JP2009043850A - Variable resistance element, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第1電極と第2電極の間に可変抵抗体が狭持され、前記第1電極と前記第2電極の間にパルス電圧が印加されることで両電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子、及びその製造方法に関するものである。 In the present invention, a variable resistor is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and a pulse voltage is applied between the first electrode and the second electrode, whereby the electric resistance between the two electrodes changes. The present invention relates to a variable resistance element and a manufacturing method thereof.
近年、フラッシュメモリに代わる高速動作可能な次世代不揮発性ランダムアクセスメモリ(NVRAM:Nonvolatile Random Access Memory)として、FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、PRAM(Phase Change RAM)等の様々なデバイス構造が提案され、高性能化、高信頼性化、低コスト化、及び、プロセス整合性という観点から、激しい開発競争が行われている。しかしながら、現状のこれらメモリデバイスには各々一長一短があり、SRAM、DRAM、フラッシュメモリの各利点を併せ持つ「ユニバーサルメモリ」の理想実現には未だ遠い。 In recent years, various devices such as FeRAM (Ferroelectric RAM), MRAM (Magnetic RAM), PRAM (Phase Change RAM), etc. as next-generation non-volatile random access memory (NVRAM) capable of high-speed operation instead of flash memory A structure has been proposed, and intense development competition has been conducted from the viewpoint of high performance, high reliability, low cost, and process consistency. However, each of these current memory devices has advantages and disadvantages, and it is still far from the ideal realization of a “universal memory” having the advantages of SRAM, DRAM, and flash memory.
これら既存技術に対して、電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗が変化する可変抵抗素子を用いた抵抗性不揮発性メモリRRAM(Resistive Random Access Memory)(登録商標)が提案されている。この構成を図14に示す。 In contrast to these existing technologies, a resistive non-volatile memory RRAM (Resistive Random Access Memory) (registered trademark) using a variable resistance element whose electric resistance reversibly changes by applying a voltage pulse has been proposed. This configuration is shown in FIG.
図14に示されるように、従来構成の可変抵抗素子90は、下部に形成されている第1電極11、可変抵抗体13、上部に形成される第2電極12が、この順に積層形成された構造となっており、第1電極11と第2電極12の間にパルス電圧を印加することにより、両電極間の抵抗値を可逆的に変化させることができる性質を有する。そして、この可逆的な抵抗変化動作(以下では「スイッチング動作」と称する)によって変化する抵抗値を読み出すことによって、新規な不揮発性半導体記憶装置が実現できる構成である。
As shown in FIG. 14, a conventional
この不揮発性半導体記憶装置は、可変抵抗素子を備える複数のメモリセルそれぞれを行方向及び列方向にマトリクス状に配列してメモリセルアレイを形成するとともに、このメモリセルアレイの各メモリセルに対するデータの書き込み、消去、及び読み出し動作を制御する周辺回路を配置して構成される。そして、このメモリセルとしては、その構成要素の違いから、1つの可変抵抗素子Rのみから構成される(「1R型」と称される)メモリセルや、1つのメモリセルが1つの選択トランジスタTと1つの可変抵抗素子Rとから構成される(「1T/1R型」と称される)メモリセル等が存在する。 In this nonvolatile semiconductor memory device, a plurality of memory cells including variable resistance elements are arranged in a matrix in the row direction and the column direction to form a memory cell array, and data is written to each memory cell in the memory cell array. Peripheral circuits for controlling erase and read operations are arranged. This memory cell is composed of only one variable resistance element R (referred to as “1R type”) or a single select transistor T because of the difference in its constituent elements. And one variable resistance element R (referred to as “1T / 1R type”).
図15は、1R型のメモリセルの一構成例を示す等価回路図である。各メモリセルは可変抵抗素子90のみから構成されており、可変抵抗素子90の一方の電極はワード線(WL1〜WLn)に、また他方の電極はビット線(BL1〜BLm)に接続されている。さらに、各ワード線WL1〜WLnはそれぞれワード線デコーダ62に接続され、各ビット線BL1〜BLmはそれぞれビット線デコーダ61に接続されている。そして、アドレス入力(図示せず)に応じてメモリセルアレイ60内の特定のメモリセルへの書込み、消去及び読み出し動作の為の特定のビット線及びワード線が選択される構成である。
FIG. 15 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of a 1R type memory cell. Each memory cell includes only the
図16は図15におけるメモリセルアレイ60を構成するメモリセルの一例を示す概略斜視図である。図16に示されるように、下層において同一方向に複数の配線層が延伸して形成される第1電極11と、上層において、第1電極11の延伸方向とは異なる方向に複数の配線層が延伸して形成される第2電極12が、それぞれ交差するように配列されており、これらの一方がビット線を、他方がワード線を形成する。また、各電極の交点(通常、「クロスポイント」と称される)に可変抵抗体13を配した構造となっている。可変抵抗体13のスイッチング動作に対して電気的に寄与する部分は第1電極11と第2電極12の交差するクロスポイントの領域になる。
FIG. 16 is a schematic perspective view showing an example of a memory cell constituting the
ここで、米国ヒューストン大のShangquing LiuやAlex Ignatiev等によって、超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗を変化させることが可能であることが開示されており(下記特許文献1、非特許文献1参照)、当該材料を用いて可変抵抗体13を構成することが可能である。この方法は超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料を用いながらも、磁場の印加なしに室温においても数桁にわたる抵抗変化が現れるという極めて画期的なものである。なお、特許文献1では、可変抵抗体の材料としてペロブスカイト型酸化物である結晶性プラセオジウム・カルシウム・マンガン酸化物Pr1−XCaXMnO3(PCMO)膜が用いられている。
Here, Shangquing Liu, Alex Ignatiev, etc. of Houston University in the United States disclosed that it is possible to reversibly change the electrical resistance by applying a perovskite material voltage pulse known as the giant magnetoresistance effect. (See
また、他の可変抵抗体材料としては、チタン酸化(TiO2)膜、ニッケル酸化(NiO)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜、酸化ニオブ(Nb2O5)膜などの遷移金属元素の酸化物についても、可逆的な抵抗変化を示すことが下記非特許文献2並びに特許文献2などによって開示されている。このうち、NiOを用いたスイッチング動作の現象が非特許文献3に詳細に報告されている。
Other variable resistor materials include oxides of transition metal elements such as titanium oxide (TiO 2 ) films, nickel oxide (NiO) films, zinc oxide (ZnO) films, and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) films. Also, the following
ところで、上述した不揮発性記憶装置の情報の書き換え動作の際に、すなわち、第1電極11と第2電極12の間にパルス電圧を印加して可変抵抗体13の抵抗を所定の抵抗値に到達させるまでの間に、可変抵抗素子90には過渡電流が流れる。この電流は、抵抗の変化方向によって、書込電流或いは消去電流と称される。例えば、可変抵抗体の材料として遷移金属元素の酸化物を用いた場合、NiOを用いた非特許文献3では、0.3×0.7μm2の電極面積で、書込電流及び消去電流は1mA程度であると報告されている。この電流の多寡は可変抵抗体13の電気的に寄与する領域の面積に応じているので、当該面積を縮小すれば書込電流及び消去電流を抑制することができ、不揮発性記憶装置としての消費電流を抑制することができる。
By the way, during the above-described information rewriting operation of the nonvolatile memory device, that is, by applying a pulse voltage between the
また、一般に可変抵抗体13の結晶性が良いと安定したスイッチング動作のメモリ素子を再現性良く達成できるが、この結晶性の向上は可変抵抗体の抵抗値を相対的に下げてしまう。可変抵抗体13の抵抗値は、可変抵抗体13の電気的に寄与する領域の面積に反比例するので、当該面積が大きいと可変抵抗素子90の抵抗は小さくなる。この場合、1R型のメモリセルでは、選択されたビット線あるいはワード線に接続された非選択セルに流れる寄生電流が大きくなり、当該配線に供給される電圧が不十分となって書き込みがなされないという同様の問題が発生する。
In general, if the crystallinity of the
従って、可変抵抗体の電気的に寄与する領域の面積を小さくできれば、消費電流を抑制でき、かつ書込不能状態が起こりにくい安定したスイッチング動作のメモリ素子を再現性良く作成することが可能となる。しかしながら、上述した従来のメモリセルにおいては、可変抵抗体90の電気的に寄与する領域の面積は、図15に示すように、1R型のメモリセルでは第1電極11の配線と第2電極12の配線とが交差するクロスポイント領域の面積で規定される。このクロスポイント領域の面積は、プロセス時における電極あるいは絶縁膜等の加工能力を示す最小加工寸法によって制約を受けるため、図15の構造の下で当該クロスポイント領域の面積を縮小化するには限界がある。
Therefore, if the area of the electrically contributing region of the variable resistor can be reduced, it is possible to suppress the current consumption and to create a memory element with a stable switching operation that is unlikely to be in a writable state with high reproducibility. . However, in the conventional memory cell described above, the area of the electrically contributing region of the
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、可変抵抗体の電気的に寄与する領域の面積のさらなる縮小化を可能とする可変抵抗素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a variable resistance element capable of further reducing the area of the electrically contributing region of the variable resistor and a method for manufacturing the same. To do.
上記目的を達成するための本発明に係る可変抵抗素子は、基板面と平行な板状で、当該基板面に垂直な第1方向に貫通する第1開口部を有する第1電極と、前記第1電極の前記第1開口部の内壁面に外側面が接する環状の可変抵抗体と、前記第1電極上に形成された前記第1開口部上において、前記第1方向に貫通する第2開口部を有する第1層間絶縁膜と、前記第1層間絶縁膜の前記第2開口部の内壁面に外側面が接する前記可変抵抗体上にサイドウォール状に形成された環状の第2層間絶縁膜と、前記第1層間絶縁膜の上面、前記第2層間絶縁膜の内側面、及び前記可変抵抗体の内側面、と接するように形成された第2電極と、を備えてなり、前記第1及び第2電極間に電圧印加されることにより前記第1及び第2電極間の電気抵抗が変化することを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a variable resistance element according to the present invention has a plate-like shape parallel to a substrate surface, a first electrode having a first opening penetrating in a first direction perpendicular to the substrate surface, and the first electrode. An annular variable resistor whose outer surface is in contact with an inner wall surface of the first opening of one electrode, and a second opening penetrating in the first direction on the first opening formed on the first electrode First interlayer insulating film having a portion, and an annular second interlayer insulating film formed in a sidewall shape on the variable resistor whose outer surface is in contact with the inner wall surface of the second opening of the first interlayer insulating film And an upper surface of the first interlayer insulating film, an inner surface of the second interlayer insulating film, and an inner surface of the variable resistor, and a second electrode formed in contact with the first electrode. The electrical resistance between the first and second electrodes is changed by applying a voltage between the first and second electrodes. The first feature to be.
