JP2012038748A - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】導電材料層の位置の合わせずれによる接続不良を防ぐとともに、微細化により集積度を高めることができる、半導体装置を提供する。
【解決手段】上面の中央部に凹み4が形成された第1電極2と、凹み4の少なくとも一部内に埋め込まれ、第1電極2の凹み4に対して自己整合して形成された第2電極6とを含む半導体装置を構成する。また、さらに、電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成し、第2電極6上に接して形成された抵抗変化層7を含む半導体装置を構成する。
【選択図】図1Provided is a semiconductor device capable of preventing connection failure due to misalignment of a conductive material layer and increasing the degree of integration by miniaturization.
A first electrode 2 having a recess 4 formed in a central portion of an upper surface, and a second electrode formed in at least a part of the recess 4 and self-aligned with the recess 4 of the first electrode 2. A semiconductor device including the electrode 6 is configured. Further, the resistance value is changed by application of a voltage to constitute a resistance change type memory element, and a semiconductor device including a resistance change layer 7 formed in contact with the second electrode 6 is constituted.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、記憶素子を有する半導体装置や、プラグ層により接続された多層の配線層を有する半導体装置、及びこれらの半導体装置の製造方法に係わる。 The present invention relates to a semiconductor device having a memory element, a semiconductor device having a multilayer wiring layer connected by a plug layer, and a method for manufacturing these semiconductor devices.
現在、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)、及び、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリセルを備えた半導体装置が、様々な分野で一般に使用されるようになってきている。
そして、不揮発性メモリセルの書き換え回数やデータ保持耐性等の信頼性向上及び構造の微細化は、重要な課題となっている。
Currently, semiconductor devices including EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) and non-volatile memory cells such as flash memory are generally used in various fields.
Improvements in reliability such as the number of times of rewriting of nonvolatile memory cells and data retention resistance and miniaturization of structures are important issues.
近年、これらの既に市場に出ているフローティング型に代表されるフラッシュメモリ構造に対して、信頼性や微細化の観点で有利であることから、抵抗変化型メモリが注目されている(例えば、特許文献1参照。)。
この抵抗変化型メモリとしては、ARAM、RRAM、PCRAM、MRAM、SpinRAM等が挙げられる。これらの抵抗変化型メモリは、簡便な構造、高速書き換え性能、多値技術と合わせて、高性能化、高集積化に適すると言われ、注目されつつある。
In recent years, resistance change type memories have been attracting attention because they are advantageous in terms of reliability and miniaturization with respect to flash memory structures represented by floating types already on the market (for example, patents). Reference 1).
Examples of the resistance change type memory include ARAM, RRAM, PCRAM, MRAM, and SpinRAM. These resistance change memories are said to be suitable for high performance and high integration in combination with a simple structure, high-speed rewriting performance, and multi-value technology, and are attracting attention.
抵抗変化型の不揮発性メモリでは、抵抗値が変化する抵抗変化層と下部電極とが接触する面積を小さくするほど、電流密度を向上させて、電界集中させることが可能であり、また、メモリセルの面積を低減して、集積度を高めることが可能になる。 In a resistance change type nonvolatile memory, it is possible to increase the current density and to concentrate the electric field as the area where the resistance change layer whose resistance value changes and the lower electrode are in contact with each other is reduced. It is possible to increase the degree of integration by reducing the area.
また、抵抗変化型の不揮発性メモリにおいて、半導体基板に形成された、記憶素子を駆動するトランジスタの上方に、メモリセルを構成する記憶素子を配置した構成が、提案されている。
この構成とすることにより、水平方向の面積を低減して、不揮発性メモリのチップの小型化を図ることが可能になる。
In addition, in the variable resistance nonvolatile memory, a configuration in which a memory element that forms a memory cell is arranged above a transistor that drives the memory element formed on a semiconductor substrate has been proposed.
With this configuration, it is possible to reduce the area in the horizontal direction and reduce the size of the nonvolatile memory chip.
前述した構成の不揮発性メモリにおいて、記憶素子と、下方の半導体基板に形成されたトランジスタとを電気的に接続するためには、層間絶縁層に形成されたビアホールに埋め込まれた導電材料から成るプラグ層を用いる。 In the nonvolatile memory configured as described above, in order to electrically connect the memory element and the transistor formed in the lower semiconductor substrate, a plug made of a conductive material embedded in a via hole formed in the interlayer insulating layer Use layers.
しかしながら、狭い幅のビアホールにも良好に埋め込むことができる導電材料は限られており、集積度を高めるためには、この限られた導電材料を使用して、ビアホールを微細化する必要がある。
一方、記憶素子の抵抗変化層に接する電極層には、抵抗変化層との接触抵抗が少なく、かつ、記憶素子の特性が充分に得られる電極材料を使用することが望ましい。
これらのことから、ビアホールに埋め込まれたプラグ層上に直接、記憶素子の抵抗変化層を形成すると、接触抵抗が大きくなったり、記憶素子の特性が充分に得られなくなったりすることがある。
However, there are only a limited number of conductive materials that can be embedded well in narrow via holes, and in order to increase the degree of integration, it is necessary to refine the via holes using the limited conductive materials.
On the other hand, for the electrode layer in contact with the resistance change layer of the memory element, it is desirable to use an electrode material that has a small contact resistance with the resistance change layer and sufficiently obtains the characteristics of the memory element.
For these reasons, if the resistance change layer of the memory element is formed directly on the plug layer embedded in the via hole, the contact resistance may increase or the characteristics of the memory element may not be sufficiently obtained.
そこで、プラグ層と、記憶素子の抵抗変化層の下に接する電極層とを、異なる材料でそれぞれ別々に形成して、プラグ層上に電極層を接続して形成することが考えられる。
これにより、プラグ層及び電極層の材料をそれぞれ最適化することができる。
また、プラグ層はビアホール内に埋め込むので、フォトリソグラフィ技術の限界により縮小化に限界があるが、電極層は電極材料層を形成した後にエッチング等によりさらに縮小化することが可能である。即ち、プラグ層よりも電極層の面積を小さくすることが可能である。
Therefore, it is conceivable to form the plug layer and the electrode layer in contact with the resistance change layer of the memory element separately from each other with different materials and connect the electrode layer on the plug layer.
Thereby, the material of the plug layer and the electrode layer can be optimized.
Further, since the plug layer is embedded in the via hole, there is a limit to reduction due to the limitation of the photolithography technique, but the electrode layer can be further reduced by etching or the like after forming the electrode material layer. That is, the area of the electrode layer can be made smaller than that of the plug layer.
しかしながら、プラグ層上に電極層を形成する際に、プラグ層と電極層との位置の合わせずれを生じると、プラグ層と電極層との接触不良が生じることがある。 However, when the electrode layer is formed on the plug layer, if the misalignment between the plug layer and the electrode layer occurs, poor contact between the plug layer and the electrode layer may occur.
また、記憶素子を含む半導体装置に限らず、多層配線を有する半導体装置等においても、上層の配線層と下層の配線層とを、プラグ層を用いて接続する。
プラグ層は、導電材料の埋め込み性から、幅に対する高さの比(アスペクト)に限界がある。そのため、上層の配線層と下層の配線層との高さの差が大きいときには、複数層のプラグ層を上下に重ねて形成することにより、上下の配線層を接続する。
このとき、上下のプラグ層の位置の合わせずれによる接続不良を生じることがある。
In addition to a semiconductor device including a memory element, an upper wiring layer and a lower wiring layer are connected using a plug layer also in a semiconductor device or the like having a multilayer wiring.
The plug layer has a limit in the ratio of height to width (aspect) due to the embedding property of the conductive material. Therefore, when the difference in height between the upper wiring layer and the lower wiring layer is large, the upper and lower wiring layers are connected by forming a plurality of plug layers stacked one above the other.
At this time, connection failure may occur due to misalignment of the upper and lower plug layers.
