JP5799504B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

[関連出願についての記載]
本発明は、日本国特許出願:特願2009−004037号(2009年 1月 9日出願)の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化型不揮発素子(以下、「抵抗変化素子」)を備えたフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array;FPGA)を有する多層配線基板及びその製造方法に関する。
[Description of related applications]
The present invention is based on the priority claim of Japanese Patent Application No. 2009-004037 (filed on Jan. 9, 2009), the entire contents of which are incorporated herein by reference. Shall.
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a field programmable gate array including a variable resistance nonvolatile element (hereinafter referred to as “resistance variable element”) inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate. An FPGA) and a method for manufacturing the same.

半導体基板上に多層配線層を有する半導体デバイス(特に、シリコンデバイス)は、微細化(スケーリング則:Mooreの法則)によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、3年4倍のペースで開発が進められてきた。近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート長は20nm以下となり、リソグラフィプロセスの高騰(装置価格およびマスクセット価格)、およびデバイス寸法の物理的限界(動作限界・ばらつき限界)により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。   Semiconductor devices (especially silicon devices) with a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate are being developed at a pace of 3 years, with the integration and low power consumption of devices progressed through miniaturization (scaling law: Moore's law). Has been promoted. In recent years, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) have gate lengths of 20 nm or less, so far due to soaring lithography processes (apparatus prices and mask set prices) and physical limitations (operation limits and dispersion limits) of device dimensions. There is a need to improve device performance with an approach different from the scaling law.

近年、ゲートアレイとスタンダードセルの中間的な位置づけとしてFPGAと呼ばれる再書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスが開発されている。FPGAは、顧客自身がチップの製造後に任意の回路構成を行うことを可能とするものである。FPGAは、多層配線層の内部に抵抗変化素子を有し、顧客自身が任意に配線の電気的接続をできるようにしたものである。このようなFPGAを搭載した半導体装置を用いることで、回路の自由度を向上させることができるようになる。抵抗変化素子としては、遷移金属酸化物を用いたReRAM(Resistance Random Access Memory)や、イオン伝導体を用いたNanoBridge(NEC社の登録商標)などがある。   In recent years, a rewritable programmable logic device called FPGA has been developed as an intermediate position between a gate array and a standard cell. The FPGA enables the customer himself to perform an arbitrary circuit configuration after manufacturing the chip. The FPGA has a variable resistance element inside a multilayer wiring layer so that customers themselves can arbitrarily connect the wiring. By using a semiconductor device mounted with such an FPGA, the degree of freedom of the circuit can be improved. Examples of the resistance change element include ReRAM (Resistance Random Access Memory) using a transition metal oxide and NanoBridge (registered trademark of NEC) using an ionic conductor.

かかる要件を満たす可能性の高い抵抗変化素子として、イオン伝導体(イオンが電界などの印加によって自由に動くことのできる固体)中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用したスイッチング素子が非特許文献1に開示されている。非特許文献1に開示されたスイッチング素子は、イオン伝導層、このイオン伝導層に接して対向面に設置された第1電極及び第2電極の3層から構成されている。このうち、第1電極はイオン伝導層に金属イオンを供給するための役割を果たしている。第2電極からは金属イオンは供給されない。   Non-patented switching elements using metal ion migration and electrochemical reactions in ion conductors (solids in which ions can move freely by applying an electric field or the like) as variable resistance elements that are likely to satisfy these requirements It is disclosed in Document 1. The switching element disclosed in Non-Patent Document 1 is composed of an ion conductive layer, and three layers of a first electrode and a second electrode disposed on the opposite surface in contact with the ion conductive layer. Among these, the 1st electrode has played the role for supplying a metal ion to an ion conductive layer. Metal ions are not supplied from the second electrode.

このスイッチング素子の動作を簡単に説明する。第1の電極を接地して第2電極に負電圧を印加すると、第1電極の金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。そして、イオン伝導層中の金属イオンがイオン伝導層中に金属になって析出し、析出した金属により第1電極と第2電極を接続する金属架橋が形成される。金属架橋で第1電極と第2電極が電気的に接続することで、スイッチがオン状態になる。一方、上記オン状態で第1電極を接地して第2電極に正電圧を印加すると、金属架橋の一部が切れる。これにより、第1電極と第2電極との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第1電極および第2電極間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。また、上記オフ状態からオン状態にするには、再び第1の電極を接地して第2電極に負電圧を印加すればよい。   The operation of this switching element will be briefly described. When the first electrode is grounded and a negative voltage is applied to the second electrode, the metal of the first electrode becomes metal ions and dissolves in the ion conductive layer. And the metal ion in an ion conductive layer turns into a metal and precipitates in an ion conductive layer, The metal bridge | crosslinking which connects a 1st electrode and a 2nd electrode with the deposited metal is formed. The switch is turned on by electrically connecting the first electrode and the second electrode by metal bridge. On the other hand, when the first electrode is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode in the ON state, a part of the metal bridge is cut. Thereby, the electrical connection between the first electrode and the second electrode is cut off, and the switch is turned off. It should be noted that the electrical characteristics change from the stage before the electrical connection is completely cut off, such as the resistance between the first electrode and the second electrode is increased, or the capacitance between the electrodes is changed. Cut out. In order to change from the off state to the on state, the first electrode is grounded again and a negative voltage is applied to the second electrode.

また、非特許文献1では、イオン伝導体を介して2個の電極が配置され、それらの間の導通状態を制御する2端子型のスイッチング素子の場合の構成および動作が開示されている。さらに、非特許文献1では、この他にさらに1個の制御電極(第3電極)を配置して、その制御電極への電圧印加により、第1電極と第2電極間のイオン伝導体における導通状態を制御する3端子型のスイッチング素子が提案されている。   Non-Patent Document 1 discloses a configuration and operation in the case of a two-terminal switching element in which two electrodes are arranged via an ionic conductor and the conduction state between them is controlled. Furthermore, in Non-Patent Document 1, in addition to this, another control electrode (third electrode) is arranged, and voltage application to the control electrode causes conduction in the ion conductor between the first electrode and the second electrode. A three-terminal switching element for controlling the state has been proposed.

このようなスイッチング素子は、従来用いられてきた半導体スイッチ(MOSFETなど)よりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいという特徴を持っている。そのため、プログラマブルロジックデバイスへの適用に有望であると考えられている。また、このスイッチング素子においては、その導通状態(オン又はオフ)は印加電圧をオフにしてもそのまま維持されるので、不揮発性のメモリ素子としての応用も考えられる。例えば、トランジスタなどの選択素子1個とスイッチング素子1個とを含むメモリセルを基本単位として、このメモリセルを縦方向と横方向にそれぞれ複数配列する。このように配列することで、ワード線およびビット線で複数のメモリセルの中から任意のメモリセルを選択することが可能となる。そして、選択したメモリセルのスイッチング素子の導通状態をセンスし、スイッチング素子のオン又はオフの状態から情報「1」又は「0」のいずれの情報が格納されているかを読み取ることが可能な不揮発性メモリを実現できる   Such a switching element is characterized by a smaller size and a lower on-resistance than conventionally used semiconductor switches (such as MOSFETs). Therefore, it is considered promising for application to programmable logic devices. Further, in this switching element, its conduction state (on or off) is maintained as it is even when the applied voltage is turned off, so that it can be applied as a nonvolatile memory element. For example, with a memory cell including one selection element such as a transistor and one switching element as a basic unit, a plurality of memory cells are arranged in the vertical direction and the horizontal direction, respectively. Arranging in this way makes it possible to select an arbitrary memory cell from among a plurality of memory cells with the word line and the bit line. Then, the nonvolatile state capable of sensing the conduction state of the switching element of the selected memory cell and reading which information “1” or “0” is stored from the ON or OFF state of the switching element. Memory can be realized

Shunichi Kaeriyama et al., “A Nonvolatile Programmable Solid-Electrolyte Nanometer Switch”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.40, No.1, pp.168-176, January 2005.Shunichi Kaeriyama et al., “A Nonvolatile Programmable Solid-Electrolyte Nanometer Switch”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.40, No.1, pp.168-176, January 2005.

ところで、近年の高集積化の要請により抵抗変化素子の小型化による高密度化の必要性、および工程数の簡略化の必要性が生じている。さらに同時に抵抗変化素子の性能向上(低抵抗化)と信頼性の向上の要求も高まっており、高集積化、高性能化、高信頼化を両立できる抵抗変化素子の構造および形成手法が望まれている。また、最先端のデバイスは銅配線から構成されており、最先端のデバイスに抵抗変化素子を搭載して回路性能のフィレキシビリティの向上を計る意味でも、銅配線内に抵抗変化素子を形成する手法が望まれている。
上記非特許文献1の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下に本発明による関連技術の分析を与える。
By the way, due to the recent demand for higher integration, there is a need for higher density by miniaturization of variable resistance elements and a need for simplification of the number of processes. At the same time, the demands for improving the performance (reducing resistance) and improving the reliability of resistance change elements are also increasing, and a structure and method for forming a resistance change element that can achieve both high integration, high performance, and high reliability are desired. ing. In addition, the state-of-the-art device is composed of copper wiring, and the resistance-changing element is formed in the copper wiring in order to improve the circuit performance flexibility by mounting the resistance-changing element on the state-of-the-art device. A method is desired.
The entire disclosure of Non-Patent Document 1 is incorporated herein by reference.
The following is an analysis of the related art according to the present invention.

しかしながら、上記要求を満たすためには、従来技術では下記に示すような課題を有していた。第1に、従来技術では、抵抗変化素子を高信頼かつ高密度に配置することが実現されていなかった。第2に、抵抗変化素子のON抵抗が低い場合には、電極抵抗が顕在化してしまうという問題を有し、特に、集積化した場合には、電極同士の接触抵抗によって、抵抗が増加してしまうという問題を有していた。   However, in order to satisfy the above requirements, the prior art has the following problems. First, the prior art has not realized that the variable resistance elements are arranged with high reliability and high density. Second, when the resistance change element has a low ON resistance, there is a problem that the electrode resistance becomes obvious. In particular, when the resistance change element is integrated, the resistance increases due to the contact resistance between the electrodes. It had the problem of end.

本発明の主な課題は、高信頼化、高密度化、かつ、電極抵抗の低減化が可能な抵抗変化素子を搭載した半導体装置及びその製造方法を提供することである。   The main subject of this invention is providing the semiconductor device which mounts the resistance change element in which reliability improvement, density increase, and reduction of electrode resistance are mounted, and its manufacturing method.

本発明の第1の視点においては、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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備えることを特徴とする。
本発明の第2の視点においては、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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備えることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the resistance change element has a resistance change between an upper electrode and a lower electrode. And the multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode. The side surface or bottom portion of the plug is covered with a barrier metal, and the uppermost portion of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and the same material as the barrier metal or a component contained in the barrier metal. And the wiring also serves as the lower electrode and is made of copper. The lower surface of the variable resistance element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring, and the variable resistance element , Together with an ion conductive layer, metal ions is supplied from the wiring, the semiconductor device, with interposed between the upper electrode and the variable resistance element film, oxidation than the metal component in the variable resistance element film The second variable resistance element film is made of a metal oxide having a large absolute value of the free energy .
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a resistance change element in a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the resistance change element has a resistance change between an upper electrode and a lower electrode. And the multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode. The side surface or bottom portion of the plug is covered with a barrier metal, and the uppermost portion of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and the same material as the barrier metal or a component contained in the barrier metal. And the wiring also serves as the lower electrode and is made of copper. The lower surface of the variable resistance element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring, and the variable resistance element Is an ion conductive layer and supplied with metal ions from the wiring, and the semiconductor device is interposed between the variable resistance element film and the upper electrode and is more oxidized than a metal component in the variable resistance element film. A second variable resistance element film made of a metal oxide having a large absolute value of free energy, and interposed between the lower electrode and the variable resistance element film, and has a metal diffusion barrier property related to the lower electrode And a second lower electrode.

本発明の第3の視点においては、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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備えることを特徴とする。
本発明の第4の視点においては、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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極を備えることを特徴とする。
本発明の第5の視点においては、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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備えることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a resistance change element in a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the resistance change element has a resistance change between an upper electrode and a lower electrode. And the multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode. The side surface or bottom portion of the plug is covered with a barrier metal, and the uppermost portion of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and the same material as the barrier metal or a component contained in the barrier metal. And the wiring is made of copper, and an insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the resistance change element film, so that the insulating The rear film has an opening, the variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening, a hard mask film is disposed on the upper electrode, the hard mask film, the upper electrode, and the The laminated body of the resistance change element film has a top surface or a side surface covered with a protective insulating film, and the protective insulating film is insulated at the outer periphery of the laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film. The plug is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film, and the semiconductor device has the resistance change A second variable resistance element film made of an oxide of a metal interposed between the element film and the upper electrode and having an absolute value of oxidation free energy larger than that of the metal component in the variable resistance element film; Characterized in that it obtain.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a resistance change element in a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the resistance change element has a resistance change between an upper electrode and a lower electrode. And the multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode. The side surface or bottom portion of the plug is covered with a barrier metal, and the uppermost portion of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and the same material as the barrier metal or a component contained in the barrier metal. And the wiring is made of copper, and an insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the resistance change element film, so that the insulating The rear film has an opening, the variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening, a hard mask film is disposed on the upper electrode, the hard mask film, the upper electrode, and the The laminated body of the resistance change element film has a top surface or a side surface covered with a protective insulating film, and the protective insulating film is insulated at the outer periphery of the laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film. The plug is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film, and the semiconductor device includes the lower electrode And a variable resistance element film, and a second lower electrode having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the resistance change element has a resistance change between an upper electrode and a lower electrode. And the multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode. The side surface or bottom portion of the plug is covered with a barrier metal, and the uppermost portion of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and the same material as the barrier metal or a component contained in the barrier metal. And the wiring is made of copper, and an insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the resistance change element film, so that the insulating The rear film has an opening, the variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening, a hard mask film is disposed on the upper electrode, the hard mask film, the upper electrode, and the The laminated body of the resistance change element film has a top surface or a side surface covered with a protective insulating film. The plug is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film, and the semiconductor device has the resistance change A second resistance change element film formed of an oxide of a metal interposed between the element film and the upper electrode and having an absolute value of oxidation free energy larger than that of the metal component in the resistance change element film; With interposed between the lower electrode and the variable resistance element layer, characterized in that it comprises a second lower electrode having a diffusion barrier of metal according to the lower electrode.

本発明の前記半導体装置において、前記配線は、表面にCuSiが被覆されていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that a surface of the wiring is coated with CuSi.

本発明の前記半導体装置において、前記抵抗変化素子膜は、Taを含む酸化物であることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the variable resistance element film is preferably an oxide containing Ta.

本発明の前記半導体装置において、前記上部電極は、前記抵抗変化素子膜側から順に第1上部電極、第2上部電極が積層した構成であり、前記第1上部電極は、前記抵抗変化素子膜に係る金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料を含み、前記第2上部電極は、前記上部電極の最上部であることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the upper electrode has a configuration in which a first upper electrode and a second upper electrode are stacked in order from the resistance change element film side, and the first upper electrode is formed on the resistance change element film. It is preferable that the second upper electrode is the uppermost part of the upper electrode, including a metal material having an absolute value of free energy of oxidation smaller than that of the metal component.

本発明の前記半導体装置において、前記第1上部電極は、Pt、Ru、又はそれらの酸化物よりなることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the first upper electrode is made of Pt, Ru, or an oxide thereof.

本発明の前記半導体装置において、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, an insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film, the insulating barrier film has an opening, and the variable resistance element film includes the opening The hard mask film is disposed on the upper electrode in contact with the lower electrode, and the stacked body of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is covered with a protective insulating film on the top surface or the side surface. The protective insulating film is in contact with the insulating barrier film at the outer periphery of a stack of the hard mask film, the upper electrode, and the variable resistance element film, and the plug is connected to the protective insulating film and the hard mask film. It is preferable that the upper electrode is electrically connected through the barrier metal through a prepared hole.

