JP6102121B2 - Resistance change element and method of forming resistance change element - Google Patents

Resistance change element and method of forming resistance change element Download PDF

Info

Publication number
JP6102121B2
JP6102121B2 JP2012181723A JP2012181723A JP6102121B2 JP 6102121 B2 JP6102121 B2 JP 6102121B2 JP 2012181723 A JP2012181723 A JP 2012181723A JP 2012181723 A JP2012181723 A JP 2012181723A JP 6102121 B2 JP6102121 B2 JP 6102121B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
insulating film
electrode
resistance change
interlayer insulating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012181723A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014038984A (en
Inventor
宗弘 多田
宗弘 多田
井口 憲幸
憲幸 井口
直樹 伴野
直樹 伴野
岡本 浩一郎
浩一郎 岡本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2012181723A priority Critical patent/JP6102121B2/en
Publication of JP2014038984A publication Critical patent/JP2014038984A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6102121B2 publication Critical patent/JP6102121B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子(以下では、「抵抗変化素子」と称する)およびその製造方法に関する。特には、多層配線層の内部に形成される抵抗変化素子、該多層配線層の内部に形成される抵抗変化素子により構成されるメモリ、ならびに、多層配線層の内部に形成される抵抗変化素子を利用して構成される、フィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array;FPGA)を搭載した半導体装置と、抵抗変化素子を多層配線層の内部に形成する方法と関する。   The present invention relates to a variable resistance nonvolatile switching element (hereinafter referred to as “resistance change element”) and a method for manufacturing the same. In particular, a resistance change element formed inside the multilayer wiring layer, a memory composed of the resistance change element formed inside the multilayer wiring layer, and a resistance change element formed inside the multilayer wiring layer The present invention relates to a semiconductor device equipped with a field programmable gate array (FPGA) configured by using the method and a method of forming a resistance change element in a multilayer wiring layer.

シリコンデバイスを含む半導体デバイスは、「Mooreの法則」として知られる、スケーリング則に基づく微細化によって、デバイスの集積化・低電力化が進められてきた。これまで、「3年で4倍の集積化を図る」というペースで、高集積デバイスの開発が進められてきた。近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート長Lgは20nm以下となり、リソグラフィプロセスの高騰、およびデバイス寸法の物理的限界により、さらなるデバイスの集積化・低電力化には、スケーリング則に基づく微細化とは異なるアプローチが必要となっている。すなわち、スケーリングに則基づく微細化とは異なる手法を利用して、高集積デバイスにおける、デバイス性能の改善を図ることが求められている。   2. Description of the Related Art Semiconductor devices including silicon devices have been integrated and reduced in power by miniaturization based on a scaling law known as “Moore's law”. Up to now, highly integrated devices have been developed at a pace of “4 times integration in 3 years”. In recent years, the gate length Lg of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) has become 20 nm or less. Due to soaring lithography processes and physical limitations of device dimensions, further device integration and lower power consumption are based on scaling rules. An approach different from miniaturization is required. That is, it is required to improve device performance in a highly integrated device by using a method different from miniaturization based on scaling.

リソグラフィプロセスの高騰の要因には、製造装置価格およびマスクセット価格の高騰が挙げられる。また、デバイス寸法の物理的限界を決定する要因として、デバイス寸法の微細化に起因する動作限界、ならびに、寸法ばらつき限界が挙げられる。   Factors for the soaring lithography process include soaring manufacturing equipment prices and mask set prices. Further, factors that determine the physical limit of the device dimension include an operation limit caused by miniaturization of the device dimension and a dimension variation limit.

近年、「スケーリング則に基づく微細化」に依らず、デバイス性能の改善を図る手法として、「バックエンド・デバイス」を用いることが期待されている。「バックエンド・デバイス」とは、ULSIの多層配線層内に搭載される能動素子であり、特に、低消費電力で不揮発性の抵抗変化型スイッチング素子を利用する記憶装置として、MRAM(マグネティック・ランダム・アクセス・メモリ)、PRAM(フェイズチェンジ・ランダム・アクセス・メモリ)、ReRAM(レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ)などがある。従来のCMOS半導体装置上に搭載することで、抵抗変化型スイッチング素子で構成される「バックエンド・デバイス」を不揮発性メモリとして用いたり、不揮発性スイッチとして用いたりすることで、メモリやスイッチの状態維持に要する電力を省き、半導体装置の低消費電力化を実現する手段として、期待されている。   In recent years, it is expected to use a “back-end device” as a method for improving device performance regardless of “miniaturization based on scaling law”. A “back-end device” is an active element mounted in a multilayer wiring layer of ULSI. In particular, MRAM (Magnetic Random) is used as a storage device that uses a nonvolatile variable resistance switching element with low power consumption. Access memory), PRAM (phase change random access memory), ReRAM (resistive random access memory), etc. When mounted on a conventional CMOS semiconductor device, a “back-end device” composed of variable resistance switching elements can be used as a non-volatile memory or as a non-volatile switch. It is expected as a means for reducing power consumption of a semiconductor device by omitting power required for maintenance.

「バックエンド・デバイス」、例えば、MRAM、PRAM、ReRAMのような抵抗変化素子で構成される不揮発性メモリは、半導体装置の小型化および大記憶容量化の傾向に伴って、搭載容量を増大させることが期待されている。   “Back-end devices”, for example, non-volatile memories composed of resistance change elements such as MRAM, PRAM, and ReRAM increase the mounting capacity as semiconductor devices become smaller and have a larger storage capacity. It is expected that.

一方、「ゲートアレイ」と「スタンダードセル」の中間的な位置付けの「ロジックデバイス」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ある。FPGAは、「ロジックデバイス」チップの製造後、「スイッチング素子の切り替え」を行い、顧客自身が任意の回路構成を選択することを可能としている。このようなFPGAにおける「論理回路の切り替え」を、多層配線層内に搭載した抵抗変化素子を、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子として利用して、行うことが期待されている。多層配線層内に搭載することが可能な抵抗変化素子を用いてFPGAを構成すると、回路の自由度を向上させつつ、低消費電力化を行うことができるようになる。   On the other hand, as a “logic device” positioned between the “gate array” and the “standard cell”, there is a rewritable programmable logic device called “FPGA”. The FPGA performs “switching of switching elements” after manufacturing the “logic device” chip, and allows the customer to select an arbitrary circuit configuration. It is expected that such “logic circuit switching” in the FPGA is performed by using a variable resistance element mounted in a multilayer wiring layer as a variable resistance nonvolatile switching element. When an FPGA is configured using variable resistance elements that can be mounted in a multilayer wiring layer, the power consumption can be reduced while improving the degree of freedom of the circuit.

FPGAにおける「論理回路の切り替え」スイッチの用途に適する、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子(抵抗変化素子)としては、ReRAMを構成している、イオン伝導体を用いた抵抗変化素子、すなわち、NanoBridge(NEC社の登録商標)などがある。前記抵抗変化素子で利用される、イオン伝導体は、印加された電界によって、イオンが自由に動くことのできる固体電解質である。   As a variable resistance nonvolatile switching element (resistance change element) suitable for the use of a “logic circuit switching” switch in an FPGA, a resistance change element using an ionic conductor constituting a ReRAM, that is, NanoBridge (NanoBridge ( NEC registered trademark). The ion conductor used in the variable resistance element is a solid electrolyte in which ions can freely move by an applied electric field.

不揮発性の抵抗変化型スイッチング素子を利用する記憶装置である、MRAM、PRAM、ReRAMにおいて、それぞれ利用される抵抗変化型スイッチング素子の動作原理を以下に説明する。図9、図10、図12に、MRAM、PRAM、ReRAMの構成の一例を示す。加えて、図11に、FRAM(Ferroelectric RAM)の構成の一例を示す。   The operation principle of the variable resistance switching element used in each of the MRAM, PRAM, and ReRAM, which are storage devices using a nonvolatile variable resistance switching element, will be described below. 9, 10, and 12 show examples of configurations of the MRAM, PRAM, and ReRAM. In addition, FIG. 11 shows an example of the configuration of an FRAM (Ferroelectric RAM).

MRAMは、外部から印加される磁場によって強磁性体内に発生した磁化が、外部磁場を取り除いた後にも強磁性体内に残留する特性を利用する。MRAMセルでは、絶縁体を間に挟んで2つの磁性体層を積層する構造が用いられる。2つの強磁性体層のうち、一方の磁性体層(固定層)の磁化方向を参照磁化方向とし、他方の磁性体層(自由層)の磁化方向を、記憶データに応じて変更する。2つの強磁性体層間における、磁化方向の一致/不一致に応じて、磁気抵抗が異なる。磁気抵抗の相違に応じて、この記憶素子部を介して流れる電流値が異なることを利用して、データを記憶する。   The MRAM uses the characteristic that the magnetization generated in the ferromagnetic body by the magnetic field applied from the outside remains in the ferromagnetic body even after the external magnetic field is removed. In the MRAM cell, a structure in which two magnetic layers are stacked with an insulator interposed therebetween is used. Of the two ferromagnetic layers, the magnetization direction of one magnetic layer (fixed layer) is set as the reference magnetization direction, and the magnetization direction of the other magnetic layer (free layer) is changed according to stored data. The magnetoresistance varies depending on the coincidence / mismatch of the magnetization directions between the two ferromagnetic layers. Data is stored by utilizing the fact that the value of the current flowing through the storage element portion varies depending on the difference in magnetic resistance.

従って、データ書き込み時には、記憶したいデータに従って、データ記憶用の磁性体層(自由層)の磁化方向を設定し、該データ記憶用の磁性体層(自由層)に外部から印加される磁場の方向を決定する。   Therefore, when writing data, the magnetization direction of the magnetic layer for data storage (free layer) is set according to the data to be stored, and the direction of the magnetic field applied from the outside to the magnetic layer for data storage (free layer) To decide.

MRAMセルに対するデータ書き込み方法として、メモリセルとは別途に設けられた「書き込み配線」に電流を流し、該「書き込み配線」を流れる電流によって発生する磁場を、該データ記憶用の磁性体層(自由層)に印加する方法がある。該「書き込み配線」を流れる電流の方向を反転させると、発生する磁場の方向も反転し、その結果、該データ記憶用の磁性体層(自由層)の磁化方向を反転させることができる。この「書き込み配線」を流れる電流により発生する磁場を利用する方式は、電流磁場書き込み方式と呼ばれる。   As a data writing method for the MRAM cell, a current is supplied to a “write wiring” provided separately from the memory cell, and a magnetic field generated by the current flowing through the “write wiring” is changed to the magnetic layer for data storage (free Layer). When the direction of the current flowing through the “write wiring” is reversed, the direction of the generated magnetic field is also reversed. As a result, the magnetization direction of the magnetic layer (free layer) for data storage can be reversed. A method using a magnetic field generated by a current flowing through the “write wiring” is called a current magnetic field writing method.

絶縁膜を間に挟んで2つの磁性体層を積層する構造に、直接電流を流すことで、磁化不変層(固定層)から注入されたスピントルクにより、磁化自由層(自由層)の磁化方向を反転させる方式、「スピン注入磁化反転方式」も利用されている。   The magnetization direction of the magnetization free layer (free layer) due to the spin torque injected from the magnetization invariant layer (fixed layer) by passing a current directly through the structure in which two magnetic layers are stacked with an insulating film in between The “spin injection magnetization reversal method” is also used.

PRAMは、外部から印加された電流によって、相変化材料が、結晶状態(低抵抗化)、あるいは非晶質状態(高抵抗化)に変化する結果、抵抗値が変化する特性を利用する。PRAMセルでは、2つの電極の間に挟まれた相変化層を有する構造が用いられる。相変化材料からなる「抵抗変化素子膜」の結晶/非晶質の二つの相の違いに応じて、抵抗率が大きく異なる。該結晶/非晶質の二つの相間の抵抗率の差異に伴って、この記憶素子を介して流れる電流が異なることを利用してデータを記憶する。データ書き込みは、記憶したいデータに従って、「低抵抗な結晶状態」から「高抵抗な非晶質状態」への相変化、あるいは、「高抵抗な非晶質状態」から「低抵抗な結晶状態」への相変化を引き起こす、電流値とパルス幅を決定し、「低抵抗な結晶状態」、「高抵抗な非晶質状態」のいずれかに設定する。   The PRAM utilizes the characteristic that the resistance value changes as a result of the phase change material changing to a crystalline state (low resistance) or an amorphous state (high resistance) by an externally applied current. In the PRAM cell, a structure having a phase change layer sandwiched between two electrodes is used. The resistivity varies greatly depending on the difference between the crystalline / amorphous phases of the “resistance change element film” made of the phase change material. Data is stored by utilizing the fact that the current flowing through the storage element varies with the difference in resistivity between the two phases of crystal / amorphous. Data writing is performed according to the data to be stored, phase change from “low resistance crystalline state” to “high resistance amorphous state”, or “high resistance amorphous state” to “low resistance crystalline state”. The current value and the pulse width that cause the phase change to are determined and set to either the “low resistance crystalline state” or the “high resistance amorphous state”.

代表的な相変化物質は、カルコゲナイド合金をあげることができるが、ゲルマニウム、アンチモン、テルルからなるカルコゲナイド合金(Ge2Sb2Te5)が代表的であり、一般に、該相変化物質(Ge2Sb2Te5)は、“GST”と記述される。 Exemplary phase change material, may be mentioned chalcogenide alloy, germanium, antimony, chalcogenide alloys (Ge 2 Sb 2 Te 5) consisting of tellurium is that typically, in general, the phase change material (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) is described as “GST”.

「低抵抗な結晶状態」のGSTを、600℃を超える高温に加熱すると、その結晶性を喪失し、その後、冷却すると、「高抵抗な非晶質状態」へと相変化する。一方、「高抵抗な非晶質状態」のGSTを、結晶化温度以上、但し、融点未満の温度に加熱し、その加熱状態に保持すると、再「結晶化」が進行し、「低抵抗な結晶状態」に復する。   When the GST in the “low resistance crystalline state” is heated to a high temperature exceeding 600 ° C., its crystallinity is lost, and then, when cooled, the phase changes to the “high resistance amorphous state”. On the other hand, when the GST in the “high resistance amorphous state” is heated to a temperature higher than the crystallization temperature, but below the melting point, and kept in the heated state, re-crystallization proceeds and “low resistance” It returns to the “crystalline state”.

PRAMでは、相変化物質(GST)が「低抵抗な結晶状態」である時、「1」を表し、「セット状態」と呼び、相変化物質(GST)が「高抵抗な非晶質状態」である時、「0」を表し、「リセット状態」と呼ぶ。   In PRAM, when the phase change material (GST) is in the “low resistance crystalline state”, it represents “1” and is called “set state”, and the phase change material (GST) is in the “high resistance amorphous state”. Represents “0” and is referred to as “reset state”.

「リセット状態」から「セット状態」への書き換え、すなわち、「高抵抗な非晶質状態」から「低抵抗な結晶状態」への相変化を引き起こす際には、セットプログラミング電流パルスとして、相対的に小さな電流を長い時間流す。「高抵抗な非晶質状態」では、大きな抵抗値を示すため、「小さな電流」でも、結晶化温度以上への加熱に必要なジュール熱を発生することができ、その状態に保持することで、再「結晶化」が進行し、「低抵抗な結晶状態」に復する。   When rewriting from the “reset state” to the “set state”, that is, when causing a phase change from the “high resistance amorphous state” to the “low resistance crystal state”, as a set programming current pulse, A small current for a long time. Since the “high resistance amorphous state” shows a large resistance value, even a “small current” can generate Joule heat necessary for heating to a temperature above the crystallization temperature. Then, re-crystallization proceeds to restore the “low resistance crystal state”.

「セット状態」から「リセット状態」への書き換え、すなわち、「低抵抗な結晶状態」から「高抵抗な非晶質状態」への相変化を引き起こす際には、リセットプログラミング電流パルスとして、相対的に大きな電流を短時間流す。「低抵抗な結晶状態」では、小さな抵抗値を示すため、「大きな電流」を流すことで、600℃を超える高温への加熱に要するジュール熱を発生させる。600℃を超える高温に達すると、「高抵抗な非晶質状態」への相変化が進行するため、抵抗値が急激に上昇し、発生するジュール熱が急激に増加する状態を回避するため、電流パルスの幅は、短時間に設定される。   When rewriting from the “set state” to the “reset state”, that is, when causing a phase change from the “low resistance crystalline state” to the “high resistance amorphous state”, as a reset programming current pulse, A large electric current is passed through for a short time. In the “low-resistance crystal state”, a small resistance value is exhibited, so that a “large current” is passed to generate Joule heat required for heating to a high temperature exceeding 600 ° C. When reaching a high temperature exceeding 600 ° C., the phase change to the “high resistance amorphous state” proceeds, so that the resistance value increases rapidly and the state where the generated Joule heat increases rapidly is avoided. The width of the current pulse is set in a short time.

PRAMでは、データ書き込み時、記憶素子に、前記セットプログラミング電流パルスまたはリセットプログラミング電流パルスを印加することで、「リセット状態」から「セット状態」への書き換えと、「セット状態」から「リセット状態」への書き換えを可逆的に行う。   In the PRAM, when the data is written, the set programming current pulse or the reset programming current pulse is applied to the storage element, thereby rewriting from the “reset state” to the “set state” and from the “set state” to the “reset state”. Reversible to reversibly.

ReRAMは、外部から印加する電圧と電流に因って、抵抗変化素子膜内部に導電性パスを形成して、「ON」状態とする、逆に、抵抗変化素子膜内部に形成されている導電性パスを消失させ、「OFF」状態とするかに依って、抵抗値が変化する特性を利用する。ReRAMセルでは、2つの電極の間に挟まれた抵抗変化素子膜を有する構造が用いられる。電界誘起巨大抵抗変化効果(Colosal Electro-Resistance)を利用して、例えば、電界を印加して、金属酸化物からなる抵抗変化素子膜内部において、フィラメントを生成し、あるいは、二つの電極間に導電性パスを形成して、「ON」状態とする。一方、その後、逆方向に電界を印加することで、フィラメントを消失させ、あるいは、二つの電極間に形成されている導電性パスを消失させ、「OFF」状態とする。印加する電界の方向を反転させることで、二つの電極間の抵抗値が大きく異なる、「ON」状態と「OFF」状態との間のスイッチングがなされる。前記「ON」状態と「OFF」状態との間における抵抗値の相違に応じて、この記憶素子を介して流れる電流が異なることを利用して、データを記憶する。データ書き込み時は、記憶したいデータに従って、「OFF」状態から「ON」状態への遷移、「ON」状態から「OFF」状態への遷移を引き起こす、電圧値と電流値とパルス幅を選択し、データ記憶用のフィラメントの生成、または消失、あるいは、導電性パスの形成、または、消失を行う。   In ReRAM, a conductive path is formed inside the variable resistance element film due to the voltage and current applied from the outside, and is turned on. Conversely, the conductive material formed inside the variable resistance element film The characteristic that the resistance value changes depending on whether the sexual path disappears and is set to the “OFF” state is used. In the ReRAM cell, a structure having a resistance change element film sandwiched between two electrodes is used. Utilizing the electric field induced giant resistance change effect (Colosal Electro-Resistance), for example, an electric field is applied to generate a filament inside a resistance change element film made of a metal oxide, or conductive between two electrodes. The sexual path is formed and set to the “ON” state. On the other hand, by subsequently applying an electric field in the opposite direction, the filament disappears, or the conductive path formed between the two electrodes disappears, and an “OFF” state is set. By reversing the direction of the applied electric field, switching between the “ON” state and the “OFF” state, in which the resistance values between the two electrodes are greatly different, is performed. Data is stored by utilizing the fact that the current flowing through the storage element differs according to the difference in resistance value between the “ON” state and the “OFF” state. When writing data, select the voltage value, current value, and pulse width that cause the transition from the “OFF” state to the “ON” state and the transition from the “ON” state to the “OFF” state according to the data to be stored. Generation or disappearance of a filament for data storage, or formation or disappearance of a conductive path.

ReRAMの構成に利用される、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子の一種として、ReRAMの「メモリセル」の構成に利用する「回路」の自由度を向上させる可能性の高い、抵抗変化素子として、イオン伝導体中における金属イオン移動と、電気化学反応による「金属イオンの還元による金属の析出」と「金属の酸化による金属イオンの生成」を利用して、抵抗変化素子膜を挟む電極間の抵抗値を可逆的に変化させ、スイッチングを行う、不揮発性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に開示される不揮発性スイッチング素子は、イオン伝導体からなる「イオン伝導層」と、「イオン伝導層」の2つの面のそれぞれに接して設けられた「第1電極」および「第2電極」とで構成される。該不揮発性スイッチング素子を構成する、「第1電極」を構成する「第1の金属」と、「第2電極」を構成する「第2の金属」は、金属を酸化し、金属イオンを生成する過程の標準生成ギブズエネルギーΔGが相違している。   As a type of variable resistance non-volatile switching element used in the configuration of ReRAM, as a resistance change element that has a high possibility of improving the degree of freedom of the “circuit” used in the configuration of the “memory cell” of ReRAM. The resistance value between the electrodes sandwiching the variable resistance element film using metal ion migration in the conductor and "metal precipitation by reduction of metal ions" and "metal ion generation by metal oxidation" by electrochemical reaction Non-Patent Document 1 discloses a non-volatile switching element that reversibly changes and performs switching. The nonvolatile switching element disclosed in Non-Patent Document 1 includes an “ion conductive layer” made of an ionic conductor and a “first electrode” and a “first electrode” provided in contact with each of the two surfaces of the “ion conductive layer”. Second electrode ”. The “first metal” constituting the “first electrode” and the “second metal” constituting the “second electrode” constituting the nonvolatile switching element oxidize the metal and generate metal ions. The standard generation Gibbs energy ΔG in the process is different.

非特許文献1に開示される不揮発性スイッチング素子では、「第1電極」を構成する「第1の金属」と、「第2電極」を構成する「第2の金属」は、それぞれ、下記の選択がなされている。   In the non-volatile switching element disclosed in Non-Patent Document 1, the “first metal” constituting the “first electrode” and the “second metal” constituting the “second electrode” Selection has been made.

「OFF」状態から「ON」状態への遷移を引き起こす「バイアス電圧」を「第1電極」と「第2電極」の間に印加する際、「第1電極」と「イオン伝導層」との界面において、「第1電極」を構成する「第1の金属」には、印加される「バイアス電圧」で誘起される電気化学反応によって、金属が酸化され、金属イオンを生成し、「イオン伝導層」に金属イオンを供給可能な、金属が採用される。   When the “bias voltage” that causes the transition from the “OFF” state to the “ON” state is applied between the “first electrode” and the “second electrode”, the “first electrode” and the “ion conduction layer” At the interface, the “first metal” constituting the “first electrode” is oxidized by an electrochemical reaction induced by an applied “bias voltage” to generate metal ions, and “ion conduction” A metal that can supply metal ions to the layer is employed.

「ON」状態から「OFF」状態への遷移を引き起こす「バイアス電圧」を「第1電極」と「第2電極」の間に印加する際、該「第2電極」の表面に「第1の金属」が析出している場合、「第2電極」の表面に析出している「第1の金属」は、印加される「バイアス電圧」で誘起される電気化学反応によって、金属が酸化され、金属イオンを生成し、「イオン伝導層」に金属イオンとして、溶解するが、「第2電極」を構成する「第2の金属」には、印加される「バイアス電圧」によっては、金属が酸化され、金属イオンを生成する過程は誘起されない、金属が採用される。   When a “bias voltage” that causes a transition from the “ON” state to the “OFF” state is applied between the “first electrode” and the “second electrode”, the “first electrode” is applied to the surface of the “second electrode”. When the “metal” is deposited, the “first metal” deposited on the surface of the “second electrode” is oxidized by the electrochemical reaction induced by the applied “bias voltage”. Metal ions are generated and dissolved in the “ion conductive layer” as metal ions, but the “second metal” constituting the “second electrode” is oxidized depending on the applied “bias voltage”. The process of generating metal ions is not induced and a metal is employed.

「金属架橋構造の形成」と「金属架橋構造の溶解」によって、「ON」状態と「OFF」状態を達成する、金属架橋型抵抗変化素子における、スイッチング動作を簡単に説明する。   The switching operation in the metal bridge type resistance change element that achieves the “ON” state and the “OFF” state by “forming the metal bridge structure” and “dissolving the metal bridge structure” will be briefly described.

「OFF」状態から「ON」状態への遷移過程(セット過程)では、第1電極を接地して、第2電極に負電圧を印加すると、第1電極とイオン伝導層の界面では、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。一方、第2電極側では、第2電極から供給される電子を利用して、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する。イオン伝導層中に析出した金属により、金属架橋構造が形成され、最終的に、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電極を電気的に接続することで、スイッチが「ON」状態になる。   In the transition process (set process) from the “OFF” state to the “ON” state, when the first electrode is grounded and a negative voltage is applied to the second electrode, the first electrode and the ion conductive layer have an interface between the first electrode and the ion conductive layer. The metal of the electrode becomes metal ions and dissolves in the ion conductive layer. On the other hand, on the second electrode side, using the electrons supplied from the second electrode, metal ions in the ion conductive layer are deposited as metal in the ion conductive layer. A metal bridge structure is formed by the metal deposited in the ion conductive layer, and finally, a metal bridge connecting the first electrode and the second electrode is formed. By electrically connecting the first electrode and the second electrode by metal bridge, the switch is turned on.

一方、「ON」状態から「OFF」状態への遷移過程(リセット過程)では、「ON」状態のスイッチに対して、第1電極を接地して第2電極に正電圧を印加すると、金属架橋を構成している、金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。溶解が進行すると、金属架橋を構成している「金属架橋構造」の一部が切れる。最終的に、第1電極と第2電極を接続する金属架橋が切断されると、電気的接続が切れ、スイッチが「OFF」状態になる。   On the other hand, in the transition process (reset process) from the “ON” state to the “OFF” state, when the first electrode is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode with respect to the switch in the “ON” state, The metal constituting the metal becomes metal ions and dissolves in the ion conductive layer. As the dissolution proceeds, a part of the “metal cross-linking structure” constituting the metal cross-linking is cut. Finally, when the metal bridge connecting the first electrode and the second electrode is cut, the electrical connection is cut and the switch is in the “OFF” state.

なお、金属の溶解が進行すると、導通経路を構成している「金属架橋構造」は細くなり、第1電極および第2電極間の抵抗が大きくなったり、また、第1電極とイオン伝導層の界面では、溶解している金属イオンが還元され、金属として析出するため、「イオン伝導層」中に含まれる金属イオン濃度が減少し、比誘電率が変化することに伴い、電極間容量が変化したりするなど、電気的接続が完全に切れる前の段階から電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。   As the dissolution of the metal proceeds, the “metal bridge structure” constituting the conduction path becomes narrower, the resistance between the first electrode and the second electrode increases, and the first electrode and the ion conductive layer At the interface, the dissolved metal ions are reduced and deposited as metal, so the concentration of metal ions contained in the “ion conductive layer” decreases and the inter-electrode capacitance changes as the relative permittivity changes. The electrical characteristics change from the stage before the electrical connection is completely disconnected, and the electrical connection is finally disconnected.

また、「OFF」状態へと遷移させた(リセットした)金属架橋型抵抗変化素子に、再び、第1電極を接地して第2電極に負電圧を印加すると、「OFF」状態から「ON」状態への遷移過程(セット過程)が進行する。すなわち、該金属架橋型抵抗変化素子では、「OFF」状態から「ON」状態への遷移過程(セット過程)と、「ON」状態から「OFF」状態への遷移過程(リセット過程)を、可逆的に行うことが可能である。   Further, when a negative voltage is applied to the second electrode while grounding the first electrode again to the metal bridge type resistance change element that has been changed (reset) to the “OFF” state, the “OFF” state is changed to “ON”. The transition process (set process) to the state proceeds. That is, in the metal bridge type resistance change element, the transition process (set process) from the “OFF” state to the “ON” state and the transition process (reset process) from the “ON” state to the “OFF” state are reversible. Can be done automatically.

加えて、「OFF」状態から「ON」状態への遷移過程(セット過程)は、第2電極を接地して、第1電極に正電圧を印加し、一方、「ON」状態から「OFF」状態への遷移過程(リセット過程)は、「ON」状態のスイッチに対して、第2電極を接地して第1電極に負電圧を印加する手順を採用して、図8に示すように、可逆的なスイッチング動作を行うこともできる。   In addition, in the transition process (set process) from the “OFF” state to the “ON” state, the second electrode is grounded and a positive voltage is applied to the first electrode, while the “ON” state is switched to “OFF”. As shown in FIG. 8, the transition process to the state (reset process) employs a procedure of applying a negative voltage to the first electrode by grounding the second electrode with respect to the switch in the “ON” state. A reversible switching operation can also be performed.

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、2個の電極の間の導通状態を制御する、2端子型スイッチング素子の構成、およびそのスイッチング動作が開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a configuration of a two-terminal switching element in which two electrodes are arranged via an ion conductor to control a conduction state between the two electrodes, and a switching operation thereof. ing.

以上に説明する抵抗変化素子を応用する、2端子型スイッチング素子は、MOSFETなどの半導体スイッチよりもサイズが小さく、「ON」状態の抵抗が小さいという特徴を具えている。この特徴から、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、抵抗変化型スイッチング素子においては、セット操作、リセット操作後、セット操作、リセット操作に用いた電圧を印加しなくても、導通状態(「ON」状態または[OFF]状態)がそのまま維持される。従って、抵抗変化型スイッチング素子は、不揮発性メモリ素子を構成するスイッチング素子としての応用も考えられる。   The two-terminal switching element to which the variable resistance element described above is applied has a feature that the size is smaller than that of a semiconductor switch such as a MOSFET and the resistance in the “ON” state is small. This feature is considered promising for application to programmable logic devices. Further, in the resistance change type switching element, the conductive state (“ON” state or [OFF] state) is maintained as it is without applying the voltage used for the set operation and the reset operation after the set operation and the reset operation. The Therefore, the variable resistance switching element can be applied as a switching element constituting a nonvolatile memory element.

不揮発性メモリ素子を構成する際には、例えば、基本単位として、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個とでメモリセルを構成する。このメモリセルを、縦方向と横方向にそれぞれ複数配列し、「セル・マトリックス」とする。メモリセルをマトリックス状に配列することで、ワード線およびビット線で、マトリックス状に配列されている、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(「ON」状態または[OFF]状態)をセンスし、スイッチング素子の「ON」状態または[OFF]状態に基づき、情報「1」または「0」のいずれが格納されているかを読み取ることが可能である。不揮発性メモリを実現できる。   When configuring a nonvolatile memory element, for example, a memory cell is configured with one selection element such as a transistor and one switching element as a basic unit. A plurality of the memory cells are arranged in the vertical direction and the horizontal direction, respectively, to form a “cell matrix”. Arranging memory cells in a matrix makes it possible to select an arbitrary memory cell from among a plurality of memory cells arranged in a matrix with word lines and bit lines. Then, the conduction state (“ON” state or [OFF] state) of the switching element of the selected memory cell is sensed, and information “1” or “0” is determined based on the “ON” state or [OFF] state of the switching element. It is possible to read which is stored. A non-volatile memory can be realized.

