained.

次に、図7から図11を用いて本実施の形態の不揮発性記憶装置100の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory device 100 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図7は、能動素子12が形成された基板11上に、半導体層間絶縁層14を形成し、さらに複数の下層配線15と埋め込み導体22を形成するまでの工程を示す図で、(a)は能動素子12が形成された基板11上に、半導体層間絶縁層14を形成した状態の断面図、(b)は半導体層間絶縁層14の所定の位置にストライプ形状の配線溝15aと、半導体電極配線24に接続するためのコンタクトホール22aを形成した状態の断面図、(c)はデュアルダマシン法によって複数の下層配線15と埋め込み導体22を半導体層間絶縁層14中に埋め込み形成した状態の断面図である。   FIG. 7 is a diagram showing a process from forming the semiconductor interlayer insulating layer 14 on the substrate 11 on which the active element 12 is formed, and further forming a plurality of lower layer wirings 15 and embedded conductors 22. Sectional drawing of the state which formed the semiconductor interlayer insulation layer 14 on the board | substrate 11 in which the active element 12 was formed, (b) is a wiring groove | channel 15a of stripe shape in the predetermined position of the semiconductor interlayer insulation layer 14, and semiconductor electrode wiring FIG. 6C is a cross-sectional view of a state in which a contact hole 22a for connecting to the semiconductor layer 24 is formed, and FIG. 8C is a cross-sectional view of a state in which a plurality of lower-layer wirings 15 and embedded conductors 22 are embedded in the semiconductor interlayer insulating layer 14 by a dual damascene method. is there.

図8は、複数の下層配線15上に、下層配線15と同形状の抵抗変化層16を形成し、さらに複数の下層配線15と抵抗変化層16とを含む半導体層間絶縁層14上に層間絶縁層17を形成するまでの工程を示す図で、(a)は複数の下層配線15を含む半導体層間絶縁層14上に抵抗変化層16となる抵抗薄膜層16aを成膜した状態の断面図、(b)は抵抗変化層16を下層配線15と同形状にパターニング形成した状態の断面図、(c)は複数の下層配線15と抵抗変化層16とを含む半導体層間絶縁層14上に層間絶縁層17を形成した状態の断面図である。   In FIG. 8, a resistance change layer 16 having the same shape as the lower layer wiring 15 is formed on the plurality of lower layer wirings 15, and further interlayer insulation is formed on the semiconductor interlayer insulating layer 14 including the plurality of lower layer wirings 15 and the resistance change layer 16. FIG. 6A is a diagram illustrating a process until a layer 17 is formed, and FIG. 5A is a cross-sectional view illustrating a state in which a resistance thin film layer 16a to be a resistance change layer 16 is formed on a semiconductor interlayer insulating layer 14 including a plurality of lower wirings 15. (B) is a cross-sectional view of a state in which the resistance change layer 16 is patterned and formed in the same shape as the lower layer wiring 15, and (c) is an interlayer insulation on the semiconductor interlayer insulating layer 14 including the plurality of lower layer wirings 15 and the resistance change layer 16. It is sectional drawing of the state in which the layer 17 was formed.

次に図9は、層間絶縁層17の所定の位置に、抵抗変化層16に接続するコンタクトホール26を形成するまでの工程を示す図で、(a)は層間絶縁層の所定の位置にコンタクトホール26を形成した状態の平面図、(b)と(c)は(a)に示す9A−9A線での断面を矢印方向に見た断面図である。(b)では、コンタクトホール26を抵抗変化層16が露出するところまで形成している。さらに、(c)ではコンタクトホール26の底部に露出した抵抗変化層16の表層の一部を不活性ガスを用いたドライエッチを用いて除去することで、抵抗変化層16の表層が凹形状になった状態の断面図である。   Next, FIG. 9 is a diagram showing a process until a contact hole 26 connected to the resistance change layer 16 is formed at a predetermined position of the interlayer insulating layer 17, and FIG. 9A shows a contact with the predetermined position of the interlayer insulating layer. The top view of the state which formed the hole 26, (b) And (c) is sectional drawing which looked at the cross section in the 9A-9A line | wire shown to (a) in the arrow direction. In (b), the contact hole 26 is formed up to the point where the variable resistance layer 16 is exposed. Further, in (c), a part of the surface layer of the resistance change layer 16 exposed at the bottom of the contact hole 26 is removed by dry etching using an inert gas, so that the surface layer of the resistance change layer 16 has a concave shape. It is sectional drawing of the state which became.

図10は、コンタクトホール26中に埋め込み電極19を埋め込み形成するまでの工程を示す図で、(a)はコンタクトホール26を含む層間絶縁膜17上に埋め込み電極19となる電極薄膜層19aを形成した状態の断面図、(b)はCMPによって層間絶縁膜17上の電極薄膜層19aを除去した状態の断面図である。   FIG. 10 is a diagram showing a process until the buried electrode 19 is buried in the contact hole 26. FIG. 10A shows an electrode thin film layer 19a that becomes the buried electrode 19 on the interlayer insulating film 17 including the contact hole 26. FIG. 4B is a cross-sectional view in a state where the electrode thin film layer 19a on the interlayer insulating film 17 is removed by CMP.

さらに、図11は、層間絶縁層17上に埋め込み電極19に接続するように複数の上層配線20を形成した状態の図で、(a)は平面図、(b)は(a)に示す11A−11A線での断面を矢印方向に見た断面図である。   Further, FIG. 11 is a view showing a state in which a plurality of upper layer wirings 20 are formed on the interlayer insulating layer 17 so as to be connected to the buried electrode 19, wherein (a) is a plan view and (b) is 11A shown in (a). It is sectional drawing which looked at the cross section in the -11A line in the arrow direction.

はじめに、図7(a)に示すように、複数の能動素子12、埋め込み導体23、半導体電極配線24および半導体層間絶縁層13が形成されている基板11上に、半導体層間絶縁層14を形成する。従来は、埋め込み導体23にはWが用いられ、半導体電極配線24については、Alが主に用いられていたが、最近では微細化しても低抵抗を実現できるCuが用いられている。また、半導体層間絶縁層13、14についても、配線間の寄生容量の低減のためにフッ素含有酸化物(例えば、SiOF)やカーボン含有窒化物(例えば、SiCN)あるいは有機樹脂材料(例えば、ポリイミド)が用いられている。本実施の形態の場合にも、半導体電極配線24としては、例えばCuを用い、半導体層間絶縁層13、14としては、例えばフッ素含有酸化物であるSiOFを用いることができる。   First, as shown in FIG. 7A, a semiconductor interlayer insulating layer 14 is formed on a substrate 11 on which a plurality of active elements 12, embedded conductors 23, semiconductor electrode wirings 24, and a semiconductor interlayer insulating layer 13 are formed. . Conventionally, W is used for the buried conductor 23, and Al is mainly used for the semiconductor electrode wiring 24. However, recently, Cu that can realize low resistance even when miniaturized is used. Further, the semiconductor interlayer insulating layers 13 and 14 also have a fluorine-containing oxide (for example, SiOF), a carbon-containing nitride (for example, SiCN), or an organic resin material (for example, polyimide) in order to reduce parasitic capacitance between wirings. Is used. Also in the present embodiment, for example, Cu can be used as the semiconductor electrode wiring 24, and SiOF, which is a fluorine-containing oxide, can be used as the semiconductor interlayer insulating layers 13 and 14, for example.

