JP5895932B2 - 抵抗変化素子、それを含む半導体装置およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、日本国特許出願:特願2011−105424号(2011年 5月10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、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスに用いられる、金属の析出を利用した抵抗変化素子、それを含む半導体装置及びそれらの製造方法に関する。
以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。プログラマブルロジックの配線切り換えスイッチは、高いオン/オフ抵抗比を有することが望ましい。金属架橋を用いたスイッチのオン状態の電流パスは、金属の凝集体であるため、オン時の抵抗値は十分に低く出来る。一方、オフ状態の抵抗値は素子の初期抵抗を踏襲する。非特許文献1に開示された素子構造の金属架橋スイッチでは、オフ時のリーク電流が大きく、オフ状態を高抵抗に保てないという問題がある。
本実施例に係る2端子スイッチング素子の一実施例の構成について説明する。図2は、一実施例1に係る2端子スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。
本実施例に係るスイッチング素子の製造方法例について説明する。図4に沿ってスイッチング素子の製造工程について述べる。図4は、一実施例に係る2端子スイッチング素子の製造工程例を示す断面模式図である。
低抵抗シリコン基板46の表面に膜厚20nmのタンタル、その上に100nmの銅をスパッタ法で成膜し、第1電極41とする。
Zr、Hf又はAlを1nmの厚さで、もしくは、TiとZr、Hf又はAlをそれぞれ0.5nmの厚さでスパッタ成膜し金属層44を形成する。
第1イオン伝導層43としてシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。金属層44は、第1イオン伝導層43の形成中に酸素を含むSIOCH系ポリマー膜の原料に曝されることで自動的に酸化し、酸化物となることで第2イオン伝導層45となる。
第1イオン伝導層43の上に真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚30nmのルテニウムを堆積させる。この際、ステンレスもしくはシリコンで作製されたシャドーマスクを介してルテニウムを堆積し、1辺30μm〜150μmの正方形の第2電極42を形成する。
実施例1に係る2端子スイッチング素子を多層配線層内部に形成した半導体装置を、実施例2として以下に説明する。
図8A(工程1)に示すように、半導体基板81(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜82(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82にバリア絶縁膜83(例えば、窒化シリコン膜、膜厚50nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜83上に層間絶縁膜84(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84及びバリア絶縁膜83に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル86(例えば、窒化タンタル/タンタル、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線85(例えば、銅)を埋め込む。層間絶縁膜82、84は、プラズマCVD法によって形成することができる。第1配線85は、例えば、PVD法によってバリアメタル86(例えば、窒化タンタル/タンタルの積層膜)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。
図8B(工程2)に示すように、第1配線85を含む層間絶縁膜84上にバリア絶縁膜87(例えば、窒化シリコン膜、膜厚50nm)を形成する。ここで、バリア絶縁膜87は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜87の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
図8C(工程3)に示すように、バリア絶縁膜87上にハードマスク膜88(例えば、シリコン酸化膜)を形成する。このとき、ハードマスク膜88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、バリア絶縁膜87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88には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、窒化チタン、チタン、タンタル、窒化タンタル等を用いることができ、窒化シリコン/シリコン酸化膜の積層体を用いることができる。
図8D(工程4)に示すように、ハードマスク膜88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88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。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜87の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜87の内部にまで到達していてもよい。
図9E(工程5)に示すように、ハードマスク膜88をマスクとして、ハードマスク膜88の開口部から露出するバリア絶縁膜87をエッチバック(ドライエッチング)することにより、バリア絶縁膜87に開口部を形成して、バリア絶縁膜87の開口部から第1配線85を露出させ、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85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。バリア絶縁膜87をエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜87の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク膜88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、バリア絶縁膜87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。非反応性ガスを用いたRF(Radio Frequency;高周波)エッチングによって、第1配線85の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。
図9F(工程6)に示すように、第1下部電極85を含むバリア絶縁膜87上に、次工程で酸化防止膜89aとなる2nm以下のZr、HfあるいはAl(例えば、膜厚1nm)を堆積する。Zr、HfあるいはAlはPVD法やCVD法を用いて形成することができる。さらに、イオン伝導層89bとしてシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。Zr、HfあるいはAlの堆積層は、イオン伝導層89bの形成中に酸素を含むSIOCH系ポリマー膜の原料に曝されることで自動的に酸化し、酸化物となることで酸化防止膜89aとなり、抵抗変化層89の一部となる。バリア絶縁膜87の開口部は有機剥離処理によって水分などが付着しているため、抵抗変化層89の堆積前に250℃から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。
図9G(工程7)に示すように、抵抗変化層89上に第1上部電極90(例えば、ルテニウム、膜厚10nm)及び第2上部電極91(例えば、タンタル、膜厚50nm)をこの順に形成する。