本発明に係る可変抵抗素子の上記第1の特徴構成によれば、第1開口部の内側面において環状に形成される可変抵抗体は、当該可変抵抗体の外周面において第1電極と接触し、内周面において第2電極と接触する構成となる。すなわち、可変抵抗体と第1電極との接触面積は、環状に形成される可変抵抗体の外側部分の側面積に相当し、可変抵抗体と第2電極との接触面積は、当該可変抵抗体の内側部分の側面積に相当する。従って、電気的に寄与する部分の面積が最小加工寸法に依存する従来のクロスポイント型可変抵抗素子と比較して、電気的に寄与する部分の面積を大幅に縮小化することができる。これにより、従来構成の可変抵抗素子よりも、消費電流が抑制され、かつ書き込み不能状態の起こりにくい安定したスイッチング動作が可能なメモリ素子を実現することができる。 According to the first characteristic configuration of the variable resistance element according to the present invention, the variable resistor formed in an annular shape on the inner surface of the first opening contacts the first electrode on the outer peripheral surface of the variable resistor. The inner peripheral surface is in contact with the second electrode. That is, the contact area between the variable resistor and the first electrode corresponds to the side area of the outer portion of the variable resistor formed in an annular shape, and the contact area between the variable resistor and the second electrode is the variable resistor. It corresponds to the side area of the inner part of the. Therefore, the area of the electrically contributing portion can be greatly reduced as compared with the conventional cross-point variable resistance element in which the area of the electrically contributing portion depends on the minimum processing size. Thereby, it is possible to realize a memory element capable of performing a stable switching operation in which current consumption is suppressed and a writing impossible state is unlikely to occur, compared to a variable resistance element having a conventional configuration.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第1の特徴構成に加えて、前記第1層間絶縁膜が、前記第1電極の前記第2開口部側の一部領域上にサイドウォール状に形成されるとともに、前記第1層間絶縁膜のサイドウォール状の側面に前記第2層間絶縁膜の側面が接する構成であることを第2の特徴とする。 In the variable resistance element according to the present invention, in addition to the first characteristic configuration, the first interlayer insulating film has a sidewall shape on a partial region of the first electrode on the second opening side. A second feature is that the side surface of the second interlayer insulating film is in contact with the sidewall-shaped side surface of the first interlayer insulating film.
本発明に係る可変抵抗素子の第2の特徴構成によれば、環状に形成される可変抵抗体の内径を小さくすることができる。従って、第1の特徴構成と比較して、可変抵抗体の内側面の面積を縮小することができ、これによって可変抵抗体と第2電極との接触面積が縮小化される。すなわち、電気的に寄与する領域の面積をさらに縮小化することができる。 According to the second characteristic configuration of the variable resistance element according to the present invention, the inner diameter of the annular variable resistor can be reduced. Therefore, the area of the inner surface of the variable resistor can be reduced as compared with the first characteristic configuration, and thereby the contact area between the variable resistor and the second electrode is reduced. That is, the area of the electrically contributing region can be further reduced.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、基板面と平行な板状に形成される第1電極と、前記基板面に垂直な第1方向と平行な前記第1電極の外側面に、一方の側面が接する可変抵抗体と、前記第1電極上に形成される第1層間絶縁膜と、前記可変抵抗体上に、前記第1方向と平行な前記第1層間絶縁膜の外壁面に一方の面を接してサイドウォール状に形成された第2層間絶縁膜と、前記第1層間絶縁膜の上面、前記第2層間絶縁膜の側面であって当該第2層間絶縁膜を介して前記第1層間絶縁膜と対向する他方の側面、及び前記可変抵抗体の前記第1電極と接触していない他方の側面、と接するように形成された第2電極と、を備えてなり、前記第1及び第2電極間に電圧印加されることにより前記第1及び第2電極間の電気抵抗が変化することを第3の特徴とする。 The variable resistance element according to the present invention includes a first electrode formed in a plate shape parallel to the substrate surface, and an outer surface of the first electrode parallel to a first direction perpendicular to the substrate surface. One of the variable resistor that is in contact with the side surface, the first interlayer insulating film formed on the first electrode, and the outer wall surface of the first interlayer insulating film parallel to the first direction on the variable resistor. A second interlayer insulating film formed in a sidewall shape in contact with the surface, an upper surface of the first interlayer insulating film, a side surface of the second interlayer insulating film, and the first interlayer insulating film via the second interlayer insulating film A second electrode formed in contact with the other side surface facing the interlayer insulating film and the other side surface not in contact with the first electrode of the variable resistor. By applying a voltage between the second electrodes, the electrical resistance between the first and second electrodes changes. The the third feature.
本発明に係る可変抵抗素子の上記第3の特徴構成によれば、可変抵抗体は、一方の側面において第1電極の側面と接触し、第1電極と接触する面とは反対側の側面において、第2電極の内側面と接触する構成である。すなわち、可変抵抗体と両電極との接触面積は、当該可変抵抗体の側面の面積に依存することとなり、従来のクロスポイント型可変抵抗素子と比較して電気的に寄与する面積を大幅に縮小させることができる。これにより、従来構成の可変抵抗素子よりも、消費電流が抑制され、かつ書き込み不能状態の起こりにくい安定したスイッチング動作が可能なメモリ素子を実現することができる。 According to the third characteristic configuration of the variable resistance element according to the present invention, the variable resistor is in contact with the side surface of the first electrode on one side surface and on the side surface opposite to the surface in contact with the first electrode. In this configuration, the inner surface of the second electrode comes into contact. In other words, the contact area between the variable resistor and both electrodes depends on the area of the side surface of the variable resistor, and the area that contributes electrically is greatly reduced compared to the conventional cross-point variable resistor. Can be made. Thereby, it is possible to realize a memory element capable of performing a stable switching operation in which current consumption is suppressed and a writing impossible state is unlikely to occur, compared to a variable resistance element having a conventional configuration.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第3の特徴構成に加えて、同一方向に延伸する2つの前記第1電極が離間して対向するとともに、当該対向関係にある2つの前記第1電極を1組、あるいは複数組有する構成であり、対向関係にある前記第1電極に対応して、それぞれの前記第1電極に近接形成される前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜、及び前記可変抵抗体がそれぞれ離間して対向し、前記第2電極が、対向関係にある1組の前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜、及び前記可変抵抗体の全てに接触するように形成されることを第4の特徴とする。 In addition to the third feature configuration, the variable resistance element according to the present invention includes two first electrodes extending in the same direction that are spaced apart from each other and are in the opposing relationship. The first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film, which are configured to have one set or a plurality of sets of electrodes, and are formed adjacent to the first electrodes in correspondence with the first electrodes in an opposing relationship. And the variable resistors are spaced apart from each other and the second electrode is in contact with all of the pair of the first interlayer insulating film, the second interlayer insulating film, and the variable resistor in a facing relationship. The fourth feature is that it is formed as described above.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第1〜第4のいずれか一の特徴構成に加えて、前記可変抵抗体が、遷移金属元素の酸化物、または遷移金属の酸窒化物で構成されることを第5の特徴とする。 Further, in the variable resistance element according to the present invention, in addition to any one of the first to fourth characteristic configurations, the variable resistor is configured by an oxide of a transition metal element or an oxynitride of a transition metal. This is a fifth feature.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第5の特徴構成に加えて、前記可変抵抗体が、前記第1電極の一部が酸化されることで形成されたものであることを第6の特徴とする。 In addition to the fifth characteristic configuration, the variable resistance element according to the present invention is characterized in that the variable resistor is formed by oxidizing a part of the first electrode. It is characterized by.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第5または第6の特徴構成に加えて、前記可変抵抗体が、酸化チタンまたは酸窒化チタンであることを第7の特徴とする。 In addition to the fifth or sixth characteristic configuration, the variable resistance element according to the present invention has a seventh characteristic that the variable resistor is titanium oxide or titanium oxynitride.
また、上記目的を達成するための本発明に係る可変抵抗素子の製造方法は、上記第1〜第7のいずれか一の可変抵抗素子の製造方法であって、基板上に前記第1電極の材料となる第1電極材料膜を堆積後、加工する第1工程と、前記第1工程終了後、全面に前記第1層間絶縁膜の材料となる第1絶縁材料膜を堆積し、前記第1電極材料膜上に堆積された前記第1絶縁材料膜の所定領域を前記第1電極材料膜の一部が露出するまで開口して、前記第1層間絶縁膜を形成する第2工程と、前記第2工程終了後、露出された前記第1電極材料膜に対して、開口領域の上方から酸化処理を行い、少なくとも基板に垂直な方向に前記第1電極の膜厚分の酸化を進行させることで可変抵抗体膜及び前記第1電極を形成する第3工程と、前記第3工程終了後、底面に前記可変抵抗体膜が形成された開口領域内において、前記第1層間絶縁膜の側壁に沿って前記可変抵抗体膜上の一部に第2絶縁材料膜をサイドウォール状に堆積することで前記第2層間絶縁膜を形成する第4工程と、前記第4工程終了後、前記第2層間絶縁膜をマスクとして前記可変抵抗体膜に対して異方性エッチング処理を行い、前記第2層間絶縁膜下に側面が露出した前記可変抵抗体を形成する第5工程と、前記第5工程終了後、少なくとも前記可変抵抗体の露出した側面に接触するように全面に第2電極材料膜を堆積した後、加工することで前記第2電極を形成する第6工程と、を有することを第1の特徴とする。 A variable resistance element manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is the method for manufacturing a variable resistance element according to any one of the first to seventh aspects, wherein the first electrode is formed on a substrate. A first step of depositing and processing a first electrode material film as a material, and after completion of the first step, depositing a first insulating material film as a material of the first interlayer insulating film on the entire surface, A second step of opening the predetermined region of the first insulating material film deposited on the electrode material film until a part of the first electrode material film is exposed to form the first interlayer insulating film; After completion of the second step, the exposed first electrode material film is oxidized from above the opening region, and oxidation is performed at least in the direction perpendicular to the substrate by the thickness of the first electrode. And a third step of forming the variable resistor film and the first electrode, and after the completion of the third step A second insulating material film is deposited in a sidewall shape on a part of the variable resistor film along the side wall of the first interlayer insulating film in the opening region where the variable resistor film is formed on the bottom surface. Then, after the fourth step of forming the second interlayer insulating film and after the completion of the fourth step, an anisotropic etching process is performed on the variable resistor film using the second interlayer insulating film as a mask, A fifth step of forming the variable resistor with the side surface exposed under the interlayer insulating film; and after the fifth step, a second electrode material film is formed on the entire surface so as to be in contact with at least the exposed side surface of the variable resistor. A first feature is to have a sixth step of forming the second electrode by processing after being deposited.