次に、図7(c)に示すように、複数の下層配線15は半導体層間絶縁層14中に埋め込み形成されているが、これは以下のようにすれば形成できる。図7(b)に示すように、半導体層間絶縁層14に複数の下層配線15を埋め込むためのストライプ形状の配線溝15aと半導体電極配線24に接続するためのコンタクトホール22aを形成する。これらについては、一般的な半導体プロセスで用いられている技術を用いれば容易に形成することができる。このような配線溝15aとコンタクトホール22aを形成後、複数の下層配線15および埋め込み導体22となる導体膜を形成した後、例えばCMPを行うことで、図7(c)に示すような形状の複数の下層配線15と埋め込み導体22を埋め込み形成することができる。なお、複数の下層配線15は、記憶部18の下部電極としても機能させるため、上記したCu以外に、例えばTi、TiN、TaN、Al、Ti−Al合金、Ti−Al−N合金またはこれらの積層構成を用いてもよい。   Next, as shown in FIG. 7C, the plurality of lower-layer wirings 15 are embedded in the semiconductor interlayer insulating layer 14, but this can be formed as follows. As shown in FIG. 7B, stripe-shaped wiring grooves 15 a for embedding a plurality of lower layer wirings 15 in the semiconductor interlayer insulating layer 14 and contact holes 22 a for connecting to the semiconductor electrode wirings 24 are formed. These can be easily formed by using a technique used in a general semiconductor process. After forming such wiring trenches 15a and contact holes 22a, after forming a plurality of lower layer wirings 15 and conductor films that will become the buried conductors 22, for example, by performing CMP, the shape as shown in FIG. A plurality of lower layer wirings 15 and embedded conductors 22 can be embedded. In addition, in order to make the plurality of lower layer wirings 15 function as a lower electrode of the storage unit 18, for example, Ti, TiN, TaN, Al, Ti—Al alloy, Ti—Al—N alloy, or these other than Cu described above A stacked configuration may be used.

次に、図8(a)に示すように、複数の下層配線15を含む半導体層間絶縁層14上に抵抗薄膜層16aを成膜する。抵抗薄膜層16aは電気信号の印加により不揮発的に抵抗変化を示す酸素不足型の遷移金属酸化物を含んだ材料で構成される。特に、抵抗薄膜層16aがタンタル酸化物(TaO)からなる場合には、タンタルのターゲット材料を用いた反応性スパッタリングを行い、スパッタリング時のArガス流量に対する酸素ガス流量比を調整することにより、TaOの化学式のXの値を調整することができる。 Next, as illustrated in FIG. 8A, a resistive thin film layer 16 a is formed on the semiconductor interlayer insulating layer 14 including the plurality of lower wirings 15. The resistance thin film layer 16a is made of a material containing an oxygen-deficient transition metal oxide that exhibits a resistance change in a nonvolatile manner when an electric signal is applied. In particular, when the resistive thin film layer 16a is made of tantalum oxide (TaO x ), reactive sputtering using a tantalum target material is performed, and by adjusting the oxygen gas flow rate ratio relative to the Ar gas flow rate during sputtering, The value of X in the chemical formula of TaO x can be adjusted.

具体的なスパッタリング時の工程に従って説明すると、まず、スパッタリング装置内に基板を設置し、スパッタリング装置内を7×10−4Pa程度まで真空引きする。そして、タンタルをターゲットとして、パワーを250W、Arガスと酸素ガスとをあわせた全ガス圧力を3.3Pa、基板の設定温度を30℃にし、スパッタリングを行う。膜厚は30nm〜100nmが好ましい。酸素分圧比を1%から7%に変化させた場合、タンタル酸化物層中の酸素含有率は約40%(TaO0.66)から約70%(TaO2.3)へと変化する。タンタル酸化物層の組成についてはラザフォード後方散乱法を用いて測定できる。好適な範囲としては、TaO(0.8≦x≦1.9)である。 If it demonstrates according to the process at the time of specific sputtering, first, a board | substrate will be installed in a sputtering device and the inside of a sputtering device will be evacuated to about 7 * 10 <-4> Pa. Then, using tantalum as a target, sputtering is performed with a power of 250 W, a total gas pressure of Ar gas and oxygen gas of 3.3 Pa, and a set temperature of the substrate of 30 ° C. The film thickness is preferably 30 nm to 100 nm. When the oxygen partial pressure ratio is changed from 1% to 7%, the oxygen content in the tantalum oxide layer changes from about 40% (TaO 0.66 ) to about 70% (TaO 2.3 ). The composition of the tantalum oxide layer can be measured using Rutherford backscattering method. A preferable range is TaO x (0.8 ≦ x ≦ 1.9).

なお、成膜方法としては、スパッタリングだけでなく、CVD法やALD法等を用いてもよい。   As a film forming method, not only sputtering but also CVD method, ALD method, or the like may be used.

次に、一般的な半導体プロセスで用いられている露光プロセスとドライエッチング等を用いることで、図8(b)に示すように、この抵抗変化層16を、複数の下層配線15上に、複数の下層配線15と同形状にパターニングする。   Next, by using an exposure process and dry etching used in a general semiconductor process, a plurality of resistance change layers 16 are formed on a plurality of lower layer wirings 15 as shown in FIG. The lower layer wiring 15 is patterned in the same shape.

さらに、図8(c)に示すように、この複数の下層配線15と抵抗変化層16とを含む基板11上に、例えばCVD法を用いてTEOS−SiOからなる層間絶縁層17を形成する。なお、この層間絶縁層17としては、先述したように種々の材料を用いることができる。 Further, as shown in FIG. 8C, an interlayer insulating layer 17 made of TEOS-SiO 2 is formed on the substrate 11 including the plurality of lower layer wirings 15 and the resistance change layer 16 by using, for example, a CVD method. . As the interlayer insulating layer 17, various materials can be used as described above.

