JP6874768B2 - 半導体装置、および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置、およ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およびメモリ等の電子デバイスに用いられる、金属の析出を利用した抵抗変化素子および整流素子を搭載した半導体装置とそ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は、旧来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。
このような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。
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ため、動作信頼性に優れている（特許文献３）。
また、本スイッチ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、およ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おり、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を半導体装置へ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（ＰＲ：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。酸化犠牲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。
プログラマブルロジックの配線切り替えスイッチは配線と配線の交点にスイッチ素子を配置したクロスバースイッチ構造が適用される。クロスバースイッチ構造においては、信号伝達時のスニーク電流の抑制、および選択（プログラム）時の電流制限のため、セレクトトランジスタがスイッチごとに少なくとも一つ必要となる。このため、トランジスタの面積が大きくスイッチの小型であるメリットが生かせないという課題があった。
そこで、特許文献６では双極性（バイポーラ）整流素子を３端子スイッチ上に配置した構造が開示されている。３端子スイッチのプログラムは整流素子を通して行われ、書き込み時の電流は整流素子の到達電流により制限される。また、整流素子によって３端子素子の制御端子を介した隣接素子へのスニーク電流が抑制され、誤書き込みを防止する。
Tada et al., "Improved ON-State Reliability of Atom Switch Using Alloy Electrodes", IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 60, Issue 10, pp.3534-3540, 2013
しかしながら、上述した背景技術の半導体装置には以下のような課題がある。
背景技術の、整流素子を搭載した多端子スイッチ構造では、全てのスイッチ上に整流素子が形成されてしまう。クロスバースイッチで構成されたマルチプレクサやルックアップテーブルといったプログラマブル回路に電源を供給する電源ラインも不揮発３端子スイッチに置き換えることが望ましいが、様々な電圧・電流レベルに対応し、高い信頼性を確保する必要がある。しかし、整流素子の電流制限レベルは整流層の膜厚で一律に決まるためスイッチの抵抗レベルを調整することが出来なくなる。信頼性確保のためにはスイッチを低オン抵抗化する必要があり、電源ラインの３端子スイッチの電流制御はトランジスタで行うことが望ましい。整流素子の面積を大きくすることによって電流制限レベルを増加させることは可能であるが、整流素子では一度規定された電流レベルを変えることは出来ず、回路動作時の微調整（例えば動作周波数変更に伴う電源電圧の調整）が出来ない。
また、背景技術に沿って２つの整流素子を搭載した多端子スイッチと３端子スイッチを多層配線層内に集積化する場合、２つの整流素子を搭載した多端子スイッチと３端子スイッチそれぞれの構造のパターニングのためのフォトマスクが必要になる。その結果、露光回数も増加するため、製造コストが増加してしまう。
本発明の目的は、整流素子を搭載した不揮発スイッチと、整流素子を搭載しない不揮発素子とを同一配線中に形成した、信頼性に優れ、デザイン自由度が向上した半導体装置、および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、本発明に係る半導体装置は、論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、
上記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、
上記第２のスイッチング素子は、上記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有し、
上記第１のスイッチング素子と上記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている。
上記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、
上記第２のスイッチング素子は、上記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有し、
上記第１のスイッチング素子と上記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とを同時に形成する半導体装置の製造方法であって、
上記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを含んでおり、
上記第２のスイッチング素子は、上記整流素子を持たず、抵抗変化素子を含んでおり、
上記抵抗変化素子を形成する電極及び上記抵抗変化層を成膜し、
上記整流素子を形成する電極及び上記整流層を成膜し、
上記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクには、上記抵抗変化素子と上記整流素子を構成する第１のパターンを形成し、
上記第２のスイッチング素子を形成するハードマスクには、上記抵抗変化素子を構成する第２のパターンを形成し、
上記第１のパターン及び上記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、上記整流層及び上記抵抗変化層を同時にエッチングする。
上記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを含んでおり、
上記第２のスイッチング素子は、上記整流素子を持たず、抵抗変化素子を含んでおり、
上記抵抗変化素子を形成する電極及び上記抵抗変化層を成膜し、
上記整流素子を形成する電極及び上記整流層を成膜し、
上記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクには、上記抵抗変化素子と上記整流素子を構成する第１のパターンを形成し、
上記第２のスイッチング素子を形成するハードマスクには、上記抵抗変化素子を構成する第２のパターンを形成し、
上記第１のパターン及び上記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、上記整流層及び上記抵抗変化層を同時にエッチングする。
本発明によれば、整流素子を搭載した不揮発スイッチと、整流素子を搭載しない不揮発スイッチを、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。また、整流素子を搭載した不揮発スイッチと、整流素子を搭載しない不揮発スイッチを、多層配線構造の同一配線中に同時に形成することができる。
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。本実施形態の半導体装置は、論理回路の信号経路中に設けられる第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を含む。第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子は、プログラム可能な不揮発スイッチである。そして第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、第２のスイッチング素子は、上記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有することを特徴とする。そしてこのような第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されることを想定する。
図１５および図１６に、整流素子を有する第１のスイッチング素子と、整流素子を持たない第２のスイッチング素子とを有する半導体装置の等価回路図を示す。スイッチング素子の端子の数と、整流素子の有無との組み合わせで、多数のバリエーションが考えられる。図１５（ａ）は、実施形態の整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３の等価回路図である。図１５（ｂ）は、実施形態の整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３の等価回路図である。図１５（ｃ）は、実施形態の整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３の等価回路図である。図１６（ａ）は、実施形態の整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３の等価回路図である。図１６（ｂ）は、実施形態の整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３の等価回路図であり、図１６（ｃ）は実施形態の整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３の等価回路図である。以下、具体的な実施形態の半導体装置、およびその製造方法について、説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１は、第１実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ａ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
本発明の第１実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１は、第１実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ａ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１の半導体装置は、半導体基板１０１上の多層配線層の内部に、整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３を有する。
図１の半導体装置は、半導体基板１０１上の多層配線層の内部に、整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３を有する。
多層配線層は、半導体基板１０１上にて、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、およびバリア絶縁膜１２１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１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１０６ａおよび第１バリアメタル１０６ｂを介して、第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂが埋め込まれている。さらに多層配線層は、層間絶縁膜１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１０６ｃおよび第１バリアメタル１０６ｄを介して、第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜１１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１６に形成された配線溝に、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜１１５、保護絶縁膜１１４、および第１ハードマスク膜１１２に形成された下穴に、ビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃが埋め込まれている。第２配線１１８ａとビア１１９ａ、第２配線１１８ｂとビア１１９ｂ、第２配線１１８ｃとビア１１９ｃが一体となっている。さらに、第２配線１１８ａとビア１１９ａ、第２配線１１８ｂとビア１１９ｂ、第２配線１１８ｃとビア１１９ｃの側面乃至底面が第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃによって覆われている。
バリア絶縁膜１０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂに挟まれた層間絶縁膜１０４、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１０９ａ、第２電極１１０ａ、整流層１０８ａ、および第３電極１１１が順に積層されて、整流素子付４端子スイッチ１２２が形成されている。さらに、第３電極１１１上に第１ハードマスク膜１１２および第２ハードマスク膜１１３が形成されている。さらに、イオン伝導層１０９ａ、第２電極１１０ａ、整流層１０８ａ、第３電極１１１、第１ハードマスク膜１１２および第２ハードマスク膜１１３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。
多層配線層は、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄ、第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄに挟まれた層間絶縁膜１０４、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１０９ｂ、第２電極１１０ｂ、整流層１０８ｂの順に積層した３端子スイッチ１２３が形成されており、イオン伝導層１０９ｂ、第２電極１１０ｂ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１０５ａおよび第１配線１０５ｂの一部を、整流素子付４端子スイッチ１２２の下部電極とし、第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄの一部を、３端子スイッチ１２３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３ＰＲのマスクセットを作成するだけで、整流素子付４端子スイッチ１２２と３端子スイッチ１２３を同じ配線層内に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。
整流素子付４端子スイッチ１２２は、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１０９ａと第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂとが直接接している。そして、イオン伝導層１０９ａの一部を構成する金属が、第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂに拡散して、合金層を形成している。
３端子スイッチ１２３は、バリア絶縁膜１０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１０９ｂと第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄが直接接している。そして、イオン伝導層１０９ｂの一部を構成する金属が、第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付４端子スイッチ１２２は、第２電極１１０ａ上に整流層１０８ａを有し、整流層１０８ａは上面で第３電極１１１に接している。整流素子付４端子スイッチ１２２の第３電極１１１はエッチングによって、２つの領域に電気的に分離されている。この際、整流層１０８ａは第３電極１１１と同じく２つに分離されていても良いし、分離されていなくても良い。第３電極１１１上には、第３電極１１１と同じく分離された第１ハードマスク膜１１２および第２ハードマスク膜１１３が残っている。第２ハードマスク膜１１３は、残っていなくても良い。
整流素子付４端子スイッチ１２２は第３電極１１１上にて、ビア１１９ａおよびビア１１９ｂと第３電極１１１とが第２バリアメタル１２０ａおよび第２バリアメタル１２０ｂを介して、電気的に接続されている。
整流素子付４端子スイッチ１２２は、整流層１０８ａを介して、第２電極１１０ａと第１配線１０５ａもしくは第１配線１０５ｂ間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１０９ａへの第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂ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。この際、整流層１０８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
３端子スイッチ１２３は第２電極１１０ｂ上にて、ビア１１９ｃと第２電極１１０ｂとが第２バリアメタル１２０ｃを介して電気的に接続されている。第２電極１１０ｂ上には整流層１０８ｂが残っていても良いし、３端子スイッチ１２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。３端子スイッチ１２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１０９ｂへの第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄ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。
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、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は、層間絶縁膜１０２、１０４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３には、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０３の当該配線溝に、第１バリアメタル１０６ａ、第１バリアメタル１０６ｂ、第１バリアメタル１０６ｃ、第１バリアメタル１０６ｄを介して、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ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１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１０４の当該配線溝に、第１バリアメタル１０６ａ、第１バリアメタル１０６ｂ、第１バリアメタル１０６ｃ、第１バリアメタル１０６ｄを介して、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄが埋め込まれている。
第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂは、層間絶縁膜１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１０６ａおよび第１バリアメタル１０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂは、整流素子付４端子スイッチ１２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１０９ａと直接接している。イオン伝導層１０９ａの上面は、第２電極１１０ａに直接接している。第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂを構成する金属には、イオン伝導層１０９ａ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１０５ａおよび第１配線１０５ｂ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１０５ｃおよび第１配線１０５ｄは、層間絶縁膜１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１０６ｃおよび第１バリアメタル１０６ｄを介して埋め込まれた配線である。第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄは、３端子スイッチ１２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１０９ｂと直接接している。イオン伝導層１０９ｂの上面は、第２電極１１０ｂに直接接している。第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄを構成する金属には、イオン伝導層１０９ｂ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１０５ｃおよび第１配線１０５ｄ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バリアメタル１０６ａ、第１バリアメタル１０６ｂ、第１バリアメタル１０６ｃ、第１バリアメタル１０６ｄは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル１０６ａ、第１バリアメタル１０６ｂ、第１バリアメタル１０６ｃ、第１バリアメタル１０６ｄは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ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。第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル１０６ａ、第１バリアメタル１０６ｂ、第１バリアメタル１０６ｃ、第１バリアメタル１０６ｄには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１０７は、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを含む層間絶縁膜１０４上に形成される。これにより、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜１１５中への第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極１１１、整流層１０８ａ、整流層１０８ｂ、第２電極１１０ａ、第２電極１１０ｂ、イオン伝導層１０９ａ、イオン伝導層１０９ｂ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、および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および第１ハードマスク膜１１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ（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。
イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂはそれぞれ、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層とで、構成される。
イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）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（Radio Frequency）電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層１０９ａは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ａおよび第１配線１０５ｂに挟まれた層間絶縁膜１０４、バリア絶縁膜１０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１０７上に形成されている。
イオン伝導層１０９ｂは、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ、第１配線１０５ｃおよび第１配線１０５ｄに挟まれた層間絶縁膜１０４、バリア絶縁膜１０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１０７上に形成されている。
第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂは、整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３の上部電極であり、イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂと直接接している。
第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属と密着性が良い。第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成し、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂ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１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ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だと、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）によって進行するが、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成する金属が、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１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線１０５ａ、第１配線１０５ｂ、第１配線１０５ｃ、第１配線１０５ｄ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第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成する金属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、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂと接する第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂの、整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂは双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコン膜を挟むことで窒化シリコン膜の一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂや第３電極１１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極１１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極１１１は、ビア１１９ａおよびビア１１９ｂを第２電極１１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層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。第３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。
第３電極１１１は、整流素子を形成する整流素子付４端子スイッチ１２２上のみに存在し、整流素子付４端子スイッチ１２２上で２つの領域に分離される。この結果、整流素子付４端子スイッチ１２２上にて２つの整流素子が独立に配置される。
第１ハードマスク膜１１２は、第３電極１１１、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂ、整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂ、イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層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。第１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、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜１１２は、保護絶縁膜１１４、およびバリア絶縁膜１０７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜１１３は、第３電極１１１、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂ、整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂ、イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜１１３には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。
第２ハードマスク膜１１３の形状により、整流素子付４端子スイッチ１２２と３端子スイッチ１２３を作り分ける。整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３共にバリア絶縁膜１０７上に、イオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層１０９ｂ、第２電極１１０ａおよび第２電極１１０ｂ、整流層１０８ａおよび整流層１０８ｂ、第３電極１１１、第１ハードマスク膜１１２、第２ハードマスク膜１１３を成膜する。その後、２回のパターニングとエッチングを経て形成した第２ハードマスク膜１１３の形状を整流素子付４端子スイッチ１２２部に転写する要領で、２つの整流素子を１回のエッチング工程で分離して第２電極１１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付４端子スイッチ１２２のための積層構造体を成膜し、３端子スイッチ１２３を形成したい素子部には整流素子付４端子スイッチ１２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより、３端子スイッチ１２３上の第２ハードマスク膜１１３を目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、３端子スイッチ１２３上の第３電極１１１を除去することができる。すなわち、整流素子付４端子スイッチ１２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。３端子スイッチ１２３の第２電極１１０ａ上には整流層１０８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜１１２および第２ハードマスク膜１１３は、３端子スイッチ１２３上には残っていない。
