JP6428860B2 - スイッチング素子およびスイッチング素子の製造方法 - Google Patents
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Description
第1の電極と、第2の電極と、電極間に位置する抵抗変化膜とからなる抵抗変化素子において、前記第2の電極が、ルテニウムを含む合金で形成される電極であることを特徴とする抵抗変化素子である。
前記抵抗変化膜が、金属イオンを伝導するイオン伝導層であり、
前記第1の電極が銅を含む構成を選択することが望ましい。
前記少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分としたポリマーの比誘電率が2.1以上3.0以下であることが好ましい。
第1の電極と、第2の電極と、電極間に位置する抵抗変化膜とからなる抵抗変化素子の製造方法であって、
前記第2の電極は、ルテニウムを含む合金で形成される電極であり、
前記ルテニウムを含む合金で形成される電極の作製工程において、
抵抗変化膜上に、前記ルテニウムよりも酸化の標準生成ギブズエネルギーが負に大きな金属からなる膜を形成した後、その上面にルテニウムを含む合金からなる膜を形成して、
前記金属からなる膜とルテニウムを含む合金からなる膜の間で合金化を起こし、ルテニウムを含む合金を形成することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法である。
第1の電極と、第2の電極と、電極間に位置する抵抗変化膜とからなる抵抗変化素子の製造方法であって、
前記第2の電極は、ルテニウムを含む合金で形成される電極であり、
前記ルテニウムを含む合金で形成される電極の作製工程において、
抵抗変化膜上に、0.5nmのチタン膜を形成し、その上面にタンタルを50atm%含むルテニウム合金を10nm形成し、400℃以下の熱処理を加えることで固相拡散によって合金化することを特徴とする抵抗変化素子の製造方法とすることができる。
前記多層銅配線層は、少なくとも、銅配線と銅プラグを備え、
前記2端子抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成となっており、
前記銅配線が前記下部電極を兼ね、前記銅配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜は炭窒化シリコンで構成されており、
前記バリア絶縁膜には前記銅配線に到達する開口部が設けられており、
前記開口部内のみに、前記イオン伝導層、及び上部電極が順に埋め込まれ、
前記イオン伝導層は、酸素を含んだ化合物の積層構造であり、
前記イオン伝導層は、前記銅配線と接する第2のイオン伝導層と、上部電極と接する第1のイオン伝導層とからなり、
前記第2のイオン伝導層が、酸化チタン、酸化アルミニウム、あるいはそれらの積層、あるいはそれらの混合層で構成されており、
前記第1のイオン伝導層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が2.1以上3.0以下であるポリマー膜で構成されており、
前記上部電極はバリアメタルを介して銅プラグと接続しており、
前記上部電極は、ルテニウムを含む合金で構成されていることを特徴とする半導体装置である。
前記多層銅配線層は、少なくとも、銅配線と銅プラグを備え、
前記3端子抵抗変化素子は、2つの下部電極と1つの上部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成となっており、
前記銅配線が前記下部電極を兼ね、前記銅配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜は炭窒化シリコンで構成されており、
前記バリア絶縁膜には、2つの前記下部電極の双方に到達する1つの開口部が設けられており、
前記開口部内のみに、前記イオン伝導層、及び上部電極が順に埋め込まれ、
前記イオン伝導層は、酸素を含んだ化合物の積層構造であり、
前記イオン伝導層は、前記銅配線と接する第2のイオン伝導層と、上部電極と接する第1のイオン伝導層とからなり、
前記第2のイオン伝導層は、酸化チタン、酸化アルミニウム、あるいはそれらの積層、あるいはそれらの混合層で構成されており、
前記第1のイオン伝導層は、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が2.1以上3.0以下であるポリマー膜で構成されており、
前記上部電極はバリアメタルを介して銅プラグと接続しており、
前記上部電極はルテニウムを含む合金で構成されていることを特徴とする半導体装置である。
第2電極を構成するルテニウムに金属を添加することによって、金属架橋と第2電極の密着性が向上するため、低電流でプログラミングした場合にも、素子の安定性が向上し、保持力が向上する。
第1の実施形態の「2端子スイッチ」の構成について説明する。図2は、第1の実施形態の「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子の一構成例を模式的示す断面図である。
第1の実施形態の「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子の製造方法の「最良の実施形態」について説明する。図4に沿って、「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子の製造プロセスの工程1〜工程4について述べる。
低抵抗シリコン基板46の表面に、膜厚20nmのタンタル、その上に膜厚100nmの銅をスパッタ法で成膜し、第1電極41とする。
チタンあるいはアルミニウムを0.5nm、もしくは、チタンとアルミニウムをそれぞれ0.5nmスパッタ成膜し、金属層44を形成する。
第1イオン伝導層43として、シリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜6nmをプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。また、イオン伝導層43成膜時の酸素により金属層44は酸化され、金属酸化膜からなる第2イオン伝導層45となる。
第1イオン伝導層43の上にコスパッタ法により膜厚30nmのルテニウムとチタン、もしくはルテニウムとタンタルの合金を堆積させる。前記「ルテニウムとタンタルの合金」中における、ルテニウムの含有量は50atm%とする。その際、ステンレスもしくはシリコンで作製されたシャドーマスクを介して堆積し、1辺30μm〜150μmの正方形の第2電極92を形成する。
