JPWO2018181019A1 - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
素子間のセット電圧ばらつきを改善した抵抗変化素子を提供する。少なくとも2つ以上の抵抗変化素子と、第1端子と、第2端子と、を含む半導体装置であって、前記抵抗変化素子は、それぞれ、第1電極と、第2電極と、第1電極および第2電極に挟まれた抵抗変化層とを有し、第1電極と第2電極の2電極間に印加される電気的信号に基づいて、可逆的に抵抗値が変化する機能を有しており、前記抵抗変化素子の各第1電極と第1端子が電気的に接続されており、かつ各第2電極と第2端子が電気的に接続され、かつ、各抵抗変化層が各抵抗変化素子間で互いに分離されており、各第2電極が各抵抗変化素子間で互いに分離され、第2端子を介してのみ互いに電気的に接続されている。Provided is a variable resistance element having improved set voltage variation between elements. A semiconductor device including at least two or more variable resistance elements, a first terminal, and a second terminal, wherein each of the variable resistance elements includes a first electrode, a second electrode, a first electrode, and a second electrode. A resistance change layer sandwiched between the second electrodes, and having a function of reversibly changing a resistance value based on an electric signal applied between the first electrode and the second electrode. The first electrode and the first terminal of the variable resistance element are electrically connected, the second electrode and the second terminal are electrically connected, and each variable resistance layer is connected to each variable resistance element. The elements are separated from each other, the second electrodes are separated from each other between the variable resistance elements, and are electrically connected to each other only through the second terminal.
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
半導体デバイス(特にシリコンデバイス)は、微細化(スケーリング則:Mooreの法則)によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、3年4倍のペースで開発が進められてきた。近年、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート長は20nm以下となり、リソグラフィプロセスの高騰(装置価格およびマスクセット価格)、およびデバイス寸法の物理的限界(動作限界・ばらつき限界)により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。 2. Description of the Related Art Semiconductor devices (especially silicon devices) are being integrated at a lower power by miniaturization (scaling rule: Moore's law), and development has been advanced at a rate of three times and four times. In recent years, the gate length of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) has been reduced to 20 nm or less. There is a need to improve device performance using an approach different from the scaling rule of the above.
半導体装置上の銅多層配線構造の内部に形成される機能素子としては、例えば抵抗変化型不揮発素子(以下では、「抵抗変化素子」と称する)やキャパシタ(容量素子)等がある。 Examples of the functional element formed inside the copper multilayer wiring structure on the semiconductor device include a variable resistance nonvolatile element (hereinafter, referred to as a “resistance variable element”) and a capacitor (capacitance element).
ロジックLSI(Large Scale Integration)上に混載するキャパシタとしては、エンベデッドDRAM(Dynamic Random Access Memory)や、デカップリングキャパシタなどがある。これらのキャパシタを銅配線上に搭載することで、キャパシタの大容量化や小面積化を実現可能になる。 Examples of capacitors mounted on a logic LSI (Large Scale Integration) include an embedded DRAM (Dynamic Random Access Memory) and a decoupling capacitor. By mounting these capacitors on copper wiring, it is possible to increase the capacity and reduce the area of the capacitors.
ゲートアレイとスタンダードセルの中間的な位置づけとしてFPGA(Field Programmable Gate Array)と呼ばれるデバイスが開発されている。これは顧客自身がチップの製造後に任意の回路構成を行うことを可能とするものである。プログラマブル素子として、抵抗変化素子等を配線接続部に介在させ、顧客自身が任意に配線の電気的接続をできるようにしたものである。このような半導体装置を用いることで、回路の自由度を向上させることができる。 A device called an FPGA (Field Programmable Gate Array) has been developed as an intermediate position between a gate array and a standard cell. This enables the customer himself to make an arbitrary circuit configuration after manufacturing the chip. As a programmable element, a variable resistance element or the like is interposed in a wiring connection portion so that a customer himself / herself can arbitrarily make electrical connection of the wiring. By using such a semiconductor device, the degree of freedom of a circuit can be improved.
抵抗変化素子とは、抵抗状態の変化によって情報を記憶する素子の総称であり、下部電極と上部電極によって抵抗変化層を挟んだ3層構造を有しており、両電極間に電圧を印加することで抵抗変化層の抵抗変化が生じる現象を利用している。例えば、金属架橋形成を利用する、抵抗変化素子としては、抵抗変化層として、金属酸化物層を用いる、ReRAM(Resistive RAM)や、固体電解質を用いる、固体電解質スイッチ素子などがある。 The variable resistance element is a generic name of an element that stores information by changing a resistance state, has a three-layer structure in which a variable resistance layer is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, and applies a voltage between both electrodes. This utilizes the phenomenon that the resistance change of the resistance change layer occurs. For example, as the resistance change element using the metal bridge formation, there are a ReRAM (Resistive RAM) using a metal oxide layer as a resistance change layer, a solid electrolyte switch element using a solid electrolyte, and the like.
固体電解質スイッチ素子の研究については、1990年代後半からいくつか報告されており、さまざまな固体電解質材料による抵抗変化現象が確認されている。例えば、非特許文献1および非特許文献2には、固体電解質として、カルコゲナイド化合物を用いた抵抗変化現象が報告されている。
Several studies on the solid electrolyte switch element have been reported since the late 1990s, and resistance change phenomena due to various solid electrolyte materials have been confirmed. For example,
以下に、抵抗変化素子の一例である、固体電解質スイッチ素子の構造およびスイッチング動作について簡単に説明する。 Hereinafter, the structure and switching operation of a solid electrolyte switch element, which is an example of a variable resistance element, will be briefly described.
固体電解質スイッチ素子は、固体電解質層を2つの電極(下部電極および上部電極)で挟んだ構造を有している。ここで、2つの電極のうち一方には、化学的に活性であり、電圧印加により容易に酸化および還元が可能な金属が用いられ、他方の電極には、化学的に不活性な金属材料が用いられる。 The solid electrolyte switch element has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between two electrodes (a lower electrode and an upper electrode). Here, a metal that is chemically active and can be easily oxidized and reduced by applying a voltage is used for one of the two electrodes, and a chemically inactive metal material is used for the other electrode. Used.
次に、固体電解質スイッチ素子の動作について説明する。以下に、例として、化学的に活性な電極を下部電極とする構造を採用し、説明する。 Next, the operation of the solid electrolyte switch element will be described. Hereinafter, as an example, a structure in which a chemically active electrode is used as a lower electrode will be described.
例えば、オフ状態(高抵抗状態)にある固体電解質スイッチ素子において、下部電極(化学的に活性な電極)を接地し、上部電極(化学的に不活性な電極)に負電圧を印加すると、下部電極を構成する金属原子がイオン化して固体電解質層中に溶出する。そして、金属イオンは、上部電極(化学的に不活性な電極)側に引き寄せられ、さらに、電子を受け取り金属原子となり、この金属原子によって、導電性を有する金属架橋が形成される。この固体電解質中に形成された金属架橋により両電極が電気的に接続されることで、スイッチがオン状態(低抵抗状態)に変化する。この負電圧印加によって、「オフ状態」から「オン状態」へ変化させる動作を「セット」と呼ぶ。 For example, in a solid electrolyte switch element in an OFF state (high resistance state), when a lower electrode (chemically active electrode) is grounded and a negative voltage is applied to an upper electrode (chemically inactive electrode), Metal atoms constituting the electrode are ionized and eluted into the solid electrolyte layer. Then, the metal ions are attracted to the upper electrode (a chemically inert electrode) side, further receive electrons, become metal atoms, and form metal bridges having conductivity by the metal atoms. When the two electrodes are electrically connected by the metal bridge formed in the solid electrolyte, the switch is turned on (low resistance state). The operation of changing from the “off state” to the “on state” by applying the negative voltage is called “set”.
一方で上記オン状態において、下部電極を再び接地し、上部電極に正電圧を印加すると、上記金属架橋を構成する金属原子がイオン化して、固体電解質層中に溶解する。そして、金属イオンは、下部電極側に引き戻され、電子を受け取り金属原子となる。その結果、金属架橋による接続が消失し、両電極が電気的に絶縁されることで、スイッチが高抵抗のオフ状態に変化する。この正電圧印加によって、「オン状態」から「オフ状態」へ変化させる動作を「リセット」と呼ぶ。「セット」動作と「リセット」動作を合わせて、「プログラミング」動作と呼ぶ。 On the other hand, in the ON state, when the lower electrode is grounded again and a positive voltage is applied to the upper electrode, the metal atoms constituting the metal bridge are ionized and dissolved in the solid electrolyte layer. Then, the metal ions are pulled back to the lower electrode side, receive electrons, and become metal atoms. As a result, the connection due to the metal bridge disappears, and both electrodes are electrically insulated, so that the switch changes to a high-resistance OFF state. The operation of changing the “ON state” to the “OFF state” by applying the positive voltage is called “reset”. The “set” operation and the “reset” operation are collectively called a “programming” operation.
このように固体電解質スイッチ素子は、電圧印加がなされていない間、この「オン状態」と「オフ状態」を不揮発的に保持でき、かつ、繰り返し「プログラミング」動作が可能である。この固体電解質スイッチ素子の特性を利用することで、不揮発性メモリあるいは不揮発性スイッチへの応用が可能になる。 As described above, the solid electrolyte switching element can hold the “ON state” and the “OFF state” in a nonvolatile manner while no voltage is applied, and can repeatedly perform the “programming” operation. By utilizing the characteristics of the solid electrolyte switch element, application to a nonvolatile memory or a nonvolatile switch becomes possible.
固体電解質を利用した記憶素子の一例が、特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された記憶素子は、下部電極と上部電極との間に、抵抗変化層およびイオン源層が積層された記憶層が設けられた構成である。この記憶素子の構成を上記の固体電解質スイッチ素子の構成と対比すると、抵抗変化層は固体電解質層に相当し、イオン源層は金属イオンを供給する電極に相当する。特許文献1に開示された記憶素子は、上記の固体電解質スイッチ素子が採用している、化学的に活性な電極を下部電極とする構造と、上下の構造が逆になった構成である。
An example of a storage element using a solid electrolyte is disclosed in
固体電解質スイッチ素子の不揮発性メモリおよび不揮発性スイッチへの応用においては、「オフ状態」は、より低いリーク電流、すなわち、より高抵抗であることが好ましい。したがって、「オフ状態」の高抵抗化を図るためには、一般的に、「リセット」動作時により高い正電圧を印加することが行われる。しかしながら、「リセット」動作時に、ある電圧以上の高い正電圧を印加すると、固体電解質層内にて絶縁破壊を生じる。一旦、絶縁破壊が生じると、正常なオン状態よりも低抵抗の状態に遷移したままとなり、それ以降、抵抗変化を示さなくなる。この正電圧印加時、絶縁破壊に至る電圧を、絶縁破壊電圧と呼ぶ。したがって、絶縁破壊電圧が高くなるように素子を設計し、製造することで、高いリセット電圧を印加でき、より高抵抗のオフ状態が得られる。 In the application of the solid electrolyte switching device to a nonvolatile memory and a nonvolatile switch, it is preferable that the “off state” is a lower leak current, that is, a higher resistance. Therefore, in order to increase the resistance in the “off state”, generally, a higher positive voltage is applied during the “reset” operation. However, when a high positive voltage higher than a certain voltage is applied during the “reset” operation, dielectric breakdown occurs in the solid electrolyte layer. Once the dielectric breakdown has occurred, the state remains lower than the normal ON state, and the resistance does not change thereafter. When this positive voltage is applied, a voltage that causes dielectric breakdown is called a dielectric breakdown voltage. Therefore, by designing and manufacturing an element so that the dielectric breakdown voltage becomes high, a high reset voltage can be applied, and an off state with higher resistance can be obtained.
金属架橋形成を利用する、抵抗変化素子、特には、これらの固体電解質スイッチ素子を、半導体装置上の銅多層配線内部に形成する手法について知られている。例えば、特許文献2および特許文献3には、CMOS基板上の銅多層配線構造の内部に設けられた2端子型固体電解質スイッチ素子と、その製造方法が開示されている。特許文献2および特許文献3には、CMOS基板上の銅多層配線構造の内部において、絶縁層の一部を開口加工して露出した銅配線そのものを、金属イオンを固体電解質中へ供給する活性電極として用いて、2端子型固体電解質スイッチ素子を作製する形態が開示されている。
There is known a method of forming a resistance change element, particularly, such a solid electrolyte switch element using a metal bridge formation inside a copper multilayer wiring on a semiconductor device. For example,
固体電解質スイッチ素子を製造するにあたり、下部電極として銅電極を用いる場合、銅電極表面が酸化すると、負電圧印加時の「オフ状態」におけるリーク電流、オフリーク電流のばらつきが増大する。さらに、正電圧印加による、「リセット」動作時の絶縁破壊電圧の低下を生じる。この課題を解決する方法が、非特許文献3に開示されている。非特許文献3では、固体電解質スイッチ素子の積層構造の形成過程において、下部電極である銅と固体電解質層の間に、銅表面の酸化を防止するため、銅よりも酸化の自由エネルギーが負に大きい金属をバルブメタルとして堆積し、バルブメタルが酸化することで銅の酸化を抑制する「バッファ構造」を設けることを提案している。
In the case of using a copper electrode as the lower electrode in manufacturing the solid electrolyte switch element, if the surface of the copper electrode is oxidized, the leakage current and the variation in the off-leak current in the “off state” when a negative voltage is applied increase. Further, the application of the positive voltage causes a decrease in the breakdown voltage during the “reset” operation. Non-Patent
非特許文献4には、同一の開口部に露出した2つの下部電極を対向させた構造からなる2つの抵抗変化素子を直列に接続した相補型抵抗変化素子を構成し、抵抗状態の信頼性を向上する技術が開示されている。
Non-Patent
特許文献4は、イオン伝導体を用いたスイッチング素子に関するものであり、複数のスイッチ要素を並列接続し、イオン伝導層などを共通接続してセレクタ素子を構成することが、提案されている。特許文献5は、イオン伝導体を用いた抵抗変化素子に関するものであり、共通の電極を介して抵抗変化素子二つを連結すること、これによって3端子固体電解質スイッチとして機能させることが、提案されている。
多層銅配線層内への形成された抵抗変化素子の動作歩留まりを向上するためには、「オフ状態」から「オン状態」へ変化させるのに必要な「セット電圧」のばらつきを抑制することが求められる。 In order to improve the operation yield of the variable resistance element formed in the multilayer copper wiring layer, it is necessary to suppress the variation of the “set voltage” required to change from the “off state” to the “on state”. Desired.
