JP6665776B2 - スイッチング素子及びスイッチング素子の製造方法 - Google Patents
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Description
図2は、第1の実施形態のスイッチング素子の一構成例を模式的に示す断面図である。第1の実施形態のスイッチング素子は、二端子スイッチとして構成されており、下部電極21(第1電極)と、上部電極22(第2電極)と、これらの間に設けられた抵抗変化層23とを備えている。抵抗変化層23は、イオン伝導性を有しており、金属イオンを伝導する媒体である。
低抵抗シリコン基板26の表面に、膜厚が20nmのタンタル膜21aがスパッタ法で成膜され、該タンタル膜21aの上に膜厚100nmの銅膜21bがスパッタ法で成膜される。タンタル膜21aと銅膜21bの積層体が、下部電極21として用いられる。
膜厚が0.5nmのチタン膜、膜厚が0.5nmのアルミニウム膜、又は、膜厚が0.5nmのチタン膜と膜厚が0.5nmのアルミニウム膜の積層体が、下部電極21上に金属層27として形成される。金属層27は、例えば、スパッタリング法によって成膜される。
第1イオン伝導層23aとして、膜厚が6.0nmのSiOCHポリマー膜がプラズマCVD法によって形成される。当該SiOCHポリマー膜は、例えば、下記のようにして形成される。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が反応室に供給され、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電力の印加が開始される。原料の供給量は10〜200sccmであり、ヘリウムについては、原料気化器経由で500sccmのヘリウムが供給され、別ラインで反応室に直接500sccmのヘリウムが供給される。また、第1イオン伝導層23aの成膜の際に反応室内に存在する酸素により金属層27は酸化され、金属酸化膜からなる第2イオン伝導層23bが形成される。こうして形成された、第1イオン伝導層23a及び第2イオン伝導層23bは、抵抗変化層23を構成する。
第1イオン伝導層23aの上にコスパッタ法により膜厚30nmの、チタンを含むルテニウム合金の薄膜が、第1上部電極層22aとして形成される。第1上部電極層22aを構成するルテニウム合金におけるチタンの含有量は、例えば、25atm%に調節される。続けて、第1上部電極層22aの上に、膜厚50nmの窒化チタン膜が、第2上部電極層22bとして形成される。窒化チタン膜におけるチタンの含有率は、ルテニウム合金におけるチタンの含有量よりも高く、例えば、50atm%に調節される。第1上部電極層22a、第2上部電極層22bの形成においては、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が用いられ、該シャドーマスクに設けられた開口に対応する形状の第1上部電極層22a、第2上部電極層22bが形成される。第1上部電極層22a、第2上部電極層22bは、例えば、1辺30μm〜150μmの正方形に形成される。第1上部電極層22a及び第2上部電極層22bは、上部電極22を構成する。
図8Aに示されているように、半導体基板51の上に層間絶縁膜52が堆積され、さらに、層間絶縁膜52の上にバリア絶縁膜53が堆積される。ここで、半導体基板51は、例えば、半導体素子が形成された基板である。またここで、層間絶縁膜52は、例えば、膜厚が300nmの酸化シリコン膜である。またここで、バリア絶縁膜53は、例えば、膜厚が50nmの窒化シリコン膜である。
第1配線55と層間絶縁膜54を被覆するようにバリア絶縁膜57(例えば、膜厚が50nmの窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜)が形成される。ここで、バリア絶縁膜57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57の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
バリア絶縁膜57の上にハードマスク膜59(例えば、酸化シリコン膜)が形成される。このとき、ハードマスク膜59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57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59としては、例えば、酸化シリコン膜、シリコン窒化膜、窒化チタン膜、チタン膜、タンタル膜、窒化タンタル膜等を用いることができる。また、ハードマスク膜59としては、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層体を用いることもできる。
ハードマスク膜59の上に開口が形成されたフォトレジストパターン(図示せず)が形成され、そのフォトレジストパターンをマスクとして用いてドライエッチングすることによりハードマスク膜59に開口59aが形成される。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パターンが剥離される。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜57の上面で停止される必要はなく、バリア絶縁膜57の一部がエッチングされてもよい。