上下のプラグ層の位置の合わせずれによる接続不良を防ぐために、従来は、プラグ層の上面を下面よりも広く形成して、ある程度までの合わせずれがあっても接続不良を生じないようにしていた。
しかしながら、プラグ層の上面を広く形成すると、その分、プラグ層や配線層を微細化して集積度を高めることが難しくなる。
In order to prevent connection failure due to misalignment of the upper and lower plug layers, conventionally, the upper surface of the plug layer is formed wider than the lower surface, so that connection failure does not occur even if there is some misalignment. .
However, if the upper surface of the plug layer is formed wider, it becomes difficult to increase the degree of integration by miniaturizing the plug layer and the wiring layer.
上述した問題の解決のために、本発明においては、導電材料層の位置の合わせずれによる接続不良を防ぐとともに、微細化により集積度を高めることができる、半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can prevent poor connection due to misalignment of the conductive material layer and can increase the degree of integration by miniaturization. To do.
本発明の半導体装置は、上面の中央部に凹みが形成された第1電極と、凹みの少なくとも一部内に埋め込まれ、第1電極の凹みに対して自己整合して形成された第2電極とを含む。 The semiconductor device of the present invention includes a first electrode having a recess formed in the center of the upper surface, a second electrode embedded in at least a part of the recess and formed in self-alignment with the recess of the first electrode, including.
上述の本発明の半導体装置の構成によれば、第2電極が第1電極の上面の中央部の凹みの少なくとも一部内に埋め込まれており、第2電極が第1電極の凹みに対して自己整合して形成されている。
これにより、第1電極と第2電極とが、位置の合わせずれを生じない。
According to the above-described configuration of the semiconductor device of the present invention, the second electrode is embedded in at least a part of the recess in the central portion of the upper surface of the first electrode, and the second electrode is self-relative to the recess of the first electrode. It is formed consistently.
As a result, the first electrode and the second electrode do not cause misalignment.
本発明の半導体装置は、上面の中央部に凹みが形成された第1電極と、凹みの少なくとも一部内に埋め込まれ、第1電極の凹みに対して自己整合して形成された第2電極とを含む。
さらに、電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成し、第2電極上に接して形成された、抵抗変化層を含む。
The semiconductor device of the present invention includes a first electrode having a recess formed in the center of the upper surface, a second electrode embedded in at least a part of the recess and formed in self-alignment with the recess of the first electrode, including.
Further, the resistance value is changed by application of a voltage to form a resistance change type memory element, and includes a resistance change layer formed in contact with the second electrode.
上述の本発明の半導体装置の構成によれば、第2電極が第1電極の上面の中央部の凹みの少なくとも一部内に埋め込まれており、第2電極が第1電極の凹みに対して自己整合して形成されている。
これにより、第1電極と第2電極とが、位置の合わせずれを生じない。
そして、この第2電極上に接して、抵抗変化型の記憶素子を構成する抵抗変化層が形成されているので、第1電極と第2電極と抵抗変化層とが電気的に接続されており、第1電極から抵抗変化層へ電流や電圧を供給することができる。
According to the above-described configuration of the semiconductor device of the present invention, the second electrode is embedded in at least a part of the recess in the central portion of the upper surface of the first electrode, and the second electrode is self-relative to the recess of the first electrode. It is formed consistently.
As a result, the first electrode and the second electrode do not cause misalignment.
And since the resistance change layer which comprises a resistance change type memory element is formed in contact with this 2nd electrode, the 1st electrode, the 2nd electrode, and the resistance change layer are electrically connected. A current and a voltage can be supplied from the first electrode to the resistance change layer.
本発明の半導体装置の製造方法は、層間絶縁層に形成したビアホール内へ、中央部に凹みが生じるように電極材料を埋め込んで、ビアホール内に埋め込まれた第1電極を形成する工程と、第1電極上に絶縁層を形成する工程とを含む。
また、エッチングにより、凹みの側壁の第1電極の少なくとも上部を露出させる工程と、凹みの少なくとも一部を埋めて、露出した第1電極に直接接するように電極材料層を形成する工程とを含む。
そして、絶縁層上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成する工程と含む。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first electrode embedded in a via hole by embedding an electrode material in a via hole formed in an interlayer insulating layer so that a recess is formed in a central portion. Forming an insulating layer on one electrode.
In addition, the method includes a step of exposing at least an upper portion of the first electrode on the side wall of the recess by etching, and a step of forming an electrode material layer so as to fill at least a part of the recess and directly contact the exposed first electrode. .
And the process of forming the 2nd electrode which consists of an electrode material layer by removing the electrode material layer on an insulating layer is included.
上述の本発明の半導体装置の製造方法によれば、ビアホール内へ中央部に凹みが生じるように電極材料を埋め込んで第1電極を形成し、第1電極上に絶縁層を形成するので、第1電極上に絶縁層が形成されると共に、凹みの側壁に絶縁膜が形成される。
また、エッチングにより、凹みの側壁の第1電極の少なくとも上部を露出させるので、凹みの側壁の絶縁膜の少なくとも上部が除去される。
そして、凹みの少なくとも一部を埋めるように電極材料層を形成して、絶縁層上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成するので、第1電極の露出した部分と第2電極とが直接接する。これにより、第1電極と第2電極とを電気的に接続することができる。
凹みの少なくとも一部を埋めて形成された第2電極は、凹みの位置に形成されるので、第1電極の上面の中央部の凹みに自己整合して形成されるので、第1電極と第2電極との位置の合わせずれを生じない。
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention described above, the first electrode is formed by embedding the electrode material so that a recess is formed in the central portion in the via hole, and the insulating layer is formed on the first electrode. An insulating layer is formed on one electrode, and an insulating film is formed on the side wall of the recess.
In addition, since at least the upper part of the first electrode on the concave sidewall is exposed by etching, at least the upper part of the insulating film on the concave sidewall is removed.
Then, the electrode material layer is formed so as to fill at least a part of the recess, and the electrode material layer on the insulating layer is removed to form the second electrode made of the electrode material layer. The part and the second electrode are in direct contact with each other. Thereby, the first electrode and the second electrode can be electrically connected.
Since the second electrode formed by filling at least a part of the recess is formed at the position of the recess, the second electrode is formed in self-alignment with the recess at the center of the upper surface of the first electrode. There is no misalignment between the two electrodes.
本発明の半導体装置の製造方法は、層間絶縁層に形成したビアホール内へ、中央部に凹みが生じるように電極材料を埋め込んで、ビアホール内に埋め込まれた第1電極を形成する工程と、第1電極上に絶縁層を形成する工程とを含む。
また、エッチングにより、凹みの側壁の第1電極の少なくとも上部を露出させる工程と、凹みの少なくとも一部を埋めて、露出した第1電極に直接接するように電極材料層を形成する工程とを含む。
そして、絶縁層上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成する工程と含む。
さらに、第2電極上に接して、電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成する、抵抗変化層を形成する工程を含む。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first electrode embedded in a via hole by embedding an electrode material in a via hole formed in an interlayer insulating layer so that a recess is formed in a central portion. Forming an insulating layer on one electrode.
In addition, the method includes a step of exposing at least an upper portion of the first electrode on the side wall of the recess by etching, and a step of forming an electrode material layer so as to fill at least a part of the recess and directly contact the exposed first electrode. .
And the process of forming the 2nd electrode which consists of an electrode material layer by removing the electrode material layer on an insulating layer is included.
Further, the method includes a step of forming a resistance change layer that is in contact with the second electrode and changes its resistance value by application of a voltage to constitute a resistance change type memory element.
