JPWO2010079827A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

高信頼化、高密度化、かつ、電極抵抗の低減化が可能な抵抗変化素子を搭載した半導体装置を提供する。半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又はバリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されている。

Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００９−００４０３７号（２００９年 １月 ９日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化型不揮発素子（以下、「抵抗変化素子」）を備えたフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array；ＦＰＧＡ）を有する多層配線基板及びその製造方法に関する。
半導体基板上に多層配線層を有する半導体デバイス（特に、シリコンデバイス）は、微細化（スケーリング則：Ｍｏｏｒｅの法則）によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、３年４倍のペースで開発が進められてきた。近年、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート長は２０ｎｍ以下となり、リソグラフィプロセスの高騰（装置価格およびマスクセット価格）、およびデバイス寸法の物理的限界（動作限界・ばらつき限界）により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。
近年、ゲートアレイとスタンダードセルの中間的な位置づけとしてＦＰＧＡと呼ばれる再書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスが開発されている。ＦＰＧＡは、顧客自身がチップの製造後に任意の回路構成を行うことを可能とするものである。ＦＰＧＡは、多層配線層の内部に抵抗変化素子を有し、顧客自身が任意に配線の電気的接続をできるようにしたものである。このようなＦＰＧＡを搭載した半導体装置を用いることで、回路の自由度を向上させることができるようになる。抵抗変化素子としては、遷移金属酸化物を用いたＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）や、イオン伝導体を用いたＮａｎｏＢｒｉｄｇｅ（ＮＥＣ社の登録商標）などがある。
かかる要件を満たす可能性の高い抵抗変化素子として、イオン伝導体（イオンが電界などの印加によって自由に動くことのできる固体）中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用したスイッチング素子が非特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示されたスイッチング素子は、イオン伝導層、このイオン伝導層に接して対向面に設置された第１電極及び第２電極の３層から構成されている。このうち、第１電極はイオン伝導層に金属イオンを供給するための役割を果たしている。第２電極からは金属イオンは供給されない。
このスイッチング素子の動作を簡単に説明する。第１の電極を接地して第２電極に負電圧を印加すると、第１電極の金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。そして、イオン伝導層中の金属イオンがイオン伝導層中に金属になって析出し、析出した金属により第１電極と第２電極を接続する金属架橋が形成される。金属架橋で第１電極と第２電極が電気的に接続することで、スイッチがオン状態になる。一方、上記オン状態で第１電極を接地して第２電極に正電圧を印加すると、金属架橋の一部が切れる。これにより、第１電極と第２電極との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極および第２電極間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。また、上記オフ状態からオン状態にするには、再び第１の電極を接地して第２電極に負電圧を印加すればよい。
また、非特許文献１では、イオン伝導体を介して２個の電極が配置され、それらの間の導通状態を制御する２端子型のスイッチング素子の場合の構成および動作が開示されている。さらに、非特許文献１では、この他にさらに１個の制御電極（第３電極）を配置して、その制御電極への電圧印加により、第１電極と第２電極間のイオン伝導体における導通状態を制御する３端子型のスイッチング素子が提案されている。
このようなスイッチング素子は、従来用いられてきた半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴなど）よりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいという特徴を持っている。そのため、プログラマブルロジックデバイスへの適用に有望であると考えられている。また、このスイッチング素子においては、その導通状態（オン又はオフ）は印加電圧をオフにしてもそのまま維持されるので、不揮発性のメモリ素子としての応用も考えられる。例えば、トランジスタなどの選択素子１個とスイッチング素子１個とを含むメモリセルを基本単位として、このメモリセルを縦方向と横方向にそれぞれ複数配列する。このように配列することで、ワード線およびビット線で複数のメモリセルの中から任意のメモリセルを選択することが可能となる。そして、選択したメモリセルのスイッチング素子の導通状態をセンスし、スイッチング素子のオン又はオフの状態から情報「１」又は「０」のいずれの情報が格納されているかを読み取ることが可能な不揮発性メモリを実現できる
Shunichi Kaeriyama et al., "A Nonvolatile Programmable Solid-Electrolyte Nanometer Switch", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.40, No.1, pp.168-176, January 2005.
ところで、近年の高集積化の要請により抵抗変化素子の小型化による高密度化の必要性、および工程数の簡略化の必要性が生じている。さらに同時に抵抗変化素子の性能向上（低抵抗化）と信頼性の向上の要求も高まっており、高集積化、高性能化、高信頼化を両立できる抵抗変化素子の構造および形成手法が望まれている。また、最先端のデバイスは銅配線から構成されており、最先端のデバイスに抵抗変化素子を搭載して回路性能のフィレキシビリティの向上を計る意味でも、銅配線内に抵抗変化素子を形成する手法が望まれている。
上記非特許文献１の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。
以下に本発明による関連技術の分析を与える。
しかしながら、上記要求を満たすためには、従来技術では下記に示すような課題を有していた。第１に、従来技術では、抵抗変化素子を高信頼かつ高密度に配置することが実現されていなかった。第２に、抵抗変化素子のＯＮ抵抗が低い場合には、電極抵抗が顕在化してしまうという問題を有し、特に、集積化した場合には、電極同士の接触抵抗によって、抵抗が増加してしまうという問題を有していた。
本発明の主な課題は、高信頼化、高密度化、かつ、電極抵抗の低減化が可能な抵抗変化素子を搭載した半導体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の第１の視点においては、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されていることを特徴とする。
本発明の前記半導体装置において、前記上部電極の最上部、及び前記バリアメタルは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、又はそれらの窒化物よりなることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記配線は、前記下部電極を兼ねることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記配線及び前記下部電極は、銅よりなることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記配線は、表面にＣｕＳｉが被覆されていることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記抵抗変化素子膜は、Ｔａを含む酸化物であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記上部電極は、前記抵抗変化素子膜側から順に第１上部電極、第２上部電極が積層した構成であり、前記第１上部電極は、前記抵抗変化素子膜に係る金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料を含み、前記第２上部電極は、前記上部電極の最上部であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記第１上部電極は、Ｐｔ、Ｒｕ、又はそれらの酸化物よりなることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、前記上部電極上にハードマスク膜が配され、前記ハードマスク膜上に前記ハードマスク膜と材料が異なる第２ハードマスク膜が配され、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記第２ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、前記保護絶縁膜は、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、前記プラグは、前記保護絶縁膜、前記第２ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜及び前記絶縁性バリア膜と同一材料で構成されていることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第２抵抗変化素子膜と、前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第２下部電極と、を備えることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記第２下部電極は、２層積層構造の電極であり、
前記抵抗変化素子膜側の層は、前記第１上部電極と同一材料よりなることが好ましい。
