WO2006075731A1

WO2006075731A1 - 固体電解質スイッチング素子およびその製造方法ならびに集積回路

Info

Publication number: WO2006075731A1
Application number: PCT/JP2006/300420
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Sunamura; Naoya Inoue; Toshitsugu Sakamoto; Hisao Kawaura
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2006-07-20
Also published as: JPWO2006075731A1; US7804085B2; JP5211483B2; US20090020742A1

Abstract

　本発明のスイッチング素子は、所定の距離だけ離れて設けられた第１電極１４および第２電極１５と、第１電極１４および第２電極１５に接触して設けられた固体電解質層１６と、固体電解質層１６に接触して設けられ、金属イオンを供給可能な第３電極１８と、固体電解質層１６の表面のうち第１電極１４、第２電極１５および第３電極１８のいずれにも接触していない部位を覆った金属拡散防止膜１７とを有する構成である。このような構成にすることで、他の素子への金属イオンの影響を防ぐ。

Description

明細書

固体電解質スイッチング素子およびその製造方法ならびに集積回路技術分野

[0001] 本発明は、金属イオンを供給可能なゲートに相当する電極とソースおよびドレインに相当する電極を有する固体電解質スイッチング素子、およびその製造方法と、集積回路に関する。

背景技術

[0002] 従来の固体電解質スィッチとして、プログラマブル'メタライゼーシヨン'セル（PMC) に適用された場合力米国特許 5761115号および米国特許 6487106号の文献に開示されている。 PMCでは、適当な量の金属イオンが溶け込んだ固体電解質を介して 2つの電極が設けられている。上記文献中の実施例では、固体電解質は、ゲルマ -ゥムやセレンが含まれるカルコゲナイドガラス中に銀イオンが導入された構成である。固体電解質スィッチは、この 2つの電極間に電圧を印加することにより、固体電解質中の金属イオンの酸化還元反応を引き起こし、 2つの電極間の電気抵抗を制御する素子である。

[0003] この固体電解質スィッチの動作について簡単に説明する。初期状態では、 2つの電極間は電気的に高抵抗の状態にあるが、その電極間に電圧を印加する。これにより、相対的に負の電圧のかかる、一方の電極 (力ソード電極)側において固体電解質中の金属イオンが還元されて金属原子として析出する。還元反応を続けることにより、析出した金属がやがて他方の電極 (アノード電極)方向に成長する。そして、最終的に電極間に金属ブリッジが形成され、電極間が電気的に低抵抗の状態になる。

[0004] 一方、金属ブリッジが形成された状態力力ソード電極側に正の電圧を印加すると、金属ブリッジが酸ィ匕されて金属イオンとして固体電解質中に溶け込む。そして、この金属ブリッジが消滅した状態では、電極間が電気的に高抵抗の状態に戻る。高抵抗状態と低抵抗状態はそれぞれ電圧を印加しない状態でも保持されるため、固体電解質スィッチは、非常にオンオフ比の高い不揮発性のスィッチとなり、不揮発性メモリへの応用が期待されている。また、アノード電極は金属イオンの供給源としての役割も担っており、安定動作のためにはイオン化されやす、金属 (銀など）が含まれて、ることが好ましい。

発明の開示

[0005] 上述した 2端子型の固体電解質スィッチでは、オフ状態力オン状態に遷移する際、金属ブリッジが 2端子間に形成されると、 2端子間が低抵抗状態になり、大きな電流力^端子間を流れることになる。そして、オン状態力オフ状態に遷移する際にも低抵抗状態のまま 2端子間にオフさせる電圧をかけるため、大きな電流が流れて電力消費量が多くなるという問題があった。

[0006] 一方、その問題を解決するために、上記 2端子の他に制御用の端子を設けた 3端子型の固体電解質スィッチがある。この固体電解質スィッチは、金属イオンを供給可能なゲート電極に相当する電極とソースおよびドレイン電極に相当する 2つの電極の間に電圧を印加することにより、ソースおよびドレイン電極近傍に金属の析出 ·溶解を起こさせ、ソースおよびドレイン電極間の電気抵抗を制御するものである。この構造では、ソースおよびドレイン電極間の抵抗をゲート電極に印加する電圧で制御できるので、オンオフの切り替え時に必要以上の電流が流れることがな!、。

[0007] しかし、この 3端子型の固体電解質スィッチを集積化すると、固体電解質層や配線層から、金属イオンが周囲に漏れ出し、隣接する素子に影響を与えるおそれがある。

[0008] 本発明は上述したような従来の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、他の素子への金属イオンの影響を防!、だ固体電解質スイッチング素子およびその製造方法と集積回路を提供することを目的とする。

[0009] 上記目的を達成するための本発明の固体電解質スイッチング素子は、所定の距離だけ離れて設けられた第 1電極および第 2電極と、第 1電極および第 2電極に接触して設けられた固体電解質層と、固体電解質層に接触して設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極と、固体電解質層の表面のうち第 1電極、第 2電極および第 3電極のヽずれにも接触して、な、部位を覆った金属拡散防止膜とを有する構成である。

[0010] 一方、上記目的を達成するための本発明の集積回路は、上記本発明の固体電解質スイッチング素子と、配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、第 3電極が配線と同一層に設けられ、固体電解質層がビアプラグと同一層に設けられた構成である。

[0011] また、本発明の集積回路は、上記本発明の固体電解質スイッチング素子と、配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、第 3電極がビアプラグと同一層に設けられ、固体電解質層が配線と同一層に設けられた構成である。

[0012] また、上記目的を達成するための本発明の固体電解質スイッチング素子の製造方法は、絶縁層上に所定の距離だけ離れた第 1開口パターン部および第 2開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、第 1のエッチングにより第 1開口パターン部および第 2開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、レジストをマスクとして絶縁層に第 2のエッチングを行って絶縁層に第 1開口部および第 2開口部を形成するェ程と、レジストを除去した後、第 1開口部および第 2開口部に配線材料を埋め込んで第 1電極および第 2電極を形成する工程と、第 1電極と第 2電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成するェ程と、金属拡散防止膜に第 3開口部を形成する工程と、金属イオンを供給可能な配線材料を前記第 3開口部に埋め込んで第 3電極を形成する工程とを有するものである。

[0013] さらに、本発明の固体電解質スイッチング素子の製造方法は、絶縁層上に所定の距離だけ離れた第 1開口パターン部および第 2開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、レジストをマスクとして絶縁層に第 1のエッチングを行って絶縁層に第 1開口部および第 2開口部を形成する工程と、絶縁層に第 2のエッチングを行って第 1開口部および第 2開口部の開口面積を拡大する工程と、レジストを除去した後、第 1 開口部および第 2開口部に配線材料を埋め込んで、第 1電極および第 2電極を形成する工程と、第 1電極と第 2電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、金属拡散防止膜に第 3開口部を形成する工程と、金属イオンを供給可能な配線材料を第 3開口部に埋め込んで第 3電極を形成する工程とを有するものである。

[0014] 本発明では、固体電解質層の表面のうち第 1電極、第 2電極および第 3電極のいずれにも接触して、な、部位を金属拡散防止膜で覆って、るため、固体電解質層に含まれる金属イオンが漏れ出て拡散することを防げる。固体電解質スイッチング素子が集積回路に設けられた場合には、固体電解質層から周囲に漏れ出た金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができる。

図面の簡単な説明

[図 1A]図 1Aは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 1B]図 1Bは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 2A]図 2Aは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2B]図 2Bは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2C]図 2Cは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2D]図 2Dは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2E]図 2Eは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2F]図 2Fは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2G]図 2Gは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 2H]図 2Hは第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 21]図 21は第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 3]図 3は第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の他の構成例を示す平面図および断面図である。

[図 4A]図 4Aは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 4B]図 4Bは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 5]図 5は第 2実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。

[図 6A]図 6Aは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6B]図 6Bは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6C]図 6Cは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6D]図 6Dは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6E]図 6Eは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6F]図 6Fは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6G]図 6Gは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6H]図 6Hは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 61]図 61は第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6J]図 6Jは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6K]図 6Kは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6L]図 6Lは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6M]図 6Mは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6N]図 6Nは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 60]図 60は第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 6P]図 6Pは第 2実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 7A]図 7Aは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 7B]図 7Bは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 8]図 8は第 3実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。

[図 9A]図 9Aは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 9B]図 9Bは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 9C]図 9Cは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 9D]図 9Dは第 3実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す断面図である。

[図 10A]図 10Aは第 4実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 10B]図 10Bは第 4実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 11]図 11は第 4実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。

[図 12A]図 12Aは第 5実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 12B]図 12Bは第 5実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 13]図 13は第 5実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。

[図 14A]図 14Aは第 6実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す平面図である。

[図 14B]図 14Bは第 6実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す断面図である。

[図 15]図 15は第 6実施形態の固体電解質スイッチング構造とビア構造を有する集積回路の断面図である。

符号の説明

[0016] 14 第 1配線

15 第 2配線

16 固体電解質層

17 金属拡散防止膜

18 第 3配線

発明を実施するための最良の形態

[0017] 本発明の固体電解質スイッチング素子は、固体電解質層からの金属拡散を防止するための膜を設けた構成である。

[0018] (第 1実施形態）

本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。

[0019] 図 1Aおよび図 1Bは、第 1実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 1 Aはその平面図であり、図 1Bは図 1 Aに示す破線 a— a'部の断面図である。

[0020] 図 1Aおよび図 1Bに示すように、固体電解質スイッチング素子 1は、下地絶縁膜で覆われた基板 10上に所定の距離だけ隔てて設けられた第 1開口部 12および第 2開口部 13を有する絶縁層 11が形成され、第 1開口部 12に配線材料が埋め込まれた第 1配線 14と、第 2開口部 13に配線材料が埋め込まれた第 2配線 15とが設けられている。また、第 1配線 14および第 2配線 15の上に固体電解質層 16が形成され、固体電解質層 16上に金属の拡散を防止するための金属拡散防止膜 17が形成されている。そして、金属拡散防止膜 17の上には、金属拡散防止膜 17に設けられられた開口部を介して固体電解質層 16に接触する第 3配線 18が形成されている。第 3配線 18は固体電解質層 16に金属イオンを供給可能な材料を含有している。絶縁層 11は、電気的絶縁性を確保するための機能だけでなぐ金属拡散防止膜としての機能も有している。