保護絶縁膜１１４は、整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層１０９ａおよびイオン伝導層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、第１ハードマスク膜１１２およびバリア絶縁膜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および第１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、整流素子付４端子スイッチ１２２および３端子スイッチ１２３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１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃを介してビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６は、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は、層間絶縁膜１１５、１１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６には、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１６の当該配線溝に、第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃを介して第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃ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１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１１７の当該配線溝に、第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃを介して第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃが埋め込まれている。
第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃは、層間絶縁膜１１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１６に形成された配線溝に第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃを介して埋め込まれた配線である。第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃは、ビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃと一体になっている。
ビア１１９ａおよびビア１１９ｂは、層間絶縁膜１１５、および保護絶縁膜１１４、第１ハードマスク膜１１２および第２ハードマスク膜１１３に形成された下穴に、第２バリアメタル１２０ａおよび第２バリアメタル１２０ｂを介して埋め込まれている。ビア１１９ｃは、層間絶縁膜１１５、および保護絶縁膜１１４に形成された下穴に、第２バリアメタル１２０ｃを介して埋め込まれている。
ビア１１９ａおよびビア１１９ｂは、第２バリアメタル１２０ａおよび第２バリアメタル１２０ｂを介して第３電極１１１と電気的に接続されている。ビア１１９ｃは、第２バリアメタル１２０ｃを介して第２電極１１０ｂと電気的に接続されている。第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃおよびビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃは、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃ、およびビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃ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２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃは、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃ（ビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃ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。
例えば、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃ、およびビア１１９ａ、ビア１１９ｂ、ビア１１９ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル１２０ａ、第２バリアメタル１２０ｂ、第２バリアメタル１２０ｃには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１２１は、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃを含む層間絶縁膜１１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜１２１は、第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂ、第２配線１１８ｃを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。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、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施態様１）
上記第１実施形態に記載してある「多層配線層内部に形成した整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチ」の効果について、図２乃至図５に従って説明する。また、素子構成の説明については図１に記載の用語に従って説明する。
上記第１実施形態に記載してある「多層配線層内部に形成した整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチ」の効果について、図２乃至図５に従って説明する。また、素子構成の説明については図１に記載の用語に従って説明する。
図２に、整流素子の電流電圧特性の概念図を示す。整流素子付４端子スイッチ１２２の第２電極１１０ａと第３電極１１１との間に電圧を印加すると、整流層１０８ａを介した非線形的、かつ正負極で対称な電流電圧特性を示す。低電圧領域では高抵抗を示す一方、印加電圧の増加に伴って指数関数的に電流が増加する。抵抗変化は不揮発に保たれず、電圧印加を止めると揮発的に直ちに低抵抗状態は解除される。
図３に、３端子スイッチ１２３の、第１配線と第２電極との間における電流電圧特性の概念図を示す。第２電極１１０ｂを接地し、第１配線１０５ｃに正電圧を印加すると、第１配線１０５ｃを構成する金属が電気化学反応でイオン化し、イオン伝導層１０９ｂ中に注入される。注入された金属イオンは第２電極１１０ｂ側までマイグレーションし、電子を受け取ることで金属架橋としてイオン伝導層１０９ｂ内にて析出する。金属架橋によって第２電極１１０ｂと第１配線１０５ｃ間が接続されると、図３のＶ３において低抵抗状態（オン）に遷移する。一方、第１配線１０５ｃに負電圧を印加すると金属架橋が溶解反応で金属イオン化し、第１配線１０５ｃに回収されることで、図３の−Ｖ３にて高抵抗状態（オフ）に遷移する。３端子スイッチ１２３の抵抗変化は、電圧印加を止めても不揮発的に保たれる。低抵抗状態に遷移する際、直列に接続したトランジスタによって電流制限がかかり、低抵抗状態の抵抗値が決められる。すなわち、トランジスタの電流制限で金属架橋の太さが制御できる。３端子スイッチ１２３における第１配線１０５ｄと第２電極１１０ｂとの間においても、上記と同様の電流電圧特性を示す。
図４および図５に、整流素子付４端子スイッチ１２２の、第１配線１０５ａとビア１１９ｂに接する第３電極１１１との間における電流電圧特性の概念図を示す。整流素子付４端子スイッチ１２２における不揮発スイッチングは、３端子スイッチ１２３における第１配線１０５ｃと第２電極１１０ｂとの間における電流電圧特性（図３）と同じになるが、電流制限は整流層１０８ａにて行われる。このため、整流素子付４端子スイッチ１２２の電流電圧特性は、図２と図３の電流電圧特性を合わせた特性を示す。図４に、図２および図３の特性を重ねて示す。
ビア１１９ｂに接する第３電極１１１を接地し、第１配線１０５ａに正電圧を印加すると、図２と図３の電流電圧特性が交差するＶ２までは高抵抗な整流素子の電流電圧特性を示す。このためオフ状態の読み取り電圧であるＶ１では高抵抗状態が保たれ、スニーク電流が抑制できる。Ｖ２から第１配線１０５ａと第２電極１１０ａとの間のイオン伝導層１０９ａが低抵抗に遷移するＶ３までは高抵抗な３端子スイッチ１２３の電流電圧特性を示すが、第１配線１０５ａと第２電極１１０ａ間が低抵抗に遷移した後は整流素子の電流電圧特性を示す。一方、第１配線１０５ａに負電圧を印加すると、まずは第１配線１０５ａと第２電極１１０ａとの間が高抵抗に遷移する−Ｖ３までは整流素子の電流電圧特性を示し、また−Ｖ３から図２と図３の電流電圧特性が交差する−Ｖ２までは３端子スイッチ１２３の電流電圧特性を示すが、−Ｖ２から０Ｖまでは高抵抗な整流素子の電流電圧特性を示す。
図５に、整流素子付４端子スイッチ１２２の、第１配線１０５ａとビア１１９ｂに接する第３電極１１１との間における電流電圧特性を示す。整流素子付４端子スイッチ１２２の、第１配線１０５ｂとビア１１９ａに接する第３電極１１１間においても、上記と同様の電流電圧特性を示す。
（実施態様２）
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を、図６から図９を参照しながら説明する。具体的には、「多層配線層内部に形成した整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチ」を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、「整流素子付４端子スイッチおよび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。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を、図６から図９を参照しながら説明する。具体的には、「多層配線層内部に形成した整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチ」を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、「整流素子付４端子スイッチおよび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。
（工程１）
半導体基板６０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜６０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積し、その後、層間絶縁膜６０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３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６０３上に層間絶縁膜６０４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６０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３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６０６ａ、第１バリアメタル６０６ｂ、第１バリアメタル６０６ｃ、第１バリアメタル６０６ｄ（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６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄ（例えば、銅）を埋め込む（図６（ａ））。
半導体基板６０１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜６０２（例えば、酸化シリコン膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積し、その後、層間絶縁膜６０２にＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３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６０３上に層間絶縁膜６０４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６０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜６０３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６０６ａ、第１バリアメタル６０６ｂ、第１バリアメタル６０６ｃ、第１バリアメタル６０６ｄ（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６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄ（例えば、銅）を埋め込む（図６（ａ））。
層間絶縁膜６０２、層間絶縁膜６０４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６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄは、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法によって第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄ（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、１５０℃以上の温度で熱処理後、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）
次に、図６（ｂ）に示すように、第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを含む層間絶縁膜６０４上に、バリア絶縁膜６０７（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６０７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６０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
次に、図６（ｂ）に示すように、第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを含む層間絶縁膜６０４上に、バリア絶縁膜６０７（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６０７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６０７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
（工程３）
次に、バリア絶縁膜６０７上にハードマスク膜６２４（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６２４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６０７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性膜であってもよい。ハードマスク膜６２４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。ハードマスク膜６２４上にフォトレジスト（図示せず）を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜６２４に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する（図６（ｃ））。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜６０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜６０７の内部にまで到達していてもよい。
次に、バリア絶縁膜６０７上にハードマスク膜６２４（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６２４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６０７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性膜であってもよい。ハードマスク膜６２４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。ハードマスク膜６２４上にフォトレジスト（図示せず）を用いて開口部をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることによりハードマスク膜６２４に開口部パターンを形成し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する（図６（ｃ））。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜６０７の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜６０７の内部にまで到達していてもよい。
（工程４）
ハードマスク膜６２４をマスクとして、ハードマスク膜６２４の開口部から露出するバリア絶縁膜６０７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６０７に開口部を形成して、バリア絶縁膜６０７の開口部から第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを露出させる（図６（ｄ））。その後、窒素およ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６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄ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。バリア絶縁膜６０７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６０７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６２４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６０７の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。
ハードマスク膜６２４をマスクとして、ハードマスク膜６２４の開口部から露出するバリア絶縁膜６０７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６０７に開口部を形成して、バリア絶縁膜６０７の開口部から第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを露出させる（図６（ｄ））。その後、窒素およ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６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄ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。バリア絶縁膜６０７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６０７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６２４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６０７の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。
（工程５）
第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを含むバリア絶縁膜６０７上に、イオン伝導層６０９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。このジルコニウムは、ポリマーのイオン伝導層の成膜時に酸化され、イオン伝導層６０９の一部を形成する。この際、第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄのイオン伝導層６０９に接している箇所にジルコニウムが拡散し、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、ポリマーのイオン伝導層として、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法によって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところで、ＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜６０７の開口部は大気暴露によって水分などが付着しているため、ポリマーのイオン伝導層の堆積前に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。
第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄを含むバリア絶縁膜６０７上に、イオン伝導層６０９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。このジルコニウムは、ポリマーのイオン伝導層の成膜時に酸化され、イオン伝導層６０９の一部を形成する。この際、第１配線６０５ａ、第１配線６０５ｂ、第１配線６０５ｃ、第１配線６０５ｄのイオン伝導層６０９に接している箇所にジルコニウムが拡散し、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、ポリマーのイオン伝導層として、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法によって形成する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところで、ＲＦ電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ、別ラインで反応室に直接５００ｓｃｃｍ供給する。バリア絶縁膜６０７の開口部は大気暴露によって水分などが付着しているため、ポリマーのイオン伝導層の堆積前に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。
イオン伝導層６０９上に、上層／下層の積層構造の第２電極６１０を形成する。まず第２電極６１０の下層として、「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。このルテニウム合金は３端子スイッチの上部電極となる。さらに第２電極６１０の上層として、ルテニウム合金上に窒化チタンを５ｎｍ〜１０ｎｍ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５００Ｗ〜１ｋＷ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。
第２電極６１０上に整流層６０８として、非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンをこの順にプラズマＣＶＤ法によって成膜する。それぞれの膜厚は５ｎｍ以下が望ましい。例えば非晶質シリコンを２ｎｍ、窒化シリコンを１ｎｍ成膜する。成膜はプラズマを着火した状態で投入するガスを切り替えることで、連続的に成膜する。窒化シリコンは、ＳｉＨ４ガスと窒素ガスの流量を調節することで組成の制御が可能となる。この際、ＳｉＨ４と窒素ガスの流量を４：１にすることで、化学量論比に近い組成の窒化シリコンが得られる。
整流層６０８上に第３電極６１１として、窒化チタンを１５ｎｍ〜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５００Ｗ〜１ｋＷ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７（ａ））。
（工程６）
第３電極６１１上に、第１ハードマスク膜６１２（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚３０ｎｍ）、および第２ハードマスク膜６１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する（図７（ｂ））。第１ハードマスク膜６１２および第２ハードマスク膜６１３は、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することができる。第１ハードマスク膜６１２および第２ハードマスク膜６１３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、第１ハードマスク膜６１２と第２ハードマスク膜６１３とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、第１ハードマスク膜６１２を窒化シリコン膜とし、第２ハードマスク膜６１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、第１ハードマスク膜６１２は、後述する保護絶縁膜６１４、およびバリア絶縁膜６０７と同一材料であることが好ましい。また、第１ハードマスク膜６１２は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができるが、例えば、ＳｉＨ４／Ｎ２の混合ガスを高密度プラズマとすることによって、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
第３電極６１１上に、第１ハードマスク膜６１２（例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚３０ｎｍ）、および第２ハードマスク膜６１３（例えば、酸化シリコン膜、膜厚１００ｎｍ）をこの順に積層する（図７（ｂ））。第１ハードマスク膜６１２および第２ハードマスク膜６１３は、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することができる。第１ハードマスク膜６１２および第２ハードマスク膜６１３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、第１ハードマスク膜６１２と第２ハードマスク膜６１３とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、第１ハードマスク膜６１２を窒化シリコン膜とし、第２ハードマスク膜６１３を酸化シリコン膜とすることができる。このとき、第１ハードマスク膜６１２は、後述する保護絶縁膜６１４、およびバリア絶縁膜６０７と同一材料であることが好ましい。また、第１ハードマスク膜６１２は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができるが、例えば、ＳｉＨ４／Ｎ２の混合ガスを高密度プラズマとすることによって、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
（工程７）
第２ハードマスク膜６１３上に、整流素子付４端子スイッチの整流素子部をパターニングするためのフォトレジスト６２５をリソグラフィ法により形成する（図７（ｃ））。この際、整流素子を形成しない３端子スイッチの第２ハードマスク膜６１３上はパターニングせず、フォトレジストを現像時に除去し、残さない。
第２ハードマスク膜６１３上に、整流素子付４端子スイッチの整流素子部をパターニングするためのフォトレジスト６２５をリソグラフィ法により形成する（図７（ｃ））。この際、整流素子を形成しない３端子スイッチの第２ハードマスク膜６１３上はパターニングせず、フォトレジストを現像時に除去し、残さない。
（工程８）
フォトレジスト６２５をマスクとして、第２ハードマスク膜６１３の一部をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する（図７（ｄ））。フォトレジスト６２５が形成されていない箇所はエッチングにより膜厚が目減りして、フォトレジスト６２５が形成されている箇所は目減りしない。エッチング膜厚は３０ｎｍ〜７０ｎｍ程度が望ましい。具体的にはエッチング膜厚は６０ｎｍ、フォトレジスト６２５が形成されている箇所の第２ハードマスク膜６１３の残膜は１００ｎｍ、フォトレジスト６２５が形成されていない箇所の第２ハードマスク膜６１３の残膜は４０ｎｍ程度が望ましい。
フォトレジスト６２５をマスクとして、第２ハードマスク膜６１３の一部をドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する（図７（ｄ））。フォトレジスト６２５が形成されていない箇所はエッチングにより膜厚が目減りして、フォトレジスト６２５が形成されている箇所は目減りしない。エッチング膜厚は３０ｎｍ〜７０ｎｍ程度が望ましい。具体的にはエッチング膜厚は６０ｎｍ、フォトレジスト６２５が形成されている箇所の第２ハードマスク膜６１３の残膜は１００ｎｍ、フォトレジスト６２５が形成されていない箇所の第２ハードマスク膜６１３の残膜は４０ｎｍ程度が望ましい。
（工程９）
加工された第２ハードマスク膜６１３上に整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチのスイッチ素子部をパターニングするためのフォトレジスト６２６をリソグラフィ法により形成する（図８（ａ））。
加工された第２ハードマスク膜６１３上に整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチのスイッチ素子部をパターニングするためのフォトレジスト６２６をリソグラフィ法により形成する（図８（ａ））。
（工程１０）
フォトレジスト６２６をマスクとして、第２ハードマスク膜６１３の残りをドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する（図８（ｂ））。フォトレジスト６２５およびフォトレジスト６２６の両者とも形成されなかった箇所は、ドライエッチング後に第１ハードマスク膜６１２が露出している。第２ハードマスク膜６１３は２段階のドライエッチングで加工されており、整流素子付４端子スイッチの整流素子部の箇所の残膜は１００ｎｍ、整流素子付４端子スイッチの整流素子形成箇所以外、および３端子スイッチ箇所の残膜は４０ｎｍ、それ以外の残膜は０ｎｍである。第１ハードマスク膜６１２が露出している箇所は、第１ハードマスク膜６１２がドライエッチングされていないことが望ましいが、数ｎｍ程度エッチングされていても良い。
フォトレジスト６２６をマスクとして、第２ハードマスク膜６１３の残りをドライエッチングし、その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する（図８（ｂ））。フォトレジスト６２５およびフォトレジスト６２６の両者とも形成されなかった箇所は、ドライエッチング後に第１ハードマスク膜６１２が露出している。第２ハードマスク膜６１３は２段階のドライエッチングで加工されており、整流素子付４端子スイッチの整流素子部の箇所の残膜は１００ｎｍ、整流素子付４端子スイッチの整流素子形成箇所以外、および３端子スイッチ箇所の残膜は４０ｎｍ、それ以外の残膜は０ｎｍである。第１ハードマスク膜６１２が露出している箇所は、第１ハードマスク膜６１２がドライエッチングされていないことが望ましいが、数ｎｍ程度エッチングされていても良い。