本発明の前記半導体装置において、前記第２下部電極は、前記下部電極側から順にＴａＮ、Ｒｕが積層した電極であることが好ましい。
本発明の第２の視点においては、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置の製造方法であって、下部電極上に抵抗変化素子膜、上部電極をこの順に形成する工程と、前記上部電極上にバリアメタルを形成する工程と、前記バリアメタル上にプラグを形成する工程と、を含み、前記バリアメタルは、前記上部電極の最上部と同一材料、又は前記上部電極の最上部に含まれる成分と同一成分を含む材料であることを特徴とする。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の前に、前記下部電極となる配線を形成する工程を含み、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程では、前記配線上に前記抵抗変化素子膜、前記上部電極をこの順に形成することが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程において、前記抵抗変化素子膜の形成は、室温で行われることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程において、前記上部電極の形成は、１００℃以下で行われることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の前に、前記下部電極上に開口部を有する絶縁性バリア膜を形成する工程を含み、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程では、前記開口部における前記下部電極上に前記抵抗変化素子膜、前記上部電極、ハードマスク膜をこの順に形成し、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の後であって前記バリアメタルを形成する工程の前に、前記ハードマスク膜、前記上部電極及び前記抵抗変化素子膜の積層体を含む前記絶縁性バリア膜上に保護絶縁膜を形成し、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜において前記上部電極に通ずる下穴を形成する工程を含み、前記バリアメタルを形成する工程では、前記下穴の表面、及び前記上部電極上に前記バリアメタルを形成し、前記第２ハードマスク膜は、前記ハードマスク膜と異なる材料であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の前に、前記下部電極上に開口部を有する絶縁性バリア膜を形成する工程を含み、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程では、前記開口部における前記下部電極上に前記抵抗変化素子膜、前記上部電極、ハードマスク膜、第２ハードマスク膜をこの順に形成し、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の後であって前記バリアメタルを形成する工程の前に、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極及び前記抵抗変化素子膜の積層体を含む前記絶縁性バリア膜上に保護絶縁膜を形成する工程と、前記保護絶縁膜、前記第２ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜において前記上部電極に通ずる下穴を形成する工程と、を含み、前記バリアメタルを形成する工程では、前記下穴の表面、及び前記上部電極上に前記バリアメタルを形成し、前記第２ハードマスク膜は、前記ハードマスク膜と異なる材料であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の前に、前記下部電極上に開口部を有する絶縁性バリア膜を形成する工程を含み、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程では、前記開口部における前記下部電極上に前記抵抗変化素子膜、前記上部電極、ハードマスク膜、第２ハードマスク膜をこの順に形成し、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程の後であって前記バリアメタルを形成する工程の前に、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極及び前記抵抗変化素子膜の積層体を含む前記絶縁性バリア膜上に保護絶縁膜を形成する工程と、前記第２ハードマスク膜が所定厚さにまで前記保護絶縁膜及び前記前記第２ハードマスク膜を平坦化して削り取る工程と、前記第２ハードマスク膜及び前記ハードマスク膜において前記上部電極に通ずる下穴を形成する工程と、を含み、前記バリアメタルを形成する工程では、前記下穴の表面、及び前記上部電極上に前記バリアメタルを形成し、前記第２ハードマスク膜は、前記ハードマスク膜と異なる材料であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜及び前記絶縁性バリア膜と同一材料であることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記抵抗変化素子膜、前記上部電極を形成する工程では、前記下部電極上に第２下部電極、前記抵抗変化素子膜、第２抵抗変化素子膜、前記上部電極をこの順に形成し、前記第２下部電極は、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有し、前記第２抵抗変化素子膜は、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなることが好ましい。
本発明の前記半導体装置の製造方法において、前記配線を形成する工程では、前記下部電極とならない他の配線を同時に形成し、前記バリアメタルを形成する工程では、前記他の配線上に他のバリアメタルを形成し、前記プラグを形成する工程では、前記他のバリアメタル上に他のプラグを形成することが好ましい。
本発明によれば、上部電極の最上部、及び、プラグを覆うバリアメタルを同一材料で構成することで、バリアメタルと上部電極の最上部とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。また、上部電極の最上部がバリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成すれば、接触抵抗を低減し、かつ、密着性を向上することができる。また、配線を抵抗変化素子の下部電極とすることで、すなわち、配線が抵抗変化素子の下部電極を兼ねることで、抵抗変化素子の小型化による高密度化を実現することができるとともに、工程数を簡略化することができる。通常のＣｕダマシン配線プロセスに追加工程として、２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子を搭載することができ、装置の低コスト化を同時に達成することができるようになる。さらに、銅配線によって構成される最先端のデバイスの内部にも抵抗変化素子を搭載して、装置の性能を向上させることができる。
本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第１の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第２の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第３の工程断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第４の工程断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第１の工程断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第２の工程断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第３の工程断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した第４の工程断面図である。 本発明の実施例３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を模式的に示した図１３の領域Ｒの拡大断面図である。
本発明の実施形態１に係る半導体装置では、半導体基板（図１の１）上の多層配線層（図１の２、３、４、５、７、１５、１６、１７、１８、１９、２１）の内部に抵抗変化素子（図１の２２）を有する半導体装置であって、前記抵抗変化素子（図１の２２）は、上部電極（図１の１０、１１）と下部電極（図１の５）との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜（図１の９）が介在した構成となっており、前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極（図１の５）と電気的に接続された配線（図１の１）と、前記上部電極（図１の１０、１１）と電気的に接続されたプラグ（図１の１９）と、を備え、前記プラグ（図１の１９）の側面乃至底部は、バリアメタル（図１の２０）によって覆われており、前記上部電極の最上部（図１の１１）は、前記バリアメタル（図１の２０）と直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されている。
本発明の実施形態２に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置の製造方法であって、下部電極上に抵抗変化素子膜、上部電極をこの順に形成する工程（図３（Ｃ）、図４（Ａ））と、前記上部電極上にバリアメタルを形成する工程（図１）と、前記バリアメタル上にプラグを形成する工程（図１）と、を含み、前記バリアメタル（図１の２０）は、前記上部電極の最上部（図１の１１）と同一材料、又は前記上部電極の最上部に含まれる成分と同一成分を含む材料である。
本発明の実施例１に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
実施例１に係る半導体装置は、半導体基板１上の多層配線層の内部に抵抗変化素子２２を有する装置である。
多層配線層は、半導体基板１上にて、層間絶縁膜２、バリア絶縁膜３、層間絶縁膜４、絶縁性バリア膜７、保護絶縁膜１４、層間絶縁膜１５、エッチングストッパ膜１６、層間絶縁膜１７、及びバリア絶縁膜２１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４及びバリア絶縁膜３に形成された配線溝にバリアメタル６を介して第１配線５が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜１７及びエッチングストッパ膜１６に形成された配線溝に第２配線１８が埋め込まれており、層間絶縁膜１５、保護絶縁膜１４、及びハードマスク膜１２に形成された下穴にプラグ１９が埋め込まれており、第２配線１８とプラグ１９が一体となっており、第２配線及びプラグ１９の側面と底面がバリアメタル２０によって覆われている。