上述の本発明の半導体装置の製造方法によれば、ビアホール内へ中央部に凹みが生じるように電極材料を埋め込んで第1電極を形成し、第1電極上に絶縁層を形成するので、第1電極上に絶縁層が形成されると共に、凹みの側壁に絶縁膜が形成される。
また、エッチングにより、凹みの側壁の第1電極の少なくとも上部を露出させるので、凹みの側壁の絶縁膜の少なくとも上部が除去される。
そして、凹みの少なくとも一部を埋めるように電極材料層を形成して、絶縁層上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成するので、第1電極の露出した部分と第2電極とが直接接する。これにより、第1電極と第2電極とを電気的に接続することができる。
凹みの少なくとも一部を埋めて形成された第2電極は、凹みの位置に形成されるので、第1電極の上面の中央部の凹みに自己整合して形成され、第1電極と第2電極との位置の合わせずれを生じない。
さらに、第2電極上に接して、電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成する、抵抗変化層を形成するので、第1電極と第2電極と抵抗変化層とを電気的に接続することができる。
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention described above, the first electrode is formed by embedding the electrode material so that a recess is formed in the central portion in the via hole, and the insulating layer is formed on the first electrode. An insulating layer is formed on one electrode, and an insulating film is formed on the side wall of the recess.
In addition, since at least the upper part of the first electrode on the concave sidewall is exposed by etching, at least the upper part of the insulating film on the concave sidewall is removed.
Then, the electrode material layer is formed so as to fill at least a part of the recess, and the electrode material layer on the insulating layer is removed to form the second electrode made of the electrode material layer. The part and the second electrode are in direct contact with each other. Thereby, the first electrode and the second electrode can be electrically connected.
Since the second electrode formed by filling at least a part of the recess is formed at the position of the recess, the second electrode is formed in self-alignment with the recess in the center of the upper surface of the first electrode. There is no misalignment.
Further, the resistance value is changed by application of a voltage in contact with the second electrode to form a resistance change type memory element, so that the first electrode, the second electrode, the resistance change layer, Can be electrically connected.
上述の本発明によれば、第1電極と第2電極とが位置の合わせずれを生じないので、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。 According to the present invention described above, since the first electrode and the second electrode do not cause misalignment, connection failure caused by misalignment can be prevented.
また、第2電極が第1電極の上面の中央部の凹みに埋められているので、第2電極を第1電極の上面よりも小さく形成することが可能になる。これにより、第2電極及びその上に接して形成される抵抗変化層や配線層を微細化して、半導体装置の集積度を高めることが可能になる。特に、第2電極上に抵抗変化層を形成した場合には、第2電極を小さく形成することにより、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができる。 In addition, since the second electrode is buried in the depression at the center of the upper surface of the first electrode, the second electrode can be formed smaller than the upper surface of the first electrode. As a result, the second electrode and the variable resistance layer and the wiring layer formed on and in contact with the second electrode can be miniaturized to increase the degree of integration of the semiconductor device. In particular, when the variable resistance layer is formed on the second electrode, the electric field and current can be more concentrated in the variable resistance layer by forming the second electrode small.
また、本発明によれば、第1電極と第2電極とを別々に形成しているので、これらの電極をそれぞれ異なる導電材料を使用して形成することもでき、各電極の電極材料を最適化することが可能である。 Further, according to the present invention, since the first electrode and the second electrode are formed separately, these electrodes can be formed using different conductive materials, and the electrode material of each electrode is optimal. It is possible to
以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
5.第5の実施の形態
6.第6の実施の形態
7.第7の実施の形態
8.第8の実施の形態
9.第9の実施の形態
10.第10の実施の形態
11.第11の実施の形態
12.第12の実施の形態
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described.
The description will be given in the following order.
1.
<1.第1の実施の形態>
本発明の半導体装置の第1の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
この半導体装置は、不揮発性の抵抗変化型メモリのメモリセルを構成する記憶素子を含んでいる。
図1に示すように、図示しない基板上に形成された、第1層間絶縁層1の内部に、第1電極2が形成されている。
この第1電極2は、その中央部に、シーム4と呼ばれる空孔が形成されている。このシーム4によって、第1電極2の上面の中央部に凹みが形成されている。
また、シーム4の側壁には、薄い絶縁膜3が形成されている。
そして、シーム4の直上には、第2電極6が形成されている。この第2電極6は、第1電極2に形成されたシーム4に一部が埋め込まれるように形成されており、これにより第1電極2のシーム4に対して自己整合している。
第2電極6の周囲には、第2層間絶縁層5が形成されている。
<1. First Embodiment>
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
This semiconductor device includes a storage element constituting a memory cell of a nonvolatile resistance change memory.
As shown in FIG. 1, the
The
A thin
A
A second
第1電極2には、半導体装置の電極材料として一般的に使用されている、W,Cu等の金属や、多結晶シリコン等を使用することができる。
第2電極6の材料は、その後の工程で形成される、第2電極6上の材料との組み合わせで選択されるべきであるが、Pt,Ti,TiN等を使用することができる。
第1層間絶縁層1及び第2層間絶縁層5には、TEOSやp−SiO2といった電気的絶縁材料を使用することができる。第1層間絶縁層1と第2層間絶縁層5とは、同じ材料で形成しても構わないし、異なる材料で形成しても構わない。
シーム4の側壁の絶縁層3は、絶縁材料であれば特に限定されないが、後述する製造方法で製造した場合には、絶縁層3と第2層間絶縁層5とが同じ絶縁材料で形成される。
For the
The material of the
For the first
The insulating
第2電極6上には、金属酸化物から成る記憶層11と、記憶層11上に形成され、記憶層11に金属イオンを供給するイオン源層12とから成る、抵抗変化層7が形成されている。さらに、抵抗変化層7上に、上部電極8が形成されている。
On the
記憶層11の金属酸化物としては、ガドリニウム酸化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物から選ばれる、1種もしくは2種以上の混合物を使用することができる。
イオン源層12には、Cu,Ag,Zn,Alから選ばれるいずれかの元素と、Te,S,Seから選ばれるカルコゲナイド元素とを含む。例えば、CuTe,GeSbTe,CuGeTe,AuGeTe,AgTe,ZnTe,ZnGeTe,CuS,CuGeS,CuSe,CuGeSe等が挙げられる。
上部電極8には、例えば、WN,TiN,W,Ti,Au,Pt,Ag,Ru,Te等を使用することができる。
As the metal oxide of the
The
For the
そして、抵抗変化層7の下層に下部電極となる第2電極6が形成され、抵抗変化層7の上に上部電極8が形成されていることにより、これらの層6,7(11,12),8により記憶素子が構成される。この記憶素子を1つのメモリセルとして、多数のメモリセルを配置することによりメモリを構成することができる。
Then, the
次に、この記憶素子の情報の記録動作及び消去動作について説明する。
まず、イオン源層12に接する上部電極8に、例えば正電位(+電位)を印加して、第2電極6側が負になるように、記憶素子に対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層12から、イオン源層12に含まれているCu,Ag,Zn,Alがイオン化して、記憶層11内を拡散していき、第2電極6側で電子と結合して析出する。もしくは、記憶層11内に拡散した状態で留まる。
すると、記憶層11内に、Cu,Ag,Zn,Alを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、記憶層11内にCu,Ag,Zn,Alによる欠陥が多数形成されることにより、記憶層11の抵抗値が低くなる。記憶層11以外の各層の抵抗値は元々低く、記憶層11の記録前の抵抗値に比べて充分に低いため、記憶層11の抵抗値を低くすることにより記憶素子全体の抵抗値も低くなる。
その後、正電圧を除去して、記憶素子にかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆるPROMに用いる場合には、記録課程のみで記録は完結する。
Next, information recording and erasing operations of the storage element will be described.
First, for example, a positive potential (+ potential) is applied to the
Then, a current path containing a large amount of Cu, Ag, Zn, and Al is formed in the
After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the memory element is eliminated, the resistance value is kept low. This makes it possible to record information. When used in a storage device that can be recorded only once, so-called PROM, the recording is completed only by the recording process.