本発明に係る可変抵抗素子の製造方法の上記第1の特徴によれば、第3工程において、露出された第1電極材料膜を上方から酸化することで可変抵抗体膜が形成され、第5工程において、サイドウォール状の第2層間絶縁膜の下層に形成された可変抵抗体膜を残して可変抵抗体膜を除去することで可変抵抗体が形成される。このとき、開口領域が環状または矩形環状(以下、本特徴に係る説明内において単に「環状」と記載)であればその外周部に、また開口領域が基板面に平行な一の延伸方向に十分長く(例えば基板の向かい合う両辺間に)構成される場合には、その延伸方向に形成される対向する両側面に、可変抵抗体が形成され、開口領域の中央部に堆積されていた可変抵抗体膜が第5工程で除去される。そして、この開口領域の外周部あるいは対向両側面に形成される可変抵抗体の一方の側面(環状に形成される場合はその外側面)は第1電極と接触し、他方の側面(環状に形成される場合はその内側面)が露出された状態となる。その後、第6工程で第2電極材料膜が堆積されることで、前記他方の側面が第2電極と接触する可変抵抗体が形成される。 According to the first feature of the method of manufacturing a variable resistance element according to the present invention, in the third step, the exposed first electrode material film is oxidized from above to form a variable resistor film. In the step, the variable resistor is formed by removing the variable resistor film while leaving the variable resistor film formed below the sidewall-like second interlayer insulating film. At this time, if the opening region is circular or rectangular (hereinafter simply referred to as “annular” in the description of this feature), the opening region is sufficient in the outer peripheral portion and in one extending direction parallel to the substrate surface. When configured to be long (for example, between opposite sides of the substrate), the variable resistor is formed on the opposite side surfaces formed in the extending direction and deposited in the center of the opening region. The film is removed in the fifth step. Then, one side surface of the variable resistor formed on the outer peripheral portion of the opening region or on the opposite side surfaces (the outer surface when it is formed in an annular shape) is in contact with the first electrode and the other side surface (formed in an annular shape). When it is done, its inner surface) is exposed. Thereafter, a second electrode material film is deposited in the sixth step, thereby forming a variable resistor whose other side surface is in contact with the second electrode.
すなわち、本方法によれば、外側面で第1電極と、内側面で第2電極とそれぞれ接触する環状の可変抵抗体、あるいは、一方の側面で第1電極と、他方の側面で第2電極とそれぞれ接触しつつ、両電極との接触面の法線方向とは異なる一の方向に延伸する長方体状の可変抵抗体が形成される。従って、従来のクロスポイント型可変抵抗素子と比較して、電気的に寄与する領域の面積を縮小化することができる。 That is, according to the present method, the annular variable resistor is in contact with the first electrode on the outer surface and the second electrode on the inner surface, or the first electrode on one side and the second electrode on the other side. A rectangular variable resistor extending in one direction different from the normal direction of the contact surface with both electrodes is formed. Accordingly, the area of the electrically contributing region can be reduced as compared with the conventional cross-point variable resistance element.
また、本発明に係る方法によれば、可変抵抗体は、第5工程に係るエッチング処理によって形成されるところ、その可変抵抗体の大きさはエッチング処理時におけるマスクとなる第2層間絶縁膜の膜厚に依存する。可変抵抗体の大きさとは、可変抵抗体が環状に形成される場合には、その可変抵抗体の内径と外径の差分値に相当し、長方体状に形成される場合には、可変抵抗体が構成する面のうち、第1電極と接触する一の側面と、第2電極と接触する他の側面との間の距離に相当する。前者の場合には、可変抵抗体の大きさを調整することで、可変抵抗体そのものの抵抗値、並びに内側面で接触する第2電極との接触面積を調整することができる。また、後者の場合には、可変抵抗体の大きさを調整することで、可変抵抗体そのものの抵抗値を調整することができる。ここで、可変抵抗体の大きさは、第5工程に係るエッチング処理時におけるマスクとなる第2層間絶縁膜の膜厚に依存するため、第4工程において、サイドウォール状に堆積する第2層間絶縁膜の膜厚を適宜調整することにより、可変抵抗体の大きさを調整することができる。すなわち、第2層間絶縁膜の膜厚を調整することで、可変抵抗体の抵抗値や電極との接触面積を調整することが可能となる。 According to the method of the present invention, the variable resistor is formed by the etching process according to the fifth step, and the size of the variable resistor is that of the second interlayer insulating film serving as a mask during the etching process. Depends on film thickness. The size of the variable resistor corresponds to a difference value between the inner diameter and the outer diameter of the variable resistor when the variable resistor is formed in an annular shape, and is variable when formed in a rectangular shape. This corresponds to the distance between one side surface in contact with the first electrode and the other side surface in contact with the second electrode among the surfaces formed by the resistor. In the former case, by adjusting the size of the variable resistor, it is possible to adjust the resistance value of the variable resistor itself and the contact area with the second electrode in contact with the inner surface. In the latter case, the resistance value of the variable resistor itself can be adjusted by adjusting the size of the variable resistor. Here, since the size of the variable resistor depends on the film thickness of the second interlayer insulating film serving as a mask at the time of the etching process according to the fifth process, the second interlayer deposited in a sidewall shape in the fourth process. By appropriately adjusting the thickness of the insulating film, the size of the variable resistor can be adjusted. That is, by adjusting the film thickness of the second interlayer insulating film, the resistance value of the variable resistor and the contact area with the electrode can be adjusted.
従来のクロスポイント型の構成であれば、第1電極並びに第2電極と可変抵抗体との接触面積は、最小加工寸法に依存し、最小加工寸法によって決定される接触面積よりも大きい範囲でのみ調整が可能な構成であった。すなわち、製造される可変抵抗素子は、最小加工寸法で決定される最小の接触面積で構成されている場合が最も抵抗値の大きい状態であり、抵抗値を小さくする方向には調整が可能である反面、前記抵抗値よりも大きくする方向に調整することは事実上不可能であった。 In the case of a conventional cross-point configuration, the contact area between the first electrode and the second electrode and the variable resistor depends on the minimum processing dimension, and only in a range larger than the contact area determined by the minimum processing dimension. The configuration can be adjusted. That is, the variable resistance element to be manufactured is in a state where the resistance value is the largest when it is configured with the minimum contact area determined by the minimum processing dimension, and can be adjusted in the direction of decreasing the resistance value. On the other hand, it was practically impossible to adjust in the direction of increasing the resistance value.
しかし、本発明によれば、両電極と可変抵抗体との接触面積を、最小加工寸法で決定されるクロスポイント領域の面積よりも大幅に縮小させることができ、かつ、第2層間絶縁膜の膜厚を調整することで、従来の可変抵抗素子によって実現されていた最大抵抗値よりもさらに大きい抵抗値の範囲内で、可変抵抗素子の抵抗値の調整を行うことができる。すなわち、従来より大きい抵抗値の範囲内で所望の抵抗値を実現する可変抵抗素子の製造が可能となる。これにより、かかる方法で製造された可変抵抗素子を複数備えることで、消費電流が抑制され、かつ書込不能状態が起こりにくい安定した不揮発性半導体記憶装置が実現される。 However, according to the present invention, the contact area between the two electrodes and the variable resistor can be significantly reduced as compared with the area of the cross-point region determined by the minimum processing dimension, and the second interlayer insulating film By adjusting the film thickness, the resistance value of the variable resistance element can be adjusted within the range of the resistance value that is larger than the maximum resistance value realized by the conventional variable resistance element. That is, it becomes possible to manufacture a variable resistance element that achieves a desired resistance value within a range of resistance values larger than that of the conventional one. As a result, by providing a plurality of variable resistance elements manufactured by such a method, a stable nonvolatile semiconductor memory device in which current consumption is suppressed and a non-writable state hardly occurs is realized.
また、本発明に係る可変抵抗素子の製造方法は、上記第1の特徴に加えて、前記第1工程が、前記第1電極材料膜を所定の延伸方向にパターニングする工程を有し、前記第2工程が、前記第1工程において形成される前記第1電極材料膜の端縁部の上部領域を除く所定領域において、前記第1絶縁材料膜を円形状または矩形状に開口する工程であり、前記第4工程が、開口領域の内側壁に前記第2層間絶縁膜を環状または矩形環状に形成する工程であり、前記第5工程が、開口領域の下部領域に係る内側壁に前記可変抵抗体を環状または矩形環状に形成する工程であることを第2の特徴とする。 In the variable resistance element manufacturing method according to the present invention, in addition to the first feature, the first step includes a step of patterning the first electrode material film in a predetermined stretching direction. Two steps are steps of opening the first insulating material film in a circular shape or a rectangular shape in a predetermined region excluding an upper region of an edge portion of the first electrode material film formed in the first step, The fourth step is a step of forming the second interlayer insulating film in a ring shape or a rectangular ring shape on the inner side wall of the opening region, and the fifth step is a step of forming the variable resistor on the inner side wall of the lower region of the opening region. The second feature is that the step is formed in a ring shape or a rectangular shape.
本発明に係る可変抵抗素子の製造方法の上記第2の特徴によれば、可変抵抗体が環状または矩形環状に形成されるため、前記のとおり、第2層間絶縁膜の膜厚を調整することで第2電極との接触面積を調整することができる。従って、従来の可変抵抗素子では実現できなかった大きさの抵抗値の範囲内で、可変抵抗素子の抵抗値を柔軟に調整することができる。 According to the second feature of the method of manufacturing a variable resistance element according to the present invention, since the variable resistor is formed in an annular shape or a rectangular shape, the film thickness of the second interlayer insulating film is adjusted as described above. The contact area with the second electrode can be adjusted. Therefore, the resistance value of the variable resistance element can be flexibly adjusted within the range of the resistance value that cannot be realized by the conventional variable resistance element.
