JP5692297B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、第1の電極と、バルブメタルの酸化膜からなる第1のイオン伝導層と、酸素を含む第2のイオン伝導と、第2の電極と、の順の積層構造を含み、
前記多層配線層の配線が前記第1の電極を兼ねる半導体装置である。
前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
前記第1のイオン伝導層は、前記開口部において前記第1の電極と接することが好ましい。
前記第2の電極は、前記第2のイオン伝導層と接する第1上部電極と、前記プラグと接する第2上部電極とからなり、該第1上部電極は、Ru又はNiからなることが好ましい。
前記第1の電極上にバルブメタル膜を形成する工程と、
前記第2のイオン伝導層を酸素存在下で形成しつつ、前記バルブメタル膜を酸化する工程と、
を有する半導体装置の製造方法である。
まず、本発明における抵抗変化素子の構成について図面を用いて説明する。
本発明における第1の電極は、導電性材料から構成され、例えば銅、銀、金を含む。これらの中でも銅を含むことが好ましく、銅の中に不純物としてAl、Sn、Tiなどが含まれていても良い。第1の電極はイオン伝導層9a及び9bに銅イオン等の金属イオンを供給する役割を果たしている。
第1のイオン伝導層は、バルブメタルの酸化膜からなる。第1の電極に接してチタンやアルミニウムなどのバルブメタルの酸化膜(酸化チタン膜や酸化アルミニウム膜)が形成されている。バルブメタルは不動体(不動態)を形成しやすい金属であり、例えばチタン、アルミニウム又はクロム等が挙げられる。
第2のイオン伝導層は、酸素を含有する。また、第2のイオン伝導層は、少なくともTa、Zr又はHfのいずれかを主成分とする酸化物であることが好ましい。
第2の電極は、特に限定するものではないが、Ru、Ni又はPtを含むことが好ましい。
本実施形態に係る半導体装置について図面を用いてさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
次に、本発明に係る半導体装置例の製造方法について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明に係る半導体装置例について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
次に、実施形態4に係る半導体装置例の製造方法について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本実施形態に係る半導体装置について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本実施形態に係る半導体装置について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
上述のように、Taを主成分とする酸化物はスパッタリング法以外にもアトミックレイヤーデポジション法(ALD法)を用いて形成することもできる。例えばTa2O5膜の形成方法の例を以下に示す。
2 層間絶縁膜
3 バリア絶縁膜
4 層間絶縁膜
5、5a、5b 第1配線(配線、下部電極)
5c TaN/Ru積層下部電極(第2下部電極)
6、6a、6b バリアメタル
7 絶縁性バリア膜
8 ハードマスク膜(ハードマスク)
9a 第1のイオン伝導層
9b 第2のイオン伝導層
10 第1上部電極
11 第2上部電極
12 ハードマスク膜
13、23、28 ハードマスク膜(第2ハードマスク膜)
14、14´、24、29 保護絶縁膜
15 層間絶縁膜
16 エッチングストッパ膜
17 層間絶縁膜
18、18a、18b 第2配線
19、19a、19b プラグ
20、20a、20b バリアメタル
21 バリア絶縁膜
22、22´、25、26、30、31 抵抗変化素子
32、34 層間絶縁膜
33 エッチングストッパ膜
35 銅配線
36 バリアメタル
37 バリア絶縁膜
38、40 層間絶縁膜
39 エッチングストッパ膜
41 銅配線
42 バリアメタル
43 バリア絶縁膜
44、46 層間絶縁膜
45 エッチングストッパ膜
47 銅配線
48 バリアメタル
49 バリア絶縁膜
50、52 層間絶縁膜
51 エッチングストッパ膜
53 銅配線
54 バリアメタル
55 バリア絶縁膜
56、58 層間絶縁膜
57 エッチングストッパ膜
59 銅配線
60 バリアメタル
61 バリア絶縁膜
62 シリコン酸化膜
63 シリコン窒化酸化膜
64 AlCu配線
65、66 Ti/TiN膜
67 タングステンプラグ
68 TiN膜
70 選択トランジスタ
71a、71b ビアホール
72a、72b 溝
Claims (14)
- 半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、第1の電極と、バルブメタルの酸化膜からなる第1のイオン伝導層と、酸素を含む第2のイオン伝導層と、第2の電極と、の順の積層構造を含み、
前記多層配線層の配線が前記第1の電極を兼ね、
前記第1の電極の上に、該第1の電極から遠ざかるにつれて広がるテーパ面を有する開口を有する絶縁性バリア膜が形成されており、
前記第1のイオン伝導層は、前記開口に露出する前記第1の電極上及び前記テーパ面上に配置され、
前記第1のイオン伝導層、前記第2のイオン伝導層及び前記第2の電極の外周は、前記半導体基板の面方向において同じ位置に配置されており、
前記第2のイオン伝導層は、Ta、Zr又はHfのいずれかとSiとの複合酸化物であり、
前記第1の電極は、銅を含み、
前記バルブメタルの酸化膜は、酸化チタン膜である、ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、第1の電極と、バルブメタルの酸化膜からなる第1のイオン伝導層と、酸素を含む第2のイオン伝導層と、第2の電極と、の順の積層構造を含み、
前記多層配線層の配線が前記第1の電極を兼ね、
前記第1の電極の上に、該第1の電極から遠ざかるにつれて広がるテーパ面を有する開口を有する絶縁性バリア膜が形成されており、
前記第1のイオン伝導層は、前記開口に露出する前記第1の電極上及び前記テーパ面上に配置され、
前記第1のイオン伝導層、前記第2のイオン伝導層及び前記第2の電極の外周は、前記半導体基板の面方向において同じ位置に配置されており、
前記第2のイオン伝導層は、Ta、Zr又はHfのいずれかとSiとの複合酸化物であり、
前記第1の電極は、銅を含み、
前記バルブメタルの酸化膜は、酸化チタン及び酸化アルミニウムを含む膜である、ことを特徴とする半導体装置。 - 前記酸化チタン膜の膜厚が4nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体
装置。 - 前記第2のイオン伝導層は、TaとSiとの複合酸化物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第2のイオン伝導層は、ZrとSiとの複合酸化物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第2のイオン伝導層は、HfとSiとの複合酸化物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記酸化チタンと前記TaとSiとの複合酸化物の積層構造の合計膜厚は20nm以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記多層配線層は、さらに前記第2の電極と電気的に接続されるプラグを備え、
前記第2の電極は、前記第2のイオン伝導層と接する第1上部電極と、前記プラグと接する第2上部電極とからなり、該第1上部電極は、Ru又はNiからなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記第2上部電極は、Ti、Ta、W、又はそれらの窒化物からなることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第1の電極上にバルブメタル膜を形成する工程と、
前記第2のイオン伝導層を酸素存在下で形成しつつ、前記バルブメタル膜を酸化する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記イオン伝導層はスパッタリング法又はALD法により形成されることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バルブメタル膜はチタン膜であり、その膜厚は2nm以下であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2のイオン伝導層は、TaSiOをターゲットに用い、酸素存在下で、高周波スパッタリング法によって形成することを特徴とする請求項10乃至12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高周波スパッタリングは、酸素とアルゴンの混合ガスを導入して行うことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
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