本発明の前記半導体装置において、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜上に前記ハードマスク膜と材料が異なる第2ハードマスク膜が配され、前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記第2ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, an insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film, the insulating barrier film has an opening, and the variable resistance element film includes the opening A hard mask film is disposed on the upper electrode, a second hard mask film made of a material different from the hard mask film is disposed on the hard mask film, the second hard mask film, The laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the variable resistance element film is covered with a protective insulating film on the side surface, and the protective insulating film includes the second hard mask film, the hard mask film, and the upper electrode. And the insulating barrier film is in contact with the outer periphery of the laminated body of the resistance change element film, and the plug is connected to the barrier through the second hard mask film and a pilot hole formed in the hard mask film. Which is preferably electrically connected to the upper electrode through the barrel.

本発明の前記半導体装置において、前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜、前記第2ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。   In the semiconductor device according to the present invention, the stacked body of the second hard mask film, the hard mask film, the upper electrode, and the variable resistance element film is covered with a protective insulating film on an upper surface or a side surface, and the protective insulating film Is in contact with the insulating barrier film at the outer periphery of the stacked body of the second hard mask film, the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film, and the plug includes the protective insulating film, the first 2 It is preferable that the upper electrode is electrically connected through the barrier metal through a hard mask film and a pilot hole formed in the hard mask film.

本発明の前記半導体装置において、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜及び前記絶縁性バリア膜と同一材料で構成されていることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the protective insulating film is made of the same material as the hard mask film and the insulating barrier film.

本発明の前記半導体装置において、前記第2下部電極は、2層積層構造の電極であり、
前記抵抗変化素子膜側の層は、前記第1上部電極と同一材料よりなることが好ましい。
In the semiconductor device of the present invention, the second lower electrode is an electrode having a two-layer structure,
The layer on the variable resistance element film side is preferably made of the same material as the first upper electrode.

本発明の前記半導体装置において、前記第2下部電極は、前記下部電極側から順にTaN、Ruが積層した電極であることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the second lower electrode is an electrode in which TaN and Ru are laminated in order from the lower electrode side.

本発明によれば、上部電極の最上部、及び、プラグを覆うバリアメタルを同一材料で構成することで、バリアメタルと上部電極の最上部とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。また、上部電極の最上部がバリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成すれば、接触抵抗を低減し、かつ、密着性を向上することができる。また、配線を抵抗変化素子の下部電極とすることで、すなわち、配線が抵抗変化素子の下部電極を兼ねることで、抵抗変化素子の小型化による高密度化を実現することができるとともに、工程数を簡略化することができる。通常のCuダマシン配線プロセスに追加工程として、2PRのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子を搭載することができ、装置の低コスト化を同時に達成することができるようになる。さらに、銅配線によって構成される最先端のデバイスの内部にも抵抗変化素子を搭載して、装置の性能を向上させることができる。   According to the present invention, the uppermost part of the upper electrode and the barrier metal covering the plug are made of the same material, so that the barrier metal and the uppermost part of the upper electrode are integrated, the contact resistance is reduced, and the adhesion It is possible to improve the reliability by improving the reliability. Moreover, if the uppermost part of the upper electrode is made of a material containing the same component as that contained in the barrier metal, the contact resistance can be reduced and the adhesion can be improved. In addition, by using the wiring as the lower electrode of the resistance change element, that is, the wiring also serves as the lower electrode of the resistance change element, it is possible to achieve high density by miniaturization of the resistance change element and the number of processes. Can be simplified. As an additional step to the normal Cu damascene wiring process, it is possible to mount a resistance change element simply by creating a 2PR mask set, and to simultaneously reduce the cost of the apparatus. Furthermore, a resistance change element can also be mounted inside a state-of-the-art device composed of copper wiring to improve the performance of the apparatus.

本発明の実施例1に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第1の工程断面図である。It is 1st process sectional drawing which showed typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第2の工程断面図である。It is 2nd process sectional drawing which showed typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第3の工程断面図である。It is the 3rd process sectional view showing typically the manufacturing method of the semiconductor device concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第4の工程断面図である。It is the 4th process sectional view showing typically the manufacturing method of the semiconductor device concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第1の工程断面図である。It is the 1st process sectional view showing typically the manufacturing method of the semiconductor device concerning Example 2 of the present invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第2の工程断面図である。It is 2nd process sectional drawing which showed typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第3の工程断面図である。It is 3rd process sectional drawing which showed typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第4の工程断面図である。It is the 4th process sectional view showing typically the manufacturing method of the semiconductor device concerning Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例5に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the structure of the semiconductor device which concerns on Example 5 of this invention. 本発明の実施例5に係る半導体装置の構成を模式的に示した図13の領域Rの拡大断面図である。FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a region R in FIG. 13 schematically showing a configuration of a semiconductor device according to Example 5 of the present invention.

本発明の実施形態1に係る半導体装置では、半導体基板(図1の1)上の多層配線層(図1の2、3、4、5、7、15、16、17、18、19、21)の内部に抵抗変化素子(図1の22)を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子(図1の22)は、上部電極(図1の10、11)と下部電極(図1の5)との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜(図1の9)が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極(図1の5)と電気的に接続された配線(図1の1)と、前記上部電極(図1の10、11)と電気的に接続されたプラグ(図1の19)と、を備え、前記プラグ(図1の19)の側面乃至底部は、バリアメタル(図1の20)によって覆われており、前記上部電極の最上部(図1の11)は、前記バリアメタル(図1の20)と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備える
本発明の実施形態2に係る半導体装置では、半導体基板(図1の1)上の多層配線層(図1の2、3、4、5、7、15、16、17、18、19、21)の内部に抵抗変化素子(図1の22)を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子(図1の22)は、上部電極(図1の10、11)と下部電極(図1の5)との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜(図1の9)が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極(図1の5)と電気的に接続された配線(図1の1)と、前記上部電極(図1の10、11)と電気的に接続されたプラグ(図1の19)と、を備え、前記プラグ(図1の19)の側面乃至底部は、バリアメタル(図1の20)によって覆われており、前記上部電極の最上部(図1の11)は、前記バリアメタル(図1の20)と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備える。
本発明の実施形態に係る半導体装置では、半導体基板(図1の1)上の多層配線層(図1の2、3、4、5、7、15、16、17、18、19、21)の内部に抵抗変化素子(図1の22)を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子(図1の22)は、上部電極(図1の10、11)と下部電極(図1の5)との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜(図1の9)が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極(図1の5)と電気的に接続された配線(図1の1)と、前記上部電極(図1の10、11)と電気的に接続されたプラグ(図1の19)と、を備え、前記プラグ(図1の19)の側面乃至底部は、バリアメタル(図1の20)によって覆われており、前記上部電極の最上部(図1の11)は、前記バリアメタル(図1の20)と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜(図1の7)が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜(図1の12)が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜(図1の14)で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備える
本発明の実施形態4に係る半導体装置では、半導体基板(図1の1)上の多層配線層(図1の2、3、4、5、7、15、16、17、18、19、21)の内部に抵抗変化素子(図1の22)を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子(図1の22)は、上部電極(図1の10、11)と下部電極(図1の5)との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜(図1の9)が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極(図1の5)と電気的に接続された配線(図1の1)と、前記上部電極(図1の10、11)と電気的に接続されたプラグ(図1の19)と、を備え、前記プラグ(図1の19)の側面乃至底部は、バリアメタル(図1の20)によって覆われており、前記上部電極の最上部(図1の11)は、前記バリアメタル(図1の20)と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜(図1の7)が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜(図1の12)が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜(図1の14)で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極を備える。
本発明の実施形態5に係る半導体装置では、半導体基板(図1の1)上の多層配線層(図1の2、3、4、5、7、15、16、17、18、19、21)の内部に抵抗変化素子(図1の22)を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子(図1の22)は、上部電極(図1の10、11)と下部電極(図1の5)との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜(図1の9)が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極(図1の5)と電気的に接続された配線(図1の1)と、前記上部電極(図1の10、11)と電気的に接続されたプラグ(図1の19)と、を備え、前記プラグ(図1の19)の側面乃至底部は、バリアメタル(図1の20)によって覆われており、前記上部電極の最上部(図1の11)は、前記バリアメタル(図1の20)と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜(図1の7)が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜(図1の12)が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜(図1の14)で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備える。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the multilayer wiring layer (2, 3, 4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 21 of FIG. 1) on the semiconductor substrate (1 of FIG. 1). ) Having a variable resistance element (22 in FIG. 1), the variable resistance element (22 in FIG. 1) includes an upper electrode (10 and 11 in FIG. 1) and a lower electrode (in FIG. 1). 5), a variable resistance element film (9 in FIG. 1) having a variable resistance is interposed therebetween, and the multilayer wiring layer is electrically connected to at least the lower electrode (5 in FIG. 1). And a plug (19 in FIG. 1) electrically connected to the upper electrode (10, 11 in FIG. 1), and the plug (19 in FIG. 1). ) Is covered with a barrier metal (20 in FIG. 1), and the uppermost part (11 in FIG. 1) of the upper electrode. The barrier metal (20 in FIG. 1) is in direct contact and is made of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal, and the wiring includes the lower electrode. And also made of copper, the lower surface of the resistance change element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring, the resistance change element film is an ion conductive layer, metal ions are supplied from the wiring , A semiconductor device includes a second variable resistance element made of a metal oxide that is interposed between the variable resistance element film and the upper electrode and has an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the variable resistance element film With a membrane .
In the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the multilayer wiring layer (2, 3, 4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 21 of FIG. 1) on the semiconductor substrate (1 of FIG. 1). ) Having a variable resistance element (22 in FIG. 1), the variable resistance element (22 in FIG. 1) includes an upper electrode (10 and 11 in FIG. 1) and a lower electrode (in FIG. 1). 5), a variable resistance element film (9 in FIG. 1) having a variable resistance is interposed therebetween, and the multilayer wiring layer is electrically connected to at least the lower electrode (5 in FIG. 1). And a plug (19 in FIG. 1) electrically connected to the upper electrode (10, 11 in FIG. 1), and the plug (19 in FIG. 1). ) Is covered with a barrier metal (20 in FIG. 1), and the uppermost part (11 in FIG. 1) of the upper electrode. The barrier metal (20 in FIG. 1) is in direct contact and is made of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal, and the wiring includes the lower electrode. And also made of copper, the lower surface of the resistance change element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring, the resistance change element film is an ion conductive layer, metal ions are supplied from the wiring, A semiconductor device includes a second variable resistance element made of a metal oxide that is interposed between the variable resistance element film and the upper electrode and has an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the variable resistance element film And a second lower electrode interposed between the lower electrode and the variable resistance element film and having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.
In the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the multilayer wiring layer (2, 3, 4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 21 in FIG. 1) on the semiconductor substrate (1 in FIG. 1). ) Having a variable resistance element (22 in FIG. 1), the variable resistance element (22 in FIG. 1) includes an upper electrode (10 and 11 in FIG. 1) and a lower electrode (in FIG. 1). 5), a variable resistance element film (9 in FIG. 1) having a variable resistance is interposed therebetween, and the multilayer wiring layer is electrically connected to at least the lower electrode (5 in FIG. 1). And a plug (19 in FIG. 1) electrically connected to the upper electrode (10, 11 in FIG. 1), and the plug (19 in FIG. 1). ) Is covered with a barrier metal (20 in FIG. 1), and the uppermost part (11 in FIG. 1) of the upper electrode. The barrier metal (20 in FIG. 1) is in direct contact and is made of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal, and the wiring includes the lower electrode. The insulating barrier film (7 in FIG. 1) is made of copper and is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film. The insulating barrier film has an opening, and the variable resistance element The film is in contact with the lower electrode in the opening, and a hard mask film (12 in FIG. 1) is disposed on the upper electrode, and the stacked body of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is The upper surface or the side surface is covered with a protective insulating film (14 in FIG. 1), and the protective insulating film is formed on the outer periphery of the laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film. In contact with the membrane , The protective insulating film and electrically connected to the upper electrode via the barrier metal through the lower holes formed in the hard mask layer, said semiconductor device, between the upper electrode and the variable resistance element film And a second variable resistance element film made of a metal oxide having an absolute value of free energy of oxidation larger than that of the metal component in the variable resistance element film .
In the semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention, the multilayer wiring layer (2, 3, 4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 21 in FIG. 1) on the semiconductor substrate (1 in FIG. 1). ) Having a variable resistance element (22 in FIG. 1), the variable resistance element (22 in FIG. 1) includes an upper electrode (10 and 11 in FIG. 1) and a lower electrode (in FIG. 1). 5), a variable resistance element film (9 in FIG. 1) having a variable resistance is interposed therebetween, and the multilayer wiring layer is electrically connected to at least the lower electrode (5 in FIG. 1). And a plug (19 in FIG. 1) electrically connected to the upper electrode (10, 11 in FIG. 1), and the plug (19 in FIG. 1). ) Is covered with a barrier metal (20 in FIG. 1), and the uppermost part (11 in FIG. 1) of the upper electrode. The barrier metal (20 in FIG. 1) is in direct contact and is made of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal, and the wiring includes the lower electrode. The insulating barrier film (7 in FIG. 1) is made of copper and is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film. The insulating barrier film has an opening, and the variable resistance element The film is in contact with the lower electrode in the opening, and a hard mask film (12 in FIG. 1) is disposed on the upper electrode, and the stacked body of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is The upper surface or the side surface is covered with a protective insulating film (14 in FIG. 1). In contact with the membrane Is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film, and the semiconductor device is provided between the lower electrode and the resistance change element film. And a second lower electrode having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.
In the semiconductor device according to Embodiment 5 of the present invention, the multilayer wiring layer (2, 3, 4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 21 in FIG. 1) on the semiconductor substrate (1 in FIG. 1). ) Having a variable resistance element (22 in FIG. 1), the variable resistance element (22 in FIG. 1) includes an upper electrode (10 and 11 in FIG. 1) and a lower electrode (in FIG. 1). 5), a variable resistance element film (9 in FIG. 1) having a variable resistance is interposed therebetween, and the multilayer wiring layer is electrically connected to at least the lower electrode (5 in FIG. 1). And a plug (19 in FIG. 1) electrically connected to the upper electrode (10, 11 in FIG. 1), and the plug (19 in FIG. 1). ) Is covered with a barrier metal (20 in FIG. 1), and the uppermost part (11 in FIG. 1) of the upper electrode. The barrier metal (20 in FIG. 1) is in direct contact and is made of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal, and the wiring includes the lower electrode. The insulating barrier film (7 in FIG. 1) is made of copper and is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film. The insulating barrier film has an opening, and the variable resistance element The film is in contact with the lower electrode in the opening, and a hard mask film (12 in FIG. 1) is disposed on the upper electrode, and the stacked body of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is The upper surface or the side surface is covered with a protective insulating film (14 in FIG. 1), and the protective insulating film is formed on the outer periphery of the laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film. In contact with the membrane Is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film, and the semiconductor device is connected between the resistance change element film and the upper electrode. And between the lower electrode and the resistance change element film, the second resistance change element film made of a metal oxide having a larger absolute value of the free energy of oxidation than the metal component in the resistance change element film. And a second lower electrode having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法では、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の製造方法であって、下部電極上に抵抗変化素子膜、上部電極をこの順に形成する工程(図3(C)、図4(A))と、前記上部電極上にバリアメタルを形成する工程(図1)と、前記バリアメタル上にプラグを形成する工程(図1)と、を含み、前記バリアメタル(図1の20)は、前記上部電極の最上部(図1の11)と同一材料、又は前記上部電極の最上部に含まれる成分と同一成分を含む材料であり、前記配線は、銅よりなり、前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給されるThe method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a variable resistance element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate, wherein the variable resistance element film and the upper electrode are formed on the lower electrode. In this order (FIGS. 3C and 4A), a step of forming a barrier metal on the upper electrode (FIG. 1), and a step of forming a plug on the barrier metal (FIG. 1), and the barrier metal (20 in FIG. 1) includes the same material as the uppermost portion (11 in FIG. 1) of the upper electrode, or the same component as the component included in the uppermost portion of the upper electrode. Ri material der, the wiring is made of copper, the variable resistance element film, together with an ion conductive layer, metal ions are supplied from the wire.

本発明の実施例1に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施例1に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。   A semiconductor device according to Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to Example 1 of the present invention.

実施例1に係る半導体装置は、半導体基板1上の多層配線層の内部に抵抗変化素子22を有する装置である。   The semiconductor device according to the first embodiment is a device having a resistance change element 22 inside a multilayer wiring layer on the semiconductor substrate 1.