第1の実施形態に係る「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子を多層配線層内部に形成した半導体装置について説明する。
上記実施態様2に記載している「2端子スイッチ」型スチッチング素子の動作について、図6に従って説明する。
上記実施態様2に記載する、「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子を多層配線層内部に形成した半導体装置の製造プロセス、特に、「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子を多層配線層内部に形成する工程について図面を用いて説明する。図8A〜図8Dは、第1の実施形態に係る「2端子スイッチ」の構成を採用するスイッチング素子を利用している、実施態様2に記載する半導体装置の製造プロセスの工程1〜工程12を模式的に示す断面図である。
半導体基板81(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜82(例えば、酸化シリコン膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、層間絶縁膜82にバリア絶縁膜83(例えば、窒化シリコン膜、膜厚50nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜83上に層間絶縁膜84(例えば、酸化シリコン膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む)を用いて、層間絶縁膜84及びバリア絶縁膜83に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル86(例えば、窒化タンタル/タンタル、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線85(例えば、銅)を埋め込む。層間絶縁膜82、84は、プラズマCVD法によって形成することができる。第1配線85は、例えば、PVD法によってバリアメタル86(例えば、窒化タンタル/タンタルの積層膜)を形成し、PVD法による銅シードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、200℃以上の温度で熱処理処理後、CMP法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線(ダマシン配線)を形成したり、層間絶縁膜を研磨することで平坦化を行う。
第1配線85を含む層間絶縁膜84上にバリア絶縁膜87(例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚50nm)を形成する。ここで、バリア絶縁膜87は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜87の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
バリア絶縁膜87上にハードマスク膜88(例えば、酸化シリコン膜)を形成する。このとき、ハードマスク膜88は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜87とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜88には、例えば、酸化シリコン膜、シリコン窒化膜、窒化チタン、チタン、タンタル、窒化タンタル等を用いることができ、窒化シリコン/酸化シリコン膜の積層体を用いることができる。
ハードマスク膜88上にフォトレジスト(図示せず)を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜88に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜87の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜87の内部にまで到達していてもよい。
ハードマスク膜88をマスクとして、ハードマスク膜88の開口部から露出するバリア絶縁膜87をエッチバック(ドライエッチング)することにより、バリア絶縁膜87に開口部を形成して、バリア絶縁膜87の開口部から第1配線85を露出させ、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第1配線85の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。バリア絶縁膜87をエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜87の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク膜88は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜87の開口部の形状は円形とし、円の直径は30nmから500nmとすることができる。非反応性ガスを用いたRF(Radio Frequency;高周波)エッチングによって、第1配線85の表面の酸化物を除去する。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。
第1下部電極85を含むバリア絶縁膜87上に0.5nmのチタンとアルミニウムをこの順に堆積し、合計1nmとする。チタンおよびアルミニウムはPVD法やCVD法を用いて形成することができる。さらに、イオン伝導層89bとしてシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。チタンおよびアルミニウムはイオン伝導層89bの形成中に酸素を含むSiOCH系ポリマー膜の原料に曝されることで自動的に酸化し、酸化物となることで酸化防止膜89aとなり、抵抗変化層89の一部となる。バリア絶縁膜87の開口部は有機剥離処理によって水分などが付着しているため、抵抗変化層89の堆積前に250℃から350℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。
