JPWO2009142165A1 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

拡散層を有する電界効果トランジスタと可変抵抗体層を有する抵抗変化素子を含む半導体装置であって、前記拡散層上に設けられた前記可変抵抗体層と、前記可変抵抗体層上に設けられたビアと、前記ビアに接続された配線層を有する、半導体装置。A semiconductor device including a field effect transistor having a diffusion layer and a variable resistance element having a variable resistor layer, the variable resistor layer provided on the diffusion layer, and the variable resistor layer provided on the variable resistor layer A semiconductor device comprising a via and a wiring layer connected to the via.

Description

本発明は、抵抗変化素子を有する半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a resistance change element and a manufacturing method thereof.

近年、書き換え可能な半導体記憶装置として不揮発性メモリの需要が増加している。不揮発性メモリの代表例であるフラッシュメモリにおいては、フローティングゲートを用いたものが主流であるが、トンネルゲート酸化膜の薄層化が困難であるとされており、微細化が限界に近づきつつあるとされている。   In recent years, the demand for nonvolatile memories as rewritable semiconductor memory devices has increased. In flash memories, which are typical examples of nonvolatile memories, those using floating gates are the mainstream, but it is said that it is difficult to reduce the thickness of the tunnel gate oxide film, and miniaturization is approaching the limit. It is said that.

一方、フラッシュメモリの微細化の限界を超える不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を用いたメモリが提案されている。このメモリは不揮発性メモリとしてはもちろんのこと高速に動作する汎用メモリとしても期待されている。   On the other hand, a memory using a resistance variable element has been proposed as a nonvolatile memory exceeding the limit of miniaturization of a flash memory. This memory is expected not only as a non-volatile memory but also as a general-purpose memory that operates at high speed.

抵抗変化型素子を用いたメモリには、マグネティックRAM(MRAM)、相変化型RAM(PRAM)、レジスティブRAM(ReRAM)、プログラマブル・メタライゼーション・セル(PMC)などがある。これらには、それぞれ固有の書き換え条件、抵抗変化率、書き換え回数が存在するが、低抵抗状態と高抵抗状態の間の抵抗比で定義される抵抗変化率が高いものはReRAMおよびPMCであり、より高い読み出しマージンが期待できる。   Examples of the memory using the resistance change element include a magnetic RAM (MRAM), a phase change RAM (PRAM), a resistive RAM (ReRAM), and a programmable metallization cell (PMC). Each of these has a unique rewrite condition, resistance change rate, and number of rewrites, but those having a high resistance change rate defined by the resistance ratio between the low resistance state and the high resistance state are ReRAM and PMC. A higher read margin can be expected.

ReRAMおよびPMCは通常、トランジスタとともに半導体集積回路上に設けられる。例えば、特許文献1(特開2004−363604号公報)には、図24に示すように、シリコン基板191上に、ゲート絶縁膜230、ゲート電極、ソース210及びドレイン220を含むMOS型トランジスタ200と、2つの電極310、330および可変抵抗体320からなる抵抗変化素子300が形成された不揮発性メモリ190が記載されている。このメモリにおいては、抵抗変化素子300の下部電極310が、MOS型トランジスタ200のドレイン220に接続され、抵抗変化素子300の上部電極330が、上層側の配線400に接続されている。可変抵抗素子300への情報の書き込みおよび読み出しを行う際は、MOS型トランジスタ200を介して可変抵抗体320へ電圧が印加される。可変抵抗体320としては、遷移金属酸化物が用いられる。   ReRAM and PMC are usually provided on a semiconductor integrated circuit together with a transistor. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-363604), as shown in FIG. 24, a MOS transistor 200 including a gate insulating film 230, a gate electrode, a source 210, and a drain 220 on a silicon substrate 191, A nonvolatile memory 190 is described in which a variable resistance element 300 including two electrodes 310 and 330 and a variable resistor 320 is formed. In this memory, the lower electrode 310 of the resistance change element 300 is connected to the drain 220 of the MOS transistor 200, and the upper electrode 330 of the resistance change element 300 is connected to the wiring 400 on the upper layer side. When information is written to and read from the variable resistance element 300, a voltage is applied to the variable resistance 320 through the MOS transistor 200. As the variable resistor 320, a transition metal oxide is used.

また、特許文献2(特開2006−279042号公報)には、垂直に延在する下部電極プラグと、この下部電極プラグの上部表面を覆うように水平に配置された可変抵抗膜と、この可変抵抗膜上に配置された上部電極とからなる可変抵抗素子が記載されている。そして、この可変抵抗素子とトランジスタを含むメモリセルを複数備えたメモリが記載され、このメモリにおいて、各トランジスタのゲート電極はワード線を形成し、各可変抵抗素子の下部電極には対応するトランジスタのドレインが連結され、各抵抗変化素子の上部電極にはビット線が連結されることが記載されている。   Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-279042) discloses a lower electrode plug that extends vertically, a variable resistance film that is horizontally disposed so as to cover the upper surface of the lower electrode plug, and the variable resistance film. A variable resistance element including an upper electrode disposed on a resistance film is described. A memory including a plurality of memory cells including the variable resistance element and the transistor is described. In this memory, the gate electrode of each transistor forms a word line, and the lower electrode of each variable resistance element has a corresponding transistor. It is described that a drain is connected and a bit line is connected to an upper electrode of each resistance change element.

本発明者らは、半導体記憶装置の性能改善、特に、可変抵抗体として遷移金属酸化物を用いたReRAMに関して検討を重ねた結果、以下に示す問題点を明らかにした。   The inventors of the present invention have clarified the following problems as a result of repeated studies on improving the performance of a semiconductor memory device, in particular, ReRAM using a transition metal oxide as a variable resistor.

即ち、特許文献1および特許文献2に記載の技術は、図24に示すとおり、MOS型トランジスタ200のドレイン220に抵抗変化素子300の下部電極310が接続され、この下部電極310に可変抵抗体320が接続される構成をとっている。このため、可変抵抗体320へ電圧を印加した際に生じる、MOS型トランジスタ200のドレイン220から可変抵抗体320へ至る電流経路上に、ドレイン220と下部電極310の接合界面、および下部電極310と可変抵抗体320の接合界面が存在する。このような二つ接合界面に起因する接触抵抗の増大が避けられない。   That is, in the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, as shown in FIG. 24, the lower electrode 310 of the resistance change element 300 is connected to the drain 220 of the MOS transistor 200, and the variable resistor 320 is connected to the lower electrode 310. Is connected. Therefore, on the current path from the drain 220 of the MOS transistor 200 to the variable resistor 320, which is generated when a voltage is applied to the variable resistor 320, the junction interface between the drain 220 and the lower electrode 310, and the lower electrode 310 There is a junction interface of the variable resistor 320. An increase in contact resistance due to such a two-junction interface is inevitable.

また、図24に示す構成の場合、可変抵抗体32へ流れる電流は、下部電極310の膜厚分の距離を必ず通らなければならない。近年の半導体装置の微細化の進展により、異なる配線層間を電気的に接続するビアの径は数10nmのオーダーになってきており、下部電極31の膜厚分の距離といえども、この分の寄生抵抗による電圧降下が無視できなくなってきている。   In the case of the configuration shown in FIG. 24, the current flowing to the variable resistor 32 must pass through the distance corresponding to the thickness of the lower electrode 310. With the progress of miniaturization of semiconductor devices in recent years, the diameter of vias that electrically connect different wiring layers has become on the order of several tens of nanometers. The voltage drop due to parasitic resistance cannot be ignored.

さらに、可変抵抗体320へはGHzオーダーの高周波電圧が印加される場合もあり、このような場合は高周波による伝送損失が顕著となってしまう。   Further, a high frequency voltage in the order of GHz may be applied to the variable resistor 320, and in such a case, transmission loss due to the high frequency becomes significant.

従って、本発明の目的は、かかる半導体装置の問題点を克服し、抵抗変化素子の可変抵抗体と電界効果トランジスタの拡散層との間の寄生抵抗を低減し、可変抵抗素子に対する書き込み及び読み出し性能の劣化が抑えられた半導体装置、およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to overcome the problems of such a semiconductor device, to reduce the parasitic resistance between the variable resistor of the variable resistance element and the diffusion layer of the field effect transistor, and to perform writing and reading performance with respect to the variable resistive element. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device in which deterioration of the semiconductor is suppressed and a manufacturing method thereof.

本発明の第1の態様によれば、拡散層を有する電界効果トランジスタと可変抵抗体層を有する抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
前記拡散層上に設けられた前記可変抵抗体層と、
前記可変抵抗体層上に設けられたビアと、
前記ビアに接続された配線層を有する、半導体装置が提供される。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a field effect transistor having a diffusion layer and a variable resistance element having a variable resistance layer,
The variable resistor layer provided on the diffusion layer;
Vias provided on the variable resistor layer;
A semiconductor device having a wiring layer connected to the via is provided.

本発明の第2の態様によれば、拡散層を有する電界効果トランジスタと、前記拡散層上に設けられた可変抵抗体層と、前記可変抵抗体層上に設けられたビアを有する半導体装置の製造方法であって、
前記拡散層上に、前記可変抵抗体層に含まれる金属元素と同じ金属元素からなる金属層を形成する工程と、
前記可変抵抗体層に含まれる非金属元素と同じ非金属元素を含むガス成分を含有する雰囲気中で150℃以上600℃以下の温度で加熱して前記金属層を前記可変抵抗体層へ改質する工程を含む、半導体装置の製造方法が提供される。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a field effect transistor having a diffusion layer, a variable resistor layer provided on the diffusion layer, and a via provided on the variable resistor layer. A manufacturing method comprising:
Forming a metal layer made of the same metal element as the metal element contained in the variable resistor layer on the diffusion layer;
The metal layer is reformed into the variable resistor layer by heating at a temperature of 150 ° C. or more and 600 ° C. or less in an atmosphere containing a gas component containing the same nonmetal element as the nonmetal element contained in the variable resistor layer. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

本発明によれば、抵抗変化素子の可変抵抗体と電界効果トランジスタの拡散層との間の寄生抵抗が低減され、可変抵抗素子に対する書き込み及び読み出し性能の劣化が抑えられた半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which parasitic resistance between a variable resistor of a resistance change element and a diffusion layer of a field effect transistor is reduced, and deterioration of writing and reading performance with respect to the variable resistance element is suppressed. Can do.

