JP6860871B2 - 抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関し、特にプログラマブルロジック及びメモリ等の電子デバイスに用いられる、金属の析出を利用した抵抗変化素子とこの抵抗変化素子を内部に有する半導体装置の製造方法に関する。
プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチのサイズを小さくし、そのオン抵抗を小さくすることが必要となる。金属イオンの伝導するイオン伝導層内における金属の析出を利用したスイッチング素子は以前の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。
このスイッチング素子には、特許文献１に開示された２端子スイッチと、特許文献２に開示された３端子スイッチとがある。２端子スイッチは、金属イオンを供給する第１電極とイオンを供給しない第２電極とでイオン伝導層を挟んだ、構造をしている。両電極間はイオン伝導層中での金属架橋の形成・消滅によってスイッチングする。２端子スイッチは、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工可能である。３端子スイッチは、２つの２端子スイッチの第２電極を一体化した構造で、高い信頼性が確保される。上記イオン伝導層としては、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーが望ましい。ポーラスポリマーイオン伝導層は、金属架橋が形成しても絶縁破壊電圧を高く保つことが出来るので、動作信頼性に優れている（特許文献３）。
このスイッチング素子をプログラマブルロジックの配線切り替えスイッチとして搭載するためには、スイッチの小型化による高密度化、及び作製工程を簡略化する必要がある。最先端の半導体装置の配線材料は主に銅で構成されているので、銅配線内に抵抗変化素子を効率的に形成する手法が望まれている。電気化学反応を利用するスイッチ素子の半導体装置への集積化する技術について、２端子スイッチは特許文献４に、３端子スイッチは特許文献５に開示されている。それによると、半導体基板上の銅配線とスイッチ素子の第１電極を兼用する技術が記載されている。本構造を用いれば、第１電極を新たに形成するための工程が削減できる。そのため、第１電極を作成するためのマスクは不要となり、抵抗変化素子を作製するために追加すべきフォトマスク数（ＰＲ数：photoresist mask数）は２枚とできる。この際、銅配線上に直接イオン伝導層（第２イオン伝導層）を成膜すると、銅配線表面が酸化しリーク電流が大きくなるため、銅配線とイオン伝導層の間に酸化犠牲層として機能する金属薄膜を挟む。金属薄膜はイオン伝導層に含まれる酸素によって酸化され、イオン伝導層の一部（第１イオン伝導層）となる。犠牲酸化層を構成する金属は銅との界面で合金層を形成し、電圧印加によって金属架橋を形成した際に金属架橋中に当該金属が取り込まれる。非特許文献１では、金属架橋中に拡散した当該金属によって架橋の熱安定性が向上することで保持耐性（リテンション）が改善することが開示されている。その際、当該金属が金属架橋内に取り込まれていることでジュール熱の発生効率が向上するため、オンからオフへの遷移時に必要な電流が増加しない。
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ（アイ・イー・イー・イー トランズアクション オン エレクトロン デバイス）、６０巻、３５３４ページ〜３５４０ページ、２０１３年
背景技術の配線間に形成した２端子スイッチや３端子スイッチでは、素子を形成する配線層よりも上に出っ張った構造となる。このため、上層配線から素子に接続するビアよりも、配線に接続するビアの方が短くなる。両ビアを同じマスクを用いて作製する場合、配線に接続するビアとの差分のエッチングによるプラズマダメージが素子に蓄積され、信頼性などの素子特性を劣化させる可能性が生じる。抵抗変化部を避けながら、素子に接続するビアを配置することも可能であるが、ビアの接続箇所を確保するため素子面積が増加する。この課題は微細化するほど顕著となり、先端プロセスへの適用が難しくなる。
本発明は上述したような背景技術が有する課題を解決するためになされたものであり、ビア形成時にスイッチへ蓄積するプラズマダメージを低減し、信頼性に優れた抵抗変化素子と、垂直方向の素子高さが低減し、微細化に適した抵抗変化素子と、そのスイッチング素子を用いた書き換え可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の目的は、微細化に適した抵抗変化素子、及び半導体装置、並びにこれを実現する半導体装置の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明に係る抵抗変化素子は、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の抵抗変化素子であって、
上記抵抗変化素子の上記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、上記イオン伝導層は少なくとも上記下部電極の表面の上記掘り下げ箇所に接して形成されていることを特徴とする。
上記抵抗変化素子の上記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、上記イオン伝導層は少なくとも上記下部電極の表面の上記掘り下げ箇所に接して形成されていることを特徴とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
上記抵抗変化素子は、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であり、
上記抵抗変化素子の上記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、上記イオン伝導層は少なくとも上記下部電極の表面の上記掘り下げ箇所に接して形成されていることを特徴とする。
上記抵抗変化素子は、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であり、
上記抵抗変化素子の上記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、上記イオン伝導層は少なくとも上記下部電極の表面の上記掘り下げ箇所に接して形成されていることを特徴とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、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の抵抗変化素子を、半導体基板上の多層配線層の内部に有する半導体装置の製造方法であって、
上記下部電極の表面を露出させた後で、
上記下部電極の上記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素系ガス、又はそれらの混合ガスのプラズマを入射することにより、掘り下げ箇所を形成することを特徴とする。
上記下部電極の表面を露出させた後で、
上記下部電極の上記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素系ガス、又はそれらの混合ガスのプラズマを入射することにより、掘り下げ箇所を形成することを特徴とする。
本発明によれば、微細化に適した抵抗変化素子及び半導体装置を提供できる。
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。具体的な本発明の実施形態の抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する前に、本発明の最上位概念の実施形態の半導体装置について説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の最上位概念の実施形態による半導体装置を説明するための断面模式図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）の半導体装置は、半導体基板１０上の多層配線層１１の内部に抵抗変化素子１２を含む半導体装置であって、抵抗変化素子１２は、上部電極１３と下部電極１５との間に、イオン伝導層１４が介在した構成である。そして図１（ａ）及び図１（ｂ）の半導体装置では、抵抗変化素子１２の下部電極１５の表面に掘り下げ箇所が形成されている。図１（ａ）では、掘り下げ箇所１５ｃが、下部電極１５の表面の中央部分に形成された状態を示している。図１（ｂ）では、掘り下げ箇所１５ｐが、下部電極１５の表面の少なくとも周辺部分に形成された状態を示している。そして、図１（ａ）及び図１（ｂ）の半導体装置では、抵抗変化素子１２のイオン伝導層１４は下部電極１５の表面の掘り下げ箇所に少なくとも接して形成されている。
図１（ａ）及び図１（ｂ）の半導体装置によれば、下部電極１５の表面に掘り下げ箇所が形成されており、イオン伝導層１４が下部電極１５の表面の掘り下げ箇所に少なくとも接して形成されている。これにより、多層配線層の内部に抵抗変化素子１２を含む半導体装置において、抵抗変化素子１２、特に抵抗変化素子１２の上部電極１３、への電気的接続の観点で微細化が容易になる。以下、本発明の具体的な実施形態について、参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第１実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として２端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。図２は、第１実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板１０１上の多層配線層の内部に、２端子スイッチ１１３を含む半導体装置である。
初めに、本発明の第１実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第１実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として２端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。図２は、第１実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板１０１上の多層配線層の内部に、２端子スイッチ１１３を含む半導体装置である。
多層配線層は、半導体基板１０１上に絶縁積層体を有する。絶縁積層体では、層間絶縁膜１０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３、層間絶縁膜１０４、バリア絶縁膜１０７、保護絶縁膜１１４、層間絶縁膜１１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６、層間絶縁膜１１７、及びバリア絶縁膜１２１の順に、積層されている。
多層配線層は、層間絶縁膜１０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ１０６ａ及び第１バリアメタルＢ１０６ｂを介して第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂが埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜１１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１６に形成された配線溝に第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂが埋め込まれている。層間絶縁膜１１５、保護絶縁膜１１４、及びハードマスク膜１１２に形成された下穴にビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂが埋め込まれており、第２配線Ａ１１８ａとビアＡ１１９ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂとビアＢ１１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線Ａ１１８ａとビアＡ１１９ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂとビアＢ１１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂによって覆われている。
多層配線層には、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部にて、２端子スイッチ１１３が形成されている。２端子スイッチ１１３では、第１電極となる第１配線Ａ１０５ａ、バリア絶縁膜１０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜１０７上に、イオン伝導層１０９、下部第２電極１１０、及び上部第２電極１１１の順に積層されている。上部第２電極１１１上にハードマスク膜１１２が形成されており、イオン伝導層１０９、下部第２電極１１０、上部第２電極１１１、及びハードマスク膜１１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜１１４で覆われている。第１配線Ａ１０５ａの一部を、「２端子スイッチ」１１３の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常の銅ダマシン配線プロセスに追加工程として、少なくとも２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、半導体装置に「２端子スイッチ」１１３を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。イオン伝導層１０９は、第１イオン伝導層１０９ａ及び第２イオン伝導層１０９ｂを含む。
図２の半導体装置では、「２端子スイッチ」１１３は、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部の領域にて、第１イオン伝導層１０９ａと第１配線Ａ１０５ａが直接接している。そして、第１イオン伝導層１０９ａを構成する金属が第１配線Ａ１０５ａに拡散して、界面に合金層が形成されている。「２端子スイッチ」１１３の上部第２電極１１１上にて、ビアＡ１１９ａと上部第２電極１１１とが第２バリアメタルＡ１２０ａを介して電気的に接続されている。「２端子スイッチ」１１３は、電圧の印加、或いは電流を流すことで、オン／オフの制御を行う。「２端子スイッチ」１１３は例えば、第１イオン伝導層１０９ａ及び第２イオン伝導層１０９ｂへの、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン／オフの制御を行う。
さらに本実施形態の半導体装置では、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部の領域にて、第１配線Ａ１０５ａは深さ方向に掘り下げられた掘り下げ箇所１０８を有する。第１イオン伝導層１０９ａは、第１配線Ａ１０５ａと掘り下げ箇所１０８を介して接している。また図２では、第１配線Ｂ１０５ｂとビアＢ１１９ｂの間に２端子スイッチは介さず、ビアＢ１１９ｂは第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して第１配線Ｂ１０５ｂに接している。第１配線Ａ１０５ａと第１配線Ｂ１０５ｂとは例えば半導体基板１０１を基準として、同層に形成された配線である。
本実施形態の半導体装置の２端子スイッチ１１３は、掘り下げ箇所１０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ１１９ａが第２バリアメタルＡ１２０ａを介して上部第２電極１１１と接する高さと、ビアＢ１１９ｂが第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して第１配線Ｂ１０５ｂに接する高さとの差を、少なくできる。
具体的にはこの高さの差は、下部第２電極１１０の厚さ分程度となる。このため、ビアＡ１１９ａとビアＢ１１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングで形成した場合、２端子スイッチ１１３にビアＡ１１９ａとビアＢ１１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減される。その結果、２端子スイッチ１１３の素子性能劣化を抑制できる。
半導体基板１０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。層間絶縁膜１０２は、半導体基板１０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０２には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜１０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３は、層間絶縁膜１０２、１０４間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３には、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に、第１バリアメタルＡ１０６ａ及び第１バリアメタルＢ１０６ｂを介して、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜１０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０４には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜１０４は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１０４には、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ１０６ａ及び第１バリアメタルＢ１０６ｂを介して第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂが埋め込まれている。
第１配線Ａ１０５ａは、層間絶縁膜１０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ１０６ａを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ１０５ａは、２端子スイッチ１１３の下部電極を兼ね、第１イオン伝導層１０９ａと直接接している。第１イオン伝導層１０９ａの上面は第２イオン伝導層１０９ｂに直接接しており、第２イオン伝導層１０９ｂの上面は下部第２電極１１０に直接接している。第１配線Ａ１０５ａを構成する金属には、イオン伝導層１０９において拡散、イオン電導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第１配線Ａ１０５ａを構成する金属（例えば、銅）は、アルミニウムと合金化されていてもよい。
第１配線Ａ１０５ａはバリア絶縁膜１０７の開口面において、深さ方向下に掘り下げられている掘り下げ箇所１０８を有する。第１配線Ａ１０５ａと第１イオン伝導層１０９ａは、掘り下げ箇所１０８を介して接している。掘り下げ箇所１０８と第１イオン伝導層１０９ａとの界面には後述の第１イオン伝導層１０９ａを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第１配線Ａ１０５ａ全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜１０７の開口面のみに形成されている。
掘り下げ箇所１０８の形成は、第１配線Ａ１０５ａに接するバリア絶縁膜１０７の開口面形成後に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素系ガス、又はそれらの混合ガスのプラズマを用い、ドライエッチング装置内で第１配線Ａ１０５ａを含む基板上に入射することで行う。この際、バリア絶縁膜１０７もエッチングされるが、２端子スイッチ１１３を形成しない第１配線Ｂ１０５ｂはプラズマに曝されず、掘り下げられない。
第１配線Ｂ１０５ｂは、層間絶縁膜１０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＢ１０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ｂ１０５ｂは、バリア絶縁膜１０７の開口部において、ビアＢ１１９ｂと第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して直接接している。
第１バリアメタルＡ１０６ａ及び第１バリアメタルＢ１０６ｂは、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを形成する金属が層間絶縁膜１０４や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ１０６ａ及び第１バリアメタルＢ１０６ｂには、例えば、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１０７は、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを含む層間絶縁膜１０４上に形成される。バリア絶縁膜１０７は、第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割や、層間絶縁膜１１５中への第１配線Ａ１０５ａ及び第１配線Ｂ１０５ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。さらにバリア絶縁膜１０７は、上部第２電極１１１、下部第２電極１１０、及びイオン伝導層１０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜１０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜１０７は、保護絶縁膜１１４及びハードマスク膜１１２と同一材料であることが好ましい。
第１イオン伝導層１０９ａ及び第２イオン伝導層１０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線Ａ１０５ａ（下部電極）を形成する金属から生成される金属イオンの作用（拡散、イオン伝導など）により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態へのスイッチングに伴う「２端子スイッチ」１１３の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。
第２イオン伝導層１０９ｂは、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。こうして形成された第２イオン伝導層１０９ｂは、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーであり、例えば比誘電率が２．１以上３．０以下である。
第１イオン伝導層１０９ａには、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属が、第２イオン伝導層１０９ｂを堆積している間の加熱やプラズマで第２イオン伝導層１０９ｂ中に拡散することを防止する役割がある。また第１イオン伝導層１０９ａには、第１配線Ａ１０５ａが酸化され、第２イオン伝導層１０９ｂへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第１イオン伝導層１０９ａを形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、第１イオン伝導層１０９ａを構成する金属の成膜後に第２イオン伝導層１０９ｂの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝される。酸素雰囲気に曝されて、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなり、イオン伝導層１０９の一部となる。第１イオン伝導層１０９ａを形成する金属膜の最適膜厚は０．５〜１ｎｍである。第１イオン伝導層１０９ａの形成に使用する金属膜は、積層を形成したり、単層としたりしても良い。第１イオン伝導層１０９ａの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又はイオンは第１配線Ａ１０５ａに突入、拡散し、界面に合金層を形成する。
イオン伝導層１０９は、第１配線Ａ１０５ａ、バリア絶縁膜１０７の開口部に形成されている掘り下げ箇所１０８のテーパ面、バリア絶縁膜１０７のテーパ面乃至バリア絶縁膜１０７上に形成されている。イオン伝導層１０９は、第１配線Ａ１０５ａとイオン伝導層１０９の接続部の外周部分が少なくとも掘り下げ箇所１０８のテーパ面及びバリア絶縁膜１０７の開口部のテーパ面上に沿って、配設されている。
下部第２電極１１０は、「２端子スイッチ」１１３の上部電極における下層側の電極であり、第２イオン伝導層１０９ｂと直接接している。下部第２電極１１０には、ルテニウムと、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属と密着性の良いチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有した合金を使用する。ここでルテニウムは、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属よりもイオン化しにくく、第２イオン伝導層１０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。
下部第２電極１１０の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第１の金属は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい添加金属を選択することが望ましい。金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、下部第２電極１１０を形成するルテニウム合金において、ルテニウムと合金化することで、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの添加金属のみで下部第２電極１１０を構成すると、反応性が高くなってしまい、「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応（溶解反応）によって進行する。下部第２電極１１０を構成する金属として、その金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第１配線Ａ１０５ａを形成する金属よりも大きい金属を用いた場合、「オフ」状態に遷移できなくなる。これは、第１配線Ａ１０５ａを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第２電極１１０の酸化反応が進行するためである。このため、下部第２電極１１０の形成に使用する金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。さらに、下部第２電極１１０に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、「オン」状態が安定化することがわかっており、５ａｔｍ％の添加によっても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れており、特に下部第２電極１１０をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を２０ａｔｍ％〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、６０ａｔｍ％以上９０ａｔｍ％以下が望ましい。
下部第２電極１１０の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと第１の金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと第１の金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め第１の金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の「平坦化」のため、４００℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
上部第２電極１１１は、「２端子スイッチ」１１３の上部電極における上層側の電極であり、下部第２電極１１０上に形成されている。上部第２電極１１１は、下部第２電極１１０を保護する役割を有する。すなわち、上部第２電極１１１が下部第２電極１１０を保護することで、プロセス中の下部第２電極１１０へのダメージを抑制し、「２端子スイッチ」１１３のスイッチング特性を維持することができる。上部第２電極１１１には、例えば、タンタル、チタン、タングステン、或いはそれらの窒化物等を用いることができる。また、ビアＡ１１９ａを下部第２電極１１０上に電気的に接続する場合に、上部第２電極１１１はエッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜１１５のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
上部第２電極１１１は金属の窒化物で構成される。特にエッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第２電極１１１に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第２電極１１０内部に拡散することで、下部第２電極１１０内に欠陥が生じる可能性がある。さらにこれらの欠陥を起点として、イオン伝導層１０９の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第２電極１１１に電気伝導性を有する化合物であり、安定な金属窒化物を用いることで下部第２電極１１０への金属の拡散を防止できる。特に、上部第２電極１１１を構成する窒化物の金属と、下部第２電極１１０を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属を同じ金属することが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第２電極１１０がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第２電極１１１は窒化チタン電極とすることが好ましい。或いは、下部第２電極１１０がルテニウムとタンタルの合金である場合には窒化タンタル電極とする。下部第２電極１１０と上部第２電極１１１を構成する金属成分を一致させることで、上部第２電極１１１の金属が万一上部第１電極１１０に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。この時、上部第１電極１１０を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する金属の割合よりも、上部第２電極１１１を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。このように割合を大きくすることで、下部第２電極１１０を構成する金属が上部第２電極１１１を構成する窒化物に拡散し、下部第２電極１１０を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が６０ａｔｍ％以上８０ａｔｍ％以下であることがより好ましい。
上部第２電極１１１の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
より好ましい上部第２電極１１１の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、第一の金属からなるターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと第一の金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を緻密に制御することができなくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に第一の金属として、チタン、或いはタンタルを用いた場合に効果が大きい。
本実施形態の半導体装置では、第１配線Ａ１０５ａに掘り下げ箇所１０８を形成することによって、２端子スイッチ１１３を深さ方向下に配置できる。このため、ビアＡ１１９ａをパターン形成する際に使用する、フッ素系、希ガス系、不活性ガス系、或いはそれらの混合ガスを用いたエッチング用プラズマに、上部第２電極１１１が曝される時間を低減できる。その結果、上部第２電極１１１が前記エッチングガスによってエッチングされる膜厚が減り、イオン伝導層１０９にプラズマダメージが蓄積されることを防ぐことができる。イオン伝導層１０９にプラズマダメージが蓄積すると、第１配線Ａ１０５ａを構成する金属がイオン伝導層１０９に拡散し易くなったり、イオン伝導層１０９がチャージアップによってダメージを受け、欠陥が増加したりすることで、２端子スイッチ１１３のリーク電流が増加し、特性ばらつきや信頼性の劣化が進行する。
ハードマスク膜１１２は、上部第２電極１１１、上部第１電極１１０、及び第１イオン伝導層１０９ａ、第２イオン伝導層１０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜１１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、或いはそれらの積層膜を用いることができる。ハードマスク膜１１２は、保護絶縁膜１１４及びバリア絶縁膜１０７と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、「２端子スイッチ」１１３の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、「２端子スイッチ」１１３自身からの脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜１１４は、「２端子スイッチ」１１３にダメージを与えることなく、さらに第２イオン伝導層１０９ｂ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１１４には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜１１４は、ハードマスク膜１１２及びバリア絶縁膜１０７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜１１４とバリア絶縁膜１０７及びハードマスク膜１１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、「２端子スイッチ」１１３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜１１５は、保護絶縁膜１１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１５には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜１１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１１５は、層間絶縁膜１１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１１５には、ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介してビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６は、層間絶縁膜１１５、１１７間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６には、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜１１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１７には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜１１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜１１７は、層間絶縁膜１１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１１７には、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂが埋め込まれている。
