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JP2013089789A - Memory device and manufacturing method therefor - Google Patents

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JP2013089789A
JP2013089789A JP2011229452A JP2011229452A JP2013089789A JP 2013089789 A JP2013089789 A JP 2013089789A JP 2011229452 A JP2011229452 A JP 2011229452A JP 2011229452 A JP2011229452 A JP 2011229452A JP 2013089789 A JP2013089789 A JP 2013089789A
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Japan
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layer
electrode layer
lower electrode
core material
forming
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Application number
JP2011229452A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Aoyama
賢士 青山
Kazuhiko Yamamoto
山本  和彦
Shigeto Oshino
成人 押野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】信頼性が高い記憶装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る記憶装置は、下部電極層と、前記下部電極層上に設けられた絶縁性の芯材層と、前記芯材層上に設けられ、前記芯材層の側面上には設けられていない上部電極層と、前記芯材層の側面上に設けられ、前記下部電極層及び前記上部電極層に接し、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層と、を備える。
【選択図】図2
A storage device with high reliability and a method for manufacturing the same are provided.
A storage device according to an embodiment includes a lower electrode layer, an insulating core layer provided on the lower electrode layer, and a side surface of the core layer provided on the core layer. An upper electrode layer that is not provided, and a resistance change layer that is provided on a side surface of the core material layer, is in contact with the lower electrode layer and the upper electrode layer, and a plurality of microconductors are gathered through a gap. .
[Selection] Figure 2

Description

本発明の実施形態は、記憶装置及びその製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a storage device and a method for manufacturing the same.

近年、特定の材料に電圧を印加すると、電圧印加前の抵抗率と印加した電圧の大きさによって、この材料が低抵抗状態と高抵抗状態の2つの状態をもつ現象が発見され、その現象を利用した新たな不揮発性記憶装置が提案されている。この不揮発性記憶装置をReRAM(Resistance Random Access Memory)という。当初、このような挙動を示す抵抗変化材料として金属酸化物系の材料が知られていたが、最近、カーボンナノチューブ(CNT:Carbon nanotube)を用いても、このような抵抗変化材料を実現できることが発見された。   In recent years, when a voltage is applied to a specific material, a phenomenon in which the material has two states, a low resistance state and a high resistance state, has been discovered depending on the resistivity before the voltage is applied and the magnitude of the applied voltage. A new nonvolatile memory device that has been used has been proposed. This nonvolatile storage device is called a ReRAM (Resistance Random Access Memory). Initially, metal oxide-based materials were known as resistance change materials exhibiting such behavior, but recently, such resistance change materials can also be realized using carbon nanotubes (CNT). It's been found.

一方、ReRAMの実デバイス構造に関しては、高集積化の観点から、WL(ワードライン)とBL(ビットライン)の交点にメモリセルを配置する3次元クロスポイント構造が提案されている。3次元クロスポイント構造のReRAMにおいては、WLとBLとの間にピラーを設け、このピラーの一部をCNTを集合させた層によって構成する。しかしながら、CNTを集合させた層は機械的に脆弱であり、信頼性が低いという問題がある。   On the other hand, regarding the real device structure of ReRAM, a three-dimensional cross-point structure in which memory cells are arranged at the intersections of WL (word lines) and BL (bit lines) has been proposed from the viewpoint of high integration. In a ReRAM having a three-dimensional cross-point structure, a pillar is provided between WL and BL, and a part of the pillar is constituted by a layer in which CNTs are aggregated. However, there is a problem that the layer in which CNTs are assembled is mechanically fragile and has low reliability.

特表2011−508979号公報Special table 2011-508979 gazette

本発明の目的は、信頼性が高い記憶装置及びその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a storage device with high reliability and a manufacturing method thereof.

実施形態に係る記憶装置は、下部電極層と、前記下部電極層上に設けられた絶縁性の芯材層と、前記芯材層上に設けられ、前記芯材層の側面上には設けられていない上部電極層と、前記芯材層の側面上に設けられ、前記下部電極層及び前記上部電極層に接し、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層と、を備える。   The memory device according to the embodiment is provided on a lower electrode layer, an insulating core material layer provided on the lower electrode layer, the core material layer, and provided on a side surface of the core material layer. An upper electrode layer that is not provided, and a variable resistance layer that is provided on a side surface of the core material layer and that is in contact with the lower electrode layer and the upper electrode layer and in which a plurality of microconductors are gathered through a gap.

実施形態に係る記憶装置の製造方法は、下部電極層、絶縁性の芯材層及び上部電極層をこの順に積層させる工程と、前記上部電極層、前記芯材層及び前記下部電極層をパターニングして積層体を形成する工程と、前記積層体の側面上に、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層を形成する工程と、を備える。   The method for manufacturing a memory device according to the embodiment includes a step of laminating a lower electrode layer, an insulating core material layer, and an upper electrode layer in this order, and patterning the upper electrode layer, the core material layer, and the lower electrode layer. Forming a laminated body, and forming a variable resistance layer in which a plurality of microconductors are gathered through a gap on a side surface of the laminated body.

第1の実施形態に係る記憶装置を例示する斜視図である。1 is a perspective view illustrating a storage device according to a first embodiment. 第1の実施形態におけるピラーを例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the pillar in 1st Embodiment. (a)及び(b)は、図2に示すA−A’線による断面図である。(A) And (b) is sectional drawing by the A-A 'line shown in FIG. 抵抗変化層を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates a resistance change layer. (a)及び(b)は、第1の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。FIGS. 7A and 7B are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the memory device according to the first embodiment. FIGS. (a)及び(b)は、第1の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。FIGS. 7A and 7B are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the memory device according to the first embodiment. FIGS. (a)及び(b)は、第1の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。FIGS. 7A and 7B are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the memory device according to the first embodiment. FIGS. (a)及び(b)は、第1の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。FIGS. 7A and 7B are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the memory device according to the first embodiment. FIGS. 比較例に係る記憶装置のピラーを例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the pillar of the memory | storage device which concerns on a comparative example. 第2の実施形態におけるピラーを例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the pillar in 2nd Embodiment. (a)及び(b)は、第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。(A) And (b) is a process perspective view which illustrates the manufacturing method of the memory | storage device which concerns on 2nd Embodiment. (a)及び(b)は、第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。(A) And (b) is a process perspective view which illustrates the manufacturing method of the memory | storage device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。10 is a process perspective view illustrating the method for manufacturing the memory device according to the second embodiment; FIG. 第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。10 is a process perspective view illustrating the method for manufacturing the memory device according to the second embodiment; FIG. 第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。10 is a process perspective view illustrating the method for manufacturing the memory device according to the second embodiment; FIG. 第2の実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。10 is a process perspective view illustrating the method for manufacturing the memory device according to the second embodiment; FIG.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る記憶装置を例示する斜視図であり、
図2は、本実施形態におけるピラーを例示する断面図であり、
図3(a)及び(b)は、図2に示すA−A’線による断面図であり、
図4は、抵抗変化層を例示する断面図である。
本実施形態に係る記憶装置は、ReRAMである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a perspective view illustrating a storage device according to this embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a pillar in this embodiment.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views along the line AA ′ shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a resistance change layer.
The storage device according to the present embodiment is a ReRAM.

図1に示すように、本実施形態に係る記憶装置1においては、シリコン基板11が設けられており、シリコン基板11の上層部分及び上面上には、記憶装置1の駆動回路(図示せず)が形成されている。シリコン基板11上には、駆動回路を埋め込むように、例えばシリコン酸化物からなる層間絶縁膜12が設けられており、層間絶縁膜12上にはメモリセル部13が設けられている。   As shown in FIG. 1, in the storage device 1 according to the present embodiment, a silicon substrate 11 is provided, and a drive circuit (not shown) of the storage device 1 is provided on the upper layer portion and the upper surface of the silicon substrate 11. Is formed. An interlayer insulating film 12 made of, for example, silicon oxide is provided on the silicon substrate 11 so as to embed a drive circuit, and a memory cell portion 13 is provided on the interlayer insulating film 12.

メモリセル部13においては、シリコン基板11の上面に平行な一方向(以下、「ワード線方向」という)に延びる複数本のワード線WLを含むワード線配線層14と、シリコン基板11の上面に平行な方向であって、ワード線方向に対して交差、例えば直交する方向(以下、「ビット線方向」という)に延びる複数本のビット線BLを含むビット線配線層15とが、層間絶縁膜17(図2参照)を介して交互に積層されている。また、ワード線WL同士、ビット線BL同士、ワード線WLとビット線BLとは、相互に接していない。   In the memory cell portion 13, a word line wiring layer 14 including a plurality of word lines WL extending in one direction (hereinafter referred to as “word line direction”) parallel to the upper surface of the silicon substrate 11, and an upper surface of the silicon substrate 11. A bit line wiring layer 15 including a plurality of bit lines BL extending in a parallel direction and intersecting, for example, a direction orthogonal to the word line direction (hereinafter referred to as “bit line direction”) is an interlayer insulating film. 17 (see FIG. 2) are alternately stacked. Further, the word lines WL, the bit lines BL, and the word line WL and the bit line BL are not in contact with each other.

そして、各ワード線WLと各ビット線BLとの最近接点には、シリコン基板11の上面に対して垂直な方向(以下、「上下方向」という)に延びるピラー16が設けられている。ピラー16は、各ワード線WLと各ビット線BLとの間に接続されている。1本のピラー16により、1つのメモリセルが構成されている。すなわち、記憶装置1は、ワード線WLとビット線BLとの最近接点毎にメモリセルが配置されたクロスポイント型の装置である。ワード線WL、ビット線BL及びピラー16の相互間は、層間絶縁膜17によって埋め込まれている。また、ピラー16と層間絶縁膜17との間には、例えばシリコン窒化物からなる絶縁膜18が設けられている。   A pillar 16 extending in a direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate 11 (hereinafter referred to as “vertical direction”) is provided at the closest point between each word line WL and each bit line BL. The pillar 16 is connected between each word line WL and each bit line BL. One pillar 16 forms one memory cell. That is, the storage device 1 is a cross-point type device in which a memory cell is arranged at each closest point between the word line WL and the bit line BL. The word lines WL, the bit lines BL, and the pillars 16 are filled with an interlayer insulating film 17. An insulating film 18 made of, for example, silicon nitride is provided between the pillar 16 and the interlayer insulating film 17.

図2及び図3(a)に示すように、各ピラー16においては、シリコン基板11側から上方に向かって、バリアメタル層21、整流素子層22、シリサイド層23、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26がこの順に積層されている。下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26の側面上には、抵抗変化層27が設けられている。抵抗変化層27は、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26に接しており、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26の周囲を囲んでいる。抵抗変化層27の周囲には、保護絶縁層28が設けられている。なお、図2においては、抵抗変化層27の下面が整流素子層22とシリサイド層23との界面と同じ高さに位置する例を示しているが、抵抗変化層27の下面は、整流素子層22の内部、シリサイド層23の内部又は下部電極層24の内部と同じ高さに位置していてもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3A, in each pillar 16, the barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the silicide layer 23, the lower electrode layer 24, and the core material from the silicon substrate 11 side upward. The layer 25 and the upper electrode layer 26 are laminated in this order. On the side surfaces of the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26, a resistance change layer 27 is provided. The resistance change layer 27 is in contact with the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26, and surrounds the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26. A protective insulating layer 28 is provided around the resistance change layer 27. 2 illustrates an example in which the lower surface of the resistance change layer 27 is positioned at the same height as the interface between the rectifying element layer 22 and the silicide layer 23. 22 may be located at the same height as the inside of the silicide layer 23 or the inside of the lower electrode layer 24.