しかしながら、非特許文献3および非特許文献4に開示される構成では、「セット電圧」のばらつきを改善する効果は得られていなかった。
However, in the configurations disclosed in
また、相補型素子間の「セット電圧」のばらつきに因り、セットに要する電圧が所定の印加プログラミング電圧よりも高い場合は、セットできず、素子の動作歩留りを改善することはできていない。 In addition, if the voltage required for setting is higher than a predetermined applied programming voltage due to the variation of the “set voltage” between the complementary elements, the setting cannot be performed, and the operation yield of the element cannot be improved.
したがって、相補型抵抗変化素子間の「セット電圧」のばらつきを抑制し、動作歩留まりが改善された相補型抵抗変化素子が求められている。 Therefore, there is a need for a complementary resistance change element that suppresses the variation of the “set voltage” between the complementary resistance change elements and improves the operation yield.
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る。本発明は、素子間のセット電圧のばらつきが改善された抵抗変化素子の構成を採用する半導体装置およびその形成方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the above-described technology. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device employing a configuration of a variable resistance element in which variation in set voltage between elements is improved, and a method for forming the same.
上記目的を達成するための本発明の半導体装置は、
少なくとも2つ以上の抵抗変化素子と、第1端子(第1配線)と、第2端子(第2配線)とを含む半導体装置であって、
前記抵抗変化素子は、それぞれ、
第1電極と、第2電極と、第1電極および第2電極に挟まれた抵抗変化層と、を有し、
第1電極と第2電極の2電極間に印加される電気的信号に基づいて、可逆的に抵抗値が変化する機能を有しており、
前記抵抗変化素子の各第1電極は、第1端子と電気的に接続されており、かつ、各第2電極は、第2端子と電気的に接続され、かつ、
各抵抗変化層は、各少なくとも2つ以上の抵抗変化素子間で互いに分離されており、
各第2電極は、各抵抗変化素子間で互いに分離され、第2端子を介してのみ互いに電気的に接続されている。To achieve the above object, a semiconductor device of the present invention comprises:
A semiconductor device including at least two or more variable resistance elements, a first terminal (first wiring), and a second terminal (second wiring),
The variable resistance elements are respectively:
A first electrode, a second electrode, and a variable resistance layer sandwiched between the first electrode and the second electrode;
A function of reversibly changing a resistance value based on an electric signal applied between the first electrode and the second electrode;
Each first electrode of the variable resistance element is electrically connected to a first terminal, and each second electrode is electrically connected to a second terminal, and
Each of the variable resistance layers is separated from each other between at least two or more variable resistance elements,
The respective second electrodes are separated from each other between the respective variable resistance elements, and are electrically connected to each other only through the second terminal.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の多層銅配線層内に設けられている複数の抵抗変化素子を有する半導体装置の製造方法であって、
第1端子に電気的に接続された第1電極を兼ねる銅配線上に絶縁性バリア膜を形成する工程と、
前記絶縁性バリア膜に開口部を形成し、前記第1電極を兼ねる銅配線表面を露出させる工程と、
開口部を含む全面に、バッファ層および固体電解質層を順に形成する工程と、
前記固体電解質層上に、第2端子に接続された第2電極を形成する工程と、を含むプロセスを採用している。Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes
A method of manufacturing a semiconductor device having a plurality of variable resistance elements provided in a multilayer copper wiring layer on a semiconductor substrate,
Forming an insulative barrier film on a copper wiring that also serves as a first electrode electrically connected to the first terminal;
Forming an opening in the insulating barrier film to expose a surface of the copper wiring also serving as the first electrode;
A step of sequentially forming a buffer layer and a solid electrolyte layer on the entire surface including the opening,
Forming a second electrode connected to a second terminal on the solid electrolyte layer.
本発明によれば、並列接続された複数の抵抗変化素子に同時にプログラミング電圧が印加され、そのうち、最も低いセット電圧を有する抵抗変化素子が「オン状態」となると、複数の抵抗変化素子を構成要素としている半導体装置は「セット」されるので、半導体装置の「セット電圧」のばらつきを抑制することができる。換言すると、半導体装置の構成要素である、複数の抵抗変化素子間の「セット電圧」のばらつき自体は抑制されていないが、本発明の半導体装置の「セット電圧」のばらつきは抑制されている。 According to the present invention, when a programming voltage is simultaneously applied to a plurality of resistance change elements connected in parallel, and among them, the resistance change element having the lowest set voltage is turned on, the plurality of resistance change elements become constituent elements. Since the semiconductor device described as “set”, the variation of the “set voltage” of the semiconductor device can be suppressed. In other words, the variation of the “set voltage” among the plurality of variable resistance elements, which is a component of the semiconductor device, is not suppressed, but the variation of the “set voltage” of the semiconductor device of the present invention is suppressed.
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、明細書中で用いる用語の意味を説明する。 Before describing embodiments of the present invention in detail, the meanings of terms used in the specification will be described.
半導体基板は、MOSトランジスタおよび抵抗素子を含む半導体素子、ならびにこれらの半導体素子が組み合わされた半導体装置が構成された基板を含む。また、半導体基板は、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板やTFT(Thin Film Transistor)基板、液晶製造用基板などの基板も含む。 The semiconductor substrate includes a semiconductor element including a MOS transistor and a resistance element, and a substrate on which a semiconductor device in which these semiconductor elements are combined is configured. Further, the semiconductor substrate includes a substrate such as a single crystal substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a TFT (Thin Film Transistor) substrate, and a substrate for manufacturing a liquid crystal.
プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法とは、例えば、気体原料、または液体原料を気化させたもの(気体分子)を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、また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 (Chemical Vapor Deposition) method is, for example, a method in which a gaseous material or a gaseous liquid material (gas molecules) is continuously supplied to a reaction chamber under reduced pressure, and the molecules are excited by plasma energy. This is a method for forming a continuous film on a substrate by a gas phase reaction, a substrate surface reaction, or the like.
CMP(Chemical Mechanical Polishing)法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。CMP法は、層間絶縁膜を研磨して平坦化する場合の他、ダマシン配線と呼ばれる埋め込み配線の形成にも用いられる。配線材料に銅(Cu)を用いる場合で、ダマシン配線の形成方法を簡単に説明する。予め溝が形成された絶縁膜上にCuを形成する。その後、CMP法によって、溝に埋め込まれたCuを残し、絶縁膜上の余剰のCuを研磨して除去する。このようにして、溝にCuが埋め込まれたダマシン配線が形成される。 The CMP (Chemical Mechanical Polishing) method is a method in which irregularities on a wafer surface generated during a multilayer wiring forming process are planarized by bringing a polishing liquid into contact with a rotating polishing pad while flowing a polishing liquid over the wafer surface. . The CMP method is used not only when the interlayer insulating film is polished and flattened, but also when an embedded wiring called a damascene wiring is formed. In the case where copper (Cu) is used as a wiring material, a method of forming a damascene wiring will be briefly described. Cu is formed on the insulating film in which a groove is formed in advance. Thereafter, excess Cu on the insulating film is polished and removed by the CMP method, leaving Cu embedded in the groove. Thus, a damascene wiring in which Cu is embedded in the groove is formed.
バリアメタルとは、配線を構成する金属元素が層間絶縁膜や下層へ拡散することを防止するために、配線の側面および底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜を示す。例えば、配線を構成する材料がCuを主成分とする金属である場合、例えば銅(Cu)の拡散を防止するため、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜がバリアメタルとして使用される。これらの膜は、ドライエッチングによる加工が容易であり、配線材料としてCuが使用される前のLSI製造プロセスとの整合性がよい。 The barrier metal refers to a conductive film having a barrier property that covers the side and bottom surfaces of the wiring in order to prevent metal elements forming the wiring from diffusing into an interlayer insulating film or a lower layer. For example, when the material forming the wiring is a metal containing Cu as a main component, for example, tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), carbonitride is used to prevent diffusion of copper (Cu). A high melting point metal such as tungsten (WCN) or a nitride thereof, or a laminated film thereof is used as a barrier metal. These films can be easily processed by dry etching and have good compatibility with an LSI manufacturing process before Cu is used as a wiring material.
バリア絶縁膜とはCu配線の上面に形成され、Cuの酸化や絶縁膜中へのCuの拡散を防ぐ機能、および加工時にエッチングストッパ層としての役割を有する。例えば、SiC膜、SiCN膜、SiN膜またはこれらの積層膜などがバリア絶縁膜として用いられる。 The barrier insulating film is formed on the upper surface of the Cu wiring and has a function of preventing oxidation of Cu and diffusion of Cu into the insulating film, and a role as an etching stopper layer during processing. For example, a SiC film, a SiCN film, a SiN film, or a stacked film thereof is used as a barrier insulating film.
以下に、本発明の好適な実施形態の抵抗変化素子およびその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、各実施形態においては、本発明を実施するために技術的に好ましい形態で説明するが、発明の範囲は以下で説明される実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, a variable resistance element according to a preferred embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings. However, in each embodiment, the present invention will be described in a technically preferable mode for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the embodiment described below.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の半導体装置の構成を説明する。(First embodiment)
The configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の半導体装置の構成要素である、抵抗変化素子の構成を示す部分断面図であり、「抵抗変化素子」を表記する記号として、「レオスタット(2端子型可変抵抗器)」の表記を採用している。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a variable resistance element, which is a component of the semiconductor device of the present invention. Notation is adopted.
図2は、第1の実施形態の2端子型半導体装置の一構成例を示す部分断面図である。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration example of the two-terminal semiconductor device according to the first embodiment.
図3は、図2で示される、第1の実施形態の2端子型半導体装置の一構成例の回路構成を示す回路図である。回路図中、各抵抗変化素子の端子の接続形態を、記号にて示している。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of one configuration example of the two-terminal semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. In the circuit diagram, the connection form of the terminal of each variable resistance element is indicated by a symbol.
