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JP2019047003A - Resistance change element, semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

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JP2019047003A
JP2019047003A JP2017169790A JP2017169790A JP2019047003A JP 2019047003 A JP2019047003 A JP 2019047003A JP 2017169790 A JP2017169790 A JP 2017169790A JP 2017169790 A JP2017169790 A JP 2017169790A JP 2019047003 A JP2019047003 A JP 2019047003A
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film
metal
electrode
barrier metal
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JP2017169790A
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直樹 伴野
Naoki Tomono
直樹 伴野
宗弘 多田
Munehiro Tada
宗弘 多田
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

To provide a semiconductor device with resistance change element of metal deposition type, capable of suppressing a voltage required for switch operation and its variations.SOLUTION: The resistance change element includes: a resistance change film of metal deposition type; a first electrode for supplying metal ions to the resistance change film in contact with one surface of the resistance change film; a second electrode in contact with the other surface of the resistance change film.The first electrode has barrier metal at its outer periphery, and the barrier metal is in contact with the resistance change film through an insulator.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体基板上に形成された配線層内に金属析出型の抵抗変化素子を有する半導体装置および製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a metal deposition type variable resistance element in a wiring layer formed on a semiconductor substrate, and a method of manufacturing the same.

プログラマブルロジック回路を多機能化することで、プログラマブルロジック回路を有する半導体装置の電子機器などへの利用を拡大するためには、ロジックセル間の接続を切り替えるスイッチのサイズを小さくし、そのオン抵抗を小さくすることが必要である。金属イオンの伝導するイオン伝導層内での金属の析出を利用した抵抗変化素子によるスイッチは、既存の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。   In order to expand the use of semiconductor devices having programmable logic circuits to electronic devices etc. by increasing the functionality of programmable logic circuits, the size of the switch that switches the connection between logic cells is reduced and the on resistance thereof is increased. It is necessary to make it smaller. It is known that a switch based on a variable resistance element utilizing deposition of metal in an ion conductive layer to which metal ions are conductive is smaller in size and smaller in on resistance than existing semiconductor switches.

この金属析出型の抵抗変化素子によるスイッチには、特許文献1に開示された2端子スイッチと、特許文献2に開示された3端子スイッチとがある。2端子スイッチは、金属イオンを供給する第1電極と金属イオンを供給しない第2電極でイオン伝導層を挟んだ構造を有する。両電極間は、イオン伝導層中での金属の析出による金属架橋の形成と消滅によってオン/オフする。2端子スイッチは、構造が単純であるため、製造プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工できる。一方、3端子スイッチは、2つの2端子スイッチの第2電極を共有する構造を有し、スイッチ動作における高い信頼性を有している。   As switches based on this metal deposition type resistance change element, there are a two-terminal switch disclosed in Patent Document 1 and a three-terminal switch disclosed in Patent Document 2. The two-terminal switch has a structure in which an ion conductive layer is sandwiched between a first electrode supplying metal ions and a second electrode not supplying metal ions. Between the two electrodes, it turns on / off due to the formation and disappearance of metal crosslinks due to the deposition of metal in the ion conduction layer. The two-terminal switch has a simple structure, so that the manufacturing process is simple, and the element size can be reduced to the nanometer order. On the other hand, the three-terminal switch has a structure in which the second electrodes of two two-terminal switches are shared, and has high reliability in switch operation.

イオン伝導層としては、シリコン、酸素、炭素を主成分としたポーラスポリマーが望ましい。特許文献3には、ポーラスポリマーイオン伝導層は、金属架橋が形成しても絶縁破壊電圧を高く保つことができるため、動作信頼性に優れていることが開示されている。   As the ion conductive layer, a porous polymer containing silicon, oxygen and carbon as main components is desirable. Patent Document 3 discloses that the porous polymer ion conductive layer can maintain high breakdown voltage even when metal crosslinks are formed, and thus is excellent in operation reliability.

この金属析出型の抵抗変化素子をプログラマブルロジック回路の配線切り替えスイッチに使用するためには、素子を小型化して高密度化すること、および製造工程を簡略化することが必要である。最先端の半導体装置の配線材料には主に銅が使用されており、銅配線内に当該抵抗変化素子を効率良く形成することが望まれる。特許文献4には前記2端子スイッチを、特許文献5には前記3端子スイッチを、銅配線内に形成する技術が開示されている。特許文献4、5によれば、金属イオンを供給する第1電極を銅配線で兼用する。この構造によれば、第1電極を別途形成するための工程が不要となる。このため、第1電極を形成するためのフォトマスクが不要となり、フォトマスクを2枚追加するだけで銅配線内に抵抗変化素子を形成することができる。   In order to use this metal deposition type resistance change element as a wiring switching switch of a programmable logic circuit, it is necessary to miniaturize the element to achieve high density and simplify the manufacturing process. Copper is mainly used as the wiring material of the semiconductor devices at the leading edge, and it is desirable to efficiently form the variable resistance element in the copper wiring. Patent Document 4 discloses a technology for forming the two-terminal switch and Patent Document 5 for forming the three-terminal switch in copper wiring. According to Patent Documents 4 and 5, the first electrode supplying metal ions is also used as a copper wiring. According to this structure, the process for separately forming the first electrode is unnecessary. Therefore, a photomask for forming the first electrode is not necessary, and the resistance change element can be formed in the copper wiring only by adding two photomasks.

このとき、銅配線上に直接イオン伝導層を成膜すると、銅配線表面が酸化してリーク電流が大きくなる。このため、銅配線とイオン伝導層の間に酸化犠牲層として機能する金属薄膜を挟む構造が、非特許文献1に開示されている。金属薄膜はイオン伝導層に含まれる酸素によって酸化され、イオン伝導層の一部となる。また、酸化犠牲層を構成する金属は銅との界面で合金層を形成し、電圧印加によって金属架橋を形成した際に金属架橋中に当該金属が取り込まれる。そして、金属架橋中に拡散した当該金属によって架橋の熱安定性が向上することで保持耐性(リテンション)が改善する。一方、当該金属が金属架橋内に取り込まれていることでジュール熱の発生効率が向上するため、オンからオフへの遷移時に必要な電流は増加しない。   At this time, when the ion conduction layer is formed directly on the copper wiring, the surface of the copper wiring is oxidized to increase the leak current. For this reason, Non-Patent Document 1 discloses a structure in which a metal thin film functioning as an oxidation sacrificial layer is sandwiched between a copper wiring and an ion conductive layer. The metal thin film is oxidized by oxygen contained in the ion conduction layer and becomes a part of the ion conduction layer. Moreover, the metal which comprises an oxidation sacrificial layer forms an alloy layer in an interface with copper, and when metal bridge | crosslinking is formed by voltage application, the said metal is taken in in metal bridge | crosslinking. And the retention stability (retention) improves by the heat stability of bridge | crosslinking improving by the said metal diffused in metal bridge | crosslinking. On the other hand, the generation efficiency of Joule heat is improved by incorporating the metal into the metal crosslink, so that the current required at the transition from on to off does not increase.

さらに、特許文献6には、第1電極である銅配線の端部をイオン伝導層に接続させる構造とすることで、銅配線の端部に電界を集中させて、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減する技術が開示されている。さらにまた、特許文献7には、第1電極である銅配線の面内に面内垂直方向に掘り込んだ部分を有し、この掘り込んだ部分でイオン伝導層と接する構造が開示されている。これにより、抵抗変化素子に接続するビアを形成する際に、素子に加わるプラズマダメージを軽減することができるとしている。   Furthermore, in Patent Document 6, the end portion of the copper wiring which is the first electrode is connected to the ion conductive layer, so that the electric field is concentrated on the end portion of the copper wiring, and the voltage required for the switch operation Techniques for reducing the variation are disclosed. Furthermore, Patent Document 7 discloses a structure having a portion dug in the in-plane vertical direction in the surface of the copper wiring which is the first electrode, and in contact with the ion conductive layer at the portion dug in. . Thereby, when forming a via connected to the resistance change element, it is possible to reduce plasma damage to the element.

特表2002−536840号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-536840 国際公開第2012/043502号International Publication No. 2012/043502 国際公開第2011/058947号International Publication No. 2011/058947 特許第5382001号公報Patent No. 5382001 国際公開第2011/158821号International Publication No. 2011/158821 特許第6112106号公報Patent No. 6112106 gazette 特開2017−107911号公報JP 2017-107911 A

M.Tada,T.Sakamoto,N.Banno,K.Okamoto,N.Iguchi,H.Hada, and M.Miyamura,“Improved ON−State Reliability of Atom Switch Using Alloy Electrodes”,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.60, pp.3534−3540,2013.M. Tada, T .; Sakamoto, N .; Banno, K. Okamoto, N .; Iguchi, H .; Hada, and M. Miyamura, "Improved ON-State Reliability of Atom Switch Using Alloy Electrodes", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 60, pp. 3534-3540, 2013.

ところで、金属析出型の抵抗変化素子を用いたスイッチにおいて、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減するために、第1電極である銅配線の端部をイオン伝導層に接続する構造とする場合、銅配線の外周に存在するバリアメタルもイオン伝導層に接続する。このとき、イオン伝導層の厚さが、銅に接する部分とバリアメタルに接する部分で同じ場合、もしくはバリアメタルに接する部分の方が薄くなる場合、スイッチング動作時に銅よりもバリアメタルに電界が集中する。その結果、銅配線での電界集中ができなくなり、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減できないという問題が生じている。そして、この問題を解決する方法は、特許文献1−7や非特許文献1には開示されていない。   By the way, in a switch using a metal deposition type resistance change element, in order to reduce the voltage required for the switch operation and the variation thereof, the end portion of the copper wiring which is the first electrode is connected to the ion conduction layer. In this case, the barrier metal present on the outer periphery of the copper wiring is also connected to the ion conduction layer. At this time, when the thickness of the ion conductive layer is the same in the portion in contact with copper and the portion in contact with the barrier metal, or when the portion in contact with the barrier metal becomes thinner, the electric field concentrates on the barrier metal during copper switching operation. Do. As a result, electric field concentration in the copper wiring can not be performed, and the voltage required for the switch operation and the variation thereof can not be reduced. And the method of solving this problem is not disclosed by patent documents 1-7 or nonpatent literature 1. FIG.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減した金属析出型の抵抗変化素子を有する半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a semiconductor device having a metal deposition type resistance change element in which a voltage required for a switch operation and a variation thereof are reduced.

本発明の抵抗変化素子は、金属析出型の抵抗変化膜と、前記抵抗変化膜の一方の面に接して前記抵抗変化膜に金属イオンを供給する第1の電極と、前記抵抗変化膜の他方の面に接する第2の電極と、を有し、前記第1の電極は外周にバリアメタルを有し、前記バリアメタルは絶縁体を介して前記抵抗変化膜に接する。   The variable resistance element according to the present invention includes a metal deposition type variable resistance film, a first electrode for supplying metal ions to the variable resistance film in contact with one surface of the variable resistance film, and the other of the variable resistance film. And a second electrode in contact with the surface of the first electrode. The first electrode has a barrier metal on the outer periphery, and the barrier metal is in contact with the resistance change film through an insulator.

本発明の半導体装置は、金属析出型の抵抗変化膜と、前記抵抗変化膜の一方の面に接して前記抵抗変化膜に金属イオンを供給する第1の電極と、前記抵抗変化膜の他方の面に接する第2の電極と、を有し、前記第1の電極は外周にバリアメタルを有し、前記バリアメタルは絶縁体を介して前記抵抗変化膜に接する抵抗変化素子と、銅配線とを有し、前記銅配線は前記第1の電極を兼ねている。   A semiconductor device according to the present invention includes a metal deposition type resistance change film, a first electrode for supplying metal ions to the resistance change film in contact with one surface of the resistance change film, and the other of the resistance change film. A second electrode in contact with the surface, the first electrode having a barrier metal on the outer periphery, and the barrier metal being in contact with the resistance change film via an insulator, a copper wire, and a copper wire And the copper wiring doubles as the first electrode.

本発明の抵抗変化素子の製造方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられた配線溝に、バリアメタルを介して配線を形成し、前記配線と前記層間絶縁膜との上に、少なくとも前記バリアメタルと前記配線が露出する開口部を有する絶縁性バリア膜を形成し、前記開口部に露出する前記バリアメタルの表面に絶縁体を形成し、前記開口部を介して、少なくとも前記絶縁体と前記配線の表面上に、抵抗変化膜、上部電極を順次形成する。   In the method of manufacturing a resistance change element according to the present invention, a wiring is formed in a wiring trench provided in an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate via a barrier metal, and the wiring and the interlayer insulating film are formed. Forming an insulating barrier film having at least the barrier metal and an opening through which the wire is exposed, forming an insulator on a surface of the barrier metal exposed to the opening, and inserting at least the opening through the opening; A resistance change film and an upper electrode are sequentially formed on the surface of the insulator and the wiring.

本発明によれば、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減した金属析出型の抵抗変化素子を有する半導体装置を、提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a metal deposition type resistance change element in which the voltage required for the switch operation and the variation thereof are reduced.

本発明の第1の実施形態の抵抗変化素子の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the resistance change element of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の抵抗変化素子のスイッチ動作特性を示す図である。It is a figure which shows the switch operation characteristic of the resistance change element of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の抵抗変化素子のスイッチ動作特性を示す図である。It is a figure which shows the switch operation characteristic of the resistance change element of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程1を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 1 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程2を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 2 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程3を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 3 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程4を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 4 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程5を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 5 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程6を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 6 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程7を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 7 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程8を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 8 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程9を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 9 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程10を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 10 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程11を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 11 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の工程12を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the process 12 of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の変形例の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the modification of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の半導体装置の別の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows another structure of the semiconductor device of the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の抵抗変化素子の構造を示す断面模式図である。本実施形態の抵抗変化素子1は、金属析出型の抵抗変化膜11と、前記抵抗変化膜11の一方の面に接して前記抵抗変化膜11に金属イオンを供給する第1の電極12と、前記抵抗変化膜11の他方の面に接する第2の電極13と、を有する。さらに、前記第1の電極12は外周にバリアメタル14を有し、前記バリアメタル14は絶縁体15を介して前記抵抗変化膜11に接する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the embodiments described below are technically preferable limitations for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the variable resistance element according to the first embodiment of the present invention. The resistance change element 1 of the present embodiment includes a metal deposition type resistance change film 11, and a first electrode 12 which supplies metal ions to the resistance change film 11 in contact with one surface of the resistance change film 11. And a second electrode 13 in contact with the other surface of the resistance change film 11. Furthermore, the first electrode 12 has a barrier metal 14 on the outer periphery, and the barrier metal 14 is in contact with the resistance change film 11 via an insulator 15.

