JP5016699B2 - 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、前記第1の開口部および前記第2の開口部の形状および大きさは、前記第1の開口部および前記第2の開口部内に前記第1電極を所定の膜厚で堆積した際に、前記第1の開口部内には前記第1電極が完全に充填されるが、前記第2の開口部内には前記第1電極が完全に充填されない形状および大きさとする。
ここで、前記第1の開口部および前記第2の開口部の形状および大きさは、前記第1の開口部および前記第2の開口部内に前記第1電極を所定の膜厚で堆積した際に、前記第1の開口部内には前記第1電極が完全に充填されるが、前記第2の開口部内には前記第1電極が完全に充填されない形状および大きさとする。
更に、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記第2の特徴に加えて、前記可変抵抗体が、前記第1の金属配線及び前記第2の金属配線の上面全面を覆っていることを第3の特徴とする。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置100」と称す)及びその製造方法(以降、適宜「本発明方法1」と称す)につき、図面を参照して説明する。
上述の第1実施形態では、第1の開口部128及び第2の開口部129を形成後、可変抵抗体124および第1電極126を全面に堆積し、その後エッチバックを行なうことで、第1の開口部128内に可変抵抗素子104を、第2の開口部129内に導通孔130を、夫々、同時に形成する例を説明したが、可変抵抗体124の形成は層間絶縁膜を貫通する第1の開口部及び第2の開口部を形成する前であってもよい。
以下において、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以降、適宜「本発明装置100b」と称す)及びその製造方法(以降、適宜「本発明方法3」と称す)につき、図面を参照して説明する。図23は本実施形態において、本発明装置100bにおけるメモリセルアレイ204の概略の構造断面図を模式的に示す図である。
102,502: 選択トランジスタ
104,504: 可変抵抗素子
106,506: 素子分離領域
108,508: 半導体基板
110,510: ゲート絶縁膜
112,512: ゲート電極(ワード線)
114,514: ドレイン領域
115: ドレイン電極
116,516: ソース領域
117: ソース電極
118,518: ソース線
119: 第1の金属配線
120: 第3の金属配線
121: 第2の金属配線
122,522: 下部電極(第2電極)
124,524: 可変抵抗体
126,526: 上部電極(第1電極)
128: 第1の開口部
129: 第2の開口部
130: 導通孔
132〜134,532〜534: 層間絶縁膜
136,137,535〜539: コンタクトプラグ
200〜209: 本発明のメモリセルアレイ
500: 従来構成に係るメモリセルアレイ
501: メモリセルユニット
519,521: 金属配線
520: ビット線
Claims (22)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極間に挟持される可変抵抗体を備え、前記第1電極と前記第2電極の間に電圧を印加することにより、前記第1電極と前記第2電極の間の電流電圧特性で表される抵抗状態が二以上の異なる状態間で遷移し、当該遷移後の一の抵抗状態が不揮発的に保持される可変抵抗素子を複数、マトリクス状に配列してなる不揮発性半導体記憶装置であって、
第1の金属配線上に、第1の開口部が、前記第1の金属配線上の層間絶縁膜を貫通するように形成され、
前記第1の金属配線と同一層の第2の金属配線上に、第2の開口部が、前記第2の金属配線上の層間絶縁膜を貫通するように形成され、
前記第1の開口部と前記第2の開口部の大きさ及び形状の少なくとも何れか一方が異なり、前記第1の開口部および前記第2の開口部の形状および大きさが、前記第1の開口部および前記第2の開口部内に前記第1電極を所定の膜厚で堆積した際に、前記第1の開口部内には前記第1電極が完全に充填されるが、前記第2の開口部内には前記第1電極が完全に充填されない形状および大きさであり、
前記第1の開口部内において、
前記第1の開口部の底部と側壁部の全面を覆い、前記第1の金属配線と接触する前記可変抵抗体、及び、前記可変抵抗体を覆う前記第1電極が、夫々形成され、
前記第1の金属配線の少なくとも一部が前記第2電極となって、前記可変抵抗素子が形成され、
前記第2の開口部内において、
前記第2の開口部の側壁部の全面に前記可変抵抗体が形成され、
前記第2の開口部の底部の側壁に沿った内周部分に前記可変抵抗体が残存するとともに、前記第2の開口部の底面の中央部分に前記可変抵抗体が形成されていないコンタクト領域を有し、
前記第1電極が、前記第2の開口部の側壁部に形成された前記可変抵抗体を覆い、且つ、前記第2の開口部の底部の前記内周部分に残存する前記可変抵抗体の上面を覆うように形成され、
前記コンタクト領域上において前記第2の金属配線と直接接続する第3の金属配線が形成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 第1電極と、第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極間に挟持される可変抵抗体を備え、前記第1電極と前記第2電極の間に電圧を印加することにより、前記第1電極と前記第2電極の間の電流電圧特性で表される抵抗状態が二以上の異なる状態間で遷移し、当該遷移後の一の抵抗状態が不揮発的に保持される可変抵抗素子を複数、マトリクス状に配列してなる不揮発性半導体記憶装置であって、