一方、RAMもしくはEEPROMのように、記録した情報の消去が可能な記憶装置に適用する場合には、消去過程が必要である。消去過程では、イオン源層12に接する上部電極8に、例えば負電位(−電位)を印加して、第2電極6側が負になるように、記憶素子に負電圧を印加する。これにより、記憶層11内に形成されていた電流パスもしくは欠陥(不純物準位)を構成するCu,Ag,Zn,Alがイオン化して、記憶層11内を移動してイオン源層12に戻る。
すると、記憶層11内からCu,Ag,Zn,Alによる電流パスもしくは欠陥が消滅して、記憶層11の抵抗値が高くなる。記憶層11以外の各層の抵抗値は元々低く、記憶層11の抵抗値に比べて充分に低いため、記憶層11の抵抗値を高くすることにより記憶素子全体の抵抗値も高くなる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子にかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
On the other hand, when applied to a storage device capable of erasing recorded information, such as RAM or EEPROM, an erasing process is necessary. In the erasing process, for example, a negative potential (−potential) is applied to the
Then, current paths or defects due to Cu, Ag, Zn, and Al disappear from the
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the memory element is eliminated, the resistance value is kept high. As a result, the recorded information can be erased.
このような過程を繰り返し行うことにより、記憶素子に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。 By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the storage element and erase the recorded information.
ここで、図1のうち、抵抗変化層7よりも下方の電極部分を抽出して、図2Aに断面図を示し、図2Bに電極部分の上面図を示す。図2Aは、図2BのA−A´における断面図になる。
図2A及び図2Bに示すように、第1電極2は円柱状に形成されており、その中央部のシーム4上に形成された第2電極6は、上面が円形状となっている。
Here, in FIG. 1, an electrode portion below the
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
図1に示す構成では、第2電極6が第1電極2よりも径が小さくなっているため、第1電極2上に直接抵抗変化層7を形成した構成と比較して、抵抗変化層7内に電界を集中させやすくなっている。
また、図1及び図2Aに示すように、第1電極2の最上部では、シーム4の壁面に絶縁膜3が形成されておらず、第1電極2と第2電極6とが直接接している。この直接接した部分で、第1電極2及び第2電極6の電気的接続を行うことができる。そして、第2電極6上に接して抵抗変化層7が形成されているので、第1電極2と第2電極6と抵抗変化層7が電気的に接続されており、第1電極2から抵抗変化層7へ電圧や電流を供給することができる。
さらにまた、第1電極2は第2電極6よりも径が大きいので、熱容量が大きくなっており、抵抗変化層7での発熱を、第1電極2を通じて下部に放熱しやすくなっている。これにより、熱による記憶素子の劣化を抑制することができ、書き換え回数やデータ保持の信頼性を向上することができる。
In the configuration shown in FIG. 1, the
Further, as shown in FIGS. 1 and 2A, the insulating
Furthermore, since the
そして、第2電極6は、第1電極2の中央部に形成されたシーム4の一部に埋め込まれており、第1電極2のシーム4に対して自己整合している。これにより、第1電極2と第2電極6との合わせずれを生じない。
The
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
まず、第1電極2を、一般的なビア形成工程により形成する。即ち、第1層間絶縁層2にリソグラフィによってビアホールを形成し、このビアホール内を埋めて電極材料層を形成した後に、第1層間絶縁層2上の電極材料層を除去して、第1層間絶縁層2のビアホール内に第1電極2を形成する。
このとき、電極材料層によってビアホール内が完全に埋まらないことにより、図3に示すように、ビアホールの中央部に、凹みとして、シーム4と呼ばれる空孔が残る。
このシーム(空孔)4は、通常の半導体プロセスであれば、自然に形成されるものであるが、電極材料やその成膜条件を変化させることにより、シーム4の径の大きさをある程度調整することが可能である。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
First, the
At this time, the inside of the via hole is not completely filled with the electrode material layer, so that a hole called a
The seam (hole) 4 is naturally formed in a normal semiconductor process, but the diameter of the
次に、図4に示すように、表面上に、絶縁層21を形成する。このとき、第1電極2上に絶縁層21が形成されると共に、シーム4の側壁に、薄く絶縁層21が形成される。
さらに、ドライエッチング等の異方性エッチングにより、絶縁層21を後退させて、図5に示すように、シーム4の側壁の第1電極2の上部を露出させる。これにより、絶縁層21から成るシーム4の側壁の絶縁膜3と、絶縁層21から成る第2層間絶縁層5とが、分離して形成される。
Next, as shown in FIG. 4, an insulating
Further, the insulating
続いて、第2電極6となる電極材料層22を形成することにより、図6に示すように、第1電極2の露出した部分に直接接して、かつシーム4の上部に埋め込まれて、電極材料層22と第1電極2とが電気的に接続された構造を形成する。
その後、CMP(化学的機械的研磨)法やエッチング等により、第2層間絶縁層5上の電極材料層22を除去することにより、図7に示すように、第2層間絶縁層5の内側に電極材料層22から成る第2電極6を形成する。
このようにして、図1及び図2Aに示した電極構造を形成することができる。
その後は、記憶層11、イオン源層12、上部電極8を順次形成することにより、図1に示した半導体装置を製造することができる。
Subsequently, by forming an
Thereafter, the
In this way, the electrode structure shown in FIGS. 1 and 2A can be formed.
Thereafter, the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2のシーム4と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the above-described configuration of the present embodiment, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて形成されていることにより、シーム4の径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層7(11,12)を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層7(11,12)との接触面積を小さくすることができるので、抵抗変化層7において電界や電流をより集中させることができる。こうして、抵抗変化層7から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げることができるので、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、熱容量の大きい第1電極2でヒートシンクの効果が得られるので、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
In addition, since the
Accordingly, the contact area between the
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させるPtを用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2を、Wやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, the
For example, the manufacturing cost can be reduced by forming the
<2.第2の実施の形態>
本発明の半導体装置の第2の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図8に示す。
本実施の形態では、第2電極6と上部電極8との間の抵抗変化層7が、金属酸化物層13のみにより形成されて、記憶素子が構成されている。
<2. Second Embodiment>
FIG. 8 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the
金属酸化物層13としては、例えば、ニッケル酸化物層、チタン酸化物層、亜鉛酸化物層、ニオブ酸化物層等の、遷移金属元素の酸化物層を用いることができる。
また、2種類の金属酸化物層を積層した構成としても良い。例えば、チタン酸化物層上にニッケル酸化物にチタンを添加した酸化物層を積層した構成や、コバルト酸化物層上にタンタル酸化物層を積層した構成等が可能である。
As the
Moreover, it is good also as a structure which laminated | stacked two types of metal oxide layers. For example, a configuration in which an oxide layer obtained by adding titanium to nickel oxide is stacked on a titanium oxide layer, a configuration in which a tantalum oxide layer is stacked on a cobalt oxide layer, or the like is possible.
本実施の形態の半導体装置の記憶素子では、第2電極6と上部電極8との間に電圧が印加されることによって、金属酸化物層13から成る抵抗変化層7の抵抗値が変化する。
これにより、抵抗変化層7を流れる電流量が変化するので、この電流量の違いを利用して、記憶素子に「0」、「1」の情報の記録や読み出しを行うことができる。
In the memory element of the semiconductor device according to the present embodiment, when a voltage is applied between the
Accordingly, since the amount of current flowing through the
その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。 The other configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
上述の本実施の形態の構成によれば、第1の実施の形態と同様に、第1電極2の上面の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2のシーム4と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて形成されていることにより、シーム4の径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層7(13)を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層7(13)との接触面積を小さくすることができるので、抵抗変化層7において電界や電流をより集中させることができる。こうして、抵抗変化層7から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げることができるので、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、熱容量の大きい第1電極2でヒートシンクの効果が得られるので、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer 7 (13) directly on the
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
<3.第3の実施の形態>
本発明の半導体装置の第3の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図9に示す。
本実施の形態は、第1の実施の形態の図2に示した電極部分を、多層配線を有する半導体装置に適用した構成である。
そして、図9に示すように、第2電極6の上に直接接して、上層にある配線層14が形成されている。これにより、図示しない下層の配線層と、配線層14との間を、第1電極2及び第2電極6を介して、電気的に接続することができる。
<3. Third Embodiment>
FIG. 9 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the third embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In the present embodiment, the electrode portion shown in FIG. 2 of the first embodiment is applied to a semiconductor device having a multilayer wiring.