本第1の実施形態の2端子型半導体装置は、二つの抵抗変化素子151a、151bと、第1端子153と、第2端子154と、で構成される2端子型半導体装置150であって、
前記二つの抵抗変化素子151a、151bは、それぞれ、第1電極1と、第2電極2と、第1電極1および第2電極2に挟まれた抵抗変化層3と、を有し、第1電極1と第2電極2の間に印加した電気的信号に基づいて、可逆的に抵抗値が変化する機能を有しており、
前記二つの抵抗変化素子151a、151bの各第1電極1と第1端子153が電気的に接続されており、かつ各第2電極2と第2端子154が電気的に並列接続されている。The two-terminal semiconductor device according to the first embodiment is a two-
Each of the two
The
また、図2に示されるように、個々の抵抗変化素子151a、151bの抵抗変化層3は、互いに分離され独立している。抵抗変化層3、ならびに、第2電極2を、並列接続された個々の抵抗変化素子間で分離加工せず、それぞれ、共通抵抗変化層、ならびに、共通第2電極を用いると、二つの抵抗変化素子の形状が互いに異なる場合、二つの抵抗変化素子間の形状の相違に起因し、二つの抵抗変化素子間の特性のばらつき(差異)が増加してしまう。複数の抵抗変化素子間で、抵抗変化層3、ならびに、第2電極2を分離加工することで、並列接続される、個々の抵抗変化素子の形状を均一化でき、結果的に、二つの抵抗変化素子間の特性のばらつき(差異)を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 2, the resistance change layers 3 of the individual
なお、図2に示す、2端子型半導体装置の構成例においては、第1端子153および第2端子154は、ともに、配線の形状である。その際、各抵抗変化素子151a、152bの第1電極1は、第1端子153と直接接触しており、第2電極2は、それぞれ、ビアを介して第2端子154と接続している構成である。図2に示す、2端子型半導体装置の構成は、本第1の実施形態の2端子型半導体装置の1例であり、二つの抵抗変化素子151a、151bの第1電極1は、ともに、第1端子153に、第2電極2は、ともに、第2端子154に電気的に接続されていれば、二つの抵抗変化素子は、電気的に並列接続された状態となる。例えば、二つの抵抗変化素子151a、152bの第1電極1は、第1端子153を兼ねている構成を選択することができる。また、第2電極2がビアを介さず、直接第2端子154と電気的に接触している構成を選択することができる。さらには、第1端子153あるいは第2端子154の形状は、配線の形状ではなく、島状の端子形状を選択することもできる。
Note that in the configuration example of the two-terminal semiconductor device illustrated in FIG. 2, both the
本第1の実施形態の2端子型半導体装置において、第1端子153と第2端子154の間にプログラミング電圧を印加していく場合、並列接続された二つの抵抗変化素子151a、151bのうち、「セット電圧」がより低いいずれか一方の抵抗変化素子が、「オフ(高抵抗)状態」から「オン(低抵抗)状態」に変化すると、2端子型半導体装置150全体も、オフ(高抵抗)状態からオン(低抵抗)状態に抵抗変化する。すなわち、印加されるプログラミング電圧が、二つの抵抗変化素子151a、151bの「セット電圧」のうち、より低い「セット電圧」に達すると、2端子型半導体装置150全体が、「セット」される。並列接続された二つの抵抗変化素子の一方が「オン状態」となると、印加される「プログラミング電圧」をさらに高くし、他の抵抗変化素子の「セット電圧」まで上昇させることは困難となる。結果的に、印加されるプログラミング電圧は、すでに「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子の「セット電圧」は超えるが、他方の抵抗変化素子の「セット電圧」には達しない。そのため、プログラミング操作後も、「セット電圧」がより高い、他方の抵抗変化素子は、「オフ状態」に留まる。
In the two-terminal semiconductor device according to the first embodiment, when a programming voltage is applied between the
ここで、本第1の実施形態の2端子型半導体装置の「セット」動作に必要な「プログラミング電圧」の印加条件は、二つの「抵抗変化素子」の「セット電圧」に加えて、周辺回路の形態、所望する「オン状態」の抵抗値等にも依存して決まる。「プログラミング電圧」の印加は、パルス印加でもスイープ印加でもよい。また、第1端子153の電位を基準として、第2端子154の電位が「負電圧」となる限り、「プログラミング電圧」の印加は、いずれの「印加電圧極性」でもよい。
Here, the application condition of the “programming voltage” necessary for the “set” operation of the two-terminal semiconductor device of the first embodiment is that the “set voltage” of the two “resistance change elements” and the peripheral circuit And the desired "ON state" resistance value. The application of the “programming voltage” may be a pulse application or a sweep application. The “programming voltage” may be applied in any “applied voltage polarity” as long as the potential of the
次に、「リセット」動作時の場合、「セット」動作時と同様に、第1端子153と第2端子154の間に「リセット電圧」を印加する。この時、「リセット電流」は、「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子のみに流れる。そのため、この「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子では、「リセット動作」が行われる。一方、もともと「オフ状態」に留まっている、他の抵抗変化素子には、電流が供給されないため、何ら影響を与えることはない。その結果、「オン状態」となっていた、一方の抵抗変化素子が、「オフ状態」に戻ると、抵抗変化素子151a、151bが並列接続された2端子型半導体装置150全体も、「オフ状態」に戻る。このように、「セット」動作時と同様に、「リセット」動作時においても、並列接続されている、二つの抵抗変化素子のうち、「セット電圧」がより低い、一方の抵抗変化素子のみで、抵抗変化を生じる。
Next, in the case of the “reset” operation, a “reset voltage” is applied between the
図4は、本第1の実施形態の2端子型半導体装置において、2Mb規模の抵抗変化素子単体と、二つの抵抗変化素子が並列接続されている2端子型半導体装置を「セット」する場合の、規格化した「セット電圧」分布を比較したグラフである。抵抗変化素子単体の「セット電圧」ばらつき(分布)の中央値を0、その標準偏差を1と規格化して示している。二つの抵抗変化素子を並列接続している、2端子型半導体装置全体の「セット電圧」ばらつき(分布)を表す標準偏差が1から0.83に低減している。同時に、抵抗変化素子単体の場合、2Mb素子全てを「セット」するために必要な規格化最小印加プログラミング電圧は、4.8であるが、二つの抵抗変化素子が並列接続されている2端子型半導体装置の場合、2Mb素子全てを「セット」するために必要な規格化最小印加プログラミング電圧は、3.0に低減することが確認される。 FIG. 4 shows a case where the two-terminal semiconductor device according to the first embodiment is "set" in which a single variable resistance element of 2 Mb scale and a two-terminal semiconductor device in which two variable resistance elements are connected in parallel are set. 4 is a graph comparing the normalized “set voltage” distribution. The median value of the “set voltage” variation (distribution) of the variable resistance element alone is normalized to 0, and its standard deviation is normalized to 1. The standard deviation representing the “set voltage” variation (distribution) of the entire two-terminal semiconductor device in which two variable resistance elements are connected in parallel is reduced from 1 to 0.83. At the same time, in the case of a single variable resistance element, the standardized minimum applied programming voltage required to “set” all the 2 Mb elements is 4.8, but a two-terminal type in which two variable resistance elements are connected in parallel. In the case of a semiconductor device, it is confirmed that the normalized minimum applied programming voltage required to “set” all the 2 Mb elements is reduced to 3.0.
本第1の実施形態では、図2および図3に示したように、二つの抵抗変化素子151a、151bが並列接続される2端子型半導体装置を例に採り、本発明の半導体装置の動作原理を説明している。3つ以上の抵抗変化素子が並列接続されている、2端子型半導体装置の構成においても、その動作原理は、本質的に同じである。2端子型半導体装置を構成する、並列接続されている抵抗変化素子の数が多くなるほど、より低い「セット電圧」を有する抵抗変化素子が含まれる確率が高くなる。換言すると、並列接続されている複数個の抵抗変化素子のうちに、抵抗変化素子単体の「セット電圧」分布の中央値よりも低い「セット電圧」を有する抵抗変化素子が含まれる確率が高くなる。その結果、並列接続されている抵抗変化素子の数を増すと、抵抗変化素子が並列接続される2端子型半導体装置の「セット電圧」ばらつきをより低減することができる。
In the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, a two-terminal semiconductor device in which two
なお、実際の抵抗変化素子が並列接続される2端子型半導体装置において、複数の抵抗変化素子の各第1電極1と第1端子153が接続され、かつ各第2電極2と第2端子154が接続された構成であることは、種々の測定器で確認することが可能である。例えば、半導体基板上の多層銅配線層内に2端子型半導体装置150が形成されている場合、透過型電子顕微鏡(TEM)観察、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により、個々の「抵抗変化素子」の第1電極1と第2電極2、およびその接続形態を調べることで、上述した構成であることを確認できる。
In a two-terminal semiconductor device in which actual variable resistance elements are connected in parallel, each
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態で説明した2端子型半導体装置150の対で構成された、3端子型半導体装置の構成である。(Second embodiment)
The second embodiment of the present invention is a configuration of a three-terminal semiconductor device composed of a pair of the two-
第2の実施形態の3端子型半導体装置の構成を説明する。図5は、第2の実施形態の3端子型半導体装置の一構成例を示す部分断面図である。 A configuration of the three-terminal semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration example of a three-terminal semiconductor device according to the second embodiment.
また、図6は、図5で示された第2の実施形態の3端子型半導体装置の一構成例を示す回路図である。回路図中、各抵抗変化素子の端子の接続形態を、図1に示す記号にて示している。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the three-terminal semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. In the circuit diagram, the connection form of the terminals of each variable resistance element is indicated by the symbol shown in FIG.
図5に示すように、本実施形態の3端子型半導体装置は、第1の実施形態で説明した2端子型半導体装置150a、150bの対で構成され、2端子型半導体装置150a、150bの各々を構成する第2端子154a、154bは、制御端子157と電気的に接続されている。一方、2端子型半導体装置150aの第1端子153aと、2端子型半導体装置150bの第1端子153bは、3端子型半導体装置の残る二つの端子と、それぞれ、電気的に接続される。
As shown in FIG. 5, the three-terminal semiconductor device according to the present embodiment includes a pair of the two-
本第2の実施形態の3端子型半導体装置において、2端子型半導体装置150aを構成する第1端子153aと制御端子157の間に「プログラミング電圧」を印加すると、第1の実施形態の2端子型半導体装置で述べたのと同様に、2端子型半導体装置150aを構成する、並列接続されている、二つの抵抗変化素子151a、151bのうち、「セット電圧」がより低いいずれか一方の抵抗変化素子は、その「セット電圧」に「プログラミング電圧」が達すると、「オフ(高抵抗)状態」から「オン(低抵抗)状態」に抵抗変化する。すなわち、印加される「プログラミング電圧」が、二つの抵抗変化素子151a、151bの「セット電圧」のうち、より低い「セット電圧」に達すると、2端子型半導体装置150a全体が、「セット」される。並列接続された二つの抵抗変化素子の一方が「オン状態」となると、印加される「プログラミング電圧」をさらに高くし、他の抵抗変化素子の「セット電圧」まで上昇させることは困難となる。結果的に、印加されるプログラミング電圧は、すでに「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子の「セット電圧」は超えるが、他方の抵抗変化素子の「セット電圧」には達しない。そのため、「プログラミング操作」後も、「セット電圧」がより高い、他方の抵抗変化素子は、「オフ状態」に留まる。
In the three-terminal semiconductor device of the second embodiment, when a “programming voltage” is applied between the
次に、2端子型半導体装置150bを構成する第1端子153aと制御端子157の間に「プログラミング電圧」を印加すると、上述した2端子型半導体装置150aの場合と同様に、2端子型半導体装置150bを構成する、並列接続されている、二つの抵抗変化素子151a、151bのうち、「セット電圧」がより低いいずれか一方の抵抗変化素子は、その「セット電圧」に「プログラミング電圧」が達すると、「オフ(高抵抗)状態」から「オン(低抵抗)状態」に抵抗変化する。すなわち、印加される「プログラミング電圧」が、二つの抵抗変化素子151a、151bの「セット電圧」のうち、より低い「セット電圧」に達すると、2端子型半導体装置150b全体が、「セット」される。
Next, when a "programming voltage" is applied between the
本第2の実施形態の3端子型半導体装置においても、2端子型半導体装置150a、150b、それぞれの「セット」動作に必要な「プログラミング電圧」の印加条件は、各2端子型半導体装置の構成に使用されている、二つの「抵抗変化素子」の「セット電圧」に加えて、周辺回路の形態、所望する「オン状態」の抵抗値等にも依存して決まる。2端子型半導体装置150a、150b、それぞれの「セット」動作時、「プログラミング電圧」の印加は、パルス印加でもスイープ印加でもよい。また、第1端子153aの電位、あるいは、第1端子153bの電位を基準として、制御端子157の電位が「負電圧」となる限り、「プログラミング電圧」の印加は、いずれの「印加電圧極性」でもよい。
Also in the three-terminal semiconductor device of the second embodiment, the application conditions of the two-
2端子型半導体装置150aおよび2端子型半導体装置150bを順に「セット」し、ともに、「オン状態」とすることで、2端子型半導体装置150aを構成する第1端子153aと、2端子型半導体装置150bを構成する第1端子153bの、二つの端子の間は、「高抵抗状態」から「低抵抗状態」へと、スイッチングされる。結果的に、2端子型半導体装置150aを構成する第1端子153aと、2端子型半導体装置150bを構成する第1端子153bの、二つの端子の間は、低抵抗で電気的に接続された状態となる。
The two-
本第2の実施形態の3端子型半導体装置では、2端子型半導体装置150aおよび2端子型半導体装置150bは、いずれも、抵抗変化素子151aおよび151bを並列接続する構成を採用しており、それぞれ「セット電圧」のばらつきを低減しつつ、第1端子153aおよび第1端子153b間に電気信号を伝達することを可能としている。
In the three-terminal semiconductor device according to the second embodiment, each of the two-
2端子型半導体装置150aおよび2端子型半導体装置150bの「リセット」動作の動作メカニズムは、第1の実施形態の2端子型半導体装置で説明した動作メカニズムと本質的に同じである。
The operation mechanism of the “reset” operation of the two-
「リセット」動作時の場合も、「セット」動作時と同様に、第1端子153aあるいは、第1端子153bと、制御端子157の間に、「リセット電圧」を印加する。この時、「リセット電流」は、「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子のみに流れる。そのため、この「オン状態」となっている、一方の抵抗変化素子では、「リセット動作」が行われる。一方、もともと「オフ状態」に留まっている、他の抵抗変化素子には、電流が供給されないため、何ら影響を与えることはない。その結果、「オン状態」となっていた、一方の抵抗変化素子が、「オフ状態」に戻ると、抵抗変化素子151a、151bが並列接続された2端子型半導体装置150a、あるいは、2端子型半導体装置150b全体も、「オフ状態」に戻る。このように、「セット」動作時と同様に、「リセット」動作時においても、並列接続されている、二つの抵抗変化素子のうち、「セット電圧」がより低い、一方の抵抗変化素子のみで、抵抗変化を生じる。
In the "reset" operation, the "reset voltage" is applied between the
本第2の実施形態では、図5および図6に示したように、二つの抵抗変化素子151a、151bが並列接続される2端子型半導体装置150a、150bを使用する、3端子型半導体装置を例に採り、本発明の半導体装置の動作原理を説明している。3つ以上の抵抗変化素子が並列接続されている、2端子型半導体装置を使用する、3端子型半導体装置の構成においても、その動作原理は、本質的に同じである。3端子型半導体装置の構成に使用される、2端子型半導体装置を構成する、並列接続されている抵抗変化素子の数が多くなるほど、より低い「セット電圧」を有する抵抗変化素子が含まれる確率が高くなる。換言すると、並列接続されている複数個の抵抗変化素子のうちに、抵抗変化素子単体の「セット電圧」分布の中央値よりも低い「セット電圧」を有する抵抗変化素子が含まれる確率が高くなる。その結果、並列接続されている抵抗変化素子の数を増すと、抵抗変化素子が並列接続される2端子型半導体装置の「セット電圧」ばらつきをより低減することができる。
In the second embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, a three-terminal semiconductor device using two-
なお、本第2の実施形態の3端子型半導体装置は、第1端子153aおよび第1端子153b間を伝達する電気信号スイッチである。一方、第1端子153aおよび第1端子153bを電気的に接続する場合、第1の実施形態で説明した2端子型半導体装置150において、合計四つの抵抗変化素子を並列接続する場合と、同様の構成となる。
The three-terminal semiconductor device according to the second embodiment is an electric signal switch that transmits between the
本第2の実施形態の3端子型半導体装置構成についても、二つの2端子型半導体装置150aおよび150bの対で構成され、2端子型半導体装置150a、150bの各々を構成する第2端子154a、154bが、ともに、制御端子157と電気的に接続された構成であることは、種々の測定器で確認することが可能である。例えば、半導体基板上の多層銅配線層内に本第2の実施形態の3端子型半導体装置が形成されている場合、TEM観察およびSEM観察により、個々の「抵抗変化素子」の第1電極1と第2電極2、および、第2端子154a、154b、制御端子157との間の接続形態を調べることで、上述した構成であることを確認できる。
The configuration of the three-terminal semiconductor device of the second embodiment is also a pair of two two-
(第3の実施形態)
本第3の実施形態の半導体装置は、第1の実施形態で説明した2端子型半導体装置の構成に使用される抵抗変化素子として、固体電解質スイッチ素子を採用する構成である。(Third embodiment)
The semiconductor device according to the third embodiment has a configuration in which a solid electrolyte switching element is used as a variable resistance element used in the configuration of the two-terminal semiconductor device described in the first embodiment.