抵抗変化層89上に第1上部電極90として、「ルテニウムとチタンの合金」を10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成する。この際、ルテニウムターゲットとチタンターゲットは同一チャンバー内に存在し、同時にスパッタリングすることで合金膜を堆積する。この際、ルテニウムターゲットへの印加パワーを150W、チタンターゲットへの印加パワーを50Wとすることで、「ルテニウムとチタンの合金」中のルテニウムの含有率を70atm%とする。また、第1上部電極90の上に第2上部電極91(例えば、タンタル、膜厚50nm)を形成する。
第2上部電極91上にハードマスク膜92(例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜93(例えば、酸化シリコン膜、膜厚90nm)をこの順に積層する。ハードマスク膜92及びハードマスク膜93は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜92、93は当該技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。また、ハードマスク膜92とハードマスク膜93とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜92を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜93をSiO2膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜92は、後述する保護絶縁膜94、およびバリア絶縁膜87と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子の周囲を全て同一材料で囲むこと材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子自身からの脱離防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜92は、プラズマCVD法によって形成することができるが、例えば、SiH4/N2の混合ガスを高密度プラズマによって、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
ハードマスク膜93上に「2端子スイッチ」部をパターニングするためのフォトレジスト(図示せず)を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜92が表れるまでハードマスク膜93をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
ハードマスク膜93をマスクとして、ハードマスク膜92、第2上部電極91、第1上部電極90、イオン伝導層89を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜93は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。例えば、第2上部電極91がタンタルの場合にはCl2系のRIEで加工することができ、第1上部電極90が「ルテニウムとチタンの合金」で形成されている場合には、Cl2/O2の混合ガスでRIE加工することができる。また、イオン伝導層99のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜87上でドライエッチングを停止させる必要がある。イオン伝導層89がシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜であり、バリア絶縁膜87が窒化シリコン膜や炭窒化シリコン膜である場合には、CF4系、CF4/Cl2系、CF4/Cl2/Ar系などの混合ガスでエッチング条件を調節することでRIE加工することができる。このようなハードマスクRIE法を用いることで、抵抗変化素子部をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、抵抗変化素子部を加工することができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。
ハードマスク膜92、第2上部電極91、第1上部電極90、及びイオン伝導層89を含むバリア絶縁膜87上に保護絶縁膜94(例えば、窒化シリコン膜、もしくは炭窒化シリコン膜、30nm)を堆積する。保護絶縁膜94は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要があり、このとき抵抗変化層89の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層のリーク電流が増加するという問題が生じる。それらを抑制するためには、保護絶縁膜94の成膜温度を250℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH4/N2の混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度200℃で形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
保護絶縁膜94上に、層間絶縁膜95(例えば、酸化シリコン膜)、エッチングストッパ膜96(例えば、窒化シリコン膜)、層間絶縁膜97(例えば、酸化シリコン膜)をこの順に堆積し、その後、第2配線98用の配線溝、およびプラグ99用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル100(例えば、窒化タンタル/タンタル)を介して第2配線98(例えば、銅)及びプラグ99(例えば、銅)を同時に形成し、その後、第2配線98を含む層間絶縁膜97上にバリア絶縁膜101(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。第2配線98の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル100と第2上部電極91を同一材料とすることでプラグ99と第2上部電極91の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上させることができるようになる。層間絶縁膜95及び層間絶縁膜97はプラズマCVD法で形成することができる。「2端子スイッチ」82によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜95を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜95を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜95を所望の膜厚としてもよい。