[0021] 固体電解質層 16は、上面のうち第 3配線 18と接触しない部位と、側面とが金属拡散防止膜 17で覆われている。

[0022] なお、図 1Aの a— a'部に第 3配線 18が配置されていないが、説明のために図 1B の断面図に金属拡散防止膜 17の開口部を介して設けられた第 3配線 18を表示している。

[0023] 本発明では、第 1配線 14および第 2配線 15の間隔がリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法である。そのため、従来の構造よりも小さい。その寸法は現在の具体的には、 30nm以下の寸法で形成されている。

[0024] なお、図 1 Aおよび図 1Bに示した構成は一例である。本発明の固体電解質スィッチング素子は、絶縁層 11に所定の距離だけ隔てて形成された第 1開口部 12および第 2開口部 13の中に第 1配線 14および第 2配線 15が埋め込められた構造であって、固体電解質層 16が第 1配線 14および第 2配線 15に接しており、第 3配線 18が固体電解質層 16に接して、れば、その配置は図 1 Aおよび図 1Bに示す以外のものであつてもよい。

[0025] 次に、図 1Aおよび図 1Bに示した固体電解質スイッチング素子 1の動作について説明する。なお、ここでは、第 1配線 14をソース電極とし、第 2配線 15をドレイン電極とし、第 3配線 18をゲート電極とする。また、固体電解質層 16の材料を硫化銅とし、ゲート電極の配線材料を銅とし、ソース電極およびドレイン電極の配線材料をチタンとする。

[0026] ソース電極を接地してゲート電極に正の電圧を印加すると、ゲート電極の銅が銅ィオンになって固体電解質層 16に溶解する。そして、固体電解質層 16に溶解した銅イオンがドレイン電極の表面に銅になって析出し、析出した銅がドレイン電極とソース電極を電気的に接続する。ドレイン電極とソース電極が電気的に接続することで、固体電解質スイッチング素子がオン状態になる。

[0027] 一方、上記オン状態でソース電極を接地してゲート電極に負の電圧を印加すると、ドレイン電極とソース電極との間に析出した銅が固体電解質 16に溶解し、ドレイン電極とソース電極の電気的接続が切れる。ドレイン電極とソース電極の電気的接続が切れることで、固体電解質スイッチング素子がオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階からドレイン電極およびソース電極間の抵抗が大きくなつたり、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。

[0028] 固体電解質スイッチング素子は、ソース電極およびドレイン電極間の距離をリソダラフィ限界の最小値よりも小さい寸法にしている。ゲート電極およびソース電極間の距離と、ゲート電極およびドレイン電極間の距離に比べて、ソース電極およびドレイン電極間の距離を十分に小さくすることができる。そのため、オフ状態からオン状態にスィツチングする際、析出する金属がゲート電極とドレイン電極の間で接続されてしまう前に、ソース電極とドレイン電極が接続される。オフ状態からオン状態への切り替えが従来よりも安定するため、安定なスイッチング動作を繰り返すことができる。

[0029] また、固体電解質層 16のうち第 1配線 14、第 2配線 15および第 3配線 18のいずれにも接触して、な、部位が金属拡散防止膜としての機能を有する絶縁層 11と金属拡散防止膜 17の少なくとも、ずれかで覆われて、るため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0030] なお、絶縁層 11を金属拡散防止膜としたが、絶縁層 11は複数の絶縁膜が積層された構成であってもよい。この場合、最上層の絶縁膜が金属拡散防止膜の機能を有している。

[0031] 次に、図 1Aおよび図 IBに示した固体電解質スイッチング素子 1の製造方法について説明する。図 2Aから図 21は本実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法を示す平面図および断面図である。断面図は平面図中の破線 a— a'部を示す。

[0032] 従来の集積回路の製造方法によりトランジスタおよび抵抗等の半導体素子を有する半導体回路を半導体基板に形成し、半導体素子同士の絶縁性を確保するための下地絶縁膜を形成する。このように半導体回路とそれを保護するための下地絶縁膜が形成された基板を、単に基板 10と称する。このように半導体回路を保護するための絶縁膜を設けるのは、固体電解質スイッチング素子 1と半導体回路とを電気的に分離するためである。

[0033] 下地絶縁膜は、従来の集積回路で用いられる絶縁性の材料であればよ!、。例えば、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、炭素および窒素を添カロした低誘電率絶縁膜が好ましい。低誘電率絶縁膜とは、シリコン酸ィ匕膜よりも誘電率の低い絶縁膜である。なお、半導体回路と固体電解質スイッチング素子 1を電気的に接続する部分に関しては図に示さないプラグが設けられている。プラグの構成および製造方法については従来と同様なため、ここではその詳細な説明を省略する。

[0034] 図 2Aに示すように、基板 10の上にシリコンナイトライドの絶縁層 11を膜厚 20〜： LO Onm形成する。この絶縁層 11は、シリコンナイトライドに限らず、その中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料であってもよ、。絶縁層 11は金属イオンが基板 10へ拡散するのを抑制する。

[0035] 続、て、次のようにして絶縁層 11上に開口部を有するレジストパターンを形成する。絶縁層 11上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、図 2Bに示すように第 1開口部パターン 22および第 2 開口部パターン 23を有するフォトレジスト 21を形成する。第 1開口部パターン 22と第 2開口部パターン 23との間隔がリソグラフイエ程における最小限界の距離になるようにしている。その後、フォトレジスト 21に対して等方的なエッチング特性を有する第 1 のドライエッチングを行って、第 1開口部パターン 22および第 2開口部パターン 23の開口面積を拡大する（図 2C)。この第 1のドライエッチングの条件については、従来のエッチング装置を用いてエッチングガスの最適化により求めることが可能である。

[0036] そして、開口面積の拡大した第 1開口部パターン 22および第 2開口部パターン 23 の上力も絶縁層 11に対して第 2のドライエッチングを行うことで、図 2Dに示すように絶縁層 11に第 1開口部 12および第 2開口部 13を形成する。第 1開口部 12および第 2開口部 13の間隔は、リソグラフィ限界の最小値に形成された図 2Bのフォトレジストパターン 21よりもさらに小さい距離に形成されている。エッチング条件の最適化によりその間隔を 30〜15nm程度にまで縮小できた。続いて、酸剥離やアツシングの処理によりフォトレジストを除去することで、図 2Eに示すように、上記微小な距離だけ隔てられた第 1開口部 12および第 2開口部 13が絶縁層 11に形成される。

[0037] ここで、上記微小な距離だけ隔てられた第 1開口部 12および第 2開口部 13を絶縁層 11に形成するための別の方法について説明する。第 1開口部パターン 22および第 2開口部パターン 23を有するフォトレジスト 21を絶縁層 11上に形成する。第 1開口部パターン 22と第 2開口部パターン 23との間隔は、図 2Bに示した構成と同様にフォトリソ限界の最小値に形成されている。そして、絶縁層 11に対して異方性のエツチング特性の第 1のドライエッチングを行って、第 1開口部パターン 22に対応する第 1予備開口部と第 2開口部パターン 23に対応する第 2予備開口部を絶縁層 11に形成する。続いて、等方性のエッチング特性を有する第 2のドライエッチングを行って第 1予備開口部と第 2予備開口部の開口面積を拡大させ、第 1開口部 12および第 2開口部 13を絶縁層 11に形成する。その後、フォトレジスト 21を除去して、図 2Eに示した構造が作製される。

[0038] この方法でも、第 1開口部 12および第 2開口部 13の間隔をリソグラフィ限界の最小値よりもさらに小さい距離に形成することができる。そして、エッチング条件の最適化によりその間隔を 30〜 15nm程度にまで縮小できた。

[0039] 図 2Eに示したように第 1開口部 12および第 2開口部 13を絶縁層 11に形成した後、次のようにして第 1配線 14および第 2配線 15を形成する。少なくとも第 1開口部 12および第 2開口部 13を埋め込むようにして配線材料を堆積させた後、第 1開口部 12および第 2開口部 13以外の部位に形成された配線材料を取り除く。

[0040] 配線材料としては、従来の集積回路の配線に用いられる金属と同種のものであれば特にその種類を問わず、配線としての機能を果たせればよい。特にチタンおよびタンタルの少なくとも、ずれかの金属を含む配線は他の配線との整合性力力つた。また、チタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属とその金属の窒化物との積層膜による配線も他の配線と整合性がょカゝつた。

[0041] 第 1開口部 12および第 2開口部 13以外の部位に形成された配線材料を取り除くための方法として、従来の集積回路の配線形成工程で用いられる CMP (Chemical a nd Mechanical Polishing :化学 ·機械的研磨）法が好適である。 CMP法を用いて絶縁層 11の上面が露出するまで配線材料を研磨することで、第 1開口部 12および第 2開口部 13以外の部位に形成された配線材料を取り除く。

[0042] このようにして、図 2Fに示すように、第 1開口部 12に配線材料が埋め込まれた第 1 配線 14と第 2開口部 13に配線材料が埋め込まれた第 2配線 15を絶縁層 11に形成する。第 1配線 14と第 2配線 15とは上記微小な距離だけ離れている。

[0043] 続いて、第 1配線 14および第 2配線 15に接触する固体電界質層 16を次のようにして絶縁層 11上に形成する。レーザー蒸着法またはスパッタリング法により固体電解質層を成膜した後、不要な部位を取り除く。これらの方法であれば固体電解質層の成膜温度は摂氏 350度以下である。固体電解質層 16の膜厚は 5〜200nm程度であればよい。固体電解質層 16の材料としては、金属または半導体と、酸素、硫黄、セレンおよびテルル等のカルコゲン元素との化合物が好ましい。特に、銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタンおよびコバルト等の金属の硫化物、酸化物および酸硫ィ匕物などは好適である。酸硫ィ匕物は任意の硫黄—酸素比を持って、る。

[0044] 絶縁層 11上に固体電解質層を形成した後、所望のパターンを有するフォトレジストを通常のリソグラフイエ程で形成する。そして、ドライまたはウエットのエッチングを行つて固体電解質層の不要な部位を取り除いて、固体電解質層 16のパターンを形成する。その後、フォトレジストを除去することで、図 2Gに示す構造になる。