本実施形態の抵抗変化素子1によれば、バリアメタル14は絶縁体15を介して抵抗変化膜11に接するため、バリアメタル14での電界集中が防止され、第1の電極12での電界集中が可能となる。この結果、抵抗変化素子1のスイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきの低減が可能となる。   According to the resistance change element 1 of the present embodiment, the barrier metal 14 is in contact with the resistance change film 11 via the insulator 15, so that electric field concentration at the barrier metal 14 is prevented, and electric field concentration at the first electrode 12 Is possible. As a result, it is possible to reduce the voltage required for the switch operation of the variable resistance element 1 and the variation thereof.

以上のように、本実施形態によれば、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減した金属析出型の抵抗変化素子を有する半導体装置を、提供することが可能となる。
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態の半導体装置の構造を示す断面模式図である。本実施形態の半導体装置10は、シリコン基板などの半導体基板101上の多層配線層内に形成された3端子型の抵抗変化素子100を有する。半導体基板にはトランジスタなどの素子が形成されていてもよい。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor device having a metal deposition type variable resistance element in which the voltage required for the switch operation and the variation thereof are reduced.
Second Embodiment
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of the second embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 of the present embodiment has a three-terminal variable resistance element 100 formed in a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate 101 such as a silicon substrate. An element such as a transistor may be formed on the semiconductor substrate.

多層配線層は、半導体基板101上の、層間絶縁膜102、Low−k膜103、層間絶縁膜104、バリア絶縁膜107、保護絶縁膜114、層間絶縁膜115、Low−k膜116、層間絶縁膜117、及びバリア絶縁膜121の積層構造の内に設けられている。多層配線層は、層間絶縁膜104及びLow−k膜103に形成された配線溝に、第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b、及び第1バリアメタルC106cを介して、第1配線A105a、第1配線B105b、及び第1配線C105cが埋め込まれている。   The multilayer wiring layer is formed on the semiconductor substrate 101, the interlayer insulating film 102, the low-k film 103, the interlayer insulating film 104, the barrier insulating film 107, the protective insulating film 114, the interlayer insulating film 115, the low-k film 116, the interlayer insulating It is provided in the laminated structure of the film 117 and the barrier insulating film 121. The multilayer wiring layer is formed in the wiring groove formed in the interlayer insulating film 104 and the low-k film 103 via the first barrier metal A 106 a, the first barrier metal B 106 b, and the first barrier metal C 106 c. The first wiring B 105 b and the first wiring C 105 c are embedded.

さらに、多層配線層は、層間絶縁膜117及びLow−k膜116に形成された配線溝に、第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介して、第2配線A118a及び第2配線B118bが埋め込まれている。さらに、層間絶縁膜115、保護絶縁膜114、及びハードマスク膜112、113に形成された下穴に、第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介して、ビアA119a及びビアB119bが埋め込まれている。第2配線A118aとビアA119a及び第2配線B118bとビアB119bは一体となっている。第2配線A118aとビアA119a及び第2配線B118bとビアB119bの側面乃至底面は第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bによって覆われている。   Further, in the multilayer wiring layer, the second wiring A118a and the second wiring B118b are formed in the wiring trench formed in the interlayer insulating film 117 and the low-k film 116 via the second barrier metal A120a and the second barrier metal B120b. It is embedded. Further, vias A119a and B119b are embedded in the lower holes formed in the interlayer insulating film 115, the protective insulating film 114, and the hard mask films 112 and 113 via the second barrier metal A 120a and the second barrier metal B 120b. ing. The second wiring A118a and the via A119a, and the second wiring B118b and the via B119b are integrated. The side surfaces and the bottom surfaces of the second wiring A118a, the via A119a, the second wiring B118b, and the via B119b are covered with a second barrier metal A120a and a second barrier metal B120b.

多層配線は上記の第1配線A105a、第1配線B105b、及び第1配線C105c、第2配線A118a及び第2配線B118bには限定されない。多層配線の数は、回路構成に従って任意の数とすることができる。   The multilayer wiring is not limited to the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, the first wiring C 105 c, the second wiring A 118 a, and the second wiring B 118 b described above. The number of multilayer interconnections can be any number according to the circuit configuration.

抵抗変化素子100は、第1配線A105a及び第1配線B105bを抵抗変化膜に金属イオンを供給する第1の電極とし、第1イオン伝導層109aと第2イオン伝導層109bを抵抗変化膜(イオン伝導層109)とし、下部第2電極110と上部第2電極111を第2の電極とする。   The resistance change element 100 uses the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b as a first electrode for supplying metal ions to the resistance change film, and the first ion conduction layer 109 a and the second ion conduction layer 109 b as a resistance change film (ion The lower second electrode 110 and the upper second electrode 111 are used as a second electrode.

バリア絶縁膜107には開口部が形成されている。開口部には、第1配線A105a及び第1配線B105bの端部、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bが酸化した酸化部108、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bに挟まれた層間絶縁膜104が露出している。前記開口部と開口部の壁面及びバリア絶縁膜107の一部を覆うようにして、第1イオン伝導層109aと第2イオン伝導層109b、及び下部第2電極110と上部第2電極111が形成されている。さらに、上部第2電極111上には、第1イオン伝導層109aと第2イオン伝導層109b、及び下部第2電極110と上部第2電極111をパターニングした際のハードマスク膜112、113が形成されている。さらに、第1イオン伝導層109aと第2イオン伝導層109b、及び下部第2電極110と上部第2電極111、及びハードマスク膜112、113の積層体の上面乃至側面は保護絶縁膜114で覆われている。   An opening is formed in the barrier insulating film 107. In the opening portion, the end portion of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b, the oxidized portion 108 where the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b are oxidized, the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b The interlayer insulating film 104 is exposed. The first ion conductive layer 109a and the second ion conductive layer 109b, and the lower second electrode 110 and the upper second electrode 111 are formed so as to cover the opening and the wall surface of the opening and a part of the barrier insulating film 107. It is done. Furthermore, on the upper second electrode 111, hard mask films 112 and 113 are formed when the first ion conductive layer 109a and the second ion conductive layer 109b, and the lower second electrode 110 and the upper second electrode 111 are patterned. It is done. Furthermore, the upper surface or the side surface of the laminate of the first ion conductive layer 109 a and the second ion conductive layer 109 b, the lower second electrode 110 and the upper second electrode 111, and the hard mask films 112 and 113 is covered with a protective insulating film 114. It is

第1配線A105a及び第1配線B105bの一部を、抵抗変化素子100の下部電極とすることで、工程数を簡略化しつつ、低抵抗な下部電極を形成することができる。そして、通常の多層配線工程である銅ダマシン配線プロセスに、2枚のフォトマスクを用いた追加工程により、抵抗変化素子100を多層配線層内に形成することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができる。   By using a part of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b as the lower electrode of the variable resistance element 100, a low resistance lower electrode can be formed while simplifying the number of steps. Then, the resistance change element 100 can be formed in the multilayer wiring layer by an additional step using two photomasks in the copper damascene wiring process which is a normal multilayer wiring process, and the resistance reduction and the reduction of the element can be achieved. Costing can be achieved simultaneously.

抵抗変化素子100は、バリア絶縁膜107に形成された開口部で、第1イオン伝導層109aと第1配線A105a及び第1配線B105bが接している。このため、第1イオン伝導層109aを構成する金属が第1配線A105a及び第1配線B105bに拡散し、合金層を形成している。抵抗変化素子100は、上部第2電極111上とビアA119aとが第2バリアメタルA120aを介して電気的に接続している。抵抗変化素子100は、第1イオン伝導層109aおよび第2イオン伝導層109bへの第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属から供給される金属イオンの電界拡散を利用して、オン/オフを行う。   In the resistance change element 100, the first ion conductive layer 109 a is in contact with the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b at an opening formed in the barrier insulating film 107. For this reason, the metal which comprises the 1st ion conduction layer 109a diffuses into the 1st wiring A105a and the 1st wiring B105b, and forms the alloy layer. In the variable resistance element 100, the upper second electrode 111 and the via A119a are electrically connected via the second barrier metal A120a. Resistance change element 100 uses electric field diffusion of metal ions supplied from the metal forming first interconnection A 105 a and first interconnection B 105 b to first ion conduction layer 109 a and second ion conduction layer 109 b to turn on / off. Do the off.

バリア絶縁膜107の開口部で、第1配線A105a及び第1配線B105bは深さ方向に掘り下げられていても良い。この際、第1配線A105a及び第1配線B105bに挟まれた層間絶縁膜104も掘り下げられる。層間絶縁膜104の掘り下げられている部分は、第1配線A105a及び第1配線B105bの掘り下げられている高さよりも深さ方向で下方となっている。すなわち、開口部で、イオン伝導層109には2段階の異なる高さの領域が形成される。第1イオン伝導層109aは第1配線A105aと第1配線B105bの上面、及び、第1バリアメタルA106aと第1バリアメタルB106bの各々の酸化部108と接している。   The first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b may be dug down in the depth direction at the opening of the barrier insulating film 107. At this time, the interlayer insulating film 104 sandwiched between the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is also dug down. The portion where the interlayer insulating film 104 is dug down is lower in the depth direction than the heights of the first wire A 105 a and the first wire B 105 b being dug down. That is, in the opening, regions of two different levels of height are formed in the ion conductive layer 109. The first ion conductive layer 109a is in contact with the upper surfaces of the first wiring A 105a and the first wiring B 105b, and the oxidized portions 108 of the first barrier metal A 106a and the first barrier metal B 106b.

一方、第1配線C105cとビアB119bの間には、抵抗変化素子100は介さず、ビアB119bは第2バリアメタルB120bを介して第1配線C105cに接している。   On the other hand, the resistance change element 100 is not interposed between the first wiring C105c and the via B119b, and the via B119b is in contact with the first wiring C105c via the second barrier metal B120b.

第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bの第1イオン伝導層109aと接している部分には、バリアメタルが酸化した酸化部108が形成されている。酸化部108は、バリア絶縁膜107の開口部を形成する時のエッチング工程で形成される。酸化部108により、下部第2電極110と第1配線A105aもしくは第1配線B105b間に電圧を印加した際、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bへの電界の集中を防ぐことができる。   An oxidized portion 108 in which the barrier metal is oxidized is formed at a portion in contact with the first ion conduction layer 109 a of the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b. The oxidized portion 108 is formed by an etching process when forming the opening of the barrier insulating film 107. When a voltage is applied between the lower second electrode 110 and the first wiring A 105 a or the first wiring B 105 b, the oxidizing unit 108 can prevent the concentration of the electric field on the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b.

半導体基板101は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板101には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、SOI(Silicon on Insulator)基板、TFT(Thin Film Transistor)基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。   The semiconductor substrate 101 is a substrate on which a semiconductor element is formed. As the semiconductor substrate 101, for example, a substrate such as a silicon substrate, a single crystal substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a TFT (Thin Film Transistor) substrate, or a substrate for manufacturing a liquid crystal can be used.

層間絶縁膜102は、半導体基板101上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜102には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜等を用いることができる。層間絶縁膜102は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。   The interlayer insulating film 102 is an insulating film formed on the semiconductor substrate 101. For the interlayer insulating film 102, for example, a silicon oxide film, an SiOC film, or the like can be used. The interlayer insulating film 102 may be a stack of a plurality of insulating films.

Low−k膜103は、層間絶縁膜102と層間絶縁膜104間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Low−k膜103は、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜であり、例えば、SiOCH膜等を用いることができる。Low−k膜103には、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝には、第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106cを介して、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cが埋め込まれている。   The low-k film 103 is an insulating film with a low dielectric constant interposed between the interlayer insulating film 102 and the interlayer insulating film 104. The low-k film 103 is a low dielectric constant film having a relative dielectric constant lower than that of a silicon oxide film, and an SiOCH film or the like can be used, for example. In the low-k film 103, wiring trenches for embedding the first wiring A 105a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c are formed. In the wiring trench, a first wiring A 105 a, a first wiring B 105 b, and a first wiring C 105 c are embedded via the first barrier metal A 106 a, the first barrier metal B 106 b, and the first barrier metal C 106 c.

層間絶縁膜104は、Low−k膜103上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜104には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜等を用いることができる。層間絶縁膜104は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜104には、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを埋め込むための配線溝が形成されている。当該配線溝に第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106cを介して、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cが埋め込まれている。   The interlayer insulating film 104 is an insulating film formed on the low-k film 103. For the interlayer insulating film 104, for example, a silicon oxide film, an SiOC film, or the like can be used. The interlayer insulating film 104 may be a stack of a plurality of insulating films. In the interlayer insulating film 104, a wiring trench for embedding the first wiring A 105a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c is formed. A first wiring A 105 a, a first wiring B 105 b, and a first wiring C 105 c are embedded in the wiring trench via the first barrier metal A 106 a, the first barrier metal B 106 b, and the first barrier metal C 106 c.

層間絶縁膜104の第1配線A105a及び第1配線B105bに挟まれた部分は、この部分を囲む第1配線A105a及び第1配線B105bの端の掘り下げられた部分よりも、深さ方向でさらに下方に掘り下げられている。これらの層間絶縁膜104や第1配線A105aや第1配線B105bの掘り下げられた部分は、酸化部108を形成する時に、同時に形成される。   The portion sandwiched between the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b of the interlayer insulating film 104 is further lower in the depth direction than the dug portion of the end of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b surrounding this portion. Being dug down. The portions where the interlayer insulating film 104, the first wiring A 105a, and the first wiring B 105b are dug down are simultaneously formed when the oxidized portion 108 is formed.

第1配線A105a及び第1配線B105bは、層間絶縁膜104及びLow−k膜103に形成された配線溝に、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bを介して埋め込まれた配線である。第1配線A105a及び第1配線B105bは、抵抗変化素子100の下部電極を兼ね、第1イオン伝導層109aと接している。第1イオン伝導層109aの上面は第2イオン伝導層109bに接しており、第2イオン伝導層109bの上面は下部第2電極110に接している。   The first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b are wirings embedded in the wiring grooves formed in the interlayer insulating film 104 and the low-k film 103 via the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b. The first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b also serve as the lower electrode of the resistance change element 100 and are in contact with the first ion conductive layer 109 a. The upper surface of the first ion conductive layer 109 a is in contact with the second ion conductive layer 109 b, and the upper surface of the second ion conductive layer 109 b is in contact with the lower second electrode 110.

