JP2013038279A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Masayuki Terai
真之 寺井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with excellent reliability.SOLUTION: A resistance-change-type nonvolatile memory device 100 includes a semiconductor substrate, a metal layer, a lower electrode, a resistance change layer, an upper electrode, and a spacer part. The metal layer (metal adhesion layer 142) is provided above the semiconductor substrate 102. The lower electrode 144 is provided on the metal adhesion layer 142 and is connected to the metal adhesion layer 142. The upper electrode 148 is located above the lower electrode 144 and is provided at a position facing the lower electrode 144. The resistor change layer 146 is provided between the lower electrode 144 and the upper electrode 148, and extends closer to an outside than to a region in which the lower electrode 144 and the upper electrode 148 are overlapped. The spacer part 150 is provided between the portion extending toward the outside of the resistor change layer 146 and the metal adhesion layer 142.

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

不揮発性メモリの分野においては、フラッシュメモリを筆頭に、強誘電体メモリ(FeRAM)、MRAM(magnetic RAM)、OUM(Ovonic Unified Memory)等の研究が盛んである。 In the field of non-volatile memories, researches such as ferroelectric memories (FeRAM), MRAMs (magnetic RAMs), OUMs (Ovonic Unified Memory), etc. are actively conducted with flash memories at the top.

最近、これらの従来の不揮発性メモリと異なる抵抗変化型不揮発メモリ(抵抗変化型不揮発メモリ素子: resistance RAM)が提案されている(非特許文献1)。この抵抗変化型不揮発メモリは、電圧パルスの印加によってメモリセルの抵抗変化層の抵抗値を設定することにより情報を書き込むことができ、かつ情報の非破壊読み出しを行うことができる不揮発性メモリである。また、抵抗変化型不揮発メモリは、セル面積が小さく、多値化が可能なことから、既存の不揮発性メモリをしのぐ可能性を有する。非特許文献1の抵抗変化層としてはPCMO(Pr0.7Ca0.3MnO)及びYBCO(YBaCu)が用いられている。抵抗変化型不揮発性メモリについては他の提案もなされている(非特許文献2、非特許文献3)。非特許文献2では、抵抗変化層として約50nmの多結晶NiOx(x=1〜1.5)が用いられており、上部電極に正の電圧を印加することで、低抵抗状態もしくは高抵抗状態に変化することが述べられている。非特許文献3では、抵抗変化層に80nmの微結晶TiOが用いられている。
また、非特許文献4及び非特許文献5には、抵抗変化型不揮発メモリ素子のスイッチンッグ原理が記載されている。
Recently, a resistance variable nonvolatile memory (resistance variable nonvolatile memory element: resistance RAM) different from these conventional nonvolatile memories has been proposed (Non-patent Document 1). This variable resistance nonvolatile memory is a nonvolatile memory in which information can be written and non-destructive reading of information can be performed by setting the resistance value of the variable resistance layer of the memory cell by applying a voltage pulse. . In addition, since the resistance change type nonvolatile memory has a small cell area and can be multi-valued, it has a possibility of surpassing existing nonvolatile memories. PCMO (Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 ) and YBCO (YBa 2 Cu 3 O y ) are used as the resistance change layer of Non-Patent Document 1. Other proposals have been made for variable resistance nonvolatile memories (Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). In Non-Patent Document 2, approximately 50 nm of polycrystalline NiOx (x = 1 to 1.5) is used as the resistance change layer. By applying a positive voltage to the upper electrode, the low resistance state or the high resistance state is applied. It is stated that it changes. In Non-Patent Document 3, 80 nm microcrystalline TiO 2 is used for the variable resistance layer.
Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 describe the switching principle of a variable resistance nonvolatile memory element.

また、特許文献1の図2及び特許文献2の図27には、従来の不揮発性メモリの構造が記載されている。この不揮発性メモリは、下部電極層、抵抗変化層及び上部電極層がこの順で積層した構造を有する。これらの各層の側壁は一面を構成することが記載されている。   Further, FIG. 2 of Patent Document 1 and FIG. 27 of Patent Document 2 describe the structure of a conventional nonvolatile memory. This nonvolatile memory has a structure in which a lower electrode layer, a resistance change layer, and an upper electrode layer are laminated in this order. It is described that the side walls of these layers constitute one surface.

特許文献1の技術は、配線と下部電極とを一体化することにより、従来の不揮発性メモリの製造プロセスを簡略化することを目的としている。すなわち、同文献の技術は、配線層の表面に抵抗変化層を形成することにより、この配線を不揮発性メモリの下部電極として利用している。このような抵抗変化層は、配線層の表面を酸化して形成されることが記載されている。   The technique of Patent Document 1 aims to simplify the manufacturing process of a conventional nonvolatile memory by integrating a wiring and a lower electrode. That is, the technique of this document uses this wiring as a lower electrode of a nonvolatile memory by forming a resistance change layer on the surface of the wiring layer. It is described that such a resistance change layer is formed by oxidizing the surface of the wiring layer.

また、特許文献2には、後述の手法により、溝の側壁部分で遷移金属酸化物膜(抵抗変化層)を薄層化できるので、従来の不揮発性メモリの特性のバラツキを抑制することができると記載されている。ここで、抵抗変化層の薄層化は次の工程により実施される。すなわち、まず、層間絶縁膜に溝を形成する。次いで、配線上とともに溝内部に、バリアメタル膜、下部電極、抵抗変化層及び上部電極を成膜する。このとき、下部電極及び上部電極を基板の上面に対して斜め上方からスパッタして成膜することで、溝部内部に成膜されない影の部分を作りながら成膜を行う。   Further, in Patent Document 2, since the transition metal oxide film (resistance change layer) can be thinned at the side wall portion of the groove by a method described later, variations in characteristics of the conventional nonvolatile memory can be suppressed. It is described. Here, the resistance change layer is thinned by the following steps. That is, first, a trench is formed in the interlayer insulating film. Next, a barrier metal film, a lower electrode, a resistance change layer, and an upper electrode are formed on the wiring and in the trench. At this time, the lower electrode and the upper electrode are formed by sputtering from the oblique upper side with respect to the upper surface of the substrate, thereby forming a film while forming a shadow portion that is not formed in the groove.

特開2009−117668号公報JP 2009-117668 A 特開2009−295842号公報JP 2009-295842 A

W.W.Zhuang et al., Novell Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory(RRAM), IEDM, 論文番号7.5, pp.193−196, 2002.W. W. Zhuang et al. , Novell Colossal Magnetosensitive Thin Film Nonvolatile Resilience Random Access Memory (RRAM), IEDM, Paper No. 7.5, pp. 193-196, 2002. G.−S. Park et.al., Observation of electric−field induced Ni filament channels in polycrystalline NiOx film, APL、Vol.91、pp.222103、2007G. -S. Park et. al. , Observation of electric-field induced Ni filament channels in polycrystalline NiOx film, APL, Vol. 91, pp. 222103, 2007 C. Yoshida et. al., High speed resistive switching in Pt/TiO2/TiN film for nonvolatile memory application, APL、 Vol. 91、 pp.223510、2007C. Yoshida et. al. , High speed reactive switching in Pt / TiO2 / TiN film for non-volatile memory application, APL, Vol. 91, pp. 223510, 2007 J.F.Gibbons et. al.,Switching properties of thin NiO Films, Solid State Electronics, vol.7, pp.785 - 797, 1964J. et al. F. Gibbons et. al. , Switching properties of thin NiO Films, Solid State Electronics, vol. 7, pp. 785-797, 1964 K.Kinoshita et. al.,Bias polarity dependent data retention of resistive random access memory consisting of binary transition metal oxide, APL, vol. 89, pp.103509, 2006K. Kinoshita et. al. , Bias polarity dependent data retention of resistive random access memory coordinating of binary transition metal oxide, APL, vol. 89, pp. 103509, 2006

しかしながら、特許文献1の技術においては、抵抗変化層の側壁端部が有効領域となる。このような側壁端部に起因して、メモリ素子の特性にばらつきが発生することが懸念される。
また、特許文献2の技術においては、抵抗変化層と下部電極の下地のバリアメタル膜とが接している。このため、抵抗変化層とバリアメタル膜との界面において、意図しないスイッチング特性の劣化が発生する虞がある。
However, in the technique of Patent Document 1, the side wall end portion of the resistance change layer is an effective region. There is a concern that the characteristics of the memory element may vary due to the end portion of the side wall.
In the technique of Patent Document 2, the resistance change layer and the barrier metal film underlying the lower electrode are in contact with each other. For this reason, there is a possibility that unintended deterioration of switching characteristics may occur at the interface between the resistance change layer and the barrier metal film.

本発明によれば、
基板と、
前記基板上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられていて、その一部が前記金属層と対向している抵抗変化層と、
前記金属層と前記抵抗変化層とが対向する部分に位置している、スペーサー部と、
前記抵抗変化層上に設けられた上部電極と、
を備える半導体装置が提供される。
According to the present invention,
A substrate,
A metal layer provided on the substrate;
A lower electrode provided on the metal layer;
A resistance change layer provided on the lower electrode, a part of which is opposed to the metal layer;
A spacer portion located at a portion where the metal layer and the resistance change layer face each other;
An upper electrode provided on the variable resistance layer;
A semiconductor device is provided.

本発明において、抵抗変化層は、下部電極上に設けられていて、その一部が金属膜と対向しているので、下部電極と上部電極とが対向する有効領域よりも外側に位置している。このため、抵抗変化層の端部のダメージに起因するメモリ素子特性の低下を抑制することが可能となる。くわえて、スペーサー部は、金属層と抵抗変化層とが対向する部分に配置される。このため、抵抗変化層と下部電極以外の金属層とが接触することにより、意図しないスイッチング特性の劣化が発生することを抑制することができる。したがって、本発明によれば、メモリ素子特性の低下の抑制と意図しないスイッチング特性の劣化の抑制との両立を実現できる。   In the present invention, the variable resistance layer is provided on the lower electrode, and a part of the variable resistance layer faces the metal film, so that the lower electrode and the upper electrode are positioned outside the effective region facing each other. . For this reason, it is possible to suppress the deterioration of the memory element characteristics due to the damage of the end portion of the resistance change layer. In addition, the spacer portion is disposed at a portion where the metal layer and the resistance change layer face each other. For this reason, it can suppress that degradation of the unintended switching characteristic generate | occur | produces when a resistance change layer and metal layers other than a lower electrode contact. Therefore, according to the present invention, it is possible to achieve both suppression of deterioration of memory element characteristics and suppression of unintended switching characteristics.

また、本発明によれば、
基板と、
前記基板上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられていて、その一部が前記金属層と対向しており、前記下部電極の上及び周囲に位置しており、及び、当該周囲に位置する部分が前記下地層に接している、抵抗変化層と、
前記金属層と前記抵抗変化層とが対向する部分に位置しており、かつ前記金属層の周縁部に形成されている、スペーサー部と、
前記抵抗変化層上に設けられた上部電極と、
を備える、
半導体装置が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A substrate,
An underlayer provided on the substrate;
A metal layer provided on the underlayer;
A lower electrode provided on the metal layer;
Provided on the lower electrode, a part of which faces the metal layer, is located on and around the lower electrode, and a portion located on the circumference is in contact with the base layer A resistance change layer;
A spacer portion, which is located in a portion where the metal layer and the resistance change layer face each other, and is formed on a peripheral portion of the metal layer;
An upper electrode provided on the variable resistance layer;
Comprising
A semiconductor device is provided.

また、本発明によれば、
基板と、
前記基板上に設けられた層間絶縁層と、
前記層間絶縁層に形成された凹部の底部上及び側壁の一部上に沿って位置する、金属層と、
前記金属層の上端面上に位置する、スペーサー部と、
前記金属層の上並びに内壁上及び前記スペーサー部の内壁上に位置する、下部電極と、
前記下部電極上及び前記スペーサー部上に位置する、抵抗変化層と、
抵抗変化層上に位置する、上部電極と、
を備える、
半導体装置が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A substrate,
An interlayer insulating layer provided on the substrate;
A metal layer located on the bottom of the recess formed in the interlayer insulating layer and on a part of the side wall;
A spacer portion located on the upper end surface of the metal layer;
A lower electrode located on the metal layer and on the inner wall and on the inner wall of the spacer portion;
A resistance change layer located on the lower electrode and the spacer portion;
An upper electrode located on the variable resistance layer;
Comprising
A semiconductor device is provided.

また、本発明によれば、
基板と、
前記基板上に積層された第1層間絶縁層及び第2層間絶縁層と、
前記第1層間絶縁層に形成された第1凹部の底部上及び側壁の一部上に沿って位置する、金属層と、
前記金属層の上端面上に位置する、スペーサー部と、
前記金属層の内側に埋設された、下部電極と、
前記第2層間絶縁層に形成された第2凹部の底部及び側壁の一部上に沿って位置していて、前記スペーサー部上及び前記下部電極上に位置する、抵抗変化層と、
前記抵抗変化層の内壁上に位置する、上部電極と、
を備える、
半導体装置が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A substrate,
A first interlayer insulating layer and a second interlayer insulating layer stacked on the substrate;
A metal layer located on the bottom of the first recess formed on the first interlayer insulating layer and on a part of the side wall;
A spacer portion located on the upper end surface of the metal layer;
A lower electrode embedded inside the metal layer;
A resistance change layer located along a part of the bottom and side wall of the second recess formed in the second interlayer insulating layer, and located on the spacer part and the lower electrode;
An upper electrode located on the inner wall of the variable resistance layer;
Comprising
A semiconductor device is provided.