[0045] 続いて、固体電解質層 16を覆うようにして金属拡散防止膜 17を形成し、リソグラフイエ程およびエッチング工程で金属拡散防止膜 17をパターユングして、図 2Hに示す構造を形成する。その際、金属拡散防止膜 17が固体電解質層 16を覆うようにしている。なお、ここで、リソグラフイエ程およびエッチング工程を行って金属拡散防止膜 17をパターユングして、形成した金属拡散防止膜の一部を除去しているが、第 1配線 14および第 2配線 15上に金属拡散防止膜 17を残しておいてもよい。

[0046] さらに、リソグラフイエ程で所定の開口パターンを有するフォトレジストを金属拡散防止膜 17上に形成する。その際、開口パターンが固体電解質層 16の上部に位置するようにしている。その後、フォトレジストの上力も異方性のエッチングを行って開口部を金属拡散防止膜 17に形成する。このようにして金属拡散防止膜 17に開口部を形成して固体電解質層 16の表面の一部を露出させた後、フォトレジストを除去する。

[0047] 続いて、固体電解質層 16に接触する第 3配線 18を次のようにして形成する。配線材料として銅、または銅を含む金属を用いるが、ここでは銅を用いる。少なくとも固体電解質層 16上に銅を膜厚 5〜200nm形成する。続いて、固体電解質層 16の形成方法と同様にして、銅の上に所望のパターンを有するフォトレジストを通常のリソダラフイエ程で形成し、ドライまたはウエットのエッチングを行って銅の不要な部位を取り除いて第 3配線 18を固体電解質層 16上に形成する。その後、フォトレジストを除去することで、図 21に示す構造になる。なお、第 1配線 14および第 2配線 15と第 3配線 18との距離については、リソグラフイエ程で第 3配線 18に対応するフォトレジストのパターンを形成する際に所望の距離に設定することで制御可能である。その際、フォトレジストパターンが銅に転写されるときの寸法差であるエッチング変換差を考慮して、フォトレジストのパターンを設定する。

[0048] 上述の製造方法により、図 1Aおよび図 1Bに示した固体電解質スイッチング素子 1 が作製される。第 1配線 14と第 2配線 15とをリソグラフィ限界の最小値よりも小さい距離だけ離して形成することができた。また、第 1配線 14および第 2配線 15と第 3配線 1 8との距離をリソグラフイエ程で制御することができる。

[0049] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子の他の構成例について説明する。図 3は本実施形態における固体電解質スイッチング素子の他の構成例を示す平面図および断面図である。なお、図 1 Aおよび図 1Bに示した固体電解質スイッチング素子と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、図 3の a— a'部に第 3配線 18が配置されていないが、図 1Aおよび図 1Bの場合と同様に、説明のために図 3の断面図に、金属拡散防止膜 17の開口部を介して設けられた第 3配線 18を表示している。

[0050] 図 3に示す固体電解質スイッチング素子は、絶縁層 11と固体電解質層 16の間に第 2絶縁層 31が形成されて!、る。第 2絶縁層 31には固体電解質層 16を第 1配線 14 および第 2配線 15に接触させるための開口部となる第 4開口部 32が設けられている。第 2絶縁層 31上に形成された固体電解質層 16は第 4開口部 32を介して第 1配線 14および第 2配線 15に接触して、る。図 3に示した固体電解質スイッチング素子は、第 3配線 18から供給される金属イオンにより金属の析出可能な領域が第 4開口部 32 内の固定電解質層に限定される。そのため、必要最小限の金属の析出量でオフ状態力オン状態への動作が可能になり、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定化する。

[0051] 次に、図 3に示した固体電解質スイッチング素子の製造方法について簡単に説明する。図 2Fに示したように第 1配線 14および第 2配線 15を形成した後、金属拡散防止膜の第 2絶縁層 31を形成する。続いて、リソグラフイエ程で所定の開口を有するレジストパターンを形成する。その際、開口位置が第 1配線 14および第 2配線 15のそれぞれの一部に力かるようにする。その後、レジストパターンの上力異方性のエッチングを行って第 4開口部 32を第 2絶縁層 31に形成する。第 4開口部 32が形成されることで、第 1配線 14および第 2配線 15の表面の一部が露出する。そして、フォトレジストを除去し、図 2Gで説明したのと同様にして固体電解質層 16を形成する。

[0052] (第 2実施形態）

[0053] 図 4Aおよび図 4Bは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 4Aはその平面図であり、図 4Bは図 4Aに示す破線 a— a'部の断面図である。

[0054] 図 4Aおよび図 4Bに示すように、固体電解質スイッチング素子 101は、第 1配線層 1 03に設けられた第 3配線と、第 1絶縁層 104に設けられた固体電解質層 141と、第 2 配線層 105に設けられた第 1配線 145および第 2配線 146とを有する構成である。第 1配線層 103、第 1絶縁層 104および第 2配線層 105が順に形成されて、る。

[0055] 第 1配線層 103は、第 1保護絶縁膜 110、層間絶縁膜 111およびストップ絶縁膜 11 2が順に形成されている。金属イオンを供給するためのアノードとなる第 3配線は、銅 132aと銅の拡散を防止するためのノリアメタル 131aとを有する構成である。銅 132a の側壁および底面はノリアメタル 13 laで覆われている。なお、第 3配線は銅 132aとノリアメタル 131aで形成されている力銅 132aが固体電解質スイッチング素子で重要な役割を果たすため、以下では第 3配線を符号 132aで示す。ノリアメタル 13 laとしては、チタン、チタンナイトライド、タンタル、およびタンタルナイトライドの少なくとも V、ずれかを含む材料であることが望ま、。これらの材料は銅の拡散を防止するからである。したがって、ノリアメタル 131aは、電子を伝導するための配線として機能を有しているだけでなぐ金属拡散防止膜としての機能も有する。

[0056] 第 1絶縁層 104は、第 2保護絶縁膜 113、第 2層間絶縁膜 115および第 2ストップ絶縁膜 116が順に形成されている。固体電解質層 141は第 2保護絶縁膜 113に設けられた開口の第 3開口部 140を介して第 3配線 132aの銅と接触している。固体電解質層 141の側壁は、金属拡散防止膜として機能するカバー絶縁膜 114で覆われている

[0057] 第 2配線層 105は、金属拡散防止膜の機能を有する第 3保護絶縁膜 117、第 3層間絶縁膜 118および第 3ストップ絶縁膜 119が順に形成されている。第 1配線 145および第 2配線 146は第 3保護絶縁膜 117に形成されている。第 1配線 145と第 2配線 146は所定の距離だけ離れて配置され、両配線は固体電解質層 141と接触している。第 1配線 145および第 2配線 146間の距離は、第 1実施形態と同様にリソグラフィ限界の最小値よりも小さい寸法である。具体的には 30〜15nmである。第 1配線 145および第 2配線 146を引き出すための引出配線が第 3層間絶縁膜 118および第 3ストツプ絶縁膜 119に設けられて、る。弓 I出配線は銅 136と銅の拡散を防止するためのバリアメタル 135とを有する構成である。銅 136の側壁および底面はノリアメタル 135で覆われている。

[0058] 第 1絶縁層 104の厚さは第 1配線 145および第 2配線 146間の距離よりも大きい。また、固体電解質層 141のうち第 1配線 141、第 2配線 146および第 3配線のいずれかと接触しているところ以外の部位力 Sカバー絶縁膜 114および第 3保護絶縁膜 117のうち!ヽずれかで覆われて!/、る。 [0059] 固体電解質 141は、第 2保護絶縁膜 113、第 2層間絶縁膜 115および第 2ストップ絶縁膜 116が積層された多層絶縁膜に埋め込まれている。また、第 3配線 132aは、第 1保護絶縁膜 110、層間絶縁膜 111およびストップ絶縁膜 112が積層された多層絶縁膜に埋め込まれている。

[0060] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 101の動作は第 1実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0061] 図 4Aおよび図 4Bに示した固体電解質スイッチング素子 101では、ソース電極となる第 1配線 145とドレイン電極となる第 2配線 146が上記微小な距離だけ隔てられている。この距離は、金属イオンを供給するゲート電極となる第 3配線 132aと第 1配線 1 45および第 2配線 146との距離、すなわちビア層 104の高さに比べて十分小さいため、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定ィ匕した。

[0062] また、固体電解質層 141のうち第 1配線 141、第 2配線 146および第 3配線のいずれにも接触して、な、部位力 Sカバー絶縁膜 114および第 3保護絶縁膜 117の、ずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0063] 次に、図 4Aおよび図 4Bに示した固体電解質スイッチング素子 101 ^^積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは、集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。

[0064] 図 5は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図 4A および図 4Bに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

[0065] 図 5に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子 101と、配線同士を接続するためのビア構造 102とを有する構成である。ビア構造 102は、第 1配線層 10 3に設けられた第 1の回路配線と、第 2配線層 105に設けられた第 2の回路配線と、第 1の回路配線および第 2の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第 1絶縁層 104に形成されて、る。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。

[0066] 第 1の回路配線は銅 132，と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 131，とを有する。

銅 132'の底面および側壁はバリアメタル 131 'で覆われている。この銅 132'は第 3 配線の銅 132aと同種の材料であり、ノリアメタル 131，は第 3配線のバリアメタル 131 aと同種の材料である。

[0067] ビアプラグは銅 134，と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 133，とを有する。銅 134

，の底面および側壁はノリアメタル 133，で覆われている。

[0068] 第 2の回路配線は銅 136，と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 135，とを有する。

銅 136'の底面および側壁はバリアメタル 135'で覆われている。この銅 136'は引出配線の銅 136と同種の材料であり、ノリアメタル 135，は引出配線のバリアメタル 135 と同種の材料である。

[0069] 図 5に示した集積回路は、固体電解質スイッチング素子 101とビア構造 102の製造方法において、多層配線工程の一部の工程を共通化できる構造になっている。

[0070] なお、図 4A、図 4Bおよび図 5に示す構成では、第 1配線層 103および第 2配線層 105 ^^積回路中の配線層とした力ビア層であってもよい。つまり、 2層のビア層およびその間の配線層からなる構造に対応して固体電解質スイッチング素子が形成されてもよい。

[0071] 次に、図 5に示した固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法について説明する。

[0072] 図 6Aから図 6Pは固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法を示す断面図である。