また、本発明に係る可変抵抗素子は、上記第1の特徴に加えて、前記第1工程が、前記第1電極材料膜を所定の延伸方向にパターニングする工程を有し、前記第2工程が、前記第1絶縁材料膜の所定領域において、前記第1電極材料膜の延伸方向に垂直な二辺の両端を結ぶように、前記延伸方向に平行な方向に一または複数の空隙を形成する工程であり、前記第4工程が、延伸形成された空隙内の内側壁に、前記延伸方向に延伸する前記第2層間絶縁膜を形成する工程であり、前記第5工程が、前記空隙内の下部領域に係る内側壁に、前記延伸方向に延伸する前記可変抵抗体を形成する工程であることを第3の特徴とする。 In the variable resistance element according to the present invention, in addition to the first feature, the first step includes a step of patterning the first electrode material film in a predetermined extending direction, and the second step includes Forming one or a plurality of voids in a direction parallel to the stretching direction so as to connect both ends of two sides perpendicular to the stretching direction of the first electrode material film in a predetermined region of the first insulating material film. The fourth step is a step of forming the second interlayer insulating film extending in the extending direction on the inner wall in the extended gap, and the fifth step is a lower portion in the gap. A third feature is a step of forming the variable resistor extending in the extending direction on the inner wall of the region.
本発明に係る可変抵抗素子の製造方法の上記第3の特徴によれば、空隙内の内側壁に可変抵抗体が形成される。そして、この可変抵抗体が、一の側面において第1電極と、他の側面において第2電極とそれぞれ接触する。かかる構成の場合、前記のとおり、第2層間絶縁膜の膜厚を調整することにより、可変抵抗体そのものの大きさを調整することができるため、従来の可変抵抗素子よりも大きい抵抗値の範囲内で、抵抗値を柔軟に調整することが可能となる。 According to the third feature of the method of manufacturing a variable resistance element according to the present invention, the variable resistor is formed on the inner wall in the gap. The variable resistor is in contact with the first electrode on one side and the second electrode on the other side. In the case of such a configuration, as described above, the size of the variable resistor itself can be adjusted by adjusting the film thickness of the second interlayer insulating film, so that the resistance value range is larger than that of the conventional variable resistance element. The resistance value can be flexibly adjusted.
さらに、本方法の場合、パターニングされた第1電極の側面で第1電極と可変抵抗体が接触することとなる。すなわち、製造後の第1電極には可変抵抗体形成のための開口領域を形成する必要がないため、第1工程に係るパターニング処理時においては、最小加工寸法で規定されるパターニング幅で第1電極材料膜をパターニングすることができる。従って、第1電極上に可変抵抗体形成のための開口領域を形成する必要のある第2の特徴に係る製造方法と比較して、さらに集積度を高めることができるという効果を有する。 Further, in the case of this method, the first electrode and the variable resistor come into contact with the side surface of the patterned first electrode. That is, since it is not necessary to form an opening region for forming the variable resistor in the manufactured first electrode, the first patterning width defined by the minimum processing dimension is used in the patterning process according to the first step. The electrode material film can be patterned. Therefore, compared with the manufacturing method according to the second feature in which the opening region for forming the variable resistor is required to be formed on the first electrode, there is an effect that the degree of integration can be further increased.
また、本発明に係る可変抵抗素子の製造方法は、上記第1〜第3のいずれか一の特徴に加えて、前記第2工程が、前記第1絶縁材料膜を堆積し、前記第1電極材料膜の一部が露出するまで所定領域を開口した後、当該開口領域において前記第1絶縁材料膜の側壁に沿って第3絶縁材料膜をサイドウォール状に堆積することで、前記第1及び第3絶縁材料膜からなる前記第1層間絶縁膜を形成する工程であることを第4の特徴とする。 In the variable resistance element manufacturing method according to the present invention, in addition to any one of the first to third features, the second step includes depositing the first insulating material film, and the first electrode. After opening a predetermined region until a part of the material film is exposed, a third insulating material film is deposited in a sidewall shape along the side wall of the first insulating material film in the opening region. A fourth feature is a step of forming the first interlayer insulating film made of the third insulating material film.
本発明に係る可変抵抗素子の上記第4の特徴によれば、第3工程の可変抵抗体膜形成工程に係る酸化処理前において、開口領域内に露出されている第1電極材料膜の露出面積をさらに縮小化することができる。すなわち、上記第1〜第3の特徴に係る可変抵抗素子の製造方法と比較して、可変抵抗体の大きさをさらに縮小化することができ、これによって可変抵抗素子の抵抗値をさらに大きくすることが可能となる。 According to the fourth feature of the variable resistance element according to the present invention, the exposed area of the first electrode material film exposed in the opening region before the oxidation process according to the variable resistor film forming step of the third step. Can be further reduced. That is, as compared with the variable resistance element manufacturing method according to the first to third features, the size of the variable resistor can be further reduced, thereby further increasing the resistance value of the variable resistance element. It becomes possible.
特に、可変抵抗体が環状に形成される場合、第2層間絶縁膜の膜厚のみならず第1層間絶縁膜の膜厚(第3絶縁材料膜の膜厚)によっても可変抵抗体と第1並びに第2電極との接触面積を調整することが可能となる。第1〜第3の特徴に係る製造方法の場合であっても、第2層間絶縁膜の膜厚を大きく設定することにより、環状に形成される可変抵抗体の内径を短くすることは可能であるが、可変抵抗体の外径は第2工程に係る開口領域形成工程によって決定されるため、開口領域形成時に係る開口領域の大きさを調整することによる他は、可変抵抗体の外径を短くすることはできない。しかしながら、本方法によれば、第3絶縁材料膜を堆積する堆積膜厚を調整することにより、可変抵抗体の外径についても短くすることができるため、可変抵抗体と第1電極との接触面積を適宜調整可能であり、これによって、従来構成よりも大きい抵抗値を実現しつつ、上記第1〜第3の各方法よりもさらに柔軟な抵抗値の調整が可能となる。 In particular, when the variable resistor is formed in an annular shape, not only the thickness of the second interlayer insulating film but also the thickness of the first interlayer insulating film (thickness of the third insulating material film) and the first In addition, the contact area with the second electrode can be adjusted. Even in the case of the manufacturing method according to the first to third characteristics, it is possible to shorten the inner diameter of the annular variable resistor by setting the film thickness of the second interlayer insulating film large. However, since the outer diameter of the variable resistor is determined by the opening region forming step according to the second step, the outer diameter of the variable resistor is determined by adjusting the size of the opening region when forming the opening region. It cannot be shortened. However, according to this method, the outer diameter of the variable resistor can be shortened by adjusting the deposited film thickness for depositing the third insulating material film, so that the contact between the variable resistor and the first electrode can be reduced. The area can be adjusted as appropriate, which makes it possible to adjust the resistance value more flexibly than the first to third methods while realizing a resistance value larger than that of the conventional configuration.
本発明の構成によれば、可変抵抗体の電気的に寄与する領域の面積の縮小化を可能とする可変抵抗素子が実現される。また、かかる可変抵抗素子により、従来構成の可変抵抗素子よりも、消費電流が抑制され、かつ書き込み不能状態の起こりにくい安定したスイッチング動作が可能なメモリ素子を実現することができる。 According to the configuration of the present invention, a variable resistance element that can reduce the area of the electrically contributing region of the variable resistor is realized. In addition, with such a variable resistance element, it is possible to realize a memory element capable of performing a stable switching operation in which current consumption is suppressed and a write-impossible state is unlikely to occur compared to a variable resistance element having a conventional configuration.
以下において、本発明に係る可変抵抗素子(以下、適宜「本発明素子」と称する)、及びその製造方法(以下、適宜「本発明方法」と称する)の各実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, each embodiment of a variable resistance element according to the present invention (hereinafter referred to as “the present invention element” as appropriate) and a manufacturing method thereof (hereinafter referred to as “the present invention method” as appropriate) will be described with reference to the drawings. To do.
[第1実施形態]
本発明素子及び本発明方法の第1実施形態(以下、適宜「本実施形態」と称する)について、以下の図1〜図6の各図を参照して説明する。なお、上述した図14〜図16の各図と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明する。
[First Embodiment]
A first embodiment (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate) of the element of the present invention and the method of the present invention will be described with reference to the following FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated about the same component as each figure of FIGS. 14-16 mentioned above.