図8Bに図示されているように、ハードマスク膜59をマスクとして、ハードマスク膜59の開口59aから露出するバリア絶縁膜57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57に開口57aが形成される。バリア絶縁膜57の開口57aの内部では、第1配線55の一部が露出されることになる。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55の露出面に形成された酸化銅が除去されるとともに、エッチバック時に発生したエッチング生成物が除去される。バリア絶縁膜57のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜57の開口57aの側面をテーパ面として形成することができる。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59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。図8Bには、ハードマスク膜59が完全に除去された構造が図示されている。また、バリア絶縁膜57の開口57a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。さらに、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55の表面の酸化物が除去される。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イオン伝導層58aと第2イオン伝導層58bとを備える抵抗変化層58が、形成される。詳細には、まず、第1配線55とバリア絶縁膜57とを被覆するように、膜厚0.5nmのチタン膜と膜厚0.5nmのアルミニウム膜がこの順に堆積され、合計1nmの金属膜が形成される。チタン膜及びアルミニウム膜はPVD法やCVD法を用いて形成することができる。
抵抗変化層58の上に、第1上部電極層61aとして、チタンを含むルテニウム合金の薄膜が、10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成される。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ルテニウム合金膜が堆積される。ルテニウム合金膜の堆積においては、ルテニウムターゲットへの印加パワーとチタンターゲットへの印加パワーとを制御することで、チタンを含むルテニウム合金のルテニウムの含有率を所望の値に調節することができる。発明者の実験系では、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、「チタンを含むルテニウム合金」のルテニウムの含有率を75atm%、チタンの含有率を25atm%に調節することができた。
第2上部電極層61b上に、ハードマスク膜62(例えば、膜厚30nmの窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜)と、ハードマスク膜63(例えば、膜厚90nmの酸化シリコン膜)とが、この順に積層される。ハードマスク膜62、63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62、63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62、63は、異なる材料で形成された膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜62を窒化シリコン膜で形成し、ハードマスク膜63を酸化シリコン膜で形成することができる。このとき、ハードマスク膜62は、後述する保護絶縁膜64及びバリア絶縁膜57と同一材料であることが好ましい。すなわち、スイッチング素子の周囲の全てを同一材料で囲むことでスイッチング素子を取り囲む部材の界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、スイッチング素子からの材料の脱離を防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜62は、SiH4/N2の混合ガスを原料として高密度プラズマを発生させて形成された高密度な窒化シリコン膜を用いることが好ましい。
次に、ハードマスク膜63の上に、第1イオン伝導層58a、第2イオン伝導層58b、第1上部電極層61a及び第2上部電極層61bをパターニングするためのフォトレジストパターン(図示せず)が形成される。その後、図8Cに図示のように、当該フォトレジストパターンをマスクとして、ハードマスク膜62が表れるまでハードマスク膜63がドライエッチングによってエッチングされる。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パターンが除去される。
ハードマスク膜63をマスクとして、ハードマスク膜62、第2上部電極層61b、第1上部電極層61a、第1イオン伝導層58a及び第2イオン伝導層58bが連続的にドライエッチングによってエッチングされる。このとき、ハードマスク膜63は、エッチング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。
また、第1イオン伝導層58a及び第2イオン伝導層58bのエッチングでは、それらの下方に位置するバリア絶縁膜57の表面でドライエッチングを停止させることが好ましい。
図8Dに図示されているように、ハードマスク膜62、第2上部電極層61b、第1上部電極層61a、第1イオン伝導層58a、第2イオン伝導層58b及びバリア絶縁膜57を被覆するように、保護絶縁膜64が成膜される。ここで、保護絶縁膜64は、例えば、膜厚が30nmの窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜とする。保護絶縁膜64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、このとき第1イオン伝導層58aの側面から酸素が脱離し、第1イオン伝導層58aのリーク電流が増加する、という問題が生じ得る。
保護絶縁膜64上に、層間絶縁膜65(例えば、酸化シリコン膜)、エッチングストッパ膜66(例えば、窒化シリコン膜)、層間絶縁膜67(例えば、酸化シリコン膜)がこの順に堆積される。その後、第2配線68が形成される配線溝と、プラグ69が形成されるコンタクトホールが形成される。さらに、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コンタクトホール内にバリアメタル膜70(例えば、窒化タンタル膜とタンタル膜の積層体)と、第2配線68(例えば、銅)と、プラグ69(例えば、銅)とが形成される。その後、第2配線68と層間絶縁膜67とを被覆するようにバリア絶縁膜71(例えば、窒化シリコン膜)が堆積される。第2配線68の形成は、その下層に位置する配線(例えば、第1配線55)の形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル膜70と第2上部電極層61bとを同一材料で形成することでプラグ69と第2上部電極層61b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。層間絶縁膜65及び層間絶縁膜67はプラズマCVD法で形成することができる。二端子スイッチ72によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜65を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜65を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜65を所望の膜厚としてもよい。