本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 図2Aに示す構成の平面図である。FIG. 2B is a plan view of the configuration shown in FIG. 2A. 図2Aに示す構成の抵抗変化素子の部分を示す図である。It is a figure which shows the part of the resistance change element of a structure shown to FIG. 2A. 図2Aに示す構成の抵抗変化素子の部分を示す図である。It is a figure which shows the part of the resistance change element of a structure shown to FIG. 2A. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の抵抗変化素子の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the resistance change element of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の抵抗変化素子の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the resistance change element of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の抵抗変化素子の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the resistance change element of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の抵抗変化素子の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the resistance change element of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における半導体装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における半導体装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the semiconductor device in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態における半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例1を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例1の第1変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st modification of Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例1の第2変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd modification of Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例1の第3変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 3rd modification of Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例1の第4変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 4th modification of Example 1 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例2を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 2 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例2を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 2 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. シリコン膜上の金属膜の改質処理後の元素プロファイルの深さ依存性を示す図である。It is a figure which shows the depth dependence of the element profile after the modification | reformation process of the metal film on a silicon film. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例2の変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of Example 2 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の実施例2の上記変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the said modification of Example 2 of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 関連技術における半導体装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the semiconductor device in related technology. 関連技術における半導体装置のスイッチング動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the switching operation of the semiconductor device in related technology.

本発明を実施するための最良の形態について、以下、図面を参照しながら詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図1Aは、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。図1Aに示されるように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置は、拡散層領域118を備える電界効果トランジスタ110と、拡散層領域118に当接して設けられた可変抵抗体131と、ビア140と、配線150と、を備えている。ビア140は層間絶縁膜138に形成され、ビアの一方の端(下端)が、可変抵抗体131の拡散層領域118側と反対側の表面(上面)に接続され、ビア140の他方の端(上端)に配線150が接続されている。このように、ビア140(上部電極)の下端表面が可変抵抗体131を介して拡散層領域118(下部電極)と対向配置された抵抗変化素子が形成されている。   FIG. 1A is a diagram illustrating an example of a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a field effect transistor 110 including a diffusion layer region 118, a variable resistor 131 provided in contact with the diffusion layer region 118, and , Vias 140 and wirings 150. The via 140 is formed in the interlayer insulating film 138, and one end (lower end) of the via is connected to the surface (upper surface) opposite to the diffusion layer region 118 side of the variable resistor 131, and the other end ( A wiring 150 is connected to the upper end. In this manner, a resistance change element is formed in which the lower end surface of the via 140 (upper electrode) is disposed to face the diffusion layer region 118 (lower electrode) via the variable resistor 131.

なお、図1Bに示すように、可変抵抗体131とビア140との間にバリアメタル等の薄い金属層1310を介して、可変抵抗体131とビア140とが接続されてもよい。   As shown in FIG. 1B, the variable resistor 131 and the via 140 may be connected between the variable resistor 131 and the via 140 via a thin metal layer 1310 such as a barrier metal.

このような構成とすることにより、抵抗変化素子の可変抵抗体131と電界効果トランジスタ110の拡散層領域118との間の寄生抵抗を低下させ、抵抗変化素子に対する書き込み及び読み出し性能の劣化を抑制することができる。また、高周波の電圧印加の際でも、抵抗変化素子に対する書き込み及び読み出し性能の劣化が抑制される半導体装置を提供できる。   With such a configuration, the parasitic resistance between the variable resistor 131 of the variable resistance element and the diffusion layer region 118 of the field effect transistor 110 is reduced, and deterioration of writing and reading performance with respect to the variable resistance element is suppressed. be able to. Further, it is possible to provide a semiconductor device in which deterioration of writing and reading performance with respect to the variable resistance element is suppressed even when a high frequency voltage is applied.

また、基板上に可変抵抗体を含む層、ビア、配線をこの順に形成すればよいため、図24に記載の前記の技術のように、基板上にビア(下部電極)、可変抵抗体、ビア(上部電極)、配線をこの順に形成する場合よりも、製造工程を簡略化することが可能となる。   Further, since a layer, a via, and a wiring including a variable resistor may be formed in this order on the substrate, a via (lower electrode), a variable resistor, and a via are formed on the substrate as in the technique described in FIG. The manufacturing process can be simplified as compared with the case where the (upper electrode) and the wiring are formed in this order.

さらに、可変抵抗体131は一般に層間絶縁膜よりも誘電率の大きな材料であるが、可変抵抗体131を配線150から離すことができるため、図24に記載の技術よりも、配線150と隣接配線との間の寄生容量に与える可変抵抗体の影響を小さくできる。   Further, the variable resistor 131 is generally a material having a dielectric constant larger than that of the interlayer insulating film. However, since the variable resistor 131 can be separated from the wiring 150, the wiring 150 and the adjacent wiring are more effective than the technique shown in FIG. The influence of the variable resistor on the parasitic capacitance between the two can be reduced.

可変抵抗体131の膜厚は、1ナノメートルから200ナノメートル程度が好ましい。   The film thickness of the variable resistor 131 is preferably about 1 nanometer to 200 nanometers.

電界効果トランジスタ110の一例としては、図1Aに示すように、半導体基板111上のゲート絶縁膜112と、ゲート絶縁膜112上に設けられたゲート電極113と、ゲート電極113の両側の半導体基板に設けられた拡散層領域117、118を備えたMIS型トランジスタを用いることができる。半導体基板としては、少なくとも表面に半導体層を備えた基板を用いることができる。ゲート電極113の側面には、絶縁体からなる側壁116を設けることができる。   As an example of the field effect transistor 110, as shown in FIG. 1A, a gate insulating film 112 on a semiconductor substrate 111, a gate electrode 113 provided on the gate insulating film 112, and a semiconductor substrate on both sides of the gate electrode 113 are formed. An MIS transistor including the provided diffusion layer regions 117 and 118 can be used. As the semiconductor substrate, a substrate having a semiconductor layer on at least the surface can be used. A side wall 116 made of an insulator can be provided on the side surface of the gate electrode 113.

可変抵抗体131は、図2Aに示すように、可変抵抗体131と拡散層領域118との当接部と、この当接部から側壁116上に延在する構成とすることもできる。拡散層領域118(下部電極)と可変抵抗体131とビア140(上部電極)とで抵抗変化素子130が構成されている。   As shown in FIG. 2A, the variable resistor 131 may be configured to extend from the contact portion between the variable resistor 131 and the diffusion layer region 118 onto the side wall 116. The diffusion layer region 118 (lower electrode), the variable resistor 131, and the via 140 (upper electrode) constitute a resistance change element 130.

また、図2Aに示すように、ゲート電極113の両側に設けられた拡散層領域117および118のうち、一方の拡散層領域(ここでは拡散層領域118)を共有するように(挟むように)、ゲート電極113の反対側に構造体127が設けられ、この構造体127の側面には、ゲート電極113の側壁116と対向する絶縁体からなる側壁116が設けられ、可変抵抗体131が、可変抵抗体131と拡散層領域118との当接部から構造体127の側壁116上に延在する構成としてもよい。   As shown in FIG. 2A, one diffusion layer region (here, diffusion layer region 118) is shared (so as to be sandwiched) among diffusion layer regions 117 and 118 provided on both sides of gate electrode 113. A structure 127 is provided on the opposite side of the gate electrode 113, and a side wall 116 made of an insulator is provided on a side surface of the structure 127 so as to face the side wall 116 of the gate electrode 113, and the variable resistor 131 is variable. A configuration may be adopted in which the resistor 131 and the diffusion layer region 118 extend from the contact portion onto the side wall 116 of the structure 127.

構造体127は、可変抵抗体131を十分に延在させることのできる高さを持てばよく、導体でも絶縁体でもよい。プロセスを考慮すれば、ゲート電極113と同じ材料からなり、同じ大きさである構造体が好ましい。ゲート電極113を含むセルとは無関係なセル中のゲート電極あるいはダミーゲート電極であることが好ましい。   The structure 127 may have a height that allows the variable resistor 131 to sufficiently extend, and may be a conductor or an insulator. Considering the process, a structure made of the same material as the gate electrode 113 and having the same size is preferable. A gate electrode or a dummy gate electrode in a cell unrelated to the cell including the gate electrode 113 is preferable.

図2Bに、図2Aに示す上記構造の平面図(上面側から見た図)を示す。図2Bに示すように、ゲート電極113および構造体127は、ゲート幅方向(図中の縦方向)に沿って拡散層領域118の外側への延在させることが好ましい。このように延在させることにより、可変抵抗体131は図2Bの点線部に形成できる。すなわち、可変抵抗体131の外周端部が、ビア140の側面周囲の外側に配置されている。可変抵抗体131のゲート幅方向の端部を拡散層領域118の外側に位置させることで、ゲート幅方向の端部を余裕をもってビア140の側面の外側に配置できる。   FIG. 2B shows a plan view (viewed from the upper surface side) of the structure shown in FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, the gate electrode 113 and the structure 127 are preferably extended to the outside of the diffusion layer region 118 along the gate width direction (vertical direction in the drawing). By extending in this way, the variable resistor 131 can be formed in the dotted line part of FIG. 2B. That is, the outer peripheral end portion of the variable resistor 131 is disposed outside the periphery of the side surface of the via 140. By positioning the end in the gate width direction of the variable resistor 131 outside the diffusion layer region 118, the end in the gate width direction can be disposed outside the side surface of the via 140 with a margin.