図7Aは、本第3の実施形態の半導体装置を構成する抵抗変化素子として用いる固体電解質スイッチ素子の構成を模式的に示した部分断面図である。 FIG. 7A is a partial cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a solid electrolyte switching element used as a variable resistance element included in the semiconductor device according to the third embodiment.
図7Aに示すように、本第3の実施形態で用いられる固体電解質スイッチ素子159は、第1電極1と、第2電極2と、第1電極1および第2電極2に挟まれた抵抗変化層3と、を有している。抵抗変化層3は、第1電極1に近い順に、バッファ層4および金属イオンが伝導可能な固体電解質層5で構成される。
As shown in FIG. 7A, the solid
第1電極1は、金属イオンの供給源となる材料で構成される。好ましくは、第1電極1は、金属イオン化および供給の制御性の観点から銅を含む金属材料からなり、この金属材料から供給される金属イオンは銅イオンである。
The
第2電極2は、第1電極1に用いる金属材料よりもイオン化しにくい金属を含む材料で構成される。好ましくは、第2電極2は、電極加工の容易さの観点から、Ruを含む材料で構成される。
The
バッファ層4は、第1電極1表面の全面に接触して設けられ、第1電極1表面の酸化を抑制することができる材料で作製される。銅を含む金属材料の酸化を抑制する目的から、好ましくは、バッファ層4は、Al、Hf、Ta、Ti、およびZrのうち、少なくともいずれか1つを含む材料で作製することが好ましい。
The
固体電解質層5は、第1電極1と第2電極2との間の電圧を印加することにより、第1電極1から供給される金属イオンを溶解する役割を持つ。第1電極1と第2電極2との間に印加された電圧に起因する電界により、固体電解質層5中に溶解されている金属イオン、例えば、銅イオンは輸送される。また、印加された電圧に起因する電界により、銅を含む金属材料から銅イオンが容易に溶出され、あるいは、銅イオンを銅に還元して回収することができる、固体電解質材料により、固体電解質層5は作製される。固体電解質層5を作製する固体電解質材料には、スイッチングサイクルによる材料劣化が小さい材料が好ましい。従って、固体電解質層5は、例えば、Al、Co、Fe、Hf、Mn、Si、Ta、Ti、Zn、Zrのうち、すくなくとも1つを含む酸化物、あるいはカルコゲナイド、アモルファスSi、SiOCHなどを使用して作製される。
The
本第3の実施形態の半導体装置は、抵抗変化素子として固体電解質スイッチ素子を少なくとも2つ以上並列接続した半導体装置である。固体電解質スイッチ素子を使用して作製される、本第3の実施形態の半導体装置でも、第1の実施形態にて説明した構成の2端子型半導体装置と同様に、セット電圧ばらつきを抑制することが可能になる。 The semiconductor device of the third embodiment is a semiconductor device in which at least two or more solid electrolyte switch elements are connected in parallel as variable resistance elements. In the semiconductor device according to the third embodiment, which is manufactured by using the solid electrolyte switch element, the set voltage variation is suppressed similarly to the two-terminal semiconductor device having the configuration described in the first embodiment. Becomes possible.
(第4の実施形態)
本第4の実施形態の半導体装置は、第1の実施形態の2端子型半導体装置を、半導体基板上に形成された多層配線構造の内部に設けた構成である。(Fourth embodiment)
The semiconductor device of the fourth embodiment has a configuration in which the two-terminal semiconductor device of the first embodiment is provided inside a multilayer wiring structure formed on a semiconductor substrate.
図8は、本第4の実施形態の半導体装置について、抵抗変化素子として、固体電解質スイッチ素子を採用して、半導体基板上に形成された多層配線構造の内部に設けた構成の一例を模式的に示した部分断面図である。 FIG. 8 schematically illustrates an example of a configuration of a semiconductor device according to the fourth embodiment in which a solid electrolyte switch element is employed as a variable resistance element and is provided inside a multilayer wiring structure formed on a semiconductor substrate. 3 is a partial sectional view shown in FIG.
図8に示すように、半導体基板101の上に第1層間絶縁膜102を介して、抵抗変化素子として、固体電解質スイッチ素子159が設けられている。本第4の実施形態の半導体装置で使用される固体電解質スイッチ素子159は、第3の実施形態の半導体装置の構成に使用される固体電解質スイッチ素子と同様の構成である。
As shown in FIG. 8, a solid
第3の実施形態に説明される固体電解質スイッチ素子159は、図7Aに示すように、第1電極1および第2電極2と、第1電極1および第2電極2に挟まれた抵抗変化層3と、を有し、抵抗変化層3は、第1電極1に近い順に、バッファ層4および前記金属イオンが伝導可能な固体電解質層5で構成されている。本第4の実施形態の半導体装置で使用される固体電解質スイッチ素子159では、図7Bに示す構成を採用している。図7Bに示す構成では、バッファ層4を、第1金属酸化物層6と第2金属酸化物層7で構成している。従って、本第4の実施形態の半導体装置で使用される固体電解質スイッチ素子159は、下部配線106と、図示しない第1金属酸化物層と、図示しない第2金属酸化物層と、固体電解質層123と、第1上部電極124と、第2上部電極125と、を有している。
As shown in FIG. 7A, the solid
下部配線106、第1金属酸化物層、第2金属酸化物層、固体電解質層123および第1上部電極124には、一例として、図8に示す構成を採用することが可能である。下部配線106は、図7Bに示した第1電極1に相当する。第1金属酸化物層121は第1金属酸化物層6に相当し、第2金属酸化物層122は第2金属酸化物層7に相当する。固体電解質層123は固体電解質層5に相当し、第1上部電極124は第2電極2に相当する。図7Bに示す構成の固体電解質スイッチ素子の動作原理は、第3の実施形態で説明した、図7Aに示す構成の固体電解質スイッチ素子の動作原理と同様なため、本第4の実施形態では、その詳細な説明を省略する。
As an example, the
本第4の実施形態で使用する、固体電解質スイッチ素子においても、第1金属酸化物層121を設けることで、より効果的に、リーク電流の低減することができるとともに、素子間特性ばらつきを低減することができる。本第4の実施形態で使用する、固体電解質スイッチ素子では、第1金属酸化物層121は、例えば、膜厚0.5nmの酸素組成y1が1.5≦y1≦2.0を満たすTiOy1で作製することができる。Also in the solid electrolyte switch element used in the fourth embodiment, by providing the first
また、第2金属酸化物層127は、不動態層として機能し、下層のCuを含む下部配線106の酸化を抑制することができる。本第4の実施形態で使用する、固体電解質スイッチ素子では、第2金属酸化物層122は、例えば、膜厚0.3nmの酸素組成x1が1.3≦x1≦1.5を満たすAlOx1で作製することができる。In addition, the second metal oxide layer 127 functions as a passivation layer and can suppress oxidation of the
固体電解質層123は、例えば、膜厚6nmのSiOCH膜で作製することができる。第1上部電極124は、例えば、膜厚10nmのRu0.5Ti0.5で作製することができる。The
第2上部電極125は、バリア性を有する導電性膜であり、下部で接する第1上部電極124に含まれる金属がビアプラグ144などに拡散することを防止するために形成される。第2上部電極125は、例えば、膜厚25nmのTaで作製することができる。
The second
図8に示すように、固体電解質スイッチ素子159における、第1上部電極124および第2上部電極125の積層体の上に第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129が形成されている。第1金属酸化物層121、第2金属酸化物層122、固体電解質層123、第1上部電極124、第2上部電極125、第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129の側面と、第1バリア絶縁膜107の上面は、保護絶縁膜130で覆われている。
As shown in FIG. 8, a second
下部配線106は、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104に形成された配線溝に第1バリアメタル105を介して埋め込まれた配線である。下部配線106を、Cuを主成分とする金属材料で構成することで、図7Bに示す構成の固体電解質スイッチ素子における第1電極1に相当する下部電極として使用される。この構成により、下部配線106に、下部配線106内のCu原子をイオン化して固体電解質層123中へ溶出させる機能を持たせることができる。さらに、下部配線106をCu材料構成とすることで、未酸化のまま第1金属酸化物層121を構成しなかった金属成分をCuと合金化して下部配線106内へ拡散させることができる。下部配線106に、例えば、Cuが用いられ、第1金属酸化物層121を構成する主成分がTiからなる酸化物である場合、下部配線106と第1金属酸化物層121の界面には、CuおよびTiを主成分とする合金層が形成される。
The
固体電解質層123と下部配線106とは、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122を介して、第1バリア絶縁膜107の開口部にて接続されている。このとき、固体電解質層123と金属酸化物層を介して接続する下部配線106の幅は、バリア絶縁膜107の開口部の直径よりも大きいことが好ましい。
The
第1バリアメタル105は、第2上部電極125と同様のバリア性を有する導電性膜である。第1バリアメタル105は、下部配線106の側面および底面を被覆している。バリア性を有する導電性膜で形成される、第1バリアメタル105は、下部配線106に含まれる金属が第1層間絶縁膜102、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104などへ拡散することを防止する。第1バリアメタル105の形成には、例えば、下部配線106がCuを主成分とする金属材料からなる場合、Ta、TaN、TiN、WCNのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が用いられる。
The
上部配線145は、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142に形成された配線溝に第2バリアメタル143を介して埋め込まれた配線である。上部配線145は、ビアプラグ144と一体になっている。ビアプラグ144は、保護絶縁膜130、第3ハードマスク膜129および第2ハードマスク膜128に形成された下穴に第2バリアメタル143を介して埋め込まれている。ビアプラグ144は、第2バリアメタル143を介して、固体電解質スイッチ素子159の第1上部電極124および第2上部電極125と電気的に接続されている。上部配線145およびビアプラグ144の作製は、例えば、Cuが用いられる。
The
第2バリアメタル143は、第1バリアメタル105と同様のバリア性を有する導電性膜である。第2バリアメタル143は、上部配線145およびビアプラグ144の側面および底面を被覆している。バリア性を有する導電性膜で形成される、第2バリアメタル143は、上部配線145およびビアプラグ144に含まれる金属が第1ビア層間絶縁膜140、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142へ拡散することを防止する。第2バリアメタル143の形成には、例えば、上部配線145およびビアプラグ144がCuを主成分とする金属材料からなる場合には、第1バリアメタル105と同様に、Ta、TaN、TiN、WCNのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜が用いられる。
The
第2バリアメタル143は、接触抵抗を低減する観点から、固体電解質スイッチ素子159の構成の一部である第2上部電極125と同一材料であることが好ましい。例えば、第2上部電極125がTaで形成される場合、その上部に接触する第2バリアメタル143の作製にも、Taを用いることが好ましい。
The
第3ハードマスク膜129は、第2ハードマスク膜128をエッチングする際のハードマスクとなる膜である。第3ハードマスク膜129は、第2ハードマスク膜128と異なる種類の膜であることが好ましい。例えば、第2ハードマスク膜128がSiCN膜である場合、第3ハードマスク膜129にSiO2膜を用いることが可能である。The third
保護絶縁膜130は、側面が露出した固体電解質スイッチ素子159にダメージを与えることなく、さらに固体電解質スイッチ素子159から第1ビア層間絶縁膜140への構成原子(例えば、銅イオン)の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜130の作製には、例えば、SiN膜、SiCN膜等を用いることが可能である。第1バリア絶縁膜107および第2バリア絶縁膜146は、金属(例えば、銅イオン)の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜である。
The protective
本第4の実施形態の半導体装置では、図8に示すように、第1バリア絶縁膜107に設けられた開口部を介して第1電極1に相当する下部配線106と第1金属酸化物層121とが接する構成となる。この構成により、第1電極1としてCu配線を兼ねるCu電極を用いることができ、CMOS基板上多層配線構造内にCu電極を用いた抵抗変化素子が形成可能になる。抵抗変化素子の下部電極がCu配線の機能を兼ねることで、製造工程を簡略化することが可能となる。
In the semiconductor device of the fourth embodiment, as shown in FIG. 8, the
次に、本第4の実施形態の半導体装置の構成要素として利用可能な、固体電解質スイッチ素子の製造方法を、図7Bに示す構成を採用する、図9Jに示す固体電解質スイッチ素子の場合で説明する。図8に示す第4の実施形態の半導体装置は、抵抗変化素子を半導体基板上の多層配線構造の内部に設ける、図9A乃至図9Jの製造方法を応用することによって製造することができる。 Next, a method for manufacturing a solid electrolyte switch element that can be used as a component of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described in the case of the solid electrolyte switch element shown in FIG. 9J that employs the configuration shown in FIG. 7B. I do. The semiconductor device of the fourth embodiment shown in FIG. 8 can be manufactured by applying the manufacturing method of FIGS. 9A to 9J, in which a variable resistance element is provided inside a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate.