図9は、第2の実施形態のスイッチング素子が多層配線層の内部に集積化された半導体装置の構成を示す断面図である。第2の実施形態では、スイッチング素子が三端子スイッチとして構成されている。図9においては、該三端子スイッチが、符号132で参照されている。
図10Aに図示されているように、まず、半導体基板111(例えば、半導体素子が形成された基板)の上に層間絶縁膜112(例えば、膜厚が300nmの酸化シリコン膜)が堆積される。さらに、層間絶縁膜112の上に、バリア絶縁膜113(例えば、膜厚30nmの窒化シリコン膜)が堆積される。
次に、第1配線115a、115bと層間絶縁膜114とを被覆するようにバリア絶縁膜117(例えば、膜厚が30nmの炭窒化シリコン膜)が形成される。ここで、バリア絶縁膜117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117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117の上にハードマスク膜119(例えば、酸化シリコン膜)が形成される。このとき、ハードマスク膜119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117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119としては、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る。また、ハードマスク膜119としては、窒化シリコン膜と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119の上に、開口が形成されたフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。このフォトレジストパターンをマスクとして用いてドライエッチングすることにより、図10Bに図示されているように、ハードマスク膜119に開口119aが形成される。その後、酸素プラズマアッシング等によって、フォトレジストパターンが剥離される。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜117の上面で停止される必要はなく、バリア絶縁膜117の一部がエッチングされてもよい。
次に、ハードマスク膜119をマスクとして、ハードマスク膜119の開口119aから露出するバリア絶縁膜117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117に開口117aが形成される。バリア絶縁膜117の開口117aの内部では、第1配線115a、115bの一部が露出される。このとき、層間絶縁膜114のバリア絶縁膜117の開口117aの内部にある部分が、部分的にエッチングされてもよい。図10Bの工程5は、層間絶縁膜114のバリア絶縁膜117の開口117aの内部にある部分が、部分的にエッチングされた様子を示している。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115a、115b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生成物を除去する。工程5において、ハードマスク膜119は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜117の開口117aの形状は、円形、正方形又は長方形とし、円の直径、又は正方形、長方形の一辺の長さは、20nmから500nmとすることができる。また、工程5において、バリア絶縁膜117のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜117の開口117aの側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。
第1イオン伝導層118aと第2イオン伝導層118bとを備える抵抗変化層118が、形成される。詳細には、まず、第1配線115a、115bとバリア絶縁膜117とを被覆するように、膜厚0.5nmのチタン膜と膜厚0.5nmのアルミニウム膜がこの順に堆積され、合計1nmの金属膜が形成される。チタン膜及びアルミニウム膜はPVD法やCVD法を用いて形成することができる。
図10Cに図示されているように、抵抗変化層118の上に、第1上部電極層121aとして、チタンを含むルテニウム合金の薄膜が、10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成される。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ルテニウム合金膜が堆積される。ルテニウムターゲットへの印加パワーとチタンターゲットへの印加パワーとを制御することで、チタンを含むルテニウム合金のルテニウムの含有率を所望の値に調節することができる。発明者の実験系では、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、「チタンを含むルテニウム合金」のルテニウムの含有率を75atm%、チタンの含有率を25atm%に調節することができた。