このような構成とすることにより、可変抵抗体131の端部でスイッチングが起こらないため、安定した繰り返しスイッチング耐性を実現できる。   By adopting such a configuration, since switching does not occur at the end of the variable resistor 131, stable repeated switching tolerance can be realized.

半導体基板111には、シリコン基板やシリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板などを用いることができる。   As the semiconductor substrate 111, a silicon substrate, a silicon-on-insulator (SOI) substrate, or the like can be used.

ゲート絶縁膜112は、シリコン基板を用いた場合、その基板表面を熱酸化することにより形成されるシリコン酸化膜、窒素を微量添加したシリコン酸窒化膜若しくは高誘電率絶縁膜、またはこれらの膜の少なくとも一種を含む積層膜でもよい。ゲート絶縁膜112の膜厚は酸化膜換算膜厚にして0.8ナノメートル以上3ナノメートル以下が好ましい。   As the gate insulating film 112, when a silicon substrate is used, a silicon oxide film formed by thermally oxidizing the substrate surface, a silicon oxynitride film or a high dielectric constant insulating film to which a small amount of nitrogen is added, or a film of these films is used. A laminated film containing at least one kind may be used. The thickness of the gate insulating film 112 is preferably 0.8 nanometers or more and 3 nanometers or less in terms of oxide film thickness.

ゲート電極113は、モノシランガスによって形成されるポリシリコンや、スパッタ法などにより形成される金属もしくは金属シリサイド、それらの組合せなどが好適である。ゲート電極の厚みは50ナノメートル以上に設定できる。また、ゲート長(図1Aの紙面内左右方向:横方向)は典型的には100ナノメートル以下に設定できる。   The gate electrode 113 is preferably polysilicon formed of monosilane gas, metal or metal silicide formed by sputtering, or a combination thereof. The thickness of the gate electrode can be set to 50 nanometers or more. Further, the gate length (left-right direction in the plane of FIG. 1A: horizontal direction) can typically be set to 100 nanometers or less.

側壁116は、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、もしくはこれらの少なくとも2種以上を含む積層膜が好ましく、膜厚としては、5ナノメートル以上100ナノメートル以下が好ましい。   The sidewall 116 is preferably a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, or a laminated film including at least two of these, and the film thickness is preferably 5 nm or more and 100 nm or less.

また、図2Aおよび図2Bに示すように、可変抵抗体131のゲート長方向の端部は、ゲート電極113の上部及び構造体127の上部まで延在させることもできる。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the end of the variable resistor 131 in the gate length direction can be extended to the top of the gate electrode 113 and the top of the structure 127.

可変抵抗体131がゲート電極113の上部まで延在する構成とした場合は、可変抵抗体131とゲート電極113との間の絶縁性を保つため、ゲート電極113上に絶縁膜114を設ける。この絶縁膜114としては、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化膜等が好ましく、膜厚としては十分に絶縁性が確保できる厚みであればよく、例えば20ナノメートルに設定できる。   In the case where the variable resistor 131 extends to the top of the gate electrode 113, an insulating film 114 is provided on the gate electrode 113 in order to maintain insulation between the variable resistor 131 and the gate electrode 113. The insulating film 114 is preferably a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon oxide film, or the like. The film thickness may be any thickness that can ensure sufficient insulation, and can be set to 20 nanometers, for example.

図3及び図4に、図2Aに示す構成の抵抗変化素子130の部分を示す。図3を元にした図4を用いて、本実施形態の作用効果を説明する。   3 and 4 show a portion of the variable resistance element 130 having the configuration shown in FIG. 2A. The effect of this embodiment is demonstrated using FIG. 4 based on FIG.

スイッチング動作が起こる領域は、可変抵抗体131に電界がよりかかりやすい領域であると考えられる。即ち、それは二つの電極間の可変抵抗体131が一番薄い領域、例えば電極の角が存在する領域などである。この考えに基づくと、図4に示す抵抗変化素子においてスイッチング動作が起こるのは、可変抵抗体131の拡散層領域118寄りの領域であることがわかる。すなわち、図4中の太い実線で示された、可変抵抗体131と拡散層領域118(下部電極)が接する界面と、可変抵抗体131とビア140の底部(132)が接する界面とに挟まれた領域においてスイッチング動作が起こることになる。この領域でスイッチング動作が起こると、メモリセルを構成するMOS型トランジスタ110と抵抗変化素子130の間の寄生抵抗が最小限になることになる。また、図4中の可変抵抗対131の点線で示した領域では、スイッチング動作が起こらないことになるため、可変抵抗対131の端部でスイッチング動作が起こらず、抵抗変化素子130の安定した繰り返しスイッチング耐性を実現できる。   The region where the switching operation occurs is considered to be a region where the electric field is more likely to be applied to the variable resistor 131. That is, it is a region where the variable resistor 131 between the two electrodes is the thinnest, for example, a region where the corner of the electrode exists. Based on this idea, it can be seen that the switching operation in the variable resistance element shown in FIG. 4 occurs in a region near the diffusion layer region 118 of the variable resistor 131. That is, it is sandwiched between the interface where the variable resistor 131 and the diffusion layer region 118 (lower electrode) are in contact and the interface where the variable resistor 131 and the bottom portion (132) of the via 140 are in contact, which are indicated by thick solid lines in FIG. A switching operation will occur in this area. When a switching operation occurs in this region, the parasitic resistance between the MOS transistor 110 and the resistance change element 130 constituting the memory cell is minimized. In addition, in the region indicated by the dotted line of the variable resistance pair 131 in FIG. 4, the switching operation does not occur. Therefore, the switching operation does not occur at the end of the variable resistance pair 131, and the variable resistance element 130 is stably repeated. Switching tolerance can be realized.

可変抵抗体は、図3に示した可変抵抗体131の形状以外の形状にすることができ、例えば、以下のような形状であってもよい。図5に示すように、可変抵抗体131は、ゲート電極113上の絶縁膜114と重ならない形状であってもよい。図6に示すように、可変抵抗体131は、端部をテーパー状にしてもよい。図7に示すように、可変抵抗体131は、その端部がビア140の外周面と一直線につながっていてもよい。図8に示すように、可変抵抗体131は、端部がテーパー状であり、かつ端部間のサイズがビアの直径程度であってもよい。   The variable resistor can have a shape other than the shape of the variable resistor 131 shown in FIG. 3, for example, it may have the following shape. As shown in FIG. 5, the variable resistor 131 may have a shape that does not overlap with the insulating film 114 on the gate electrode 113. As shown in FIG. 6, the variable resistor 131 may have a tapered end portion. As shown in FIG. 7, the end of the variable resistor 131 may be connected to the outer peripheral surface of the via 140 in a straight line. As shown in FIG. 8, the variable resistor 131 may have tapered ends, and the size between the ends may be about the diameter of the via.

本実施形態の半導体装置は、図9に示すように、拡散層領域118の可変抵抗体131との当接部に、金属シリサイド層120が設けられていてもよい。このような構成とすることにより、拡散層領域118とビア140との間の抵抗を低減することができる。このため、高速動作を可能とすることができる。このとき、同時に、拡散層領域117のビア140との当接部に、可変抵抗体131に含まれる金属元素と同じ金属元素のシリサイド層119を設けることができる。   In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 9, a metal silicide layer 120 may be provided in a contact portion of the diffusion layer region 118 with the variable resistor 131. With such a configuration, the resistance between the diffusion layer region 118 and the via 140 can be reduced. For this reason, high-speed operation can be achieved. At the same time, a silicide layer 119 of the same metal element as the metal element included in the variable resistor 131 can be provided at the contact portion of the diffusion layer region 117 with the via 140.

また、本実施形態の半導体装置は、図10に示すように、側壁116の下部の半導体領域に、拡散層領域117および118にそれぞれ電気的に接続されるエクステンション領域115を設けることもできる。該構成とすることにより、拡散層領域117と118間の短チャネル効果を抑制することができるため、半導体装置の微細化を図ることが可能となる。   In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 10, extension regions 115 electrically connected to the diffusion layer regions 117 and 118 can be provided in the semiconductor region below the side wall 116. With this structure, the short channel effect between the diffusion layer regions 117 and 118 can be suppressed, so that the semiconductor device can be miniaturized.

さらに、本実施形態の半導体装置は、図11に示すように、金属シリサイド層120とエクステンション領域115がともに設けられる構成としてもよい。   Further, as shown in FIG. 11, the semiconductor device of the present embodiment may be configured such that both the metal silicide layer 120 and the extension region 115 are provided.

可変抵抗体131は、酸素、窒素、セレン、テルルからなる群から選択される一つの又は複数の元素と、金属との化合物から選択される材料で形成することができる。この金属としてはCr、Ti、V、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属を用いることができる。これらの金属の中でも、Ti、Ni、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属が好ましく、Ni又はTiがより好ましい。すなわち、可変抵抗体131は、Cr、Ti、V、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる金属と、酸素、窒素、セレン、テルルからなる群から選択される一つの又は複数の元素との化合物で形成することができる。可変抵抗体131は、特に、Cr、Ti、V、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる金属の酸化物で形成することができ、Ti、Ni、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属の酸化物が好ましく、Tiの酸化物(例えばTiO、x=1〜2)またはNiの酸化物(例えばNiO)が好ましい。The variable resistor 131 can be formed of a material selected from a compound of one or more elements selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, selenium, and tellurium and a metal. As this metal, transition metals such as Cr, Ti, V, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W can be used. Among these metals, a metal selected from the group consisting of Ti, Ni, Mo, Hf, Ta, and W is preferable, and Ni or Ti is more preferable. That is, the variable resistor 131 is selected from the group consisting of a metal selected from Cr, Ti, V, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, and oxygen, nitrogen, selenium, and tellurium. It can be formed of a compound with one or more elements. The variable resistor 131 can be formed of an oxide of a metal selected from Cr, Ti, V, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, and includes Ti, Ni, Mo, and Hf. An oxide of a metal selected from the group consisting of Ta, W is preferable, and an oxide of Ti (for example, TiO x , x = 1 to 2) or an oxide of Ni (for example, NiO) is preferable.

