JPWO2016157820A1 - Switching element, semiconductor device, and method of manufacturing switching element - Google Patents
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Abstract
オン状態のリテンション性能の向上とオフ状態のリーク電流の低減を可能にしたスイッチング素子を提供する。本発明のスイッチング素子は、第1電極及び第2電極と、第1電極及び第2電極間に設けられた抵抗変化層と、を有し、抵抗変化層は第1電極と接する第1イオン伝導層と、第2電極と接する第2イオン伝導層とで構成され、第1電極は第1イオン伝導層に含まれる金属と同種の金属を含み、その金属は濃度が第1電極と第1イオン伝導層との界面から第1電極内の方向に小さくなるように分布している構成である。Provided is a switching element capable of improving on-state retention performance and reducing off-state leakage current. The switching element of the present invention includes a first electrode and a second electrode, and a resistance change layer provided between the first electrode and the second electrode, and the resistance change layer is in contact with the first electrode. And a second ion conductive layer in contact with the second electrode. The first electrode includes the same type of metal as the metal included in the first ion conductive layer, and the concentration of the metal is the first electrode and the first ion. It is the structure distributed so that it may become small in the direction in a 1st electrode from the interface with a conductive layer.
Description
本発明は、金属の析出を利用したスイッチング素子、半導体装置、及びスイッチング素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a switching element, a semiconductor device, and a method for manufacturing a switching element using metal deposition.
プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチのサイズを小さくし、そのオン抵抗を小さくすることが必要となる。金属イオンが伝導可能なイオン伝導層を有し、イオン伝導層内における金属の析出を利用したスイッチング素子が知られている。このスイッチング素子は、半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。スイッチング素子には、2端子スイッチと、3端子スイッチとがある。2端子スイッチの一例が特許文献1に開示され、3端子スイッチの一例が特許文献2に開示されている。
In order to diversify the functions of the programmable logic and promote the mounting to electronic devices, it is necessary to reduce the size of the switch for connecting the logic cells to each other and to reduce the on-resistance. There has been known a switching element having an ion conductive layer capable of conducting metal ions and utilizing precipitation of metal in the ion conductive layer. This switching element is known to have a smaller size and lower on-resistance than a semiconductor switch. The switching element includes a two-terminal switch and a three-terminal switch. An example of a two-terminal switch is disclosed in Patent Document 1, and an example of a three-terminal switch is disclosed in
図1は、関連する2端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。図1に示すように、2端子スイッチは、金属イオンを供給する第1電極201と、金属イオンを供給しない第2電極202と、第1電極201及び第2電極202に挟まれたイオン伝導層203とを有する構成である。2端子スイッチは、イオン伝導層中における金属架橋の形成/消滅によって2つの電極が接続/切断することで、スイッチングする。2端子スイッチは、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工可能である。3端子スイッチは、2つの2端子スイッチの第2電極を一体化した構造で、高い信頼性が確保される。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a related two-terminal switch. As shown in FIG. 1, the two-terminal switch includes a
イオン伝導層としては、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーが望ましい。ポーラスポリマーで構成されるイオン伝導層は、層内に金属架橋が形成されても絶縁破壊電圧を高く保つことが出来るため、動作信頼性に優れている(特許文献3)。 As the ion conductive layer, a porous polymer mainly composed of silicon, oxygen, and carbon is desirable. An ion conductive layer composed of a porous polymer is excellent in operation reliability because it can maintain a high breakdown voltage even if a metal bridge is formed in the layer (Patent Document 3).
また、本スイッチをプログラマブルロジックの配線切り替えスイッチとして搭載するためには、スイッチの小型化による高密度化、及び作製工程を簡略化する必要がある。最先端の半導体装置の配線材料は主に銅で構成されており、銅配線内に抵抗変化素子を効率的に形成する手法が望まれている。電気化学反応を利用するスイッチ素子の半導体装置への集積化する技術について、非特許文献1に開示されている。 In order to mount this switch as a wiring switch for programmable logic, it is necessary to increase the density by miniaturizing the switch and to simplify the manufacturing process. The wiring material of the state-of-the-art semiconductor device is mainly composed of copper, and a technique for efficiently forming a resistance change element in the copper wiring is desired. Non-Patent Document 1 discloses a technique for integrating a switch element using an electrochemical reaction into a semiconductor device.
非特許文献1には、半導体基板上の銅配線とスイッチング素子の第1電極を兼用する技術が記載されている。本構造を用いれば、第1電極を新たに形成するための工程が削減できる。そのため、第1電極を作成するためのマスクは不要となり、抵抗変化素子を作製するために追加すべきフォトマスク(PR:Photoresist)の数は2枚ですむ。銅配線上に直接イオン伝導層を成膜すると、銅配線表面が酸化しリーク電流が大きくなる。この問題に対して、非特許文献1では、銅配線とイオン伝導層の間に酸化犠牲層として機能する金属薄膜を挟んでいる。金属薄膜はイオン伝導層に含まれる酸素によって酸化されることで銅配線の酸化を防止し、その酸化物はイオン伝導層の一部として機能する。 Non-Patent Document 1 describes a technique that combines a copper wiring on a semiconductor substrate and a first electrode of a switching element. If this structure is used, the process for newly forming the first electrode can be reduced. Therefore, a mask for forming the first electrode is not necessary, and the number of photomasks (PR: Photoresist) to be added to manufacture the resistance change element is two. When the ion conductive layer is directly formed on the copper wiring, the surface of the copper wiring is oxidized and the leakage current increases. To deal with this problem, Non-Patent Document 1 sandwiches a metal thin film that functions as an oxidation sacrificial layer between a copper wiring and an ion conductive layer. The metal thin film is oxidized by oxygen contained in the ion conductive layer to prevent the copper wiring from being oxidized, and the oxide functions as a part of the ion conductive layer.
一方、非特許文献2には、銅配線上に形成したバッファ金属の一部を銅と合金化し、その残りを酸化する技術が開示されている。そして、バッファ金属が金属架橋に拡散することで、金属架橋の熱安定性が向上し、保持耐性(リテンション)が改善されることが開示されている。これは、バッファ金属が金属架橋内に取り込まれることでジュール熱の発生効率が向上し、オン状態からオフ状態への遷移時に必要な電流が増加しないためと考えられている。
On the other hand, Non-Patent
プログラマブルロジックの配線切り換えスイッチは、高いオン/オフ抵抗比を有することが望ましい。金属架橋を用いたスイッチのオン状態の電流パスは、金属の凝集体であるため、オン状態の抵抗値は十分に低く出来る。一方、オフ状態の抵抗値は素子の初期抵抗を踏襲する。 The wiring changeover switch of the programmable logic desirably has a high on / off resistance ratio. Since the on-state current path of the switch using the metal bridge is a metal aggregate, the on-state resistance can be sufficiently low. On the other hand, the resistance value in the off state follows the initial resistance of the element.
非特許文献2に開示された技術では、バッファ金属と銅電極との合金化と、銅電極の酸化防止の両立に課題があった。合金化が足りないとリテンションが十分に確保できない。
In the technique disclosed in
銅電極が酸化されてしまうと、銅イオンがイオン伝導層中へ拡散し、リーク電流増大の要因となってしまう。バッファ金属の膜厚を薄くすると銅電極内部にバッファ金属が全て拡散してしまい、銅電極の酸化防止が難しくなる。その反対に、バッファ金属の膜厚を厚くしてしまうと、酸化されない金属が残ってしまう。犠牲酸化法を用いずに、金属酸化膜として成膜すると、銅電極へのバッファ金属の拡散が進行せず、合金化が難しくなる。 If the copper electrode is oxidized, copper ions diffuse into the ion conductive layer, causing an increase in leakage current. If the thickness of the buffer metal is reduced, the entire buffer metal diffuses inside the copper electrode, making it difficult to prevent oxidation of the copper electrode. On the other hand, if the thickness of the buffer metal is increased, a metal that is not oxidized remains. If the metal oxide film is formed without using the sacrificial oxidation method, the diffusion of the buffer metal to the copper electrode does not proceed, and alloying becomes difficult.
本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、オン状態のリテンション性能の向上とオフ状態のリーク電流の低減を可能にしたスイッチング素子、半導体装置、およびスイッチング素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the technology, and includes a switching element, a semiconductor device, and a switching device that can improve retention performance in an on state and reduce leakage current in an off state. An object is to provide a method for manufacturing an element.
上記目的を達成するための本発明の1つの側面によるスイッチング素子は、
第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び第2電極間に設けられた抵抗変化層と、を有し、
前記抵抗変化層は、前記第1電極と接する第1イオン伝導層と、前記第2電極と接する第2イオン伝導層とで構成され、
前記第1電極は前記第1イオン伝導層に含まれる金属と同種の金属を含み、
前記金属は、該金属の濃度が前記第1電極と前記第1イオン伝導層との界面から該第1電極内の方向に小さくなるように分布している構成である。In order to achieve the above object, a switching element according to one aspect of the present invention includes:
A first electrode and a second electrode;
A variable resistance layer provided between the first electrode and the second electrode,
The variable resistance layer includes a first ion conductive layer in contact with the first electrode and a second ion conductive layer in contact with the second electrode.
The first electrode includes the same kind of metal as the metal included in the first ion conductive layer,
The metal has a configuration in which the concentration of the metal is distributed so as to decrease from the interface between the first electrode and the first ion conductive layer in the direction within the first electrode.
また、本発明の他の側面による半導体装置は、
上記の本発明の1つの側面によるスイッチング素子と、
少なくとも2層に設けられた配線を有する多層配線と、を有し、
前記2層の配線のうち、一方の配線が前記第1電極であり、
前記2層の配線のうち、他方の配線がプラグを介して前記第2電極と接続されている構成である。A semiconductor device according to another aspect of the present invention is
A switching element according to one aspect of the invention as described above;
Multilayer wiring having wiring provided in at least two layers,
Of the two layers of wiring, one wiring is the first electrode,
Of the two layers of wiring, the other wiring is connected to the second electrode through a plug.
また、本発明のさらに他の側面によるスイッチング素子の製造方法は、
基板上に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を形成した後、大気に暴露することなく、減圧下において該金属膜を酸化して第1イオン伝導層を形成する工程と、
前記第1イオン伝導層の上に第2イオン伝導層を形成する工程と、
前記第2イオン伝導層の上に第2電極を形成する工程と、
を有するものである。A method for manufacturing a switching element according to still another aspect of the present invention is
Forming a first electrode on a substrate;
Forming a metal film on the first electrode;
Forming the first ion conductive layer by oxidizing the metal film under reduced pressure without exposing to the atmosphere after forming the metal film; and
Forming a second ion conductive layer on the first ion conductive layer;
Forming a second electrode on the second ion conductive layer;
It is what has.
本発明によれば、オン状態のリテンション性能の向上と、オフ状態のリーク電流の低減を両立できる。 According to the present invention, both the on-state retention performance can be improved and the off-state leakage current can be reduced.
(第1の実施形態)
本実施形態のスイッチング素子の構成を説明する。本実施形態のスイッチング素子は、2つの端子を有する2端子スイッチである。(First embodiment)
The configuration of the switching element of this embodiment will be described. The switching element of this embodiment is a two-terminal switch having two terminals.
図2Aは、本実施形態のスイッチング素子の一構成例を模式的示す断面図である。 FIG. 2A is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration example of the switching element of the present embodiment.
スイッチング素子は、第1電極21と、抵抗変化層に相当するイオン伝導層と、第2電極22とを有する。イオン伝導層は、第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24の積層膜である。第1イオン伝導層23は、第1電極21及び第2イオン伝導層24と接している。第2イオン伝導層24は、第1イオン伝導層23及び第2電極22と接している。
The switching element includes a
第1電極21の材料は、第1電極21及び第2電極22間に電圧を印加したとき、イオン伝導層中に金属イオンを供給する材料である。その反対に、第2電極22の材料は、第1電極21及び第2電極22間に電圧を印加したとき、イオン伝導層中に金属イオンを供給しない材料であることが望ましい。第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24は、金属イオンが伝導するための媒体となる。
The material of the
第1電極21と第1イオン伝導層23の界面には、第1電極21を構成する金属と第1イオン伝導層23に含まれる金属との合金が形成されている。以下では、第1イオン伝導層23に含まれる金属を「第1金属」と称し、第1金属を主な材料とする膜を「第1金属膜」と称する。
An alloy of the metal constituting the
合金の形成方法の詳細は後述するが、第1電極21上に第1金属膜を形成した後、第1金属膜を酸化して第1イオン伝導層23を形成する際、合金は、第1電極21と第1イオン伝導層23の界面に形成される。第1金属膜の一部が第1電極21の金属との合金化に費やされ、残りが酸化物となって第1イオン伝導層23の形成に費やされる。第1イオン伝導層23が形成された後の状態では、合金は、第1電極21と一体で第1電極21の一部と見ることもできるし、第1電極21とは別の構成として形成されたものと見ることもできる。合金を第1電極21とは別の構成で合金層25として表した場合の図を、図2Bに示す。以下では、図2Bに示す構成の場合で説明する。
Although the details of the method of forming the alloy will be described later, when the first metal film is formed on the
図2Bに示す合金層25に含まれる第1金属の濃度は、第1イオン伝導層23と第1電極21との界面から第1イオン伝導層23より離れる方向へ濃度が減衰している。つまり、第1金属は、その濃度が第1電極21と第1イオン伝導層23との界面から第1電極21内へ向かって小さくなるように分布している。
The concentration of the first metal contained in the
次に、図2Bを参照して、本実施形態のスイッチング素子の構成を詳しく説明する。 Next, the configuration of the switching element of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. 2B.