非特許文献1には、イオン伝導体(印加された電界に従って、イオンが移動できる固体電解質)中における金属イオン移動と、電気化学反応、すなわち、金属の酸化による金属イオンの生成(酸化反応)と金属イオンの還元による金属の析出(還元反応)に因る、「金属架橋の形成」と、「金属架橋の溶解」を利用したスイッチング素子(固体電解質スイッチ)が開示されている。非特許文献1に開示されたスイッチング素子は、イオン伝導層と、イオン伝導層を挟んで対向して設けられた第1電極(活性電極)および第2電極(不活性電極)で構成されている。「金属架橋の形成」過程において、第1電極は、イオン伝導層に金属イオンを供給する役割を果たしている。一方、「金属架橋の溶解」過程において、第2電極を構成する金属の酸化による金属イオンの生成(酸化反応)は生じず、金属架橋を構成する金属の酸化による金属イオンの生成が進行する。   Non-Patent Document 1 describes metal ion movement in an ion conductor (a solid electrolyte in which ions can move according to an applied electric field), and electrochemical reaction, that is, generation of metal ions by oxidation of metal (oxidation reaction). A switching element (solid electrolyte switch) using “formation of metal bridge” and “dissolution of metal bridge” due to metal precipitation (reduction reaction) due to reduction of metal ions is disclosed. The switching element disclosed in Non-Patent Document 1 includes an ion conductive layer, and a first electrode (active electrode) and a second electrode (inactive electrode) provided to face each other across the ion conductive layer. . In the “metal bridge formation” process, the first electrode serves to supply metal ions to the ion conductive layer. On the other hand, in the “dissolution of metal bridge” process, generation of metal ions (oxidation reaction) due to oxidation of the metal constituting the second electrode does not occur, and generation of metal ions due to oxidation of the metal constituting the metal bridge proceeds.

M. Tada, K. Okamoto, T. Sakamoto, M. Miyamura, N. Banno, and H. Hada, "Polymer Solid-Electrolyte (PSE) Switch Embedded on CMOS for Nonvolatile Crossbar Switch", IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Vol. 58, No. 12, pp.4398-4405, (2011).M. Tada, K. Okamoto, T. Sakamoto, M. Miyamura, N. Banno, and H. Hada, "Polymer Solid-Electrolyte (PSE) Switch Embedded on CMOS for Nonvolatile Crossbar Switch", IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Vol 58, No. 12, pp.4398-4405, (2011).

上述する抵抗変化素子は、不揮発性メモリ素子を構成する際、基本単位である、1T1R(1 transistor-1 resistor)構成の「メモリセル」で採用する「スイッチング素子」として機能する。1T1R(1 transistor-1 resistor)構成の「メモリセル」をマトリックス状に配置して、高密度な「セル・マトリックス」を構築する場合、選択素子として使用するトランジスタが作製されている半導体基板上の多層配線層内に設けられる「抵抗変化素子」を高密度で配置する必要がある。2端子型スイッチング素子として機能する「抵抗変化素子」をスイッチングする際、各「抵抗変化素子」の二つの電極間に「セット電圧」、または「リセット電圧」を印加する。多層配線層内に設けられる「抵抗変化素子」においては、「上層の配線層」から「コンタクトプラグ」を介して、下層に設ける、「抵抗変化素子」の下部電極に、前記「セット電圧」、または「リセット電圧」を印加する。   The variable resistance element described above functions as a “switching element” employed in a “memory cell” having a 1T1R (1 transistor-1 resistor) configuration, which is a basic unit when configuring a nonvolatile memory element. When constructing a high-density “cell matrix” by arranging “memory cells” of 1T1R (1 transistor-1 resistor) configuration in a matrix, on the semiconductor substrate on which the transistors used as the selection elements are fabricated It is necessary to arrange “resistance change elements” provided in the multilayer wiring layer at a high density. When switching a “resistance change element” that functions as a two-terminal switching element, a “set voltage” or “reset voltage” is applied between two electrodes of each “resistance change element”. In the “resistance change element” provided in the multilayer wiring layer, the “set voltage” is applied to the lower electrode of the “resistance change element” provided in the lower layer via the “contact plug” from the “upper wiring layer”, Or apply “reset voltage”.

各「抵抗変化素子」において、その下部電極と「上層の配線層」を電気的に接続する、「コンタクトプラグ」を近接して配置することで、多層配線層内に設けられる「抵抗変化素子」をより高い密度で配置することが可能となることに、本発明者らは想到した。「抵抗変化素子」の下部電極と「上層の配線層」を電気的に接続する、「コンタクトプラグ」は、層間絶縁膜を上下に貫通するビアホール内に形成される。そのため、エッチング・マスク形成時の位置合わせ精度は高くとも、層間絶縁膜の異方性エッチング加工により、ビアホールを作製する工程、例えば、「サイド・エッチング量の制御」等のエッチング・ステップにおける「プロセス条件のバラツキ」は、「抵抗変化素子」の上部電極と「コンタクトプラグ」との間でショート(短絡)を生じさせる要因となることを、本発明者らは見出した。   In each “resistance change element”, the “resistance change element” provided in the multilayer wiring layer by electrically arranging the “contact plug”, which electrically connects the lower electrode and the “upper wiring layer”. The present inventors have conceived that it is possible to arrange them at a higher density. A “contact plug” that electrically connects the lower electrode of the “resistance change element” and the “upper wiring layer” is formed in a via hole that vertically penetrates the interlayer insulating film. Therefore, even if the alignment accuracy at the time of forming the etching mask is high, the “process” in the process of forming a via hole by anisotropic etching of the interlayer insulating film, for example, in the etching step such as “control of side etching amount” The present inventors have found that “variation in conditions” causes a short circuit between the upper electrode of the “resistance change element” and the “contact plug”.

多層配線層内に設ける「抵抗変化素子」自体を微細化し、「抵抗変化素子」ならびに「コンタクトプラグ」のレイアウトに要する「面積」をできるだけ小さくし、「抵抗変化素子」の配置密度の、より高密度化が望まれている。しかしながら、より微細な「抵抗変化素子」を形成する場合には、「抵抗変化素子」の上部電極と「コンタクトプラグ」間のショート(短絡)が発生し易く、高密度な素子レイアウトを進める上で、障害となっているという課題を、本発明者らは見出した。   The "resistance change element" provided in the multilayer wiring layer itself is miniaturized, the "area" required for the layout of the "resistance change element" and "contact plug" is made as small as possible, and the arrangement density of the "resistance change element" is higher. Densification is desired. However, when a finer “resistance change element” is formed, a short circuit between the upper electrode of the “resistance change element” and the “contact plug” is likely to occur. The present inventors have found the problem of being an obstacle.

本発明は、上述する、更なる高密度化を進める上での課題を解決するものである。本発明の目的は、「抵抗変化素子」の上部電極と「コンタクトプラグ」間のショート(短絡)の発生を効果的に防止可能な、新規な構成を採用し、多層配線層内に高密度で素子を配置することを可能とする「抵抗変化素子」、該「抵抗変化素子」を利用する半導体装置、および該「抵抗変化素子」の形成方法を提供することにある。   The present invention solves the above-described problems in further increasing the density. The object of the present invention is to adopt a novel configuration capable of effectively preventing the occurrence of a short circuit between the upper electrode of the “resistance change element” and the “contact plug”, and at a high density in the multilayer wiring layer. An object of the present invention is to provide a “resistance change element” capable of arranging an element, a semiconductor device using the “resistance change element”, and a method of forming the “resistance change element”.

本発明者らは、まず、多層配線層内に設ける「抵抗変化素子」の信頼性を高めるため、、耐酸化性、耐湿性の向上を図るパッシベーション膜(保護絶縁膜)によって、「抵抗変化素子」の側面を被覆する構成を採用することが有効であることを見出した。この「抵抗変化素子」の側面を被覆するパッシベーション膜(保護絶縁膜)を形成した後、「抵抗変化素子」の上部電極(第一の電極)と、パッシベーション膜(保護絶縁膜)の上部を覆うように、第一の層間絶縁膜を形成する。前記第一の層間絶縁膜に形成されているビアホール内に、第一のコンタクトプラグを形成する。その際、前記パッシベーション膜(保護絶縁膜)の側面に、第一のコンタクトプラグの側壁部が接するように、第一のコンタクトプラグの配置を選択すると、「抵抗変化素子」の上部電極(第一の電極)の側面と、第一のコンタクトプラグの側壁部との間に、パッシベーション膜(保護絶縁膜)が挿入され、両者を電気的に分離された状態に保てることを見出した。   In order to increase the reliability of the “resistance change element” provided in the multilayer wiring layer, the present inventors first made a “resistance change element” by using a passivation film (protective insulating film) for improving oxidation resistance and moisture resistance. It has been found that it is effective to adopt a configuration that covers the side surface of "." After forming a passivation film (protective insulating film) that covers the side surface of the “resistance change element”, the upper electrode (first electrode) of the “resistance change element” and the upper part of the passivation film (protective insulating film) are covered. Thus, a first interlayer insulating film is formed. A first contact plug is formed in the via hole formed in the first interlayer insulating film. At this time, if the arrangement of the first contact plug is selected so that the side wall of the first contact plug is in contact with the side surface of the passivation film (protective insulating film), the upper electrode (first resistance variable element) It has been found that a passivation film (protective insulating film) is inserted between the side surface of the first electrode) and the side wall portion of the first contact plug, and the two can be kept electrically separated.

前記の第一のコンタクトプラグの配置を選択すると、「抵抗変化素子」の上部電極と「コンタクトプラグ」間のショート(短絡)の発生を効果的に防止でき、同時に、「抵抗変化素子」ならびに「コンタクトプラグ」のレイアウトに要する「面積」を低減することができ、多層配線層内に高密度で素子を配置することが可能となることも見出した。   When the arrangement of the first contact plug is selected, it is possible to effectively prevent the occurrence of a short circuit between the upper electrode of the “resistance change element” and the “contact plug”, and at the same time, the “resistance change element” and “ It has also been found that the “area” required for the layout of the “contact plug” can be reduced, and the elements can be arranged at high density in the multilayer wiring layer.

本願発明者らは、自らが見出した課題に対して、以上に述べた知見に基づき、本発明を完成させ、課題の解決を図った。   The inventors of the present application have completed the present invention and solved the problem based on the knowledge described above for the problem found by the present inventors.

すなわち、本発明にかかる抵抗変化素子は、
半導体基板上の配線層内に設けられる抵抗変化素子であって、
前記配線層は、第一の層間絶縁膜を有し、
前記抵抗変化素子は、
抵抗変化膜と、
該抵抗変化膜の上面に接して形成されている第一の電極を具えており、
前記抵抗変化膜と第一の電極を具える、該抵抗変化素子の側面を被覆する保護絶縁膜が形成されており、
少なくとも、前記抵抗変化素子の第一の電極の上部と、保護絶縁膜の上部を覆うように、第一の層間絶縁膜が形成されており、
前記第一の層間絶縁膜に形成されているビアホール内に、第一のコンタクトプラグが形成されており、
前記保護絶縁膜の側面に、第一のコンタクトプラグの側壁部が接している
ことを特徴とする抵抗変化素子である。
That is, the variable resistance element according to the present invention is
A resistance change element provided in a wiring layer on a semiconductor substrate,
The wiring layer has a first interlayer insulating film,
The variable resistance element is
A resistance change film;
A first electrode formed in contact with the upper surface of the variable resistance film;
A protective insulating film that covers the side surface of the variable resistance element, including the variable resistance film and the first electrode, is formed.
A first interlayer insulating film is formed so as to cover at least the upper part of the first electrode of the variable resistance element and the upper part of the protective insulating film,
A first contact plug is formed in the via hole formed in the first interlayer insulating film,
The variable resistance element is characterized in that a side wall portion of a first contact plug is in contact with a side surface of the protective insulating film.

前記保護絶縁膜は、SiN膜で形成されている場合、本発明の効果が顕著となる。   When the protective insulating film is formed of a SiN film, the effect of the present invention is remarkable.

また、前記ビアホール内に形成されている、第一のコンタクトプラグは、
銅を主成分とする金属で形成されるプラグ部と、該プラグ部の周囲を覆うバリアメタル層とで構成されていることが好ましい。
The first contact plug formed in the via hole is
It is preferable that the plug portion is made of a metal mainly composed of copper and a barrier metal layer covering the periphery of the plug portion.

加えて、
前記抵抗変化素子の抵抗変化膜は、下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜上に形成されており、
前記下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
該開口部を介して、抵抗変化素子の抵抗変化膜の下面に、前記下層の銅配線の上面が接触していることが好ましい。
in addition,
The resistance change film of the resistance change element is formed on an insulating barrier film that covers the upper surface of the lower copper wiring,
The insulating barrier film covering the upper surface of the lower copper wiring has an opening,
The upper surface of the lower copper wiring is preferably in contact with the lower surface of the variable resistance film of the variable resistance element through the opening.

その際、
前記下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜は、SiN膜、あるいはSiCN膜であることが好ましい。
that time,
The insulating barrier film covering the upper surface of the lower copper wiring is preferably a SiN film or a SiCN film.

前記抵抗変化素子の抵抗変化膜は、下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜上に形成されており、
前記第一のコンタクトプラグは、前記絶縁性バリア膜を貫通して、該貫通部の下に位置する下層の銅配線の上面に接触している構成を採用することができる。
The resistance change film of the resistance change element is formed on an insulating barrier film that covers the upper surface of the lower copper wiring,
The first contact plug may be configured to penetrate through the insulating barrier film and to be in contact with the upper surface of the lower copper wiring located below the penetration portion.

前記第一の電極は、Ruを主成分とする金属で形成されており、
前記抵抗変化膜は、固体電解質からなる膜である構成を採用することができる。
The first electrode is made of a metal mainly composed of Ru,
The variable resistance film may be configured to be a film made of a solid electrolyte.

あるいは、本発明にかかる抵抗変化素子では、
前記抵抗変化膜は、酸化物を含む構成を採用することもできる。
Alternatively, in the variable resistance element according to the present invention,
The variable resistance film may also employ a configuration including an oxide.

前記配線層は、前記第一の層間絶縁膜上に形成される、第二の層間絶縁膜を有し、
前記第二の層間絶縁膜内に、上層の銅配線が形成されており、
前記第一の層間絶縁膜内に形成される前記第一のコンタクトプラグは、前記第二の層間絶縁膜内に形成される前記上層の銅配線と一体化して、形成されている形態を選択することができる。
The wiring layer has a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film,
An upper copper wiring is formed in the second interlayer insulating film,
The first contact plug formed in the first interlayer insulating film is integrated with the upper copper wiring formed in the second interlayer insulating film, and a form in which the first contact plug is formed is selected. be able to.

特には、前記第一の電極の上面に、上面保護膜が形成されており、
前記保護絶縁膜は、抵抗変化膜、第一の電極、上面保護膜の側面を被覆している構成を選択することが望ましい。
In particular, an upper surface protective film is formed on the upper surface of the first electrode,
It is desirable to select a configuration in which the protective insulating film covers the side surfaces of the resistance change film, the first electrode, and the upper surface protective film.

前記の構成を選択すると、抵抗変化膜、第一の電極は、その側面は、保護絶縁膜により保護され、さらに、上面は、上面保護膜により保護されており、耐酸化性、耐湿性の向上の効果が増す。   When the above configuration is selected, the side surfaces of the variable resistance film and the first electrode are protected by the protective insulating film, and the upper surface is protected by the upper surface protective film, thereby improving the oxidation resistance and moisture resistance. The effect of increases.

本発明にかかる抵抗変化素子の構成を採用することで、半導体基板上の配線層内に設けられる、該抵抗変化素子の信頼性を高く維持したまま、多層配線層を構成する、上下の配線層間を電気的に連結するコンタクトプラグを、抵抗変化素子に対して、最近接する配置に作製することが可能となり、その結果、抵抗変化素子の配置密度の高密度化が容易となり、該抵抗変化素子を利用するメモリセルにより構成される「セル・マトリックス」の大容量化を容易とし、また、製造歩留りの低下を回避することができる。   By adopting the configuration of the variable resistance element according to the present invention, upper and lower wiring layers constituting a multilayer wiring layer while maintaining high reliability of the variable resistance element provided in the wiring layer on the semiconductor substrate. It is possible to fabricate a contact plug that electrically connects the resistance change elements in an arrangement closest to the resistance change element. As a result, it is easy to increase the arrangement density of the resistance change elements. It is easy to increase the capacity of a “cell matrix” composed of memory cells to be used, and it is possible to avoid a decrease in manufacturing yield.

図1は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第1の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the first embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. 図2は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第2の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a variable resistance element according to the second embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. 図3は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in the multilayer wiring layer of the semiconductor device. 図4は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第4の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the fourth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. 図5は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第5の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the fifth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. 図6は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第6の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the sixth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. 図7Aは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第7の実施形態の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA1を模式的に示す断面図である。FIG. 7A shows an example of a process for manufacturing a resistance change element according to the seventh embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows typically step A1 in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図7Bは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第7の実施形態の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA2を模式的に示す断面図である。FIG. 7B shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the seventh embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows typically step A2 in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図7Cは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第5の実施態様の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA3を模式的に示す断面図である。FIG. 7C shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A3 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図12Dは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第5の実施態様の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA4を模式的に示す断面図である。FIG. 12D shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A4 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図12Eは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第5の実施態様の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA5を模式的に示す断面図である。FIG. 12E shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A5 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図12Fは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第5の実施態様の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA6を模式的に示す断面図である。FIG. 12F shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A6 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図7Gは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第7の実施形態の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA7を模式的に示す断面図である。FIG. 7G shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the seventh embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A7 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図7Hは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子を製造するプロセスの一例を示し、第7の実施形態の抵抗変化素子の製造プロセスの一連の工程中、ステップA8を模式的に示す断面図である。FIG. 7H shows an example of a process for manufacturing a variable resistance element according to the seventh embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device. It is sectional drawing which shows step A8 typically in a series of processes of the manufacturing process of a resistance change element. 図13は、銅フィラメント型抵抗変化素子におけるスイッチング過程を説明する図であり、上段は、「OFF」状態から「ON」状態への遷移過程(セット過程)を、下段は、「ON」状態から「OFF」状態への遷移過程(リセット過程)を、それぞれ説明する図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the switching process in the copper filament variable resistance element. The upper part shows the transition process (set process) from the “OFF” state to the “ON” state, and the lower part shows from the “ON” state. It is a figure explaining the transition process (reset process) to an "OFF" state, respectively. 図9は、MRAM(Magnitic RAM)の構成の一例を模式的に示す図である。FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of an MRAM (Magnetic RAM). 図10は、PRAM(Phase−change RAM)の構成の一例を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of a PRAM (Phase-change RAM). 図11は、FRAM(Ferroelectric RAM)の構成の一例を模式的に示す図である。FIG. 11 is a diagram schematically illustrating an example of a configuration of an FRAM (Ferroelectric RAM). 図12は、ReRAM(Resistive RAM)の構成の一例を模式的に示す図である。FIG. 12 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of a ReRAM (Resistive RAM). 図13は、「3端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子の一例を示し、2つの「2端子スイッチ」の「第2電極」を一体化した構造を模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram schematically showing a structure in which “second electrodes” of two “two-terminal switches” are integrated, showing an example of a switching element adopting a “three-terminal switch” configuration.

以下に、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図1は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第1の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(First embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the first embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the first embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

図1に示すように、第1の実施形態に係る抵抗変化素子99は、半導体基板上の配線層内に形成される(図示せず)。該抵抗変化素子99が設けられる配線層は、第一の層間絶縁膜98を有する。抵抗変化素子99は、第一の電極102と抵抗変化膜101を具えている。抵抗変化素子99のうち、第一の電極102と抵抗変化膜101の側面は、保護絶縁膜103によって覆われている。   As shown in FIG. 1, the resistance change element 99 according to the first embodiment is formed in a wiring layer on a semiconductor substrate (not shown). The wiring layer provided with the resistance change element 99 has a first interlayer insulating film 98. The resistance change element 99 includes a first electrode 102 and a resistance change film 101. In the variable resistance element 99, the side surfaces of the first electrode 102 and the variable resistance film 101 are covered with a protective insulating film 103.

第一の層間絶縁膜98は、抵抗変化素子99のうち、第一の電極102の上面、ならびに、第一の電極102と抵抗変化膜101の側面を被覆する保護絶縁膜103を覆うように形成されている。加えて、第一の層間絶縁膜98中に、第一のコンタクトプラグ104が形成されている。第一のコンタクトプラグ104の側壁面と、保護絶縁膜103の側面とは接している。但し、第一の電極102の側面と、第一のコンタクトプラグ104の側壁面とは、保護絶縁膜103によって、電気的に分離されている。   The first interlayer insulating film 98 is formed so as to cover the upper surface of the first electrode 102 and the protective insulating film 103 that covers the side surfaces of the first electrode 102 and the variable resistance film 101 in the variable resistance element 99. Has been. In addition, a first contact plug 104 is formed in the first interlayer insulating film 98. The side wall surface of the first contact plug 104 and the side surface of the protective insulating film 103 are in contact with each other. However, the side surface of the first electrode 102 and the side wall surface of the first contact plug 104 are electrically separated by the protective insulating film 103.

第1の実施形態に係る抵抗変化素子99は、抵抗変化膜101と、該抵抗変化膜101を挟む二つの電極;「第1電極」と「第2電極」とで構成される。   The resistance change element 99 according to the first embodiment includes a resistance change film 101 and two electrodes sandwiching the resistance change film 101; a “first electrode” and a “second electrode”.

例えば、第1の実施形態に係る抵抗変化素子99を、
固体電解質からなる膜を利用して、抵抗変化膜101を形成し、「イオン伝導層」として使用し;
「下層の銅配線」(図示せず)を、電気化学反応によって、銅イオンを生成し、「イオン伝導層」中に供給する「イオン供給層」として機能する「第1電極」として使用し;
抵抗変化膜101の上面に接する、第一の電極102を、「第2電極」として使用すると、固体電解質膜を利用する、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子に構成することができる。
For example, the variable resistance element 99 according to the first embodiment is
The variable resistance film 101 is formed using a film made of a solid electrolyte, and used as an “ion conductive layer”;
“Underlying copper wiring” (not shown) is used as a “first electrode” that functions as an “ion supply layer” that generates copper ions by electrochemical reaction and supplies them into the “ion conducting layer”;
When the first electrode 102 in contact with the upper surface of the resistance change film 101 is used as a “second electrode”, a copper filament deposition type resistance change element using a solid electrolyte film can be formed.

その際、「第2電極」として使用する、第一の電極102は、銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属を含む電極である。銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属として、RuやPtなどを用いることができる。例えば、第一の電極102として、Ru(下層)/Ta(上層)の積層構造を用いてもよい。 一方、「イオン伝導層」として機能する、抵抗変化膜101を構成する固体電解質として、TaO、TaSiO、SiO2、ZrO2、HfO2、TiO2、Al23、有機ポリマー膜、SiOを含む有機ポリマー膜などを用いることができる。 At this time, the first electrode 102 used as the “second electrode” is an electrode containing a metal whose absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal) is smaller than that of copper. is there. Ru, Pt, or the like can be used as a metal having a smaller absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal) than copper. For example, a laminated structure of Ru (lower layer) / Ta (upper layer) may be used as the first electrode 102. On the other hand, TaO, TaSiO, SiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , an organic polymer film, and SiO are included as a solid electrolyte constituting the resistance change film 101 that functions as an “ion conductive layer”. An organic polymer film or the like can be used.

固体電解質膜を利用して形成される、抵抗変化膜101と、第一の電極102の側面を被覆する、保護絶縁膜103は、SiN膜を用いて形成することができる。   The resistance change film 101 formed using the solid electrolyte film and the protective insulating film 103 covering the side surfaces of the first electrode 102 can be formed using a SiN film.

第1の実施形態に係る抵抗変化素子99が、前記の構成を有する「銅フィラメント析出型の抵抗変化素子」である場合、第一の層間絶縁膜98は、「第2電極」として使用される、第一の電極102の上面と保護絶縁膜103には、直接接するが、抵抗変化膜101とは、直接接しない形態となる。その場合、第一の層間絶縁膜98を、SiO2膜、SiOC膜、あるいはそれらの積層膜で構成することができる。 When the variable resistance element 99 according to the first embodiment is a “copper filament deposition type variable resistance element” having the above-described configuration, the first interlayer insulating film 98 is used as a “second electrode”. The upper surface of the first electrode 102 and the protective insulating film 103 are in direct contact, but the resistance change film 101 is not in direct contact. In that case, the first interlayer insulating film 98 can be composed of a SiO 2 film, a SiOC film, or a laminated film thereof.

SiN膜を用いて、該保護絶縁膜103を形成することにより、第一の層間絶縁膜98を形成する際、第一の電極102の側面から酸化が進行し、抵抗変化膜101と接する第一の電極102の下面に金属酸化物が生成する事態を防ぐことができる。   By forming the protective insulating film 103 using the SiN film, when the first interlayer insulating film 98 is formed, the oxidation proceeds from the side surface of the first electrode 102 and the first insulating film 103 is in contact with the resistance change film 101. A situation in which metal oxide is generated on the lower surface of the electrode 102 can be prevented.

また、抵抗変化膜101の側面から、固体電解質内に水分が侵入すると、抵抗変化素子99が「高抵抗状態」にある際、侵入した水分が、「リーク電流」の発生要因となる。   In addition, when moisture enters the solid electrolyte from the side surface of the resistance change film 101, when the resistance change element 99 is in the “high resistance state”, the penetrated moisture becomes a cause of generation of “leakage current”.

加えて、抵抗変化膜101の側面から、固体電解質内に水分が侵入すると、侵入した水分(H2O)は、抵抗変化膜101内部に形成されている銅フィラメントの酸化、抵抗変化膜101と接する下層の配線層(銅配線層)の上面の酸化、あるいは、抵抗変化膜101と接する第一の電極102の下面の酸化を引き起こす。すなわち、侵入した水分(H2O)に起因する酸化は、抵抗変化素子99の抵抗状態を変動させてしまう不良の発生の要因の一つとなる。SiN膜を用いて、保護絶縁膜103を形成することにより、抵抗変化膜101の側面から、固体電解質内への水分の侵入を抑制することができ、前記不良の発生を抑制することができる。 In addition, when moisture enters the solid electrolyte from the side surface of the resistance change film 101, the intruded moisture (H 2 O) is oxidized by the copper filament formed inside the resistance change film 101, and the resistance change film 101. This causes oxidation of the upper surface of the lower wiring layer in contact (copper wiring layer) or oxidation of the lower surface of the first electrode 102 in contact with the resistance change film 101. That is, the oxidation caused by the invading moisture (H 2 O) is one of the causes of the failure that causes the resistance state of the variable resistance element 99 to fluctuate. By forming the protective insulating film 103 using the SiN film, moisture can be prevented from entering the solid electrolyte from the side surface of the resistance change film 101, and the occurrence of the defect can be suppressed.

保護絶縁膜103の形成に使用するSiN膜の形成方法として、抵抗変化素子の抵抗変化特性を劣化させることのない成膜手法を選択することが好ましい。第一の電極102と抵抗変化膜101の側面を被覆するため、ステップ・カバレッジ特性に優れる等方的な堆積法、例えば、プラズマCVD法や、プラズマALD法などを用いる。第一の電極102と抵抗変化膜101の側面上に堆積するSiN膜の膜厚は、10nm以上50nm以下の範囲に選択することが好ましい。   As a method for forming the SiN film used for forming the protective insulating film 103, it is preferable to select a film formation method that does not deteriorate the resistance change characteristics of the resistance change element. In order to cover the side surfaces of the first electrode 102 and the resistance change film 101, an isotropic deposition method having excellent step coverage characteristics, for example, a plasma CVD method or a plasma ALD method is used. The thickness of the SiN film deposited on the side surfaces of the first electrode 102 and the resistance change film 101 is preferably selected in the range of 10 nm to 50 nm.

等方的な堆積法を採用する結果、第一の電極102と抵抗変化膜101の側面に加えて、第一の電極102の上面にも、SiN膜が堆積する。異方性ドライ・エッチング法を採用して、第一の電極102の上面に堆積したSiN膜を選択的にエッチング除去すると、第一の電極102と抵抗変化膜101の側面上に堆積するSiN膜が残る。結果的に、該SiN膜を用いて、保護絶縁膜103が形成される。   As a result of employing the isotropic deposition method, the SiN film is deposited on the upper surface of the first electrode 102 in addition to the side surfaces of the first electrode 102 and the resistance change film 101. When the SiN film deposited on the upper surface of the first electrode 102 is selectively removed by employing an anisotropic dry etching method, the SiN film deposited on the side surfaces of the first electrode 102 and the resistance change film 101 Remains. As a result, the protective insulating film 103 is formed using the SiN film.

第1の実施形態に係る抵抗変化素子99が、「下層の配線層」、抵抗変化膜101、第一の電極102の積層構造で構成される、「銅フィラメント析出型の抵抗変化素子」である場合、「下層の配線層」と第一の電極102の間に所定のプログラミング電圧を印加することで、プログラミング(スイッチング)を行うことができる。   The resistance change element 99 according to the first embodiment is a “copper filament deposition type resistance change element” configured by a laminated structure of a “lower wiring layer”, a resistance change film 101, and a first electrode 102. In this case, programming (switching) can be performed by applying a predetermined programming voltage between the “lower wiring layer” and the first electrode 102.

第一の層間絶縁膜98の形成を終えた後、抵抗変化素子99の保護絶縁膜103に対して、最近接して配置される、第一のコンタクトプラグ104の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第一の層間絶縁膜98の上面から第一の層間絶縁膜98の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜98を構成する絶縁材料の異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜98を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件には、保護絶縁膜103を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件を選択する。 After the formation of the first interlayer insulating film 98, a via hole for forming the first contact plug 104, which is disposed closest to the protective insulating film 103 of the variable resistance element 99, is formed. At that time, using a resist mask having an opening corresponding to the shape of the lowermost hole of the via hole, from the upper surface of the first interlayer insulating film 98 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 98, An anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed to perform anisotropic etching of the insulating material constituting the first interlayer insulating film 98. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 98 are conditions having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 103. Select.

第一の層間絶縁膜98の上面から第一の層間絶縁膜98の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 98 to the lower surface of the first interlayer insulating film 98, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜98の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜103の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子99の保護絶縁膜103と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains exactly the same shape as the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 98 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 103, but the protective insulating film 103 of the resistance change element 99 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜98の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜103の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜98を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件は、保護絶縁膜103を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜103の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 98, the side surface of the protective insulating film 103 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, showing a slight taper. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 98 are selected as conditions having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 103. Thus, the “side etching” on the side surface of the protective insulating film 103 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜103の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ104を作製すると、図1に示すように、保護絶縁膜103の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ104の側壁面が接触した状態となる。   Since the side surface of the protective insulating film 103 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 104 is formed inside the via hole, as shown in FIG. The side surface of the formed first contact plug 104 comes into contact with the side surface of the insulating film 103.

第一のコンタクトプラグ104には、バリアメタルで覆われた銅プラグを用いることができる。バリアメタルには、Ta、TaN、あるいはその積層構造を用いることができる。   As the first contact plug 104, a copper plug covered with a barrier metal can be used. As the barrier metal, Ta, TaN, or a laminated structure thereof can be used.

第1の実施形態に係る抵抗変化素子では、その側面をSiN膜からなる保護絶縁膜によって被覆する構成を採用するので、抵抗変化素子99に隣接する位置に第一のコンタクトプラグ104を形成した際、保護絶縁膜103が存在するため、抵抗変化素子99の第一の電極102と第一のコンタクトプラグ104が、電気的に短絡することを防ぐことができる。   Since the variable resistance element according to the first embodiment employs a configuration in which the side surface is covered with a protective insulating film made of a SiN film, when the first contact plug 104 is formed at a position adjacent to the variable resistance element 99. Since the protective insulating film 103 exists, the first electrode 102 of the variable resistance element 99 and the first contact plug 104 can be prevented from being electrically short-circuited.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図2は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第2の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(Second Embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the second embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a variable resistance element according to the second embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

図2に示すように、第2の実施形態に係る抵抗変化素子299は、半導体基板上の配線層内に形成される(図示せず)。該抵抗変化素子299が設けられる配線層は、第一の層間絶縁膜211を有する。抵抗変化素子299は、第一の電極202、抵抗変化膜201、第二の電極205を具えている。抵抗変化素子299のうち、第一の電極202と抵抗変化膜201の側面は、保護絶縁膜203によって覆われている。   As shown in FIG. 2, the resistance change element 299 according to the second embodiment is formed in a wiring layer on a semiconductor substrate (not shown). The wiring layer in which the variable resistance element 299 is provided has a first interlayer insulating film 211. The resistance change element 299 includes a first electrode 202, a resistance change film 201, and a second electrode 205. In the variable resistance element 299, the side surfaces of the first electrode 202 and the variable resistance film 201 are covered with a protective insulating film 203.