ハードマスク膜122(例えば、膜厚30nmの窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜)と、ハードマスク膜123(例えば、膜厚90nmの酸化シリコン膜)とが、この順に積層される。ハードマスク膜122、123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122、123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122、123は、異なる材料で形成された膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜122を窒化シリコン膜で形成し、ハードマスク膜123を酸化シリコン膜で形成することができる。このとき、ハードマスク膜122は、後述する保護絶縁膜124及びバリア絶縁膜117と同一材料であることが好ましい。すなわち、スイッチング素子の周囲の全てを同一材料で囲むことでスイッチング素子を取り囲む部材の界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、スイッチング素子からの材料の脱離を防ぐことができるようになる。
次に、ハードマスク膜123の上に、第1イオン伝導層58a、第2イオン伝導層58b、第1上部電極層61a及び第2上部電極層61bをパターニングするためのフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。このフォトレジストパターン形成の後、当該フォトレジストパターンをマスクとして、図10Cに図示のようにハードマスク膜122が表れるまでハードマスク膜123がドライエッチングによってエッチングされる。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パターンが除去される。
次に、図10Dに図示されているように、ハードマスク膜123をマスクとして、ハードマスク膜122、第2上部電極層121b、第1イオン伝導層118a及び第2イオン伝導層118bが連続的にドライエッチングによってエッチングされる。このとき、ハードマスク膜123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。
次に、ハードマスク膜122、第2上部電極層121b、第1上部電極層121a、第1イオン伝導層118a、第2イオン伝導層118b及びバリア絶縁膜117を被覆するように、保護絶縁膜124(例えば、膜厚が30nmの窒化シリコン膜)が成膜される。
次に、保護絶縁膜124上に、層間絶縁膜125(例えば、SiOC膜)、層間絶縁膜127(例えば、酸化シリコン膜)がこの順に堆積される。さらに、層間絶縁膜127の上にエッチングストッパ膜126を形成する。その後、第2配線128が形成される配線溝と、プラグ129が形成されるコンタクトホールが、形成される。さらに、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コンタクトホール内にバリアメタル膜130(例えば、窒化タンタル膜とタンタル膜の積層体)と、第2配線128(例えば、銅)と、プラグ129(例えば、銅)とが形成される。その後、第2配線128と層間絶縁膜127とを被覆するようにバリア絶縁膜131(例えば、窒化シリコン膜)が堆積される。工程12において、第2配線128の形成は、その下層に位置する配線(例えば、第1配線115a、115b)と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル膜130と第2上部電極層121bを同一材料とすることでプラグ129と第2上部電極層121bの間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上(オン時の三端子スイッチ132の抵抗を低減)させることができる。また、工程12において、層間絶縁膜125及び層間絶縁膜127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、三端子スイッチ132によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜125を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜125を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜125を所望の膜厚としてもよい。
(付記1)第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、イオン伝導性を有する抵抗変化層とを具備し、
前記第1電極は、前記抵抗変化層において伝導可能な金属イオンを生成する金属を含み、
前記第2電極は、前記抵抗変化層に接して形成される第1電極層と、前記第1電極層に接して形成される第2電極層とを備え、
前記第1電極層は、ルテニウムと、ルテニウムよりも酸化過程の標準生成ギブスエネルギーが負方向に大きい第1の金属とを含むルテニウム合金で形成され、
前記第2電極層は、前記第1の金属を含む窒化物で形成され、
前記第1電極層における前記第1の金属の含有率が、前記第2電極層における前記第1の金属の含有率よりも小さいスイッチング素子。
(付記2)前記第1の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択された少なくとも一の金属である、付記1に記載のスイッチング素子。
(付記3)前記第1電極層は、ルテニウムを主成分とし、前記第1の金属の含有率が10atm%以上40atm%以下である、付記1又は2に記載のスイッチング素子。
(付記4)前記第1の金属はチタンであり、前記第1電極層のチタンの含有率が20atm%以上30atm%以下であり、前記第2電極層のチタンの含有率が40atm%以上80atm%以下である、付記1乃至3のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記5)前記抵抗変化層に伝導可能な金属が銅を含む、付記1乃至4のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記6)前記抵抗変化層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とする第1イオン伝導層を備えており、前記第1イオン伝導層の比誘電率が2.1以上3.0以下である、付記1乃至5のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記7)前記第1イオン伝導層と前記第1電極との間に設けられた第2イオン伝導層をさらに具備し、