本実施形態では、第1電極21の材料は銅である。銅の形成方法は、物理気相成長法(PVD法:Physical Vapor Deposition)、化学気相成長法(CVD法:Chemical Vapor Deposition)及び電気めっき法のうち、いずれかの方法でもよい。
In the present embodiment, the material of the
第1イオン伝導層23は、第1金属を酸化することで形成される金属酸化物で構成される。ここでは、その形成方法を簡単に説明する。成膜装置のチャンバー内で第1金属膜を第1電極21上に成膜した後、そのまま第1金属膜を大気暴露せずにチャンバー内において減圧下で酸素を含むガスに曝して酸化することで、金属酸化物の第1イオン伝導層23を形成する。このような方法で形成するのは、第1金属膜を第1電極21上に成膜した後に、第1金属膜を大気暴露したり、又は酸素を含むガスで大気圧もしくは増圧下に置いたりしてしまうと、第1電極21までもが酸化されるおそれがあるからである。
The first ion
第1金属は、PVD法、特にスパッタリング法で成膜される。材料の候補としては、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)などの、High−kメタルゲート用酸化物に使用される元素が望ましい。これらの第1金属は、酸化物生成の標準ギブズエネルギーが低く、酸化物となり易いバルブメタルである。 The first metal is formed by a PVD method, particularly a sputtering method. As materials candidates, elements used for high-k metal gate oxides such as zirconium (Zr), hafnium (Hf), aluminum (Al), titanium (Ti), and the like are desirable. These first metals are valve metals that have a low standard Gibbs energy for oxide generation and are likely to become oxides.
また、これらの第1金属は、熱的安定性が高いため、イオン伝導層成膜中の酸素のゲッターとして効果的に機能し、銅配線表面の酸化を防ぐことが出来る。 Moreover, since these first metals have high thermal stability, they effectively function as oxygen getters during the formation of the ion conductive layer, and can prevent oxidation of the copper wiring surface.
第1金属膜の膜厚が厚すぎると、成膜後の酸化処理にも依存するが、酸化されない金属が残ってしまうおそれがある。そこで、例えば、膜厚が1nmよりも厚い第1金属膜で第1イオン伝導層23を形成する場合には、その一部を成膜した後、大気暴露せず減圧下で酸化雰囲気に曝して酸化し、続いて、残りの分を成膜し、酸化雰囲気に曝して酸化するという手順で形成する方法が望ましい。
If the film thickness of the first metal film is too thick, there is a risk that a metal that is not oxidized remains, depending on the oxidation treatment after the film formation. Therefore, for example, when the first ion
第1金属膜の膜厚が厚い場合の、「成膜と酸化」の組み合わせの処理は2回に限らず、3回以上であってもよい。また、第1金属を酸化処理する際、酸化処理の前後のどちらか、又は両方において、400℃以下で第1金属を加熱処理することが望ましい。また、第1金属を加熱しながら酸素雰囲気に曝して、第1イオン伝導層23を形成してもよい。第1イオン伝導層23の形成は、複数種の第1金属の積層構造を形成し、その積層構造を酸化する方法によるものであってもよく、複数種の第1金属が混合された合金を酸化する方法によるものであってもよい。
When the film thickness of the first metal film is large, the combination process of “film formation and oxidation” is not limited to two times, and may be three or more times. In addition, when oxidizing the first metal, it is desirable to heat-treat the first metal at 400 ° C. or less before or after the oxidation process. Alternatively, the first ion
なお、本明細書中において、「減圧」は真空ポンプを動作させてチャンバー内の気圧を大気圧よりも低い圧力に下げることを意味する。成膜処理における「減圧」は、真空ポンプを制御して、チャンバー内に成膜処理に必要な気体を満たした状態で、チャンバー内の気圧を大気圧よりも低い、所定の圧力に維持することを意味する。また、「真空」は、真空ポンプを動作させてチャンバー内の気圧を極力低くした状態を意味するものとする。 In this specification, “reduced pressure” means that the pressure in the chamber is lowered to a pressure lower than the atmospheric pressure by operating the vacuum pump. “Depressurization” in the film formation process is to maintain the atmospheric pressure in the chamber at a predetermined pressure lower than the atmospheric pressure while the chamber is filled with a gas necessary for the film formation process by controlling the vacuum pump. Means. Further, “vacuum” means a state in which the vacuum pump is operated to reduce the atmospheric pressure in the chamber as much as possible.
合金層25は、第1イオン伝導層23を形成する際、第1金属膜と第1電極21との界面において、第1電極21の銅と第1金属とが混合されることで形成される。また、第1金属膜の酸化処理前後における加熱処理によって、その界面における第1金属の濃度は上昇し、第1電極21中へ第1金属の拡散が進行する。第1電極21全体が合金層25になる場合も考えられるが、その場合、電極の抵抗率が増加したり、電極がエレクトロマイグレーションの影響を受けやすくなったりするなど、銅配線としての性能劣化に繋がる。そのため、合金層25は第1電極21と第1イオン伝導層23の界面に存在することが望ましい。
The
第1金属は第1イオン伝導層23から第1電極21に拡散するため、第1金属の濃度は、第1電極21と第1イオン伝導層23との界面を基準にして第1イオン伝導層23から離れる方向へ減衰することが確認されている。また、第1金属の濃度は、合金層25の方が第1イオン伝導層23よりも低いため、第1電極21に正電圧を印加した際に、第1電極21の銅がイオン化し、銅イオンが第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24に注入される電気化学反応を阻害しない。
Since the first metal diffuses from the first ion
本実施形態において、スイッチング素子がオフ状態からオン状態へ遷移し、第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24内に銅を含む金属架橋が形成される場合、合金層25に含まれる第1金属が金属架橋内に混入する。その結果、銅のみで形成された金属架橋に比べて抵抗温度係数(TCR:Temperature Coefficient of Resistance)が低下することで熱安定性が向上し、リテンション性能が向上する。一方、金属架橋の比抵抗は増加するため、オン状態からオフ状態への遷移時に金属架橋に電流が流れた際に発生するジュール熱の発生効率が向上する。このため、オン状態からオフ状態への遷移に必要となる電流が増加することはない。
In the present embodiment, when the switching element transitions from the off state to the on state and a metal bridge including copper is formed in the first ion
第2イオン伝導層24はシリコン、酸素、炭素及び水素を含むSiOCH系ポリマー膜である。第2イオン伝導層24はプラズマCVDによって形成される。その形成方法を簡単に説明する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを成膜装置の反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF(Radio Frequency:高周波)電力の印加を開始し、所定の膜厚が形成されると停止する。原料の供給量は流量10〜200sccmである。ヘリウムについては、原料気化器経由で反応室に流量500sccmで供給し、それとは別のライン経由で反応室に直接に流量500sccmで供給する。
The second ion
プラズマCVD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。 The plasma CVD method is, for example, a gas source or a liquid source that is continuously supplied to a reaction chamber under reduced pressure, and molecules are excited by plasma energy to cause a gas phase reaction or a substrate surface reaction. This is a method for forming a continuous film on a substrate.
第2電極22は、導電性材料により構成され、金属と金属窒化物とが積層された構造であることが望ましい。本実施形態では、第2イオン伝導層24の上に金属膜を形成し、その金属膜の上に金属窒化物の膜が積層される。そのため、以下では、第2イオン伝導層24に接する金属膜を「下部第2電極」と称し、金属窒化物の膜を「上部第2電極」と称する。
The
下部第2電極の金属として、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどが添加されているルテニウム合金(Ru合金)を使用する。以下では、ルテニウムに添加される金属を「第2金属」と称する。ルテニウム合金中における、第2金属の含有率は10atm%以上40atm%以下が望ましい。発明者らの検討により、下部第2電極における第2金属は、金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーがルテニウム(Ru)よりも負方向に大きい金属を選択することが望ましいことを見出した。 As the metal of the lower second electrode, a ruthenium alloy (Ru alloy) to which titanium, tantalum, zirconium, hafnium, aluminum or the like is added is used. Hereinafter, the metal added to ruthenium is referred to as “second metal”. The content of the second metal in the ruthenium alloy is preferably 10 atm% or more and 40 atm% or less. According to the study by the inventors, the second metal in the lower second electrode is selected so that the standard generation Gibbs energy in the process of generating metal ions from the metal (oxidation process) is larger in the negative direction than ruthenium (Ru). Found it desirable.
チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいので、ルテニウムに比べて化学反応(例えば、酸化反応)が自発的に起こりやすい。下部第2電極を形成する材料として、第2金属をルテニウムと合金化したものを利用することで、金属架橋との密着性が向上する。ルテニウムに添加する第2金属は2種類以上であってもよい。 Titanium, tantalum, zirconium, hafnium, and aluminum have a chemical reaction (for example, oxidation reaction) compared to ruthenium because the standard generation Gibbs energy in the process of generating metal ions from metal (oxidation process) is larger in the negative direction than ruthenium. It is likely to happen spontaneously. Adhesion with metal bridge is improved by using a material in which the second metal is alloyed with ruthenium as a material for forming the lower second electrode. Two or more kinds of second metals may be added to ruthenium.
ルテニウム合金の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて、この合金を成膜する方法として、少なくとも3つの方法がある。1つ目の方法は、ルテニウムと第2金属との合金ターゲットを用いる方法である。2つ目は、ルテニウムターゲットと第2金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法である。3つ目は、予め第2金属の薄膜を形成し、その薄膜上にスパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法である。コスパッタ法及びインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができるという利点がある。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の平坦化のため、第2金属の薄膜とルテニウム膜に対して400℃以下での熱処理を加えることが好ましい。 It is desirable to use a sputtering method for forming the ruthenium alloy. There are at least three methods for depositing this alloy by sputtering. The first method uses an alloy target of ruthenium and a second metal. The second is a co-sputtering method in which a ruthenium target and a second metal target are simultaneously sputtered in the same chamber. The third is an intermixing method in which a thin film of a second metal is formed in advance, ruthenium is formed on the thin film using a sputtering method, and alloyed with the energy of collision atoms. Use of the co-sputtering method and the intermixing method has an advantage that the composition of the alloy can be changed. When adopting the intermixing method, it is preferable to heat-treat the second metal thin film and the ruthenium film at 400 ° C. or lower to complete the mixed state after the ruthenium film is formed.
さらに、第2電極22に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。その材料は、例えば、タンタル、チタンなどである。特に、第2金属をチタンとした場合にオフ状態への遷移とオン状態の安定性に優れている。そのため、下部第2電極の材料をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を20atm%〜30atm%の範囲にすることが好ましい。
Furthermore, when copper, which is a metal cross-linking component, is mixed into the
第2電極22の上部第2電極は、下部第2電極に相当するルテニウム合金をエッチングのダメージから保護する役割を有する。上部第2電極は、第2電極22を規定の素子サイズに加工する場合や、外部の電極を下部第2電極と電気的に接続するためのコンタクトホールを第2電極22上に設ける場合に、スイッチング動作の性能に関係するルテニウム合金が直接露出しないようにする。上部第2電極は、コンタクトホール形成時にはコンタクトホールのエッチング時にエッチングストッパ膜としての機能も有する。そのため、上部第2電極の材料は、上記コンタクトホールが形成される酸化シリコンなどの絶縁膜のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
The upper second electrode of the
上部第2電極は金属の窒化物で構成される。上部第2電極の材料は、特にエッチングストッパ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第2電極に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第2電極のルテニウム合金内部に拡散することで、欠陥が生じ、これらの欠陥を起点としてイオン伝導層の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。そのため、上部第2電極に、電気伝導性を有する化合物であって、安定な金属窒化物を用いることで下部第2電極のルテニウム合金への金属の拡散を防止できる。 The upper second electrode is made of a metal nitride. The material of the upper second electrode is particularly preferably a nitride of titanium, tantalum, zirconium, hafnium, or aluminum that functions as an etching stopper film and has conductivity. If a metal that is not a nitride is used for the upper second electrode, a part of the metal diffuses into the ruthenium alloy of the lower second electrode due to heating or plasma damage during the process, and these defects are the starting points. As a result, the dielectric breakdown voltage of the ion conductive layer may be reduced. Therefore, it is possible to prevent diffusion of metal to the ruthenium alloy of the lower second electrode by using a stable metal nitride which is a compound having electrical conductivity for the upper second electrode.