第一の層間絶縁膜211は、抵抗変化素子299のうち、第一の電極202、第二の電極205、ならびに、第一の電極202と抵抗変化膜201の側面を被覆する保護絶縁膜203を覆うように形成されている。加えて、第一の層間絶縁膜211中に、第一のコンタクトプラグ204が形成されている。第一のコンタクトプラグ204の側壁面と、保護絶縁膜203の側面とは接している。但し、第一の電極202の側面と、第一のコンタクトプラグ204の側壁面とは、保護絶縁膜203によって、電気的に分離されている。   The first interlayer insulating film 211 includes the first electrode 202, the second electrode 205, and the protective insulating film 203 that covers the side surfaces of the first electrode 202 and the resistance change film 201 in the resistance change element 299. It is formed to cover. In addition, a first contact plug 204 is formed in the first interlayer insulating film 211. The side wall surface of the first contact plug 204 and the side surface of the protective insulating film 203 are in contact with each other. However, the side surface of the first electrode 202 and the side wall surface of the first contact plug 204 are electrically separated by the protective insulating film 203.

第一のコンタクトプラグ204の底部は、第二の電極205の上面と接しており、第二の電極205は第一のコンタクトプラグ204と電気的に接続されている。   The bottom of the first contact plug 204 is in contact with the upper surface of the second electrode 205, and the second electrode 205 is electrically connected to the first contact plug 204.

第2の実施形態に係る抵抗変化素子299は、抵抗変化膜201と、該抵抗変化膜201を挟む二つの電極;第一の電極202と第二の電極205とで構成される。   A resistance change element 299 according to the second embodiment includes a resistance change film 201 and two electrodes sandwiching the resistance change film 201; a first electrode 202 and a second electrode 205.

第2の実施形態に係る抵抗変化素子299として、酸素欠損型の抵抗変化素子の構成を選択する際には、抵抗変化膜203は、酸化物で構成される。抵抗変化膜203は、TaO、TaSiO、ZrO2、HfO2、TiO2、SiO2、Al23や、それらの積層構造などを用いて、形成することができる。抵抗変化膜203の上面と接する第一の電極204と、抵抗変化膜203の下面と接する第二の電極205は、例えば、Pt、Ru、Ir、Ti、Ta、Hf、Zr、Al、Wや、それらの窒素化合物を用いて、形成することができる。 When the configuration of an oxygen deficient resistance change element is selected as the resistance change element 299 according to the second embodiment, the resistance change film 203 is made of an oxide. The resistance change film 203 can be formed using TaO, TaSiO, ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3, or a laminated structure thereof. The first electrode 204 in contact with the upper surface of the resistance change film 203 and the second electrode 205 in contact with the lower surface of the resistance change film 203 are, for example, Pt, Ru, Ir, Ti, Ta, Hf, Zr, Al, W, Can be formed using these nitrogen compounds.

第2の実施形態に係る抵抗変化素子299が、酸素欠損型の抵抗変化素子である場合、保護絶縁膜203は、SiN膜、SiCN膜で形成する。一方、第一の層間絶縁膜211は、SiO2膜、あるいはSiOC膜で形成する。 When the resistance change element 299 according to the second embodiment is an oxygen deficient resistance change element, the protective insulating film 203 is formed of a SiN film or a SiCN film. On the other hand, the first interlayer insulating film 211 is formed of a SiO 2 film or a SiOC film.

保護絶縁膜203を、SiN膜、SiCN膜を用いて形成することで、第一の層間絶縁膜211を形成する際、第一の電極203の側面から酸化が進行し、抵抗変化膜201の上面と接する第一の電極203の下面に、金属酸化物が生成する事態を防ぐことができる。   By forming the protective insulating film 203 using a SiN film or a SiCN film, when the first interlayer insulating film 211 is formed, oxidation proceeds from the side surface of the first electrode 203, and the upper surface of the resistance change film 201. It is possible to prevent a metal oxide from being generated on the lower surface of the first electrode 203 in contact with the first electrode 203.

また、抵抗変化膜201の側面から、酸化物内に水分が侵入すると、抵抗変化素子299が「高抵抗状態」にある際、侵入した水分が、「リーク電流」の発生要因となる。   In addition, when moisture enters the oxide from the side surface of the resistance change film 201, when the resistance change element 299 is in the “high resistance state”, the penetrated moisture becomes a cause of generation of “leakage current”.

さらには、保護絶縁膜203による側面の被覆が無い場合、第一の層間絶縁膜211を形成する際、抵抗変化膜201を構成する、酸化物の膜の側面から、酸素が脱離すると、酸化物の膜の側面近傍の平均酸化数が、酸化物の膜の平均酸化数から変移する状態となる。その結果、抵抗変化素子299のの抵抗状態を変動させてしまう不良の発生を引き起こす要因の一つとなる。保護絶縁膜203による側面の被覆を行うことで、前記不良の発生をを抑制することができる。   Further, when the side surface is not covered with the protective insulating film 203, when oxygen is desorbed from the side surface of the oxide film constituting the resistance change film 201 when the first interlayer insulating film 211 is formed, oxidation is performed. The average oxidation number in the vicinity of the side surface of the object film changes from the average oxidation number of the oxide film. As a result, this becomes one of the factors that cause the occurrence of a defect that causes the resistance state of the variable resistance element 299 to fluctuate. By covering the side surface with the protective insulating film 203, the occurrence of the defect can be suppressed.

抵抗変化素子299が、第二の電極205、抵抗変化膜201、第一の電極202の積層構造で構成される、酸素欠損型の抵抗変化素子である場合、第二の電極205と第一の電極202の間に所定のプログラミング電圧を印加することで、プログラミング(スイッチング)を行うことができる。例えば、第二の電極205を接地した上で、第一の電極202に所定の電圧を印加することで、酸素欠損型の抵抗変化素子のスイッチング動作、「高抵抗状態」から「低抵抗状態」への「セット動作」、「低抵抗状態」から「高抵抗状態」への「リセット動作」を行うことができる。   When the resistance change element 299 is an oxygen deficient resistance change element including a stacked structure of the second electrode 205, the resistance change film 201, and the first electrode 202, the second electrode 205 and the first electrode Programming (switching) can be performed by applying a predetermined programming voltage between the electrodes 202. For example, by applying a predetermined voltage to the first electrode 202 after the second electrode 205 is grounded, the switching operation of the oxygen deficient resistance change element, from “high resistance state” to “low resistance state”. “Set operation” and “reset operation” from “low resistance state” to “high resistance state” can be performed.

第一の層間絶縁膜211の形成を終えた後、抵抗変化素子299の保護絶縁膜103に対して、最近接して配置される、第一のコンタクトプラグ204の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第一の層間絶縁膜211の上面から第一の層間絶縁膜211の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜211を構成する絶縁材料の異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜211を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件には、保護絶縁膜103を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件を選択する。 After the formation of the first interlayer insulating film 211, a via hole for forming the first contact plug 204 that is disposed closest to the protective insulating film 103 of the variable resistance element 299 is formed. At that time, using a resist mask having an opening corresponding to the shape of the lowermost hole of the via hole, from the upper surface of the first interlayer insulating film 211 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 211, An anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed to perform anisotropic etching of the insulating material constituting the first interlayer insulating film 211. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 211 are conditions having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 103 Select.

第一の層間絶縁膜211の上面から第一の層間絶縁膜198の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 211 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 198, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜211の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜203の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子299の保護絶縁膜203と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the sidewall of the via hole to be formed maintains exactly the same shape as the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 211 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 203, but the protective insulating film 203 of the resistance change element 299 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜211の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜203の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜211を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件は、保護絶縁膜203を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜203の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 211, the side surface of the protective insulating film 203 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, which shows a slight taper. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 211 are selected so as to have selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 203. Therefore, the “side etching” on the side surface of the protective insulating film 203 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜203の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ204を作製すると、図2に示すように、保護絶縁膜203の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ204の側壁面が接触した状態となる。   Since the side surface of the protective insulating film 203 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 204 is formed inside the via hole, as shown in FIG. The side wall surface of the formed first contact plug 204 comes into contact with the side surface of the insulating film 203.

第一のコンタクトプラグ204には、バリアメタルで覆われた銅プラグを用いることができる。バリアメタルには、Ta、TaN、あるいはその積層構造を用いることができる。   As the first contact plug 204, a copper plug covered with a barrier metal can be used. As the barrier metal, Ta, TaN, or a laminated structure thereof can be used.

第2の実施形態に係る抵抗変化素子でも、その側面をSiN膜からなる保護絶縁膜によって被覆する構成を採用するので、抵抗変化素子299に隣接する位置に第一のコンタクトプラグ204を形成した際、保護絶縁膜203が存在するため、抵抗変化素子299の第一の電極202と第一のコンタクトプラグ204が、電気的に短絡することを防ぐことができる。   Even in the variable resistance element according to the second embodiment, the side surface of the variable resistance element is covered with a protective insulating film made of a SiN film. Therefore, when the first contact plug 204 is formed at a position adjacent to the variable resistance element 299. Since the protective insulating film 203 exists, the first electrode 202 of the variable resistance element 299 and the first contact plug 204 can be prevented from being electrically short-circuited.

図2に示す構成を選択することで、第二の電極205を、第一のコンタクトプラグ204を介して、上層の銅配線と電気的に接続し、接地することが可能である。   By selecting the configuration shown in FIG. 2, the second electrode 205 can be electrically connected to the upper copper wiring via the first contact plug 204 and grounded.

(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図3は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第3の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(Third embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the third embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the variable resistance element according to the third embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in the multilayer wiring layer of the semiconductor device.

図3に示すように、第3の実施形態に係る抵抗変化素子399は、半導体基板上の配線層内に形成される(図示せず)。該抵抗変化素子399が設けられる配線層は、第一の層間絶縁膜311を有する。抵抗変化素子399は、第一の電極302、抵抗変化膜301、第二の電極315を具えている。抵抗変化素子399が具える、第一の電極302、抵抗変化膜301、第二の電極315は積層構造を構成しており、その側面は、保護絶縁膜303によって覆われている。   As shown in FIG. 3, the variable resistance element 399 according to the third embodiment is formed in a wiring layer on a semiconductor substrate (not shown). The wiring layer provided with the variable resistance element 399 has a first interlayer insulating film 311. The resistance change element 399 includes a first electrode 302, a resistance change film 301, and a second electrode 315. The first electrode 302, the resistance change film 301, and the second electrode 315 included in the resistance change element 399 form a stacked structure, and the side surfaces thereof are covered with the protective insulating film 303.

抵抗変化素子399は、下層の銅配線307と下層の層間絶縁膜310の上面の上に形成されている。第二の電極315の一部は、下層の銅配線307の上面に接触し、電気的に接続されている。また、積層構造の一側面を被覆している、保護絶縁膜303も、その底面が下層の銅配線307の上面に接する位置に形成されている。   The resistance change element 399 is formed on the upper surfaces of the lower copper wiring 307 and the lower interlayer insulating film 310. A part of the second electrode 315 is in contact with and electrically connected to the upper surface of the lower-layer copper wiring 307. Further, the protective insulating film 303 covering one side surface of the laminated structure is also formed at a position where the bottom surface is in contact with the upper surface of the lower copper wiring 307.

第一の層間絶縁膜311は、抵抗変化素子399のうち、第一の電極302、ならびに、第一の電極302、抵抗変化膜301、第二の電極315からなる積層構造の側面を被覆する保護絶縁膜303を覆うように形成されている。加えて、第一の層間絶縁膜311は、下層の銅配線307と下層の層間絶縁膜310の上面をも覆うように形成されている。   The first interlayer insulating film 311 covers the first electrode 302 of the resistance change element 399 and the side surface of the laminated structure including the first electrode 302, the resistance change film 301, and the second electrode 315. The insulating film 303 is formed so as to cover it. In addition, the first interlayer insulating film 311 is formed so as to cover the upper surfaces of the lower copper wiring 307 and the lower interlayer insulating film 310.

第一の層間絶縁膜311中に、第一のコンタクトプラグ304が形成されている。第一のコンタクトプラグ304の側壁面と、保護絶縁膜303の側面とは接している。但し、第一の電極302の側面と、第一のコンタクトプラグ304の側壁面とは、保護絶縁膜303によって、電気的に分離されている。   A first contact plug 304 is formed in the first interlayer insulating film 311. The side wall surface of the first contact plug 304 and the side surface of the protective insulating film 303 are in contact with each other. However, the side surface of the first electrode 302 and the side wall surface of the first contact plug 304 are electrically separated by the protective insulating film 303.

第一のコンタクトプラグ304の底部は、下層の銅配線307の上面と接しており、従って、下層の銅配線307を介して、第二の電極315は第一のコンタクトプラグ304と電気的に接続されている。   The bottom of the first contact plug 304 is in contact with the upper surface of the lower copper wiring 307, so that the second electrode 315 is electrically connected to the first contact plug 304 via the lower copper wiring 307. Has been.

第3の実施形態に係る抵抗変化素子399は、抵抗変化膜301と、該抵抗変化膜301を挟む二つの電極;第一の電極302と第二の電極315とで構成される。   A resistance change element 399 according to the third embodiment includes a resistance change film 301 and two electrodes sandwiching the resistance change film 301; a first electrode 302 and a second electrode 315.

第3の実施形態に係る抵抗変化素子399として、酸素欠損型の抵抗変化素子の構成を選択する際には、抵抗変化膜301は、酸化物で構成される。抵抗変化膜301は、TaO、TaSiO、ZrO2、HfO2、TiO2、SiO2、Al23や、それらの積層構造などを用いて、形成することができる。抵抗変化膜301の上面と接する第一の電極302と、抵抗変化膜301の下面と接する第二の電極315は、例えば、Pt、Ru、Ir、Ti、Ta、Hf、Zr、Al、Wや、それらの窒素化合物を用いて、形成することができる。 When the configuration of an oxygen deficient resistance change element is selected as the resistance change element 399 according to the third embodiment, the resistance change film 301 is made of an oxide. The resistance change film 301 can be formed using TaO, TaSiO, ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3, or a laminated structure thereof. The first electrode 302 in contact with the upper surface of the resistance change film 301 and the second electrode 315 in contact with the lower surface of the resistance change film 301 are, for example, Pt, Ru, Ir, Ti, Ta, Hf, Zr, Al, W, Can be formed using these nitrogen compounds.

第3の実施形態に係る抵抗変化素子399が、酸素欠損型の抵抗変化素子である場合、保護絶縁膜303は、SiN膜、SiCN膜で形成する。一方、第一の層間絶縁膜311は、SiO2膜、あるいはSiOC膜で形成する。また、下層の層間絶縁膜310も、SiO2膜、あるいはSiOC膜で形成する。 When the resistance change element 399 according to the third embodiment is an oxygen deficient resistance change element, the protective insulating film 303 is formed of a SiN film or a SiCN film. On the other hand, the first interlayer insulating film 311 is formed of a SiO 2 film or a SiOC film. The lower interlayer insulating film 310 is also formed of a SiO 2 film or a SiOC film.

下層の層間絶縁膜310に形成される、下層の銅配線用の配線溝に、バリアメタル309を介して、下層の銅配線307の金属308が埋め込まれている。下層の銅配線307の金属308が、銅を主成分とする金属材料である場合、配線溝の側面と底面を被覆する、バリアメタル309は、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル309には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステン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 metal 308 of the lower copper wiring 307 is buried in the wiring groove for the lower copper wiring formed in the lower interlayer insulating film 310 via the barrier metal 309. When the metal 308 of the lower-layer copper wiring 307 is a metal material mainly composed of copper, the barrier metal 309 that covers the side and bottom surfaces of the wiring groove is a conductive material having a barrier property against copper diffusion. It is a membrane. As the barrier metal 309, a refractory metal such as tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten carbonitride, a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used.

抵抗変化膜301の下面と接する第二の電極315も、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜であるため、下層の銅配線307の金属308が、銅を主成分とする金属材料である場合、抵抗変化膜301を構成する酸化物中への銅イオンの拡散も防止されている。   Since the second electrode 315 in contact with the lower surface of the resistance change film 301 is also a conductive film having a barrier property against copper diffusion, the metal 308 of the lower copper wiring 307 is a metal mainly composed of copper. In the case of the material, diffusion of copper ions into the oxide constituting the resistance change film 301 is also prevented.

第一のコンタクトプラグ304には、バリアメタル306で覆われた銅プラグ305を用いることができる。バリアメタル306には、Ta、TaN、あるいはその積層構造を用いることができる。   As the first contact plug 304, a copper plug 305 covered with a barrier metal 306 can be used. As the barrier metal 306, Ta, TaN, or a laminated structure thereof can be used.

保護絶縁膜303を、SiN膜、SiCN膜を用いて形成することで、第一の層間絶縁膜311を形成する際、第一の電極303の側面、第二の電極315の側面から酸化が進行し、抵抗変化膜301の上面と接する第一の電極303の下面、抵抗変化膜301の上面と接する第一の電極315の上面に、金属酸化物が生成する事態を防ぐことができる。   By forming the protective insulating film 303 using a SiN film or a SiCN film, oxidation proceeds from the side surface of the first electrode 303 and the side surface of the second electrode 315 when the first interlayer insulating film 311 is formed. In addition, it is possible to prevent a metal oxide from being generated on the lower surface of the first electrode 303 in contact with the upper surface of the resistance change film 301 and the upper surface of the first electrode 315 in contact with the upper surface of the resistance change film 301.

また、抵抗変化膜301の側面から、酸化物内に水分が侵入すると、抵抗変化素子399が「高抵抗状態」にある際、侵入した水分が、「リーク電流」の発生要因となる。   In addition, when moisture enters the oxide from the side surface of the resistance change film 301, when the resistance change element 399 is in the “high resistance state”, the penetrated moisture becomes a cause of generation of “leakage current”.

さらには、保護絶縁膜303による側面の被覆が無い場合、第一の層間絶縁膜311を形成する際、抵抗変化膜301を構成する、酸化物の膜の側面から、酸素が脱離すると、酸化物の膜の側面近傍の平均酸化数が、酸化物の膜の平均酸化数から変移する状態となる。その結果、抵抗変化素子399のの抵抗状態を変動させてしまう不良の発生を引き起こす要因の一つとなる。保護絶縁膜303による側面の被覆を行うことで、前記不良の発生をを抑制することができる。   Further, when the side surface is not covered with the protective insulating film 303, when oxygen is desorbed from the side surface of the oxide film constituting the resistance change film 301 when the first interlayer insulating film 311 is formed, oxidation occurs. The average oxidation number in the vicinity of the side surface of the object film changes from the average oxidation number of the oxide film. As a result, it becomes one of the factors that cause the occurrence of a defect that causes the resistance state of the variable resistance element 399 to fluctuate. By covering the side surfaces with the protective insulating film 303, occurrence of the defect can be suppressed.

抵抗変化素子399が、第二の電極315、抵抗変化膜301、第一の電極302の積層構造で構成される、酸素欠損型の抵抗変化素子である場合、第二の電極315と第一の電極302の間に所定のプログラミング電圧を印加することで、プログラミング(スイッチング)を行うことができる。例えば、第二の電極315を接地した上で、第一の電極302に所定の電圧を印加することで、酸素欠損型の抵抗変化素子のスイッチング動作、「高抵抗状態」から「低抵抗状態」への「セット動作」、「低抵抗状態」から「高抵抗状態」への「リセット動作」を行うことができる。   When the resistance change element 399 is an oxygen-deficient resistance change element including a stacked structure of the second electrode 315, the resistance change film 301, and the first electrode 302, the second electrode 315 and the first electrode Programming (switching) can be performed by applying a predetermined programming voltage between the electrodes 302. For example, by applying a predetermined voltage to the first electrode 302 after the second electrode 315 is grounded, the switching operation of the oxygen deficient resistance change element, from “high resistance state” to “low resistance state”. “Set operation” and “reset operation” from “low resistance state” to “high resistance state” can be performed.

第一の層間絶縁膜311の形成を終えた後、抵抗変化素子399の保護絶縁膜303に対して、最近接して配置される、第一のコンタクトプラグ304の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第一の層間絶縁膜311の上面から第一の層間絶縁膜311の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料の異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件には、保護絶縁膜303を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件を選択する。その際、第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件は、下層の銅配線307の金属308、銅を主成分とする金属材料に対して、選択性を有する条件ともなっている。 After the formation of the first interlayer insulating film 311, a via hole for forming the first contact plug 304 that is disposed closest to the protective insulating film 303 of the variable resistance element 399 is formed. At that time, using a resist mask having an opening corresponding to the shape of the bottom end of the via hole, from the upper surface of the first interlayer insulating film 311 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 311, An anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed to perform anisotropic etching of the insulating material constituting the first interlayer insulating film 311. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 311 are conditions having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 303. Select. At that time, the anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 311 are the metal 308 of the lower copper wiring 307 and the metal material mainly composed of copper. In contrast, it is also a condition having selectivity.

第一の層間絶縁膜311の上面から第一の層間絶縁膜311の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 311 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 311, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜311の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜303の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子399の保護絶縁膜303と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If the side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains the same shape as the shape of the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 311 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 303, but the protective insulating film 303 of the resistance change element 399 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜311の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜303の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)の異方性エッチング条件は、保護絶縁膜303を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜303の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 311, the side surface of the protective insulating film 303 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, showing a slight taper. The anisotropic etching conditions of the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 311 are selected so as to have selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 303. Thus, the “side etching” to the side surface of the protective insulating film 303 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜303の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ304を作製すると、図3に示すように、保護絶縁膜303の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ304の側壁面が接触した状態となる。   Since the side surface of the protective insulating film 303 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 304 is formed inside the via hole, as shown in FIG. The side surface of the formed first contact plug 304 is in contact with the side surface of the insulating film 303.

抵抗変化素子399の形成に使用される、第一の電極302、抵抗変化膜301、第二の電極315からなる積層構造をパターニングする過程において、第二の電極315を選択的にエッチングする条件は、下層の銅配線307の金属308、銅を主成分とする金属材料、ならびに、下層の銅配線307のバリアメタル309に利用するTa、TaNに対して、選択性を有する条件であることが望ましい。同時に、第二の電極315を選択的にエッチングする条件は、下層の層間絶縁膜310を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)に対して、選択性を有する条件であることが望ましい。 The conditions for selectively etching the second electrode 315 in the process of patterning the laminated structure composed of the first electrode 302, the resistance change film 301, and the second electrode 315 used to form the resistance change element 399 are as follows. It is desirable that the conditions be selective with respect to the metal 308 of the lower copper wiring 307, the metal material mainly composed of copper, and Ta and TaN used for the barrier metal 309 of the lower copper wiring 307. . At the same time, the condition for selectively etching the second electrode 315 may be a condition having selectivity with respect to an insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the lower interlayer insulating film 310. desirable.

前記条件を満たす、選択的なエッチング条件を採用することで、下層の銅配線307のバリアメタル309、下層の銅配線307の金属308、ならびに、下層の層間絶縁膜310を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)をエッチング・ストッパに利用して、第二の電極315のパターニングを実施することができる。 By adopting selective etching conditions that satisfy the above conditions, the insulating material (for example, the barrier metal 309 of the lower copper wiring 307, the metal 308 of the lower copper wiring 307, and the lower interlayer insulating film 310) , SiO 2 film, SiOC film) can be used as an etching stopper to pattern the second electrode 315.

第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)を堆積する工程時には、下層の銅配線307のバリアメタル309、下層の銅配線307の金属308の上面に、例えば、プラズマCVD法を使用して、SiO2膜またはSiOC膜が堆積される。その際、下層の銅配線307の金属308、銅を主成分とする金属材料の表面が、若干酸化される可能性がある。第一の層間絶縁膜311中にビアホールを形成する過程において、第一の層間絶縁膜311を構成する絶縁材料(例えば、SiO2膜、SiOC膜)をエッチングする条件は、下層の銅配線307の金属308の表面に存在する銅の酸化被膜のエッチング除去は可能であるが、銅を主成分とする金属材料に対しては、選択性を有する条件であることが望ましい。 During the step of depositing an insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 311, the barrier metal 309 of the lower copper wiring 307 and the upper surface of the metal 308 of the lower copper wiring 307 are For example, a SiO 2 film or a SiOC film is deposited using a plasma CVD method. At that time, the metal 308 of the lower-layer copper wiring 307 and the surface of the metal material mainly composed of copper may be slightly oxidized. In the process of forming the via hole in the first interlayer insulating film 311, the conditions for etching the insulating material (for example, SiO 2 film, SiOC film) constituting the first interlayer insulating film 311 are as follows: Although it is possible to remove the copper oxide film existing on the surface of the metal 308 by etching, it is desirable that the metal material containing copper as a main component has a selectivity.

下層の銅配線307の金属308の表面に存在する銅の酸化被膜のエッチング除去がなされているため、第一のコンタクトプラグ304の底面と、下層の銅配線307の金属308の表面が接する部位は、銅/(Ta、TaN、あるいはその積層構造)/銅で示されえる、バリアメタル306を介して、「金属間接合」が形成されている。該「金属間接合」は、「オーミック接続」として機能し、第一のコンタクトプラグ304の底面の径が、100nmφである場合には、第一のコンタクトプラグ304と下層の銅配線307との間は、コンタクト抵抗:1〜5Ω程度で接続される。   Since the copper oxide film existing on the surface of the metal 308 of the lower copper wiring 307 has been removed by etching, the portion where the bottom surface of the first contact plug 304 and the surface of the metal 308 of the lower copper wiring 307 are in contact with each other. , “Inter-metal junction” is formed through a barrier metal 306, which can be represented by copper / (Ta, TaN, or a laminated structure thereof) / copper. The “metal-to-metal junction” functions as an “ohmic connection”, and when the diameter of the bottom surface of the first contact plug 304 is 100 nmφ, it is between the first contact plug 304 and the underlying copper wiring 307. Are connected with a contact resistance of about 1 to 5Ω.

複数の抵抗変化素子を、その第一の電極302、抵抗変化膜301、第二の電極315からなる積層構造が、下層の銅配線307の金属308の表面に接するように配置すると、電極抵抗を低減しつつ、複数の抵抗変化素子の第二の電極315を共通する電位に接続する構成を達成することができる。   When a plurality of resistance change elements are arranged so that the laminated structure including the first electrode 302, the resistance change film 301, and the second electrode 315 is in contact with the surface of the metal 308 of the lower copper wiring 307, the electrode resistance is reduced. The structure which connects the 2nd electrode 315 of a some resistance change element to a common electric potential can be achieved, reducing.

(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図4は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第4の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the fourth embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the fourth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

図4に示すように、第4の実施形態に係る抵抗変化素子499は、半導体基板上に形成される銅配線層内に搭載されている。該抵抗変化素子499が設けられる多層配線層は、第一の層間絶縁膜498と、第一の層間絶縁膜498の上部に位置する第二の層間絶縁膜416とを有する。また、第4の実施形態に係る抵抗変化素子499は、、第一の電極402、抵抗変化膜401を具えている。抵抗変化素子499が具える、第一の電極402、抵抗変化膜401は、積層構造を構成しており、下層の銅配線層407の表面を被覆する第一の絶縁性バリア膜411上に形成されている。第一の電極402、抵抗変化膜401の積層構造の側面は、保護絶縁膜403によって覆われている。   As shown in FIG. 4, the variable resistance element 499 according to the fourth embodiment is mounted in a copper wiring layer formed on a semiconductor substrate. The multilayer wiring layer provided with the resistance change element 499 includes a first interlayer insulating film 498 and a second interlayer insulating film 416 located above the first interlayer insulating film 498. A resistance change element 499 according to the fourth embodiment includes a first electrode 402 and a resistance change film 401. The first electrode 402 and the resistance change film 401 included in the resistance change element 499 form a laminated structure, and are formed on the first insulating barrier film 411 that covers the surface of the lower copper wiring layer 407. Has been. A side surface of the laminated structure of the first electrode 402 and the resistance change film 401 is covered with a protective insulating film 403.

抵抗変化膜401は、第一の絶縁性バリア膜411に開口されたホールを介して、下層の銅配線層407の金属408の表面に接している。従って、開口されたホール部分では、抵抗変化膜401の下面は、下層の銅配線層407の金属408の表面と接し、抵抗変化膜401の上面は、第一の電極402と接する構成となっている。   The resistance change film 401 is in contact with the surface of the metal 408 of the lower copper wiring layer 407 through a hole opened in the first insulating barrier film 411. Therefore, in the opened hole portion, the lower surface of the resistance change film 401 is in contact with the surface of the metal 408 of the lower copper wiring layer 407, and the upper surface of the resistance change film 401 is in contact with the first electrode 402. Yes.

下層の層間絶縁膜410に形成される、下層の銅配線用の配線溝に、バリアメタル409を介して、下層の銅配線407の金属408が埋め込まれている。下層の銅配線407の金属408は、銅を主成分とする金属材料であり、配線溝の側面と底面を被覆する、バリアメタル409は、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル409には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステン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 metal 408 of the lower copper wiring 407 is buried in the wiring groove for the lower copper wiring formed in the lower interlayer insulating film 410 via the barrier metal 409. The metal 408 of the lower layer copper wiring 407 is a metal material mainly composed of copper, and covers the side and bottom surfaces of the wiring groove. The barrier metal 409 is a conductive film having a barrier property against copper diffusion. It is. As the barrier metal 409, a refractory metal such as tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten carbonitride, a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used.

下層の銅配線層407の表面を被覆する第一の絶縁性バリア膜411は、下層の銅配線層407の表面から銅の拡散を防止するため、SiN膜、SiCN膜、SiC膜など、あるいは、それらの積層構造で形成される。保護絶縁膜403は、SiN膜を利用して、形成されている。   The first insulating barrier film 411 that covers the surface of the lower copper wiring layer 407 prevents the diffusion of copper from the surface of the lower copper wiring layer 407, so that a SiN film, a SiCN film, a SiC film, or the like, or They are formed by their laminated structure. The protective insulating film 403 is formed using a SiN film.

第4の実施形態に係る抵抗変化素子499は、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子を構成している。銅を主成分とする金属材料で構成される、下層の銅配線407の金属408は、電気化学反応によって、銅イオンを生成し、抵抗変化膜401中に供給する「イオン供給層」として機能する。その際、下層の銅配線407の金属408を形成している「銅」中には、不純物として、Al、Ti、スズ(Sn)、Mgなどの金属が含有されていてもよい。   The resistance change element 499 according to the fourth embodiment constitutes a copper filament deposition type resistance change element. The metal 408 of the lower-layer copper wiring 407 made of a metal material mainly composed of copper functions as an “ion supply layer” that generates copper ions and supplies them into the resistance change film 401 by an electrochemical reaction. . At that time, the “copper” forming the metal 408 of the lower-layer copper wiring 407 may contain metals such as Al, Ti, tin (Sn), and Mg as impurities.

抵抗変化膜401は、銅イオンの伝導が可能な固体電解質で形成し、「イオン伝導層」として利用される。銅イオンの伝導が可能な固体電解質として、TaO、TaSiO、SiO2、ZrO2、HfO2、TiO2、Al23、有機ポリマー膜、SiOを含む有機ポリマー膜などを用いることができる。 The resistance change film 401 is formed of a solid electrolyte capable of conducting copper ions and is used as an “ion conductive layer”. As a solid electrolyte capable of conducting copper ions, it can be used TaO, TaSiO, SiO 2, ZrO 2, HfO 2, TiO 2, Al 2 O 3, an organic polymer film, or an organic polymer film containing SiO.