多層配線層は、絶縁性バリア膜７に形成された開口部にて、下部電極となる第１配線５上に抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、及び第２上部電極１１の順に積層した抵抗変化素子２２が形成されており、第２上部電極１１上にハードマスク膜１２が形成されており、抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、第２上部電極１１、及びハードマスク膜１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜１４で覆われている。第１配線５を抵抗変化素子２２の下部電極とすることで、すなわち、第１配線５が抵抗変化素子２２の下部電極を兼ねることで、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Ｃｕダマシン配線プロセスに追加工程として、２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができるようになる。
抵抗変化素子２２は、抵抗変化型不揮発素子であり、例えば、イオン伝導体中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用したスイッチング素子とすることができる。抵抗変化素子２２は、下部電極となる第１配線５と、プラグ１９と電気的に接続された上部電極１０、１１と、の間に抵抗変化素子膜９が介在した構成となっている。抵抗変化素子２２は、絶縁性バリア膜７に形成された開口部の領域にて抵抗変化素子膜９と第１配線５が直接接しており、第２上部電極１１上にてプラグ１９と第２上部電極１１とがバリアメタル２０を介して接続されている。抵抗変化素子２２は、抵抗変化素子膜９中への第１配線５に係る金属の電界拡散を利用してＯＮ／ＯＦＦの制御を行う。第２上部電極１１及びバリアメタル２０は、同一の材料で構成されている。このようにすることで、プラグ１９のバリアメタル２０と抵抗変化素子２２の第２上部電極１１とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。
半導体基板１は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板１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２は、半導体基板１上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜２には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
バリア絶縁膜３は、層間絶縁膜２、４間に介在したバリア性を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜３は、第１配線５用の配線溝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３には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。バリア絶縁膜３には、第１配線５を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル６を介して第１配線５が埋め込まれている。バリア絶縁膜３は、配線溝のエッチング条件の選択によっては削除することもできる。
層間絶縁膜４は、バリア絶縁膜３上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜４には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜４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４には、第１配線５を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル６を介して第１配線５が埋め込まれている。
第１配線５は、層間絶縁膜４及びバリア絶縁膜３に形成された配線溝にバリアメタル６を介して埋め込まれた配線である。第１配線５は、抵抗変化素子２２の下部電極ともなり、抵抗変化素子膜９と直接接している。第１配線５には、抵抗変化素子膜９において拡散、イオン電導可能な金属が用いられ、例えば、Ｃｕ等を用いることができる。第１配線５は、表面にＣｕＳｉが被覆されていてもよい。
バリアメタル６は、第１配線５に係る金属が層間絶縁膜４や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル６には、例えば、第１配線５がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）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。
絶縁性バリア膜７は、第１配線５を含む層間絶縁膜４上に形成され、第１配線５に係る金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、層間絶縁膜１５中への第１配線５に係る金属の拡散を防いだり、上部電極１１、１０、及び抵抗変化素子膜９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。絶縁性バリア膜７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。絶縁性バリア膜７は、保護絶縁膜１４及びハードマスク膜１２と同一材料であることが好ましい。
抵抗変化素子膜９は、抵抗が変化する膜である。抵抗変化素子膜９は、第１配線５（下部電極）に係る金属の作用（拡散、イオン伝動など）により抵抗が変化する材料を用いることができ、抵抗変化素子２２の抵抗変化を金属イオン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、例えば、Ｔａを含む酸化物絶縁膜であって、Ｔａ２Ｏ５、ＴａＳｉＯ等を用いることができる。
第１上部電極１０は、抵抗変化素子２２の上部電極における下層側の電極であり、抵抗変化素子膜９と直接接している。第１上部電極１０には、第１配線５に係る金属よりもイオン化しにくく、抵抗変化素子膜９において拡散、イオン電導しにくい金属が用いられ、抵抗変化素子膜９に係る金属成分（Ｔａ）よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料とすることが好ましい。第１上部電極１０には、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。第１上部電極１０は、抵抗変化素子膜９と直接接することが抵抗変化特性には不可欠である。また、第１上部電極１０には、Ｐｔ、Ｒｕ等の金属材料を主成分として酸素を添加してもよく、また酸素を添加した層との積層構造にしてもよい。
第２上部電極１１は、抵抗変化素子２２の上部電極における上層側の電極であり、第１上部電極１０上に形成されている。第２上部電極１１は、第１上部電極１０を保護する役割を有する。第２上部電極１１には、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗあるいはそれらの窒化物等を用いることができる。第２上部電極１１は、バリアメタル２０と同一材料であることが好ましい。
ハードマスク膜１２は、第２上部電極１１、第１上部電極１０、及び抵抗変化素子膜９をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜１２には、例えば、ＳｉＮ膜等を用いることができる。ハードマスク膜１２は、保護絶縁膜１４、および絶縁性バリア膜７と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子２２の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面が一体化され、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子２２自身からの脱離を防ぐことができるようになる。
保護絶縁膜１４は、抵抗変化素子２２にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜９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１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。保護絶縁膜１４は、ハードマスク膜１２及び絶縁性バリア膜７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１４と絶縁性バリア膜７及びハードマスク膜１２とが一体化して、界面の密着性が向上する。
層間絶縁膜１５は、保護絶縁膜１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１５には、例えば、シリコン酸化膜、ＳｉＯＣ膜、シリコン酸化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１５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１５は、層間絶縁膜１７と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１５には、プラグ１９を埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴にバリアメタル２０を介してプラグ１９が埋め込まれている。
エッチングストッパ膜１６は、層間絶縁膜１５、１７間に介在した絶縁膜である。エッチングストッパ膜１６は、第２配線１８用の配線溝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。エッチングストッパ膜１６には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。エッチングストッパ膜１６には、第２配線１８を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル２０を介して第２配線１８が埋め込まれている。エッチングストッパ膜１６は、配線溝のエッチング条件の選択によっては削除することもできる。