[0073] 第 1配線層 103を次のようにして形成する。

[0074] 下部に形成された配線 (不図示)を保護するための第 1保護絶縁膜 110、低誘電率膜となる第 1層間絶縁膜 111、第 1ストップ絶縁膜 112を順に堆積する。第 1保護絶縁膜 110の材料としては、例えば、シリコンナイトライド、または膜中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料など、銅の酸ィ匕膜中への拡散を抑制する材料が好ましい。なお、この第 1保護絶縁膜 110には、銅の酸ィ匕膜中への拡散を抑制する効果に加えて、後述の固体電解質層 141に対する水素ァニール耐性を確保する効果もある。膜厚は 20〜： LOOnm程度であればよい。

[0075] 第 1層間絶縁膜 111は、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、および炭素等の少なくとも、ずれかを添加した低誘電率絶縁膜であることが好ましい。空孔を含むような膜であればさらによい。膜中に空孔を含むような膜ではさらに誘電率が下がることが知られている。空孔の大きさは、 2nm以下であることが好ましい。第 1層間絶縁膜 111の膜厚は、 50〜250nm程度である。第 1ストップ絶縁膜 11 2はシリコン酸ィ匕膜でよぐ膜厚は 50〜200nm程度でよい。第 1ストップ絶縁膜 112 は CMPの終点検出と CMP時の第 1層間絶縁膜 111の保護の役割を果たす。

[0076] 続いて、以下のようにして第 1保護絶縁膜 110、第 1層間絶縁膜 111、および第 1ストップ絶縁膜 112に開口部を形成する。第 1ストップ絶縁膜 112上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、開口部を形成する。例えば、 90nm世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は 80〜200nm程度である。

[0077] フォトレジストを除去した後、形成した開口部にノリアメタルと、銅の一部となる銅シ一ド層をスパッタリング法で形成する。ノリアメタル 131aとバリアメタル 131，は同一種類の材料となる。ノリアメタル 131a、 131，はタンタルナイトライドとタンタルの積層膜であり、開口部の底面および側壁を覆うように形成される。ノリアメタル 131a、 131，は銅が第 1層間絶縁膜 111中へ拡散するのを防ぐ。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は 5〜30nm程度である。銅シード層の厚みは 20〜100nm程度である。

[0078] 続いて、銅シード層上に銅をメツキ法で形成する。銅 132aと銅 132'は同一工程で形成される。銅の膜厚は 300〜800nm程度である。その後、 CMP法により第 1ストツプ絶縁膜 112上のノリアメタルおよび銅を研磨して、開口部以外の不要なバリアメタルおよび銅を除去する。

[0079] このようにして、第 1保護絶縁膜 110、第 1層間絶縁膜 111、および第 1ストップ絶縁膜 112に設けられた開口部にバリアメタル 131a、 131'と銅 132a、 132'が埋め込まれた第 1配線層 103が形成される。固体電解質スイッチング素子形成領域にはバリアメタル 131aおよび銅 132aからなる第 3配線が形成され、ビア構造形成領域にはバリァメタル 131'および銅 132'からなる第 1の回路配線が形成される。その後、第 1配線層 103の上に第 2保護絶縁膜 113を形成する（図 6A)。第 2保護絶縁膜 113は第 1 保護絶縁膜 110と果たす役割が同じであるため第 1保護絶縁膜 110と同様な構成である。膜厚は 20〜： LOOnmである。

[0080] 続、て、第 2保護絶縁膜 113上に第 2層間絶縁膜 115および第 2ストップ絶縁膜 11 6を順に形成することで、第 2保護絶縁膜 113、第 2層間絶縁膜 115および第 2ストツプ絶縁膜 116からなる第 1絶縁層 104が形成される。第 2層間絶縁膜 115の膜厚は 5 0〜250nm程度である。第 2層間絶縁膜 115は、第 1層間絶縁膜 111と果たす役割が同じであるため第 1層間絶縁膜 111と同様な構成である。第 2ストップ絶縁膜 116 は、第 1ストップ絶縁膜 112と果たす役割が同じであるため第 1ストップ絶縁膜 112と同様な構成である。膜厚は 50〜200nm程度である。

[0081] さらに、第 3開口部 140を次のようにして形成する。第 2ストップ絶縁膜 116上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエツチングを行うことにより、第 3開口部 140を第 1絶縁層 104に形成する（図 6Β)。 90η m世代のリソグラフィ技術では、第 3開口部 140の直径は 80〜200nm程度である。

[0082] 続いて、第 3開口部 140の側壁および底面を完全に覆うようにカバー絶縁膜 114を堆積する（図 6C)。カバー絶縁膜 114は、第 1保護絶縁膜 110と同様の役割を果たす膜がよいため、第 1保護絶縁膜 110と同様な構成である。膜厚は 10〜50nmである。

[0083] さらに、異方性の高いエッチングを行うことにより、第 2ストップ絶縁膜 116上および第 3開口部 140底面に形成されたカバー絶縁膜 114を除去する。異方性の高いエツチングには、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングが有効である。このようにして、第 3開口部 140の側壁のみを完全に覆うカバー絶縁膜 114が形成される（図 6 D)。

[0084] 続いて、図 6Eに示すように、第 3開口部 140を完全に埋めるように固体電解質層 1 41を形成する。固体電解質層 141の形成方法および材料は第 1実施形態と同様である。第 3開口部 140を埋め込むために形成する固体電解質層 141の膜厚を、第 2 保護絶縁膜 113、第 2層間絶縁膜 115および第 2ストップ絶縁膜 116から構成される第 1絶縁層 104の膜厚の総和以上にする。第 1絶縁層 104の膜厚は 100〜400nm 程度である。固体電解質層 141の材料は、第 1実施形態と同様である。成膜温度は摂氏 350度以下である。

[0085] 成膜した固体電解質層 141のうち、 CMP法により第 3開口部 140以外の不要な固体電解質層 141を除去した。このようにして、固体電解質層 141が、第 2保護絶縁膜 113、第 2層間絶縁膜 115および第 2ストップ絶縁膜 116から構成される第 1絶縁層 ( ビア層） 104に設けられた第 3開口部 140中のカバー絶縁膜 114内に埋め込まれて形成される（図 6F)。上述したように、固体電解質層 141の高さは 100〜400nmとなる。

[0086] 続いて、第 1絶縁層（ビア層） 104にビアプラグを以下のようにして形成する。第 2ストップ絶縁膜 116上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、図 6Gに示すように開口部 142を第 1絶縁層 104に形成する（図 6G)。 90nm世代のリソグラフィ技術では、開口部 142の直径は 80〜200nm程度である。

[0087] 形成した開口部 142にバリアメタル 133'および銅 134'の一部となる銅シード層をスノッタリング法で形成する。ノリアメタルは、タンタルナイドライドおよびタンタルの積層構造であり、開口部 142の底面および側壁を覆うように形成される。ノリアメタルは、銅が第 1絶縁層 104中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は 5〜30nm程度である。銅シード層の膜厚は 20〜100nm 程度である。その後、銅メツキを行う（図 6H)。銅の膜厚は 300〜800nm程度である

[0088] 続いて、 CMP法により開口部 142以外の不要なノリアメタルおよび銅を除去し、第 1絶縁層 104にバリアメタル 133'および銅 134'からなるビアプラグが形成される（図 6 1)。

[0089] その後、図 6Jに示すように第 1絶縁層 104の上に第 3保護絶縁膜 117を形成する。

第 3保護絶縁膜 117は第 1保護絶縁膜 110と同様の役割を果たす膜がよいため、第 1保護絶縁膜 110と同様な構成である。膜厚は 20〜： LOOnmである。

[0090] 続いて、第 1実施形態と同様にして、第 3保護絶縁膜 117に上記微小な距離だけ隔てられた第 1開口部 143および第 2開口部 144を形成する（図 6K)。第 1開口部 14 3および第 2開口部 144を形成する際、固体電解質 141の表面の一部が露出するようにする。第 1開口部 143および第 2開口部 144の間隔を、リソグラフィ限界の最小値よりも小さくでき、条件の最適化により 30〜15nm程度に形成した。

[0091] 第 1配線 145および第 2配線 146を以下のようにして形成する。第 1開口部 143、第 2開口部 144および第 3保護絶縁膜 117を覆うように配線材料を堆積させる（図 6L)。配線材料としては、従来の集積回路の配線に用いられる金属と同種のものであれば特にその種類を問わず、配線としての機能を果たせればよい。特にチタンおよびタンタルの少なくとも、ずれかの金属を含む配線は他の配線との整合性がよ力つた。また、チタンおよびタンタルの少なくともいずれかの金属とその金属の窒化物との積層膜による配線も他の配線と整合性がょカゝつた。続いて、第 1開口部 143および第 2開口部 144以外の箇所に形成された配線材料を CMP法により除去する。このようにして第 3保護絶縁膜 117に上記微小な距離だけ離れて配置された第 1配線 145および第 2配線 146が形成される（図 6M)。

[0092] さらに、第 2配線層 105を次のようにして形成する。第 3保護絶縁膜 117の上に第 3 層間絶縁膜 118および第 3ストップ絶縁膜 119を順に堆積する（図 6N)。第 3層間絶縁膜 118の膜厚は 50〜250nm程度である。第 3層間絶縁膜 118は、第 1層間絶縁膜 111と果たす役割が同じであるため第 1層間絶縁膜 111と同様な構成である。第 3 ストップ絶縁膜 119は、第 1ストップ絶縁膜 112と果たす役割が同じであるため第 1ストップ絶縁膜 112と同様な構成である。膜厚は 50〜200nm程度である。

[0093] そして、第 3ストップ絶縁膜 119上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。

そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、固体電解質スィッチング素子形成領域には第 1配線 145および第 2配線 146の上の第 3層間絶縁膜 118 および第 3ストップ絶縁膜 119に開口部を形成する。また、ビア構造形成領域には第 3保護絶縁膜 117、第 3層間絶縁膜 118および第 3ストップ絶縁膜 119に開口部を形成する（図 60)。 90nm世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は 80〜200nm 程度である。なお、開口部を形成する際、絶縁膜をエッチングする条件でエッチングを行ったため、第 1配線 145および第 2配線 146に対する削れが抑制された。

[0094] フォトレジストを除去した後、形成した開口部にノリアメタルと、銅の一部となる銅シ一ド層をスパッタリング法で形成する。ノリアメタル 135とバリアメタル 135，は同一種類の材料となる。ノリアメタル 135、 135'はタンタルナイトライドとタンタルの積層膜であり、開口部の底面および側壁を覆うように形成される。ノリアメタル 135、 135，は銅が第 3層間絶縁膜 118中へ拡散するのを防ぐ。タンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は 5〜 30nm程度である。銅シード層の厚みは 20〜 1 OOnm程度である。