さらに、その後、図9(a)、(b)、(c)に示すように、抵抗変化層16上の層間絶縁層17に一定の配列ピッチでコンタクトホール26を形成する。このコンタクトホール26は、図9(a)から分かるように、複数の下層配線15とその上に形成された抵抗変化層16の幅より小さな外形としている。なお、図では四角形状としているが、円形状でも楕円形状でも、あるいはさらに他の形状であってもよい。   Further, thereafter, as shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C, contact holes 26 are formed in the interlayer insulating layer 17 on the resistance change layer 16 at a constant arrangement pitch. As can be seen from FIG. 9A, the contact hole 26 has an outer shape smaller than the width of the plurality of lower-layer wirings 15 and the resistance change layer 16 formed thereon. In the figure, a quadrangular shape is used, but it may be a circular shape, an elliptical shape, or another shape.

このコンタクトホール26を形成する際には、図9(b)に示すように、はじめに層間絶縁層17をドライエッチングによって除去する。このドライエッチングにはコンタクトホール形状の垂直性を向上させるために、例えば、CFやC、Cなどのフッ素系ガスを用いることが一般的である。 When forming the contact hole 26, as shown in FIG. 9B, first, the interlayer insulating layer 17 is removed by dry etching. For this dry etching, in order to improve the perpendicularity of the contact hole shape, for example, a fluorine-based gas such as CF 4 , C 4 F 6 , or C 5 F 8 is generally used.

しかし、前述のように、フッ素系エッチングガスを用いたドライエッチングにより、TaO層表層にフッ素が混入してしまう。 However, as described above, fluorine is mixed into the surface layer of the TaO x layer by dry etching using a fluorine-based etching gas.

そこで、さらに、Arなどの不活性ガスのみを用いたドライエッチングにより、コンタクトホール26底部に露出した領域の抵抗変化層16の表層を除去する。これにより、図9(c)に示すように、コンタクトホール底部に露出した領域の抵抗変化層が他の領域に比べて凹んだ形状になる。上記のプロセスにおいて、もちろんすべてのコンタクトホール26の形成を、不活性ガスのドライエッチを用いて行ってよいが、エッチレートやレジストとの選択比に問題があり、現実的ではない。   Therefore, the surface layer of the resistance change layer 16 in the region exposed at the bottom of the contact hole 26 is further removed by dry etching using only an inert gas such as Ar. As a result, as shown in FIG. 9C, the variable resistance layer in the region exposed at the bottom of the contact hole has a recessed shape as compared with other regions. In the above process, of course, all the contact holes 26 may be formed by using dry etching of an inert gas, but there are problems with the etching rate and the selectivity with the resist, which is not practical.

また、図3のSIMS結果から、TaO膜の表層から5nm未満の深さ領域にフッ素が混入することが読み取れる。したがって、不活性ガスを用いたドライエッチングにより、コンタクトホール底部に露出した領域の抵抗変化層16を表層から5nm以上、除去することが好ましい。 From the SIMS results in FIG. 3, it can be seen that fluorine is mixed into the depth region of less than 5 nm from the surface layer of the TaO x film. Therefore, it is preferable to remove the variable resistance layer 16 in the region exposed at the bottom of the contact hole by 5 nm or more from the surface layer by dry etching using an inert gas.

なお、抵抗変化層16としてTaOを用い、Arガスを用いたドライエッチングで除去する場合には、Ar流量を100sccm、チャンバー圧力を2.0Pa、RF電力を900Wとすると、TaO膜のエッチングレートは約60nm/min.である。 When TaO x is used as the resistance change layer 16 and is removed by dry etching using Ar gas, the TaO x film is etched when the Ar flow rate is 100 sccm, the chamber pressure is 2.0 Pa, and the RF power is 900 W. The rate is about 60 nm / min. It is.

次に、図10(a)に示すように、コンタクトホール26を含む層間絶縁層17上に、埋め込み電極19となる電極薄膜層19aを形成する。この電極薄膜層19aは、記憶部18の上部電極となるもので、抵抗変化層に適した電極材料で、本実施の形態では、Pt、Ir、Pd、TaNまたはCu等を用いる。   Next, as shown in FIG. 10A, an electrode thin film layer 19 a to be a buried electrode 19 is formed on the interlayer insulating layer 17 including the contact hole 26. The electrode thin film layer 19a serves as an upper electrode of the storage unit 18, and is an electrode material suitable for the resistance change layer. In this embodiment, Pt, Ir, Pd, TaN, Cu, or the like is used.

次に、図10(b)に示すように、CMPプロセスを用いて層間絶縁層17上の電極薄膜層19aを除去してコンタクトホール26中に埋め込み電極19を埋め込み形成する。なお、このように電極薄膜層19aを除去する方法としては、CMPだけでなくエッチバックする方法でもよい。   Next, as shown in FIG. 10B, the electrode thin film layer 19 a on the interlayer insulating layer 17 is removed using a CMP process, and the embedded electrode 19 is embedded in the contact hole 26. As a method for removing the electrode thin film layer 19a in this way, not only CMP but also an etch back method may be used.

次に、図11に示すように、埋め込み電極19に接続するように複数の上層配線20を形成する。この場合に、この複数の上層配線20は層間絶縁層17上に、少なくともコンタクトホール26より大きな形状で、かつ複数の下層配線15と交差するストライプ形状に形成する。複数の上層配線20として、複数の下層配線15と同様の材料を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 11, a plurality of upper layer wirings 20 are formed so as to be connected to the buried electrode 19. In this case, the plurality of upper layer wirings 20 are formed on the interlayer insulating layer 17 in a stripe shape that is at least larger than the contact hole 26 and intersects with the plurality of lower layer wirings 15. As the plurality of upper layer wirings 20, the same material as that of the plurality of lower layer wirings 15 can be used.

そして、この複数の上層配線20を形成するときに、埋め込み導体25も同時に形成し、この埋め込み導体25を介して半導体電極配線(図示せず)に接続し、図示しない位置に設けられている能動素子に電気的に接続する。   When the plurality of upper layer wirings 20 are formed, a buried conductor 25 is also formed at the same time, and is connected to a semiconductor electrode wiring (not shown) through the buried conductor 25 and is provided at a position not shown. Electrically connected to the element.

この後、複数の上層配線20を覆う絶縁保護層21を形成することで、図5に示すような不揮発性記憶装置100を製造することができる。   Thereafter, by forming an insulating protective layer 21 covering the plurality of upper layer wirings 20, the nonvolatile memory device 100 as shown in FIG. 5 can be manufactured.