As shown in FIG. 9, an
その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。 The other configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
上述の本実施の形態の構成によれば、第1の実施の形態と同様に、第1電極2の上面の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2のシーム4と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて形成されていることにより、シーム4の径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に配線層14を直接形成した構成と比較して、第2電極6と配線層14との接触する電極の面積を小さくすることができる。これにより、配線層14を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the
Even if the diameter of the
さらに、本実施の形態では、第2電極6上に接するのが配線層14であることから、記憶素子の特性による第2電極6の材料への制約がない。
このため、本実施の形態では、第1電極2と第2電極6とに同一の導電材料を使用することが可能である。
第1電極2と第2電極6とに同一の導電材料を使用することにより、例えば、安価な材料を使用して材料コストを低減することや、第1電極2及び第2電極6のそれぞれの電極材料層を同一の装置で形成して製造プロセスのコストを低減することが可能になる。
Furthermore, in this embodiment, since the
For this reason, in the present embodiment, the same conductive material can be used for the
By using the same conductive material for the
<4.第4の実施の形態>
本発明の半導体装置の第4の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図10に示す。
この図10では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図10に示すように、第2電極6の上部の断面形状が、第2電極の下部と一様に形成されている図1及び図2Aとは異なり、下部よりも横に広がった形状となっている。
<4. Fourth Embodiment>
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 10, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 10, the cross-sectional shape of the upper part of the
その他の構成は、図2Aに示した、第1の実施の形態の電極部分と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。
また、この第4の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the electrode portion of the first embodiment shown in FIG. 2A, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
In the configuration of the electrode portion of the fourth embodiment, the configuration on the
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
図3に示した状態と同じ状態から、第2層間絶縁層5及び絶縁膜3となる絶縁層21を形成したときに、絶縁層21の形成条件によっては、図4に示した状態と同じ状態にはならずに、図11に示すように、シーム4上にひさし状に絶縁層21が残ることがある。
この形状の絶縁層21に対して、ウエットエッチングのような等方性エッチングと、異方性エッチングとを、組み合わせることによって、図12に示すように、第1電極2の上部を露出させ、かつ第2層間絶縁層5の上部を後退させることができる。
その後、第1電極2の露出した部分に直接接して、かつシーム4の上部に埋め込まれるように、電極材料層を形成して、さらに第2層間絶縁層5上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極6を形成する。これにより、上部が後退した第2層間絶縁層5に合わせて、図10に示したように、上部が下部よりも広がった第2電極6を形成することができる。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
When the insulating
By combining isotropic etching such as wet etching and anisotropic etching with the insulating
Thereafter, an electrode material layer is formed so as to be directly in contact with the exposed portion of the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1の実施の形態と同様に、第1電極2の上面の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2のシーム4と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて形成されていることにより、シーム4の径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層や配線層を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層や配線層との接触面積を小さくすることができる。
第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができ、抵抗変化層から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げて、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
第2電極6上に、配線層を形成した場合には、配線層と接する電極の面積を小さくすることができるので、配線層を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer and the wiring layer directly on the
When the resistance change layer of the memory element is formed on the
When a wiring layer is formed on the
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、第2電極6上に記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
<5.第5の実施の形態>
本発明の半導体装置の第5の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図13に示す。
この図13では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図13に示すように、第2電極6のうち、第2層間絶縁層5の間の部分の断面形状が、半円に近い形状となっている。
<5. Fifth embodiment>
FIG. 13 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
In FIG. 13, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 13, the cross-sectional shape of the portion between the second
また、本実施の形態では、第2層間絶縁層5の厚さを、先に示した各実施の形態よりも薄くしている。
これは、本実施の形態では、第2層間絶縁層5の厚さ方向全体で、第2電極6の断面形状が上方にいくほど広がっているため、第2層間絶縁層5を厚く形成すると、第2電極6の径が第1電極2の径と同程度もしくは第1電極2の径を超えてしまうためである。
第2電極6上に記憶素子を形成して、記憶素子の抵抗変化層に電界集中させる構成では、この図13に示すように、第2電極6の径を第1電極2の径よりも小さくすることが望ましい。
なお、第2電極6の径が第1電極2の径と同程度もしくは第1電極2の径を超えていても問題がないときには、第2層間絶縁層5の厚さを、先に示した各実施の形態の第2層間絶縁層5の厚さと同様としても良い。
Further, in the present embodiment, the thickness of the second
This is because, in the present embodiment, since the cross-sectional shape of the
In the configuration in which the memory element is formed on the
When there is no problem even if the diameter of the
その他の構成は、図2Aに示した、第1の実施の形態の電極部分と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。
また、この第5の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the electrode portion of the first embodiment shown in FIG. 2A, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
In the configuration of the electrode portion of the fifth embodiment, the configuration on the
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
図11に示した状態から、絶縁層21に対して、等方性エッチングのみ行う。これにより、図示しないが、第1電極2の上部が露出し、かつ、第2層間絶縁層5が丸い形状に後退する。
その後、第1電極2の露出した部分に直接接して、かつシーム4の上部に埋め込まれるように、電極材料層を形成して、さらに第2層間絶縁層5上の電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極6を形成する。これにより、丸い形状に後退した第2層間絶縁層5に合わせて、図13に示したように、上部にいくほど広がった第2電極6を形成することができる。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
From the state shown in FIG. 11, only the isotropic etching is performed on the insulating
Thereafter, an electrode material layer is formed so as to be directly in contact with the exposed portion of the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1の実施の形態と同様に、第1電極2の上面の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2のシーム4と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシーム4の上部に埋め込まれて形成されていることにより、シーム4の径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層や配線層を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層や配線層との接触面積を小さくすることができる。
第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができ、抵抗変化層から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げて、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
第2電極6上に、配線層を形成した場合には、配線層と接する電極の面積を小さくすることができるので、配線層を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer and the wiring layer directly on the
When the resistance change layer of the memory element is formed on the
When a wiring layer is formed on the
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、第2電極6上に記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
上述した各実施の形態では、第2電極6がシーム4の上部のみに埋め込まれた構成であった。
これに対して、本発明では、第1電極の中央部に形成されたシームを、第2電極の電極材料で埋めてしまっても構わない。
第2電極の材料や、第2電極となる電極材料層の形成方法を、選定することにより、シームを埋めてしまうことが可能である。
この構成の実施の形態を、次に示す。
In each of the above-described embodiments, the
On the other hand, in the present invention, the seam formed at the center of the first electrode may be filled with the electrode material of the second electrode.
It is possible to fill the seam by selecting the material for the second electrode and the method for forming the electrode material layer to be the second electrode.
An embodiment of this configuration is shown below.