第2の実施形態に係る、上部電極同士が電気的に接続された「3端子スイッチ」を多層配線層内部に形成した半導体装置について、図9を用いて説明する。
第2の実施形態に係る、上部電極同士が電気的に接続された「3端子スイッチ」を多層配線層内部に形成した半導体装置の製造プロセス、特に、「3端子スイッチ」を多層配線層内部に形成する工程について、図面を用いて説明する。図10A〜図10Dは、図9に示す、第2の実施形態に係る、「3端子スイッチ」を多層配線層内部に形成した半導体装置の製造プロセスの工程1〜工程12を模式的に示す断面図である。
まず、半導体基板141(例えば、半導体素子が形成された基板)上に層間絶縁膜142(例えば、酸化シリコン膜、膜厚300nm)を堆積し、その後、層間絶縁膜142上にバリア絶縁膜143(例えば、窒化シリコン膜、膜厚30nm)を堆積し、その後、バリア絶縁膜143上に層間絶縁膜144(例えば、酸化シリコン膜、膜厚200nm)を堆積し、その後、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む)を用いて、層間絶縁膜144及びバリア絶縁膜143に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタルA146A(例えば、窒化タンタル/タンタル、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線A145aおよび第1配線B145b(例えば、銅)を埋め込む。工程1において、層間絶縁膜142、144は、プラズマCVD法によって形成することができる。ここで、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法とは、例えば、気体原料、あるいは液体原料を気化させることで減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、あるいは基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。また、工程1において、第1配線A115aおよび第1配線B115bは、例えば、PVD法によってバリアメタル146(例えば、窒化タンタル/タンタルの積層膜)を形成し、PVD法による銅シードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、200℃以上の温度で熱処理処理後、CMP法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。
次に、第1配線A145aおよび第1配線B145bを含む層間絶縁膜4上にバリア絶縁膜147(例えば、炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)を形成する。ここで、バリア絶縁膜147は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜147の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
次に、バリア絶縁膜147上にハードマスク膜148(例えば、酸化シリコン膜)を形成する。このとき、ハードマスク膜148は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、バリア絶縁膜147とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜148には、例えば、酸化シリコン膜、シリコン窒化膜、TiN、Ti、タンタル、窒化タンタル等を用いることができ、窒化シリコン/SiO2の積層体を用いることができる。
次に、ハードマスク膜148上にフォトレジスト(図示せず)を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜148に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によって、フォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜147の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜147の内部にまで到達していてもよい。
次に、ハードマスク膜148をマスクとして、ハードマスク膜148の開口部から露出するバリア絶縁膜147をエッチバック(ドライエッチング)することにより、バリア絶縁膜147に開口部を形成して、バリア絶縁膜147の開口部から第1配線A145aおよび第1配線B145bを露出させる。このとき、開口部は層間絶縁膜内部にまで達していても良い。その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第1配線A145aおよび第1配線B145bの露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。工程5において、ハードマスク膜148は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。また、絶縁性バリア膜7の開口部の形状は、円形、正方形、四角形とし、円の直径、あるいは四角形の一辺の長さは、20nmから500nmとすることができる。また、工程5において、絶縁性バリア膜147をエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、絶縁性バリア膜147の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。
次に、第1配線A145aおよび第1配線B145bを含む絶縁性バリア膜7上に、抵抗変化層149を構成するイオン伝導層149bとして、シリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜6nmをプラズマCVDによって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給は原料気化器経由で500sccm、別ラインで反応室に直接500sccm供給する。