多層配線層は、半導体基板1上にて、層間絶縁膜2、バリア絶縁膜3、層間絶縁膜4、絶縁性バリア膜7、保護絶縁膜14、層間絶縁膜15、エッチングストッパ膜16、層間絶縁膜17、及びバリア絶縁膜21の順に積層した絶縁積層体を有する。多層配線層は、層間絶縁膜4及びバリア絶縁膜3に形成された配線溝にバリアメタル6を介して第1配線5が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜17及びエッチングストッパ膜16に形成された配線溝に第2配線18が埋め込まれており、層間絶縁膜15、保護絶縁膜14、及びハードマスク膜12に形成された下穴にプラグ19が埋め込まれており、第2配線18とプラグ19が一体となっており、第2配線及びプラグ19の側面と底面がバリアメタル20によって覆われている。   The multilayer wiring layer is formed on the semiconductor substrate 1 with an interlayer insulating film 2, a barrier insulating film 3, an interlayer insulating film 4, an insulating barrier film 7, a protective insulating film 14, an interlayer insulating film 15, an etching stopper film 16, and an interlayer insulating film. The insulating laminate is formed by sequentially laminating the film 17 and the barrier insulating film 21. In the multilayer wiring layer, the first wiring 5 is embedded through the barrier metal 6 in the wiring groove formed in the interlayer insulating film 4 and the barrier insulating film 3. In the multilayer wiring layer, the second wiring 18 is embedded in the wiring groove formed in the interlayer insulating film 17 and the etching stopper film 16, and is formed in the interlayer insulating film 15, the protective insulating film 14, and the hard mask film 12. A plug 19 is embedded in the prepared hole, the second wiring 18 and the plug 19 are integrated, and the side surfaces and the bottom surface of the second wiring and the plug 19 are covered with the barrier metal 20.

多層配線層は、絶縁性バリア膜7に形成された開口部にて、下部電極となる第1配線5上に抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、及び第2上部電極11の順に積層した抵抗変化素子22が形成されており、第2上部電極11上にハードマスク膜12が形成されており、抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、第2上部電極11、及びハードマスク膜12の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜14で覆われている。第1配線5を抵抗変化素子22の下部電極とすることで、すなわち、第1配線5が抵抗変化素子22の下部電極を兼ねることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常のCuダマシン配線プロセスに追加工程として、2PRのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。   The multilayer wiring layer is formed by laminating the variable resistance element film 9, the first upper electrode 10, and the second upper electrode 11 in this order on the first wiring 5 serving as the lower electrode at the opening formed in the insulating barrier film 7. The variable resistance element 22 is formed, the hard mask film 12 is formed on the second upper electrode 11, the variable resistance element film 9, the first upper electrode 10, the second upper electrode 11, and the hard mask film The top surface or the side surface of the 12 laminated bodies is covered with a protective insulating film 14. By using the first wiring 5 as the lower electrode of the variable resistance element 22, that is, by using the first wiring 5 also as the lower electrode of the variable resistance element 22, the electrode resistance can be reduced while simplifying the number of steps. . As an additional step to the normal Cu damascene wiring process, it is possible to mount a variable resistance element simply by creating a 2PR mask set, and it is possible to simultaneously achieve low resistance and low cost of the element. .

抵抗変化素子22は、抵抗変化型不揮発素子であり、例えば、イオン伝導体中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用したスイッチング素子とすることができる。抵抗変化素子22は、下部電極となる第1配線5と、プラグ19と電気的に接続された上部電極10、11と、の間に抵抗変化素子膜9が介在した構成となっている。抵抗変化素子22は、絶縁性バリア膜7に形成された開口部の領域にて抵抗変化素子膜9と第1配線5が直接接しており、第2上部電極11上にてプラグ19と第2上部電極11とがバリアメタル20を介して接続されている。抵抗変化素子22は、抵抗変化素子膜9中への第1配線5に係る金属の電界拡散を利用してON/OFFの制御を行う。第2上部電極11及びバリアメタル20は、同一の材料で構成されている。このようにすることで、プラグ19のバリアメタル20と抵抗変化素子22の第2上部電極11とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。   The variable resistance element 22 is a variable resistance nonvolatile element, and can be, for example, a switching element that utilizes metal ion migration and an electrochemical reaction in an ion conductor. The resistance change element 22 has a configuration in which a resistance change element film 9 is interposed between the first wiring 5 serving as a lower electrode and the upper electrodes 10 and 11 electrically connected to the plug 19. In the resistance change element 22, the resistance change element film 9 and the first wiring 5 are in direct contact with each other in the region of the opening formed in the insulating barrier film 7, and the plug 19 and the second wiring are formed on the second upper electrode 11. The upper electrode 11 is connected via the barrier metal 20. The resistance change element 22 performs ON / OFF control using the electric field diffusion of the metal related to the first wiring 5 into the resistance change element film 9. The second upper electrode 11 and the barrier metal 20 are made of the same material. By doing so, the barrier metal 20 of the plug 19 and the second upper electrode 11 of the variable resistance element 22 are integrated, the contact resistance is reduced, and the reliability is improved by improving the adhesion. Can do.

半導体基板1は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板1には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板、TFT(Thin Film Transistor)基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。   The semiconductor substrate 1 is a substrate on which a semiconductor element is formed. As the semiconductor substrate 1, for example, a silicon substrate, a single crystal substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a TFT (Thin Film Transistor) substrate, a liquid crystal manufacturing substrate, or the like can be used.

層間絶縁膜2は、半導体基板1上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜2には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。層間絶縁膜2は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。   The interlayer insulating film 2 is an insulating film formed on the semiconductor substrate 1. For the interlayer insulating film 2, for example, a silicon oxide film, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) having a relative dielectric constant lower than that of the silicon oxide film, or the like can be used. The interlayer insulating film 2 may be a laminate of a plurality of insulating films.

バリア絶縁膜3は、層間絶縁膜2、4間に介在したバリア性を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜3は、第1配線5用の配線溝の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜3には、例えば、SiN膜、SiC膜、SiCN膜等を用いることができる。バリア絶縁膜3には、第1配線5を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル6を介して第1配線5が埋め込まれている。バリア絶縁膜3は、配線溝のエッチング条件の選択によっては削除することもできる。   The barrier insulating film 3 is an insulating film having a barrier property interposed between the interlayer insulating films 2 and 4. The barrier insulating film 3 serves as an etching stop layer when the wiring groove for the first wiring 5 is processed. As the barrier insulating film 3, for example, a SiN film, a SiC film, a SiCN film, or the like can be used. A wiring groove for embedding the first wiring 5 is formed in the barrier insulating film 3, and the first wiring 5 is embedded in the wiring groove via the barrier metal 6. The barrier insulating film 3 can be deleted depending on the selection of the etching conditions for the wiring trench.

層間絶縁膜4は、バリア絶縁膜3上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜4には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用いることができる。層間絶縁膜4は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜4には、第1配線5を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル6を介して第1配線5が埋め込まれている。   The interlayer insulating film 4 is an insulating film formed on the barrier insulating film 3. For the interlayer insulating film 4, for example, a silicon oxide film, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) having a relative dielectric constant lower than that of the silicon oxide film, or the like can be used. The interlayer insulating film 4 may be a laminate of a plurality of insulating films. A wiring groove for embedding the first wiring 5 is formed in the interlayer insulating film 4, and the first wiring 5 is embedded in the wiring groove via the barrier metal 6.

第1配線5は、層間絶縁膜4及びバリア絶縁膜3に形成された配線溝にバリアメタル6を介して埋め込まれた配線である。第1配線5は、抵抗変化素子22の下部電極ともなり、抵抗変化素子膜9と直接接している。第1配線5には、抵抗変化素子膜9において拡散、イオン電導可能な金属が用いられ、例えば、Cu等を用いることができる。第1配線5は、表面にCuSiが被覆されていてもよい。   The first wiring 5 is a wiring buried in a wiring groove formed in the interlayer insulating film 4 and the barrier insulating film 3 via a barrier metal 6. The first wiring 5 also serves as a lower electrode of the resistance change element 22 and is in direct contact with the resistance change element film 9. For the first wiring 5, a metal that can be diffused and ion-conducted in the variable resistance element film 9 is used, and for example, Cu or the like can be used. The first wiring 5 may have a surface coated with CuSi.

バリアメタル6は、第1配線5に係る金属が層間絶縁膜4や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル6には、例えば、第1配線5がCuを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。   The barrier metal 6 is a conductive film having a barrier property that covers the side surface or the bottom surface of the wiring in order to prevent the metal related to the first wiring 5 from diffusing into the interlayer insulating film 4 or the lower layer. For example, when the first wiring 5 is made of a metal element containing Cu as a main component, the barrier metal 6 includes tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), and tungsten carbonitride (WCN). Refractory metals such as these, nitrides thereof, and the like, or a laminated film thereof can be used.

絶縁性バリア膜7は、第1配線5を含む層間絶縁膜4上に形成され、第1配線5に係る金属(例えば、Cu)の酸化を防いだり、層間絶縁膜15中への第1配線5に係る金属の拡散を防いだり、上部電極11、10、及び抵抗変化素子膜9の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。絶縁性バリア膜7には、例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。絶縁性バリア膜7は、保護絶縁膜14及びハードマスク膜12と同一材料であることが好ましい。   The insulating barrier film 7 is formed on the interlayer insulating film 4 including the first wiring 5, prevents oxidation of a metal (for example, Cu) related to the first wiring 5, and the first wiring into the interlayer insulating film 15. 5 serves as an etching stop layer when the upper electrodes 11 and 10 and the resistance change element film 9 are processed. For the insulating barrier film 7, for example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, and a laminated structure thereof can be used. The insulating barrier film 7 is preferably made of the same material as the protective insulating film 14 and the hard mask film 12.

抵抗変化素子膜9は、抵抗が変化する膜である。抵抗変化素子膜9は、第1配線5(下部電極)に係る金属の作用(拡散、イオン伝動など)により抵抗が変化する材料を用いることができ、抵抗変化素子22の抵抗変化を金属イオンの析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられ、例えば、Taを含む酸化物絶縁膜であって、Ta、TaSiO等を用いることができる。The resistance change element film 9 is a film whose resistance changes. The resistance change element film 9 can be made of a material whose resistance is changed by the action of metal (diffusion, ion transmission, etc.) on the first wiring 5 (lower electrode). In the case of performing deposition, an ion conductive film is used. For example, an oxide insulating film containing Ta, such as Ta 2 O 5 or TaSiO can be used.

第1上部電極10は、抵抗変化素子22の上部電極における下層側の電極であり、抵抗変化素子膜9と直接接している。第1上部電極10には、第1配線5に係る金属よりもイオン化しにくく、抵抗変化素子膜9において拡散、イオン電導しにくい金属が用いられ、抵抗変化素子膜9に係る金属成分(Ta)よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料とすることが好ましい。第1上部電極10には、例えば、Pt、Ru等を用いることができる。第1上部電極10は、抵抗変化素子膜9と直接接することが抵抗変化特性には不可欠である。また、第1上部電極10には、Pt、Ru等の金属材料を主成分として酸素を添加してもよく、また酸素を添加した層との積層構造にしてもよい。   The first upper electrode 10 is an electrode on the lower layer side of the upper electrode of the resistance change element 22 and is in direct contact with the resistance change element film 9. For the first upper electrode 10, a metal that is less likely to be ionized than the metal related to the first wiring 5 and difficult to diffuse and ion conduct in the resistance change element film 9 is used, and the metal component (Ta) related to the resistance change element film 9 is used. It is preferable to use a metal material having a smaller absolute value of the free energy of oxidation. For the first upper electrode 10, for example, Pt, Ru or the like can be used. It is indispensable for the resistance change characteristic that the first upper electrode 10 is in direct contact with the resistance change element film 9. Further, the first upper electrode 10 may be added with oxygen as a main component of a metal material such as Pt or Ru, or may have a laminated structure with a layer to which oxygen is added.

第2上部電極11は、抵抗変化素子22の上部電極における上層側の電極であり、第1上部電極10上に形成されている。第2上部電極11は、第1上部電極10を保護する役割を有する。第2上部電極11には、例えば、Ta、Ti、Wあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第2上部電極11は、バリアメタル20と同一材料であることが好ましい。   The second upper electrode 11 is an electrode on the upper layer side of the upper electrode of the resistance change element 22, and is formed on the first upper electrode 10. The second upper electrode 11 has a role of protecting the first upper electrode 10. For the second upper electrode 11, for example, Ta, Ti, W, or a nitride thereof can be used. The second upper electrode 11 is preferably made of the same material as the barrier metal 20.

ハードマスク膜12は、第2上部電極11、第1上部電極10、及び抵抗変化素子膜9をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜12には、例えば、SiN膜等を用いることができる。ハードマスク膜12は、保護絶縁膜14、および絶縁性バリア膜7と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子22の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子22自身からの脱離を防ぐことができるようになる。   The hard mask film 12 is a film that becomes a hard mask when the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the resistance change element film 9 are etched. For the hard mask film 12, for example, a SiN film or the like can be used. The hard mask film 12 is preferably made of the same material as the protective insulating film 14 and the insulating barrier film 7. That is, by surrounding all of the resistance change element 22 with the same material, the material interface is integrated, so that entry of moisture and the like from the outside can be prevented and detachment from the resistance change element 22 itself can be prevented. Become.

保護絶縁膜14は、抵抗変化素子22にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜9からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜14には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることができる。保護絶縁膜14は、ハードマスク膜12及び絶縁性バリア膜7と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜14と絶縁性バリア膜7及びハードマスク膜12とが一体化して、界面の密着性が向上する。   The protective insulating film 14 is an insulating film having a function of preventing oxygen from detaching from the resistance change element film 9 without damaging the resistance change element 22. For example, a SiN film, a SiCN film, or the like can be used for the protective insulating film 14. The protective insulating film 14 is preferably made of the same material as the hard mask film 12 and the insulating barrier film 7. In the case of the same material, the protective insulating film 14, the insulating barrier film 7 and the hard mask film 12 are integrated, and the adhesion at the interface is improved.

層間絶縁膜15は、保護絶縁膜14上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜15には、例えば、シリコン酸化膜、SiOC膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)などを用いることができる。層間絶縁膜15は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜15は、層間絶縁膜17と同一材料としてもよい。層間絶縁膜15には、プラグ19を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴にバリアメタル20を介してプラグ19が埋め込まれている。   The interlayer insulating film 15 is an insulating film formed on the protective insulating film 14. As the interlayer insulating film 15, for example, a silicon oxide film, a SiOC film, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) having a relative dielectric constant lower than that of the silicon oxide film can be used. The interlayer insulating film 15 may be a laminate of a plurality of insulating films. The interlayer insulating film 15 may be made of the same material as the interlayer insulating film 17. A pilot hole for embedding the plug 19 is formed in the interlayer insulating film 15, and the plug 19 is embedded through the barrier metal 20 in the pilot hole.

エッチングストッパ膜16は、層間絶縁膜15、17間に介在した絶縁膜である。エッチングストッパ膜16は、第2配線18用の配線溝の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。エッチングストッパ膜16には、例えば、SiN膜、SiC膜、SiCN膜等を用いることができる。エッチングストッパ膜16には、第2配線18を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル20を介して第2配線18が埋め込まれている。エッチングストッパ膜16は、配線溝のエッチング条件の選択によっては削除することもできる。   The etching stopper film 16 is an insulating film interposed between the interlayer insulating films 15 and 17. The etching stopper film 16 has a role as an etching stop layer when the wiring groove for the second wiring 18 is processed. For the etching stopper film 16, for example, a SiN film, a SiC film, a SiCN film, or the like can be used. In the etching stopper film 16, a wiring groove for embedding the second wiring 18 is formed, and the second wiring 18 is embedded in the wiring groove via a barrier metal 20. The etching stopper film 16 can be deleted depending on the selection of the etching conditions for the wiring trench.