[0095] 続いて、銅シード層上に銅をメツキ法で形成する。銅 136と銅 136'は同一工程で形成される。銅の膜厚は 300〜800nm程度である。その後、 CMP法により第 3ストツプ絶縁膜 119上のノリアメタルおよび銅を研磨して、開口部以外の不要なバリアメタルおよび銅を除去する。このようにして、第 2配線層 105が形成され、固体電解質スィツチング素子形成領域にノリアメタル 135および銅 136からなる引出配線が形成され、ビア構造形成領域にノリアメタル 135'および銅 136'からなる第 2の回路配線が形成される（図 6P)。

[0096] その後、図 5に示したように、第 2配線層 105の上に第 4保護絶縁膜 120、第 4層間絶縁膜 121、第 4ストップ絶縁膜 122および第 5保護絶縁膜 123からなる保護層 106 を形成する。第 4保護絶縁膜 120および第 5保護絶縁膜 123は第 1保護絶縁膜 110 と果たす役割が同じであるため第 1保護絶縁膜 110と同様な構成である。膜厚は 20 〜： LOOnm程度である。第 4層間絶縁膜 121は、第 1層間絶縁膜 111と果たす役割が同じであるため第 1層間絶縁膜 111と同様な構成である。膜厚は 50〜250nm程度である。第 4ストップ絶縁膜 122は、第 1ストップ絶縁膜 112と果たす役割が同じであるため第 1ストップ絶縁膜 112と同様な構成である。膜厚は 50〜200nm程度である。

[0097] なお、本実施形態では引出配線を第 2配線層 105に形成した力第 1絶縁層 104 の層に形成してもよい。また、引出配線を第 2配線層 105と第 1絶縁層 104の両方に設けてもよい。

[0098] 上述した製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 101が作製される。リソグラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第 1配線 145および第 2配線 146が第 3保護絶縁膜 117に埋め込まれた配線構造を実現できた。また、ゲート電極の第 3配線 132aおよびソース電極の第 1配線 145間の距離と、ゲート電極の第 3配線 132aおよびドレイン電極の第 2配線 146間の距離は、ビア層 104の厚みで決定される力ソース電極およびドレイン電極間の距離に比べて十分大きい。

[0099] 以上の方法により形成された配線構造を用いた 3端子固体電解質スイッチング素子 101は、ゲート電極およびソース電極（またはドレイン電極）間の距離に比べてソース電極およびドレイン電極間の距離が十分に小さくなり、安定なスイッチング動作を繰り返すことができた。さらに、第 1配線 145および第 2配線 146が埋め込まれた第 3 保護絶縁膜 117と固体電解質層 141の間に、第 4開口部を有する第 2絶縁層を挿入した構造は、金属イオンが析出可能な領域が第 4開口部内に限定されるため、スイツチング動作の安定ィ匕に有効であった。

[0100] さらに、第 3配線 132aの形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、追加マスク数が 2枚と最小限に抑えられたこと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素ァニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追カロコストで製造ラインへの導入が可能となった。ここにおいて明らかにされたように、特殊な工程は必要とされておらず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことができるであろう。

[0101] (第 3実施形態）

[0102] 図 7Aおよび図 7Bは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 7Aはその平面図であり、図 7Bは図 7Aに示す破線 a— a'部の断面図である。

[0103] 図 7Aおよび図 7Bに示す構造では、図に示さない基板上に第 1配線層 203、第 1 絶縁層 204、第 2配線層 205および保護層 206が順に形成されている。本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、保護層 206に設けられた第 1配線 245、第 2配線 246および固体電解質層 241と、第 2配線層 205に設けられた第 3配線とを有する構成である。 [0104] 保護層 206は、第 4保護絶縁膜 220、第 4層間絶縁膜 221、第 4ストップ絶縁膜 22 2、第 5保護絶縁膜 223が順に形成された構成である。第 1配線 245および第 2配線 246は第 4保護絶縁膜 220に形成されている。第 1配線 245と第 2配線 246は所定の距離だけ離れて配置され、両配線は固体電解質層 241と接触している。第 1配線 24 5および第 2配線 246間の距離は、第 1実施形態と同様にリソグラフィ限界の最小値よりも小さ、寸法である。具体的には 30〜 15nmである。

[0105] 固体電解質層 241は、第 4層間絶縁膜 221および第 4ストップ絶縁膜 222に設けられ、第 1配線 245および第 2配線 246と接触している。固体電解質層 241の側面は力バー絶縁膜 214で覆われ、固体電解質層 241の上面は第 5保護絶縁膜 223で覆われている。また、固体電解質層 241の底面は、第 1配線 245および第 2配線 246のいずれにも接触して、な、部位が第 4保護絶縁膜 220で覆われて、る。第 4保護絶縁膜 220、第 5保護絶縁膜 223およびカバー絶縁膜 214は金属拡散防止膜としての機能を有している。

[0106] 第 2配線層 205は、第 3保護絶縁膜 217、第 3層間絶縁膜 218および第 3ストップ絶縁膜 219が順に形成されている。第 1配線 245および第 2配線 246を引き出すための引出配線が第 3層間絶縁膜 218および第 3ストップ絶縁膜 219に設けられている。引出配線は銅 236と銅の拡散を防止するためのノリアメタル 235とを有する構成である。銅 236の側壁および底面はノリアメタル 235で覆われている。また、第 3配線が第 3層間絶縁膜 218および第 3ストップ絶縁膜 219に設けられている。第 3配線は銅 23 6aと銅の拡散を防止するためのノリアメタル 235aとを有する構成である。銅 236aの側壁および底面はノリアメタル 235aで覆われている。第 3配線の銅 236aは、第 4保護絶縁膜 220に設けられた第 3開口部 240を介して固体電解質層 241と接触している。なお、第 3配線は銅 236aとバリアメタル 235aで形成されている力銅 236aが固体電解質スイッチング素子で重要な役割を果たすため、以下では第 3配線を単に符号 236aで示す。

[0107] 第 3配線 236aと第 1配線 245および第 2配線 246との距離を第 1配線 245および第 2配線 246間の距離よりも大きくしている。第 3配線 236aと第 1配線 245および第 2配線 246との距離は第 3配線 236aをパターユングする際のリソグラフイエ程で設定される。

[0108] 第 1配線層 203は、保護絶縁膜 210、層間絶縁膜 211およびストップ絶縁膜 212が順に形成されている。第 1絶縁層 204は、第 2保護絶縁膜 213、第 2層間絶縁膜 215 および第 2ストップ絶縁膜 216が順に形成されている。

[0109] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 201の動作は第 1実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0110] 図 7Aおよび図 7Bに示した固体電解質スイッチング素子 201では、ソース電極となる第 1配線 245とドレイン電極となる第 2配線 246が上記微小な距離だけ隔てられている。この距離は、金属イオンを供給するゲート電極となる第 3配線 236aと第 1配線 2 45および第 2配線 246との距離よりも小さいため、固体電解質スイッチング素子の動作がより安定ィ匕した。

[0111] また、固体電解質層 241のうち第 1配線 245、第 2配線 246および第 3配線のいずれにも接触していない部位が第 4保護絶縁膜 220、カバー絶縁膜 214および第 5保護絶縁膜 223のいずれかで覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0112] 次に、図 7Aおよび図 7Bに示した固体電解質スイッチング素子 201を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。

[0113] 図 8は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図 7A および図 7Bに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

[0114] 図 8に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子 201と、配線同士を接続するためのビア構造 202とを有する構成である。ビア構造 202は、第 1配線層 20 3に設けられた第 1の回路配線と、第 2配線層 205に設けられた第 2の回路配線と、第 1の回路配線および第 2の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第 1絶縁層 204に形成されて、る。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。

[0115] 第 1の回路配線は銅 232，と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 231，とを有する。

銅 232'の底面および側壁はバリアメタル 231 'で覆われている。ビアプラグは銅 234 ，と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 233 'とを有する。銅 234 'の底面および側壁はノリアメタル 233 'で覆われている。第 2の回路配線は銅 236 'と銅の拡散を防ぐためのバリアメタル 235，とを有する。銅 236，の底面および側壁はバリアメタル 235，で覆われている。この銅 236 'は引出配線の銅 136および第 3配線の銅 236aと同種の材料であり、ノリアメタル 235，は引出配線のバリアメタル 135および第 3配線のバリアメタル 235aと同種の材料である。

[0116] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第 2実施形態との相違は、固体電解質層 241に金属イオンを供給する第 3配線 236aおよびその上部に形成された固体電解質層 241と、第 4保護絶縁膜 220に埋め込まれた第 1配線 245および第 2配線 2 46との、多層配線内での位置関係である。

[0117] 第 2実施形態においては、固体電解質層 141に金属イオンを供給する第 3配線 13 2aおよびその上部に形成された固体電解質層 141と、第 3保護絶縁膜 117に埋め込まれた第 1配線 145および第 2配線 146との位置関係は、同一鉛直軸内にあった。これに対して、本実施形態においては、第 4保護絶縁膜 220に埋め込まれた第 1配線 245および第 2配線 246は固体電解質層 241の下部に配置され、かつ同様に固体電解質層 241の下部に配置された第 3配線 236aとは、面内の離れた箇所に配置されて、ることを特徴として！/、る。

[0118] 本実施形態では、第 1配線 245および第 2配線 246と第 3配線 236aとの距離について第 3配線 236aを配置する位置で任意に設定可能である。これに対し、第 2実施形態では、第 1配線 145および第 2配線 146と第 3配線 132aとの距離が固体電解質層 141の膜厚で決まる。

[0119] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第 2実施形態と比べて、第 1配線 2 45および第 2配線 246と第 3配線 236aとの距離を制御することが容易となった。第 3 配線 236aより供給される金属イオンがその距離を拡散するため、その距離を制御することによりスイッチング特性を決定できる。これにより、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の特性を制御することが可能となった。特に、第 1配線 245および第 2 配線 246と第 3配線 236aとの距離を従来よりも大きくすることは、オフ状態力もオン状態へのスイッチングを起こりにくくするのに有効であった。