また、本発明によれば、
下部電極、抵抗変化層及び上部電極を備える半導体装置の製造方法であって、
基板上に金属層を形成する工程と、
前記金属層の一部上に前記下部電極を形成する工程と、
前記金属層のうち露出部分にスペーサー部を形成する工程と、
前記下部電極及び前記スペーサー部と接する前記抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に前記上部電極を形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a lower electrode, a resistance change layer, and an upper electrode,
Forming a metal layer on the substrate;
Forming the lower electrode on a portion of the metal layer;
Forming a spacer portion on the exposed portion of the metal layer;
Forming the variable resistance layer in contact with the lower electrode and the spacer portion;
Forming the upper electrode on the variable resistance layer;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

本発明において、抵抗変化層は、下部電極とスペーサー部と接するので、下部電極と上部電極とが対向する有効領域よりも外側に位置している。このため、抵抗変化層の端部のダメージに起因するメモリ素子特性の低下を抑制することが可能となる。くわえて、抵抗変化層と金属層との間にはスペーサー部が配置される。このため、抵抗変化層と下部電極以外の金属層とが接触することにより、意図しないスイッチング特性の劣化が発生することを抑制することができる。したがって、本発明によれば、メモリ素子特性の低下の抑制と意図しないスイッチング特性の劣化の抑制との両立を実現できる。   In the present invention, since the variable resistance layer is in contact with the lower electrode and the spacer portion, the variable resistance layer is positioned outside the effective region where the lower electrode and the upper electrode face each other. For this reason, it is possible to suppress the deterioration of the memory element characteristics due to the damage of the end portion of the resistance change layer. In addition, a spacer portion is disposed between the resistance change layer and the metal layer. For this reason, it can suppress that degradation of the unintended switching characteristic generate | occur | produces when a resistance change layer and metal layers other than a lower electrode contact. Therefore, according to the present invention, it is possible to achieve both suppression of deterioration of memory element characteristics and suppression of unintended switching characteristics.

本発明によれば、信頼性に優れた半導体装置が提供される。   According to the present invention, a semiconductor device having excellent reliability is provided.

課題を説明するための抵抗変化型不揮発記憶装置(1T1Rセル)の断面図である。It is sectional drawing of the resistance change type non-volatile memory device (1T1R cell) for demonstrating a subject. 抵抗変化型不揮発記憶素子のスイッチング原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the switching principle of a resistance variable nonvolatile memory element. 課題を説明するための抵抗変化型不揮発記憶装置の断面図である。It is sectional drawing of the resistance change type non-volatile memory device for demonstrating a subject. 課題を説明するための抵抗変化型不揮発記憶装置の断面図である。It is sectional drawing of the resistance change type non-volatile memory device for demonstrating a subject. 課題を説明するための抵抗変化型不揮発記憶装置の断面図である。It is sectional drawing of the resistance change type non-volatile memory device for demonstrating a subject. 図6(a)は第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図であり、図6(b)は、図6(a)のa−a'断面図である。FIG. 6A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the first embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 図6(a)のb−b'断面図の一部である。FIG. 7 is a part of a cross-sectional view taken along the line bb ′ of FIG. 第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the procedure of the manufacturing process of the resistance variable nonvolatile memory device of 1st Embodiment. 図9(a)は第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図であり、図9(b)は、図9(a)のa−a'断面図である。FIG. 9A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 9A. 図9(a)のa−a'断面図の一部である。It is a part of aa 'sectional view of Drawing 9 (a). 第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the procedure of the manufacturing process of the variable resistance nonvolatile memory device of 2nd Embodiment. 図12(a)は第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図であり、図12(b)は、図12(a)のa−a'断面図である。12A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the third embodiment, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 図12(a)のa−a'断面図の一部である。It is a part of aa 'sectional view of Drawing 12 (a). 第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the procedure of the manufacturing process of the variable resistance nonvolatile memory device of 3rd Embodiment.

まず、本実施の形態を説明するにあたり、前述した課題について図1〜5を用いて詳述する。図1〜5は、課題を説明するために発明者らが自ら作成した図である。   First, in describing this embodiment, the above-described problem will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5 are diagrams created by the inventors themselves to explain the problem.

図1は、一般的な1T1R型の抵抗変化型不揮発メモリ装置10の断面図である。抵抗変化型不揮発メモリ素子は一般的に、1つのメモリセルあたり1つの制御用トランジスタと1つの抵抗変化素子の構成で用いられる。1T1R型の抵抗変化型不揮発メモリ装置10では、半導体基板12を素子分離層14により区画された素子領域に、ゲート絶縁膜24及びゲート電極26、ソース/ドレイン拡散層(ソース拡散層18、ドレイン拡散層16)からなる制御トランジスタが形成される。ソース拡散層18又はドレイン拡散層16と接続するようにコンタクト22が形成される。コンタクト22は第1層間絶縁層20に形成される。コンタクト22と接続するように、バリアメタル(バリアメタル膜36)とCuからなる第1配線34が形成される。第1配線34は第2層間絶縁層32に形成される。第2キャップ絶縁層40の開口部を介して第1配線34と接続するように、金属密着層52、下部電極54、抵抗変化層56、上部電極58からなるMIM(Metal/Insulator/Metal)構造を有する抵抗変化型不揮発性メモリ素子50が形成される。上部電極58と接続するようにバリアメタル(バリアメタル膜48)とCuからなるビア46及び第2配線60が形成される。ビア46は、第3層間絶縁層42及び第3キャップ絶縁層44を貫通して形成される。図1に示すように、一般的な抵抗変化型不揮発性メモリ素子50は、配線層の間(すなわち、第1配線34と第2配線60)に形成される。また、抵抗変化型不揮発性メモリ素子50は、隣接セル間で孤立したMIMキャパシタ構造となる。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a general 1T1R variable resistance nonvolatile memory device 10. The variable resistance nonvolatile memory element is generally used in the configuration of one control transistor and one resistance change element per memory cell. In the 1T1R variable resistance nonvolatile memory device 10, a gate insulating film 24, a gate electrode 26, a source / drain diffusion layer (a source diffusion layer 18, a drain diffusion) are formed in an element region partitioned by the element isolation layer 14 from the semiconductor substrate 12. A control transistor consisting of layer 16) is formed. A contact 22 is formed so as to be connected to the source diffusion layer 18 or the drain diffusion layer 16. The contact 22 is formed on the first interlayer insulating layer 20. A first wiring 34 made of barrier metal (barrier metal film 36) and Cu is formed so as to be connected to the contact 22. The first wiring 34 is formed in the second interlayer insulating layer 32. An MIM (Metal / Insulator / Metal) structure comprising a metal adhesion layer 52, a lower electrode 54, a resistance change layer 56, and an upper electrode 58 so as to be connected to the first wiring 34 through the opening of the second cap insulating layer 40. The variable resistance nonvolatile memory element 50 having the above is formed. A barrier metal (barrier metal film 48), a via 46 made of Cu, and a second wiring 60 are formed so as to be connected to the upper electrode 58. The via 46 is formed through the third interlayer insulating layer 42 and the third cap insulating layer 44. As shown in FIG. 1, a general variable resistance nonvolatile memory element 50 is formed between wiring layers (that is, the first wiring 34 and the second wiring 60). The variable resistance nonvolatile memory element 50 has an MIM capacitor structure isolated between adjacent cells.

次いで、一般的な抵抗変化型不揮発性メモリ素子50の動作方法について説明する。
まず、第2配線60を介して上部電極58に正の電圧を印加し、抵抗変化層56を低抵抗化(Forming)する。このとき、ゲート電極26に印加する電圧を調整して、制御トランジスタの飽和電流値によって電流制限がかかるようにすることにより、抵抗変化層56が所望の抵抗値になるようにする。なお、Formingは、上部電極58の替わりに下部電極54に正の電圧を印加しても良い。低抵抗状態から高抵抗状態へのスイッチング時には、ドレイン拡散層16及びゲート電極26に正の電圧を印加する。高抵抗状態から低抵抗状態へのスイッチングには、上部電極58及びゲート電極26に正の電圧を印加する。このとき、第1配線34には高抵抗状態へのスイッチング時よりも高い電圧を印加する。また、ゲート電極26に印加する電圧を調整して、制御トランジスタの飽和電流値による電流制限がかかるようにすることにより、抵抗変化層56が所望の抵抗値になるようにする。なお、高抵抗状態から低抵抗状態および低抵抗状態から高抵抗状態のどちらのスイッチング時においても、ドレイン拡散層16の代わりに上部電極58に正の電圧を印加してもスイッチング動作を行うことができる。
Next, an operation method of a general variable resistance nonvolatile memory element 50 will be described.
First, a positive voltage is applied to the upper electrode 58 via the second wiring 60 to lower the resistance change layer 56 (Forming). At this time, the voltage applied to the gate electrode 26 is adjusted so that the current is limited by the saturation current value of the control transistor, so that the resistance change layer 56 has a desired resistance value. In forming, a positive voltage may be applied to the lower electrode 54 instead of the upper electrode 58. When switching from the low resistance state to the high resistance state, a positive voltage is applied to the drain diffusion layer 16 and the gate electrode 26. For switching from the high resistance state to the low resistance state, a positive voltage is applied to the upper electrode 58 and the gate electrode 26. At this time, a voltage higher than that at the time of switching to the high resistance state is applied to the first wiring 34. Further, the voltage applied to the gate electrode 26 is adjusted so that the current is limited by the saturation current value of the control transistor, so that the resistance change layer 56 has a desired resistance value. It should be noted that the switching operation can be performed even when a positive voltage is applied to the upper electrode 58 instead of the drain diffusion layer 16 in switching from the high resistance state to the low resistance state and from the low resistance state to the high resistance state. it can.

しかしながら、発明者らが検討したところ、このような抵抗変化型不揮発性メモリ素子50には、MIM加工時に側壁部に加わるエッチングダメージやエッチング残渣物の堆積により、以下のような課題が発生することが判明した。
以下、この点詳述する。
However, as a result of investigations by the inventors, such a variable resistance nonvolatile memory element 50 has the following problems due to etching damage applied to the side wall portion during MIM processing and accumulation of etching residues. There was found.
Hereinafter, this point will be described in detail.

図2は、前述の一般的な抵抗変化型不揮発メモリ素子50のスイッチング原理を説明したものである(非特許文献4、非特許文献5)。図2に示す様に、抵抗変化型不揮発メモリ素子50では、上部電極58に電圧を印加して低抵抗化(Forming)した後、抵抗変化層56中に酸素欠損による電流パス(電流経路70)が形成されている。この電流パスが形成されている状態で、上下電極間に電圧を印加することにより、電流パス内に酸化還元反応が起き、抵抗値が変化する。電流パスの抵抗変化は、この電流パスの上下電極界面付近における酸化還元によっておこると考えられている。   FIG. 2 illustrates the switching principle of the general variable resistance nonvolatile memory element 50 described above (Non-patent Documents 4 and 5). As shown in FIG. 2, in the variable resistance nonvolatile memory element 50, a voltage is applied to the upper electrode 58 to reduce the resistance (Forming), and then a current path (current path 70) due to oxygen vacancies in the variable resistance layer 56. Is formed. When a voltage is applied between the upper and lower electrodes in a state where this current path is formed, an oxidation-reduction reaction occurs in the current path, and the resistance value changes. It is considered that the resistance change of the current path is caused by oxidation-reduction near the interface between the upper and lower electrodes of this current path.

しかし、図3に示すように、上部電極58への電圧印加によって実際に形成される電流パスは1メモリ素子あたり1本だけでなく、不完全な電流パス(不完全な電流経路72)も含めて抵抗変化層56の中の様々な場所で形成されることになる。特に、不完全な電流経路72は、エッチングダメージや残渣物の堆積によって劣化した側壁部74で形成されやすい。Forming後のスイッチング動作において、これらの不完全な電流パスが導通した場合、抵抗値が急激に下がり、誤動作を引き起こすことなる。言い換えると、不完全な電流経路72は誤作動の原因となる。また、プロセスダメージを受けた側壁部74付近の抵抗変化層中の電流パスのスイッチング特性はダメージを受けていない電極中心付近の抵抗変化層中の電流パスと異なり、メモリ素子性能のバラツキが増大し、信頼性が大幅に劣化する虞がある。図3は、図1に示す破線の囲み部分に相当する。   However, as shown in FIG. 3, not only one current path is actually formed by applying a voltage to the upper electrode 58 but also one incomplete current path (incomplete current path 72). Thus, it is formed at various locations in the resistance change layer 56. In particular, the incomplete current path 72 is likely to be formed by the side wall portion 74 deteriorated due to etching damage or residue accumulation. In the switching operation after forming, when these incomplete current paths are conducted, the resistance value is abruptly lowered, causing a malfunction. In other words, the incomplete current path 72 causes a malfunction. In addition, the switching characteristics of the current path in the resistance change layer near the sidewall 74 that has undergone process damage differ from the current path in the resistance change layer near the electrode center that is not damaged, resulting in increased variations in memory element performance. There is a risk that the reliability is greatly deteriorated. FIG. 3 corresponds to a dashed box shown in FIG.

そこで、発明者らは更に検討し、抵抗変化層の側壁部を、不揮発性メモリ素子として機能する有効領域よりも外側に形成することにより、前述のような抵抗変化層の側壁ダメージに起因する課題を回避できると考えた。この種の構造としては、例えば、図4及び図5に示す構造が考えられる。図4(a)に示す抵抗変化型不揮発メモリ素子では、金属密着層52と下部電極54の積層構造を覆うように抵抗変化層56と上部電極58が堆積される。下部電極54の外側で上部電極58及び抵抗変化層56がエッチングされている。   Therefore, the inventors have further studied and the problem caused by the side wall damage of the resistance change layer as described above by forming the side wall portion of the resistance change layer outside the effective region functioning as a nonvolatile memory element. I thought it was possible to avoid. As this type of structure, for example, the structures shown in FIGS. 4 and 5 are conceivable. In the variable resistance nonvolatile memory element shown in FIG. 4A, the variable resistance layer 56 and the upper electrode 58 are deposited so as to cover the laminated structure of the metal adhesion layer 52 and the lower electrode 54. The upper electrode 58 and the resistance change layer 56 are etched outside the lower electrode 54.

また、図4(a)に示す構造においては、上部電極と下部電極に挟まれた有効領域80が、エッチングダメージを受けた側壁部82から離されている。このため、側部エッチングダメージに起因したバラツキ増大や特性劣化を改善することができる。しかしながら、図4(b)に示すように、下部電極54の外周部において、金属密着層52と抵抗変化層56が接することになる。これにより、金属密着層52と抵抗変化層54との界面84においてスイッチング特性の劣化が起きてしまう。   In the structure shown in FIG. 4A, the effective region 80 sandwiched between the upper electrode and the lower electrode is separated from the side wall portion 82 that has been subjected to etching damage. For this reason, it is possible to improve variation and characteristic deterioration due to side etching damage. However, as shown in FIG. 4B, the metal adhesion layer 52 and the resistance change layer 56 are in contact with each other at the outer peripheral portion of the lower electrode 54. As a result, switching characteristics deteriorate at the interface 84 between the metal adhesion layer 52 and the resistance change layer 54.