第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂは、層間絶縁膜１１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１６に形成された配線溝に第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂは、ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂと一体になっている。ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂは、層間絶縁膜１１５、及び保護絶縁膜１１４、ビアＡ１１９ａについてはハードマスク膜１１２に形成された下穴に第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して埋め込まれている。ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂは、第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂを介して上部第２電極１１１と電気的に接続されている。第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂと、ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂは、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂ、ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂ（ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂを含む）を形成する金属が層間絶縁膜１１５、１１７や下層へ拡散することを防止する。第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂには、例えば、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂ、ビアＡ１１９ａ及びビアＢ１１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂは、上部第２電極１１１と同一材料であることが好ましい。例えば、第２バリアメタルＡ１２０ａ及び第２バリアメタルＢ１２０ｂが窒化タンタル（下層）／タンタル（上層）の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第２電極１１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜１２１は、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂを含む層間絶縁膜１１７上に形成され、第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する絶縁膜である。またバリア絶縁膜１２１は、上層への第２配線Ａ１１８ａ及び第２配線Ｂ１１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜１２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施態様１）
次に、上記第１実施形態に記載した、「２端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図３に従って説明する。また、素子構成の説明については図２に記載の用語に従って説明する。
次に、上記第１実施形態に記載した、「２端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図３に従って説明する。また、素子構成の説明については図２に記載の用語に従って説明する。
図３は多層配線中に形成した「２端子スイッチ」型スイッチング素子に関して、背景技術の構造と本発明の第１実施形態の構造を並べて示した図である。上記第１実施形態の構造ではバリア絶縁膜１０７に形成された開口面において、第１配線Ａ１０５ａに深さ方向下に掘り下げた掘り下げ箇所１０８が形成されており、２端子スイッチ１１３が第１配線Ａ１０５ａの深さ方向下に配置されている。一方、背景技術の構造では掘り下げ箇所１０８が無いため、２端子スイッチ１１３はバリア絶縁膜１０７のテーパ面と第１配線Ａ１０５ａの直上に形成されている。上記第１実施形態の構造では、掘り下げ箇所１０８の直上の上部第２電極１１１に電気的に接続するようにビアＡ１１９ａを落とすことで、第１配線Ｂ１０５ｂに直接接続するビアＢ１１９ｂとの高さの差が、背景技術の構造に比べて小さくなる。ビアＡ１１９ａとビアＢ１１９ｂとを一つのマスクで露光し、一度にエッチングして形成する場合、ビアＡ１１９ａとビアＢ１１９ｂの高さの差分、２端子スイッチ１１３の上部第２電極１１１はエッチング環境下に曝される。このため、ビアＡ１１９ａとビアＢ１１９ｂの高さの差を小さくできる本発明の第１実施形態の構造では、イオン伝導層１０９へのプラズマダメージを低減できる。
（実施態様２）
本実施形態の実施態様２として、「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について説明する。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説明する。図４（ａ）乃至図４（ｄ）、図５（ａ）乃至図５（ｄ）、及び図６（ａ）乃至図６（ｄ）は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、２端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
本実施形態の実施態様２として、「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について説明する。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説明する。図４（ａ）乃至図４（ｄ）、図５（ａ）乃至図５（ｄ）、及び図６（ａ）乃至図６（ｄ）は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、２端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
（工程１）
図４（ａ）に示すように、半導体基板２０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜２０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜２０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜２０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２０３上に層間絶縁膜２０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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２０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２０３及び層間絶縁膜２０４に配線溝を形成する。
図４（ａ）に示すように、半導体基板２０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜２０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜２０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜２０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２０３上に層間絶縁膜２０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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２０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２０３及び層間絶縁膜２０４に配線溝を形成する。
その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ２０６ａ及び第１バリアメタルＢ２０６ｂ（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Ａ２０５ａ及び第１配線Ｂ２０５ｂ（例えば、銅）を埋め込む。層間絶縁膜２０２、２０４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Ａ２０５ａ及び第１配線Ｂ２０５ｂは、例えば、ＰＶＤ法によってバリアメタル７６（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（Chemical Mechanical Polishing）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。
（工程２）
図４（ｂ）に示すように、第１配線Ａ２０５ａ及び第１配線Ｂ２０５ｂを含む層間絶縁膜２０４上にバリア絶縁膜２０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜２０７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２０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
図４（ｂ）に示すように、第１配線Ａ２０５ａ及び第１配線Ｂ２０５ｂを含む層間絶縁膜２０４上にバリア絶縁膜２０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜２０７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２０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
（工程３）
図４（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜２０７上にハードマスク膜２０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜２０８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２０７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２０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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、窒化シリコン膜／酸化シリコン膜の積層体を用いることができる。
図４（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜２０７上にハードマスク膜２０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜２０８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２０７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２０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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、窒化シリコン膜／酸化シリコン膜の積層体を用いることができる。
（工程４）
図４（ｄ）に示すように、ハードマスク膜２０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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２０８に開口部パターンを形成する。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を剥離する。このとき、上記ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜２０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜２０７の内部にまで到達していてもよい。
図４（ｄ）に示すように、ハードマスク膜２０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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２０８に開口部パターンを形成する。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を剥離する。このとき、上記ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜２０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜２０７の内部にまで到達していてもよい。
（工程５）
図５（ａ）に示すように、ハードマスク膜２０８をマスクとして、ハードマスク膜２０８の開口部から露出するバリア絶縁膜２０７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２０７に開口部２０７ａを形成する。この開口部２０７ａの形成により、バリア絶縁膜２０７の開口部２０７ａから第１配線Ａ２０５ａを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ２０５ａ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、フッ化炭素系ガス、或いは、それらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ２０５ａをドライエッチングし、掘り下げ箇所２２２を形成する。
図５（ａ）に示すように、ハードマスク膜２０８をマスクとして、ハードマスク膜２０８の開口部から露出するバリア絶縁膜２０７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２０７に開口部２０７ａを形成する。この開口部２０７ａの形成により、バリア絶縁膜２０７の開口部２０７ａから第１配線Ａ２０５ａを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ２０５ａ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、フッ化炭素系ガス、或いは、それらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ２０５ａをドライエッチングし、掘り下げ箇所２２２を形成する。
バリア絶縁膜２０７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２０７の開口部２０７ａ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ッ化炭素を含むガスを用いることができる。ハードマスク膜２０８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２０７の開口部２０７ａ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。掘り下げ箇所２２２の形成は、超高真空化（１０−５パスカル以下）においてＲＦ（Radio Frequency：高周波）エッチングを行うことが望ましい。エッチングガスとしては、ヘリウム、アルゴンや窒素などの非反応性ガスを用いることが望ましい。また、エッチング時のバイアスパワー（ウェハ側への電離ガス引き込みパワー）は、掘り下げ箇所２２２の表面ラフネスを増加させないように、１５０Ｗ以下とすることが望ましい。高バイアスパワーのエッチングでは意図していない掘り下げ箇所が形成される場合があるが、この場合には、掘り下げられた箇所のラフネスが本発明の実施形態よりも増加する可能性が高い。表面ラフネスが増加した場合、２端子スイッチのスイッチング電圧、リーク電流および信頼性のばらつきが増加する危険性がある。この非反応性ガスを用いたエッチングは等方的に進行するため、掘り下げ箇所２２２の側面をテーパにできる。掘り下げ箇所２２２の形成のためのドライエッチングでバリア絶縁膜２０７の膜厚全てがエッチングされないよう、エッチングレートとエッチング時間を調整する。掘り下げ箇所２２２の高さ（深さ）は、５ｎｍから２０ｎｍ程度が望ましい。
（工程６）
図５（ｂ）に示すように、第１配線Ａ２０５ａを含むバリア絶縁膜２０７上にイオン伝導層２０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層２０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層２０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所２２２の第１イオン伝導層２０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層２０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層２０９ｂ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として、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜２０７の開口部２０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層２０９ａの堆積前に２５０℃から３５０℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。
図５（ｂ）に示すように、第１配線Ａ２０５ａを含むバリア絶縁膜２０７上にイオン伝導層２０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層２０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層２０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所２２２の第１イオン伝導層２０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層２０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層２０９ｂ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として、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜２０７の開口部２０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層２０９ａ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。
（工程７）
図５（ｃ）に示すように、イオン伝導層２０９上に下部第２電極２１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極２１０の上に上部第２電極２１１を形成する。上部第２電極２１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
図５（ｃ）に示すように、イオン伝導層２０９上に下部第２電極２１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極２１０の上に上部第２電極２１１を形成する。上部第２電極２１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
（工程８）
図５（ｄ）に示すように、上部第２電極２１１上にハードマスク膜２１２（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）、及びハードマスク膜２１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜２１２及びハードマスク膜２１３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２１２、２１３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２１２とハードマスク膜２１３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２１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜２１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜２１２は、後述する保護絶縁膜２１４及びバリア絶縁膜２０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、２端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、２端子スイッチ自身の構成元素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２１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
図５（ｄ）に示すように、上部第２電極２１１上にハードマスク膜２１２（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）、及びハードマスク膜２１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜２１２及びハードマスク膜２１３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２１２、２１３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２１２とハードマスク膜２１３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２１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜２１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜２１２は、後述する保護絶縁膜２１４及びバリア絶縁膜２０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、２端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、２端子スイッチ自身の構成元素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２１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
（工程９）
図６（ａ）に示すように、ハードマスク膜２１３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２１２が表れるまでハードマスク膜２１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
図６（ａ）に示すように、ハードマスク膜２１３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２１２が表れるまでハードマスク膜２１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
（工程１０）
図６（ｂ）に示すように、ハードマスク膜２１３をマスクとして、ハードマスク膜２１２、上部第２電極２１１、下部第２電極２１０、イオン伝導層２０９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２１３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、上部第２電極２１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極２１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層２０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜２０７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２０９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２０７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。
図６（ｂ）に示すように、ハードマスク膜２１３をマスクとして、ハードマスク膜２１２、上部第２電極２１１、下部第２電極２１０、イオン伝導層２０９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２１３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、上部第２電極２１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極２１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層２０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜２０７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２０９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２０７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。
（工程１１）
図６（ｃ）に示すように、ハードマスク膜２１２、上部第２電極２１１、下部第２電極２１０、及びイオン伝導層２０９を含むバリア絶縁膜２０７上に保護絶縁膜２１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜２１４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、このときイオン伝導層２０９の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層２０９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２１４の成膜温度を３００℃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の混合ガスの高密度プラズマによって、基板温度３００℃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。
図６（ｃ）に示すように、ハードマスク膜２１２、上部第２電極２１１、下部第２電極２１０、及びイオン伝導層２０９を含むバリア絶縁膜２０７上に保護絶縁膜２１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜２１４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、このときイオン伝導層２０９の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層２０９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２１４の成膜温度を３００℃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の混合ガスの高密度プラズマによって、基板温度３００℃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。
（工程１２）
図６（ｄ）に示すように、保護絶縁膜２１４上に、層間絶縁膜２１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜２１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ２２０ａ及び第２バリアメタルＢ２２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂを含む層間絶縁膜２１７上にバリア絶縁膜２２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ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、第２バリアメタルＡ２２０ａと上部第２電極２１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ２２０ａと上部第２電極２１１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２１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２１６及び層間絶縁膜２１７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」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜２１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜２１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜２１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ２１９ａとビアＢ２１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極２１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
図６（ｄ）に示すように、保護絶縁膜２１４上に、層間絶縁膜２１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜２１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ２２０ａ及び第２バリアメタルＢ２２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂを含む層間絶縁膜２１７上にバリア絶縁膜２２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ２１８ａ及び第２配線Ｂ２１８ｂ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、第２バリアメタルＡ２２０ａと上部第２電極２１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ２２０ａと上部第２電極２１１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２１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜２１６及び層間絶縁膜２１７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」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜２１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜２１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜２１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ２１９ａ及びビアＢ２１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ２１９ａとビアＢ２１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極２１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
（実施態様３）
本実施形態の実施態様３として、「多層配線層内部に形成した２端子スイッチ」の他の一構成例について説明する。図７は、第１実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板３０１上の多層配線層の内部に２端子スイッチ３１３を含む半導体装置である。
本実施形態の実施態様３として、「多層配線層内部に形成した２端子スイッチ」の他の一構成例について説明する。図７は、第１実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板３０１上の多層配線層の内部に２端子スイッチ３１３を含む半導体装置である。
多層配線層は、半導体基板３０１上にて、層間絶縁膜３０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３０３、層間絶縁膜３０４、バリア絶縁膜３０７、保護絶縁膜３１４、層間絶縁膜３１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３１６、層間絶縁膜３１７、及びバリア絶縁膜３２１の順に積層した絶縁積層体を有する。多層配線層は、層間絶縁膜３０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ３０６ａ及び第１バリアメタルＢ３０６ｂを介して第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂが埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜３１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３１６に形成された配線溝に第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜３１５、保護絶縁膜３１４、及びハードマスク膜３１２に形成された下穴にビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂが埋め込まれている。さらに、第２配線Ａ３１８ａとビアＡ３１９ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂとビアＢ３１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線Ａ３１８ａとビアＡ３１９ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂとビアＢ３１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂによって覆われている。多層配線層は、バリア絶縁膜３０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線Ａ３０５ａ、第１配線Ａ３０５ａに接する層間絶縁膜３０４、バリア絶縁膜３０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜３０７上に、イオン伝導層３０９、下部第２電極３１０、及び上部第２電極３１１の順に積層した２端子スイッチ３１３が形成されている。上部第２電極３１１上にハードマスク膜３１２が形成されており、イオン伝導層３０９、下部第２電極３１０、上部第２電極３１１、及びハードマスク膜３１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜３１４で覆われている。第１配線Ａ３０５ａの一部を、「２端子スイッチ」３１３の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常の銅ダマシン配線プロセスに追加工程として、少なくとも２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、「２端子スイッチ」３１３を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。