バリアメタル層21は例えばワード線WLに接しており、上部電極層26は例えばビット線BLに接している。また、ワード線WLは、金属からなる配線本体31と、配線本体31の下面を覆うバリアメタル層32とから構成されている。最下層のワード線WLについては、バリアメタル層32が配線本体31の下面の他に、側面も覆っている。ビット線BLは、金属からなる配線本体33と、配線本体33の下面を覆うバリアメタル層34とから構成されている。なお、図1、図3(a)及び(b)、図4においては、層間絶縁膜17及び絶縁膜18は図示が省略されている。   The barrier metal layer 21 is in contact with the word line WL, for example, and the upper electrode layer 26 is in contact with the bit line BL, for example. The word line WL includes a wiring main body 31 made of metal and a barrier metal layer 32 that covers the lower surface of the wiring main body 31. For the lowermost word line WL, the barrier metal layer 32 covers the side surface in addition to the lower surface of the wiring body 31. The bit line BL includes a wiring body 33 made of metal and a barrier metal layer 34 that covers the lower surface of the wiring body 33. In FIGS. 1, 3A and 3B, and FIG. 4, the interlayer insulating film 17 and the insulating film 18 are not shown.

ワード線WLの配線本体31及びビット線BLの配線本体33は、例えば、タングステン(W)等の導電性材料によって形成されている。
バリアメタル層21は、ワード線WLと選択素子層22との間の拡散を防止すると共に、密着性を改善する層であり、バリアメタル層32は、層間絶縁膜12又は17と配線本体31との間の拡散を防止すると共に、密着性を改善する層であり、バリアメタル層34は、層間絶縁膜17と配線本体33との間、及び上部電極層26と配線本体33との間の拡散を防止すると共に、密着性を改善する層である。バリアメタル層21、32及び34は、例えば窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)又は窒化タングステン(WN)等の導電性材料により形成されている。
The wiring body 31 of the word line WL and the wiring body 33 of the bit line BL are formed of a conductive material such as tungsten (W), for example.
The barrier metal layer 21 is a layer that prevents diffusion between the word line WL and the selection element layer 22 and improves adhesion, and the barrier metal layer 32 includes the interlayer insulating film 12 or 17, the wiring body 31, and the like. The barrier metal layer 34 is a layer between the interlayer insulating film 17 and the wiring body 33, and between the upper electrode layer 26 and the wiring body 33. It is a layer that prevents adhesion and improves adhesion. The barrier metal layers 21, 32, and 34 are made of a conductive material such as titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), or tungsten nitride (WN).

整流素子層22は、例えばポリシリコンダイオードからなり、下層側から順に、導電形がn形のn形層、真性半導体からなるi形層、及び導電形がp形のp形層が積層されている。又は、整流素子層22は、ショットキーダイオードであってもよい。これにより、整流素子層22は、例えば、ビット線BLにワード線WLよりも高い電位が供給された場合にのみ電流を流し、逆方向の電流は流さない選択素子層として機能する。電流が流れる方向、すなわち上下方向から見て、整流素子層22の面積は抵抗変化層27の面積よりも大きい。 The rectifying element layer 22 is made of, for example, a polysilicon diode, and in order from the lower layer side, an n-type layer having a conductivity type of n + , an i-type layer made of an intrinsic semiconductor, and a p-type layer having a conductivity type of p + type are stacked. Has been. Alternatively, the rectifying element layer 22 may be a Schottky diode. Thereby, for example, the rectifying element layer 22 functions as a selection element layer that passes a current only when a potential higher than that of the word line WL is supplied to the bit line BL and does not flow a reverse current. The area of the rectifying element layer 22 is larger than the area of the resistance change layer 27 when viewed from the direction in which the current flows, that is, the vertical direction.

シリサイド層23は、例えば、チタンシリサイド(TiSi)によって形成されている。下部電極層24は、窒化チタン等の導電性材料によって形成されている。芯材層25は、絶縁性材料、例えば、シリコン酸化物又はシリコン窒化物により形成されている。芯材層25の形状は、軸方向を上下方向とした柱状であり、例えば、図3(a)に示すような円柱状である。又は、図3(b)に示すような角が丸められた四角柱状であってもよい。芯材層25の高さは、例えば、5〜30nm程度である。上部電極層26は、例えば、タングステン(W)等の導電性材料によって形成されている。   The silicide layer 23 is formed of, for example, titanium silicide (TiSi). The lower electrode layer 24 is made of a conductive material such as titanium nitride. The core material layer 25 is formed of an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride. The shape of the core material layer 25 is a columnar shape whose axial direction is the vertical direction, and is, for example, a cylindrical shape as shown in FIG. Alternatively, a quadrangular prism shape with rounded corners as shown in FIG. The height of the core material layer 25 is, for example, about 5 to 30 nm. The upper electrode layer 26 is made of a conductive material such as tungsten (W), for example.

図4に示すように、抵抗変化層27は、例えば、微小導電体、例えば、フラーレン、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボン等のナノスケールの結晶構造をもつカーボンナノマテリアルが隙間を介して集合したナノマテリアル集合層である。図4においては、微小導電体がCNT(カーボンナノチューブ)41であり、隙間42を介して集合した例を示している。隙間42は空気層となっており、従って、抵抗変化層27の構造は中空構造である。各CNT41の長手方向は、抵抗変化層27の膜面に対してほぼ平行であるが、膜面内においては、様々な方向を向いている。   As shown in FIG. 4, the resistance change layer 27 includes, for example, nanoconductors in which carbon nanomaterials having a nanoscale crystal structure such as full conductors, fullerenes, graphene, carbon nanotubes, carbon nanoribbons, and the like are gathered through a gap. It is a material assembly layer. FIG. 4 shows an example in which the minute conductors are CNTs (carbon nanotubes) 41 and are aggregated via the gaps 42. The gap 42 is an air layer. Therefore, the variable resistance layer 27 has a hollow structure. The longitudinal direction of each CNT 41 is substantially parallel to the film surface of the resistance change layer 27, but faces in various directions within the film surface.

保護絶縁層28は、酸化物以外の絶縁材料によって形成されており、例えば、シリコン窒化物によって形成されている。絶縁膜18は、例えばシリコン窒化物により形成されている。層間絶縁膜17は、例えばシリコン酸化物によって形成されている。   The protective insulating layer 28 is made of an insulating material other than oxide, and is made of, for example, silicon nitride. The insulating film 18 is made of, for example, silicon nitride. The interlayer insulating film 17 is made of, for example, silicon oxide.

次に、本実施形態に係る記憶装置の製造方法について説明する。
図5(a)及び(b)、図6(a)及び(b)、図7(a)及び(b)、図8(a)及び(b)は、本実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図1に示すように、シリコン基板11の上面に、メモリセル部13を駆動するための駆動回路を形成する。次に、シリコン基板11上に層間絶縁膜12を形成する。次に、層間絶縁膜12内に、駆動回路まで到達するコンタクト(図示せず)を形成する。
Next, a method for manufacturing the storage device according to the present embodiment will be described.
FIGS. 5A and 5B, FIGS. 6A and 6B, FIGS. 7A and 7B, and FIGS. 8A and 8B show the manufacture of the memory device according to this embodiment. It is process sectional drawing which illustrates a method.
First, as shown in FIG. 1, a drive circuit for driving the memory cell unit 13 is formed on the upper surface of the silicon substrate 11. Next, an interlayer insulating film 12 is formed on the silicon substrate 11. Next, a contact (not shown) reaching the drive circuit is formed in the interlayer insulating film 12.

次に、図5(a)に示すように、層間絶縁膜12の上層部分に、例えばダマシン法により、ワード線方向に相互に平行に延びる複数本のワード線WLを形成する。例えば、層間絶縁膜12の上面に形成した溝の内面上にバリアメタル層32を形成し、その後、溝の内部に配線本体31を埋め込むことにより、ワード線WLを形成する。なお、ワード線WLは、RIE(reactive ion etching:反応性イオンエッチング)法によって形成してもよい。これらの複数本のワード線WLにより、ワード線配線層14が形成される。   Next, as shown in FIG. 5A, a plurality of word lines WL extending in parallel with each other in the word line direction are formed in the upper layer portion of the interlayer insulating film 12 by, for example, a damascene method. For example, the barrier metal layer 32 is formed on the inner surface of the groove formed on the upper surface of the interlayer insulating film 12, and the word line WL is then formed by embedding the wiring body 31 in the groove. The word line WL may be formed by an RIE (reactive ion etching) method. A word line wiring layer 14 is formed by the plurality of word lines WL.

次に、図5(b)に示すように、ワード線配線層14上の全面に、バリアメタル層21、整流素子層22、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26をこの順に形成することにより、積層体50を形成する。各層はそれぞれ1枚の連続膜として全面に成膜する。シリコンを含む整流素子層22上にチタンを含む下部電極層24を形成すると、シリコンとチタンが反応して、チタンシリサイドからなるシリサイド層23が形成される。次に、積層体50上に、例えば、シリコン酸化物又はシリコン窒化物等の絶縁性材料からなるハードマスク層51を形成し、その上にレジスト膜を形成する。そして、リソグラフィ法により、このレジスト膜をパターニングして、ワード線WLの直上域に、複数の島状のレジストパターン52をマトリクス状に配列させる。レジストパターン52は、ピラー16を形成する予定の領域に形成する。   Next, as shown in FIG. 5B, a barrier metal layer 21, a rectifying element layer 22, a lower electrode layer 24, a core material layer 25, and an upper electrode layer 26 are arranged in this order on the entire surface of the word line wiring layer. By forming, the laminated body 50 is formed. Each layer is formed on the entire surface as one continuous film. When the lower electrode layer 24 containing titanium is formed on the rectifying element layer 22 containing silicon, silicon and titanium react to form a silicide layer 23 made of titanium silicide. Next, a hard mask layer 51 made of an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride is formed on the stacked body 50, and a resist film is formed thereon. Then, this resist film is patterned by a lithography method, and a plurality of island-like resist patterns 52 are arranged in a matrix form immediately above the word line WL. The resist pattern 52 is formed in a region where the pillar 16 is to be formed.

次に、図6(a)に示すように、レジストパターン52(図5(b)参照)をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、シリサイド層23を完全に貫通し、整流素子層22の上部に到達した時点で停止させる。例えば、整流素子層22が、下側から順にn形層、i形層及びp形層が積層されたポリシリコンダイオードである場合、最上層のp形層内でエッチングを停止させる。これにより、上部電極層26、芯材層25、下部電極層24及びシリサイド層23が選択的に除去されて、ワード線WLの直上域にマトリクス状に配列された複数の島状のピラー上部16aが形成される。一方、この時点では、整流素子層22及びバリアメタル層21は分断されない。なお、このエッチングは、シリサイド層23又は下部電極層24内で停止させてもよい。次に、全体を洗浄し、エッチングに伴う副生成物を除去する。   Next, as shown in FIG. 6A, anisotropic etching such as RIE is performed using the resist pattern 52 (see FIG. 5B) as a mask. This etching is stopped when it completely penetrates the silicide layer 23 and reaches the upper part of the rectifying element layer 22. For example, when the rectifying element layer 22 is a polysilicon diode in which an n-type layer, an i-type layer, and a p-type layer are stacked in order from the lower side, the etching is stopped in the uppermost p-type layer. As a result, the upper electrode layer 26, the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the silicide layer 23 are selectively removed, and a plurality of island-shaped pillar upper portions 16a arranged in a matrix immediately above the word lines WL. Is formed. On the other hand, at this time, the rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21 are not divided. Note that this etching may be stopped in the silicide layer 23 or the lower electrode layer 24. Next, the whole is washed, and by-products accompanying the etching are removed.