第一の電極402は、銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属を含む電極である。銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属として、RuやPtなどを用いることができる。第一の電極402は、抵抗変化膜401と接する、下層部分と、該下層部分に積層される上層部分とからなる積層構造を構成してもよく、その際、下層部分は、銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属で形成する。例えば、第一の電極402として、Ru(下層)/Ta(上層)の積層構造を用いてもよい。   The first electrode 402 is an electrode including a metal whose absolute value of the standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from a metal) is smaller than that of copper. Ru, Pt, or the like can be used as a metal having a smaller absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal) than copper. The first electrode 402 may constitute a laminated structure composed of a lower layer portion in contact with the resistance change film 401 and an upper layer portion laminated on the lower layer portion. In this case, the lower layer portion is made of copper, It is formed of a metal having a small absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal). For example, a stacked structure of Ru (lower layer) / Ta (upper layer) may be used as the first electrode 402.

すなわち、固体電解質からなる抵抗変化膜401を「イオン伝導層」とし、下層の銅配線層407の銅配線408を「イオン供給層」として機能する「第1電極」、第一の電極402を「第2電極」とする、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子が構成されている。   That is, the resistance change film 401 made of a solid electrolyte is an “ion conductive layer”, the copper wiring 408 of the lower copper wiring layer 407 is a “first electrode” that functions as an “ion supply layer”, and the first electrode 402 is “ A resistance change element of a copper filament deposition type, which is a “second electrode”, is configured.

なお、図4に示す構成では、第一の絶縁性バリア膜411に開口されたホールの側壁面は、テーパが無く、該開口の形成は、異方性エッチング法を利用している。また、第一の絶縁性バリア膜411に開口されたホール内に形成されている、抵抗変化膜401の膜厚t2は、その周囲の第一の絶縁性バリア膜411の上面に形成されている、抵抗変化膜401の膜厚t1より、厚くなっている。結果的に、抵抗変化膜401の上面は、開口されたホール内と、その周囲の第一の絶縁性バリア膜411の上面の領域の間で、実質的な段差が無い状態となっている。換言すると、開口されたホールの深さは、第一の絶縁性バリア膜411の膜厚t3に対応しており、t2=(t1+t3)の関係を満たす、「埋め込み成長」が達成されている。 In the configuration shown in FIG. 4, the side wall surface of the hole opened in the first insulating barrier film 411 has no taper, and the opening is formed using an anisotropic etching method. The film thickness t 2 of the resistance change film 401 formed in the hole opened in the first insulating barrier film 411 is formed on the upper surface of the surrounding first insulating barrier film 411. The resistance change film 401 is thicker than the film thickness t 1 . As a result, the upper surface of the resistance change film 401 is in a state where there is no substantial step between the inside of the opened hole and the region of the upper surface of the first insulating barrier film 411 around the hole. In other words, the depth of the opened hole corresponds to the film thickness t 3 of the first insulating barrier film 411, and “buried growth” satisfying the relationship of t 2 = (t 1 + t 3 ) is satisfied. Has been achieved.

第一の電極402は、実質的に「平坦化」がなされている、抵抗変化膜401の上面に、等方的な堆積法、例えば、スパッタ法を使用して、均一な膜厚に形成することが可能となっている。   The first electrode 402 is formed to have a uniform film thickness on the upper surface of the resistance change film 401 that is substantially “flattened” by using an isotropic deposition method, for example, a sputtering method. It is possible.

第一の層間絶縁膜498は、抵抗変化素子499のうち、第一の電極402、ならびに、第一の電極402、抵抗変化膜401からなる積層構造の側面を被覆する保護絶縁膜403を覆うように形成されている。加えて、第一の層間絶縁膜498は、下層の銅配線407と下層の層間絶縁膜410の上面を覆っている、第1の絶縁性バリア膜411の上面をも被覆するように形成されている。形成された第一の層間絶縁膜498の上面を平坦化した後、平坦化された第一の層間絶縁膜498を覆う、第二の層間絶縁膜416が形成されている。   The first interlayer insulating film 498 covers the first electrode 402 of the variable resistance element 499 and the protective insulating film 403 that covers the side surface of the laminated structure including the first electrode 402 and the variable resistance film 401. Is formed. In addition, the first interlayer insulating film 498 is formed so as to cover the upper surface of the first insulating barrier film 411 that covers the upper surfaces of the lower-layer copper wiring 407 and the lower-layer interlayer insulating film 410. Yes. After the upper surface of the formed first interlayer insulating film 498 is planarized, a second interlayer insulating film 416 is formed to cover the planarized first interlayer insulating film 498.

第一の層間絶縁膜498は、SiO2膜を利用して形成し、第二の層間絶縁膜416は、SiOC膜を利用して形成する。 The first interlayer insulating film 498 is formed using a SiO 2 film, and the second interlayer insulating film 416 is formed using a SiOC film.

第二の層間絶縁膜416中に、上層の銅配線層の形成用の配線溝、第一の層間絶縁膜498中に、第一のコンタクトプラグ404の形成用のビアホールが、一体化されて形成されている。その際、第一のコンタクトプラグ404の形成用のビアホールの底は、第一の絶縁性バリア膜411を貫通して、下層の銅配線層407の金属408の表面に開通している。   A wiring groove for forming an upper copper wiring layer is formed in the second interlayer insulating film 416, and a via hole for forming the first contact plug 404 is integrally formed in the first interlayer insulating film 498. Has been. At that time, the bottom of the via hole for forming the first contact plug 404 passes through the first insulating barrier film 411 and opens to the surface of the metal 408 of the lower copper wiring layer 407.

第二の層間絶縁膜416中に、上層の銅配線層の形成用の配線溝を作製する際、第二の層間絶縁膜416を構成するSiOC膜のエッチング条件を、第一の層間絶縁膜498を構成するSiO2膜に対して、選択性を有する条件とする。その結果、第一の層間絶縁膜498を構成するSiO2膜をエッチング・ストッパとして利用でき、形成される上層の銅配線層の形成用の配線溝の底面は、第二の層間絶縁膜416と第一の層間絶縁膜498との界面に位置する。一方、上層の銅配線層の形成用の配線溝の作製に先立ち、第二の層間絶縁膜416、第一の層間絶縁膜498、第一の絶縁性バリア膜411を順次、選択的に異方性エッチングすることで、ビアホールの形成がなされる。 When a wiring groove for forming an upper copper wiring layer is formed in the second interlayer insulating film 416, the etching conditions of the SiOC film constituting the second interlayer insulating film 416 are set according to the first interlayer insulating film 498. The conditions are such that the SiO 2 film constituting the film has selectivity. As a result, the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 498 can be used as an etching stopper, and the bottom surface of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer to be formed is connected to the second interlayer insulating film 416. Located at the interface with the first interlayer insulating film 498. On the other hand, prior to the production of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer, the second interlayer insulating film 416, the first interlayer insulating film 498, and the first insulating barrier film 411 are sequentially and selectively anisotropically formed. The via hole is formed by reactive etching.

第二の層間絶縁膜416の形成を終えた後、抵抗変化素子499の保護絶縁膜403に対して、最近接して配置される、第一のコンタクトプラグ404の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第二の層間絶縁膜416、第一の層間絶縁膜498、第一の絶縁性バリア膜411を順次、選択的に異方性エッチングする。その際、第一の層間絶縁膜498の上面から第一の層間絶縁膜498の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜498を構成する絶縁材料、SiO2膜を、選択的に異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜498を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜403を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されている。 After the formation of the second interlayer insulating film 416 is completed, a via hole for forming the first contact plug 404 that is disposed closest to the protective insulating film 403 of the variable resistance element 499 is formed. At that time, a resist mask having an opening corresponding to the shape of the lowermost hole of the via hole is used, and the second interlayer insulating film 416, the first interlayer insulating film 498, and the first insulating barrier film are used. 411 is sequentially and selectively anisotropically etched. At this time, an anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed from the upper surface of the first interlayer insulating film 498 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 498 to thereby form the first interlayer insulating film 498. An anisotropic etching is selectively performed on the insulating material and the SiO 2 film. The selective anisotropic etching conditions of the insulating material and SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 498 are selected so as to have selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 403. Yes.

第一の層間絶縁膜498の上面から第一の層間絶縁膜498の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 498 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 498, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜498の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜403の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子499の保護絶縁膜403と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains the same shape as the shape of the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 498 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 403, but the protective insulating film 403 of the resistance change element 499 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜498の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜403の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜498を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜403を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜403の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。最終的に、SiCN膜で形成される第一の絶縁性バリア膜411を、選択的に異方性エッチングするが、ビアホールの側壁面に露呈する、SiN膜で形成される保護絶縁膜403の側面への「サイド・エッチング」は極僅かに進行するのみである。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 498, the side surface of the protective insulating film 403 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, which shows a slight taper. As a selective anisotropic etching condition for the insulating material and SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 498, a condition having selectivity for the SiN film constituting the protective insulating film 403 is selected. The “side etching” on the side surface of the protective insulating film 403 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed. Finally, the first insulating barrier film 411 formed of the SiCN film is selectively anisotropically etched, but is exposed to the side wall surface of the via hole, and the side surface of the protective insulating film 403 formed of the SiN film “Side etching” is only slightly progressed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜403の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ404を作製すると、図4に示すように、保護絶縁膜403の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ404の側壁面が接触した状態となる。但し、第一の電極402の側面と、第一のコンタクトプラグ404の側壁面とは、保護絶縁膜403によって、電気的に分離されている。   Since the side surface of the protective insulating film 403 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 404 is manufactured inside the via hole, as shown in FIG. The side wall surface of the formed first contact plug 404 is in contact with the side surface of the insulating film 403. However, the side surface of the first electrode 402 and the side wall surface of the first contact plug 404 are electrically separated by the protective insulating film 403.

一体に形成されている、上層の銅配線層の形成用の配線溝と、第一のコンタクトプラグ404の形成用のビアホールに、バリアメタル406を介して、第一のコンタクトプラグ404の金属405が埋め込まれ、上層の銅配線と一体化された第一のコンタクトプラグ404が形成されている。第一のコンタクトプラグ404の金属405は、銅を主成分とする金属材料であり、配線溝、ビアホールの側面と底面を被覆する、バリアメタル406は、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル406には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステン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 metal 405 of the first contact plug 404 is formed through the barrier metal 406 in the wiring groove for forming the upper copper wiring layer and the via hole for forming the first contact plug 404 that are integrally formed. A first contact plug 404 embedded and integrated with the upper copper wiring is formed. The metal 405 of the first contact plug 404 is a metal material mainly composed of copper, and covers the side and bottom surfaces of the wiring trench and via hole. The barrier metal 406 has a barrier property against copper diffusion. It is a conductive film. As the barrier metal 406, a refractory metal such as tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten carbonitride, a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used.

作製された上層の銅配線層と、第二の層間絶縁膜416の上面を、平坦化した後、第二の絶縁性バリア膜413により被覆している。上層の銅配線層の表面を被覆する第二の絶縁性バリア膜413は、上層の銅配線層の表面から銅の拡散を防止するため、SiN膜、SiCN膜、SiC膜など、あるいは、それらの積層構造で形成される。   The upper copper wiring layer thus fabricated and the upper surface of the second interlayer insulating film 416 are flattened and then covered with the second insulating barrier film 413. The second insulating barrier film 413 covering the surface of the upper copper wiring layer is a SiN film, a SiCN film, a SiC film, or the like in order to prevent copper diffusion from the surface of the upper copper wiring layer. It is formed with a laminated structure.

図4に示す構成を選択すると、上層の銅配線層と一体化する第一のコンタクトプラグ404は、抵抗変化膜401の保護絶縁膜403に接するように、最近接する位置に形成される。その際、下層の銅配線層407の表面は、第一の絶縁性バリア膜411で被覆されており、銅の拡散を防止がなされている。また、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子499の「第1電極」に利用される、下層の銅配線層407に対して、上層の銅配線層と一体化する第一のコンタクトプラグ404を介して、スイッチング時の電位する際、上層の銅配線層のレイアウト面積の縮小に効果を有する。   When the configuration shown in FIG. 4 is selected, the first contact plug 404 integrated with the upper copper wiring layer is formed at the closest position so as to be in contact with the protective insulating film 403 of the resistance change film 401. At that time, the surface of the lower copper wiring layer 407 is covered with the first insulating barrier film 411 to prevent the diffusion of copper. Further, the lower copper wiring layer 407 used for the “first electrode” of the copper filament deposition type resistance change element 499 is connected to the upper copper wiring layer via a first contact plug 404. When the potential is applied at the time of switching, it is effective in reducing the layout area of the upper copper wiring layer.

(第5の実施形態)
本発明の第5の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図5は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第5の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(Fifth embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the fifth embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the fifth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

図5に示すように、第5の実施形態に係る抵抗変化素子599は、半導体基板上に形成される銅配線層内に搭載されている。該抵抗変化素子599が設けられる多層配線層は、第一の層間絶縁膜512と、第一の層間絶縁膜512の上部に位置する第二の層間絶縁膜516とを有する。また、第5の実施形態に係る抵抗変化素子599は、、第一の電極502、抵抗変化膜501を具えている。抵抗変化素子599が具える、第一の電極502、抵抗変化膜501は、積層構造を構成しており、下層の銅配線層507a、507bの表面を被覆する第一の絶縁性バリア膜511上に形成されている。第一の電極502、抵抗変化膜501の積層構造の側面は、保護絶縁膜503によって覆われている。   As shown in FIG. 5, the variable resistance element 599 according to the fifth embodiment is mounted in a copper wiring layer formed on a semiconductor substrate. The multilayer wiring layer in which the variable resistance element 599 is provided includes a first interlayer insulating film 512 and a second interlayer insulating film 516 located above the first interlayer insulating film 512. A resistance change element 599 according to the fifth embodiment includes a first electrode 502 and a resistance change film 501. The first electrode 502 and the resistance change film 501 included in the resistance change element 599 have a laminated structure, and are on the first insulating barrier film 511 that covers the surfaces of the lower copper wiring layers 507a and 507b. Is formed. The side surface of the stacked structure of the first electrode 502 and the resistance change film 501 is covered with a protective insulating film 503.

抵抗変化膜501は、第一の絶縁性バリア膜511に開口されたホールを介して、下層の銅配線層507bの金属508bの表面に接している。従って、開口されたホール部分では、抵抗変化膜501の下面は、下層の銅配線層507bの金属508bの表面と接し、抵抗変化膜501の上面は、第一の電極502と接する構成となっている。   The resistance change film 501 is in contact with the surface of the metal 508b of the lower copper wiring layer 507b through a hole opened in the first insulating barrier film 511. Therefore, in the opened hole portion, the lower surface of the resistance change film 501 is in contact with the surface of the metal 508b of the lower copper wiring layer 507b, and the upper surface of the resistance change film 501 is in contact with the first electrode 502. Yes.

下層の層間絶縁膜510中には、下層の銅配線層507bと分離して、下層の銅配線層507aが形成されている。上層の銅配線層と一体に形成されている、第一のコンタクトプラグ504の底面は、第一の絶縁性バリア膜511に形成される開口を介して、下層の銅配線層507aの金属508aの表面に接している。   In the lower interlayer insulating film 510, a lower copper wiring layer 507a is formed separately from the lower copper wiring layer 507b. The bottom surface of the first contact plug 504 formed integrally with the upper copper wiring layer is formed of the metal 508a of the lower copper wiring layer 507a through the opening formed in the first insulating barrier film 511. It touches the surface.

下層の層間絶縁膜510に形成される、分離されている下層の銅配線用の配線溝に、それぞれ、バリアメタル509bを介して、下層の銅配線507bの金属508bが埋め込まれ、バリアメタル509aを介して、下層の銅配線507aの金属508aが埋め込まれている。下層の銅配線507bの金属508bは、銅を主成分とする金属材料であり、配線溝の側面と底面を被覆する、バリアメタル509bは、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。また、下層の銅配線507aの金属508aは、銅を主成分とする金属材料であり、配線溝の側面と底面を被覆する、バリアメタル509aは、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル509b、バリアメタル509aには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステン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 metal grooves 508b of the lower copper wiring 507b are buried in the wiring grooves for the lower copper wiring, which are formed in the lower interlayer insulating film 510, via the barrier metal 509b, respectively. The metal 508a of the lower layer copper wiring 507a is buried therethrough. The metal 508b of the lower copper wiring 507b is a metal material mainly composed of copper, and covers the side and bottom surfaces of the wiring groove. The barrier metal 509b is a conductive film having a barrier property against copper diffusion. It is. Further, the metal 508a of the lower copper wiring 507a is a metal material mainly composed of copper, and the barrier metal 509a covering the side and bottom surfaces of the wiring groove is a conductive material having a barrier property against copper diffusion. It is a sex membrane. As the barrier metal 509b and the barrier metal 509a, a refractory metal such as tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten carbonitride, a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used.

下層の銅配線層507b、507aの表面を被覆する第一の絶縁性バリア膜511は、下層の銅配線層507b、507aの表面から銅の拡散を防止するため、SiN膜、SiCN膜、SiC膜など、あるいは、それらの積層構造で形成される。保護絶縁膜403は、SiN膜を利用して、形成されている。   The first insulating barrier film 511 that covers the surfaces of the lower copper wiring layers 507b and 507a is formed of an SiN film, an SiCN film, and an SiC film in order to prevent copper from diffusing from the surface of the lower copper wiring layers 507b and 507a. Or a stacked structure thereof. The protective insulating film 403 is formed using a SiN film.

第5の実施形態に係る抵抗変化素子599は、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子を構成している。銅を主成分とする金属材料で構成される、下層の銅配線507bの金属508bは、電気化学反応によって、銅イオンを生成し、抵抗変化膜501中に供給する「イオン供給層」として機能する。その際、下層の銅配線507bの金属508bを形成している「銅」中には、不純物として、Al、Ti、スズ(Sn)、Mgなどの金属が含有されていてもよい。   The resistance change element 599 according to the fifth embodiment constitutes a copper filament deposition type resistance change element. The metal 508b of the lower copper wiring 507b made of a metal material mainly composed of copper functions as an “ion supply layer” that generates copper ions by an electrochemical reaction and supplies the copper ions into the resistance change film 501. . At that time, the “copper” forming the metal 508b of the lower-layer copper wiring 507b may contain metals such as Al, Ti, tin (Sn), and Mg as impurities.

抵抗変化膜501は、銅イオンの伝導が可能な固体電解質で形成し、「イオン伝導層」として利用される。銅イオンの伝導が可能な固体電解質として、TaO、TaSiO、SiO2、ZrO2、HfO2、TiO2、Al23、有機ポリマー膜、SiOを含む有機ポリマー膜などを用いることができる。 The resistance change film 501 is formed of a solid electrolyte capable of conducting copper ions and is used as an “ion conductive layer”. As a solid electrolyte capable of conducting copper ions, it can be used TaO, TaSiO, SiO 2, ZrO 2, HfO 2, TiO 2, Al 2 O 3, an organic polymer film, or an organic polymer film containing SiO.

第一の電極502は、銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属を含む電極である。銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属として、RuやPtなどを用いることができる。第一の電極502は、抵抗変化膜501と接する、下層部分と、該下層部分に積層される上層部分とからなる積層構造を構成してもよく、その際、下層部分は、銅よりも、酸化(金属から金属イオンが生成する過程)の標準生成ギブズエネルギーΔGの絶対値が小さい金属で形成する。例えば、第一の電極502として、Ru(下層)/Ta(上層)の積層構造を用いてもよい。   The first electrode 502 is an electrode containing a metal having a smaller absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal) than copper. Ru, Pt, or the like can be used as a metal having a smaller absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal) than copper. The first electrode 502 may constitute a laminated structure composed of a lower layer portion in contact with the resistance change film 501 and an upper layer portion laminated on the lower layer portion. In this case, the lower layer portion is made of copper, It is formed of a metal having a small absolute value of standard generation Gibbs energy ΔG of oxidation (a process in which metal ions are generated from metal). For example, a laminated structure of Ru (lower layer) / Ta (upper layer) may be used as the first electrode 502.

すなわち、固体電解質からなる抵抗変化膜501を「イオン伝導層」とし、下層の銅配線層507bの銅配線508bを「イオン供給層」として機能する「第1電極」、第一の電極502を「第2電極」とする、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子が構成されている。   That is, the resistance change film 501 made of a solid electrolyte is an “ion conductive layer”, the copper wiring 508 b of the lower copper wiring layer 507 b is a “first electrode” that functions as an “ion supply layer”, and the first electrode 502 is “ A resistance change element of a copper filament deposition type, which is a “second electrode”, is configured.

なお、図5に示す構成では、下層の銅配線層507bの上面を被覆する第一の絶縁性バリア膜511に開口されたホールの側壁面は、テーパが無く、該開口の形成は、異方性エッチング法を利用している。また、第一の絶縁性バリア膜511に開口されたホール内に形成されている、抵抗変化膜501の膜厚t2は、その周囲の第一の絶縁性バリア膜511の上面に形成されている、抵抗変化膜501の膜厚t1より、厚くなっている。結果的に、抵抗変化膜501の上面は、開口されたホール内と、その周囲の第一の絶縁性バリア膜511の上面の領域の間で、実質的な段差が無い状態となっている。換言すると、開口されたホールの深さは、第一の絶縁性バリア膜511の膜厚t3に対応しており、t2=(t1+t3)の関係を満たす、「埋め込み成長」が達成されている。 In the structure shown in FIG. 5, the side wall surface of the hole opened in the first insulating barrier film 511 covering the upper surface of the lower copper wiring layer 507b has no taper, and the formation of the opening is anisotropic. Etching method is used. The film thickness t 2 of the resistance change film 501 formed in the hole opened in the first insulating barrier film 511 is formed on the upper surface of the surrounding first insulating barrier film 511. The resistance change film 501 is thicker than the film thickness t 1 . As a result, the upper surface of the resistance change film 501 is in a state where there is no substantial step between the inside of the opened hole and the region of the upper surface of the first insulating barrier film 511 around the hole. In other words, the depth of the opened hole corresponds to the film thickness t 3 of the first insulating barrier film 511, and “buried growth” satisfying the relationship t 2 = (t 1 + t 3 ) is satisfied. Has been achieved.

第一の電極502は、実質的に「平坦化」がなされている、抵抗変化膜501の上面に、等方的な堆積法、例えば、スパッタ法を使用して、均一な膜厚に形成することが可能となっている。   The first electrode 502 is formed to have a uniform film thickness on the upper surface of the resistance change film 501 that is substantially “flattened” by using an isotropic deposition method, for example, a sputtering method. It is possible.

第一の層間絶縁膜512は、抵抗変化素子599のうち、第一の電極502、ならびに、第一の電極502、抵抗変化膜501からなる積層構造の側面を被覆する保護絶縁膜503を覆うように形成されている。加えて、第一の層間絶縁膜512は、下層の銅配線層507aと下層の層間絶縁膜510の上面を覆っている、第1の絶縁性バリア膜511の上面をも被覆するように形成されている。形成された第一の層間絶縁膜512の上面を平坦化した後、平坦化された第一の層間絶縁膜512を覆う、第二の層間絶縁膜516が形成されている。   Of the variable resistance element 599, the first interlayer insulating film 512 covers the first electrode 502 and the protective insulating film 503 that covers the side surface of the stacked structure including the first electrode 502 and the variable resistance film 501. Is formed. In addition, the first interlayer insulating film 512 is formed so as to cover the upper surface of the first insulating barrier film 511 that covers the upper surfaces of the lower copper insulating layer 507a and the lower interlayer insulating film 510. ing. After the upper surface of the formed first interlayer insulating film 512 is planarized, a second interlayer insulating film 516 is formed to cover the planarized first interlayer insulating film 512.

第一の層間絶縁膜512は、SiO2膜を利用して形成し、第二の層間絶縁膜516は、SiOC膜を利用して形成する。 The first interlayer insulating film 512 is formed using a SiO 2 film, and the second interlayer insulating film 516 is formed using a SiOC film.

第二の層間絶縁膜516中に、上層の銅配線層の形成用の配線溝、第一の層間絶縁膜512中に、第一のコンタクトプラグ504の形成用のビアホールが、一体化されて形成されている。その際、第一のコンタクトプラグ504の形成用のビアホールの底は、第一の絶縁性バリア膜511を貫通して、下層の銅配線層507aの金属508aの表面に開通している。   A wiring groove for forming an upper copper wiring layer is formed in the second interlayer insulating film 516, and a via hole for forming the first contact plug 504 is integrally formed in the first interlayer insulating film 512. Has been. At that time, the bottom of the via hole for forming the first contact plug 504 passes through the first insulating barrier film 511 and opens to the surface of the metal 508a of the lower copper wiring layer 507a.

第二の層間絶縁膜516中に、上層の銅配線層の形成用の配線溝を作製する際、第二の層間絶縁膜516を構成するSiOC膜のエッチング条件を、第一の層間絶縁膜512を構成するSiO2膜に対して、選択性を有する条件とする。その結果、第一の層間絶縁膜512を構成するSiO2膜をエッチング・ストッパとして利用でき、形成される上層の銅配線層の形成用の配線溝の底面は、第二の層間絶縁膜516と第一の層間絶縁膜512との界面に位置する。一方、上層の銅配線層の形成用の配線溝の作製に先立ち、第二の層間絶縁膜516、第一の層間絶縁膜512、第一の絶縁性バリア膜511を順次、選択的に異方性エッチングすることで、ビアホールの形成がなされる。 When the wiring groove for forming the upper copper wiring layer is formed in the second interlayer insulating film 516, the etching conditions of the SiOC film constituting the second interlayer insulating film 516 are set according to the first interlayer insulating film 512. The conditions are such that the SiO 2 film constituting the film has selectivity. As a result, the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 512 can be used as an etching stopper, and the bottom surface of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer to be formed is connected to the second interlayer insulating film 516. Located at the interface with the first interlayer insulating film 512. On the other hand, prior to the formation of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer, the second interlayer insulating film 516, the first interlayer insulating film 512, and the first insulating barrier film 511 are selectively anisotropically sequentially formed. The via hole is formed by reactive etching.

第二の層間絶縁膜516の形成を終えた後、抵抗変化素子599の保護絶縁膜503に対して、近接して配置される、下層の銅配線層507aの金属508aの表面に達する、第一のコンタクトプラグ404の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第二の層間絶縁膜516、第一の層間絶縁膜512、第一の絶縁性バリア膜511を順次、選択的に異方性エッチングする。その際、第一の層間絶縁膜512の上面から第一の層間絶縁膜512の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜512を構成する絶縁材料、SiO2膜を、選択的に異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜512を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜503を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されている。 After finishing the formation of the second interlayer insulating film 516, the first interlayer insulating film 516 reaches the surface of the metal 508a of the lower copper wiring layer 507a, which is disposed in proximity to the protective insulating film 503 of the resistance change element 599. A via hole for forming the contact plug 404 is formed. At that time, using a resist mask having an opening corresponding to the shape of the bottom end of the via hole, the second interlayer insulating film 516, the first interlayer insulating film 512, and the first insulating barrier film are used. 511 is sequentially and selectively anisotropically etched. At that time, an anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed from the upper surface of the first interlayer insulating film 512 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 512 to thereby form the first interlayer insulating film 512. An anisotropic etching is selectively performed on the insulating material and the SiO 2 film. The selective anisotropic etching conditions for the insulating material and the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 512 are selected so as to have a selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 503. Yes.

第一の層間絶縁膜512の上面から第一の層間絶縁膜512の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 512 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 512, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜512の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜503の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子599の保護絶縁膜503と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains exactly the same shape as the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 512 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 503, but the protective insulating film 503 of the resistance change element 599 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜512の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜503の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜512を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜503を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜503の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。最終的に、SiCN膜で形成される第一の絶縁性バリア膜511を、選択的に異方性エッチングするが、ビアホールの側壁面に露呈する、SiN膜で形成される保護絶縁膜503の側面への「サイド・エッチング」は極僅かに進行するのみである。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 512, the side surface of the protective insulating film 503 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, showing a slight taper. The selective anisotropic etching conditions for the insulating material and the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 512 are selected so as to have selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 503. The “side etching” on the side surface of the protective insulating film 503 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed. Finally, the first insulating barrier film 511 formed of the SiCN film is selectively anisotropically etched, but the side surface of the protective insulating film 503 formed of the SiN film is exposed on the side wall surface of the via hole. “Side etching” is only slightly progressed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜503の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ504を作製すると、図5に示すように、保護絶縁膜503の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ504の側壁面が接触した状態となる。但し、第一の電極502の側面と、第一のコンタクトプラグ504の側壁面とは、保護絶縁膜503によって、電気的に分離されている。   Since the side surface of the protective insulating film 503 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 504 is formed inside the via hole, as shown in FIG. The side surface of the formed first contact plug 504 comes into contact with the side surface of the insulating film 503. However, the side surface of the first electrode 502 and the side wall surface of the first contact plug 504 are electrically separated by the protective insulating film 503.

一体に形成されている、上層の銅配線層の形成用の配線溝と、第一のコンタクトプラグ504の形成用のビアホールに、バリアメタル506を介して、第一のコンタクトプラグ504の金属505が埋め込まれ、上層の銅配線と一体化された第一のコンタクトプラグ504が形成されている。第一のコンタクトプラグ504の金属505は、銅を主成分とする金属材料であり、配線溝、ビアホールの側面と底面を被覆する、バリアメタル506は、銅の拡散に対して、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル506には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステン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 metal 505 of the first contact plug 504 is formed through the barrier metal 506 in the wiring groove for forming the upper copper wiring layer and the via hole for forming the first contact plug 504 that are integrally formed. A first contact plug 504 that is embedded and integrated with the upper copper wiring is formed. The metal 505 of the first contact plug 504 is a metal material mainly composed of copper, and covers the side and bottom surfaces of the wiring grooves and via holes. The barrier metal 506 has a barrier property against copper diffusion. It is a conductive film. As the barrier metal 506, a refractory metal such as tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten carbonitride, a nitride thereof, or a stacked film thereof can be used.

作製された上層の銅配線層と、第二の層間絶縁膜516の上面を、平坦化した後、第二の絶縁性バリア膜513により被覆している。上層の銅配線層の表面を被覆する第二の絶縁性バリア膜513は、上層の銅配線層の表面から銅の拡散を防止するため、SiN膜、SiCN膜、SiC膜など、あるいは、それらの積層構造で形成される。   The upper copper wiring layer thus fabricated and the upper surface of the second interlayer insulating film 516 are planarized and then covered with the second insulating barrier film 513. The second insulating barrier film 513 covering the surface of the upper copper wiring layer is a SiN film, a SiCN film, a SiC film, or the like in order to prevent copper from diffusing from the surface of the upper copper wiring layer. It is formed with a laminated structure.

図5に示す構成を選択すると、上層の銅配線層と一体化する第一のコンタクトプラグ504は、抵抗変化膜501の保護絶縁膜503に接するように、最近接する位置に形成される。その際、下層の銅配線層507bと、下層の銅配線層507aは、分離して形成されており、第一のコンタクトプラグ504を介して、上層の銅配線層と下層の銅配線層507aが電気的に接続されている。   When the configuration shown in FIG. 5 is selected, the first contact plug 504 integrated with the upper copper wiring layer is formed at the closest position so as to be in contact with the protective insulating film 503 of the resistance change film 501. At that time, the lower copper wiring layer 507b and the lower copper wiring layer 507a are formed separately, and the upper copper wiring layer and the lower copper wiring layer 507a are connected via the first contact plug 504. Electrically connected.

また、図5に示す構成では、上層の銅配線層を、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子599の「第2電極」として利用される、第一の電極502の上部を覆う配置に作製されている。銅フィラメント析出型の抵抗変化素子599に対する、上層の銅配線層のレイアウト位置の自由度を増す効果を有する。   Further, in the configuration shown in FIG. 5, the upper copper wiring layer is formed so as to cover the upper part of the first electrode 502 that is used as the “second electrode” of the resistance change element 599 of the copper filament deposition type. Yes. This has the effect of increasing the degree of freedom of the layout position of the upper copper wiring layer with respect to the resistance change element 599 of the copper filament deposition type.