図1は、本実施形態に係る本発明素子の構造を示した概略断面構造図である。図1に示すように、本発明素子1は、下地絶縁膜16が形成された半導体基板10上に、第1電極11、第2電極12、可変抵抗体13、第1層間絶縁膜14、第2層間絶縁膜15、保護絶縁膜17、を備えて構成される。なお、図1を含む各概略構成図は、あくまで模式的に図示されたものであり、実際の構造の寸法の縮尺と図面の縮尺とは必ずしも一致するものではない。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of the element of the present invention according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
第1電極11は、下地絶縁膜16上に形成されており、一部領域において、基板面と垂直な方向(以下、適宜「第1方向」と称する)に環状の開口部(以下、適宜「第1開口部」と称する)が形成されている。そして、第1電極11上には第1層間絶縁膜14が形成されている。この第1層間絶縁膜14は、第1開口部上において、前記第1方向に環状の開口部(以下、適宜「第2開口部」と称する)を有する。すなわち、第1電極11と第1層間絶縁膜14は、一部領域に開口部を有する積層構造(以下、「積層構造30」と称する)を形成する。
The
可変抵抗体13は、下地絶縁膜16上において、前記第1開口部の内壁面に外側面が接する環状に形成されている。そして、この可変抵抗体13上には、前記第2開口部の内壁面に外側面が接するように第2層間絶縁膜15が環状に形成されている。この第2層間絶縁膜15は、第2開口部内側において、第1層間絶縁膜14の側壁にサイドウォール状に形成される。なお、図1に示すように、可変抵抗体13の上面位置が第1電極11の上面位置よりも基板面側に形成される場合には、第2層間絶縁膜15の一部が第1電極11の内壁面とも接するように形成される。
The
また、第1層間絶縁膜14の上面、第2層間絶縁膜の内側面(開口部側の側面)、及び可変抵抗体13の内側面(開口部側の側面)と接するように第2電極12が形成されている。なお、第2電極12は、積層構造30が形成する開口部を完全には充填せず、上面に開口領域を有して形成されている。そして、この第2電極12の上面には保護絶縁膜17が形成されている。この保護絶縁膜17によって、前記積層構造30の内側に形成されていた開口部は完全に充填される。
The
このように構成されるとき、可変抵抗体13は、積層構造30が形成する開口部側(内側)の側面において第2電極12と接触し(図1内の13b)、開口部と反対側(外側)の側面において第1電極11と接触する(図1内の13a)。言い換えれば、図14に示される従来構成と同様、本発明素子1においても、第1電極11と第2電極12の間に可変抵抗体13が狭持される構成を実現していることとなる。しかし、後述するように、図1に示されるような構成とすることで、従来の可変抵抗素子90と比べて可変抵抗体13の電気的に寄与する領域の面積(以下、適宜「寄与面積」と略記する)を大幅に縮小することができる。
When configured in this way, the
図1に示すように、第2電極12は、その一部において第1電極11上に形成されている層間絶縁膜14の上層に形成されているため、本発明素子1を1R型のメモリセルに適用した場合、そのメモリセルアレイの平面模式図は便宜的に図2のように示すことができる。すなわち、第1電極11を構成する電極配線が、同一方向に複数延伸して形成され、この第1電極11の上部領域において、第2電極12を構成する別の電極配線が、第1電極11とは異なる方向に複数延伸して形成される。
As shown in FIG. 1, since the
以下において、まず本発明素子1の製造方法について説明を行った後、従来の可変抵抗素子90と本発明素子1との寄与面積の比較を行う。なお、製造方法の説明を行うに際し、第1電極11を構成する電極配線に沿って(図2におけるX1−X2線に沿って)切断した概略断面構造図と、第2電極12を構成する電極配線に沿って(図2におけるY1−Y2線に沿って)切断した概略断面構造図を、それぞれ各工程毎に図示して説明を行う。
In the following, after first describing the manufacturing method of the
図3及び図4は、本発明方法を用いて本発明素子1を製造する際の各工程における概略断面構造図を模式的に示したものであり、工程毎に図3(a)〜(d)、及び図4(a)〜(c)に分けて図示している(紙面の都合上2図面に分かれている)。また、図5は本発明方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップ(ステップ#1〜#10)は図5に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。
3 and 4 schematically show a schematic cross-sectional structure diagram in each process when the
まず、図3(a)に示すように、半導体基板10上に、下地絶縁膜16を堆積した後(ステップ#1)、第1電極11の材料となる電極材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第1電極材料膜11」と記載)を堆積し、X1−X2方向と平行に複数延伸する形状に加工する(ステップ#2)。ステップ#2において、堆積方法としては、一例として、TiN(窒化チタン)膜をスパッタリング法により膜厚50nm程度堆積する。また、加工方法としては、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により加工する。
First, as shown in FIG. 3A, after depositing a
次に、図3(b)に示すように、第1層間絶縁膜14の材料となる絶縁材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第1絶縁材料膜14」と記載)を堆積後(ステップ#3)、第1電極材料膜11上の一部領域において、上面に第1電極材料膜11が露出するように開口部21を形成する(ステップ#4)。ステップ#3において、堆積方法としては、一例としてSiO2(酸化シリコン)膜をCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により膜厚300nm程度堆積する。また、開口部21は、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により行われ、一例として直径400nm程度の円筒形状に形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, after depositing an insulating material film (hereinafter referred to as “first insulating
次に、図3(c)に示すように、酸素を含む250℃〜450℃程度の雰囲気下で熱酸化することにより、開口部21の底面に形成されている第1電極材料膜11に対して熱酸化処理を行い、可変抵抗体膜(以下、混同を生じない範囲で「可変抵抗体膜13」と記載)を形成する(ステップ#5)。上述したように、第1電極材料膜11としてTiN膜を成膜した場合には、本ステップ#5によって、TiON(酸窒化チタン)膜が形成されることとなる。
Next, as shown in FIG. 3C, the first
なお、本ステップ#5において、開口部21の底面に形成されている第1電極材料膜11に対し、少なくとも基板10の基板面に垂直な方向に当該第1電極材料膜11の膜厚分(図3(b)中のd1に相当)の酸化を行うものとする。すなわち、当該ステップ#5によって、開口部21の底面には未酸化の第1電極材料膜11が存在せず、当該領域には可変抵抗体膜13が形成されているものとする。これにより、開口部21の外側の第1層間絶縁膜14下層には、第1電極11が形成されることとなる。なお、図3(c)では、開口部21の外側領域に形成されている第1電極材料膜11に対しては酸化処理が全く進行していないように図示しているが、当該領域の一部の電極材料膜11に対して酸化処理が進行しているとしても完成後の本発明素子1の機能に対して影響を与えるものではない。
In
次に、図3(d)に示すように、第2層間絶縁膜15の材料となる絶縁材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第2絶縁材料膜15」と記載)を全面に堆積後、エッチバックを行うことで、可変抵抗体膜13上の開口部21の内側面にサイドウォール状に第2層間絶縁膜15を形成する(ステップ#6)。本ステップ#6によって、第2層間絶縁膜15は、開口部21の内側面において可変抵抗体膜13上に環状に形成され、開口部21とは反対側の外側面において、第1層間絶縁膜14並びに第1電極11と接触する構成となる。
Next, as shown in FIG. 3D, an insulating material film (hereinafter referred to as “second insulating
なお、本ステップ#6の一例としては、SiO2膜をCVD法により膜厚170nm程度全面に堆積後、全面にエッチバックを施すことで開口部21の内側面に膜厚10nm程度残存させて第2層間絶縁膜15を形成することができる。本ステップ#6終了後においても、第2層間絶縁膜15の内側において一部の可変抵抗体膜13が露出されている。
As an example of this
次に、図4(a)に示すように、第2層間絶縁膜15をマスクとして、露出されている可変抵抗体膜13に対してエッチングを行い、第2層間絶縁膜15よりも開口部内側に形成されている可変抵抗体膜13を除去する(ステップ#7)。本ステップにより、第2層間絶縁膜15下層において、開口部の外側において第1電極11と接触し、内側が露出された状態の可変抵抗体13が形成される。
Next, as shown in FIG. 4A, the exposed
なお、本ステップ#7では、少なくとも可変抵抗体13の内側の面が露出するようにエッチングを行うものとする。すなわち、図4(a)に示すように、本ステップ#7によって形成される開口部22は、底面に下地絶縁膜16が形成され、その内側面において、環状の可変抵抗体13と、その上層に環状かつサイドウォール状の第2層間絶縁膜15が形成されるとともに、開口部の内側面の最下層位置において、可変抵抗体13下層に形成される下地絶縁膜16の一部が露出する。
In
次に、図4(b)に示すように、全面に第2電極12の材料となる電極材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第2電極材料膜12」と記載)を全面に堆積する(ステップ#8)。本ステップの堆積方法としては、一例として、TiN膜をスパッタリング法により膜厚150nm程度堆積する。これにより、サイドウォール状に形成されている第2層間絶縁膜15上には20nm程度の膜厚で形成される。本ステップによって、第1層間絶縁膜14の上面、第2層間絶縁膜15の開口部22側の側面(内側面)、可変抵抗体13の開口部22側の側面(内側面)にそれぞれ接するように第2電極材料膜15が堆積される。
Next, as shown in FIG. 4B, an electrode material film (hereinafter referred to as “second
次に、図4(c)に示すように、第1電極11とは異なる方向(Y1−Y2方向)に複数延伸する形状に第2電極材料膜12に対して加工して第2電極12を形成した後(ステップ#9)、全面に保護絶縁膜17を堆積する(ステップ#10)。第2電極材料膜12の加工方法としては、ステップ#2に係る第1電極材料膜の場合と同様、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により行う。また、ステップ#10に係る保護絶縁膜17の堆積方法としては、一例としてSiO2膜をCVD法により膜厚500nm程度堆積する。
Next, as shown in FIG. 4 (c), the second
ステップ#10終了後は、公知のコンタクトプラグ形成工程によって、第1電極11並びに第2電極12に対する電気的コンタクトを行うためのコンタクトプラグを保護絶縁膜17の所定領域に形成した後、公知の配線工程によって保護絶縁膜17上に配線層を形成する。多層配線の場合は、このプラグ形成工程及び配線工程を適宜複数回実行する。なお、図1に示される断面構造図は、このステップ#10終了後におけるX1−X2断面構造図の一部を示したものである。
After
本実施形態の構成によれば、可変抵抗体13は、サイドウォール状の第2層間絶縁膜15下層に形成され、開口部から見て外側領域において第1電極11と、内側領域において第2電極12とそれぞれ接触する構成となる。すなわち、可変抵抗体13と両電極との接触面積は、上層に形成される第2層間絶縁膜15の膜厚によって調整することができる。上述の方法によれば、第2層間絶縁膜15は自己整合的なプロセスで形成されるため、ステップ#6において第2絶縁材料膜15を堆積する際の堆積膜厚、並びにエッチバック時に残存させる膜厚を調整することで、第2層間絶縁膜15の膜厚を調整することができ、これによって可変抵抗体13と、第1電極11並びに第2電極12との接触面積の調整を行うことができる。
According to the configuration of the present embodiment, the
このように形成される本発明素子1は、可変抵抗体13と両電極との接触面積を従来構成よりも縮小することができる。この点につき、図6を参照して説明する。
The
図6は、本発明素子1と従来の可変抵抗素子90との前記寄与面積を比較した概念図である。図6(a)には従来の可変抵抗素子90の場合が、図6(b)には本発明素子1の場合がそれぞれ示されている。なお、以下では、便宜上従来の可変抵抗素子90においても、図2と同様に、第1電極11がX1−X2方向、第2電極12がY1−Y2方向にそれぞれ延伸する構成であるとして説明する。
FIG. 6 is a conceptual diagram comparing the contribution areas of the
図16を参照して上述したように、従来の可変抵抗素子90の場合、可変抵抗体13は第1電極11と第2電極12のクロスポイント領域に形成されることとなる。図6(a)においても、このことが図示されている。すなわち、下層においてX1−X2方向に延伸形成される第1電極11と、上層においてY1−Y2方向に延伸形成される第2電極12とが交差する領域に可変抵抗体13が形成されるため、前記寄与面積はこの交差面積に相当する。すなわち、両電極11及び12を最小加工寸法Fで形成した場合、寄与面積はF2で記載される。
As described above with reference to FIG. 16, in the case of the conventional
一方、本発明素子1の場合、図1に示されるように、可変抵抗体13は、第1電極11と第2電極12とが交差する領域内において、第1電極11上に形成される環状の開口部の内側壁に所定の膜厚で堆積した第2層間絶縁膜15の下層に環状に形成される。そして、この環状の可変抵抗体13において、図6(b)に示すように、開口部の外側で下層の第1電極11と接触し、内側で上層の第2電極12と接触する。すなわち、可変抵抗体13と第1電極11との接触面積は、環状に形成される可変抵抗体13において外側部分の側面積に相当し、一方、第2電極12との接触面積は、可変抵抗体13の内側部分の側面積に相当する。すなわち、本発明素子1によれば、図6(a)に示される従来の可変抵抗素子90と比較して、寄与面積を大きく縮小することができる。さらに、可変抵抗体13と第1電極11並びに第2電極12との接触面積は、上記のとおり、第2層間絶縁膜15の膜厚によって調整可能であり、ステップ#6に係る第2絶縁材料膜15堆積時の堆積膜厚、並びにエッチバック時に残存させる膜厚を調整することにより、適宜縮小させることが可能である。
On the other hand, in the case of the
本発明素子1によれば、従来の可変抵抗素子90と比較して、寄与面積を縮小化させることができる。このため、本発明素子1を用いて、図15に示すような不揮発性半導体記憶装置を構成することで、非選択メモリセルを流れる寄生電流を小さくすることができ、消費電流が抑制されるとともに、書込不能状態が起こりにくい安定したスイッチング動作が可能な不揮発性半導体記憶装置が実現できる。
According to the
[第2実施形態]
本発明素子及び本発明方法の第2実施形態(以下、適宜「本実施形態」と称する)について、以下の図7〜図11の各図を参照して説明する。なお、第1実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化する。
[Second Embodiment]
A second embodiment (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate) of the element of the present invention and the method of the present invention will be described with reference to the following FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component same as 1st Embodiment, and the description is simplified.