（工程１１）
第２ハードマスク膜６１３をマスクとし、加工された第２ハードマスク膜６１３の形状を下層に転写する要領で、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１、整流層６０８、第２電極６１０、イオン伝導層６０９を連続的にドライエッチングする。これにより、整流素子付４端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ａ、第２電極６１０ａ、イオン伝導層６０９ａが形成され、３端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ｂ、第２電極６１０ｂ、イオン伝導層６０９ｂが形成される（図８（ｃ））。この際、３端子スイッチ形成箇所の第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１は、エッチングされて除去される。特に、３端子スイッチ形成箇所では、第３電極６１１が除去されている。なお、３端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ｂは残っていても除去されていても良い。整流素子付４端子スイッチ形成箇所では、整流素子形成箇所のみ第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１が残っている。整流素子形成箇所の第２ハードマスク膜６１３は除去されていても良い。整流素子付４端子スイッチ形成箇所の整流素子を形成しない箇所は、３端子スイッチと同じ状態となっており、第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１はエッチングされて除去される。整流層６０８ｂは残っていても除去されていても良い。工程７および工程９でフォトレジスト６２５およびフォトレジスト６２６が形成されなかった箇所は、第２電極６１０およびイオン伝導層６０９までエッチングで除去されている。ドライエッチング後、バリア絶縁膜６０７は数ｎｍ程度であればエッチングされていても良い。
第２ハードマスク膜６１３をマスクとし、加工された第２ハードマスク膜６１３の形状を下層に転写する要領で、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１、整流層６０８、第２電極６１０、イオン伝導層６０９を連続的にドライエッチングする。これにより、整流素子付４端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ａ、第２電極６１０ａ、イオン伝導層６０９ａが形成され、３端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ｂ、第２電極６１０ｂ、イオン伝導層６０９ｂが形成される（図８（ｃ））。この際、３端子スイッチ形成箇所の第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１は、エッチングされて除去される。特に、３端子スイッチ形成箇所では、第３電極６１１が除去されている。なお、３端子スイッチ形成箇所に整流層６０８ｂは残っていても除去されていても良い。整流素子付４端子スイッチ形成箇所では、整流素子形成箇所のみ第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１が残っている。整流素子形成箇所の第２ハードマスク膜６１３は除去されていても良い。整流素子付４端子スイッチ形成箇所の整流素子を形成しない箇所は、３端子スイッチと同じ状態となっており、第２ハードマスク膜６１３、第１ハードマスク膜６１２、第３電極６１１はエッチングされて除去される。整流層６０８ｂは残っていても除去されていても良い。工程７および工程９でフォトレジスト６２５およびフォトレジスト６２６が形成されなかった箇所は、第２電極６１０およびイオン伝導層６０９までエッチングで除去されている。ドライエッチング後、バリア絶縁膜６０７は数ｎｍ程度であればエッチングされていても良い。
例えば、第３電極６１１および第２電極６１０の上層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、第２電極６１０の下層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６０９のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜６０７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６０９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６０７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１２）
第１ハードマスク膜６１２、第２ハードマスク膜６１３、第３電極６１１、整流層６０８ａ、整流層６０８ｂ、第２電極６１０ａ、第２電極６１０ｂ、イオン伝導層６０９ａを含むバリア絶縁膜６０７上に、保護絶縁膜６１４（例えば、窒化シリコン膜、もしくは炭窒化シリコン膜、２０ｎｍ）を堆積する（図８（ｄ））。保護絶縁膜６１４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６０９ａおよびイオン伝導層６０９ｂ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６１４の成膜温度を４００℃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４００℃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。
第１ハードマスク膜６１２、第２ハードマスク膜６１３、第３電極６１１、整流層６０８ａ、整流層６０８ｂ、第２電極６１０ａ、第２電極６１０ｂ、イオン伝導層６０９ａを含むバリア絶縁膜６０７上に、保護絶縁膜６１４（例えば、窒化シリコン膜、もしくは炭窒化シリコン膜、２０ｎｍ）を堆積する（図８（ｄ））。保護絶縁膜６１４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６０９ａおよびイオン伝導層６０９ｂ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６１４の成膜温度を４００℃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４００℃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１３）
保護絶縁膜６１４上に、層間絶縁膜６１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６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６１７（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６１８ａ、第２配線６１８ｂ、第２配線６１８ｃ用の配線溝、およびビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝および当該下穴内に第２バリアメタル６２０ａ、第２バリアメタル６２０ｂ、第２バリアメタル６２０ｃ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線６１８ａ、第２配線６１８ｂ、第２配線６１８ｃ（例えば、銅）およびビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃを含む層間絶縁膜６１７上に、バリア絶縁膜６２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ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。層間絶縁膜６１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６および層間絶縁膜６１７は、プラズマＣＶＤ法で形成することができる。整流素子付４端子スイッチおよび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６１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜６１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜６１５を所望の膜厚としてもよい。
保護絶縁膜６１４上に、層間絶縁膜６１５（例えば、酸化シリコン膜）、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６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６１７（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６１８ａ、第２配線６１８ｂ、第２配線６１８ｃ用の配線溝、およびビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝および当該下穴内に第２バリアメタル６２０ａ、第２バリアメタル６２０ｂ、第２バリアメタル６２０ｃ（例えば、窒化タンタル／タンタル）を介して第２配線６１８ａ、第２配線６１８ｂ、第２配線６１８ｃ（例えば、銅）およびビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ（例えば、銅）を同時に形成する。その後、ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃを含む層間絶縁膜６１７上に、バリア絶縁膜６２１（例えば、窒化シリコン膜）を堆積する。ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃ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。層間絶縁膜６１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜６１６および層間絶縁膜６１７は、プラズマＣＶＤ法で形成することができる。整流素子付４端子スイッチおよび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６１５を厚く堆積し、ＣＭＰ法によって層間絶縁膜６１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜６１５を所望の膜厚としてもよい。
ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃは同じフォトマスクによる露光でパターニングされ、同時にエッチングされ、形成される。ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃの高さの差分、第３電極６１１および第２電極６１０ｂはエッチングに曝され、深さ方向下に掘り込まれる。ビア６１９ａおよびビア６１９ｂが形成される箇所の第１ハードマスク膜６１２および第２ハードマスク膜６１３は、ビア６１９ａおよびビア６１９ｂ形成時にエッチングされ除去される。この結果、ビア６１９ａおよびビア６１９ｂは直接に第３電極６１１に接続する。
整流層６０８ｂは、ビア６１９ｃの形成時にエッチングされ除去される。この結果、ビア６１９ｃは直接に第２電極６１０ｂに接続する。ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃを形成するエッチングに、窒化チタンルテニウム合金に対してエッチングレートが遅いフルオロカーボン系のエッチングガスを用いることで、ビア６１９ａ、ビア６１９ｂ、ビア６１９ｃのエッチングは第３電極６１１および第２電極６１０ｂにてストップする。
こうして図９に示すような、半導体基板上の多層配線層の内部に、整流素子付４端子スイッチおよび３端子スイッチを有する半導体装置が製造できる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ１２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ１２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ１２２と３端子スイッチ１２３を形成することができる。電源ラインの３端子スイッチは、トランジスタと接続される。
本実施形態によれば、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ１２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ１２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ１２２と３端子スイッチ１２３を形成することができる。電源ラインの３端子スイッチは、トランジスタと接続される。
実施形態の製造方法では、整流素子付４端子スイッチ１２２のスタック加工用のハードマスクをエッチングする際、３端子スイッチ１２３を形成する箇所のハードマスク上に整流素子部をパターニングするためのフォトレジストを形成しない。これにより、整流素子付４端子スイッチ１２２の整流素子パターンのエッチング時に、３端子スイッチ１２３上のハードマスクを目減りさせる。その結果、整流素子付４端子スイッチ１２２のスタック加工のエッチング時に３端子スイッチ１２３は整流素子の上部電極（第３電極１１１）までエッチングされ、残存している整流層１０８ｂを介さずに３端子スイッチ１２３にビア１１９ｃを接続できる。
さらに本実施形態の製造方法によれば、整流素子を有する多端子スイッチの整流素子が２つ以上の場合、整流素子同士の上部電極が分離し、スイッチ上で２つの整流素子がそれぞれ電気的に独立させることができる。本実施形態の製造方法を用いることで、整流素子を搭載した多端子スイッチに必要なフォトマスクと露光工程のみで、３端子スイッチも同時で形成でき、製造コストの増加を招かない。
本実施形態によれば、プログラマブルロジックを構成する配線切り替えスイッチと、電源ライン制御用スイッチにそれぞれ適した構造のスイッチ素子を提供できる。配線切り替えスイッチにはセレクトトランジスタを必要とせず省面積化が可能な整流素子を有する多端子スイッチを、電源ライン制御用スイッチにはセレクトトランジスタと接続でき、オン時の抵抗を可変に制御できる３端子スイッチのみを、それぞれ用いることができる。高電圧が印加される場合がある電源ライン制御用スイッチは十分な電流で書き込むことで低オン抵抗が実現でき、高信頼性を保つことができる。また、プログラマブルロジックの動作時における動作周波数変更に際して、電源電圧の調整を行う必要があった場合、電源電圧に合わせてオン抵抗を変更することもできる。
本実施形態によれば、トランジスタによる電流制御でオン抵抗が可変な３端子スイッチ１２３と、オン抵抗が一律に決まってしまうが素子面積を大幅に低減できる整流素子付４端子スイッチ１２２を同じ配線層内に同時に形成できる。このため、低オン抵抗で高信頼性化が可能なスイッチ素子を電源ラインに搭載したプログラマブル回路が実現でき、高信頼性を有する小面積・低消費電力かつ低コストなプログラマブルロジックを提供できる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付２端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１０は、第２実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ｂ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付２端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
次に、本発明の第２実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付２端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１０は、第２実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ｂ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付２端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１０の半導体装置は、半導体基板７０１上の多層配線層の内部に、整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３を有する。
図１０の半導体装置は、半導体基板７０１上の多層配線層の内部に、整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３を有する。
多層配線層は、半導体基板７０１上にて、層間絶縁膜７０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３、層間絶縁膜７０４、バリア絶縁膜７０７、保護絶縁膜７１４、層間絶縁膜７１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６、層間絶縁膜７１７、およびバリア絶縁膜７２１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７０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜７０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂを介して、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜７１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜７１６に形成された配線溝に、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜７１５、保護絶縁膜７１４、および第１ハードマスク膜７１２に形成された下穴に、ビア７１９ａおよびビア７１９ｂが埋め込まれている。第２配線７１８ａとビア７１９ａ、第２配線７１８ｂとビア７１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線７１８ａとビア７１９ａ、および第２配線７１８ｂとビア７１９ｂの側面乃至底面が、第２バリアメタル７２０ａ、および第２バリアメタル７２０ｂによって覆われている。
バリア絶縁膜７０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線７０５ａ、バリア絶縁膜７０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜７０７上に、イオン伝導層７０９ａ、第２電極７１０ａ、整流層７０８ａ、および第３電極７１１が順に積層されて、整流素子付２端子スイッチ７２２が形成されている。さらに、整流素子付２端子スイッチ７２２の第３電極７１１上に、第１ハードマスク膜７１２および第２ハードマスク膜７１３が形成されている。さらに、イオン伝導層７０９ａ、第２電極７１０ａ、整流層７０８ａ、第３電極７１１、第１ハードマスク膜７１２および第２ハードマスク膜７１３の積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜７１４で覆われている。
多層配線層は、バリア絶縁膜７０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線７０５ｂ、バリア絶縁膜７０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜７０７上に、イオン伝導層７０９ｂ、第２電極７１０ｂ、整流層７０８ｂの順に積層した２端子スイッチ７２３が形成されており、イオン伝導層７０９ｂ、第２電極７１０ｂ、整流層７０８ｂの積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜７１４で覆われている。
第１配線７０５ａの一部を、整流素子付２端子スイッチ７２２の下部電極とし、第１配線７０５ｂの一部を、２端子スイッチ７２３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３ＰＲ（3 Photoresist mask）のマスクセットを作成するだけで、整流素子付２端子スイッチ７２２と２端子スイッチ７２３を同じ配線層内に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。
整流素子付２端子スイッチ７２２は、バリア絶縁膜７０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層７０９ａと第１配線７０５ａとが直接接している。そして、イオン伝導層７０９ａの一部を構成する金属が、第１配線７０５ａに拡散して、合金層を形成している。
２端子スイッチ７２３は、バリア絶縁膜７０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層７０９ｂと第１配線７０５ｂが直接接している。そして、イオン伝導層７０９ｂの一部を構成する金属が、第１配線７０５ｂに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付２端子スイッチ７２２は、第２電極７１０ａ上に整流層７０８ａを有し、整流層７０８ａは上面で第３電極７１１に接している。第３電極７１１上には、第１ハードマスク膜７１２および第２ハードマスク膜７１３が残っている。第２ハードマスク膜７１３は、残っていなくても良い。
整流素子付２端子スイッチ７２２は第３電極７１１上にて、ビア７１９ａと第３電極７１１とが第２バリアメタル７２０ａを介して、電気的に接続されている。整流素子付２端子スイッチ７２２は、整流層７０８ａを介して、第２電極７１０ａと第１配線７０５ａとの間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層７０９ａへの第１配線７０５ａ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。この際、整流層７０８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
２端子スイッチ７２３は第２電極７１０ｂ上にて、ビア７１９ｂと第２電極７１０ｂとが第２バリアメタル７２０ｂを介して電気的に接続されている。整流層７０８ｂは、第２電極７１０ｂ上に残っていても良いし、２端子スイッチ７２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。２端子スイッチ７２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層７０９ｂへの第１配線７０５ｂ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。
半導体基板７０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板７０１には、第１実施形態と同様に、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ＴＦＴ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７０２は、半導体基板７０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜７０２には第１実施形態と同様に、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７０２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７０３は、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７０３は、層間絶縁膜７０２、７０４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３には、第１配線７０５ａ、第１配線７０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３の当該配線溝に、第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂを介して、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜７０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜７０４には第１実施形態と同様に、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７０４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７０４には、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜７０４の当該配線溝に、第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂを介して、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂが埋め込まれている。
第１配線７０５ａは、層間絶縁膜７０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜７０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線７０５ａは、整流素子付２端子スイッチ７２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層７０９ａと直接接している。イオン伝導層７０９ａの上面は、第２電極７１０ａに直接接している。第１配線７０５ａを構成する金属には、イオン伝導層７０９ａ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７０５ａ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７０５ｂは、層間絶縁膜７０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜７０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル７０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線７０５ｂは、２端子スイッチ７２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層７０９ｂと直接接している。イオン伝導層７０９ｂの上面は、第２電極７１０ｂに直接接している。第１配線７０５ｂを構成する金属には、イオン伝導層７０９ｂ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７０５ｂ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バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属が層間絶縁膜７０４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。第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル７０６ａおよび第１バリアメタル７０６ｂには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜７０７は、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを含む層間絶縁膜７０４上に形成される。これにより、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜７１５中への第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極７１１、整流層７０８ａ、整流層７０８ｂ、第２電極７１０ａ、第２電極７１０ｂ、イオン伝導層７０９ａ、イオン伝導層７０９ｂ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７０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および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７０７は、保護絶縁膜７１４および第１ハードマスク膜７１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂ（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。
イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂはそれぞれ、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層との積層構造で、構成される。
イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、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（Radio Frequency）電力の印加を開始する。原料の供給量は１０〜２００ｓｃｃｍ、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層７０９ａは、第１配線７０５ａ、バリア絶縁膜７０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜７０７上に形成されている。イオン伝導層７０９ｂは、第１配線７０５ｂ、バリア絶縁膜７０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜７０７上に形成されている。
第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂは、整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３の上部電極であり、イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂと直接接している。
第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属と密着性が良い。第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成し、ルテニウムに添加される金属としては、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂ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７０５ａおよび第１配線７０５ｂ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だと、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）によって進行するが、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成する金属が、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７０５ａおよび第１配線７０５ｂを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線７０５ａおよび第１配線７０５ｂ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第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成する金属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、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂと接する第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂの、整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂは双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコンを挟むことで窒化シリコンの一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極７１０ａや第３電極７１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極７１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極７１０ａと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極７１１は、ビア７１９ａを第２電極７１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜７１５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。第３電極７１１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。