第1配線A105aを構成する金属には、イオン伝導層109において拡散、イオン電導可能な金属が用いられ、例えば、銅等を用いることができる。第1配線A105a及び第1配線B105bを構成する金属(例えば、銅)は、アルミニウムと合金化されていてもよい。   For the metal constituting the first wiring A 105 a, a metal that can be diffused and ion-conductive in the ion conduction layer 109 is used, and copper or the like can be used, for example. The metal (for example, copper) which comprises 1st wiring A105a and 1st wiring B105b may be alloyed with aluminum.

第1配線A105a及び第1配線B105bは、バリア絶縁膜107の開口面において、深さ方向下に掘り下げられていても良い。この場合、第1配線A105a及び第1配線B105bと第1イオン伝導層109aは、掘り下げ部分を介して接している。掘り下げ部分と第1イオン伝導層109aとの界面には後述の第1イオン伝導層109aを構成する金属との合金層が形成されている。合金層は第1配線A105a及び第1配線B105b全体に形成されているわけではなく、バリア絶縁膜107の開口面のみに形成されている。   The first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b may be dug down in the depth direction on the opening surface of the barrier insulating film 107. In this case, the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b are in contact with the first ion conductive layer 109 a via the digging portion. An alloy layer with a metal constituting a first ion conductive layer 109a described later is formed at the interface between the digging portion and the first ion conductive layer 109a. The alloy layer is not formed entirely on the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b, but is formed only on the opening surface of the barrier insulating film 107.

掘り下げ部分の形成は、第1配線A105a及び第1配線B105bに接するバリア絶縁膜107の開口面形成後に行う。このときハロゲンガス、不活性ガス、フッ化炭素ガス、及びそれらの混合ガスを用いたプラズマを、ドライエッチング装置内で第1配線A105a及び第1配線B105b、層間絶縁膜104を含む基板上に入射する。この際、バリア絶縁膜107もエッチングされるが、抵抗変化素子100を形成しない第1配線C105cはプラズマに曝されず、掘り下げられない。   The formation of the digging portion is performed after the formation of the opening surface of the barrier insulating film 107 in contact with the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b. At this time, plasma using halogen gas, inert gas, fluorocarbon gas, and mixed gas thereof is incident on the substrate including the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, and the interlayer insulating film 104 in the dry etching apparatus. Do. At this time, although the barrier insulating film 107 is also etched, the first wiring C 105 c in which the resistance change element 100 is not formed is not exposed to plasma and can not be dug down.

第1配線C105cは、層間絶縁膜104及びLow−k膜103に形成された配線溝に、第1バリアメタルC106cを介して埋め込まれた配線である。第1配線C105cは、バリア絶縁膜107の別の開口部において、ビアB119bと第2バリアメタルB120bを介して直接接している。   The first wiring C 105 c is a wiring embedded in a wiring trench formed in the interlayer insulating film 104 and the low-k film 103 via the first barrier metal C 106 c. The first wiring C 105 c is in direct contact with the via B 119 b and the second barrier metal B 120 b at another opening of the barrier insulating film 107.

第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106cは、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを形成する金属が層間絶縁膜104や下層へ拡散することを防止する。このために、各配線の側面乃至底面を被覆しバリア性を有する導電性膜である。各配線が銅を主成分とする金属元素からなる場合、各バリアメタルには、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。   The first barrier metal A106a, the first barrier metal B106b, and the first barrier metal C106c prevent the metal forming the first wiring A105a, the first wiring B105b, and the first wiring C105c from diffusing into the interlayer insulating film 104 or the lower layer Do. For this purpose, the conductive film has a barrier property by covering the side surface or the bottom surface of each wiring. When each wiring is made of a metal element containing copper as a main component, each barrier metal may be tantalum, tantalum nitride, titanium nitride, high melting point metal such as tungsten carbonitride, nitride thereof, or a laminated film thereof. It can be used.

第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bは、バリア絶縁膜107の開口部において、第1イオン伝導層109aに接する部分に、バリアメタルが酸化した酸化部108を有する。酸化部108は、第1イオン伝導層109aに接している面が酸化されていれば良く、バリアメタルの第1配線A105aもしくは第1配線B105b側に酸化されていない部分が残っていても良い。このとき、第1配線A105a及び第1配線B105bの第1イオン伝導層109aに接する部分の銅は酸化されていない。   The first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b have an oxidized portion 108 in which the barrier metal is oxidized in a portion in contact with the first ion conductive layer 109 a in the opening of the barrier insulating film 107. The oxidized portion 108 may be oxidized as long as the surface in contact with the first ion conductive layer 109 a is left, and a non-oxidized portion may remain on the side of the first wiring A 105 a or the first wiring B 105 b of the barrier metal. At this time, copper in a portion of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b in contact with the first ion conductive layer 109 a is not oxidized.

酸化部108の形成は、バリア絶縁膜107を開口するドライエッチング工程において、酸素を含むエッチングガスを使用することで行われる。例えば、フルオロカーボン、アルゴン、酸素の混合ガスを使用する。酸化部108の形成は、バリア絶縁膜107の開口を行った後に酸素プラズマアッシング工程を挿入することで行っても良い。酸化部108の上面は、第1配線A105aもしくは第1配線B105bを形成する銅の上面よりも垂直方向で下方に配置されていることが好ましい。   The formation of the oxide portion 108 is performed by using an etching gas containing oxygen in a dry etching step of opening the barrier insulating film 107. For example, a mixed gas of fluorocarbon, argon and oxygen is used. The formation of the oxidized portion 108 may be performed by inserting an oxygen plasma ashing step after the opening of the barrier insulating film 107 is performed. It is preferable that the upper surface of the oxidation portion 108 be disposed vertically below the upper surface of the copper forming the first wiring A 105 a or the first wiring B 105 b.

バリア絶縁膜107は、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを含む層間絶縁膜104上に形成される。バリア絶縁膜107は、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを形成する金属(例えば、銅)の、酸化防止や、層間絶縁膜115中への拡散の防止をする。また、バリア絶縁膜107は、上部第2電極111、下部第2電極110、及びイオン伝導層109の加工時に、エッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜107には、例えば、SiC膜、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。バリア絶縁膜107は、後述する保護絶縁膜114及びハードマスク膜112と同一材料であることが好ましい。   The barrier insulating film 107 is formed on the interlayer insulating film 104 including the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c. The barrier insulating film 107 prevents oxidation of the metal (for example, copper) forming the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c, and prevents diffusion of the metal into the interlayer insulating film 115. The barrier insulating film 107 also serves as an etching stop layer when the upper second electrode 111, the lower second electrode 110, and the ion conductive layer 109 are processed. For the barrier insulating film 107, for example, a SiC film, a silicon carbonitride film, a silicon nitride film, a stacked structure thereof, or the like can be used. The barrier insulating film 107 is preferably made of the same material as the protective insulating film 114 and the hard mask film 112 described later.

第1イオン伝導層109a及び第2イオン伝導層109bは、抵抗が変化する膜である。第1イオン伝導層109a及び第2イオン伝導層109bには、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属から生成される金属イオンの作用(拡散、イオン伝導など)により、抵抗が変化する材料を用いることができる。「オン」状態への抵抗変化を、金属イオンの還元による金属の析出によって行う場合には、イオン伝導可能な膜が用いられる。   The first ion conductive layer 109 a and the second ion conductive layer 109 b are films whose resistance changes. The resistance of the first ion conductive layer 109a and the second ion conductive layer 109b changes due to the action (diffusion, ion conduction, etc.) of metal ions generated from the metal forming the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b. Materials can be used. When the resistance change to the "on" state is performed by metal deposition by reduction of metal ions, an ion conductive membrane is used.

第2イオン伝導層109bは、プラズマCVD法を用いて形成する。原料の環状有機シロキサンとキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で500sccmとすることができる。   The second ion conductive layer 109 b is formed by plasma CVD. The raw material cyclic organic siloxane and helium as a carrier gas flow into the reaction chamber, the supply of both is stabilized, and when the pressure in the reaction chamber becomes constant, the application of RF power is started. The feed rate of the source can be 10 to 200 sccm, and the feed rate of helium can be 500 sccm via the source vaporizer.

第1イオン伝導層109aは、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属が、第2イオン伝導層109bを堆積している間の加熱やプラズマで第2イオン伝導層109b中に拡散することを防止する役割を有する。さらに、第1配線A105a及び第1配線B105bが酸化され、第2イオン伝導層109bへの拡散が促進されやすくなることを防止する役割を有する。   In the first ion conductive layer 109a, the metal forming the first wiring A 105a and the first wiring B 105b diffuses into the second ion conductive layer 109b by heating or plasma while depositing the second ion conductive layer 109b. Have a role to prevent that. Furthermore, it has a role of preventing the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b from being oxidized and easily promoted to be diffused to the second ion conductive layer 109 b.

第1イオン伝導層109aを形成する金属は、第1イオン伝導層109aを構成する金属の成膜後に、第2イオン伝導層109bの成膜チャンバー内で減圧下において酸素雰囲気に曝され、酸化物となりイオン伝導層109の一部となる。第1イオン伝導層109aの成膜はスパッタリングで行うことが好ましい。スパッタリングによりエネルギーを得た金属原子またはイオンは第1配線A105a及び第1配線B105bに突入、拡散し、合金層を形成する。第1イオン伝導層109aを形成する金属膜の膜厚は0.5〜1nmが好ましい。   The metal that forms the first ion conductive layer 109a is exposed to an oxygen atmosphere under reduced pressure in the film formation chamber of the second ion conductive layer 109b after the film formation of the metal that constitutes the first ion conductive layer 109a. And become part of the ion conduction layer 109. The film formation of the first ion conductive layer 109 a is preferably performed by sputtering. The metal atoms or ions obtained energy by sputtering rush into the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b and diffuse to form an alloy layer. The thickness of the metal film forming the first ion conductive layer 109a is preferably 0.5 to 1 nm.

第1イオン伝導層109aを構成する金属は、その標準生成ギブズエネルギーが、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bを構成する金属よりも貴か同程度であり、第1電極を構成する銅よりも卑な金属である。例えば、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステンを用いることができる。   The metal forming the first ion conductive layer 109a has a standard Gibbs energy of generation of noble metal which is equivalent to or higher than the metal forming the first barrier metal A106a and the first barrier metal B106b, and forms the first electrode. It is a more noble metal. For example, zirconium, hafnium, indium, lanthanum, manganese, molybdenum, niobium, tungsten can be used.

バリアメタルの酸化部108を形成する工程で、第1配線A105a及び第1配線B105bの表面の銅が酸化された場合、アニール処理、あるいはプロセス温度に暴露することで、銅中の酸素が第1イオン伝導層109aに移動(還元)するため、銅酸化層のみを選択的に除去できる。この際、酸化物の標準ギブズエネルギーが小さい(負方向に大きい)タンタルで形成されたバリアメタルの酸化部108は還元されずに酸化されたままとなる。   When copper on the surfaces of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is oxidized in the step of forming the oxidized portion 108 of the barrier metal, the oxygen in the copper is not exposed to the annealing process or the process temperature. As it moves (reduces) to the ion conductive layer 109a, only the copper oxide layer can be selectively removed. At this time, the oxidized portion 108 of the barrier metal formed of tantalum having a small standard Gibb's energy of oxide (large in the negative direction) remains oxidized without being reduced.

第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bの材料として好ましいタンタルの酸化物である五酸化タンタル(Ta)の、298.15Kでの標準生成ギブズエネルギーは−1911.3kJ/molである。標準ギブズエネルギーが、これよりも大きく、さらに酸化銅(CuO)の標準生成ギブズエネルギー−129.5kJ/molよりも小さい金属が、第1イオン伝導層109aを構成する金属として好ましい。具体的にはジルコニウム、ハフニウム、インジウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステンが好ましい。また、還元力の強化のため、すなわち第1イオン伝導層109aの標準生成ギブズエネルギーを小さくするため、標準生成ギブズエネルギーが五酸化タンタルと同程度の酸化物を形成する金属、たとえばタンタル、チタン、アルミニウムとの合金もしくは積層構造としても良い。このときバリアメタルの酸化部108の還元を抑制するために、第1イオン伝導層109a内におけるタンタル、チタン、アルミニウムの含有量は50%未満が好ましい。 The standard Gibbs energy of formation at 298.15 K of tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), which is a preferable oxide of tantalum as a material of the first barrier metal A106a and the first barrier metal B106b, is -1911.3 kJ / mol . A metal whose standard Gibbs energy is larger than that and smaller than the standard Gibbs energy of copper oxide (CuO) minus 129.5 kJ / mol is preferable as the metal constituting the first ion conductive layer 109a. Specifically, zirconium, hafnium, indium, lanthanum, manganese, molybdenum, niobium and tungsten are preferable. Also, for the purpose of strengthening the reducing power, that is, reducing the standard Gibbs energy of the first ion conduction layer 109a, a metal such as tantalum, titanium, which forms an oxide whose standard Gibbs energy is similar to that of tantalum pentoxide. It may be an alloy with aluminum or a laminated structure. At this time, in order to suppress the reduction of the oxidized portion 108 of the barrier metal, the content of tantalum, titanium and aluminum in the first ion conductive layer 109 a is preferably less than 50%.

イオン伝導層109は、第1配線A105a及び第1配線B105b、第1配線A105a及び第1配線B105bに挟まれた層間絶縁膜104、酸化部108の表面に形成されている。さらに、イオン伝導層109は、バリア絶縁膜107の開口部に形成されている掘り下げ部分のテーパ面、バリア絶縁膜107の開口部のテーパ面乃至バリア絶縁膜107上に形成されている。   The ion conductive layer 109 is formed on the surface of the interlayer insulating film 104 sandwiched between the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, the first wiring A 105 a, and the first wiring B 105 b, and the oxidized portion 108. Furthermore, the ion conductive layer 109 is formed on the tapered surface of the digging portion formed in the opening of the barrier insulating film 107, the tapered surface of the opening of the barrier insulating film 107, or the barrier insulating film 107.

下部第2電極110は、抵抗変化素子100の上部電極における下側の電極であり、第2イオン伝導層109bと接している。下部第2電極110には、ルテニウムと、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどとの、合金を使用することができる。ルテニウムは、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属よりもイオン化しにくく、第2イオン伝導層109bにおいて拡散やイオン伝導しにくい金属である。また、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどは、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属と密着性の良い金属である。   The lower second electrode 110 is a lower electrode of the upper electrode of the resistance change element 100, and is in contact with the second ion conductive layer 109b. For the lower second electrode 110, an alloy of ruthenium and titanium, tantalum, zirconium, hafnium, aluminum or the like can be used. Ruthenium is a metal that is more difficult to ionize than the metal that forms the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b, and that is difficult to diffuse or conduct ions in the second ion conductive layer 109 b. In addition, titanium, tantalum, zirconium, hafnium, aluminum or the like is a metal having good adhesion to the metal forming the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b.