「２端子スイッチ」３１３は、バリア絶縁膜３０７に形成された開口部の領域にて、第１イオン伝導層３０９ａと第１配線Ａ３０５ａ及び層間絶縁膜３０４の一部が直接接している。そして、第１イオン伝導層３０９ａを構成する金属が第１配線Ａ３０５ａに拡散し、界面に合金層を形成している。「２端子スイッチ」３１３は、上部第２電極３１１上にてビアＡ３１９ａと上部第２電極３１１とが第２バリアメタルＡ３２０ａを介して電気的に接続されている。「２端子スイッチ」３１３は、電圧の印加、或いは電流を流すことで、オン／オフの制御を行う。例えば、第１イオン伝導層３０９ａ及び第２イオン伝導層３０９ｂ中への第１配線Ａ３０５ａを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン／オフの制御を行う。
図７に示すように、バリア絶縁膜３０７に形成された開口部の領域にて、第１配線Ａ３０５ａと層間絶縁膜３０４のうち、第１配線Ａ３０５ａの側面に接する箇所は深さ方向に掘り下げられた掘り下げ箇所３０８を有する。第１イオン伝導層３０９ａは第１配線Ａ３０５ａ及び、層間絶縁膜３０４のうち、第１配線Ａ３０５ａの側面に接する箇所と掘り下げ箇所３０８を介して接している。また、第１配線Ｂ３０５ｂとビアＢ３１９ｂの間に２端子スイッチは介さず、ビアＢ３１９ｂは第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して第１配線Ｂ３０５ｂに接している。
２端子スイッチ３１３は、掘り下げ箇所３０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ３１９ａが第２バリアメタルＡ３２０ａを介して上部第２電極３１１と接する高さと、ビアＢ３１９ｂは第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して第１配線Ｂ３０５ｂに接する高さの差を少なくできる。具体的には下部第２電極３１０の厚さ分程度となる。このため、ビアＡ３１９ａとビアＢ３１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングで形成した場合、２端子スイッチ３１３にビアＡ３１９ａとビアＢ３１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減され、２端子スイッチ３１３の素子性能劣化を抑制できる。
半導体基板３０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板３０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。層間絶縁膜３０２は、半導体基板３０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜３０２には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜３０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３０３は、層間絶縁膜３０２、３０４間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３０３には、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ３０６ａ及び第１バリアメタルＢ３０６ｂを介して第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜３０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜３０４には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜３０４は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜３０４には、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第１バリアメタルＡ３０６ａ及び第１バリアメタルＢ３０６ｂを介して、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂが埋め込まれている。
第１配線Ａ３０５ａは、層間絶縁膜３０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ３０６ａを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ３０５ａは、２端子スイッチ３１３の下部電極を兼ね、第１イオン伝導層３０９ａと直接接している。第１イオン伝導層３０９ａの上面は第２イオン伝導層３０９ｂに直接接しており、第２イオン伝導層３０９ｂの上面は下部第２電極３１０に直接接している。第１配線Ａ３０５ａを構成する金属には、イオン伝導層３０９において拡散、イオン伝導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第１配線Ａ３０５ａを構成する金属（例えば、銅）は、アルミニウムと合金化されていてもよい。第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ａ３０５ａに接する層間絶縁膜３０４の一部はバリア絶縁膜３０７の開口面において、深さ方向下に掘り下げられている掘り下げ箇所３０８を有する。第１配線Ａ３０５ａと第１イオン伝導層３０９ａは、掘り下げ箇所３０８を介して接している。掘り下げ箇所３０８と第１イオン伝導層３０９ａとの界面には後述の第１イオン伝導層３０９ａを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第１配線Ａ３０５ａ全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜３０７の開口面のみに形成されている。後述の２端子スイッチ３１３は、掘り下げ箇所３０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ３１９ａが第２バリアメタルＡ３２０ａを介して上部第２電極３１１と接する高さと、ビアＢ３１９ｂが第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して第１配線Ｂ３０５ｂに接する高さの差を少なくできる。具体的には下部第２電極３１０の厚さ分程度となる。このため、ビアＡ３１９ａとビアＢ３１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングで形成した場合、２端子スイッチ３１３にビアＡ３１９ａとビアＢ３１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減され、２端子スイッチ３１３の素子性能劣化を抑制できる。掘り下げ箇所３０８の形成は、第１配線Ａ３０５ａに接するバリア絶縁膜３０７の開口面形成後に、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いたプラズマを用い、ドライエッチング装置内で第１配線Ａ３０５ａを含む基板上に入射することで行う。この際、バリア絶縁膜３０７もエッチングされるが、２端子スイッチ３１３を形成しない第１配線Ｂ３０５ｂはプラズマに曝されず、掘り下げられない。
第１配線Ｂ３０５ｂは、層間絶縁膜３０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＢ３０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ｂ３０５ｂは、バリア絶縁膜３０７の開口部において、ビアＢ３１９ｂと第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して直接接している。
第１バリアメタルＡ３０６ａ及び第１バリアメタルＢ３０６ｂは、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを形成する金属が層間絶縁膜３０４や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ３０６ａ及び第１バリアメタルＢ３０６ｂには、例えば、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜３０７は、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを含む層間絶縁膜３０４上に形成され、第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する。またバリア絶縁膜３０７は、層間絶縁膜３１５中への第１配線Ａ３０５ａ及び第１配線Ｂ３０５ｂを形成する金属の拡散を防いだり、上部第２電極３１１、下部第２電極３１０、及びイオン伝導層３０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜３０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜３０７は、保護絶縁膜３１４及びハードマスク膜３１２と同一材料であることが好ましい。
第１イオン伝導層３０９ａ及び第２イオン伝導層３０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線Ａ３０５ａ（下部電極）を形成する金属から生成される金属イオンの作用（拡散、イオン伝導など）により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態へのスイッチングに伴う「２端子スイッチ」３１３の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。
第２イオン伝導層３０９ｂは、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。こうして形成された第２イオン伝導層３０９ｂは、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーであり、例えば比誘電率が２．１以上３．０以下である。
第１イオン伝導層３０９ａは、第１配線Ａ３０５ａを形成する金属が、第２イオン伝導層３０９ｂを堆積している間の加熱やプラズマで第２イオン伝導層３０９ｂ中に拡散することを防止する役割がある。また第１イオン伝導層３０９ａは、第１配線Ａ３０５ａが酸化され、第２イオン伝導層３０９ｂへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第１イオン伝導層３０９ａを形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、第１イオン伝導層３０９ａを構成する金属の成膜後に第２イオン伝導層３０９ｂの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝される。酸素雰囲気に曝されて、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなり、イオン伝導層３０９の一部となる。第１イオン伝導層３０９ａを形成する金属膜の最適膜厚は０．５〜１ｎｍである。第１イオン伝導層３０９ａの形成に使用する金属膜は、積層を形成したり、単層としたりしても良い。第１イオン伝導層３０９ａの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又はイオンは第１配線Ａ３０５ａに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層３０９は、第１配線Ａ３０５ａ、第１配線Ａ３０５ａの掘り下げ箇所３０８、バリア絶縁膜３０７の開口部に形成されている掘り下げ箇所のテーパ面、バリア絶縁膜３０７のテーパ面乃至バリア絶縁膜３０７、第１配線Ａ３０５ａに接する層間絶縁膜３０４の一部上に形成されている。イオン伝導層３０９は、第１配線Ａ３０５ａとイオン伝導層３０９の接続部の外周部分が少なくとも掘り下げ箇所３０８のテーパ面及びバリア絶縁膜３０７の開口部のテーパ面上に沿って、配設されている。
下部第２電極３１０は、「２端子スイッチ」３１３の上部電極における下層側の電極であり、第２イオン伝導層３０９ｂと直接接している。下部第２電極３１０には、ルテニウムと、第１配線Ａ３０５ａを形成する金属と密着性の良いチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどが含有した合金を使用する。ここでルテニウムは、第１配線Ａ３０５ａを形成する金属よりもイオン化しにくく、第２イオン伝導層３０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。
下部第２電極３１０の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第１の金属は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい添加金属を選択することが望ましい。金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、下部第２電極３１０を形成するルテニウム合金において、ルテニウムと合金化することで、第１配線Ａ３０５ａを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの添加金属のみで下部第２電極３１０を構成すると、反応性が高くなってしまい、「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応（溶解反応）によって進行する。下部第２電極３１０を構成する金属として、その金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第１配線Ａ３０５ａを形成する金属よりも大きい金属を用いた場合、「オフ」状態に遷移できなくなる。これは第１配線Ａ３０５ａを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第２電極３１０の酸化反応が進行するためである。このため、下部第２電極３１０の形成に使用する金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。さらに、下部第２電極３１０に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、「オン」状態が安定化することがわかっており、５ａｔｍ％の添加によっても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れており、特に下部第２電極３１０をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を２０ａｔｍ％〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、６０ａｔｍ％以上９０ａｔｍ％以下が望ましい。
下部第２電極３１０の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと第１の金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと第１の金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め第１の金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の「平坦化」のため、４００℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
上部第２電極３１１は、「２端子スイッチ」３１３の上部電極における上層側の電極であり、下部第２電極３１０上に形成されている。上部第２電極３１１は、下部第２電極３１０を保護する役割を有する。すなわち、上部第２電極３１１が下部第２電極３１０を保護することで、プロセス中の下部第２電極３１０へのダメージを抑制し、「２端子スイッチ」３１３のスイッチング特性を維持することができる。上部第２電極３１１には、例えば、タンタル、チタン、タングステン、或いはそれらの窒化物等を用いることができる。また、上部第２電極３１１はビアＡ３１９ａを下部第２電極３１０上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜３１５のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
上部第２電極３１１は金属の窒化物で構成される。特にエッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第２電極３１１に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第２電極３１０内部に拡散することで、下部第２電極３１０内に欠陥が生じる可能性がある。これらの欠陥を起点として、イオン伝導層３０９の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第２電極３１１に電気伝導性を有する化合物であり、安定な金属窒化物を用いることで下部第２電極３１０への金属の拡散を防止できる。特に、上部第２電極３１１を構成する窒化物の金属と、下部第２電極３１０を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属を同じ金属することが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第２電極３１０がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第２電極３１１は窒化チタン電極とすることが好ましい。或いは、下部第２電極３１０がルテニウムとタンタルの合金である場合には窒化タンタル電極とする。下部第２電極３１０と上部第２電極３１１を構成する金属成分を一致させることで、上部第２電極３１１の金属が万一上部第１電極３１０に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。この時、上部第１電極３１０を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する金属の割合よりも、上部第２電極３１１を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。このように割合を大きくすることで、下部第２電極３１０を構成する金属が上部第２電極３１１を構成する窒化物に拡散し、下部第２電極３１０を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が６０ａｔｍ％以上８０ａｔｍ％以下であることがより好ましい。
上部第２電極３１１の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
より好ましい上部第２電極３１１の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、第一の金属からなるターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと第一の金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を緻密に制御することができなくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に第一の金属として、チタン、或いはタンタルを用いた場合に効果が大きい。
第１配線Ａ３０５ａに掘り下げ箇所３０８を形成することによって、２端子スイッチ３１３を深さ方向下に配置できる。このため、ビアＡ３１９ａを形成する際に使用する、フッ素系、希ガス系、不活性ガス系、或いはそれらの混合ガスを用いたエッチング用プラズマに、上部第２電極３１１が曝される時間が低減できる。その結果、上部第２電極３１１が前記エッチングガスによってエッチングされる膜厚が減り、イオン伝導層３０９にプラズマダメージが蓄積されることを防ぐことができる。イオン伝導層３０９にプラズマダメージが蓄積すると、第１配線Ａ３０５ａを構成する金属がイオン伝導層３０９に拡散し易くなったり、イオン伝導層３０９がチャージアップによってダメージを受け、欠陥が増加したりすることで、２端子スイッチ３１３のリーク電流が増加し、特性ばらつきや信頼性の劣化が進行する。
ハードマスク膜３１２は、上部第２電極３１１、上部第１電極３１０、及び第１イオン伝導層３０９ａ、第２イオン伝導層３０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜３１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、或いはそれらの積層膜を用いることができる。ハードマスク膜３１２は、保護絶縁膜３１４及びバリア絶縁膜３０７と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、「２端子スイッチ」３１３の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、「２端子スイッチ」３１３自身の構成元素の脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜３１４は、「２端子スイッチ」３１３にダメージを与えることなく、さらに第２イオン伝導層３０９ｂ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３１４には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜３１４は、ハードマスク膜３１２及びバリア絶縁膜３０７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜３１４とバリア絶縁膜３０７及びハードマスク膜３１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、「２端子スイッチ」３１３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜３１５は、保護絶縁膜３１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜３１５には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜３１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜３１５は、層間絶縁膜３１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜３１５には、ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介してビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３１６は、層間絶縁膜３１５、３１７間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３１６には、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜３１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜３１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜３１７には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜３１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜３１７は、層間絶縁膜３１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜３１７には、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂが埋め込まれている。
第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂは、層間絶縁膜３１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３１６に形成された配線溝に第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂは、ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂと一体になっている。ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂは、層間絶縁膜３１５、及び保護絶縁膜３１４、ビアＡ３１９ａについてはハードマスク膜３１２に形成された下穴に第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して埋め込まれている。ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂは、第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂを介して上部第２電極３１１と電気的に接続されている。第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂ及びビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂは、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂ、ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂ（ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂを含む）を形成する金属が層間絶縁膜３１５、３１７や下層へ拡散することを防止する。第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂには、例えば、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂ、ビアＡ３１９ａ及びビアＢ３１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂは、上部第２電極３１１と同一材料であることが好ましい。例えば、第２バリアメタルＡ３２０ａ及び第２バリアメタルＢ３２０ｂが窒化タンタル（下層）／タンタル（上層）の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第２電極３１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜３２１は、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂを含む層間絶縁膜３１７上に形成され、第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する絶縁膜である。またバリア絶縁膜３２１は、上層への第２配線Ａ３１８ａ及び第２配線Ｂ３１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜３２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第２実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として３端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。図８は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した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構成例を模式的に示す断面図である。半導体基板４０１上の多層配線層の内部に、３端子スイッチ４１３を含む半導体装置である。
次に、本発明の第２実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第２実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として３端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。図８は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した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構成例を模式的に示す断面図である。半導体基板４０１上の多層配線層の内部に、３端子スイッチ４１３を含む半導体装置である。
多層配線層は、半導体基板４０１上に絶縁積層体を有する。絶縁積層体では、層間絶縁膜４０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４０３、層間絶縁膜４０４、バリア絶縁膜４０７、保護絶縁膜４１４、層間絶縁膜４１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４１６、層間絶縁膜４１７、及びバリア絶縁膜４２１の順に、積層されている。
多層配線層は、層間絶縁膜４０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜４０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ４０６ａ、第１バリアメタルＢ４０６ｂ及び第１バリアメタルＣ４０６ｃを介して第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃが埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜４１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜４１６に形成された配線溝に第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜４１５、保護絶縁膜４１４、及びハードマスク膜４１２に形成された下穴にビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂが埋め込まれている。第２配線Ａ４１８ａとビアＡ４１９ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂとビアＢ４１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線Ａ４１８ａとビアＡ４１９ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂとビアＢ４１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂによって覆われている。
多層配線層には、バリア絶縁膜４０７に形成された開口部にて、３端子スイッチ４１３が形成されている。３端子スイッチ４１３では、第１電極となる第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｃ、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｃに挟まれた層間絶縁膜４０４、バリア絶縁膜４０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜４０７上に、イオン伝導層４０９、下部第２電極４１０、及び上部第２電極４１１の順に積層されている。上部第２電極４１１上にハードマスク膜４１２が形成されており、イオン伝導層４０９、下部第２電極４１０、上部第２電極４１１、及びハードマスク膜４１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜４１４で覆われている。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂの一部を、「３端子スイッチ」４１３の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常の銅ダマシン配線プロセスに追加工程として、少なくとも２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、半導体装置に「３端子スイッチ」４１３を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。イオン伝導層４０９は、第１イオン伝導層４０９ａ及び第２イオン伝導層４０９ｂを含む。
図８の半導体装置では、「３端子スイッチ」４１３は、バリア絶縁膜４０７に形成された開口部の領域にて、第１イオン伝導層４０９ａと第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂが直接接している。そして、第１イオン伝導層４０９ａを構成する金属が第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに拡散して、界面に合金層を形成している。「３端子スイッチ」４１３は、上部第２電極４１１上にてビアＡ４１９ａと上部第２電極４１１とが第２バリアメタルＡ４２０ａを介して電気的に接続されている。「３端子スイッチ」４１３は、電圧の印加、或いは電流を流すことで、オン／オフの制御を行う。例えば、第１イオン伝導層４０９ａ及び第２イオン伝導層４０９ｂ中への第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン／オフの制御を行う。
さらに本実施形態の半導体装置では、バリア絶縁膜４０７に形成された開口部の領域にて、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂは深さ方向に掘り下げられた掘り下げ箇所４０８を有する。図８では、第１配線Ａ４０５ａの掘り下げ箇所４０８及び第１配線Ｂ４０５ｂの掘り下げ箇所４０８に挟まれた層間絶縁膜４０４も、掘り下げられた状態を示している。第１イオン伝導層４０９ａは、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂと掘り下げ箇所４０８を介して接している。また図８では、第１配線Ｃ４０５ｃとビアＢ４１９ｂの間に３端子スイッチ４１３は介さず、ビアＢ４１９ｂは第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して第１配線Ｃ４０５ｃに接している。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂと、第１配線Ｃ４０５ｃとは例えば半導体基板４０１を基準として、同層に形成された配線である。
本実施形態の半導体装置の３端子スイッチ４１３は、掘り下げ箇所４０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ４１９ａが第２バリアメタルＡ４２０ａを介して上部第２電極４１１と接する高さと、ビアＢ４１９ｂが第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して第１配線Ｂ４０５ｂに接する高さの差を、少なくできる。
具体的にはこの高さの差は、下部第２電極４１０の厚さ分程度となる。このため、ビアＡ４１９ａとビアＢ４１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングして形成した場合、３端子スイッチ４１３にビアＡ４１９ａとビアＢ４１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減される。その結果、３端子スイッチ４１３の素子性能劣化を抑制できる。
半導体基板４０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板４０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。
層間絶縁膜４０２は、半導体基板４０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜４０２には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜４０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４０３は、層間絶縁膜４０２、４０４間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４０３には、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第１バリアメタルＡ４０６ａ、第１バリアメタルＢ４０６ｂ及び第１バリアメタルＣ４０６ｃを介して、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃが埋め込まれている。