第３電極７１１は、整流素子を形成する整流素子付２端子スイッチ７２２上のみに存在しており、２端子スイッチ７２３には存在していない。
第１ハードマスク膜７１２は、第３電極７１１、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂ、整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂ、イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂ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。第１ハードマスク膜７１２には第１実施形態と同様に、例えば、窒化シリコンや酸化シリコン等、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜７１２は、保護絶縁膜７１４、およびバリア絶縁膜７０７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜７１３は、第３電極７１１、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂ、整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂ、イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜７１３には第１実施形態と同様に、例えば、窒化シリコンや酸化シリコン等、それらの積層を用いることができる。
上述した第１実施形態と同様に第２ハードマスク膜７１３の形状により、整流素子付２端子スイッチ７２２と２端子スイッチ７２３を作り分ける。整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３のバリア絶縁膜７０７上に、イオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂ、第２電極７１０ａおよび第２電極７１０ｂ、整流層７０８ａおよび整流層７０８ｂ、第３電極７１１、第１ハードマスク膜７１２、第２ハードマスク膜７１３を成膜する。その後、第１実施形態の図７（ｃ）〜図８（ｂ）のような、２回のパターニングとエッチングを経て第２ハードマスク膜７１３を加工する。こうして加工された第２ハードマスク膜７１３の形状を整流素子付２端子スイッチ７２２部に転写する要領で、１つの整流素子を第２電極７１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付２端子スイッチ７２２のための積層構造体を成膜し、２端子スイッチ７２３を形成したい素子部には整流素子付２端子スイッチ７２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより２端子スイッチ７２３上の第２ハードマスク膜７１３を、第１実施形態の図７（ｄ）のように目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、２端子スイッチ７２３上の第３電極７１１を除去することができる。すなわち、整流素子付２端子スイッチ７２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。２端子スイッチ７２３の第２電極７１０ａ上には整流層７０８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜７１２および第２ハードマスク膜７１３は、２端子スイッチ７２３上には残っていない。
保護絶縁膜７１４は、整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層７０９ａおよびイオン伝導層７０９ｂ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７１４には第１実施形態と同様に、例えば、窒化シリコン、炭窒化シリコン等を用いることができる。保護絶縁膜７１４は、第１ハードマスク膜７１２およびバリア絶縁膜７０７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７１４とバリア絶縁膜７０７および第１ハードマスク膜７１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、整流素子付２端子スイッチ７２２および２端子スイッチ７２３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜７１５は、保護絶縁膜７１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜７１５には第１実施形態と同様に、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７１５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７１５は、層間絶縁膜７１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜７１５には、ビア７１９ａおよびビア７１９ｂを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂを介して、ビア７１９ａおよびビア７１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６は第１実施形態と同様に、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７１６は、層間絶縁膜７１５、７１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６には、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６の当該配線溝に、第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂを介して、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜７１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜７１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜７１７には第１実施形態と同様に、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７１７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７１７は、層間絶縁膜７１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜７１７には、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜７１７の当該配線溝に、第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂを介して、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂが埋め込まれている。
第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂは、層間絶縁膜７１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜７１６に形成された配線溝に、第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂは、ビア７１９ａおよびビア７１９ｂと一体になっている。
ビア７１９ａは、層間絶縁膜７１５、および保護絶縁膜７１４、第１ハードマスク膜７１２および第２ハードマスク膜７１３に形成された下穴に第２バリアメタル７２０ａを介して埋め込まれている。ビア７１９ｂは、層間絶縁膜７１５、および保護絶縁膜７１４に形成された下穴に、第２バリアメタル７２０ｂを介して埋め込まれている。
ビア７１９ａは、第２バリアメタル７２０ａを介して第３電極７１１と電気的に接続されている。ビア７１９ｂは、第２バリアメタル７２０ｂを介して第２電極７１０ｂと電気的に接続されている。第２配線７１８ａ、第２配線７１８ｂおよびビア７１９ａ、ビア７１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂは、第２配線７１８ａ、第２配線７１８ｂ、ビア７１９ａ、ビア７１９ｂ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２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂは、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂ（ビア７１９ａおよびビア７１９ｂを含む）を形成する金属が、層間絶縁膜７１５、７１７や下層へ拡散することを防止する。
第２配線７１８ａ、第２配線７１８ｂ、ビア７１９ａ、ビア７１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル７２０ａおよび第２バリアメタル７２０ｂには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜７２１は、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂを含む層間絶縁膜７１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜７２１は、第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線７１８ａおよび第２配線７１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜７２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ７２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ７２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ７２２と２端子スイッチ７２３を形成することができる。
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ７２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ７２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ７２２と２端子スイッチ７２３を形成することができる。
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付４端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１１は、第３実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ｃ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付４端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
次に、第３実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付４端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１１は、第３実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１５（ｃ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付４端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１１の半導体装置は、半導体基板８０１上の多層配線層の内部に、整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３を有する。
図１１の半導体装置は、半導体基板８０１上の多層配線層の内部に、整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３を有する。
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、およびバリア絶縁膜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およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル８０６ａおよび第１バリアメタル８０６ｂを介して、第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂが埋め込まれている。さらに多層配線層は、層間絶縁膜８０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル８０６ｃを介して、第１配線８０５ｃが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜８１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８１６に形成された配線溝に、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜８１５、保護絶縁膜８１４、および第１ハードマスク膜８１２に形成された下穴に、ビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃが埋め込まれている。第２配線８１８ａとビア８１９ａ、第２配線８１８ｂとビア８１９ｂ、第２配線８１８ｃとビア８１９ｃが一体となっている。さらに、第２配線８１８ａとビア８１９ａ、第２配線８１８ｂとビア８１９ｂ、第２配線８１８ｃとビア８１９ｃの側面乃至底面が第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃによって覆われている。
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８０５ａおよび第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂに挟まれた層間絶縁膜８０４、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８０９ａ、第２電極８１０ａ、整流層８０８ａ、および第３電極８１１が順に積層されて、整流素子付４端子スイッチ８２２が形成されている。さらに、第３電極８１１上に第１ハードマスク膜８１２および第２ハードマスク膜８１３が形成されている。さらに、イオン伝導層８０９ａ、第２電極８１０ａ、整流層８０８ａ、第３電極８１１、第１ハードマスク膜８１２および第２ハードマスク膜８１３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。
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８０５ｃ、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８０９ｂ、第２電極８１０ｂ、整流層８０８ｂの順に積層した２端子スイッチ８２３が形成されており、イオン伝導層８０９ｂ、第２電極８１０ｂ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８０５ａおよび第１配線８０５ｂの一部を、整流素子付４端子スイッチ８２２の下部電極とし、第１配線８０５ｃの一部を、２端子スイッチ８２３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３ＰＲのマスクセットを作成するだけで、整流素子付４端子スイッチ８２２と２端子スイッチ８２３を同じ配線層内に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。
整流素子付４端子スイッチ８２２は、バリア絶縁膜８０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層８０９ａと第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂとが直接接している。そして、イオン伝導層８０９ａの一部を構成する金属が、第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂに拡散して、合金層を形成している。
２端子スイッチ８２３は、バリア絶縁膜８０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層８０９ｂと第１配線８０５ｃが直接接している。そして、イオン伝導層８０９ｂの一部を構成する金属が、第１配線８０５ｃに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付４端子スイッチ８２２は、第２電極８１０ａ上に整流層８０８ａを有し、整流層８０８ａは上面で第３電極８１１に接している。整流素子付４端子スイッチ８２２の第３電極８１１はエッチングによって、２つの領域に電気的に分離されている。この際、整流層８０８ａは第３電極８１１と同じく２つに分離されていても良いし、分離されていなくても良い。第３電極８１１上には、第３電極８１１と同じく分離された第１ハードマスク膜８１２および第２ハードマスク膜８１３が残っている。第２ハードマスク膜８１３は、残っていなくても良い。
整流素子付４端子スイッチ８２２は第３電極８１１上にて、ビア８１９ａおよびビア８１９ｂと第３電極８１１とが第２バリアメタル８２０ａおよび第２バリアメタル８２０ｂを介して、電気的に接続されている。
整流素子付４端子スイッチ８２２は、整流層８０８ａを介して、第２電極８１０ａと第１配線８０５ａもしくは第１配線８０５ｂ間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層８０９ａへの第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂ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。この際、整流層８０８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
２端子スイッチ８２３は第２電極８１０ｂ上にて、ビア８１９ｃと第２電極８１０ｂとが第２バリアメタル８２０ｃを介して電気的に接続されている。整流層８０８ｂは、第２電極８１０ｂ上に残っていても良いし、２端子スイッチ８２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。２端子スイッチ８２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層８０９ｂへの第１配線８０５ｃ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。
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には第１実施形態などと同様に、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ＴＦＴ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には第１実施形態などと同様に、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、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は、層間絶縁膜８０２、８０４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３には、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８０３の当該配線溝に、第１バリアメタル８０６ａ、第１バリアメタル８０６ｂ、第１バリアメタル８０６ｃを介して、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃ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には第１実施形態などと同様に、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８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜８０４の当該配線溝に、第１バリアメタル８０６ａ、第１バリアメタル８０６ｂ、第１バリアメタル８０６ｃを介して、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃが埋め込まれている。
第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂは、層間絶縁膜８０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル８０６ａおよび第１バリアメタル８０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂは、整流素子付４端子スイッチ８２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層８０９ａと直接接している。イオン伝導層８０９ａの上面は、第２電極８１０ａに直接接している。第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂを構成する金属には、イオン伝導層８０９ａ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８０５ａおよび第１配線８０５ｂ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８０５ｃは、層間絶縁膜８０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル８０６ｃを介して埋め込まれた配線である。第１配線８０５ｃは、２端子スイッチ８２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層８０９ｂと直接接している。イオン伝導層８０９ｂの上面は、第２電極８１０ｂに直接接している。第１配線８０５ｃを構成する金属には、イオン伝導層８０９ｂ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８０５ｃ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バリアメタル８０６ａ、第１バリアメタル８０６ｂ、第１バリアメタル８０６ｃは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル８０６ａ、第１バリアメタル８０６ｂ、第１バリアメタル８０６ｃは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃ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。第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル８０６ａ、第１バリアメタル８０６ｂ、第１バリアメタル８０６ｃには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜８０７は、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを含む層間絶縁膜８０４上に形成される。これにより、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜８１５中への第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極８１１、整流層８０８ａ、整流層８０８ｂ、第２電極８１０ａ、第２電極８１０ｂ、イオン伝導層８０９ａ、イオン伝導層８０９ｂ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には第１実施形態などと同様に、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および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および第１ハードマスク膜８１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃ（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。
イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂはそれぞれ、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層とで、構成される。
イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、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、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層８０９ａは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ａおよび第１配線８０５ｂに挟まれた層間絶縁膜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８０９ｂは、第１配線８０５ｃ、バリア絶縁膜８０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜８０７上に形成されている。
第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂは、整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３の上部電極であり、イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂと直接接している。
第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属と密着性が良い。第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成し、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂ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８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃ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だと、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）によって進行するが、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成する金属が、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８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線８０５ａ、第１配線８０５ｂ、第１配線８０５ｃ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第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成する金属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、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂと接する第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂの、整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂは、双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコン膜を挟むことで窒化シリコン膜の一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極８１０ａや第３電極８１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極８１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極８１１は、ビア８１９ａ、ビア８１９ｂを第２電極８１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層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。第３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。
第３電極８１１は、整流素子を形成する整流素子付４端子スイッチ８２２上のみに存在し、整流素子付４端子スイッチ８２２上で２つの領域に分離される。この結果、整流素子付４端子スイッチ８２２上にて２つの整流素子が独立に配置される。
第１ハードマスク膜８１２は、第３電極８１１、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂ、整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂ、イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層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。第１ハードマスク膜８１２には第１実施形態などと同様に、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜８１２は、保護絶縁膜８１４、およびバリア絶縁膜８０７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜８１３は、第３電極８１１、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂ、整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂ、イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜８１３には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。