下部第2電極110の形成に使用されるルテニウム合金において、ルテニウムに添加される金属は、金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムよりも負方向に大きい金属が望ましい。金属イオンを生成する過程の標準生成ギブズエネルギーがルテニウムより負方向に大きいチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムは、ルテニウムに比べて化学反応が自発的に起こりやすいことを示すため、反応性が高い。このため、ルテニウムと合金化することで、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属で形成された金属架橋との密着性が向上する。   In the ruthenium alloy used to form the lower second electrode 110, the metal added to ruthenium is preferably a metal having a larger Gibb's energy of formation in the negative direction of ruthenium in the process of forming metal ions (oxidation process). The titanium, tantalum, zirconium, hafnium, and aluminum, which generate a standard Gibbs energy in the process of generating metal ions, are larger in the negative direction than ruthenium, showing that the chemical reaction is more likely to occur spontaneously than ruthenium, and therefore highly reactive. . For this reason, by forming an alloy with ruthenium, the adhesion to the metal cross-link formed of the metal forming the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is improved.

一方、ルテニウムを含まないチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどのみで下部第2電極110を形成すると、反応性が高くなり過ぎて「オフ」状態に遷移しなくなる。「オン」状態から「オフ」状態への遷移は、金属架橋の酸化反応(溶解反応)によって進行する。下部第2電極110を構成する金属が、金属イオンを生成する過程(酸化過程)の標準生成ギブズエネルギーが負方向に第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属よりも大きい場合、第1配線A105a及び第1配線B105bを形成する金属で形成された金属架橋の酸化反応よりも下部第2電極110の酸化反応が進行する。このため、「オフ」状態に遷移できなくなる。よって、下部第2電極110の形成に使用する金属は、金属イオンを生成する過程の標準生成ギブズエネルギーが銅よりも負方向に小さいルテニウムとの合金とする必要がある。   On the other hand, when the lower second electrode 110 is formed only of titanium, tantalum, zirconium, hafnium, aluminum or the like which does not contain ruthenium, the reactivity becomes too high and the transition to the “off” state is not made. The transition from the "on" state to the "off" state proceeds by the oxidation reaction (dissolution reaction) of the metal bridge. When the metal forming the lower second electrode 110 is larger than the metal forming the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b in the negative direction in the standard generation Gibbs energy in the process of forming metal ions (oxidation process), the first The oxidation reaction of the lower second electrode 110 proceeds more than the oxidation reaction of the metal bridge formed of the metal forming the wiring A 105 a and the first wiring B 105 b. For this reason, it can not transition to the "off" state. Therefore, the metal used to form the lower second electrode 110 needs to be an alloy with ruthenium whose standard Gibbs energy of formation in the process of generating metal ions is smaller in the negative direction than copper.

さらに、下部第2電極110に金属架橋の成分である銅が混入すると、標準ギブズエネルギーが負方向に大きい金属を添加した効果が薄れるため、ルテニウムに添加する金属は銅および銅イオンに対してバリア性のある材料が好ましい。例えば、タンタル、チタンなどである。一方、添加金属の量は大きいほど「オン」状態は安定化し、5at.%の添加によっても安定性が向上する。特に添加金属をチタンとした場合、オフへの遷移とオン状態の安定性に優れていることから、下部第2電極110をルテニウムとチタンの合金とし、チタンの含有率を20at.%〜30at.%の範囲とすることが好ましい。該ルテニウム合金における、ルテニウムの含有比率は、60at.%以上、90at.%以下が好ましい。   Furthermore, if copper, which is a component of metal cross-linking, is mixed into the lower second electrode 110, the effect of adding a large metal in the negative direction of the standard Gibbs energy is diminished, so that the metal added to ruthenium is a barrier against copper and copper ions. Preferred materials are For example, tantalum, titanium or the like. On the other hand, the larger the amount of added metal, the more the "on" state is stabilized, and the 5 at. % Addition also improves the stability. In particular, when the additive metal is titanium, the lower second electrode 110 is made of an alloy of ruthenium and titanium and has a titanium content of 20 at. % To 30 at. It is preferable to make it the range of%. The content ratio of ruthenium in the ruthenium alloy is 60 at. % Or more, 90 at. % Or less is preferable.

下部第2電極110の形成には、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法を用いて合金を成膜する場合、ルテニウムと添加金属との合金ターゲットを用いる方法、ルテニウムターゲットと添加金属のターゲットを同一チャンバー内で同時にスパッタリングするコスパッタ法、予め添加金属の薄膜を形成し、その上に、スパッタリング法を用いてルテニウムを成膜し、衝突原子のエネルギーで合金化するインターミキシング法がある。コスパッタ法およびインターミキシング法を用いると、合金の組成を変えることができる。インターミキシング法を採用する際には、ルテニウムの成膜を完了した後に、混合状態の均一化のために、400℃以下での熱処理を加えることが好ましい。   Sputtering is preferably used to form the lower second electrode 110. When forming an alloy film by sputtering, a method using an alloy target of ruthenium and additive metal, cosputtering method in which a ruthenium target and a target of additive metal are simultaneously sputtered in the same chamber, a thin film of additive metal is formed in advance. On top of that, there is an intermixing method in which ruthenium is deposited using a sputtering method and alloyed with the energy of collision atoms. The composition of the alloy can be varied using co-sputtering and intermixing methods. When employing the intermixing method, it is preferable to apply a heat treatment at 400 ° C. or less after completion of the ruthenium film formation, in order to make the mixed state uniform.

より好ましい下部第2電極110の形成方法としては、ルテニウムターゲット電極と、添加金属ターゲット電極の二つを用いたコスパッタとすることが好ましい。ルテニウムと添加金属からなる合金ターゲットを用いた場合には、それぞれの材料のスパッタリングイールドが異なるため、連続して使用すると組成にずれを生じるため、成膜される膜の組成を厳密に制御することが難しくなる。一方、コスパッタ法については、あらかじめ各ターゲット電極に印加する電力を個別に設定することで、膜の組成を厳密に制御することができる。特に添加金属として、チタン、あるいはタンタルを用いた場合に効果が大きい。   As a more preferable method of forming the lower second electrode 110, co-sputtering using two of a ruthenium target electrode and an additive metal target electrode is preferable. In the case of using an alloy target consisting of ruthenium and an additive metal, since the sputtering yield of each material is different, the composition will be deviated when used continuously, so the composition of the film to be formed should be strictly controlled. Becomes difficult. On the other hand, in the co-sputtering method, the composition of the film can be strictly controlled by individually setting the power applied to each target electrode in advance. The effect is large particularly when titanium or tantalum is used as the additive metal.

上部第2電極111は、抵抗変化素子100の上部電極における上側の電極であり、下部第2電極110上に形成される。上部第2電極111は、下部第2電極110を保護する役割を有する。すなわち、上部第2電極111が下部第2電極110を保護することで、プロセス中の下部第2電極110へのダメージを抑制し、抵抗変化素子100のスイッチング特性を安定化することができる。上部第2電極111には、例えば、タンタル、チタン、タングステンあるいはこれらの窒化物等を用いることができる。   The upper second electrode 111 is an upper electrode of the upper electrode of the resistance change element 100, and is formed on the lower second electrode 110. The upper second electrode 111 has a role of protecting the lower second electrode 110. That is, by protecting the lower second electrode 110 by the upper second electrode 111, damage to the lower second electrode 110 during the process can be suppressed, and the switching characteristics of the variable resistance element 100 can be stabilized. For the upper second electrode 111, for example, tantalum, titanium, tungsten, or a nitride thereof can be used.

また、上部第2電極111はビアA119aを下部第2電極110に電気的に接続する場合に、エッチングストップ膜としての機能も有する。そのため、層間絶縁膜115のエッチングに使用するフッ化炭素系のガスのプラズマに対して、エッチング速度が小さいことが好ましい。特に、エッチングストップ膜として機能し、導電性を有するチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムの窒化物が好ましい。   The upper second electrode 111 also has a function as an etching stop film when the via A 119 a is electrically connected to the lower second electrode 110. Therefore, it is preferable that the etching rate be lower than that of the fluorocarbon gas plasma used for the etching of the interlayer insulating film 115. In particular, titanium, tantalum, zirconium, hafnium, and aluminum nitrides which function as an etching stop film and have conductivity are preferable.

上部第2電極111に窒化物ではない金属を使用すると、プロセス中の加熱やプラズマダメージで金属の一部が下部第2電極110内に拡散する。これにより下部第2電極110内に欠陥が生じ、これらの欠陥を起点としてイオン伝導層109の絶縁破壊電圧を低下させる可能性がある。上部第2電極111に導電性を有し安定な窒化物を用いることで、下部第2電極110への金属の拡散を防止できる。   If a metal other than nitride is used for the upper second electrode 111, part of the metal diffuses into the lower second electrode 110 due to heating or plasma damage during the process. As a result, defects may occur in the lower second electrode 110, and the dielectric breakdown voltage of the ion conductive layer 109 may be reduced from these defects. By using a conductive and stable nitride for the upper second electrode 111, diffusion of metal to the lower second electrode 110 can be prevented.

特に、上部第2電極111を構成する窒化物の金属と、下部第2電極110を構成するルテニウムと合金を形成する添加金属とを、同じ金属にすることが好ましい。これによりルテニウムと合金を形成する金属の拡散不良をより効率的に防止できる。例えば、下部第2電極110がルテニウムとチタンの合金である場合には、上部第2電極111を窒化チタンとすることが好ましい。あるいは、下部第2電極110がルテニウムとタンタルの合金である場合には、上部第2電極111を窒化タンタルとする。下部第2電極110と上部第2電極111を構成する金属成分を一致させることで、上部第2電極111の金属が仮に下部第2電極110に拡散した場合にも、欠陥を形成し難くなる。   In particular, it is preferable to use the same metal as the metal of the nitride forming the upper second electrode 111 and the additive metal forming an alloy with ruthenium forming the lower second electrode 110. This makes it possible to more efficiently prevent the diffusion failure of the metal that forms an alloy with ruthenium. For example, when the lower second electrode 110 is an alloy of ruthenium and titanium, the upper second electrode 111 is preferably made of titanium nitride. Alternatively, when the lower second electrode 110 is an alloy of ruthenium and tantalum, the upper second electrode 111 is tantalum nitride. By matching the metal components constituting the lower second electrode 110 and the upper second electrode 111, it becomes difficult to form a defect even if the metal of the upper second electrode 111 diffuses into the lower second electrode 110.

この時、下部第2電極110を構成するルテニウム合金のルテニウムに対する添加金属の割合よりも、上部第2電極111を構成する窒化物の窒素に対する金属の割合を大きくする。これにより、下部第2電極110を構成する金属が上部第2電極111を構成する窒化物に拡散して、下部第2電極110を構成するルテニウム合金の組成が変化することを防止できる。具体的には、チタンの含有率が60at.%以上、80at.%以下であることがより好ましい。   At this time, the ratio of the metal to the nitrogen of the nitride constituting the upper second electrode 111 is made larger than the ratio of the additive metal to the ruthenium of the ruthenium alloy constituting the lower second electrode 110. Thereby, the metal constituting the lower second electrode 110 can be diffused into the nitride constituting the upper second electrode 111, and the composition of the ruthenium alloy constituting the lower second electrode 110 can be prevented from changing. Specifically, the content of titanium is 60 at. % Or more, 80 at. It is more preferable that the content is less than%.

上部第2電極111の形成には、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法を用いて窒化物を成膜する場合、窒素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いて金属ターゲットを蒸発させるリアクティブスパッタ法を用いることが好ましい。金属ターゲットより蒸発した金属は窒素と反応し、窒化物となって基板上に成膜される。   Sputtering is preferably used to form the upper second electrode 111. In the case of forming a nitride film by a sputtering method, it is preferable to use a reactive sputtering method in which a metal target is evaporated using plasma of a mixed gas of nitrogen and argon. The metal evaporated from the metal target reacts with nitrogen to form a nitride on the substrate.

ハードマスク膜112、113は、上部第2電極111、下部第2電極110、及び第1イオン伝導層109a、第2イオン伝導層109bをエッチングする際のハードマスク膜兼パッシベーション膜となる膜である。ハードマスク膜112には、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等、またそれらの積層を用いることができる。ハードマスク膜113には、例えば、酸化シリコン膜を用いることができる。ハードマスク膜113はエッチングの際に消失してもよい。ハードマスク膜112は、保護絶縁膜114、およびバリア絶縁膜107と同一材料を含むことが好ましい。すなわち、抵抗変化素子100の周囲を同一材料で囲むことで材料界面が一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子100を構成する元素の脱離を防ぐことができる。   The hard mask films 112 and 113 are films serving as a hard mask film / passivation film when the upper second electrode 111, the lower second electrode 110, the first ion conductive layer 109a, and the second ion conductive layer 109b are etched. . For the hard mask film 112, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or the like, or a stacked layer thereof can be used. For the hard mask film 113, for example, a silicon oxide film can be used. The hard mask film 113 may be lost during etching. The hard mask film 112 preferably contains the same material as the protective insulating film 114 and the barrier insulating film 107. That is, by surrounding the periphery of the variable resistance element 100 with the same material, the material interface is integrated, so that it is possible to prevent the entry of moisture and the like from the outside and to prevent the detachment of the elements constituting the variable resistance element 100.

保護絶縁膜114は、抵抗変化素子100にダメージを与えることなく、さらに第2イオン伝導層109bからの酸素の脱離を防ぐ機能を有する、絶縁膜とする。保護絶縁膜114には、例えば、窒化シリコン膜、炭窒化シリコン膜等を用いることができる。保護絶縁膜114は、ハードマスク膜112及びバリア絶縁膜107と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜114とバリア絶縁膜107及びハードマスク膜112とが一体化して界面の密着性が向上し、抵抗変化素子100を強固に保護することができる。   The protective insulating film 114 is an insulating film which has a function of preventing desorption of oxygen from the second ion conductive layer 109 b without damaging the resistance change element 100. For the protective insulating film 114, a silicon nitride film, a silicon carbonitride film, or the like can be used, for example. The protective insulating film 114 is preferably the same material as the hard mask film 112 and the barrier insulating film 107. In the case of using the same material, the protective insulating film 114, the barrier insulating film 107, and the hard mask film 112 are integrated to improve the adhesion of the interface, and the resistance change element 100 can be strongly protected.