特に、上部第2電極を構成する窒化物の金属と、下部第2電極を構成するルテニウム合金の第2金属とを同じ金属することが好ましい。これにより第2金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第2電極がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第2電極は窒化チタン電極とすることが好ましい。あるいは、下部第2電極がルテニウムとタンタルの合金である場合には、上部第2電極は窒化タンタル電極とする。第2電極22の上層と下層を構成する金属成分を一致させることで、上層の金属が万一下層に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。
In particular, it is preferable that the nitride metal constituting the upper second electrode and the ruthenium alloy second metal constituting the lower second electrode be the same metal. Thereby, the diffusion failure of the second metal can be prevented more efficiently. For example, when the lower second electrode is an alloy electrode of ruthenium and titanium, the upper second electrode is preferably a titanium nitride electrode. Alternatively, when the lower second electrode is an alloy of ruthenium and tantalum, the upper second electrode is a tantalum nitride electrode. By matching the metal components constituting the upper layer and the lower layer of the
さらに好ましい条件は、下部第2電極を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する第2金属の割合よりも、上部第2電極を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくすることである。この場合、下部第2電極に含まれる第2金属が上部第2電極を構成する窒化物に拡散して下部第2電極の組成が変化してしまうことを防止できる。具体的には、上部第2電極が窒化チタンの場合、チタンの含有率が60atm%以上80atm%以下であることがよい。この範囲外の組成を用いると、後工程におけるプロセス中の熱負荷などにより下部第2電極と上部第2電極とのインターミキシングが生じ易くなり、スイッチング特性が劣化する。 A more preferable condition is to make the ratio of the metal to nitrogen of the nitride constituting the upper second electrode larger than the ratio of the second metal to ruthenium of the ruthenium alloy constituting the lower second electrode. In this case, it is possible to prevent the second metal contained in the lower second electrode from diffusing into the nitride constituting the upper second electrode and changing the composition of the lower second electrode. Specifically, when the upper second electrode is titanium nitride, the content of titanium is preferably 60 atm% or more and 80 atm% or less. If a composition outside this range is used, intermixing between the lower second electrode and the upper second electrode is likely to occur due to a thermal load during the process in a later step, and the switching characteristics are deteriorated.
第2電極22の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。この方法では、金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
It is desirable to use a sputtering method for forming the
次に、本実施形態のスイッチング素子の駆動方法を説明する。図3は図2Bに示したスイッチング素子の駆動方法を説明するための断面模式図である。 Next, a method for driving the switching element of this embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of driving the switching element shown in FIG. 2B.
第2電極22を接地して第1電極21に正電圧を印加すると、合金層25の金属が第1イオン伝導層23を介して金属イオン35になって、第2イオン伝導層24に溶解する。
When the
そして、第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24中の金属イオン35が第2電極22の表面に金属架橋36になって析出し、析出した金属架橋36により第1電極21と第2電極22が接続される。金属架橋36を介して第1電極21と第2電極22が電気的に接続することで、スイッチがオン状態になる。オフ状態からオン状態に遷移する過程で、合金層25に含まれる第1金属が金属架橋36中に含有される。
Then,
一方、上記オン状態で第2電極22を接地して第1電極21に負電圧を印加すると、金属架橋36が第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24に金属イオン35となって溶解し、金属架橋36の一部が切れる。この際、金属イオン35は第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24内に分散し、又は合金層25及び第1電極21に回収される。これにより、第1電極21と第2電極22との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。上記オフ状態からオン状態に遷移させるには、再び第2電極22に正電圧を印加すればよい。また、第1電極21を接地し、第2電極22に負電圧を印加してスイッチをオン状態にしたり、第1電極21を接地し、第2電極22に正電圧を印加してスイッチをオフ状態にしたりしてもよい。
On the other hand, when the
なお、スイッチがオフ状態になるとき、電気的接続が完全に切れる前の段階から第1電極21及び第2電極22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の変化があって、最終的に電気的接続が切れる。
When the switch is turned off, the electrical characteristics such as the resistance between the
次に、本実施形態のスイッチング素子の製造方法を説明する。図4Aから図4Dは、本実施形態のスイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。 Next, the manufacturing method of the switching element of this embodiment is demonstrated. 4A to 4D are schematic cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the switching element of the present embodiment.
図4Aに示すように、低抵抗シリコン基板46の表面に膜厚20nmのタンタルをスパッタリング法で成膜し、その上に膜厚100nmの銅をスパッタリング法で成膜する。タンタル及び銅の積層膜を第1電極21とする。
As shown in FIG. 4A, a tantalum film having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the low
続いて、図4Bに示すように、膜厚0.5nmの第1金属をスパッタリング法で第1電極21の上に成膜し、成膜装置のチャンバー中にアルゴン(流量:20sccm)と酸素(流量:20sccm)の混合ガスを導入し、第1金属を酸化させる。ここで、第1金属はTi、Zr、Hf又はAlとする。さらに、酸化された第1金属の膜の上に膜厚0.5nmの第1金属をスパッタリング法で成膜し、チャンバー中にアルゴン(流量:20sccm)と酸素(流量:20sccm)の混合ガスを導入し、追加成膜した第1金属を酸化させる。このように、第1金属の酸化膜を積層して第1イオン伝導層23を形成する。第1イオン伝導層23の形成過程において、図4Bに示すように、合金層25が自発的に形成される。第1イオン伝導層23を形成する際、真空下、温度350℃の環境で加熱処理することで、合金層25の膜厚を大きくしてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a first metal having a film thickness of 0.5 nm is formed on the
なお、合金層25は、第1電極21と第1イオン伝導層23の界面から第1電極21側に形成されるので、これ以降の工程においては、図2Aに示した構成の場合で説明する。つまり、図4C及び図4Dにおいては、合金層を図に示すことを省略している。
Since the
次に、図4Cに示すように、第1イオン伝導層23の上に第2イオン伝導層24として、SiOCH系ポリマー膜をプラズマCVD法により膜厚7nm形成する。その方法を具体的に説明する。環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始し、所定の膜厚が形成されたらRF電力の印加を停止する。反応室への原料の供給量は流量が10〜200sccmである。反応室へのヘリウムの供給は、原料気化器経由での流量が500sccmであり、別ラインによる直接の流量が500sccmである。
Next, as shown in FIG. 4C, a SiOCH-based polymer film having a thickness of 7 nm is formed as a second ion
その後、図4Dに示すように、コスパッタ法により、第2イオン伝導層24の上にルテニウムとチタンの合金を膜厚30nm堆積する。ルテニウムとチタンの合金中におけるチタンの含有率は25atm%とする。続いて、その合金の上に膜厚50nmの窒化チタンを堆積する。窒化チタン中におけるチタンの含有率は70atm%とする。これらの膜堆積の際、ステンレス又はシリコンで作製されたシャドーマスクを介して堆積することで、平面パターンが1辺30μm〜150μmの正方形の第2電極22が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, an alloy of ruthenium and titanium is deposited to a thickness of 30 nm on the second ion
次に、本実施形態のスイッチング素子を多層配線構造内に形成した場合の半導体装置の構成を説明する。図5は本実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。 Next, the configuration of the semiconductor device when the switching element of this embodiment is formed in a multilayer wiring structure will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device of this embodiment.
図5に示すように、半導体装置は半導体基板51上に多層配線構造が設けられた構成である。図5の多層配線構造は、第1配線55と、第2配線68と、第1配線55及び第2配線68を接続するプラグ69とを有する。プラグ69と第1配線55との間にスイッチング素子63が設けられている。本実施形態では、多層配線が第1配線及び第2配線からなる2層の場合で説明するが、配線層の数は2層の場合に限らない。
As shown in FIG. 5, the semiconductor device has a configuration in which a multilayer wiring structure is provided on a
また、多層配線構造は、半導体基板51上に層間絶縁膜52、バリア絶縁膜53、層間絶縁膜54、バリア絶縁膜57、保護絶縁膜64、層間絶縁膜65、エッチングストッパ膜66、層間絶縁膜67及びバリア絶縁膜71が順に積層された絶縁積層体を有する。層間絶縁膜54及びバリア絶縁膜53に形成された配線溝にバリアメタル56を介して第1配線55が埋め込まれている。層間絶縁膜67及びエッチングストッパ膜66に形成された配線溝に第2配線68が埋め込まれている。層間絶縁膜65、保護絶縁膜64及びハードマスク膜62に形成された下穴にプラグ69が埋め込まれている。第2配線68及びプラグ69は一体化して形成され、第2配線68及びプラグ69の側面と底面はバリアメタル70によって覆われている。
In addition, the multilayer wiring structure includes an
多層配線間に、バリア絶縁膜57の開口部に形成された、イオン伝導層59、下部第2電極60及び上部第2電極61と、層間絶縁膜54に形成された第1配線55とを有するスイッチング素子63が設けられている。イオン伝導層59は第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bを有する。上部第2電極61上にハードマスク膜62が形成されている。イオン伝導層59、下部第2電極60、上部第2電極61及びハードマスク膜62の積層体の上面及び側面が、保護絶縁膜64で覆われている。
Between the multilayer wirings, an ion
スイッチング素子63を図2Bに示した構成と比較すると、下部第2電極60及び上部第2電極61が第2電極22に相当する。第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bが第1イオン伝導層23及び第2イオン伝導層24に相当する。また、図2Bに示した第1電極21が第1配線55に相当する。第1配線55の一部を、スイッチング素子63の下部電極とすることで、工程数を簡略化しながら、電極抵抗を下げることができる。図5に示す半導体装置では、通常の銅ダマシン配線プロセスに追加するリソグラフィ工程は2工程ですむ。そのため、追加工程に必要な2PRのマスクセットを作成するだけで、スイッチング素子63を搭載することができる。その結果、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成できる。
When the switching
図5に示すように、スイッチング素子63は、バリア絶縁膜57に形成された開口部の領域において、第1イオン伝導層59aと第1配線55が直接接しており、第1イオン伝導層59aから拡散した第1金属を含む合金層58が第1配線55に形成されている。合金層58に拡散した第1金属は第1イオン伝導層59aから離れるほど、すなわち、半導体基板51方向へ近づくほど濃度が減少している。スイッチング素子63は、プラグ69と上部第2電極61とがバリアメタル70を介して電気的に接続されている。プラグ69は、上述したように、第2配線68と一体化されている。
As shown in FIG. 5, in the switching
第1配線55及び第2配線68間に電圧が印加され、又は電流が流れることで、スイッチング素子63はオン/オフの制御を行う。例えば、スイッチング素子63は、第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59b中への、合金層58から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン/オフの制御を行う。
When a voltage is applied between the
次に、図5に示した半導体装置の各構成について詳しく説明する。 Next, each configuration of the semiconductor device illustrated in FIG. 5 will be described in detail.