<6.第6の実施の形態>
本発明の半導体装置の第6の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図14に示す。
この図14では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図14に示すように、第2電極6が、第1電極2の中央部に形成されていたシームを完全に埋めてしまっている。これにより、シームを埋めている第2電極6が、第1電極2のシームと自己整合して形成される。
また、第1電極2の上部では、第2電極6と第1電極2との間の絶縁膜3がなく、先の実施の形態と同様に、第2電極6と第1電極2が直接接していて、これらの電極6,2が電気的に接続されている。
<6. Sixth Embodiment>
FIG. 14 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 14, as in FIG. 2A, an electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 14, the
Further, there is no insulating
その他の構成は、図2Aに示した、第1の実施の形態の電極部分と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。
また、この第6の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the electrode portion of the first embodiment shown in FIG. 2A, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
Further, in the configuration of the electrode portion of the sixth embodiment, the configuration on the
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
図5に示した状態から、第2電極6となる電極材料層を形成する際に、電極材料層の材料もしくは成膜方法を選定することにより、第1の電極2の中央部のシーム4を埋めて、電極材料層を形成する。
これにより、図14に示したように、シーム4を完全に埋めて、かつ、第1電極2の上部と直接接するように、第2電極6を形成することができる。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
When the electrode material layer to be the
Thereby, as shown in FIG. 14, the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成されたシームに埋め込まれて、かつ、第1電極2のシームと自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシームに埋め込まれて形成されていることにより、シームの径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層や配線層を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層や配線層との接触面積を小さくすることができる。
第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができ、抵抗変化層から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げて、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
第2電極6上に、配線層を形成した場合には、配線層と接する電極の面積を小さくすることができるので、配線層を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer and the wiring layer directly on the
When the resistance change layer of the memory element is formed on the
When a wiring layer is formed on the
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、第2電極6上に記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
さらに、本実施の形態の構成によれば、シームが完全に第2電極6で埋められているので、前述した各実施の形態のようにシームの一部に第2電極6を埋め込んだ構成と比較して、シームに埋め込まれた第2電極6の体積を大幅に増やすことができる。これにより、不要な熱の放熱効果をさらに向上するといった効果が期待できる。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the seam is completely filled with the
<7.第7の実施の形態>
本発明の半導体装置の第7の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図15に示す。
この図15では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図15に示すように、第2電極6が、第1電極2の中央部に形成されていたシームを完全に埋めてしまっている。さらに、先の実施の形態で存在していた、第2電極6と第1電極2との間の絶縁膜3がなく、第1電極2の内側の第2電極6が、全て第1電極2と直接接している。
また、第2電極6のうち、第2層間絶縁層5の上部の間の部分は、図10に示した第4の実施の形態の構成と同様に、第2層間絶縁層5の下部の間の部分よりも広がっている。
<7. Seventh Embodiment>
FIG. 15 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 15, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 15, the
Further, the portion of the
その他の構成は、図14に示した第6の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
また、この第7の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the sixth embodiment shown in FIG.
Further, in the configuration of the electrode portion of the seventh embodiment, the configuration on the
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
図11に示した状態から、絶縁層21に対して、ウエットエッチングのような等方性エッチングと、異方性エッチングとを、組み合わせる。このとき、それぞれのエッチングの条件を選定することにより、図12に示したシーム4の側壁に残っていた絶縁膜3を、除去することも可能になる。これにより、シームの側壁全体において第1電極2が露出する。
その後、第2電極6となる電極材料層を形成する際に、電極材料層の材料もしくは成膜方法を選定することにより、第1の電極2の中央部のシーム4を埋めて、電極材料層を形成する。
これにより、図15に示したように、シーム4を完全に埋めて、かつ、第1電極2と直接接するように、第2電極6を形成することができる。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
From the state shown in FIG. 11, isotropic etching such as wet etching and anisotropic etching are combined with the insulating
Thereafter, when the electrode material layer to be the
Thereby, as shown in FIG. 15, the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成されたシームに埋め込まれて、かつ、第1電極2のシームと自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシームに埋め込まれて形成されていることにより、シームの径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層や配線層を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層や配線層との接触面積を小さくすることができる。
第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができ、抵抗変化層から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げて、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
第2電極6上に、配線層を形成した場合には、配線層と接する電極の面積を小さくすることができるので、配線層を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer and the wiring layer directly on the
When the resistance change layer of the memory element is formed on the
When a wiring layer is formed on the
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、第2電極6上に記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
さらに、本実施の形態の構成によれば、シームが完全に第2電極6で埋められており、かつ図2Aのシームの側壁の絶縁膜3がない。このため、シームに埋め込まれた第2電極6の体積を大幅に増やすことができ、また第2電極6と第2電極との接触面積を大幅に増やすことができる。これにより、第1電極と第2電極の接触抵抗をさらに低減することや、不要な熱の放熱効果をさらに向上するといった効果が期待できる。
Furthermore, according to the configuration of the present embodiment, the seam is completely filled with the
<8.第8の実施の形態>
本発明の半導体装置の第8の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図16に示す。
この図16では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図16に示すように、第2電極6が、第1電極2の中央部に形成されていたシームを完全に埋めてしまっている。
また、図15に示した第7の実施の形態と同様に、第1電極2の内側の第2電極6が、全て第1電極2と直接接している。
さらに、第2電極のうち、第2層間絶縁層5の間の部分は、図13に示した第5の実施の形態の構成と同様に、断面形状が上にいくほど広がっている半円状となっている。
<8. Eighth Embodiment>
FIG. 16 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of an eighth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 16, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 16, the
Similarly to the seventh embodiment shown in FIG. 15, the
Further, in the second electrode, the portion between the second
その他の構成は、図13に示した第5の実施の形態の構成や図15に示した第7の実施の形態の構成と同様であるので、重複説明を省略する。
また、この第8の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
Other configurations are the same as the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 13 and the configuration of the seventh embodiment shown in FIG.
Further, in the configuration of the electrode portion of the eighth embodiment, the configuration on the
なお、第2電極6の径が第1電極2の径と同程度もしくは第1電極2の径を超えていても問題がないときには、第2層間絶縁層5の厚さを、第1〜第4、第6〜第7の各実施の形態の第2層間絶縁層5の厚さと同様としても良い。
When there is no problem even if the diameter of the
本実施の形態の半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
図11に示した状態から、絶縁層21に対して、等方性エッチングのみ行う。これにより、図示しないが、第1電極2の上部が露出し、かつ、第2層間絶縁層5が丸い形状に後退する。このとき、等方性エッチングの条件を選定することにより、図12に示したシーム4の側壁に残っていた絶縁膜3を、除去することも可能になる。これにより、シームの側壁全体において第1電極2が露出する。
その後、第2電極6となる電極材料層を形成する際に、電極材料層の材料もしくは成膜方法を選定することにより、第1の電極2の中央部のシーム4を埋めて、電極材料層を形成する。
これにより、丸い形状に後退した第2層間絶縁層5に合わせて、図16に示したように、上部にいくほど広がった第2電極6を形成することができる。
The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
From the state shown in FIG. 11, only the isotropic etching is performed on the insulating
Thereafter, when the electrode material layer to be the
As a result, the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成されたシームに埋め込まれて、かつ、第1電極2のシームと自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the
Thereby, in the
また、第2電極6が第1電極2の中央部に形成されたシームに埋め込まれて形成されていることにより、シームの径に対応して、第2電極6の径が第1電極2の径よりも小さくなっている。