層間絶縁膜４０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜４０４には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜４０４は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜４０４には、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第１バリアメタルＡ４０６ａ、第１バリアメタルＢ４０６ｂ及び第１バリアメタルＣ４０６ｃを介して、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃが埋め込まれている。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに挟まれた層間絶縁膜４０４は掘り下げ箇所４０８の形成時に掘り下げられ、掘り下げ箇所４０８と同程度の高さになる。
第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂは、層間絶縁膜４０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜４０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ４０６ａ及び第１バリアメタルＢ４０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂは、３端子スイッチ４１３の下部電極を兼ね、第１イオン伝導層４０９ａと直接接している。第１イオン伝導層４０９ａの上面は第２イオン伝導層４０９ｂに直接接しており、第２イオン伝導層４０９ｂの上面は下部第２電極４１０に直接接している。第１配線Ａ４０５ａを構成する金属には、イオン伝導層４０９において拡散、イオン伝導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを構成する金属（例えば、銅）は、アルミニウムと合金化されていてもよい。
第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂはバリア絶縁膜４０７の開口面において、深さ方向下に掘り下げられている掘り下げ箇所４０８を有する。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂと第１イオン伝導層４０９ａは、掘り下げ箇所４０８を介して接している。掘り下げ箇所４０８と第１イオン伝導層４０９ａとの界面には、後述の第１イオン伝導層４０９ａを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂ全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜４０７の開口面のみに形成されている。
掘り下げ箇所４０８の形成は、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに接するバリア絶縁膜４０７の開口面形成後に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いたプラズマを用い、ドライエッチング装置内で第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂ、層間絶縁膜４０４を含む基板上に入射することで行う。この際、バリア絶縁膜４０７もエッチングされるが、３端子スイッチ４１３を形成しない第１配線Ｃ４０５ｃはプラズマに曝されず、掘り下げられない。
第１配線Ｃ４０５ｃは、層間絶縁膜４０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜３０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＣ４０６ｃを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ｃ４０５ｃは、バリア絶縁膜４０７の開口部において、ビアＢ４１９ｂと第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して直接接している。
第１バリアメタルＡ４０６ａ、第１バリアメタルＢ４０６ｂ及び第１バリアメタルＣ４０６ｃは、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを形成する金属が層間絶縁膜４０４や下層へ拡散することを防止する。第１バリアメタルＡ４０６ａ、第１バリアメタルＢ４０６ｂ及び第１バリアメタルＣ４０６ｃには、例えば、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜４０７は、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを含む層間絶縁膜４０４上に形成され、第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する。さらにバリア絶縁膜４０７は、層間絶縁膜４１５中への第１配線Ａ４０５ａ、第１配線Ｂ４０５ｂ及び第１配線Ｃ４０５ｃを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。さらにバリア絶縁膜４０７は、上部第２電極４１１、下部第２電極４１０、及びイオン伝導層４０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜４０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜４０７は、保護絶縁膜４１４及びハードマスク膜４１２と同一材料であることが好ましい。
第１イオン伝導層４０９ａ及び第２イオン伝導層４０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂ（下部電極）を形成する金属から生成される金属イオンの作用（拡散、イオン伝導など）により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態へのスイッチングに伴う「３端子スイッチ」４１３の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。
第２イオン伝導層４０９ｂは、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。こうして形成された第２イオン伝導層４０９ｂは、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーであり、例えば比誘電率が２．１以上３．０以下である。
第１イオン伝導層４０９ａは、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属が、第２イオン伝導層４０９ｂを堆積している間の加熱やプラズマで第２イオン伝導層４０９ｂ中に拡散することを防止する役割がある。また第１イオン伝導層４０９ａは、第１配線Ａ４０５ａが酸化され、第２イオン伝導層４０９ｂへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第１イオン伝導層４０９ａを形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、第１イオン伝導層４０９ａを構成する金属の成膜後に第２イオン伝導層４０９ｂの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝される。酸素雰囲気に曝されて、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなり、イオン伝導層４０９の一部となる。第１イオン伝導層４０９ａを形成する金属膜の最適膜厚は０．５〜１ｎｍである。第１イオン伝導層４０９ａの形成に使用する金属膜は、積層を形成したり、単層としたりしても良い。第１イオン伝導層４０９ａの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又はイオンは第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層４０９は、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂ、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに挟まれた層間絶縁膜４０４、バリア絶縁膜４０７の開口部に形成されている掘り下げ箇所４０８のテーパ面、バリア絶縁膜４０７のテーパ面乃至バリア絶縁膜４０７上に形成されている。イオン伝導層４０９は、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂとイオン伝導層４０９の接続部の外周部分が少なくとも掘り下げ箇所４０８のテーパ面及びバリア絶縁膜４０７の開口部のテーパ面、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに挟まれた層間絶縁膜４０７上に沿って、配設されている。
下部第２電極４１０は、「３端子スイッチ」４１３の上部電極における下層側の電極であり、第２イオン伝導層４０９ｂと直接接している。下部第２電極４１０には、ルテニウムと、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属と密着性の良いチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどが含有した合金を使用する。ここでルテニウムは、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属よりもイオン化しにくく、第２イオン伝導層４０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。
下部第２電極４１０の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第１の金属は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい添加金属を選択することが望ましい。金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、下部第２電極４１０を形成するルテニウム合金において、ルテニウムと合金化することで、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの添加金属のみで下部第２電極４１０を構成すると、反応性が高くなってしまい、「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応（溶解反応）によって進行する。下部第２電極４１０を構成する金属として、その金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属よりも大きい金属を用いた場合、「オフ」状態に遷移できなくなる。これは第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第２電極４１０の酸化反応が進行するためである。このため、下部第２電極４１０の形成に使用する金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。さらに、下部第２電極４１０に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、「オン」状態が安定化することがわかっており、５ａｔｍ％の添加によっても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れており、特に下部第２電極４１０をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を２０ａｔｍ％〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、６０ａｔｍ％以上９０ａｔｍ％以下が望ましい。
下部第２電極４１０の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと第１の金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと第１の金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め第１の金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の「平坦化」のため、４００℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
上部第２電極４１１は、「３端子スイッチ」４１３の上部電極における上層側の電極であり、下部第２電極４１０上に形成されている。上部第２電極４１１は、下部第２電極４１０を保護する役割を有する。すなわち、上部第２電極４１１が下部第２電極４１０を保護することで、プロセス中の下部第２電極４１０へのダメージを抑制し、「３端子スイッチ」４１３のスイッチング特性を維持することができる。上部第２電極４１１には、例えば、タンタル、チタン、タングステン、或いはそれらの窒化物等を用いることができる。また、上部第２電極４１１はビアＡ４１９ａを下部第２電極４１０上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜４１５のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
上部第２電極４１１は金属の窒化物で構成される。特にエッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第２電極４１１に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第２電極４１０内部に拡散することで、下部第２電極４１１内に欠陥が生じる可能性がある。これらの欠陥を起点として、イオン伝導層４０９の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第２電極４１１に電気伝導性を有する化合物であり、安定な金属窒化物を用いることで下部第２電極４１０への金属の拡散を防止できる。特に、上部第２電極４１１を構成する窒化物の金属と、下部第２電極４１０を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属を同じ金属することが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第２電極４１０がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第２電極４１１は窒化チタン電極とすることが好ましい。或いは、下部第２電極４１０がルテニウムとタンタルの合金である場合には窒化タンタル電極とする。下部第２電極４１０と上部第２電極４１１を構成する金属成分を一致させることで、上部第２電極４１１の金属が万一下部第２電極４１０に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。この時、下部第２電極４１０を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する金属の割合よりも、上部第２電極４１１を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。このように割合を大きくすることで、下部第２電極４１０を構成する金属が上部第２電極４１１を構成する窒化物に拡散し、下部第２電極４１０を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が６０ａｔｍ％以上８０ａｔｍ％以下であることがより好ましい。
上部第２電極４１１の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
より好ましい上部第２電極４１１の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、第一の金属からなるターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと第一の金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を緻密に制御することができなくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に第一の金属として、チタン、或いはタンタルを用いた場合に効果が大きい。
本実施形態の半導体装置では、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに掘り下げ箇所４０８を形成し、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに挟まれた層間絶縁膜４０４に掘り下げ箇所を形成することによって、３端子スイッチ４１３を深さ方向下に配置できる。このため、ビアＡ４１９ａをパターン形成する際に使用する、フッ素系、希ガス系、不活性ガス系、或いはそれらの混合ガスを用いたエッチング用プラズマに、上部第２電極４１１が曝される時間を低減できる。その結果、上部第２電極４１１が前記エッチングガスによってエッチングされる膜厚が減り、イオン伝導層４０９にプラズマダメージが蓄積されることを防ぐことができる。イオン伝導層４０９にプラズマダメージが蓄積すると、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂを構成する金属がイオン伝導層４０９に拡散し易くなったり、イオン伝導層４０９がチャージアップによってダメージを受け、欠陥が増加したりすることで、３端子スイッチ４１３のリーク電流が増加し、特性ばらつきや信頼性の劣化が進行する。
ハードマスク膜４１２は、上部第２電極４１１、下部第２電極４１０、及び第１イオン伝導層４０９ａ、第２イオン伝導層４０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜４１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、或いはそれらの積層膜を用いることができる。ハードマスク膜４１２は、保護絶縁膜４１４及びバリア絶縁膜４０７と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、「３端子スイッチ」４１３の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、「３端子スイッチ」４１３自身からの脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜４１４は、「３端子スイッチ」４１３にダメージを与えることなく、さらに第２イオン伝導層４０９ｂ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４１４には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜４１４は、ハードマスク膜４１２及びバリア絶縁膜４０７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜４１４とバリア絶縁膜４０７及びハードマスク膜４１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、「３端子スイッチ」４１３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜４１５は、保護絶縁膜４１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜４１５には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜４１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜４１５は、層間絶縁膜４１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜４１５には、ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介してビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４１６は、層間絶縁膜４１５、４１７間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４１６には、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜４１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜４１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜４１７には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜４１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜４１７は、層間絶縁膜４１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜４１７には、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂが埋め込まれている。
第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂは、層間絶縁膜４１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜４１６に形成された配線溝に第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂは、ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂと一体になっている。ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂは、層間絶縁膜４１５、及び保護絶縁膜４１４、ビアＡ４１９ａについてはハードマスク膜４１２に形成された下穴に第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して埋め込まれている。ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂは、第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂを介して上部第２電極４１１と電気的に接続されている。第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂと、ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂは、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂ、ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂ（ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂを含む）を形成する金属が層間絶縁膜４１５、４１７や下層へ拡散することを防止する。第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂには、例えば、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂ、ビアＡ４１９ａ及びビアＢ４１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂは、上部第２電極４１１と同一材料であることが好ましい。例えば、第２バリアメタルＡ４２０ａ及び第２バリアメタルＢ４２０ｂが窒化タンタル（下層）／タンタル（上層）の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第２電極４１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜４２１は、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂを含む層間絶縁膜４１７上に形成され、第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する絶縁膜である。またバリア絶縁膜４２１は、上層への第２配線Ａ４１８ａ及び第２配線Ｂ４１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜４２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施態様１）
次に、本実施形態の「３端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図９に従って説明する。また、素子構成の説明については図８に記載の用語に従って説明する。
次に、本実施形態の「３端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図９に従って説明する。また、素子構成の説明については図８に記載の用語に従って説明する。
図９は多層配線中に形成した「３端子スイッチ」型スイッチング素子に関して、背景技術の構造と本実施形態の構造を並べて示した図である。上記第２実施形態の構造ではバリア絶縁膜４０７に形成された開口面において、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂ、第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂに挟まれた層間絶縁膜４０４に深さ方向下に掘り下げた掘り下げ箇所４０８が形成されている。これにより、３端子スイッチ４１３が第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂの深さ方向下に配置されている。一方、背景技術の構造では掘り下げ箇所４０８が無いため、３端子スイッチ４１３はバリア絶縁膜４０７のテーパ面と第１配線Ａ４０５ａ及び第１配線Ｂ４０５ｂの直上に形成されている。上記第２実施形態の構造では、掘り下げ箇所４０８の直上の上部第２電極４１１に電気的に接続するようにビアＡ４１９ａを落とすことで、第１配線Ｃ４０５ｃに直接接続するビアＢ４１９ｂとの高さの差が、背景技術の構造に比べて小さくなる。ビアＡ４１９ａとビアＢ４１９ｂを一つのマスクで露光し、一度にエッチングして形成する場合、ビアＡ４１９ａとビアＢ４１９ｂの高さの差分、３端子スイッチ４１３の上部第２電極４１１はエッチング環境下に曝される。このため、ビアＡ４１９ａとビアＢ４１９ｂの高さの差を小さくできる本発明の第２実施形態の構造では、イオン伝導層４０９へのプラズマダメージを低減できる。
（実施態様２）
本実施形態の実施態様２として、「３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について説明する。特に、「３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説明する。図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）、図１１（ａ）乃至図１１（ｄ）、及び図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）は、本発明の第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、３端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
本実施形態の実施態様２として、「３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について説明する。特に、「３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説明する。図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）、図１１（ａ）乃至図１１（ｄ）、及び図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）は、本発明の第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、３端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
（工程１）
図１０（ａ）に示すように、半導体基板５０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜５０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜５０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜５０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５０３上に層間絶縁膜５０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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５０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５０３及び層間絶縁膜５０４に配線溝を形成する。
図１０（ａ）に示すように、半導体基板５０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜５０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜５０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜５０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５０３上に層間絶縁膜５０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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５０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５０３及び層間絶縁膜５０４に配線溝を形成する。
その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ５０６ａ、第１バリアメタルＢ５０６ｂ及び第１バリアメタルＣ５０６ｃ（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Ａ５０５ａ、第１配線Ｂ５０５ｂ及び第１配線Ｃ５０５ｃ（例えば、銅）を埋め込む。層間絶縁膜５０２、５０４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Ａ５０５ａ、第１配線Ｂ５０５ｂ及び第１配線Ｃ５０５ｃは、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＢ５０６ｂ及び第１バリアメタルＣ５０６ｃ（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。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。
（工程２）
図１０（ｂ）に示すように、第１配線Ａ５０５ａ、第１配線Ｂ５０５ｂ及び第１配線Ｃ５０５ｃを含む層間絶縁膜５０４上にバリア絶縁膜５０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜５０７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５０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
図１０（ｂ）に示すように、第１配線Ａ５０５ａ、第１配線Ｂ５０５ｂ及び第１配線Ｃ５０５ｃを含む層間絶縁膜５０４上にバリア絶縁膜５０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜５０７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５０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
（工程３）
図１０（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜５０７上にハードマスク膜５０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜５０８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５０７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５０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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。
図１０（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜５０７上にハードマスク膜５０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜５０８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５０７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５０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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。
（工程４）
図１０（ｄ）に示すように、ハードマスク膜５０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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５０８に開口部パターンを形成する。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５０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜５０７の内部にまで到達していてもよい。
図１０（ｄ）に示すように、ハードマスク膜５０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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５０８に開口部パターンを形成する。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５０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜５０７の内部にまで到達していてもよい。
（工程５）
図１１（ａ）に示すように、ハードマスク膜５０８をマスクとして、ハードマスク膜５０８の開口部から露出するバリア絶縁膜５０７をエッチバック（ドライエッチング）する。これにより、バリア絶縁膜５０７に開口部５０７ａを形成して、バリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａから第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂをドライエッチングし、掘り下げ箇所５２２を形成する。この際、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂに挟まれた層間絶縁膜５０４も掘り下げられる。ここではバリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａで露出した第１配線Ａ５０５ａと第１配線Ｂ５０５ｂとの間の層間絶縁膜５０４も、掘り下げられている。