図9H(工程8)に示すように、第2上部電極91上にハードマスク膜92(例えば、SiN膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜93(例えば、SiO2膜、膜厚90nm)をこの順に積層する。ハードマスク膜92及びハードマスク膜93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92、93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92とハードマスク膜93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92をSiN膜とし、ハードマスク膜93をSiO2膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜92は、後述する保護絶縁膜94、およびバリア絶縁膜87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で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を防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜92は、プラズマCVD法によって形成することができるが、例えば、SiH4/N2の混合ガスを高密度プラズマによって、高密度にしたSiN膜などを用いることが好ましい。
図10I(工程9)に示すように、ハードマスク膜93上に2端子スイッチ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92が表れるまでハードマスク膜93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。
図10J(工程10)に示すように、ハードマスク膜93をマスクとして、ハードマスク膜92、第2上部電極91、第1上部電極90、抵抗変化層89を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜93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。例えば、第2上部電極91がTaの場合にはCl2系のRIEで加工することができ、第1上部電極90がRuの場合にはCl2/O2の混合ガスでRIE加工することができる。また、抵抗変化層89のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜87上でドライエッチングを停止させる必要がある。抵抗変化層89がTaを含む酸化物であり、バリア絶縁膜87がSiN膜やSiCN膜である場合には、CF4系、CF4/Cl2系、CF4/Cl2/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。
図10K(工程11)に示すように、ハードマスク膜92、第2上部電極91、第1上部電極90、及び抵抗変化層89を含むバリア絶縁膜87上に保護絶縁膜94(例えば、窒化シリコン膜、30nm)を堆積する。保護絶縁膜94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、このとき抵抗変化層89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94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、SiH4/N2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。
図10L(工程12)に示すように、保護絶縁膜94上に、層間絶縁膜95(例えば、シリコン酸化膜)、エッチングストッパ膜96(例えば、窒化シリコン膜)、層間絶縁膜97(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98用の配線溝、およびプラグ99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100(例えば、窒化タンタル/タンタル)を介して第2配線98(例えば、銅)及びプラグ99(例えば、銅)を同時に形成し、その後、第2配線98を含む層間絶縁膜97上にバリア絶縁膜101(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。第2配線98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100と第2上部電極91を同一材料とすることでプラグ99と第2上部電極91の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上させることができるようになる。層間絶縁膜95及び層間絶縁膜97はプラズマCVD法で形成することができる。2端子スイッチ82によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜95を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜95を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜95を所望の膜厚としてもよい。
半導体装置の実施例3として、上部電極同士が電界的に接続された3端子スイッチを多層配線層内部に形成した半導体装置について、図11を用いて説明する。図11は、一実施例に係る3端子スイッチング素子を用いた半導体装置の構成例を示す断面模式図である。
まず、図12A(工程1)に示すように、半導体基板141(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜142(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142上にバリア絶縁膜143(例えば、SiN膜、膜厚30nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜143上に層間絶縁膜144(例えば、シリコン酸化膜、膜厚200nm)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144及びバリア絶縁膜143に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタルA146a及びバリアメタルB146b(いずれも例えば、TaN/Ta、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線A145aおよび第1配線B145b(例えば、銅)を埋め込む。工程1において、層間絶縁膜142、144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。また、工程1において、第1配線A115aおよび第1配線B115bは、例えば、PVD法によってバリアメタル146a、146b(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。
次に、図12B(工程2)に示すように、第1配線A145aおよび第1配線B145bを含む層間絶縁膜144上にバリア絶縁膜147(例えば、SiCN膜、膜厚30nm)を形成する。ここで、バリア絶縁膜147は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜147の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