層間絶縁膜１７は、エッチングストッパ膜１６上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜１７には、例えば、シリコン酸化膜、ＳｉＯＣ膜、シリコン酸化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１７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１７は、層間絶縁膜１５と同一材料としてもよい。層間絶縁膜１７には、第２配線１８を埋め込むための配線溝が形成されており、当該配線溝にバリアメタル２０を介して第２配線１８が埋め込まれている。
第２配線１８は、層間絶縁膜１７及びエッチングストッパ膜１６に形成された配線溝にバリアメタル２０を介して埋め込まれた配線である。第２配線１８は、プラグ１９と一体になっている。プラグ１９は、層間絶縁膜１５、保護絶縁膜１４、及びハードマスク膜１２に形成された下穴にバリアメタル２０を介して埋め込まれている。プラグ１９は、バリアメタル２０を介して第２上部電極１１と電気的に接続されている。第２配線１８及びプラグ１９には、例えば、Ｃｕを用いることができる。
バリアメタル２０は、第２配線１８（プラグ１９を含む）に係る金属が層間絶縁膜１５、１７や下層へ拡散することを防止するために、第２配線１８及びプラグ１９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。バリアメタル２０には、例えば、第２配線１８及びプラグ１９がＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）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。バリアメタル２０は、第２上部電極１１と同一材料であることが好ましい。例えば、バリアメタル２０がＴａＮ（下層）／Ｔａ（上層）の積層構造である場合には、下層材料であるＴａＮを第２上部電極１１に用いることが好ましい。あるいは、バリアメタル２０がＴｉ（下層）／Ｒｕ（上層）である場合は、下層材料であるＴｉを第２上部電極１１に用いることが好ましい。
バリア絶縁膜２１は、第２配線１０を含む層間絶縁膜１７上に形成され、第２配線１０に係る金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、上層への第２配線１０に係る金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜２１には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。
次に、本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。図２〜図５は、本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。
まず、半導体基板１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜２（例えば、シリコン酸化膜、膜厚３００ｎｍ）を堆積し、その後、層間絶縁膜２上にバリア絶縁膜３（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚５０ｎｍ）を堆積し、その後、バリア絶縁膜３上に層間絶縁膜４（例えば、シリコン酸化膜、膜厚３００ｎｍ）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜４及びバリア絶縁膜３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル６（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線５（例えば、銅）を埋め込む（ステップＡ１；図２（Ａ）参照）。
ステップＡ１において、層間絶縁膜２、４は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。ここで、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法とは、例えば、気体原料、あるいは液体原料を気化させることで減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応、あるいは基板表面反応などによって基板上に連続膜を形成する手法である。
また、ステップＡ１において、第１配線５は、例えば、ＰＶＤ法によってバリアメタル６（例えば、ＴａＮ／Ｔａの積層膜）を形成し、ＰＶＤ法によるＣｕシードの形成後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって配線溝内以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の銅配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。溝に埋め込まれた余剰の銅を研磨することによって埋め込み配線（ダマシン配線）を形成したり、層間絶縁膜を研磨することで平坦化を行う。
次に、第１配線５を含む層間絶縁膜４上に絶縁性バリア膜７（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚５０ｎｍ）を形成する（ステップＡ２；図２（Ｂ）参照）。ここで、絶縁性バリア膜７は、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。絶縁性バリア膜７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。
次に、絶縁性バリア膜７上にハードマスク膜８（例えば、シリコン酸化膜）を形成する（ステップＡ３；図２（Ｃ）参照）。このとき、ハードマスク膜８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、絶縁性バリア膜７とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜８には、例えば、シリコン酸化膜、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができる。
次に、ハードマスク膜８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８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（ステップＡ４；図３（Ａ）参照）。このとき、ドライエッチングは必ずしも絶縁性バリア膜７の上面で停止している必要はなく、絶縁性バリア膜７の内部にまで到達していてもよい。
次に、ハードマスク膜（図３（Ａ）の８）をマスクとしてハードマスク膜８の開口部から露出する絶縁性バリア膜７をエッチバック（ドライエッチング）することにより、絶縁性バリア膜７において第１配線５に通ずる開口部を形成し、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線５の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する（ステップＡ５；図３（Ｂ）参照）。このとき、ハードマスク膜（図３（Ａ）の８）は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。また、絶縁性バリア膜７の開口部の形状は円形とし、円の直径は３０ｎｍから５００ｎｍとすることができる。
次に、第１配線５を含む絶縁性バリア膜７上に抵抗変化素子膜９（例えば、Ｔａ２Ｏ５、膜厚１５ｎｍ）を堆積する（ステップＡ６；図３（Ｃ）参照）。ここで、抵抗変化素子膜９は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて形成することができる。
ステップＡ６では、絶縁性バリア膜７の開口部はステップＡ５の有機剥離処理によって水分などが付着しているため、抵抗変化素子膜９の堆積前に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。この際、銅表面を再度酸化させないよう、真空下、あるいは窒素雰囲気などにするなどの注意が必要である。
また、ステップＡ６では、抵抗変化素子膜９の堆積前に、絶縁性バリア膜７の開口部から露出する第１配線５に対して、３５０℃程度の減圧下でＳｉＨ４ガスを照射してもよく、このようにすることで、第１配線５の表面をシリサイド化してプロセス中の第１配線５に係る金属（例えば、銅）の拡散を抑制することができるようになる。あるいは、第１配線５を形成する際に、Ｃｕシード層に１ａｔｍ％程度のＡｌを添加しておくことで、Ｃｕ電界めっき膜のアニール中にＡｌをＣｕ内部へ拡散させることで、銅を合金化することができるようになる。このような銅の合金化、あるいはシリサイド化は、抵抗変化素子膜９と接する銅自身の物質移動を抑制（銅を安定化）させる効果があり、高温で動作させる場合の信頼性を向上させることができるようになる。
また、ステップＡ６では、抵抗変化素子膜９として、イオン伝導層を用いたタイプではなく、遷移金属酸化物を用いた抵抗変化素子膜を用いる場合には、抵抗変化素子膜９を堆積する前に、第２下部電極（図示せず；図１２の５ａに相当）を成膜してもよい。第２下部電極には、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｒｕ、ＲｕＯｘ等を用いることができ、それらの積層構造（例えば、ＴａＮ（下層）／Ｒｕ（上層））であってもよい。
次に、抵抗変化素子膜９上に第１上部電極１０（例えば、Ｒｕ、膜厚１０ｎｍ）及び第２上部電極１１（例えば、Ｔａ、膜厚５０ｎｍ）をこの順に形成する（ステップＡ７；図４（Ａ）参照）。
次に、第２上部電極１１上にハードマスク膜１２（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク膜１３（例えば、ＳｉＯ２膜、膜厚２００ｎｍ）をこの順に積層する（ステップＡ８；図４（Ｂ）参照）。
ステップＡ８において、ハードマスク膜１２及びハードマスク膜１３は、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜１２、１３は当該技術分野における一般的なプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。また、ハードマスク膜１２とハードマスク膜１３とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜１２をＳｉＮ膜とし、ハードマスク膜１３をＳｉＯ２膜とすることができる。このとき、ハードマスク膜１２は、後述する保護絶縁膜１４、および絶縁性バリア膜７と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子の周囲を全て同一材料で囲むこと材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子自身からの脱離防ぐことができるようになる。