図7は、本実施形態に係る本発明素子の構造を示した概略断面構造図である。図7に示すように、本発明素子1aは、第1実施形態に係る本発明素子1と同様、下地絶縁膜16が形成された半導体基板10上に、第1電極11、第2電極12、可変抵抗体13、第1層間絶縁膜14、第2層間絶縁膜15、保護絶縁膜17、を備えて構成される。
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the structure of the element of the present invention according to this embodiment. As shown in FIG. 7, the
そして、本発明素子1aは、第1実施形態の本発明素子1と比較して、第1電極11上に形成される第1層間絶縁膜14の一部が、サイドウォール状に形成された部分14bを有する点が異なる。以下では、第1電極11上において、サイドウォール形状を有しない領域の第1層間絶縁膜14を「第1層間絶縁膜14a」と記載し、サイドウォール状に構成される部分を「第1層間絶縁膜14b」と記載する。
In addition, the
すなわち、第1層間絶縁膜14は、環状の開口部を有する第1層間絶縁膜14aと、その開口部の内側壁に環状に形成されるサイドウォール状の第1層間絶縁膜14bで構成される。そして、この第1層間絶縁膜14bの開口部側の内壁面に外側面を接するように第2層間絶縁膜15が環状に形成される。
That is, the first
可変抵抗体13は、第1実施形態の場合と同様、第2層間絶縁膜15の下層において、環状に形成されており、外側面が第1電極11の開口部側の面と接触する。そして、第1層間絶縁膜14の上面、第2層間絶縁膜の内側面(開口部側の側面)、及び可変抵抗体13の内側面(開口部側の側面)と接するように第2電極12が形成されている。
As in the case of the first embodiment, the
このように構成されるとき、可変抵抗体13は、第1実施形態と同様、第1電極11と第1層間絶縁膜14の積層構造30が形成する開口部側(内側)の側面において第2電極12と接触し(図1内の13b)、開口部と反対側(外側)の側面において第1電極11と接触する(図1内の13a)。すなわち、本実施形態に係る可変抵抗素子1aは、第1実施形態の本発明素子1と同様、第1電極11と第2電極12の間に可変抵抗体13が狭持される構成を実現していることとなる。そして、本実施形態の場合、後述するように、従来の可変抵抗素子90と比べて寄与面積を大幅に縮小することができ、さらに第1実施形態の可変抵抗素子1よりも寄与面積を縮小することができる。
When configured in this manner, the
以下において、まず本発明素子1aの製造方法について説明を行った後、従来の可変抵抗素子90と本発明素子1aとの寄与面積の比較を行う。なお、製造方法の説明を行うに際しては、第1実施形態の場合と同様、第1電極11を構成する電極配線に沿って(図2におけるX1−X2線に沿って)切断した概略断面構造図と、第2電極12を構成する電極配線に沿って(図2におけるY1−Y2線に沿って)切断した概略断面構造図を、それぞれ各工程毎に図示して説明を行う。
In the following, the manufacturing method of the
図8及び図9は、本発明方法を用いて本発明素子1を製造する際の各工程における概略断面構造図を模式的に示したものであり、工程毎に図8(a)〜(d)、及び図9(a)〜(c)に分けて図示している(紙面の都合上2図面に分かれている)。また、図10は本発明方法の製造工程をフローチャートにしたものであり、以下の文中の各ステップ(ステップ#11〜#22)は図10に示されるフローチャートの各ステップを表すものとする。また、第1実施形態で説明した工程(ステップ#1〜#10)と重複する工程については、その旨を記載して説明を簡略化する。
8 and 9 schematically show schematic cross-sectional structure diagrams in each process when the
まず、図8(a)に示すように、ステップ#1と同様に、半導体基板10上に下地絶縁膜16を堆積後(ステップ#11)、ステップ#2と同様に、第1電極材料膜11を堆積し、X1−X2方向と平行に複数延伸する形状に加工する(ステップ#12)。
First, as shown in FIG. 8A, after the
次に、図8(b)に示すように、ステップ#3と同様に、第1層間絶縁膜14aの材料となる絶縁材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第1絶縁材料膜14a」と記載)を堆積後(ステップ#13)、ステップ#4と同様に、第1電極材料膜11上の一部領域において、上面に第1電極材料膜11が露出するように開口部21を形成する(ステップ#14)。
Next, as shown in FIG. 8B, as in
次に、図8(c)に示すように、第1層間絶縁膜14bの材料となる絶縁材料膜(以下、混同を生じない範囲で「第3絶縁材料膜14b」と記載)を全面に堆積後(ステップ#15)、エッチバックを行うことで、第1電極材料膜11上の開口部21の内側面にサイドウォール状に第1層間絶縁膜14bを形成する(ステップ#16)。本ステップ#16により、開口部21を有する第1層間絶縁膜14aと、開口部21内に環状かつサイドウォール状に形成される第1層間絶縁膜14bとで構成される第1層間絶縁膜14が形成される。なお、ステップ#15及び#16の一例としては、第3絶縁材料膜14bとしてのSiO2膜をCVD法により膜厚170nm程度全面に堆積後、全面にエッチバックを施すことで開口部21の内側面に膜厚10nm程度残存させて第1層間絶縁膜14bを形成することができる。本ステップにより、開口部の面積が第1層間絶縁膜14bの膜厚分縮小される(開口部21a)。
Next, as shown in FIG. 8C, an insulating material film (hereinafter referred to as “third
次に、図8(d)に示すように、ステップ#5と同様、酸素を含む250℃〜450℃程度の雰囲気下で熱酸化することにより、開口部21aの底面に形成されている第1電極材料膜11に対して熱酸化処理を行い、可変抵抗体膜13を形成する(ステップ#17)。本ステップにおいても、ステップ#5と同様、開口部21aの底面に形成されている第1電極材料膜11に対し、少なくとも基板10の基板面に垂直な方向に当該第1電極材料膜11の膜厚分(図8(c)中のd2に相当)の酸化を行うものとする。これにより、開口部21aの外側の第1層間絶縁膜14a下層には、第1電極11が形成されることとなる。
Next, as shown in FIG. 8D, the first formed on the bottom surface of the
次に、図9(a)に示すように、ステップ#6と同様、第2絶縁材料膜15を全面に堆積後、エッチバックを行うことで、可変抵抗体膜13上の開口部21aの内側面にサイドウォール状に第2層間絶縁膜15を形成する(ステップ#18)。本ステップ#18によって、第2層間絶縁膜15は、開口部21aの内側面において可変抵抗体膜13上に環状に形成され、開口部21とは反対側の外側面において、第1層間絶縁膜14(14b)並びに第1電極11と接触する構成となる。
Next, as shown in FIG. 9A, as in
なお、本ステップ#18の一例としては、SiO2膜をCVD法により膜厚85nm程度全面に堆積後、全面にエッチバックを施すことで開口部21の内側面に膜厚5nm程度残存させて第2層間絶縁膜15を形成することができる。
As an example of this
次に、図9(b)に示すように、ステップ#7と同様、第2層間絶縁膜15をマスクとして、露出されている可変抵抗体膜13に対してエッチングを行い、第2層間絶縁膜15よりも開口部内側に形成されている可変抵抗体膜13を除去する(ステップ#19)。本ステップにより、第2層間絶縁膜15下層において、開口部(開口部22a)の外側において第1電極11と接触し、内側が露出された状態の可変抵抗体13が形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, as in
次に、図9(c)に示すように、ステップ#8と同様、全面に第2電極材料膜12を堆積する(ステップ#20)。本ステップによって、第1層間絶縁膜14の上面、第2層間絶縁膜15の開口部22側の側面(内側面)、可変抵抗体13の開口部22a側の側面(内側面)にそれぞれ接するように第2電極材料膜15が堆積される。
Next, as shown in FIG. 9C, the second
次に、図9(d)に示すように、ステップ#9と同様、第2電極材料膜12に対して加工して第2電極12を形成した後(ステップ#21)、ステップ#10と同様、全面に保護絶縁膜17を堆積する(ステップ#22)。その後は、公知のコンタクトプラグ形成工程、配線工程を行う。なお、図7に示される断面構造図は、このステップ#22終了後におけるX1−X2断面構造図の一部を示したものである。
Next, as shown in FIG. 9D, after the second
本実施形態の構成の場合も、第1実施形態と同様、可変抵抗体13は、サイドウォール状の第2層間絶縁膜15下層に形成され、開口部から見て外側領域において第1電極11と、内側領域において第2電極12とそれぞれ接触する構成となる。すなわち、可変抵抗体13と両電極との接触面積は、上層に形成される第2層間絶縁膜15の膜厚によって調整することができる。
Also in the case of the configuration of the present embodiment, the
このように形成される本発明素子1aは、可変抵抗体13と両電極との接触面積を従来構成よりも縮小することができる。この点につき、図11を参照して説明する。
The
図11は、図6と同様に、本発明素子1aと従来の可変抵抗素子90との前記寄与面積を比較した概念図である。図11(a)には従来の可変抵抗素子90の場合が、図11(b)には本発明素子1aの場合がそれぞれ示されている。
FIG. 11 is a conceptual diagram comparing the contribution areas of the
本発明素子1aの場合、図7に示されるように、可変抵抗体13は、第1電極11と第2電極12とが交差する領域内において、第1電極11上に形成される環状の開口部内において、内側壁に形成される第1層間絶縁膜14bのさらに内側に形成される第2層間絶縁膜15の下層に環状に形成される。そして、図11(b)に示すように、この環状の可変抵抗体13の外側面において、下層に形成される第1電極11と接触し、内側面で上層の第2電極12と接触する。従って、本発明素子1aの場合も、第1実施形態に係る本発明素子1と同様、従来の可変抵抗素子90と比較して、寄与面積を大きく縮小することができる。さらに、可変抵抗体13と第1電極11並びに第2電極12との接触面積は、上記のとおり、第2層間絶縁膜15の膜厚によって調整可能であり、ステップ#18に係る第2絶縁材料膜15堆積時の堆積膜厚、並びにエッチバック時に残存させる膜厚を調整することにより、適宜縮小させることが可能である。
In the case of the
また、本実施形態の場合、ステップ#19に係る可変抵抗体膜13のエッチング直前の段階で露出している可変抵抗体膜の面積を、第1層間絶縁膜14bの膜厚によっても調整することができる。すなわち、ステップ#17に係る熱酸化工程前において、あらかじめ第1層間絶縁膜14bの膜厚を十分に残存させて形成することにより、図8(c)の時点で露出される第1電極材料膜11の面積が縮小化される。これにより、ステップ#17に係る熱酸化工程によって生成される可変抵抗体膜13の基板面方向に係る長さ(厚み)を縮小化することができる。従って、ステップ#19に係るエッチング工程によって形成される環状の可変抵抗体13の、内径(内側面の直径)及び外径(外側面の直径)をそれぞれ短くすることができるため、両電極との接触面積をさらに縮小化することが可能となる。
In the case of this embodiment, the area of the variable resistor film exposed immediately before the etching of the
第1実施形態の場合においても、ステップ#6で形成される第2層間絶縁膜15の膜厚を大きく設定することにより、ステップ#7終了後に環状に形成される可変抵抗体13の内径を短くすることは可能である。しかしながら、可変抵抗体13の外径については短くすることはできないため、可変抵抗体13と第1電極11との接触面積を第2実施形態の場合ほど縮小化することはできない。また、第2電極12と可変抵抗体13との接触面積を縮小化するためには第2層間絶縁膜15の膜厚を大きくする必要があるが、第2層間絶縁膜15の膜厚を大きくした場合、当該第2絶縁膜15下層に形成される可変抵抗体13の基板面方向の長さ(環状に形成される可変抵抗体13の厚み)が大きくなってしまう。すなわち、可変抵抗体13の抵抗値が第2層間絶縁膜15の厚みによって左右されるため、所定の抵抗値を実現するに際しては、第2層間絶縁膜15の膜厚には制約が課されることとなる。従って、かかる制約の下では第2層間絶縁膜15の厚みを一定程度以上大きくすることができない場合も想定され、このような場合には、従来構成よりは寄与面積を縮小化させることはできるものの、さらなる縮小化を図ることができない。