図１１（ａ）に示すように、ハードマスク膜５０８をマスクとして、ハードマスク膜５０８の開口部から露出するバリア絶縁膜５０７をエッチバック（ドライエッチング）する。これにより、バリア絶縁膜５０７に開口部５０７ａを形成して、バリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａから第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂをドライエッチングし、掘り下げ箇所５２２を形成する。この際、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂに挟まれた層間絶縁膜５０４も掘り下げられる。ここではバリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａで露出した第１配線Ａ５０５ａと第１配線Ｂ５０５ｂとの間の層間絶縁膜５０４も、掘り下げられている。
バリア絶縁膜５０７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５０７の開口部５０７ａ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ッ化炭素を含むガスを用いることができる。ハードマスク膜５０８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５０７の開口部５０７ａ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。掘り下げ箇所５２２の形成は、超高真空化（１０−５パスカル以下）においてＲＦエッチングを行うことが望ましい。エッチングガスとしては、ヘリウム、アルゴンや窒素などの非反応性ガスを用いることが望ましい。また、エッチング時のバイアスパワー（ウェハ側への電離ガス引き込みパワー）は、掘り下げ箇所５２２の表面ラフネスを増加させないように、１５０Ｗ以下とすることが望ましい。高バイアスパワーのエッチングでは意図していない掘り下げ箇所が形成される場合があるが、この場合には、掘り下げられた箇所のラフネスが本発明の実施形態よりも増加する可能性が高い。表面ラフネスが増加した場合、３端子スイッチのスイッチング電圧、リーク電流および信頼性のばらつきが増加する危険性がある。この非反応性ガスを用いたエッチングは等方的に進行するため、掘り下げ箇所５２２の側面をテーパにできる。掘り下げ箇所５２２の形成のためのドライエッチングでバリア絶縁膜５０７の膜厚全てがエッチングされないよう、エッチングレートとエッチング時間を調整する。掘り下げ箇所５２２の高さ（深さ）は５ｎｍから２０ｎｍ程度が望ましい。
（工程６）
図１１（ｂ）に示すように、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂを含むバリア絶縁膜５０７上にイオン伝導層５０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層５０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層５０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所５２２の第１イオン伝導層５０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層５０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層５０９ｂ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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層５０９ａの堆積前に２５０℃から３５０℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。
図１１（ｂ）に示すように、第１配線Ａ５０５ａ及び第１配線Ｂ５０５ｂを含むバリア絶縁膜５０７上にイオン伝導層５０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層５０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層５０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所５２２の第１イオン伝導層５０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層５０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層５０９ｂ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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜５０７の開口部５０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層５０９ａ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。
（工程７）
図１１（ｃ）に示すように、イオン伝導層５０９上に下部第２電極５１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極５１０の上に上部第２電極５１１を形成する。上部第２電極５１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
図１１（ｃ）に示すように、イオン伝導層５０９上に下部第２電極５１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極５１０の上に上部第２電極５１１を形成する。上部第２電極５１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
（工程８）
図１１（ｄ）に示すように、上部第２電極５１１上にハードマスク膜５１２（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）、及びハードマスク膜５１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜５１２及びハードマスク膜５１３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５１２、５１３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５１２とハードマスク膜５１３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５１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜５１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜５１２は、後述する保護絶縁膜５１４及びバリア絶縁膜５０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、３端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、３端子スイッチ自身の構成元素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５１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
図１１（ｄ）に示すように、上部第２電極５１１上にハードマスク膜５１２（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）、及びハードマスク膜５１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜５１２及びハードマスク膜５１３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５１２、５１３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５１２とハードマスク膜５１３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５１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜５１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜５１２は、後述する保護絶縁膜５１４及びバリア絶縁膜５０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、３端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、３端子スイッチ自身の構成元素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５１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
（工程９）
図１２（ａ）に示すように、ハードマスク膜５１３上に「３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５１２が表れるまでハードマスク膜５１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
図１２（ａ）に示すように、ハードマスク膜５１３上に「３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５１２が表れるまでハードマスク膜５１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
（工程１０）
図１２（ｂ）に示すように、ハードマスク膜５１３をマスクとして、ハードマスク膜５１２、上部第２電極５１１、下部第２電極５１０、イオン伝導層５０９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５１３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、上部第２電極５１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極５１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層５０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜５０７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５０９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５０７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。
図１２（ｂ）に示すように、ハードマスク膜５１３をマスクとして、ハードマスク膜５１２、上部第２電極５１１、下部第２電極５１０、イオン伝導層５０９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５１３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、上部第２電極５１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極５１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層５０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜５０７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５０９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５０７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。
（工程１１）
図１２（ｃ）に示すように、ハードマスク膜５１２、上部第２電極５１１、下部第２電極５１０、及びイオン伝導層５０９を含むバリア絶縁膜５０７上に保護絶縁膜５１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜５１４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、このときイオン伝導層５０９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５１４の成膜温度を３００℃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の混合ガスの高密度プラズマによって、基板温度３００℃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。
図１２（ｃ）に示すように、ハードマスク膜５１２、上部第２電極５１１、下部第２電極５１０、及びイオン伝導層５０９を含むバリア絶縁膜５０７上に保護絶縁膜５１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜５１４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、このときイオン伝導層５０９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５１４の成膜温度を３００℃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の混合ガスの高密度プラズマによって、基板温度３００℃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。
（工程１２）
図１２（ｄ）に示すように、保護絶縁膜５１４上に、層間絶縁膜５１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜５１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ５２０ａ及び第２バリアメタルＢ５２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂを含む層間絶縁膜５１７上にバリア絶縁膜５２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ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、第２バリアメタルＡ５２０ａと上部第２電極５１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ５２０ａと上部第２電極５１１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５１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５１６及び層間絶縁膜５１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。「３端子スイッチ」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜５１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜５１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜５１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ５１９ａとビアＢ５１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極５１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
図１２（ｄ）に示すように、保護絶縁膜５１４上に、層間絶縁膜５１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜５１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ５２０ａ及び第２バリアメタルＢ５２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂを含む層間絶縁膜５１７上にバリア絶縁膜５２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ５１８ａ及び第２配線Ｂ５１８ｂ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、第２バリアメタルＡ５２０ａと上部第２電極５１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ５２０ａと上部第２電極５１１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５１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜５１６及び層間絶縁膜５１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。「３端子スイッチ」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜５１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜５１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜５１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ５１９ａ及びビアＢ５１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ５１９ａとビアＢ５１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極５１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第３実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として３端子スイッチもしくは２端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。本実施形態の半導体装置は、上述した実施形態の半導体装置の変形例である。図１３は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した３端子スイッチ、もしくは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に示す断面図である。半導体基板６０１上の多層配線層の内部に、３端子スイッチ６１３を含む半導体装置である。
次に、本発明の第３実施形態による抵抗変化素子、半導体装置、及び半導体装置の製造方法について、説明する。本発明の第３実施形態の半導体装置として、多層配線層内部に抵抗変化素子の一例として３端子スイッチもしくは２端子スイッチを含む半導体装置の構成について、説明する。本実施形態の半導体装置は、上述した実施形態の半導体装置の変形例である。図１３は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した３端子スイッチ、もしくは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に示す断面図である。半導体基板６０１上の多層配線層の内部に、３端子スイッチ６１３を含む半導体装置である。
多層配線層は、半導体基板６０１上に絶縁積層体を有する。絶縁積層体では、層間絶縁膜６０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６０３、層間絶縁膜６０４、バリア絶縁膜６０７、保護絶縁膜６１４、層間絶縁膜６１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６、層間絶縁膜６１７、及びバリア絶縁膜６２１の順に積層されている。
多層配線層は、層間絶縁膜６０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ６０６ａ、第１バリアメタルＢ６０６ｂ及び第１バリアメタルＣ６０６ｃを介して第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃが埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜６１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜６１６に形成された配線溝に第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜６１５、保護絶縁膜６１４、及びハードマスク膜６１２に形成された下穴にビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂが埋め込まれている。さらに、第２配線Ａ６１８ａとビアＡ６１９ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂとビアＢ６１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線Ａ６１８ａとビアＡ６１９ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂとビアＢ６１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂによって覆われている。
多層配線層には、バリア絶縁膜６０７に形成された開口部にて、３端子スイッチ６１３が形成されている。３端子スイッチ６１３では、第１電極となる第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４、第１バリアメタルＡ６０６ａ及び第１バリアメタルＢ６０６ｂの側面の一部、バリア絶縁膜６０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜６０７上に、イオン伝導層６０９、下部第２電極６１０、及び上部第２電極６１１の順に積層されている。上部第２電極６１１上にハードマスク膜６１２が形成されており、イオン伝導層６０９、下部第２電極６１０、上部第２電極６１１、及びハードマスク膜６１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜６１４で覆われている。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの一部を、「３端子スイッチ」６１３の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常の銅ダマシン配線プロセスに追加工程として、少なくとも２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、「３端子スイッチ」６１３を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。イオン伝導層６０９は、第１イオン伝導層６０９ａ及び第２イオン伝導層６０９ｂを含む。
図１３の半導体装置では、「３端子スイッチ」６１３は、バリア絶縁膜６０７に形成された開口部の領域にて、第１イオン伝導層６０９ａと第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂが直接接している。そして、第１イオン伝導層６０９ａを構成する金属が第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに拡散し、界面に合金層を形成している。「３端子スイッチ」６１３は、上部第２電極６１１上にてビアＡ６１９ａと上部第２電極６１１とが第２バリアメタルＡ６２０ａを介して電気的に接続されている。「３端子スイッチ」６１３は、電圧の印加、或いは電流を流すことで、オン／オフの制御を行う。例えば、第１イオン伝導層６０９ａ及び第２イオン伝導層６０９ｂ中への第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン／オフの制御を行う。
さらに本実施形態の半導体装置では、バリア絶縁膜６０７に形成された開口部の領域にて、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂは深さ方向に掘り下げられた掘り下げ箇所６０８を有する。図１３では、第１配線Ａ６０５ａの掘り下げ箇所６０８及び第１配線Ｂ６０５ｂの掘り下げ箇所６０８に挟まれた層間絶縁膜６０４も、掘り下げられた状態を示している。
さらに本実施形態の半導体装置では、層間絶縁膜６０４の掘り下げられている箇所は、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの掘り下げられている高さよりも深さ方向下となっている。すなわち、バリア絶縁膜６０７の開口部の領域において、イオン伝導層６０９は２段階の異なる高さの領域が形成される。第１イオン伝導層６０９ａは第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの上面及び側面（第１バリアメタルＡ６０６ａ及び第１バリアメタルＢ６０６ｂ）と掘り下げ箇所６０８を介して接している。また、第１配線Ｃ６０５ｃとビアＢ６１９ｂの間に３端子スイッチ６１３は介さず、ビアＢ６１９ｂは第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して第１配線Ｃ６０５ｃに接している。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂと、第１配線Ｃ６０５ｃとは例えば半導体基板６０１を基準として、同層に形成された配線である。
本実施形態の半導体装置の３端子スイッチ６１３は、掘り下げ箇所６０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ６１９ａが第２バリアメタルＡ６２０ａを介して上部第２電極６１１と接する高さと、ビアＢ６１９ｂが第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して第１配線Ｂ６０５ｂに接する高さの差を、ほぼ同じにできる。この際、ビアＡ６１９ａは掘り下げ箇所６０８の内、最も掘り下げ量が深い、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４の直上にある上部第２電極６１１に接続する。このため、ビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングして形成した場合、３端子スイッチ６１３にビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減される。その結果、３端子スイッチ６１３の素子性能劣化を抑制できる。
半導体基板６０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板６０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。
層間絶縁膜６０２は、半導体基板６０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜６０２には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜６０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６０３は、層間絶縁膜６０２、６０４間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６０３には、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第１バリアメタルＡ６０６ａ、第１バリアメタルＢ６０６ｂ及び第１バリアメタルＣ６０６ｃを介して、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃが埋め込まれている。
層間絶縁膜６０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜６０４には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜６０４は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜６０４には、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第１バリアメタルＡ６０６ａ、第１バリアメタルＢ６０６ｂ及び第１バリアメタルＣ６０６ｃを介して、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃが埋め込まれている。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４は掘り下げ箇所６０８の形成時に掘り下げられ、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの掘り下げ箇所６０８よりも深さ方向下にさらに掘り下げられている。
第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂは、層間絶縁膜６０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ６０６ａ及び第１バリアメタルＢ６０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂは、３端子スイッチ６１３の下部電極を兼ね、第１イオン伝導層６０９ａと直接接している。第１イオン伝導層６０９ａの上面は第２イオン伝導層６０９ｂに直接接しており、第２イオン伝導層６０９ｂの上面は下部第２電極６１０に直接接している。第１配線Ａ６０５ａを構成する金属には、イオン伝導層６０９において拡散、イオン伝導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを構成する金属（例えば、銅）は、アルミニウムと合金化されていてもよい。
第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂはバリア絶縁膜６０７の開口面において、深さ方向下に掘り下げられている掘り下げ箇所６０８を有する。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂと第１イオン伝導層６０９ａは、掘り下げ箇所６０８を介して接している。掘り下げ箇所６０８と第１イオン伝導層６０９ａとの界面には、後述の第１イオン伝導層６０９ａを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜６０７の開口面のみに形成されている。
掘り下げ箇所６０８の形成は、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに接するバリア絶縁膜６０７の開口面形成後に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いたプラズマを用い、ドライエッチング装置内で第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ、層間絶縁膜６０４を含む基板上に入射することで行う。この際、バリア絶縁膜６０７もエッチングされるが、３端子スイッチ６１３を形成しない第１配線Ｃ６０５ｃはプラズマに曝されず、掘り下げられない。
第１配線Ｃ６０５ｃは、層間絶縁膜６０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＣ６０６ｃを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ｃ６０５ｃは、バリア絶縁膜６０７の開口部において、ビアＢ６１９ｂと第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して直接接している。
第１バリアメタルＡ６０６ａ、第１バリアメタルＢ６０６ｂ及び第１バリアメタルＣ６０６ｃは、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを形成する金属が層間絶縁膜６０４や下層へ拡散することを防止する。第１バリアメタルＡ６０６ａ、第１バリアメタルＢ６０６ｂ及び第１バリアメタルＣ６０６ｃには、例えば、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜６０７は、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを含む層間絶縁膜６０４上に形成され、第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する。さらにバリア絶縁膜６０７は、層間絶縁膜６１５中への第１配線Ａ６０５ａ、第１配線Ｂ６０５ｂ及び第１配線Ｃ６０５ｃを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。さらにバリア絶縁膜６０７は、上部第２電極６１１、下部第２電極６１０、及びイオン伝導層６０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜６０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜６０７は、保護絶縁膜６１４及びハードマスク膜６１２と同一材料であることが好ましい。
第１イオン伝導層６０９ａ及び第２イオン伝導層６０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ（下部電極）を形成する金属から生成される金属イオンの作用（拡散、イオン伝導など）により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態へのスイッチングに伴う「３端子スイッチ」６１３の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。
第２イオン伝導層６０９ｂは、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。こうして形成された第２イオン伝導層６０９ｂは、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーであり、例えば比誘電率が２．１以上３．０以下である。
第１イオン伝導層６０９ａは、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属が、第２イオン伝導層６０９ｂを堆積している間の加熱やプラズマで第２イオン伝導層６０９ｂ中に拡散することを防止する役割がある。また第１イオン伝導層６０９ａは、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂが酸化され、第２イオン伝導層６０９ｂへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第１イオン伝導層６０９ａを形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、第１イオン伝導層６０９ａを構成する金属の成膜後に第２イオン伝導層６０９ｂの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝される。酸素雰囲気に曝されて、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなり、イオン伝導層６０９の一部となる。第１イオン伝導層６０９ａを形成する金属膜の最適膜厚は０．５〜１ｎｍである。第１イオン伝導層６０９ａの形成に使用する金属膜は、積層を形成したり、単層としたりしても良い。第１イオン伝導層６０９ａの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又はイオンは第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層６０９は、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４、バリア絶縁膜６０７の開口部に形成されている掘り下げ箇所６０８のテーパ面、バリア絶縁膜６０７のテーパ面乃至バリア絶縁膜６０７上に形成されている。イオン伝導層６０９は、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂとイオン伝導層６０９の接続部の外周部分が少なくとも掘り下げ箇所６０８のテーパ面及びバリア絶縁膜６０７の開口部のテーパ面、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４上、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた側の側面の第１バリアメタルＡ６０６ａ及び第１バリアメタルＢ６０６ｂに沿って、配設されている。