前記第2イオン伝導層は第2の金属の酸化物で形成され、
前記第2の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つの金属である、付記6に記載のスイッチング素子。
(付記8)前記第1の金属と前記第2の金属は同一である、付記7に記載のスイッチング素子。
(付記9)半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成され、銅で形成された配線と銅で形成されたプラグとを含む多層配線層とを具備し、
前記多層配線層にスイッチング素子が形成され、
前記スイッチング素子は、銅で形成され、前記スイッチング素子の下部電極として用いられる下部電極銅配線と、前記プラグに電気的に接続された上部電極と、前記下部電極銅配線と前記上部電極の間に形成された、イオン伝導性を有する抵抗変化層とを備え、
前記上部電極は、前記抵抗変化層に接して形成される第1上部電極層と、前記第1上部電極層に接して形成される第2上部電極層とを備え、
前記第1上部電極層は、ルテニウムと、ルテニウムよりも酸化過程の標準生成ギブスエネルギーが負方向に大きい第1の金属とを含むルテニウム合金で形成され、
前記第2上部電極層は、前記第1の金属を含む窒化物で形成され、
前記第1上部電極層における前記第1の金属の含有率が、前記第2上部電極層における前記第1の金属の含有率よりも小さい、半導体装置。
(付記10)前記第1の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択された少なくとも一の金属である、付記9に記載の半導体装置。
(付記11)前記第1電極層は、ルテニウムを主成分とし、前記第1の金属の含有率が10atm%以上40atm%以下である、付記9又は10に記載の半導体装置。
(付記12)前記第1の金属はチタンであり、前記第1電極層のチタンの含有率が20atm%以上30atm%以下であり、前記第2電極層のチタンの含有率が40atm%以上80atm%以下である、付記9乃至11のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記13)前記抵抗変化層に伝導可能な金属が銅を含む、付記9乃至12のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記14)前記抵抗変化層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とする第1イオン伝導層を備えており、前記第1イオン伝導層の比誘電率が2.1以上3.0以下である、付記9乃至13のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記15)前記第1イオン伝導層と前記第1電極との間に設けられた第2イオン伝導層をさらに具備し、
前記第2イオン伝導層は第2の金属の酸化物で形成され、
前記第2の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つの金属である、付記14に記載の半導体装置。
(付記16)前記第1の金属と前記第2の金属は同一である、付記15に記載の半導体装置。
(付記17)第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられ、イオン伝導性を有する抵抗変化層とを具備するスイッチング素子の製造方法であって、
前記抵抗変化層において伝導可能な金属イオンを生成するルテニウム合金であって、ルテニウムと、ルテニウムよりも酸化過程の標準生成ギブスエネルギーが負方向に大きい第1の金属とを含むルテニウム合金で、前記第1電極を形成する工程と、
前記抵抗変化層に接する第1電極層と、前記第1電極層に接し、前記第1の金属を含む窒化物で形成された第2電極層と、を含むように前記第2電極を形成する工程と、を備え、
前記第2電極の前記第1電極層における前記第1の金属の含有率は、前記第2電極の前記第2電極層における前記第1の金属の含有率よりも小さい、スイッチング素子の製造方法。
(付記18)前記第2電極の前記第1電極層及び前記第2電極層が、前記抵抗変化層上に順に積層された後、共通のマスクでパターニングされる、付記17に記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記19)前記抵抗変化層と、前記第2電極の前記第1電極層と、前記第2電極の前記第2電極層とが、順に積層された後、共通のマスクでパターニングされる、付記17に記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記20)前記第1の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択された少なくとも一の金属である、付記17乃至19のいずれか一つに記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記21)前記第2電極の前記第1電極層は、ルテニウムを主成分とし、前記第1の金属の含有率が10atm%以上40atm%以下である、付記17乃至20のいずれか一つに記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記22)前記第1の金属はチタンであり、前記第2電極の前記第1電極層のチタンの含有率が20atm%以上30atm%以下であり、前記第2電極の前記第2電極層のチタンの含有率が40atm%以上80atm%以下である、付記17乃至21のいずれか一つに記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記23)前記抵抗変化層に伝導可能な金属が銅を含む、付記17乃至22のいずれか一つに記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記24)前記抵抗変化層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とする第1イオン伝導層を備えており、前記第1イオン伝導層の比誘電率が2.1以上3.0以下である、付記17乃至23のいずれか一つに記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記25)前記第1イオン伝導層と前記第1電極との間に設けられた第2イオン伝導層をさらに具備し、