半導体基板51は半導体素子(不図示)が形成された基板である。半導体基板51として、例えば、シリコン基板、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板、TFT(Thin Film Transistor)基板及び液晶製造用基板等の基板を用いることが可能である。
The
層間絶縁膜52は、半導体基板51上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜52には、例えば、酸化シリコン膜や酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等の絶縁膜が用いられる。層間絶縁膜52は、複数の絶縁膜が積層された構成であってもよい。
The
バリア絶縁膜53は、層間絶縁膜52及び層間絶縁膜54間に介在し、バリア性を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜53は、第1配線55用の配線溝の加工時にエッチングストッパ層としての役割を有する。バリア絶縁膜53には、例えば、窒化シリコン膜、SiC膜、炭窒化シリコン膜等が用いられる。バリア絶縁膜53には、第1配線55を埋め込むための配線溝が形成されており、配線溝にバリアメタル56を介して第1配線55が埋め込まれている。バリア絶縁膜53は、配線溝のエッチング条件の選択によっては除去することもできる。
The
層間絶縁膜54は、バリア絶縁膜53上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜54には、例えば、酸化シリコン膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等が用いられる。層間絶縁膜54は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。層間絶縁膜54には、第1配線55を埋め込むための配線溝が形成されており、配線溝にバリアメタル56を介して第1配線55が埋め込まれている。
The
第1配線55は、層間絶縁膜54及びバリア絶縁膜53に形成された配線溝にバリアメタル56を介して埋め込まれた配線である。第1配線55は、スイッチング素子63の下部電極の役割を兼ね、第1イオン伝導層59aと直接接している。第2イオン伝導層59bの下面は第1イオン伝導層59aに直接接しており、上面は下部第2電極60に直接接している。第1配線55を構成する金属には、イオン伝導層59において拡散、イオン電導可能な金属が用いられ、例えば、銅等が用いられる。第1配線55を構成する金属(例えば、銅)は、アルミニウムと合金化されていてもよい。
The
第1配線55と第1イオン伝導層59aとの界面には、第1金属と第1配線55を構成する金属との合金層58が形成されている。合金層58は第1配線55全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜57の開口面側に形成されている。第1配線55全体が合金層58であると、第1配線55の比抵抗が増加し、ロジック信号の伝達時の消費電力を悪化させることになる。また、第1配線55全体が合金層58であると、ジュール熱発生の原因にもなるため、エレクトロマイグレーションに起因するボイドの発生を促進させ、断線してしまうおそれがある。そのため、合金層58は第1配線55全体に形成されていない方がよい。
An
バリアメタル56は、第1配線55を構成する金属が層間絶縁膜54や下層へ拡散することを防止するための、配線の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル56には、例えば、第1配線55が銅を主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような、高融点金属若しくはその窒化物等、又はそれらの積層膜が用いられる。
The
バリア絶縁膜57は、第1配線55を含む層間絶縁膜54上に形成され、第1配線55を形成する金属(例えば、銅)の酸化を防ぐ役割がある。また、バリア絶縁膜57は、第1配線55を構成する金属が層間絶縁膜65中へ拡散することを防ぐ役割や、上部第2電極61、下部第2電極60及びイオン伝導層59の加工時にエッチングストッパ層としての役割も有する。バリア絶縁膜57には、例えば、SiC膜、炭窒化シリコン膜、若しくは窒化シリコン膜、又はそれらの積層膜等が用いられる。バリア絶縁膜57は、保護絶縁膜64及びハードマスク膜62と同一材料であることが好ましい。
The
イオン伝導層59は、第1配線55の上面の一部、バリア絶縁膜57の開口部のテーパ面及びバリア絶縁膜57の上に形成されている。第1配線55と第1イオン伝導層59aとの接続部の外周領域のうち、少なくともバリア絶縁膜57の開口部のテーパ面上にも、イオン伝導層59がそのテーパ面に沿って設けられている。
The ion
第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bは、抵抗が変化する膜(抵抗変化層)である。これらのイオン伝導層には、第1配線55を構成する金属から生成される金属イオンの作用(拡散、イオン伝導など)により、抵抗が変化する材料が用いられる。オフ状態からオン状態へのスイッチングに伴うスイッチング素子63の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合、これらのイオン伝導層に、イオン伝導可能な膜が用いられる。
The first ion
第2イオン伝導層59bは、プラズマCVD法を用いて形成される。具体的には、環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始し、所定の膜厚が形成されたら停止する。原料の供給量は流量10〜200sccmであり、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で流量500sccmである。
The second ion
第1イオン伝導層59aは、第2イオン伝導層59bを堆積している間の加熱やプラズマ処理中に、第1配線55を構成する金属が第2イオン伝導層59b中に拡散することを防止する役割がある。また、第1イオン伝導層59aは、第1配線55が酸化され、第2イオン伝導層59bへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。第1イオン伝導層59aを形成する素になる金属は、上述した第1金属である。第1金属が、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンである場合、これらの金属は成膜後に成膜装置のチャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝され、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンとなる。これらの酸化物はイオン伝導層59の一部となる。
The first ion
第1イオン伝導層59aの素になる金属膜の最適な膜厚は0.5〜1nmである。膜厚が0.5nm以上の場合は、一度の「成膜と酸化」で第1イオン伝導層59aを形成するのではなく、「成膜と酸化」の組み合わせを2回以上に分けて形成する。酸素雰囲気は、流量20sccmによるアルゴンと、流量20sccmによる酸素が混合された状態が望ましい。
The optimum film thickness of the metal film that forms the first ion
第1イオン伝導層59aを形成するための酸化処理には、銅の酸化防止力と第1イオン伝導層59aの酸化度との間に、次のようなトレードオフの関係がある。第1イオン伝導層59aの酸化を優先させるために、第1イオン伝導層59aの素になる金属膜の膜厚を薄くすると、第1配線55までもが酸化してしまう。一方、第1配線55の酸化を抑制するために、第1イオン伝導層59aの素になる金属膜の膜厚を厚くすると、金属膜を十分に酸化できず、酸化されなかった金属が第2イオン伝導層59bに拡散することでオフ時のリーク電流が増加してしまう。また、金属膜の酸化には、金属膜を大気暴露する、又は成膜装置のチャンバーを大気圧若しくは増圧することも考えられるが、これらの場合には第1配線55が酸化してしまう。本実施形態では、金属膜形成後、大気暴露することなく、成膜装置のチャンバー内において減圧下で酸化処理を行っている。これにより、第1配線55を酸化させずに、金属膜を十分に酸化して第1イオン伝導層59aを形成することが出来る。
The oxidation treatment for forming the first ion
第1イオン伝導層59aの素になる金属膜は、単層膜の場合に限らず、積層膜でもよい。この金属膜の形成はスパッタリング法で行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子又は金属イオンは、第1配線55に突入した後、拡散し、合金層58の構成の一部となる。
The metal film that forms the first ion
合金層58は、第1イオン伝導層59aを形成する際に、第1イオン伝導層59aの素になる金属膜から第1金属が第1配線55に拡散し、第1配線55を構成する金属と第1金属とが混合されることで形成される。合金層58に含まれる第1金属は、第1イオン伝導層59aから離れるほど濃度が減少する。また、第1金属の濃度は、合金層58の方が第1イオン伝導層59aよりも低いため、第1配線55に正電圧を印加した際に、第1配線55の銅がイオン化し、第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bに注入され、電気化学反応を阻害しない。
In the
合金層58の厚膜化を促すために、第1イオン伝導層59aの素になる金属膜を成膜した後、酸化処理の前後のどちらか、又は両方で加熱処理を行ってもよい。加熱温度は400℃以下、特に350℃が望ましい。また、加熱しながらチャンバー内を酸素雰囲気にし、第1イオン伝導層59aの形成を開始してもよい。合金層58に銅と共に含まれる第1金属は、銅よりも標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属、例えば、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、チタンである。合金層58に第1金属が含まれていると、スイッチがオフ状態からオン状態に遷移する際、合金層58から第1金属が金属架橋に混入することで、金属架橋と下部第2電極60との密着性が増し、リテンションが向上する。
In order to promote the thickening of the
また、金属架橋の抵抗温度係数が減少し、熱安定性が増すためリテンション向上に寄与する。その際、金属架橋が純粋な銅のみで構成されている場合に比べて比抵抗が増加するため、オフ状態への遷移時にジュール熱の発生効率が向上し、オフへの遷移時の電流を増加させず、リテンションのみ向上させることが可能となる。 In addition, the resistance temperature coefficient of metal cross-linking is reduced and the thermal stability is increased, which contributes to the improvement of retention. At that time, the resistivity increases compared to the case where the metal bridge is composed of pure copper only, so the efficiency of Joule heat generation at the transition to the off state is improved, and the current at the transition to the off is increased. It is possible to improve only the retention.
下部第2電極60は、スイッチング素子63の上部電極における下層側の電極であり、第2イオン伝導層59bと直接接している。下部第2電極60には、第1配線55を構成する金属よりもイオン化しにくく、第2イオン伝導層59bにおいて拡散、イオン伝導しにくい金属であるルテニウムと、第1配線55を形成する金属と密着性のよい第2金属との合金が用いられる。第2金属は、例えば、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムである。
The lower
下部第2電極60の材料に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される第2金属として、金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい金属を選択することが望ましい。チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きく、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすい性質を示すため、反応性が高い。このため、下部第2電極60を形成するルテニウム合金として、第2金属をルテニウムと合金化したものを利用することで、第1配線55を構成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。
In the ruthenium alloy used as the material of the lower
一方、ルテニウムを含まずに、第2金属のみで下部第2電極60を構成すると、反応性が高くなってしまい、オフ状態に遷移しなくなる。その理由を説明する。オン状態からオフ状態への遷移は、金属架橋の酸化反応(溶解反応)によって進行する。下部第2電極60が第2金属のみで構成される場合、その金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーが負方向に、第1配線55を構成する金属よりも大きいことになる。その結果、第1配線55を構成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第2電極60の酸化反応が進行するため、オフ状態に遷移できなくなってしまう。
On the other hand, if the lower
このため、下部第2電極60の金属材料は、金属から金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムを含む合金である必要がある。
For this reason, the metal material of the lower
さらに、下部第2電極60に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅及び銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど、オン状態が安定化することがわかっており、添加金属の含有率を5atm%としても安定性が向上することがわかっている。特に添加金属をチタンとした場合にオフへの遷移とオン状態の安定性に優れている。そのため、特に下部第2電極60をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を20atm%〜30atm%の範囲にするのが好ましい。ルテニウム合金における、ルテニウムの含有率は、60atm%以上90atm%以下が望ましい。
Furthermore, when copper, which is a metal bridging component, is mixed into the lower
下部第2電極60の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する方法として、上述の3つの方法(ルテニウム及び第2金属の合金ターゲットを用いる方法、コスパッタ法、及びインターミキシング法)がある。
It is desirable to use a sputtering method for forming the lower
上記3つの方法のうち、ルテニウム及び第2金属の合金ターゲットを用いる方法と、コスパッタ法とを比べると、コスパッタ法が好ましい。ルテニウム及び第2金属からなる合金ターゲットを用いる方法では、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用している間にターゲットの組成にずれが生じ、成膜される膜の組成を緻密に制御できなくなるおそれがある。一方、コスパッタ法では、予め各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定可能なので、成膜させる膜の組成を精密に制御することができる。特に、第2電極として、チタン又はタンタルを用いた場合に効果が大きい。 Of the above three methods, the cosputtering method is preferable when the method using an alloy target of ruthenium and a second metal is compared with the cosputtering method. In the method using an alloy target composed of ruthenium and a second metal, since the sputtering yield of each material is different, the composition of the target is shifted during continuous use, and the composition of the film to be formed is dense. May be out of control. On the other hand, in the co-sputtering method, since the power applied to each target electrode can be set individually in advance, the composition of the film to be formed can be precisely controlled. In particular, the effect is large when titanium or tantalum is used as the second electrode.
上部第2電極61は、スイッチング素子63の上部電極における上層側の電極であり、下部第2電極60上に形成されている。上部第2電極61は、下部第2電極60を保護する役割を有する。すなわち、上部第2電極61が下部第2電極60を保護することで、製造プロセス中の下部第2電極60へのダメージを抑制し、スイッチング素子63のスイッチング特性を維持することができる。上部第2電極61には、例えば、タンタル、チタン、タングステン又はそれらの窒化物等が用いられる。また、上部第2電極61はプラグ69を下部第2電極60上に形成する際に、エッチングストッパ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜65のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。
The upper
上部第2電極61は金属の窒化物で構成される。上部第2電極61の材料は、特にエッチングストッパ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。上部第2電極61に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第2電極60の内部に拡散することで、下部第2電極61内に欠陥が生じ、これらの欠陥を起点としてイオン伝導層59の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第2電極61に、電気伝導性を有する化合物であって、安定な金属窒化物を用いることで、下部第2電極60への金属の拡散を防止できる。
The upper
特に、上部第2電極61を構成する窒化物の金属と、下部第2電極60を構成するルテニウム合金の添加金属とを、同じ金属とすることが好ましい。これによりルテニウム合金の添加金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第2電極60がルテニウムとチタンの合金電極である場合には、上部第2電極61は窒化チタン電極とすることが好ましい。あるいは、下部第2電極60がルテニウムとタンタルの合金である場合には、上部第2電極61は窒化タンタル電極とする。下部第2電極60の添加金属と上部第2電極61に含まれる金属の成分を一致させることで、上部第2電極61の金属が万一下部第2電極60に拡散した場合にも、欠陥が形成し難くなる。このとき、下部第2電極60を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する添加金属の割合よりも、上部第2電極61を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくするとよい。この場合、下部第2電極60における添加金属が上部第2電極61を構成する窒化物に拡散して、下部第2電極60を構成するルテニウム合金の組成が変化してしまうことを防止できる。具体的には、上部第2電極61が窒化チタンの場合、チタンの含有率が60atm%以上80atm%以下であることがより好ましい。
In particular, the nitride metal constituting the upper
上部第2電極61の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて金属窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、金属窒化物となって基板上に成膜される。
It is desirable to use a sputtering method for forming the upper
ハードマスク膜62は、上部第2電極61、下部第2電極60、第2イオン伝導層59b及び第1イオン伝導層59aをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜62には、例えば、窒化シリコン膜等が用いられる。
The
ハードマスク膜62は、保護絶縁膜64及びバリア絶縁膜57と同一材料であることが好ましい。すなわち、スイッチング素子63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、スイッチング素子63自身からの酸素や金属の脱離を防ぐことができるようになる。
The
保護絶縁膜64は、スイッチング素子63にダメージを与えることなく、さらに第2イオン伝導層59b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64には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等が用いられる。保護絶縁膜64は、ハードマスク膜62及びバリア絶縁膜57と同一材料であることが好ましい。これらの膜が同一材料である場合には、保護絶縁膜64、バリア絶縁膜57及びハードマスク膜62が一体化して、界面の密着性が向上し、スイッチング素子63の保護をより強化することができる。
The protective
層間絶縁膜65は、保護絶縁膜64上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜65には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)などが用いられる。層間絶縁膜65は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。層間絶縁膜65は、層間絶縁膜67と同一材料としてもよい。
The
層間絶縁膜65には、プラグ69を埋め込むための下穴が形成されており、その下穴にバリアメタル70を介してプラグ69が埋め込まれている。
A pilot hole for embedding the
エッチングストッパ膜66は、層間絶縁膜65及び層間絶縁膜67間に介在した絶縁膜である。エッチングストッパ膜66は、第2配線68用の配線溝の加工時にエッチングストッパ層としての役割を有する。エッチングストッパ膜66には、例えば、窒化シリコン膜、SiC膜、炭窒化シリコン膜等が用いられる。エッチングストッパ膜66には、第2配線68を埋め込むための配線溝が形成されており、その配線溝にバリアメタル70を介して第2配線68が埋め込まれている。エッチングストッパ膜66は、配線溝のエッチング条件の選択によっては除去することもできる。
The
層間絶縁膜67は、エッチングストッパ膜66上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜67には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)などが用いられる。層間絶縁膜67は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。層間絶縁膜67は、層間絶縁膜65と同一材料としてもよい。層間絶縁膜67には、第2配線68を埋め込むための配線溝が形成されており、その配線溝にバリアメタル70を介して第2配線68が埋め込まれている。
The
第2配線68は、層間絶縁膜67及びエッチングストッパ膜66に設けられた配線溝にバリアメタル70を介して導電性材料が埋め込まれて形成された配線である。第2配線68は、プラグ69と一体になっている。プラグ69は、層間絶縁膜65、保護絶縁膜64及びハードマスク膜62に形成された下穴にバリアメタル70を介して埋め込まれている。プラグ69は、バリアメタル70を介して上部第2電極61と電気的に接続されている。第2配線68及びプラグ69の材料には、例えば、銅が用いられる。
The
バリアメタル70は、第2配線68及びプラグ69を構成する金属が層間絶縁膜65及び層間絶縁膜67や下層へ拡散することを防止するために、第2配線68及びプラグ69の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル50には、例えば、第2配線68及びプラグ69が銅を主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜を用いることができる。バリアメタル70は、上部第2電極61と同一材料であることが好ましい。例えば、バリアメタル70が窒化タンタル(下層)/タンタル(上層)の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第2電極61の材料に用いることが好ましい。
The
バリア絶縁膜71は、第2配線68を含む層間絶縁膜67上に形成され、第2配線68を構成する金属(例えば、銅)の酸化を防いだり、第2配線68を構成する金属が上層に拡散するのを防いだりする役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜71には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、及びそれらの積層構造等が用いられる。
The
次に、本実施形態のスイッチング素子の特性を説明する。 Next, the characteristics of the switching element of this embodiment will be described.