[0120] また、第 1配線 245、第 2配線 246および第 3配線 236aの上部に固体電解質層 24 1が形成されるため、素子形成可能な箇所が配線層中に限らなくなり、素子形成の自由度が高まった。このことにより近年の主流であるデュアルダマシンによる配線形成工程にも十分対応可能となった。特に、多層配線工程完了後に素子を形成可能となつた。このことは、新材料導入のリスク低減とも相まって、コスト低減にもつながった。

[0121] 次に、図 8に示した固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法について説明する。

[0122] 図 9Aから図 9Dは固体電解質スイッチング素子とビア構造の製造方法を示す断面図である。なお、第 2実施形態と共通する工程についてはその詳細な説明を省略する。

[0123] 最上層に絶縁膜が形成された基板 (不図示)の上に第 1配線層 203および第 1絶縁層 204を形成する。その際、ビア構造 202形成領域では第 2実施形態と同様にして第 1配線層 203に第 1の回路配線を形成し、第 1絶縁層（ビア層） 204にビアプラグを形成する。

[0124] 続いて、第 2実施形態の第 2配線層 105の形成方法と同様にして第 2配線層 205を形成する。その際、固体電解質スイッチング素子 201の形成領域には、引出配線の他に第 3配線を形成する。この第 3配線の形成方法は引出配線と同様である。そして、第 2配線層 205の上に第 4保護絶縁層 220を形成する（図 9A)。第 4保護絶縁膜 2 20を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。第 4保護絶縁膜 220は銅の酸ィ匕膜中への拡散を抑制する。膜厚は 20〜： LOOnmである。なお、第 3配線は引出配線から所定の距離だけ離れた位置に形成されるため、図 9Aに示すように第 3配線を破線で示している。

[0125] その後、図 9Bに示すように、第 2実施形態と同様にして第 4保護絶縁膜 220に第 1 配線 245および第 2配線 246を上記微小な距離だけ離して形成する。

[0126] さらに、第 4保護絶縁膜 220上に第 4層間絶縁膜 221および第 4ストップ絶縁膜 22 2を順に形成する。第 4ストップ絶縁膜 222上にフォトレジストを塗布した後、露光処理を行う。そして、露光後のフォトレジストに現像処理を行って、開口部を有するフォトレジストを形成する。そのフォトレジストを介してエッチングを行うことにより、第 4層間絶縁膜 221および第 4ストップ絶縁膜 222に第 3開口部 247を形成する。第 3開口部 247を形成することにより、第 1配線 245、第 2配線 246および第 3配線 236aの一部が露出した。フォトレジストを除去した後、カバー絶縁膜 214を形成する。さら〖こ、異方性のエッチングを行って、カバー絶縁膜 214を第 3開口部 247の側壁に残す。（図 9C)。

[0127] 続いて、第 3開口部 247を埋めるように固体電解質層 241を成膜した後、 CMP法により第 3開口部 247以外の不要な部位に形成された固体電解質層を除去した。そして、第 4ストップ絶縁膜 222上に第 5保護絶縁膜 223を形成する（図 9D)。第 5保護絶縁膜 223は、第 4保護絶縁膜 220と同様に銅の拡散を防ぐ役割を果たすため、第 4保護絶縁膜 220と同様な材料で形成される。

[0128] 上述した製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 201が作製される。リソグラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第 1配線 245および第 2配線 246が絶縁層 220に埋め込まれた配線構造を実現できた。また、第 2実施形態と比べて、ゲート電極の第 3配線 236aおよびソース電極の第 1配線 245間の距離と、ゲート電極の第 3配線 236aおよびドレイン電極の第 2配線 246間の距離を自由に制御することが容易となった。

[0129] また、第 1配線 245および第 2配線 246および第 3配線 236aの上部に固体電解質層 241が形成されるため、素子形成可能な箇所が配線層中に限らなくなり、素子形成の自由度が高まった。特に、多層配線工程完了後に素子を形成可能となった。このことは、新材料導入のリスク低減とも相まって、コスト低減にもつながった。以上の方法により形成された配線構造を用いた 3端子固体電解質スイッチング素子 200は、安定なスイッチング動作を繰り返すことができた。

[0130] さらに、第 3配線 236aの形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、追加マスク数が 2枚と最小限に抑えられたこと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素ァニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追カロコストで製造ラインへの導入が可能となった。上述したように、本実施形態では特殊な工程を必要とせず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことが可能である。

[0131] (第 4実施形態）

[0132] 図 10Aおよび図 10Bは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 10Aはその平面図であり、図10 は図10八に示す破線&ー&'部の断面図である。

[0133] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 301は、第 3実施形態の固体電解質層の膜厚を第 3実施形態よりも薄くした構成である。本実施形態では、固体電解質層の膜厚を制御可能にしている。なお、第 1配線層 303は第 3実施形態の第 1配線層 20 3に対応し、第 1絶縁層 304は第 1絶縁層 204に対応し、第 2配線層 305は第 2配線層 205に対応し、保護層 306は保護層 206に対応している。各層における膜の材料および種類は第 3実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0134] 本実施形態では、固体電解質層 341の上面および側面はカバー絶縁膜 314で覆われている。また、固体電解質層 341の底面は、第 1配線 345および第 2配線 346の V、ずれにも接触して、な、部位が第 4保護絶縁膜 320で覆われて、る。第 4保護絶縁膜 320およびカバー絶縁膜 314は金属拡散防止膜の機能を有している。

[0135] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 301の主な動作は第 1実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0136] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 301は、固体電解質層 341のうち第 1 配線 345、第 2配線 346および第 3配線の、ずれにも接触して、な、部位が第 4保護絶縁膜 320およびカバー絶縁膜 314のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0137] 次に本実施形態の固体電解質スイッチング素子 301の製造方法について簡単に説明する。固体電解質層 341の形成方法以外については第 3実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0138] 図 9Bで示した工程の後、固体電解質層を所望の膜厚だけ第 4保護絶縁膜 320に形成する。リソグラフイエ程およびエッチング工程により所望のパターンに固体電解質層を加工し、図 10Aに示す固体電解質層 341を形成する。そして、カバー絶縁膜 314を形成した後、第 4層間絶縁膜 321、第 4ストップ絶縁膜 322および第 5保護絶縁膜 323を形成する。このようにして、図 10Bに示す固体電解質スイッチング素子 30 1が作製される。

[0139] 次に、図 10Aおよび図 10Bに示した固体電解質スイッチング素子 301 ^^積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。

[0140] 図 11は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図 1

OAおよび図 10Bに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

[0141] 図 11に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子 301と、配線同士を接続するためのビア構造 302とを有する構成である。なお、ビア構造 302は第 3実施形態のビア構造 202と対応しているため、その詳細な説明を省略する。

[0142] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第 3実施形態との相違は、固体電解質層 341の加工方法である。第 3実施形態においては、第 2配線層 205上に形成された、第 4保護絶縁層 220、第 4層間絶縁膜 221および第 4ストップ絶縁膜 222の 3 層に設けられた第 3開口部 247に固体電解質層 241が埋め込まれた構成である。これに対して、本実施形態においては、第 1配線 345、第 2配線 346および第 3配線に接触するように固体電解質層を堆積した後、固体電解質層のうち不要な部位を除去して、図 10A、図 10Bおよび図 11に示すような固体電解質層 341を形成することを特徴としている。

[0143] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第 3実施形態と比べて、固体電解質層 341の膜厚制御が容易となった。固体電解質層 341の膜厚制御により、第 1配線 345および第 2配線 346に供給される金属イオンの量を制御することが可能となり、スイッチング特性を調整することが可能となった。 [0144] また、固体電解質層 341の加工に CMP法を用いないため、固体電解質層 341へのダメージが低減し、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の信頼性が高まつた。また、利用可能な固体電解質層 341の選択肢が広がり、コスト低下が実現できた

[0145] (第 5実施形態）

[0146] 図 12Aおよび図 12Bは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 12Aはその平面図であり、図12 は図12八に示す破線&ー&'部の断面図である。図 12Aおよび図 12Bに示す構造は、第 1配線層 403が第 4実施形態の第 1配線層 303に対応し、第 1絶縁層 404が第 1絶縁層 304に対応し、第 2配線層 405が第 2配線層 305に対応し、保護層 406が保護層 306に対応している。各層における膜の種類および材料については第 4実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0147] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 401は、固体電解質層 441、第 1配線 4 45および第 2配線 446が第 2配線層 405に設けられている。また、第 3配線が第 1絶縁層 404に設けられている。そして、第 1配線 445、第 2配線 446および第 3配線の引出配線が第 1配線層 403に設けられている。第 3配線は銅 434aと銅の拡散を防止するためのノリアメタル 433aとを有する構成である。さらに、第 1配線 445および第 2 配線 446のそれぞれを引出配線に接続するためのビアプラグが第 1絶縁層 404に設けられている。

[0148] 本実施形態では、固体電解質層 441の上面および側面はカバー絶縁膜 414で覆われている。また、固体電解質層 441の底面は、第 1配線 445および第 2配線 446の V、ずれにも接触して、な、部位が第 3保護絶縁膜 417で覆われて、る。第 3保護絶縁膜 417およびカバー絶縁膜 414は金属拡散防止膜の機能を有している。

[0149] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 401の主な動作は第 1実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0150] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 401は、固体電解質層 441のうち第 1 配線 445、第 2配線 446および第 3配線の、ずれにも接触して、な、部位が第 3保護絶縁膜 417およびカバー絶縁膜 414の、ずれかの金属拡散防止膜で覆われて!/ヽるため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0151] 次に、図 12Aおよび図 12Bに示した固体電解質スイッチング素子 401を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。

[0152] 図 13は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図 1

2Aおよび図 12Bに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

[0153] 図 13に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子 401と、配線同士を接続するためのビア構造 402とを有する構成である。ビア構造 402は、第 1配線層 40 3に設けられた第 1の回路配線と、第 2配線層 405に設けられた第 2の回路配線と、第 1の回路配線および第 2の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第 1絶縁層 404に形成されて、る。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。

[0154] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第 4実施形態との相違点について説明する。第 4実施形態では固体電解質層 341に金属イオンを供給する第 3配線 336 aが第 2配線層 305に設けられてヽたのに対し、本実施形態では固体電解質層 441 に金属イオンを供給する第 3配線 434aが第 1絶縁層（ビア層） 404に設けられて、る