抵抗変化層149上に第1上部電極150として、ルテニウムとチタンの合金を10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成する。その際、ルテニウムターゲットとチタンターゲットは同一チャンバー内に存在し、同時にスパッタリングすることで「ルテニウムとチタン」の合金膜を堆積する。コスパッタ法を採用する際、ルテニウムターゲットへの印加パワーを150W、チタンターゲットへの印加パワーを50Wとすることで、「ルテニウムとチタン」の合金中における、ルテニウムの含有率を70atm%とする。また、第1上部電極90の上に、第2上部電極151(例えば、タンタル膜、膜厚50nm)を形成する。
次に、第2上部電極151上にハードマスク膜152(例えば、窒化シリコン膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜13(例えば、酸化シリコン膜、膜厚200nm)をこの順に積層する。工程8において、ハードマスク膜152及びハードマスク膜153は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜12、13は当該技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。また、ハードマスク膜152とハードマスク膜153とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜152を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜153をSiO2膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜152は、後述する保護絶縁膜154、および絶縁性バリア膜147と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子の周囲を全て同一材料で囲むこと材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子自身からの脱離防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜152は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要がある。減圧下に保持される間に、抵抗変化層149から酸素が脱離し、酸素欠陥によってイオン伝導層のリーク電流が増加するという問題が生じる。それらを抑制するためには、成膜温度を350℃以下、好ましくは250℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH4/N2の混合ガスを原料とし、高密度プラズマによって形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
次に、ハードマスク膜153上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト(図示せず)を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜152が表れるまでハードマスク膜153をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
次に、ハードマスク膜153をマスクとして、ハードマスク膜152、第2上部電極151、第1上部電極150、抵抗変化層149を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜153は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。工程11において、例えば、第2上部電極151がタンタルで形成されていの場合には、Cl2系のRIEで加工することができ、第1上部電極150が「ルテニウムとチタンの合金」で形成されている場合には、Cl2/O2の混合ガスでRIE加工することができる。また、抵抗変化層149のエッチングでは、下面の絶縁性バリア膜147上でドライエッチングを停止させる必要がある。抵抗変化層149がシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜であり、バリア絶縁膜147が窒化シリコン膜や炭窒化シリコン膜である場合には、CF4系、CF4/Cl2系、CF4/Cl2/Ar系などの混合ガスでエッチング条件を調節することでRIE加工することができる。このようなハードマスクRIE法を用いることで、抵抗変化素子部をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、抵抗変化層149を加工をすることができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。
次に、ハードマスク膜152、第2上部電極151、第1上部電極150、及び抵抗変化層149を含むバリア絶縁膜147上に、保護絶縁膜154(例えば、窒化シリコン膜、膜厚30nm)を堆積する。工程11において、保護絶縁膜154は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要があり、このとき抵抗変化層149の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層のリーク電流が増加するという問題が生じる。それらを抑制するためには、保護絶縁膜154の成膜温度を250℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH4/N2の混合ガスを原料とし、高密度プラズマによって、基板温度200℃で形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