実験には、図5に示した半導体装置を用いた。実験に用いた半導体装置は、4キロビットアレイのスイッチング素子が多層配線構造に設けられた構成である。実験サンプルとして、2種類準備した。2種類の実験サンプルのうち、一方の実験サンプルは本実施形態の製造方法にしたがって作製したスイッチング素子を含む半導体装置であり、他方の実験サンプルは、本実施形態とは異なる方法で作製したスイッチング素子を含む半導体装置である。他方の実験サンプルを、以下では、「比較例」と称する。 In the experiment, the semiconductor device shown in FIG. 5 was used. The semiconductor device used in the experiment has a configuration in which switching elements of a 4 kilobit array are provided in a multilayer wiring structure. Two types of experimental samples were prepared. Of the two types of experimental samples, one experimental sample is a semiconductor device including a switching element manufactured according to the manufacturing method of the present embodiment, and the other experimental sample is a switching element manufactured by a method different from the present embodiment. A semiconductor device including The other experimental sample is hereinafter referred to as “comparative example”.
本実施形態による実験サンプルは、第1イオン伝導層59aを形成する際、ジルコニウムを膜厚0.5nm形成する工程と図4Bを参照して説明した酸化処理の工程とを2回繰り返したものである。比較例の実験サンプルは、第1イオン伝導層を形成するための金属膜としてジルコニウムを1nm形成した後、チャンバー内での酸化処理を行わずに次の工程に進めたものである。どちらの実験サンプルも、第1イオン伝導層を形成するための金属膜となるジルコニウムの膜厚は1nmである。 The experimental sample according to the present embodiment is obtained by repeating the process of forming 0.5 nm of zirconium and the oxidation process described with reference to FIG. 4B twice when forming the first ion conductive layer 59a. is there. In the experimental sample of the comparative example, after 1 nm of zirconium was formed as a metal film for forming the first ion conductive layer, the process was advanced to the next step without performing the oxidation treatment in the chamber. In both experimental samples, the thickness of zirconium serving as a metal film for forming the first ion conductive layer is 1 nm.
各実験サンプルの4キロビットアレイのスイッチング素子のそれぞれのオフ状態とオン状態において、各素子の配線間に0.4V印加したときに配線間に流れる電流を測定した。スイッチング素子のオフ状態の電流値をオフ電流と称し、オン状態の電流値をオン電流と称する。スイッチング素子のオフ状態からオン状態への遷移では、図5に示した第1配線55に正電圧を印加し、オン状態からオフ状態への遷移では、第1配線55に負電圧を印加した。各実験サンプルのオン電流及びオフ電流について、測定した、4キロビット分の電流値の正規分布を重ねてグラフにプロットした。 図6Aは比較例のスイッチング素子のオン電流及びオフ電流の測定結果を示すグラフであり、図6Bは本実施形態のスイッチング素子のオン電流及びオフ電流の測定結果を示すグラフである。
In the OFF state and the ON state of the switching elements of the 4-kilobit array of each experimental sample, the current flowing between the wirings when 0.4 V was applied between the wirings of the respective elements was measured. The current value in the off state of the switching element is referred to as off current, and the current value in the on state is referred to as on current. In the transition from the OFF state to the ON state of the switching element, a positive voltage is applied to the
半導体や抵抗変化素子の抵抗値の分布は、一般的に正規分布でプロットされる。正規分布より外れる場合は故障などの異常状態を示しており、そのような事象を見極めるプロット方法として、正規確率プロットは広く用いられている。一般的に正規確率プロットでは、直線性があれば正規分布を示す。図6A、図6Bの縦軸「累積確率」は、より正確には「標準偏差の倍数」もしくは「平均からの標準偏差の差」を示す。いわゆるヒストグラムの横軸において、平均値(度数が最も大きい値。通常50%)からの標準偏差分だけずらした位置にあたる。図6A、図6Bの縦軸「累積確率」の目盛は、測定された電流値の平均値を目盛「0」とした場合の、「標準偏差の倍数」もしくは「平均からの標準偏差の差」を示す。この値を確率表示にしたものを「累積故障確率」として、信頼性評価に使用される。 The distribution of resistance values of semiconductors and resistance change elements is generally plotted as a normal distribution. When the distribution deviates from the normal distribution, it indicates an abnormal state such as a failure, and the normal probability plot is widely used as a plotting method for identifying such an event. In general, a normal probability plot indicates a normal distribution if there is linearity. The vertical axis “cumulative probability” in FIGS. 6A and 6B more accurately indicates “multiple of standard deviation” or “difference of standard deviation from average”. On the horizontal axis of the so-called histogram, the position is shifted by the standard deviation from the average value (the value with the highest frequency, usually 50%). The scale of the vertical axis “cumulative probability” in FIGS. 6A and 6B indicates “multiple of standard deviation” or “difference of standard deviation from average” when the average value of measured current values is set to “0”. Indicates. This value in probability display is used as a “cumulative failure probability” for reliability evaluation.
図6Bに示す結果は、図6Aに示す結果と比べると、オン電流はほぼ同じだが、オフ電流が一桁程度低い。すなわち、オフ時のリーク電流が一桁程度低い。このことから、本実施形態のスイッチング素子は、比較例のスイッチング素子と比べて、オフ状態が高抵抗となっていることがわかる。また、図6Bに示す結果は、図6Aに示す結果と見比べて、正規分布の傾きは変化していない。このことから、本実施形態のスイッチング素子は、比較例のスイッチング素子と比べて、オフ抵抗のばらつきが増大することはないことがわかる。 The result shown in FIG. 6B is almost the same as the result shown in FIG. 6A, but the off-current is about one digit lower. That is, the off-state leakage current is about an order of magnitude lower. From this, it can be seen that the switching element of the present embodiment has a higher resistance in the off state than the switching element of the comparative example. In addition, the result shown in FIG. 6B does not change the slope of the normal distribution as compared with the result shown in FIG. 6A. From this, it can be seen that the switching element of this embodiment does not increase the variation in off-resistance as compared with the switching element of the comparative example.
また、各実験サンプルの4キロビットアレイのスイッチング素子のそれぞれについて、オフ電流からオン状態に変化する電圧であるセット電圧とオフ状態の電流(オフ時のリーク電流)を測定してグラフにプロットした。 In addition, for each switching element of the 4-kilobit array of each experimental sample, the set voltage, which is a voltage that changes from the off-current to the on-state, and the off-state current (leakage current at the off time) were measured and plotted on a graph.
図6Cは比較例のスイッチング素子のセット電圧とオフ電流の関係を示すグラフであり、図6Dは本実施形態のスイッチング素子のセット電圧とオフ電流の関係を示すグラフである。 FIG. 6C is a graph showing the relationship between the set voltage and the off current of the switching element of the comparative example, and FIG. 6D is a graph showing the relation between the set voltage and the off current of the switching element of this embodiment.
通常、オフ状態の電流を低減するためには、第1イオン伝導層または第2イオン伝導層を厚膜化する方法が取られるが、その場合、セット電圧も増加してしまう。しかし、図6Cと図6Dを見比べると、上述した、第1イオン伝導層59aの形成方法によるスイッチング素子において、セット電圧を増加させずにオフ状態の電流のみ低減できている。このことから、本実施形態のスイッチング素子は、セット電圧とオフ状態におけるリーク電流とのトレードオフの関係を解決していることがわかる。
Usually, in order to reduce the off-state current, a method of increasing the thickness of the first ion conductive layer or the second ion conductive layer is taken, but in this case, the set voltage also increases. However, when FIG. 6C is compared with FIG. 6D, only the off-state current can be reduced without increasing the set voltage in the switching element according to the method of forming the first ion
さらに、リテンションについて、比較例のスイッチング素子と本実施形態のスイッチング素子を比較すると、差はなかった。 Further, regarding the retention, when the switching element of the comparative example and the switching element of the present embodiment were compared, there was no difference.
これらの実験結果から、本実施形態のスイッチング素子では、第1配線55と第1イオン伝導層59aの界面に合金層58が形成されており、オン状態にイオン伝導層59に形成される金属架橋内に、合金層58に含まれる銅及び第1イオン伝導層59aの素になるジルコニウムが含まれていると考えられる。本実施形態の製造方法では、第1イオン伝導層59aが完全に酸化され、かつ、第1配線55と第1イオン伝導層59aの界面に合金層58が形成され、第1配線55及び合金層58が酸化されていない素子が形成される。
From these experimental results, in the switching element of the present embodiment, the
その結果、オフ状態のリーク電流のみ低減可能になった。 As a result, only the leakage current in the off state can be reduced.
また、本実施形態のスイッチング素子において、第1配線55の比抵抗の増大や信頼性の低下は確認されなかった。このことから、合金層58は第1配線55全体に拡散してはおらず、第1配線55と第1イオン伝導層59aの界面付近にのみ存在していると考えられる。また、第1配線55において、第1配線55と第1イオン伝導層59aとの界面からの距離が離れるほど、第1イオン伝導層59aの素になった金属の濃度は減少する構成になっていると考えられる。
Further, in the switching element of the present embodiment, an increase in specific resistance and a decrease in reliability of the
次に、図5に示した半導体装置の製造方法を説明する。図7A〜図7Lは図5に示した半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 5 will be described. 7A to 7L are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of the semiconductor device shown in FIG.
図5に示した第1配線55を形成するまでの工程を、図7Aを参照して説明する。半導体基板51の上に層間絶縁膜52(例えば、酸化シリコン膜、膜厚500nm)を堆積する。続いて、層間絶縁膜52の上にバリア絶縁膜53(例えば、炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)を堆積する。その後、バリア絶縁膜53の上に層間絶縁膜54として、比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜、膜厚150nm)及び酸化シリコン膜(例えば、膜厚100nm)からなる積層膜を堆積する。さらに、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング及びフォトレジスト除去の処理を含む)を用いて、層間絶縁膜54及びバリア絶縁膜53に配線溝を形成する。その後、配線溝にバリアメタル56(例えば、窒化タンタル/タンタルの積層膜、膜厚5nm/5nm)を介して第1配線55(例えば、銅)を埋め込む。
A process until the
層間絶縁膜52及び層間絶縁膜54は、プラズマCVD法によって形成することができる。第1配線55は、例えば、次のようにして形成することができる。PVD法によってバリアメタル56を配線溝内に形成し、続いて、PVD法により銅シードを形成した後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋め込む。その後、形成された銅に対して200℃以上の温度で熱処理を行った後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によって、配線溝内に埋め込まれた銅以外の余剰の銅を除去する。このような一連の銅配線の形成方法は、半導体製造技術における一般的な手法を用いることが可能である。
The
ここで、CMP法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を平坦化するために、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ウェハ表面を接触させてその表面を研磨する方法である。CMP法を用いることで、配線溝からはみ出した余剰の銅を研磨して除去することによって、埋め込み配線(ダマシン配線)が形成される。また、CMP法を、表面に凹凸のある層間絶縁膜に用いることで、層間絶縁膜の表面を研磨して平坦化することも可能である。 Here, the CMP method means that the wafer surface is brought into contact with a rotated polishing pad while flowing a polishing liquid over the wafer surface in order to flatten the unevenness of the wafer surface that occurs during the multilayer wiring formation process. This is a polishing method. By using the CMP method, excess copper protruding from the wiring trench is polished and removed, whereby a buried wiring (damascene wiring) is formed. In addition, by using the CMP method for an interlayer insulating film having an uneven surface, the surface of the interlayer insulating film can be polished and planarized.