下部第２電極６１０は、「３端子スイッチ」６１３の上部電極における下層側の電極であり、第２イオン伝導層６０９ｂと直接接している。下部第２電極６１０には、ルテニウムと、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属と密着性の良いチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどが含有した合金を使用する。ここでルテニウムは、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属よりもイオン化しにくく、第２イオン伝導層６０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。
下部第２電極６１０の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第１の金属は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい添加金属を選択することが望ましい。金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、下部第２電極６１０を形成するルテニウム合金において、ルテニウムと合金化することで、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの添加金属のみで下部第２電極６１０を構成すると、反応性が高くなってしまい、「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応（溶解反応）によって進行する。下部第２電極６１０を構成する金属として、その金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属よりも大きい金属を用いた場合、「オフ」状態に遷移できなくなる。これは第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第２電極６１０の酸化反応が進行するためである。このため、下部第２電極６１０の形成に使用する金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。さらに、下部第２電極６１０に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、「オン」状態が安定化することがわかっており、５ａｔｍ％の添加によっても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れており、特に下部第２電極６１０をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を２０ａｔｍ％〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、６０ａｔｍ％以上９０ａｔｍ％以下が望ましい。
下部第２電極６１０の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと第１の金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと第１の金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め第１の金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の「平坦化」のため、４００℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
上部第２電極６１１は、「３端子スイッチ」６１３の上部電極における上層側の電極であり、下部第２電極６１０上に形成されている。上部第２電極６１１は、下部第２電極６１０を保護する役割を有する。すなわち、上部第２電極６１１が下部第２電極６１０を保護することで、プロセス中の下部第２電極６１０へのダメージを抑制し、「３端子スイッチ」６１３のスイッチング特性を維持することができる。上部第２電極６１１には、例えば、タンタル、チタン、タングステン、或いはそれらの窒化物等を用いることができる。また、上部第２電極６１１はビアＡ６１９ａを下部第２電極６１０上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜６１５のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
上部第２電極６１１は金属の窒化物で構成される。特にエッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第２電極６１１に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第２電極６１０内部に拡散することで、下部第２電極６１０内に欠陥が生じる可能性がある。これらの欠陥を起点として、イオン伝導層６０９の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第２電極６１１に電気伝導性を有する化合物であり、安定な金属窒化物を用いることで下部第２電極６１０への金属の拡散を防止できる。特に、上部第２電極６１１を構成する窒化物の金属と、下部第２電極６１０を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属を同じ金属することが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第２電極６１０がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第２電極６１１は窒化チタン電極とすることが好ましい。或いは、下部第２電極６１０がルテニウムとタンタルの合金である場合には窒化タンタル電極とする。下部第２電極６１０と上部第２電極６１１を構成する金属成分を一致させることで、上部第２電極６１１の金属が万一下部第２電極６１０に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。この時、下部第２電極６１０を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する金属の割合よりも、上部第２電極６１１を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。このように割合を大きくすることで、下部第２電極６１０を構成する金属が上部第２電極６１１を構成する窒化物に拡散し、下部第２電極６１０を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が６０ａｔｍ％以上８０ａｔｍ％以下であることがより好ましい。
上部第２電極６１１の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
より好ましい上部第２電極６１１の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、第一の金属からなるターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと第一の金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を緻密に制御することができなくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に第一の金属として、チタン、或いはタンタルを用いた場合に効果が大きい。
本実施形態の半導体装置では、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに掘り下げ箇所６０８を形成し、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４に掘り下げ箇所を形成することによって、３端子スイッチ６１３を深さ方向下に配置できる。このため、ビアＡ６１９ａパターンを形成する際に使用する、フッ素系、希ガス系、不活性ガス系、或いはそれらの混合ガスを用いたエッチング用プラズマに、上部第２電極６１１が曝される時間が低減できる。その結果、上部第２電極６１１が前記エッチングガスによってエッチングされる膜厚が減り、イオン伝導層６０９にプラズマダメージが蓄積されることを防ぐことができる。イオン伝導層６０９にプラズマダメージが蓄積すると、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂを構成する金属がイオン伝導層６０９に拡散し易くなったり、イオン伝導層６０９がチャージアップによってダメージを受け、欠陥が増加したりすることで、３端子スイッチ６１３のリーク電流が増加し、特性ばらつきや信頼性の劣化が進行する。
ビアＡ６１９ａを、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４直上の上部第２電極６１１に接続せず、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの掘り下げ箇所６０８直上の上部第２電極６１１に接続しても良い。ただし、この場合、ビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂの高さの差は、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４直上の上部第２電極６１１に接続する場合に比べて大きくなる。
ハードマスク膜６１２は、上部第２電極６１１、下部第２電極６１０、及び第１イオン伝導層６０９ａ、第２イオン伝導層６０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜６１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、或いはそれらの積層膜を用いることができる。ハードマスク膜６１２は、保護絶縁膜６１４及びバリア絶縁膜６０７と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、「３端子スイッチ」６１３の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、「３端子スイッチ」６１３自身からの脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜６１４は、「３端子スイッチ」６１３にダメージを与えることなく、さらに第２イオン伝導層６０９ｂ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６１４には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜６１４は、ハードマスク膜６１２及びバリア絶縁膜６０７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜６１４とバリア絶縁膜６０７及びハードマスク膜６１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、「３端子スイッチ」６１３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜６１５は、保護絶縁膜６１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜６１５には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜６１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜６１５は、層間絶縁膜６１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜６１５には、ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介してビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６は、層間絶縁膜６１５、６１７間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６には、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜６１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜６１７には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜６１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜６１７は、層間絶縁膜６１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜６１７には、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂが埋め込まれている。
第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂは、層間絶縁膜６１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜６１６に形成された配線溝に第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂは、ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂと一体になっている。ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂは、層間絶縁膜６１５、及び保護絶縁膜６１４、ビアＡ６１９ａについてはハードマスク膜６１２に形成された下穴に第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して埋め込まれている。ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂは、第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂを介して上部第２電極６１１と電気的に接続されている。第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂ及びビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂは、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂ、ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂ（ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂを含む）を形成する金属が層間絶縁膜６１５、６１７や下層へ拡散することを防止する。第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂには、例えば、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂ、ビアＡ６１９ａ及びビアＢ６１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂは、上部第２電極６１１と同一材料であることが好ましい。例えば、第２バリアメタルＡ６２０ａ及び第２バリアメタルＢ６２０ｂが窒化タンタル（下層）／タンタル（上層）の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第２電極６１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜６２１は、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂを含む層間絶縁膜６１７上に形成され、第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する絶縁膜である。またバリア絶縁膜６２１は、上層への第２配線Ａ６１８ａ及び第２配線Ｂ６１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜６２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施態様１）
次に、本実施形態の「３端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図１４に従って説明する。また、素子構成の説明については図１３に記載の用語に従って説明する。
次に、本実施形態の「３端子スイッチ」型スイッチング素子の効果について、図１４に従って説明する。また、素子構成の説明については図１３に記載の用語に従って説明する。
図１４は多層配線中に形成した「３端子スイッチ」型スイッチング素子に関して、背景技術の構造と第３実施形態の構造を並べて示した図である。上記第３実施形態の構造ではバリア絶縁膜６０７に形成された開口面において、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂ、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４に深さ方向下に掘り下げた掘り下げ箇所６０８が形成されている。これにより、３端子スイッチ６１３が第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの深さ方向下に配置されている。上記第３実施形態の構造では、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４は第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの掘り下げられた高さよりも、さらに深さ方向下に掘り下げられている。一方、背景技術の構造では掘り下げ箇所６０８が無いため、３端子スイッチ６１３はバリア絶縁膜６０７のテーパ面と第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂの直上に形成されている。第３実施形態の構造では、掘り下げ箇所６０８のうち、第１配線Ａ６０５ａ及び第１配線Ｂ６０５ｂに挟まれた層間絶縁膜６０４の直上の上部第２電極６１１に電気的に接続するようにビアＡ６１９ａを落とす。これにより、第１配線Ｃ６０５ｃに直接接続するビアＢ６１９ｂとの高さの差がほぼ無くなる。ビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂを一つのマスクで露光し、一度にエッチングして形成する場合、ビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂの高さの差分、３端子スイッチ６１３の上部第２電極６１１はエッチング環境下に曝される。このため、ビアＡ６１９ａとビアＢ６１９ｂの高さの差をほぼ無くすことができる本発明の第３実施形態の構造では、イオン伝導層６０９へのプラズマダメージをさらに低減できる。
（実施態様２）
本実施形態の実施態様２として、「３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について説明する。特に、「３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説明する。図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）、図１６（ａ）乃至図１６（ｄ）、及び図１７（ａ）乃至図１７（ｄ）は、本発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、３端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
本実施形態の実施態様２として、「３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について説明する。特に、「３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説明する。図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）、図１６（ａ）乃至図１６（ｄ）、及び図１７（ａ）乃至図１７（ｄ）は、本発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、３端子スイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。
（工程１）
図１５（ａ）に示すように、半導体基板７０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜７０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜７０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜７０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３上に層間絶縁膜７０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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７０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３及び層間絶縁膜７０４に配線溝を形成する。
図１５（ａ）に示すように、半導体基板７０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜７０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する。その後、層間絶縁膜７０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜７０３として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）を堆積する。その後、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３上に層間絶縁膜７０４として酸化シリコン膜（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）を堆積する。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７０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３及び層間絶縁膜７０４に配線溝を形成する。
その後、当該配線溝に第１バリアメタルＡ７０６ａ、第１バリアメタルＢ７０６ｂ及び第１バリアメタルＣ７０６ｃ（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Ａ７０５ａ、第１配線Ｂ７０５ｂ及び第１配線Ｃ７０５ｃ（例えば、銅）を埋め込む。層間絶縁膜７０２、７０４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Ａ７０５ａ、第１配線Ｂ７０５ｂ及び第１配線Ｃ７０５ｃは、例えば、ＰＶＤ法によって第１バリアメタルＢ７０６ｂ及び第１バリアメタルＣ７０６ｃ（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。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。
（工程２）
図１５（ｂ）に示すように、第１配線Ａ７０５ａ、第１配線Ｂ７０５ｂ及び第１配線Ｃ７０５ｃを含む層間絶縁膜７０４上にバリア絶縁膜７０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜７０７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７０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
図１５（ｂ）に示すように、第１配線Ａ７０５ａ、第１配線Ｂ７０５ｂ及び第１配線Ｃ７０５ｃを含む層間絶縁膜７０４上にバリア絶縁膜７０７（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）を形成する。ここで、バリア絶縁膜７０７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７０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
（工程３）
図１５（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜７０７上にハードマスク膜７０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜７０８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７０７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７０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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。
図１５（ｃ）に示すように、バリア絶縁膜７０７上にハードマスク膜７０８（例えば、酸化シリコン膜、膜厚４０ｎｍ）を形成する。このとき、ハードマスク膜７０８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７０７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７０８には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、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。
（工程４）
図１５（ｄ）に示すように、ハードマスク膜７０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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７０８に開口部パターンを形成する。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７０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜７０７の内部にまで到達していてもよい。
図１５（ｄ）に示すように、ハードマスク膜７０８上にフォトレジスト（図示せず）のパターンを形成し、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７０８に開口部パターンを形成する。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７０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜７０７の内部にまで到達していてもよい。
（工程５）
図１６（ａ）に示すように、ハードマスク膜７０８をマスクとして、ハードマスク膜７０８の開口部から露出するバリア絶縁膜７０７をエッチバック（ドライエッチング）する。これにより、バリア絶縁膜７０７に開口部７０７ａを形成して、バリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａから第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂをドライエッチングし、掘り下げ箇所７２２を形成する。この際、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂに挟まれた層間絶縁膜７０４も掘り下げられる。ここではバリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａで露出した第１配線Ａ７０５ａと第１配線Ｂ７０５ｂとの間の層間絶縁膜７０４も、掘り下げられている。
図１６（ａ）に示すように、ハードマスク膜７０８をマスクとして、ハードマスク膜７０８の開口部から露出するバリア絶縁膜７０７をエッチバック（ドライエッチング）する。これにより、バリア絶縁膜７０７に開口部７０７ａを形成して、バリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａから第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂを露出させる。その後、窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂ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副生成物などを除去する。さらに、ヘリウム、アルゴンや窒素などの不活性ガス、ハロゲンガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いて、露出した第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂをドライエッチングし、掘り下げ箇所７２２を形成する。この際、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂに挟まれた層間絶縁膜７０４も掘り下げられる。ここではバリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａで露出した第１配線Ａ７０５ａと第１配線Ｂ７０５ｂとの間の層間絶縁膜７０４も、掘り下げられている。
バリア絶縁膜７０７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７０７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ッ化炭素を含むガスを用いることができる。ハードマスク膜７０８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７０７の開口部７０７ａ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。掘り下げ箇所７２２の形成は、超高真空化（１０−５パスカル以下）においてＲＦエッチングを行うことが望ましい。エッチングガスとしては、ヘリウム、アルゴンや窒素などの非反応性ガスを用いることが望ましい。また、エッチング時のバイアスパワー（ウェハ側への電離ガス引き込みパワー）は、掘り下げ箇所７２２の表面ラフネスを増加させないように、１５０Ｗ以下とすることが望ましい。高バイアスパワーのエッチングでは意図していない掘り下げ箇所が形成される場合があるが、この場合には、掘り下げられた箇所のラフネスが本発明の実施形態よりも増加する可能性が高い。表面ラフネスが増加した場合、３端子スイッチのスイッチング電圧、リーク電流および信頼性のばらつきが増加する危険性がある。この非反応性ガスを用いたエッチングは等方的に進行するため、掘り下げ箇所７２２の側面をテーパにできる。掘り下げ箇所７２２の形成のためのドライエッチングでバリア絶縁膜７０７の膜厚全てがエッチングされないよう、エッチングレートとエッチング時間を調整する。掘り下げ箇所７２２の高さ（深さ）は５ｎｍから２０ｎｍ程度が望ましい。
また、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂに挟まれた層間絶縁膜７０４は、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂの掘り下げ箇所よりも深さ方向下に掘り下げられている。この形成のために、バリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａ形成の後で、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂの掘り下げ箇所７２２を形成する工程の前に、事前に掘り下げておいても良い。この事前の掘り下げは例えば、エッチングチャンバー内で金属のエッチングレートが遅く、酸化シリコン膜及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜のエッチングレートが早い、フッ化炭素系のガス、或いはその混合ガスを用いることが考えられる。
第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂの掘り下げ箇所形成後に、フッ化炭素系のガス、或いはその混合ガスを用いて後から掘り下げても良い。層間絶縁膜７０４の掘り下げ箇所の高さ（深さ）は、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂの掘り下げ箇所７２２から５ｎｍから２０ｎｍ程度が望ましい。
（工程６）
図１６（ｂ）に示すように、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂを含むバリア絶縁膜７０７上にイオン伝導層７０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層７０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層７０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所７２２の第１イオン伝導層７０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層７０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層７０９ｂ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として、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層７０９ａの堆積前に２５０℃から３５０℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。
図１６（ｂ）に示すように、第１配線Ａ７０５ａ及び第１配線Ｂ７０５ｂを含むバリア絶縁膜７０７上にイオン伝導層７０９を形成する。まず、１ｎｍのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第２イオン伝導層７０９ｂ形成時に酸化され、第１イオン伝導層７０９ａを形成する。この際、掘り下げ箇所７２２の第１イオン伝導層７０９ａに接している箇所に第１イオン伝導層７０９ａを構成する金属が拡散し、合金層が自発的に形成される。さらに、３５０℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層の厚さを厚くすることができる。アニールは２分程度が好ましい。さらに、第２イオン伝導層７０９ｂ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として、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。さらにヘリウムを、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜７０７の開口部７０７ａは大気暴露によって水分などが付着しているため、第１イオン伝導層７０９ａ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。
（工程７）
図１６（ｃ）に示すように、イオン伝導層７０９上に下部第２電極７１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極７１０の上に上部第２電極７１１を形成する。上部第２電極７１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
図１６（ｃ）に示すように、イオン伝導層７０９上に下部第２電極７１０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７５ａｔｍ％とする。また、下部第２電極７１０の上に上部第２電極７１１を形成する。上部第２電極７１１として、窒化チタンを２５ｎｍの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを６００Ｗとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を１：１とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を７０ａｔｍ％とする。