次に、ハードマスク膜１３上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜１２が表れるまでハードマスク膜１３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（ステップＡ９；図４（Ｃ）参照）。
次に、ハードマスク膜（図４（Ｃ）の１３）をマスクとして、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、抵抗変化素子膜９を連続的にドライエッチングする（ステップＡ１０；図５（Ａ）参照）。このとき、ハードマスク膜（図４（Ｃ）の１３）は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。
ステップＡ１０において、例えば、第２上部電極１１がＴａの場合にはＣｌ２系のＲＩＥで加工することができ、第１上部電極１０がＲｕ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、抵抗変化素子膜９のエッチングでは、下面の絶縁性バリア膜７上でドライエッチングを停止させる必要がある。抵抗変化素子膜９がＴａを含む酸化物であり、絶縁性バリア膜７がＳｉＮ膜やＳｉＣＮ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をすることができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。
次に、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、及び抵抗変化素子膜９を含む絶縁性バリア膜７上に保護絶縁膜１４（例えば、ＳｉＮ膜、３０ｎｍ）を堆積する（ステップＡ１１；図５（Ｂ）参照）。
ステップＡ１１において、保護絶縁膜１４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化に維持する必要があり、このとき抵抗変化素子膜９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１４の成膜温度を２５０℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧化で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、ＳｉＨ４／Ｎ２の混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度２００℃で形成したＳｉＮ膜などを用いることが好ましい。
次に、保護絶縁膜１４上に、層間絶縁膜１５（例えば、シリコン酸化膜）、エッチングストッパ膜１６（例えば、ＳｉＮ膜）、層間絶縁膜１７（例えば、シリコン酸化膜）をこの順に堆積し、その後、第２配線１８用の配線溝、およびプラグ１９用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル２０（例えば、ＴａＮ／Ｔａ）を介して第２配線１８（例えば、Ｃｕ）及びプラグ１９（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線１８を含む層間絶縁膜１７上に絶縁性バリア膜２１（例えば、ＳｉＮ膜）を堆積する（ステップＡ１２；図１参照）。
ステップＡ１２において、第２配線１８の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル２０と第２上部電極１１を同一材料とすることでプラグ１９と第２上部電極１１の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ時の抵抗変化素子２２の抵抗を低減）させることができるようになる。
また、ステップＡ１２において、層間絶縁膜１５及び層間絶縁膜１７はプラズマＣＶＤ法で形成することができる。
また、ステップＡ１２において、抵抗変化素子２２によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜１５を厚く堆積し、ＣＭＰによって層間絶縁膜１５を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜１５を所望の膜厚としてもよい。
実施例１によれば、上部電極１０、１１の最上部（第２上部電極１１）、及びバリアメタル２０を同一材料で構成することで、プラグ１９のバリアメタル２０と抵抗変化素子２２の第２上部電極１１とが一体化し、接触抵抗を低減し、かつ、密着性の向上による信頼性の向上を実現することができる。また、第１配線５を抵抗変化素子２２の下部電極とすることで、すなわち、第１配線５が抵抗変化素子２２の下部電極を兼ねることで、抵抗変化素子２２の小型化による高密度化を実現するとともに、工程数を簡略化することができる。通常のＣｕダマシン配線プロセスに追加工程として、２ＰＲのマスクセットを作成するだけで、抵抗変化素子２２を搭載することができ、装置の低コスト化を同時に達成することができるようになる。さらに、銅配線によって構成される最先端のデバイスの内部にも抵抗変化素子２２を搭載して、装置の性能を向上させることができる。
本発明の実施例２に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
実施例１（図１参照）では、抵抗変化素子膜（図１の９）、第１上部電極（図１の１０）、第２上部電極（図１の１１）、及びハードマスク膜（図１の１２）の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜（図１の１４）で覆われた構成となっているが、実施例２では、抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、第２上部電極１１、及びハードマスク膜１２の積層体上に厚膜のハードマスク膜２３が形成されており、抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、第２上部電極１１、ハードマスク膜１２、及びハードマスク膜２３の側面が保護絶縁膜２４で覆われた構成となっている。保護絶縁膜２４は、ハードマスク膜２３上には形成されていないが、絶縁性バリア膜７上には形成されている。その他の構成は、実施例１と同様である。
ハードマスク膜２３は、ハードマスク膜１２をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜２３は、ハードマスク膜１２と異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜１２がＳｉＮ膜であれば、ハードマスク膜２３をＳｉＯ２膜とすることができる。
保護絶縁膜２４は、抵抗変化素子２５にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜９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２４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。保護絶縁膜２４は、ハードマスク膜１２及び絶縁性バリア膜７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２４と絶縁性バリア膜７及びハードマスク膜１２が一体化して、界面の密着性が向上する。
次に、本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。図７〜図１０は、本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。
まず、半導体基板１（例えば、半導体素子が形成された基板）上に層間絶縁膜２（例えば、シリコン酸化膜、膜厚３００ｎｍ）を堆積し、その後、層間絶縁膜２上にバリア絶縁膜３（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚５０ｎｍ）を堆積し、その後、バリア絶縁膜３上に層間絶縁膜４（例えば、シリコン酸化膜、膜厚３００ｎｍ）を堆積し、その後、リソグラフィ法（フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む）を用いて、層間絶縁膜４及びバリア絶縁膜３に配線溝を形成し、その後、当該配線溝にバリアメタル６（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、膜厚５ｎｍ／５ｎｍ）を介して第１配線５（例えば、銅）を埋め込み、その後、第１配線５を含む層間絶縁膜４上に絶縁性バリア膜７（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚５０ｎｍ）を形成し、その後、絶縁性バリア膜７上にハードマスク膜（図示せず、図２（Ｃ）の８に相当；例えば、シリコン酸化膜）を形成し、その後、ハードマスク膜（図２（Ｃ）の８に相当）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（図３（Ａ）の８に相当）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し、その後、ハードマスク膜（図３（Ａ）の８に相当）をマスクとしてハードマスク膜（図３（Ａ）の８に相当）の開口部から露出する絶縁性バリア膜７をエッチバック（ドライエッチング）することにより、絶縁性バリア膜７において第１配線５に通ずる開口部を形成し、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで、第１配線５の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する（ステップＢ１；図７（Ａ）参照）。ステップＢ１は、実施例１のステップＡ１（図２（Ａ）参照）〜ステップＡ５（図３（Ｂ）参照）と同様である。
次に、第１配線５を含む絶縁性バリア膜７上に抵抗変化素子膜９（例えば、Ｔａ０．８Ｓｉ０．２Ｏｘ、膜厚１５ｎｍ）をＲＦ（Radio Frequency；高周波）スパッタリング法によって堆積し、その後、抵抗変化素子膜９上に第１上部電極１０（例えば、Ｒｕ、膜厚１０ｎｍ）及び第２上部電極１１（例えば、Ｔａ、膜厚５０ｎｍ）をこの順に形成する（ステップＢ２；図７（Ｂ）参照）。
ステップＢ２において、抵抗変化素子膜９のＲＦスパッタリングでは、Ｓｉを２０％含む酸化タンタル（Ｔａ０．８Ｓｉ０．２Ｏｘ）をターゲットとし、ＲＦ電力２ＫＷ、室温、Ａｒ／Ｏ２の混合ガス、４ｍＴｏｒｒの条件で堆積することができる。