なお、半導体基板51の上に層間絶縁膜52を形成する場合で説明したが、半導体基板51と層間絶縁膜52の間に他の絶縁膜や半導体素子(例えば、抵抗素子)が形成されていてもよい。また、半導体基板51の表面に半導体素子(例えば、トランジスタ素子)が形成されていてもよい。これらの半導体素子を図に示すことを省略している。
Although the case where the
第1配線55を形成した後、図7Bに示すように、第1配線55を含む層間絶縁膜54上にバリア絶縁膜57(例えば、窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)を形成する。バリア絶縁膜57は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜57の膜厚は10nm〜50nm程度であることが好ましい。
After forming the
続いて、図7Cに示すように、バリア絶縁膜57上にハードマスク膜78(例えば、酸化シリコン膜、膜厚40nm)を形成する。このとき、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、ハードマスク膜78はバリア絶縁膜57とは異なる材料であることが好ましい。ハードマスク膜78は、絶縁膜であってもよく、導電膜であってもよい。ハードマスク膜78には、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化チタン、チタン、タンタル、窒化タンタル等を用いることが可能である。また、ハードマスク膜78に、例えば、窒化シリコン/酸化シリコン膜の積層体を用いてもよい。
Subsequently, as illustrated in FIG. 7C, a hard mask film 78 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 40 nm) is formed on the
次に、ハードマスク膜78上にフォトレジスト(不図示)を形成し、フォトレジストに開口部をパターニングする。続いて、開口部を有するフォトレジストをマスクにしてドライエッチングすることにより、ハードマスク膜78に開口部パターンを形成する。その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。その状態を図7Dに示す。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜57の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜57の内部にまで到達していてもよい。
Next, a photoresist (not shown) is formed on the
図7Dに示したハードマスク膜78をマスクとして、ハードマスク膜78の開口部に露出するバリア絶縁膜57をエッチバック(ドライエッチング)する。この処理により、バリア絶縁膜57に開口部を形成して、バリア絶縁膜57の開口部から第1配線55を露出させる。その後、バリア絶縁膜57の開口部を窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第1配線55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。その状態を図7Eに示す。
Using the
バリア絶縁膜57のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜57の開口部の壁面をテーパ状に形成することができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフルオロカーボンを含むガスを用いることができる。ハードマスク膜78は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜57の開口部の平面パターン形状を、例えば、円形とし、円の直径を30nmから500nmとする。第1配線55の表面の酸化物の除去は、非反応性ガスを用いたRF(Radio Frequency:高周波)エッチングによって行う。非反応性ガスとしては、ヘリウムやアルゴンを用いることができる。
In the etch back of the
続いて、図7Fに示すように、第1配線55を含むバリア絶縁膜57上にイオン伝導層59を形成する。この工程をより具体的に説明する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 7F, an ion
まず、第1配線55を含むバリア絶縁膜57上に膜厚0.5nmのジルコニウムをスパッタリング法で堆積し、続いて、成膜装置のチャンバー内にアルゴン(流量20sccm)及び酸素(流量20sccm)の混合ガスを流してジルコニウムを酸化させる。この工程を2回繰り返し、ジルコニウムの合計膜厚が1nmに相当する酸化ジルコニウムで構成された第1イオン伝導層59aを形成する。その際、第1配線55の、第1イオン伝導層59aと接している部分に第1イオン伝導層59aの素になる金属(ジルコニウム)が拡散し、合金層58が自発的に形成される。350℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、合金層58の厚さを厚くすることができる。アニール処理の時間は2分程度が好ましい。続いて、第2イオン伝導層59bとして、SiOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって第1イオン伝導層59aの上に形成する。第2イオン伝導層59bの形成方法は、環状有機シロキサンの原料とキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始し、所定の膜厚が形成されたら停止するものである。原料の供給量は流量10〜200sccmである。ヘリウムは、原料気化器経由で反応室に流量500sccmで供給し、別ライン経由で反応室に直接に流量500sccm供給する。
First, zirconium having a film thickness of 0.5 nm is deposited on the
なお、バリア絶縁膜57の開口部は有機剥離処理によって水分などが付着しているため、イオン伝導層59の形成前に250℃から350℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。
In addition, since moisture and the like are attached to the opening of the
次に、図7Gに示すように、第2イオン伝導層59bの上に下部第2電極60として、ルテニウムとチタンの合金(この製造方法の説明において、以下では、合金膜と称する)を10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成する。この際、ルテニウムターゲットとチタンターゲットは同一チャンバー内に存在し、同時にスパッタリングすることで合金膜を堆積する。また、ルテニウムターゲットへの印加パワーを150W、チタンターゲットへの印加パワーを50Wとすることで、合金膜中のルテニウムの含有率を75atm%とする。
Next, as shown in FIG. 7G, an alloy of ruthenium and titanium (hereinafter referred to as an alloy film in the description of the manufacturing method) is formed on the second ion
続いて、図7Gに示すように、下部第2電極60の上に上部第2電極61を形成する。上部第2電極61として、窒化チタンを25nmの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを600Wとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。また、窒素の流量とアルゴンの流量を1:1とすることで、窒化チタン中のチタンの含有率を70atm%とする。
Subsequently, as shown in FIG. 7G, the upper
次に、図7Hに示すように、上部第2電極61上にハードマスク膜62(例えば、窒化シリコン膜または炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)及びハードマスク膜83(例えば、酸化シリコン膜、膜厚80nm)を順に積層する。ハードマスク膜62及びハードマスク膜83は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜62及びハードマスク膜83は半導体製造技術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。
Next, as shown in FIG. 7H, a hard mask film 62 (for example, a silicon nitride film or a silicon carbonitride film, a film thickness of 30 nm) and a hard mask film 83 (for example, a silicon oxide film, a film) are formed on the upper
また、ハードマスク膜62とハードマスク膜83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62を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜83を酸化シリコン膜とする。このとき、ハードマスク膜62は、保護絶縁膜64及びバリア絶縁膜71と同一材料であることが好ましい。この場合、スイッチング素子の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、スイッチング素子自身からの酸素や金属の脱離を防ぐことができる。また、ハードマスク膜62は、プラズマCVD法によって形成することができる。ハードマスク膜62として、例えば、SiH4/N2の混合ガスを用いた高密度プラズマによって形成される、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。The
次に、ハードマスク膜83の上面に対して、スイッチング素子63のパターンに相当する部分を覆うフォトレジスト(不図示)をハードマスク膜83上に形成する。そして、フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜62が表れるまでハードマスク膜83をドライエッチングする。その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。その状態を図7Iに示す。
Next, a photoresist (not shown) that covers a portion corresponding to the pattern of the switching
続いて、図7Jに示すように、ハードマスク膜83をマスクとして、ハードマスク膜62、上部第2電極61、下部第2電極60及びイオン伝導層59を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜83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。上部第2電極61が窒化チタンの場合には、Cl2系のRIE(Reactive Ion Etching)で上部第2電極61を加工することができる。また、下部第2電極60がルテニウムとチタンの合金の場合には、Cl2/O2の混合ガスでRIEによりその合金膜を加工することができる。Subsequently, as shown in FIG. 7J, the
また、イオン伝導層59のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜57上でドライエッチングを停止させる必要がある。ここでは、上述した例のように、第2イオン伝導層59bがSiOCH系ポリマー膜であり、第1イオン伝導層59aは酸化ジルコニウムであり、バリア絶縁膜57が窒化シリコン膜や炭窒化シリコン膜である場合を考える。このような膜構造である場合、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によりイオン伝導層59を加工することができる。In the etching of the ion
このようなハードマスクRIE法を用いることで、スイッチング素子63に相当する部分を、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、スイッチング素子63のパターンに積層膜を加工できる。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、スイッチング素子63の部分がハードマスク膜83で覆われているため、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。
By using such a hard mask RIE method, the laminated film can be processed into the pattern of the switching
次に、図7Jに示したハードマスク膜83、ハードマスク膜62、上部第2電極61、下部第2電極60及びイオン伝導層59を含むバリア絶縁膜57上に保護絶縁膜64(例えば、窒化シリコン膜又は炭窒化シリコン膜、膜厚20nm)を堆積する。その状態を図7Kに示す。
Next, a protective insulating film 64 (for example, nitrided) is formed on the
保護絶縁膜64は、プラズマCVD法によって形成可能だが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要があり、このときイオン伝導層59の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層59のリーク電流が増加するという問題が生じる。酸素の離脱を抑制するには、保護絶縁膜64の成膜温度を300℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜のための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。保護絶縁膜64として、例えば、SiH4/N2の混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度300℃で形成する窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。Although the protective insulating
次に、保護絶縁膜64上に、層間絶縁膜65(例えば、酸化シリコン膜)、エッチングストッパ膜66(例えば、窒化シリコン膜)、層間絶縁膜67(例えば、酸化シリコン膜)を順に堆積する。その後、積層膜に第2配線68用の配線溝及びプラグ69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、配線溝及び下穴内にバリアメタル70(例えば、窒化タンタル/タンタル)を介して第2配線68(例えば、銅)及びプラグ69(例えば、銅)を同時に形成する。さらに、第2配線68を含む層間絶縁膜67上にバリア絶縁膜71(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。その状態を図7Lに示す。
Next, an interlayer insulating film 65 (for example, silicon oxide film), an etching stopper film 66 (for example, silicon nitride film), and an interlayer insulating film 67 (for example, silicon oxide film) are sequentially deposited on the protective insulating
第2配線68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70と上部第2電極61を同一材料とすることで、プラグ69と上部第2電極61の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上させることができる。層間絶縁膜65及び層間絶縁膜67は、プラズマCVD法で形成することができる。スイッチング素子63によって生じる段差を解消するため、層間絶縁膜65を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜65を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜65を所望の膜厚にしてもよい。
The formation of the
本実施形態のスイッチング素子では、第1イオン伝導層に含まれる第1金属が第1電極の銅と合金化されているので、オン状態に遷移した際にイオン伝導層内に形成される金属架橋中に異種金属として取り込まれる。その結果、金属架橋の熱安定性が高まり、さらに金属架橋と銅電極に同じ金属が含まれることで密着性が向上し、リテンション性能が向上する。一方、合金化に伴う比抵抗の増加によって、電流印加時のジュール熱の発生効率は増加するため、リセット時の電流が増加することはなく、純粋な銅の金属架橋と同程度の電流でリセットできる。 In the switching element of the present embodiment, since the first metal contained in the first ion conductive layer is alloyed with the copper of the first electrode, the metal bridge formed in the ion conductive layer when transitioning to the ON state It is taken in as a different metal. As a result, the thermal stability of the metal bridge is increased, and the adhesion is improved and the retention performance is improved by including the same metal in the metal bridge and the copper electrode. On the other hand, since the generation efficiency of Joule heat at the time of current application increases due to the increase in specific resistance accompanying alloying, the current at reset does not increase, and it resets with a current comparable to that of pure copper metal bridge it can.
銅電極と第1イオン伝導層の界面で、第1金属が偏析したり、第1金属が酸化しきれずに金属層が残留したりしてしまうと、銅のイオン化反応を妨害する。また、銅配線中に第1金属が均一に存在すると配線の抵抗率や信頼性の劣化に繋がる。この問題に対して、本実施形態では、第1電極と第1イオン伝導層の界面に、銅と第1金属の合金層が設けられている。また、第1金属はその濃度が第1電極と第1イオン伝導層の界面で最も高く、その界面から第1電極内に向かって小さくなるように分布している。このように、第1金属は金属架橋の形成に最適な濃度プロファイルで分布する。 If the first metal is segregated at the interface between the copper electrode and the first ion conductive layer, or if the metal layer remains without being oxidized, the copper ionization reaction is hindered. Further, if the first metal is uniformly present in the copper wiring, the resistivity and reliability of the wiring are deteriorated. With respect to this problem, in this embodiment, an alloy layer of copper and a first metal is provided at the interface between the first electrode and the first ion conductive layer. Further, the first metal is distributed such that the concentration thereof is highest at the interface between the first electrode and the first ion conductive layer, and decreases from the interface toward the first electrode. Thus, the first metal is distributed with a concentration profile that is optimal for the formation of metal bridges.
本実施形態では、第1イオン伝導層の素になる第1金属膜から金属を第1電極中に熱拡散させることで、上記のように、合金層が最適な位置に形成される。具体的には、第1イオン伝導層を構成する第1金属を成膜した後、低温の成膜チャンバー内で酸素雰囲気に暴露して低速で酸化することで、銅電極を酸化させることなく、化学量論比に近い組成をもった金属酸化物の第1イオン伝導層を形成することができる。また、この方法によれば、合金層の酸化も防ぐことが出来るため、酸素を含まない、純度の高い合金層を形成できる。その結果、低酸化状態の当該金属や銅のイオン伝導層中への拡散が抑制され、オフ状態の抵抗値を高く保てる。その結果、オフ状態のリーク電流を低減することができる。 In the present embodiment, the metal layer is thermally diffused into the first electrode from the first metal film that is the element of the first ion conductive layer, so that the alloy layer is formed at the optimum position as described above. Specifically, after forming the first metal constituting the first ion conductive layer, by exposing to an oxygen atmosphere in a low temperature film forming chamber and oxidizing at a low speed, the copper electrode is not oxidized, A first ion conductive layer of a metal oxide having a composition close to the stoichiometric ratio can be formed. Further, according to this method, since the oxidation of the alloy layer can be prevented, a high purity alloy layer that does not contain oxygen can be formed. As a result, diffusion of the metal or copper in the low oxidation state into the ion conductive layer is suppressed, and the resistance value in the off state can be kept high. As a result, off-state leakage current can be reduced.