層間絶縁膜17は、エッチングストッパ膜16上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜17には、例えば、シリコン酸化膜、SiOC膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)などを用いることができる。層間絶縁膜17は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜17は、層間絶縁膜15と同一材料としてもよい。層間絶縁膜17には、第2配線18を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル20を介して第2配線18が埋め込まれている。   The interlayer insulating film 17 is an insulating film formed on the etching stopper film 16. As the interlayer insulating film 17, for example, a silicon oxide film, a SiOC film, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) having a relative dielectric constant lower than that of the silicon oxide film can be used. The interlayer insulating film 17 may be a laminate of a plurality of insulating films. The interlayer insulating film 17 may be made of the same material as the interlayer insulating film 15. A wiring groove for embedding the second wiring 18 is formed in the interlayer insulating film 17, and the second wiring 18 is embedded in the wiring groove via the barrier metal 20.

第2配線18は、層間絶縁膜17及びエッチングストッパ膜16に形成された配線溝にバリアメタル20を介して埋め込まれた配線である。第2配線18は、プラグ19と一体になっている。プラグ19は、層間絶縁膜15、保護絶縁膜14、及びハードマスク膜12に形成された下穴にバリアメタル20を介して埋め込まれている。プラグ19は、バリアメタル20を介して第2上部電極11と電気的に接続されている。第2配線18及びプラグ19には、例えば、Cuを用いることができる。   The second wiring 18 is a wiring buried in a wiring groove formed in the interlayer insulating film 17 and the etching stopper film 16 via a barrier metal 20. The second wiring 18 is integrated with the plug 19. The plug 19 is buried in a prepared hole formed in the interlayer insulating film 15, the protective insulating film 14, and the hard mask film 12 via a barrier metal 20. The plug 19 is electrically connected to the second upper electrode 11 through the barrier metal 20. For example, Cu may be used for the second wiring 18 and the plug 19.

バリアメタル20は、第2配線18(プラグ19を含む)に係る金属が層間絶縁膜15、17や下層へ拡散することを防止するために、第2配線18及びプラグ19の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル20には、例えば、第2配線18及びプラグ19がCuを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。バリアメタル20は、第2上部電極11と同一材料であることが好ましい。例えば、バリアメタル20がTaN(下層)/Ta(上層)の積層構造である場合には、下層材料であるTaNを第2上部電極11に用いることが好ましい。あるいは、バリアメタル20がTi(下層)/Ru(上層)である場合は、下層材料であるTiを第2上部電極11に用いることが好ましい。   The barrier metal 20 covers the side surfaces or bottom surfaces of the second wiring 18 and the plug 19 in order to prevent the metal related to the second wiring 18 (including the plug 19) from diffusing into the interlayer insulating films 15 and 17 and the lower layer. It is a conductive film having a barrier property. For example, when the second wiring 18 and the plug 19 are made of a metal element mainly composed of Cu, the barrier metal 20 includes tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), and tungsten carbonitride. A refractory metal such as (WCN), a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used. The barrier metal 20 is preferably made of the same material as the second upper electrode 11. For example, when the barrier metal 20 has a stacked structure of TaN (lower layer) / Ta (upper layer), it is preferable to use TaN as the lower layer material for the second upper electrode 11. Alternatively, when the barrier metal 20 is Ti (lower layer) / Ru (upper layer), it is preferable to use Ti as the lower layer material for the second upper electrode 11.

バリア絶縁膜21は、第2配線10を含む層間絶縁膜17上に形成され、第2配線10に係る金属(例えば、Cu)の酸化を防いだり、上層への第2配線10に係る金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜21には、例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。   The barrier insulating film 21 is formed on the interlayer insulating film 17 including the second wiring 10 to prevent oxidation of the metal (for example, Cu) related to the second wiring 10 and to prevent the metal related to the second wiring 10 to the upper layer from being oxidized. It is an insulating film having a role of preventing diffusion. For the barrier insulating film 21, for example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, and a laminated structure thereof can be used.

次に、本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。図2〜図5は、本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 2 to 5 are process cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

まず、半導体基板1(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜2(例えば、シリコン酸化膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、層間絶縁膜2上にバリア絶縁膜3(例えば、SiN膜、膜厚50nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜3上に層間絶縁膜4(例えば、シリコン酸化膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む)を用いて、層間絶縁膜4及びバリア絶縁膜3に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル6(例えば、TaN/Ta、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線5(例えば、銅)を埋め込む(ステップA1;図2(A)参照)。   First, an interlayer insulating film 2 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 300 nm) is deposited on a semiconductor substrate 1 (for example, a substrate on which a semiconductor element is formed), and then a barrier insulating film 3 (on the interlayer insulating film 2). For example, an SiN film having a film thickness of 50 nm is deposited, and then an interlayer insulating film 4 (for example, a silicon oxide film having a film thickness of 300 nm) is deposited on the barrier insulating film 3. Etching and photoresist removal are used to form wiring grooves in the interlayer insulating film 4 and the barrier insulating film 3, and then a barrier metal 6 (for example, TaN / Ta, film thickness 5 nm / 5 nm) is formed in the wiring grooves. The first wiring 5 (for example, copper) is embedded through the wiring (step A1; see FIG. 2A).

ステップA1において、層間絶縁膜2、4は、プラズマCVD法によって形成することができる。ここで、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法とは、例えば、気体原料、あるいは液体原料を気化させることで減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、あるいは基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。   In step A1, the interlayer insulating films 2 and 4 can be formed by a plasma CVD method. Here, the plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method refers to, for example, vaporizing a gas raw material or a liquid raw material to continuously supply the reaction chamber under reduced pressure, bringing the molecules into an excited state by plasma energy, In this method, a continuous film is formed on a substrate by a phase reaction or a substrate surface reaction.

また、ステップA1において、第1配線5は、例えば、PVD法によってバリアメタル6(例えば、TaN/Taの積層膜)を形成し、PVD法によるCuシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、200℃以上の温度で熱処理処理後、CMP法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線(ダマシン配線)を形成したり、層間絶縁膜を研磨することで平坦化を行う。   In Step A1, the first wiring 5 is formed by forming a barrier metal 6 (for example, a TaN / Ta laminated film) by, for example, PVD, and wiring copper by electrolytic plating after forming a Cu seed by PVD. It can be formed by embedding in the groove, after heat treatment at a temperature of 200 ° C. or higher, and then removing excess copper other than in the wiring groove by CMP. As a method for forming such a series of copper wirings, a general method in this technical field can be used. Here, the CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is to planarize the unevenness of the wafer surface that occurs during the multilayer wiring formation process by bringing the polishing liquid into contact with a rotating polishing pad while flowing the polishing liquid over the wafer surface. Is the method. By polishing excess copper embedded in the trench, a buried wiring (damascene wiring) is formed, or planarization is performed by polishing an interlayer insulating film.

次に、第1配線5を含む層間絶縁膜4上に絶縁性バリア膜7(例えば、SiN膜、膜厚50nm)を形成する(ステップA2;図2(B)参照)。ここで、絶縁性バリア膜7は、プラズマCVD法によって形成することができる。絶縁性バリア膜7の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。   Next, an insulating barrier film 7 (for example, SiN film, film thickness 50 nm) is formed on the interlayer insulating film 4 including the first wiring 5 (step A2; see FIG. 2B). Here, the insulating barrier film 7 can be formed by a plasma CVD method. The thickness of the insulating barrier film 7 is preferably about 10 nm to 50 nm.

次に、絶縁性バリア膜7上にハードマスク膜8(例えば、シリコン酸化膜)を形成する(ステップA3;図2(C)参照)。このとき、ハードマスク膜8は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、絶縁性バリア膜7とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜8には、例えば、シリコン酸化膜、TiN、Ti、Ta、TaN等を用いることができる。   Next, a hard mask film 8 (for example, a silicon oxide film) is formed on the insulating barrier film 7 (step A3; see FIG. 2C). At this time, the hard mask film 8 is preferably made of a material different from the insulating barrier film 7 from the viewpoint of maintaining a high etching selectivity in the dry etching process, and may be an insulating film or a conductive film. . For the hard mask film 8, for example, a silicon oxide film, TiN, Ti, Ta, TaN or the like can be used.

次に、ハードマスク膜8上にフォトレジスト(図示せず)を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜8に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する(ステップA4;図3(A)参照)。このとき、ドライエッチングは必ずしも絶縁性バリア膜7の上面で停止している必要はなく、絶縁性バリア膜7の内部にまで到達していてもよい。   Next, an opening is patterned on the hard mask film 8 using a photoresist (not shown), and an opening pattern is formed in the hard mask film 8 by dry etching using the photoresist as a mask. The photoresist is removed by plasma ashing or the like (step A4; see FIG. 3A). At this time, the dry etching is not necessarily stopped on the upper surface of the insulating barrier film 7 and may reach the inside of the insulating barrier film 7.

次に、ハードマスク膜(図3(A)の8)をマスクとしてハードマスク膜8の開口部から露出する絶縁性バリア膜7をエッチバック(ドライエッチング)することにより、絶縁性バリア膜7において第1配線5に通ずる開口部を形成し、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第1配線5の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する(ステップA5;図3(B)参照)。このとき、ハードマスク膜(図3(A)の8)は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。また、絶縁性バリア膜7の開口部の形状は円形とし、円の直径は30nmから500nmとすることができる。   Next, the insulating barrier film 7 exposed from the opening of the hard mask film 8 is etched back (dry etching) using the hard mask film (8 in FIG. 3A) as a mask. An opening that communicates with the first wiring 5 is formed, and then an organic stripping process is performed with an amine-based stripping solution to remove copper oxide formed on the exposed surface of the first wiring 5 and at the time of etch back. The generated etching double products are removed (step A5; see FIG. 3B). At this time, the hard mask film (8 in FIG. 3A) is preferably completely removed during the etch-back, but may be left as it is in the case of an insulating material. Further, the shape of the opening of the insulating barrier film 7 can be circular, and the diameter of the circle can be 30 nm to 500 nm.

次に、第1配線5を含む絶縁性バリア膜7上に抵抗変化素子膜9(例えば、Ta、膜厚15nm)を堆積する(ステップA6;図3(C)参照)。ここで、抵抗変化素子膜9は、PVD法やCVD法を用いて形成することができる。Next, a resistance change element film 9 (for example, Ta 2 O 5 , film thickness 15 nm) is deposited on the insulating barrier film 7 including the first wiring 5 (step A6; see FIG. 3C). Here, the resistance change element film 9 can be formed using a PVD method or a CVD method.

ステップA6では、絶縁性バリア膜7の開口部はステップA5の有機剥離処理によって水分などが付着しているため、抵抗変化素子膜9の堆積前に350℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。この際、銅表面を再度酸化させないよう、真空下、あるいは窒素雰囲気などにするなどの注意が必要である。   In step A6, moisture and the like are attached to the opening of the insulating barrier film 7 by the organic peeling process in step A5. Therefore, heat treatment is performed at a temperature of about 350 ° C. under reduced pressure before the resistance change element film 9 is deposited. It is preferable to degas by adding. At this time, care must be taken such as in a vacuum or a nitrogen atmosphere so that the copper surface is not oxidized again.

また、ステップA6では、抵抗変化素子膜9の堆積前に、絶縁性バリア膜7の開口部から露出する第1配線5に対して、350℃程度の減圧下でSiHガスを照射してもよく、このようにすることで、第1配線5の表面をシリサイド化してプロセス中の第1配線5に係る金属(例えば、銅)の拡散を抑制することができるようになる。あるいは、第1配線5を形成する際に、Cuシード層に1atm%程度のAlを添加しておくことで、Cu電界めっき膜のアニール中にAlをCu内部へ拡散させることで、銅を合金化することができるようになる。このような銅の合金化、あるいはシリサイド化は、抵抗変化素子膜9と接する銅自身の物質移動を抑制(銅を安定化)させる効果があり、高温で動作させる場合の信頼性を向上させることができるようになる。Further, in step A6, before the resistance change element film 9 is deposited, the first wiring 5 exposed from the opening of the insulating barrier film 7 is irradiated with SiH 4 gas under a reduced pressure of about 350 ° C. In this way, it is possible to suppress the diffusion of the metal (for example, copper) related to the first wiring 5 during the process by siliciding the surface of the first wiring 5. Alternatively, when the first wiring 5 is formed, by adding about 1 atm% Al to the Cu seed layer, Al is diffused into the Cu during annealing of the Cu electroplating film, so that copper is alloyed. It becomes possible to become. Such alloying or silicidation of copper has the effect of suppressing the mass transfer of copper itself in contact with the resistance change element film 9 (stabilizes copper), and improves the reliability when operating at a high temperature. Will be able to.

また、ステップA6では、抵抗変化素子膜9として、イオン伝導層を用いたタイプではなく、遷移金属酸化物を用いた抵抗変化素子膜を用いる場合には、抵抗変化素子膜9を堆積する前に、第2下部電極(図示せず;図12の5aに相当)を成膜してもよい。第2下部電極には、例えば、Ti、TiN、W、WN、Ta、TaN、Ru、RuO等を用いることができ、それらの積層構造(例えば、TaN(下層)/Ru(上層))であってもよい。In step A6, when the resistance change element film 9 is not a type using an ion conductive layer but a resistance change element film using a transition metal oxide, before the resistance change element film 9 is deposited, A second lower electrode (not shown; corresponding to 5a in FIG. 12) may be formed. For the second lower electrode, for example, Ti, TiN, W, WN, Ta, TaN, Ru, RuO x or the like can be used, and their laminated structure (for example, TaN (lower layer) / Ru (upper layer)). There may be.

次に、抵抗変化素子膜9上に第1上部電極10(例えば、Ru、膜厚10nm)及び第2上部電極11(例えば、Ta、膜厚50nm)をこの順に形成する(ステップA7;図4(A)参照)。   Next, the first upper electrode 10 (for example, Ru, film thickness 10 nm) and the second upper electrode 11 (for example, Ta, film thickness 50 nm) are formed in this order on the resistance change element film 9 (step A7; FIG. 4). (See (A)).

次に、第2上部電極11上にハードマスク膜12(例えば、SiN膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜13(例えば、SiO膜、膜厚200nm)をこの順に積層する(ステップA8;図4(B)参照)。Next, a hard mask film 12 (for example, SiN film, film thickness of 30 nm) and a hard mask film 13 (for example, SiO 2 film, film thickness of 200 nm) are laminated in this order on the second upper electrode 11 (step A8; (See FIG. 4B).

ステップA8において、ハードマスク膜12及びハードマスク膜13は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜12、13は当該技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。また、ハードマスク膜12とハードマスク膜13とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜12をSiN膜とし、ハードマスク膜13をSiO膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜12は、後述する保護絶縁膜14、および絶縁性バリア膜7と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子の周囲を全て同一材料で囲むこと材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子自身からの脱離防ぐことができるようになる。In Step A8, the hard mask film 12 and the hard mask film 13 can be formed using a plasma CVD method. The hard mask films 12 and 13 can be formed using a general plasma CVD method in this technical field. The hard mask film 12 and the hard mask film 13 are preferably different types of films. For example, the hard mask film 12 can be an SiN film and the hard mask film 13 can be an SiO 2 film. At this time, the hard mask film 12 is preferably made of the same material as a protective insulating film 14 and an insulating barrier film 7 described later. That is, all the surroundings of the variable resistance element are surrounded by the same material, so that the material interface can be integrated to prevent intrusion of moisture and the like from the outside and to prevent detachment from the variable resistance element itself.

次に、ハードマスク膜13上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト(図示せず)を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜12が表れるまでハードマスク膜13をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する(ステップA9;図4(C)参照)。   Next, a photoresist (not shown) for patterning the resistance change element portion is formed on the hard mask film 13, and then the hard mask film 13 is formed until the hard mask film 12 appears using the photoresist as a mask. After dry etching, the photoresist is removed using oxygen plasma ashing and organic peeling (step A9; see FIG. 4C).

次に、ハードマスク膜(図4(C)の13)をマスクとして、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、抵抗変化素子膜9を連続的にドライエッチングする(ステップA10;図5(A)参照)。このとき、ハードマスク膜(図4(C)の13)は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。   Next, using the hard mask film (13 in FIG. 4C) as a mask, the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the resistance change element film 9 are continuously dry-etched (step) A10; see FIG. 5 (A)). At this time, the hard mask film (13 in FIG. 4C) is preferably completely removed during the etch-back, but may remain as it is.