層間絶縁膜115は、保護絶縁膜114上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜115には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜等を用いることができる。層間絶縁膜115は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜115は、層間絶縁膜117と同一材料としてもよい。層間絶縁膜115には、ビアA119a及びビアB119bを埋め込むための下穴が形成されており、当該下穴に第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介してビアA119a及びビアB119bが埋め込まれている。   The interlayer insulating film 115 is an insulating film formed on the protective insulating film 114. For the interlayer insulating film 115, for example, a silicon oxide film, an SiOC film, or the like can be used. The interlayer insulating film 115 may be a stack of a plurality of insulating films. The interlayer insulating film 115 may be made of the same material as the interlayer insulating film 117. In the interlayer insulating film 115, a lower hole for embedding the via A119a and the via B119b is formed, and the via A119a and the via B119b are embedded in the lower hole via the second barrier metal A120a and the second barrier metal B120b. ing.

Low−k膜116は、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)等を用い、層間絶縁膜115、117間に介在した誘電率の低い絶縁膜である。Low−k膜116には、第2配線A118a及び第2配線B118bを埋め込むための配線溝が形成され、当該配線溝に第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介して第2配線A118a及び第2配線B118bが埋め込まれている。   The low-k film 116 is an insulating film with a low dielectric constant interposed between the interlayer insulating films 115 and 117 using a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) or the like having a dielectric constant lower than that of a silicon oxide film. In the low-k film 116, a wiring trench for embedding the second wiring A118a and the second wiring B118b is formed, and the second wiring A118a and the second wiring A118a and the second barrier metal B120b are formed in the wiring trench. The second wiring B 118 b is embedded.

層間絶縁膜117は、Low−k膜116上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜117には、例えば、酸化シリコン膜、SiOC膜、酸化シリコン膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜)などを用いることができる。層間絶縁膜117は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜117は、層間絶縁膜115と同一材料としてもよい。層間絶縁膜117には、第2配線A118a及び第2配線B118bを埋め込むための配線溝が形成され、当該配線溝に第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介して第2配線A118a及び第2配線B118bが埋め込まれている。   The interlayer insulating film 117 is an insulating film formed on the low-k film 116. As the interlayer insulating film 117, for example, a silicon oxide film, an SiOC film, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film) having a relative dielectric constant lower than that of a silicon oxide film, or the like can be used. The interlayer insulating film 117 may be a stack of a plurality of insulating films. The interlayer insulating film 117 may be made of the same material as the interlayer insulating film 115. In the interlayer insulating film 117, a wiring trench for embedding the second wiring A118a and the second wiring B118b is formed, and the second wiring A118a and the second wiring A118a and the second wiring B120b are interposed in the wiring trench. Two wires B 118 b are embedded.

第2配線A118a及び第2配線B118bは、層間絶縁膜117及びLow−k膜116に形成された配線溝に、第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bを介して埋め込まれた配線である。第2配線A118a及び第2配線B118bは、ビアA119a及びビアB119bと一体になっている。ビアA119aは、層間絶縁膜115、保護絶縁膜114、及びハードマスク膜112に形成された下穴に第2バリアメタルA120aを介して埋め込まれている。ビアB119bは、層間絶縁膜115、及び保護絶縁膜114に形成された下穴に第2バリアメタルB120bを介して埋め込まれている。   The second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b are wirings embedded in the wiring grooves formed in the interlayer insulating film 117 and the Low-k film 116 via the second barrier metal A 120 a and the second barrier metal B 120 b. The second wiring A118a and the second wiring B118b are integrated with the via A119a and the via B119b. The via A119a is embedded in the lower hole formed in the interlayer insulating film 115, the protective insulating film 114, and the hard mask film 112 via the second barrier metal A120a. The via B 119 b is embedded in the lower hole formed in the interlayer insulating film 115 and the protective insulating film 114 via the second barrier metal B 120 b.

ビアA119aは、第2バリアメタルA120aを介して上部第2電極111に電気的に接続している。ビアB119bは、第2バリアメタルB120bを介して第1配線C105cに電気的に接続している。第2配線A118a及び第2配線B118b及びビアA119a及びビアB119bには、例えば、銅を用いることができる。   The via A119a is electrically connected to the upper second electrode 111 via the second barrier metal A120a. The via B119b is electrically connected to the first wiring C105c via the second barrier metal B120b. For example, copper can be used for the second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b and the via A 119 a and the via B 119 b.

第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bは、第2配線A118aおよび第2配線B118b(ビアA119a及びビアB119bを含む)を形成する金属が層間絶縁膜115、117や下層へ拡散することを防止する。このため、第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bは、第2配線A118a及び第2配線B118b、ビアA119a及びビアB119bの側面乃至底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。   The second barrier metal A120a and the second barrier metal B120b prevent the metal forming the second wiring A118a and the second wiring B118b (including the via A119a and the via B119b) from diffusing into the interlayer insulating films 115 and 117 or the lower layer Do. Therefore, the second barrier metal A 120a and the second barrier metal B 120b are conductive films having a barrier property covering the side surfaces or the bottom surfaces of the second wiring A 118a and the second wiring B 118b, the via A 119a and the via B 119b.

第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bには、例えば、第2配線A118a及び第2配線B118b、ビアA119a及びビアB119bが銅を主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、炭窒化タングステンのような高融点金属やその窒化物等、またはそれらの積層膜を用いることができる。第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bは、上部第2電極111と同一材料であることが好ましい。例えば、第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120bが窒化タンタル(下層)/タンタル(上層)の積層構造である場合には、下層材料である窒化タンタルを上部第2電極111に用いることが好ましい。   The second barrier metal A120a and the second barrier metal B120b may be, for example, tantalum or tantalum nitride if the second wiring A118a and the second wiring B118b, the via A119a and the via B119b are made of a metal element whose main component is copper. A refractory metal such as titanium nitride or tungsten carbonitride, or a nitride thereof, or a laminated film thereof can be used. The second barrier metal A 120 a and the second barrier metal B 120 b are preferably made of the same material as the upper second electrode 111. For example, when the second barrier metal A 120 a and the second barrier metal B 120 b have a laminated structure of tantalum nitride (lower layer) / tantalum (upper layer), it is preferable to use tantalum nitride as the lower layer material for the upper second electrode 111. .

バリア絶縁膜121は、第2配線A118a及び第2配線B118bを含む層間絶縁膜117上に形成される絶縁膜である。バリア絶縁膜121は、第2配線A118a及び第2配線B118bを形成する金属(例えば、銅)の、酸化を防いだり、上層への拡散を防ぐ役割を有する。バリア絶縁膜121には、例えば、炭窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。   The barrier insulating film 121 is an insulating film formed on the interlayer insulating film 117 including the second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b. The barrier insulating film 121 has a role of preventing oxidation of a metal (for example, copper) forming the second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b and diffusion of the metal to the upper layer. As the barrier insulating film 121, for example, a silicon carbonitride film, a silicon nitride film, a stacked structure thereof, or the like can be used.

図3及び図4は、抵抗変化素子100のスイッチ動作特性を示す図である。図3は、抵抗変化素子100において、第2配線A118a、ビアA119a、上部第2電極111を介して下部第2電極110を接地し、第1配線A105aに正電圧を印加した際の、オフ状態からオン状態への遷移電圧を表すスイッチ電圧の分布を示す。また、図4は、図3同様、下部第2電極110を接地し、第1配線A105aに正電圧を印加した際の、オフ状態のリーク電流の分布(図4)を示す。   FIGS. 3 and 4 are diagrams showing switch operation characteristics of the variable resistance element 100. FIG. FIG. 3 shows an off state when the lower second electrode 110 is grounded via the second wiring A 118 a, the via A 119 a and the upper second electrode 111 in the variable resistance element 100 and a positive voltage is applied to the first wiring A 105 a. Fig. 6 shows a distribution of switch voltages representing a transition voltage from to on. 4 shows the distribution of leakage current in the off state (FIG. 4) when the lower second electrode 110 is grounded and a positive voltage is applied to the first wiring A 105a, as in FIG.

図3及び図4の分布は、同じチップ内の4096個の抵抗変化素子アレーを用いて測定している。図3及び図4では、4096個のデータが、その平均値及び分散をそのまま平均値及び分散とする正規分布に従うとした場合の、データと平均値との差(リニアスケール)を累積確率に換算した値を縦軸にとっている。例えば、累積確率16%はデータと平均値との差が−1×標準偏差に、累積確率50%は±0×標準偏差に、累積確率84%は+1×標準偏差に、各々対応する。   The distributions in FIG. 3 and FIG. 4 are measured using 4096 resistance change element arrays in the same chip. In FIG. 3 and FIG. 4, the difference (linear scale) between the data and the average value is converted into the cumulative probability when the 4096 pieces of data follow the normal distribution with the average value and the dispersion as the average value and the dispersion as they are. On the vertical axis. For example, the cumulative probability 16% corresponds to the difference between the data and the average value to −1 × standard deviation, the cumulative probability 50% corresponds to ± 0 × standard deviation, and the cumulative probability 84% corresponds to + 1 × standard deviation.

図3では、バリア絶縁膜107を開口して第1配線A105aと第1バリアメタルA106a、及び第1配線B105bと第1バリアメタルB106bを露出させるドライエッチングプロセスにおいて、酸素を含むエッチングガスを用いた場合(酸素有り)と、酸素を含まないエッチングガスを用いた場合(酸素無し)について比較している。両者とも第1イオン伝導層109aにはジルコニウムを用いており、第2イオン伝導層109b成膜後に酸化ジルコニウムとなる。   In FIG. 3, an etching gas containing oxygen is used in a dry etching process for opening the barrier insulating film 107 to expose the first wiring A 105 a and the first barrier metal A 106 a and the first wiring B 105 b and the first barrier metal B 106 b. A comparison is made between the case (with oxygen) and the case where oxygen-free etching gas is used (without oxygen). In both cases, zirconium is used for the first ion conductive layer 109a, and becomes zirconium oxide after forming the second ion conductive layer 109b.

図3では、酸素無しのエッチングガスを用いた場合に比べ、酸素有りのエッチングガスを用いた場合の方が、スイッチ電圧が低電圧化し、かつスイッチ電圧の分布幅(即ち、ばらつき)が減少している。酸素有りのエッチングガスを用いると、第1イオン伝導層109aと接する第1バリアメタルA106aの表面に酸化部108が形成される。これにより、第1バリアメタルA106aに電界が集中せず、第1配線A105aの銅に電界が集中した結果、スイッチ電圧とその分布幅が減少したと考えられる。   In FIG. 3, the switch voltage is lowered and the switch voltage distribution width (ie, the variation) is reduced in the case where the etching gas with oxygen is used compared to the case where the etching gas without oxygen is used. ing. When the etching gas with oxygen is used, the oxidized portion 108 is formed on the surface of the first barrier metal A 106 a in contact with the first ion conductive layer 109 a. As a result, the electric field is not concentrated on the first barrier metal A 106 a, and the electric field is concentrated on the copper of the first wiring A 105 a. As a result, the switch voltage and the distribution width thereof are considered to be reduced.

また、図4のオフ状態のリーク電流の分布幅(即ち、ばらつき)においても、酸素有りのエッチングガスを用いた場合の方がリーク電流の分布幅は小さく、酸素無しのエッチングガスを用いた場合の方がリーク電流の分布幅は大きい。酸素無しのエッチングガスを用いた場合、第1バリアメタルA106aに酸化部108が形成されない。このため、第1配線A105aの上面と第1バリアメタルA106aの上面が面内に垂直方向で同程度、もしくは、第1バリアメタルA106aの方が高いと、第1バリアメタルA106aに電界が集中してリーク電流が増大する、もしくはリーク電流の分布幅が増大すると考えられる。   Also, in the distribution width (ie, variation) of the leak current in the off state in FIG. 4, the distribution width of the leak current is smaller when the etching gas with oxygen is used, and when the etching gas without oxygen is used The distribution width of the leak current is larger in the case of. When the oxygen-free etching gas is used, the oxidized portion 108 is not formed in the first barrier metal A 106 a. Therefore, when the upper surface of the first wiring A 105 a and the upper surface of the first barrier metal A 106 a are substantially the same in the vertical direction in the plane, or the first barrier metal A 106 a is higher, the electric field is concentrated on the first barrier metal A 106 a It is considered that the leak current increases or the distribution width of the leak current increases.

以上のように、酸素有りのエッチングガスを用いた場合、スイッチ電圧やそのばらつきが減少し、オフ状態のリーク電流のばらつきが減少する。これは、酸素有りのエッチングガスを用いた場合、第1バリアメタルA106aの表面に酸化部108が形成され、この酸化部108により第1バリアメタルA106aには電界が集中せず、第1配線A105aに電界が集中したことに対応している。   As described above, when the etching gas with oxygen is used, the switch voltage and the variation thereof are reduced, and the variation of the leak current in the off state is reduced. This is because when the etching gas with oxygen is used, the oxidized portion 108 is formed on the surface of the first barrier metal A 106 a, and the electric field is not concentrated on the first barrier metal A 106 a by the oxidized portion 108, and the first wiring A 105 a Corresponds to the concentration of the electric field.

図5A〜図5Lは、本実施形態の半導体装置10の製造の工程1〜工程12を示す断面模式図である。
(工程1)
半導体基板101(例えば、半導体素子が形成されたシリコン基板)上に層間絶縁膜102(例えば、酸化シリコン膜、膜厚500nm)を堆積する。その後、層間絶縁膜102にLow−k膜103として比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜、膜厚150nm)を堆積する。その後、Low−k膜103上に層間絶縁膜104として酸化シリコン膜(例えば、酸化シリコン膜、膜厚100nm)を堆積する。
5A to 5L are schematic cross-sectional views showing steps 1 to 12 of manufacturing the semiconductor device 10 of the present embodiment.
(Step 1)
An interlayer insulating film 102 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 500 nm) is deposited over the semiconductor substrate 101 (for example, a silicon substrate on which a semiconductor element is formed). Thereafter, a low dielectric constant film (for example, a SiOCH film, 150 nm thick) having a low relative dielectric constant is deposited on the interlayer insulating film 102 as a Low-k film 103. After that, a silicon oxide film (for example, a silicon oxide film, 100 nm in film thickness) is deposited on the low-k film 103 as an interlayer insulating film 104.