なお、本実施の形態では抵抗変化層について下層配線と同形状にパターニングする例について説明したが、必ずしも同形状でなくても良い。すなわち、抵抗変化層は少なくともコンタクトホールに通じる部分及びその近傍に形成されていればよく、必ずしも下層配線上の全面に形成されている必要はない。また、下層配線あるいは埋め込み電極は、それぞれ単一の材料で構成される場合について説明したが、それぞれ積層構造にしてもよく、その場合、抵抗変化層に接する層に、前記電極に適した材料、例えばPtを配置し、その他の層に配線や埋め込み電極に適した材料、例えば配線にはCuやAlを、埋め込み電極にはWを配置する。   In the present embodiment, the example in which the variable resistance layer is patterned in the same shape as the lower layer wiring is described, but it is not necessarily required to have the same shape. That is, it is sufficient that the resistance change layer is formed at least in a portion communicating with the contact hole and in the vicinity thereof, and is not necessarily formed on the entire surface of the lower layer wiring. Further, the case where the lower layer wiring or the embedded electrode is formed of a single material has been described, but each may have a laminated structure, and in that case, a material suitable for the electrode may be formed on a layer in contact with the resistance change layer, For example, Pt is disposed, and materials suitable for wiring and embedded electrodes, for example, Cu and Al are disposed in the other layers, and W is disposed in the embedded electrodes.

(実施例)
本発明の実施の形態1に係る不揮発性記憶装置を実際に作製し、抵抗変化特性の測定を行った。
(Example)
A nonvolatile memory device according to Embodiment 1 of the present invention was actually fabricated, and resistance change characteristics were measured.

なお、複数の下層配線15はTiN、AlCuおよびTaNの積層構成、埋め込み電極19はPt、抵抗変化層16はTaO1.5、抵抗変化層16の膜厚は50nmとした。また、層間絶縁層17はTEOS−SiOを用いた。 The plurality of lower-layer wirings 15 are a laminated structure of TiN, AlCu, and TaN, the buried electrode 19 is Pt, the resistance change layer 16 is TaO 1.5 , and the thickness of the resistance change layer 16 is 50 nm. In addition, TEOS-SiO 2 was used for the interlayer insulating layer 17.

層間絶縁層を貫通して、抵抗変化層に接続するコンタクトホールをドライエッチングにより形成する際の条件は、層間絶縁層を除去する際には、C、OおよびArを17sccm/23sccm/500sccmの流量で使用し、チャンバー圧力2.7Pa、RF電力1800Wという条件で行った。コンタクトホール底部に露出した領域の抵抗変化層の表層の一部を除去する際には、Ar流量を100sccm、チャンバー圧力を2.0Pa、RF電力を900Wという条件で行い、抵抗変化層の表層を5nmの深さにまで除去した。 The conditions for forming the contact hole penetrating the interlayer insulating layer and connecting to the variable resistance layer by dry etching are as follows: when removing the interlayer insulating layer, C 5 F 8 , O 2 and Ar are 17 sccm / 23 sccm. The flow rate was / 500 sccm, and the chamber pressure was 2.7 Pa and the RF power was 1800 W. When removing a part of the surface layer of the variable resistance layer in the region exposed at the bottom of the contact hole, the flow rate of Ar is set to 100 sccm, the chamber pressure is set to 2.0 Pa, and the RF power is set to 900 W. Removal to a depth of 5 nm.

以後、作製した抵抗変化特性の測定結果について述べる。   Hereinafter, the measurement results of the manufactured resistance change characteristics will be described.

図12は上記プロセスにより作製された抵抗変化装置に対して電気的パルスを加えた時の抵抗変化の測定結果である。横軸は加えた電気的なパルスの数であり、縦軸は抵抗値である。また測定時に加えた電気的パルスは、下部電極を基準として上部電極を1.8Vと−1.8Vとし、パルス幅は100nsとした。   FIG. 12 shows measurement results of resistance change when an electrical pulse is applied to the resistance change device manufactured by the above process. The horizontal axis is the number of applied electrical pulses, and the vertical axis is the resistance value. The electrical pulse applied during the measurement was 1.8 V and −1.8 V for the upper electrode with the lower electrode as a reference, and the pulse width was 100 ns.

図12の結果から、低抵抗状態のメモリセル抵抗はおよそ200Ωを示し、ばらつきが小さいことが分かる。また、高抵抗状態のセル抵抗は所望の値である10E+6〜10E+7Ωになっている。そして、抵抗変化動作に関しても、低抵抗状態から高抵抗状態、さらに低抵抗状態へと交互に繰り返し変化しており、安定に動作を示すことが確認された。   From the result of FIG. 12, it can be seen that the resistance of the memory cell in the low resistance state is about 200Ω, and the variation is small. The cell resistance in the high resistance state is a desired value of 10E + 6 to 10E + 7Ω. As for the resistance change operation, it was confirmed that the resistance change operation was repeated alternately from the low resistance state to the high resistance state and further to the low resistance state, and the operation was stable.

したがって、本発明の特徴である抵抗変化層の表層に形成されたフッ素混入層を除去する工程を追加することで、フッ素混入層を除去しなかった場合の測定結果(図2)と比較して、飛躍的に抵抗変化特性が向上した。   Therefore, by adding a step of removing the fluorine-containing layer formed on the surface layer of the variable resistance layer, which is a feature of the present invention, compared with the measurement result (FIG. 2) when the fluorine-containing layer is not removed. The resistance change characteristics have improved dramatically.

このように、微細化かつ大容量化に適したコンタクトホールを用いたメモリセル構造において、コンタクトホールのドライエッチングなどの製造工程によって、抵抗変化層の表層に抵抗変化特性を劣化させる変質層が形成されるという課題があることが分かった。そこで、本発明の不揮発性記憶装置および製造方法では、抵抗変化層の表層に形成される変質層を、不活性ガスのみを用いたドライエッチングによって除去することで、変質層の介在によるセル抵抗の超高抵抗化や抵抗変化動作不良を改善でき、セル抵抗を所望の抵抗値に制御しやすく、かつ安定した抵抗変化動作が可能な不揮発性記憶装置を実現できるという大きな効果を奏する。   In this way, in a memory cell structure using contact holes suitable for miniaturization and large capacity, an altered layer that deteriorates resistance change characteristics is formed on the surface of the resistance change layer by a manufacturing process such as dry etching of contact holes. It turns out that there is a problem of being done. Therefore, in the nonvolatile memory device and the manufacturing method of the present invention, the altered layer formed on the surface layer of the variable resistance layer is removed by dry etching using only an inert gas, so that the cell resistance caused by the altered layer is reduced. There is a great effect that it is possible to realize a non-volatile memory device that can improve the ultrahigh resistance and the resistance change operation failure, can easily control the cell resistance to a desired resistance value, and can perform a stable resistance change operation.

(第2の実施の形態)
図13は、本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶装置200の構成を説明する図で、(a)は断面図、(b)は記憶部18と非オーミック性素子27の構成を示すための要部の部分の拡大断面図である。
(Second Embodiment)
13A and 13B are diagrams for explaining the configuration of the nonvolatile memory device 200 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 13A is a cross-sectional view, and FIG. 13B is a configuration of the memory unit 18 and the non-ohmic element 27. It is an expanded sectional view of the part of the important part for showing.