また、可変抵抗体131は、電圧の印加に応じて、第1の状態と、この第1の状態よりも電気抵抗の低い第2の状態の2値の間で変化するものを用いることができる。この可変抵抗体の動作について、図24に示した特許文献1の例を用いて以下に説明する。   In addition, the variable resistor 131 can be used which changes between a first state and a second state having a lower electrical resistance than the first state in accordance with the application of a voltage. . The operation of this variable resistor will be described below using the example of Patent Document 1 shown in FIG.

図24に示された半導体記憶装置190は、次の構成を有している。半導体基板(シリコン基板)191上に、ソースおよびドレイン電極となる不純物拡散層210および220、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜230、ゲート絶縁膜230上のポリシリコンからなるゲート電極240を含むMOS型トランジスタ200と、2つの電極310、330および可変抵抗体320が形成されている。抵抗変化素子300の一方の電極310は、MOS型トランジスタ200のドレイン220に接続され、抵抗変化素子300の他方の電極330は上層側の配線400に接続している。   The semiconductor memory device 190 shown in FIG. 24 has the following configuration. MOS type including impurity diffusion layers 210 and 220 to be source and drain electrodes, a gate insulating film 230 made of a silicon oxide film, and a gate electrode 240 made of polysilicon on the gate insulating film 230 on a semiconductor substrate (silicon substrate) 191 A transistor 200, two electrodes 310 and 330, and a variable resistor 320 are formed. One electrode 310 of the resistance change element 300 is connected to the drain 220 of the MOS transistor 200, and the other electrode 330 of the resistance change element 300 is connected to the wiring 400 on the upper layer side.

図24に示された半導体記憶装置190における、単極性の電圧を用いた抵抗変化素子300のスイッチング動作について図25を用いて説明する。ここでは、抵抗変化素子300の2つの電極310と330の間に印加される電圧をVswと表記する。   A switching operation of the variable resistance element 300 using a unipolar voltage in the semiconductor memory device 190 shown in FIG. 24 will be described with reference to FIG. Here, the voltage applied between the two electrodes 310 and 330 of the resistance change element 300 is denoted as Vsw.

半導体記憶装置190において、抵抗変化素子300に所望の電圧Vswを印加するためには、ソース210と上層側配線400の間にVswより高い電圧を印加し、ゲート電極240にトランジスタ200がオン状態になる閾値電圧以上の電圧を印加する。抵抗変化素子300に印加した電圧Vswと抵抗変化素子300を流れる電流の関係は、図25に示された関係となる。抵抗変化素子300が低抵抗状態(すなわちセット状態)の場合、印加電圧Vswに対して、図25中の電圧−電流特性Aを示す。Vswが低い領域では低抵抗状態のため、電流が多く流れるが、ある電圧V1を超えると、電流値が急激に減少する。これは、抵抗変化素子300が高抵抗状態(すなわちリセット状態)へとスイッチングした結果である。さらにVswを増加し、ある電圧V2を超えると、電流値が急激に増加する。これは、抵抗変化素子300が再度セット状態へとスイッチングした結果である。一方で、抵抗変化素子300が高抵抗状態(リセット状態)の場合、印加電圧Vswに対して、図25中の電圧−電流特性Bを示す。Vswが低い領域では高抵抗状態のため、電流が流れにくいが、電圧V1を超えても高抵抗状態のままである。さらにVswを増加し、電圧V2を超えると、電流値が急激に増加する。   In the semiconductor memory device 190, in order to apply a desired voltage Vsw to the resistance change element 300, a voltage higher than Vsw is applied between the source 210 and the upper layer wiring 400, and the transistor 200 is turned on to the gate electrode 240. A voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied. The relationship between the voltage Vsw applied to the resistance change element 300 and the current flowing through the resistance change element 300 is the relationship shown in FIG. When the variable resistance element 300 is in the low resistance state (that is, the set state), the voltage-current characteristic A in FIG. 25 is shown with respect to the applied voltage Vsw. In the region where Vsw is low, a large amount of current flows because of the low resistance state. However, when the voltage V1 exceeds a certain voltage V1, the current value rapidly decreases. This is a result of switching the variable resistance element 300 to the high resistance state (that is, the reset state). When Vsw is further increased and exceeds a certain voltage V2, the current value increases rapidly. This is a result of the resistance change element 300 switching to the set state again. On the other hand, when the variable resistance element 300 is in the high resistance state (reset state), the voltage-current characteristic B in FIG. 25 is shown with respect to the applied voltage Vsw. In the region where Vsw is low, the current is difficult to flow because of the high resistance state, but it remains in the high resistance state even when the voltage V1 is exceeded. When Vsw is further increased and exceeds the voltage V2, the current value increases rapidly.

図25において、Vsw<V1の領域では高抵抗状態および低抵抗状態のいずれも安定であるが、V1<Vsw<V2の領域では高抵抗状態が安定であり、Vsw>V2の領域では低抵抗状態が安定である。特許文献1では、上記の現象を利用して、リセット動作(リセット状態にするための動作)はV1<Vsw<V2の条件で行い、セット動作(セット状態にするための動作)はVsw>V2の条件で行うと良いとしている。一方で、特許文献2には、セット動作はVsw>V2の条件でセット電圧を1ナノ秒から100ナノ秒印加することにより行い、リセット動作はV1<Vsw<V2の条件でリセット電圧を1マイクロ秒から100マイクロ秒印加することにより行うことができることが記載されている。   In FIG. 25, both the high resistance state and the low resistance state are stable in the region of Vsw <V1, but the high resistance state is stable in the region of V1 <Vsw <V2, and the low resistance state is in the region of Vsw> V2. Is stable. In Patent Document 1, using the above-described phenomenon, the reset operation (operation for setting the reset state) is performed under the condition of V1 <Vsw <V2, and the set operation (operation for setting the set state) is Vsw> V2. It is said that it is good to do in the condition of. On the other hand, in Patent Document 2, the set operation is performed by applying a set voltage from 1 nanosecond to 100 nanoseconds under the condition of Vsw> V2, and the reset operation is performed with a reset voltage of 1 micrometer under the condition of V1 <Vsw <V2. It is described that it can be performed by applying from 100 to 100 microseconds.

なお、電圧の印加に応じて、電気抵抗が互いに異なる3値以上に変化する可変抵抗体を用いることも可能である。   It is also possible to use a variable resistor whose electrical resistance changes to three or more different values depending on the application of voltage.

図12に、本発明の第2の実施形態による半導体装置の構成の一例を示す。図12を参照すると、本実施形態による半導体装置は、電界効果トランジスタ110の他の例として、ソースとドレインが基板平面に対して垂直方向に配置された縦型トランジスタを設けている。この縦型トランジスタは、基板111表面から突出した半導体からなる柱部と、基板111に設けられた下側拡散層領域と、柱部の上部に設けられた上側拡散層領域と、柱部の側面上に設けられたゲート電極113と、柱部とゲート電極113との間に介在するゲート絶縁膜(図示せず)と含む。下側拡散層領域は基板平面方向に延在する延在部を有し、この延在部に、抵抗変化素子の可変抵抗体131が当接して設けられている。この可変抵抗体131と下側拡散層領域の延在部との間に、この可変抵抗体に含まれる金属元素と同じ金属元素のシリサイド層が介在していることが好ましい。   FIG. 12 shows an example of the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, the semiconductor device according to the present embodiment includes, as another example of the field effect transistor 110, a vertical transistor in which a source and a drain are arranged in a direction perpendicular to the substrate plane. This vertical transistor includes a semiconductor column protruding from the surface of the substrate 111, a lower diffusion layer region provided on the substrate 111, an upper diffusion layer region provided above the column, and side surfaces of the column. It includes a gate electrode 113 provided above, and a gate insulating film (not shown) interposed between the column portion and the gate electrode 113. The lower diffusion layer region has an extending portion extending in the substrate plane direction, and the variable resistor 131 of the variable resistance element is provided in contact with the extending portion. It is preferable that a silicide layer of the same metal element as the metal element included in the variable resistor is interposed between the variable resistor 131 and the extended portion of the lower diffusion layer region.

次に、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する。図13は、本実施形態の製造方法の説明図である。   Next, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described. FIG. 13 is an explanatory diagram of the manufacturing method of the present embodiment.

まず、図13(A)に示すように、層間絶縁膜138に、電界効果トランジスタ110の拡散層領域118に達するホールを形成し、少なくともホール底に遷移金属からなる金属膜135を形成する。次に、酸素を含む雰囲気中で150℃以上600℃以下の温度で加熱する。この遷移金属としては、可変抵抗体を構成する金属元素と同じ金属元素を用いることができ、シリサイド層を良好に形成する観点からTi、Ni、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属を用いることが好ましく、特にNiまたはTiを用いることが好ましい。これにより、図13(B)に示すように、ホール底の拡散層領域118上にシリサイド層120を形成するとともにこのシリサイド層上に可変抵抗体を形成することができる。   First, as shown in FIG. 13A, a hole reaching the diffusion layer region 118 of the field effect transistor 110 is formed in the interlayer insulating film 138, and a metal film 135 made of a transition metal is formed at least at the bottom of the hole. Next, heating is performed at a temperature of 150 ° C. to 600 ° C. in an atmosphere containing oxygen. As the transition metal, the same metal element as the metal element constituting the variable resistor can be used, and is selected from the group consisting of Ti, Ni, Mo, Hf, Ta, and W from the viewpoint of satisfactorily forming the silicide layer. It is preferable to use a metal such as Ni or Ti. As a result, as shown in FIG. 13B, the silicide layer 120 can be formed on the diffusion layer region 118 at the bottom of the hole, and the variable resistor can be formed on the silicide layer.