その後、リソグラフィ法(フォトレジスト形成、ドライエッチング、フォトレジスト除去を含む)を用いて、層間絶縁膜104及びLow−k膜103に配線溝を形成する。その後、当該配線溝に第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106c(例えば、窒化タンタル/タンタル、膜厚5nm/5nm)を介して、第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105c(例えば、銅)を埋め込む。   Thereafter, a wiring trench is formed in the interlayer insulating film 104 and the low-k film 103 by using a lithography method (including photoresist formation, dry etching, and photoresist removal). After that, the first wiring A105a and the first wiring B105b are interposed in the wiring groove via the first barrier metal A106a, the first barrier metal B106b and the first barrier metal C106c (for example, tantalum nitride / tantalum, film thickness 5 nm / 5 nm). And embedding the first wiring C 105 c (for example, copper).

層間絶縁膜102、104は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成することができる。第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106cは、PVD(Physical Vapor Deposition)法によって形成することができる。第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cは、第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルB106b及び第1バリアメタルC106c上に、PVD法で銅シードを形成後、電解めっき法で銅を配線溝内に埋設する。さらに、200℃以上の温度で熱処理処理後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、配線溝内以外の余分な銅を除去することで形成することができる。   The interlayer insulating films 102 and 104 can be formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition). The first barrier metal A 106 a, the first barrier metal B 106 b, and the first barrier metal C 106 c can be formed by PVD (Physical Vapor Deposition). After forming a copper seed by PVD on the first barrier metal A 106 a, the first barrier metal B 106 b, and the first barrier metal C 106 c, the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c are copper by electrolytic plating. Embedded in the wiring trench. Furthermore, after heat treatment at a temperature of 200 ° C. or more, the film can be formed by removing excess copper outside the wiring trench by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.

このような銅配線の一連の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。ここで、CMP法とは、多層配線形成プロセス中に生じるウェハ表面の凹凸を、研磨液をウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。溝に埋め込まれた余分な銅を研磨することによって埋め込み配線(ダマシン配線)を形成したり、層間絶縁膜を研磨することで平坦化を行うことができる。
(工程2)
第1配線A105a、第1配線B105b及び第1配線C105cを含む層間絶縁膜104上にバリア絶縁膜107(例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)を形成する。ここで、バリア絶縁膜107は、プラズマCVD法によって形成することができる。バリア絶縁膜107の膜厚は、10nm〜50nm程度であることが好ましい。
(工程3)
バリア絶縁膜107上にハードマスク膜107a(例えば、酸化シリコン膜、膜厚40nm)を形成する。このとき、ハードマスク膜107a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、バリア絶縁膜107とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜107aには、例えば、酸化シリコン膜、シリコン窒化膜、窒化チタン、チタン、タンタル、窒化タンタル等を用いることができ、窒化シリコン/酸化シリコン膜の積層膜を用いることもできる。
(工程4)
ハードマスク膜107a上にフォトレジスト(図示せず)を用いて開口部の形状をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングすることにより、開口部パターンを形成する。その後、酸素プラズマアッシング等によりフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングは必ずしもバリア絶縁膜107の上面で停止している必要はなく、バリア絶縁膜107の内部にまで到達していてもよい。
(工程5)
ハードマスク膜107aをマスクとして、ハードマスク膜107aの開口部から露出するバリア絶縁膜107をエッチバック(ドライエッチング)する。これにより、バリア絶縁膜107に開口部を形成して、バリア絶縁膜107の開口部から第1配線A105a及び第1配線B105bを露出させる。この際、フッ化炭素ガス、アルゴン、酸素の混合ガスを用いてエッチバックを行う。具体的にはフッ化炭素と酸素は同程度、アルゴンはフッ化炭素もしくは酸素の10倍から20倍程度の比で混合する。エッチバックの結果、第1配線A105a及び第1配線B105bの銅と、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bのエッチバックにより露出している部分が酸化される。第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bには酸化部108が形成される。
A series of formation methods of such copper wiring can use a general method in the art. Here, the CMP method is a method of planarizing the irregularities on the surface of the wafer generated during the process of forming a multilayer wiring by bringing it into contact with a polishing pad which is rotated while flowing a polishing liquid on the surface of the wafer. It is possible to form embedded wiring (damascene wiring) by polishing extra copper embedded in the trench or to planarize by polishing the interlayer insulating film.
(Step 2)
A barrier insulating film 107 (for example, a silicon nitride film or a silicon carbonitride film, a film thickness of 30 nm) is formed over the interlayer insulating film 104 including the first wiring A 105 a, the first wiring B 105 b, and the first wiring C 105 c. Here, the barrier insulating film 107 can be formed by plasma CVD. The film thickness of the barrier insulating film 107 is preferably about 10 nm to 50 nm.
(Step 3)
A hard mask film 107 a (for example, a silicon oxide film, 40 nm in film thickness) is formed on the barrier insulating film 107. At this time, the hard mask film 107a is preferably made of a material different from that of the barrier insulating film 107 from the viewpoint of maintaining a large etching selectivity in dry etching, and may be an insulating film or a conductive film. As the hard mask film 107a, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, titanium nitride, titanium, tantalum, tantalum nitride or the like can be used, and a laminated film of silicon nitride / silicon oxide film can also be used.
(Step 4)
The shape of the opening is patterned on the hard mask film 107a using a photoresist (not shown), and dry etching is performed using the photoresist as a mask to form an opening pattern. Thereafter, the photoresist is peeled off by oxygen plasma ashing or the like. At this time, the dry etching does not necessarily have to stop on the upper surface of the barrier insulating film 107, and may reach the inside of the barrier insulating film 107.
(Step 5)
The barrier insulating film 107 exposed from the opening of the hard mask film 107 a is etched back (dry etching) using the hard mask film 107 a as a mask. Thus, an opening is formed in the barrier insulating film 107, and the first wiring A 105a and the first wiring B 105b are exposed from the opening of the barrier insulating film 107. At this time, etch back is performed using a mixed gas of fluorocarbon gas, argon, and oxygen. Specifically, fluorocarbon and oxygen are mixed to the same extent, and argon is mixed at a ratio of 10 to 20 times that of fluorocarbon or oxygen. As a result of the etch back, the exposed portions of the copper of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b and the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b are oxidized. An oxidized portion 108 is formed in the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b.

この際、エッチバックに用いる酸素ガスの混合比を制御して、第1配線A105a及び第1配線B105bの銅は酸化させず、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bのみが酸化する条件としても良い。第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bを構成するタンタルが五酸化タンタルとなる標準生成ギブズエネルギーよりも、第1配線A105a及び第1配線B105bの銅の標準生成ギブズエネルギーの方が大きいため、適切な条件に設定することで、第1バリアメタルA106a及び第1バリアメタルB106bのみを選択的に酸化できる。   At this time, by controlling the mixing ratio of oxygen gas used for etch back, the copper of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is not oxidized, and only the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b are oxidized. Also good. Because the standard Gibbs energy of copper formed in the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is larger than the standard Gibbs energy in which tantalum constituting the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b is tantalum pentoxide. By setting appropriate conditions, only the first barrier metal A 106 a and the first barrier metal B 106 b can be selectively oxidized.

その後、窒素およびアルゴンの混合ガスを用いたプラズマに曝すことで、エッチバック時に発生したエッチング副生成物などを除去する。さらにバリアメタルの酸化部108の酸化が不十分である場合は、さらに純酸素のプラズマもしくは酸素と窒素の混合ガスによるプラズマに暴露しても良い。エッチバック処理を行ったチャンバーでプラズマへの暴露を行っても良いし、例えばアッシング装置で行っても良い。   Thereafter, by exposure to plasma using a mixed gas of nitrogen and argon, etching by-products and the like generated at the time of etch back are removed. Furthermore, when the oxidation of the barrier metal oxidized portion 108 is insufficient, the plasma may be exposed to plasma of pure oxygen or plasma of a mixed gas of oxygen and nitrogen. The exposure to the plasma may be performed in the chamber subjected to the etch back processing, or may be performed using, for example, an ashing apparatus.

バリア絶縁膜107のエッチバックでは、反応性ドライエッチングを用いることで、バリア絶縁膜107の開口部の壁面をテーパ形状とすることができる。反応性ドライエッチングでは、エッチングガスとしてフッ化炭素を含むガスを用いることができる。ハードマスク膜107aは、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、絶縁材料である場合はそのまま残存してもよい。また、バリア絶縁膜107の開口部の形状は円形とし、円の直径は30nmから500nmとすることができる。
(工程6)
第1配線A105a及び第1配線B105bを含むバリア絶縁膜107上にイオン伝導層109を形成する。まず、1nmのジルコニウムをスパッタリング法で堆積する。ジルコニウムは第2イオン伝導層109b形成時に酸化され、第1イオン伝導層109aを形成する。この際、350℃の温度で真空環境下にてアニールを行うことで、第1配線A105a及び第1配線B105bの銅が酸化している場合、銅側の酸素が第1イオン伝導層109aに拡散し、酸化された銅が還元される。これは、酸化銅の標準生成ギブズエネルギーが酸化ジルコニウムの標準生成ギブズエネルギーよりも大きいため、より酸化されやすいジルコニウム側に酸素が移動するためである。アニールは2分から10分程度が好ましい。
In the etch back of the barrier insulating film 107, the wall surface of the opening of the barrier insulating film 107 can be tapered by using reactive dry etching. In reactive dry etching, a gas containing fluorocarbon can be used as an etching gas. The hard mask film 107a is preferably completely removed during etch back, but may be left as it is if it is an insulating material. In addition, the shape of the opening of the barrier insulating film 107 can be circular, and the diameter of the circle can be 30 nm to 500 nm.
(Step 6)
The ion conductive layer 109 is formed on the barrier insulating film 107 including the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b. First, 1 nm of zirconium is deposited by sputtering. Zirconium is oxidized when forming the second ion conduction layer 109b to form a first ion conduction layer 109a. At this time, when the copper of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b is oxidized by performing annealing at a temperature of 350 ° C. under a vacuum environment, oxygen on the copper side diffuses into the first ion conductive layer 109 a And oxidized copper is reduced. This is because oxygen is transferred to the zirconium side which is more easily oxidized because the Gibbs energy generated normally of copper oxide is larger than the Gibbs energy generated normally of zirconium oxide. The annealing is preferably about 2 minutes to 10 minutes.

さらに、第2イオン伝導層109bとしてシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜をプラズマCVDによって形成する。原料の環状有機シロキサンとキャリアガスであるヘリウムを反応室内に流入し、両者の供給が安定化し、反応室の圧力が一定になったところでRF電力の印加を開始する。原料の供給量は10〜200sccm、ヘリウムの供給量は原料気化器経由で500sccmと別ラインで反応室に直接500sccmを供給する。バリア絶縁膜107の開口部は大気暴露によって水分などが付着しているため、第1イオン伝導層109aの堆積前に250℃から350℃程度の温度にて、減圧下で熱処理を行い脱ガスしておくことが好ましい。
(工程7)
イオン伝導層109上に下部第2電極110として、ルテニウムとチタンの合金を10nmの膜厚でコスパッタ法にて形成する。この際、ルテニウムターゲットとチタンターゲットは同一チャンバー内に存在し、同時にスパッタリングすることで合金膜を堆積する。この際、ルテニウムターゲットへの印加パワーを150W、チタンターゲットへの印加パワーを50Wとすることで、ルテニウムとチタンの合金中のルテニウムの含有率を75at.%とする。
Further, a SiOCH polymer film containing silicon, oxygen, carbon, and hydrogen is formed by plasma CVD as the second ion conductive layer 109b. The raw material cyclic organic siloxane and helium as a carrier gas flow into the reaction chamber, the supply of both is stabilized, and when the pressure in the reaction chamber becomes constant, the application of RF power is started. The supply amount of the raw material is 10 to 200 sccm, and the supply amount of helium is 500 sccm supplied directly to the reaction chamber in a separate line and 500 sccm via the raw material vaporizer. Since moisture and the like are attached to the opening of the barrier insulating film 107 by exposure to the air, heat treatment is performed under reduced pressure at a temperature of about 250 ° C. to 350 ° C. before deposition of the first ion conductive layer 109 a to degas the substrate. It is preferable to keep the
(Step 7)
An alloy of ruthenium and titanium is formed as a lower second electrode 110 by co-sputtering to a film thickness of 10 nm on the ion conductive layer 109. At this time, a ruthenium target and a titanium target exist in the same chamber, and an alloy film is deposited by sputtering simultaneously. At this time, by setting the applied power to the ruthenium target to 150 W and the applied power to the titanium target to 50 W, the ruthenium content in the alloy of ruthenium and titanium is 75 at. And%.

さらに、下部第2電極110の上に上部第2電極111を形成する。上部第2電極111として、窒化チタンを25nmの膜厚でリアクティブスパッタ法にて形成する。この際、チタンターゲットへの印加パワーを600Wとし、窒素ガスとアルゴンガスをチャンバー内に導入してスパッタリングする。この際、窒素の流量とアルゴンの流量を1:1とすることで、窒化チタン中のチタンの割合を70at.%とする。
(工程8)
上部第2電極111上にハードマスク膜112(例えば、窒化シリコン膜もしくは炭窒化シリコン膜、膜厚30nm)、およびハードマスク膜113(例えば、酸化シリコン膜、膜厚80nm)をこの順に積層する。ハードマスク膜112及びハードマスク膜113は、プラズマCVD法を用いて成膜することができる。ハードマスク膜112、113は当該技術分野における一般的なプラズマCVD法を用いて形成することができる。また、ハードマスク膜112とハードマスク膜113とは、異なる種類の膜であることが好ましく、例えば、ハードマスク膜112を窒化シリコン膜とし、ハードマスク膜113を酸化シリコン膜とすることができる。
Furthermore, the upper second electrode 111 is formed on the lower second electrode 110. As the upper second electrode 111, titanium nitride is formed to a film thickness of 25 nm by reactive sputtering. At this time, the power applied to the titanium target is 600 W, and nitrogen gas and argon gas are introduced into the chamber for sputtering. At this time, by setting the flow rates of nitrogen and argon to 1: 1, the ratio of titanium in titanium nitride is 70 at. And%.
(Step 8)
A hard mask film 112 (for example, a silicon nitride film or a silicon carbonitride film, a film thickness of 30 nm) and a hard mask film 113 (for example, a silicon oxide film, a film thickness of 80 nm) are stacked in this order on the upper second electrode 111. The hard mask film 112 and the hard mask film 113 can be formed by plasma CVD. The hard mask films 112 and 113 can be formed using a general plasma CVD method in the art. The hard mask film 112 and the hard mask film 113 are preferably different types of films. For example, the hard mask film 112 can be a silicon nitride film and the hard mask film 113 can be a silicon oxide film.