第1の金属配線と下方において接する前記可変抵抗体上に、第1の開口部が、前記第1の金属配線上に位置する層間絶縁膜を貫通するように形成され、
前記第1の金属配線と同一層の第2の金属配線と下方において接する前記可変抵抗体上に、第2の開口部が、前記第2の金属配線上に位置する層間絶縁膜を貫通するように形成され、
前記第1の開口部と前記第2の開口部の大きさ及び形状の少なくとも何れか一方が異なり、前記第1の開口部および前記第2の開口部の形状および大きさが、前記第1の開口部および前記第2の開口部内に前記第1電極を所定の膜厚で堆積した際に、前記第1の開口部内には前記第1電極が完全に充填されるが、前記第2の開口部内には前記第1電極が完全に充填されない形状および大きさであり、
前記第1の開口部内において、
前記第1電極が、前記第1の開口部の底部において露出する前記可変抵抗体の上面を覆うように形成され、
前記第1の金属配線の少なくとも一部が前記第2電極となって、前記可変抵抗素子が形成され、
前記第2の開口部において、
前記第1電極が、前記第2の開口部の底部のうち側壁に沿った内周部分において露出する前記可変抵抗体の上面を覆うように前記第2の開口部内に形成されるとともに、前記第2の開口部の底部の中央部分の下方において前記可変抵抗体が形成されていないコンタクト領域を有し、
前記コンタクト領域上において前記第2の金属配線と直接接続する第3の金属配線が形成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗体が、前記第1の金属配線及び前記第2の金属配線の上面全面を覆っていることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1電極が前記第1の開口部内にプラグ状に充填されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2の開口部の開口面積が、前記第1の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第3の金属配線は、前記第2の金属配線と、前記第1の開口部内に形成された前記第1電極の両方と直接接続されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の金属配線上に、複数の前記第1の開口部を、行及び列方向に夫々複数、マトリクス状に配列し、
列方向に延伸する前記第3の金属配線により、同一列に属する前記第1電極同士が接続され、
アイランド状の前記第1の金属配線を介して一端が前記第2電極の夫々と各別に接続する複数の選択用素子を、前記第1の開口部毎に有し、
同一行に属する前記選択用素子の他端同士が行方向に延伸する第4の配線を介して接続されることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記選択用素子がトランジスタであることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記選択用素子が薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項8に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1の金属配線上に、複数の前記第1の開口部を、行及び列方向に夫々複数、マトリクス状に配列し、
列方向に延伸する前記第3の金属配線により、同一列に属する前記第1電極同士が接続され、
行方向に延伸する前記第1の金属配線を介して、同一行に属する前記第2電極同士が接続されることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記可変抵抗体は、遷移金属酸化物もしくはアルミニウム酸化物、又は、遷移金属の酸窒化物であることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記可変抵抗体は、少なくともNi,Co,Ti,Ta,Hf,W,Cu,及び、Alから選択される一の元素を含む酸化物又は酸窒化物であることを特徴とする請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 請求項2又は3に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1の金属配線と第2の金属配線を形成するとともに、前記第1の金属配線上および前記第2の金属配線上に可変抵抗体を形成する工程と、
前記可変抵抗体を覆う全面に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記可変抵抗体に達する深さの第1の開口部を、及び、前記第2の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記可変抵抗体に達する深さの第2の開口部を形成する工程と、
第1電極を、前記第1の開口部内を完全に充填し、且つ、前記第2の開口部内を完全に充填せず且つ閉塞しないように全面に堆積する工程と、
前記第1電極を、前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内において前記可変抵抗体の表面が露出するまでエッチバックする工程と、