また、ステップＢ２において、第１上部電極１０は、ＤＣ（Direct Current；直流）スパッタリングによりＲｕをターゲットとしてＤＣパワー０．２ｋＷ、Ａｒガス、２ｍＴｏｒｒの条件で堆積することができる。また、第２上部電極１１は、同じくＤＣスパッタリングによりＴａをターゲットとして同条件で堆積することができる。いずれの上部電極１０、１１も減圧下での堆積であるため、抵抗変化素子膜９からの酸素の脱離を抑制するため、室温で堆積している。
次に、第２上部電極１１上にハードマスク膜１２（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚３０ｎｍ）、およびハードマスク膜２３（例えば、ＳｉＯ２膜、膜厚２００ｎｍ）をこの順に積層する（ステップＢ３；図８（Ａ）参照）。ここで、ハードマスク膜１２及びハードマスク膜２３は、プラズマＣＶＤ法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜１２、２３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。
次に、ハードマスク膜２３上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト（図示せず）を形成し、その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜１２が表れるまでハードマスク膜２３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（ステップＢ４；図８（Ｂ）参照）。ここで、ハードマスク膜２３のドライエッチングは、一般的な平行平板型のドライエッチング装置を用いることができる。
次に、ハードマスク膜２３をマスクとして、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、抵抗変化素子膜９を連続的にドライエッチングする（ステップＢ５；図９（Ａ）参照）。
ステップＢ５において、ハードマスク膜１２（例えば、ＳｉＮ膜）のエッチングは、ＣＦ４／Ａｒ＝２５／５０ｓｃｃｍ、４ｍＴｏｒｒ、ソース４００Ｗ、基板バイアス９０Ｗの条件で行うことができる。また、第２上部電極１１（例えば、Ｔａ）のエッチングは、Ｃｌ２＝５０ｓｃｃｍにて４ｍＴｏｒｒ、ソース４００Ｗ、基板バイアス６０Ｗの条件で行うことができる。また、第１上部電極１０（例えば、Ｒｕ）のエッチングは、Ｃｌ２／Ｏ２＝５／４０ｓｃｃｍにて４ｍＴｏｒｒ、ソース９００Ｗ、基板バイアス１００Ｗの条件で行うことができる。また、抵抗変化素子膜９（例えば、Ｔａ０．８Ｓｉ０．２Ｏｘ）のエッチングは、Ｃｌ２／ＣＦ４／Ａｒ＝４５／１５／１５ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、ソース８００Ｗ、基板バイアス６０Ｗの条件で行うことができる。このような条件を用いることで、サブトレンチなどの発生を抑制しながら加工をすることができる。このとき、ハードマスク膜２３、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、及び抵抗変化素子膜９の平面形状は円形とし、直径は５０〜５５０ｎｍとし、絶縁性バリア膜７の開口部の直径よりも大きい寸法することが好ましい。
次に、ハードマスク膜２３をマスク、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、及び抵抗変化素子膜９を含む絶縁性バリア膜７上に保護絶縁膜２４（例えば、ＳｉＮ膜、３０ｎｍ）を堆積する（ステップＢ６；図９（Ｂ）参照）。
ステップＢ６において、保護絶縁膜２４は、ＳｉＨ４とＮ２を原料ガスとし、基板温度２００℃にて、高密度プラズマを用いて形成することができる。ＮＨ３やＨ２などの還元系のガスを用いないため、成膜直前の成膜ガス安定化工程において、抵抗変化素子膜９（例えば、Ｔａ０．８Ｓｉ０．２Ｏｘ）の還元を抑制することができる。このとき、第１配線５上の絶縁性バリア膜７、保護絶縁膜２４、およびハードマスク膜１２はＳｉＮ膜で同一材料であるため、抵抗変化素子の周囲を一体化して保護することで界面の密着性が向上し、吸湿性や耐水性、および酸素脱離耐性向上し、素子の歩留まりと信頼性を向上することができるようになる。
次に、保護絶縁膜２４上に、プラズマＣＶＤ法を用いて層間絶縁膜１５（例えば、シリコン酸化膜、膜厚５００ｎｍ）を堆積する（ステップＢ７；図１０（Ａ）参照）。
次に、ＣＭＰを用いて、層間絶縁膜１５を平坦化する（ステップＢ８；図１０（Ｂ）参照）。ここで、層間絶縁膜１５の平坦化では、層間絶縁膜１５の頂面から約３５０ｎｍを削り取り、残膜を約１５０ｎｍとすることができる。このとき、層間絶縁膜１５のＣＭＰでは、一般的な、コロイダルシリカ、あるいはセリア系のスラリーを用いて研磨することができる。なお、実施例２では、層間絶縁膜１５の平坦化によって、ハードマスク膜２３が露出し、ハードマスク膜２３及び保護絶縁膜２４も平坦化される。
次に、ハードマスク膜２３及び保護絶縁膜２４を含む層間絶縁膜１５上に、エッチングストッパ膜１６（例えば、ＳｉＮ膜、膜厚５０ｎｍ）、層間絶縁膜１７（例えば、シリコン酸化膜；膜厚３００ｎｍ）をこの順に堆積し、その後、第２配線１８用の配線溝、およびプラグ１９用の下穴を形成し、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内にバリアメタル２０（例えば、Ｔａ、膜厚５ｎｍ）を介して第２配線１８（例えば、Ｃｕ）及びプラグ１９（例えば、Ｃｕ）を同時に形成し、その後、第２配線１８を含む層間絶縁膜１７上に絶縁性バリア膜２１（例えば、ＳｉＮ膜）を堆積する（ステップＢ９；図６参照）。
ステップＢ９において、エッチングストッパ膜１６及び層間絶縁膜１７は、プラズマＣＶＤ法を用いて堆積することができる。
また、ステップＢ９において、第２配線１８の形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、バリアメタル２０と第２上部電極１１を同一材料とすることでプラグ１９と第２上部電極１１の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（ＯＮ時の抵抗変化素子２５の抵抗を低減）させることができるようになる。
このようにして形成した抵抗変化素子２５の上部電極１０側に−５Ｖの電圧を印加することでフォーミングし、１００Ωに（低抵抗化）した。逆方向に０．５Ｖ電圧を印加することで１ＧΩに（高抵抗化）なることを確認した。
実施例２によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子２５に加えて、抵抗変化素子２５に接続するプラグ１９の外周部もハードマスク膜２３（例えば、シリコン酸化膜）を介して保護絶縁膜２４（例えば、ＳｉＮ膜）で覆われるため、プラグ１９と抵抗変化素子２５の接続部が十分に保護され、信頼性を向上させることができる。
本発明の実施例３に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図１１は、本発明の実施例３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
実施例２（図６参照）では、抵抗変化素子（図６の２５）に接続するプラグ（図６の１９）の外周部がハードマスク膜（図６の２３；例えば、シリコン酸化膜）を介して保護絶縁膜（図６の２４；例えば、ＳｉＮ膜）で覆われた構成となっているが、実施例３では、ハードマスク膜２８（例えば、シリコン酸化膜）の膜厚をハードマスク膜（図６の２３）の膜厚よりも薄くし、ハードマスク膜２８上に保護絶縁膜２９（例えば、ＳｉＮ膜）が配され、保護絶縁膜２９上に層間絶縁膜１５が配され、抵抗変化素子３０に接続するプラグ１９がバリアメタル２０を介して層間絶縁膜１５、保護絶縁膜２９、ハードマスク膜２８、及びハードマスク膜１２に形成された下穴に埋め込まれている。その他の構成は、実施例２と同様である。
ハードマスク膜２８は、ハードマスク膜１２をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。ハードマスク膜２８は、ハードマスク膜１２と異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜１２がＳｉＮ膜であれば、ハードマスク膜２８をＳｉＯ２膜とすることができる。
保護絶縁膜２９は、抵抗変化素子３０にダメージを与えることなく、さらに抵抗変化素子膜９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２９には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。保護絶縁膜２９は、ハードマスク膜１２及び絶縁性バリア膜７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２９と絶縁性バリア膜７及びハードマスク膜１２が一体化して、界面の密着性が向上する。
なお、実施例３に係る半導体装置の製造方法については、実施例２のステップＢ３（図８（Ａ）参照）にてハードマスク膜２８（図８（Ａ）の２３に相当）の膜厚を薄くする点、及び、ステップＢ８（図１０（Ｂ）参照）にてＣＭＰを用いて層間絶縁膜１５を平坦化する際に保護絶縁膜２９（図１０（Ｂ）の２４）が露出しないようにする点以外は、実施例２と同様である。
実施例３によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、ハードマスク膜２８の膜厚を薄くし、かつ、保護絶縁膜２９によって囲まれるエリアが実施例２よりも小さくすることで、層間絶縁膜の薄い最先端のデバイスにも適用することができるようになる。
本発明の実施例４に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図１２は、本発明の実施例４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
実施例１（図１参照）では、抵抗変化素子膜（図１の９）が下部にて第１配線（図１の５）と直接接し、抵抗変化素子膜（図１の９）が上部にて第１上部電極（図１の１０）と直接接した構成となっているが、実施例４では、抵抗変化素子膜９が下部にてＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極５ａを介して第１配線５と電気的に接続され、上部にて上部抵抗変化素子膜９ａを介して第１上部電極１０と電気的に接続された構成となっている。その他の構成は、実施例１と同様である。
ＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極５ａは、抵抗変化素子３１において第１配線５と抵抗変化素子膜９の間に介在した電極膜であり、ＴａＮ（下部）／Ｒｕ（上部）が積層したものである。ここで、抵抗変化素子膜９において抵抗変化特性に銅を必要とせず、遷移金属層内に形成されるフィラメントを利用してＯＮ／ＯＦＦを実現する場合、抵抗変化素子膜９と第１配線５の間には、銅バリア性のある材料で分断しておく必要がある。したがって、第１配線５（下部電極）に係る金属（例えば、銅）の拡散バリア性と、抵抗変化素子３１のスイッチング特性を考慮し、ＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極５ａを抵抗変化素子膜９と第１配線５の間に配置した。ＴａＮは抵抗変化素子中への銅の拡散を防ぎ、Ｒｕは酸化の自由エネルギーが小さいため、スイッチング特性に有利である。
上部抵抗変化素子膜９ａは、抵抗変化素子膜９の上部に配された抵抗変化素子膜である。上部抵抗変化素子膜９ａは、抵抗変化素子膜９（例えば、Ｔａ２Ｏ５）における金属成分（例えば、タンタル）よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物からなる。上部抵抗変化素子膜９ａには、例えば、Ｔｉ、あるいはＮｉ等の遷移金属酸化物を用いることができる。上部抵抗変化素子膜９ａには、例えば、スパッタリング法を用いた膜厚３ｎｍのＴｉＯ膜を用いることができる。この場合、第１上部電極１０をＲｕとし、第２上部電極１１をＴａとすることができる。上部抵抗変化素子膜９ａは、電圧印加したり、電流を流したりすることで、酸化物内部に導電性のパスを形成することで、ＯＮ／ＯＦＦの制御をすることができる。
なお、実施例４に係る半導体装置の製造方法については、実施例１のステップＡ６（図３（Ｃ）参照）において第１配線５を含む絶縁性バリア膜７上にＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極５ａ、抵抗変化素子膜９をこの順に形成し、ステップＡ７（図４（Ａ）参照）において抵抗変化素子膜９上に上部抵抗変化素子膜９ａ、第１上部電極１０、及び第２上部電極１１をこの順に形成し、ステップＡ１０（図５（Ａ）参照）においてハードマスク膜（図４（Ｃ）の１３）をマスクとして、ハードマスク膜１２、第２上部電極１１、第１上部電極１０、上部抵抗変化素子膜９ａ、抵抗変化素子膜９、ＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極５ａを連続的にドライエッチングする点以外は、実施例１と同様である。
実施例４によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子膜９において抵抗変化特性に銅を必要とせず、遷移金属層内に形成されるフィラメントを利用してＯＮ／ＯＦＦを実現する場合にも適用することができる。
本発明の実施例５に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図１３は、本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。図１４は、本発明の実施例５に係る半導体装置の構成を模式的に示した図１３の領域Ｒの拡大断面図である。
実施例５では、半導体基板１上に半導体素子として選択トランジスタ７０（ＭＯＳＦＥＴ）が形成され、選択トランジスタ７０を含む半導体基板１上に多層配線層（２〜８、１５〜２１、３２〜６８）が形成され、多層配線層（２〜７、１４〜２１、３２〜６８）の内部に実施例１と同様な抵抗変化素子２２を組み込んだものである。抵抗変化素子２２の周辺の構成は、実施例１と同様である。
多層配線層（２〜８、１５〜２１、３２〜６８）は、半導体基板１上にて、層間絶縁膜２、バリア絶縁膜３、層間絶縁膜４、絶縁性バリア膜７、保護絶縁膜１４、層間絶縁膜１５、エッチングストッパ膜１６、層間絶縁膜１７、バリア絶縁膜２１、層間絶縁膜３２、エッチングストッパ膜３３、層間絶縁膜３４、バリア絶縁膜３７、層間絶縁膜３８、エッチングストッパ膜３９、層間絶縁膜４０、バリア絶縁膜４３、層間絶縁膜４４、エッチングストッパ膜４５、層間絶縁膜４６、バリア絶縁膜４９、層間絶縁膜５０、エッチングストッパ膜５１、層間絶縁膜５２、バリア絶縁膜５５、層間絶縁膜５６、エッチングストッパ膜５７、層間絶縁膜５８、バリア絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、及び保護絶縁膜６３の順に積層した絶縁積層体を有する。
多層配線層は、バリア絶縁膜３に形成された下穴にバリアメタル６８を介してプラグ６７が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜４及びバリア絶縁膜３に形成された配線溝にバリアメタル６を介して第１配線５が埋め込まれている。多層配線層は、エッチングストッパ膜１６及び層間絶縁膜１７に形成された配線溝に第２配線１８が埋め込まれており、層間絶縁膜１５、保護絶縁膜１４、及びハードマスク膜１２に形成された下穴にプラグ１９´が埋め込まれており、第２配線１８とプラグ１９´が一体となっており、第２配線及びプラグ１９´の側面と底面がバリアメタル２０によって覆われている。多層配線層は、層間絶縁膜３２及びバリア絶縁膜２１に形成された下穴、及び、層間絶縁膜３４及びエッチングストッパ膜３３に形成された配線溝にバリアメタル３６を介して配線３５が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜３８及びバリア絶縁膜３７に形成された下穴、及び、層間絶縁膜４０及びエッチングストッパ膜３９に形成された配線溝にバリアメタル４２を介して配線４１が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜４４及びバリア絶縁膜４３に形成された下穴、及び、層間絶縁膜４６及びエッチングストッパ膜４５に形成された配線溝にバリアメタル４８を介して配線４７が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜５０及びバリア絶縁膜４９に形成された下穴、及び、層間絶縁膜５２及びエッチングストッパ膜５１に形成された配線溝にバリアメタル５４を介して配線５３が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜５６及びバリア絶縁膜５５に形成された下穴、及び、層間絶縁膜５８及びエッチングストッパ膜５７に形成された配線溝にバリアメタル６０を介して配線５９が埋め込まれている。多層配線層は、層間絶縁膜６２及びバリア絶縁膜６１に形成された下穴にバリアメタル６５を介して配線６４が埋め込まれており、層間絶縁膜６２上にバリアメタル６５を介して配線６４が形成されており、配線６４上にバリアメタル６６が形成されており、バリアメタル６６、配線６４、及びバリアメタル６５を含む層間絶縁膜６２上に保護絶縁膜６３が形成されている。
選択トランジスタ７０のソース／ドレイン電極は、対応するプラグ６７、第１配線５、プラグ１９´、第２配線１８、配線３５、４１、４７、５３、５９を介して最上部の配線６４に電気的に接続されている。
多層配線層は、絶縁性バリア膜７に形成された開口部にて、下部電極となる第１配線５上に抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、及び第２上部電極１１の順に積層した抵抗変化素子２２が形成されており、第２上部電極１１上にハードマスク膜１２が形成されており、抵抗変化素子膜９、第１上部電極１０、第２上部電極１１、及びハードマスク膜１２の積層体の上面乃至側面が保護絶縁膜１４で覆われている。
抵抗変化素子２２は、下部電極となる第１配線５と、プラグ１９を介して第２配線１８と電気的に接続された上部電極１０、１１と、の間に抵抗変化素子膜９が介在した構成となっている。抵抗変化素子２２は、絶縁性バリア膜７に形成された開口部の領域にて抵抗変化素子膜９と第１配線５が直接接しており、第２上部電極１１上にてプラグ１９と第２上部電極１１とがバリアメタル２０を介して接続されている。プラグ１９は、層間絶縁膜１５、保護絶縁膜１４、及びハードマスク膜１２に形成された下穴にバリアメタル２０を介して埋め込まれている。
配線（プラグを含む；５、１８、１９、１９´、３５、４１、４７、５３、５９）には銅を用いることができる。最上層の配線６４にはＡｌを用いることができる。プラグ６７にはタングステンを用いることができる。バリアメタル（６、２０、３６、４２、４８、５４、６０）にはＴａ／ＴａＮ積層体を用いることができる。バリアメタル６５、６６にはＴｉ／ＴｉＮ積層体を用いることができる。バリアメタル６８にはＴｉＮを用いることができる。層間絶縁膜（２、４、１５、１７、３２、３４、３８、４０、４４、４６、５０、５２、５６、５８）には比誘電率３以下のＳｉＯＣＨ膜を用いることができる。層間絶縁膜６２にはシリコン酸化膜を用いることができる。保護絶縁膜６３にはシリコン窒化酸化膜を用いることができる。第１配線５上の絶縁性バリア膜７にはＳｉＮを用い、絶縁性バリア膜７以外の絶縁性バリア膜（バリア絶縁膜、エッチングストッパ膜を含む；３、１６、２１、３３、３７、４３、４９、５５、６１）には比誘電率の低いＳｉＣＮ膜を用いることができる。
抵抗変化素子２２において、下部電極となる第１配線５には銅を用い、抵抗変化素子膜９にはＴａＳｉＯを用い、第１上部電極１０にはＲｕを用い、第２上部電極１１にはＴａＮを用い、第２上部電極１１上のハードマスク膜１２にはＳｉＮ膜を用い、ハードマスク膜１２を含む抵抗変化素子２２を覆う保護絶縁膜１４には高密度プラズマＣＶＤにより形成したＳｉＮ膜を用いることができる。
実施例５に係る半導体装置の製造方法は、抵抗変化素子２２の周辺については実施例１と同様な製造方法により作成することができ、その他の部分について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。
なお、実施例５では、実施例１に係る半導体装置と同様な構成の抵抗変化素子２２を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、実施例２〜４に係る半導体装置と同様な構成の抵抗変化素子を適用することもできる。
実施例５によれば、実施例１と同様な効果を奏するとともに、抵抗変化素子２２上のプラグ（図１４の１９）と、抵抗変化素子２２の領域外の同一層のプラグ（図１３の１９´）とを同時に形成することで、工程の簡略化を図ることができる。また、実施例５のような構造とすることで、最先端のＵＬＳＩ（Ultra-Large Scale Integration）ロジック内部に抵抗変化素子を搭載することができるようになる。
本発明の実施例６に係る半導体装置について説明する。
実施例６では、実施例１〜５に係る半導体装置における第２上部電極１１及びバリアメタル２０に用いる材料を置換したものである。その他の構成は、実施例１〜５と同様である。