ここで、後述する実施例にて述べるように、層間絶縁膜138を形成する前に、遷移金属の金属膜135は、電界効果トランジスタ110の拡散層領域118に当接する領域上から側壁116上に延在するように形成してもよい。   Here, as will be described in an example described later, before forming the interlayer insulating film 138, the transition metal film 135 is formed on the side wall 116 from the region in contact with the diffusion layer region 118 of the field effect transistor 110. You may form so that it may extend.

また、上記の加熱処理においては、上記の雰囲気中の酸素濃度を微量濃度から酸素を主成分となる濃度の間で制御することで、酸化レートを制御することができる。ここで酸素を主成分とする雰囲気とは、酸素が概ね50体積%(標準状態)以上含まれる雰囲気をいう。   In the above heat treatment, the oxidation rate can be controlled by controlling the oxygen concentration in the atmosphere from a very small concentration to a concentration containing oxygen as a main component. Here, the atmosphere containing oxygen as a main component means an atmosphere containing oxygen in an amount of approximately 50% by volume (standard state) or more.

上記の加熱処理は、可変抵抗体に含まれる非金属元素と同じ非金属元素を含むガス成分を含有する雰囲気中で行うことができる。具体的には、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。酸素元素を含むガス成分としては酸化性ガス(例えばO、NO)、窒素元素を含むガス成分としては窒化性ガス(例えばN)、硫黄元素を含むガス成分としては硫化性ガス(例えばHS)、セレン元素を含むガス成分としては金属のセレン化物を形成可能なガス(例えばHSe)、テルル元素を含むガス成分としては金属のテルル化物を形成可能なガス(例えばHTe)を用いることができる。Said heat processing can be performed in the atmosphere containing the gas component containing the same nonmetallic element as the nonmetallic element contained in a variable resistor. Specifically, it can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni. The gas component containing an oxygen element is an oxidizing gas (eg, O 2 or N 2 O), the gas component containing a nitrogen element is a nitriding gas (eg, N 2 ), and the gas component containing a sulfur element is a sulfide gas ( For example, H 2 S), a gas component containing a selenium element, a gas capable of forming a metal selenide (eg, H 2 Se), and a gas component containing a tellurium element, such as a gas capable of forming a metal telluride (eg, H 2 S). 2 Te) can be used.

上記の本発明の実施形態について実施例を挙げてさらに説明する。   The embodiment of the present invention will be further described with reference to examples.

[実施例1]
本発明の第1の実施例を以下に図14を参照しながら説明する。
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

まず、通常の方法によりMIS型トランジスタ110を形成する。   First, the MIS transistor 110 is formed by a normal method.

シリコン基板111を熱酸化して、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜112を形成する。ゲート絶縁膜としては、シリコン酸化膜に代えて、より高い誘電率を有する高誘電率絶縁膜やシリコン酸化膜と高誘電率絶縁膜との積層膜なども用いることも可能である。   The silicon substrate 111 is thermally oxidized to form a gate insulating film 112 made of a silicon oxide film. As the gate insulating film, a high dielectric constant insulating film having a higher dielectric constant or a laminated film of a silicon oxide film and a high dielectric constant insulating film may be used instead of the silicon oxide film.

次に、このゲート絶縁膜112上に、モノシランガスによりポリシリコン膜113を形成する。続いて、このポリシリコン膜上にスパッタ法によりシリコン窒化膜114を形成する。   Next, a polysilicon film 113 is formed on the gate insulating film 112 by monosilane gas. Subsequently, a silicon nitride film 114 is formed on the polysilicon film by sputtering.

次に、シリコン基板111上に順に形成されたシリコン酸化膜112、ポリシリコン113、シリコン窒化膜114を加工するために、フォトレジストをシリコン窒化膜114上に形成する。通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジストを感光させ、現像処理を行うことによって、所定のゲートパターン状のフォトレジストが形成される。   Next, a photoresist is formed on the silicon nitride film 114 in order to process the silicon oxide film 112, the polysilicon 113, and the silicon nitride film 114 sequentially formed on the silicon substrate 111. A photoresist having a predetermined gate pattern is formed by exposing the photoresist by optical exposure using a normal optical mask and developing the photoresist.

このゲートパターン状のフォトレジストをマスクとして用いて、シリコン基板111上のゲート絶縁膜112、ポリシリコン膜113及びシリコン窒化膜114をエッチングにより加工する。これにより、シリコン基板111上に形成されたゲート絶縁膜112、そのゲート絶縁膜112を介してシリコン基板111上に形成されたゲート電極113、及びゲート電極113上に形成された絶縁膜114からなるゲートパターン状の積層構造体が得られる。そして、シリコン基板111にイオン注入を行うことにより、第1の不純物拡散層117および第2の不純物拡散層118をシリコン基板111に形成する。   Using the gate-patterned photoresist as a mask, the gate insulating film 112, the polysilicon film 113, and the silicon nitride film 114 on the silicon substrate 111 are processed by etching. Thus, the gate insulating film 112 formed on the silicon substrate 111, the gate electrode 113 formed on the silicon substrate 111 via the gate insulating film 112, and the insulating film 114 formed on the gate electrode 113 are formed. A laminated structure having a gate pattern shape is obtained. Then, the first impurity diffusion layer 117 and the second impurity diffusion layer 118 are formed in the silicon substrate 111 by performing ion implantation on the silicon substrate 111.

次に、ゲートパターン状の積層構造体を覆うシリコン酸化膜を形成し、全面エッチバックすることにより、この積層構造体の側面に側壁116を形成する。   Next, a silicon oxide film is formed to cover the gate pattern-like stacked structure, and the entire surface is etched back to form sidewalls 116 on the side surfaces of the stacked structure.

以上の手法により、MIS型トランジスタ110が形成される。図14(A)は、この段階の部分断面を示す。ゲート絶縁膜112、ゲート電極113及び絶縁膜114からなる積層構造体は一体に描いている。また、不純物拡散層118を挟んでこの積層構造体と対向するように同様に他の積層構造体が形成され、この積層構造体の側面に側壁116が形成されている。   The MIS transistor 110 is formed by the above method. FIG. 14A shows a partial cross section at this stage. A stacked structure including the gate insulating film 112, the gate electrode 113, and the insulating film 114 is drawn integrally. Similarly, another stacked structure is formed so as to face the stacked structure with the impurity diffusion layer 118 interposed therebetween, and a side wall 116 is formed on the side surface of the stacked structure.

次に、MIS型トランジスタ110上に、可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成し(図14(B))、このNi膜135を酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中で加熱することにより可変抵抗体131に改質する(図14(C))。Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 14B), and this Ni film 135 is formed in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100 vol%). It is modified to the variable resistor 131 by heating in the inside (FIG. 14C).

加熱処理は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。加熱温度は、150℃〜600℃の範囲に設定できる。   The heat treatment can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni. The heating temperature can be set in the range of 150 ° C to 600 ° C.

上記の成膜方法に代えて、図14(A)で示した構造上に、Ni等の金属と、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選択される一つまたは二種上の元素とから成る化合物、特に代表的な例として金属と酸素から成る化合物を、スパッタリング法やレーザーアブレーション法、気相化学成長法などにより、直接堆積してもよい。この手法によれば、図14(A)に示す構造から直接図14(C)に示す構造を形成できる。   Instead of the above film formation method, on the structure shown in FIG. 14A, from a metal such as Ni and one or more elements selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium. A compound composed of a metal and oxygen as a typical example may be directly deposited by sputtering, laser ablation, chemical vapor deposition, or the like. According to this method, the structure shown in FIG. 14C can be formed directly from the structure shown in FIG.

次に、以上の手法により形成された可変抵抗体131を加工するために、可変抵抗体131上にフォトレジスト136を形成する。通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジスト136を感光させ、現像処理を行うことによって、所定のパターン状のフォトレジスト136が形成される(図14(D))。このフォトレジスト136をマスクとして用いて可変抵抗体131をエッチングする。エッチングには、ドライエッチングやウェットエッチングを行うことができる。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域にのみ可変抵抗体131が配置される(図14(E)、図2B)。   Next, a photoresist 136 is formed on the variable resistor 131 in order to process the variable resistor 131 formed by the above method. A photoresist 136 having a predetermined pattern is formed by exposing the photoresist 136 by optical exposure using a normal optical mask and performing development processing (FIG. 14D). The variable resistor 131 is etched using the photoresist 136 as a mask. Etching can be dry etching or wet etching. Thus, the variable resistor 131 is disposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIGS. 14E and 2B).

次に、MIS型トランジスタ110および可変抵抗体131上に、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜138を形成し、化学的機械的研磨(CMP)法などにより平坦化を行う(図14(F))。層間絶縁膜の厚みは、一般的には50ナノメートルから400ナノメートルに設定できる。   Next, an interlayer insulating film 138 made of a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed on the MIS transistor 110 and the variable resistor 131, and planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like (FIG. 14). (F)). The thickness of the interlayer insulating film can be generally set to 50 nanometers to 400 nanometers.

次に、層間絶縁膜138上にフォトレジストを形成し、リソグラフィ技術によりレジストパターンを形成し、このパターンをマスクに用いてエッチングを行ってビアホール139を形成する(図14(G))。   Next, a photoresist is formed over the interlayer insulating film 138, a resist pattern is formed by a lithography technique, and etching is performed using this pattern as a mask to form a via hole 139 (FIG. 14G).

このビアホール139内にバリア金属膜として窒化チタン膜を形成し、その後タングステンを充填することによりビア140を形成する(図14(H))。ビアホール139外の不要な窒化チタン及びタングステンの除去は、化学的機械的研磨(CMP)法を用いて行うことができる。その後、通常の方法に従って、層間絶縁膜138上に第1配線層150を形成することにより、図2Aに示す半導体装置110が得られる。   A titanium nitride film is formed as a barrier metal film in the via hole 139 and then filled with tungsten, thereby forming a via 140 (FIG. 14H). Removal of unnecessary titanium nitride and tungsten outside the via hole 139 can be performed using a chemical mechanical polishing (CMP) method. Thereafter, a first wiring layer 150 is formed on the interlayer insulating film 138 according to a normal method, whereby the semiconductor device 110 shown in FIG. 2A is obtained.