本実施の形態の不揮発性記憶装置200は、第1の実施の形態の不揮発性記憶装置100と基本構成は同じであるが、記憶部18と直列に接続する非オーミック性素子27を備え、複数の下層配線15と抵抗変化層16を含む基板11上の層間絶縁層17が2層構成からなることが特徴である。   The non-volatile storage device 200 according to the present embodiment has the same basic configuration as the non-volatile storage device 100 according to the first embodiment, but includes a non-ohmic element 27 connected in series with the storage unit 18. The interlayer insulating layer 17 on the substrate 11 including the lower wiring 15 and the resistance change layer 16 has a two-layer structure.

また、本実施の形態の不揮発性記憶素子の製造方法は、基本的なプロセスは実施の形態1の不揮発性記憶素子の製造方法と共通するので、その共通するプロセスは省略もしくは簡略化して説明する。   In addition, since the basic process of the method for manufacturing a nonvolatile memory element of this embodiment is the same as that of the method of manufacturing the nonvolatile memory element of Embodiment 1, the common process is omitted or simplified. .

非オーミック性素子27としては、半導体層とこの半導体層を挟む金属電極体層との3層の積層構成からなるMSMダイオード、絶縁体層とこの絶縁体層を挟む金属電極体層との3層の積層構成からなるMIMダイオード、p型半導体とn型半導体との2層の積層構成からなるpn接合ダイオード、または半導体層と金属電極体層との2層の積層構成からなるショットキーダイオードのいずれかを用いるとよい。   As the non-ohmic element 27, an MSM diode having a three-layer structure including a semiconductor layer and a metal electrode layer sandwiching the semiconductor layer, three layers of an insulator layer and a metal electrode layer sandwiching the insulator layer Any one of a MIM diode having a stacked structure of p, a pn junction diode having a stacked structure of two layers of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, or a Schottky diode having a stacked structure of two layers of a semiconductor layer and a metal electrode layer. It is good to use.

抵抗変化層に対して直列に非オーミック性素子を挿入することにより、クロスポイント型ReRAMの場合には、クロスした交点に形成されている抵抗変化層の抵抗値の読み取りや書き込み時のクロストークを減少することができる。   By inserting a non-ohmic element in series with the variable resistance layer, in the case of a cross-point type ReRAM, crosstalk at the time of reading and writing the resistance value of the variable resistance layer formed at the crossing intersection is performed. Can be reduced.

次に、図14から図16を用いて、本実施の形態の製造方法について説明する。なお、図14から図16においては、図面の簡単化のために半導体層間絶縁層14から上部の構成のみを示している。   Next, the manufacturing method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 14 to 16, only the structure above the semiconductor interlayer insulating layer 14 is shown for simplification of the drawings.

図14は、半導体層間絶縁層14上に、スパッタリングと露光プロセス、エッチングプロセスによって複数の下層配線15と抵抗変化層16とをストライプ形状に形成し、さらにその上に2層構成からなる層間絶縁層17を形成し、その層間絶縁層17にコンタクトホール26を形成するまでの工程を示す図で、(a)は層間絶縁層14上にストライプ形状の複数の下層配線15と抵抗変化層16を形成した状態の断面図で、(b)はその上に2層構成からなる層間絶縁膜17を形成した状態の断面図、(c)はドライエッチングを用いて、2層構成からなる層間絶縁層17を除去し、抵抗変化層16が露出するところまでコンタクトホール26を形成した状態の断面図、(d)はさらに前述のArなどの不活性ガスを用いたドライエッチングによって、コンタクトホール26底部に露出した抵抗変化層16の表層の一部を除去した状態の断面図である。   In FIG. 14, a plurality of lower layer wirings 15 and variable resistance layers 16 are formed in a stripe shape on a semiconductor interlayer insulating layer 14 by sputtering, exposure process, and etching process, and further an interlayer insulating layer having a two-layer structure thereon. 17A and 17B are diagrams showing a process until a contact hole 26 is formed in the interlayer insulating layer 17. FIG. 9A shows a plurality of stripe-shaped lower layer wirings 15 and a resistance change layer 16 formed on the interlayer insulating layer 14. (B) is a cross-sectional view of a state in which an interlayer insulating film 17 having a two-layer structure is formed thereon, and (c) is an interlayer insulating layer 17 having a two-layer structure using dry etching. FIG. 6D is a cross-sectional view of the state where the contact hole 26 is formed until the variable resistance layer 16 is exposed, and FIG. 4D is a dry etch using an inert gas such as Ar as described above. By a cross-sectional view of a state in which to remove a portion of the surface layer of the resistance variable layer 16 exposed in the contact hole 26 bottom.

図15は、コンタクトホール26中に埋め込み電極19を埋め込み形成する工程を示す図で、(a)はコンタクトホール26を含む層間絶縁膜17上に埋め込み電極19となる電極薄膜層19aを形成した状態の断面図、(b)はCMPにより層間絶縁層17上の電極薄膜層19aを除去した状態の断面図、(c)はコンタクトホール26中の埋め込み電極19をさらにオーバポリッシュして表層側に凹部を形成した状態の断面図である。   FIG. 15 is a diagram illustrating a process of embedding and forming the buried electrode 19 in the contact hole 26. FIG. 15A shows a state in which the electrode thin film layer 19a to be the buried electrode 19 is formed on the interlayer insulating film 17 including the contact hole 26. (B) is a cross-sectional view of the state in which the electrode thin film layer 19a on the interlayer insulating layer 17 has been removed by CMP, and (c) is a state in which the embedded electrode 19 in the contact hole 26 is further overpolished and a recess is formed on the surface layer side. It is sectional drawing of the state which formed.