第２ハードマスク膜８１３の形状により、整流素子付４端子スイッチ８２２と２端子スイッチ８２３を作り分ける。整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３のバリア絶縁膜８０７上に、イオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層８０９ｂ、第２電極８１０ａおよび第２電極８１０ｂ、整流層８０８ａおよび整流層８０８ｂ、第３電極８１１、第１ハードマスク膜８１２、第２ハードマスク膜８１３を成膜する。その後、２回のパターニングとエッチングを経て形成した第２ハードマスク膜８１３の形状を整流素子付４端子スイッチ８２２部に転写する要領で、２つの整流素子を１回のエッチング工程で分離して第２電極８１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付４端子スイッチ８２２のための積層構造体を成膜し、２端子スイッチ８２３を形成したい素子部には整流素子付４端子スイッチ８２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより、２端子スイッチ８２３上の第２ハードマスク膜８１３を目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、２端子スイッチ８２３上の第３電極８１１を除去することができる。すなわち、整流素子付４端子スイッチ８２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。２端子スイッチ８２３の第２電極８１０ａ上には整流層８０８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜８１２および第２ハードマスク膜８１３は、２端子スイッチ８２３上には残っていない。
保護絶縁膜８１４は、整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層８０９ａおよびイオン伝導層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、第１ハードマスク膜８１２およびバリア絶縁膜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および第１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、整流素子付４端子スイッチ８２２および２端子スイッチ８２３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８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃを介して、ビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６は、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は、層間絶縁膜８１５、８１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６には、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜８１６の当該配線溝に、第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃを介して、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃ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８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜８１７の当該配線溝に、第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃを介して第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃが埋め込まれている。
第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃは、層間絶縁膜８１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜８１６に形成された配線溝に、第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃを介して埋め込まれた配線である。第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃは、ビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃと一体になっている。
ビア８１９ａおよびビア８１９ｂは、層間絶縁膜８１５、および保護絶縁膜８１４、第１ハードマスク膜８１２および第２ハードマスク膜８１３に形成された下穴に、第２バリアメタル８２０ａおよび第２バリアメタル８２０ｂを介して埋め込まれている。ビア８１９ｃは、層間絶縁膜８１５、および保護絶縁膜８１４に形成された下穴に、第２バリアメタル８２０ｃを介して埋め込まれている。
ビア８１９ａおよびビア８１９ｂは、第２バリアメタル８２０ａおよび第２バリアメタル８２０ｂを介して第３電極８１１と電気的に接続されている。ビア８１９ｃは、第２バリアメタル８２０ｃを介して第２電極８１０ｂと電気的に接続されている。第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃおよびビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃは、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃ、およびビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃ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２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃは、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃ（ビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃ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配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃ、およびビア８１９ａ、ビア８１９ｂ、ビア８１９ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル８２０ａ、第２バリアメタル８２０ｂ、第２バリアメタル８２０ｃには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜８２１は、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃを含む層間絶縁膜８１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜８２１は、第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線８１８ａ、第２配線８１８ｂ、第２配線８１８ｃを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。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、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ８２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ８２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ８２２と２端子スイッチ８２３を形成することができる。
本実施形態によれば、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ８２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ８２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付４端子スイッチ８２２と２端子スイッチ８２３を形成することができる。
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付２端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１２は、第４実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ａ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付２端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
次に、第４実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付２端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１２は、第４実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ａ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付２端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１２の半導体装置は、半導体基板９０１上の多層配線層の内部に、整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３を有する。
図１２の半導体装置は、半導体基板９０１上の多層配線層の内部に、整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３を有する。
多層配線層は、半導体基板９０１上にて、層間絶縁膜９０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９０３、層間絶縁膜９０４、バリア絶縁膜９０７、保護絶縁膜９１４、層間絶縁膜９１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９１６、層間絶縁膜９１７、およびバリア絶縁膜９２１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９０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜９０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂを介して、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜９１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜９１６に形成された配線溝に、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜９１５、保護絶縁膜９１４、および第１ハードマスク膜９１２に形成された下穴に、ビア９１９ａ、ビア９１９ｂが埋め込まれている。第２配線９１８ａとビア９１９ａ、第２配線９１８ｂとビア９１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線９１８ａとビア９１９ａ、第２配線９１８ｂとビア９１９ｂの側面乃至底面が第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂによって覆われている。
バリア絶縁膜９０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線９０５ａ、バリア絶縁膜９０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜９０７上に、イオン伝導層９０９ａ、第２電極９１０ａ、整流層９０８ａ、および第３電極９１１が順に積層されて、整流素子付２端子スイッチ９２２が形成されている。さらに、第３電極９１１上に第１ハードマスク膜９１２および第２ハードマスク膜９１３が形成されている。さらに、イオン伝導層９０９ａ、第２電極９１０ａ、整流層９０８ａ、第３電極９１１、第１ハードマスク膜９１２および第２ハードマスク膜９１３の積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜９１４で覆われている。
多層配線層は、バリア絶縁膜９０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃ、第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃに挟まれた層間絶縁膜９０４、バリア絶縁膜９０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜９０７上に、イオン伝導層９０９ｂ、第２電極９１０ｂ、整流層９０８ｂの順に積層した３端子スイッチ９２３が形成されており、イオン伝導層９０９ｂ、第２電極９１０ｂの積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜９１４で覆われている。
第１配線９０５ａの一部を、整流素子付２端子スイッチ９２２の下部電極とし、第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃの一部を、３端子スイッチ９２３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３ＰＲのマスクセットを作成するだけで、整流素子付２端子スイッチ９２２と３端子スイッチ９２３を同じ配線層内に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。
整流素子付２端子スイッチ９２２は、バリア絶縁膜９０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層９０９ａと第１配線９０５ａとが直接接している。そして、イオン伝導層９０９ａの一部を構成する金属が、第１配線９０５ａに拡散して、合金層を形成している。
３端子スイッチ９２３は、バリア絶縁膜９０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層９０９ｂと第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃが直接接している。そして、イオン伝導層９０９ｂの一部を構成する金属が、第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付２端子スイッチ９２２は、第２電極９１０ａ上に整流層９０８ａを有し、整流層９０８ａは上面で第３電極９１１に接している。第３電極９１１上には、第１ハードマスク膜９１２および第２ハードマスク膜９１３が残っている。第２ハードマスク膜９１３は、残っていなくても良い。
整流素子付２端子スイッチ９２２は第３電極９１１上にて、ビア９１９ａと第３電極９１１とが第２バリアメタル９２０ａを介して、電気的に接続されている。
整流素子付２端子スイッチ９２２は、整流層９０８ａを介して、第２電極９１０ａと第１配線９０５ａとの間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層９０９ａへの第１配線９０５ａ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。この際、整流層９０８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
３端子スイッチ９２３は第２電極９１０ｂ上にて、ビア９１９ｂと第２電極９１０ｂとが第２バリアメタル９２０ｂを介して電気的に接続されている。第２電極９１０ｂ上には整流層９０８ｂが残っていても良いし、３端子スイッチ９２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。３端子スイッチ９２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層９０９ｂへの第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃ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。
半導体基板９０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板９０１には第１実施形態などと同様に、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ＴＦＴ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９０２は、半導体基板９０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜９０２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９０２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９０３は、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９０３は、層間絶縁膜９０２、９０４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９０３には、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９０３の当該配線溝に、第１バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂ、第１バリアメタル９０６ｃを介して、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃが埋め込まれている。
層間絶縁膜９０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜９０４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９０４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９０４には、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜９０４の当該配線溝に、第１バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂ、第１バリアメタル９０６ｃを介して、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃが埋め込まれている。
第１配線９０５ａは、層間絶縁膜９０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜９０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル９０６ａを介して埋め込まれた配線である。第１配線９０５ａは、整流素子付２端子スイッチ９２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層９０９ａと直接接している。イオン伝導層９０９ａの上面は、第２電極９１０ａに直接接している。第１配線９０５ａおよび第１配線９０５ｂを構成する金属には、イオン伝導層９０９ａ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９０５ａおよび第１配線９０５ｂ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９０５ｂおよび第１配線９０５ｃは、層間絶縁膜９０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜９０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル９０６ｂおよび第１バリアメタル９０６ｃを介して埋め込まれた配線である。第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃは、３端子スイッチ９２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層９０９ｂと直接接している。イオン伝導層９０９ｂの上面は、第２電極９１０ｂに直接接している。第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃを構成する金属には、イオン伝導層９０９ｂ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９０５ｂおよび第１配線９０５ｃ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バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂ、第１バリアメタル９０６ｃは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂ、第１バリアメタル９０６ｃは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属が層間絶縁膜９０４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。第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル９０６ａ、第１バリアメタル９０６ｂ、第１バリアメタル９０６ｃには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜９０７は、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを含む層間絶縁膜９０４上に形成される。これにより、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜９１５中への第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極９１１、整流層９０８ａ、整流層９０８ｂ、第２電極９１０ａ、第２電極９１０ｂ、イオン伝導層９０９ａ、イオン伝導層９０９ｂ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９０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および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９０７は、保護絶縁膜９１４および第１ハードマスク膜９１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃ（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。
イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂはそれぞれ、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層とで、構成される。
イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、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、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層９０９ａは、第１配線９０５ａ、バリア絶縁膜９０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜９０７上に形成されている。
イオン伝導層９０９ｂは、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃ、第１配線９０５ｂおよび第１配線９０５ｃに挟まれた層間絶縁膜９０４、バリア絶縁膜９０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜９０７上に形成されている。
第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂは、整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３の上部電極であり、イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂと直接接している。
第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属と密着性が良い。第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成し、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂ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９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃ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だと、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）によって進行するが、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成する金属が、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９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線９０５ａ、第１配線９０５ｂ、第１配線９０５ｃ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第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成する金属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、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂと接する第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂの、整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂは双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコン膜を挟むことで窒化シリコン膜の一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極９１０ａや第３電極９１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極９１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極９１０ａと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極９１１は、ビア９１９ａを第２電極９１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜９１５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。第３電極９１１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。
第３電極９１１は、整流素子を形成する整流素子付２端子スイッチ９２２上のみに存在し、３端子スイッチ９２３には存在しない。
第１ハードマスク膜９１２は、第３電極９１１、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂ、整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂ、イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂ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。第１ハードマスク膜９１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜９１２は、保護絶縁膜９１４、およびバリア絶縁膜９０７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜９１３は、第３電極９１１、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂ、整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂ、イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜９１３には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。
第２ハードマスク膜９１３の形状により、整流素子付２端子スイッチ９２２と３端子スイッチ９２３を作り分ける。整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３のバリア絶縁膜９０７上に、イオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂ、第２電極９１０ａおよび第２電極９１０ｂ、整流層９０８ａおよび整流層９０８ｂ、第３電極９１１、第１ハードマスク膜９１２、第２ハードマスク膜９１３を成膜する。その後、２回のパターニングとエッチングを経て形成した第２ハードマスク膜９１３の形状を整流素子付２端子スイッチ９２２部に転写する要領で、第２電極９１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付２端子スイッチ９２２のための積層構造体を成膜し、３端子スイッチ９２３を形成したい素子部には整流素子付２端子スイッチ９２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより、３端子スイッチ９２３上の第２ハードマスク膜９１３を目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、３端子スイッチ９２３上の第３電極９１１を除去することができる。すなわち、整流素子付２端子スイッチ９２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。３端子スイッチ９２３の第２電極９１０ａ上には整流層９０８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜９１２および第２ハードマスク膜９１３は、３端子スイッチ９２３上には残っていない。