[実施例1の第1変形例]
本発明の実施例1の第1変形例を以下に図15を参照しながら説明する。
[First Modification of Example 1]
A first modification of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

実施例1では、Ni膜135を可変抵抗体131に改質後、所定の形状に加工したが、本第1変形例では、Ni膜135を所定の形状に加工後、可変抵抗体131への改質を行う。   In the first embodiment, the Ni film 135 is modified into the variable resistor 131 and then processed into a predetermined shape. However, in the first modification, the Ni film 135 is processed into a predetermined shape and then applied to the variable resistor 131. Perform reforming.

実施例1と同様の手法により、シリコン基板111上にMIS型トランジスタ110を形成する(図15(A))。   A MIS transistor 110 is formed over the silicon substrate 111 by the same method as in the first embodiment (FIG. 15A).

次に、MIS型トランジスタ110上に可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成する(図15(B))。   Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 15B).

次に、Ni膜135を加工するために、Ni膜135上にフォトレジスト136を形成する。通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジスト136を感光させ、現像処理を行うことによって、所定のパターン状のフォトレジスト136が形成される(図15(C))。このフォトレジスト136をマスクとして用いてNi膜135をエッチングする。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域にのみNi膜135が配置される(図15(D))。   Next, a photoresist 136 is formed on the Ni film 135 in order to process the Ni film 135. A photoresist 136 having a predetermined pattern is formed by exposing the photoresist 136 by optical exposure using a normal optical mask and performing development (FIG. 15C). The Ni film 135 is etched using the photoresist 136 as a mask. Thus, the Ni film 135 is disposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 15D).

次に、このNi膜135を酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中で加熱することにより可変抵抗体131に改質する(図15(E))。この加熱処理は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。Next, the Ni film 135 is modified into the variable resistor 131 by heating in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100 vol%) (FIG. 15E). This heat treatment can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni.

これ以降、実施例1と同様にして、層間絶縁膜138およびビア140を形成し(図15(F)〜図5(H))、図2Aに示す半導体装置110が得られる。   Thereafter, in the same manner as in Example 1, the interlayer insulating film 138 and the via 140 are formed (FIGS. 15F to 5H), and the semiconductor device 110 shown in FIG. 2A is obtained.

[実施例1の第2変形例]
本発明の第1の実施例の第2変形例を以下に図16を参照しながら説明する。
[Second Modification of Embodiment 1]
A second modification of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

本第2変形例では、Ni膜135の所定の領域を可変抵抗体131に改質後、所定の形状に加工を行う。   In the second modification, a predetermined region of the Ni film 135 is modified into the variable resistor 131 and then processed into a predetermined shape.

実施例1と同様の手法により、シリコン基板111上にMIS型トランジスタ110を形成する(図16(A))。   A MIS transistor 110 is formed over the silicon substrate 111 by the same method as in the first embodiment (FIG. 16A).

次に、MIS型トランジスタ110上に可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成する(図16(B))。   Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 16B).

次に、このNi膜135の所定の領域のみを可変抵抗体131に改質するための反応防止膜137(酸化防止膜)として、シリコン酸化膜を厚み100ナノメートルに形成する。反応防止膜としては、可変抵抗体131を形成する際に変質しない材料が好ましく、シリコン酸化膜以外にもシリコン窒化膜などの絶縁膜を用いることができる。膜厚としては、10ナノメートル以上300ナノメートル以下で十分であるが、Ni膜135が改質されたり除去されたりすることなく除去可能な膜厚であれば膜厚は問わない。   Next, a silicon oxide film having a thickness of 100 nanometers is formed as a reaction prevention film 137 (antioxidation film) for modifying only a predetermined region of the Ni film 135 into the variable resistor 131. The reaction preventing film is preferably made of a material that does not change when the variable resistor 131 is formed. In addition to the silicon oxide film, an insulating film such as a silicon nitride film can be used. A film thickness of 10 nanometers or more and 300 nanometers or less is sufficient, but any film thickness may be used as long as the Ni film 135 can be removed without being modified or removed.

反応防止膜137を堆積後、反応防止膜137上にフォトレジストを形成する。通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジストを感光させ、現像処理を行うことによって、所定のパターン状のフォトレジストが形成される。このフォトレジストをマスクとして用いて反応防止膜137をエッチングする。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域内のみにNi膜135が露出される(図16(C))。   After depositing the reaction preventing film 137, a photoresist is formed on the reaction preventing film 137. A photoresist having a predetermined pattern is formed by exposing the photoresist by optical exposure using a normal optical mask and developing the photoresist. The reaction preventing film 137 is etched using this photoresist as a mask. As a result, the Ni film 135 is exposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 16C).

次に、このNi膜135を酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中で加熱することにより、Ni膜135の露出部分のみが可変抵抗体131に改質する(図16(D))。この加熱処理は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。Next, the Ni film 135 is heated in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100% by volume), so that only the exposed portion of the Ni film 135 is modified into the variable resistor 131 (FIG. 16D). . This heat treatment can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni.

次に、反応防止膜137およびNi膜135をエッチングにより除去する。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域にのみ可変抵抗体131が配置される(図16(E))。   Next, the reaction preventing film 137 and the Ni film 135 are removed by etching. Thus, the variable resistor 131 is disposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 16E).

これ以降、実施例1と同様にして、層間絶縁膜138およびビア140を形成し(図16(F)〜図6(H))、図2Aに示す半導体装置110が得られる。   Thereafter, in the same manner as in Example 1, the interlayer insulating film 138 and the via 140 are formed (FIGS. 16F to 6H), and the semiconductor device 110 shown in FIG. 2A is obtained.

[実施例1の第3変形例]
本発明の実施例1の第3変形例を以下に図17を参照しながら説明する。
[Third Modification of Embodiment 1]
A third modification of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

本第3変形例は、図8に示す構造を有する半導体装置の製造例である。   The third modification is an example of manufacturing a semiconductor device having the structure shown in FIG.

実施例1と同様の手法により、シリコン基板111上にMIS型トランジスタ110を形成する(図17(A))。   A MIS transistor 110 is formed over the silicon substrate 111 by the same method as in the first embodiment (FIG. 17A).

次に、MIS型トランジスタ110上に、可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成し(図17(B))、このNi膜135を酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中で加熱することにより可変抵抗体131に改質する(図17(C))。この加熱処理は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 17B), and this Ni film 135 is formed in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100 volume%). It is modified to the variable resistor 131 by heating in the inside (FIG. 17C). This heat treatment can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni.

次に、Ni膜135を加工するために、Ni膜135上にフォトレジスト136を形成する。   Next, a photoresist 136 is formed on the Ni film 135 in order to process the Ni film 135.

実施例1においてはパターニング後のフォトレジスト136をゲート電極上まで設けていたが(図14(D))、本変形例では、次の通り側壁上まで設けてゲート電極上には設けない(図17(D))。   In the first embodiment, the patterned photoresist 136 is provided up to the gate electrode (FIG. 14D), but in this modification, the photoresist is provided up to the side wall as follows and not provided on the gate electrode (FIG. 14). 17 (D)).

通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジスト136を感光させ、現像処理を行うことによって、所定のパターン状のフォトレジスト136が形成される(図17(D))。このフォトレジスト136をマスクとして用いてNi膜135をエッチングする。これによって、不純物拡散層118上を含む所定の領域にのみ可変抵抗体131が配置される(図17(E))。   A photoresist 136 having a predetermined pattern is formed by exposing the photoresist 136 by optical exposure using a normal optical mask and performing development processing (FIG. 17D). The Ni film 135 is etched using the photoresist 136 as a mask. Thus, the variable resistor 131 is disposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 17E).

これ以降、実施例1と同様にして、層間絶縁膜138およびビア140を形成し(図17(F)〜図17(H))、図8に示される構造をもつ半導体装置が得られる。本構造でも、図4を用いて説明した作用効果が得られ、特許文献1および特許文献2に記載の技術における問題点を解決し、抵抗変化素子を有した半導体記憶装置の高速動作および安定した繰り返し耐性を実現することができる。   Thereafter, in the same manner as in Example 1, the interlayer insulating film 138 and the via 140 are formed (FIGS. 17F to 17H), and the semiconductor device having the structure shown in FIG. 8 is obtained. Also in this structure, the effect described with reference to FIG. 4 is obtained, the problems in the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are solved, and the high-speed operation and stable operation of the semiconductor memory device having the resistance change element are achieved. Repeat resistance can be realized.

[実施例1の第4変形例]
本発明の第1の実施例の第4変形例を以下に図18を参照しながら説明する。
[Fourth Modification of Embodiment 1]
A fourth modification of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

本第4変形例は、図8に示す構造を有する半導体装置の他の製造例である。   The fourth modification is another manufacturing example of the semiconductor device having the structure shown in FIG.

実施例1と同様の手法により、シリコン基板111上にMIS型トランジスタ110を形成する(図18(A))。   A MIS transistor 110 is formed over the silicon substrate 111 by the same method as in the first embodiment (FIG. 18A).

次に、MIS型トランジスタ110上に、可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成する(図18(B))。   Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 18B).

次に、このNi膜135の所定の領域のみを可変抵抗体131に改質するための反応防止膜137として、シリコン酸化膜を厚み100ナノメートルに形成する。膜厚としては、Ni膜135が改質されたり除去されたりすることなく除去可能な膜厚であれば膜厚は問わない。   Next, a silicon oxide film having a thickness of 100 nanometers is formed as a reaction preventing film 137 for modifying only a predetermined region of the Ni film 135 into the variable resistor 131. The film thickness is not particularly limited as long as the Ni film 135 can be removed without being modified or removed.