これにより、第1電極2上に抵抗変化層や配線層を直接形成した構成と比較して、第2電極6と抵抗変化層や配線層との接触面積を小さくすることができる。
第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、抵抗変化層において電界や電流をより集中させることができ、抵抗変化層から成る記憶素子の性能を向上することができる。また、記憶素子の集積度を上げて、メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることができる。
第2電極6上に、配線層を形成した場合には、配線層と接する電極の面積を小さくすることができるので、配線層を微細化して、半導体装置の集積度を上げることができる。
In addition, since the
Thereby, compared with the structure which formed the resistance change layer and the wiring layer directly on the
When the resistance change layer of the memory element is formed on the
When a wiring layer is formed on the
そして、第1電極2の径をリソグラフィの限界まで縮小しても、第2電極6の径はリソグラフィの限界よりもさらに小さくすることが可能である。
一方、第1電極2の径は第2電極6の径よりも大きいので、第1電極2の熱容量は第2電極6の熱容量よりも大きくなる。これにより、第2電極6上に記憶素子の抵抗変化層を形成した場合には、記憶素子の性能向上や集積度向上のために第2電極6を微細化しても、記憶素子から熱を逃がすことができ、熱の蓄積による記憶素子へのダメージを防ぐことができる。従って、記憶素子から成る不揮発性メモリを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。
Even if the diameter of the
On the other hand, since the diameter of the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
さらに、本実施の形態の構成によれば、シームが完全に第2電極6で埋められており、かつ図2Aのシームの側壁の絶縁膜3がない。このため、シームに埋め込まれた第2電極6の体積を大幅に増やすことができ、また第2電極6と第2電極との接触面積を大幅に増やすことができる。これにより、第1電極と第2電極の接触抵抗をさらに低減することや、不要な熱の放熱効果をさらに向上するといった効果が期待できる。
Furthermore, according to the configuration of the present embodiment, the seam is completely filled with the
<9.第9の実施の形態>
本発明の半導体装置の第9の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図17に示す。
この図17では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図17に示すように、第1電極2の中央部に空孔9が円柱形状に形成されており、この空孔9により、第1電極2の上面の中央部に凹みが形成されている。また、第1電極2の外壁と内壁がほぼ平行であり、第1電極2が円筒状に形成されている。
第2電極6は、空孔9に一部埋め込まれて形成されている。
第1電極2の内壁には絶縁膜3が形成されているが、第1電極2の上部は絶縁膜3が形成されていないので、第1電極2が第2電極6と直接接触している。
<9. Ninth Embodiment>
FIG. 17 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a ninth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 17, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 17, a
The
An insulating
第1電極2の電極材料として、Ti,TiN等のカバレッジ性の良い材料を用いることにより、第1電極2の内壁を図17に示した円筒状に形成することができる。
このときも、第1の実施の形態のシーム(空孔)4と同様に、第1電極2の中央部に空孔9が自然に形成されるため、第1の実施の形態の製造方法と同様の製造方法により、第1電極2の空孔9に対して、自己整合的に第2電極6を形成することができる。
By using a material with good coverage such as Ti or TiN as the electrode material of the
Also at this time, since the
その他の構成は、図2Aに示した、第1の実施の形態の電極部分と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。
また、この第9の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the electrode portion of the first embodiment shown in FIG. 2A, and therefore, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
Further, in the configuration of the electrode portion of the ninth embodiment, the configuration on the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成された空孔9の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2の空孔9と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the above-described configuration of the present embodiment, the
Thereby, in the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
さらにまた、本実施の形態の構成は、層間絶縁層に形成するビアホールの径の微細化が進んだ場合に有効であり、シームを用いる方法に比べて、第2電極6等の寸法のばらつきを抑えられる効果が期待できる。
Furthermore, the configuration of the present embodiment is effective when the diameter of the via hole formed in the interlayer insulating layer has been miniaturized, and the variation in the dimensions of the
<10.第10の実施の形態>
本発明の半導体装置の第10の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図18に示す。
この図18では、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図18に示すように、第1電極2の中央部に、空孔9が第1電極の上下に貫通して形成され、この空孔9によって、第1電極2の上面の中央部に凹みが形成されている。また、円筒状の第1電極2の厚さが、上面ほど薄くなるように形成されている。
第2電極6は、第1電極2の中央部に形成された空孔9に一部埋め込まれて形成されている。
第1電極2の内壁には絶縁膜3が形成されているが、第1電極2の上部は絶縁膜3が形成されていないので、第1電極2が第2電極6と直接接触している。
<10. Tenth Embodiment>
FIG. 18 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the tenth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
In FIG. 18, as in FIG. 2A, the electrode portion of the semiconductor device is extracted and shown.
As shown in FIG. 18, a
The
An insulating
第1電極2の電極材料層を成膜した後に、異方性エッチングを用いることで、第1電極2を、第1層間絶縁層1に対するサイドウォールのように、上にいくほど薄くなるように形成することができる。
After the electrode material layer of the
空孔9の径は、異方性エッチングにより第1電極2をサイドウォールのように形成した後に、CMP法等の平坦化技術を用いて、深さ方向に削ることで調整することが可能である。
The diameter of the
その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様である。
また、この第10の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
In the configuration of the electrode portion of the tenth embodiment, the configuration on the
上述の本実施の形態の構成によれば、第1電極2の上面の中央部に形成された空孔9の上部に埋め込まれて、かつ、第1電極2の空孔9と自己整合して、第2電極6が形成されている。
これにより、第1電極2と第2電極6とにおいて、位置の合わせずれが生じることがなく、合わせずれに起因する接続不良を防ぐことができる。
According to the above-described configuration of the present embodiment, the
Thereby, in the
また、本実施の形態の構成によれば、第1電極2と第2電極6とを別々に形成しているので、第1電極2と第2電極6とを、それぞれ異なる導電材料を使用して形成することが可能である。
例えば、第1電極2を熱伝導率の高いCuを用いて形成して、第2電極6を記憶素子の抵抗変化性能を向上させる材料を用いて形成することにより、放熱性と記憶素子の特性向上とを両立させることができる。
例えば、第1電極2をWやポリシリコン(多結晶シリコン)等の安価な導電材料を用いて形成して、製造コストの低減を図ることが可能である。
Further, according to the configuration of the present embodiment, since the
For example, by forming the
For example, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming the
さらにまた、本実施の形態の構成は、第1電極2の上部の空孔9の径が十分に確保できないような微細構造の場合に有効である。
Furthermore, the configuration of the present embodiment is effective in the case of a fine structure in which the diameter of the
<11.第11の実施の形態>
本発明の半導体装置の第11の実施の形態の概略構成図を、図19A及び図19Bに示す。図19Aは断面図を示し、図19Bは電極部分の平面図を示している。
図19Aは、図2Aと同様に、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
本実施の形態では、図19Bに示すように、第1電極2及び第2電極6を、上から見て楕円形状に形成している。
これにより、図20に平面図を示すように、第1電極2及び第2電極6を、横方向に短い間隔で並べることができるので、特にこれらの電極2,6上に記憶素子を形成した場合には、メモリセルの集積度を高めることができる。
<11. Eleventh embodiment>
A schematic configuration diagram of an eleventh embodiment of a semiconductor device of the present invention is shown in FIGS. 19A and 19B. FIG. 19A shows a cross-sectional view, and FIG. 19B shows a plan view of the electrode portion.
FIG. 19A shows an extracted electrode portion of the semiconductor device, as in FIG. 2A.
In the present embodiment, as shown in FIG. 19B, the
Accordingly, as shown in the plan view of FIG. 20, the
その他の構成は、図2Aに示した、第1の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
また、この第11の実施の形態の電極部分の構成において、第2電極6上の構成は、第1〜第3の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7や配線層14を形成することができる。
The other configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
In the configuration of the electrode portion of the eleventh embodiment, the configuration on the
本実施の形態の構成を製造する際には、第1層間絶縁層1に楕円形のビアホールを形成して、第1電極2を楕円形に形成する。これにより、シーム(空孔)4がほぼ楕円形になり、第2電極6を楕円形に形成することができる。
このように、第2電極6を楕円形にすることで、例えば、メモリセルアレイに適用した場合、隣接するメモリセルの第2電極6間の短絡を防止しつつ、接触面積や放熱体積を確保できる効果が期待できる。
When manufacturing the configuration of the present embodiment, an elliptical via hole is formed in the first
Thus, by making the
本発明における電極構造は、例えば、抵抗変化型不揮発性メモリを含む半導体装置に適用した場合には、性能向上の効果が期待できる。
しかし、本発明における電極構造を、不揮発性メモリの記憶素子と同じ基板上に形成される、トランジスタ等の他の周辺回路素子に適用した場合には、接触抵抗の上昇に伴う素子性能の低下が懸念される。
この問題を解決する構成を、次に示す。
For example, when the electrode structure in the present invention is applied to a semiconductor device including a variable resistance nonvolatile memory, an effect of improving performance can be expected.