(第2の実施形態)
第1の実施形態では2端子のスイッチング素子の場合を説明したが、本実施形態は、3端子のスイッチング素子に関するものである。本実施形態のスイッチング素子は、第1の実施形態で説明したスイッチング素子が2つ設けられ、上部電極に相当する第2電極が2つのスイッチング素子で共用されている。図2Bに示した構成で説明すると、本実施形態のスイッチング素子は、第1電極21が2つに分離された構成である。(Second Embodiment)
Although the case of a two-terminal switching element has been described in the first embodiment, the present embodiment relates to a three-terminal switching element. The switching element of this embodiment is provided with two switching elements described in the first embodiment, and the second electrode corresponding to the upper electrode is shared by the two switching elements. If it demonstrates with the structure shown to FIG. 2B, the switching element of this embodiment is the structure by which the
本実施形態の3端子のスイッチング素子を多層配線構造内に形成した場合の半導体装置の構成を説明する。図8は、本実施形態の半導体装置の一構成例を示す断面模式図である。 The configuration of the semiconductor device when the three-terminal switching element of this embodiment is formed in a multilayer wiring structure will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device of this embodiment.
はじめに、図8に示す半導体装置において、本実施形態のスイッチング素子に注目し、その構成を簡単に説明する。 First, in the semiconductor device shown in FIG. 8, attention is paid to the switching element of this embodiment, and its configuration will be briefly described.
多層配線は、同じレイヤーに設けられた、2つの第1配線115a、115bと、第1配線よりも上層に設けられた第2配線128とを有する。第1配線115a、115bは、本実施形態のスイッチング素子132及びプラグ129を介して接続されている。
The multilayer wiring includes two
スイッチング素子132は、2つの下部電極の一方に相当する第1配線115aと、2つの下部電極の他方に相当する第1配線115bと、抵抗変化層に相当するイオン伝導層119と、上部電極に相当する下部第2電極120及び上部第2電極121とを有する。
The switching
上部第2電極121は、プラグ129と電気的に接続されている。イオン伝導層119は、下部第2電極120と、第1配線115a、115bとの間に介在した構成である。第1配線115a、115bは、配線としての役目だけでなく、スイッチング素子132の下部電極としての役目も兼ねている。イオン伝導層119は、第1イオン伝導層119a及び第2イオン伝導層119bを有する。第1イオン伝導層119aは、バリア絶縁膜117に設けられた1つの開口部を介して、2つの独立した、銅で構成される第1配線115a、115bと接続されている。バリア絶縁膜117に設けられた開口部は、第1配線115a、115bが形成された層間絶縁膜114の内部にまで達している。
The upper
本実施形態のスイッチング素子は、第1配線115aを第1電極とし、第1配線115bを第3電極とすれば、第1電極と第3電極は同一レイヤーに設けられ、第2電極は第1電極および第3電極とは別のレイヤーに設けられた構成である。
In the switching element of this embodiment, if the
次に、図8に示した半導体装置の全体の構成を説明する。 Next, the overall configuration of the semiconductor device shown in FIG. 8 will be described.
多層配線構造は、半導体基板111上に層間絶縁膜112、バリア絶縁膜113、層間絶縁膜114、バリア絶縁膜117、保護絶縁膜124、層間絶縁膜125、層間絶縁膜127及びバリア絶縁膜131が順に積層された絶縁積層体を有する。層間絶縁膜114及びバリア絶縁膜113に形成された配線溝にバリアメタル116a、116bを介して第1配線115a、115bが埋め込まれている。層間絶縁膜127に形成された配線溝に、第2配線128が埋め込まれている。層間絶縁膜125、保護絶縁膜124及びハードマスク膜122に形成された下穴に、プラグ129が埋め込まれている。第2配線128及びプラグ129は一体化して形成され、第2配線128及びプラグ129の側面と底面はバリアメタル130によって覆われている。
In the multilayer wiring structure, an
多層配線間に、バリア絶縁膜117の開口部に形成された、イオン伝導層119、下部第2電極120及び上部第2電極121と、層間絶縁膜114に形成された第1配線115a、115bとを有するスイッチング素子132が、設けられている。上部第2電極121上にハードマスク膜122が形成されている。イオン伝導層119、下部第2電極120、上部第2電極121及びハードマスク膜122の積層体の上面及び側面が、保護絶縁膜124で覆われている。
Between the multilayer wirings, the ion
第1配線115a及び第1配線115bがスイッチング素子132の下部電極の役割を兼ねることで、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。図8に示す半導体装置では、通常の銅ダマシン配線プロセスに追加するリソグラフィ工程は2工程ですむ。そのため、追加工程に必要な2PRのマスクセットを作成するだけで、スイッチング素子132を搭載することができる。その結果、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成できる。
Since the
次に、本実施形態のスイッチング素子の構成を詳しく説明する。スイッチング素子132は、抵抗変化型不揮発性スイッチング素子である。スイッチング素子132を、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して動作させることができる。上述したように、スイッチング素子132は、下部電極となる第1配線115a及び第1配線115bと、プラグ129と電気的に接続された上部第2電極121及び下部第2電極120との間に、イオン伝導層119が介在した構成となっている。
Next, the configuration of the switching element of this embodiment will be described in detail. The switching
図8に示すように、スイッチング素子132は、バリア絶縁膜117に形成された開口部の領域において、第1イオン伝導層119aと第1配線115a、115bとが直接接しており、上部第2電極121上にてプラグ129と上部第2電極121とがバリアメタル130を介して電気的に接続されている。
As shown in FIG. 8, in the
本実施形態のスイッチング素子の動作を簡単に説明する。 The operation of the switching element of this embodiment will be briefly described.
スイッチング素子132は、第1配線115a、115bと第2配線128との間に電圧が印加され、又は電流が流れることで、オン/オフの制御を行う。スイッチング素子132は、例えば、第1配線115a、115bを構成する金属による金属イオンがこれらの配線からイオン伝導層119中へ電界拡散することを利用して、オン/オフの制御を行う。
The switching
次に、図8に示した半導体装置の各構成について詳しく説明する。 Next, each configuration of the semiconductor device illustrated in FIG. 8 will be described in detail.
なお、第1の実施形態で説明した構成と同様な構成についての詳細な説明を省略する。例えば、半導体基板111は、第1の実施形態の半導体基板51に相当する。層間絶縁膜112、114、125、127のそれぞれが、第1の実施形態の層間絶縁膜52、54、65、67のそれぞれに相当する。バリア絶縁膜113、117、131のそれぞれが、第1の実施形態のバリア絶縁膜53、57、71のそれぞれに相当する。
A detailed description of the same configuration as that described in the first embodiment is omitted. For example, the
また、保護絶縁膜124が、第1の実施形態の保護絶縁膜64に相当する。バリアメタル130及び第2配線128が、第1の実施形態のバリアメタル70及び第2配線68に相当する。第1イオン伝導層119a及び第2イオン伝導層119bが、第1の実施形態の第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bに相当する。下部第2電極120及び上部第2電極121が、第1の実施形態の下部第2電極60及び上部第2電極61に相当する。
The protective
はじめに、図8を参照して第1配線115a、115bの構成を説明する。第1配線115a及び第1配線115bは、層間絶縁膜114及びバリア絶縁膜113に形成された配線溝にバリアメタル116a及びバリアメタル116bを介して埋め込まれた配線である。第1配線115a、115bは、上述したように、スイッチング素子132の下部電極の役割を兼ね、第1イオン伝導層119aと直接接している。
First, the configuration of the
第1配線115a、115bの材料には、イオン伝導層119において拡散、イオン電導可能な金属イオンの素になる金属が用いられる。第1配線115a、115bとして、例えば、銅等を用いることができる。第1配線115a、115bを構成する金属(例えば、銅)は、アルミニウムと合金化されていてもよい。
As the material of the
第1配線115a、115bと第1イオン伝導層119aとの間に、電極層などが挿入されていてもよい。電極層を形成する場合は、電極層と、第1イオン伝導層119aの素になる金属膜とを連続工程で堆積し、連続工程で加工してもよい。また、第1イオン伝導層119aの下部がコンタクトプラグを介して下層配線に接続されることはない。
An electrode layer or the like may be inserted between the
バリアメタル116a及びバリアメタル116bは、第1配線115a及び第1配線115bを構成する金属(例えば、銅)が層間絶縁膜114や下層へ拡散することを防止するための、配線の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル116a、116bの構成及び形成方法は第1の実施形態で説明したバリアメタル56と同様なため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
The
バリア絶縁膜117は、第1配線115a及び第1配線115bのそれぞれの上面の一部を含む領域に開口部を有する。バリア絶縁膜117の開口部においては、第1配線115a、115bと第1イオン伝導層119aとが接している。バリア絶縁膜117の開口部は、第1配線115a及び第1配線115bのそれぞれの平面パターンの領域と一部重なるように形成されている。このような構成にすることで、凹凸の小さい第1配線115a、115bの表面上にスイッチング素子132を形成することが可能となる。
The
バリア絶縁膜117の開口部の壁面は、第1配線115a、115bの上面から離れるにしたがって開口部の面積が広くなるテーパ面となっている。バリア絶縁膜117の開口部のテーパ面は、第1配線115a、115bの上面に対して角度が85°以下に設定されている。このような構成にすることで、第1配線115a、115bと第1イオン伝導層119aとの接続部の外周(バリア絶縁膜117の開口部の外周部付近)における電界集中が緩和され、絶縁耐性を向上させることができる。
The wall surface of the opening of the
イオン伝導層119は、抵抗が変化する膜であり、第2イオン伝導層119bと第1イオン伝導層119aで構成されている。第2イオン伝導層119bは、第1配線115a、115b(下部電極)を構成する金属による金属イオンの作用(拡散、イオン伝導など)により抵抗が変化する材料が用いられる。オン状態へのスイッチングに伴う、スイッチング素子132の抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が第2イオン伝導層119bに用いられる。第2イオン伝導層119bとして、例えば、SiOCH系ポリマー膜が用いられる。
The ion
第1イオン伝導層119aは、第2イオン伝導層119bを堆積している間の加熱やプラズマ処理中に、第1配線115a、115bを構成する金属が第2イオン伝導層119b中に拡散することを防止する役割がある。また、第1イオン伝導層119aは、第1配線115a、115bが酸化され、第2イオン伝導層119bへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割がある。
In the first ion
第1イオン伝導層119a及び第2イオン伝導層119bの構成及び形成方法は、第1の実施形態で説明した第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bと同様なため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
The configuration and formation method of the first ion
合金層126a及び合金層126bは、第1イオン伝導層119aを形成する際に、第1イオン伝導層119aの素になる金属が第1配線115a及び第1配線115bに拡散し、自発的に形成される。合金層126a、126bの構成、役割及び形成方法は第1の実施形態で説明した合金層58と同様なため、ここでは、詳細な説明を省略する。
The
下部第2電極120は、スイッチング素子132の上部電極における下層側の電極であり、第2イオン伝導層119bと直接接している。下部第2電極120の形成には、スパッタリング法を用いることが望ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合として、第1の実施形態で説明したように、3つの方法がある。そのうち、インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の平坦化のため、400℃以下での熱処理を加えることが好ましい。
The lower
上部第2電極121は、スイッチング素子132の上部電極における上層側の電極であり、下部第2電極120上に形成されている。上部第2電極121及びバリアメタル130は、同一の材料で構成されていることが望ましい。このような構成にすることで、プラグ129のバリアメタル130と上部第2電極121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。
The upper
下部第2電極120及び上部第2電極121は下部第2電極60及び上部第2電極61と同様な構成であるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
Since the lower
第2配線128は、層間絶縁膜127に設けられた配線溝にバリアメタル130を介して導電性材料が埋め込まれて形成された配線である。第2配線128は、プラグ129と一体になっている。プラグ129は、層間絶縁膜125、保護絶縁膜124及びハードマスク膜122に形成された下穴にバリアメタル130を介して埋め込まれている。プラグ129は、バリアメタル130を介して上部第2電極121と電気的に接続されている。
The
第2配線128及びプラグ129には、例えば、銅を用いることができる。プラグ129(厳密には、プラグ129の底面を覆うバリアメタル130)と上部第2電極121とが接する平面領域の直径又は面積は、下穴へのめっきの埋め込み不良を抑制するため、第1配線115a、115bと第1イオン伝導層119aとが接する平面領域の直径又は面積よりも小さくなるように設定されている。
For the
第2配線128及びプラグ129は、第1の実施形態で説明した第2配線68及びプラグ69と同様な構成であるため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
Since the
次に、図8に示した半導体装置の製造方法を説明する。図9A〜図9Lは、図8に示した半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8 will be described. 9A to 9L are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of the semiconductor device shown in FIG.
なお、図8に示す半導体装置における多層配線の形成方法は、第1の実施形態において、図7A〜図7Lを参照して説明した多層配線の形成方法と同様なため、本実施形態では、その詳細な説明を省略する。図9A〜図9Lに示す導電膜及び絶縁膜のそれぞれの膜種、膜厚及び材料は、図7A〜図7Lを参照して説明した、それぞれに対応する導電膜及び絶縁膜の膜種、膜厚及び材料と同様であるものとし、ここでは、その詳細な説明を省略する。 The method for forming the multilayer wiring in the semiconductor device shown in FIG. 8 is the same as the method for forming the multilayer wiring described with reference to FIGS. 7A to 7L in the first embodiment. Detailed description is omitted. The film types, film thicknesses, and materials of the conductive film and the insulating film shown in FIGS. 9A to 9L are the same as those described with reference to FIGS. 7A to 7L, respectively. It is assumed that the thickness and material are the same, and detailed description thereof is omitted here.