次に、保護絶縁膜154上に、層間絶縁膜155(例えば、SiOC膜)、層間絶縁膜157(例えば、酸化シリコン膜)をこの順に堆積し、その後、第2配線158用の配線溝、およびプラグ159用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル160(例えば、窒化タンタル/タンタル)を介して第2配線158(例えば、銅)及びプラグ159(例えば、銅)を同時に形成し、その後、第2配線158を含む層間絶縁膜157上にバリア絶縁膜161(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。工程12において、第2配線158の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル160と第2上部電極151を同一材料とすることでプラグ159と第2上部電極151の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上(オン時の3端子スイッチ162の抵抗を低減)させることができるようになる。また、工程12において、層間絶縁膜155及び層間絶縁膜157はプラズマCVD法で形成することができる。また、工程12において、「3端子スイッチ」162によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜155を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜155を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜155を所望の膜厚としてもよい。
12、22、32、42 第2電極
13、23、33、59b、89b、119b、149b イオン伝導層
43 第1イオン伝導層
45 第2イオン伝導層
44 金属層
35 金属イオン
34 金属架橋
46 低抵抗シリコン基板
51、81、111、141 半導体基板
52、54、65、67、82、84、95、97、112、114、125、127、142、144、155、157 層間絶縁膜
53、57、71、83、87、101、113、117、131、143、147、161 バリア絶縁膜
56、70、86、100、130、160 バリアメタル
116a、146a バリアメタルA
116b、146b バリアメタルB
55、55 第1配線
55a 第1下部電極
115a、145a 第1配線A
115b、145b 第1配線B
59、89、119、149 抵抗変化層
68、98、128、158 第2配線
63、88、92、93、122、148、152、153 ハードマスク膜
66、96、126、156 エッチングストッパ膜
59a、89a、119a、149a 酸化防止膜
60、90、120、150 第1上部電極
61、91、121、151 第2上部電極
64、104、124、154 保護絶縁膜
69、99、129、159 プラグ
72 2端子スイッチ
132 3端子スイッチ
Claims (3)
- 第1の電極と、第2の電極と、電極間に位置する抵抗変化膜とからなる抵抗変化素子において、
前記第1の電極が銅を含み、
前記抵抗変化膜が、第1電極に含まれる金属の金属イオンを伝導するイオン伝導層であり、
前記第2の電極が、ルテニウムとチタンを含む合金で形成される電極であり、
前記ルテニウムとチタンを含む合金中における、ルテニウムの含有率が50atm%以上95atm%以下であることを特徴とする抵抗変化素子。 - 半導体基板上の多層銅配線層の内部に2端子抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
前記多層銅配線層は、少なくとも、銅配線と銅プラグを備え、
前記2端子抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成となっており、
前記銅配線が前記下部電極を兼ね、前記銅配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜は炭窒化シリコンで構成されており、
前記バリア絶縁膜には前記銅配線に到達する開口部が設けられており、
前記開口部内のみに、前記イオン伝導層、及び上部電極が順に埋め込まれ、
前記イオン伝導層は、酸素を含んだ化合物の積層構造であり、
前記イオン伝導層は、前記銅配線と接する第2のイオン伝導層と、上部電極と接する第1のイオン伝導層とからなり、
前記第2のイオン伝導層が、酸化チタン、酸化アルミニウム、あるいはそれらの積層、あるいはそれらの混合層で構成されており、
前記第1のイオン伝導層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が2.1以上3.0以下であるポリマー膜で構成されており、
前記上部電極はバリアメタルを介して銅プラグと接続しており、
前記上部電極は、ルテニウムとチタンを含む合金で構成されており、
前記ルテニウムとチタンを含む合金中における、ルテニウムの含有率が50atm%以上95atm%以下であることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上の多層銅配線層の内部に3端子抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
前記多層銅配線層は、少なくとも、銅配線と銅プラグを備え、
前記3端子抵抗変化素子は、2つの下部電極と1つの上部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成となっており、
前記銅配線が前記下部電極を兼ね、前記銅配線上にはバリア絶縁膜が設けられ、
前記バリア絶縁膜は炭窒化シリコンで構成されており、
前記バリア絶縁膜には、2つの前記下部電極の双方に到達する1つの開口部が設けられており、
前記開口部内のみに、前記イオン伝導層、及び上部電極が順に埋め込まれ、
前記イオン伝導層は、酸素を含んだ化合物の積層構造であり、
前記イオン伝導層は、前記銅配線と接する第2のイオン伝導層と、上部電極と接する第1のイオン伝導層とからなり、
前記第2のイオン伝導層は、酸化チタン、酸化アルミニウム、あるいはそれらの積層、あるいはそれらの混合層で構成されており、
前記第1のイオン伝導層は、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が2.1以上3.0以下であるポリマー膜で構成されており、
前記上部電極はバリアメタルを介して銅プラグと接続しており、
前記上部電極はルテニウムとチタンを含む合金で構成されており、
前記ルテニウムとチタンを含む合金中における、ルテニウムの含有率が50atm%以上95atm%以下であることを特徴とする半導体装置。
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