However, when the electrode structure according to the present invention is applied to other peripheral circuit elements such as transistors formed on the same substrate as the memory element of the nonvolatile memory, the element performance decreases with increasing contact resistance. Concerned.
A configuration that solves this problem is shown below.
<12.第12の実施の形態>
本発明の半導体装置の第12の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図21に示す。
図21は、半導体装置の電極部分を抽出して示している。
図21に示すように、記憶素子を形成するメモリセル部31では、第2電極6の構成を、図1Aと同じ構成としている。一方、記憶素子を形成しない周辺回路部32では、第2電極6はシーム4に埋め込まれた部分のみを残して、第1電極2よりも上にある第2電極6を除去している。
<12. Twelfth Embodiment>
FIG. 21 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the twelfth embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 21 shows an extracted electrode portion of the semiconductor device.
As shown in FIG. 21, in the
また、この第12の実施の形態の電極部分の構成において、メモリセル部31の第2電極6上の構成は、第1〜第2の各実施の形態と同様の構成とすることが可能である。即ち、第2電極6上に、記憶素子の抵抗変化層7を形成することができる。
In addition, in the configuration of the electrode portion of the twelfth embodiment, the configuration on the
この構造を製造するには、周辺回路部32において、フォトグラフィにより、第1電極2上の第2層間絶縁層5と、第1電極2よりも上の第2電極6とを除去すればよい。
また、記憶素子の抵抗変化層7を第2電極6上に形成する場合では、抵抗変化層7を成膜した後に、メモリセル部31の抵抗変化層7をマスクで覆った状態で、周辺回路部32の抵抗変化層7と第1電極2よりも上の第2電極6と第2層間絶縁層5を除去する。
このようにして、半導体装置に一般的に用いられる電極構造と、本発明による電極構造とを、同じ半導体装置内で作り分けることが可能となる。
In order to manufacture this structure, the second
In the case where the
In this way, the electrode structure generally used in a semiconductor device and the electrode structure according to the present invention can be separately produced in the same semiconductor device.
本実施の形態によれば、メモリセル部31では第2電極を全て残し、周辺回路部32では第1電極2上の第2層間絶縁層と、第1電極2よりも上の第2電極6とを除去する。
これにより、周辺回路部32では、露出した第1電極2を上層に接続することができ、第1電極2の上面と第2電極6の上面とで充分に大きい接触面積を確保して、接触抵抗を低減することができる。
According to the present embodiment, all the second electrodes are left in the
Thereby, in the
上述した各実施の形態では、第1電極2及び第2電極6を、水平断面の形状が円形もしくは楕円形である構成としていた。そして、第1電極2の径と第2電極6の径とを比較していた。
本発明において、第1電極及び第2電極の水平断面の形状は、これらの形状に限定されるものではなく、その他の形状も可能である。例えば、矩形(正方形又は長方形)や、矩形の角部を丸くした形状とすることも可能である。
その他の形状も考慮すると、第2電極の上面の面積を第1電極の上面の面積よりも小さくすることにより、円形もしくは楕円形の断面形状で第2電極の径を第1電極の径よりも小さくした構成と、同様の効果が得られる。
In each of the above-described embodiments, the
In the present invention, the shapes of the horizontal cross sections of the first electrode and the second electrode are not limited to these shapes, and other shapes are possible. For example, a rectangular shape (square or rectangular shape) or a shape with rounded corners of the rectangle may be used.
In consideration of other shapes, by making the area of the upper surface of the second electrode smaller than the area of the upper surface of the first electrode, the diameter of the second electrode is made larger than the diameter of the first electrode in a circular or elliptical cross-sectional shape. Similar effects can be obtained with the reduced configuration.
本発明において、第1電極及び第2電極の電極材料は前述した材料に限定されるものではない。
例えば、Ti,TiN,W,WN,Cu,Ta,Ptから選ばれた、同一の材料又はそれぞれ異なる材料である金属材料を、第1電極と第2電極に使用することができる。
In the present invention, the electrode materials of the first electrode and the second electrode are not limited to the materials described above.
For example, the same material or different metal materials selected from Ti, TiN, W, WN, Cu, Ta, and Pt can be used for the first electrode and the second electrode.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 第1層間絶縁層、2 第1電極、3 絶縁膜、4 シーム(空孔)、5 第2層間絶縁層、6 第2電極、7 抵抗変化層、8 上部電極、9 空孔、11 記憶層、12 イオン源層、13 金属酸化物層、14 配線層、21 絶縁層、22 電極材料層、31 メモリセル部、32 周辺回路部
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記凹みの少なくとも一部内に埋め込まれ、前記第1電極の前記凹みに対して自己整合して形成された、第2電極とを含む
半導体装置。 A first electrode having a recess formed in the center of the upper surface;
A semiconductor device comprising: a second electrode embedded in at least a part of the recess and formed in self-alignment with the recess of the first electrode.
前記凹みの少なくとも一部内に埋め込まれ、前記第1電極の前記凹みに対して自己整合して形成された、第2電極と、
電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成し、前記第2電極上に接して形成された、抵抗変化層とを含む
半導体装置。 A first electrode having a recess formed in the center of the upper surface;
A second electrode embedded in at least a portion of the recess and formed in self-alignment with the recess of the first electrode;
A semiconductor device comprising: a resistance change layer that is formed in contact with the second electrode, the resistance value of which changes when a voltage is applied, constitutes a resistance change type memory element.
前記第1電極上に、絶縁層を形成する工程と、
エッチングにより、前記凹みの側壁の前記第1電極の少なくとも上部を露出させる工程と、
前記凹みの少なくとも一部を埋めて、露出した前記第1電極に直接接するように、電極材料層を形成する工程と、
前記絶縁層上の前記電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成する工程とを含む
半導体装置の製造方法。 A step of embedding an electrode material into a via hole formed in the interlayer insulating layer so that a recess is formed in the center, and forming a first electrode embedded in the via hole;
Forming an insulating layer on the first electrode;
Exposing at least an upper portion of the first electrode on the side wall of the recess by etching;
Forming an electrode material layer so as to fill at least part of the recess and directly contact the exposed first electrode;
Forming a second electrode made of an electrode material layer by removing the electrode material layer on the insulating layer.
前記第1電極上に、絶縁層を形成する工程と、
エッチングにより、前記凹みの側壁の前記第1電極の少なくとも上部を露出させる工程と、
前記凹みの少なくとも一部を埋めて、露出した前記第1電極に直接接するように、電極材料層を形成する工程と、
前記絶縁層上の前記電極材料層を除去することにより、電極材料層から成る第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に接して、電圧の印加により抵抗値が変化し、抵抗変化型の記憶素子を構成する、抵抗変化層を形成する工程とを含む
半導体装置の製造方法。 A step of embedding an electrode material into a via hole formed in the interlayer insulating layer so that a recess is formed in the center, and forming a first electrode embedded in the via hole;
Forming an insulating layer on the first electrode;
Exposing at least an upper portion of the first electrode on the side wall of the recess by etching;
Forming an electrode material layer so as to fill at least part of the recess and directly contact the exposed first electrode;
Forming a second electrode comprising an electrode material layer by removing the electrode material layer on the insulating layer;
Forming a resistance change layer which is in contact with the second electrode and changes its resistance value by applying a voltage to form a resistance change type memory element. A method for manufacturing a semiconductor device.
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| JP2010174366A JP2012038748A (en) | 2010-08-03 | 2010-08-03 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101517325B1 (en) * | 2014-01-23 | 2015-05-06 | 한경대학교 산학협력단 | Structure of Multi Level Cell Phase Change Memory |
| CN109509833A (en) * | 2017-09-15 | 2019-03-22 | 旺宏电子股份有限公司 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
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2010
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