(第6の実施形態)
本発明の第6の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図6は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第6の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例を模式的に示す断面図である。
(Sixth embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the sixth embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a resistance change element according to the sixth embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

図6に示す、第6の実施形態に係る抵抗変化素子は、3端子固体電解質スイッチの形態に構成されている。具体的には、固体電解質からなる抵抗変化膜を利用する、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子二つを、共通の「第2電極」を介して、図13に模式的に示す形態で連結することで構成され、3端子固体電解質スイッチとして機能する。   The variable resistance element according to the sixth embodiment shown in FIG. 6 is configured in the form of a three-terminal solid electrolyte switch. Specifically, two resistance change elements of a copper filament deposition type using a resistance change film made of a solid electrolyte are connected in a form schematically shown in FIG. 13 through a common “second electrode”. And functions as a three-terminal solid electrolyte switch.

図6に示す、抵抗変化素子699は、下層の銅配線層610aの銅配線608a、下層の銅配線層610bの銅配線608bの二つの銅配線を、それぞれ、「イオン供給層」として機能する「第1電極」として利用し、3端子固体電解質スイッチを構成している。抵抗変化膜603は、固体電解質により形成され、「イオン伝導層」として機能する。該抵抗変化膜603の上面に接する「第1の電極」604は、第1上部電極604aと第2上部電極604bからなる積層構造となっている。「第1の電極」604のうち、第1上部電極604aが、抵抗変化膜603の上面に接している。「第1の電極」604の上面、すなわち、第2上部電極604bの上面には、上面保護膜607が設けられている。   The resistance change element 699 shown in FIG. 6 functions as an “ion supply layer” with two copper wirings of the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a and the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b. It is used as a “first electrode” to constitute a three-terminal solid electrolyte switch. The resistance change film 603 is formed of a solid electrolyte and functions as an “ion conductive layer”. The “first electrode” 604 in contact with the upper surface of the resistance change film 603 has a laminated structure including a first upper electrode 604a and a second upper electrode 604b. Of the “first electrode” 604, the first upper electrode 604 a is in contact with the upper surface of the resistance change film 603. An upper surface protective film 607 is provided on the upper surface of the “first electrode” 604, that is, on the upper surface of the second upper electrode 604 b.

抵抗変化素子699の抵抗変化膜603と「第1の電極」604は、第一の絶縁性バリア膜601の上面に形成されている。   The resistance change film 603 and the “first electrode” 604 of the resistance change element 699 are formed on the upper surface of the first insulating barrier film 601.

抵抗変化膜603は、第一の絶縁性バリア膜601に開口されたホールを介して、下層の銅配線層610aの銅配線608aの表面、ならびに、下層の銅配線層610bの銅配線608bの表面に接している。従って、開口されたホール部分では、抵抗変化膜603の下面は、「イオン供給層」として機能する「第1電極」、すなわち、下層の銅配線層610aの銅配線608a、ならびに、下層の銅配線層610bの銅配線608bと接し、抵抗変化膜603の上面は、「第2電極」として機能する第一の電極604と接する構成となっている。従って、抵抗変化素子699は、二つの「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」が「第2電極」を介して並列に連結されている構成の、3端子固体電解質スイッチとなっている。   The resistance change film 603 is formed on the surface of the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a and the surface of the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b through the holes opened in the first insulating barrier film 601. Is in contact with Therefore, in the opened hole portion, the lower surface of the resistance change film 603 is the “first electrode” functioning as the “ion supply layer”, that is, the copper wiring 608 a of the lower copper wiring layer 610 a and the lower copper wiring. The layer 610b is in contact with the copper wiring 608b, and the upper surface of the resistance change film 603 is in contact with the first electrode 604 functioning as the “second electrode”. Therefore, the resistance change element 699 is a three-terminal solid electrolyte switch in which two “copper filament deposited resistance change elements” are connected in parallel via the “second electrode”.

抵抗変化膜603、第1上部電極604aと第2上部電極604b、上面保護膜607の側面は、保護絶縁膜605で被覆されている。その結果、少なくとも、抵抗変化膜603、第1上部電極604aと第2上部電極604bの側面は保護絶縁膜605で被覆され、第2上部電極604bの上面は、上面保護膜607で被覆される形態となっている。   Side surfaces of the resistance change film 603, the first upper electrode 604 a and the second upper electrode 604 b, and the upper surface protective film 607 are covered with a protective insulating film 605. As a result, at least the resistance change film 603, the side surfaces of the first upper electrode 604a and the second upper electrode 604b are covered with the protective insulating film 605, and the upper surface of the second upper electrode 604b is covered with the upper surface protective film 607. It has become.

例えば、抵抗変化膜603の形成に用いる固体電解質として、SiOを含む有機ポリマー膜を選択することが好ましい。また、第1上部電極604aは、Ruを用いて、第2上部電極604bは、Ta、あるいはTaNを用いて、それぞれ形成することができる。   For example, it is preferable to select an organic polymer film containing SiO as the solid electrolyte used for forming the resistance change film 603. The first upper electrode 604a can be formed using Ru, and the second upper electrode 604b can be formed using Ta or TaN.

上面保護膜607は、保護絶縁膜605と同一材料を用いて、形成することが好ましい。保護絶縁膜605、上面保護膜607は、第一の層間絶縁膜602を形成する過程で、抵抗変化膜603、第1上部電極604aと第2上部電極604bが、酸素による酸化を受けることを防止し、また、水分の侵入を防止する機能を有する、絶縁膜で形成する。さらには、抵抗変化膜603を形成する固体電解質として、イオン伝導性を示す酸化膜を採用する際には、保護絶縁膜605は、該固体電解質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605、上面保護膜607は、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いて、形成することが好ましい。   The upper surface protective film 607 is preferably formed using the same material as the protective insulating film 605. The protective insulating film 605 and the upper surface protective film 607 prevent the resistance change film 603, the first upper electrode 604a, and the second upper electrode 604b from being oxidized by oxygen in the process of forming the first interlayer insulating film 602. In addition, the insulating film has a function of preventing moisture from entering. Further, when an oxide film exhibiting ion conductivity is employed as the solid electrolyte for forming the resistance change film 603, the protective insulating film 605 is an insulating film having a function of preventing desorption of oxygen from the solid electrolyte. It is. The protective insulating film 605 and the upper surface protective film 607 are preferably formed using, for example, a SiN film, a SiCN film, or the like.

下層の銅配線層610aは、下層の層間絶縁膜611に形成された第1の配線溝に、バリアメタル609aを介して埋め込まれた銅配線608aからなる。下層の銅配線層610bは、下層の層間絶縁膜611に形成された第2の配線溝に、バリアメタル609bを介して埋め込まれた銅配線608bからなる。下層の銅配線層610a、下層の銅配線層910bの上面には、第一の絶縁性バリア膜601が形成されている。該第一の絶縁性バリア膜601は、下層の銅配線層610a、下層の銅配線層610b上面から銅の拡散を防止するバリア膜として機能する。第一の絶縁性バリア膜601の形成には、SiN膜、SiCN膜などを用いることが好ましい。   The lower copper wiring layer 610a is made of a copper wiring 608a embedded in a first wiring groove formed in the lower interlayer insulating film 611 via a barrier metal 609a. The lower copper wiring layer 610b is made of a copper wiring 608b embedded in a second wiring groove formed in the lower interlayer insulating film 611 via a barrier metal 609b. A first insulating barrier film 601 is formed on the upper surfaces of the lower copper wiring layer 610a and the lower copper wiring layer 910b. The first insulating barrier film 601 functions as a barrier film that prevents diffusion of copper from the upper surface of the lower copper wiring layer 610a and the lower copper wiring layer 610b. For the formation of the first insulating barrier film 601, it is preferable to use a SiN film, a SiCN film, or the like.

第一の層間絶縁膜602は、第一の絶縁性バリア膜601の上面を被覆している。さらに、第一の層間絶縁膜602の上部に、第二の層間絶縁膜616が形成されている。その際、第三の層間絶縁膜616は、第一の層間絶縁膜602の平坦化された上面の上に形成されている。   The first interlayer insulating film 602 covers the upper surface of the first insulating barrier film 601. Further, a second interlayer insulating film 616 is formed on the first interlayer insulating film 602. At that time, the third interlayer insulating film 616 is formed on the planarized upper surface of the first interlayer insulating film 602.

第二の層間絶縁膜616中には、上層の銅配線層615a、上層の銅配線層615bが形成されている。第二の層間絶縁膜616に形成される上層の銅配線層615a、上層の銅配線層615bは、それぞれ、第一の層間絶縁膜602と第一の絶縁性バリア膜601を貫通して形成される、第一のコンタクトプラグ625a、625bと一体に形成されている。   In the second interlayer insulating film 616, an upper copper wiring layer 615a and an upper copper wiring layer 615b are formed. The upper copper wiring layer 615a and the upper copper wiring layer 615b formed in the second interlayer insulating film 616 are formed through the first interlayer insulating film 602 and the first insulating barrier film 601, respectively. The first contact plugs 625a and 625b are integrally formed.

上層の銅配線層615aと第一のコンタクトプラグ625aは、第二の層間絶縁膜616に形成される配線溝と、第二の層間絶縁膜602と第一の絶縁性バリア膜601を貫通して形成されるビアホールに、バリアメタル913aを介して埋め込まれた銅配線614aからなる。上層の銅配線層615a用の配線溝と一体化されて形成される、第一のコンタクトプラグ625a用のビアホールは、第一の絶縁性バリア膜601に形成された開口を介して、下層の銅配線層610aの銅配線608aの表面に開通されている。   The upper copper wiring layer 615a and the first contact plug 625a penetrate through the wiring groove formed in the second interlayer insulating film 616, the second interlayer insulating film 602, and the first insulating barrier film 601. It consists of a copper wiring 614a embedded in a via hole to be formed via a barrier metal 913a. A via hole for the first contact plug 625a formed integrally with the wiring groove for the upper copper wiring layer 615a is formed through the opening formed in the first insulating barrier film 601 through the lower copper wiring. The surface of the copper wiring 608a of the wiring layer 610a is opened.

上層の銅配線層615bと第一のコンタクトプラグ625bは、第二の層間絶縁膜616に形成される配線溝と、第二の層間絶縁膜602と第一の絶縁性バリア膜601を貫通して形成されるビアホールに、バリアメタル613bを介して埋め込まれた銅配線614bからなる。上層の銅配線層615b用の配線溝と一体化されて形成される、第一のコンタクトプラグ625b用のビアホールは、第一の絶縁性バリア膜601に形成された開口を介して、下層の銅配線層610bの銅配線608bの表面に開通されている。   The upper copper wiring layer 615b and the first contact plug 625b penetrate through the wiring groove formed in the second interlayer insulating film 616, the second interlayer insulating film 602, and the first insulating barrier film 601. It consists of a copper wiring 614b embedded in a via hole to be formed via a barrier metal 613b. A via hole for the first contact plug 625b, which is formed integrally with the wiring groove for the upper copper wiring layer 615b, is formed through the opening formed in the first insulating barrier film 601 through the lower copper wiring layer 601b. The surface of the copper wiring 608b of the wiring layer 610b is opened.

上層の銅配線層615a、上層の銅配線層615bの表面は、該上層の銅配線層615aの銅配線614a、上層の銅配線層615bの銅配線914bから銅の拡散を防止するため、第二の絶縁性バリア膜612で被覆されている。第二の絶縁性バリア膜601と同様に、該第二の絶縁性バリア膜612の形成には、SiN膜、SiCN膜などを用いることが好ましい。   The surfaces of the upper copper wiring layer 615a and the upper copper wiring layer 615b are formed in order to prevent copper diffusion from the copper wiring 614a of the upper copper wiring layer 615a and the copper wiring 914b of the upper copper wiring layer 615b. The insulating barrier film 612 is covered. Similar to the second insulating barrier film 601, it is preferable to use a SiN film, a SiCN film, or the like for the formation of the second insulating barrier film 612.

下層の銅配線層610aのバリアメタル609aは、下層の銅配線層610aの銅配線608aの主成分である銅が、下層の層間絶縁膜611中に拡散することを防止するために、銅配線608aの側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。下層の銅配線層610bのバリアメタル609bは、下層の銅配線層610bの銅配線608bの主成分である銅が、下層の層間絶縁膜611中に拡散することを防止するために、銅配線608bの側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。   The barrier metal 609a of the lower copper wiring layer 610a is formed of a copper wiring 608a in order to prevent copper, which is the main component of the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a, from diffusing into the lower interlayer insulating film 611. It is the electroconductive film which has the barrier property which coat | covers the side surface and bottom face of this. The barrier metal 609b of the lower copper wiring layer 610b is formed of a copper wiring 608b to prevent copper, which is the main component of the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b, from diffusing into the lower interlayer insulating film 611. It is the electroconductive film which has the barrier property which coat | covers the side surface and bottom face of this.

同様に、上層の銅配線層615aのバリアメタル613aは、上層の銅配線層615aの銅配線614aの主成分である銅が、第二の層間絶縁膜616中、第一の層間絶縁膜602中に拡散することを防止するために、銅配線614aの側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。上層の銅配線層615bのバリアメタル613bは、上層の銅配線層615bの銅配線614bの主成分である銅が、第二の層間絶縁膜616中、第一の層間絶縁膜602中に拡散することを防止するために、銅配線614bの側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。   Similarly, in the barrier metal 613a of the upper copper wiring layer 615a, copper which is the main component of the copper wiring 614a of the upper copper wiring layer 615a is contained in the second interlayer insulating film 616 and the first interlayer insulating film 602. In order to prevent diffusion into the conductive film, it is a conductive film having a barrier property that covers the side surface and the bottom surface of the copper wiring 614a. In the barrier metal 613b of the upper copper wiring layer 615b, copper, which is the main component of the copper wiring 614b of the upper copper wiring layer 615b, diffuses into the first interlayer insulating film 602 in the second interlayer insulating film 616. In order to prevent this, it is a conductive film having a barrier property covering the side and bottom surfaces of the copper wiring 614b.

下層の銅配線層610aのバリアメタル609a、下層の銅配線層610bのバリアメタル609b、上層の銅配線層615aのバリアメタル613a、上層の銅配線層615bのバリアメタル613bには、銅の拡散に対するバリア性を有する導電性膜、例えば、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、あるいは、それらの積層膜が用いられる。   The barrier metal 609a of the lower copper wiring layer 610a, the barrier metal 609b of the lower copper wiring layer 610b, the barrier metal 613a of the upper copper wiring layer 615a, and the barrier metal 613b of the upper copper wiring layer 615b are protected against copper diffusion. Conductive film having a barrier property, for example, refractory metal such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), tungsten carbonitride (WCN), nitrides thereof, or a laminate thereof A membrane is used.

図6に示す、第6の実施形態に係る抵抗変化素子では、第一の層間絶縁膜602と第二の層間絶縁膜616は、異なる絶縁材料で形成される。第一の層間絶縁膜602の形成には、SiO2膜を用い、第二の層間絶縁膜616の形成には、SiOC膜またはSiOCH膜を用いる。 In the variable resistance element according to the sixth embodiment shown in FIG. 6, the first interlayer insulating film 602 and the second interlayer insulating film 616 are formed of different insulating materials. A SiO 2 film is used to form the first interlayer insulating film 602, and a SiOC film or a SiOCH film is used to form the second interlayer insulating film 616.

また、下層の層間絶縁膜611の形成には、SiO2膜、あるいは、SiOC膜、SiOCH膜を用いることができる。 The lower interlayer insulating film 611 can be formed using a SiO 2 film, a SiOC film, or a SiOCH film.

図6に示すように、第一の絶縁性バリア膜601に開口されたホール領域には、下層の銅配線層610a、下層の銅配線層610bに加えて、下層の層間絶縁膜611も露呈している。第一の絶縁性バリア膜601にホールを開口する工程において、SiCN膜のエッチング条件では、露呈している下層の層間絶縁膜611の一部もエッチング除去され、凹部が形成されている。該凹部を埋め込むように、抵抗変化膜603が形成されている。   As shown in FIG. 6, in the hole region opened in the first insulating barrier film 601, in addition to the lower copper wiring layer 610a and the lower copper wiring layer 610b, the lower interlayer insulating film 611 is also exposed. ing. In the step of opening holes in the first insulating barrier film 601, under the etching conditions of the SiCN film, a part of the exposed lower interlayer insulating film 611 is also etched away to form a recess. A resistance change film 603 is formed so as to fill the recess.

該凹部に形成される抵抗変化膜603は、下層の銅配線層610aのバリアメタル609a、あるいは、下層の銅配線層610bのバリアメタル609bと接する。その際、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層610aのバリアメタル609a、あるいは、下層の銅配線層610bのバリアメタル609bにより挟まれる構成は、金属フィラメント析出型の抵抗変化素子として機能しない。   The resistance change film 603 formed in the recess contacts the barrier metal 609a of the lower copper wiring layer 610a or the barrier metal 609b of the lower copper wiring layer 610b. At that time, the resistance change film 603 is sandwiched between the first electrode 604 functioning as the “second electrode” and the barrier metal 609a of the lower copper wiring layer 610a or the barrier metal 609b of the lower copper wiring layer 610b. The configuration does not function as a resistance change element of a metal filament deposition type.

従って、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層610aの銅配線608aにより挟まれる構成と、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層610bの銅配線608bにより挟まれる構成のみが、それぞれ、独立した「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」として機能する。図6に例示するように、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層610aの銅配線608aにより挟まれる部位の面積Saと、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層610bの銅配線608bにより挟まれる部位の面積Sbは、それぞれ、独立に設定することが可能である。換言すると、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層(第1の銅配線)610aの銅配線608aにより挟まれる部位からなる「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」の「ON」状態の抵抗値と、抵抗変化膜603が、「第2電極」として機能する第一の電極604と、下層の銅配線層(第1の銅配線)610bの銅配線608bにより挟まれる部位からなる「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」の「ON」状態の抵抗値は、それぞれ、独立に設定することが可能である。   Therefore, the structure in which the resistance change film 603 is sandwiched between the first electrode 604 functioning as the “second electrode” and the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a, and the resistance change film 603 is the “second electrode”. Only the structure sandwiched between the first electrode 604 that functions as the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b functions as an independent “copper filament deposited resistance change element”. As illustrated in FIG. 6, the resistance change film 603 includes a first electrode 604 functioning as a “second electrode”, an area Sa of a portion sandwiched by the copper wiring 608 a of the lower copper wiring layer 610 a, and a resistance change. The area Sb of the portion where the film 603 is sandwiched between the first electrode 604 functioning as the “second electrode” and the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b can be set independently. In other words, the resistance change film 603 is a “copper filament composed of a portion sandwiched between the first electrode 604 functioning as the“ second electrode ”and the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer (first copper wiring) 610a. The resistance value of the “deposition type resistance change element” in the “ON” state, the first electrode 604 in which the resistance change film 603 functions as the “second electrode”, and the lower copper wiring layer (first copper wiring) 610b The resistance value in the “ON” state of the “copper filament deposition type resistance change element” composed of the portion sandwiched between the copper wirings 608b can be set independently.

ホールの開口部において、第一の絶縁性バリア膜601の側壁面は、テーパを示している。該テーパ形状の側壁面を形成するため、第一の絶縁性バリア膜601のエッチングは、等方的なエッチング法、例えば、反応性ドライ・エッチング法を利用して実施される。第一の絶縁性バリア膜601の等方的なエッチングに利用される、反応性ドライ・エッチングの条件には、銅配線608aとバリアメタル609a、銅配線608bとバリアメタル609bに対して、選択性を有する条件が選択される。一方、選択される反応性ドライ・エッチングの条件では、下層の層間絶縁膜611を構成する、例えば、SiO2膜も若干エッチングされる。結果的に、下層の層間絶縁膜611の一部もエッチング除去され、凹部が形成されている。 In the opening of the hole, the side wall surface of the first insulating barrier film 601 shows a taper. In order to form the tapered side wall surface, the first insulating barrier film 601 is etched using an isotropic etching method, for example, a reactive dry etching method. The reactive dry etching conditions used for isotropic etching of the first insulating barrier film 601 are selective to the copper wiring 608a and the barrier metal 609a, and the copper wiring 608b and the barrier metal 609b. A condition having is selected. On the other hand, under the selected reactive dry etching conditions, for example, the SiO 2 film constituting the lower interlayer insulating film 611 is also slightly etched. As a result, a part of the lower interlayer insulating film 611 is also removed by etching to form a recess.

形成される凹部の側壁面、ならびに、第一の絶縁性バリア膜601のテーパ形状の側壁面を含め、ホールの開口部と、その周囲の第一の絶縁性バリア膜601の上面に、抵抗変化膜603の形成に使用する、固体電解質膜を均一な膜厚で堆積する。従って、抵抗変化膜603の形成に使用する、固体電解質膜は、ステップ・カバレージ性に優れる、等方的な堆積法、例えば、プラズマCVD法やスパッタ法を利用して堆積される。凹部の側壁面に露呈する、下層の銅配線層610aのバリアメタル609a、下層の銅配線層610bのバリアメタル609bは、逆テーパ形状であるが、該逆テーパ形状の側壁面も、固体電解質膜で被覆される。   A resistance change occurs in the opening of the hole and the upper surface of the first insulating barrier film 601 around the hole including the side wall surface of the recess to be formed and the tapered side wall surface of the first insulating barrier film 601. A solid electrolyte film used for forming the film 603 is deposited with a uniform film thickness. Therefore, the solid electrolyte film used for forming the resistance change film 603 is deposited by using an isotropic deposition method having excellent step coverage, for example, a plasma CVD method or a sputtering method. The barrier metal 609a of the lower copper wiring layer 610a and the barrier metal 609b of the lower copper wiring layer 610b that are exposed on the side wall surface of the recess have a reverse taper shape, and the side wall surface of the reverse taper shape is also solid electrolyte membrane. Covered with.

抵抗変化膜603の上面に、第1上部電極604aの形成に使用するRuを均一な膜厚で堆積する。従って、第1上部電極604aの形成に使用するRuは、ステップ・カバレージ性に優れる、等方的な堆積法、例えば、スパッタ法を利用して堆積される。第1上部電極604aの上面に、第2上部電極604bの形成に使用するTaNを均一な膜厚で堆積する。従って、第2上部電極604bの形成に使用するTaNは、ステップ・カバレージ性に優れる、等方的な堆積法、例えば、スパッタ法、プラズマCVD法を利用して堆積される。   On the upper surface of the resistance change film 603, Ru used for forming the first upper electrode 604a is deposited with a uniform film thickness. Therefore, Ru used for forming the first upper electrode 604a is deposited by using an isotropic deposition method having excellent step coverage, for example, a sputtering method. TaN used to form the second upper electrode 604b is deposited on the upper surface of the first upper electrode 604a with a uniform film thickness. Therefore, TaN used for forming the second upper electrode 604b is deposited using an isotropic deposition method having excellent step coverage, for example, a sputtering method or a plasma CVD method.

ホールの開口部に形成されている凹部は、抵抗変化膜603の形成に使用する、固体電解質膜、第1上部電極604aの形成に使用するRu、第2上部電極604bの形成に使用するTaNを順次、等方的な堆積法を使用して堆積する過程で、逆テーパ形状の「鋭角的な隅部」は、次第に「埋め込まれた」状態となる。   The recess formed in the opening of the hole includes a solid electrolyte film used for forming the resistance change film 603, Ru used for forming the first upper electrode 604a, and TaN used for forming the second upper electrode 604b. In the process of sequentially depositing using an isotropic deposition method, the “tapered corner” having an inversely tapered shape gradually becomes “buried”.

図6に示す、第6の実施形態に係る抵抗変化素子では、第2上部電極604bの形成に使用するTaNの堆積を終了した時点では、堆積されたTaN膜の上面には、凹部は残るものの、その側壁部の形状は滑かな曲面となっている。第2上部電極604bの上面に、上面保護膜607の形成に使用するSiN膜を均一な膜厚で堆積する。従って、上面保護膜607の形成に使用するSiN膜は、ステップ・カバレージ性に優れる、等方的な堆積法、例えば、プラズマCVD法、スパッタ法を利用して堆積される。   In the variable resistance element according to the sixth embodiment shown in FIG. 6, when the deposition of TaN used for forming the second upper electrode 604b is finished, a recess remains on the upper surface of the deposited TaN film. The shape of the side wall is a smooth curved surface. A SiN film used to form the upper surface protective film 607 is deposited on the upper surface of the second upper electrode 604b with a uniform film thickness. Therefore, the SiN film used for forming the upper surface protective film 607 is deposited using an isotropic deposition method having excellent step coverage, for example, a plasma CVD method or a sputtering method.

第一の絶縁性バリア膜601の上面に堆積された、抵抗変化膜603、第1上部電極604aと第2上部電極604b、上面保護膜607からなる積層構造は、パターニングされ、その後、該積層構造の側面を被覆する、絶縁保護膜605が形成される。絶縁保護膜605の形成には、SiN膜が利用されている。   The laminated structure composed of the resistance change film 603, the first upper electrode 604a and the second upper electrode 604b, and the upper surface protective film 607 deposited on the upper surface of the first insulating barrier film 601 is patterned, and then the laminated structure. An insulating protective film 605 is formed to cover the side surfaces of the film. A SiN film is used to form the insulating protective film 605.

SiN膜で形成される、上面保護膜607と絶縁保護膜605、ならびに、SiCN膜で形成される第一の絶縁性バリア膜601の上面を被覆する、第一の層間絶縁膜602の形成に利用する、SiO2膜は、ステップ・カバレージ性に優れる、等方的な堆積法、例えば、プラズマCVD法、スパッタ法を利用して堆積される。 Used for forming the upper surface protective film 607 and the insulating protective film 605 formed of the SiN film, and the first interlayer insulating film 602 covering the upper surface of the first insulating barrier film 601 formed of the SiCN film. The SiO 2 film is deposited using an isotropic deposition method having excellent step coverage, for example, a plasma CVD method or a sputtering method.

その際、第一の層間絶縁膜602の形成に利用する、SiO2膜の上面中、上面保護膜607と絶縁保護膜605によって覆われている、積層構造の上部に対応する部分は、第一の絶縁性バリア膜601の上面の上部に相当する領域と比較すると、凸部を形成している。第二の層間絶縁膜616の作製に先立ち、第一の層間絶縁膜602の形成に利用する、SiO2膜の平坦化を行う。具体的には、堆積されたSiO2膜の上面に、例えば、CMP法を利用して、研磨処理を施し、平坦化する。 At this time, the portion corresponding to the upper part of the laminated structure covered with the upper surface protective film 607 and the insulating protective film 605 in the upper surface of the SiO 2 film used for forming the first interlayer insulating film 602 is Compared with the region corresponding to the upper part of the upper surface of the insulating barrier film 601, a convex portion is formed. Prior to the formation of the second interlayer insulating film 616, the SiO 2 film used for forming the first interlayer insulating film 602 is planarized. Specifically, the upper surface of the deposited SiO 2 film is subjected to a polishing process by using, for example, a CMP method to be planarized.

平坦化がなされた、第一の層間絶縁膜602の上面に、第二の層間絶縁膜616の形成に利用する、SiOC膜を、等方的な堆積法、例えば、プラズマCVD法を利用して堆積する。堆積されるSiOC膜の膜厚は均一であり、その上面は平坦となっており、第二の層間絶縁膜616として使用される。   An SiOC film used for forming the second interlayer insulating film 616 is formed on the upper surface of the planarized first interlayer insulating film 602 by using an isotropic deposition method such as a plasma CVD method. accumulate. The deposited SiOC film has a uniform film thickness and a flat upper surface, and is used as the second interlayer insulating film 616.

第二の層間絶縁膜616中に、上層の銅配線層の形成用の配線溝を作製する際、第二の層間絶縁膜616を構成するSiOC膜のエッチング条件を、第一の層間絶縁膜602を構成するSiO2膜に対して、選択性を有する条件とする。その結果、第一の層間絶縁膜612を構成するSiO2膜をエッチング・ストッパとして利用でき、形成される上層の銅配線層の形成用の配線溝の底面は、第二の層間絶縁膜616と第一の層間絶縁膜602との界面に位置する。一方、上層の銅配線層の形成用の配線溝の作製に先立ち、第二の層間絶縁膜616、第一の層間絶縁膜602、第一の絶縁性バリア膜601を順次、選択的に異方性エッチングすることで、ビアホールの形成がなされる。 When forming a wiring groove for forming an upper copper wiring layer in the second interlayer insulating film 616, the etching conditions of the SiOC film constituting the second interlayer insulating film 616 are set according to the first interlayer insulating film 602. The conditions are such that the SiO 2 film constituting the film has selectivity. As a result, the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 612 can be used as an etching stopper, and the bottom surface of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer to be formed is connected to the second interlayer insulating film 616. Located at the interface with the first interlayer insulating film 602. On the other hand, prior to the formation of the wiring trench for forming the upper copper wiring layer, the second interlayer insulating film 616, the first interlayer insulating film 602, and the first insulating barrier film 601 are selectively anisotropically sequentially. The via hole is formed by reactive etching.

第二の層間絶縁膜616の形成を終えた後、抵抗変化素子699の保護絶縁膜605に対して、近接して配置される、下層の銅配線層610aの金属608aの表面、下層の銅配線層610bの金属608bの表面にそれぞれ達する、第一のコンタクトプラグ625a、第一のコンタクトプラグ625bの作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第二の層間絶縁膜616、第一の層間絶縁膜602、第一の絶縁性バリア膜601を順次、選択的に異方性エッチングする。その際、第一の層間絶縁膜602の上面から第一の層間絶縁膜602の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜602を構成する絶縁材料、SiO2膜を、選択的に異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜602を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜605を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されている。 After the formation of the second interlayer insulating film 616, the surface of the metal 608a of the lower copper wiring layer 610a and the lower copper wiring, which are disposed close to the protective insulating film 605 of the resistance change element 699 Via holes for forming the first contact plug 625a and the first contact plug 625b reaching the surface of the metal 608b of the layer 610b are formed. At this time, a resist mask having an opening corresponding to the shape of the lowermost hole of the via hole is used, and the second interlayer insulating film 616, the first interlayer insulating film 602, and the first insulating barrier film are used. 601 is sequentially anisotropically etched selectively. At this time, an anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed from the upper surface of the first interlayer insulating film 602 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 602 to thereby form the first interlayer insulating film 602. An anisotropic etching is selectively performed on the insulating material and the SiO 2 film. The selective anisotropic etching conditions of the insulating material and the SiO 2 film that constitute the first interlayer insulating film 602 are selected so that the SiN film that constitutes the protective insulating film 605 has selectivity. Yes.

第一の層間絶縁膜602の上面から第一の層間絶縁膜602の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 602 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 602, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜602の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜605の底部に最近接しているが、「点接触」するように、抵抗変化素子699の保護絶縁膜605と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains exactly the same shape as the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 602 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 605, but the protective insulating film 605 of the resistance change element 699 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”. .

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜602の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜605の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜602を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜605を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜605の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。最終的に、SiCN膜で形成される第一の絶縁性バリア膜601を、選択的に異方性エッチングするが、ビアホールの側壁面に露呈する、SiN膜で形成される保護絶縁膜605の側面への「サイド・エッチング」は極僅かに進行するのみである。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 602, the side surface of the protective insulating film 605 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, which shows a slight taper. As the selective anisotropic etching conditions for the insulating material and the SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 602, a condition having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 605 is selected. The “side etching” on the side surface of the protective insulating film 605 exposed on the side wall surface of the via hole does not substantially proceed. Finally, the first insulating barrier film 601 formed of the SiCN film is selectively anisotropically etched, but the side surface of the protective insulating film 605 formed of the SiN film is exposed on the side wall surface of the via hole. “Side etching” is only slightly progressed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜605の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に第一のコンタクトプラグ625a、第一のコンタクトプラグ625bを作製すると、図6に示すように、保護絶縁膜605の側面に、形成された第一のコンタクトプラグ625a、第一のコンタクトプラグ625bの側壁面が接触した状態となる。但し、第一の電極604を構成する、第1上部電極604aと第2上部電極604bの側面と、第一のコンタクトプラグ625a、第一のコンタクトプラグ625bの側壁面とは、保護絶縁膜605によって、電気的に分離されている。   Since the side surface of the protective insulating film 605 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when the first contact plug 625a and the first contact plug 625b are formed inside the via hole, FIG. 6, the side surfaces of the formed first contact plug 625 a and the first contact plug 625 b are in contact with the side surfaces of the protective insulating film 605. However, the side surfaces of the first upper electrode 604a and the second upper electrode 604b and the side wall surfaces of the first contact plug 625a and the first contact plug 625b constituting the first electrode 604 are protected by the protective insulating film 605. Are electrically separated.