次に、図12C(工程3)に示すように、バリア絶縁膜147上にハードマスク膜148(例えば、シリコン酸化膜)を形成する。このとき、ハードマスク膜148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、バリア絶縁膜147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148には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、TiN、Ti、Ta、TaN等を用いることができ、SiN/SiO2の積層体を用いることができる。
次に、図13D(工程4)に示すように、ハードマスク膜148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148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。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜147の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜147の内部にまで到達していてもよい。
次に、図13E(工程5)に示すように、ハードマスク膜148をマスクとして、ハードマスク膜148の開口部から露出するバリア絶縁膜147をエッチバック(ドライエッチング)することにより、バリア絶縁膜147に開口部を形成して、バリア絶縁膜147の開口部から第1配線A145aおよび第1配線B145bを露出させる。このとき、開口部は層間絶縁膜内部にまで達していても良い。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A145aおよび第1配線B145b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。工程5において、ハードマスク膜148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、バリア絶縁膜147の開口部の形状は、円形、正方形、四角形とし、円の直径、あるいは四角形の一辺の長さは20nmから500nmとすることができる。また、工程5において、バリア絶縁膜147をエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜147の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。
次に、図13F(工程6)に示すように、第1配線A145aおよび第1配線B145bを含むバリア絶縁膜147上に抵抗変化層149を構成するイオン伝導層149bとしてシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜6nmをプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。工程6では、バリア絶縁膜147の開口部は工程5の有機剥離処理によって水分などが付着しているため、抵抗変化層149の堆積前に250℃〜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。また、工程6では、抵抗変化層149の堆積前に、バリア絶縁膜147の開口部から露出する第1配線A145aおよび第1配線B145bに対して、H2ガスを用いた、ガスクリーニング、あるいはプラズマクリーニング処理を行ってもよい。このようにすることで、抵抗変化層149を形成する際に第1配線A145aおよび第1配線B145bのCuの酸化を抑制することができ、プロセス中の銅の熱拡散(物質移動)を抑制することができるようになる。また、工程6では、イオン伝導層149bの堆積前に、PVD法を用いて薄膜のZr、HfあるいはAl(2nm以下)の酸化防止膜149aを堆積することで、第1配線A145aおよび第1配線B145bのCuの酸化を抑制する。酸化防止膜149aのZr、HfあるいはAl層はイオン伝導層149bの形成中に酸化されて、酸化物となる。工程6では、抵抗変化層149を段差のある開口部にカバレッジよく埋め込む必要があるため、プラズマCVD法を用いて行うことが好ましい。
次に、図14G(工程7)に示すように、抵抗変化層149上に第1上部電極150(例えば、Ru、膜厚10nm)及び第2上部電極151(例えば、Ta、膜厚50nm)をこの順に形成する。同じく段差のある開口部にボイドなく電極を埋め込むため、例えばALD法によりRuを形成することが好ましい。
次に、図14H(工程8)に示すように、第2上部電極151上にハードマスク膜152(例えば、SiN膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜153(例えば、SiO2膜、膜厚200nm)をこの順に積層する。工程8において、ハードマスク膜152及びハードマスク膜153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152、153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152とハードマスク膜153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152をSiN膜とし、ハードマスク膜153をSiO2膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜152は、後述する保護絶縁膜154、および絶縁性バリア膜147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を防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜152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、このとき抵抗変化層149から酸素が脱離し、酸素欠陥によって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、成膜温度を350℃以下、好ましくは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、SiH4/N2の混合ガスを高密度プラズマによって形成したSiN膜などを用いることが好ましい。
次に、図14I(工程9)に示すように、ハードマスク膜153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152が表れるまでハードマスク膜153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。
次に、図15J(工程10)に示すように、ハードマスク膜153をマスクとして、ハードマスク膜152、第2上部電極151、第1上部電極150、抵抗変化層149を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜153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。工程11において、例えば、第2上部電極151がTaの場合にはCl2系のRIEで加工することができ、第1上部電極150がRuの場合にはCl2/O2の混合ガスでRIE加工することができる。また、抵抗変化層149のエッチングでは、下面の絶縁性バリア膜147上でドライエッチングを停止させる必要がある。抵抗変化層149がTaを含む酸化物であり、バリア絶縁膜147がSiN膜やSiCN膜である場合には、CF4系、CF4/Cl2系、CF4/Cl2/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、抵抗変化層149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。