また、図5(a)に示す抵抗変化型不揮発性メモリ素子においては、層間絶縁膜(例えば、図1の第3層間絶縁層42)中に形成された凹部内に、金属密着層52及び下部電極54の積層体が形成される。凹部内の積層体を覆うように、抵抗変化層56と上部電極58が堆積される。凹部の開口上部の周辺領域において、上部電極58と抵抗変化層56がエッチングされている。このため、図5(a)に示す構造においては、上部電極58と下部電極52に挟まれた有効領域80が、エッチングダメージを受けた抵抗変化層56の側壁部82から離されている。このため、側部エッチングダメージに起因したバラツキ増大や特性劣化を改善することができる。しかしながら、図5(b)に示すように、下部電極54の外周部において、金属密着層52と抵抗変化層56が接している。このため、図4(b)と同様に、金属密着層52と抵抗変化層54との界面84においてスイッチング特性の劣化が起きてしまう。   In the variable resistance nonvolatile memory element shown in FIG. 5A, the metal adhesion layer 52 and the lower part are formed in the recess formed in the interlayer insulating film (for example, the third interlayer insulating layer 42 in FIG. 1). A laminate of the electrodes 54 is formed. A resistance change layer 56 and an upper electrode 58 are deposited so as to cover the stacked body in the recess. In the peripheral region above the opening of the recess, the upper electrode 58 and the resistance change layer 56 are etched. Therefore, in the structure shown in FIG. 5A, the effective region 80 sandwiched between the upper electrode 58 and the lower electrode 52 is separated from the side wall portion 82 of the resistance change layer 56 that has been damaged by etching. For this reason, it is possible to improve variation and characteristic deterioration due to side etching damage. However, as shown in FIG. 5B, the metal adhesion layer 52 and the resistance change layer 56 are in contact with each other at the outer peripheral portion of the lower electrode 54. For this reason, as in FIG. 4B, the switching characteristics deteriorate at the interface 84 between the metal adhesion layer 52 and the resistance change layer 54.

以上のように、上部電極58と下部電極54とに挟まれた有効領域の外側に抵抗変化層56を延在させたとしても、延在した部分が下部電極54以外の金属層(例えば、第1配線34と下部電極54とを密着する金属密着層52)と接する可能性がある。そして、抵抗変化層56が下部電極54以外の金属層と接すると、意図しないスイッチング特性の劣化等が発生する虞がある。   As described above, even if the resistance change layer 56 is extended outside the effective region sandwiched between the upper electrode 58 and the lower electrode 54, the extended portion is a metal layer other than the lower electrode 54 (for example, the first layer There is a possibility that the first metal 34 and the lower electrode 54 are in contact with the metal adhesion layer 52). When the resistance change layer 56 is in contact with a metal layer other than the lower electrode 54, there is a possibility that unintended deterioration of switching characteristics or the like occurs.

以上の課題を鑑み、検討した結果、本発明者らは以下の構成のものが好適であることを見出した。
すなわち、本実施の形態の半導体装置(抵抗変化型不揮発メモリ装置100)は、基板、金属層、下部電極、抵抗変化層、上部電極、及びスペーサー部を備える。金属層(金属密着層142)は、半導体基板102上に設けられる。下部電極144は、金属密着層142上に設けられていて、金属密着層142と接続する。上部電極148は、下部電極144上にあって、下部電極144と対向する位置に設けられている。抵抗変化層146は、下部電極144と上部電極148との間に設けられていて、下部電極144と上部電極148とが重なる領域よりも外側に延在している。スペーサー部150は、抵抗変化層146のうち外側に延在している部分と金属密着層142との間に設けられる。
具体的には、次のような構成となる。金属密着層142は、半導体基板102に位置している。下部電極144は、金属密着層142の上に位置している。抵抗変化層146は、下部電極144の上に位置していて、その一部が金属密着層142と対向している。スペーサー部150は、金属密着層142と抵抗変化層146とが対向する部分に位置している。上部電極148は、抵抗変化層146の上に位置している。
As a result of examination in view of the above problems, the present inventors have found that the following configuration is suitable.
That is, the semiconductor device (resistance change type nonvolatile memory device 100) of the present embodiment includes a substrate, a metal layer, a lower electrode, a resistance change layer, an upper electrode, and a spacer portion. The metal layer (metal adhesion layer 142) is provided on the semiconductor substrate 102. The lower electrode 144 is provided on the metal adhesion layer 142 and is connected to the metal adhesion layer 142. The upper electrode 148 is provided on the lower electrode 144 at a position facing the lower electrode 144. The resistance change layer 146 is provided between the lower electrode 144 and the upper electrode 148 and extends outward from a region where the lower electrode 144 and the upper electrode 148 overlap. The spacer portion 150 is provided between a portion of the resistance change layer 146 that extends outward and the metal adhesion layer 142.
Specifically, the configuration is as follows. The metal adhesion layer 142 is located on the semiconductor substrate 102. The lower electrode 144 is located on the metal adhesion layer 142. The resistance change layer 146 is located on the lower electrode 144, and a part thereof faces the metal adhesion layer 142. The spacer portion 150 is located at a portion where the metal adhesion layer 142 and the resistance change layer 146 face each other. The upper electrode 148 is located on the resistance change layer 146.

本実施の形態において、抵抗変化層146の端部は、下部電極144と上部電極148とが重なる有効領域よりも外側に位置している。このため、抵抗変化層146の端部のダメージに起因するメモリ素子特性の低下を抑制することが可能となる。くわえて、有効領域から外側に延在した抵抗変化層146と金属密着層142との間にはスペーサー部150が配置される。このため、抵抗変化層146と下部電極144以外の金属密着層142とが接触することにより、意図しないスイッチング特性の劣化が発生することを抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、メモリ素子特性の低下の抑制と意図しないスイッチング特性の劣化の抑制との両立を実現できる。   In the present embodiment, the end portion of the resistance change layer 146 is located outside the effective region where the lower electrode 144 and the upper electrode 148 overlap. For this reason, it is possible to suppress the deterioration of the memory element characteristics due to the damage of the end portion of the resistance change layer 146. In addition, a spacer portion 150 is disposed between the resistance change layer 146 and the metal adhesion layer 142 extending outward from the effective region. For this reason, it can suppress that the deterioration of the unintended switching characteristic generate | occur | produces when the resistance change layer 146 and metal adhesion layers 142 other than the lower electrode 144 contact. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to achieve both suppression of deterioration in memory element characteristics and suppression of unintended switching characteristics.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(第1の実施の形態)
図6(a)は第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図である。図6(a)に示す抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、1T1R型の抵抗変化型不揮発メモリアレイが適用されている。図6(b)は、図6(a)のa−a'断面図である。図7は、図6(a)のb−b'断面図の一部である。
(First embodiment)
FIG. 6A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the first embodiment. The variable resistance nonvolatile memory device 100 shown in FIG. 6A is applied with a variable resistance nonvolatile memory array of 1T1R type. FIG. 6B is a cross-sectional view along the line aa ′ in FIG. FIG. 7 is a part of the bb ′ cross-sectional view of FIG.

図6(a)に示すように、抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、ゲート電極116(ワード線)、第1配線124a、第1配線124b、第2配線138、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140を備える。ゲート電極116は、半導体基板102上に形成される。第2配線138は、ゲート電極116と直交するように複数形成される。抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、第1配線124aと第2配線138とが重なる領域を含み、第1配線124a及び第2配線138に電気的に接続する。第1配線124aは、半導体基板102内に形成されたソース拡散層108に接続している。本実施の形態では、第1配線124b(共通線)は、ゲート電極116(ワード線)と平行に形成されているが、ゲート(ワード線)と直交するように形成しても良い。平面視において、例えば、第1配線124aは、隣設素子間において離間していて矩形形状であることが好ましく、第1配線124b及び第2配線138は面内方向において延在することが好ましい。図6(a)は、1T1R型の構成を示すが、本実施の形態はこの態様に限定されない。   As shown in FIG. 6A, the variable resistance nonvolatile memory device 100 includes a gate electrode 116 (word line), a first wiring 124a, a first wiring 124b, a second wiring 138, and a variable resistance nonvolatile memory element 140. Is provided. The gate electrode 116 is formed on the semiconductor substrate 102. A plurality of second wirings 138 are formed to be orthogonal to the gate electrode 116. The variable resistance nonvolatile memory element 140 includes a region where the first wiring 124 a and the second wiring 138 overlap, and is electrically connected to the first wiring 124 a and the second wiring 138. The first wiring 124 a is connected to the source diffusion layer 108 formed in the semiconductor substrate 102. In the present embodiment, the first wiring 124b (common line) is formed in parallel to the gate electrode 116 (word line), but may be formed to be orthogonal to the gate (word line). In plan view, for example, the first wirings 124a are preferably separated from each other between adjacent elements and have a rectangular shape, and the first wirings 124b and the second wirings 138 preferably extend in the in-plane direction. FIG. 6A shows a 1T1R type configuration, but this embodiment is not limited to this mode.

図6(b)に示すように、半導体基板102上に素子分離層104が形成される。素子分離層104は、半導体基板102に素子領域を形成し、この素子領域を他の領域と分離する。素子領域内において、半導体基板102上にトランジスタが形成される。トランジスタは、ゲート絶縁膜114、ゲート電極116、及びソース拡散層108並びにドレイン拡散層106からなる拡散層を有する。また、ゲート電極116の両側壁上には側壁部118が形成される。なお、ソース拡散層108及びドレイン拡散層106は、N型不純物拡散層またはP型不純物拡散層のいずれでもよい。   As illustrated in FIG. 6B, the element isolation layer 104 is formed on the semiconductor substrate 102. The element isolation layer 104 forms an element region in the semiconductor substrate 102 and separates the element region from other regions. A transistor is formed on the semiconductor substrate 102 in the element region. The transistor includes a gate insulating film 114, a gate electrode 116, and a diffusion layer including a source diffusion layer 108 and a drain diffusion layer 106. Side wall portions 118 are formed on both side walls of the gate electrode 116. Note that the source diffusion layer 108 and the drain diffusion layer 106 may be either an N-type impurity diffusion layer or a P-type impurity diffusion layer.

また、拡散層の表面には、一般にシリサイドと呼称される、コバルト、ニッケル、プラチナなどの金属とシリコンとの合金が形成されている。トランジスタのゲート電極は、通常用いられるポリシリコン電極や部分的に金属シリサイド化されたポリシリコン電極を用いても良いし、メタルゲート電極を用いても良い。更には、メタルゲート電極の形成方法として、ゲートファースト方式やゲートラスト方式等が公知のものであるが、どちらも適用することが可能である。   On the surface of the diffusion layer, an alloy of metal such as cobalt, nickel, platinum, etc., generally called silicide, and silicon is formed. As the gate electrode of the transistor, a commonly used polysilicon electrode, a polysilicon electrode partially metal-silicided, or a metal gate electrode may be used. Furthermore, as a method for forming a metal gate electrode, a gate first method, a gate last method, and the like are known, but either can be applied.

また、半導体基板102上に第1層間絶縁層110が形成される。第1層間絶縁層110にはコンタクト112が形成される。このコンタクト112は、第1層間絶縁層110内に埋設されていて、ソース拡散層108またはドレイン拡散層106に接続する。コンタクト112としては、W、Al等の各種金属が用いられる。   A first interlayer insulating layer 110 is formed on the semiconductor substrate 102. A contact 112 is formed on the first interlayer insulating layer 110. The contact 112 is embedded in the first interlayer insulating layer 110 and is connected to the source diffusion layer 108 or the drain diffusion layer 106. As the contact 112, various metals such as W and Al are used.

第1層間絶縁層110上に第1キャップ絶縁層120が形成される。第1キャップ絶縁層120上に第2層間絶縁層122が形成される。第2層間絶縁層122内には、第1配線124a及び第1配線124bを含む第1配線124が形成される。第1配線124は、コンタクト112と接続する。第1配線124は、配線溝に埋設されたバリアメタル膜126及び金属層から構成される。金属層としては、例えば、Cuに加えてWやAl等の添加物を含む合金、Cuを90質量%以上含む合金、Cuのみからなる金属などが挙げられる。なお、本実施の形態では、第1配線124及びコンタクト112は、別部材で構成されているが、シングルダマシン構造又はデュアルダマシン構造を有していてもよい。   A first cap insulating layer 120 is formed on the first interlayer insulating layer 110. A second interlayer insulating layer 122 is formed on the first cap insulating layer 120. A first wiring 124 including a first wiring 124 a and a first wiring 124 b is formed in the second interlayer insulating layer 122. The first wiring 124 is connected to the contact 112. The first wiring 124 includes a barrier metal film 126 and a metal layer embedded in the wiring trench. Examples of the metal layer include an alloy containing an additive such as W or Al in addition to Cu, an alloy containing 90% by mass or more of Cu, and a metal composed of Cu alone. In the present embodiment, the first wiring 124 and the contact 112 are formed of separate members, but may have a single damascene structure or a dual damascene structure.

また、第2層間絶縁層122上に第2キャップ絶縁層128及び第3層間絶縁層130が形成される。抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、第3層間絶縁層130内に形成されていて、その一部が第2キャップ絶縁層128の開口部に配置されている。抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、第2キャップ絶縁層128の開口部において、下層の第1配線124aと接続する。一方、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、上層のビア134と接続する。ビア134は、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140の上部電極148と第2配線138とを電気的に接続する。第2配線138は、第1キャップ絶縁層120上に形成された第3キャップ絶縁層132上に形成される。また、第2配線138の少なくとも下面上及びビア134の周囲に連続してバリアメタル膜136が形成される。また、本実施の形態では、第2配線138とビア134とは、本実施の形態のように一体に構成されてもよいが(言い換えると、同一工程で形成されても良いが)、別部材で構成されても良い。また、ビア134は、底面及び側壁の一部が上部電極148で覆われている。   A second cap insulating layer 128 and a third interlayer insulating layer 130 are formed on the second interlayer insulating layer 122. The variable resistance nonvolatile memory element 140 is formed in the third interlayer insulating layer 130, and a part thereof is disposed in the opening of the second cap insulating layer 128. The variable resistance nonvolatile memory element 140 is connected to the lower first wiring 124 a in the opening of the second cap insulating layer 128. On the other hand, the variable resistance nonvolatile memory element 140 is connected to the upper via 134. The via 134 electrically connects the upper electrode 148 of the variable resistance nonvolatile memory element 140 and the second wiring 138. The second wiring 138 is formed on the third cap insulating layer 132 formed on the first cap insulating layer 120. In addition, a barrier metal film 136 is continuously formed on at least the lower surface of the second wiring 138 and around the via 134. Further, in the present embodiment, the second wiring 138 and the via 134 may be integrally configured as in the present embodiment (in other words, may be formed in the same process), but are separate members. It may be constituted by. The via 134 is covered with the upper electrode 148 at the bottom and part of the side wall.