図9Aから図9Jは、図7Bに示す構成を採用する、固体電解質スイッチ素子について、半導体基板上の多層配線構造の内部に設けるための製造方法を説明するための部分断面図である。 9A to 9J are partial cross-sectional views for explaining a manufacturing method for providing a solid electrolyte switch element employing the configuration shown in FIG. 7B inside a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate.
まず、半導体基板101上に第1層間絶縁膜102、第2層間絶縁膜103および第1キャップ絶縁膜104を順に形成する。ここでいう半導体基板101は、半導体基板そのものであってもよく、基板表面に半導体素子(不図示)が形成されている基板であってもよい。例えば、第1層間絶縁膜102は膜厚300nmのSiO2膜で、第2層間絶縁膜103は膜厚150nmのSiOCH膜で、第1キャップ絶縁膜104は膜厚100nmのSiO2膜で、それぞれ作製することができる。First, a first
続いて、リソグラフィ法を用いて、第1キャップ絶縁膜104、第2層間絶縁膜103および第1層間絶縁膜102の積層膜に配線溝を形成する。このリソグラフィ法は、第1キャップ絶縁膜104の上に所定のパターンのレジストを形成するフォトレジスト形成処理、積層膜に対してレジストをマスクにして異方性エッチングを行うドライエッチング処理、および、エッチングにより配線溝を形成した後にレジストを除去する処理を含む。
Subsequently, a wiring groove is formed in the laminated film of the first
その後、配線溝に第1バリアメタル105を介して金属を埋め込んで下部配線106を形成する。第1バリアメタル105は、例えば、TaN(膜厚5nm)/Ta(膜厚5nm)の積層構造で形成することができる。下部配線106の材料には、例えば、Cuを用いることができる。
After that, a metal is buried in the wiring groove via the
続いて、下部配線106を含む第1キャップ絶縁膜104上に第1バリア絶縁膜107を形成する。第1バリア絶縁膜107は、例えば、膜厚30nmのSiCN膜で形成することができる。次に、図9Aに示すように、第1バリア絶縁膜107上に第1ハードマスク膜108を形成する。第1ハードマスク膜108は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、第1バリア絶縁膜107とは異なる材料であることが好ましい。ここでは、第1バリア絶縁膜107を、SiCN膜で形成する場合には、第1ハードマスク膜108は、例えば、SiO2膜を用いて作製することができる。第1バリア絶縁膜107を、膜厚30nmのSiCN膜で形成する場合には、第1ハードマスク膜108は、例えば、膜厚40nmのSiO2膜を用いて作製することができる。Subsequently, a first
続いて、第1ハードマスク膜108上に、所定の開口部パターンを有するフォトレジストを形成し、ドライエッチングを行って第1ハードマスク膜108に開口部を形成する。O2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。そして、第1ハードマスク膜108の開口部底部に露出している第1バリア絶縁膜107をエッチバックすることにより、下部配線106上面の一部を露出させる開口部を第1バリア絶縁膜107に形成する。第1ハードマスク膜108は、膜厚40nmのSiO2膜を用いて作製することで、このエッチバック中にエッチング除去される。このエッチバック後、図9Bに示すように、開口部底部に露出した下部配線106の表面を、有機溶剤、あるいは、H2または不活性ガスを含むガスを用いたプラズマ照射などによって清浄化する。Subsequently, a photoresist having a predetermined opening pattern is formed on the first
図9Aから図9Bの順に示した構造を形成するまでをステップA1とする。 Step A1 is performed until the structure shown in FIG. 9A to FIG. 9B is formed.
ステップA1において、第1バリア絶縁膜107の開口部を形成する際のエッチバックは、第1バリア絶縁膜107がSiN膜あるいはSiCN膜である場合、CF4を含むプラズマを用いて行うことが可能である。その条件は、例えば、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件である。ソースパワーを低下、または基板バイアスを大きくすることで、エッチング時のイオン性を向上させ、第1バリア絶縁膜107側壁を傾斜したテーパー形状にすることができる。また、このエッチバックによって、第1ハードマスク膜108をエッチング除去することができる。In step A1, when the first
次に、図9Cに示すように、下部配線106が露出した開口部を含む第1バリア絶縁膜107上に、第1金属酸化物層121の形成に使用する、第1の金属層161、および第2金属酸化物層122の形成に使用する、第2の金属層162をこの順に堆積する。第1の金属層161は、Ti、Zr、Hfのうち少なくとも1つを含む。第2の金属層162は、Al、Nb、Taのうち少なくとも1つを含む。一例として、第1の金属層161は、膜厚0.5nmのTi膜で、第2の金属層は、膜厚0.2nmのAl膜で作製することができる。
Next, as shown in FIG. 9C, a
第1の金属層161および第2の金属層162を堆積後、減圧下にて、大気に暴露することなく、O2を含むガス照射により、第1の金属層161および第2の金属層162の酸化処理を行う。続いて、減圧下にて、成膜温度より高い温度で真空加熱処理を行うことで、図9Cに示すように、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122を同時に形成する。After depositing the
次に、形成された第2金属酸化物層122上に、固体電解質層123を堆積する。固体電解質層123の作製には、例えば、膜厚6nmのSiOCH膜を利用することができる。この場合、固体電解質層123をプラズマCVD法によって堆積し、続いて不活性ガスプラズマ処理を行う。
Next, a
続いて、固体電解質層123上にDCスパッタリング法により、第1上部電極124および第2上部電極125をこの順に形成する。下部配線106、第1金属酸化物層121、第2金属酸化物層122、固体電解質層123、第1上部電極124および第2上部電極125は、固体電解質スイッチ素子159となる積層体を構成する。第1上部電極124は、例えば、膜厚10nmのRu0.5Ti0.5膜で形成することができる。第2上部電極125は、例えば、膜厚25nmのTa膜で形成することができる。なお、第1上部電極124を、RuあるいはRu合金で作製する場合、第1上部電極124の表面酸化を防止するため、第1上部電極124の堆積後、大気暴露することなく連続して、第2上部電極125を堆積することが好ましい。Subsequently, a first
続いて、図9Dに示すように、第2上部電極125上に、第2ハードマスク膜128、および第3ハードマスク膜129をこの順に積層する。第2ハードマスク膜128は、密着性の観点から、第1バリア絶縁膜107と同一材料を用いることが好ましく、例えば、膜厚30nmのSiCN膜で作製することができる。第3ハードマスク膜129は、例えば、膜厚100nmのSiO2膜で作製することができる。Subsequently, as shown in FIG. 9D, a second
図9Cから図9Dの順に示した構造を形成するまでをステップA2とする。 Step A2 is performed until the structure shown in the order of FIGS. 9C to 9D is formed.
ステップA2において、第1の金属層161および第2の金属層162は、金属原料の抵抗加熱、電子線照射、レーザー照射などによる蒸着法、DCスパッタリング法などにより堆積できる。一例として、第1の金属層161をTi膜で形成する場合、DCスパッタリング法により、Tiをターゲットとして、スパッタパワー100W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、第1の金属層161用の膜厚0.5nmのTi膜を堆積することができる。また、第2の金属層162がAl膜で形成する場合、DCスパッタリング法を用い、Alをターゲットとして、スパッタパワー150W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、第2の金属層162用の膜厚0.2nmのAl膜を堆積することができる。
In Step A2, the
また、ステップA2において、大気暴露することなく、O2を含むガス照射による酸化処理を行うことで、第1の金属層161の酸化により形成される第1金属酸化物層121、および第2の金属層162の酸化により形成される第2金属酸化物層122の酸化度を精度よく制御することができる。一例として、第1の金属層161を膜厚0.5nmのTi膜で形成し、第2の金属層162を膜厚0.2nmのAl膜で形成している場合、基板温度は、室温にて、O2流量10sccm、圧力0.5Pa、照射時間60秒のO2ガス照射により、Tiの酸化物からなる第1金属酸化物層121、およびAlの酸化物からなる第2金属酸化物層122を形成することができる。Further, in step A2, without air exposure, by performing the oxidation treatment with a gas radiation containing O 2, a first
さらに、ステップA2において、前述の酸化処理後の加熱処理は、一例として、第1の金属層161を膜厚0.5nmのTi膜で形成し、第2の金属層162を膜厚0.2nmのAl膜で形成している場合、400℃以下の基板温度にて、N2およびO2各流量10/10sccm、圧力900Pa、処理時間30秒の条件で行うことが好ましい。この加熱処理によって、前述の酸化処理において未反応で残留している、第1金属酸化物層121内の金属成分Tiを、Cuからなる下部配線106表面における合金化拡散により、第1金属酸化物層121から除去することができる。また、真空は、チャンバー内の気圧を極力低くした状態を意味し、少なくとも上述の酸化処理よりも低圧である。第1金属酸化物層121の膜厚は1.0nm以下であることが好ましく、第2金属酸化物層122の膜厚は0.8nm以下であることが好ましい。Further, in step A2, for example, in the heat treatment after the above-described oxidation treatment, the
ステップA2において、固体電解質層123にSiOCH膜を用いる場合、プラズマCVD法で次のような条件で、SiOCH膜を形成する。原料には、液体SiOCHモノマー分子を用い、基板温度は400℃以下とし、He流量500〜2000sccm、原料流量0.1〜0.8g/min、プラズマCVDチャンバー圧力360〜700Pa、RFパワー20〜100Wにそれぞれ設定することで、固体電解質層123用のSiOCH膜を堆積することができる。具体的には、基板温度350℃、He流量1500sccm、原料流量0.75g/min、プラズマCVDチャンバー圧力470Pa、RFパワー50Wの条件で、固体電解質層123用のSiOCH膜を堆積することができる。また、固体電解質層123用のSiOCH膜堆積後の不活性プラズマ処理は、不活性ガスとしてHeを用い、基板温度は400℃以下とし、He流量500〜1500sccm、プラズマチャンバー圧力2.7〜3.5Torr、RFパワー20〜200Wにそれぞれ設定することで行うことができる。具体的には、基板温度350℃、He流量1000sccm、プラズマチャンバー圧力360Pa、RFパワー50W、処理時間30秒の条件で行うことができる。この不活性プラズマ処理によって、次に堆積する第1上部電極124との密着性を改善することができる。
When an SiOCH film is used for the
また、ステップA2において、第1上部電極124の作製に、例えば、Ru0.5Ti0.5合金膜を用いる場合、RuおよびTiをターゲットとした同時DCスパッタリングにより、Ru0.5Ti0.5合金膜を堆積することができる。Ruのスパッタパワー120W、Tiのスパッタパワー150W、基板温度は室温にて、Ar流量20sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、Ru0.5Ti0.5合金膜を堆積することができる。また、第1上部電極124の堆積後、大気暴露することなく連続して、第2上部電極125を堆積する。例えば、第2上部電極125を、膜厚25nmのTaで作製する場合、DCスパッタリングにより、Taをターゲットとして、スパッタパワー300W、基板温度は室温にて、Ar流量25sccm、圧力0.5Paの条件を用いることで、Ru0.5Ti0.5合金膜の堆積後、大気暴露することなく連続して、Ta膜を堆積することができる。Further, in the step A2, for example, when a Ru 0.5 Ti 0.5 alloy film is used for manufacturing the first
また、ステップA2において、第2ハードマスク膜128および第3ハードマスク膜129は、いずれも半導体製造の技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。プラズマCVD法による成膜時、成膜温度は、200℃〜400℃の範囲を選択することが可能である。ここでは、プラズマCVD法による成膜時、成膜温度を350℃に選択することができる。
In step A2, both the second
次に、第3ハードマスク膜129上に、抵抗変化素子126の加工パターンを有するフォトレジストを形成後、第2ハードマスク膜128が表れるまで第3ハードマスク膜129をドライエッチングする。続いて、O2プラズマアッシング処理によりフォトレジストを除去した後、第3ハードマスク膜129をマスクとして、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121を連続的にドライエッチングする。図9Eは、そのエッチング後の状態を示す。Next, after forming a photoresist having a processed pattern of the variable resistance element 126 on the third
ステップA2の後、図9Eに示した構造を形成するまでの工程をステップA3とする。 After step A2, the process until the structure illustrated in FIG. 9E is formed is referred to as step A3.