図16は、コンタクトホール26中の埋め込み電極19上に、非オーミック性素子27の一部となる下部電極28を埋め込み形成し、さらに下部電極28を含む層間絶縁層17上に非オーミック性素子27の一部となる半導体層29と上部電極30、および複数の上層配線20を積層形成するまでの工程を示す図で、(a)はコンタクトホール26を含む層間絶縁膜17上に非オーミック性素子27の下部電極28となる電極薄膜層28aを形成した状態の断面図、(b)はCMPにより層間絶縁層17上の電極薄膜層28aを除去した状態の断面図、(c)は下部電極28を含む層間絶縁層17上に非オーミック性素子27の一部となる半導体層29と上部電極30、および複数の上層配線20を積層形成した状態の断面図である。   In FIG. 16, a lower electrode 28 which is a part of the non-ohmic element 27 is embedded on the embedded electrode 19 in the contact hole 26, and the non-ohmic element 27 is further formed on the interlayer insulating layer 17 including the lower electrode 28. FIG. 6A is a diagram illustrating a process until a semiconductor layer 29 and a top electrode 30 which are a part of the semiconductor layer 29 and a plurality of upper layer wirings 20 are stacked, and FIG. 9A illustrates a non-ohmic element on the interlayer insulating film 17 including the contact hole 26. 27 is a cross-sectional view in a state in which an electrode thin film layer 28a to be a lower electrode 28 is formed, FIG. 5B is a cross-sectional view in a state in which the electrode thin film layer 28a on the interlayer insulating layer 17 is removed by CMP, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a state in which a semiconductor layer 29, an upper electrode 30, and a plurality of upper layer wirings 20 as a part of a non-ohmic element 27 are stacked on an interlayer insulating layer 17 including

はじめに、図14(a)に示すように、半導体層間絶縁層14上に、複数の下層配線15と抵抗変化層16とをストライプ形状に形成し、さらに、図14(b)に示すように、CVD法等を用いて、例えばTEOS−SiO等からなる第一層間絶縁層17aと、このTEOS−SiOよりもCMPにおいて研磨されにくい膜種、例えばSiONからなる第二層間絶縁層17bを積層形成する。この第一層間絶縁層17aと第二層間絶縁層17bとにより層間絶縁層17を構成している。第二層間絶縁層17bは、CMPプロセスにおけるストッパとして作用し、この第二層間絶縁層17bを形成することで、後の埋め込み電極19および下部電極28をコンタクトホール26中に埋め込み形成する際のCMPプロセスを容易に、かつ確実に行うことができる。 First, as shown in FIG. 14A, a plurality of lower-layer wirings 15 and resistance change layers 16 are formed in a stripe shape on the semiconductor interlayer insulating layer 14, and as shown in FIG. 14B, Using a CVD method or the like, a first interlayer insulating layer 17a made of, for example, TEOS-SiO 2 and a film type that is harder to polish in CMP than TEOS-SiO 2 , for example, a second interlayer insulating layer 17b made of SiON are formed. Laminate. The first interlayer insulating layer 17a and the second interlayer insulating layer 17b constitute an interlayer insulating layer 17. The second interlayer insulating layer 17b acts as a stopper in the CMP process. By forming the second interlayer insulating layer 17b, the CMP when the embedded electrode 19 and the lower electrode 28 are embedded in the contact hole 26 later is formed. The process can be performed easily and reliably.

次に、図14(c)、(d)に示すように、層間絶縁層17に一定の配列ピッチで抵抗変化層16に接続するためのコンタクトホール26を形成する。このコンタクトホール26は、複数の下層配線15と抵抗変化層16の幅より小さな外形としており、図9から図11で説明した形状と同じである。   Next, as shown in FIGS. 14C and 14D, contact holes 26 for connecting to the resistance change layer 16 are formed in the interlayer insulating layer 17 at a constant arrangement pitch. The contact hole 26 has an outer shape smaller than the width of the plurality of lower wirings 15 and the resistance change layer 16 and is the same as the shape described in FIGS.

このコンタクトホール26を形成する工程においても、コンタクトホール形状の垂直性を確保するためにフッ素系ガスによるドライエッチングを用いることが一般的であり、図14(c)に示すように、第二層間絶縁層17b、および第一層間絶縁層17aはフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより除去し、抵抗変化層16が露出するところまでコンタクトホール26を形成する。   Also in the step of forming the contact hole 26, it is common to use dry etching with a fluorine-based gas in order to ensure the perpendicularity of the contact hole shape. As shown in FIG. The insulating layer 17b and the first interlayer insulating layer 17a are removed by dry etching using a fluorine-based gas, and the contact hole 26 is formed until the variable resistance layer 16 is exposed.

さらに、図14(d)に示すように、Arなどの不活性ガスを用いたドライエッチングにより、コンタクトホール26底部に露出した抵抗変化層16の表層の一部を除去する。   Further, as shown in FIG. 14D, a part of the surface layer of the resistance change layer 16 exposed at the bottom of the contact hole 26 is removed by dry etching using an inert gas such as Ar.

次に、図15(a)に示すように、コンタクトホール26を含む層間絶縁層17上に、埋め込み電極19となる電極薄膜層19aを形成する。この電極薄膜層19aは、本実施の形態では記憶部18の上部電極となるもので、Pt、Ir、Pd、TaNおよびCuなどを用いることができる。   Next, as shown in FIG. 15A, an electrode thin film layer 19 a to be a buried electrode 19 is formed on the interlayer insulating layer 17 including the contact hole 26. The electrode thin film layer 19a serves as an upper electrode of the storage unit 18 in the present embodiment, and Pt, Ir, Pd, TaN, Cu, or the like can be used.

次に、図15(b)に示すように、CMPプロセスを用いて層間絶縁層17上の電極薄膜層19aを除去してコンタクトホール26中に埋め込み電極19を埋め込み形成する。この場合に、層間絶縁層17には、第二層間絶縁層17bが設けられているので、この第二層間絶縁層17bがCMPのストッパとして有効に作用し、層間絶縁層17がほとんど研磨されずに電極薄膜層19aのみを確実に除去することができる。なお、このように層間絶縁層17上の電極薄膜層19aを除去し、埋め込み電極19を埋め込み形成する方法としては、CMPでなくエッチバックを用いてもよい。   Next, as shown in FIG. 15B, the electrode thin film layer 19 a on the interlayer insulating layer 17 is removed by using a CMP process, and the embedded electrode 19 is embedded in the contact hole 26. In this case, since the second interlayer insulating layer 17b is provided in the interlayer insulating layer 17, the second interlayer insulating layer 17b effectively functions as a CMP stopper, and the interlayer insulating layer 17 is hardly polished. In addition, only the electrode thin film layer 19a can be reliably removed. As a method of removing the electrode thin film layer 19a on the interlayer insulating layer 17 and embedding the buried electrode 19 in this way, etch back may be used instead of CMP.

その後、図15(c)に示すように、さらにオーバポリッシュを行うことで、コンタクトホール26中の埋め込み電極19の表層側の一部を除去する。このオーバポリッシュ時においても、第二層間絶縁層17bを設けていることで層間絶縁層17はほとんど研磨されることがない。なお、このように埋め込み電極19の一部を除去する方法としては、オーバポリッシュだけでなくエッチバックする方法でもよい。   Thereafter, as shown in FIG. 15C, further overpolishing is performed to remove a part of the buried electrode 19 in the contact hole 26 on the surface layer side. Even during this overpolishing, the second interlayer insulating layer 17b is provided so that the interlayer insulating layer 17 is hardly polished. In addition, as a method of removing a part of the embedded electrode 19 in this way, not only over-polishing but also a method of etching back may be used.