ステップA10において、例えば、第2上部電極11がTaの場合にはCl系のRIEで加工することができ、第1上部電極10がRuの場合にはCl/Oの混合ガスでRIE加工することができる。また、抵抗変化素子膜9のエッチングでは、下面の絶縁性バリア膜7上でドライエッチングを停止させる必要がある。抵抗変化素子膜9がTaを含む酸化物であり、絶縁性バリア膜7がSiN膜やSiCN膜である場合には、CF系、CF/Cl系、CF/Cl/Ar系などの混合ガスでエッチング条件を調節することでRIE加工することができる。このようなハードマスクRIE法を用いることで、抵抗変化素子部をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、抵抗変化素子部を加工をすることができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。In step A10, for example, when the second upper electrode 11 is Ta, it can be processed by Cl 2 -based RIE, and when the first upper electrode 10 is Ru, RIE is performed with a mixed gas of Cl 2 / O 2. Can be processed. Further, in the etching of the resistance change element film 9, it is necessary to stop the dry etching on the insulating barrier film 7 on the lower surface. When the variable resistance element film 9 is an oxide containing Ta and the insulating barrier film 7 is a SiN film or a SiCN film, a CF 4 system, a CF 4 / Cl 2 system, or a CF 4 / Cl 2 / Ar system. RIE processing can be performed by adjusting the etching conditions with a mixed gas such as. By using such a hard mask RIE method, the variable resistance element portion can be processed without exposing the variable resistance element portion to oxygen plasma ashing for resist removal. Further, when the oxidation treatment is performed by oxygen plasma after the processing, the oxidation plasma treatment can be irradiated without depending on the resist peeling time.

次に、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、及び抵抗変化素子膜9を含む絶縁性バリア膜7上に保護絶縁膜14(例えば、SiN膜、30nm)を堆積する(ステップA11;図5(B)参照)。   Next, a protective insulating film 14 (for example, a SiN film, 30 nm) is deposited on the insulating barrier film 7 including the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the resistance change element film 9. (Step A11; see FIG. 5B).

ステップA11において、保護絶縁膜14は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧化に維持する必要があり、このとき抵抗変化素子膜9の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層のリーク電流が増加するという問題が生じる。それらを抑制するためには、保護絶縁膜14の成膜温度を250℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧化で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH/Nの混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度200℃で形成したSiN膜などを用いることが好ましい。In step A11, the protective insulating film 14 can be formed by a plasma CVD method, but it is necessary to maintain a reduced pressure in the reaction chamber before the film formation. At this time, oxygen is released from the side surface of the resistance change element film 9. There arises a problem that the leakage current of the ion conductive layer increases due to desorption. In order to suppress them, it is preferable to set the deposition temperature of the protective insulating film 14 to 250 ° C. or lower. Further, it is preferable not to use a reducing gas because the film is exposed to a film forming gas under reduced pressure before film formation. For example, it is preferable to use a SiN film or the like formed by using a mixed gas of SiH 4 / N 2 with high-density plasma at a substrate temperature of 200 ° C.

次に、保護絶縁膜14上に、層間絶縁膜15(例えば、シリコン酸化膜)、エッチングストッパ膜16(例えば、SiN膜)、層間絶縁膜17(例えば、シリコン酸化膜)をこの順に堆積し、その後、第2配線18用の配線溝、およびプラグ19用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル20(例えば、TaN/Ta)を介して第2配線18(例えば、Cu)及びプラグ19(例えば、Cu)を同時に形成し、その後、第2配線18を含む層間絶縁膜17上に絶縁性バリア膜21(例えば、SiN膜)を堆積する(ステップA12;図1参照)。   Next, on the protective insulating film 14, an interlayer insulating film 15 (for example, silicon oxide film), an etching stopper film 16 (for example, SiN film), and an interlayer insulating film 17 (for example, silicon oxide film) are deposited in this order. Thereafter, a wiring groove for the second wiring 18 and a pilot hole for the plug 19 are formed, and a barrier metal 20 (for example, TaN / Ta) is formed in the wiring groove and the pilot hole using a copper dual damascene wiring process. Then, the second wiring 18 (for example, Cu) and the plug 19 (for example, Cu) are simultaneously formed, and then the insulating barrier film 21 (for example, SiN film) is formed on the interlayer insulating film 17 including the second wiring 18. Deposit (Step A12; see FIG. 1).

ステップA12において、第2配線18の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル20と第2上部電極11を同一材料とすることでプラグ19と第2上部電極11の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上(ON時の抵抗変化素子22の抵抗を低減)させることができるようになる。   In step A12, the second wiring 18 can be formed using the same process as that for forming the lower wiring. At this time, by making the barrier metal 20 and the second upper electrode 11 the same material, the contact resistance between the plug 19 and the second upper electrode 11 is reduced, and the element performance is improved (the resistance of the resistance change element 22 when ON). Can be reduced).

また、ステップA12において、層間絶縁膜15及び層間絶縁膜17はプラズマCVD法で形成することができる。   In Step A12, the interlayer insulating film 15 and the interlayer insulating film 17 can be formed by a plasma CVD method.

また、ステップA12において、抵抗変化素子22によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜15を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜15を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜15を所望の膜厚としてもよい。   In step A12, in order to eliminate the step formed by the variable resistance element 22, the interlayer insulating film 15 is deposited thick, and the interlayer insulating film 15 is cut and planarized by CMP to form the interlayer insulating film 15 as a desired film. It is good also as thickness.

実施例1によれば、上部電極10、11の最上部(第2上部電極11)、及びバリアメタル20を同一材料で構成することで、プラグ19のバリアメタル20と抵抗変化素子22の第2上部電極11とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。また、第1配線5を抵抗変化素子22の下部電極とすることで、すなわち、第1配線5が抵抗変化素子22の下部電極を兼ねることで、抵抗変化素子22の小型化による高密度化を実現するとともに、工程数を簡略化することができる。通常のCuダマシン配線プロセスに追加工程として、2PRのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子22を搭載することができ、装置の低コスト化を同時に達成することができるようになる。さらに、銅配線によって構成される最先端のデバイスの内部にも抵抗変化素子22を搭載して、装置の性能を向上させることができる。   According to the first embodiment, the uppermost portions of the upper electrodes 10 and 11 (second upper electrode 11) and the barrier metal 20 are made of the same material, so that the barrier metal 20 of the plug 19 and the second of the resistance change element 22 are formed. The upper electrode 11 can be integrated, the contact resistance can be reduced, and the reliability can be improved by improving the adhesion. Further, by using the first wiring 5 as the lower electrode of the resistance change element 22, that is, by using the first wiring 5 also as the lower electrode of the resistance change element 22, the resistance change element 22 can be reduced in size and densified. As a result, the number of steps can be simplified. As an additional step to the normal Cu damascene wiring process, the resistance change element 22 can be mounted only by creating a 2PR mask set, and the cost of the apparatus can be simultaneously reduced. Furthermore, the resistance change element 22 can be mounted inside a state-of-the-art device composed of copper wiring, and the performance of the apparatus can be improved.

本発明の実施例2に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図6は、本発明の実施例2に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。   Example 2 A semiconductor device according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

実施例1(図1参照)では、抵抗変化素子膜(図1の9)、第1上部電極(図1の10)、第2上部電極(図1の11)、及びハードマスク膜(図1の12)の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜(図1の14)で覆われた構成となっているが、実施例2では、抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、第2上部電極11、及びハードマスク膜12の積層体上に厚膜のハードマスク膜23が形成されており、抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、第2上部電極11、ハードマスク膜12、及びハードマスク膜23の側面が保護絶縁膜24で覆われた構成となっている。保護絶縁膜24は、ハードマスク膜23上には形成されていないが、絶縁性バリア膜7上には形成されている。その他の構成は、実施例1と同様である。   In Example 1 (see FIG. 1), the variable resistance element film (9 in FIG. 1), the first upper electrode (10 in FIG. 1), the second upper electrode (11 in FIG. 1), and the hard mask film (FIG. 1). 12) is covered with a protective insulating film (14 in FIG. 1). In Example 2, the variable resistance element film 9, the first upper electrode 10, the second A thick hard mask film 23 is formed on the stacked body of the upper electrode 11 and the hard mask film 12, and the resistance change element film 9, the first upper electrode 10, the second upper electrode 11, the hard mask film 12, In addition, the side surface of the hard mask film 23 is covered with the protective insulating film 24. The protective insulating film 24 is not formed on the hard mask film 23, but is formed on the insulating barrier film 7. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

ハードマスク膜23は、ハードマスク膜12をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜23は、ハードマスク膜12と異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜12がSiN膜であれば、ハードマスク膜23をSiO膜とすることができる。The hard mask film 23 is a film that becomes a hard mask when the hard mask film 12 is etched. The hard mask film 23 is preferably a different type of film from the hard mask film 12. For example, if the hard mask film 12 is a SiN film, the hard mask film 23 can be a SiO 2 film.

保護絶縁膜24は、抵抗変化素子25にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜9からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜24には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることができる。保護絶縁膜24は、ハードマスク膜12及び絶縁性バリア膜7と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜24と絶縁性バリア膜7及びハードマスク膜12が一体化して、界面の密着性が向上する。   The protective insulating film 24 is an insulating film having a function of preventing detachment of oxygen from the resistance change element film 9 without damaging the resistance change element 25. As the protective insulating film 24, for example, a SiN film, a SiCN film, or the like can be used. The protective insulating film 24 is preferably made of the same material as the hard mask film 12 and the insulating barrier film 7. In the case of the same material, the protective insulating film 24, the insulating barrier film 7 and the hard mask film 12 are integrated to improve the adhesion at the interface.

次に、本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。図7〜図10は、本発明の実施例2に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 7 to 10 are process cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to Example 2 of the present invention.

まず、半導体基板1(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜2(例えば、シリコン酸化膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、層間絶縁膜2上にバリア絶縁膜3(例えば、SiN膜、膜厚50nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜3上に層間絶縁膜4(例えば、シリコン酸化膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む)を用いて、層間絶縁膜4及びバリア絶縁膜3に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル6(例えば、TaN/Ta、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線5(例えば、銅)を埋め込み、その後、第1配線5を含む層間絶縁膜4上に絶縁性バリア膜7(例えば、SiN膜、膜厚50nm)を形成し、その後、絶縁性バリア膜7上にハードマスク膜(図示せず、図2(C)の8に相当;例えば、シリコン酸化膜)を形成し、その後、ハードマスク膜(図2(C)の8に相当)上にフォトレジスト(図示せず)を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜(図3(A)の8に相当)に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離し、その後、ハードマスク膜(図3(A)の8に相当)をマスクとしてハードマスク膜(図3(A)の8に相当)の開口部から露出する絶縁性バリア膜7をエッチバック(ドライエッチング)することにより、絶縁性バリア膜7において第1配線5に通ずる開口部を形成し、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第1配線5の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する(ステップB1;図7(A)参照)。ステップB1は、実施例1のステップA1(図2(A)参照)〜ステップA5(図3(B)参照)と同様である。   First, an interlayer insulating film 2 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 300 nm) is deposited on a semiconductor substrate 1 (for example, a substrate on which a semiconductor element is formed), and then a barrier insulating film 3 (on the interlayer insulating film 2). For example, an SiN film having a film thickness of 50 nm is deposited, and then an interlayer insulating film 4 (for example, a silicon oxide film having a film thickness of 300 nm) is deposited on the barrier insulating film 3. Etching and photoresist removal are used to form wiring grooves in the interlayer insulating film 4 and the barrier insulating film 3, and then a barrier metal 6 (for example, TaN / Ta, film thickness 5 nm / 5 nm) is formed in the wiring grooves. After that, the first wiring 5 (for example, copper) is buried, and then an insulating barrier film 7 (for example, a SiN film, film thickness of 50 nm) is formed on the interlayer insulating film 4 including the first wiring 5. Thereafter, a hard mask film (not shown, corresponding to 8 in FIG. 2C; for example, a silicon oxide film) is formed on the insulating barrier film 7, and then the hard mask film (8 in FIG. 2C) is formed. The opening pattern is formed on the hard mask film (corresponding to 8 in FIG. 3A) by patterning the opening using a photoresist (not shown) on the substrate and dry etching using the photoresist as a mask. After that, the photoresist is peeled off by oxygen plasma ashing or the like, and then the hard mask film (corresponding to 8 in FIG. 3A) is used as a mask for the hard mask film (corresponding to 8 in FIG. 3A). The insulating barrier film 7 exposed from the opening is etched back (dry etching) to form an opening that leads to the first wiring 5 in the insulating barrier film 7, and then the amine-based peeling is performed. By performing the organic peeling process, etc., copper oxide formed on the exposed surface of the first wiring 5 is removed, and etching byproducts generated during the etch back are removed (step B1; FIG. 7A). reference). Step B1 is the same as step A1 (see FIG. 2A) to step A5 (see FIG. 3B) of the first embodiment.

次に、第1配線5を含む絶縁性バリア膜7上に抵抗変化素子膜9(例えば、Ta0.8Si0.2、膜厚15nm)をRF(Radio Frequency;高周波)スパッタリング法によって堆積し、その後、抵抗変化素子膜9上に第1上部電極10(例えば、Ru、膜厚10nm)及び第2上部電極11(例えば、Ta、膜厚50nm)をこの順に形成する(ステップB2;図7(B)参照)。Next, a variable resistance element film 9 (for example, Ta 0.8 Si 0.2 O x , film thickness 15 nm) is formed on the insulating barrier film 7 including the first wiring 5 by RF (Radio Frequency) sputtering. Then, a first upper electrode 10 (for example, Ru, film thickness 10 nm) and a second upper electrode 11 (for example, Ta, film thickness 50 nm) are formed in this order on the resistance change element film 9 (step B2; (See FIG. 7B).

ステップB2において、抵抗変化素子膜9のRFスパッタリングでは、Siを20%含む酸化タンタル(Ta0.8Si0.2)をターゲットとし、RF電力2KW、室温、Ar/Oの混合ガス、4mTorrの条件で堆積することができる。In Step B2, in RF sputtering of the resistance change element film 9, tantalum oxide containing 20% Si (Ta 0.8 Si 0.2 O x ) is used as a target, RF power is 2 KW, room temperature, Ar / O 2 mixed gas It can be deposited under conditions of 4 mTorr.

また、ステップB2において、第1上部電極10は、DC(Direct Current;直流)スパッタリングによりRuをターゲットとしてDCパワー0.2kW、Arガス、2mTorrの条件で堆積することができる。また、第2上部電極11は、同じくDCスパッタリングによりTaをターゲットとして同条件で堆積することができる。いずれの上部電極10、11も減圧下での堆積であるため、抵抗変化素子膜9からの酸素の脱離を抑制するため、室温で堆積している。   In step B2, the first upper electrode 10 can be deposited by DC (Direct Current) sputtering under the conditions of DC power 0.2 kW, Ar gas, and 2 mTorr using Ru as a target. The second upper electrode 11 can also be deposited under the same conditions using Ta as a target by DC sputtering. Since both the upper electrodes 10 and 11 are deposited under reduced pressure, they are deposited at room temperature in order to suppress desorption of oxygen from the resistance change element film 9.

次に、第2上部電極11上にハードマスク膜12(例えば、SiN膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜23(例えば、SiO膜、膜厚200nm)をこの順に積層する(ステップB3;図8(A)参照)。ここで、ハードマスク膜12及びハードマスク膜23は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜12、23は当該技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。Next, a hard mask film 12 (for example, a SiN film, a film thickness of 30 nm) and a hard mask film 23 (for example, a SiO 2 film, a film thickness of 200 nm) are stacked in this order on the second upper electrode 11 (Step B3; (See FIG. 8A). Here, the hard mask film 12 and the hard mask film 23 can be formed using a plasma CVD method. The hard mask films 12 and 23 can be formed using a general plasma CVD method in this technical field.

次に、ハードマスク膜23上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト(図示せず)を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜12が表れるまでハードマスク膜23をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する(ステップB4;図8(B)参照)。ここで、ハードマスク膜23のドライエッチングは、一般的な平行平板型のドライエッチング装置を用いることができる。   Next, a photoresist (not shown) for patterning the variable resistance element portion is formed on the hard mask film 23, and then the hard mask film 23 is formed until the hard mask film 12 appears using the photoresist as a mask. After dry etching, the photoresist is removed using oxygen plasma ashing and organic peeling (step B4; see FIG. 8B). Here, for the dry etching of the hard mask film 23, a general parallel plate type dry etching apparatus can be used.