はじめに、図8に示した第1配線115a、115bを形成するまでの工程を、図9Aを参照して説明する。
First, steps required until the
半導体基板111の上に層間絶縁膜112を堆積する。続いて、層間絶縁膜112の上にバリア絶縁膜113を堆積する。その後、バリア絶縁膜113の上に層間絶縁膜114として、比誘電率の低い低誘電率膜及び酸化シリコン膜からなる積層膜を、堆積する。さらに、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング及びフォトレジスト除去の処理を含む)を用いて、層間絶縁膜114及びバリア絶縁膜113に2つの配線溝を形成する。その後、2つの配線溝にバリアメタル116a、116bを介して導電膜(例えば、銅)を埋め込んで第1配線115a、115bを形成する。
An interlayer insulating
この工程において、第1配線115a及び第1配線115bは、次のようにして形成することができる。例えば、PVD法によってバリアメタル116a、116bを形成し、続いて、PVD法により銅シードを形成した後、電解めっき法によって銅を配線溝内に埋め込む。その後、形成された銅に対して200℃以上の温度で熱処理を行った後、CMP法によって、配線溝内に埋め込まれた銅以外の余剰の銅を除去する。このような一連の銅配線の形成方法は、半導体製造技術における一般的な手法を用いることが可能である。
In this step, the
図9Bに示すように、第1配線115a、115bを含む層間絶縁膜114上にバリア絶縁膜117(例えば、炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)を形成する。続いて、図9Cに示すように、バリア絶縁膜117の上にハードマスク膜148を形成する。ハードマスク膜148の構成及び形成方法は図7Cを参照して説明したハードマスク膜78と同様なため、その詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 9B, a barrier insulating film 117 (for example, a silicon carbonitride film, a film thickness of 30 nm) is formed on the
次に、ハードマスク膜148上にフォトレジスト(不図示)を形成し、フォトレジストに開口部をパターニングする。続いて、開口部を有するフォトレジストをマスクにしてドライエッチングすることにより、ハードマスク膜148に開口部パターンを形成する。その後、酸素プラズマアッシング等によって、フォトレジストを剥離する。その状態を図9Dに示す。
Next, a photoresist (not shown) is formed on the
図9Dに示したハードマスク膜148をマスクとして、ハードマスク膜148の開口部に露出するバリア絶縁膜117をエッチバック(ドライエッチング)する。この処理により、バリア絶縁膜117に開口部を形成して、バリア絶縁膜117の開口部から第1配線115a、115bの上面の一部を露出させる。このとき、開口部は層間絶縁膜114の内部にまで達していてもよい。その後、バリア絶縁膜117の開口部を窒素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、第1配線115a、115bの露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に発生したエッチング複生成物などを除去する。その状態を図9Eに示す。
Using the
この工程において、バリア絶縁膜117のエッチバックに、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜117の開口部の壁面をテーパ面とすることができる。
In this step, by using reactive dry etching for etch back of the
続いて、図9Fに示すように、第1配線115a、115bを含むバリア絶縁膜117上にイオン伝導層119を形成する。イオン伝導層119の形成方法は、図7Fを参照して説明した第1イオン伝導層59a及び第2イオン伝導層59bの形成方法と同様なため、ここでは、その詳細な説明を省略する。簡単に説明すると、第1イオン伝導層119aは、膜厚0.5nmのジルコニウムを成膜する工程と減圧下でジルコニウムを酸化する工程とを2回繰り返して形成される。このとき、第1配線115a、115bと第1イオン伝導層119aの界面に、合金層126a、126bが形成される。第2イオン伝導層119bは、SiOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって第1イオン伝導層119aの上に形成される。
Subsequently, as illustrated in FIG. 9F, an ion
なお、バリア絶縁膜117の開口部に付着された水分等の除去を目的として、イオン伝導層119の形成前に250℃から350℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましいのは、第1の実施形態と同様である。その際、銅表面を再度酸化させないよう、チャンバー内を真空、又は窒素雰囲気などにするなどの注意が必要である。また、この工程において、イオン伝導層119の形成前に、バリア絶縁膜117の開口部に露出する第1配線115a、115bに対して、水素ガスを用いたガスクリーニング、又はアルゴンガスを用いたプラズマクリーニング処理を行ってもよい。このような処理により、イオン伝導層119を形成する際、第1配線115a、115bの銅の酸化を抑制でき、プロセス中の銅の熱拡散(物質移動)を抑制できる。
For the purpose of removing moisture and the like attached to the opening of the
次に、図9Gに示すように、第2イオン伝導層119bの上に下部第2電極120として、ルテニウムとチタンの合金(この製造方法の説明において、以下では、合金膜と称する)を10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成する。この際、ルテニウムターゲットへの印加パワーを150W、チタンターゲットへの印加パワーを50Wとすることで、合金膜中のチタンの含有率を25atm%とし、ルテニウムの含有率を75atm%とする。
Next, as shown in FIG. 9G, an alloy of ruthenium and titanium (hereinafter referred to as an alloy film in the description of the manufacturing method) is formed as a lower
続いて、図9Gに示すように、下部第2電極120の上に上部第2電極121を形成する。上部第2電極121として、窒化チタンを25nmの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 9G, the upper
次に、図9Hに示すように、上部第2電極121上にハードマスク膜122(例えば、窒化シリコン膜、膜厚30nm)及びハードマスク膜153(例えば、酸化シリコン膜、膜厚80nm)を順に積層する。ハードマスク膜122とハードマスク膜153の構成及び形成方法は、図7Hを参照して説明したハードマスク膜62とハードマスク膜83と同様なため、その詳細な説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 9H, a hard mask film 122 (for example, a silicon nitride film, a film thickness of 30 nm) and a hard mask film 153 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 80 nm) are sequentially formed on the upper
ハードマスク膜122は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要がある。ところが、減圧下に保持される間に、イオン伝導層119から酸素が脱離し、酸素欠陥によってイオン伝導層119のリーク電流が増加するという問題が生じる。その問題を抑制するためには、成膜温度を350℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH4/N2の混合ガスを原料とし、高密度プラズマによって形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
The
次に、ハードマスク膜153の上面に対して、スイッチング素子132のパターンに相当する部分を覆うフォトレジスト(不図示)をハードマスク膜153上に形成する。そして、フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜122が表れるまでハードマスク膜153をドライエッチングする。その後、酸素プラズマアッシングを用いてフォトレジストを除去する。その状態を図9Iに示す。
Next, a photoresist (not shown) that covers a portion corresponding to the pattern of the
続いて、ハードマスク膜153をマスクとして、ハードマスク膜122、上部第2電極121、下部第2電極120及びイオン伝導層119を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜153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。図9Jは、ハードマスク膜153が除去された場合を示す。この工程におけるエッチング条件は、図7Jを参照して説明したエッチング条件と同様なため、その詳細な説明を省略する。
Subsequently, using the
次に、図9Jに示したハードマスク膜122、上部第2電極121、下部第2電極120及びイオン伝導層119を含むバリア絶縁膜117上に、保護絶縁膜124(例えば、窒化シリコン膜、膜厚20nm)を堆積する。その状態を図9Kに示す。この工程における保護絶縁膜124の形成方法は、図7Kを参照して説明した保護絶縁膜64と同様なため、その詳細な説明を省略する。
Next, a protective insulating film 124 (for example, a silicon nitride film, a film) is formed on the
続いて、保護絶縁膜124上に、層間絶縁膜125(例えば、酸化シリコン膜、膜厚150nm)、層間絶縁膜127(例えば、膜厚150nmのSiOC膜と膜厚100nmの酸化シリコン膜の積層膜)を順に堆積する。その後、第2配線128用の配線溝及びプラグ129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、配線溝及び下穴内にバリアメタル130を介して第2配線128(例えば、銅)及びプラグ129(例えば、銅)を同時に形成する。さらに、第2配線128を含む層間絶縁膜127上にバリア絶縁膜131(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。その状態を図9Lに示す。
Subsequently, on the protective
層間絶縁膜125、127、プラグ129及び第2配線128の構成および形成方法は、図7Lを参照して説明した層間絶縁膜65、67、プラグ69及び第2配線68と同様なため、その詳細な説明を省略する。
The configuration and formation method of the interlayer insulating
本実施形態によれば、3端子のスイッチング素子においても、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。 According to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained even in a three-terminal switching element.
上述したように、第1及び第2の実施形態のスイッチング素子では、オン状態のリテンション性能の向上と、オフ状態のリーク電流の低減を両立できる。そのため、このスイッチング素子を、プログラマブルロジックの配線切り換えスイッチに適用した場合に、動作時の低消費電力化と高信頼性化を両立できる。また、複数のスイッチング素子を並列に繋げてもリーク電流が低く保たれるため、多数の素子に情報を同時に書き込むことができる。 As described above, in the switching elements of the first and second embodiments, both the on-state retention performance can be improved and the off-state leakage current can be reduced. Therefore, when this switching element is applied to a programmable logic wiring changeover switch, both low power consumption and high reliability during operation can be achieved. In addition, even when a plurality of switching elements are connected in parallel, the leakage current is kept low, so that information can be simultaneously written into a large number of elements.
なお、本実施形態のスイッチング素子は、次のような構成であってもよい。 Note that the switching element of the present embodiment may have the following configuration.
(付記1)
第1電極と、
前記第1電極とは異なる層に設けられた第2電極と、
前記第1電極と同一層に設けられた第3電極と、
前記第1電極及び第3電極と前記第2電極との間に設けられた抵抗変化層と、を有し、
前記抵抗変化層は、前記第1電極および第3電極と接する第1イオン伝導層と、前記第2電極と接する第2イオン伝導層とで構成され、
前記第1電極及び第3電極は前記第1イオン伝導層に含まれる金属と同種の金属を含み、
前記金属は、該金属の濃度が前記第1電極及び第3電極のそれぞれと前記第1イオン伝導層との界面から第1電極及び第3電極のそれぞれの内部方向に小さくなるように分布している、スイッチング素子。(Appendix 1)
A first electrode;
A second electrode provided in a different layer from the first electrode;
A third electrode provided in the same layer as the first electrode;
A variable resistance layer provided between the first electrode, the third electrode, and the second electrode;
The variable resistance layer includes a first ion conductive layer in contact with the first electrode and the third electrode, and a second ion conductive layer in contact with the second electrode,
The first electrode and the third electrode include the same type of metal as the metal included in the first ion conductive layer,
The metal is distributed such that the concentration of the metal decreases from the interface between each of the first electrode and the third electrode and the first ion conductive layer toward the inside of each of the first electrode and the third electrode. Switching element.
本発明の抵抗変化素子を、不揮発性スイッチング素子として利用することが可能である。特に、本発明の抵抗変化素子を、プログラマブルロジック及びメモリ等の電子デバイスを構成する、不揮発性スイッチング素子として利用することが可能である。 The resistance change element of the present invention can be used as a nonvolatile switching element. In particular, the variable resistance element of the present invention can be used as a nonvolatile switching element constituting an electronic device such as a programmable logic and a memory.
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。 The present invention has been described above using the above-described embodiment as an exemplary example. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, the present invention can apply various modes that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.
この出願は、2015年3月31日に出願された日本出願特願2015−72245号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2015-72245 for which it applied on March 31, 2015, and takes in those the indications of all here.
21 第1電極
22 第2電極
23、59a、119a 第1イオン伝導層
24、59b、119b 第2イオン伝導層
63、132 スイッチング素子
55、115a、115b 第1配線
68、128 第2配線
60、120 下部第2電極
61、121 上部第2電極21
Claims (10)
前記第1電極及び第2電極間に設けられた抵抗変化層と、を有し、
前記抵抗変化層は、前記第1電極と接する第1イオン伝導層と、前記第2電極と接する第2イオン伝導層とで構成され、
前記第1電極は前記第1イオン伝導層に含まれる金属と同種の金属を含み、
前記金属は、該金属の濃度が前記第1電極と前記第1イオン伝導層との界面から該第1電極内の方向に小さくなるように分布している、スイッチング素子。A first electrode and a second electrode;
A variable resistance layer provided between the first electrode and the second electrode,
The variable resistance layer includes a first ion conductive layer in contact with the first electrode and a second ion conductive layer in contact with the second electrode.
The first electrode includes the same kind of metal as the metal included in the first ion conductive layer,
The switching element, wherein the metal is distributed so that a concentration of the metal decreases from an interface between the first electrode and the first ion conductive layer in a direction in the first electrode.
少なくとも2層に設けられた配線を有する多層配線と、を有し、
前記2層の配線のうち、一方の配線が前記第1電極であり、
前記2層の配線のうち、他方の配線がプラグを介して前記第2電極と接続されている、半導体装置。The switching element according to any one of claims 1 to 5,
Multilayer wiring having wiring provided in at least two layers,
Of the two layers of wiring, one wiring is the first electrode,
The semiconductor device, wherein the other of the two layers of wiring is connected to the second electrode through a plug.
前記第1電極上に金属膜を形成し、
前記金属膜を形成した後、大気に暴露することなく、減圧下において該金属膜を酸化して第1イオン伝導層を形成し、
前記第1イオン伝導層の上に第2イオン伝導層を形成し、
前記第2イオン伝導層の上に第2電極を形成する、
スイッチング素子の製造方法。Forming a first electrode on the substrate;
Forming a metal film on the first electrode;
After forming the metal film, without exposing to the atmosphere, the metal film is oxidized under reduced pressure to form a first ion conductive layer,
Forming a second ion conductive layer on the first ion conductive layer;
Forming a second electrode on the second ion conductive layer;
A method for manufacturing a switching element.
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