保護絶縁膜９１４は、整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層９０９ａおよびイオン伝導層９０９ｂ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９１４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９１４は、第１ハードマスク膜９１２およびバリア絶縁膜９０７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９１４とバリア絶縁膜９０７および第１ハードマスク膜９１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、整流素子付２端子スイッチ９２２および３端子スイッチ９２３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜９１５は、保護絶縁膜９１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜９１５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９１５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９１５は、層間絶縁膜９１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜９１５には、ビア９１９ａ、ビア１１９ｂを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂを介してビア９１９ａ、ビア９１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９１６は、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９１６は、層間絶縁膜９１５、９１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９１６には、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９１６の当該配線溝に、第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂを介して第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜９１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜９１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜９１７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９１７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９１７は、層間絶縁膜９１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜９１７には、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜９１７の当該配線溝に、第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂを介して第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂが埋め込まれている。
第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂは、層間絶縁膜９１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜９１６に形成された配線溝に第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂは、ビア９１９ａ、ビア９１９ｂと一体になっている。
ビア９１９ａは、層間絶縁膜９１５、および保護絶縁膜９１４、第１ハードマスク膜９１２および第２ハードマスク膜９１３に形成された下穴に第２バリアメタル９２０ａを介して埋め込まれている。ビア９１９ｂは、層間絶縁膜９１５、および保護絶縁膜９１４に形成された下穴に、第２バリアメタル９２０ｂを介して埋め込まれている。
ビア９１９ａは、第２バリアメタル９２０ａを介して第３電極９１１と電気的に接続されている。ビア９１９ｂは、第２バリアメタル９２０ｂを介して第２電極９１０ｂと電気的に接続されている。第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂおよびビア９１９ａ、ビア９１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂは、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂ、ビア９１９ａ、ビア９１９ｂ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２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂは、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂ（ビア９１９ａ、ビア９１９ｂを含む）を形成する金属が、層間絶縁膜９１５、９１７や下層へ拡散することを防止する。
例えば、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂ、ビア９１９ａ、ビア９１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル９２０ａ、第２バリアメタル９２０ｂには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜９２１は、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂを含む層間絶縁膜９１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜９２１は、第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線９１８ａ、第２配線９１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜９２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ９２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ９２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ９２２と３端子スイッチ９２３を形成することができる。
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ９２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ９２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、２つの整流素子を有する整流素子付２端子スイッチ９２２と３端子スイッチ９２３を形成することができる。
〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１３は、第５実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ｂ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
次に、第５実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１３は、第５実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ｂ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付３端子スイッチおよび３端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１３の半導体装置は、半導体基板１００１上の多層配線層の内部に、整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３を有する。
図１３の半導体装置は、半導体基板１００１上の多層配線層の内部に、整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３を有する。
多層配線層は、半導体基板１００１上にて、層間絶縁膜１００２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１００３、層間絶縁膜１００４、バリア絶縁膜１００７、保護絶縁膜１０１４、層間絶縁膜１０１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６、層間絶縁膜１０１７、およびバリア絶縁膜１０２１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１００４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１００３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂを介して、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂが埋め込まれている。さらに多層配線層は、層間絶縁膜１００４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１００３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄを介して、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜１０１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６に形成された配線溝に、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜１０１５、保護絶縁膜１０１４、および第１ハードマスク膜１０１２に形成された下穴に、ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂが埋め込まれている。第２配線１０１８ａとビア１０１９ａ、第２配線１０１８ｂとビア１０１９ｂが一体となっている。さらに、第２配線１０１８ａとビア１０１９ａ、第２配線１０１８ｂとビア１０１９ｂの側面乃至底面が第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂによって覆われている。
バリア絶縁膜１００７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂに挟まれた層間絶縁膜１００４、バリア絶縁膜１００７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜１００７上に、イオン伝導層１００９ａ、第２電極１０１０ａ、整流層１００８ａ、および第３電極１０１１が順に積層されて、整流素子付３端子スイッチ１０２２が形成されている。さらに、第３電極１０１１上に第１ハードマスク膜１０１２および第２ハードマスク膜１０１３が形成されている。さらに、イオン伝導層１００９ａ、第２電極１０１０ａ、整流層１００８ａ、第３電極１０１１、第１ハードマスク膜１０１２および第２ハードマスク膜１０１３の積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜１０１４で覆われている。
多層配線層は、バリア絶縁膜１００７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄ、第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄに挟まれた層間絶縁膜１００４、バリア絶縁膜１００７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜１００７上に、イオン伝導層１００９ｂ、第２電極１０１０ｂ、整流層１００８ｂの順に積層した３端子スイッチ１０２３が形成されており、イオン伝導層１００９ｂ、第２電極１０１０ｂの積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜１０１４で覆われている。
第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂの一部を、整流素子付３端子スイッチ１０２２の下部電極とし、第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄの一部を、３端子スイッチ１０２３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３ＰＲのマスクセットを作成するだけで、整流素子付３端子スイッチ１０２２と３端子スイッチ１０２３を同じ配線層内に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。
整流素子付３端子スイッチ１０２２は、バリア絶縁膜１００７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１００９ａと第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂとが直接接している。そして、イオン伝導層１００９ａの一部を構成する金属が、第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂに拡散して、合金層を形成している。
３端子スイッチ１０２３は、バリア絶縁膜１００７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１００９ｂと第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄが直接接している。そして、イオン伝導層１００９ｂの一部を構成する金属が、第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付３端子スイッチ１０２２は、第２電極１０１０ａ上に整流層１００８ａを有し、整流層１００８ａは上面で第３電極１０１１に接している。第３電極１０１１上には、第１ハードマスク膜１０１２および第２ハードマスク膜１０１３が残っている。第２ハードマスク膜１０１３は、残っていなくても良い。
整流素子付３端子スイッチ１０２２は第３電極１０１１上にて、ビア１０１９ａと第３電極１０１１とが第２バリアメタル１０２０ａを介して、電気的に接続されている。
整流素子付３端子スイッチ１０２２は、整流層１００８ａを介して、第２電極１０１０ａと第１配線１００５ａもしくは第１配線１００５ｂ間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１００９ａへの第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂ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。この際、整流層１００８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
３端子スイッチ１０２３は第２電極１０１０ｂ上にて、ビア１０１９ｂと第２電極１０１０ｂとが第２バリアメタル１０２０ｂを介して電気的に接続されている。第２電極１０１０ｂ上には整流層１００８ｂが残っていても良いし、３端子スイッチ１０２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。３端子スイッチ１０２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１００９ｂへの第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄ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。
半導体基板１００１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１００１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ＴＦＴ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１００２は、半導体基板１００１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１００２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１００２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１００３は、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１００３は、層間絶縁膜１００２、１００４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１００３には、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１００３の当該配線溝に、第１バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂ、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄを介して、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄが埋め込まれている。
層間絶縁膜１００４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１００３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１００４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１００４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１００４には、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１００４の当該配線溝に、第１バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂ、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄを介して、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄが埋め込まれている。
第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂは、層間絶縁膜１００４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１００３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１００６ａおよび第１バリアメタル１００６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂは、整流素子付３端子スイッチ１０２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１００９ａと直接接している。イオン伝導層１００９ａの上面は、第２電極１０１０ａに直接接している。第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂを構成する金属には、イオン伝導層１００９ａ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１００５ａおよび第１配線１００５ｂ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１００５ｃおよび第１配線１００５ｄは、層間絶縁膜１００４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１００３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１００６ｃおよび第１バリアメタル１００６ｄを介して埋め込まれた配線である。第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄは、３端子スイッチ１０２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１００９ｂと直接接している。イオン伝導層１００９ｂの上面は、第２電極１０１０ｂに直接接している。第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄを構成する金属には、イオン伝導層１００９ｂ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１００５ｃおよび第１配線１００５ｄ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バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂ、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂ、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属が層間絶縁膜１００４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。第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル１００６ａ、第１バリアメタル１００６ｂ、第１バリアメタル１００６ｃ、第１バリアメタル１００６ｄには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１００７は、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを含む層間絶縁膜１００４上に形成される。これにより、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜１０１５中への第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極１０１１、整流層１００８ａ、整流層１００８ｂ、第２電極１０１０ａ、第２電極１０１０ｂ、イオン伝導層１００９ａ、イオン伝導層１００９ｂ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１００７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および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１００７は、保護絶縁膜１０１４および第１ハードマスク膜１０１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄ（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。
イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂはそれぞれ、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層とで、構成される。
イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、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、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層１００９ａは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ａおよび第１配線１００５ｂに挟まれた層間絶縁膜１００４、バリア絶縁膜１００７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１００７上に形成されている。
イオン伝導層１００９ｂは、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄ、第１配線１００５ｃおよび第１配線１００５ｄに挟まれた層間絶縁膜１００４、バリア絶縁膜１００７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１００７上に形成されている。
第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂは、整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３の上部電極であり、イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂと直接接している。
第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属と密着性が良い。第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成し、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂ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１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄ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だと、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）によって進行するが、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成する金属が、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１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線１００５ａ、第１配線１００５ｂ、第１配線１００５ｃ、第１配線１００５ｄ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第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成する金属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、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂと接する第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂの、整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂは双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコン膜を挟むことで窒化シリコン膜の一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極１０１０ａや第３電極１０１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極１０１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極１０１０ａと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極１０１１は、ビア１０１９ａを第２電極１０１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜１０１５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。第３電極１０１１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。
第３電極１０１１は、整流素子を形成する整流素子付３端子スイッチ１０２２上のみに存在し、３端子スイッチ１０２３には存在しない。
第１ハードマスク膜１０１２は、第３電極１０１１、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂ、整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂ、イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂ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。第１ハードマスク膜１０１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜１０１２は、保護絶縁膜１０１４、およびバリア絶縁膜１００７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜１０１３は、第３電極１０１１、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂ、整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂ、イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜１０１３には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。
第２ハードマスク膜１０１３の形状により、整流素子付３端子スイッチ１０２２と３端子スイッチ１０２３を作り分ける。整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３のバリア絶縁膜１００７上に、イオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂ、第２電極１０１０ａおよび第２電極１０１０ｂ、整流層１００８ａおよび整流層１００８ｂ、第３電極１０１１、第１ハードマスク膜１０１２、第２ハードマスク膜１０１３を成膜する。その後、２回のパターニングとエッチングを経て形成した第２ハードマスク膜１０１３の形状を整流素子付３端子スイッチ１０２２部に転写する要領で、１つの整流素子を第２電極１０１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付３端子スイッチ１０２２のための積層構造体を成膜し、３端子スイッチ１０２３を形成したい素子部には整流素子付３端子スイッチ１０２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより、３端子スイッチ１０２３上の第２ハードマスク膜１０１３を目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、３端子スイッチ１０２３上の第３電極１０１１を除去することができる。すなわち、整流素子付３端子スイッチ１０２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。３端子スイッチ１０２３の第２電極１０１０ａ上には整流層１００８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜１０１２および第２ハードマスク膜１０１３は、３端子スイッチ１０２３上には残っていない。