前記第2イオン伝導層は第2の金属の酸化物で形成され、
前記第2の金属は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一つの金属である、付記24に記載のスイッチング素子の製造方法。
(付記26)前記第1の金属と前記第2の金属は同一である、付記25に記載のスイッチング素子の製造方法。
21a タンタル膜
21b 銅膜
22 上部電極
22a 第1上部電極層
22b 第2上部電極層
23 抵抗変化層
23a 第1イオン伝導層
23b 第2イオン伝導層
24 金属架橋
25 金属イオン
26 低抵抗シリコン基板
27 金属層
51 半導体基板
52 層間絶縁膜
53 バリア絶縁膜
54 層間絶縁膜
55 第1配線
56 バリアメタル膜
57 バリア絶縁膜
57a 開口
58 抵抗変化層
58a 第1イオン伝導層
58b 第2イオン伝導層
59 ハードマスク膜
59a 開口
61 上部電極
61a 第1上部電極層
61b 第2上部電極層
62、63 ハードマスク膜
64 保護絶縁膜
65 層間絶縁膜
66 エッチングストッパ膜
67 層間絶縁膜
68 第2配線
69 プラグ
70 バリアメタル膜
71 バリア絶縁膜
72 二端子スイッチ
111 半導体基板
112 層間絶縁膜
113 バリア絶縁膜
114 層間絶縁膜
115a、115b 第1配線
116a、116b バリアメタル膜
117 バリア絶縁膜
117a 開口
118 抵抗変化層
118a 第1イオン伝導層
118b 第2イオン伝導層
119 ハードマスク膜
119a 開口
121 上部電極
121a 第1上部電極層
121b 第2上部電極層
122、123 ハードマスク膜
124 保護絶縁膜
125 層間絶縁膜
126 エッチングストッパ膜
127 層間絶縁膜
128 第2配線
129 プラグ
130 バリアメタル膜
131 バリア絶縁膜
132 三端子スイッチ
201 下部電極
202 上部電極
203 イオン伝導層
301 第1スイッチ
301a 第1電極(活性電極)
301b 第2電極(不活性電極)
302 第2スイッチ
302a 第1電極(活性電極)
302b 第2電極(不活性電極)
303 第1ノード
304 第2ノード
305 共通ノード
401 第1の電極
402 第2の電極
403 イオン伝導層
404 酸化チタン膜
Claims (6)
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた、イオン伝導性を有する抵抗変化層とを具備し、
前記第1電極は、前記抵抗変化層において伝導可能な金属イオンを生成する金属を含み、
前記第2電極は、
前記抵抗変化層に接して形成される第1電極層と、
前記第1電極層に接して形成される第2電極層とを備え、
前記第1電極層は、ルテニウムと、第1の金属とを含むルテニウム合金で形成され、
前記第2電極層は、前記第1の金属を含む窒化物で形成され、
前記第1電極層における前記第1の金属の含有率が、前記第2電極層における前記第1の金属の含有率よりも小さく、
前記第1の金属はジルコニウムもしくはハフニウムから選択された金属であり、
前記第1電極層の前記第1の金属の含有率が20atm%以上30atm%以下であり、
前記第2電極層の前記第1の金属の含有率が40atm%以上80atm%以下である
スイッチング素子。 - 請求項1に記載のスイッチング素子であって、
前記抵抗変化層に伝導可能な金属が銅を含む
スイッチング素子。 - 請求項1又は2に記載のスイッチング素子であって、
前記抵抗変化層が、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とする第1イオン伝導層を備えており、
前記第1イオン伝導層の比誘電率が2.1以上3.0以下である
スイッチング素子。 - 請求項3に記載のスイッチング素子であって、
さらに、
前記第1イオン伝導層と前記第1電極との間に設けられた第2イオン伝導層を具備し、
前記第2イオン伝導層は第2の金属の酸化物で形成され、
前記第2の金属は、
ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムからなる群から選択される、少なくとも一つの金属である
スイッチング素子。 - 請求項4に記載のスイッチング素子であって、
前記第1の金属と前記第2の金属は同一である
スイッチング素子。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成され、銅で形成された配線と銅で形成されたプラグとを含む多層配線層とを具備し、
前記多層配線層にスイッチング素子が形成され、
前記スイッチング素子は、
銅で形成され、前記スイッチング素子の下部電極として用いられる下部電極銅配線と、
前記プラグに電気的に接続された上部電極と、
前記下部電極銅配線と前記上部電極の間に形成された、イオン伝導性を有する抵抗変化層とを備え、
前記上部電極は、
前記抵抗変化層に接して形成される第1上部電極層と、
前記第1上部電極層に接して形成される第2上部電極層とを備え、
前記第1上部電極層は、ルテニウムと、第1の金属とを含むルテニウム合金で形成され、
前記第2上部電極層は、前記第1の金属を含む窒化物で形成され、
前記第1上部電極層における前記第1の金属の含有率が、前記第2上部電極層における前記第1の金属の含有率よりも小さく、
前記第1の金属はジルコニウムもしくはハフニウムから選択された金属であり、
前記第1上部電極層の前記第1の金属の含有率が20atm%以上30atm%以下であり、
前記第2上部電極層の前記第1の金属の含有率が40atm%以上80atm%以下である
半導体装置。
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