ここで、第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発性メモリ素子140について詳述する。
抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、金属密着層142、下部電極144、抵抗変化層146及び上部電極148がこの順で積層してなる積層構造を有する。抵抗変化層146は、平面視において下部電極144と上部電極148とが重なる領域(有効領域160)よりも外側に延在している。本実施の形態では、抵抗変化層146は、金属密着層142及び下部電極144の積層体の上面及び側面を覆う。さらに、抵抗変化層146は、平面視において、下部電極144と上部電極148とが対向する部分を有する有効領域160から外側に位置する側壁部を有する。本実施の形態では、有効領域160は、膜厚方向及び/又は面内方向の両方向(言い換えると、水平方向及び垂直方向)において、下部電極144と上部電極148とが対向してなる領域であるが、後述の第2の実施の形態のように、膜厚方向のみにおいて両電極が対向する領域であってもよい。本実施の形態では、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140が、スタック構造を有しているので、第3層間絶縁層130に形成された凹部内に埋設された場合と比較して、膜厚方向の厚みが低減される。
Here, the variable resistance nonvolatile memory element 140 according to the first embodiment will be described in detail.
The variable resistance nonvolatile memory element 140 has a stacked structure in which a metal adhesion layer 142, a lower electrode 144, a variable resistance layer 146, and an upper electrode 148 are stacked in this order. The resistance change layer 146 extends outward from a region (effective region 160) where the lower electrode 144 and the upper electrode 148 overlap in plan view. In the present embodiment, the resistance change layer 146 covers the upper surface and side surfaces of the stacked body of the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144. Furthermore, the resistance change layer 146 has a side wall portion located outside the effective region 160 having a portion where the lower electrode 144 and the upper electrode 148 face each other in plan view. In the present embodiment, the effective region 160 is a region in which the lower electrode 144 and the upper electrode 148 face each other in both the film thickness direction and / or the in-plane direction (in other words, the horizontal direction and the vertical direction). However, it may be a region where both electrodes face each other only in the film thickness direction as in a second embodiment described later. In the present embodiment, since the variable resistance nonvolatile memory element 140 has a stack structure, the film thickness direction can be compared with a case where the variable resistance nonvolatile memory element 140 is embedded in a recess formed in the third interlayer insulating layer 130. Is reduced in thickness.

金属密着層142及び下部電極144はこの順番で下地層(例えば、第1配線124a及び/又は第2キャップ絶縁層128)上に位置している。すなわち、金属密着層142は、下地層上に位置している。下部電極144は、金属密着層142の上に位置している。また、抵抗変化層146は、下部電極144の上及び周囲に位置していて、当該周囲に位置する部分が下地層に接している。すなわち、抵抗変化層146は、下部電極144と接していて、下部電極144の上面上及び側壁上に位置している。この抵抗変化層146は、金属密着層142の側壁と対向しており、スペーサー部150と接している。抵抗変化層146のうち金属密着層142と対向する部分が下地層と接している。上部電極148は、抵抗変化層146上に位置している。   The metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 are positioned on the base layer (for example, the first wiring 124a and / or the second cap insulating layer 128) in this order. That is, the metal adhesion layer 142 is located on the base layer. The lower electrode 144 is located on the metal adhesion layer 142. Further, the resistance change layer 146 is located on and around the lower electrode 144, and the portion located around the lower electrode 144 is in contact with the base layer. That is, the resistance change layer 146 is in contact with the lower electrode 144 and is located on the upper surface and the side wall of the lower electrode 144. The resistance change layer 146 faces the side wall of the metal adhesion layer 142 and is in contact with the spacer portion 150. A portion of the resistance change layer 146 that faces the metal adhesion layer 142 is in contact with the base layer. The upper electrode 148 is located on the resistance change layer 146.

スペーサー部150は、有効領域160から延在した抵抗変化層146と下部電極144とが接することを防止する。本実施の形態では、スペーサー部150は、金属密着層142と同層に形成されていて、平面視において、例えば、金属密着層142の周縁部のすべてに形成されていることが好ましい。   The spacer portion 150 prevents the resistance change layer 146 extending from the effective region 160 from contacting the lower electrode 144. In the present embodiment, the spacer portion 150 is preferably formed in the same layer as the metal adhesion layer 142, and is preferably formed, for example, on the entire peripheral portion of the metal adhesion layer 142 in a plan view.

また、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140を構成する各層は、平面視において、例えば、矩形形状を有する。本実施の形態では、全周囲にスペーサー部150を有する金属密着層142と下部電極144とが同一面積であってもよい。また、抵抗変化層146は、下部電極144よりも大きな面積を有していて、上部電極148と同一面積であってもよい。言い換えると、スペーサー部150の側壁部と下部電極144の側壁部との位置が、断面視において一致していてもよい。また、抵抗変化層146の側壁部と上部電極148の側壁部の位置とが、断面視において一致していてもよい(本実施の形態において、一致するとは、製造プロセスに応じたバラツキを許容することを意味する)。抵抗変化層146は、平面視において下部電極144と上部電極148とが重なる領域(有効領域160)よりも外側に延在している限りにおいて、このような本実施の形態の態様に限定されない。   Further, each layer constituting the variable resistance nonvolatile memory element 140 has, for example, a rectangular shape in plan view. In the present embodiment, the metal adhesion layer 142 having the spacer portion 150 around the entire periphery and the lower electrode 144 may have the same area. Further, the resistance change layer 146 has a larger area than the lower electrode 144 and may have the same area as the upper electrode 148. In other words, the position of the side wall part of the spacer part 150 and the side wall part of the lower electrode 144 may coincide with each other in a sectional view. Further, the side wall portion of the resistance change layer 146 and the position of the side wall portion of the upper electrode 148 may coincide with each other in a sectional view (in the present embodiment, the term “coincidence” means variation according to the manufacturing process). Means that). The resistance change layer 146 is not limited to such an aspect of the present embodiment as long as the resistance change layer 146 extends outside the region (effective region 160) where the lower electrode 144 and the upper electrode 148 overlap in plan view.

また、図6(b)及び図7に示すように、金属密着層142は、第1配線124aの上面及び第2キャップ絶縁層128の上面に亘って設けられてもよいが、第1配線124aの上面のみに設けられてもよい。
また、断面視において、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、互いに分離しており、その間に、配線溝以外の溝(例えば、特許文献2示す、可変抵抗膜の側壁部が位置するダミー溝)が形成されないことが好ましい。これにより、面内方向において、半導体装置の微細化を図ることが可能となる。
As shown in FIGS. 6B and 7, the metal adhesion layer 142 may be provided over the upper surface of the first wiring 124a and the upper surface of the second cap insulating layer 128, but the first wiring 124a. It may be provided only on the upper surface.
Further, in the cross-sectional view, the variable resistance nonvolatile memory elements 140 are separated from each other, and a groove other than a wiring groove (for example, a dummy groove in which a side wall portion of a variable resistance film shown in Patent Document 2 is located) therebetween. Is preferably not formed. As a result, the semiconductor device can be miniaturized in the in-plane direction.

また、スペーサー部150は、絶縁層であることが望ましく、さらに望ましくは、金属密着層142の酸化物である。例えば、金属密着層142は、下部電極144の酸化物生成エネルギーよりも大きい材料で構成されることが望ましい。また、スペーサー部150は、前述のとおり、絶縁性を有する別部材で構成されてもよいが、下部電極144が、金属密着層142と抵抗変化層146とが対向する領域まで延在した延在部で構成されてもよい。これにより、抵抗変化層146が、金属密着層142と直接接触することにより、抵抗変化層146と金属密着層142との界面における意図しないスイッチング現象が発生することを抑制することができる。   The spacer 150 is preferably an insulating layer, and more preferably an oxide of the metal adhesion layer 142. For example, the metal adhesion layer 142 is preferably made of a material larger than the oxide generation energy of the lower electrode 144. In addition, as described above, the spacer portion 150 may be formed of a separate member having an insulating property, but the lower electrode 144 extends to a region where the metal adhesion layer 142 and the resistance change layer 146 face each other. It may be composed of parts. Thereby, it is possible to prevent an unintended switching phenomenon from occurring at the interface between the resistance change layer 146 and the metal adhesion layer 142 due to the resistance change layer 146 being in direct contact with the metal adhesion layer 142.

金属密着層142(金属層)は、第2キャップ絶縁層128及び/又は第1配線124aと下部電極144との密着性を向上させることができる。また、金属密着層142は、第1配線124aを構成する金属の拡散を防止する機能を有することが好ましい。金属密着層142が、第1配線124aから第2キャップ絶縁層128に亘って形成されることにより、第1配線124aを構成する金属が抵抗変化素子に拡散することを確実に防止することができる。金属密着層の構成材料としては、例えば、Ta、TaN、Ti、TiN及びそれらの積層構造を用いることが望ましい。本実施の形態では、金属密着層142としては、例えばTiNとTiの積層膜を用いる。   The metal adhesion layer 142 (metal layer) can improve the adhesion between the second cap insulating layer 128 and / or the first wiring 124 a and the lower electrode 144. The metal adhesion layer 142 preferably has a function of preventing diffusion of the metal constituting the first wiring 124a. By forming the metal adhesion layer 142 from the first wiring 124a to the second cap insulating layer 128, it is possible to reliably prevent the metal constituting the first wiring 124a from diffusing into the resistance change element. . As a constituent material of the metal adhesion layer, for example, it is desirable to use Ta, TaN, Ti, TiN and their laminated structure. In this embodiment, as the metal adhesion layer 142, for example, a laminated film of TiN and Ti is used.

下部電極144としては、金属密着層142よりも酸化膜生成エネルギーが低い材料を用いることが望ましく、例えば、W、Ru、Ptなどが望ましい。本実施の形態では、下部電極144として、例えばWを用いる。   As the lower electrode 144, it is desirable to use a material having an oxide film generation energy lower than that of the metal adhesion layer 142. For example, W, Ru, Pt, or the like is desirable. In the present embodiment, for example, W is used as the lower electrode 144.

上部電極148としては、例えば、Ti、TiN、Al、Ni、Cu、CuAl、Ta、TaN、Zr、Hf、Mo、Ru、Ptなどを用いることが望ましい。また、これらの材料の積層体であっても良い。本実施の形態では、例えば、上部電極148としてはRuを用いる。   As the upper electrode 148, for example, Ti, TiN, Al, Ni, Cu, CuAl, Ta, TaN, Zr, Hf, Mo, Ru, Pt, or the like is preferably used. Moreover, the laminated body of these materials may be sufficient. In the present embodiment, for example, Ru is used as the upper electrode 148.

抵抗変化層146としては、TiOやFeO、NiO、ZrO、CuO、HfO、Ta、WO、及びこれらの窒化物やシリケートを少なくとも含む単層膜もしくは積層膜を用いることが望ましい。本実施の形態では、抵抗変化層146として、例えば、Taを用いる。 As the resistance change layer 146, it is desirable to use a single layer film or a multilayer film including at least TiO 2 , FeO, NiO, ZrO 2 , CuO, HfO 2 , Ta 2 O 5 , WO, and nitrides and silicates thereof. . In the present embodiment, for example, Ta 2 O 5 is used as the resistance change layer 146.

次に、第1の実施の形態の半導体装置(抵抗変化型不揮発メモリ装置100)の製造工程について説明する。図8は、第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。図8は、図6(a)のb−b'断面図の一部における工程断面図を示す。   Next, a manufacturing process of the semiconductor device (resistance variable nonvolatile memory device 100) according to the first embodiment will be described. FIG. 8 is a process cross-sectional view illustrating the procedure of the manufacturing process of the variable resistance nonvolatile memory device according to the first embodiment. FIG. 8 is a process sectional view in a part of the bb ′ sectional view of FIG.

本実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100の製造方法(以下、本工程と称することもある)は、下部電極144、抵抗変化層146及び上部電極148を備える半導体装置の製造方法であって、次の工程を有する。すなわち、まず、基板(半導体基板102)上に金属層(金属密着層142)を形成する。次いで、金属密着層142の一部上(本実施の形態では、金属密着層142の一部上とは、金属密着層142の上面の一部上及び/又は側面の一部上を含むことを意味する。)に下部電極144を形成する。次いで、金属密着層142のうち露出部分にスペーサー部150を形成する。次いで、下部電極144及びスペーサー部150と接する抵抗変化層146を形成する。次いで、抵抗変化層146上に、上部電極148を形成する。
以下、詳述する。
A method of manufacturing the resistance change type nonvolatile memory device 100 according to the present embodiment (hereinafter also referred to as this process) is a method of manufacturing a semiconductor device including a lower electrode 144, a resistance change layer 146, and an upper electrode 148. And having the following steps. That is, first, a metal layer (metal adhesion layer 142) is formed on a substrate (semiconductor substrate 102). Next, on part of the metal adhesion layer 142 (in this embodiment, “on part of the metal adhesion layer 142” includes part of the upper surface and / or part of the side surface of the metal adhesion layer 142). The lower electrode 144 is formed. Next, the spacer portion 150 is formed on the exposed portion of the metal adhesion layer 142. Next, a resistance change layer 146 in contact with the lower electrode 144 and the spacer portion 150 is formed. Next, the upper electrode 148 is formed on the resistance change layer 146.
Details will be described below.

まず、半導体基板102上に、通常用いられる方法により、素子分離層104及び素子分離層104により他の領域と分離された素子領域上にトランジスタを形成する。これらの上部に第1層間絶縁層110及びトランジスタの拡散層と接続するコンタクト112を形成する。本実施の形態では、コンタクト112形成までの工程は、通常用いられる半導体装置の製造方法によって行えば良い。例えば、図示しないが、トランジスタの形成後に第1層間絶縁層110を堆積した後、フォトリソグラフィ法によりセルコンタクトとなる開口部を開口した後、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりコンタクト材料を埋込み、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により余剰コンタクト材料を除去することにより、コンタクト112を形成する。更に後、第1キャップ絶縁層120及び第2層間絶縁層122を堆積し、CMP法による平坦化を行う。   First, a transistor is formed over the semiconductor substrate 102 over an element region separated from other regions by the element isolation layer 104 and the element isolation layer 104 by a commonly used method. A contact 112 connected to the first interlayer insulating layer 110 and the diffusion layer of the transistor is formed thereon. In the present embodiment, the steps up to the formation of the contact 112 may be performed by a commonly used method for manufacturing a semiconductor device. For example, although not shown, after the first interlayer insulating layer 110 is deposited after the formation of the transistor, an opening serving as a cell contact is opened by a photolithography method, and then a contact material is embedded by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The contact 112 is formed by removing the surplus contact material by a (chemical mechanical polishing) method. Thereafter, a first cap insulating layer 120 and a second interlayer insulating layer 122 are deposited and planarized by CMP.