図6に示す、第6の実施形態に係る抵抗変化素子は、3端子固体電解質スイッチの形態に構成されている。具体的には、固体電解質からなる抵抗変化膜を利用する、銅フィラメント析出型の抵抗変化素子二つを、共通の「第2電極」を介して、図13に模式的に示す形態で連結することで構成され、3端子固体電解質スイッチとして機能する。   The variable resistance element according to the sixth embodiment shown in FIG. 6 is configured in the form of a three-terminal solid electrolyte switch. Specifically, two resistance change elements of a copper filament deposition type using a resistance change film made of a solid electrolyte are connected in a form schematically shown in FIG. 13 through a common “second electrode”. And functions as a three-terminal solid electrolyte switch.

図6に示す、第6の実施形態に係る抵抗変化素子699は、第1上部電極604aと第2上部電極604bで構成される、第一の電極604を、共通の「第2電極」として利用し、下層の銅配線層610aの銅配線608a、下層の銅配線層610bの銅配線608bの二つの銅配線を、それぞれ、「イオン供給層」として機能する「第1電極」として利用する、二つの「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」を構成している。その際、二つの「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」は、図13に模式的に示す形態で連結されており、3端子固体電解質スイッチを構成している。二つの「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」の「第1電極」、すなわち、下層の銅配線層610aの銅配線608a、下層の銅配線層610bの銅配線608bの二つの銅配線は、それぞれ、第一のコンタクトプラグ625a、第一のコンタクトプラグ625bを介して、上層の銅配線層615a、上層銅配線層615bと電気的に接続されている。従って、上層の銅配線層615a、上層銅配線層615bの面積レイアウトを小さく維持した、3端子固体電解質スイッチが形成できている。   The variable resistance element 699 according to the sixth embodiment illustrated in FIG. 6 uses the first electrode 604 configured by the first upper electrode 604a and the second upper electrode 604b as a common “second electrode”. The two copper wirings, ie, the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a and the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b, are each used as a “first electrode” that functions as an “ion supply layer”. One “copper filament deposition type resistance change element” is configured. At that time, the two “copper filament deposition type resistance change elements” are connected in a form schematically shown in FIG. 13 to form a three-terminal solid electrolyte switch. The “first electrode” of the two “copper filament deposition type resistance change elements”, that is, the two copper wirings of the copper wiring 608a of the lower copper wiring layer 610a and the copper wiring 608b of the lower copper wiring layer 610b, respectively, The upper copper wiring layer 615a and the upper copper wiring layer 615b are electrically connected via the first contact plug 625a and the first contact plug 625b. Therefore, a three-terminal solid electrolyte switch in which the area layout of the upper copper wiring layer 615a and the upper copper wiring layer 615b is kept small can be formed.

(第7の実施形態)
本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子を、多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する半導体装置について、図面を参照して、説明する。図7A〜図7Hは、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用される、本発明の第7の実施形態に係る抵抗変化素子の一構成例と、その製造プロセスを模式的に示す断面図である。
(Seventh embodiment)
A semiconductor device using the variable resistance element according to the seventh embodiment of the present invention as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer will be described with reference to the drawings. 7A to 7H schematically illustrate a configuration example of a resistance change element according to the seventh embodiment of the present invention, which is used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device, and a manufacturing process thereof. FIG.

図7A〜図7Hに、その製造プロセスを示す、第7の実施形態に係る抵抗変化素子は、2端子固体電解質スイッチの形態に構成されている。図7A〜図7Hに例示される製造プロセスにおいては、半導体装置自体を構成する半導体素子(図示せず)は、多層配線層の作製に先立ち、半導体基板の表面に形成されている。   7A to 7H show the manufacturing process, and the variable resistance element according to the seventh embodiment is configured in the form of a two-terminal solid electrolyte switch. In the manufacturing process illustrated in FIGS. 7A to 7H, semiconductor elements (not shown) constituting the semiconductor device itself are formed on the surface of the semiconductor substrate prior to the production of the multilayer wiring layer.

図7A〜図7Hを参照して、その表面に半導体素子が形成されている、半導体デバイス基板1上に、多層配線層と、該多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用する、第7の実施形態に係る抵抗変化素子の製造プロセスの工程、ステップA1〜ステップA8を説明する。   7A to 7H, a semiconductor device is formed on the surface of the semiconductor device substrate 1, and a multilayer wiring layer and a nonvolatile switching element provided in the multilayer wiring layer are used. Steps A1 to A8 of the manufacturing process of the variable resistance element according to the embodiment will be described.

(ステップA1)
ステップA1は、図7Aに示す、下層の配線層に相当する「第1配線」の作製と、抵抗変化素子の作製に際し、「イオン供給層」として機能する「第1電極」として利用する「第1配線」の表面を被覆する絶縁性バリア膜7に、開口部を形成する工程である。
(Step A1)
Step A1 uses the “first electrode” functioning as the “ion supply layer” in the production of the “first wiring” corresponding to the lower wiring layer and the resistance change element shown in FIG. 7A. This is a step of forming an opening in the insulating barrier film 7 covering the surface of “1 wiring”.

まず、半導体デバイス基板1上に、層間絶縁膜2、バリア絶縁膜3および層間絶縁膜4を順に形成する。例えば、「層間絶縁膜2の形成に使用する絶縁材料」として、膜厚300nmのシリコン酸化膜を、「バリア絶縁膜3の形成に使用する絶縁材料」として、膜厚50nmのSiN膜を、「層間絶縁膜4の形成に使用する絶縁材料」として、膜厚200nmのSiO2膜を、それぞれ選択する。 First, an interlayer insulating film 2, a barrier insulating film 3, and an interlayer insulating film 4 are formed in this order on the semiconductor device substrate 1. For example, as the “insulating material used for forming the interlayer insulating film 2”, a silicon oxide film having a thickness of 300 nm is used, and as the “insulating material used for forming the barrier insulating film 3”, a SiN film having a thickness of 50 nm is used. As the insulating material used for forming the interlayer insulating film 4, a 200 nm thick SiO 2 film is selected.

続いて、層間絶縁膜4、バリア絶縁膜3、および層間絶縁膜2に、「第1配線」を作製する配線溝を形成する。配線溝の形成工程は、
フォトリソグラフィ法を用いて、層間絶縁膜4の上に所定のパターンの開口を有する、レジスト・マスクを形成する、レジスト・マスク形成処理ステップ;
レジスト・マスクをエッチング・マスク層として利用し、ドライエッチング法により、積層された膜に異方性エッチングを施す、エッチング処理ステップ;および、
異方性エッチングにより配線溝を形成した後、レジスト・マスクを除去する、レジスト除去処理ステップを含む。
Subsequently, a wiring groove for forming a “first wiring” is formed in the interlayer insulating film 4, the barrier insulating film 3, and the interlayer insulating film 2. The wiring groove forming process
A resist mask formation processing step of forming a resist mask having openings of a predetermined pattern on the interlayer insulating film 4 by using a photolithography method;
Using the resist mask as an etching mask layer and performing anisotropic etching on the laminated film by dry etching; and an etching process step;
A resist removal processing step of removing the resist mask after forming the wiring trench by anisotropic etching is included.

その後、配線溝にバリアメタル6を介して金属5を埋め込んで、「第1配線」を形成する。「第1配線」の金属5は、「イオン供給層」として使用する。そのため、銅を主成分とする金属材料、例えば、銅を使用する。バリアメタル6は、金属5に使用する銅の拡散を防止する。従って、例えば、TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造を、バリアメタル6として使用する。   Thereafter, the metal 5 is buried in the wiring trench through the barrier metal 6 to form the “first wiring”. The metal 5 of the “first wiring” is used as an “ion supply layer”. Therefore, the metal material which has copper as a main component, for example, copper, is used. The barrier metal 6 prevents the diffusion of copper used for the metal 5. Therefore, for example, a stacked structure of TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) is used as the barrier metal 6.

TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造からなるバリアメタル6を、配線溝の底部と側壁部に均一な膜厚で被覆する。そのため、等方的な堆積法、例えば、RFスパッタ法を利用して、該積層構造からなる堆積膜を、層間絶縁膜4の上面と配線溝の底部と側壁部に形成する。金属5に使用する銅は、バリアメタル6を下地層として使用し、例えば、メッキ法を利用して、配線溝の内部を埋め込むように形成する。その後、例えば、CMP(Chemical-Mechanical Polishing)法を利用し、層間絶縁膜4の上面に形成されている、銅とTaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造を除去し、配線溝に形成される「第1配線」の上面の平坦化を行う。   A barrier metal 6 having a laminated structure of TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) is coated on the bottom and side walls of the wiring groove with a uniform film thickness. Therefore, an isotropic deposition method, for example, an RF sputtering method is used to form a deposited film having the laminated structure on the upper surface of the interlayer insulating film 4, the bottom portion of the wiring groove, and the side wall portion. Copper used for the metal 5 uses the barrier metal 6 as an underlayer, and is formed so as to bury the inside of the wiring trench by using, for example, a plating method. Thereafter, for example, using a CMP (Chemical-Mechanical Polishing) method, the stacked structure of copper and TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) formed on the upper surface of the interlayer insulating film 4 is removed. The upper surface of the “first wiring” formed in the wiring groove is planarized.

続いて、「第1配線」の上面、ならびに、層間絶縁膜4の上面を被覆する、絶縁性バリア膜7を形成する。絶縁性バリア膜7は、「第1配線」の金属5に使用する銅の拡散を防止する。そのため、「絶縁性バリア膜7の形成に使用する絶縁材料」として、例えば、膜厚30nmのSiCN膜を選択する。   Subsequently, an insulating barrier film 7 that covers the upper surface of the “first wiring” and the upper surface of the interlayer insulating film 4 is formed. The insulating barrier film 7 prevents the diffusion of copper used for the metal 5 of the “first wiring”. Therefore, for example, a 30 nm-thick SiCN film is selected as the “insulating material used for forming the insulating barrier film 7”.

下層の配線層に相当する「第1配線」のうち、抵抗変化素子の作製に際し、「イオン供給層」として機能する「第1電極」として利用する「第1配線」に対して、該「第1配線」の金属5の表面を覆う、絶縁性バリア膜7に開口部を形成する。   Of the “first wiring” corresponding to the lower wiring layer, the “first wiring” used as the “first electrode” functioning as the “ion supply layer” when the variable resistance element is manufactured An opening is formed in the insulating barrier film 7 covering the surface of the metal 5 of “one wiring”.

なお、抵抗変化素子の作製に使用しない、他の「第1配線」の表面を被覆する絶縁性バリア膜7には開口部は形成されない。従って、ステップA1を終了した時点では、抵抗変化素子の作製に使用される、一部の「第1配線」を除き、下層の配線層に相当する「第1配線」は、絶縁性バリア膜7で被覆された状態に保持されている。   It should be noted that no opening is formed in the insulating barrier film 7 that covers the surface of the other “first wiring” that is not used to manufacture the variable resistance element. Therefore, when step A1 is completed, the “first wiring” corresponding to the lower wiring layer, except for some “first wirings” used for the production of the variable resistance element, is the insulating barrier film 7. It is held in a state covered with.

「第1配線」の金属5の表面を覆う、絶縁性バリア膜7に開口部を形成する工程では、開口を有するレジスト・マスクを利用して、該レジスト・マスクの開口に露呈している、絶縁性バリア膜7に、等方的ドライエッチング法、例えば、反応性ドライエッチング法を使用して、等方的エッチングを施す。   In the step of forming the opening in the insulating barrier film 7 covering the surface of the metal 5 of the “first wiring”, the resist mask having the opening is used to expose the opening of the resist mask. The insulating barrier film 7 is isotropically etched by using an isotropic dry etching method, for example, a reactive dry etching method.

絶縁性バリア膜7として使用する、SiCN膜の等方的エッチング工程では、反応性ドライエッチングの条件として、CF4/Arのガス流量=25:50sccm、圧力0.53[Pa]、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件を採用することができる。 In the isotropic etching process of the SiCN film used as the insulating barrier film 7, CF 4 / Ar gas flow rate = 25: 50 sccm, pressure 0.53 [Pa], source power 400 W as reactive dry etching conditions. The condition of substrate bias power of 90 W can be employed.

反応性ドライエッチング法を使用することで、SiCN膜に形成される開口部の側壁面のエッチングが進行する。従って、レジスト・マスクの開口の周囲、レジスト・マスクにより被覆されている、SiCN膜の上部のサイド・エッチングが進行し、形成される開口部の側壁面はテーパ形状となる。その際、ソースパワーを低下させ、または、基板バイアスパワーを大きくする条件を採用することで、エッチング時の「イオン性」を向上させ、「反応性イオン・エッチング」過程の寄与を増すと、「テーパ形状」の側壁面の「テーパ角度」を小さくすることができる。   By using the reactive dry etching method, the etching of the sidewall surface of the opening formed in the SiCN film proceeds. Therefore, side etching of the upper part of the SiCN film, which is covered with the resist mask, around the opening of the resist mask proceeds, and the side wall surface of the formed opening has a tapered shape. At that time, by reducing the source power or increasing the substrate bias power, the `` ionicity '' at the time of etching is improved, and the contribution of the `` reactive ion etching '' process increases. The “taper angle” of the side wall surface of the “taper shape” can be reduced.

形成される開口部の側壁面へのサイド・エッチングを利用して、「テーパ形状」側壁面の「テーパ角度」を小さくするため、膜厚30nmのSiCN膜をエッチングする際、エッチング時間を、SiCN膜を35nmエッチング可能な時間に設定することができる。すなわち、エッチング時間を、「オーバー・エッチング」が進行する時間に設定し、SiCN膜の上部のサイド・エッチング量を増すことで、「テーパ形状」側壁面の「テーパ角度」を小さくすることができる。   In order to reduce the “taper angle” of the “tapered” side wall surface by utilizing side etching to the side wall surface of the opening to be formed, the etching time is reduced when the SiCN film having a film thickness of 30 nm is etched. The time when the film can be etched by 35 nm can be set. That is, the “taper angle” of the “tapered” side wall surface can be reduced by setting the etching time to a time during which “over-etching” proceeds and increasing the side etching amount on the upper part of the SiCN film. .

「テーパ形状」側壁面の「テーパ角度」を小さくする「オーバー・エッチング処理」は、「エッチ・バック」の手法を利用して行うこともできる。   The “over-etching process” for reducing the “taper angle” of the “tapered shape” side wall surface can also be performed using the “etch-back” method.

例えば、スパッタリング装置に付設されている、「エッチ・バック」機能を利用し、減圧雰囲気下、基板を350℃に加熱して、形成される開口部の側壁面に露呈するSiCN膜の「エッチ・バック」を行うことが可能である。具体的には、スパッタリング装置内に搭載されている、ヒートチャンバにおいて、減圧雰囲気下、加熱処理を施し、目的の「エッチ・バック」を施すことができる。   For example, by utilizing the “etch back” function attached to the sputtering apparatus, the substrate is heated to 350 ° C. under a reduced pressure atmosphere, and the “etching and etching” of the SiCN film exposed on the side wall surface of the opening to be formed is performed. "Back" can be performed. Specifically, in a heat chamber mounted in the sputtering apparatus, heat treatment can be performed in a reduced pressure atmosphere to perform the desired “etch back”.

また、非反応性ガスを用いたRFエッチング法を利用して、形成される開口部の側壁面に露呈するSiCN膜の「エッチ・バック」を行うことも可能である。具体的には、非反応性ガスを用いたRFエッチングは、RFエッチングチャンバにて、非反応性ガスとして、Arガスを使用し、Arガス流量=30sccm、圧力1.3[Pa]、ソースパワー290W、基板バイアスパワー130Wの条件で行うことができる。その際、RFエッチング時間を、プラズマCVD法により形成したSiO2膜のRFエッチングを行った場合、2nmのSiO2膜をエッチング可能な時間に設定することで、所望のSiCN膜の「エッチ・バック」が達成される。 It is also possible to “etch back” the SiCN film exposed on the side wall surface of the opening to be formed using an RF etching method using a non-reactive gas. Specifically, RF etching using a non-reactive gas uses Ar gas as a non-reactive gas in an RF etching chamber, Ar gas flow rate = 30 sccm, pressure 1.3 [Pa], source power It can be performed under the conditions of 290 W and substrate bias power of 130 W. At that time, when the RF etching time of the SiO 2 film formed by the plasma CVD method is performed, the etching time of the desired SiCN film is set by setting the 2 nm SiO 2 film to an etching time. Is achieved.

SiCN膜に形成される開口部の側壁面を、「テーパ角度」の小さな「テーパ形状」とすることで、次のステップA2において、該開口部に、金属Ti膜、固体電解質膜9、第1上部電極10、第2上部電極11からなる積層構造を形成する際、開口部の側壁面上の「ステップ・カバレージ」を向上することができる。   By making the side wall surface of the opening formed in the SiCN film into a “tapered shape” having a small “taper angle”, in the next step A2, the opening is provided with a metal Ti film, a solid electrolyte film 9, and a first When a laminated structure including the upper electrode 10 and the second upper electrode 11 is formed, “step coverage” on the side wall surface of the opening can be improved.

(ステップA2)
ステップA2は、図7Bに示す、抵抗変化素子の作製に際し、「第1配線」の金属(銅配線)5表面の酸化を防止する酸化チタン膜8、「イオン伝導層」として利用する固体電解質膜9、「第2電極」として機能する第一の電極を構成する、第1上部電極10、第2上部電極11を、絶縁性バリア膜7の上面と、形成した開口部に、順次形成する工程である。
(Step A2)
Step A2 includes a titanium oxide film 8 for preventing oxidation of the surface of the metal (copper wiring) 5 of the “first wiring” and a solid electrolyte film used as an “ion conductive layer” in the production of the resistance change element shown in FIG. 7B. 9. Step of sequentially forming the first upper electrode 10 and the second upper electrode 11 constituting the first electrode functioning as the “second electrode” on the upper surface of the insulating barrier film 7 and the formed opening. It is.

絶縁性バリア膜7に形成した開口部に露呈されている、「第1配線」の金属(銅)5の表面、開口部の「テーパ形状」側壁面、ならびに、絶縁性バリア膜7の上面に、膜厚1nmの金属Ti膜をDCスパッタリング法によって堆積する。該金属Ti膜は、固体電解質膜9を形成する工程時、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化を防止する、「酸化犠牲層」として機能する。   On the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring”, the “tapered” sidewall surface of the opening, and the upper surface of the insulating barrier film 7 exposed in the opening formed in the insulating barrier film 7 A 1 nm-thick metal Ti film is deposited by DC sputtering. The metal Ti film functions as an “oxidation sacrificial layer” that prevents the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring” from being oxidized during the process of forming the solid electrolyte film 9.

第7の実施形態に係る抵抗変化素子では、「イオン伝導層」として利用する固体電解質膜9を、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」を利用して、形成している。シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」は、例えば、国際公開第2011/058947号に開示される、環状シロキサン型の有機モノマーを原料として、RFプラズマ法によって、該有機モノマーの「ポリメリゼーション反応」によって、堆積される。該RFプラズマ法による、有機モノマーの「ポリメリゼーション反応」の過程では、有機モノマーの分解に起因して、酸素プラズマが発生する。発生する酸素プラズマは、金属Ti膜に作用し、酸化チタン膜8へと変換する。   In the resistance change element according to the seventh embodiment, the solid electrolyte membrane 9 used as the “ion conductive layer” is a “porous polymer membrane” made of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon. Forming. A “porous polymer film” made of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon is, for example, an RF plasma method using, as a raw material, a cyclic siloxane type organic monomer disclosed in International Publication No. 2011/058947. Is deposited by a “polymerization reaction” of the organic monomer. In the process of “polymerization reaction” of the organic monomer by the RF plasma method, oxygen plasma is generated due to decomposition of the organic monomer. The generated oxygen plasma acts on the metal Ti film and is converted into the titanium oxide film 8.

結果的に、金属Ti膜から変換される酸化チタン膜8上に、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」が堆積される。RFプラズマCVD法による「多孔質高分子膜」の堆積工程では、その堆積条件は、RF電力50〜300W、温度350℃、Heとの混合ガス、圧力1.0〜6.0[Torr]の範囲から選択することができる。   As a result, a “porous polymer film” made of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon is deposited on the titanium oxide film 8 converted from the metal Ti film. In the deposition process of the “porous polymer film” by the RF plasma CVD method, the deposition conditions are RF power 50 to 300 W, temperature 350 ° C., mixed gas with He, pressure 1.0 to 6.0 [Torr]. You can choose from a range.

第7の実施形態に係る抵抗変化素子の作製に際して、具体的には、12インチ用プラズマCVDリアクターを利用する場合、Heガス流量=500sccm、圧力400[Pa]、RF電力80Wの条件を選択し、「多孔質高分子膜」を形成することができる。前記堆積条件を採用し、環状シロキサン型の有機モノマーを原料として、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」を堆積し、固体電解質膜9の形成に使用している。   When manufacturing the variable resistance element according to the seventh embodiment, specifically, when using a 12-inch plasma CVD reactor, the conditions of He gas flow rate = 500 sccm, pressure 400 [Pa], and RF power 80 W are selected. , “Porous polymer membrane” can be formed. Using the above deposition conditions, a “porous polymer film” having a film thickness of 5 nm is deposited using a cyclic siloxane type organic monomer as a raw material, and used for forming the solid electrolyte film 9.

実際に、前記堆積条件を採用し、環状シロキサン型の有機モノマーを原料として、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」を堆積した後、断面TEM(Transmission Electron Microscope;透過型電子顕微鏡)観察を行ったところ、膜厚1nmの金属Ti膜から、膜厚2.0nmの酸化チタン膜が形成されていることが確認された。なお、金属Tiの密度は、4.506g/cm3であるが、結晶性の酸化チタン(IV)、例えば、アナターゼ構造のTiO2の密度は、3.84g/cm3、ルチル構造のTiO2の密度は、4.26g/cm3である。その点を考慮すると、膜厚1nmの金属Ti膜から形成された、膜厚2.0nmの酸化チタン膜は、アナターゼ型の酸化チタン(IV)の膜であると、推断される。 Actually, after adopting the above deposition conditions and depositing a “porous polymer film” having a film thickness of 5 nm using a cyclic siloxane type organic monomer as a raw material, a cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscope) observation is performed. As a result, it was confirmed that a titanium oxide film having a thickness of 2.0 nm was formed from a metal Ti film having a thickness of 1 nm. The density of metallic Ti is 4.506 g / cm 3 , but the density of crystalline titanium oxide (IV), for example, anatase TiO 2 is 3.84 g / cm 3 , rutile TiO 2. The density of is 4.26 g / cm 3 . In consideration of this point, a 2.0 nm thick titanium oxide film formed from a 1 nm thick metal Ti film is assumed to be an anatase type titanium (IV) oxide film.

なお、使用するRFプラズマCVD装置の装置構成、また、堆積条件によっては、酸素プラズマによる酸化力が、上記の堆積条件における酸化力を超える場合もある。その際には、「酸化犠牲層」として機能する、金属Ti膜の膜厚を厚くすることで、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化を回避することができる。   Depending on the apparatus configuration of the RF plasma CVD apparatus used and the deposition conditions, the oxidizing power by oxygen plasma may exceed the oxidizing power in the above-described deposition conditions. In that case, the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring” can be prevented from being oxidized by increasing the thickness of the metal Ti film that functions as the “oxidation sacrificial layer”.

逆に、酸素プラズマの発生が抑制される堆積条件、例えば、RF電力を下げたり、原料流量を増加させると、原料有機モノマーの分解に伴う、酸素プラズマの発生が抑制される。その場合、「酸化犠牲層」として機能する、金属Ti膜の膜厚を薄くしても、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化を抑えることもできる。   Conversely, when the deposition conditions that suppress the generation of oxygen plasma, for example, the RF power is lowered or the raw material flow rate is increased, the generation of oxygen plasma accompanying the decomposition of the raw material organic monomer is suppressed. In this case, even if the thickness of the metal Ti film that functions as the “oxidation sacrificial layer” is reduced, the oxidation of the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring” can be suppressed.

更には、酸素プラズマの発生が十分に抑制される堆積条件を選択できる場合、金属Ti膜の堆積を省いても、「多孔質高分子膜」の堆積工程中、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化が実質的に進行しない。すなわち、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化が実質的に進行しない間に、「多孔質高分子膜」の薄膜によって、金属(銅)5の表面が被覆されると、酸素プラズマは最早金属(銅)5の表面に作用することができなくなる。結果的に、金属Ti膜の堆積を省いても、「多孔質高分子膜」の堆積工程中、「第1配線」の金属(銅)5の表面の酸化が実質的に進行しない。   Furthermore, when the deposition conditions that sufficiently suppress the generation of oxygen plasma can be selected, the “first wiring” metal (during the “porous polymer film” deposition process, even if the deposition of the metal Ti film is omitted. The oxidation of the surface of (copper) 5 does not proceed substantially. That is, when the surface of the metal (copper) 5 is covered with the thin film of the “porous polymer film” while the oxidation of the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring” does not proceed substantially, The oxygen plasma can no longer act on the surface of the metal (copper) 5. As a result, even if the deposition of the metal Ti film is omitted, the oxidation of the surface of the metal (copper) 5 of the “first wiring” does not substantially proceed during the deposition process of the “porous polymer film”.

「多孔質高分子膜」の堆積工程を終え、酸化チタン膜9と固体電解質膜9の形成を行った後、固体電解質膜9の上に、第1上部電極10および第2上部電極11を、この順に形成する。固体電解質膜9の上面に接する、第1上部電極10は、抵抗変化素子の「第2電極」として機能する。例えば、第1上部電極10の作製には、膜厚10nmのRu膜を使用する。第2上部電極11は、第1上部電極10の上面を被覆し、後述するビアホールの形成工程における、上面保護膜12の形成に用いるSiN膜にホール形成するエッチング工程において、「エッチング・ストップ層」として機能する。そのため、例えば、第2上部電極11の作製には、膜厚25nmのTa膜を使用する。   After completing the deposition process of “porous polymer film” and forming the titanium oxide film 9 and the solid electrolyte film 9, the first upper electrode 10 and the second upper electrode 11 are formed on the solid electrolyte film 9. They are formed in this order. The first upper electrode 10 in contact with the upper surface of the solid electrolyte membrane 9 functions as a “second electrode” of the resistance change element. For example, a Ru film having a thickness of 10 nm is used for manufacturing the first upper electrode 10. The second upper electrode 11 covers the upper surface of the first upper electrode 10, and “etching stop layer” is formed in the etching process for forming a hole in the SiN film used for forming the upper surface protective film 12 in the via hole forming process described later. Function as. Therefore, for example, a Ta film having a film thickness of 25 nm is used for manufacturing the second upper electrode 11.

固体電解質膜9として使用する、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」は、減圧下、高温に保持すると、含有されている酸素の脱離が誘起される場合がある。脱離した酸素が、第1上部電極10の形成に使用されるRuと反応すると、第1上部電極10と固体電解質膜9の界面に、「RuO2」の界面被膜層が形成される。 The “porous polymer film” made of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon used as the solid electrolyte film 9 induces desorption of contained oxygen when held at a high temperature under reduced pressure. There is a case. When the desorbed oxygen reacts with Ru used to form the first upper electrode 10, an interface film layer of “RuO 2 ” is formed at the interface between the first upper electrode 10 and the solid electrolyte film 9.

銅フィラメント析出型の抵抗変化素子の「第2電極」として機能する、第1上部電極10と、「イオン伝導層」として機能する、固体電解質膜9の界面に、「RuO2」の界面被膜層が形成されと、「銅原子の析出」を阻害する。従って、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」中に含有されている、酸素の脱離が誘起されない、堆積条件を選択して、膜厚10nmのRu膜の堆積を行う。例えば、DCスパッタリング法を適用し、Ruをターゲットとして、DCパワー0.2kW、Arガス、圧力0.27[Pa]の条件を選択し、室温で、Ru膜の堆積を行う。第2上部電極11の作製に使用するTa膜の堆積も、例えば、DCスパッタリング法を適用し、Taをターゲットとして、DCパワー0.2kW、Arガス、圧力0.27[Pa]の条件を選択し、室温で行う。 An interface coating layer of “RuO 2 ” is formed at the interface between the first upper electrode 10 functioning as the “second electrode” of the copper filament deposition type resistance change element and the solid electrolyte film 9 functioning as the “ion conductive layer”. Is formed, it inhibits “precipitation of copper atoms”. Accordingly, a Ru film having a thickness of 10 nm is selected by selecting a deposition condition that does not induce desorption of oxygen contained in a “porous polymer film” made of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon. Film deposition is performed. For example, the DC sputtering method is applied, the conditions of DC power 0.2 kW, Ar gas, and pressure 0.27 [Pa] are selected using Ru as a target, and the Ru film is deposited at room temperature. For the deposition of the Ta film used for the production of the second upper electrode 11, for example, the DC sputtering method is applied, and the conditions of DC power 0.2 kW, Ar gas, and pressure 0.27 [Pa] are selected using Ta as a target And at room temperature.

膜厚2.0nmの酸化チタン膜8、膜厚5nmの固体電解質膜9、膜厚10nmの第1上部電極10、膜厚25nmの第2上部電極11の形成工程では、何れも、等方的な堆積法を採用している。従って、図7Bに示すように、膜厚30nmの絶縁性バリア膜7に形成した開口部の底面、該開口部の「テーパ形状」側壁面、ならびに、絶縁性バリア膜7の上面を覆うように、合計膜厚42nmの積層構造が均一に形成されている。   In the forming process of the titanium oxide film 8 having a thickness of 2.0 nm, the solid electrolyte film 9 having a thickness of 5 nm, the first upper electrode 10 having a thickness of 10 nm, and the second upper electrode 11 having a thickness of 25 nm, all are isotropic. A simple deposition method is adopted. Therefore, as shown in FIG. 7B, the bottom surface of the opening formed in the insulating barrier film 7 having a thickness of 30 nm, the “tapered” side wall surface of the opening, and the upper surface of the insulating barrier film 7 are covered. A laminated structure having a total film thickness of 42 nm is formed uniformly.

(ステップA3)
ステップA3は、図7Cに示す、抵抗変化素子の作製に際し、「第2電極」として機能する第一の電極を構成する、第1上部電極10、第2上部電極11のうち、第2上部電極11の上面に設ける、上面保護膜12の形成に利用される、SiN膜の堆積工程と、酸化チタン膜8、固体電解質膜9、第1上部電極10、第2上部電極11、上面保護膜12のパターニング工程において、ハードマスクとして利用する、SiO2膜(ハードマスク膜)13の堆積工程からなる。
(Step A3)
Step A3 is the second upper electrode of the first upper electrode 10 and the second upper electrode 11 constituting the first electrode functioning as the “second electrode” when the variable resistance element shown in FIG. 7C is manufactured. 11, a SiN film deposition process, and a titanium oxide film 8, a solid electrolyte film 9, a first upper electrode 10, a second upper electrode 11, and an upper surface protective film 12 used for forming an upper surface protective film 12 provided on the upper surface of This patterning step includes a step of depositing a SiO 2 film (hard mask film) 13 used as a hard mask.