保護絶縁膜１０１４は、整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層１００９ａおよびイオン伝導層１００９ｂ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１０１４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１０１４は、第１ハードマスク膜１０１２およびバリア絶縁膜１００７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１０１４とバリア絶縁膜１００７および第１ハードマスク膜１０１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、整流素子付３端子スイッチ１０２２および３端子スイッチ１０２３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜１０１５は、保護絶縁膜１０１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０１５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１０１５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１０１５は、層間絶縁膜１０１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１０１５には、ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂを介してビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６は、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１０１６は、層間絶縁膜１０１５、１０１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６には、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６の当該配線溝に、第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂを介して第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜１０１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１０１７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１０１７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１０１７は、層間絶縁膜１０１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１０１７には、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１０１７の当該配線溝に、第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂを介して第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂが埋め込まれている。
第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂは、層間絶縁膜１０１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１０１６に形成された配線溝に第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂは、ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂと一体になっている。
ビア１０１９ａは、層間絶縁膜１０１５、および保護絶縁膜１０１４、第１ハードマスク膜１０１２および第２ハードマスク膜１０１３に形成された下穴に第２バリアメタル１０２０ａを介して埋め込まれている。ビア１０１９ｂは、層間絶縁膜１０１５、および保護絶縁膜１０１４に形成された下穴に、第２バリアメタル１０２０ｂを介して埋め込まれている。
ビア１０１９ａは、第２バリアメタル１０２０ａを介して第３電極１０１１と電気的に接続されている。ビア１０１９ｂは、第２バリアメタル１０２０ｂを介して第２電極１０１０ｂと電気的に接続されている。第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂおよびビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂは、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂ、ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂ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２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂは、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂ（ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂを含む）を形成する金属が、層間絶縁膜１０１５、１０１７や下層へ拡散することを防止する。
例えば、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂ、ビア１０１９ａ、ビア１０１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル１０２０ａ、第２バリアメタル１０２０ｂには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１０２１は、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂを含む層間絶縁膜１０１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜１０２１は、第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線１０１８ａ、第２配線１０１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜１０２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１０２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ１０２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１０２２と３端子スイッチ１０２３を形成することができる。
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１０２２と、整流素子を搭載しない３端子スイッチ１０２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１０２２と３端子スイッチ１０２３を形成することができる。
〔第６実施形態〕
次に、第６実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付３端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１４は、第６実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ｃ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付３端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
次に、第６実施形態による半導体装置、およびその製造方法について、説明する。本実施形態は、多層配線層内部に「整流素子付３端子スイッチおよび２端子スイッチ」を形成した半導体装置である。図１４は、第６実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。本実施形態は、図１６（ｃ）に等価回路図を示す、多層配線層内部に整流素子付３端子スイッチおよび２端子スイッチを含む半導体装置である。
（構成）
図１４の半導体装置は、半導体基板１１０１上の多層配線層の内部に、整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３を有する。
図１４の半導体装置は、半導体基板１１０１上の多層配線層の内部に、整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３を有する。
多層配線層は、半導体基板１１０１上にて、層間絶縁膜１１０２、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３、層間絶縁膜１１０４、バリア絶縁膜１１０７、保護絶縁膜１１１４、層間絶縁膜１１１５、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６、層間絶縁膜１１１７、およびバリア絶縁膜１１２１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１１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂを介して、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂが埋め込まれている。さらに多層配線層は、層間絶縁膜１１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１１０６ｃを介して、第１配線１１０５ｃが埋め込まれている。
さらに多層配線層は、層間絶縁膜１１１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６に形成された配線溝に、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜１１１５、保護絶縁膜１１１４、および第１ハードマスク膜１１１２に形成された下穴に、ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂが埋め込まれている。第２配線１１１８ａとビア１１１９ａ、第２配線１１１８ｂとビア１１１９ｂ、が一体となっている。さらに、第２配線１１１８ａとビア１１１９ａ、第２配線１１１８ｂとビア１１１９ｂの側面乃至底面が第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂによって覆われている。
バリア絶縁膜１１０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂに挟まれた層間絶縁膜１１０４、バリア絶縁膜１１０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜１１０７上に、イオン伝導層１１０９ａ、第２電極１１１０ａ、整流層１１０８ａ、および第３電極１１１１が順に積層されて、整流素子付３端子スイッチ１１２２が形成されている。さらに、第３電極１１１１上に第１ハードマスク膜１１１２および第２ハードマスク膜１１１３が形成されている。さらに、イオン伝導層１１０９ａ、第２電極１１１０ａ、整流層１１０８ａ、第３電極１１１１、第１ハードマスク膜１１１２および第２ハードマスク膜１１１３の積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜１１１４で覆われている。
多層配線層は、バリア絶縁膜１１０７に形成された開口部にて、第１電極となる第１配線１１０５ｃ、バリア絶縁膜１１０７の開口部の壁面、乃至バリア絶縁膜１１０７上に、イオン伝導層１１０９ｂ、第２電極１１１０ｂ、整流層１１０８ｂの順に積層した２端子スイッチ１１２３が形成されており、イオン伝導層１１０９ｂ、第２電極１１１０ｂの積層体の上面乃至側面が、保護絶縁膜１１１４で覆われている。
第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂの一部を、整流素子付３端子スイッチ１１２２の下部電極とし、第１配線１１０５ｃの一部を、２端子スイッチ１１２３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３ＰＲのマスクセットを作成するだけで、整流素子付３端子スイッチ１１２２と２端子スイッチ１１２３を同じ配線層内に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。
整流素子付３端子スイッチ１１２２は、バリア絶縁膜１１０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１１０９ａと第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂとが直接接している。そして、イオン伝導層１１０９ａの一部を構成する金属が、第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂに拡散して、合金層を形成している。
２端子スイッチ１１２３は、バリア絶縁膜１１０７に形成された開口部の領域にて、イオン伝導層１１０９ｂと第１配線１１０５ｃが直接接している。そして、イオン伝導層１１０９ｂの一部を構成する金属が、第１配線１１０５ｃに拡散して、合金層を形成している。
整流素子付３端子スイッチ１１２２は、第２電極１１１０ａ上に整流層１１０８ａを有し、整流層１１０８ａは上面で第３電極１１１１に接している。第３電極１１１１上には、第１ハードマスク膜１１１２および第２ハードマスク膜１１１３が残っている。第２ハードマスク膜１１１３は、残っていなくても良い。
整流素子付３端子スイッチ１１２２は第３電極１１１１上にて、ビア１１１９ａと第３電極１１１１とが第２バリアメタル１１２０ａを介して、電気的に接続されている。
整流素子付３端子スイッチ１１２２は、整流層１１０８ａを介して、第２電極１１１０ａと第１配線１１０５ａもしくは第１配線１１０５ｂ間に電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１１０９ａへの第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂ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。この際、整流層１１０８ａにおける電流によってオン抵抗が決まる。
２端子スイッチ１１２３は第２電極１１１０ｂ上にて、ビア１１１９ｂと第２電極１１１０ｂとが第２バリアメタル１１２０ｂを介して電気的に接続されている。第２電極１１１０ｂ上には整流層１１０８ｂが残っていても良いし、２端子スイッチ１１２３の製造工程のエッチング時に除去されても良い。２端子スイッチ１１２３は、電圧の印加、あるいは電流を流すことで、オン／オフの制御を行い、例えば、イオン伝導層１１０９ｂへの第１配線１１０５ｃ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。
半導体基板１１０１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１１０１には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ＴＦＴ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１１０２は、半導体基板１１０１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１０２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１１０２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１１０３は、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１１０３は、層間絶縁膜１１０２、１１０４間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３には、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３の当該配線溝に、第１バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂ、第１バリアメタル１１０６ｃを介して、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃが埋め込まれている。
層間絶縁膜１１０４は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１０４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１１０４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１１０４には、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１１０４の当該配線溝に、第１バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂ、第１バリアメタル１１０６ｃを介して、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃが埋め込まれている。
第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂは、層間絶縁膜１１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１１０６ａおよび第１バリアメタル１１０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂは、整流素子付３端子スイッチ１１２２の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１１０９ａと直接接している。イオン伝導層１１０９ａの上面は、第２電極１１１０ａに直接接している。第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂを構成する金属には、イオン伝導層１１０９ａ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１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂ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１１０５ｃは、層間絶縁膜１１０４およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１０３に形成された配線溝に、第１バリアメタル１１０６ｃを介して埋め込まれた配線である。第１配線１１０５ｃは、２端子スイッチ１１２３の下部電極を兼ねており、イオン伝導層１１０９ｂと直接接している。イオン伝導層１１０９ｂの上面は、第２電極１１１０ｂに直接接している。第１配線１１０５ｃを構成する金属には、イオン伝導層１１０９ｂ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１１０５ｃ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バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂ、第１バリアメタル１１０６ｃは、バリア性を有する導電性膜である。第１バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂ、第１バリアメタル１１０６ｃは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属が層間絶縁膜１１０４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。第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃが銅を主成分とする金属元素からなる場合、第１バリアメタル１１０６ａ、第１バリアメタル１１０６ｂ、第１バリアメタル１１０６ｃには、例えばタンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１１０７は、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを含む層間絶縁膜１１０４上に形成される。これにより、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、層間絶縁膜１１１５中への第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属の拡散を防いだり、第３電極１１１１、整流層１１０８ａ、整流層１１０８ｂ、第２電極１１１０ａ、第２電極１１１０ｂ、イオン伝導層１１０９ａ、イオン伝導層１１０９ｂ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１１０７には、例えば、ＳｉＣ膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および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１１０７は、保護絶縁膜１１１４および第１ハードマスク膜１１１２と同一材料であることが好ましい。
イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂは、抵抗が変化する膜である。第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃ（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。
イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂはそれぞれ、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃに接する金属酸化物のイオン伝導層と、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂに接するポリマーのイオン伝導層とで、構成される。
イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂのうち、ポリマーのイオン伝導層は、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、ヘリウムの供給は原料気化器経由で５００ｓｃｃｍ供給する。
イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂのうち、金属酸化物のイオン伝導層は、複数の役割がある。一つは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属が、ポリマーのイオン伝導層を堆積している間の加熱やプラズマでポリマーのイオン伝導層中に拡散することを防止する役割である。他の一つは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃが酸化され、ポリマーのイオン伝導層への拡散が促進されやすくなることを防止する役割である。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンは、金属酸化物のイオン伝導層を構成する金属の成膜後にポリマーのイオン伝導層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、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１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂの一部となる。金属酸化物のイオン伝導層を形成する金属膜の最適膜厚は、０．５〜１ｎｍである。金属酸化物のイオン伝導層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。金属酸化物のイオン伝導層の形成に使用する金属膜の成膜は、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またはイオンは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃに突入、拡散し、合金層を形成する。
イオン伝導層１１０９ａは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ａおよび第１配線１１０５ｂに挟まれた層間絶縁膜１１０４、バリア絶縁膜１１０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１１０７上に形成されている。
イオン伝導層１１０９ｂは、第１配線１１０５ｃ、バリア絶縁膜１１０７の開口部に形成されているテーパ面、乃至バリア絶縁膜１１０７上に形成されている。
第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂは、整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３の上部電極であり、イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂと直接接している。
第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂには、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどを含有したルテニウム合金を使用する。ルテニウムは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属よりもイオン化しにくく、イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属である。ルテニウム合金に添加される、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属と密着性が良い。第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成し、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金属を選択することが望ましい。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負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいため、反応性が高い。このため、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂ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１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃ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だと、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）によって進行するが、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成する金属が、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１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃを形成する金属よりも大きくなった場合、第１配線１１０５ａ、第１配線１１０５ｂ、第１配線１１０５ｃ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第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成する金属の酸化反応が進行するため、「オフ」状態に遷移できなくなる。
このため、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成する金属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、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成する金属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。このため、ルテニウムに添加する金属は銅およ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、特に第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂを構成する金属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。
ルテニウム合金の形成には、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。コスパッタ法およ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。
第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂは、２層構造であることが望ましい。イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂと接する第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂがルテニウム合金だとすると、整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂに接する側は整流素子の下部電極となる。金属種は酸化しにくく、加工しやすく、かつ、組成によって仕事関数の調整が可能な金属窒化物、例えば窒化チタンや窒化タンタルを用いることができる。
第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂの、整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂとの界面における酸化を抑制できるのであれば、チタンやタンタルを用いても良い。窒化チタン、窒化タンタル、チタン、タンタルはルテニウム合金の上層にスパッタリング法により真空一貫で成膜する。窒化する場合はチャンバー内に窒素を導入し、リアクティブスパッタリング法により窒化物を成膜する。
整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂは双極性の整流効果を有する層であり、印加電圧に対して電流が非線形的に増加する特徴を有する。プール・フレンケル型の絶縁膜や、ショットキー型の絶縁膜、スレッショルドスイッチング型の揮発性抵抗変化膜、などを用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコン、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ニオブ、窒化シリコン、炭窒化シリコン、酸化シリコン、非晶質シリコンのいずれかを含む膜を用いることができる。特に非晶質シリコン、窒化シリコン、非晶質シリコンの順で積層とすることで、優れた非線形性が生じる。非晶質シリコンで窒化シリコン膜を挟むことで窒化シリコン膜の一部の組成を化学量論比から窒素欠乏の状態とし、第２電極１１１０ａや第３電極１１１１とのバリアハイトの差を少なくすることで、高電圧印加時に窒化シリコンにトンネル電流が流れやすくすることができる。この結果、非線形的な電流変化が生ずる。
第３電極１１１１は整流素子の上部電極となる金属で、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。整流素子の電流電圧特性を正・負、両極において対称とするために、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂと同じ材料を用いることが望ましい。また、第３電極１１１１は、ビア１１１９ａを第２電極１１１０ａ上に電気的に接続する場合に、エッチングストップ層としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜１１１５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。第３電極１１１１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。