Also in the case of the first embodiment, by setting the film thickness of the second
本実施形態の場合、第1層間絶縁膜14bの膜厚によって環状に形成される可変抵抗体13の外径を調整することができるため、可変抵抗体13の基板面方向の長さ(厚み)に影響を与える第2層間絶縁膜15の膜厚を十分厚くすることなく寄与面積を小さくすることができる。また、製造後の可変抵抗素子1aが備える可変抵抗体13の所望抵抗値に応じて第2層間絶縁膜15の膜厚を調整することができるため、可変抵抗体13の抵抗値の調整と、寄与面積の縮小との両立が可能となる。
In the case of the present embodiment, the outer diameter of the
本発明素子1aによれば、従来の可変抵抗素子90と比較して、寄与面積を縮小化させることができる。このため、本発明素子1aを用いて、図15に示すような不揮発性半導体記憶装置を構成することで、非選択メモリセルを流れる寄生電流を小さくすることができ、消費電流が抑制されるとともに、書込不能状態が起こりにくい安定したスイッチング動作が可能な不揮発性半導体記憶装置が実現できる。
According to the
[別実施形態]
以下、別実施形態につき、説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉 上述の各実施形態では、第1方向に延伸する第1電極11上の所定領域を開口することにより、可変抵抗体13を環状に形成するものとしたが、第1電極11に対して第1方向と同一の方向に空隙部を設けることによっても実現可能である。以下、第1実施形態の場合を例に挙げて説明するが、第2実施形態の場合でも同様に実現可能である。
<1> In each of the embodiments described above, the
図12は、ステップ#2に係る加工処理終了後の平面模式図を、完成後の平面図と比較して図示したものである。図12(a)にステップ#2終了後の平面図を、図12(b)に完成後の平面図(図2と同図)をそれぞれ示している。
FIG. 12 shows a schematic plan view after completion of the processing according to
ステップ#2において、第1電極材料膜11を堆積後、X1−X2方向と平行に複数延伸する形状に加工する。このとき、上述の実施形態では、完成後の第1電極11と同一の幅でパターニング処理を行うのに対し、本実施形態では、隣接する2つの第1電極11の両外側間の長さ(図12内のd3に相当)をパターニング幅としてX1−X2方向に複数延伸する形状に加工する。
In
以下、図13(a)〜(e)の平面図を参照して説明する。なお、X1−X2方向並びにY1−Y2方向に係る各断面構造図は、上記図3及び図4で図示したものと同一の構成となる。なお、図13に示す各平面図では、説明の便宜上、形成されている層間絶縁膜の一部を図示していない。 Hereinafter, description will be made with reference to the plan views of FIGS. Each cross-sectional structure diagram in the X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction has the same configuration as that illustrated in FIGS. In each plan view shown in FIG. 13, a part of the formed interlayer insulating film is not shown for convenience of explanation.
図13(a)は、ステップ#4終了後における平面図である。本ステップ#4によって、第1層間絶縁膜14に対し、幅d3でX1−X2方向に延伸する第1電極材料膜11上の一部領域において、同方向に延伸する空隙部21が形成される。
FIG. 13A is a plan view after
図13(b)は、ステップ#5終了後における平面図である。本ステップ#5によって、空隙部21の底面に露出されていた第1電極材料膜11が酸化されてX1−X2方向に延伸する可変抵抗体膜13が形成される。また、本ステップによって、X1−X2方向に複数延伸する第1電極11が形成される。
FIG. 13B is a plan view after
図13(c)は、ステップ#6終了後における平面図である。本ステップ#6によって、X1−X2方向に延伸する第2層間絶縁膜15が可変抵抗体膜13上の空隙部21内壁部分にサイドウォール状に形成される。
FIG. 13C is a plan view after
図13(d)は、ステップ#7終了後における平面図である。本ステップ#7によって、第2層間絶縁膜15の下層にある可変抵抗体膜13以外はエッチング除去され、第2層間絶縁膜15の内側には下地絶縁膜16がX1−X2方向に延伸するように露出される。また、隣接する第2層間絶縁膜15下層に形成される2つの可変抵抗体膜13が、それぞれの対向面を露出させる。
FIG. 13D is a plan view after
図13(e)は、ステップ#9終了後における平面図である。図13(d)において露出された対向する可変抵抗体膜13膜の露出面と、Y1−Y2方向に延伸する第2電極12とが接触する構成である。すなわち、第2層間絶縁膜15の下層位置に形成される可変抵抗体膜13は、一方の側面が第2電極12と、他方の側面が第1電極11とそれぞれ接触する構成となる。かかる工程を経て製造された可変抵抗素子は、図1と同様の断面構造を有する。すなわち、このような工程によって製造された可変抵抗素子においても、第1実施形態と同様、寄与面積の縮小化を図ることができる。特に、本工程によることで、第1実施形態の場合と比較して、第1電極材料膜11上に開口部を形成する必要がないため、第1電極11の幅(延伸方向に直交する方向の長さ)を最小加工寸法で形成することができ、集積度を高めることができるという効果を有する。
FIG. 13E is a plan view after
〈2〉 上記〈1〉に係る別実施形態では、ステップ#1において隣接する2つの第1電極11の両外側間の長さd3をパターニング幅としてX1−X2方向に複数延伸する形状に加工するものとしたが、ステップ#1において加工処理を行わず、ステップ#4において、隣接する第1電極11間に空隙部21を形成する方法によることもできる。この場合、パターニング工程を一工程省略することができるため、工程数を削減できるという効果を有する。
<2> In another embodiment according to the above <1>, in
また、上記〈1〉に記載の方法の場合、Y1側側面において可変抵抗体13と接触する第1電極11と、Y2側側面において可変抵抗体13と接触する第1電極11とがそれぞれ交互に形成される構成となる。このため、隣接する第1電極11間においては、可変抵抗体13と接触する側面位置が異なる状態であるため、接触する可変抵抗体13の形成位置を考慮すれば完全に同一の構成ではない。従って、製造プロセス過程において、Y1−Y2方向に係る対称性が失われると、場合によっては、隣接する第1電極11間で可変抵抗体13の接触面積に差異が生じる可能性がある。
In the method described in <1> above, the
しかし、本工程によれば、各第1電極11は、Y1側及びY2側の両側面において可変抵抗体13と接触する構成であるため、上記〈1〉と比較した場合、接触面積は増加するものの、各第1電極11と可変抵抗体13の接触面積の均一性を確実に担保することができる。なお、本工程によっても、従来構成と比較した場合には、寄与面積(可変抵抗体13の電気的に寄与する領域の面積)を縮小化できることは言うまでもない。
However, according to this process, since each
〈3〉 上述の各実施形態において、開口部(21、21a、22、22a)の内側壁に形成される各層間絶縁膜(14、14b、15)並びに可変抵抗体13の形状を環状と記載したが、開口部の形状が矩形筒上である場合には層間絶縁膜並びに可変抵抗体13の形状も当然に矩形環状となる。すなわち、層間絶縁膜及び可変抵抗体の形状は環状に限定されるものではなく、開口部の形状に応じた形状となり、開口部の形状についても、円筒形状に限定されるものではなく、矩形筒形状やその他の通常の開口工程によって形成される形状で構成されるものとして構わない。
<3> In each of the above-described embodiments, the shape of each interlayer insulating film (14, 14b, 15) and
1、1a: 本発明に係る第1実施形態の可変抵抗素子
10: 半導体基板
11: 第1電極
12: 第2電極
13: 可変抵抗体
14: 第1層間絶縁膜
15: 第2層間絶縁膜
16: 下地絶縁膜
17: 保護絶縁膜
30: 第1電極と第1層間絶縁膜の積層構造
60: メモリセルアレイ
61: ビット線デコーダ
62: ワード線デコーダ
90: 従来の可変抵抗素子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第1電極の前記第1開口部の内壁面に外側面が接する環状の可変抵抗体と、
前記第1電極上に形成された前記第1開口部上において、前記第1方向に貫通する第2開口部を有する第1層間絶縁膜と、
前記第1層間絶縁膜の前記第2開口部の内壁面に外側面が接する前記可変抵抗体上にサイドウォール状に形成された環状の第2層間絶縁膜と、
前記第1層間絶縁膜の上面、前記第2層間絶縁膜の内側面、及び前記可変抵抗体の内側面、と接するように形成された第2電極と、を備えてなり、
前記第1及び第2電極間に電圧印加されることにより前記第1及び第2電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子。 A first electrode having a plate-like shape parallel to the substrate surface and having a first opening penetrating in a first direction perpendicular to the substrate surface;
An annular variable resistor whose outer surface is in contact with the inner wall surface of the first opening of the first electrode;
A first interlayer insulating film having a second opening penetrating in the first direction on the first opening formed on the first electrode;
An annular second interlayer insulating film formed in a sidewall shape on the variable resistor whose outer surface is in contact with the inner wall surface of the second opening of the first interlayer insulating film;
A second electrode formed so as to be in contact with the upper surface of the first interlayer insulating film, the inner surface of the second interlayer insulating film, and the inner surface of the variable resistor;
A variable resistance element in which an electrical resistance between the first and second electrodes changes when a voltage is applied between the first and second electrodes.