ここで、第2変形例においては、加工後の反応防止膜137を側壁116上にかからないように形成していたが(図16(C))、本変形例では、以下の通り、側壁116上にかかるように形成する(図18(C))。   Here, in the second modified example, the processed reaction preventing film 137 is formed so as not to be applied on the side wall 116 (FIG. 16C), but in this modified example, on the side wall 116 as follows. (FIG. 18C).

反応防止膜137を堆積後、反応防止膜137上にフォトレジストを形成する。通常の光学マスクを用いた光学露光によりフォトレジストを感光させ、現像処理を行うことによって、所定のパターン状のフォトレジストが形成される。   After depositing the reaction preventing film 137, a photoresist is formed on the reaction preventing film 137. A photoresist having a predetermined pattern is formed by exposing the photoresist by optical exposure using a normal optical mask and developing the photoresist.

なお、この光学マスクには、図14(G)で説明したビアホール形成に用いるマスクがそのまま適用可能である。これにより、本抵抗変化素子130の作製のために必要なマスク数を減らすことができ、本半導体記憶装置の製造コストを抑制することが可能となる。   Note that the mask used for forming the via hole described with reference to FIG. 14G can be directly applied to this optical mask. As a result, the number of masks necessary for manufacturing the variable resistance element 130 can be reduced, and the manufacturing cost of the semiconductor memory device can be suppressed.

次に、このフォトレジストのパターンをマスクとして用いて反応防止膜137をエッチングする。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域内のみにNi膜135が露出される(図18(C))。   Next, the reaction preventing film 137 is etched using the photoresist pattern as a mask. As a result, the Ni film 135 is exposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 18C).

次に、このNi膜135を酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中で加熱することにより、Ni膜135の露出部分のみが可変抵抗体131に改質する(図18(D))。この加熱処理は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素とNi等の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で行うことができる。Next, the Ni film 135 is heated in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100% by volume), so that only the exposed portion of the Ni film 135 is modified into the variable resistor 131 (FIG. 18D). . This heat treatment can be performed in an atmosphere containing an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium, and a gas component that forms a compound of this element and a metal such as Ni.

次に、反応防止膜137およびNi膜135をエッチングにより除去する。これによって、不純物拡散層118を含む所定の領域にのみ可変抵抗体131が配置される(図18(E))。   Next, the reaction preventing film 137 and the Ni film 135 are removed by etching. Thus, the variable resistor 131 is disposed only in a predetermined region including the impurity diffusion layer 118 (FIG. 18E).

これ以降、実施例1と同様にして、層間絶縁膜138およびビア140を形成し(図18(F)〜図18(H))、図8に示される構造をもつ半導体装置が得られる。   Thereafter, in the same manner as in Example 1, the interlayer insulating film 138 and the via 140 are formed (FIGS. 18F to 18H), and the semiconductor device having the structure shown in FIG. 8 is obtained.

以上の手法により製造された、実施例1および実施例1の第1〜第4変形例の半導体装置は、寄生抵抗、寄生容量成分の低減により、抵抗変化素子を有する半導体装置の高速の書き換え、読み出し操作を実現することができる。また、可能な繰り返し動作回数を二桁程度増加させることができる。   The semiconductor device according to the first embodiment and the first to fourth modifications of the first embodiment manufactured by the method described above is a high-speed rewrite of a semiconductor device having a resistance change element by reducing parasitic resistance and parasitic capacitance components. A read operation can be realized. In addition, the number of possible repeated operations can be increased by about two digits.

[実施例2]
本発明の第2の実施例を以下に図面を参照しながら説明する。
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施例2は、図9に示される構造、即ち拡散層118の可変抵抗体131との当接部に金属シリサイド120が設けられている構造を持つ半導体装置の製造例である。以下、図19及び図20を参照しながら説明する。   Example 2 is an example of manufacturing a semiconductor device having the structure shown in FIG. 9, that is, the structure in which the metal silicide 120 is provided in the contact portion of the diffusion layer 118 with the variable resistor 131. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 19 and 20.

実施例1と同様の手法により、シリコン基板111上にMIS型トランジスタ110を形成する(図19(A))。   A MIS transistor 110 is formed over the silicon substrate 111 by the same method as in the first embodiment (FIG. 19A).

次に、MIS型トランジスタ110上に可変抵抗体131を形成するためのNi膜135を形成する(図19(B))。   Next, a Ni film 135 for forming the variable resistor 131 is formed on the MIS transistor 110 (FIG. 19B).

このNi膜135を、酸素を主成分とする雰囲気中で150℃以上600℃以下の温度で加熱することにより、拡散層118表面のシリサイド化とNi膜135の改質を同時に行うことができる(図19(C))。その後は、実施例1における図14(D)〜図14(H)を用いて説明した工程と同様に、図19(D)〜(H)の工程を行い、図9に示される半導体装置が得られる。   By heating this Ni film 135 at a temperature of 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen as a main component, silicidation of the surface of the diffusion layer 118 and modification of the Ni film 135 can be performed simultaneously ( FIG. 19 (C)). After that, similarly to the steps described with reference to FIGS. 14D to 14H in Embodiment 1, the steps of FIGS. 19D to 19H are performed, and the semiconductor device shown in FIG. can get.

拡散層118上に設けられた金属膜135の可変抵抗体131への改質と、拡散層118表面のシリサイド化は、図20に示すように3通りの方法により行うことができる。   The modification of the metal film 135 provided on the diffusion layer 118 to the variable resistor 131 and the silicidation of the surface of the diffusion layer 118 can be performed by three methods as shown in FIG.

第1の方法は、金属膜135の形成後、まず拡散層118表面のシリサイド化を行ってシリサイド120を形成し、その後に残った金属膜135を改質して可変抵抗体131を形成するものである。   In the first method, after the metal film 135 is formed, the surface of the diffusion layer 118 is first silicided to form the silicide 120, and then the remaining metal film 135 is modified to form the variable resistor 131. It is.

第2の方法は、その逆で、金属膜135の形成後、まず金属膜135を改質して可変抵抗体131を形成し、その後に残った金属膜135で拡散層118表面のシリサイド化を行うものである。   In the second method, conversely, after the formation of the metal film 135, the metal film 135 is first modified to form the variable resistor 131, and then the surface of the diffusion layer 118 is silicided with the remaining metal film 135. Is what you do.

いずれの手法も、シリサイド化時の加熱する雰囲気および金属膜135の改質時の雰囲気を制御することによって、選択的にシリサイド化と金属膜の改質を行うことができる。より具体的には、拡散層118のシリサイド化には窒素(N)ガス等の不活性ガス中で加熱するのが有効である。加熱温度は、用いる金属膜135の種類によるが、一般的には150℃以上である。一方、金属膜135の改質には、可変抵抗体131を構成する元素と同じ元素を含むガス成分を含有するガス雰囲気中で加熱する。可変抵抗体131としては、金属と、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる一種または二種以上とから成る化合物が挙げられる。これらの中でも、金属と酸素から成る化合物が代表例として挙げられる。よって、可変抵抗体131の形成は、金属膜135を、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルから選ばれる元素を含み、この元素と金属膜135の金属との化合物を形成するガス成分、を含有する雰囲気中で加熱することにより行うことができる。加熱温度は用いる金属膜135の種類によるが、150℃以上に設定できる。In either method, the silicidation and the modification of the metal film can be selectively performed by controlling the heating atmosphere during silicidation and the atmosphere during the modification of the metal film 135. More specifically, for silicidation of the diffusion layer 118, it is effective to heat in an inert gas such as nitrogen (N 2 ) gas. The heating temperature depends on the type of metal film 135 used, but is generally 150 ° C. or higher. On the other hand, the metal film 135 is reformed by heating in a gas atmosphere containing a gas component containing the same element as the element constituting the variable resistor 131. Examples of the variable resistor 131 include a compound composed of a metal and one or more selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium. Among these, a representative example is a compound composed of a metal and oxygen. Therefore, the formation of the variable resistor 131 includes the gas component that forms the metal film 135 including an element selected from oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium and forms a compound of this element and the metal of the metal film 135. It can carry out by heating in the atmosphere to do. The heating temperature depends on the type of metal film 135 used, but can be set to 150 ° C. or higher.

第3の方法は、上記したように、金属膜135の形成後、拡散層118表面のシリサイド化と金属膜135の改質を同時に行う手法である。この場合、加熱工程が一回になることにより、製造コストの低減ができる。   As described above, the third method is a method of simultaneously siliciding the surface of the diffusion layer 118 and modifying the metal film 135 after the metal film 135 is formed. In this case, the manufacturing cost can be reduced by performing the heating process once.

図21に、酸化シリコン膜上に形成した厚み50ナノメートルのシリコン膜上にNi膜135を厚み42ナノメートルに形成し、酸素雰囲気(O含有量:100体積%)中にて450℃で10分間の加熱処理を行った際の、元素プロファイルの深さ依存性を示す。In FIG. 21, a Ni film 135 having a thickness of 42 nanometers is formed on a silicon film having a thickness of 50 nanometers formed on the silicon oxide film, and is 450 ° C. in an oxygen atmosphere (O 2 content: 100% by volume). The depth dependence of the element profile when performing the heat treatment for 10 minutes is shown.

図21に示されているように、表面側では、可変抵抗膜131となるNiOが形成されており、その下部にはシリサイド電極となるNiSiが形成され、SiとOが同時に存在する領域はほとんどない。この結果から、表面領域には、NiSiOは形成されず、NiOとNiSiの積層構造が形成されているといえる。本手法の有効性は、Ni膜に代えて、Ti、Mo、Hf、Ta、Wのいずれの膜を用いた場合でも確認することができた。   As shown in FIG. 21, NiO to be a variable resistance film 131 is formed on the surface side, NiSi to be a silicide electrode is formed below the NiO, and there are almost no regions where Si and O exist simultaneously. Absent. From this result, it can be said that NiSiO is not formed in the surface region, and a laminated structure of NiO and NiSi is formed. The effectiveness of this method could be confirmed when any of Ti, Mo, Hf, Ta, and W was used instead of the Ni film.