次に、ハードマスク膜23をマスクとして、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、抵抗変化素子膜9を連続的にドライエッチングする(ステップB5;図9(A)参照)。   Next, using the hard mask film 23 as a mask, the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the resistance change element film 9 are continuously dry-etched (step B5; see FIG. 9A). ).

ステップB5において、ハードマスク膜12(例えば、SiN膜)のエッチングは、CF/Ar=25/50sccm、4mTorr、ソース400W、基板バイアス90Wの条件で行うことができる。また、第2上部電極11(例えば、Ta)のエッチングは、Cl=50sccmにて4mTorr、ソース400W、基板バイアス60Wの条件で行うことができる。また、第1上部電極10(例えば、Ru)のエッチングは、Cl/O=5/40sccmにて4mTorr、ソース900W、基板バイアス100Wの条件で行うことができる。また、抵抗変化素子膜9(例えば、Ta0.8Si0.2)のエッチングは、Cl/CF/Ar=45/15/15sccm、10mTorr、ソース800W、基板バイアス60Wの条件で行うことができる。このような条件を用いることで、サブトレンチなどの発生を抑制しながら加工をすることができる。このとき、ハードマスク膜23、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、及び抵抗変化素子膜9の平面形状は円形とし、直径は50〜550nmとし、絶縁性バリア膜7の開口部の直径よりも大きい寸法することが好ましい。In Step B5, the etching of the hard mask film 12 (eg, SiN film) can be performed under the conditions of CF 4 / Ar = 25/50 sccm, 4 mTorr, source 400 W, and substrate bias 90 W. The etching of the second upper electrode 11 (for example, Ta) can be performed under the conditions of Cl 2 = 50 sccm, 4 mTorr, source 400 W, and substrate bias 60 W. Further, the etching of the first upper electrode 10 (for example, Ru) can be performed under the conditions of 4 mTorr, source 900 W, and substrate bias 100 W at Cl 2 / O 2 = 5/40 sccm. Etching of the variable resistance element film 9 (for example, Ta 0.8 Si 0.2 O x ) is performed under the conditions of Cl 2 / CF 4 / Ar = 45/15/15 sccm, 10 mTorr, source 800 W, and substrate bias 60 W. It can be carried out. By using such conditions, it is possible to perform processing while suppressing the occurrence of sub-trench or the like. At this time, the hard mask film 23, the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the resistance change element film 9 have a circular planar shape, a diameter of 50 to 550 nm, and the insulating barrier film 7. It is preferable that the dimension be larger than the diameter of the opening.

次に、ハードマスク膜23をマスク、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、及び抵抗変化素子膜9を含む絶縁性バリア膜7上に保護絶縁膜24(例えば、SiN膜、30nm)を堆積する(ステップB6;図9(B)参照)。   Next, the hard mask film 23 is used as a mask, the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the insulating barrier film 7 including the resistance change element film 9, and the protective insulating film 24 (for example, SiN A film (30 nm) is deposited (step B6; see FIG. 9B).

ステップB6において、保護絶縁膜24は、SiHとNを原料ガスとし、基板温度200℃にて、高密度プラズマを用いて形成することができる。NHやHなどの還元系のガスを用いないため、成膜直前の成膜ガス安定化工程において、抵抗変化素子膜9(例えば、Ta0.8Si0.2)の還元を抑制することができる。このとき、第1配線5上の絶縁性バリア膜7、保護絶縁膜24、およびハードマスク膜12はSiN膜で同一材料であるため、抵抗変化素子の周囲を一体化して保護することで界面の密着性が向上し、吸湿性や耐水性、および酸素脱離耐性向上し、素子の歩留まりと信頼性を向上することができるようになる。In Step B6, the protective insulating film 24 can be formed using SiH 4 and N 2 as source gases and using a high-density plasma at a substrate temperature of 200 ° C. Since a reducing gas such as NH 3 or H 2 is not used, the resistance change element film 9 (for example, Ta 0.8 Si 0.2 O x ) is reduced in the film forming gas stabilization process immediately before film formation. Can be suppressed. At this time, since the insulating barrier film 7, the protective insulating film 24, and the hard mask film 12 on the first wiring 5 are the same material as the SiN film, the periphery of the resistance change element is integrally protected to protect the interface. Adhesion is improved, hygroscopicity, water resistance, and oxygen desorption resistance are improved, and the yield and reliability of the device can be improved.

次に、保護絶縁膜24上に、プラズマCVD法を用いて層間絶縁膜15(例えば、シリコン酸化膜、膜厚500nm)を堆積する(ステップB7;図10(A)参照)。   Next, an interlayer insulating film 15 (for example, a silicon oxide film having a thickness of 500 nm) is deposited on the protective insulating film 24 by using a plasma CVD method (step B7; see FIG. 10A).

次に、CMPを用いて、層間絶縁膜15を平坦化する(ステップB8;図10(B)参照)。ここで、層間絶縁膜15の平坦化では、層間絶縁膜15の頂面から約350nmを削り取り、残膜を約150nmとすることができる。このとき、層間絶縁膜15のCMPでは、一般的な、コロイダルシリカ、あるいはセリア系のスラリーを用いて研磨することができる。なお、実施例2では、層間絶縁膜15の平坦化によって、ハードマスク膜23が露出し、ハードマスク膜23及び保護絶縁膜24も平坦化される。   Next, the interlayer insulating film 15 is planarized using CMP (step B8; see FIG. 10B). Here, in the planarization of the interlayer insulating film 15, about 350 nm can be removed from the top surface of the interlayer insulating film 15, and the remaining film can be about 150 nm. At this time, the CMP of the interlayer insulating film 15 can be polished using a general colloidal silica or ceria-based slurry. In Example 2, the hard mask film 23 is exposed by planarizing the interlayer insulating film 15, and the hard mask film 23 and the protective insulating film 24 are also planarized.

次に、ハードマスク膜23及び保護絶縁膜24を含む層間絶縁膜15上に、エッチングストッパ膜16(例えば、SiN膜、膜厚50nm)、層間絶縁膜17(例えば、シリコン酸化膜;膜厚300nm)をこの順に堆積し、その後、第2配線18用の配線溝、およびプラグ19用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル20(例えば、Ta、膜厚5nm)を介して第2配線18(例えば、Cu)及びプラグ19(例えば、Cu)を同時に形成し、その後、第2配線18を含む層間絶縁膜17上に絶縁性バリア膜21(例えば、SiN膜)を堆積する(ステップB9;図6参照)。   Next, on the interlayer insulating film 15 including the hard mask film 23 and the protective insulating film 24, an etching stopper film 16 (for example, SiN film, film thickness 50 nm) and an interlayer insulating film 17 (for example, silicon oxide film; film thickness 300 nm) ) Are deposited in this order, and then a wiring groove for the second wiring 18 and a pilot hole for the plug 19 are formed, and the barrier metal 20 (in the wiring groove and the pilot hole is formed using a copper dual damascene wiring process. For example, the second wiring 18 (for example, Cu) and the plug 19 (for example, Cu) are simultaneously formed through Ta (film thickness: 5 nm), and then the insulating barrier is formed on the interlayer insulating film 17 including the second wiring 18. A film 21 (for example, a SiN film) is deposited (step B9; see FIG. 6).

ステップB9において、エッチングストッパ膜16及び層間絶縁膜17は、プラズマCVD法を用いて堆積することができる。   In step B9, the etching stopper film 16 and the interlayer insulating film 17 can be deposited using a plasma CVD method.

また、ステップB9において、第2配線18の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル20と第2上部電極11を同一材料とすることでプラグ19と第2上部電極11の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上(ON時の抵抗変化素子25の抵抗を低減)させることができるようになる。   In step B9, the second wiring 18 can be formed using the same process as that for forming the lower wiring. At this time, by making the barrier metal 20 and the second upper electrode 11 the same material, the contact resistance between the plug 19 and the second upper electrode 11 is reduced, and the element performance is improved (the resistance of the resistance change element 25 when ON). Can be reduced).

このようにして形成した抵抗変化素子25の上部電極10側に−5Vの電圧を印加することでフォーミングし、100Ωに(低抵抗化)した。逆方向に0.5V電圧を印加することで1GΩに(高抵抗化)なることを確認した。   Forming was performed by applying a voltage of −5 V to the upper electrode 10 side of the resistance change element 25 formed in this way, and the resistance was changed to 100Ω (low resistance). It was confirmed that 1 GΩ (high resistance) was obtained by applying a 0.5 V voltage in the reverse direction.

実施例2によれば、実施例1と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子25に加えて、抵抗変化素子25に接続するプラグ19の外周部もハードマスク膜23(例えば、シリコン酸化膜)を介して保護絶縁膜24(例えば、SiN膜)で覆われるため、プラグ19と抵抗変化素子25の接続部が十分に保護され、信頼性を向上させることができる。   According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained, and in addition to the resistance change element 25, the outer peripheral portion of the plug 19 connected to the resistance change element 25 is also provided with the hard mask film 23 (for example, a silicon oxide film). Therefore, the connection part between the plug 19 and the resistance change element 25 is sufficiently protected, and the reliability can be improved.

本発明の実施例3に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図11は、本発明の実施例3に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。   Example 3 A semiconductor device according to Example 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to Example 3 of the present invention.

実施例2(図6参照)では、抵抗変化素子(図6の25)に接続するプラグ(図6の19)の外周部がハードマスク膜(図6の23;例えば、シリコン酸化膜)を介して保護絶縁膜(図6の24;例えば、SiN膜)で覆われた構成となっているが、実施例3では、ハードマスク膜28(例えば、シリコン酸化膜)の膜厚をハードマスク膜(図6の23)の膜厚よりも薄くし、ハードマスク膜28上に保護絶縁膜29(例えば、SiN膜)が配され、保護絶縁膜29上に層間絶縁膜15が配され、抵抗変化素子30に接続するプラグ19がバリアメタル20を介して層間絶縁膜15、保護絶縁膜29、ハードマスク膜28、及びハードマスク膜12に形成された下穴に埋め込まれている。その他の構成は、実施例2と同様である。   In Example 2 (see FIG. 6), the outer peripheral portion of the plug (19 in FIG. 6) connected to the variable resistance element (25 in FIG. 6) passes through a hard mask film (23 in FIG. 6; for example, a silicon oxide film). In the third embodiment, the hard mask film 28 (for example, a silicon oxide film) is formed with a hard mask film (for example, a silicon oxide film). 6), the protective insulating film 29 (for example, SiN film) is disposed on the hard mask film 28, the interlayer insulating film 15 is disposed on the protective insulating film 29, and the resistance change element. A plug 19 connected to 30 is buried in a prepared hole formed in the interlayer insulating film 15, the protective insulating film 29, the hard mask film 28, and the hard mask film 12 through the barrier metal 20. Other configurations are the same as those of the second embodiment.

ハードマスク膜28は、ハードマスク膜12をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜28は、ハードマスク膜12と異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜12がSiN膜であれば、ハードマスク膜28をSiO膜とすることができる。The hard mask film 28 is a film that becomes a hard mask when the hard mask film 12 is etched. The hard mask film 28 is preferably a different type of film from the hard mask film 12. For example, if the hard mask film 12 is a SiN film, the hard mask film 28 can be a SiO 2 film.

保護絶縁膜29は、抵抗変化素子30にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜9からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜29には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることができる。保護絶縁膜29は、ハードマスク膜12及び絶縁性バリア膜7と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜29と絶縁性バリア膜7及びハードマスク膜12が一体化して、界面の密着性が向上する。   The protective insulating film 29 is an insulating film having a function of preventing oxygen from detaching from the resistance change element film 9 without damaging the resistance change element 30. As the protective insulating film 29, for example, a SiN film, a SiCN film, or the like can be used. The protective insulating film 29 is preferably made of the same material as the hard mask film 12 and the insulating barrier film 7. In the case of the same material, the protective insulating film 29, the insulating barrier film 7 and the hard mask film 12 are integrated to improve the adhesion at the interface.

なお、実施例3に係る半導体装置の製造方法については、実施例2のステップB3(図8(A)参照)にてハードマスク膜28(図8(A)の23に相当)の膜厚を薄くする点、及び、ステップB8(図10(B)参照)にてCMPを用いて層間絶縁膜15を平坦化する際に保護絶縁膜29(図10(B)の24)が露出しないようにする点以外は、実施例2と同様である。   For the method of manufacturing the semiconductor device according to Example 3, the thickness of the hard mask film 28 (corresponding to 23 in FIG. 8A) is set in Step B3 of Example 2 (see FIG. 8A). The protective insulating film 29 (24 in FIG. 10B) is not exposed when the interlayer insulating film 15 is planarized using CMP in step B8 (see FIG. 10B) in terms of thinning. Except for this point, the second embodiment is the same as the second embodiment.

実施例3によれば、実施例1と同様な効果を奏するとともに、ハードマスク膜28の膜厚を薄くし、かつ、保護絶縁膜29によって囲まれるエリアが実施例2よりも小さくすることで、層間絶縁膜の薄い最先端のデバイスにも適用することができるようになる。   According to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained, the thickness of the hard mask film 28 is reduced, and the area surrounded by the protective insulating film 29 is smaller than that of the second embodiment. It can also be applied to the most advanced devices with thin interlayer insulating films.

本発明の実施例4に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図12は、本発明の実施例4に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。   Example 4 A semiconductor device according to Example 4 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to Example 4 of the present invention.

実施例1(図1参照)では、抵抗変化素子膜(図1の9)が下部にて第1配線(図1の5)と直接接し、抵抗変化素子膜(図1の9)が上部にて第1上部電極(図1の10)と直接接した構成となっているが、実施例4では、抵抗変化素子膜9が下部にてTaN/Ru積層下部電極5aを介して第1配線5と電気的に接続され、上部にて上部抵抗変化素子膜9aを介して第1上部電極10と電気的に接続された構成となっている。その他の構成は、実施例1と同様である。   In Example 1 (see FIG. 1), the resistance change element film (9 in FIG. 1) is in direct contact with the first wiring (5 in FIG. 1) at the bottom, and the resistance change element film (9 in FIG. 1) is at the top. However, in Example 4, the resistance change element film 9 is formed in the lower portion via the TaN / Ru laminated lower electrode 5a in the first wiring 5 in the configuration. And is electrically connected to the first upper electrode 10 via the upper resistance change element film 9a in the upper part. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

TaN/Ru積層下部電極5aは、抵抗変化素子31において第1配線5と抵抗変化素子膜9の間に介在した電極膜であり、TaN(下部)/Ru(上部)が積層したものである。ここで、抵抗変化素子膜9において抵抗変化特性に銅を必要とせず、遷移金属層内に形成されるフィラメントを利用してON/OFFを実現する場合、抵抗変化素子膜9と第1配線5の間には、銅バリア性のある材料で分断しておく必要がある。したがって、第1配線5(下部電極)に係る金属(例えば、銅)の拡散バリア性と、抵抗変化素子31のスイッチング特性を考慮し、TaN/Ru積層下部電極5aを抵抗変化素子膜9と第1配線5の間に配置した。TaNは抵抗変化素子中への銅の拡散を防ぎ、Ruは酸化の自由エネルギーが小さいため、スイッチング特性に有利である。   The TaN / Ru laminated lower electrode 5a is an electrode film interposed between the first wiring 5 and the variable resistance element film 9 in the variable resistance element 31, and is formed by stacking TaN (lower) / Ru (upper). Here, in the resistance change element film 9, when copper is not required for the resistance change characteristic and ON / OFF is realized using a filament formed in the transition metal layer, the resistance change element film 9 and the first wiring 5 are used. In the meantime, it is necessary to divide with a material having a copper barrier property. Therefore, in consideration of the diffusion barrier property of the metal (for example, copper) related to the first wiring 5 (lower electrode) and the switching characteristics of the resistance change element 31, the TaN / Ru laminated lower electrode 5a is connected to the resistance change element film 9 and the first resistance change element film 9. One wiring 5 is disposed. TaN prevents diffusion of copper into the variable resistance element, and Ru has a small free energy for oxidation, which is advantageous for switching characteristics.