ステップA3において、第3ハードマスク膜129のドライエッチングは、第2ハードマスク膜128の上面または内部で停止していることが好ましい。この場合、固体電解質スイッチ素子159は、第2ハードマスク膜128によって被覆されているため、O2プラズマ中に暴露されることはない。また、Ruを含む第1上部電極124も、O2プラズマに暴露されることがない。そのため、第1上部電極124に対するサイドエッチの発生を抑制することができる。なお、第3ハードマスク膜129のドライエッチングには、一般的な平行平板型のドライエッチング装置を用いることができる。In step A3, it is preferable that the dry etching of the third
また、ステップA3において、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121の各エッチングについても、平行平板型のドライエッチャーを用いて一括して行うことができる。
In step A3, each etching of the second
第2ハードマスク膜128(例えば、SiCN膜)のエッチングは、CF4/Arのガス流量=25/50sccm、圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー90Wの条件で行うことができる。Etching of the second hard mask film 128 (for example, SiCN film) can be performed under the conditions of a gas flow rate of CF 4 / Ar = 25/50 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 400 W, and a substrate bias power of 90 W.
また、ステップA3において、第2上部電極125(例えば、Ta膜)のエッチングは、基板温度90℃、Cl2ガス流量=50sccmにて圧力0.53Pa、ソースパワー400W、基板バイアスパワー60Wの条件で行うことができる。In step A3, the etching of the second upper electrode 125 (for example, a Ta film) is performed at a substrate temperature of 90 ° C., a Cl 2 gas flow rate of 50 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 400 W, and a substrate bias power of 60 W. It can be carried out.
また、第1上部電極124(例えば、Ru0.5Ti0.5合金膜)のエッチングは、基板温度は室温、O2/Cl2ガス流量=160/30sccmにて圧力0.53Pa、ソースパワー300〜600W、基板バイアスパワー100〜300Wの条件で行うことができる。The first upper electrode 124 (for example, Ru 0.5 Ti 0.5 alloy film) is etched at a substrate temperature of room temperature, an O 2 / Cl 2 gas flow rate of 160/30 sccm, a pressure of 0.53 Pa, a source power of 300 to 600 W, It can be performed under the condition of a substrate bias power of 100 to 300 W.
また、固体電解質層123(例えば、SiOCH膜)のエッチングは、第1上部電極124にRu0.5Ti0.5合金膜を用いる場合、第1上部電極124のエッチングと同条件で行うことができる。したがって、固体電解質層123(SiOCH膜)と第1上部電極124(Ru0.5Ti0.5合金膜)を、一括してエッチングを行うこともできる。Further, when the Ru 0.5 Ti 0.5 alloy film is used for the first
また、第2金属酸化物層122(例えば、酸素組成x1が1.3≦x1≦1.5を満たす、膜厚0.3nmのAlOx1膜)、および第1金属酸化物層121(例えば、酸素組成y1が1.5≦y1≦2.0を満たす、膜厚0.5nmのTiOy1膜)のエッチングについても、第1上部電極124にRu0.5Ti0.5合金膜を用いる場合、固体電解質層123(SiOCH膜)と同様に、第1上部電極124(Ru0.5Ti0.5合金膜)のエッチングと同条件で行うことができる。したがって、第2金属酸化物層122(AlOx1膜)と第1金属酸化物層121(TiOy1膜)を、第1上部電極124(Ru0.5Ti0.5合金膜)および固体電解質層123(SiOCH膜)と一括してエッチングを行うこともできる。Further, a second metal oxide layer 122 (for example, an AlO x1 film having a thickness of 0.3 nm and an oxygen composition x1 satisfying 1.3 ≦ x1 ≦ 1.5) and a first metal oxide layer 121 (for example, For the etching of a 0.5 nm-thick TiO y1 film in which the oxygen composition y1 satisfies 1.5 ≦ y1 ≦ 2.0), when a Ru 0.5 Ti 0.5 alloy film is used for the first
また、ステップA3において、上述の条件にて、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121の各エッチングを行った後、膜厚100nmのSiO2膜で作製した第3ハードマスク膜129の残り膜厚を、50nmとすることができる。In step A3, under the above-described conditions, the second
次に、図9Fに示すように、第3ハードマスク膜129、第2ハードマスク膜128、第2上部電極125、第1上部電極124、固体電解質層123、第2金属酸化物層122、および第1金属酸化物層121ならびに第1バリア絶縁膜107からなる積層構造の上部および側壁部に、保護絶縁膜130を堆積する。保護絶縁膜130は、第1バリア絶縁膜107および第2ハードマスク膜128と同一材料を用いることが好ましく、例えば、膜厚30nmのSiCN膜で作製することができる。
Next, as shown in FIG. 9F, the third
続いて、図9Fに示すように、保護絶縁膜130上に、プラズマCVD法を用いて第1ビア層間絶縁膜140を堆積する。第1ビア層間絶縁膜140は、例えば、膜厚210nmのSiO2膜で作製することができる。次に、CMP法を用いて、第1ビア層間絶縁膜140を平坦化する。平坦化後、図9Gに示すように、第1ビア層間絶縁膜140上に、第3層間絶縁膜141、および第2キャップ絶縁膜142をこの順に堆積する。第3層間絶縁膜141は、エッチング加工時に下部で接する第1ビア層間絶縁膜140をエッチングストッパ層とするために、第1ビア層間絶縁膜140とは異なる材料で形成される。第3層間絶縁膜141は、例えば、膜厚150nmのSiOCH膜で形成することができる。Subsequently, as shown in FIG. 9F, a first via
ステップS3の後、図9Gに示した構造を形成するまでの工程をステップA4とする。 After step S3, the process until the structure illustrated in FIG. 9G is formed is referred to as step A4.
ステップA4において、保護絶縁膜130の形成に、例えば、SiCN膜を用いる場合、テトラメチルシランとアンモニアを原料ガスとし、基板温度200℃にて、プラズマCVD法を用いて形成することができる。SiCN膜を用いて、保護絶縁膜130を形成することより、第1バリア絶縁膜107、保護絶縁膜130、および第2ハードマスク膜128を、いずれも、SiCN膜で形成することができる。第1バリア絶縁膜107、保護絶縁膜130、および第2ハードマスク膜128を同一材料で形成し、固体電解質スイッチ素子159の周囲を一体化し保護することで、界面の密着性が向上し、吸湿性や耐水性、酸素脱離耐性を向上でき、素子の歩留まりと信頼性を向上することができる。
In step A4, for example, when a SiCN film is used to form the protective
また、ステップA4において、第1ビア層間絶縁膜140の平坦化では、第1ビア層間絶縁膜140の頂面から約100nmを削り取り、残膜厚を約110nmとすることができる。このとき、第1ビア層間絶縁膜140に対するCMP(chemical-mechanical polishing)では、一般的な、コロイダルシリカ、あるいはセリア系のスラリーを用いて研磨することができる。
Further, in step A4, in flattening the first via
また、ステップA4において、第3層間絶縁膜141および第2キャップ絶縁膜142は、一般的なプラズマCVD法を用いて堆積することができる。
In step A4, the third
次に、デュアルダマシン法のビアファースト法を用いて、図9Jに示した上部配線145、およびビアプラグ144を形成する。
Next, the
ビアファースト法においては、まず、第2キャップ絶縁膜142上に、図9Jに示したビアプラグ144用のビアホール147のパターンを有するフォトレジストを形成する。続いて、ドライエッチングにより、第2キャップ絶縁膜142、第3層間絶縁膜141、第1ビア層間絶縁膜140、保護絶縁膜130、および第3ハードマスク膜129を貫通した、図9Hに示したビアプラグ144用のビアホール147を形成する。その後、図9Hに示すように、H2ガスを含むプラズマアッシングと有機剥離を行うことで、フォトレジストを除去する。In the via-first method, first, a photoresist having a pattern of a via
続いて、第2キャップ絶縁膜142上に、図9Jに示した上部配線145用の配線溝148のパターンを有するフォトレジストを形成後、ドライエッチングにより、第2キャップ絶縁膜142および第3層間絶縁膜141に図9Jに示した上部配線145用の配線溝148を形成する。その後、図9Iに示すように、H2ガスを含むプラズマアッシングと有機剥離を行うことで、フォトレジストを除去する。Subsequently, a photoresist having a pattern of the
ステップA5の後、図9Iに示した構造を形成するまでの工程をステップA5とする。 Step A5 is a step performed after the step A5 until the structure shown in FIG. 9I is formed.
ステップA5において、ビアホール147を形成後、ビアホール147上にARC(Anti−Reflection Coating:反射防止膜)などを埋め込んでおくことで、ドライエッチングによる配線溝148の形成時に、ビアホール147底部の突き抜けを防止することができる。
In step A5, after the via
次に、ビアホール147底部の第2ハードマスク膜128をエッチングすることで、ビアホール147から第2上部電極125を露出させる。その後、配線溝148およびビアホール147内に第2バリアメタル143(例えば、膜厚10nmのTa膜)を介して上部配線145(例えば、Cu)およびビアプラグ144(例えば、Cu)を同時に形成する。その後、上部配線145を含む第2キャップ絶縁膜142上に第2バリア絶縁膜146(例えば、50nmのSiCN膜)を堆積することで、図9Jに示した構造が形成される。
Next, the second
ステップA5の後、図9Jに示した構造を形成するまでの工程をステップA6とする。 After step A5, the process until the structure illustrated in FIG. 9J is formed is referred to as step A6.
ステップA6において、上部配線145の形成は、下層の下部配線106形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、ビアプラグ144の底部の直径は、第1バリア絶縁膜107の開口部の直径よりも小さくしておくことが好ましい。本第4の実施形態の半導体装置の作製に利用される、固体電解質スイッチ素子159では、例えば、ビアプラグ144の底部の直径は60nm、第1バリア絶縁膜107の開口部の直径は100nmに選択することができる。
In step A6, the formation of the
また、ステップA6において、第2バリアメタル143と第2上部電極125を同一材料とすることで、ビアプラグ144と第2上部電極125の間の接触抵抗を低減し、オン状態にある固体電解質スイッチ素子159の抵抗を低減できる。その結果、素子性能を向上させることができる。
Further, in step A6, the contact resistance between the via
次に、上述した抵抗変化素子の実施態様について説明する。 Next, an embodiment of the above-described variable resistance element will be described.
(実施態様1)
本実施態様1では、バッファ層と固体電解質層からなる抵抗変化層を採用する、第3の実施形態の抵抗変化素子126について、図7Bに示される、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7で構成されるバッファ層4を採用している。図9Jに示される固体電解質スイッチ素子159の構成を採用し、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせの異なる素子を作製し、作製された抵抗変化素子の特性を評価した。(Embodiment 1)
In the first embodiment, the variable resistance element 126 according to the third embodiment that employs a variable resistance layer including a buffer layer and a solid electrolyte layer includes a first
本実施態様1では、第3の実施形態の抵抗変化素子126を基本構造として、バッファ層を構成する、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせの異なる、合計9種類の抵抗変化素子を作製した。具体的には、Cuを主成分とする下部配線106上に形成した第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせは、下記の9種類である。
In the first embodiment, the variable resistance element 126 of the third embodiment is used as a basic structure, and a buffer layer is formed, and a combination of the first
TiOy1/AlOx1、TiOy1/NbOx2、TiOy1/TaOx3、
ZrOy2/AlOx1、ZrOy2/NbOx2、ZrOy2/TaOx3、
HfOy3/AlOx1、HfOy3/NbOx2、HfOy3/TaOx3
第1金属酸化物層121を形成するための第1の金属層161の膜厚は、0.5nmに、第2金属酸化物層122を形成するための第2の金属層162の膜厚は、0.2nmに選択されている。膜厚0.5nmの第1の金属層ならびに膜厚0.2nmの第2の金属層を形成後、大気に露呈することなく、圧力0.5Pa、室温にて、O2流量10sccmでO2を照射して、酸化処理を行っている。酸化処理により、第1の金属層は、第1金属酸化物層121に、第2の金属層は、第2金属酸化物層122となる。固体電解質層は、膜厚6nmのSiOCH膜を用いて形成している。 TiO y1 / AlO x1, TiO y1 / NbO x2, TiO y1 / TaO x3,
ZrO y2 / AlO x1, ZrO y2 / NbO x2, ZrO y2 / TaO x3,
HfO y3 / AlO x1 , HfO y3 / NbO x2 , HfO y3 / TaO x3
The thickness of the
なお、Cuの原子半径は、128pm、共有結合半径は、132±4pm;
Alの原子半径は、143pm、共有結合半径は、121±4pm;
Nbの原子半径は、146pm、共有結合半径は、164±6pm;
Taの原子半径は、146pm、共有結合半径は、170±8pm;
Tiの原子半径は、147pm、共有結合半径は、160±8pm;
Zrの原子半径は、160pm、共有結合半径は、175±7pm;
Hfの原子半径は、159pm、共有結合半径は、175±10pmと報告されている。The atomic radius of Cu is 128 pm and the radius of covalent bond is 132 ± 4 pm;
Al has an atomic radius of 143 pm and a covalent bond radius of 121 ± 4 pm;
Nb has an atomic radius of 146 pm and a covalent bond radius of 164 ± 6 pm;
The atomic radius of Ta is 146 pm, and the radius of covalent bond is 170 ± 8 pm;
The atomic radius of Ti is 147 pm, and the covalent bond radius is 160 ± 8 pm;
Zr has an atomic radius of 160 pm and a covalent bond radius of 175 ± 7 pm;
It is reported that the atomic radius of Hf is 159 pm and the covalent bond radius is 175 ± 10 pm.
第2の金属層の膜厚0.2nmは、Al、Nb、Taの原子半径の2倍を超えない値である。第1の金属層の膜厚0.5nmは、Ti、Zr、Hfの原子半径の4倍を超えない値である。 The thickness of the second metal layer of 0.2 nm is a value not exceeding twice the atomic radius of Al, Nb, and Ta. The thickness 0.5 nm of the first metal layer is a value not exceeding four times the atomic radius of Ti, Zr, and Hf.