[0155] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子は、第 3配線をビア層に形成するようにして、るので、ビアホールのサイズ調整により固体電解質層 441に供給可能な金属イオンの総量を第 4実施形態と比べてより制御しやすくなる。これにより、スイッチング特性をより調整しやすくなる。また、供給可能な金属がビアプラグ形状に閉じ込められるため、多層配線材料である銅以外の金属も利用可能となり、金属種類を選ぶことでスイッチング特性をさらに調整しやすくなる。

[0156] (第 6実施形態）本実施形態の固体電解質スイッチング素子の構成について説明する。

[0157] 図 14Aおよび図 14Bは本実施形態の固体電解質スイッチング素子の一構成例を示す図である。図 14Aはその平面図であり、図14 は図14八に示す破線&ー&'部の断面図である。図 14Aおよび図 14Bに示す構造は、第 1配線層 503が第 4実施形態の第 1配線層 303に対応し、第 1絶縁層 504が第 1絶縁層 304に対応し、第 2配線層 505が第 2配線層 305に対応し、保護層 506が保護層 306に対応している。各層における膜の種類および材料については第 4実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0158] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 501は、第 2保護絶縁膜 513に設けられた第 1配線 545および固体電解質層 541と、第 1絶縁層 504に設けられた第 2配線と、第 1配線層 503に設けられた第 3配線とを有する構成である。第 3配線は銅 53 2aと銅の拡散を防止するためのノリアメタル 53 laとを有する構成である。第 2配線は銅 534と銅の拡散を防ぐためのノリアメタル 533とを有する構成である。以下では、第 2配線を符号 533で示し、第 3配線を符号 532aで示す。

[0159] 本実施形態では、固体電解質層 541の上面および側面はカバー絶縁膜 514で覆われている。また、固体電解質層 541の底面は、第 1配線 545および第 3配線 532a の、ずれにも接触して、な、部位が第 2保護絶縁膜 513で覆われて、る。第 2保護絶縁膜 513およびカバー絶縁膜 514は金属拡散防止膜の機能を有している。

[0160] なお、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 501の主な動作は第 1実施形態の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[0161] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子 501は、固体電解質層 541のうち第 1 配線 545、第 2配線 533および第 3配線の、ずれにも接触して、な、部位が第 2保護絶縁膜 513およびカバー絶縁膜 514のいずれかの金属拡散防止膜で覆われているため、金属イオンが周囲に拡散しない。そのため、金属イオンが隣接する素子に影響を与えることを防ぐことができ、本実施形態の固体電解質スイッチング素子を、他の素子とともに集積した回路に用いることが可能となる。

[0162] 次に、図 14Aおよび図 14Bに示した固体電解質スイッチング素子 501を集積回路に適用した構成について説明する。なお、ここでは集積回路の一部として半導体回路同士を接続するためのビア構造を示す。

[0163] 図 15は固体電解質スイッチング素子とビア構造とを示す断面図である。なお、図 1 4Aおよび図 14Bに示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

[0164] 図 15に示すように、集積回路は、固体電解質スイッチング素子 501と、配線同士を接続するためのビア構造 502とを有する構成である。ビア構造 502は、第 1配線層 50 3に設けられた第 1の回路配線と、第 2配線層 505に設けられた第 2の回路配線と、第 1の回路配線および第 2の回路配線を接続するビアプラグとを有する。ビアプラグは第 1絶縁層 504に形成されている。このビアプラグが形成された層をビア層と称する。

[0165] 本実施形態の固体電解質スイッチング素子と第 1実施形態から第 5実施形態との相違点について説明する。最も大きな違いは、第 1配線と第 2配線の間隔の形成方法である。第 1実施形態から第 5実施形態のうち代表例として第 1実施形態と比較すると、第 1実施形態では第 1配線 14と第 2配線 15は微小な間隔だけ隔てられて絶縁層 1 1に形成されていた。これに対して、本実施形態では、第 1配線 545および第 2配線 5 33は固体電解質層 541により隔てられていることが特徴である。本実施形態では、第 1配線 545は第 2保護絶縁膜 513に形成され、第 2配線 533はカバー絶縁膜 514 、第 2層間絶縁膜 515および第 2ストップ絶縁膜 516の 3層の絶縁膜に形成されている。そして、第 1配線 545および第 2配線 533は固体電解質層 541を挟むようにして形成されている。また、第 3配線 532aは金属イオンを供給可能な材料で形成されている。そのため、オフ状態力もオン状態に遷移する際、金属イオンが第 3配線 532a 力も固体電解質層 541中を拡散し、第 1配線 545および第 2配線 533の間に析出し、固体電解質スイッチング素子 501はオフ状態力オン状態にスイッチング動作する

[0166] 本実施形態の固定電解質スイッチング素子は第 1実施形態から第 5実施形態の場合と比べて、第 1配線と第 2配線の間隔を固体電解質層 541の膜厚で制御することが可能である。

[0167] なお、第 1配線 545と第 2配線 533を隔てる層は、固体電解質を含んだ絶縁膜から構成されるスぺーサ層であってもよい。挿入されたスぺーサ層の機能として、第 1配線 545と第 2配線 533を電気的に分離でき、第 1配線 545と第 2配線 533が固体電解質と接する部分にぉ、て析出物を形成することができればよ、。

[0168] 次に本実施形態の固体電解質スイッチング素子の製造方法について簡単に説明する。なお、第 2実施形態や第 3実施形態と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。

[0169] 最上層に絶縁膜が形成された基板 (不図示)の上に第 1配線層 503を構成する 3層の絶縁膜を形成する。第 2実施形態と同様にして、固体電解質スイッチング素子形成領域に引出配線と第 3配線 532aを形成し、ビア構造 502形成領域に第 1の回路配線を形成する。引出配線は銅 532とバリアメタル 531とを有し、第 3配線は銅 532aとノリアメタル 531aとを有する。

[0170] 続いて、第 1配線層 503の上に第 2保護絶縁膜 513を形成する。第 2保護絶縁膜 5 13を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。第 2保護絶縁膜 513は銅の酸ィ匕膜中への拡散を抑制する。膜厚は 20〜： LOOnmである。そして、第 2保護絶縁膜 513に、第 2実施形態と同様にして、引出配線に接触する第 1配線 545を形成する。

[0171] その後、固体電解質層 541に金属イオンを供給する第 3配線 532aの一部が露出するように、リソグラフイエ程とエッチング工程により第 3配線 532a上の第 2保護絶縁膜 513に開口部を設ける。続いて、固体電解質層を堆積した後、リソグラフイエ程とェツチング工程により、図 14Aおよび図 14Bに示すような固体電解質層 541を形成する。さら〖こ、固体電解質層 541および第 2保護絶縁膜 513を完全に覆うように、カバ一絶縁膜 514を堆積する。カバー絶縁膜 514を、シリコンナイトライド、またはシリコンナイトライドに任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料で形成する。カバー絶縁膜 514は銅の酸ィ匕膜中への拡散を抑制する。その後、カバー絶縁膜 514上に第 2層間絶縁膜 515および第 2ストップ絶縁膜 516を堆積する。

[0172] 続いて、リソグラフイエ程およびエッチング工程により、カバー絶縁膜 514、第 2層間絶縁膜 515および第 2ストップ絶縁膜に開口部を形成し、第 2実施形態と同様にして、その開口部に第 2配線を形成する。第 2配線は銅 534とバリアメタル 533とを有する構成である。ノリアメタル 533は銅 534の底面および側面を覆っている。また、第 2配線を形成する際、第 2配線が第 1配線 545と固体電解質 541を介して対向する位置になるようにしている。その後、第 2実施形態と同様にして、第 2配線層 505の固体電解質スイッチング素子 501形成領域に第 2配線の引出配線を形成し、保護層 506を形成する。

[0173] 上述の製造方法により、本実施形態の固体電解質スイッチング素子 501が作製される。固体電解質層の膜厚をリソグラフィ限界の最小値よりも薄くすることで、リソダラフィ限界を超えた微小な距離だけ隔てられた第 1配線 545および第 2配線 533がそれぞれ別の絶縁膜に形成された配線構造を実現できた。第 1配線 545と第 2配線 53 3を隔てるものは、固体電解質層 541である。微小な間隔だけ隔てられた第 1配線と第 2配線の間隔が固体電解質層 541の膜厚制御のみにより可能となった。膜厚制御による間隔の設定は第 1実施形態のようなドライエッチングによる制御に比べて容易であり、製造ばらつきが低減し、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の歩留まりがより高くなる。

[0174] また、ゲート電極の第 3配線 532aおよびソース電極の第 1配線 545間の距離と、ゲート電極の第 3配線 532aおよびドレイン電極の第 2配線 533間の距離を自由に制御することが容易となった。第 3配線 532aより供給される金属イオンがその距離を拡散するため、その距離を制御することによりスイッチング特性を決定できる。これにより、集積回路中の固体電解質スイッチング素子の特性を制御することが可能となった。特に、第 1配線 545および第 2配線 533と第 3配線 532aとの距離を従来よりも大きくすることは、オフ状態力オン状態へのスイッチングを起こりにくくするのに有効であつた。したがって、固体電解質スイッチング素子 501は、より安定なスイッチング動作を繰り返すことができる。

[0175] さらに、第 3配線 532aおよび第 2配線 533の形成工程をはじめとして、多層配線製造工程と共通化できる工程が多いことと、絶縁膜中への原子拡散の抑制および水素ァニール耐性の対策がなされたことにより、最小限の追加コストで製造ラインへの導入が可能となった。上述したように、本実施形態では特殊な工程を必要とせず、従来の集積回路の多層配線を形成する技術を有するものであれば、以上の工程を問題なく行うことが可能である。

[0176] なお、上記第 1実施形態から第 6実施形態において、第 1配線をソース電極とし、第 2配線をドレイン電極として説明したが、第 2配線をソース電極とし、第 1配線をドレイン電極としてもよい。

[0177] また、本発明は上記実施例に限定されることなぐ発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims

請求の範囲

[1] 所定の距離だけ離れて設けられた第 1電極および第 2電極と、

前記第 1電極および第 2電極に接触して設けられた固体電解質層と、

前記固体電解質層に接触して設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極と、前記固体電解質層の表面のうち前記第 1電極、第 2電極および第 3電極のいずれにも接触して、な、部位を覆った金属拡散防止膜と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[2] 金属拡散防止の機能を有する第 1絶縁層に設けられた第 1電極および第 2電極と、前記第 1絶縁層よりも上層に設けられ、前記第 1電極および第 2電極に接触する固体電解質層と、