次いで、第1キャップ絶縁層120及び第2層間絶縁層122に配線溝(第1配線124a及び第1配線124bの各々に対応する凹部)を形成し、この配線溝にバリアメタル膜126及び配線材料を埋設する。次いで、余剰の金属をCMPにより除去することにより、第1配線124(第1配線124a及び第1配線124b)を形成する。次いで、第1配線124及び第2層間絶縁層122上に第2キャップ絶縁層128を形成する。そして、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、第1配線124aの上面上に開口部を形成して、第1配線124aの上面を露出する。   Next, a wiring groove (a recess corresponding to each of the first wiring 124a and the first wiring 124b) is formed in the first cap insulating layer 120 and the second interlayer insulating layer 122, and the barrier metal film 126 and the wiring material are formed in the wiring groove. Buried. Next, the first wiring 124 (the first wiring 124a and the first wiring 124b) is formed by removing excess metal by CMP. Next, a second cap insulating layer 128 is formed on the first wiring 124 and the second interlayer insulating layer 122. Then, using an photolithography method and an etching method, an opening is formed on the upper surface of the first wiring 124a, and the upper surface of the first wiring 124a is exposed.

次いで、図8(a)に示すように、下部配線層(第1配線124a)及び第2キャップ絶縁層128上に金属密着層142と下部電極144を堆積する。例えば、金属密着層142は、TiN及びTiはTiをターゲットとしたDCスパッタ法を用いて成膜し、スパッタガスをArから窒素に切り替えてTiNとTiの積層膜を連続的に形成する。その後、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、W(下部電極144)を成膜する。次いで、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程とを用いることで、下部電極パターンを形成する。本実施の形態では、第2キャップ絶縁層128として、例えば、シリコン窒化膜を用い、金属密着層材料としてTiNとTiの積層膜を用い、下部電極材料としてWを用いる。また、本工程においては、金属密着層142及び下部電極144を形成した後にこれらを同時にパターニングしてもよいが、金属密着層142を形成しパターニングした後、その上に下部電極144を形成しパターニングすることにより個別にパターニングしてもよい。   Next, as shown in FIG. 8A, a metal adhesion layer 142 and a lower electrode 144 are deposited on the lower wiring layer (first wiring 124 a) and the second cap insulating layer 128. For example, the metal adhesion layer 142 is formed by a DC sputtering method using TiN and Ti as a target of Ti, and a sputtering gas is switched from Ar to nitrogen to continuously form a laminated film of TiN and Ti. Thereafter, W (lower electrode 144) is formed using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Next, a lower electrode pattern is formed by using a photolithography process and a dry etching process. In the present embodiment, for example, a silicon nitride film is used as the second cap insulating layer 128, a laminated film of TiN and Ti is used as the metal adhesion layer material, and W is used as the lower electrode material. In this step, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 may be formed and then patterned simultaneously. However, after the metal adhesion layer 142 is formed and patterned, the lower electrode 144 is formed thereon and patterned. By doing so, you may pattern individually.

次に、図8(b)に示すように、金属密着層142上に下部電極144を積層した後、金属密着層142の露出部分を選択的に酸化する。これにより、スペーサー部150を形成することができる。例えば、図8(a)に示す構造体を酸素雰囲気で加熱することにより、金属密着層142が露出している側壁端部を酸化することができる。本工程では、金属密着層142として、酸化物生成エネルギーが下部電極144よりも大きい材料を用いている。このため、金属密着層142は、下部電極144に比べて低温で酸化しやすい。金属密着層142が選択的に酸化される温度を用いる事で、金属密着層142の端部にのみスペーサー部150を形成することができる。すなわち、スペーサー部150は、金属密着層142の酸化物で構成される。本工程では、例えば、300℃の酸化温度を用いることで、スペーサー部150の端部にTiOからなるスペーサー部を形成することが可能となる。 Next, as shown in FIG. 8B, after the lower electrode 144 is laminated on the metal adhesion layer 142, the exposed portion of the metal adhesion layer 142 is selectively oxidized. Thereby, the spacer part 150 can be formed. For example, by heating the structure shown in FIG. 8A in an oxygen atmosphere, the side wall end portion where the metal adhesion layer 142 is exposed can be oxidized. In this step, the metal adhesion layer 142 is made of a material having oxide generation energy larger than that of the lower electrode 144. For this reason, the metal adhesion layer 142 is easily oxidized at a lower temperature than the lower electrode 144. By using a temperature at which the metal adhesion layer 142 is selectively oxidized, the spacer portion 150 can be formed only at the end of the metal adhesion layer 142. That is, the spacer portion 150 is composed of an oxide of the metal adhesion layer 142. In this step, for example, by using an oxidation temperature of 300 ° C., a spacer portion made of TiO 2 can be formed at the end of the spacer portion 150.

次に、図8(c)に示すように、スペーサー部150が形成された金属密着層142と下部電極144とを覆うように、抵抗変化層146及び上部電極148を堆積する。本工程では、例えば、抵抗変化層としてTaを用い、上部電極金属としてRuを用いる。TaはTaターゲットを用いたRFスパッタ法で堆積する。一方、RuはRuターゲットを用いたDCスパッタ法で堆積する。 Next, as illustrated in FIG. 8C, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 are deposited so as to cover the metal adhesion layer 142 in which the spacer portion 150 is formed and the lower electrode 144. In this step, for example, Ta 2 O 5 is used as the resistance change layer, and Ru is used as the upper electrode metal. Ta 2 O 5 is deposited by RF sputtering using a Ta 2 O 5 target. On the other hand, Ru is deposited by a DC sputtering method using a Ru target.

次に、図8(d)に示すように、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程を用いて、上部電極と抵抗変化層を加工する。例えば、隣接する不揮発性メモリ素子形成領域の間の上部電極及び抵抗変化層を除去することができる。これにより、本実施の形態の抵抗変化型不揮発性メモリ素子140を形成することができる。また、本工程においては、抵抗変化層146及び上部電極148を形成した後にこれらを同時にパターニングしてもよいが、抵抗変化層146を形成しパターニングした後、その上に上部電極148を形成しパターニングすることにより個別にパターニングしてもよい。   Next, as shown in FIG. 8D, the upper electrode and the resistance change layer are processed using a photolithography process and a dry etching process. For example, the upper electrode and the resistance change layer between adjacent non-volatile memory element formation regions can be removed. Thereby, the variable resistance nonvolatile memory element 140 of the present embodiment can be formed. In this step, the variable resistance layer 146 and the upper electrode 148 may be formed and then patterned simultaneously. However, after the variable resistance layer 146 is formed and patterned, the upper electrode 148 is formed thereon and patterned. By doing so, you may pattern individually.

この後、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140上に第3層間絶縁層130を形成する。この第3層間絶縁層130上に第3キャップ絶縁層132及び不図示の第4層間絶縁層を形成する。次いで、この第4層間絶縁層及び第3層間絶縁層130を貫通し、上部電極148の上面に達するビア孔を形成する。そして、第4層間絶縁層にビア孔と連続する配線溝を形成する。次いで、ビア孔及び配線溝に第3キャップ絶縁層132及び金属膜を埋設する。余剰の金属膜をCMPで除去することにより、ビア134及び第2配線138を形成する。この後、通常の半導体装置の製造工程を実施してもよい。
以上により、第1の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100を形成することができる。
Thereafter, a third interlayer insulating layer 130 is formed on the variable resistance nonvolatile memory element 140. A third cap insulating layer 132 and a fourth interlayer insulating layer (not shown) are formed on the third interlayer insulating layer 130. Next, a via hole penetrating through the fourth interlayer insulating layer and the third interlayer insulating layer 130 and reaching the upper surface of the upper electrode 148 is formed. Then, a wiring groove continuing to the via hole is formed in the fourth interlayer insulating layer. Next, the third cap insulating layer 132 and a metal film are embedded in the via hole and the wiring groove. By removing the excess metal film by CMP, the via 134 and the second wiring 138 are formed. Thereafter, a normal semiconductor device manufacturing process may be performed.
As described above, the variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the first embodiment can be formed.

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
第1の抵抗変化型不揮発記憶素子は、金属密着層と抵抗変化層の間に、スペーサー部が形成されているため、金属密着層と抵抗変化層の界面における意図しないスイッチング現象や、金属密着層と抵抗変化層の反応によるスイッチング特性の劣化を回避し、高い信頼性を有する抵抗変化型不揮発メモリ素子を実現することができる。とくに、スペーサー部が絶縁膜材料であることにより、その効果が確実なものとなる。
Next, the effect of this Embodiment is demonstrated.
In the first variable resistance nonvolatile memory element, since the spacer portion is formed between the metal adhesion layer and the resistance change layer, an unintended switching phenomenon at the interface between the metal adhesion layer and the resistance change layer, or the metal adhesion layer Therefore, it is possible to avoid the deterioration of the switching characteristics due to the reaction between the resistance change layer and the resistance change layer, and to realize a variable resistance nonvolatile memory element having high reliability. In particular, when the spacer portion is made of an insulating film material, the effect is ensured.

また、上記金属密着層材料の酸化物生成エネルギーが下部電極材料の酸化物生成エネルギーよりも大きい為、金属密着層の端部のみ選択的に酸化する事が可能であり、製造方法で示すように金属密着層の酸化物から成るスペーサー部を微細化に有利なセルフアラインで形成することが可能である。このため、低コスト化を実現できる。一例として、金属密着層にTiもしくはTiN/Ti積層構造、下部電極にWもしくはRuを用いた場合、金属密着層の酸化物生成エネルギーが低いため、上記効果を得られる。また、例えば、W及びRu及びPtは抵抗変化型不揮発メモリ素子の下部電極材料として好適なため、優れた不揮発メモリ特性が得られる。
以上のようにして、高信頼なスイッチングな抵抗変化型不揮発メモリ素子を低コストで実現することができる。
Moreover, since the oxide formation energy of the metal adhesion layer material is larger than the oxide formation energy of the lower electrode material, it is possible to selectively oxidize only the edge of the metal adhesion layer, as shown in the manufacturing method. The spacer portion made of the oxide of the metal adhesion layer can be formed by self-alignment advantageous for miniaturization. For this reason, cost reduction can be realized. As an example, when Ti or TiN / Ti laminated structure is used for the metal adhesion layer and W or Ru is used for the lower electrode, the above effect can be obtained because the oxide formation energy of the metal adhesion layer is low. Further, for example, W, Ru, and Pt are suitable as the lower electrode material of the variable resistance nonvolatile memory element, and therefore excellent nonvolatile memory characteristics can be obtained.
As described above, a highly reliable variable resistance nonvolatile memory element can be realized at low cost.

(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100について説明する。
第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、層間絶縁層(第3層間絶縁層130)に形成された凹部152内に、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140が配置されている点を除いて、第1の実施の形態と同様である。
以下、第1の実施の形態との異なる点について詳述する。
(Second Embodiment)
Next, the variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the second embodiment will be described.
In the variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the second embodiment, a variable resistance nonvolatile memory element 140 is disposed in a recess 152 formed in an interlayer insulating layer (third interlayer insulating layer 130). Except for this, it is the same as in the first embodiment.
Hereinafter, differences from the first embodiment will be described in detail.

図9(a)は第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図である。図9(a)に示す抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、1T1R型の抵抗変化型不揮発メモリアレイが適用されている。図9(b)は、図9(a)のa−a'断面図である。図10は、図9(a)のa−a'断面図の一部である。   FIG. 9A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment. A variable resistance nonvolatile memory array of 1T1R type is applied to the variable resistance nonvolatile memory device 100 shown in FIG. FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. FIG. 10 is a part of an aa ′ cross-sectional view of FIG.

図9(b)に示すように、半導体基板102上の第2層間絶縁層122上に、第2キャップ絶縁層128及び第3層間絶縁層130が積層される。第2層間絶縁層122には第1配線124aが形成される。一方、第2キャップ絶縁層128及び第3層間絶縁層130には、第1配線124aに接続する凹部152が形成される。平面視において、凹部152は、第1配線124aの外縁で区画された領域の内側に形成されることが好ましい。また、例えば、凹部152は、平面視において、例えば、矩形形状、円形形状、楕円形状の各種の形状を有してもよいが、本実施の形態では円形形状を有する。   As shown in FIG. 9B, the second cap insulating layer 128 and the third interlayer insulating layer 130 are stacked on the second interlayer insulating layer 122 on the semiconductor substrate 102. A first wiring 124 a is formed in the second interlayer insulating layer 122. On the other hand, in the second cap insulating layer 128 and the third interlayer insulating layer 130, a recess 152 connected to the first wiring 124a is formed. In plan view, the recess 152 is preferably formed inside a region partitioned by the outer edge of the first wiring 124a. In addition, for example, the recess 152 may have various shapes such as a rectangular shape, a circular shape, and an elliptical shape in a plan view, but has a circular shape in the present embodiment.

抵抗変化型不揮発性メモリ素子140の一部又は全体は、このような凹部152に形成される。一例としては、図9(b)に示すように、金属密着層142、スペーサー部150及び下部電極144の全体が、凹部152に埋設されている。一方、抵抗変化層146及び上部電極148は、一部が凹部152に埋設され、かつ残りが凹部152の開口部の外側に形成される。このように、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、凹部152に沿って形成されている。   A part or all of the variable resistance nonvolatile memory element 140 is formed in the recess 152. As an example, as shown in FIG. 9B, the entire metal adhesion layer 142, the spacer portion 150, and the lower electrode 144 are embedded in the recess 152. On the other hand, a part of the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 is embedded in the recess 152 and the rest is formed outside the opening of the recess 152. As described above, the variable resistance nonvolatile memory element 140 is formed along the recess 152.