このとき、ハードマスク膜112は、後述する保護絶縁膜114、およびバリア絶縁膜107と同一材料であることが好ましい。すなわち、抵抗変化素子100の周囲を全て同一材料で囲むことで材料界面を一体化し、外部からの水分などの浸入を防ぐとともに、抵抗変化素子100自身からの脱離を防ぐことができるようになる。また、ハードマスク膜112は、プラズマCVD法によって形成することができるが、例えば、SiH/Nの混合ガスを高密度プラズマによって、高密度な窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
(工程9)
ハードマスク膜113上に抵抗変化素子部をパターニングするためのフォトレジスト(図示せず)を形成する。その後、当該フォトレジストをマスクとして、ハードマスク膜112が表れるまでハードマスク膜113をドライエッチングする。その後、酸素プラズマアッシングと、有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。
(工程10)
ハードマスク膜113をマスクとして、ハードマスク膜112、上部第2電極111、下部第2電極110、イオン伝導層109を連続的にドライエッチングする。このとき、ハードマスク膜113は、エッチバック中に完全に除去されることが好ましいが、そのまま残存してもよい。例えば、上部第2電極111が窒化チタンの場合にはCl系のRIE(Reactive Ion Etching)で加工することができ、下部第2電極110がルテニウムとチタンの合金の場合には、Cl/Oの混合ガスでRIE加工することができる。
At this time, the hard mask film 112 is preferably made of the same material as the protective insulating film 114 and the barrier insulating film 107 described later. That is, by surrounding the entire periphery of the variable resistance element 100 with the same material, it is possible to integrate the material interface, prevent entry of moisture and the like from the outside, and prevent detachment from the variable resistance element 100 itself. . The hard mask film 112 can be formed by a plasma CVD method. For example, it is preferable to use a high density silicon nitride film or the like by high density plasma of a mixed gas of SiH 4 / N 2 .
(Step 9)
A photoresist (not shown) for patterning the resistance change element portion is formed on the hard mask film 113. Thereafter, using the photoresist as a mask, the hard mask film 113 is dry etched until the hard mask film 112 appears. The photoresist is then removed using oxygen plasma ashing and organic stripping.
(Step 10)
The hard mask film 112, the upper second electrode 111, the lower second electrode 110, and the ion conductive layer 109 are continuously dry etched using the hard mask film 113 as a mask. At this time, the hard mask film 113 is preferably completely removed during etch back, but may remain as it is. For example, when the upper second electrode 111 is titanium nitride, it can be processed by RIE (Reactive Ion Etching) based on Cl 2 , and when the lower second electrode 110 is an alloy of ruthenium and titanium, Cl 2 / RIE processing can be performed with a mixed gas of O 2 .

また、イオン伝導層109のエッチングでは、下面のバリア絶縁膜107上でドライエッチングを停止させる必要がある。イオン伝導層109がシリコン、酸素、炭素、水素を含むSIOCH系ポリマー膜であり、バリア絶縁膜107が窒化シリコン膜や炭窒化シリコン膜である場合には、CF系、CF/Cl系、CF/Cl/Ar系などの混合ガスでエッチング条件を調節することでRIE加工することができる。 Further, in the etching of the ion conductive layer 109, it is necessary to stop the dry etching on the barrier insulating film 107 on the lower surface. When the ion conductive layer 109 is a SIOCH polymer film containing silicon, oxygen, carbon, and hydrogen, and the barrier insulating film 107 is a silicon nitride film or a silicon carbonitride film, a CF 4 system, CF 4 / Cl 2 system The RIE processing can be performed by adjusting the etching conditions with a mixed gas of CF 4 / Cl 2 / Ar system or the like.

このようなハードマスクRIE法を用いることで、抵抗変化素子部をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく加工をすることができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。
(工程11)
ハードマスク膜112、上部第2電極111、下部第2電極110、及びイオン伝導層109を含むバリア絶縁膜107上に保護絶縁膜114(例えば、窒化シリコン膜、もしくは炭窒化シリコン膜、20nm)を堆積する。保護絶縁膜114は、プラズマCVD法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要があり、このときイオン伝導層109の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層のリーク電流が増加するという問題が生じる。それらを抑制するためには、保護絶縁膜114の成膜温度を300℃以下とすることが好ましい。さらに、成膜前に減圧下で成膜ガスに曝されるため、還元性のガスを用いないことが好ましい。例えば、SiH/Nの混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度300℃で形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。
(工程12)
保護絶縁膜114上に、層間絶縁膜115(例えば、酸化シリコン膜)、Low−k膜116として比誘電率の低い低誘電率膜(例えば、SiOCH膜、膜厚150nm)、層間絶縁膜117(例えば、酸化シリコン膜)をこの順に堆積する。その後、第2配線A118a及び第2配線B118b用の配線溝、およびビアA119a及びビアB119b用の下穴を形成する。その後、銅デュアルダマシン配線プロセスを用いて、当該配線溝及び当該下穴内に第2バリアメタルA120a及び第2バリアメタルB120b(例えば、窒化タンタル/タンタル)を介して第2配線A118a及び第2配線B118b(例えば、銅)及びビアA119a及びビアB119b(例えば、銅)を同時に形成する。その後、第2配線A118a及び第2配線B118bを含む層間絶縁膜117上にバリア絶縁膜121(例えば、窒化シリコン膜)を堆積する。
By using such a hard mask RIE method, processing can be performed without exposing the resistance change element portion to oxygen plasma ashing for resist removal. In addition, when the oxidation treatment is performed by oxygen plasma after processing, the oxidation plasma treatment can be performed without depending on the peeling time of the resist.
(Step 11)
A protective insulating film 114 (for example, a silicon nitride film or a silicon carbonitride film, 20 nm) is formed on the barrier insulating film 107 including the hard mask film 112, the upper second electrode 111, the lower second electrode 110, and the ion conductive layer 109. accumulate. The protective insulating film 114 can be formed by plasma CVD, but it needs to be maintained under reduced pressure in the reaction chamber before film formation, at which time oxygen is desorbed from the side surface of the ion conductive layer 109 to cause ion conduction. The problem of increased layer leakage current arises. In order to suppress them, it is preferable to set the film formation temperature of the protective insulating film 114 to 300 ° C. or less. Furthermore, since the film formation gas is exposed under reduced pressure before film formation, it is preferable not to use a reducing gas. For example, it is preferable to use a silicon nitride film or the like which is formed at a substrate temperature of 300 ° C. by high density plasma using a mixed gas of SiH 4 / N 2 .
(Step 12)
An interlayer insulating film 115 (for example, a silicon oxide film), a low dielectric constant film with a low relative dielectric constant (for example, a SiOCH film, 150 nm film thickness) as the Low-k film 116 on the protective insulating film 114, an interlayer insulating film 117 (for example For example, a silicon oxide film is deposited in this order. Thereafter, wiring trenches for the second wiring A118a and the second wiring B118b, and via holes for the via A119a and the via B119b are formed. Thereafter, using the copper dual damascene wiring process, the second wiring A118a and the second wiring B118b are interposed in the wiring trench and the lower hole via the second barrier metal A120a and the second barrier metal B120b (for example, tantalum nitride / tantalum). At the same time, (for example, copper) and the via A119a and the via B119b (for example, copper) are formed. Thereafter, a barrier insulating film 121 (for example, a silicon nitride film) is deposited on the interlayer insulating film 117 including the second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b.

第2配線A118a及び第2配線B118bの形成は、下層配線形成と同様のプロセスを用いることができる。このとき、第2バリアメタルA120aと上部第2電極111を同一材料とすることで第2バリアメタルA120aと上部第2電極111の間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上させることができるようになる。   The formation of the second wiring A 118 a and the second wiring B 118 b can use the same process as the formation of the lower layer wiring. At this time, by using the same material as the second barrier metal A 120 a and the upper second electrode 111, the contact resistance between the second barrier metal A 120 a and the upper second electrode 111 can be reduced, and the device performance can be improved. become.

層間絶縁膜115、Low−k膜116及び層間絶縁膜117はプラズマCVD法で形成することができる。抵抗変化素子100によって形成される段差を解消するため、層間絶縁膜115を厚く堆積し、CMPによって層間絶縁膜115を削り込んで平坦化し、層間絶縁膜115を所望の膜厚としてもよい。ビアA119a及びビアB119bは同じフォトマスクによる露光でパターニングされ、同時にエッチングし、形成する。   The interlayer insulating film 115, the low-k film 116, and the interlayer insulating film 117 can be formed by plasma CVD. In order to eliminate the difference in level formed by the resistance change element 100, the interlayer insulating film 115 may be deposited thick, and the interlayer insulating film 115 may be scraped and planarized by CMP to make the interlayer insulating film 115 a desired thickness. The via A 119 a and the via B 119 b are patterned by exposure with the same photomask, and simultaneously etched and formed.

図6は、本実施形態の半導体装置の変形例の構成を示す断面模式図である。半導体装置10’は、ビアA119aとビアB119bの深さが同じであることを特徴とし、その他の構成は半導体装置10と同じである。このため半導体装置10’の各構成要素の符号は、半導体装置10の各構成要素の符号と同じにしている。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a modification of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device 10 ′ is characterized in that the via A 119 a and the via B 119 b have the same depth, and the other configuration is the same as the semiconductor device 10. Therefore, the reference numerals of the respective components of the semiconductor device 10 ′ are the same as the reference numerals of the respective components of the semiconductor device 10.

層間絶縁膜104の第1配線A105a及び第1配線B105bに挟まれた部分は、この部分を囲む第1配線A105a及び第1配線B105bの端の掘り下げられた部分よりも、深さ方向でさらに下方に掘り下げられている。このようにすることで、層間絶縁膜104上のイオン伝導層109と下部第2電極110と上部第2電極111からなる積層膜の上面を、第1配線A105a及び第1配線B105b及び第1配線C105cの上面に略一致させることができる。このため、ビアA119aを層間絶縁膜104上の前記積層膜に接続させる際に、ビアA119aとビアB119bの深さを同じにすることができる。ビアA119aとビアB119bの深さを同じにすることによって、両者を形成する際のドライエッチングなどのプロセス時間を略同じにすることができる。この結果、両者を形成するプロセス時間が異なる場合に生じる、プロセス時間が短い方でのプラズマダメージを抑制することができる。   The portion sandwiched between the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b of the interlayer insulating film 104 is further lower in the depth direction than the dug portion of the end of the first wiring A 105 a and the first wiring B 105 b surrounding this portion. Being dug down. By doing this, the upper surface of the laminated film formed of the ion conductive layer 109, the lower second electrode 110, and the upper second electrode 111 on the interlayer insulating film 104 can be compared with the first wiring A 105a, the first wiring B 105 b, and the first wiring. It can be made to substantially correspond to the upper surface of C105c. Therefore, when the via A119a is connected to the laminated film on the interlayer insulating film 104, the depths of the via A119a and the via B119b can be made the same. By making the depths of the via A 119 a and the via B 119 b the same, it is possible to make the process time such as dry etching when forming the both substantially the same. As a result, it is possible to suppress plasma damage in the case where the process time is shorter, which is generated when the process times for forming both are different.

図7は、本実施形態の半導体装置の別の構造を示す断面模式図である。本実施形態の別の半導体装置20は、シリコン基板などの半導体基板201上の多層配線層内に形成された2端子型の抵抗変化素子200を有する。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another structure of the semiconductor device of the present embodiment. Another semiconductor device 20 of the present embodiment has a two-terminal variable resistance element 200 formed in a multilayer wiring layer on a semiconductor substrate 201 such as a silicon substrate.

半導体装置20が半導体装置10と異なるのは、半導体装置10が3端子型の抵抗変化素子100を有するのに対して、半導体装置20は2端子型の抵抗変化素子200を有する点である。その他の構造や材料は半導体装置10と同じである。   The semiconductor device 20 is different from the semiconductor device 10 in that the semiconductor device 10 has a three-terminal variable resistance element 100, whereas the semiconductor device 20 has a two-terminal variable resistance element 200. The other structures and materials are the same as those of the semiconductor device 10.

すなわち、半導体基板201、層間絶縁膜202、Low−k膜203、層間絶縁膜204は、半導体装置10の半導体基板101、層間絶縁膜102、Low−k膜103、層間絶縁膜104と同じである。また、第1配線A205a、第1配線C205c、第1バリアメタルA206a、第1バリアメタルC206c、バリア絶縁膜207、酸化部208は、半導体装置10の第1配線A105a、第1配線C105c、第1バリアメタルA106a、第1バリアメタルC106c、バリア絶縁膜107、酸化部108と同じである。   That is, the semiconductor substrate 201, the interlayer insulating film 202, the low-k film 203, and the interlayer insulating film 204 are the same as the semiconductor substrate 101, the interlayer insulating film 102, the low-k film 103, and the interlayer insulating film 104 of the semiconductor device 10. . The first wiring A 205 a, the first wiring C 205 c, the first barrier metal A 206 a, the first barrier metal C 206 c, the barrier insulating film 207, and the oxidation unit 208 are the first wiring A 105 a, the first wiring C 105 c, and the first wiring of the semiconductor device 10. This is the same as the barrier metal A 106 a, the first barrier metal C 106 c, the barrier insulating film 107, and the oxidized portion 108.

また、第1イオン伝導層209a、第2イオン伝導層209b、下部第2電極210、上部第2電極211、ハードマスク膜212、ハードマスク膜213、保護絶縁膜214は、半導体装置10の第1イオン伝導層109a、第2イオン伝導層109b、下部第2電極110、上部第2電極111、ハードマスク膜112、ハードマスク膜113、保護絶縁膜114と同じである。   The first ion conductive layer 209 a, the second ion conductive layer 209 b, the lower second electrode 210, the upper second electrode 211, the hard mask film 212, the hard mask film 213, and the protective insulating film 214 The ion conductive layer 109 a, the second ion conductive layer 109 b, the lower second electrode 110, the upper second electrode 111, the hard mask film 112, the hard mask film 113, and the protective insulating film 114 are the same.