前記基板面に垂直な第1方向と平行な前記第1電極の外側面に、一方の側面が接する可変抵抗体と、
前記第1電極上に形成される第1層間絶縁膜と、
前記可変抵抗体上に、前記第1方向と平行な前記第1層間絶縁膜の外壁面に一方の側面を接してサイドウォール状に形成された第2層間絶縁膜と、
前記第1層間絶縁膜の上面、前記第2層間絶縁膜の側面であって当該第2層間絶縁膜を介して前記第1層間絶縁膜の外壁面と対向する他方の側面、及び前記可変抵抗体の前記第1電極と接触していない他方の側面、と接するように形成された第2電極と、を備えてなり、
前記第1及び第2電極間に電圧印加されることにより前記第1及び第2電極間の電気抵抗が変化する可変抵抗素子。 A first electrode formed in a plate shape parallel to the substrate surface;
A variable resistor having one side surface in contact with an outer surface of the first electrode parallel to a first direction perpendicular to the substrate surface;
A first interlayer insulating film formed on the first electrode;
A second interlayer insulating film formed on the variable resistor in a sidewall shape with one side in contact with an outer wall surface of the first interlayer insulating film parallel to the first direction;
The upper surface of the first interlayer insulating film, the side surface of the second interlayer insulating film, the other side surface facing the outer wall surface of the first interlayer insulating film via the second interlayer insulating film, and the variable resistor A second electrode formed in contact with the other side surface not in contact with the first electrode, and
A variable resistance element in which an electrical resistance between the first and second electrodes changes when a voltage is applied between the first and second electrodes.
対向関係にある前記第1電極に対応して、それぞれの前記第1電極に近接形成される前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜、及び前記可変抵抗体がそれぞれ離間して対向し、
前記第2電極が、対向関係にある1組の前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜、及び前記可変抵抗体の全てに接触するように形成されることを特徴とする請求項3に記載の可変抵抗素子。 The two first electrodes extending in the same direction are spaced apart and face each other, and the two first electrodes that are in the facing relationship have one set or a plurality of sets.
The first interlayer insulating film, the second interlayer insulating film, and the variable resistor, which are formed in proximity to the first electrodes, are opposed to each other, corresponding to the first electrodes in an opposing relationship. ,
4. The second electrode is formed so as to be in contact with all of the pair of the first interlayer insulating film, the second interlayer insulating film, and the variable resistor that are in an opposing relationship. The variable resistance element described in 1.
基板上に前記第1電極の材料となる第1電極材料膜を堆積後、加工する第1工程と、
前記第1工程終了後、全面に前記第1層間絶縁膜の材料となる第1絶縁材料膜を堆積し、前記第1電極材料膜上に堆積された前記第1絶縁材料膜の所定領域を前記第1電極材料膜の一部が露出するまで開口して、前記第1層間絶縁膜を形成する第2工程と、
前記第2工程終了後、露出された前記第1電極材料膜に対して、開口領域の上方から酸化処理を行い、少なくとも基板に垂直な方向に前記第1電極の膜厚分の酸化を進行させることで可変抵抗体膜及び前記第1電極を形成する第3工程と、
前記第3工程終了後、底面に前記可変抵抗体膜が形成された開口領域内において、前記第1層間絶縁膜の側壁に沿って前記可変抵抗体膜上の一部に第2絶縁材料膜をサイドウォール状に堆積することで前記第2層間絶縁膜を形成する第4工程と、
前記第4工程終了後、前記第2層間絶縁膜をマスクとして前記可変抵抗体膜に対して異方性エッチング処理を行い、前記第2層間絶縁膜下に側面が露出した前記可変抵抗体を形成する第5工程と、
前記第5工程終了後、少なくとも前記可変抵抗体の露出した側面に接触するように全面に第2電極材料膜を堆積した後、加工することで前記第2電極を形成する第6工程と、を有することを特徴とする可変抵抗素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the variable resistance element according to any one of claims 1 to 7,
A first step of processing after depositing a first electrode material film as a material of the first electrode on a substrate;
After completion of the first step, a first insulating material film as a material of the first interlayer insulating film is deposited on the entire surface, and a predetermined region of the first insulating material film deposited on the first electrode material film is formed on the entire surface. A second step of forming the first interlayer insulating film by opening until a part of the first electrode material film is exposed;
After completion of the second step, the exposed first electrode material film is oxidized from above the opening region, and the oxidation of the film thickness of the first electrode proceeds at least in the direction perpendicular to the substrate. A third step of forming the variable resistor film and the first electrode,
After the third step, a second insulating material film is formed on a part of the variable resistor film along the side wall of the first interlayer insulating film in the opening region where the variable resistor film is formed on the bottom surface. A fourth step of forming the second interlayer insulating film by depositing in a sidewall shape;
After completion of the fourth step, anisotropic etching is performed on the variable resistor film using the second interlayer insulating film as a mask to form the variable resistor having a side surface exposed under the second interlayer insulating film. And a fifth step to
A sixth step of forming the second electrode by processing after depositing a second electrode material film over the entire surface so as to be in contact with at least the exposed side surface of the variable resistor after completion of the fifth step; A variable resistance element manufacturing method comprising:
前記第2工程が、前記第1工程において形成される前記第1電極材料膜の端縁部の上部領域を除く所定領域において、前記第1絶縁材料膜を円形状または矩形状に開口する工程であり、
前記第4工程が、開口領域の内側壁に前記第2層間絶縁膜を環状または矩形環状に形成する工程であり、
前記第5工程が、開口領域の下部領域に係る内側壁に前記可変抵抗体を環状または矩形環状に形成する工程であることを特徴とする請求項8に記載の可変抵抗素子の製造方法。 The first step includes a step of patterning the first electrode material film in a predetermined stretching direction;
The second step is a step of opening the first insulating material film in a circular shape or a rectangular shape in a predetermined region excluding an upper region of an edge portion of the first electrode material film formed in the first step. Yes,
The fourth step is a step of forming the second interlayer insulating film in an annular shape or a rectangular shape on the inner wall of the opening region,
9. The method of manufacturing a variable resistance element according to claim 8, wherein the fifth step is a step of forming the variable resistor in an annular shape or a rectangular shape on an inner wall of a lower region of the opening region.
前記第2工程が、前記第1絶縁材料膜の所定領域において、前記第1電極材料膜の延伸方向に垂直な二辺の両端を結ぶように、前記延伸方向に平行な方向に一または複数の空隙を形成する工程であり、
前記第4工程が、延伸形成された空隙内の内側壁に、前記延伸方向に延伸する前記第2層間絶縁膜を形成する工程であり、
前記第5工程が、前記空隙内の下部領域に係る内側壁に、前記延伸方向に延伸する前記可変抵抗体を形成する工程であることを特徴とする請求項8に記載の可変抵抗素子の製造方法。 The first step includes a step of patterning the first electrode material film in a predetermined stretching direction;
In the predetermined region of the first insulating material film, the second step includes one or more in a direction parallel to the stretching direction so as to connect both ends of the two sides perpendicular to the stretching direction of the first electrode material film. A step of forming voids,
The fourth step is a step of forming the second interlayer insulating film extending in the extending direction on the inner wall in the extended gap.
9. The variable resistance element manufacturing method according to claim 8, wherein the fifth step is a step of forming the variable resistor extending in the extending direction on an inner wall of the lower region in the gap. Method.
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---|---|---|---|---|
US8188833B2 (en) | 2009-04-14 | 2012-05-29 | Panasonic Corporation | Variable resistance element and manufacturing method of the same |
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