また、本実施態様1で作製する、第1金属酸化物層121と第2金属酸化物層122の組み合わせを選択する抵抗変化素子と特性と比較するため、下記の比較例となる抵抗変化素子を準備した。
Further, in order to compare the characteristics with a variable resistance element manufactured in the first embodiment, which selects a combination of the first
比較例となる抵抗変化素子では、バッファ層を一種類の金属酸化物層で構成する構造を採用している。具体的には、Cuを主成分とする下部配線106上に形成した金属酸化物層を、第1金属酸化物層121に使用する金属酸化物(TiOy1、ZrOy2、およびHfOy3)および第2金属酸化物層122に使用する金属酸化物(AlOx1、NbOx2、およびTaOx3)のうち、いずれか一種類の金属酸化物のみで形成している。一種類の金属酸化物層を形成するための金属層の膜厚は、0.7nmに選択されている。膜厚0.7nmの金属層を形成後、大気に露呈することなく、圧力0.5Pa、室温にて、O2流量10sccmでO2を照射して、酸化処理を行っている。酸化処理により、金属層は、金属酸化物層となる。固体電解質層は、膜厚6nmのSiOCH膜を用いて形成している。The resistance change element according to the comparative example employs a structure in which the buffer layer is formed of one type of metal oxide layer. Specifically, the metal oxide layer formed on the
次に、本実施態様1の抵抗変化素子と、比較例となる抵抗変化素子について、セット時のオフリーク電流およびリセット時の絶縁破壊電圧を評価した。以下に、その評価結果を説明する。 Next, the resistance change element of the first embodiment and the resistance change element as a comparative example were evaluated for an off-leak current at the time of setting and a dielectric breakdown voltage at the time of reset. Hereinafter, the evaluation results will be described.
図11は、本実施態様1の抵抗変化素子と、比較例となる抵抗変化素子について、セット時のオフリーク電流、具体的には、負電圧を1V印加時のオフリーク電流を測定した結果を示す表である。図11に示す数値の単位はアンペア(A)である。
FIG. 11 is a table showing the results of measuring the off-leak current at the time of setting, specifically, the off-leak current at the time of applying a negative voltage of 1 V, for the variable resistance element of
図11に示すように、本実施態様1の抵抗変化素子では、第1金属酸化物層121と第2金属酸化物層122のいずれの組み合わせにおいても、それぞれ、第1金属酸化物層121と同一種類の金属酸化物のみからなるバッファ層を採用する、比較例となる抵抗変化素子に比べて、セット時のオフリーク電流の低減が認められる。
As shown in FIG. 11, in the variable resistance element according to the first embodiment, in any combination of the first
図12は、本実施態様1の抵抗変化素子と、比較例となる抵抗変化素子について、リセット時の絶縁破壊電圧を測定した結果を示す表である。図12に示す数値の単位はボルト(V)である。 FIG. 12 is a table showing the results of measuring the dielectric breakdown voltage at reset for the variable resistance element according to the first embodiment and the variable resistance element as a comparative example. The unit of the numerical value shown in FIG. 12 is volt (V).
図12に示すように、リセット時の絶縁破壊電圧についても、本実施態様1の抵抗変化素子では、第1金属酸化物層121と第2金属酸化物層122のいずれの組み合わせにおいても、それぞれ、第1金属酸化物層121または第2金属酸化物層122と同一種類の金属酸化物のみからなるバッファ層を採用する、比較例となる抵抗変化素子に比べて、改善されていることがわかる。
As shown in FIG. 12, with respect to the dielectric breakdown voltage at the time of reset, in the variable resistance element according to the first embodiment, in any combination of the first
(実施態様2)
本実施態様2でも、バッファ層と固体電解質層からなる抵抗変化層を採用する、第2の実施形態の構成を適用している。図9Jに示される抵抗変化素子126では、図7Bに示される、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7で構成されるバッファ層4を採用している。従って、抵抗変化層は、第1金属酸化物層121と第2金属酸化物層122、ならびに、固体電解質層123で構成されている。一方、本実施態様2では、図7Cに示される、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8によりバッファ層4が構成されている抵抗変化素子を作製し、作製された抵抗変化素子の特性を評価した。(Embodiment 2)
Also in the second embodiment, the configuration of the second embodiment, which employs a variable resistance layer including a buffer layer and a solid electrolyte layer, is applied. The variable resistance element 126 shown in FIG. 9J employs the
本実施態様2では、第3の実施形態の抵抗変化素子126を基本構造として、図7Cに示される、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせの異なる、合計7種類の抵抗変化素子を作製した。具体的には、Cuを主成分とする下部配線上に形成した第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせは、は、下記の7種類である。TiOy1/AlOx1/TiOy4、TiOy1/NbOx2/TiOy4、TiOy1/TaOx3/TiOy4、ZrOy2/AlOx1/ZrOy5、ZrOy2/NbOx2、ZrOy2/TaOx3/ZrOy5、HfOy3/AlOx1/HfOy6
y4、y5およびy6は、それぞれ、第3金属酸化物層8を構成する、Ti、ZrおよびHfの酸化物(TiOy4、ZrOy5、HfOy6)における酸素組成である。In the second embodiment, the first
y4, y5 and y6 are oxygen compositions of Ti, Zr and Hf oxides (TiO y4 , ZrO y5 and HfO y6 ) constituting the third
第2金属酸化物層7を形成するための第2の金属層上に、連続して、第3金属酸化物層8を形成するための第3の金属層を堆積した。第3金属酸化物層8を形成するための第3の金属層の膜厚は、0.2nmに選択されている。本実施態様2の抵抗変化素子は、バッファ層を第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8で構成している点を除いて、その基本構造は、図9Jに示した抵抗変化素子126と同一である。
A third metal layer for forming the third
次に、本実施態様2の抵抗変化素子について、セット時のオフリーク電流およびリセット時の絶縁破壊電圧を評価した。以下に、その評価結果を説明する。
Next, with respect to the variable resistance element of
本実施態様2の7種類の抵抗変化素子と、それぞれ、第1金属酸化物層121と同一種類の金属酸化物のみからなる、バッファ層を採用する、比較例となる抵抗変化素子に比べて、上記実施態様1の抵抗変化素子における評価結果と同程度のオフリークの低減および絶縁破壊電圧の向上が確認された。
As compared with the resistance change element of the comparative example, which employs seven types of resistance change elements of the second embodiment and a buffer layer made of only the same type of metal oxide as the first
具体的には、第1金属酸化物層121(TiOy1)と同一種類の金属酸化物(TiOy1)のみからなる、比較例となる抵抗変化素子の場合、図11に示されるように、負電圧を1V印加時に測定されるオフリーク電流は、7×10-7 Aであった。一方、本実施態様2の抵抗変化素子では、例えば、バッファ層を構成する、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせが、TiOy1/AlOx1/TiOy4である場合、負電圧を1V印加時に測定されるオフリーク電流は、4×10-8 Aに低減していた。Specifically, in the case of a resistance change element according to a comparative example, which is composed of only the same type of metal oxide (TiO y1 ) as the first metal oxide layer 121 (TiO y1 ), as shown in FIG. The off-leak current measured when applying a voltage of 1 V was 7 × 10 −7 A. On the other hand, in the resistance change element according to the second embodiment, for example, the combination of the first
また、第1金属酸化物層121(TiOy1)と同一種類の金属酸化物(TiOy1)のみからなる、比較例となる抵抗変化素子の場合、図12に示されるように、正電圧印加時に測定された絶縁破壊電圧は、3.5Vである。これに対して、一方、本実施態様2の抵抗変化素子では、例えば、バッファ層を構成する、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7および第3金属酸化物層8の組み合わせが、TiOy1/AlOx1/TiOy4である場合、正電圧印加時に測定された絶縁破壊電圧は、4.5Vまで上昇している。これは、第1金属酸化物層6、第2金属酸化物層7に加えて、第3金属酸化物層8を挿入することより、第3金属酸化物層8の下部で接する第2金属酸化物層7の不動態形成による酸素バリア性が制御されているためであると考えられる。Further, in the case of the resistance change element according to the comparative example, which is made of only the same type of metal oxide (TiO y1 ) as the first metal oxide layer 121 (TiO y1 ), as shown in FIG. The measured breakdown voltage is 3.5V. On the other hand, in the variable resistance element according to the second embodiment, for example, a combination of the first
(実施態様3)
本実施態様3は、第4の実施形態に記載されている、図9Jに示される構成の抵抗変化素子およびその製造方法をベースにして、半導体基板上の多層配線構造に3端子型抵抗変化素子を設けた構成である。(Embodiment 3)
The third embodiment is based on the variable resistance element having the configuration shown in FIG. 9J and the method for manufacturing the same described in the fourth embodiment, and is based on a three-terminal variable resistance element in a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate. Is provided.
本実施態様3の3端子型抵抗変化素子の構成を説明する。なお、本実施態様3では、主に、第4の実施形態に記載されている、図9Jに示される構成の抵抗変化素子と異なる構成について説明し、第4の実施形態に記載されている、図9Jに示される構成の抵抗変化素子と同様な構成についての詳細な説明を省略する。 The configuration of the three-terminal variable resistance element according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, a configuration different from the variable resistance element having the configuration shown in FIG. 9J and described in the fourth embodiment will be mainly described, and the configuration described in the fourth embodiment will be described. Detailed description of the same configuration as that of the variable resistance element having the configuration shown in FIG. 9J will be omitted.
図10は、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子が半導体基板上の多層配線構造の内部に設けられた構成を模式的に示した部分断面図である。 FIG. 10 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration in which the three-terminal variable resistance element according to the third embodiment is provided inside a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate.
図10に示すように、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224においては、下部電極として第1下部配線206aおよび第2下部配線206bが設けられている。そして、第1バリア絶縁膜107に形成された1つの開口部に、第1キャップ絶縁膜104を挟んで互いに離間した第1下部配線206aおよび第2下部配線206bのそれぞれの上面が部分的に露出している。第1下部配線206aおよび第2下部配線206bのそれぞれの上面の露出部分は、第1キャップ絶縁膜104の上面とともに上記開口部を介して、上層の第1金属酸化物層121に接触している。なお、前記開口部内に露出している、第1下部配線206aの銅表面の面積、ならびに、第2下部配線206bの銅表面の面積は、ともに、開口部面積の半分以下である。
As shown in FIG. 10, in a three-terminal
また、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bのいずれもが、例えば、Cuで構成される場合、図9Jに示した構成の下部配線106と同様な構成にすることが可能であり、第4の実施形態に記載されている、図9Jに示される構成の抵抗変化素子の製造プロセスで説明した方法で形成することができる。
When both the first
本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224は、第1下部配線206aを第1電極とし、第2下部配線206b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 three-terminal
次に、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224の製造方法を説明する。なお、本実施態様3では、主に、第4の実施形態に記載されている、図9Jに示される構成の抵抗変化素子126の製造プロセスと異なる処理について説明し、図9Jに示される構成の抵抗変化素子126の製造プロセスと同様な処理についての詳細な説明を省略する。
Next, a method of manufacturing the three-terminal
本実施態様3では、ドライエッチングによる第1バリア絶縁膜107への開口部の形成において、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bに挟まれた第1キャップ絶縁膜104は、表面がドライエッチングされることにより膜減りが生じる。そのため、開口部を形成後、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bの表面を含む開口部上に、DCスパッタリング法により、第1金属酸化物層121の形成に利用する第1の金属層161、および第2金属酸化物層122の形成に利用する第2の金属層162をこの順に連続して堆積した。本実施態様3においては、第1の金属層161として、膜厚0.5nmのZrを選択し、第2の金属層162として、膜厚0.2nmのAlを選択している。その後、大気暴露することなく基板温度は室温にて、O2流量10sccm、圧力0.5Pa、照射時間60秒のO2ガス照射により、第1の金属層161、および第2の金属層162を酸化処理して、第1金属酸化物層121であるZrOy2および第2金属酸化物層122であるAlOx1を形成した。続いて、400℃以下の基板温度にて、N2およびO2各流量10/10sccm、圧力900Pa、処理時間30秒の条件で加熱処理を行った。この加熱処理により、第1下部配線206aおよび第2下部配線206bと、第1金属酸化物層121であるZrOy2との間に未反応で残留しているZr金属成分は、Cuからなる第1下部配線206aおよび第2下部配線206b表面への合金化および拡散により除去される。In the third embodiment, in forming the opening in the first
次に、固体電解質層123を第2金属酸化物層122上に堆積した。固体電解質層123堆積以降の工程については、図9Jに示される構成の抵抗変化素子126と同様な形成方法を用いることで、図10に示すように、多層配線構造内に3端子型抵抗変化素子224を形成することができる。
Next, a
図10に示す3端子型抵抗変化素子224では、抵抗変化層は、一体に形成される構成を採用している。また、第2電極も、一体に形成される構成を採用している。
The three-terminal
実施態様1の抵抗変化素子と同様に、上記の製造プロセスにより形成される、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224においても、第1金属酸化物層121と同一種類の金属酸化物のみからなる、バッファ層を採用する、比較例となる3端子型抵抗変化素子に比べて、オフリークの低減、および絶縁破壊電圧の向上が確認された。
Similarly to the variable resistance element of the first embodiment, in the three-terminal
具体的には、第1金属酸化物層121と同一種類の金属酸化物(ZrOy2)のみからなる、膜厚0.7nmのバッファ層を採用する、比較例となる3端子型抵抗変化素子の場合、負電圧を1V印加時に測定されるオフリーク電流は、5×10-7 Aである。一方、第1金属酸化物層121として、ZrOy2を、第2金属酸化物層122として、AlOx1を採用している、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224の場合、負電圧を1V印加時に測定されるオフリーク電流は、8×10-8 Aであり、十分に低減していることを確認した。More specifically, a three-terminal variable resistance element according to a comparative example adopting a 0.7 nm-thickness buffer layer made of only the same type of metal oxide (ZrO y2 ) as the first
また、ZrOy2のみからなる、バッファ層を採用する、比較例となる3端子型抵抗変化素子の場合、正電圧印加時に測定された絶縁破壊電圧は、3.6Vである。一方、本実施態様3の3端子型抵抗変化素子224の場合、正電圧印加時に測定された絶縁破壊電圧は、4.3Vまで上昇した。本実施態様3では、一例として、第1金属酸化物層121として、ZrOy2を、第2金属酸化物層122として、AlOx1を用いている、3端子型抵抗変化素子224について述べた。バッファ層を構成する、第1金属酸化物層121および第2金属酸化物層122の組み合わせは、この材料構成の組み合わせ(ZrOy2/AlOx1、)に限定されず、実施態様1に例示した、他の8種類の組み合わせであってもよい。In the case of a three-terminal variable resistance element as a comparative example employing a buffer layer composed of only ZrO y2 , the breakdown voltage measured when a positive voltage was applied was 3.6 V. On the other hand, in the case of the three-terminal
以上の結果から、本発明の抵抗変化素子およびその製造方法を、2端子型抵抗変化素子のみでなく、3端子型抵抗変化素子に適用することで、負電圧印加時のオフリーク電流が低減され、かつ、正電圧印加時(リセット時)の絶縁破壊電圧が改善されることがわかった。 From the above results, by applying the variable resistance element of the present invention and the method of manufacturing the same to not only the two-terminal type variable resistance element but also the three-terminal type variable resistance element, the off-leak current at the time of applying a negative voltage is reduced, In addition, it was found that the dielectric breakdown voltage when a positive voltage was applied (during reset) was improved.