図9(a)に示すように、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、平面視において、第1配線124aの形成領域の内部に形成されることが好ましい。また、図9(b)に示すように、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、下層配線(第1配線124a)の延在方向に対する直交方向において、第1配線124aの幅と比較して、同等以下の幅を有していることが好ましい。これにより、面内方向における微細化を図ることが可能となる。   As shown in FIG. 9A, the variable resistance nonvolatile memory element 140 is preferably formed inside the formation region of the first wiring 124a in plan view. Further, as shown in FIG. 9B, the variable resistance nonvolatile memory element 140 is compared with the width of the first wiring 124a in the direction orthogonal to the extending direction of the lower layer wiring (first wiring 124a). It is preferable that the width is equal or less. Thereby, it becomes possible to achieve miniaturization in the in-plane direction.

詳細には、金属密着層142は、第1配線124aの上面及び凹部152の側壁の一部に形成される。金属密着層142の断面形状は、コの字形状でもよいが、板状でもよい。下部電極144は、凹部152に埋設された金属密着層142の上面上又は上面上かつ内壁上に沿って積層される。スペーサー部150は、金属密着層142の外縁部に形成されている。スペーサー部150の端部は、図10に示すように、下部電極144と同一面を形成していてもよい(本実施の形態では、同一面とは、製造工程のバラツキを許容し得る)。   Specifically, the metal adhesion layer 142 is formed on the upper surface of the first wiring 124 a and a part of the side wall of the recess 152. The cross-sectional shape of the metal adhesion layer 142 may be a U shape or may be a plate shape. The lower electrode 144 is laminated on the upper surface or the upper surface of the metal adhesion layer 142 embedded in the recess 152 and along the inner wall. The spacer portion 150 is formed on the outer edge portion of the metal adhesion layer 142. As shown in FIG. 10, the end portion of the spacer portion 150 may form the same surface as the lower electrode 144 (in this embodiment, the same surface can allow variations in the manufacturing process).

また、抵抗変化層146は、凹部152に埋設された下部電極144及びスペーサー部150の上面上、凹部152の内壁上及び凹部152の開口部の周囲に亘って形成される。言い換えると、抵抗変化層146と金属密着層142との間に、下部電極144及びスペーサー部150が配置されている。また、上部電極148は、抵抗変化層146の上面に沿って形成される。また、図9(a)に示すように、上部電極148は、隣接する凹部152の間において、連続せずに離間していてもよい。   Further, the resistance change layer 146 is formed on the upper surfaces of the lower electrode 144 and the spacer portion 150 embedded in the recess 152, on the inner wall of the recess 152, and around the opening of the recess 152. In other words, the lower electrode 144 and the spacer portion 150 are disposed between the resistance change layer 146 and the metal adhesion layer 142. The upper electrode 148 is formed along the upper surface of the resistance change layer 146. Further, as shown in FIG. 9A, the upper electrode 148 may be separated without being continuous between the adjacent recesses 152.

本実施の形態において、図10に示すように、上部電極148と下部電極144とが対向する有効領域160は、凹部152の内に形成される。抵抗変化層146の側壁部は、凹部152の開口部の外側に形成されており、この有効領域160から離れて形成される。加えて、凹部152内において、抵抗変化層146と金属密着層142との間に、下部電極144及びスペーサー部150が配置されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the effective region 160 where the upper electrode 148 and the lower electrode 144 face each other is formed in the recess 152. The side wall portion of the resistance change layer 146 is formed outside the opening of the recess 152 and is formed away from the effective region 160. In addition, in the recess 152, the lower electrode 144 and the spacer portion 150 are disposed between the resistance change layer 146 and the metal adhesion layer 142.

また、図10に示すように、金属密着層142は、第3層間絶縁層130に形成された凹部152の底部上及び側壁の一部上に沿って位置している。例えば、金属密着層142は、断面視においてコの字形状を有する。スペーサー部150は、金属密着層142の上端面上に位置している。すなわち、スペーサー部150は、凹部152の内壁の周囲に沿って形成される。このスペーサー部150は、例えば、平面視において、リング形状を有する。下部電極144は、金属密着層142の上並びに内壁上及びスペーサー部150の内壁上に位置している。この下部電極144は、図示されるように、コの字形状を有していてもよいが、金属密着層142及びスペーサー部150で構成される内孔に埋設されていてもよい。抵抗変化層146は、下部電極144上及びスペーサー部150上に位置している。この抵抗変化層146は、凹部152の側壁のうち残りの部分の上に位置している。また、上部電極148は、抵抗変化層146上に位置しており、具体的には、抵抗変化層146の上及び内壁上に位置している。本実施の形態では、さらに、ビア134は、上部電極148上に位置してればよく、例えば、上部電極148で構成された内孔に埋設されてもよい。
以上により、第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 10, the metal adhesion layer 142 is located along the bottom of the recess 152 and a part of the side wall formed in the third interlayer insulating layer 130. For example, the metal adhesion layer 142 has a U-shape when viewed in cross section. The spacer portion 150 is located on the upper end surface of the metal adhesion layer 142. That is, the spacer portion 150 is formed along the periphery of the inner wall of the recess 152. For example, the spacer portion 150 has a ring shape in a plan view. The lower electrode 144 is located on the metal adhesion layer 142, on the inner wall, and on the inner wall of the spacer unit 150. The lower electrode 144 may have a U-shape as illustrated, but may be embedded in an inner hole formed by the metal adhesion layer 142 and the spacer portion 150. The resistance change layer 146 is located on the lower electrode 144 and the spacer portion 150. The resistance change layer 146 is located on the remaining portion of the side wall of the recess 152. Further, the upper electrode 148 is located on the resistance change layer 146, specifically, located on the resistance change layer 146 and on the inner wall. In the present embodiment, the via 134 only needs to be positioned on the upper electrode 148, and may be embedded in an inner hole formed by the upper electrode 148, for example.
As described above, the second embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment.

次に、第2の実施の形態の半導体装置(抵抗変化型不揮発メモリ装置100)の製造工程について説明する。図11は、第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。図11は、図9(a)のa−a'断面図の一部における工程断面図を示す。   Next, a manufacturing process of the semiconductor device (resistance variable nonvolatile memory device 100) according to the second embodiment will be described. FIG. 11 is a process cross-sectional view illustrating the procedure of the manufacturing process of the variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment. FIG. 11 is a process cross-sectional view in a part of the cross-sectional view along the line aa ′ in FIG.

本実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100の製造方法(以下、本工程と称することもある)は、次の工程を含む。まず、基板(半導体基板102)上に層間絶縁層(第3層間絶縁層130a)を形成する。次いで、第3層間絶縁層130aに凹部(凹部152)を形成する。次いで、凹部152の内部に、金属密着層142及び下部電極144を形成する。次いで、凹部152の内部の金属密着層142のうち露出している部分にスペーサー部150を形成する。次いで、下部電極144及びスペーサー部150上、凹部152の開口部の外側に抵抗変化層146を形成する。この後、抵抗変化層146上に上部電極148を形成する。
以下、第1の実施の形態と異なる点を詳述する。
The method for manufacturing variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as “this step”) includes the following steps. First, an interlayer insulating layer (third interlayer insulating layer 130a) is formed over a substrate (semiconductor substrate 102). Next, a recess (recess 152) is formed in the third interlayer insulating layer 130a. Next, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 are formed inside the recess 152. Next, the spacer portion 150 is formed on the exposed portion of the metal adhesion layer 142 inside the recess 152. Next, a resistance change layer 146 is formed on the lower electrode 144 and the spacer portion 150 and outside the opening of the recess 152. Thereafter, the upper electrode 148 is formed on the resistance change layer 146.
Hereinafter, differences from the first embodiment will be described in detail.

まず、第1の実施の形態と同様にして、半導体基板102上に第1配線124を有する第2層間絶縁層122(下部配線層)を形成する。次いで、第2層間絶縁層122上に第2キャップ絶縁層128及び第3層間絶縁層130aを堆積する。   First, as in the first embodiment, a second interlayer insulating layer 122 (lower wiring layer) having a first wiring 124 is formed on the semiconductor substrate 102. Next, a second cap insulating layer 128 and a third interlayer insulating layer 130 a are deposited on the second interlayer insulating layer 122.

次いで、図11(a)に示すように、第3層間絶縁層130a及び第2キャップ絶縁層128に凹部152を形成する。例えば、フォトリソグラフィ工程及びドライエッチング工程を用いて、凹部152を形成することができる。凹部152の底面には第1配線124aの上面の少なくとも一部が露出する。   Next, as illustrated in FIG. 11A, a recess 152 is formed in the third interlayer insulating layer 130 a and the second cap insulating layer 128. For example, the recess 152 can be formed using a photolithography process and a dry etching process. At least a part of the upper surface of the first wiring 124 a is exposed on the bottom surface of the recess 152.

次いで、図11(b)に示すように、凹部152の内部及び開口の外側に金属密着層142及び下部電極144を堆積する。堆積手法としては、第1の実施の形態と同様とすることができる。金属密着層142及び下部電極144は凹部152の形状に沿って形成される。次いで、図11(c)に示すように、不図示のレジストを凹部152の内部に埋設した状態で、少なくとも凹部152の開口の外側に形成された金属密着層142及び下部電極144を選択的に除去する。本実施の形態では、凹部152の内壁上に形成された金属密着層142及び下部電極144の一部も除去されてよい。言い換えると、少なくとも凹部152の底部に選択的に、金属密着層142及び下部電極144を残すことができる。例えば、この工程にはドライエッチング工程を用いることができる。この後、不図示のレジストを除去する。   Next, as shown in FIG. 11B, a metal adhesion layer 142 and a lower electrode 144 are deposited inside the recess 152 and outside the opening. The deposition method can be the same as in the first embodiment. The metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 are formed along the shape of the recess 152. Next, as illustrated in FIG. 11C, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 formed at least outside the opening of the recess 152 are selectively formed in a state where a resist (not illustrated) is embedded in the recess 152. Remove. In the present embodiment, part of the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 formed on the inner wall of the recess 152 may also be removed. In other words, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 can be selectively left at least at the bottom of the recess 152. For example, a dry etching process can be used for this process. Thereafter, the resist (not shown) is removed.

次いで、図11(d)に示すように、金属密着層142のうち露出している部分、言い換えると、下部電極144に覆われていない部分にスペーサー部150を形成する。この工程は、第1の実施の形態と同様に、酸素雰囲気で加熱することにより、金属密着層のうち露出している端部を酸化することができる。   Next, as illustrated in FIG. 11D, the spacer portion 150 is formed in the exposed portion of the metal adhesion layer 142, in other words, the portion not covered with the lower electrode 144. In this step, as in the first embodiment, the exposed end of the metal adhesion layer can be oxidized by heating in an oxygen atmosphere.

次いで、図11(e)に示すように、凹部152の底部に埋設された下部電極144及びスペーサー部150を覆うように、凹部152の内部及び開口の外側に抵抗変化層146及び上部電極148を堆積する。このとき、抵抗変化層146は、金属密着層142と接してはおらず、下部電極144の上面及びスペーサー部150の上面に接している。また、堆積手法としては、第1の実施の形態と同様とすることができる。これにより、凹部152の内部に均一に抵抗変化層146及び上部電極148を堆積することができる。   Next, as illustrated in FIG. 11E, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 are provided inside the recess 152 and outside the opening so as to cover the lower electrode 144 and the spacer portion 150 embedded in the bottom of the recess 152. accumulate. At this time, the resistance change layer 146 is not in contact with the metal adhesion layer 142 but is in contact with the upper surface of the lower electrode 144 and the upper surface of the spacer portion 150. Further, the deposition method can be the same as in the first embodiment. As a result, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 can be uniformly deposited inside the recess 152.

次いで、図11(f)に示すように、抵抗変化層146及び上部電極148を選択的に除去することより、抵抗変化層146及び上部電極148をパターニングすることができる。これにより、少なくとも抵抗変化層146の側壁部を凹部152の開口の外側に残すことができる。この工程は、例えば、第1の実施の形態と同様にして、フォトリソグラフィ工程及びドライエッチング工程を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 11F, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 can be patterned by selectively removing the resistance change layer 146 and the upper electrode 148. Thereby, at least the sidewall portion of the resistance change layer 146 can be left outside the opening of the recess 152. In this step, for example, a photolithography step and a dry etching step can be used in the same manner as in the first embodiment.

次いで、上部電極148上及び第3層間絶縁層130a上に不図示の層間絶縁層を堆積する。これにより、第3層間絶縁層130が形成される。この後は、第1の実施の形態と同様にして、第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100を得ることができる。   Next, an interlayer insulating layer (not shown) is deposited on the upper electrode 148 and the third interlayer insulating layer 130a. Thereby, the third interlayer insulating layer 130 is formed. Thereafter, the variable resistance nonvolatile memory device 100 of the second embodiment can be obtained in the same manner as in the first embodiment.

(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100について説明する。
第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、第1層間絶縁層110に形成された第1凹部(凹部154)内に、金属密着層142、下部電極144及びスペーサー部150が埋設されており、第2層間絶縁層122に形成された第2凹部(凹部156)内抵抗変化層146及び上部電極148が埋設されている点を除いて、第1の実施の形態と同様である。また、第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、互いに連続して形成された第1凹部及び第2凹部を含む2以上の凹部に各構成が形成されている点で、1つの凹部内に各構成が形成される第2の実施の形態とは異なる。
以下、第1の実施の形態との異なる点について詳述する。
(Third embodiment)
Next, a variable resistance nonvolatile memory device 100 according to a third embodiment will be described.
In the variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the third embodiment, the metal adhesion layer 142, the lower electrode 144, and the spacer portion 150 are embedded in the first recess (recess 154) formed in the first interlayer insulating layer 110. The second embodiment is the same as the first embodiment except that the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 in the second recess (recess 156) formed in the second interlayer insulating layer 122 are embedded. . The variable resistance nonvolatile memory element 140 according to the third embodiment is configured such that each configuration is formed in two or more recesses including a first recess and a second recess formed continuously. This is different from the second embodiment in which each component is formed in one recess.
Hereinafter, differences from the first embodiment will be described in detail.

図12(a)は第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の平面図である。図12(a)に示す抵抗変化型不揮発メモリ装置100は、1T1R型の抵抗変化型不揮発メモリアレイが適用されている。図12(b)は、図12(a)のa−a'断面図である。図13は、図12(a)のa−a'断面図の一部である(ただし、説明しやすいように一部を省略する)。   FIG. 12A is a plan view of the variable resistance nonvolatile memory device according to the third embodiment. A variable resistance nonvolatile memory array of 1T1R type is applied to the variable resistance nonvolatile memory device 100 shown in FIG. FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. FIG. 13 is a part of the cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG.