図22(A)〜図22(H)は、実施例2の変形例の製造方法を示す図である。この変形例は、実施例1の第2変形例において、Ni膜135の改質と拡散層118表面のシリサイド化を同時に行う(図22(D))。図22(D)においてシリサイド層120が形成されている以外は、図22(A)〜図22(H)はそれぞれ、図16(A)〜図16(H)に対応している。   FIG. 22A to FIG. 22H are diagrams showing a manufacturing method of a modification of the second embodiment. In this modification, the modification of the Ni film 135 and the silicidation of the surface of the diffusion layer 118 are simultaneously performed in the second modification of the first embodiment (FIG. 22D). 22A to 22H correspond to FIGS. 16A to 16H, respectively, except that the silicide layer 120 is formed in FIG. 22D.

図23は(A)〜(H)は、上記変形例における、可変抵抗体131を形成しない拡散層117側の製造プロセスを説明する図である。図23は(A)〜(H)はそれぞれ、図22(A)〜図22(H)に対応している。図23(C)に示すように、拡散層117上のNi膜135を覆うように反応防止膜137を形成し、改質処理の際にNi膜135を露出させていない。結果、図23(D)に示すように、改質処理によってシリサイド層119は形成されるが、Ni膜135は改質しない。この改質されなかったNi膜135は後のエッチング工程にて全て除去される(図23(E))。   FIGS. 23A to 23H are diagrams illustrating a manufacturing process on the diffusion layer 117 side where the variable resistor 131 is not formed in the above-described modification. In FIG. 23, (A) to (H) correspond to FIGS. 22 (A) to 22 (H), respectively. As shown in FIG. 23C, the reaction preventing film 137 is formed so as to cover the Ni film 135 on the diffusion layer 117, and the Ni film 135 is not exposed during the reforming process. As a result, as shown in FIG. 23D, the silicide layer 119 is formed by the modification process, but the Ni film 135 is not modified. The unmodified Ni film 135 is completely removed in a later etching process (FIG. 23E).

以上の手法により製造された、実施例2の半導体装置は、寄生抵抗、寄生容量成分の低減により、抵抗変化素子を有する半導体装置の高速の書き換え、読み出し操作を実現することができる。また、可能な繰り返し動作回数を二桁程度増加させることができる。   The semiconductor device of Example 2 manufactured by the above method can realize high-speed rewriting and reading operations of a semiconductor device having a resistance change element by reducing parasitic resistance and parasitic capacitance components. In addition, the number of possible repeated operations can be increased by about two digits.

以上、本発明を上記実施形態および実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例の構成のみに限られるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の範囲内で当業者であればなし得る各種の変形、変更をすることができる。   As described above, the present invention has been described based on the above-described embodiments and examples, but the present invention is not limited to the configurations of the above-described embodiments and examples. Various modifications and changes that can be made by those skilled in the art within the scope of the present invention can be made to the configuration and details of the present invention.

この出願は、2008年5月20日に出願された日本出願特願2008−131666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。   This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2008-131666 for which it applied on May 20, 2008, and takes in those the indications of all here.

Claims (16)

拡散層を有する電界効果トランジスタと可変抵抗体層を有する抵抗変化素子を含む半導体装置であって、
前記拡散層上に設けられた前記可変抵抗体層と、
前記可変抵抗体層上に設けられたビアと、
前記ビアに接続された配線層を有する、半導体装置。
A semiconductor device including a field effect transistor having a diffusion layer and a variable resistance element having a variable resistor layer,
The variable resistor layer provided on the diffusion layer;
Vias provided on the variable resistor layer;
A semiconductor device having a wiring layer connected to the via.
前記可変抵抗体層と前記拡散層との間に、前記可変抵抗体層に含まれる金属元素と同じ金属元素を含むシリサイド層が介在している、請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a silicide layer containing the same metal element as the metal element contained in the variable resistor layer is interposed between the variable resistor layer and the diffusion layer. 前記電界効果トランジスタは、
半導体からなる基体上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極の一方の側に設けられた、前記拡散層である第1拡散層と、
前記ゲート電極の他方の側に設けられた第2拡散層と、
前記ゲート電極の前記第1拡散層側の側面に設けられた絶縁体からなるゲート側壁を有し、
前記可変抵抗体層は、前記第1拡散層上から前記ゲート側壁上に延在している、請求項1又は2に記載の半導体装置。
The field effect transistor is
A gate insulating film provided on a semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
A first diffusion layer, which is the diffusion layer, provided on one side of the gate electrode;
A second diffusion layer provided on the other side of the gate electrode;
A gate sidewall made of an insulator provided on a side surface of the gate electrode on the first diffusion layer side;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistor layer extends from the first diffusion layer to the gate sidewall.
前記第1拡散層を挟んで前記ゲート電極と対向する構造体が設けられ、
前記構造体の側面に、前記ゲート側壁と対向する構造体側壁が設けられ、
前記可変抵抗体層は、前記第1拡散層上から前記構造体側壁上に延在している、請求項3に記載の半導体装置。
A structure facing the gate electrode across the first diffusion layer is provided;
A side wall of the structure is provided with a structure side wall that faces the gate side wall,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the variable resistor layer extends from above the first diffusion layer to the structure side wall.
前記可変抵抗体層の外周端部が、前記ビアの側面周囲の外側に配置されている、請求項3又は4に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 3, wherein an outer peripheral end of the variable resistor layer is disposed outside a periphery of a side surface of the via. 前記ゲート側壁の下部に、前記第1拡散層に電気的に接続されるエクステンション領域をさらに有する、請求項3から5のいずれか一項に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 3, further comprising an extension region electrically connected to the first diffusion layer at a lower portion of the gate side wall. 前記電界効果トランジスタは、
基体表面から突出した半導体からなる柱部と、
前記基体に設けられた、前記拡散層である下側拡散層と、
前記柱部の上部に設けられた上側拡散層と、
前記柱部の側面に設けられたゲート電極と、
前記柱部と前記ゲート電極との間に介在するゲート絶縁膜を有し、
前記下側拡散層は基体平面方向に延在する延在部を有し、
前記可変抵抗体層は、前記延在部上に設けられている、請求項1に記載の半導体装置。
The field effect transistor is
Pillars made of semiconductor protruding from the surface of the substrate;
A lower diffusion layer, which is the diffusion layer, provided on the substrate;
An upper diffusion layer provided on an upper portion of the pillar portion;
A gate electrode provided on a side surface of the column part;
A gate insulating film interposed between the column portion and the gate electrode;
The lower diffusion layer has an extending portion extending in a plane direction of the substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistor layer is provided on the extending portion.
前記可変抵抗体層と前記拡散層の前記延在部との間に、前記可変抵抗体層に含まれる金属元素と同じ金属元素を含むシリサイド層が介在している、請求項7に記載の半導体装置。   The semiconductor according to claim 7, wherein a silicide layer containing the same metal element as the metal element contained in the variable resistor layer is interposed between the variable resistor layer and the extending portion of the diffusion layer. apparatus. 前記可変抵抗体層は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルからなる群から選択される一つ又は複数の元素と、金属との化合物で形成されている、請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体装置。   The variable resistance layer is formed of a compound of one or more elements selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium and a metal. The semiconductor device according to item. 前記金属は、Cr、Ti、V、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属である、請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the metal is a metal selected from the group consisting of Cr, Ti, V, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. 前記金属は、Ti、Ni、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属である、請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the metal is a metal selected from the group consisting of Ti, Ni, Mo, Hf, Ta, and W. 前記可変抵抗体層は、第1の電圧の印加によって、第1の状態から該第1の状態よりも電気抵抗の低い第2の状態に変化し、前記第1の電圧と異なる第2の電圧の印加によって、前記第2の状態から前記第1の状態に変化する、請求項1から11のいずれか一項に記載の半導体装置。   The variable resistor layer changes from a first state to a second state having a lower electrical resistance than the first state by applying a first voltage, and a second voltage different from the first voltage. 12. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device changes from the second state to the first state by application of. 拡散層を有する電界効果トランジスタと、前記拡散層上に設けられた可変抵抗体層と、前記可変抵抗体層上に設けられたビアを有する半導体装置の製造方法であって、
前記拡散層上に、前記可変抵抗体層に含まれる金属元素と同じ金属元素からなる金属層を形成する工程と、
前記可変抵抗体層に含まれる非金属元素と同じ非金属元素を含むガス成分を含有する雰囲気中で150℃以上600℃以下の温度で加熱して前記金属層を前記可変抵抗体層へ改質する工程を含む、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a field effect transistor having a diffusion layer, a variable resistor layer provided on the diffusion layer, and a via provided on the variable resistor layer,
Forming a metal layer made of the same metal element as the metal element contained in the variable resistor layer on the diffusion layer;
The metal layer is reformed into the variable resistor layer by heating at a temperature of 150 ° C. or more and 600 ° C. or less in an atmosphere containing a gas component containing the same nonmetal element as the nonmetal element contained in the variable resistor layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of:
前記の加熱により、前記金属層を前記可変抵抗体層へ改質するとともに、前記可変抵抗体層と前記拡散層との間にシリサイド層を形成する、請求項13に記載の半導体装置の製造方法。   14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the metal layer is reformed to the variable resistor layer by the heating and a silicide layer is formed between the variable resistor layer and the diffusion layer. . 前記金属層は、Ti、Ni、Mo、Hf、Ta、Wからなる群から選択される金属からなる層である、請求項13又は14に記載の半導体装置の製造方法。   15. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the metal layer is a layer made of a metal selected from the group consisting of Ti, Ni, Mo, Hf, Ta, and W. 前記非金属元素は、酸素、窒素、硫黄、セレン、テルルからなる群から選択される一つ又は複数の元素である、請求項13から15のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the nonmetallic element is one or a plurality of elements selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur, selenium, and tellurium.
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