（工程８）
図１６（ｄ）に示すように、上部第２電極７１１上にハードマスク膜７１２（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）、及びハードマスク膜７１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜７１２及びハードマスク膜７１３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７１２、７１３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７１２とハードマスク膜７１３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７１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜７１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜７１２は、後述する保護絶縁膜７１４及びバリア絶縁膜７０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、３端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、３端子スイッチ自身の構成元素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７１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
図１６（ｄ）に示すように、上部第２電極７１１上にハードマスク膜７１２（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）、及びハードマスク膜７１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚８０ｎｍ）をこの順に積層する。ハードマスク膜７１２及びハードマスク膜７１３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７１２、７１３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７１２とハードマスク膜７１３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７１２を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜７１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜７１２は、後述する保護絶縁膜７１４及びバリア絶縁膜７０７と同一材料であることが好ましい。すなわち、３端子スイッチの周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、３端子スイッチ自身の構成元素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７１２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の混合ガスの高密度プラズマによって形成された、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
（工程９）
図１７（ａ）に示すように、ハードマスク膜７１３上に「３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７１２が表れるまでハードマスク膜７１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
図１７（ａ）に示すように、ハードマスク膜７１３上に「３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７１２が表れるまでハードマスク膜７１３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、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
（工程１０）
図１７（ｂ）に示すように、ハードマスク膜７１３をマスクとして、ハードマスク膜７１２、上部第２電極７１１、下部第２電極７１０、イオン伝導層７０９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７１３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、上部第２電極７１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極７１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層７０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜７０７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７０９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７０７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。
図１７（ｂ）に示すように、ハードマスク膜７１３をマスクとして、ハードマスク膜７１２、上部第２電極７１１、下部第２電極７１０、イオン伝導層７０９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７１３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、上部第２電極７１１が窒化チタンの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、下部第２電極７１０がルテニウムとチタンの合金の場合には、Ｃｌ２／Ｏ２の混合ガスでＲＩＥ加工することができる。また、イオン伝導層７０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜７０７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７０９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７０７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。
（工程１１）
図１７（ｃ）に示すように、ハードマスク膜７１２、上部第２電極７１１、下部第２電極７１０、及びイオン伝導層７０９を含むバリア絶縁膜７０７上に保護絶縁膜７１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜７１４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、このときイオン伝導層７０９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７１４の成膜温度を３００℃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３００℃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。
図１７（ｃ）に示すように、ハードマスク膜７１２、上部第２電極７１１、下部第２電極７１０、及びイオン伝導層７０９を含むバリア絶縁膜７０７上に保護絶縁膜７１４（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚２０ｎｍ）を堆積する。保護絶縁膜７１４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、このときイオン伝導層７０９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７１４の成膜温度を３００℃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３００℃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。
（工程１２）
図１７（ｄ）に示すように、保護絶縁膜７１４上に、層間絶縁膜７１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜７１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ７２０ａ及び第２バリアメタルＢ７２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂを含む層間絶縁膜７１７上にバリア絶縁膜７２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ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、第２バリアメタルＡ７２０ａと上部第２電極７１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ７２０ａと上部第２電極７１１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７１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６及び層間絶縁膜７１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。「３端子スイッチ」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜７１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜７１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜７１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ７１９ａとビアＢ７１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極７１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
図１７（ｄ）に示すように、保護絶縁膜７１４上に、層間絶縁膜７１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６として比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜、膜厚１５０ｎｍ）、層間絶縁膜７１７（例えば、酸化シリコン膜）をこの順に堆積する。その後、第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ用の配線溝、及びビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂ用の下穴を形成する。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下穴内に第２バリアメタルＡ７２０ａ及び第２バリアメタルＢ７２０ｂ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ（例えば、銅）及びビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂを含む層間絶縁膜７１７上にバリア絶縁膜７２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。第２配線Ａ７１８ａ及び第２配線Ｂ７１８ｂ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、第２バリアメタルＡ７２０ａと上部第２電極７１１を同一材料とすることで第２バリアメタルＡ７２０ａと上部第２電極７１１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７１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６及び層間絶縁膜７１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。「３端子スイッチ」によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜７１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜７１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜７１５を所望の膜厚としてもよい。ビアＡ７１９ａ及びビアＢ７１９ｂを同じフォトマスクによる露光でパターニングし、同時にエッチングし、形成する。ビアＡ７１９ａとビアＢ７１９ｂとの高さの差分だけ、上部第２電極７１１はエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。
（実施態様３）
本実施形態の実施態様３として、「多層配線層内部に形成した３端子スイッチ、もしくは２端子スイッチ」の他の一構成例について説明する。図１８は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板８０１上の多層配線層の内部に２端子スイッチ８１３を含む半導体装置である。
本実施形態の実施態様３として、「多層配線層内部に形成した３端子スイッチ、もしくは２端子スイッチ」の他の一構成例について説明する。図１８は、第３実施形態の「多層配線層内部に形成した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に示す断面図である。半導体基板８０１上の多層配線層の内部に２端子スイッチ８１３を含む半導体装置である。
多層配線層は、半導体基板８０１上にて、層間絶縁膜８０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３、層間絶縁膜８０４、バリア絶縁膜８０７、保護絶縁膜８１４、層間絶縁膜８１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６、層間絶縁膜８１７、及びバリア絶縁膜８２１の順に積層した絶縁積層体を有する。多層配線層は、層間絶縁膜８０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂを介して第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂが埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜８１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜８１６に形成された配線溝に第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜８１５、保護絶縁膜８１４、及びハードマスク膜８１２に形成された下穴にビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂが埋め込まれている。さらに、第２配線Ａ８１８ａとビアＡ８１９ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂとビアＢ８１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線Ａ８１８ａとビアＡ８１９ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂとビアＢ８１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂによって覆われている。多層配線層は、バリア絶縁膜８０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線Ａ８０５ａ、第１配線Ａ８０５ａの側面の第１バリアメタルＡ８０６ａに接した層間絶縁膜８０４、第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂの側面の一部、バリア絶縁膜８０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜８０７上に、イオン伝導層８０９、下部第２電極８１０、及び上部第２電極８１１の順に積層した２端子スイッチ８１３が形成されている。上部第２電極８１１上にハードマスク膜８１２が形成されており、イオン伝導層８０９、下部第２電極８１０、上部第２電極８１１、及びハードマスク膜８１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜８１４で覆われている。第１配線Ａ８０５ａの一部を、「２端子スイッチ」８１３の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。通常の銅ダマシン配線プロセスに追加工程として、少なくとも２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、「２端子スイッチ」８１３を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。
「２端子スイッチ」８１３は、バリア絶縁膜８０７に形成された開口部の領域にて、第1イオン伝導層８０９ａと第１配線Ａ８０５ａが直接接しており、第１イオン伝導層８０９ａを構成する金属が第１配線Ａ８０５ａに拡散し、界面に合金層を形成している。「２端子スイッチ」８１３は、上部第２電極８１１上にてビアＡ８１９ａと上部第２電極８１１とが第２バリアメタルＡ８２０ａを介して電気的に接続されている。「２端子スイッチ」８１３は、電圧の印加、或いは電流を流すことで、オン／オフの制御を行う。例えば、第１イオン伝導層８０９ａ及び第２イオン伝導層８０９ｂ中への第１配線Ａ８０５ａを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン／オフの制御を行う。
図１８に示すように、バリア絶縁膜８０７に形成された開口部の領域にて、第１配線Ａ８０５ａは深さ方向に掘り下げられた掘り下げ箇所８０８を有する。ここで図１８では、第１配線Ａ８０５ａに接した層間絶縁膜８０４も掘り下げられている。層間絶縁膜８０４の掘り下げられている箇所は、第１配線Ａ８０５ａの掘り下げられている高さよりも深さ方向下となっている。すなわち、バリア絶縁膜８０７の開口部の領域において、イオン伝導層８０９は２段階の異なる高さの領域が形成される。第１イオン伝導層８０９ａは第１配線Ａ８０５ａの上面及び側面（第１バリアメタルＡ８０６ａ）と掘り下げ箇所８０８を介して接している。また、第１配線Ｂ８０５ｂとビアＢ８１９ｂの間に２端子スイッチ８１３は介さず、ビアＢ８１９ｂは第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して第１配線Ｂ８０５ｂに接している。
２端子スイッチ８１３は、掘り下げ箇所８０８の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ８１９ａが第２バリアメタルＡ８２０ａを介して上部第２電極８１１と接する高さと、ビアＢ８１９ｂは第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して第１配線Ｂ８０５ｂに接する高さの差をほぼ同じにできる。この際、ビアＡ８１９ａは掘り下げ箇所８０８の内、最も掘り下げ量が深い、第１配線Ａ８０５ａの側面に接した層間絶縁膜８０４の直上にある上部第２電極８１１に接続する。このため、ビアＡ８１９ａとビアＢ８１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングで形成した場合、２端子スイッチ８１３にビアＡ８１９ａとビアＢ８１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減され、２端子スイッチ８１３の素子性能劣化を抑制できる。
半導体基板８０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板８０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。
層間絶縁膜８０２は、半導体基板８０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８０２には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜８０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３は、層間絶縁膜８０２、８０４間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３には、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂを介して第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜８０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８０４には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜８０４は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜８０４には、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂを介して第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂが埋め込まれている。
第１配線Ａ８０５ａの側面に接した層間絶縁膜８０４は掘り下げ箇所８０８形成時に掘り下げられ、第１配線Ａ８０５ａの掘り下げ箇所８０８よりも深さ方向下にさらに掘り下げられている。
第１配線Ａ８０５ａは、層間絶縁膜８０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＡ８０６ａを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ａ８０５ａは、２端子スイッチ８１３の下部電極を兼ね、第１イオン伝導層８０９ａと直接接している。第１イオン伝導層８０９ａの上面は第２イオン伝導層８０９ｂに直接接しており、第２イオン伝導層８０９ｂの上面は下部第２電極８１０に直接接している。第１配線Ａ８０５ａを構成する金属には、イオン伝導層８０９において拡散、イオン伝導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第１配線Ａ８０５ａを構成する金属（例えば、銅）は、アルミニウムと合金化されていてもよい。第１配線Ａ８０５ａはバリア絶縁膜８０７の開口面において、深さ方向下に掘り下げられている掘り下げ箇所８０８を有する。第１配線Ａ８０５ａと第１イオン伝導層８０９ａは、掘り下げ箇所８０８を介して接している。掘り下げ箇所８０８と第１イオン伝導層８０９ａとの界面には後述の第１イオン伝導層８０９ａを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第１配線Ａ８０５ａ全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜８０７の開口面のみに形成されている。後述の２端子スイッチ８１３は、第１配線Ａ８０５ａの側面に接した層間絶縁膜８０４の掘り下げ箇所の分だけ深さ方向下に配置される。これにより、ビアＡ８１９ａが第２バリアメタルＡ８２０ａを介して上部第２電極８１１と接する高さと、ビアＢ８１９ｂが第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して第１配線Ｂ８０５ｂに接する高さの差を、ほぼ無くすことができる。このため、ビアＡ８１９ａとビアＢ８１９ｂを同じフォトマスクを用いて露光し、同時にプラズマエッチングで形成した場合、２端子スイッチ８１３にビアＡ８１９ａとビアＢ８１９ｂの高さの差分のプラズマダメージが軽減され、２端子スイッチ８１３の素子性能劣化を抑制できる。掘り下げ箇所８０８の形成は、第１配線Ａ８０５ａに接するバリア絶縁膜８０７の開口面形成後に、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの混合ガスを用いたプラズマを用い、ドライエッチング装置内で第１配線Ａ８０５ａ、層間絶縁膜８０４を含む基板上に入射することで行う。この際、バリア絶縁膜８０７もエッチングされるが、２端子スイッチ８１３を形成しない第１配線Ｂ８０５ｂはプラズマに曝されず、掘り下げられない。
第１配線Ｂ８０５ｂは、層間絶縁膜８０４及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に第１バリアメタルＢ８０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線Ｂ８０５ｂは、バリア絶縁膜８０７の開口部において、ビアＢ８１９ｂと第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して直接接している。
第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂは、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを形成する金属が層間絶縁膜８０４や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタルＡ８０６ａ及び第１バリアメタルＢ８０６ｂには、例えば、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜８０７は、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを含む層間絶縁膜８０４上に形成され、第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する。またバリア絶縁膜８０７は、層間絶縁膜８１５中への第１配線Ａ８０５ａ及び第１配線Ｂ８０５ｂを形成する金属の拡散を防いだり、上部第２電極８１１、下部第２電極８１０、及びイオン伝導層８０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜８０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜８０７は、保護絶縁膜８１４及びハードマスク膜８１２と同一材料であることが好ましい。
第１イオン伝導層８０９ａ及び第２イオン伝導層８０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線Ａ８０５ａ（下部電極）を形成する金属から生成される金属イオンの作用（拡散、イオン伝導など）により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態へのスイッチングに伴う「２端子スイッチ」８１３の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。
第２イオン伝導層８０９ｂは、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。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とし、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍとする。こうして形成された第２イオン伝導層８０９ｂは、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーであり、例えば比誘電率が２．１以上３．０以下である。
第１イオン伝導層８０９ａは、第１配線Ａ８０５ａを形成する金属が、第２イオン伝導層８０９ｂを堆積している間の加熱やプラズマで第２イオン伝導層８０９ｂ中に拡散することを防止する役割がある。また第１イオン伝導層８０９ａは、第１配線Ａ８０５ａが酸化され、第２イオン伝導層８０９ｂへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第１イオン伝導層８０９ａを形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、第１イオン伝導層８０９ａを構成する金属の成膜後に第２イオン伝導層８０９ｂの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝される。酸素雰囲気に曝されて、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなり、イオン伝導層８０９の一部となる。第１イオン伝導層８０９ａを形成する金属膜の最適膜厚は０．５〜１ｎｍである。第１イオン伝導層８０９ａの形成に使用する金属膜は、積層を形成したり、単層としたりしても良い。第１イオン伝導層８０９ａの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又はイオンは第１配線Ａ８０５ａに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層８０９は、第１配線Ａ８０５ａ、第１配線Ａ８０５ａの掘り下げ箇所８０８、第１配線Ａ８０５ａの側面に接する層間絶縁膜８０４、バリア絶縁膜８０７の開口部に形成されている掘り下げ箇所のテーパ面、バリア絶縁膜８０７のテーパ面乃至バリア絶縁膜８０７上に形成されている。イオン伝導層８０９は、第１配線Ａ８０５ａとイオン伝導層８０９の接続部の外周部分が少なくとも掘り下げ箇所８０８のテーパ面及びバリア絶縁膜８０７の開口部のテーパ面、第１配線Ａ８０５ａの側面に接する層間絶縁膜８０４上、第１配線Ａ８０５ａに接する側面の第１バリアメタルＡ８０６ａに沿って、配設されている。
下部第２電極８１０は、「２端子スイッチ」８１３の上部電極における下層側の電極であり、第２イオン伝導層８０９ｂと直接接している。下部第２電極８１０には、ルテニウムと、第１配線Ａ８０５ａを形成する金属と密着性の良いチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどが含有した合金を使用する。ここでルテニウムは、第１配線Ａ８０５ａを形成する金属よりもイオン化しにくく、第２イオン伝導層８０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。
下部第２電極８１０の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第１の金属は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい添加金属を選択することが望ましい。金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、下部第２電極８１０を形成するルテニウム合金において、ルテニウムと合金化することで、第１配線Ａ８０５ａを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの添加金属のみで下部第２電極８１０を構成すると、反応性が高くなってしまい、「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応（溶解反応）によって進行する。下部第２電極８１０を構成する金属として、その金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第１配線Ａ８０５ａを形成する金属よりも大きい金属を用いた場合、「オフ」状態に遷移できなくなる。これは第１配線Ａ８０５ａを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第２電極８１０の酸化反応が進行するためである。このため、下部第２電極８１０の形成に使用する金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程（酸化過程）の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。さらに、下部第２電極８１０に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、「オン」状態が安定化することがわかっており、５ａｔｍ％の添加によっても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れており、特に下部第２電極８１０をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を２０ａｔｍ％〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、６０ａｔｍ％以上９０ａｔｍ％以下が望ましい。
下部第２電極８１０の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと第１の金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと第１の金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め第１の金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の「平坦化」のため、４００℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
上部第２電極８１１は、「２端子スイッチ」８１３の上部電極における上層側の電極であり、下部第２電極８１０上に形成されている。上部第２電極８１１は、下部第２電極８１０を保護する役割を有する。すなわち、上部第２電極８１１が下部第２電極８１０を保護することで、プロセス中の下部第２電極８１０へのダメージを抑制し、「２端子スイッチ」８１３のスイッチング特性を維持することができる。上部第２電極８１１には、例えば、タンタル、チタン、タングステン、或いはそれらの窒化物等を用いることができる。また、上部第２電極８１１はビアＡ８１９ａを下部第２電極８１０上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜８１５のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
上部第２電極８１１は金属の窒化物で構成される。特にエッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第２電極８１１に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第２電極８１０内部に拡散することで、下部第２電極８１０内に欠陥が生じる可能性がある。これらの欠陥を起点として、イオン伝導層８０９の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第２電極８１１に電気伝導性を有する化合物であり、安定な金属窒化物を用いることで下部第２電極８１０への金属の拡散を防止できる。特に、上部第２電極８１１を構成する窒化物の金属と、下部第２電極８１０を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属を同じ金属することが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第２電極８１０がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第２電極８１１は窒化チタン電極とすることが好ましい。或いは、下部第２電極８１０がルテニウムとタンタルの合金である場合には窒化タンタル電極とする。下部第２電極８１０と上部第２電極８１１を構成する金属成分を一致させることで、上部第２電極８１１の金属が万一下部第２電極８１０に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。この時、下部第２電極８１０を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する金属の割合よりも、上部第２電極８１１を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。このように割合を大きくすることで、下部第２電極８１０を構成する金属が上部第２電極８１１を構成する窒化物に拡散し、下部第２電極８１０を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が６０ａｔｍ％以上８０ａｔｍ％以下であることがより好ましい。
上部第２電極８１１の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