本実施の形態の抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、図12(b)に示すように、コンタクト162及び第1ビア164を構成することができる。コンタクト162は、トランジスタのソース拡散層108に接続する。また、コンタクト162は、第1ビア164とソース拡散層108とを電気的に接続する。一方、コンタクト162と同層には、コンタクト112が形成される。コンタクト112は埋設金属層112a及びバリアメタル膜112bから構成される。このコンタクト112は、ドレイン拡散層106に接続する。コンタクト112は、第1配線124bとドレイン拡散層106とを電気的に接続する。また、これらのコンタクト162及びコンタクト112は、トランジスタ上に形成された第1層間絶縁層110内に埋設される。   As shown in FIG. 12B, the variable resistance nonvolatile memory element 140 according to the present embodiment can form a contact 162 and a first via 164. The contact 162 is connected to the source diffusion layer 108 of the transistor. The contact 162 electrically connects the first via 164 and the source diffusion layer 108. On the other hand, a contact 112 is formed in the same layer as the contact 162. The contact 112 includes a buried metal layer 112a and a barrier metal film 112b. This contact 112 is connected to the drain diffusion layer 106. The contact 112 electrically connects the first wiring 124 b and the drain diffusion layer 106. The contacts 162 and 112 are buried in the first interlayer insulating layer 110 formed on the transistor.

また、第1ビア164は、コンタクト162と第2ビア166とを電気的に接続する。また、第1ビア164は、第1配線124bと同層に形成される。言い換えると、第1ビア164と、第1配線124bとは、第1層間絶縁層110上に形成された第2層間絶縁層122内に埋設される。   The first via 164 electrically connects the contact 162 and the second via 166. The first via 164 is formed in the same layer as the first wiring 124b. In other words, the first via 164 and the first wiring 124 b are embedded in the second interlayer insulating layer 122 formed on the first interlayer insulating layer 110.

また、第2ビア166は、埋設金属層166a及びバリアメタル膜166bで構成される。第2ビア166は、第1ビア164と第2配線138とを電気的に接続する。なお、第2ビア166は、第1の実施の形態と同様に、第2配線138と同一部材で構成されてもよい。   The second via 166 is composed of a buried metal layer 166a and a barrier metal film 166b. The second via 166 electrically connects the first via 164 and the second wiring 138. Note that the second via 166 may be formed of the same member as the second wiring 138, as in the first embodiment.

次いで、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140について詳述する。
コンタクト162は、金属密着層142、下部電極144及びスペーサー部150から構成される。金属密着層142は、凹部154の底面上及び内壁上に形成されていて、下部電極144の下面及び側壁面を覆う。下部電極144は、凹部154の内部の中心に形成されている。スペーサー部150は、凹部154の内壁上に形成されていて、下部電極144の端部に形成される。このスペーサー部150は、下部電極144とともに第1ビア164の端部に形成されていて、下部電極144の周囲を覆うように形成される。
Next, the variable resistance nonvolatile memory element 140 will be described in detail.
The contact 162 includes a metal adhesion layer 142, a lower electrode 144, and a spacer part 150. The metal adhesion layer 142 is formed on the bottom surface and the inner wall of the recess 154 and covers the lower surface and the side wall surface of the lower electrode 144. The lower electrode 144 is formed at the center inside the recess 154. The spacer 150 is formed on the inner wall of the recess 154 and is formed at the end of the lower electrode 144. The spacer 150 is formed at the end of the first via 164 together with the lower electrode 144 and is formed so as to cover the periphery of the lower electrode 144.

また、第1ビア164は、少なくとも抵抗変化層146及び上部電極148から構成されていればよく、図12(b)に示すように、さらに埋め込み金属部158を有してもよい。上部電極148は、凹部156の底部上及び内壁上に形成されていて、下層の下部電極144及びスペーサー部150と接している。また、上部電極148は、抵抗変化層146よりも内側に形成されている。この上部電極148は、抵抗変化層146に沿って形成され、断面形状が抵抗変化層146と相似形を成してもよい。また、埋め込み金属部158は、凹部156のうち抵抗変化層146及び上部電極148が形成された部分の残りを埋設する。   The first via 164 only needs to be composed of at least the resistance change layer 146 and the upper electrode 148, and may further include a buried metal portion 158 as shown in FIG. The upper electrode 148 is formed on the bottom and inner wall of the recess 156, and is in contact with the lower electrode 144 and the spacer portion 150 which are lower layers. The upper electrode 148 is formed on the inner side of the resistance change layer 146. The upper electrode 148 may be formed along the resistance change layer 146 and may have a cross-sectional shape similar to that of the resistance change layer 146. The embedded metal portion 158 embeds the remainder of the recess 156 where the variable resistance layer 146 and the upper electrode 148 are formed.

また、図13に示すように、抵抗変化層146は、凹部156に埋設された上部電極148と凹部154に埋設された下部電極144とが対向する有効領域160の外側に延在する。有効領域160から外側に延在した抵抗変化層146は、スペーサー部150と接する。なお、本実施の形態では、断面視において、上部電極148の幅と下部電極144との幅とを同一にすることができる(同一とは、製造プロセスのバラツキを許容する)。   As shown in FIG. 13, the resistance change layer 146 extends outside the effective region 160 where the upper electrode 148 embedded in the recess 156 and the lower electrode 144 embedded in the recess 154 face each other. The resistance change layer 146 extending outward from the effective region 160 is in contact with the spacer portion 150. In the present embodiment, the width of the upper electrode 148 and the width of the lower electrode 144 can be the same in a cross-sectional view (the same means that variations in the manufacturing process are allowed).

また、図12(a)に示すように、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140の形状は、平面視において、円形形状、楕円形状又は矩形形状のいずれでもよい。また、コンタクト162と第1ビア164とは同一の孔径を有することができる。さらに、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140は、第2ビア166又はコンタクト112と同一の孔径を有しても良い。なお、平面視において、コンタクト162及び第1ビア164は、第1配線124bの配線幅と比較して、同一またはそれ以下の孔径とすることができる。   Further, as shown in FIG. 12A, the variable resistance nonvolatile memory element 140 may have a circular shape, an elliptical shape, or a rectangular shape in plan view. Further, the contact 162 and the first via 164 may have the same hole diameter. Further, the variable resistance nonvolatile memory element 140 may have the same hole diameter as the second via 166 or the contact 112. In plan view, the contact 162 and the first via 164 can have the same or smaller hole diameter compared to the wiring width of the first wiring 124b.

また、図13に示すように、金属密着層142は、第1層間絶縁層110に形成された凹部154の底部上及び側壁の一部上に沿って位置している。例えば、金属密着層142は、断面視においてコの字形状を有する。スペーサー部150は、金属密着層142の上端面上に位置している。すなわち、スペーサー部150は、凹部154の内壁の周囲に沿って形成される。このスペーサー部150は、例えば、平面視において、リング形状を有する。下部電極144は、金属密着層142の上並びに内壁上及びスペーサー部150の内壁上に位置している。この下部電極144は、図示されるように、金属密着層142及びスペーサー部150で構成される内孔に埋設される。また、抵抗変化層146は、第2層間絶縁層122に形成された凹部156の底部上及び側壁の一部上に沿って位置している。例えば、抵抗変化層146は、断面視においてコの字形状を有する。この抵抗変化層146は、下部電極144上及びスペーサー部150上に位置している。また、上部電極148は、抵抗変化層146上に位置しており、具体的には、抵抗変化層146の上及び内壁上に位置している。本実施の形態では、さらに、埋め込み金属部158は、上部電極148上に位置してればよく、例えば、上部電極148で構成された内孔に埋設されてもよい。   Further, as shown in FIG. 13, the metal adhesion layer 142 is located on the bottom of the recess 154 formed in the first interlayer insulating layer 110 and on a part of the side wall. For example, the metal adhesion layer 142 has a U-shape when viewed in cross section. The spacer portion 150 is located on the upper end surface of the metal adhesion layer 142. That is, the spacer portion 150 is formed along the periphery of the inner wall of the recess 154. For example, the spacer portion 150 has a ring shape in a plan view. The lower electrode 144 is located on the metal adhesion layer 142, on the inner wall, and on the inner wall of the spacer unit 150. The lower electrode 144 is embedded in an inner hole composed of the metal adhesion layer 142 and the spacer portion 150 as shown in the figure. In addition, the resistance change layer 146 is positioned along the bottom of the recess 156 formed in the second interlayer insulating layer 122 and along a part of the side wall. For example, the resistance change layer 146 has a U shape in a cross-sectional view. The resistance change layer 146 is located on the lower electrode 144 and the spacer portion 150. Further, the upper electrode 148 is located on the resistance change layer 146, specifically, located on the resistance change layer 146 and on the inner wall. In the present embodiment, the embedded metal portion 158 may be positioned on the upper electrode 148, and may be embedded in an inner hole formed by the upper electrode 148, for example.

第3の実施の形態においては、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140が、コンタクト及びビアに埋設されているので、第1の実施の形態及び第2の実施の形態と比較して、面内方向の微細化をさらに実現することができる。また、第3の実施の形態は、第1の実施の形態と同等の効果が得られる。   In the third embodiment, since the variable resistance nonvolatile memory element 140 is embedded in the contacts and vias, the in-plane direction is compared with the first and second embodiments. Further miniaturization can be realized. In addition, the third embodiment can obtain the same effect as the first embodiment.

次に、第3の実施の形態の半導体装置(抵抗変化型不揮発メモリ装置100)の製造工程について説明する。図14は、第2の実施の形態の抵抗変化型不揮発記憶装置の製造工程の手順を示す工程断面図である。図14は、図12(a)のa−a'断面図の一部における工程断面図を示す。   Next, a manufacturing process of the semiconductor device (resistance variable nonvolatile memory device 100) of the third embodiment will be described. FIG. 14 is a process cross-sectional view illustrating the procedure of the manufacturing process of the variable resistance nonvolatile memory device according to the second embodiment. FIG. 14 is a process cross-sectional view in a part of the cross-sectional view along the line aa ′ in FIG.

本実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100の製造方法(以下、本工程と称することもある)は、次の工程を含む。まず、半導体基板102上に第1層間絶縁層110を形成する。次いで、第1層間絶縁層110に第1凹部(凹部154)を形成する。次いで、凹部154に金属密着層142及び下部電極144を埋設する。次いで、金属密着層142のうち露出部分にスペーサー部150を形成する。次いで、第1層間絶縁層110上に第2層間絶縁層122を形成する。この第2層間絶縁層122に第2凹部(凹部156)を形成する。この後、凹部156に抵抗変化層146及び上部電極148を埋設する。
以下、第1及び第2の実施の形態と異なる点を詳述する。
The method for manufacturing variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as “this step”) includes the following steps. First, the first interlayer insulating layer 110 is formed on the semiconductor substrate 102. Next, a first recess (recess 154) is formed in the first interlayer insulating layer 110. Next, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 are embedded in the recess 154. Next, the spacer portion 150 is formed on the exposed portion of the metal adhesion layer 142. Next, a second interlayer insulating layer 122 is formed on the first interlayer insulating layer 110. A second recess (recess 156) is formed in the second interlayer insulating layer 122. Thereafter, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 are embedded in the recess 156.
Hereinafter, differences from the first and second embodiments will be described in detail.

まず、第1の実施の形態と同様にして、半導体基板102上の素子領域にトランジスタを形成し、この上に第1層間絶縁層110を形成する。
図14(a)に示すように、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、半導体基板102の拡散層に達する凹部(コンタクト孔)を第1層間絶縁層110に形成する。一方のコンタクト孔には、バリアメタル膜112b及び埋設金属層112aを形成する。
図14(b)に示すように、他方のコンタクト孔(凹部154)には、金属密着層142及び下部電極144を埋設する。例えば、凹部154内部及び開口の外側に金属密着層142及び下部電極144を堆積させ、CMPを用いて余剰の部分を研削する。堆積方法は、第1の実施の形態と同等のものを用いることができる。
First, in the same manner as in the first embodiment, a transistor is formed in an element region on the semiconductor substrate 102, and a first interlayer insulating layer 110 is formed thereon.
As shown in FIG. 14A, a recess (contact hole) reaching the diffusion layer of the semiconductor substrate 102 is formed in the first interlayer insulating layer 110 by using a photolithography method and a dry etching method. In one contact hole, a barrier metal film 112b and a buried metal layer 112a are formed.
As shown in FIG. 14B, a metal adhesion layer 142 and a lower electrode 144 are embedded in the other contact hole (recess 154). For example, the metal adhesion layer 142 and the lower electrode 144 are deposited inside the recess 154 and outside the opening, and the excess portion is ground using CMP. The same deposition method as that in the first embodiment can be used.

次いで、図14(c)に示すように、凹部154の開口において、露出している金属密着層142を酸化する。これにより、金属密着層142の露出部分にスペーサー部150を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 14C, the exposed metal adhesion layer 142 is oxidized in the opening of the recess 154. Thereby, the spacer part 150 can be formed in the exposed part of the metal adhesion layer 142.

第1層間絶縁層110上に金属層を形成し、この金属層をパターニングすることにより、第1配線124bを形成することができる。なお、第1配線124bは、ダマシン方法により形成されても良い。この場合には、第1配線124bを、第1ビア164より先に形成してもよいし、後に形成してもよい。   The first wiring 124b can be formed by forming a metal layer on the first interlayer insulating layer 110 and patterning the metal layer. Note that the first wiring 124b may be formed by a damascene method. In this case, the first wiring 124b may be formed before or after the first via 164.

次いで、図14(d)に示すように、第1配線124bを覆うように、第1層間絶縁層110上に第2層間絶縁層122を形成する。この第2層間絶縁層122に凹部156を形成する。例えば、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 14D, a second interlayer insulating layer 122 is formed on the first interlayer insulating layer 110 so as to cover the first wiring 124b. A recess 156 is formed in the second interlayer insulating layer 122. For example, a photolithography method and a dry etching method can be used.

この後、図14(e)に示すように、凹部156に抵抗変化層146及び上部電極148を堆積する。堆積方法は、第1の実施の形態と同様とすることができる。
そして、図14(f)に示すように、凹部156の中心部に不図示のレジストマスクを埋設した状態で、開口の外側に形成された抵抗変化層146及び上部電極148を選択的に除去する。例えば、ドライエッチング法を用いることができる。その後、不図示のレジストマスクを除去する。これにより、凹部156の底部上及び内壁上に、抵抗変化層146及び上部電極148を選択的に形成できるが、この態様に限定されずに、凹部156内部全体を抵抗変化層146及び上部電極148で埋設してもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 14E, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 are deposited in the recess 156. The deposition method can be the same as in the first embodiment.
Then, as shown in FIG. 14F, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 formed outside the opening are selectively removed in a state where a resist mask (not shown) is buried in the center of the recess 156. . For example, a dry etching method can be used. Thereafter, the resist mask (not shown) is removed. Thereby, the resistance change layer 146 and the upper electrode 148 can be selectively formed on the bottom and the inner wall of the recess 156. However, the present invention is not limited to this aspect, and the entire inside of the recess 156 is formed in the resistance change layer 146 and the upper electrode 148. It may be buried with.