第３電極１１１１は、整流素子を形成する整流素子付３端子スイッチ１１２２上のみに存在し、２端子スイッチ１１２３には存在しない。
第１ハードマスク膜１１１２は、第３電極１１１１、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂ、整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂ、イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂ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。第１ハードマスク膜１１１２には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。第１ハードマスク膜１１１２は、保護絶縁膜１１１４、およびバリア絶縁膜１１０７と同一材料を含むことが好ましい。
第２ハードマスク膜１１１３は、第３電極１１１１、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂ、整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂ、イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂをエッチングする際のハードマスク膜となる膜である。第２ハードマスク膜１１１３には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、それらの積層を用いることができる。
第２ハードマスク膜１１１３の形状により、整流素子付３端子スイッチ１１２２と２端子スイッチ１１２３を作り分ける。整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３のバリア絶縁膜１１０７上に、イオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂ、第２電極１１１０ａおよび第２電極１１１０ｂ、整流層１１０８ａおよび整流層１１０８ｂ、第３電極１１１１、第１ハードマスク膜１１１２、第２ハードマスク膜１１１３を成膜する。その後、２回のパターニングとエッチングを経て形成した第２ハードマスク膜１１１３の形状を整流素子付３端子スイッチ１１２２部に転写する要領で、１つの整流素子を第２電極１１１０ａ上に形成している。
すなわち、ウェハ全面に一度、整流素子付３端子スイッチ１１２２のための積層構造体を成膜し、２端子スイッチ１１２３を形成したい素子部には整流素子付３端子スイッチ１１２２における整流素子部を形成するパターニングを行わない（レジストを残さない）ようにする。これにより、２端子スイッチ１１２３上の第２ハードマスク膜１１１３を目減りさせる。その後、エッチングを行うことで、２端子スイッチ１１２３上の第３電極１１１１を除去することができる。すなわち、整流素子付３端子スイッチ１１２２上の整流素子が形成されていない箇所と同じ状態となる。２端子スイッチ１１２３の第２電極１１１０ａ上には整流層１１０８ｂが残っていても良いし、残っていなくても良い。また、第１ハードマスク膜１１１２および第２ハードマスク膜１１１３は、２端子スイッチ１１２３上には残っていない。
保護絶縁膜１１１４は、整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３にダメージを与えることなく、さらにイオン伝導層１１０９ａおよびイオン伝導層１１０９ｂ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１１１４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１１１４は、第１ハードマスク膜１１１２およびバリア絶縁膜１１０７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１１１４とバリア絶縁膜１１０７および第１ハードマスク膜１１１２とが一体化して、界面の密着性が向上し、整流素子付３端子スイッチ１１２２および２端子スイッチ１１２３をより保護することができるようになる。
層間絶縁膜１１１５は、保護絶縁膜１１１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１１５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１１１５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１１１５は、層間絶縁膜１１１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１１１５には、ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂを埋め込むための下穴が形成され、当該下穴に第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂを介してビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂが埋め込まれている。
Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６は、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１１１６は、層間絶縁膜１１１５、１１１７間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６には、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６の当該配線溝に、第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂを介して第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂが埋め込まれている。
層間絶縁膜１１１７は、Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１１１７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１１１７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１１１７は、層間絶縁膜１１１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１１１７には、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。層間絶縁膜１１１７の当該配線溝に、第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂを介して第２配線１１８ａ、第２配線１１８ｂが埋め込まれている。
第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂは、層間絶縁膜１１１７およびＬｏｗ−ｋ絶縁膜１１１６に形成された配線溝に第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂは、ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂと一体になっている。
ビア１１１９ａは、層間絶縁膜１１１５、および保護絶縁膜１１１４、第１ハードマスク膜１１１２および第２ハードマスク膜１１１３に形成された下穴に第２バリアメタル１１２０ａを介して埋め込まれている。ビア１１１９ｂは、層間絶縁膜１１１５、および保護絶縁膜１１１４に形成された下穴に、第２バリアメタル１１２０ｂを介して埋め込まれている。
ビア１１１９ａは、第２バリアメタル１１２０ａを介して第３電極１１１１と電気的に接続されている。ビア１１１９ｂは、第２バリアメタル１１２０ｂを介して第２電極１１１０ｂと電気的に接続されている。第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂおよびビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂには、例えば、銅を用いることができる。
第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂは、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂ、ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂ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２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂは、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂ（ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂを含む）を形成する金属が、層間絶縁膜１１１５、１１１７や下層へ拡散することを防止する。
例えば、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂ、ビア１１１９ａ、ビア１１１９ｂが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、第２バリアメタル１１２０ａ、第２バリアメタル１１２０ｂには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。
バリア絶縁膜１１２１は、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂを含む層間絶縁膜１１１７上に形成された絶縁膜である。バリア絶縁膜１１２１は、第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂを形成する金属（例えば、銅）の酸化を防いだり、上層への第２配線１１１８ａ、第２配線１１１８ｂを形成する金属の拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜１１２１には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、およびそれらの積層構造等を用いることができる。
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１１２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ１１２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１１２２と２端子スイッチ１１２３を形成することができる。
本実施形態によれば、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１１２２と、整流素子を搭載しない２端子スイッチ１１２３を、多層配線構造の同一配線中に有する半導体装置を実現できる。本実施形態では、同じ配線層中に同時に、１つの整流素子を有する整流素子付３端子スイッチ１１２２と２端子スイッチ１１２３を形成することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。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。
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）論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記２）論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、前記第１のスイッチング素子は、２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子とを有し、前記第２のスイッチング素子は、前記２つの整流素子を持たず、前記２つの抵抗変化素子を有し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記３）論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子であり、前記２つの整流素子のそれぞれの第１電極または第２電極のうち、一方の電極が前記２つの抵抗変化素子の２つの端子のそれぞれの一方の端子と接続され、他方の電極が制御端子となる第１のスイッチング素子と、整流素子を持たず、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子となり、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子である第２のスイッチング素子とが、同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記４）前記第２のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚が、前記第１のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚よりも薄い、付記２又は付記３に記載の半導体装置。
（付記５）前記第２のスイッチング素子の上には、前記第２のスイッチング素子を加工するためのハードマスク膜が残留していない、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記６）前記整流素子は非晶質のシリコン、窒化シリコンが主成分である整流層を有している、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記７）前記抵抗変化素子は、内部において金属イオンが移動可能で、金属架橋が形成することが可能なイオン伝導層を有している、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記８）前記抵抗変化層が、電界に従って金属イオンを伝導するイオン伝導体であり、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が２．１以上３．０以下である膜を含む、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記９）第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とを同時に形成する半導体装置の製造方法であって、前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを含んでおり、前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を含んでおり、前記抵抗変化素子を形成する電極及び抵抗変化層を成膜し、前記整流素子を形成する電極及び整流層を成膜し、前記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子と前記整流素子を構成する第１のパターンを形成し、前記第２のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子を構成する第２のパターンを形成し、前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、前記整流層及び前記抵抗変化層を同時にエッチングする、半導体装置の製造方法。
（付記１０）前記ハードマスクに前記第１のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行った後、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行い、前記ハードマスクに前記第２のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光は行わず、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行う、付記９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）第１のスイッチング素子は、２つの整流素子を含んでおり、前記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクに、前記抵抗変化素子と前記２つの整流素子を構成する第１のパターンを形成し、前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、前記整流層及び前記抵抗変化層を同時にエッチングする、付記９又は付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いた、前記整流層のエッチングにより、第２のスイッチング素子が形成される領域に位置する前記整流層の上の電極が除去される、付記９乃至付記１１のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いた、前記整流層のエッチングを経ても、第２のスイッチング素子が形成される領域に位置する前記整流層は残存している、付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１）論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記２）論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、前記第１のスイッチング素子は、２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子とを有し、前記第２のスイッチング素子は、前記２つの整流素子を持たず、前記２つの抵抗変化素子を有し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記３）論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子であり、前記２つの整流素子のそれぞれの第１電極または第２電極のうち、一方の電極が前記２つの抵抗変化素子の２つの端子のそれぞれの一方の端子と接続され、他方の電極が制御端子となる第１のスイッチング素子と、整流素子を持たず、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子となり、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子である第２のスイッチング素子とが、同一配線層中に形成されている、半導体装置。
（付記４）前記第２のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚が、前記第１のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚よりも薄い、付記２又は付記３に記載の半導体装置。
（付記５）前記第２のスイッチング素子の上には、前記第２のスイッチング素子を加工するためのハードマスク膜が残留していない、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記６）前記整流素子は非晶質のシリコン、窒化シリコンが主成分である整流層を有している、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記７）前記抵抗変化素子は、内部において金属イオンが移動可能で、金属架橋が形成することが可能なイオン伝導層を有している、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記８）前記抵抗変化層が、電界に従って金属イオンを伝導するイオン伝導体であり、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が２．１以上３．０以下である膜を含む、付記１乃至付記５のいずれか一つに記載の半導体装置。
（付記９）第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とを同時に形成する半導体装置の製造方法であって、前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを含んでおり、前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を含んでおり、前記抵抗変化素子を形成する電極及び抵抗変化層を成膜し、前記整流素子を形成する電極及び整流層を成膜し、前記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子と前記整流素子を構成する第１のパターンを形成し、前記第２のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子を構成する第２のパターンを形成し、前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、前記整流層及び前記抵抗変化層を同時にエッチングする、半導体装置の製造方法。
（付記１０）前記ハードマスクに前記第１のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行った後、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行い、前記ハードマスクに前記第２のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光は行わず、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行う、付記９に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）第１のスイッチング素子は、２つの整流素子を含んでおり、前記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクに、前記抵抗変化素子と前記２つの整流素子を構成する第１のパターンを形成し、前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、前記整流層及び前記抵抗変化層を同時にエッチングする、付記９又は付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いた、前記整流層のエッチングにより、第２のスイッチング素子が形成される領域に位置する前記整流層の上の電極が除去される、付記９乃至付記１１のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いた、前記整流層のエッチングを経ても、第２のスイッチング素子が形成される領域に位置する前記整流層は残存している、付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
この出願は、２０１６年７月１日に出願された日本出願特願２０１６−１３１４６９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明の半導体装置に用いる抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として利用でき、特には、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスを構成する、不揮発性スイッチング素子として好適に利用できる。
１２２、８２２ 整流素子付４端子スイッチ
１２３、９２３、１０２３ ３端子スイッチ
７２２、９２２ 整流素子付２端子スイッチ
７２３、８２３、１１２３ ２端子スイッチ
１０２２、１１２２ 整流素子付３端子スイッチ
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、７０５ａ、７０５ｂ、８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃ、９０５ａ、９０５ｂ、９０５ｃ、１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃ、１００５ｄ、１１０５ａ、１１０５ｂ、１１０５ｃ 第１配線
１０８ａ、１０８ｂ、６０８、６０８ａ、６０８ｂ、７０８ａ、７０８ｂ、８０８ａ、８０８ｂ、９０８ａ、９０８ｂ、１００８ａ、１００８ｂ、１１０８ａ、１１０８ｂ
整流層
１０９ａ、１０９ｂ、６０９、６０９ａ、６０９ｂ、７０９ａ、７０９ｂ、８０９ａ、８０９ｂ、９０９ａ、９０９ｂ、１００９ａ、１００９ｂ、１１０９ａ、１１０９ｂ
イオン伝導層
１１０ａ、１１０ｂ、６１０、６１０ａ、６１０ｂ、７１０ａ、７１０ｂ、８１０ａ、８１０ｂ、９１０ａ、９１０ｂ、１０１０ａ、１０１０ｂ、１１１０ａ、１１１０ｂ
第２電極
１１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１ 第３電極
１１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２ 第１ハードマスク膜
１１３、７１３、７１３、８１３、９１３、１０１３、１１１３ 第２ハードマスク膜
１２３、９２３、１０２３ ３端子スイッチ
７２２、９２２ 整流素子付２端子スイッチ
７２３、８２３、１１２３ ２端子スイッチ
１０２２、１１２２ 整流素子付３端子スイッチ
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、７０５ａ、７０５ｂ、８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃ、９０５ａ、９０５ｂ、９０５ｃ、１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃ、１００５ｄ、１１０５ａ、１１０５ｂ、１１０５ｃ 第１配線
１０８ａ、１０８ｂ、６０８、６０８ａ、６０８ｂ、７０８ａ、７０８ｂ、８０８ａ、８０８ｂ、９０８ａ、９０８ｂ、１００８ａ、１００８ｂ、１１０８ａ、１１０８ｂ
整流層
１０９ａ、１０９ｂ、６０９、６０９ａ、６０９ｂ、７０９ａ、７０９ｂ、８０９ａ、８０９ｂ、９０９ａ、９０９ｂ、１００９ａ、１００９ｂ、１１０９ａ、１１０９ｂ
イオン伝導層
１１０ａ、１１０ｂ、６１０、６１０ａ、６１０ｂ、７１０ａ、７１０ｂ、８１０ａ、８１０ｂ、９１０ａ、９１０ｂ、１０１０ａ、１０１０ｂ、１１１０ａ、１１１０ｂ
第２電極
１１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１ 第３電極
１１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２ 第１ハードマスク膜
１１３、７１３、７１３、８１３、９１３、１０１３、１１１３ 第２ハードマスク膜
Claims (10)
- 論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、
前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを有し、
前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を有し、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。 - 論理回路の信号経路中に設けられた第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、
前記第１のスイッチング素子は、２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子とを有し、
前記第２のスイッチング素子は、前記２つの整流素子を持たず、前記２つの抵抗変化素子を有し、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とが同一配線層中に形成されている、半導体装置。 - 論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、
２つの整流素子と、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、
前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子であり、前記２つの整流素子のそれぞれの第１電極または第２電極のうち、一方の電極が前記２つの抵抗変化素子の２つの端子のそれぞれの一方の端子と接続され、他方の電極が制御端子となる第１のスイッチング素子と、
整流素子を持たず、２つの抵抗変化素子を有し、前記２つの抵抗変化素子のそれぞれが２つの端子を有し、前記２つの抵抗変化素子における２つの端子のそれぞれの一方の端子が互いに相手と接続され、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子となり、前記２つの抵抗変化素子の２つの他方の端子の一方が信号の入力端子であり、他方が信号の出力端子である第２のスイッチング素子とが、同一配線層中に形成されている、半導体装置。 - 前記第２のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚が、前記第１のスイッチング素子の、前記２つの抵抗変化素子の共通の制御端子を構成する金属の膜厚よりも薄い、請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。
- 前記第２のスイッチング素子の上には、前記第２のスイッチング素子を加工するためのハードマスク膜が残留していない、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記整流素子は非晶質のシリコン、窒化シリコンが主成分である整流層を有している、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記抵抗変化素子は、内部において金属イオンが移動可能で、金属架橋が形成することが可能なイオン伝導層を有している、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記抵抗変化素子の抵抗変化層が、電界に従って金属イオンを伝導するイオン伝導体であり、少なくともシリコン、酸素、炭素を主成分とし、比誘電率が２．１以上３．０以下である膜を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とを同時に形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第１のスイッチング素子は、整流素子と、抵抗変化素子とを含んでおり、
前記第２のスイッチング素子は、前記整流素子を持たず、抵抗変化素子を含んでおり、
前記抵抗変化素子を形成する電極及び抵抗変化層を成膜し、
前記整流素子を形成する電極及び整流層を成膜し、
前記第１のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子と前記整流素子を構成する第１のパターンを形成し、
前記第２のスイッチング素子を形成するハードマスクには、前記抵抗変化素子を構成する第２のパターンを形成し、
前記第１のパターン及び前記第２のパターンを形成したハードマスクを用いて、前記整流層及び前記抵抗変化層を同時にエッチングする、半導体装置の製造方法。 - 前記ハードマスクに前記第１のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行った後、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行い、
前記ハードマスクに前記第２のパターンを形成する箇所においては、前記整流素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光は行わず、前記抵抗変化素子のパターンをフォトレジストに形成するための露光と、該フォトレジストを使用したエッチングを行う、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
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