上部抵抗変化素子膜9aは、抵抗変化素子膜9の上部に配された抵抗変化素子膜である。上部抵抗変化素子膜9aは、抵抗変化素子膜9(例えば、Ta)における金属成分(例えば、タンタル)よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物からなる。上部抵抗変化素子膜9aには、例えば、Ti、あるいはNi等の遷移金属酸化物を用いることができる。上部抵抗変化素子膜9aには、例えば、スパッタリング法を用いた膜厚3nmのTiO膜を用いることができる。この場合、第1上部電極10をRuとし、第2上部電極11をTaとすることができる。上部抵抗変化素子膜9aは、電圧印加したり、電流を流したりすることで、酸化物内部に導電性のパスを形成することで、ON/OFFの制御をすることができる。The upper resistance change element film 9 a is a resistance change element film disposed on the resistance change element film 9. The upper resistance change element film 9a is made of a metal oxide having an absolute value of oxidation free energy larger than that of a metal component (for example, tantalum) in the resistance change element film 9 (for example, Ta 2 O 5 ). For the upper resistance change element film 9a, for example, a transition metal oxide such as Ti or Ni can be used. For the upper resistance change element film 9a, for example, a 3 nm-thick TiO film using a sputtering method can be used. In this case, the first upper electrode 10 can be Ru, and the second upper electrode 11 can be Ta. The upper resistance change element film 9a can be controlled to be turned ON / OFF by forming a conductive path inside the oxide by applying a voltage or passing a current.

なお、実施例4に係る半導体装置の製造方法については、実施例1のステップA6(図3(C)参照)において第1配線5を含む絶縁性バリア膜7上にTaN/Ru積層下部電極5a、抵抗変化素子膜9をこの順に形成し、ステップA7(図4(A)参照)において抵抗変化素子膜9上に上部抵抗変化素子膜9a、第1上部電極10、及び第2上部電極11をこの順に形成し、ステップA10(図5(A)参照)においてハードマスク膜(図4(C)の13)をマスクとして、ハードマスク膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、上部抵抗変化素子膜9a、抵抗変化素子膜9、TaN/Ru積層下部電極5aを連続的にドライエッチングする点以外は、実施例1と同様である。   For the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment, the TaN / Ru laminated lower electrode 5a is formed on the insulating barrier film 7 including the first wiring 5 in step A6 of the first embodiment (see FIG. 3C). Then, the resistance change element film 9 is formed in this order, and the upper resistance change element film 9a, the first upper electrode 10, and the second upper electrode 11 are formed on the resistance change element film 9 in step A7 (see FIG. 4A). In this order, in step A10 (see FIG. 5A), using the hard mask film (13 in FIG. 4C) as a mask, the hard mask film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, the upper part Example 2 is the same as Example 1 except that the variable resistance element film 9a, the variable resistance element film 9, and the TaN / Ru laminated lower electrode 5a are continuously dry-etched.

実施例4によれば、実施例1と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子膜9において抵抗変化特性に銅を必要とせず、遷移金属層内に形成されるフィラメントを利用してON/OFFを実現する場合にも適用することができる。   According to the fourth embodiment, the same effect as that of the first embodiment is achieved, and the resistance change element film 9 does not require copper for the resistance change characteristic, and is turned on / off using the filament formed in the transition metal layer. The present invention can also be applied when realizing the above.

本発明の実施例5に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図13は、本発明の実施例5に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。図14は、本発明の実施例5に係る半導体装置の構成を模式的に示した図13の領域Rの拡大断面図である。   Example 5 A semiconductor device according to Example 5 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to Example 5 of the present invention. FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of region R of FIG. 13 schematically showing the configuration of the semiconductor device according to Example 5 of the present invention.

実施例5では、半導体基板1上に半導体素子として選択トランジスタ70(MOSFET)が形成され、選択トランジスタ70を含む半導体基板1上に多層配線層(2〜8、15〜21、32〜68)が形成され、多層配線層(2〜7、14〜21、32〜68)の内部に実施例1と同様な抵抗変化素子22を組み込んだものである。抵抗変化素子22の周辺の構成は、実施例1と同様である。   In the fifth embodiment, a selection transistor 70 (MOSFET) is formed as a semiconductor element on the semiconductor substrate 1, and multilayer wiring layers (2 to 8, 15 to 21, 32 to 68) are formed on the semiconductor substrate 1 including the selection transistor 70. A variable resistance element 22 similar to that of the first embodiment is incorporated in a multilayer wiring layer (2-7, 14-21, 32-68). The configuration around the resistance change element 22 is the same as that of the first embodiment.

多層配線層(2〜8、15〜21、32〜68)は、半導体基板1上にて、層間絶縁膜2、バリア絶縁膜3、層間絶縁膜4、絶縁性バリア膜7、保護絶縁膜14、層間絶縁膜15、エッチングストッパ膜16、層間絶縁膜17、バリア絶縁膜21、層間絶縁膜32、エッチングストッパ膜33、層間絶縁膜34、バリア絶縁膜37、層間絶縁膜38、エッチングストッパ膜39、層間絶縁膜40、バリア絶縁膜43、層間絶縁膜44、エッチングストッパ膜45、層間絶縁膜46、バリア絶縁膜49、層間絶縁膜50、エッチングストッパ膜51、層間絶縁膜52、バリア絶縁膜55、層間絶縁膜56、エッチングストッパ膜57、層間絶縁膜58、バリア絶縁膜61、層間絶縁膜62、及び保護絶縁膜63の順に積層した絶縁積層体を有する。   The multilayer wiring layers (2 to 8, 15 to 21, and 32 to 68) are formed on the semiconductor substrate 1 with an interlayer insulating film 2, a barrier insulating film 3, an interlayer insulating film 4, an insulating barrier film 7, and a protective insulating film 14. , Interlayer insulating film 15, etching stopper film 16, interlayer insulating film 17, barrier insulating film 21, interlayer insulating film 32, etching stopper film 33, interlayer insulating film 34, barrier insulating film 37, interlayer insulating film 38, etching stopper film 39 , Interlayer insulating film 40, barrier insulating film 43, interlayer insulating film 44, etching stopper film 45, interlayer insulating film 46, barrier insulating film 49, interlayer insulating film 50, etching stopper film 51, interlayer insulating film 52, barrier insulating film 55 An insulating laminated body in which an interlayer insulating film 56, an etching stopper film 57, an interlayer insulating film 58, a barrier insulating film 61, an interlayer insulating film 62, and a protective insulating film 63 are stacked in this order. .

多層配線層は、バリア絶縁膜3に形成された下穴にバリアメタル68を介してプラグ67が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜4及びバリア絶縁膜3に形成された配線溝にバリアメタル6を介して第1配線5が埋め込まれている。多層配線層は、エッチングストッパ膜16及び層間絶縁膜17に形成された配線溝に第2配線18が埋め込まれており、層間絶縁膜15、保護絶縁膜14、及びハードマスク膜12に形成された下穴にプラグ19´が埋め込まれており、第2配線18とプラグ19´が一体となっており、第2配線及びプラグ19´の側面と底面がバリアメタル20によって覆われている。多層配線層は、層間絶縁膜32及びバリア絶縁膜21に形成された下穴、及び、層間絶縁膜34及びエッチングストッパ膜33に形成された配線溝にバリアメタル36を介して配線35が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜38及びバリア絶縁膜37に形成された下穴、及び、層間絶縁膜40及びエッチングストッパ膜39に形成された配線溝にバリアメタル42を介して配線41が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜44及びバリア絶縁膜43に形成された下穴、及び、層間絶縁膜46及びエッチングストッパ膜45に形成された配線溝にバリアメタル48を介して配線47が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜50及びバリア絶縁膜49に形成された下穴、及び、層間絶縁膜52及びエッチングストッパ膜51に形成された配線溝にバリアメタル54を介して配線53が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜56及びバリア絶縁膜55に形成された下穴、及び、層間絶縁膜58及びエッチングストッパ膜57に形成された配線溝にバリアメタル60を介して配線59が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜62及びバリア絶縁膜61に形成された下穴にバリアメタル65を介して配線64が埋め込まれており、層間絶縁膜62上にバリアメタル65を介して配線64が形成されており、配線64上にバリアメタル66が形成されており、バリアメタル66、配線64、及びバリアメタル65を含む層間絶縁膜62上に保護絶縁膜63が形成されている。   In the multilayer wiring layer, a plug 67 is embedded in a prepared hole formed in the barrier insulating film 3 via a barrier metal 68. In the multilayer wiring layer, the first wiring 5 is embedded through the barrier metal 6 in the wiring groove formed in the interlayer insulating film 4 and the barrier insulating film 3. In the multilayer wiring layer, the second wiring 18 is embedded in the wiring groove formed in the etching stopper film 16 and the interlayer insulating film 17, and is formed in the interlayer insulating film 15, the protective insulating film 14, and the hard mask film 12. A plug 19 ′ is embedded in the prepared hole, the second wiring 18 and the plug 19 ′ are integrated, and the side surfaces and the bottom surface of the second wiring and the plug 19 ′ are covered with the barrier metal 20. In the multilayer wiring layer, wiring 35 is embedded through barrier metal 36 in pilot holes formed in interlayer insulating film 32 and barrier insulating film 21 and wiring grooves formed in interlayer insulating film 34 and etching stopper film 33. ing. In the multilayer wiring layer, wiring 41 is embedded through barrier metal 42 in pilot holes formed in interlayer insulating film 38 and barrier insulating film 37 and wiring grooves formed in interlayer insulating film 40 and etching stopper film 39. ing. In the multilayer wiring layer, wiring 47 is embedded via barrier metal 48 in pilot holes formed in the interlayer insulating film 44 and the barrier insulating film 43 and wiring grooves formed in the interlayer insulating film 46 and the etching stopper film 45. ing. In the multilayer wiring layer, wiring 53 is embedded via barrier metal 54 in pilot holes formed in interlayer insulating film 50 and barrier insulating film 49 and wiring grooves formed in interlayer insulating film 52 and etching stopper film 51. ing. In the multilayer wiring layer, the wiring 59 is embedded through the barrier metal 60 in the pilot holes formed in the interlayer insulating film 56 and the barrier insulating film 55 and the wiring grooves formed in the interlayer insulating film 58 and the etching stopper film 57. ing. In the multilayer wiring layer, a wiring 64 is embedded in a prepared hole formed in the interlayer insulating film 62 and the barrier insulating film 61 via a barrier metal 65, and the wiring 64 is formed on the interlayer insulating film 62 via the barrier metal 65. The barrier metal 66 is formed on the wiring 64, and the protective insulating film 63 is formed on the interlayer insulating film 62 including the barrier metal 66, the wiring 64, and the barrier metal 65.

選択トランジスタ70のソース/ドレイン電極は、対応するプラグ67、第1配線5、プラグ19´、第2配線18、配線35、41、47、53、59を介して最上部の配線64に電気的に接続されている。   The source / drain electrodes of the selection transistor 70 are electrically connected to the uppermost wiring 64 via the corresponding plug 67, first wiring 5, plug 19 ′, second wiring 18, wiring 35, 41, 47, 53, 59. It is connected to the.

多層配線層は、絶縁性バリア膜7に形成された開口部にて、下部電極となる第1配線5上に抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、及び第2上部電極11の順に積層した抵抗変化素子22が形成されており、第2上部電極11上にハードマスク膜12が形成されており、抵抗変化素子膜9、第1上部電極10、第2上部電極11、及びハードマスク膜12の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜14で覆われている。   The multilayer wiring layer is formed by laminating the variable resistance element film 9, the first upper electrode 10, and the second upper electrode 11 in this order on the first wiring 5 serving as the lower electrode at the opening formed in the insulating barrier film 7. The variable resistance element 22 is formed, the hard mask film 12 is formed on the second upper electrode 11, the variable resistance element film 9, the first upper electrode 10, the second upper electrode 11, and the hard mask film The top surface or the side surface of the 12 laminated bodies is covered with a protective insulating film 14.

抵抗変化素子22は、下部電極となる第1配線5と、プラグ19を介して第2配線18と電気的に接続された上部電極10、11と、の間に抵抗変化素子膜9が介在した構成となっている。抵抗変化素子22は、絶縁性バリア膜7に形成された開口部の領域にて抵抗変化素子膜9と第1配線5が直接接しており、第2上部電極11上にてプラグ19と第2上部電極11とがバリアメタル20を介して接続されている。プラグ19は、層間絶縁膜15、保護絶縁膜14、及びハードマスク膜12に形成された下穴にバリアメタル20を介して埋め込まれている。   In the resistance change element 22, the resistance change element film 9 is interposed between the first wiring 5 serving as a lower electrode and the upper electrodes 10 and 11 electrically connected to the second wiring 18 through the plug 19. It has a configuration. In the resistance change element 22, the resistance change element film 9 and the first wiring 5 are in direct contact with each other in the region of the opening formed in the insulating barrier film 7, and the plug 19 and the second wiring are formed on the second upper electrode 11. The upper electrode 11 is connected via the barrier metal 20. The plug 19 is buried in a prepared hole formed in the interlayer insulating film 15, the protective insulating film 14, and the hard mask film 12 via a barrier metal 20.

配線(プラグを含む;5、18、19、19´、35、41、47、53、59)には銅を用いることができる。最上層の配線64にはAlを用いることができる。プラグ67にはタングステンを用いることができる。バリアメタル(6、20、36、42、48、54、60)にはTa/TaN積層体を用いることができる。バリアメタル65、66にはTi/TiN積層体を用いることができる。バリアメタル68にはTiNを用いることができる。層間絶縁膜(2、4、15、17、32、34、38、40、44、46、50、52、56、58)には比誘電率3以下のSiOCH膜を用いることができる。層間絶縁膜62にはシリコン酸化膜を用いることができる。保護絶縁膜63にはシリコン窒化酸化膜を用いることができる。第1配線5上の絶縁性バリア膜7にはSiNを用い、絶縁性バリア膜7以外の絶縁性バリア膜(バリア絶縁膜、エッチングストッパ膜を含む;3、16、21、33、37、43、49、55、61)には比誘電率の低いSiCN膜を用いることができる。   Copper can be used for the wiring (including plugs; 5, 18, 19, 19 ', 35, 41, 47, 53, 59). Al can be used for the uppermost wiring 64. Tungsten can be used for the plug 67. A Ta / TaN laminated body can be used for the barrier metal (6, 20, 36, 42, 48, 54, 60). A Ti / TiN laminated body can be used for the barrier metals 65 and 66. TiN can be used for the barrier metal 68. As the interlayer insulating film (2, 4, 15, 17, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 50, 52, 56, 58), a SiOCH film having a relative dielectric constant of 3 or less can be used. A silicon oxide film can be used for the interlayer insulating film 62. A silicon oxynitride film can be used for the protective insulating film 63. SiN is used for the insulating barrier film 7 on the first wiring 5 and an insulating barrier film other than the insulating barrier film 7 (including a barrier insulating film and an etching stopper film; 3, 16, 21, 33, 37, 43) 49, 55, 61), a SiCN film having a low relative dielectric constant can be used.

抵抗変化素子22において、下部電極となる第1配線5には銅を用い、抵抗変化素子膜9にはTaSiOを用い、第1上部電極10にはRuを用い、第2上部電極11にはTaNを用い、第2上部電極11上のハードマスク膜12にはSiN膜を用い、ハードマスク膜12を含む抵抗変化素子22を覆う保護絶縁膜14には高密度プラズマCVDにより形成したSiN膜を用いることができる。   In the resistance change element 22, copper is used for the first wiring 5 serving as the lower electrode, TaSiO is used for the resistance change element film 9, Ru is used for the first upper electrode 10, and TaN is used for the second upper electrode 11. The SiN film is used for the hard mask film 12 on the second upper electrode 11, and the SiN film formed by high-density plasma CVD is used for the protective insulating film 14 covering the resistance change element 22 including the hard mask film 12. be able to.

実施例5に係る半導体装置の製造方法は、抵抗変化素子22の周辺については実施例1と同様な製造方法により作成することができ、その他の部分については当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。   In the semiconductor device manufacturing method according to the fifth embodiment, the periphery of the variable resistance element 22 can be formed by the same manufacturing method as that in the first embodiment, and the other methods use general techniques in the technical field. be able to.