次いで、凹部156の残りの空間を埋め込み金属部158で埋設する。例えば、凹部156内部の上部電極148上に所定の金属層を形成し、この金属層の余剰部分をCMPにより、埋め込み金属部158を形成することができる。埋め込み金属部158としては、特に限定されないが、例えば、Cu、Al、Wなど、ビアや配線に用いる各種金属または合金を用いることができる。   Next, the remaining space of the recess 156 is embedded with the embedded metal portion 158. For example, it is possible to form a predetermined metal layer on the upper electrode 148 inside the recess 156 and form the buried metal portion 158 by CMP on the surplus portion of this metal layer. The embedded metal portion 158 is not particularly limited, and for example, various metals or alloys used for vias and wiring such as Cu, Al, and W can be used.

次いで、抵抗変化型不揮発性メモリ素子140及び第2層間絶縁層122上に第3層間絶縁層130を形成する。第3層間絶縁層130にビア孔を形成し、このビア孔にバリアメタル膜166b及び埋設金属層166aを埋設する。その後、第3層間絶縁層130上に第3キャップ絶縁層132及び不図示の第4層間絶縁層を形成する。次いで、この第4層間絶縁層及び第3キャップ絶縁層132を貫通し、第2ビア166の上面に達する開口部を形成する。そして、第4層間絶縁層に開口部と連続する配線溝を形成する。次いで、開口部及び配線溝にバリアメタル膜136及び金属膜を埋設する。余剰の金属膜をCMPで除去することにより、第2配線138を形成する。この後、通常の半導体装置の製造工程を実施してもよい。
以上により、第3の実施の形態の抵抗変化型不揮発メモリ装置100を形成することができる。
Next, a third interlayer insulating layer 130 is formed on the variable resistance nonvolatile memory element 140 and the second interlayer insulating layer 122. A via hole is formed in the third interlayer insulating layer 130, and a barrier metal film 166b and an embedded metal layer 166a are embedded in the via hole. Thereafter, a third cap insulating layer 132 and a fourth interlayer insulating layer (not shown) are formed on the third interlayer insulating layer 130. Next, an opening that penetrates the fourth interlayer insulating layer and the third cap insulating layer 132 and reaches the upper surface of the second via 166 is formed. Then, a wiring groove continuing to the opening is formed in the fourth interlayer insulating layer. Next, a barrier metal film 136 and a metal film are embedded in the opening and the wiring groove. The second wiring 138 is formed by removing the excess metal film by CMP. Thereafter, a normal semiconductor device manufacturing process may be performed.
As described above, the variable resistance nonvolatile memory device 100 according to the third embodiment can be formed.

なお、当然ながら、上述した複数の実施の形態は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。   Needless to say, the above-described embodiments can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. In the above-described embodiment, the structure of each part has been specifically described. However, the structure and the like can be variously changed within a range that satisfies the present invention.

10 抵抗変化型不揮発メモリ装置
12 半導体基板
14 素子分離層
16 ドレイン拡散層
18 ソース拡散層
20 第1層間絶縁層
22 コンタクト
24 ゲート絶縁膜
26 ゲート電極
28 側壁部
30 第1キャップ絶縁層
32 第2層間絶縁層
34 第1配線
36 バリアメタル膜
40 第2キャップ絶縁層
42 第3層間絶縁層
44 第3キャップ絶縁層
46 ビア
48 バリアメタル膜
50 抵抗変化型不揮発性メモリ素子
52 金属密着層
54 下部電極
56 抵抗変化層
58 上部電極
60 第2配線
70 電流経路
72 不完全な電流経路
74 側壁部
76 不完全な電流経路
80 有効領域
82 側壁部
84 界面
100 抵抗変化型不揮発メモリ装置
102 半導体基板
104 素子分離層
106 ドレイン拡散層
108 ソース拡散層
110 第1層間絶縁層
112 コンタクト
112a 埋設金属層
112b バリアメタル膜
114 ゲート絶縁膜
116 ゲート電極
118 側壁部
120 第1キャップ絶縁層
122 第2層間絶縁層
124、124a、124b 第1配線
126 バリアメタル膜
128 第2キャップ絶縁層
130、130a 第3層間絶縁層
132 第3キャップ絶縁層
134 ビア
136 バリアメタル膜
138 第2配線
140 抵抗変化型不揮発性メモリ素子
142 金属密着層
144 下部電極
146 抵抗変化層
148 上部電極
150 スペーサー部
152 凹部
154 凹部
156 凹部
158 埋め込み金属部
160 有効領域
162 コンタクト
164 第1ビア
166 第2ビア
166a 埋設金属層
166b バリアメタル膜
10 resistance variable nonvolatile memory device 12 semiconductor substrate 14 element isolation layer 16 drain diffusion layer 18 source diffusion layer 20 first interlayer insulating layer 22 contact 24 gate insulating film 26 gate electrode 28 sidewall 30 first cap insulating layer 32 second interlayer Insulating layer 34 First wiring 36 Barrier metal film 40 Second cap insulating layer 42 Third interlayer insulating layer 44 Third cap insulating layer 46 Via 48 Barrier metal film 50 Variable resistance nonvolatile memory element 52 Metal adhesion layer 54 Lower electrode 56 Resistance change layer 58 Upper electrode 60 Second wiring 70 Current path 72 Incomplete current path 74 Side wall 76 Incomplete current path 80 Effective area 82 Side wall 84 Interface 100 Resistance change nonvolatile memory device 102 Semiconductor substrate 104 Element isolation layer 106 Drain diffusion layer 108 Source diffusion layer 110 First interlayer insulating layer 112 Tact 112a Buried metal layer 112b Barrier metal film 114 Gate insulating film 116 Gate electrode 118 Side wall 120 First cap insulating layer 122 Second interlayer insulating layers 124, 124a, 124b First wiring 126 Barrier metal film 128 Second cap insulating layer 130 , 130a Third interlayer insulating layer 132 Third cap insulating layer 134 Via 136 Barrier metal film 138 Second wiring 140 Variable resistance nonvolatile memory element 142 Metal adhesion layer 144 Lower electrode 146 Resistance change layer 148 Upper electrode 150 Spacer portion 152 Recess 154 Recess 156 Recess 158 Embedded metal portion 160 Effective region 162 Contact 164 First via 166 Second via 166a Embedded metal layer 166b Barrier metal film

Claims (16)

基板と、
前記基板上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられていて、その一部が前記金属層と対向している抵抗変化層と、
前記金属層と前記抵抗変化層とが対向する部分に位置している、スペーサー部と、
前記抵抗変化層上に設けられた上部電極と、
を備える半導体装置。
A substrate,
A metal layer provided on the substrate;
A lower electrode provided on the metal layer;
A resistance change layer provided on the lower electrode, a part of which is opposed to the metal layer;
A spacer portion located at a portion where the metal layer and the resistance change layer face each other;
An upper electrode provided on the variable resistance layer;
A semiconductor device comprising:
請求項1に記載の半導体装置において、
前記スペーサー部は絶縁層である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the spacer portion is an insulating layer.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記スペーサー部は前記金属層の酸化物で構成される、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The said spacer part is a semiconductor device comprised with the oxide of the said metal layer.
請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記金属層は、前記下部電極よりも酸化膜生成エネルギーが大きい材料で構成される、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device, wherein the metal layer is made of a material having a larger oxide film generation energy than the lower electrode.
請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記金属層は、Ta、TaN、Ti、及びTiNからなる群から選択される少なくとも一種を含む、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device, wherein the metal layer includes at least one selected from the group consisting of Ta, TaN, Ti, and TiN.
請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
下部電極は、W、Ru、及びPtからなる群から選択される少なくとも一種を含む、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The lower electrode includes a semiconductor device including at least one selected from the group consisting of W, Ru, and Pt.
基板と、
前記基板上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられていて、その一部が前記金属層と対向しており、前記下部電極の上及び周囲に位置しており、及び、当該周囲に位置する部分が前記下地層に接している、抵抗変化層と、
前記金属層と前記抵抗変化層とが対向する部分に位置しており、かつ前記金属層の周縁部に形成されている、スペーサー部と、
前記抵抗変化層上に設けられた上部電極と、
を備える、
半導体装置。
A substrate,
An underlayer provided on the substrate;
A metal layer provided on the underlayer;
A lower electrode provided on the metal layer;
Provided on the lower electrode, a part of which faces the metal layer, is located on and around the lower electrode, and a portion located on the circumference is in contact with the base layer A resistance change layer;
A spacer portion, which is located in a portion where the metal layer and the resistance change layer face each other, and is formed on a peripheral portion of the metal layer;
An upper electrode provided on the variable resistance layer;
Comprising
Semiconductor device.
基板と、
前記基板上に設けられた層間絶縁層と、
前記層間絶縁層に形成された凹部の底部上及び側壁の一部上に沿って位置する、金属層と、
前記金属層の上端面上に位置する、スペーサー部と、
前記金属層の上並びに内壁上及び前記スペーサー部の内壁上に位置する、下部電極と、
前記下部電極上及び前記スペーサー部上に位置する、抵抗変化層と、
抵抗変化層上に位置する、上部電極と、
を備える、
半導体装置。
A substrate,
An interlayer insulating layer provided on the substrate;
A metal layer located on the bottom of the recess formed in the interlayer insulating layer and on a part of the side wall;
A spacer portion located on the upper end surface of the metal layer;
A lower electrode located on the metal layer and on the inner wall and on the inner wall of the spacer portion;
A resistance change layer located on the lower electrode and the spacer portion;
An upper electrode located on the variable resistance layer;
Comprising
Semiconductor device.
基板と、
前記基板上に積層された第1層間絶縁層及び第2層間絶縁層と、
前記第1層間絶縁層に形成された第1凹部の底部上及び側壁の一部上に沿って位置する、金属層と、
前記金属層の上端面上に位置する、スペーサー部と、
前記金属層の内側に埋設された、下部電極と、
前記第2層間絶縁層に形成された第2凹部の底部及び側壁の一部上に沿って位置していて、前記スペーサー部上及び前記下部電極上に位置する、抵抗変化層と、
前記抵抗変化層の内壁上に位置する、上部電極と、
を備える、
半導体装置。
A substrate,
A first interlayer insulating layer and a second interlayer insulating layer stacked on the substrate;
A metal layer located on the bottom of the first recess formed on the first interlayer insulating layer and on a part of the side wall;
A spacer portion located on the upper end surface of the metal layer;
A lower electrode embedded inside the metal layer;
A resistance change layer located along a part of the bottom and side wall of the second recess formed in the second interlayer insulating layer, and located on the spacer part and the lower electrode;
An upper electrode located on the inner wall of the variable resistance layer;
Comprising
Semiconductor device.
下部電極、抵抗変化層及び上部電極を備える半導体装置の製造方法であって、
基板上に金属層を形成する工程と、
前記金属層の一部上に前記下部電極を形成する工程と、
前記金属層のうち露出部分にスペーサー部を形成する工程と、
前記下部電極及び前記スペーサー部と接する前記抵抗変化層を形成する工程と、
前記抵抗変化層上に前記上部電極を形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a lower electrode, a resistance change layer, and an upper electrode,
Forming a metal layer on the substrate;
Forming the lower electrode on a portion of the metal layer;
Forming a spacer portion on the exposed portion of the metal layer;
Forming the variable resistance layer in contact with the lower electrode and the spacer portion;
Forming the upper electrode on the variable resistance layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板上に層間絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層に凹部を形成する工程と、を有しており、
前記金属層を形成する前記工程は、前記凹部内に前記金属層を形成する工程を含み、
前記抵抗変化層を形成する前記工程は、前記抵抗変化層を、前記下部電極上、前記スペーサー部上、及び前記凹部の開口部の外側に形成する工程を含む、
半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10,
Forming an interlayer insulating layer on the substrate;
Forming a recess in the interlayer insulating layer,
The step of forming the metal layer includes the step of forming the metal layer in the recess,
The step of forming the variable resistance layer includes a step of forming the variable resistance layer on the lower electrode, on the spacer portion, and outside the opening of the concave portion.
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板上に第1層間絶縁層を形成する工程と、
前記第1層間絶縁層に第1凹部を形成する工程と、
前記第1層間絶縁層上に第2層間絶縁層を形成する工程と、
前記第2層間絶縁層に第2凹部を形成する工程と、を有しており、
前記金属層を形成する前記工程及び前記下部電極を形成する前記工程は、前記第1凹部に前記金属層及び前記下部電極を埋設する工程を含み、
前記抵抗変化層を形成する前記工程及び前記上部電極を形成する工程は、前記第2凹部に前記抵抗変化層及び前記上部電極を埋設する工程を含む、
半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10,
Forming a first interlayer insulating layer on the substrate;
Forming a first recess in the first interlayer insulating layer;
Forming a second interlayer insulating layer on the first interlayer insulating layer;
Forming a second recess in the second interlayer insulating layer,
The step of forming the metal layer and the step of forming the lower electrode include a step of burying the metal layer and the lower electrode in the first recess,
The step of forming the variable resistance layer and the step of forming the upper electrode include a step of burying the variable resistance layer and the upper electrode in the second recess.
A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項10から12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記スペーサー部を形成する前記工程は、前記金属層の露出部分を選択的に酸化する工程を有する、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 10 to 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming the spacer portion includes a step of selectively oxidizing an exposed portion of the metal layer.
請求項10から13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属層は、前記下部電極よりも酸化膜生成エネルギーが大きい材料で構成される、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 10 to 13,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal layer is made of a material having an oxide film generation energy larger than that of the lower electrode.
請求項10から14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属層は、Ta、TaN、Ti、TiNからなる群から選択される少なくとも一種を含む、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 10 to 14,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal layer includes at least one selected from the group consisting of Ta, TaN, Ti, and TiN.
請求項10から15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
下部電極は、W、Ru、Ptからなる群から選択される少なくとも一種を含む、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 10 to 15,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the lower electrode includes at least one selected from the group consisting of W, Ru, and Pt.
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