次に、図15K(工程11)に示すように、ハードマスク膜152、第2上部電極151、第1上部電極150、及び抵抗変化層149を含むバリア絶縁膜147上に保護絶縁膜154(例えば、SiN膜、30nm)を堆積する。工程11において、保護絶縁膜154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、このとき抵抗変化層149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154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、SiH4/N2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。
次に、図15L(工程12)に示すように、保護絶縁膜154上に、層間絶縁膜155(例えば、SiOC)、エッチングストッパ膜156(例えば、窒化シリコン膜)、層間絶縁膜157(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158用の配線溝、およびプラグ159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160(例えば、TaN/Ta)を介して第2配線158(例えば、Cu)及びプラグ159(例えば、Cu)を同時に形成し、その後、第2配線158を含む層間絶縁膜157上にバリア絶縁膜161(例えば、SiN膜)を堆積する。工程12において、第2配線158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160と第2上部電極151を同一材料とすることでプラグ159と第2上部電極151の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上(オン時の3端子スイッチ162の抵抗を低減)させることができるようになる。また、工程12において、層間絶縁膜155及び層間絶縁膜157はプラズマCVD法で形成することができる。また、工程12において、3端子スイッチ162によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜155を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜155を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜155を所望の膜厚としてもよい。
12、22、32、42 第2電極
13、59b、89b、119b、149b イオン伝導層
23、33、43 第1イオン伝導層
24、36、45 第2イオン伝導層
44 金属層
35 金属イオン
34 金属架橋
46 低抵抗シリコン基板
51、81、111、141 半導体基板
52、54、65、67、82、84、95、97、112、114、125、127、142、144、155、157 層間絶縁膜
53、57、71、83、87、101、113、117、131、143、147、161 バリア絶縁膜
56、70、86、100、130、160 バリアメタル
116a、146a バリアメタルA
116b、146b バリアメタルB
55、85 第1配線
55a 第1下部電極
115a、145a 第1配線A
115b、145b 第1配線B
59、89、119、149 抵抗変化層
68、98、128、158 第2配線
63、88、92、93、122、148、152、153 ハードマスク膜
66、96、126、156 エッチングストッパ膜
59a、89a、119a、149a 酸化防止膜
60、90、120、150 第1上部電極
61、91、121、151 第2上部電極
64、94、124、154 保護絶縁膜
69、99、129、159 プラグ
72 2端子スイッチ
132、162 3端子スイッチ
Claims (6)
- 第1電極、第2電極及び該第1電極と該第2電極間に配置されたイオン伝導層を含み、該第1電極から該イオン伝導層中に供給された金属イオンが該第2電極から電子を受け取って析出して金属となり、該金属が該第1電極および該第2電極間を架橋接続することによって抵抗が変化する抵抗変化素子であって、
該イオン伝導層が、酸素と炭素を含む化合物で構成された第1のイオン伝導層と、金属酸化物で構成された第2のイオン伝導層との積層構造であり、
該第2のイオン伝導層を構成する金属酸化物が酸化ジルコニウム及び酸化ハフニウムのうちの少なくとも一つを含み、
前記第1及び第2の電極間に電圧を印加することにより、前記第1の電極から金属イオンが供給される、抵抗変化素子を任意に2つ隣接させ、該2つの抵抗変化素子の前記第1電極又は前記第2電極のいずれかを一体に形成した3端子構造である抵抗変化素子を、
半導体基板上の多層銅配線層の内部に有する半導体装置であって、
該多層銅配線層は、少なくとも、銅配線と銅プラグを備え、
該抵抗変化素子は、第1電極である2つの下部電極と第2電極である1つの上部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成となっており、
該銅配線が該2つの下部電極を兼ね、該銅配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
該バリア絶縁膜は窒化シリコンで構成されており、
該バリア絶縁膜には、2つの該下部電極の双方である該銅配線に到達する1つの開口部が設けられており、
該開口部内のみに、該イオン伝導層、及び該上部電極が順に埋め込まれ、
該上部電極はルテニウムで構成されており、
該上部電極はバリアメタルを介して該銅プラグと接続しており、
該イオン伝導層は、該上部電極と接する第1のイオン伝導層と、該銅配線と接する第2のイオン伝導層とからなり、
該第1のイオン伝導層が少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とするポリマー膜で構成され、
該第2のイオン伝導層の比誘電率は2.1以上3.0以下であることを特徴とする、半導体装置。 - 前記第2のイオン伝導層がさらに酸化アルミニウムを含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2のイオン伝導層が、酸化チタンと酸化ジルコニウムの積層体又は混合物、酸化チタンと酸化ハフニウムの積層体又は混合物、酸化ハフニウムと酸化ジルコニウムの積層体又は混合物、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムの積層体又は混合物、もしくは酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの積層体又は混合物のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2のイオン伝導層の膜厚が0.5nm以上3nm以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の半導体装置。
- 請求項1〜4のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法であって、
半導体装置の多層銅配線層は、少なくとも1つの銅配線を備え、
下部電極を兼ねる少なくとも1つの銅配線の上にバリア絶縁膜を形成する工程と、
該バリア絶縁膜に該少なくとも1つの銅配線に到達する開口部を設ける工程と、
少なくとも該開口部内の該少なくとも1つの銅配線上に、ジルコニウム及びハフニウムのうちの少なくとも1つの金属を含む金属層を形成する工程と、
該金属層の上に、酸素と炭素を含む化合物で構成された第1のイオン伝導層を酸化雰囲気中で形成する工程と、
を含み、該第1のイオン伝導層を酸化雰囲気中で形成する工程において、同時に該金属層を酸化することによって第2のイオン伝導層を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法。 - 前記第2のイオン伝導層は、第1及び第2の金属の積層体又は混合物の金属酸化物であって、
前記第2の金属の金属酸化物の比誘電率は、前記第1の金属の金属酸化物の比誘電率よりも低いことを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
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