前記固体電解質層を覆い、該固体電解質層の一部を露出させる開口部を有する金属拡散防止膜と、

前記開口部を介して前記固体電解質層と接触し、金属イオンを供給可能な第 3電極と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[3] 前記第 1絶縁層および固体電解質層の間に設けられ、該固体電解質層が前記第 1 電極および第 2電極と接触するための開口部が形成され、金属拡散防止の機能を有する第 2絶縁層を備えた請求項 2記載の固体電解質スイッチング素子。

[4] 金属イオンを供給可能な第 3電極と、

前記第 3電極上に設けられ、該第 3電極と接触する固体電解質層と、

前記固体電解質層上に設けられ、該固体電解質層と接触する第 1電極および第 2 電極と、

前記固体電解質層の表面のうち前記第 1電極、第 2電極および第 3電極のいずれにも接触して、な、部位を覆った金属拡散防止膜と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[5] 絶縁層に設けられた第 1電極および第 2電極、ならびに該絶縁層に設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極を有する配線構造と、

前記配線構造上に設けられ、前記第 1電極、第 2電極および第 3電極に接触する固体電解質層と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[6] 第 1絶縁層に設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極、ならびに該第 1絶縁層上の第 2絶縁層に設けられた第 1電極および第 2電極を有する配線構造と、前記配線構造上に設けられ、前記第 1電極、第 2電極および第 3電極に接触する固体電解質層と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[7] 第 1電極と、

前記第 1電極上に設けられ、該第 1電極と接触し、固体電解質を含有するスぺーサ層と、

前記スぺーサ層上に設けられ、該スぺーサ層と接触する第 2電極と、

前記スぺーサ層に接触して設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極と、前記スぺーサ層の表面のうち前記第 1電極、第 2電極および第 3電極のいずれにも接触して!/ヽな、部位を覆った金属拡散防止膜と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[8] 前記スぺーサ層が絶縁膜を有する、請求項 7記載の固体電解質スイッチング素子

[9] 前記絶縁膜が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物、または該化合物の組み合わせで構成される請求項 8記載の固体電解質スイッチング素子

[10] 金属拡散防止の機能を有する絶縁層に設けられた第 1電極と、

前記絶縁層上に設けられ、該第 1電極と接触する固体電解質層と、

前記固体電解質層を覆い、該固体電解質層の一部を露出させる開口部を有する金属拡散防止膜と、前記開口部を介して前記固体電解質層と接触する第 2電極と、

前記絶縁層に設けられた開口部を介して前記固体電解質層と接触し、金属イオンを供給可能な第 3電極と、

を有する固体電解質スイッチング素子。

[11] 前記第 3電極が銅を含む金属力もなる請求項 1から 10のいずれか 1項記載の固体電解質スイッチング素子。

[12] 前記第 3電極が、前記固体電解質層と接触していない部位力 Sバリアメタルおよび金属拡散防止膜の少なくとも、ずれかで覆われて、る、請求項 11記載の固体電解質スイッチング素子。

[13] 前記バリアメタルが、タンタル、タンタルナイトライド、チタンおよびチタンナイトライドのうち少なくともいずれかを含む材料である、請求項 12記載の固体電解質スィッチング素子。

[14] 第 1電極および第 2電極が、タンタル、タンタルナイトライド、チタンおよびチタンナイトライドのうち少なくともいずれかを含む材料である、請求項 1から 10のいずれか 1項記載の固体電解質スイッチング素子。

[15] 前記第 1電極または第 2電極が銅を含む材料である、請求項 1から 10のいずれか 1 項記載の固体電解質スイッチング素子。

[16] 前記金属拡散防止膜が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項 1から 10のいずれ力 1項記載の固体電解質スイッチング素子。

[17] 前記第 1絶縁層が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項 2または 3記載の固体電解質スイッチング素子。

[18] 前記第 2絶縁層が、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物膜である、請求項 3記載の固体電解質スイッチング素子。

[19] 前記固体電解質および第 3電極の少なくともいずれか一方が、複数の絶縁膜が積層された多層絶縁膜に埋め込まれた、請求項 1から 10のいずれか 1項記載の固体電解質スイッチング素子。

[20] 前記多層絶縁膜は、シリコンと任意量の窒素、酸素、炭素から構成される化合物絶縁膜、およびシリコン酸ィ匕膜よりも誘電率の低い低誘電率絶縁膜のうち少なくともいずれかの絶縁膜を有する、請求項 19記載の固体電解質スイッチング素子。

[21] 前記低誘電率絶縁膜が、シリコンと酸素の化合物でフッ素、水素および炭素を含む膜である、請求項 20記載の固体電解質スイッチング素子。

[22] 前記低誘電率絶縁膜が空孔を含む絶縁膜である、請求項 20記載の固体電解質スイッチング素子。

[23] 前記空孔の直径が 2nm以下である、請求項 22記載の固体電解質スイッチング素子。

[24] 前記固体電解質層が、金属または半導体元素とカルコゲン元素とを含む化合物である、請求項 1から 10のいずれか 1項記載の固体電解質スイッチング素子。

[25] 前記固体電解質層が、銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタンおよびコバルト等の金属のうちいずれかの硫ィ匕物、酸化物、または任意の硫黄酸素比を持つ酸硫ィ匕物である、請求項 1から 10のいずれか 1項記載の固体電解質スィッチング素子。

[26] 前記 1から 10のいずれ力 1項記載の固体電解質スイッチング素子と、

配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、

前記第 3電極が前記配線と同一層に設けられ、

前記固体電解質層が前記ビアプラグと同一層に設けられた集積回路。

[27] 前記 1から 10のいずれ力 1項記載の固体電解質スイッチング素子と、

配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、

前記第 3電極が前記ビアプラグと同一層に設けられ、

前記固体電解質層が前記配線と同一層に設けられた集積回路。

[28] 前記 1から 10のいずれ力 1項記載の固体電解質スイッチング素子と、

複数の配線およびビアプラグを有する多層配線とを備え、

前記固体電解質層が、前記多層配線の最上配線層の上部の絶縁層と同一層に設けられ、または該絶縁層の一部に埋め込まれて設けられた集積回路。

[29] 絶縁層上に所定の距離だけ離れた第 1開口パターン部および第 2開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、

第 1のエッチングにより前記第 1開口パターン部および第 2開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、

前記レジストをマスクとして前記絶縁層に第 2のエッチングを行って、該絶縁層に第 1開口部および第 2開口部を形成する工程と、

前記レジストを除去した後、前記第 1開口部および第 2開口部に配線材料を埋め込んで、第 1電極および第 2電極を形成する工程と、

前記第 1電極と前記第 2電極に接触するように固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層を覆う金属拡散防止膜を形成する工程と、

前記金属拡散防止膜に第 3開口部を形成する工程と、

金属イオンを供給可能な配線材料を前記第 3開口部に埋め込んで第 3電極を形成する工程と、

を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[30] 絶縁層上に所定の距離だけ離れた第 1開口パターン部および第 2開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、

前記レジストをマスクとして前記絶縁層に第 1のエッチングを行って、該絶縁層に第 1開口部および第 2開口部を形成する工程と、

前記絶縁層に第 2のエッチングを行って、前記第 1開口部および第 2開口部の開口面積を拡大する工程と、

前記金属拡散防止膜に第 3開口部を形成する工程と、

を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[31] 前記第 1電極および第 2電極の形成方法が、

少なくとも前記第 1開口部および第 2開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、前記第 1開口部と第 2開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除くェ程とを有する請求項 29または 30に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法

[32] 第 1電極、第 2電極および第 3電極を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法であって、

第 1絶縁層に第 1の開口部を形成する工程と、

前記第 1の開口部に金属イオンの供給可能な配線材料を埋め込んで前記第 3電極を形成する工程と、

前記第 1絶縁層上に第 2絶縁層を形成する工程と、

前記第 2絶縁層に第 2の開口部を形成する工程と、

前記第 2の開口部の側壁に金属拡散防止膜を形成する工程と、

前記第 2の開口部に固体電解質層を埋め込む工程と、

前記第 2絶縁層上に第 3絶縁層を形成する工程と、

前記第 3絶縁層上に所定の距離だけ離れた第 3開口パターン部および第 4開口パターン部を有するレジストを形成する工程と、

第 1のエッチングにより前記第 3開口パターン部および第 4開口パターン部の開口面積を拡大する工程と、

前記レジストをマスクとして前記第 3絶縁層に第 2のエッチングを行って、該第 3絶縁層に第 3の開口部および第 4の開口部を形成する工程と、

前記レジストを除去した後、前記第 3の開口部および第 4の開口部に配線材料を埋め込んで前記第 1電極および第 2電極を形成する工程と、

を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[33] 第 1電極、第 2電極および第 3電極を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法であって、

第 1絶縁層に第 1の開口部を形成する工程と、

前記第 1絶縁層上に第 2絶縁層を形成する工程と、

前記第 2絶縁層に第 2の開口部を形成する工程と、前記第 2の開口部の側壁に金属拡散防止膜を形成する工程と、

前記第 2の開口部に固体電解質層を埋め込む工程と、

前記第 2絶縁層上に第 3絶縁層を形成する工程と、

前記レジストをマスクとして前記第 3絶縁層に第 1のエッチングを行って、該第 3絶縁層に第 3の開口部および第 4の開口部を形成する工程と、

前記第 3絶縁層に第 2のエッチングを行って、前記第 3の開口部および第 4の開口部の開口面積を拡大する工程と、

を有する固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[34] 前記第 3電極の形成方法が、

少なくとも前記第 1の開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、

前記第 1の開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除く工程とを有する請求項 32または 33に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[35] 前記第 1電極および第 2電極の形成方法が、

少なくとも前記第 3の開口部および第 4の開口部に前記配線材料を埋め込む工程と、

前記第 3の開口部と第 4の開口部以外の箇所に形成された前記配線材料を取り除く工程とを有する請求項 32または 33に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[36] 前記配線材料を取り除く工程で化学 ·機械的研磨法を用ヽる、請求項 31に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[37] 前記配線材料を取り除く工程で化学 ·機械的研磨法を用ヽる、請求項 34に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。

[38] 前記配線材料を取り除く工程で化学 ·機械的研磨法を用ヽる、請求項 35に記載の固体電解質スイッチング素子の製造方法。