次に、図16(a)に示すように、コンタクトホール26を含めて層間絶縁層17上に、非オーミック性素子27の下部電極28となる電極薄膜層28aを形成する。本実施の形態においては、電極薄膜層28aとしてTaN、TiNまたはWをスパッタリングにより形成した。   Next, as shown in FIG. 16A, an electrode thin film layer 28 a to be the lower electrode 28 of the non-ohmic element 27 is formed on the interlayer insulating layer 17 including the contact hole 26. In the present embodiment, TaN, TiN, or W is formed by sputtering as the electrode thin film layer 28a.

次に、図16(b)に示すように、CMPプロセスを用いて層間絶縁層17上の電極薄膜層28aを除去して、コンタクトホール26中に下部電極28を埋め込み形成する。この場合にも、層間絶縁層17には、第二層間絶縁層17bが設けられているので、この第二層間絶縁層17bがCMPプロセスにおけるストッパとして有効に作用し、層間絶縁層17はほとんど研磨されずに電極薄膜層28aのみを確実に除去することができる。   Next, as shown in FIG. 16B, the electrode thin film layer 28 a on the interlayer insulating layer 17 is removed using a CMP process, and the lower electrode 28 is embedded in the contact hole 26. Also in this case, since the second interlayer insulating layer 17b is provided in the interlayer insulating layer 17, this second interlayer insulating layer 17b effectively acts as a stopper in the CMP process, and the interlayer insulating layer 17 is almost polished. Accordingly, it is possible to reliably remove only the electrode thin film layer 28a.

次に、図16(c)に示すように、層間絶縁層17上に、下部電極28に接続するように非オーミック性素子27の一部となる半導体層29と上部電極30を積層形成し、さらに、非オーミック性素子27上に複数の上層配線20を形成する。本実施の形態では、半導体層29と上部電極30、および複数の上層配線20を複数の下層配線15と交差するストライプ形状に形成している。また、本実施の形態では、上部電極30としてTaN、TiNまたはWを用い、上層配線20には下層配線15と同様の材料を用いることができる。また、半導体層29として窒素不足型シリコン窒化物(SiN)を用い、半導体層29とそれを挟む下部電極28と上部電極30とによりMSMダイオードを形成している。 Next, as shown in FIG. 16C, a semiconductor layer 29 and a top electrode 30 that are part of the non-ohmic element 27 are stacked on the interlayer insulating layer 17 so as to be connected to the bottom electrode 28. Further, a plurality of upper layer wirings 20 are formed on the non-ohmic element 27. In the present embodiment, the semiconductor layer 29, the upper electrode 30, and the plurality of upper layer wirings 20 are formed in a stripe shape intersecting with the plurality of lower layer wirings 15. In the present embodiment, TaN, TiN, or W can be used for the upper electrode 30, and the same material as the lower layer wiring 15 can be used for the upper layer wiring 20. Also, nitrogen-deficient silicon nitride (SiN x) used as the semiconductor layer 29, forms a MSM diode by the semiconductor layer 29 and the lower electrode 28 and upper electrode 30 which sandwich it.

なお、このような半導体特性を有するSiN膜は、例えばSiターゲットを用いた窒素ガス雰囲気中でのリアクティブスパッタリングにより形成することができる。例えば、室温条件で、チャンバーの圧力を0.1Paとし、Ar/N流量を13sccm/2sccmとして作製すれば、x=0.34のSiN膜を成膜することができる。 Note that the SiN x film having such semiconductor characteristics can be formed by reactive sputtering in a nitrogen gas atmosphere using a Si target, for example. For example, if the chamber pressure is 0.1 Pa and the Ar / N 2 flow rate is 13 sccm / 2 sccm at room temperature, an SiN x film with x = 0.34 can be formed.

半導体特性を有するSiNを上記の条件で、かつ16nmの厚みで作製した場合には、1.6Vの電圧印加で2.5×10A/cmの電流密度が得られ、0.8Vの電圧印加では5×10A/cmの電流密度が得られる。したがって、これらの電圧を基準として用いる場合には、オン/オフ比は5となり、不揮発性記憶装置の非オーミック性素子として充分使用可能である。 When SiN x having semiconductor characteristics is produced under the above conditions and with a thickness of 16 nm, a current density of 2.5 × 10 3 A / cm 2 is obtained by applying a voltage of 1.6 V, and 0.8 V When the voltage is applied, a current density of 5 × 10 2 A / cm 2 is obtained. Therefore, when these voltages are used as a reference, the on / off ratio is 5, which can be sufficiently used as a non-ohmic element of a nonvolatile memory device.

このような工程により、複数の下層配線15、抵抗変化層16および埋め込み電極19により記憶部18が構成され、下部電極28、半導体層29および上部電極30により非オーミック性素子27が構成される。さらに、その後、複数の上層配線20を保護するための絶縁保護層(図示せず)を形成する。これにより、本実施の形態の製造方法による不揮発性記憶装置を作製することができる。   Through such a process, the storage unit 18 is configured by the plurality of lower-layer wirings 15, the resistance change layer 16, and the embedded electrode 19, and the non-ohmic element 27 is configured by the lower electrode 28, the semiconductor layer 29, and the upper electrode 30. Further, after that, an insulating protective layer (not shown) for protecting the plurality of upper layer wirings 20 is formed. Thereby, the nonvolatile memory device by the manufacturing method of this embodiment can be manufactured.

本発明の不揮発性記憶装置は、大容量化が可能なクロスポイント型メモリであるので、不揮発性記憶装置を用いる種々の電子機器分野に有用である。   Since the nonvolatile memory device of the present invention is a cross-point type memory capable of increasing the capacity, it is useful in various electronic equipment fields using the nonvolatile memory device.