例えば、図１を参照すると、上部電極の最上部となる第２上部電極１１を窒化チタン（ＴｉＮ）とし、バリアメタル２０を窒化タンタル（ＴａＮ）とする。この場合、密着性に優れ、かつ、接続抵抗を低減させることができる。これは、第２上部電極１１に含まれる成分がＴｉＮであるのに対し、バリアメタル２０に含まれる成分が第２上部電極１１と同一成分である窒素（Ｎ）を含むＴａＮであることから、接続抵抗が低減されたためである。
また、図１を参照すると、上部電極の最上部となる第２上部電極１１をタンタル（Ｔａ）とし、バリアメタル２０を窒化タンタル（ＴａＮ）とする。この場合、密着性に優れ、かつ、接続抵抗を低減させることができる。これは、第２上部電極１１に含まれる成分がＴａであるのに対し、バリアメタル２０に含まれる成分が第２上部電極１１と同一成分であるＴａを含むＴａＮであることから、接続抵抗が低減されたためである。
以上から、）バリアメタル２０と直接触する上部電極の最上部（第２上部電極１１）は、バリアメタル２０に含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されていることが好ましい。
なお、本発明は、銅多層配線層内に抵抗変化素子を形成する場合、低抵抗かつ高信頼な素子の形成に関するものであれば、あらゆるものに適用することが可能であり、その利用の可能性において何ら限定するものではない。また、抵抗変化素子の構造は、他の膜との積層構造を用いることによっても本発明はなんら限定されることはない。本発明の構成は、銅配線が抵抗変化素子の下部電極、あるいは下部電極と一体化し、かつ抵抗変化素子の上面は銅プラグによって接続されていることである。
また、幾つかの好適な実施例に関連付けして本発明を説明したが、これら実施例は単に実例を挙げて発明を説明するためのものであって、限定することを意味するものではないことが理解できる。
また、例えば、本発明者によってなされた発明の背景となった利用分野であるＣＭＯＳ回路を有する半導体製造装置技術に関して詳しく説明し、半導体基板上の銅配線上部に抵抗変化素子を形勢する例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭ（Ferro Electric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、抵抗変化型メモリ、バイポーラトランジスタ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、あるいはそれらを同時に掲載したボードやパッケージの銅配線上へも適用することができる。また、本発明は半導体装置への、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシン、ＭＥＭＳなどの接合にも適用することができる。また、本発明ではスイッチ機能での実施例を中心に説明したが、不揮発性と抵抗変化特性の双方を利用したメモリ素子などに用いることもできる。
また、できあがりからも本発明による基板の接合方法を確認することができる。具体的には、デバイスの断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope；透過型電子顕微鏡）観察することで、多層配線層に銅配線が用いられていることを確認し、抵抗変化素子が搭載されている場合には、抵抗変化素子の下面が銅配線であり、上部が銅プラグであるかを観察することで確認することができる。さらにＴＥＭに加えＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy；エネルギー分散型Ｘ線分光法）、ＥＥＬＳ（Electron Energy-Loss Spectroscopy；電子エネルギー損失分光法）などによる元素分析を行うことで、第２上部電極とプラグのバリアメタルが同一材料であるかを確認することができる。さらに、同じく組成分析を行うことで、銅配線上の絶縁性バリア膜と抵抗変化素子の保護膜が同一材料であるかを特定することができる。
さらに、本明細書を読んだ後であれば、当業者にとって等価な構成要素や技術による数多くの変更および置換が容易であることが明白であるが、このような変更および置換は、添付の請求項の真の範囲および精神に該当するものであることは明白である。
１ 半導体基板
２ 層間絶縁膜
３ バリア絶縁膜
４ 層間絶縁膜
５ 第１配線（配線、下部電極）
５ａ ＴａＮ／Ｒｕ積層下部電極（第２下部電極）
６ バリアメタル
７ 絶縁性バリア膜
８ ハードマスク膜
９ 抵抗変化素子膜
９ａ 上部抵抗変化素子膜（第２抵抗変化素子膜）
１０ 第１上部電極
１１ 第２上部電極
１２ ハードマスク膜
１３、２３、２８ ハードマスク膜（第２ハードマスク膜）
１４、２４、２９ 保護絶縁膜
１５ 層間絶縁膜
１６ エッチングストッパ膜
１７ 層間絶縁膜
１８ 第２配線
１９、１９´ プラグ
２０ バリアメタル
２１ バリア絶縁膜
２２、２５、３０、３１ 抵抗変化素子
３２、３４ 層間絶縁膜
３３ エッチングストッパ膜
３５ 配線
３６ バリアメタル
３７ バリア絶縁膜
３８、４０ 層間絶縁膜
３９ エッチングストッパ膜
４１ 配線
４２ バリアメタル
４３ バリア絶縁膜
４４、４６ 層間絶縁膜
４５ エッチングストッパ膜
４７ 配線
４８ バリアメタル
４９ バリア絶縁膜
５０、５２ 層間絶縁膜
５１ エッチングストッパ膜
５３ 配線
５４ バリアメタル
５５ バリア絶縁膜
５６、５８ 層間絶縁膜
５７ エッチングストッパ膜
５９ 配線
６０ バリアメタル
６１ バリア絶縁膜
６２ 層間絶縁膜
６３ 保護絶縁膜
６４ 配線
６５、６６ バリアメタル
６７ プラグ
６８ バリアメタル
７０ 選択トランジスタ

Claims (10)

  1. 半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置であって、
    前記抵抗変化素子は、上部電極と下部電極との間に、抵抗が変化する抵抗変化素子膜が介在した構成となっており、
    前記多層配線層は、少なくとも、前記下部電極と電気的に接続された配線と、前記上部電極と電気的に接続されたプラグと、を備え、
    前記プラグの側面乃至底部は、バリアメタルによって覆われており、
    前記上部電極の最上部は、前記バリアメタルと直接触しており、前記バリアメタルと同一材料、又は前記バリアメタルに含まれる成分と同一成分を含む材料で構成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記上部電極の最上部、及び前記バリアメタルは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、又はそれらの窒化物よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記配線は、前記下部電極を兼ねることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 前記配線及び前記下部電極は、銅よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体装置。
  5. 前記抵抗変化素子膜は、Ｔａを含む酸化物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体装置。
  6. 前記上部電極は、前記抵抗変化素子膜側から順に第１上部電極、第２上部電極が積層した構成であり、
    前記第１上部電極は、前記抵抗変化素子膜に係る金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料を含み、
    前記第２上部電極は、前記上部電極の最上部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の半導体装置。
  7. 前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、
    前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
    前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、
    前記上部電極上にハードマスク膜が配され、
    前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、上面乃至側面が保護絶縁膜で覆われ、
    前記保護絶縁膜は、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、
    前記プラグは、前記保護絶縁膜及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
  8. 前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に絶縁性バリア膜が介在し、
    前記絶縁性バリア膜は、開口部を有し、
    前記抵抗変化素子膜は、前記開口部において前記下部電極と接し、
    前記上部電極上にハードマスク膜が配され、
    前記ハードマスク膜上に前記ハードマスク膜と材料が異なる第２ハードマスク膜が配され、
    前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体は、側面が保護絶縁膜で覆われ、
    前記保護絶縁膜は、前記第２ハードマスク膜、前記ハードマスク膜、前記上部電極、及び前記抵抗変化素子膜の積層体の外周にて前記絶縁性バリア膜と接し、
    前記プラグは、前記第２ハードマスク膜、及び前記ハードマスク膜に形成された下穴を通じて前記バリアメタルを介して前記上部電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
  9. 前記抵抗変化素子膜と前記上部電極の間に介在するとともに、前記抵抗変化素子膜における金属成分よりも酸化の自由エネルギーの絶対値の大きい金属の酸化物よりなる第２抵抗変化素子膜と、
    前記下部電極と前記抵抗変化素子膜の間に介在するとともに、前記下部電極に係る金属の拡散バリア性を有する第２下部電極と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の半導体装置。
  10. 半導体基板上の多層配線層の内部に抵抗変化素子を有する半導体装置の製造方法であって、
    下部電極上に抵抗変化素子膜、上部電極をこの順に形成する工程と、
    前記上部電極上にバリアメタルを形成する工程と、
    前記バリアメタル上にプラグを形成する工程と、
    を含み、
    前記バリアメタルは、前記上部電極の最上部と同一材料、又は前記上部電極の最上部に含まれる成分と同一成分を含む材料であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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