また、層間絶縁膜215、Low−k膜216、層間絶縁膜217、バリア絶縁膜221は、半導体装置10の層間絶縁膜115、Low−k膜116、層間絶縁膜117、バリア絶縁膜121と同じである。さらに、第2配線A218a、第2配線B218b、ビアA219a、ビアB219b、第2バリアメタルA220a、第2バリアメタルB220bは、半導体装置10の第2配線A118a、第2配線B118b、ビアA119a、ビアB119b、第2バリアメタルA120a、第2バリアメタルB120bと同じである。   The interlayer insulating film 215, the low-k film 216, the interlayer insulating film 217, and the barrier insulating film 221 are the same as the interlayer insulating film 115, the low-k film 116, the interlayer insulating film 117, and the barrier insulating film 121 of the semiconductor device 10. It is. Furthermore, the second wiring A218a, the second wiring B218b, the via A219a, the via B219b, the second barrier metal A220a, and the second barrier metal B220b are the second wiring A118a, the second wiring B118b, the via A119a, and the via B119b of the semiconductor device 10. And the same as the second barrier metal A 120a and the second barrier metal B 120b.

本実施形態の構成要素と第1の実施形態の構成要素との対応は以下の通りである。すなわち、本実施形態の抵抗変化素子100、200は第1の実施形態の抵抗変化素子1に、イオン伝導層109、209は抵抗変化膜11に、第1配線A105a、205a、第1配線B105bは第1の電極12に、各々対応する。また、下部第2電極110、210と上部第2電極111、211は第2の電極13に、第1バリアメタルA106a、206a、第1バリアメタルB106bはバリアメタル14に、酸化部108、208は絶縁体15に、各々対応する。   The correspondence between the components of this embodiment and the components of the first embodiment is as follows. That is, the resistance change elements 100 and 200 of the present embodiment correspond to the resistance change element 1 of the first embodiment, the ion conductive layers 109 and 209 correspond to the resistance change film 11, and the first wirings A 105 a and 205 a and the first wirings B 105 b. The first electrodes 12 correspond to each other. The lower second electrodes 110 and 210 and the upper second electrodes 111 and 211 are for the second electrode 13, the first barrier metals A 106 a and 206 a, the first barrier metals B 106 b for the barrier metal 14, and the oxidized portions 108 and 208. The insulators 15 correspond to each other.

本実施形態の抵抗変化素子100、200によれば、第1配線のバリアメタルは絶縁体を介して抵抗変化膜に接する。これにより、バリアメタルでの電界集中が防止され、第1配線(第1の電極)での電界集中が可能となる。この結果、抵抗変化素子100、200のスイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきの低減が可能となる。   According to the resistance change elements 100 and 200 of the present embodiment, the barrier metal of the first wiring is in contact with the resistance change film via the insulator. Thereby, the electric field concentration in the barrier metal is prevented, and the electric field concentration in the first wiring (first electrode) becomes possible. As a result, it is possible to reduce the voltage required for the switch operation of the variable resistance elements 100 and 200 and the variation thereof.

以上のように、本実施形態によれば、スイッチ動作に必要な電圧やそのばらつきを低減した金属析出型の抵抗変化素子を有する半導体装置を、提供することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor device having a metal deposition type variable resistance element in which the voltage required for the switch operation and the variation thereof are reduced.

本発明は上記の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。   The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and they are also included in the scope of the present invention.

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
(付記1)
金属析出型の抵抗変化膜と、
前記抵抗変化膜の一方の面に接して前記抵抗変化膜に金属イオンを供給する第1の電極と、
前記抵抗変化膜の他方の面に接する第2の電極と、を有し、
前記第1の電極は外周にバリアメタルを有し、前記バリアメタルは絶縁体を介して前記抵抗変化膜に接する、抵抗変化素子。
(付記2)
前記絶縁体は前記バリアメタルの酸化物を有する、付記1記載の抵抗変化素子。
(付記3)
前記バリアメタルは、タンタルもしくはチタンを含む、付記1または2記載の抵抗変化素子。
(付記4)
前記抵抗変化膜の前記一方の面に、標準生成ギブズエネルギーの絶対値が前記第1の電極よりも大きく前記バリアメタルよりも小さい金属を有する第2の抵抗変化膜を有する、付記1から3の内の1項記載の抵抗変化素子。
(付記5)
前記第2の抵抗変化膜は、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステンの少なくとも一つを含む、付記4記載の抵抗変化素子。
(付記6)
前記第1の電極は銅を含む、付記1から5の内の1項記載の抵抗変化素子。
(付記7)
前記抵抗変化膜は、少なくともシリコン、酸素、炭素を有するイオン伝導体を含む、付記1から6の内の1項記載の抵抗変化素子。
(付記8)
前記抵抗変化膜は、前記イオン伝導体の比誘電率が2.1以上3.0以下を有する、付記7記載の抵抗変化素子。
(付記9)
付記1から8の内の1項記載の抵抗変化素子と銅配線とを有し、前記銅配線は前記第1の電極を兼ねている、半導体装置。
(付記10)
半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられた配線溝に、バリアメタルを介して配線を形成し、
前記配線と前記層間絶縁膜との上に、少なくとも前記バリアメタルと前記配線が露出する開口部を有する絶縁性バリア膜を形成し、
前記開口部に露出する前記バリアメタルの表面に絶縁体を形成し、
前記開口部を介して、少なくとも前記絶縁体と前記配線の表面上に、抵抗変化膜、上部電極を順次形成する、半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記絶縁体は、前記バリアメタルを酸化して形成する、付記10記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記バリアメタルは、タンタルもしくはチタンを含む、付記10または11記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記配線と前記抵抗変化膜の間に、標準生成ギブズエネルギーの絶対値が前記配線よりも大きく前記バリアメタルよりも小さい金属を有する第2の抵抗変化膜を形成する、付記10から12の内の1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記第2の抵抗変化膜は、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステンの少なくとも一つを含む、付記13記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記配線は銅を含む、付記10から14の内の1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記抵抗変化膜は、少なくともシリコン、酸素、炭素を有するイオン伝導体を含む、付記10から15の内の1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記抵抗変化膜は、前記イオン伝導体の比誘電率が2.1以上3.0以下を有する、付記16記載の半導体装置の製造方法。
Moreover, although a part or all of the above-mentioned embodiment may be described as the following additional notes, it is not limited to the following.
(Supplementary Note 1)
Metal deposition type resistance change film,
A first electrode which supplies metal ions to the resistance change film in contact with one surface of the resistance change film;
And a second electrode in contact with the other surface of the resistance change film,
The first electrode has a barrier metal on an outer periphery thereof, and the barrier metal is in contact with the variable resistance film via an insulator.
(Supplementary Note 2)
The variable resistance element according to claim 1, wherein the insulator comprises an oxide of the barrier metal.
(Supplementary Note 3)
The variable resistance element according to claim 1 or 2, wherein the barrier metal comprises tantalum or titanium.
(Supplementary Note 4)
Additional resistance change film having a second resistance change film having a metal on the one side of the resistance change film and having a metal whose absolute value of the standard energy of generated Gibbs energy is larger than the first electrode and smaller than the barrier metal The variable resistance element according to any one of the above.
(Supplementary Note 5)
The variable resistance element according to claim 4, wherein the second variable resistance film contains at least one of zirconium, hafnium, indium, lanthanum, manganese, molybdenum, niobium and tungsten.
(Supplementary Note 6)
The variable resistance element according to any one of Appendices 1 to 5, wherein the first electrode comprises copper.
(Appendix 7)
The variable resistance element according to any one of Appendices 1 to 6, wherein the variable resistance film includes an ion conductor having at least silicon, oxygen, and carbon.
(Supplementary Note 8)
The variable resistance element according to Appendix 7, wherein the variable resistance film has a relative dielectric constant of 2.1 or more and 3.0 or less.
(Appendix 9)
15. A semiconductor device comprising the resistance change element according to any one of appendices 1 to 8 and a copper wiring, wherein the copper wiring doubles as the first electrode.
(Supplementary Note 10)
Forming a wire through a barrier metal in a wire trench provided in an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate;
An insulating barrier film having an opening through which at least the barrier metal and the wiring are exposed is formed on the wiring and the interlayer insulating film.
Forming an insulator on the surface of the barrier metal exposed to the opening;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a resistance change film and an upper electrode are sequentially formed on at least the surface of the insulator and the wiring through the opening.
(Supplementary Note 11)
The method of manufacturing the semiconductor device according to claim 10, wherein the insulator is formed by oxidizing the barrier metal.
(Supplementary Note 12)
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the barrier metal comprises tantalum or titanium.
(Supplementary Note 13)
The second resistance change film is formed between the wiring and the resistance change film, the second resistance change film having a metal whose absolute value of the standard energy of Gibbs energy generated is larger than the wiring and smaller than the barrier metal. A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1.
(Supplementary Note 14)
The method of manufacturing the semiconductor device according to claim 13, wherein the second resistance change film includes at least one of zirconium, hafnium, indium, lanthanum, manganese, molybdenum, niobium, and tungsten.
(Supplementary Note 15)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 10 to 14, wherein the wiring contains copper.
(Supplementary Note 16)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 10 to 15, wherein the resistance change film includes an ion conductor having at least silicon, oxygen, and carbon.
(Supplementary Note 17)
The method of manufacturing the semiconductor device according to claim 16, wherein the resistance change film has a relative permittivity of the ion conductor of 2.1 or more and 3.0 or less.

1、100、200 抵抗変化素子
10、10’、20 半導体装置
101、201 半導体基板
102、202 層間絶縁膜
103、203 Low−k膜
104、204 層間絶縁膜
105a、205a 第1配線A
105b 第1配線B
105c、205c 第1配線C
106a、206a 第1バリアメタルA
106b 第1バリアメタルB
106c、206c 第1バリアメタルC
107、207 バリア絶縁膜
107a ハードマスク膜
108、208 酸化部
109、209 イオン伝導層
109a、209a 第1イオン伝導層
109b、209b 第2イオン伝導層
110、210 下部第2電極
111、211 上部第2電極
112、113、212、213 ハードマスク膜
114、214 保護絶縁膜
115、215 層間絶縁膜
116、216 Low−k膜
117、217 層間絶縁膜
118a、218a 第2配線A
118b、218b 第2配線B
119a、219a ビアA
119b、219b ビアB
120a、220a 第2バリアメタルA
120b、220b 第2バリアメタルB
1, 100, 200 resistance change elements 10, 10 ', 20 semiconductor devices 101, 201 semiconductor substrates 102, 202 interlayer insulating films 103, 203 low-k films 104, 204 interlayer insulating films 105a, 205a first wiring A
105b First Wiring B
105c, 205c first wiring C
106a, 206a first barrier metal A
106b 1st barrier metal B
106c, 206c first barrier metal C
107, 207 barrier insulating film 107a hard mask film 108, 208 oxidized portion 109, 209 ion conductive layer 109a, 209a first ion conductive layer 109b, 209b second ion conductive layer 110, 210 lower second electrode 111, 211 upper second Electrodes 112, 113, 212, 213 Hard mask film 114, 214 Protective insulating film 115, 215 Interlayer insulating film 116, 216 Low-k film 117, 217 Interlayer insulating film 118a, 218a Second wiring A
118b, 218b second wiring B
119a, 219a Via A
119b, 219b Via B
120a, 220a second barrier metal A
120b, 220b second barrier metal B

Claims (10)

金属析出型の抵抗変化膜と、
前記抵抗変化膜の一方の面に接して前記抵抗変化膜に金属イオンを供給する第1の電極と、
前記抵抗変化膜の他方の面に接する第2の電極と、を有し、
前記第1の電極は外周にバリアメタルを有し、前記バリアメタルは絶縁体を介して前記抵抗変化膜に接する、抵抗変化素子。
Metal deposition type resistance change film,
A first electrode which supplies metal ions to the resistance change film in contact with one surface of the resistance change film;
And a second electrode in contact with the other surface of the resistance change film,
The first electrode has a barrier metal on an outer periphery thereof, and the barrier metal is in contact with the variable resistance film via an insulator.
前記絶縁体は前記バリアメタルの酸化物を有する、請求項1記載の抵抗変化素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the insulator comprises an oxide of the barrier metal. 前記バリアメタルは、タンタルもしくはチタンを含む、請求項1または2記載の抵抗変化素子。   The variable resistance element according to claim 1, wherein the barrier metal contains tantalum or titanium. 前記抵抗変化膜の前記一方の面に、標準生成ギブズエネルギーの絶対値が前記第1の電極よりも大きく前記バリアメタルよりも小さい金属を有する第2の抵抗変化膜を有する、請求項1から3の内の1項記載の抵抗変化素子。   4. The second resistance change film according to claim 1, further comprising: a metal on the one surface of the resistance change film having a metal whose absolute value of the standard generated Gibbs energy is larger than the first electrode and smaller than the barrier metal. The variable resistance element according to any one of the above. 前記第2の抵抗変化膜は、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、ランタン、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステンの少なくとも一つを含む、請求項4記載の抵抗変化素子。   5. The variable resistance element according to claim 4, wherein the second variable resistance film contains at least one of zirconium, hafnium, indium, lanthanum, manganese, molybdenum, niobium and tungsten. 前記第1の電極は銅を含む、請求項1から5の内の1項記載の抵抗変化素子。   The variable resistance element according to any one of claims 1 to 5, wherein the first electrode comprises copper. 前記抵抗変化膜は、少なくともシリコン、酸素、炭素を有するイオン伝導体を含む、請求項1から6の内の1項記載の抵抗変化素子。   The resistance change element according to any one of claims 1 to 6, wherein the resistance change film contains an ion conductor having at least silicon, oxygen, and carbon. 請求項1から7の内の1項記載の抵抗変化素子と銅配線とを有し、前記銅配線は前記第1の電極を兼ねている、半導体装置。   A semiconductor device comprising the resistance change element according to any one of claims 1 to 7 and a copper wiring, wherein the copper wiring doubles as the first electrode. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜に設けられた配線溝に、バリアメタルを介して配線を形成し、
前記配線と前記層間絶縁膜との上に、少なくとも前記バリアメタルと前記配線が露出する開口部を有する絶縁性バリア膜を形成し、
前記開口部に露出する前記バリアメタルの表面に絶縁体を形成し、
前記開口部を介して、少なくとも前記絶縁体と前記配線の表面上に、抵抗変化膜、上部電極を順次形成する、半導体装置の製造方法。
Forming a wire through a barrier metal in a wire trench provided in an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate;
An insulating barrier film having an opening through which at least the barrier metal and the wiring are exposed is formed on the wiring and the interlayer insulating film.
Forming an insulator on the surface of the barrier metal exposed to the opening;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a resistance change film and an upper electrode are sequentially formed on at least the surface of the insulator and the wiring through the opening.
前記絶縁体は、前記バリアメタルを酸化して形成する、請求項9記載の半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the insulator is formed by oxidizing the barrier metal.
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