100,200 不揮発性記憶装置(ReRAM)
11 基板
12 能動素子
12a ソース領域
12b ドレイン領域
12c ゲート絶縁膜
12d ゲート電極
13,14 半導体層間絶縁層
15 下層配線
15a 配線溝
16 抵抗変化層
16a 抵抗薄膜層
17 層間絶縁層
17a 第一層間絶縁層
17b 第二層間絶縁層
18 記憶部
19 埋め込み電極
19a 電極薄膜層
20 上層配線
21 絶縁保護層
22,23,25 埋め込み導体
22a コンタクトホール
24 配線
26 コンタクトホール
27 非オーミック性素子
28 下部電極
29 半導体層
30 上部電極
100,200 Nonvolatile memory device (ReRAM)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Active element 12a Source region 12b Drain region 12c Gate insulating film 12d Gate electrode 13, 14 Semiconductor interlayer insulating layer 15 Lower layer wiring 15a Wiring groove 16 Resistance change layer 16a Resistance thin film layer 17 Interlayer insulating layer 17a First interlayer insulating layer 17b Second interlayer insulating layer 18 Storage portion 19 Embedded electrode 19a Electrode thin film layer 20 Upper layer wiring 21 Insulating protective layer 22, 23, 25 Embedded conductor 22a Contact hole 24 Wiring 26 Contact hole 27 Non-ohmic element 28 Lower electrode 29 Semiconductor layer 30 Upper electrode

Claims (8)

配線層上に酸素不足型の遷移金属型酸化物を含む抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をフッ素化合物ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングによって、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール底部に露出した前記抵抗変化層の表層の一部を、不活性ガスを用いたドライエッチングによって除去する工程と、
前記コンタクトホール中に埋め込み電極を形成する工程と、
を備えた不揮発性記憶装置の製造方法。
Forming a resistance change layer including an oxygen-deficient transition metal oxide on the wiring layer;
Forming an interlayer insulating film on the variable resistance layer;
Forming a contact hole in the interlayer insulating film by dry etching using an etching gas containing a fluorine compound gas;
Removing a part of the surface layer of the variable resistance layer exposed at the bottom of the contact hole by dry etching using an inert gas;
Forming a buried electrode in the contact hole;
A method for manufacturing a non-volatile memory device comprising:
基板上に下層配線を形成する工程(A)と、
前記複数の下層配線上の少なくとも一部に、酸素不足型の遷移金属酸化物を含む抵抗変化層を形成する工程(B)と、
前記複数の下層配線と前記抵抗変化層とを含む前記基板上に層間絶縁層を形成する工程(C)と、
少なくともフッ素化合物ガスを含むエッチングガスを用いたドライエッチングによって、
前記層間絶縁層を貫通して、前記抵抗変化層に接続するようにコンタクトホールを形成する工程(D)と、
前記コンタクトホール底部に露出した前記抵抗変化層の表層の一部を、不活性ガスを用いたドライエッチングによって除去する工程(E)と、
前記コンタクトホール内に、前記抵抗変化層に接続する埋め込み電極を形成する工程(F)と、
前記層間絶縁層上に前記埋め込み電極に接続し、前記下層配線に交差する上層配線を形成する工程(G)と
を含むことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
Forming a lower layer wiring on the substrate (A);
Forming a resistance change layer containing an oxygen-deficient transition metal oxide on at least a part of the plurality of lower-layer wirings (B);
Forming an interlayer insulating layer on the substrate including the plurality of lower-layer wirings and the resistance change layer;
By dry etching using an etching gas containing at least a fluorine compound gas,
Forming a contact hole so as to penetrate the interlayer insulating layer and connect to the variable resistance layer (D);
Removing a part of the surface layer of the variable resistance layer exposed at the bottom of the contact hole by dry etching using an inert gas;
Forming a buried electrode connected to the variable resistance layer in the contact hole (F);
And (G) forming an upper layer wiring connected to the buried electrode and intersecting the lower layer wiring on the interlayer insulating layer.
前記工程(B)において、前記下層配線上に、前記抵抗変化層を前記下層配線と同形状に形成することを特徴とする請求項2に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。 3. The method of manufacturing a nonvolatile memory device according to claim 2, wherein, in the step (B), the variable resistance layer is formed on the lower layer wiring in the same shape as the lower layer wiring. 前記工程(F)後に、前記埋め込み電極と前記上層配線との間に非オーミック性素子を形成する工程(H)をさらに含むことを特徴とする請求項1または請求項3に記載の不揮発性記憶装置の製造方法。 The nonvolatile memory according to claim 1, further comprising a step (H) of forming a non-ohmic element between the buried electrode and the upper layer wiring after the step (F). Device manufacturing method. 配線上に形成された酸素不足型の遷移金属型酸化物層を含む抵抗変化層と、
前記抵抗変化層上に形成されたコンタクトホールを有する層間絶縁膜とを有し、
前記コンタクトホールは前記抵抗変化層に通じており、
前記コンタクトホールの底部と接する領域における前記抵抗変化層の厚さが前記コンタクトホールの底部と接する領域以外の領域における前記抵抗変化層の厚さよりも薄く形成されている不揮発性記憶装置。
A resistance change layer including an oxygen-deficient transition metal oxide layer formed on the wiring;
An interlayer insulating film having a contact hole formed on the variable resistance layer;
The contact hole leads to the variable resistance layer;
The nonvolatile memory device, wherein a thickness of the variable resistance layer in a region in contact with the bottom of the contact hole is thinner than a thickness of the variable resistance layer in a region other than a region in contact with the bottom of the contact hole.
基板と、
前記基板上に形成された下層配線と、
前記下層配線上の少なくとも一部に形成された抵抗変化層と、
前記下層配線と前記抵抗変化層とを含む前記基板上に形成された層間絶縁層と、
前記層間絶縁層を貫通して、前記抵抗変化層に接続するように形成されたコンタクトホールと、
前記抵抗変化層に接続し、前記コンタクトホール内に形成された埋め込み電極と、
前記層間絶縁層上に、前記埋め込み電極に接続し、前記下層配線に対して交差する上層配線とを備え、
前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物を含み、かつ前記コンタクトホールと接続する領域の前記抵抗変化層の表層部分が前記コンタクトホールと接続する領域以外の領域の前記抵抗変化層の表層部分に比べて凹んだ形状になっていることを特徴とする不揮発性記憶装置。
A substrate,
A lower layer wiring formed on the substrate;
A resistance change layer formed on at least a part of the lower layer wiring;
An interlayer insulating layer formed on the substrate including the lower layer wiring and the resistance change layer;
A contact hole formed through the interlayer insulating layer and connected to the resistance change layer;
A buried electrode connected to the variable resistance layer and formed in the contact hole;
An upper layer wiring connected to the buried electrode and intersecting the lower layer wiring on the interlayer insulating layer,
The variable resistance layer includes an oxygen-deficient transition metal oxide, and a surface layer portion of the variable resistance layer in a region other than a region where a surface layer portion of the variable resistance layer in a region connected to the contact hole is connected to the contact hole A non-volatile memory device characterized by having a concave shape as compared with a portion.
前記抵抗変化層が、前記下層配線上において、前記下層配線と同形状に形成されていることを特徴とする請求項6に記載の不揮発性記憶装置。 The nonvolatile memory device according to claim 6, wherein the variable resistance layer is formed in the same shape as the lower layer wiring on the lower layer wiring. 前記埋め込み電極と前記上層配線との間に非オーミック性素子をさらに備えることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の不揮発性記憶装置。 The nonvolatile memory device according to claim 6, further comprising a non-ohmic element between the embedded electrode and the upper layer wiring.
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