より好ましい上部第２電極８１１の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、第一の金属からなるターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと第一の金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を緻密に制御することができなくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に第一の金属として、チタン、或いはタンタルを用いた場合に効果が大きい。
第１配線Ａ８０５ａに掘り下げ箇所８０８を形成し、第１配線Ａ８０５ａの側面に接する層間絶縁膜８０４に掘り下げ箇所を形成することによって、２端子スイッチ８１３を深さ方向下に配置できる。このため、ビアＡ８１９ａを形成する際に使用する、フッ素系、希ガス系、不活性ガス系、或いはそれらの混合ガスを用いたエッチング用プラズマに、上部第２電極８１１が曝される時間が低減できる。その結果、上部第２電極８１１が前記エッチングガスによってエッチングされる膜厚が減り、イオン伝導層８０９にプラズマダメージが蓄積されることを防ぐことができる。イオン伝導層８０９にプラズマダメージが蓄積すると、第１配線Ａ８０５ａを構成する金属がイオン伝導層８０９に拡散し易くなったり、イオン伝導層８０９がチャージアップによってダメージを受け、欠陥が増加したりすることで、２端子スイッチ８１３のリーク電流が増加し、特性ばらつきや信頼性の劣化が進行する。
ビアＡ８１９ａを第１配線Ａ８０５ａの側面に接する層間絶縁膜８０４直上の上部第２電極８１１に接続せず、第１配線Ａ８０５ａの掘り下げ箇所８０８直上の上部第２電極８１１に接続しても良い。ただし、この場合、ビアＡ８１９ａとビアＢ８１９ｂの高さの差は、第１配線Ａ８０５ａの側面に接する層間絶縁膜８０４直上の上部第２電極８１１に接続する場合に比べて大きくなる。
ハードマスク膜８１２は、上部第２電極８１１、下部第２電極８１０、及び第１イオン伝導層８０９ａ、第２イオン伝導層８０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜８１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、或いはそれらの積層膜を用いることができる。ハードマスク膜８１２は、保護絶縁膜８１４及びバリア絶縁膜８０７と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、「２端子スイッチ」８１３の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、「２端子スイッチ」８１３自身の構成元素の脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜８１４は、「２端子スイッチ」８１３にダメージを与えることなく、さらに第２イオン伝導層８０９ｂ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８１４には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜８１４は、ハードマスク膜８１２及びバリア絶縁膜８０７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜８１４とバリア絶縁膜８０７及びハードマスク膜８１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、「２端子スイッチ」８１３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜８１５は、保護絶縁膜８１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８１５には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜等を用いることができる。層間絶縁膜８１５は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜８１５は、層間絶縁膜８１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜８１５には、ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介してビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６は、層間絶縁膜８１５、８１７間に介在した比誘電率の低い絶縁膜であり、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いる。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６には、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜８１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８１７には、例えば、酸化シリコン膜、ＳｉＯＣ膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）などを用いることができる。層間絶縁膜８１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜８１７は、層間絶縁膜８１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜８１７には、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝に第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂが埋め込まれている。
第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂは、層間絶縁膜８１７及びＬｏｗ−ｋ絶縁膜８１６に形成された配線溝に第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂは、ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂと一体になっている。ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂは、層間絶縁膜８１５、及び保護絶縁膜８１４、ビアＡ８１９ａについてはハードマスク膜８１２に形成された下穴に第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して埋め込まれている。ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂは、第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂを介して上部第２電極８１１と電気的に接続されている。第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂ及びビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂは、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂ、ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。この被覆によって、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂ（ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂを含む）を形成する金属が層間絶縁膜８１５、８１７や下層へ拡散することを防止する。第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂには、例えば、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂ、ビアＡ８１９ａ及びビアＢ８１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、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、或いはそれらの積層膜を用いることができる。第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂは、上部第２電極８１１と同一材料であることが好ましい。例えば、第２バリアメタルＡ８２０ａ及び第２バリアメタルＢ８２０ｂが窒化タンタル（下層）／タンタル（上層）の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第２電極８１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜８２１は、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂを含む層間絶縁膜８１７上に形成され、第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防ぐ役割を有する絶縁膜である。またバリア絶縁膜８２１は、上層への第２配線Ａ８１８ａ及び第２配線Ｂ８１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜８２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、或いはそれらの積層構造等を用いることができる。
〔実施形態のまとめ〕
本発明の上述した実施形態をまとめると、次のようになる。本発明の実施形態によれば、スケーリングが容易で、プラズマプロセスによる素子性能及び信頼性性能の劣化が抑制された抵抗変化素子を提供できる。このため、プログラマブルロジックの配線切り換えスイッチに本スイッチを適用した場合に、高機能化及び低価格化を両立できる。
本発明の上述した実施形態をまとめると、次のようになる。本発明の実施形態によれば、スケーリングが容易で、プラズマプロセスによる素子性能及び信頼性性能の劣化が抑制された抵抗変化素子を提供できる。このため、プログラマブルロジックの配線切り換えスイッチに本スイッチを適用した場合に、高機能化及び低価格化を両立できる。
本発明の実施形態では抵抗変化素子形成のために配線層上のバリア絶縁膜を開口する際に、開口面から露出した銅配線をエッチングし、抵抗変化素子のイオン伝導層と配線層の界面を配線の上面、すなわち、バリア絶縁膜との界面よりも下げる。さらに、エッチングされた銅配線上に成膜された素子において、最も半導体基板側に近い部位の上部に上層配線からのビアを接続した構造とする。この結果、抵抗変化素子に接続するビアと銅配線に接続するビアの高低差が減少することで、素子へのプラズマダメージが低減し、抵抗変化素子性能の劣化を抑制できる。
プラズマプロセスにおいて帯電した粒子、例えばイオン化したガス分子や原子、電子などが抵抗変化素子の抵抗変化層に入射されると、チャージアップが発生する。抵抗変化層は電界の印加によって、抵抗変化層を構成する分子の結合が破壊されることで、絶縁性能が劣化する。その結果、抵抗変化素子のリーク電流、スイッチング電圧ばらつき、繰り返し耐性、リテンションなどの性能が劣化する。本発明の各実施形態を用いることで、プラズマプロセスに伴う抵抗変化素子の性能劣化が抑制できる。
また、抵抗変化素子を配線中に集積した半導体装置をスケーリング（比例縮小）する際、水平方向だけではなく垂直方向にも縮小する必要がある。配線中に抵抗変化素子を形成する場合、素子を構成する積層膜の分、垂直方向のスケーリングの妨げとなる。本発明の各実施形態を用いることで、銅配線形成領域の一部を抵抗変化素子の積層膜形成領域として使用できるため、素子の垂直方向高さを抑制でき、スケーリングを容易にできる。
以上、本発明の好ましい実施形態や実施形態の実施態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。例えば、活性電極同士または不活性電極同士が接続されて、２つの抵抗変化素子が直列接続された回路構成に対して、本発明を適用することも考えられる。具体的には特許文献５の図９や図１０に示されるような、バリア絶縁膜の複数の開口部を介して、イオン伝導層が一つまたは複数の下部電極に接している構造の抵抗変化素子や半導体装置に対して、本発明を適用することも考えられる。より具体的には、バリア絶縁膜の上記複数の開口部から露出する一つまたは複数の下部電極の表面に掘り下げ箇所をそれぞれ形成し、イオン伝導層を下部電極の表面の掘り下げ箇所に少なくとも接するように、形成すればよい。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）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の抵抗変化素子であって、
前記抵抗変化素子の前記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、抵抗変化素子。
（付記２）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の中央部分に形成されている、付記１に記載の抵抗変化素子。
（付記３）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の少なくとも周辺部分に形成されている、付記１に記載の抵抗変化素子。
（付記４）半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成であり、
前記抵抗変化素子の前記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、半導体装置。
（付記５）前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されるプラグを備え、
前記プラグは、前記下部電極の前記掘り下げ箇所の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記６）前記下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、付記４又は付記５に記載の半導体装置。
（付記７）複数の下部電極を含み、
前記複数の下部電極のうちの一つの下部電極の表面と他の一つの下部電極の表面に前記掘り下げ箇所が形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記８）前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されたプラグを備え、
前記プラグは、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所と他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所との間の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、付記７に記載の半導体装置。
（付記９）前記一つの下部電極と前記他の一つの下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、付記７又は付記８に記載の半導体装置。
（付記１０）
前記下部電極の表面に複数の前記掘り下げ箇所が形成されており、
前記イオン伝導層は前記下部電極の表面の前記複数の掘り下げ箇所にそれぞれ接して形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記１１）
複数の下部電極を含み、
前記複数の下部電極の表面にはそれぞれ前記掘り下げ箇所が形成されており、
前記イオン伝導層は前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所にそれぞれ接して形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記１２）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の中央部分に形成されている、付記４乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記１３）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の少なくとも周辺部分に形成されている、付記４乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記１４）付記４乃至付記１３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記下部電極の前記掘り下げ箇所は、
前記下部電極の表面を露出させた後で、
前記下部電極の前記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより形成される、半導体装置の製造方法。
（付記１５）付記５に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記上部電極を覆う層間絶縁膜を形成した後で、
前記下部電極の前記掘り下げ箇所の上方に位置する、前記上部電極を覆う層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールに前記上部電極と電気的に接続される前記プラグを形成する、半導体装置の製造方法。
（付記１６）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の抵抗変化素子を、半導体基板上の多層配線層の内部に有する半導体装置の製造方法であって、
前記抵抗変化素子の下部電極を兼ねる配線を露出させ、
減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより、前記下部電極を兼ねる配線をその上面よりも深さ方向に掘り下げることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１７）前記下部電極を兼ねる配線は層間絶縁膜に形成されており、
前記プラズマの入射によって、前記下部電極を兼ねる配線に接する前記層間絶縁膜を前記抵抗変化層と接する前記下部電極を兼ねる配線よりも、深さ方向に掘り下げることを特徴とする、付記１６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１８）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の抵抗変化素子を、半導体基板上の多層配線層の内部に有する半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜に前記抵抗変化素子の前記下部電極を形成し、
前記層間絶縁膜と前記下部電極を覆うバリア絶縁膜を形成し、
前記下部電極の表面を露出させる開口部を前記バリア絶縁膜に形成し、
前記下部電極の前記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより、掘り下げ箇所を形成し、
前記抵抗変化素子の前記イオン伝導層を、少なくとも前記下部電極の前記掘り下げ箇所に接するように形成する、半導体装置の製造方法。
（付記１）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の抵抗変化素子であって、
前記抵抗変化素子の前記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、抵抗変化素子。
（付記２）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の中央部分に形成されている、付記１に記載の抵抗変化素子。
（付記３）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の少なくとも周辺部分に形成されている、付記１に記載の抵抗変化素子。
（付記４）半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成であり、
前記抵抗変化素子の前記下部電極の表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、半導体装置。
（付記５）前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されるプラグを備え、
前記プラグは、前記下部電極の前記掘り下げ箇所の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記６）前記下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、付記４又は付記５に記載の半導体装置。
（付記７）複数の下部電極を含み、
前記複数の下部電極のうちの一つの下部電極の表面と他の一つの下部電極の表面に前記掘り下げ箇所が形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記８）前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されたプラグを備え、
前記プラグは、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所と他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所との間の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、付記７に記載の半導体装置。
（付記９）前記一つの下部電極と前記他の一つの下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、付記７又は付記８に記載の半導体装置。
（付記１０）
前記下部電極の表面に複数の前記掘り下げ箇所が形成されており、
前記イオン伝導層は前記下部電極の表面の前記複数の掘り下げ箇所にそれぞれ接して形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記１１）
複数の下部電極を含み、
前記複数の下部電極の表面にはそれぞれ前記掘り下げ箇所が形成されており、
前記イオン伝導層は前記下部電極の表面の前記掘り下げ箇所にそれぞれ接して形成されている、付記４に記載の半導体装置。
（付記１２）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の中央部分に形成されている、付記４乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記１３）前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の表面の少なくとも周辺部分に形成されている、付記４乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記１４）付記４乃至付記１３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記下部電極の前記掘り下げ箇所は、
前記下部電極の表面を露出させた後で、
前記下部電極の前記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより形成される、半導体装置の製造方法。
（付記１５）付記５に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記上部電極を覆う層間絶縁膜を形成した後で、
前記下部電極の前記掘り下げ箇所の上方に位置する、前記上部電極を覆う層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールに前記上部電極と電気的に接続される前記プラグを形成する、半導体装置の製造方法。
（付記１６）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の抵抗変化素子を、半導体基板上の多層配線層の内部に有する半導体装置の製造方法であって、
前記抵抗変化素子の下部電極を兼ねる配線を露出させ、
減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより、前記下部電極を兼ねる配線をその上面よりも深さ方向に掘り下げることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１７）前記下部電極を兼ねる配線は層間絶縁膜に形成されており、
前記プラズマの入射によって、前記下部電極を兼ねる配線に接する前記層間絶縁膜を前記抵抗変化層と接する前記下部電極を兼ねる配線よりも、深さ方向に掘り下げることを特徴とする、付記１６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１８）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の抵抗変化素子を、半導体基板上の多層配線層の内部に有する半導体装置の製造方法であって、
層間絶縁膜に前記抵抗変化素子の前記下部電極を形成し、
前記層間絶縁膜と前記下部電極を覆うバリア絶縁膜を形成し、
前記下部電極の表面を露出させる開口部を前記バリア絶縁膜に形成し、
前記下部電極の前記露出した表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより、掘り下げ箇所を形成し、
前記抵抗変化素子の前記イオン伝導層を、少なくとも前記下部電極の前記掘り下げ箇所に接するように形成する、半導体装置の製造方法。
本発明に係る抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として利用でき、特に本発明は、プログラマブルロジック及びメモリ等の電子デバイスを構成する、不揮発性スイッチング素子として好適に利用できる。
１０ 半導体基板
１１ 多層配線層
１２ 抵抗変化素子
１３ 上部電極
１４ イオン伝導層
１５ 下部電極
１５ｃ、１５ｐ 掘り下げ箇所
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１ 半導体基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２ 層間絶縁膜
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３ Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４ 層間絶縁膜
１０５ａ、２０５ａ、３０５ａ、４０５ａ、５０５ａ、６０５ａ、７０５ａ、８０５ａ 第１配線Ａ
１０５ｂ、２０５ｂ、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ、６０５ｂ、７０５ｂ、８０５ｂ 第１配線Ｂ
１０６ａ、２０６ａ、３０６ａ、４０６ａ、５０６ａ、６０６ａ、７０６ａ、８０６ａ 第１バリアメタルＡ
１０６ｂ、２０６ｂ、３０６ｂ、４０６ｂ、５０６ｂ、６０６ｂ、７０６ｂ、８０６ｂ 第１バリアメタルＢ
４０６ｃ、５０６ｃ、６０６ｃ、７０６ｃ 第１バリアメタルＣ
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７ バリア絶縁膜
１０８、２２２、３０８、４０８、５２２、６０８、７２２、８０８ 掘り下げ箇所
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９ イオン伝導層
１０９ａ、２０９ａ、３０９ａ、４０９ａ、５０９ａ、６０９ａ、７０９ａ、８０９ａ 第１イオン伝導層
１０９ｂ、２０９ｂ、３０９ｂ、４０９ｂ、５０９ｂ、６０９ｂ、７０９ｂ、８０９ｂ 第２イオン伝導層
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 下部第２電極
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１ 上部第２電極
１１２、２０８、２１２、２１３、３１２、４１２、５０８、５１２、５１３、６１２、７０８、７１２、７１３、８１２ ハードマスク膜
１１３、３１３、７１３ ２端子スイッチ
１１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４、７１４、８１４ 保護絶縁膜
１１５、２１５、３１５、４１５、５１５、６１５、７１５、８１５ 層間絶縁膜
１１６、２１６、３１６、４１６、５１６、６１６、７１６、８１６ Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜
１１８ａ、２１８ａ、３１８ａ、４１８ａ、５１８ａ、６１８ａ、７１８ａ、８１８ａ 第２配線Ａ
１１８ｂ、２１８ｂ、３１８ｂ、４１８ｂ、５１８ｂ、６１８ｂ、７１８ｂ、８１８ｂ 第２配線Ｂ
１１９ａ、２１９ａ、３１９ａ、４１９ａ、５１９ａ、６１９ａ、７１９ａ、８１９ａ ビアＡ
１１９ｂ、２１９ｂ、３１９ｂ、４１９ｂ、５１９ｂ、６１９ｂ、７１９ｂ、８１９ｂ ビアＢ
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ、５２０ａ、６２０ａ、７２０ａ、８２０ａ 第２バリアメタルＡ
１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ、５２０ｂ、６２０ｂ、７２０ｂ、８２０ｂ 第２バリアメタルＢ
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１、６２１、７２１、８２１ バリア絶縁膜
４１３、６１３ ３端子スイッチ
１１ 多層配線層
１２ 抵抗変化素子
１３ 上部電極
１４ イオン伝導層
１５ 下部電極
１５ｃ、１５ｐ 掘り下げ箇所
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１ 半導体基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２ 層間絶縁膜
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３ Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４ 層間絶縁膜
１０５ａ、２０５ａ、３０５ａ、４０５ａ、５０５ａ、６０５ａ、７０５ａ、８０５ａ 第１配線Ａ
１０５ｂ、２０５ｂ、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ、６０５ｂ、７０５ｂ、８０５ｂ 第１配線Ｂ
１０６ａ、２０６ａ、３０６ａ、４０６ａ、５０６ａ、６０６ａ、７０６ａ、８０６ａ 第１バリアメタルＡ
１０６ｂ、２０６ｂ、３０６ｂ、４０６ｂ、５０６ｂ、６０６ｂ、７０６ｂ、８０６ｂ 第１バリアメタルＢ
４０６ｃ、５０６ｃ、６０６ｃ、７０６ｃ 第１バリアメタルＣ
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７ バリア絶縁膜
１０８、２２２、３０８、４０８、５２２、６０８、７２２、８０８ 掘り下げ箇所
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９ イオン伝導層
１０９ａ、２０９ａ、３０９ａ、４０９ａ、５０９ａ、６０９ａ、７０９ａ、８０９ａ 第１イオン伝導層
１０９ｂ、２０９ｂ、３０９ｂ、４０９ｂ、５０９ｂ、６０９ｂ、７０９ｂ、８０９ｂ 第２イオン伝導層
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 下部第２電極
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１ 上部第２電極
１１２、２０８、２１２、２１３、３１２、４１２、５０８、５１２、５１３、６１２、７０８、７１２、７１３、８１２ ハードマスク膜
１１３、３１３、７１３ ２端子スイッチ
１１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４、７１４、８１４ 保護絶縁膜
１１５、２１５、３１５、４１５、５１５、６１５、７１５、８１５ 層間絶縁膜
１１６、２１６、３１６、４１６、５１６、６１６、７１６、８１６ Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜
１１８ａ、２１８ａ、３１８ａ、４１８ａ、５１８ａ、６１８ａ、７１８ａ、８１８ａ 第２配線Ａ
１１８ｂ、２１８ｂ、３１８ｂ、４１８ｂ、５１８ｂ、６１８ｂ、７１８ｂ、８１８ｂ 第２配線Ｂ
１１９ａ、２１９ａ、３１９ａ、４１９ａ、５１９ａ、６１９ａ、７１９ａ、８１９ａ ビアＡ
１１９ｂ、２１９ｂ、３１９ｂ、４１９ｂ、５１９ｂ、６１９ｂ、７１９ｂ、８１９ｂ ビアＢ
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ、５２０ａ、６２０ａ、７２０ａ、８２０ａ 第２バリアメタルＡ
１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ、５２０ｂ、６２０ｂ、７２０ｂ、８２０ｂ 第２バリアメタルＢ
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１、６２１、７２１、８２１ バリア絶縁膜
４１３、６１３ ３端子スイッチ
Claims (9)
- 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の抵抗変化素子であって、
前記下部電極の少なくとも側面はバリアメタルで覆われており、前記抵抗変化素子の前記下部電極の上表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記下部電極の前記上表面近くの前記バリアメタルの一部もまた除去されて前記掘り下げ箇所を構成しており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の上表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、抵抗変化素子。 - 前記掘り下げ箇所は、前記下部電極の上表面の少なくとも周辺部分に形成されている、請求項１に記載の抵抗変化素子。
- 半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、イオン伝導層が介在した構成であり、
前記下部電極の少なくとも側面はバリアメタルで覆われており、前記抵抗変化素子の前記下部電極の上表面には掘り下げ箇所が形成されており、前記下部電極の前記上表面近くの前記バリアメタルの一部もまた除去されて前記掘り下げ箇所を構成しており、前記イオン伝導層は少なくとも前記下部電極の上表面の前記掘り下げ箇所に接して形成されている、半導体装置。 - 前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されるプラグを備え、
前記プラグは、前記下部電極の前記掘り下げ箇所の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、請求項３に記載の半導体装置。 - 前記下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。 - 複数の下部電極を含み、
前記複数の下部電極のうちの一つの下部電極の上表面と他の一つの下部電極の上表面に前記掘り下げ箇所が形成されている、請求項３に記載の半導体装置。 - 前記多層配線層は、前記上部電極と電気的に接続されたプラグを備え、
前記プラグは、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所と他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所との間の上方で、前記上部電極と電気的に接続されている、請求項６に記載の半導体装置。 - 前記一つの下部電極と前記他の一つの下部電極と前記イオン伝導層との間に介在し、前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に位置する開口部を備えるバリア絶縁膜をさらに含み、
前記イオン伝導層は、前記バリア絶縁膜の前記開口部を介して前記一つの下部電極の前記掘り下げ箇所及び前記他の一つの下部電極の前記掘り下げ箇所に接している、請求項６又は請求項７に記載の半導体装置。 - 請求項３乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記下部電極の前記掘り下げ箇所は、
前記下部電極の上表面を露出させた後で、
前記下部電極の前記露出した上表面に、減圧下にて、ハロゲンガス、不活性ガス、又はフッ化炭素系ガス、或いはそれらの複合ガスのプラズマを入射することにより形成される、半導体装置の製造方法。
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