以上、実施形態および実施態様に基づき本発明を説明した。これら実施形態および実施態様は、単に具体例を挙げて、本発明を説明するためのものであって、本発明の技術的範囲を、限定することを意味するものではない。当業者であれば、上記記載に基づき各種変形例および改良例に想到するのは当然であり、これらも本発明の技術的範囲に含まれるものと了解される。 The present invention has been described based on the embodiments and the embodiments. These embodiments and embodiments are only for describing the present invention with specific examples, and are not meant to limit the technical scope of the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various modifications and improvements can be made based on the above description, and these are also included in the technical scope of the present invention.
上記の実施形態ならびに実施態様では、本発明の背景として、本発明の利用分野となるCMOS回路を有する半導体装置に関して詳しく説明し、半導体基板上の多層配線構造内に搭載した抵抗変化素子を形成する例について説明した。しかし、本発明は、例示された実施形態ならびに実施態様に限定されるものではない。 In the above embodiments and embodiments, as a background of the present invention, a semiconductor device having a CMOS circuit to which the present invention is applied will be described in detail, and a variable resistance element mounted in a multilayer wiring structure on a semiconductor substrate will be formed. Examples have been described. However, the invention is not limited to the illustrated embodiments and implementations.
本発明は、例えば、DRAM、SRAM(Static RAM)、フラッシュメモリ、FRAM(Ferro−Electric RAM)、キャパシタ、バイポーラトランジスタ等のようなメモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路を有する半導体製品、またはそれらを同時に搭載したボードやパッケージの金属配線形成工程にも適用することができる。また、本発明は、半導体装置への、電子回路装置、光回路装置、量子回路装置、マイクロマシン、MEMS(Micro−Electro−Mechanical Systems)などに接続する配線形成工程にも適用することができる。 The present invention relates to a semiconductor product having a memory circuit such as a DRAM, an SRAM (Static RAM), a flash memory, an FRAM (Ferro-Electric RAM), a capacitor, a bipolar transistor, and a semiconductor product having a logic circuit such as a microprocessor. Alternatively, the present invention can be applied to a metal wiring forming step of a board or a package on which these are simultaneously mounted. In addition, the present invention can be applied to a wiring forming step of connecting a semiconductor device to an electronic circuit device, an optical circuit device, a quantum circuit device, a micromachine, a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), or the like.
本発明にかかる、銅配線層内に作製される、複数個の抵抗変化素子が並列接続されてなる固体電解質スイッチング素子は、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)の構成に使用される、プログラマブル素子として、利用される。 The solid electrolyte switching element according to the present invention, which is formed in a copper wiring layer and has a plurality of variable resistance elements connected in parallel, is, for example, a programmable element used in a configuration of an FPGA (Field Programmable Gate Array). It is used as
本発明にかかる固体電解質スイッチング素子型半導体装置は、その「プログラミング」動作、特には、「セット」動作時のセット電圧のバラツキが抑えられる効果を使用して、不揮発性メモリあるいは不揮発性スイッチを利用する、メモリ回路を有する半導体製品、マイクロプロセッサなどの論理回路へ応用することができる。 The solid electrolyte switching element type semiconductor device according to the present invention uses a non-volatile memory or a non-volatile switch by utilizing its "programming" operation, in particular, the effect of suppressing the variation of the set voltage during the "set" operation. , A semiconductor product having a memory circuit, a logic circuit such as a microprocessor, or the like.
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 a typical example. However, the invention is not limited to the embodiments described above. That is, the present invention can apply various aspects that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.
この出願は、2017年3月31日に出願された日本出願特願2017−71485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 priority based on Japanese Patent Application No. 2017-714485 filed on Mar. 31, 2017, the disclosure of which is incorporated herein in its entirety.
1 第1電極
2 第2電極
3 抵抗変化層
4 バッファ層
5 固体電解質層
101 半導体基板
102 第1層間絶縁膜
103 第2層間絶縁膜
104 第1キャップ絶縁膜
105 第1バリアメタル
106 下部配線
107 第1バリア絶縁膜
108 第1ハードマスク膜
120 バッファ層
121 第1金属酸化物層
122 第2金属酸化物層
123 固体電解質層
124 第1上部電極
125 第2上部電極
128 第2ハードマスク膜
129 第3ハードマスク膜
130 保護絶縁膜
140 第1ビア層間絶縁膜
141 第3層間絶縁膜
142 第2キャップ絶縁膜
143 第2バリアメタル
144 ビアプラグ
145 上部配線
146 第2バリア絶縁膜
147 ビアホール
148 上部配線用の配線溝
126、151、151a、151b 抵抗変化素子
150、150a、150b 2端子型半導体装置
153、153a、153b 第1端子
154、154a、154b 第2端子
157 制御端子
159 固体電解質スイッチ素子
161 第1の金属層
162 第2の金属層
206a 第1下部配線
206b 第2下部配線
224 3端子型抵抗変化素子REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記抵抗変化素子は、それぞれ、
第1電極と、第2電極と、第1電極および第2電極に挟まれた抵抗変化層と、を有し、
第1電極と第2電極の2電極間に印加される電気的信号に基づいて、可逆的に抵抗値が変化する機能を有しており、
前記抵抗変化素子の各第1電極は、第1端子と電気的に接続されており、かつ、各第2電極は、第2端子と電気的に接続され、かつ、
各抵抗変化層は、各少なくとも2つ以上の抵抗変化素子間で互いに分離されており、
各第2電極は、各抵抗変化素子間で互いに分離され、第2端子を介してのみ互いに電気的に接続されていることを特徴とする、半導体装置。A semiconductor device including at least two or more variable resistance elements, a first terminal (first wiring), and a second terminal (second wiring),
The variable resistance elements are respectively:
A first electrode, a second electrode, and a variable resistance layer sandwiched between the first electrode and the second electrode;
A function of reversibly changing a resistance value based on an electric signal applied between the first electrode and the second electrode;
Each first electrode of the variable resistance element is electrically connected to a first terminal, and each second electrode is electrically connected to a second terminal, and
Each of the variable resistance layers is separated from each other between at least two or more variable resistance elements,
A semiconductor device, wherein each of the second electrodes is separated from each other between the variable resistance elements, and is electrically connected to each other only through the second terminal.
前記半導体装置の対は、
各半導体装置を構成する前記第2端子同士が電気的に直列接続されていることを特徴とする、半導体装置。A semiconductor device comprising a pair of the semiconductor device according to claim 1 as a component,
The semiconductor device pair is
A semiconductor device, wherein the second terminals constituting each semiconductor device are electrically connected in series.
前記第2電極は、前記第1電極を構成する材料に含まれる、前記金属原子よりもイオン化しにくい金属原子からなる材料で構成され、
前記抵抗変化層は、バッファ層と、前記金属イオンが伝導可能な固体電解質層とからなり、
前記バッファ層は、前記第1電極に接しており、前記固体電解質層は、前記第2電極に接しており、
前記抵抗変化素子は、
第1電極および第2電極間に電圧が印加されると、第1電極に含まれる前記金属原子がイオン化し、
前記第1電極から供給される金属イオンが、前記バッファ層を介して前記固体電解質層内に注入されることで、可逆的に抵抗が変化する、固体電解質スイッチ素子であることを特徴とする、請求項2に記載の半導体装置。The first electrode of the resistance change element is made of a material containing a metal atom serving as a supply source of metal ions,
The second electrode is made of a material made of a metal atom that is less ionizable than the metal atom, which is included in a material forming the first electrode,
The resistance change layer includes a buffer layer and a solid electrolyte layer through which the metal ions can conduct,
The buffer layer is in contact with the first electrode, the solid electrolyte layer is in contact with the second electrode,
The variable resistance element,
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the metal atoms included in the first electrode are ionized,
The metal ion supplied from the first electrode is injected into the solid electrolyte layer through the buffer layer, whereby the resistance is reversibly changed, and the solid electrolyte switch element is characterized in that: The semiconductor device according to claim 2.
前記抵抗変化素子の前記第1電極は、銅を含む材料で構成され、
前記第2電極は、Ruを含む材料で構成され、
前記バッファ層は、Al、Hf、Ta、Ti、およびZrからなる群から選択される少なくとも1つの金属元素を含んでいることを特徴とする、請求項3に記載の半導体装置。The metal ion is a copper ion,
The first electrode of the variable resistance element is made of a material containing copper,
The second electrode is made of a material containing Ru,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the buffer layer contains at least one metal element selected from the group consisting of Al, Hf, Ta, Ti, and Zr.
前記抵抗変化素子を構成する前記第1電極は、前記銅配線の一部を兼ね、
前記第1電極上に設けられた絶縁性バリア膜の一部に、少なくとも1つ以上の開口部を有し、
前記開口部を介して、開口部の底に部分的に露出した少なくとも1つ以上の前記第1電極の表面と前記バッファ層とが接している構成であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。The variable resistance element is provided on a copper wiring,
The first electrode constituting the variable resistance element also serves as a part of the copper wiring,
A part of the insulating barrier film provided on the first electrode has at least one or more openings,
The structure in which the surface of at least one or more of the first electrodes partially exposed at the bottom of the opening is in contact with the buffer layer through the opening. 6. The semiconductor device according to claim 5.
前記開口部の底部に部分的に露出した第1電極を兼ねる銅配線の形状は、同一であることを特徴とする、請求項6に記載の半導体装置。For each variable resistance element constituting the semiconductor device,
7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the shape of the copper wiring serving also as the first electrode partially exposed at the bottom of the opening is the same.
前記開口部の底部に部分的に露出した第1電極を兼ねる銅配線の形状は、
半導体基板面内の同一方向に配向、もしくは180°回転し対向した構成であることを特徴とする、請求項6又は7に記載の半導体装置。For each variable resistance element constituting the semiconductor device,
The shape of the copper wiring serving also as the first electrode partially exposed at the bottom of the opening is:
The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor device is oriented in the same direction in the plane of the semiconductor substrate, or rotated 180 ° to face each other.
前記開口部の底部に部分的に露出した第1電極を兼ねる銅配線の形状は、
前記銅配線の先端部が、前記開口部の底部の一端から前記配向の方向に沿って突き出した形状であることを特徴とする、請求項8に記載の半導体装置。For each variable resistance element constituting the semiconductor device,
The shape of the copper wiring serving also as the first electrode partially exposed at the bottom of the opening is:
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein a tip of the copper wiring has a shape protruding from one end of a bottom of the opening along the direction of the orientation.
第1端子に電気的に接続された第1電極を兼ねる銅配線上に絶縁性バリア膜を形成し、
前記絶縁性バリア膜に開口部を形成し、前記第1電極を兼ねる銅配線表面を露出させ、
前記開口部を含む全面に、バッファ層および固体電解質層を順に形成し、
固体電解質層上に、第2端子に接続された第2電極を形成し、
前記半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置であることを特徴とする半導体装置の製造方法。A method of manufacturing a semiconductor device having a plurality of variable resistance elements provided in a multilayer copper wiring layer on a semiconductor substrate,
Forming an insulating barrier film on a copper wiring which also serves as a first electrode electrically connected to the first terminal;
Forming an opening in the insulating barrier film to expose a copper wiring surface also serving as the first electrode;
On the entire surface including the opening, a buffer layer and a solid electrolyte layer are sequentially formed,
Forming a second electrode connected to the second terminal on the solid electrolyte layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is the semiconductor device according to claim 1.
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