次に、図6(b)に示すように、カーボンナノマテリアル、例えばカーボンナノチューブ(CNT)を溶媒、例えば水に分散させた分散液を塗布し、乾燥させ、ベークすることにより、全面に抵抗変化層27を形成する。抵抗変化層27は、ピラー上部16a及びハードマスク層51を覆うと共に、整流素子層22の上面のうちピラー上部16aによって覆われていない領域を覆う。分散液を乾燥及びベークさせて厚さが減少する過程で、CNT41が延びる方向は、膜面方向に近づく。また、下地との間に働く分子間力により、CNT41は下地の凹凸に沿ってほぼ均一に配置される。次に、抵抗変化層27を覆うように、全面に保護絶縁層28を成膜する。保護絶縁層28は、抵抗変化層27のカーボンナノマテリアル、例えばCNT41を酸化しないように、酸化物以外の絶縁性材料、例えば、シリコン窒化物により形成する。   Next, as shown in FIG. 6B, a resistance change is applied to the entire surface by applying a dispersion of carbon nanomaterials, for example, carbon nanotubes (CNT), dispersed in a solvent, for example, water, drying, and baking. Layer 27 is formed. The resistance change layer 27 covers the pillar upper portion 16a and the hard mask layer 51, and covers a region of the upper surface of the rectifying element layer 22 that is not covered by the pillar upper portion 16a. In the process of drying and baking the dispersion and reducing the thickness, the direction in which the CNT 41 extends approaches the film surface direction. Further, due to the intermolecular force acting between the base and the base, the CNTs 41 are arranged substantially uniformly along the base unevenness. Next, a protective insulating layer 28 is formed on the entire surface so as to cover the resistance change layer 27. The protective insulating layer 28 is formed of an insulating material other than oxide, for example, silicon nitride so as not to oxidize the carbon nanomaterial of the resistance change layer 27, for example, CNT 41.

次に、図7(a)に示すように、ハードマスク層51をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、バリアメタル層21を貫通した後に停止させる。これにより、整流素子層22及びバリアメタル層21が選択的に除去されると共に、ピラー上部16aの直下域に残留する。なお、図6(a)に示す工程において、エッチングがシリサイド層23内又は下部電極層24内で停止された場合には、本工程において、下部電極層24及びシリサイド層23が分断される。このとき、抵抗変化層27及び保護絶縁層28も選択的に除去されて、ピラー上部16aの側面上のみに残留する。これにより、ピラー16が形成される。このとき、抵抗変化層27は保護絶縁層28により保護されているため、RIEによってダメージを受けることはない。
次に、図7(b)に示すように、全面に絶縁膜18を形成する。次に、例えばシリコン酸化物を堆積させて、ピラー16を埋め込むように、層間絶縁膜17を形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, anisotropic etching such as RIE is performed using the hard mask layer 51 as a mask. This etching is stopped after penetrating the barrier metal layer 21. As a result, the rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21 are selectively removed and remain in the region directly below the pillar upper portion 16a. In the step shown in FIG. 6A, when the etching is stopped in the silicide layer 23 or the lower electrode layer 24, the lower electrode layer 24 and the silicide layer 23 are divided in this step. At this time, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are also selectively removed and remain only on the side surface of the pillar upper portion 16a. Thereby, the pillar 16 is formed. At this time, since the resistance change layer 27 is protected by the protective insulating layer 28, it is not damaged by RIE.
Next, as shown in FIG. 7B, an insulating film 18 is formed on the entire surface. Next, for example, silicon oxide is deposited, and an interlayer insulating film 17 is formed so as to embed the pillars 16.

次に、図8(a)に示すように、上部電極層26をストッパとしてCMP(chemical mechanical polishing:化学的機械研磨)等の平坦化処理を施す。
次に、図8(b)に示すように、ダマシン法又はRIE法により、ピラー16の直上域を繋ぐ位置に、ビット線方向に延びる複数本のビット線BLを形成すると共に、ビット線BL間に層間絶縁膜17を埋め込む。これにより、ビット線配線層15が形成される。このとき、抵抗変化層27の上端部においては、隙間42内にバリアメタル層34を形成する導電性材料が染み込み、環状の染込部分27a(図2参照)が形成される。但し、染込部分27aが上部電極層26の下面よりも下方まで進出しなければ、問題はない。
Next, as shown in FIG. 8A, planarization processing such as CMP (chemical mechanical polishing) is performed using the upper electrode layer 26 as a stopper.
Next, as shown in FIG. 8B, a plurality of bit lines BL extending in the bit line direction are formed at a position connecting the regions directly above the pillars 16 by the damascene method or the RIE method, and between the bit lines BL. An interlayer insulating film 17 is embedded in Thereby, the bit line wiring layer 15 is formed. At this time, at the upper end portion of the resistance change layer 27, the conductive material forming the barrier metal layer 34 penetrates into the gap 42, and an annular soaked portion 27a (see FIG. 2) is formed. However, there is no problem if the soaked portion 27a does not advance below the lower surface of the upper electrode layer 26.

次に、上述と同様な方法により、ビット線BL上にピラー16を形成する。このピラー16を形成する際には、上述のワード線WL上に形成したピラー16に対して、選択素子層22におけるn形層、i形層及びp形層の積層順序を逆にする。以後、同様な方法により、ワード線配線層14、複数本のピラー16、ビット線配線層15及び複数本のピラー16を繰り返し形成する。これにより、本実施形態に係る記憶装置1が製造される。   Next, the pillar 16 is formed on the bit line BL by the same method as described above. When the pillar 16 is formed, the stacking order of the n-type layer, the i-type layer, and the p-type layer in the selection element layer 22 is reversed with respect to the pillar 16 formed on the word line WL. Thereafter, the word line wiring layer 14, the plurality of pillars 16, the bit line wiring layer 15, and the plurality of pillars 16 are repeatedly formed by the same method. Thereby, the storage device 1 according to the present embodiment is manufactured.

次に、本実施形態の動作について説明する。
本実施形態に係る記憶装置1においては、各ピラー16において、下部電極層24と上部電極層26との間に、抵抗変化層27を介した電流経路が形成される。そして、抵抗変化層27は、「高抵抗状態」と「低抵抗状態」の2つの状態を持つことができる。なお、芯材層25は絶縁性であるため、芯材層25内には実質的に電流が流れない。但し、リーク電流を抑えるためには、芯材層25の電気抵抗値は可及的に高いことが望ましい。
Next, the operation of this embodiment will be described.
In the memory device 1 according to the present embodiment, a current path through the resistance change layer 27 is formed between the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26 in each pillar 16. The resistance change layer 27 can have two states, a “high resistance state” and a “low resistance state”. In addition, since the core material layer 25 is insulative, substantially no current flows in the core material layer 25. However, in order to suppress the leakage current, the electrical resistance value of the core material layer 25 is desirably as high as possible.

CNT41が集合した抵抗変化層27が2水準の抵抗値を持つメカニズムは完全には解明されていないが、例えば、以下のように考えられる。
抵抗変化層27に電圧が印加されていないときは、CNT41同士、CNT41と下部電極層24、CNT41と上部電極層26は概ね相互に離隔した状態にあり、抵抗変化層27は「高抵抗状態」にある。一方、抵抗変化層27に電圧を印加すると、CNT41間にクーロン力が発生して、引きつけ合う。そして、この電圧を一定時間以上継続して印加すると、クーロン力によってCNT41が移動・回転し、隣のCNT41又は下部電極層24若しくは上部電極層26と接触し、下部電極層24と上部電極層26との間に、複数本のCNT41を介した電流経路が形成される。この結果、抵抗変化層27は「低抵抗状態」となる。この状態は、抵抗変化層27に電圧が印加されなくなっても、維持される。また、抵抗変化層27に、例えばナノ秒オーダーの短時間のパルス電圧を印加すると、CNT41同士の接触部分が発熱し、CNT41同士が離れる。この結果、抵抗変化層27は「高抵抗状態」に戻る。このように、抵抗変化層27は「高抵抗状態」と「低抵抗状態」の2つの状態を持つことができ、これにより、2値のデータを記憶することができる。このような動作を実現するために、CNT41間には適度な隙間42が形成されていることが必要である。
The mechanism by which the resistance change layer 27 in which the CNTs 41 are aggregated has a two-level resistance value has not been completely elucidated, but is considered as follows, for example.
When no voltage is applied to the resistance change layer 27, the CNTs 41, the CNT 41 and the lower electrode layer 24, and the CNT 41 and the upper electrode layer 26 are generally separated from each other, and the resistance change layer 27 is in a “high resistance state”. It is in. On the other hand, when a voltage is applied to the resistance change layer 27, a Coulomb force is generated between the CNTs 41 to attract each other. When this voltage is continuously applied for a predetermined time or longer, the CNT 41 is moved and rotated by the Coulomb force, contacts the adjacent CNT 41, the lower electrode layer 24 or the upper electrode layer 26, and the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26. A current path through a plurality of CNTs 41 is formed. As a result, the resistance change layer 27 is in a “low resistance state”. This state is maintained even when no voltage is applied to the resistance change layer 27. Further, when a short-time pulse voltage of, for example, nanosecond order is applied to the resistance change layer 27, the contact portion between the CNTs 41 generates heat and the CNTs 41 are separated from each other. As a result, the resistance change layer 27 returns to the “high resistance state”. In this way, the resistance change layer 27 can have two states, a “high resistance state” and a “low resistance state”, and can store binary data. In order to realize such an operation, it is necessary that an appropriate gap 42 is formed between the CNTs 41.

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、図5(b)に示す工程において、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26を積層し、図6(a)に示す工程において、これらをピラー形状にパターニングした後、図6(b)に示す工程において、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26の側面上に抵抗変化層27を形成している。すなわち、上部電極層26を形成した後、抵抗変化層27を形成している。このため、上部電極層26を形成する際に、上部電極層26の導電性材料が抵抗変化層27の隙間42内に侵入することがない。これにより、隙間42内に侵入した導電性材料を介して、下部電極層24と上部電極層26とが短絡することがない。また、隙間42内に侵入した導電性材料に起因して、メモリセル間で電気的特性がばらつくことがない。このように、本実施形態によれば、信頼性が高い記憶装置を実現することができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
In this embodiment, the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26 are stacked in the step shown in FIG. 5B, and these are patterned into pillar shapes in the step shown in FIG. 6A. After that, in the step shown in FIG. 6B, the resistance change layer 27 is formed on the side surfaces of the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26. That is, the resistance change layer 27 is formed after the upper electrode layer 26 is formed. For this reason, when the upper electrode layer 26 is formed, the conductive material of the upper electrode layer 26 does not enter the gap 42 of the resistance change layer 27. Accordingly, the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26 are not short-circuited through the conductive material that has entered the gap 42. Further, the electrical characteristics do not vary between the memory cells due to the conductive material that has entered the gap 42. Thus, according to the present embodiment, a highly reliable storage device can be realized.

また、本実施形態においては、抵抗変化層27はピラー16の側面部分に形成されるため、抵抗変化層27を下地として、リソグラフィ及びパターン転写等の処理を行うことがない。抵抗変化層27においては、カーボンナノマテリアルの局所的な凝集等により、表面にナノメートルオーダーのミクロ的なラフネスが生じることがある。このため、抵抗変化層27を下地としてリソグラフィを行うと、焦点ぼけが発生し、露光の精度が低下してパターンに不良が発生する場合がある。また、ミクロ的なラフネスがある抵抗変化層27を下地としてパターン転写を行うと、凹部における抜け残り、及び、凸部におけるパターン消失が発生する場合がある。更に、3次元クロスポイント構造においては、各ピラー層における抵抗変化層27のラフネスが、積層を重ねるにつれて積算されてしまう。しかしながら、本実施形態においては、抵抗変化層27を下地としてこれらの処理を行うことがないため、上述の不具合が生じない。また、各抵抗変化層27ラフネスが積算されることもない。このような理由により、メモリセルごとの電気特性のばらつきが小さい。これによっても、記憶装置1の信頼性を向上させることができる。   In the present embodiment, since the resistance change layer 27 is formed on the side surface portion of the pillar 16, processing such as lithography and pattern transfer is not performed using the resistance change layer 27 as a base. In the resistance change layer 27, micro roughness on the order of nanometers may occur on the surface due to local aggregation of the carbon nanomaterial. For this reason, when lithography is performed using the resistance change layer 27 as a base, defocusing may occur, exposure accuracy may be reduced, and a pattern may be defective. Further, when pattern transfer is performed using the resistance change layer 27 having micro roughness as a base, there may be a case where a missing portion in the concave portion and a pattern disappearance in the convex portion occur. Furthermore, in the three-dimensional cross-point structure, the roughness of the resistance change layer 27 in each pillar layer is integrated as the layers are stacked. However, in this embodiment, since these processes are not performed using the resistance change layer 27 as a base, the above-described problems do not occur. Further, each resistance change layer 27 roughness is not integrated. For this reason, variations in electrical characteristics between memory cells are small. Also by this, the reliability of the storage device 1 can be improved.

更に、本実施形態においては、抵抗変化層27をピラー16の側面部分に形成している。このため、抵抗変化層27上に、ハードマスク層51等の厚い膜を形成する必要がない。また、本実施形態においては、図6(b)に示す工程において、全面に抵抗変化層27を形成した後、図7(a)に示す工程において、ピラー16毎に抵抗変化層27を分断しているため、抵抗変化層27が連続膜である時間が短い。これにより、抵抗変化層27が膜応力によって剥がれることを抑制できる。   Furthermore, in the present embodiment, the resistance change layer 27 is formed on the side surface portion of the pillar 16. Therefore, it is not necessary to form a thick film such as the hard mask layer 51 on the resistance change layer 27. In the present embodiment, after the resistance change layer 27 is formed on the entire surface in the step shown in FIG. 6B, the resistance change layer 27 is divided for each pillar 16 in the step shown in FIG. Therefore, the time during which the resistance change layer 27 is a continuous film is short. Thereby, it can suppress that the resistance change layer 27 peels by film | membrane stress.

更にまた、本実施形態においては、図6(a)に示す工程において、上部電極層26、芯材層25、下部電極層24及びシリサイド層23をエッチングした後、洗浄して副生成物を除去し、その後、図6(b)に示す工程において、抵抗変化層27及び保護絶縁層28を形成している。そして、図7(a)に示す工程において、整流素子層22及びバリアメタル層21をエッチングしている。このように、本実施形態によれば、抵抗変化層27を形成する工程と保護絶縁層28を形成する工程との間に、エッチング工程が存在しないため、抵抗変化層27にエッチングの際に生成される副生成物が付着することがない。   Furthermore, in the present embodiment, in the step shown in FIG. 6A, the upper electrode layer 26, the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the silicide layer 23 are etched and then washed to remove byproducts. Then, in the process shown in FIG. 6B, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed. 7A, the rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21 are etched. As described above, according to the present embodiment, there is no etching process between the process of forming the resistance change layer 27 and the process of forming the protective insulating layer 28. Therefore, the resistance change layer 27 is generated during etching. The by-product produced does not adhere.

更にまた、本実施形態においては、ピラー16の機械的な強度が、芯材層25によって担保されている。芯材層25の材料には、下部電極層24及び上部電極層26に対して化学的に結合する材料を選ぶことができる。これにより、芯材層25と下部電極層24及び上部電極層26との密着強度も高めることができる。このように、本実施形態においては、ピラー16に芯材層25が設けられているため、ピラー16の機械的な強度が高く、ピラー16が倒壊しにくい。例えば、洗浄後の乾燥工程において、洗浄液の表面張力によってピラー16が倒壊する可能性が低い。このため、記憶装置1は信頼性が高い。   Furthermore, in the present embodiment, the mechanical strength of the pillar 16 is secured by the core material layer 25. As the material of the core material layer 25, a material that is chemically bonded to the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26 can be selected. Thereby, the adhesion strength between the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the upper electrode layer 26 can also be increased. Thus, in this embodiment, since the core material layer 25 is provided in the pillar 16, the mechanical strength of the pillar 16 is high and the pillar 16 is hard to collapse. For example, in the drying process after cleaning, the possibility that the pillar 16 collapses due to the surface tension of the cleaning liquid is low. For this reason, the storage device 1 has high reliability.

更にまた、本実施形態においては、上下方向から見たピラー16の面積によって整流素子層22の面積を決定することができ、上下方向から見た芯材層25の直径及び抵抗変化層27の厚さにより、抵抗変化層27の面積を決定することができる。このように、本実施形態によれば、電流が流れる方向、すなわち、上下方向から見た整流素子層22の面積及び抵抗変化層27の面積を、相互に独立して決定することができる。特に、本実施形態においては、整流素子層22の面積が抵抗変化層27の面積よりも大きいため、より高品質な整流性を実現することができる。   Furthermore, in the present embodiment, the area of the rectifying element layer 22 can be determined by the area of the pillar 16 viewed from the vertical direction, and the diameter of the core material layer 25 and the thickness of the resistance change layer 27 viewed from the vertical direction. Thus, the area of the resistance change layer 27 can be determined. As described above, according to the present embodiment, the direction in which the current flows, that is, the area of the rectifying element layer 22 and the area of the resistance change layer 27 viewed from the top and bottom directions can be determined independently of each other. In particular, in this embodiment, since the area of the rectifying element layer 22 is larger than the area of the resistance change layer 27, higher quality rectification can be realized.

更にまた、本実施形態においては、芯材層25の高さを5〜30nmとしている。芯材層25の高さを5nm以上とすることにより、芯材層25内をトンネル電流が流れることを抑制し、下部電極層24と上部電極層26との間のリーク電流を低減することができる。一方、芯材層25の高さを30nm以下とすることにより、ピラー16を形成する際のアスペクト比を抑え、加工精度を確保することができる。   Furthermore, in this embodiment, the height of the core material layer 25 is 5 to 30 nm. By setting the height of the core material layer 25 to 5 nm or more, it is possible to suppress the tunnel current from flowing through the core material layer 25 and reduce the leakage current between the lower electrode layer 24 and the upper electrode layer 26. it can. On the other hand, by setting the height of the core material layer 25 to 30 nm or less, it is possible to suppress the aspect ratio when forming the pillars 16 and to secure the processing accuracy.

次に、本実施形態の比較例について説明する。
図9は、本比較例に係る記憶装置のピラーを例示する断面図である。
図9に示すように、本比較例に係る記憶装置においては、各ピラー116において、芯材層25(図2参照)が設けられておらず、下部電極層124、抵抗変化層127及び上部電極層126がこの順に積層されている。抵抗変化層127においては、CNT等のカーボンナノマテリアルが隙間を介して集合している。なお、図9においては、ピラー116を構成する層のうち、バリアメタル層、整流素子層及びシリサイド層は、図示を省略している。
Next, a comparative example of this embodiment will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a pillar of the memory device according to this comparative example.
As shown in FIG. 9, in the memory device according to this comparative example, each pillar 116 is not provided with the core material layer 25 (see FIG. 2), and the lower electrode layer 124, the resistance change layer 127, and the upper electrode Layer 126 is laminated in this order. In the resistance change layer 127, carbon nanomaterials such as CNT are gathered through a gap. In FIG. 9, the barrier metal layer, the rectifying element layer, and the silicide layer among the layers constituting the pillar 116 are not shown.

本比較例においては、下部電極層124、抵抗変化層127及び上部電極層126をこの順に積層した後、パターニングすることにより、ピラー116を形成する。このように、抵抗変化層127を成膜した後で上部電極層126を成膜しているため、上部電極層126を形成する導電性材料が抵抗変化層127の隙間内に侵入し、抵抗変化層127の上部に染込層127aが形成されてしまう。染込層127aにおいては、カーボンナノマテリアル間の隙間に導電性材料が充填されているため、電流はこの導電性材料を流れてしまい、全体として抵抗が変化しない。また、導電性材料の侵入深さ、すなわち、染込層127aの厚さは、ピラー116毎にばらつき、1本のピラー116内においてもばらつく。これにより、メモリセル間において抵抗変化層127の電気的特性がばらつく。また、染込層127aが下部電極層124に到達すると、下部電極層124と上部電極層126とが短絡してしまう。   In this comparative example, the lower electrode layer 124, the resistance change layer 127, and the upper electrode layer 126 are stacked in this order, and then patterned to form the pillar 116. As described above, since the upper electrode layer 126 is formed after the variable resistance layer 127 is formed, the conductive material forming the upper electrode layer 126 penetrates into the gaps of the variable resistance layer 127 and changes resistance. The soaking layer 127 a is formed on the upper side of the layer 127. In the infiltrated layer 127a, since the conductive material is filled in the gaps between the carbon nanomaterials, the current flows through the conductive material, and the resistance does not change as a whole. Further, the penetration depth of the conductive material, that is, the thickness of the infiltrating layer 127 a varies for each pillar 116 and varies in one pillar 116. As a result, the electrical characteristics of the resistance change layer 127 vary between the memory cells. Further, when the soaking layer 127a reaches the lower electrode layer 124, the lower electrode layer 124 and the upper electrode layer 126 are short-circuited.

また、上述の如く、抵抗変化層127はカーボンナノマテリアルが隙間を介して緩く集合した層であるため、例えば不純物が混入することによって分子間力が発生すると、カーボンナノマテリアルが局所的に凝集し、表面にミクロ的なラフネスが発生することがある。そして、本比較例においては、抵抗変化層127上にハードマスク層及びレジストパターン等を積層しているため、このラフネスがハードマスク層及びレジストパターンに反映されてしまう。この結果、ピラー116を形成するためのリソグラフィにおいて、露光光の焦点ぼけが発生し、パターンに不良が発生する場合がある。また、レジストパターンのパターンをハードマスク層及びそれより下方の各層に転写する際に、凹部における抜け残り、及び、凸部におけるパターン消失が発生する場合がある。更に、本比較例に係る記憶装置は3次元クロスポイント構造であるため、各段における抵抗変化層127のラフネスが、積層を重ねるにつれて積算されてしまい、上段側のピラー116ほど、凹凸が大きくなってしまう。   In addition, as described above, the resistance change layer 127 is a layer in which carbon nanomaterials are loosely gathered through a gap. For example, when an intermolecular force is generated by mixing impurities, the carbon nanomaterial aggregates locally. Micro roughness may occur on the surface. In this comparative example, since the hard mask layer and the resist pattern are stacked on the variable resistance layer 127, this roughness is reflected in the hard mask layer and the resist pattern. As a result, in the lithography for forming the pillar 116, exposure light may be defocused and a pattern may be defective. Further, when transferring the pattern of the resist pattern to the hard mask layer and each layer below the hard mask layer, there may be a case where the remaining portion in the concave portion and the pattern disappearance in the convex portion occur. Furthermore, since the memory device according to this comparative example has a three-dimensional cross point structure, the roughness of the resistance change layer 127 in each stage is integrated as the layers are stacked, and the unevenness becomes larger as the pillar 116 on the upper stage side. End up.

更にまた、抵抗変化層127を形成するカーボンナノマテリアルと、下部電極層124及び上部電極層126を形成する金属とは、化学的に結合せず、分子間力によって結合しているに過ぎないため、抵抗変化層127と下部電極層124及び上部電極層126とは、密着性が低い。そして、本比較例においては、パターニング前の連続膜の状態にある抵抗変化層127の上に、ピラー116をパターニングするためのハードマスク層等の厚い膜を形成している。このため、これらの膜の膜応力により、抵抗変化層127が下部電極層124から剥がれてしまうことがある。   Furthermore, the carbon nanomaterial forming the resistance change layer 127 and the metal forming the lower electrode layer 124 and the upper electrode layer 126 are not chemically bonded but only bonded by intermolecular force. The resistance change layer 127, the lower electrode layer 124, and the upper electrode layer 126 have low adhesion. In this comparative example, a thick film such as a hard mask layer for patterning the pillar 116 is formed on the variable resistance layer 127 in a continuous film state before patterning. For this reason, the resistance change layer 127 may be peeled off from the lower electrode layer 124 due to the film stress of these films.

更にまた、本比較例においては、ピラー116における長手方向の一部を、抵抗変化層127のみによって構成しているが、上述の如く、抵抗変化層127はカーボンナノマテリアルの集合体であり、機械的強度が低い。このため、ピラー116は抵抗変化層127の部分で破断しやすく、従って、倒壊しやすい。特に、洗浄工程の後の乾燥工程において、洗浄液の表面張力によってピラー116が倒壊しやすい。このように、本比較例に係る記憶装置は、信頼性が低い。   Furthermore, in the present comparative example, a part of the pillar 116 in the longitudinal direction is constituted only by the resistance change layer 127. However, as described above, the resistance change layer 127 is an aggregate of carbon nanomaterials. Low strength. For this reason, the pillar 116 is easily broken at the portion of the resistance change layer 127, and is therefore easily collapsed. In particular, in the drying process after the cleaning process, the pillar 116 is likely to collapse due to the surface tension of the cleaning liquid. Thus, the storage device according to this comparative example has low reliability.

更にまた、本比較例においては、上部電極層126、抵抗変化層127、下部電極層124及び整流素子層(図示せず)等をエッチングしてピラー116を形成する際に、副生成物130が、抵抗変化層127の側面上にも付着してしまう。このため、抵抗変化層127の特性が劣化する。なお、エッチング後に、ピラー116を覆うように保護絶縁膜128を成膜しても、副生成物130はそれより前に生成されるため、保護絶縁膜128の内側に形成されてしまう。   Furthermore, in this comparative example, when the pillar 116 is formed by etching the upper electrode layer 126, the resistance change layer 127, the lower electrode layer 124, the rectifying element layer (not shown), and the like, Also, it adheres to the side surface of the resistance change layer 127. For this reason, the characteristic of the resistance change layer 127 deteriorates. Note that even if the protective insulating film 128 is formed so as to cover the pillar 116 after the etching, the by-product 130 is generated before that, and thus is formed inside the protective insulating film 128.

更にまた、本比較例においては、ピラー116における長手方向の一部を整流素子層が占め、他の一部を抵抗変化層127が占めているため、電流方向から見た整流素子層の面積及び抵抗変化層127の面積は、ピラー116の太さによって決まってしまう。このため、整流素子層の面積及び抵抗変化層127の面積を、独立して決定することが困難である。   Furthermore, in this comparative example, since the rectifying element layer occupies a part of the pillar 116 in the longitudinal direction and the other part is occupied by the resistance change layer 127, the area of the rectifying element layer viewed from the current direction and The area of the resistance change layer 127 is determined by the thickness of the pillar 116. For this reason, it is difficult to independently determine the area of the rectifying element layer and the area of the resistance change layer 127.

次に、第2の実施形態について説明する。
図10は、本実施形態におけるピラーを例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係る記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る記憶装置1(図1〜図4参照)と比較して、抵抗変化層27及び保護絶縁層28が、ピラー16の側面の全周ではなく、相互に反対側の2ヶ所の領域のみに設けられている点が異なっている。すなわち、抵抗変化層27及び保護絶縁層28は、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26の側面のうち、これらの層のすぐ下に設けられたワード線WL又はビット線BLが延びる方向に対して略平行な領域上に設けられている。
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a pillar in this embodiment.
As shown in FIG. 10, the memory device 2 according to the present embodiment is different from the memory device 1 according to the first embodiment described above (see FIGS. 1 to 4) in the resistance change layer 27 and the protective insulating layer. The difference is that 28 is provided not in the entire circumference of the side surface of the pillar 16 but in only two regions on the opposite sides. That is, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 include the word line WL or the bit line BL provided immediately below the side surfaces of the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26, respectively. It is provided on a region substantially parallel to the extending direction.

具体的には、図10に示すように、ワード線WL上に設けられたピラー16については、抵抗変化層27及び保護絶縁層28は、ワード線方向に対して略平行な領域25a上に形成されており、ビット線方向に対して平行な領域25b上には形成されていない。一方、ビット線BL上に設けられたピラー16については、抵抗変化層27及び保護絶縁層28は、ビット線方向に対して略平行な領域上に形成されており、ワード線方向に対して略平行な領域上には形成されていない。   Specifically, as shown in FIG. 10, for the pillar 16 provided on the word line WL, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed on a region 25a substantially parallel to the word line direction. However, it is not formed on the region 25b parallel to the bit line direction. On the other hand, with respect to the pillar 16 provided on the bit line BL, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed on a region substantially parallel to the bit line direction, and substantially in the word line direction. They are not formed on parallel regions.

次に、本実施形態に係る記憶装置の製造方法について説明する。
図11(a)及び(b)、図12(a)及び(b)、図13〜図16は、本実施形態に係る記憶装置の製造方法を例示する工程斜視図である。
先ず、図1に示すように、シリコン基板11の上面に駆動回路を形成する。次に、シリコン基板11上に層間絶縁膜12を形成し、駆動回路まで到達するコンタクト(図示せず)を形成する。
Next, a method for manufacturing the storage device according to the present embodiment will be described.
FIGS. 11A and 11B, FIGS. 12A and 12B, and FIGS. 13 to 16 are process perspective views illustrating the method for manufacturing the memory device according to this embodiment.
First, as shown in FIG. 1, a drive circuit is formed on the upper surface of the silicon substrate 11. Next, an interlayer insulating film 12 is formed on the silicon substrate 11, and a contact (not shown) reaching the drive circuit is formed.

次に、図11(a)に示すように、層間絶縁膜12上に、ワード線WLを形成するための配線材料層として、バリアメタル層32及び配線本体31を形成する。次に、バリアメタル層21、整流素子層22、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26をこの順に形成することにより、積層体55を形成する。バリアメタル層32から上部電極層26までの各層は、それぞれ1枚の連続膜として全面に成膜する。このとき、整流素子層22と下部電極層24との間には、シリサイド層23が形成される。   Next, as shown in FIG. 11A, a barrier metal layer 32 and a wiring body 31 are formed on the interlayer insulating film 12 as a wiring material layer for forming the word line WL. Next, the laminated body 55 is formed by forming the barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26 in this order. Each layer from the barrier metal layer 32 to the upper electrode layer 26 is formed on the entire surface as one continuous film. At this time, a silicide layer 23 is formed between the rectifying element layer 22 and the lower electrode layer 24.

次に、積層体55上にハードマスク層51を形成し、その上にレジスト膜を形成する。そして、リソグラフィ法により、このレジスト膜をパターニングして、ワード線方向に延びる複数本のライン状のレジストパターン56を形成する。レジストパターン56は、ワード線WLを形成する予定の領域に、ラインアンドスペース(L/S)状に配列させる。   Next, a hard mask layer 51 is formed on the stacked body 55, and a resist film is formed thereon. Then, the resist film is patterned by lithography to form a plurality of line-shaped resist patterns 56 extending in the word line direction. The resist pattern 56 is arranged in a line and space (L / S) shape in a region where the word line WL is to be formed.

次に、図11(b)に示すように、レジストパターン56をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、シリサイド層23を完全に貫通し、整流素子層22の上部に到達した時点で停止させる。これにより、積層体55の上部、すなわち、上部電極層26、芯材層25、下部電極層24及びシリサイド層23が選択的に除去されて、ワード線方向に延びるライン状の複数の上部積層体57が形成される上部積層体57上にはハードマスク層51が残留する。一方、この時点では、整流素子層22、バリアメタル層21、配線本体31及びバリアメタル層32は分断されない。なお、下部電極層24内又はシリサイド層23内において、エッチングを停止させてもよい。次に、全体を洗浄し、エッチングに伴う副生成物を除去する。   Next, as shown in FIG. 11B, anisotropic etching such as RIE is performed using the resist pattern 56 as a mask. This etching is stopped when it completely penetrates the silicide layer 23 and reaches the upper part of the rectifying element layer 22. Thereby, the upper part of the stacked body 55, that is, the upper electrode layer 26, the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the silicide layer 23 are selectively removed, and a plurality of line-shaped upper stacked bodies extending in the word line direction are obtained. The hard mask layer 51 remains on the upper laminate 57 where the 57 is formed. On the other hand, at this point, the rectifying element layer 22, the barrier metal layer 21, the wiring body 31, and the barrier metal layer 32 are not divided. Note that the etching may be stopped in the lower electrode layer 24 or the silicide layer 23. Next, the whole is washed, and by-products accompanying the etching are removed.

次に、図12(a)に示すように、カーボンナノマテリアル、例えばカーボンナノチューブ(CNT)を溶媒、例えば水に分散させた分散液を塗布し、乾燥させ、ベークすることにより、全面に抵抗変化層27を形成する。抵抗変化層27は、上部積層体57及びハードマスク層51を覆うと共に、整流素子層22の上面のうち上部積層体57によって覆われていない領域を覆う。次に、抵抗変化層27を覆うように、全面に保護絶縁層28を成膜する。保護絶縁層28は、抵抗変化層27のカーボンナノマテリアルを酸化しないように、酸化物以外の絶縁性材料、例えば、シリコン窒化物により形成する。   Next, as shown in FIG. 12 (a), a resistance change is applied to the entire surface by applying a carbon nanomaterial, for example, a dispersion of carbon nanotubes (CNT) dispersed in a solvent, for example, water, drying, and baking. Layer 27 is formed. The resistance change layer 27 covers the upper stacked body 57 and the hard mask layer 51, and covers a region of the upper surface of the rectifying element layer 22 that is not covered by the upper stacked body 57. Next, a protective insulating layer 28 is formed on the entire surface so as to cover the resistance change layer 27. The protective insulating layer 28 is formed of an insulating material other than oxide, for example, silicon nitride so as not to oxidize the carbon nanomaterial of the resistance change layer 27.

次に、図12(b)に示すように、ハードマスク層51をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、バリアメタル層32を貫通し、層間絶縁膜12に到達した後に停止させる。これにより、積層体55の下部、すなわち、整流素子層22及びバリアメタル層21、並びに、配線本体31及びバリアメタル層32が選択的に除去されて、上部積層体57の直下域に残留する。なお、図11(b)に示す工程において、エッチングをシリサイド層23内又は下部電極層24内で停止した場合は、本工程において、下部電極層24及びシリサイド層23が分断される。すなわち、積層体55の下部が、積層体55の上部(上部積層体57)に対して自己整合的にパターニングされる。このとき、抵抗変化層27及び保護絶縁層28も選択的に除去されて、上部積層体57の側面上のみに残留する。抵抗変化層27は保護絶縁層28により保護されているため、RIEによってダメージを受けることはない。   Next, as shown in FIG. 12B, anisotropic etching such as RIE is performed using the hard mask layer 51 as a mask. This etching is stopped after penetrating the barrier metal layer 32 and reaching the interlayer insulating film 12. As a result, the lower portion of the stacked body 55, that is, the rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21, and the wiring body 31 and the barrier metal layer 32 are selectively removed and remain in the region directly below the upper stacked body 57. In the step shown in FIG. 11B, when the etching is stopped in the silicide layer 23 or the lower electrode layer 24, the lower electrode layer 24 and the silicide layer 23 are divided in this step. That is, the lower portion of the stacked body 55 is patterned in a self-aligned manner with respect to the upper portion of the stacked body 55 (upper stacked body 57). At this time, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are also selectively removed and remain only on the side surfaces of the upper stacked body 57. Since the resistance change layer 27 is protected by the protective insulating layer 28, it is not damaged by RIE.

このようにして、バリアメタル層21、整流素子層22、シリサイド層23、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26、並びに抵抗変化層27及び保護絶縁層28がワード線方向に延びるライン状に分断されて、ワード線積層体58が形成される。また、バリアメタル層32及び配線本体31がワード線方向に延びるライン状に分断されて、ワード線積層体58の直下域にワード線WLが形成される。なお、ワード線積層体58上にはハードマスク層51が残留する。   In this manner, the barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the silicide layer 23, the lower electrode layer 24, the core material layer 25 and the upper electrode layer 26, the resistance change layer 27, and the protective insulating layer 28 extend in the word line direction. The word line stacked body 58 is formed by being divided into lines. Further, the barrier metal layer 32 and the wiring body 31 are divided into lines extending in the word line direction, and a word line WL is formed immediately below the word line stacked body 58. Note that the hard mask layer 51 remains on the word line stacked body 58.

次に、図13に示すように、全面に絶縁膜18を形成する。次に、例えばシリコン酸化物を堆積させて、ワード線積層体58を埋め込むように、層間絶縁膜17を形成する。これにより、ワード線WL間にも層間絶縁膜17が配置されて、複数本のワード線WLを含むワード線配線層14が形成される。次に、上部電極層26をストッパとしてCMP等の平坦化処理を施す。これにより、ハードマスク層51が除去され、上部電極層26及び層間絶縁膜17等が露出した平坦面が形成される。   Next, as shown in FIG. 13, an insulating film 18 is formed on the entire surface. Next, for example, silicon oxide is deposited, and the interlayer insulating film 17 is formed so as to bury the word line stacked body 58. As a result, the interlayer insulating film 17 is also disposed between the word lines WL, and the word line wiring layer 14 including a plurality of word lines WL is formed. Next, a planarization process such as CMP is performed using the upper electrode layer 26 as a stopper. As a result, the hard mask layer 51 is removed, and a flat surface is formed with the upper electrode layer 26, the interlayer insulating film 17 and the like exposed.

次に、図14に示すように、ビット線BLを形成するための配線材料層として、バリアメタル層34及び配線本体33を形成する。次に、2段目のバリアメタル層21、整流素子層22、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26をこの順に形成する。各層はそれぞれ1枚の連続膜として全面に成膜する。このとき、整流素子層22と下部電極層24との間には、シリサイド層23が形成される。2段目のバリアメタル層21から上部電極層26までの層により、積層体59が形成される。   Next, as shown in FIG. 14, a barrier metal layer 34 and a wiring body 33 are formed as a wiring material layer for forming the bit line BL. Next, the second-stage barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26 are formed in this order. Each layer is formed on the entire surface as one continuous film. At this time, a silicide layer 23 is formed between the rectifying element layer 22 and the lower electrode layer 24. A stacked body 59 is formed by the layers from the second-stage barrier metal layer 21 to the upper electrode layer 26.

次に、積層体59上にハードマスク層51を形成し、その上にレジスト膜を形成する。そして、リソグラフィ法により、このレジスト膜をパターニングして、ビット線方向に延びる複数本のライン状のレジストパターン60を形成する。レジストパターン60は、ビット線BLを形成する予定の領域に、ラインアンドスペース(L/S)状に配列させる。   Next, a hard mask layer 51 is formed on the stacked body 59, and a resist film is formed thereon. Then, the resist film is patterned by lithography to form a plurality of line-shaped resist patterns 60 extending in the bit line direction. The resist pattern 60 is arranged in a line and space (L / S) shape in a region where the bit line BL is to be formed.

次に、図15に示すように、レジストパターン60(図14参照)をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、2段目のシリサイド層23を完全に貫通し、2段目の整流素子層22の上部に到達した時点で停止させる。これにより、積層体59の上部、すなわち、2段目の上部電極層26、芯材層25、下部電極層24及びシリサイド層23がワード線方向に沿って分断され、ビット線方向に延びるライン状の上部積層体61が形成される。上部積層体61上にはハードマスク層51が残留する。なお、このエッチングも、下部電極層24内又はシリサイド層23内で停止させてもよい。次に、全体を洗浄し、エッチングに伴う副生成物を除去する。次に、全面に抵抗変化層27及び保護絶縁層28を形成する。保護絶縁層28は、酸化物以外の絶縁性材料により形成する。   Next, as shown in FIG. 15, anisotropic etching such as RIE is performed using the resist pattern 60 (see FIG. 14) as a mask. This etching is stopped when it completely penetrates the second-stage silicide layer 23 and reaches the upper part of the second-stage rectifying element layer 22. As a result, the upper portion of the stacked body 59, that is, the upper electrode layer 26, the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the silicide layer 23 in the second stage are divided along the word line direction and extend in the bit line direction. The upper laminate 61 is formed. The hard mask layer 51 remains on the upper stacked body 61. This etching may also be stopped in the lower electrode layer 24 or the silicide layer 23. Next, the whole is washed, and by-products accompanying the etching are removed. Next, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed on the entire surface. The protective insulating layer 28 is formed of an insulating material other than oxide.

次に、図16に示すように、ハードマスク層51(図15参照)をマスクとしてRIE等の異方性エッチングを施す。このエッチングは、1段目の整流素子層22を貫通し、ワード線WLに到達した段階で停止させる。これにより、積層体59の下部、すなわち、2段目の整流素子層22及びバリアメタル層21、並びに、配線本体33及びバリアメタル層34が選択的に除去されて、ワード線方向に沿って分断される。また、ワード線積層体58が選択的に除去されて、ワード線方向に沿って分断される。図15に示すエッチングが下部電極層24内又はシリサイド層23内で停止した場合においても、本工程において、下部電極層24及びシリサイド層23が分断される。   Next, as shown in FIG. 16, anisotropic etching such as RIE is performed using the hard mask layer 51 (see FIG. 15) as a mask. This etching is stopped when it reaches the word line WL through the first-stage rectifying element layer 22. As a result, the lower portion of the stacked body 59, that is, the second-stage rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21, and the wiring body 33 and the barrier metal layer 34 are selectively removed and divided along the word line direction. Is done. Further, the word line stacked body 58 is selectively removed and divided along the word line direction. Even when the etching shown in FIG. 15 stops in the lower electrode layer 24 or the silicide layer 23, the lower electrode layer 24 and the silicide layer 23 are divided in this step.

図15に示す工程において、積層体59(図14参照)の上部、すなわち、2段目の上部電極層26、芯材層25、下部電極層24及びシリサイド層23は既にワード線方向に沿って分断されて上部積層体61となっているため、本工程において、積層体59の下部、すなわち、2段目の整流素子層22及びバリアメタル層21がワード線方向に沿って分断されることにより、積層体59全体がワード線方向に沿って分断され、これに伴って抵抗変化層27及び保護絶縁層28も分断される。この結果、ビット線方向に延びるビット線積層体62が形成される。ビット線積層体62は、2段目のバリアメタル層21、整流素子層22、シリサイド層33、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26がこの順に積層され、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26の側面上に抵抗変化層27及び保護絶縁層28が形成されたものである。   In the process shown in FIG. 15, the upper portion of the laminate 59 (see FIG. 14), that is, the upper electrode layer 26, the core material layer 25, the lower electrode layer 24, and the silicide layer 23 in the second stage are already along the word line direction. Since the upper laminated body 61 is divided, in this step, the lower part of the laminated body 59, that is, the second-stage rectifying element layer 22 and the barrier metal layer 21 are divided along the word line direction. The entire stacked body 59 is divided along the word line direction, and accordingly, the resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are also divided. As a result, a bit line stacked body 62 extending in the bit line direction is formed. In the bit line stack 62, the second-stage barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the silicide layer 33, the lower electrode layer 24, the core material layer 25, and the upper electrode layer 26 are stacked in this order, and the lower electrode layer 24, A resistance change layer 27 and a protective insulating layer 28 are formed on the side surfaces of the core material layer 25 and the upper electrode layer 26.

また、配線本体33及びバリアメタル層34がワード線方向に沿って分断されることにより、ビット線BLが形成される。更に、ワード線積層体58は、図12(b)に示す工程において、既にビット線方向に沿って分断されているため、本工程においてワード線方向に沿って分断されることにより、ビット線方向及びワード線方向の双方に沿ってマトリクス状に配列された複数本のピラー16となる。   Further, the bit body BL is formed by dividing the wiring body 33 and the barrier metal layer 34 along the word line direction. Further, since the word line stacked body 58 is already divided along the bit line direction in the step shown in FIG. 12B, the word line stacked body 58 is divided along the word line direction in this step, so that And a plurality of pillars 16 arranged in a matrix along both the word line direction.

次に、全面に絶縁膜18を形成し、層間絶縁膜17を形成する。これにより、ビット線BL間にも層間絶縁膜17が配置されて、複数本のビット線BLを含むビット線配線層15が形成される。次に、2段目の上部電極層26をストッパとしてCMP等の平坦化処理を施す。
以後、同様にして、図11(a)〜図16に示す工程を繰り返す。これにより、本実施形態に係る記憶装置2が製造される。
この繰り返す工程を概略的に説明すると、下記<1>〜<10>のようになる。
Next, an insulating film 18 is formed on the entire surface, and an interlayer insulating film 17 is formed. As a result, the interlayer insulating film 17 is also disposed between the bit lines BL, and the bit line wiring layer 15 including a plurality of bit lines BL is formed. Next, a planarization process such as CMP is performed using the second-stage upper electrode layer 26 as a stopper.
Thereafter, similarly, the steps shown in FIGS. 11A to 16 are repeated. Thereby, the memory | storage device 2 which concerns on this embodiment is manufactured.
The repeating process is schematically described as <1> to <10> below.

<1>ワード線WLの材料であるバリアメタル層32及び配線本体31を積層し、その上にバリアメタル層21、整流素子層22、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26をこの順に積層して積層体55を形成する(図11(a))。   <1> A barrier metal layer 32 and a wiring body 31 which are materials of the word line WL are laminated, and a barrier metal layer 21, a rectifying element layer 22, a lower electrode layer 24, a core material layer 25 and an upper electrode layer 26 are formed thereon. The stacked body 55 is formed by stacking in this order (FIG. 11A).

<2>積層体55上に、ハードマスク層51及びレジストパターン52を形成し、これをマスクとしてエッチングを施すことにより、積層体55の上部、すなわち、整流素子層22よりも上方の部分を、ワード線方向に延びるライン状の上部積層体57に分断する(図11(b))。   <2> On the stacked body 55, a hard mask layer 51 and a resist pattern 52 are formed, and etching is performed using the hard mask layer 51 and the resist pattern 52 as a mask. Divided into a line-shaped upper laminate 57 extending in the word line direction (FIG. 11B).

<3>上部積層体57を覆うように抵抗変化層27及び保護絶縁層28を形成する(図12(a))。   <3> The resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed so as to cover the upper stacked body 57 (FIG. 12A).

<4>ハードマスク層51をマスクとしてエッチングを施す。これにより、積層体55の下部を分断してワード線方向に延びるワード線積層体58を形成し、配線本体31及びバリアメタル層32を分断してワード線WLを形成し、もしあれば、その下のビット線積層体62(図16参照)を分断してピラー16を形成する(図12(b))。   <4> Etching is performed using the hard mask layer 51 as a mask. As a result, the lower portion of the stacked body 55 is divided to form the word line stacked body 58 extending in the word line direction, the wiring body 31 and the barrier metal layer 32 are divided to form the word line WL. The lower bit line stack 62 (see FIG. 16) is divided to form pillars 16 (FIG. 12B).

<5>ワード線積層体58を覆うように層間絶縁膜17を形成し、上部電極層26をストッパとして上面を平坦化する(図13)。   <5> The interlayer insulating film 17 is formed so as to cover the word line stacked body 58, and the upper surface is flattened using the upper electrode layer 26 as a stopper (FIG. 13).

<6>ワード線積層体58上に、ビット線BLの材料であるバリアメタル層34及び配線本体33を積層し、その上にバリアメタル層21、整流素子層22、下部電極層24、芯材層25及び上部電極層26をこの順に積層して積層体59を形成する(図14)。   <6> On the word line stacked body 58, the barrier metal layer 34 and the wiring body 33, which are the materials of the bit line BL, are stacked, and the barrier metal layer 21, the rectifying element layer 22, the lower electrode layer 24, and the core material are stacked thereon. The layer 25 and the upper electrode layer 26 are stacked in this order to form a stacked body 59 (FIG. 14).

<7>積層体59上に、ハードマスク層51及びレジストパターン60を形成し、これをマスクとしてエッチングを施すことにより、積層体59の上部をビット線方向に延びるライン状の上部積層体61に分断する(図15)。   <7> The hard mask layer 51 and the resist pattern 60 are formed on the stacked body 59, and etching is performed using the hard mask layer 51 and the resist pattern 60 as a mask, whereby the upper portion of the stacked body 59 is changed to a linear upper stacked body 61 extending in the bit line direction. Divide (FIG. 15).

<8>上部積層体61を覆うように抵抗変化層27及び保護絶縁層28を形成する(図15)。   <8> The resistance change layer 27 and the protective insulating layer 28 are formed so as to cover the upper laminate 61 (FIG. 15).

<9>ハードマスク層51をマスクとしてエッチングを施す。これにより、積層体59の下部を分断して、ビット線方向に延びるビット線積層体62を形成し、配線本体33及びバリアメタル層34を分断してビット線BLを形成し、その下のワード線積層体58を分断してピラー16を形成する(図16)。   <9> Etching is performed using the hard mask layer 51 as a mask. As a result, the lower portion of the stacked body 59 is divided to form the bit line stacked body 62 extending in the bit line direction, the wiring body 33 and the barrier metal layer 34 are divided to form the bit line BL, and the word lines below The line laminate 58 is divided to form pillars 16 (FIG. 16).

<10>ピラー16及びビット線積層体62を覆うように層間絶縁膜17を形成し、上面を平坦化する(図16)。   An interlayer insulating film 17 is formed so as to cover the <10> pillar 16 and the bit line stacked body 62, and the upper surface is planarized (FIG. 16).

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、上述の<1>〜<10>に示す一連の工程により、ワード線配線層14、複数本のピラー16からなる層、ビット線配線層15、複数本のピラー16からなる層の4層からなる基本構造体を作製することができる。このとき、上述の(2)及び(7)に示す工程において、それぞれリソグラフィを行っている。すなわち、2回のリソグラフィにより、上述の基本構造体を作製することができる。
一方、前述の第1の実施形態においては、ワード線配線層14、複数本のピラー16からなる層、ビット線配線層15、複数本のピラー16からなる層を形成する際に、それぞれリソグラフィを行っている。すなわち、4回のリソグラフィにより、上述の基本構造体を作製している。
このように、本実施形態によれば、前述の第1の実施形態と比較して、リソグラフィの回数を減らし、記憶装置の製造コストを低減することができる。一方、前述の第1の実施形態によれば、エッチングの際のアスペクト比を抑え、加工を容易にすることができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
In the present embodiment, the word line wiring layer 14, the layer composed of a plurality of pillars 16, the bit line wiring layer 15, and the plurality of pillars 16 are formed by a series of steps shown in the above <1> to <10>. A basic structure including four layers can be manufactured. At this time, lithography is performed in the steps (2) and (7) described above. That is, the basic structure described above can be manufactured by two lithography operations.
On the other hand, in the first embodiment described above, lithography is performed when forming the word line wiring layer 14, the layer composed of the plurality of pillars 16, the bit line wiring layer 15, and the layer composed of the plurality of pillars 16. Is going. That is, the above-described basic structure is manufactured by four times of lithography.
Thus, according to the present embodiment, the number of lithography can be reduced and the manufacturing cost of the storage device can be reduced as compared with the first embodiment described above. On the other hand, according to the first embodiment described above, it is possible to suppress the aspect ratio during etching and facilitate processing.

また、本実施形態によれば、上下方向において隣り合う配線とピラーを、同じリソグラフィにより自己整合的に形成することができる。このため、位置合わせの精度が高い。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
Further, according to the present embodiment, wirings and pillars that are adjacent in the vertical direction can be formed in a self-aligned manner by the same lithography. For this reason, the accuracy of alignment is high.
Other configurations, manufacturing methods, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.

以上説明した実施形態によれば、信頼性が高い記憶装置及びその製造方法を実現することができる。   According to the embodiment described above, a highly reliable storage device and a method for manufacturing the same can be realized.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

1、2:記憶装置、11:シリコン基板、12:層間絶縁膜、13:メモリセル部、14:ワード線配線層、15:ビット線配線層、16:ピラー、16a:ピラー上部、17:層間絶縁膜、18:絶縁膜、21:バリアメタル層、22:整流素子層、23:シリサイド層、24:下部電極層、25:芯材層、25a、25b:領域、26:上部電極層、27:抵抗変化層、27a:染込部分、28:保護絶縁層、31:配線本体、32:バリアメタル層、33:配線本体、34:バリアメタル層、41:CNT、42:隙間、50:積層体、51:ハードマスク層、52:レジストパターン、55:積層体、56:レジストパターン、57:上部積層体、58:ワード線積層体、59:積層体、60:レジストパターン、61:上部積層体、62:ビット線積層体、116:ピラー、124:下部電極層、126:上部電極層、127:抵抗変化層、127a:染込層、130:副生成物、BL:ビット線、WL:ワード線 1, 2: memory device, 11: silicon substrate, 12: interlayer insulating film, 13: memory cell portion, 14: word line wiring layer, 15: bit line wiring layer, 16: pillar, 16a: upper part of pillar, 17: interlayer Insulating film, 18: Insulating film, 21: Barrier metal layer, 22: Rectifying element layer, 23: Silicide layer, 24: Lower electrode layer, 25: Core material layer, 25a, 25b: Region, 26: Upper electrode layer, 27 : Resistance change layer, 27a: soaked part, 28: protective insulating layer, 31: wiring body, 32: barrier metal layer, 33: wiring body, 34: barrier metal layer, 41: CNT, 42: gap, 50: lamination Body: 51: hard mask layer, 52: resist pattern, 55: laminate, 56: resist pattern, 57: upper laminate, 58: word line laminate, 59: laminate, 60: resist pattern, 61: upper laminate body 62: bit line stack 116: pillar, 124: lower electrode layer, 126: upper electrode layer, 127: variable resistance layer, 127a: Somekomiso, 130: by-products, BL: Bit line, WL: wordline

Claims (15)

第1の方向に延びる複数本のワード線を含むワード線配線層と、
前記第1の方向に対して交差する第2の方向に延びる複数本のビット線を含むビット線配線層と、
各前記ワード線と各前記ビット線との間に接続されたピラーと、
前記ピラー間に設けられ、酸化物からなる層間絶縁膜と、
酸化物以外の絶縁材料からなる保護絶縁層と、
を備え、
前記ワード線配線層及び前記ビット線配線層は交互に積層されており、
前記ピラーは、
整流素子層と、
前記整流素子層上に設けられた下部電極層と、
前記下部電極層上に設けられた絶縁性の芯材層と、
前記芯材層上に設けられ、前記芯材層の側面上には設けられていない上部電極層と、
前記芯材層の側面上に設けられ、前記芯材層の周囲を囲み、前記下部電極層及び前記上部電極層に接し、複数のカーボンナノチューブが隙間を介して集合した抵抗変化層と、
を有し、
前記保護絶縁層は、前記抵抗変化層と前記層間絶縁膜との間に設けられており、
上方から見て、前記整流素子層の面積は前記抵抗変化層の面積よりも大きい記憶装置。
A word line wiring layer including a plurality of word lines extending in a first direction;
A bit line wiring layer including a plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction;
Pillars connected between each word line and each bit line;
An interlayer insulating film provided between the pillars and made of oxide;
A protective insulating layer made of an insulating material other than oxide;
With
The word line wiring layers and the bit line wiring layers are alternately stacked,
The pillar is
A rectifying element layer;
A lower electrode layer provided on the rectifying element layer;
An insulating core layer provided on the lower electrode layer;
An upper electrode layer provided on the core material layer and not provided on a side surface of the core material layer;
A resistance change layer provided on a side surface of the core material layer, surrounding the core material layer, in contact with the lower electrode layer and the upper electrode layer, and a plurality of carbon nanotubes gathered through a gap;
Have
The protective insulating layer is provided between the resistance change layer and the interlayer insulating film,
A memory device in which the area of the rectifying element layer is larger than the area of the variable resistance layer as viewed from above.
下部電極層と、
前記下部電極層上に設けられた絶縁性の芯材層と、
前記芯材層上に設けられ、前記芯材層の側面上には設けられていない上部電極層と、
前記芯材層の側面上に設けられ、前記下部電極層及び前記上部電極層に接し、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層と、
を備えた記憶装置。
A lower electrode layer;
An insulating core layer provided on the lower electrode layer;
An upper electrode layer provided on the core material layer and not provided on a side surface of the core material layer;
A variable resistance layer provided on a side surface of the core material layer, in contact with the lower electrode layer and the upper electrode layer, and a plurality of microconductors gathered through a gap;
A storage device.
前記微小導電体はカーボンナノチューブである請求項2記載の記憶装置。   The storage device according to claim 2, wherein the minute conductor is a carbon nanotube. 第1の方向に延びる複数本のワード線を含むワード線配線層と、
前記第1の方向に対して交差する第2の方向に延びる複数本のビット線を含むビット線配線層と、
をさらに備え、
前記ワード線配線層及び前記ビット線配線層は交互に積層されており、
前記下部電極層、前記芯材層、前記上部電極層及び前記抵抗変化層は、各前記ワード線と各前記ビット線との間に接続されたピラーを形成している請求項2または3に記載の記憶装置。
A word line wiring layer including a plurality of word lines extending in a first direction;
A bit line wiring layer including a plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction;
Further comprising
The word line wiring layers and the bit line wiring layers are alternately stacked,
The said lower electrode layer, the said core material layer, the said upper electrode layer, and the said resistance change layer form the pillar connected between each said word line and each said bit line. Storage device.
前記ピラー間に設けられた層間絶縁膜と、
前記抵抗変化層と前記層間絶縁膜との間に設けられた保護絶縁層と、
をさらに備え、
前記層間絶縁膜は酸化物からなり、
前記保護絶縁層は酸化物以外の絶縁材料からなる請求項4記載の記憶装置。
An interlayer insulating film provided between the pillars;
A protective insulating layer provided between the variable resistance layer and the interlayer insulating film;
Further comprising
The interlayer insulating film is made of an oxide,
The memory device according to claim 4, wherein the protective insulating layer is made of an insulating material other than an oxide.
前記抵抗変化層は、前記芯材層の側面のうち、前記芯材層のすぐ下に設けられた前記ワード線又は前記ビット線が延びる方向に対して平行な領域上に設けられている請求項4または5に記載の記憶装置。   The variable resistance layer is provided on a side surface of the core material layer on a region parallel to a direction in which the word line or the bit line provided immediately below the core material layer extends. The storage device according to 4 or 5. 前記抵抗変化層は、前記芯材層の周囲を囲むように設けられている請求項2〜5のいずれか1つに記載の記憶装置。   The storage device according to claim 2, wherein the resistance change layer is provided so as to surround the periphery of the core material layer. 前記下部電極層の下方に設けられた整流素子層をさらに備え、
上方から見て、前記整流素子層の面積は前記抵抗変化層の面積よりも大きい請求項2〜7のいずれか1つに記載の記憶装置。
Further comprising a rectifying element layer provided below the lower electrode layer,
The storage device according to claim 2, wherein an area of the rectifying element layer is larger than an area of the variable resistance layer as viewed from above.
下部電極層、絶縁性の芯材層及び上部電極層をこの順に積層させる工程と、
前記上部電極層、前記芯材層及び前記下部電極層をパターニングして積層体を形成する工程と、
前記積層体の側面上に、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層を形成する工程と、
を備えた記憶装置の製造方法。
A step of laminating a lower electrode layer, an insulating core layer and an upper electrode layer in this order;
Patterning the upper electrode layer, the core material layer and the lower electrode layer to form a laminate;
Forming a resistance change layer in which a plurality of minute conductors are gathered via a gap on a side surface of the laminate; and
A method for manufacturing a storage device comprising:
第1の方向に延びる複数本のワード線を含むワード線配線層を形成する工程と、
整流素子層、下部電極層、絶縁性の芯材層及び上部電極層をこの順に積層させて積層体を形成する工程と、
前記上部電極層、前記芯材層及び前記下部電極層を選択的に除去することにより、前記ワード線の直上域にマトリクス状に配列された複数本のピラー上部を形成する工程と、
前記ピラー上部を覆うように、複数の微小導電体が隙間を介して集合した抵抗変化層を形成する工程と、
前記整流素子層を選択的に除去して前記ピラー上部の直下域に残留させると共に、前記抵抗変化層を選択的に除去して前記ピラー上部の側面上に残留させることにより、ピラーを形成する工程と、
前記ピラーの相互間に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ピラーの直上域を繋ぐ位置に、前記第1の方向に対して交差する第2の方向に延びる複数本のビット線を形成することにより、ビット線配線層を形成する工程と、
を備えた記憶装置の製造方法。
Forming a word line wiring layer including a plurality of word lines extending in a first direction;
A step of laminating a rectifying element layer, a lower electrode layer, an insulating core layer and an upper electrode layer in this order;
A step of selectively removing the upper electrode layer, the core material layer, and the lower electrode layer to form a plurality of pillar upper portions arranged in a matrix directly above the word line;
Forming a resistance change layer in which a plurality of microconductors are gathered through a gap so as to cover the top of the pillar;
Forming the pillar by selectively removing the rectifying element layer and allowing it to remain in the region directly below the pillar, and selectively removing the resistance change layer and remaining on the side surface of the pillar; When,
Forming an interlayer insulating film between the pillars;
Forming a bit line wiring layer by forming a plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction at a position connecting the regions directly above the pillars;
A method for manufacturing a storage device comprising:
前記ピラーを形成する工程の前に、前記抵抗変化層を覆う保護絶縁層を形成する工程をさらに備えた請求項10記載の記憶装置の製造方法。   The method for manufacturing a memory device according to claim 10, further comprising a step of forming a protective insulating layer covering the variable resistance layer before the step of forming the pillar. 前記保護絶縁層を酸化物以外の絶縁材料により形成し、
前記層間絶縁膜を酸化物により形成する請求項11記載の記憶装置の製造方法。
The protective insulating layer is formed of an insulating material other than oxide,
The method for manufacturing a memory device according to claim 11, wherein the interlayer insulating film is formed of an oxide.
第1の配線材料層、第1の整流素子層、第1の下部電極層、第1の芯材層及び第1の上部電極層を積層する工程と、
前記第1の上部電極層、前記第1の芯材層、前記第1の下部電極層を選択的に除去して、第1の方向に延びる第1のライン積層体を形成する工程と、
前記第1のライン積層体を覆うように、複数の微小導電体が隙間を介して集合した第1の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第1の整流素子層及び前記第1の配線材料層を選択的に除去して、前記第1のライン積層体の直下域に残留させることにより、前記第1の整流素子層及び前記第1のライン積層体を分断して第1の積層体を形成し、前記第1の配線材料層を分断してワード線を形成する工程と、
全面に層間絶縁膜を形成し、前記第1の上部電極層をストッパとして平坦化処理を施す工程と、
前記第1の積層体及び前記層間絶縁膜上に、第2の配線材料層、第2の整流素子層、第2の下部電極層、第2の芯材層及び第2の上部電極層を積層する工程と、
前記第2の上部電極層、前記第2の芯材層、前記第2の下部電極層を選択的に除去して、前記第1の方向に対して交差した第2の方向に延びる第2のライン積層体を形成する工程と、
前記第2のライン積層体を覆うように、複数の微小導電体が隙間を介して集合した第2の抵抗変化層を形成する工程と、
前記第2の整流素子層、前記第2の配線材料層及び前記第1の積層体を選択的に除去して、前記第2のライン積層体の直下域に残留させることにより、前記第2の整流素子層及び前記第2のライン積層体を分断して第2の積層体を形成し、前記第2の配線材料層を分断してビット線を形成し、前記第1の積層体を分断してピラーを形成する工程と、
全面に層間絶縁膜を形成し、前記第2の上部電極層をストッパとして平坦化処理を施す工程と、
を備えた記憶装置の製造方法。
Laminating a first wiring material layer, a first rectifying element layer, a first lower electrode layer, a first core material layer, and a first upper electrode layer;
Selectively removing the first upper electrode layer, the first core material layer, and the first lower electrode layer to form a first line stack extending in a first direction;
Forming a first variable resistance layer in which a plurality of microconductors are gathered via a gap so as to cover the first line stack;
The first rectifying element layer and the first wiring material layer are selectively removed and left in a region immediately below the first line stacked body, whereby the first rectifying element layer and the first rectifying element layer and the first wiring layer are selectively removed. Cutting the line stack to form a first stack, cutting the first wiring material layer to form a word line;
Forming an interlayer insulating film over the entire surface, and performing a planarization process using the first upper electrode layer as a stopper;
A second wiring material layer, a second rectifying element layer, a second lower electrode layer, a second core material layer, and a second upper electrode layer are stacked on the first stacked body and the interlayer insulating film. And a process of
The second upper electrode layer, the second core material layer, and the second lower electrode layer are selectively removed, and a second extending in a second direction intersecting the first direction Forming a line laminate;
Forming a second variable resistance layer in which a plurality of microconductors are gathered through a gap so as to cover the second line stack;
The second rectifying element layer, the second wiring material layer, and the first stacked body are selectively removed and left in a region immediately below the second line stacked body, whereby the second rectifying element layer, the second wiring material layer, and the first stacked body are removed. A rectifying element layer and the second line laminate are divided to form a second laminate, the second wiring material layer is divided to form a bit line, and the first laminate is divided. Forming pillars,
Forming an interlayer insulating film over the entire surface, and performing a planarization process using the second upper electrode layer as a stopper;
A method for manufacturing a storage device comprising:
前記第1の抵抗変化層を形成する工程の後、前記第1のライン積層体の直下域に残留させる工程の前に、第1の保護絶縁層を形成する工程と、
前記第2の抵抗変化層を形成する工程の後、前記第2のライン積層体の直下域に残留させる工程の前に、第2の保護絶縁層を形成する工程と、
をさらに備えた請求項13記載の記憶装置の製造方法。
A step of forming a first protective insulating layer after the step of forming the first variable resistance layer and before the step of remaining in the region immediately below the first line stack,
A step of forming a second protective insulating layer after the step of forming the second variable resistance layer and before the step of remaining in the region immediately below the second line stack;
The method for manufacturing a storage device according to claim 13, further comprising:
前記第1及び第2の保護絶縁層を酸化物以外の絶縁材料により形成し、
前記層間絶縁膜を酸化物により形成する請求項14記載の記憶装置の製造方法。
Forming the first and second protective insulating layers with an insulating material other than oxide;
The method for manufacturing a memory device according to claim 14, wherein the interlayer insulating film is formed of an oxide.
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