第2上部電極11の作製に利用される、Ta膜の上面に、上面保護膜12の形成に利用される、膜厚30nmのSiN膜を堆積する。その後、パターニング工程において、ハードマスクとして利用する、膜厚200nmのSiO2膜(ハードマスク膜)13を堆積する。 A SiN film having a film thickness of 30 nm, which is used for forming the upper surface protective film 12, is deposited on the upper surface of the Ta film used for manufacturing the second upper electrode 11. Thereafter, an SiO 2 film (hard mask film) 13 having a thickness of 200 nm is deposited for use as a hard mask in the patterning step.

上面保護膜12の形成に利用される、膜厚30nmのSiN膜は、SiH4とN2を原料ガスとし、プラズマCVD法を用いて、堆積することができる。その際、プラズマCVD法における成膜温度は、200℃〜400℃の範囲を選択することが可能であるが、200℃に選択し、高密度プラズマを用いて、該SiN膜の形成を行っている。この堆積条件を選択する結果、等方的な堆積がなされ、開口部の底面、該開口部の「テーパ形状」側壁面、ならびに、絶縁性バリア膜7の上方に堆積される、SiN膜の膜厚は、実質的に等しくなっている。 The SiN film having a thickness of 30 nm used for forming the upper surface protective film 12 can be deposited by using a plasma CVD method using SiH 4 and N 2 as source gases. At that time, the film formation temperature in the plasma CVD method can be selected from a range of 200 ° C. to 400 ° C., but is selected to 200 ° C., and the SiN film is formed using high-density plasma. Yes. As a result of selecting this deposition condition, isotropic deposition is performed, and the film of the SiN film deposited on the bottom surface of the opening, the “tapered” sidewall surface of the opening, and the insulating barrier film 7 is deposited. The thickness is substantially equal.

ハードマスク膜として利用する、膜厚200nmのSiO2膜(ハードマスク膜)13も、プラズマCVD法を用いて堆積する。成長温度は200℃に選択しているが、堆積する膜厚は、200nmと、開口部の底面領域と絶縁性バリア膜7の上方領域の段差30nmよりも格段に厚いため、図12Cに示すように、該段差の埋め込みが進み、開口部の底面領域の膜厚は、絶縁性バリア膜7の上方領域の膜厚より厚くなっている。 A 200 nm thick SiO 2 film (hard mask film) 13 used as a hard mask film is also deposited by plasma CVD. Although the growth temperature is selected to be 200 ° C., the deposited film thickness is 200 nm, which is much thicker than the step 30 nm between the bottom surface region of the opening and the upper region of the insulating barrier film 7, and therefore, as shown in FIG. In addition, the step is buried, and the thickness of the bottom region of the opening is larger than the thickness of the region above the insulating barrier film 7.

(ステップA4)
ステップA4は、SiO2膜(ハードマスク膜)13からなるハードマスクを利用して、上面保護膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、固体電解質膜9、酸化チタン膜8を、順次選択エッチングし、パターニングを行う工程と、その後、ハードマスクとして利用する、SiO2膜(ハードマスク膜)13を選択的にエッチング除去する工程からなる。最終的に、上面保護膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、固体電解質膜9、酸化チタン膜8のパターニングを完了すると、図7Dに示す積層構造が、抵抗変化素子の作製を行う、開口部領域に形成される。
(Step A4)
Step A4 uses a hard mask made of SiO 2 film (hard mask film) 13 to form the upper surface protective film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, the solid electrolyte film 9, and the titanium oxide film 8, It comprises a step of sequentially performing selective etching and patterning, and then a step of selectively etching away the SiO 2 film (hard mask film) 13 used as a hard mask. Finally, when the patterning of the upper surface protective film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, the solid electrolyte film 9, and the titanium oxide film 8 is completed, the stacked structure shown in FIG. To be formed in the opening region.

SiO2膜(ハードマスク膜)13からなるハードマスク上に、抵抗変化素子部のパターニング形状に合わせた、フォトレジスト・マスク(不図示)を形成する。該フォトレジスト・マスクを利用して、上面保護膜12の形成に利用されるSiN膜の表面が現れるまで、SiO2膜(ハードマスク膜)13をドライエッチングする。その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離の処理を行い、フォトレジスト・マスクを除去する。抵抗変化素子部のパターニング形状に合わせてパターニングされた、SiO2膜(ハードマスク膜)13は、以降のパターニング工程において、ハードマスクとして利用する。 On the hard mask made of the SiO 2 film (hard mask film) 13, a photoresist mask (not shown) matching the patterning shape of the resistance change element portion is formed. Using the photoresist mask, the SiO 2 film (hard mask film) 13 is dry-etched until the surface of the SiN film used for forming the upper surface protective film 12 appears. Thereafter, oxygen plasma ashing and organic peeling are performed to remove the photoresist mask. The SiO 2 film (hard mask film) 13 patterned in accordance with the patterning shape of the variable resistance element portion is used as a hard mask in the subsequent patterning process.

SiO2膜(ハードマスク膜)13のドライエッチング工程では、サイド・エッチングが進行しないドライエッチング法、すなわち、異方性ドライエッチング法を採用する。例えば、SiO2膜(ハードマスク膜)13のドライエッチング工程には、一般的な平行平板型のドライエッチング装置を使用することができる。その際、SiO2膜(ハードマスク膜)13のドライエッチング条件には、上面保護膜12の形成に利用されるSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択される。例えば、SiO2膜(ハードマスク膜)13のドライエッチングは、CF4のガス流量=140sccm、圧力6.6[Pa]、ソースパワー1200W、基板バイアスパワー700Wの条件で実施する。膜厚200nmのSiO2膜(ハードマスク膜)13のドライエッチングの終了時点は、膜厚30nmのSiN膜の上面でエッチングが停止していることが好ましい。なお、SiO2膜(ハードマスク膜)13の残留を回避するため、膜厚30nmのSiN膜の一部もエッチングされるエッチング時間を選択することもできる。 In the dry etching process of the SiO 2 film (hard mask film) 13, a dry etching method in which side etching does not proceed, that is, an anisotropic dry etching method is employed. For example, a general parallel plate type dry etching apparatus can be used for the dry etching process of the SiO 2 film (hard mask film) 13. At this time, as the dry etching conditions for the SiO 2 film (hard mask film) 13, a condition having selectivity with respect to the SiN film used for forming the upper surface protective film 12 is selected. For example, dry etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 is performed under the conditions of a gas flow rate of CF 4 = 140 sccm, a pressure of 6.6 [Pa], a source power of 1200 W, and a substrate bias power of 700 W. When the dry etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 having a thickness of 200 nm is completed, the etching is preferably stopped on the upper surface of the SiN film having a thickness of 30 nm. In order to avoid the residue of the SiO 2 film (hard mask film) 13, an etching time during which a part of the 30 nm-thickness SiN film is also etched can be selected.

フォトレジスト・マスクを除去する際、酸素プラズマアッシング法を使用するが、SiN膜12によって、上面が被覆される、第2上部電極11、第1上部電極10、イオン伝導層9は、酸素プラズマに曝されることはない。   When removing the photoresist mask, an oxygen plasma ashing method is used. The upper surface of the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the ion conductive layer 9, which are covered with the SiN film 12, are subjected to oxygen plasma. There is no exposure.

フォトレジスト・マスクの除去後、パターニングされたSiO2膜(ハードマスク膜)13を、ハードマスクとして利用して、上面保護膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、固体電解質膜9、酸化チタン膜8を、順次選択エッチングし、パターニングを行う。 After removing the photoresist mask, the patterned SiO 2 film (hard mask film) 13 is used as a hard mask to protect the upper surface protective film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, and the solid electrolyte film 9 The titanium oxide film 8 is sequentially selectively etched and patterned.

上面保護膜12の形成に使用する、膜厚30nmのSiN膜のドライエッチング工程でも、サイド・エッチングが進行しないドライエッチング法、すなわち、異方性ドライエッチング法を採用する。また、第2上部電極11の形成に使用する、膜厚25nmの金属Ta膜に対して、選択性を有するエッチング条件を選択する。例えば、平行平板型のドライエッチング装置を使用し、SiN膜12のドライエッチングは、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53[Pa]、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件で行うことができる。 A dry etching method in which side etching does not proceed, that is, an anisotropic dry etching method is adopted even in a dry etching process of a 30 nm-thickness SiN film used for forming the upper surface protective film 12. In addition, an etching condition having selectivity is selected for the metal Ta film having a film thickness of 25 nm used for forming the second upper electrode 11. For example, a parallel plate type dry etching apparatus is used, and dry etching of the SiN film 12 is performed with CF 4 / Ar gas flow rate = 25/50 sccm, pressure 0.53 [Pa], source power 400 W, and substrate bias power 90 W. Can be done under conditions.

第2上部電極11の形成に使用する、膜厚25nmの金属Ta膜のドライエッチング工程でも、サイド・エッチングが進行しないドライエッチング法、すなわち、異方性ドライエッチング法を採用する。また、第1上部電極10の形成に使用する、膜厚10nmの金属Ru膜に対して、選択性を有するエッチング条件を選択する。例えば、平行平板型のドライエッチング装置を使用し、膜厚25nmの金属Ta膜のドライエッチングは、Cl2ガス流量=50sccmにて圧力0.53[Pa]、ソースパワー400W、基板バイアスパワー60Wの条件で行うことができる。 A dry etching method in which side etching does not proceed, that is, an anisotropic dry etching method is adopted even in the dry etching process of the metal Ta film having a film thickness of 25 nm used for forming the second upper electrode 11. Further, an etching condition having selectivity is selected for the metal Ru film having a film thickness of 10 nm used for forming the first upper electrode 10. For example, a parallel plate type dry etching apparatus is used, and dry etching of a metal Ta film with a film thickness of 25 nm is performed with a Cl 2 gas flow rate = 50 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 400 W, and a substrate bias power of 60 W. Can be done under conditions.

第1上部電極10の形成に使用する、膜厚10nmの金属Ru膜のドライエッチング工程でも、サイド・エッチングが進行しないドライエッチング法、すなわち、異方性ドライエッチング法を採用する。また、固体電解質膜9の形成に使用する、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」に対して、選択性を有するエッチング条件を選択する。例えば、平行平板型のドライエッチング装置を使用し、膜厚10nmの金属Ru膜のドライエッチングは、Cl2/O2のガス流量=5/40sccmにて圧力0.53[Pa]、ソースパワー900W、基板バイアスパワー100Wの条件で行うことができる。 A dry etching method in which side etching does not proceed, that is, an anisotropic dry etching method is employed even in a dry etching process of a 10 nm-thick metal Ru film used for forming the first upper electrode 10. Further, an etching condition having selectivity is selected for the “porous polymer film” having a film thickness of 5 nm used for forming the solid electrolyte film 9. For example, a parallel plate type dry etching apparatus is used, and dry etching of a metal Ru film having a thickness of 10 nm is performed by using a Cl 2 / O 2 gas flow rate = 5/40 sccm, a pressure of 0.53 [Pa], and a source power of 900 W. The substrate bias power can be 100 W.

固体電解質膜9の形成に使用する、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」のドライエッチング工程、ならびに、膜厚2.0nmの酸化チタン膜8のドライエッチング工程でも、サイド・エッチングが進行しないドライエッチング法、すなわち、異方性ドライエッチング法を採用する。また、下層の絶縁性バリア膜7の形成に利用している、膜厚30nmのSiCN膜に対して、選択性を有するエッチング条件を選択する。例えば、平行平板型のドライエッチング装置を使用し、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」のドライエッチングは、Cl2/CF4/Arのガス流量=45/15/15sccm、圧力1.3[Pa]、ソースパワー800W、基板バイアスパワー60Wの条件で行うことができる。膜厚2.0nmの酸化チタン膜8のドライエッチングは、Cl2/O2のガス流量=20/160sccm、圧力0.5[Pa]、ソースパワー600W、基板バイアスパワー160Wの条件で行うことができる。すなわち、塩素ガス(Cl2)を意図的に用いることで、下層の絶縁性バリア膜7の形成に利用している、膜厚30nmのSiCN膜に対する選択性を高くすることで、サブトレンチなどの発生を抑制している。「イオン伝導層」を構成する、固体電解質膜9と酸化チタン膜8のパターニングを終了した時点で、抵抗変化素子形成領域を除く、絶縁性バリア膜7の上面には、膜厚5nmの「多孔質高分子膜」と膜厚2.0nmの酸化チタン膜8は残留していない。 Side etching does not proceed even in the dry etching step of the “porous polymer film” having a thickness of 5 nm and the dry etching step of the titanium oxide film 8 having a thickness of 2.0 nm, which are used for forming the solid electrolyte membrane 9. A dry etching method, that is, an anisotropic dry etching method is employed. Further, etching conditions having selectivity are selected for the SiCN film having a thickness of 30 nm, which is used for forming the lower insulating barrier film 7. For example, dry etching of a “porous polymer film” having a film thickness of 5 nm using a parallel plate type dry etching apparatus is performed by Cl 2 / CF 4 / Ar gas flow rate = 45/15/15 sccm, pressure 1.3 [Pa], source power 800 W, substrate bias power 60 W. The dry etching of the 2.0 nm-thick titanium oxide film 8 is performed under the conditions of Cl 2 / O 2 gas flow rate = 20/160 sccm, pressure 0.5 [Pa], source power 600 W, and substrate bias power 160 W. it can. That is, by intentionally using chlorine gas (Cl 2 ), the selectivity to the SiCN film having a film thickness of 30 nm, which is used for forming the lower insulating barrier film 7, is increased, so that the sub-trench or the like Occurrence is suppressed. When the patterning of the solid electrolyte film 9 and the titanium oxide film 8 constituting the “ion conductive layer” is finished, the “porous” film having a film thickness of 5 nm is formed on the upper surface of the insulating barrier film 7 excluding the resistance change element forming region. The high-quality polymer film ”and the 2.0 nm-thick titanium oxide film 8 do not remain.

上記の一連のパターニング工程が終了した後、ハードマスクとして使用した、パターニングされたSiO2膜(ハードマスク膜)13を選択的にエッチング除去する。パターニングされたSiO2膜(ハードマスク膜)13の膜厚は、抵抗変化素子形成領域、特に、開口部の中央領域の膜厚は、その周囲の領域の膜厚より若干厚くなっている。SiO2膜(ハードマスク膜)13の選択的エッチングは、露呈している絶縁性バリア膜7の形成に利用している、SiCN膜に対して、高い選択性を有する条件で実施される。 After the above series of patterning steps is completed, the patterned SiO 2 film (hard mask film) 13 used as a hard mask is selectively removed by etching. The film thickness of the patterned SiO 2 film (hard mask film) 13 is slightly larger than the film thickness in the resistance change element forming region, particularly in the central region of the opening. The selective etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 is performed under a condition having high selectivity with respect to the SiCN film used for forming the exposed insulating barrier film 7.

その際、絶縁性バリア膜7の上面が露呈している領域において、絶縁性バリア膜7の形成に利用している、SiCN膜は、若干のエッチングを受けていてもよいが、露呈しているSiCN膜の膜厚は、20〜30nmの範囲となるように、SiO2膜(ハードマスク膜)13の選択的エッチングの条件を選択する。 At that time, in the region where the upper surface of the insulating barrier film 7 is exposed, the SiCN film used for forming the insulating barrier film 7 may be slightly etched but is exposed. The conditions for selective etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 are selected so that the film thickness of the SiCN film is in the range of 20 to 30 nm.

パターニングされたSiO2膜(ハードマスク膜)13の膜厚は、抵抗変化素子形成領域、特に、開口部の中央領域の膜厚は、その周囲の領域の膜厚より若干厚くなっている。そのため、開口部の中央領域のSiO2膜(ハードマスク膜)13をエッチング除去する間、その周囲の領域では、上面保護膜12の形成に使用する、SiN膜の表面が一定時間露呈した状態になる。その際、一定時間露呈されているSiN膜は、若干のエッチングを受けていてもよいが、エッチングを受けたSiN膜の膜厚は、少なくとも、20〜30nmの範囲となるように、SiO2膜(ハードマスク膜)13の選択的エッチングの条件を選択する。 The film thickness of the patterned SiO 2 film (hard mask film) 13 is slightly larger than the film thickness in the resistance change element forming region, particularly in the central region of the opening. Therefore, while the SiO 2 film (hard mask film) 13 in the central region of the opening is removed by etching, in the surrounding region, the surface of the SiN film used for forming the upper surface protective film 12 is exposed for a certain period of time. Become. At that time, the SiN film exposed for a certain period of time may be subjected to slight etching, but the SiO 2 film so that the thickness of the etched SiN film is at least in the range of 20 to 30 nm. Conditions for selective etching of (hard mask film) 13 are selected.

SiCN膜、SiN膜に対する選択性を高く保持するため、例えば、SiO2膜(ハードマスク膜)13の選択的エッチングは、CF4のガス流量=140sccm、圧力6.6[Pa]、ソースパワー1200W、基板バイアスパワー700Wの条件で行うことができる。 In order to maintain high selectivity with respect to the SiCN film and the SiN film, for example, the selective etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 is performed by CF 4 gas flow rate = 140 sccm, pressure 6.6 [Pa], and source power 1200 W. The substrate bias power can be 700 W.

ハードマスクとして使用した、SiO2膜(ハードマスク膜)13の選択的エッチングが完了すると、図7Dに示す、パターニングされた上面保護膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、固体電解質膜9、酸化チタン膜8からなる積層構造が、抵抗変化素子の作製を行う、開口部領域に形成される。該積層構造の側壁面と、その下層の絶縁性バリア膜7の上面とのなす角は、略90°となっている。 When the selective etching of the SiO 2 film (hard mask film) 13 used as the hard mask is completed, the patterned upper surface protective film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, the solid electrolyte shown in FIG. A laminated structure including the film 9 and the titanium oxide film 8 is formed in the opening region where the variable resistance element is manufactured. The angle formed between the side wall surface of the laminated structure and the upper surface of the underlying insulating barrier film 7 is approximately 90 °.

(ステップA5)
ステップA5は、図7Eに示すように、パターニングされた上面保護膜12、第2上部電極11、第1上部電極10、固体電解質膜9、酸化チタン膜8からなる積層構造の上面と側壁面、ならびに、その周囲に露呈している絶縁性バリア膜7の上面を被覆する、保護絶縁膜14を堆積する工程である。保護絶縁膜14として、例えば、膜厚30nmのSiN膜が利用される。
(Step A5)
Step A5, as shown in FIG. 7E, the upper surface and the side wall surface of the laminated structure comprising the patterned upper surface protective film 12, the second upper electrode 11, the first upper electrode 10, the solid electrolyte film 9, and the titanium oxide film 8, In addition, this is a step of depositing a protective insulating film 14 that covers the upper surface of the insulating barrier film 7 exposed around the periphery. For example, a 30 nm-thickness SiN film is used as the protective insulating film 14.

保護絶縁膜14は、積層構造の上面と側壁面、ならびに、その周囲に露呈している絶縁性バリア膜7の上面を均一な膜厚で被覆するように、等方的な堆積法を使用して、堆積される。例えば、保護絶縁膜14として利用される、膜厚30nmのSiN膜は、プラズマCVD法を用い、SiH4とN2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。NH3やH2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、固体電解質膜9として利用する、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーからなる「多孔質高分子膜」中に含有される、酸素(O)にHが作用し、H2Oに変換される反応の発生を回避できる。 The protective insulating film 14 uses an isotropic deposition method so as to cover the upper surface and the side wall surface of the laminated structure and the upper surface of the insulating barrier film 7 exposed in the periphery with a uniform film thickness. Is deposited. For example, a SiN film having a thickness of 30 nm used as the protective insulating film 14 is formed using a plasma CVD method, using SiH 4 and N 2 as source gases, using a high-density plasma at a substrate temperature of 200 ° C. be able to. Since a reducing gas such as NH 3 or H 2 is not used, it is composed of a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon, which is used as the solid electrolyte film 9 in the film forming gas stabilization process immediately before film formation. contained in the "porous polymeric membrane" in, H acts on oxygen (O), in avoiding the occurrence of the reaction that is converted to H 2 O.

保護絶縁膜14として利用される、SiN膜は、絶縁性バリア膜7として利用されるSiCN膜、ならびに、上面保護膜12として利用されるSiN膜との密着性に優れている。具体的には、絶縁性バリア膜7として利用されるSiCN膜の表面に堆積される、SiN膜との界面では、Si−N結合が形成され、両者の一体化がなさえる。また、上面保護膜12として利用されるSiN膜の上面と端面に堆積される、SiN膜との界面でも、Si−N結合が形成され、両者の一体化がなされる。   The SiN film used as the protective insulating film 14 is excellent in adhesion with the SiCN film used as the insulating barrier film 7 and the SiN film used as the upper surface protective film 12. Specifically, Si—N bonds are formed at the interface with the SiN film deposited on the surface of the SiCN film used as the insulating barrier film 7, and the two can be integrated. Further, Si—N bonds are also formed at the interface between the SiN film used as the upper surface protective film 12 and the SiN film deposited on the upper and end surfaces of the SiN film.

従って、積層構造の側壁面を被覆している、保護絶縁膜14は、絶縁性バリア膜7として利用されるSiCN膜、ならびに、上面保護膜12として利用されるSiN膜と一体となって、積層構造の側壁面に対する、湿度の侵入、酸素の侵入、あるいは、酸素の離脱を効果的に防止する。従って、最終的に作製される、抵抗変化素子の歩留まりと信頼性を向上することができる。   Therefore, the protective insulating film 14 covering the side wall surface of the laminated structure is integrated with the SiCN film used as the insulating barrier film 7 and the SiN film used as the upper surface protective film 12. It effectively prevents moisture penetration, oxygen penetration, or oxygen detachment from the side wall surface of the structure. Therefore, it is possible to improve the yield and reliability of the resistance change element finally manufactured.

(ステップA6)
ステップA6は、図7Fに示すように、積層構造の側壁面を被覆している、保護絶縁膜14を残し、上面保護膜12の上面、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆っている、SiN膜をエッチング除去する工程である。
(Step A6)
In step A6, as shown in FIG. 7F, the protective insulating film 14 covering the side wall surface of the laminated structure is left, the upper surface of the upper surface protective film 12, and the insulating barrier film 7 around the laminated structure are formed. This is a step of removing the SiN film covering the upper surface by etching.

その際、積層構造の側壁面を被覆しているSiN膜のエッチングは進行せず、上面保護膜12の上面、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆っている、SiN膜のみを選択的にエッチングするため、異方的なドライエッチング法を採用する。上面保護膜12の上面、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆っている、SiN膜の異方的なドライエッチングは、平行平板型のドライエッチング装置を用い、例えば、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53[Pa]、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件で行うことができる。 At that time, the etching of the SiN film covering the side wall surface of the laminated structure does not proceed, and the upper surface of the upper surface protective film 12 and the upper surface of the insulating barrier film 7 around the laminated structure are covered. In order to selectively etch only the film, an anisotropic dry etching method is employed. The anisotropic dry etching of the SiN film covering the upper surface of the upper surface protective film 12 and the upper surface of the insulating barrier film 7 around the laminated structure uses a parallel plate type dry etching apparatus, for example, CF 4 / Ar gas flow rate = 25/50 sccm, pressure 0.53 [Pa], source power 400 W, substrate bias power 90 W.

前記の「異方的なドライエッチング」法に代えて、「異方的なエッチバック」法を採用して、上面保護膜12の上面、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆っている、SiN膜を選択的にエッチバックし、積層構造の側壁面を被覆しているSiN膜を残す手法を利用することも可能である。   Instead of the above-mentioned “anisotropic dry etching” method, an “anisotropic etch-back” method is adopted, and the upper surface of the upper protective film 12 and the insulating barrier film 7 around the laminated structure are formed. It is also possible to use a method of selectively etching back the SiN film covering the upper surface and leaving the SiN film covering the side wall surface of the laminated structure.

例えば、プラズマCVD装置を利用して、成長リアクター中に、Arガスを導入し、基板バイアスをかけることで、エッチバックを行うことが可能である。その際、「異方的なエッチバック」が進行する条件を設定することが可能であれば、上面保護膜12の上面、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆っている、SiN膜を選択的にエッチバックし、積層構造の側壁面を被覆しているSiN膜を残すことが可能である。   For example, etch back can be performed by introducing Ar gas into a growth reactor and applying a substrate bias using a plasma CVD apparatus. At that time, if it is possible to set conditions for the progress of “anisotropic etchback”, the upper surface of the upper surface protective film 12 and the upper surface of the insulating barrier film 7 around the laminated structure are covered. It is possible to selectively etch back the SiN film and leave the SiN film covering the side wall surface of the laminated structure.

後述するステップA7においては、図7Fに示すように、積層構造の側壁面を被覆しているSiN膜を除き、SiN膜を除去した後、プラズマCVD法を利用して、第2の層間絶縁膜の作製に利用するSiO2膜を堆積する。仮に、該SiO2膜の堆積に用いるプラズマCVD装置を利用して、成長リアクター中に、Arガスを導入し、基板バイアスをかけることで、「異方的なエッチバック」を行うことが可能であれば、SiO2膜の堆積に先立ち、「異方的なエッチバック」処理を施すことで、図7Fに示す形態とすることが可能である。その場合、ステップA6の「異方的なドライエッチング」工程に使用する、専用の「平行平板型のドライエッチング装置」の購入の必要がなく、抵抗変化素子の作製に要する製造設備の費用の低減に貢献する。また、抵抗変化素子を搭載した半導体装置の製品原価の低減に貢献する。 In step A7, which will be described later, as shown in FIG. 7F, after removing the SiN film except for the SiN film covering the side wall surface of the laminated structure, the second interlayer insulating film is utilized by using the plasma CVD method. A SiO 2 film to be used for the fabrication is deposited. It is possible to perform "anisotropic etchback" by introducing Ar gas into the growth reactor and applying a substrate bias using a plasma CVD apparatus used for depositing the SiO 2 film. If so, it is possible to obtain the form shown in FIG. 7F by performing an “anisotropic etchback” process prior to the deposition of the SiO 2 film. In that case, there is no need to purchase a dedicated “parallel plate type dry etching apparatus” used in the “anisotropic dry etching” process of step A6, and the cost of manufacturing equipment required for manufacturing the resistance change element is reduced. To contribute. It also contributes to reducing the product cost of semiconductor devices equipped with variable resistance elements.

(ステップA7)
ステップA7は、図7Gに示すように、積層構造の上面保護膜12、積層構造の側壁面を被覆する保護絶縁膜14、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を覆い、平坦化処理を施された第一の層間絶縁膜15を形成する工程である。第一の層間絶縁膜15は、絶縁性バリア膜7と直接接する形態とされている。
(Step A7)
Step A7, as shown in FIG. 7G, covers the upper surface of the laminated structure upper surface protective film 12, the protective insulating film 14 covering the side wall surface of the laminated structure, and the upper surface of the insulating barrier film 7 around the laminated structure, This is a step of forming the first interlayer insulating film 15 that has been subjected to planarization. The first interlayer insulating film 15 is configured to be in direct contact with the insulating barrier film 7.

第7の実施形態に係る抵抗変化素子は、積層構造の上面保護膜12、積層構造の側壁面を被覆する保護絶縁膜14は、SiN膜を利用して形成し、絶縁性バリア膜7は、SiCN膜を利用して形成しており、一方、第一の層間絶縁膜15は、シリコン酸化(SiO2)膜を利用して形成している。 In the variable resistance element according to the seventh embodiment, the upper surface protective film 12 having a laminated structure, the protective insulating film 14 covering the side wall surface of the laminated structure is formed using a SiN film, and the insulating barrier film 7 is On the other hand, the first interlayer insulating film 15 is formed using a silicon oxide (SiO 2 ) film.

積層構造の上面保護膜12、積層構造の側壁面を被覆する保護絶縁膜14、ならびに、該積層構造の周囲の絶縁性バリア膜7の上面を被覆するように、等方的な堆積法であるプラズマCVD法を用いて、シリコン酸化膜を堆積する(図示せず)。絶縁性バリア膜7の上面に形成されている、積層構造の外縁部分は、絶縁性バリア膜7の上面に対して、(2.0nm+5nm+10nm+20nm+30nm)=67.0nmの段差Δh1を有している。開口部に形成されている、積層構造の中央部分は、絶縁性バリア膜7の上面を基準として、(2.0nm+5nm+10nm+20nm+30nm−30nm)=37.0nmの高さΔh2となっている。高さに差異を有する、積層構造の中央部分と積層構造の外縁部分、ならびに、その周囲の絶縁性バリア膜7の上面に堆積する、シリコン酸化膜の膜厚は、前記段差Δh1の少なくとも5倍、例えば、約450nmに選択する。その際、前記段差は堆積する膜厚が増すととも、徐々に埋め込みが進むため、堆積されるシリコン酸化膜の上面に残される高さの相違(段差)は、低減されるが、平坦化は完了していない。 This is an isotropic deposition method so as to cover the upper surface protective film 12 of the laminated structure, the protective insulating film 14 covering the sidewall surface of the laminated structure, and the upper surface of the insulating barrier film 7 around the laminated structure. A silicon oxide film is deposited using a plasma CVD method (not shown). The outer edge portion of the laminated structure formed on the upper surface of the insulating barrier film 7 has a step Δh 1 of (2.0 nm + 5 nm + 10 nm + 20 nm + 30 nm) = 67.0 nm with respect to the upper surface of the insulating barrier film 7. The central portion of the laminated structure formed in the opening has a height Δh 2 of (2.0 nm + 5 nm + 10 nm + 20 nm + 30 nm−30 nm) = 37.0 nm with reference to the upper surface of the insulating barrier film 7. The thickness of the silicon oxide film deposited on the central portion of the laminated structure, the outer edge portion of the laminated structure, and the upper surface of the surrounding insulating barrier film 7 having a difference in height is at least 5 of the step Δh 1 . Double, for example, about 450 nm is selected. At this time, as the thickness of the step increases, the step of filling gradually progresses. Therefore, the difference in height (step) remaining on the upper surface of the deposited silicon oxide film is reduced, but the planarization is not performed. Not complete.

そのため、堆積されたシリコン酸化膜の表面に平坦化処理、例えば、CMP法を用いた研磨処理を施す。   Therefore, the surface of the deposited silicon oxide film is subjected to a planarization process, for example, a polishing process using a CMP method.

プラズマCVD法を用いて、膜厚約450nmのシリコン酸化膜を堆積する際、例えば、ステップA3において、SiO2膜(ハードマスク膜)13の堆積に利用した条件を採用することができる。 When a silicon oxide film having a film thickness of about 450 nm is deposited using the plasma CVD method, for example, the conditions used for depositing the SiO 2 film (hard mask film) 13 in step A3 can be employed.

堆積されたシリコン酸化膜の表面に平坦化処理、例えば、CMP法を用いた研磨処理では、膜厚約450nmのシリコン酸化膜に対して、研磨量を約300nmに設定し、研磨処理後のシリコン酸化膜の膜厚を、絶縁性バリア膜7の上面部分において、150nmに調整することができる。   In the flattening process on the surface of the deposited silicon oxide film, for example, a polishing process using a CMP method, the polishing amount is set to about 300 nm for the silicon oxide film having a film thickness of about 450 nm, and the silicon after the polishing process is set. The thickness of the oxide film can be adjusted to 150 nm on the upper surface portion of the insulating barrier film 7.

CMP法を用いた、シリコン酸化膜の研磨処理では、研磨剤として、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。   In the polishing process of the silicon oxide film using the CMP method, polishing can be performed using a general colloidal silica or ceria-based slurry as an abrasive.