なお、実施例5では、実施例1に係る半導体装置と同様な構成の抵抗変化素子22を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、実施例2〜4に係る半導体装置と同様な構成の抵抗変化素子を適用することもできる。   In the fifth embodiment, the example in which the variable resistance element 22 having the same configuration as that of the semiconductor device according to the first embodiment is applied has been described. However, the present invention is not limited to this, and the semiconductor device according to the second to fourth embodiments. It is also possible to apply a resistance change element having the same configuration as in FIG.

実施例5によれば、実施例1と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子22上のプラグ(図14の19)と、抵抗変化素子22の領域外の同一層のプラグ(図13の19´)とを同時に形成することで、工程の簡略化を図ることができる。また、実施例5のような構造とすることで、最先端のULSI(Ultra-Large Scale Integration)ロジック内部に抵抗変化素子を搭載することができるようになる。   According to the fifth embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained, and the plug (19 in FIG. 14) on the variable resistance element 22 and the plug in the same layer outside the region of the variable resistance element 22 (19 in FIG. 13). ′) At the same time, the process can be simplified. Further, by adopting the structure as in the fifth embodiment, it becomes possible to mount the variable resistance element inside the most advanced ULSI (Ultra-Large Scale Integration) logic.

本発明の実施例6に係る半導体装置について説明する。   A semiconductor device according to Embodiment 6 of the present invention will be described.

実施例6では、実施例1〜5に係る半導体装置における第2上部電極11及びバリアメタル20に用いる材料を置換したものである。その他の構成は、実施例1〜5と同様である。   In the sixth embodiment, materials used for the second upper electrode 11 and the barrier metal 20 in the semiconductor devices according to the first to fifth embodiments are replaced. Other configurations are the same as those in the first to fifth embodiments.

例えば、図1を参照すると、上部電極の最上部となる第2上部電極11を窒化チタン(TiN)とし、バリアメタル20を窒化タンタル(TaN)とする。この場合、密着性に優れ、かつ、接続抵抗を低減させることができる。これは、第2上部電極11に含まれる成分がTiNであるのに対し、バリアメタル20に含まれる成分が第2上部電極11と同一成分である窒素(N)を含むTaNであることから、接続抵抗が低減されたためである。   For example, referring to FIG. 1, the second upper electrode 11 which is the uppermost part of the upper electrode is made of titanium nitride (TiN), and the barrier metal 20 is made of tantalum nitride (TaN). In this case, the adhesion is excellent and the connection resistance can be reduced. This is because the component contained in the second upper electrode 11 is TiN, whereas the component contained in the barrier metal 20 is TaN containing nitrogen (N) which is the same component as the second upper electrode 11. This is because the connection resistance is reduced.

また、図1を参照すると、上部電極の最上部となる第2上部電極11をタンタル(Ta)とし、バリアメタル20を窒化タンタル(TaN)とする。この場合、密着性に優れ、かつ、接続抵抗を低減させることができる。これは、第2上部電極11に含まれる成分がTaであるのに対し、バリアメタル20に含まれる成分が第2上部電極11と同一成分であるTaを含むTaNであることから、接続抵抗が低減されたためである。   Referring to FIG. 1, the second upper electrode 11 that is the uppermost part of the upper electrode is made of tantalum (Ta), and the barrier metal 20 is made of tantalum nitride (TaN). In this case, the adhesion is excellent and the connection resistance can be reduced. This is because the component contained in the second upper electrode 11 is Ta, whereas the component contained in the barrier metal 20 is TaN containing Ta, which is the same component as the second upper electrode 11. This is because it has been reduced.

以上から、)バリアメタル20と直接触する上部電極の最上部(第2上部電極11)は、バリアメタル20に含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されていることが好ましい。   From the above, it is preferable that the uppermost part (second upper electrode 11) of the upper electrode that is in direct contact with the barrier metal 20 is made of a material containing the same component as that contained in the barrier metal 20.

なお、本発明は、銅多層配線層内に抵抗変化素子を形成する場合、低抵抗かつ高信頼な素子の形成に関するものであれば、あらゆるものに適用することが可能であり、その利用の可能性において何ら限定するものではない。また、抵抗変化素子の構造は、他の膜との積層構造を用いることによっても本発明はなんら限定されることはない。本発明の構成は、銅配線が抵抗変化素子の下部電極、あるいは下部電極と一体化し、かつ抵抗変化素子の上面は銅プラグによって接続されていることである。   Note that the present invention can be applied to any device as long as it relates to the formation of a low-resistance and high-reliability element when a variable resistance element is formed in a copper multilayer wiring layer. There is no limitation on sex. Moreover, the structure of the resistance change element is not limited to the present invention by using a laminated structure with another film. The configuration of the present invention is that the copper wiring is integrated with the lower electrode or the lower electrode of the variable resistance element, and the upper surface of the variable resistance element is connected by a copper plug.

また、幾つかの好適な実施例に関連付けして本発明を説明したが、これら実施例は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではないことが理解できる。   Also, while the invention has been described in connection with several preferred embodiments, these embodiments are merely illustrative of the invention and are not meant to be limiting. Can understand.

また、例えば、本発明者によってなされた発明の背景となった利用分野であるCMOS回路を有する半導体製造装置技術に関して詳しく説明し、半導体基板上の銅配線上部に抵抗変化素子を形勢する例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)、フラッシュメモリ、FRAM(Ferro Electric Random Access Memory)、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、抵抗変化型メモリ、バイポーラトランジスタ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、あるいはそれらを同時に掲載したボードやパッケージの銅配線上へも適用することができる。また、本発明は半導体装置への、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシン、MEMSなどの接合にも適用することができる。また、本発明ではスイッチ機能での実施例を中心に説明したが、不揮発性と抵抗変化特性の双方を利用したメモリ素子などに用いることもできる。   In addition, for example, a semiconductor manufacturing apparatus technology having a CMOS circuit, which is a field of use as the background of the invention made by the present inventor, will be described in detail, and an example in which a resistance change element is formed on a copper wiring on a semiconductor substrate will be described. However, the present invention is not limited thereto. For example, DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory), flash memory, FRAM (Ferro Electric Random Access Memory), MRAM (Magnetic Random Access Memory). ), Semiconductor products having a memory circuit such as a resistance change type memory, bipolar transistor, etc., semiconductor products having a logic circuit such as a microprocessor, or the copper wiring of a board or a package on which the same is posted. it can. The present invention can also be applied to bonding of electronic circuit devices, optical circuit devices, quantum circuit devices, micromachines, MEMS, and the like to semiconductor devices. In the present invention, the example of the switch function has been mainly described. However, the present invention can be used for a memory element using both non-volatility and resistance change characteristics.

また、できあがりからも本発明による基板の接合方法を確認することができる。具体的には、デバイスの断面をTEM(Transmission Electron Microscope;透過型電子顕微鏡)観察することで、多層配線層に銅配線が用いられていることを確認し、抵抗変化素子が搭載されている場合には、抵抗変化素子の下面が銅配線であり、上部が銅プラグであるかを観察することで確認することができる。さらにTEMに加えEDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy;エネルギー分散型X線分光法)、EELS(Electron Energy-Loss Spectroscopy;電子エネルギー損失分光法)などによる元素分析を行うことで、第2上部電極とプラグのバリアメタルが同一材料であるかを確認することができる。さらに、同じく組成分析を行うことで、銅配線上の絶縁性バリア膜と抵抗変化素子の保護膜が同一材料であるかを特定することができる。   Moreover, the board | substrate joining method by this invention can also be confirmed from completion. Specifically, when a cross section of the device is observed with a TEM (Transmission Electron Microscope), it is confirmed that copper wiring is used in the multilayer wiring layer, and a resistance change element is mounted. It can be confirmed by observing whether the lower surface of the resistance change element is a copper wiring and the upper part is a copper plug. In addition to TEM, elemental analysis is performed by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy), etc. It can be confirmed whether the barrier metal of the plug is the same material. Furthermore, by performing the same composition analysis, it is possible to specify whether the insulating barrier film on the copper wiring and the protective film of the resistance change element are the same material.

さらに、本明細書を読んだ後であれば、当業者にとって等価な構成要素や技術による数多くの変更および置換が容易であることが明白であるが、このような変更および置換は、添付の請求項の真の範囲および精神に該当するものであることは明白である。   Further, it will be apparent to those skilled in the art that numerous changes and substitutions by equivalent components and techniques will be readily apparent to those of ordinary skill in the art after reading this specification. It is clear that it falls within the true scope and spirit of the term.

1 半導体基板
2 層間絶縁膜
3 バリア絶縁膜
4 層間絶縁膜
5 第1配線(配線、下部電極)
5a TaN/Ru積層下部電極(第2下部電極)
6 バリアメタル
7 絶縁性バリア膜
8 ハードマスク膜
9 抵抗変化素子膜
9a 上部抵抗変化素子膜(第2抵抗変化素子膜)
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、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 第2配線
19、19´ プラグ
20 バリアメタル
21 バリア絶縁膜
22、25、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 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 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 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 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 配線
60 バリアメタル
61 バリア絶縁膜
62 層間絶縁膜
63 保護絶縁膜
64 配線
65、66 バリアメタル
67 プラグ
68 バリアメタル
70 選択トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Interlayer insulating film 3 Barrier insulating film 4 Interlayer insulating film 5 1st wiring (wiring, lower electrode)
5a TaN / Ru laminated lower electrode (second lower electrode)
6 Barrier metal 7 Insulating barrier film 8 Hard mask film 9 Resistance change element film 9a Upper resistance change element film (second resistance change element film)
10 First upper electrode 11 Second upper electrode 12 Hard mask film 13, 23, 28 Hard mask film (second hard mask film)
14, 24, 29 Protective insulating film 15 Interlayer insulating film 16 Etching stopper film 17 Interlayer insulating film 18 Second wiring 19, 19 ′ Plug 20 Barrier metal 21 Barrier insulating film 22, 25, 30, 31 Resistance change element 32, 34 Interlayer Insulating film 33 Etching stopper film 35 Wiring 36 Barrier metal 37 Barrier insulating film 38, 40 Interlayer insulating film 39 Etching stopper film 41 Wiring 42 Barrier metal 43 Barrier insulating film 44, 46 Interlayer insulating film 45 Etching stopper film 47 Wiring 48 Barrier metal 49 Barrier insulating film 50, 52 Interlayer insulating film 51 Etching stopper film 53 Wiring 54 Barrier metal 55 Barrier insulating film 56, 58 Interlayer insulating film 57 Etching stopper film 59 Wiring 60 Barrier metal 61 Barrier insulating film 62 Interlayer insulating film 63 Protective insulation Membrane 64 Wiring 65, 66 Barrier metal 67 Plug 68 Barrier metal 70 Select transistor

Claims (7)

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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、
前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、
前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、
前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、
前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、
前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、
前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate,
The resistance change element has a configuration in which a resistance change element film whose resistance changes is interposed between an upper electrode and a lower electrode,
The multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode,
The side or bottom of the plug is covered with a barrier metal,
The uppermost part of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and is composed of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal,
The wiring also serves as the lower electrode and is made of copper.
The lower surface of the variable resistance element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring,
The resistance change element film is an ion conductive layer, and metal ions are supplied from the wiring,
The semiconductor device includes a second resistance change made of a metal oxide having an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the resistance change element film and interposed between the resistance change element film and the upper electrode. A semiconductor device comprising an element film.
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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、
前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、
前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、
前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、
前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、
前記抵抗変化素子膜の下面は、前記配線の上面の一部と接し、
前記抵抗変化素子膜は、イオン伝導層であるとともに、前記配線から金属イオンが供給され、
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate,
The resistance change element has a configuration in which a resistance change element film whose resistance changes is interposed between an upper electrode and a lower electrode,
The multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode,
The side or bottom of the plug is covered with a barrier metal,
The uppermost part of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and is composed of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal,
The wiring also serves as the lower electrode and is made of copper.
The lower surface of the variable resistance element film is in contact with a part of the upper surface of the wiring,
The resistance change element film is an ion conductive layer, and metal ions are supplied from the wiring,
The semiconductor device includes a second resistance change made of a metal oxide having an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the resistance change element film and interposed between the resistance change element film and the upper electrode. A semiconductor device comprising: an element film; and a second lower electrode interposed between the lower electrode and the variable resistance element film and having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.
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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、
前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、
前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、
前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、
前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、
前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、
前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、
前記上部電極上にハードマスク膜が配され、
前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、
前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、
前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate,
The resistance change element has a configuration in which a resistance change element film whose resistance changes is interposed between an upper electrode and a lower electrode,
The multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode,
The side or bottom of the plug is covered with a barrier metal,
The uppermost part of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and is composed of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal,
The wiring also serves as the lower electrode and is made of copper.
An insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film,
The insulating barrier film has an opening,
The variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening,
A hard mask film is disposed on the upper electrode;
The laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is covered with a protective insulating film on the top surface or the side surface,
The protective insulating film is in contact with the insulating barrier film at the outer periphery of a laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film,
The plug is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film,
The semiconductor device includes a second resistance change made of a metal oxide having an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the resistance change element film and interposed between the resistance change element film and the upper electrode. A semiconductor device comprising an element film.
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、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、
前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、
前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、
前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成され、
前記配線は、前記下部電極を兼ねるとともに、銅よりなり、
前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、
前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、
前記上部電極上にハードマスク膜が配され、
前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、
前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、
前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続され、
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第2抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第2下部電極と、を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a resistance change element inside a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate,
The resistance change element has a configuration in which a resistance change element film whose resistance changes is interposed between an upper electrode and a lower electrode,
The multilayer wiring layer includes at least a wiring electrically connected to the lower electrode and a plug electrically connected to the upper electrode,
The side or bottom of the plug is covered with a barrier metal,
The uppermost part of the upper electrode is in direct contact with the barrier metal, and is composed of the same material as the barrier metal or a material containing the same component as the component contained in the barrier metal,
The wiring also serves as the lower electrode and is made of copper.
An insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film,
The insulating barrier film has an opening,
The variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening,
A hard mask film is disposed on the upper electrode;
The laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film is covered with a protective insulating film on the top surface or the side surface,
The protective insulating film is in contact with the insulating barrier film at the outer periphery of a laminate of the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film,
The plug is electrically connected to the upper electrode through the barrier metal through a pilot hole formed in the protective insulating film and the hard mask film,
The semiconductor device includes a second resistance change made of a metal oxide having an absolute value of free energy of oxidation larger than a metal component in the resistance change element film and interposed between the resistance change element film and the upper electrode. A semiconductor device comprising: an element film; and a second lower electrode interposed between the lower electrode and the variable resistance element film and having a metal diffusion barrier property related to the lower electrode.
前記上部電極は、前記抵抗変化素子膜側から順に第1上部電極、第2上部電極が積層した構成であり、
前記第1上部電極は、前記抵抗変化素子膜に係る金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料を含み、
前記第2上部電極は、前記上部電極の最上部であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一に記載の半導体装置。
The upper electrode has a configuration in which a first upper electrode and a second upper electrode are stacked in order from the resistance change element film side.
The first upper electrode includes a metal material having an absolute value of free energy of oxidation smaller than that of the metal component of the variable resistance element film,
The second upper electrode, a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the uppermost portion of the upper electrode.
前記抵抗変化素子膜は、Taを含む酸化物であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一に記載の半導体装置。 The variable resistance element film, the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that an oxide containing Ta. 前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、
前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、
前記上部電極上にハードマスク膜が配され、
前記ハードマスク膜上に前記ハードマスク膜と材料が異なる第2ハードマスク膜が配され、
前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、側面が保護絶縁膜で覆われ、
前記保護絶縁膜は、前記第2ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、
前記プラグは、前記第2ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一に記載の半導体装置。
An insulating barrier film is interposed between the lower electrode and the variable resistance element film,
The insulating barrier film has an opening,
The variable resistance element film is in contact with the lower electrode in the opening,
A hard mask film is disposed on the upper electrode;
A second hard mask film made of a material different from that of the hard mask film is disposed on the hard mask film;
The stacked body of the second hard mask film, the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film has a side surface covered with a protective insulating film,
The protective insulating film is in contact with the insulating barrier film at an outer periphery of a laminate of the second hard mask film, the hard mask film, the upper electrode, and the resistance change element film,
It said plug, according to claim 1 to 6, characterized in that it is electrically connected to the upper electrode via the barrier metal through the second hard mask layer, and a lower hole formed in the hard mask layer The semiconductor device according to any one of the above.
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