前記第2の金属配線上の前記可変抵抗体を、前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内において前記第2の金属配線の表面が露出するまでエッチバックする工程と、
前記第2の開口部内において露出する前記第2の金属配線上、及び、前記第1の開口部内に形成された前記第1電極上に第3の金属配線を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記可変抵抗体を形成する工程において、前記可変抵抗体を全面に堆積することを特徴とする請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、最上層の被酸化金属膜を含む第1の金属配線および第2の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線と前記第2の金属配線を覆う全面に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記被酸化金属膜に達する深さの第1の開口部を、及び、前記第2の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記被酸化金属膜に達する深さの第2の開口部を形成する工程と、
前記第1の開口部および前記第2の開口部の底部に露出する前記被酸化金属膜を酸化し、前記被酸化金属膜の酸化物である可変抵抗体を形成する工程と、
第1電極を、前記第1の開口部内を完全に充填し、且つ、前記第2の開口部内を完全に充填せず且つ閉塞しないように全面に堆積する工程と、
前記第1電極を、前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内において前記可変抵抗体の表面が露出するまでエッチバックする工程と、
前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内に露出した前記可変抵抗体をエッチバックにより取り除く工程と、
前記第2の開口部内において露出する前記第2の金属配線上、及び、前記第1の開口部内に形成された前記第1電極上に第3の金属配線を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、
基板上に、第1の金属配線と第2の金属配線を形成する工程と、
前記第1の金属配線と前記第2の金属配線を覆う全面に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記第1の金属配線に達する深さの第1の開口部を、及び、前記第2の金属配線上の前記層間絶縁膜に、前記第2の金属配線に達する深さの第2の開口部を形成する工程と、
可変抵抗体を、前記第1の開口部内および前記第2の開口部内を完全に充填せず、且つ前記第1の開口部内および前記第2の開口部内を閉塞しないように全面に堆積する工程と、
第1電極を、前記第1の開口部内を完全に充填し、且つ、前記第2の開口部内を完全に充填せず且つ閉塞しないように全面に堆積する工程と、
前記第1電極を、前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内において前記可変抵抗体の表面が露出するまでエッチバックする工程と、
前記可変抵抗体を、前記第1の開口部内が前記第1電極で充填された状態を維持しつつ、前記第2の開口部内において前記第2の金属配線の表面が露出するまでエッチバックする工程と、
前記第2の開口部内において露出する前記第2の金属配線上、及び、前記第1の開口部内に形成された前記第1電極上に第3の金属配線を形成する工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 前記第1の開口部および前記第2の開口部を形成する工程において、形成される前記第2の開口部の開口面積が、前記第1の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項13〜16の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 前記可変抵抗素子の第2電極と接続する選択用素子を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項13〜17の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 前記選択用素子がトランジスタであることを特徴とする請求項18に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 前記選択用素子が薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項19に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 前記可変抵抗体として、遷移金属酸化物もしくはアルミニウム酸化物、又は、遷移金属の酸窒化物を用いることを特徴とする請求項13〜20の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 前記可変抵抗体として、少なくともNi,Co,Ti,Ta,Hf,W,Cu,及び、Alから選択される一の元素を含む酸化物又は酸窒化物を用いることを特徴とする請求項21に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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