(ステップA8)
ステップA8は、図7Hに示すように、平坦化処理を施したシリコン酸化膜からなる第一の層間絶縁膜15の上面に、第二の層間絶縁膜16ならびに第三の層間絶縁膜17を形成する工程と、第一の層間絶縁膜15上に積層される、第二の層間絶縁膜16と第三の層間絶縁膜17中に形成される、上層の配線層に相当する「第2配線」、ならびに、第一の層間絶縁膜15中に形成される、「第2配線」と一体化された「プラグ」を作製する工程とで構成される。
(Step A8)
In step A8, as shown in FIG. 7H, a second interlayer insulating film 16 and a third interlayer insulating film 17 are formed on the upper surface of the first interlayer insulating film 15 made of the silicon oxide film subjected to the planarization process. And “second wiring” corresponding to the upper wiring layer formed in the second interlayer insulating film 16 and the third interlayer insulating film 17 stacked on the first interlayer insulating film 15. And a step of forming a “plug” formed in the first interlayer insulating film 15 and integrated with the “second wiring”.

第7の実施形態に係る抵抗変化素子では、第一の層間絶縁膜15には、膜厚150nmのシリコン酸化(SiO2)膜を採用しており、一方、第二の層間絶縁膜16には、例えば、膜厚150nmのSiOC膜を、第三の層間絶縁膜17には、膜厚100nmのSiO2膜を採用している。 In the resistance change element according to the seventh embodiment, a 150 nm-thickness silicon oxide (SiO 2 ) film is used for the first interlayer insulating film 15, while the second interlayer insulating film 16 For example, a SiOC film with a thickness of 150 nm is used, and a SiO 2 film with a thickness of 100 nm is used for the third interlayer insulating film 17.

第二の層間絶縁膜16の形成に使用されるSiOC膜、ならびに、第三の層間絶縁膜17の形成に使用されるSiO2膜は、いずれも、プラズマCVD法を用いて堆積することができる。 Both the SiOC film used for forming the second interlayer insulating film 16 and the SiO 2 film used for forming the third interlayer insulating film 17 can be deposited using the plasma CVD method. .

プラズマCVD法を用いて、SiOC膜を堆積する際、例えば、特開2004−221275号公報に開示する堆積条件を採用することができる。プラズマCVD法を用いて、SiO2膜を堆積する際、例えば、ステップA3において、SiO2膜(ハードマスク膜)13の堆積に利用した条件を採用することができる。 When depositing the SiOC film using the plasma CVD method, for example, the deposition conditions disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-221275 can be employed. When depositing the SiO 2 film using the plasma CVD method, for example, the conditions used for depositing the SiO 2 film (hard mask film) 13 in step A3 can be employed.

「第2配線」と一体化された「プラグ」は、絶縁性バリア膜7に設ける開口を介して、「第1配線」の銅配線5の上面と接し、「第2配線」と、抵抗変化素子の「第1電極」として機能する「第1配線」との間を電気的に連結している。   The “plug” integrated with the “second wiring” is in contact with the upper surface of the copper wiring 5 of the “first wiring” through the opening provided in the insulating barrier film 7 and changes in resistance with the “second wiring”. The “first wiring” functioning as the “first electrode” of the element is electrically connected.

「第2配線」と一体化された「プラグ」の作製には、デュアルダマシン法のビアファースト法を適用している。   A dual damascene via-first method is applied to manufacture the “plug” integrated with the “second wiring”.

まず、下層の配線層に相当する「第1配線」の金属(銅配線)の上面、抵抗変化素子の保護絶縁膜14に近接する、電気的接触部位の上部に相当する位置に、「プラグ」の形成に使用するビアホールの底面の穴形状に相当する開口部を有する、レジスト・マスクを、第三の層間絶縁膜17の上面に形成する。該レジスト・マスクを使用して、第三の層間絶縁膜17、第二の層間絶縁膜16、第一の層間絶縁膜15を順次ドライ・エッチング法により、異方性エッチングし、第三の層間絶縁膜17、第二の層間絶縁膜16、第一の層間絶縁膜15を貫通し、「第1配線」の金属(銅配線)5の表面を被覆する絶縁性バリア膜7の上面に達するビアホールを形成する。   First, a “plug” is formed at a position corresponding to the upper surface of the metal (copper wiring) of the “first wiring” corresponding to the lower wiring layer and the upper portion of the electrical contact portion adjacent to the protective insulating film 14 of the resistance change element. A resist mask having an opening corresponding to the shape of the bottom of the via hole used for forming the via hole is formed on the upper surface of the third interlayer insulating film 17. Using the resist mask, the third interlayer insulating film 17, the second interlayer insulating film 16, and the first interlayer insulating film 15 are anisotropically etched in order by a dry etching method to obtain a third interlayer insulating film. A via hole that penetrates the insulating film 17, the second interlayer insulating film 16, and the first interlayer insulating film 15 and reaches the upper surface of the insulating barrier film 7 that covers the surface of the metal (copper wiring) 5 of the “first wiring”. Form.

ビアホールの形成に使用した、レジスト・マスクを除去した後、「第2配線」を形成する配線溝のパターンに相当する開口部を有する、レジスト・マスクを、第三の層間絶縁膜17の上面に形成する。該レジスト・マスクを使用して、第三の層間絶縁膜17と、第二の層間絶縁膜16を、段階的にドライ・エッチング法により、異方性エッチングを施す。「段階的ドライ・エッチング」においては、第二の層間絶縁膜16を形成しているSiOC膜のエッチング条件には、SiO2膜に対して、選択性を有する条件を選択する。その結果、SiO2膜からなる第一の層間絶縁膜15は、第二の層間絶縁膜16を形成しているSiOC膜のエッチング工程において、エッチング・ストッパー層として機能する。また、第二の層間絶縁膜16を形成しているSiOC膜のエッチング工程において、SiO2膜からなる第三の層間絶縁膜17の側壁面に対するサイド・エッチングの進行が抑制されている。結果として、第三の層間絶縁膜17と、第二の層間絶縁膜16の「段階的ドライ・エッチング」により、「第2配線」18を形成する配線溝が形成される。 After removing the resist mask used for forming the via hole, a resist mask having an opening corresponding to the pattern of the wiring groove for forming the “second wiring” is formed on the upper surface of the third interlayer insulating film 17. Form. Using the resist mask, the third interlayer insulating film 17 and the second interlayer insulating film 16 are anisotropically etched stepwise by a dry etching method. In “stepwise dry etching”, the etching condition of the SiOC film forming the second interlayer insulating film 16 is selected to have a selectivity with respect to the SiO 2 film. As a result, the first interlayer insulating film 15 made of the SiO 2 film functions as an etching stopper layer in the etching process of the SiOC film forming the second interlayer insulating film 16. Further, in the etching process of the SiOC film forming the second interlayer insulating film 16, the progress of the side etching on the side wall surface of the third interlayer insulating film 17 made of the SiO 2 film is suppressed. As a result, a wiring trench for forming the “second wiring” 18 is formed by “stepwise dry etching” of the third interlayer insulating film 17 and the second interlayer insulating film 16.

該配線溝の形成に使用した、レジスト・マスクを除去する。その後、SiOC膜、SiO2膜に対して選択性を有する条件を選択し、ビアホールの底に露呈している、SiCN膜からなる絶縁性バリア膜7をドライ・エッチングし、ビアホールの底に、「第1配線」の金属(銅配線)5の表面を露呈させる。 The resist mask used for forming the wiring trench is removed. Thereafter, a condition having selectivity with respect to the SiOC film and the SiO 2 film is selected, and the insulating barrier film 7 made of the SiCN film exposed to the bottom of the via hole is dry-etched, and “ The surface of the metal (copper wiring) 5 of the “first wiring” is exposed.

形成された配線溝と一体化されているビアホールに、バリアメタル18bを介して、金属18aを埋め込んで、「第2配線」と一体化された「プラグ」を形成する。上層の配線層に相当する、「第2配線」と一体化された「プラグ」の形成に使用する金属18aには、銅を主成分とする金属材料、例えば、銅を使用する。バリアメタル18bは、銅の拡散を防止する。従って、例えば、TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造を、バリアメタル18bとして使用する。   A metal 18a is buried in a via hole integrated with the formed wiring groove via a barrier metal 18b to form a “plug” integrated with the “second wiring”. For the metal 18a used for forming the “plug” integrated with the “second wiring” corresponding to the upper wiring layer, a metal material containing copper as a main component, for example, copper is used. The barrier metal 18b prevents copper diffusion. Therefore, for example, a stacked structure of TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) is used as the barrier metal 18b.

TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造からなるバリアメタル18bを、配線溝と一体化されているビアホールの側壁部と底部に均一な膜厚で被覆する。そのため、等方的な堆積法、例えば、RFスパッタ法を利用して、該積層構造からなる堆積膜を、第三の層間絶縁膜17の上面と、配線溝と一体化されているビアホールの側壁部と底部に形成する。金属18aに使用する銅は、バリアメタル18bを下地層として使用し、例えば、メッキ法を利用して、配線溝と一体化されているビアホールの内部を埋め込むように形成する。その後、例えば、CMP(Chemical-Mechanical Polishing)法を利用し、第三の層間絶縁膜17の上面に形成されている、銅とTaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造を除去し、配線溝に形成される「第2配線」の上面の平坦化を行う。   A barrier metal 18b having a laminated structure of TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) is coated with a uniform film thickness on the side wall and bottom of the via hole integrated with the wiring groove. Therefore, by using an isotropic deposition method, for example, RF sputtering, the deposited film having the laminated structure is formed on the sidewall of the via hole integrated with the upper surface of the third interlayer insulating film 17 and the wiring trench. Form on the bottom and bottom. Copper used for the metal 18a uses the barrier metal 18b as an underlayer, and is formed so as to bury the inside of the via hole integrated with the wiring groove by using, for example, a plating method. Thereafter, for example, using a CMP (Chemical-Mechanical Polishing) method, a laminated structure of copper and TaN (film thickness 5 nm) / Ta (film thickness 5 nm) formed on the upper surface of the third interlayer insulating film 17 is formed. The upper surface of the “second wiring” formed in the wiring trench is flattened by removing.

第三の層間絶縁膜17の形成を終えた後、「プラグ」の作製用のビアホールを形成する。その際、該ビアホールの最下端の穴形状に対応する、開口部を具えたレジスト・マスクを使用し、第三の層間絶縁膜17、第二の層間絶縁膜16、第一の層間絶縁膜15を順次、選択的に異方性エッチングする。その際、第一の層間絶縁膜15の上面から第一の層間絶縁膜15の下面に向かって、異方性エッチング法、例えば、ドライ・エッチング法を採用して、第一の層間絶縁膜15を構成する絶縁材料、SiO2膜を、選択的に異方性エッチングを行う。該第一の層間絶縁膜15を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜14を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されている。 After the formation of the third interlayer insulating film 17, a via hole for forming a “plug” is formed. At this time, a resist mask having an opening corresponding to the shape of the lowermost hole of the via hole is used, and the third interlayer insulating film 17, the second interlayer insulating film 16, and the first interlayer insulating film 15 are used. Are sequentially anisotropically etched. At this time, an anisotropic etching method, for example, a dry etching method is employed from the upper surface of the first interlayer insulating film 15 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 15 to thereby form the first interlayer insulating film 15. An anisotropic etching is selectively performed on the insulating material and the SiO 2 film. The selective anisotropic etching conditions for the insulating material and SiO 2 film constituting the first interlayer insulating film 15 are selected so as to be selective with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 14. Yes.

第一の層間絶縁膜15の上面から第一の層間絶縁膜15の下面に向かって、異方性エッチングを進める過程において、僅かながらサイド・エッチングも進行する。その結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。   In the process of performing anisotropic etching from the upper surface of the first interlayer insulating film 15 toward the lower surface of the first interlayer insulating film 15, side etching also proceeds slightly. As a result, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper.

その後、「第2配線」を形成する配線溝を作製するため、第三の層間絶縁膜17と、第二の層間絶縁膜16の「段階的ドライ・エッチング」を施す際、SiO2膜からなる第三の層間絶縁膜17のドライ・エッチング工程においても、ビアホールの側壁に対して、僅かながらサイド・エッチングが進行する。 Thereafter, in order to produce a wiring trench for forming the “second wiring”, the third interlayer insulating film 17 and the second interlayer insulating film 16 are made of SiO 2 film when “stepwise dry etching” is performed. Even in the dry etching process of the third interlayer insulating film 17, side etching slightly proceeds on the side wall of the via hole.

仮に、サイド・エッチングが全く進行しない場合には、形成されるビアホールの側壁は、レジスト・マスクの開口部の形状と全く同じ形状を維持し、第一の層間絶縁膜15の下面における、ビアホールの側壁の外縁は、保護絶縁膜14の底部に最近接しているが、「点接触」するように、保護絶縁膜14と、レジスト・マスクの開口部の位置合わせがなされている。   If side etching does not proceed at all, the side wall of the via hole to be formed maintains the same shape as the shape of the opening of the resist mask, and the via hole on the lower surface of the first interlayer insulating film 15 is maintained. The outer edge of the side wall is closest to the bottom of the protective insulating film 14, but the protective insulating film 14 and the opening of the resist mask are aligned so as to make “point contact”.

実際には、僅かながらサイド・エッチングも進行する結果、形成されるビアホールの側壁の形状は、若干のテーパを示す。そのため、第一の層間絶縁膜15の下面近くでは、若干のテーパを示す、ビアホールの側壁面に、保護絶縁膜14の側面が部分的に露呈している状態となる。第一の層間絶縁膜15、第三の層間絶縁膜17を構成する絶縁材料、SiO2膜の選択的な異方性エッチング条件、ならびに、第二の層間絶縁膜17を構成する絶縁材料、SiOC膜の選択的な異方性エッチング条件は、保護絶縁膜14を構成するSiN膜に対して、選択性を有する条件が選択されており、ビアホールの側壁面に露呈する、保護絶縁膜14の側面への「サイド・エッチング」は実質的に進行しない。最終的に、SiCN膜で形成される第一の絶縁性バリア膜7を、選択的に異方性エッチングするが、ビアホールの側壁面に露呈する、SiN膜で形成される保護絶縁膜14の側面への「サイド・エッチング」は極僅かに進行するのみである。 Actually, as a result of a slight side etching, the shape of the side wall of the via hole to be formed shows a slight taper. Therefore, near the lower surface of the first interlayer insulating film 15, the side surface of the protective insulating film 14 is partially exposed on the side wall surface of the via hole, showing a slight taper. Insulating material constituting first interlayer insulating film 15 and third interlayer insulating film 17, selective anisotropic etching conditions for SiO 2 film, insulating material constituting second interlayer insulating film 17, SiOC As a selective anisotropic etching condition of the film, a condition having selectivity with respect to the SiN film constituting the protective insulating film 14 is selected, and the side surface of the protective insulating film 14 exposed on the side wall surface of the via hole is exposed. The “side etching” to the substrate does not proceed substantially. Finally, the first insulating barrier film 7 formed of the SiCN film is selectively anisotropically etched, but is exposed to the side wall surface of the via hole, and the side surface of the protective insulating film 14 formed of the SiN film “Side etching” is only slightly progressed.

形成されるビアホールの側壁面に、保護絶縁膜14の側面が部分的に露呈している状態であるため、該ビアホール内部に「プラグ」を作製すると、図7Hに示すように、保護絶縁膜14の側面に、形成された「プラグ」の側壁面が接触した状態となる。但し、第一の電極を構成する、第1上部電極10と第2上部電極11の側面と、「プラグ」の側壁面とは、保護絶縁膜14によって、電気的に分離されている。   Since the side surface of the protective insulating film 14 is partially exposed on the side wall surface of the via hole to be formed, when a “plug” is formed inside the via hole, as shown in FIG. 7H, the protective insulating film 14 The side wall surface of the formed “plug” is in contact with the side surface of. However, the side surfaces of the first upper electrode 10 and the second upper electrode 11 and the side wall surface of the “plug” constituting the first electrode are electrically separated by the protective insulating film 14.

なお、製造後の状態から、本発明にかかる抵抗変化素子で採用する保護絶縁膜の形成方法を確認することができる。具体的には、抵抗変化素子を採用している製品のデバイスの断面をTEM観察し、多層配線層内に抵抗変化素子が形成されていることを確認する。さらに、抵抗変化素子を構成する抵抗変化膜、もしくは電極の側面に保護絶縁膜が形成されていることを、断面TEM観察により確認する。さらに、その保護絶縁膜が水平方向に延在していないことを確認し、層間絶縁膜として用いられていないことを確認する。さらにTEMに加えて、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)などの組成分析を行うことで、保護絶縁膜として使用されている絶縁材料の確認をすることができる。   In addition, the formation method of the protective insulating film employ | adopted with the resistance change element concerning this invention can be confirmed from the state after manufacture. Specifically, the cross section of the device of the product adopting the variable resistance element is observed with a TEM to confirm that the variable resistance element is formed in the multilayer wiring layer. Furthermore, it is confirmed by cross-sectional TEM observation that a resistance change film constituting the resistance change element or a protective insulating film is formed on the side surface of the electrode. Further, it is confirmed that the protective insulating film does not extend in the horizontal direction, and it is confirmed that the protective insulating film is not used as an interlayer insulating film. Furthermore, in addition to TEM, a protective insulating film is obtained by performing composition analysis such as EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy). It is possible to confirm the insulating material used as

具体的には、銅配線上に形成された抵抗変化素子が、固体電解質からなる抵抗変化膜を用いたスイッチング素子である場合には、「イオン伝導層」として機能する固体電解質膜が、酸素、あるいは炭素を含む膜であるかを特定することができる。抵抗変化素子を構成する抵抗変化膜が、相変化膜である場合、あるいは、磁性体材料を利用した抵抗変化素子である場合には、本明細書中に記載の材料が用いられているかを素子断面の組成分析を行うことで判断する。加えて、保護絶縁膜が抵抗変化素子を構成する積層構造の側面に形成されていることを確認し、SiN膜であるかを同定する場合には、上記組成分析を面分析で行うことが好ましい。さらに、第一の層間絶縁膜と、第一の層間絶縁膜の上部に位置する第二の層間絶縁膜とを有し、それらが直接接していることを断面構造から同定することができる。   Specifically, when the resistance change element formed on the copper wiring is a switching element using a resistance change film made of a solid electrolyte, the solid electrolyte film functioning as the “ion conductive layer” is oxygen, Alternatively, it can be specified whether the film contains carbon. When the variable resistance film constituting the variable resistance element is a phase change film or a variable resistance element using a magnetic material, the element is used to determine whether the material described in this specification is used. Judgment is made by analyzing the composition of the cross section. In addition, when confirming that the protective insulating film is formed on the side surface of the laminated structure constituting the variable resistance element and identifying whether it is a SiN film, it is preferable to perform the composition analysis by surface analysis. . Further, it is possible to identify from the cross-sectional structure that the first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film located above the first interlayer insulating film have a direct contact with each other.

なお、上記の好ましい実施形態、実施態様では、抵抗変化膜に固体電解質層を採用する「銅フィラメント析出型抵抗変化素子」を利用するReRAMや、金属酸化物からなる抵抗変化膜を採用する、酸素欠損型ReRAMを構成する場合について、本発明を詳細に説明している。前記の構成に代えて、抵抗変化膜として、固体電解質や金属酸化物以外の膜を採用する抵抗変化素子、例えば、磁性体を利用する抵抗変化素子を利用する、MRAMまたはスピン素子、あるいは、相変化型抵抗変化層(GST)を採用するPRAMなどを構成する形態に、本発明を応用してもよい。   In the preferred embodiments and embodiments described above, ReRAM using a “copper filament deposition type resistance change element” that employs a solid electrolyte layer as the resistance change film, or a resistance change film made of a metal oxide is employed. The present invention is described in detail for the case of constructing a defective ReRAM. Instead of the above-described configuration, a resistance change element employing a film other than a solid electrolyte or metal oxide as the resistance change film, for example, a resistance change element using a magnetic material, an MRAM or a spin element, or a phase change element The present invention may be applied to a configuration of a PRAM or the like that employs a variable resistance change layer (GST).

好適な実施形態、ならびに、実施態様を例示して、本発明にかかる抵抗変化素子、ならびに、抵抗変化素子の製造方法を説明したが、これら実施形態、ならびに、実施態様は、本発明の技術的原理を具体的に説明する目的で選択された一例であって、本発明の技術的範囲は、これら具体例に限定されることを意味するものではない。   The preferred embodiments and the embodiments have been exemplified to describe the variable resistance element and the method for manufacturing the variable resistance element according to the present invention. However, these embodiments and the embodiments are technical It is an example selected for the purpose of specifically explaining the principle, and the technical scope of the present invention is not meant to be limited to these specific examples.

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装置に適用する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成する形態について説明した。本発明の技術思想は、「半導体基板上の銅配線上部に抵抗変化素子を形成する形態」に限定されるものではない。本発明の技術思想は、例えば、DRAM(Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM)、フラッシュメモリ、FRAM(Ferro Electrc RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、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。   For example, a technique applied to a semiconductor device having a CMOS circuit, which is a field of use that is the background of the invention made by the present inventor, will be described in detail, and a mode in which a resistance change element is formed on a copper wiring on a semiconductor substrate will be described. did. The technical idea of the present invention is not limited to the “form in which the resistance change element is formed on the copper wiring on the semiconductor substrate”. The technical idea of the present invention is a memory circuit such as DRAM (Dynamic RAM), SRAM (Static RAM), flash memory, FRAM (Ferro Electric RAM), MRAM (Magnetic RAM), resistance change type memory, bipolar transistor, etc. The present invention can also be applied to a semiconductor product having a logic circuit, a semiconductor product having a logic circuit such as a microprocessor, or a copper wiring of a board or a package on which these are listed simultaneously.

また、本発明にかかる抵抗変化素子をその内部に形成している多層配線層を、半導体装置に対する、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(Micro Electro Mechanical Systems)などの接合にも適用することができる。また、本発明にかかる抵抗変化素子に関して、そのスイッチ機能を使用する事例を中心に説明したが、本発明にかかる抵抗変化素子は、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, the multilayer wiring layer in which the variable resistance element according to the present invention is formed is bonded to a semiconductor device such as an electronic circuit device, an optical circuit device, a quantum circuit device, a micromachine, and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). It can also be applied to. In addition, the variable resistance element according to the present invention has been described with a focus on the case where the switch function is used. However, the variable resistance element according to the present invention is used for a memory element using both non-volatility and variable resistance characteristics. You can also.

以上、代表的な実施形態および実施態様を例示して、本願発明を説明したが、本願発明の技術的範囲は、上記代表的な実施形態および実施態様に限定されるものではない。本願発明の実施に際して、本願発明のスコープ(技術的範囲)内で、当業者が理解し得る様々な変更を加えることができる。   The present invention has been described above by exemplifying typical embodiments and embodiments. However, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described representative embodiments and embodiments. When implementing the present invention, various modifications that can be understood by those skilled in the art can be made within the scope (technical scope) of the present invention.

本発明に係る抵抗変化素子は、半導体装置の多層配線層中に設ける不揮発性スイッチング素子として利用できる。   The variable resistance element according to the present invention can be used as a nonvolatile switching element provided in a multilayer wiring layer of a semiconductor device.

Claims (10)

半導体基板上の配線層内に設けられる抵抗変化素子であって、
前記配線層は、第一の層間絶縁膜を有し、
前記抵抗変化素子は、
抵抗変化膜と、
該抵抗変化膜の上面に接して形成されている第一の電極を具えており、
前記抵抗変化膜と第一の電極を具える、該抵抗変化素子の側面を被覆する保護絶縁膜が形成されており、
少なくとも、前記抵抗変化素子の第一の電極の上部と、保護絶縁膜の上部を覆うように、第一の層間絶縁膜が形成されており、
前記第一の層間絶縁膜に形成されているビアホール内に、第一のコンタクトプラグが形成されており、
前記抵抗変化素子の側面を被覆する保護絶縁膜の側面に、第一のコンタクトプラグの側壁部が接しており、
前記抵抗変化素子の側面を被覆する保護絶縁膜は、前記抵抗変化素子の第一の電極の上部を覆ってなく、
前記抵抗変化素子の第一の電極は、その側面でのみ、前記抵抗変化素子の側面を被覆する保護絶縁膜と接しており、
前記保護絶縁膜に接している前記第一の電極と、第一のコンタクトプラグとは、電気的に接続されていない
ことを特徴とする抵抗変化素子。
A resistance change element provided in a wiring layer on a semiconductor substrate,
The wiring layer has a first interlayer insulating film,
The variable resistance element is
A resistance change film;
A first electrode formed in contact with the upper surface of the variable resistance film;
A protective insulating film that covers the side surface of the variable resistance element, including the variable resistance film and the first electrode, is formed.
A first interlayer insulating film is formed so as to cover at least the upper part of the first electrode of the variable resistance element and the upper part of the protective insulating film,
A first contact plug is formed in the via hole formed in the first interlayer insulating film,
The side wall portion of the first contact plug is in contact with the side surface of the protective insulating film covering the side surface of the variable resistance element,
The protective insulating film covering the side surface of the variable resistance element does not cover the top of the first electrode of the variable resistance element,
The first electrode of the variable resistance element is in contact with a protective insulating film that covers the side surface of the variable resistance element only on its side surface ,
The resistance change element, wherein the first electrode in contact with the protective insulating film and the first contact plug are not electrically connected .
前記保護絶縁膜は、SiN膜で形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化素子。
The resistance change element according to claim 1, wherein the protective insulating film is formed of a SiN film.
前記ビアホール内に形成されている、第一のコンタクトプラグは、
銅を主成分とする金属で形成されるプラグ部と、該プラグ部の周囲を覆うバリアメタル層とで構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化素子。
The first contact plug formed in the via hole is
2. The variable resistance element according to claim 1, wherein the variable resistance element is composed of a plug portion formed of a metal containing copper as a main component and a barrier metal layer covering the periphery of the plug portion.
前記抵抗変化素子の抵抗変化膜は、下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜上に形成されており、
前記下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
該開口部を介して、抵抗変化素子の抵抗変化膜の下面に、前記下層の銅配線の上面が接触している
ことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化素子。
The resistance change film of the resistance change element is formed on an insulating barrier film that covers the upper surface of the lower copper wiring,
The insulating barrier film covering the upper surface of the lower copper wiring has an opening,
The resistance change element according to claim 1, wherein the upper surface of the lower copper wiring is in contact with the lower surface of the resistance change film of the resistance change element through the opening.
前記下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜は、SiN膜、あるいはSiCN膜である
ことを特徴とする請求項4に記載の抵抗変化素子。
5. The variable resistance element according to claim 4, wherein the insulating barrier film covering the upper surface of the lower copper wiring is a SiN film or a SiCN film.
前記抵抗変化素子の抵抗変化膜は、下層の銅配線の上面を被覆する、絶縁性バリア膜上に形成されており、
前記第一のコンタクトプラグは、前記絶縁性バリア膜を貫通して、該貫通部の下に位置する下層の銅配線の上面に接触している
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の抵抗変化素子。
The resistance change film of the resistance change element is formed on an insulating barrier film that covers the upper surface of the lower copper wiring,
The first contact plug penetrates the insulating barrier film and is in contact with the upper surface of the lower copper wiring located under the penetrating portion. The variable resistance element according to one item.
前記第一の電極は、Ruを主成分とする金属で形成されており、
前記抵抗変化膜は、固体電解質からなる膜である
ことを特徴とする請求項6に記載の抵抗変化素子。
The first electrode is made of a metal mainly composed of Ru,
The variable resistance element according to claim 6, wherein the variable resistance film is a film made of a solid electrolyte.
前記抵抗変化膜は、酸化物を含む
ことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗変化素子。
The variable resistance element according to claim 1, wherein the variable resistance film includes an oxide.
前記配線層は、前記第一の層間絶縁膜上に形成される、第二の層間絶縁膜を有し、
前記第二の層間絶縁膜内に、上層の銅配線が形成されており、
前記第一の層間絶縁膜内に形成される前記第一のコンタクトプラグは、前記第二の層間絶縁膜内に形成される前記上層の銅配線と一体化して、形成されている
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の抵抗変化素子。
The wiring layer has a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film,
An upper copper wiring is formed in the second interlayer insulating film,
The first contact plug formed in the first interlayer insulating film is formed integrally with the upper copper wiring formed in the second interlayer insulating film. The resistance change element according to any one of claims 1 to 6.
前記第一の電極の上面に、上面保護膜が形成されており、
前記保護絶縁膜は、抵抗変化膜、第一の電極、上面保護膜の側面を被覆している
ことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗変化素子。
An upper surface protective film is formed on the upper surface of the first electrode,
The variable resistance element according to claim 1, wherein the protective insulating film covers side surfaces of the variable resistance film, the first electrode, and the upper surface protective film.
JP2012181723A 2012-08-20 2012-08-20 Resistance change element and method of forming resistance change element Expired - Fee Related JP6102121B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012181723A JP6102121B2 (en) 2012-08-20 2012-08-20 Resistance change element and method of forming resistance change element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012181723A JP6102121B2 (en) 2012-08-20 2012-08-20 Resistance change element and method of forming resistance change element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014038984A JP2014038984A (en) 2014-02-27
JP6102121B2 true JP6102121B2 (en) 2017-03-29

Family

ID=50286876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012181723A Expired - Fee Related JP6102121B2 (en) 2012-08-20 2012-08-20 Resistance change element and method of forming resistance change element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6102121B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11437570B2 (en) 2019-08-16 2022-09-06 Yonsei University, University—Industry Foundation (UIF) Resistive switching memory device based on multi-inputs

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9905758B2 (en) * 2014-05-29 2018-02-27 Nec Corporation Semiconductor device and method for manufacturing same
US10121965B1 (en) * 2017-08-31 2018-11-06 Sandisk Technologies Llc Resistive random access memory device containing discrete memory material portions and method of making thereof

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3989506B2 (en) * 2005-12-27 2007-10-10 シャープ株式会社 Variable resistance element, manufacturing method thereof, and semiconductor memory device including the same
WO2010146850A1 (en) * 2009-06-18 2010-12-23 パナソニック株式会社 Nonvolatile storage device and method for manufacturing same
JP5794231B2 (en) * 2010-06-16 2015-10-14 日本電気株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP5783174B2 (en) * 2010-06-16 2015-09-24 日本電気株式会社 Semiconductor device and operation method thereof
CN102576709B (en) * 2010-08-17 2015-03-04 松下电器产业株式会社 Nonvolatile storage device and method for manufacturing same
US9214628B2 (en) * 2010-12-03 2015-12-15 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, and manufacturing method for the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11437570B2 (en) 2019-08-16 2022-09-06 Yonsei University, University—Industry Foundation (UIF) Resistive switching memory device based on multi-inputs

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014038984A (en) 2014-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014030393A1 (en) Resistance changing element, and method for manufacturing resistance changing element
JP6344243B2 (en) Switching element and method for manufacturing semiconductor switching device
CN106252505B (en) RRAM device and method
JP5794231B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP5422231B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof
US10158072B1 (en) Step height reduction of memory element
JP4897089B2 (en) Resistance variable nonvolatile memory device and manufacturing method thereof
US20140166961A1 (en) Resistive random access memory (rram) and method of making
JP5039857B2 (en) Storage device and manufacturing method thereof
JP6901686B2 (en) Switching elements, semiconductor devices and their manufacturing methods
US20150364681A1 (en) Nonvolatile storage device and method of producing the device
CN110875353B (en) Memory device and forming method thereof
JP5291269B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory element, nonvolatile semiconductor memory device, and manufacturing method thereof
CN111129292B (en) Memory structure and method for forming the same
TWI768651B (en) Memory and forming method of the same
JP2008072031A (en) Nonvolatile semiconductor storage device
JP6102121B2 (en) Resistance change element and method of forming resistance change element
WO2016203751A1 (en) Rectifying element, switching element, and method for manufacturing rectifying element
TWI730475B (en) Integrated circuit device and forming method thereof
US11683942B2 (en) Memory device including a memory element between wiring layers and method of manufacturing memory device
JP6662289B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2013062327A (en) Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, and manufacturing methods of nonvolatile memory element and nonvolatile memory device
JP2015146343A (en) Nonvolatile storage device and manufacturing method of the same
TW202336762A (en) Resistive memory device and methods of fabricating the same
CN115472737A (en) Memory device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20140508

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150706

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160719

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160809

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161115

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161226

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170131

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170213

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6102121

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees